导电聚合物基复合材料应用于超级电容器的研究进展

摘 要

一般情况下，单一的导电聚合物往往不能够满足生产和科技部门对与材料性能的需要，因此，导电聚合物基复合材料实现了材料领域的经济快速发展和社会进步。导电聚合物基复合材料是应用目前的聚合物加工技术，把两种或多种完全不同的材料或不同性质的材料，在一个连续的聚合物基体添加另一种与之互补的材料，通过相互包容形成的复合材料。聚合物基复合结构材料不仅保持了原材料的主要优点，而且还往往具有新的特性。具有高导电率的导电聚合物基复合材料，是一种拥有超高电容性质的新型功能材料，一般应用于对超级电容器电极材料的实验应用研究中。本文主要介绍了导电聚合物基复合材料可以作为超级电容器的电极材料的研究进展，还有超级电容器的分类和它的工作储能原理。在此基础上，综述了目前导电聚合物电极材料的缺点和不足，还有常见的导电聚合物基复合材料的大体分类及应用制备方法，还有目前超级电容器的研究发展进程。文章最后对导电聚合物基复合物材料可以应用于超级电容器领域的未来前景进行了阐述，并且对以后科研需要改进的方向进行了大体展望。

关键词： 导电聚合物 超级电容器复合材料

第一章 绪论

1.1前言

近些年来，随着化石燃料的逐渐消耗，地球上存在的可以用作能源来使用的物质也在不断地减少，能源问题已成为了当今世界上讨论多次的问题。同时，伴随着人们生活水平的提高，对能源的使用要求也越来越多。毕竟，我们这个地球上的能源是很少的，开采是有限度的，通过什么样的方法来解决能源问题是当今科学家和许多研究人员面临的重要难题。当前，为了能够充分发现和利用氢能、风能、核能、海洋能、太阳能等新能源，我们需要把这些新能源转化为电能并找到与之相匹配的储能装置。我们在日常生活中通常会用到的电池就是储能设施之一，它可以在我们需要的时候用来储存大量的能量或者释放出所需能量，以满足我们日常生活的许多需求。但是电池也有很多的缺陷，例如，电池中的电解质液会污染地球上的土壤环境，可循环次数也是有限的，稳定性不好，灵活性不高如：不能弯曲使用，不能放进较小的容器折叠使用等。目前，用于制造电池电极的材料也是来源于地球上的矿物资源，无休止的滥用会对地球资源有所破坏[1-2]。一般而言，传统的电容器只是在正极板和负极板上发生正负电荷的迁移从而可以储存一部分的能量。虽然这类电容器几乎能用来循环使用无数次，但是传统电容器这种靠电荷的相互静电作用来储存可用的能量并不大，具有很小的能量密度，不能满足人类的各种生活需要[3]。

近几十年来，伴随着经济社会的迅猛发展和科学技术的快速进步，科研机构人员和商界开始高度重视研发和生产可再生的清洁能源。可是能源的存放一直是一个问题，于是，科学家寻找到了超级电容器这种设备，超级电容器可以在非常短的时间空隙内输出能量，来获得很高的能量密度，是一种比静电电容器还要方便高效的储能设备，而且它还可以把电能转化为化学能储存起来，具有比电池还好的功率密度和长时间的循环寿命，对环境没有任何污染、符合当今的可持续发展战略，广泛应用于绿色能源领域，而且循环寿命长、使用温度范围宽、安全性能高等优点，主要应用在电子电路、汽车、航天飞机、舰艇等方面，这是未来要大力发展的关键方向[4]。

1.2超级电容器概述

超级电容器作为一种电化学电容器，它的性能非常特殊，它有静电电容器和蓄电池共同的优点，是一种拥有特殊性能的储能设备。超级电容器具有长期的循环寿命和高的能量密度，并且缺点很小并不是特别地影响使用。[5]。近些年来，由于其在社会的各行各业中发挥着重要的作用，所以有很多的科学家把目光投入到这上面来。现在，对超级电容器的理论和实验研究，不是把电池完全摒弃，而是想把电池的优点吸收接纳过来，互相补充，以达到最充分的应用。它应用于电源的备用和再生能量的储存方面，并且在智能三表、军工工控、电动车辆、电动工具等领域也有很宽广的发展前途[6]。

