混合式能量存储装置制造方法及图纸

一种新型混合锂离子阳极材料，该混合锂离子阳极材料以在竖直排列的碳纳米纤维(CNF)阵列上同轴涂覆的硅壳为基础。独特的杯形堆叠石墨微结构使裸露的竖直排列的CNF阵列成为有效的Li+插入介质。高度可逆的Li+插入和取出在高功率速率下被观察到。更重要地，高度导电的和机械稳定的CNF核可选择地支撑同轴涂覆的无定形硅壳，该无定形硅壳通过形成充分锂化的合金而具有高得多的理论比容量。紧密接近插入介质的表面效应支配位点的添加导致混合装置，该混合装置包括电池和电容器两者的优势。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】混合式能量存储装置相关申请的交叉引用本申请是：于2013年2月27日提交的美国非临时专利申请序列号13/779,571的继续申请；于2012年12月21日提交的美国非临时专利申请序列号13/725,969的部分继续申请；并且要求以下美国临时专利申请的权益和优先权：于2012年2月27日提交的61/603,833、于2012年3月23日提交的61/615,179、于2012年7月3日提交的61/667,876、于2012年7月30日提交的61/677,317、和于2013年1月14日提交的61/752,437。所有的上述临时和非临时的专利申请的公开内容据此通过引用并入本文。背景专利
本专利技术在包括但不限于电池、电容器和燃料电池的能量存储装置的领域中。相关技术可再充电的锂离子电池是用于在便携式电子设备、电动工具和未来的电动交通工具中电力供应的关键的电能存储装置。提高比能容量、充电/放电速度和循环寿命对它们更广泛的应用是关键性的。在目前商业的锂离子电池中，石墨或其他碳质材料通过形成充分插入的LiC6化合物而被用作具有372mAh/g的理论容量极限的阳极。相反地，硅通过形成充分锂化的金属Li4.4Si而具有高得多的4,200mAh/g的理论比容量。然而，锂化的硅的高至～300％的大体积膨胀引起以往不可避免地导致断裂和机械故障的极大的结构应力，这显著限制硅阳极的寿命。概述在一些实施方案中，一种储能装置包括在高性能锂离子阳极中的混合的核-壳NW(纳米线)构造，这是通过结合同轴涂覆有无定形硅层的竖直排列的碳纳米纤维(VACNF)阵列。竖直排列的CNF包括多壁的碳纳米管(MWCNT)，该多壁的碳纳米管使用直流偏置的等离子体化学气相沉积(PECVD)方法可选择地在铜基材上生长。通过此方法生长的碳纳米纤维(CNF)能够具有独特的内部形态，该形态将它们区别于普通的MWCNT和常规的固体碳纳米纤维的中空结构。区别特征之一是这些CNF可选择地由横穿主要的中空中心通道的一系列竹子状节点组成。这种微结构可以归因于本文其他地方进一步讨论的锥形石墨杯堆叠。在较大的长度规模下，这些PECVD-生长的CNF典型地垂直于基材表面均匀排列并很好地彼此分离。它们可能无任何缠结或有最小的缠结，且因此形成被称为VACNF阵列的刷子状结构。单独的CNF的直径可以被选择为提供期望的机械强度以使VACNF阵列是坚固的且能够通过硅沉积和湿电化学测试保持其完整性。本专利技术的多种实施方案包括除了VACNF之外的几种类型的支撑丝。这些支撑丝可以包括，例如纳米线、碳片或本文描述的其他结构。其他实施方案不包括任何支撑丝并且改为使用粘合剂。本专利技术的多种实施方案包括一种能量存储系统，其包括导电基材；在基材上生长的多个竖直排列的碳纳米纤维，该碳纳米纤维包括多个多壁的碳纳米管；以及电解质，该电解质包括一种或多种电荷载体。本专利技术的多种实施方案包括一种能量存储系统，其包括导电基材；在基材上生长的多个竖直排列的碳纳米纤维；以及插入材料层，该插入材料层被布置在所述多个竖直排列的碳纳米纤维上且被配置为具有每克插入材料约1,500和4,000mAh之间的锂离子存储容量。本专利技术的多种实施方案包括一种能量存储系统，其包括导电基材；在基材上生长的多个竖直排列的碳纳米纤维；以及插入材料层，该插入材料层被布置在所述多个竖直排列的碳纳米纤维上且被配置为使得在1C和3C的充电率下该插入材料的离子存储容量大约是相同的。