專利名稱：一種離子液體包裹的薄壁碳納米管的紙及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于導電材料技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種離子液體包裹的薄壁碳納米管的紙及其制備方法。
背景技術(shù)：
薄壁碳納米管由于結(jié)構(gòu)完美，化學穩(wěn)定性高，以及比表面積大，導電性能好，長徑比大等特性，最近被逐漸用作超級電容器的電極材料。與傳統(tǒng)活性碳電極材料的多孔內(nèi)表面特征相比，薄壁碳納米管的表面呈現(xiàn)外籠形結(jié)構(gòu)，特別適合于電解液離子的擴散。該特征使其更加適用于有機電解液或離子液體型電解液等離子尺寸較大的高電壓電容體系。比如，將薄壁碳納米管做成其質(zhì)量分數(shù)低于18%的凝膠時，薄壁碳納米管呈單分散狀態(tài)，其外表面利用充分，能量密度較高。但在用于風力發(fā)電機組或重型機械等領(lǐng)域時，一般都要求超級電容器具有較高的體積能量密度，即要在極小的空間內(nèi)堆積盡可能多的電極材料。因此， 將薄壁碳納米管疏松的結(jié)構(gòu)密實化，逐漸成為了其應(yīng)用的切實需求。但由于薄壁碳納米管直徑小，管間的范德華作用力很強，密實堆積薄壁碳納米管會導致其互相吸引成束，從而使孔徑減小，電解液離子擴散困難，其表面積利用效率降低，電容性能下降。此外，薄壁碳納米管密度小，在直接壓實時，不易壓實且會使少量薄壁碳納米管飛往空氣中，不但造成了物料的損失，而且還可能污染環(huán)境或傷害人體健康。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對上述薄壁碳納米管在用于超級電容器領(lǐng)域的切實需求及現(xiàn)有技術(shù)的不足，進行了創(chuàng)新性的改進，提出了一種離子液體包裹的薄壁碳納米管的紙及其制備方法。本發(fā)明提供了一種離子液體包裹的薄壁碳納米管的紙，其特征在于薄壁碳納米管的含量為70wt% 85wt%，離子液體的含量為15wt% 30wt%，其中離子液體均勻包覆在薄壁碳納米管的外表面，形成同軸式結(jié)構(gòu)，然后薄壁碳納米管再互相搭接，形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。所述薄壁碳納米管為單壁碳納米管、雙壁碳納米管及三壁碳納米管中的一種或多種。本發(fā)明還涉及上述離子液體包裹的薄壁碳納米管的紙的制備方法，其特征在于該方法具體步驟如下(I)將薄壁碳納米管置于一個容器中，加入20°C 80°C的離子液體(N-甲基丁基吡咯烷雙三氟甲磺酰亞胺鹽、N-甲基丁基哌啶雙三氟甲磺酰亞胺鹽、I-乙基-3-甲基咪唑雙三氟甲磺酰亞胺鹽、I-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸鹽、三甲基丙銨雙三氟甲磺酰亞胺鹽、二甲基乙銨乙基甲醚雙三氟甲磺酰亞胺鹽及I-己基-3-甲基咪唑雙三氟甲磺酰亞胺鹽等離子液體中的一種或多種)，研磨I小時 24小時，使離子液體均勻包裹在薄壁碳納米管的外表面。(2)將上述所得混合物，進行壓實，制備成一種離子液體包裹的薄壁碳納米管的紙。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下有益效果
I、離子液體的介電性強，可以克服薄壁碳納米管束間的范德華力，使得管束變小，在用于超級電容器領(lǐng)域時，能夠提供更大的電解液/電極材料界面，從而使電容性能提高20% 100%。2、使用離子液體分散碳納米管，可以使單位面積內(nèi)的碳納米管分布得更加均勻，從而在用于強度材料時，受力更加均勻。同時離子液體粘度比較大，可起粘接劑的作用，因此，可使碳納米管的紙的拉伸強度提高20% 100%。3、離子液體的粘度較大，對薄壁碳納米管表面有潤濕作用，使得碳納米管不易損失，而且使壓實過程簡化，制備成本下降。4、離子液體輔助分散制備碳納米管的紙的方法，可以使用任何制備方法得到的高純度的薄壁碳納米管，因此不受任何一種直接制備這類結(jié)構(gòu)的方法(如石墨電弧法或化學氣相沉積法)的過程的限制，具有可放大的特性。
