Page 67 - 《精细化工》2022年第11期
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第 11 期 余 澎，等: 碳纳米管阵列在电化学中的应用 ·2217·
中，在电场的作用下穿过隔膜，负极表面得到电子， 152.33 mA·h/g，具有良好的循环结构稳定性。
再扩散嵌入负极相中，此时负极便处于富锂状态。 ZHANG 等 [25] 通过两步煅烧，将二元金属氧化物
放电时则相反。从充放电的可逆性看，锂离子电池 （ZnO/Co 3 O 4 ）锚定到致密的 NCNTA 中，得到了一
发生的反应是一种理想的可逆反应。开发出性能优 种锂电池电极，金属氧化物和 NCNTA 之间的强相
良且价格合理的负极材料一直是锂离子电池的研究 互作用可以调节电极的体积膨胀。
重点。CNTA 作为锂离子电池电极材料时，表现出 Li-CO 2 电池是一种新兴的储能和转换系统，使
较佳的比容量和倍率性能，且此电池结构中省略了 CO 2 的可再生利用和绿色捕获成为可能。然而，产
传统的铜集流体，极大地减轻了电极材料的质量， 物 Li 2 CO 3 分解缓慢，阴极刚性及机械柔韧性等问题
提升了单个电池单元的能量密度 [18-19] 。 导致极化率高、循环寿命短、倍率性能差等，从而
具有较佳比容量和倍率性能的电极对于设计和 严重阻碍了 Li-CO 2 电池的实际应用 [26-27] 。LI 等 [26]
制造大功率锂离子电池具有重要意义。定向 CNTA 采用浮动催化剂 CVD 制备了垂直排列的氮掺杂碳
具有规则的电子传输通道，极大地提高了锂电池的 纳米管（NCNT）（VA-NCNT）阵列作为柔性准固态
导电性能。与无序 CNT 相比，BULUSHEVA 等 [20] Li-CO 2 电池的独立式无黏结剂阴极。VA-NCNT 阵
制备的垂直多壁碳纳米管阵列（VA-MWCNTA）表 列具有丰富的缺陷和空穴空间，有利于 CO 2 的扩散
现出优异的导电率和高的比容量等性能，具有大的 和电解质的渗透，为 Li 2 CO 3 的形成和调节提供暴露
比表面积，将金属氧化物覆盖在其表面能减小活性 的活性中心和更大的空间，此 VA-NCNT 阵列所制
物质的厚度，促进电子传输，提高储锂能力。LOU 备的电池具有超长的循环寿命、较小的电位间隙、优
等 [21] 将生长 CNTA 涂覆金属氧化物和碳来制备同轴 异的倍率性能和较高的灵活性，由 VA-NCNT 阵列组
阵列，用此阵列作锂电池阳极，在 100 次循环后， 成的柔性准固态 Li-CO 2 电池的示意图及恒电流充放
比容量无变化，仍保持在 738 mA·h/g，这种 CNTA 电曲线见图 3，其中，GPE 为凝胶聚合物电解质。
在比容量、循环稳定性和倍率性能等方面都显示出
了优异的电化学性能。SUN 等 [22] 成功地合成了由金
属氧化物/氮、氧掺杂 CNTA 组成的 4 层 CNTA 电极，
杂原子掺杂 CNTA 可以提供大量活性位点，所形成
的 4 层 CNTA 电极具有电极/电解质界面大、电解质
离子扩散快、锂离子存储性能优异和耐用性强等特
点。在过渡金属氧化物中，如 MnO 2 用作锂电池的
电极，具有高的储能容量、低成本、环保等特点。然
而，MnO 2 导电性差，并且在锂循环过程中其体积膨
胀大，导致其在锂离子电池中的实际应用受到了限制。
REDDY等 [23] 采用简单的真空渗透和CVD技术相结合
的方法，利用多孔氧化铝模板制备了 MnO 2/CNT 混合
同轴阵列。高导电性的 CNT 核心形成的同轴杂化结构
增加了电子向 MnO 2 外壳的传输，并减缓了 MnO 2 体
积的膨胀。CNTA 为锂离子存储提供了多余的位置，
从而形成了锂离子存储的双重机制。
金属锂具有非常优异的理论容量，是高能量密
度电池最优良的负极材料之一。然而，不可控的枝
晶生长和“死锂”的形成导致循环寿命短，存在安 图 3 柔性准固态 Li-CO 2 电池（长 4.5 cm，直径 0.3 cm）
全隐患，阻碍了其实际应用 [24-25] 。控制锂的成核和 的示意图和 照片（ a）及 其在不同弯 曲状态下
生长过程是抑制锂枝晶的有效策略。ZHAO 等 [24] 利 50 mA/g 的恒电流放电-充电曲线（b） [26]
用三聚氰胺在不锈钢网上通过自催化法制备了氮掺 Fig. 3 Schematic diagram and digital photograph (a) and
galvanostatic discharge-charge curves under different
杂 CNTA（NCNTA）作为锂金属复合阳极，NCNTA bending states at 50 mA/g (b) of flexible quasi-
提供了大量的氮官能团，增强了阳极的亲锂性，提 solid-state Li-CO 2 battery (4.5 cm length and 0.3 cm
供了大量均匀的成核中心，使锂离子通量均匀，抑 diameter) [26]
制树突生成。并且此电极构成的电池在 0.5 C 下 100 LI 等 [27] 用催化剂前体浸渍具有导电炭黑层的
次循环后，电池的容量保持率为 95.4%，比容量为 碳纸基片的方法可制备取向良好的 CNT（WA-CNT）
