1991年日本NEC公司的飯島純雄(SumioIijima)首次利用電子顯微鏡觀察到中空的碳纖維，直徑在幾納米到幾十個(gè)納米之間，長度為數(shù)微米，甚至毫米，稱為“碳納米管”(簡稱CNT)。理論分析和實(shí)驗(yàn)觀察發(fā)現(xiàn)它是一種由六角網(wǎng)狀的石墨烯片卷成的具有螺旋周期管狀結(jié)構(gòu)。正是由于飯島的發(fā)現(xiàn)引發(fā)了碳納米管研究的熱潮和近十年來碳納米管科學(xué)和技術(shù)的飛速發(fā)展。

一、碳納米管的物理性質(zhì)碳納米管的抗拉強(qiáng)度達(dá)到50~200GPa，是鋼的100倍，密度卻只有鋼的1/6，高強(qiáng)度的特性使它可作為超細(xì)高強(qiáng)度纖維，也可作為其它纖維、金屬、陶瓷等的增強(qiáng)材料。由于碳納米管的結(jié)構(gòu)與石墨的片層結(jié)構(gòu)相似，所以被看成具有良好導(dǎo)電性能的一維導(dǎo)線。一維碳納米管具有非常大的長徑比，大量熱是沿著長度方向傳遞的，它的熱導(dǎo)性優(yōu)于金剛石。

1、碳納米管的導(dǎo)電性碳納米管、導(dǎo)電石墨、碳纖維具有完整的石墨化結(jié)構(gòu)，材料本征體電阻率相當(dāng)。然而，一維碳納米管的管徑更細(xì)，具有非常大的長徑比(表1)，在電極中具有更豐富的導(dǎo)電通路，在復(fù)合材料中表現(xiàn)出最低的逾滲閾值，由此為鋰電池帶來多種優(yōu)越性能：(逾滲閾值定義：導(dǎo)電劑在基體中形成連續(xù)的導(dǎo)電通路或網(wǎng)絡(luò)所需的臨界用量)

(1)顯著降低電池內(nèi)阻。提高電池的快速充電效率和高倍率放電性能。降低電池發(fā)熱量，延長電池壽命。提高電池的低溫性能。

(2)大幅度降低導(dǎo)電劑用量，相應(yīng)降低粘接劑用量，提高克容量發(fā)揮，提高電池的能量密度。

以某種高分子材料為基體，對(duì)比不同導(dǎo)電劑的逾滲閾值。數(shù)據(jù)顯示，當(dāng)形成連續(xù)的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，碳納米管的逾滲閾值僅為其他導(dǎo)電劑的10%~20%。

2、碳納米管的比表面積碳納米管的比表面積是其他導(dǎo)電劑的3~10倍。較大比表面積使電池極片具有更高的吸液量和更好的持液能力，有利于電池的使用壽命。

二、碳納米管在鋰電池電極中的分散碳納米管只有均勻分散在電極中，才能達(dá)到良好的導(dǎo)電效果。由于碳納米管極易團(tuán)聚，需要將碳納米管借助合適的分散劑和分散設(shè)備進(jìn)行預(yù)分散，碳管極大程度的單分散于NMP有機(jī)溶劑中，制成導(dǎo)電漿。在使用時(shí)，將添加碳管導(dǎo)電漿的電池漿料采用常規(guī)行星攪拌機(jī)攪拌即可。導(dǎo)電漿組分見表2。

碳納米管均勻分散于活性材料之間，或均勻包覆在活性材料表面，搭建成豐富的三維導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，而不是類似導(dǎo)電碳黑的點(diǎn)接觸導(dǎo)電形式，因此電極具有更好的導(dǎo)電性。

三、碳納米管對(duì)鋰電池電極導(dǎo)電性的影響和其他商業(yè)化導(dǎo)電劑相比，達(dá)到相同導(dǎo)電性，碳納米管的用量可降低到其他導(dǎo)電劑的20%~50%。以LiFePO4、LiCoO2為例，比較不同導(dǎo)電劑對(duì)極片體電阻率(四點(diǎn)法測試)的影響。

