泡沫鎳基底上直接生長碳納米管來制備電池電極的方法技術

本發明專利技術提供了一種泡沫鎳基底上直接生長碳納米管來制備電池電極的方法，包括以下步驟：選用泡沫鎳做碳納米管化學氣相沉積反應的催化與基底材料，對泡沫鎳基底進行化學和超聲清潔；設置CVD反應裝置，并在CVD反應裝置中對泡沫鎳基底直接進行碳納米管的化學氣相沉積生長，生長溫度600?900°C時，該碳氫氣體與載氣的流量比為（10?40sccm):(100?400sccm)，生長壓力在1?760Torr，生長時間1?30min。本發明專利技術的優點是對增強電池器件的性能起到了顯著的作用，CNT?泡沫鎳基底的比表面積和電化學活性有明顯提高，基于CNT?泡沫鎳基底的鎳氫電池循環壽命性能顯著改善。

Method for preparing battery electrode by directly growing carbon nanotube on foamed nickel base

The invention provides a nickel foam substrate direct growth of carbon nanotube preparing method of battery electrode, which comprises the following steps: catalytic and substrate material selection of nickel foam carbon nanotubes chemical vapor deposition, chemical and ultrasonic cleaning on nickel foam substrate; CVD reactor, gas and chemical growth in CVD the reaction device of nickel foam substrate directly by carbon nanotube deposition, growth temperature of 600 at 900 C, the hydrocarbon gas and carrier gas flow ratio (10 40sccm (100): 400sccm), growth pressure in 1 760Torr, 1 30min growth time. The advantages of this invention is to a significant role to enhance the performance of the battery device, CNT nickel foam substrate surface area and electrochemical activity increased significantly, the performance cycle life of Ni MH battery CNT nickel foam substrate based on improved.

