專利名稱：High capacity electrodes的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及電池組技術領域。
背景技術：
電池組/燃料電池(電池組)的四個基本設計參數(shù)包括能量密度、功率密度、循環(huán) 壽命和安全性。能量密度是指電池組可以存儲多少以兆焦耳/千克(MJ/kg)為單位測量的 能量。功率密度(也稱為功率與重量之比和比功率)是指每單位質(zhì)量存儲的能量可以多快 地遞送并且以千瓦特/千克(W/kg)為單位來測量。循環(huán)壽命是指電池組的電荷容量比對 充電/放電循環(huán)次數(shù)。通常，越大的循環(huán)壽命越有用。針對電池組的安全性考慮包括可能 對人或者財產(chǎn)有害的過程，例如有毒化學物釋放和變得過熱至燃點。圖1圖示了現(xiàn)有技術的鋰離子蓄(可再充電)電池組/電池100的橫截面。蓄電 池組/電池100包括陽極120、電解質(zhì)140、分隔體130、電解質(zhì)140和陰極110。在一些情 況下，電池組陽極120包括石墨。將石墨用于陽極120的原因包括Li離子嵌入相對容易和 石墨成本低?？蛇x地，陽極120包括向陽極的體(宏觀)襯底直接施用的硅。使用硅的原 因在于硅可以比石墨嵌入多大約十倍的Li離子。遺憾的是，硅通常在完全嵌入Li離子時 膨脹400%或者更多，這可能引起硅破裂并且明顯危及硅到陽極120的粘合性、因此減少壽 命。在蓄電池組/電池100之間的分隔體130包括有孔膜。在一些實施例中，有孔膜 是微孔聚烯烴膜。微孔聚烯烴未參與電池內(nèi)部的反應。分隔體130通常約50微米厚并且 包括孔135?？?35的尺寸的典型平均值約為2. 0微米或者更大的規(guī)格。蓄電池組/電池100的陰極110—般為三種類型。這三種類型包括分層氧化物(比 如LiCoO2^LiMnO2或者LiNiO2)、聚陰離子(比如磷酸鐵鋰)或者尖晶石(比如氧化錳)。用 于陰極110的材料通常是體材料或者體沉積/生長的膜。遺憾的是，由于這些材料的宏觀 性質(zhì)，在陰極110的體材料中的離子擴散在充電和放電循環(huán)期間限制氧化和還原速率。離 子的不良擴散速率限制總功率密度。陰極可以電耦合到電接觸點150A以便從電池組/電 池100汲取電流。陽極可以電耦合到電接觸點150B以便從電池組/電池100汲取電流。在蓄電池組/電池100中的電解質(zhì)140可以是溶解在諸如LiC104、LiPF6、LiBF4等 溶劑中的鹽。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的各種實施例包括一種系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括電極，設置于電解質(zhì)的第一區(qū)域中并且包括襯底、附著到襯底的多個支撐絲和附著到支撐絲并且配置成在吸收離子時體積 膨脹至少百分之五的離子吸收材料；分隔體，配置成分隔電解質(zhì)的第一區(qū)域和第二區(qū)域； 以及陰極，設置于電解質(zhì)的第二區(qū)域中，該陰極、陽極和分隔體被配置成作為可再充電電池
組工作。本發(fā)明的各種實施例包括一種電極，該電極包括傳導襯底；附著到該襯底的多 個支撐絲，這些支撐絲包括碳納米管(CNT)、碳納米纖維(CNF)或者納米線(NW)；以及離子 吸收材料，附著到一些但非所有支撐絲并且配置成在吸收離子時體積膨脹至少五倍。本發(fā)明的各種實施例包括一種方法，該方法包括接收傳導襯底；形成耦合到傳 導襯底的多個支撐絲，這些支撐絲具有至少10 1的長徑比(長度/寬度)；并且用離子 吸收材料涂覆該多個支撐絲以形成電極，該離子吸收材料具有比支撐絲大至少十倍的離子 吸收容量。


