專利名稱：具注入碳納米管纖維電裝置及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
相關(guān)申請案的交叉引用本案依35 U. S. C. § 119主張2010年3月2日申請的美國臨時(shí)專利申請案編號61/309,827的優(yōu)先權(quán)，其 全部內(nèi)容于此并入以作為參考。本發(fā)明一般涉及能量存儲，更具體地說，涉及利用納米碳管來存儲能量。
背景技術(shù)：
電容器是用來累積和存儲電荷的電性裝置。電容器和電池之間至少存在兩方面的不同。首先，于電容器中電荷的儲存是基于物理電荷分離，而非電池中的化學(xué)分離。第二，電容器的充放電速率較電池中發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)來得更快速。在傳統(tǒng)電容器中是通過介電材料所分離的兩片導(dǎo)電板來維持電荷分離。在外加電壓之下，介電材料中建立了電場并在導(dǎo)電板之間產(chǎn)生機(jī)械力。導(dǎo)電板上所維持的電荷與其電位差的比例稱之為電容，它是以法拉第來測量。目前已針對傳統(tǒng)電容器研制各種改進(jìn)。電解電容器利用含有離子的液體作為其導(dǎo)電板的其中之一。相較于傳統(tǒng)電容器，這種電解電容器典型地展現(xiàn)較高的電容值。然而，其應(yīng)用仍然存在一個限制條件每一導(dǎo)電板需被維持于極化電壓狀態(tài)。因可以表現(xiàn)更高的電容值的緣故，超級電容器也被稱之為雙電層電容器、電化學(xué)雙層電容器、超級電容器、超級壓縮器、超大容量電容器或贗電容器。超級電容器和傳統(tǒng)電容器或電解電容器的明顯差異在于超級電容器中不存在導(dǎo)電板的明顯物理分離。相反地，超級電容器通過在導(dǎo)電板之間并入微薄的物理屏障(< 100 μ m)來維持電荷分離。當(dāng)超級電容器處于充電狀態(tài)時(shí)，物理屏障有效地維持電荷分離。此時(shí)足以穿過載荷子，以達(dá)成快速充放電速率。許多傳統(tǒng)超級電容器當(dāng)前用活性碳顆粒作為高表面積的基板，以從分布其中的電解質(zhì)保持載荷子。雖然活性碳顆粒具有高表面積，有一些載荷子因過大而不能穿透活性碳顆粒的多孔內(nèi)部，亦不能利用其高表面積的優(yōu)勢。圖I顯示圖式所示的先前技術(shù)超級電容器100，其包含活性碳顆粒105。超級電容器100包含導(dǎo)電層101和102，分別連接到正端子103和負(fù)端子104。導(dǎo)電層101和102各包含活性碳顆粒105和電解質(zhì)，該電解質(zhì)包含混有活性碳顆粒105的正離子106和負(fù)離子107。正離子106和負(fù)離子107能駐留在活性碳顆粒105的內(nèi)部或外部。導(dǎo)電層101和102透過電解質(zhì)的正離子106和負(fù)離子107可穿透的隔離材料層108而彼此相互物理隔離。如圖I所示，超級電容器100處于放電狀態(tài)中。在超級電容器之中，包括納米碳管在內(nèi)的一些高性能材料，由于其高度可用的表面積而被提出來用以取代活性碳顆粒。納米碳管由于其導(dǎo)電性而在這方面更為有利。雖然納米碳管具有改善超級電容器的性能的重大潛能。最新的研究僅成功地隨機(jī)散布少量納米碳管在超級電容器的電解質(zhì)中，這樣，電流制造技術(shù)只能制造小型含納米碳管的超級電容器，其只具有少量的蓄電能力。鑒于前述，高容量超級電容器和其它包含大量的納米碳管的電性裝置將具有顯著的技術(shù)效益。提供用以容易地制備此類具有增強(qiáng)蓄電能力的高容量超級電容器的方法，將提供大量的效益。本發(fā)明滿足了這些須求，同時(shí)也提供了相關(guān)的優(yōu)點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
在一些實(shí)施例中，本文描述的電性裝置包括第一電極層和第二電極層，其中第一電極層和第二電極層包含多個注入納米碳管的連續(xù)纖維。在一些實(shí)施例中，本文所述的方法包括提供多個注入納米碳管的連續(xù)纖維，從多個連續(xù)纖維的第一部分形成第一電極層，以及從多個連續(xù)纖維的第二部分形成第二電極層。在其它的實(shí)施例，本文所述的方法包括提供多個注入納米碳管的連續(xù)纖維，藉由將多個連續(xù)纖維的部分共形地纏繞于基板而形成第一電極層，以及藉由將多個連續(xù)纖維的 個別部分共形地纏繞于第一電極層上，而在第一電極層上形成至少兩個附加電極層。上述已較廣泛地標(biāo)示出本揭露的特征，使得能更好地理解之后的詳細(xì)說明。后文將描述揭露內(nèi)容的附加特征和優(yōu)勢，其形成請求項(xiàng)的標(biāo)的。


為了更全面的了解本案揭露內(nèi)容及其優(yōu)點(diǎn)，請參考以下描述并結(jié)合描述揭露內(nèi)容的特定實(shí)施例的附隨圖式。圖I顯示包含活性碳顆粒的示例先前技術(shù)超級電容器的示意圖；圖2A顯示在本案超級電容器的示例實(shí)施例中，第一電極層的等距圖；圖28顯示在本案超級電容器的示例實(shí)施例中，第一電極層的等距圖，其中電極端設(shè)置在基板上；圖3顯示從平行于電極層的連續(xù)纖維的縱軸觀看，本案超級電容器的示例實(shí)施例的不意圖；圖4顯示硬幣壓狀采樣的超級電容器結(jié)構(gòu)的示意圖；以及圖5顯示本案揭露的超級電容器的示例循環(huán)伏安圖。
具體實(shí)施例方式本案揭露內(nèi)容部分關(guān)于，包含由連續(xù)纖維形成的電極層的電性裝置，該連續(xù)纖維被注入納米碳管。這樣的連續(xù)纖維在本文也被稱之為納米碳管注入纖維或納米碳管注入纖維材料。本案揭露內(nèi)容亦部分關(guān)于用以制造具有從連續(xù)纖維形成的電極層的電性裝置的方法，該連續(xù)纖維被注入納米碳管。如前所述，相較于傳統(tǒng)電容器或電解電容器而言，超級電容器典型地呈現(xiàn)高得多的電容值。因此，它們在能量儲存應(yīng)用上，如太陽能量、水電能量、風(fēng)電能量的收集，引起顯著的興趣。由于超級電容器具有快速充放電的循環(huán)，使它們特別適合于以下目的，在電力網(wǎng)格需求較低時(shí)，可以容易地拿取多余的能量，當(dāng)電力網(wǎng)格需求較高時(shí)，可以快速地釋放其儲能。進(jìn)一步地說，超級電容器可不降解地充放電數(shù)十萬次，在這方面，它們大大優(yōu)于電池。此夕卜，超級電容器快速的充放電循環(huán)以及其充放電的穩(wěn)定性使得它們在以下的應(yīng)用中特別有用，比如在油電混合車中多個周期的快速充放電需求上。
由于對上述或其它應(yīng)用日益增加的需求，相較于當(dāng)前可用的儲存量而言，需要具有更高的能量存儲限制的超級電容器。超級電容器的電容和電極表面積(例如導(dǎo)電板的面積)成比例。在包含活性碳顆粒的傳統(tǒng)超級電容器中，內(nèi)部限制為可以增大多少的有效電極表面積。即，在達(dá)到漸近電容值之前，用于傳統(tǒng)超級電容器的活性碳顆粒僅可制得如此小。此外，活性碳顆粒中有限的孔尺寸減少它們的有效表面積，且對一些電解質(zhì)可能造成問題。相較于活性碳而言，由于納米碳管能提供每單位重量下，更高的有效表面積，這便提供顯著提高超級電容器的電容的潛力。盡管它們有指望應(yīng)用在超級電容器上，迄今為止難以在可以利用納米碳管的特別高的有效表面積的狀態(tài)下，將納米碳管置入超級電容器中。本案揭露的實(shí)施例描述了包含電極的電性裝置，該電極是由已注入納米碳管的連續(xù)纖維制成。此類連續(xù)納米碳管注入纖維描述于皆于2009年11月2日申請，共同受讓、共同申請的美國專利申請?zhí)?2/611073、12/611103、12/611101，及2010年11月2日申請的12/938328，每一者全文以引用的方式并入本文中。該類納米碳管注入纖維的材料一般不受限制，并且可以包括例如玻璃纖維、碳纖維、金屬纖維、陶瓷纖維以及有機(jī)纖維(例如酰胺纖維)。這種納米碳管注入纖維可容易地從由市售連續(xù)纖維或連續(xù)纖維形式(例如纖維絲或纖維條)制成可纏繞長度。此外，透過上述參考方法，可輕易地變更該納米碳管長度、直徑、覆蓋密度。根據(jù)其生長條件、納米碳管注入纖維中的納米碳管還可被定向，使得它們實(shí)質(zhì)上垂直于所述纖維材料的表面，或使它們實(shí)質(zhì)上平行于纖維材料的縱軸。在本案揭露實(shí)施例中，藉由使用納米碳管注入纖維(其實(shí)質(zhì)上垂直于納米碳管)，可以實(shí)現(xiàn)電解質(zhì)更好的暴露于納米碳管表面。當(dāng)納米碳管實(shí)質(zhì)上處于非束狀狀態(tài)時(shí)，這是特別確實(shí)的。在實(shí)質(zhì)上垂直的方向與實(shí)質(zhì)上非束狀狀態(tài)時(shí)，上述納米碳管注入纖維的制備方法特別適用，藉此提供用于本案實(shí)施例且具有高的有效表面積的納米碳管注入纖維。以下提出關(guān)于納米碳管注入纖維及其生產(chǎn)方法的額外詳細(xì)內(nèi)容。在本案電性裝置的超級電容器實(shí)施例中，納米碳管不僅可代替活性碳顆粒，而且在這種情況下，納米碳管注入纖維和電極本身已密不可分。在包含活性碳顆粒的傳統(tǒng)超級電容器之中，電極板與活性碳顆粒是相接觸的(見圖I)。在本案超級電容器的實(shí)施例中，納米碳管注入纖維和分離的電極板不相接觸，從而使得電極和納米碳管注入纖維各自獨(dú)立。該特征成為超級電容器設(shè)計(jì)的新典范。此外，本案超級電容器實(shí)施例的設(shè)計(jì)允許結(jié)合多個電極層在其中，如此更可增加可以被存儲的電能量。相較于包含活性碳顆粒的傳統(tǒng)超級電容器，根據(jù)連續(xù)纖維的尺寸以及其上納米碳管的長度、直徑和覆蓋密度，本案超級電容器可實(shí)現(xiàn)高達(dá)約14000倍有效電極面積。如前面提到的，在制備納米碳管注入纖維時(shí)，所有先前的這些參數(shù)都可以被容易地改變，且可用來調(diào)整本案超級電容器實(shí)施例至期望的電容。本文所用術(shù)語“纖維”、“纖維材料”或“絲纖維”同等地指具有纖維成分作為基本結(jié)構(gòu)特征的任何材料。如本文所用的術(shù)語“連續(xù)纖維”，指的是可纏繞長度的纖維材料，如單獨(dú)的絲纖維、紗線、粗紗、絲束、絲帶、織造布及非織造布料、夾層、地墊等。本文所用的術(shù)語“可纏繞長度”、“可纏繞尺寸”同等地指至少具有一個尺寸(不限于長度)的纖維材料，藉此使得在注入納米碳管之后可以將纖維材料儲存在線軸或芯棒上。具有“可纏繞長度”或“可纏繞尺寸”的纖維材料具有至少一個尺寸，其指出納米碳管注入于其上的批次或連續(xù)處理的使用。
