摘要
随着新能源行业的快速发展，对于高效稳定的化学电源需求逐渐增加，而绿色环保的储能器件也显得尤为重要。有机电极材料能够从天然的可再生资源中获取，分子结构可调可控，是一类环境友好的新型材料。本论文主要围绕萘二酰亚胺类与苯醌类有机正极材料展开，通过设计合成分子、增加给受体基团和扩大共轭体系，以此来调整分子的氧化还原电位以及在电解液中的溶解性，最终获得性能优良的锂离子电池正极材料。基于分子设计，获得了n型以及双极性电极材料，通过理论计算以及核磁等相关数据阐述了其充放电机理，探讨了分子结构与电化学性能之间的关系。 1. 以萘二酰亚胺（NDI）为基本骨架，通过核位延伸合成了两种不同极性（n型和双极性）的有机正极材料，并以金属锂作为负极，完成了扣式电池的组装。将4BrNDI和邻苯二胺反应得到双极性电极材料NDI-NH，进一步氧化之后得到分子NDI-N。这两种分子在1.0-4.1 V的电压范围内均具有4电子氧化还原反应特性，且经过大电流放电后容量恢复率都能达到90%以上。其中NDI-NH为双极性分子，可以与电解液中的阳离子、阴离子发生电化学反应，以0.2C电流放电的起始容量为159.4 mAh/g，循环250圈后的容量保持率为59%，倍率性能测试表明大电流放电后容量恢复率为90%；NDI-N的首次放电容量为151.3 mAh/g，在500圈的循环中容量基本维持在140 mAh/g左右，循环稳定性能更为优异。通过非原位核磁共振氢谱、红外光谱、X射线衍射、XPS等手段对充放电机理进行了阐明，并且理论计算也印证了这两种分子的反应机理，该工作对萘二酰亚胺类多电子反应有机电极材料的设计具有一定的参考价值。 2. 以1,4-萘醌为原料，通过一步反应得到多环大π共轭化合物3NQ。该化合物具有刚性结构，在有机电解液中溶解度很小，同时含有六个羰基官能团，可以发生6电子氧化还原反应，理论比容量高达343 mAh/g。以该分子作为正极材料，制备的扣式锂离子电池在68.6 mA/g的电流密度下首次放电容量为322.4 mAh/g，倍率测试和循环数据表明该分子在多次充放电之后结构发生破坏，以0.2C的电流进行104次充放电循环之后的容量为154.3 mAh/g；以该分子作为正极材料制备扣式水系锌离子电池，在0.2C的电流下首次放电容量为251.7 mAh/g，循环101圈以后的容量为150.1 mAh/g，相比于锂离子电池，该分子在水系锌离子电池中具有更加优异的倍率和循环性能。通过红外光谱、X射线衍射和扫描电镜发现该分子在多次循环以后分子结构和形貌发生了变化。
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