CN101849307A - 纳米线电池方法和配置 - Google Patents

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Abstract

与电池关联而实现的多种方法和装置。根据一种这样的配置，提供一种用于电池的装置，离子在其中移动。该装置包括衬底和多条从根部生长的纳米线。这些从根部生长出的纳米线从衬底伸出以与离子相互作用。

Description

纳米线电池方法和配置
发明领域
本发明总的来说涉及离子电池配置和方法，更具体地，涉及基于纳米线的电极配置及其制造方法。
背景
在包括与便携式电子设备、电动车辆以及可植入医疗设备关联的各个领域和产业内，对于具有高能量、低重量和长寿命的电池的要求已变得越来越重要。例如，能量、重量和循环寿命特征通常对于提高使用电池的特定设备的功能性是有用的。在便携式电子设备和可植入医疗设备中，这些和其它关联的方面对于功率增加(例如，来自附加处理电源)和/或设备尺寸减小是有用的。在电动车辆中，这些方面经常限制电动车辆的速度、动力和工作范围中的诸因素。
电池的各商用实施例充当存储并将来自化学氧化和还原反应的化学能转化成可用的电形式的电化学单元。该化学反应发生在由电池的两个电极构成的材料中，例如还原发生在阴极而氧化发生在阳极。这些反应部分由于构成阳极和阴极的材料之间的电化学电势差。在许多基于离子的电池中，这两种材料电极由例如电解质的离子导电体分隔，若非如此它们就是电绝缘的。每种电极材料电连接于导电的、较佳为金属性的材料，有时将其称为集电器。集电器则可使用允许在两者之间传递电子的外部电路彼此相连。为使电位差相等，当允许电子流过外部电路时，阳极释放离子(例如，通过氧化以形成离子)。电子流因流过电解质的离子流变得平衡。离子则与阴极的化学反应物质反应。已知材料所能接受的离子数为那种材料的比容量。经常以每重量的能量容量来限定电池电极材料，例如以mAh/g为单位。已投入许多研究以制造和研发更高容量电池的更高能量密度电极材料。
特定类型的电池为锂离子电池或锂电池。锂离子电池在电极之间传递锂离子以影响电池中的充电和放电状态。一种类型的电极使用石墨作为阳极。石墨阳极具有数量级为372mAh/g的可逆(可再充电)容量。石墨阳极通过在分层结构之间的锂离子夹层发挥作用。某些石墨阳极中的限制在于锂在LiC6化学计量下在石墨中饱和。因此，将允许较大量锂插入的材料用作大容量锂电池阳极是有吸引力的。
石墨阳极的一些选择利用不涉及分层结构材料之间的锂离子夹层的存储机理。例如，某些过渡金属氧化物使用可提供700mAh/g的相对高能阳极的转化机理。另外一些选择包括例如Si、Sn、Bi和Al的元素，这些元素通过锂插入形成包含锂的合金。这些元素中的一些提供相对大的理论能量。通常这些元素在锂插入过程中表现出体积变化。例如，纯Si对Li4.4Si具有4200mAh/g的理论容量，但在锂插入(合金化)过程中已表现出产生多达400％的体积变化。在薄膜和微米级微粒中，这样的体积变化会使Si粉碎并丧失与集电器的接触，这导致容量衰减和较短的电池寿命。由薄的无定形硅制成的电极可能表现出在许多工作循环后容量稳定性方面的提高，但这种薄膜很少具有用于可行的电池的足够活性材料。使用导电碳添加物增加导电性的尝试尚无法完全解决这些问题，由于一旦脱去合金成分(脱锂化)，微粒会收缩，并由此丧失与碳的接触。Si阳极已备有例如聚(二氟乙烯)(PVDF)的聚合物粘结剂，以尝试将微粒保持在一起，但是PVDF的弹性特征对大Si体积变化来说可能不够，并且不能完全减轻低下的导电性。这导致低库仑效率和低下的循环性。例如，使用与碳黑和PVDF混合的10μm尺寸的Si微粒已表现出导致3260mAh/g的第一放电容量；然而，充电容量仅为1170mAh/g，这意味着仅35％的低下库仑效率。在10次循环后，容量也衰减至94％。另外，导电性添加物和粘合剂增加了电极的重量，降低了电池的总重量和体积能力。