本文所用的術(shù)語“被注入”指被結(jié)合，而“注入”指結(jié)合的過程。如本文所用的術(shù)語”納米碳管注入纖維”或”納米碳管注入纖維材料”同等地指纖維材料，其具有與其結(jié)合的納米碳管。例如納米碳管至纖維材料的結(jié)合可以牽涉機(jī)械力連接、共價(jià)鍵結(jié)、離子鍵結(jié)、Pi-Pi相互作用(Pi堆棧相互作用)、及/或范德華力介導(dǎo)的物理吸附作用)。在一些實(shí)施例中，納米碳管可以被直接結(jié)合到纖維材料。在其它的實(shí)施例中，藉由防護(hù)涂層及/或用于介導(dǎo)納米碳管生長的催化納米顆粒，納米碳管可以間接地結(jié)合到纖維材料上。納米碳管注入到所述纖維材料的特定方式可稱之為結(jié)合基序(bonding motif)。本文所用的術(shù)語“納米顆?！敝妇哂邢喈?dāng)于球形直徑大小約O. Inm及IOOnm之間的直徑的顆粒，雖然納米顆粒不必然是球形的形狀。本文所用的術(shù)語“催化納米顆粒”指具有催化活性以介導(dǎo)納米碳管生長的納米顆粒。本文所用的術(shù)語”過渡金屬”指的是周期表d-區(qū)(第3群到第12群)中任何元素或元素的合金，以及術(shù)語“過渡金屬鹽“指任何一種過渡金屬化合物，例如過渡金屬的氧化物、碳化物、氮化物等等?？尚纬蛇m于合成納米碳管的催化納米顆粒的示例過渡金屬包括 例如Ni、Fe、Co、Mo、Cu、Pt、Au、Ag、其合金、其鹽類及其混合物。本文所用的術(shù)語“膠黏劑”或“膠黏”共同地指用于制造纖維材料的材料，作為涂層以保護(hù)纖維材料的完整性，以提供纖維材料和基質(zhì)材料之間增強(qiáng)的界面相互作用，及/或改變及/或增強(qiáng)纖維材料的某些物理特性。本文所用的術(shù)語”長度一致性”指的是納米碳管所具有長度的容差約等于總納米碳管長度的±20%或更少的情況，納米碳管長度范圍在大約I μ m至大約500 μ m之間。在非常短的納米碳管長度(例如大約1-4 μ m)時(shí)，容差可以加或減大約±1 μ m，也就是稍稍大于總納米碳管長度的約20%。本文所用的術(shù)語“密度分布一致性“關(guān)于如下狀況納米碳管在纖維材料上的覆蓋密度具有在覆蓋納米碳管的纖維材料表面區(qū)域上約±10%的容差。本文所用的術(shù)語”連續(xù)處理”關(guān)于一種多級處理，其以實(shí)質(zhì)上無間斷方式工作，特別是一種產(chǎn)生納米碳管注入纖維的處理。在一些實(shí)施例中，在本文中所描述的電性裝置包括第一電極層和第二電極層，其中第一電極層和第二電極層包含多個注入納米碳管的連續(xù)纖維。在一些實(shí)施例中，電性裝置即超級電容器。在一些實(shí)施例中，該電性裝置更包括一基板、與第一電極層和第二電極層相接觸的一電解質(zhì)、設(shè)置于第一電極層和第二電極層之間的一分隔材料層，其中該分隔材料可被電解質(zhì)離子所滲透。在一些實(shí)施例中，第一電極層的該多個連續(xù)纖維共形纏繞該基板，以及第二電極層的該多個連續(xù)纖維共形纏繞該分隔材料層。注入到連續(xù)纖維的納米碳管類型一般可改變而不受限制。在各種實(shí)施例中，注入于連續(xù)纖維的納米碳管可以是，例如=Fullerene家族中一些圓柱形碳的同素異構(gòu)體包括單壁納米碳管、雙壁納米碳管、多壁納米碳管以及其任意組合。在一些實(shí)施例中，納米碳管可以被覆蓋類似Fullerene的結(jié)構(gòu)。換言之，在這樣的實(shí)施例中，納米碳管具有封閉端。然而，在其它的實(shí)施例，納米碳管依然可以保持開口端。在一些實(shí)施例中，透過合適的氧化劑(例如HN03/H2S04)處理之后，封閉的納米碳管的端部可打開。在一些實(shí)施例中，納米碳管可以將其它材料封裝。在一些實(shí)施例中，將納米碳管注入纖維材料之后，可以被共價(jià)功能化。在一些實(shí)施例中，等離子處理可以用于促進(jìn)納米碳管的功能化。納米碳管可以是金屬、半金屬或半導(dǎo)體，這完全取決于它們的手性。用于表明納米碳管的手性的已建立命名系統(tǒng)已為熟稔本技藝人士所知，且由一對指數(shù)(n，m)識別，其中η和m是整數(shù)，其描述了當(dāng)形成管狀結(jié)構(gòu)時(shí)六角石墨的切割和包覆。除了手性之外，納米碳管的直徑也會影響其導(dǎo)電性和熱導(dǎo)率的相關(guān)特性。在合成納米碳管時(shí)，可通過使用給定的催化納米顆粒的尺寸來控制納米碳管的直徑。通常，納米碳管的直徑近乎于催化其成形的催化納米顆粒的直徑。因此，舉例來說，透過調(diào)整在合成時(shí)所使用催化顆粒的尺寸，便可以控制納米碳管在這方面的特性。作為一些非限定性例子而言，具有直徑約Inm的催化納米顆?？杀挥脕韺伪诩{米碳管注入纖維材料。較大的催化納米顆?？杀挥糜谥苽涠啾诩{米碳管或者單壁和多壁納米碳管的混合物，由于多重納米管層，故多壁納米碳管具有較大的直徑。由于壁間反應(yīng)可以發(fā)生在個別納米管層并且非一致性地重新分配電流，多壁納米碳管通常比單壁納米碳管而言，具有更復(fù)雜的導(dǎo)電性分布。相反地，單壁納米碳管的不同部分之間的電流不變。
通常，注入到連續(xù)纖維的納米碳管可為任意長度。由于較長的納米碳管能提供具有較高有效表面積的電極，它們通常更有利于本案超級電容器的實(shí)施例。在各種實(shí)施例中，納米碳管可以具有約Iym及約1000 μ m之間或約I μ m及約500 μ m之間的長度范圍。在一些實(shí)施例中，納米碳管可以具有約100 μ m及約500 μ m之間的長度范圍。在其它的實(shí)施例，納米碳管可以具有約Iym及約50μπι之間或約ΙΟμπι及約25μπι之間的長度范圍。在一些實(shí)施例中，納米碳管在長度上可以實(shí)質(zhì)上是一致的。在一些實(shí)施例中，納米碳管的平均長度范圍介于約Ιμπι和約500μπι之間，包括 I μ m> 2 μ m> 3 μ m> 4 μ m> 5 μ m> 6 μ m> 7 μ m> 8 μ m> 9 μ m> 執(zhí) 10 μ m、
約 15 μ m、約 20 μ m、約 25 μ m、約 30 μ m、約 35 μ m、約 40 μ m、約 45 μ m、約 50 μ m、約 60 μ m、70 μ m、80 μ m、取 90 μ m、取 100 μ m、取 150 μ m、取 200 μ m、取 250 μ m、取 300 μ m、取350 μ m、約400 μ m、約450 μ m、約500 μ m以及它們之間的所有值和次范圍。在一些實(shí)施例中，納米碳管的平均長度為小于約I μ m，包含例如約O. 5μπι，以及它們之間的所有值和次范圍。在一些實(shí)施例中，所述納米碳管的平均長度范圍介于約Iym和約ΙΟμπι之間，包括 列如會勺I μ m、會勺2 μ m、會勺3 μ m、會勺4 μ m、會勺5 μ m、會勺6 μ m、會勺7 μ m、會勺8 μ m、會勺9 μ m、會勺10 μ m以及它們之間的所有值和次范圍。在其它實(shí)施例中，納米碳管的平均長度大于約500 μ m，包括例如約510 μ m、約520 μ m、約550 μ m、約600 μ m、約700 μ m以及它們之間的所有值和次范圍。納米碳管的平均長度可以是注入連續(xù)纖維的納米碳管的之重量百分比的決定因子之一。通常，相較其它方法所得到的納米碳管注入纖維，在上述引用共同申請的專利申請案所描述的納米碳管注入纖維具有更高的納米碳管負(fù)載百分比。例如納米碳管注入纖維可以含有約I %至約30%，甚至約40%至約50%之間的注入納米碳管重量。在本案超級電容器實(shí)施例中，所選擇的納米碳管重量百分比可以由所期望的電容所指定。在連續(xù)纖維上，納米碳管的覆蓋密度可以是所注入納米碳管的重量百分比的另一項(xiàng)決定因子。在一些實(shí)施例中，注入到纖維材料的納米碳管在分布密度上大致上為一致的，即為注入到纖維材料的納米碳管密度的一致性。如上述所定義，一致的密度分布的容差為注入納米碳管的纖維材料表面積的約±10%。作為非限定性例子，對于具有8納米的直徑及5個壁的納米碳管，容差相當(dāng)于約±1500納米碳管/μ m2。這種數(shù)字假定該納米碳管內(nèi)的空間是可填充的。在一些實(shí)施例中，再次假設(shè)納米碳管具有8納米直徑、5個壁和其內(nèi)的可填充空間，最大納米碳管密度(表示為纖維材料覆蓋百分比(即覆蓋納米碳管的纖維材料表面區(qū)域的百分率))可以高達(dá)約55%。對于具有所提及尺寸的納米碳管來說，55%的表面區(qū)域覆蓋相當(dāng)于約15000納米碳管/ μ m2。在一些實(shí)施例中，覆蓋密度可達(dá)約15000納米碳管/μ m2。熟稔本技藝人士可知，通過改變纖維材料表面上的催化納米顆粒的配置、纖維材料在納米碳管的生長條件的暴露時(shí)間以及用以將納米碳管注入纖維材料的自身實(shí)際生長條件，可達(dá)到寬范圍的納米碳管密度分布。在一些實(shí)施例中，納米碳管在連續(xù)纖維上覆蓋的密度可被調(diào)整以說明電解質(zhì)離子的尺寸的改變。例如，如果電解質(zhì)含有較大的離子時(shí)，可使用在連續(xù)纖維上較低的納米碳管覆蓋密度，以確保在各種超級電容器實(shí)施例的充放電循環(huán)期間令人滿意的離子移動率及電極接觸。根據(jù)本案的一些實(shí)施例，多個注入納米碳管的連續(xù)纖維形成超級電容器的電極層。通過共形纏繞連續(xù)纖維于一中心基板可形成第一電極層，以及通過共形纏繞連續(xù)纖維·于該第一電極層可形成第二電極層及任何附加電極層。一分隔材料層設(shè)置在所述電極層之間。圖2Α顯示在本案超級電容器的示例實(shí)施例中，第一電極層的等距圖。如圖2所示，連續(xù)纖維201共形纏繞基板200以形成本案超級電容器的第一電極層。連續(xù)纖維201的末端202可以接觸電極端以便為超級電容器充放電。在一些實(shí)施例中，電極端可以位在所述基板上，而在其它實(shí)施例中，可放置在別處。圖2Β顯示在本案超級電容器的示例實(shí)施例中，第一電極層的等距圖，其中電極端204位于基板200上。連續(xù)纖維201共形纏繞基板200，且連續(xù)纖維201的末端202接觸電極端204。