碳纳米管与石墨烯
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石墨烯和碳纳米管在橡胶中的分散性研究近年来,由于具有独特的化学性质和物理性能,石墨烯(Graphene)和碳纳米管(CNT)在材料科学和工程领域受到了越来越多的关注。
石墨烯和碳纳米管具有优良的传热、良好的电学和机械性能,因此在工业应用时具有较高的竞争力。
研究表明,将石墨烯和碳纳米管分散到橡胶中可以显著提高橡胶的电磁屏蔽性能、电磁可调性和耐磨性能。
然而,由于这两种纳米材料的尺寸极小,从而产生了困难的分散问题,因此分散技术一直是本领域研究的热点和难点。
研究表明,分散石墨烯和碳纳米管在橡胶中的有效性受特殊处理前悬浮液的特殊调整影响。
一般而言,为了将石墨烯和碳纳米管分散到橡胶中,必须使用表面活性剂、聚合物、离子溶剂和水溶性增稠剂。
一方面,表面活性剂的作用是为了改善石墨烯和碳纳米管的分散性,同时也可以抑制它们之间的结合。
另一方面,聚合物和水溶性增稠剂可以有效增强石墨烯和碳纳米管在橡胶中的分散效果。
除此之外,石墨烯和碳纳米管在橡胶中分散性还受石墨烯和碳纳米管表面修饰的影响。
研究表明,通过在石墨烯和碳纳米管表面改变各种化学基团,可以有效地改变其在橡胶中的分散状态。
此外,可以采用一种称为“基体法”的方法来改善石墨烯和碳纳米管的分散性。
该方法通过将石墨烯和碳纳米管与某种无机基体结合,从而有效地抑制它们之间的结合,从而提高石墨烯和碳纳米管在橡胶中的分散性和分散效果。
另外,研究发现,石墨烯和碳纳米管在橡胶中的分散性还受到橡胶组成、石墨烯和碳纳米管的尺寸和形状以及生产工艺等因素的影响。
在橡胶中,当含量越高时,其电磁屏蔽性能会有所提高,而当含量较低时,其电磁屏蔽性能则会降低。
因此,为了使石墨烯和碳纳米管在橡胶中发挥最大作用,必须根据不同应用情况来选择合适的含量。
另外,石墨烯和碳纳米管的尺寸和形状对其在橡胶中分散效果也有很大的影响。
通常情况下,较长的碳纳米管比较容易分散,而较短的碳纳米管则很难分散。
另外,石墨烯和碳纳米管的改性还可以改变其在橡胶中的分散性。
碳浆成分及导电的原理碳浆是一种由碳纳米管或石墨烯等碳基纳米材料与溶剂混合而成的胶体体系。
它具有许多优异的性质,如导电、导热、力学强度高、化学稳定性好等,因此在许多领域中得到广泛应用,如电子器件、能源存储、传感器等。
碳浆的成分主要包括碳基纳米材料和溶剂。
常见的碳基纳米材料有碳纳米管和石墨烯。
碳纳米管是由碳原子以一定方式排列而成的中空管状结构,具有优异的导电性能和力学性能。
石墨烯是由一个碳原子层构成的二维材料,其具有高导电性和高机械强度。
碳纳米管和石墨烯等碳基纳米材料的选择主要考虑其导电性能和成本因素。
溶剂是碳纳米材料和其他添加剂的载体,起到溶解、分散和稳定材料的作用。
常见的溶剂有水、有机溶剂如乙醇和异丙醇等。
使用不同的溶剂可以调控碳浆的粘度、稳定性和加工性能。
碳浆的导电原理与碳基纳米材料的导电性有关。
碳纳米材料具有优异的电子输运性能,其导电性与其结构和形状密切相关。
碳纳米管和石墨烯具有一维和二维的π共轭结构,这种结构特殊性能使其电子在材料内部快速传输。
碳纳米管和石墨烯的等效导电性可以通过乌尔巴赫方程和漏磁测量等方法进行测定。
碳纳米材料在溶剂中的分散性也是影响碳浆导电性的重要因素之一。
如果碳纳米材料分散均匀,能够形成导电网络,电子可以在材料内快速传输,导电性能会显著提高。
而如果碳纳米材料聚集成团,导致电子传输路径受阻,导电性能会降低。
因此,碳浆中的分散剂在制备过程中起到很重要的作用,能够有效提高碳浆的导电性能。
此外,碳浆中添加的其他组分,如导电聚合物、氧化物纳米颗粒等,也可以影响碳浆的导电性能。
导电聚合物能够与碳纳米材料形成导电网络,增强碳浆的导电性。
氧化物纳米颗粒在碳浆中具有高导电性和良好的分散性,能够提高碳浆的导电性。
总的来说,碳浆的导电原理与碳基纳米材料的导电性以及碳纳米材料的分散性密切相关。
通过选择适当的碳基纳米材料和溶剂,以及添加合适的组分,可以实现具有优异导电性能的碳浆。
碳浆的导电性使其成为许多领域中的重要功能材料,具有广阔的应用前景。
碳纳米管的力学性能研究碳纳米管是石墨烯卷曲而成的空心圆柱体,具有许多优异的力学性能,因此在纳米科技领域备受关注。
本文将就碳纳米管的力学性能进行研究和讨论。
第一部分:碳纳米管的力学性质1. 碳纳米管的弯曲强度:研究表明,碳纳米管的弯曲强度非常高,可以承受较大的外力而不易断裂。
这得益于其高度结晶的晶格结构以及碳原子之间的强键结合。
2. 碳纳米管的拉伸强度:碳纳米管的拉伸强度也是其重要的力学性能之一。
实验研究发现,碳纳米管的拉伸强度可以达到数百至数千GPa,高于大多数其他材料的强度值。
3. 碳纳米管的弹性模量:碳纳米管的弹性模量决定了其在变形时的回复能力。
理论计算表明,碳纳米管的弹性模量可以超过1 TPa,远高于传统材料如钢铁和铝。
第二部分:碳纳米管的应用1. 碳纳米管在纳米机械领域的应用:碳纳米管的优异力学性能使其成为纳米机械领域中的理想候选材料。
