能量存储装置制造方法及图纸

本申请涉及能量存储装置。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

【技术实现步骤摘要】
能量存储装置本申请是申请日为2012年12月21日，申请号为201280070082.6，专利技术名称为“能量存储装置”的申请的分案申请。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Li4.4Si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竖直排列的碳纳米纤维(VACNF)阵列。竖直排列的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竖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竖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竖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4,000mAh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竖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竖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。在一个实施方案中，所述碳纳米管被布置为使得离子插入能够穿过所述碳纳米纤维的侧壁在所述纳米管的壁之间发生。在一个实施方案中，所述碳纳米纤维包括叠锥结构。在一个实施方案中，所述系统还包括在所述碳纳米纤维上的插入材料层，所述插入材料层具有由所述叠锥结构产生的羽毛状结构。在一个实施方案中，所述系统还包括在所述碳纳米纤维上的插入材料层，所述插入材料层包括填充有表面电解质中间相的硅的羽毛状结构。在一个实施方案中，所述系统还包括在所述碳纳米纤维上的插入材料层，所述插入材料具有在0.1和25μm之间的标称厚度。在一个实施方案中，所述插入材料层包括纳米纤维/插入材料复合物，所述纳米纤维/插入材料复合物中的一些包括一种纳米纤维且所述纳米纤维/插入材料复合物中的一些包括两种纳米纤维。在一个实施方案中，所述系统还包括在所述碳纳米纤维上的插入材料层，所述硅具有在约1.0μm和40μm之间的标称厚度。在一个实施方案中，所述碳纳米纤维的长度在3.0和200μm之间。在一个实施方案中，每克插入材料约1,500和4,000mAh之间的所述锂离子存储容量在1C和10C之间的充电率下获得。在一个实施方案中，每克插入材料约750和4,000mAh之间的所述锂离子存储容量在1C和10C之间的充电率下获得。在一个实施方案中，每克插入材料约1,500和4,000mAh之间的所述锂离子存储容量在100次充电-放电循环后获得。在一个实施方案中，每克插入材料约1,500和4,000mAh之间的所述锂离子存储容量在C/2和10C之间的充电率下在每克硅2,000和4,000mAh之间。在一个实施方案中，所述插入材料包括硅。在一个实施方案中，当所述充电率从3C增加到10C时所述离子存储容量增加。在一个实施方案中，所述离子存储容量在0.3C和3C的充电率之间改变小于25％。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。在一个实施方案中，所施加的插入材料产生羽毛状结构。在一个实施方案中，所述方法还包括提供用于生长所述碳纳米纤维的成核位点，所述成核位点的密度被选择为获得在75和400nm之间的所述碳纳米纤维的平均最近邻间隔距离。在一个实施方案中，所述方法还包括调节所述能量存储装置使得所述能量存储装置具有在至少1C的充电率下每克硅约750和4,000mAh之间的锂离子存储容量。在一个实施方案中，所述方法还包括调节所述能量存储装置使得所述插入材料与电解质相互作用以形成表面电解质中间相，所述表面电解质中间相在所述插入材料的羽毛状结构之间形成。在一个实施方案中，所述插入材料包括硅。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竖直排列的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～3μm长的CNF的电化学特性。图6A-6C图示了根据本专利技术的多种实施方案的3μm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9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10μm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】
2011.12.21 US 61/578,545;2012.02.27 US 61/603,833;1.一种能量存储系统，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。2.一种能量存储系统，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；以及插入材料层，所述插入材料层被布置在所述多个竖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4,000mAh之间的锂离子存储容量。3.一种能量存储系统，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；以及插入材料层，所述插入材料层被布置在所述多个竖直排列的碳纳米纤维上且被配置为使得在1C和3C的充电率下所述插入材料的离子存储容量大约是相同的。4.如权利要求1、2或3所述的系统...

【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