[發明專利]用于電池電極的分支納米結構

有效

• 申請號: 201180051874.4
• 申請日: 2011-08-23
• 公開（公告）號: CN103210530A
• 公開（公告）日: 2013-07-17
• 發明（設計）人: 李在浩;艾薩克·倫德
• 申請（專利權）人: 紐約州立大學研究基金會
• 主分類號: H01M4/1395
• 分類號: H01M4/1395;H01M4/38;B82B3/00;H01M10/0525;H01M4/66
• 代理公司: 北京天昊聯合知識產權代理有限公司 11112
• 代理人: 陳源;崔利梅

相關申請的交叉引用

本申請要求于2010年8月27日提交的待審美國臨時專利申請61/377,729的優先權，該美國臨時專利申請的公開內容通過引用的方式整體并入本文。

技術領域

本發明涉及包含分支納米結構的電化學電極、以及生成所述電極的方法。

背景技術

很多電化學電池由于其效率高、排放低和壽命相對較長的特點，在未來的能量存儲應用方面展現了很大的前景。這些電池可以用在（例如）電動車市場、便攜式電子產品及其他家庭和商業應用中。鋰離子（Li-ion）電池就是這些電化學電池中的一個例子。一般來講，鋰離子電池包含兩個電極（陽極和陰極）、電解質和諸如集電器的導電材料。鋰是電荷的載體。在充電過程中，電池通過將鋰原子移動到陽極來存儲能量。理想的電極每單位重量具有更大的能量容量（例如，更大的能量密度），因為它們可以在更小的重量和/或覆蓋面上存儲更多的能量。因此，更好的電池要求陽極中有更大的鋰密度。

從歷史上看，石墨已經被用作鋰離子電池中的陽極，且其容量大約為372mAh/g。但是，研究表明，在這些電池中，硅理論上是鋰離子的最優存儲材料，其容量大于4000mAh/g。通常硅以薄膜的形式包含在鋰離子電池的陽極中。充電過程中插入鋰后，薄膜形式的硅會受到應力并脫離，因為在充電過程中剛性的硅薄膜擴大近乎400%。這將導致硅隨著時間的推移發生降解，從而降低了能量存儲和電池性能。

發明內容

諸如納米線的分支柔性結構已經被發展來緩解鋰離子插入的應力。這樣的結構提供了兩個方面的優勢。首先，與具有相同覆蓋面的薄膜或非分支的納米結構的表面面積相比，分支納米結構的表面面積大大增加。第二，相對于薄膜，這些納米結構的柔韌性容許在不破壞陽極的情況下存儲鋰離子（或某種其它的電荷）；也就是說，柔性納米結構由于其彎曲能力而緩解了與應力相關的問題。這樣可以得到（例如）鋰插入以及硅擴張所需的擴展面積。

使用本發明的分支納米結構會得到更小、更持久、效率更高的電池。芯部是電阻性半導體材料而殼體是低阻的集電材料，也就是說，電流傳導發生在殼體，而不是芯部。然后在該納米結構上涂上電活性或導電涂層，用作電容性材料。該納米結構的獨特性在于：每個分支都連接至主干結構，以及每個主干都與襯底有良好的電連接和機械連接。本發明的納米結構的分支特性容許更高的陽極密度，因此對于相同的充電容量需要更少的面積。

將催化劑微粒結合到正在生長的納米結構中，這改變了納米結構的外部殼體的電特性和/或化學特性。作為示例，可以通過改變生長參數來加厚硅化物區域，從而調節硅化鎳納米結構的導電特性。同樣可以通過使用另外的表面涂層來改變納米結構的特性。作為示例，硅化鎳納米結構的表面涂上TiO₂對于燃料電池非常有用，因為TiO₂可以作為很好的催化劑載體。

本發明的一個實施例提供了一種首先形成結構主干的形成分支金屬硅化物納米結構的方法。主干是這樣形成的：提供可以在上面生長主干的襯底，將非難熔性的過渡金屬或過渡金屬合金催化劑沉積在襯底上；液化催化劑；將已液化的催化劑暴露在硅烷氣體中。需要至少一些氣體與至少一些液體反應，以形成固體初級結構（主干）。接著形成該結構的分支。該情況下，將非難熔性的過渡金屬或過渡金屬合金催化劑沉積在納米結構主干的外表面上，然后將催化劑液化并暴露在硅烷氣體中。再一次，至少一些氣體與至少一些液體反應，使得形成附著至主干（固體初級結構）的分支（固體二級結構）。

本發明的一個實施例提供了一種首先形成結構主干的形成分支硅化鎳納米結構的方法。主干是這樣形成的：提供可以在上面生長主干的襯底，將鎳沉積在襯底上；液化鎳；以及將該液體暴露在硅烷氣體中。需要至少一些氣體與至少一些液體反應，以形成固體初級結構（主干）。接著形成該結構的分支。該情況下，將鎳沉積在納米結構主干的外表面上，然后將鎳液化并暴露在硅烷氣體中。再一次，至少一些氣體與至少一些液體反應，使得形成附著至主干（固體初級結構）的分支（固體二級結構）。