自悬浮聚苯胺负载纳米四氧化三铁作为高性能锂离子电池负极材料的制备及性能研究

By changing the dosage, chain length and doping method, the chemical composition, morphological microstructure and rheological property of self-suspended PANI will be investigated to shed lights on its flow mechanism, and to discuss the effect of different preparation methods on its thermostability and conductivity. The physical properties such as peel tests, swelling properties and surface morphologies are tested by using self-suspended PANI as conductivity binder in lithium ion battery. Then the anode composite material, in which nano-sized Fe3O4 are deposited uniformity onto the surface of self-suspended PANI, are prepared through chemical coprecipitation method, rendering a superior weight-to-energy ratio and excellent cycle performance. Galvanostatic method, AC impedance and conductivity testing are carried out to measure the electrochemical properties of self-suspended PANI loaded nano-sized Fe3O4 as lithium ion battery anode materials. The relationships between electrochemical properties and lithium storage mechanisms as well as the structure changes and self-repair capacity of PANI/Fe3O4 nanocomposite at various states of charging and discharging processes will be investigated to establish the control technology for the capacity and lifespan of the nanocomposite. This project will provide both theoretical and technical supports for the structure design, preparation and application toward conducting polymer and metal oxide with high specific capacity.

通过改变有机长链离子液体的种类、链长及掺杂技术，研究自悬浮聚苯胺的化学组成、微观形态和流变特性，揭示自悬浮聚苯胺的流动机制，并探讨不同制备方法对自悬浮聚苯胺的热稳定性和导电性的影响。将自悬浮聚苯胺用作锂离子电池导电粘结剂，考察其剥离强度、溶胀性能和表面形貌等，同时采用化学共沉淀法使纳米四氧化三铁均匀沉积在自悬浮聚苯胺的表面，制备出具有超高重量能量比和优异循环性能的电极材料。通过恒流充放电、循环伏安、交流阻抗和导电率测试，研究自悬浮聚苯胺负载纳米四氧化三铁负极材料的电化学性能。洞悉聚苯胺/四氧化三铁纳米复合材料在不同充放电状态下的结构变化、自修复功能和储锂机制以及与电化学性能之间的关系，建立复合材料的容量和寿命的调控技术。本项目将为导电高分子和高比容量金属氧化物的结构设计、制备及应用提供科学理论和实用技术。

锂离子电池凭借其尺寸小、能量密度高、循环寿命长、无记忆效应和自放电率低等优良的特性成为目前综合性能较好的电池体系，但要在光电、信息、交通、国防和日常生活等领域更加广泛应用，还需进一步提高储能密度和循环寿命。传统的PVDF粘结剂的刚性结构和本身的绝缘性导致活性物质与集流体容易失去电接触，同时也会降低电极材料的导电性。聚苯胺（PANI）与其它导电高分子相比，其结构多样化、电导率较高、掺杂机制独特、物理性能优异，是当今导电高分子领域研究的热点之一。因此，制备一类自悬浮聚苯胺（SPANI），亦称聚苯胺类流体，对改善电极材料的电化学性能有着重要的影响。.本项目以二十二烷基甲苯磺酸作为质子酸掺杂剂来制备聚苯胺流体，流变性的表征说明了其具有良好的类液体行为，同时，油性基团的存在很好的改善了聚苯胺在有机溶剂中的溶解性，为制备电极浆料分散液提供了有利的证据。本项目以共沉淀制备的四氧化三铁作为活性物质研究对象，通过对比SPANI和PVDF的电性能发现，SPANI显著改善了四氧化三铁的电化学性能。为制备其它类型的新型粘结剂提供了良好的理论依据。.由于SPANI良好的水溶性，将制备的SPANI与石墨烯共分散在水中制备的三维石墨烯具有良好的电化学性能，为制备导电高分子增强碳材料电容性能提供了强有力的证据。同时，SPANI特殊的离子掺杂机制使得SPANI能通过快速的离子交换来获得一定的自愈性能，因此，将四氧化三铁与碳纳米管通过带有相反电荷的离子修饰来制备不同组份的离子杂化材料，当用SPANI作为导电粘结剂和离子交换促进剂时，表现出了卓越的电化学性能。为制备其它材料的高容量和长循环电极材料提供了很好的借鉴意义。