DE112009000443T5

DE112009000443T5 - Elektroden mit hoher Kapazität

Info

Publication number: DE112009000443T5
Application number: DE112009000443T
Authority: DE
Inventors: Ronald Anthony Rojeski
Original assignee: Rojeski Ronald Anthony Palo Alto
Current assignee: Rojeski Ronald Anthony Palo Alto
Priority date: 2008-02-25
Filing date: 2009-02-25
Publication date: 2011-03-17
Anticipated expiration: 2029-02-26
Also published as: CN101953014B; KR20100128282A; CN101953014A; US20090214944A1; KR101513384B1; KR101503659B1; JP2011514631A; US20130078524A1; JP5765942B2; CN104393257A; KR20140130481A; WO2009108731A3; US20130078523A1; WO2009108731A2; JP2015043331A; KR20130089674A; CN104393257B; US8658310B2; DE112009000443B4; US8652683B2

Abstract

Ein System, das aufweist:
eine Elektrode, die in einem ersten Elektrolytbereich angeordnet ist und umfasst
ein Substrat,
eine Vielzahl von am Substrat angebrachten Stützfilamenten, und
ein Ionenabsorptionsmaterial, das an den Stützfilamenten angebracht ist und dazu ausgelegt ist, sich um mindestens 5 Prozent im Volumen auszudehnen, wenn es Ionen absorbiert;
einen Separator, der dazu ausgelegt ist, den ersten Bereich und einen zweiten Bereich des Elektrolyten zu trennen; und
eine Kathode, die im zweiten Elektrolytbereich angeordnet ist, wobei die Kathode, die Anode und der Separator dazu ausgelegt sind, als wiederaufladbare Batterie zu arbeiten.

Description

RÜCKVERWEISUNG AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der und den Nutzen aus der US-Patentanmeldung 12/392 525, eingereicht am 25. Februar 2008, und der vorläufigen US-Patentanmeldungen 61/067 018, eingereicht am 25. Februar 2008, und 61/130 679, eingereicht am 2. Juni 2008. Die Offenbarungen der obigen Anmeldungen werden hiermit durch Bezugnahme hierin aufgenommen.
HINTERGRUND
Gebiet der Erfindung
Die Erfindung liegt im Gebiet der Batterietechnologie.
Stand der Technik
Vier Basiskonstruktionsparameter einer Batterie/Brennstoffzelle (Batterie) umfassen die Energiedichte, die Leistungsdichte, die Zykluslebensdauer und die Sicherheit. Die Energiedichte bezieht sich darauf, wie viel Energie die Batterie speichern kann, die in Einheiten von Megajoule/Kilogramm (MJ/kg) gemessen wird. Die Leistungsdichte (auch als Leistung/Gewicht-Verhältnis und spezifische Leistung bezeichnet) bezieht sich darauf, wie schnell die gespeicherte Energie pro Einheitsmasse abgegeben werden kann, und wird in Einheiten von Kilowatt/Kilogramm (W/kg) gemessen. Die Zykluslebensdauer bezieht sich auf die Ladungskapazität der Batterie als Funktion der Anzahl von Aufladungs/Entladungs-Zyklen. Typischerweise ist eine größere Zykluslebensdauer nützlicher. Sicherheitserwägungen für eine Batterie umfassen Prozesse, die eine Person oder ein Eigentum schädigen könnten, beispielsweise die toxische chemische Freisetzung und Überhitzung bis zur Entflammung.
1 stellt einen Querschnitt einer Lithiumionen-Sekundär-(wiederaufladbaren)Batterie/Zelle 100 des Standes der Technik dar. Die Sekundär-Batterie/Zelle 100 umfasst eine Anode 120, einen Elektrolyten 140, einen Separator 130, einen Elektrolyten 140 und eine Kathode 110. In einigen Fällen umfasst die Anode 120 der Batterie Graphit. Gründe für die Verwendung von Graphit für die Anode 120 umfassen die relativ leichte Li-Ionen-Einlagerung und die niedrigen Kosten von Graphit. Alternativ umfasst die Anode 120 Silizium, das direkt auf das massive (makroskopische) Substrat der Anode aufgebracht ist. Ein Grund für die Verwendung von Silizium besteht darin, dass Silizium ungefähr zehnmal mehr Li-Ionen einlagern kann als Graphit. Leider dehnt sich Silizium typischerweise 400% oder mehr bei einer vollständigen Li-Ionen-Einlagerung aus, was einen Siliziumbruch verursachen kann und die Haftung des Siliziums and der Anode 120 beträchtlich beeinträchtigen kann, was folglich die Langlebigkeit verringert.
Der Separator 130 zwischen der Sekundär-Batterie/Zelle 100 umfasst eine poröse Membran. Bei einigen Ausführungsbeispielen ist die poröse Membran eine mikroporöse Polyolefinmembran. Mikroporöses Polyolefin nimmt nicht an den Reaktionen innerhalb der Batterie teil. Der Separator 130 ist typischerweise etwa 50 Mikrometer dick und umfasst Poren 135. Ein typischer Mittelwert der Größe der Poren 135 ist etwa 2,0 Mikrometer oder mehr.
Die Kathode 110 der Sekundär-Batterie/Zelle 100 ist im Allgemeinen von drei Typen. Diese drei Typen umfassen ein geschichtetes Oxid (wie z. B. LiCoO₂, LiMnO₂ oder LiNiO₂), ein Polyanion (wie z. B. Lithiumeisenphosphat) oder einen Spinell (wie z. B. Manganoxid). Das für die Kathode 110 verwendete Material ist typischerweise ein massives Material oder ein massiver abgeschiedener/gezüchteter Film. Aufgrund des makroskopischen Wesens dieser Materialien begrenzt leider die Ionendiffusion im massiven Material der Kathode 110 die Oxidations- und Reduktionsraten während der Aufladungs- und Entladungszyklen. Die schlechten Diffusionsraten der Ionen begrenzen die gesamte Leistungsdichte. Die Kathode kann mit einem elektrischen Kontaktpunkt 150A elektrisch gekoppelt sein, um aus der Batterie/Zelle 100 Strom zu entnehmen. Die Anode kann mit einem elektrischen Kontaktpunkt 150B elektrisch gekoppelt sein, um aus der Batterie/Zelle 100 Strom zu entnehmen.
Der Elektrolyt 140 in der Sekundär-Batterie/Zelle 100 kann ein Salz sein, das in einem Lösungsmittel gelöst ist, wie z. B. LiClO₄, LiPF₆, LiBF₄ und/oder dergleichen.
ZUSAMMENFASSUNG
Verschiedene Ausführungsbeispiele der Erfindung umfassen ein System, das aufweist: eine Elektrode, die in einem ersten Elektrolytbereich angeordnet ist und ein Substrat, eine Vielzahl von am Substrat angebrachten Stützfilamenten und ein Ionenabsorptionsmaterial, das an den Stützfilamenten angebracht ist und dazu ausgelegt ist, sich im Volumen um mindestens 5 Prozent auszudehnen, wenn es Ionen absorbiert, umfasst; einen Separator, der dazu ausgelegt ist, den ersten Bereich und einen zweiten Bereich des Elektrolyten zu trennen; und eine Kathode, die im zweiten Elektrolytbereich angeordnet ist, wobei die Kathode, die Anode und der Separator dazu ausgelegt sind, als wiederaufladbare Batterie zu arbeiten.
Verschiedene Ausführungsbeispiele der Erfindung umfassen eine Elektrode, die aufweist: ein leitendes Substrat; eine Vielzahl von am Substrat angebrachten Stützfilamenten, wobei die Stützfilamente eine Kohlenstoff-Nanoröhre (CNT), eine Kohlenstoff-Nanofaser (CNF) oder einen Nanodraht (NW) aufweist; und ein Ionenabsorptionsmaterial, das an einigem, aber nicht allem von jedem der Stützfilamente angebracht ist und dazu ausgelegt ist, sich mindestens fünffach im Volumen auszunehmen, wenn es Ionen absorbiert.