例如,在纳米机器人的制造中,碳纳米管可以用作结构支撑,以确保纳米机器人的强度和稳定性。
2. 碳纳米管在强化复合材料中的应用:由于碳纳米管具有优异的强度和刚度,它可以用来增强传统的复合材料,如玻璃纤维和聚合物基复合材料。
这样的复合材料在航空航天和汽车制造等领域有广泛的应用。
3. 碳纳米管在生物医学领域的应用:碳纳米管还可以用于生物医学领域。
其高度结晶的结构和生物相容性使其成为药物传输和组织工程等方面的理想材料。
第三部分:碳纳米管的挑战和未来发展1. 残余应力:在制备碳纳米管过程中,由于温度和压力的影响,碳纳米管内部常常存在残余应力。
这种残余应力可能导致碳纳米管的力学性能下降,因此需要进一步研究和解决。
2. 大规模制备:目前,碳纳米管的大规模制备仍然面临挑战。
高成本和制备工艺的复杂性限制了碳纳米管的广泛应用。
随着技术的进步和研究的深入,相信碳纳米管在未来的应用领域中将会有更大的突破和发展。
我们可以期待碳纳米管的力学性能研究为纳米科技和材料科学领域带来更多的创新和应用。
导电最好的材料在现代科技领域,导电材料是一种非常重要的材料,它们可以在电子、通讯、能源等领域发挥重要作用。
导电材料是一种能够传导电流的材料,它们可以通过导电性能来实现电子设备的正常工作。
在众多导电材料中,有一些材料具有更好的导电性能,本文将介绍一些导电最好的材料。
首先,碳纳米管是一种导电性能非常优秀的材料。
碳纳米管具有优异的导电性能和机械性能,其导电性能远远超过铜和铝等传统金属材料。
碳纳米管具有很高的载流子迁移率和热导率,可以在微电子器件中发挥重要作用。
由于碳纳米管的独特结构和优异性能,它被认为是一种非常理想的导电材料。
其次,石墨烯也是一种导电性能非常出色的材料。
石墨烯是一种由碳原子构成的二维晶格结构,具有非常优异的导电性能和热导率。
石墨烯具有高达200,000S/cm的电导率,是铜的数倍,而且还具有非常好的柔韧性和透明性。
由于石墨烯的独特性能,它被广泛应用于柔性电子、光电子等领域。
除了碳基材料外,金属材料中的银也是一种导电性能非常优秀的材料。
银具有很高的电导率和热导率,是一种非常理想的导电材料。
在电子器件中,银材料可以作为导线、电极等部件,发挥重要作用。
由于银的优异导电性能,它被广泛应用于电子、通讯等领域。
此外,导电聚合物也是一种导电性能较好的材料。
导电聚合物是一种将导电性能与聚合物材料相结合的材料,它具有较好的导电性能和机械性能。
导电聚合物可以通过掺杂导电填料或者控制分子结构来实现导电性能,可以在柔性电子、光电子等领域发挥重要作用。
综上所述,碳纳米管、石墨烯、银和导电聚合物都是导电性能非常优秀的材料。
它们在电子、通讯、能源等领域发挥着重要作用,是现代科技领域不可或缺的材料。
随着科技的不断进步,相信会有更多导电性能优秀的材料出现,为人类社会的发展带来更多的惊喜和便利。
石墨烯和碳纳米管在橡胶中的分散性研究近年来,石墨烯和碳纳米管作为具有巨大潜力的有机非金属纳米材料,在多领域应用中受到了广泛的关注。
橡胶是具有最高绝缘性的橡胶,具有杰出的电磁屏蔽性、阻尼性、抗紫外线性等特性,因此,将石墨烯和碳纳米管引入橡胶中作为其填料,已成为新兴的研究方向。
一方面,将石墨烯和碳纳米管添加到橡胶中,可以实现橡胶的性能改善。
首先,随着碳纳米管和石墨烯含量的增加,橡胶性能的硬度会因为分散体系中碳纳米管和石墨烯结构之间的作用力而大大增加。
时,加入碳纳米管和石墨烯后,由于碳纳米管和石墨烯的高热导率,橡胶的热导率也会大大提高,这有利于橡胶材料在高温环境中的使用。
外,由于碳纳米管和石墨烯具有杰出的抗紫外线性,因此,将这些材料添加到橡皮中可以有效改善橡皮材料的耐光性。
另一方面,碳纳米管和石墨烯在橡胶中的分散性也很重要。
其主要特点是尺寸小,它们的长度和直径都小于15nm,且具有极高的表面积和可改性性。
果碳纳米管和石墨烯的分散性越好,则它们的性能改善也会越好。
因此,研究人员集中精力研究碳纳米管和石墨烯在橡胶中的分散性问题。
为了提高碳纳米管和石墨烯在橡胶中的分散性,研究人员在合成制备碳纳米管和石墨烯时采用了多种方法。
首先,可以采用共沉淀法,利用交联剂将碳纳米管和石墨烯与橡胶基体共沉淀,从而改善碳纳米管和石墨烯在橡胶中的分散性。
,可以采用改性水溶性聚合物的方法,利用含水物质的活性基团改性碳纳米管和石墨烯,使它们与橡胶相容,从而更有效地分散到橡胶中。
外,研究人员还可以采用改性外接性聚合物的方法,向碳纳米管和石墨烯表面涂覆外接性聚合物,使其与橡胶具有良好的相互作用,从而改善碳纳米管和石墨烯在橡胶中的分散性。
在调控碳纳米管和石墨烯在橡胶中的分散性方面,研究人员还采取了更多的手段,比如利用有机溶剂调节碳纳米管和石墨烯的可溶性,从而改善碳纳米管和石墨烯在橡胶中的分散性。
外,也可以采用添加剂和超声提散技术,使液体分散体系更加稳定,从而改善碳纳米管和石墨烯在橡胶中的分散性。
纳米金刚石、碳纳米管、石墨烯性能的第一原理研究纳米金刚石、碳纳米管、石墨烯是当今材料科学领域备受关注的研究热点。
