一种新型混合锂离子阳极材料，该混合锂离子阳极材料以在竖直排列的碳纳米纤维(CNF)阵列上同轴涂覆的硅壳为基础。独特的杯形堆叠石墨微结构使裸露的竖直排列的CNF阵列成为有效的Li+插入介质。高度可逆的Li+插入和取出在高功率速率下被观察到。更重要地，高度导电的和机械稳定的CNF核可选择地支撑同轴涂覆的无定形硅壳，该无定形硅壳通过形成充分锂化的合金而具有高得多的理论比容量。在CNF侧壁处的破碎的石墨边缘确保在充电/放电过程期间与硅壳的良好电连接。
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】【专利摘要】一种新型混合锂离子阳极材料，该混合锂离子阳极材料以在竖直排列的碳纳米纤维(CNF)阵列上同轴涂覆的硅壳为基础。独特的杯形堆叠石墨微结构使裸露的竖直排列的CNF阵列成为有效的Li+插入介质。高度可逆的Li+插入和取出在高功率速率下被观察到。更重要地，高度导电的和机械稳定的CNF核可选择地支撑同轴涂覆的无定形硅壳，该无定形硅壳通过形成充分锂化的合金而具有高得多的理论比容量。在CNF侧壁处的破碎的石墨边缘确保在充电/放电过程期间与硅壳的良好电连接。【专利说明】能量存储装置 相关申请的交叉引用 本申请要求以下美国临时专利申请的权益和优先权： 于 2011 年 12 月 21 日提交的 61/578, 545、 于 2012 年 2 月 27 日提交的 61/603, 833、 于 2012 年 3 月 23 日提交的 61/615, 179、 于2012年7月3日提交的61/667, 876,和 于 2012 年 7 月 30 日提交的 61/677, 317。 所有的上述临时和非临时的专利申请的公开内容据此通过引用并入本文。 背景 专利
本专利技术在包括但不限于电池、电容器和燃料电池的能量存储装置的领域中。 相关技术 可再充电的锂离子电池是用于在便携式电子设备、电动工具和未来的电动交通工 具中电力供应的关键的电能存储装置。提高比能容量、充电/放电速度和循环寿命对它们 更广泛的应用是关键性的。 在目前商业的锂离子电池中，石墨或其他碳质材料通过形成充分插入的LiC6化合 物而被用作具有372mAh/g的理论容量极限的阳极。相反地，硅通过形成充分锂化的金属 Li 4.4Si而具有高得多的4, 200mAh/g的理论比容量。然而，锂化的硅的高至?300%的大体 积膨胀引起以往不可避免地导致断裂和机械故障的极大的结构应力，这显著限制硅阳极的 寿命。 概述 一种储能装置包括在高性能锂离子阳极中的混合的核-壳NW(纳米线）构造，这 是通过结合同轴涂覆有无定形硅层的坚直排列的碳纳米纤维（VACNF)阵列。坚直排列的 CNF包括多壁的碳纳米管（MWCNT)，该多壁的碳纳米管使用直流偏置的等离子体化学气相 沉积（PECVD)方法可选择地在铜基材上生长。通过此方法生长的碳纳米纤维（CNF)能够具 有独特的内部形态，该形态将它们区别于普通的MWCNT和常规的固体碳纳米纤维的中空结 构。区别特征之一是这些CNF可选择地由横穿主要的中空中心通道的一系列竹子状节点组 成。这种微结构可以归因于本文其他地方进一步讨论的锥形石墨杯堆叠。在较大的长度规 模下，这些PECVD-生长的CNF典型地垂直于基材表面均匀排列并很好地彼此分离。它们可 能无任何缠结或有最小的缠结，且因此形成被称为VACNF阵列的刷子状结构。单独的CNF 的直径可以被选择为提供期望的机械强度以使VACNF阵列是坚固的且能够通过硅沉积和 湿电化学测试保持其完整性。 本专利技术的多种实施方案包括一种能量存储系统，其包括导电基材；在基材上生长 的多个坚直排列的碳纳米纤维，该碳纳米纤维包括多个多壁的碳纳米管；以及电解质，该电 解质包括一种或多种电荷载体。 本专利技术的多种实施方案包括一种能量存储系统，其包括导电基材；在基材上生长 的多个坚直排列的碳纳米纤维；以及插入材料层，该插入材料层被布置在所述多个坚直排 列的碳纳米纤维上且被配置为具有每克插入材料约1，500和4, OOOmAh之间的锂离子存储 容量。 本专利技术的多种实施方案包括一种能量存储系统，其包括导电基材；在基材上生长 的多个坚直排列的碳纳米纤维；以及插入材料层，该插入材料层被布置在所述多个坚直排 列的碳纳米纤维上且被配置为使得在1C和3C的充电率下该插入材料的离子存储容量大约 是相同的。 