江西理工大學(xué)《ACS ANM》高品質(zhì)單壁碳納米管，用鋰離子電池陰極

1成果簡介

單壁碳納米管（SWNTs）憑借其卓越的電學(xué)和力學(xué)性能，在高性能鋰離子電池中作為導(dǎo)電劑展現(xiàn)出巨大潛力。然而其合成過程對溫度極為敏感，常導(dǎo)致結(jié)構(gòu)缺陷和分散性差，這些問題嚴重阻礙導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的形成并影響電池性能穩(wěn)定性。因此，精確的溫度控制對提升SWNTs質(zhì)量及促進其實際應(yīng)用至關(guān)重要。本文，江西理工大學(xué)Shengwen Zhong、Jingwei Hu等研究人員在《ACS Appl. Nano Mater.》期刊發(fā)表名為“High-Quality Single-Walled Carbon Nanotubes for Lithium-Ion Battery Cathodes”的論文，研究采用二茂鐵與升華硫混合催化劑，系統(tǒng)探究反應(yīng)溫度對SWNTs合成的影響。制備出鐵含量低且均勻的SWNTs漿料，并以LiFePO4作為正極材料評估合成的SWNTs電化學(xué)性能。

拉曼光譜與BET測定揭示了高質(zhì)量SWNT生長的最佳溫度窗口異常狹窄。1000℃條件下獲得石墨化程度高、缺陷密度低且比表面積大的單壁碳納米管。較低溫度僅能生成多壁碳納米管，而過高溫度則導(dǎo)致單壁碳納米管性能持續(xù)退化。1000℃條件下合成的單壁碳納米管即使在0.2 wt%的超低負載量下，仍顯著降低了磷酸鐵鋰電極的電荷轉(zhuǎn)移電阻，賦予電極卓越性能。該高效可控的合成策略為單壁碳納米管的穩(wěn)定大規(guī)模生產(chǎn)奠定了堅實基礎(chǔ)。

2圖文導(dǎo)讀

圖1. Schematic diagram of SWNT growth and the experimental setup.

圖2. (a) Raman spectra of synthesized SWNTs and MWNTs at different temperatures. Magnified RBM peak (b), N2 adsorption–desorption isotherms (c), and corresponding pore size distribution curves (d) of carbon nanotubes synthesized at different temperatures: 900 °C-MWNTs, 1000 °C-SWNTs, 1050 °C-SWNTs.

圖3. SEM images of carbon nanotubes synthesized at different temperatures: (a-c) MWNTs at 900 °C, (d-f) SWNTs at 1000 °C, (g-i) SWNTs at 1050 °C.

圖4. TEM images: (a-c) 1000 °C-SWNTs, (d-f) 1050 °C-SWNTs, (g-i) 900 °C-MWNTs.

圖5. (a) Initial constant-current charge–discharge curve at 0.1 C, (b) rate performance, (c) EIS performance, (d) cycling performance at 0.5 C.

圖6. Discharge curves at various current densities and CV curves at different scan rates for (a) 900 °C-MWNTs@LFP, (b) 1000 °C-SWNTs@LFP, (c) 1050 °C-SWNTs@LFP, and (d) SP@LFP.

3小結(jié)

通過在氬/氫氣氛中采用甲烷作為碳源、二茂鐵/硫催化劑，利用FCCVD法研究了合成溫度對單壁碳納米管的影響。該工藝在1000℃條件下可制備出缺陷密度低、比表面積大、長徑比高的優(yōu)質(zhì)單壁碳納米管。經(jīng)酸洗去除金屬雜質(zhì)后，通過超聲處理與分散劑將單壁碳納米管制備成均勻?qū)щ姖{料。單壁碳納米管（SWNTs）能有效包裹并連接磷酸鐵鋰（LFP）顆粒，形成以SWNTs為骨架的連續(xù)三維導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)。該結(jié)構(gòu)賦予電池卓越的高倍率性能，顯著提升快充能力，降低內(nèi)阻并提高LFP電池的能量密度。相較于多壁碳納米管（MWNTs）和石墨粉（SP），SWNTs展現(xiàn)出更優(yōu)異的性能。本研究開創(chuàng)了SWNTs可擴展的連續(xù)合成路線，極大推動了高性能LFP電池的發(fā)展進程。該方法在優(yōu)化應(yīng)用方面具有巨大潛力，有望應(yīng)用于新一代高能量密度鋰離子電池系統(tǒng)。

文獻：

https://doi.org/10.1021/acsanm.5c04492

來源：材料分析與應(yīng)用