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鄒小姐：13326633089 -
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作為一種結構特殊的新型碳材料，碳納米管具有優異的機械性能和電化學性能，一直在各領域備受關注。在鋰電池的應用中，碳納米管作為導電劑時，其獨特的網絡結構不僅能夠有效地連接更多的活性物質，出色的電導率也可以大幅降低阻抗。此外，較大長徑比的碳納米管具有更大的比表面積，與傳統導電劑 Super P、石墨相比，它只需很少的添加量便足以在電極內組建高效的三維高導電網絡并達到提升電池能量密度的目標。
因此，更深入的研發新型碳納米管導電劑是未來重點關注的方向。據權威部門統計，到2023年碳納米管導電劑在中國鋰離子動力電池市場的滲透率將達到 82.2%
碳納米管的類型
從結構上看，碳納米管是蜂巢狀的一維納米空心管，其中每層的碳納米管的側壁是由碳原子通過sp2雜化，與周圍3個碳原子鍵合成在一個平面的六邊形。
根據石墨層數量，碳納米管可以分成單壁碳納米管（SWCNT）和多壁碳納米管（MWCNT）。單壁碳納米管是由單層石墨烯構成，多壁碳納米管則是由兩層及以上石墨烯組成，層與層之間由范德華力連接。
單壁碳納米管（SWCNT）和多壁碳納米管（MWCNT）
大多數SWCNT的直徑范圍在0.4~3 nm之間，約為人類頭發的1/50000，而長度則可以擴展到其直徑的幾百萬倍。碳納米管的形貌對其性能有著巨大的影響，其直徑、管壁數、長度、缺陷程度等一直是行業內制備研究的重點。
碳納米管的制備
迄今為止，工廠合成的碳納米管產品大多數仍以多壁碳納米管為主，但不同廠家的生產技術卻大不相同。現階段幾種常見的碳納米管制備技術包括：電弧放電法、激光蒸發法、化學氣相沉積法和火焰法。
1. 電弧法
碳納米管最開始的出現是在用石墨電弧法制備富勒烯的過程意外所得，其后研究者便使用石墨電弧法制備碳納米管，其后又改進開發出了催化電弧法。
電弧法是在惰性氣氛的腔體中施加高壓，通入電流使兩極激發出電弧，電弧放電產生高溫，不斷消耗陽極石墨棒，含碳納米管的樣品沉積在陰極上。
電弧法制備碳納米管
電弧法的特點是簡單,制得的碳納米管結晶度高，但產量較低，且由于電弧溫度高，形成的碳納米管燒結后會形成束, 其中存在很多難分離的雜質。
2. 激光蒸發法
激光蒸發技術和電弧放電方法的原理和機理相似，但是輸入的能源不同，在激光蒸發方法中，所需能量由激光提供。
激光束的熱量使石墨靶蒸發生成氣態碳，氣態碳在催化劑的作用機制下，激發產生碳原子或原子團在保護性氣體中相互碰撞而形成碳納米管。
激光蒸發法示意圖
與電弧法比較,激光蒸發法純度更高,制備的碳納米管很少有無定形碳存在，管徑分布更加均勻,產率也比電弧法高，更容易實現碳納米管的可控操作。利用激光蒸發法可大規模地生成碳納米管,但其能耗高，設備昂貴，這極大地制約了它的應用。
3. 化學氣相沉積法
化學氣相沉積法(CVD)，是采用Fe、Co、Ni等金屬及混合物為催化劑，在惰性氣體和碳源氣體的氣氛條件下加熱到一定溫度后生長碳納米管，大致過程為碳源在催化劑表面裂解，沉積析出的碳原子再擴散形成碳納米管。
根據制備過程中催化劑狀態的不同，化學氣相沉積法可分為固定床與流化床兩種，固定床生長方法中反應溫度和催化劑的還原程度對碳納米管的生長存在顯著的影響，其他因素包括氣體組分與流量等。固定床與流化床法并沒有本質的區別，只是催化劑由于載體的穩化作用而處于固態。
化學氣相沉積法示意圖：a)流化床；b)固定床
該技術的優勢在于制備的碳納米管純度和產率都比較高，流化床生長法具有碳源和催化劑可連續供給的特點，容易進行大規模的生產,產率較高，因此商業化的多壁碳納米管大部分均為流化床化學氣相沉積法制得。
4. 火焰法
在火焰合成方法中，催化劑和碳源在高燃的火焰中進行成核并快速生長碳納米管，整個操作過程簡單且用時短，在該方法中最特別的是只需通過調節火焰參數就能獲得所需的碳納米管，然而，對火焰法的研究周期并不長，故目前還局限于實驗室研發未能投入到工業化生產。
碳納米管的應用問題
除了生產過程中需要嚴格控制形貌以獲得符合要求性能的碳納米管產品外，碳納米管在實際使用中，往往表現出納米材料的共性——極易團聚。
碳納米管團聚的原因主要有兩種，分別是納米顆粒間的團聚效應和一維材料間的纏繞團聚現象。前者指的是當顆粒材料達到納米尺寸其團聚效應顯著增加，團聚體內顆粒的相互吸引力也明顯增大，從而導致碳管難以分散；后者指的是由于碳納米管較大的長徑比容易糾纏粘結在一起，形成很大的團聚體。
從團聚機理出發，目前主流的分散方法都滿足二個充分必要條件：①破壞碳管糾纏粘結狀態：一般使用物理或化學的方法例如高能球磨和強酸洗滌將碳納米管剪短，從而去除碳管糾纏粘結狀態。②克服團聚體之間的強吸附力：通過添加合適的分散劑，可以使碳納米管團聚體分散開。
生產應用中碳納米管產品往往制成漿料形式，以提高碳納米管導電劑的分散性。
碳納米管漿料
目前大部分工廠制備的碳納米管都是纏繞狀的，盡管能通過一定的分散手段能適當降低團聚現象，但終究會影響一定的使用效果，添加量也受到限制，現階段大部分企業生產的團聚碳納米管已很難滿足人類納米科技產品迅速發展的需求，因此消除碳納米管之間的團聚從而繼續擴展碳納米管的應用領域，研發整齊排列的碳納米管已成為未來研究中重點關注的方向。
總結
關于碳納米管做為導電劑的研究已經取得了諸多成果，在鋰離子電池材料迅猛發展的今天，碳納米管在電極材料中的使用一定會越來越廣泛，同時也會有更
多的問題出現，為了應對這些潛在的問題，需要有新的理念和工藝不斷拓寬對碳
納米管導電劑的研究。
參考來源：
1. 碳納米管（CNTs）作為鋰離子電池負極和導電劑的應用，高紅旭（天津大學材料學院）；
2. 碳納米管的合成及其作為導電劑在鋰離子電池正極材料中的應用研究，田豐（江西理工大學）；
3. 新型碳納米管的制備及其在鋰離子電池導電劑方面的應用研究，杜軒（華中科技大學）。
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