一种碳纸及其制备方法

1.本说明书涉及电池领域，特别涉及一种电池扩散层用碳纸及其制备方法。


背景技术：

2.碳纸是制备电池用扩散层的重要基底材料，其性能直接影响扩散层的性能，并进一步影响电池性能。通常，要求碳纸具有较低的电阻率和较大的孔隙率等。因此，有必要提供一种具有较低电阻率的碳纸及其制备方法。


技术实现要素：

3.本说明书实施例之一提供一种碳纸的制备方法。所述方法包括：将碳纸骨架层置于含硼浸渍液中，浸渍预设时间后取出，经处理得到碳纸，其中，所述含硼浸渍液包括热固性树脂、醇和含硼物质；其中，所述含硼物质占所述含硼浸渍液的1wt％-7wt％，所述含硼物质包括硼单质，其中，所述硼单质占所述含硼物质的质量分数不小于80％。
4.在一些实施例中，所述预设时间在5min-30min范围内。
5.在一些实施例中，所述处理包括轧制、干燥、热压固化、碳化以及石墨化。
6.在一些实施例中，所述轧制后的碳纸骨架层的增重在180g/m
2-350g/m2范围内。
7.在一些实施例中，所述石墨化温度在1800℃-2200℃范围内，所述石墨化时间在10min-2h范围内。
8.本说明书实施例之一提供一种碳纸。所述碳纸使用上述碳纸的制备方法制得。
9.在一些实施例中，在低于2.5n/cm2压强下，所述碳纸的厚度在70μm-350μm范围内时，所述碳纸的体积电阻率在4mω
·
cm-6mω
·
cm范围内。
10.在一些实施例中，所述碳纸的孔隙率不小于75％。
11.本说明书实施例之一还提供一种扩散层。所述扩散层包括上述碳纸。
12.本说明书实施例之一还提供一种电池。所述电池包括上述扩散层。
附图说明
13.本说明书将以示例性实施例的方式进一步说明，这些示例性实施例将通过附图进行详细描述。这些实施例并非限制性的，在这些实施例中，相同的编号表示相同的结构，其中：
14.图1是分别根据实施例1、实施例2与对比例1制得的碳纸的拉曼光谱对比分析图；
15.图2a是根据实施例1制得的碳纸sem图；
16.图2b是根据实施例2制得的碳纸sem图；
17.图2c是根据对比例1制得的碳纸sem图；
18.图3是分别根据实施例1、实施例2与对比例1制得的碳纸xrd分析谱图；
19.图4是分别根据实施例1、实施例2与对比例1制得的碳纸xps谱图。
4.8wt％范围内。
31.在一些实施例中，含硼物质可以包括硼单质。例如，含硼物质可以为硼单质(例如，硼粉)，即硼单质占含硼物质的质量分数为100％。又例如，含硼物质可以为硼单质和至少一种含硼化合物。
32.含硼物质中硼单质的含量会影响碳纸的性能和生产成本。例如，硼单质的含量过小或过大，均会导致碳纸石墨晶格缺陷较多，进而使碳纸的电阻率增大。因此，在一些实施例中，为了使碳纸具有较优的性能(例如，较低的电阻率)，含硼物质中硼单质的含量需满足预设条件。
33.在一些实施例中，硼单质占含硼物质的质量分数可以不小于80％。硼单质占含硼物质的质量分数可以不小于84％。在一些实施例中，硼单质占含硼物质的质量分数可以不小于88％。在一些实施例中，硼单质占含硼物质的质量分数可以不小于90％。在一些实施例中，硼单质占含硼物质的质量分数可以不小于95％。在一些实施例中，硼单质占含硼物质的质量分数可以不小于98％。
34.在一些实施例中，含硼化合物可以包括但不限于含硼氧化物(例如，三氧化二硼)、硼酸、硼酸盐(例如，硼砂)、非金属硼化物(例如，氮化硼、碳化硼、硼化硅)、金属硼化物(例如，硼化钴、硼化镍、硼化铬或硼化铝)或有机硼化合物(例如，有机硼烷、烃基硼酸)等。
35.含硼物质中硼单质和/或含硼化合物的纯度会影响碳纸的石墨化处理，进而影响碳纸的性能(例如，电阻率)。在一些实施例中，硼单质和/或含硼化合物的纯度可以不小于99.9％。在一些实施例中，硼单质和/或含硼化合物的纯度可以不小于99.95％。在一些实施例中，硼单质和/或含硼化合物的纯度可以不小于99.99％。在一些实施例中，硼单质和/或含硼化合物的纯度可以不小于99.995％。在一些实施例中，硼单质和/或含硼化合物的纯度可以不小于99.999％。
36.含硼物质(例如，硼单质、含硼化合物)的粒径会影响其在碳纸骨架层中的分布，进而影响碳纸的性能(例如，孔隙率)。在一些实施例中，含硼物质的粒径可以不大于30μm。在一些实施例中，含硼物质的粒径可以不大于25μm。在一些实施例中，含硼物质的粒径可以不大于20μm。在一些实施例中，含硼物质的粒径可以不大于15μm。在一些实施例中，含硼物质的粒径可以不大于10μm。在一些实施例中，含硼物质的粒径可以不大于8μm。在一些实施例中，含硼物质的粒径可以不大于6μm。在一些实施例中，含硼物质的粒径可以不大于5μm。在一些实施例中，含硼物质的粒径可以不大于4μm。在一些实施例中，含硼物质的粒径可以不大于3μm。在一些实施例中，含硼物质的粒径可以不大于2μm。在一些实施例中，含硼物质的粒径可以不大于1μm。
37.在一些实施例中，含硼浸渍液还可以包括热固性树脂，作为碳源。在一些实施例中，热固性树脂可以包括酚醛树脂。相比于聚乙烯亚胺或苯并恶嗪，酚醛树脂毒性更低。在一些实施例中，热固性树脂可以还包括环氧树脂、呋喃树脂或糠酮树脂中的至少一种。