这些和其它特征已对锂合金材料用于锂电池阳极的设计、制造和使用提出了挑战。一种解决手段已采用纳米结构电池电极材料。纳米材料包括纳米线、纳米微粒和纳米管，所有这些均具有沿至少一维的纳米尺寸。纳米材料已因其具有更好的应力适应性、与电解质较高的界面接触面积以及电子传输的短路径长度而感兴趣地用于锂电池。这些特征可能导致提高的循环性、更高的功率比以及增大的容量。然而，当前效果还有改善的空间。
发明概述
本发明旨在克服上述挑战以及关联于上面讨论的应用类型及其它应用的其它方面。在许多描述的实现和应用中例示出本发明的这些和其它方面，其中的一些示出于附图中，并在下面的权利要求书章节中作出归纳。
根据一个示例性实施例，提供一种用于电池的装置。该装置通过与离子合金化的纳米线的新颖使用来提供高能量。装置的一个特例采用由碳以外的材料构造成的纳米线以在电池充电状态下与Li+离子合金化并在放电状态下释放Li+离子。直接从连接于集电器的衬底细致生长的纳米线可提供基本全部直接连接于衬底并从中延伸的纳米线的装置。
根据另一实施例，提供一种用于离子在其中移动的电池的装置。该装置包括衬底和多条纳米线，每条纳米线植根于衬底并各自具有含与离子相互作用的分子的外表面。
根据本发明的另一实施例，提供具有稳定能量容量的电池。该电池包括：用于提供离子的离子转移器、在离子转移器一侧上的第一集电器以及位于离子转移器另一侧上的第二集电器。第二集电器包括衬底和多条固态纳米线，所述纳米线植根于衬底并与离子相互作用以设定大于约2000mAh/g的稳定能量容量。
根据本发明的另一实施例，提供一种再充电的电池。该电池包括：用于提供离子的离子转移器；在离子转移器一侧的第一集电器以及位于离子转移器另一侧并包含衬底和多条固态纳米线的第二集电器。固态纳米线植根于衬底并与离子相互作用以将后继能荷之间的最大容性衰减设定为小于约25％。
根据本发明的另一实施例，提供一种具有能量容量的电池。该电池包括：具有衬底的第一集电器；第二集电器；位于第一和第二集电器之间的离子转移器，该离子转移器提供离子；以及纳米线层。纳米线层具有与大约其中一条纳米线的长度相等的层高度。纳米线层还可包括从衬底伸向离子转移器以与来自离子转移器的离子结合并设定电池的能量容量的纳米线。
根据本发明的另一实施例，提供一种电池。该电池包括：第一集电器；第二集电器；位于第一和第二集电器之间的离子转移器，并且其中一个集电器包括衬底；以及与离子转移器所提供的离子结合以限定额定能量容量的固态纳米线。多数固态纳米线位于衬底上和具有位于衬底上的端部。
根据本发明的另一实施例，实现一种具有连接于集电器的衬底的电极配置的方法。设计该电极配置为用于电池。该方法包括从衬底生长固态纳米线的步骤。
根据本发明的另一实施例，实现一种组装用于电池的电极配置的方法。该方法包括：将植根有固态纳米线的衬底附连于集电器；形成集电器组件，其具有位于衬底和集电器之间的离子转移器以及另一集电器，并将电流集电器组件置于壳体内。
上面的概述不旨在描述本发明每个解说性实施例或每种实现。
附图简述
可思考下面结合附图对本发明各实施例的详细描述而更完整地理解本发明，在附图中：
图1示出根据本发明一个实施例的、离子在其中移动的用于电池的装置；
图2示出根据本发明一个实施例的具有纳米线的电池单元；
图3示出根据本发明一个示例性实施例的、在集电器阳极上具有纳米线的锂离子电池单元的功能；
图4A、4B和4C示出根据本发明示例性实施例的、制造用于离子电池的结构的多个阶段；以及
图5A、5B、5C和5D示出根据本发明示例性实施例的电池配置的试验结果。