Verschiedene Ausführungsbeispiele der Erfindung umfassen ein Verfahren, das aufweist: Erhalten eines leitenden Substrats; Ausbilden einer Vielzahl von Stützfilamenten, die mit dem leitenden Substrat gekoppelt sind, wobei die Stützfilamente ein Seitenverhältnis (Länge/Breite) von mindestens 10:1 aufweisen; und Beschichten der Vielzahl von Stützfilamenten mit einem Ionenabsorptionsmaterial, um eine Elektrode zu erzeugen, wobei das Ionenabsorptionsmaterial mindestens eine zehnmal größere Ionenabsorptionskapazität für Ionen aufweist als die Stützfilamente.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 stellt einen Querschnitt einer wiederaufladbaren Batterie des Standes der Technik dar.
2A stellt einen Querschnitt einer Elektrode gemäß verschiedener Ausführungsbeispiele der Erfindung dar.
2B ist ein Querschnitt, der Details einer Keimschicht von 2A gemäß verschiedener Ausführungsbeispiele der Erfindung darstellt.
2C ist ein Querschnitt eines Teils der Elektrodenerweiterung von 2A, der eine Unterschicht zwischen einem Stützfilament und einer Einlagerungsschicht und eine Überschicht, die die Einlagerungsschicht einkapselt, gemäß verschiedener Ausführungsbeispiele der Erfindung darstellt.
3 ist ein Querschnitt der Elektrode von 2, der Details eines Stützfilaments von 2A gemäß verschiedener Ausführungsbeispiele der Erfindung darstellt.
4A stellt einen Querschnitt einer alternativen Elektrode gemäß verschiedener Ausführungsbeispiele der Erfindung dar.
4B stellt einen Querschnitt einer alternativen Elektrode gemäß verschiedener Ausführungsbeispiele der Erfindung dar.
4C ist ein Querschnitt, der Details eines Stützfilaments von 4A gemäß verschiedener Ausführungsbeispiele der Erfindung darstellt.
5A stellt einen Querschnitt einer alternativen Elektrode gemäß verschiedener Ausführungsbeispiele der Erfindung dar.
5B stellt Details von Stützfilamenten und der Elektrode von 5A gemäß verschiedener Ausführungsbeispiele der Erfindung dar.
6A stellt einen Querschnitt einer Elektrodenerweiterung von 2A entlang der Linie a-a gemäß verschiedener Ausführungsbeispiele der Erfindung dar.
6B stellt einen Querschnitt eines Stützfilaments von 2A entlang der Linie a-a gemäß verschiedener Ausführungsbeispiele der Erfindung dar.
6C stellt einen Querschnitt des Stützfilaments von 2A entlang der Linie a-a gemäß verschiedener Ausführungsbeispiele der Erfindung dar.
7 stellt weitere Ausführungsbeispiele eines Stützfilaments gemäß verschiedener Ausführungsbeispiele der Erfindung dar.
8 stellt Verfahren zur Herstellung und optionalen Verwendung einer Elektrode gemäß verschiedener Ausführungsbeispiele der Erfindung dar.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Verschiedene Ausführungsbeispiele der Erfindung umfassen eine wiederaufladbare (sekundäre) Batterie mit einer verbesserten Elektrode. Die Elektrode der Erfindung ist optional innerhalb eines Teils einer Kathode und/oder einer Anode einer Sekundär-Batterie/Zelle 100 enthalten, um eine verbesserte Batterie zu schaffen. Die Elektrode umfasst typischerweise eine Elektrodenerweiterung, die unter Verwendung einer Keimschicht auf einem Substrat gezüchtet oder an diesem angebracht wird. Die Elektrodenerweiterung ist dazu ausgelegt, die Oberfläche der Elektrode zu vergrößern, und umfasst ein Stützfilament und eine Einlagerungsschicht. Bei verschiedenen Ausführungsbeispielen umfasst das Stützfilamentmaterial eine Kohlenstoff-Nanoröhre (CNT), eine Kohlenstoff-Nanofaser (CNF), einen Nanodraht NW (einen Draht mit einem Durchmesser von weniger als ungefähr fünf Mikrometer), ein Metall, einen Halbleiter, einen Isolator, Silizium und/oder dergleichen. Die CNT, die CNF und/oder der NW können einwandig oder mehrwandig sein. Das Stützfilament kann einen elektrischen Pfad zum Substrat und eine mechanische Basis für die Einlagerungsschicht bereitstellen. Die Einlagerungsschicht stellt einen Bereich für die Absorption und/oder Abgabe von Ionen vom Elektrolyten bereit. Wie hierin verwendet, kann eine Einlagerungsschicht sowohl an einer Anode als auch einer Kathode verwendet werden. Bei verschiedenen Ausführungsbeispielen umfasst die Einlagerungsschicht ein Donor/Akzeptor-Material (DAM), das zum Abgeben und/oder Aufnehmen der Ionen vom Elektrolyten ausgelegt ist. Diese Ionenabgabe und/oder -aufnahme kann sowohl Adsorptions- als auch Absorptionsprozesse umfassen. Die Einlagerungsschicht kann sich bei der Absorption von Ionen um mindestens 5, 10, 15, 50, 100, 200 oder 400 Prozent im Volumen ausdehnen.
Bei verschiedenen Ausführungsbeispielen umfasst das DAM Silizium, Graphit, Sn, SnC, intermetallische Stoffe, Phosphide, Nitride, 3D-Metalloxide oder LiCoPO₄, LiMnPO₄, LiMn₂O₄, LiCoO₂, LiNiO₂, MnO₂, Vanadiumoxide, V₂O₅ und LiV₃O₈, polyanionische Materialien wie z. B. Li(1-x)VOPO₄, Li(x)FePO₄), LiMnO₂, Li₂FePO₄F, dotiertes LiMn₂O₄ und/oder dergleichen. Das DAM wird auf dem Stützfilament abgeschieden oder gezüchtet. Bei einigen Ausführungsbeispielen wird das Stützfilament mit zusätzlicher Festigkeit (z. B. Zug-, Druck-, Scherfestigkeit und/oder dergleichen) zum Abstützen des DAM insbesondere während der Ausdehnung und/oder Kontraktion des DAM in der Einlagerungsschicht versehen. Bei einigen Ausführungsbeispielen bedeckt das DAM einen Teil, aber nicht alles des Stützfilaments. Ein Abschnitt des Stützfilaments kann beispielsweise unbeschichtet bleiben. Der unbeschichtete Abschnitt kann für Flexibilität und Bewegungsfreiheit sorgen beispielsweise zwischen der Elektrodenerweiterung und dem Substrat. Unter einigen Umständen verringert dies die Wahrscheinlichkeit für eine Trennung des Stützfilaments von der Keimschicht während der Ausdehnung und/oder Kontraktion des DAM in der Einlagerungsschicht.
Die Elektrodenerweiterung vergrößert das Einlagerungsvolumen und die Oberfläche, wodurch die Energiedichte der Elektrode gegenüber einer Materialschicht, die auf einem flachen Substrat abgeschieden ist, verbessert wird. Die Elektrodenerweiterungen können als flexible Grenzfläche zwischen dem Substrat und der Einlagerungsschicht dienen, wodurch ein großer Grad an Volumenexpansion (z. B. 2×, 4×, 6× usw.) der Einlagerungsschicht ermöglicht wird, während gleichzeitig das Risiko, dass sich das Material vom Substrat trennt, verringert wird. Die Elektrodenerweiterung kann auch Diffusionsabstände der Ionen in der Masse des Einlagerungsmaterials verringern, wodurch die Leistungsdichte der Elektrode verbessert wird.