圖1圖示了現(xiàn)有技術的可再充電電池組的橫截面。圖2A圖示了根據(jù)本發(fā)明各種實施例的電極的橫截面。圖2B是圖示了根據(jù)本發(fā)明各種實施例的圖2A的種子(seed)層的細節(jié)的橫截面。圖2C是根據(jù)本發(fā)明各種實施例的圖2A的電極延伸的部分的橫截面，該橫截面圖 示了在支撐絲與嵌入層之間的下層以及封裝嵌入層的上層。圖3是根據(jù)本發(fā)明各種實施例的圖2的電極的橫截面，該橫截面圖示了圖2A的支 撐絲的細節(jié)。圖4A圖示了根據(jù)本發(fā)明各種實施例的替代電極的橫截面。圖4B圖示了根據(jù)本發(fā)明各種實施例的替代電極的橫截面。圖4C是根據(jù)本發(fā)明各種實施例的圖示了圖4A的支撐絲的細節(jié)的橫截面。圖5A圖示了根據(jù)本發(fā)明各種實施例的替代電極的橫截面。圖5B圖示了根據(jù)本發(fā)明各種實施例的圖5A的支撐絲和電極的細節(jié)。圖6A圖示了根據(jù)本發(fā)明各種實施例的圖2A的電極延伸沿著線a_a截取的橫截圖6B圖示了根據(jù)本發(fā)明各種實施例的圖2A的支撐絲沿著線a_a截取的橫截面。圖6C圖示了根據(jù)本發(fā)明各種實施例的圖2A的支撐絲沿著線a-a截取的橫截面。圖7圖示了根據(jù)本發(fā)明各種實施例的支撐絲的更多實施例。圖8圖示了根據(jù)本發(fā)明各種實施例的產(chǎn)生和可選地使用電極的方法。
具體實施例方式本發(fā)明的各種實施例包括可再充電(蓄)電池組，該電池組包括改進的電極。在 蓄電池組/電池100的陰極和/或陽極的一部分內(nèi)可選地包括本發(fā)明的電極以建立改進的 電池組。該電極通常包括使用種子層在襯底上生長的或者附著到襯底的電極延伸。該電極 延伸被配置成增加電極的表面積，并且包括支撐絲和嵌入層。在各種實施例中，支撐絲材料 包括碳納米管(CNT)、碳納米纖維(CNF)、納米線NW(直徑小于近似五微米的線)、金屬、半導 體、絕緣體、硅等。CNT、CNF和/或NW可以是單壁的或者多壁的。支撐絲可以提供通向襯底的電路徑和用于嵌入層的機械基部。嵌入層提供用于吸收和/或貢獻來自電解質(zhì)的離子 的區(qū)域。如本文所用，在陽極和陰極均可以使用嵌入層。在各種實施例中，嵌入層包括配置 用于貢獻和/或接受來自電解質(zhì)的離子的施主/受體材料(DAM)。這一離子貢獻和/或接 受可以包括吸附和吸收過程。嵌入層可以在吸收離子時體積膨脹至少百分之5、10、15、50、 100,200 或者 400。在各種實施例中，DAM包括硅、石墨、Sn、Sn_C、金屬間化合物、磷化物、氮化物、3D 金屬氧化物或者 LiCoP04、LiMnPO4, LiMn2O4, LiCoO2, LiNiO2, MnO2、釩氧化物 V2O5 和 LiV308、 聚陰離子材料如 Li (l-x)V0P04, Li (x)FeP04, LiMnO2, Li2FeP04F、摻雜 LiMn2O4 等。在支撐絲 上沉積或者生長DAM。在一些實施例中，支撐絲具有用于(尤其在DAM在嵌入層中膨脹和/ 或收縮期間)支撐DAM的附加強度(例如張拉、壓縮、剪切等)。在一些實施例中，DAM覆蓋 支撐絲的部分而非全部。例如，支撐絲的部分可以保持未被涂覆。未被涂覆的部分可以提 供例如在電極延伸與襯底之間的撓曲性和活動自由度。在一些境況中，這在DAM在嵌入層 中膨脹和/或收縮期間減小支撐絲從種子層分離的可能性。電極延伸增加嵌入體積和表面積，由此通過沉積于平坦表面上的材料層提高電極 的能量密度。電極延伸可以適于作為襯底與嵌入層之間的靈活接口，由此允許嵌入層的大 的體積膨脹程度(例如2X、4X、6X等)而同時減小材料襯底分離的風險。電極延伸也可以 減少離子在嵌入材料體中的擴散距離，因此提高電極的功率密度。圖2A圖示了電極200的橫截面。根據(jù)本發(fā)明各種實施例可以在可再充電電池組 如圖1的蓄電池組/電池中使用一個或者多個電極200。電極200包括襯底210、可選種子 層215和電極延伸220。電極延伸220包括支撐絲230和嵌入層240。種子層215可以用 來啟動支撐絲230的生長并且有助于電極延伸220連接到襯底210。在替代實施例中，電 極延伸220直接耦合到襯底210。支撐絲230支撐嵌入層240并且提供嵌入層240與襯底 210之間的電路徑。嵌入層240包括DAM并且提供用于嵌入離子的表面/體積。電極200 通常包括多個電極延伸220。支撐絲230的直徑小于大約500納米。(沿著它的長度平均。)具體而言，支撐絲 230的直徑可以在1-10納米、10-50納米和100-500納米之間變化。