CN109904459A - 覆碳泡沫铝复合材料及其制备方法、集流体及过滤材料 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种覆碳泡沫铝复合材料，所述覆碳泡沫铝复合材料为包覆型核壳结构，核体为铝丝骨架和三维连通孔形成的泡沫铝，壳层为碳层，所述碳层均匀包覆在所述铝丝骨架的表面，所述碳层的厚度为0.34nm～4μm。本发明提供的覆碳泡沫铝复合材料，在泡沫铝结构上包覆连续碳膜，使多泡沫铝膜材料的机械强度提高20‑80％；用做储能器件(电池，电容器，电池电容等)的集流体材料时，与不涂覆碳的泡沫铝集流体相比，涂覆碳的泡沫铝集流体与电极材料的接触电阻降低50％‑99.5％。
Description
技术领域
本发明涉及材料领域，尤其涉及覆碳泡沫铝复合材料及其制备方法、集流体及过滤材料。
背景技术
铝基材料在工业中应用广泛，主要包括各种导电、散热、隔音用途及机械用途(如缓冲、减重与强度支撑)，目前2-4.5V锂离子电池中，正极的集流体材料全是铝的，铝材制备成多孔薄膜状材料，可以用作各种电化学储能的集流体。制备多孔铝的方法包括在多孔高分子薄膜上沉积铝层，然后去除高分子基板；也可以将铝粉进行粘合后烧结而得；也可以通过将铝熔融，通入气体，吹泡而得。但通孔型的多孔铝薄膜具有孔隙率大，机械强度低，不方便快速制备电极极片的缺点。同时，多孔铝在空气中放置时，或即使是在保护气体保护下，也容易在表面生成一层氧化膜，在与电极材料接触时，接触性较差，电阻较高，对于提高器件的功率密度不利。
发明内容
有鉴于此，有必要提供一种改进的覆碳泡沫铝复合材料，其能够有效提高泡沫铝的机械强度以及降低与电极材料的接触电阻。
一种覆碳泡沫铝复合材料，所述覆碳泡沫铝复合材料为包覆型核壳结构，核体为铝丝骨架和三维连通孔形成的泡沫铝，壳层为碳层，所述碳层均匀包覆在所述铝丝骨架的表面，所述碳层的厚度为0.34nm～4μm。
进一步的，所述泡沫铝为开孔状的颗粒、块状或薄膜状材料，所述泡沫铝上的孔隙率为50-99％。
进一步的，所述三维连通孔的孔径为1毫米以内，所述铝丝骨架为数十微米粗细。
一种所述覆碳泡沫铝复合材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，将有机化合物涂覆在泡沫铝上，在有溶剂存在的情况下，在50-100℃下干燥0.1-5小时，使溶剂挥发；
步骤2，在保护气氛下升温至250-660℃进行碳化0.5-8小时以在泡沫铝表面形成碳膜，然后在保护气氛作用下，温度降至室温后取出，其中升温速率为10-50℃每分钟；
步骤3，重复步骤1和步骤2，直至达到所需的碳膜的厚度。
进一步的，所述步骤1中的有机化合物为液态、固态或膏状。
进一步的，所述步骤1中的有机化合物包括环氧树脂、聚丙烯腈、聚烯烃、不饱和聚酯树脂、聚氯乙烯、聚偏二氯乙烯、聚乙烯醇、液体橡胶中的一种或多种组合。
进一步的，所述步骤1中的溶剂包括醚类、醇类、酮类、芳烃类、卤代烃类、酚类、酯类、酰胺、砜及亚砜类中的一种或多种。
进一步的，所述保护气氛中的气体为氩气、氩气中的一种或多种组合。
一种集流体，采用上述的覆碳泡沫铝复合材料制成，所述覆碳泡沫铝的两侧设有未包覆碳的区域，所述未包覆碳的区域用于焊接极耳。
一种过滤材料，采用上述的覆碳泡沫铝复合材料制成，所述过滤材料用于过滤或吸附物质，可以用于过滤或吸附阳离子、细胞、重金属、非极性有机物以及颗粒等。
本发明提供的覆碳泡沫铝复合材料，为包覆型核壳结构，核体为铝丝骨架和三维连通孔形成的泡沫铝，壳层为碳层，所述碳层均匀包覆在所述铝丝骨架的表面，所述碳层的厚度为0.34nm～4μm。本发明在泡沫铝结构上包覆连续碳膜，使多泡沫铝膜材料的机械强度提高20-80％；用做储能器件(电池，电容器，电池电容等)的集流体材料时，与不涂覆碳的泡沫铝集流体相比，涂覆碳的泡沫铝集流体与电极材料的接触电阻降低50％-99.5％。
附图说明
