包括环形挡件的电极制造技术

一种包括环形挡件的电极，包括配置用于防止夹层从电极分离的结构和／或配置用于在电极上创建具有较小浓度夹入材料的区域的结构。该电极包括支持丝，在支持丝上布置了夹层。支持丝可选地具有纳米级尺寸。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于电极

技术实现思路
本专利技术的各种实施方式包括一种电极，该电极包括衬底；耦合至衬底的支持丝 (filament)；包括供体受体材料的夹层，该供体受体材料配置用于接收电化学反应的反应 物(例如，离子、电子、电荷供体和/或电荷受体)，供体受体材料沿支持丝的长度方向布置； 以及接近于衬底的夹层区域，并且相对于远离衬底的夹层区域，其包括较少量的供体受体 材料。本专利技术的各种实施方式包括一种产生电极的方法，该方法包括接收衬底；生长 耦合至衬底的支持丝的第一区域；在支持丝的第一区域中远离衬底的末端生长环形挡件， 该环形挡件配置用于减小到达第一区域的供体受体材料的量；从环形挡件生长支持丝的第 二区域，环形挡件的第二区域具有比环形挡件小的直径；以及将供体受体材料应用至支持 丝，以使得在支持丝的第二区域中相对于在支持丝的第一区域中淀积较大厚度的供体受体 材料。本专利技术的各种实施方式包括一种电池，该电池包括第一电极以及第二电极，第二 电极包括衬底；耦合至该衬底的支持丝；配置用于接收电化学反应的反应物的夹层，该夹 层布置在支持丝上；以及用于创建接近于衬底的夹层区域的、相对于远离衬底的夹层区域 包括较少量的供体受体材料的装置。附图说明图1示出了根据本专利技术各种实施方式的支持帽电极设计。图2示出了根据本专利技术各种实施方式的支持环电极设计。图3示出了根据本专利技术各种实施方式的环形挡件电极设计。图4示出了根据本专利技术各种实施方式的支持帽和支持环电极设计。图5示出了根据本专利技术各种实施方式的支持帽和环形挡件电极设计。图6示出了根据本专利技术各种实施方式的支持环和环形挡件电极设计。图7A、图7B和图7C示出了根据本专利技术各种实施方式的包括夹入材料的电极。图8示出了根据本专利技术各种实施方式的创建电极延伸的方法。图9示出了根据本专利技术各种实施方式的所测量电荷容量与夹入材料厚度的关系。图10示出了根据本专利技术各种实施方式的电池循环寿命与夹入材料厚度的关系。图11示出了根据本专利技术各种实施方式的一种电池。图12A和图12B示出了根据本专利技术各种实施方式的在铜衬底上生长的碳纳米纤维。图13A和图1 示出了根据本专利技术各种实施方式的涂覆有夹入材料的、在铜衬底 上生长的碳纳米纤维。图14示出了根据本专利技术各种实施方式的用于收集针对图9和图10的数据的无夹 层750的电极的截面图。具体实施例方式图1示出了包括支持丝110的电极。支持丝110包括支持帽150。支持帽150可 选地是支持丝110的延伸，并且具有大于支持丝直径112大约1%、2. 5%、10%、25%、40% 或者高达60%的支持帽宽度157。支持丝高度114包括支持帽高度155。在一些实施方式 中，支持帽高度巧5至少是250纳米、500纳米、2000纳米或者5000纳米。在其他实施方式 中，支持帽高度巧5至少是丝高度114的百分之1、5、20、30或者50。支持帽宽度157至少 可以是起始点分隔距离126的百分之1、5、15、40或者75。起始点是种子层122上开始生长 支持丝的位置。支持帽150(如图1所示)的横截面形状可以是矩形、三角形、方形、圆形或 者菱形。其他形状也是可能的。支持帽150可以配置用于防止夹层750(图7)滑出支持丝 110的未连接端。支持丝110可以是碳纳米管(CNT)、碳纳米纤维(CNF)或者纳米线(NW)，或者其他 纳米级结构。包括CNT的材料通常是碳，并且可以包括其他材料，诸如在CNT的生长期间在 给料气体中输入的金属、半导体和绝缘体。另外，CNT可以是单壁或者多壁的。包括CNF的 材料通常是碳，并且可以包括其他材料，诸如在CNF的生长期间在给料气体中输入的金属、 半导体和绝缘体。CNT通常描述为具有至少2nm、5nm、10nm、30nm或者50nm的直径。CNF通 常描述为具有至少3011111、5011111、15011111、25011111、50011111或者 75011111的直径。纳米线(NW)可以 包括金属(诸如金、铜或者锡)或者半导体(诸如硅、锗、Inp、GaN、GaP、ZnO)或者氧化物， 诸如MnO2、铟锡氧化物、ZnO, SnO2, Fe203> In2O3或者Ga203。其他材料也是可能的。图2示出了一个包括支持丝110的电极，该支持丝110包括支持环210。支持环 210可选地是支持丝110的延伸，其具有大于支持丝直径112至少1%、2. 5%、10%、25%、 40%或者60%的直径。在一些实施方式中，支持环高度214至少是100、250、500、2000或 者5000纳米，可能更大，并且可以小至50纳米，可能更小。在一些实施方式中，支持环高度 214至少是支持丝高度114的百分之1、5、15、40或者75。支持环宽度212可以至少是起始 点分隔距离126的1^^5%.15^^40%或者75%。支持环210的形状可以是矩形、方形、圆 形、三角形、环形、菱形、弯曲的等。其他形状也是可能的。支持环基本距离216可选地至少 是支持丝高度114的一半。环基本距离216是支持丝高度114的10%、30%或者75%是可 能的。基本距离216可以从起始点120延伸至少500、1000、2500、5000或者12500纳米。附 加地，基本距离216在丝延伸尖端152的若干微米内结束是可能的。图3示出了一个包括支持丝110的电极，该支持丝110包括环形挡件310。环形 挡件310是由大于支持丝110的其他区域直径的直径表征的支持丝110的一个区域。在一 些实施方式中，环形挡件310的直径至少大于在支持丝110的一个或多个其他区域中的支 持丝110直径(例如，支持丝直径11 的百分之1、2.5、10、25、40或者60。控制环形挡件 310的直径和环形挡件间隔312来创建主干350。该主干350将造成供体受体材料(DAM)减 少的区域。DAM减少区域是其中相对于支持丝的其他区域存在减少量的夹入材料但未必是 完全没有夹入材料的区域。例如，在各种实施方式中，DAM区域可以包括相对于支持丝110 的其他区域小于百分之75、50、25、10或者5(支持丝110的每单位面积的重量)的夹入材 料。(出于描述的目的，夹入材料定义为供应或者接受电荷以完成电极的外部电路的材料。 夹入材料配置用于与周围的电解液交换电荷载流子、电荷供体和/或电荷接收体。夹入材 料可选地能渗透这些物质)。环形挡件间隔312可以接近于0，或者至少是起始点1 之间 的距离的百分之10、50、75或者95。环形挡件310可以沿支持丝110的长度上的任意位置 生长，例如，在一些实施方式中，环形挡件310可以布置在起始点120的10000、5000、2000、 1000、750、250、100、25 或者 5 纳米内。创建环形挡件310的方法通常类似于创建支持环210或者支持帽150的方法。控 制支持环210、支持帽150和/或环形挡件310的直径的方法可以包括改变给料气体、衬底 或者反应室(或者三个的组合)的温度，或者改变各种给料气体的流速。例如，在支持丝 110的生长期间改变给料气体的组成也可以控制这些直径。控制支持丝110、环形挡件310、 支持环210和/或支持帽150的直径的另一本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种电极，包括：衬底；耦合至所述衬底的支持丝；夹层，包括配置用于接收电化学反应的反应物的供体受体材料，所述供体受体材料沿所述支持丝的长度布置；以及接近于所述衬底的夹层区域，相对于远离所述衬底的夹层区域，其包括较少量的供体受体材料。

