结构可控氮掺杂共轭骨架材料的合成及其与金属氧化物复合用于制备锂电池电极

Lithium-ion batteries (LIBs) are extremely important power sources for their wide applications in various portable electronic devices and electric vehicles because of the advantages like high electromotive force, long cycling ability, and high energy density. New electrode materials need to be developed for meeting the increasing requirements of higher energy density. Covalent Organic Frameworks (COF), which have large rate surface area and high stability, have great potential in the application as LIBs electrode materials. Herein, the attempts to synthesize 2D or 3D covalent organic frameworks by an adjustment of synthetic strategy are presented. To modified the electronic and chemical properties of COFs, nitrogen atoms are adopted to doping the whole systems. The introduction of N atoms can effectively fix the defects of COFs conjugated plane to increase material electrical conductivity. Meanwhile, a nitrogen-doped conjugated electrode could reach high reversible capacity due to the stronger electronegativity of nitrogen compared to that of carbon. Some N-contained functional groups have stronger interaction with metal oxidant which stabilizes the combination between nanoparticle and conjugated system. By developing and characterizing these materials, we will obtain multi-functional materials as LIBs electrode materials for developing high electromotive force, long cycling ability, and high energy density batteries.

作为一种重要的储能器件，锂电池在人们生活中扮演了越来越重要的角色。为了研发大容量、可快速充放电的新一代锂电池，开发新型电极材料成为亟需解决的关键问题。有机共轭骨架材料结构单元共轭度高、比表面积大，有利于载流子和锂离子迁入迁出材料内部。引入电负性更高的氮原子，可以增加体系与锂离子结合的能力，增加材料的比容量。通过聚合单体的结构控制，本项目拟合成一维扩展和三维有序的氮掺杂有机共轭骨架材料（NCOFs），并引入不同的官能团研究材料内部结构与电化学性能的关系。为了进一步提高材料电化学性能，本项目拟将NCOFs与金属氧化物进行复合。通过表面改性，在有效提高NCOF/无机材料间的结合力的同时，保持无机颗粒在NCOF内部的纳米级均匀分散。所制备的复合材料有望既可以发挥NCOF材料导电性好、易加工等特点，又结合金属氧化物比容量大等优点，可以为开发新一代锂电池电极材料提供新方法和新思路。

作为常见的储能器件，目前商用锂离子电池的储能能力受到碳材料比容量以及载流子传输能力的限制。因此在保证电极高导电性的同时增加比容量，成为改善储能器件性能的重点和难点。杂原子掺杂可有效地提高碳材料电化学储能面积和活性位点数，但高杂原子含量也会影响电极材料导电性。另外，一些金属氧化物/碳复合电极材料的比容量远高于碳电极，但受充放电过程中体积膨胀的影响降低了其稳定性。本项目针对上述问题，开发了高性能杂化共轭多孔碳及其金属氧化物纳米复合电极用于储能器件，主要进展如下：.1. 探索了多种共轭多孔碳材料制备条件对材料界面性的影响机理，系统研究并阐明了表面不同的杂原子和官能团对提高多孔材料的界面性、比表面积和储锂容量的影响方式。.2. 首次提出了竞争迁移共沉积机理，深入研究了纳米复合材料生长和结构调控机理，通过对载体材料的表面修饰、配体分子结构调控、纳米颗粒成核与生长的动力学控制，实现了对碳/金属氧化物纳米材料的结构控制，进而提升电池倍率和稳定性。.3. 提出了聚合物辅助“锚定”金属氧化物纳米颗粒机理，并将其用于制备碳复合电极材料。开发了电极材料制备的“绿色合成”过程，并发展了金属氧化物/碳纳米复合材料的宏量制备的方法。