1.2.1超级电容器的分类

以电解质溶液为分类依据，可以分成水型和有机溶剂型的超级电容器；以储能时的工作机理来分，可以分成双电层电容器和法拉第赝电容器。金属氧化物类材料、高比表面积的碳材料以及导电聚合物材料主要是作为超级电容器的电极材料。高比表面积碳材料主要用来制备双电层电容器，而还有赝电容以氧化还原过程为基础，所以金属氧化物与导电聚合物材料则更做的用于赝电容器[7]。纵观整个储能材料市场，双电层超级电容器的比表面积很高，并且关于它的研究理论很多，生产制备较为容易，适合大批量生产。

1.2.2超级电容器的一般结构

目前，市场上分布着各种各样的超级电容器，玲琅满目，种类众多，但是，从超级电容器被发明出来以后，所有的超级电容器结构都大致相同，只有在某些细节上有所不同。主要结构都有电极材料，电解质溶液，隔膜，集流体和外壳等部分[8]。首先由作为正电极和负电极的相同或不同的活性材料，还有电解质溶液和离子可以通过的多孔隔膜。为了减小接触电阻，集流体与电极材料紧密相连，稳定且导电性好。电解液的类型选择一般是根据实际应用进行选择。

1.2.3超级电容器的储存机理

超级电容器的工作机理主要由它的电极材料决定，超级电容器中常见的双电层电容和赝电容不是相互独立的，而是互补的、相辅相成的。例如，以多孔碳材料为电极，制备成了多孔碳聚合物超级电容器，电极在充电与放电的过程中，往往发生杂质原子的氧化还原过程。通过用双电容电极材料和高比表面积的材料结合，得到新的电容器，以便用来增加电容器的电压范围和能量密度[9]。

(1) 双电层电容器的工作机理

双电层电容器的工作机理是，正离子和负离子分开，一部分在正极上附着，另一部分则移动到相反的方向上，随着电解质溶液中正离子和负离子相互分开，在他们之间就形成了电势差[10]。在需要充电的时候，会发生正离子和负离子相互分开，重新排列分布，汇集到正电极和负电极的表面上，此时，内部储存电。在使用时，正离子和负离子从电极材料上移动，回到电解质溶液中，放出电量。（如图1-1所示）。

在充电结束后，正离子和负离子之间的排布形成稳定的电势差，放电过程是通过电子在外电路中的移动，电子由负极移动到正极[11]。电极材料主要包括炭材料及其衍生物（活性炭、炭纳米管以及石墨烯等），碳原子的最外层有4个电子，使得碳材料不容易氧化，所以由碳材料制成的电容器很稳定[12]。

图1-1超级电容器工作时的内部原理图

EDLC具有应用寿命长、充放电率高、可逆性好、内部电阻低、周期效率高、放热极低和充电方法简易等优势。但是一个标准的超级电容器每单位重量储存的能量较低、自放电率较高、当很低的内部电阻允许快速放电时，容易导致隔膜破裂从而发生短路。为了改善超级电容器的电化学性能，赝电容电极材料被普遍研究[13]。

(2)赝电容器的工作原理

赝电容器模型是Conway发现的，它是在电极材料表面产生可逆的化学性吸附过程，或者是在电极的附近发生电子的得到或失去而产生的电势差[14]。赝电容器的电压与电子的转移数量有关，显示出电容器的性质，适用的电极材料有MoS2、MnO2、Fe3O4等、含各种表面官能团的炭材料以及导电聚合物（PANI、PT）等[15]。在充电过程中，在外加电路的影响下，离子从溶液中移动到界面上，在电解质溶液和电极材料的分界面上产生电化学反应，电子最终移动到氧化物相中。氧化物相中的离子就比表面积大，化学反应多，储存的电荷就多。在使用放电时，氧化物相中的离子就发生相反过程，电子通过外接导线迁移，产生电量的释放。

