[發明專利]生產可伸縮電極的方法

無效

• 申請號: 201080033482.0
• 申請日: 2010-07-14
• 公開（公告）號: CN102498595A
• 公開（公告）日: 2012-06-13
• 發明（設計）人: S·福格爾;J·瓦格納;C·富桑格爾
• 申請（專利權）人: 拜爾材料科學股份公司
• 主分類號: H01M4/04
• 分類號: H01M4/04;H01M4/62;H01M4/66
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司 72001
• 代理人: 石克虎;林森

本發明涉及生產可伸縮電極的方法。在這里，導電碳顆粒被加入包含彈性體的表面層。這些碳顆粒尤其可以是碳納米管。而且，本發明涉及根據本發明可獲得的可伸縮電極以及這種電極的用途。

碳納米管(CNT)因其非凡的性能而眾所周知。這例如其強度是鋼的大約100倍，其導熱性能是金剛石的大約兩倍，其熱穩定性在真空下直至高達2800℃，其導電性能可以是銅的導電性能的許多倍。但是，這種由于結構而引起的特征在分子層面上只有在以下情況才可實現，成功地實現了碳納米管的均勻分布并且在管和介質之間產生盡量多的接觸，就是說，它與介質相容并因而可以穩定分散。此外，關于導電性能需要在管上形成任選均勻的網絡，在網絡中碳納米管在理想情況下僅在端頭相互接觸。在此情況下，碳納米管應盡盡可能單獨地，就是說不結成團塊地，沒有對齊排列地，以能夠剛好形成這樣的網絡的濃度存在，所述網絡表現為導電性能取決于碳納米管的濃度而突然增大(滲濾閾值)。

在承受機械載荷時沒有改變或僅略微改變其導電性能的導電材料可被用于例如時髦用語“智能襯材”、柔性顯示器元件、可伸縮電路、植入物、義體、微電子機械系統(MEMS)和介電彈性體促動器的用途。在這樣用途中起作用的機械應變可達到從小于5％至超過200％的范圍。

迄今常見的可伸縮電極生產方法受限于彈性體的選擇，該彈性體滿足所需要的機械要求，并且受限于事后用導電材料來處理。該材料例如可以是導電炭黑或金屬粉末，其包埋在液態基材中被刷涂到彈性體表面上。在溶劑蒸發后，在電極上留下薄層導電材料。在Journal?of?Optoelectronics?and?Advanced?Materials(光電構件和前沿材料)(2007，9，3585-3591)中S.R.Ghaffarian等人的公開文獻中有不同方法的探討。

伴隨該方法出現的問題是顯而易見的。電極可能因為機械載荷而用舊并且它從根本上具有不同于載體彈性體的機械伸縮能力。后者導致彈性較小的電極在承受機械載荷時更早開裂。這樣的開裂表現為導線斷開并且可能總體上造成這種可伸縮雙層電極的功能性的喪失。通過將導電材料施加至預伸長的彈性體上的變型，人們確實可以獲得在預伸長范圍的百分之幾的電極伸長量，而沒有損失導電性能。但是，具有電極材料的彈性體的涂層如導電銀總是造成不希望有的彈性模量增大，就是說，導致可伸縮電極的機械性能的損失。這可能根據用途和材料甚至導致載體彈性體的剛性在達到電極材料滲濾閾值之前已經超出容限范圍。

在最近的工作中，例如E.Smela等人在公開出版物Advanced?Materials(前沿材料)2007，19，2629-2633中報道，可伸縮電極可通過金屬鹽與可輻射硬化的彈性體前體化合物的混合、硬化和用還原溶液還原來獲得。

當人們想要通過碳納米管的使用來使得材料例如能導電時，對碳納米管的成功加工必須考慮兩個方面：碳納米管團聚體的完全打散(Aufbrechen)和散束(Entbündeln)和抑制碳納米管再團聚的明顯趨勢(在老化過程或者在加工這樣的分散體成成品材料的過程中在同一介質中)。碳納米管加工的難點立足于碳納米管表面的疏水特性和近似一維結構的大的長徑比。

如果現在要避免呈集束和/或團聚體形式的碳納米管在其相互排列中有最小能量，則其必須提高其與周圍介質的相容性。但在此情況下需注意，碳納米管的化學共價官能化可以實際上改善其與聚合物材料的相容性。這例如表現在提高的(熱)長期穩定性和沒有再團聚。但是，通過表面改性，管的離域π電子體系被打破，并因此每個單獨的管的導電性能隨官能化程度而降低。

碳納米管例如通過分散添加劑的非共價官能化是化學共價改性且使管與介質相容的替代方式。但此時需注意，該措施針對每種新型材料，無論彈性體原料或制劑，需要在各自的分散添加劑的化學物質和濃度方面做出新的優化而從來不可能有萬能解決方法。

最后要注意的是，填料和還有碳納米管的每次加工也在以下方面蘊藏著風險，即，有可能得到新的性能如導電性，但同時可能削弱許多其它性能如機械性能。這尤其在碳納米管被加入在未發泡的、致密的和/或彈性的體系中時是關鍵的。在分散過程中未能被完全打散的剩余團聚體例如在致密的成型件中成為潛在斷裂點(Sollbruchstelle)。機械性能比如例如沖擊韌性和斷裂強度可以通過這樣的團聚體被削弱。現在，當意圖通過添加碳納米管使致密的材料能導電時，根據迄今為止的現有技術，碳納米管必須均勻分布到該材料的整個體積上，從而超過滲濾閾值并且同時不再存在剩余團聚體。