[发明专利]集电极涂覆有导电低聚物或聚合物的超级电容器及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及导电低聚物或聚合物及其其制备方法。本发明还涉及涂覆有导电低聚物或聚合物的集电极及其制备方法。最后本发明涉及包含所述集电极的超级电容器。

背景技术

超级电容器可提供超过10 kW/kg的高功率密度，却仅具有小于10 Wh/kg的受限的能量密度。混合超级电容器(HSC)，像例如锂离子电容器是新一代超级电容器，其具有高功率密度并且具有比传统超级电容器更高的能量密度。

混合超级电容器的功率主要取决于其等效串联电阻(Equivalent Series Resistance - ESR)。等效串联电阻是多个单电阻的复杂组合，像例如电极材料的本征电阻、电解质的离子电阻以及电极和集电极之间的接触电阻（也被称为集流体）。该接触电阻可通过有针对性的集电极表面改性来减小。

发明内容

所述导电聚合物具有下式：，

在此基团R₁选自或它们的混合物。这是当被掺杂时赋予所述聚合物导电的结构单元。在此，导电聚合物理解为这样一种聚合物，其尤其在未掺杂状态下具有至少 10^-6 S/m 的本征电导率并且在掺杂状态下具有至少10³ S/m的电导率。导电聚合物的掺杂可通过该导电聚合物的化学或电化学氧化或还原来进行。

基团R₂选自P(O)(OH)₂、AlC1₂、SiCl₃和它们的混合物，其中R³、R⁴、R⁵和R⁶相互独立地选自H和C_xH_2x+l并且x在1至20的范围内。该基团与其端羟基和/或氯原子一起能够使该导电聚合物结合到具有羟基的氧化的金属表面上。

n为至少100。这能够将该化合物制造成为低聚物或聚合物。

通过该导电低聚物或聚合物可共价结合到氧化的金属表面上，其适合于提供在集电极和电极之间的具有比传统表面处理方法中更小接触电阻(Übergangswiderstand)的连接。

导电低聚物或聚合物的制备可通过物质的氧化性低聚反应或聚合反应进行。所述物质选自或它们的混合物，其中X = H。在可预设的时间结束之后，向反应混合物添加X = R²的同一物质。所述第二物质在此用作低聚反应或聚合反应中的链终止剂并且在此向该低聚物或聚合物中引入基团R₂，其可用作接触金属表面的锚固基团。

所述集电极具有金属层，其涂覆有该导电低聚物或聚合物的单分子层。该单分子层优选构建为自组装单分子层(Self Assembled Monolayer - SAM)，以使集电极可通过简单地使金属层与导电低聚物或聚合物接触来获得，并且在此始终形成对于超级电容器的电极的接触而言最佳的单分子层。多层的层的形成将导致集电极和电极之间的接触电极变差。此外，可通过形成仅单分子的层，使集电极的重量和体积与具有厚的碳涂层的传统集电极相比减小。

优选地，金属层在其表面上具有金属氧化物层，其使得所述导电低聚物或聚合物能够借助锚固基团与氧化物层共价结合。为此，该锚固基团优选具有至少一个羟基。该羟基可与金属氧化物层的羟基在消去水的情况下形成共价键或与AlC1₂-或SiCl₃-基团在消去HCl的情况下形成共价键。

特别优选地，所述金属层由铝，尤其以铝泡沫或铝箔形式的铝构成。这是超级电容器，尤其混合超级电容器中的常用集电极材料。铝作为金属层的材料具有以下优点，即其在空气中就形成由氧化铝构成的金属氧化物层，该金属氧化物层易水解，以致其与所述导电低聚物或聚合物的锚固基团良好反应。

甚至当对于集电极的涂层可使用基本上各种导电低聚物或聚合物时，然而特别考虑通过本发明导电低聚物或聚合物的涂层。

为了制备所述集电极，可将金属层浸入所述导电低聚物或合聚物的溶液中。在此，可根据锚固基团和金属氧化物层的反应性使该导电低聚物或聚合物共价结合到集电极的表面上，对此不需要其它反应步骤。

用于这些溶液的特别合适的溶剂为氯仿、乙腈、甲苯、二甲亚砜和环己烷。