例如，Fe3O4等过渡金属氧化物，他们在充电时，由于通电产生外加电场，先是电解质溶液中离子移动到界面上，最终移动到氧化物体相，到电极材料中把电量储备起来。在放电过程进行时，电极材料中的离子返回界面中，再到电解液中，最后电子通过外电路迁移，产生电势差，释放出电量。超级电容器中的导电高分子电极材料会先发生P、N型的掺杂反应，再发生与上述过程类似的氧化还原电化学反应。电化学反应在赝电容器的电极材料表面和内部都发生，所以赝电容器的工作起来的使用效率高，比电容还高[16]。

由于赝电容器的面积大，所以在充电过程中，它的电荷要想储存满需要很久，充电的时间长，功率密度比双电层电容器的低，而且赝电容器在表面上进行电子转移，所以它的稳定性也不好[17]。现在发现，在赝电容器中的使用过程中，会产生插层行为，这些插层行为的产生是因为Na+, K+, H+等阳离子在储存电荷时，产生大于电极材料的间隙，所以就在间隙中插入[18]。

电极面积一样的状态下，赝电容器的比电容比双电层电容器的高，同时又具备较大的比容量和能量密度。但是电极上的反应是氧化还原反应，氧化还原反应的发生很难逆向进行并恢复到原来的状态，所以，在经过多次的使用后，它的可逆性和循环性会一点点的下降，再也回不到从前。

1.2.4超级电容器的性能

把超级电容器合理的应用于新的能源机器设备，主要由它的性能来决定的，超级电容器作为一种新型储能元件，具有优良的性能，同时它还具有静电电容器和电池的特性，超级电容器有以下的特性：

(1)具有非常可靠的比容量特性，比容量可大到法拉级或者数千法拉级，能量密度很高并且存储的能量是静电电容器的100 倍以上[19]；

(2) 具有良好的倍率性能和充放电寿命长，可经过50 万次的充放电而不改变其性能；

(3) 具有超大电流，很好的放电能力，还有高功率密度，充电快，是电池的100 倍；

(4) 很干净环保，不会排放到空气中，环境不会受到污染，超级电容器所使用的材料是安全无毒的，而蓄电池却具有毒性；

(5) 具有比电池更宽广的使用温度范围(-40～70 ℃)，尤其是在低温的环境中，性能很卓越[20]；

(6) 还可以把超级电容器任意并联起来使用，以便能很快的增加到所需的电容量，如果使用均压的过程后，还可以串联起来使用[21]。

(7) 具有优异的循环稳定性、低的制造成本和安全环保的特点，符合当今世界的可持续发展生态环境建设战略。

1.2.5超级电容器的应用领域

超级电容器由于具有电容量大、功率密度很高、产生的电流很大和充放电稳定性好，已经在在工厂和电子消费领域得到广泛的应用，并且通讯电信、医疗器件方面也得到了认可，开始投放大量的超级电容器应用[22]。目前开发的超级电容器，把它们根据放电的数量、放电所需的时间、工作时的电压范围，储存电容的多少，分为了备用电源、可替换辅助电源和主要电源三大类[23]。

（l）作备用电源：现在超级电容器应用领域较广，如在电子科技产品的研发与应用上，主要是在存储器、电脑、计时器等，在需要外出出差很长时间时作后备电源。典型的代表包括录像机、电视卫星接受器、小型汽车的音频系统和出租车的计程器等[24]。

（2）作替换电源：超级电容器的可以充放电多次、超大容量的电容器可以进行上万次以上的循环寿命，安全可靠，应用寿命长，温度使用范围广而且在极冷和炎热的地方都可以使用，-40～50 ℃温度范围内都可以正常工作。循环效率高以及几乎不会自放电等特点，所以适用于白昼-黑夜转换的场合。白天太阳能是电源，对电容器进行充电，到了晚上电容器就担当电源的角色。典型的应用包括太阳能手表、太阳能灯、路灯、公共汽车停车牌灯、汽车停放收费灯、交通信号灯等[25]。

