CN102709569A - 多孔金属复合材料 - Google Patents

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杨基峰
朱济群
黄小兵
周诗彪
陈远道
龙文贵
肖进春
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Abstract

本发明提供了一种多孔金属复合材料，在呈三维网状的多孔金属材料上覆载复合了碳纳米管材料，碳纳米管管径为10～50nm，壁厚5～10nm，长度1～6μm。本发明的多孔金属复合材料，由于在多孔金属材料上覆载了具有较强机械性能的碳纳米管，增强了其内部孔连接结构的致密性和强度，由此不仅增强了材料的抗拉强度，更有效增强了材料的延伸性能，同时提升了多孔金属材料的导电性能，在将其用于制作电池的骨架材料时，可由此提升电池的能量密度和体积密度。

Description

多孔金属复合材料
技术领域
本发明涉及一种多孔材料，特别涉及一种多孔金属复合材料。
背景技术
      镍氢动力电池的主要骨架材料——多孔镍是一种典型的多孔金属材料，目前，通用的多孔镍在民用小电池的制备及应用都已非常成熟，但在应用于汽车动力方面，却出现了较大的问题，主要表现在以下方面：
（1）汽车的起动需要较大的电流放电，这个性能要求电池的相关结构在瞬间能承受较大电流的放电，并且要求电流的放电平衡。而目前这种多孔镍材料制作的镍氢电池在遇到EV或HEV汽车起动放电时，骨架材料非常容易遭到损坏，具体的表现为结构断裂，造成电池隔膜刺穿，电池正负极短路，重则引起电池爆炸，危及生命安全，轻则引起电动汽车的使用受到影响。
（2）纯电动汽车要求应用的电源能有较大的能量密度以及体积密度，而目前的这种多孔镍材料，因为需要确保材料一定的力学性能指标，整个材料的厚度无法有效降低，因此无法通过工艺改善来提升其体积密度，从而改善电池的能量密度。
其它多孔材料，如多孔铜、多孔镍铁等在应用于催化剂载体、过滤材料等领域时，也由于物理性能特别是力学性能的抗拉强度较低而不适于采用，限制了其推广应用。
发明内容
本发明旨在提供一种可有效提高材料的力学性能特别是抗拉强度和延伸率的多孔金属复合材料。本发明方案如下：
一种多孔金属复合材料，在呈三维网状的多孔金属材料上覆载复合了碳纳米管材料。
综合考虑成本、制作工艺等，所述的碳纳米管优选多壁碳纳米管材料。经实验发现，多壁碳纳米管管径为10～50nm，壁厚5～10nm，长度1～6μm比较适宜。
上述材料可通过以下方法来制备：将普通多孔金属材料置于金属硝酸盐中浸泡10～30min,然后取出干燥，再将干燥后的多孔金属材料置于热处理炉中,通入氮气和乙炔混合气,在500～800℃条件下进行热处理4～10h, 冷却后即可。
与现有技术相比，本发明的优点体现于：
1. 本发明的多孔金属复合材料，由于在多孔金属材料上覆载了具有较强机械性能的碳纳米管，增强了其内部孔连接结构的致密性和强度，由此不仅增强了材料的抗拉强度，更有效增强了材料的延伸性能。
2. 实验发现，本发明的多孔金属复合材料，不仅有效改善了材料的比表面积和抗拉强度、延伸率等物理性能，同时提升了多孔金属材料的导电性能，在将其用于制作电池的骨架材料时，可由此提升电池的能量密度和体积密度。
附图说明
图1 实施例1的多孔金属复合材料的SEM图
图2 普通多孔金属镍材料的SEM图
图3 实施例1的多孔镍复合材料与常规多孔镍材料的比表面积对比图
图4 实施例1的多孔镍复合材料与常规多孔镍材料的抗拉强度对比图
图5采用实施例1的多孔镍复合材料与常规多孔镍材料组装镍氢电池循环测试对比图
