一种碳纳米管分散液及其制备方法

技术领域

本发明涉及导电剂领域，尤其涉及一种碳纳米管分散液及其制备方法。

背景技术

导电剂作为锂离子电池的重要组成部分，很大程度地影响着锂离子电池的性能。作为导电剂的锰氧化物、磷酸盐等正极材料电导率都很低。

在正极材料导电率低的情况下还要保持锂离子电池良好的大倍率充放电特性和较长的使用寿命，这是目前动力锂离子电池工业所面临的一个巨大挑战。

碳纳米管(简称CNT)是一种近年新兴的导电剂，它一般直径在5纳米左右，长度达到0.5-50微米，它不仅能够在导电网络中充当“导线”的作用，同时它还具有双电层效应，发挥超级电容器的高倍率特性，其良好的导热性能还有利于电池充放电时的散热，减少电池的极化，提高电池的高低温性能，延长电池的寿命。

CNT以分散液的形式被用于锂离子电池电极材料中。曾经提出将CNT分散于水等分散介质得到CNT分散液时，使用超声波均化器或高压均化器、胶体磨等分散方式进行分散处理，该方法虽然能够将较长的CNT剪切变成短CNT，但是与此同时失去了长CNT一维长程导电的优势。

有鉴于此，有必要研究出一种碳纳米管分散液及其制备方法，将长CNT剪切成短CNT，并使CNT长程导电。

发明内容

本发明的目的在于提供一种碳纳米管分散液及其制备方法，碳纳米管分散液通过扫描电镜可以看到不同长径比的碳纳米管都能够得到很好的分散，并且碳纳米管分散液在静置40天后仍能稳定存在几乎无沉降。另外，本发明通过超声波分散与机械分散结合的方式，先采用超声波分散的方式快速将碳纳米管的团聚体打开，然后采用液相球磨的方式，将碳纳米管更好地均匀分散在各种介质中。

实现本发明目的的技术方案如下：

一种碳纳米管分散液，包括碳纳米管，所述碳纳米管的直径为10～20μm，所述碳纳米管的平均长宽比为50以上且30000以下，所述碳纳米管在拉曼光谱测定中的G峰/D峰比为1.2以上。

在一种可能的实现方式中，还包括分散介质，所述分散介质包括水和酰胺类极性有机溶剂。

在一种可能的实现方式中，所述酰胺类极性有机溶剂包括二甲基甲酰胺、二乙基甲酰胺、二甲基乙酰胺。

在一种可能的实现方式中，所述酰胺类极性有机溶剂包括二甲基甲酰胺、二乙基甲酰胺、N-甲基吡咯烷酮。

在一种可能的实现方式中，还包括分散剂，所述分散剂包含十六烷基三甲基溴化铵、十二烷基硫酸钠、十二烷基苯磺酸钠、吐温80、曲拉通100和聚乙烯吡咯烷酮。

在一种可能的实现方式中，所述聚乙烯吡咯烷酮为不同分子量的聚乙烯吡咯烷酮中的一种或几种。

在一种可能的实现方式中，所述分散剂含量在所述碳纳米管质量的5％以上。

在一种可能的实现方式中，所述碳纳米管外径的标准偏差超过1nm且未满5nm。

在一种可能的实现方式中，所述碳纳米管的质量含量在0.1％-5％范围内。

一种碳纳米管分散液的制备方法，碳纳米管分散液包括碳纳米管、分散介质和分散剂；

制备方法包括：将所述分散剂和所述碳纳米管在所述分散介质的第一分散解纤处理，所述第一分散解纤处理是指在超声波细胞粉碎机中进行的冰水浴分散处理过程。

在一种可能的实现方式中，制备方法还包括：将所述分散剂和所述碳纳米管在所述分散介质的第二分散解纤处理，所述第二分散解纤处理是指在行星式球磨机中进行液相球磨，球磨转速范围100～800转/min，球磨时间0.1～20h。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明制备得到制备碳纳米管分散液，通过扫描电镜可以看到不同长径比的碳纳米管都能够得到很好的分散，并且碳纳米管分散液在静置40天后仍能稳定存在几乎无沉降。

