锂离子电池用聚酰亚胺基柔性电极材料的制备与电化学性能

As the evolution of energy storage devices towards to an ultrathin/lightweight and flexible unit, organic material has been a research hotspot as a flexible electrode in the field of lithium batteries, due to its high capacity, low lost and environmental friendly. It is expected to fabricate a novel electrode based on high-performance polymers with electroactive functional groups, which combines high energy density with high cycling stability and safety. This project mainly focuses on synthesizing a novel polyimide(PI) by introducing a series of diamines with different molecular structures from the respect of structure design, evaluating the relationship between the electron structures and electrochemical properties, then obtaining the PI with superior electroactivity. Graphene will be introduced into PI to provide a conductive network and efficient channel of electron and ion transport. By controlling the structures of nanofibrous membrane, a flexible PI-based electrode material will be fabricated via electrospinning technique for high performance lithium batteries.

随着储能器件的发展趋向轻薄化和柔性化，有机电极材料以其高比容量、低成本和环境友好等特点，已成为锂离子电池电极材料的研究热点。开发具有电化学活性的高性能聚合物基电极材料，有望制备集高能量密度、高循环稳定性及安全性等特性于一体的新型柔性电极。本项目拟选用聚酰亚胺类有机材料，从其结构设计出发，对不同结构二胺单体所合成聚合物的电子结构与电化学性能的关系进行分析评价，选用具有较高电活性的单体合成聚酰亚胺；将石墨烯引入到聚酰亚胺中，为其构筑高效的导电通道，提供电子传输和离子迁移的有效路径；并借助高压静电纺丝方法制备聚酰亚胺/石墨烯复合纤维膜，通过调控纤维膜的微观形态，制备具有高性能的锂离子电池用聚酰亚胺基柔性电极材料。

本课题围绕聚酰亚胺基电极材料的制备及其电化学性能出发，从分子结构设计入手，通过调节活性羰基位点在分子链的位置、羰基活性基团的数目等，合成了不同结构的聚酰亚胺材料，将其作为锂离子电池正极材料，可获得175 mAh/g（电流密度为20mA/g）的比容量，结合实验结果并通过理论计算分析，探讨了不同电子结构对聚合物作为锂离子电池电极材料电化学性能的影响及其充放电反应机理；通过进一步引入纳米导电材料形成高效的导电网络，获得了比容量为193 mAh/g（电流密度为20mA/g）的复合电极材料，在高电流密度（500 mA/g）下容量可保持在135 mAh/g，循环200次后容量可保持原有的92%，具有较好的倍率性能和结构稳定性；借助静电纺丝技术制备纳米纤维膜，通过分子结构调控与碳化工艺优化，并结合导电聚合物、金属氧化物等活性材料，获得了综合性能优异的柔性电极材料。课题能按照原定研究计划正常进行，完成了相应的技术指标，并取得了一定的研究成果。课题开展期间以发表SCI论文10篇，其中第一或通讯作者SCI论文9篇，一篇入选ESI高被引论文，申请发明专利1项；先后获得上海市青年科技英才扬帆计划、上海市晨光计划等的资助；多次参加国内外会议，并做口头报告；培养硕士生6名，培养本科生8名，其中一名硕士生获得国家奖学金及校优秀毕业生称号。