高容量锂电材料Calix[6]quinone,Calix[8]quinone的合成与电化学性能研究

Organic compounds are very promising energy-storage material due to their advantages such as high specific capacity, abundant resources, environmental friendliness and safe system. Among them, carbonyl organic compounds have been considered as promising materials for the cathode of LIBs, primarily owing to their better electrochemical redox properties. In previous work, the applicant has been designed and synthesized the high-capacity materials Calix[4]quinone as the cathodes of LIB. The experiments show that the LIB with Calix[4]quinone (C4Q) Cathode and Gel Polymer Electrolyte showed a desirable electrochemical performance. Based on this work, the project intends to continue synthesis Calix[6]quinone and Calix[8]quinone materials as the cathodes of LIB. Aim to develop a synthesis method of them. To get their crystal structure, and carried out a structural analysis, because it can provide the theoretical support for electrode reaction. At the same time, to make a thorough study of their electrochemical performance, to illuminate the relationship between the molecular structure and the battery performance. This project will provide the theoretical basis and experimental data for the application of organic cathode material. It is also has significant theoretical and applied values in the realization of LIB with high capacity and green environmental protection.

有机物作为锂离子电池的正极材料，具有理论比容量高、原料丰富、环境友好、体系安全的优点。其中，有机羰基化合物因其具有优异的电化学氧化还原性能被认为是最适合作为锂离子电池的正极材料。在前期工作中，申请人曾设计合成了具有高比容量的有机羰基化合物Calix[4]quinone。此材料与准固态电解质组装的电池性能非常稳定优越。在此工作基础上，本项目拟继续合成Calix[6]quinone、Calix[8]quinone系列化合物作为锂电池的正极材料，建立和发展新物质Calix[6]quinone、Calix[8]quinone的合成方法；培养单晶进行结构分析和理论计算；深入系统研究此系列化合物的电化学性能，阐明此类材料分子结构和电池性能两者之间的关系和规律。此项目的开展有望为有机共轭羰基材料的开发利用提供理论和实验基础，为锂离子电池实现高容量和绿色环保具有重要的理论意义和应用价值。

锂离子电池具有电压高、比容量大、无记忆效应、循环寿命长等优点，是目前应用范围最广的二次电池。然而锂离子电池仍然存在一些问题。一方面锂离子电池的能量密度难以满足电动汽车和智能电网的需求；另一方面是其资源有限，难以满足大规模储能系统的需求。因此，发展新型电极材料和资源丰富的钠离子电池具有十分重要的现实意义。.有机材料作为锂/钠离子电池的正极材料，具有理论比容量高、原料丰富、环境友好、体系安全的优点，是一类很有前途的储能材料。然而，有机材料也存在着亟需解决的关键问题：易溶于常规有机电解液，导致循环性能差，从而限制了其在锂/钠离子电池中的应用。本课题就是在这一背景下展开研究的：.1. 本项目拟合成有机共轭化合物C4Q的同系列物质C6Q和C8Q，并研究它们的电化学储锂/钠性能以及构效关系。目前，已成功合成了新型化合物C6Q，并通过核磁，元素分析，质谱和红外光谱方法对产物进行了表征，C6Q的产率也提高到了13%。这一工作目前还没有文献报道，属于前所未有创新性的工作。.2. 为减少C4Q在电解液中的溶解，提高电池的循环稳定性，通过简单的灌注法将C4Q与多孔碳CMK-3进行复合，并对C4Q/CMK-3复合电极材料的最佳比例进行了探索，结果表明当C4Q在复合材料C4Q/CMK-3的比重为33.3%（1:2）时，其以纳米化状态分散在CMK-3孔道中，此比例下的电化学性能表现最佳。作为锂电池正极，此纳米复合材料的首圈放电容量为427 mAh g-1，经过100周循环后，放电容量仍能达到251.2 mAh g-1。由于C4Q的空间位阻小，氧化还原反应可逆性好，同样是适合做钠离子电池的正极材料，C4Q/CMK-3纳米复合电极材料其首圈放电容量也可达到438 mAh g-1。经过50周循环后，放电容量仍能达到219 mAh g-1。.3. C4Q具有大的杯状空间结构能够实现半径较大的锌离子的可逆嵌入/脱嵌。该课题尝试了将C4Q应用到水系可充锌离子电池上。在水系电解质中，C4Q的放电比容量达到335 mAhg-1并表现出非常好的循环性能，在500 mA g-1下循环1000圈容量保持率维持在87%。