自由基聚合物作为高功率电极材料的应用基础研究

传统的二次电池反应速率大多受制于固、液相相关传质过程，很难大幅度提高其功率密度。电化学超级电容器原则上具有较高的功率输出特征，但能量密度偏低。目前，这两类电化学储能装置均难满足新能源技术中若干高功率应用的需求。原则上，若将具有合适电势的氧化还原自由基固定在高电导的聚合物链上形成稳定的自由基聚合物，这类化合物应具有超快的电化学反应速度，可以用于高功率活性电极材料。本项目拟选择几类典型自由基（氮氧基、芳胺基、甲氧基苯）的聚合物，研究其结构与电化学性质之间的关系，阐明有关这类新材料快速反应动力学的机理。在此基础上，设计合成具有较高容量和高功率充放电的正极、负极聚合物电极，构建原理型自由基聚合物电池。通过本项目的实施，为自由基聚合物材料的后续电化学研究和应用提供基础数据，为发展电化学储能新材料和化学电源新体系提供新方向。

在本基金的资助下，我们在有机聚合物锂离子和钠离子二次电池的正极、负极材料领域开展了一系列的研究工作。我们的研究涉及如下方面：1、n-掺杂聚(3,4-二正己基)噻吩用作全有机锂离子电池的高容量负极材料，其可逆容量可达300 mAh/g(200 Ah/L)，在100次循环后容量仍可保持95%；2、苝酸盐作为锂离子和钠离子电池有机负极时可逆储锂、储钠行为，其中苝酸锂电极可达到可逆容量为200 mAh/g，在100次循环后容量仍可保持98%，苝酸钠电极可达到可逆容量为100 mAh/g，在100次循环后容量几乎无损失；3、二苯胺-4-磺酸根阴离子作为电活性有机阴离子掺杂的聚吡咯作为低成本可再生钠离子电池正极材料，其可逆容量为115 mAh/g，并具有优良的倍率和循环性能；4、聚联噻吩的n型氧化还原行为及其作为负极储锂、储钠材料的应用，聚联噻吩电极在锂离子电池中可达到850 mAh/g的可逆容量，在钠离子电池中可达到500 mAh/g的可逆容量；5、苯胺-邻硝基苯胺共聚物作为高容量钠离子电池正极，其可逆容量为180 mAh/g，经50次循环后仍保持173 mAh/g；6、亚铁氰根离子掺杂的聚吡咯作为高容量高倍率钠离子电池正极材料，其可逆容量为135 mAh/g，经100次循环后能保持85%的容量；7、亚铁氰根离子掺杂的导电聚合物作为锂离子电池正极材料，这一方法不仅极大的改善了聚合物正极材料的容量、循环和充放电性能，而且具有较好的通用性。此外，我们撰写了自由基聚合物作为高性能二次电池材料的综述。在本基金的资助下，目前已发表SCI论文7篇，申请发明专利5项，培养博士研究生3人，硕士研究生2人。