炭系填充型导电聚合物在钒电池中应用的研究

论文摘要

本文主要通过研究炭系导电填料在热塑性丁苯橡胶/PP复合材料的分布及填充情况，制备体积电阻率小于0.1Ω·cm的高导电材料，并采取恰当的方式将其与炭毡进行复合。在制备高导电性能的复合材料中，通过研究不同的炭系填料选择了乙炔炭黑、粉状石墨和PAN基导电炭纤维作为基本的导电填料；查阅国内外文献，选择热塑性丁苯橡胶和PP作为复合材料的基体树脂；通过研究添加剂等对基体树脂的力学性能的影响，选择了最适合导电复合材料的配比；采用四探针、高阻计等测量仪器，对不同填充含量的导电复合材料的导电性能进行研究，对乙炔炭黑、炭纤维和石墨的导电性能做了系统的研究；研究了影响复合材料导电性能的因素，如加工温度、成型方式、加料顺序和添加剂等对导电性能的影响；研究了导电胶粘剂，对乙炔炭黑、炭纤维和石墨在环氧胶粘剂中的导电性能进行了研究；研究了导电板与炭毡复合的有效方式，并对影响复合效果的复合压力、温度进行了研究；通过对所制得的电极充放电的研究，比较了不同炭毡复合方式对钒电池性能的影响，确定了最佳复合方式。通过研究得到了以下结论：1．乙炔炭黑、炭纤维、和石墨对复合材料导电性能的影响各不相同，但导电机理类似，总体说来三者的在复合材料中的导电能力为：乙炔炭黑＞炭纤维＞石墨。2．乙炔炭黑、炭纤维和石墨在添加到一定分量后，继续增加填料含量并不能有效提高复合材料的导电性能，要制备高导电性能的材料，必须配合使用。经研究得到了乙炔炭黑、炭纤维、和石墨的最佳配比，使用该配比，可以得到导电性能极好的导电复合材料。3．基体树脂的类型对导电复合材料导电性能也有一定的影响，但在高填充量的导电复合材料中，影响并不十分明显。研究了SEBS/PP、SEBS~*/PP、SEBS~*/LDPE、POE/PP、TPU/PP等类型的复合材料在高填充量下对导电性能影响不大，但从产品的机械性能和加工难易考虑，以SEBS/PP和SEBS~*/PP为基体树脂是最佳选择。4．不同的制备工艺对导电材料性能影响极大，研究得出，在高填充量下，使用双辊炼制的混料方式优于双螺杆挤出。同时复合材料的导电性能随加工、成型温度的升高而提高，但材料的机械性能却在温度继续升高时降低。研究比较不同加工温度下产品的机械和导电性能得到了适合的塑炼和成型温度。5．白油的添加量对复合材料的导电性能影响不大，但添加量过高会影响钒电池的充放电性能，在使用时应选择适当的加入量。6．导电胶粘剂中，导电填料的导电机理与导电复合材料相同。研究了导电填料的含量与粘接性能的关系，得到了导电性能和粘接性能最好时的配比。7．导电板与炭毡的复合方式经研究有两种可行，即：胶粘复合和热复合。热复合为最佳复合方式，该复合方式不影响产品整体的导电性能而且复合效果良好。8．对热复合方式进行研究发现，影响复合产品复合性能和导电性能的主要因素为复合温度和复合压力。研究了复合温度和压力对产品性能的影响，得到了最适当的复合温度和压力。9．将制备的电极材料进行充放电实验时，热复合制备的电极产品的充放电性能、电池效率和电阻性能要优于胶粘复合制备的产品。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 前言
• 1.1 聚合物基导电复合材料简介
• 1.2 导电复合材料的导电原理及影响其导电性能的因素
• 1.2.1 导电复合材料的导电原理
• 1.2.1.1 渗流理论
• 1.2.1.2 隧道效应理论
• 1.2.1.3 场致发射效应理论
• 1.2.2 影响导电复合材料的导电性能的因素
• 1.2.2.1 导电填料的影响
• 1.2.2.3 制备工艺的影响
• 1.3 论文的研究目的、内容及创新点
• 1.3.1 论文研究目的
• 1.3.2 论文研究内容
• 1.3.3 论文创新点
• 第二章 实验方法
• 2.1 主要实验原料和仪器
• 2.1.1 主要实验原料
• 2.1.2 实验仪器
• 2.2 导电填料的选择
• 2.2.1 导电炭黑的选择
• 2.2.2 导电炭纤维的选择
• 2.2.3 石墨的选择
• 2.3 试样的制备
• 2.3.1 SEBS/PP和SEBS*/PP导电复合材料的制备
• 2.3.2 导电胶的制备
• 2.3.3 导电板与炭毡复合样品的制备
• 2.4 结构和性能的表征
• 2.4.1 导电性能的测试
• 2.4.2 扫描电子显微镜
• 2.4.3 力学性能的测试
• 第三章 以SEBS/PP为聚合物基体的炭系填充导电材料的研究
• 3.1 SEBS/PP复合材料的研究
• 3.1.1 PP对SEBS性能的影响
• 3.2 炭系导电填充物对SEBS/PP聚合物导电性能的研究
• 3.2.1 炭黑对复合材料导电性能的影响
• 3.2.2 石墨含量的影响
• 3.2.3 导电炭纤维含量的影响
• 3.2.4 CB与C的不同配比对复合材料导电性能的影响
• 3.2.5 CB与CF的不同配比对复合材料导电性能的影响
• 3.3 炭系导电SEBS/PP导电聚合物性能的研究
• 第四章 SEBS*/PP聚合物基体的炭系填充导电材料的研究
• 4.1 SEBS*/PP复合材料的研究
• 4.2 炭系导电填充物对SEBS*/PP复合材料导电性能的研究
• 4.2.1 CB、C、CF含量对SEBS*/PP基导电材料性能的影响
• 4.2.2 CB/C、CB/CF配比对SEBS*/PP基导电材料性能的影响
• 4.2.3 CB、C和 CF配比对SEBS*/PP基导电材料性能的影响
• 第五章 影响导电材料导电性能其他因素的研究
• 5.1 成型工艺参数对SEBS/PP基导电复合材料的影响
• 5.1.1 混炼工艺条件的影响
• 5.1.2 成型工艺条件的影响
• 5.1.3 加料顺序对材料导电性能的影响
• 5.2 聚合物的影响
• 5.2.1 聚合物结构的影响
• 5.2.2 聚合物种类的影响
• 5.3 添加剂的影响
• 第六章 复合导电材料与炭毡复合方式的研究
• 6.1 胶粘复合
• 6.2 热复合
• 6.2.1 复合压力的确定
• 6.2.2 复合温度的确定
• 第七章 粘接、热复合电极以及石墨板集流体与石墨毡电极电池性能比较
• 7.1 电池充放电性能比较
• 7.2 电池性能比较
• 第八章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表的论文