在各種實施例中，襯底210包括有孔材料、金屬、半導體和/或絕緣體。例如，襯底 210可以包括低含氧量的銅。襯底210可以制作成多種形狀。例如，襯底210可以是平面形 (單面的和雙面的)、圓柱形、鰭形等。在一些實施例中，選擇襯底210的形狀以便最大化可 用表面積。在各種實施例中，襯底210的厚度根據(jù)蓄電池組/電池100的具體應用在從1 微米到100微米、從100微米到一毫米、從一毫米到3毫米或者更大的范圍內(nèi)。可選種子層215服務于多個功能中的一個或者多個功能，并且可以包括若干子 層。例如，種子層215可以包括初始層250、中間層和/或最終層260。種子層215可以被 配置成通過控制支撐絲230在其中出現(xiàn)初始生長的面積來控制支撐絲230的直徑(在圖3 中定義為支撐絲直徑310)?？梢赃x擇初始層250、中間層和/或最終層260的相對和/或 絕對厚度以控制支撐絲230的初始生長面積并且因此控制支撐絲直徑310。替代地使用反 膠束過程來控制支撐絲直徑310，其中啟動部位的直徑310取決于反膠束過程中所用種子 材料的適當尺寸或者數(shù)量。CNT/CNF/NW生長領域的技術人員應該理解其它方法也可用來控 制支撐絲230的直徑。在一些實施例中，種子層215可以控制支撐絲230到襯底的粘合性。在相鄰支撐絲230之間的間距和/或支撐絲的直徑可以限制DAM在嵌入層中的可能厚度并 且反之亦然。種子層215可以控制支撐絲230的啟動點密度和/或生長啟動點的面密度。啟動 點密度決定支撐絲230附著點的密度。附著點的密度可以在IOfVcm2至IO1Vcm2之間，一般 在107cm2至IOuVcm2之間。啟動密度可以表達為每單位面積的支撐絲啟動部位數(shù)目，例如， 數(shù)目/cm2。面密度是支撐絲230的與種子層215和襯底210遠離的末梢的密度。面密度可 以大于附著點密度，因為支撐絲230如本文別處進一步討論的那樣是可以有分枝的。面密 度可以表達為每單位面積的支撐絲末梢的數(shù)目，例如，數(shù)目/cm2。在一些實施例中，種子層215是單層沉積于襯底210上的單一材料?？蛇x地，種子 層215包括不同材料制的多個(2個、3個或者更多)子層，例如初始層250、中間層和/或 最終層260。種子層215的各子層可以被配置成執(zhí)行各種功能。例如，子層之一可以包括配 置成防止原子在層之間遷移的阻擋層；包括配置成將兩層鍵合在一起的粘合層、配置成保 護下層或者上層免受化學/物理降解的保護層；配置成提供傳導性的傳導層；配置成充當 兩層之間機械緩沖的應力/應變層；配置成將最終終止材料鍵合到下襯底/從下襯底釋放 最終種子層的鍵合/釋放層；配置成禁止CNT/CNF/NW生長的層，和/或用于啟動CNT/CNF 或者NW生長的種子層。薄膜生長和沉積領域的普通技術人員能認識到種子層215的薄膜 分層結(jié)構(gòu)可以服務于其它效用。圖2B是根據(jù)本發(fā)明各種實施例的、圖示了圖2A的種子層215的細節(jié)的橫截面。 圖2B中所述種子層215包括含不同材料的子層的堆疊。如本文別處所述，子層包括例如初 始層250、中間層255和最終層260。初始層250耦合到襯底并且形成用于中間層255的基 部。中間層255沉積于初始層250上并且配置成形成用于最終層260的基部。最終層260 沉積于中間層255上并且配置成提供用于支撐絲230的附著部位和支撐絲230生長的啟動 部位。可選地，最終層260被配置成禁止CNT/CNF/NW的生長。在各種實施例中，最終層260包括鉬、鐵、鈷、鎳等。最終層260中的各種材料可以 啟動或者終止生長和/或提供包括CNT、CNF和/或NW的附著。中間層255可以例如包括 鐵、鈷、鎳、鈦、氮化鈦、鋁等。初始層250可以例如包括鉬、鎢、鈦、鉻等。應該理解種子層 215的子層中可包括替代材料。在各種實施例中，支撐絲230包括NW、CNF和/或CNT。支撐絲230提供用于嵌入 層240的沉積和生長的機械基部。支撐絲230也可以向嵌入層240的DAM提供強度(例如 張拉強度、壓縮強度、剪切強度等)。附加強度在DAM膨脹和/或收縮期間減小或者防止對 嵌入層240的損壞。在各種實施例中，支撐絲230的材料包括CNT、CNF、NW、金屬、半導體、 絕緣體等。