图1为本发明一实施方式中的覆碳泡沫铝复合材料的制备方法的流程示意图。
图2为图1所述制备方法制备的覆碳泡沫铝复合材料的微观结构示意图。
图3为图2的覆碳泡沫铝复合材料的进一步放大微观结构示意图。
图4为本发明一实施方式中的非致密连续碳层包覆的泡沫铝复合材料的微观结构示意图。
图5为图4的非致密连续碳层包覆的泡沫铝复合材料的进一步放大微观结构示意图。
如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“或/及”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
请参阅图1，图1为本发明一实施方式中的覆碳泡沫铝复合材料的制备方法的流程示意图，具体包括以下步骤：
步骤S11，将有机化合物涂覆在泡沫铝上，在有溶剂存在的情况下，在50-100℃下干燥0.1-5小时，使溶剂挥发；
步骤S12，在保护气氛下升温至250-660℃进行碳化0.5-8小时以在泡沫铝表面形成碳膜，然后在保护气氛作用下，温度降至室温后取出，其中升温速率为10-50℃每分钟；
步骤S13，重复步骤S11和步骤S12，直至达到所需的碳膜的厚度。
在本实施方式中，所述步骤S11中的有机化合物为液态、固态或膏状。
在本实施方式中，所述步骤S11中的有机化合物包括环氧树脂、聚丙烯腈、聚烯烃、不饱和聚酯树脂、聚氯乙烯、聚偏二氯乙烯、聚乙烯醇、液体橡胶中的一种或多种组合。
在本实施方式中，所述步骤S11中的溶剂包括醚类、醇类、酮类、芳烃类、卤代烃类、酚类、酯类、酰胺、砜及亚砜类中的一种或多种。
在本实施方式中，所述步骤S12中的保护气氛为氩气、氮气中的一种或多种组合。
如图2和图3所示，图2及图3为上述制备方法制备的覆碳泡沫铝复合材料的微观结构示意图，上述制备方法制备的覆碳泡沫铝复合材料为包覆型核壳结构，核体为铝丝骨架和三维连通孔形成的泡沫铝，壳层为碳层，所述碳层均匀包覆在所述铝丝骨架的表面，所述碳层的厚度为0.34nm～4μm。
所述泡沫铝为开孔状的颗粒、块状或薄膜状材料，孔隙率为50-99％。
在本实施方式中，所述铝丝骨架由若干个数十微米粗的铝丝组成，每一所述铝丝表面均匀连续包覆碳层，且所述泡沫铝上设有三维连通的孔，所述三维连通孔的孔径为1毫米以内。由于市场上存在闭孔的泡沫铝，所以开孔泡沫铝或通孔的泡沫铝是针对闭孔泡沫铝来说的。目前闭孔泡沫铝是用发泡法制备的，所以孔径做不到到毫米以下，目前主要用于强度材料或隔音材料。另外市售的多孔铝箔是在铝箔上用激光或密集的针筒进行滚压而成，所以这种孔是垂直的孔，即两个相邻的孔是平行的且不相通。铝箔、多孔铝箔基本是平整的，所以碳层的附着力不会出现大的问题，其碳层厚度较大在微米级或数十微米级。本申请中的铝丝只有数十微米粗，因此大的碳颗粒与细的铝丝之间的接触面特别小，结合力不牢固，会导致脱落(如图4和图5所示)，制备技术要求较高。
下面将通过具体的实施方式对覆碳泡沫铝复合材料及其应用做进一步的说明。
实施例1
将环氧树脂与乙醇(或二甲苯)配置成浆料，涂覆在孔隙率为50％的薄膜状泡沫铝的中部，在四周或两边直接留出空白区，方便焊接极耳使用。然后在50℃下干燥5小时，在氮气气氛下升温至250℃进行碳化8小时以在泡沫铝表面形成碳膜，其中升温速率为50℃每分钟，然后进行降温，温度降至室温时在氮气气氛作用下将产品取出，所得具有连续致密覆碳膜的泡沫铝，碳膜厚度为0.34nm。
与不覆碳的产品(空心铝丝的壁厚7-100μm，空隙率85-99％，拉伸强度0.4-2MPa，抗压强度1-3.5MPa)相比，覆碳泡沫铝复合材料的拉伸及机械强度提高20％。该产品用作3-4.5V的双电层超级电容器的集流体时，与电极材料(活性炭)的接触电阻降低50％。
实施例2
