采用熱化學氣相沉積技術(CVD)，在泡沫鎳表面直接生長多壁碳納米管(MWNT)，以此MWNT - 泡沫鎳基底為電池集流體，并使用該基底、通過干粉末滾壓工藝制備鎳氫電池電極，對電池進行了一系列的充放電性能測試。實驗結果顯示，碳納米管可以從泡沫鎳內部直接長出，經過電極制備后，能夠穿插到電極活性物質中間，增加活性物質與基底間結合力。這種電極結構可以有效抑制電池在充放電過程中活性物質的脫落、提高電子傳輸效率，使電池最大放電比容量提高約17.3% 。經過200 次循環后，電池容量僅僅下降24.4% 。

　　1、引言

　　氫氣作為一種綠色環保的能源，普遍存在于自然界中，且在所有元素中它的重量最輕。鎳氫電池(Ni - MH)是一種能量密度高，使用壽命長，無記憶效應，無污染的新型能源電池，近年來已經被各國廣泛研究。在我國，鎳氫電池已經實現產業化、規模化，技術上達到國際先進水平，所制備的AA 型鎳氫電池容量能夠達到1 600~1 800 mAh，AAA 型電池容量達到850 mAh，4 /3A 型電池容量達到4 000~5 000 mAh。考慮到目前市場上各類電池的安全性、可靠性、綜合性能，以及電極材料的資源、環境等問題，鎳氫電池仍然是近期和中期電動車用電池的首選對象。通常，鎳氫電池都是通過濕法涂覆工藝來制備，然而這種制備方法并不能將電極活性物質與基底有效地結合在一起，進而會降低電池的放電比容量和循環壽命。自從碳納米管(CNTs)被發現以來，它就引起了人們的廣泛關注。由于碳納米管具有獨特的管狀中空結構、極大的長徑比、優異的物理化學性能、卓越的導電性和機械性能等，被廣泛的應用于鎳氫電池、超級電容器、場發射陰極等器件。

　　在CNT 鎳氫電池的研制中，涂江平等人首次將碳納米管添加到鎳氫電池電極中，研究顯示添加碳納米管可以降低電池內阻，同時提高電池容量，含碳管的電池表現出更好的循環穩定性。廣東工業大學的張海燕等人將多壁碳納米管添加到鎳氫電池電極中，測試發現在3 000 mA 的充電電流與6 000 mA的放電電流條件下，電池的循環壽命超過600 次，且最大放電容量能夠達到3 369 mAh。Tsai 等人將AB5型儲氫合金靶材通過直流磁控濺射系統沉積到碳納米管巴基紙上來制備鎳氫電池電極，測試數據顯示，基于巴基紙的電池最大放電比容量為276 mAh/ g。然而，通過這些添加碳納米管工藝制備的電池，由于碳納米管與基底之間不是自然結合，活性物質與基底結合不牢，在多個循環過程后，活性物質很容易從基底上脫落，影響電極內部的電荷傳輸，從而導致電池放電比容量和循環壽命的降低。

　　在本研究中，我們選用AB5型儲氫合金負極材料和商用的球形Ni(OH)2 正極材料作電池兩極。無需額外沉積催化層，通過CVD 技術在泡沫鎳基底上直接原位生長多壁碳納米管，選用該CNT - 泡沫鎳材料做集流體;并采用干粉滾壓工藝在該材料上制備電池電極，組裝開口式鎳氫電池。對電池進行了一系列的SEM、XRD 結構表征，并測試了它的充放電性能。

　　2、實驗方法

　　在CVD 生長實驗中，剪切2.7 ×2.7 cm²尺寸的泡沫鎳作為碳納米管生長基底材料，依次通過丙酮、無水乙醇、去離子水反復超聲清洗，除去泡沫鎳表面的油污和雜質。將清洗干凈的泡沫鎳用石英托盤承載，放置于石英管反應腔中進行CNT 生長。生長中，當反應腔真空度達到10 mtorr 左右時，對反應腔加熱，同時打開循環水冷機。升溫30 min 后，向反應腔通入200 sccm 的氬氣。當溫度達到預設溫度(625~800 ℃)，氣壓達到所需生長壓強(10~60 torr)時，通入15~30 sccm 的乙炔碳源，開始碳納米管的生長，并控制生長時間(5~15 min)。碳納米管生長結束后，立即關閉碳源氣體，停止碳納米管生長。待反應腔自然冷卻至室溫后，暴露真空，取出樣品待用。

　　在鎳氫電池制備實驗中，我們選用AB5型富鑭儲氫合金粉作為電池的負極活性物質，Ni 粉作為導電添加劑。稱取一定量的負極活性混合物粉末(AB5型儲氫合金粉：Ni 粉= 1：1)，手工研磨10 分鐘。待其混合均勻后，使用壓片機在25 MPa 壓力下壓片，得到厚度約為0. 6 mm 的合金圓片。用兩片預先經過熱CVD 直接生長有碳納米管的泡沫鎳夾制，得到三明治式結構，在30 MPa 壓力下壓實，得到負電極片(負電極A)。為了進行對比實驗，又制備了以純泡沫鎳作為基底骨架的電極(負電極B)。并選用球形Ni(OH)2 作正極活性物質，CoO 微粉用作正極導電添加劑，以混合物比例Ni(OH)2 ：CoO =1：1，上述制備工藝，得到正極極片(正電極A、正電極B)。以6 M/ L KOH 水溶液為電解液，采用兩片正極、一片負極的結構，組裝出開口式模擬電池。

　　在性能測試之前，把電池連接到電池測試系統，先對其進行電化學活化：電池以0.1 C 電流密度充電11 小時，再以0.2 C 放電至截止電壓0.1 V。電池以小電流完成充-放電活化后，電流密度加倍，以0.2 C 充電6 小時，0.4 C 放電至0.1 V 的充-放電條件進行充-放電與壽命測試。

　　此外，我們通過JSM - 6700F 場發射掃描電鏡對CVD 生長的碳納米管以及充放電循環前后的電極截面進行了SEM 表征，通過X 射線衍射儀對充放電前后電極活性物質進行了XRD 分析。

　　4、結束語

　　通過熱CVD 技術在未沉積催化層的泡沫鎳表面直接生長碳納米管，并用作電池集流體，通過干粉滾壓技術制備鎳氫電池，進行一系列的充-放電性能測試。實驗結果顯示，在泡沫鎳表面直接生長碳納米管能夠實現與基底的自然結合，增加電化學反應活性，經過電極制備工藝后，碳納米管能夠穿插到活性物質中，將活性物質牢牢地固定到泡沫鎳基底，抑制電池充放電過程中活性物質的脫落，改善電池性能。另外，這種CVD 直接生長碳納米管的技術也可以用于超級電容器、場發射陰極等領域。