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鄒(zou)小姐：13326633089 -
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作(zuo)為一種結構特殊的新型碳(tan)(tan)材(cai)料，碳(tan)(tan)納米管具有(you)(you)優異的機(ji)械性能和電(dian)化(hua)學(xue)性能，一直在各領域備(bei)受關(guan)注。在鋰電(dian)池的應(ying)用中，碳(tan)(tan)納米管作(zuo)為導電(dian)劑時，其獨特的網絡結構不僅能夠有(you)(you)效地連接(jie)更多的活性物(wu)質(zhi)，出色的電(dian)導率(lv)也可以大幅降低阻抗。此外，較大長(chang)徑比的碳(tan)(tan)納米管具有(you)(you)更大的比表(biao)面積(ji)，與(yu)傳統(tong)導電(dian)劑 Super P、石墨相比，它只需很少的添加量便足以在電極內組建高效的三維高導電網絡并達到提升電池能量密度的目標。
因(yin)此，更深入的研發新型碳納米管(guan)導電(dian)劑是未來重點(dian)關注的方向。據權威部門統計，到2023年碳納米管導電劑在中國鋰離子動力電池市場的滲透率將達到 82.2%
碳納米(mi)管(guan)的類型(xing)
從結構上看，碳(tan)納米(mi)管是蜂巢(chao)狀(zhuang)的一(yi)維納米(mi)空(kong)心管，其(qi)中每層的碳(tan)納米(mi)管的側(ce)壁是由碳(tan)原子通過sp2雜化，與周圍3個碳原子鍵合成在一個平面的六邊形。
根據石墨(mo)層數量，碳納(na)米(mi)管(guan)可以分(fen)成單壁碳納米(mi)管（SWCNT）和(he)多壁(bi)碳納米管（MWCNT）。單壁碳(tan)納米管(guan)是(shi)由(you)單層(ceng)石(shi)墨烯構成，多壁碳(tan)納米管(guan)則是(shi)由(you)兩層(ceng)及(ji)以上(shang)石(shi)墨烯組(zu)成，層(ceng)與層(ceng)之間由(you)范德華力連接。
單(dan)壁碳納(na)米管(guan)（SWCNT）和多(duo)壁碳納(na)米管(guan)（MWCNT）
大(da)多數SWCNT的直徑范圍在0.4~3 nm之間，約為人類頭發的1/50000，而長度則可以擴展到其直徑的幾百萬倍。碳納米管的形貌對其性能有著巨大的影響，其直徑、管壁數、長度(du)、缺(que)陷(xian)程(cheng)度(du)等(deng)一(yi)直是行業內制備研究的重點。
碳納米管的制(zhi)備
迄今(jin)為止，工(gong)廠合成的(de)碳(tan)納(na)(na)米(mi)管產(chan)品大(da)多數仍以多壁碳(tan)納(na)(na)米(mi)管為主，但不同廠家的(de)生產(chan)技(ji)(ji)術卻大(da)不相同。現(xian)階(jie)段幾種(zhong)常見的(de)碳(tan)納(na)(na)米(mi)管制(zhi)備技(ji)(ji)術包括(kuo)：電弧(hu)放(fang)電法(fa)、激光蒸發法(fa)、化學氣相沉積法(fa)和火焰(yan)法(fa)。
1. 電弧(hu)法
碳(tan)納(na)(na)米(mi)管(guan)最開始的(de)出現是在用石墨(mo)電(dian)弧法(fa)制備(bei)富勒(le)烯(xi)的(de)過程意外所得(de)，其(qi)后(hou)(hou)研(yan)究者(zhe)便使用石墨(mo)電(dian)弧法(fa)制備(bei)碳(tan)納(na)(na)米(mi)管(guan)，其(qi)后(hou)(hou)又改進開發出了催化電(dian)弧法(fa)。
電(dian)弧法是(shi)在惰性氣氛的腔體中施(shi)加高壓，通入電(dian)流使兩極(ji)激發出電(dian)弧，電(dian)弧放電(dian)產生高溫，不斷消(xiao)耗(hao)陽極(ji)石墨棒，含碳(tan)納米管(guan)的樣品(pin)沉積在陰極(ji)上。
