导电高分子材料的优点精选(九篇)

第1篇：导电高分子材料的优点范文

【关键词】宽带半导体材料 电子机构 性质

Ⅱ-Ⅲ2-Ⅳ4型三元化合物，为具有缺陷黄铜矿结构的宽带半导体材料，材料电子机构优化性强，弹性以及光学性质好，用于光学设备乃至电光器件等的制造中，在提高设备性能方面，价值显著。本文以密度泛函理论为基础，对缺陷黄铜矿结构半导体CdAl2S4的电子机构、弹性及光学性质进行了分析：

1 宽带半导体材料模拟计算方法

以密度泛函理论为基础进行模拟计算。将CdAl2S4拆分开来，分为Cd、Al以及S三个部分，三者的价电子组态存在一定差异，Cd电子组态为4d105s2、Al电子组态为3s23p2、S电子组态为3s23p4。电子与电子之间存在的交换关联势，以PBE泛函作为基础进行描述。参数设计情况如表1。

从表1中可以看出，半导体材料参数如下：

（1）动能截断值：500eV。

（2）布里渊区k点网格8×8×4。

（3）原子作用收敛标准：10-3eV/A。

（4）自洽精度：10-6eV/atom。

2 宽带半导体材料的电子机构与性质

2.1 宽带半导体材料的电子机构

从晶格结构、能带结构方面，对宽带半体材料CdAl2S4的电子机构进行了研究：

2.1.1 晶格结构

宽带半导体材料CdAl2S4的原子中，不同原子的空间占位不同，具体如表2。

考虑不同原子在空间占位方面存在的差异，应首先采用晶格优化的方法，提高材料结构本身的稳定性，CdAl2S4的晶格结构参数以及键长如下：Cd-S键长2.577、Al1-S键长2.279、Al2-S键长2.272。a实验值2.553，计算值5.648。

2.1.2 能带结构

宽带半导体材料CdAl2S4的能带结构如图1。

图1显示，宽带半导体材料CdAl2S4的价带主要由三部分所构成，分别为低价带、高价带与最高价带：

（1）低价带：低价带即能量最低的价带，包括S的s态以及Al的s态等部分，通过对半导体材料CdAl2S4的低价带的观察可以发现，S与Al两者中所包含的原则，具有较高的结合性质。

（2）高价带：与低价带相比，高价带的能量相对较高，判断与Cd原子有关。观察图1可以看出，半导体材料CdAl2S4高价带Cd-d态的局域性较强。

（3）最高价带：最高价带的能量最高，一般在-5.4-0eV之间，该价带包括上下两部分，两部分所包含的能态各不相同。以导带部分为例，其能态一般在3.395eV-6.5eV之间。

2.2 宽带半导体材料的性质

从弹性性质、光学性质两方面，对宽带半导体材料CdAl2S4的性质进行了分析：

2.2.1 弹性性质

晶体相邻原子的成键性质等，与弹性性质存在联系。从宽带半导体材料CdAl2S4的各向异性因子，该材料的弹性性质呈现各向异性的特点。

宽带半导体材料CdAl2S4的延展性与脆性，与弹性同样存在联系，简单的讲，材料的延展性与弹性呈正相关，材料脆性与弹性，则呈负相关。通常情况下，材料的延展性与脆性如何，可以采用体模量与剪切模量之间的比值来确定，当两者之间的比值在1.75以下时，说明材料的延展性较差，脆性较强，弹性性质较差。相反，当两者之间的比值在1.75以上时，则说明材料的延展性较强，脆性较弱，弹性性质较强。

通过对宽带半导体材料CdAl2S4体模量与剪切模量之间的比值的计算可以发现，比值为1.876，较1.75大，可以认为，该材料的延展性较强，脆性较弱，弹性性质较强。

2.2.2 光学性质

半导体材料的光学性质，属于其物理性质中极其重要的一方面，在光学仪器等的研制过程中，对半导体材料的光学性质十分重视。宽带半导体材料CdAl2S4的本质来看，该材料晶体为四方晶系单光轴晶体，各向异性显著。

将光谱能量确定为0-20eV，对材料的光学性质进行了研究，发现半导体材料CdAl2S4的光子能量在3.5eV以下以及12.5eV以上的区域，而不存在在两者之间，可以认为，该材料晶体的光学性质具有各向异性。另外，研究显示，该材料的反射系数可达到0.85，强放射峰在紫外区域，可以认为，宽带半导体材料CdAl2S4具有紫外探测以及紫外屏蔽的光学性质。

3 讨论

宽带半导体材料CdAl2S4电子机构相对稳定，延展性较强，脆性较弱，弹性性质较强，具有紫外探测以及紫外屏蔽的光学性质。未来，应对宽带半导体材料的性质进行进一步的研究，以开发出该材料的更多功能，确保其价值能够得到更好的发挥。

4 结论

鉴于宽带半导体材料CdAl2S4在电子机构以及弹性性质和光学性质方面存在的特点及优势，可以将其应用到紫外探测以及紫外屏蔽等材料的研制过程中，使之优势能够得到充分的发挥，为社会各领域的发展发挥价值。

参考文献

[1]张丽丽，马淑红，焦照勇.宽带隙半导体CdAl_2S_4电子结构、弹性和光学性质的研究[J].原子与分子物理学报，2016（02）：357-361.

[2]陈芳，魏志鹏，刘国军，唐吉龙，房丹，方铉，高娴，赵海峰，王双鹏.扫描近场光学显微技术在半导体材料表征领域应用的研究进展[J].材料导报，2014（23）：28-33.

[3]冯琳琳，顾鹏程，姚奕帆，董焕丽，胡文平.高迁移率聚合物半导体材料[J].科学通报，2015（23）：2169-2189.

第2篇：导电高分子材料的优点范文

关键词：zno；模板制备法; pvd; pld; 金属有机化合物气相沉积

        随着科学和商业的飞速发展，人们对纳米半导体材料有了更加深入的认识，对其在光学器件和电学器件方面的应用产生了浓厚的兴趣。最初人们在研究znse和gan等短波长纳米半导体材料方面取得了一定的进展， gan制备蓝绿光led的技术已经相当成熟。但是，由于znse稳定性较差，一直使之无法商品化生产。在长期的对宽带半导体材料的科学研究中，人们发现zno半导体纳米材料具有更多的优点。zno是一种新型的宽禁带半导体氧化物材料，室温下能带宽度为3.37ev，略低于gan的3.39ev，其激子束缚能（60 mev）远大于gan（25 mev）的激子束缚能。由于纳米zno在紫外波段有较强的激子跃迁发光特性，所以在短波长光子学器件领域有较广的应用前景。此外，zno纳米半导体材料还可沉积在除si以外的多种衬底上，如玻璃、al2o3、gaas等，并在 0.4-2μm 的波长范围内透明，对器件相关电路的单片集成有很大帮助，在光电集成器件中具有很大的潜力。本文阐述了近年来zno纳米半导体材料的制备技术，并对这些技术的优缺点进行了分析。

        zno 是一种应用较广的半导体材料，在很多光学器件和电学器件中有很广泛的应用，由此也产生了多种纳米半导体器件的制备方法，主要有以下几种：

        1模板制备法

        模板制备法是一种用化学方法进行纳米材料制备的方法，被广泛地用来合成各种各样的纳米棒、纳米线、纳米管等。此种方法使分散的纳米粒子在已做好的纳米模板中成核和生长，因此，纳米模板的尺寸和形状决定了纳米产物的外部特征。科学家们已经利用孔径为40 nm和20 nm左右的多孔氧化铝模板得到了高度有序的zno纳米线。郑华均等人用电化学阳极氧化-化学溶蚀技术制备出了一种新型铝基纳米点阵模板，此模板由无数纳米凹点和凸点构成，并在此模板上沉积出zno纳米薄膜。此外，李长全、傅敏恭等人以十二烷基硫酸钠为模板制备出zno纳米管。该方法优点：较容易控制纳米产物的尺寸、形状。缺点：需要模板有较高的质量。

        2物理气相沉积（pvd）

        物理气相沉积可以用来制备一维zno纳米线和二维zno纳米薄膜，原理是通过对含zn材料进行溅射、蒸发或电离等过程，产生zn粒子并与反应气体中的o反应，生成zno化合物，在衬底表面沉积。物理气象沉积技术已经演化出三种不同的方法，它们是真空蒸发法，真空溅射法和离子镀，离子镀是目前应用较广的。离子镀是人们在实践中获得的一种新技术，将真空蒸发法和溅射法结合起来，在高真空环境中加热材料使之汽化后通入氢气，在基体相对于材料间加负高压，产生辉光放电，通过电场作用使大量被电离的材料的正离子射向负高压的衬底，进行沉积。张琦锋、孙晖等人用气相沉积方法已经制备出了一维zno纳米半导体材料。优点：所得到的纳米产物纯度高，污染小；薄膜厚度易于控制；材料不受限制。但是这种方法对真空度要求较高。

        3脉冲激光沉积(pulsed laser deposition)

        脉冲激光沉积也称pld，常用于纳米薄膜的制备。其工作原理就是用特定波长和功率的激光脉冲聚焦光束，溅射真空状态下特定气压中的加热靶材，激光束与靶材相互作用而产生的粒子团喷射到衬底表面，通过控制气流速度控制材料在衬底表面的沉积速度。牛海军等人用一种新颖的垂直靶向脉冲激光沉积(vtpld)方法,在常温常压空气环境下,在玻璃基底上得到zno纳米薄膜。该方法优点：制备的薄膜物质比例与靶材相同；实验控制条件较少，易于控制；衬底温度要求较低。缺点：薄膜杂志较多；单纯溅射产生的粒子团密度不易控制，因此无法大面积生长均匀的薄膜。

        4分子束外延(molecular beam epitaxy)

        分子束外延(mbe)技术可以制备高质量薄膜。mbe技术可以在特定超高真空条件下较为精确的控制分子束强度，把分子束入射到被加热的基片上，可使分子或原子按晶体排列一层层地“长”在基片上形成薄膜。分子束外延设备主要包括超高真空系统、分子束源、样品架、四极质谱计qms和反射式高能电子衍射装置rheed。周映雪等人利用分子束外延(mbe) 和氧等离子体源辅助mbe方法分别在三种不同衬底硅(100)、砷化镓(100)和蓝宝石 (0001)上先制备合适的缓冲层，然后在缓冲层上得到外延生长的zno薄膜。该方法优点：生长速度极慢，每秒1～10；薄膜可控性较强；外延生长所需温度较低。缺点：真空环境要求较高；无法大量生产。目前常用于生长高质量的zno薄膜分子束外延有两种：一种是等离子增强，另一种是激光，两种方法均已生长出高质量的zno 薄膜。

        5金属有机化合物气相沉积( metal organic chemical vapor deposition):

        金属有机化合物气相沉积(mocvd)是一种利用有机金属在加热衬底上的热分解反应进行气相外延生长薄膜的方法。反应室是mocvd 的核心部分，它对外延层厚度、组分均匀性、异质结界面梯度、本底杂质浓度以及产量有极大的影响。按反应室形状的不同，可分为水平式反应室和立式反应室，同时根据反应室的压力又可分为常压 mocvd 和低压mocvd。刘成有利用mocvd方法制备出高质量的zno薄膜。在一定衬底温度及压强下,制备出zno纳米管。该方法优点是： 薄膜可控性较强；适合大批量生产。其缺点有：需精确控制；传输气体有毒性。但目前不仅利用 mocvd 法已生长出较高质量的 zno 薄膜，而且还获得了 mgzno 三元系薄膜。

        除上述纳米材料的常用制备技术，还有很多其他方法。随着科技的发展和高质量纳米产品的需求，人们对纳米半导体材料的研究会更加深入，对其生长机理理解的更为透彻，随之纳米半导体材料制备技术将不断地发展和完善。高质量纳米半导体产品会不断出现，并被广泛的应用于人们的生活中。

参考文献：

[1]谢自力,张荣,修向前,等.gan纳米线材料的特性和制备技术[j].纳米技术与精密工程,2004,2(3):187-192.

