碳納米管，又名巴基管，是一種具有特殊結(jié)構(gòu)的一維量子材料。碳納米管主要由單層或多層石墨片繞中心按一定角度卷曲而成的同軸中空無縫管狀結(jié)構(gòu)，其管壁大都是由六邊形碳原子網(wǎng)格組成。根據(jù)管壁層數(shù)不同，可分為單層碳納米管和多層碳納米管。

單壁碳納米管（Single-Walled Carbon Nanotubes, SWCNT）由一層石墨烯片組成，單壁管典型的直徑和長(zhǎng)度分別為0.75-3nm和1-50um。多壁碳納米管（MWCNT）含有多層石墨烯片，形狀像個(gè)同軸電纜，其層數(shù)從2-50不等，層間距為0.34nm左右，與石墨層間距相當(dāng)。多壁管的典型直徑和長(zhǎng)度分別為2-30nm和0.1-50um。

單壁碳納米管的特點(diǎn)

1、結(jié)構(gòu)獨(dú)特

SWCNT是由一個(gè)單層碳原子以一定的結(jié)構(gòu)方式卷曲而成的管狀結(jié)構(gòu)。其直徑一般在幾納米到數(shù)十納米之間，長(zhǎng)度則可以達(dá)到數(shù)微米甚至更長(zhǎng)。

2、高比表面積

由于其納米尺寸和管狀結(jié)構(gòu)，SWCNT具有相對(duì)較大的比表面積。這使得SWCNT在吸附、催化和能量?jī)?chǔ)存等領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用前景。

3、卓越的力學(xué)性能

SWCNT的分子結(jié)構(gòu)使其具有出色的力學(xué)性能，具有極高的強(qiáng)度和剛度。它們的強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過鋼鐵，同時(shí)也具有很好的柔韌性和彈性。

4、優(yōu)異的導(dǎo)電特性

SWCNT具有優(yōu)異的電子傳輸性能，可以表現(xiàn)出類金屬或半導(dǎo)體的特性，具有非常高的電導(dǎo)率。這使得它們?cè)诩{米電子器件、傳感器和電子導(dǎo)線等領(lǐng)域具有應(yīng)用潛力。

5、優(yōu)異的熱導(dǎo)性能

由于SWCNT的結(jié)構(gòu)和碳原子之間的緊密連接，它們表現(xiàn)出優(yōu)異的熱導(dǎo)性能。這使得SWCNT在熱管理、熱傳導(dǎo)和納米熱學(xué)等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

6、豐富的光學(xué)特性

SWCNT表現(xiàn)出豐富的光學(xué)特性，包括可見光和紅外光的吸收、發(fā)射和散射等。這使得它們?cè)诠怆娮訉W(xué)、光催化和生物成像等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用潛力。

SWCNT導(dǎo)電漿料在鋰離子電池中的應(yīng)用

現(xiàn)有主流導(dǎo)電劑有三類，包括導(dǎo)電炭黑、碳納米管和石墨烯。其中普通導(dǎo)電劑包括導(dǎo)電炭黑（SP、乙炔黑）、石墨、多壁碳管；高端導(dǎo)電劑包括：科琴黑、石墨烯、單壁碳納米管。

導(dǎo)電劑在正負(fù)極材料的作用如下：
正極——鋰電池的正極材料主要包括磷酸鐵鋰、三元材料、鈷酸鋰等，為鋰電池提供鋰源，而這些正極材料的導(dǎo)電性能較差，難以滿足鋰電池的性能要求。因此，在正極極片制作時(shí)會(huì)加入一定量的導(dǎo)電劑，使得導(dǎo)電物質(zhì)填充滿正極材料活性物質(zhì)之間的空隙，用于增加電子和鋰離子的導(dǎo)電性，通過在活性物質(zhì)表面形成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)加快電子傳輸速率，同時(shí)可吸收和保持電解液，為鋰離子提供更多電解質(zhì)界面，從而提高電池充電效率和延長(zhǎng)電池使用壽命。

