【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及材料，具体涉及一种可用于电池中的碳纳米管材料和制备方法。
技术介绍
1、导电剂在电化学领域较为重要，导电剂具备优良的电子传导作用，提高电池容量、循环性能、降低内阻等。
2、碳纳米管作为常用导电剂的成分，具有许多优异的力学、电学和磁学等性能，在很多的领域内具有非常广泛的应用。如碳纳米管具有优良的耐热、耐腐蚀、耐冲击、耐高温、导电和传热性能好和生物相容性等综合性能。早在1992-1993年就已经发现碳纳米管可以作为储氢材料、光学材料、燃料电池的电极材料等。
3、现有技术中，因为需提高电池活性材料颗粒的导电性，常常会加入碳纳米管，但碳纳米管较难分散，匀浆制程比较耗时，容易导致电池电性能一致性差，所以实际应用时碳纳米管含量占比一般较少(约占活性物质质量的0.5-2％)，但当电池需要长时间充放电时，或者当遇到活性材料导电性较低时，少量的碳纳米管难以维持电池性能，因此，需要开发活性位点尽可能多的碳纳米管，即使加入低含量碳纳米管也可以构建快速的电子传输网络，提升电池电性能发挥。
技术实现思路
1、本专利技术针对现有技术中的问题，公开了一种形貌可调节的碳纳米管材料，本专利技术碳纳米管材料直径小、比表面积大、孔隙结构多、活性位点多，且管径分散均匀，不仅可以构建电子传输网络，还可以提高吸液速率，混合其他材料使用时还可以抑制材料膨胀，尤其是螺旋形碳纳米管，形成螺旋角的地方都会产生新的异向结构位点，进一步提高导电活性，并且均匀合适的螺旋角和螺距当负载其他材料时可以进一
2、本专利技术是通过以下技术方案实现的：
3、本专利技术提供一种碳纳米管材料，所述碳纳米管材料可调节为弯曲形或螺旋形，所述碳纳米管材料的端口处存在金属纳米颗粒，所述碳纳米管材料为中空结构。
4、本专利技术的上述设计，本专利技术的中空碳纳米管材料可调节其形貌特征，能实现碳纳米管材料在较少添加量的前提下，电子传输网络的进一步搭建。通过调节碳纳米管螺旋度，实现不同活性位点和比表面积，有利于提升碳纳米管材料的导电性和电解液吸液率；碳纳米管管径分布均匀，可以避免材料团聚有利于分散，最终仅需少量添加就可以改善电池的电阻、倍率性能和循环性能。碳纳米管材料端口处的金属纳米颗粒是本专利技术碳纳米管材料形成的成核位点。本专利技术碳纳米管原位合成过程中，可以通过控制合成条件，使碳纳米管的形貌可控为直线形、弯曲形、不同程度地螺旋形，且螺旋形时螺距较均匀，螺旋角随着螺旋圈数的多少而变化从而维持碳纳米管的稳定性。当碳纳米管用于硅材料提高导电性时，由于硅材料相比于碳材料导电性差且膨胀高，所以螺旋程度高的碳纳米管更有利于提高硅材料导电性和抑制膨胀；当碳纳米管用于含过渡金属正极活性材料时，由于正极膨胀相对较小，且导电性需求小于硅材料，因此碳纳米管为直线形、弯曲形或者低程度螺旋形时即可满足性能需求；当碳纳米管用于含硫正极时，和硅负极机理类似，高程度螺旋形的形貌优势更高。
5、作为进一步方案，所述碳纳米管材料的直径为5nm-100nm。有利于提升碳纳米管的电性能的同时，还有利于碳纳米管材料实现弯曲。
6、作为更进一步方案，所述碳纳米管材料的直径为20nm-40nm。
7、作为进一步方案，所述碳纳米管材料的螺距为90nm-100nm。合适的螺距不仅容易实现碳纳米管卷曲后的稳定性，还能避免螺距太小时造成导电材料团聚难分散影响电池内阻，螺距太大时当和活性材料混合后不能进一步缩小活性材料颗粒间距，造成粘结剂用量增加，电池内阻增大。
8、本专利技术中碳纳米管材料的螺距表示相邻两螺旋以螺旋圈平面的中心对应两点间的直线距离。
9、作为进一步方案，所述碳纳米管材料的螺旋角为30°-120°。
10、本专利技术中碳纳米管材料的螺旋角表示的是以管端口处为生长起点，近直线的碳纳米管生长过程中偏移直线方向开始弯曲生长形成的弯曲角，依次出现的螺旋形弯曲角可分别表示为θ1、θ2、θ3。
11、作为进一步方案，所述碳纳米管材料的长径比为3-1000。长径比过小时，性能类似球形颗粒状导电剂，导电电池性能减小；长径比过大时，纳米管结构容易不稳定。
12、作为进一步方案，所述金属纳米颗粒的直径与碳纳米管材料的管直径比为(1-1.5):(1-1.5)。两者直径相近，使金属颗粒稳定连接于碳纳米管端口，通过稳定地化学键作用，促进更长的螺旋形貌形成。
13、作为进一步方案，所述碳纳米管材料可共用同一端口，同一端口连接的碳纳米管材料之间可相互交叉或缠绕。
14、作为进一步方案，所述金属纳米颗粒包括过渡金属中的一种或多种。
15、作为更进一步方案，所述金属纳米颗粒包括铜和铁中的一种或多种。