CNT可以包括單個壁或者多個壁。在一些實施例中，支撐絲230的CNT/CNF被配 置為充當DAM。在一些實施例中，嵌入層240涂覆支撐絲230的某段而非整個長度。結(jié)果是支撐 絲230的一部分形成未經(jīng)涂覆的主干235。主干235被配置成提供用于支撐絲230的撓曲 和活動的區(qū)域。這一撓曲可以減小因嵌入層240的膨脹和收縮所致的機械應力。這一應力 如果未減小則可能引起支撐絲230破裂和/或從種子層215分離。主干235的長度可以在 從若干埃至若干微米的范圍內(nèi)。在一些實施例中，選擇主干235的長度使得嵌入層240在 完全膨脹時未達到或者僅恰好達到種子層215。在各種實施例中，主干的長度至少為0. 1、0. 25,0. 3,0. 5或者1. 0微米。在一些實施例中，主干235的長度明顯大于一微米。主干235 通常位于支撐絲230的與種子層215最近的一端附件。然而可以在支撐絲230的其它或者 替代部分提供未經(jīng)涂覆的主干235。例如，可以在與支撐絲230內(nèi)的分枝附近提供未經(jīng)涂覆 的主干235。在一些實施例中，主干235是相對于電極延伸220的其它部分而言嵌入層240的 涂層減少的區(qū)域，而不是完全無涂層的區(qū)域。例如，主干235可以具有嵌入層240的如下涂 層，該涂層的厚度少于在電極延伸220的其它區(qū)域中發(fā)現(xiàn)的嵌入層240的厚度的10、25或 者 50%。圖2C是圖2A的電極延伸220的如下部分的橫截面，該部分包括在支撐絲230與 嵌入層240之間的可選下層290，和封裝嵌入層240的可選上層295。在一些實施例中，下 層290被配置成提供用于嵌入層240的汽相-液相-固相(VLS)生長的種子層。取而代之， 下層290包括金屬或者一系列金屬(例如金、銀、銅等)或者鹽(例如LiF)的薄層(少于 一微米)?？梢愿鶕?jù)希望的效果使用其它材料來形成下層290。上層295可以生長/沉積于嵌入層240上。上層295可以部分地或者全部地封裝 嵌入層240。用于組成上層295的材料包括諸如金、銀、銅等金屬。上層295也可以包括類 鉆石涂層(DLC)或者諸如SiO2、粘結(jié)劑、聚合物等絕緣體。上層295的厚度在金屬、半導體 或者絕緣體的情況下通常少于一微米。在各種實施例中，上層295的厚度可以對于粘結(jié)劑 而言如一微米一樣大或者對于聚合物而言更大。DAM可以使用各種方法生長/沉積于支撐絲230上。這些方法例如包括蒸發(fā)、濺 射、PECVD (等離子體增強化學氣相沉積)、低壓化學氣相沉積(LPCVD)、VLS (汽相液相固相 合成)、電鍍、無電鍍沉積、“無場”化學汽相沉積(CVD)、金屬有機CVD、分子束外延(MBE) 等。在一些實施例中，在支撐絲的表面之上的DAM分布是均勻的?？蛇x地，DAM分布沿支撐 絲230的長度是不均勻的。例如，主干450的高度可以在CNT/CNF/NW的高度的0%至99% 之間變化。在一些實施例中，與襯底210鄰近的DAM相對于支撐絲230的遠端具有更小厚 度。這樣，DAM的厚度可以沿著支撐絲230隨著與襯底210的距離而增大。DAM的膨脹取決于DAM中包括的材料。例如在硅的情況下，膨脹可以多達400 %。 對于Sn(錫)，膨脹可以大約為233%。陰極膨脹出現(xiàn)在電極插入到電解質(zhì)中時和當電池組 被驅(qū)動為過放電時。DAM的厚度可以在從數(shù)納米至數(shù)十納米范圍內(nèi)。例如在各種實施例中， 厚度(未經(jīng)膨脹的)在1-10納米、10-1000納米、1微米至50微米之間。相對于陽極，在陰 極上可選地使用更大厚度。多種方法可以用來實現(xiàn)主干235的希望長度。這樣的方法的例子包括在生長期間 控制支撐絲230的長徑比、定向沉積、電沉積、無電沉積于底層以隔離主干、濺射和光蝕刻 掩模層以打開支撐絲230至嵌入層240生長/沉積、在支撐絲230生長之前預耦合層隔離 (即掩模種子位置)、修改支撐絲230的生長參數(shù)以實現(xiàn)有利的長徑比(比如樹狀結(jié)構(gòu))、或 者進行沉積和定向回蝕以使支撐絲230免于為DAM所覆蓋。圖3是圖示了圖2A的支撐絲230的細節(jié)的電極200的橫截面。圖3與圖2A不同 在于省略了嵌入層240以求簡潔。在各種實施例中，支撐絲直徑310可以是小于10納米、 在10與100納米之間、在100與500納米之間和大于500納米。支撐絲直徑310可以沿著 支撐絲230的長度變化。
