碳纳米管在储能方面的应用有哪些？提升电池性能和耐用性

在储能领域，碳纳米管（CNTs）最显著的应用是作为锂离子电池电极中的高性能导电添加剂。通过加入哪怕一小部分碳纳米管，制造商也能显著提高导电性和机械弹性，从而实现更高的能量密度、更快的充电速度和更宽的工作温度范围。

碳纳米管并非电池中主要储能材料的替代品。相反，它充当了关键的赋能者——一个内部骨架，创建了一个高效的电学和机械网络，从而实现以前不切实际的更厚、更强大的电极设计。

核心功能：克服电极限制

电池电极中使用的活性材料，例如负极中的硅或正极中的NMC，在存储锂离子方面表现出色，但往往是较差的电导体。这种固有的限制造成了瓶颈，减缓了性能。

传统电极依赖于炭黑等添加剂来创建导电通路。然而，这些材料需要更高的负载量，并且在形成坚固、长程网络方面效果较差，这限制了电极的厚度和功率能力。

由于其极高的长径比（非常长而细）和卓越的导电性，碳纳米管在整个电极中形成了优越的三维导电网络。少量碳纳米管即可形成一个“渗透通路”，就像钢筋加固大量混凝土一样。

这个网络大大降低了电极的内阻，确保电子在充电和放电过程中能够快速有效地进出活性材料。

较低的内阻直接转化为更好的倍率性能，这意味着电池可以更快地充电和放电，并且以热量形式损失的能量更少。这种改进的导电性还在低温和高温下增强了性能。

碳纳米管的真正价值在于它们能够实现突破储能界限的设计。它们不仅解决了电学问题，还解决了机械问题。

增加电池能量容量最直接的方法是使电极更厚，从而填充更多的活性材料。碳纳米管提供了使这些厚电极可行所需的必要电子导电性和机械强度，直接提高了电池的能量密度（Wh/kg）。

硅等下一代负极材料有望在能量容量方面实现巨大飞跃。然而，它们在充电过程中会发生极端的体积膨胀，这会迅速破坏电极并缩短电池的循环寿命。柔韧而坚固的碳纳米管网络有助于将电极结合在一起，适应这种应力并显著提高耐用性。

碳纳米管的优势不仅限于电池的一侧。它们越来越多地用于负极和正极，以增强导电性、改善机械完整性，并使整个电池能够使用更先进的活性材料。

虽然碳纳米管提供了显著的优势，但它们的实施并非简单的即插即用过程。成功需要解决关键的制造和配方挑战。

碳纳米管具有强烈的团聚倾向，这种现象被称为团聚。如果它们没有在电极浆料中正确分散成均匀的网络，它们可能会产生缺陷并导致性能不一致、表现不佳。实现良好分散是电池研发的主要重点。

碳纳米管可以减少，在某些情况下甚至消除对将电极结合在一起的传统聚合物粘合剂的需求。虽然这可以进一步提高能量密度，但它需要完全重新设计电极浆料化学，从简单的添加剂转变为核心结构组件。

作为一种专业的、高性能材料，电池级碳纳米管的成本和供应链是关键的考虑因素。尽管随着采用率的增长，价格正在下降，但与传统炭黑相比，它们仍然是一种高端添加剂，需要明确的成本效益论证。

使用碳纳米管的决定应由特定的性能目标驱动。

最终，碳纳米管作为一项关键的赋能技术，为储能的未来带来了根本性的性能提升。