多孔电极结构的制作方法

多孔电极结构的制作方法
【专利摘要】一种装置包括具有一个或多个孔的开放互连壁结构，所述开放互连壁结构包括第一电极材料，所述孔包括电解质和第二电极材料，其中在所述孔内的所述第一电极材料上支撑所述电解质和第二电极材料，使得通过所述电解质使所述第一电极材料与所述第二电极材料分离，以使得使用所述装置能够产生和/或储存电能。
【专利说明】多孔电极结构

【技术领域】
[0001] 本公开涉及蓄电池、相关联的方法和装置，以及特别地关注高表面面积电极，在该 高表面面积电极上沉积电解质和第二电极以形成具有紧凑结构和增强的储存密度和容量 的蓄电池（电池、电容器或电池-电容器混合体）。该蓄电池可以形成电子设备的一部分， 特别地，所谓的可以手持使用的手持型便携式电子设备（尽管在使用中它们可以被放置在 底座上）。此类手持型便携式电子设备包含：移动电话以及所谓的个人数字助理（PDA)。
[0002] 便携式电子设备可以提供一个或多个音频/文本/视频通信功能（例如，电信，视 频通信，和/或文本传输，短消息服务（SMS)/多媒体消息服务（MMS)/电子邮件传送功能， 交互式/非交互式浏览功能（例如，网络浏览、导航、TV/节目浏览功能），音乐记录/播放 功能（例如，MP3或其它格式和/或（FM/AM)无线电广播记录/播放），数据下载/发送功 能，图像捕获功能（例如，使用（例如，内建的）数字相机），以及游戏功能。

【背景技术】
[0003]能量储存密度和容量是任何电储存装置的重要参数。随着便携式电子设备变得越 来越耗电，更大的需求被强加在向这些设备供电的电池和电容器的储存密度和容量上。各 种高表面面积的材料已经被考虑用于形成下一代的蓄电池的电极。示例包含：活性炭、碳纳 米管以及金属/半导体纳米线。高表面面积材料通过提高与电解质接触的电极面积来增加 电储存密度/容量，从而促进电能的产生和/或储存。然而，与此类材料相关联的一个问题 是它们的微粒形态，其降低了电极的结构完整性以及要求使用另外的粘合剂。此类粘合剂 提高了制造工艺的成本和复杂度，以及还可能提高电极的电阻。本文中公开的装置和方法 可能解决或可能不解决这个问题。
[0004]在本说明书中列出或讨论的现有公开的文档或任何背景不应当必定地被认为是 承认该文档或背景是现有技术的一部分或是公知常识。本公开的一个或多个方面/实施例 可能解决或可能不解决背景问题中的一个或多个背景问题。


【发明内容】

[0005]根据第一方面，提供了一种装置，所述装置包括具有一个或多个孔的开放互连壁 结构，所述开放互连壁结构包括第一电极材料，所述孔包括电解质和第二电极材料，其中在 所述孔内的所述第一电极材料上支撑所述电解质和第二电极材料，使得通过所述电解质使 所述第一电极材料与所述第二电极材料分离，以使得使用所述装置能够产生和/或储存电 能。
[0006]关于开放互连壁结构中的词语"开放"的意思可以指在外部上的所述孔中的一个 或多个孔允许访问所述结构的内部表面面积。关于所述开放互连壁结构中的词语"互连"的 意思可以指所述结构的壁中的至少一些壁物理上彼此接触（即，它们形成连续的结构）。
[0007]所述电解质可以形成所述开放互连壁结构上的覆盖层。所述第二电极材料可以充 分地填充所述孔的剩余体积。所述电解质可以是固体电解质或胶状电解质（例如，电解质 包括锂磷氧氮化物，聚（环氧乙烷）的衍生物，硼酸酯基，和二氧化钛）中的一个或多个）。
[0008] 所述第一电极材料和第二电极材料每个可以包括活性材料。所述第一电极材料和 /或所述第二电极材料可以包括电荷收集材料。所述活性材料可以与所述电荷收集材料在 物理上接触。
[0009] 词语"活性材料"的意思可以指参与所述装置的充电/放电机制的电极材料。在电 池中，例如，所述活性材料可以是参加电化学反应或嵌入机制的电极材料。在另一个方面， 在超级电容器中，所述活性材料可以是参加双电层的形成的电极材料。
[0010] 所述电荷收集材料可以包括金属和半导体中的一个或多个。所述金属可以包括以 下中的一个或多个：金、银、镍和铜。
[0011] 所述第一电极材料可以形成所述开放互连壁结构。所述开放互连壁结构可以包括 基质，在该基质上支撑所述第一电极材料。
[0012] 所述开放互连壁结构可以具有螺旋二十四面体（gyroid)结构。可以通过以下用 三角学的方法来近似所述螺旋二十四面体结构：
[0013] cosx·siny+cosy·sinz+cosz·sinx= 0 方程式I
[0014] (其中x，y和z是三个空间方向）
[0015] 所述孔中的一些或全部孔可以互相连接。所述孔中的一些或全部孔可以形成所述 开放互连壁结构内的通过通道。所述孔中的一些或全部孔可以形成所述开放互连壁结构内 的盲通道。可以周期性地排列所述孔中的一些或全部孔。所述孔中的一些或全部孔可以 具有小于2nm的直径（S卩，微孔）。所述孔中的一些或全部孔可以具有在2nm和50nm之间 (包含2nm和50nm)的直径（S卩，中孔）。所述孔中的一些或全部孔可以具有大于50nm的 直径（即，大孔）。
[0016] 在一个孔内的第一电极材料、电解质和/或第二电极材料可以与在另一个孔内的 第一电极材料、电解质和/或第二电极材料不同。
[0017] 所述装置可以包括：彼此电连接的多个所述开放互连壁结构。一个开放互连壁结 构的第一电极材料、电解质和/或第二电极材料可以与另一个开放互连壁结构的第一电极 材料、电解质和/或第二电极材料不同。
[0018] 表述"产生电能"的意思可以指涵盖与电池和电池-电容器混合体相关联的氧化 还原反应和嵌入机制，尽管表述"储存电能"的意思可以指涵盖与电容器和电池-电容器混 合体相关联的电荷分离。
[0019] 所述装置可以是电储存装置。所述装置可以是以下中的一个或多个：电池（一次 电池或二次电池）、电容器（静电式、电解质式或超级电容器）以及电池-电容器的混合体。 所述电池可以是以下中的一个或多个：锂硫电池，锂-空气电池。
[0020] 根据另一个方面，提供了一种设备，所述设备包括本文中描述的任何装置。所述设 备可以是电子设备、便携式电子设备、便携式电信设备以及用于上述设备中的任何设备的 模块。
[0021] 所述设备可以包括：太阳能电池，其被配置为将照射在该太阳能电池上的来自电 磁辐射的能量转换成电能。所述装置可以被配置为储存所述电能。所述太阳能电池可以形 成所述装置的外部表面上的覆盖层。
[0022] 根据另一个方面，提供了一种制作装置的方法，所述方法包括：将电解质和第二电 极材料沉积在包括第一电极材料的开放互连壁结构的一个或多个孔中，所述孔包括所述电 解质和所述第二电极材料，其中在所述孔内的所述第一电极材料上支撑所述电解质和所述 第二电极材料，使得通过所述电解质使所述第一电极材料与所述第二电极材料分离，以使 得使用所述装置能够产生和/或储存电能。
[0023] 所述方法可以包括：在沉积所述电解质和第二电极材料之前，形成所述开放互连 壁结构。
[0024] 形成所述开放互连壁结构可以包括：将所述第一电极材料沉积在晶格的多个微粒 之间的以及由该晶格的多个微粒限定的互连空间中以创建包括所述第一电极材料的互连 壁结构；以及移除所述微粒以创建所述互连壁结构中的一个或多个孔以创建包括所述第一 电极材料的开放互连壁结构。形成所述开放互连壁结构还可以包括：在移除所述微粒之前 蚀刻所述第一电极材料（例如，以允许访问所述微粒）。形成所述开放互连壁结构还可以包 括：在移除所述微粒之后蚀刻所述第一电极材料（例如，以增加所述开放互连壁结构的表 面面积）。
[0025] 形成所述开放互连壁结构可以包括：使用所述第一电极材料来覆盖晶格的多个微 粒、嵌段共聚物、海绵或基础基质的表面，所述晶格、所述嵌段共聚物、所述海绵或所述基础 基质具有包括一个或多个孔的开放互连壁结构，所述覆盖提供了包括所述第一电极材料的 开放互连壁结构。