具體實施例方式本發(fā)明提供了一種離子液體包裹的薄壁碳納米管的紙及其制備方法，下面結(jié)合具體實施例對本發(fā)明做進一步說明實施例I將Iwt %的單壁碳納米管、80Wt%的雙壁碳納米管及19wt%的三壁碳納米管混合后，加入到60°C的N-甲基丁基吡咯烷雙三氟甲磺酰亞胺鹽離子液體，其中離子液體占混合物總質(zhì)量的15%。經(jīng)研磨24小時后，將其壓實為堆積密度為280kg/m3的紙。上述碳納米管的紙的電阻比不用離子液體包裹而直接壓實的碳納米管的紙的電阻低20%;用于在6. 5V電壓下工作的超級電容器的電極材料時，比不用離子液體包裹而直接壓實的碳納米管的紙的電容值與能量密度均高35% ;用于強度材料時，比不用離子液體包裹而直接壓實的碳納米管的紙的拉伸強度高45%。實施例2將單壁碳納米管加入到40°C的N-甲基丁基哌啶雙三氟甲磺酰亞胺鹽離子液體其中離子液體占混合物總質(zhì)量的19%。經(jīng)研磨24小時后，將其壓實為堆積密度為320kg/m3的紙。上述碳納米管的紙的電阻比不用離子液體包裹而直接壓實的碳納米管的紙的電阻低40% ;用于5. 5V電壓下工作的超級電容器的電極材料時，比不用離子液體包裹而直接壓實的碳納米管的紙的電容值與能量密度均高45% ;用于強度材料時，比不用離子液體包裹而直接壓實的碳納米管的紙的拉伸強度高100%。實施例3將雙壁碳納米管加入到80°C的I-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸鹽離子液體其中離子液體占混合物總質(zhì)量的25%。經(jīng)研磨2小時后，將其壓實為堆積密度為380kg/m3的紙。上述碳納米管的紙的電阻比不用離子液體包裹而直接壓實的碳納米管的紙的電阻低30% ； 用于4V電壓下工作的超級電容器的電極材料時，比不用離子液體包裹而直接壓實的碳納米管的紙的電容值與能量密度均高28% ;用于強度材料時，比不用離子液體包裹而直接壓實的碳納米管的紙的拉伸強度高30%。實施例4將三壁碳納米管加入到50°C的I-乙基-3-甲基咪唑雙三氟甲磺酰亞胺鹽離子液體其中離子液體占混合物總質(zhì)量的16%。經(jīng)研磨2小時后，將其壓實為堆積密度為350kg/m3的紙。上述碳納米管的紙的電阻比不用離子液體包裹而直接壓實的碳納米管的紙的電阻低28% ;用于4. 5V電壓下工作的超級電容器的電極材料時，比不用離子液體包裹而直接壓實的碳納米管的紙的電容值與能量密度均高20% ;用于強度材料時，比不用離子液體包裹而直接壓實的碳納米管的紙的拉伸強度高20%。實施例5將50wt%的三壁碳納米管與50被％的雙壁碳納米管混合后，加入到30°C 50wt%的I-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸鹽與50wt%的N-甲基丁基 吡咯烷雙三氟甲磺酰亞胺鹽的混合離子液體其中離子液體占混合物總質(zhì)量的18%。經(jīng)研磨10小時后，將其壓實為堆積密度為300kg/m3的紙。上述碳納米管的紙的電阻比不用離子液體包裹而直接壓實的碳納米管的紙的電阻低22% ;用于4. 2V電壓下工作的超級電容器的電極材料時，比不用離子液體包裹而直接壓實的碳納米管的紙的電容值與能量密度均高25% ;用于強度材料時，比不用離子液體包裹而直接壓實的碳納米管的紙的拉伸強度高40%。實施例6將50Wt%的單壁碳納米管與50Wt%的雙壁碳納米管混合后，加入到30°C的二甲基乙銨乙基甲醚雙三氟甲磺酰亞胺鹽離子液體其中離子液體占混合物總質(zhì)量的23%。經(jīng)研磨12小時后，將其壓實為堆積密度為400kg/m3的紙。上述碳納米管的紙的電阻比不用離子液體包裹而直接壓實的碳納米管的紙的電阻低32% ;用于5V電壓下工作的超級電容器的電極材料時，比不用離子液體包裹而直接壓實的碳納米管的紙的電容值與能量密度均高28% ;用于強度材料時，比不用離子液體包裹而直接壓實的碳納米管的紙的拉伸強度高60%。實施例7將50Wt%的單壁碳納米管與50Wt%的三壁碳納米管混合后，加入到80°C的三甲基丙銨雙三氟甲磺酰亞胺鹽離子液體其中離子液體占混合物總質(zhì)量的20%。經(jīng)研磨3小時后，將其壓實為堆積密度為400kg/m3的紙。上述碳納米管的紙的電阻比不用離子液體包裹而直接壓實的碳納米管的紙的電阻低35% ;用于5. 