CN102300806B - 多组分纳米粒子材料及其方法和设备 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了多组分纳米粒子材料及其方法和设备。在本发明的一方面中，由溶液或悬浮液或通过火焰合成或火焰喷雾热解产生单独的粒子，且在收集或沉积之前使所得粒子在腔中混合。在本发明的另一方面中，在滞止或本生火焰中合成纳米粒子并允许其通过热泳沉积在移动基材上。这些技术可以改变，允许大规模生产多组分纳米粒子材料和薄膜。

Description

多组分纳米粒子材料及其方法和设备
相关申请的交叉引用
本申请要求2008年12月8日提交的美国临时申请61/193,582序列号的优先权，此处通过引用将该临时申请全文引入。
技术领域
本公开涉及多组分纳米粒子材料和薄膜及其形成方法。
背景技术
粒子组合物具有不同的用途且普遍存在于利用表面化学和物理的应用中。随着组合物的平均粒度降低，表面积随粒度的平方而增加。这导致表面官能性，例如反应速率由于有效表面积增加而相应增加。依靠高表面积以使性能优化的***的实例包括催化转化器、染料敏化太阳能电池、电池和燃料电池。一些这样的应用使用由多于一种类型的纳米粒子组成的纳米粒子薄膜。在这样的体系中，各种粒子起到不同的功能。
在某些类型的燃料电池中，例如，电子和质子的同时传输需要薄膜的一些组分充当电子导体，且其它组分充当质子导体(Haile、Chisoholm、Sasaki、Boysen和Uda，“Solid acid proton conductors：fromlaboratory curiosities to fuel cell electrolytes”，Faraday Discussions 134：17-39，2006)。在另一实例中，可以使用至少两种不同尺寸的二氧化钛纳米粒子的薄膜来优化染料敏化太阳能电池的性能(Vargas，“Aggregation and composition effects on absorption and scatteringproperties of dye sensitized anatase TiO2 particle clusters”，Journal ofQuantitative Spectroscopy & Radiative Transfer 109：1693-1704，2008)。在这样的体系中，较大粒子可以散射更多入射光以便由较小粒子更有效地收集，所述较小粒子在表面区域占优势且因此光子诱发电子激发。
已知许多沉积粒子薄膜的方法，其中所述粒子具有相同组成。Tolmachoff等人(Tolmachoff、Garcia、Phares、Campbell和Wang，“Flamesynthesis of nanophase TiO2 crystalline films”，Proceedings of the 5th U.S.Combustion Meeting，Paper#H15，2007)公开了通过使基材重复穿过滞止火焰制造二氧化钛粒子薄膜的方法。制造单组分纳米粒子薄膜的其它方法包括丝网印刷或涂刷纳米粒子糊(Llobet等人，“Screen-printednanoparticle tin oxide films for high-yield sensor microsystems”，Sensors&Actuators B 96：94-104，2003)、印刷微米或纳米粒子油墨(美国专利申请20070169812和20070169813)、化学气相沉积(Zhu等人，“Growthof high-density Si nanoparticles on Si3N4 and SiO2 thin films by hot-wirechemical vapor deposition”，Journal of Applied Physics 92：4695-4698，2002)或喷雾热解(Itoh、Abdullah和Okuyama，“Direct preparation ofnonagglomerated indium tin oxide nanoparticles using various spraypyrolysis methods”，Journal of Materials Research 19：1077-1086，2004)。然而，这些参考文献似乎没有公开形成含有组成和/或功能不同的纳米粒子的混合物的薄膜或材料的方法。
虽然组成和/或功能不同的粒子可以在糊或油墨中混合，由于印刷和强粒子间作用力需要高粒子浓度，粒子倾向于在悬浮液中聚结。即使使用表面活性剂，聚结也将在沉积之后继续，因为任何表面活性剂都会在干燥和/或烧结过程期间损失。这又将多组分薄膜中组分的个别粒度限制到微米等级，其可为形成组成上没有不同的粒子的层所接受。生产由单组成粒子制成的薄膜的方法的实例公开在专利申请20070169812和20070169813中，其中油墨由有机溶剂和通过研磨具有元素的预定混合物的固体产生的微米薄片或纳米薄片形成。
可以使用自动装配技术在胶体溶液中制得图案化纳米粒子薄膜(参见，例如Sastry、Gole和Sainkar，“Formation of patterned，heterocolloidal nanoparticle thin films”，Langmuir 16：3553-3556，2000)。在此，驱动力为相同或不同粒子和分子之间的库伦相互作用。虽然可以混合多种粒子类型，但是这些技术通常非常慢，因此不适合连续或大规模制造纳米粒子薄膜。
因此，需要例如由不同纳米粒子构成的复合物的多组分材料及其制造方法。还需要所述材料和方法可行地大量生产可以利用多组分纳米粒子材料和薄膜的某些类型的燃料电池、太阳能电池、电池及其它装置。
发明内容
本发明的优势在于多组分材料、其制造方法和设备。
