气溶胶技术制备碳纳米管交织纳米晶粒结构的储能复合材料及其形成机制研究

Carbon nanotubes have unique physicochemical and mechanical properties, making them as promising materials in energy storage. However, due to the hydrophobic properties, CNTs are easy to aggregate, which leads to their phase separation in preparation of their nanocomposites. It highly compromises the utilization of their properties. This project intends to use aerosol-spray drying process to achieve heteroassembly of carbon nanotubes and electrochemical active nanocrystals, where lithium iron phosphate and silicon nanocrystals will be used as cathode and anode model materials respectively. By tuning surface tension of aerosol droplets during drying process, it will be able to prepare a class of hierarchically structured energy-storage particles consisting of CNT-interweaved-nanocrystals. Based on experimental results and theoretical calculation, the project will find the key factor that affects the interweaved structure and clarify its formation mechanism. The implementation of this project will extend aerosol spray drying technique to prepare carbon nanotube-based nanocomposites, and more specifically, to produce interweaved energy-storage nanocomposites, which can provide advanced materials and effective technique toward high-performance lithium-ion batteries.

碳纳米管具有优异的物理化学和力学性能，在能源材料领域具有广泛的应用前景。但是，由于其强烈的疏水特性， 碳纳米管容易团聚，因此在其和其他电化学储能材料复合的过程中经常遇到分相的问题，这会限制其性能的发挥。本研究课题采用气溶胶喷雾干燥技术，以磷酸铁锂和硅分别作为正、负极模型材料，实现碳纳米管和相应的电化学活性纳米晶粒的异质组装，通过对喷雾干燥过程中气溶胶液滴表面张力的调控，制备一类碳纳米管交织活性材料的纳米复合材料结构，结合理论计算，探讨形成该交织结构的关键因素，并阐明其形成机制，该研究结果可望开发气溶胶喷雾干燥技术在碳纳米管复合材料制备中的新应用，并且获得碳纳米管交织结构的纳米复合材料，为高性能锂离子电池的开发应用提供先进材料和技术途径。

碳纳米管疏水的特性使其特别容易团聚，因此在和其他储能材料复合的过程中经常遇到分相的问题，制约着其在能源领域的应用。本研究通过采用高速流体剪切分散技术实现了碳纳米管的高效分散，得到的碳纳米管分散液能够稳定的存放半年以上，分散液的浓度能够达到~10 mg/mL。进一步，本研究采用气溶胶喷雾干燥技术，以磷酸钒锂和硅分别作为正、负极材料，实现了碳纳米管和相应电化学活性纳米颗粒的异质组装，并阐明了其形成机制。. 在此基础之上，我们考察了Li3V2(PO4)3/CNT复合材料和Si@C@CNT复合材料在锂电池中的应用。（1）我们采用真空抽滤的方法制备了Li3V2(PO4)3/CNT柔性电极并作为锂离子电池的正极；在1.3 A/g的大电流下进行充放电，30 和 60 µm 厚的Li3V2(PO4)3/CNT柔性电极的可逆放电容量分别达到 130和122 mAh/g，分别相当于Li3V2(PO4)3理论容量的98 %和92 %。（2）我们将Si@C@CNT复合纳米颗粒和自己制备的多孔石墨烯材料以2:8的质量比进行机械混合后得到Si@C@CNT-多孔石墨烯复合负极材料，实现了锂离子电池的快充快放。在4 A/g的大电流下进行充放电，Si@C@CNT-多孔石墨烯电极的可逆放电容量仍然可达到 620 mAh/g；在800 mA/g的电流下循环200圈后容量保持率仍然在84%。. 总的看来，本研究的实施有力地推进了气溶胶喷雾干燥技术在碳纳米管复合材料制备中的新应用，为高性能锂离子电池的开发应用提供先进材料和技术途径。