2A stellt einen Querschnitt einer Elektrode 200 dar. Eine oder mehrere der Elektrode 200 können in einer wiederaufladbaren Batterie, wie z. B. der Sekundär-Batterie/Zelle von 1, gemäß verschiedener Ausführungsbeispiele der Erfindung verwendet werden. Die Elektrode 200 umfasst ein Substrat 210, eine optionale Keimschicht 215 und eine Elektrodenerweiterung 220. Die Elektrodenerweiterung 220 umfasst ein Stützfilament 230 und eine Einlagerungsschicht 240. Die Keimschicht 215 kann verwendet werden, um das Wachstum des Stützfilaments 230 einzuleiten und die Verbindung der Elektrodenerweiterung 220 mit dem Substrat 210 zu erleichtern. Bei alternativen Ausführungsbeispielen ist die Elektrodenerweiterung 220 direkt mit dem Substrat 210 gekoppelt. Das Stützfilament 230 stützt die Einlagerungsschicht 240 ab und schafft einen elektrischen Pfad zwischen der Einlagerungsschicht 240 und dem Substrat 210. Die Einlagerungsschicht 240 umfasst das DAM und stellt eine Oberfläche/ein Volumen für die Einlagerung von Ionen bereit. Die Elektrode 200 umfasst typischerweise mehrere Elektrodenerweiterungen 220.
Das Stützfilament 230 ist weniger als ungefähr 500 Nanometer im Durchmesser. (Gemittelt entlang seiner Länge). Insbesondere kann der Durchmesser des Stützfilaments 230 zwischen 1 und 10 Nanometern, 10 und 50 Nanometern und 100 und 500 Nanometern variieren.
Bei verschiedenen Ausführungsbeispielen umfasst das Substrat 210 ein poröses Material, ein Metall, einen Halbleiter und/oder einen Isolator. Das Substrat 210 kann beispielsweise Kupfer mit geringem Sauerstoffgehalt umfassen. Das Substrat 210 kann in einer Vielfalt von Formen hergestellt werden. Das Substrat 210 kann beispielsweise planar (einseitig und doppelseitig), zylindrisch, gerippt und/oder dergleichen sein. Bei einigen Ausführungsbeispielen wird die Form des Substrats 210 so ausgewählt, dass die verfügbare Oberfläche maximiert wird. Bei verschiedenen Ausführungsbeispielen liegt die Dicke des Substrats 210 im Bereich von 1 Mikrometer bis 100 Mikrometer; von 100 Mikrometer bis einem Millimeter; von einem Millimeter bis 3 Millimeter oder größer – in Abhängigkeit von der speziellen Anwendung der Sekundär-Batterie/Zelle 100.
Die optionale Keimschicht 215 dient einer oder mehreren aus einer Anzahl von Funktionen und kann mehrere Teilschichten umfassen. Die Keimschicht 215 kann beispielsweise eine anfängliche Schicht 250, eine Zwischenschicht und/oder eine Endschicht 260 aufweisen. Die Keimschicht 215 kann dazu ausgelegt sein, einen Durchmesser des Stützfilaments 230 (in 3 als Stützfilamentdurchmesser 310 definiert) zu steuern durch das Steuern einer Fläche, in der ein anfängliches Wachstum des Stützfilaments 230 stattfindet. Die relativen und/oder absoluten Dicken der anfänglichen Schicht 250, einer Zwischenschicht und/oder einer Endschicht 260 können so ausgewählt werden, dass die Fläche des anfänglichen Wachstums des Stützfilaments 230 und folglich der Stützfilamentdurchmesser 310 gesteuert wird. Der Stützfilamentdurchmesser 310 wird alternativ unter Verwendung eines Umkehrmizellenprozesses gesteuert, wobei der Durchmesser 310 der Einleitungsstellen durch eine geeignete Größe oder Menge an Keimmaterial, das im Umkehrmizellenprozess verwendet wird, festgelegt wird. Der Fachmann auf dem Gebiet des CNT/CNF/NW-Wachstums erkennt, dass andere Verfahren auch zur Verfügung stehen, um den Durchmesser des Stützfilaments 230 zu steuern. Bei einigen Ausführungsbeispielen kann die Keimschicht 215 die Haftung des Stützfilaments 230 am Substrat steuern. Der Abstand zwischen benachbarten Stützfilamenten 230 und/oder der Durchmesser der Stützfilamente können die mögliche Dicke des DAM in der Einlagerungsschicht 240 begrenzen, und umgekehrt.
Die Keimschicht 215 kann eine Dichte von Einleitungspunkten und/oder eine Flächendichte von Wachstumseinleitungspunkten für das Stützfilament 230 steuern. Die Dichte von Einleitungspunkten bestimmt die Dichte der Befestigungspunkte der Stützfilamente 230. Die Dichte von Befestigungspunkten kann zwischen 10⁶/cm² und 10¹¹/cm², im Allgemeinen 10⁷/cm² und 10¹⁰/cm², liegen. Die Einleitungsdichte kann als Anzahl von Stützfilament-Einleitungsstellen pro Einheitsfläche, z. B. Anzahl/cm², ausgedrückt werden. Die Flächendichte ist die Dichte von Spitzen von Stützfilamenten 230, die von der Keimschicht 215 und vom Substrat 210 entfernt sind. Die Flächendichte kann größer sein als die Dichte von Befestigungspunkten, da die Stützfilamente 230 verzweigt sein können, wie hierin anderswo weiter erörtert. Die Flächendichte kann als Anzahl von Stützfilamentspitzen pro Einheitsfläche, z. B. Anzahl/cm², ausgedrückt werden.
Bei einigen Ausführungsbeispielen ist die Keimschicht 215 ein einzelnes Material, das auf dem Substrat 210 als eine einzelne Schicht abgeschieden ist. Alternativ umfasst die Keimschicht 215 mehrere (2, 3 oder mehr) Teilschichten aus verschiedenen Materialien, z. B. die anfängliche Schicht 250, die Zwischenschicht und/oder die Endschicht 260. Jede der Teilschichten der Keimschicht 215 kann so ausgelegt sein, dass sie verschiedene Funktionen erfüllt. Eine der Teilschichten kann beispielsweise eine Sperrschicht umfassen, die dazu ausgelegt ist, eine Wanderung von Atomen zwischen den Schichten zu verhindern; eine Haftschicht umfassen, die dazu ausgelegt ist, zwei Schichten aneinander zu binden; eine Schutzschicht, die dazu ausgelegt ist, darunter liegende oder darüber liegende Schichten vor einer chemischen/physikalischen Verschlechterung zu schützen; eine Leitungsschicht, die dazu ausgelegt ist, Leitfähigkeit bereitzustellen; eine Spannungs-/Dehnungs-Schicht, die dazu ausgelegt ist, als mechanischer Puffer zwischen zwei Schichten zu wirken; eine Bindungs-/Löseschicht, die dazu ausgelegt ist, das Endkeimmaterial an das/von dem darunter liegenden Substrat zu binden/zu lösen; eine Schicht, die dazu ausgelegt ist, das Wachstum von CNT/CNF/NW zu hemmen; und/oder eine Keimschicht zum Einleiten des CNT/CNF- oder NW-Wachstums. Der Fachmann auf dem Gebiet des Dünnschichtwachstums und der Dünnschichtabscheidung erkennt, dass andere Nutzen bestehen, denen eine Dünnfilm-Schichtstruktur der Keimschicht 215 dienen kann.
2B ist ein Querschnitt, der Details der Keimschicht 215 von 2A gemäß verschiedener Ausführungsbeispiele der Erfindung darstellt. Die in 2B dargestellte Keimschicht 215 umfasst einen Stapel von Teilschichten, die verschiedene Materialien aufweisen. Wie anderswo hierin beschrieben, umfassen die Teilschichten beispielsweise eine anfängliche Schicht 250, eine Zwischenschicht 255 und eine Endschicht 260. Die anfängliche Schicht 250 ist mit dem Substrat gekoppelt und bildet eine Basis für die Zwischenschicht 255. Die Zwischenschicht 255 ist auf der anfänglichen Schicht 250 abgeschieden und dazu ausgelegt, eine Basis für die Endschicht 260 zu bilden. Die Endschicht 260 ist auf der Zwischenschicht 255 abgeschieden und dazu ausgelegt, Stellen für die Befestigung und Einleitung des Wachstums des Stützfilaments 230 bereitzustellen. Alternativ ist die Endschicht 260 dazu ausgelegt, das Wachstum von CNT/CNF/NW zu hemmen.