本专利技术的多种实施方案包括一种生产能量存储装置的方法，该方法包括提供基材；在基材上生长碳纳米纤维，该碳纳米纤维具有叠锥(stacked-cone)结构；以及将插入材料施加到碳纳米纤维，该插入材料被配置用于电荷载体的插入。本专利技术的多种实施方案包括一种能量存储系统，其包括：包括一种或多种电荷载体的电解质；导电基材；附接于基材的多个竖直排列的支撑丝；插入材料，其被布置在支撑丝中的每个上并且被配置为在插入材料的主体内可逆地吸附电荷载体的成员；以及粘合剂，其被布置在插入材料上并且包括多个纳米颗粒，每个纳米颗粒被配置为提供表面效应支配位点，该表面效应支配位点被配置为通过在纳米颗粒表面上的感应电流的相互作用吸附电荷载体的成员。本专利技术的多种实施方案包括一种能量存储系统，其包括：包括一种或多种电荷载体的电解质；导电基材；附接于基材的多个支撑丝；插入材料，其被布置在支撑丝中的每个上并且被配置为在插入材料的主体中可逆地吸附电荷载体的成员；以及粘合剂，其被布置在插入材料上并且包括多个表面效应支配位点，该表面效应支配位点被配置为促进电荷载体插入到插入材料中。本专利技术的多种实施方案包括一种能量存储系统，其包括：包括一种或多种电荷载体的电解质；导电基材；插入材料，其被配置为在大部分的插入材料中可逆地吸附电荷载体的成员；以及粘合剂，其被布置在插入材料上并且包括纳米颗粒，每个纳米颗粒被配置为提供表面效应支配位点，该表面效应支配位点被配置为通过在纳米颗粒表面上的感应电流的相互作用将电子供给到电荷载体的成员。本专利技术的多种实施方案包括一种能量存储系统，其包括：阴极；以及阳极，其通过包括一种或多种电荷载体的电解质与阴极分离，该阳极包括插入材料和多个纳米颗粒，该插入材料被配置为插入电荷载体并且在第一反应电势下将电子供给到该电荷载体，该纳米颗粒包括表面效应支配位点，该表面效应支配位点被配置为在第二反应电势下将电子供给到电荷载体，在第一反应电势和第二反应电势之间的绝对差值小于2.4V。本专利技术的多种实施方案包括一种系统，其包括：用于在电荷存储装置的阳极处建立电势梯度的工具，该阳极包括电解质、多个表面效应支配位点、插入材料以及基材；用于在表面效应支配位点中的一个处接收电解质的电荷载体的工具；用于在电荷载体处从表面效应支配位点中的一个中接收电子的工具；以及用于在插入材料处接收电荷载体的工具。本专利技术的多种实施方案包括一种生产能量存储装置的方法，该方法包括：提供导电基材；在基材上生长支撑丝；将插入材料施加到支撑纳米纤维，该插入材料被配置用于电荷载体的插入；并且将多个表面效应支配位点施加为紧密接近插入材料。本专利技术的多种实施方案包括一种生产阳极的方法，该方法包括：提供导电基材；将粘合材料、表面效应支配位点以及插入材料混合，该表面效应支配位点被配置为在第一反应电势下从电荷载体接受电子并且该插入材料被配置为在第二反应电势下接受电荷载体或从电荷载体接受电子；并且将粘合材料、表面效应支配位点和插入材料施加到基材。本专利技术的多种实施方案包括一种生产能量存储装置的方法，该方法包括：提供导电基材；提供支撑丝；将插入材料施加到支撑丝，该插入材料被配置用于电荷载体的插入；并且将表面效应支配位点添加到支撑丝。本专利技术的多种实施方案包括一种使电荷存储装置充电的方法，该方法包括：在电荷存储装置的阴极和阳极之间建立电势，该电荷存储装置包括电解质；在阳极的表面效应支配位点处接收电解质的第一电荷载体；将阳极的电子转移到第一电荷载体；在阳极的插入材料处接收电解质的第二电荷载体；并且将电子从插入材料转移到第二电荷载体。本专利技术的多种实施方案包括一种使电荷存储装置充电的方法，该方法包括：在电荷存储装置的阳极处建立电势梯度，该阳极包括电解质、具有表面效应支配位点的多本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种能量存储系统，包括：电解质，其包括一种或多种电荷载体；导电基材；多个竖直排列的支撑丝，其附接于所述基材；插入材料，其被布置在所述支撑丝中的每个上并且被配置为在所述插入材料的主体内可逆地吸附所述电荷载体的成员；以及粘合剂，其被布置在所述插入材料上并且包括多个纳米颗粒，所述纳米颗粒中的每个被配置为提供表面效应支配位点，所述表面效应支配位点被配置为通过在所述纳米颗粒的表面上的感应电流相互作用吸附所述电荷载体的成员。