38.在一些实施例中，热固性树脂可以占含硼浸渍液的5wt％-25wt％。在一些实施例中，热固性树脂可以占含硼浸渍液的10wt％-20wt％。在一些实施例中，热固性树脂可以占含硼浸渍液的12wt％-18wt％。在一些实施例中，热固性树脂可以占含硼浸渍液的14wt％-16wt％。
39.在一些实施例中，含硼浸渍液还可以包括醇。在一些实施例中，醇可以作为溶剂，以提高含硼浸渍液的分散性，提高含硼浸渍液对碳纸骨架层(例如，碳纤维原纸或碳纤维薄毡)的浸润度，进一步降低碳纸骨架层在含硼浸渍液中的浸渍时间。
40.在一些实施例中，醇可以包括乙醇。相比于其他溶剂(例如，甲苯)，乙醇具有毒性小、环境友好、成本低等优点。在一些实施例中，醇还可以包括乙二醇、丙醇、丙三醇、异丙醇等中的至少一种。
41.作为示例，可以将含硼物质溶于醇中。例如，仅添加硼单质，或者添加两种或以上含硼物质(例如，硼单质和至少一种含硼化合物)，以向浸渍液中提供硼元素。搅拌(例如，高速剪切搅拌)至含硼物质在醇中分散均匀，加入热固性树脂，经搅拌(例如，磁力搅拌、超声搅拌)，得到均匀分散的含硼树脂溶液(含硼浸渍液)。
42.在一些实施例中，可以将碳纸骨架层置于含硼浸渍液中，浸渍预设时间，以使碳纸骨架层吸附热固性树脂，且使含硼物质(例如，硼单质、含硼化合物等)分布在碳纸骨架层中，以便后续诱导石墨化作用，进一步提高碳纸性能(例如，降低电阻率)。
43.在一些实施例中，浸渍处理时，碳纸骨架层可以完全浸没在含硼浸渍液中。在一些实施例中，含硼浸渍液可以重复利用。重复利用含硼浸渍液前，可以将含硼浸渍液充分搅拌均匀。
44.在一些实施例中，相比于其他溶剂(例如，甲苯)，醇(例如，乙醇)可以降低浸渍的预设时间，进一步降低碳纸的生产成本。在一些实施例中，预设时间可以在5min-30min范围内。在一些实施例中，预设时间可以在6min-25min范围内。在一些实施例中，预设时间可以在7min-20min范围内。在一些实施例中，预设时间可以在8min-15min范围内。在一些实施例中，预设时间可以在9min-10min范围内。
45.在一些实施例中，浸渍预设时间后，可以取出浸渍后的碳纸骨架层，并对浸渍后的碳纸骨架层进行处理。
46.在一些实施例中，浸渍预设时间后，可以取出浸渍后的碳纸骨架层，并对浸渍后的碳纸骨架层进行轧制。在一些实施例中，轧制可以去除浸渍后的碳纸骨架层中多余的热固性树脂，可以避免浸渍后的碳纸骨架层在热压过程中因受力挤压导致树脂飞溅，造成损耗。在一些实施例中，轧制过程中去除的多余热固性树脂可以收集并重复利用，进一步降低生产成本。在一些实施例中，轧制可以使热固性树脂和含硼物质在碳纸骨架层中分布更均匀，进一步提高碳纸性能(例如，电阻率、孔隙率)的均一性。
47.在一些实施例中，可以通过控制轧制相关工艺参数(例如，轧制间隙、轧制压力等)控制轧制后的碳纸骨架层的增重。在添加相同含硼物质的条件下，轧制后的碳纸骨架层的增重会影响碳纸的性能。例如，增重过小，会导致碳纸骨架层中含硼物质含量过小，进而使碳纸的电阻率增大。又例如，增重过大(例如，不轧制)，不仅会导致碳纸的性能不均一，大量的热固性树脂和含硼物质还会堵塞碳纸的孔隙，进而导致孔隙率降低。因此，在一些实施例中，为了使碳纸具有较优的性能(例如，性能均一、较高的孔隙率)，轧制后的碳纸骨架层的增重需满足预设条件。
48.在一些实施例中，轧制后的碳纸骨架层的增重可以在180g/m
2-350g/m2范围内。在一些实施例中，轧制后的碳纸骨架层的增重可以在190g/m
2-350g/m2范围内。在一些实施例中，轧制后的碳纸骨架层的增重可以在200g/m
2-350g/m2范围内。在一些实施例中，轧制后的
碳纸骨架层的增重可以在210g/m
2-350g/m2范围内。在一些实施例中，轧制后的碳纸骨架层的增重可以在220g/m
2-350g/m2范围内。在一些实施例中，轧制后的碳纸骨架层的增重可以在230g/m
2-350g/m2范围内。在一些实施例中，轧制后的碳纸骨架层的增重可以在240g/m
2-350g/m2范围内。在一些实施例中，轧制后的碳纸骨架层的增重可以在250g/m
2-350g/m2范围内。在一些实施例中，轧制后的碳纸骨架层的增重可以在260g/m
2-350g/m2范围内。在一些实施例中，轧制后的碳纸骨架层的增重可以在270g/m
2-350g/m2范围内。在一些实施例中，轧制后的碳纸骨架层的增重可以在280g/m
2-350g/m2范围内。在一些实施例中，轧制后的碳纸骨架层的增重可以在290g/m
2-350g/m2范围内。在一些实施例中，轧制后的碳纸骨架层的增重可以在300g/m
2-340g/m2范围内。在一些实施例中，轧制后的碳纸骨架层的增重可以在310g/m
2-330g/m2范围内。
49.在一些实施例中，在轧制过程中，可以在浸渍后的碳纸骨架层的至少一侧放置吸附纸，以吸附轧制过程中挤出的多余热固性树脂。