Bei verschiedenen Ausführungsbeispielen umfasst die Endschicht 260 Molybdän, Eisen, Kobalt, Nickel und/oder dergleichen. Verschiedene Materialien in der Endschicht 260 können das Wachstum einleiten oder hemmen und/oder für die Befestigung sorgen, einschließlich CNT, CNF und/oder NW. Die Zwischenschicht 255 kann beispielsweise Eisen, Kobalt, Nickel, Titan, Titannitrid, Aluminium und/oder dergleichen umfassen. Die anfängliche Schicht 250 kann beispielsweise Platin, Wolfram, Titan, Chrom und/oder dergleichen umfassen. Es ist zu erkennen, dass alternative Materialien in den Teilschichten der Keimschicht 215 enthalten sein können.
Bei verschiedenen Ausführungsbeispielen umfasst das Stützfilament 230 NW, CNF und/oder CNT. Das Stützfilament 230 stellt eine mechanische Basis für die Abscheidung und das Wachstum der Einlagerungsschicht 240 bereit. Das Stützfilament 230 kann auch Festigkeit (z. B. Zugfestigkeit, Druckfestigkeit, Scherfestigkeit und/oder dergleichen) für das DAM der Einlagerungsschicht 240 bereitstellen. Die zusätzliche Festigkeit verringert oder verhindert eine Beschädigung an der Einlagerungsschicht 240 während der Ausdehnung und/oder Kontraktion des DAM. Bei verschiedenen Ausführungsbeispielen umfasst das Material des Stützfilaments 230 eine CNT, eine CNF, einen NW, ein Metall, einen Halbleiter, einen Isolator und/oder dergleichen. Die CNT kann eine einzelne Wand oder mehrere Wände umfassen. Bei einigen Ausführungsbeispielen ist die CNT/CNF des Stützfilaments 230 so ausgelegt, dass sie als DAM wirkt.
Bei einigen Ausführungsbeispielen überzieht die Einlagerungsschicht 240 einiges, aber nicht alles der Länge des Stützfilaments 230. Folglich bildet ein Teil des Stützfilaments 230 einen unbeschichteten Stamm 235. Der Stamm 235 ist so ausgelegt, dass er einen Bereich für Biegung und Bewegung des Stützfilaments 230 bereitstellt. Diese Biegung kann die mechanische Spannung verringern, die sich aus der Ausdehnung und Kontraktion der Einlagerungsschicht 240 ergibt. Wenn sie nicht verringert wird, kann diese Spannung einen Bruch und/oder eine Trennung des Stützfilaments 230 von der Keimschicht 215 verursachen. Die Länge des Stamms 235 kann im Bereich von mehreren Angström bis mehreren Mikrometer liegen. Bei einigen Ausführungsbeispielen ist die Länge des Stamms 235 derart ausgewählt, dass die Einlagerungsschicht 240 die Keimschicht 215 nicht erreicht oder nur gerade erreicht, wenn sie vollständig ausgedehnt ist. Bei verschiedenen Ausführungsbeispielen ist die Länge des Stamms mindestens 0,1, 0,25, 0,3, 0,5 oder 1,0 Mikrometer. Bei einigen Ausführungsbeispielen ist die Länge des Stamms 235 wesentlich größer als ein Mikrometer. Der Stamm 235 ist typischerweise nahe dem Ende des Stützfilaments 230 am nächsten zur Keimschicht 215 angeordnet. Der unbeschichtete Stamm 235 kann jedoch an anderen oder alternativen Teilen des Stützfilaments 230 vorgesehen sein. Der unbeschichtete Stamm 235 kann beispielsweise nahe Zweigen innerhalb des Stützfilaments 230 vorgesehen sein.
Bei einigen Ausführungsbeispielen ist der Stamm 235 eher ein Bereich, der eine verringerte Beschichtung der Einlagerungsschicht 240 relativ zu anderen Teilen der Elektrodenerweiterung 220 aufweist, als ein Bereich ohne jegliche Beschichtung. Der Stamm 235 kann beispielsweise eine Beschichtung der Einlagerungsschicht 240 aufweisen, deren Dicke geringer ist als 10, 25 oder 50% der Dicke der Einlagerungsschicht 240, die in anderen Bereichen der Elektrodenerweiterung 220 zu finden ist.
2C ist ein Querschnitt eines Teils der Elektrodenerweiterung 220 von 2A mit einer optionalen Unterschicht 290 zwischen dem Stützfilament 230 und der Einlagerungsschicht 240 und einer optionalen Überschicht 295, die die Einlagerungsschicht 240 einkapselt. Bei einigen Ausführungsbeispielen ist die Unterschicht 290 dazu ausgelegt, eine Keimschicht für ein Dampf-Flüssigkeit-Feststoff-(VLS)Wachstum der Einlagerungsschicht 240 bereitzustellen. Alternativ umfasst die Unterschicht 290 eine dünne Schicht (weniger als ein Mikrometer) eines Metalls Oder eine Reihe von Metallen (z. B. Gold, Silber, Kupfer und/oder dergleichen) oder eines Salzes (z. B. LiF). Andere Materialien können in Abhängigkeit vom gewünschten Effekt verwendet werden, um eine Unterschicht 290 auszubilden.
Die Überschicht 295 kann auf der Einlagerungsschicht 240 gezüchtet/abgeschieden werden. Die Überschicht 295 kann teilweise oder vollständig die Einlagerungsschicht 240 einkapseln. Die Materialien, die die Überschicht 295 bilden, umfassen beispielsweise Metalle, wie z. B. Gold, Silber, Kupfer und/oder dergleichen. Die Überschicht 295 kann auch eine diamantartige Beschichtung (DLC) oder einen Isolator, wie z. B. SiO₂, ein Bindemittel, ein Polymer oder dergleichen umfassen. Die Dicke der Überschicht 295 ist typischerweise geringer als ein Mikrometer im Fall von Metallen, Halbleitern oder Isolatoren. Bei verschiedenen Ausführungsbeispielen kann die Dicke der Überschicht 295 bis zu einem Mikrometer für ein Bindemittel oder größer für Polymere sein.
Das DAM kann auf dem Stützfilament 230 unter Verwendung verschiedener Verfahren gezüchtet/abgeschieden werden. Diese Verfahren umfassen beispielsweise Verdampfung, Sputtern, PECVD (plasmagestützte chemische Gasphasenabscheidung), chemische Niederdruck-Gasphasenabscheidung (LPCVD), VLS (Dampf-Flüssigkeit-Feststoff-Synthese), Elektroplattieren, stromlose Abscheidung, ”feldfreie” chemische Gasphasenabscheidung (CVD), metall-organische CVD, Molekularstrahlepitaxie (MBE) und/oder dergleichen. Bei einigen Ausführungsbeispielen ist die DAM-Verteilung über der Oberfläche des Stützfilaments gleichmäßig. Alternativ ist die DAM-Verteilung über die Länge des Stützfilaments 230 ungleichmäßig. Die Höhe des Stamms 450 kann beispielsweise von 0% bis 99% der Höhe der CNT/CNF/NW variieren. Bei einigen Ausführungsbeispielen weist das DAM nahe des Substrats 210 eine kleinere Dicke relativ zum distalen Ende des Stützfilaments 230 auf. An sich kann die Dicke des DAM entlang des Stützfilaments 230 mit dem Abstand vom Substrat 210 zunehmen.
