专利名称：使用碳纳米结构材料的高效能量转换和存储系统的制作方法
技术领域：
本公开涉及能量转换和存储系统。尤其是，本公开涉及使用复合碳纳米结构材料作为功能成分的能量转换和存储系统。
背景技术：
对便携式电子设备的不断增加的需要推动着用于这些设备中的能量转换和存储单元的技术进步。在发展能量转换和存储单元，例如电池时，轻型结构、长寿命、高能量密度、高功率密度和满足各种设计和能量需要的灵活性是考虑的重要因素。能量密度和功率密度是贮能器件的两个不同方面。能量密度通过移动设备可以运作(例如打电话和上载资料)多久，以及它可以待机多久来测定。在例如照相机、硬盘驱动器、高分辨率显示器等设备上的电源要求应用中，提供电流快速突发时需要高功率密度。适用于便携式电子设备的能量转换和存储单元的例子包括锂离子电池、锂金属电池和超级电容器。锂离子电池目前是用于便携式电子设备的最常用的固态电池类型，具有最好的能量-重量比之一、无记忆效应和长的保存寿命。锂离子电池的三个基本功能组件是阳极、阴极和电解质，可使用多种材料。市场上用于阳极的最常用材料是石墨。可通过插入锂化合物例如锂钴氧化物、磷酸铁锂、锂锰氧化物等来制造阴极。锂金属电池或锂金属聚合物电池是由锂离子电池演化而来的可再充电电池。 锂-金属电池结构包含锂金属阳极、聚合物复合电解质和阴极。可以通过将这些材料的薄膜叠置在一起来制造锂金属电池。得到的器件结构是挠性、坚韧和耐用的。锂金属聚合物结构优于传统的锂离子设计之处包括低的制造成本和更耐物理损坏。超级电容器类似于常规电容器，除了它以小封装提供极高电容。有两种类型的超级电容器，电化学双层电容器和伪电容器(peuseodocapacitor)。在电双层电容器(EDLC) 中，能量储存通过静电荷而不是电池内在的电化学过程实现。将电压差施加在正负极板上为超级电容器充电。而常规电容器由导电箔和干式分离件组成，超级电容器通过使用类似于锂离子或锂金属电池的电极和电解质应用于电池技术。因此，很有兴趣将电池和超级电容器组合在一个单元中以实现高能量密度和功率密度。结合电池和电容器的贮能单元已被建议并应用在电子设备中，但是没有开发组合的电池-超级电容器单元，以填充如图1所示的Ragone图(功率密度对能量密度)中的区域1。落入该区域的器件从应用角度而言是非常合意的，因为它同时提供非常高的能量密度和非常高的功率密度。理想地，组合的电池/超级电容器应具有超级电容器的功率和电池的存储容量。如同电容器，它可以迅速充电然后放电以递送功率。如同电池，它可以长时间段内存储并递送电荷。最近，纳米结构材料正用作可再充电电池的阴极或阳极，以提高电池容量和耐用性。纳米结构的碳，例如碳纳米管(CNT)、碳纳米线(CNW)、碳纳米角(CNH)和碳纳米葱(CNO) 正预期用于替代石墨。CNT是碳的高度结晶的管状结构。一个单壁纳米管(SWNT)的直径为约几个纳米，且高达一百微米长，通常垂直生长的多壁纳米管(MWNT)的直径较大，且等长或更长。数百万碳纳米管可共同形成实际有用的宏观材料簇。CNT可由光滑基质生长，以形成致密组装的、垂直对准的CNT叠层(形态上类似于地毯上的一叠纤维)。CNH和CNO是碳的高度结晶的纳米微粒结构。单壁碳纳米角(SWCNH)由大约二到三纳米长的锥状中空碳(石墨)微晶构造而成。它们聚集形成大丽花或芽状纳米微粒结构， 直径为50到100纳米，其形状为球状或类球状，表面上具有纳米锥(参见图2、。CNO是球状微晶(富勒烯)，其中一个碳球包绕另一个碳球。在能量转换和存储器件中使用CNH和CNO的优点不仅在于极大的表面积，而且在于气体和液体容易透过，这是因为通过浸没放电过程在晶体表面结构自然产生表面缺陷、 开口和窗口。CNH也特别适用于表面吸附过程，因为由表面上六边形-五边形分布导致的遍及锥结构的非均勻直径代替了石墨或纯CNT上的纯石墨单原子层的均勻六边形结构。