導(dǎo)電聚合物在電化學(xué)儲(chǔ)能方面的應(yīng)用研究進(jìn)展

高曉琪 朱盛琦 張百明 楊瑩 董納(沈陽師范大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院， 遼寧 沈陽 110034)

導(dǎo)電聚合物在電化學(xué)儲(chǔ)能方面的應(yīng)用研究進(jìn)展

高曉琪 朱盛琦 張百明 楊瑩 董納(沈陽師范大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院， 遼寧 沈陽 110034)

近年來，由于導(dǎo)電聚合物具有電導(dǎo)率范圍廣、生產(chǎn)方便、穩(wěn)定性高、重量輕、成本低、易于制備成納米材料等特有的屬性，逐漸成為當(dāng)前科學(xué)研究的熱點(diǎn)領(lǐng)域，可廣泛應(yīng)用于能量存儲(chǔ)領(lǐng)域。本文主要綜述了導(dǎo)電聚合物在超級(jí)電容器、鋰離子電池等方面的應(yīng)用，以及不同的正極材料對(duì)電極導(dǎo)電率、電極穩(wěn)定性等性能的影響。

導(dǎo)電聚合物；電極材料；超級(jí)電容器；鋰離子電池

導(dǎo)電聚合物是有機(jī)聚合物中的一類，具有半導(dǎo)體或?qū)щ姷膶傩?。最早?duì)導(dǎo)電聚合物的報(bào)道是1977年A.J.Heeger、A.G.MacDiarmid和H.Shirakawa發(fā)現(xiàn)的聚乙炔薄膜摻雜電子受體后電導(dǎo)率顯著增加,開辟了導(dǎo)電聚合物研究的新領(lǐng)域，引發(fā)了全世界對(duì)導(dǎo)電聚合物的研究熱潮。導(dǎo)電聚合物的研究首先是利用摻雜提高其電導(dǎo)率。研究表明,經(jīng)摻雜后共軛聚合物具有不同導(dǎo)電性能,如聚乙炔、聚吡咯、聚苯胺、聚噻吩、聚對(duì)苯撐乙烯、聚對(duì)苯等。此后，隨著聚合物發(fā)光二極管的發(fā)明，導(dǎo)電聚合物本征半導(dǎo)體態(tài)的電致發(fā)光特性和光伏效應(yīng)又引發(fā)了新一輪的研究熱潮。

導(dǎo)電聚合物兼具聚合物柔韌的機(jī)械性能和可加工性,以及金屬和無機(jī)半導(dǎo)體的光電學(xué)特性,此外，還擁有電化學(xué)氧化還原活性。因此，導(dǎo)電聚合物材料在當(dāng)前有機(jī)光電子器件和電化學(xué)器件中有著極其重要的應(yīng)用。

1 導(dǎo)電聚合物電極材料

超級(jí)電容器常用電極材料主要有多孔碳材料、金屬氧化物導(dǎo)電聚合物。而由于導(dǎo)電聚合物獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，近年來導(dǎo)電聚合物電極材料在超級(jí)電容器領(lǐng)域受到人們極大的關(guān)注。其中，聚苯胺是研究最為廣泛的導(dǎo)電聚合物材料，特別是聚苯胺納米材料，因其具有比表面積較大、成本低等優(yōu)點(diǎn)，其制備方法和電容性能的研究成為目前電極研究的熱點(diǎn)。聚吡咯是另一種應(yīng)用廣泛的導(dǎo)電聚合物材料，具有電導(dǎo)率高、電化學(xué)性能好、適應(yīng)性強(qiáng)等諸多優(yōu)勢(shì)，可以通過氧化聚合和電化學(xué)聚合兩種方法制備。此外，聚噻吩衍生物類導(dǎo)電聚合物也是重要的超級(jí)電容器電極材料，如聚3-甲基噻吩和聚3-辛基噻吩等，具有較高的比能量密度和穩(wěn)定性，有望成為新型電容器的電極材料。

