[发明专利]用于超级电容器中无支撑电极的增强型碳纳米管巴基纸及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于新型能源技术领域，涉及一种超级电容器的无支撑电极材料及其制备方法，具体涉及一种导电聚合物-热固性树脂修饰的增强型碳纳米管巴基纸三元复合材料及其制备方法，该材料具有良好的力学性能和优异的电化学性质。

背景技术

超级电容器弥补了电池与电容器之间的差距，成为一种具有快速充放电性能且具有高能量密度的能量存储设备，由于同时拥有效率高、对环境无污染、循环寿命长、使用温度范围宽、安全性高等特点，被广泛应用于移动通讯、信息技术、航空航天和国防科技等领域。

电极材料是超级电容器最为关键的部分，将纳米技术应用于电极材料可提高电化学电容器的能量密度、功率密度和循环寿命等性能。近年来随着电动汽车的逐步市场化，各种便携式电子设备的快速发展，对电极材料的小型化和轻量化的需求不断提高，因此寻求既有高能量密度和高功率密度，又满足便携性的新型的小体积轻重量的无支撑电极材料，是当前超级电容器的重要发展方向。

碳纳米管（CNT）巴基纸定义为：相互缠结在一起的碳纳米管通过管间范德华力组合而成的二维纸状碳纳米管薄膜。具有宏观结构的巴基纸可结合其力学稳定性、韧性、高电导率和热导性以及电化学活性等，表现出特殊的多功能性。巴基纸可以独立承载且具有高导电性和良好力学性能，因此能够作为无支撑电极，节省电极支撑基底的重量。另一方面，巴基纸的开放式微孔结构，使其具有高比表面积，有利于电极与电解液间的离子交换，可大大提高电极电化学活性。与传统的以电介质为基础的电容器相比，这种以无支撑碳纳米管巴基纸为基础构建的电极，允许更高幅度的比电容，同时它还具有新的优良特性，如韧性、可伸缩性和透明性等。

尽管巴基纸具有一定的韧性和易操作等力学性能，但为满足无支撑电极的制备和应用要求，其力学强度，尤其是湿态下的力学性能仍需进一步的提高，因而巴基纸无支撑电极材料暂时还未见于商业应用。实验中我们发现，巴基纸的力学性能依赖于碳纳米管的类型和采用的制备方法，如果不进行进一步改性，它们呈现有限柔性，且在操作制备过程中极易发生破坏，难以控制。有报道指出，通过辐照或共价键结合来进行碳纳米管的管间化学交联，从而产生纳米管束之间强烈的结合作用可以提高巴基纸的强度。然而，由于这种管表面的改性破坏了纳米管的基本共轭结构，导致其电性能大幅下降，难以满足电极材料的需求。因此，如何采用简单有效的方法，在提高巴基纸力学性能的同时保持其良好的电化学性能，成为迫切需要解决的难点技术问题。

发明内容

本发明旨在基于超级电容器的无支撑电极材料的应用要求而设计、制造一种增强型碳纳米管（CNT）巴基纸，该碳纳米管巴基纸是一种导电聚合物-热固性树脂修饰的具有同轴结构的增强型碳纳米管巴基纸三元复合材料。该增强型巴基纸具有超大的比表面积，良好的力学性能和导电性能，以及优良的电荷载体率和高电化学活性。因此，基于本发明的巴基纸无支撑电极材料的超级电容器，可实际应用于诸如电动汽车、脉冲电源和可携式装置等诸多设备中，满足设备柔性、可伸缩性、便携性、小型轻量化等特种需求。

为达到上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种增强型碳纳米管（CNT）巴基纸，为具有三维网络结构的热固性树脂/导电聚合物/CNT巴基纸三元复合材料，其中导电聚合物包覆在CNT束表面形成CNT束捆扎结构，然后再浸渍涂覆热固性树脂涂层，导电聚合物和热固性树脂以同轴结构的形式共同包覆在CNT束表面。

所述的碳纳米管为单壁碳纳米管。

所述的巴基纸中CNT束的直径约为20-30 nm，管束所形成的孔洞直径大约为200-300nm。

本发明还涉及所述增强型碳纳米管巴基纸的制备方法，即一种增强型碳纳米管巴基纸的制备方法，其特征在于，首先采用电化学脉冲聚合法在巴基纸上沉积导电聚合物，在CNT束表面同轴包覆导电聚合物，形成具有CNT束捆扎结构的导电聚合物包覆的巴基纸；再采用真空抽滤浸渍的方法在CNT束表面形成热固性树脂涂层，在CNT束表面形成导电聚合物和热固性树脂同轴共包覆结构的涂层，制得的热固性树脂/导电聚合物/CNT巴基纸三元复合材料即为所述的增强型碳纳米管巴基纸。