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在各種實施例中，支撐絲230的高度320為約一微米至約100微米、100微米至500 微米、500微米至約1000微米、或者大于約1000。這一高度可以在支撐絲230傾斜或者彎 曲時變化。用于支撐絲230生長的啟動部位330可以包括經(jīng)播種的基部，其中最終層260 在支撐絲230的生長完成之后保持附著到種子層的先前層?？蛇x地，支撐絲230包括絲延 伸末梢340，其中最終層與其余種子層分離，在生長完成之后駐留于支撐絲的末梢上。圖4A圖示了根據(jù)本發(fā)明各種實施例的電極400的橫截面，電極400包括作為圖2A 的電極延伸200的一個替代實施例的電極延伸420。圖4A與圖2A不同在于圖4A中所示電 極延伸420包括一個或者多個分枝。具體而言，電極延伸420包括支撐絲430，該支撐絲包 括在與種子層215的單點接觸的共享單個主干450的多個分枝420a、420b和420c。電極延 伸420還包括可以向包括分枝420a-420c的支撐絲430施用的嵌入層440。支撐絲430和 嵌入層440是支撐絲230和嵌入層240的替代實施例。圖4A中所示多個分枝420a-420c 提供電極延伸420的有效表面積增加并且因此提供DAM在嵌入層440中的有效體積和電極 400的表面體積增加。電極400可以包括多個電極延伸420。電極可以包括多個電極延伸 220和420的混合。圖4B圖示了電極400的替代實施例的橫截面。電極400包括電極延伸425。圖 4B與圖4A不同在于電極延伸425的嵌入層440包括由DAM形成的嵌入分枝445。通常，嵌 入分枝445的分枝結(jié)構(gòu)為0-10納米級。然而在一些實施例中，分枝結(jié)構(gòu)尺寸可以大于十納 米。類似地，DAM如本文別處所示可以在電極延伸220的嵌入層240中形成分枝。電極400 可選地包括多個電極延伸425。電極400可以包括多個電極延伸220、420和/或425的混 合物。圖4C是圖示了圖4A的支撐絲430的細節(jié)的橫截面。圖4C與圖4A和4B不同在 于省略了嵌入層440以求簡潔。圖4C與圖3不同在于圖4C中所示支撐絲430包括一個或 者多個分枝430a-430c，而圖3中所示支撐絲230未包括分枝。可以使用多種方法來生成支 撐絲分枝430a-430c。例如在一種方法中通過在出現(xiàn)生長之時改變反應性氣體流量、反應性 氣體類型和溫度來生成支撐絲分枝430a、430b和430c。CNT/CNF/NW生長領域的普通技術 人員應該理解存在生長附加分枝430a、430b和430c的其它方法。盡管將支撐絲430圖示 為具有三個支撐絲分枝430a-430c，但是支撐絲430可以包括更多的分枝或者更少的分枝。圖5A圖示了根據(jù)本發(fā)明各種實施例的電極500的橫截面。電極500是電極200和 400的一個替代實施例。電極500包括延伸層510。延伸層510包括多個電極延伸520的 陣列。電極延伸520例如包括電極延伸220、420和/或425，比如圖2A、4A和4B中分別圖 示的電極延伸。電極500如本文別處討論的那樣還可以包括具有嵌入延伸的電極延伸225。圖5B圖示了圖5A的電極500的支撐絲230和430的細節(jié)。圖5B與圖5A不同在 于省略了電極延伸520的嵌入層240和440以求簡潔。如圖5A和圖5B中所示電極延伸520 可選地包括分別如圖3和圖4C中所示支撐絲230和/或430的有序的或者半有序的總體。 電極延伸520提供經(jīng)過支撐絲230和/或430通向襯底210的電路徑?？蛇x地，在各種應 用中使用更高電阻。支撐絲230和/或430也提供用于DAM的沉積/生長的機械基部。支 撐絲230和/或430還向電極延伸520提供用于在DAM在嵌入期間膨脹和/或收縮期間支 撐嵌入層240和440并且防止嵌入層破裂和/或電極延伸520從襯底210分離的強度(例 如張拉強度、壓縮強度、剪切強度等)。
