含磺酸基共价有机聚合物的合成及其在电池中的应用开题报告

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1. 研究目的与意义（文献综述）

随着全球经济和社会的不断发展，人们对能源的需求日益增长。然而，石油煤炭等不可再生资源的过度开采和消耗不仅会造成资源的枯竭，而且还会引发严重的环境污染问题，进而危及到人类的健康和生存。自1860年第一个可充电电池诞生以来，新兴的电池技术既满足了人们的需求，又带来了新的问题。目前，锂离子等金属离子电池作为市场上可充电电池的首选，无疑具有很多优点，比如使用寿命长和能量密度高。尽管电池技术取得了重大进展，但在提高金属和金属离子电池的效率、寿命和安全性方面仍有很大的空间。此外，传统锂离子电池因为采用易挥发且易燃易爆的有机液态电解液，其安全隐患一直备受关注。

相比于液体电解质，固态电解质不可燃、无腐蚀、不挥发等优点，使得含有固态电解质的全固态电池具有极高的安全性。一般情况下，具有足够机械强度的固体电解质可以有利于均匀电镀，防止“枝晶”形成，从而延长电池寿命。市场中应用的锂电池能量密度为200wh/kg，如果采用固态电解质，锂电池能量密度基本可达300-400wh/kg，可以大大提高电池容量。固态电解质多为无机固体物、聚合物及其复合物。无机固态电解质拥有较好的离子电导性和机械稳定性，但是其制备过程涉及热处理。大多数聚合物电解质在拥有更高的电位稳定窗口和阳离子转移数等优点的同时，还存在着无法抑制“枝晶”生长、较低的电导率和较高的电阻等缺陷。

近年来，一维链状的磺化聚酰亚胺（spi）作为质子导电材料引起了研究者们的注意。聚酰亚胺具有优越的热、化学和机械稳定性且合成较简单，在微电子等领域已经得到了很广泛的关注。将磺化之后的聚酰亚胺与锂盐进行反应生成“锂化”后的聚酰亚胺，可以获得较高的离子导电能力。另外，相比于链状的结构，二维的共价有机框架（cofs）材料具有结构和形状可调控、孔隙率高、比表面积大等特点。研究表明将cofs应用于固态电解质材料中时，电池的热/机械稳定性、能量密度、离子转移数、极化效应等问题都可以得到改善。但是，低的离子导电性限制了其在固态电解质中的应用。若是将磺酸基团修饰在有序的二维骨架上，在维持电解质材料的机械稳定性的基础上，通过进一步的“锂化”从而实现聚合物导电性的巨大提升。因此，磺化的链状spi和二维cofs类材料有望成为一种良好的固态电解质。

2. 研究的基本内容与方案

利用联苯胺双磺酸（bdsa）与1,4,5,8-萘四甲酸酐（ntda）的共聚合成一种链状的spi类化合物。此外，再利用联苯胺双磺酸（bdsa）与1,3,5-三甲酰基间苯三酚（tp）合成出一种二维cofs化合物。将两种材料分别与锂盐进行反应，制备出两种含有磺酸锂的共价有机聚合物，并将两种物质作为固态电解质应用在电池中，从而制备出全固态电池，提升电池的安全、电化学等性能。本论文以两种共价有机聚合物为研究对象，通过简单“锂化”制成固态电解质并将两者应用在电池中，对比和探究两者的性能，具体可以分为：

（1）调研相关文献，了解国内外关于共价有机框架（cofs）的研究及发展现状，掌握cofs的关键设计原理与合成策略；

（2）精读文献，进一步调研cofs在储能器件中的应用及原理，同时设计出可应用在电池中的cofs分子结构；

3. 研究计划与安排

第1－3周（2月24日—3月15日）：查阅相关文献资料，完成英文翻译。明确研究内容，了解研究所需原料、仪器和设备。拟定技术方案，并完成开题报告。

第4－8周（3月16日—4月19日）：进一步调研相关文献，了解并撰写项目背景，同时设计出可行的cofs分子结构。

4. 参考文献（12篇以上）

[1] miner e m,dinca m. metal- and covalent-organic frameworks as solid-state electrolytes formetal-ion batteries [j]. philos trans a math phys eng sci, 2019, 377(2149):20180225.

[2] zhang g, hong y l,nishiyama y, et al. accumulation of glassy poly(ethylene oxide) anchored in acovalent organic framework as a solid-state li( ) electrolyte [j]. j am chemsoc, 2019, 141(3): 1227-34.