導電聚合物在電化學儲能方面的應用研究進展

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

導電聚合物在電化學儲能方面的應用研究進展

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

近年來，由于導電聚合物具有電導率范圍廣、生產方便、穩定性高、重量輕、成本低、易于制備成納米材料等特有的屬性，逐漸成為當前科學研究的熱點領域，可廣泛應用于能量存儲領域。本文主要綜述了導電聚合物在超級電容器、鋰離子電池等方面的應用，以及不同的正極材料對電極導電率、電極穩定性等性能的影響。

導電聚合物；電極材料；超級電容器；鋰離子電池

導電聚合物是有機聚合物中的一類，具有半導體或導電的屬性。最早對導電聚合物的報道是1977年A.J.Heeger、A.G.MacDiarmid和H.Shirakawa發現的聚乙炔薄膜摻雜電子受體后電導率顯著增加,開辟了導電聚合物研究的新領域，引發了全世界對導電聚合物的研究熱潮。導電聚合物的研究首先是利用摻雜提高其電導率。研究表明,經摻雜后共軛聚合物具有不同導電性能,如聚乙炔、聚吡咯、聚苯胺、聚噻吩、聚對苯撐乙烯、聚對苯等。此后，隨著聚合物發光二極管的發明，導電聚合物本征半導體態的電致發光特性和光伏效應又引發了新一輪的研究熱潮。

導電聚合物兼具聚合物柔韌的機械性能和可加工性,以及金屬和無機半導體的光電學特性,此外，還擁有電化學氧化還原活性。因此，導電聚合物材料在當前有機光電子器件和電化學器件中有著極其重要的應用。

1 導電聚合物電極材料

超級電容器常用電極材料主要有多孔碳材料、金屬氧化物導電聚合物。而由于導電聚合物獨特的優勢，近年來導電聚合物電極材料在超級電容器領域受到人們極大的關注。其中，聚苯胺是研究最為廣泛的導電聚合物材料，特別是聚苯胺納米材料，因其具有比表面積較大、成本低等優點，其制備方法和電容性能的研究成為目前電極研究的熱點。聚吡咯是另一種應用廣泛的導電聚合物材料，具有電導率高、電化學性能好、適應性強等諸多優勢，可以通過氧化聚合和電化學聚合兩種方法制備。此外，聚噻吩衍生物類導電聚合物也是重要的超級電容器電極材料，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

在當今時代面臨著由化石燃料向可再生能源轉變的迫切要求，因此新型儲能材料需要滿足能源清潔利用的要求。這些材料應該具有儲存量大、價格便宜、重量輕、效率高等特點。傳統能源存儲裝置，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的方法可以使這個問題得到改善。此外，鋰離子電池的正極材料的電導率低，需要添加導電劑，而如乙炔黑等常用導電劑的電導率較低。可以用聚吡咯、聚苯胺等導電聚合物來作為導電劑，與粘結劑、鋰材料共同形成一種三元復合型導電高分子材料。

在超級電容器研究領域，導電聚合物雖然有諸多優勢，但仍存在循環壽命低、離子傳輸慢等缺點。而碳納米管等碳材料具有比表面積高、電導率大、穩定性好等優勢，因此，可以采用導電聚合物與碳材料復合作為電極來提高綜合性能。利用導電聚合物與多孔碳材料、碳納米管復合制備的電極材料，其電容性能有顯著提高，具有很大的應用潛力。

3 金屬氧化物/導電聚合物復合正極材料

研究表明，利用有機/無機材料協同作用可以大幅提高電極性能，而導電聚合物獨特三維網絡結構為金屬氧化物提供電子通道，同時擴大金屬氧化物之間層間距，并抑制金屬氧化物顆粒間聚集，增大復合材料比表面和孔隙率，從而提高復合材料電極導電率、離子擴散速率、電極比容量和穩定性。

4 碳/金屬氧化物/導電聚合物復合材料

將多孔碳引入金屬氧化物/導電聚合物復合材料形成三元復合體系，可以進一步增強復合材料電性能。多孔碳為電極提供穩定支撐，也可以提高材料導電率。例如，有研究在三維石墨泡沫載體上生長釩氧化物納米材料，并進一步用聚(3,4-二氧乙撐噻吩)(PEDOT)包覆釩氧化物納米材料，獲得三維核殼結構復合正極材料。研究表明，具有導電聚合物的復合電極的比容量有顯著提高。這是因為PEDOT多孔膜促進電子傳輸，并增強電極穩定性，同時加強納米結構穩定性。

5 結語

自20世紀70年代問世以來，導電聚合物由于其獨特的物理和化學性質，如電導率高、重量輕、成本低、易于大規模生產等，已經在超級電容器、鋰離子電池等儲能領域顯示了廣闊的應用前景。不過，導電聚合物電極仍存在循環穩定性差、比電容低、能量密度低等問題。未來的研究將著眼于進一步優化復合材料制備工藝并開拓新型復合材料體系，以發展性能更高、穩定性更好的基于導電聚合物的電極材料。

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高曉琪(1996-)，女，本科，沈陽師范大學化學師范專業，大學三年級，研究方向：精細化工。

項目資助：沈陽師范大學“大學生創新創業訓練計劃”項目(201610166200033)。