锂离子电池正极材料聚三苯胺的制备与性能研究

2018-02-28姜姗姗

世界有色金属 2018年23期

姜姗姗

（吕梁学院，化学化工系，山西吕梁 033000）

大分子聚合物在导电时，因其本身的高导电率和快速电化学动力学行为特点，能够带来高效率储备和运输电量的效。但是普通导电聚合物都有能量密度底或者功率密度低的缺点；比方说聚（对苯）和聚噻吩时，其充放电性能就很快，当充电放电倍率大于10C以上时，它们的放电比容量就表现很低，在50mAh/g左右；聚苯胺和聚硫化物具有较高的放电比容量（大于150mAh/g），但是它们的高倍率充放电性能比较差。通过TPAn为基础原料，在氯仿中用FeCl3氧化制备聚三苯胺，并且研究聚三苯胺作为锂离子电池正极材料中其本身电化学性能，为后续锂离子电池正极材料研究提供理论依据。

1 锂离子电池正极材料聚三苯胺的制备

首先我们需要把0.25mol的TPAn和100mL的氯仿（chloroform）相溶，然后将相溶液体倒入三颈圆底烧瓶中，用电动机械搅拌装置，对其从分搅拌。

在搅拌的过程中，我们需要把三氯化铁（ferric chloride）缓缓加入到三颈圆底烧瓶中。

在常规室温中静放6个小时，待其从分反应之后，将所得产物倒入500mL～800mL的甲醇（methanol）试剂中，让聚合物静放沉淀。最后对其进行抽滤处理，并且用甲醇（methanol）试剂对所得产物进行多次反复洗涤。

2 锂离子电池正极材料聚三苯胺的性能研究

2.1 性能研究实验准备

在制备完成之后，我们就可以对聚三苯胺进行性能研究实验准备。首先我们要选用（美国Nicolet公司）生产的510D型号的FI-IR红外光谱仪，对所得聚三苯胺进行红外光谱测定。

选用岛津生产的XPD-7000型粉末衍射仪，对其进行测定，其衍射线为Cu-Ka线，波段长0.15407nm，X射线管电压需要设定为40kV，通电电流为30mA。其扫描速率为4°/分钟。

接下来我们需要对聚三苯胺的电化学性能测试做准备，把适量的PTPAN、和PVDF以及导电试剂乙炔黑与一定量的NMP相溶，并且从分对其搅拌，生成一种黑色粘稠的试剂。把活性物质涂抹在铝箔上为正极、锂片为负极，我们可以组装成二电极电池。

我们把活性物质涂抹在铂片上，把其当做工作电极、锂片可以作为辅助电极。同时可以和参比电极组装，形成试验所需三电级模拟电池。

在试验中使用CHE660A电化学工作站进行测试，并且辅以BS9400二次电池性能测试仪器进行所组装电池的充电性能和循环性能试验，充电和放电的终止电压可以设定为4.3V与2.75V，做好这些性能研究实验准备我们就可以进行锂离子电池正极材料聚三苯胺的性能研究。

2.2 性能分析

本征态及掺杂态聚三苯胺粉末的X射线如图1所示，a是本征态聚三苯胺粉末衍射图谱。

通过图表我们可以看出在2=20°和等于42.5°时，分别出现了一个衍射峰，其表现分散并且比较宽。

除此之外没有其他峰值，这就说明我们制备的聚三苯胺是非晶体。

b是掺杂状态下的聚三苯胺，其掺杂试剂是PF6-离子。在2=20°、在2=10°、在2=25°这三点出现了衍射峰，这就是掺杂离子相互作用使得链段间的作用力减小，与此同时聚合物规整性增强的表现。

图1 聚三苯胺的X衍射图谱

在图1中a线在1589cm-1和1275cm-1峰值对比b普线1587cm-1与1271cm-1更宽，并且其波数更高，在900cm-1和1200cm-1时峰形开始改变。

原因：聚三苯胺PTPAn的苯环对位取代能力更加集中。并且通过苯基，替换连接TPA结构单元对此可以判定我们通过化学氧化的方法得到多交联结构的聚三苯胺PTPAn。

图2 PTPAn电极在电极在1molL1LiPF6/EC-DME电解液中不同速度扫描时的循环伏安曲线

氧化峰电位Eap（4.24V）和还原峰电位Ecp（4.08）其差是160mV。这样的表现相对有机正极活性物质的氧化还原峰电位差要小很多。其中氧化还原峰电位差距很小不明显，说明电极反应速率快，如图2所示，其CV曲线氧化峰电位Eap和还原峰电位Ecp差半峰宽△Ep，和还原峰电位的差半峰宽△Ep，1/2。并且这种现象会随着扫描速度变慢而减少，说明聚三苯胺PTPAn作为正极材料其电化学氧化还原过程是可逆过程。

经过测试PTPAn锂电池在0.2C时放电比容量达到顶峰时是101.34mAh/g，接近理论数据109mAh/g。充电放电效率快要达到理想值100%

聚三苯胺PTPAn锂电池在2.75V与4.3V中的充电放电循环曲线如图3所示，通过图我们可以发现，聚三苯胺PTPAn锂电池放电比容量可以达到1.1.34mAh/g，在100循环试验后轻微减弱。