50.在一些实施例中，可以对轧制后的碳纸骨架层进行干燥，以去除醇溶剂。在一些实施例中，干燥处理还可以对轧制后的碳纸骨架层中的热固性树脂进行预固化。
51.在一些实施例中，可以对干燥后的碳纸骨架层进行热压固化，成型得到碳纸前驱体。
52.在一些实施例中，热压固化温度可以在180℃-240℃范围内。在一些实施例中，热压固化温度可以在190℃-230℃范围内。在一些实施例中，热压固化温度可以在200℃-220℃范围内。在一些实施例中，热压固化温度可以在205℃-210℃范围内。
53.在一些实施例中，热压固化压力可以在1mpa-5mpa范围内。在一些实施例中，热压固化压力可以在2mpa-4mpa范围内。在一些实施例中，热压固化压力可以在2.5mpa-3mpa范围内。
54.在一些实施例中，热压固化时间可以在10min-30min范围内。在一些实施例中，热压固化时间可以在15min-25min范围内。在一些实施例中，热压固化时间可以在18min-22min范围内。
55.在一些实施例中，可以对碳纸前驱体进行碳化处理。在一些实施例中，可以在惰性气氛下进行碳化处理。在一些实施例中，惰性气氛可以包括但不限于氮气、惰性气体(稀有气体)中的至少一种。
56.在一些实施例中，碳化温度可以在800℃-1200℃范围内。在一些实施例中，碳化温度可以在900℃-1100℃范围内。在一些实施例中，碳化温度可以在950℃-1000℃范围内。
57.在一些实施例中，碳化时间可以在10min-2h范围内。在一些实施例中，碳化时间可以在30min-1.8h范围内。在一些实施例中，碳化时间可以在50min-1.5h范围内。在一些实施例中，碳化时间可以在1h-1.2h范围内。
58.在一些实施例中，从室温升至碳化温度的升温速率可以在5℃/min-30℃/min范围内。在一些实施例中，升温速率可以在10℃/min-25℃/min范围内。在一些实施例中，升温速率可以在15℃/min-20℃/min范围内。
59.在一些实施例中，可以对碳化处理后的碳纸前驱体进行石墨化处理，得到碳纸。在一些实施例中，可以在惰性气氛下进行石墨化处理。
60.在一些实施例中，石墨化温度可以在1800℃-2200℃范围内。在一些实施例中，石
墨化温度可以在1900℃-2100℃范围内。在一些实施例中，石墨化温度可以在2000℃-2100℃范围内。
61.在一些实施例中，石墨化时间可以在10min-2h范围内。在一些实施例中，石墨化时间可以在20min-1h范围内。在一些实施例中，石墨化时间可以在30min-0.8h范围内。
62.在一些实施例中，从碳化温度升至石墨化温度的升温速率与从室温升至碳化温度的升温速率可以相同或不同。
63.应当注意的是，上述有关碳纸的制备方法的描述仅仅是为了示例和说明，而不限定本说明书的适用范围。对于本领域技术人员来说，在本说明书的指导下可以对上述制备方法进行各种修正和改变。然而，这些修正和改变仍在本说明书的范围之内。例如，可以增加一个或以上未描述的附加操作。
64.本说明书一些实施例还提供一种碳纸，该碳纸使用前述碳纸的制备方法制得，有关更多技术细节可以参见前述碳纸的制备方法的相关描述，在此不再赘述。
65.在一些实施例中，在低于2.5n/cm2压强下测得碳纸的厚度可以在70μm-350μm范围内。在一些实施例中，在低于2.5n/cm2压强下测得碳纸的厚度可以在80μm-330μm范围内。在一些实施例中，在低于2.5n/cm2压强下测得碳纸的厚度可以在90μm-310μm范围内。在一些实施例中，在低于2.5n/cm2压强下测得碳纸的厚度可以在100μm-300μm范围内。在一些实施例中，在低于2.5n/cm2压强下测得碳纸的厚度可以在110μm-290μm范围内。在一些实施例中，在低于2.5n/cm2压强下测得碳纸的厚度可以在120μm-280μm范围内。在一些实施例中，在低于2.5n/cm2压强下测得碳纸的厚度可以在130μm-260μm范围内。在一些实施例中，在低于2.5n/cm2压强下测得碳纸的厚度可以在140μm-240μm范围内。在一些实施例中，在低于2.5n/cm2压强下测得碳纸的厚度可以在150μm-230μm范围内。在一些实施例中，在低于2.5n/cm2压强下测得碳纸的厚度可以在160μm-220μm范围内。在一些实施例中，在低于2.5n/cm2压强下测得碳纸的厚度可以在170μm-210μm范围内。在一些实施例中，在低于2.5n/cm2压强下测得碳纸的厚度可以在180μm-200μm范围内。在一些实施例中，在低于2.5n/cm2压强下测得碳纸的厚度可以在190μm-200μm范围内。
66.在一些实施例中，在低于2.5n/cm2压强下，碳纸的厚度在70um-350μm范围内时，碳纸的体积电阻率可以小于6mω
·
cm。在一些实施例中，碳纸的体积电阻率可以小于5.8mω
·
cm。在一些实施例中，碳纸的体积电阻率可以小于5.5mω
·
cm。在一些实施例中，碳纸的体积电阻率可以小于5.2mω
·
cm。在一些实施例中，碳纸的体积电阻率可以小于5mω
·
cm。在一些实施例中，碳纸的体积电阻率可以小于4.8mω
