有机盐PTO(KPD)2作为高性能锂离子电池正极材料的研究

doi:10.7503/cjcu20210248

摘要/Abstract

摘要：

采用溶剂热反应合成了一种新型的有机盐材料芘四酮-二均苯四甲酸二酰亚胺二钾盐PTO(KPD)₂. 该材料作为锂离子电池正极时, 表现出优异的循环和倍率性能. 研究结果表明, 在50 mA/g电流密度下, PTO(KPD)₂的实际放电比容量达到255.8 mA·h/g; 在500 mA/g电流密度下循环800次后, 容量保持率为81.1%. PTO(KPD)₂盐结构的形成提高了分子极性, 大大降低了其在电解液中的溶解度, 使得材料表现出优异的电化学性能.

关键词: 锂离子电池, 正极材料, 有机盐, 电化学性能

Abstract:

Organic compounds have recently attracted considerable attention as cathode materials in lithiu- mion batteries. However， high solubility in the organic electrolytes will cause a severe capacity deterioration， which limiting their application. Here， a new organic cathode material of pyrene-4，5，9，10-tetraone-di（potassium-pyromellitic diimide）［PTO（KPD）₂］ was obtained through a solvothermal reaction. As a cathode material in lithium-ion batteries， the multi-carbonyl formation gives a considerable practical capacity of 255.8 mA·h/g at a current density of 50 mA/g. Also， PTO（KPD）₂ has a high capacity retention of 81.1% after 800 cycles at 500 mA/g， which shows excellent long-cycle performance. Benefiting from the polar organic salt structure， the solubility of PTO（KPD）₂ in organic electrolytes sharply decreases. This work demonstrates that the structural merits of organic salts is an effective approach to preparing new organic cathode materials applied in lithiumion batteries with better electrochemical performance.

Key words: Lithium-ion battery, Cathode material, Organic salt, Electrochemical performance

中图分类号:

O646

TrendMD:

鲍俊全, 郑仕兵, 苑旭明, 史金强, 孙田将, 梁静. 有机盐PTO(KPD)₂作为高性能锂离子电池正极材料的研究. 高等学校化学学报, 2021, 42(9): 2911.

BAO Junquan, ZHENG Shibing, YUAN Xuming, SHI Jinqiang, SUN Tianjiang, LIANG Jing. An Organic Salt PTO（KPD）₂ with Enhanced Performance as a Cathode Material in Lithium-ion Batteries. Chem. J. Chinese Universities, 2021, 42(9): 2911.

图/表 10

Fig.1 Structural formula of PTO(KPD)2

Fig.2 1H NMR spectrum(A) and TOF MS specturm(B) of PTO(KPD)2, XRD patterns(C) and FTIR spectra(D) of K2PD, PTO and PTO(KPD)2

Fig.3 Powder colors of PTO and PTO(KPD)2(A), colors of electrodes PTO and PTO(KPD)2 just put into electrolyte(B) and after 7 d put in the electrolyte(C)

Fig.4 UV?Vis spectra(A) of pure electrolyte, electrolytes in which electrode slices just put and soaked for 7 d(pure electrolyte as test background for all above) and FTIR spectra(B) of electrolytes with electrode slice of PTO(KPD)2 soaked for different time

Fig.5 Charge/discharge curves(A) and long?term cycle performance(B) of PTO, PTO(KPD)2 and K2PD at a current density of 100 mA/g, CV curves(C) of PTO(KPD)2 in the first five circles, Nyquist plots(D) of PTO(KPD)2 electrode before and after 100 cycles

Fig.6 Long term cycle performance of PTO(KPD)2

Fig.7 Discharge curves every 100 cycles(A), rate performance(B), charge/discharge curves at different current densities(C) and specific capacity and energy density at different current densities(D) of PTO(KPD)2

Fig.8 SEM images of PTO(KPD)2 electrode slice(A) Pristine electrode slice; (B) after discharging to 1.5 V; (C) after recharging to 3.5 V.

Fig.9 XRD patterns of PTO(KPD)2 powder and electrode slice of PTO(KPD)2 after five complete cycles(A) and 1H NMR spectrum of PTO(KPD)2 collected from electrode slices after five complete cycles(400 Hz, D2O, 298 K)(B)

Fig.10 Characterization of ex?situ FTIR(A) The corresponding discharge/charge curves with marked points at different discharge and recharge states; (B) ex?situ FTIR for the samples taken at different states. a. static, b. 3.1 V discharged, c. 2.8 V discharged, d. 2.5 V discharged, e. 2.2 V discharged, f. 1.8 V discharged, g. 1.5 V discharged, h. 1.9 V charged, i. 2.3 V charged, j. 2.7 V charged, k. 3.1 V charged, l. 3.5 V charged.

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有机盐PTO(KPD)₂作为高性能锂离子电池正极材料的研究

An Organic Salt PTO（KPD）₂ with Enhanced Performance as a Cathode Material in Lithium-ion Batteries

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