5V電壓下工作的超級電容器的電極材料時，比不用離子液體包裹而直接壓實的碳納米管的紙的電容值與能量密度均高30% ;用于強度材料時，比不用離子液體包裹而直接壓實的碳納米管的紙的拉伸強度高50%。實施例8將9wt%的單壁碳納米管、80wt%的雙壁碳納米管與IIwt %的三壁碳納米管混合后，加入到20°C的I-乙基-3-甲基咪唑雙三氟甲磺酰亞胺鹽離子液體其中離子液體占混合物總質(zhì)量的22%。經(jīng)研磨2小時后，將其壓實為堆積密度為400kg/m3的紙。上述碳納米管的紙的電阻比不用離子液體包裹而直接壓實的碳納米管的紙的電阻低27% ;用于4. 2V電壓下工作的超級電容器的電極材料時，比不用離子液體包裹而直接壓實的碳納米管的紙的電容值與能量密度均高23% ;用于強度材料時，比不用離子液體包裹而直接壓實的碳納米管的紙的拉伸強度高80%。實施例9將80wt%的單壁碳納米管、9wt%的雙壁碳納米管與I Iwt %的三壁碳納米管混合后，加入到70°C的I-己基-3-甲基咪唑雙三氟甲磺酰亞胺鹽離子液體其中離子液體占混合物總質(zhì)量的30%。經(jīng)研磨16小時后，將其壓實為堆積密度為200kg/m3的紙。上述碳納米管的紙的電阻比不用離子液體包裹而直接壓實的碳納米管的紙的電阻低37% ;用于6V電壓下工作的超級電容器的電極材料時，比不用離子液體包裹而直接壓實的碳納米管的紙的電容值與能量密度均高100% ;用于強度材料時，比不用離子液體包裹而直接壓實的碳納米 管的紙的拉伸強度高20%。
權(quán)利要求
1.一種離子液體包裹的薄壁碳納米管的紙，其特征在于所述薄壁碳納米管的含量為.70wt% 85wt%,所述離子液體的含量為15wt% 30wt%,其中離子液體均勻包覆在薄壁碳納米管的外表面，形成同軸式結(jié)構(gòu)，然后薄壁碳納米管再互相搭接，形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種離子液體包裹的薄壁碳納米管的紙，其特征在于所述薄壁碳納米管為單壁碳納米管、雙壁碳納米管及三壁碳納米管中的一種或多種。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種離子液體包裹的薄壁碳納米管的紙，其特征在于所述離子液體為N-甲基丁基吡咯烷雙三氟甲磺酰亞胺鹽、N-甲基丁基哌啶雙三氟甲磺酰亞胺鹽、I-乙基-3-甲基咪唑雙三氟甲磺酰亞胺鹽、I-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸鹽、三甲基丙銨雙三氟甲磺酰亞胺鹽、二甲基乙銨乙基甲醚雙三氟甲磺酰亞胺鹽及I-己基-3-甲基咪唑雙三氟甲磺酰亞胺鹽離子液體中的一種或多種。
4.一種權(quán)利要求I所述的離子液體包裹的薄壁碳納米管的紙的制備方法，其特征在于該方法具體步驟如下 (1)將薄壁碳納米管置于一個容器中，加入20°C 80°C的離子液體，研磨I小時 24小時，使離子液體均勻包裹在薄壁碳納米管的外表面； (2)將上述所得混合物，進行壓實，制備成一種離子液體包裹的薄壁碳納米管的紙。
全文摘要
本發(fā)明公開了屬于導電材料技術(shù)領(lǐng)域的一種離子液體包裹的薄壁碳納米管的紙及其制備方法。該碳納米管的紙中離子液體均勻包覆在碳納米管的外表面，形成同軸式結(jié)構(gòu)，然后碳納米管再互相搭接，形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。該碳納米管的紙是通過先采用15wt％～30wt％的離子液體與薄壁碳納米管進行研磨分散，然后再進行壓實的方法制備而成的。其中離子液體起分散薄壁碳納米管、打開薄壁碳納米管管束及充當粘接劑的作用。所得薄壁碳納米管的紙的電阻比不用離子液體而直接壓實的薄壁碳納米管的紙的電阻降低20～40％；在4～6.5V電壓下用作超級電容器的電極材料時，其性能提高20～100％；用作強度材料時，其拉伸強度提高20～100％。此外，該方法還具有成本低，易重復，易放大的特點。
文檔編號H01G9/042GK102677546SQ20121013500
公開日2012年9月19日 申請日期2012年5月2日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月2日
發(fā)明者余云濤, 崔超婕, 鄭超, 騫偉中, 魏飛 申請人:清華大學