等性sp2-N(B、P)交叉共轭型稠杂环有机电池活性材料的设计及其机理研究
批准号:
22109092
项目类别:
青年科学基金项目(C类)
资助金额:
30.0 万元
负责人:
牛之慧
依托单位:
学科分类:
电能源化学
结题年份:
2024
批准年份:
2021
项目状态:
已结题
项目参与者:
牛之慧
中文摘要
利用有机材料进行电化学储能的策略是缓解当前电池中无机材料种类有限、部分元素资源匮乏且空间分布不均的重要方案之一,相关研究已成为电化学储能领域的重要前沿。合理设计分子结构实现高效电能存储是有机电池活性材料领域的核心科学问题。本申请针对充放电过程中因化学键重排和活泼中间体自由基的生成严重降低有机电池活性材料稳定性的瓶颈问题,提出以等性sp2-N(B、P)交叉共轭稠杂环化合物作为电极材料的研究思路。利用第一性原理计算,以等性sp2轨道杂化原子为活性中心,参与反应的为π轨道孤对电子,避免化学键重排;通过共轭基团和稠杂环之间的共轭增强电子离域,稳定充放电过程中生成的中间体自由基,突破因电荷离域不足导致稳定性差的限制。此外,在共轭结构中引入O、S重构分子骨架及官能团修饰优化放电电压,揭示分子结构与电化学性质之间的构-效关系,扩大材料筛选和适用范围。研究结果将为发展新型高效有机电池活性材料提供理论依据。
英文摘要
The strategy of using organic materials for electrochemical energy storage is one of the important solutions to alleviate the limited types, the lack of some element resources and the uneven spatial distribution of inorganic materials, related research has become an important frontier in the field of electrochemical energy storage. Reasonable design of molecular structure to achieve efficient energy storage is the core scientific problem in the field of organic battery active materials. In order to solve the bottleneck problem that the rearrangement of chemical bonds and the generation of active intermediates free radicals in the process of charge and discharge seriously reduced stability of organic battery active materials, this application proposes a research idea of using isotropic sp2-N (B, P) cross-conjugated thick heterocyclic compounds as electrode materials. Using first principles calculation, the atoms with isotropic sp2 orbital hybridization as the active center, the π orbital lone pair electrons participate in the reaction, avoiding chemical bond rearrangement;the electron delocalization can be enhanced through the conjugate effect between conjugate groups and thick heterocyclic conjugated, which can stabilize the intermediates free radicals generated during the process of charge and discharge, and break through the limitation of poor stability caused by insufficient delocalization of charge. In addition, O and S were introduced into the conjugated structure to reconstruct the molecular skeleton combined with the functional group to optimize the discharge voltage, revealing the structure-activity relationship between the molecular structure and electrochemical properties, and expanding the scope of material screening and application. The research results will provide a theoretical basis for the development of new high efficiency organic battery active materials.
随着社会和经济的高速发展,能源与环境是21世纪人类社会面临的两大挑战。可以预见,太阳能、风能等可再生能源将逐渐替代传统化石能源由辅助能源转变为主导能源,而储能电池是实现可再生能源规模化利用的关键。目前,锂离子电池和液流电池是两种主要的储能电池,其中,锂离子电池具有高的能量密度,发展成熟,部分甚至实现了商业化;液流电池作为一种新型的能源存储方式因其独特的模块化设计适用于规模化储能,有巨大的发展潜力。 由C、H、O、N、S等元素构成的有机电化学储能材料因数量广泛、成本低廉、环境友好、电化学性质可调等优点,近年来迅速发展逐渐成为下一代储能电池的首选材料。.尽管有机电极材料在电池储能领域已经得到了广泛的应用,但也存在难以改进的问题:近年来研究的有机活性物质多集中以氮、氧为活性中心的共轭有机化合物醌类、啉类上。这些活性物质多是包含苯环或杂环的有机共轭化合物,由于这些化合物在氧化还原反应过程中涉及到 双键的断裂或生成,反应过程中牵涉到活泼自由基,容易出现化学键重排,诱发副反应,导致活性物质失效,循环性能衰减。因此完全有必要寻找新的材料体系,解决氧化还原过程中活性物质稳定性、溶解度、和利用率的瓶颈问题。.基于上述问题,本项目以N为氧化还原活性中心的P型共轭含N杂环有机化合物吩嗪(phenazine)作为正电极活性材料,代替传统的以C=O或N、O自由基为活性中心的N型材料,一方面利用官能团修饰进行分子结构设计来调控氧化还原电位、稳定性及溶解度等性质,探索官能团修饰对氧化还原电位、溶解度的调控规律;另一方面通过分子动力学模拟电解液动力学行为筛选优化电解液,探究其调控机理。本项目的研究结果为开发具有高能量密度的储能电池提供重要的理论支持。
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