聚合物锂离子电池和生物燃料电池的相关研究

本论文分为两个部分研究了铿离子电池和生物燃料电池中的关键材料，主要的创新点和结论如下。采用聚合物电解质是提高铿二次电池性能的有效方法之一。聚合物电解质良好电导率、高铿离子迁移数、宽电化学窗口以及好的机械性能是其应用于铿二次电池中的关键。论文的第一部分主要讨论了聚合物、增塑剂和无机纳米粒子等对复合电解质体系的化学和物理性质的影响。我们采用溶液浇注一浸渍法制备了各种纳米复合聚合物电解质，例如开发出基于PVDFHFP或梳状聚合物基体的全固态以及聚合物和碳酸醋形成的胶体聚合物电解质体系。首次制备了具有较高离子电导率的单离子聚合物电解质。考察了两类纳米粒子填充物对体系的影响：一种是“惰性”发烟硅；另一种是“活性”蒙脱土。比较了全固态和胶体聚合物电解质体系电化学性质的不同之处。采用电化学交流阻抗，示差扫描量热法，X衍射，拉曼光谱，红外光谱，扫描电镜，循环伏安等方法详细研究了聚合物电解质中各组分对体系离子电导率和机械性能的影响。研究结果表明，纳米复合物为开发具有特定电化学和机械性能的电解质提供了一种有效的途径，它对聚合物电解质的物理性质影响明显。纳米粒子的加入增强了体系的机械性能，同时也使体系对溶剂的吸附能力增加。在全固态聚合物电解质中加入增塑剂，形成胶体态聚合物电解质，体系的电导率大大增加。所制备的胶体复合物电解质的室温电导率可以达到10-3s cm-1的数量级，机械强度好，阳离子迁移数高。指出选择合适的添加剂及复合方法，控制界面的结构和形态，形成尽可能多的高导电的界面，是获得电导率高和机械性能良好的聚合物电解质的有效途径。并讨论了聚合物电解质在铿离子电池中的应用。 近年来，针对生物燃料电池的研究得到了广泛关注，其中实现蛋白质酶分子和电极之间的直接电子传递是研究中的热点。论文的第二部分主要研究了生物燃料电池中的酶电极。通过对碳纳米管（MWNTs）进行预处理，使其表面带有功能性官能团，从而可以实现酶分子在碳纳米管表面的固定，同时还保持了其生物活性。采用吸附法将微过氧化物酶-11（MP-11）或葡萄糖氧化酶（GOx）等生物分子固定到MWNTs上制成酶修饰电极，研究MWNTs对酶和电极之间电子传递的促进作用。当酶分子（MP-11，GOX）固定到MWNTs表面后，循环伏安结果显示出一对可逆的氧化还原峰，对应酶分子的直接电子转移。研究结果表明这种方法可以扩展到固定其他生物酶分子以及实现蛋白质酶分子和电极之间的直接电化学，可以获得一系列氧化还原酶分子的电化学参数，如反应速率常数等。同时，我们还研究了酶修饰电极对其底物的电催化反应。研究结果表明，该修饰电极对底物的电化学反应表现出较好的催化活性。我们还研究了酶分子在MWNTs修饰铂微电极上的电化学行为。这些研究为研制生物燃料电池提供了一种固定酶以及制备电极材料较好的方法。