·
cm。在一些实施例中，碳纸的体积电阻率可以小于4.5mω
·
cm。在一些实施例中，碳纸的体积电阻率可以小于4.2mω
·
cm。在一些实施例中，碳纸的体积电阻率可以小于4mω
·
cm。
67.在一些实施例中，在低于2.5n/cm2压强下，碳纸的厚度在70um-350μm范围内时，碳纸的体积电阻率可以在4mω
·
cm-6mω
·
cm范围内。在一些实施例中，碳纸的体积电阻率可以在4.2mω
·
cm-5.9mω
·
cm范围内。在一些实施例中，碳纸的体积电阻率可以在4.4mω
·
cm-5.8mω
·
cm范围内。在一些实施例中，碳纸的体积电阻率可以在4.6mω
·
cm-5.7mω
·
cm范围内。在一些实施例中，碳纸的体积电阻率可以在4.8mω
·
cm-5.6mω
·
cm范围内。在一些实施例中，碳纸的体积电阻率可以在5mω
·
cm-5.5mω
·
cm范围内。在一些实施例中，碳纸的体积电阻率可以在5.1mω
·
cm-5.4mω
·
cm范围内。在一些实施例中，碳纸的体积电
阻率可以在5.2mω
·
cm-5.3mω
·
cm范围内。
68.在一些实施例中，在低于2.5n/cm2压强下，碳纸的厚度在70μm-350μm范围内时，碳纸的孔隙率可以不小于75％。在一些实施例中，碳纸的孔隙率可以不小于78％。在一些实施例中，碳纸的孔隙率可以不小于80％。在一些实施例中，碳纸的孔隙率可以不小于81％。在一些实施例中，碳纸的孔隙率可以不小于82％。在一些实施例中，碳纸的孔隙率可以不小于83％。在一些实施例中，碳纸的孔隙率可以不小于84％。在一些实施例中，碳纸的孔隙率可以不小于85％。在一些实施例中，碳纸的孔隙率可以不小于86％。
69.实施例1
70.将纯度为99.9％、粒径为2μm的硼粉(硼单质)溶于乙醇，搅拌使硼粉分散，然后加入酚醛树脂，继续搅拌，得到硼粉质量分数为2％、酚醛树脂质量分数为18％的均匀的含硼浸渍液(含硼物质为硼粉，含硼物质占含硼浸渍液的2wt％，硼单质占含硼物质的质量分数为100％)。将经湿法抄造得到的面密度为45g/m2的碳纤维原纸置于含硼浸渍液中，浸渍5min后取出，经轧制、干燥处理后，在240℃、1mpa下热压固化15min，得到碳纸前驱体。在惰性气氛下以10℃/min的升温速率升至1000℃，对碳纸前驱体进行碳化处理50min。然后以10℃/min的升温速率升至2200℃，对经过碳化处理后的碳纸前驱体进行石墨化处理45min，得到面密度为56.58g/m2的碳纸。在低于2.5n/cm2压强下，碳纸厚度为205μm。
71.实施例2
72.与实施例1的不同之处在于，含硼浸渍液中硼粉质量分数为5％(含硼物质为硼粉，含硼物质占含硼浸渍液的5wt％)。
73.碳纸面密度为61.88g/m2，在低于2.5n/cm2压强下，碳纸厚度为200μm。
74.实施例3
75.与实施例1的不同之处在于，含硼浸渍液中硼粉质量分数为7％(含硼物质为硼粉，含硼物质占含硼浸渍液的7wt％)。
76.碳纸面密度为68.66g/m2，在低于2.5n/cm2压强下，碳纸厚度为200μm。
77.实施例4
78.与实施例1的不同之处在于，含硼浸渍液中硼粉质量分数为1％(含硼物质为硼粉，含硼物质占含硼浸渍液的1wt％)。
79.碳纸面密度为56.04g/m2，在低于2.5n/cm2压强下，碳纸厚度为185μm。
80.实施例5
81.与实施例1的不同之处在于，含硼物质为硼粉和碳化硼，含硼物质占含硼浸渍液的7wt％，硼粉占含硼物质的质量分数为80％。
82.碳纸面密度为70.8g/m2，在低于2.5n/cm2压强下，碳纸厚度为180μm。
83.对比例1
84.与实施例1的不同之处在于，浸渍液中不含硼(含硼物质占浸渍液的0wt％)。
85.碳纸面密度为50.61g/m2，在低于2.5n/cm2压强下，碳纸厚度为200μm。
86.对比例2
87.与实施例1的不同之处在于，含硼浸渍液中硼粉质量分数为0.5％(含硼物质为硼粉，含硼物质占含硼浸渍液的0.5wt％)。
88.碳纸面密度为59.59g/m2，在低于2.5n/cm2压强下，碳纸厚度为180μm。
89.对比例3
90.与实施例1的不同之处在于，含硼浸渍液中硼粉质量分数为10％(含硼物质为硼粉，含硼物质占含硼浸渍液的10wt％)。
91.碳纸面密度为93.32g/m2，在低于2.5n/cm2压强下，碳纸厚度为190μm。
92.对比例4
93.与实施例5的不同之处在于，硼粉占含硼物质的质量分数为16.67％。
94.碳纸面密度为73.14g/m2，在低于2.5n/cm2压强下，碳纸厚度为180μm。
95.对比例5
96.与实施例5的不同之处在于，硼粉占含硼物质的质量分数为30％。
97.碳纸面密度为66g/m2，在低于2.5n/cm2压强下，碳纸厚度为190μm。
98.对比例6
99.与实施例5的不同之处在于，硼粉占含硼物质的质量分数为70％。碳纸面密度为72.37g/m2，在低于2.5n/cm2压强下，碳纸厚度为180μm。