[2]张利宁,李清山,潘志峰.模板合成法制备zno纳米线的研究[j].量子电子学报,2006,(4).

[3]李长全,傅敏恭.十二烷基硫酸钠为模板制备zno纳米管新方法的研究[j].无机化学学报, 2006,(9). 

[4]张琦锋,孙晖,潘光虎,等.维纳米结构氧化锌材料的气相沉积制备及生长特性研究[j].真空科学与技术学报,2006,26(1).

[5]牛海军,樊丽权,李晨明,等.垂直靶向脉冲激光沉积制备zno纳米薄膜[j].光电子•激光  2007,18(3).

[6]周映雪,俞根才,吴志浩,等.zno薄膜的分子束外延生长及性能[j].发光学报,2004,(3).

第3篇：导电高分子材料的优点范文

[关键词]石墨烯；认识论；辨证法

一、前言

人们说的石墨烯是将石墨片剥成单层之后，这是基于碳石墨的原子层间作用力很弱，较容易互相剥离。这种由一层以蜂窝状排列的碳原子结构的单层就是石墨烯。20世纪初，科学家们开始研究石墨烯，2004年，英国曼彻斯特大学的物理学教授安德烈・杰姆和他的学生克斯特亚・诺沃消洛夫用简单易行的胶带分离法制备出了石墨烯。它们将石墨剥离成石墨片，然后将石墨片的两面分别用特殊的胶带进行粘贴，随后撕开胶带，又再次把石墨片一分为二，重复该操作，于是得到越来越薄的薄片，幸运地最后得到仅有一层碳原子厚度的石墨薄片。这种只有一层原子厚度的二维晶体就是石墨烯。

2010年，研创新究石墨烯的两位科学家获得了诺贝尔物理学奖。媒体渲染报道称“物理学家用透明胶和铅笔赢得诺贝尔奖。”使用胶带剥离方法分离高定向的石墨，并因此获得了真正存在独立的二维石墨晶体。在此之后，制备石墨烯的新方法不断涌现，我们发现将石墨烯引入工业化生产将成为将来趋势。

二、石墨

石墨烯是一种新的紧密型型碳原子的碳质材料，具有立体蜂窝状晶格结构，同时它具有独特的物理特性，其中包括：特有的载流子特性，这使得电子在石墨烯传输过程产生较小的阻力，因而具有优良的电子传输性质。石墨烯的力学性强，导电性能优，韧性好等。

（一）石墨烯的性质

石墨烯其特有的微观分子结构决定了它特殊的物理化学性质。石墨烯是二维晶体，最大的特点是电子在石墨烯的速度可达光速1/300，远远超过在其他导体中的电子速度。石墨烯具有优异的力学，光学和电学性能：结构十分稳定，目前研究结果尚未发现石墨烯碳原子缺失，碳原子之间的连接柔和并且坚韧，超过世界金刚石硬强度；石墨烯几乎是完全透明的，但非常紧凑，气密强，不易透水，甚至最小尺寸氦原子大小都可不以穿透；良好的导电性，石墨烯的导电性强，其导电材料远超过传统的导电材料。

1.力学性能：由于石墨烯分子结构中碳原子是sp2杂化结构。特殊的分子结构决定石墨烯具有高强度。石墨烯是目前人类已知的强度最高，比钻石更硬的材料。

2.导电性能：石墨烯结构非常稳定，到目前为止，还没有发现在石墨碳原子的这种晶格结构缺乏稳定性，石墨烯赋予优异的导电性。

3.导热率：稳定的石墨烯晶格结构给出优异的导热性，石墨烯热导率强于传统碳纳米管和金刚石。

4.化学性质：石墨烯是单层的石墨结构，因此石墨烯可以看作表面因而具有一层石墨属性的化学性质，石墨烯卷曲在一起，从而形成碳纳米管，石墨烯也具有碳纳米管相似的化学性质。同时石墨烯到近红外，可见光和紫外线具有优异的穿透性。

（二）石墨烯的性质应用

石墨烯独特的结构和优异的性能使科学界产生了巨大波澜，成为国内外研究的热点，尤其石墨烯具有纳米尺寸的晶体管们将成为“后硅时代”最具潜力材料。石墨烯将成为以后高速晶体管、生物传感器、太阳能电池、超级电容器和触摸面板的核心材料。

1.石墨烯薄膜

将石墨烯片重新组装，在电子，电气，信息，能源，光学等领域应用广泛，这也是石墨烯在生活中最接近实际应用的方向。因为其高透光性和导电性的，石墨烯片是最有前途的新的透明导电膜，可以作为显示器中透明电极，使用新的透明导电膜和背电极材料的太阳能电池应用广泛。同时因石墨烯薄膜还有较为良好的柔韧性，石墨烯成为制备性透明导电膜材料的首选。

2.储能材料

高能量密度和高功率密度是当前的能量储存装置的一个重要发展方向，电极材料的选择是关键。碳纳米材料的能量存储装置的属性，因为该独特的结构和优异的性能，使其高性能能量存储装置提供了一个理想的电极材料。相比碳纳米管，石墨不仅具有良好的导电性和化学稳定性，并且具有较大的表面积，该空间是更灵活的特性。因此，基于石墨烯的电极材料，优异的电化学特性，使石墨烯制成比碳纳米管更实用的超级电容器。

3.纳米生物传感器

高灵敏度的生物传感器是由石墨烯纳米粒子抗体的还原石墨烯而制备成功的，这是由于石墨烯制备的传感器灵敏度很高。同时石墨烯电导率传感器可快速猝灭荧光染料，因此它也可以作为荧光传感器制备材料。新型石墨烯传感器优于常规的碳基材料的传感器。

4.“太空梯”缆线

石墨烯在其他方面的优异性能体现在可以制备被出纸片薄度的超轻性材料，制造超轻型飞机。同时也创造了强硬防弹衣。石墨烯具有非常良好的力性。人们希望穿梭于太空，建造“太空电梯”。石墨烯材料因其比表面积大，韧性强，成为“太空梯”缆线材料首选。石墨烯也可以用作药物载体，为药物研发提供较好的平台。

三、关于石墨烯材料的哲学价值

石墨烯材料出现，是人类认识世界和改造世界的重大突破，f明在人与自然共存的环境中，人类认知能力提升到了一个新的水平。石墨烯材料技术引发认知革命，石墨烯材料的诞生，不仅提高人类认知世界的层次，同时也提升了人类在微观和宏观世界认知水平。石墨烯材料是对大自然物质发现和改造的过程，以体现了人类科学技术改善在生产和生活中质的飞跃，也标志着人类科学技术的发展迈向新的空间。石墨烯材料的诞生标志着物质能被反映的客观实在，石墨烯材料的研究，进一步说明了物质的客观实在性，并且客观实在是被人们所反映的哲学原理。

（一）石墨烯材料的出现和发展提升了人类认识世界的层次

石墨烯材料的是人类在分子、原子层次的微观层面改造了自然，实现了人类生产方式改造的质的飞跃，也标志着人类科学技术的发展注入了新的高度。同时深刻反映物质客观存在的标志。石墨烯材料的进一步研究和开发，提升了人类认识世界的层次。

1.由量变到结构改变、再由结构改变到质变的跨越

石墨烯因其特殊结构和性能可以创造新的材料，主要通过改变微观单分子层结构，改变材料的空间结构合成新材料。多种性能的石墨烯材料具有特殊的性能，这也是从微观分子层到宏^性能的改变，石墨烯材料的出现，标志着人类在改造自然方面进入了一个新的层次即说明由量变到结构改变、再由结构改变到质变的跨越。

2.改变了传统的物质生产，引发生产方式的革命

石墨烯材料改变了传统的物质生产方式，这种新材料引发了生产方式的革命。石墨烯材料的诞生是在微观分子层的改造过程中创造新的物质，在原有的纳米颗粒材料基础上上发现碳石墨的单分子层即神奇的石墨烯。这也是人类改造自然，运用的是从微观到宏观，即“从小到大”或“简单到复杂”的生产方式。由微观到宏观，从微观石墨烯单分子层发现，到宏观“生物传感器、太阳能电池、超级电容器”等，都体现了通过微观分子层逐个改变生产方式并实现人类对微观层面物质的改造。

石墨烯材料的诞生和发展是人类改造自然力，改善人类与自然共存方式的提升。人类的人类的生存方式也将随之从跟班上发生改变。

（二）材料产业和资源环境的关系

人类的生活离不开自然界的物质资源。材料是从环境中提取，其制备、生产、使用和废弃的过程都是对自然界环境污染的过程。我们追寻可持续发展的生产生活方式，但是现实生活中大量的废气、废水和工业废弃物严重破坏了我们赖以生存的空间。社会的可持续发展要求我们不断开发环保实用型材料。人类的生存需求与科学研究和技术发展息息相关。石墨烯新材料的诞生和发展正好适应了可持续发展这一需求。

材料和结构的讨论中，通常要考虑两者之间的关系。由于材料结构的性质与其结构相关，材料的本质便是结构。石墨烯材料与环境变化是内部因素和外部因素的关系。

材料的结构与物质性能相关，性能的体现直接关系材料的作用与环境保护的关系，前者是内因，后者是外因。环境友好的材料：例如石墨烯太阳能电池对于环境保护有积极、正面的作用。倘若是破坏环境的材料则对环境产生负面影响，例如众所周知的“白色污染“，我们摒弃一次性消费用品。目前大料的材料释放温室气体C02，CH4，NO，S02等气体。这会造成酸雨的降落和全球变暖等负面效应。因此材料和环境之间是内因和外因的关系。

（三）石墨烯材料充实了辩证唯物主义的认识论和方法论

从唯物辩证法说，动物特别是人脑的结构的概念是非常复杂的，但毕竟是可知的，它提供了一个人类的新材料发展的无尽可能性。材料研发人员从仿生学角度来研发新的智能材料。认识论认为对物质的认识还必然受到主观因素的制约，人们在探寻某一事物的复杂过程中，本身就是人类在社会中的实践活动。这个实践活动过程必然受到人为主观因素的影响。例如我们已有的知识背景，理论举出，以往的生活实践经验等。整个认识过程都伴随了必然性和偶然性，主观因素、客观因素等多方面的影响。辩证唯物主义认识论肯定了机遇的存在性。机遇的存在具有客观性，机遇的产生的客观依据是偶然性和必然性的辩证统一。偶然性以必然性为基础，必然性是通过偶然性来实现。所以当偶然性出现的时候，必须及时捕捉它，并且进一步挖掘其背后的必然性，分析两者之间的区别和联系，此时新物质、新科学发现就诞生了。例如石墨烯的发现是便是物理学家通过撕透明胶带偶然发现的。

认识论是认知本质和发展的理论。认识的主体是人，是实践着的人。认识客体是主体与之发生关系的东西，比如人类对于石墨烯的研究开发过程，石墨烯不仅是客观实在，而是进入人类活动领域的并且预人类主体县关联的客观对象。我们对石墨烯的改造过程本质就是人类主体对石墨烯课题的反应。人类能动的将石墨烯改造的过程，也是人类改善自己生活方式，不断提升自身认识能力，形成正确认知的过程。这里，石墨烯材料科学工作者是认识的主体，而与之相关的环境材料及环境是认识的客体。材料研发人员通过材料和环境的客观分析，思考材料与环境之间的关系以及通过仔细观察和分析，从定性认识上升到得定量认识，从感性认识上升到理性认识。例如石墨烯几乎是完全透明的，同时结构非常致密，就算是最小的氢原子都无法穿透，这些特殊的结构性质，恰好适合制备透明的触摸屏和太阳能电池板。

科学的进步说明人类知识储备的迅速增加。类似于石墨烯这样的新材料的研究开发过程中，说明了人类可以通过多种研究方法思维模式改造生活中的客观存在，人类不断的构思、认知过程充实了辩证唯物主义的认识论和方法论。