（3）作主要电源：通过一个或多个电容器，在几毫秒到几秒的持续时间内，产生大电流。放电结束后，超级电容器被安排用低功率的电源充电。典型的应用有玩具车等，玩具车的体积小、质量轻。而超级电容器最具有前途的是未来将会普及的混合电动汽车。目前电动汽车的储能部分是蓄电池，虽然普通电池的能量密度高，行驶路程长，但是存在使用一次完毕后，再次充电所需时间长、没有办法进行大电流充电、使用寿命短等缺陷。超级电容器作为电动汽车的储能部分后，这些缺陷就会得到弥补[26]。由于超大容量电容器的寿命是化学电池的100 倍以上并且不用维护，所以在城市中推广使用的交通电动汽车，就是以超大容量电容器作为动力来源，既节约了综合营用成本，又大大降低了传统电动汽车以电池作为动力源的浪费[27]。

1.3本论文选题的背景与意义

随着社会主义现代化的提出，人们对科学研究越来越重视，国家也投入了大量的资金用于支持新旧动能转换，而新型储能材料是重要支柱，科学家也意识到了这个问题，并且开始对材料的研究方向由硅向碳转变。而超级电容器的发明为这个转变提供了更大的推进力[27]。超级电容器是一种符合可持续发展要求的高性能储能器件，它可以随时储存和放出电荷，它的瞬间功率超高，适合不同的电器设备，还能长期提供能量[28]。碳中的主要代表是石墨烯，它的稳定性很好、具有大的比强度、比表面积大、导电性好，石墨烯的发现归功于英国的海姆物理学家，还有曼彻斯特大学毕业的诺沃肖沃夫，他们利用石墨片的剥离技术，得到了石墨烯，这件事引发了很多关注，掀起了研究的热潮在世界范围内，在2010年，两位科学家，海姆与诺沃肖沃夫，获得诺贝尔物理学方面的奖项[29]。石墨烯属于一种新兴材料，它是碳的纳米材料，在石墨烯的利用过程中，会发生团聚现象，这种团聚不能分散和搅散，所以比表面积变小，把单纯的石墨烯制备成电极，石墨烯电极材料不再具有原来的性质，很多性能消失了，所以需要制备导电聚合物石墨烯复合材料，把它们各自的优点集合起来使材料的电化学性能得到综合提升[30]。

第二章导电聚合物基复合材料应用于超级电容器的研究进展

2.1引言

当今社会，经济得到迅速发展，主要是人们通过开采挖掘石油，煤，天然气等化石能源，这种做法虽然可以得到经济的快速进步，但是消耗了不可再生能源，在化石燃料使用时，会产生有毒气体，会往空气中排出废气，污染了环境，这不仅以破坏牺牲环境为代价，而且化工厂排出到空气中的废气还会对我们的健康产生威胁，吸入肺部之后会引发疾病。我们迫切需要新的清洁能源，在开发了例如风能、潮汐能和太阳能等新能源后，这种情况暂时得到了解决。不过，21世纪之后，电子科技产品发展很快，需要找到储存这些清洁能源的设备，而且便携电子产品的开发研究吸引很多人加入，所以电子产品的更新换代很快，我们需要发展轻质、便携和高稳定性的新能源储存设备[31]。此时，超级电容器被发明出来，超级电容器的外形很小巧，性能优异，兼具静电电容器和蓄电池的双优点，它的充电和放电过程很简短，不会耽误太长时间，功率密度高，工作温度和电压范围大，干净无污染，不会产生废气，使用寿命长。超级电容器的发现给我们的生活提供了便利，是新能源汽车的重要电源[32]。超级电容器的需求量很大，也有些方面的性能不完善，世界上很多科学家也都在致力于研究改善，双电容器的电极材料是石墨烯，赝电容器的电极材料有MnO2和聚苯胺等，研究发现，只是单纯的使用一种电极材料，制备得到的超级电容器性能很一般，有时候还可能出现很大的缺陷，单纯石墨烯制得的电容器具有小的比电容，不足以利用到生活的各方面，单一金属氧化物在使用时，会有体积的变化，长此以往会导致电极的内部排列发生改变，使得内阻高，循环利用性不好[33]。因此，电极材料学家们正在想方设法改变这种现象，把多种可用作超级电容的材料充分研究，尝试把他们复合起来，制备了导电聚合物基复合材料[34]。

2.2导电聚合物(CP)

