[发明专利]碳纳米纤维无纺布的制备方法、碳纳米纤维无纺布及碳纳米纤维

说明书

本发明提供一种碳纳米纤维无纺布的制备方法、碳纳米纤维无纺布及碳纳米纤维。碳纳米纤维无纺布的制备方法能够制备可制备容量比以往更大的双电层电容器的碳纳米纤维无纺布。所述制备方法包括：不相容性聚合物溶液的制备工序，以包含PAN的相形成非连续相、包含PMMA的相形成连续相的条件制备不相容性聚合物溶液；复合纳米纤维无纺布的制备工序，通过静电纺丝法由不相容性聚合物溶液制备由复合纳米纤维的集合体构成的复合纳米纤维无纺布，该复合纳米纤维在由PMMA构成的纳米纤维外壳的内部沿着纳米纤维外壳的长度方向延伸排列有多个由PAN构成的纳米纤维芯；碳纳米纤维无纺布的制备工序，实施用于碳化PAN的热处理，从而在热分解PMMA的同时使PAN碳化。

技术领域

本发明涉及一种碳纳米纤维无纺布的制备方法、碳纳米纤维无纺布及碳纳米纤维。

背景技术

近年来，随着地球温暖化，提出了将自然能源(太阳光、风力、潮汐等)存储为电能的要求，因而对电容器和电池等蓄电装置的期待也越发提高。作为蓄电装置之一的双电层电容器，具有能够快速进行大电流的充放电、能够半永久地进行充放电、不易发生火灾事故等的特点，因此在个人电脑或电动汽车等上得到应用，且作为下一代蓄电装置备受关注。然而，双电层电容器在当前状态下具有比蓄电池等二次电池的能量密度低的问题。目前，很多研发人员正在研究如何在不损伤上述优异特性的基础上实现小型轻量化，并且如何提高电容器的能源密度(高容量化)的问题。

图20是用于说明双电层电容器800的原理的示意图。

双电层电容器的原理如图20所示，在电极表面810和电解液820的界面之间形成双电层，通过该双电层，在充电时将离子吸附到电极表面810，在放电时使离子脱离电极表面，从而实现充放电。因此，为了提高能源密度(高容量化)，并且实现小型轻量化，重要的是需要提高用于电极812的碳材814的单位体积表面积(体积比表面积。下面，有时简称为“比表面积”)。

图21是为了说明用于背景技术的双电层电容器800的碳材814及电极812的制备过程而表示的图。

作为用于双电层电容器的碳材，迄今一直使用通过实施活化处理、粉碎工序等方法而提高了比表面积的碳纳米纤维(下面，有时简称为“CNF”)。然而，存在如下问题：经过活化处理的CNF会因收缩而使体积变小，经过粉碎工序(参见图21(a))的CNF最终需要采用粘合剂(粘接剂)涂布于金属集电体816上(参见图21(b))，因此通过这种方法获得的材料不能直接作为无纺布使用。于是，如今提出了如下技术：作为用于双电层电容器的碳材，导入集成通过静电纺丝法制备的碳纳米纤维而成的碳纳米纤维无纺布(例如参见专利文献1)。

图22是为了说明在以往的碳纳米纤维无纺布的制备方法所涉及的各工序中获得的处理对象而表示的图。图22(a)是示意性表示不相容性聚合物溶液900的图；图22(b)是示意性表示复合纳米纤维926的图；图22(c)是示意性表示碳纳米纤维946的图。图23是为了说明以往的碳纳米纤维无纺布中所包含的碳纳米纤维而表示的图。

以往的碳纳米纤维无纺布的制备方法依次实施：不相容性聚合物溶液的制备工序，其用于制备不相容性聚合物溶液900，包含聚丙烯腈(下面，有时简称为PAN)902的相形成连续相，包含聚甲基丙烯酸甲酯(下面，有时简称为PMMA)904的相形成非连续相(参见图22(a))；复合纳米纤维无纺布的制备工序，其通过静电纺丝法，由不相容性聚合物溶液900制备复合纳米纤维无纺布920，所述复合纳米纤维无纺布920由复合纳米纤维926的集合体构成，所述复合纳米纤维926在由PAN构成的纳米纤维外壳922的内部沿着纳米纤维外壳922的长度方向延伸排列有多个由PMMA构成的纳米纤维芯924(参见图22(b))；碳纳米纤维无纺布的制备工序，其通过对复合纳米纤维无纺布实施用于碳化PAN的热处理，从而碳化PAN并且热分解PMMA而制备由PAN成分的碳942构成的碳纳米纤维无纺布940(参见图22(c))。