Die Ausdehnung des DAM hängt von den Materialien ab, die im DAM enthalten sind. Im Fall von Silizium kann die Ausdehnung beispielsweise bis zu 400% betragen. Für Sn (Zinn) kann die Ausdehnung ungefähr 233% betragen. Die Kathodenausdehnung geschieht beim Einsetzen der Elektrode in den Elektrolyten, und wenn die Batterie zur Überentladung getrieben wird. Die Dicke eines DAM kann im Bereich von mehreren Nanometern bis mehreren zehn Mikrometern liegen. Bei verschiedenen Ausführungsbeispielen liegt die Dicke (unausgedehnt) beispielsweise zwischen 1 und 10 Nanometern, 10 und 1000 Nanometern, 1 Mikrometer bis 50 Mikrometern. Größere Dicken werden optionale bei einer Kathode relativ zu einer Anode verwendet.
Eine Anzahl von Verfahren kann verwendet werden, um eine gewünschte Länge für den Stamm 235 zu erreichen. Beispiele von solchen Verfahren umfassen das Steuern des Seitenverhältnisses der Stützfilamente 230 während des Wachstums, gerichtete Abscheidung, galvanische Abscheidung, stromlose Abscheidung an der unteren Schicht, um den Stamm zu isolieren, Sputter- und Lichtätzen einer Maskierungsschicht, um das Stützfilament 230 für das Wachstum/die Abscheidung der Einlagerungsschicht 240 zu öffnen, Vorkopplungsschichtisolation (d. h. Maskenkeimstellen) vor dem Wachstum des Stützfilaments 230, Modifizieren von Wachstumsparametern des Stützfilaments 230, um ein vorteilhaftes Seitenverhältnis zu erreichen (wie z. B. eine baumartige Struktur), oder Durchführen einer Abscheidung und von gerichtetem Rückätzen, um das Stützfilament 230 von der Bedeckung durch das DAM zu befreien.
3 ist ein Querschnitt der Elektrode 200, der Details des Stützfilaments 230 von 2A darstellt. 3 unterscheidet sich von 2A darin, dass die Einlagerungsschicht 240 der Deutlichkeit halber weggelassen ist. Bei verschiedenen Ausführungsbeispielen ist der Stützfilamentdurchmesser 310 geringer als 10 Nanometer, zwischen 10 und 100 Nanometern, zwischen 100 und 500 Nanometern und größer als 500 Nanometer. Der Stützfilamentdurchmesser 310 kann entlang der Länge des Stützfilaments 230 variieren.
Bei verschiedenen Ausführungsbeispielen ist die Höhe 320 des Stützfilaments 230 etwa ein Mikrometer bis etwa 100 Mikrometer, 100 Mikrometer bis 500 Mikrometer, 500 Mikrometer bis etwa 1000 Mikrometer oder größer als etwa 1000. Diese Höhe kann variieren, wenn sich das Stützfilament 230 neigt oder biegt. Eine Einleitungsstelle 330 für das Wachstum des Stützfilaments 230 kann eine geimpfte Basis umfassen, wobei eine Endschicht 260 an der vorangehenden Schicht der Keimschicht befestigt bleibt, nachdem das Wachstum des Stützfilaments 230 vollständig ist. Optional umfasst das Stützfilament 230 eine Filamenterweiterungsspitze 340, wo sich die Endschicht vom Rest der Keimschicht trennt und auf der Spitze des Stützfilaments liegt, nachdem das Wachstum vollständig ist.
4A stellt einen Querschnitt einer Elektrode 400 gemäß verschiedener Ausführungsbeispiele der Erfindung dar. Die Elektrode 400 umfasst eine Elektrodenerweiterung 420, die ein alternatives Ausführungsbeispiel der Elektrodenerweiterung 220 von 2A ist. 4A unterscheidet sich von 2A darin, dass die in 4A dargestellte Elektrodenerweiterung 420 einen oder mehrere Zweige umfasst. Insbesondere umfasst die Elektrodenerweiterung 420 ein Stützfilament 430, das mehrere Zweige 420a, 420b und 420c umfasst, die sich einen einzigen Stamm 450 an einem einzigen Kontaktpunkt mit der Keimschicht 215 teilen. Die Elektrodenerweiterung 420 umfasst ferner eine Einlagerungsschicht 440, die auf das Stützfilament 430, einschließlich der Zweige 420a–420c, aufgebracht werden kann. Das Stützfilament 430 und die Einlagerungsschicht 440 sind alternative Ausführungsbeispiele des Stützfilaments 230 und der Einlagerungsschicht 240. Die in 4A dargestellten mehreren Zweige 420a–420c stellen eine Vergrößerung der effektiven Oberfläche der Elektrodenerweiterung 420 und folglich eine Erhöhung des effektiven Volumens des DAM in der Einlagerungsschicht 440 und des Oberflächenvolumens der Elektrode 400 bereit. Die Elektrode 400 kann mehrere Elektrodenerweiterungen 420 umfassen. Die Elektrode kann eine Mischung von mehreren Elektrodenerweiterungen 220 und 420 umfassen.
4B stellt einen Querschnitt von alternativen Ausführungsbeispielen der Elektrode 400 dar. Die Elektrode 400 umfasst eine Elektrodenerweiterung 425. 4B unterscheidet sich von 4A darin, dass die Einlagerungsschicht 440 der Elektrodenerweiterung 425 Einlagerungszweige 445 umfasst, die durch das DAM ausgebildet sind. Typischerweise liegt die Verzweigungsstruktur der Einlagerungszweige 445 in einem Maßstab von 0–10 Nanometer. Bei einigen Ausführungsbeispielen können jedoch die Größen der Verzweigungsstruktur größer als zehn Nanometer sein. Ebenso kann das DAM Zweige in der Einlagerungsschicht 240 der Elektrodenerweiterung 220 bilden, wie anderswo hierin dargestellt. Die Elektrode 400 umfasst optional mehrere Elektrodenerweiterungen 425. Die Elektrode 400 kann eine Mischung von mehreren Elektrodenerweiterungen 220, 420 und/oder 425 umfassen.
4C ist ein Querschnitt, der Details des Stützfilaments 430 von 4A darstellt. 4C unterscheidet sich von 4A und 4B darin, dass die Einlagerungsschicht 440 der Deutlichkeit halber weggelassen ist. 4C unterscheidet sich von 3 darin, dass das in 4C dargestellte Stützfilament 430 einen oder mehrere Zweige 430a–430c umfasst, wohingegen das in 3 dargestellte Stützfilament 230 keine Zweige umfasst. Die Stützfilamentzweige 430a–430c können unter Verwendung einer Vielfalt von Verfahren erzeugt werden. In einem Verfahren werden die Stützfilamentzweige 430a, 430b und 430c beispielsweise durch Ändern einer Reaktantengasströmung, eines Reaktantengastyps und der Temperatur erzeugt, während das Wachstum stattfindet. Der Fachmann auf dem Gebiet des CNT/CNF/NW-Wachstums erkennt, dass es andere Verfahren zum Züchten von zusätzlichen Zweigen 430a, 430b und 430c gibt. Obwohl das Stützfilament 430 als drei Stützfilamentzweige 430a–430c aufweisend dargestellt ist, kann das Stützfilament 430 mehr Zweige oder weniger Zweige umfassen.
5A stellt einen Querschnitt einer Elektrode 500 gemäß verschiedener Ausführungsbeispiele der Erfindung dar. Die Elektrode 500 ist ein alternatives Ausführungsbeispiel der Elektroden 200 und 400. Die Elektrode 500 umfasst eine Erweiterungsschicht 510. Die Erweiterungsschicht 510 umfasst eine Anordnung von mehreren Elektrodenerweiterungen 520. Die Elektrodenerweiterungen 520 umfassen beispielsweise Elektrodenerweiterungen 220, 420 und/oder 425, wie z. B. die in 2A, 4A bzw. 4B dargestellten. Die Elektrode 500 kann ferner eine Elektrodenerweiterung 225 umfassen, die Einlagerungserweiterungen aufweist, wie anderswo hierin erörtert.