上世纪80年代，日本科学家白川英树、X科学家A.G.Mac Diarmid 和A. J. Heeger，发现可以通过一定的掺杂实现高分子的导电性[35]。从此，人们发现高分子化合物也能导电，高分子也可以作为一种导电高分子聚合物[36]。为了让更多的人了解他们为导电高分子聚合物所做的重要贡献，2000年的诺贝尔化学奖授予了他们三位科学家[37]。可以用做超级电容器电极材料的导电聚合物一般有聚苯胺（PANI）、聚吡咯（PPY）、聚噻吩（PTH）、聚（3,4-乙烯二氧噻吩）（PEDOT）等。最常见的的导电聚合物有聚苯胺（Polyaniline）、聚乙炔（Polyacetylene）、聚吡咯(Polypyrrole)、聚噻吩(Polythiophene)、聚对苯（Polyparaphenylene）和聚对苯乙烯撑(Polyparaphenylenevinylene)类等[38]，其结构如图2-1所示 。

图2-1导电聚合物的基本结构

聚苯胺由于其非常良好的导电性（表2-2 列举了常见的导电聚合物的理论电容值）高的比电容、还有独特的离子交换的性质，所以聚苯胺被制成了超级电容器的电极材料[39]。

表2-2 各种类的导电高分子聚合物的理论参数

聚苯胺的结构分歧很大，现在大多数人是利用下述苯醌交替连接的结构（见图2-3 ）。

图2-3 聚苯胺的分子结构

2.2.1导电聚合物电极材料的不足

导电聚合物(CP)可以通过单体的相互加聚制备而成，这种制造的成本很便宜，赝电容也高，但是也有缺陷，由于聚合物的超高分子链结构，所以它链结构不稳定，容易产生收缩、膨胀和断链，所以要想加大它的推广还需要改进[40]。导电聚合物电极材料最大的缺点是，在长时间充放电使用之后，它的电容性能不再优良，会出现明显的衰退。导电聚合物在充电和放电的往复过程中，经常会发生一些聚合物溶胀和收缩的现象，这些现象会导致导电聚合物电极产生力学性能变差和电容性能衰退的不良后果。例如，聚吡咯超级电容器在电流密度为2mA/cm2时，开始的比电容是120F/g，当其循环1000次后，再次观察其比电容，就会发现变成了59.8 F/g，下降超过50%。当然了，聚苯胺材料也有相同的问题，在进行连续多次的充放电过程后，发现了它体积的变化，因而比电容性能也产生下降。像由聚苯胺制成的纳米棒，在循环充放电1000次之后，比电容会下降约30.0%[41]。所以解决导电聚合物的循环稳定性问题是以后的研究方向。

进入二十世纪以来，寻找新型丰富价廉和催化活性很高的非铂对电极材料成为了科学专家学者研究的重要领域之一。目前得到充分认识和了解的碳材料包括碳黑、石墨、碳纳米管和石墨烯，因碳材料具有优异的导电性和稳定性，经过众多研究试验表明，碳材料可以作为一种对电极材料。此外，导电聚合物聚噻吩、聚吡咯、聚苯胺等都有较高的催化活性，因而也是优秀的候选材料[42]。由于聚合物基体不能直接测量电阻变化，因此国内外学者聚合物基体的导电性展开了研究，此类研究主要通过在聚合物中掺入杂导电填料，不仅增强了聚合物的力学性能，也很大程度上提高了导电性，并且赋予了复合材料对应变及损伤新的功能。

2.3导电聚合物基复合材料的分类及其制备的研究进展

复合材料是把两种或多种材料通过生产加工制备工艺复合起来的兼具多种性质的一类材料。根据材料的结构与组成，把导电聚合物基复合材料分为导电聚合物与有机材料复合、导电聚合物与金属氧化物复合和导电聚合物与无机非金属材料复合三类[43]。把有机材料加入导电聚合物中，可以增加导电聚合物的加工性和分散性，克服导电聚合物在应用上的缺陷。目前用于与导电聚合物复合的有机材料有PMMA、PS、聚氨酯等。导电聚合物和金属氧化物的复合可以赋予导电聚合物特殊的性能，如光催化、吸波、气敏等[44]。一般认为二氧化锰、二氧化钛、四氧化三铁、氧化锌、二氧化锡等金属氧化物与导电聚合物复合。导电聚合物和无机非金属材料的复合可以获得导电性、稳定性和耐腐蚀性，主要是硫、碳黑、石墨、碳纳米管、石墨烯、二氧化硅等无机非金属材料。以下主要介绍了三大常用的导电聚合物材料聚吡咯（PPY）、聚苯胺（PANI）和聚噻吩（PTH）及其应用于超级电容器的导电聚合物复合材料[45]。

