劳伦斯利弗莫尔国家实验室(LLNL)的科学家们在金属箔上制造了垂直排列的单壁碳纳米管，这可能是能源存储和电子工业的福音。

垂直排列的碳纳米管(VACNTs)除了排列结构外，还具有优异的机械、电气和传输性能，这对于膜分离、热管理、纤维纺丝、电子互连和能量存储等应用至关重要。

迄今为止，由于缺乏兼容、经济的大规模生产能力，VACNTs与下一代技术的广泛集成受到阻碍。高质量的VACNTs通常是在刚性、昂贵且电绝缘的硅(Si)或石英晶片等衬底上制成的。

在科学文献中探索金属箔选项后，LLNL团队转向铬镍铁合金衬底，使他们能够将VACNTs集成到柔性器件中，消除从Si到其他衬底的转移步骤，并最大限度地减少CNTs和衬底之间界面的电或热传输电阻，这对电子和储能应用至关重要。铬镍铁合金是镍铬基高温合金家族，是一种抗氧化耐腐蚀材料，非常适合在承受压力和高温影响的极端环境中使用。相关研究以“Growth and Performance of High-Quality SWCNT Forests on Inconel Foils as Lithium-Ion Battery Anodes”为题发表在ACS Applied Materials & Interfaces 上。

在这项工作中，作者展示了高质量(G/D >6、平均直径~ 2-3 nm，密度>1012 cm-2) 铬镍铁合金上的VA-SWCNTs，用作锂离子电池(LIB)阳极。铬镍铁合金625上的 SWCNT 生长放大至 100 cm2，即使在大气压附近进行合成时，也表现出几乎不变的CNT结构特性，并且这种稳健性归因于由本体气体混合物中的碳前体扩散主导的生长动力学机制。在接近大气压的大面积金属基材上生产的SWCNTs 森林具有迄今为止在金属箔上生长的文献中最好的一系列结构特征组合示范之一。利用这些成果在能源应用中，作者展示了一种VA-SWCNT LIB 阳极，在1.0C时容量为>1200 mAh/g，循环稳定超过 300 次。这种在金属箔上的高质量VA-SWCNTs的稳定合成，为大规模生产可用于广泛的应用的高性能碳纳米管器件提供了一条有前途的途径。

“高质量碳纳米管从传统Si衬底过渡到金属箔，为更经济、大规模、半连续和卷对卷制造多功能碳纳米管复合材料、纳米多孔膜和电化学器件打开了大门，”LLNL科学家Francesco Fornasiero说，他是该研究的合作者。

在金属箔上合成高质量的单壁碳纳米管（SWCNTs）对于锂离子电池（LIB）等储能器件特别有价值。虽然石墨材料是常见的LIB阳极，但其容量无法满足快速发展的储能需求。

在铬镍铁合金箔上生长的垂直排列的单壁碳纳米管 （VA-SWCNTs）放大样品的照片和示意图（插图）。侧面图片显示了基于VA-SWCNTs阳极的半电池，照亮红色，黄色和绿色LED。来源：劳伦斯利弗莫尔国家实验室

“CNTs的高表面积和出色的电子导电性使其成为高容量，高速率电化学应用的主要候选材料，”LLNL科学家Kathleen Moyer-Vanderburgh说，他是该论文的第一作者。“特别是，在金属箔上生长的VA-SWCNTs可以提供一个无粘合剂的平台，在SWCNTs 和集流体之间具有很强的附着力，增强了导电性，并为快速锂离子扩散排列通道。

LLNL团队在铬镍铁合金上种植了垂直排列的SWCNT森林，用作LIB阳极。团队成员发现在广泛的合成条件和多种金属基材上碳纳米管森林几乎保持不变的结构性质。制备的VA-SWCNT LIB阳极即使在高循环速率下也表现出数百次循环的稳定循环和大容量。

“我们的研究结果表明，铬镍铁合金上的这些SWCNTs 是高性能电化学器件的有前途的材料，”LLNL科学家Jianchao Ye说。