这些及其它优势至少部分地通过包含多个第一粒子和多个第二粒子的混合物的复合物、材料或薄膜确保，其中所述多个第一粒子和所述多个第二粒子的平均尺寸小于约500nm、例如小于约200nm。有利地，所述多个第一粒子在组成上与所述多个第二粒子不同。
本公开的实施方案包括与多个第二粒子紧密且无规混合的多个第一粒子，且其中所述多个第一粒子由选自以下物质的一种或多种组分构成：有机化合物、无机化合物、金属、电催化剂、金属氧化物、锂活性化合物、金属氢化物、金属胺、固体酸及其盐，且其中所述多个第二粒子在组成上与所述多个第一粒子不同或具有明显不同的平均尺寸。所述复合物、材料或薄膜还可以包含多个第三、第四、第五等粒子。本公开的其它实施方案包括包含例如锂混合金属氧化物和磷酸盐、LiNiO2、LiCoO2、LiMn2O4、LiCoMnO4、LiZnSb、LiFePO4和Li2FePO4F粒子的一种或多种锂活性化合物粒子与碳粒子的复合物，其中所述锂活性化合物粒子的平均尺寸小于100nm且与平均尺寸小于50nm的所述多个碳粒子紧密且无规混合。
本公开的其它方面包括形成充分混合的多组分材料和薄膜的方法。所述方法包括形成第一气溶胶；形成第二气溶胶；和将所述第一气溶胶和所述第二气溶胶结合成双组分气溶胶以在基材上形成包含来自所述第一气溶胶的多个第一粒子和来自所述第二气溶胶的多个第二粒子的复合材料或薄膜。有利地，所述方法包括形成平均尺寸小于约500nm的所述多个第一粒子和所述多个第二粒子。所述多个第一粒子在组成上可能与所述多个第二粒子不同，或所述多个第一粒子可能具有与所述多个第二粒子的平均尺寸不同的平均尺寸。或者，所述多个第一粒子在组成上可能与所述多个第二粒子不同且可能具有与所述多个第二粒子的平均尺寸不同的平均尺寸。可以通过喷雾或雾化溶液或悬浮液或通过火焰合成或喷雾热解单独地形成雾化的组分。
本公开的其它方面是为通过形成并结合不同气溶胶提供多组分材料和薄膜的设备。例如，设备可以包括与用于接受并混合多种不同气溶胶的腔流体连通的多个气溶胶形成燃烧器和/或雾化器。实施方案包括设备，所述设备包括用于形成第一气溶胶的第一燃烧器或雾化器；用于形成第二气溶胶的第二燃烧器或雾化器；与第一燃烧器或雾化器和第二燃烧器或雾化器流体连通的用于接受并混合所述第一气溶胶和所述第二气溶胶的腔；和连接到所述腔以使所述气溶胶逸出所述腔的出口孔，其中所述第一燃烧器或雾化器能够：(a)形成组成上与由所述第二燃烧器或雾化器形成的气溶胶不同的气溶胶或(b)形成具有与由所述第二燃烧器或雾化器形成的气溶胶不同的平均尺寸的气溶胶。
从以下详述中本领域的普通技术人员将容易地看到本发明的其它优势，其中简单地通过说明实施本发明的最佳预期模式，仅显示并描述了本发明的优选的实施方案。如将认识到的，本发明能够有其它且不同的实施方案，且其数个细节能够有各方面的改进，所有改进都没有脱离本发明。因此，附图和说明书将被视为在本质上是说明性的，而不是限制性的。
附图说明
参考附图，其中贯穿附图具有相同参考数字名称的元件代表类似的元件，且其中：
图1为用于产生多组分纳米粒子薄膜的设备的示意图，该设备包括多个雾化器。
图2为含有磷酸二氢铯、碳和铂粒子的混合多孔纳米粒子薄膜的电子显微照片图像，其中所述磷酸二氢铯粒子的平均尺寸约为50nm，所述碳粒子的平均尺寸约为20nm，且所述铂粒子的平均尺寸约为20nm。
图3为用于形成多组分纳米粒子材料和薄膜的另一设备的示意图，该设备包括多个雾化器和一个粒子形成燃烧器。
图4为用于产生多组分纳米粒子薄膜的另一设备的示意图，该设备包括在多个粒子形成燃烧器之上的旋转板。
图5为在玻璃基材上的包含二氧化钛和碳粒子的混合纳米粒子薄膜的电子显微照片图像，其中所述二氧化钛粒子的平均尺寸约为15nm且所述碳粒子的平均尺寸约为50nm。
图6为用于产生多组分纳米粒子薄膜的另一设备的示意图，该设备包括在多个粒子形成燃烧器之上的旋转基材。
图7为显示含有约10nm的由预混合乙烯火焰形成的碳粒子和约50nm的由溶液雾化形成的磷酸二氢铯粒子的气溶胶混合物的尺寸分布的图，该尺寸分布由nano-SMPS分析器(3936N25型，购自TSI，Inc.)所测定。
图8为用于产生多组分纳米粒子材料和薄膜的另一设备的示意图。
图9为图示粒子形成设备的缝式燃烧器和雾化器的顶视图。
发明详述
本公开涉及包括薄膜形式材料的材料，其包含至少两组粒子，例如多个第一粒子和多个第二粒子的混合物。第一和第二的指定仅仅是为了便于提及且不限制粒子的性质。所述多组分粒子材料或薄膜可以包括与所述多个第一和第二粒子组合的另外的粒子，例如多个第三、第四、第五等粒子可与所述多个第一和第二粒子组合。
在本公开的一方面中，所述多个第一粒子和所述多个第二粒子的平均尺寸处于纳米长度等级。为了本公开的目的，平均尺寸处于纳米长度等级的粒子为平均尺寸小于约500nm的粒子。所述粒子在此处也被称为纳米粒子。优选所述多个第一和第二粒子的平均尺寸小于约500nm、例如小于约200、100、80、60、40、20、10nm以及在其间的尺寸。粒子的平均尺寸可通过任何常规方法测定，例如通过例如购自TSI，Inc.的扫描电迁移率粒径谱仪或等效仪器的粒径谱仪测定。如果所述仪器不实用或不能得到，则可以使用用于测定粒子平均尺寸的其它常规方法，例如，通过根据电子显微照片图像或等效图像估算材料中许多粒子的直径并对所估算的直径取平均值。
有利地，本公开的材料可以包含处于纳米长度等级的组成不同的粒子的混合物，即，组成不同的纳米粒子的复合物。组成不同的粒子为具有在元素组成方面变化和/或元素之比超出对于给定组合物所预期的正规变差(normal variation)的组成的粒子。组成不同的粒子在同一材料中可能提供不同功能。在本公开的一个实施方案中，所述材料或薄膜包含多个第一粒子和多个第二粒子的混合物，其中所述多个第一粒子和所述多个第二粒子的平均直径小于约500nm、例如小于约200nm，且其中所述多个第一粒子在组成上与所述多个第二粒子不同。
