导电高分子正极材料的纸电池研究

纸电池具有体积小、重量轻、对环境低污染的优点，而且其全固态、柔性薄膜结构的特点使其良好兼容于便携显示器件的集成制造和应用要求。本课题基于我们前期研发的大面积柔性自支撑聚苯胺纳米结构薄膜制备方法，构造锂离子纸电池。相对于导电高分子块体材料，导电高分子纳米材料在锂电池领域将会有更高的性能，因为其独特的纳米尺寸效应：（1）高导电率;（2）大比表面积;（3）短的离子输运长度;（4）更好地释放电化学氧化还原过程中材料膨胀和收缩产生的应力，改善电化学循环寿命;（5）重量轻，具有更高的比功率。采用导电高分子低维结构作为电极材料可有效提高锂离子纸电池器件的性能和实现柔性化。本课题将尝试制备以柔性自支撑聚苯胺纳米结构薄膜作为正极材料，石墨烯作为负极材料的锂离子纸蓄电池，探索此类器件中低维电活性高分子电输运与离子输运的物理本质，发现提高锂离子纸电池性能的可能途径，为锂离子纸电池的应用提供科学依据和技术基础。

项目执行过程中发表包括Nature Communications、PNAS、Energy & Environmental Science、ACS Nano等著名学术期刊在内的SCI论文24篇，授权国家发明专利4项、申请国际发明专利1项美国专利2项。研究进展如下：1）石墨烯/无机纳米复合结构材料及其锂离子电池电极性能研究；石墨烯是世上最薄也是强度最高的纳米材料 ，常温下其电阻率只有约10-6Ω•cm，比铜或银更低，为世上电阻率最小的材料，可用在柔性纸状锂电池中作为更薄、更轻、电导率更高的电极和集流体材料。然而由于低电化学活性，石墨烯存在容量偏低、不具备稳定放电平台电压等缺点。我们系统研究了在石墨烯上负载高比容量、具有稳定放电平台的Co3O4、NiO、CuO2、SnS2等介孔无机纳米颗粒。柔性石墨烯纳米片起到了支撑无机纳米结构的作用，有效分散了其在充放电过程中的应力和应变，并提供了良好的导电通道，而无机材料起到提高比容量和稳定放电平台电压的作用。介孔结构也有益于充放电过程中的离子的传输。所研究负载在柔性集流体上的材料具有高比容量、高速率放电性能和优良的循环稳定性等。2）镶嵌硅纳米颗粒导电高分子水凝胶的高性能锂离子电池研究；硅作为锂电池负极材料拥有最高的理论容量（比石墨高10倍）。然而硅在嵌锂脱锂过程中的体积膨胀高达4倍，降低了硅颗粒与电极的电学接触，影响其循环性能。我们采用的方法是将商业化的硅纳米颗粒镶嵌在导电高分子凝胶的三维框架中。导电高分子起到了导电粘接剂的作用，提供了快速的离子和电子传输通道，以及硅纳米颗粒膨胀的空间，保证了在充放电时硅的大体积形变情况下仍然保持硅颗粒和电极的良好电学接触。所获得的电极具有高的比容量和稳定的循环放电性能。实现了2,500 mAh/g的高容量，以及在6C的深度充放电下高达5000次循环而容量只衰减90%的优良锂电池性能，论文发表于Nature Com.，标明资助。3）新型导电高分子水凝胶及其在超级电容、传感器等领域的应用：我们研究发现通过水凝胶方式可以实现导电高分子材料快速纳米化、形成薄膜结构和图形化。研制的导电高分子凝胶具有优良的超级电容性能及生物传感性能，发表于PNAS 2012，标明资助。研制了基于微空心球结构弹性的导电高分子薄膜的新型高灵敏度压力传感器。发表于Nature Com. 2014，标明资助。撰写了相关综述文章3篇。

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