[發明專利]垂直排列碳納米管的制造方法以及使用這些納米管作為電極的電化學電容器

在審

• 申請號: 201880056255.6
• 申請日: 2018-08-23
• 公開（公告）號: CN111356650A
• 公開（公告）日: 2020-06-30
• 發明（設計）人: 熱雷米·德卡爾龐特里;塞德里克·德格蘭吉;奧雷利安·博伊塞特;馬丁內·邁內;馬蒂厄·皮諾;弗朗索瓦·陳·文;福阿德·加穆塞
• 申請（專利權）人: 納瓦科技公司;原子能和替代能源委員會;國立圖爾大學
• 主分類號: C01B32/158
• 分類號: C01B32/158;C01B32/16;H01G11/28;H01G11/36;H01G11/86;H01M4/133
• 代理公司: 北京天昊聯合知識產權代理有限公司 11112
• 代理人: 孫微;孫進華

一種包括位于基底上的垂直排列碳納米管(VACNT)的復合材料，其特征在于，所述復合材料包括沉積于納米管的外表面上的額外無序碳。該額外碳不是無定形的，而是包括石墨區域。可在催化劑的存在下，在常壓下通過CVD法在金屬基底上制備該復合材料。該復合材料可用作諸如超級電容器之類的電子和電工裝置中的電極。

技術領域

本發明涉及電力電容器，更特別是涉及電化學雙層電容器，以及這種電容器的制造方法。更特別地，這些電容器為超級電容器。本發明還涉及在基底上沉積垂直排列碳納米管(VACNT)的方法，該方法可用于制造電化學雙層電容器。更特別地，本發明涉及金屬基底上的VACNT墊(mat)的化學氣相沉積(CVD)方法。

背景技術

電化學雙層(超級)電容器在很早之前便為人所知。電化學雙層(超級)電容器包括由隔膜分隔開并浸漬于電解質中的負極和正極。這種電容器基于電容機制：電荷吸附于各電極上，從而產生雙電化學層。

人們試圖降低這些裝置的串聯電阻，串聯電阻會使得每次充電和每次放電時的電能轉化為熱；各固/固界面和固/液界面會導致產生串聯電阻。因此，電極必須具有大的接觸面積和良好的本征電導率。這些超級電容器通常使用各種形式的碳電極。眾多工作優化了形成電極的碳材料的性質。

舉例來說，專利文獻WO 03/038846(Maxwell Technologies)描述了一種電化學雙層電容器，其包括由碳粉末制成的電極，也就是與金屬集電體接觸的導電性炭黑粉末的第一層以及與包含于多孔隔膜中的液體電極接觸的活性炭的第二層。這些碳粉末一般來說包含有機粘結劑。專利文獻WO 2007/062126和US 2009/0290288(Maxwell Technologies)描述了包含導電性碳、活性炭和有機粘結劑的混合物的電極。

現在設想使用基于碳的納米結構材料，并且在W.Gu和G.Yushin的文章“Review ofnanostructured carbon material for electrochemical capacitor applications:advantages and limitations of activated carbon，carbide-derived carbon，andgraphene”(WIRE Energy Environ 2013，doi:10.1002/wene.102)中給出了詳細討論。在設想作為用于超級電容器的電極的納米結構碳材料中，已知的有碳納米管(NTC)，尤其是垂直排列碳納米管(VACNT)。

市場上存在的超級電容器通常具有較長的使用壽命(數百萬次循環)和高功率密度。其主要問題在于儲存的能量小。CNT的比表面積通常遠小于活性炭；因此，基于CNT(甚至基于垂直排列碳納米管(VACNT))的超級電容器的原型在每單位表面積上無法儲存足夠的能量以具有產業價值。

由于排列CNT的電容很小，以至于僅依靠其自身難以提供有效的儲存性能，因此設想用導電性聚合物型材料覆蓋排列CNT；這在專利文獻WO 2012/004317中進行了描述。另一超級電容器概念涉及所謂的贗電容效應，該效應尤其與氧化還原反應、嵌入和電吸附有關。因此，文獻中描述了使用聚合物電極的超級電容器，這些聚合物電極表現出了電子電導率并且能夠顯示出氧化還原行為。設想在具有高比表面積的導電性碳基底上使用涂層形式的這些聚合物。例如，在Vlad等人發表于Sci.Rep.6，22194；doi:10.1038Isrep22194(2016)中的出版物“Carbon Redox-Polymer-Gel Hybrid Super-capacitors”中對此進行了描述。