纳米结构的电池活性材料及其制备方法技术

本发明专利技术涉及纳米结构的电池活性材料及其制备方法。提供了由多孔基底上的铜基催化剂制备纳米结构体的方法，特别是用作电池活性材料的在碳基基底上的硅纳米线。还描述了相关的组合物。此外，提供了制备铜基催化剂颗粒的新颖方法。还提供了由包含金壳和不包含金的芯的催化剂颗粒制备纳米结构体的方法。

【技术实现步骤摘要】
纳米结构的电池活性材料及其制备方法本申请是优先权日为2011年7月26日、专利技术名称为“纳米结构的电池活性材料及其制备方法”的中国专利技术专利申请第201280041299.4号的分案申请。相关申请的交叉引用本申请要求2011年7月26日提交的美国临时申请号61/511,826的优先权，通过引用将其整体并入本文。
本专利技术属于纳米
更具体地，本专利技术涉及由铜基催化剂材料制备纳米结构体的方法，特别是用作电池活性材料的在碳基基底上的硅纳米结构体。本专利技术还涉及在多孔基底上包括硅纳米线的组合物，特别是能够用作电池活性材料的碳基基底。
技术介绍
对于半导体工业中的许多应用，以及在医疗器械和高容量锂离子电池的制造中，硅纳米线是理想的材料。金纳米颗粒已经被广泛地用于催化硅纳米线的生长。然而，金的成本对于硅纳米线的大规模合成变得显著或甚至是过高的，而且金与纳米线的所有期望应用不兼容。因此期望如下的硅纳米结构体生长方法：该方法减少或甚至消除对金催化剂的需要。特别地，本专利技术提供了这样的方法。通过阅读下文将获得对本专利技术的完整理解。
技术实现思路
提供了由多孔基底上的铜基催化剂制备纳米结构体的方法，特别是用作电池活性材料的在碳基基底上的硅纳米线。描述了包括这样的纳米结构体的组合物。还提供了制备铜基催化剂颗粒的新颖方法。一通用类别的实施方案提供制备纳米结构体的方法。在这些方法中，提供具有布置于其上的催化剂颗粒的多孔基底，和由该催化剂颗粒生长纳米结构体。该催化剂颗粒包含铜、铜化合物、和/或铜合金。基底可以包括例如碳基基底、颗粒群(population)、石墨颗粒群、多个氧化硅颗粒、多个碳薄片、碳粉末、天然和/或人造石墨、石墨烯、石墨烯粉末、碳纤维、碳纳米结构体、碳纳米管、炭黑、网或织物。在一类实施方案中，基底包括石墨颗粒群并且纳米结构体是硅纳米线。催化剂颗粒可基本上具有任何期望的尺寸，但通常是纳米颗粒。例如，催化剂颗粒任选地具有约5nm至约100nm的平均直径，例如约20nm至约50nm，例如约20nm至约40nm。如上所述，催化剂颗粒可以包含铜、铜化合物和/或铜合金。例如，催化剂颗粒可以包含铜氧化物。在一类实施方案中，催化剂颗粒包含氧化铜(I)(Cu2O)、氧化铜(II)(CuO)或它们的组合。在一类实施方案中，催化剂颗粒包含单质(即纯相)铜(Cu)、氧化铜(I)(Cu2O)、氧化铜(II)(CuO)或它们的组合。在另一类实施方案中，催化剂颗粒包含乙酸铜、硝酸铜或包含螯合剂的铜络合物(例如酒石酸铜或铜EDTA)。可以通过基本上任何方便的技术来制备催化剂颗粒并将其布置于基底上，这些技术包括但不限于胶体合成随后沉积、吸附铜离子或络合物，和无电沉积。因此，在一类实施方案中，提供具有布置于其上的催化剂颗粒的多孔基底包括合成包含铜和/或铜化合物的胶体纳米颗粒并然后将纳米颗粒沉积在基底上。纳米颗粒任选地包含单质铜(Cu)、氧化铜(I)(Cu2O)、氧化铜(II)(CuO)或它们的组合，以及基底任选地包含石墨颗粒群。在另一类实施方案中，提供具有布置于其上的催化剂颗粒的多孔基底包括：通过将基底浸入包含铜离子(例如至多10毫摩尔铜离子)和还原剂(例如甲醛)的无电镀覆溶液中，通过将铜无电沉积到基底上从而在基底上合成离散颗粒。该镀覆溶液通常是碱性的。基底任选地包含石墨颗粒群。在另一类实施方案中，提供具有布置于其上的催化剂颗粒的多孔基底包括将多孔基底浸入包含铜离子和/或铜络合物的溶液中，由此使铜离子和/或铜络合物吸附到基底的表面上，从而在基底的表面上形成离散纳米颗粒。该溶液通常是碱性水溶液。基底任选地包含石墨颗粒群。该方法可用于合成基本上任何期望类型的纳米结构体，包括但不限于纳米线。该纳米线可以具有基本上任何期望的尺寸。例如，该纳米线可具有小于约150nm的平均直径，例如约10nm至约100nm，例如约30nm至约50nm。