[发明专利]作为电极的垂直对齐的碳纳米管阵列

说明书

本公开的实施方式涉及电极，所述电极包括多根垂直对齐的碳纳米管和与垂直对齐的碳纳米管结合的金属。垂直对齐的碳纳米管可以是石墨烯‑碳纳米管混联材料，其包含共价连接至垂直对齐的碳纳米管的石墨烯。金属在电极运行期间可以变得与碳纳米管原位可逆结合，并且没有任何树突或苔状聚集体。金属可以是垂直对齐碳纳米管表面上的非树突或非苔状涂层。金属还可以渗透在垂直对齐的碳纳米管束中。其它实施方式涉及包括本公开电极的能量储存装置。另外的实施方式涉及通过将金属施加到多个垂直对齐的碳纳米管形成所述电极的方法。

相关申请的交叉引用

本申请要求2015年4月23日提交的美国专利临时申请62/151,941号的优先权。上述申请的全部内容通过援引纳入本文。

关于联邦资助研究的声明

本发明是在美国国防部授予的基金第FA9550-12-1-0035号和美国国防部基金第FA9550-14-1-0111号的政府支持下完成的。政府对本发明拥有一定的权利。

背景

现有的电极受到许多限制，包括有限的金属储存容量、运行期间形成树突材料。本方面公开的多个方面解决了上述限制。

发明内容

在一些实施方式中，本公开涉及电极，所述电极包括多个垂直对齐的碳纳米管和与垂直对齐碳纳米管结合的金属。在一些实施方式中，垂直对齐的碳纳米管包括阵列形式的垂直对齐的单壁纳米管。在一些实施方式中，所述垂直对齐的碳纳米管与基材结合。在一些实施方式中，所述基材用作集电器。在一些实施方式中，所述垂直对齐的碳纳米管和所述基材用作集电器。

在一些实施方式中，所述垂直对齐的碳纳米管是石墨烯-碳纳米管混联材料形式的，其中垂直对齐的碳纳米管通过在碳纳米管和石墨烯膜之间的一个或多个连接点处的碳碳键共价连接至基材。在一些实施方式中，石墨烯膜也与基材结合，例如铜或镍基材。

本公开的垂直对齐的碳纳米管可以与各种金属结合。例如，在一些实施方式中，所述金属包括但不限于：碱金属、碱土金属、过渡金属、后过渡金属、稀土金属、及它们的组合。在一些实施方式中，所述金属包括但不限于：Li、Na、K、Mg、Ca、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Al、Sn、Sb、Pb、及它们的组合。在一些实施方式中，所述金属包括锂。

在一些实施方式中，所述金属在电极运行期间可逆地与垂直对齐的碳纳米管在原位结合。在一些实施方式中，与垂直对齐的碳纳米管结合的金属没有任何树突或聚集体(例如，苔状聚集体)。在一些实施方式中，金属可以是垂直对齐碳纳米管表面上的非树突或非苔状涂层。在一些实施方式中，所述金属渗透在垂直对齐的碳纳米管束中。

在一些实施方式中，所述垂直对齐的碳纳米管用作电极的活性层。在一些实施方式中，所述金属材料用作电极的活性层，而所述垂直对齐的碳纳米管用作集电器(或者单独，或者与基材结合)。在一些实施方式中，所述电极是阴极或阳极。在一些实施方式中，所述电极是能量存储装置的部件，例如锂离子电池或锂离子电容器。

本公开的其它实施方式涉及包括本公开电极的能量储存装置。本公开另外的实施方式涉及形成本公开电极的方法。

附图说明

图1显示了电极的形成(图1A)、所形成电极的结构(图1B)、所形成电极在电池中的用途(图1C)。