含注入碳奈米管纤维电装置及其制造方法制造方法及图纸

揭示具有多个堆栈电极层的电气装置。至少一个电极层包含注入有碳奈米管的连续纤维。该连续纤维可被设置在电气连接的基底平板上。该电气装置可进一步包含连接每一电极层的电极以及设置在每一电极层之间的分隔材料层，在这种情况下，该电气装置可形成超级电容器。这类超级电容器可具有至少1法拉/克的连续纤维的电容值。该电容值可通过将材料（例如传导聚合物、主族金属化合物及/或过渡金属化合物）涂布至少一部分的注入碳奈米管而增加。用于生产该电气装置的方法也被描述。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
相关申请案的交互参照本专利技术根据35 USC § 119而主张在2010年6月15日所申请的美国临时专利申请案第61/355，097号的优先权，其是通过引用形式而将其整体并入本文。本专利技术广泛地关于能量储存器，且更具体而言，关于使用碳奈米管的能量储存器。
技术介绍
电容器是用以累积及储存电荷的电气装置。电容器与电池的区别有两个方面第 一，在电容器中的电荷储存是基于物理性电荷分隔、而非电池的化学性分隔；第二，电容器的充电与放电速率比电池中所发生的化学反应更快速许多。在传统的电容器中，电荷分隔是通过以介电材料分隔的两个传导平板所维持。在有施加电位的存在下，在介电材料中会建立电场，该电场于传导平板之间产生机械力。在传导平板上的电荷与传导平板之间的电位差的比率称为电容值，其被测量为法拉(Farads)。传统电容器的各种改良方式也已经被发展出来。电解质电容器使用含有离子的液体作为其中一个传导平板。这类电解质电容器通常比传统电容器呈现出高出许多的电容值；然而，它们用途却因其要求各传导平板必须保持在一极化电压状态下而受到某程度的限制。超级电容器(supercapacitor)(也被已知为电双层电容器、电化学双层电容器、超级电容器(supercondensor )、超电容器、或虚拟电容器)可呈现出甚至更高的电容值。超级电容器明显不同于传统电容器与电解质电容器之处在于，在超级电容器中没有明显的传导平板的物理分隔。取而代之，超级电容器是通过在传导平板之间并入一消失的薄物理阻障层(小于lOOym)而保持电荷分隔。物理阻障层可于超级电容器处于充电状态下时有效地保持电荷分隔，同时可让电荷载子充分通过而允许快速的充电与放电速率。许多传统超级电容器目前是使用活性碳粒子作为高表面积受质，以固定来自于分散其间的电解质的电荷载子。虽然活性碳粒子具有高表面积，但某些电荷载子太大而无法穿过活性碳粒子的有孔性内部而利用其高表面积的优点。此外，活性碳为完全地不可压缩，因此无法通过压缩来明显地减少含有预定量的活性碳的传统超级电容器的体积。图1显示一例示现有技术的超级电容器100的示意图，该超级电容器100含有活性碳粒子105。超级电容器100含有传导层101与102，其分别连接至正端子103与负端子104。传导层101与102各含有活性碳粒子105以及掺合有活性碳粒子105的电解质，该电解质含有正离子106与负离子107。正离子106与负离子107可存在于活性碳粒子105的内部或外部周围。传导层101与102是通过分隔材料层108而彼此物理性地隔离，该分隔材料层108可让电解质的正离子106与负离子107通过。如图1所示，超级电容器100处于放电状态下。由于它们的可使用的高表面积，已经提出以某些高性能材料(包括碳奈米管)来取代超级电容器中的活性碳粒子。在这方面碳奈米管还因其导电度而有进一步优势。虽然碳奈米管提供了用于增进超级电容器的电气性能的明显潜能，但迄今的研究心力仅成功于将小量的碳奈米管随机分散于超级电容器的电解质媒介中。因此，目前的制造技术仅能制造具有低电储存能力的含碳奈米管的小型电容器。鉴于前述，高容量的超级电容器与含有大量碳奈米管的其它电气装置将代表该领域中的一项显著进展。提供用于直接制备这种高容量超级电容器与其它电气装置的方法也具有可观的益处。本专利技术满足了这些需求，并同时提供了相关优势。
