[发明专利]制备基于储能装置的织构化电极的方法

说明书

相关申请

本申请要求2009年11月30日递交的美国临时申请第61/265,634号和2010年6月10号递交的美国临时申请第61/353,500号的优先权。上述申请的全部教导在这里通过引证全部并入本文。

背景技术

1989年，Alan MacDiarmid由于其在导电聚合物方面的工作成果而获得了诺贝尔奖。在他的第4,940,640号美国申请中，MacDiarmid公开了聚苯胺的化学性质以及5种可能的氧化态。那时，聚苯胺是通过化学路线进行合成，并随后通过电化学刺激产生各种电态。在20世纪90年代早期，研究人员(例如，V.Gupta和M.Pasquali)公开了聚苯胺和聚吡咯导电纳米管的构建体，所述的构建体在酸中通过电化学何曾获得，所述的酸例如是盐酸、硫酸和高氯酸。这些薄膜具有非常高的电解性能，但却在物理及电学上相当不稳定，并在使用过程中分解。自那时起多年来，通过掺杂给电子体(例如，磺酸)使其获得了逐渐提升的化学稳定性。在这种情况下，负离子RSO3″进行合成进入聚苯胺中，从而形成更为稳定的材料，尽管这是以在电极上更慢的增长或更低的粘着性为代价的。自从最初研究开始，已经公开了许多针对电化学及化学合成的论文；然而，所述的论文中由于类似“刷”特征的微观性质而明显缺少导电聚合物的最有利的形态的装置。疏松的纤维或纳米织构在装配成对抗电极期间进行压紧，进而减少大部分可使用的表面积。目前研究的集电极主要为贵金属，由于贵金属是昂贵的，因此限制了其在商业上的应用。缺少粘附到其它次贵金属主要是由于氧化反应也限制了它们的应用。因此，导电聚合物的商业应用具有大量的化学(颗粒的)合成路线，其可利用的比体表面积与更为易碎的电化学方法增长的纳米织构相比为差不多10倍以下。

因此，本发明的目的是提供一种在非贵金属电极上制备纳米织构导电聚合物的方法，这些非常高的比表面积材料的微观性质在连续的电化学合成、干燥、溶剂应用和物理装配以及重复的充电的放电过程中进行保存。

发明内容

本发明涉及在非贵金属电极上合成一种导电聚合物。高功率和高能量的有机纳米管超级电容器(supercapacitor超级电容器)或电池是由低成本的材料制被而成，并通过自动连续板过程制备。连续生产方法包括电化学技术：一种技术，尤其适用于形成一种对导电聚合物的增长有利的晶粒层或晶粒板，其中所述的导电聚合物具有良好的粘着性和电学性能；另一种技术提供了在增殖为有利的形态和电学性能时快速的增长在晶粒层或晶粒板上。本发明也涉及了一种负电极，所述的负电极由蚀刻的锂化铝组成，其中所述的电极与传统碳基锂离子负电极相比更为安全和轻便。本发明提供了用于制备负电极和正电极的改进的方法，以及包含它们的储能装置。本发明提供了在现有技术加工过程中通常所不具有的在有机溶剂和电解质溶液中足够的稳定性。本发明进一步提供了在重复充电和放电过程中的稳定性。本发明也涉及了应用于储能装置中的新型微观结构保护支持膜。

附图说明

本发明的上述和其它目的、特征和优势通过下面的对在附图中举例说明的本发明的实施方案的更具体的描述将变得显而易见，在这些附图中相似的参考字符在不同的视图中表示同一部分。这些附图不必依比例绘制，而是改为把重点放在举例说明本发明的原则上。

附图1：金属条示意图。

附图2：电极层状结构示意图。

附图3：电化学合成池示意图。

附图4：纳米管产物的电子显微图像。

附图5：纳米管电极的CV循环测试示意图。

附图6：生产系统示意图。

附图7A-7C：正负电极间隔板/间隔层。

附图8A-8C：电极和隔板层交替的堆栈。

附图9：超级电容器特性，根据pH和掺杂程度的函数。

附图10A和10B：放电曲线。

附图11：2.5mA/cm²恒定电流下的放电曲线。

附图12：传热模型，揭示了4mm基质厚度适用性。

附图13：贱金属电极上聚苯胺的循环测试示意图。

附图14：电化学合成在石墨打磨的铝1145上的聚苯胺的半电池排列的性能说明。

附图15：Ni/4-APA/PANi电极循环伏安法示意图，根据实施例1所制备的，在低pH水溶液中的反应。

附图16和17：Ni/C/PANi电极的循环伏安法示意图，根据实施例2生产的，在低pH水溶液中和非水溶液中的20C薄膜的反应。