專利名稱：一種高能電池的活性材料的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種電化學(xué)儲氫的活性材料，屬于碳納米管材料應(yīng)用及氫能儲存技術(shù)領(lǐng)域。
近些年來，國內(nèi)外研究人員對碳納米管電化學(xué)儲氫進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)及理論研究，對碳納米管的儲氫機(jī)制進(jìn)行了探索。Nützenadel等人最先使用電化學(xué)方法檢測了碳納米管儲氫性能(Electrochemical and Solid-State Letters，1999，2(1)30～32)，比較了單壁碳納米管和多壁碳納米管混以銅粉或金粉制成的電極的恒流充放電性能。結(jié)果表明，單壁碳納米管的最大比電容量僅為110mAh/g。Lee等人通過實(shí)驗(yàn)及理論計(jì)算認(rèn)為氫以分子形式存在于碳納米管內(nèi)腔中(Synthetic Metals，2000，113209～216)，并且預(yù)言單壁碳納米管的儲氫量與管徑成正比，多壁碳納米管的儲氫量則與管徑無關(guān)。秦學(xué)等人發(fā)現(xiàn)多壁碳納米管混以鎳粉壓制成的電極具有很高的充放電循環(huán)壽命(Electrochemical and Solid-State Letters，2000，3(12)532～535)，比電容量可達(dá)200mAh/g。Rajalakshmi等人測得單壁碳納米管混以銅粉制成電極的比電容量為800mAh/g(Electrochimica Acta，2000，454511～4515)。
上述電化學(xué)儲氫都是以活性材料(非定向碳納米管)混合一定量的金屬粉末和粘結(jié)劑壓制成電極后進(jìn)行測試的，研究成果表明，碳納米管具有良好的電化學(xué)儲氫性能，但同時也表明碳納米管的儲氫潛力還有待進(jìn)一步開發(fā)。以往的研究沒有對碳納米管的定向性作出具體的要求和說明，并且所獲得的儲氫量也沒有達(dá)到國際能源署規(guī)定的儲氫實(shí)際使用標(biāo)準(zhǔn)。
本發(fā)明的的技術(shù)方案如下一種高能電池的活性材料，其特征在于該材料包括定向多壁碳納米管、銅粉和聚四氟乙烯粘結(jié)劑三種組分，其重量比為1∶2～5∶3。
本發(fā)明所使用的定向多壁碳納米管外徑分布于30～80nm之間，內(nèi)徑分布于10～40nm之間。
本發(fā)明以定向多壁碳納米管作為活性物質(zhì)，混合銅粉和粘結(jié)劑進(jìn)行電化學(xué)儲氫，獲得了顯著的儲氫性能，比電容量可達(dá)到1000～1625mAh/g。同目前已報(bào)道的各種碳納米管電化學(xué)儲氫相比較，儲氫量高，充放電電流大，充放電時間短，實(shí)際應(yīng)用性強(qiáng)。
具體實(shí)施例方式
下面對本發(fā)明的機(jī)理、制備方法以及實(shí)施例說明如下，以進(jìn)一步了解本發(fā)明。
本發(fā)明之所以會獲得如此顯著的儲氫量，是因?yàn)槎ㄏ蛱技{米管的管身平直，管徑較粗，定向排列的管與管之間形成一定間隙。這種獨(dú)特的孔結(jié)構(gòu)利于氫的輸運(yùn)，部分氫還可通過開口的端帽進(jìn)入管腔。而非定向碳納米管的管身彎曲且相互纏結(jié)，管徑較細(xì)，限制了氫在電極中的輸運(yùn)及儲存。同時由于銅粉的混合，提高了電極的導(dǎo)電性、穩(wěn)定性、抗氧化性和放電性能，還可以起到內(nèi)部消氧的作用，從而使氫更易于向碳納米管擴(kuò)散，充分發(fā)揮了定向多壁碳納米管的作用，提高了儲氫量。
鑒于此，本發(fā)明使用定向多壁碳納米管、銅粉和聚四氟乙烯粘結(jié)劑以一定比例混合形成的混合物進(jìn)行電化學(xué)儲氫，所使用的定向多壁碳納米管外徑分布于30～80nm之間，內(nèi)徑分布于10～40nm之間，獲得的比電容量可達(dá)到1000～1625mAh/g。
實(shí)施例1將原始定向多壁碳納米管在H2SO4∶HNO3(1∶1)的混合溶液中煮沸30min，去除非晶碳等微粒雜質(zhì)，并使碳納米管封閉的端帽打開，然后用去離子水沖洗至中性，干燥。將定向多壁碳納米管、銅粉(＞99.9％，400目純銅粉)和粘結(jié)劑(聚四氟乙烯)球磨(球磨時間5min，轉(zhuǎn)速300n/min)混合均勻，稱取0.3g混合粉末，與泡沫鎳(直徑22mm)集電極冷壓(壓力為30MPa，保壓5min)在一起，制成22×0.5mm的圓片狀電極。電極中定向多壁碳納米管、銅粉和粘結(jié)劑的重量比為1∶5∶3。
電化學(xué)儲氫在Princeton EG&G Potentiostat/Galvanostat Model 263A型恒電位儀上進(jìn)行，所測體系為三電極半電池體系。以上述壓制電極為工作電極，以標(biāo)準(zhǔn)鉑電極為對電極，以鹽橋引出的Ag/AgCl飽和標(biāo)準(zhǔn)電極作為參比電極，電解質(zhì)溶液為7M的KOH溶液，恒定電流為50mA。實(shí)驗(yàn)前電極在去離子水中浸泡24h，以使電極充分浸潤。最終測得比電容量可達(dá)到1625mAh/g。
實(shí)施例2與實(shí)施例1的實(shí)驗(yàn)條件相同，將定向多壁碳納米管、銅粉和粘結(jié)劑的重量比改為1∶2∶3，測得比電容量可達(dá)到1000mAh/g。
權(quán)利要求
1.一種高能電池的活性材料，其特征在于該材料包括定向多壁碳納米管、銅粉和聚四氟乙烯粘結(jié)劑三種組分，其重量比為1∶2～5∶3。
2.按照權(quán)利要求1所述的高能電池的活性材料，其特征在于所述的定向多壁碳納米管外徑分布于30～80nm之間，其內(nèi)徑分布于10～40nm之間。
全文摘要
一種高能電池的活性材料，涉及一種電化學(xué)儲氫技術(shù)。該材料包括定向多壁碳納米管、銅粉和聚四氟乙烯粘結(jié)劑三種組分，其重量比為1∶2～5∶3。本發(fā)明以定向多壁碳納米管作為活性物質(zhì)，混合銅粉和粘結(jié)劑進(jìn)行電化學(xué)儲氫，獲得了顯著的儲氫性能，比電容量可達(dá)到1000～1625mAh/g。同目前已報(bào)道的各種碳納米管電化學(xué)儲氫相比較，儲氫量高，充放電電流大，充放電時間短，實(shí)際應(yīng)用性強(qiáng)。
文檔編號H01M4/36GK1404174SQ0213084
公開日2003年3月19日 申請日期2002年10月11日 優(yōu)先權(quán)日2002年10月11日
發(fā)明者郝東暉, 朱宏偉, 張先鋒, 李延輝, 吳德海, 徐才錄 申請人:清華大學(xué)