非水电解质组份的量子化学研究及在锂离子电池中的应用

摘要

锂盐是锂离子电池电解质中的主要成分，开发高性能锂离子电池必须研制新的锂盐。新型锂盐研究的重点是寻找与Li配位的合适的阴离子，从而得到具有热化学和电化学特性优良的锂盐。 弄清锂盐结构与性能的关系(quantitative structure—property relationships-QSPR)来为实验研究者提供指导作用并为其节省时间和资源，量子化学指导下的计算机模拟就是一个行之有效的方法。实际上，锂盐分子的阴离子结构、离子对的相互作用在决定它在有机溶剂中的溶解性、离子导电率、电化学窗口和热稳定性方面起着内在的作用，所以对锂硼盐的电子结构、能量和轨道进行充分的计算研究，可以在量子化学水平上加深对其特性的理解。 本论文研究旨在：一方面对电解质的结构与性能的关系做系统性的研究，另一方面对理论指导下实际锂盐的设计、合成及实验的结果进行研究。 在论文的第二、三章中，综述了锂盐的研究现状：其中包括锂盐的分类、合成方法、热化学及电化学性能的实验结果。也包括了量子化学方法从理论上对分子结构及结构与性能关系的研究，尤其是在分子的IR、NMR、热稳定性、电导率及电化学窗口的方面的理论研究。 在论文第四章中，提出了本工作的研究方法，研究对象及主要研究内容，对后续的研究工作进行了总体设计。 为了寻找对锂盐合适的量子化学研究方法及性能良好的锂盐应具备的共性，论文第五章详细地研究了氮方酸衍生物的强酸性和芳香性。包括了酸性和芳香性的判据和判断结果，为寻找较高电导率的锂盐准备了计算方法和明确了配合物的结构特点。 为了系统地研究锂盐的分子结构与电解质的关系，论文第六、七、八三章系统地从理论上研究了方酸及其氰基亚氨基衍生物、方酸及其二氰亚甲基衍生物、克酮酸及其二氰亚甲基衍生物等各系列电解质分子(阴离子)结构、分子结构与电导率、阴离子结构与电化学稳定性的关系。 在论文第九章中利用前述有关研究方法，对已有合成报道的锂盐LBBB及其衍生物进行了详细理论研究，分析了此类锂盐的分子结构与电子结构。从理论上阐述了该类锂盐的热稳性、溶解性、导电性及电化学稳定性与分子结构关系的本质。在上述理论结果的指导下，论文第十章选择了克酮酸二价阴离子——具有很强的酸性、较好的芳香性、较大的电荷分散性、形成的配合阴离子具有较显著的共轭性——作为配体与B配位，合成了二种新的锂盐(LBCB和LCSB)，通过实验测定了它们的结构和在有机溶剂中的溶解性。测试了这些锂盐的热分解温度、电导率和电化学窗口，并和已报道的同类锂盐LBSB进行比较，从实验上证明了前述理论研究的正确性。 为了更好地说明新合成的锂盐(LBCB和LCSB)性能与结构关系，论文第十一章用前述的理论方法研究了这些新的锂盐。所得结果与前述理论研究结果完全一致。 最后，第十二章对本论文所取得的成果及存在的不足作了简要的总述，并对今后可能的研究方向进行了展望和提出了建议。

目录

文摘

英文文摘

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第一章绪论

1.1引言

1.2锂离子二次电池

1.3锂离子电池电解质溶液

参考文献

第二章电解质锂盐的实验研究现状

2.1引言

2.2概述

2.3各类锂盐的研究现状与进展

2.4锂盐实验研究展望

参考文献

第三章锂离子电池非水电解质锂盐的量子化学研究进展

3.1引言

3.2锂盐的结构

3.3溶解度

3.4热稳定性

3.5电导率

3.6电化学窗口

3.7研究展望

参考文献

第四章本文的研究思想和主要研究内容

4.1引言

4.2体系的选择

4.3方法的选择

4.4研究的主要内容

第五章一种新的氮方酸衍生物气态下的酸性和芳香性的理论研究

5.1引言

5.2计算方法

5.3结果与讨论

5.4结论

参考文献

第六章方酸的氰基亚氨基衍生物的结构与电化学性质之间的关系

6.1引言

6.2计算方法

6.3结果与讨论

6.4结论

参考文献

第七章方酸的二氰亚甲基衍生物的结构和电化学性质的理论研究

7.1引言

7.2计算方法

7.3结果与讨论

7.4结论

参考文献

第八章克酮酸及其二氰亚甲基衍生物的电子和电化学性质的理论研究

8.1引言

8.2计算方法

8.3结果与讨论

8.4结论

参考文献

第九章LBBB及其衍生物的电子结构、能量和分子性能的DFT研究

9.1引言

9.2计算方法

9.3结果与讨论

9.4结论

参考文献

第十章新的锂离子电池电解质克酮酸硼酸锂及其衍生物的合成及性能的实验研究

10.1引言

10.2实验部分

10.3结果与讨论

10.4结论

参考文献

第十一章克酮酸硼酸锂盐及其衍生物的电子结构、能量和分子性能的DFT研究

11.1引言

11.2计算方法

11.3结果与讨论

11.4结论

参考文献

附录 1 攻读博士学位期间发表的学术论文

致谢