尽管本发明可以有多种修改和变化形式，然而通过附图例示出其示例，并将更详细地予以说明。然而应当理解，本发明不局限于所图示和/或记载的具体实施例。相反，本发明覆盖落在本发明精神和范围内的所有变化、等效物和代替物。
详细说明
相信本发明可应用于涉及纳米电极的多种不同类型的离子电池、设备和配置。尽管本发明不一定局限于此，可通过使用这种背景的示例的讨论来理解本发明的各个方面。
根据本发明的一个实施例，电池具有阳极、阴极、与阳极和阴极接触的集电器以及电解质。负电极或阳极由从衬底延伸出的多条纳米线构成。纳米线具有含与离子相互作用的多个分子的外表面。有纳米线延伸出来的衬底附连于集电器。构成集电器的材料可包括，但不局限于，不锈钢、铜、镍、铝和其它对Li不活泼的较佳金属材料。集电器也可包括例如塑料的柔性材料，这种材料涂有例如铜或镍的金属层以使其导电。在一特定实施例中，从衬底生长纳米线，以形成一端直接与衬底接触而另一端从衬底延伸出来的纳米线。
结合本发明的另一实施例，实现一种用于电池的配置。这种配置包括从衬底根生长出的固态纳米线。该衬底附连于集电器。如此，这种配置可用作电池中的电极。
结合本发明的另一实施例，提供一种具有稳定能量容量的电池。例如电解质的离子转移器允许离子在位于离子转移器任一侧的电极之间移动。其中一个电极具有衬底。多条纳米线植根于衬底。这些纳米线与离子相互作用以设定大于约2000mAh/g的稳定能量容量。因此，电池在若干次充电和放电循环中维持能量容量。这些纳米线是允许离子扩散入纳米线的非球壳状碳分子型纳米线(non-fullerene type nanowire)。
结合本发明的另一实施例，提供一种使用从衬底延伸出的纳米线的电池，其中纳米线提供小于2000mAh/g的稳定能量容量。
在特定情形下，离子扩散入纳米线导致纳米线暂时由扩散离子合金和下层的纳米线材料构成。这种合金的一个特例是因Li离子扩散入Si纳米线形成的Li4.4Si。潜在的纳米线材料的另一示例包括Ge和Sn以及各种金属氧化物、氮化物和磷化物，例如SnO2、TiO2、Co3O4、Li2.6Co0.4N、Li3N、LiMnN、FeP2、CuP、CoP3和MnP4。另外，纳米线可构造成包含这些材料与其它材料的合金，例如Si-Ge合金或Si-Sn合金。
根据本发明的另一实施例，提供一种制造电池配置的方法。纳米线直接生长在集电器衬底上，由此在纳米线和集电器之间形成直接电接触。这样做的一些方法包括使用气态-液态-固态(VLS)或气态-固态(VS)生长方法。
在一特例中，使用SiH4分解来合成Si纳米线。用于生长的衬底可以是例如金属材料的适宜导体，或更具体地为不锈钢304箔。例如金的催化剂沉积在集电器衬底上，所述催化剂要么通过胶体溶液要么通过使用电子束蒸镀或喷溅沉积Au薄膜提供。作为代替，可使用无模板溶液相方法在衬底上生长纳米线，包括但不局限于，溶液态-液态-固态(SLS)生长、热溶液、热液、溶胶凝胶和超临界流态-液态-固态(SFLS)。
所得到的纳米线可表现出具有范围尺寸并尤其针对应用调整的直径。可通过平衡多个因素而完成直径的审慎选择。例如，具有适宜小直径的纳米线不大会因离子嵌入(或解嵌)应力而从衬底分离。这种应力将导致纳米线(例如，由于材料的粉碎)从集电器分离，造成能量容量减少。较大的直径将增加纳米材料在衬底上的总体积；然而，较大的直径会造成离子不完全地扩散入纳米线中央。由于一部分纳米线尚未使用，因此这种完全扩散的失败会造成每克重量的纳米线的能量容量的相应减小。这些和其它因素可用来确定最佳纳米线尺寸。
在提供基本全部直接连接于金属集电器的纳米线方面，本文所讨论的各纳米线配置和方法中的一些是特别有用的。这些连接的纳米线直接对容量作出贡献而无需使用中介的导电材料。这些连接的纳米线也可构造成忍受在电池循环过程中表现出的体积变化。因此，在避免使用粘合剂或导电添加剂而增加额外重量并降低电池的总容量方面，一些配置和生长方法是有用的。此外，一些纳米线提供沿导线长度至集电器的直接(一维)电子路径。在至集电器的有效电荷转移方面，这是特别有用的。在一种情形下，该电极用作电池的阳极或负电极。