100.本说明书实施例中碳纸的厚度均在低于2.5n/cm2压强下测得。本说明书中体积电阻率指平面方向的体积电阻率。本说明书中体积电阻率测定依照gb/t24525—2009gb规定的炭素材料电阻率测定方法。本说明书中导热系数测定依照gb/t8722—2019规定的炭素材料导热系数测定方法。
101.实施例1、实施例2与对比例1中，除了含硼物质占含硼浸渍液的质量分数不同(其中，对比例1中不添加含硼物质)外，其余参数(例如，碳纸骨架层的面密度、热固性树脂的种类和含量、醇的种类和含量、浸渍时间、轧制相关工艺参数、热压固化温度、热压固化压力、热压固化时间、碳化温度、碳化时间、石墨化温度、石墨化时间)均相同。图1是分别根据实施例1、实施例2与对比例1制得的碳纸的拉曼光谱对比分析图。表1是分别根据实施例1、实施例2与对比例1制得的碳纸的拉曼对比分析表。表1.根据实施例1、实施例2与对比例1制得的碳纸的拉曼对比分析表
102.由图1和表1可知，相比于对比例1，实施例1和实施例2制得的碳纸中代表石墨晶格缺陷的d峰强度明显减弱，代表c原子sp2杂化的面内伸缩振动的g峰强度显著增强，且id/ig值降低。表明硼单质(例如，硼粉)可以对碳纤维起到催化石墨化作用，可以促进石墨晶格结构由无序性向有序性转化，降低碳纸石墨晶格缺陷。
103.图2a、图2b和图2c分别是根据实施例1、实施例2和对比例1制得的碳纸sem图。由图2a、图2b和图2c可知，浸渍液中硼单质含量为0％、2％和5％时，石墨纤维表面均较光滑，无明显树脂碳碎片。表明在浸渍液中加入硼单质(例如，硼粉)不会引起明显的碳纸纤维表面形态变化。
104.碳纸中微晶结构和择优取向程度的变化可以用x射线衍射(x-ray diffraction,xrd)来表征。图3是分别根据实施例1、实施例2与对比例1制得的碳纸xrd分析谱图。
105.由图3可知，在同一石墨化温度(2200℃)下，相比于对比例1，实施例1和实施例2制得的碳纸的石墨纤维(004)晶面衍射峰较窄较尖锐。同时，图3还表明随着浸渍液中硼单质含量的增大，石墨纤维(002)晶面特征峰衍射角增大，表明随着浸渍液中硼单质含量的增大，石墨层间距减小，石墨化程度提高。
106.图4是分别根据实施例1、实施例2与对比例1制得的碳纸x射线光电子光谱(x-ray photoelectron spectroscopy,xps)谱图。
107.由图4可知，在浸渍液中加入硼单质(例如，硼粉)，碳纸xps谱图中仅存在背景峰，没有出现硼的特征峰。表明硼元素在石墨化温度下蒸发溢出，使碳纸内无硼元素残留。因此，硼单质(例如，硼粉)的加入不会对电池电堆使用寿命及测试性能造成不良影响。
108.表2是实施例1-实施例5与对比例1-对比例6的碳纸的性能对比表。实施例1-实施例5与对比例1-对比例6中，除了含硼物质的种类、含硼物质占含硼浸渍液的质量分数以及硼单质占含硼物质的质量分数不同外，其余参数(例如，碳纸骨架层的面密度、热固性树脂的种类和含量、醇的种类和含量、浸渍时间、轧制相关工艺参数、热压固化温度、热压固化压力、热压固化时间、碳化温度、碳化时间、石墨化温度、石墨化时间)均相同。实施例1-实施例5与对比例1-对比例6的轧制相关工艺参数(例如，轧制间隙、轧制压力、轧制时间)均相等，导致轧制后的碳纸骨架层的增重不同的主要因素是含硼物质的种类及含量。表2.实施例1-实施例5与对比例1-对比例6的碳纸的性能对比表
109.由表2可知，含硼物质占含硼浸渍液的质量分数在1wt％-7wt％范围内，且硼单质占含硼物质的质量分数不小于80％时，碳纸具有较优的体积电阻率(5mω
·
cm-6mω
·
cm)和孔隙率(不小于75％)，满足电池扩散层用碳纸指标。表明实施例1-实施例5制得的碳纸没有产生较大的面积孔洞(若产生较大的面积孔洞，体积电阻率会较大)，实现了有效增密，无
需再增密(例如，使用其他增密剂)。且本说明书实施例不需要对碳纤维原纸进行改性，制备工艺更简单，经济性更好。
110.实施例6-实施例7、对比例7-对比例8
111.与实施例1的不同之处在于，控制轧制相关工艺参数(例如，轧制间隙、轧制压力、轧制时间)，使得实验过程中轧制后的碳纸骨架层的增重不同。
112.对比例9
113.与实施例1的不同之处在于，未经过轧制处理。
114.表3是实施例1、实施例6-实施例7与对比例7-对比例9的碳纸的性能对比表。实施例1、实施例6-实施例7与对比例7-对比例9中，除了轧制相关工艺参数不同(其中，对比例9中未经过轧制处理)外，其余参数(例如，含硼物质的种类、含硼物质占含硼浸渍液的质量分数、硼单质占含硼物质的质量分数、碳纸骨架层的面密度、热固性树脂的种类和含量、醇的种类和含量、浸渍时间、热压固化温度、热压固化压力、热压固化时间、碳化温度、碳化时间、石墨化温度、石墨化时间)均相同。表3.实施例1、实施例6-实施例7与对比例7-对比例9的碳纸的性能对比表
115.由表3可知，在添加相同含硼物质的条件(含硼物质的种类相同，含硼物质占含硼浸渍液的质量分数相同，硼单质占含硼物质的质量分数相同)下，经过轧制处理后的碳纸的孔隙率优于未经过轧制处理的碳纸的孔隙率。且轧制后的碳纸骨架层的增重控制在180g/m
