功能吡咯共聚物/过渡金属氧化物复合材料的设计合成与储能特性研究

Development of electrode materials with high energy, power density and good stability is one of the research hotspots and difficulties for novel energy storage devices. In the nano-structured hybrid electrode materials, it is challenging to efficient transport ion and electron at the same time, which makes that the actual energy density and conversion efficiency are more lower than their theoretical values. In order to address these issues, this project will design and synthesis of a type of multi-functional conducting copolymer materials with good ion conductivity, based on the ion exchange and doping of the introduced sulfonic groups, and intrinsic high electron conductivity by copolymerization of several pyrrole/thiophene monomers with pyrrole sulfonate monomers. The effect of the molecular structure, nano-structure morphology and the post-processing methods of the copolymers on the electrochemical performance will be systematically investigated to explore the structure-activity relationship between them. On the base of above results, these functionalized conducting polymers are used to fabricate composite materials with transition metal oxides, and various methods are adopted. It is expected that the composite materials could integrate the good cycle stability of transition metal oxides and the high pseudocapacitance and efficient ion-electron transport of multifunctional pyrrole copolymers to improve their overall performance properties. We believe that this work would provide a new insight into developing electrode materials with high performance for electrochemical energy storage devices and offer some theoretical reference.

高容量、高倍率性能和循环稳定的电极材料开发是储能器件研究的热点和难点。针对目前纳米复合电极材料因不能同时高效传导电子和离子而导致的实际储能容量和转换效率远低于其理论值的问题，本项目拟选用几种磺酸功能化的吡咯单体与吡咯或噻吩进行化学氧化共聚，基于功能吡咯链节的磺酸基团的离子交换和掺杂作用，设计合成具有高效离子传输和固有电子传导的新型多功能导电聚合物材料。系统探讨功能吡咯共聚物的分子结构（单体结构、共聚单体比例）、共聚物的纳米结构和后处理方法（外掺杂、自掺杂、去掺杂）对其电化学性能（电子传输、离子传输、电容性能）的影响，揭示之间存在的构效关系；在此基础上，将此多功能化导电聚合物与过渡金属氧化物复合，以发挥过渡金属氧化物纳米材料的高循环稳定性和功能吡咯共聚物的高赝电容、高电子/离子传导的协同效应，达到进一步提高电极材料综合性能的目的。为储能器件电极材料的探索与开发提供新思路和理论基础。

高容量、高倍率性能和循环稳定的电极材料开发是储能器件研究的热点和难点。针对目前纳米复合电极材料因不能同时高效传导电子和离子而导致的实际储能容量和转换效率远低于其理论值的问题，本项目针对过渡金属基无机微纳米材料与导电聚合物的复合电极材料，拟通过优化导电聚合物的结构和过渡金属基无机微纳米材料的结构来优化复合材料的结构和性能，并探索之间存在的关系，为储能器件电极材料的探索与开发提供新思路和理论基础。因此本项目一方面采用化学氧化的方法合成了吡咯导电聚合物，通过调节器掺杂结构优化聚合物的电容性能你，在吡咯的N-位引入带磺酸根离子的吡咯单体的合成分离过程中遇到一定的困难，从而在合成过程中通过引入带磺酸根功能基团的功能有机大分子，对聚吡咯进行掺杂，从而调节导电聚合物的对传输电子和传输离子的作用，优化导电聚合物的电容性能，研究结果发现,通过导电聚合物的合成过程中引入功能有机大分子，合成了具有优良超电容性能的一维导电聚合物电极材料，此合成方法简单，适合批量生产，为电极材料的大规模应用提供了可能，此部分工作还需要进一步深入研究。一方面采用水热合成的方法合成了一系列过渡金属（铁、钴、镍）基无机微纳米材料,研究了电极材料的微纳米结构对其电化学性能的影响，研究结果发现，通过调节电极材料的微纳米结构，可以改善电解液离子和电子在电极活性材料的传输，从而改善电极材料的电化学性能。