[发明专利]混合纤维复合材料结构及其制法和用途

说明书

本发明涉及新型的复合材料，该复合材料的性质，如表面积、气孔率、空隙体积以及传导性可显示出巨大的可变性，同时在腐蚀性的环境中表现出化学稳定性。该复合材料具有机械和结构牢固性，实际上可以制成任意形状的制品。为了使阐述简洁明了起见，将在这一部分主要讨论本发明的复合材料用于电极材料。这里，需要强调的是本发明要求保护的复合材料除了在电化学领域的应用外，还可广泛应用于其他领域，这将在后面更详细地讨论。但是，为了更好地介绍本发明，在概述其更宽的应用范围之前，最好是先讨论它的一个窄的，特定方面的应用。

目前，在许多高能量密度和/或高功率密度的应用中使用碳基电极，例如在Li/SOCl₂电池，液体双层电容器以及燃料电池中。从这些装置中可获得的最大能量和功率密度取决于发生在电极-电解质界面上的各种物理化学变化速率。例如，在高能量密度的锂/氯化亚硫酰电池中，碳阴极的减活作用，使电池在高放电速率（＞10mA/cm²）下的应用受到限制。由于固体反应产物在阴极外部的优先沉积使阴极发生去活作用，因而阻塞电极内部使其不能参与反应，从而使得电池放电过程中的功率密度受到碳阴极的气孔率、空隙体积以及电极活性或可通过的表面积的限制。

如前所述，当沉积物沉积在阴极的外部表面上时，阻塞电极的内表面，使其不能处理电池反应产物时，阴极上电池反应产物的低溶解性，严格限制了电池在高放电速率下的使用。当阴极被阻塞时，在阳极发生的界面电化学反应则受反应产物溶解到电解质中的速率的限制，而溶解速率反过来又受阴极上的沉积物沉积速率的控制。人们试图改进碳阴极的制备和设计，但成效有限。通常是在碳中加入金属元素，例如将铜加到碳中，或是在阴极上涂覆过渡金属酞花青层。另一些方法是利用各种碳处理步骤或是采用具有不同物理性能的各种碳黑。但是过去的这些尝试看起来并没有解决与碳黑有关的本质问题，即材料显微结构中的小孔的不可通过性以及最外层碳的低空隙体积等问题。因此需要提供一种高功率密度的阴极材料，这种材料必须是韧性的，具有高的比表面积，不同的和可调节的气孔率和空隙体积，以使得反应产物在阴极上沉积时，不致于明显降低其表面积，该材料同时还具有抗腐蚀性。

在液体双层电容器中，能量密度随朝向电解质的电极的活性表面积的增加而增加。另一方面，功率密度受电解质经微孔电极材料的低扩散速率的控制和限制。这些电容的能量和功率密度的增加是扩散过程加快的结果。大的孔径和高的空隙体积以及较高的比表面积有利于加速扩散过程;而要获得较高的比表面积，则需要小的孔径和低的空隙体积。迄今为止，还没有得到同时具有大孔径/高空隙体积和高的表面积的材料，因此，由于能量密度随着表面积和气孔率的增加而增加，功率密集装置随着电极的表面积的增加，而越来越受到扩散过程速率的限制。

在燃料电池中，高效率的电极材料应显示出高的催化活性和高导电性，以使得装置内的焦耳能量损失为最小。电极应该是高度多孔的，以使气体和电解质能自由通过电极。电极材料的最佳孔径分布兼顾几个因素。对高强度，要求低的气孔率和小的孔径是有利的;而对低极化强度来说，具有最大的内表面积的大孔则更有利。电极中也含有金属，例如铂、镍等，它们是燃料氧化和氧化剂还原的良好的催化剂。催化活性取决于电极的活性表面积以及电极与由燃料和电解质组成的反应物的接触程度。有鉴于此，电极的有控制的润湿成了电极设计上的一个更严重的限制：必须使得装置在无渗漏、无鼓泡以及无溢流的情况下，能在气-液-催化剂界面上保持最佳的接触。

碳是一种很有吸引力的电极材料;高表面积的碳电极通常是由碳黑制备的。但是，在制备以及使用高表面积的碳电极的过程中，一个主要的困难是碳的物理支承问题。所使用的碳黑通常是粉末状的，在不使用聚四氟乙烯或其他类型的粘结剂的情况下，它们很难成型。本发明与已有技术本质上不同的方法是使不相似和一般来说不相容的材料结合起来，形成一个物理稳定的复合材料结构，该结构所具有的性质介于各组分材料的性能之间。对碳电极来说，得到的材料具有高的表面积，可变的气孔率和可变的空隙体积，其结构稳定，实际上能制成各种形状和大小的电极。更特别的是，高表面积的碳纤维和高导电性的金属纤维被结合到结构稳定的、交织的烧结固定的网络或栅格中，得到的具有高表面积和高传导性的复合材料使气体和电解质有高的可透过性，该复合材料同时具有可调节的气孔率和空隙体积。细纤维的交连的网络可以固接在金属骨架上，这使得电极材料具有韧性结构，并且甚至当其中的某一组份相对较脆时，或是通常不能固接或粘着在金属骨架上时，电极材料也易于安装到装置中。