聚噻吩-導電纖維複合膜及其製法和用途的製作方法

2023-09-10 20:47:15

專利名稱：聚噻吩-導電纖維複合膜及其製法和用途的製作方法
技術領域：
本發明涉及環狀化合物的均聚物，具體地說是噻吩環的均聚物。
用導電高分子作為可充電鋰電池的正極已引起世界上廣泛的關注。這主要是因為這種有機材料在理論上有較大的儲能密度。而其關鍵技術是要解決具有高的力學性能，高電導率，高柔順性，能用作可充電鋰電池正極的高分子複合膜，但至今尚未有報導。
本發明的目的在於提供一種力學性能好，電導率高，柔順性好，能用作可充電鋰電池正極的高分子複合膜，其簡易可行的製法及儲能密度大的可充電鋰電池正極。
本發明的技術解決方案如下。
用聚噻吩和導電纖維製成聚噻吩-導電纖維複合膜，即在由化學沉積法合成的聚噻吩膜中含有導電纖維，導電纖維均勻地平行排列在聚噻吩膜中。
其中導電纖維為直徑1-50微米的鉑、鋁、鎳等耐腐蝕的金屬纖維或碳纖維。平行排列的相鄰兩根導電纖維的距離為0.1-1.0mm。
聚噻吩-導電纖維複合膜的製法是用不鏽鋼板作為工作電極和對電極，在工作電極上平行均勻地鋪上導電纖維，相鄰兩根導電纖維的距離為0.1-1.0mm，導電纖維的兩端用塑料膠帶固定在不鏽鋼工作電極上，並且拉直壓緊，使導電纖維和電極表面緊密接觸。將兩電極放入噻吩的三氟化硼乙醚溶液中電解。使噻吩在工作電極表面聚合成膜。電解液噻吩三氟化硼乙醚溶液的濃度是每升溶液含1.0-15克噻吩。參比電極為銀/氯化銀電極。在1.0-2.0伏恆電壓下電解聚合。控制通過電解池的電量，使聚噻吩膜的厚度在10-50μm。聚噻吩-導電纖維複合膜微弱地依附在不鏽鋼電極上，可以很容易地剝離下來。所得的複合膜貼近不鏽鋼電極的一面平整而有金屬光澤，導電纖維埋在或緊密地粘附在複合膜上。複合膜的抗張強度超過1400公斤/釐米，電導率大於100西門子每釐米。
所得的聚噻吩-導電纖維複合膜可以用作可充電鋰電池的正極。用每升含有0.1-1.0摩無水高氯酸鋰的丙二醇碳酸酯溶液作為電解液，0.1到0.3mm厚的鋰片為負極，摺疊聚噻吩-導電纖維複合膜為正極，形成一個鋰電池。複合膜上暴露的導電纖維用鋁泊封住作為導線。電池在每克正極材料10-30毫安的恆電流下充電6-10小時後，以每克正極材料20-30毫安的電流密度放電，並在2.2V(相對於鋰/鋰離子電極)時停止放電。充放電都是在室溫下進行的。如此的可充電鋰電池尺寸小，放電電壓在2.2-4.0V之間，儲能密度為每公斤90-200安培小時，可充放電次數在100次以上。
本發明的聚噻吩-導電纖維複合膜有非常好的力學性能，其抗張強度超過1400公斤/釐米，有較高的電導率，其導電率大於100西門子/釐米，並且非常柔順，可以摺疊或捲曲。
本發明的聚噻吩-導電纖維複合膜的製法，簡單易行，成本低。
本發明的聚噻吩-導電纖維複合膜的可充電鋰電池正極具有尺寸小，儲能密度高的特點，其儲能密度達每公斤90-200安培小時。
實施例1.
用長14釐米，寬6.5釐米的不鏽鋼板作工作電極極板。將直徑6-7微米，抗張強度為228公斤/平方毫米的碳纖維均勻地平鋪在工作電極表面上。相鄰兩根碳纖維之間距離約為0.4毫米。用拉伸、正壓的方法使其與不鏽鋼電極有良好的接觸。碳纖維兩端用膠帶固定。對電極是同樣大小的不鏽鋼板。參比電極是Ag/AgCl電極。用每升含有0.1摩噻吩的三氟化硼乙醚溶液作為電解液。將電極浸入電解液中5釐米，使約為1釐米的碳纖維露出電解液表面，在1.3伏電壓下電解10小時，得到厚約為30微米的聚噻吩一碳纖維複合膜。將該膜從不鏽鋼電極板上剝離下來，得到長14釐米，寬4.5釐米的聚噻吩一碳纖維複合膜，重0.23克。其抗張強度超過1400公斤/釐米，電導率大於100西門子/釐米。
實施例2.
