二维结构聚酰亚胺材料的分子设计与合成及在有机钠离子电池中的应用

Comparing to lithium-ion technology, organic sodium-ion batteries have the appealing advantage of lower cost. As a result, they are competitive candidates for future low-speed electric vehicles, electric ships and household energy storage applications. Unfortunately, organic electrode materials of sodium-ion batteries generally suffer from low electric conductivity, high solubility in electrolytes and poor cycling stability. Herein, we propose to synthesize novel 2D polyimides by rational molecular design, and fabricate high energy density and great cycling performance organic sodium-ion batteries. This study will focus on: 1) liquid-phase exfoliation or direct wet-chemical synthesis of 2D polyimides by molecular design as the cathode materials; 2) the solubility of 2D polyimides in aprotic solvent; 3) the possible electrochemical reaction mechanism of these electrode materials. We will characterize their chemical compositions and morphology, and test their solubility in electrolytes. Meanwhile, we will evaluate the influence of chemical compositions, physical structures and solubility on their electrochemical performances. The possible electrochemical reaction mechanism will be revealed. This proposal aims at providing a new method for developing organic sodium-ion batteries, promoting the application of 2D organic materials in energy storage systems and deepening the understanding of electrochemical reaction mechanism.

有机钠离子电池与现有的锂离子电池相比生产成本更低，它们有望在未来低速电动车、电动船和家庭储能等领域发挥重要作用。鉴于目前有机钠离子电池中有机电极材料普遍面临导电性差、易溶于电解液和循环性能不佳等问题，本项目拟通过合理的分子设计，制备新型二维结构聚酰亚胺材料，发展出高能量密度和循环稳定性好的有机钠离子电池。重点研究：1）液相剥离法或分子层面设计结合直接化学合成法制备二维聚酰亚胺材料的可行性；2）二维聚酰亚胺材料在电解液中的溶解性；3）二维聚酰亚胺材料作为钠离子电池正极的储钠机制。本项目将对二维聚酰亚胺材料进行化学结构和形貌的表征以及测试其在电解液中的溶解度。掌握这些因素对电化学性能的影响，揭示二维聚酰亚胺材料的储钠机理。本研究将为有机钠离子电池的发展提供一种新思路，推动二维有机材料在储能领域的应用，加深我们对二维有机材料储钠机理的认识。

项目背景：随着新能源汽车行业市场规模的不断扩大和先进储能技术的飞速发展，人们对于锂离子电池的需求也在不断激增。对于锂离子电池前景的担忧也促使人们不断尝试开发新型二次储能电池体系。碱金属离子电池因安全性高、生产成本低和环境友好等优点在近些年脱颖而出，其在电动汽车和大规模储能等领域具有良好的应用前景。尽管拥有巨大的潜力和发展空间，碱金属离子电池目前仍面临一系列技术难题。通常主体材料是采用密堆积方式的过渡金属氧化物，碱金属离子在这些材料中的传输因有限的插层空间而受到严重的限制，使得离子脱嵌过程动力学困难。同时，目前报道的碱金属离子电池循环寿命远未达到商业化锂离子电池的水平。.主要研究内容：着重探究了多种聚酰亚胺类有机分子结构工程的理性设计及其在碱金属离子电池中的储能机理。.重要结果：1.制备出一种由共价键连接的多孔聚酰亚胺骨架材料——PIF。PIF作为钾离子电池负极材料时，展现出了良好的可逆储钾性能。2.率先利用DAT（3,5-二氨基三氮唑）作为连接配体，形成了一种多重氢键结构单元的氢键有机骨架材料——HOF-DAT，解决了目前HOFs类材料在溶液中结构不稳定的问题。同时，首次将HOFs材料应用在电化学储能当中，其钠离子电池表现出极为优异的循环稳定性。3.制备了分子骨架具有良好电子传导的聚合物——PBTD。PBTD材料可同时作为钠离子和钾离子电池的正极材料，两类电池都展现了良好的循环寿命和较大的比容量。4.基于酰胺化反应制备了一种高度稳定的二维交联高分子聚合物——PI-TAB，其作为正极组装的钠/钾离子电池的循环寿命可达上千圈。5.论述了镁离子电池的优势与挑战，梳理了各类无机正极和有机正极电极材料在镁离子电池中的局限性与对应策略，并对未来如何设计性能优异的正极材料发表见解。.关键数据及其科学意义：1.HOF-DAT作为钠离子电池正极材料循环寿命可达一万圈。2.PBTD和PI-TAB材料均可用做钠/钾离子电池正极材料，循环寿命皆达到数千圈。3.证明了聚酰亚胺类材料在碱金属离子电池中的极佳稳定性和潜在商用价值。