一種基于碳納米管自支撐復合膜的制備方法
【技術領域】
[0001 ]本發明屬于電極材料領域，更具體地，涉及一種基于碳納米管自支撐復合膜的制備方法。
【背景技術】
[0002]為了解決人類面臨的能源短缺問題，發展可再生能源技術成為21世紀必須解決的關鍵技術之一。一方面，人們積極開發太陽能、水能、風能等可再生能源來替代一次性的化石燃料；另一方面，開發經濟實用、綠色環保的電化學儲能裝置實現高效的能源管理，以減輕化石燃料的使用所帶來的嚴重污染問題。在各種儲能裝置中，電化學儲能轉換效率高以及環境友好等優點，在新能源發電系統、分布式儲能系統、新能源汽車和軍事航天設備等方面具有廣泛的應用。
[0003 ]傳統工藝制備的電極，所使用的粘合劑PVDF和PTFE會阻礙電子在電極中的傳輸，不利于高倍率性電容的發展。如何避免傳統工藝的使用，制備高電導性的自支撐膜不僅對超級電容器和鋰電池，也對基于催化的燃料電池有重要意義。
【發明內容】
[0004]針對現有技術的以上缺陷或改進需求，本發明的目的在于提供一種基于碳納米管自支撐復合膜的制備方法，其中通過對其關鍵工藝步驟譬如前驅體的組成及其制備方式、碳納米管的添加量、退火溫度及時間等進行改進，與現有技術相比能夠有效解決無機導電薄膜電導性差的問題，能夠減少粘合劑的添加量(甚至可以完全不添加)，進一步提高薄膜的電化學性質;并且該方法利用碳納米管自支撐效果，通過對制備參數的優化，得到的復合薄膜具有良好的形貌，可作為電極材料用于超級電容器中，便于大規模生產應用。
[0005]為實現上述目的，按照本發明的一個方面，提供了一種基于碳納米管自支撐復合膜的制備方法，其特征在于，包括以下步驟:
[0006](I)將納米材料作為第一分散質加入到第一分散劑中，攪拌分散后得到第一分散系;該第一分散系中所述第一分散質的質量百分數不小于0.05%;將碳納米管、松油醇和乙基纖維素加入到第二分散劑中，攪拌分散后得到第二分散系；該第二分散系中所述碳納米管的質量百分數不小于0.05%;
[0007](2)將所述步驟(I)得到的所述第一分散系和所述第二分散系兩者按體積比為3:5?1:1的比例混合，攪拌分散后得到前驅體；
[0008](3)將所述步驟(2)得到的所述前驅體加熱蒸發分散劑后得到漿料，將所述漿料涂刷在基板上，并將所述基板在200°C?450°C退火即得到基于碳納米管自支撐復合膜。
[0009]作為本發明的進一步優選，所述步驟(I)中的所述第一分散系和所述第二分散系均經過超聲波細胞粉碎機處理，所述處理時間均為20min?60min。
[0010]作為本發明的進一步優選，所述步驟(I)和所述步驟(2)中的攪拌均是在400r/min?800r/min的轉速下攬摔12h?48h。
[0011]作為本發明的進一步優選，所述第二分散系中所述松油醇和所述乙基纖維素的質量百分數均不小于0.05 %。
[0012]作為本發明的進一步優選，所述步驟(3)的漿料是將所述步驟(2)中的所述前驅體在60°C?90°C加熱2h?6h得到的。
[0013 ]作為本發明的進一步優選，所述步驟(I)中的納米材料為V2O5納米材料。
[0014]作為本發明的進一步優選，所述步驟(I)中的納米材料為納米線、納米管、納米片和納米球中的一種或多種。
[0015]作為本發明的進一步優選，所述第一分散劑和所述第二分散劑為去離子水、甲醇和乙醇中的一種。
[0016]作為本發明的進一步優選，所述步驟(3)中退火的升溫速率為5°C/min?10°C/min,所述退火的保溫時間為2h?4h。
[0017]作為本發明的進一步優選，所述基板為玻璃片、陶瓷片或硅片。