碳納米管用量為導(dǎo)電碳黑的30%左右。

在LiFePO4電極中，添加2%CNT的極片電阻率，與5~6%導(dǎo)電碳黑相當(dāng)。在LiCoO2電極中，添加0.7~0.8%CNT的極片電阻率，與2%導(dǎo)電碳黑相當(dāng)。

四、碳納米管應(yīng)用于鋰離子電池2009年12月，Cnano碳納米管開始在國內(nèi)大型鋰電池公司批量應(yīng)用，應(yīng)用方向?yàn)長iFePO4EV電池和消費(fèi)類電子產(chǎn)品。應(yīng)用意義有兩方面，第一，降低導(dǎo)電劑和粘接劑用量，提高材料克容量發(fā)揮，從而提高電池能量密度，此優(yōu)勢在手機(jī)電池等消費(fèi)類產(chǎn)品中體現(xiàn)顯著。第二，降低電池發(fā)熱量，提高倍率性能和循環(huán)性能。適用于電動(dòng)工具、LiFePO4EV或HEV電池。

以下以實(shí)例講述碳納米管對(duì)電池性能的影響。

1、降低電池內(nèi)阻，提高電池功率密度(8AhLiFePO4疊片軟包電池)導(dǎo)電劑用量可降低約50%，同時(shí)直流內(nèi)阻降低15%-25%，功率密度提高15%-30%。碳納米管可較大程度上提高電池功率性能。

2、降低LiFePO4電池放熱量(14AhLiFePO4疊片軟包電池，對(duì)比試驗(yàn))由于電池內(nèi)阻明顯降低，同時(shí)碳納米管有良好導(dǎo)熱性，由此電池溫度降低顯著。10C放電溫度從68℃降低為49℃。

3、提高電池快速充電效率(8AhLiFePO4疊片軟包電池)電池內(nèi)阻減少30%，恒流充電效率提高顯著。

4、20Ah疊片式軟包電池(引自Aleees檢測報(bào)告)碳納米管和AleeesM121LiFePO4材料搭配應(yīng)用，電池具有出色的性能。材料克容量發(fā)揮高，倍率性能和循環(huán)性能優(yōu)異。

4.1電池參數(shù)AleeesM121LiFePO4材料，20Ah疊片式軟包電池，單面面密度120mg/cm?，壓實(shí)密度2.1~2.15g/cm?，電極配比1%CNT+3%SP+1%KS6+4%PVDF5130+91%LiFePO4，極片SEM見圖2。

4.2性能測試(1)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)克容量發(fā)揮進(jìn)一步提高，電池內(nèi)阻降低(2)倍率放電性能電池具有較高的功率密度。9C的放電效率100.03%，放電平臺(tái)非常平穩(wěn)。

(3)1C循環(huán)性能由以下循環(huán)圖可知，電芯的循環(huán)容量衰減率很小，724周容量僅衰減了2.5%，理論上推測電芯的循環(huán)壽命，可以達(dá)到5000多周。

碳納米管是納米材料中開發(fā)價(jià)值最高的納米材料之一，目前已在鋰離子電池、導(dǎo)電塑料領(lǐng)域廣泛商業(yè)化應(yīng)用。同時(shí)，由于碳納米管所具有的獨(dú)特性能，各國研究人員廣泛開展了碳納米管在儲(chǔ)氫材料、超級(jí)電容器、平板顯示器、傳感器、信息存儲(chǔ)等領(lǐng)域的應(yīng)用開發(fā)。隨著研究領(lǐng)域新的發(fā)現(xiàn)，碳納米管的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)?huì)越來越廣，其蘊(yùn)藏的潛在的巨大經(jīng)濟(jì)價(jià)值將隨著人們對(duì)它的認(rèn)識(shí)的不斷加深而充分體現(xiàn)出來