2、本发明通过超声波分散与机械分散结合的方式，先采用超声波分散的方式快速将碳纳米管的团聚体打开，然后采用液相球磨的方式，将碳纳米管更好地均匀分散在各种介质中。

3、采用本发明的方法可以快速高效制备碳纳米管分散液，分散效果好，对碳纳米管本身的性状几乎无损伤，能更好地保持碳纳米管长程导电作用。

4、本发明制备碳纳米管分散液制备方法简单，成本低廉，适合放大化生产，可作为一种很好的导电剂材料应用于各种二次电池中。

附图说明

图1为不同长径比的未分散之前的碳纳米管FITR图；

图2为不同长径比的未分散之前的碳纳米管Raman图；

图3为长径比小的碳纳米管分散前(左)后(右)的SEM照片；

图4为长径比大的碳纳米管分散前(左)后(右)的SEM照片；

图5为不同长径比的碳纳米管分散液静置不同时间的照片。

具体实施方式

下面结合附图所示的各实施方式对本发明进行详细说明，但应当说明的是，这些实施方式并非对本发明的限制，本领域普通技术人员根据这些实施方式所作的功能、方法、或者结构上的等效变换或替代，均属于本发明的保护范围之内。

由于长度越长的碳纳米管聚集体缠绕越紧密，越难以分散，形成碳纳米管团簇，难以形成均匀的碳纳米管分散液。本发明实施方式要解决的关键问题是：对不同长径比的团聚碳纳米管在NMP溶液中进行均匀稳定分散。

目前，售卖的碳纳米管材料因为长度、直径方面不同，常处于团聚状态，形成聚集体，通常的分散方法将长碳纳米管剪切，失去了碳纳米管长程导电作用，因此本发明实施方式针对以上问题，提供一种可以在不同管径和长度碳纳米管通用的无损碳纳米管分散液及其制备方法，碳纳米管制备方法可以分散管径1～10nm，长度有1～5μm和10～50um的碳纳米管，长碳纳米管分散液中，长度小于10μm的碳纳米管比例较少，解纤后的碳纳米管损伤很小的纳米碳材料。

本发明实施方式提供了一种碳纳米管分散液，碳纳米管分散液包括碳纳米管，碳纳米管的直径为10～20μm，碳纳米管的平均长宽比为50以上且30000以下，碳纳米管在拉曼光谱测定中的G峰/D峰比为1.2以上。

请参阅图1，图1为不同长径比的未分散之前的碳纳米管FITR图；请参阅图2，图2为不同长径比的未分散之前的碳纳米管Raman图；请参阅图3，图3为长径比小的碳纳米管分散前(左)后(右)的SEM照片；请参阅图4，图4为长径比大的碳纳米管分散前(左)后(右)的SEM照片。

本发明实施方式提供了一种碳纳米管分散液，碳纳米管分散液除了包括碳纳米管之外，还包括分散介质，分散介质包括水和酰胺类极性有机溶剂。

上述的酰胺类极性有机溶剂包括二甲基甲酰胺、二乙基甲酰胺、二甲基乙酰胺。

上述的酰胺类极性有机溶剂包括二甲基甲酰胺、二乙基甲酰胺、N-甲基吡咯烷酮。

本发明实施方式提供了一种碳纳米管分散液，碳纳米管分散液除了包括碳纳米管和分散介质之外，还包括分散剂，分散剂包含十六烷基三甲基溴化铵、十二烷基硫酸钠、十二烷基苯磺酸钠、吐温80、曲拉通100和聚乙烯吡咯烷酮。

上述的聚乙烯吡咯烷酮为不同分子量的聚乙烯吡咯烷酮中的一种或几种。

上述的分散剂含量在碳纳米管质量的5％以上。

上述的碳纳米管外径的标准偏差超过1nm且未满5nm。

上述的碳纳米管的质量含量在0.1％-5％范围内。

在一种具体的实施方式中，碳纳米管(简称CNT)分散液主要由分散介质、碳纳米管和分散剂，碳纳米管直径10～20μm，平均长宽比为50以上且30000以下，在拉曼光谱测定中的G/D比为1.2以上。分散剂包含十六烷基三甲基溴化铵、十二烷基硫酸钠、十二烷基苯磺酸钠、吐温80、曲拉通100和不同分子量的聚乙烯吡咯烷酮中的一种或几种。分散介质包含水和酰胺类极性有机溶剂如二甲基甲酰胺(DMF)、二乙基甲酰胺、二甲基乙酰胺(DMAc)或N-甲基吡咯烷酮(NMP)。