2.3.1 聚吡咯（PPY）复合材料

聚吡咯（Polypyrrole）是一种常见的高分子，一般情况下，吡咯无毒无害，聚合而成的聚吡咯也有良好的性能，聚吡咯的结构是杂环构成，是导电高分子聚合物的一种，而且具有好的能量储存能力、良好的导电性和空气中的稳定性好，利用电化学氧化法，把吡咯单体聚合制备成导电性薄膜，这只是其中的一个应用，还有在很多领域中的潜在应用，使其在CP中脱颖而出。聚吡咯具有优良的稳定性、高的电导率、商业可用性好和合成工艺好,促使它成为超级电容器中的电极材料之一[46]。

由于各种微观分子级仪器的发明，纳米技术得到突破发展，因此有学者开始探究纳米材料制备超级电容器，即把其他种类的纳米材料与聚吡咯集合，合成PPy纳米复合材料，这可以显著增快离子扩散率和增大接触面积，从而增强电容[47]。金属氧化物电极的氧化和还原反应具有良好的电子导电性，它在化学反应和结构上都是可逆的,该电极反应可以进入到电极内部,完成赝电容的可逆过程进一步提高能量密度。聚吡咯与纳米金属氧化物复合在一起，能够在很大程度上提高电极材料的导电性和超级电容器的能量密度。已经有科学家在三电极体系中通过电沉积法聚合制得MnO2/PPy纳米复合材料,在电沉积实验过程中,PPy分子与MnO2颗粒相互紧密排列,这种结构促使电荷的传递。电化学沉积制作MnO2/PPy 纳米复合材料，不仅提高了纳米复合材料的氧化还原性能，PPy还为纳米晶体MnO2的生长过程提供了支撑，增大了表面积。反过来说，MnO2改善了PPy的链式结构，提高了导电性和稳定性。因此,MnO２/PPy纳米复合材料在超级电容器中表现出超高的电容特性，还有较稳定的循环寿命[48]。

2.3.2 聚苯胺（PANI）复合材料

聚苯胺的聚合加工结构中含有共轭结构，共轭结构中含有可以移动的自由电子基，自由电子的移动使它变成了独特性能的材料，并且它的电导率高、单体成本低、易于合成。经掺杂后可具有导电性。导电聚合物可以由两相组成，两种性质不同的高分子可以共聚为导电聚合物，也可以通过加工原理制成复合材料，也可以变为两个分子层相互黏结而成，或者由一个纯净物通过掺杂，成为一个混合物，像铂、金和Fe、Al等，不锈钢以及碳纤维。研究者已经在不同的基体上合成制备出聚吡咯，如铁，钢，低碳钢以及锌，聚吡咯可以和聚苯胺进行共聚反应，制备出来的电极材料性质优良，产生的不同的电极性质，这在电化学沉积反应中利用用途较多[49]。

聚苯胺和聚吡咯的共聚反应已经研究的比较透彻，所以我们需要深入挖掘，探索它们在小分子层面的研究，可以利用现在的生产厂家设计制造的新的仪器设备，研究它们的微观形貌，试图在原子结构上或者纳米组成上进行更多的尝试。通过仪器分析，寻找具有高导电率、高稳定性和优异相互溶解性的结构材料。已经有一些专家寻找第三方新材料，把无机纳米粒子和聚苯胺、聚吡咯先经过纳米层面的掺杂，最后制成性能很优异的导电薄膜。还可以借助助剂的理论，通过分散法，使用发明的表面活性剂和空间稳定剂，制备出可利用的聚苯胺分散系，通过这个分散系制备出聚苯胺/聚合物无机纳米超级电容器[49]。

