馬里蘭大學胡良兵ACS Nano：外延連接的碳納米管薄膜在水性電池集流器的應用

【引言】

碳納米材料具有質量輕、導電率高和耐腐蝕的特點，因此它是理想的集流體替代材料。目前存在的主要問題是碳納米結構之間連接較弱，導致碳納米材料集合體的導電率和機械強度的較低（低幾個數量級）。在碳納米管之間建立固有的共價碳鍵是非常受歡迎的。但是碳-碳鍵的惰性和高鍵能，導致在相鄰碳納米管之間打開和重新形成共價碳鍵都具有很大的挑戰。只有通過高能輻射（電子，離子束或等離子體）或高壓（高達55GPa）與剪切變形相結合，才能實現有限的碳碳之間的共價連接。因為所需的設備特殊，容易對原始碳納米管造成物理/輻射損傷，在系統中引入大量的不良缺陷。因此，需要一種更具建設性和可擴展性的方法，形成CNT的大規模相互連接。

【成果簡介】

近日，美國馬里蘭大學的胡良兵（通訊作者）等人提出了一種“外延焊接”策略，設計形成碳納米管（CNT）集合體為高度結晶和相互連接的結構。將聚丙烯腈溶液涂覆在CNT上作為“納米膠”以便物理連接CNTs形成網絡結構，然后進行快速高溫退火（>2800 K，約30分鐘）將聚合物涂層石墨化成結晶層，并使相鄰的CNT形成相互連接的結構。接觸-焊接的CNT（W-CNT）表現出高導電性（?1500 S/cm）和高拉伸強度（?120 MPa），分別比未焊接的CNT高5和20倍。此外，當在陰極和陽極電位下，進行恒電位測試時，W-CNT在強酸性/堿性電解質中（> 6mol/L），顯示出很好的化學和電化學穩定性。憑借這些卓越的性能，W-CNT薄膜將會是高性能集流體的最佳選擇，這一結果已經在“鹽中水”電解質的水性電池中得到了證明。相關成果以“Epitaxial Welding of Carbon Nanotube Networks for Aqueous Battery Current Collectors”為題發表在ACS Nano上。

【圖文導讀】

圖 1 W-CNT的‘外延焊接’的形成示意圖及其SEM圖

（a）CNTs復合聚合物高溫加熱前后的示意圖；

（b）CNT的SEM圖像；

（c）CNT-PAN的SEM圖像；

（d）W-CNT的SEM圖像。

圖 2 結構演變和‘外延焊接’的表征圖

（a-c）CNT、CNT-PAN和W-CNT的截面SEM圖像；

（d）焦耳加熱裝置的圖，其加熱1500和2000 K時的光學圖；

（e，f）根據黑體輻射公式，增加功率輸入和相應的溫度下的發射光譜圖；

（g）拉曼的結構演變圖；

（h，i）CNT、CNT-PAN和W-CNT的XPS圖。

圖 3 CNTs和W-CNTs的顯微結構圖

（a）CNT的TEM圖像，其直徑約35 nm；

（b）W-CNT的TEM圖像；

（c，d）CNTs和W-CNTs連接處的TEM圖像。

圖 4 W-CNT薄膜的性能表征圖

（a，b）CNT-和W-CNT薄膜的電導率圖；

（c）CNT和W-CNT薄膜的應力-應變圖；

（d）腐蝕性評估的三電極T型電池的示意圖

（e）評估過程圖（I開始時測量的CV；II在各種條件下，恒定應力48小時測試；III壓力測量48小時后，測量的CV）；

（f）在酸性或堿性電解質中，陰極和陽極電位采用W-CNT膜和商用ACC碳前后的CV圖。

圖 5 W-CNT薄膜在‘水中鹽’水系電池中的性能圖

（a）在10 mV/s下W-CNT薄膜電極的CV曲線圖；

（b）第5圈，電池的充放電曲線圖；

（c）W-CNT薄膜集流體，LMO/MS全電池的循環性能圖。

【小結】

本文找到了一種“外延焊接”工藝，利用薄的外延石墨層將相鄰的碳納米管連接在一起，形成高度結晶和互連的碳納米管，改善了電導率和機械性能，并且不犧牲CNT的結構和純度。W-CNT薄膜具有高導電性（?1500 S/cm），機械強度高（?120 MPa），在酸性/堿性溶液中，具有化學和電化學穩定性，具有高性能集流體的應用潛力。在“外延焊接”工藝中，聚合物溶液涂層和高溫退火都是非常簡單工藝，可以在工業生產中廣泛應用和碳納米結構之間的相互連接。

文獻鏈接：Epitaxial Welding of Carbon Nanotube Networks for Aqueous Battery Current Collectors（ACS Nano, 2018, DOI: 10.1021/acsnano.7b08584）。

歡迎大家到材料人宣傳科技成果并對文獻進行深入解讀，投稿郵箱tougao@cailiaoren.com。

材料人投稿以及內容合作可加編輯微信：cailiaokefu。

材料牛專注于跟蹤材料領域科技及行業進展，這里匯集了各大高校碩博生、一線科研人員以及行業從業者，如果您對于跟蹤材料領域科技進展，解讀高水平文章或是評述行業有興趣，點我加入材料人編輯部。

材料測試，數據分析，上測試谷！