5B stellt Details von Stützfilamenten 230 und 430 der Elektrode 500 von 5A dar. 5B unterscheidet sich von 5A darin, dass die Einlagerungsschichten 240 und 440 der Elektrodenerweiterung 520 der Deutlichkeit halber weggelassen sind. Die Elektrodenerweiterungen 520, wie in 5A und 5B dargestellt, umfassen optional ein geordnetes oder halbgeordnetes Kollektiv der Stützfilamente 230 und/oder 430, wie in 3 bzw. 4C dargestellt. Die Elektrodenerweiterungen 520 sehen einen elektrischen Pfad durch die Stützfilamente 230 und/oder 430 zum Substrat 210 vor. Alternativ wird ein höherer Widerstand bei verschiedenen Anwendungen verwendet. Die Stützfilamente 230 und/oder 430 sehen auch eine mechanische Basis für die Abscheidung/das Wachstum des DAM vor. Die Stützfilamente 230 und/oder 430 stellen ferner Festigkeit (z. B. Zugfestigkeit, Druckfestigkeit, Scherfestigkeit und/oder dergleichen) für die Elektrodenerweiterungen 520 zum Abstützen der Einlagerungsschicht 240 und 440 während der Ausdehnung und/oder Kontraktion des DAM während der Einlagerung und zum Verhindern eines Bruchs der Einlagerungsschicht und/oder einer Trennung der Elektrodenerweiterungen 520 vom Substrat 210 bereit.
Das DAM kann einiges, aber nicht alles des Stützfilaments 230 und/oder 430 überziehen. Bei einigen Ausführungsbeispielen ist das meiste des Stützfilaments mit dem DAM beschichtet. Der Stamm 235 des Stützfilaments 230 und/oder 430 kann jedoch unbeschichtet, im Wesentlichen unbeschichtet oder minimal beschichtet bleiben. Dies hat den Effekt, dass ermöglicht wird, dass sich das DAM in den Einlagerungsschichten 240 und/oder 440 während der Ausdehnung/Kontraktion biegt und bewegt, während die Wahrscheinlichkeit einer Trennung der Stützfilamente 230 und/oder 430, die sich vom Substrat 210 an der Keimschicht 215 trennen, verringert wird. Bei verschiedenen Ausführungsbeispielen bedeckt die Einlagerungsschicht zwischen 90 und 99%, zwischen 75 und 90%, zwischen 25 und 75% und weniger als 25% der Stützfilamente 230 und/oder 430.
Die Dicke des DAM in den Einlagerungsschichten 240 und/oder 440 kann durch verschiedene Merkmale der Stützfilamente 230 und/oder 430 bestimmt werden. Diese Merkmale umfassen den Abstand des nächsten Nachbarstützfilaments oder den Stützfilamentabstand 530 und den Durchmesser 310 des Stützfilaments 230 und/oder 430.
Das DAM kann auf den Stützfilamenten 230 und/oder 430 unter Verwendung von verschiedenen Verfahren gezüchtet/abgeschieden werden, um die Einlagerungsschicht 440 auszubilden. Diese Verfahren umfassen Verdampfung, Sputtern, PECVD, chemische Niederdruck-Gasphasenabscheidung (LPCVD), VLS, Elektroplattieren und stromlose Abscheidung.
Verschiedene Verfahren können verwendet werden, um eine geeignete Höhe der Erweiterungsschicht 510 zu erreichen. Beispiele von diesen Verfahren umfassen das Stützen auf das Seitenverhältnis der gezüchteten Stützfilamente 230, während eine gerichtete Abscheidung durchgeführt wird; Elektroabscheidung oder stromlose Abscheidung an der unteren Schicht, um den Stamm zu isolieren; Sputter- und Lichtätzen einer Maskierungsschicht, um das Stützfilament 230 für das DAM-Wachstum/die DAM-Abscheidung zu öffnen; Vorkopplungsschichtisolation (d. h. Maskenkeimstellen) vor dem Wachstum der Stützfilamente 230 und/oder 430; Modifizieren von Wachstumsparametern der Stützfilamente 230 und/oder 430, um ein vorteilhaftes Seitenverhältnis zu erreichen (wie z. B. eine baumartige Struktur), oder Durchführen einer Abscheidung und von gerichtetem Rückätzen, um die Stützfilamente 230 und/oder 430 von der DAM-Bedeckung zu befreien.
Bei einigen Ausführungsbeispielen ist der Durchmesser 310 des anfänglichen Wachstums des Stützfilaments 230 und/oder 430 durch die Dicke der Endschicht der Keimschicht 215 festgelegt. Bei verschiedenen Ausführungsbeispielen ist die Dicke der Keimschicht 215 beispielsweise weniger als 150 Angström, zwischen 150 und 500 Angström und größer als 500 Angström. Das für die Endschicht der Keimschicht 215 verwendete Material kann auch den anfänglichen Durchmesser 310 des Stützfilaments steuern. Eine gegebene Dicke von Nickel kann beispielsweise einen Stützfilamentdurchmesser 310 während des anfänglichen Wachstums der Stützfilamente 230 und/oder 430 erzeugen, der von dem durch dieselbe Dicke von Eisen erzeugten Durchmesser im Wesentlichen verschieden ist. Standard-Lithographieverfahren können angewendet werden, um eine Einleitungsstelle 330 mit vorbestimmtem Durchmesser in der Endschicht 260 der Keimschicht 215 zu drucken, was wiederum den Durchmesser 310 während der Einleitung des Wachstums des Stützfilaments 230 und/oder 430 steuert.
Eine Einleitungsdichte 540 der Erweiterungsschicht 510 kann hinsichtlich Einleitungsstellen pro Einheitsfläche ausgedrückt werden. Die Einleitungsdichte 540 hängt von einem Mittelwert des Stützfilamentabstandes 530 ab. Eine Flächendichte 560 der Erweiterungsschicht 510 kann hinsichtlich Spitzen 550 pro Einheitsfläche ausgedrückt werden. Die Flächendichte 560 hängt von der Einleitungsdichte und der mittleren Anzahl von Spitzen 550 pro Stützfilament 230 und/oder 430 ab. Die Einleitungsdichte 540 und die Flächendichte 560 sowie der Stützfilamentabstand 530 können teilweise von denselben Parametern abhängen, die den Durchmesser 310 steuern. Bei verschiedenen Ausführungsbeispielen können die Dicke der Endkeimschicht, die Materialwahl, unterschiedliche Umkehrmizellenprozess-Verfahren, ein Lithographiemuster und/oder dergleichen alle zu einer Bestimmung der Einleitungsdichte 540 und/oder der Flächendichte 560 beitragen. Bei einigen Ausführungsbeispielen wird der Stützfilamentabstand 530 durch den Durchmesser 310 der Stützfilamente 230 und/oder 430 beeinflusst.
Die Haftung der Stützfilamente 230 und/oder 430 am Substrat 210 wird teilweise durch die Materialwahl der Keimschicht und den speziellen verwendeten Wachstumsprozess bestimmt. Bei einigen Ausführungsbeispielen kann Carbid an der Basis der CNT/CNF gebildet werden, um Haftung bereitzustellen, wodurch ein Spitzenwachstum impliziert wird. Das Basiswachstum kann in einigen Fällen auch eine Haftung bereitstellen.
6A stellt einen Querschnitt eines Ausführungsbeispiels der Elektrodenerweiterung 220 von 2A entlang der Linie a-a dar. Das DAM ist in 6A eine Schicht um das Stützfilament 230 bildend dargestellt. 6B stellt einen Querschnitt eines Ausführungsbeispiels der Elektrodenerweiterung 220 von 2A entlang der Linie a-a dar. 6B unterscheidet sich von 6A darin, dass die Einlagerungsschicht 240 von 6B DAM-Vorsprünge 610 umfasst, die unter Verwendung der verschiedenen Verfahren zum Ausbilden von Nanostrukturen erzeugt werden, die anderswo hierin erörtert sind. Der DAM-Prozess umfasst eine Basis 620 und eine Spitze 630. Ein Basisabstand 640 ist ein Abstand zwischen den DAM-Basen 620 von benachbarten DAM-Prozessen 610. Ein Spitzenabstand 650 ist ein Abstand zwischen den DAM-Spitzen 620 von benachbarten DAM-Prozessen 610. Ein minimaler Abstand für einen DAM-Basisabstand 640 ist etwa null.