DAM可以涂覆一些而非所有支撐絲230和/或430。在一些實施例中，大多數(shù)支撐 絲是用DAM涂覆的。然而支撐絲230和/或430的主干235可以保持未被涂覆，基本上未 被涂覆或者最小程度地被涂覆。這具有的效果在于允許嵌入層240和/或440中的DAM在 膨脹/收縮期間彎曲和移動而又減小支撐絲230和/或430在種子層215從襯底分離的可 能性。在各種實施例中，嵌入層覆蓋支撐絲230和/或430的90到99%、75到90%、25到 75%、和少于25%。DAM在嵌入層240和/或440中的厚度可以取決于支撐絲230和/或430的各種 特征。這些特征包括最近鄰支撐絲的間距或者支撐絲間距530和支撐絲230和/或430的 直徑310。DAM可以使用各種方法生長/沉積于支撐絲230和/或430上以形成嵌入層440。 這些方法包括蒸發(fā)、濺射、PEV⑶、低壓化學氣相沉積(LPCVD)、VLS、電鍍和非電沉積。各種方法可以用來實現(xiàn)延伸層510的適當高度。這些方法的例子包括在進行定向 沉積之時取決于經(jīng)生長的支撐絲230的長徑比；電沉積或無電沉積于底層以隔離主干；濺 射和光蝕刻掩模層以打開支撐絲230至DAM生長/沉積；在支撐絲230和/或430生長之 前預耦合層隔離(即掩模種子位置)；修改支撐絲230和/或430的生長參數(shù)以實現(xiàn)有利的 長徑比(比如樹狀結(jié)構(gòu))，或者進行沉積和定向回蝕以使支撐絲230和/或430免于為DAM 所覆蓋。在一些實施例中，支撐絲230和/或430的初始生長的直徑310取決于種子層215 的最終層厚度。例如在各種實施例中，種子層215的厚度可以小于150埃、在150與500埃 之間、和大于500埃。用于種子層215的最終層的材料也可以控制支撐絲的初始直徑310。 例如，給定的鎳的厚度在支撐絲230和/或430的初始生長期間產(chǎn)生的支撐絲直徑310可 以與相同的鐵的厚度所產(chǎn)生的直徑明顯不同。標準光刻技術可以用來在種子層215的最終 層260上印刷預定直徑的啟動部位330，其繼而在支撐絲230和/或430生長的啟動期間控 制直徑310?？梢园凑彰繂挝幻娣e的啟動部位來表達延伸層510的啟動密度540。啟動密度540 取決于支撐絲間距530的平均值。可以按照每單位面積的末梢500來表達延伸層510的面 密度560。面密度560取決于啟動密度和每個支撐絲230和/或430的末梢550的平均數(shù) 目。啟動密度540和面密度560以及支撐絲間距530可以部分地取決于與控制直徑310相 同的參數(shù)。在各種實施例中，最終種子層的厚度、材料選擇、不同的反膠束過程技術、光刻模 式等都可以對確定啟動密度540和/或面密度560起作用。在一些實施例中，支撐絲間距 530受支撐絲230和/或430的直徑310影響。支撐絲230和/或430到襯底210的粘合性部分地取決于種子層的材料選擇和所 用的具體生長過程。在一些實施例中，碳化物可以形成于CNT/CNF的基部以提供粘合性，因 此意味著末梢生長?；可L在一些示例中也可以提供粘合性。圖6A圖示了圖2A的電極延伸220的實施例沿著線a_a截取的橫截面。DAM示于 圖6A中，DAM形成圍繞支撐絲230的層。圖6B圖示了圖2A的電極延伸220的實施例沿著 線a-a截取的橫截面。圖6B與圖6A不同在于圖6B的嵌入層240包括使用本文別處討論的 用形成納米結(jié)構(gòu)的各種方法產(chǎn)生的DAM突起610。DAM突起包括基部620和末梢630?；?間隔640是在相鄰DAM突起610的DAM基部620之間的距離。末梢間隔650是在相鄰DAM突起610的DAM末梢630之間的距離。用于DAM基部間隔640的最小距離約為零。圖6C圖示了圖2A的電極延伸220的實施例沿著線a-a截取的橫截面。圖6C與圖 6A不同在于電極延伸220包括與圖4B中所示分枝430a-43-c相似的分枝670。分枝670包 括嵌入層240。嵌入層240可選地未覆蓋整個分枝670。因此，沿著分枝670在嵌入層240 與支撐絲230之間形成分枝主干660。