掺杂碳纳米管的制备和应用

来源 :中国石油大学(北京) | 被引量 : 0次 | 上传用户:macg27
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碳纳米管(CNT)具有优异的力学,光学和电化学性质,自从发现以来,就备受研究者的关注。在电极中CNT可以形成三维导电网络,较大的长径比和优异的导电性能使其可以成为优良的电极导电添加剂。本课题利用气相化学沉积法(CVD)批量制备了掺氮CNT,采用MgSO4或SO2为S源制备了掺硫CNT以及氮硫双掺CNT;在掺杂碳纳米管的应用方面,考察了掺杂CNT作为锂离子电池正极导电添加剂的应用效果,制备了超低浓度高分散的CNT-NMP分散液,基于碳纳米管良好的分散性,还制备了复合均一的碳纳米管-氧化锡复合材料。主要研究成果如下所列。(1)以乙烯为碳源,以氨气为氮源在流化床中制备碳纳米管和掺氮碳纳米管,然后以硫酸镁为硫源,在高温下煅烧制备掺硫碳纳米管以及硫氮双掺碳纳米管。对掺杂碳纳米管进行接触角测试,结果表明掺杂可以有效提高碳纳米管的亲水性。采用掺杂碳纳米管制备了导电浆料,并应用在磷酸铁锂正极材料中作导电剂。以硫氮双掺杂碳纳米管作为导电剂时,磷酸铁锂电极的比容量可达到168.2 mAh·g-1(0.2 C);随着碳纳米管中掺氮量的增加,磷酸铁锂电极的比容量也增加,在大电流(1 C和2 C)下更明显;随着集流体负载量的增加,磷酸铁锂电极的比容量不断下降。(2)以烟气中的二氧化硫为硫源,在不同温度(700oC、800oC和900oC)下与碳纳米管煅烧,制备出不同掺硫量的掺硫碳纳米管。元素分析表明,随着温度的升高,掺硫量不断增加,在900oC下掺硫量可达4.64%,有少量水蒸气存在条件下的掺硫效果要好。(3)通过球磨、HF-H2O2酸洗处理、缩短碳纳米管生长时间、制备大管径碳纳米管以及阵列碳纳米管来减小碳纳米管的缠绕聚团,以得到超低浓度高分散的CNT-NMP分散液,用其代替NMP用作电池浆料的分散剂,在锂离子电池正极材料中构建导电网络,提高正极材料的比容量。通过添加含量很少的碳纳米管低浓度分散液,正极材料的比容量有显著提高,磷酸铁锂电极的比容量可达到184mAh·g-1(0.2 C),钴酸锂电极的比容量可达到188 mAh·g-1(0.2 C),锰酸锂电极的比容量可达到118 mAh·g-1(0.2 C)。(4)以氯化锡为前驱体,通过水热过程制备了碳纳米管-氧化锡复合材料,采用粉体机械混合过程制备了碳纳米管-锡复合材料,并将这几种复合材料用作锂离子电池负极。碳纳米管的浓度为0.1%时,制得了均一的SnO2-CNT复合纤维结构,作为负极材料具有较好的倍率性能,在0.4 V左右出现脱锂、嵌锂电压平台在1000mA·g-1下的容量超过500 mAh·g-1
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