CNH 锥体形成特定锥角，末端是富勒烯半球尖端。该角在纯锥结构的19、39、60、84和113度限定，锥角越宽，纳米锥越短。可通过激光烧蚀处理或埋弧放电处理制造CNH。后面一种处理更有希望用于成本大大减少的批量生产。本公开中，我们描述了复合碳纳米结构，其包括CNH(或CN0)粒子层，其位于生长在挠性金属基质上的高度组装且垂直对准的CNT结构层上。由此获得的所述复合CNT/ CNH (CNO)纳米结构可以直接用于可再充电电池和超级电容器中的电极。该处理适于纳米结构碳材料的批量生产和含有所述纳米结构碳材料的上述能量转换和存储单元的批量生产。
发明内容
在本发明的第一方面中提供一种器件。该器件包含第一导电材料片；设置在第一导电材料片上的物质片，该物质能传导其中的自由离子；和设置在该物质片上的相同或不同的第二导电材料片。第一片和第二片中的至少一个片包含金属箔层、直接生长在所述金属箔层上的碳纳米管层和设置在碳纳米管层上的碳纳米粒子层。所述碳纳米粒子层设置为面对所述物质片。在该器件中，所述第一片、所述物质片和所述第二片可以形成多层叠层，且该器件还可以包含分别设置在多层叠层的外表面的第一绝缘片和第二绝缘片。该器件的宽度和长度可以比厚度大得多。它被卷起或折叠然后密封形成贮能单兀。所述贮能单元可以是可再充电电池、电容器，或可以起电池-电容器混合体的作用，且第一导电片和第二导电片配置成与外部能量源或漏接合。所述金属箔可以是以下之一铝、铜、铁和铝、铜或铁的合金。所述金属箔的厚度可以是5微米到100微米。所述碳纳米管层可以通过包括以下步骤的处理方法直接生长在金属箔上通过低温蒸发催化剂而将所述催化剂涂在金属箔表面上；在第一温度下，在氨气中退火涂有催化剂的金属箔；和在第二温度下，在烃类气体氛围中使碳纳米管直接生长在涂有催化剂的金属箔表面上。所述第一温度低于所述第二温度，且所述第二温度不高于550°C。在所述器件中，该物质片可以包含微孔塑料膜片和设置在塑料膜表面上的电解质。所述微孔塑料膜可以是由聚乙烯(PE)-聚丙烯(PP)制成的膜。所述电解质可以是锂盐和以下聚合物之一的复合物碳酸乙烯酯(EC)、碳酸二乙烯酯(DC)和碳酸丙烯酯(PC)。 或者，所述电解质可以是室温离子液体电解质。所述室温离子液体电解质可以包含ι-丁基-3-甲基氯化咪唑([BMIM] [Cl])、1-25%的纤维素和锂盐。所述碳纳米管层中的碳纳米管至少部分沿一个方向对准。所述方向可以是至少几乎垂直于所述金属箔表面。所述碳纳米粒子通常是碳纳米角或碳纳米葱，但是除了碳纳米角或碳纳米葱之外，由埋弧放电过程得到的任何其他碳纳米粒子或微米粒子(如同纳米土豆(NP))也可使用。在本发明的第二方面中，提供用于在挠性金属箔上形成碳纳米结构层的处理方法。所述处理方法包括通过低温蒸发催化剂而将所述催化剂涂在金属箔表面上；在第一温度下，在氨气下退火涂有催化剂的金属箔；和在第二温度下，在烃类气体氛围下使碳纳米管直接生长在涂有催化剂的金属箔表面上。所述第一温度低于所述第二温度，且所述第二温度不高于550°C。所述处理方法还包括将碳纳米粒子层设置在碳纳米管表面上。所述碳纳米粒子可以是碳纳米角、碳纳米葱或两种或更多种碳纳米粒子的组合。所述金属箔可以是以下之一铝、铜、铁和铝、铜或铁的合金。所述金属箔的厚度可以是5微米到100微米。所述催化剂可以包含以下之一铁、镍和钴。所述催化剂的粒子尺寸可以不超过 50纳米。所述碳纳米管的长度可以生长至10微米到100微米。生长在所述金属箔上的所述碳纳米管至少部分沿一个方向对准，所述方向可以至少几乎垂直于所述金属箔表面。该处理方法至少部分地在化学气相沉积系统中进行。本发明的第三方面提供一种方法。所述方法包括提供第一导电材料片；在所述第一导电材料片上设置物质片，该物质能传导其中的自由离子；和在所述物质片上设置相同或不同的第二导电材料片。