氧化硅纳米管电极和方法技术

示出了氧化硅纳米管电极和方法，其是经由单一步骤的硬模板生长方法制造的并作为用于Li离子蓄电池的负极评价的。SiOx纳米管显示高度稳定的可逆容量而没有容量衰减。示出了结合氧化硅纳米管电极的装置如锂离子蓄电池。

Silicon oxide nanotube electrode and method

A silicon oxide nanotube electrode and method are described, which are fabricated by a single step hard template growth method and are evaluated as negative electrodes for Li ion batteries. SiOx nanotubes show highly stable reversible capacity without volume decay. Devices such as lithium ion batteries are shown to combine silicon oxide nanotube electrodes.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】氧化硅纳米管电极和方法相关申请本申请要求2013年11月15日提交的题目为“氧化硅纳米管电极和方法”的美国临时专利申请号61/904,966的优先权，其通过引用整体结合在本文中。
本专利技术涉及电极材料和方法。背景需要改进的蓄电池，如锂离子蓄电池。可以被改进的蓄电池结构的一个实例是负极结构。附图简述图1示出了根据本专利技术的实例的氧化硅纳米管的制造的阶段。图2A示出了根据本专利技术的实例的具有1μm比例尺的氧化硅纳米管的扫描电子显微镜(SEM)图像。图2B示出了根据本专利技术的实例的具有2μm比例尺的氧化硅纳米管的SEM图像。图2C示出了根据本专利技术的实例的具有25μm比例尺的氧化硅纳米管的SEM图像。图2D示出了根据本专利技术的实例的具有20μm比例尺的氧化硅纳米管的SEM图像。图3A示出了根据本专利技术的实例的具有50nm比例尺的氧化硅纳米管的透射电子显微镜(TEM)图像。图3B示出了另一个根据本专利技术的实例的具有50nm比例尺的氧化硅纳米管的透射电子显微镜(TEM)图像。图4A示出了根据本专利技术的实例的电极的充电-放电容量对循环次数数据。图4B示出了根据本专利技术的实例的电极的循环伏安法数据。图4C示出了根据本专利技术的实例的电极的恒电流电压曲线(galvanostaticvoltageprofile)数据。图4D示出了根据本专利技术的实例的在所选的C倍率(rage)下的电极的恒电流电压曲线数据。图5示出了根据本专利技术的实例的蓄电池。图6示出了形成根据本专利技术的实例的材料的方法。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。在附图中，相似的标号在全部多个视图中描述基本相似的组成部分。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。示出了SiOx纳米管，其是经由单一步骤的硬模板生长方法制造的并作为用于Li离子蓄电池的负极评价的。SiOx纳米管在100次循环之后展现出1447mAhg-1的高度稳定的可逆容量而没有容量衰减。SiOx纳米管(NT)的中空性质适应在锂化和去锂化期间Si系负极所经历的大的体积膨胀。SiOxNT的薄壁允许Li离子扩散路径距离的有效降低，并且因此提供了良好倍率循环性。这些纳米管的高长径比特征允许纳米级SiOx系负极的可改变规模的制造方法。作为负极材料的硅显示出4200mAhg-1的高理论容量并且是比较丰富的。然而，在锂化时Si经历高达300％的体积膨胀，产生大的机械应力以及随后的粉碎和固体电解质界面(SEI)降解。经由纳米球、纳米粒子、纳米管、和纳米线的低于150nm的临界尺寸的Si的有效结构化可以缓解与大体积膨胀相关的粉碎和随后的活性材料损失。一些结构可以解决SEI层的关键的稳定性，如双壁的硅纳米管、高度多孔的硅纳米线、和蛋黄-壳(yolk-shell)硅纳米粒子。然而，这些特殊结构中的许多缺少可改变规模性(scalability)，如经由化学气相沉积(CVD)使用硅烷(一种昂贵、有毒、并且易燃的前体)制造的那些。由于其在地壳中的高丰度、低放电电势、和分别为3744mAhg-1和1961mAhg-1的高初始不可逆容量和可逆容量，SiO2可以用作可行的用于Li离子蓄电池的负极材料。一些SiO2系结构包括负极结构，如纳米立方体、树状薄膜、和碳涂布纳米粒子。由于较高的硅比氧的摩尔比，还可以使用非化学计量的氧化硅(SiOx，其中0＜x＜2)。较低的氧含量允许以循环性为代价的较高的比容量。聚二甲基硅氧烷(PDMS)是在药物和消费品应用中广泛使用的光学透明的、无毒的、和环保的有机硅。当在环境气氛中被加热时，PDMS产生SiO2蒸气物种，这使其成为用于纳米级SiO2的模板化沉积的理想前体。在290℃开始，PDMS将会经由因氧催化解聚导致的Si-O键的链折叠断裂被热降解为挥发性环状低聚物。PDMS产生蒸气形式的SiO2的能力允许SiO2在多种模板上沉积。具体地，对于Li离子蓄电池来说，中空纳米结构体是令人感兴趣的，这是由于因增加的表面积和小的壁厚度引起的降低的Li离子扩散路径距离。还可以通过改造活性材料中的内部空隙来实现锂化引发的机械应力的缓解。在本文中，示出了改进的用于制造在Li离子蓄电池负极中使用的SiOxNT的过程。在图1中示意性地说明了SiOxNT的制造过程。在真空下，通过PDMS在空气中的热降解，经由气相沉积将SiOx的非晶层102沉积在商用阳极化的氧化铝(AAO)模板104上。SiOx均匀地涂布包括模板的顶部和底部在内的AAO的全部暴露表面，产生SiOx的连接的网络。随后经由加热的磷酸浴将AAO移除以留下SiOxNT。在冲洗数次以移除磷酸之后，将管超声处理以将SiOxNT束分离成单个管。在AAO移除之后得到的连接的SiOxNT网络不是机械上稳固的，并且因此必须将管超声处理分开，以使得可以将它们方便地处理。在一个实例中，在具有50μm厚度的13mm直径的AAO上的20nmSiO2涂层得到0.515gcm-3的SiO2的体积密度和2.57mgcm-2的面密度(arealdensity)。图2A中的SEM图像显示了SiOxNT的管状形态以及它们的高长径比。SiOxNT束由于SiOx在AAO模板的顶部和底部上的沉积而出现，但是短暂的超声处理起到容易地将管解放的作用。SEM图像还显示了SiOx涂层横跨AAO模板和在整个它们厚度内的优异的均匀性。SEM成像显示了如在图2C中看到的SiOxNT在AAO模板移除之后的互相连接性质。这些小束在短暂的超声处理阶段之后出现，并且进一步的超声处理起到将全部管完全分离的作用。在50μm的长度和200nm的直径下，管具有250∶1的非常高的长径比。SEM显示了SiOxNT的分支形态，其起到进一步增加管的表面积的作用。如在图3A中，TEM图像显示了壁厚度为20nm并且在管的整个长度内是高度均匀的。成像的管中的大多数展现出如在图3B中看到的分支结构，并且没有证据表明在壁中存在多孔性。TEM确认SiO2NT具有在商用AAO模板规格的情况下预期的200nm的平均直径。基于经由超声处理产生的随机断裂图案，管由非晶SiOx组成。进一步进行扫描透射电子显微术(STEM)和能量色散谱(EDS)以确认如此制备的纳米管样品的组成。通过将真空干燥的SiO2NT转移至铜TEM网格上来简单制备STEM-EDS样品。EDS微量分析晶示SiO2NT主要由Si和O组成。Si和O的EDS元素作图(mapping)显微照片表明这两种元素的非常均匀的分布。分别由于碳污染物、未蚀刻的AAO、和未移除的H3PO4蚀刻剂而观察到可示踪量的C、Al、P(重量％＜1％)。进行EDS定量分析以表征元素的重量百分数和原子百分数并且确认SiO2的存在。通过用SiO2负极和Li金属对电极制造2032纽扣电池来表征SiO2NT的电化学性能。在图4A中所示，在0-3.0V范围内以0.1mVs-1的扫描速率进行循环伏安法(CV)。显示CV曲线到1.75V，以强调在较低电压下发生的值得注意的反应。如在图4A中，在0.43V的宽峰处发生电解质的分解和SEI层的形成。宽得多、较难分辨的峰在1.40本文档来自技高网...