2-350g/m2范围内时，碳纸具有较优的体积电阻率(4mω
·
cm-6mω
·
cm)和孔隙率(不小于75％)，满足电池扩散层用碳纸指标。
116.实施例8
117.将纯度为99.9％、粒径为2μm的硼粉溶于异丙醇，搅拌使硼粉分散，然后加入酚醛树脂，继续搅拌，得到硼粉质量分数为5％、酚醛树脂质量分数为18％的均匀的含硼浸渍液(含硼物质为硼粉，含硼物质占含硼浸渍液的5wt％，硼单质占含硼物质的质量分数为100％)。将经湿法抄造得到的面密度为45g/m2的碳纤维原纸置于含硼浸渍液中，浸渍5min后取出，经轧制、干燥处理后，在220℃、2mpa下热压固化20min，得到碳纸前驱体。在惰性气氛下以5℃/min的升温速率升至1050℃，对碳纸前驱体进行碳化处理50min。然后以5℃/min的升温速率升至2200℃，对经过碳化处理后的碳纸前驱体进行石墨化处理50min，得到面密度为61.88g/m2的碳纸。在低于2.5n/cm2压强下，碳纸厚度为195μm。
118.实施例9
119.将纯度为99.9％、粒径为2μm的硼粉溶于乙醇，搅拌使硼粉分散，然后加入酚醛树脂，继续搅拌，得到硼粉质量分数为7％、酚醛树脂质量分数为15％的均匀的含硼浸渍液(含
硼物质为硼粉，含硼物质占含硼浸渍液的7wt％，硼单质占含硼物质的质量分数为100％)。将经湿法抄造得到的面密度为45g/m2的碳纤维原纸置于含硼浸渍液中，浸渍5min后取出，经轧制、干燥处理后，在200℃、4mpa下热压固化25min，得到碳纸前驱体。在惰性气氛下以5℃/min的升温速率升至1100℃，对碳纸前驱体进行碳化处理50min。然后以30℃/min的升温速率升至2150℃，对经过碳化处理后的碳纸前驱体进行石墨化处理1h，得到面密度为65.05g/m2的碳纸。在低于2.5n/cm2压强下，碳纸厚度为180μm。
120.实施例10
121.将纯度为99.9％、粒径为2μm的硼粉溶于丙醇，搅拌使硼粉分散，然后加入酚醛树脂，继续搅拌，得到硼粉质量分数为2％、酚醛树脂质量分数为18％的均匀的含硼浸渍液(含硼物质为硼粉，含硼物质占含硼浸渍液的2wt％，硼单质占含硼物质的质量分数为100％)。将经湿法抄造得到的面密度为45g/m2的碳纤维原纸置于含硼浸渍液中，浸渍5min后取出，经轧制、干燥处理后，在180℃、2mpa下热压固化30min，得到碳纸前驱体。在惰性气氛下以10℃/min的升温速率升至900℃，对碳纸前驱体进行碳化处理1.5h。然后以10℃/min的升温速率升至1800℃，对经过碳化处理后的碳纸前驱体进行石墨化处理1h，得到面密度为66.67g/m2的碳纸。在低于2.5n/cm2压强下，碳纸厚度为210μm。
122.实施例11
123.将纯度为99.9％、粒径为2μm的硼粉溶于丙醇，搅拌使硼粉分散，然后加入酚醛树脂，继续搅拌，得到硼粉质量分数为2％、酚醛树脂质量分数为18％的均匀的含硼浸渍液(含硼物质为硼粉，含硼物质占含硼浸渍液的2wt％，硼单质占含硼物质的质量分数为100％)。将经湿法抄造得到的面密度为60g/m2的碳纤维原纸置于含硼浸渍液中，浸渍5min后取出，经轧制、干燥处理后，在200℃、3mpa下热压固化25min，得到碳纸前驱体。在惰性气氛下以30℃/min的升温速率升至1100℃，对碳纸前驱体进行碳化处理1h。然后以10℃/min的升温速率升至2200℃，对经过碳化处理后的碳纸前驱体进行石墨化处理1h，得到面密度为80g/m2的碳纸。在低于2.5n/cm2压强下，碳纸厚度为215μm。
124.实施例12
125.将纯度为99.9％、粒径为2μm的硼粉溶于乙醇，搅拌使硼粉分散，然后加入酚醛树脂，继续搅拌，得到硼粉质量分数为2％、酚醛树脂质量分数为18％的均匀的含硼浸渍液(含硼物质为硼粉，含硼物质占含硼浸渍液的2wt％，硼单质占含硼物质的质量分数为100％)。将经湿法抄造得到的面密度为30g/m2的碳纤维原纸置于含硼浸渍液中，浸渍5min后取出，经轧制、干燥处理后，在240℃、1mpa下热压固化15min，得到碳纸前驱体。在惰性气氛下以10℃/min的升温速率升至1100℃，对碳纸前驱体进行碳化处理10min。然后以10℃/min的升温速率升至2200℃，对经过碳化处理后的碳纸前驱体进行石墨化处理10min，得到面密度为39.56g/m2的碳纸。在低于2.5n/cm2压强下，碳纸厚度为85μm。
126.实施例13
127.将纯度为99.9％、粒径为2μm的硼粉溶于乙醇，搅拌使硼粉分散，然后加入酚醛树脂，继续搅拌，得到硼粉质量分数为1.5％、酚醛树脂质量分数为18％的均匀的含硼浸渍液(含硼物质为硼粉，含硼物质占含硼浸渍液的1.5wt％，硼单质占含硼物质的质量分数为100％)。将经湿法抄造得到的面密度为50g/m2的碳纤维原纸置于含硼浸渍液中，浸渍5min后取出，经轧制、干燥处理后，在200℃、4mpa下热压固化25min，得到碳纸前驱体。在惰性气