将聚丙烯腈溶在二甲基甲酰胺中配置成浆料，涂覆在孔隙率为99％的薄膜状泡沫铝材料的中部，在四周或两边直接留出空白区，方便焊接极耳使用。然后在50℃下干燥5小时，在氩气气氛下升温至620℃进行碳化0.5小时，其中升温速率为10℃每分钟，温度降至室温，重复上述步骤2次以在泡沫铝表面形成碳膜，温度降至室温时在氩气气氛作用下将产品取出；所得具有连续致密的覆碳膜的泡沫铝，碳膜厚度为0.5μm。
与不覆碳的产品相比，覆碳泡沫铝复合材料的拉伸及机械强度提高50％。该产品用作3-4.5V的锂离子电池正极侧的集流体时，与电极材料(磷酸铁锂)的接触电阻降低99.5％。
实施例3
将酚醛树脂在丙酮中配置成浆料，涂覆在孔隙率为95％的薄膜状泡沫铝材料的中部，在四周或两边直接留出空白区，方便焊接极耳使用。然后在100℃下干燥0.1小时，在氢气气氛下升温至640℃进行碳化3小时，其中升温速率为30℃每分钟，然后进行降温，温度降至室温，重复上述步骤5次以在泡沫铝表面形成碳膜，温度降至室温时将氢气切换为氮气，在氮气气氛作用下将产品取出，所得具有连续致密的覆碳膜的泡沫铝，碳膜厚度为4μm。
与不覆碳的产品相比，覆碳泡沫铝复合材料的拉伸及机械强度提高80％。该产品用作3-4.5V的锂离子电池正极侧的集流体时，与电极材料(镍钴锰三元材料)的接触电阻降低60％。
实施例4
将聚偏二氯乙烯溶解于多氯代苯中配置成浆料，涂覆在孔隙率99％的薄膜状泡沫铝的中部，在四周或两边直接留出空白区，方便焊接极耳使用。然后在60℃下干燥2.5小时，在氩气气氛下升温至600℃进行碳化4小时，其中升温速率为20℃每分钟，然后进行降温，温度降至室温，重复上述步骤3次以在泡沫铝表面形成碳膜，温度降至室温时在氮气气氛作用下将产品取出，所得具有连续致密的覆碳膜的泡沫铝，碳膜厚度为2μm。
与不覆碳的产品相比，覆碳泡沫铝复合材料的拉伸及机械强度提高80％。该产品用作3-4.5V的双电层超级电容器的集流体时，与电极材料(石墨烯)的接触电阻降低40％。
实施例5
将聚氯乙烯在氯仿中配置成浆料，涂覆在孔隙率93％的薄膜状泡沫铝的中部，在四周或两边直接留出空白区，方便焊接极耳使用。干燥后，在5％氢气与95％氩气气氛下在500℃下碳化6小时。然后降温并关闭氢气，至室温时在氮气保护下，将产品取出。所得具有连续致密覆碳膜的泡沫铝，碳膜厚度为1.5μm。
与不覆碳的产品相比，覆碳泡沫铝复合材料的拉伸及机械强度提高75％。该产品用作3-4.5V的锂离子超级电容器的集流体时，与电极材料(活性炭或含锂化合物)的接触电阻降低70％。
实施例6
将聚丙烯溶于二甲基甲酰胺配置成浆料，涂覆在孔隙率93％的薄膜状泡沫铝的中部，在四周或两边直接留出空白区，方便焊接极耳使用。干燥后，在氩气气氛下在630℃下碳化4小时。然后进行降温，至室温时在氩气保护下，将产品取出。所得具有连续致密覆碳膜的泡沫铝，碳膜厚度为3μm。
与不覆碳的产品相比，覆碳泡沫铝复合材料的拉伸及机械强度提高70％。该产品用作3-4.5V的双电层超级电容器的集流体时，与电极材料(碳纳米管)的接触电阻降低60％。
实施例7
将液体橡胶直接涂覆在薄膜状泡沫铝的中部，在四周或两边直接留出空白区，方便焊接极耳使用。在50℃下干燥5小时，然后在氢气中升温至350℃进行碳化6小时，其中升温速率为50℃每分钟，然后进行降温，降至室温时在氮气保护下，将产品取出。所得具有连续致密覆碳膜的泡沫铝，碳膜厚度为200nm。
与不覆碳的产品相比，覆碳泡沫铝复合材料的拉伸及机械强度提高40％。该产品用作3-4.5V的双电层超级电容器的集流体时，与电极材料(活性炭)的接触电阻降低90％。
实施例8
将不饱和聚酯树脂用二氯甲烷溶胀与配置成浆料，涂敷在粒径为0.2-10mm的泡沫铝颗粒。在70℃下干燥3小时。然后在50％氮气与50％氢气的气氛中程序升温至580℃进行碳化3小时，其中升温速率为40℃每分钟，然后进行降温并关闭氢气，降至室温时在氮气保护下，将产品取出。所得具有连续致密覆碳膜的泡沫铝，碳膜厚度为150nm。
与不覆碳的产品相比，覆碳泡沫铝复合材料的拉伸及机械强度提高40％。该材料可用作高性能过滤材料。
实施例9
