DE102013225904B4

DE102013225904B4 - Beschichtungsmittel zum Herstellen einer elektrisch leitfähigen Schicht und Verfahren zu dessen Herstellung

Info

Publication number: DE102013225904B4
Application number: DE102013225904.2A
Authority: DE
Inventors: Mohammed Fardin Gholami; Nikolai Severin; Jürgen P. Rabe; Vitalij Scenev
Original assignee: Humboldt Universitaet zu Berlin
Current assignee: Humboldt Universitaet zu Berlin
Priority date: 2013-12-13
Filing date: 2013-12-13
Publication date: 2016-07-21
Anticipated expiration: 2033-12-14
Also published as: DE102013225904A1; DE102013225904B8

Abstract

Beschichtungsmittel (100) zum Herstellen einer elektrisch leitfähigen Schicht (150), wobei das Beschichtungsmittel (100) zumindest ein Lösungsmittel sowie Feststoffbestandteile in Form von unmodifizierten Kohlenstoffnanoröhren (11), Graphenoxidteilchen (21) und PEDOT:PSS (31) enthält, dadurch gekennzeichnet, dass – das Beschichtungsmittel (100) als Feststoffbestandteil außerdem nichtröhrenförmige Kohlenstoffteilchen (12) enthält, – das Verhältnis zwischen dem Gewicht der nichtröhrenförmigen Kohlenstoffteilchen (12) und der Gewichtssumme aus dem Gewicht der Kohlenstoffnanoröhren (11) und dem Gewicht der nichtröhrenförmigen Kohlenstoffteilchen (12) in einem Bereich zwischen 15% und 25% liegt und – das Gewichtsverhältnis zwischen dem Gewicht der Graphenoxidteilchen (21) und der Gewichtssumme aus dem Gewicht der nichtröhrenförmigen Kohlenstoffteilchen (12) und dem Gewicht der Kohlenstoffnanoröhren (11) in einem Bereich zwischen 1 und 1,5 liegt.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Beschichtungsmittel mit den Merkmalen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Ein derartiges Beschichtungsmittel ist aus der nachveröffentlichten internationalen Patentanmeldung WO 2014/070500 A1 bekannt.
Die Druckschrift ”Graphene oxide based conductive glue as a binder for ultracapacitor electrodes” (J. Luo et al., J. Mater. Chem., 2012, 22, 12993–12996) beschreibt einen leitfähigen Kleber für Elektroden von Kondensatoren. Der Klebstoff enthält einwändige Kohlenstoffnanoröhren, PEDOT:PSS und Graphenoxid.
Ein weiteres Beschichtungsmittel ist aus der US-Offenlegungsschrift US 2010/0000441 A1 (vgl. viertes Beispiel gemäß den Absätzen [0055] bis [0057]) bekannt. Dieses Beschichtungsmittel weist als Feststoffbestandteile Kohlenstoffnanoröhren und PEDOT:PSS auf und dient ebenfalls zum Herstellen elektrisch leitfähiger Schichten.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Beschichtungsmittel anzugeben, mit dem sich besonders hochleitende elektrische Schichten mit besonders homogener Schichtbildung herstellen lassen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Beschichtungsmittel mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Beschichtungsmittels sind in Unteransprüchen angegeben.
Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Beschichtungsmittels liegt in der sehr homogenen Schichtbildung. Diese beruht auf dem Zusammenwirken der Graphenoxidteilchen mit den unmodifizierten Kohlenstoffnanoröhren und den nicht röhrenförmigen Kohlenstoffteilchen. Das Graphenoxid passt die Oberflächenenergie der Kohlenstoffteilchen an die Oberflächenspannung des Lösungsmittels an, so dass es eine besonders gute Durchmischung der Bestandteile des Beschichtungsmittels gibt und die Homogenität der mit dem Beschichtungsmittel hergestellten Schichten besonders groß ist.
Bezüglich der Menge der Graphenoxidteilchen wird es als vorteilhaft angesehen, wenn der Gewichtsanteil der Graphenoxidteilchen an den Feststoffbestandteilen in einem Bereich zwischen 40% und 60% liegt.
Bei den Kohlenstoffnanoröhren handelt es sich vorzugsweise um ein, zwei- oder mehrwändige Kohlenstoffnanoröhren.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung des Beschichtungsmittels ist vorgesehen, dass der Gewichtsanteil der Graphenoxidteilchen an den gesamten Feststoffbestandteilen des Beschichtungsmittels zwischen 40% und 50% liegt, der Gewichtsanteil des PEDOTS:PSS an den gesamten Feststoffbestandteilen des Beschichtungsmittels zwischen 15% und 25% liegt, der Gewichtsanteil der unmodifizierten Kohlenstoffnanoröhren an den gesamten Feststoffbestandteilen des Beschichtungsmittels zwischen 25% und 30% liegt und der Gewichtsanteil der nichtröhrenförmigen Kohlenstoffteilchen an den gesamten Feststoffbestandteilen des Beschichtungsmittels zwischen 5% und 10% liegt.
Das Beschichtungsmittel ist vorzugsweise flüssig oder zähflüssig und bildet vorzugsweise eine Beschichtungsflüssigkeit oder eine Beschichtungspaste.
Die Erfindung bezieht sich darüber hinaus auf ein Verfahren zum Herstellen eines Beschichtungsmittels, wie es oben beschrieben worden ist. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass bei dem Verfahren zumindest ein Lösungsmittel mit Feststoffbestandteilen in Form von unmodifizierten Kohlenstoffnanoröhren, nichtröhrenförmigen Kohlenstoffteilchen, PEDOT:PSS und Graphenoxidteilchen gemischt wird, und zwar derart, dass

