纳米结构复合电极制造技术

本文描述了数种复合电极，所述复合电极包含一不锈钢基板及数个含硅纳米结构，所述纳米结构自所述基板延伸。本文亦描述了通过预处理所述不锈钢而不需要一催化剂地制备所述电极的过程。所述含硅纳米结构的至少一部份以下述为特征：基本上不具有一非硅催化剂材料及/或一贵金属；及/或沿着它的长度包括一金属成分，所述金属成分源自所述不锈钢基板；及/或包括一金属硅化物，所述金属硅化物延伸自所述基板及沿着所述基板的长度的至少一部分延伸；及/或在由所述基板的一表面移除的一位置处被与至少一个其它的含硅纳米结构融合，以形成一海绵状三维结构；及/或是不锈钢纳米结构，所述不锈钢纳米结构有一硅层沉积在其上。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】纳米结构复合电极
及
技术介绍
本专利技术，在其一些实施例中，是关于电化学，及更特定地，但非限定地，是关于硅基电极，所述硅基电极可用于，举例而言，能量储存装置例如锂离子电池组中。最普遍的能量储存装置之一是电池组(battery)，及燃料电池及电容器。关于电池组的最被研究的领域之一是寻找新材料，以作为相对于现行科技具有增加的电容量、循环寿命及整体表现改进的阳极或阴极。锂离子电池组，特别地受到相当程度的关注。商用锂离子电池组典型地具有石墨作为它们的阳极材料，达到372毫安培小时/克(mAh/g)的一理论电容量。虽然石墨由于相对低的体积变化，以高稳定性及长循环寿命为特征，但已被认识到的是，以硅取代石墨可能有助于达成对较高电容量的要求。硅是充足的及具有达到4200毫安培小时/克的，相对于锂的一理论电容量，所述理论电容量较石墨的理论电容量高出一个数量级。然而，目前可得的硅阳极苦于几个明显的劣势。硅的其中一个这样的劣势是硅结构在锂化及去锂化阶段时的大体积变化(约320％体积扩张)[Beaulieu等人，JElectrochemSoc,150:A1457-A1464，2003年]这些体积上的变化造成所述阳极的开裂及粉碎，导致所述硅阳极的快速劣化[Beaulieu等人，ElectrochemSolid-StateLett,4:A137-A140，2001年；Besenhard等人，JPowerSources,68:87-90，1997年；Ryu等人，ElectrochemSolid-StateLett,7:A306-A309，2004年]此外，造成裂痕及粉碎的所述体积膨胀也允许一新的固态电解质界面(SEI)的形成[Peled，JElectrochemSoc,126:2047-2051，1979年]，由于此层的绝缘天性而造成电容量的迅速衰减及阻抗的增加，及此层随着电池组经历时间而累积起来，始终减缓电解质分解为所述硅材料。处理硅阳极的可观的粉碎的一个方式是将所述硅材料的尺寸减至纳米尺度，而非使用成块硅。纳米尺度硅物件的高表面对体积比例增加所述结构承受压力的能力，因此限制所述材料的所述开裂的效应[Deshpande等人，JPowerSources,195:5081-5088，2010年]。许多类型的硅纳米结构(SiNS)已被研究过，包括硅纳米微粒(SiNP)、硅纳米管(SiNT)、核-壳结构，及硅纳米线(SiNW)。Liu等人[ACSNano,6:1522-1531，2012年]报告道在数个硅纳米粒子的第一次锂化(经由透射电子显微术观察)，大于约150纳米的粒子在表面上表现出裂痕。硅粒子的开裂可能造成与集电器失去接触，及进一步的SEI形成，最终导致电容量快速衰减。使用SiNP作为阳极材料的一个可观的劣势是自一块状材料收获小于150纳米的SiNP需要研磨、辗磨及形成干净萃取以便成功地将这些纳米粒子用于电池组应用。此外，一旦SiNP准备好供使用，为了与所述集电器形成良好且导电的电性接触而对结合材料的需要亦限制了所述加工过程。SiNW及SiNT也由于它们较大的抗压性而在所述硅结构的尺寸方面造成一些限制。Wu等人[NatNanotechnol,7:310-315，2012年]报告了使硅及二氧化硅构成的，在约16微克/平方公分的一密度的，约30纳米的双层壁SiNT经受于12C速率使用的6000循环，在这样的条件下达到940毫安培小时/公克的一电容量。聚合物纳米纤维通过静电纺丝，接着是碳化及硅披覆，接着加热以移除所述碳层及创造一较厚的氧化层而被制备。虽然在他们的锂离子电池组中达到非常高的循环稳定性(cyclability)，Wu等人的方法因为数个理由而是不实际的：(i)如该文中所述的SiNT的制造，以及通过替代技术(例如，如由[Ben-Ishai&Patolsky，JAmChemSoc,131:3679-3689，2009年]所描述的技术)制造SiNT是复杂的及需要数阶段以完成，因此伤害所述过程的可扩充性；及(ii)所报告的所述SiNT的密度对应于约0.015毫安培小时/平方公分(mAh/cm2)的一电极容量，这对于一实际的锂离子电池组而言是非常低的。