碳纳米管膜表面金属化及其在电磁屏蔽与锂离子电池集流体中的应用

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碳纳米管(Carbon Nanotubes,CNTs)理论上有超高的导电性,应用前景广泛。然而目前常见合成CNTs的方法,所得CNTs中会掺杂一些其他杂质,杂质的存在会在很大程度上会影响CNTs导电性。而基于CNTs管束聚集形成的CNTs薄膜材料同样受到CNTs中杂质影响,使其无法达到预期的性能而应用受到限制。因此,对CNTs及其膜材料进行改性,提高其导电性,是推动CNTs及其膜材料实现工业化应用的关键一环。(1)本文通过改进CNTs连续体的组装方式,获得了蓬松的CNTs海绵体,并利用机械辊压使其成CNTs宏观膜(CNTs macro-film,CMF)。在成膜过程中,利用具有规则表面微观形貌的Cu箔作为衬底材料,使成膜后的CMF获得微观上规则的表面,并通过三维轮廓仪对其表面的粗糙度进行表征。在电沉积时,CMF表面的规则形貌使电流分布更加均匀,且微观上的细小凸起能增大局部电流密度,加快电沉积反应的进程。(2)利用电沉积的方式获得了一层与基底CMF结合紧密的Cu沉积层,形成CMF/Cu沉积复合薄膜。通过四探针电阻测试仪测试其方块电阻,电阻率由初始的8.3×10-6Ωm降低至6.25×10-8Ωm,对应的电导率由初始的1.2×105 S/m提高到1.6×107S/m。根据电磁屏蔽理论,屏蔽材料导电性的增加能够有效提高其电磁屏蔽效能(Electromagnetic Interference Shielding Effectiveness,EMI SE)。通过矢量网络分析仪(Vector Network Analyzer,VNA)测试CMF/Cu沉积复合薄膜的EMI SE,发现在2.6-26.5GHz宽频波段其SE从初始的34 dB提高至64 dB,提高了88.2%。(3)通过电沉积和磁控溅射方式分别制备出CMF/Ni沉积复合薄膜和CMF/Al沉积复合薄膜,并将其分别作为锂离子的电池(Lithium ion batteries,LIBs)负极和正极的集流体,研究基于沉积复合薄膜的LIBs的电化学性能。发现基于CMF/Ni沉积复合薄膜的LTO半电池倍率性能具有明显提升,在30 C电流密度下仍然具有近100 mAh/g的比容量。由于集流体导电性的提高,对电子的传输效率增加,基于CMF/金属沉积复合薄膜的LCO/LTO全电池,其倍率性能较传统金属集流体和原始CMF集流体的全电池亦有较大改善。同时,通过电化学工作站测试全电池的交流阻抗(EIS),发现其内部阻抗显著降低,输出电压明显提高。并且,CMF/金属沉积复合薄膜与原始CMF具有相似的表面微观形貌,使活性物质与其之间的结合紧密,反复折叠操作对电池性能无明显影响。
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