[0026] 形成所述开放互连壁结构还可以包括：蚀刻所述基础基质以产生所述一个或多个 孔。形成所述开放互连壁结构还可以包括：在覆盖所述表面后，移除所述微粒、所述海绵或 所述基础基质（例如，以降低所述装置的重量和/或以增加所述开放互连壁结构的表面面 积）。移除所述微粒、所述海绵或所述基础基质可以包括以下中的一个或多个：蚀刻、熔化 和溶解所述微粒、所述海绵或所述基础基质。形成所述开放互连壁结构还可以包括：在移除 所述微粒、所述海绵或所述基础基质之前，蚀刻所述第一电极材料（例如，以允许访问所述 微粒、所述海绵或所述基础基质）。形成所述开放互连壁结构可以包括：在移除所述微粒、 所述海绵或所述基础基质之后，蚀刻所述第一电极材料（例如以增加所述开放互连壁结构 的表面面积）。
[0027] 为了使用嵌段共聚物来形成多孔结构，能够浇铸嵌段共聚物的薄膜（例如，在厚 度上IOOnm至微米），接着该薄膜相分离成期望的相形态，该相形态由纳米上的两个或更多 相组成。接着，能够移除聚合物相中的一个聚合物相（化学蚀刻，依赖于聚合物的UV照射） 以留下多孔支架（scaffold)。接着，可以使用期望的材料或多个材料（例如，通过原子层沉 积或电化学沉积）来填充它。接着，剩余的多孔支架自身可以被移除，以及所产生的体积可 能以类似的方式由另外的期望的材料来填充。在能量储存设备的情况下，能够将嵌段共聚 物膜沉积在（金属的）电荷收集层上，以及从哪里继续。
[0028] 所述晶格的微粒可能是或可能不是球形微粒。
[0029] 可以使用原子层沉积、化学气相沉积以及电化学沉积中的一个或多个，来沉积所 述第一电极材料。
[0030] 根据另一个方面，提供了一种装置，所述装置包括：用于担当具有一个或多个孔的 支撑的构件，用于担当支撑的所述构件包括用于担当第一电极的构件，所述一个或多个孔 包括用于担当电解质的构件以及用于担当第二电极材料的构件，其中在孔内的所述用于担 当第一电极材料的构件上支撑所述用于担当电解质的构件以及用于担当第二电极材料的 构件，使得通过用于担当电解质的构件使所述用于担当第一电极材料的构件与所述用于担 当第二电极材料的构件分离，以使得使用所述装置来产生和/或储存电能。
[0031] 根据另一个方面，提供了一种装置，所述装置包括基质和活性材料，所述基质包括 具有一个或多个孔的导电材料的开放互连壁结构，所述开放互连壁结构提供所述基质，在 所述基质上支撑所述活性材料，其中所述活性材料包括电绝缘的基于锂的化合物，该化合 物被配置为在产生和/或储存电子中使用，以及其中所述开放互连壁结构被配置为担当针 对所产生和/或储存的电子的电荷收集器，通过电荷收集器提供了针对电子的电路径。
[0032] 关于基于锂的化合物中的词语"电绝缘"的意思指基于锂的化合物展示出零或较 低的导电性。关于开放互连壁结构中的词语"开放"的意思指在外部上的孔中的一个或多 个孔允许访问该结构的内部表面面积。关于所述开放互连壁结构中的词语"互连"的意思 可以指所述结构的壁中的至少一些壁在物理（以及因此电）上彼此接触。
[0033] 可以从导电材料的开放互连壁结构来形成所述基质。在另一个方面，所述基质可 以包括：开放互连壁结构，在该开放互连壁结构上沉积导电材料的覆盖层。在此类情况下， 所述开放互连壁结构本身可以不是导电的，但是该覆盖层导电。无论哪种方式，包括所述开 放互连壁结构的所述基质能够用于支撑所述活性材料，以及可以担当电荷收集器以提供针 对所产生的电子的电路径。
[0034] 所述开放互连壁结构可以具有螺旋二十四面体（gyroid)结构。可以通过以下用 三角学的方法来近似所述螺旋二十四面体结构：
[0035]cosx·siny+cosy·sinz+cosz·sinx= 0 方程式I
[0036](其中x，y和z是三个空间方向）
[0037] 所述孔中的一些或全部孔可以互相连接。所述孔中的一些或全部孔可以形成所述 基质内的通过通道。所述孔中的一些或全部孔可以形成所述基质内的盲通道。所述孔中的 一些或全部孔可以具有小于2nm的直径（S卩，微孔）。所述孔中的一些或全部孔可以具有在 2nm和50nm之间（包含2nm和50nm)的直径（即，中孔）。所述孔中的一些或全部孔可以 具有大于50nm的直径（即，大孔）。可以周期性地排列所述孔中的一些或全部孔。
[0038] 所述绝缘的基于锂的化合物可以包括以下中的一个或多个：硫化锂和氧化锂。 [0039]所述活性材料可以形成在导电材料的所述开放互连壁结构上的覆盖层。词语"活 性材料"的意思可以指参与所述装置的充电/放电机制的电极材料。在电池中，例如，所述 活性材料可以是参加电化学反应或嵌入机制的电极材料。在另一个方面，在超级电容器中， 所述活性材料可以是参于双电层的形成的电极材料。
[0040] 所述导电材料可以包括金属和半导体中的一个或多个。所述金属可以包括以下中 的一个或多个：金、银、镍、铝和铜。
[0041] 所述装置可以被配置为用于产生和/或储存电子。表述"产生电子"的意思可以 指涵盖与电池和电池-电容器混合体相关联的氧化还原反应和嵌入机制，尽管表述"储存 电子"的意思可以指涵盖与电容器和电池-电容器混合体相关联的电荷分离。所述装置可 以是电储存装置和针对电存储装置的电极中的一个或多个。所述电储存装置可以是以下中 的一个或多个：电池（一次电池或二次电池）、电容器（静电式、电解质式或超级电容器）以 及电池-电容器的混合体。所述电储存装置可以是以下中的一个或多个：锂硫电池，锂-空 气电池。
[0042]根据另一个方面，提供了一种设备，所述设备包括本文中描述的任何装置。所述设 备可以是电子设备、便携式电子设备、便携式电信设备以及用于上述设备中的任何设备的 模块。
[0043]根据另一个方面，提供了一种制作装置的方法，所述方法包括：在基质上沉积活性 材料，所述基质包括具有一个或多个孔的导电材料的开放互连壁结构，其中所述活性材料 包括电绝缘的基于锂的化合物，该化合物被配置为在产生和/或储存电子中使用，以及其 中所述开放互连壁结构被配置为担当针对所产生和/或储存的电子的电荷收集器，通过所 述电荷收集器提供了针对电子的电路径。
[0044]所述方法可以包括：在沉积所述活性材料之前，形成所述基质。
[0045] 形成所述基质可以包括：在晶格的多个微粒之间的以及由该晶格的多个微粒限定 的互连空间中沉积导电材料以创建导电材料的互连壁结构；以及移除所述微粒以创建所述 互连壁结构中的一个或多个孔以提供导电材料的开放互连壁结构。移除所述微粒可以包括 以下中的一个或多个：蚀刻、熔化和溶解所述微粒。形成所述基质可以包括：在移除所述微 粒之前蚀刻所述导电材料（例如，以允许访问所述微粒）。形成所述基质可以包括：在移除 所述微粒之后蚀刻所述导电材料（例如，以增加所述开放互连壁结构的表面面积）。
[0046] 形成所述基质可以包括：使用所述导电材料来覆盖晶格的多个微粒、嵌段共聚物、 海绵或基础基质的表面，所述晶格、所述嵌段共聚物、所述海绵或所述基础基质具有包括一 个或多个孔的开放互连壁结构，所述覆盖提供了导电材料的开放互连壁结构。形成所述基 质可以包括：蚀刻所述基础基质以产生所述一个或多个孔。形成所述基质可以包括：在覆 盖所述表面后，移除所述微粒、所述嵌段共聚物、所述海绵或所述基础基质（例如，以降低 所述装置的重量和/或以增加所述开放互连壁结构的表面面积）。移除所述微粒、所述嵌段 共聚物、所述海绵或所述基础基质可以包括以下中的一个或多个：蚀刻、熔化和溶解所述微 粒、所述嵌段共聚物、所述海绵或所述基础基质。形成所述基质可以包括：在移除所述微粒、 所述嵌段共聚物、所述海绵或所述基础基质之前，蚀刻所述导电材料（例如，以允许访问所 述微粒、所述嵌段共聚物、所述海绵或所述基础基质）。形成所述基质可以包括：在移除所 述微粒、所述嵌段共聚物、所述海绵或所述基础基质之后，蚀刻所述导电材料（例如以增加 所述开放互连壁结构的表面面积）。
