Page 35 - 《精细化工》2023年第2期
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第 2 期                   赵凯乐，等:  聚吲哚/聚丙烯腈聚合物基电解质膜的制备及性能                                   ·257·


                 铝空气电池     [1-2] 作为一种具有潜力的绿色能源，                制备比表面积大、孔隙率高、机械性能良好的纤维，适
            为适应柔性储能设备体积小、无漏液等的要求，科                             用于制备电解质基质以吸附更多电解质溶液                    [16-17] 。
            研人员已开发了诸多应用于铝空气电池的固态凝胶                                 本文基于静电纺丝技术拟制备 PIN/聚丙烯腈
            电解质和纸基电解质          [3-5] ，这在一定程度上解决了传              （PAN）聚合物基电解质膜，代替传统纸基电解质
            统电解液带来的设备笨重、阳极析氢腐蚀、电池安                             应用于固态铝空气电池。在提高电解质离子电导率
            全性差等问题       [6-7] 。其中，纸基电解质具有腐蚀抑制                 的同时，解决 C-P 基质导致的低吸液率问题。研究
            率高、电池灵活性强以及印刷制造成本低等优点，                             不同 PIN 含量对 PIN/PAN 纤维吸液率、孔隙率和
            适合低能耗的柔性电子设备             [8-9] 。然而，传统纸基电           PIN/PAN 聚合物基电解质膜电化学性能的影响，并
            解质所使用的纤维素纸（C-P）基质存在吸液率及离                           基于该电解质膜组装成固态铝空气电池，探究
                                         –
            子电导率低的问题，降低了 OH 储量，并增大了电                           PIN/PAN 聚合物基电解质膜中 PIN 含量与电池性能
            池内阻，导致电池放电时间短且放电电压较低，因此，                           的关系。
            亟需寻找一种可替代 C-P 作为电解质基质的材料。
                 聚吲哚（PIN）是一种导电聚合物             [10-11] ，通过沿     1   实验部分
            着聚合物主链的共轭键呈现导电性，其在电解质领                             1.1   试剂与仪器
            域已有相关应用        [12-13] 。PIN 主链不仅可以有效减少                                               5
                                                                   PAN 颗粒（相对分子质量 1.5×10 ）、N,N-二甲
            溶剂挥发，还具有在两种或多种氧化态之间发生可
                                                               基甲酰胺（DMF）、吲哚（C 8 H 7 N）、过硫酸铵（APS）、
            逆变换的能力，可为溶剂中的离子提供额外的传导                             无水乙醇、KOH、MnO 2 ，AR，上海麦克林生化科
            通道  [14] 。如图 1 所示，AKIEH 等     [14] 研究认为，PIN
                                                               技股份有限公司；铝箔，纯度 97.5%，上海屹源铝
            是一种有机半导体，在氧化还原可逆过程中为了维
                                                               业有限公司；乙炔炭黑，AR，天津晶林新材料科技
            持 PIN 主链整体电中性，PIN 可将电解质中的阴离                        有限公司；C-P，厚度 0.12 mm，杭州六品文化创意
                               +
                  –
            子（A ）、阳离子（C ）嵌入排出到其主链中，以平
                                                               有限公司；bcnf-16m 型泡沫镍（质量分数 99.9%），
            衡沿着主链存在的正电荷或负电荷。作者利用该特
                                                               合肥科晶材料技术有限公司；纯水，STAR 星系列
            性制备了可控的离子交换薄膜，实现了金属离子在
                                                               30 L/h，上海砾鼎水处理设备有限公司。
            导电聚合物薄膜上的可控传输。研究证明，PIN 具
                                                                   TL-01 型高压静电纺丝机，深圳市通力维纳科
            有提升电解质离子电导率的潜在能力。RAJASUDHA                         技有限公司；DP-P2020 型注射泵，上海蓝德医疗器
            等 [15] 制备了 PIN 复合材料，将其作为固体电解质的
                                                               械有限公司；DMI3000M 型金相显微镜，德国徕卡
            基质，添加 LiClO 4 后作为可充电锂电池的固体电解
                                                               显微系统有限公司；Nicolet iS5 型傅里叶变换红外
            质，组装的电池表现出高电动势和高循环特性，并                             光谱仪，美国赛默飞世尔科技公司；Su-8010 型扫描
            能快速充电和放电。THOMAS 等              [12] 采用 PIN 合成
                                                               电子显微镜，日本日立公司；AutoPore V9620 高性能
            了多孔聚合物膜，制备的准固态电解质可以捕获大
                                                               全自动压汞仪，美国麦克默瑞提克公司；WDW 型微
            量液体，吸液率达 98.1%，PIN 的共混使离子通过电
                                                               机控制电子万能试验机，上海华龙测试仪器有限公
            解质的路径缩短，提高了电解质的离子电导率（5.8×                          司；RST5200F 型电化学工作站，郑州世瑞思仪器科
                                                       2
              −3
                                                   –7
            10  S/cm），电解质扩散系数达到了 7.1×10 cm /S。
                                                               技有限公司；CT2001A 型电池测试系统，武汉蓝电
            同时，该电解质长期稳定性优于液态电解质。因此，
                                                               电子科技有限公司。
            将 PIN 引入固态铝空气电池具有提升电池性能的潜力。                        1.2  PIN/PAN 聚合物基电解质膜的制备

                                                                   将 1.1715 g（0.01 mol）吲哚溶于 50 mL 无水乙
                                                               醇中，得到吲哚乙醇溶液；将 2.282 g APS（0.02 mol）
                                                               溶于 100 mL 纯水中，得到 APS 水溶液。将 APS 水
                                                               溶液逐滴滴加到含有上述吲哚乙醇溶液的烧杯中，
                                                               25  ℃下搅拌 6 h 完成聚合。过滤分离出黑绿色的聚
                                                               合物沉淀，用纯水洗涤多次，直至上层溶液变为无

                                                               色；最后将沉淀物于 60  ℃真空干燥箱中干燥 24 h，
                         图 1  PIN 传导机理图    [14]                得到颗粒状 PIN。
                 Fig. 1    PIN conduction mechanism diagram [14]
                                                                                –6
                                                                   将 0.6 g（4×10  mol）PAN 溶于 9.4 g DMF 中，
                 电解质基质需有良好的吸液率才能存储更多的                          配制质量分数 6%的 PAN 溶液，向其中加入 PIN，
               –
            OH ，从而延长电池的放电时长。静电纺丝技术可                            搅拌均匀，制成 PIN 含量（以 PAN 溶液的质量为基
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