CN107180945A - 单壁碳纳米管与石墨烯微片纳米复合电极的制备及其性能 - Google Patents

单壁碳纳米管与石墨烯微片纳米复合电极的制备及其性能 Download PDF

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郑威
张易楠
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    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
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Abstract

本发明是将同一种元素的不同结构相互复合，将三维的碳纳米管平铺在二维的石墨烯上，形成比表面积更大的三维结构。首先将单壁碳纳米管（SWCNTs）进行酸化处理，避免单壁碳纳米管发生团聚现象，再将其与适量的石墨烯微片于无水乙醇中充分混合，加入分散剂、粘结剂混合，经搅拌超声得到稳定溶液，最后在基体上通过旋涂,磁化以及热处理等过程，得到制备好的电极。本发明提供了将同一种元素的不同结构相互结合的思想和方法，试图在磁化的条件下的将碳纳米管整齐均匀、有规律地排列在石墨烯微片上。制备工艺简单，能批量生产，做成的电极比表面积大，避免载流子的在传输过程中发生复合，并沿着碳纳米管的方向，载流子传播速度更快，具有良好的电极性能。

Description

单壁碳纳米管与石墨烯微片纳米复合电极的制备及其性能
技术领域
本发明属于电池中的电极领域，涉及一种SWCNTs以及石墨烯微片的结构-结构复合的思想以及复合纳米电极的制备方法。
背景技术
电极是电池中重要的一部分。随着科技的发展，电池的种类越来越多，应用的领域也越来越广泛。为了使电池的性能变得更加优越，人们不断优化电池的每个部分，使电池能够达到多次利用，充电快，耗电慢，电能储蓄量大等优点，为我们提供更加舒适、便捷的生活。
石墨烯是一种二维结构的单层碳原子材料，具有导电性能好、比表面积大且环境友好等一系列优势。石墨烯自发现就赢得了广泛的关注，是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有一个碳原子厚度的二维材料。石墨烯是世上最薄却也是最坚硬的纳米材料，导热系数高达5300 W/m·K，高于碳纳米管和金刚石，常温下其电子迁移率超过15000 cm2/V·s，又比纳米碳管或硅晶体高，而电阻率只约10-6 Ω·cm，比铜或银更低。石墨烯适合用来制造透明触控屏幕、光板、甚至是太阳能电池。
碳纳米管可以看做是石墨烯片层卷曲而成，因此按照石墨烯片的层数可分为：单壁碳纳米管（SWCNTs）和多壁碳纳米管（MWCNTs），多壁管在开始形成的时候，层与层之间很容易成为陷阱中心而捕获各种缺陷，因而多壁管的管壁上通常布满小洞样的缺陷。与多壁管相比，单壁管直径大小的分布范围小，缺陷少，具有更高的均匀一致性。碳纳米管作为一维纳米材料，重量轻，六边形结构连接完美，具有许多异常的力学、电学和化学性能。近些年随着碳纳米管及纳米材料研究的深入，其广阔的应用前景也不断地展现出来。
因此，提出了将石墨烯与SWCNTs复合，形成结构-结构复合的思路，使SWCNTs有序规则的排放在石墨烯层片上，并沿着SWCNTs的方向，形成均匀稳定的电流。
发明内容
本发明的目的在于提供一种比表面积大，高导电性能，载流子传输稳定，能够批量生产的SWCNTs与石墨烯微片纳米复合的电极。本发明提供的单壁碳纳米管与石墨烯微片纳米复合电极的制备方法，首先将单臂碳纳米管进行酸化处理，并用去离子水稀释通过真空抽滤机抽滤，直至PH为7时停止抽滤，烘干后得到酸化处理的SWCNTs。接着取适量的SWCNTs与石墨烯溶解于无水乙醇中，与分散剂、粘合剂混合，最后在基体上通过旋涂以及热处理等过程，即获得电极。本发明提出了将同一种元素的不同结构相互复合的思想，将面结构与体结构相互复合，形成比表面积大，结构与结构之间有规律的复合，载流子传输速度快，制备工艺简单，结构稳定，适合批量化生产。
为了实现上述发明的目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
单壁碳纳米管与石墨烯微片纳米复合电极的制备方法，它包括以下步骤：
（1） 将SWCNTs在浓H2SO4和浓HNO3（体积比为6-1:1）中超声震荡1h，所述SWCNTs与混合酸的体积比1:10-100；用去离子水稀释通过真空抽滤机抽滤，直至PH为7时停止抽滤，烘干后得到酸化处理的SWCNTs；
（2） 将步骤(1)中的SWCNTs与石墨烯按照质量比为1：1-30的比例加入到无水乙醇中，并加入适量的OP乳化剂做分散剂，乙基纤维素为粘结剂制备悬浮溶液，超声震荡1h后得到稳定溶液；
（3） 将制备好的悬浮溶液沉积在基底上，干燥后制得均匀SWCNTs薄膜电极；
（4） 待制备好的薄膜电极干燥后，将涂有薄膜的玻璃基体放入马弗炉中热处理2 h，得到单壁碳纳米管与石墨烯微片纳米复合电极。
进一步的，所述步骤(2)中的SWCNTs与无水乙醇的质量比为1:8-36。
进一步的，所述步骤(2)中的OP乳化剂在无水乙醇中号的用量为5-15 phr。
进一步的，所述步骤(2)中的乙基纤维素的无水乙醇溶液浓度为0.5-3g / ml。
进一步的，所述步骤(3)中的涂膜方法为旋涂法、刮涂法以及丝网印刷法的一种。
进一步的，所述步骤(3)中的基体为玻璃、陶瓷和金属中的一种。
进一步的，所述步骤(4)中的热处理温度为200-800 ℃。
具体实施方式
本实施例所述的单壁碳纳米管与石墨烯微片纳米复合电极方法包括以下步骤：
1、将30 ml浓H2SO4与10 ml浓HNO3混合，将2 g的SWCNTs加入到混合溶液中超声震荡1 h后，用去离子水稀释通过真空抽滤机抽滤，直至PH为7时停止抽滤，在70 ℃下烘干8 h后，得到酸化处理的SWCNTs；
2、取酸化处理的SWCNTs 20 mg与40 mg石墨烯微片加入到20 ml的无水乙醇中，超声震荡0.5 h，加入1.4 ml的OP乳化剂做分散剂，继续超声震荡0.5 h，加入0.2 g乙基纤维素为粘结剂制备悬浮溶液，超声震荡1h后得到稳定溶液；
3、通过旋涂法，将上述溶液均匀的涂敷在玻璃基底上，待其晾干，在400℃下烧结2h，最终得到所需的单壁碳纳米管与石墨烯微片纳米复合电极。

