3D支架制造技术

一种基板，包含在远离基板的方向上大部分平行取向的碳纳米管。在沿着所述基板的表面的平面中，碳纳米管形成在碳纳米管的连接结构的第一单元中。所述第一单元形成在第二单元的第二结构内，所述碳纳米管由此在嵌套在第二单元的结构中的第一单元的结构中图案化。所述第一单元包括至少一个不含碳纳米管的开口，以提供中基板的表面的通路。第二单元通过沟槽彼此分隔，以防止第二单元的碳纳米管横跨由所述沟槽形成的第一间隙接触另一第二单元的碳纳米管。该沟槽提供了通向基板的通路。该沟槽提供了通向基板的通路。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】3D支架


[0001]本专利技术关于一种基板，该基板包含大部分呈垂直取向而在沿着该基板的平面中形成为连接结构的碳纳米管。这种结构如已知的用作电极。

技术介绍

[0002]举例来说，WO2017011052A2公开了在覆盖大面积基板的连接结构中的垂直对齐的碳纳米管。将锂沉积在这些垂直对齐的碳纳米管上以形成电极。锂的沉积导致这些纳米管的附聚与相关的取向损失，导致管的弯曲、卷曲、开裂与翻倒。本专利技术的一方面是提供没有这种取向损失的碳纳米管的连接结构。
[0003]US20170214083A1还描述了垂直对齐的碳纳米管的连接结构的用途。所述碳纳米管的连接结构是用作在组装用于3D电池中的交织或交错指状电极的支架。该电极被描述为具有大约1.44cm的长度以及通常小于100μm、优选低至30μm的范围内的宽度。纳米管的指状结构是使用物理气相沉积(PVD)方法从设置有适宜的催化剂图案的基板生长。随后，将适宜的电极材料沉积在该碳纳米管结构上。该文件指明此无法在单基板上完成，因为各个电极材料需要不同的沉积方法。因此，各个电极是分开地从其基板上切下并个别地处理。在稍后的阶段，阳极与阴极必须在间隙处组装，并且该间隙填充有适宜电解质以形成3D电池。
[0004]已知类型的薄膜电池结构公开于如WO2010032159，将其内容作为参照而包括，其中，举例来说，将全固态组合物沉积在3D微图案化结构上。在此方面中，在早期电池结构利用液体电解质的情况下，全固态组合物利用固态类型的电解质，其在使用时，本质上是较安全的。在这些结构中，各式各样材料用于且已经用于各别电极，举例来说，如US 20110117417所公开的。在放电电池模式中，正电流从作为“正电极”的阴极流至作为“负电极”的阳极。在充电期间，这些功能是反向的。无论充电模式为何，电化学关系可通过负极材料与正极材料之间的电荷交换来定性，负极材料所具有的功函数或氧化还原电位低于正极材料的功函数或氧化还原电位。
[0005]举例来说，已知的负极(阳极)材料是锂金属，Li4Ti6O12(钛酸盐)；LiC6(石墨)；Li4.4 Si(硅)与Li4.4Ge(锗)；已知的正极(阴极)材料是LiCOO2(LCO)、LiCoPO4、(掺杂)LiMn2O4(LMO)、LiMnPO4、LiFePO4(LFP)、LiFePO4F(LFPF)或LiCO1/3Ni1/3Mn1/3O2(LCNMO)。
[0006]已知的(固态)电解质可包含碘化锂(LiI)、磷酸锂(Li3PO4)与锂磷氮氧化物(LiPON)。此外，已知在诸如碳酸亚乙酯、碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、碳酸亚丙酯的有机溶剂中的如LiPF6、LiBF4或LiClO4的锂盐在RT时具有约10mS/cm的典型电导率。该电解质在初始充电时分解并形成称为固体电解质中间相(SEI)的固体层。
[0007]也可以包括固体聚合物隔膜，如现有技术已知的，通常是由于具有如LiTFSI或LiFSI的锂盐配置在其中，所以如聚环氧乙烷(PEO)的这种聚合物具有传输能力。此外，凝胶聚合物包括非质子溶剂，如PC、EC或DMC或是离子性液体，如Pyr13LiTFSI或Pyr14LiTFSI。本专利技术不限于电池的特定化学；可替换地，可使用钠材料，如：阳极材料，包含Na、Na-Sn、Na2Ti3O7；阴极材料，包含Na2S、TiS2、Na0.67Ni0.33Mn0.67O2、Na3V2(PO4)3、NaFePO4以及
电解质，包含固体：Na3PS4、Na-β/β
”-
氧化铝NaSiCON、Na2S
–
P2S5。
[0008]为了最大化3D电池的功率密度，一般而言，希望增加阴极与阳极之间的界面面积和/或减少离子与电子的扩散距离。就US20170214083A1而言，通过进一步最小化指状物尺度来进一步改善这些参数是不可行的，在所述指状物上设置附加的微型结构也是不可行的，因为US20170214083A1要求必须切割电极并以物理方式处理电极。此导致碳纳米管支架具有相当大的最小尺度的限制；30μm似乎是电极的最小宽度，而25μm被给定为最小间隙距离。
[0009]本专利技术的一方面是通过提供大部分呈垂直取向的碳纳米管的连接结构来提供所述问题的解决方案，该连接结构提供大表面积与高纵横比的组件并且能够在单基板上进行进一步的处理步骤。