將實施例1中所得的複合膜捲成直徑約為0.5釐米的圓柱形，把裸露的碳纖維用鋁泊封好，再用電極夾夾在鋁泊上作為正極。用厚0.3釐米、長2釐米、寬0.5釐米的金屬鋰片作為負極，用每升含有0.1摩高氯酸鋰的1，3-丙二醇碳酸酯溶液作電解液，組裝成可充電鋰電池，在20毫安每克的電流密度下充電8小時。然後，在20毫安每克的電流密度下放電，放電電壓在4.2-2.2伏之間，前4小時電壓基本上保持在4伏，4小時後逐漸下降到2.2伏，可放電時間約為7小時，總放電量為32毫安小時，電池的儲能密度達139安培小時每公斤。該電池在充放電100次之後沒有發現放電能力有下降。
實施例3.
用長200釐米、寬7.5釐米的不鏽鋼板作工作電極。直徑為5微米的鋁金屬纖維均勻地平鋪在工作電極表面上。相鄰兩根鋁纖維之間的距離為0.3mm，用拉伸、正壓的方法使其與不鏽鋼電極有良好接觸。鋁纖維的兩端用膠帶使其固定。對電極是同樣大小的不鏽鋼電極。參比電極是銀/氯化銀電極。用每升含有0.1摩噻吩的三氟化硼乙醚溶液作為電解液。將電極浸入電解液中5釐米，約2釐米的鋁纖維露出電解液表面。在1.3伏電壓電解10小時，得到厚約20-30微米的聚噻吩-鋁纖維複合膜。將該膜從不鏽鋼電極上剝離下來，得到長200釐米，寬為6釐米的聚噻吩-鋁纖維複合膜。該膜重3.3克，其抗張強度超過1400公斤/釐米，電導率大於100西門子/釐米。
實施例4.
將實施例3中所得的聚噻吩-鋁纖維複合膜捲成直徑約為3.0釐米的圓柱形，把裸露的鋁纖維用鋁泊封好。再用電極夾夾在鋁泊上作為正極，用厚0.3釐米，長3釐米，寬0.5釐米的金屬鋰片作為負極，用每升含有1.0摩高氯酸鋰的1，3-丙二醇碳酸酯溶液作為電解液，組裝成可充電鋰電池。在每克20毫安的電流密度下充電8小時。該電池的放電電壓為4.2-2.2伏，在每克20毫安的電流密度下可放電7小時，總的放電能量在1000毫安小時以上。電池的儲能密度為139-150安培小時每公斤。該電池在充放電100次後沒有發現放電能力有下降。
權利要求
1.一種聚噻吩-導電纖維複合膜，其特徵是在電化學沉積法合成的聚噻吩膜中含有導電纖維，導電纖維均勻地平行排列在聚噻吩膜中。
2.根據權利要求1所述的複合膜，其特徵導電纖維是直徑為1-50微米的鉑、鋁、鎳等金屬纖維或碳纖維。
3.根據權利要求1所述的複合膜，其特徵是相鄰兩根導電纖維的距離為0.1-1.0mm。
4.一種聚噻吩-導電纖維複合膜的製法，其特徵是用不鏽鋼板作為工作電極和對電極，在工作電極上平行鋪上導電纖維，使其與電極表面緊密接觸，噻吩的三氟化硼乙醚溶液作電解液，電解聚合，控制通過電解池的電量，調節聚噻吩膜的厚度，所得的噻吩-導電纖維複合膜可從不鏽鋼電極上容易地剝離。
5.根據權利要求4所述的複合膜的製法，其特徵是噻吩的三氯化硼乙醚溶液的濃度是每升中含1.0-15克噻吩。
6.根據權利要求4所述的複合膜的製法，其特徵是以銀/氯化銀電極為參比電極，在1-2伏恆電壓下電解聚合。
7.根據權利要求1所述的複合膜的用途是用作可充電鋰電池的電極。
全文摘要
一種聚噻吩-導電纖維複合膜，它是電化學沉積法合成的聚噻吩薄膜中含有平行排列的導電纖維。該複合膜可以用不鏽鋼板作為工作電極，在電極板上預先鋪上導電纖維，然後在噻吩三氟化硼乙醚溶液中進行電解聚合，即可製得聚噻吩-導電纖維複合膜，用此複合膜作可充電鋰電池的正極，組裝成鋰電池，充電後放電電壓為4.2-2.2伏，在每克20毫安的電流密度下可放電7小時，電池的儲能密度為139-150安培小時每公斤。該電池在充放電100次後放電能力未發現下降。
文檔編號C25D13/08GK1155167SQ9611681
公開日1997年7月23日 申請日期1996年1月16日 優先權日1996年1月16日
發明者石高全, 葉葳 申請人:南京大學