混合纳米结构材料和方法技术

示出了一种混合纳米结构表面和方法。在一个实例中，使用混合纳米结构表面形成蓄电池的一个或多个电极。示出了结合混合纳米结构表面的装置如锂离子蓄电池。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】相关申请本申请要求2013年11月15日提交的题目为“混合纳米结构材料和方法”的美国临时专利申请号61/904,979的优先权，其通过引用整体结合在本文中。
本专利技术涉及纳米结构材料和方法。附图简述图1示出了根据本专利技术的实例的涂布有硅的结构的制造阶段。图2A-F示出了根据本专利技术的实例的多个表面结构体的扫描电子显微镜(SEM)图像。图3示出了根据本专利技术的实例的表面结构体的拉曼光谱。图4A-D示出了根据本专利技术的实例的多个表面结构体的扫描电子显微镜(SEM)图像和电子色散谱(EDS)数据。图5A示出了使用根据本专利技术的实例的表面结构体形成的电极的循环伏安法数据。图5B示出了使用根据本专利技术的实例的表面结构体形成的电极的恒电流充电-放电数据。图5C示出了使用根据本专利技术的实例的表面结构体形成的电极的循环性能和库伦效率数据。图5D示出了使用根据本专利技术的实例的表面结构体形成的电极的高倍率(rare)循环性能和库伦效率数据。图6A示出了使用根据本专利技术的实例的表面结构体形成的电极的电化学阻抗谱(EIS)数据。图6B示出了使用根据本专利技术的实例的表面结构体形成的电极的来自图6A的EIS数据的等效电路。图6C示出了使用根据本专利技术的实例的表面结构体形成的电极的电阻数据。图7示出了根据本专利技术的实例的表面结构体的电子色散谱(EDS)数据。图8示出了根据本专利技术的实例的表面结构体的透射电子显微镜(TEM)图像。图9示出了根据本专利技术的实例的单个表面结构体的高分辨率透射电子显微镜(HRTEM)图像。图10示出了根据本专利技术的实例的表面结构体的各种组分的电化学阻抗谱(EIS)数据。图11示出了根据本专利技术的实例的蓄电池。图12示出了形成根据本专利技术的实例的表面结构体的方法。详细描述在以下详细描述中，参照了构成其一部分的附图，并且其中通过图示的方式示出了其中可以实施本专利技术的具体实施方案。充分详细地描述了这些实施方案以使本领域技术人员能够实施本专利技术。可以使用其他实施方案，并且可以进行结构或逻辑变化等而不背离本专利技术的范围。作为可再充电蓄电池，锂离子蓄电池(LIB)是在日常生活中常见的，如便携式电子设备和电动汽车(EV)。在EV应用中的蓄电池最终是总车辆质量的大部分；便携式电子设备中的蓄电池电池的体积也限制了降低尺寸的趋势。对于便携式电子设备和低排放环境友好的电动汽车(EV)的开发来说，高能量和功率密度、长循环寿命、廉价的可再充电锂离子蓄电池(LIB)变得高度理想。常规蓄电池负极可以由基于嵌入的碳质材料制成，这归因于它们独特的物理和化学性质，包括高导电性、非常良好的电化学稳定性、高表面积、优异的寿命(～5000次循环)和库伦效率(100％)等。然而，嵌入机制将石墨系锂离子蓄电池负极的理论电容值限制为～372mAh g-1，因为理论上每六个碳原子可以与一个锂离子结合。尽管纳米结构碳质材料如石墨烯、CNT、活性的且模板衍生的碳(activated and template-derived carbon)由于它们的大表面积而可以明显增大电容，它们的电容仍然大多被限制为＜1000mAh g-1。硅是一种负极材料，其由于其最高已知理论容量值(～4200mAh g-1)而受到很多关注。对于封装蓄电池全电池来说，总电容C总＝l/(l/C正极+l/C负极)，其中C正极、C负极分别是正极和负极的电容。因此，如果基于LiCoO2容量(～274mAh g-1)，用现有技术水平硅负极代替常用的石墨负极将会可能得到63％的总电池容量的增加。延缓硅负极的应用的一个阻碍是其在Li-Si合金化和去合金化过程期间高达400％的大的体积变化。大块形式或微米尺寸的硅体系可能会显示出随循环的非常快的容量衰减(每个循环～1％)。同时，纳米尺寸的高表面积硅体系可能会遭遇大固体电解质界面(SEI)层形成。如此形成的SEI层将会由于体积膨胀而开裂，并且反复产生的SEI层可能会很快破坏整个电极的性能。通过将活性材料与聚合物粘合剂(PVDF或海藻(Algae))混合并且之后流延至导电基板如铜、镍、铝等上，制备了一些备选体系。