（四）石墨烯材料是一种模仿中的创造

模仿是仿照，仿效，模拟，模仿中需要创造性，模仿过程是创造的研究过程。模仿的建立有赖于创造性的研究，化学模仿作为研究的结果，以一定的符号体系而存在，它具有直观性，形象性，是人们的感官可以感知的，或者是人的思维可以把我的。然而，建立模型的过程，却是一个艰苦的，充满矛盾的思维过程。在此过程中，需要主体充分的发挥思维的创造性。

一般在建立模型的过程中，包含着猜测或猜想的因素。化学家依据已知理论，深入分析了事实。对要模仿的对象的结构和性质等方面提出某种设想，这中间就包含着猜测。这是建立模型中的重要一环。在猜测中，各种逻辑方法，比如：比较，类比，归纳，演绎，分析，综合等，都会起一定作用。石墨烯材料的诞生即是在纳米技术理论基础上进行归纳猜测，并通过实践后总结经验产生的。猜测是以经验事实为基础的，从认识发展的过程来看，从最简单，最典型的实例人手，突破一点，会使认识获得广泛发展。这种认识发展规律反过来作为进一步认识的指导线索，在研究过程中，要求善于选择典型对象，从典型对象着手，开展工作，所谓典型对象，其一具有代表性，石墨烯是作为碳原子紧密堆积成单层二维蜂窝状晶格结构的一种碳质新材料，具有一些奇特的物理特性，具有典型性是具有理论意义的对象，这是典型分析中选择典型要考虑的一个重要因素。

（五）石墨烯材料的发展是化学认识中的继承、积累、突破的革命

化学知识的积累从化学元素开始，包括基本元素的资料的发现和继承过程，尤其是化学元素的性质等方面的资料，比如就是因为拥有最初碳元素到碳单质的研究资料的积累，才有石墨烯微观结构及其特殊性质的应用开发的顺利开展，化学元素到化学分子，再从化学结构到化学性质的研究都是化学认识中的继承和创新。良好的研究方法和研究手段都是在不断地发现和资料搜集积累过程中产生的。化学知识积累到一定阶段，化学认知过程也会发生突破，从何科学知识达到质变化。

这就说明化学元素到化学分子的研究都是在大量资料积累的基础上产生的，积累之后才会有所突破。化学知识积累是个循序渐进的工程，而化学突破恰恰是化学知识的飞跃。每一种新的突破就是一种创新，如石墨烯材料的发现发展中，石墨烯概念的确立，石墨烯制备方法层出不穷，石墨烯结构的改善及确立过程，这都具有重大影响的新物质，新现象，新规律，都是技术创新，都是化学发展的突破。往往化学知识的突破都是从最简单最典型的对象开始的，有一个简单突破点开始然后广泛发展，这种化学认识的发展形势充实了认识论和方法论。例子：石墨烯单分子层的发现常常是对简单或最典型的对象进行研究开始的，化学理论和观念的变革是破旧和创新的统一。这也是通过科学实验获取经验事实，积累经验事实，将理论与化学经验事实密切地结合起来。进而对经验事实进行分析，总结和概括，形成定律、假说或理论。从逻辑学观点看，就是从某种理论出发，合乎逻辑地推论出新的认识，得出理论的解释和预见功能并在逻辑学中演绎推理。

第4篇：导电高分子材料的优点范文

关键词：锂离子电池；正极材料；LiFePO4

锂离子电池是性能卓越的新一代绿色高能电池，已成为高新技术发展的重点之一。LiFePO4 具备橄榄石晶体结构，理论容量为170mAh・g- 1，有相对于锂金属负极的稳定放电平台314V，是近期研究的重点替代材料之一，与同类电极材料相比，具有原料资源丰富、价格便宜、无吸湿性、无毒、环境友好、热稳定性好、安全性高等优点。它在充电状态的稳定性超过了层状的过渡金属氧化物，这些优点使得它特别适用于动力电池材料。

一、LiFePO4的结构

具有橄榄石结构的LiFePO4为稍微扭曲的六方密堆积晶体，其空间群为Pmnb型，其晶型结构如图1所示。LiFePO4晶体是由LiO6八面体和FeO6八面体构成的，PO4四面体包含在此空间结构中。在ab平面上，LiO6八面体、FeO6八面体和PO4四面体交替排列，形成层状脚手架结构。在LiO6八面体中，Li原子占据八面体的中心位置，在b方向上，通过共用边上的两个氧原子相连成链状结构。在bc平面上，Fe原子占据FeO6八面体的中心位置，在c方向上，通过共用顶点上的一个氧原子相连形成锯齿状结构。P原子占据PO4四面体的中心位置，与相邻的一个FeO6八面体共用棱边上的两个氧原子，同时又与相邻的两个LiO6八面体共用棱边上的氧原子。每个FeO6八面体与相邻的两个LiO6八面体共用棱边上的氧原子。

二、LiFePO4的制备方法

（一）固相合成方法

1、高温固相合成法

将锂的碳酸盐（或氢氧化物、磷酸

盐）、草酸亚铁（或醋酸亚铁、磷酸亚铁）和磷酸二氢铵混合，在500℃-800℃下煅烧数小时，即可得到LiFePO4粉体。Yamada A 等通过高温固相法合成了LiFePO4样品：先将一定计量比的原料混合均匀，在一定温度下加热预分解，分解后的固体混合物再研磨均匀，然后在高温下灼烧，也有的经过了二次预分解。为防止Fe2 +被氧化，一般用惰性气体作保护气。固相法制备的产物存在以下缺点：物相不均匀，晶体无规则形状，晶体尺寸较大，粒度分布范围宽，且煅烧时间长。固相反应合成法所得到的产物电化学性能较差。但固相法设备和工艺简单，制备条件容易控制，便于工业化生产。如果在烧结过程中，让原料充分研磨，并且在烧结结束后的降温过程中严格控制冷却速度，则能获得电化学性能良好的粉体。

2、机械化学法

机械化学法是制备高分散性化合物的有效方法。通过机械力的作用，不仅使颗粒破碎，增大反应物的接触面积，而且可使物质晶格中产生各种缺陷、错位、原子空缺及晶格畸变等，有利于离子的迁移，同时还可以使新生物表面活性增大，表面自由能降低，促进化学反应进行，使一些只有在高温等较为苛刻的条件下才能发生的化学反应在低温下得以顺利进行。Franger S 等将Fe3（PO4）2・5H2O、Li3PO4和蔗糖在行星球磨机中球磨24h，然后在N2气氛中，500℃热处理仅15min就合成出LiFePO4。在这里热处理是必要的，一方面是为生成晶形完整的LiFePO4，另一方面是使有机添加剂转变为导电炭黑。最终合成出LiFePO4粉体的粒径在几个微米左右（0.5μm-2μm）。经过XRD衍射分析，证明只有单一相的LiFePO4；用化学滴定三价铁的含量表明，三价铁的含量小于1%。在25℃，0.2C倍率下进行充放电，比容量为160mAh/g，20个循环后容量衰减1%。

3、微波烧结法

Higuchi M等采用微波合成法，将碳酸锂、磷酸二氢氨、乙酸亚铁或乳酸亚铁按化学计量数配比。用乙醇作分散剂，研磨后压片，置于功率为0.5kW，频率为2.45Hz微波炉中，在氩气气氛保护下加热。结果发现，当使用乙酸亚铁作为铁源时，加热10min，即可合成出LiFePO4；而当铁源为乳酸亚铁时，即使加热时间超过30min，也未发现反应。由此可见，乙酸亚铁为一种对微波极为敏感的物质，而乳酸亚铁为对微波较不敏感物质。同时也发现，微波加热时间对合成过程有明显影响。当加热5min时，没有LiFePO4相产生；加热10min时，即可得到单一的LiFePO4；而加热到20min时，则产生大量的Li3Fe2（PO4）3杂相，说明为了合成单一相的LiFePO4，控制好微波加热时间非常重要。

（二）软化学法

与固相合成法相比，软化学合成法可以制备高性能的产品，产品的型貌和微观结构可以人为控制，产品具有结晶程度高、粒度均匀、粒径小和比表面积大等特点。在合成过程中，由于该法得到的前驱体粒度小，物料混合均匀，因而热处理时间可以缩短，热处理温度也可以降低。

1、水热法

水热法具有物相均一、粉体粒径小、过程简单等优点。Yang S等对水热法合成的LiFePO4晶体进行了大量研究。将FeSO4、H3 PO4和LiOH溶液按物质量为113的比例进行混合，pH值保持在7.56，然后把此混合液转移到Parr反应器中，120℃下加热5h以上，把浅绿色的沉淀过滤后在40℃下干燥2h。发现pH值对实验结果的影响不大，且水热法比高温固相法合成的晶体颗粒要小，Fe（II）含量高。合成时，Fe2SO4可用FeCl2和（NH4）2Fe （SO4）2代替，由于Fe（II）易被氧化，故产物中有时会有红色物质。Padhi A K等发现，用水热法在还原性条件下可得到LiFePO4晶体，而在氧化性条件下则得LiFePO4（OH）晶体。当锂盐的量很少时，则会有多孔的FePO4・2H2O生成，在高温时失水生成电化学非活性的FePO4。水热法合成LiFePO4晶体时要保证锂盐的量，以防止电化学非活性的FePO4晶体的生成。

2、溶胶-凝胶法

溶胶-凝胶法以三价铁的醋酸盐或硝酸盐为前驱体，混合化学计量的LiOH后加入抗坏血酸，然后再加到H3PO4中，采用氨水调节pH值，加热至60℃得到凝胶。在350℃加热12h使凝胶分解，然后在一定温度下烧结得到LiFePO4。Croce F等采用该法在800℃制得的LiFePO4在C/5倍率下放电，得到的室温初始放电容量为110mAh/g。溶胶-凝胶法合成的前驱体混合均匀性好、凝胶热处理温度低、粉体颗粒粒径小且分布窄、粉体烧结性能好。但干燥收缩大、合成周期较长、反应条件苛刻，工业化生产难度较大。

3、共沉淀法

共沉淀法是一种在溶液状态下，将合适的沉淀剂加入到不同化学成分的可溶性混合溶液当中，形成难溶的超微颗粒的前驱体沉淀物，再将此沉淀物进行干燥或焙烧制得相应的超微颗粒的方法。Arnold G等采用共沉淀法，制备出纯相的LiFePO4，颗粒均匀，结晶完善，具有很好的电化学性能。

三、LiFePO4的改性研究

LiFePO4用作锂离子电池正极材料虽然有很大的优越性，但它却有两个自身不能克服的缺点：一个是真实密度相对其他电极材料较小，因而导致材料振实密度低；另一个缺点是电导率太差。对于LiFePO4振实密度较小这一问题可通过工艺改进而提高材料的振实密度；对于LiFePO4电导率差的问题，主要用碳包覆或掺杂金属与金属离子等办法来提高其电导率。

（一）制备工艺的改性研究

振实密度低是LiFePO4正极材料目前存在的主要缺点之一，也是影响材料导电性的重要因素。粉体材料的颗粒形貌、粒径及其分布直接影响材料的振实密度。依据此理论，在制备过程中通过改善制备工艺可制备形貌较好的球形材料，进而提高振实密度，也可通过掺杂金属离子提高材料的振实密度。Lei M运用碳高温还原的方法合成了碳包覆的球形LiFePO4正极材料，其含碳量约为6%（wt）。由此种方法获得的球形LiFePO4的振实密度达1.6g/cm3，在0.1C条件下，材料的首次放电容量仅为129mAh/g。在此基础上通过金属离子掺杂改性的方式获得的球形Li0.97Cr0.01FePO4/C的堆积密度达到1.8g/cm3，且在0.005C条件下，材料的首次放电容量高达163mAh/g，接近理论容量。由此可见，由规则的球形颗粒组成的LiFePO4材料具有更高的堆积密度，从而有利于提高锂离子电池的能量密度。

