[发明专利]一种离子液体包裹的薄壁碳纳米管的纸及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于导电材料技术领域，特别涉及一种离子液体包裹的薄壁碳纳米管的纸及其制备方法。

背景技术

薄壁碳纳米管由于结构完美，化学稳定性高，以及比表面积大，导电性能好，长径比大等特性，最近被逐渐用作超级电容器的电极材料。与传统活性碳电极材料的多孔内表面特征相比，薄壁碳纳米管的表面呈现外笼形结构，特别适合于电解液离子的扩散。该特征使其更加适用于有机电解液或离子液体型电解液等离子尺寸较大的高电压电容体系。比如，将薄壁碳纳米管做成其质量分数低于18％的凝胶时，薄壁碳纳米管呈单分散状态，其外表面利用充分，能量密度较高。但在用于风力发电机组或重型机械等领域时，一般都要求超级电容器具有较高的体积能量密度，即要在极小的空间内堆积尽可能多的电极材料。因此，将薄壁碳纳米管疏松的结构密实化，逐渐成为了其应用的切实需求。但由于薄壁碳纳米管直径小，管间的范德华作用力很强，密实堆积薄壁碳纳米管会导致其互相吸引成束，从而使孔径减小，电解液离子扩散困难，其表面积利用效率降低，电容性能下降。此外，薄壁碳纳米管密度小，在直接压实时，不易压实且会使少量薄壁碳纳米管飞往空气中，不但造成了物料的损失，而且还可能污染环境或伤害人体健康。

发明内容

本发明针对上述薄壁碳纳米管在用于超级电容器领域的切实需求及现有技术的不足，进行了创新性的改进，提出了一种离子液体包裹的薄壁碳纳米管的纸及其制备方法。

本发明提供了一种离子液体包裹的薄壁碳纳米管的纸，其特征在于：薄壁碳纳米管的含量为70wt％～85wt％，离子液体的含量为15wt％～30wt％，其中离子液体均匀包覆在薄壁碳纳米管的外表面，形成同轴式结构，然后薄壁碳纳米管再互相搭接，形成网状结构。所述薄壁碳纳米管为单壁碳纳米管、双壁碳纳米管及三壁碳纳米管中的一种或多种。

本发明还涉及上述离子液体包裹的薄壁碳纳米管的纸的制备方法，其特征在于：该方法具体步骤如下：

(1)将薄壁碳纳米管置于一个容器中，加入20℃～80℃的离子液体(N-甲基丁基吡咯烷双三氟甲磺酰亚胺盐、N-甲基丁基哌啶双三氟甲磺酰亚胺盐、1-乙基-3-甲基咪唑双三氟甲磺酰亚胺盐、1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐、三甲基丙铵双三氟甲磺酰亚胺盐、二甲基乙铵乙基甲醚双三氟甲磺酰亚胺盐及1-己基-3-甲基咪唑双三氟甲磺酰亚胺盐等离子液体中的一种或多种)，研磨1小时～24小时，使离子液体均匀包裹在薄壁碳纳米管的外表面。

(2)将上述所得混合物，进行压实，制备成一种离子液体包裹的薄壁碳纳米管的纸。

本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：

1、离子液体的介电性强，可以克服薄壁碳纳米管束间的范德华力，使得管束变小，在用于超级电容器领域时，能够提供更大的电解液/电极材料界面，从而使电容性能提高20％～100％。

2、使用离子液体分散碳纳米管，可以使单位面积内的碳纳米管分布得更加均匀，从而在用于强度材料时，受力更加均匀。同时离子液体粘度比较大，可起粘接剂的作用，因此，可使碳纳米管的纸的拉伸强度提高20％～100％。

3、离子液体的粘度较大，对薄壁碳纳米管表面有润湿作用，使得碳纳米管不易损失，而且使压实过程简化，制备成本下降。

4、离子液体辅助分散制备碳纳米管的纸的方法，可以使用任何制备方法得到的高纯度的薄壁碳纳米管，因此不受任何一种直接制备这类结构的方法(如石墨电弧法或化学气相沉积法)的过程的限制，具有可放大的特性。

具体实施方式

本发明提供了一种离子液体包裹的薄壁碳纳米管的纸及其制备方法，下面结合具体实施例对本发明做进一步说明：

实施例1

将1wt％的单壁碳纳米管、80wt％的双壁碳纳米管及19wt％的三壁碳纳米管混合后，加入到60℃的N-甲基丁基吡咯烷双三氟甲磺酰亚胺盐离子液体，其中离子液体占混合物总质量的15％。经研磨24小时后，将其压实为堆积密度为280kg/m³的纸。上述碳纳米管的纸的电阻比不用离子液体包裹而直接压实的碳纳米管的纸的电阻低20％；用于在6.5V电压下工作的超级电容器的电极材料时，比不用离子液体包裹而直接压实的碳纳米管的纸的电容值与能量密度均高35％；用于强度材料时，比不用离子液体包裹而直接压实的碳纳米管的纸的拉伸强度高45％。

实施例2