如果需要的話，經(jīng)由絕緣體材料205，電極端204能夠可選擇地電隔離基板200。如果需要，亦可(未標(biāo)示出)在基板200上包含第二電極端，以連接至其它電極層的連續(xù)纖維。圖2Β顯示在本案超級電容器的示例實(shí)施例中，第一電極層的等距圖，其中電極端設(shè)置在基板上盡管圖2Α和2Β顯示連續(xù)纖維201的相鄰纏繞之間有間距，應(yīng)理解所描述的間距僅是為了清楚說明的目地。將熟稔本技藝人士皆知，若連續(xù)纖維201相鄰纏繞具有較為緊密間隔的話，可以獲得單位面積之下，較大數(shù)量的納米碳管數(shù)，從而導(dǎo)致更高的電極層的表面積以及每單位連續(xù)纖維重量之下較高的電容。然而應(yīng)注意的是，若有需要的話，連續(xù)纖維201相鄰纏繞之間的間距是可以變化的，以提供給定尺寸的超級電容器中的期望電容。盡管未排除于本案實(shí)施例中，通常來說，連續(xù)纖維201相鄰纏繞之間大體上不重疊的話，這會產(chǎn)生每單位連續(xù)纖維重量之下具有較小表面積的電極層。因此，在一些實(shí)施例中，該電極層的連續(xù)纖維大致上相互平行，以避免那樣的重疊。如果需要的話，連續(xù)纖維201相鄰纏繞的一部分重疊可以用于調(diào)節(jié)電容，如同先前所描述相鄰纏繞間有間距的實(shí)施例。應(yīng)注意的是，在高階連續(xù)纖維結(jié)構(gòu)(例如纖維束、纖維條、纖維帶)中，只要電解質(zhì)能夠充分接觸個別連續(xù)纖維的表面區(qū)域，個別連續(xù)纖維之間的若干接觸是可被容許的。如上所述，在形成第一電極層之后，可滲透電解質(zhì)離子的分隔材料層可接著被設(shè)置在所述第一電極層之上。隨后，可通過將連續(xù)纖維的不同部分纏繞于該分隔材料層而形成第二電極層于該分隔材料層上。如果需要，可以完成附加分隔材料層的設(shè)置并且在其上纏繞連續(xù)纖維，以形成具有超過兩個電極層的超級電容器。圖3顯示從平行于電極層的連續(xù)纖維的縱軸觀看，本案超級電容器的示例性實(shí)施例的示意圖。雖然如上所述，可添加更多電極層，圖3的超級電容器300只包含兩個電極層。如圖3所示，超級電容器300包括基板301，被連續(xù)纖維302所纏繞(見圖2A和2B)，該連續(xù)纖維302具有注入于其上的納米碳管303。為了清楚起見，連續(xù)纖維302在基板301的頂部和底部之間纏繞的部分被省略。一分隔材料層304被設(shè)置在連續(xù)纖維302和納米碳管303上。具有注入于其上的納米碳管306的連續(xù)纖維305纏繞于分隔材料層304之上。再度為了清楚起見，連續(xù)纖維305在分隔材料層304頂部和底部之間纏繞的部分被省略。電解質(zhì)(未顯示)與連續(xù)纖維302及305相關(guān)，且納米碳管303及306被注入于其上。分隔材料層304在第一電極層和第二電極層之間提供電荷分離。仍請參照圖3，超級電容器300更包括外絕緣套307，以容納電解質(zhì)于其中，并提 供電性隔離。示例性外絕緣套可以包括，例如包含超級電容器300的絕緣盒或覆蓋超級電容器300的絕緣收縮包。根據(jù)超級電容器被期望的操作需求，外絕緣套307的性質(zhì)可以變化。例如，如果期望超級電容器300保持彈性或不考慮電解質(zhì)外釋的情況下，簡單的塑料收縮包裝外絕緣套即足以容納組件于其中。然而，如果超級電容器300需要更多機(jī)械支撐，或者，如需特別考慮電解質(zhì)的釋放的話，外絕緣套307可由較具剛性材料(如塑料盒)來制成。在一些實(shí)施例中，外絕緣套307可以被省略。例如，通過將超級電容器300 (無外絕緣套307)置于電解質(zhì)的儲存器中，可產(chǎn)生可工作的超級電容器。在這種情況下，最外電極層(對圖3的超級電容器而言便是第二電極層(連續(xù)纖維305及注入于其上的納米碳管306))存在過量的電解質(zhì)。對于該第二電極層而言，過量的電解質(zhì)不會顯著改變超級電容器的工作原理。在這些實(shí)施例中，所述電解質(zhì)儲存器的容器可被視為超級電容器300的外絕緣套307。例如電解質(zhì)儲存器可被裝在塑料桶或類似容器之中。然而，在這些實(shí)施例中，電解質(zhì)儲存器的容器不需要是絕緣體，如同其它方式一般，如果期望的話，只要儲存器可和其環(huán)境電隔離即可。一般而言，可被注入納米碳管的任何類型連續(xù)纖維皆可用于本案超級電容器及其制造方法。如上所述，連續(xù)纖維例如玻璃纖維、碳纖維、金屬纖維、陶瓷纖維和有機(jī)纖維皆可以成功地被注入納米碳管。以下提出關(guān)于納米碳管注入纖維及其生產(chǎn)方法的細(xì)節(jié)。在不同的實(shí)施例中，單獨(dú)的連續(xù)纖維(即單獨(dú)的絲纖維)具有約Iym及約ΙΟΟμπι之間的直徑范圍。具有在此直徑范圍的連續(xù)長度纖維可輕易得自于各種商業(yè)來源。在一些實(shí)施例中，注入連續(xù)纖維的納米碳管大致上垂直于連續(xù)纖維的表面。雖然納米碳管注入纖維可被制造為使得其具有呈現(xiàn)在任何所需方向上的注入納米碳管，熟稔本技藝人士可領(lǐng)會大致上垂直的方向?qū)⑹沟眉{米碳管表面積最大化，亦因此最大化電極層的表面積。因此在本案實(shí)施例中，至少基于該原因，納米碳管的大致上垂直的方向是有利的。在一些實(shí)施例中，在納米碳管被注入之前，該連續(xù)纖維可以是導(dǎo)電的?？捎糜诒景笇?shí)施例的示例性導(dǎo)電纖維包括，例如碳纖維和金屬纖維(例如不銹鋼、鋁、銅等)。雖然納米碳管注入到連續(xù)纖維將賦予其導(dǎo)電性，當(dāng)注入納米碳管之前，連續(xù)纖維一開始就導(dǎo)電的情況之下通?？捎^察到更好的集電和電荷存儲特性。在另一實(shí)施例中，然而，納米碳管被注入前，連續(xù)纖維可以是不導(dǎo)電的。在這樣的實(shí)施例中，導(dǎo)電率增強(qiáng)劑能與連續(xù)纖維結(jié)合使用，以加強(qiáng)集電與電荷存儲。例如，在本案實(shí)施例中，金屬類型，比如金屬箔、金屬帶、金屬粉末、及/或金屬納米顆?？梢员话ㄔ谒鲞B續(xù)纖維之中。在這樣的實(shí)施例中，金屬納米顆粒可以包括用于介導(dǎo)納米碳管生長的殘余催化納米顆粒。該導(dǎo)電率增強(qiáng)劑還可用在連續(xù)纖維已具導(dǎo)電性的情況。在一些實(shí)施例中，本案的電性裝置更包括與該第一電極層和該第二電極層相關(guān)的一導(dǎo)電度促進(jìn)劑，其中該導(dǎo)電度促進(jìn)劑包括至少一金屬類型，例如金屬箔、金屬條、金屬粉末、金屬納米顆粒及其類似物。一般而言，本案實(shí)施例中的連續(xù)纖維用于高階纖維形式，而不是以單獨(dú)的絲纖維放入其中。這種高階纖維形式在結(jié)構(gòu)上可以廣泛變化，且其隨后亦被進(jìn)一步詳細(xì)考慮。在一些實(shí)施例中，連續(xù)纖維的纖維形式可以是，例如纖維絲、纖維帶及/或纖維條。在其它實(shí)施例中，纖維形式可能是，例如纖維粗紗、紗線、纖維編織物、織造或非織造布、纖維層及/或纖維墊。在一些實(shí)施例中，于高階纖維形式中，個別絲纖維大致上彼此平行。在一些實(shí)施例中，在第一電極層和第二電極層中，連續(xù)纖維大致上互相平行。在一些實(shí)施例中，當(dāng)應(yīng)用于 超級電容器中時(shí)，連續(xù)纖維對基板和一或多個分隔材料層的相鄰纏繞大致上沒有重疊。粗紗包括已經(jīng)被扭轉(zhuǎn)、拉細(xì)和去除異物之后的連續(xù)纖維的軟股。在一些實(shí)施例中，纖維絲是連續(xù)纖維緊密結(jié)合的束，它可以扭轉(zhuǎn)在一起而生成紗線。該紗線包括緊密相連的扭轉(zhuǎn)纖維束，其中紗線中各纖維的直徑呈相對一致性。紗線具有變異的重量，描述為”特克斯”(表示成每1000米長的克重)或“丹尼爾“(表示為每10000碼的磅重)。對于紗線來說，典型特克斯范圍通常介于約200及約2000之間。 纖維編織物是密集排列的連續(xù)纖維的繩狀結(jié)構(gòu)。這樣的繩狀結(jié)構(gòu)可以例如從紗線集合而成。編織結(jié)構(gòu)可以選擇地包括中空部分。或者，編織結(jié)構(gòu)可以被集合成另一芯材料。纖維絲亦可包括聯(lián)合的未扭轉(zhuǎn)連續(xù)纖維束。因此，在單一操作中，纖維絲是被使用于運(yùn)用大量大致平行纖維的方便形式。在紗線中，纖維絲中單獨(dú)纖維的直徑大致上一致。纖維絲還具有變化的重量和通常介于200及2000之間的特克斯范圍。此外，纖維絲的特征在于纖維絲中個別纖維的幾千數(shù)目，例如12K絲束、24K絲束、48K絲束等。帶和條包含可例如被集合為織造布或非織造平坦纖維絲的連續(xù)纖維。條可以改變其寬度，其雙面結(jié)構(gòu)類似于帶。如描述于申請人的共同申請專利申請案中，納米碳管可以注入到帶的一側(cè)或兩側(cè)。此外，帶的每側(cè)上可生長出具有不同類型、直徑或長度的納米碳管。在一些實(shí)施例中，連續(xù)纖維可被組織成織物或片狀結(jié)構(gòu)。除了上述的帶之外，織物或片狀結(jié)構(gòu)包括例如織造布、非織造布、非織造纖維氈和纖維地墊。這樣的高階結(jié)構(gòu)可以從起源的連續(xù)纖維、纖維絲、紗線等集合。本案超級電容器實(shí)施例的基板特性沒有特別的限制。在一些實(shí)施例中，基板為絕緣材料(例如非導(dǎo)電材料)。在這樣的實(shí)施例中，基板的角色為主要結(jié)構(gòu)，并提供支撐，以設(shè)立本案超級電容器其于上。這樣的非導(dǎo)電基板可以極多樣地改變其組合物，且包括，例如塑料、陶瓷、鋁氧化物、硅氧化物及木材。在一給定應(yīng)用中，基板的剛度和機(jī)械強(qiáng)度是可以調(diào)整。例如，在一些實(shí)施例中可期望基板是可彎曲的，使得超級電容器本身保持一定程度的靈活性。同樣地，如果在超級電容器應(yīng)用中，考慮其中有效載荷的重量時(shí)，可使用例如輕質(zhì)基板(例如發(fā)泡聚氨酯或聚苯乙烯)。在替代的實(shí)施例中，如果需要的話，基板可以是導(dǎo)電體。在基板是可導(dǎo)電的實(shí)施例中，特別能增強(qiáng)第一電極層的集電特性?；宓某叽鐩]有特別的限制，除了基板應(yīng)當(dāng)能夠機(jī)械地支撐超級電容器及其組件。最后，在連續(xù)纖維纏繞于基板上之后，基板的尺寸確定電極層的表面積，其產(chǎn)生較高電容值。