（二）碳包覆研究

在粒子表面包覆导电碳是目前改善LiFePO4电化学性能的重要方法之一，其中碳的作用主要有三点：第一，有机物在高温惰性气氛的条件下分解成碳，增强粒子与粒子之间的导电性，减少电池的极化，从表面上增加它的导电性；第二，产生的碳微粒达到纳米级粒度，为材料提供电子隧道，同时细化产物晶粒，扩大导电面积，对锂离子的扩散有利；第三，碳能起到还原剂的作用，避免了Fe3+的生成。到目前为止，主要添加的含碳物质有葡萄糖、炭黑、碳凝胶、聚丙烯酰胺、聚丙烯。然而随着含碳量的增加，电导率得到提高，而振实密度却减小，同时减少了活性物质的量而导致电池的总容量降低，这表明用碳包覆并不是一种最佳的提高电导率的方法。

（三）掺杂金属粉体及有机金属盐

在特殊的合成方法中，金属粉体可以充当LiFePO4颗粒生长的成核剂，有助于获得细小而均匀的粉体，也可增强总的电子导电率。Croce F等采用溶胶-凝胶法以LiOH、Fe（NO3）3和H3PO4溶液为原料，添加少量的金属（银和铜，质量百分含量1%）作为分散剂，合成的LiFePO4性能大为提高。在室温下用锂片作对电极，LiClO4+EC-DEC（1∶1）作为电解液C/5倍率放电，初始容量有140mAh/g，循环30次后仍有130mAh/g。添加的金属粉并没有影响阴极材料的结构但却显著的增强了其容量和循环性能。Chung S Y等通过掺杂少量的金属离子（Mg2+，Al3+，Ti4+，Zr4+，Nb5+，W6+），使掺杂后的LiFePO4的电导率提高了8个数量级，室温下的电导率达到（411×10-2S）/cm，引起了极大的轰动。合成的材料在低电流充放电时，接近理论容量；在高达6000mA/g的电流下，仍然保持着可观的容量，只有微小的极化发生。因而此材料特别适用发展高能量密度的锂离子电池。掺杂金属离子的磷酸铁锂电导率可提高8个数量级，明显优于其他的材料。此外，高的能量密度、低廉的价格、优异的安全性使其特别适用于动力电池材料。它的出现是锂电池材料的一项重大突破，大量的科研人员相继投入对LiFe2PO4的研究。从目前情况看，复合型LiFePO4/C的性能最好。Huang H等利用高温固相合成的LiFePO4/C复合材料在C/2的条件下可达理论容量的90%左右。这一成果大大超过其他研究者报道的数据。他们认为，磷酸铁锂颗粒细小及与碳紧密的接触是实现优良充放电性能的关键。

参考文献：

1、张爱波, 刘建睿, 黄卫东. 锂离子蓄电池正极材料LiNixCo1-xO2的研究进展[J]. 电源技术,2003(5).

2、苏元智, 徐徽, 陈白珍, 蔡勇. 微波法合成LiFePO4的研究[J]. 电池,2006(1).

3、钟参云, 曲涛, 田彦文. 锂离子电池正极材料LiFePO4的研究进展[J]. 稀有金属与硬质合金,2005(2).

第5篇：导电高分子材料的优点范文

【关键词】电子封装 无铅焊料 绿色封装

1 电子封装概述

电子封装是指自芯片制造完成开始，将裸芯片、金属、有机物、陶瓷等物质进行加工，制成元件、板卡、电路板等等，最终实现电子产品的组装过程。如图1就是某电子产品系统的总成结构图。

由图1我们可以看出，通过半导体材料加工制成的具有特定功能的芯片并不具有孤立，要将其应有的功能充分的发挥出来，就必须与其他元件相配合，通过I/O进行互联才能够实现。关于电子封装的主要功能，具体介绍如下：第一，信号输入、实现输出端向外界的过渡；第二，电源输出、实现输出端向外界的过度；第三，散热功能；第四，保护器件，避免外界环境对其造成的影响。

就整个封装结构而言，电子封装可分为三级，即一级封装、二级封装以及三级封装。其中集成电路元件的封装为一级封装，其又被称为微电子封装，在电子封装领域中发展最快。二级封装指的是在印刷电路板上安装已封装完成的一系列元器件，例如IC元件、板上芯片、接插件、阻容元件等等。三级封装指的是在主机板上插入电路板卡，实现整机技术的形成。

其中集成电路的封装在电子制造领域中有着十分重要的作用与地位，它作为中间连接的部分，除了要负荷下有元器件贴装与电路板组装的发展趋势，还需要满足上游晶圆与芯片制造技术的发展要求。目前，集成电路产业在国民经济发展中发挥着十分重要的作用，其设计、制造以及封装测试三大部分支撑着集成电路产业的发展。现阶段，电子产品生产中封装所产生的成本已经占到了接近60%，在IT产业中封装产业占到了12%，IC产业中封装产业占到了49%。微电子封装与电子产品有着十分密切的联系，电子产品乃至整个系统发展的技术核心都受到其重要的影响，在目前的电子行业制造中属于非常先进的技术。目前，全球集成电路封装的发展规律大致可以概括为以下几个方面：

第一，密度不断提高、I/O数不断增加；第二，产品表面贴装密度不断提高；第三，频率、功率不断提高；第四，产品越来越微型化，成本越来越低；第五，多芯片封装正逐步取代单芯片封装；第六，三维立体封装逐渐取代两维平面封装；第七，系统封装逐渐得到广泛的应用与发展；第八，电子封装对绿色环保提出的要求更高。

2 无铅焊料与绿色封装的发展

微电子产业的发展之处是将硅作为代表材料，各元器件之间的互联模式比较固定，元件引脚焊接一直以来都是以铅锡焊料为主。到了20世纪90年代，电子产品产业得到了快速的发展，这加速了电子产品的更新，电子产品越来越容易变成电子垃圾，进而增加了铅污染的可能性，社会各界人员也对其予以了高度重视并展开了深入的研究，旨在保护人类健康与生态环境。铅及其化合物能够通过人类的呼吸道、食道以及皮肤进入人体，然后对人体蛋白质的正常合成起到抑制作用，对人体中枢神经造成损害，进而引发一系列慢性疾病，例如精神混乱、生殖功能障碍、高血压、贫血等等。特别是儿童受到铅的危害更大，对于其正常发育以及智商有着严重的影响。目前，电子工业造成铅污染的主要来源就是Sn-Pb合金焊料的使用，电子产品一旦被弃用，其中的铅就会通过各种介质流入到自然环境中，包括土壤、地表水中，对其造成污染，尽管这些铅的含量比较少，但是造成的影响却十分严重，尤其是溶于水的铅而形成的酸雨，更是严重威胁到生态环境，再加上这些雨水会渗入到人类使用的地下水中，进而进入人体，对人类的健康造成严重的影响。此外，由于电子产品中的铅很难得到有效的回收，并且与原始铅相比，回收铅产生的α粒子放射非常高，容易导致软件出错，如果重复使用，不仅无法起到良好的效果，反而对集成电路生产有害。

目前，使用铅的替代品是替代锡铅焊料的主要方案，例如铋、银、锌等等。目前，Sn-Ag-Cu系列材料在无铅焊料中的应用最为广泛，其最低熔点为216℃、最高熔点达到了229℃，在无铅合金中的耐高温性比较强，其力学性能也较高，具有良好的可焊性，但是这种材料也存在一定的缺陷，就是回流温度高，需要印制电路板与器件具有一定的耐热性。而Sn-Zn则属于中温系的无铅合金，其熔点与Sn-Pb相近，具有好的机械性能，然而也存在焊料易被氧化的影响，其保存具有一定的难度，并且缺乏较好的浸润性，存在一些可能出现的腐蚀性问题，例如活性剂残渣、氧化等等。而低温系焊料主要有Sn-58Bi，其熔点为139℃，缺点也比较明显，例如延展性不强、具有较大的脆性以及较差的机械性能等等。现有的无铅焊料在熔点、浸润性、机械强度等方面都存在的不同程度的问题，并且相对重要且通用的无铅焊料大部分都在日本与欧美的专利保护范围内，这对于中国而言是非常不利的。

除了上述方案外，还可以利用由导电材料与有机物组成的复合材料来替代锡铅焊料，例如导电胶，这属于最常见的复合材料，相比于无铅焊料，导电胶的工艺相对简单，具有较低的工艺温度，因此在热敏元器件的粘结上比较适用；其次，导电胶不需要清洗焊剂，产生的成本低，并且能够在细间距间实现互连。然而现有的商用导电胶也存在一系列问题，在电阻率、热导性、机械性能以及电流负荷能力方面有待提升，这使得导电胶的应用受到了一定的限制，需要对其性能与可靠性进行优化。

3 导电胶技术

3.1 概述

上文提到的导电胶最早是在上世纪50年代中期某研究人员提出的银填充环氧树脂导电材料的专利中出现。导电胶是替代传统Sn-Pb焊料的重要材料，其能够实现细间距连接，工艺温度低以及生产成本低等优势，最为关键的是它不含有对人体与环境有害的Pb材料，因此在电子产业中一直受到了广泛的关注与应用。

导电胶的成分为聚合物基体材料与导电填料，其导电性良好，并且具有连接功能。导电填料起到提供电学通路的作用，使电学性能得以实现；聚合物基体材料的作用则是提供粘结与机械支持。大部分聚合物的组成成分都是聚合物顶聚体与固化剂，以及少量的添加剂，例如催化剂、偶联剂以及稀释剂等等，如此使得导电胶的工艺性能与使用价值得以提高。热固性树脂与热塑性树脂是比较常见的导电胶聚合物基体材料，其中热固性树脂包括环氧树脂、聚氨酯、硅树脂等等；而热塑性树脂有马来酰胺树脂、聚酰亚胺等等。在聚合物基体固化时会产生收缩，这对于其中导电填料相互接触的分散有着积极的影响，以此实现了导电通路的形成。热固性树脂的热稳定性较高，并具有较大的粘结强度与较强的抗腐蚀能力，因此在商用导电胶中属于比较常用的材料之一。

导电填料的形状、尺寸各有不同，都属于金属粉体，例如金、银、铜、镍、碳复合材料等导电材料。不同的导电材料其到电阻率也各有不同。金具有比较稳定的化学性质与导电性，但是由于成本较高，其应用并不是非常广泛；银在所有金属材料中具有最好的导电性，同时还具有比较稳定的化学性质，其氧化物的导电性也比较良好。有关研究表明，在导电胶中电迁移效应不会发生在银填料身上，究其原因，可能是由于基体树脂固化后，银表面由于钝化作用而出现钝化层，对电迁移现象的发生造成了一定的限制，因此在导电填料中，银的应用非常广泛。铜具有活泼的化学性质，表面的氧化率很高，铜基导电黏胶老化之后，会出现体阻抗增加的情况。无铅焊料Sn-Ag-Cu系列与Sn-Bi系列填充到聚合物中也可以形成导电胶。导电填料的导电性在很大程度上受到了其形态的影响，对于各向异性导电胶而言，薄片状是导电填料中最常见的形态，这是由于薄片填料的接触面积比球形填料更大。纳米银粉、纳米银线在导电胶中也常被当做导电填料来使用。

3.2 导电胶的导电原理

根据导电方向，可将导电胶分为各向异性导电胶与各向同性导电胶。对于各向异性导电胶而言，其导电方向只有垂直方向，其电导率的实现是利用了容量相对较低的导电填充材料，其容量较低造成了晶粒间接触不充分，使导电胶在X-Y方向上的导电难以实现，而施加了一定压力在Z方向上，进而俘获两个元件上导电表面之间的导电颗粒，一旦出现电子连续，聚合物就会由于化学反应而进行固化，两个元件也因此由电绝缘聚合材料粘结到一起，同时为元件表面与导电颗粒之间压力的维持提供帮助。对于各向同性导电胶而言，其导电性在X、Y、Z三个方向都能够实现，这主要是由于导电材料的填充更多。导电胶的电性能会随着导电填料的浓度的提升而发生转变，由绝缘体变成导体，并通过导电颗粒之间的相互接触实现导电。在低填充浓度下，各向同性导电胶的电阻率与填料浓度成反比例关系，然而，当填料浓度处于临界点之下时，会导致电阻率骤降，这一临界值Vc被称为过滤阀值。研究表明，当填充浓度处于Vc值时，所有导电颗粒相互接触，导电性并不受填充浓度增加的影响。