相信，与通常产生处于微米等级粒度的包括机械混合(例如球磨混合物)的方法相比，所述材料和制备所述材料的方法是有利的。例如，相信通过研磨由纳米尺寸的粒子组成的粉末混合物将产生仍将仅具有约1微米的粒度的混合粉末，这是由于纳米尺寸粒子与微米尺寸粒子之间的强范德华力和库伦相互作用。因此，即使单个粒子尺寸可以处于纳米量级的直径，但所得混合物还将以尺寸处于微米量级的单组分聚结体为特征。这排除了纳米尺寸粒子在混合物中实现无规、分散或有序方式的可能性。
本公开的一个优势在于包含无规和/或分散的组成不同的纳米尺寸粒子的材料和薄膜。在本公开的一方面中，所述材料或薄膜包含与多个第二粒子紧密且无规混合的多个第一粒子，所述第二粒子在组成上与所述第一粒子不同。
所述多组分粒子材料可以由多种起始粒子制成。这些起始粒子包括可以在火焰(例如碳和金属氧化物)或喷雾热解(例如金属氧化物)中形成的粒子以及可以由雾化并干燥溶液或悬浮液(诸如在水中的磷酸二氢铯和在乙醇中的铂纳米粒子)形成的粒子。所述粒子的组成限于可以由气溶胶形成的那些组成。在此处使用时，气溶胶是指固体和/或液体粒子悬浮在气体中的分散体。气溶胶可以由溶解或悬浮在溶剂或液体中的固体构成的介质形成，所述溶剂或液体具有足够的挥发性以允许在火焰或雾化器中形成粒子。也可以通过燃烧烃以产生悬浮在气体中的固体碳粒子，例如用本生燃烧器形成碳粒子来形成气溶胶。
可以与雾化器一起使用的溶剂或液体介质例如包括以下物质中的一种或多种：水；醇和低级醇，例如C1-12醇，例如甲醇、乙醇、丙醇、异丙醇、丁醇、糠醇；多元醇，例如乙二醇、丁二醇、丙二醇；醚，例如直链或支链的低级醚，甲醚、***、甲***、四氢呋喃；酮和直链或支链的低级酮，例如丙酮、甲乙酮；有机酸，例如甲酸、乙酸、丁酸、苯甲酸；酯，诸如甲酸酯、乙酸酯、丙酸酯；烃，例如直链或支链的烷烃，例如丁烷、戊烷、己烷、庚烷、辛烷；直链或支链的烯烃；芳族溶剂或液体；氯代溶剂或液体；等。在本公开的一个实施方案中，所述溶剂或悬浮液体为具有用于调整介质的pH的一种或多种酸、例如HCl，或碱、例如氨，的水性介质且也可以包括一种或多种表面活性剂和/或缓冲剂。
所述多个第一、第二、第三等粒子可以由选自以下物质的一种或多种组分构成：有机化合物，例如碳、碳纳米管和富勒烯；金属，例如铝、铂、银、金、钯、锡、钛、铟和锌；金属氧化物，例如氧化铝、氧化锡、二氧化钛、氧化锌、氧化铟和二氧化锆；半导体及其氧化物和氮化物，例如硅、镓、镉、terrarium、二氧化硅和氮化硅；金属氢化物；金属胺；固体酸，例如CsH2PO4、CsHSO4、Cs2(HSO4)(H2PO4)、(NH4)3H(SO4)2、CaNaHSiO4等；无机组分，诸如氧化铟锡、铝掺杂的氧化锌、氧化铟钼、氧化锡锑、掺杂有例如F、In、Ga、B、Si、Ge、Ti、Zr、Hf、Sc、Y的多种元素和上述元素的盐的锌，可用于电池的锂活性化合物，例如锂混合的金属氧化物和磷酸盐，LiNiO2、LiCoO2、LiMn2O4、LiCoMnO4、LiZnSb、LiFePO4和Li2FePO4F等。
第二组粒子可以由上述组分中的一种或多种构成，但其组成不同或具有显著不同于所述第一多个粒子的平均尺寸。优选第一和第二多个粒子的平均尺寸小于约500nm且遍布多组分材料紧密且无规分散。
所述多组分材料可以用于固体酸燃料电池中，其中阳极包括由例如CsH2PO4、CsHSO4、Cs2(HSO4)(H2PO4)、(NH4)3H(SO4)2、CaNaHSiO4的固体酸粒子，电子传导粒子和电催化剂粒子构成的多孔充分混合的纳米粒子薄膜。
在本公开的一个实施方案中，多组分粒子薄膜包括多个固体酸粒子，多个导电粒子，例如碳，和多个电催化剂粒子，例如Pt、Ru、Rh、Pd、Cu、Ni、Ag、Au、Sn等。所述薄膜可以作为质子导电膜用于燃料电池中，如在例如美国专利6,468,684、7,250,232和7,255,962中公开。如在这些专利中所提到的，对于所述薄膜，可以使用许多固体酸，其包括如下通式的化合物：MaHb(XOt)c或MaHb(XOt)c·nH2O，其中M为Li+、Be+、Na+、Mg+、K+、Ca+、Rb+、Sr+、Cs+、Ba+、Tl+和NH4 +或Cu+中的一种或多种；X为Si、P、S、As、Se、Te、Cr和Mn中的一种或多种；且a、b、c、n和t为有理数和/或非零整数。
在优化质子导电膜的过程中，应该考虑到离子和气体经薄膜的传输且因此调整薄膜的孔隙率和微观结构。例如，相信优化质子导电膜将包括具有高孔隙率和低弯曲率的膜结构。相信所述结构可以通过以下方式制得：通过最初沉积碎片样碳聚结体以在膜中保留微米尺寸的开孔、接着在碳中和在其中间形成由固体酸粒子、碳粒子和电催化粒子的混合物构成的多组分纳米粒子薄膜，从而包括嵌入膜中的气体扩散通道。
多组分材料也可以用于例如锂或锂离子电池的电池中，其中阴极包含锂活性化合物，例如锂混合的金属氧化物和磷酸盐，LiNiO2、LiCoO2、LiMn2O4、LiCoMnO4、LiZnSb、LiFePO4、Li2FePO4F等粒子以及碳粒子。在本公开的一个实施方案中，多组分纳米粒子复合物包含多个例如磷酸铁锂粒子的锂活性化合物粒子和多个碳粒子。有利地，所述锂活性化合物和碳粒子遍布所述复合物紧密且无规分散。在本公开的一方面中，例如磷酸铁锂粒子的锂活性化合物粒子的平均尺寸小于约200nm、例如小于约100、50、20nm以及在其间的尺寸，且所述碳粒子的平均尺寸小于约200nm、例如小于约100、50、20、10nm以及在其间的尺寸。
更多地使用磷酸铁锂(LiFePO4)作为阴极材料来制造锂离子电池。磷酸铁锂的主要优势在于其比其它常用的材料(例如钴酸锂或钒酸锂)更安全，因为其使失去控加热和***的风险最小化。在电池放电时，铁(II)被氧化成铁(III)，产生的自由电子经负载离开电池并回到阳极，同时Li+离子经电解质被传输到阳极。因为放电速率取决于电解质与磷酸铁锂表面之间的接触面积，高性能电池需要小粒度的磷酸铁锂。然而，磷酸铁锂的问题在于其显示出弱的导电性，使得自由电子难以离开阴极，且因此限制电池的放电速率。
