[发明专利]一种柔性自支撑黑色素电极的制备方法

说明书

本发明涉及一种柔性自支撑黑色素电极的制备方法，将真黑素粉末与导电剂按质量比10:1‑3:1混合后于无水乙醇中超声分散，然后再加入PTFE乳液作为粘结剂，加热蒸发后形成糊团状电极材料，将电极材料用对辊机压成厚度为0.1‑10毫米的薄片，用刀片切割成合适大小后，放入烘箱烘干，即可得到柔性自支撑黑色素电极。本发明所提出柔性自支撑黑色素电极不仅制备方法简易，而且绿色环保且有效，且本发明真黑素原料易得，成本低廉，生产稳定性高，并且对环境无污染，在电池技术领域会有广阔的应用前景。

技术领域

本发明属于电池技术领域，涉及一种柔性自支撑黑色素电极的制备方法。

背景技术

能源是一个国家经济发展的命脉，也是国家发展战略的重要支柱。国际能源署指出，传统煤炭能源的需求将进一步下降，而电能在总体能源消耗中的比重将持续增加。作为电能的重要储能装置，电池技术经过两百多年的发展已经十分成熟，以锂离子电池为代表的商业化电池被广泛应于日常生活中，如手机、笔记本电脑、电动车、手表、心脏起搏器等各类小型化设备中。但是锂离子电池也存在许多缺点，例如安全性差，尤其是在高温下使用时，有发生爆炸的危险，而且生产要求条件高，成本较高，这些都是限制锂电池进一步发展的限制因素。

钠、镁、铝、锌等元素在地球上存储量巨大，在地壳所有元素中占比均远高于锂，因此在价格上比锂更加便宜。此外，这些元素相比锂更加安全，例如镁在大气条件下稳定，熔点高达约650℃，而锂的熔点约为180℃，安全性相比锂离子电池更高，并且镁的理论比容量为3833 mAh cm^-3，比锂的理论比容量2046 mAh cm^-3高了近一倍，因此钠离子电池、镁离子电池、锌离子电池等都有可能代替锂离子电池成为下一代新能源电池。虽然目前已经有实际应用的镁离子电池，但是仍需要寻找合适正负极材料，以及可靠的电解质来提高这些电池的性能。

真黑素作为一种天然的有机材料，拥有广泛且独特的物理化学性质，包括宽频带光吸收、自由基清除、氧化还原活性、金属络合能力和电子-离子导电等，是一种潜在的制备电极的活性材料。自从1974年McGinness等人观察到真黑素的两种电阻态之间的电双稳态切换现象，提出了非晶半导体模型来解释真黑素的电学性能以来，许多学者对这种有机材料的电荷运输性质进行了研究。但是随着研究的深入，非晶半导体模型并不能解释真黑素所有的化学性质，因此也有学者提出了真黑素是一种电子-离子混合导体。虽然真黑素的导电性为十分复杂，至今都没有一个确切的定论，但是可以肯定的是在水合作用下，随着电子和质子数量的增加，真黑素的导电率比干燥状态下可以提高5个数量级。自上世纪70年代以来，天然真黑素的化学结构表征取得了显著进展，可以在一定程度上描述天然真黑素的化学结构特征。由构成真黑素的单体5,6-二羟基吲哚（DHI）和5,6-二羟基吲哚二羧酸（DHICA）的化学结构可以发现，真黑素含有大量的羟基、羧基和氨基，这些官能团都是可以用来结合金属离子的特殊位点。在天然真黑素大分子中，DHI和DHICA通过醌（IQ）、半醌（SQ）和氢醌（HQ）三种基团的平衡稳定作用相互共存，以不同的氧化还原形式存在，而真黑素的氧化还原活性则是通过这些基团之间的电荷转移来实现的。天然真黑素通过其导电性、金属螯合能力和氧化还原活性三种特性的协同作用，使其有可能成为制备电化学装置的活性材料。

真黑素作为一种常见的黑色素，广泛存在于动物的毛发中和头足类生物的墨汁中，例如人发、牦牛毛、墨鱼墨汁等。全世界每年有大量的人发、动物毛发、头足类动物的墨囊被当做废弃物丢弃，造成了巨大的资源浪费。虽然它们自身原本的价值不高，但却是优秀的天然真黑素的来源，如果能将真黑素这种生物材料充分利用起来，从而实现真黑素的高值化应用，不仅能在一定程度上解决这种天然资源的浪费，符合可持续发展的理念，而且可以变废为宝。