氛下以10℃/min的升温速率升至1100℃，对碳纸前驱体进行碳化处理1h。然后以10℃/min的升温速率升至2200℃，对经过碳化处理后的碳纸前驱体进行石墨化处理1h，得到面密度为58.05g/m2的碳纸。在低于2.5n/cm2压强下，碳纸厚度为230μm。
128.实施例14
129.将纯度为99.9％、粒径为2μm的硼粉溶于乙醇，搅拌使硼粉分散，然后加入酚醛树脂，继续搅拌，得到硼粉质量分数为1％、酚醛树脂质量分数为18％的均匀的含硼浸渍液(含硼物质为硼粉，含硼物质占含硼浸渍液的1wt％，硼单质占含硼物质的质量分数为100％)。将经湿法抄造得到的面密度为20g/m2的碳纤维原纸置于含硼浸渍液中，浸渍10min后取出，经轧制、干燥处理后，在240℃、1mpa下热压固化15min，得到碳纸前驱体。在惰性气氛下以10℃/min的升温速率升至1100℃，对碳纸前驱体进行碳化处理15min。然后以15℃/min的升温速率升至2200℃，对经过碳化处理后的碳纸前驱体进行石墨化处理15min，得到面密度为32.09g/m2的碳纸。在低于2.5n/cm2压强下，碳纸厚度为70μm。
130.实施例15
131.将纯度为99.9％、粒径为2μm的硼粉溶于乙醇，搅拌使硼粉分散，然后加入酚醛树脂，继续搅拌，得到硼粉质量分数为2％、酚醛树脂质量分数为18％的均匀的含硼浸渍液(含硼物质为硼粉，含硼物质占含硼浸渍液的2wt％，硼单质占含硼物质的质量分数为100％)。将经湿法抄造得到的面密度为30g/m2的碳纤维原纸置于含硼浸渍液中，浸渍30min后取出，经轧制、干燥处理后，在240℃、1.5mpa下热压固化15min，得到碳纸前驱体。在惰性气氛下以10℃/min的升温速率升至1100℃，对碳纸前驱体进行碳化处理15min。然后以15℃/min的升温速率升至2200℃，对经过碳化处理后的碳纸前驱体进行石墨化处理15min，得到面密度为42.58g/m2的碳纸。在低于2.5n/cm2压强下，碳纸厚度为110μm。
132.实施例16
133.将纯度为99.9％、粒径为2μm的硼粉溶于乙醇，搅拌使硼粉分散，然后加入酚醛树脂，继续搅拌，得到硼粉质量分数为2％、酚醛树脂质量分数为18％的均匀的含硼浸渍液(含硼物质为硼粉，含硼物质占含硼浸渍液的2wt％，硼单质占含硼物质的质量分数为100％)。将经湿法抄造得到的面密度为60g/m2的碳纤维原纸置于含硼浸渍液中，浸渍20min后取出，经轧制、干燥处理后，在240℃、1mpa下热压固化15min，得到碳纸前驱体。在惰性气氛下以10℃/min的升温速率升至1100℃，对碳纸前驱体进行碳化处理1h。然后以10℃/min的升温速率升至2200℃，对经过碳化处理后的碳纸前驱体进行石墨化处理2h，得到面密度为82.68g/m2的碳纸。在低于2.5n/cm2压强下，碳纸厚度为275μm。
134.实施例17
135.将纯度为99.9％、粒径为2μm的硼粉溶于异丙醇，搅拌使硼粉分散，然后加入酚醛树脂，继续搅拌，得到硼粉质量分数为5％、酚醛树脂质量分数为15％的均匀的含硼浸渍液(含硼物质为硼粉，含硼物质占含硼浸渍液的5wt％，硼单质占含硼物质的质量分数为100％)。将经湿法抄造得到的面密度为85g/m2的碳纤维原纸置于含硼浸渍液中，浸渍30min后取出，经轧制、干燥处理后，在200℃、1mpa下热压固化10min，得到碳纸前驱体。在惰性气氛下以10℃/min的升温速率升至1000℃，对碳纸前驱体进行碳化处理30min。然后以20℃/min的升温速率升至2200℃，对经过碳化处理后的碳纸前驱体进行石墨化处理30min，得到面密度为95.65g/m2的碳纸。在低于2.5n/cm2压强下，碳纸厚度为345μm。
136.实施例18
137.将纯度为99.9％、粒径为2μm的硼粉溶于乙醇，搅拌使硼粉分散，然后加入酚醛树脂，继续搅拌，得到硼粉质量分数为2％、酚醛树脂质量分数为18％的均匀的含硼浸渍液(含硼物质为硼粉，含硼物质占含硼浸渍液的2wt％，硼单质占含硼物质的质量分数为100％)。将经湿法抄造得到的面密度为45g/m2的碳纤维原纸置于含硼浸渍液中，浸渍5min后取出，经轧制、干燥处理后，在240℃、1mpa下热压固化10min，得到碳纸前驱体。在惰性气氛下以10℃/min的升温速率升至1100℃，对碳纸前驱体进行碳化处理50min。然后以10℃/min的升温速率升至2000℃，对经过碳化处理后的碳纸前驱体进行石墨化处理45min，得到面密度为62.48g/m2的碳纸。在低于2.5n/cm2压强下，碳纸厚度为210μm。
138.表4是实施例8-实施例18的碳纸的性能对比表。表4.实施例7-实施例18的碳纸性能对比表表4.实施例8-实施例18的碳纸性能对比表(续)
139.结合表2-表4可知，含硼物质占含硼浸渍液的质量分数在1％-7％范围内且硼单质
(硼粉)占含硼物质的质量分数不小于80％时，控制轧制后的碳纸骨架层的增重在180g/m
2-350g/m2范围内，石墨化温度在1800℃-2200℃范围内，石墨化时间在10min-120min范围内，在低于2.5n/cm2压强下，测得制得的碳纸厚度在70μm-350μm范围内，具有较优的体积电阻率(在4mω
