[发明专利]掺杂多壁碳纳米管和电极材料

说明书

本申请提供了一种掺杂多壁碳纳米管，包括多壁碳纳米管和掺杂在多壁碳纳米管中的掺杂原子；该掺杂多壁碳纳米管具有径向导电通道，径向导电通道是由掺杂原子与多壁碳纳米管的相邻管壁通过共价键合形成。该掺杂多壁碳纳米管具有良好的导电性，将其应用在电极材料中能够提高电极材料的导电性。本申请还提供了一种掺杂多壁碳纳米管的制备方法。该制备方法工艺简单，操作便捷，所得的掺杂多壁碳纳米管良品率高。

技术领域

本申请涉及多壁碳纳米管技术领域，具体涉及一种掺杂多壁碳纳米管和电极材料。

背景技术

碳纳米管是碳的一种同素异形体，其可看作是由一层或多层石墨烯片按照一定螺旋角卷曲而成的、直径为纳米级的无缝管。根据石墨烯片层数可将碳纳米管分为单壁碳纳米管和多壁碳纳米管，单壁碳纳米管是由一层石墨烯片卷曲而成，而多壁碳纳米管则是由多层石墨烯片卷曲而成。碳纳米管作为一维纳米材料，其轴向具有良好的导电通路。如图1所示，虚线箭头表示多壁碳纳米管的轴向导电通道，电子可沿轴向导电通道进行迁移。然而由于碳纳米管的管壁是由石墨烯片卷曲形成，电子难以在石墨烯片层之间传输，因此多壁碳纳米管沿径向的导电性差，从而限制了其作为导电剂在电极中的应用。为进一步提高多壁碳纳米管的导电性能，有必要提高其径向导电性能。

发明内容

鉴于此，本申请提供了一种掺杂多壁碳纳米管，该掺杂多壁碳纳米管具有径向导电通道，能够促进电子沿多壁碳纳米管的径向传输，进而使掺杂多壁碳纳米管具有良好的导电性，将其应用在电极材料中能够提高电极材料的导电性。本申请还提供了一种掺杂多壁碳纳米管的制备方法。

本申请第一方面提供了一种掺杂多壁碳纳米管，所述掺杂多壁碳纳米管包括多壁碳纳米管和掺杂在所述多壁碳纳米管中的掺杂原子；所述掺杂多壁碳纳米管具有径向导电通道，所述径向导电通道由所述掺杂原子与所述多壁碳纳米管的相邻管壁通过共价键合形成。

本申请的掺杂多壁碳纳米管，通过在多壁碳纳米管的管壁之间掺入掺杂原子，使掺杂原子与多壁碳纳米管中的相邻管壁的碳原子形成共价键合，即相邻管壁上的碳原子通过掺杂原子实现化学键连接，从而在多壁碳纳米管中构建出径向导电通道，该径向导电通道可以促进电子沿多壁碳纳米管的径向传输，提高多壁碳纳米管的导电性。

本申请中，所述掺杂原子与所述多壁碳纳米管的相邻管壁上的碳原子形成C-X-C共价键合，所述X为所述掺杂原子。

可选地，所述掺杂原子包括硼原子、氮原子、磷原子、硫原子和硅原子中的一种或多种。将硼原子、氮原子、磷原子、硫原子和硅原子中的一种或多种原子掺入到多壁碳纳米管的管壁之间时，相邻管壁上的碳原子能够通过掺杂原子实现化学键连接，形成C-B-C、C-N-C、C-P-C、C-S-C和C-Si-C中的一种或多种共价键，从而促进电子在多壁碳纳米管的径向传输，提高多壁碳纳米管的导电性。

可选地，所述掺杂原子的质量百分含量为0.01％-10％。掺杂原子的含量会影响多壁碳纳米管的径向导电通道的数量，加入适当含量的掺杂原子能够同时保证多壁碳纳米管在轴向和径向的电子传输速率，提高多壁碳纳米管的电子传导能力，使多壁碳纳米管具有良好的导电性。

可选地，所述掺杂多壁碳纳米管的层数为3层-10层。

可选地，所述掺杂多壁碳纳米管在形成所述共价键合的位置处的层间距大于未形成所述共价键合的位置处的层间距。将掺杂原子掺入到多壁碳纳米管的管壁之间时，由于形成共价键，多壁碳纳米管管壁间的层间作用力发生变化，导致管壁在共价键合的位置处的层间距会变大，使得多壁碳纳米管呈现出扭曲的结构，进一步地，扭曲的结构能够使多壁碳纳米管接收电子的空穴增多，从而提高多壁碳纳米管的导电性。

可选地，所述掺杂多壁碳纳米管的电阻率为20mΩ·cm-75mΩ·cm。

本申请第一方面提供的掺杂多壁碳纳米管具有径向导电通道，促进了电子在多壁碳纳米管的径向传输，使掺杂多壁碳纳米管具有良好的导电性以及较好的电子传导能力，从而拓展了多壁碳纳米管的应用。