Chan等人[NatNanotechnol,3:31-35，2008年]报告了使用SiNW的一高电容量锂离子电池组，所述SiNW是直接在集电器上被生长，允许直接电传输及良好的电性接触。非常高的电容量被报告，理论电容量在于C/20速率的第一充电循环被达到。然而仅约90％的一库仑效率被报告。Peled等人[NanoLett,15:3907-3916，2015年]描述了使用CVD及气液固(VLS)法在一SGL25AA碳纤维上生长SiNW。所述纤维作为一个三维(3D)的，开放性结构的表面，在其上金纳米粒子使用多聚左旋赖氨酸(poly-L-lysine)经由静电交互作用附着。其它
技术介绍
包括Chou等人[ScrMetallMater,25:2203-2208，1991年]；Istratov等人[ApplPhysA,13-44，1999年]；Kim等人[MaterialsLett,64:2306-2309，2010年]；Kim等人[ChemMater,27:6929-6933，2015年]；Li等人[AdvEnergyMater,2:87-93，2012年]；及Peled&Menkin[JElectrochemSoc,164:A1703-A1719，2017年]；及美国专利第7,683,359号、第8,017,430号及第8,637,185号。
技术实现思路
根据本专利技术的一些实施例的一个方面，提供了一种复合电极，包含：一不锈钢基板；及数个含硅纳米结构，所述含硅纳米结构延伸自所述不锈钢基板，其中在所述数个含硅纳米结构的至少一部分中或全部中，每个所述含硅纳米结构以下述中的至少一者为特征：基本上不具有一非硅催化剂材料；及/或基本上不具有一贵金属；及/或沿着它的长度包括一金属成分，所述金属成分源自所述不锈钢基板；及/或包括一金属硅化物，所述金属硅化物延伸自所述不锈钢基板及沿着所述不锈钢基板的长度的至少一部分延伸；及/或在由所述不锈钢基板的一表面移除的一位置处被与至少一个其它的硅纳米结构融合，以形成一海绵状三维结构；及/或是不锈钢纳米结构，所述不锈钢纳米结构有一硅层沉积在其上。根据本专利技术的一些实施例的一个方面，提供了一种复合电极包含：一不锈钢本体，所述不锈钢本体的一外表面包括数个细长不锈钢纳米结构，所述细长不锈钢纳米结构延伸自所述不锈钢本体；及一硅层，沉积在所述数个细长不锈钢纳米结构中的每一个上。根据本专利技术的一些实施例的一个方面，提供了一种制备一复合电极的方法，所述方法包含：将一不锈钢基板与氢氟酸(HF)接触；及在所述接触之后，使所述基板处于供生长一硅纳米结构的数个条件下，所述硅纳米结构延伸自所述基板。根据本专利技术的一些实本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种复合电极，其特征在于：所述复合电极包含︰/n一不锈钢基板；及/n数个含硅纳米结构，所述含硅纳米结构延伸自所述不锈钢基板，其中在所述数个含硅纳米结构的至少一部分中或全部中，每个所述含硅纳米结构以下述中的至少一者为特征：/n基本上不具有一非硅催化剂材料；及/或/n基本上不具有一贵金属；及/或/n沿着它的长度包括一金属成分，所述金属成分源自所述不锈钢基板；及/或/n包括一金属硅化物，所述金属硅化物延伸自所述不锈钢基板及沿着所述不锈钢基板的长度的至少一部分延伸；及/或/n在由所述不锈钢基板的一表面移除的一位置处被与至少一个其它的硅纳米结构融合，以形成一海绵状三维结构；及/或/n是不锈钢纳米结构，所述不锈钢纳米结构有一硅层沉积在其上。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20171031 US 62/579,520;20180126 US 62/622,1761.一种复合电极，其特征在于：所述复合电极包含︰
一不锈钢基板；及
数个含硅纳米结构，所述含硅纳米结构延伸自所述不锈钢基板，其中在所述数个含硅纳米结构的至少一部分中或全部中，每个所述含硅纳米结构以下述中的至少一者为特征：
基本上不具有一非硅催化剂材料；及/或
基本上不具有一贵金属；及/或
沿着它的长度包括一金属成分，所述金属成分源自所述不锈钢基板；及/或
包括一金属硅化物，所述金属硅化物延伸自所述不锈钢基板及沿着所述不锈钢基板的长度的至少一部分延伸；及/或
在由所述不锈钢基板的一表面移除的一位置处被与至少一个其它的硅纳米结构融合，以形成一海绵状三维结构；及/或
是不锈钢纳米结构，所述不锈钢纳米结构有一硅层沉积在其上。


