六氮杂苯并菲类聚酰亚胺正极材料的设计制备及储锂性能研究

Developing high capacity cathode materials are efficient method for increasing energy density of lithium ion batteries. Hexaazatriphenylene-based heteroaromatic molecule as an organic cathode material possesses high specific capacity of 400 mAh/g, which is more than twice than that of inorganic cathode materials. However, it is plagued by poor electrochemical performance due to the dissolution of the organic active compounds in aprotic electrolytes. Preparing its complex with carbon materials or polymers are efficient strategy for improving its electrochemical performance, but capacity of the whole cathode electrode will be decrease due to the introduction of inactive component in these process. In this project, we propose to research and develop novel polyimide cathode material containing hexaazatriphenylene, carbonyl and benzoquinone group. This strategy not only could resolve the dissolution issue of organic active compounds, but also could not reduce capacity of organic compound cathode. Further, we will research the electrochemical performance and lithiation/delithiation mechanism by using in-situ X-ray diffraction and Fourier transform infrared spectroscopy technologies. Insights thus gained will be used to guide the research and development of high capacity, high performance organic cathode materials. These studies should provide fundamental basis for the development of lithium ion batteries with high specific energy density by using polymer cathode materials.

开发高容量正极材料是提升锂离子电池能量密度的有效途径。含六氮杂苯并菲的有机化合物比容量高达400 mAh/g, 是无机正极材料实际比容量的两倍之多, 但存在易溶于电解液导致其电化学性能变差的问题。有机化合物与碳材料复合或高分子化是提升其电化学性能的有效策略，然而以上过程中非活性组分的引入，会降低电极整体的容量。本项目提出制备含六氮杂苯并菲、羰基和苯醌多种储锂位点的高容量、高性能聚酰亚胺正极材料的设想，并对其开展基础理论研究。通过六氮杂苯并菲分子的高分子化和结构优化，有望解决该正极材料易溶于电解液的问题，同时又不降低电极整体的容量。进一步研究聚合物微观化学结构（分子结构和孔结构）与储锂性能的构效关系，并利用原位X-射线衍射和原位红外测试技术，探究该类聚合物的储锂机制，为高容量、高性能有机正极材料的开发提供理论基础。因此本项目的研究，有望为突破正极材料对锂离子电池能量密度的限制提供科学基础。

发展高容量、高稳定性的有机正极材料是提高锂离子电池能量密度的有效策略。然而有机正极材料存在易溶于电解液的问题，导致其低的实际比容量、快的容量衰退和差的循环性能，严重制约了其在锂离子电池中的应用。本项目设计合成了含六氮杂苯并菲的功能单体，然后与胺类单体通过溶剂热法反应制备了具有高密度储锂位点的聚酰亚胺类正极材料，实现了储锂位点在共轭多孔聚合物骨架上的均匀高密度分布，从而获得了高容量、高稳定的聚酰亚胺类正极材料。优化的聚合物电极在半电池中显示出了高的储锂容量，高的倍率性能和长循环稳定性。在此过程中，发展了一系列含六氮杂苯并菲聚合物正极材料的制备方法。同时，采用理论模拟手段研究了含六氮杂苯并菲聚酰亚胺类正极材料（HCBHAT-PH）的储锂机制，发现该类聚合物的单元结构可存储锂离子的理论数量为9，储锂位点是六氮杂苯并菲基团中的六个氮位和酰亚胺中的碳基。本项目为高密度储锂位正极材料的设计发展提供了思路，为高能量密度锂离子电池的发展提供了关键材料，对有机正极材料的发展具有重要的学术价值和潜在的产业价值。项目完成总共发表了12篇SCI论文，申请中国发明专利2件。培养博士研究生1名，硕士研究生5名，圆满完成了项目申报书中的成果目标。