【摘 要】
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锂离子电池因能量密度大、比功率高、放电平稳等特点广泛应用于电子设备中。与无机材料相比,聚合物具备易合成、理论容量高、环境友好等优点,其改性后的良好特性更引人关注。众聚合物中,针对聚吡咯(PPy)及聚2,2,6,6-四甲基-1-哌啶氧基-4-甲基丙烯酸酯(PTMA)的研究更为系统。PPy由于反应动力学快且柔韧性好而前景广阔。PTMA则具备反应动力学快、理论比容量高等优势,同样是正极材料的理想选择。两
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锂离子电池因能量密度大、比功率高、放电平稳等特点广泛应用于电子设备中。与无机材料相比,聚合物具备易合成、理论容量高、环境友好等优点,其改性后的良好特性更引人关注。众聚合物中,针对聚吡咯(PPy)及聚2,2,6,6-四甲基-1-哌啶氧基-4-甲基丙烯酸酯(PTMA)的研究更为系统。PPy由于反应动力学快且柔韧性好而前景广阔。PTMA则具备反应动力学快、理论比容量高等优势,同样是正极材料的理想选择。两者的共同缺点为本征态时导电性差,因此实际比容量低。针对反应机理的特点,本文分别采用双掺杂及双导电剂复合的方法制备了PPy及PTMA的复合电极,并就其在锂离子电池中的应用进行探讨。为通过掺杂使PPy导电,同时提高比容量,以蒽醌-2-磺酸盐(AQS)及石墨烯(r-GO)为双掺杂体系对其改性。AQS提供了额外的储电能力,石墨烯则提高了电导率。此外,两者的协同作用使体系生成了三维多孔结构,有助于活性物质与电解液的充分接触及载流子的传递。结果表明,复合电极比容量提升至127 m Ah g-1。此外,就掺杂比例的比较发现,r-GO含量为0.5 mg m L-1时,形成的多孔结构比表面积较大,其对体系的电导率提高效果最佳,此时放电比容量可达132.52 m Ah g-1。为进一步验证双掺杂的合理性,同时满足高电压工作环境,以菲醌-2-磺酸盐(PQS)代替AQS进行掺杂。结果表明,两种掺杂剂的依次添加使体系从片状结构向菜花状结构过渡并最终形成三维多孔结构。PPy与PQS的复合使电极于高电势的氧化还原响应更明显,r-GO的引入则解决了低电势时体系阻值过高的问题。复合电极材料的容量从75 m Ah g-1逐步提升至超过120 m Ah g-1。为进一步提升电极容量,以理论容量更高的PTMA为活性物质,并针对电导率这一限制因素,开展了不同导电剂(乙炔黑(AB)、碳纤维(CF)、碳纳米管(CNT)、还原氧化石墨烯(r-GO))对PTMA复合电极微观形貌及电化学性能的影响研究。结果表明,单一导电剂CNT均匀得附着在PTMA表面,极大提高了电导率,对应的PTMA电极与复合AB及CF的对照组相比,放电容量(129.6 m Ah g-1)及倍率性能(10 C倍率下容量达100.2 m Ah g-1)更优异。在此基础上,石墨烯的进一步引入额外提供了良好的导电网络,使电子传递更易进行,复合电极放电容量提升至137 m Ah g-1。
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