[0047]所述晶格的微粒可能是或可能不是球形微粒。
[0048]可以使用原子层沉积、化学气相沉积以及电化学沉积中的一个或多个，来沉积所 述活性材料。
[0049]本文中公开的任何方法中的步骤不是必须以公开的精确的顺序来执行，除非明确 地指出或由本领域的技术人员理解。
[0050]根据另一个方面，提供了一种计算机程序（其可以被或可以没有被记录在载体 上），所述计算机程序包括计算机代码，所述计算机代码被配置执行本文中描述的任何方 法。
[0051]所述装置可以包括处理器，所述处理器被配置为处理所述计算机程序的代码。所 述处理器可以是微处理器，包含专用集成电路（ASIC)。
[0052]本公开包含一个或多个对应的方面，孤立的或各种组合的示例实施例或特征，不 管它们是否在该组合中或孤立地明确被阐明（包含主张）。用于执行所论述的功能中的一 个或多个功能的对应的构件和对应的功能单元（例如，支撑体）也在本公开内。
[0053] 以上概述旨在仅是示例性和非限制性的。

【专利附图】

【附图说明】
[0054] 现在参照附图，仅通过示例给出描述，其中：
[0055] 图Ia示意性地说明了传统电池的放电过程；
[0056] 图Ib示意性地说明了传统电池的充电过程；
[0057] 图2a示意性地说明了锂离子电池的放电过程；
[0058] 图2b示意性地说明了锂离子电池的充电过程；
[0059] 图3a示意性地说明了超级电容器的放电过程；
[0060] 图3b示意性地说明了超级电容器的充电过程；
[0061] 图4a示意性地说明了锂离子电容器的放电过程；
[0062] 图4b示意性地说明了锂离子电容器的充电过程；
[0063] 图5示意性地说明了电储存装置的一个实施例；
[0064] 图6示意性地说明了电储存装置的另一个实施例；
[0065]图7示意性地说明了使用球形微粒的晶格来形成开放互连壁结构的一个方法； [0066] 图8示意性地说明了使用球形微粒的晶格来形成开放互连壁结构的另一个方法； [0067]图9示意性地说明了使用包括一个或多个孔的嵌段共聚物来形成开放互连壁结 构的一个方法；
[0068] 图10示意性地说明了使用包括一个或多个孔的海绵来形成开放互连壁结构的一 个方法；
[0069] 图11示意性地说明了使用包括一个或多个孔的基质来形成开放互连壁结构的一 个方法；
[0070] 图12示意性地说明了在沉积第一电极材料后移除支撑材料；
[0071] 图13a示意性地说明了根据第一实施例的电储存装置的分层结构；
[0072] 图13b示意性地说明了根据第二实施例的电储存装置的分层结构；
[0073] 图13c示意性地说明了根据第三实施例的电储存装置的分层结构；
[0074] 图13d示意性地说明了根据第四实施例的电储存装置的分层结构；
[0075] 图14示意性地说明了串联连接的多个蓄电池；
[0076] 图15示意性地说明了并联连接的多个蓄电池；
[0077] 图16示意性地说明了在相同的开放连接壁结构内形成的两个蓄电池；
[0078] 图17示意性地说明了包括本文中描述的装置的电子设备；
[0079] 图18示意性地说明了包括在其上形成的太阳能电池的电储存装置；
[0080] 图19示意性地说明了制作本文中描述的装置的方法；以及
[0081] 图20示意性地说明了提供用于控制图19的方法的程序的计算机可读介质。

【具体实施方式】
[0082] 在电路中，电池和电容器用于向其他组件提供电源。然而，这些电源以不同的方式 进行操作。
[0083] 电池使用电化学反应以产生电力。在图Ia中示出了传统电池的放电过程。电池 包括：由电解质101分离的两个电端子（电极102、103)。电池还可以含有分离器110以防 止电极之间的直接物理连接，当使用液体电解质时这是特别重要的。在负电极（阳极102) 处，氧化反应发生，其产生电子。这些电子从阳极102围绕外部电路15流动到正电极（阴 极103)(由箭头104指示），使得在阴极103处发生还原反应。电子的流动能够用于向外部 电路105中的一个或多个电子组件106供电。氧化反应和还原反应可以继续直到反应物完 全被转换。重要地是，除非电子能够经由外部电路105从阳极102流到阴极103,否则电化 学反应不能发生。这允许电池在长时间段内储存电力。因为电子从阳极102围绕外部电路 流动到阴极103,所以负电荷能够在阴极103附近的电解质101中产生，以及正电荷能够在 阳极102附近的电解质101中产生。在电解质101中的正离子107和负离子108移动以中 和这些电荷云，允许反应以及电子的流动继续进行。没有来自电解质101的离子107、108， 在每个电极102、103附近的电荷云将抑制电力的产生。
[0084] 一次电池是电化学反应不可逆的任何种类的电池。这些电池用作一次性电池。在 另一个方面，在二次电池的情况下，电化学反应是可逆的，意味着能够将化学反应物恢复到 它们原始的状态。这些二次电池用作可再充电电池。图Ib中示出了传统可再充电电池的充 电过程。为了对电池进行充电，在阳极102和阴极103之间施加电势差。充电器109的正 端子从阴极103夺取电子并且将它们返回到阳极102 (由箭头111指示），包含在电极-电 解质接口处的化学反应。此外，为了补偿电荷的转移，电解质101中的正离子107和负离子 108在与之前的相对方向中在电极102、103之间移动。
[0085] 由电池产生电流和电压直接与用于电极和电解质的材料有关。相对于另一个材料 而丢失或获得电子的材料的能力被称为它的电极电位。氧化剂和还原剂的强度由它们标准 的电极电势来指示。具有正电极电势的材料用于形成阳极，而具有负电极电势的那些材料 用于形成阴极。在阳极和阴极材料之间的差异越大，则能够由该电池产生的电能的数量越 大。
[0086]锂出现在电化序的顶部（大的负电极电势），指示的是，它是最强还原剂。同样地， 氟出现在电化序的低部（大的正电极电势），指示的是，它是最强氧化剂。由于锂的高电 极电势，锂电池能够产生接近4V的电压，在锌碳或碱性电池的电压两倍以上。取决于针对 阳极、阴极和电解质的材料的选择，锂电池的电流、电压、容量、寿命和安全性能够显著地变 化。
[0087]锂离子电池是不同类型的可再充电电池，其使用锂离子"嵌入"机制而不是传统的 氧化还原反应。这涉及将锂离子插入到电极的晶体结构中以及从该电极的晶体结构中取 出，因为在充电和放电期间离子在电极之间往返通过。为了实现这一点，电极要求开放的晶 体结构，其允许插入和取出锂离子，以及在同时接受补偿电子的能力。此类电极被称为"嵌 入主体"。锂离子电池当前是用于便携式电子产品的最流行的电池类型中的一种电池类型， 因为它们展现出数一数二的能量-至-重量比、没有记忆效应以及当不使用时较慢的电荷 损失。
[0088]在典型的锂离子电池中，阳极由碳制成，阴极是金属氧化物，以及电解质是有机溶 液中的锂盐。商业上，最流行的阳极材料是石墨，以及阴极一般是以下三种材料中的一种： 层状氧化物（诸如，锂钴氧化物）、基于聚负离子的材料（诸如铁锂磷酸盐）或尖晶石（诸如 锂锰氧化物）。电解质典型地是有机碳酸盐，诸如含有锂离子复合物的碳酸亚乙酯或碳酸二 乙酯。这些无水电解质通常包括非配位负离子盐，诸如六氟磷酸锂（LiPF6),六氟砷酸锂一 水化合物（LiAsF6)，高氯酸锂（LiClO4)，四氟硼酸锂（LiBF4)，和三氟甲磺酸锂（LiCF3SO3)。
[0089] 图2A和图2b分别示意性地说明了锂离子电池的放电和充电过程。如在图中示出 的，阳极202和阴极203每个包括：被沉积在电荷收集基质236上的开放晶体嵌入材料235。 在放电期间，锂离子234从阳极202被提取，跨越电解质201迁移，以及被嵌入到阴极203 的晶体结构中。同时，补偿电子在外部电路中经过（在由箭头204指示的方向中），以及被 阴极203接受以平衡该反应。这个过程是可逆的。在充电期间，外部电源（充电器209)在 电极202、203之间施加强制电子在相反方向（由箭头211指示）中经过的电势差。接着， 锂离子234从阴极203被提取，跨越电解质201迁移，以及被嵌入回到阳极202的晶体结构 中。
