[发明专利]小尺寸材料经由空化的分散

说明书

提供了用于通过使处理物质空化来解团聚和解附聚小尺寸材料比如碳纳米管的方法和系统。该处理物质可以是能够进行相变的物质，比如CO₂。系统必须能够承受高压，并且空化可以通过超声、机械搅拌、喷射流的喷射或其他方法进行。经由本发明的方法处理的材料可以被去除而不需要使用化学表面活性剂或其他化学改性手段，并且可以进一步用于电池组中。

相关申请的交叉引用

本申请权利要求2018年11月19日提交的美国临时专利申请号62/769,015的优先权权益。

技术领域

本发明涉及比如碳纳米管等小尺寸材料的分散方法，并且涉及用于进行这种方法的系统。

更具体地，本发明涉及用于提供碳纳米管/电极基材基体以便改善能量存储装置的性能的方法。

背景技术

微米和纳米尺寸范围内的小尺寸材料被用于许多应用中。更具体地，碳纳米管(CNT)是已被卷成圆柱形管的石墨片材。由于其高长宽比，CNT被认为是几乎一维的物体。CNT可以是单壁或多壁管，它们都具有低密度、高刚性(1TPa量级的杨氏模量)、高拉伸强度、以及高导热性和导电性。

单壁和/或多壁CNT被用作复合材料以增加材料、涂层、膜、和微电子的机械和导电性能。在能量存储装置领域，CNT以非常低的质量百分比提高了商业阴极材料的导电性。另外，CNT的机械性能可以在例如锂离子电池组的充电/放电循环期间缓冲电极的体积变化。

尽管CNT具有优异的电、热和机械性能，但是由于CNT的使用需要控制CNT材料的微观结构，因此限制了其提高超级电容器和电池组性能的潜在用途。由于CNT之间的强相互作用力，CNT以基体形式的分散和排列的形成仍然具有挑战性。范德华相互作用导致所生成的CNT中的束或簇形成。这种团聚或附聚形成导致其机械和电气性能的降低。MWCNT的解团聚已通过机械方法实现，比如例如，将分散在液体、有机物或水溶液中的MWCNT的剪切混合、剪切研磨和超声处理，或者通过与化学方法(包括表面官能化)组合，以及添加表面活性剂，在某些情况下，与离心步骤组合。与MWCNT相比，SWCNT的解团聚需要更高的能量水平，这只能通过超声处理获得。

一些技术表明，在分散和声波处理之后，CNT可以被干燥和再分散。然而，关于CNT在电化学电池中的应用，常用技术改变了表面化学或引入了额外的不需要的异物，或者损坏了CNT结构，任何或所有这些都会降低导电性和/或导热性并降低电化学电池的质量。

因而，需要一种没有上述局限性的分散小尺寸材料的方法。

发明内容

本发明，在其实施方式中，涉及用于解团聚和解附聚小尺寸材料的方法。小尺寸材料在本文中限定为具有微米和纳米尺寸范围内的颗粒的材料，并且可以包括，例如，无机颜料比如TiO₂、Fe₂O₃，来自罗丹明组、来自酞菁组的有机荧光颜料，磨料粉比如刚玉、金刚石，和碳纳米管(CNT)。本发明的方法涉及这些小尺寸材料及其分散以及与电极基材颗粒的物理网络的形成。更具体地，本发明涉及碳纳米管经由空化的解团聚和解附聚。更具体地，本发明涉及在致密相流体中基于空化器比如超声探头的应用对碳纳米管进行解团聚和解附聚，并且更具体地，涉及在液体CO₂或超临界条件下的CO₂中使用超声处理对碳纳米管进行解团聚和解附聚。更具体地，本发明涉及使用用碳纳米管制备的电极材料的颗粒来改善能量存储装置的性能，该能量存储装置包括但不限于，水性或有机溶剂电解质类型的超级电容器、Ni/金属氢化物电池组、铅酸电池组、和锂离子和锂离子聚合物电池组。本发明使用在不使用表面活性剂或碳纳米管或基材颗粒的共价改性的情况下产生碳纳米管与基材颗粒的3D网络的工艺。

术语电极基材颗粒是指用作电极材料的纳米和微米颗粒。

术语电池组在本文中是指由串联或并联或组合连接的至少一个电池或多个电池组成的电池组或超级电容器。