高分子电池材料的制备和应用

高分子电池材料的制备和应用

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专业：金属材料工程班级：材料

摘要：高分子材料是材料领域中的新秀，其凭借高分子个各种特性而被应用与各种领域，在人们的工农业生产和日常生活中的地位日益突出。随着生产生活对电池性能的更高要求，高分子材料必然的在其中发挥着重要作用，促使人们研究高分子电池材料的各种性能和制备。本文简述了高分子电池材料的应用意义及制备方法，在总结里笔者分析了高分子电池材料的发展前景。

关键词：高分子电池材料聚合电极电解质

Abstract: The high polymer material is in the material domain rising star, it relies on a high polymer each characteristic to apply and each kind of domain, is day by day prominent in people's industry and agriculture production and daily life's status. Along with production life to a battery performance higher request, high polymer material inevitable is playing the influential role, urges the people to study the high polymer battery material each performance and the preparation. This article has summarized the high polymer battery material application significance and the preparation method, the author has analyzed the high polymer battery material prospects for development in the summary. key word: High polymer Polymerization Electrode Electrolyte

一、高分子电池材料的应用意义

随着全球天然矿物能源（如石油、天然气）的不断消耗而日趋枯竭，人们的环保意识不断加强，能源结构面临经济发展和环境保护的双重压力。可再生清洁资源可望缓解世界能源和环境的压力。这也促使人类不断开发更加轻巧、服务时间长、寿命长、免维护、无毒无污染的化学电池。

而目前，高分子材料作为导电电极、固体或胶体电解质、电子或空穴传输层、光敏燃料、质子交换膜、隔膜、基板和封装材料等，在太阳能电池、锂离子二次电池和燃料电池等化学电池中得到了广泛的研究和应用【1】。

二、导电高分子材料

高分子材料通常为绝缘体，然而通过试验发现，不少高分子材料具有半导电性、导电性甚至超导电性。如聚乙炔、聚乙烯基咔唑等。导电高分子或导电聚合物是指具有共轭评π键的高分子化合物经过化学与电化学“掺杂”而形成的掺杂态高分子；

若未经掺杂，则称为本征态导电高分子。导电高分子属于半导体，有时称为集合物半导体，绝大多数集合物半导体不像晶态固体那样原子排列具有周期性，而是短程有序，分子间的结合是靠范德华力，分子的轨道重叠和电荷交换也比较弱，但考虑到这些材料也具有光吸收边及导电率与温度称反比的关系，表明存在能带隙，因而可以借用无极半导体已经相当成熟的能带理论来进行描述。

导电高分子材料作为电池的电极材料，可以增加电池的能量密度，并减轻电池的质量。将离子导电集合物与电子导电聚合物相结合，可以构成没有金属部件、没有液体电解质的全固态集合物电池。

导电高分子材料分为导电高分子复合材料和电活性高分子材料。

2.1 导电高分子复合材料

此类材料由高分子材料与导电材料粉末复合构成，由于导电材料粉末本身可以导电，所以该材料也可以导电。只是导电性能根据导电材料粉末的不同而显不同。

导电性高聚物在太阳能电池上的应用也引起了广泛的关注，美国科学家Jeskocheim利用聚吡咯和聚氧化乙烯固态电介质膜试制了光电池，可产生1mA/cm2的电流，0.35V的电压。尽管这种光电池目前还不如Si太阳能电池，但由于导电聚合物重量较轻、易成形、工艺简单，并能生成大面积膜，具有绿色环保的特点，因而发展前景十分诱人。导电高分子材料还是制作超级电容器的理想材料。如采用掺杂后的聚吡咯高分子化合物，电导率高达100 S/cm，频率特征非常出色，尤其在高频区的特性与以前电容器相比有很大改善。

2.2 电活性高分子材料

电活性材料是指那些在电场参量作用下能够现实特殊物理化学性质的高分子材料。例如，很多氧化还原型导电集合物其结构特点是高分子骨架上接有或骨架本身具有特殊的氧化还原基团，这种基团通常具有可逆的氧化还原化学特性和特定的氧化还原电位。这样施加电场时，发生氧化还原反应，从而显示出特定物理化学性质，如导电性能突然变化等。

另外，还有一种可以导电的材料为光导电高分子材料。光导电高分子材料是指那些在无光照下材料基本上是绝缘的，而当被光照射后其导电能力则大幅度提高。引起导电能力大幅度提高的原因是光照激发过程大量产生电子型载流子。具有光导能力的高分子材料其结构需要满足以下条件：首先是材料的最大吸收波长应该在可

见光或者照射用光的波长范围内，并具有较大的消光系数，以保证光能的最大吸收；其次是生产的激发态电子应该有一定的稳定性和寿命，以提供数量足够多的载流子。此外，高分子材料还要提供载流子定向迁移的必要通道。光导电功能高分子材料有聚吡咯、聚苯胺、聚咔唑等【2】。

三、高分子材料在电池中的应用

3.1 导电电极

由于电动汽车和便携式计算机需要质量轻、体积小、容量大的电池，使得用共轭导电聚合物的氧化-还原特性来制造二次电池成为一个及其重要的应用领域。

最早的几乎而无电池用P型掺杂和N型掺杂的集合物分别作为电池的正极和负极，其工作电压在1.5—3V，但由于N型掺杂的聚合物稳定性差，目前开发的电池均用P型掺杂的聚合物做正极，普通此案料做负极，如yoga锂做负极时电池的工作电压在2—3.5V。聚乙炔、聚对苯、聚噻吩、聚吡咯和聚苯胺都曾用作电池的正极材料。1987年，日本的桥石公司和精工电子公司联合研制了3V纽扣式Li-Al/LiBF4-PC/Pan电池，循环寿命大于1000小时，已作为商品投放市场，成为第一个商品化的塑料电池。

还有一种酶电极，它由离子敏感膜和覆盖在膜表面的酶涂层组成。其作用原理是电解质中溶质扩散到酶膜上，由于酶的催化作用，使溶质产生能在该离子电极上具有响应的离子，发生电池效应【3】。

3.2 导电电极

电解质是很多电池中必不可少的组分。因为传统电池中一般采用液体电解质，电池在储存、运输和工作期间无法避免地会出现漏液现象，从而缩短其使用寿命。锂离子电池在液体电解质的有机溶剂会在充电时浸入阳极而导致“记忆效应”。因此，研究和开发固体电解质成为一种必然选择【4】。

固体电解质包括聚合物电解质和凝胶电解质。具有高的电导率、良好的力学性能和稳定的电化学性能。聚合物电解质的种类也有很多，比较常见的是盐掺聚合物电解质和聚合物-无机纳米复合型电解质【5】。

3.3 光敏染料

自1991年染料敏化纳米二氧化钛薄膜太阳能光电池，光电转换率达10%以上，