这些材料具有独特的结构和特性,广泛应用于电子器件、能源储存、催化剂等领域。
本文将以第一原理计算的方法探究纳米金刚石、碳纳米管和石墨烯的特殊性能。
首先,我们来介绍纳米金刚石。
纳米金刚石是由碳原子通过化学气相沉积等方法制备而成的一种材料。
它具有极高的硬度和优异的导热性能。
通过第一原理计算,我们可以得到纳米金刚石的电子结构和声子谱。
研究发现,纳米金刚石比传统金刚石更加稳定,表面能也更低,这使得它在催化剂和传感器等领域有着广阔的应用前景。
接下来,我们转向碳纳米管。
碳纳米管是由石墨烯卷曲而成的一维结构材料。
它具有良好的导电性、导热性和力学性能。
在第一原理计算中,我们可以研究碳纳米管的带隙和能带结构,揭示其导电性质的来源。
碳纳米管的直径和卷曲方式对其电子结构和机械性质有着重要影响。
研究发现,碳纳米管可以用作场效应晶体管、纳米电子器件和传感器等多种应用。
最后,我们来讨论石墨烯。
石墨烯是由单层碳原子构成的二维晶体材料。
它具有出色的电子传导性、光学透明性和强度。
通过第一原理计算,我们可以研究石墨烯的结构、能带和振动谱。
研究发现,石墨烯具有线性色散关系的能带结构,这赋予了它独特的电子输运性质。
石墨烯可以用于柔性电子器件、储能器件和光电器件等多个领域。
纳米金刚石、碳纳米管和石墨烯的研究不仅局限于理论计算,也需要与实验相结合。
实验可以验证理论预测的性质,并探索这些材料的合成和应用。
此外,通过材料设计和工程的手段,还可以调控和优化纳米金刚石、碳纳米管和石墨烯的特性,进一步提高其性能和应用潜力。
总结来说,纳米金刚石、碳纳米管和石墨烯具有独特的结构和特性,通过第一原理计算可以深入研究它们的性质。
这些材料在电子器件、能源储存和催化剂等领域有着广泛的应用潜力。
随着材料科学的不断进步,相信纳米金刚石、碳纳米管和石墨烯的研究将会取得更多重要的突破和应用综上所述,纳米金刚石、碳纳米管和石墨烯是具有独特结构和特性的新兴材料。
第39卷第3期2020年3月硅㊀酸㊀盐㊀通㊀报BULLETINOFTHECHINESECERAMICSOCIETYVol.39㊀No.3Marchꎬ2020石墨烯复合碳纳米管添加量对锂离子电池性能的影响李晓俊ꎬ张金华ꎬ郑㊀刚ꎬ汪㊀伟ꎬ倪江秀ꎬ王金龙(合肥国轩高科动力能源有限公司ꎬ合肥㊀230010)摘要:研究了石墨烯复合碳纳米管添加量对锂离子电池性能的影响ꎮ结果表明ꎬ随着石墨烯复合碳纳米管的加入ꎬ能有效的降低极片的膜片电阻率ꎬ当石墨烯复合碳纳米管增加到一定量(1.0wt%)时ꎬ电阻率变化减缓甚至不变ꎮEIS结果表明ꎬ在0.5wt%SP添加量基础上ꎬ石墨烯复合碳纳米管的最优添加量为1.0wt%ꎬ能获得相对较低的电极阻抗ꎮ电性能表现上ꎬ0.5wt%SP和1.0wt%石墨烯复合碳纳米管(即GNʒCNT=3ʒ7)的导电剂配方的电池循环性能较为优异ꎬ在1C电流密度下放电比容量最高为138.2mAh/gꎬ且在此基础上循环400周后ꎬ放电容量保持率为95.3%ꎻ该配方电池的倍率性能也相对较优ꎬ其5C放电比容量是0.5C的71.4%ꎬ该组导电剂配方有着相对较小的电池阻抗ꎮ关键词:石墨烯复合碳纳米管ꎻ渗透曲线ꎻ电阻率ꎻ电化学性能ꎻ电性能中图分类号:TM911㊀㊀文献标识码:A㊀㊀文章编号:1001 ̄1625(2020)03 ̄0896 ̄05EffectofAdditionofGraphene ̄CarbonNanotubeCompositesonPerformanceofLithiumIonBatteriesLIXiaojunꎬZHANGJinhuaꎬZHENGGangꎬWANGWeiꎬNIJiangxiuꎬWANGJinlong(HefeiGuoxuanHigh ̄techPowerEnergyCo.ꎬLtd.ꎬHefei230010ꎬChina)Abstract:Theeffectsofadditionofgraphene ̄carbonnanotubecompositesonthepropertiesoflithiumionbatterieswereinvestigated.Theresultsshowthatwiththeadditionofgraphene ̄carbonnanotubecompositesꎬthefilmresistivityoftheelectrodescanbeeffectivelyreducedꎬwhengraphene ̄carbonnanotubecompositesincreasetoacertainamount(1.0wt%)ꎬtheresistivitychangessloworeventhesame.TheEISresultsshowthatonthebasisof0.5wt%SPamountꎬgraphene ̄carbonnanotubecompositescanobtaintheoptimumaddingamountof1.0wt%ofrelativelylowelectrodeimpedance.Intermsofelectricalperformanceꎬthebatterycycleperformanceoftheconductiveagentformulaof0.5wt%SPand1.0wt%graphene ̄carbonnanotubecomposites(GNʒCNT=3ʒ7)isrelativelyexcellent.Thehighestspecificcapacityis138.2mAh/gatacurrentdensityof1Cꎬandtheretentionrateofdischargecapacityis95.3%after400weeksofcycling.Theratecapabilityofthebatteriesisalsorelativelygood.Atacurrentdensityof5Cꎬthespecificdischargecapacityis71.4%of0.5C.Theformulaoftheconductiveagenthasrelativelysmallbatteryimpedance.Keywords:graphene ̄carbonnanotubecompositeꎻpermeabilitycurveꎻresistivityꎻelectrochemicalpropertyꎻelectricalproperty基金项目:国家重点研发计划(2016YFB0100304)作者简介:李晓俊(1983 ̄)ꎬ男ꎮ主要从事锂离子电池及系统应用体系研究和验证ꎮE ̄mail:lixiaojun@gotion.com.cn0㊀引㊀言磷酸铁锂锂离子电池被广泛用于电动汽车动力电源领域ꎬ其中动力电池的内阻对电动汽车在运行时的充放电过程㊁循环寿命有较大影响ꎬ而磷酸铁锂自身导电性能差[1]ꎬ为了能在磷酸铁锂锂离子电池中提供优良电子移动的通道ꎬ在活性物质之间㊁活性物质与集流体之间收集微电流ꎬ减小电极的接触电阻ꎬ电池制作时添加导电助剂[2 ̄4]加速电子的移动速率是非常重要的ꎬ此外合理比例的导电剂也可以提高极片加工性ꎬ促进㊀第3期李晓俊等:石墨烯复合碳纳米管添加量对锂离子电池性能的影响897电解液对极片的浸润ꎬ有效提高锂离子在电极材料中的迁移速率[5 ̄6]ꎬ降低极化ꎮ锂离子电池正极导电添加剂已经从初始的炭黑(SP)等传统导电剂ꎬ发展到现今的高级导电剂碳纳米管(CNT)㊁石墨烯(GN)等ꎬ并已得到广泛的应用ꎬ然而各自存在各自的优缺点:导电炭黑属初级粒子属于零维球体[7 ̄10]ꎬ与正极颗粒间为点对点接触且导电系数低ꎬ搭建导电网络需求导电剂量较大ꎬ不利提高电池能量密度ꎮ碳纳米管属一维材料ꎬ与正极材料间为点与线的接触ꎬ导电系数高ꎬ添加少量即可满足电性能要求ꎬ但其与炭黑相比极片膨胀率大ꎬ不易分散[11 ̄13]ꎮ石墨烯为二维材料ꎬ与正极材料间为点与面的接触ꎬ扩大了正极材料与导电剂的接触ꎬ易搭建导电网络ꎬ能有效的减小极片内阻ꎬ但是其具有较强的范德华力ꎬ易团聚㊁分散困难[14 ̄17]ꎮ目前ꎬ导电剂主要以多元混合使用为主ꎬ主要以导电炭黑㊁石墨烯㊁碳纳米管在与正极材料间构筑 点㊁线㊁面 三维协同输运的导电网络[18]ꎮ但在实际生产中ꎬ选用合适的导电剂配方㊁用量及合理的工艺参数对获得相对低的电池阻抗㊁较高的放电容量和良好的循环性能是非常重要的ꎮ1㊀实㊀验1.1㊀原料及仪器石墨烯复合碳纳米管导电剂(GNʒCNT=3ʒ7)(青岛产)ꎬSUPPERPLIꎬ碳包覆磷酸铁锂(LiFePO4/C)正极材料(合肥国轩材料有限公司ꎬ>99.9%)ꎬPVDF(HSV900ꎬ法国阿科玛)ꎬNMP(电池级ꎬ山东长信)ꎬ隔膜(上海恩捷ꎬ14PE)ꎬ电解液(1mol/LLiPF6EC/DMC(1ʒ1)ꎬGSLX ̄1ꎬ杉杉新材料(衢州)有限公司)ꎬ锂铜复合带(江苏产)ꎬ自转公转搅拌机THINKYMIXER(ARE ̄310日新基公司)ꎬ电动封口机(深圳市铭瑞祥科技有限公司)ꎬ真空干燥箱(DZF ̄6021ꎬ上海精密实验设备有限公司)ꎬ精密电子天平(FA1104ꎬ上海舜宇恒平科学仪器有限公司)ꎬ手套箱(MIKROUNA)ꎬ自动膜厚涂覆机(AFA ̄IIIꎬ合肥科晶材料技术有限公司)ꎬ电动辊压机(MR100Bꎬ合肥科晶材料技术有限公司)ꎮ1.2㊀制㊀备如表1所示ꎬ试验设计表中试验1~5包含5种不同石墨烯复合碳纳米管导电剂含量所得到的正极配方ꎬ试验6为对比试验ꎮ经合浆㊁涂布后分别取样测试正极片的外观形貌㊁辊压后极片电阻率ꎻ负极采用锂铜复合带与上述6种制备的正极片组装成40mmˑ50mm的单片软包锂离子电池ꎬ并对其电化学性能进行研究ꎮ表1㊀试验设计Table1㊀Designofexperiment/wt%No.LiFePO4PVDFConductiveagent1ꎬSPConductiveagent2ꎬGNʒCNT(3ʒ7)197.520.50.0297.020.50.5396.520.51.0496.020.51.5595.520.52.0695.023.00.01.3㊀表征与测试分析采用场发射电子显微镜(FEI ̄SEM)和四探针膜片电阻率仪测试制得的极片表面形貌和极片电阻率ꎻ采用电化学工作站进行EIS分析以及采用高性能电池检测系统对表1中试验组装成软包电池进行电池循环㊁倍率性能测试分析ꎮ2㊀结果与讨论2.1㊀正极片电阻率变化分析从渗透曲线图1得到导电剂添加量与极片电阻率的关系图ꎮ可以看出在导电剂1为0.5wt%SP条件下ꎬ随着导电剂2添加量的增加极片电阻率先显著降低ꎬ石墨烯㊁碳纳米管的加入能有效降低正极片的电阻898㊀陶㊀瓷硅酸盐通报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第39卷图1㊀渗透曲线Fig.1㊀Resistivityperformancecurve率ꎬ当导电剂2添加量达到1.0wt%后ꎬ电阻率变小趋势减缓ꎬ甚至不变ꎮ随着导电成分的加入ꎬ体系电阻率随着导电网络的连续而变小ꎬ直至形成连续的导电网络后ꎬ体系的电阻率不变或下降缓慢ꎮ2.2㊀正极片表面形貌根据图2极片的SEM照片可以看出试验1㊁2㊁3㊁4㊁6中SP㊁碳纳米管㊁石墨烯分散均匀ꎬ同时制浆涂布过程没有发生异常ꎮ试验1中0.5wt%SP分散较为稀疏ꎬ未构建连续的导电网络ꎻ添加石墨烯和碳纳米管符合浆料的极片分布均匀㊁连续ꎻ同时也可以看出试验5中导电剂中也存在片径较大的石墨微片ꎬ推测在合浆制片中石墨烯微片发生团聚ꎮ图2㊀正极片SEM照片Fig.2㊀SEMimagesofcathodeplates2.3㊀交流阻抗EIS分析图3㊀不同导电剂含量电池的电化学阻抗谱Fig.3㊀EISspectraofbatterieswithdifferentconductiveagentcontent由图3交流阻抗谱EIS可以看出ꎬ在表1中的试验设计下ꎬ在导电剂1均为0.5wt%SP下ꎬ随着导电剂2即石墨烯复合碳纳米管添加量的增加ꎬ整体阻抗先减小后增大ꎮ导电剂2添加量具体表现为:添加量为0wt%时ꎬRCT为0.7029Ωꎻ当添加量为0.5wt%时ꎬRCT为0.587Ωꎻ当添加量为1.0wt%ꎬRCT为0.365Ωꎮ当添加量达到1.5wt%及以上时ꎬ电荷转移阻抗RCT反而变大ꎬ当添加量为1.5wt%时ꎬRCT为0.612Ωꎬ当添加量为2.0wt%时ꎬRCT为0.6Ωꎮ由于石墨烯的比表面积为2000m2/gꎬ是SP比表面积的30倍ꎬ当这种导电剂加入极片ꎬ一方面ꎬ石墨烯㊁碳纳米管与炭黑㊁活性物质搭建 点㊁线㊁面 三维导电网络ꎬ能有效减少导电剂的使用量ꎬ增加活性物质的量ꎬ并降低电第3期李晓俊等:石墨烯复合碳纳米管添加量对锂离子电池性能的影响899㊀池内阻ꎬ提高电池能量密度ꎻ另一方面ꎬ石墨烯㊁碳纳米管的加入会使电极表面变得粗糙ꎬ对电极表层吸附层产生影响以及溶液导电性引起的弥散效应等ꎬ导致石墨烯复合碳纳米管在电池中需要吸收更多电解液浸润和消耗更多的锂离子形成SEI膜ꎬ且石墨烯本身的六元环结构能阻碍锂离子的传输ꎮ上述结果显示在导电剂1为0.5wt%SP添加量条件下ꎬ石墨烯复合碳纳米管的最优添加量为1.0wt%ꎬ能获得更低的电极阻抗ꎬ同时推测出ꎬ石墨烯复合碳纳米管导电剂添加量少无法提供足够的离子电子交换位点ꎬ过量则会阻碍锂离子在电解液中的传输ꎮ2.4㊀电性能分析2.4.1㊀循环性能图4为循环性能图ꎬ在常温25ħ下ꎬ1C充放电流密度下ꎬ放电比容量分别为:试验1为134.1mAh/g㊁试验2为135.7mAh/g㊁试验3为138.2mAh/g㊁试验4为138.1mAh/g㊁试验5为136.7mAh/g㊁试验6为136.1mAh/gꎮ其中试验1和试验2在320周左右放电比容量有明显 跳水 现象ꎬ可能原因是添加0.5wt%SP的导电体系电池ꎬ经过循环后导电网络破坏严重ꎬ无法提供有效的电子传导ꎻ而试验3(0.5wt%SP+1.0wt%GN@CNT)有着最高的放电比容量ꎬ且循环400周后ꎬ放电容量保持率为95.3%ꎮ图4㊀不同导电剂含量样品的循环曲线Fig.4㊀Cyclecurvesofsampleswithdifferentconductiveagentcontent图5㊀不同导电剂含量样品的倍率性能图Fig.5㊀Ratecapabilityofsampleswithdifferentconductiveagentcontent2.4.2㊀倍率性能从倍率性能图5上看ꎬ0.2C电流密度下五组试验放电比容量相差不大ꎬ0.5C到5C放电比容量开始出现较大变化ꎮ1C㊁2C电流密度下可以看出ꎬ试验1㊁试验5配比电池容量相对有所衰减ꎬ试验1容量下降是因为导电剂量不足无法快速转移电子ꎮ试验5㊁试验4配比电池尤为明显ꎬ原因可能是小倍率下ꎬ导电剂对电池化学阻抗影响较小ꎬ体系仍以电子电导率为主ꎬ石墨烯㊁碳纳米管等高端导电剂在导电性上占据优势ꎬ而在大倍率下ꎬ特别是3C及以上ꎬ石墨烯片层结构锂离子传输阻碍较为明显ꎬ化学阻抗影响占主导ꎬ过多的石墨烯反而增大体系阻抗不利于离子传输ꎮ而试验3在0.5wt%SP和1.0wt%石墨烯复合碳纳米管导电剂(即GNʒCNT=3ʒ7)的导电剂配方下电池倍率性能相对较优ꎬ其5C放电比容量是0.5C的71.4%ꎮ3㊀结㊀论通过研究了石墨烯复合碳纳米管导