[0090] 在锂离子电池中，锂离子往返于阴极和阳极被运送，在过渡金属的情况下，钴 (Co)，在LixCoO2中在充电期间，从Co3+被氧化到Co4+，以及在放电期间，从Co4+被还原到 Co3+。针对包括石墨阳极和锂钴氧化物阴极的锂离子电池的阳极和阴极的半反应如下：
[0091]阳极x[_i+ + Xe- + 6G口LJxCe方程式2
[0_ 阴极LiCoO2 eUkCoO2 +xU+ + 騰·方程式 3
[0093] 然而，整个反应具有它的限制。使锂离子电池过度放电能够通过以下不可逆的反 应使锂钴氧化物过饱和，导致产生锂氧化物：
[0094]Li++LiCo02 -Li2CHCoO方程式 4
[0095] 尽管使锂离子电池过度充电能够通过以下不可逆的反应导致Co4+的合成：
[0096]LiCoO2 -Li++Co02 方程式 5
[0097] 相对于电池，电容器储存静电电荷，以及不能产生电力。被称为"超级电容器"（还 被称为双电层电容器、超级电容，赝电容器和电化学双层电容器）的较新类型的电容器提 供了比传统或电解质电容器更大的能量储存，以及越来越流行地用于便携式电子应用。
[0098] 图3a和图3b分别示意性地说明了超级电容器的充电和放电过程。超级电容器具 有阴极303和阳极302,每个包括导电板336 (电荷收集器），其由电解质301分离。当使用 液体电解质时，超级电容器也可以包括分离器310以防止阴极和阳极之间的直接接触。板 336被多孔材料337 (诸如粉末碳）覆盖以增加它们的表面面积以用于更多的电荷储存。当 电源（充电器）在电极302、303之间施加电势差时，电解质301变成极化的。在阴极303 上的电势吸引电解质301中的负离子308,以及在阳极302上的电势吸引正离子307。
[0099] 不像电池，所施加的电势被保持在低于电解质301的击穿电压以防止在电极302、 303的表面处发生电化学反应。出于这个原因，超级电容器不能向电化学电池那样产生电 力。此外，没有电化学反应产生，没有产生电子。因此，在电解质301和电极302、303之间 没有显著的电流能够流动。相反，在溶液中的离子307、308将它们自己排列在电极302、303 的表面以镜像表面电荷338以及形成绝缘"双电层"。在双电层（S卩，表面电荷338层以及 离子307、308层）中，表面电荷338和离子307、308的分离在纳米数量级上。双电层的组 合以及在板336的表面上的高表面面积材料337的使用允许在电极-电解质接口处存储巨 大数量的载流子。
[0100] 为了使超级电容器放电，在充电电极302、303之间形成电连接305,使得电子经由 该外部电路从阳极流动到阴极（如由箭头304指示）。这个电荷流动能够用于向外部电路 305中的一个或多个电气组件306供电。
[0101] 超级电容器具有胜过电池的若干优点，以及因此，已经有望替代许多应用中的电 池。它们通过提供大突发电流以向设备供电以及接着快速地使它们自己充电来运行。它们 的低内部阻抗，或等效串联电阻（ESR)，允许它们传递和吸收这些大电流，然而传统化学电 池的较高内部阻抗可能使得该电池电压衰竭。此外，尽管电池一般要求长再充电时间段，但 是超级电容器能够非常快速的再充电，通常在大约数分钟内。即使在多次充电之后，它们还 保持比电池保留更多电荷的它们的能力。当与电池组合时，超级电容器能够消除通常被强 加在电池上的瞬时能量需求，从而延长电池寿命。
[0102] 然而电池常常要求维护以及仅能够在小的温度范围内良好地运行。超级电容器是 免维护的以及在广阔的温度范围上表现良好。超级电容器也比电池具有更长的寿命，以及 被建造以持续直到至少电子设备（它们用于向该电子设备供电）的寿命。
[0103] 然而，超级电容器不是没有它们的缺点。尽管比传统的电容器和电解质电容器能 够储存更大数量的能量，但是由超级电容器储存的每单位重量能量大大低于电化学电池的 每单位重量能量。另外，超级电容器的工作电压受电解质击穿电压限制，在电池的情况下电 解质击穿电压不是问题。
[0104] 裡尚子电池具有所有系统的最1?能量密度，然而超级电容器具有最1?功率密度和 寿命。最近，已经开发了被称为锂离子电容器的一种新的混合储存设备，其旨在集成锂离子 电池和超级电容器的优点。锂离子电容器的阴极使用活性炭，在该活性炭处，电荷被储存为 在该碳和电解质之间的接口处的双电层，类似于超级电容器。在另一方面，阳极由具有预先 掺杂有锂离子的纳米结构嵌入材料制成，类似于锂离子电池。这种预先掺杂工艺降低了阳 极电势以及导致高电池单元输出电压。典型地，针对锂离子电容器的输出电压在3. 8V至4V 范围中。因此，锂离子电容器具有高能量密度。
[0105] 此外，阳极的容量比阴极的容量大若干数量级。因此，在充电和放电期间，在阳极 电势中的改变远小于阴极电势中的改变。嵌入阳极也能够与嵌入阴极耦合，诸如LiCoO2或 LiMn2O4，以提高锂离子电容器的功率。在锂离子电容器中使用的电解质典型地是锂离子盐 溶液，以及分离器可以用于防止阳极和阴极之间的直接物理接触。
[0106] 图4a和图4b分别示意性地说明了锂离子电容器的充电和放电过程。锂离子电容 器的特性与超级电容器的特性几乎一样，以及因此图4a和图4b的标记对应于图3a和图3b 中的类似特征。然而，这两个系统的主要差异在于：在设备充电时，替代电解质401中的正 离子将自身排列在电极-电解质接口处以形成双电层，锂离子434将自身插入（嵌入）到 阳极402的晶体结构435中。因此，类似锂离子电池，锂离子电容器经历快速电化学反应以 及不是简单地依赖于双电层的形式以储存电荷。
[0107] 如在背景部分中阐明的，因为许多高表面面积的电极材料的特定形式，因此该许 多高表面面积的电极材料（其已经被考虑用于下一代蓄电池）遭受了低结构完整性和/或 高阻抗。现在将描述可以提供针对这个问题的解决方案的装置和相关联的方法。
[0108] 本装置（如图5中示出的）包括高表面面积电极（阳极或阴极），在该高表面面积 电极上沉积电解质和第二电极（分别阴极或阳极），以形成蓄电池525 (电池、电容器或电池 电容器混合体）。不像上述的特定材料，高表面面积电极采用具有一个或多个孔517的开放 互连壁结构515的形式。开放互连壁结构515包括第一电极材料514并且用于蓄电池525 的第一电极（阳极或阴极）。电解质522和第二电极材料523 (分别为阴极或阳极）被沉积 在该开放互连壁结构515的孔517内的第一电极材料514上，使得通过电解质522使第一 电极材料514与第二电极材料523分离以使得能够产生和/或储存电能。
[0109] 因为开放互连壁结构515(至少部分地）从第一电极材料514形成，以及电解质 522和第二电极材料523被沉积在第一电极材料514上，所以开放互连壁结构515的使用提 高了两个电极的表面面积以及最大化电解质522和阳极/阴极材料514、523之间的相互作 用程度。
[0110] 在一个实施例中（如图5中示出的），电解质522形成开放互连壁结构515上的 覆盖层，以及第二电极材料523填充孔517的剩余体积以形成封闭的无孔电池单元。使用 第二电极材料523来填充该结构515的孔517防止了污染物材料进入该孔517,但是也提 高了该电池的重量而没有在储存密度/容量中的任何对应提高。在另一个实施例中（如图 6中示出的），电解质622和第二电极材料623形成开放互连壁结构615上的连续覆盖层而 不填充孔617的整个体积。