·
cm-6mω
·
cm范围内)和孔隙率(不小于75％)，满足电池扩散层用碳纸指标。
140.本说明书一些实施例还提供一种扩散层，该扩散层包括前述碳纸，有关更多技术细节可以参见前述碳纸的相关描述，在此不再赘述。
141.本说明书一些实施例还提供一种电池，该电池包括前述扩散层，有关更多技术细节可以参见前述扩散层的相关描述，在此不再赘述。
142.本说明书实施例可能带来的有益效果包括但不限于：(1)含硼物质占含硼浸渍液的质量分数在1wt％-7wt％范围内，且硼单质占含硼物质的质量分数不小于80％时，可以降低石墨化温度(1800℃-2200℃)，降低石墨晶格缺陷，提高石墨化程度，提高碳纸性能；(2)采用醇(例如，乙醇)作为溶剂，可以提高含硼浸渍液的分散性，提高含硼浸渍液对碳纤维原纸的浸润度，进一步降低浸渍时间(例如，5min-30min)，降低碳纸的生产成本。(3)本说明书实施例对浸渍后的碳纸骨架层进行轧制，且控制轧制后的碳纸骨架层的增重在180g/m
2-350g/m2范围内，不仅可以使碳纸性能均一，还可以提高孔隙率、降低体积电阻率；(4)在低于2.5n/cm2压强下，碳纸的厚度在70μm-350μm范围内时，碳纸的体积电阻率在4mω
·
cm-6mω
·
cm范围内，低于市面上厚度相当的碳纸的体积电阻率，且孔隙率不小于75％，满足电池扩散层用碳纸指标。(5)本说明书实施例制得的碳纸没有产生较大的面积孔洞，实现了有效增密，无需再增密(例如，使用其他增密剂)，且不需要对碳纤维原纸进行改性，制备工艺更简单，经济性更好。
143.需要说明的是，不同实施例可能产生的有益效果不同，在不同的实施例里，可能产生的有益效果可以是以上任意一种或几种的组合，也可以是其他任何可能获得的有益效果。
144.上文已对基本概念做了描述，显然，对于本领域技术人员来说，上述详细披露仅仅作为示例，而并不构成对本说明书的限定。虽然此处并没有明确说明，本领域技术人员可能会对本说明书进行各种修改、改进和修正。该类修改、改进和修正在本说明书中被建议，所以该类修改、改进、修正仍属于本说明书示范实施例的精神和范围。
145.同时，本说明书使用了特定词语来描述本说明书的实施例。如“一个实施例”、“一实施例”、和/或“一些实施例”意指与本说明书至少一个实施例相关的某一特征、结构或特点。因此，应强调并注意的是，本说明书中在不同位置两次或多次提及的“一实施例”或“一个实施例”或“一个替代性实施例”并不一定是指同一实施例。此外，本说明书的一个或多个实施例中的某些特征、结构或特点可以进行适当的组合。
146.此外，除非权利要求中明确说明，本说明书所述处理元素和序列的顺序、数字字母的使用、或其他名称的使用，并非用于限定本说明书流程和方法的顺序。尽管上述披露中通过各种示例讨论了一些目前认为有用的发明实施例，但应当理解的是，该类细节仅起到说明的目的，附加的权利要求并不仅限于披露的实施例，相反，权利要求旨在覆盖所有符合本说明书实施例实质和范围的修正和等价组合。例如，虽然以上所描述的系统组件可以通过硬件设备实现，但是也可以只通过软件的解决方案得以实现，如在现有的服务器或移动设备上安装所描述的系统。
147.同理，应当注意的是，为了简化本说明书披露的表述，从而帮助对一个或多个发明实施例的理解，前文对本说明书实施例的描述中，有时会将多种特征归并至一个实施例、附图或对其的描述中。但是，这种披露方法并不意味着本说明书对象所需要的特征比权利要求中提及的特征多。实际上，实施例的特征要少于上述披露的单个实施例的全部特征。
148.一些实施例中使用了描述成分、属性数量的数字，应当理解的是，此类用于实施例描述的数字，在一些示例中使用了修饰词“大约”、“近似”或“大体上”来修饰。除非另外说明，“大约”、“近似”或“大体上”表明所述数字允许有
±
20％的变化。相应地，在一些实施例中，说明书和权利要求中使用的数值参数均为近似值，该近似值根据个别实施例所需特点可以发生改变。在一些实施例中，数值参数应考虑规定的有效数位并采用一般位数保留的方法。尽管本说明书一些实施例中用于确认其范围广度的数值域和参数为近似值，在具体实施例中，此类数值的设定在可行范围内尽可能精确。
149.针对本说明书引用的每个专利、专利申请、专利申请公开物和其他材料，如文章、书籍、说明书、出版物、文档等，特此将其全部内容并入本说明书作为参考。与本说明书内容不一致或产生冲突的申请历史文件除外，对本说明书权利要求最广范围有限制的文件(当前或之后附加于本说明书中的)也除外。需要说明的是，如果本说明书附属材料中的描述、定义、和/或术语的使用与本说明书所述内容有不一致或冲突的地方，以本说明书的描述、定义和/或术语的使用为准。
150.最后，应当理解的是，本说明书中所述实施例仅用以说明本说明书实施例的原则。其他的变形也可能属于本说明书的范围。因此，作为示例而非限制，本说明书实施例的替代配置可视为与本说明书的教导一致。相应地，本说明书的实施例不仅限于本说明书明确介绍和描述的实施例。