马里兰大学胡良兵ACS Nano：外延连接的碳纳米管薄膜在水性电池集流器的应用

【引言】

碳纳米材料具有质量轻、导电率高和耐腐蚀的特点，因此它是理想的集流体替代材料。目前存在的主要问题是碳纳米结构之间连接较弱，导致碳纳米材料集合体的导电率和机械强度的较低（低几个数量级）。在碳纳米管之间建立固有的共价碳键是非常受欢迎的。但是碳-碳键的惰性和高键能，导致在相邻碳纳米管之间打开和重新形成共价碳键都具有很大的挑战。只有通过高能辐射（电子，离子束或等离子体）或高压（高达55GPa）与剪切变形相结合，才能实现有限的碳碳之间的共价连接。因为所需的设备特殊，容易对原始碳纳米管造成物理/辐射损伤，在系统中引入大量的不良缺陷。因此，需要一种更具建设性和可扩展性的方法，形成CNT的大规模相互连接。

【成果简介】

近日，美国马里兰大学的胡良兵（通讯作者）等人提出了一种“外延焊接”策略，设计形成碳纳米管（CNT）集合体为高度结晶和相互连接的结构。将聚丙烯腈溶液涂覆在CNT上作为“纳米胶”以便物理连接CNTs形成网络结构，然后进行快速高温退火（>2800 K，约30分钟）将聚合物涂层石墨化成结晶层，并使相邻的CNT形成相互连接的结构。接触-焊接的CNT（W-CNT）表现出高导电性（〜1500 S/cm）和高拉伸强度（〜120 MPa），分别比未焊接的CNT高5和20倍。此外，当在阴极和阳极电位下，进行恒电位测试时，W-CNT在强酸性/碱性电解质中（> 6mol/L），显示出很好的化学和电化学稳定性。凭借这些卓越的性能，W-CNT薄膜将会是高性能集流体的最佳选择，这一结果已经在“盐中水”电解质的水性电池中得到了证明。相关成果以“Epitaxial Welding of Carbon Nanotube Networks for Aqueous Battery Current Collectors”为题发表在ACS Nano上。

【图文导读】

图 1 W-CNT的‘外延焊接’的形成示意图及其SEM图

（a）CNTs复合聚合物高温加热前后的示意图；

（b）CNT的SEM图像；

（c）CNT-PAN的SEM图像；

（d）W-CNT的SEM图像。

图 2 结构演变和‘外延焊接’的表征图

（a-c）CNT、CNT-PAN和W-CNT的截面SEM图像；

（d）焦耳加热装置的图，其加热1500和2000 K时的光学图；

（e，f）根据黑体辐射公式，增加功率输入和相应的温度下的发射光谱图；

（g）拉曼的结构演变图；

（h，i）CNT、CNT-PAN和W-CNT的XPS图。

图 3 CNTs和W-CNTs的显微结构图

（a）CNT的TEM图像，其直径约35 nm；

（b）W-CNT的TEM图像；

（c，d）CNTs和W-CNTs连接处的TEM图像。

图 4 W-CNT薄膜的性能表征图

（a，b）CNT-和W-CNT薄膜的电导率图；

（c）CNT和W-CNT薄膜的应力-应变图；

（d）腐蚀性评估的三电极T型电池的示意图

（e）评估过程图（I开始时测量的CV；II在各种条件下，恒定应力48小时测试；III压力测量48小时后，测量的CV）；

（f）在酸性或碱性电解质中，阴极和阳极电位采用W-CNT膜和商用ACC碳前后的CV图。

图 5 W-CNT薄膜在‘水中盐’水系电池中的性能图

（a）在10 mV/s下W-CNT薄膜电极的CV曲线图；

（b）第5圈，电池的充放电曲线图；

（c）W-CNT薄膜集流体，LMO/MS全电池的循环性能图。

【小结】

本文找到了一种“外延焊接”工艺，利用薄的外延石墨层将相邻的碳纳米管连接在一起，形成高度结晶和互连的碳纳米管，改善了电导率和机械性能，并且不牺牲CNT的结构和纯度。W-CNT薄膜具有高导电性（〜1500 S/cm），机械强度高（〜120 MPa），在酸性/碱性溶液中，具有化学和电化学稳定性，具有高性能集流体的应用潜力。在“外延焊接”工艺中，聚合物溶液涂层和高温退火都是非常简单工艺，可以在工业生产中广泛应用和碳纳米结构之间的相互连接。

文献链接：Epitaxial Welding of Carbon Nanotube Networks for Aqueous Battery Current Collectors（ACS Nano, 2018, DOI: 10.1021/acsnano.7b08584）。

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