[發明專利]一種碳基無粘結劑復合材料及其制備方法和應用

在審

• 申請號: 202011370284.5
• 申請日: 2020-11-30
• 公開（公告）號: CN112499619A
• 公開（公告）日: 2021-03-16
• 發明（設計）人: 張永恒
• 申請（專利權）人: 青島恒能達能源科技有限公司
• 主分類號: C01B32/162
• 分類號: C01B32/162;C01B32/05
• 代理公司: 青島高曉專利事務所(普通合伙) 37104
• 代理人: 付麗麗

本發明公開了一種碳基無粘結劑復合材料及其制備方法和應用，屬于碳素材料制備技術領域。碳基無粘結劑復合材料包括基體，碳膜和結構碳。碳膜負載在基體表面，與碳膜一體成型的結構碳生長在碳膜上。制備過程中加入堿金屬和堿土金屬催化劑，使碳源在基體表面沉積出一體成型的碳膜和結構碳，避免粘結劑的使用，提高了復合材料有效比表面積，增加了碳材料與基體的結合強度和電接觸性能，修飾了材料表面的電子,離子和原子傳輸和化學結構特性,制備出具有優異的物理和化學性能的復合材料。本發明制備的復合材料可用于各種電池電極，電容器電極，各種傳感器電極，太陽能電池電極，電解水制氫電極，儲氫材料，催化劑和催化劑載體，復合材料增強材料等。

技術領域

本發明屬于碳素材料制備技術領域，具體涉及一種碳基無粘結劑復合材料及其制備方法。本發明提供了一種對材料表面的形貌結構，原子，電子和離子傳輸特性進行改性的技術。應用本發明提供的技術制備的碳基無粘結劑復合材料主要應用于電池和電容器電極，各種傳感器電極，場發射電極，太陽能電池電極，電解水制氫電極，光催化制氫材料，催化劑和催化劑載體，吸熱和散熱材料，儲氫材料，復合材料增強材料等。

背景技術

碳素材料有三種同素異構體，即金剛石，石墨和無定形碳。這些種類的碳的物理和化學性質，用途各不相同。金剛石是目前所知自然界中最硬的物質。天然金剛石含有0.0025％-0.2％的氮元素，導熱性良好，具有半導體性能。(1)它具有耐高溫，熱穩定性良好，在3600℃不熔化。(2)有良好的導熱和導電性，導電系數隨溫度升高而降低。(3)它化學穩定性好，耐酸，堿和有機介質的侵蝕，因此用來制造電極，電刷，換熱器，冷卻器等。石墨有天然石墨和人造石墨兩種。無定性碳是碳原子排列無序，或構成的晶粒過小。煤，天然氣，石油或其他有機物在400-1200℃的高溫下碳化得到的無定形碳是多孔碳材料，炭黑和活性碳等。其比表面很大。石墨的主要應用領域是耐火材料，導電材料，電極材料,耐腐蝕材料，吸附材料，摩擦材料等。

1991年，日本NEC的電鏡專家Iijima發現了中空的碳纖維，碳納米管。碳納米管和金剛石、石墨、C60等都屬于碳的同素異形體。碳納米管是一種由六角網狀石墨烯片卷成的螺旋管狀結構，其端口既可以是開口的，也可以是由五角和六角石墨烯片封閉而成。單壁碳納米管由一層石墨烯片組成，長達數百納米到數微米甚至更長。多壁碳納米管由多層石墨烯片卷曲而成，層與層之間的間隙與石墨層距差不多，大約為0.343nm，其直徑為數十納米，長度在數微米以上。碳納米管陣列在力，熱，光，電性能表現為各向異性，因而更適合某些應用領域。它被研究用于紅外線探測器，電容器電極，鋰電池電極，太陽能電池電極，各種氣體傳感器，生物傳感器，高功率集成電路芯片的最佳熱界面材料。

目前，碳材料的電極應用需要將碳材料與導電劑和粘結劑一起制備漿料，然后涂敷到集流體上，經干燥，擠壓后形成電池和電容器的電極，氣體傳感器電極，生物傳感器電極等。這種電極在實際應用中有如下缺陷。

1.粘結劑的使用，將極大的降低電極材料的有效表面積，從而導致電極材料的有效容量降低。

2.粘結劑的使用，將極大的降低電極材料之間，電極材料與集流體之間的電接觸效果，增大電極的工作電阻。

3.電極材料之間，電極材料與集流體之間是通過粘結劑的物理結合而組合在一起。由于電極在充放電過程中將產生大量的熱，而電極的熱脹冷縮導致的熱沖擊將造成電極材料之間，電極材料與集流體之間的接觸狀態逐漸變差，直到電極的失效。

4.粘結劑的使用增加了電極的厚度(電極涂層通常超過20μm)，和電極的重量(電極材料，粘結劑和導電劑重量通常占電極重量的30％以上)。