電弧法制(zhi)備(bei)碳納米管
電弧法的(de)特點(dian)是簡(jian)單,制得的碳納米管結晶度高，但產量較(jiao)低，且由于電弧(hu)溫(wen)度高，形成的碳納米管燒結后會形成束(shu), 其中存在很多難分離的雜質。
2. 激光(guang)蒸發法
激(ji)光(guang)蒸(zheng)(zheng)發(fa)技術和電弧放電方法的原理和機理相似，但是輸入的能源不(bu)同，在(zai)激(ji)光(guang)蒸(zheng)(zheng)發(fa)方法中(zhong)，所(suo)需能量(liang)由激(ji)光(guang)提供。
激光束的熱(re)量使石墨靶蒸發生成(cheng)(cheng)氣態碳，氣態碳在催(cui)化劑的作用機(ji)制下，激發產生碳原(yuan)子(zi)(zi)或原(yuan)子(zi)(zi)團在保護性氣體中相互碰(peng)撞而(er)形成(cheng)(cheng)碳納米(mi)管。
激光蒸發法示意圖
與電弧法比(bi)較,激光蒸發法純度更高,制備的碳納米管很少有無定形碳存在，管徑分布更加均勻,產率也比電弧法高，更容易實現碳納米管的可控操作。利用激光蒸發法可大規模地生成碳(tan)納(na)米管,但其能耗高，設備昂貴，這極大地制約了它的應用。
3. 化(hua)學(xue)氣相沉積(ji)法
化學氣相沉(chen)積法(CVD)，是采用Fe、Co、Ni等金屬(shu)及混合物為催化(hua)劑，在惰性氣(qi)(qi)體和碳源氣(qi)(qi)體的氣(qi)(qi)氛(fen)條件(jian)下加熱到一定溫度后生長碳納米(mi)管，大致過(guo)程為碳源在催化(hua)劑表面裂解(jie)，沉積析出的碳原子(zi)再擴(kuo)散形成碳納米(mi)管。
根據制備(bei)過程中催化(hua)劑狀態的(de)不(bu)同(tong)，化(hua)學氣相沉積法(fa)可分為固定床與流化床兩種，固定床(chuang)(chuang)生長方法(fa)(fa)中反(fan)應溫度和(he)催(cui)化(hua)劑的還(huan)原程(cheng)度對碳納米管(guan)的生長存在顯著的影響(xiang)，其(qi)他(ta)因素包括氣(qi)體(ti)(ti)組分與(yu)流量(liang)等。固定床(chuang)(chuang)與(yu)流化(hua)床(chuang)(chuang)法(fa)(fa)并沒有本質的區別，只是(shi)催(cui)化(hua)劑由于(yu)載體(ti)(ti)的穩化(hua)作用而處于(yu)固態。
化學氣相沉積(ji)法示意圖(tu)：a)流化床；b)固(gu)定(ding)床
該技術的(de)優勢在于制備的(de)碳納米管(guan)純度(du)和(he)產率都比較高，流化床(chuang)生(sheng)長(chang)法具有碳源和(he)催化劑可連(lian)續供給的(de)特點，容易進行大規模(mo)的(de)生(sheng)產,產率較高，因此商業化的多壁碳納米管大部分均為流化(hua)(hua)床化(hua)(hua)學氣相(xiang)沉積法制得。
4. 火焰法
在火焰(yan)合(he)成方法(fa)中，催化劑和碳源在高燃的(de)(de)火焰(yan)中進行成核并快速生長碳納米管，整(zheng)個操作過程簡單且用(yong)時(shi)短，在該(gai)方法(fa)中最特別(bie)的(de)(de)是(shi)只需通過調節火焰(yan)參數就能(neng)獲得所需的(de)(de)碳納米管，然而，對火焰(yan)法(fa)的(de)(de)研究周期并不長，故目前還局(ju)限于實驗室(shi)研發未(wei)能(neng)投入到工業化生產。
碳納米管的應用問題
除了生產(chan)過程(cheng)中需(xu)要嚴格控制形貌以獲(huo)得符合要求性能的碳納(na)米管(guan)產(chan)品外，碳納(na)米管(guan)在(zai)實際使(shi)用中，往往表現出納(na)米材料的共(gong)性——極易團聚。