第一片和第二片中的至少一个片包含金属箔层、直接生长在所述金属箔层上的碳纳米管层和设置在碳纳米管层上的碳纳米粒子层。所述碳纳米粒子层设置为面对该物质片。在该方法中，所述第一片、所述物质片和所述第二片可以形成多层叠层，且该方法还可以包含将第一绝缘片和第二绝缘片分别设置在多层叠层的外表面。所述多层叠层的宽度和长度可以比厚度大得多，所述方法还包括卷起或折叠所述多层叠层；以及密封该卷起或折叠的多层叠层以形成贮能单元。所述贮能单元可以是可再充电电池或电容器，或可以起电池-电容器混合体的作用，且所述方法还包括将第一导电片和第二导电片与外部能量源或漏连接。所述碳纳米管层可以通过包括以下步骤的处理方法直接生长在金属箔上通过低温蒸发催化剂而将所述催化剂涂在金属箔表面上；在第一温度下，在氨气下退火涂有催化剂的金属箔；和在第二温度下，在烃类气体氛围下使碳纳米管直接生长在涂有催化剂的金属箔表面上。所述第一温度低于所述第二温度，且所述第二温度不高于550°C。所述方法还包括将碳纳米粒子层设置在碳纳米管表面上。所述碳纳米粒子可以是碳纳米角、碳纳米葱或两种或更多种碳纳米粒子的组合。用于生长碳纳米管层的处理方法至少部分地在化学气相沉积系统中进行。
通过考虑结合附图所呈现的后续详细说明，本发明的特征和优点将变得清晰，其中图1是Ragone图，显示现有技术中的能量转换和存储系统；图2是CNH粒子的示意图；图3a是生长在挠性金属箔基质上的对准的CNT层的示意图；图北是沉积在对准的碳纳米管上的碳纳米粒子层的示意图；图4是薄膜贮能器件结构的示意图；图fe和恥说明锂离子电池的充电和放电机制，其中阳极包含复合CNT/CNH(CN0) 纳米结构；图6是锂金属电池的示意图，其中阴极包含复合CNT/CNH(CNO)纳米结构；图7是电化学双层电容器(EDLC)的示意图，其中一个或两个电极包含复合CNT/ CNH(CNO)纳米结构；图8是通过卷起多层薄膜叠层生成的薄膜锂金属/锂离子电池芯的例子；和图9是由CNT电荷收集器、CNT/CNH电荷收集器产生的EDLC的循环伏安数据与由石墨电荷收集器产生的循环伏安数据的比较。
具体实施例方式对准的多壁纳米管(MWNT)可以生长在不同的电荷收集电极上，例如石墨、铝 (Al)、铜(Cu)、钢和半导体如硅(Si)。图3a用示意图显示一片基质20上的致密组装的、垂直对准的碳纳米管10。为了获得最大表面积，理想地，CNT片应该使CNT致密组装(一根纳米管与接下来的另一根纳米管之间的间隔与Li离子的大小几乎相同)并且垂直或几乎垂直对准于基质表面。通过在挠性导电基质上直接生长CNT，本申请中，CNT不必从基质除去， 且所述基质可以直接用于这样的贮能器件，其中其组件必须被折叠或卷起以使该器件的总体积最小化。这不仅简化了制造程序，而且使其更具成本效益。CNT在基质上的生长优选通过低温等离子体增强的化学气相沉积(PECVD)法进行。该沉积处理利用金属催化剂的纳米粒子与烃类气体起反应。在该沉积过程中，催化剂分解烃类气体生成碳和氢。碳溶解成粒子并从其周围以碳纳米管沉淀。因此，催化剂作为碳纳米管由此形成的“模板”，并且通过控制催化剂粒子尺寸和反应时间，可以分别调整纳米管的适合直径和长度。与固体碳纳米线相反，当催化剂粒子为约50nm或更小时，CNT趋于形成。通常，CVD生长温度高于700°C，这阻止了许多基质的利用。本发明中，对准的碳纳米管在不高于550°C的温度下直接生长在薄且挠性的金属箔上。金属箔切割到合适尺寸，并依次在超声浴中由丙酮和异丙醇清洗，各清洗5分钟，然后用去离子水冲洗并在氮气流中干燥。所述金属箔可由多种金属或合金制成，例如Al、Cu 或不锈钢，优选Al或Cu。常用的金属箔可以由本领域已知的多种方法制造，因此通常这些箔是商业可得的。金属箔的厚度可以为5到100 μ m，只要它具有足够的机械强度和所需挠性。金属箔中的杂质应该足够低，以便它们不抑制CNT生长和不污染生长设备。