[0111] 假如结构615是开放的（经由外部孔617)，则能够使用许多不同的互连壁结构 615。该结构615的开放性质允许电解质622和第二电极材料623被沉积在该结构615的 孔617内。
[0112] 能够通过排列多个球形微粒（例如，聚苯乙烯微粒）来形成晶格713,以及在球 形微粒712之间沉积第一电极材料714(例如，通过蒸发，溉镀（sputtering)，化学气相沉 积（CVD)，原子层沉积（ALD)或电化学沉积（ECD))来制造（如图7中说明的）开放互连壁 结构715的一个示例。能够从嵌段共聚物的相分离过程来形成开放互连螺旋二十四面体 (gyroid)结构。
[0113]CVD、ALD和E⑶在这里特别有用，因为沉积依赖于目标表面的方向。在另一方面， 在蒸发和溅镀技术的情况下，目标表面需要在材料源的视线中。然而，能够通过使用被排列 以面向目标结构的表面的多种材料源，或通过使用单个材料源以及多个沉积步骤（以及在 每个沉积之间旋转该结构或材料源），来解决这个问题。即使蒸发和溅镀用于提供完整的覆 盖层，然而，由于来自每个沉积步骤的重叠，该覆盖层不太可能具有均匀的厚度。在这个意 义上，CVD、ALD和E⑶是优选的。ALD也具有能够产生无针薄膜的优点。对于形成蓄电池的 电极而言，这个因素是有用的，因为在第一电极材料714中的针孔能够提高该电池的电阻。 在绝缘层中的针孔能够危害绝缘层的绝缘特性。
[0114] 一旦已经沉积了第一电极材料714,则能够移除球形微粒712 (例如通过蚀刻、熔 化或溶解该微粒）以创建该结构中的孔。如果第一电极材料714已经完整地覆盖微粒712 的外部表面，则该覆盖层中的一些或全部可能需要被移除（例如，通过湿或干蚀刻，诸如恒 电流或恒电位蚀刻）以允许访问并且移除该球形微粒712。所产生的结构715 (尽管在图7 中在横截面中被示出）是在其间具有通道717(孔）的互连壁716的三维排列。
[0115] 然而，在这个阶段，结构715的孔717未必互连（尽管该壁将被互连以提供机械/ 结构完整性）。因此，内部孔717中的一些或全部孔可能不能由电解质和第二电极材料访 问，这降低了结构715的有用的表面面积。这能够（例如）通过在预定的时间段内在液体 (湿）蚀刻剂的容器中浸泡结构715来解决。随着蚀刻时间增加，互连735的数目（以及从 而材料的内部表面面积）增加，但是该机构的完整性降低。因此，最优的蚀刻时间将被选择 以提供足够的表面面积而不影响该结构715的硬度，以及将取决于所使用的特定电极材料 714和蚀刻剂而变化。
[0116] 图8说明了制造开放互连壁（例如，螺旋二十四面体）结构的可替代方法。这次， 替代填充在晶格813的球形微粒812之间的空间，第一电极材料814被沉积为微粒812上 的覆盖层。这可以通过沉积较少数量的第一电极材料814以便在微粒812之间留下空间来 简单地执行。因为球体812已经以晶格813的形式被紧挤在一起，所以在一个微粒的表面 上的第一电极材料814与邻接的微粒的表面上的第一电极材料物理以及电接触。以这种方 式，所产生的结构包括：第一电极材料的连续层814以及多个互连通道817。第一电极材料 814还用于将微粒束缚在一起，从而改进结构完整性。
[0117] 尽管上述制造工艺指的是"球形"微粒，但是还可以使用任何合适形状/尺寸的微 粒（不必所有都是相同的形状/尺寸）来执行这些技术，假设它们能够形成包括一个或多 个孔或通道的晶格。
[0118] 图9说明了制作开放互连壁（例如，螺旋二十四面体）结构的另一个方法。然而， 不是如图8中示出的覆盖球形微粒的晶格，第一电极材料914被沉积在嵌段共聚物918上。 嵌段共聚物918包括：在一端被共价键链接在一起的两个或更多化学上不同的聚合物（例 如，聚苯乙烯和PMMA，聚苯乙烯和聚酰亚胺，或聚氟苯乙烯（polyfIuorostyrene)和针对螺 旋二十四面体或双螺旋二十四面体的聚乳酸），以及具有自组装成各种有序多孔纳米结构 的能力。取决于组件的体积分数，能够在某些条件下合成嵌段共聚物纳米畴（nanoscopic domains)(例如，体心立方球体，六方结构柱体，片晶，或双连续螺旋二十四面体）。能够改 变嵌段共聚物918的分子量以及各体嵌段以控制这些纳米畴的尺寸和分离距离。
[0119] 嵌段共聚物918可以包括两个或更多均聚物嵌段。具有两个或三个不同嵌段的 嵌段共聚物918分别被称为双嵌段共聚物和三嵌段共聚物。合适的双嵌段共聚物包含：聚 (4-氟苯乙烯）-b-聚（D，L-丙交酯）和聚（乙烯）-聚（乙烯丙烯），而合适的三嵌段共聚 物包含聚（1，4_异戊二烯）-嵌段-聚苯乙烯-嵌段-聚（2-乙烯基吡啶）。聚（4-氟苯乙 烯）-b-聚（D，L-丙交酯）的立方双连续双螺旋二十四面体相允许形成开放互连壁结构，其 中孔被完全连接。
[0120] 在图9中的嵌段共聚物918包括：多个有序孔917。当在嵌段共聚物上沉积了第一 电极材料914层（优选地使用CVD、ALD或ECD)时，它覆盖聚合物918的外表面以及孔917 的内表面。因此，所产生的结构包括第一电极材料914的连续层。在该结构内的孔917的 排列将取决于特定的聚合物以及制造条件。在一些情况下，孔917可以互连，但是在其他情 况下，它们可能不互连。孔917的互连不是绝对必须的，但是它增大了电极的表面面积，以 及从而提高了蓄电装置的储存密度和容量。将了解的是，嵌段共聚物需要使得聚合物相/ 嵌段中的一个被移除以制作多孔结构。接着，这可以使用期望的材料来填充。
[0121] 不是将第一电极材料沉积在嵌段共聚物上，它可以被沉积在海绵1019(天然或人 工合成）上，如图10中示出的。海绵1019典型地包括多个（互连）孔1017以及内在地具 有高表面面积。因此，能够使用第一电极材料1014来覆盖海绵1019的外部或内部表面，以 创建适用于用作电极的开放互连壁结构。就嵌段共聚物而言，孔1017彼此连接不是必须 的，但是互连的孔是有益的。
[0122] 另一个可替代方案是将第一电极材料1114沉积在基质1120 (在本文中，还被称为 基础基质）上，该基质包括一个或多个预制好的孔穴1117 (孔），如图11中示出的。可以使 用各种技术（例如，钻孔或通过防腐蚀的掩模来蚀刻）在基质1120中形成孔1117。以这 种方式，能够控制孔1117的数目、密度、直径、深度和形状。还能够控制孔1117是否彼此连 接。通过覆盖基础基质1120的外部表面和内部表面，可以产生适用于用作电极的开放互连 壁结构。
[0123] 在开放互连壁结构中的孔可以形成通过通道（即，从该材料的一侧到另一侧，如 由标记1033指示的）或盲通道（即，在该材料的一侧处开口但是在该材料的内部终止，如 由标记917指示的）。另外，孔可以（例如，孔917)或不可以（例如，孔1017)被周期性地 排列，以及可以具有小于2nm的直径（微孔），在2nm和50nm之间（包含2nm和50nm)的直 径（中孔）或大于50nm的直径（大孔）。
[0124] 在图8、图10和图11中说明的制作工艺中的每个制作工艺中，不需要移除支撑材 料（球形微粒、海绵或基础基质）（在它们之上沉积第一电极材料）。然而，出于两个原因， 移除支撑材料可以是有用的。首先，它能够降低蓄电设备的总重量（假定蓄电池通常以它 们的能量-至-重量比率为特征，则这是重要的因素）。第二，移除支撑材料增大了该结构 的表面面积。