2.如权利要求1所述的复合电极，其特征在于：在所述数个含硅纳米结构的至少一部分中或全部中，每个所述含硅纳米结构以下述中的至少一者为特征：
基本上不具有一非硅催化剂材料；及/或
基本上不具有一贵金属；及/或
沿着它的长度包括一金属成分，所述金属成分源自所述不锈钢基板；及/或
包括一金属硅化物，所述金属硅化物延伸自所述不锈钢基板及沿着所述不锈钢基板的长度的至少一部分延伸；及/或
在由所述不锈钢基板的一表面移除的一位置处被与至少一个其它的硅纳米结构融合，以形成一海绵状三维结构。


3.如权利要求1或2所述的复合电极，其特征在于：所述含硅纳米结构中的至少一部份是基本上不具有一金属材料，所述金属材料在数个硅纳米结构的一汽液固生长中可用作为一非硅催化剂。


4.如权利要求3所述的复合电极，其特征在于：所述金属材料包含一贵金属。


5.如权利要求1或2所述的复合电极，其特征在于：所述含硅纳米结构中的至少一部分基本上不具有一贵金属。


6.如权利要求1至5中任一项所述的复合电极，其特征在于：所述数个含硅纳米结构中的每一个基本上不具有一非硅催化剂材料。


7.如权利要求6所述的复合电极，其特征在于：所述非硅催化剂材料是可用于数个硅纳米结构的一气液固生长中。


8.如权利要求6或7所述的复合电极，其特征在于：所述非硅催化材料是一金属催化剂材料。


9.如权利要求6所述的复合电极，其特征在于：所述金属催化剂材料包含一贵金属。


10.如权利要求1至7中任一项所述的复合电极，其特征在于：所述数个含硅纳米结构中的每个基本上不具有一贵金属。


11.如权利要求4、5、9及10中任一项所述的复合电极，其特征在于：所述贵金属包含黄金。


12.如权利要求1至11中任一项所述的复合电极，其特征在于：在所述数个含硅纳米结构的至少一部分中或全部中，每个含硅纳米结构沿着它的长度包括一或更多金属成分，所述金属成分源自于所述不锈钢基板。


13.如权利要求12所述的复合电极，其特征在于：所述金属成分选自于镍、铜及铁。


14.如权利要求1至12中任一项所述的复合电极，其特征在于：在所述数个含硅纳米结构的至少一部分中或全部中，每个所述含硅纳米结构包括一金属硅化物，所述金属硅化物延伸自所述不锈钢基板，及沿着所述不锈钢基板的长度的至少一部分延伸。


15.如权利要求1至14中任一项所述的复合电极，其特征在于：在所述数个含硅纳米结构的至少一部分中或全部中，每个所述含硅纳米结构在由所述不锈钢基板的一表面移除的一位置处被与至少一个其它的含硅纳米结构融合，以形成一海绵状三维结构。


16.如权利要求1至15中任一项所述的复合电极，其特征在于：所述数个含硅纳米结构形成数个交叉链的一个三维网络。


17.如权利要求1至16中任一项所述的复合电极，其特征在于：在所述数个含硅纳米结构的至少一部分中或全部中，每个所述含硅纳米结构包括一结晶核心及一个半无定形外壳。


18.如权利要求1至17中任一项所述的复合电极，其特征在于：在所述数个含硅纳米结构的至少一部分中或全部中，每个所述含硅纳米结构具有在20微米及300微米之间的一长度。


19.如权利要求1至18中任一项所述的复合电极，其特征在于：在所述数个含硅纳米结构的至少一部分中或全部中，每个所述含硅纳米结构具有在10纳米及300纳米之间的一直径。


20.如权利要求1至19中任一项所述的复合电极，其特征在于：所述含硅纳米结构的至少一部分包含数个硅纳米线。


21.一种复合电极，其特征在于：所述复合电极包含：
一不锈钢本体，所述不锈钢本体的一外表面包括数个细长不锈钢纳米结构，所述细长不锈钢纳米结构延伸自所述不锈钢本体；及
一硅层...

【专利技术属性】
技术研发人员：费尔南多·帕托洛斯基，居伊·大卫迪，尼姆罗德·哈帕克，
申请(专利权)人：科技创新动量基金以色列参股有限公司，
类型：发明
国别省市：以色列;IL