利用超声辅助Hummers法制出的氧化石墨烯，利用氧化石墨烯和聚苯胺的复合，生产加工出了以氧化石墨烯为填充物的复合材料，这个复合材料在溶液中的分散性得到提高，这归功于石墨烯与PANI之间存在π-π相互作用和氢键。2010年，科学家们用通过研究发现，把氧化石墨烯和聚苯胺加工在一起，可以获得比电容很高的性质材料。要想提升PANI的利用率和稳定性，石墨烯要担当导电通道和利用其大的比表面积负载纳米尺度的PANI的角色，在上述材料中，复合材料的电导率会随着石墨烯添加量的多少而移动。石墨烯作为电子受体，PANI作为给体，这使石墨烯对PANI复合材料导电性有非常明显的提升，使得石墨烯/PANI复合材料在超级电容器中的导电性提高[50]。

2.3.3 聚噻吩（PTH）复合材料

噻吩是一个五元杂环类，它杂环上的原子我们习惯把它称之为α位和β位，噻吩类聚合物作为导电材料的研究早已被人们熟知[51]。在电化学进展国际会议上，Pasquier介绍了一种Ⅱ型超级电容器分别由聚3－氟苯噻吩和聚噻吩两个电极构成[52]。另外在那次会议上Mastragostino等也报道了另一种既能P型掺杂又能n型掺杂的聚3,4－双噻吩基噻吩，之后人们开始加大了对聚噻吩类超级电容器电极材料的研究[53]。Alexis合成了聚噻吩（Pth）和聚3－（4－氟苯）噻吩（PFPT）用这种方法合成的产率会高达90%以上，而它作为电极材料制备超级电容器，其比电容分别为260 F/g和110 F/g。在薄的碳电极上添加聚合物，测试结果发现聚合物都有很宽的工作电压范围，但是电极在循环100次后容量明显下降。这个缺点一度阻碍了该类电容器的发展。

聚3,4－乙撑二氧噻吩（PEDOT）是一种噻吩均聚物类电容器，它有电导率高、氧化还原电位低等优点,主要的合成方法是电化学聚合其电极材料的比电容一般低于200 F/g聚丙烯腈孔状材料，因为这个优点，该类型材料已经在锂离子电池方面得到了较好的应用[53]。而随着噻吩均聚物类电容器的发展，已经得到了较好的用户反馈。

虽然聚噻吩的能隙很小，但是氧化掺杂产生的电位高，所以聚噻吩氧化态在环境中活泼，在短时间内被还原为本征态。同时聚噻吩可以被还原掺杂，聚噻吩在3位很容易引入侧链，然而侧链的不同，聚噻吩的溶解性有较大的区别。日后，聚噻吩分子结构的设计应该致力于超级电容器的应用，并使其具有高导电率和热化学稳定性的优点。另外，把聚噻吩与大比表面积、高比电容的材料复合，可以得到复合型超级电容器[53]，但是目前对该材料的应用还不太成熟。

第三章 结论与展望

导电聚合物基复合材料以其快速充放电、低成本、高环境稳定性、在掺杂态下高的电导率、高电荷储存能力、优良的可逆性高储能密度、绿色环保等优良特性，引发了科学研究的热潮，一定成为超级电容器电极材料发展的研究热点。目前，虽然导电聚合物基复合材料的导电研究已经展开，但是仍处于初级阶段，如何在不影响材料性能的前提下对材料结构进行完善，提高材料在使用过程中的稳定性是一个值得深入探究的问题。导电聚合物复合材料是超级电容器电极材料家族中的一员，它的电化学性能会继续提升，现在乃至以后，它都将是高性能低成本质量轻的复合材料，将发挥其更大的潜力。但是材料的粉末化，相的变化及体积的胀大，这些问题都是导电高分子，在充电和放电进程中产生的法拉第反应所致的，它的商业化应用也被电极材料的循环性和倍率性限制[54]。