可以由任何适宜的材料制备纳米结构体，所述材料包括但不限于硅。在纳米结构体包含硅的的实施方案中，该纳米结构体可包含例如单晶硅、多晶硅、无定形硅、或它们的组合。因此，在一类实施方案中，纳米结构体包含单晶芯和壳层，其中该壳层包含无定形硅、多晶硅、或它们的组合。在一方面，纳米结构体是硅纳米线。可以使用基本上任何方便的技术生长纳米结构体。例如，可通过蒸气-液体-固体(VLS)或蒸气-固体-固体(VSS)技术生长硅纳米线。该方法可用于制备在任何各种不同应用中使用的纳米结构体。例如，可将纳米结构体和它们生长于其上的基底纳入电池浆料、电池阳极和/或电池，例如锂离子电池。在一类实施方案中，基底包括石墨颗粒群以及纳米结构体包括硅纳米线，并且在完成纳米结构体生长之后，硅构成该纳米结构体和该石墨颗粒的总重量的2％至20％。另一总体类别的实施方案提供制备硅纳米线的方法。在该方法中，合成包含铜和/或铜化合物的胶体纳米颗粒并将所述胶体纳米颗粒沉积在基底上，以及由该纳米颗粒生长纳米线。铜化合物任选地为铜氧化物。在一类实施方案中，纳米颗粒包含单质铜(Cu)、氧化铜(I)(Cu2O)、氧化铜(II)(CuO)、或它们的组合。该纳米颗粒的尺寸可变化，例如，取决于最终纳米线的期望直径。例如，该纳米颗粒任选地具有约5nm至约100nm的平均直径，例如约10nm至约100nm、约20nm至约50nm，或约20nm至约40nm。对于以上实施方案所述的基本上所有特征也适用于这些相关的实施方案；例如关于基底的类型和组成(例如石墨颗粒群)、纳米结构体生长技术(例如VLS或VSS)、最终纳米结构体的类型、组成和尺寸、纳米结构体与基底(例如硅与石墨)的重量比、向电池浆料、电池阳极或电池和/或类似物中的纳入。另一总体类别的实施方案提供通过无电沉积制备纳米颗粒的方法。在该方法中，提供基底。还提供包含至多10毫摩尔铜离子(例如Cu2+和/或Cu+)的无电镀覆溶液。将该基底浸入所述镀覆溶液中，由此来自所述镀覆溶液的铜离子在该基底上形成包含铜和/或铜化合物的离散纳米颗粒，直至所述镀覆溶液基本上完全耗尽铜离子。除了多孔基底(例如上述那些)以外，适合的基底包括平面基底、硅晶片、箔和非多孔基底，例如颗粒群，例如石墨颗粒群。在将基底浸入无电镀覆溶液之前典型地对该基底进行活化。任选地通过将基底浸泡在金属盐(例如PdCl2或AgNO3)的溶液中来活化该基底。然而，石墨基底，特别是具有高表面积的石墨颗粒，在浸入镀覆溶液中之前可简单地通过对它们进行加热而方便地活化。因此，在一类实施方案中，基底包含石墨颗粒群，在浸入镀覆溶液中之前通过加热至20℃或更高(优选40℃或更高)而将它们活化。在基底包含颗粒群的实施方案中，该方法可包括在镀覆溶液基本上完全耗尽铜离子之后过滤该镀覆溶液以便从该镀覆溶液中回收基底颗粒。镀覆溶液可以包含铜盐(例如铜(II)盐)作为铜源。镀覆溶液可以包括，例如下列中的一种或多种作为螯合剂：罗谢尔盐、EDTA和N,N,N',N'-四(2-羟基丙基)乙二胺。镀覆溶液可以包括，例如甲醛或次磷酸钠作为还原剂。在一类示例性实施方案中，该镀覆溶液包含铜(II)盐、罗谢尔盐和甲醛并且具有碱性pH。正如所述，所得纳米颗粒可以包含铜或铜化合物(例如铜氧化物)。在一类实施方案中，纳米颗粒包含单质铜(Cu)、氧本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于制备纳米结构体的方法，所述方法包括：提供具有布置于其上的催化剂颗粒的多孔基底，该催化剂颗粒包含铜、铜化合物和/或铜合金；和由所述催化剂颗粒生长纳米结构体。

【技术特征摘要】
2011.07.26 US 61/511,8261.一种用于制备纳米结构体的方法，所述方法包括：提供具有布置于其上的催化剂颗粒的多孔基底，该催化剂颗粒包含铜、铜化合物和/或铜合金；和由所述催化剂颗粒生长纳米结构体。2.权利要求1的方法，其中所述纳米结构体包括纳米线。3.权利要求1的方法，其中所述纳米结构体包含硅。4.权利要求3的方法，其中所述纳米结构体包含单晶硅、多晶硅、无定形硅、或它们...

【专利技术属性】
技术研发人员：曹万庆，V·罗宾斯，
申请(专利权)人：一D材料有限责任公司，
类型：发明
国别省市：美国,US