自發(fā)現(xiàn)碳納米管以來，關(guān)于碳納米管在二次電池方面應(yīng)用研究就沒有停止過。由于其特殊的管狀石墨結(jié)構(gòu)和獨(dú)特的彈道電子傳導(dǎo)效應(yīng)，碳納米管在室溫下的電導(dǎo)率可高達(dá) 103s/cm/（MK），導(dǎo)熱系數(shù)可達(dá) 5800 W/（MK），MWCNTs （多壁碳納米管）的導(dǎo)熱系數(shù)可達(dá) 3000 W/（MK）。同時(shí)，三維碳納米管陣列的定向生長具有優(yōu)良的力學(xué)性能。
碳納米管的應(yīng)用也是十分廣泛，包括電子領(lǐng)域（晶體管、傳感器等）、生物醫(yī)療領(lǐng)域、航空航天（研究用航天器鏡片、復(fù)合材料增強(qiáng)體、功能材料）、軍事領(lǐng)域（生化防護(hù)服和地雷、爆炸物探測(cè)器）、能源領(lǐng)域（超級(jí)電容器、鋰離子電池和太陽能熱光伏設(shè)備）以及激光器等。今天我們就來了解一下碳納米管在鋰離子電池中的應(yīng)用。
碳納米管作為導(dǎo)電劑應(yīng)用于正極材料中，主要用來提高電池的容量、倍率、循環(huán)等性能。
◆ 鈷酸鋰/碳納米管復(fù)合正極材料
比較了多壁碳納米管(MWCNTs)、 碳黑(CB)和碳纖維(CF) 作為導(dǎo)電劑應(yīng)用于LiCoO2時(shí)電池的性能差異，在2 C的倍率下，LiCoO2/MWCNT電池容量在循環(huán)過程中衰減極小，而含碳黑與碳纖維的電池20圈循環(huán)后分別衰減了10%與30%。測(cè)試顯示含MWCNT電池阻抗最低，電導(dǎo)率最高。
◆ 錳酸鋰/碳納米管復(fù)合正極材料
通過溶液凝膠法法合成了多壁碳納米管/錳酸鋰納米復(fù)合物，復(fù)合材料在20次循環(huán)后容量保持率達(dá)到99%，而純的LiMn2O4納米顆粒20次循環(huán)后的容量保持率為90%，表明復(fù)合材料循環(huán)穩(wěn)定性更好，這是因?yàn)镸WCNT在電極內(nèi)部形成了導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，使電荷轉(zhuǎn)移更為容易，同時(shí)交流阻抗測(cè)試結(jié)果顯示復(fù)合材料的阻抗更低。
◆ 磷酸鐵鋰/碳納米管復(fù)合正極材料
研究了LiFePO4顆粒與MWCNT混合制備成的復(fù)合電極的電化學(xué)性能，掃描電鏡圖顯示一維的MWCNT與LiFePO4顆粒組成了三維網(wǎng)絡(luò)，有效地提高了電子在活性物質(zhì)與集流體間的傳導(dǎo)能力。
◆ 純碳納米管作為負(fù)極材料
碳納米管的獨(dú)特形貌和高比容量十分有利于其在鋰離子電池的應(yīng)用中，當(dāng)鋰離子能插入管間時(shí)，電極容量會(huì)大大提升。所以有人嘗試直接用碳納米管作負(fù)極材料。
將模板法合成的碳納米管制備成了納米多孔碳膜，使得碳納米管管內(nèi)管外均能被鋰離子嵌入。碳納米管薄膜電極表現(xiàn)出了490m Ah·g-1。
碳納米管的結(jié)構(gòu)及其石墨化程度決定了碳納米管薄膜的比容量與循環(huán)壽命。低度石墨化的碳納米管表現(xiàn)出更高的比容量，但穩(wěn)定性差于高度石墨化的碳納米管。這是由于鋰往往優(yōu)先插入到低石墨化的區(qū)域，如石墨層邊界或單層石墨的表面。然而，石墨化的碳納米管在溶鋰能力上總體優(yōu)于非晶碳納米管。不同制備條件導(dǎo)致碳納米管的不同微觀結(jié)構(gòu)和化學(xué)組分，因而決定了其電化學(xué)性能。
但是由于碳納米管的比表面積較大，當(dāng)其直接作為負(fù)極材料時(shí)，SEI膜的形成導(dǎo)致首圈的比容量損失巨大，使得碳納米管最終容量十分有限。所以人們不得不想辦法將碳納米管與其他材料復(fù)合，來提升材料性能。
◆ 碳納米管復(fù)合物負(fù)極材料
碳納米管的化學(xué)惰性使它在許多化學(xué)反應(yīng)中仍能保持其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，于是許多研究者在碳納米管上原位生長負(fù)極材料來合成復(fù)合材料電極。為了成功的制備碳納米管復(fù)合材料電極，需要克服碳納米管之間的范德華吸引力，因此表面分散劑或弱氧化劑是必不可少的，它們能減弱碳納米管之間的相互作用。原位生長的負(fù)極材料包覆在碳納米管的表面使其得到了進(jìn)一步的表面修飾，這既促進(jìn)了碳納米管的分散又加強(qiáng)了碳納米管與電極材料間的化學(xué)作用力。
此外研究者還嘗試制備了二氧化錫/碳納米管復(fù)合負(fù)極材料、過渡金屬氧化物/碳納米管復(fù)合負(fù)極材料，都成功的提高了電極材料的電化學(xué)性能，為大容量、高穩(wěn)定的鋰離子電池發(fā)展提供了可能的解決方案。