3.3 导电胶的应用

与传统的Sn-Pb焊料相比，导电胶的优势很多，然而迄今为止，ECA工艺仍有待提高，尤其是在可靠性方面存在一定的不足，具体表现为导电胶接触电阻的稳定性并不理想。如果导电胶与非贵重金属终端元件处于持续高温与高湿度的环境下，其接触电阻基本全部都是呈现一个增长的态势。

导电胶在半导体集成电路的连接与组装上的应用比较常见，主要有晶片粘贴、倒装芯片连接、表面贴装等方面。晶片粘结胶的主要作用是在衬底以高可靠性的形式进行集成电路芯片机械安装，导电胶黏结有许多优势，例如使IC晶片的应力集中降低，固化温度低以及生产成本较低Y更。在LCD中，ACA的应用比较早，其作用是连接载带自动键合的输出引线电极和LCD面板上透明的In-Sn氧电极。而近来在倒装芯片技术中焊接替代物是ACA的主要研究内容。ACA的优势在于其分辨率非常高，处理速度较快，具有较低的工艺温度，能够实现无焊机焊接。ACA的倒装焊流程为：在基板上涂覆ACA，对位带有凸点的IC与基板上的金属电极焊区施加压力于芯片，使ACD进行固化，如此就实现了导电粒子与凸点与焊间上下接触，实现导电的目的，而在X、Y平面的各向导电粒子则没有连续性与导电性。在倒装内连接也可利用ICA，其连接是在存在凸点的情况下进行，由于属于各向同性，因此在电气连接的部分必须有选择性的添加导电胶，同时还要确保材料扩散不会发生在放置与处理的过程中，否则在分离通道内很可能造成短路。为了使ICA得到更加准确的沉积，通常可以通过丝网或摸版印刷技术来实现，该技术不需要在键合过程中施加压力，否则可能会在安装过程中出现翘曲现象。当处于高容量条件下，ICA在输入、输出焊盘上的印刷可以采用高精度丝网印刷技术，但需要考虑衬底轨道终端对凸点化工艺的需求，同时也需要考虑到倒装焊盘凸点化的影响。与ACA相比，ICA在这一方面具有一定的竞争优势，然而在键合强度的对比上，ICA倒装键合仍有待提升，为了使其键合的持续可靠性得以提升，应添加单独的填充步骤。

除了电子组装，导电胶在其他领域也有一定的应用，例如电磁屏蔽领域、喷墨打印领域、接触压力测量领域、防静电领域以及LED领域等等。目前，配方与工艺是导电胶研究与发展的两个重要方向，关于各类因素度导电胶导电性能影响的研究，旨在使导电性能、可靠性以及机械性能得以优化。随着科学技术的不断进步，相信导电胶技术必然得到充足的发展与进步，并在电子制造领域中得到越来越广泛的应用。

参考文献：

[1] 杨艳，尹立孟，冼健威等.绿色电子制造及绿色电子封装材料[J].电子工艺技术，2008，29（5）：256-261.

[2] 余德超，谈定生.电镀铜技术在电子材料中的应用[J].电镀与涂饰，2007，26（2）：43-47.

第6篇：导电高分子材料的优点范文

1钙钛矿结构

钙钛矿型复合氧化物因具有天然钙钛矿(catio3)结构而命名,与之相似的结构有正交、菱方、四方、单斜和三斜构型。标准钙钛矿结构中,a2+和o2＿离子共同构成近似立方密堆积,a离子有12个氧配位,氧离子同时有属于8个bo6八面体共享角,每个氧离子有6个阳离子(4a～2b)连接,b2+离子有6个氧配位,占据着由氧离子形成的全部氧八面体空隙。钙钛矿结构的对称性较同种原子构成的最紧密堆积的对称性低,a、b离子大小匹配。各离子半径间满足下列关系:

其中ra、rb、ro分别为a离子、b离子和o2-离子的半径,但也存在不遵循该式的结构,可由goldschmidt容忍因子t来度量:

理想结构只在t接近1或高温情况下出现,多数结构是它的不同畸变形式,这些畸变结构在高温时转变为立方结构,当t在0.77～1.1,以钙钛矿存在;t<0.77,以铁钛矿存在;t>1.1时以方解石或文石型存在。

2钙钛矿型氧化物材料的研究进展

标准钙钛矿中a或b位被其它金属离子取代或部分取代后可合成各种复合氧化物,形成阴离子缺陷或不同价态的b位离子,是一类性能优异、用途广泛的新型功能材料。

2.1固体氧化物燃料电池(sofc)材料

钙钛矿氧化物燃料电池sofc有以下优点:(1)全固态结构,不存在液态电解质所带来的腐蚀和电解液流失等问题;(2)无须使用贵金属电极,电池成本大大降低;(3)燃料适用范围广;(4)燃料可以在电池内部重整。通过电极材料中的掺杂来提高活性,优化碱锰电池的充放电性能(参见表1)。用含锰的钙钛矿氧化物作为碱性溶液中的阴极材料,获得了好的结果。因为元素锰的d电子结构在锰的三价和四价两种氧化物之间快速传递,表现出很高的电子导电性及良好的电极可充性[5]。通过掺杂pb、co、ba、ca、sr等元素的复合钙钛矿结构,获得掺杂后的改性电极材料,pb的掺入会对mn—o的成键状态和mno2晶格内的结晶水产生影响,使mn2p3.2能级产生化学位移,结合能增大,mn—o离子性增加,共价性减小。经过对改性电极的充放电机理实验,纳米掺杂后电池的放电容量提高40%以上[6]。la1-xsrxfe1-ycoyo3作为一种混合导体材料,具有优良的电子导电性能和离子导电性能,与la0.9sr0.1ca0.8mg0.2o3、ce0.9gd0.1o1.95等新一代中温固体氧化物电解质有很好的相容性。因此,la1-xsrxfe1-ycoyo3体系材料是一种很有发展前景的中温sofc阴极材料[7]。mather等[8]用硝酸盐与尿素熔融燃烧法制备了金属阳极陶瓷材料nisrce0.9yb0.1o3-δ,实验结果表明co的加入可降低烧结温度,可获得高的阳极孔隙率有利于阳极和电解质的吸附,经分析阳极上的亚微孔结构微粒由镍和钙钛矿粒子组成。

然而,现有钙钛矿型复合氧化物的离子电导率低,高温下呈现电子或氧离子导电性。在燃料电池应用研究中,高温下器件可稳定运行,但器件的效率或功率较低。以钙钛矿型复合氧化物为电解质时,须在大于700℃的高温下使用。因此,离子导电性高、温度使用范围宽的固体电解质及电极材料研究是今后的主要目标。现有的基质材料mnceo3因稳定性和机械强度的问题,实现实用化仍存在一定难度;基质材料mnzro3虽具有较高的稳定性和机械强度,但材料离子电导率低,其燃料电池的功率很难满足要求。

2.2钙钛矿锰氧化物磁制冷材料

磁制冷是利用固体磁性材料的磁热效应来达到制冷的目的。磁卡效应(magnetocaloriceffect,mce)是指当分别对磁性材料等温磁化和绝热退磁时该材料相应地放热和吸热的一种现象。对于钙钛矿氧化物磁制冷材料,利用振动样品磁强计或超导量子干涉仪测量其等温磁化m＿h曲线或等磁场下的m＿t曲线,计算样品在tc温度下的磁熵变(即最大磁熵变),以此判断该材料作为磁制冷工质的可行性[13]。如果a位被离子半径更小的离子或b位被离子半径更大的离子取代,那么取代的结果使容差因子减小,晶格收缩,铁磁耦合变小,从而使磁熵变减小。szewczyk等[14]、陈伟等[15]以lamno3为基质材料用ca、k、sr、ti为掺杂离子详尽研究了不同磁场下掺杂后lamno3的最大磁熵变,然而实验结果不甚理想。目前实验室合成磁制冷材料的居里温度或高于室温,或低于室温,均不适合作为室温磁制冷材料。

因此,改进稀土钙钛矿材料的合成工艺及优化掺杂等参数,将现有的稀土锰钙钛矿复合,研究nbfeb等永磁体产生的中低磁场在室温附近获得最大磁熵变,以期获得在室温附近中低磁场最大磁熵变的磁制冷材料。该系列材料在室温磁冰箱等方面有广阔的应用前景,有望推动制冷领域的技术革命。

2.3多功能导电陶瓷材料

以钙钛矿氧化物制备的导电陶瓷具有化学性能稳定、抗腐蚀、耐高温等特点,具有优良的导电性和高温ptc效应(positivetemperaturecoefficient),即在某些陶瓷材料中加入微量的稀土元素,其室温电阻率会大幅度下降而成为半导体陶瓷,当温度上升到它的居里温度tc时其电阻率急剧上升,bapbo3是一种新型的多功能导电陶瓷,优异的导电性可做成薄膜和复合材料;其高温ptc效应可做成各种大功率、高温发热体和电流控制元件及高温传感器等,用作cr2o3基的陶瓷湿度传感器电极具有优良的综合性能。chang[16]从动力学角度研究了bapbo3的反应机理,试图降低温度来制备bapbo3化合物,但效果不理想。yamanaka[17]首次使用共沉淀法制得了该化合物同时降低了合成温度,获得了分布均匀的粉末。wang[18]利用该法在700℃下制得了bapbo3化合物薄膜。bapbo3是电子导电的多功能导电陶瓷,kundaliya等[19]利用穆斯鲍尔谱中子衍射研究多晶态钙钛矿化合物的磁电阻现象,结果表明,与未掺杂fe样品相比,la0.67ca0.33mn0.9fe0.1o3具有巨磁电阻效应,在40koe的应用磁场和50～80k下该化合物的巨磁率为98%。xu等[13]实验合成了la0.67ca0.33mno3、la0.67sr0.33mno3、la0.67ba0.33mno3锰类钙钛矿的巨磁材料,从磁化数据获知在居里温度附近产生巨大的熵变,而且这些样品特殊焓变均发生在它们的相变温度附近。hu等[20]对(la1-xcax)[(fe0.5nb0.5)1-yzry]o3(x=0.4,0.6;y=0.05,0.1)在微波频率下进行了微波介电性研究,zr4+被fe3+或nb5+在b位取代后,对介电常数ε影响不大,但共振频率的温度系数tf近似为零(x=0.55,y=0.1),实验条件下获得介电常数ε为85.3。

目前存在主要问题是化合物合成重复性差、铅易氧化挥发,难保持材料的化学计量平衡等因素,因此,必须研究新制备工艺、优化离子掺杂和烧结温度等条件,从而合成性能稳定、导电性好的功能陶瓷材料。2.4氧分离膜与气敏材料

