[发明专利]一种在金属集流器上原位生长碳纳米管阵列的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种碳纳米管阵列的生长方法，具体说，是涉及一种在金属集流器上原位生长碳纳米管阵列的方法，属于电池负极材料制备技术领域。

背景技术

便携式电子产品以及电动汽车等产品的迅速发展对拥有高容量、高功率、高循环性能的锂离子电池产生了巨大的市场需求，但目前的锂离子电池通常采用石墨化碳负极材料，受其理论比容量372mAh/g的限制，所得电池性能难以满足应用要求。而碳纳米管由于具有优异的电学性能、高比表面积和大长径比等特点，作为活性材料应用于锂离子电极材料的研究中受到越来越广泛的关注。

目前碳纳米管在锂离子电池中的应用主要有将其单独作为电池负极材料和将其作为导电剂或导电支架与其它活性材料相结合制成复合电极材料两种方式。碳纳米管单独作为负极材料应用于锂离子电池中主要有两种引入方式：

（1）在碳纳米管中添加粘结剂，经球磨后直接涂覆于集流器表面：该方法工艺传统、成本低、可大规模生产，但所得电极比容量低、高充放电速率下性能差(Carbon,40(10):1775–87(2002)及Carbon,47(13):2976–83(2009).)。

（2）直接在集流器上生长碳纳米管，具体可以原位生长无序碳纳米管，也可以利用原位生长碳纳米管阵列。此方法无需添加粘结剂和导电剂，也无需经过球磨涂浆，从而可简化电池制作过程，同时，碳纳米管与集流器直接结合，可显著提高电导率。

集流器分为非金属集流器和金属集流器，采用非金属集流器时电池比容量一般低于300mAh/g（Adv.Energy Mater.，Vol.1:486-490(2011)及PNAS，Vol.104:p13575（2007）.)，而采用金属集流器时最高可达900mAh/g（ACSnano,Vol.4:3440-3446(2010).）。但由于金属催化剂膜难以在高表面能的金属集流器上裂解聚集成催化剂液滴，导致在金属集流器上原位生长碳纳米管阵列较在非金属集流器上困难。

目前在金属集流器上原位生长碳纳米管阵列主要采用浮动催化剂法，该方法制备的碳纳米管阵列间形成有序孔洞，有利于减小离子传输阻碍，在低碳纳米管阵列高度（8~35μm）条件下能够获得较高比容量和较好的高充放电速率下的性能（Journal of Power Sources,Vol.196:1455-1460(2011).）。但当碳纳米管的阵列高度增加时，其比容量和高速充放电下的性能会显著降低；有文献报道，当碳纳米管阵列高度为10μm时，其在放电速率为1C的条件下第二次放电比容量达373mAh/g，而当碳纳米管阵列高度为70μm时，相同条件下其第二次放电比容量仅为194mAh/g(Electrochimica Acta，Vol.55:2873–2877(2010).)。造成这种现象的主要原因是浮动催化剂法生长的碳纳米管阵列中单根碳纳米管高度远小于阵列高度，大多碳纳米管未与集流器直接结合，而是通过碳纳米管之间的相互接触进行电荷传导；而另一个重要原因是浮动催化剂法生长大高度的碳纳米管时，需要不停的供应催化剂，造成碳纳米管中存在大量的催化剂杂质以及因此产生的竹节状石墨帽（Advanced Materials,Vol.19:2360-2363(2007).），从而影响了其电学性能。

综上所述可见，采用浮动催化剂法难以在获得高碳纳米管阵列高度的同时使电极材料具有良好的电学性能，而碳纳米管阵列高度直接影响其中活性物质的加载量，关系到所制得电池材料的实际应用价值。因此，研究一种能够在金属集流器上原位生长具有大比容量和较好的高速率充放电性能的高碳纳米管阵列的方法，对于提高电池材料的实际应用价值具有十分重要意义。

发明内容

针对现有技术存在的上述问题，本发明的目的是提供一种在金属集流器上原位生长碳纳米管阵列的方法，以实现在金属集流器上原位生长具有大比容量和高速率充放电性能的高碳纳米管阵列。

为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：

一种在金属集流器上原位生长碳纳米管阵列的方法，包括如下步骤：

a)制备具有催化剂层/缓冲层/金属箔三层结构的基底；

b)采用热CVD法在上述基底上原位生长碳纳米管阵列。

作为一种优选方案，所述步骤a)包括如下操作：在金属箔上采用电子束蒸发法依次沉积缓冲层和催化剂层。

作为进一步优选方案，进行电子束蒸发沉积的工艺参数如下：在常温、5.0×10^-8mbar压强下以0.05nm/s的速率进行沉积。