負(fù)極——硅基負(fù)極理論比容量高但應(yīng)用面臨較大挑戰(zhàn)：

1）硅材料體積膨脹率達(dá) 300%（碳材料為16%），材料易粉化；

2）負(fù)極活性物質(zhì)易脫落；

3）SEI膜處于破損修復(fù)動(dòng)態(tài)階段，厚度持續(xù)增加，界面阻抗提高，活性物質(zhì)消耗。

碳納米管（特別是單壁碳納米管）是硅基負(fù)極的理想導(dǎo)電劑之一：

1）導(dǎo)電性能優(yōu)異：相較石墨烯，其一維結(jié)構(gòu)更容易搭建有效導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，彌補(bǔ)硅基負(fù)極導(dǎo)電性差的問題；

2）彈性高、機(jī)械性能強(qiáng)：特別是單壁碳管彈性更優(yōu)（是多壁碳管的3-10 倍），能夠在硅材料體積碰撞時(shí)緊密連接各顆粒，提高結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、減少活性物質(zhì)脫落；

3）比表面積大、中空結(jié)構(gòu)優(yōu)，能夠緩解硅基負(fù)極在充放電過程中的體積變化的應(yīng)力，減少材料坍塌、提高循環(huán)壽命；

4）改善倍率特性、高低溫性能等。

單壁碳納米管能提高搭載硅基負(fù)極電池循環(huán)壽命

SWCNT在導(dǎo)電漿料應(yīng)用上遇到的難題

碳納米管之間存在著一定強(qiáng)度的范德華力，容易聚集在一起，這樣影響了單壁碳納米管的單體特性，制約了其很多方面的應(yīng)用。

方案摘要

實(shí)驗(yàn)對(duì)象

單壁碳納米管

實(shí)驗(yàn)儀器

ATS高壓分散均質(zhì)機(jī)

高速剪切機(jī)

冷水機(jī)

滴管

燒杯

實(shí)驗(yàn)背景

單壁碳納米管（SWCNT或SWNT），全部由碳原子構(gòu)成，幾何結(jié)構(gòu)可以視為由單層石墨烯卷曲而成，結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)，因此單壁碳納米管具有優(yōu)異的電子、機(jī)械、力學(xué)等性能。  

實(shí)驗(yàn)難點(diǎn)

由于單壁碳納米管之間很強(qiáng)的范德華作用力(～500eV/μm)和大的長(zhǎng)徑比(>1000)，通常容易形成大的管束，難以分散，極大地制約了其優(yōu)異性能的發(fā)揮和實(shí)際應(yīng)用。

ATS如何實(shí)現(xiàn)單壁碳納米管的分散效果呢？

實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/span>

滴入到水中分散時(shí)，有流動(dòng)性，無顆粒感

實(shí)驗(yàn)工藝

1、ATS高壓分散均質(zhì)機(jī) 控低溫5度，射流+均質(zhì)1100bar，5、6、8、10、11取樣

2、一級(jí)均質(zhì)模塊，常規(guī)閥座，控低溫，800bar 1次，1100bar，5、6、8、10、12、14、16、18取樣

實(shí)驗(yàn)結(jié)果

1、碳管液一開始有一定的黏性，粘燒杯壁，幾次分散后，呈水樣流動(dòng)，基本不粘壁。

（分散前明顯粘壁）	（幾次分散后幾乎不黏壁）

2、取少量加入水中檢測(cè)分散效果，發(fā)現(xiàn)碳管液細(xì)絲狀分散，無顆粒感，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表現(xiàn)優(yōu)秀。

實(shí)驗(yàn)小結(jié)

1、本次試用兩種分散模塊，一級(jí)均質(zhì)與射流加均質(zhì)。

2、射流的分散效果要明顯好一些，基本5次處理就就達(dá)到較好的分散效果，而單純的一級(jí)要處理10多次才能達(dá)到較好效果。

應(yīng)用領(lǐng)域

單壁碳納米管性質(zhì)的多樣性使其在包括高遷移率晶體管、邏輯電路、導(dǎo)電薄膜、場(chǎng)發(fā)射源、紅外發(fā)射器、傳感器、掃描探針針尖、機(jī)械強(qiáng)度增強(qiáng)、太陽能電池和催化劑載體等多個(gè)領(lǐng)域有潛在應(yīng)用。