在一些實施例中，分枝末梢間隔距離655取決于為嵌 入層240選擇的厚度，并且分枝基部間隔距離645取決于嵌入層440的膨脹和分枝670的 直徑。圖7圖示了根據(jù)本發(fā)明各種實施例的支撐絲的更多實施例。這些實施例包括支撐 帽710和支撐領720。支撐帽710和支撐領提供嵌入層240可以附著到的附加表面區(qū)域。 支撐領720可以設置于啟動部位附近(可選地與種子層215接觸)或者沿著支撐絲230或 者其分枝的長度的任一處。在一些實施例中，選擇支撐帽710和/或支撐領720的寬度以在嵌入層240完全 膨脹時至少與嵌入層的寬度一樣大。例如，如果嵌入層在完全膨脹時具有160納米的直徑， 那么支撐帽710和/或支撐領720至少為160納米。在各種實施例中，支撐帽710和/或支撐領720可以充當DAM的錨定點以及針對 DAM沿著電極延伸425的長度膨脹的約束。例如支撐帽710可以被配置成防止DAM由于反 復膨脹和收縮而從支撐絲430的末端移開。支撐帽710和/或支撐領720是支撐絲430的 直徑變化的例子。其它變化是可能的。例如，可以周期地、逐漸地和/或驟然地改變直徑。 在一些實施例中，支撐絲430在遠離襯底210處相對于鄰近襯底210處具有更大直徑。圖8圖示了根據(jù)本發(fā)明各種實施例的產(chǎn)生和可選地使用電極的方法。在接收傳導 襯底的步驟810中接收襯底210?？梢灶A備襯底210用于種子層215的添加或者支撐絲230 的直接附著。襯底210可以由第三方提供或者可以由執(zhí)行圖8的方法的這一方制造。在可選地形成種子層的步驟815中，在襯底210上形成種子層215。形成種子層的 步驟815在支撐絲230直接附著到襯底210的實施例中是可選的。在一些實施例中，形成 種子層的步驟815包括沉積或者生長種子層215的多個子層。在形成支撐絲的步驟820中，多個支撐絲230形成于種子層215或者襯底210上。 在各種實施例中，形成的支撐絲230具有至少5 UlO 1,20 1,50 1或者100 1 的長徑比(長度/寬度)。在涂覆步驟825中，用嵌入層240涂覆在形成支撐絲的步驟820中形成的支撐絲 230以形成電極。如本文別處討論的那樣，支撐絲230的主干235可選地保留為未被涂覆或 者有厚度比支撐絲230的其它區(qū)域小的涂層。在各種實施例中，涂覆于支撐絲230上的嵌 入層240可以具有比支撐絲230大至少兩倍、五倍或者十倍的離子吸附或者吸收容量。在可選的電解質(zhì)步驟830中在電解質(zhì)溶劑中放置在步驟825中形成的電極。電極 可以是陰極或者陽極。在一些實施例中，放置經(jīng)涂覆的支撐絲230與電解質(zhì)接觸將引起嵌 入層240的離子吸收和膨脹。在可選的電池組步驟835中，在可再充電電池組的一個電池中放置在步驟825中 形成的電極。電極可以用作陰極或者陽極。在一些實施例中，使用步驟825形成的電極使 用于可再充電電池組的陰極和陽極中。在可選的循環(huán)電池組步驟840中，反復循環(huán)(充電和放電)步驟835的電池組。在該過程中，嵌入層240反復吸收和解吸離子而不用使多個支撐絲230脫離襯底210。已經(jīng)發(fā) 現(xiàn)使用這里描述的經(jīng)改進的電極的一些實施例的可再充電電池組可以完全循環(huán)600次以 上而不大量損失電荷攜帶容量。這一循環(huán)能力可以取決于主干235的存在或者尺寸?？梢?實現(xiàn)這一進行反復循環(huán)的能力而同時又實現(xiàn)電荷容量相對于缺乏嵌入層440的系統(tǒng)提高 六倍以上。本文具體圖示和/或描述了若干實施例。然而能理解修改和變化為上述教導所覆 蓋并且在所附權利要求的范圍內(nèi)而不脫離其精神實質(zhì)和預期的范圍。例如，附加粘結(jié)劑層 可以用來覆蓋包括電極延伸220的電極。粘結(jié)劑層可以包括配置成向和從嵌入層240傳遞 離子的離子可滲透膜。本文描述的實施例是對本發(fā)明的舉例說明。由于參照示例描述本發(fā)明的這些實施 例，所以對所描述的方法和/或具體結(jié)構(gòu)的各種修改或者適應可以變得為本領域技術人員 所清楚。依賴于本發(fā)明的教導并且讓這些教導發(fā)展本領域的所有這樣的修改、適應或者變 化視為在本發(fā)明的精神實質(zhì)和范圍內(nèi)。因此，這些描述和附圖不應理解成有限制意義，因為 理解本發(fā)明決不僅限于所示實施例。