【技術實現步驟摘要】
泡沫鎳基底上直接生長碳納米管來制備電池電極的方法
本專利技術屬于碳納米管應用領域，具體是指泡沫鎳基底上直接生長碳納米管來制備泡沫鎳電池電極的方法。
技術介紹
泡沫鎳具有優異的催化活性、呈多孔結構、表面積大，在鎳氫電池、超級電容器等多種電池能源器件中，泡沫鎳是制備電池電極的重要材料。提高泡沫鎳的催化活性、多孔性、導電性等，對于增強電池器件的性能有重要意義。碳納米管（CNTs)具有典型的層狀中空結構特征、較高的長徑比、高機械強度、穩定的化學性質，使得它在電池能源器件領域的應用得到廣泛關注和研究。因此，將CNTs與泡沫鎳相結合，是提高相關電池能源器件性能的一條有效途徑。在現有技術中，泡沫鎳上生長CNTs的工藝中，常用的手段是先沉積一層催化劑，再經CVD進行CNTs生長。受CNTs生長機制的制約，因而這種方法存在一些固有缺陷，包括：（1）在結構性能方面，CNT-催化金屬薄膜-基底之間難以形成強烈有機的結合，在不同的應用條件沖擊下，CNT薄膜易脫落，直接影響器件的性能和壽命；（2）CNT-催化金屬薄膜-基底結構的導電性能不佳，影響電子、能源等器件的性能；（3）CNT-催化金屬薄膜-基底結構的非緊密結合會造成較大的熱耗散，不但會直接影響能源器件的效率等特性，還會加速器件的老化。
技術實現思路
本專利技術的目的是為了克服現有技術存在的缺點和不足，而提供一種泡沫鎳基底上直接生長碳納米管來制備泡沫鎳電池電極的方法。通過該方法碳納米管在泡沫鎳基底上生長均勻、晶體性好、與基底結合力強且工藝步驟簡單高效，從而提高了其作為泡沫鎳電池電極的性能。為實現上述目的，本專利技術的技術方案包括以下步驟：⑴選用泡沫鎳做碳納米管化學氣相沉積反應的催化與基底材料，對泡沫鎳基底進行化學和超聲清潔；⑵設置CVD反應裝置，并在CVD反應裝置中對泡沫鎳基底直接進行碳納米管的化學氣相沉積生長，所述CVD反應裝置包括管式爐、設置于管式爐一側的進氣通道、以及設置于管式爐另一端的真空抽氣泵，將泡沫鎳基底用耐高溫托盤承載、放置在管式爐中間，用真空抽氣泵將管式爐抽至壓強<1Torr的真空狀態，同時對管式爐進行加熱，并向石英爐內通入載氣，當管式爐加熱溫度達到600-900°C時，向爐中通入適當流量比的碳氫氣體，該碳氫氣體與載氣的流量比為（10-40sccm):(100-400sccm)，并控制反應爐內的壓力在1-760Torr，開始1-30min的碳納米管生長，生長結束后，停止加熱，關閉碳氫氣源，維持載氣通入，讓反應爐降溫至室溫，取出樣品。進一步設置是所述的步驟（1)和（2)之間還設置有泡沫鎳基底的陽極化處理，選用酸性溶液，以泡沫鎳基底為正極，選用耐腐蝕導體作負極，在兩極間加以1-100V的固定電壓，持續0.1-10分鐘，陽極化處理后對泡沫鎳基底進行化學、超聲清洗。進一步設置是所述的碳氫氣體為乙炔、甲烷、乙烯。進一步設置是所述的步驟（2)中碳納米管的生長溫度為625℃，生長壓力為30Torr，生長時間10min。本專利技術的基本原理是利用泡沫鎳本身的鎳催化功能，使碳氫氣體在泡沫鎳基底上直接催化分解出碳原子并生長形成碳納米管。通過本專利技術的工藝參數，控制碳氫氣體的類型、氣體流量、生長壓力、反應溫度等因素，制備與基底結合性能優異的CNT-泡沫鎳結構。本專利技術的方法的有益效果：1)CNTs與泡沫鎳基底結合性能好。在適當的工藝條件下，CNTs可從泡沫鎳內部長出，與基底有機而非常強烈地結合，機械性能優異，有利于改進器件的性能和壽命；2）本專利技術所述制備的CNT-泡沫鎳結構導電性能優異、熱耗散低，改善了器件的電學、熱學等性能；3）能夠在泡沫鎳多孔結構內部均勻生長CNTs，，有效提高泡沫鎳基底的比表面積和催化活性；4）工藝簡潔，省略了金屬沉積步驟，便于工業化應用。附圖說明圖1是本專利技術具體實施例所述制備的碳納米管在泡沫鎳基底上SEM50倍放大形貌圖圖2是本專利技術具體實施例所述制備的碳納米管在泡沫鎳基底上SEM1000倍放大形貌圖圖3是本專利技術具體實施例所述制備的碳納米管在泡沫鎳基底上SEM20000倍放大形貌圖圖4是基于本專利技術所制備的CNT-泡沫鎳的鎳氫電池負電極截面SEM圖。具體實施方式下面通過實施例對本專利技術進行具體的描述，只用于對本專利技術進行進一步說明，不能理解為對本專利技術保護范圍的限定，該領域的技術人員可根據上述專利技術的內容對本專利技術作出一些非本質的改進和調整。實施例在該CVD反應裝置中進行含鎳金屬基底上直接生長碳納米管并制備鎳氫電池電極的方法，包括以下步驟：（1）對含鎳金屬基底進行化學、超聲清洗，本實施例該含鎳金屬基底為泡沫鎳；（2)設置CVD反應裝置，并在CVD反應裝置中對含鎳金屬基底進行碳納米管的化學氣相反應生長，所述CVD反應裝置包括石英加熱爐、設置于石英加熱爐一側的進氣通道、以及設置于石英加熱爐另一端的真空抽氣泵，將含鎳金屬基底用石英托盤承載、放置在石英加熱爐中間，用真空抽氣泵將石英加熱爐抽至壓強<1Torr的真空狀態，同時對石英加熱爐進行加熱，并向石英爐內通入載氣，當石英加熱爐加熱溫度達到625°C時，向爐中通入適當流量比的碳氫氣體，該碳氫氣體與載氣的流量比為20sccm:200sccm,并控制反應爐內的壓力在0.5Torr，開始10min的碳納米管生長，生長結束后，停止加熱，關閉碳氫氣源，維持載氣通入，讓反應爐降溫至室溫，取出樣品。試驗例利用掃描電鏡JE0L6700研究了CNTs在泡沫鎳表面的形貌。圖1-3為在壓力30torr、625°C、10min條件下泡沫鎳生長的CNTs的SEM形貌圖。從圖中可以看出，碳納米管在表面分布均勻致密，取向無序，相互糾纏，管徑約在50nm左右。對上述條件所制備的CNT-泡沫鎳在電池器件中的應用進行了研究，應用干粉末滾壓技術，制備了鎳氫電池電極，圖4為負電極的SEM截面圖。如圖4中所示，細長的CNTs穿插在活性材料之間，以枝干的形式有效增強了活性材料的聚合性、強化了活性物質與基底間粘合力，起到了減緩電池循環過程中活性物質脫落的作用，并增加材料的導電性，從而增加電池放電比容量，延長了電池循環壽命。本申請通過CVD直接生長技術，在泡沫鎳基底上直接生長CNTs，對增強電池器件的性能起到了顯著的作用，CNT-泡沫鎳基底的比表面積和電化學活性有明顯提高。在鎳氫電池應用中，穿插在活性材料之間的CNTs有效增強了活性材料的聚合性、強化了活性物質與基底間粘合力，有效延長了電池的循環壽命；同時，CNTs與基底直接連接，增加電極活性材料的導電性，降低了電池內阻，增加了電池放電比容量。本文檔來自技高網...