【技术保护点】
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；与所述一对电极中的至少一个连接的多个氧化硅纳米管；和在所述负极和所述正极之间的电解质。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2013.11.15 US 61/904,9661.一种蓄电池，所述蓄电池包含：包括负极和正极在内的一对电极；与所述一对电极中的至少一个连接的多个氧化硅纳米管；和在所述负极和所述正极之间的电解质。2.根据权利要求1所述的蓄电池，其中所述多个氧化硅纳米管与所述负极连接。3.根据权利要求1所述的蓄电池，其中所述一对电极中的一个包括锂化合物以形成锂离子蓄电池。4.根据权利要求1所述的蓄电池，其中所述多个氧化硅纳米管包括具有大约250∶1的长径比的氧化硅纳米管。5.根据权利要求1所述的蓄电池，其中所述多个氧化硅纳米管包括具有大约50μm的长度的氧化硅纳米管。6.根据权利要求1所述的蓄电池，其中所述多个氧化硅纳米管包括具有大约200纳米的直径的氧化硅纳米管。7.根据权利要求1所述的蓄电池，其中所述多个氧化硅纳米管包括具有大约20纳米的壁厚度的氧化硅纳米管。8.根据权利要求1所述的蓄电池，其中所...

【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，扎卡里·费沃斯，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