[0125] 在图12中说明了这个方面，图12示出了在由第一电极材料1214覆盖后的图11的 基础基质1220。为了移除支撑材料1220(在这个实例中为基础基质），可能需要移除部分 的第一电极材料1214以提供对底层材料1220的访问。可以通过蚀刻来执行这个步骤。在 示出的该图中，已经移除了在基础基质1220的较低表面1221处的第一电极材料1214。一 旦基质材料1220被暴露，则湿蚀刻（或可替代的技术）能够用于移除基质材料1220。然 而，重要的是，第一电极材料1214比基质材料1220对蚀刻剂有更大的抵抗性，否则这个步 骤能够部分地或全部地移除（或损坏）第一电极材料。可替代的选择可以是使用抗腐蚀掩 模以防止蚀刻剂和第一电极材料1214之间的交互。移除基质材料1220导致第一电极材料 1214的互连壁结构，该互连壁结构重量轻、开放和多孔，具有高表面面积。嵌块共聚物制造 工艺将应用对应的技术。
[0126] 然而，支撑材料1220能够提供针对电极和电解质材料的机械支撑。因此，关于在 沉积第一电极材料1214后是否移除支撑材料1220的决策将部分地依赖于第一电极材料 1214的机械强度。如果第一电极材料1214靠自己在没有机械变形的情况下不能支撑电解 质和第二电极材料，则也可以需要底层支撑材料1220。
[0127] 一旦已经形成开放互连壁结构，电解质和第二电极材料能够被沉积在第一电极材 料上以形成蓄电池。就在支撑材料（例如，基础基质）上沉积第一电极材料而言，CVD、ALD 和ECD是特别有用的，因为它们能够用于覆盖在蒸发或溅镀系统中不在材料源的视线中的 表面。不是必须使用电解质和第二电极材料来覆盖开放互连壁结构的整个表面面积，但是 这样做能够最大化电子的产生和/或储存，因为第一电极材料能够与更大数量的电解质接 触。电化学沉积具有的优点是，被沉积的材料必须电连接到基础基质以用于沉积发生。对 于ALD或CVD而言，可能不是这种情况。
[0128] 图13示出了蓄电池的三、四、五和六层配置，其能够使用本文中描述的开放互连 壁结构来形成。在三层配置（图13a)中，在沉积第一电极材料1314后，已经移除了支撑材 料1320 (球形微粒、嵌段共聚物、海绵或基础基质），以及第一电极材料1314和第二电极材 料1323 (它们由电解质1322来分离）每个包括活性材料。该活性材料是电极材料，其参与 该电池的充电/放电机制。如果蓄电装置是电池，则活性材料是参与电化学反应或嵌入机 制的电极材料。在另一方面，如果蓄电装置是超级电容器，则活性材料是参与形成双电层的 电极材料。如上所述，移除支撑材料1320增大了第一电极1314和第二电极1323的表面面 积，以及降低了蓄电装置的整体重量。
[0129] 然而，在四层配置（图13b)中，在沉积第一电极材料1314后，已经保留了支撑材 料1320。如果第一电极材料1314的机械强度靠它自己不足以支撑覆盖的电解质1322和第 二电极材料1323,则可以需要支撑材料1320。
[0130] 在五层配置（图13c)中，按照图13a的配置，在沉积第一电极材料1314后，已经 移除了支撑材料1320。然而，这次，第一电极材料1314和第二电极材料1323每个包括电 荷收集材料1324以及活性材料。电荷收集材料提供在每个电极的活性材料和蓄电池的外 部电路之间的电路径，以使得电子能够流动，以及如果活性材料展现出零或较低导电性，则 可以要求该电荷收集材料。在一些情况下，一个电极的活性材料可以具有比另一个电极的 活性材料更高的导电性。在这种场景下，可以仅在较低导电性的电极中需要电荷收集材料 1324。用于形成电荷收集器1324的材料应当是高导电性的。合适的示例包含：金属，诸如 金、银、镍、铜，或包括这些金属中的一个或多个的合金。然而，可以替代地使用半导体材料。
[0131] 除了在第一电极材料1314的沉积之后已经保留了支撑材料1320外，六层配置 (图13d)与图13c的五层配置相同。
[0132] 第一电极材料1314和第二电极材料1323不限制于任何特定的活性材料，以及可 以包括各种不同的元素和化合物。尽管用于形成电解质1322的材料将主要依赖于活性电 极材料的化学成分，但是电解质1322也是如此。
[0133] 在一个实施例中，蓄电装置是锂硫电池，其中第一电极（阳极）的活性材料包括硫 化锂，以及第二电极（阴极）的活性材料包括硫磺。已知硫磺的导电性较低，可能需要将它 沉积在电荷收集材料上。电解质可以是固体电解质，诸如锂磷氧氮（LiPON)、含有仅聚（环 氧乙烷）派生物的聚合物电解质或含有硼酸酯基的聚合物电解质。
[0134] 在锂硫电池的放电期间，在阳极处硫化锂被分解成锂离子和硫磺，在这个过程中 释放电子。接着，锂离子通过电解质迁移到硫磺阴极，在这里它们形成硫化锂。在另一方 面，在充电期间，在阴极处的硫化锂被反向地转换成硫磺和锂离子，以及锂离子通过电解质 迁移回到阳极以产生硫化锂。
[0135] 在另一个实施例中，蓄电装置是锂-空气电池，其中第一电极（阳极）的活性材 料包括锂氧化物，以及第二电极（阴极）的活性材料包括多孔碳和金属晶体（诸如，锰、 钴、钌、钼，银，或钴和锰的混合物）。在这个实施例中的电解质可以是有机电解质（诸如， LiPF6,LiAsF6,LiN(SO2CF3)2，或LiSO3CF3),含水电解质（包括溶解在水中的锂盐）或由导 电锂隔膜隔开的有机电解质和含水电解质的组合。
[0136] 在锂-空气电池放电期间，在阳极处的锂氧化物被分解成锂离子和氧气，在该过 程中释放电子。接着，锂离子通过电解质迁移到碳阴极，在这里它们形成锂氧化物。在另一 方面，在充电期间，在阴极处的锂氧化物被反向地转换成氧气和锂离子，以及锂离子通过电 解质迁移回到阳极以产生锂氧化物。
[0137] 在另一个实施例中，蓄电装置是锂离子电池。在这个实施例中，第一电极（阴极） 的活性材料可以例如包括：锂钴氧化物、锂铁磷酸盐或锂锰氧化物；第二电极（阳极）的活 性材料能够包括石墨；以及电解质能够包括在有机溶剂（诸如碳酸亚乙酯或碳酸二乙酯） 中的锂盐（诸如，六氟磷酸锂，六氟砷酸锂一水化合物，高氯酸锂，四氟硼酸锂，或三氟甲磺 酸锂）。
[0138] 在又一个实施例中，蓄电装置是锂离子电容器。在这个实施例中，第一电极（阳 极）的活性材料可以例如包括：锂钴氧化物、锂铁磷酸盐或锂锰氧化物；第二电极（阴极） 的活性材料能够包括活性炭；以及电解质能够包括在有机溶剂（诸如碳酸亚乙酯或碳酸二 乙酯）中的锂盐（诸如，六氟磷酸锂，六氟砷酸锂一水化合物，高氯酸锂，四氟硼酸锂，或三 氟甲磺酸锂）。
[0139] 假定蓄电池（电池、电容器或电池电容器混合体）用于向设备中的其它电子组件 供电，该电池的电气特性（例如，操作电流、电压、电阻、电容）是重要的考虑因素。一般地， 超级电容器的最大操作电压受电解质的击穿电压限制（对于含水电解质为?1.IV，以及对 于有机电解质为?2. 3V)，而电池的最大操作电压受在电化学反应中使用的活性材料限制。 然而，为了提高操作电压，可以将若干电池单元1425串联连接（例如，作为蓄电池组）。如 在图14中示出的，这可以通过使开放互连壁结构彼此电连接来实现。对于串联连接的三个 蓄电池的总电压由Vtrtal =Vi+V2+V3给出，其中Vn是各自电池单元的操作电压。当串联连接 时，总电流由Itotal =I1 =I2 =I3给出，总电阻由Rtotal =WR3给出，以及总电容（与超 级电容器有关）由Ctrtal =l/Ci+1/Cfl/Q给出，其中1"、1^和(；是各自电池单元的操作电 流、电阻和电容。
[0140] 在另一方面，能够并联连接若干电池单元1425(例如，作为蓄电池组）。再次，可 以通过使开放互连壁结构彼此电连接来实现，如图15中示出的。在这个配置中，总电压由 Vtotiil=Vl=V2=V：3 给出，总电流由Itotiil=Il+l2 +I：3 给出，总电阻由Rtotiil= 1/? + !/?+!/ R3给出，以及总电容（与超级电容器有关）由Ctotal =CfCfC3给出。