在CNT生长前，催化剂层沉积在基质表面上。适当的催化剂包括铁(Fe)、镍(Ni) 和钴(Co)。在化学气相沉积(CVD)系统的石英真空室中进行CNT生长。商业可得的CVD 系统的一个例子是Aixtron纳米设备(Nanoinstruments)等离子体增强的化学气相沉积系统。将一种或多种涂有催化剂的基质置于石英室的耐热石墨载物台上。由连接在石墨载物台表面的热电偶控制生长温度。在氨气(NH3)氛围中将金属箔基质加热到450°C并在450°C 退火预定时间段。退火后，石墨载物台的温度升高到520°C (对于Al箔)或升高到540°C (对于Cu 箔)，且供应乙炔(C2H2)作为碳原料，用于CNT生长。CNT生长到所需长度后，基质冷却至室温。在生长结束时供给氮气(N2)。观察到15分钟的生长时间可以在Al箔上生成30μπι到 40 μ m长的CNT，而在Cu箔上生成70 μ m-80 μ m长的CNT。复合“挠性CNT层上的碳纳米粒子”结构是通过利用生长的CNT纳米结构作为工作台而构建的。这导致电极表面积的显著增加。碳纳米粒子，例如CNH、CNO和两种或多种纳米粒子的组合，可使用两种已知方法制造(1)在惰性气体氛围室中的石墨棒的激光烧蚀； 或(2)埋弧放电法，其中将高压引入靠近液体中的石墨棒的金属棒。在本申请中，使用在水 /氮气天然室中的电弧放电法制造CNH/CN0纳米粒子，但是也可以使用其他方法。对于CN0，所使用的典型液体是去离子水，对于CNH，所使用的典型液体是液氮。 CNH通过埋弧法在液氮中制造并分散在水中。埋弧法仅需要直流(DC)电源、碳电极和液氮。 与用于产生碳纳米结构例如富勒烯和纳米管的常规技术相比，该方法非常简单和经济。以成本效益方式制造大量SWNH的能力是其用于需要大量(公斤)的纳米粒子的能量储存应用的重要因素。简言之，在浸没在不锈钢杜瓦瓶中的2000cm3的液氮中的两个石墨电极之间产生直流电弧放电。通过使纯度为99. 99%的石墨阳极(直径为3mm)和相似纯度的石墨阴极 (尖端直径12mm)接触，在液氮中启动电弧放电。电弧电压和电流通常分别是34V和50A， 但为实现最佳产率，其可以调节。通过在实验期间连续转化阳极使电极之间的间隔保持恒定为约1mm，以保持稳定放电。液氮中的电弧放电是湍流的，在放电区域附近观察到浓密的黑烟。液氮蒸发率为约200cm7min，阳极消耗率为约375.;3mg/min。与水中放电相反，来自液氮中的电弧放电的产物唯一地沉积在绝缘杜瓦瓶的底部。所得产物包括MWNT、无定形碳和SWNH聚集体。CNH的平均直径为20nm到lOOnm。如图3b所示，CNH或CNO可以通过不同方式(例如滴铸(drop casting)、升华和旋涂等)设置在生长在金属箔基质20上的CNT层10的表面上，使得CNT阵列顶表面完全被碳纳米粒子30覆盖。因此，通过碳纳米管(CNT)和碳纳米角(CNH)和/或碳纳米葱(CNO) 生成大的表面积。碳纳米粒子覆盖的CNT表面积是没有纳米粒子的表面积的3-4倍(现有技术状态CNT电极300-400m2/g而CNH增强的CNT电极1500m2/g)。现在参考图4，多层贮能器件100的基本结构包含第一导电材料片110，设置在第一导电材料片110上的自由离子导电电解质片120，以及设置在电解质片120上的相同或不同的第二导电材料片130。该第一片110、电解质片120和第二片130形成基本的多层叠层。该第一和第二导电片110和130用作电极(阳极和阴极)。该电解质片120可具有不同的结构。一个例子是其包含分离件层126。所述分离件126可以是微孔的塑料薄片，例如聚合物基膜，例如25μπι厚的聚乙烯(PE)-聚丙烯(PP) (商品名CELGARD)，或任何适当的材料例如纸张。如名字所暗示，所述分离件是离子导体、 但是是电绝缘体，其分离第一和第二导电片，而允许自由离子穿过。