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2012.02.27 US 61/603,833;2012.03.23 US 61/615,179;1.一种能量存储系统，包括：电解质，其包括一种或多种电荷载体；导电基材；多个支撑丝；插入材料，其被布置在所述支撑丝上并且被配置为在所述插入材料的主体内可逆地吸附所述电荷载体的成员，所述插入材料包括具有在0.1μm与29μm之间大小的颗粒；以及粘合剂，其被布置在所述插入材料上并且包括多个纳米颗粒，所述纳米颗粒中的每个被配置为提供表面效应支配位点，所述粘合剂被配置为将所述支撑丝保持为接近所述基材；其中所述插入材料被配置为从所述表面效应支配位点接收所述电荷载体的氧化物；其中邻近所述插入材料的所述纳米颗粒的浓度相对于远离所述插入材料的纳米颗粒的浓度更大。2.一种能量存储系统，包括：电解质，其包括一种或多种电荷载体；导电基材；多个支撑丝，其附接于所述基材；插入材料，其被布置在所述支撑丝上并且被配置为在所述插入材料的主体内可逆地吸附所述电荷载体的成员；以及粘合剂，其被布置在所述插入材料上并且包括多个表面效应支配位点，所述多个表面效应支配位点被配置为促进所述电荷载体插入到所述插入材料中；其中所述插入材料被配置为从所述表面效应支配位点接收所述电荷载体的氧化物；其中所述表面效应支配位点被布置在纳米颗粒上并且在所述粘合剂内，邻近所述插入材料的所述纳米颗粒的浓度相对于远离所述插入材料的纳米颗粒的浓度更大。3.一种能量存储系统，包括：电解质，其包括一种或多种电荷载体；导电基材；插入材料，其被配置为在所述插入材料的主体内可逆地吸附所述电荷载体的成员；以及粘合剂，其被布置在所述插入材料上并且包括多个纳米颗粒，所述纳米颗粒中的每个被配置为提供表面效应支配位点，所述表面效应支配位点被配置为通过在所述纳米颗粒的表面上的感应电流相互作用使电子供给到所述电荷载体的成员；其中所述插入材料被配置为从所述表面效应支配位点接收所述电荷载体的氧化物；其中邻近所述插入材料的所述纳米颗粒的浓度相对于远离所述插入材料的纳米颗粒的浓度更大。4.一种能量存储系统，包括：阴极；以及阳极，其通过电解质与所述阴极分离，所述电解质包括一种或多种电荷载体，所述阳极包括：导电基材；插入材料，其被配置为插入所述电荷载体并且在第一反应电势下使电子从所述基材供给到所述电荷载体，多个纳米颗粒，其包括表面效应支配位点，所述表面效应支配位点被配置为在第二反应电势下使电子供给到所述电荷载体，所述第一反应电势和所述第二反应电势之间的绝对差值小于2.4V；其中所述插入材料被配置为从所述表面效应支配位点接收所述电荷载体的氧化物；其中邻近所述插入材料的所述纳米颗粒的浓度相对于远离所述插入材料的纳米颗粒的浓度更大。5.一种能量存储系统，包括：电解质，其包括一种或多种电荷载体；导电基材；多个支撑丝，其附接于所述基材；插入材料，其被布置在所述支撑丝中的每个上并且被配置为在所述插入材料的主体内可逆地吸附所述电荷载体的成员；以及多个纳米颗粒，所述纳米颗粒在所述电解质与所述插入材料之间形成屏障，所述纳米颗粒中的每个被配置为提供表面效应支配位点；其中所述插入材料被配置为从所述表面效应支配位点接收所述电荷载体的氧化物；其中邻近所述插入材料的所述纳米颗粒的浓度相对于远离所述插入材料的纳米颗粒的浓度更大。6.如权利要求5所述的系统，其中所述表面效应支配位点被配置为通过在所述纳米颗粒的表面上的感应电流相互作用吸附所述电荷载体的成员。7.如权利要求5或6所述的系统，其中所述插入材料被配置为当电荷载体插入发生时膨胀并且所述膨胀降低了在所述插入材料的表面上的所述纳米颗粒的表面覆盖度。8.如权利要求7所述的系统，其中所述膨胀降低了所述纳米颗粒形成电荷载体的所述屏障的有效性。9.