在本发明的一个特定实施例中，正电极或阴极可包含与阳极相似的电极，即其具有从集电器衬底延伸出的多条纳米线。可使用之前提到的气相和无模板溶液相方法生长这些纳米线。或者，阴极可由当前用于Li离子电池的粉状复合材料构成。尽管本发明不局限于该例，不过一些可从市面上购得的阴极材料是LiCoO2、LiFePO4、LiMnO2、LiMn2O4和LiNiO2。在两电极之间是离子导电的电绝缘区，其包括有利于在电极之间转移离子的电解质。该区包括浸渍有电解质的薄膜分离器，电解质是溶解在有机溶液中的Li盐，例如在重量/重量1∶1的碳酸乙烯∶碳酸二乙酯中的1M LiPF6(1M LiPF6in 1∶1w/w ethylenecarbonate∶diethyl carbonate)。作为代替，电解质可以是混合有例如聚合物或无机材料的固态离子化导电材料的Li盐。
根据本发明的各示例性实施例，纳米线装置提供大于约2000mAh/g的稳定能量容量。在一特例中，从衬底生长出的纳米线最初表现为晶体结构。在第一次充电和第一次放电循环后，纳米线的一部分(或其全部)转变为无定形态。相信这是由于离子嵌入纳米线的分子结构由此破坏了纳米线的结晶结构而引起的。电荷循环也将导致纳米线尺寸的增加。例如，在Si-Li合金成形后，由Si形成的晶体结构已表现出400％的尺寸增加。对适当应力缓解和更好地适应大体积变化而不至断裂方面，足够小的纳米线的生长尤为有用。纳米线可生长以具有相对短的离子(例如Li)扩散路径。在一些情形中，通过直接在集电器衬底上生长而利用一维电子路径，由此对每条纳米线电气寻址并给出低于每条纳米线长度的连续电子转移路径。
现在参照附图，图1示出根据本发明一个实施例的、离子在其中移动的用于电池的装置。纳米线104从衬底102伸出并在电池充电和放电过程中与离子106相互作用。在一种情形下，纳米线104是植根于衬底102的非球壳状碳分子型纳米线。与其在分层材料中使用夹层，例如由碳制成的单壁纳米管(SWNT)和多壁纳米管(MWNT)，非球壳状碳分子型纳米线宁可使用合金机构与离子相互作用。这对于提供高能量容量电池特别有用。
纳米线104可由能够适当地与离子106相互作用(例如在充电过程中存储离子并在放电过程中释放离子)的各种材料构成。
图2示出根据本发明实施例的具有纳米线的电池单元。电池200连接于负载/充电电路204。当工作在放电模式时，电池200将电流提供给电路204。当工作在充电模式时，来自电路204的电流用来给电池200充电。集电器206、212是与阳极和阴极形成电接触的导体。在特定实施例中，集电器是金属并且不与Li发生反应。
纳米线202连接于集电器212。在特定实施例中，集电器212是电池200阳极的一部分。纳米线与来自离子源208的离子相互作用。离子源208可包括含锂的材料，例如LiCoO2。可选择地采用隔离器210以在离子源208和纳米线202之间保持物理隔离并同时允许来自离子源208的离子通过。这可通过使用各种多孔材料来实现。在另一种情形下，离子源208可包括固态离子源，例如Li箔。在又一种情形下，离子源208可包括由连接于集电器206的阴极材料构成的纳米线。
根据本发明的一个实施例，集电器被设置成由离子源分隔的平行板。
在其它实施例中，可沿多个方向排列集电器。例如，集电器可排列成同心的圆柱形式。对于形成具有与当前电池技术相似形状因数的电池，例如C、AA、AAA单元尺寸电池，这特别有用。在另一情形下，可以将各自具有相应阳极、阴极和离子源的多个电池单元串联和/或并联配置以形成具有要求容量和电压特性的单个电池。