技术实现思路
在某些具体实施例中，本文所述的电气装置含有多个堆栈电极层，其中每一电极层含有注入有碳奈米管的连续纤维。在其它具体实施例中，本文所述的电气装置含有多个堆栈电极层，其中每一电极 层包含导电性基底平板，以及注入有碳奈米管的连续纤维，该连续纤维是配置在该导电性基底平板周围。该连续纤维进一步包含涂层，该涂层是沉积在该被注入的碳奈米管的至少一部分上。在另外的其它具体实施例中，本文所述的电气装置含有多个堆栈电极层，其中至少一电极层含有注入有碳奈米管的连续纤维。在其它各种具体实施例中，本文说明了用于形成电气装置的方法。该方法包含通过在导电性基底平板周围配置连续纤维而形成电极层，该连续纤维注入有碳奈米管；以及使多个该电极层堆栈于彼此上。每一电极层是由分隔材料层予以分隔。前述内容是已较广泛地摘列出本专利技术的特征，以使下文的详细说明可更佳地被理解。下文将说明本专利技术的其它特征与优势，其形成各项权利要求的标的。附图说明为能更完整理解本专利技术及其优势，现参照下列说明、并结合说明本专利技术具体实施例的如附图式，其中图1显示含有活性碳粒子的例示现有技术的超级电容器的示意图；图2显示含有注入碳奈米管的纤维的例示电极层的等轴视图；图3显示具有含注入碳奈米管的纤维的两电极层的例示超级电容器的侧视示意图；以及图4A显示具有多个电极层的例示超级电容器的立体示意图，每一电极层含有注入碳奈米管的纤维，其中相邻的电极层具有相反的电荷且彼此电气绝缘；以及图4B显示例示超级电容器的侧视示意图，该超级电容器含有四个电极层，其中交替的电极层彼此电气连接。具体实施例方式本专利技术是部分关于具有电极层的电气装置，该电极层含有具注入有碳奈米管的连续纤维。在本文中，这类连续纤维是同义上称为注入有碳奈米管的纤维、或注入有碳奈米管的纤维材料。本专利技术也部分关于用于制造这类电气装置的方法。尽管碳奈米管在电气装置应用(包含超级电容器应用)中有其希望，但在利用碳奈米管的超高有效表面积的优点的状态下直到此时难以将碳奈米管放置至电气装置中。如先前所述，超级电容器一般显现了比传统电容器或电解质电容器高出许多的电容值。因此，其于能量储存应用(例如太阳能收集、水力发电能量收集、风电场能量收集及诸如此类)中获得明显关注。超级电容器的快速充电与放电循环使得这些电气装置特别适合于前述目的与其它目的，因为当电网(electrical grid)需求低时，超级电容器可以直接利用过剩的能量，并在电网需求高时快速释放其所储存的能量。此外，超级电容器可不衰减地充电与放电数千数百次，使它们在这方面显然是优于电池。此外，超级电容器的快速充电/放电循环与其充电/放电稳定性使得这些电气装置特别有用于需要快速充电与放电多次循环的应用中，例如在复合式油电车辆中。随着在上述应用与其它应用所受关注渐增，需要具有比目前可供应者还要更高能量储存极限的超级电容器。超级电容器中的电容值与总电极表面积(例如所有传导平板的面积)成比例。在含有活性碳粒子的传统超级电容器中，存在着可以增加多少有效电极表面的本质限制。亦即，在达到渐近电容值之前，在传统超级电容器中所使用的活性碳粒子可只被制作地很小。此外，活性碳粒子中的有限孔隙大小降低了其有效表面积，且对于某些电解 质而言会是有问题的。由于碳奈米管所提供的每单位重量的有效表面积明显比活性碳高，这些实体提供了可明显增加具有既定大小的电极覆盖区(electrode footprint)的超级电容器的电容值的潜力。此外，碳奈米管的本质导电性提供了比活性碳粒子更特别的优势，在于提供了超级电容器更大的充电/放电速率与提高的能量储存密度。本文所述的具体实施例含有由已经注入有碳奈米管的连续纤维所制成的电极层。