[0141] 在图14和图15的配置中，个体电池单元可以具有或可以不具有相同的化学成分。 例如，在一个实施例中，每个电池单元可以是电池或超级电容器，而在另一个实施例中，一 个电池单元可以是电池，以及另一个电池单元可以是超级电容器。在后面的实施例中，超级 电容器可以用于提供快速的突发功率，以及电池可以被配置为在每次放电操作之后对该超 级电容器进行充电。在一个电池的化学成分不同于另一个电池的化学成分的情况下，该结 构的仅一部分可以是不同的（即，一个电池单元的第一电池材料、电解质和/或第二电极材 料可以与另一个电池单元的第一电极材料、电解质和/或第二电极材料不同）。
[0142] 不是将一个电池单元的开放互连壁结构连接到另一个电池单元的开放互连壁结 构以形成一组蓄电池，可以从单个开放互连壁结构来形成多个电池单元（如图16中示出 的）。这可以通过以下来实现：在该结构的第一孔1639内沉积一个电池单元的第一电极材 料1614、电解质1622和第二电极材料1623,以及在该结构的第二孔1640内沉积另一个电 池单元的第一电极材料1614、电解质1622和第二电极材料1623。正如图14和图15的配 置，一个电池单元的第一电极材料、电解质和/或第二电极材料可以与或可以不与另一个 电池单元的第一电极材料、电解质和/或第二电极材料相同。因此，可以（例如）在同一个 开放互连壁结构内形成电池和超级电容器。
[0143] 将了解的是已经公开了用于形成开放互连壁结构的技术；嵌段共聚物路线（特别 用于产生螺旋二十四面体）以及纳米球刻蚀路线。后面的路线将创建蛋白石，或反蛋白石 结构。蛋白石，或反蛋白石结构也将实现高表面面积电极的最终目的，该电极具有至集电器 基质的电连通性。概括地，
[0144] (1)嵌段共聚物路线
[0145] 螺旋二十四面体或双螺旋二十四面体形貌典型地（仅）由嵌段共聚物的相分离来 创建。在这个工艺中，嵌段共聚物的溶液被浇铸或覆盖在基质上，以及在本实例中，基质可 能是金属，以及因此成为能量储存设备的集电器。随着溶剂蒸发，嵌段共聚物形成该基质上 的相分离膜。相由不同的不能混合的聚合物嵌段的区域组成，以及注意的是，取决于相对的 嵌段长度，多个不同的相分离形貌是可能的。在本申请中，这些形貌（螺旋二十四面体，双 螺旋二十四面体，六角柱阵列，垂直定向片晶）中的许多形貌可能是有用的，即具有至基质 的连续路径的那些形貌（以及因此，能够创建具有至该基质的导电路径的结构）。
[0146] 注意的是，在这点上，该膜完全是固体（除了溶剂的残留外）。为了使用如此形成 的聚合物结构，将要求移除聚合物相中的一个聚合物相以留下需要的多孔结构。取决于将 被移除的聚合物，这能够通过湿化学蚀刻、UV照射或这两者的混合来实现。这个工艺留下 聚合物支架，该支架能够用于模制感兴趣的材料。先前论述的方法能够用于覆盖该共聚物 支架-ALD，CVD或电化学沉积。后面的技术特别有用，因为如果集电器基质用作沉积电极中 的一个沉积电极，则能够确保的是，根据需要，沉积材料至该基质是电连续的。这个方法的 可能的缺点是，它完全填充孔，因此多层覆盖层可能不太可行。
[0147] 现在，两个策略是可能的。剩下的共聚物支架能够用作持久特征，或它可以是牺牲 的。能够使用这两种方法，但是留下共聚物支架不是有吸引力的策略，因为它在功能上是不 活跃的以及占据有用的空间（该空间可以使用活性材料来填充）。如果该支架将保留，则 能够建立多层材料（电极1、固体电解质、电极2等）以创建期望的结构。如果孔直径非常 小，则这个方法可能不是非常容易。
[0148] 可替代地，以及有利地，能够使用以上方法中的一个方法，使用（电极）材料来完 全填充该孔，接着移除支架以留下电极材料，其在如导线的网络中-孔网络。接着，可以使 用ALD、CVD或电化学沉积，将随后的材料（电解质、第二电极等）填充回到"相反"的支架 中。
[0149] (2)蛋白石路线
[0150] 如上所述，聚合物微或纳米球的自组装晶体被创建以及用于模制电池材料的沉 积。在这种情况下，所形成的结构是蛋白石的类型（面心立方晶体）。
[0151] 图17示意性地说明了包括本文中描述的蓄电装置1725的设备1726。设备1726 还包括：处理器1727和存储介质1728,通过数据总线1729将它们彼此连接。设备1726可 以是电子设备、便携式电子设备、便携式电信设备或用于上述设备中的任何设备的模块。关 于图5、6、14、17和图18,将了解的是，这些图示出了蓄电装置的各自示意图。还将了解的 是，各自阳极和阴极层被电隔离以避免短路（如果例如从阳极到阴极使用导线或反之亦然 则将发生短路）。
[0152] 蓄电装置1725被配置为产生和/或储存电能，该电能可以用于向设备1726中的 一个或多个组件供电。处理器1727被配置为：通过向其它设备组件提供信令以及接收来自 其它设备组件的信令以管理它们的操作，用于设备1726的一般操作。存储介质1728被配 置为存储计算机程序代码，该计算机程序代码被配置为执行、控制或启用蓄电装置1725的 操作。储存介质1728还被配置为存储针对其它设备组件的设置。处理器1727可以访问存 储介质1728以检索组件设置，以便管理该设备组件的操作。特别地，存储介质1728可以包 括：针对对蓄电装置1725进行充电的电压设置。在处理器1727和存储介质1728之间的内 部链接1729能够被理解为提供处理器1727和存储介质1728之间的活动耦合，以允许处理 器1727访问存储在存储介质1728上的计算机程序代码。存储介质1728可以是暂时性的 存储介质，诸如易失性随机存取存储器。在另一方面，存储介质1728可以是持久的存储介 质，诸如硬盘驱动器、闪速存储器或非易失性随机存取存储器。
[0153] 设备1726还可以包括太阳能电池1833,其被配置为将照射在该太阳能电池1833 上的来自电磁辐射1841的能量转换成电能。本文中描述的蓄电装置1825可以被配置为储 存这种能量以用于随后使用。在一个实施例中，如图18中示出的，太阳能电池1833形成蓄 电装置1825的外部表面上的覆盖层。这个配置确保的是，可以将从任何角度照射的电磁辐 射1841转换到电能中，以及因此提供了针对在设备1726内部排列组件的更大设计自由度。 当蓄电装置1825具有图6中示出的配置时，在太阳能电池1833内包住蓄电装置1825也有 助于防止污染材料进入开放互连壁结构的孔。
[0154] 在图19中示意性地说明了用于制作蓄电装置1725的方法的主步骤1930-1931。
[0155] 图20示意性地说明了提供根据一个实施例的计算机程序的计算机/处理器可读 介质2032。在这个示例中，计算机/处理器可读介质2032是盘，诸如数字化通用光盘（DVD) 或光盘（CD)。在其它实施例中，计算机/处理器可读介质2032可以是已经以执行本发明的 功能的方式被编程的任何介质。计算机/处理器可读介质2032可以是可移动存储设备，诸 如存储棒或存储卡（SD、迷你SD或微SD)。
[0156] 计算机程序可以包括计算机代码，该计算机代码被配置为执行、控制或使得能够 将电解质和第二电极材料沉积在开放互连壁结构的一个或多个孔中，以提供包括第一电极 材料的开放互连壁结构，包括电解质和第二电极材料的孔，其中在孔内的第一电极材料上 支撑电解质和第二电极材料，使得通过电解质使第一电极材料与第二电极材料分离，以使 得能够使用该装置来产生和/或储存电能。
[0157] 在图中描绘的其它实施例已经拥有对应于更早描述的实施例的类似特征的参考 数字。例如，特征数字1也能够对应于数字101、201、301等。这些编号的特征可以出现在 图中，但是在这些特定实施例的描述内可能没有直接提及。在图中仍然提供这些参考数字 以帮助理解另外的实施例，特别是有关于类似更早描述的实施例的特征。
[0158] 技术读者将了解的是，可以由装置（该装置被布置为使得它们被配置为：仅当启 用（例如，接通或诸如此类）时，执行期望的操作）来提供任何提及的装置/设备和/或特 定提及的装置/设备/服务器的其它特征。在此类情况下，它们在非启用（例如，关断状 态）中不必使得适当的软件被载入到活动存储器中，以及在启用（例如，接通状态）中才载 入适当的软件。该装置可以包括硬件电路和/或固件。该装置可以包括被载入到存储器上 的软件。此类软件/计算机程序可以被记录在相同的存储器/处理器/功能单元和/或一 个或多个存储器/处理器/功能单元上。
