基于高比容量有机正极材料Calix[4]quinone的设计及其储锂性能优化

Organic carbonyl compound Calix[4]quinone (C4Q) shows high capacity on lithium battery, also faces the issue of poor cycling ability and capacity decay for its dissolution in electrolyte. This project is emphasis on improving C4Q’s cycle performance based on previous work. The strategy of polarity-reversal adopted, designing C4Q into C3Q-Li salt, and synthesizing a novel electric-active polymer PC4Q for the first time, and exploring the solid-state electrolyte’s optimization methods. The performance of C3Q-Li, PC4Q lithium batteries and C4Q solid-state lithium batteries will be systematic studied, and the relationship between molecular structure and electrochemical property will be expatiated. Make an evaluation about the effect of the optimization method and the prospect of commercialization. Hope this project will provide some new ideas for designing high specific capacity lithium storage materials, solve the common problems of organic electrode materials, and promote the development of "green organic secondary batteries".

有机共轭羰基化合物Calix[4]quinone(C4Q)作为锂离子二次电池的正极材料具有较高的比容量，但C4Q在充放电过程中易溶于电解液，导致其放电容量衰减，循环稳定性差。本项目是在申请人前期工作的基础上，继续针对如何保持正极材料C4Q的循环稳定性展开研究的。采用“极性反转”策略，将C4Q设计成C3Q-Li盐的形式；首次将C4Q聚合成具有电化学活性的聚合物PC4Q；同时重点探索C4Q固态电解质的优化方法。系统研究C3Q-Li、PC4Q和C4Q固态电池的电化学储锂机理及性能，阐明结构与性能之间的构效关系，评价不同优化方法的改善效果以及市场化前景。希望此项目的开展为设计高比容量储锂材料提供新的思路，并在一定程度上解决目前有机电极材料普遍存在的一些问题，推动“绿色有机二次电池”的发展。

有机共轭羰基化合物作为锂离子二次电池的正极材料，具有理论比容量高、原料丰富、环境友好、 体系安全的优点，被认为是新一代具有前景的二次电池电极材料，符合“双碳战略”的要求。然而，有机材料，尤其是小分子化合物，易溶于传统有机液态电解液，导致电池在循环过程中发生容量衰减，这也是有机材料所面临的关键问题。除此之外，和有机正极材料搭配的负极锂/钠枝晶的生长会有刺穿隔膜造成电池短路的风险，存在一定的安全隐患。因此，要实现有机正极材料在二次电池中的优势，就需要从电池体系的设计出发，合成具有高比容量的有机正极材料并筛选与其适配的电解质体系。本项目基于高比容量杯[四]醌的结构继续设计合成了一元羧酸杯[三]醌、聚柱[五]醌、六氮杂苯并三蒽醌等多种共轭羰基化合物，探究其在可充电锂离子电池中的电化学性能；同时制备了塑料晶体电解质和凝胶聚合物电解质等准固态/固态电解质匹配有机正极材料，达到减缓溶解、提升电池循环稳定性的效果。并通过理论计算，系统研究了此类化合物分子结构和电池性能两者之间的关系和规律。此项目的开展有望为有机共轭羰基材料的开发利用提供理论和实验基础，为解决目前有机电极材料普遍存在的一些问题提供新的思路，推动“有机二次电池”的绿色发展。