这类连续的、注入有碳奈米管的纤维已于相同申请人所申请、仍待审的美国专利申请号12/611，073,12/611, 101 与 12/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】2010.06.15 US 61/355,0971.一种电气装置,包含多个堆栈电极层，每一电极层包含注入有碳奈米管的连续纤维。2.根据权利要求1所述的电气装置，其中每一电极层为实质上平面。3.根据权利要求1所述的电气装置，其中每一电极层更包含导电性基底平板，在所述导电性基底平板上设置有所述连续纤维。4.根据权利要求3所述的电气装置，其中所述连续纤维是一致地卷绕在每一基底平板周围。5.根据权利要求4所述的电气装置，其中在每一基底平板周围的所述连续纤维的相邻卷绕部之间无实质重迭。6.根据权利要求1所述的电气装置，更包含电解质，与每一电极层接触；以及分隔材料层，配置在每一电极层之间；其中所述分隔材料可让所述电解质的离子通过。7.根据权利要求6所述的电气装置，其中相邻的电极层为反相充电的，且交错电极层是彼此电气连接。8.根据权利要求6所述的电气装置，更包含第一电极端子与第二电极端子，所述第一电极端子被电气连接至具有第一电荷的交错电极层，且所述第二电极端子被电气连接至具有第二电荷的交错电极层。9.根据权利要求8所述的电气装置，更包含外壳体，覆盖所述电极层。10.根据权利要求6所述的电气装置，其中所述电气装置包含超级电容器。11.根据权利要求10所述的电气装置，其中所述超级电容器具有至少约I法拉/克的连续纤维的电容。12.根据权利要求6所述的电气装置，其中所述电解质包含无机电解质。13.根据权利要求6所述的电气装置，其中所述电解质包含有机电解质。14.根据权利要求1所述的电气装置，其中所述连续纤维包含选自由纤维束、纤维带、 纤维条及其组合所组成的群组的纤维形式。15.根据权利要求1所述的电气装置，其中所述连续纤维在注入碳奈米管之前是具导电性的。16.根据权利要求15所述的电气装置，其中所述连续纤维包含连续金属纤维。17.根据权利要求15所述的电气装置，其中所述连续纤维包含连续碳纤维。18.根据权利要求1所述的电气装置，其中所述被注入的碳奈米管与所述连续纤维的表面实质上垂直。19.根据权利要求1所述的电气装置，其中所述连续纤维更包含沉积在所述被注入的碳奈米管的至少一部分上的涂层。20.根据权利要求19所述的电气装置，其中所述涂层包含选自由传导聚合物、主族金属化合物、过渡金属化合物及其组合所组成的群组的材料。21.根据权利要求19所述的电气装置，其中所述涂层包含选自由聚吡咯、二氧化锰、二氧化钌及其组合所组成的群组的材料。22.—种电气装置，包含多个堆栈电极层，每一电极层包含导电性基底平板，以及注入有碳奈米管的连续纤维，所述连续纤维被配置在所述导电性基底平板周围；其中所述连续纤维更包含涂料，所述涂层是沉积在所述注入的碳奈米管的至少一部分23.根据权利要求22所述的电气装置，其中所述涂层包含选自由传导聚合物、主族金属化合物、过渡金属化合物及其组合所组成的群组的材料。24.根据权利要求22所述的电气装置，其中所述涂层包含选自由聚吡咯、二氧化锰、二氧化钌及其组合所组成的群组的材料。25.根据权利要求22所述的电气装置，更包含电解质，与每一电极层接触；以及分隔材料层，配置在每一电极层之间；其中所述分隔材料可让所述电解质的离子通过。26.根据权利要求25所述的电气装置，其中所述电气装置包含超级电容器。27.根据权利要求26所述的电气装置，其中所述涂层使所述超级电容器相较于缺少所述涂层的类似超...

【专利技术属性】
技术研发人员：寇瑞·亚当·佛雷斯雀，劳伦斯·P·黑泽尔，图夏尔·K·夏，曼德尔·都伍德·佛洛依德，乔葛里·F·鹏瑟洛，威廉·派翠克·伯吉斯，乔瑟夫·J·赛德拉克，
申请(专利权)人：应用奈米结构公司，
类型：
国别省市：