根據(jù)所需電容和所產(chǎn)生的超級電容器的任何操作尺寸限制，基板可以具有的表面積范圍為約lcm2至約100000cm2之間。在一些實(shí)施例中，基板是薄的(例如偽二維結(jié)構(gòu))，使得至少大部分的表面積由其頂面和底面的結(jié)合區(qū)域所決定。例如，基板可具有一厚度，使得大于約95%的基板表面積位于其頂面和底面。在其它的實(shí)施例，基板可以是真的三維立方體，使得小于約95% 的基板表面積位于其頂面和底面。示例性的基板形狀可以包括，例如圓柱狀、球形、半球形、三角形棱鏡、矩形棱鏡、四棱柱、菱形棱鏡、梯形棱鏡、五角棱鏡、六角棱鏡，七角棱鏡、八角形棱鏡，九角棱鏡、十角棱鏡等。雖然圖2A、2B和3所列舉的超級電容器已經(jīng)顯示具有矩形棱鏡基板，應(yīng)當(dāng)理解在本案揭露精神中，可使用上述任何基板形狀。在一些實(shí)施例中,本案電性裝置可更包括一外絕緣套。示例性的絕緣殼體包括，例如塑料及蠟。在一些實(shí)施例中，外絕緣套可以是收縮包覆材料(例如塑料收縮包)。一般來說，任何介電材料可用來提供電性裝置的電性隔離，且可包含各種成分。當(dāng)存在兩個電極層時(shí)，外絕緣套可置于該第二電極層之上。當(dāng)存在附加電極層時(shí)，外絕緣套可被設(shè)置在最外電極層上。在存在外絕緣套的超級電容器實(shí)施例中，第一部分的電解質(zhì)位在基板與分隔材料層之間，和第二部分的電解質(zhì)位在所述分隔材料層和外絕緣套之間。如先前提到的，外絕緣套可選擇地被省略，例如，當(dāng)超級電容器被放置在電解質(zhì)儲存器之中，該電解質(zhì)與電極層以某種方式相接觸時(shí)。即，在這種超級電容器實(shí)施例中，基板、第一電極層、第二電極層及分隔材料層皆位于電解質(zhì)儲存器中。在一些實(shí)施例中，外絕緣套的厚度范圍在約100 μ m及約IOcm之間。在其它的實(shí)施例，外絕緣套的厚度范圍在約5mm及約5cm之間或約Icm及約4cm之間。在其它的實(shí)施例，外絕緣套的厚度范圍在約10 μ m及約Imm之間或約IOOym及約1_。一般而言，外絕緣套被制得盡可能得薄，以提供電性裝置的電性隔離同時(shí)保持其結(jié)構(gòu)完整性。熟稔本技藝人士可理解，薄的外絕緣套可使材料成本較低而且可生產(chǎn)重量較輕的超級電容器和其它電性
>j-U ρ α裝直。如先前描述，本案電性裝置可更包括電極端，至少第一電極層和第二電極層的多個連續(xù)纖維連接至該電極端。在一些實(shí)施例中，本案電性裝置更包括連接到第一電極層的多個連續(xù)纖維的第一電極端，和連接到第二電極層的多個連續(xù)纖維的第二電極端。在附加電極層存在的實(shí)施例中，亦可包含相應(yīng)數(shù)目的附加電極端。在某些實(shí)施例中，電極端可以位于基板上。在基板導(dǎo)電的實(shí)施例中，電極端可以透過絕緣材料與基板電性隔離。在替代的實(shí)施例中，電極端可以位于偏離基板處。例如，如果需要的話，所述電極端可以位于外絕緣套上。在其它的實(shí)施例，第一電極層、第二電極層和附加電極層(如果存在的話)的連續(xù)纖維可以直接連接到電源及/或電性負(fù)載，而不透過介于中間的電極端連接。本案超級電容器實(shí)施例的分隔材料層可以由一旦超級電容器處于已充電狀態(tài)，具有足夠的厚度能夠保持電解質(zhì)離子電荷分離的材料所形成。通常，分隔材料為薄膜介電質(zhì)，其具天然多孔性質(zhì)，并且當(dāng)超級電容器進(jìn)行充電或放電時(shí)，能夠允許電極層間的高離子移動率，但是一旦超級電容器達(dá)到已充電狀態(tài)時(shí)，能夠保持電荷分離。因此，該分隔材料層對穿過該分隔材料層的載荷子具有選擇性滲透特性。在一些實(shí)施例中，分隔材料可以是非織造聚合物布料，例如聚乙烯非織造布、聚丙烯非織造布、滌綸非織造布和聚丙烯腈非織造布等。在其它的實(shí)施例，分隔材料可以是多孔的物質(zhì)，例如多孔聚(偏氟乙烯)_六氟丙烷共聚物膜、多孔纖維素膜、牛皮紙、嫘縈織造布等。通常，可用于電池的任何分隔材料亦可用于本案超級電容器。分隔材料的孔隙率可使得當(dāng)超級電容器進(jìn)行充電或放電時(shí)，電解質(zhì)離子能夠充分移動以便移動穿過分隔材料，然而一旦超級電容器達(dá)到已充電狀態(tài)時(shí)保持固定以保持電荷分離。在一些實(shí)施例中，分隔材料的孔隙率大于約90%。在一些實(shí)施例中，分隔材料的孔隙率范圍介于約90 %及約95 %之間。在其它的實(shí)施例，分隔材料的孔隙率范圍介于約90 %及約40%之間、或約87%及約50%之間、或約85%和約65%之間。除了孔隙率之外，分隔材料的厚度能管理離子遷移穿過分隔材料的程度。對于固定的孔隙率而言，相較于較薄的分隔材料層，較厚的分隔材料層能提供較好的電荷分離以及較少的離子移動率。在一些實(shí)施例中，分隔材料層的厚度小于約100 μ m。在一些實(shí)施例中，分隔材料層的厚度的范圍介于約100 μ m及約50 μ m之間。在一些實(shí)施例中，分隔材料層的厚度的范圍介于約50 μ m及約25μπι或25μπι及約IOym之間。在一些實(shí)施例中，分隔材料層的厚度小于約ΙΟμπι。在一些實(shí)施例中，分隔材料層的厚度的范圍介于約ΙΟμπι及約Iym之間。在一些實(shí)施例中，分隔材料層的厚度小于約I μ m。在一些實(shí)施例中，分隔材 料層的厚度的范圍介于約IOOnm及約Ιμπι之間。在一些實(shí)施例中，分隔材料層的厚度可以被優(yōu)化，以達(dá)到電解質(zhì)體積和電壓逆向能力的平衡。在一個實(shí)施例中，適當(dāng)?shù)姆指舨牧峡梢允歉呖紫堵?例如>90%)聚丙烯及/或聚乙烯的電解質(zhì)膜。這種電解膜可從北卡羅來納州夏洛特市的Celgard LLC公司取得。這些電解膜表現(xiàn)出高電壓逆向能力，從而允許更薄、更輕的電極層隔離膜。在一些實(shí)施例中，也可使用紙分隔材料(例如牛皮紙)。本案超級電容器實(shí)施例的電解質(zhì)是沒有特別的限制。在一些實(shí)施例中，該電解質(zhì)可以是無機(jī)電解質(zhì)。在其它實(shí)施例中，該電解質(zhì)可以是有機(jī)電解質(zhì)。熟稔本技藝人士可理解，電解質(zhì)水溶液提供較低的內(nèi)部電阻值，但是具有限制在約I伏特的工作范圍。對照之下，有機(jī)電解質(zhì)具有高達(dá)約2. 5伏特或約3伏特的工作電壓范圍，但具有較高的內(nèi)部電阻。與本案超級電容器實(shí)施例中其它組成搭配，可以改變電解質(zhì)特性和濃度以負(fù)責(zé)不同的最終用途。示例性的電解質(zhì)水溶液包括酸性水溶液(例如硫酸、磷酸、鹽酸等)、堿性水溶液(例如氫氧化鈉或氫氧化鉀)以及中性溶液。中性電解質(zhì)溶液通常通過溶鹽在水溶液介質(zhì)中而形成。適用于中性電解質(zhì)的示例性鹽類包括，例如氯化鈉、氯化鉀、氧化鈉、氧化鉀、硫酸鈉、硫酸鉀等。熟稔本技藝人士可預(yù)見額外電解質(zhì)水溶液。一般來說，電解質(zhì)水溶液的濃度范圍介于約O. I以及20Μ之間或介于I重量％以及100重量％之間。有機(jī)電解液包括溶解在有機(jī)溶劑中的電解物質(zhì)，示例性的電解物質(zhì)包括，例如，四烷基銨鹽(例如四乙基銨或四甲基銨鹵化物和氫氧化物)；季鱗鹽；以及鋰、鈉或鉀的四氟硼酸鹽、高氯酸鹽、六氟磷酸鹽、雙(三氟甲烷)磺酸酯、雙(三氟甲烷)磺酰亞胺或三(三氟甲烷)磺酰甲基。一般在有機(jī)溶劑中電解物質(zhì)的濃度范圍為約O. IM以及約5Μ之間或約O. 5Μ以及約3Μ之間。用于有機(jī)電解質(zhì)的有機(jī)溶劑通常是具有高介電常數(shù)的非質(zhì)子有機(jī)溶劑?？梢杂糜谟袡C(jī)電解質(zhì)的示例性有機(jī)溶劑不限制地包括烷基碳酸酯(例如碳酸丙烯酯、碳酸乙烯酯、碳酸丁烯酯、碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、碳酸二丙酯、碳酸甲基乙基酯、甲基丁基碳酸酯、甲基丙基碳酸酯、乙基丙基碳酸酯、丁基丙基碳酸酯、1，2-丁烯碳酸酯、2，3-丁烯碳酸酯、1，2-戊烯碳酸酯和2，3-戊烯碳酸酯)、腈(例如，乙腈、丙烯腈、丙腈、丁腈、苯甲腈)、硫氧化物(例如，二甲基亞砜、二乙基亞砜、乙基甲基亞砜、芐基甲基亞砜)、酰胺(例如，甲酰胺、甲基甲酰胺以及二甲基甲酰胺)，吡咯烷酮(例如，N-甲基吡咯烷酮)、內(nèi)酯(例如，Y-丁內(nèi)酯、Y -戊內(nèi)酯、2-甲基-y- 丁內(nèi)酯、乙酰-y_ 丁內(nèi)酯)、磷酸鹽三酯、硝基甲烷、醚類(例如，1，2-二甲氧基乙烷；1，2-二乙氧基乙烷；1，2-甲氧基乙氧基乙烷；1，2_或1，3_ 二甲氧基丙烷；1，2_或1，3_ 二乙氧基丙烷；1，2_或1，3_乙氧基甲氧基丙烷；1，2_ 二丁氧基乙烷；四氫呋喃；2-甲基四氫呋喃和其它烷基，二烷基，烷氧基或二烷氧基四氫呋喃；1，4_ 二惡烷；1，3_ 二氧戊環(huán)；1，4_ 二氧戊環(huán)；2_甲基-1，3-二氧戊環(huán)；4_甲基-1，3-二氧戊環(huán)；環(huán)丁砜；3-甲基四氫噻吩砜；甲基醚；乙基醚；丙醚；二甘醇二烷基醚；三甘醇二烷基醚；乙二醇二烷基醚；以及四甘醇二烷基醚)、酯(例如烷基丙酸酯，如甲基丙酸或丙酸乙酯、丙二酸如烷基丙二酸二乙酯、烷基醋酸鹽，如乙酸甲酯、乙酸乙酯、烷基甲酸甲酯以及甲酸乙酯)；以及馬來酸酐。此外，如果需要的話，可以使用有機(jī)凝膠及其類似物。在一些實(shí)施例中，電解質(zhì)可以是離子液體，例如四氯苯基二甲基丙胺酰亞胺鋁、芐 基二甲基亞胺，乙基甲基亞硫酸氫銨、I-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸鹽，或四乙基四氟硼酸銨。任何上述有機(jī)溶劑皆可可選地與離子液體合并使用。在各種實(shí)施例中，本案的電性裝置可以包含超過兩個電極層。在一些實(shí)施例中，電性裝置更包含至少一個附加分隔材料層及至少一個附加電極層，其包含多個注入納米碳管的連續(xù)纖維。在這樣的實(shí)施例中，每個電極層通過一分隔材料層而彼此分離。進(jìn)一步地說，在這樣的實(shí)施例中，電解質(zhì)和各電極層相接觸。通過重復(fù)電極和分隔材料層迭可以形成具有任何期望層數(shù)的超級電容器。例如透過重復(fù)上述電極層迭，超級電容器可達(dá)成幾十到幾百磅重，且具有數(shù)千法拉第的電容。本案超級電容器實(shí)施例的電容值可以在寬范圍內(nèi)變化。