针对这些问题，研究者做了很多的研究，他们来深入讨论和改正这些缺点，得到的结果却差强人意。今后的研究重点应放在：未来的主要研究内容都会落脚在开发和发现新型导电高分子,并改进导电聚合物电极材料的特性优化结构设计以及电极的相互融合上面。研发新型的容易实现的聚合物,把P型和N型混合在一起，并与导电材料复合，找到具有立体空间结构和高比表面积的复合材料;为了提高电容器的电压范围和储存能量的密度，我们必须寻找到新的正负电极材料，制备出混合型的超级电容器;我们应该聚焦在提高高分子聚合物电极材料与电解质溶液的接触面,快速增加电解质离子的移动速率上,以此提升比电容和降低电阻率。改变导电聚合物的微观小分子状态，这样可以提高它的循环稳定性；把目光放在立体导电聚合物基复合材料的制备上，通过提升空间上的序列性，缩短离子运动距离，减小电阻；发挥新型电极材料的优点，通过材料加工制备工艺，把导电聚合物、无机非金属新型材料、金属氧化物进行互补有机结合，生产出多种类的电极复合材料，[55]。

但是目前仍然有许多的理论问题、技术问题没有的到有效的解决，一直处于研究解决中，导电聚合物复合材料是一种具有导电性能，还有普通高分子材料特性的新型功能材料,它可以由填充复合或共混复合等多种方法途径而制成。以后，导电聚合物复合材料发展的主要朝向是,提高导电组份的使用效果，提升复合材料的综合使用性能。科学研究发现，导电填充型聚合物复合材料通过减少炭黑的使用比例,可以提高材料导电性能，也可以改善填充物的原始性能。开发新型填料如金属纤维，它具有很低的生产成本,进一步改善导电聚合物复合材料加工技术和混炼工艺。在我国，应该形成一个以这类材料的实际应用开发为重点的完整体系，该体系应致力于研发以炭黑等无机非金属填料为填充物的抗静电新型复合材料。然而，共混型导电聚合物复合材料目前的研究方向是，尽力降低聚合物成份的含量,降低加工成本,提升混和技术,改进生产工艺,从而研发出综合性能突出的，可用于超级电容器导电材料。然而这一切是在不影响其导电性能的前提下进行的。我们完全可以相信,随着理论知识的进一步加强，实验应用研究的越发深入,导电聚合物复合材料将拥有非常可观的市场前景和发展前景[56]，这就成为致力于研究新型材料的科学家们的热点研究方向，而且消费者们也对此抱有很大的期望，他们期待着能有性能更优异的储能设备推向市场，这大大的促使了新型能源材料的研发利用。

参考文献

[1]袁美蓉，宋宇，徐永进. 导电聚噻吩作为超级电容器电极材料的研究进展[J]. 材料导报, 2014(11):14-17.

[2]张苗苗，刘旭燕，钱炜. 聚吡咯电极材料在超级电容器中的研究进展[J]. 材料导报, 2018(3):6-6.

[3]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(03):172-178.

[4]杜仕国，李良春. 导电聚合物复合材料技术进展[J]. 玻璃钢/复合材料, 1998(04):39-42.

致 谢

回首往昔，一切还在眼前。不知不觉大学即将毕业，这美丽的校园中，有我四年最美的回忆。从刚进校园时候的懵懵懂懂,到今天的逐渐成熟，整个大学承载了我人生中最好的时光。如今，即将离校，心情很复杂，不知如何形容，我还是向大学中帮助我的人表达谢意。

首先，感谢老师和各位师兄师姐的帮助。老师的悉心指导，治学的严谨和丰富的知识理论都使我受益颇深。师哥师姐们在我毕业的最后关头提供的指点，是他们不厌其烦的为我修改论文细节并且引导我解决各种问题。

其次，感谢学校本专业的各位领导老师，平时为我们批改作业，讲解习题，在生活中给我们谈心谈话，让我们获得了很大的提升。

再次，感谢所有专业的的同学们，尤其是我的舍友和李同学，在我撰写毕业论文阶段提出了许多宝贵的意见，使我能够顺利完成论文。

最后，感谢我的父母和家人，谢谢你们对我的培养和爱护。

导电聚合物基复合材料应用于超级电容器的研究进展

价格 ¥9.90 发布时间 2023年5月2日

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