【技术特征摘要】
US 2009-10-22 61/254,090;US 2010-10-13 12/904,1131.一种电极，包括衬底；耦合至所述衬底的支持丝；夹层，包括配置用于接收电化学反应的反应物的供体受体材料，所述供体受体材料沿 所述支持丝的长度布置；以及接近于所述衬底的夹层区域，相对于远离所述衬底的夹层区域，其包括较少量的供体 受体材料。2.如权利要求1所述的电极，其中所述支持丝包括碳纳米管或者碳纳米纤维，或者纳 米线。3.如权利要求1所述的电极，其中所述夹层包括硅、锡或者锗。4.如权利要求1所述的电极，还包括沿所述支持丝的长度布置的环形挡件，所述环形 挡件配置用于生成包括较少量的所述供体受体材料的夹层区域。5.如权利要求4所述的电极，其中按照支持丝每单位面积的重量，包含较少量的供体 受体的夹层区域中的夹入材料的量包括相对于远离所述衬底的区域而言至少小25%的供 体受体材料。6.如权利要求4所述的电极，其中按照支持丝每单位面积的重量，包含较少量的供体 受体的夹层区域中的夹入材料的量包括相对于远离所述衬底区域而言至少小50%的供体 受体材料。7.如权利要求1所述的电极，还包括支持环，其配置用于防止所述夹层与所述支持丝 分离。8.如权利要求1所述的电极，还包括支持帽，其配置用于防止所述夹层与所述支持丝 分离。9.如权利要求1所述的电极，其中所述夹层是P+或者η+掺杂的。10.如权利要求1所述的电极，还包括布置在所述衬底与所述支持丝之间的种子层，所 述种子层配置用于将所述支持丝耦合至所述衬底。11.如权利要求1所述的电极，其中所述电极包括环形挡件、支持环和支持帽中的不止 两个。12.如权利要求1所述的电极，还包括在所述夹层的表面上的碳化物层、氧化物层或者 氮化物层。13.如权利要求1所述的电极，其中所述夹层包括选择用于增加所述夹层的导电性的金属。14.如权利要求1所述的电极，其中所述夹层的表面是钝化的。15.一种产生电极的方法，所述方法包括接收衬底；生长支持丝的第一区域，其耦合至所...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗纳德安东尼罗杰斯基，
申请(专利权)人：罗纳德安东尼罗杰斯基，
类型：发明
国别省市：US[美国]