本发明实施方式提供一种碳纳米管分散液的制备方法，碳纳米管分散液包括碳纳米管、分散介质和分散剂；碳纳米管、分散介质和分散剂按5～4:1:94～95的质量比取各组分。

制备方法包括：将分散剂和碳纳米管在分散介质的第一分散解纤处理，第一分散解纤处理是指在超声波细胞粉碎机中进行的冰水浴分散处理过程。

基于上述制备方法，该制备方法还包括：将分散剂和碳纳米管在分散介质的第二分散解纤处理，第二分散解纤处理是指在行星式球磨机中进行液相球磨，球磨转速范围100～800转/min，球磨时间0.1～20h。

请参阅图5，图5为不同长径比的碳纳米管分散液静置不同时间的照片。从图5可以看出，本发明实施方式的碳纳米管分散液在静置14d后仍无沉淀。

实施例1：

本发明实施例提供的一种碳纳米管分散液的制备方法，通过将超声波分散与机械分散结合的方式，先采用超声波分散的方式快速将碳纳米管的团聚体打开，然后采用液相球磨的方式，将碳纳米管均匀分散在各种介质中。包括如下步骤：

(1)将小长径比的碳纳米管、分散剂、分散介质按5:1:94的质量比取各组分，其中分散剂为聚乙烯吡咯烷酮K30，分散介质为N-甲基吡咯烷酮，将各组分加入烧杯中，在冰水浴下，在超声波细胞粉碎机中进行的第一分散解纤处理，其中超声处理时间为20min，超声功率300W。

(2)将上一步得到的液体转移至玛瑙研钵中，加入适量的玛瑙球，在行星式球磨机上进行第二分散解纤处理——液相球磨，保持500转/分钟的研磨转速，研磨2h后收集液体即可得到一种碳纳米管分散液。碳纳米管分散均匀，无结节。

实施例2：

本发明实施例提供的一种碳纳米管分散液的制备方法，通过将超声波分散与机械分散结合的方式，先采用超声波分散的方式快速将碳纳米管的团聚体打开，然后采用液相球磨的方式，将碳纳米管均匀分散在各种介质中。包括如下步骤：

(1)将大长径比的碳纳米管、分散剂、分散介质按4:1:95的质量比取各组分，其中分散剂为曲拉通100，分散介质为N-甲基吡咯烷酮，将各组分加入烧杯中，在冰水浴下，在超声波细胞粉碎机中进行的第一分散解纤处理，其中超声处理时间为10min，超声功率400W。

(2)将上一步得到的液体转移至玛瑙研钵中，加入适量的玛瑙球，在行星式球磨机上进行第二分散解纤处理——液相球磨，保持300转/分钟的研磨转速，研磨4h后收集液体即可得到一种碳纳米管分散液。碳纳米管分散均匀，无结节。

实施例3：

本发明实施例提供的一种碳纳米管分散液的制备方法，通过将超声波分散与机械分散结合的方式，先采用超声波分散的方式快速将碳纳米管的团聚体打开，然后采用液相球磨的方式，将碳纳米管均匀分散在各种介质中。包括如下步骤：

(1)将大长径比的碳纳米管、分散剂、分散介质按5:1:94的质量比取各组分，其中分散剂为聚乙烯吡咯烷酮K30和K13-18，分散介质为N-甲基吡咯烷酮，将各组分加入烧杯中，在冰水浴下，在超声波细胞粉碎机中进行的第一分散解纤处理，其中超声处理时间为5min，超声功率500W。

(2)将上一步得到的液体转移至玛瑙研钵中，加入适量的玛瑙球，在行星式球磨机上进行第二分散解纤处理——液相球磨，保持400转/分钟的研磨转速，研磨2h后收集液体即可得到一种碳纳米管分散液。碳纳米管分散均匀，无结节。

上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本发明的保护范围之内。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。