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碳纳米管的应用
来源: | 作者:三顺纳米 | 发布时间: 2018-05-29 | 539 次浏览 | 分享到:

重庆百变王牌奖金 www.acrw.net 1. 碳纳米管在锂离子电池中的应用概况

(1) 锂离子电池与导电剂

        锂离子电池是一类依靠锂离子在正负极之间移动来达到充放电目的的化学电池,其以高能量密度、高工作电压、无记忆效应、长循环寿命、大充放电倍率等优势,广泛应用于新能源汽车、数码3C以及储能领域。

图1:锂离子电池主要构成


        锂离子电池的主要材料包括正极、负极、电解液和隔膜。导电剂作为锂离子电池关键辅材之一,与正极材料、负极材料混合用于生产电极极片。


        锂离子电池正极材料主要包括磷酸铁锂、三元材料、钴酸锂、锰酸锂等,为锂离子电池提供锂源,是影响锂离子电池能量密度、循环使用寿命、安全性等指标的关键材料之一。锂离子电池正极材料的导电性能较差,难以达到锂离子电池的生产要求,因此在正极材料中添加一定比例的导电剂,使得导电物质填充满正极材料活性物质之间的空隙,形成良好的导电网络,提升正极材料的导电性能。

图2:锂离子电池正极极片构成


        导电剂在正极材料中的添加量服从“渗透阈值”理论,即在不添加或添加少量导电剂时,导电物质不能构建有效的导电网络,当添加量增加到一定值后,导电物质能能够在正极材料活性物质中形成有效的导电网络,提升正极材料的导电性能,之后再增加导电剂的含量也不能显著提升正极材料导电性能。一般工艺表明,传统炭黑导电剂添加量一般为正极材料重量的3%左右,而碳纳米管、石墨烯等新型导电剂添加量可降低至1%~1.5%。


        锂离子电池负极通常由石墨等构成,其导电性能较好,但石墨在多次充放电的过程中,锂离子的嵌入与脱落会引起石墨颗粒体积的膨胀与收缩,随着锂离子电池充放电次数的增加,石墨颗粒间的间隙加大,导电性能降低,部分甚至会脱离电极,不再参与电化学反应,降低锂离子电池容量。因此,在负极材料当中添加一定比例的导电剂有助于保持负极材料的导电性能。


(2) 锂离子电池导电剂类型

        锂离子电池目前常用的导电剂主要包括炭黑、导电石墨、碳纳米管、碳纤维以及石墨烯等。炭黑和导电石墨属于传统的导电剂,其在活性物质之间分别形成点接触式和面接触式的导电网络;碳纳米管、碳纤维和石墨烯属于新型导电剂材料,其中碳纳米管与碳纤维在活性物质之间形成线接触式导电网络,石墨烯则形成面接触式导电网络。

图3:锂离子电池导电剂类型


        新型导电剂材料在活性物质之间形成的线接触式、面接触式导电网络更为充分,能够更加明显的提升正极材料活性物质的导电性能,进而降低导电剂在正极材料当中的添加量。一般工艺表明,炭黑导电剂在正极材料中的添加量通常为3%左右,而碳纳米管、石墨烯等新型导电剂的添加量可降低至1%~1.5%左右,提升正极中活性物质的占比,有助于提升锂离子电池能量密度。

图4:不同接触类型导电剂示意图


        碳纳米管和石墨烯作为新型导电剂材料,其在国内市场中的应用比例正逐步提升。石墨烯更适用于纳米级正极材料,目前国内已有部分锂离子电池企业在磷酸铁锂动力电池当中使用石墨烯与碳纳米管复合导电剂;三元材料属于微米级正极材料,其使用碳纳米管导电剂的效果更好,国内主要锂离子电池企业均已开始尝试在三元动力电池使用碳纳米管导电剂,部分锂离子企业已经开始批量使用。


2. 碳纳米管在其他领域的应用概况

        碳纳米管作为一种前沿碳纳米材料,其在其他领域有着广泛的应用前景,包括透明导电膜、金属润滑脂、复合材料等。


(1) 透明导电膜

        透明导电膜(Transparent Conductive Film, TCF)是一种既能导电又具有高透明度的薄膜,在平板显示器和太阳能电池领域有着广泛的应用。目前常用的透明导电薄膜包括ITO(Indium Tin Oxides 锡掺杂三氧化铟)、GZO(Gallium Zinc Oxides 镓掺杂氧化锌)、AZO(Aluminum Zinc Oxides 铝掺杂氧化锌)等,其中以ITO膜的应用范围最为广泛。


①平板显示器

        平板显示(FPD)相对于传统的阴极射线管显示(CRT)来说,有着高分辨率、体积小、无辐射、低能耗和便携性好等有点,随着FPD生产技术的不断发展成熟,其对CRT的替代不断提高,目前已经成为全球主流的显示技术。


        根据显示技术路线不同,目前平板显示技术可以分为发射性和非发射性两种,其中等离子显示器(PDP)、有机发光二极管显示器(OLED)和液晶显示器(LCD)为最主要的三种技术路线。


        未来,柔性、超薄、低成本将是平板显示器的主要发展方向,目前采用的ITO薄膜在制作柔性显示器时存在着不可大幅度弯曲、易剥落等缺陷,且其原材料铟属于稀有金属,使用成本较高。碳纳米管作为碳纳米材料的代表,其拥有良好的柔性和机械性能,并且生产成本较低,不需要使用任何稀缺原材料。


        未来,随着碳纳米管导电薄膜的制备技术以及应用技术逐渐成熟,碳纳米管在平板显示器的应用比例有望逐步提升。

图5:日本某企业对我公司产品CNTs5电阻测试结果


②太阳能电池

        透明导电膜可用于制作太阳能电池的透明电极。随着太阳能电池技术的不断发展,提高太阳能转化效率、提高柔韧性能、提升稳定性、简化生产工艺并降低生产成本是太阳能电池的主要发展方向。通过使用碳纳米管透明导电膜替代传统的太阳能电池电极,可以有效提升其柔韧性能,并简化制作工艺,降低生产成本。随着碳纳米管导电薄膜的生产工艺进一步成熟、完善,其在太阳能电池的产业化应用程度将进一步提升。


(2) 润滑脂

        润滑脂主要用于机械摩擦部分,降低机械摩擦,防止机械磨损,同时还能够防止金属腐蚀,密封防尘。润滑脂一般由矿物油(或合成润滑油)和稠化剂调制而成。


        碳纳米管具有优异的自润滑性能,作为添加剂可降低材料的摩擦系数,有效提高抗磨减摩性能;同时,碳纳米管具有良好的导电性能,与目前常用的商用导电填料如铜、银和锌等金属颗粒和炭黑等导电材料相比,碳纳米管用小量就能形成良好的导电网络。


        将碳纳米管添加到润滑脂当中,能够降低润滑脂的电阻率和摩擦系数,提升润滑脂的润滑效果。

图6:含碳基纳米材料润滑脂性能