– das Verhältnis zwischen dem Gewicht der nichtröhrenförmigen Kohlenstoffteilchen und der Gewichtssumme aus dem Gewicht der Kohlenstoffnanoröhren und dem Gewicht der nichtröhrenförmigen Kohlenstoffteilchen in einem Bereich zwischen 15% und 25% liegt und
– das Gewichtsverhältnis zwischen dem Gewicht der Graphenoxidteilchen und der Gewichtssumme aus dem Gewicht der nichtröhrenförmigen Kohlenstoffteilchen und dem Gewicht der Kohlenstoffnanoröhren in einem Bereich zwischen 1 und 1,5 liegt.

Bezüglich der Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens sei auf die obigen Ausführungen im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Beschichtungsmittel verwiesen.
Bezüglich der Herstellung des Beschichtungsmittels wird es als besonders vorteilhaft angesehen, wenn eine erste Vormischung hergestellt wird, indem die unmodifizierten Kohlenstoffnanoröhren und die nichtrohrenförmigen Kohlenstoffteilchen mit einer ersten Flüssigkeit gemischt werden, eine zweite Vormischung hergestellt wird, indem die Graphenoxidteilchen mit einer zweiten Flüssigkeit gemischt werden, eine dritte Vormischung hergestellt wird, indem das PEDOT:PSS mit einer dritten Flüssigkeit gemischt wird, und die drei Vormischungen miteinander unter Bildung des Beschichtungsmittels gemischt werden.
Vorzugsweise enthält die erste Flüssigkeit Wasser und Alkohol, insbesondere 1-Propanol oder Ethanol. Die zweite Flüssigkeit ist bevorzugt Wasser. Die dritte Flüssigkeit besteht bevorzugt aus Wasser und Ethanol.
Um eine möglichst optimale Zusammensetzung des Beschichtungsmittels zu erreichen, wird es als vorteilhaft angesehen, wenn die Konzentration der nichtröhrenförmigen Kohlenstoffteilchen und der unmodifizierten Kohlenstoffnanoröhren in der ersten Vormischung zwischen 1,5 und 2,5 g/l liegt, die Konzentration der Graphenoxidteilchen in der zweiten Vormischung zwischen 6,5 und 7,5 g/l liegt und die Konzentration des PEDOT:PSS in der dritten Vormischung zwischen 6,5 und 7,5 g/l liegt.
Bezüglich der Verhältnisse der drei Vormischungen zueinander ist es vorteilhaft, wenn der Anteil der ersten Vormischung an der Gesamtmischung der drei Vormischungen zwischen 45% und 55% liegt, der Anteil der zweiten Vormischung an der Gesamtmischung der drei Vormischungen zwischen 40% und 45% liegt und der Anteil der dritten Vormischung an der Gesamtmischung der drei Vormischungen zwischen 5% und 10% liegt.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert; dabei zeigen beispielhaft
1 ein Ausführungsbeispiel für ein Verfahren, bei dem ein erfindungsgemäßes Beschichtungsmittel mittels dreier Vormischungen hergestellt wird, und