6C stellt einen Querschnitt eines Ausführungsbeispiels der Elektrodenerweiterung 220 von 2A entlang der Linie a-a dar. 6C unterscheidet sich von 6A darin, dass die Elektrodenerweiterung 220 Zweige 670 ähnlich zu den in 4B dargestellten Zweigen 430a–430c umfasst. Die Zweige 670 umfassen eine Einlagerungsschicht 240. Die Einlagerungsschicht 240 bedeckt optional nicht den ganzen Zweig 670. Folglich ist ein Zweigstamm 660 entlang des Zweiges 670 zwischen der Einlagerungsschicht 240 und dem Stützfilament 230 ausgebildet. Bei einigen Ausführungsbeispielen ist ein Zweigspitzen-Trennabstand 655 durch eine Dicke bestimmt, die für die Einlagerungsschicht 240 ausgewählt ist, und ein Zweigbasis-Trennabstand 645 ist durch eine Ausdehnung der Einlagerungsschicht 440 und einen Durchmesser des Zweigs 670 bestimmt.
7 stellt weitere Ausführungsbeispiele eines Stützfilaments gemäß verschiedener Ausführungsbeispiele der Erfindung dar. Diese Ausführungsbeispiele umfassen eine Stützkappe 710 und einen Stützkranz 720. Die Stützkappe 710 und der Stützkranz sehen eine zusätzliche Oberfläche vor, an der die Einlagerungsschicht 240 angebracht werden kann. Der Stützkranz 720 kann nahe der Einleitungsstelle (optional in Kontakt mit der Keimschicht 215) oder irgendwo entlang der Länge des Stützfilaments 230 oder an einem Zweig desselben angeordnet sein.
Bei einigen Ausführungsbeispielen ist die Breite der Stützkappe 710 und/oder des Stützkranzes 720 so ausgewählt, dass sie mindestens so groß ist wie die Breite der Einlagerungsschicht 240, wenn die Einlagerungsschicht vollständig ausgedehnt ist. Wenn beispielsweise die Einlagerungsschicht einen Durchmesser von 160 Nanometern aufweist, wenn sie vollständig ausgedehnt ist, dann sind die Stützkappe 710 und/oder der Stützkranz 720 mindestens 160 Nanometer.
Bei verschiedenen Ausführungsbeispielen können die Stützkappe 710 und/oder der Stützkranz 720 als Ankerpunkte für das DAM sowie als Einschränkungen für die Ausdehnung des DAM entlang der Länge der Elektrodenerweiterung 425 wirken. Die Stützkappe 710 kann beispielsweise dazu ausgelegt sein, zu verhindern, dass sich das DAM vom Ende des Stützfilaments 430 infolge von wiederholten Ausdehnungen und Kontraktionen weg bewegt. Die Stützkappe 710 und/oder der Stützkranz 720 sind Beispiele für eine Variation des Durchmessers des Stützfilaments 430. Andere Variationen sind möglich. Der Durchmesser kann beispielsweise auf einer periodischen Basis, allmählich und/oder abrupt geändert werden. Bei einigen Ausführungsbeispielen weist das Stützfilament 430 einen größeren Durchmesser distal zum Substrat 210 relativ zu benachbart zum Substrat 210 auf.
8 stellt Verfahren zur Herstellung und optionalen Verwendung einer Elektrode gemäß verschiedener Ausführungsbeispiele der Erfindung dar. Bei einem Schritt 810 zum Erhalten eines leitenden Substrats wird das Substrat 210 erhalten. Das Substrat 210 kann zum Hinzufügen der Keimschicht 215 oder zur direkten Befestigung des Stützfilaments 230 vorbereitet werden. Das Substrat 210 kann durch einen Dritten bereitgestellt werden oder kann von der Partei, die die Verfahren von 8 durchführt, hergestellt werden.
Bei einem optionalen Schritt 815 zum Ausbilden der Keimschicht wird die Keimschicht 215 auf dem Substrat 210 ausgebildet. Der Schritt 815 zum Ausbilden der Keimschicht ist optional bei Ausführungsbeispielen, bei denen das Stützfilament 230 direkt am Substrat 210 angebracht wird. Bei einigen Ausführungsbeispielen umfasst der Schritt 815 zum Ausbilden der Keimschicht das Abscheiden oder Züchten von mehr als einer Teilschicht der Keimschicht 215.
Bei einem Schritt 820 zum Ausbilden von Stützfilamenten wird eine Vielzahl von Stützfilamenten 230 auf der Keimschicht 215 oder auf dem Substrat 210 ausgebildet. Bei verschiedenen Ausführungsbeispielen weisen die ausgebildeten Stützfilamente 230 ein Seitenverhältnis (Länge/Breite) von mindestens 5:1, 10:1, 20:1, 50:1 oder 100:1 auf.
Bei einem Beschichtungsschritt 825 werden die im Schritt 820 zum Ausbilden von Stützfilamenten ausgebildeten Stützfilamente 230 mit der Einlagerungsschicht 240 beschichtet, um eine Elektrode auszubilden. Wie anderswo hierin erörtert, wird ein Stamm 235 der Stützfilamente 230 optional unbeschichtet oder mit einer Beschichtung mit kleinerer Dicke als andere Bereiche der Stützfilamente 230 belassen. Bei verschiedenen Ausführungsbeispielen weist die auf die Stützfilamente 230 aufgetragene Einlagerungsschicht 240 mindestens eine zwei-, fünf- oder zehnmal größere Ionenadorptions- oder Ionenabsorptionskapazität für Ionen auf als die Stützfilamente 230.
Bei einem optionalen Elektrolytschritt 830 wird die in Schritt 825 ausgebildete Elektrode in einer Elektrolytlösung angeordnet. Die Elektrode kann eine Kathode oder eine Anode sein. Bei einigen Ausführungsbeispielen bewirkt die Anordnung der beschichteten Stützfilamente 230 in Kontakt mit einem Elektrolyten eine Innenaufnahme und ein Quellen der Einlagerungsschicht 240.
Bei einem optionalen Batterieschritt 835 wird die in Schritt 825 ausgebildete Elektrode in einer Zelle einer wiederaufladbaren Batterie angeordnet. Die Elektrode kann als Kathode oder als Anode verwendet werden. Bei einigen Ausführungsbeispielen werden die unter Verwendung von Schritt 825 ausgebildeten Elektroden sowohl bei der Kathode als auch Anode der wiederaufladbaren Batterie verwendet.
Bei einem optionalen Batteriezyklusschritt 840 wird die Batterie von Schritt 835 wiederholt einem Zyklus unterzogen (aufgeladen und entladen). Bei dem Prozess absorbiert und desorbiert die Einlagerungsschicht 240 wiederholt Ionen, ohne die Vielzahl von Stützfilamenten 230 vom Substrat 210 zu lösen. Es wurde festgestellt, dass eine wiederaufladbare Batterie unter Verwendung einiger Ausführungsbeispiele der verbesserten Elektroden, die hierin beschrieben sind, über 600 mal ohne signifikanten Verlust der Ladungstragekapazität vollständig einem Zyklus unterzogen werden kann. Diese Zyklusfähigkeit kann von der Anwesenheit oder Größe des Stamms 235 abhängen. Diese Fähigkeit, wiederholte Zyklen durchzuführen, kann erreicht werden, während gleichzeitig eine Verbesserung der Ladungskapazität von über sechsfach relativ zu Systemen, denen die Einlagerungsschicht 440 fehlt, erreicht wird.