如权利要求5或6所述的系统，其中所述屏障是允许一些电荷载体到达所述插入材料的不完全的屏障。10.如权利要求1-6中的任一项所述的系统，其中所述电荷载体包括锂。11.如权利要求1、2、5或6所述的系统，其中所述支撑丝包括碳纳米纤维。12.如权利要求11所述的系统，其中所述碳纳米纤维中的每个包括以叠锥结构的多壁碳纳米管。13.如权利要求1、2、5或6所述的系统，其中所述支撑丝包括多壁碳纳米管。14.如权利要求1、2、5或6所述的系统，其中所述支撑丝是竖直排列的。15.如权利要求2、5或6所述的系统，其中通过粘合剂将所述支撑丝保持为接近所述基材。16.如权利要求1-6中的任一项所述的系统，其中所述插入材料包括硅。17.如权利要求1-6中的任一项所述的系统，其中所述插入材料包括金属氧化物、碳、石墨或石墨烯。18.如权利要求1-6中的任一项所述的系统，其中所述插入材料包括具有至少0.6μm大小的硅颗粒。19.如权利要求18所述的系统，还包括在所述插入材料内的氧化物。20.如权利要求1-6中的任一项所述的系统，其中所述插入材料包括硅和氧化物。21.如权利要求1、2、5或6所述的系统，其中所述支撑丝的长度在3.0和200μm之间。22.如权利要求1、2、5或6所述的系统，其中所述支撑丝包括气凝胶。23.如权利要求22所述的系统，还包括被布置在所述气凝胶内的溶剂。24.如权利要求1-6中的任一项所述的系统，其中所述纳米颗粒包括钛。25.如权利要求22所述的系统，其中所述纳米颗粒还包括锂。26.如权利要求1-6中的任一项所述的系统，其中所述纳米颗粒包括锂。27.如权利要求1-6中的任一项所述的系统，其中所述纳米颗粒是多层的。28.如权利要求1-6中的任一项所述的系统，其中所述纳米颗粒包括金属。29.如权利要求1-6中的任一项所述的系统，其中所述纳米颗粒包括金属氧化物。30.如权利要求1-6中的任一项所述的系统，其中所述纳米颗粒包括金属氮化物或金属氢化物。31.如权利要求1-6中的任一项所述的系统，其中所述纳米颗粒的直径在1和34纳米之间。32.如权利要求1、3或4所述的系统，其中所述纳米颗粒的浓度使得所述纳米颗粒在所述电解质和所述插入材料之间形成屏障。33.如权利要求1-6中的任一项所述的系统，其中所述插入材料被配置为从所述表面效应支配位点接收锂的氧化。34.如权利要求1-6中的任一项所述的系统，其中所述表面效应支配位点包括碳。35.如权利要求1、2或5所述的系统，其中邻近所述支撑丝的所述颗粒的浓度相对于远离所述支撑丝的浓度更小。36.如权利要求1-6中的任一项所述的系统，其中所述表面效应支配位点被布置在平均直径小于100nm的纳米颗粒上。37.如权利要求1、2、5或6所述的系统，其中所述支撑丝直接附接于所述导电基材。38.如权利要求1、2、5或6所述的系统，其中所述支撑丝是导电的。39.如权利要求1-6中的任一项所述的系统，其中所述纳米颗粒的至少25％被布置为邻近所述插入材料的表面。40.如权利要求1-6中的任一项所述的系统，其中所述插入材料的表面的5纳米内的所述纳米颗粒的浓度大于距所述插入材料的所述表面的在10和15纳米之间的所述纳米颗粒的浓度。41.如权利要求1-6中的任一项所述的系统，其中所述插入材料被布置为使得在所述纳米颗粒处供给的电子从所述基材传导穿过所述插入材料。42.如权利要求1-6中的任一项所述的系统，其中所述插入材料和所述纳米颗粒被配置为使得所述纳米颗粒促进电荷载体插入到所述插入材料中。43.如权利要求1-6中的任一项所述的系统，其中所述纳米颗粒的大多数被布置在所述插入材料的表面上。44.如权利要求1、2、5或6所述的系统，其中所述纳米颗粒包括TiO2并且所述插入材料包括硅。45.如权利要求44所述的系统，其中所述纳米颗粒还包括锂。46.如权利要求45所述的系统，其中所述支撑丝包括气凝胶。47.如权利要求1-6中的任一项所述的系统，其中所述纳米颗粒包括活性...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗纳德·罗杰斯基，
申请(专利权)人：罗纳德·罗杰斯基，
类型：发明
国别省市：美国;US