[发明专利]使用碳纳米结构材料的高效能量转换和存储系统

说明书

共同研究协议公开

要求保护的发明在芬兰诺基亚公司和英国剑桥大学之间的共同研究协议下创造。该共同研究协议在创造要求保护的发明前生效，且该要求保护的发明作为共同研究协议范围内承担的行动的结果而创造。

技术领域

本公开涉及能量转换和存储系统。尤其是，本公开涉及使用复合碳纳米结构材料作为功能成分的能量转换和存储系统。

背景技术

对便携式电子设备的不断增加的需要推动着用于这些设备中的能量转换和存储单元的技术进步。在发展能量转换和存储单元，例如电池时，轻型结构、长寿命、高能量密度、高功率密度和满足各种设计和能量需要的灵活性是考虑的重要因素。能量密度和功率密度是贮能器件的两个不同方面。能量密度通过移动设备可以运作(例如打电话和上载资料)多久，以及它可以待机多久来测定。在例如照相机、硬盘驱动器、高分辨率显示器等设备上的电源要求应用中，提供电流快速突发时需要高功率密度。适用于便携式电子设备的能量转换和存储单元的例子包括锂离子电池、锂金属电池和超级电容器。

锂离子电池目前是用于便携式电子设备的最常用的固态电池类型，具有最好的能量-重量比之一、无记忆效应和长的保存寿命。锂离子电池的三个基本功能组件是阳极、阴极和电解质，可使用多种材料。市场上用于阳极的最常用材料是石墨。可通过插入锂化合物例如锂钴氧化物、磷酸铁锂、锂锰氧化物等来制造阴极。

锂金属电池或锂金属聚合物电池是由锂离子电池演化而来的可再充电电池。锂-金属电池结构包含锂金属阳极、聚合物复合电解质和阴极。可以通过将这些材料的薄膜叠置在一起来制造锂金属电池。得到的器件结构是挠性、坚韧和耐用的。锂金属聚合物结构优于传统的锂离子设计之处包括低的制造成本和更耐物理损坏。

超级电容器类似于常规电容器，除了它以小封装提供极高电容。有两种类型的超级电容器，电化学双层电容器和伪电容器(peuseodocapacitor)。在电双层电容器(EDLC)中，能量储存通过静电荷而不是电池内在的电化学过程实现。将电压差施加在正负极板上为超级电容器充电。而常规电容器由导电箔和干式分离件组成，超级电容器通过使用类似于锂离子或锂金属电池的电极和电解质应用于电池技术。因此，很有兴趣将电池和超级电容器组合在一个单元中以实现高能量密度和功率密度。

结合电池和电容器的贮能单元已被建议并应用在电子设备中，但是没有开发组合的电池-超级电容器单元，以填充如图1所示的Ragone图(功率密度对能量密度)中的区域1。落入该区域的器件从应用角度而言是非常合意的，因为它同时提供非常高的能量密度和非常高的功率密度。理想地，组合的电池/超级电容器应具有超级电容器的功率和电池的存储容量。如同电容器，它可以迅速充电然后放电以递送功率。如同电池，它可以长时间段内存储并递送电荷。

最近，纳米结构材料正用作可再充电电池的阴极或阳极，以提高电池容量和耐用性。纳米结构的碳，例如碳纳米管(CNT)、碳纳米线(CNW)、碳纳米角(CNH)和碳纳米葱(CNO)正预期用于替代石墨。CNT是碳的高度结晶的管状结构。一个单壁纳米管(SWNT)的直径为约几个纳米，且高达一百微米长，通常垂直生长的多壁纳米管(MWNT)的直径较大，且等长或更长。数百万碳纳米管可共同形成实际有用的宏观材料簇。CNT可由光滑基质生长，以形成致密组装的、垂直对准的CNT叠层(形态上类似于地毯上的一叠纤维)。

CNH和CNO是碳的高度结晶的纳米微粒结构。单壁碳纳米角(SWCNH)由大约二到三纳米长的锥状中空碳(石墨)微晶构造而成。它们聚集形成大丽花或芽状纳米微粒结构，直径为50到100纳米，其形状为球状或类球状，表面上具有纳米锥(参见图2)。CNO是球状微晶(富勒烯)，其中一个碳球包绕另一个碳球。

在能量转换和存储器件中使用CNH和CNO的优点不仅在于极大的表面积，而且在于气体和液体容易透过，这是因为通过浸没放电过程在晶体表面结构自然产生表面缺陷、开口和窗口。CNH也特别适用于表面吸附过程，因为由表面上六边形-五边形分布导致的遍及锥结构的非均匀直径代替了石墨或纯CNT上的纯石墨单原子层的均匀六边形结构。CNH锥体形成特定锥角，末端是富勒烯半球尖端。该角在纯锥结构的19、39、60、84和113度限定，锥角越宽，纳米锥越短。可通过激光烧蚀处理或埋弧放电处理制造CNH。后面一种处理更有希望用于成本大大减少的批量生产。