分离件126还可以填充有电解质或在其上施加电解质(示出了位于分离件层1 两个表面的电解质层122和 124)。电解质是包含作为电学上的导电介质的自由离子的任何物质。除了常用的有机电解质例如碳酸乙烯酯(EC)、碳酸二乙烯酯(DC)和碳酸丙烯酯(PC)，室温离子液体(RTIL)电解质，例如，构成1-25%的纤维素和锂盐的1-丁基-3-甲基氯化咪唑([BMIM] [Cl])可优选作为凝胶电解质，用于制造完全固态的可再充电电池。RTIL凝胶是不可燃、挠性和环境安全的。第一导电片110和/或第二导电片130还可以包含金属箔基底层(作为电荷收集器)和电荷储存或电荷供给层。所述电荷储存层可以由图北所示的CNT/CNH(CN0)纳米结构组成。所述CNT层可以生长在如图3a所示的金属箔基底层上，或其可由其他方法形成。 取决于器件种类，电荷供给层可以由化合物，例如锂金属氧化物、锂金属或碳纳米结构材料组成。在该器件结构中，电荷储存层和电荷供给层面对电解质层120。该器件结构100还包含设置在多层叠层的外表面上的第一绝缘层140和第二绝缘层150。下面是根据本发明各种类型贮能器件的摘要描述。1、锂离子电池结构图fe和图恥分别显示根据本发明的锂离子电池200的充电和放电机制。在电池 200内，阳极210 (负极)由包括直接生长在金属箔基质214上的CNT层212和设置在CNT 层212上的碳纳米粒子(CNH、CNO或其他类型的碳纳米粒子)层213的复合碳纳米结构组成，阴极220(正极)由锂金属氧化物层222和金属箔电荷收集器层2M组成。锂金属氧化物的例子包括锂钴氧化物(LiCoO2)、锂锰氧化物(LiMnO4)和锂镍氧化物(LiNiO2)15更先进的阴极可由LiFePO4制造。当电池充电时，即电子提供给阳极时，带正电荷的锂离子从阴极 220迁移并插入碳纳米结构层212/213 (图fe)。当电池放电时，正的锂离子从阳极210移回以取代阴极220中失去的电荷(图恥)。在任一方向，锂离子通过由分离件层236和电解质层232和234组成的电解质/分离件230扩散。2、锂金属电池结构图6显示根据本发明的可再充电的锂金属电池300的结构。在电池300内，阴极 310由复合碳纳米结构形成，该复合碳纳米结构包括直接生长在金属箔基质314上的CNT层 312和设置在CNT层312上的碳纳米粒子(CNH或CN0)层313，阳极320由锂金属层322和金属箔电荷收集器层3M组成。当电池充电或放电时，锂离子通过电解质/分离件330扩散。3、超级电容器结构和组合电池-电容器混合体如常规电容器，超级电容器使用传导板表面用于电荷储存。表面积越大，通常电荷存储容量越大。因此，高表面积碳纳米结构本来就适用于超级电容器。事实上，如用于锂金属/锂离子电池的许多相同材料可用于超级电容器。
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图7示意地显示根据本发明的典型的EDLC电容器结构400。该结构包含由分离件 /电解质430隔开的电荷板410和420。电荷板410和420的一个或两个由碳纳米结构形成，其包括生长在挠性金属箔上的CNT层和设置在CNT层上的碳纳米粒子(CNH或CN0)层， 该碳纳米粒子(CNH或CN0)层用于提供极高表面积。图8显示图3的多层贮能结构的具体例子，其中，根据本发明，至少一层是金属箔上的复合碳纳米结构层。结构500包含第一绝缘体层510、金属箔电荷收集器520、Li金属箔或锂金属氧化物层530、与上述固态锂电解质540—体化的分离件层、金属箔层550 (其具有直接生长在其上的CNT结构以及设置在CNT上的CNH或CN0)，其中纳米粒子层面对电解质、以及第二绝缘体层560。实用的贮能单元通过折叠或卷成叠置片制成，该叠层的宽度和长度比厚度大得多。