[发明专利]垂直排列碳纳米管的制造方法以及使用这些纳米管作为电极的电化学电容器

说明书

一种包括位于基底上的垂直排列碳纳米管(VACNT)的复合材料，其特征在于，所述复合材料包括沉积于纳米管的外表面上的额外无序碳。该额外碳不是无定形的，而是包括石墨区域。可在催化剂的存在下，在常压下通过CVD法在金属基底上制备该复合材料。该复合材料可用作诸如超级电容器之类的电子和电工装置中的电极。

技术领域

本发明涉及电力电容器，更特别是涉及电化学双层电容器，以及这种电容器的制造方法。更特别地，这些电容器为超级电容器。本发明还涉及在基底上沉积垂直排列碳纳米管(VACNT)的方法，该方法可用于制造电化学双层电容器。更特别地，本发明涉及金属基底上的VACNT垫(mat)的化学气相沉积(CVD)方法。

背景技术

电化学双层(超级)电容器在很早之前便为人所知。电化学双层(超级)电容器包括由隔膜分隔开并浸渍于电解质中的负极和正极。这种电容器基于电容机制：电荷吸附于各电极上，从而产生双电化学层。

人们试图降低这些装置的串联电阻，串联电阻会使得每次充电和每次放电时的电能转化为热；各固/固界面和固/液界面会导致产生串联电阻。因此，电极必须具有大的接触面积和良好的本征电导率。这些超级电容器通常使用各种形式的碳电极。众多工作优化了形成电极的碳材料的性质。

举例来说，专利文献WO 03/038846(Maxwell Technologies)描述了一种电化学双层电容器，其包括由碳粉末制成的电极，也就是与金属集电体接触的导电性炭黑粉末的第一层以及与包含于多孔隔膜中的液体电极接触的活性炭的第二层。这些碳粉末一般来说包含有机粘结剂。专利文献WO 2007/062126和US 2009/0290288(Maxwell Technologies)描述了包含导电性碳、活性炭和有机粘结剂的混合物的电极。

现在设想使用基于碳的纳米结构材料，并且在W.Gu和G.Yushin的文章“Review ofnanostructured carbon material for electrochemical capacitor applications:advantages and limitations of activated carbon，carbide-derived carbon，andgraphene”(WIRE Energy Environ 2013，doi:10.1002/wene.102)中给出了详细讨论。在设想作为用于超级电容器的电极的纳米结构碳材料中，已知的有碳纳米管(NTC)，尤其是垂直排列碳纳米管(VACNT)。

市场上存在的超级电容器通常具有较长的使用寿命(数百万次循环)和高功率密度。其主要问题在于储存的能量小。CNT的比表面积通常远小于活性炭；因此，基于CNT(甚至基于垂直排列碳纳米管(VACNT))的超级电容器的原型在每单位表面积上无法储存足够的能量以具有产业价值。

由于排列CNT的电容很小，以至于仅依靠其自身难以提供有效的储存性能，因此设想用导电性聚合物型材料覆盖排列CNT；这在专利文献WO 2012/004317中进行了描述。另一超级电容器概念涉及所谓的赝电容效应，该效应尤其与氧化还原反应、嵌入和电吸附有关。因此，文献中描述了使用聚合物电极的超级电容器，这些聚合物电极表现出了电子电导率并且能够显示出氧化还原行为。设想在具有高比表面积的导电性碳基底上使用涂层形式的这些聚合物。例如，在Vlad等人发表于Sci.Rep.6，22194；doi:10.1038Isrep22194(2016)中的出版物“Carbon Redox-Polymer-Gel Hybrid Super-capacitors”中对此进行了描述。