克服该缺陷的一种途径是使碳粒子与磷酸铁锂粒子紧密混合以增强阴极的导电性。优选混合物的混合长度等级与粒度处于同一等级，使得来自各磷酸铁锂粒子的电子可从阴极中有效提取并传输。在本公开的一个实施方案中，多组分纳米粒子复合物包含遍布所述复合物紧密且无规分散的磷酸铁锂粒子和碳粒子，其中所述磷酸铁锂粒子的平均尺寸小于约200nm、例如小于约100、50、20nm以及在其间的尺寸，且碳粒子的平均尺寸小于约200nm、例如小于约100、50、20、10nm以及在其间的尺寸。另外，所述磷酸铁锂粒子可以被掺杂以增强其性能，例如通过用例如包括镁、铝、钛、锆、铌和钨的一种或多种金属掺杂。
在本公开的一方面中，可以通过在气相中组合多种不同的雾化组分且例如通过静电沉淀器收集混合物或将所述混合物作为薄膜或粉末沉积在基材上来形成多组分材料。可通过喷雾或雾化溶液或悬浮液或通过火焰合成或喷雾热解单独地形成雾化的组分。
在本公开的一个实施方案中，可以通过以下步骤制备充分混合的多组分纳米粒子材料：形成第一气溶胶；形成第二气溶胶；和使所述第一气溶胶和所述第二气溶胶结合以形成包含来自所述第一气溶胶的多个第一粒子和来自所述第二气溶胶的多个第二粒子的材料。本公开的方法不限于形成具有组成不同的粒子的材料，但在某些实施方案中，本公开的方法也可以形成具有不同平均尺寸的粒子。因此，所述多个第一粒子可以：(a)在组成上与所述多个第二粒子不同和/或(b)具有与所述多个第二粒子的平均尺寸不同的平均尺寸。在本公开的一个实施方案中，所述多个第一粒子：(a)在组成上与所述多个第二粒子不同且(b)具有与所述多个第二粒子基本相同的平均尺寸。在本公开的另一实施方案中，所述多个第一粒子：(a)具有与所述多个第二粒子基本相同的组成且(b)具有与所述多个第二粒子的平均尺寸明显不同的平均尺寸，例如，其中所述多个第二粒子的平均尺寸为所述多个第一粒子的平均尺寸的至多约2至50倍、例如为所述多个第一粒子的平均尺寸的2、5、10或50倍。在本公开的另一实施方案中，所述多个第一粒子：(a)在组成上与所述多个第二粒子不同且(b)具有与所述多个第二粒子的平均尺寸不同的平均尺寸。
可以通过雾化溶液、雾化粒子悬浮液、通过火焰合成和/或火焰喷雾热解来形成所述第一和/或第二气溶胶。
在此处使用时，雾化是指将液体介质转化成喷雾或烟雾(即液滴的收集)。可以通过使液体介质穿过喷嘴或孔发生雾化。术语雾化不是指使喷雾或烟雾或来自其的粒子减小到原子尺寸。雾化也可以描述为“喷雾化”。雾化液体介质可以通过使用雾化器实现。雾化器是已知的且可例如从Shoreview Minnesota，USA的TSI，Inc.市售得到。
考虑到本公开的指导，本领域普通技术人员可以选择适当参数来优化粒子的性质及其在混合粒子薄膜中的分散。
例如，可以通过使液体雾化成小液滴且随后在与在单独管中形成的其它气溶胶粒子混合之前和/或期间使液滴干燥成气溶胶粒子而由溶液或悬浮液形成气溶胶。可以通过使用注射泵或文丘里吸气将液体注入高速气体射流中来引发雾化。在形成充分混合的纳米粒子薄膜的过程中，优选控制液体的蒸气压和液滴及所得粒子的数量密度。例如，液体蒸气压应该低于其饱和蒸气压，以使得液体不会再冷凝到粒子或薄膜上。可以通过限制进入高速射流的溶液或悬浮液的注入速率而使所述液体蒸气压保持较低。相反地，可以通过使用例如加热带、加热盘管的加热元件和/或由火焰产生的热将气溶胶流保持在高温下而使饱和蒸气压保持较高。气溶胶的数量密度优选保持到足够低以在沉积之前使气溶胶的凝结和聚结最小化，所述凝结和聚结将增加多组分薄膜所包含的粒子的粒度。可以通过将气溶胶迅速分散在清洁鞘气中或通过保持低液体注入速率而使数量密度保持较低。
或者，也可以通过用适当燃烧器火焰合成或火焰喷雾热解或以结合来形成气溶胶。如果平行于火焰还使用雾化方法，则在火焰中产生纳米粒子提供保持混合气溶胶流足够热以防止冷凝的双重目的。火焰合成技术包括建立预混合或扩散火焰且如果需要，则使在介质中的一种或多种前体化合物进入火焰，在火焰中它们与其介质分离，如果有介质存在，并被氧化或经历热解。氧化或热解的希望的产物可以成核并生长成最终沉积在薄膜上的粒子。一个实例是通过氧化有机金属化合物形成金属氧化物粒子。也可以使用火焰合成通过用氧化剂点燃燃料而形成多个碳粒子。这通过向火焰中加入相对于进入火焰的给定氧气流速的化学计算量来说过量的燃料或任何其它烃。过量的碳成核以形成通常显现为来自蜡烛的烟灰的粒子。所述燃料可能含有包含烃(例如为以下物质中的一种或多种：例如丙烷、丁烷的烷烃、例如乙烯的烯烃、例如乙炔的炔烃等)和任选的惰性气体(例如氩气)的混合物。所述燃料还可能含有例如氧气的氧化剂。或者，所述氧化剂可以单独供应到燃料中。在燃料混合物相对于氧化剂来说富含烃时，所有氧化剂都被消耗，因此剩下缺乏氧气的环境，其可以用作某些应用的还原环境。火焰喷雾热解包括使溶液液滴喷雾经过既定的火焰以在高温环境中引发液滴破碎、干燥及可能的热分解。然后可以例如通过过滤、碰撞、电泳、热泳或作为薄膜沉积在可以用于装置中的基材上而收集所得气溶胶。
使混合的气溶胶穿过多孔基材(孔径小于约1微米)产生包含混合之前在各气溶胶中形成的粒子的均匀的充分混合的薄膜。对于直径小于约100nm的粒子来说，相信通过过滤器收集的主要模式是扩散，如果经过过滤器的气溶胶质量流是均匀的，则产生均匀沉积方式。这可以与通过碰撞、例如通过气溶胶射流撞击到平坦基材上的粒子收集形成对比，后者在基材上产生对粒度和密度敏感的沉积方式。该收集模式不会产生充分混合的薄膜，因为粒子将基于其惯性而分开。然而，如果气溶胶浓度足够高能够使混合的气溶胶粒子有效聚结，则可以使用通过撞击的粒子收集来形成充分混合的多组分纳米粒子材料，使得包含气溶胶组分的混合物的大聚结体在载气中形成且随后碰撞到物质上。
在本公开的另一方面中，可以通过面向基材的多重火焰在移动基材上形成充分混合的多组分纳米粒子薄膜。基材每次穿过火焰，小量(例如小于单层)收集在基材上。基材重复穿过多重火焰，各自形成不同类型纳米粒子，产生充分混合的多组分薄膜。所述火焰可以为本生火焰或预混合的滞止火焰。