Mehrere Ausführungsbeispiele sind hierin speziell dargestellt und/oder beschrieben. Es ist jedoch zu erkennen, dass Modifikationen und Veränderungen von den obigen Lehren abgedeckt sind und innerhalb des Schutzbereichs der beigefügten Ansprüche liegen, ohne vom Gedanken und beabsichtigten Schutzbereich davon abzuweichen. Eine zusätzliche Bindemittelschicht kann beispielsweise verwendet werden, um die Elektrode, einschließlich der Elektrodenerweiterungen 220, zu bedecken. Diese Bindemittelschicht kann eine ionendurchlässige Membran umfassen, die dazu ausgelegt ist, Ionen zu und von der Einlagerungsschicht 240 durchzulassen.
Die hierin erörterten Ausführungsbeispiele erläutern die vorliegende Erfindung. Da diese Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf Erläuterungen beschrieben sind, können verschiedene Modifikationen oder Anpassungen der beschriebenen Verfahren und/oder spezifischen Strukturen für den Fachmann auf dem Gebiet ersichtlich werden. Alle derartigen Modifikationen, Anpassungen oder Variationen, die auf den Lehren der vorliegenden Erfindung beruhen und durch die diese Lehren das Fachgebiet vorangebracht haben, werden als innerhalb des Gedankens und Schutzbereichs der vorliegenden Erfindung betrachtet. Daher sollten diese Beschreibungen und Zeichnungen nicht in einer begrenzenden Hinsicht betrachtet werden, da es selbstverständlich ist, dass die vorliegende Erfindung keineswegs auf nur die dargestellten Ausführungsbeispiele begrenzt ist.
Zusammenfassung:
ELEKTRODEN MIT HOHER KAPAZITÄT
Eine Elektrode mit hoher Kapazität umfasst ein leitendes Substrat, auf dem eine Vielzahl von Stützfilamenten angeordnet ist. Jedes der Stützfilamente weist eine Länge auf, die wesentlich größer ist als seine Breite, und kann beispielsweise eine Kohlenstoff-Nanoröhre (CNT), eine Kohlenstoff-Nanofaser (CNF) und/oder einen Nanodraht (NW) umfassen. Die Stützfilamente sind mit einem Material beschichtet, wie z. B. Silizium, mit einer größeren Ionenabsorptionskapazität, die größer ist als jene der puren Stützfilamente. Ein Stammbereich der Stützfilamente nahe des Substrats wird optional von Ionenabsorptionsmaterial frei gelassen. Dieser Stammbereich ermöglicht die Ausdehnung des Ionenabsorptionsmaterials, ohne die Stützfilamente vom Substrat zu lösen.

Claims

Ein System, das aufweist: eine Elektrode, die in einem ersten Elektrolytbereich angeordnet ist und umfasst ein Substrat, eine Vielzahl von am Substrat angebrachten Stützfilamenten, und ein Ionenabsorptionsmaterial, das an den Stützfilamenten angebracht ist und dazu ausgelegt ist, sich um mindestens 5 Prozent im Volumen auszudehnen, wenn es Ionen absorbiert; einen Separator, der dazu ausgelegt ist, den ersten Bereich und einen zweiten Bereich des Elektrolyten zu trennen; und eine Kathode, die im zweiten Elektrolytbereich angeordnet ist, wobei die Kathode, die Anode und der Separator dazu ausgelegt sind, als wiederaufladbare Batterie zu arbeiten.
Das System nach Anspruch 1, wobei das Ionenabsorptionsmaterial einiges, aber nicht alles von jedem der Vielzahl von Stützfilamenten bedeckt.
Das System nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Ionenabsorptionsmaterial eine Fläche eines Elements der Vielzahl von Stützfilamenten entfernt vom Substrat bedeckt und eine Fläche des Elements der Vielzahl von Stützfilamenten nahe dem Substrat nicht bedeckt.
Das System nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei eine Dicke des Ionenabsorptionsmaterials an einem Ende der Stützfilamente entfernt vom Substrat größer ist im Vergleich zu einer Dicke an einem Ende der Stützfilamente nahe dem Substrat.
Das System nach Anspruch 1–3 oder 4, wobei die Vielzahl von Stützfilamenten jeweils verzweigt sind.
Das System nach Anspruch 1–4 oder 5, wobei das Ionenabsorptionsmaterial Silizium umfasst.
Das System nach Anspruch 1–5 oder 6, wobei die Vielzahl von Stützfilamenten eine Kohlenstoff-Nanoröhre (CNT), eine Kohlenstoff-Nanofaser (CNF) oder einen Nanodraht (NW) aufweist.
Das System nach Anspruch 1–6 oder 7, wobei eine Dichte der Vielzahl von Stützfilamenten derart ausgewählt ist, dass sich das Ionenabsorptionsmaterial um mindestens 5 Prozent im Volumen ausdehnen kann, ohne Elemente der Vielzahl von Stützfilamenten vom Substrat zu lösen.
Das System nach Anspruch 1–7 oder 8, wobei die Vielzahl von Stützfilamenten jeweils weniger als 500 Nanometer im Durchmesser sind.
Eine Elektrode, die aufweist: ein leitendes Substrat; eine Vielzahl von Stützfilamenten, die am Substrat angebracht sind, wobei die Stützfilamente eine Kohlenstoff-Nanoröhre (CNT), eine Kohlenstoff-Nanofaser (CNF) oder einen Nanodraht (NW) aufweisen, und ein Ionenabsorptionsmaterial, das an einigem, aber nicht allem von jedem der Stützfilamente angebracht ist und dazu ausgelegt ist, sich im Volumen mindestens fünffach auszudehnen, wenn es Ionen absorbiert.
Die Elektrode nach Anspruch 1–9 oder 10, wobei das Ionenabsorptionsmaterial auf den Stützfilamenten so angeordnet ist, dass ein Stamm der Stützfilamente gebildet ist, der im Wesentlichen nicht mit dem Ionenabsorptionsmaterial beschichtet ist.
Die Elektrode nach Anspruch 1–10 oder 11, wobei der Stamm mindestens 0,25 Mikrometer lang ist.
Die Elektrode nach Anspruch 1–11 oder 12, wobei das Ionenabsorptionsmaterial Silizium umfasst.
Die Elektrode nach Anspruch 1–12 oder 13, wobei die Vielzahl von Stützfilamenten an dem leitenden Substrat unter Verwendung einer Keimschicht angebracht sind.
Ein Verfahren, das aufweist: Erhalten eines leitenden Substrats; Ausbilden einer Vielzahl von Stützfilamenten, die mit dem leitenden Substrat gekoppelt sind, wobei die Stützfilamente ein Seitenverhältnis (Länge/Breite) von mindestens 10:1 aufweisen, und Beschichten der Vielzahl von Stützfilamenten mit einem Ionenabsorptionsmaterial, um eine Elektrode zu erzeugen, wobei das Ionenabsorptionsmaterial mindestens eine zehnmal größere Ionenabsorptionskapazität für Ionen aufweist als die Stützfilamente.
Das Verfahren nach Anspruch 15, das ferner das Ausbilden einer Keimschicht auf dem Substrat aufweist, wobei die Keimschicht zum Ausbilden der Vielzahl von Stützfilamenten ausgelegt ist.
Das Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, das ferner das Anordnen der Elektrode in Kontakt mit einem Elektrolyten aufweist.
Das Verfahren nach Anspruch 15, 16 oder 17, das ferner das Verwenden der Elektrode in einer wiederaufladbaren Batterie aufweist.
Das Verfahren nach Anspruch 15–17 oder 18, das ferner das wiederholte Verwenden der Elektrode aufweist, um Ionen zu absorbieren und zu desorbieren, ohne die Vielzahl von Stützfilamenten vom Substrat zu lösen.
Das Verfahren nach Anspruch 15–18 oder 19, wobei das Beschichten der Vielzahl von Stützfilamenten mit dem Ionenabsorptionsmaterial das Erzeugen eines Stamms der Stützfilamente nahe dem Substrat, der vom Ionenabsorptionsmaterial im Wesentlichen frei ist, umfasst.