 具体实施方式
实施例1
将95PPI，厚度为1.6mm的多孔镍材料置于硝酸根浓度为1.5mol/L的硝酸镍溶液中浸泡25min,然后取出干燥，再将干燥后的多孔镍材料置于热处理炉中,热处理炉中包含由氮气和乙炔组成的混合气氛，气体体积比为3：2,在580℃条件下保温热处理8h,冷却。
将上述方法制备得到的材料置于电子显微镜下观察而为了方便对比观察，将同规格的常规多孔镍材料也置于电子显微镜下观察，，其SEM图如图2所示。对比发现，在呈三维网状的多孔镍金属材料上覆载复合了多壁碳纳米管材料。经测量，这些多壁碳纳米管管径的分布为10～50nm，壁厚5～10nm，长度1～6μm。
将上述覆载了碳纳米管的多孔镍复合材料与现有的常规多孔镍金属材料在相同条件下进行比表面积和抗拉强度检测。测试结果如图3和图4所示。从图3可发现，本发明的多孔镍复合材料比表面积平均值为2075.7cm2/cm3,而常规多孔金属材料的比表面积平均值在1778.4 cm2/cm3，在综合比表面积方面前者比后者提升了近15%。从图4中可反映出，在材料抗拉强度性能方面，前者比后者提升了近23%。
将上述覆载了碳纳米管的多孔镍复合材料与现有的常规多孔镍材料在相同条件下组装成镍氢电池，在如下条件下进行电化学循环性能测试：
恒流充电：1C充电至1.9V
恒压充电：恒压1.9V，1C电流限流50mA
恒流放电：1C放电至1.2V
测试结果如图5所示，从图5中可以看出，采用上述多孔镍复合材料组装的电池的循环性能比采用普通多孔镍材料的组装的电池提升近20%。
实施例2 
采用与实施例1基本相同制备方法，与其不同的工艺条件如下：
1.采用 95 PPI，厚度为 1.6 mm的多孔铜材料为基体材料；
2.将多孔铜材料置于硝酸根浓度为2.5mol/L硝酸铜溶液中浸泡20min；
3.热处理采用氮气与乙炔混合气体，其中气体的体积比为75%的氮气，25%乙炔，热处理温度为650℃，热处理时间为6h。
将上述方法制备得到的材料置于电子显微镜下观察，在呈三维网状的多孔铜金属材料上覆载复合了多壁碳纳米管材料。经测量，这些多壁碳纳米管管径的分布为10～50nm，壁厚5～10nm，长度1～6μm。
上述覆载了碳纳米管的多孔铜复合材料的比表面积较常规多孔铜材料可提升近16%，而材料的抗拉强度也可提升25%。
实施例3 
采用实施例1基本相同的方式制备，与其不同的工艺条件如下：
1. 采用110PPI，厚度为1.7mm的多孔镍铁材料为基体材料；
2. 将多孔镍铁材料置于硝酸根浓度为4.5mol/L硝酸镍铁混合溶液中浸泡10min；
3. 热处理采用氮气与乙炔混合气体，其中气体的体积比为70%氮气，30%乙炔，热处理温度为800℃，热处理时间为4h；
将上述方法制备得到的材料置于电子显微镜下观察，在呈三维网状的多孔镍铁金属材料上覆载复合了多壁碳纳米管材料。经测量，这些多壁碳纳米管管径的分布为10～50nm，壁厚5～10nm，长度1～6μm。
上述覆载了碳纳米管的多孔镍铁金属复合材料比表面积较常规多孔镍铁材料可提升近20%，而材料的抗拉强度也可提升20%。

Claims (3)

1.多孔金属复合材料，其特征在于：在呈三维网状的多孔金属材料上覆载复合了碳纳米管材料。
2.如权利要求1所述的多孔金属复合材料，其特征在于：所述的碳纳米管优选多壁碳纳米管材料。
3. 如权利要求2所述的多孔金属复合材料，其特征在于：所述的多壁碳纳米管管径为10～50nm，壁厚5～10nm，长度1～6μm。
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