配位活化高容量高分子复合负极材料

一般认为,高分子材料只适于作为锂离子电池的正极材料或电解质材料。我们近期的研究发现,将不具有电化学储锂能力的聚吡咯(PPy)与具有电化学储锂能力的纳米Co3O4相复合得到的负极材料具有比Co3O4的理论储锂容量更高的比容量。我们认为,这可能是由于放电(还原)过程中生成的金属原子与PPy中的电子给体N发生配位作用,减弱了PPy中与该N原子相间位置上的CH键作用而使之成为储锂位置。在这种复合材料中,PPy既对金属化合物的体积变化起到缓冲作用,更由于与金属化合物尤其是其还原产物的相互作用而成为高容量储锂材料。本项目拟从研究PPy在复合材料中的储锂机制入手,探索合成过渡金属化合物/高分子复合材料及过渡金属配位高分子材料类型的高分子(复合)储锂材料,将高分子复合负极材料的比容量提高到800mAh/g以上(经过100次完全充放电循环时)。

分别用化学方法和电化学方法合成出聚吡咯-过渡金属-氧配合物(过渡金属包括Co、Fe、Ni)，评价了其电化学性能。该类材料具有非常高的储锂容量和非常高的循环稳定性与倍率性能。通过射线吸收谱分析并结合密度泛函理论，确定了该类配合物的结构和配位参数，提出了其储锂机制。在此基础上，将高分子材料扩展到聚噻吩，将过渡金属扩展到了Fe、Co、N，得到了一系列具有全新结构和全新储锂机制的配合物储锂材料。这类材料有望在高性能锂离子电池和燃料电池中获得重要应用。