在各種實(shí)施例中，本案揭露的超級電容器具有的電容范圍介于約O. 5法拉第/克連續(xù)纖維和約500法拉第/克連續(xù)纖維之間。在一些實(shí)施例中，超級電容器具有在約I法拉第/克連續(xù)纖維和約250法拉第/克連續(xù)纖維之間的電容范圍。在其它的實(shí)施例，超級電容器具有的電容范圍在約2法拉第/克連續(xù)纖維和約100法拉第/克連續(xù)纖維之間。在一些實(shí)施例中，超級電容器具有至少約I法拉第/克連續(xù)纖維的電容。在其它實(shí)施例中，超級電容器具有至少約2法拉第/克連續(xù)纖維的電容。應(yīng)注意到上述數(shù)值是針對只具有兩個電極層的超級電容器。當(dāng)超級電容器有超過兩個電極層，電容以實(shí)質(zhì)上正比于附加電極層的數(shù)目增加。即，相較于具有兩個電極層的超級電容器，具有三個電極層的超級電容器具有約兩倍的電容。此外，可以單獨(dú)使用超級電容器或?qū)⑵浯?lián)堆疊運(yùn)用。圖4顯示硬幣壓狀采樣的超級電容器結(jié)構(gòu)的示意圖。通過連接外部400和內(nèi)部401以形成超級電容器402，這樣的超級電容器結(jié)構(gòu)可以容易地制備，以用于測試所描述的超級電容器。圖5顯示本案揭露的超級電容器的示例循環(huán)伏安圖。在一些實(shí)施例中，本文描述的方法包括提供多個被注入納米碳管的連續(xù)纖維；從多個連續(xù)纖維的第一部分形成第一電極層；和從多個連續(xù)纖維的第二部分形成第二電極層。在一些實(shí)施例中，該方法更包括將該第一電極層和該第二電極層暴露于電解質(zhì)之中，以及在該第一電極層和該第二電極層之間應(yīng)用一分隔材料層，其中該分隔材料可被電解質(zhì)的離子所滲透。在一些實(shí)施例中，形成第一電極層包含將多個連續(xù)纖維的第一部分共形纏繞于基板，以及形成第二電極層包含將多個連續(xù)纖維的第二部分共形纏繞該第一電極層。在一些實(shí)施例中，纏繞以形成第一電極層、纏繞以形成第二電極層以及應(yīng)用分隔材料層均可同時(shí)發(fā)生。在其它的實(shí)施例中，每層可被單獨(dú)纏繞或應(yīng)用。在一些實(shí)施例中，該方法更包括在該第二電極層上應(yīng)用至少一附加分隔材料層，并將至少一附加電極層纏繞于該第二電極層。在這樣的實(shí)施例中，該至少一附加電極層包括被注入納米碳管的多個連續(xù)纖維，且每一電極層由一分隔材料層彼此分隔。再者，每該電解質(zhì)與每個電極層相接觸。在其它實(shí)施例中，這里描述的方法包括提供多個注入納米碳管的連續(xù)纖維；透過將一部分多個連續(xù)纖維共形纏繞一基板而形成一第一電極層；及透過將單獨(dú)部分多個連續(xù)纖維共形纏繞該第一電極層而形成至少兩個附加電極層。
在一些實(shí)施例中該方法更包括而且該第一電極層和該至少兩個附加電極層暴露于該電解質(zhì)之中，而且在每個電極層之間，應(yīng)用一分隔材料層，其中該分隔材料可被該電解質(zhì)離子所滲透。在一些實(shí)施例中，多個連續(xù)纖維是纖維形式、例如纖維絲、纖維帶，和/或纖維條。在一些實(shí)施例中，在電極層中，多個連續(xù)纖維實(shí)質(zhì)上彼此平行。在一些實(shí)施例中，在纖維形式之下，多個連續(xù)纖維中的單獨(dú)的絲纖維實(shí)質(zhì)上彼此平行。在進(jìn)一步實(shí)施例中，多個連續(xù)纖維在電極層的相鄰纏繞中實(shí)質(zhì)上沒有重疊。此外，當(dāng)存在附加電極層時(shí)，在這些層中也可以實(shí)質(zhì)不重疊?？蛇x擇地，如果有需要的話，可以在相鄰纏繞間存在間距。在一些實(shí)施例中，在應(yīng)用該分隔材料層之前，該第一電極層暴露于該電解質(zhì)之中。但是在替代的實(shí)施例中，由于第一電極層可被一電解質(zhì)離子所滲透，第一電極層還可以在制造的后期階段才暴露于電解質(zhì)離子。在一些實(shí)施例中，可以使第一電極層、第二電極層和附加電極層(如果存在的話)同時(shí)暴露于該電解質(zhì)。在一些實(shí)施例中，通過同時(shí)浸沒在電解質(zhì)儲存器之中，可以使第一電極層、第二電極層和附加電極層(如果存在的話)同時(shí)暴露于該電解質(zhì)。在一些實(shí)施例中，該方法更包括對電極層應(yīng)用一外絕緣套。關(guān)于外絕緣套的附加的細(xì)節(jié)已在以上提出。這里所揭示的實(shí)施例利用注入納米碳管的連續(xù)纖維，其能夠容易地以方法制造，該方法描述共有、共同審理的美國專利申請?zhí)?2/611,073,12/611, 103,12/611, 101、及12/938，328，他們每個是整體以參考并入。以下簡單描述其處理。為了將納米碳管注入到纖維材料，納米碳管直接在纖維材料上被合成。在一些實(shí)施例中，這是透過先沉積納米碳管成形催化劑(例如催化納米顆粒)在纖維材料上而被完成。進(jìn)行催化劑沉積之前，有一些預(yù)備處理。在一些實(shí)施例中，纖維材料可以選擇性地用等離子處理，以制備纖維表面來接受該催化劑。例如，等離子處理的玻璃纖維材料可提供粗糙化的玻璃纖維表面，其中納米碳管催化劑可被沉積。在一些實(shí)施例中，等離子還起到“清潔”纖維表面的作用?！按只崩w維表面的等離子處理從而促進(jìn)了催化劑沉積。通常粗糙以納米尺度計(jì)算。在等離子處理過程中，納米深度及納米直徑大小的坑或凹陷被形成。這些表面修改可以透過使用不同的氣體(包括但不限于氬氣、氦氣、氧、氨、氮?dú)夂蜌錃?的變化的其中之一或更多的等離子而達(dá)成。在一些實(shí)施例中，若所使用纖維材料具有與其相關(guān)之膠黏材料，該膠黏在催化劑沉積前可選擇性被移除。在催化劑沉積之后，可選擇性地去除這種膠黏材料。在一些實(shí)施例中，除去膠黏材料可以在納米碳管合成期間，或在預(yù)熱步驟中納米碳管合成之前被完成，在其它的實(shí)施例，在整個納米碳管合成處理中，一些膠黏材料可以保持著。先于或伴隨納米碳管成形催化劑沉積(即催化納米顆粒)的又另一個可選的步驟是在纖維材料上應(yīng)用防護(hù)涂層。防護(hù)涂層材料被設(shè)計(jì)以保護(hù)敏感纖維材料的完整性，如碳纖維、有機(jī)纖維、玻璃纖維、金屬纖維等。這種防護(hù)涂層可以包括例如，烷氧基硅烷、鋁氧烷、氧化鋁納米顆粒，旋涂玻璃和玻璃納米顆粒上。例如，在一個實(shí)施例中，所述防護(hù)涂層即AccuglassT-Il 方定涂玻璃(Honeywell International Inc. , Morristown, NJ)。在一個實(shí)施例中，納米碳管催化劑可加入未固化的防護(hù)涂層材料，然后一起施加到纖維材料。在其它的實(shí)施例中，在沉積納米碳管成形催化劑之前，防護(hù)涂層材料可被加到纖維材料。此實(shí)施例中，防護(hù)涂層可在催化劑沉積前被部分固化。該防護(hù)涂層材料可以有足夠薄的厚度，以允許納米碳管成形催化劑暴露于碳原料氣體之下，以用于之后CVD或類似納米碳管生長。在一些實(shí)施例中，防護(hù)涂層厚度小于或約等于納米碳管成形催化劑的有效直徑。一旦所述納米碳管催化劑和防護(hù)涂層就定位，防護(hù)涂層可以完全固化。在一些實(shí)施例中，防護(hù)涂層厚度可以大于納米碳管成形催化劑的有效直徑，只要其仍允許納米碳管原料氣體接近催化劑的位置。這種防護(hù)涂層可以是充分多孔的，以允許碳原料氣體接近納米碳管成形催化劑。在一些實(shí)施例中，防護(hù)涂層的厚度在約IOnm-IOOnm之間。在其它實(shí)施例中，防護(hù)涂層厚度范圍約10nm-50nm,包括40nm。在一些實(shí)施例中，防護(hù)涂層厚度小于約IOnm,包括約lnm、約2nm、約3nm、約4nm、約5nm、約6nm、約7nm、約8nm、約9nm和約IOnm,包括所有值和其間的次范圍。不局限于理論，防護(hù)涂層可作為纖維材料與納米碳管的中間層，且機(jī)械式地將納米碳管注入到纖維材料。透過防護(hù)涂層的機(jī)械注入提供了一種用于納米碳管生長的魯棒的系統(tǒng)，其中纖維材料作為用于組織納米碳管的平臺，同時(shí)仍允許有益的納米碳管性質(zhì)被輸送到纖維材料。再者，有防護(hù)涂層的益處包括例如保護(hù)纖維材料免于潮濕暴露的化學(xué)損傷和/或在用來促進(jìn)納米碳管生長的升高溫度下的熱損傷。進(jìn)一步地說，納米碳管成形催化劑可制備成一種含有納米碳管成形催化劑的液體溶液，以作為過渡金屬催化納米顆粒。合成的納米碳管直徑有關(guān)于上述過渡金屬催化納米顆粒。納米碳管合成可以基于化學(xué)氣相沉積(Chemical Vapor Deposition, CVD)處理或相關(guān)于在升高的溫度下發(fā)生的納米碳管生長處理。在一些實(shí)施例中，CVD生長處理可以透過在生長處理期間提供電場而使等離子增強(qiáng)，以使得納米碳管生長跟隨電場的方向。其它示意性納米碳管的生長處理包括例如，微管腔、激光燒蝕、火焰合成、電弧放電、及高壓一氧化碳(HiPCO)的合成。特定溫度是依催化劑選擇而定，但通?？稍诖蠹s500-1000°C之間。相應(yīng)地，納米碳管合成涉及將所述纖維材料加熱到在上述范圍內(nèi)的溫度，以支持納米碳管的生長。在一些實(shí)施例中，負(fù)載催化劑的纖維材料上的CVD促進(jìn)納米碳管生長被進(jìn)行?？赏ㄟ^例如含碳原料氣體(像是乙炔、乙烯，和/或乙醇)以促進(jìn)CVD處理。納米碳管生長處理還通常使用惰性氣體(例如氮?dú)?，氬氣，?或氦氣)以作為主要載體氣體。含碳原料氣體通常被提供在大約總混合物O % -15%的范圍內(nèi)。實(shí)質(zhì)上，透過從生長腔室去除水氣和氧而制備可供CVD生長的惰性環(huán)境。在納米碳管生長處理中，納米碳管在可用于納米碳管生長的過渡金屬催化劑納米顆粒的位置生長。等離子產(chǎn)生強(qiáng)電場的存在可以選擇性用來影響納米碳管生長。即，生長傾向于跟隨電場的方向。透過適當(dāng)?shù)卣{(diào)整等離子噴涂和電場的幾何形狀，可合成垂直排列的納米碳管(即垂直于纖維材料的表面)。在某些條件下，即使沒有等離子的情況下，緊密間隔的納米碳管亦可以保持實(shí)質(zhì)上垂直生長方向，以得到類似地毯或森林的致密納米碳管數(shù)組?；氐酱呋瘎┏练e處理，納米碳管成形催化劑被沉積來提供一層(一般不超過單層)在纖維材料的催化納米顆粒以在其上生長納米碳管。