CN106784595A - 泡沫镍基底上直接生长碳纳米管来制备电池电极的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种泡沫镍基底上直接生长碳纳米管来制备电池电极的方法，包括以下步骤：选用泡沫镍做碳纳米管化学气相沉积反应的催化与基底材料，对泡沫镍基底进行化学和超声清洁；设置CVD反应装置，并在CVD反应装置中对泡沫镍基底直接进行碳纳米管的化学气相沉积生长，生长温度600‑900°C时，该碳氢气体与载气的流量比为（10‑40sccm):(100‑400sccm)，生长压力在1‑760Torr，生长时间1‑30min。本发明的优点是对增强电池器件的性能起到了显著的作用，CNT‑泡沫镍基底的比表面积和电化学活性有明显提高，基于CNT‑泡沫镍基底的镍氢电池循环寿命性能显著改善。

Description

泡沫镍基底上直接生长碳纳米管来制备电池电极的方法
技术领域
本发明属于碳纳米管应用领域，具体是指泡沫镍基底上直接生长碳纳米管来制备泡沫镍电池电极的方法。
背景技术
泡沫镍具有优异的催化活性、呈多孔结构、表面积大，在镍氢电池、超级电容器等多种电池能源器件中，泡沫镍是制备电池电极的重要材料。提高泡沫镍的催化活性、多孔 性、导电性等，对于增强电池器件的性能有重要意义。碳纳米管（CNTs)具有典型的层状中空结构特征、较高的长径比、高机械强度、稳定的化学性质，使得它在电池能源器件领域的应用得到广泛关注和研究。因此，将CNTs与泡 沫镍相结合，是提高相关电池能源器件性能的一条有效途径。在现有技术中，泡沫镍上生长CNTs的工艺中，常用的手段是先沉积一层催化剂， 再经CVD进行CNTs生长。受CNTs生长机制的制约，因而这种方法存在一些固有缺陷，包括：（1）在结构性能方面，CNT-催化金属薄膜-基底之间难以形成强烈有机的结合，在不同的应用条件冲击下，CNT薄膜易脱落，直接影响器件的性能和寿命；（2）CNT-催化金属薄膜-基底结构的导电性能不佳，影响电子、能源等器件的性能；（3）CNT-催化金属薄膜-基底结构的非紧密结合会造成较大的热耗散，不但会直接影响能源器件的效率等特性，还会加速器件的老化。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术存在的缺点和不足，而提供一种泡沫镍基底上直接生长碳纳米管来制备泡沫镍电池电极的方法。通过该方法碳纳米管在泡沫镍基底上生长均匀、晶体性好、与基底结合力强且工艺步骤简单高效，从而提高了其作为泡沫镍电池电极的性能。
为实现上述目的，本发明的技术方案包括以下步骤：
⑴选用泡沫镍做碳纳米管化学气相沉积反应的催化与基底材料，对泡沫镍基底进行化学和超声清洁；
⑵设置CVD反应装置，并在CVD反应装置中对泡沫镍基底直接进行碳纳米管的化学气相沉积生长，所述CVD反应装置包括管式炉、设置于管式炉一侧的进气通道、以及设置于管式炉另一端的真空抽气泵，将泡沫镍基底用耐高温托盘承载、放置在管式炉中间，用真空抽气泵将管式炉抽至压强<1 Torr的真空状态，同时对管式炉进行加热，并向石英炉内通入载气，当管式炉加热温度达到600-900°C时，向炉中通入适当流量比的碳氢气体，该碳氢气体与载气的流量比为（10-40sccm) : (100-400sccm)，并控制反应炉内的压力在1-760Torr， 开始1-30min的碳纳米管生长，生长结束后，停止加热，关闭碳氢气源，维持载气通入，让反 应炉降温至室温，取出样品。
进一步设置是所述的步骤（1)和（2)之间还设置有泡沫镍基底的阳极化处理，选用酸性溶液，以泡沫镍基底为正极，选用耐腐蚀导体作负极，在两极间加以1-100V的固定电压，持续0.1-10分钟，阳极化处理后对泡沫镍基底进行化学、超声清洗。
进一步设置是所述的碳氢气体为乙炔、甲烷、乙烯。
进一步设置是所述的步骤（2)中碳纳米管的生长温度为625℃，生长压力为 30Torr，生长时间 10min。
本发明的基本原理是利用泡沫镍本身的镍催化功能，使碳氢气体在泡沫镍基底上直接催化分解出碳原子并生长形成碳纳米管。通过本发明的工艺参数，控制碳氢气体的类型、气体流量、生长压力、反应温度等因素，制备与基底结合性能优异的CNT-泡沫镍结构。
本发明的方法的有益效果：
1)CNTs与泡沫镍基底结合性能好。在适当的工艺条 件下，CNTs可从泡沫镍内部长出，与基底有机而非常强烈地结合，机械性能优异，有利于改 进器件的性能和寿命；
2）本发明所述制备的CNT-泡沫镍结构导电性能优异、热耗散低，改善了器件的电学、 热学等性能；
3）能够在泡沫镍多孔结构内部均匀生长CNTs，，有效提高泡沫镍基底的比表面积和催 化活性；
4）工艺简洁，省略了金属沉积步骤，便于工业化应用。
附图说明
图1是本发明具体实施例所述制备的碳纳米管在泡沫镍基底上SEM 50倍放大形貌图
图2是本发明具体实施例所述制备的碳纳米管在泡沫镍基底上SEM 1000倍放大形貌图
图3是本发明具体实施例所述制备的碳纳米管在泡沫镍基底上SEM 20000倍放大形貌图
图4是基于本发明所制备的CNT-泡沫镍的镍氢电池负电极截面SEM图。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明进行具体的描述，只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限定，该领域的技术人员可根据上述发明的内容对本发明作出一些非本质的改进和调整。
实施例
在该CVD反应装置中进行含镍金属基底上直接生长碳纳米管并制备镍氢电池电极的方法，包括以下步骤：
（1）对含镍金属基底进行化学、超声清洗，本实施例该含镍金属基底为泡沫镍；
（2)设置CVD反应装置，并在CVD反应装置中对含镍金属基底进行碳纳米管的化学气 相反应生长，所述CVD反应装置包括石英加热炉、设置于石英加热炉一侧的进气通道、以及 设置于石英加热炉另一端的真空抽气泵，将含镍金属基底用石英托盘承载、放置在石英加 热炉中间，用真空抽气泵将石英加热炉抽至压强<1 Torr的真空状态，同时对石英加热炉进 行加热，并向石英炉内通入载气，当石英加热炉加热温度达到625°C时，向炉中通入适当流 量比的碳氢气体，该碳氢气体与载气的流量比为20sccm:200sccm,并控制反应炉内的压力 在0.5Torr，开始10min的碳纳米管生长，生长结束后，停止加热，关闭碳氢气源，维持载气通入，让反应炉降温至室温，取出样品。
试验例
利用扫描电镜JE0L6700研究了 CNTs在泡沫镍表面的形貌。图1-3为在压力30torr、 625°C、10min条件下泡沫镍生长的CNTs的SEM形貌图。从图中可以看出，碳纳米管在表面 分布均匀致密，取向无序，相互纠缠，管径约在50nm左右。
对上述条件所制备的CNT-泡沫镍在电池器件中的应用进行了研究，应用干粉末 滚压技术，制备了镍氢电池电极，图4为负电极的SEM截面图。如图4中所示，细长的CNTs 穿插在活性材料之间，以枝干的形式有效增强了活性材料的聚合性、强化了活性物质与基 底间粘合力，起到了减缓电池循环过程中活性物质脱落的作用，并增加材料的导电性，从而 增加电池放电比容量，延长了电池循环寿命。
本申请通过CVD直接生长技术，在泡沫镍基底上直接生长CNTs，对增强电池器件 的性能起到了显著的作用，CNT-泡沫镍基底的比表面积和电化学活性有明显提高。在镍氢 电池应用中，穿插在活性材料之间的CNTs有效增强了活性材料的聚合性、强化了活性物质 与基底间粘合力，有效延长了电池的循环寿命；同时，CNTs与基底直接连接，增加电极活性 材料的导电性，降低了电池内阻，增加了电池放电比容量。