2 碳/聚合物電極材料

在當(dāng)今時(shí)代面臨著由化石燃料向可再生能源轉(zhuǎn)變的迫切要求，因此新型儲(chǔ)能材料需要滿足能源清潔利用的要求。這些材料應(yīng)該具有儲(chǔ)存量大、價(jià)格便宜、重量輕、效率高等特點(diǎn)。傳統(tǒng)能源存儲(chǔ)裝置，如鋰離子電池一般用石墨作為陽極材料。但石墨容量低，不能充分發(fā)揮鋰全部的容量。而采用聚合物與碳粉等材料混合形成活性物質(zhì)的方法可以使這個(gè)問題得到改善。此外，鋰離子電池的正極材料的電導(dǎo)率低，需要添加導(dǎo)電劑，而如乙炔黑等常用導(dǎo)電劑的電導(dǎo)率較低?？梢杂镁圻量?、聚苯胺等導(dǎo)電聚合物來作為導(dǎo)電劑，與粘結(jié)劑、鋰材料共同形成一種三元復(fù)合型導(dǎo)電高分子材料。

在超級(jí)電容器研究領(lǐng)域，導(dǎo)電聚合物雖然有諸多優(yōu)勢(shì)，但仍存在循環(huán)壽命低、離子傳輸慢等缺點(diǎn)。而碳納米管等碳材料具有比表面積高、電導(dǎo)率大、穩(wěn)定性好等優(yōu)勢(shì)，因此，可以采用導(dǎo)電聚合物與碳材料復(fù)合作為電極來提高綜合性能。利用導(dǎo)電聚合物與多孔碳材料、碳納米管復(fù)合制備的電極材料，其電容性能有顯著提高，具有很大的應(yīng)用潛力。

3 金屬氧化物/導(dǎo)電聚合物復(fù)合正極材料

研究表明，利用有機(jī)/無機(jī)材料協(xié)同作用可以大幅提高電極性能，而導(dǎo)電聚合物獨(dú)特三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為金屬氧化物提供電子通道，同時(shí)擴(kuò)大金屬氧化物之間層間距，并抑制金屬氧化物顆粒間聚集，增大復(fù)合材料比表面和孔隙率，從而提高復(fù)合材料電極導(dǎo)電率、離子擴(kuò)散速率、電極比容量和穩(wěn)定性。

4 碳/金屬氧化物/導(dǎo)電聚合物復(fù)合材料

將多孔碳引入金屬氧化物/導(dǎo)電聚合物復(fù)合材料形成三元復(fù)合體系，可以進(jìn)一步增強(qiáng)復(fù)合材料電性能。多孔碳為電極提供穩(wěn)定支撐，也可以提高材料導(dǎo)電率。例如，有研究在三維石墨泡沫載體上生長(zhǎng)釩氧化物納米材料，并進(jìn)一步用聚(3,4-二氧乙撐噻吩)(PEDOT)包覆釩氧化物納米材料，獲得三維核殼結(jié)構(gòu)復(fù)合正極材料。研究表明，具有導(dǎo)電聚合物的復(fù)合電極的比容量有顯著提高。這是因?yàn)镻EDOT多孔膜促進(jìn)電子傳輸，并增強(qiáng)電極穩(wěn)定性，同時(shí)加強(qiáng)納米結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

5 結(jié)語

自20世紀(jì)70年代問世以來，導(dǎo)電聚合物由于其獨(dú)特的物理和化學(xué)性質(zhì)，如電導(dǎo)率高、重量輕、成本低、易于大規(guī)模生產(chǎn)等，已經(jīng)在超級(jí)電容器、鋰離子電池等儲(chǔ)能領(lǐng)域顯示了廣闊的應(yīng)用前景。不過，導(dǎo)電聚合物電極仍存在循環(huán)穩(wěn)定性差、比電容低、能量密度低等問題。未來的研究將著眼于進(jìn)一步優(yōu)化復(fù)合材料制備工藝并開拓新型復(fù)合材料體系，以發(fā)展性能更高、穩(wěn)定性更好的基于導(dǎo)電聚合物的電極材料。

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高曉琪(1996-)，女，本科，沈陽師范大學(xué)化學(xué)師范專業(yè)，大學(xué)三年級(jí)，研究方向：精細(xì)化工。

項(xiàng)目資助：沈陽師范大學(xué)“大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃”項(xiàng)目(201610166200033)。