天然共轭羰基化合物用于锂有机电池的研究

The exploration of organic materials for energy storage has been considered as one of the representative green technologies to break through the restriction of resources and environment to energy science. Conjugated carbonyl compounds (Conjugated carbonyl compounds, CCCs) which have abundant structural characteristics, high specific capacities and fast reaction kinetics, are regarded as one of the most promising materials for next generation of energy storage. Due to the inherent insulating property and the unavoidable dissolving in organic media of CCCs, the cycling stability and the rate capability are two key parameters to be improved for energy storage of CCCs. Taking into accounts of these concern, in this project, we will perform the following researches for the exploration of CCCs in energy storage: Firstly, we will select natural organic compounds with abundant resources as raw materials, fabricate organic lithium battery as an prototype to investigate the energy storage capacity of CCCs. Secondly, we will optimize the 3D microstructures of electrodes to further enhance the rate capability of the synthesized CCCs. Thirdly, we will develop new protection strategies to improve the cycling stability of the fabricated devices. Lastly, we will explore CCCs in other energy storage devices, such as flexible devices, the application of the sodium ion batteries, etc. This proposal will not only promote the progress in organic electrode material science, but also guide the fabrication of practical devices.

发展有机储能为代表的“绿色储能”技术有望突破资源、环境对能源发展的制约。共轭羰基化合物（Conjugated carbonyl compounds，CCCs）具有丰富的结构特征，较高的比容量和较快的反应动力学，被视为最有前途的下一代绿色储能材料。因CCCs的不导电性和有机溶解性，提高倍率性能和循环性能始终是CCCs储能必须解决的两大重点问题。针对以上，本项目拟以天然聚合物为原料，通过官能团修饰制备具有CCCs，以锂有机电池为模型，考察所制CCCs的储能容量；通过微观结构和载体结构的优化，以提高CCCs储能的倍率性能；发展新的电极保护策略，以提高CCCs电极的循环稳定性；拓展CCCs在其他储能器件，如柔性器件、钠离子电池等中的应用。该项目的实施对有机储能材料的学科发展具有现实意义，对储能器件的开发具有指导价值。

传统二次电池的电极材料以无机化合物为主，这些化合物由于比容量和结构稳定性等因素限制，器件的能量密度的提升空间有限。有机化合物具有原料来源广泛、成本低、结构可设计等优势，以有机化合物作为电极材料的“锂有机电池”是新兴的“绿色能源”新体系之一。本项目以“锂有机电池”为中心，选取或典型的天然有机物及制备合成聚合物，从材料制备、电解液改性、电极优化、器件构建等方面开展工作，着力解决有机物在有机电解液中的溶解问题和本身导电性欠佳的问题，努力改善锂有机电池的循环稳定性和倍率性能，拓展有机化合物在柔性器件、水系电池等体系中的应用可能。具体的研究内容包括以下：1）发展了电解液改性、金属配位等策略，抑制了天然有机电极材料（单宁酸、腐殖酸、叶酸）等在有机电解液中的溶解，提高了倍率性能、循环稳定性；2）设计采用局域碳化、固相聚合等策略制备合成了聚席夫碱、聚丙烯腈等活性电极材料，并用于锂离子的存储；3）发展了界面自组装策略，制备了苝四甲酸二酰亚胺纳米米线膜，结合柔性碳载体构建了柔性水系钠离子电容器，拓展了有机电极材料在柔性器件中的应用可能；4）通过载体结构的优化和设计，复合部分无机化合物，制备了具有三维结构的复合材料，并直接用于锂离子电池存储，避免了粘结剂和导电剂的使用。本项目在 J. Mater. Chem. A、ACS Appl. Mater. Interfaces、 Chem. Commun.、Electrochim. Acta等学术期刊发表学术论文15篇，其中大于10的2篇；培养硕士研究生8名，其中6名已毕业，2名在读；参加国内学术会议2次；获江西省自然科学二等奖1项。以上工作的开展对有机储能材料的学科发展具有指导意义，对有机储能器件尤其是柔性器件的开发具有借鉴价值。