Claims (4)

1.泡沫镍基底上直接生长碳纳米管来制备电池电极的方法，其特征在于，包括以下步骤：
⑴选用泡沫镍做碳纳米管化学气相沉积反应的催化与基底材料，对泡沫镍基底进行化学和超声清洁；
⑵设置CVD反应装置，并在CVD反应装置中对泡沫镍基底直接进行碳纳米管的化学气相沉积生长，所述CVD反应装置包括管式炉、设置于管式炉一侧的进气通道、以及设置于管式炉另一端的真空抽气泵，将泡沫镍基底用耐高温托盘承载、放置在管式炉中间，用真空抽气泵将管式炉抽至压强<1 Torr的真空状态，同时对管式炉进行加热，并向石英炉内通入载气，当管式炉加热温度达到600-900°C时，向炉中通入适当流量比的碳氢气体，该碳氢气体与载气的流量比为（10-40sccm) : (100-400sccm)，并控制反应炉内的压力在1-760Torr， 开始1-30min的碳纳米管生长，生长结束后，停止加热，关闭碳氢气源，维持载气通入，让反 应炉降温至室温，取出样品。
2.根据权利要求1所述的泡沫镍基底上直接生长碳纳米管来制备电池电极的方法，其特征在于，所述的步骤（1)和（2)之间还设置有泡沫镍基底的阳极化处理，选用酸性溶液，以泡沫镍基底为正极，选用耐腐蚀导体作负极，在两极间加以1-100V的固定 电压，持续0.1-10分钟，阳极化处理后对泡沫镍基底进行化学、超声清洗。
3.根据权利要求1所述的泡沫镍基底上直接生长碳纳米管来制备电池电极的方法，其特征在于，所述的碳氢气体为乙炔、甲烷、乙烯。
4.根据权利要求1所述的泡沫镍基底上直接生长碳纳米管来制备电池电极的方法，其特征在于，所述的步骤（2)中碳纳米管的生长温度为625C，生长压力为 30Torr，生长时间 10min。
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