本专利技术的多种实施方案包括一种生产能量存储装置的方法，该方法包括提供基 材；在基材上生长碳纳米纤维，该碳纳米纤维具有叠锥（Stacked-cone)结构；以及将插入 材料施加到碳纳米纤维，该插入材料被配置用于电荷载体的插入。 附图简述 图1A和1B图示了根据本专利技术的多种实施方案的CNF阵列，该CNF阵列包括在基 材上生长的多个CNF。 图2A-2C图示了根据本专利技术的多种实施方案的在不同状态下的多个坚直排列的 CNF。 图3A-3C图示了根据本专利技术的多种实施方案的CNF的细节。 图4图示了根据本专利技术的多种实施方案的CNF的叠锥结构的示意图。 图5A-5C图示了根据本专利技术的多种实施方案的?3 μ m长的CNF的电化学特性。 图6A-6C图不了根据本专利技术的多种实施方案的3 μ m长的CNF的扫描电子显微镜 图像。 图7A-7C图示了根据本专利技术的多种实施方案的使用包含作为锂离子电池阳极的 硅层的CNF获得的结果。 图8图示了根据本专利技术的多种实施方案的CNF阵列的容量如何随充电率变化。 图9A图示了根据本专利技术的多种实施方案的CNF阵列的拉曼光谱。 图10A-10C显示根据本专利技术的多种实施方案的在15次充电-放电循环期间Li+插 入-取出容量和库仑效率的变化。 图11A-11C显示根据本专利技术的多种实施方案的新近制备的CNF阵列的扫描电子显 微镜图像。 图11D显示包含多于一个CNF的纳米纤维/硅复合物的横截面。 图12图示了根据本专利技术的多种实施方案的包括ΙΟμπι长度的纤维的碳纳米纤维 阵列。 图13图示了根据本专利技术的多种实施方案的生产CNF阵列的方法。 详细描述 图1A和1B图示了根据本专利技术的多种实施方案的CNF阵列100,该CNF阵列100包 括在导电基材105上生长的多个CNF 110。在图1A中，CNF阵列100显示为在锂取出（放 电）状态，且在图1B中，CNF阵列100显示为在锂插入（充电）状态。在此讨论的这些和 其他的实施方案中的CNF 110是可选择地坚直排列的。使用直流偏置的等离子体化学气相 沉积（PECVD)法在铜基材105上生长CNF 110。如上述讨论的，通过该方法生长的CNF 110 能够具有包括与叠杯或圆锥体或螺旋体相似的锥形石墨结构堆叠的独特的形态。这创造了 促进锂插入的非常细微的结构。这种结构在本文其他地方被称为"叠锥"结构。在较大的 长度规模下，这些CNF 110典型地垂直于基材表面均匀排列并很好地彼此分离。单独的CNF 的直径能够被选择为提供期望的机械强度以使CNF阵列100是坚固的并能够通过硅沉积和 湿电化学循环保持其完整性。晶种层可选择地被用于使CNF 110在基材105上生长。在使 用中，CNF阵列100被置于与电解质125接触，该电解质125包含一种或多种电荷载体，例如 锂离子。CNF 110被配置为使得一些电解质125布置在CNF 110之间和/或能够通过CNF 110之间的间隙到达基材105。 图1A和1B中图示的单独的CNF 110的直径标称在100到200nm之间，但是在75 至Ij 300nm之间或其他范围的直径是可能的。CNF 110沿其长度可选择地是锥形的。使用本 文讨论的技术生产的CNF 110沿轴具有出色的导电率（σ =?2. 5xl05S/m)并与基材105 形成稳固的欧姆接触。CNF 110之间的开放空间能够使硅层115沉积到每个CNF上以形成 逐渐变薄的同轴壳体且大多数本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种能量存储系统，包括：导电基材；在所述基材上生长的多个竖直排列的碳纳米纤维，所述碳纳米纤维各自包括多个多壁的碳纳米管；以及电解质，所述电解质包括一种或多种电荷载体。
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...
【专利技术属性】
技术研发人员：罗纳德·罗杰斯基，史蒂文·科兰考斯基，李钧，
申请(专利权)人：罗纳德·罗杰斯基，史蒂文·科兰考斯基，李钧，
类型：发明
国别省市：美国;US
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