權利要求
一種系統(tǒng)，包括電極，設置于電解質(zhì)的第一區(qū)域中，并且包括襯底，多個支撐絲，其附著到所述襯底，以及離子吸收材料，其附著到所述支撐絲，并且配置成在吸收離子時體積膨脹至少百分之五；分隔體，配置為分隔所述電解質(zhì)的第一區(qū)域和第二區(qū)域；以及陰極，設置于所述電解質(zhì)的第二區(qū)域中，所述陰極、陽極和分隔體配置成作為可再充電電池組工作。
2.根據(jù)權利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述離子吸收材料覆蓋所述多個支撐絲中的一些 而非所有支撐絲。
3.根據(jù)權利要求1或者2所述的系統(tǒng)，其中所述吸收材料覆蓋所述多個支撐絲的構(gòu)件 的、與所述襯底遠離的區(qū)域，而不覆蓋所述多個支撐絲的構(gòu)件的、與所述襯底鄰近的區(qū)域。
4.根據(jù)權利要求1、2或者3所述的系統(tǒng)，其中所述離子吸收材料在所述支撐絲的與所 述襯底遠離的一端的厚度比在所述支撐絲的與所述襯底鄰近的一端的厚度大。
5.根據(jù)權利要求1-3或者4所述的系統(tǒng)，其中所述多個支撐絲是各自有分枝的。
6.根據(jù)權利要求1-4或者5所述的系統(tǒng)，其中所述離子吸收材料包括硅。
7.根據(jù)權利要求1-5或者6所述的系統(tǒng)，其中所述多個支撐絲包括碳納米管(CNT)j^ 納米纖維(CNF)或者納米線(NW)。
8.根據(jù)權利要求1-6或者7所述的系統(tǒng)，其中選擇所述多個支撐絲的密度，使得所述離 子吸收材料可以體積膨脹至少百分之五，且不使所述多個支撐絲的構(gòu)件脫離所述襯底。
9.根據(jù)權利要求1-7或者8所述的系統(tǒng)，其中所述多個支撐絲的直徑均少于500納米。
10.一種電極，包括 傳導襯底；多個支撐絲，其附著到所述襯底，所述支撐絲包括碳納米管(CNT)、碳納米纖維(CNF) 或者納米線(NW)，以及離子吸收材料，其附著到所述支撐絲中的一些而非所有支撐絲，并且配置成在吸收離 子時體積膨脹至少五倍。
11.根據(jù)權利要求1-9或者10所述的電極，其中所述離子吸收材料設置于所述支撐絲 上，以便形成所述支撐絲的基本上未為所述離子吸收材料所覆蓋的主干。
12.根據(jù)權利要求1-10或者11所述的電極，其中所述主干的長度至少為0.25微米。
13.根據(jù)權利要求1-11或者12所述的電極，其中所述離子吸收材料包括硅。
14.根據(jù)權利要求1-12或者13所述的電極，其中所述多個支撐絲使用種子層附著到所 述傳導襯底。
15.一種方法，包括 接收傳導襯底；形成耦合到所述傳導襯底的多個支撐絲，所述支撐絲具有至少10 1的長徑比(長度 /寬度)；并且利用離子吸收材料涂覆所述多個支撐絲以形成電極，所述離子吸收材料具有比所述支撐絲大至少十倍的針對離子的離子吸收容量。
16.根據(jù)權利要求15所述的方法，還包括在所述襯底上形成種子層，所述種子層被配 置用于形成所述多個支撐絲。
17.根據(jù)權利要求15或者16所述的方法，還包括放置所述電極與電解質(zhì)接觸。
18.根據(jù)權利要求15、16或者17所述的方法，還包括在可再充電電池組中使用所述電極。
19.根據(jù)權利要求15-17或者18所述的方法，還包括反復使用所述電極以吸收和解吸 離子而不使所述多個支撐絲脫離所述襯底。
20.根據(jù)權利要求15-18或者19所述的方法，其中利用離子吸收材料涂覆所述多個支 撐絲包括產(chǎn)生所述支撐絲的與所述襯底鄰近的基本上無離子吸收材料的主干。
全文摘要
文檔編號H01M10/36GK101953014SQ200980106188
公開日2011年1月19日 申請日期2009年2月25日 優(yōu)先權日2008年2月25日
發(fā)明者Rojeski Ronald Anthony 申請人:Rojeski Ronald Anthony