对于所显示的例子，多层叠层500卷成圆柱形。然后密封该卷。优选地，制造过程在惰性气体环境也就是无氧(例如氧含量不超过5ppm)环境下进行。图9是由电荷收集板⑴石墨，(2)生长在挠性Al箔上的CNTjP (3) CNT层上的 CNH制成的EDLC电容器的典型循环伏安数据。该数据显示由CNT/CNH层制成的超级电容器可以实现比仅由CNT层制成的超级电容器大得多的放电电流密度。这清楚表明将CNH沉积在CNT顶上后，充电电流明显增加。总之，本发明提供用于在挠性金属基质上生长CNT结构并制造用于能量转换和存储器件的复合碳纳米结构的处理方法。具有CNT结构的金属基质可以直接用于制造适于便携式电子设备的能量转换和存储单元。由于极大的表面积，金属箔上的CNT/CNH(CNO)纳米结构在传统的石墨电极中非常有利。本申请也可以延伸至使用相同电极结构的光电器件和燃料电池。另外，也可以制造其他类型的碳纳米结构材料。该处理还可实现用于工业化批量生产的纳米结构电极的卷对卷制造。将理解，上述设置仅仅是此处教导的原则的说明性应用。特别是，将理解虽然只显示少数实施例，此处教导不局限于那些实施例。在不离开本发明范围的情况下，本领域技术人员可以设计许多修改和备选设置。
权利要求
1.一种器件，包含第一导电材料片；设置在所述第一导电材料片上的物质片，所述物质能传导其中的自由离子；和设置在所述物质片上的相同或不同的第二导电材料片，其中所述第一片和第二片中的至少一个片包含金属箔层、直接生长在所述金属箔层上的碳纳米管层和设置在所述碳纳米管层上的碳纳米粒子层，且其中所述碳纳米粒子层设置为面对所述物质片。
2.根据权利要求1所述的器件，其中所述第一片、所述物质片和所述第二片形成多层叠层，且该器件还包含分别设置在所述多层叠层的外表面的第一绝缘片和第二绝缘片。
3.根据权利要求1或2所述的器件，其中所述器件的宽度和长度比厚度大得多，所述器件被卷起或折叠然后密封形成贮能单元。
4.根据权利要求3所述的器件，其中所述贮能单元是可再充电电池、电容器，或混合电池-电容器，且所述第一导电片和所述第二导电片配置成与外部能量源或漏接合。
5.根据前述任一权利要求所述的器件，其中所述金属箔是以下之一铝、铜、铁和铝、 铜或铁的合金。
6.根据前述任一权利要求所述的器件，其中所述金属箔的厚度为5微米到100微米。
7.根据前述任一权利要求所述的器件，其中所述碳纳米管层通过包括以下步骤的处理方法直接生长在金属箔上通过低温蒸发催化剂而将所述催化剂涂在所述金属箔表面上；在第一温度下，在氨气中退火涂有催化剂的金属箔；和在第二温度下，在烃类气体氛围中使碳纳米管直接生长在涂有催化剂的金属箔表面上，其中所述第一温度低于所述第二温度，且所述第二温度不高于550°C。
8.根据前述任一权利要求所述的器件，其中所述物质片包含微孔塑料膜片和设置在所述塑料膜表面上的电解质。
9.根据权利要求8所述的器件，其中所述微孔塑料膜是由聚乙烯(PE)-聚丙烯(PP)制成的膜。
10.根据权利要求8或9所述的器件，其中所述电解质是锂盐和以下聚合物之一的复合物碳酸乙烯酯(EC)、碳酸二乙烯酯(DC)和碳酸丙烯酯(PC)。
11.根据权利要求8或9所述的器件，其中所述电解质是室温离子液体电解质。
12.根据权利要求11所述的器件，其中所述室温离子液体电解质包含1-丁基-3-甲基氯化咪唑([BMIM] [Cl])、1-25%的纤维素和锂盐。
13.根据前述任一权利要求所述的器件，其中所述碳纳米管层中的碳纳米管至少部分沿一个方向对准，所述方向至少几乎垂直于所述金属箔表面。
14.根据前述任一权利要求所述的器件，其中所述碳纳米粒子是碳纳米角、碳纳米葱或两种或多种碳纳米粒子的组合。