电剂添加量对锂离子电池性能的影响ꎬ得到的结果如下:(1)从SEM照片上可知所制备的添加石墨烯复合碳纳米管导电剂的极片活性物质与导电剂分布相对均一㊁无明显团聚现象ꎮ(2)随着石墨烯复合碳纳米管导电剂的加入ꎬ能有效的降低极片的膜片电阻率ꎬ当石墨烯复合碳纳米管导电剂增加到一定量(1.0wt%)时ꎬ电阻率变化减缓甚至不变ꎬEIS结果表明ꎬ在0.5wt%SP添加量基础上ꎬ石墨烯复合碳纳米管的最优添加量为1.0wt%ꎬ能获得相对较低的电极阻抗ꎮ(3)电性能上ꎬ0.5wt%SP和1.0wt%石墨烯复合碳纳米管(即GNʒCNT=3ʒ7)的导电剂配方的电池性能较为优异ꎬ在1C电流密度下放电容量最高ꎬ为138.2mAh/gꎬ且在此基础上循环400周后ꎬ放电容量保持率900㊀陶㊀瓷硅酸盐通报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第39卷为95.3%ꎻ该配方电池的倍率性能也相对较优ꎬ其5C放电比容量是0.5C的71.4%ꎬ该导电剂配方有着相对较小的电池阻抗ꎮ综上所述ꎬ尽管导电剂在电池体系中所占的分量较少ꎬ但其发挥的作用不容忽视ꎬ如:可以改善电池容量发挥㊁循环㊁倍率性能等ꎬ现今高端导电剂已被广泛使用ꎬ可以在一定程度上降低导电剂的使用量ꎬ提高电池的能量密度ꎮ而多元导电剂混合使用将是未来导电剂降低使用量ꎬ提高能量密度开发的主要方向ꎮ参考文献[1]㊀NishimuraSIꎬKobayashiGꎬOhoyamaKꎬetal.ExperimentalvisualizationoflithiumdiffusioninLixFePO4[J].NatureMaterialsꎬ2008ꎬ7(9):707 ̄711.[2]㊀张庆堂ꎬ瞿美臻ꎬ于作龙.锂离子电池导电剂研究进展[J].化学通报ꎬ2006ꎬ69(1):1 ̄8.[3]㊀王国平ꎬ张庆堂ꎬ瞿美臻ꎬ等.纳米级碳导电剂的种类对LiCoO2电化学性能的影响[J].应用化学ꎬ2006ꎬ23(12):1385 ̄1390. [4]㊀靳尉仁ꎬ卢世刚ꎬ庞㊀静.导电剂分布状态对锂离子电池性能的影响[J].电池ꎬ2010ꎬ40(6):297 ̄299.[5]㊀刘㊀露ꎬ戴永年ꎬ姚耀春.导电剂对锂离子电池性能的影响[J].材料导报ꎬ2007ꎬ21(S1):267 ̄269.[6]㊀李庆余ꎬ张志杰ꎬ胡丽娜ꎬ等.石墨烯对磷酸铁锂基正极材料锂离子电容器电化学性能的影响[J].矿冶工程ꎬ2017(6):142 ̄145. [7]㊀ChenTQꎬPanLKꎬLiuXJꎬetal.Acomparativestudyonelectrochemicalperformancesoftheelectrodeswithdifferentnanocarbonconductiveadditivesforlithiumionbatteries[J].MaterialsChemistry&Physicsꎬ2013ꎬ142(1):345 ̄349.[8]㊀YangJꎬZhouXYꎬLiJꎬetal.Studyofnano ̄poroushardcarbonsasanodematerialsforlithiumionbatteries[J].MaterialsChemistry&Physicsꎬ2012ꎬ135(2 ̄3):445 ̄450.[9]㊀LiJXꎬZhaoYꎬDingYHꎬetal.Fe2O3nanoparticlescoatedonferrocene ̄encapsulatedsingle ̄walledcarbonnanotubesasstableanodematerialsforlong ̄termcycling[J].RscAdvancesꎬ2012ꎬ2(10):4205 ̄4208.[10]㊀ZhaoDDꎬWangYꎬZhangYF.High ̄performanceLi ̄ionbatteriesandsupercapacitorsbasedonprospective1 ̄Dnanomaterials[J].Nano ̄MicroLettersꎬ2011ꎬ3(1):62 ̄71.[11]㊀YangXFꎬQinJLꎬJiangYꎬetal.BifunctionalTiO2/Ag3PO4/graphenecompositeswithsuperiorvisiblelightphotocatalyticperformanceandsynergisticinactivationofbacteria[J].RscAdvancesꎬ2014ꎬ4(36):18627 ̄18636.[12]㊀ZhaoYꎬLiJXꎬWangNꎬetal.InsitugenerationofLi2FeSiO4coatingonMWNTasahighratecathodematerialforlithiumionbatteries[J].JournalofMaterialsChemistryꎬ2012ꎬ22(36):18797 ̄18800.