导电聚合物是有机聚合物中的一类, 具有半导体或导电的属性。最早对导电聚合物的报道是1977年A.J.Heeger、A.G.Mac Diarmid和H.Shirakawa发现的聚乙炔薄膜掺杂电子受体后电导率显著增加, 开辟了导电聚合物研究的新领域, 引发了全世界对导电聚合物的研究热潮。导电聚合物的研究首先是利用掺杂提高其电导率。研究表明, 经掺杂后共轭聚合物具有不同导电性能, 如聚乙炔、聚吡咯、聚苯胺、聚噻吩、聚对苯撑乙烯、聚对苯等。此后, 随着聚合物发光二极管的发明, 导电聚合物本征半导体态的电致发光特性和光伏效应又引发了新一轮的研究热潮。
导电聚合物兼具聚合物柔韧的机械性能和可加工性, 以及金属和无机半导体的光电学特性, 此外, 还拥有电化学氧化还原活性。因此, 导电聚合物材料在当前有机光电子器件和电化学器件中有着极其重要的应用。
超级电容器常用电极材料主要有多孔碳材料、金属氧化物导电聚合物。而由于导电聚合物独特的优势, 近年来导电聚合物电极材料在超级电容器领域受到人们极大的关注。其中, 聚苯胺是研究最为广泛的导电聚合物材料, 特别是聚苯胺纳米材料, 因其具有比表面积较大、成本低等优点, 其制备方法和电容性能的研究成为目前电极研究的热点。聚吡咯是另一种应用广泛的导电聚合物材料, 具有电导率高、电化学性能好、适应性强等诸多优势, 可以通过氧化聚合和电化学聚合两种方法制备。此外, 聚噻吩衍生物类导电聚合物也是重要的超级电容器电极材料, 如聚3-甲基噻吩和聚3-辛基噻吩等, 具有较高的比能量密度和稳定性, 有望成为新型电容器的电极材料。
在当今时代面临着由化石燃料向可再生能源转变的迫切要求, 因此新型储能材料需要满足能源清洁利用的要求。这些材料应该具有储存量大、价格便宜、重量轻、效率高等特点。传统能源存储装置, 如锂离子电池一般用石墨作为阳极材料。但石墨容量低, 不能充分发挥锂全部的容量。而采用聚合物与碳粉等材料混合形成活性物质的方法可以使这个问题得到改善。此外, 锂离子电池的正极材料的电导率低, 需要添加导电剂, 而如乙炔黑等常用导电剂的电导率较低。可以用聚吡咯、聚苯胺等导电聚合物来作为导电剂, 与粘结剂、锂材料共同形成一种三元复合型导电高分子材料。
在超级电容器研究领域, 导电聚合物虽然有诸多优势, 但仍存在循环寿命低、离子传输慢等缺点。而碳纳米管等碳材料具有比表面积高、电导率大、稳定性好等优势, 因此, 可以采用导电聚合物与碳材料复合作为电极来提高综合性能。利用导电聚合物与多孔碳材料、碳纳米管复合制备的电极材料, 其电容性能有显著提高, 具有很大的应用潜力。
研究表明, 利用有机/无机材料协同作用可以大幅提高电极性能, 而导电聚合物独特三维网络结构为金属氧化物提供电子通道, 同时扩大金属氧化物之间层间距, 并抑制金属氧化物颗粒间聚集, 增大复合材料比表面和孔隙率, 从而提高复合材料电极导电率、离子扩散速率、电极比容量和稳定性。
将多孔碳引入金属氧化物/导电聚合物复合材料形成三元复合体系, 可以进一步增强复合材料电性能。多孔碳为电极提供稳定支撑, 也可以提高材料导电率。例如, 有研究在三维石墨泡沫载体上生长钒氧化物纳米材料, 并进一步用聚 (3, 4-二氧乙撑噻吩) (PEDOT) 包覆钒氧化物纳米材料, 获得三维核壳结构复合正极材料。研究表明, 具有导电聚合物的复合电极的比容量有显著提高。这是因为PEDOT多孔膜促进电子传输, 并增强电极稳定性, 同时加强纳米结构稳定性。
自20世纪70年代问世以来, 导电聚合物由于其独特的物理和化学性质, 如电导率高、重量轻、成本低、易于大规模生产等, 已经在超级电容器、锂离子电池等储能领域显示了广阔的应用前景。不过, 导电聚合物电极仍存在循环稳定性差、比电容低、能量密度低等问题。未来的研究将着眼于进一步优化复合材料制备工艺并开拓新型复合材料体系, 以发展性能更高、稳定性更好的基于导电聚合物的电极材料。
摘要：近年来, 由于导电聚合物具有电导率范围广、生产方便、稳定性高、重量轻、成本低、易于制备成纳米材料等特有的属性, 逐渐成为当前科学研究的热点领域, 可广泛应用于能量存储领域。本文主要综述了导电聚合物在超级电容器、锂离子电池等方面的应用, 以及不同的正极材料对电极导电率、电极稳定性等性能的影响。
关键词：导电聚合物,电极材料,超级电容器,锂离子电池
[1] 涂亮亮, 贾春阳.导电聚合物超级电容器电极材料[J].化学进展, 2010, 22 (8) :1610-1618.
[2] 冯辉霞, 王滨, 谭琳, 雒和明, 张德懿.导电聚合物基超级电容器电极材料研究进展[J].化工进展, 2014, 33 (3) :689-695.
[3] 张婉容, 万凯, 朱超, 张禹, 冯波, 艾照全.导电聚合物复合材料作锂离子电池正极材料研究进展[J].胶体与聚合物, 2017, 35 (1) :41-44.
