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碳納米管的應用
來源: | 作者:三順納米 | 發布時間: 2018-05-29 | 3239 次瀏覽 | 分享到:

1. 碳納米管在鋰離子電池中的應用概況

(1) 鋰離子電池與導電劑

        鋰離子電池是一類依靠鋰離子在正負極之間移動來達到充放電目的的化學電池,其以高能量密度、高工作電壓、無記憶效應、長循環壽命、大充放電倍率等優勢,廣泛應用于新能源汽車、數碼3C以及儲能領域。

圖1:鋰離子電池主要構成


        鋰離子電池的主要材料包括正極、負極、電解液和隔膜。導電劑作為鋰離子電池關鍵輔材之一,與正極材料、負極材料混合用于生產電極極片。


        鋰離子電池正極材料主要包括磷酸鐵鋰、三元材料、鈷酸鋰、錳酸鋰等,為鋰離子電池提供鋰源,是影響鋰離子電池能量密度、循環使用壽命、安全性等指標的關鍵材料之一。鋰離子電池正極材料的導電性能較差,難以達到鋰離子電池的生產要求,因此在正極材料中添加一定比例的導電劑,使得導電物質填充滿正極材料活性物質之間的空隙,形成良好的導電網絡,提升正極材料的導電性能。

圖2:鋰離子電池正極極片構成


        導電劑在正極材料中的添加量服從“滲透閾值”理論,即在不添加或添加少量導電劑時,導電物質不能構建有效的導電網絡,當添加量增加到一定值后,導電物質能能夠在正極材料活性物質中形成有效的導電網絡,提升正極材料的導電性能,之后再增加導電劑的含量也不能顯著提升正極材料導電性能。一般工藝表明,傳統炭黑導電劑添加量一般為正極材料重量的3%左右,而碳納米管、石墨烯等新型導電劑添加量可降低至1%~1.5%。


        鋰離子電池負極通常由石墨等構成,其導電性能較好,但石墨在多次充放電的過程中,鋰離子的嵌入與脫落會引起石墨顆粒體積的膨脹與收縮,隨著鋰離子電池充放電次數的增加,石墨顆粒間的間隙加大,導電性能降低,部分甚至會脫離電極,不再參與電化學反應,降低鋰離子電池容量。因此,在負極材料當中添加一定比例的導電劑有助于保持負極材料的導電性能。


(2) 鋰離子電池導電劑類型

        鋰離子電池目前常用的導電劑主要包括炭黑、導電石墨、碳納米管、碳纖維以及石墨烯等。炭黑和導電石墨屬于傳統的導電劑,其在活性物質之間分別形成點接觸式和面接觸式的導電網絡;碳納米管、碳纖維和石墨烯屬于新型導電劑材料,其中碳納米管與碳纖維在活性物質之間形成線接觸式導電網絡,石墨烯則形成面接觸式導電網絡。

圖3:鋰離子電池導電劑類型


        新型導電劑材料在活性物質之間形成的線接觸式、面接觸式導電網絡更為充分,能夠更加明顯的提升正極材料活性物質的導電性能,進而降低導電劑在正極材料當中的添加量。一般工藝表明,炭黑導電劑在正極材料中的添加量通常為3%左右,而碳納米管、石墨烯等新型導電劑的添加量可降低至1%~1.5%左右,提升正極中活性物質的占比,有助于提升鋰離子電池能量密度。

圖4:不同接觸類型導電劑示意圖


        碳納米管和石墨烯作為新型導電劑材料,其在國內市場中的應用比例正逐步提升。石墨烯更適用于納米級正極材料,目前國內已有部分鋰離子電池企業在磷酸鐵鋰動力電池當中使用石墨烯與碳納米管復合導電劑;三元材料屬于微米級正極材料,其使用碳納米管導電劑的效果更好,國內主要鋰離子電池企業均已開始嘗試在三元動力電池使用碳納米管導電劑,部分鋰離子企業已經開始批量使用。


2. 碳納米管在其他領域的應用概況

        碳納米管作為一種前沿碳納米材料,其在其他領域有著廣泛的應用前景,包括透明導電膜、金屬潤滑脂、復合材料等。


(1) 透明導電膜

        透明導電膜(Transparent Conductive Film, TCF)是一種既能導電又具有高透明度的薄膜,在平板顯示器和太陽能電池領域有著廣泛的應用。目前常用的透明導電薄膜包括ITO(Indium Tin Oxides 錫摻雜三氧化銦)、GZO(Gallium Zinc Oxides 鎵摻雜氧化鋅)、AZO(Aluminum Zinc Oxides 鋁摻雜氧化鋅)等,其中以ITO膜的應用范圍最為廣泛。


①平板顯示器

        平板顯示(FPD)相對于傳統的陰極射線管顯示(CRT)來說,有著高分辨率、體積小、無輻射、低能耗和便攜性好等有點,隨著FPD生產技術的不斷發展成熟,其對CRT的替代不斷提高,目前已經成為全球主流的顯示技術。


        根據顯示技術路線不同,目前平板顯示技術可以分為發射性和非發射性兩種,其中等離子顯示器(PDP)、有機發光二極管顯示器(OLED)和液晶顯示器(LCD)為最主要的三種技術路線。


        未來,柔性、超薄、低成本將是平板顯示器的主要發展方向,目前采用的ITO薄膜在制作柔性顯示器時存在著不可大幅度彎曲、易剝落等缺陷,且其原材料銦屬于稀有金屬,使用成本較高。碳納米管作為碳納米材料的代表,其擁有良好的柔性和機械性能,并且生產成本較低,不需要使用任何稀缺原材料。


        未來,隨著碳納米管導電薄膜的制備技術以及應用技術逐漸成熟,碳納米管在平板顯示器的應用比例有望逐步提升。

圖5:日本某企業對我公司產品CNTs5電阻測試結果


②太陽能電池

        透明導電膜可用于制作太陽能電池的透明電極。隨著太陽能電池技術的不斷發展,提高太陽能轉化效率、提高柔韌性能、提升穩定性、簡化生產工藝并降低生產成本是太陽能電池的主要發展方向。通過使用碳納米管透明導電膜替代傳統的太陽能電池電極,可以有效提升其柔韌性能,并簡化制作工藝,降低生產成本。隨著碳納米管導電薄膜的生產工藝進一步成熟、完善,其在太陽能電池的產業化應用程度將進一步提升。


(2) 潤滑脂

        潤滑脂主要用于機械摩擦部分,降低機械摩擦,防止機械磨損,同時還能夠防止金屬腐蝕,密封防塵。潤滑脂一般由礦物油(或合成潤滑油)和稠化劑調制而成。


        碳納米管具有優異的自潤滑性能,作為添加劑可降低材料的摩擦系數,有效提高抗磨減摩性能;同時,碳納米管具有良好的導電性能,與目前常用的商用導電填料如銅、銀和鋅等金屬顆粒和炭黑等導電材料相比,碳納米管用小量就能形成良好的導電網絡。


        將碳納米管添加到潤滑脂當中,能夠降低潤滑脂的電阻率和摩擦系數,提升潤滑脂的潤滑效果。

圖6:含碳基納米材料潤滑脂性能




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