在本公开的一个实施方案中，可以通过使例如磷酸铁锂粒子的锂活性化合物或其前体的气溶胶与碳粒子的气溶胶结合以形成复合物来制备多组分复合材料。可以例如通过雾化可以通过在介质中组合各种锂和金属化合物及其盐来制备的锂活性化合物的前体溶液来形成锂活性化合物的气溶胶。例如，磷酸铁锂前体可以由许多前体来制备，所述前体包括锂前体，例如乙酸锂、氢氧化锂、硝酸锂、草酸锂、氧化锂、磷酸锂、磷酸二氢锂、碳酸锂；铁前体，例如硫酸铁、乙酸铁、草酸铁(II)、柠檬酸铁(III)、氯化铁(II)；磷酸盐前体，例如磷酸、P2O5等。
例如，可以通过组合碳酸锂或乙酸锂与磷酸和氯化铁(II)或草酸铁(II)而在水溶液中形成固体磷酸铁锂。在中性化学计量条件下，LiFePO4作为具有橄榄石晶体结构的浅绿色固体沉淀。然而，可以通过使溶液呈酸性而抑制沉淀。可以通过加入例如HCl、硝酸、硫酸、乙酸等的酸来调整溶液的pH。可以通过雾化、喷雾热解等雾化所述酸性溶液并形成磷酸铁锂。在本公开的一方面中，通过经超声雾化、文丘里雾化等雾化磷酸铁锂前体的酸性溶液来形成磷酸铁锂的气溶胶。随后可以由载气或燃料将所述气溶胶运载到通过燃烧烃(例如烷烃、烯烃和炔烃中的一种或多种)和氧化剂(例如氧气)产生的火焰中，所述载气可以为惰性气体(例如氮气、氩气等)。
所述火焰可以提供使气溶胶液滴微爆并蒸发溶剂以形成磷酸铁锂的纳米粒子的热。也可以使火焰富集烃燃料以形成碳纳米粒子以与所得磷酸铁锂纳米粒子组合，随后可以使其共同沉积或被收集。使用烃富集燃料的火焰的优势在于将保持还原环境，使得所收集的磷酸铁锂未被氧化成铁(III)，且使得在火焰中被氧化成Fe(III)的任何铁随后可以还原回到Fe(II)。
收集气溶胶粒子的直接途径是使流体穿过碳过滤器，所述碳过滤器本身可以充当锂离子电池阴极。以这种方式，锂活性化合物粒子和碳纳米粒子生产、混合及收集到电池电极上以单一工艺完成。例如，可以通过将包含与多个碳粒子紧密且无规混合的多个锂活性化合物粒子的复合物沉积到例如含有碳和/或例如聚偏氟乙烯(PVDF)的氟化聚合物和金属箔的基材的适当基材上而制成阴极电极。有利地，所述多个锂活性化合物粒子和碳粒子的平均尺寸小于200nm。在本公开的一个实施方案中，所述锂活性化合物粒子包含磷酸铁锂且其平均尺寸小于100nm且所述多个碳粒子的平均尺寸小于50nm。
在本公开的一方面中，描述了可以形成多组分材料的设备，所述材料包括薄膜形式的包含至少两组纳米粒子的混合物的材料。例如，设备可以包括多个雾化器和/或多个燃烧器以形成组成不同的粒子和/或具有不同平均尺寸的粒子。本公开的设备不限于形成组成不同的粒子的材料，而在某些实施方案中，本公开的设备也可以形成具有不同尺寸的粒子。
在本公开的一个实施方案中，用于形成多组分材料的设备包括：用于形成第一气溶胶的装置；用于形成第二气溶胶的装置；和用于使第一气溶胶和第二气溶胶结合以由第一气溶胶形成多个第一粒子且由第二气溶胶形成多个第二粒子的装置。所述设备经构造，使得所述多个第一粒子和所述多个第二粒子的平均尺寸小于约500nm、例如小于约200nm，和/或所述多个第一粒子在组成上与所述多个第二粒子不同。
用于结合不同气溶胶的设备可以包括用于形成第一气溶胶的第一燃烧器或雾化器；用于形成第二气溶胶的第二燃烧器或雾化器；与第一燃烧器或雾化器和第二燃烧器或雾化器流体连通的用于接受并混合所述第一气溶胶和所述第二气溶胶的腔；和连接到所述腔以使所述气溶胶逸出所述腔的出口孔，其中所述第一燃烧器或雾化器能够：(a)形成在组成上与由所述第二燃烧器或雾化器形成的气溶胶不同的气溶胶或(b)形成具有与由所述第二燃烧器或雾化器形成的气溶胶不同的平均尺寸的气溶胶。第一或第二的指定仅仅是为了方便且不限制粒子的性质或设备的结构。有利地，所述设备可以包括槽形式的腔和/或出口孔和/或具有槽形式的喷嘴或孔，即细长孔的燃烧器和/或雾化器。
图1图示了设备100，其可用以形成多组分粒子材料和薄膜。设备100的管路和管线可以为任何材料，例如基本不妨碍粒子形成的那些材料，包括玻璃和不锈钢等。如该示意图所示，气溶胶薄膜产生器100可以通过形成并组合经能够为槽形式的出口孔126离开腔112的多种雾化组分使多组分薄膜和粉末形成在例如碳过滤器的基材102上。在本示意图中，第一雾化器104形成第一气溶胶106以形成多个第一粒子且第二雾化器108形成第二气溶胶110以形成多个第二粒子。第一或第二的指定仅仅是为了方便且不限制粒子的性质或设备的结构。雾化器104和108可以为任何雾化器，诸如市售的雾化器，或者可以制造为可用以形成雾化粒子的文丘里雾化器。雾化器104和108可以具有槽形式的喷嘴。
第一和第二雾化器(104、108)与腔112流体连通。在该实施方案中，腔112为连接第一雾化器104与第二雾化器108的管。然而，腔112能够为槽形式。腔112连接雾化器且允许气溶胶混合。如图1所示，腔112与加热元件114流体连接。在该实施方案中，加热元件114包括与腔112流体连通并连接的管路116，其中管路116载带例如惰性气体例如氩气或氮气的气体，所述惰性气体通过穿过被与管路116接触的加热带118加热的管路116而被加热。所述加热元件可以用于干燥任何雾化液体，即，第一气溶胶和/或第二气溶胶，和/或用以使来自第一和/或第二气溶胶的任何液体的再冷凝最小化或防止其再冷凝。优选地，腔112和管路116由不锈钢构造。可以使用排气孔120和122以控制腔112内部的压力，如在例如随着负载增加压力越过多孔基材降低时。在该实施方案中，排气孔122连接到泵124以便进一步控制腔112内的压力和/或气溶胶离开出口孔126的速率。
图3图示了可以用于形成多组分粒子材料和薄膜的另一设备。如该示意图所示，设备300可以通过形成并组合多个雾化组分而使多组分薄膜形成到基材302上。在本示意图中，第一气溶胶304由第一雾化器306形成。第二雾化器308可以用以形成第二气溶胶310。雾化器306和308可为任何雾化器，例如市售雾化器。第一气溶胶和第二气溶胶(304、310)在混合管312中混合。混合管路312与第一气溶胶和第二气溶胶流体连通。如图3所示，第三气溶胶314可以由火焰喷嘴316形成。在该实施方案中，火焰喷嘴316可以通过点燃包含烃(例如以下物质中的一种和多种：烷烃，例如丙烷、丁烷；烯烃，诸如乙烯；炔烃，诸如乙炔等)和氧化剂(例如空气、氧气)且任选具有惰性气体(例如氩气)的混合物来形成碳纳米粒子的气溶胶。