技术实现思路

[0010]一种基板，包含碳纳米管，所述碳纳米管在远离基板的方向上大部分呈平行取向。在沿着该基板的表面的平面中，碳纳米管形成在第一单元(cell)中，该第一单元由碳纳米管的一个或多个连接结构形成。所述第一单元嵌套在第二单元的结构内。该连接结构包含至少一个不含碳纳米管的开口，以提供通向该基板的表面的通路。第二单元之间的连接结构通过沟槽彼此分隔，以防止第二单元的碳纳米管横跨该沟槽形成的第一间隙接触另一第二单元的碳纳米管。该沟槽提供通向碳纳米管的第连接结构之间的基板的通路。由该沟槽形成的该第一间隙使的纳米管分隔200nm至20μm的距离。防止了毛细管力传播到相邻单元。以此方式，防止了连接结构的开裂。
[0011]本专利技术将基于以图式代表的示例实施方式来进一步阐述。示例实施方式是提供作为非设限示出。应注意的是，本专利技术实施方式的示意图是给予作为非设限例子。
附图说明
[0012]图1示出现有技术结构，展示了垂直对齐的碳纳米管在与液体接触后的不受控制的附聚；
[0013]图2以图解描绘连接结构的第一示例实施方式的俯视图；
[0014]图3以图解描绘连接结构的第二示例实施方式的俯视图；
[0015]图4以图解描绘连接结构的第三示例实施方式的俯视图；
[0016]图5a)与b)描绘基板上的复合材料的扫描电子显微照片；
[0017]图6a)与b)以图解描绘连接结构的第四与第五示例实施方式的俯视图；
[0018]图7a)、b)与c)以图解描绘连接结构的第五示例实施方式的俯视图；
[0019]图8以图解显示连接结构的侧视图，其中设置了覆盖碳纳米管的结构的顶层；
[0020]图9以图解显示具有顶层与入侵结构的连接结构的侧视图；
[0021]图10以图解描绘连接结构，在该连接结构上设置有带有垂直与横向梯度的层；
[0022]图11以图解描绘3D能量储存系统以及
[0023]图12以图解显示连接结构的另一实施例。
具体实施方式
[0024]本专利技术的目的包括提供高表面积支架结构，其可以有利地应用在特别受益于高表面积的应用中。本专利技术的支架是由在基板上的碳纳米管的一个或多个连接结构形成。所述碳纳米管在远离该基板的方向上大部分呈平行取向。该碳纳米管的一个或多个连接结构可以在各种后续方法中用作支架以制造各种对象与产品。这种对象与产品包括但不限于3D电池与3D电极结构。举例来说，可以使用提供的连接的碳纳米管的一个或多个结构作为支架，如支架壁，以供沉积包含在电池中的各种活性材料层来制造3D电池。这种层包括但不限于电极材料本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种基板上的支架结构，所述支架结构包含碳纳米管，其中所述纳米管在远离所述基板的方向上大部分平行取向，并且其中在沿着所述基板的表面的平面中，碳纳米管形成在第一单元中，所述第一单元由碳纳米管的一个或多个连接结构形成，所述第一单元嵌套在不同于所述第一单元的第二单元的结构中，其中所述连接结构包括至少一个不含碳纳米管的开口，以提供通向所述基板的所述表面的通路，并且其中第二单元由沟槽彼此分隔，以防止第二单元的碳纳米管横跨由所述沟槽形成的第一间隙接触另一第二单元的碳纳米管，并且其中所述沟槽提供碳纳米管的连接结构之间的至所述基板的通路。2.一种基板上的支架结构，所述支架结构包含碳纳米管，其中所述纳米管在远离所述基板的方向上大部分平行取向，并且其中在沿着所述基板的表面的平面中，碳纳米管形成在碳纳米管的一个或多个连接结构中，其中所述连接结构留下至少一个不含碳纳米管的区域，以提供至所述基板的所述表面的通路，并且其中所述连接结构由一个或多个沟槽彼此分隔，以防止第二连接结构的碳纳米管横跨由所述沟槽形成的第一间隙接触第一连接结构的碳纳米管，并且其中所述沟槽提供碳纳米管的连接结构之间的至所述基板的通路。3.根据权利要求1或2所述的支架结构，其中，所述纳米管具有20至500微米的长度。4.根据权利要求1所述的支架结构，其中，由所述沟槽形成的所述第一间隙将纳米管横跨所述第一间隙分隔500纳米至20微米的距离。5.根据前述权利要求中任一项所述的支架结构，其中，所述碳纳米管的连接结构包含在沿着所述基板的方向上，在1.6微米至85微米范围内的最小横向尺寸Dmin，更具体地，其中，对于80％至20％范围内的覆盖率及具有20微米至50微米范围内高度的所述连接结构，所述最小横向尺寸在1.6微米至8.5微米范围内；其中，对于80％至20％范围内的覆盖率及具有50微米至100微米范围内高度的所述连接结构，所述最小横向尺寸在4.0微米至17微米范围内；其中，对于80％至20％范围内的覆盖率及具有100微米至150微米范围内高度的所述连接结构，所述最小横向尺寸在8.0微米至25.5微米范围内；并且其中，对于80％至20％范围内的覆盖率及具有150微米至500微米范围内高度的所述连接结构，所述最小横向尺寸在12微米至85微米范围内。6.根据前述权利要求中任一项所述的支架结构，其中，所述碳纳米管的连接结构在沿着所述基板的方向上包括小于500微米的最大尺寸。7.根据前述权利要求中任一项所述的支架结构，其中，分隔一个或多个所述连接结构的一个或多个所述沟槽在加工期间沿着所述基板的移动的单一方向取向，以利用由所述移动引起的阻力流。8.根据前述权利要求中任一项所述的支架结构，其中，至少一个所述开口可以由以下中的一种或多种限定：i)所述连接结构的内表面，和ii)所述连接结...

【专利技术属性】
技术研发人员：埃韦特，
申请(专利权)人：荷兰应用科学研究会TNO，
类型：发明
国别省市：