Claims (6)

1.单壁碳纳米管与石墨烯微片复合纳米电极的制备方法，其特征在于它包括以下步骤：
(1) 将一定量的单壁碳纳米管在浓H2SO4和浓HNO3（体积比为6-1:1）中超声震荡1h后，用去离子水稀释通过真空抽滤机抽滤，直至PH为7时停止抽滤，烘干后得到酸化处理的单壁碳纳米管;
(2) 取酸化后的单壁碳纳米管 20 mg，及一定量的纳米石墨烯加入到无水乙醇中，并加入适量的OP乳化剂做为分散剂，乙基纤维素做为粘结剂制备悬浮溶液，超声震荡1h后得到稳定溶液;
(3) 通过旋涂法，将上述溶液均匀的涂敷在玻璃基底上，干燥，烧结，得到均匀的单壁碳纳米管与石墨烯微片纳米复合电极。
2.根据权利要求书1中所述的单壁碳纳米管与石墨烯微片复合纳米材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中的单壁碳纳米管在体积比为6-1:1的浓H2SO4和浓HNO3中进行酸化处理。
3.根据权利要求书1中所述的单壁碳纳米管与石墨烯微片复合纳米材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中的SWCNTs与石墨烯的质量比为1：1-30。
4.根据权利要求书1中所述的SWCNTs与石墨烯微片复合纳米材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中的SWCNTs与无水乙醇的质量比为1:8-36。
5.根据权利要求书1中所述的SWCNTs与石墨烯微片复合纳米材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中的OP乳化剂在无水乙醇中号的用量为5-15 phr。
6.根据权利要求书1中所述的SWCNTs与石墨烯微片复合纳米材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中的乙基纤维素的无水乙醇溶液浓度为0.5-3g / ml。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108091878A (zh) * 2017-12-05 2018-05-29 四川华昆能源有限责任公司 一种锂硫电池用石墨烯碳纳米管复合导电骨架的制备方法

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Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103108923A (zh) * 2010-07-12 2013-05-15 韩华石油化学株式会社 导电涂料组合物及使用其制备导电膜的方法

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