当燃料和载气富含烃时，烃的燃烧产物包括在火焰下产生的碳粒子，其可以与气溶胶紧密且无规混合。此外，在所述条件下，混合管路基本不含氧化剂，因为任何氧化剂，例如氧气都在燃料燃烧期间被消耗。当在所述条件下将来自雾化器的气溶胶引入混合管路且其由基本不含氧化剂的气体、例如由氮气流或甚至烃流运载时，所述管路包含对于气溶胶的还原环境。
来自燃烧气体的热可以用于干燥第一气溶胶304和第二气溶胶310。然后可以经出口孔320作为充分混合的纳米粒子而收集来自气溶胶304和310的粒子。在该实施方案中，来自气溶胶的粒子收集在基材302上。
图4图示了用于制备多组分粒子材料的另一设备。设备400包括用以产生可以通过烃燃烧形成的碳纳米粒子404的气溶胶的本生燃烧器402，通过转轴408使板406旋转从而使所述碳纳米粒子收集在板406上，其中转轴408连接到为旋转转轴408和板406的马达(现在出于图示方便而示出)上。所述设备还包括用于产生可以生成另外纳米粒子的滞止火焰412的燃烧器410。通过该设备，可以通过本生燃烧器402产生多个第一粒子且可以通过滞止燃烧器410产生多个第二粒子。收集并混合这些粒子，同时使其沉积在板406上且然后可以从所述板上除去所形成的材料。
图6为使用可以用以在基材上形成一种或多种多组分薄膜的多个燃烧器(在图6中示为燃烧器602、604、606)的燃烧器装备的示意图。可以构造各燃烧器以相对于基材608形成一种以上类型的气溶胶。在该实例中，燃烧器602构造为空气动力型槽，但也可以使用任何一种或多种燃烧器构造。例如，可以通过例如空气动力喷嘴、管状或扁焰喷烧器的合适形状的燃烧器形成滞止火焰。各燃烧器用以形成滞止火焰(出于图示方便而没有示出)，可以通过基材608稳定所述滞止火焰，基材608可以在各燃烧器之上可移动地定位以形成连续移动的基材。在该实例中，基材608稳定多个滞止火焰且为长片材形式；然而，根据燃烧器的布置，可以使用其它基材形式，例如，可以使用环状布置的多个燃烧器的盘。如图6中所示，通过旋转滚筒610在燃烧器上移动基材608。在图6中，滚筒610直接处于燃烧器之上，基材在其之间。虽然具有大体直接在燃烧器之上的滚筒以例如帮助冷却基材可能是有利的，但是不需要如此布置滚筒。在燃烧器上可能有一些滚筒或没有滚筒。
图6中的布置提供许多优势。通过使用多个燃烧器，可以通过相对于多个火焰以较快速率移动基材而使基材温度保持在较低温度，其中所述较快速率是与保持材料以相同速率沉积在基材上所需要的相对于单一燃烧器进行移动的速率相比更快的速率。使用多个燃烧器也允许材料更快地沉积在基材上。此外，通过使用多个燃烧器，可以单独地构造各燃烧器和滞止火焰以将组成不同的粒子和/或具有不同平均尺寸的粒子沉积到移动基材上。可以单独地构造各燃烧器以产生任何滞止火焰并在移动基材上产生相同或不同的粒子。然后可以从基材上除去所形成的粒子并将其用作为多组分粒子材料或薄膜。
图8为用于形成多组分材料的另一设备的示意图。如该示意图所示，设备800包括用于运载例如烃和/或具有氧化剂和/或具有载气的烃的燃料804的管路802，其中燃料804通过孔口806与管路802流体连通。燃料804沿管路802运载到含有多孔塞(其或者可以为筛网)的孔812并运载到腔806，在其中燃料804与经孔口810引入腔806的载气808混合。在该实施方案中，管路802和孔812包括在腔806内且腔806还含有整流元件814，整流元件814可以由例如压缩黄铜的多孔材料制成。整流元件814用以将载气808的流分配到腔806。整流元件814可以与管路802的顶部平齐且可以低于管路802的顶部一些距离。
使用点火源(出于图示方便而没有示出)以在腔806内在整流元件814上方在孔812处点燃燃料804以形成火焰816。载气808可以为空气或另一氧化剂，且可能含有一种或多种惰性气体，例如氮气、氩气等。在燃料804含有对于燃烧来说足够的氧化剂时，载气808可以基本由一种或多种惰性气体构成。在燃料804含有对于燃烧来说不足的氧化剂时，载气808可以含有例如氧气的氧化剂。
如图8所示，设备800还包括经孔口824与雾化器822流体连通以运载气溶胶826到腔806且以粒子832经出口孔830离开的管路820。在该实施方案中，管路820在管路802内。如该实施方案中所示，管路820的孔口828与孔812平齐，但可以比它低或高某一距离。
通过该实施方案中所示的构造，气溶胶826穿过火焰816进入腔806。在气溶胶826穿过火焰816时，其经受热并变成在火焰中产生的燃烧产物。当燃料804和载气808富含烃时，烃的燃烧产物包括在火焰816下产生的碳粒子，其可以与气溶胶826紧密且无规混合。此外，在所述条件下，腔806基本不含氧化剂，因为例如氧气的任何氧化剂都在燃料燃烧期间被消耗。当在所述条件下将气溶胶826引入腔806中且其由基本不含氧化剂的气体运载、例如由氮气流或甚至烃流运载时，由于缺乏氧气和/或存在可以与氧化组分反应的碳，腔806包括对于气溶胶826的还原环境。通过载气808将气溶胶和通过燃烧燃料804产生的任何碳粒子运载经过腔806到达出口孔830，粒子可以在该出口孔830处例如通过过滤、碰撞、电泳、热泳或作为薄膜沉积在可以用于装置中的基材上而被收集。此外，可以通过燃料804的燃烧和/或也可以通过燃料804的燃烧和/或未示出的外加热器加热的腔806来加热气溶胶826和由其形成的粒子。能够以如下长度制成腔806，使得气溶胶826和由其形成的粒子和来自火焰的生产产物在腔806的环境中具有特定停留时间以使得由气溶胶826形成的粒子退火和/或还原。在一个实施方案中，腔806的长度至少为1米。
