[发明专利]具注入碳纳米管电极材料螺旋缠绕式电气装置及其制造方法及装置

说明书

技术领域

相关申请的交互参照

本发明主张35 U.S.C.§119下在2010年3月2日申请的美国临时专利申请序号61/309,828的优先权，其系通过引用形式而整体并入本文。

本发明一般是关于能量存储，且更特别是关于利用碳纳米管的能量存储。

背景技术

电容器是用于累积与存储电荷的电气组件。电容器在至少两个层面上是不同于电池的。第一，在一电容器中，电荷的存储是基于物理性电荷分离而非电池的化学性电荷分离。第二，电容器的充电与放电速率要比在电池中发生的化学反应快速许多。

在传统电容器中，是由两个传导板来维持电荷分离，这两个传导板是由一介电材料予以分隔。当存在一施加电位时，在介电材料中即建立一电场，且在传导板之间会产生一机械力。在传导板上所维持的电荷与传导板之间电位差的比例即称为电容值，其量测单位为法拉第(Farads)。

传统电容器的各种修改方式也已经被开发出来。电解质电容器使用含有离子的液体作为它的其中一个传导板。这类电解质电容器一般会显现出比传统电容器高出许多的电容值。然而，其用途在某程度上会受到需求的限制，其限制为各传导板需维持处于一极化电压状态。

超级电容器(亦被公知为电双层电容器、电化学双层电容器、超级电容器(supercondensor)、超电容器、或虚拟电容器)可显现出较高的电容值。超级电容器与传统电容器及电解质电容器明显不同处在于，在超级电容器中并无明显的传导板的物理分隔。取而代的，超级电容器是通过在传导板之间包含一微乎其微的薄的物理阻障(小于100μm)来维持电荷分隔。当超级电容器处于充电状态时，所述物理阻障可有效地维持电荷分隔，其足以让电荷载子充分通过，以允许快速充电与放电速率。

目前许多传统的超级电容器系使用活性碳粒子来用作高表面积基材，以固持来自分散在其中的电解质中的电荷载子。虽然活性碳粒子具有高表面积，但部分电荷载子则太大，以致于无法通过活性碳粒子的多孔性内部及利用其高表面积。图1显示含有活性碳粒子105的说明先前技术的超级电容器100的示意图。超级电容器100含有传导层101与102，其分别连接至正端子103与负端子104。传导层101与102各含有活性碳粒子105以及一电解质，电解质含有与活性碳粒子105掺合的正离子106与负离子107。正离子106与负离子107可存在于活性碳粒子105的内部或外部附近。传导层101与102是通过一分隔材料层108而彼此物理分隔，所述分隔材料层108可让电解质的正离子106与负离子107通过。如图1所示，超级电容器100是处于一放电状态。

部分高性能材料(包含碳纳米管)因其高可接入表面积而已经被提出用作超级电容器中活性碳粒子的替代物。在此方面，碳纳米管则因其导电性而更为有利。虽然碳纳米管具有用于增进超级电容器性能的显著能力，但目前仅在将小量的碳纳米管随机分散于超级电容器的电解质媒介中有成功的研究成果。因此，现有制造技术仅能产生含有小型碳纳米管的超级电容器，其电气存储能力低。

鉴于前述，在本领域中，含有大量碳纳米管的超级电容器因其增加的提升电气存储能力而有明显益处。提供用于直接制备这类超级电容器的方法与设备在本领域中也具有可观帮助。基于类似理由，其它电气装置亦可因其中内含碳纳米管而有所帮助。本发明满足了这些需求，并且同时提供相关优点。

发明内容

在部分具体实施例中，本文所述的电气装置包含第一电极材料与第二电极材料，所述第一电极材料包含注入至第一基材中的第一多个碳纳米管，且所述第二电极材料包含注入至第二基材中的第二多个碳纳米管。所述第一电极材料与所述第二电极材料是沿着中心轴而缠绕为螺旋型态。

在部分具体实施例中，本文所述的方法包含：提供第一电极材料，所述第一电极材料包含注入至第一基材的第一多个碳纳米管；提供第二电极材料，所述第二电极材料包含注入至第二基材的第二多个碳纳米管；形成层状结构，所述层状结构包含所述第一电极材料与所述第二电极材料；以及将所述层状结构沿着中心轴缠绕为螺旋型态。