归因于由单个粒子和聚合物粘合剂之间的接触电阻导致的比较差的导电性和导热性，这种类型的电极固有地限制了活性材料的性能。三维石墨烯和CNT混合纳米结构体可以是用于快速充电-放电能量储存应用如超级电容器和蓄电池负极的良好候选物。在一个实例中，示出了创新的三维(3D)硅装饰(decorated)的锥形CNT簇(Si-CCC)结构。在一个实例中，该结构可以用于锂离子蓄电池负极的应用。柱状CNT和石墨烯纳米结构体(PGN)经由两步化学气相沉积生长在是蓄电池行业中常用的蓄电池负极集电体的铜箔上。柱状CNT均匀地在单/双分子层石墨烯覆盖的铜箔上生长并且用ICP Ar等离子体处理。我们首次发现CNT柱状物倾向于成束在一起以形成锥形CNT簇。这种类型的3D Si-CCC结构具有多个优点。(1)石墨烯和柱状CNT的无缝连接提供相对促进电极体系中的电荷和热传递。(2)Si-CCC结构的锥形性质为向电极中更快的电解质进入提供了小的互穿通道，这可以提高倍率性能。(3)Si-CCC结构是用于制备LIB用电极的无粘合剂技术。基于如此合成的Si-CCC电极制造LIB半电池。实现了非常高的可逆容量，并且观察到最小的容量衰减。在图1中示出了硅装饰的锥形CNT簇(Si-CCC)的合成过程的详细示意图。首先，柱状碳纳米管(CNT)和石墨烯纳米结构体(PGN)110经由环境压力化学气相沉积(CVD)直接生长在20μm厚的在蓄电池行业中通常用作用于负极的集电体的铜箔上。接下来，向如此生长的PGN结构施加温和电感耦合等离子体(ICP)氩研磨。在Ar等离子体处理之后观察到柱状CNT成束在一起以形成锥形CNT簇(CCC)120。最后，通过磁控溅射沉积技术在锥形CNT簇的顶部上沉积可变厚度的非晶硅130。示出了扫描电子显微术(SEM)图像以表征如此生长的PGN和CCC纳米结构体的形态(图2a-d)。图2a示出了PGN样品的SEM显微照片的顶视图。在石墨烯覆盖的铜箔上生长垂直排列的、密集填充的CNT。PGN的高倍放大顶视图SEM图像示出了柱状CNT毯(carpet)的上表面上的缠绕的CNT网络连同可示踪量的Fe催化剂(图2c)。为了移除缠绕的CNT网络和过量的催化剂粒子，施加ICP Ar等离子体以将它们磨掉。在ICP Ar等离子体研磨之后，除了将缠绕的CNT和Fe催化剂移除之外，观察到独特且创新的锥形碳纳米管簇(CCC)(图2b和2d)。这种两步CVD生长方法实现了对石墨烯层的厚度的非常良好的控制。进行透射电子显微术(TEM)以进一步确认如此生长的PGN的质量。图1e显示出PGN的低倍放大的TEM图像，明显看见了透明的石墨烯膜层连同具有均匀尺寸的CNT。如通过直接高分辨率透射电子显微术(HRTEM)测定的，如此生长的柱状CNT具有大约5-10nm的平均直径以及约2层的壁厚度和大约5nm的内径(图2f)。进行拉曼光谱法以表征如此生长的PGN和CCC纳米结构体(图3)。从PGN和CCC收集的拉曼光谱特征与清楚地显示中心在大约1340cm-1的强D带的存在CNT拉曼光谱充分一致。D带的强度与中心在大约1572cm-1的G本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种表面结构体，所述表面结构体包含：多个从石墨烯基板突出的碳纳米管，其中所述碳纳米管形成多个基本上锥形的结构体；和在所述多个基本上锥形的结构体上形成的硅系涂层。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2013.11.15 US 61/904,9791.一种表面结构体，所述表面结构体包含：多个从石墨烯基板突出的碳纳米管，其中所述碳纳米管形成多个基本上锥形的结构体；和在所述多个基本上锥形的结构体上形成的硅系涂层。2.根据权利要求1所述的表面结构体，其中所述硅系涂层是基本上纯的硅。3.根据权利要求1所述的表面结构体，所述表面结构体还包括在所述石墨烯基板以下连接的金属导体层。4.根据权利要求1所述的表面结构体，其中所述金属导体层包括铜。5.一种蓄电池，所述蓄电池包含：包括负极和正极在内的一对电极，其中所述一对电极中的至少一个包括：多个从石墨烯基板突出的碳纳米管，其中所述碳纳米管形成多个基本上锥形的结构体；在所述多个基本上锥形的结构体上形成的硅系涂层；和在所述负极和所述正极之间的电解质。6.根据权利要求5所述的...

【专利技术属性】
技术研发人员：琴吉奇·S·厄兹坎，米里马·厄兹坎，王巍，
申请(专利权)人：加利福尼亚大学董事会，
类型：发明
国别省市：美国;US