设备800可以由基本不妨碍设备或组成部件操作的任何材料制成。例如，管路820可以由玻璃或不锈钢等制成；管路802和孔812中的多孔塞可以由铝、黄铜、钢等制成；腔806和孔口806、810、824可以由铝、钢等制成。
图9为用于形成多组分材料的设备的顶视图。如该示意图所示，设备900包括腔902、燃烧器904和槽形状即细长孔的管路孔口906。在操作时，燃烧器904可以产生槽形状的火焰，所述火焰随后可以撞击流经扁焰或围绕扁焰流动的载气。也可以构造扁焰以撞击基材。在该实施方案中，管路孔口906包含在燃烧器904中，但其可以位于燃烧器904外部。管路孔口906可以用以将气溶胶引入腔902中。以上说明的设备中的任一个可以具有槽形状的腔、燃烧器和/或雾化器。扁焰喷烧器和/或腔的优势在于由其且在其中产生的粒子可以覆盖并沉积到较大面积上以产生充分混合粒子的薄膜。
具体实施方式
实施例
以下实施例旨在进一步说明本发明的某些优选的实施方案，且其实际上并不是限制性的。本领域普通技术人员仅仅使用常规实验即可认识到或能够确定此处所述的特定物质或步骤的许多等效物。
在形成多组分纳米粒子薄膜的实施例中，在例如购自Fuel CellScientific，LLC的Toray纸的碳基材上产生固体酸燃料电池阳极。所述阳极包括由例如磷酸二氢铯(CDP)的固体酸纳米粒子、例如碳纳米粒子(C)的导电纳米粒子和例如铂纳米粒子(Pt)的电催化剂纳米粒子构成的混合纳米粒子薄膜。
使用图1中图示的设备，形成具有不同C/CDP/Pt质量比、CDP粒度和总质量的各种薄膜。这些样品的特征包括：1)薄膜具有充分混合的粒子，和2)薄膜具有可以用小到约10nm且大到约500nm的平均尺寸制造的可调粒度。多组分C/CDP/Pt粒子薄膜的样品电子显微照片图像示于图2中。使用如图1中图示的设备形成所述多组分薄膜中使用的实例参数如下。通过使碳酸铯(购自Alfa Aesar)和正磷酸(购自Alfa Aesar)反应来制备浓度约为0.5mg/mL的水性CDP溶液。将水性CDP溶液在第一雾化器中以约0.4mL/分钟的速率雾化。将所得液滴在来自温度约为250℃的加热塔的热气中进一步破碎。所得干燥CDP粒子的平均直径约为50nm。
在约100％的纯乙醇(购自Pharmco-Aaper，ACS/USP级)中制备约40nm的乙炔黑粒子(Aldrich)和约20nm的铂粒子(购自Alfa Aesar)的混合悬浮液。碳和铂的质量浓度分别为约0.5mg/mL和2.0mg/mL。将悬浮液在第二雾化器中以约1mL/分钟的速率雾化。在沉积到1英寸直径的碳过滤器片上约10分钟之后，所得黑色松散的均匀薄膜重量约为3.2mg。薄膜的能量分散X射线分析产生约2/3/3的碳/CDP/铂质量比。
先前实施例中使用的第一雾化器和第二雾化器由购自SoutheastMedical Supply的用于哮喘的药物传送***制成，所述药物传送***经改进以增加贮液器体积和供气压力。通过在贮液器体上切割并钻孔且在贮存器的入口和出口上安装管道来改进雾化器。随后将整个组件置于配备有用于入口和出口的流体引线的较大玻璃贮存器中。所述较大贮存器填充有待雾化的溶液或悬浮液，且孔洞切割到最初的贮存器中以允许液体进入雾化区。这些改进允许较大量的液体被雾化。
使用图3所图示的设备，制备另外的多组分粒子薄膜。例如，通过溶液雾化浓度约为0.5mg/mL的CDP/水溶液而产生固体酸CDP粒子，通过组合碳酸铯(购自Alfa Aesar)和正磷酸(购自Alfa Aesar)来制备所述CDP/水溶液。用先前实施例中所述的常规雾化器雾化所述CDP水溶液。通过使用购自TSI，Inc.的3076型溶液雾化器雾化Pt粉末在乙醇中的悬浮液来雾化直径约为20nm的铂(Pt)纳米粒子。将得自CDP/水溶液和铂悬浮液的雾化的气溶胶混合并用来自贫燃预混火焰的热干燥。通过燃烧当量比小于1的乙烯和空气的混合物形成所述贫燃预混火焰。将雾化的组分在气相中混合且随后收集到碳过滤器上。
在单独的样品制备中，将碳纳米粒子与在先前实施例中制备的CDP和Pt的气溶胶结合。通过使本生燃烧器通过点燃乙烯、氧气和氩气的富烃混合物来燃烧更富含烃的燃料而用本生燃烧器形成所述碳粒子。因此本生燃烧器产生碳粒子，在所述设备中将所述碳粒子与来自两个雾化器的CDP和Pt粒子组合。因此在该实施例中的本生燃烧器提供干燥CDP溶液和Pt悬浮液的雾化液滴和形成碳粒子的双重用途。
使用如图3所图示的设备在多组分C/CDP/Pt薄膜的形成中使用的实施例参数如下。将浓度为4mg/mL的水性CDP溶液以0.4mL/分钟的速率雾化，形成平均直径约为200nm的CDP粒子。将质量浓度约为1.3mg/mL的约20nm铂粒子在乙醇中的悬浮液以约0.2mL/分钟的速率雾化。火焰由约0.2L/分钟的乙烯和约1.4L/分钟的空气的预混合流产生。沉积到1英寸直径的碳过滤器片上1小时后，所得薄膜为充分混合的黑色松散薄膜，重量约为100mg。组分重量如下：约41mg碳；约50mg CDP；和约9mg铂。
使用如图4所图示的设备，制备二氧化钛和碳的多组分纳米粒子薄膜。在该实施例中，在通过经使用注射泵经过针头将异丙氧基钛(购自Alfa-Aesar)注入可燃烧的乙烯/氧气/氩气混合物中并使其蒸发而由燃烧器410产生的滞止火焰412中产生平均尺寸约为10nm的二氧化钛粒子。由通过燃烧当量比大于1.8的乙烯/空气混合物的火焰从燃烧器402中产生平均聚结体尺寸约为50nm的碳粒子404。在固定到旋转板406的玻璃基材上产生二氧化钛和碳的多组分纳米粒子薄膜。如图5的电子显微照片图像所示，多组分薄膜为由二氧化钛和碳纳米粒子构成的充分混合的薄膜。
图7图示了含有碳和CDP粒子的混合气溶胶的分布。通过富燃料的当量比为2.0的预混合乙烯/氧气火焰形成所述碳粒子。通过溶液雾化形成所述CDP粒子，其中使0.5mg/mL水性CDP溶液雾化且将所得雾化液滴与含有在火焰中形成的碳粒子的热气(约250℃)混合。通过扫描电迁移率粒径谱仪(3936N25型nano-SMPS分析仪，购自TSI，Inc.)测定粒度分布。如图所示，火焰产生的碳粒子显示出接近于约10nm的大峰且CDP粒子显示出接近于约50nm的较小宽峰。