钙钛矿型复合氧化物因其电子和氧离子导电性对氧有良好的吸附和脱附性能。高温下,当膜两侧存在氧浓度梯度时,无需外接电路就可以选择氧。固体电解质作为透氧膜材料时,使用具有催化活性的电极(如pt或混合导电体)以促使氧的吸附和脱附,该反应只有在气相—电极—电解质三相界面上才能进行,而对于la1-xsrxfe1-ycoyo3材料,反应能在整个界面上进行。高温下这类材料是电子或电子空穴和氧离子的混合导体,低价金属离子sr2+的掺杂导致空穴和氧空位的出现,其协同作用可实现对氧气的选择透过性,且随着sr和co含量的增加而增加。由于是通过氧空穴机理来传导氧,制备的膜对o2有100%的选择性,可以用于氧气的分离、纯化和各种涉氧反应。因此,具有混合导电性的钙钛矿型复合氧化物la1-xsrxfe1-ycoyo3可望成为一种全新的氧分离膜介质材料[21]。葛秀涛等[22]采用溶胶凝胶法在800℃下热处理2h制得钙钛矿氧化物yfeo3微粉,呈p型导电行为,用在350℃下焙烧2h和800℃焙烧3h所得超细微粉制作的元件对c2h5oh有较高的灵敏度和良好的选择性,257℃下对4.5×10-5mol.dm3c2h5oh的灵敏度是相同浓度干扰气体汽油的7倍以上,它有望成为一类新型酒敏传感器。钛酸锶(srtio3)是钙钛矿氧化物绝缘体,被广泛用于生长高温超导薄膜的衬底,作为高电容率材料在超晶格和下一代超大规模集成器件中具有潜在的应用价值。崔大复等[23]研究了掺杂sb的srtio3透明导电薄膜,用紫外脉冲激光淀积法在srtio3衬底上制备了钙钛矿型氧化物srti1-xsbxo3(x=0.05,0.10,0.15,0.20)薄膜,结果表明,可见光波段薄膜的透过率大于90%,当sb掺杂x=0.05时,薄膜具有良好的导电性。侯峰等[24]进行了lanio3纳米陶瓷薄膜的制备,并制成了氧敏传感器,实验测试了lanio3的响应速率,发现掺杂ce后从还原气氛到氧化气氛和从氧化气氛到还原气氛的响应时间缩短为2s。toan等[25]用反铁磁钙钛矿氧化物lafeo3膜在270℃和420℃温度和不同co、ch4和no2浓度下进行了气敏性研究,用两种感应膜测试了不同的混合物co和ch4,用au和pt作电极测量了纳米膜lafeo3的响应时间,实验证实对co和ch4可测到的10×10-6数量级,而对no和no2可达1×10-6以下的精确度,有望成为煤矿上可燃气体的气敏传感器。膜la0.7sr0.3ga0.6fe0.4o3-δ的透氧率远低于商业气体分离膜,但涂上la0.6sr0.4coo3-δ后,透氧量明显增加,是不涂样品的2～6倍,涂层的多孔性对透氧量影响很大[26]。

钙钛矿氧化物透氧膜材料的选择应满足下述条件:(1)透氧量是决定透氧膜具有应用价值与否的关键,透氧量大于1.0ml.cm2才有应用价值;(2)透氧膜材料应具有较强的抗气体侵蚀能力,实际环境中保持结构和化学稳定性;(3)透氧膜应具有高的机械强度。目前存在的问题是,实际应用中透氧量降低和膜组件破裂致使反应器报废损坏。今后的研究应集中在开发合成新气敏材料以提高气敏性、选择性和传感器的稳定性,设计先进的合成工艺以降低其成本,同时确保其可靠性、安全性和再现性。

2.5氧化还原催化剂

钙钛矿复合氧化物由于表面纳米粒子的氧化还原协同作用及晶格缺陷,致使晶场环境和结合能与宏观颗粒相比差异很大,它们对废气净化过程中co、碳氢化合物的完全氧化和so2、nox的还原反应具有高的催化活性,掺杂稀土后催化剂具有高抗毒性能和热稳定性,可望替代贵金属催化剂而成为高温稳定型氧化还原催化剂、汽车尾气净化催化剂。

制备abo3型化合物的新方法———声空化法的物理效应和化学效应引起了人们的极大关注。利用超声波空化作用使复合氧化物的粒径细小均匀,孔容和比表面增加,更有利于晶格氧的形成。梁新义等[27]研究了lanio3催化剂进行no分解和co氧化反应,以超声波处理的催化剂活性明显提高。徐菁利等[28]以稀土复合氧化物为催化剂,模拟汽车尾气的组成含量,用连续流动反应器,研究了复合氧化物la0.5sr0.4ni1-xcuxo3系列(x=0～1.0)催化剂,当反应温度大于300℃和so2的脉冲积累含量为1.22×10-2mmol时,该催化剂活性较好。徐鲁华等[29]用微乳液法制备的稀土la0.7sr0.3mno3钙钛矿粉末制成蜂窝状催化剂,评价了它们对富氧条件下氮氧化物还原的催化活性,结果表明用催化剂浆液浸渍法制得的样品具有较高的催化活性。weng等[30]利用涂覆法研究了添加ce对汽车尾气催化剂lamo3(m=mn,mn＿cu)性质和结构的影响,发现添加ce后催化剂的热稳定性有很大的提高,当ce含量6(wt)%,温度达1150℃才有一定量γ＿al2o3转变为α＿al2o3,而不添加的样品从800℃起就发现有α＿al2o3生成,添加ce的催化剂对碳氢化合物氧化活性下降不明显,但对co氧化和no还原活性有显著提高,因添加ce的催化剂颗粒细小,粒径分布均匀,活性组分在催化剂表面有高的分散度。

钙钛矿复合氧化物因具有独特的半导体性质,利用该性质作为光催化剂进行光降解的研究同样受到研究工作者的瞩目。傅希贤等[31]用柠檬酸络合法制备了钙钛矿型lafeo3及lafe1-xcuxo3化合物,发现掺杂cu达5(wt)%时,lafe0.95cu0.05o3的光催化活性最高,在其悬浮体系中对co2-3进行光催化还原实验,用450w荧光汞灯作为光源,λ>410nm,光照5h,取上层清液分析,结果表明悬浮体系中co2-3被还原为甲酸、甲醛。omata等[32]研究了碱土金属掺杂的钙钛矿氧化物与tio2的协同光催化反应,钙钛矿氧化物srzr0.9y0.1o3作为p型半导体其光催化活性很低,它吸收的波长<800nm,而tio2作为n型半导体光催化活性高,但它几乎不吸收可见光。在xe灯照射下,p＿n型结合后的催化剂粒子对甲基蓝的光催化降解接近100%,是tio2活性的数倍,在可见光(λ>420nm)的照射下,对甲基蓝和甲酸溶液能完全降解。yao等[33]利用csd方法制备了层状的钙钛矿化合物bi4ti3o12,用甲基橙进行了光催化降解实验,紫外灯照射4h后使摩尔浓度10×10-6的甲基橙溶液完全降解,tem获知bi4ti3o12晶体微粒为球状且直径为10～90nm。kato等[34]研究了许多碱金属和碱土金属的钽酸盐,如k3ta3si2o13,由于ta具有高导带水平的5d轨道,对工业污水具有较高的光催化活性,实验发现掺杂nio后钙钛矿natao3结构产生扭曲,进一步掺杂la改进nionatao3催化活性,掺杂后nionatao3的量子率在270nm时可达50%。吴树新[35]掺杂了cu、cr、mn等金属粒子,发现cu掺杂改性的纳米催化剂能使甲酸、乙酸、甲醛水溶液在较短时间内降解完全。在光催化还原反应中,使用未掺杂的催化剂进行反应,产物中仅有甲酸和甲醛,而使用掺杂后的催化剂,则检测到有深度还原产物甲醇生成。

但是,钙钛矿氧化物催化活性比贵重金属催化剂低,抗析碳、耐气蚀及耐毒性等方面还存在差距,当水蒸气等含氧气氛存在时活性降低甚至中毒,须改进工艺,研究合成新化合物提高活性;作为光催化剂时,仍存在光子利用率低和催化剂难以回收等难题。今后的研究除了从静态角度将催化剂某些参数如电子结构与催化剂活性关联外,应同时注重研究催化电子能量传递过程的微观动态分析,注重反应器设计及催化剂表面活性组分的质量热量传递途径研究。

3钙钛矿复合氧化物材料应用前景

第7篇：导电高分子材料的优点范文

关键词：锂离子二次电池； 电化学超级电容器； 电极材料； 陶瓷超级电容器

中图分类号：TM911.14 文献标识码：A

文章编号：2095-1302(2011)10-0049-04

Research Statues of Electrical Storage Materials with High Energy Density

HE Dong-lin, YANG Chuan-ren, QIN Deng-jin, WANG Zhuo-bin, CHEN Hong-wei, ZHANG Ji-hua

(State Key Laboratory of Electronic Thin Films and Integrated Devices, University of Electronic Science and Technology of China, Chengdu 610054, China)

Abstract： The principles and status about secondary batteries and electrochemical super capacitors are introduced. In foundation of this, the progress of electrode materials in lithium-ion rechargeable batteries and electrochemical super capacitors are reviewed, the development status of the ceramic super capacitor is summarized. New speculations about the trend of electrical storage materials with high energy density are proposed.

Keywords： lithium-ion secondary batteries; electrochemical super capacitors; electrode material; ceramic super capacitor

0 引 言

相对于传统化石能源而言，电能有很多优势(比如成本低、使用方便、无污染等)。然而，在交通领域化石能源仍然占绝对地位，限制电能在此领域取代化石能源的一个很大因素就是现在的储电设备能量密度不够高。另外，手机、笔记本电脑等移动设备充电频率越来越高，其主要原因也是现有电池能量密度不够高。因此，研究可移动高能量储电装置具有重要的意义。

如今，致力于高能量密度的储电装置有二次电池和超级电容器\。二次电池又叫蓄电池，民用领域常见的有铅酸电池和锂电池，二次电池是现今主要的高能量密度的储电装置。超级电容器一般指电化学超级电容器，这种电容器虽然能量密度相对于二次电池而言比较低，但其理论能量密度可以很高，仍然有很大的研究价值\。近几年，EEStor公司提出的新型陶瓷超级电容器，声称有远超过现有锂二次电池的能量密度。

本文概述了二次电池和超级电容器的原理和现状，综述了锂二次电池和超级电容器电极材料的研究进展，总结了陶瓷超级电容器的研究结果，以期为移动电源的发展提供借鉴。

1 高能量密度储电装置的原理及现状

1.1 二次电池

二次电池的基本原理与原电池相同，它们都是利用自发氧化还原反应产生电流，但是，外加电压的条件下，二次电池的氧化还原反应可反方向进行\。

原电池的原理示意图如图1所示，该电池的主体组成为正极、负极和电解质，其中电解质提供离子导电通道，正负极存储能量。能量总量为可移动的电荷量与电池电动势的乘积。电池电动势等于正负极电极电势(相对于标准氢电极的电势，一般由物质本性决定)之差，电荷量由正负极活性物质(参加氧化还原反应的物质)的质量和容量(每克活性物质能放出的电子数目)来决定。一般来说，正负极活性物质容量越大，电极电势绝对值越大，能量密度也就越高。

目前主要的二次电池有铅酸电池、镍镉电池、镍氢电池和锂二次电池\。它们的储电性能对比如表1所列\。

实际上，能量密度(比能量)通常与放电速度(1小时放完所有电为1 C)有关，而循环寿命则与放电深度(DOD)有很大关系。

从表1可以看出：前三种二次电池的能量密度没有锂电池高，循环寿命也不及锂二次电池。另一方面，前三种二次电池电极材料的实际容量已接近理论容量，而目前主流商业锂二次电池负极材料为钴酸锂(LiCoO2)，理论容量不到金属锂的十分之一，具有很大的提升空间。

1.2 超级电容器

超级电容器按储电机理可分为双电层电容器和赝电容器\。双电层电容器原理为电解质中可自由运动的离子在小于其电解电压的电场作用下在电容两极板上堆积，形成双电层。图2所示是双电层电容器的原理示意图。

双电层电容器的关键点是用电解质取代了传统电容器中的电介质，由此带来的限制是使用电压必须小于电解质分解电压。此外，双电层电容器电极材料大多都制作成多孔结构，以加大比表面积，从而进一步提高电容。

赝电容器结构与双电层电容器相同，只是电解质在电极上能发生高度可逆的化学吸附/脱附或氧化/还原反应(欠电位沉积)，可产生与电极充电电位有关的电容。其电容密度一般高于双电层电容器。

