[科普中国]-电极成型

电极成型（forming of electrode）是指炭素糊料在外部压力作用下产生塑性变形，最终成为具有一定外形及较高密实度的石墨电极生坯（或称生制品）的工艺过程。成型时生产炭素制品的主要生产工序之一。炭素制品的成型方法有挤压型、模型成型、振动成型及等静压成型4种，但生产石墨电极主要用挤压成型，也有碳素厂用振动成型，生产炭块、炭质电极、预焙阳极可用挤压成型或振动成型，模压成型和等静压成型多用于生产细颗料结构的炭制品或特殊用途的炭制品。

简介自从发现了纳米碳管以来，纳米碳管特殊的结构以及性能引起了科学家的兴趣。大量的报道表明，纳米碳管的制备已经取得了较大的进展，多壁纳米碳管的制备技术已经较成熟，许多研究小组已经进行了初步的工业化制备，然而纳米碳管应用探索的进展却相对缓慢。纳米碳管特殊的中空结构、大的比表面积、低的电阻率和高的稳定性，理论上可广泛应用于电池材料、储氢材料、平面显示器材料、化学传感器和超大容量电化学电容器，但实际上还没有找到真正意义上大量应用的领域。作者所在的课题组首次提出了利用纳米碳管电极的液流式电容型海水淡化脱盐新技术，并取得了很好的脱盐效果，拓展了纳米碳管可大规模应用的领域。

随着人们对纳米碳管电极研究的逐步深入，对纳米碳管块状电极成型的研究已成为一个新的课题。对活性炭块状电极成型方法的研究较多，而对纳米碳管块状电极成型方法的研究则刚处于起始阶段。总结前人的工作，纳米碳管块状电极成型方法主要可分为直接高温热压成型、冷压粘结成型和热压粘结成型3种方法1。

直接高温热压成型方法单壁纳米碳管和直径较小的多壁纳米碳管表面能大，具有极好的自粘结性能，可以直接压制成型。采用2000℃热压工艺制得较高体积密度的∅50mm的纯净纳米碳管高温压制体，为纳米碳管块状电极的直接成型奠定了基础。通过分析直接成型的块状电极片发现，其电阻率在10-4Ω·cm量级，比表面积为80m2/g，孔容为0.2cm3/g。由于这种直接成型方法工艺设备要求太高，因而影响了其实际应用。

冷压粘结成型方法冷压粘结成型一般以PTFE、PVDF为粘结剂，与纳米碳管以不同比例充分混合，在室温下直接压制而成。如将纳米碳管与PTFE以90:10的重量比进行混合，在室温下以20MPa的压力压制10min，得到厚2mm、直径22mm的圆形电极片，其等效电阻为14Ω，BET比表面积约为100m2/g，孔容为0.21cm3/g。以包覆PANI树脂的单壁纳米碳管添加15%的乙炔黑和5%的PTFE在Ni网上压制成1cm×1cm的电极片，考察其电化学性能。比较可以看出，纳米碳管电极可以通过使用支撑材料(Ni网)来减少PTFE粘结剂的添加量。将多壁纳米碳管、乙炔黑和PVDF按85:5:10的重量比进行压制，得到了适用于超级电容器的电极。

在纳米碳管中添加5%的PVDF压制成厚0.7mm、直径22mm的圆形电极片。提到了一种在多壁纳米碳管中添加20%的PVDF压制电极的方法。从这些研究可以看出，在纳米碳管电极成型的过程中，PVDF粘结剂的添加量相差较大，这可能是成型工艺条件及实验要求的差异所造成的2。

热压粘结成型方法热压粘结成型主要以PR为粘结剂，利用PR在一定温度下熔融软化的性质，在一定压力下压制成电极片，然后将压制的电极片在惰性气体(N2)保护下进行高温炭化。经过高温炭化处理后，除掉了PR粘结剂中的氧和氢，使PR转化为碳骨架。

一方面，由于碳骨架的作用，电极片的强度不会明显降低，同时炭化使电极片内部营造了更多的空隙，大大提高了电极片的比表面积；另一方面，由于碳骨架电阻较低，电极片的导电性能也有了较大提高。

将纳米碳管与不同含量的PR粉末在150℃、一定压力下保温一段时间得到厚2mm、直径22mm的圆片状固体电极，然后在850℃氮气氛保护下，恒温炭化2-4h。研究发现，PR的添加量若小于5%，则电极不易成型，而添加量过高时既降低了电极中纳米碳管所占的比例，又会增大电容器的固有电阻；只有添加适量的PR粘结剂，才能既充分保证电极强度，又可在炭化时增大电极的比表面积。由实验得知，PR的添加量为15%时电极的性能最好。他们用该法压制了尺寸为8mm×8mm×3.1mm的纳米碳管电极，发现其等效串连电阻仅为2.78Ω。

适合液流式电容型纳米碳管脱盐电极液流式电容型脱盐装置主要由2个纳米碳管电极及外接电源所组成。在外接电源的前提下，当含可溶性盐的海水或苦咸水通过电极体系时，其中可溶性盐的离子向荷电相反的电极移动并吸附在电极上，从而达到淡化海水或苦咸水的目的。当电极上吸附了足够多的离子时，将电极体系反接，则吸附在电极上的盐离子自行脱落、排放，电极得以再生。根据液流式电容型脱盐原理，要求所制备的纳米碳管电极具有丰富的空隙、较大的比表面积和良好的导电性。

分别利用PTFE冷压粘结成型和PR热压粘结成型的方法，对纳米碳管电极双电层电容器进行了研究分析，发现以PTFE为粘结剂冷压粘结成型所得电极适用于在基于有机电解液的双电层电容器中，但他们同时也指出与以PR热压粘结成型所得电极比较，该电极比表面积较小，且等效电阻较大3。

本词条内容贡献者为:

石季英 - 副教授 - 天津大学