2 einen Träger mit einer elektrisch leitfähigen Schicht, die mit dem Beschichtungsmittel gemäß 1 durch Trocknen hergestellt worden ist.
In der 1 lässt sich eine erste Vormischung 10 erkennen, die durch Mischen unmodifizierter Kohlenstoffnanoröhren 11, nicht röhrenförmiger Kohlenstoffteilchen 12 und einer ersten Flüssigkeit 13 gebildet wird. Bei der ersten Flüssigkeit 13 handelt es sich vorzugsweise um eine Mischung aus Wasser und Alkohol, insbesondere 1-Propanol oder Ethanol.
Eine zweite Vormischung 20 wird hergestellt, indem Graphenoxidteilchen 21 mit einer zweiten Flüssigkeit 22, bei der es sich bevorzugt um Wasser handelt, gemischt wird.
Eine dritte Vormischung 30 wird durch Mischen von PEDOT:PSS-Teilchen 31 mit einer dritten Flüssigkeit 32 gebildet. Die dritte Flüssigkeit besteht vorzugsweise aus einer Mischung aus Wasser und Ethanol.
Die Konzentration der nicht röhrenförmigen Kohlenstoffteilchen 12 und der unmodifizierten Kohlenstoffnanoröhren 11 in der ersten Vormischung 10 liegt vorzugsweise in einem Bereich zwischen 1,5 und 2,5 g/l. Die Konzentration der Graphenoxidteilchen 21 in der zweiten Vormischung 20 und die Konzentration der PEDOT:PSS-Teilchen 31 in der dritten Vormischung 30 beträgt vorzugsweise jeweils 7 g/l.
Die drei Vormischungen 10, 20 und 30 werden nachfolgend miteinander vermischt, und zwar vorzugsweise in einem Verhältnis von 50%/42%/8%, wie dies durch Pfeile in der 1 symbolisiert wird. Durch das Zusammenmischen der drei Vormischungen 10, 20 und 30 entsteht eine Gesamtmischung, die ein Beschichtungsmittel 100 zum Herstellen einer elektrisch leitfähigen Schicht bildet. Wie sich in der 1 erkennen lässt, weist das Beschichtungsmittel 100 unmodifizierte Kohlenstoffnanoröhren 11, nicht röhrenförmige Kohlenstoffteilchen 12, Graphenoxidteilchen 21 und PEDOT:PSS-Teilchen 31 auf.
Zum Herstellen einer elektrisch leitfähigen Schicht 150 wird das Beschichtungsmittel 100 auf einen Träger 200 aufgebracht und getrocknet, wie dies beispielhaft in der 2 gezeigt ist. Das Trocknen kann beispielsweise im Rahmen eines Ausheizschrittes erfolgen, bei dem die drei Flüssigkeiten 13, 22 und 32 der drei Vormischungen 10, 20 und 30, also die Lösungsmittel des Beschichtungsmittels 100, verdampft werden. Die elektrisch leitfähige Schicht 150 wird nach dem Verdampfen der Flüssigkeiten durch die Feststoffkomponenten 11, 12, 21 und 31 gemäß 1 gebildet.
Bezugszeichenliste

10: erste Vormischung
11: Kohlenstoffnanoröhren
12: Kohlenstoffteilchen
13: Flüssigkeit
20: zweite Vormischung
21: Graphenoxidteilchen
22: Flüssigkeit
30: dritte Vormischung
31: PEDOT:PSS-Teilchen
32: Flüssigkeit
100: Beschichtungsmittel
150: elektrisch leitfähige Schicht
200: Träger

