碳纳米管的树藤状多级自组装及其储能应用

AM碳纳米管是一种一维管状纳米碳材料,具有优异的力学、热学、电学、光学性能以及广泛的应用。根据其管壁数的不同,碳纳米管可以分为多壁碳纳米管和单壁碳纳米管。其中,多壁碳纳米管具有优异的导电性以及机械性能,然而其较低的比表面积(< 200 m2/g)限制了其在超级电容器、锂硫电池等需求高比表面积材料的领域的应用;单壁碳纳米管具有较高的比表面积(> 1000 m2/g),然而其往往极容易聚并而难以形成有效地三维导电网络。这些问题使得碳纳米管在储能、催化、复合材料、电子器件等领域应用时宏观性能大打折扣。发展一类将单壁和多壁碳纳米管有效结合的新概念与有效方法是促进碳纳米管性能利用最大化的关键。

为了攻克纳米材料性能难表达的难关,清华大学化工系张强、魏飞教授研究组发展了树藤状碳纳米管这种纳米材料新的多级自组装结构。该课题组使用层状双羟基金属氢氧化物(LDHs)为催化剂前驱体,制备出粒径呈双峰分布的催化剂纳米颗粒。在化学气相沉积过程中,小粒径的催化剂纳米颗粒(< 3 nm)催化单壁碳纳米管的生长;与此同时,大粒径的催化剂纳米颗粒(> 3 nm)促进了多壁碳纳米管的生长。为实现生长过程中二者生长速度匹配,小直径的单壁碳纳米管自发地缠绕在多壁碳纳米管表面,形成树藤状碳纳米管。在该树藤状结构中,单壁碳纳米管(藤蔓)提供较高的比表面积以及大量的活性位点以促进该材料与活性物质的有效解除;多壁碳纳米管(树木)则提供三维的长程导电网络,可以促进电子的传输。树藤状的组装模式可以将单壁和多壁碳纳米管在应用中的优势有效结合,实现性能最优化。这种树藤状碳纳米管比表面积高达650 m2/g,孔体积高达1.6 cm3/g,在锂硫电池储能中体现了优异的性能。如果将该材料用于锂硫电池正极,锂硫电池的可逆容量可高达1418 mAh/g,相比磷酸铁锂(170mAh/g)等锂离子电池正极材料,其活性材料容量大幅度提高。即使在循环450次后,其在1 C的电流密度下的可逆容量仍可保持530 mAh/g,单圈容量衰减率仅有~0.08 %/cyc。比起普通的单壁和多壁碳纳米管,以及活性炭、多孔碳、普通石墨烯等碳材料,该报道中的树藤状碳纳米管更加容易实现与活性物质硫的强力结合的同时并提供高效导电网络及畅通的离子通道,使得其所得的锂硫电池的容量、循环性能、以及倍率性能都得到明显提升。基于树藤状碳纳米管的锂硫电池的能量密度和功率密度也显著优于商用锂离子电池,从而使其在个人电子产品、电动汽车、以及大规模储能中存在巨大潜在应用。张强指出,这种树藤状碳纳米管材料还有望在环境保护、纳米复合材料、电子器件以及个人健康等方面获得有效地应用。这种基于仿生学的树藤状结构并不局限于碳纳米管,也适用于发展其它一维纳米材料,从而为纳米材料特性在宏观特性得到充分体现提供了新概念支持。