图3示出根据本发明示例性实施例的在集电器阳极上具有纳米线的锂离子电池单元的功能。集电器304、308提供从负载310至阳极纳米线302和阴极部分306两者的接口。在具体实施例中，可从纳米结构构造阴极部分306；然而，本发明不局限于该实施例。阳极纳米线302在充电状态下，例如通过合金化，接收和接纳Li+离子。通过施加适当电压至集电器304、308来实现这种充电状态。例如，以纳米线-Li合金的形式存储来自所施加电压的能量。阴极部分306在充电状态下释放Li+离子。在一特例中，阴极是在充电状态下其氧化电荷改变的金属氧化物(例如LiCoO2)。例如，在LiCoO2的情形下，充电状态比放电状态具有更高的氧化状态，其中Co3+氧化至Co4+，从而将Li+离子释放到电解质。因此，在充电状态下更多离子自由地与阳极纳米线发生反应。如图3所示，Li+离子可以是位于阳极和阴极之间区域内的电解质的一部分。这使Li+离子在充电和放电的任一状态下在阳极和阴极之间自由移动。在一种情形下，多孔隔离层用来在阳极和阴极之间提供结构支承，同时仍然允许Li+离子在其间移动。本发明的特定实施例提供使用电解质的电池，该电解质具有溶解在有机溶液中的Li盐。一特定示例是在重量/重量1∶1的碳酸乙烯∶碳酸二乙酯中的1.0M LiPF6。电解质也可以是通过聚合物或无机材料溶解的Li盐。
可通过形成在阳极和阴极的集电器之间具有离子转移器的电极结构而产生图3的结构。阳极和阴极其中之一包括从中生长固态纳米线的衬底。然后由适宜的壳体包围这种结构，例如具有至少两个导电端子的绝缘材料。一个端子用来电连接于这种结构的阳极部分，而另一端子电连接于这种结构的阴极部分。在特定实施例中，使这种结构的形状符合市面上可购得的电池的形状因数。
图4A-4C示出根据本发明示例性实施例的通过使用气态-液态-固态生长(VLS)制造在离子电池中作为纳米线电极的结构的各个阶段。在图4A中，使催化剂404直接沉积在衬底402上。由适宜导体制成衬底402，例如金属材料，或更具体地，为不锈钢箔。合用导体的其它例子包括铜、镍、铝或例如涂有金属的塑料的柔性材料。要么通过胶体溶液要么通过使用电子束蒸镀或喷溅沉积Au薄膜来提供例如金的催化剂404。由感兴趣的特定纳米线材料系统确定其它合用的催化剂。代替地，当使用无模板溶液相方法以在集电器表面直接生长纳米线时，则不需要催化剂。
图4B示出纳米线406在衬底402上的生长。气态-液态-固态(VLS)或气态-固态(VS)生长方法则用来形成与衬底相连并从衬底伸出的纳米线。在A.M.Morales，和C.M.Lieber，Science 279，208(1998)；M.H.Huang等人的Adv.Mater.13，113-116(2001)；M.H.Huang等人的Adv.Mater.13，113-116(2001)；Dick，K.A等人的Adv.Funct.Mater.15，1603-1610(2005)；Pan，Z.W等人的Science 291，1947-1949(2001)中更详细地描述了这类技术的示例，所有这些文献均援引包含于此。在一特例中，使用SiH4分解而合成Si纳米线。
如上所述，根据本发明实现的各实施例实现具有不同外径的纳米线，一些相对较大而一些相对较小。在某些示例性实施例中，例如，根据本发明实现的纳米线具有范围从10-100纳米的平均外径。在其它实施例中，这些纳米线具有大约100纳米的平均外径，在某些实施例中，一些纳米线具有高达1000纳米的平均外径。
在一特定实施例中，纳米线在充电-放电阶段前长度上具有几十微米的数量级并且直径上具有50nm和300nm之间的数量级。尽管尚未示出任何这些个尺寸，然而图4C示出从衬底402生长出的纳米线406的结束形式。由于生长工艺，大部分纳米线表现出从衬底基本垂直的生长。这可归结于一特定示例，其中大部分纳米线与衬底具有超过大约50°的角，如角X所示。