Claims

Beschichtungsmittel (100) zum Herstellen einer elektrisch leitfähigen Schicht (150), wobei das Beschichtungsmittel (100) zumindest ein Lösungsmittel sowie Feststoffbestandteile in Form von unmodifizierten Kohlenstoffnanoröhren (11), Graphenoxidteilchen (21) und PEDOT:PSS (31) enthält, dadurch gekennzeichnet, dass – das Beschichtungsmittel (100) als Feststoffbestandteil außerdem nichtröhrenförmige Kohlenstoffteilchen (12) enthält, – das Verhältnis zwischen dem Gewicht der nichtröhrenförmigen Kohlenstoffteilchen (12) und der Gewichtssumme aus dem Gewicht der Kohlenstoffnanoröhren (11) und dem Gewicht der nichtröhrenförmigen Kohlenstoffteilchen (12) in einem Bereich zwischen 15% und 25% liegt und – das Gewichtsverhältnis zwischen dem Gewicht der Graphenoxidteilchen (21) und der Gewichtssumme aus dem Gewicht der nichtröhrenförmigen Kohlenstoffteilchen (12) und dem Gewicht der Kohlenstoffnanoröhren (11) in einem Bereich zwischen 1 und 1,5 liegt.
Beschichtungsmittel (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Gewichtsanteil der Graphenoxidteilchen (21) an den Feststoffbestandteilen in einem Bereich zwischen 40% und 60% liegt.
Beschichtungsmittel (100) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kohlenstoffnanoröhren (11) zwei- oder mehrwändige Kohlenstoffnanoröhren (11) sind.
Beschichtungsmittel (100) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – der Gewichtsanteil der Graphenoxidteilchen (21) an den gesamten Feststoffbestandteilen des Beschichtungsmittels (100) zwischen 40% und 50% liegt, – der Gewichtsanteil des PEDOT:PSS (31) an den gesamten Feststoffbestandteilen des Beschichtungsmittels (100) zwischen 15% und 25% liegt, – der Gewichtsanteil der unmodifizierten Kohlenstoffnanoröhren (11) an den gesamten Feststoffbestandteilen des Beschichtungsmittels (100) zwischen 25% und 30% liegt und – der Gewichtsanteil der nichtröhrenförmigen Kohlenstoffteilchen (12) an den gesamten Feststoffbestandteilen des Beschichtungsmittels (100) zwischen 5% und 10% liegt.
Verfahren zum Herstellen eines Beschichtungsmittels (100) nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei bei dem Verfahren zumindest ein Lösungsmittel mit Feststoffbestandteilen in Form von unmodifizierten Kohlenstoffnanoröhren (11), nichtröhrenförmigen Kohlenstoffteilchen (12), PEDOT:PSS (31) und Graphenoxidteilchen (21) gemischt wird, und zwar derart, dass – das Verhältnis zwischen dem Gewicht der nichtröhrenförmigen Kohlenstoffteilchen (12) und der Gewichtssumme aus dem Gewicht der Kohlenstoffnanoröhren (11) und dem Gewicht der nichtröhrenförmigen Kohlenstoffteilchen (12) in einem Bereich zwischen 15% und 25% liegt und – das Gewichtsverhältnis zwischen dem Gewicht der Graphenoxidteilchen (21) und der Gewichtssumme aus dem Gewicht der nichtröhrenförmigen Kohlenstoffteilchen (12) und dem Gewicht der Kohlenstoffnanoröhren (11) in einem Bereich zwischen 1 und 1,5 liegt.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass – eine erste Vormischung (10) hergestellt wird, indem die unmodifizierten Kohlenstoffnanoröhren (11) und die nichtröhrenförmigen Kohlenstoffteilchen (12) mit einer ersten Flüssigkeit (13) gemischt werden, – eine zweite Vormischung (20) hergestellt wird, indem die Graphenoxidteilchen (21) mit einer zweiten Flüssigkeit (22) gemischt werden, – eine dritte Vormischung (30) hergestellt wird, indem das PEDOT:PSS (31) mit einer dritten Flüssigkeit (32) gemischt wird, und – die drei Vormischungen (10, 20, 30) miteinander unter Bildung des Beschichtungsmittels (100) gemischt werden.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Flüssigkeit (13) Wasser und Alkohol, insbesondere 1-Propanol oder Ethanol, enthält, die zweite Flüssigkeit (22) Wasser ist und die dritte Flüssigkeit (32) Wasser und Ethanol enthält.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche 6–7, dadurch gekennzeichnet, dass – die Konzentration der nichtröhrenförmigen Kohlenstoffteilchen (12) und der unmodifizierten Kohlenstoffnanoröhren (11) in der ersten Vormischung (10) zwischen 1,5 und 2,5 g/l beträgt, – die Konzentration der Graphenoxidteilchen (21) in der zweiten Vormischung (20) zwischen 6,5 und 7,5 g/l beträgt und – die Konzentration des PEDOT:PSS (31) in der dritten Vormischung (30) zwischen 6,5 und 7,5 g/l beträgt.
Verfahren einem der voranstehenden Ansprüche 6–8, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil der ersten Vormischung (10) an der Gesamtmischung der drei Vormischungen zwischen 45% und 55% beträgt, der Anteil der zweiten Vormischung (20) an der Gesamtmischung der drei Vormischungen zwischen 40% und 45% beträgt und der Anteil der dritten Vormischung (30) an der Gesamtmischung der drei Vormischungen zwischen 5% und 10% beträgt.