实验室的碳纸你了解多少？

碳纸作为一种重要的材料，在多个高科技领域中发挥着关键作用，尤其在锂电池、电化学、燃料电池和催化剂载体等方面。本文将全面介绍碳纸的合成过程、主要特点、品牌、参数、分类及其应用领域，帮助您在选购碳纸时做出明智的决策。

1. 碳纸简介

碳纸是一种由碳纤维制成的多孔材料，具有高导电性、轻质和耐化学腐蚀性，广泛用于锂电池、电化学反应、燃料电池和各种电子器件中。碳纸的独特结构使其成为优良的电极材料和集流体，特别适合在高效能和高可靠性的环境中应用。

1.1 碳纸的合成过程

碳纸的合成主要包括以下几个步骤：

●原材料准备：碳纤维是碳纸的主要原料，这些碳纤维通常由有机聚合物（如聚丙烯腈，PAN）通过高温裂解碳化而成。

●碳化处理：碳纤维经过预氧化和碳化处理，在高温下转变为纯碳。这个过程中会形成碳纤维的微观结构，为碳纸提供优异的导电性和机械强度。

●成型与固化：碳纤维被编织成纸状结构，通过热压或其他成型技术固定其形状，并进一步增强其强度和导电性。

●后处理：碳纸可能会进行表面处理，以增加其与电解液的接触面积，或通过添加聚四氟乙烯（PTFE）等材料提高其疏水性，优化其在燃料电池等应用中的性能。

1.2 主要特点

碳纸因其独特的物理和化学特性而受到广泛应用。以下是碳纸的主要特点：

◆高导电性：碳纸具有极高的导电性，确保电流在电池和电子器件中的高效传导。

◆轻质：碳纸的密度非常低，这使得其适合应用在需要轻量化的设备中。

◆多孔结构：碳纸的多孔结构提供了较大的比表面积，有助于在电化学反应中提高效率。

◆耐化学腐蚀：碳纸对大多数化学物质具有高度的耐受性，适合在严苛的化学环境中使用。

◆柔韧性：尽管轻质，碳纸仍然具备一定的柔韧性，易于加工和应用于不同的形状和结构中。

1.3 主要品牌

目前市场上有多家知名品牌生产高质量的碳纸，它们各自在品质和应用领域上都有所侧重：

▲Toray：日本Toray公司是碳纸的全球领先制造商，生产的碳纸广泛用于燃料电池和电化学反应器中。Toray TGP-H-060：厚度为0.19毫米，适用于锂离子电池和燃料电池中的集流体，具有高导电性和适中的孔隙率。

图1 东丽TGP-H-060碳纸

图2 东丽碳纸参数表

YLS-30T燃料电池气体扩散层碳纸(东丽基底)是一款高性能燃料电池气体扩散层（GDL）碳纸，采用东丽基底，专为燃料电池等电化学应用设计。它具有优异的导电性、气体扩散性能和机械强度，能够有效提升燃料电池的整体性能。适用于质子交换膜燃料电池（PEMFC）和固体氧化物燃料电池（SOFC）中的气体扩散层。其优良的孔隙结构和导电性能，使得气体和电流能够高效传输，确保燃料电池的高效运作。此外，它还可用于锂电池电极基底，提高电极材料的均匀性和导电性。

图3 YLS-30T碳纸结构

图4 YLS系列碳纸参数

▲SGL Carbon：德国SGL Carbon生产的碳纸以高导电性和耐化学腐蚀性著称，适合高性能电池和工业应用。SGL Carbon SIGRACET GDL 25 AA：专为燃料电池设计，具有优异的气体扩散性能和疏水性，适合在苛刻的环境下使用。

▲CeTech：是一家专注于碳材料研发与生产的公司，其生产的碳纸广泛应用于电化学领域，特别是在燃料电池和锂电池中。GDS310：厚度为0.31毫米，因其高孔隙率和优良的导电性能，特别适合用于高功率燃料电池的气体扩散层，提供有效的气体传输和水管理。

图5 台湾碳能GDS310碳纸

图6 台湾碳能碳纸参数

▲AvCarb：美国AvCarb公司的碳纸以其高强度和高导电性被广泛应用于高端锂电池和能源储存系统中。AvCarb P50：厚度为0.45毫米，适合高强度电极和催化剂载体应用，具有较高的抗拉强度和导电率。

1.4 主要参数及其意义

在选购碳纸时，需要考虑以下关键参数，以确保碳纸能够满足您的特定需求：

●厚度：碳纸的厚度通常在0.1毫米到0.5毫米之间。厚度越大，碳纸的机械强度越高，但导电性和柔韧性可能会降低。较薄的碳纸适用于需要高导电性的应用，而较厚的碳纸则适合需要高强度的应用。

●孔隙率：碳纸的孔隙率决定了其比表面积和气体扩散性能。高孔隙率的碳纸能够提供更大的反应面积，有助于提升电化学反应效率。

●导电率：碳纸的导电率是其重要的性能指标，通常以S/cm为单位。高导电率的碳纸能够降低电阻损耗，提升整体效率。

●气体渗透性：这一参数反映了碳纸对气体的透过能力，特别重要于燃料电池应用中。气体渗透性较高的碳纸能够更有效地传输反应气体，提升电池效率。

●抗拉强度：该参数衡量碳纸在拉伸下的机械强度，影响其在实际应用中的耐用性。

1.5 碳纸的分类

根据不同的应用需求，碳纸可以分为以下几类：

1. 标准碳纸：适用于大多数电化学应用，具有较高的导电性和良好的机械强度，广泛用于锂电池、燃料电池和传感器中。

2. 增强型碳纸：通过添加额外的树脂或涂层增强机械强度和耐用性，适合在高压、高温等极端条件下使用。

3. 气体扩散碳纸：专为燃料电池设计，具有优异的气体扩散能力和较高的孔隙率，能够提升燃料电池的效率。

4. 涂覆型碳纸：在碳纸表面进行特殊涂层处理，例如PTFE涂层，提升其疏水性和化学稳定性，适用于需要高化学稳定性的应用。

2. 选购建议与结论

在选购碳纸时，应根据具体应用的需求考虑以下几个方面：

◆应用领域：明确您的应用场景，如电池、燃料电池或催化剂载体，从而选择适合该领域的碳纸型号。

◆关键参数：根据导电性、孔隙率、厚度等关键参数，选择最能满足您需求的碳纸类型。

◆品牌与质量：选择知名品牌的碳纸产品，确保材料的可靠性和性能稳定性。

碳纸在电化学、能源储存和传感器等领域发挥着至关重要的作用。通过了解其合成过程、主要特点和应用领域，您可以更好地选择适合自己需求的碳纸型号，助力科研与工业生产。无论是提升电池性能、改进燃料电池效率，还是进行材料研究，碳纸都是您不可或缺的工具。