使用如图8所图示的设备，制备包含多个磷酸铁锂粒子和多个碳的复合物。通过在具有还原环境的腔中结合磷酸铁锂纳米粒子的气溶胶与碳粒子的气溶胶来制备所述复合物。
最初，通过组合约3.69g Li2CO3(购自Alfa Aesar)与19.28gFeCl2(4H2O)(购自Alfa Aesar)及7mL H3PO4(购自Alfa Aesar)和200mL蒸馏水来制备酸性水性前体溶液。通过加入5mL HCl来调整所述溶液的pH。
将前体溶液在雾化器中用氮气流以约0.1mL/分钟的速率雾化。在该实验中使用的雾化器为TSI 3076型雾化器，其提供约4微米的雾化液滴。通过燃烧包含体积比约为1∶22的丙烷和空气的混合物而产生碳粒子。
使雾化的前体溶液穿过用于产生碳粒子的火焰，导致气溶胶的尺寸进一步减小且随后产生磷酸铁锂粒子，这可能是由于随着液滴进入火焰使液滴微爆形成较小的卫星滴并干燥所述卫星滴。
使干燥的磷酸铁锂/碳气溶胶混合物穿过由于火焰产生的热而处于超过200℃的温度的管路。与富碳且缺氧环境组合的热提供还原环境以使铁(III)的存在量最小化。加入到溶液中的HCl酸保留在气相中且随流体离开***。
多组分气溶胶本身可以通过碰撞、截留、扩散、静电沉淀或热泳收集。收集气溶胶粒子的简单途径是使流体穿过碳过滤器，所述碳过滤器本身可以充当锂离子电池阴极。以这种方式，磷酸铁锂和碳纳米粒子生产、混合及收集到电池电极上以单一工艺完成。
在本公开中仅示出并描述了本发明的优选实施方案及其多功能性的实施例。应理解能够以各种其它组合和环境使用本发明且能够在如此处表达的发明构思的范围内改变或改进本发明。因此，例如，本领域普通技术人员使用至多常规实验将认识到或能够确定此处所述的特定物质、步骤和布置的许多等效物。所述等效物被视为在本发明的范围内且由以下权利要求书涵盖。

Claims (17)

1.一种形成多组分材料的方法，该方法包括：
形成锂活性化合物的第一气溶胶；形成碳的第二气溶胶；和使所述第一气溶胶和所述第二气溶胶结合以形成由来自所述第一气溶胶的多个第一粒子和来自所述第二气溶胶的多个第二粒子构成的材料。
2.根据权利要求1所述的方法，其中通过使溶液雾化形成所述第一气溶胶，且通过火焰合成形成所述第二气溶胶。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中通过使包含锂活性化合物或其前体的溶液雾化形成锂活性化合物粒子以形成所述第一气溶胶，且通过火焰合成形成碳粒子以形成所述第二气溶胶。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其中使所述第一气溶胶处于还原环境。
5.根据权利要求1或2所述的方法，所述方法还包括形成第三气溶胶且使所述第三气溶胶与所述第一气溶胶和所述第二气溶胶结合以形成由来自所述第一气溶胶的多个第一粒子、来自所述第二气溶胶的多个第二粒子和来自所述第三气溶胶的多个第三粒子构成的多组分材料。
6.根据权利要求1或2所述的方法，其中锂活性化合物的第一气溶胶是磷酸铁锂粒子或其前体的气溶胶。
7.根据权利要求6所述的方法，其中使磷酸铁锂粒子或其前体的第一气溶胶通过由烃和氧化剂的燃烧产生的火焰，其用于形成碳粒子的第二气溶胶。
8.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述多个第一粒子和所述多个第二粒子的平均尺寸小于200nm。
9.一种用于结合不同气溶胶的设备，该设备包括用于形成第一气溶胶的第一燃烧器或雾化器；用于形成第二气溶胶的第二燃烧器或雾化器；与所述第一燃烧器或雾化器和所述第二燃烧器或雾化器流体连通的用于接受并混合所述第一气溶胶和所述第二气溶胶的腔；和连接到所述腔以使所述气溶胶逸出所述腔的出口孔，其中所述第一燃烧器或雾化器能够：或者(a)形成在组成上与由所述第二燃烧器或雾化器形成的气溶胶不同的气溶胶，或者(b)形成平均尺寸与由所述第二燃烧器或雾化器形成的气溶胶不同的气溶胶。
10.根据权利要求9所述的设备，其中所述设备包括用于形成第一气溶胶的第一燃烧器；用于形成第二气溶胶的第二雾化器。
11.根据权利要求9或10所述的设备，所述设备还包括与所述腔流体连通的用于形成第三气溶胶的第三雾化器。
12.根据权利要求9或10所述的设备，其中所述第一燃烧器或雾化器和所述第二燃烧器或雾化器及所述腔和出口孔构造为槽的形式。
13.一种用于形成多组分材料的设备，该设备包括：用于形成第一气溶胶的装置；用于形成第二气溶胶的装置；和用于使所述第一气溶胶和所述第二气溶胶结合以形成包含来自所述第一气溶胶的多个第一粒子和来自所述第二气溶胶的多个第二粒子的材料的装置；其中所述多个第一粒子和所述多个第二粒子的平均尺寸小于500nm。
14.一种阴极，其包含与多个碳粒子紧密且无规混合的多个锂活性化合物粒子，其中所述多个锂活性化合物粒子和碳粒子的平均尺寸小于200nm。
15.权利要求14的阴极，其中所述多个锂活性化合物粒子包含多个磷酸铁锂粒子且其平均尺寸小于100nm且所述多个碳粒子的平均尺寸小于50nm。
16.一种形成复合材料的方法，该方法包括：
形成锂活性化合物的第一气溶胶；形成碳的第二气溶胶；和使所述第一气溶胶和所述第二气溶胶结合以形成包括锂活性化合物和碳的复合材料；
其中通过使相对于氧化剂富含烃的燃料燃烧以产生缺乏氧化剂的环境并使所述锂活性化合物的第一气溶胶处于所述缺乏氧化剂的环境，而形成碳的第二气溶胶。
17.一种用于结合不同气溶胶的设备，该设备包括用于形成气溶胶的雾化器；通过燃烧烃和氧化剂用于形成碳粒子的燃烧器；与所述雾化器和燃烧器流体连通的用于接受并混合所述气溶胶和碳粒子的腔；和连接到所述腔用于收集气溶胶和碳粒子的混合物的出口孔。
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