在纖維材料上，沉積催化納米顆·粒操作可以可透過多個技術(shù)(包括噴涂或浸涂催化劑納米顆粒的溶液)或氣相沉積(其能夠通過等離子處理發(fā)生)來完成。因此，在一些實(shí)施例中，在溶劑中形成催化劑溶液之后，可透過以溶液噴涂或浸涂纖維材料、或組合噴涂和浸涂而應(yīng)用催化劑。單獨(dú)或組合使用的任一技術(shù)可被使用一次、二次、三次、四次、到任何數(shù)目的次數(shù)，以提供纖維材料，其充分一致性地被涂覆用于形成納米碳管的催化劑納米顆粒。當(dāng)例如采用浸涂，纖維材料可被放置在第一浸浴中達(dá)該第一浸浴中的第一停留時(shí)間。若使用第二浸浴，纖維材料可被放置在第二浸浴中達(dá)第二停留時(shí)間。例如，纖維材料可以遭受納米碳管成形催化劑的溶液中達(dá)約3秒至90秒之間(取決于浸涂配置和線速度)。若采用噴涂或浸涂的處理，具有小于約5%表面覆蓋到高達(dá)約80%的表面覆蓋的催化劑表面密度的纖維材料可被獲得。在高表面密度(例如約80%)，納米碳管成形催化劑粒子幾乎是單層。在一些實(shí)施例中，在纖維材料上，納米碳管成形催化劑的涂層處理不產(chǎn)生單層之外的層。例如，在納米碳管成形催化劑疊層的納米碳管生長能侵蝕注入納米碳管到纖維材料的程度。在其它實(shí)施例中，通過使用蒸發(fā)技術(shù)、電解沉積技術(shù)以及本領(lǐng)域具有一般技術(shù)者所公知的技術(shù)(如加入過渡金屬催化劑到等離子原料氣體來作為金屬有機(jī)物、金屬鹽或其它成分物以促進(jìn)氣相運(yùn)輸)，過渡金屬催化納米顆?？梢猿练e在纖維材料。由于制造注入納米碳管纖維的處理是被設(shè)計(jì)成連續(xù)的，在一系列的浴池中(其中浸涂浴池是空間分離的)，可纏繞纖維材料被浸涂。在連續(xù)處理中(其中初生纖維被重新產(chǎn)生，如爐中新形成的玻璃纖維)，浸浴或噴涂納米碳管催化劑可以是充分冷卻新形成的纖維材料之后的第一步驟。在一些實(shí)施例中，可以通過水的冷卻射流(其具有納米碳管形成催化納米顆粒分散在其中)完成冷卻新形成的玻璃纖維。在一些實(shí)施例中，當(dāng)在連續(xù)處理，納米碳管成形催化劑的應(yīng)用可以進(jìn)行，以代替在產(chǎn)生纖維并將其以納米碳管注入時(shí)的膠黏應(yīng)用。在其它實(shí)施例中，其它的膠黏劑存在時(shí)，納米碳管成形催化劑可應(yīng)用于新形成的纖維材料上。同時(shí)應(yīng)用納米碳管成形催化劑及其它的膠黏劑可提供表面接觸纖維材料的納米碳管成形催化劑，以確保注入納米碳管的進(jìn)行。在進(jìn)一步的實(shí)施例中，當(dāng)纖維材料處于足夠軟化狀態(tài)下(例如接近或低于退火溫度)，通過噴涂或浸涂，納米碳管成形催化劑可應(yīng)用于初生纖維，以使得納米碳管成形催化劑稍稍嵌入所述纖維材料表面。在熱玻璃的纖維材料上，當(dāng)沉積納米碳管成形催化劑時(shí)，應(yīng)例如注意不可超過納米碳管成形催化劑的熔點(diǎn)，其因而造成使納米顆粒融合及失去納米碳管的特性(例如直徑)的控制的結(jié)果。注入到纖維材料的納米碳管可以保護(hù)纖維材料免于包括例如潮濕、氧化、磨損、壓縮的情況和/或其它環(huán)境情況。在這種情況下、納米碳管本身可作為膠黏劑。這種基于納米碳管材料的膠黏劑可代替或連同傳統(tǒng)的膠黏劑而被應(yīng)用于纖維材料。傳統(tǒng)膠黏劑(存在時(shí))可以應(yīng)用于纖維材料上的納米碳管注入和生長之前或之后。傳統(tǒng)的膠黏劑的類型和功能變化廣泛，包括例如表面活性劑、防靜電劑、潤滑劑、硅氧烷、烷氧基硅烷、硅烷、氨基硅烷、硅烷醇、聚乙烯醇、淀粉、和其混合物。這種傳統(tǒng)的膠黏劑可用于保護(hù)納米碳管本身免于各種情況或?qū)⒓{米碳管未給予的進(jìn)一步的性質(zhì)輸送到纖維材料上。在一些實(shí)施例中，在納米碳管生長之前，傳統(tǒng)的膠黏劑可以從纖維材料中除去?？蛇x擇地，傳統(tǒng)的膠黏劑可以另一更加兼容于納米碳管或納米碳管的生長條件的傳統(tǒng)膠黏劑替換。納米碳管成形催化溶液可以是任何d-區(qū)塊過渡金屬的過渡金屬納米顆粒溶液。此外，所述納米顆?？梢园▎误w形式、鹽形式的d-區(qū)塊金屬的合金和非合金混合物、以及它們的混合物。這些鹽形式可包括而不限于氧化物、碳化物、及氮化物、醋酸鹽、硝酸鹽 等。非限制示意過渡金屬納米顆粒包括例如、Ni、Fe、Co、Mo、Cu、Pt、Au和Ag、鹽和其混合物。許多過渡金屬納米顆粒催化劑商業(yè)上容易得自不同的供貨商，包括例如Ferrotec公司(Bedford, NH)。將納米碳管成形催化劑應(yīng)用到纖維材料的催化劑溶液可以是任何允許納米碳管成形催化劑到處都一致性地分散的普通溶劑。該溶劑可以包括，但不局限于水、丙酮、正己烷、異丙醇、乙醇、甲醇、甲苯、四氫呋喃(THF)、環(huán)己烷或任何其它具有控制極性的溶劑，以在其中產(chǎn)生適當(dāng)分散的納米碳管成形催化納米顆粒。催化劑溶液中納米碳管成形催化劑的濃度可以是從約I : I到約I : 10000的催化劑對溶劑的范圍。在一些實(shí)施例中，將納米碳管成形催化劑應(yīng)用于纖維材料之后，纖維材料可以選擇性地加熱到軟化溫度。這可以幫助將納米碳管成形催化劑嵌入纖維材料的表面，以促進(jìn)所種下的生長并防止尖端生長(其中催化劑在前緣的尖端使生長的納米碳管浮起)。在一些實(shí)施例中，將納米碳管成形催化劑置于纖維材料上之后，纖維材料的加熱在約500°C和約1000°C溫度之間。加熱到如此溫度(其可用于納米碳管生長)亦可以用來去除任何預(yù)先存在纖維材料上的膠黏劑，以允許納米碳管成形催化劑直接沉積在纖維材料上。在一些實(shí)施例中，在加熱之前，納米碳管成形催化劑還可以放置在膠黏涂層表面。加熱步驟可用來去除膠黏材料，同時(shí)讓納米碳管成形催化劑置于纖維材料表面。在這些溫度的加熱可以在納米碳管的生長所需的含碳原料氣體的引入之前或?qū)嵸|(zhì)上的同時(shí)執(zhí)行。在一些實(shí)施例中，將納米碳管注入纖維材料的處理包括從纖維材料中移除膠黏劑、移除膠黏之后對纖維材料應(yīng)用納米碳管成形催化劑、將纖維材料加熱到至少大約500°C、及在纖維材料上合成納米碳管。在一些實(shí)施例中，該納米碳管注入處理的操作包括移除纖維材料的膠黏、對纖維材料應(yīng)用納米碳管成形催化劑、加熱纖維材料直到適用于納米碳管合成的溫度、和噴涂碳等離子到負(fù)載催化劑的纖維材料。因此，在使用商用纖維材料時(shí)，注入納米碳管纖維的建構(gòu)處理可包括將催化納米顆粒置于纖維材料上之前，從纖維材料除去膠黏的不連續(xù)步驟。一些商業(yè)膠黏材料(如果存在)可以防止納米碳管成形催化劑與纖維材料的表面接觸和抑制納米碳管注入纖維材料。在一些實(shí)施例中，在納米碳管生長的條件下而保證膠黏移除的時(shí)候，膠黏移除可于沉積納米碳管成形催化劑之后，但在提供含碳原料氣體之前或期間被進(jìn)行。合成納米碳管的步驟可以包括許多納米碳管成形技術(shù)，其包括而不限于微管腔、熱或等離子增強(qiáng)CVD技術(shù)、激光燒蝕、電弧放電、火焰合成、及高壓一氧化碳(HiPCO)。特別是在CVD期間，可以直接使用具有沉積于其上的納米碳管成形催化劑的被膠黏的纖維材料。在一些實(shí)施例中，在納米碳管合成期間，可移除任何傳統(tǒng)的膠黏劑。在一些實(shí)施例中，由于含碳原料氣體透過膠黏而擴(kuò)散，其它膠黏劑不被移除，但不妨礙納米碳管合成和注入到纖維材料。在一些實(shí)施例中，乙炔氣體被電離以產(chǎn)生冷碳等離子的射流以合成納米碳管。等離子是朝向負(fù)載催化劑的纖維材料。因此，在一些實(shí)施例中，纖維材料上的納米碳管合成包含(a)形成碳等離子 '及(b)將碳等離子導(dǎo)向置于纖維材料上的催化劑。所生長的納米碳管直徑是前述納米碳管成形催化劑的尺寸所指定。在一些實(shí)施例中，膠黏的纖維材料被加熱至約550°C和約800°C之間，以利于納米碳管生長。為了啟動納米碳管生長，兩個或兩個以上的氣體被引入到反應(yīng)器惰性載氣(例如氬、氦氣或氮?dú)?和含碳原料氣體(例如 乙炔、乙烯、乙醇或甲醇)。納米碳管在納米碳管成形催化劑的位置生長。在一些實(shí)施例中，CVD生長處理可以是由等離子增強(qiáng)。可以在生長處理期間透過提供電場而生成等離子。在這些條件下所生長納米碳管可跟隨電場的方向。因此，透過調(diào)整反應(yīng)器的幾何形狀，可以生成垂直排列的納米碳管，其中納米碳管實(shí)質(zhì)上垂直于纖維材料表面(即徑向生長)。在一些實(shí)施例中，在纖維材料附近的徑向生長不需要等離子。對于具有不同側(cè)的纖維材料(例如帶、氈、織物、簾布地墊等)，納米碳管成形催化劑可以被置于纖維材料的一或兩側(cè)。相應(yīng)地，在這樣的條件下，納米碳管可于所述纖維材料的一或兩側(cè)生長。如上所述，納米碳管在一速率被合成，該速率足夠提供以納米碳管注入可纏繞長度的纖維材料的連續(xù)處理。眾多的裝置配置促進(jìn)下面示例的如此的連續(xù)合成。在一些實(shí)施例中，注入納米碳管纖維材料可在“全等離子”處理中被制備。在這樣的實(shí)施例中，該纖維材料通過許多等離子介導(dǎo)的步驟以形成最終的注入納米碳管纖維材料。等離子處理首先可以包括纖維表面修改的步驟。這是“粗化”纖維材料表面的等離子處理，以促進(jìn)上述催化劑沉積。表面修改使用等離子的任何一個或多個變化的不同氣體(包括而不限于氬、氦、氧、氨、氫和氮)而被達(dá)成。經(jīng)過表面修改，纖維材料進(jìn)行到催化劑的應(yīng)用。在本案的全等離子處理中，此步驟是在纖維材料上沉積納米碳管催化劑的等離子處理。納米碳管催化劑通常是以上描述的過渡金屬。該過渡金屬催化劑可被添加到等離子原料氣體以作在非限制形式之下(例如磁性流體、金屬有機(jī)物、金屬鹽、其混合物或任何其它適合于促進(jìn)氣相傳輸?shù)某煞?的前驅(qū)物。納米碳管催化劑可以在室溫環(huán)境下應(yīng)用而不需要處于真空或惰性環(huán)境中。在一些實(shí)施例中，在應(yīng)用催化劑之前，纖維材料可被冷卻。若繼續(xù)說明全等離子處理，納米碳管合成發(fā)生于納米碳管生長反應(yīng)器。納米碳管的生長可以透過使用等離子增強(qiáng)的化學(xué)氣相沉積而達(dá)成，其中碳等離子被噴涂到負(fù)載有催化劑的纖維。由于納米碳管生長發(fā)生在提高的溫度(取決于催化劑，通常在約500° -1000°C的范圍)，在暴露于碳等離子之前，負(fù)載催化劑的纖維可被加熱。