表2所列是超级电容器的几种典型电极材料的性能比较，表3所列是国外几种超级电容器的检测结果\。

从以上两表可以看出，现有主流超级电容器的能量密度均小于10 Wh/kg，一般不到锂二次电池的十分之一。

2 锂二次电池的关键材料研究

用金属锂做负极时，锂二次电池会在使用过程中由于锂的不均匀沉积产生“枝晶”。一方面，部分“枝晶”会在使用过程中折断，进而产生“死锂”，降低锂的利用率；另一方面，若“枝晶”进一步长大，则可能穿过隔膜而使正负极导通，进而使电池发生爆炸。由于以上原因，现今主流锂电池均用石墨作为负极(因为石墨嵌入锂后形成的LiC6电极电势很负，只比金属锂略高)，故可用含锂的化合物做正极\。

2.1 正极材料

正在研究的锂二次电池正极材料已经超出了原来的纯无机物范畴，但是，有机物型正极材料发展仍然有限，无机物型正极材料还占主导地位\。表4所列是现在正在研究的主要几种无机物正极材料的容量情况\。

当前，市面上销售的锂离子电池正极材料主要是LiCoO2，它是六方晶系层状结构，具有电压高、放电平稳、适合大电流放电、比能量高、制备工艺简单等优点。但是，随着循环次数的增多，该材料的容量衰减较大，抗过充性能弱\，热稳定性差\，且钴资源匮乏，LiCoO2价格高。因此，许多科研工作者\采用掺杂或包裹的方法对LiCoO2进行改性，取得了一些成果。Kyung Yoon Chung等\通过在LiCoO2表面包裹ZrO2来将其充电电压提高到4.8 V，且循环特性也得到较大提升。

LiNiO2的性能与LiCoO2相近，但是价格低于LiCoO2 ，循环稳定性相对较差\，耐过充性能不好，放电电压较低、热稳定性和安全性也较差\。另外，其合成反应条件苛刻，合成困难(Ni3+比Co3+难以得到)，不适合工业化生产，这使得镍酸锂一直只处于实验研究阶段而未能取代钴酸锂实现产业化应用。Kim.J.H等\采用溶胶-凝胶法对其材料进行掺杂改性，合成出Li1+xNi(1-3x)/2Mn(1+x)/2O2材料，当x=0.2时，其放电比容量可达209 mAh/g 。

尖晶石型LiMn2O4正极材料稳定性好、耐过充能量强、价格低、环保无毒、可大电流充放电，但其循环性能较差，在高温(55 ℃)下尤为如此。Li Jiangang等\采用Sr(NO3)2和NH4F溶液在LiMn2O4表面包覆了SrF2，当包覆量为2%时效果最好，在55 ℃条件下做充放电循环测试，其初始放电比容量为108 mAh/g，20个循环后依然保持初始容量的97% 。

正交晶系橄榄石型LiFePO4以其价格低廉、资源丰富、以及良好的循环性能、优异的热稳定性、安全性\和对环境友好等优良的特性成为研究的一个新亮点。但电导率低是LiFePO4的缺点之一\。Kim Jae-Kwang等\采用机械球磨的方法制得粒径范围为65~90 nm的LiFePO4/C粉末。该材料在0.1 C条件下，首次放电容量达到166 mAh/g(为理论容量的97.6%)，在100次循环后依然能保持初始放电容量的92%，在1 C、2 C、3 C倍率条件下，依然能够具有142 mAh/g、132 mAh/g和113 mAh/g的放电容量。

2.2 负极材料

由于循环效率和安全性等问题，金属锂未能成为现今主流锂电池负极。目前，商用锂电池负极材料仍为碳材料，研究中的其他负极材料主要有锂合金(锡基材料、硅基材料等)和金属氧化物等\。

碳材料的理论容量为372 mAh/g ，商用主流负极，即人造石墨的可逆容量约330 mAh/g，可见其进一步发展空间不大。新型碳基复合材料容量虽然可超过碳材料理论容量，但成本较高，且容量表现出多个放电平台\，同时实用化较困难。

研究中的锂合金理论容量都远大于碳材料，例如Sn形成Li22Sn5，容量可达1 000 mAh/g，Si形成Li4.4Si，容量达4 200 mAh/g。缺点是锂离子嵌入前后，材料体积变化很大，当锂离子嵌入碳材料形成LiC6 时，其体积膨胀率仅10%，而上述两种合金体积则会增大3～4倍\。过大的体积变化很容易导致材料的粉化，并使得材料实际容量随使用时间快速衰减。

氧化物方面，锡基氧化物SnOx具有与锡基锂合金相似的性质，它们的首次充放电容量较高，但循环性能很差，寿命短\。Lee等人\采用RF磁控溅射法制备了SnO2薄膜，在低电压下，首次放电容量超过1 300 mAh/g，然而第二次循环的容量不到390 mAh/g，并且循环性能较差，150次循环后，容量严重衰减；200次循环后，容量几乎为零。Li4Ti5O12为尖晶石结构，曾被作为超导材料研究。该材料作为锂离子电池负极时，在Li离子嵌入或脱出过程中，晶型不发生变化，体积变化小于l%，被称为“零应变材料”，能够避免充放电循环中由于电极材料的来回伸缩而导致结构的破坏\。但由于相对于Li的电位偏低(仅为1.5 V)，可用于对容量要求不是很高的场合。TiO2(B)基于Li4Ti5O12发展而来，具有Li4Ti5O12抗过充能力强，循环特性优秀的优点\。同时理论容量(335 mAh/g)相对于Li4Ti5O12较高(175 mAh/g)。Graham Armstrong等\制作的纳米线型TiO2(B)，首次充电容量达到338 mAh/g，低倍率放电时，容量可达到240 mAh/g，首次循环不可逆容量为29%，而且容量保持率高，循环性能优异。

3 电化学超级电容器研究

3.1 碳电极

用碳材料作为电极的超级电容器已近商业化，其特点是比表面积大。碳电极超级电容器多为双电层电容器，由于电荷吸附/脱吸附速度很快，此类超级电容器功率密度很大。值得注意的是，碳材料并不是比表面积越大，比电容就越大；只有有效的比表面积(即超级电容器中能够发生电荷吸附/脱吸附的那一部分面积)越大，比电容才越大。表5所列是目前主要的电极碳材料\。

以上数据均为实验室成功制作的电极测试结果\。该活性炭比表面积很大(1 000~3 000 m2/g)、生产工艺简单、价格低廉，但有效比表面积并不是很大，且机械强度不高，目前情况下，提高其气孔利用率是其研究重点\。

炭气凝胶是一种轻质、多孔的纳米级非晶炭材料，孔隙率高达80%~98%，典型孔隙尺寸小于50 nm，比表面积为600~1 000 m2/g，导电性比活性炭要高1~2个数量级，机械性能也优于活性炭，但炭气凝胶原料和生产设备昂贵，周期长，规模化生产难度大，离商业化还有一定距离\。

碳纳米管由于具有化学稳定性好、比表面积大、导电性好和密度小等优点，是很有前景的超级电容器电极材料。但仅用碳纳米管作为电极材料时，其性能并不是很好，还有待进一步研究\。

3.2 金属氧化物电极

金属氧化物电极超级电容器多为赝电容，比电容一般较高，放电功率相对双电层超级电容器电容小。表6为正在研究中的主要几种金属氧化物电极材料的比电容\：

RuO2是目前研究的最成功的氧化物电极材料，1995年Zheng等\就制作出比电容高达768 F/g的水合二氧化钌(RuO2•H2O)。但是钌属于贵金属，制备水合二氧化钌成本高，因此将氧化钌与其他材料组成复合电极和对氧化钌改性以减少钌的使用量是现在对其研究的主要方向\。

贱金属氧化物电极材料，如氧化锰、氧化镍等资源丰富，价格低廉，特别是二氧化锰，已成为现在超级电容器电极材料研究的热点之一\。Broughton等\先用溅射沉积的方法形成金属锰膜，再阳极氧化为多孔的锰氧化物，在160 μA/cm2电流密度下，其比容量可达到700 F/g。

Takuyu Shinomya等\用硫酸锰为前驱物在pH为1.2的条件下，以不锈钢为基体，在动电位扫描\速度为400 mV/s时，电解出的MnO2比容量达到410 F/g。

3.3 导电聚合物

导电聚合物是另一种重要的超级电容器电极材料，其电容主要来自于法拉第赝电容\。此材料具有很高的可塑性，易于制作成薄层电极，而且比电容大，成本较低。Hanlu Li等\对聚苯胺的比电容进行了理论计算和实验验证，理论计算聚苯胺单电极的比电容为2.0×103 F/g，而在不锈钢电极上电沉积制备的聚苯胺纳米纤维，在1.0 mol/L的H2SO4电解液中的比电容为608 F/g。目前，导电聚合物电极材料种类不多，难以满足实用化的要求，因此，寻找新型导电聚合物材料，提高电极的充放电性能、循环寿命和热稳定性是其主要研究方向。

4 陶瓷超级电容器研究

陶瓷电容器是EEStor公司在2004年5月提出的一种新型超级电容器\。该电容器与传统电化学超级电容器不同的是，此类超级电容器基于普通物理电容器的原理，循环寿命近似无限，放电功率可以很高。该公司声称以特殊制作的高纯钛酸钡为原料制作的类似MLCC结构的能量密度有390 Wh/kg，远超过现有的锂二次电池。其关键材料(即高纯钛酸钡)的制作流程为：对纯度达到99.9994%的钛酸钡掺杂改性，控制改性后的钛酸钡粉体粒径在1 μm左右，再在其表面依次包覆10 nm Al2O3、10 nm钙镁铝硅酸盐玻璃(或侵入PET塑料基质中)，从而形成壳-芯结构。EEStor公司声称，该钛酸钡粉体的相对介电常数为22500，耐压高达500 V/μm 。此类电容尚未上市，国内外尚无相关性能同时达到或超过此类钛酸钡材料的报导，但就低压下的相对介电常数而言，早有能超过此指标的报导\；而就耐压而言，钛酸钡单晶的击穿电压强度可以达到3 000 V/μm以上。由于钛酸钡介电常数的电压非线性，其介电常数在高电压下会降低，EEStor公司的新型钛酸钡粉体能否在高电压下仍有如此高的介电常数是现在争议的焦点。普通的钛酸钡的击穿电压强度只有6 V/μm，而如果不进行包裹，将很难大幅度的提高其耐压，而包裹如果不理想，又很有可能极大的降低其介电常数；另一方面，包裹工艺又很难精确控制，因此，EEStor公司的新型电容器尚未得到其他研究者的证实。

5 结 语

电化学超级电容器的能量密度远低于二次电池，研究中的新型电极材料的比电容有较大提升，但能量密度仍然很难达到现有普通二次电池的水品。电化学超级电容器在较长一段时间内，还是只能满足大功率短时间使用的场合。锂二次电池的能量密度比其它二次电池高出很多，发展空间还是很大，是高能量密度储电装置发展的主要方向。关于其研究中的新电极材料，它们各有优缺点，但整体性能难以超过现有电极，新电极材料有待进一步探索。EEStor公司提出的新型陶瓷电容器尚未有产品上市，其关键材料也未被其它科研者证实，其正确性有待考证。

参 考 文 献

［1］汪继强.化学与物理电源\. 北京:国防工业出版社,2008.

［2］\ B. E. 康维(B. E. Conway).电化学超级电容器\. 陈艾,等译.北京:化学工业出版社,2005.

［3］孟良荣,王金良.电动车电池现状与发展趋势\.电池工业,2006,11(3):202-206.

［4］朱松然.铅蓄电池技术\.北京:机械工业出版社,2002.

［5］李金章.镉-镍电池\.北京:人民邮电出版社,1985.

［6］唐有根.镍氢电池\.北京:化学工业出版社,2007.

［7］吴宇平,万春荣,姜长印.锂离子二次电池\.北京:化学工业出版社,2002.