[0018]通過本發明所構思的以上技術方案，與現有技術相比，由于采用碳納米管(即CNT)參與形成前驅體，利用CNT的自支撐效果能夠大大減少無機導電薄膜制備過程中粘合劑的使用量，提高薄膜的電化學性質。通過本發明中基于CNT自支撐薄膜的制備方法制備得到的CNT自支撐薄膜，可大規模生產并用于電化學儲能尤其是超級電容器等應用領域;尤其是當納米材料為V2O5納米材料時，形成的V205/CNT自支撐薄膜可作為電極材料用于超級電容器，且由于其具有特殊的結構特性，可顯示出優異的電化學性能。
[0019]本發明是利用CNT將納米材料再次組裝排列從而得到自支撐薄膜，前驅體中的CNT與納米材料的含量對得到的自支撐薄膜的形貌具有重要影響。本發明采用的前驅體是通過將第一分散系與第二分散系混合而成，其中第一分散系中的分散質(即第一分散質)為納米材料，第二分散系中的分散質包括有CNT，通過將第一分散系與第二分散系兩者按3:5?1:1的體積比混合，混合均勻后即得到前驅體；另外，本發明中的CNT自支撐薄膜是將前驅體適當加熱蒸發去除分散劑(如第一分散劑、第二分散劑)得到漿料，再將漿料涂刷到基板上在200°C?450°C退火得到的，在退火過程中，納米材料會在CNT附近重新排列，并最終得到具有良好形貌與電化學性質的自支撐薄膜。
【附圖說明】
[0020]圖1是本發明實施例1制備薄膜電極材料的SEM圖譜；
[0021]圖2是本發明實施例2制備薄膜電極材料的電化學性能測試圖片。
【具體實施方式】
[0022]為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，并不用于限定本發明。此外，下面所描述的本發明各個實施方式中所涉及到的技術特征只要彼此之間未構成沖突就可以相互組合。
[0023]實施例1
[0024]本實施例中基于碳納米管自支撐復合膜的制備方法，包括以下步驟:
[0025]1、取Ig V2O5分散于30mL乙醇中，500r/min攪拌20h使其分散均勻，隨后用細胞粉碎機1350W下超聲20min得到溶液A;
[0026]2、取Ig CNT(即碳納米管)、2g松油醇和Ig乙基纖維素分散于50mL乙醇中，400r/min攪拌24h使其分散均勻，隨后用細胞粉碎機1440W下超聲20min得到溶液B;
[0027]3、將溶液A和溶液B混合，800r/min攪拌24h攪拌分散得到溶液C;
[0028]4、取60mL溶液C(溶液C的體積還可以是其他值，尤其優選60mL?80mL范圍內的數值)在80°C油浴加熱3h得到濃稠狀漿料；
[0029]5、將步驟4所得漿料刷涂于玻璃基板上，隨后將刷涂漿料的基板置于馬弗爐中5°C/min升溫至450°C退火2h，分離得到V2O5薄膜電極材料。
[0030]本實施例所制備的V205/CNT自支撐薄膜電極的電子掃描圖(SEM)如圖1所示，從圖中可以看出CNT和V2O5均勻混合分散。
[0031]實施例2
[0032]本實施例中基于碳納米管自支撐復合膜的制備方法，包括以下步驟:
[0033]1、取2g V2O5分散于50mL乙醇中，500r/min攪拌24h使其分散均勻，隨后用細胞粉碎機1350W下超聲30min得到溶液A;
[0034]2、取Ig CNT、3g松油醇和1.5g乙基纖維素分散于50mL乙醇中，800r/min攪拌12h使其分散均勻，隨后用細胞粉碎機1440W下超聲30min得到溶液B;
[0035]3、將溶液A和溶液B混合，800r/min攪拌24h攪拌分散得到溶液C;
[0036]4、取60mL溶液C在60°C油浴加熱6h得到濃稠狀