對于納米碳管注入處理，纖維材料可以選擇性地加熱直到發(fā)生軟化。加熱后，纖維材料已準(zhǔn)備好接收碳等離子。碳等離子經(jīng)由使含碳的原料氣體(例如乙炔、乙烯、乙醇等)通過可電離氣體的電場而被產(chǎn)生。透過噴嘴，冷碳等離子被引導(dǎo)到纖維材料。所述纖維材料可接近噴嘴(例如在噴嘴約I厘米之內(nèi))，以接收等離子。在一些實(shí)施例中，加熱器可以在等離子噴頭被置于纖維材料上，以保持纖維材料的提高的溫度。另一連續(xù)納米碳管合成的配置涉及針對納米碳管直接在纖維材料上合成和生長的特殊矩形反應(yīng)器。該反應(yīng)器可被設(shè)計(jì)用針對產(chǎn)生注入納米碳管纖維材料的連續(xù)在線處理。在一些實(shí)施例中，在多區(qū)反應(yīng)器中，納米碳管在大氣壓力和約550°C及約800°C范圍的提高溫度經(jīng)由CVD處理而生長。納米碳管合成發(fā)生在大氣壓力的事實(shí)是促進(jìn)該反應(yīng)器被引入連續(xù)處理線的一個重要因子，以將納米碳管注入纖維材料。使用區(qū)域反應(yīng)器的在線連續(xù)加工的相符的另一優(yōu)點(diǎn)是納米碳管生長在數(shù)秒內(nèi)發(fā)生，這相對于先前技術(shù)中典型的其它程序及裝置配置中的數(shù)分鐘(或更久)。根據(jù)各種實(shí)施例，納米碳管合成反應(yīng)器具有以下特征 矩形配置的合成反應(yīng)器本領(lǐng)域中，典型的納米碳管合成反應(yīng)器的橫截面為圓柱形。存在對此的多個原因，這包括例如歷史原因(例如，實(shí)驗(yàn)室常用圓柱形反應(yīng)器中)；方便性(例如流體動力學(xué)易于在圓柱形反應(yīng)器中模擬)；加熱器系統(tǒng)中容易接受圓管(例如石英等)；以及易于制造本案的揭露離開圓形規(guī)范而提供了具有矩形橫截面的納米碳管合成反應(yīng)器。離開原因至少包括以下者I)反應(yīng)器體積的低效使用。因?yàn)槟軌虮环磻?yīng)器所處理的許多纖維材料相對是平面的(例如扁帶、片狀形式、或展開的絲束或粗紗)，圓形橫截面是反應(yīng)器體積的低效使用。低效導(dǎo)致圓柱形納米碳管合成反應(yīng)器多個缺陷，例如包括a)持足夠的系統(tǒng)凈化；增加的反應(yīng)器體積需要增加的氣體流率，以保持相同的氣體凈化程度，這導(dǎo)致在開放的環(huán)境之下大量生產(chǎn)的納米碳管的無效率山)增加的含碳原料氣體流率；系統(tǒng)凈化的惰性氣體流的相對增加就上述a)而言需要增加的含碳原料氣體流率。試想，說明性玻璃纖維粗紗數(shù)的體積比具有矩形橫截面的合成反應(yīng)器的總體積少約2000倍。在等效的圓柱形反應(yīng)器中(即具有寬度的等效圓柱形反應(yīng)器，該寬度配合矩形截面反應(yīng)器的相同平坦化玻璃纖維材料)，玻璃纖維材料的體積比反應(yīng)器的體積少17500倍。雖然氣體沉積處理(例如CVD)通常單單受壓力和溫度掌管，體積依然可以對沉積效率具有顯著影響。若用矩形反應(yīng)器，則仍存有過多體積，此過多體積促進(jìn)不想要的反應(yīng)。然而，圓柱形反應(yīng)器具有可用于促進(jìn)不想要反應(yīng)的體積的8倍。由于出現(xiàn)競爭反應(yīng)的較大機(jī)會，圓柱形反應(yīng)器中期望的反應(yīng)有效而更緩慢發(fā)生。這種納米碳管生長減緩是連續(xù)生長處理發(fā)展的問題。矩形反應(yīng)器配置的另一益處是，通過采用矩形腔室的較小高度，反應(yīng)器體積仍更加減少，以使體積比更好及反應(yīng)更有效率。在一些實(shí)施例中，矩形合成反應(yīng)器的總體積比通過合成反應(yīng)器的纖維材料的總體積大約3000倍。在一些其它實(shí)施例，矩形合成反應(yīng)器的總體積不大于通過合成反應(yīng)器的纖維材料的總體積的約4000倍。在一些其它實(shí)施例，矩形合成反應(yīng)器的總體積少于通過合成反應(yīng)器的纖維材料的總體積的10000倍大。此外，注意到在使用圓柱形反應(yīng)器時(shí)，相較于具有矩形橫截面反應(yīng)器，更多含碳原料氣體被需要來提供相同的流量百分比。應(yīng)當(dāng)理解的是，在一些其它實(shí)施例，合成反應(yīng)器的橫截面為多邊形的形式而不是矩形，但相對于其是類似的，且相對于圓形截面反應(yīng)器，提供類似的反應(yīng)器的體積減少量 '及c)問題的溫度分布；在相對小直徑的反應(yīng)器被使用時(shí)，腔中心到腔壁的溫度梯度是最小的，但伴隨增加的反應(yīng)器尺寸(例如工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)所用的)，此溫度梯度將會增加。溫度梯度導(dǎo)致纖維材料的產(chǎn)品質(zhì)量變化(即產(chǎn)品質(zhì)量依在徑向位置而變化)。當(dāng)使用具有矩形的橫截面反應(yīng)器時(shí)，實(shí)質(zhì)上避免了這一問題。特別是，當(dāng)使用平面基質(zhì)時(shí)，反應(yīng)器高度在基板尺寸的尺度提升時(shí)保持恒定。實(shí)質(zhì)可以忽略反應(yīng)器頂部和底部間的溫度梯度，且因此可以避免所產(chǎn)生熱問題及產(chǎn)質(zhì)量變化。2)氣體導(dǎo)入由于管狀爐在本領(lǐng)域被一般性地使用，典型的納米碳管合成反應(yīng)器在一端引入氣體，并將其透過反應(yīng)器吸至另一端。在一些實(shí)施例中，氣體可在反應(yīng)器中心或在目標(biāo)生長區(qū)內(nèi)對稱地被引入(通過反應(yīng)器的兩側(cè)或頂部和底部板)。由于進(jìn)入的原料氣體是連續(xù)補(bǔ)足了系統(tǒng)最熱的部分(其為納米碳管的生長是最活躍的地方)，這便改善整體納米碳管生長速度。分區(qū)腔室提供從矩形合成反應(yīng)器兩端延伸出的相對冷卻凈化區(qū)。若熱氣體與外界環(huán)境混合的話(即在矩形的反應(yīng)器外部)，便會有增加的纖維材料的降解。冷卻凈化區(qū)提供內(nèi)部系統(tǒng)和外部環(huán)境間的緩沖。在基質(zhì)(慢速)冷卻的已知技術(shù)中，本領(lǐng)域已知的納米碳管合成反應(yīng)器配置一般須要基板小心(并緩慢)冷卻。位于矩形納米碳管生長反應(yīng)器出 口的冷卻凈化區(qū)在短時(shí)間達(dá)成冷卻(如連續(xù)在線處理所需)。非接觸、熱壁、金屬反應(yīng)器在一些實(shí)施例中，金屬熱壁反應(yīng)器(例如不銹鋼)被使用。使用這種類型的反應(yīng)器可以顯得反直覺，因?yàn)榻饘佟⒓疤貏e是不銹鋼更易積炭(即煤灰和副產(chǎn)物形成)。這樣，大部分納米碳管合成反應(yīng)器是由石英制成，這是由于較少的碳沉積、石英容易清潔、且石英促進(jìn)樣品觀察。然而，申請人已經(jīng)觀察到在不銹鋼上增加的媒灰和碳沉積導(dǎo)致更一致、有效率、更快速及穩(wěn)定的納米碳管生長。不受既有理論限制，已被指出結(jié)合大氣壓操作而于反應(yīng)器中發(fā)生的CVD處理是擴(kuò)散受限的。即，該納米碳管成形催化劑“被過度提供”時(shí)，反應(yīng)器系統(tǒng)中由于相對較高的分壓(相較于該反應(yīng)器在局部真空下操作)而可得太多碳。結(jié)果，在開放系統(tǒng)中一尤其是一個清潔的系統(tǒng)一太多碳附著在納米碳管成形催化劑顆粒上，這便損害它們合成納米碳管的能力。在一些實(shí)施例中，在反應(yīng)器“臟亂”時(shí)，矩形反應(yīng)器才有意圖地運(yùn)行(有煤灰沉積在金屬反應(yīng)器壁上)。一旦在反應(yīng)器壁沉積單層碳之后，碳會較容易沉積在自身之上。由于一些可用碳因?yàn)榇藱C(jī)制而“退出”，以自由基形式存在的剩余的碳原料以不毒化催化劑的速率和納米碳管成形催化劑反應(yīng)?，F(xiàn)有系統(tǒng)“干凈地”運(yùn)行，如果它們對連續(xù)處理是開放的，則其會在降低的成形生長速率產(chǎn)生更加低的納米碳管產(chǎn)量。如上所述，雖然通常有利于進(jìn)行納米碳管合成“臟亂”，某部分的裝置(例如氣體歧管和進(jìn)口)不利地影響煤灰造成了堵塞時(shí)的納米碳管生長處理。為了打擊這問題，納米碳管的生長反應(yīng)腔室中的該區(qū)域可利用煤灰抑制涂層而被保護(hù)。例如，二氧化硅，氧化鋁，或MgO。在實(shí)務(wù)中，這些裝置部分可以可浸涂在煤灰抑制涂層中。INVAR. —類的金屬可與這些涂層一起使用。因INVAR具有相似的熱膨脹系數(shù)(CTE)，其可確保在較高的溫度之下與涂層的適當(dāng)粘合(這防止了臨界區(qū)的煤灰顯著提升)。組合催化劑的還原以及納米碳管的合成。在納米碳管合成反應(yīng)器中，催化劑還原和納米碳管生長皆在反應(yīng)器內(nèi)發(fā)生。這是重要的，因?yàn)槿绻麍?zhí)行成不連續(xù)操作，還原步驟不能夠及時(shí)完成來用于連續(xù)處理。在本領(lǐng)域已知的典型處理中，通常以1-12小時(shí)進(jìn)行還原步驟。根據(jù)本案揭露，兩操作都發(fā)生于反應(yīng)器中，至少部分是因?yàn)?，含碳原料氣體在反應(yīng)器中心被引入，而非使用圓柱形反應(yīng)器的本領(lǐng)域中典型的端部。還原處理發(fā)生于纖維材料進(jìn)入加熱區(qū)時(shí)。在此之前，氣體有時(shí)間與壁反應(yīng)，及在還原催化劑之前冷卻。這是發(fā)生還原的過渡區(qū)域。在系統(tǒng)最熱的等溫區(qū)內(nèi)，發(fā)生納米碳管生長(最大生長速率靠近氣體入口而在反應(yīng)器中心附近發(fā)生)。在一些實(shí)施例中，當(dāng)包括例如絲束或粗紗(例如玻璃粗紗)的松散附屬被使用時(shí)，連續(xù)處理包括散開絲束或粗紗的股線和/或絲纖維的步驟。由此，當(dāng)絲束或粗紗被解開，其可使用真空基礎(chǔ)的纖維展開系統(tǒng)而被展開。當(dāng)例如采用膠黏的玻璃纖維粗紗(其為相對剛性的)，額外的加熱可用以“軟化”粗紗以便于展開纖維。含有分別絲纖維的展開纖維可充分散開，以暴露絲纖維的整個表面，以使得粗紗能夠在后續(xù)的處理步驟更有效率反應(yīng)。例如，展開的絲束或粗紗可以穿過包含上述等離子系統(tǒng)的表面處理步驟。被粗糙化、展開的纖維可以通過納米碳管成形催化劑浸浴。結(jié)果是，催化劑納米顆粒徑向分布在玻璃粗紗纖維表面上。負(fù)載催化劑的粗紗纖維接著進(jìn)入合適的納米碳管生長腔室(如以上描述的矩形腔室)，其中使用流通大氣壓CVD或等離子增強(qiáng)CVD處理，以在高達(dá)每秒數(shù)個微米的速率合成納米碳管。該粗紗纖維(現(xiàn)在具有徑向排列的納米碳管)離開所述納米碳管生長反應(yīng)器。