根据本发明的特定实施例，使用Au催化剂从衬底生长出Si纳米线(SiNW)。使用气态-液态-固态生长方法在管状炉中生长单晶硅SiNW。不锈钢304(0.002”厚)箔衬底装饰有Au催化剂，要么通过0.1％重量/体积水合聚-L-赖氨酸溶液发生作用并浸入50nm直径的金胶体溶液中，要么使用电子束喷溅来喷溅75nm的金子并在生长前以530℃退火30分钟。衬底被加热至530℃并且硅烷(SiH4，2％氩)在80sccm下流动，其总腔室压力为30托。
在本例中，使用循环伏安法来评估SiNW电极的电化学特征。与硅化锂组合物Li12Si7的构造关联的充电电流开始在～330mV并在25mV出现峰值，这与Li21Si5的构造对应。充电峰值在370和620mV下表现出退锂化，这与之前对微结构硅阳极完成的研究一致。这些特征电流峰值随着循环而增大，由于扫描速度很快并且随着循环激活更多SiNW。也可电化学地激活Au催化剂，其锂化开始在～150mV。在SiNW样本中，可在～180mV处看到退锂化峰值。在不锈钢上具有75nm Au薄膜的控制样本上，循环伏安法和恒电流测量两者均表明与通过Li对Au进行合金化和去合金化关联的电流相比SiNW的情形要低，其具有20mAh/g的最初放电容量，并在10次循环后减低至小于10mAh/g。因此，在SiNW电极中可无视Au对容量的影响。在其它实施例中，可去除催化剂以避免任何这样的影响。图5A-5D示出根据本发明一示例性实施例的构造有生长在作为一个电极的不锈钢衬底和作为另一电极的锂箔上的多条Si纳米线(SiNW)的半单元的试验实例获得的结果。在具有重量/重量1∶1的碳酸乙烯∶碳酸二乙酯作为溶剂的1.0M LiPF6电解质的玻璃试池中执行电化学特征。发现到SiNW的Li插入具有相对高的能量容量。
图5A示出在1mV/s的扫描速率下从2.0-0.01伏相对于Li/Li+的范围内测得的循环伏安图。与Li-Si合金的成形关联的充电电流开始于～330mV并在100mV以下变得很大。一旦放电，电流峰值出现在大约370和620mV处。图5B示出在C/20速率下的第一和第二循环的结果。观察到的电压曲线与Si阳极的之前研究一致，其在第一次充电期间具有长的平坦带，在此期间从晶体硅形成无定形LixSi。之后的放电和充电循环具有不同的电压曲线、无定形硅的特征。在第一次充电操作中观察到的容量为4277mAh/g，这基本等于理论电容(即在试验误差范围内)。第一次放电容量为3124mAh/g，这表示73％的库仑效率。尽管第二次放电容量略为增加至3193mAh/g，其库仑效率为90％，然而第二次充电容量减小17％至3541mAh/g。图5D示出对高达10个循环的具有小衰减的后继循环，充电和放电容量几乎保持恒定。图5D还示出充电和放电数据以及当前用于锂电池阳极的氧化锂石墨(lithiated graphite)的理论容量(372mAh/g)以及含12nm硅纳米晶体(NC)的薄膜的充电数据。SiNW也在较高的电流下表现出高容量。图5C示出在C/10、C/5、C/2和1C速率下观察到的充电和放电曲线。即使在1C速率下，容量保持大于2100mAh/g。
尽管已在上文和下面的权利要求书中对本发明进行了说明，然而本领域内技术人员应当理解可对其作出许多变化而不脱离本发明的精神和范围。这些变化可包括，例如，对纳米线使用许多不同的合金组合。另外，可使用多种单元构造电池，每种单元包含带用于与离子相互作用的纳米线的集电器。如下面考量的权利要求书所述的这些和其它方法归纳本发明的各个方面。

Claims (56)

1.一种在有离子移动的电池中使用的装置，包括：
衬底；以及