15.一种用于在挠性金属箔上形成碳纳米结构层的处理方法，包括通过低温蒸发催化剂而将所述催化剂涂在金属箔表面上；在第一温度下，在氨气中退火涂有催化剂的金属箔；和在第二温度下，在烃类气体氛围中使碳纳米管直接生长在涂有催化剂的金属箔表面上，其中所述第一温度低于所述第二温度，且所述第二温度不高于550°C。
16.根据权利要求15所述的处理方法，还包括将碳纳米粒子层设置在碳纳米管表面上。
17.根据权利要求16所述的处理方法，其中所述碳纳米粒子是碳纳米角、碳纳米葱或两种或多种碳纳米粒子的组合。
18.根据权利要求15至17中任意一项所述的处理方法，其中所述金属箔是以下之一 铝、铜、铁和铝、铜或铁的合金。
19.根据权利要求15至18中任意一项所述的处理方法，其中所述金属箔的厚度是5微米到100微米。
20.根据权利要求15至19中任意一项所述的处理方法，其中所述催化剂包含以下之一铁、镍和钴。
21.根据权利要求15至20中任意一项所述的处理方法，其中所述催化剂的粒子尺寸不超过50纳米。
22.根据权利要求15至21中任意一项所述的处理方法，其中所述碳纳米管的长度生长至10微米到100微米。
23.根据权利要求15至22中任意一项所述的处理方法，其中生长在所述金属箔上的所述碳纳米管至少部分沿一个方向对准，所述方向至少几乎垂直于所述金属箔表面。
24.根据权利要求15至23中任意一项所述的处理方法，其中该方法至少部分地在化学气相沉积系统中进行。
25.一种方法，包括提供第一导电材料片；在所述第一导电材料片上设置物质片，所述物质能传导其中的自由离子；和在所述物质片上设置相同或不同的第二导电材料片，其中第一片和第二片中的至少一个片包含金属箔层、直接生长在所述金属箔层上的碳纳米管层和设置在所述碳纳米管层上的碳纳米粒子层，且其中所述碳纳米粒子层设置为面对所述物质片。
26.根据权利要求25所述的方法，其中所述第一片、所述物质片和所述第二片形成多层叠层，且该方法还包含将第一绝缘片和第二绝缘片分别设置在所述多层叠层的外表面。
27.根据权利要求25或沈所述的方法，其中所述多层叠层的宽度和长度比厚度大得多，且所述方法还包括卷起或折叠所述多层叠层；和密封该卷起或折叠的多层叠层以形成贮能单元。
28.根据权利要求27所述的方法，其中所述贮能单元是可再充电电池、电容器或混合电池-电容器，且其中所述第一导电片和所述第二导电片与外部能量源或漏可连接。
29.根据权利要求25至观中任意一项所述的方法，其中所述碳纳米管层通过包括以下步骤的处理方法直接生长在金属箔层上通过低温蒸发催化剂而将所述催化剂涂在金属箔表面上； 在第一温度下，在氨气中退火涂有催化剂的金属箔；和在第二温度下，在烃类气体氛围中使碳纳米管直接生长在涂有催化剂的金属箔表面上，其中所述第一温度低于所述第二温度，且所述第二温度不高于550°C。
30.根据权利要求四所述的方法，其中所述处理方法还包括 将碳纳米粒子层设置在碳纳米管表面上。
31.根据权利要求30所述的方法，其中所述碳纳米粒子是碳纳米角、碳纳米葱或两种或多种碳纳米粒子的组合。
32.根据权利要求四所述的方法，其中用于生长碳纳米管层的处理方法在化学气相沉积系统中进行。
全文摘要
贮能器件结构包含第一电极层、电解质层和第二电极层。电极层中的至少一个层包含金属基底层、生长在基底层上的碳纳米管层和设置在碳纳米管层上的碳纳米粒子层，所述碳纳米粒子层设置成面对电解质层。该结构的宽度和长度比厚度大得多，因此它被卷起或折叠然后密封以形成贮能元件。所述碳纳米管层在不高于550℃的温度下通过化学气相沉积处理生长在金属基底层上。所述碳纳米管层中的碳纳米管至少部分地沿垂直于金属基底层表面的方向对准。
文档编号H01M4/66GK102282706SQ201080004525
公开日2011年12月14日 申请日期2010年1月8日 优先权日2009年1月13日
发明者G·阿马拉图恩加, H·E·宇纳兰, M·A·K·鲁瓦拉, 王浩兰, 魏迪 申请人:诺基亚公司