16、本专利技术还提供了所述碳纳米管的制备方法，所述制备方法包括：
17、s1：将碳源、氮源、过渡金属盐溶液混合均匀，可选地，还可以加入磷源、氟源；干燥后得到固体前驱体；
18、s2：将s1得到的固体前驱体研磨后在惰性气体下煅烧，得到碳纳米管材料前驱体；
19、s3：将s2得到的碳纳米管材料前驱体和亲电试剂溶液及质子酸溶液混合一定时间、过滤后得到本专利技术的碳纳米管材料。
20、本专利技术的方法中，碳源、氮源、过渡金属盐高温煅烧，得到非螺旋形且偏短直的碳纳米管(cnt)，然后在亲电试剂加质子酸的共同作用下处理得到最终碳纳米管材料产物。高温煅烧时碳源还原过渡金属盐生成了金属纳米颗粒，氮源会生成含氮的多元环碎片(如五元、六元、七元甚至更多元)或者含氮的不规则碎片。过渡金属和氮形成配位键，吸附更多含氮的碳碎片向金属纳米颗粒迁移并逐渐生长，在此过程中也会形成其他不规则结构的碎片或颗粒，s3步骤中经过亲电试剂、质子酸混合处理，使没有形成管的颗粒、链状、不规则环状碎片进一步通过化学键的断裂和重组促使纳米管稳定形成具有一定螺旋度的弯曲形，甚至形成不同程度地稳定的螺旋状。此外，在s3步骤中把管中的缺陷位点通过碎片填充，且金属络合效应使得原本分开的管子促使结合到一起，使管延长，形貌更密集、均匀，且多重键能综合协调作用使碳纳米管交联形成稳定的结构。可选地，s1中还可以加入氟源、磷源等物质，极性作用下可以进一步促进化学键的断裂和生成。
21、作为进一步方案，所述s1中的碳源包括生物质碳源、碳粉、石墨烯和活性炭中的一种或多种。
22、作为进一步方案，所述s1中氮源包括含氮杂环及其衍生物、胍盐衍生物中的一种或多种；
23、作为进一步方案，所述金属盐包括含有过渡金属的硝酸盐、氯化盐、醋酸盐中一种或几种的组合盐；所述过渡金属包括铁、钴、镍、铜、锰中的一种或多种；
24、作为更本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种碳纳米管材料，其特征在于，所述碳纳米管材料可通过调节使所述碳纳米管形状为弯曲形或螺旋形，所述碳纳米管材料的端口处存在金属纳米颗粒，所述碳纳米管材料为中空结构。
2.根据权利要求1所述的一种碳纳米管材料，其特征在于，所述碳纳米管材料的直径为5nm-100nm；
3.根据权利要求1所述的一种碳纳米管材料，其特征在于，所述碳纳米管材料的螺距为90nm-100nm。
4.根据权利要求1所述的一种碳纳米管材料，其特征在于，所述碳纳米管材料的螺旋角为30°-120°；
5.根据权利要求1所述的一种碳纳米管材料，其特征在于，所述金属纳米颗粒包括铁、钴、镍、铜、锰中的一种或多种；
6.权利要求1-权利要求5任一项所述的碳纳米管的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述S1中的碳源包括生物质碳源、碳粉、石墨烯和活性炭中的一种或多种；
8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述S1中碳源、氮源、过渡金属盐中含碳、氮、金属元素摩尔量比为(5-20):(
9.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述S3中处理的温度为10℃-100℃，反应时间为1h-20h；
10.一种具有权利要求1-权利要求5任一项所述的碳纳米管或权利要求6-权利要求9任一项所述的制备方法获得的碳纳米管的极片、电池或电化学装置。
...【技术特征摘要】
1.一种碳纳米管材料，其特征在于，所述碳纳米管材料可通过调节使所述碳纳米管形状为弯曲形或螺旋形，所述碳纳米管材料的端口处存在金属纳米颗粒，所述碳纳米管材料为中空结构。
2.根据权利要求1所述的一种碳纳米管材料，其特征在于，所述碳纳米管材料的直径为5nm-100nm；
3.根据权利要求1所述的一种碳纳米管材料，其特征在于，所述碳纳米管材料的螺距为90nm-100nm。
4.根据权利要求1所述的一种碳纳米管材料，其特征在于，所述碳纳米管材料的螺旋角为30°-120°；
5.根据权利要求1所述的一种碳纳米管材料，其特征在于，所述金属纳米颗粒包括铁、钴、镍、铜、锰中的一种或多种；
6.权利要...
【专利技术属性】
技术研发人员：余亮，请求不公布姓名，请求不公布姓名，请求不公布姓名，
申请(专利权)人：天目湖先进储能技术研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：
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