[發明專利]一種管壁坍縮的碳納米管及其應用

在審

• 申請號: 202110166254.0
• 申請日: 2021-02-04
• 公開（公告）號: CN112897510A
• 公開（公告）日: 2021-06-04
• 發明（設計）人: 李嘉胤;胡云飛;錢程;張金津;黃劍鋒;曹麗云;許占位
• 申請（專利權）人: 陜西科技大學
• 主分類號: C01B32/162
• 分類號: C01B32/162;H01M4/133;H01M10/0525
• 代理公司: 西安眾和至成知識產權代理事務所(普通合伙) 61249
• 代理人: 強宏超

本發明公開了一種管壁坍縮的碳納米管及其應用，碳納米管管壁具有坍縮結構，實現碳納米管缺陷的增加，使用該管壁坍縮的碳納米管制備的電極和電池，使電池結構更加穩定，提高電池的倍率與循環性能；采用固相法實現過渡金屬Ni催化碳納米管，再通過酸洗掉過多的Ni金屬單質，最后得到管壁坍縮的碳納米管，增加大量缺陷；過渡金屬Ni原位催化生長的碳納米管，可顯著提升材料在充放電過程中的導電性和結構穩定性。

技術領域

本發明屬于復合材料合成領域，具體涉及一種管壁坍縮的碳納米管及其應用。

背景技術

電化學儲能技術的應用有效的解決了清潔能源的存儲、利用和轉換方面的問題，在未來具有廣闊的發展前景。目前鋰離子電池由于其本身優異的性能比如能量密度高、能量轉換率高和安全性好等優點被廣泛應用于電化學儲能領域。但是隨著鋰離子電池相關研究的不斷進行，鋰離子電池的容量已經出現了難以提升的情況。為了滿足不斷發展的大型儲能設備的需求，我們開始將目光轉移到其他的電池體系。近年來，鈉離子電池(SIBs)和鉀離子電池(PIBs)因Na源和K源在地殼中豐度高(Na和K分別為2.36wt.％和2.09wt.％)，因而受到廣泛的關注。尤其對于PIBs，K/K+的氧化還原電位(-2.93V)低于Na/Na+(-2.71V)，從而保證了儲鉀電池更高的工作電壓和能量密度，有望成為新一代高能量密度和低成本電化學能儲能系統。然而，由于PIBs具有較大的K+半徑、較慢的反應動力學等特性，其應用仍然面臨著極大的挑戰。

碳質材料由于其具有可調節的微觀結構，低成本和環境友好等特性，已成為鉀離子電池(PIB)最有希望的陽極之一。其中碳納米管是一種常見的碳材料，碳納米管具有良好的石墨化結構，導電性能十分優異。更重要的是，鉀離子可以嵌入到石墨層中形成KC8，就像鋰離子一樣可具有較大的比容量(279mAh g-1)，低工作電壓平臺(0.5V)和較高的初始庫倫效率(ICE)，所有這些都有助于PIB的實際應用。

發明內容

本發明的目的在于提供一種管壁坍縮的碳納米管及其應用，碳納米出現管壁坍縮，使電池結構更加穩定，提高電池的倍率與循環性能。

為實現上述目的，本發明采用如下技術方案予以實現：

一種管壁坍縮的碳納米管，碳納米管管壁具有坍縮結構。

進一步，碳納米管通過過渡金屬Ni原位催化生長得到，然后經酸洗掉過多的Ni金屬單質形成管壁坍縮的碳納米管。

進一步，碳納米管管徑為200nm。

同時，提供一種管壁坍縮的碳納米管電池正極，含有權利要求1至3任一項所述的管壁坍縮的碳納米管。

還提供一種電池，含有管壁坍縮的碳納米管電池正極。

本發明具有以下有益效果：

1)本發明通過控制反應過程中的工藝條件，再配合不同金屬催化劑催化碳納米管生長，實現碳納米管缺陷的增加，碳管的出現管壁坍縮，得到管壁坍縮的碳納米管，在鉀離子嵌入的過程中坍縮的管壁提供了更多的反應位點，并且由于碳管高度石墨化的結構可以有效地抑制充放電反應過程中的體積膨脹問題，使電池結構更加穩定，提高電池的倍率與循環性能。使用該管壁坍縮的碳納米管制備的電極和電池，使電池結構更加穩定，提高電池的倍率與循環性能。

2)本發明首先采用固相法實現過渡金屬Ni催化碳納米管，再通過酸洗掉過多的Ni金屬單質，最后得到管壁坍縮的碳納米管，增加大量缺陷。

3)本發明所制備的過渡金屬Ni原位催化生長的碳納米管，有高度的石墨化的管壁，有良好的電子傳輸路徑和機械強度，可顯著提升材料在充放電過程中的導電性和結構穩定性。

4)本發明所使用的原料廉價易得，制備方法簡單，研究該材料結構對電化學儲鉀性能的影響，建立該材料在儲鉀過程中的構效機制，為拓展鉀離子電池電極材料體系和性能的提升提供參考依據。

附圖說明