CN1404174A - 一种高能电池的活性材料 - Google Patents
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Abstract
一种高能电池的活性材料，涉及一种电化学储氢技术。该材料包括定向多壁碳纳米管、铜粉和聚四氟乙烯粘结剂三种组分，其重量比为：1∶2～5∶3。本发明以定向多壁碳纳米管作为活性物质，混合铜粉和粘结剂进行电化学储氢，获得了显著的储氢性能，比电容量可达到1000～1625mAh/g。同目前已报道的各种碳纳米管电化学储氢相比较，储氢量高，充放电电流大，充放电时间短，实际应用性强。
Description
技术领域
本发明涉及一种电化学储氢的活性材料，属于碳纳米管材料应用及氢能储存技术领域。
背景技术
氢能储存技术是解决氢能大规模使用，以氢能代替石油、天然气等濒临枯竭的自然能源的关键。而储氢方式和储氢材料的使用直接影响氢能的应用方向和使用方式。碳纳米管为圆柱中空结构，具有较低的密度和较高的比表面积，因此在储氢领域备受关注。
近些年来，国内外研究人员对碳纳米管电化学储氢进行了实验及理论研究，对碳纳米管的储氢机制进行了探索。Nützenadel等人最先使用电化学方法检测了碳纳米管储氢性能(Electrochemical and Solid-State Letters，1999，2(1)：30～32)，比较了单壁碳纳米管和多壁碳纳米管混以铜粉或金粉制成的电极的恒流充放电性能。结果表明，单壁碳纳米管的最大比电容量仅为110mAh/g。Lee等人通过实验及理论计算认为氢以分子形式存在于碳纳米管内腔中(Synthetic Metals，2000，113：209～216)，并且预言单壁碳纳米管的储氢量与管径成正比，多壁碳纳米管的储氢量则与管径无关。秦学等人发现多壁碳纳米管混以镍粉压制成的电极具有很高的充放电循环寿命(Electrochemical and Solid-State Letters，2000，3(12)：532～535)，比电容量可达200mAh/g。Rajalakshmi等人测得单壁碳纳米管混以铜粉制成电极的比电容量为800mAh/g(Electrochimica Acta，2000，45：4511～4515)。
上述电化学储氢都是以活性材料(非定向碳纳米管)混合一定量的金属粉末和粘结剂压制成电极后进行测试的，研究成果表明，碳纳米管具有良好的电化学储氢性能，但同时也表明碳纳米管的储氢潜力还有待进一步开发。以往的研究没有对碳纳米管的定向性作出具体的要求和说明，并且所获得的储氢量也没有达到国际能源署规定的储氢实际使用标准。
发明内容
本发明的目的是提供一种以定向多壁碳纳米管为活性成分的高能电池的活性材料，可以明显的提高其储氢性能和比电容量。
本发明的的技术方案如下：一种高能电池的活性材料，其特征在于：该材料包括定向多壁碳纳米管、铜粉和聚四氟乙烯粘结剂三种组分，其重量比为：1∶2～5∶3。
本发明所使用的定向多壁碳纳米管外径分布于30～80nm之间，内径分布于10～40nm之间。
本发明以定向多壁碳纳米管作为活性物质，混合铜粉和粘结剂进行电化学储氢，获得了显著的储氢性能，比电容量可达到1000～1625mAh/g。同目前已报道的各种碳纳米管电化学储氢相比较，储氢量高，充放电电流大，充放电时间短，实际应用性强。
具体实施方式
下面对本发明的机理、制备方法以及实施例说明如下，以进一步了解本发明。
本发明之所以会获得如此显著的储氢量，是因为定向碳纳米管的管身平直，管径较粗，定向排列的管与管之间形成一定间隙。这种独特的孔结构利于氢的输运，部分氢还可通过开口的端帽进入管腔。而非定向碳纳米管的管身弯曲且相互缠结，管径较细，限制了氢在电极中的输运及储存。同时由于铜粉的混合，提高了电极的导电性、稳定性、抗氧化性和放电性能，还可以起到内部消氧的作用，从而使氢更易于向碳纳米管扩散，充分发挥了定向多壁碳纳米管的作用，提高了储氢量。
鉴于此，本发明使用定向多壁碳纳米管、铜粉和聚四氟乙烯粘结剂以一定比例混合形成的混合物进行电化学储氢，所使用的定向多壁碳纳米管外径分布于30～80nm之间，内径分布于10～40nm之间，获得的比电容量可达到1000～1625mAh/g。
实施例1
将原始定向多壁碳纳米管在H2SO4∶HNO3(1∶1)的混合溶液中煮沸30min，去除非晶碳等微粒杂质，并使碳纳米管封闭的端帽打开，然后用去离子水冲洗至中性，干燥。将定向多壁碳纳米管、铜粉(＞99.9％，400目纯铜粉)和粘结剂(聚四氟乙烯)球磨(球磨时间5min，转速300n/min)混合均匀，称取0.3g混合粉末，与泡沫镍(直径22mm)集电极冷压(压力为30MPa，保压5min)在一起，制成22×0.5mm的圆片状电极。电极中定向多壁碳纳米管、铜粉和粘结剂的重量比为1∶5∶3。
电化学储氢在Princeton EG&G Potentiostat/Galvanostat Model 263A型恒电位仪上进行，所测体系为三电极半电池体系。以上述压制电极为工作电极，以标准铂电极为对电极，以盐桥引出的Ag/AgCl饱和标准电极作为参比电极，电解质溶液为7M的KOH溶液，恒定电流为50mA。实验前电极在去离子水中浸泡24h，以使电极充分浸润。最终测得比电容量可达到1625mAh/g。
实施例2
与实施例1的实验条件相同，将定向多壁碳纳米管、铜粉和粘结剂的重量比改为1∶2∶3，测得比电容量可达到1000mAh/g。
Claims (2)
1.一种高能电池的活性材料，其特征在于：该材料包括定向多壁碳纳米管、铜粉和聚四氟乙烯粘结剂三种组分，其重量比为：1∶2～5∶3。
2.按照权利要求1所述的高能电池的活性材料，其特征在于：所述的定向多壁碳纳米管外径分布于30～80nm之间，其内径分布于10～40nm之间。
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|---|---|---|---|---|
| WO2007100306A1 (en) * | 2006-03-01 | 2007-09-07 | National University Of Singapore | Carbon nanotube(s) and method for making the same |
| JP2022103140A (ja) * | 2020-12-25 | 2022-07-07 | ダイキン工業株式会社 | 単層カーボンナノチューブとｐｔｆｅとを複合した結着剤並びにそれを用いた電極作製用組成物及び二次電池 |
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2002
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