制作由碳纳米结构细丝支撑的自立式电极的方法技术

本发明专利技术题为“制作由碳纳米结构细丝支撑的自立式电极的方法”。本公开涉及用于由液体分散体生产碳纳米管和电极活性材料的复合物的方法。如此生产的复合物可以用作没有粘结剂或集流体的自立式电极。而且，本公开的方法可以允许更具成本效益的生产同时提供对纳米管负载和复合物厚度的控制。

【技术实现步骤摘要】
制作由碳纳米结构细丝支撑的自立式电极的方法
技术介绍
单壁碳纳米管(SWNT)作为各种基质中的添加剂已成为最密集研究的应用领域之一，这是由于它们优异的电气和机械性能以及高纵横比，这对于复合物是至关重要的。在各种应用中，将SWNT用作用于电池电极的性能增强的添加剂是非常有希望的。混合技术的核心基于液体工艺并且包括所需的五个步骤：a)纳米管的合成，b)纳米管分散在适当溶剂中(去聚集)，c)纳米管表面的官能化(防止聚集)，d)与粘合剂混合，和e)与活性材料混合(制备浆液)。这些偏好不仅昂贵，而且还会劣化纳米管性能；例如，通过球磨、超声处理等进行分散导致纵横比的不可避免减小和缺陷的引入，并且因此需要更多的纳米管负载(重量％)以改善性能。
技术实现思路
在一些实施方案中，本公开涉及制作自立式电极的方法，该方法包括提供包含碳纳米管或碳纤维和液体介质的液体分散体；以及将碳纳米管或碳纤维从液体分散体湿沉积到移动衬底(该衬底预沉积有电极活性材料)上，以形成包含碳纳米管或碳纤维和电极活性材料二者的复合物。在一些实施方案中，本公开涉及制作自立式电极的方法，该方法包括提供包含碳纳米管或碳纤维和第一液体介质的第一液体分散体；提供包含电极活性材料和第二液体介质的第二液体分散体；并且同时将第一液体分散体和第二分散体湿沉积到移动的衬底上以形成复合物。在一些实施方案中，本公开涉及一种制作自立式电极的方法，该方法包括提供包含碳纳米管或碳纤维、电极活性材料和液体介质的单一液体分散体；以及将单一液体分散体湿沉积到移动的衬底上以形成复合物。r>附图说明附图与说明书一起示出了示例性实施方案，并且与说明书一起用于解释这些实施方案的原理。图1是示出了制作自立式电极的示例性方法(方法I)的示意性框图。图2是示出了制作自立式电极的示例性方法(方法II)的流程框图。图3是示出了制作自立式电极的示例性方法(方法III)的流程框图。图4示出了与集流体耦接的示例性碳纳米管合成反应器。图5示出了用于将碳纳米管从集流体中的液体分散体湿沉积到多孔衬底的示例性方法(方法I)。图6示出了用于将碳纳米管和电极活性材料从两个分离的液体分散体共沉积到多孔衬底的示例性方法(方法II)。图7示出了用于将碳纳米管和电极活性材料同时从单一液体分散体湿沉积到多孔衬底的示例性方法(方法III)。图8示出了根据本公开合成的碳纳米管的示例性拉曼表征。图9示出了根据本公开合成的碳纳米管的示例性导数热重量分析(DTG)和热重量分析(TGA)。具体实施方式本公开提供了用于制作自立式电极的方法。还提供的是包括纳米管和电极活性材料的混合物的自立式电极。在一个实施方案中，通过以下方式来制备自立式电极：首先提供包含碳纳米管(或碳纤维)的液体分散体和包含电极活性材料的分离的液体分散体，并将电极活性材料湿沉积到移动的多孔衬底，然后将碳纳米管或碳纤维湿沉积到多孔衬底上的电极活性材料层上。所得到的电极活性材料和碳纳米管的复合物(诸如单壁纳米管和多壁纳米管)可以从多孔衬底上移除或剥离以形成自立式电极。衬底可以由任何类型的过滤材料或它们的混合物制成。衬底材料的示例包括纤维素、布料、以及允许收集固体和溶液/滤液通过的任何类型的材料。在一个实施方案中，自立式电极通过以下方式来制作：提供包含碳纳米管(或碳纤维)和电极活性材料两者的液体分散体，并且将组合的液体分散体湿沉积到移动的多孔衬底上。所得到的电极活性材料和碳纳米管的复合物(诸如单壁纳米管和多壁纳米管)可以从衬底上移除或剥离以形成自立式电极。在另一实施方案中，通过以下方式来制备自立式电极：首先提供包含碳纳米管(或碳纤维)的液体分散体和包含电极活性材料的单独的液体分散体，并且同时将碳纳米管或碳纤维和电极活性材料湿沉积到移动的多孔衬底上。所得到的电极活性材料和碳纳米管的复合物(诸如单壁纳米管和多壁纳米管)可以从衬底上移除或剥离以形成自立式电极。本公开涉及用于使用液体工艺将碳纳米管(或碳纤维)和电极活性材料沉积在移动的多孔衬底上来制作用于锂离子电池的自立式电极的方法。将来自合成反应器的碳纳米管(诸如，单壁纳米管和多壁纳米管)收集并分散到液体介质中以形成纳米管悬浮液或分散体。将所得的纳米管悬浮液/分散体从容器直接沉积到附接到辊对辊系统的多孔柔性衬底上。所得到的沉积层包含均匀分散在活性电极材料中的纳米管。独立控制纳米管和活性材料沉积速率允许调节纳米管与活性材料的比率(重量％)。所获得的复合物的厚度可以例如通过对于给定沉积速率改变衬底运动速度来控制。复合物的厚度也可以例如通过改变沉积时间和通过改变纳米管/活性材料比率来控制。与复合物的厚度相关联的电气特性和机械特性可以相同的方式控制。可以将复合物从多孔衬底上移除，并且该层是自支承的、柔性的，并且可以被切割成任何期望的尺寸。复合物可以用作无任何附加粘结剂或集流体(氧化铝或铜，取决于电极类型)的电极。对该电极的利用提供了增加电池的能量密度和功率密度的机会。此外，使用分离源进行纳米管和活性材料粉末沉积以及实现辊对辊系统可以允许控制纳米管负载(重量％)和复合物厚度。而且，本公开的方法可以连续运行，并且可以提供成本效率。此外，上述方法不仅适用于制作和湿沉积单壁碳纳米管，而且还适用于制作和湿沉积多壁碳纳米管或碳纤维。适用于将碳纳米管或碳纤维湿沉积到多孔衬底上的系统包括辊对辊系统、批至批系统(即，非移动衬底)和半连续(半移动)系统。上述方法中的湿沉积多孔衬底可以任选地被洗涤和干燥。在一个实施方案中，经洗涤的多孔衬底的干燥温度为约110℃。用于制备上述液体分散体的合适材料至少包括碳纳米管和碳纤维。另外，碳纳米管包括单壁纳米管、多壁纳米管、或它们的混合物。如本文所用，“电极活性材料”是指电极中的导电材料。术语“电极”是指离子和电子在其中与电解质和外部电路交换的电导体。“正电极”和“阴极”在本说明书中是同义使用的，并且是指在电化学电池中具有较高电极电势(即高于负电极)的电极。“负电极”和“阳极”在本说明书中是同义使用的，并且是指在电化学电池中具有较低电极电势(即低于正电极)的电极。阴极还原是指化学物质获得(多个)电子，而阳极氧化是指化学物质失去(多个)电子。图4示出了与集流体100耦接以生产液体碳纳米管分散体的碳纳米管反应器10A。应当理解，碳纳米管合成反应器的构型不旨在以任何方式受到限制。如图4所示，纳米管可以在反应器10A中合成。例如，碳源或碳前体130连同催化剂可以在存在一个或多个载体气体20A和21的情况下由泵22泵送到反应器10A中以形成碳纳米管。例如，将包含氢气20A和21和氩气21的载体气体流引入到反应器10A中以与碳源或碳前体共混。氢气也可以用作纳米管生长促进剂。在一个示例中，碳纳米管(诸如，单壁纳米管和多壁纳米管)可以通过在管状反应器10A中使用金属催化剂前体的热分解、使用烃(或COx)作为碳源、以及使用噻吩和氢气作为纳米管生长促进剂并且使用氩气作为载体气体来合成。适用于与本公开一起使用的载本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种制作自立式电极的方法，所述方法包括：/n提供包含碳纳米管或碳纤维和液体介质的液体分散体；以及/n将所述碳纳米管或所述碳纤维从所述液体分散体湿沉积到移动衬底上以形成包含所述碳纳米管或所述碳纤维和电极活性材料二者的复合物，所述衬底预沉积有所述电极活性材料。/n