[0159] 在一些实施例中，可以使用适当的软件对特定提及的装置/设备进行预编程以执 行期望的操作，以及其中能够通过用户下载"密钥"例如以解锁/启用该软件和它的相关联 功能来启用适当的软件以供使用。与此类实施例相关联的优点能够包含：当对设备而言另 外的功能是必须的时，降低对下载数据的要求，以及在感知到设备具有足够的容量以存储 对于功能可能没有被用户启用的预编程的软件示例中，这能够是有用的。
[0160] 将了解的是，任何提及的装置/电路/元件/处理器可以具有除了提及的功能之 外的其它功能，以及可以由相同的装置/电路/元件/处理器来执行这些功能。一个或多 个公开的方面可以包含：记录在适当载体（例如，存储器、信号）上的相关联的计算机程序 和计算机程序（其可以是源/传输编码）的电子分发。
[0161] 将了解的是，本文中描述的任何"计算机"能够包括：一个或多个个体处理器/处 理元件的集合，其可以或可以不位于在相同的电路板，或电路板或甚至相同设备的相同区 域/方位上。在一些实施例中，任何提及的处理器中的一个或多个处理器可以分布在多个 设备上。相同或不同的处理器/处理单元可以执行本文描述的一个或多个功能。
[0162] 将了解的是，术语"信令"可以指被传送作为一系列的传送和/或接收的信号的一 个或多个信号。一系列信号可以包括一个、两个、三个、四个或甚至更多的个体信号分量或 不同的信号以组成所述信令。这些个体信号中的一些或所有信号可以同时地依次地被传送 /接收，和/或使得它们暂时地彼此覆盖。
[0163] 关于任何提及的计算机和/或处理器和存储器（例如，包含R0M、CD-R0M等）的任 何论述，这些可以包括：计算机处理器、专用集成电路（ASIC)、现场可编程门阵列（FPGA)和 /或已经以执行本发明的功能的方式进行编程的其它硬件组件。
[0164] 在此，本申请独立地公开了本文中描述的每个个体特征以及两个或更多此类特征 的组合，鉴于本领域的技术人员的公知常识，总体来说在一定程度上能够基于本说明书来 实现此类特征或组合，而不管此类特征或特征的组合是否解决了本文公开的任何问题，以 及不限制于权利要求书的范围。 申请人:表明的是，所公开的方面/实施例可以由任何此类 个体特征或特征的组合组成。鉴于上述描述，对于本领域的技术人员将明显的是，可以在本 公开的范围内做出各种修改。
[0165] 虽然已经示出和描述以及指出了本发明的基本的新颖特征（如应用于不同实施 例），但是将理解的是，在不背离本发明的精神的情况下，可以由本领域的技术人员在所描 述的设备和方法的形式和细节上做出各种省略和替代和改变。例如，清楚地旨在的是，那些 元件和/或方法步骤的所有组合（其以基本上相同的方式基本上执行相同的功能以获得相 同的结果）是在本发明的范围内。此外，应当认识到的是，结合任何公开的形式或实施例示 出和/或描述的结构和/或元件和/或方法步骤可以被并入任何其它公开的或描述的或 建议的形式或实施例作为设计选择的一般事项。此外，在权利要求书中，方法加功能的条款 旨在覆盖本文中描述的如执行所述功能的结构，以及不仅覆盖结构上等同而且覆盖等同结 构。因此，虽然钉子和螺丝钉可能不是结构上等同，在于钉子利用圆柱面以将木材部件紧固 在一起，而螺丝钉利用螺旋面，但是在紧固木材部件的环境中，钉子和螺丝钉可以是等同的 结构。
【权利要求】
1. 一种装置，所述装置包括具有一个或多个孔的开放互连壁结构，所述开放互连壁结 构包括第一电极材料，所述孔包括电解质和第二电极材料，其中在所述孔内的所述第一电 极材料上支撑所述电解质和第二电极材料，使得通过所述电解质使所述第一电极材料与所 述第二电极材料分离，以使得使用所述装置能够产生和/或储存电能。
2. 根据权利要求1所述的装置，其中所述电解质形成所述开放互连壁结构上的覆盖 层。所述第二电极材料充分地填充所述孔的剩余体积。
3. 根据权利要求1所述的装置，其中所述第一电极材料和第二电极材料每个包括活性 材料。
4. 根据权利要求3所述的装置，其中所述第一电极材料和/或所述第二电极材料包括 电荷收集材料，以及其中所述活性材料与所述电荷收集材料在物理上接触。
5. 根据权利要求1所述的装置，其中所述第一电极材料形成所述开放互连壁结构。
6. 根据权利要求1所述的装置，其中所述开放互连壁结构包括基质，在所述基质上支 撑所述第一电极材料。
7. 根据权利要求1所述的装置，其中所述开放互连壁结构具有螺旋二十四面体结构。
8. 根据权利要求1所述的装置，其中所述孔中的一些或全部孔的中的一个互相连接， 所述孔中的一些或全部孔形成所述开放互连壁结构内的通过通道，所述孔中的一些或全部 孔形成所述开放互连壁结构内的盲通道，周期性地排列所述孔中的一些或全部孔，以及所 述孔中的一些或全部孔具有在2nm和50nm之间的直径，包含2nm和50nm。
9. 根据权利要求1所述的装置，其中在一个孔内的第一电极材料、电解质和/或第二电 极材料与在另一个孔内的第一电极材料、电解质和/或第二电极材料不同。
10. 根据权利要求1所述的装置，其中所述装置包括彼此电连接的多个所述开放互连 壁结构。
11. 根据权利要求10所述的装置，其中一个开放互连壁结构的第一电极材料、电解质 和/或第二电极材料与另一个开放互连壁结构的第一电极材料、电解质和/或第二电极材 料不同。
12. 根据权利要求1所述的装置，其中所述装置是以下中的一个或多个：电池、电容器 以及电池-电容器的混合体。
13. -种设备，其包括权利要求1的所述装置。
14. 根据权利要求13所述的设备，其中所述设备是以下中的一个或多个：电子设备、便 携式电子设备、便携式电信设备以及用于上述设备中的任何设备的模块。
15. 根据权利要求13所述的设备，其中所述设备包括太阳能电池，所述太阳能电池被 配置为将照射在所述太阳能电池上的来自电磁辐射的能量转换成电能，以及其中所述装置 被配置为储存所述电能。
16. -种制作装置的方法，所述方法包括：将电解质和第二电极材料沉积在包括第一 电极材料的开放互连壁结构的一个或多个孔中，所述孔包括所述电解质和所述第二电极材 料，其中在所述孔内的所述第一电极材料上支撑所述电解质和所述第二电极材料，使得通 过所述电解质使所述第一电极材料与所述第二电极材料分离，以使得使用所述装置能够产 生和/或储存电能。
17. 根据权利要求16所述的方法，其中所述方法包括在沉积所述电解质和第二电极材 料之前，形成所述开放互连壁结构。
18. 根据权利要求17所述的方法，其中形成所述开放互连壁结构包括： 将所述第一电极材料沉积在晶格的多个微粒之间的以及由该晶格的多个微粒限定的 互连空间中以创建包括所述第一电极材料的互连壁结构；以及 移除所述微粒以创建所述互连壁结构中的一个或多个孔以创建包括所述第一电极材 料的开放互连壁结构。
19. 根据权利要求17所述的方法，其中形成所述开放互连壁结构包括：使用所述第一 电极材料来覆盖晶格的多个微粒、嵌段共聚物、海绵或基础基质的表面，所述晶格、所述嵌 段共聚物、所述海绵或所述基础基质具有包括一个或多个孔的开放互连壁结构，所述覆盖 提供了包括所述第一电极材料的开放互连壁结构。
20. -种计算机程序，其被记录在载体上，所述计算机程序包括被配置为控制权力要求 16的所述方法的计算机代码。
【文档编号】H01G9/048GK104364862SQ201380029226
【公开日】2015年2月18日 申请日期:2013年3月7日 优先权日:2012年4月4日
【发明者】T·吕海宁, 魏迪, A·马修斯, P·安德鲁 申请人:诺基亚公司