碳納米管發展歷程及其在鋰電負極中的應用

碳納米管，又名巴基管，是一種具有特殊結構的一維碳納米材料。碳納米管本身呈圓管狀，與石墨烯片層卷曲而成的結構類似。碳納米管由于優異的力學、電學、熱學及光學特性，在多個領域受到廣泛的關注和應用。

1、碳納米管的發現及發展

日本人首次發現碳納米管。1991年，日本NEC公司基礎研究實驗室的電子顯微鏡專家飯島（Lijima）在高分辨透射電子顯微鏡下檢驗石墨電弧設備中產生的球狀碳分子時，意外發現了由管狀的同軸納米管組成的碳分子，這就是現在被稱作“Carbon nanotube”的碳納米管。

碳納米管被發現后，引起了研究者們的極大興趣，在以后的幾十年里一直被持續研究并不斷發展。

1993年，S. Lijima等和D. S. Bethune等同時報道了采用電弧法，在石墨電極中添加一定的催化劑，可以得到僅僅具有一層管壁的碳納米管，即單壁碳納米管產物。

1996年，日本的昭和電工在川崎建成了時間上世界上第一個商業化生產碳納米管的工廠，年產能20噸，標志著碳納米管商業化生產的開端。

1997年，A. C. Dillon等報道了單壁碳納米管的中空管可儲存和穩定氫分子，引起廣泛的關注。相關的實驗研究和理論計算也相繼展開。據推測，單壁碳納米管的儲氫量可達10%（質量比）。此外，碳納米管還可以用來儲存甲烷等其他氣體。

2003年，日本CNRI公司研制成功直徑0.4nm的碳納米管，使得碳納米管發展到超細程度。同一年，墨西哥科研人員從墨西哥東南部油田提取的多份原油樣品中發現了碳納米管。這是世界上首次在原油中發現天然碳納米管。

2007年，日本首次開發出在大面積金屬板上直接合成大量單層碳納米管的技術。

2010年，浙江大學和美國加利福尼亞大學科研人員成功合成世界上最小碳納米管結構的富勒烯C90。

2014年，美國國家標準與技術研究院(NIST)的研究人員開發出一種均勻的多壁碳納米管為基礎的涂料，可降低常用的泡沫內飾的易燃性。清華大學成功研制出高性能碳納米管導線。

2015年，美國研究人員用碳納米管替代硅為原料，大幅提高了計算機芯片的處理速度，運用此方法研制出的3D芯片的運行速度，有可能達到目前芯片的1000倍。

……

被稱為“黑金”的碳納米管，曾被科學家預言，有望成為“徹底改變21世紀”的神奇材料之一。碳納米管以其優異的力學、電學和熱學特性被譽為“萬能基材”，在結構功能一體化復合材料、電池電極、集成電路、傳感器件、電加熱器件等領域具有巨大的應用前景。未來還可能拓展應用于導電塑料、半導體器件、輕質高強復合材料、寬頻段輕質電磁屏蔽、沖擊防護、智能器件等領域，并有望給這些領域帶來變革性的發展。

2、碳納米管在鋰電負極方面的應用

自碳納米管被發現以來，作為一種具有一維納米尺寸的管狀碳材料，它以其獨特的特性，在諸多領域被應用。鋰離子電池領域是碳納米管具有潛力的應用方向之一。碳納米管可以直接用于鋰離子電池負極材料。

碳納米管負極材料的特點是電池電量大，不易粉碎。它們的形態使其可以替代石墨作為商用鋰離子電池負極材料。碳納米管是由單層或多層同軸炭片層組成的“具有類似于石墨層狀結構”的材料。碳納米管的sp2雜化結構以及高的長徑比為其帶來了一系列優異性能。這種微觀結構使得鋰離子的嵌入深度小、行程短及嵌入位置多（管內和層間的縫隙、空穴等），同時因碳納米管導電性能很好，具有較好的電子傳導和離子運輸能力，適合作鋰離子電池負極材料。

采用碳納米管直接作為鋰離子電池負極材料也存在不足之處，一是第一次不可逆容量較大，首次充放電效率比較低。二是碳納米管負極缺乏穩定的電壓平臺。三是碳納米管存在電位滯后現象。這些問題制約了碳納米管在鋰離子電池負極材料方面的應用。

目前碳納米管的研究主要集中在復合材料的制備及其電化學性能方面，例如碳納米管與硅、金屬氧化物的復合等等。此外，碳納米管作為新型材料，在合格生產上有很多要求，例如直徑，層數，長度，缺陷程度和電子特性等都是重要因素，其生產方法也需要進一步完善。

碳納米管在鋰電負極方面的規模化商用還有一定距離，不過，隨著碳納米管研究的深入，尤其是在碳納米管機理研究以及制備工藝等方面的提升，都將會促使碳納米管更接近商業范疇，其在鋰離子電池領域的應用也會進一步拓展。

參考來源：

1、向凱.碳納米管歷史與發展及其應用

2、李磊等.碳納米管在鋰離子電池中的應用綜述

3、趙廷凱等.碳納米管和石墨烯在鋰離子電池負極材料中的應用

4、常笑叢.碳納米管在鋰離子電池中的應用

5、李健等.碳納米管與石墨烯在儲能電池中的應用

6、把石墨烯卷起來 “萬能”的碳納米管或改變未來.央廣網

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