【技术特征摘要】
20190124 US 62/796,512;20190227 US 16/287,6211.一种制作自立式电极的方法，所述方法包括：
提供包含碳纳米管或碳纤维和液体介质的液体分散体；以及
将所述碳纳米管或所述碳纤维从所述液体分散体湿沉积到移动衬底上以形成包含所述碳纳米管或所述碳纤维和电极活性材料二者的复合物，所述衬底预沉积有所述电极活性材料。


2.根据权利要求1所述的方法，还包括从所述衬底移除所述复合物以形成自立式电极。


3.根据权利要求1所述的方法，还包括压缩所述复合物。


4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述碳纳米管选自单壁碳纳米管、多壁纳米管、以及它们的混合物。


5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述碳纳米管包括单壁碳纳米管。


6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述液体介质包含选自水、醇、乙醇、NMH、以及它们的混合物的溶剂。


7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述液体分散体还包含表面活性剂。


8.根据权利要求1所述的方法，其中，所述电极活性材料选自Ni、Mn、Co、Al、Mg、Ti、Li的氧化物以及它们的任何混合物。


9.根据权利要求1所述的方法，其中，所述电极活性材料包括锂镍锰钴氧化物。


10.根据权利要求1所述的方法，其中，所述碳纳米管在与集流体耦接的合成反应器中产生，
所述集流体包含所述液体介质以捕集在所述合成反应器中产生的所述浮置碳纳米管，并且
所述合成反应器包含金属催化剂前体、碳源、纳米管生长促进剂和载体气体。


11.根据权利要求10所述的方法，其中，所述碳源选自烃、一氧化碳、二氧化碳、以及它们的混合物；其中所述纳米管生长促进剂选自噻吩和氢气；并且其中所述载体气体选自氩气、氢气、氮气、以及它们的混合物。


12.一种制作自立式电极的方法，所述方法包括：
提供包含碳纳米管或碳纤维和第一液体介质的第一液体分散体；
提供包含电极活性材料和第二液体介质的第二液体分散体；以及
同时将所述第一液体分散体和所述第二分散体湿沉积到移动的衬底上以形成复合物。


13.根据权利要求12所述的方法，还包括从所述衬底移除所述复合物以形成自立式电极。


14.根据权利要求12所述的方法，还包括压缩所述复合物。


15.根据权利要求12所述的方法，其中，所述碳纳米管选自单壁碳纳米管、多壁纳米管、以及它们的混合物。


16.根据权利要求15所述的方法，其中，所述碳纳米管包括单壁碳纳米管。


17.根据权利要求...

【专利技术属性】
技术研发人员：阿韦季克·R·哈鲁特云岩，
申请(专利权)人：本田技研工业株式会社，
类型：发明
国别省市：日本;JP