[發(fā)明專利]具有柔性的取向摻氮碳納米管薄膜及其制備方法和應用

有效

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• 申請日: 2016-01-11
• 公開（公告）號: CN105552381B
• 公開（公告）日: 2019-01-25
• 發(fā)明（設計）人: 彭慧勝;潘志勇;任婧
• 申請（專利權）人: 復旦大學
• 主分類號: H01M4/66
• 分類號: H01M4/66;H01M10/058
• 代理公司: 上海正旦專利代理有限公司 31200
• 代理人: 陸飛;盛志范

本發(fā)明屬于新能源材料領域，具體為一種可自支撐的具有柔性且高度取向的摻氮碳納米管薄膜及其制備方法和應用。本發(fā)明以取向的碳納米管薄膜為模板，通過二次生長在取向的每一根碳納米管外表面再生長上層數(shù)可控的摻氮的石墨烯層，最終制備高度取向的摻氮碳納米管薄膜。通過改變反應時間可以獲得具有不同管徑的取向摻氮碳納米管薄膜。這種取向的摻氮碳納米管薄膜具有良好的導電性和抗拉伸強度，同時還具有一定的柔性。這種取向摻氮碳納米管薄膜在柔性鋰離子電池負極材料中具有很好的應用，顯示出非常高的比容量。制備的鋰離子電池可以在彎曲和纏繞狀態(tài)下穩(wěn)定工作。

技術領域

本發(fā)明屬于能源材料技術領域，具體涉及一種取向摻氮碳納米管薄膜及其制備方法和應用。

背景技術

碳納米管在結構和性能上的優(yōu)異特性使得它在諸如鋰離子電池、太陽能電池等能源器件鄰域有許多應用。同時，碳納米管經(jīng)常被用來充當柔性器件的電極材料，充分利用它良好的力學強度和導電性能。但是，由于諸多限制，取向的碳納米管薄膜很少被提及，碳納米管一般是無歸分布，彼此之間相互交錯分布，這些接觸使的材料的電阻大大提高。在碳納米管中引入另一組分（例如：鉑納米粒子、銀納米線、石墨烯等）來提高材料的整體性能。但是，多數(shù)情況下，這些引入的第二組份在材料中都會聚集，從而對材料整體的取向性產(chǎn)生影響。提升碳納米管材料性能的另一種方法就是雜原子取代，雜原子主要是硫原子、硼原子以及氮原子。通常，在碳納米管中引入雜原子會提升材料的導電性，從而使得電荷傳輸更迅速，提升材料的能量儲存性能。目前，將雜原子取代的碳納米管組裝成取向的薄膜遇到種種困難，使得人們很難得到雜原子取代的、取向的改性碳納米管薄膜。

隨著可穿戴器件應用越來越廣泛，諸如柔性鋰離子電池等能量儲存器件越來越受到重視。傳統(tǒng)的鋰離子電池活性材料（例如：鋰鈷氧、鋰錳氧以及鋰鈦氧等）受限于較低的比容量，另一種材料—硅作為電極材料是由于充放電過程中巨大的體積變化導致材料碎片化而限制電池的效率。因此，尋找高性能的柔性電極材料對于提升柔性鋰離子電池的性能有很重要的意義。

發(fā)明內容

本發(fā)明的目的在于提供一種可自支撐的具有柔性的取向摻氮碳納米管薄膜及其制備方法，和其在柔性鋰離子電池中的應用。

本發(fā)明提供的具有自支撐性的柔性取向的摻氮碳納米管薄膜的制備方法，具體步驟為：

（1）將取向碳納米管薄膜架空，即不與任何基底貼合，置于可密封的爐中；用惰性氣體保護；

（2）從室溫（例如20攝氏度）升至1050-1100攝氏度，時間20-30分鐘；再通入還原性氣體氫氣，及額外的碳、氮源氣體，并在此溫度維持10-90分鐘；

（3）開始降溫時關閉額外的碳、氮源氣體，保持惰性氣體保護，直到體系溫度到達室溫；將薄膜從架空裝置上拿下來，獲得可自支撐的柔性、取向的摻氮碳納米管薄膜。

步驟（1）中，使用的原始取向碳納米管薄膜，可以通過干法紡絲等技術獲得。這樣獲得的碳納米管層數(shù)可以精確控制，最低可獲得單層碳納米管薄膜，厚度可薄達十幾納米。通過層數(shù)的疊加，厚度逐漸增加，但一般不超過十層，防止因為太厚影響新生長的管壁的均勻性。通常，所述高度取向碳納米管薄膜中，碳納米管的縱向堆疊在1-10層之間，薄膜厚度在150納米之內。

步驟（1）中，原始的碳納米管薄膜置于中間架空的裝置上，以保證后續(xù)反應過程中原始碳管周圍充滿均勻的反應物；同時必須保持原始碳納米管薄膜中碳納米管的高度取向性不會受到破壞。

步驟（1）中，通入的惰性氣體（如氬氣）純度要求在99.999%以上。因為反應溫度太高，如果保護不足原始碳納米管會與微量氧氣發(fā)生反應而分解。作為保護作用的惰性氣體流量為110-120標準狀態(tài)立方厘米每分鐘，流量方向應該盡量與原始碳納米管取向方向一致，防止氣流沖壞碳納米管薄膜。