[发明专利]一种碳基无粘结剂复合材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种碳基无粘结剂复合材料及其制备方法和应用，属于碳素材料制备技术领域。碳基无粘结剂复合材料包括基体，碳膜和结构碳。碳膜负载在基体表面，与碳膜一体成型的结构碳生长在碳膜上。制备过程中加入碱金属和碱土金属催化剂，使碳源在基体表面沉积出一体成型的碳膜和结构碳，避免粘结剂的使用，提高了复合材料有效比表面积，增加了碳材料与基体的结合强度和电接触性能，修饰了材料表面的电子,离子和原子传输和化学结构特性,制备出具有优异的物理和化学性能的复合材料。本发明制备的复合材料可用于各种电池电极，电容器电极，各种传感器电极，太阳能电池电极，电解水制氢电极，储氢材料，催化剂和催化剂载体，复合材料增强材料等。

技术领域

本发明属于碳素材料制备技术领域，具体涉及一种碳基无粘结剂复合材料及其制备方法。本发明提供了一种对材料表面的形貌结构，原子，电子和离子传输特性进行改性的技术。应用本发明提供的技术制备的碳基无粘结剂复合材料主要应用于电池和电容器电极，各种传感器电极，场发射电极，太阳能电池电极，电解水制氢电极，光催化制氢材料，催化剂和催化剂载体，吸热和散热材料，储氢材料，复合材料增强材料等。

背景技术

碳素材料有三种同素异构体，即金刚石，石墨和无定形碳。这些种类的碳的物理和化学性质，用途各不相同。金刚石是目前所知自然界中最硬的物质。天然金刚石含有0.0025％-0.2％的氮元素，导热性良好，具有半导体性能。(1)它具有耐高温，热稳定性良好，在3600℃不熔化。(2)有良好的导热和导电性，导电系数随温度升高而降低。(3)它化学稳定性好，耐酸，碱和有机介质的侵蚀，因此用来制造电极，电刷，换热器，冷却器等。石墨有天然石墨和人造石墨两种。无定性碳是碳原子排列无序，或构成的晶粒过小。煤，天然气，石油或其他有机物在400-1200℃的高温下碳化得到的无定形碳是多孔碳材料，炭黑和活性碳等。其比表面很大。石墨的主要应用领域是耐火材料，导电材料，电极材料,耐腐蚀材料，吸附材料，摩擦材料等。

1991年，日本NEC的电镜专家Iijima发现了中空的碳纤维，碳纳米管。碳纳米管和金刚石、石墨、C60等都属于碳的同素异形体。碳纳米管是一种由六角网状石墨烯片卷成的螺旋管状结构，其端口既可以是开口的，也可以是由五角和六角石墨烯片封闭而成。单壁碳纳米管由一层石墨烯片组成，长达数百纳米到数微米甚至更长。多壁碳纳米管由多层石墨烯片卷曲而成，层与层之间的间隙与石墨层距差不多，大约为0.343nm，其直径为数十纳米，长度在数微米以上。碳纳米管阵列在力，热，光，电性能表现为各向异性，因而更适合某些应用领域。它被研究用于红外线探测器，电容器电极，锂电池电极，太阳能电池电极，各种气体传感器，生物传感器，高功率集成电路芯片的最佳热界面材料。

目前，碳材料的电极应用需要将碳材料与导电剂和粘结剂一起制备浆料，然后涂敷到集流体上，经干燥，挤压后形成电池和电容器的电极，气体传感器电极，生物传感器电极等。这种电极在实际应用中有如下缺陷。

1.粘结剂的使用，将极大的降低电极材料的有效表面积，从而导致电极材料的有效容量降低。

2.粘结剂的使用，将极大的降低电极材料之间，电极材料与集流体之间的电接触效果，增大电极的工作电阻。

3.电极材料之间，电极材料与集流体之间是通过粘结剂的物理结合而组合在一起。由于电极在充放电过程中将产生大量的热，而电极的热胀冷缩导致的热冲击将造成电极材料之间，电极材料与集流体之间的接触状态逐渐变差，直到电极的失效。

4.粘结剂的使用增加了电极的厚度(电极涂层通常超过20μm)，和电极的重量(电极材料，粘结剂和导电剂重量通常占电极重量的30％以上)。