［8］郭炳,徐徽,王先友,等.锂离子电池\.长沙:中南大学出版社,2002.

［9］何向明,李建刚,王莉,等.锂离子电池发展的前瞻-第14届国际锂电池会议评述\.电池,2008,38(4):221-224.

［10］余仲宝,陈彦彬,刘庆国.过充电对MCMB-LiCoO2电池性能的影响\.电池工业,2005,10(4):199-203.

第8篇：导电高分子材料的优点范文

关键词：超级电容器；石墨烯；金属氧化物；导电聚合物；石墨烯复合材料

引言

超级电容器，也被称为电化学电容器或超能电容器，特点是充/放电快速，使用寿命长，在很多应用领域甚至可以替代电池。根据工作机制的不同，可以将超级电容器分为双电层电容器（EDLCs）和法拉第赝电容器。前者通过离子吸附来储存能量，后者是通过电极表面上的电解质溶液和活性材料之间的快速氧化还原反应储能。电极材料也可以分为两种类型：双电层型材料和赝电容型材料。典型的双电层材料如碳材料。赝电容材料包括金属氧化物和导电聚合物。但是，由于金属氧化物和导电聚合物导电性差，在反复的充/放电过程中容易引发材料体积的变化，导致了其相对较差的稳定性。将石墨烯（graphene）与金属氧化物或导电聚合物相结合，可以缓冲纳米粒子微观结构的破坏，使graphene复合材料作为超级电容器电极材料具有更加优异的性能。

1 基于石墨烯复合材料在超级电容器中的应用

graphene是一种由sp2-杂化碳原子包裹成蜂窝状晶格结构的碳材料，被认定有着极大的化学和热稳定性、高机械灵活性、优越的电导率和大的比表面积。基于graphene的复合材料可用于制备性能优异的超级电容器电极。

1.1 石墨烯/金属氧化物复合材料在超级电容器中的应用

单独的金属氧化物导电性差，在测试寿命的过程中，循环稳定性差，比电容变化很大，而复合了石墨烯之后，这些缺点均有很大改善。

如采用简单的一步水热法得到了graphene/MnO2花瓣状纳米片和graphene/MnO2纳米棒“三明治”结构的复合材料，并用作超级电容器的电极材料[1]。在1moL/L 硫酸钠（Na2SO4）电解质中，graphene/MnO2花瓣状纳米片复合材料的比电容值高达516.8F/g，且表现出良好的循环稳定性。

1.2 石墨烯/导电聚合物复合材料在超级电容器中的应用

导电聚合物具有生产成本低、掺杂状态具有高导电性、高存储能量/孔隙度/可逆性、可调节的氧化还原活性及环境友好等优势。通过本身存在的一种π共轭体系，能够发生快速、可逆的氧化还原反应，显示出良好的电容性能。但单独使用聚合物作为电极材料有一定的限制，结构不够坚固，耐用性有限。而graphene不仅能够提供良好的双电层性能，而且导电聚合物也表现出法拉第赝电容性。PANI、PPY和PTH以及它的衍生物等，已应用于超级电容器的研究。

以GO和苯胺作为原料，一步电化学法合成大面积的graphene/PANI复合物薄膜[2]。通过调控铟锡氧化物（ITO）的面积可以得到不同尺寸的薄膜。得到的graphene/PANI复合膜具有比表面积大，高导电性，良好的生物相容性和快速氧化还原特性，有完善的分层和封装结构。在超级电容器这一应用中，电化学测试结果表现出了640 F/g的比电容，在1000圈充/放电循环后，比电容仍能保持为初始值的90%，有着良好的循环稳定性。

其他导电聚合物如PTH及其衍生物聚乙撑二氧噻吩（PEDOT）和聚苯乙烯（PS）等，这些导电聚合物与graphene的复合亦有许多研究。例如Alvi等人采用化学氧化聚合技术合成了石墨烯/聚噻吩（graphene/PTH）复合材料，并研究其超电容性能，测其比电容为154 F/g。Jacob等人先利用电泳沉积graphene到铟锡氧化物（ITO）表面上，再继续电聚合一层3，4-乙烯二氧噻吩（EDOT）单体，得到graphene/PEDOT复合物，其平均电容高达1410F/g。

1.3 石墨烯/碳材料复合材料在超级电容器中的应用

在基于graphene的超级电容器电极材料中，graphene的堆叠可能导致活性比表面积的减小。为了尽可能地避免这个问题的产生，可以用一些碳材料如碳纳米管（CNT）作为间隔物来构建graphene层与层之间的纳米孔，同时提供良好的导电性。CNT是一种比较常见的一维碳材料，由于具有良好的导电性、规律性的孔隙结构和电子传输通道、大的比表面积和化学惰性，被认为是优良的超级电容器电极材料，在能源存储器件中有很好的应用前景。Fan等将CNT作为间隔物的概念应用在三维graphene/CNT三明治结构的制备中，采用了CVD法在graphene层与层之间生长CNT[3]。所得三明治结构的graphene/CNT比表面积约为612m2/g，比graphene（202m2/g）的高很多。在10mV/s的扫描速率下，比电容可高达386F/g，这表明所述混合碳电极具有优异的电化学性能。

1.4 石墨烯/金属硫化物复合材料在超级电容器中的应用

金属硫化物纳米粒子如二硫化钼（MoS2），作为一种半导体材料在很多领域已广泛研究，如场效应晶体管（FET）、发光二极管（LED）、光催化、太阳能电池、生物传感器（Sensor）等，近年来在超级电容器方面获得越来越多的关注。Patil等报道了通过应用层-层（LBL）技术得到二硫化钼/石墨烯（MoS2/graphene）纳米片复合膜，并研究了其电化学性能[4]。在20mV/s的扫描速度下，其比电容值为282F/g，在超过1000圈的恒电流充放电后，比电容值仍能高于初始值的93%，具有良好的循环稳定性。

1.5 基于石墨烯三元复合材料在超级电容器中的应用

常见的基于石墨烯三元复合物有石墨烯/碳纳米管/金属氧化物、石墨烯/碳纳米管/导电聚合物和石墨烯/金属氧化物/导电聚合物等复合材料，它们在超级电容器中的应用均已有报道。

Jin等报道了基于graphene的类补丁状碳纳米管/二氧化锰（CNT/MnO2）三元复合物graphene/CNT/MnO2。graphene的存在使CNT/MnO2复合物的比电容由280F/g增加至486.6F/g，而且在长时间充放电后，仍能保持良好的稳定性。Alshareef等先制备出MnO2/CNT复合材料，然后将其与graphene混合超声，接着抽滤成膜，制成graphene/MnO2/CNT复合电极材料，将其应用到柔性电容器中，测得其比电容为310F/g。与此相反，Liu等先合成出graphene/MnO2复合材料，然后将其与CNT混合均匀后，再抽滤成膜，制备出柔性的graphene/MnO2/CNT复合薄膜，该材料具有很好的机械性能和电容性能，比电容为372F/g。当然，除了MnO2外，也有报道将NiO、Co3O4、ZnO及TiO2等与碳材料复合，同样获得了良好的电容性能。比如Lee等制备出四氧化三钴/多壁碳纳米管/石墨烯（Co3O4/MWCNT/graphene）复合薄膜，比电容可达294F/g。Lu等利用自组装法制备得到层状结构的graphene/PANI/CNT三元复合物薄膜。在该结构中，同轴的PANI/CNT纳米电缆均匀地夹在graphene层中，这种结构具有导电性高的优点，有利于促进电解质离子和PANI的接触，更有效地存储法拉第能量。Zhang等则先利用原位部分解压CNTs海绵制备得到CNT/graphene复合物海绵，再电聚合PPY到该复合物海绵上，形成CNT/graphene/PPY三元复合物海绵，比电容为225F/g，在1000个循环后，仍能维持初始比电容的90.6%。

2 结束语

在碳材料中，石墨烯以其独特的电子结构以及优异的物理、化学性能，在超级电容器中应用广泛。将石墨烯与金属氧化物、导电聚合物、碳材料、金属硫化物等纳米材料复合，一方面石墨烯可以在很大程度上提高复合材料的导电性，加速电子转移，减小接触电阻；另一方面，纳米粒子的引入可以增加材料的比表面积，抑制石墨烯的堆叠，提供高的比电容值，进而提高材料的电化学性能。基于石墨烯的复合材料以其多样性和重要性一直是超级电容器活性电极材料研究的热点，其在一定程度上弥补了单一材料的缺陷，提高了复合材料的电化学性能。相信随着研究的深入，制备方法更加新颖，表征手段更加客观，会有越来越多优异的石墨烯基复合材料应用于超级电容器中。尽管基于石墨烯的复合材料在超级电容器中已取得一定的进展，但主要应用还是集中在实验室阶段的基础研究，要想运用到实际生产中还需要进一步改善。这主要是由于复合材料本身存在一些缺陷，如合成技术不能大批量生产化、实验结果重复性不好、制备材料的过程相对繁琐、稳定性差等。

参考文献

[1]Feng X M，Yan Z Z，Chen N N，Zhang Y，Ma Y W，Liu X F，Fan Q L，Wang L H，Huang W. J. Mater. Chem. A，2013，1：12818-12825.

[2]Feng X M，Li R M，Ma Y W，Chen R F，Shi N E，Fan Q L，Huang W. Adv. Funct. Mater.，2011，21：2989-2996.

[3]Fan Z，Yan J，Zhi L，Zhang Q，Wei T，Feng J，Zhang M，Qian W，Wei F. Adv. Mater.，2010，22：3723-3728.

第9篇：导电高分子材料的优点范文

【关键字】抗静电剂；PVG传送带；炭黑

前言

不断地提高煤矿瓦斯环境中安全生产标准，不断改进生产资料的材料本身安全性能，防患于未然，为建设社会主义和谐社会具有重要意义。国内部分矿区在日常生产中已经对传送带采取了相应的抗静电措施，但由于工艺、技术方法手段等相对落后，普遍的做法是将抗静电助剂外涂或添加的方法来降低材料的表面电阻率，（抗静电剂使PVC材料的表面电阻率达到），符合国家防静电标准对一般材料的要求，但是针对煤矿矿井等特殊场合，国家出台了更加严格的防静电标准。GB12158-90的防止事故通用导则5.2.1条指出：有瓦斯的等易爆的场合，要求物体的表面电阻应该小于等于。

1、碳氢化合物的最小引燃能和爆炸浓度

对于碳氢化合物，在其爆炸范围以内的某一浓度，有一个引燃的最低值。对于煤矿环境中，主要是瓦斯，其主要成分为甲烷。

2、炭黑改性后具有良好抗静电性能的PVG复合纳米材料

2.1纳米粒度和浓度对复合材料的导电影响

2.2高分子聚合物的静电泄露规律

高分子聚合物具有较大的分子量，一般为绝缘体，欧姆定理不能应用于其静电泄露规律。但对于绝缘体材料，静电是从其表面泄露的，实验证实类似的规律对高分子聚合物材料仍然成立，其静电泄露的规律可以用放电半衰期表示：

在高分子聚合物材料表面取一高斯面，满足高斯定理。

通过闭合曲面的电流与电流密度矢量和高分子聚合物材料表面带电量Q之间满足

为静电半衰期，为真空介电常数，是相对介电常数，其值在3到9之间，所以静电半衰期主要与介质的电阻率有关。

4、工艺技术

实际操作中，在添加的纳米颗粒在添加前和添加过程中容易发生团聚，为确保纳米材料CB在PVG中不发生这种团聚，又确保纳米颗粒材料不会因为过于分散而被聚合物包覆时纳米颗粒在聚合物中形成优良网格导电结构或拓扑状导电结构。关键在于纳米材料的包覆工艺、物料比的优化及合成工艺等。借助纳米材料本身附有大量的羧基、羟基等通过相应的表面活性剂进行包覆在热熔状态下发生化学反应形成长链，达到符合要求的良好导电性能。