碳纳米管在锂电池中的应用

随着当前锂电池高镍正极、硅基负极和固态电池等新技术应用规模扩大，碳纳米管的销量和应用呈现了爆发式增长。

碳纳米管英文简称CNT，是单层或多层石墨片围绕中心轴并按一定的螺旋角卷曲而成的无缝纳米级管，是一种新型材料。其最早在1991年由饭岛澄男发现。碳纳米管的长径比、碳纯度作为影响导电性的两个核心指标，直接决定了碳纳米管的产品性能，碳纳米管管径越细，长度越长，导电性能越好。

图：碳纳米管结构

纳米管除了优异的导电性，还具有超高的力学、热学性质等庞大潜在市场可开发。
1996年诺贝尔化学奖得主尊敬的Richard E. Smalley先生（富勒烯的发现者）曾说，“碳纳米管是人们所能制造出来的最强、最刚、最硬的分子，同时是最好的热和电的分子导体”。

一.碳纳米管性能介绍

1.力学性能：碳纳米管的抗拉强度通常在50至200 GPa之间，是钢的100倍。其弹性模量可达1 TPa，与金刚石的弹性模量相当，约为钢的5倍。碳纳米管还有极高的韧性，硬而不脆，当外部施加巨大的压力时，碳纳米管会发生弯曲、打卷绞结的情况，却不会断裂；当外力释放后，碳纳米管又将恢复原状。

2.电学性能：碳纳米管具有良好的电学性能，碳纳米管的碳原子以正六边形的微观形式组成基础单元结构，这种结构下共轭效应显著，电子可以脱离单个碳原子的束缚而在较大范围内自由运动。碳纳米管的导电性显著优于石墨烯和炭黑等传统材料。管径越细、长度越长，导电性能越好。纳米管的长度-直径比高，能够在极低添加量下形成三维导电网络。

3.热学性能：碳纳米管具有优异的导热性能，可以沿管长方向迅速传导热量。理论上碳纳米管是目前已知的最好的导热材料，其理论导热效率约为自然界最好导热材料金刚石的3-6倍。

4.热学性能：碳纳米管具有优异的导热性能，可以沿管长方向迅速传导热量。理论上碳纳米管是目前已知的最好的导热材料，其理论导热效率约为自然界最好导热材料金刚石的3-6倍。

二.碳纳米管的分类

碳纳米管根据石墨烯层数差异可以分为单壁碳纳米管和多壁碳纳米管。

单壁碳纳米管：由一层石墨烯片卷曲而成，管径通常在1 – 2 纳米左右，具有极高的长径比和优异的一维纳米结构。其比表面积大，电子传输能力强，理论上能为锂电池提供良好的导电网络，有助于提高电池的充放电性能和倍率性能。

多壁碳纳米管：由多层石墨烯片同轴卷曲而成，管径一般在几纳米到几十纳米之间。多壁碳纳米管的层间存在一定的空隙，这些空隙可以容纳锂离子，增加了锂离子的存储位点，同时也具备较好的导电性和机械性能。

在商业化用途中，单壁碳纳米管性能更优真正的纳米级管径：单壁碳纳米管的管径小于2nm，而多壁碳纳米管的直径大于10nm，可达数百纳米。

高弹性：由于单壁碳纳米管通常具有较高的长度-直径比，具备更好的柔韧性，在不损坏结构的前提下，单壁碳纳米管相比多壁碳纳米管更易地恢复其原始结构。

小结：碳纳米管的纳米级通道可以为锂离子的传输提供快速通道，增加锂离子在电解液中的扩散系数，从而提高电池的充放电倍率性能。此外，碳纳米管还可以与电解液中的其他添加剂相互作用，形成稳定的界面膜，提高电池的稳定性和安全性。但也需要注意单壁碳纳米管难分散的这一性质。