将聚乙烯醇与水配置成浆料，均匀涂覆在块状泡沫铝上，在60℃下干燥5小时。然后在氮气气氛中程序升温至500℃进行碳化6小时，其中升温速率为35℃每分钟，然后进行降温，降至室温时在氮气保护下，将产品取出。所得具有连续致密覆碳膜的泡沫铝，碳膜厚度为50nm。
与不覆碳的产品相比，覆碳泡沫铝复合材料的拉伸及机械强度提高20％。该材料可用作高性能过滤材料。
实施例10
将聚乙烯与十氢萘配置成浆料，均匀涂覆在孔隙率为90％的块状泡沫铝上，在100℃下干燥5小时。然后在氮气气氛中程序升温至250℃进行碳化6小时，其中升温速率为25℃每分钟，然后进行降温，降至室温时在氩气保护下，将产品取出。所得具有连续致密覆碳膜的泡沫铝，碳膜厚度为4μm。
与不覆碳的产品相比，覆碳泡沫铝复合材料的拉伸及机械强度提高20％。该材料可用作高性能过滤材料。
本发明提供的覆碳泡沫铝复合材料，在泡沫铝结构上包覆连续碳膜，使多泡沫铝膜材料的机械强度提高20-80％；用做储能器件(电池，电容器，电池电容等)的集流体材料时，与不涂覆碳的泡沫铝集流体相比，涂覆碳的泡沫铝集流体与电极材料的接触电阻降低50％-99.5％。
本技术领域的普通技术人员应当认识到，以上的实施方式仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上实施方式所作的适当改变和变化都落在本发明要求保护的范围内。
Claims (10)
1.一种覆碳泡沫铝复合材料，其特征在于：所述覆碳泡沫铝复合材料为包覆型核壳结构，核体为铝丝骨架和三维连通孔形成的泡沫铝，壳层为碳层，所述碳层均匀包覆在所述铝丝骨架的表面，所述碳层的厚度为0.34nm～4μm。
2.如权利要求1所述的覆碳泡沫铝复合材料，其特征在于：所述泡沫铝为开孔状的颗粒、块状或薄膜状材料，所述泡沫铝上的孔隙率为50-99％。
3.如权利要求1所述的覆碳泡沫铝复合材料，其特征在于：所述三维连通孔的孔径为1毫米以内，所述铝丝骨架为数十微米粗细。
4.一种如权利要求1-3任意一项所述的覆碳泡沫铝复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，将有机化合物涂覆在泡沫铝上，在有溶剂存在的情况下，在50-100℃下干燥0.1-5小时，使溶剂挥发；
步骤2，在保护气氛下升温至250-660℃进行碳化0.5-8小时以在泡沫铝表面形成碳膜，然后在保护气氛作用下，温度降至室温后取出，其中升温速率为10-50℃每分钟；
步骤3，重复步骤1和步骤2，直至达到所需的碳膜的厚度。
5.如权利要求4所述的覆碳泡沫铝复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤1中的有机化合物为液态、固态或膏状。
6.如权利要求4所述的覆碳泡沫铝复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤1中的有机化合物包括环氧树脂、聚丙烯腈、聚烯烃、不饱和聚酯树脂、聚氯乙烯、聚偏二氯乙烯、聚乙烯醇、液体橡胶中的一种或多种组合。
7.如权利要求4所述的覆碳泡沫铝复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤1中的溶剂包括醚类、醇类、酮类、芳烃类、卤代烃类、酚类、酯类、酰胺、砜及亚砜类中的一种或多种。
8.如权利要求4所述的覆碳泡沫铝复合材料的制备方法，其特征在于：所述保护气氛中的气体为氩气、氩气中的一种或多种组合。
9.一种集流体，其特征在于：采用如权利要求1-3任意一所述的覆碳泡沫铝复合材料制成，所述集流体的两侧设有未包覆碳的区域，所述未包覆碳的区域用于焊接极耳。
10.一种过滤材料，其特征在于：采用如权利要求1-3任意一所述的覆碳泡沫铝复合材料制成，所述过滤材料用于过滤或吸附物质。
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