基于电活性有机物的钠离子全电池的设计、构建与电化学表征

Sodium ion batteries are now actively pursued as the most attractive alternative to Li-ion batteries for electric vehicle propulsion and renewable electric power storage, because of their potential advantages of low cost and widespread availability of sodium resources. However, Na-host materials for the sodium ion batteries are extremely limited because of the strict restrictions of the metal oxide lattices on the larger Na+. Therefore, it is important to search and develop new anode and cathode materials for sodium ion batteries. The organics seem to be an attractive candidate for such new batteries, because of their advantages of structural diversity, rich resources and environmentally benign. In this item, we intend to design and synthesis organics as cathode materials and anode materials to construct all organic sodium ion batteries. Following are the specific contents：Using suitable synthetic means to get the self-doped polymer or aromatic micro molecules as cathodes and n-doped conjugated carbonyl organic compounds or polymers as anodes。The effect of the organics structures on the electrochemical properties of the electrodes will be investigated by studying the electrochemical performances of the organics electrodes；All of this will provide theoretical guidance for the design and applications of all-organic sodium ion batteries with higher energy storage density, higher power density and better environmental compatibility.

钠离子电池具有资源丰富、成本低廉、环境友好等特点，被认为是替代锂离子电池作为下一代电动汽车动力电源及大规模储能电站配套电源的理想选择。受制于无机刚性晶格对于体积较大的钠离子的限制作用，可供选择的电极材料有限且可逆容量偏低。因此，探寻和发展新型正负极材料是发展钠离子电池的一个重要方向。其中有机物具有结构多样、资源丰富、环境友好等特点，因此，本研究拟设计合成不同结构的有机物阴极和有机物阳极，构建全有机钠离子电池。具体研究内容包括：采用合适的合成手段得到侧链含自掺杂基团聚合物或有机小分子作为正极体系，n-掺杂的共轭羰基有机物或聚合物作为负极体系。研究有机物的电化学性能，从而探索不同有机物结构对其电化学性质的影响；为进一步构建在储能密度、功率密度、环境资源效益等方面更具有优势的全有机钠离子储能体系提供理论基础知识和技术支持。

受制于无机刚性晶格对于体积较大的钠离子的限制作用，可供选择的钠离子电池电极材料有限且可逆容量偏低，有机电极材料种类多样、来源丰富、价格低廉、环境友好，有可能应用于大规模储能室温钠离子电池。本项目通过对有机化合物的主侧链调控、聚合反应、复合物种和数量等设计了系列钠离子电池有机正负极材料，进而构建了全有机钠离子电池，系统研究了其储钠电化学行为及机理。该项目拓展了有机材料材料的结构设计理念和改性策略，对开发新型有机材料提供了新的思路和科学依据。1、设计合成了具有不同侧链的蒽醌小分子，系统研究了这类材料的电化学储钠性能和充放电机理，探究了侧链对蒽醌小分子的电化学性能的影响；2、在聚苯胺侧链中接入磺酸基团，改变聚苯胺本体的其充放电机理，从而提高了聚合物的掺杂度，有效提高了材料的电化学性能；3、经盐化作用将THBQ转化为o-Na2THBQ，探究了盐化前后材料的储钠性能，并系统研究了电解液以及石墨烯复合的量对材料性能的影响；4、将THBQ与无水AlCl3配位生成铝配位四羟基苯醌（PTHBQ-Al）聚合物，改善小分子醌易溶于电解液的缺点，进而提升了材料的电化学稳定性；5、通过聚合反应得到PAQS，并与GO经超声搅拌复合后再在氩气气氛中煅烧，转化为还原氧化石墨烯rGO与PAQS的复合材料，探究了rGO的引入对PAQS界面结构对电子传导及钠离子传输动力学的影响；6、通过简单的液相超声法将聚合得到的PDBM与石墨烯复合，形成具有纳米花结构的复合物材料，能够提供大的电极/电解液接触面积和更多活性位点，进而提升有机材料的电化学储钠性质；7、以2-氨基苯磺酸和苯胺为单体，依照不同的单体比例，合成了三种共聚物，系统研究了三种聚合物材料的电化学储钠性能。本项目执行期间，共发表SCI论文27篇，会议论文13篇，学术著作2部，申请并授权中国发明专利4项。

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