碳?xì)质且环N工業(yè)紡織材料,由無(wú)規(guī)取向和纏繞的碳纖維組成。由于其三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、高導(dǎo)電性、良好的化學(xué)和電化學(xué)穩(wěn)定性,已被用作氧化還原液流電池、燃料電池、電化學(xué)太陽(yáng)能電池、鋰離子電池和超級(jí)電容器中的柔性集流體。其他碳材料如玻璃碳、碳紙,海綿碳等也被用作電極,但是它們和碳?xì)窒啾?均存在一些局限性,例如價(jià)格貴,穩(wěn)定性差等。相比之下,碳?xì)志哂须娮璧汀⒈缺砻娣e大、孔隙率高、導(dǎo)電性好、穩(wěn)定性高、成本低等優(yōu)點(diǎn),為電化學(xué)反應(yīng)提供豐富的氧化還原反應(yīng)位點(diǎn),所以選擇碳?xì)肿鳛殂U錳電池的正極集流體。

碳?xì)钟捎谄渚哂惺杷?在水中潤(rùn)濕性差,電解液利用效率低,電化學(xué)活性不足,通常都是進(jìn)行改性之后在將其作為電池的集流體進(jìn)行應(yīng)用。目前,碳?xì)指男缘姆椒ㄓ械入x子體改性、熱處理改性、化學(xué)處理改性、金屬改性、聚合物改性、碳碳復(fù)合改性等。

等離子體處理

等離子體被認(rèn)為是除固體、液體和氣體之外的物質(zhì)的第四種狀態(tài),它含有原子、分子、正負(fù)離子,活性自由基等,其中正負(fù)粒子數(shù)量相等。

低溫等離子體中的活性物種和光輻射可以破壞材料表面的結(jié)構(gòu)和化學(xué)鍵,化學(xué)鍵斷裂形成的自由基又會(huì)重新鍵合成新的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),從而改變材料表面的性質(zhì)。同時(shí),等離子體中的高能活性粒子在轟擊材料表面時(shí)具有刻蝕作用,使得表面產(chǎn)生凹陷或紋理,導(dǎo)致表面粗糙度的改變。

等離子體處理的目的是在碳?xì)直砻嫔L(zhǎng)含氧官能團(tuán)或者進(jìn)行氮摻雜,從而提高碳?xì)钟H水性,增加電化學(xué)活性,等離子體的處理對(duì)碳?xì)直缺砻娣e改變不大,主要是增加官能團(tuán)的數(shù)量。

碳?xì)值入x子處理親水性測(cè)試

圖1.1為等離子改性前后碳?xì)钟H水性測(cè)試圖,使用接觸角測(cè)量?jī)x測(cè)量碳?xì)峙c水之間的接觸角。從圖中可以看出,改性前碳?xì)志哂惺杷?親水性很差,接觸角為106.2°,這導(dǎo)致電解液利用效率低。經(jīng)過(guò)改性之后,接觸角從106.2°變?yōu)?°,親水性顯著提升,使得電解液利用效率增加。

碳?xì)值入x子改性前后水滴接觸角a處理前，b處理后

碳?xì)值入x子處理親水性變化視頻

等離子處理可以在碳?xì)直砻嬉胗H水基團(tuán),增加了表面粗糙度,為氧化還原反應(yīng)提供了更多的活性位點(diǎn),并增加了反應(yīng)面積,從而提高電池的性能。低溫等離子體處理技術(shù)能耗低,重要的是不會(huì)產(chǎn)生化學(xué)廢物,對(duì)環(huán)境友好,同時(shí),低溫等離子體技術(shù)也無(wú)需使用任何溶劑即可改變材料性能。