【技術保護點】
泡沫鎳基底上直接生長碳納米管來制備電池電極的方法，其特征在于，包括以下步驟：⑴選用泡沫鎳做碳納米管化學氣相沉積反應的催化與基底材料，對泡沫鎳基底進行化學和超聲清潔；⑵設置CVD反應裝置，并在CVD反應裝置中對泡沫鎳基底直接進行碳納米管的化學氣相沉積生長，所述CVD反應裝置包括管式爐、設置于管式爐一側的進氣通道、以及設置于管式爐另一端的真空抽氣泵，將泡沫鎳基底用耐高溫托盤承載、放置在管式爐中間，用真空抽氣泵將管式爐抽至壓強<1?Torr的真空狀態，同時對管式爐進行加熱，并向石英爐內通入載氣，當管式爐加熱溫度達到600?900°C時，向爐中通入適當流量比的碳氫氣體，該碳氫氣體與載氣的流量比為（10?40sccm)?:?(100?400sccm)，并控制反應爐內的壓力在1?760Torr，?開始1?30min的碳納米管生長，生長結束后，停止加熱，關閉碳氫氣源，維持載氣通入，讓反?應爐降溫至室溫，取出樣品。

【技術特征摘要】
1.泡沫鎳基底上直接生長碳納米管來制備電池電極的方法，其特征在于，包括以下步驟：⑴選用泡沫鎳做碳納米管化學氣相沉積反應的催化與基底材料，對泡沫鎳基底進行化學和超聲清潔；⑵設置CVD反應裝置，并在CVD反應裝置中對泡沫鎳基底直接進行碳納米管的化學氣相沉積生長，所述CVD反應裝置包括管式爐、設置于管式爐一側的進氣通道、以及設置于管式爐另一端的真空抽氣泵，將泡沫鎳基底用耐高溫托盤承載、放置在管式爐中間，用真空抽氣泵將管式爐抽至壓強<1Torr的真空狀態，同時對管式爐進行加熱，并向石英爐內通入載氣，當管式爐加熱溫度達到600-900°C時，向爐中通入適當流量比的碳氫氣體，該碳氫氣體與載氣的流量比為（10-40sccm):(100-400sccm)，并控制反應爐內的壓力在1-760Torr，開始1-3...

【專利技術屬性】
技術研發人員：余興華，易秋珍，鐘建夫，朱濟群，
申請(專利權)人：常德力元新材料有限責任公司，
類型：發明
國別省市：湖南,43