导电聚苯胺作为电池正极材料的性能研究

【摘要】：进入新世纪,寻找环保,安全的新型电池材料成为新的需求和趋势。聚苯胺由于具有可逆的氧化还原反应,原料便宜,合成简便,耐高温抗氧化性能良好,有较高的电导率和熔融加工性,较高比能量(为539.2mWh/g),环境友好,使用过程中不需维护等许多金属无可比拟的优异特性,在作为电极材料方面得到了快速发展。 本文研究了用高氯酸、盐酸、硫酸三种无机强酸分别作为掺杂剂合成聚苯胺并以锌片为负极组装聚苯胺-锌电池并对其进行充放电性能测试,通过电池性能的反馈着手研究了导电添加剂、氧化剂(NH_4)_2S_2O_8浓度、苯胺的浓度、金属离子的共掺杂、电解液pH值的影响,电解液的配置等因素对电池性能的影响,并成功合成出具有良好性能的聚苯胺/碳复合材料。 通过恒电流充放电测试、循环伏安、塔菲尔(Tafel)测试对合成材料的电化学性能进行了研究,通过XRD对聚苯胺/碳复合材料的微观结构进行了研究。结果表明以2mol/L高氯酸水溶液作为掺杂剂,苯胺浓度为0.12mol/L,(NH_4)_2S_2O_8 (APS)浓度为0.15mol/L,以苯胺:活性:炭乙炔黑质量比为10:2:0.5(即含碳量约为20wt%)的比例掺入活性炭和乙炔黑的条件下合成聚苯胺并采用pH为4.0的HCl电解液组装的聚苯胺-锌电池比容量最高,可达93.20mAh/g,首次充放电效率达到91.8%。经过10次充放电循环,电池容量衰减10.1%。在10次充放电循环过程中,库仑效率在91.8%～98.6%之间,具有良好的循环性能。 此外,还研究了金属离子以0.05mol/L的浓度掺杂对电池性能的影响,结果表明:在聚苯胺合成过程中加入Cu~(2+)、Ni~(2+)、Mn~(2+)等离子掺杂后对电池性能没有实质性的提升作用,反而电池比容量略有下降;Zn~(2+)掺入后PANi-Zn电池的比容量虽没有提升,但循环稳定性增加,寿命得到了一定程度延长;而Fe~(2+)掺入后,PANi-Zn电池充放电循环不稳,性能严重受损。