碳纳米管在电池领域中的潜在应用

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1、碳纳米管在电池领域中的潜在应用邹汉波*作者简介：邹汉波（1976－），女，湖北人，华南理工大学博士生，研究方向燃料电池;董新法（1964－），男，河南人，华南理工大学副教授，研究方向燃料电池；林维明（1942－），男，广东人，华南理工大学教授，博士生导师，研究方向燃料电池。联系人email:zouhbb2000@163.com，董新法，林维明（华南理工大学化工学院，广东广州51064）摘要扼要介绍了碳纳米管的结构，详细地叙述了碳纳米管在电池领域的潜在应用。碳纳米管是一种具有发展前途的储氢材料，它具有较高的储氢量，能够反复的进行吸放氢的

2、可逆过程；作为锂离子电池的电极材料，碳纳米管具有高于石墨的嵌锂容量和良好的循环性能；在碳纳米管上沉积贵金属制成燃料电池的催化剂，能减少贵金属的用量、降低催化剂的颗粒尺寸和提高催化剂的性能。关键词碳纳米管;电池;储氢材料;电化学贮锂;燃料电池中图分类号：TM911，O613.71文献标识码：APotentialapplicationsofcarbonnanotubesinbatteryZOUHan-bo,DONGXin-fa,LINWei-ming(CollegeofChemicalEngineering,SouthChinaUnive

3、rsityofTechnology,GuangzhouGuangdong510640,China)AbstractThestructureofcarbonnanotubesandtheirpotentialapplicationsinbatteryareintroduced.Carbonnanotubes,withhighhydrogenstorageperformance,candothereversibleadsorption/absorptionprocesses.AselectrodematerialforLi-ionbatt

4、ery,carbonnanotubeshaveahigherlithiumcapacityandcyclingperformancethangraphite.Thecatalystfortheuseoffuelcell,preparedbydepositingnoblemetaloncarbonnanotubes,candecreasethemassofnoblemetal,reducethesizeofcatalystandimprovethecatalystcapability.Keywordscarbonnanotubes;ba

5、ttery;hydrogen–storagematerial;electrodeofLi-ionbattery;fuelcell自1991年日本的饭岛（Iijima）博士[1]发现了碳纳米管（carbonnanotubes，CNTs）以来，CNTs就一直是炭素界和物理界等研究的前沿和重点。鉴于CNTs的纳米级尺寸和规则的微观结构，科学家们预测CNTs具有一些特殊的物化性质，可以作为储氢材料、电极材料、催化剂载体等，CNTs的这些性质在电池领域中存在着潜在的用途。1.碳纳米管的结构CNTs又称巴基管，属富勒碳系，它是由单层或多层石墨片卷

6、曲而成的无缝、中空的纳米级管。每片纳米管是一个碳原子通过SP2杂化与周围三个碳原子完全键合而成的、由六边形平面组成的圆柱面[2]。根据CNTs中碳原子层数的不同，CNTs大致可以分为两类：单壁碳纳米管（SWNTs）和多壁碳纳米管（MWNTs）。宏观形态的SWNTs在通常情况下是成束出现的，而MWNTs一般不成束，所以与MWNTs不同，SWNTs产生了三种不同层次的孔径结构：纳米尺度的开口中空管腔（0.4～5nm）、CNTs束中管间的狭长孔隙（～0.4nm）和CNTs束之间形成的堆积孔（～100nm）。而MWNTs一般只具有两种孔径结构

7、，即纳米级的中空管内腔（3～4nm）和尺度较大的管间堆积孔（20～40nm）[3]。2.碳纳米管在电池领域中的应用2.1储氢材料6经济、安全的氢储存介质是氢燃料在交通系统中使用的关键部分。美国能源部（DOE）氢计划[4]中规定商业重复使用的氢吸附标准为6.5%（重量比）或者体积密度为63KgH2/m3。储氢合金是70年代发展起来的一种储氢材料，其优点是体积储氢密度大、安全性好，但是储氢量约为自重的1%～4%[5]，这限制了它在未来的车用储氢系统中的应用。近年来CNTs作为新型的储氢材料已经引起广泛的关注。Dillon等人[4]研究了未

8、经提纯处理的SWNTs的储氢性能，从相关的结果推算，纯净的SWNTs的储氢能力可达5%～10%（wt%，下同）。1998年，美国的Ye等人[6]报道在80K下SWNTs的储氢量可达8.25%。Chen等人[7]发现掺杂碱