勞倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(LLNL)的科學(xué)家們?cè)诮饘俨现圃炝舜怪迸帕械膯伪谔技{米管，這可能是能源存儲(chǔ)和電子工業(yè)的福音。

垂直排列的碳納米管(VACNTs)除了排列結(jié)構(gòu)外，還具有優(yōu)異的機(jī)械、電氣和傳輸性能，這對(duì)于膜分離、熱管理、纖維紡絲、電子互連和能量存儲(chǔ)等應(yīng)用至關(guān)重要。

迄今為止，由于缺乏兼容、經(jīng)濟(jì)的大規(guī)模生產(chǎn)能力，VACNTs與下一代技術(shù)的廣泛集成受到阻礙。高質(zhì)量的VACNTs通常是在剛性、昂貴且電絕緣的硅(Si)或石英晶片等襯底上制成的。

在科學(xué)文獻(xiàn)中探索金屬箔選項(xiàng)后，LLNL團(tuán)隊(duì)轉(zhuǎn)向鉻鎳鐵合金襯底，使他們能夠?qū)ACNTs集成到柔性器件中，消除從Si到其他襯底的轉(zhuǎn)移步驟，并最大限度地減少CNTs和襯底之間界面的電或熱傳輸電阻，這對(duì)電子和儲(chǔ)能應(yīng)用至關(guān)重要。鉻鎳鐵合金是鎳鉻基高溫合金家族，是一種抗氧化耐腐蝕材料，非常適合在承受壓力和高溫影響的極端環(huán)境中使用。相關(guān)研究以“Growth and Performance of High-Quality SWCNT Forests on Inconel Foils as Lithium-Ion Battery Anodes”為題發(fā)表在ACS ?Applied Materials & Interfaces?上。

在這項(xiàng)工作中，作者展示了高質(zhì)量(G/D >6、平均直徑~ 2-3 nm，密度>1012?cm-2) 鉻鎳鐵合金上的VA-SWCNTs，用作鋰離子電池(LIB)陽極。鉻鎳鐵合金625上的 SWCNT 生長(zhǎng)放大至 100 cm2，即使在大氣壓附近進(jìn)行合成時(shí)，也表現(xiàn)出幾乎不變的CNT結(jié)構(gòu)特性，并且這種穩(wěn)健性歸因于由本體氣體混合物中的碳前體擴(kuò)散主導(dǎo)的生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)機(jī)制。在接近大氣壓的大面積金屬基材上生產(chǎn)的SWCNTs 森林具有迄今為止在金屬箔上生長(zhǎng)的文獻(xiàn)中最好的一系列結(jié)構(gòu)特征組合示范之一。利用這些成果在能源應(yīng)用中，作者展示了一種VA-SWCNT LIB 陽極，在1.0C時(shí)容量為>1200 mAh/g，循環(huán)穩(wěn)定超過 300 次。這種在金屬箔上的高質(zhì)量VA-SWCNTs的穩(wěn)定合成，為大規(guī)模生產(chǎn)可用于廣泛的應(yīng)用的高性能碳納米管器件提供了一條有前途的途徑。

“高質(zhì)量碳納米管從傳統(tǒng)Si襯底過渡到金屬箔，為更經(jīng)濟(jì)、大規(guī)模、半連續(xù)和卷對(duì)卷制造多功能碳納米管復(fù)合材料、納米多孔膜和電化學(xué)器件打開了大門，”LLNL科學(xué)家Francesco Fornasiero說，他是該研究的合作者。

在金屬箔上合成高質(zhì)量的單壁碳納米管（SWCNTs）對(duì)于鋰離子電池（LIB）等儲(chǔ)能器件特別有價(jià)值。雖然石墨材料是常見的LIB陽極，但其容量無法滿足快速發(fā)展的儲(chǔ)能需求。

在鉻鎳鐵合金箔上生長(zhǎng)的垂直排列的單壁碳納米管 （VA-SWCNTs）放大樣品的照片和示意圖（插圖）。側(cè)面圖片顯示了基于VA-SWCNTs陽極的半電池，照亮紅色，黃色和綠色LED。來源：勞倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室

“CNTs的高表面積和出色的電子導(dǎo)電性使其成為高容量，高速率電化學(xué)應(yīng)用的主要候選材料，”LLNL科學(xué)家Kathleen Moyer-Vanderburgh說，他是該論文的第一作者?！疤貏e是，在金屬箔上生長(zhǎng)的VA-SWCNTs可以提供一個(gè)無粘合劑的平臺(tái)，在SWCNTs 和集流體之間具有很強(qiáng)的附著力，增強(qiáng)了導(dǎo)電性，并為快速鋰離子擴(kuò)散排列通道。

LLNL團(tuán)隊(duì)在鉻鎳鐵合金上種植了垂直排列的SWCNT森林，用作LIB陽極。團(tuán)隊(duì)成員發(fā)現(xiàn)在廣泛的合成條件和多種金屬基材上碳納米管森林幾乎保持不變的結(jié)構(gòu)性質(zhì)。制備的VA-SWCNT LIB陽極即使在高循環(huán)速率下也表現(xiàn)出數(shù)百次循環(huán)的穩(wěn)定循環(huán)和大容量。

“我們的研究結(jié)果表明，鉻鎳鐵合金上的這些SWCNTs 是高性能電化學(xué)器件的有前途的材料，”LLNL科學(xué)家Jianchao Ye說。

文獻(xiàn)信息：

Kathleen Moyer-Vanderburgh et al, Growth and Performance of High-Quality SWCNT Forests on Inconel Foils as Lithium-Ion Battery Anodes,?ACS Applied Materials & Interfaces?(2022).?DOI: 10.1021/acsami.2c18396

資料來源：phys.org，ACS Applied Materials & Interfaces