[13]㊀HanFDꎬBaiYJꎬLiuRꎬetal.Template ̄freesynthesisofinterconnectedhollowcarbonnanospheresforhigh ̄performanceanodematerialinlithium ̄ionbatteries[J].AdvancedEnergyMaterialsꎬ2011ꎬ1(5):798 ̄801.[14]㊀PalacinTꎬKhanhHLꎬJousselmeBꎬetal.Efficientfunctionalizationofcarbonnanotubeswithporphyrindendronsviaclickchemistry[J].JournaloftheAmericanChemicalSocietyꎬ2009ꎬ131(42):15394 ̄15402.[15]㊀FanZJꎬYanJꎬWeTꎬetal.Nanographene ̄constructedcarbonnanofibersgrownongraphenesheetsbychemicalvapordeposition:high ̄performanceanodematerialsforlithiumionbatteries[J].ACSNanoꎬ2011ꎬ5(4):2787 ̄2794.[16]㊀PonrouchAꎬPalacínMR.OntheimpactoftheslurrymixingprocedureintheelectrochemicalperformanceofcompositeelectrodesforLi ̄ionbatteries:acasestudyformesocarbonmicrobeads(MCMB)graphiteandCo3O4[J].JournalofPowerSourcesꎬ2011ꎬ196(22):9682 ̄9688. [17]㊀LinFFꎬSongHHꎬTianSQꎬetal.Fe1.5Ti0.5O3nanoparticlesasananodematerialforlithium ̄ionbatteries[J].ElectrochimicaActaꎬ2012ꎬ83(12):305 ̄310.[18]㊀ZhuYꎬBaiYJꎬHanFDꎬetal.One ̄steppreparationofsix ̄armedFe3O4dendriteswithcarboncoatingapplicableforanodematerialoflithium ̄ionbattery[J].MaterialsLettersꎬ2011ꎬ65(19):3157 ̄3159.。
碳时代开启:碳纳米管与石墨烯技术分析利用已发现20多年的碳纳米管和发现10年的石墨烯等微细碳材料,电子部件终于开始实用化。
包括最近性能大幅提高的金刚石半导体在内,碳电子将大大改变电子部件和电子电路的形态。
我的梦想是用碳(C)取代硅(Si),实现全部用碳制造电子电路的全碳化、3000年前是青铜器(Cu)时代,20世纪前半期是铁(Fe)时代,之后是硅时代,而今后将是碳时代。
一位碳材料研究人员就研究的意义和目标如此说道。
尤其是电子电路的全碳化,可以说是碳材料研究人员的共识。
如今,这个梦想正朝着实现奋进。
如果全碳化成为现实,电子产品将比现在更轻量、更结实,柔性产品也能实现超高性能,而且价格会大幅降低。
鸿海开发,华为采用碳化的动向似将从电子产品的外围向中心进发。
个人电脑等的机壳材料就常使用碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)。
其最大优点是,既轻又结实。
在电子产品的内部,碳作为导电材料的使用虽未能取得进展,但2013年中期终于在触摸面板和太阳能电池等上开始了实用化。
触摸面板配备在了中国华为技术有限公司于2013年5月上市的智能手机上。
触摸面板的开发商是台湾鸿海精密工业在中国大陆的集团公司中国富纳源创(CNTouch)。
为高度兼顾透明性和导电性而采用了管状碳材料碳纳米管(CNT)。
备注:碳纳米管(CarbonNanotube)即管状碳材料。
把碳原子以蜂窝状相连的薄膜(石墨烯)再制成管状。
管的直径细至0.4nm~50nm。
根据把薄膜卷成管状的方法的不同(手性),分为金属型和半导体型。
半导体型的带隙因直径而异。
碳纳米管是名城大学研究生院理工学研究科教授、NEC特别研究员饭岛澄男1991年发现的。
太阳能电池方面,从前有机薄膜太阳能电池就一直将称为富勒烯*的足球状碳材料作为n 型半导体使用。
经过长期的研究开发,2013年三菱化学开始量产并开始了样品供货。
富勒烯(Fullerene)即组成五元环或六元环的碳原子相互连接形成的球状或椭球状材料的总称。
石墨烯与碳纳米管:一样的前生,不一样的今世精选|关键词:石墨烯, 碳纳米管2010年10月4日,诺贝尔物理学奖揭晓,获奖者是英国曼彻斯特大学物理和天文学院的Andre Geim和Konstantin Novoselov,获奖理由为“二维空间材料石墨烯(graphene)方面的开创性实验”。