多条纳米线，每条纳米线植根于所述衬底，并且具有带有与离子相互作用的分子的外表面。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括第一和第二集电器，其中所述集电器中的一个包括所述衬底和所述纳米线。
3.如权利要求2所述的装置，其特征在于，还包括位于所述集电器之间的锂基离子转移器。
4.如权利要求3所述的装置，其特征在于，所述锂基离子转移器提供径向扩散入所述纳米线的锂离子。
5.如权利要求4所述的装置，其特征在于，所述纳米线足够小乃至其只能在一个维度上转移电子。
6.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述纳米线包括硅。
7.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述纳米线具有范围从10到100纳米的平均外径。
8.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述纳米线具有不大于10纳米的平均外径。
9.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述纳米线具有不小于100纳米的平均外径。
10.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述纳米线具有直径范围从50纳米至300纳米的平均外径。
11.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述纳米线具有范围从100纳米至1000纳米的平均外径。
12.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述纳米线具有大约300nm的平均外径。
13.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述纳米线包括晶体状态结构。
14.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述纳米线包括无定形态结构。
15.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述纳米线不包括碳纳米管。
16.如权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括离子转移器以及位于所述离子转移器任一侧上的第一和第二集电器，其中所述集电器中的一个充当所述电池的阳极的一部分并包括所述衬底和所述纳米线。
17.如权利要求16所述的装置，其特征在于，所述离子和纳米线各自由彼此不同的第一和第二材料构成，并且其中所述纳米线包括形成自所述第一和第二材料并在所述电池的循环期间形成的合金结构。
18.如权利要求17所述的装置，其特征在于，所述离子包括锂离子且所述纳米线包括硅，且其中所述合金结构包括锂和硅。
19.一种具有稳定能量容量的电池，包括：
用于转移离子的离子转移器；
在所述离子转移器一侧上的第一集电器；以及
位于所述离子转移器另一侧上的第二集电器，其包括衬底和多条固态纳米线，所述多条固态纳米线植根于所述衬底并与离子相互作用以设定大于约2000mAh/g的稳定能量容量。
20.一种再充电电池，包括：
用于转移离子的离子转移器；
在所述离子转移器一侧上的第一集电器；以及
位于所述离子转移器另一侧上的第二集电器，其包括衬底和多条固态纳米线，所述多条固态纳米线植根于所述衬底并与离子相互作用以设定在后继电池能量循环之间的最大容性衰减小于约25％。
21.如权利要求1、19和20任何一项所述的装置或电池，其特征在于，所述纳米线具有直径范围从50纳米至300纳米的平均外径。