碳納米管團(tuan)聚(ju)的原(yuan)因主要有兩(liang)種，分(fen)別(bie)是納(na)米顆粒間的(de)團聚效應和一維材料間的纏繞團聚現(xian)象。前者(zhe)指的(de)是(shi)當顆(ke)粒(li)材料(liao)達到(dao)納(na)(na)米(mi)尺寸其團(tuan)(tuan)聚(ju)效應顯著(zhu)增加，團(tuan)(tuan)聚(ju)體(ti)內顆(ke)粒(li)的(de)相互吸(xi)引(yin)力(li)也明(ming)顯增大，從而導致碳(tan)管難以分散；后者(zhe)指的(de)是(shi)由于碳(tan)納(na)(na)米(mi)管較大的(de)長徑比容易糾纏(chan)粘結在一起，形成很大的(de)團(tuan)(tuan)聚(ju)體(ti)。
從團聚機理(li)出發(fa)，目前主流的分散方(fang)法都(dou)滿(man)足二個充分必要條(tiao)件：①破壞(huai)碳管糾纏(chan)粘結(jie)狀態：一般使(shi)用物理或化學的(de)方法例如高能球磨和強酸洗滌將碳納米管(guan)剪短，從而去(qu)除(chu)碳管(guan)糾纏(chan)粘結狀態。②克服團(tuan)聚(ju)體(ti)之間(jian)的強吸附力(li)：通過(guo)添加合適的分散劑，可以使碳納米管團聚體分散開。
生產(chan)應用中碳(tan)納米管(guan)產(chan)品往往制(zhi)成(cheng)漿料形式，以提高碳(tan)納米管(guan)導(dao)電(dian)劑(ji)的分散性。
碳納米管漿料
目前大(da)部分工廠制備的(de)(de)(de)碳(tan)納(na)(na)米管(guan)都是纏繞(rao)狀的(de)(de)(de)，盡管(guan)能(neng)通過一(yi)定的(de)(de)(de)分散(san)手(shou)段(duan)能(neng)適當(dang)降低團(tuan)聚(ju)現象，但終(zhong)究會影響一(yi)定的(de)(de)(de)使用(yong)效果(guo)，添加量也(ye)受到限制，現階段(duan)大(da)部分企業生產的(de)(de)(de)團(tuan)聚(ju)碳(tan)納(na)(na)米管(guan)已很難滿足(zu)人類(lei)納(na)(na)米科技產品迅速(su)發展的(de)(de)(de)需求，因(yin)此消除碳(tan)納(na)(na)米管(guan)之(zhi)間(jian)的(de)(de)(de)團(tuan)聚(ju)從而繼續(xu)擴展碳(tan)納(na)(na)米管(guan)的(de)(de)(de)應用(yong)領域，研發整齊排列的碳納米管已(yi)成為未(wei)來研究中重點(dian)關(guan)注的方向。
總結
關于碳納米管做(zuo)為導電劑(ji)的研究已經(jing)取(qu)得了諸(zhu)多(duo)成(cheng)果，在(zai)鋰離子電池材(cai)料迅猛發展的今(jin)天，碳納米管在(zai)電極材(cai)料中(zhong)的使用一定會越(yue)來越(yue)廣泛，同時(shi)也會有(you)更
多的(de)問題(ti)出現(xian)，為(wei)了應對這(zhe)些潛在的(de)問題(ti)，需要(yao)有新的(de)理念和工藝不斷拓寬對碳
納米管導電劑的研(yan)究。
參考來源：
1. 碳(tan)納米管（CNTs）作為鋰離(li)子(zi)電池(chi)負(fu)極和導(dao)電劑(ji)的(de)應用，高紅旭（天津大學材料學院）；
2. 碳納米(mi)管的合成及其作為導電劑(ji)在鋰(li)離子(zi)電池正極材料中的應(ying)用(yong)研(yan)究(jiu)，田(tian)豐（江西理工(gong)大(da)學）；
3. 新型碳納米管(guan)的制備及其(qi)在鋰離子電池導電劑(ji)方(fang)面(mian)的應用研究，杜軒（華中科技大(da)學）。
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