从2004年石墨烯被成功剥离[1]至2010年斩获诺贝尔奖,是什么魔力让这一看似“普通”的碳材料在短短的6年时间内缔造了一个传奇神话?而回眸看其同族兄弟碳纳米管,自1991年被发现至今近20年,历经风雨,几经沉浮,不过是“为他人做嫁衣裳”。
石墨烯即为“单层石墨片”,是构成石墨的基本结构单元;而碳纳米管是由石墨烯卷曲而成的圆筒结构(图1)。
作为一维(1D)和二维(2D)纳米材料的代表者,二者在结构和性能上具有互补性。
从结构上来看,碳纳米管是碳的一维晶体结构;而石墨烯仅由单碳原子层构成,是真正意义上的二维晶体结构。
从性能上来看,石墨烯具有可与碳纳米管相媲美或更优异的特性,例如高电导率和热导率、高载流子迁移率、自由的电子移动空间、高强度和刚度等。
网上大多溢美之词:“Pencil + sticky tape = desktop supercollider + post-silicon processors”,“Material of the Future”,“A thoroughbred that has to be tamed”,“Electron superhighway”,...。
目前,关于碳纳米管的研究,无论在制备技术、性能表征及应用探索等方面都已经达到了一定的深度和广度。
组成及结构上的紧密联系,使二者在研究方法上具有许多相通之处。
事实上,很多针对石墨烯的研究最开始都是受到碳纳米管相关研究的启发而开展起来的。
图1 石墨烯与碳纳米管石墨烯的发展历程与碳纳米管极为类似。
在碳纳米管被发现之前,碳的晶体结构为代表[2])。
碳基新材料碳基新材料(Carbon-basednewmaterials)是指使用碳原子构成的新型材料,它们包括石墨烯、碳纳米管和其他碳材料。
它们因具有优异的力学性能、电学和光学性能、特殊的化学性质以及高比表面积等优势而被大量应用于众多产品的制造。
由于碳原子之间存在着特殊的键合性,使得碳基新材料具有远高于其它材料的强度,延展性和抗拉性,因此在航空航天、汽车工业、能源和智能制造等领域受到了广泛的应用。
石墨烯简介石墨烯是一种碳量子材料,它是一种新型的单层碳纳米片,由一个超薄的碳原子组成的六边形网状层,它具有体积极小的特点,这使它成为研究深度长度比的关键物质。
石墨烯具有较好的电子传导性能,光学性能和力学性能,使它成为调制光电特性的关键物质,成为未来电子显示器、太阳能电池和高性能电子零件的主要材料。
石墨烯的优点是它具有突出的传导性、热导率和热稳定性,在高温下它仍然具有较高的稳定性,而且它的线膨胀系数非常小,在加热过程中不会发生变形和断裂,使它成为特种汽车及航空航天产品的重要材料。
碳纳米管简介碳纳米管,也称炭纳米管,是由一维碳单体组成的空心结构,其外形宛如一根长细的管,故而得名。
碳纳米管具有高抗腐蚀性、低磨损性、高热稳定性、高电阻率,被广泛应用于化学仪器、燃料电池、电解电容器、电动机、超级电容器等领域。
此外,碳纳米管的优点还有它具有良好的力学性能,具有抗拉强度高达100Gpa,比普通碳纤维高出3-4倍;耐热性能也很出色,可如乳酸钠一样存在高温环境中。
碳基新材料的应用由于碳基新材料具有优异的机械性能、电学性能和化学稳定性,因此在各个领域受到了广泛的应用。
石墨烯在太阳能电池、电子器件和智能手机等领域中受到广泛应用;碳纳米管被广泛应用于化学仪器、燃料电池、电解电容器等领域;更为重要的是其在航空航天、汽车工业等领域中的应用以及在医疗和生物医药领域的应用,如用于拓展药物的服用路径,改善药物的运输能力,提高药物的有效性。
石墨烯碳纳米管导电浆料
石墨烯和碳纳米管都是具有优异电导性能的碳材料,它们可以以导电浆料的形式使用。
石墨烯碳纳米管导电浆料是将石墨烯和碳纳米管等碳纳米材料分散在溶剂中形成的导电性浆料。
这种导电浆料在电子、能源、传感等领域具有广泛的应用。
例如,在电子器件制备中,石墨烯碳纳米管导电浆料可以用于印刷电路板、柔性电子等领域;在能源存储和转换中,它可以用于超级电容器、锂离子电池等设备;在传感器领域,它可以用于电化学传感器、生物传感器等。
石墨烯碳纳米管导电浆料具有优异的电导性能和导电性可调控性,能够提高器件的电子传输效率和性能。
同时,由于石墨烯和碳纳米管的特殊结构,导电浆料还具有较好的柔性和机械强度,适用于制备柔性电子器件。
在使用石墨烯碳纳米管导电浆料时,需要进行有效的分散处理,以确保碳纳米材料的均匀分散和稳定性,从而获得高质量的导电浆料。
碳纳米管的原理
碳纳米管是由碳原子构成的纳米管状结构,具有很强的力学和电学性质。
其原理是由一层或多层的石墨烯卷曲形成,石墨烯是由碳原子构成的六角形排列的单层或多层薄片。
碳纳米管可以被分为单壁碳纳米管和多壁碳纳米管两种类型,单壁碳纳米管由一个石墨烯卷曲而成,而多壁碳纳米管则由多个石墨烯卷曲而成。
碳纳米管具有很强的力学和电学性质,其特性与其结构有关。
碳纳米管的结构和形态可以通过碳纤维电弧放电等多种方法制备。
由于其具有高强度和高导电性的特性,碳纳米管在材料科学、生物医学、能源和电子学等领域中有广泛的应用。