雖然已利用實(shí)施例來闡明本案揭露，熟習(xí)此技藝者當(dāng)理解這僅是本案揭露的示意之一。在不背離本案揭露精神的前提之下，本案揭露可能存在多種衍生與變形。
權(quán)利要求
1.一種電性裝置，包括 一第一電極層；及 一第二電極層； 其中該第一電極層和該第二電極層包括多個以納米碳管注入的連續(xù)纖維。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的該電性裝置，更包括 一基板； 介于該第一電極層和該第二電極層的分隔材料的層； 其中該分隔材料可被一電解質(zhì)的離子所滲透；及 一電解質(zhì)，其與該第一電極層和該第二電極層相接觸。
3.根據(jù)權(quán)利要求2項(xiàng)所述的電性裝置，其中該第一電極層的該多個連續(xù)纖維共形纏繞該基板，且該第二電極層的該多個連續(xù)纖維共形纏繞該分隔材料的該層。
4.根據(jù)權(quán)利要求3項(xiàng)所述的電性裝置，其中在對該基板和分隔材料的該層的相鄰纏繞中，實(shí)質(zhì)上沒有該多個連續(xù)纖維的重疊。
5.根據(jù)權(quán)利要求3項(xiàng)所述的電性裝置，更包括分隔材料層的至少一附加層'及 至少一附加電極層，其包括以納米碳管注入的多個連續(xù)纖維； 其中每個電極層通過分隔材料的層而相互被分離；及 其中該電解質(zhì)是與每個電極層相接觸。
6.根據(jù)權(quán)利要求5項(xiàng)所述的電性裝置，更包括一外絕緣套。
7.根據(jù)權(quán)利要求2項(xiàng)所述的電性裝置，其中該基板、該第一電極層、該第二電極層和分隔材料的該層停留在該電解質(zhì)的一儲存器。
8.根據(jù)權(quán)利要求2項(xiàng)所述的電性裝置，更包括 一第一電極端，其連接到該第一電極層的該多個連續(xù)纖維；及 一第二電極端，其連接到該第二電極層的該多個連續(xù)纖維。
9.根據(jù)權(quán)利要求8項(xiàng)所述的電性裝置，其中該第一電極端和該第二電極端位于該基板上。
10.根據(jù)權(quán)利要求I項(xiàng)所述的電性裝置，其中該多個連續(xù)纖維包括一纖維形式，該纖維形式選自由纖維絲、纖維帶、纖維條及其組合組成的群組。
11.根據(jù)權(quán)利要求I項(xiàng)所述的電性裝置，其中該多個連續(xù)纖維在該第一電極層和該第二電極層中實(shí)質(zhì)上相互平行。
12.根據(jù)權(quán)利要求I項(xiàng)所述的電性裝置，其中該連續(xù)纖維在以納米碳管被注入前已具有導(dǎo)電性。
13.根據(jù)權(quán)利要求12項(xiàng)所述的電性裝置，其中這些連續(xù)纖維包含連續(xù)金屬纖維。
14.根據(jù)權(quán)利要求12項(xiàng)所述的電性裝置，其中這些連續(xù)纖維包含連續(xù)碳纖維。
15.根據(jù)權(quán)利要求I項(xiàng)所述的電性裝置，其中這些連續(xù)纖維在以納米碳管被注入前不具有導(dǎo)電性。
16.根據(jù)權(quán)利要求15項(xiàng)所述的電性裝置，更包括 與該第一電極層和該第二電極層相關(guān)的一導(dǎo)電性增強(qiáng)器； 其中該導(dǎo)電性增強(qiáng)器包括一金屬形式，該金屬形式選自由金屬箔、金屬條、金屬粉末、金屬納米顆粒及其組合所組成群組。
17.根據(jù)權(quán)利要求I項(xiàng)所述的電性裝置，更包括 一外絕緣套。
18.根據(jù)權(quán)利要求17項(xiàng)所述的電性裝置，其中該外絕緣套包括一收縮包覆材料。
19.根據(jù)權(quán)利要求I項(xiàng)所述的電性裝置，其中該電性裝置包括一超級電容器。
20.根據(jù)權(quán)利要求19項(xiàng)所述的電性裝置，其中該超級電容器具有至少約I法拉第/克連續(xù)纖維的電容。
21.根據(jù)權(quán)利要求20項(xiàng)所述的電性裝置，其中該超級電容器具有至少約2法拉第/克連續(xù)纖維的電容。
22.根據(jù)權(quán)利要求I項(xiàng)所述的電性裝置，其中這些注入的納米碳管實(shí)質(zhì)上垂直于這些連續(xù)纖維的該表面。
23.根據(jù)權(quán)利要求I項(xiàng)所述的電性裝置，其中該電解質(zhì)包括一無機(jī)電解質(zhì)。
24.根據(jù)權(quán)利要求I項(xiàng)所述的電性裝置，其中該電解質(zhì)包括一有機(jī)電解質(zhì)。
25.—種方法,包括 提供以納米碳管注入的多個連續(xù)纖維； 從該多個連續(xù)纖維的第一部分形成一第一電極層；及 從多個連續(xù)纖維的第二部分形成一第二電極層。
26.根據(jù)權(quán)利要求25項(xiàng)所述的方法，更包括 在該第一電極層和該第二電極層之間應(yīng)用分隔材料的層； 其中該分隔材料可被一電解質(zhì)的離子所滲透；及 將該第一電極層和該第二電極層暴露于該電解質(zhì)之中。
27.根據(jù)權(quán)利要求26項(xiàng)所述的方法，其中形成一第一電極層包括將該多個連續(xù)纖維的該第一部分共形纏繞基板；及 其中形成一第二電極層包括將該多個連續(xù)纖維的該第二部分在該第一電極層上共形纏繞。
28.根據(jù)權(quán)利要求27項(xiàng)所述的方法，其中將該多個連續(xù)纖維的該第一部分共形纏繞該基板、將該多個連續(xù)纖維的第二部分在該第一電極層上共形纏繞、以及在該第一電極層和該第二電極層之間應(yīng)用分隔材料的層全部同時(shí)發(fā)生。
29.根據(jù)權(quán)利要求27項(xiàng)所述的方法，其中在對該第一電極層和該第二電極層的相鄰纏繞中，實(shí)質(zhì)上沒有該多個連續(xù)纖維的重疊。
30.根據(jù)權(quán)利要求26項(xiàng)所述的方法，其中在應(yīng)用分隔材料的該層之前，該第一電極層暴露于該電解質(zhì)之中。
31.根據(jù)權(quán)利要求26項(xiàng)所述的方法，其中該第一電極層和該第二電極層同時(shí)暴露于該電解質(zhì)之中。
32.根據(jù)權(quán)利要求31項(xiàng)所述的方法，其中該第一電極層和該第二電極層同時(shí)沉浸在電解質(zhì)的儲存器之中。
33.根據(jù)權(quán)利要求26項(xiàng)所述的方法，更包括 在該第二電極層應(yīng)用分隔材料的至少一附加層；及 將至少一附加電極層在該第二電極層上纏繞； 其中該至少一附加電極層包括以納米碳管注入的多個連續(xù)纖維；其中每個電極層被分隔材料的層相互分離；及 其中該電解質(zhì)與每個電極層相接觸。
34.根據(jù)權(quán)利要求33項(xiàng)所述的方法，更包括應(yīng)用一外絕緣套。
35.根據(jù)權(quán)利要求25項(xiàng)所述的方法，其中該多個連續(xù)纖維包括一纖維形式，該纖維形式選自由纖維絲、纖維帶、纖維條及其組合所組成該群。
36.根據(jù)權(quán)利要求25項(xiàng)所述的方法，其中該多個連續(xù)纖維在該第一電極層和該第二電極層中實(shí)質(zhì)上相互平行。
37.根據(jù)權(quán)利要求25項(xiàng)所述的方法，更包括應(yīng)用一外絕緣套。
38.根據(jù)權(quán)利要求25項(xiàng)所述的方法，其中這些連續(xù)纖維在以納米碳管被注入前具有導(dǎo)電性； 其中這些連續(xù)纖維選自由連續(xù)金屬纖維、連續(xù)碳纖維及其組合所組成群組。
39.一種方法,其包括 提供以納米碳管注入的多個連續(xù)纖維； 透過將多個連續(xù)纖維的一部分共形纏繞一基板而形成一第一電極層；及 透過將多個連續(xù)纖維的單獨(dú)部分在該第一電極層上共形纏繞而形成至少兩個附加電極層。
40.根據(jù)權(quán)利要求39項(xiàng)所述的方法，更包括 在每個電極層之間應(yīng)用分隔材料的層； 其中該分隔材料可被該電解質(zhì)的離子所滲透；及 將該第一電極層和該至少兩個附加電極層暴露于電解質(zhì)之中。
41.根據(jù)權(quán)利要求40項(xiàng)所述的方法，其中在應(yīng)用分隔材料的該層之前，該第一電極層暴露于該電解質(zhì)之中。
42.根據(jù)權(quán)利要求40項(xiàng)所述的方法，其中該第一電極層和該至少兩個附加電極層同時(shí)暴露于該電解質(zhì)之中。
43.根據(jù)權(quán)利要求39項(xiàng)所述的方法，其中這些連續(xù)纖維在以納米碳管被注入前具有導(dǎo)電性； 其中這些連續(xù)纖維選自由連續(xù)金屬纖維、連續(xù)碳纖維及其組合所組成群組。
44.根據(jù)權(quán)利要求39項(xiàng)所述的方法，其中該多個連續(xù)纖維包括一纖維形式，該纖維形式選自由纖維絲、纖維帶、纖維條及其組合所組成該群。
全文摘要
本文所述的電性裝置包含被注入納米碳管的連續(xù)纖維。電性裝置包含至少一第一電極層和一第二電極層，其中每個所述第一和第二電極層包含被注入納米碳管的多個連續(xù)纖維。在一些實(shí)施例中，電性裝置可以是超級電容器，還包含至少一個基板、設(shè)置于該第一和第二電極層之間的至少一個分隔材料層、以及與所述第一和第二電極層接觸的電解質(zhì)?？赏ㄟ^連續(xù)纖維的共形纏繞來形成所述第一和第二電極層。電性裝置可以包含任意數(shù)量的附加電極層，每一電極層都由一個分隔材料層彼此分離。本文還描述用于制造電性裝置的方法。
文檔編號H01G4/008GK102918612SQ201180012270
公開日2013年2月6日 申請日期2011年3月2日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月2日
發(fā)明者寇瑞·亞當(dāng)·佛雷斯雀, 勞倫斯P.黑澤爾, 圖夏爾K.夏 申請人:應(yīng)用奈米結(jié)構(gòu)公司