22.如权利要求1、19和20任何一项所述的装置或电池，其特征在于，所述纳米线具有范围从100纳米至1000纳米的平均外径。
23.如权利要求1、19和20任何一项所述的装置或电池，其特征在于，在放电状态时，所述纳米线包括Si和其它材料的合金。
24.如权利要求1、19和20任何一项所述的装置或电池，其特征在于，在放电状态时，所述纳米线为Si。
25.如权利要求1、19和20任何一项所述的装置或电池，其特征在于，在放电状态时，所述纳米线为Ge。
26.如权利要求1、19和20任何一项所述的装置或电池，其特征在于，在放电状态，所述纳米线为Sn。
27.如权利要求19或20所述的电池，其特征在于，在放电状态，所述固态纳米线包括Ge和另一材料的合金。
28.如权利要求19或20所述的电池，其特征在于，在放电状态时，所述固态纳米线包括Sn和另一材料的合金。
29.如权利要求20所述的电池，其特征在于，基本所有所述固态纳米线直接连接于所述衬底。
30.如权利要求20所述的电池，其特征在于，在充电状态时，所述固态纳米线具有无定形部分，所述无定形部分包括从所述固态纳米线和所述离子的组合形成的合金。
31.一种具有能量容量的电池，包括：
具有衬底的第一集电器；
第二集电器；
位于所述第一和第二集电器之间的离子转移器，所述离子转移器提供离子；并且
层高等于大约一条纳米线长度的纳米线层，所述纳米线层包括纳米线，所述纳米线从所述衬底向所述离子转移器延伸以与来自所述离子转移器的离子结合并设定所述电池的能量容量。
32.如权利要求31所述的电池，其特征在于，所述纳米线具有直径范围从50纳米至300纳米的平均外径。
33.如权利要求31所述的电池，其特征在于，所述纳米线具有范围从100纳米至1000纳米的平均外径。
34.如权利要求31所述的电池，其特征在于，所述纳米线包括化学结合于所述衬底的材料且其中所述电池的能量容量大于约2000mAh/g。
35.如权利要求31所述的电池，其特征在于，所述纳米线是固态的并植根于所述衬底并且不是碳纳米管。
36.如权利要求31所述的电池，其特征在于，在放电状态时，所述纳米线为Si、Ge和Sn中之一，并且所述纳米线具有范围从100纳米至1000纳米的平均外径。
37.如权利要求31所述的电池，其特征在于，在放电状态时，所述纳米线是Si、Ge和Sn中之一。
38.如权利要求31所述的电池，其特征在于，在放电状态时，所述纳米线包括Si、Ge或Sn中之一和另一材料的合金。
39.如权利要求31所述的电池，其特征在于，所述第一集电器是阳极集电器而所述第二集电器是阴极集电器。
40.如权利要求39所述的电池，其特征在于，所述电池的能量容量小于约2000mAh/g。
41.如权利要求31所述的电池，其特征在于，基本全部纳米线直接连接于所述衬底。
42.如权利要求31所述的电池，其特征在于，大多数纳米线从位于所述衬底上的一端至第二端具有大于约60度的角，所述角如此衡量以使得若其为90度则垂直于所述第一端所在衬底的表面。
43.如权利要求31所述的电池，其特征在于，所述纳米线包括金属氧化物和金属氮化物中之一。
44.一种电池，包括：
第一集电器；
第二集电器；
位于所述第一和第二集电器之间的离子转移器，并且所述集电器中的一包括衬底；以及
与由所述离子转移器提供的离子结合以限定额定能量容量的固态纳米线，其中所述固态纳米线的多数位于所述衬底上并具有位于所述衬底上的端部。
45.如权利要求44所述的电池，其特征在于，所述纳米线具有直径范围从50纳米至300纳米的平均外径。
46.如权利要求44所述的电池，其特征在于，所述纳米线具有范围从100纳米至1000纳米的平均外径。
47.如权利要求44所述的电池，其特征在于，所述纳米线具有范围从100纳米至1000纳米的平均外径，且在放电状态时，所述纳米线包括Si、Ge或Sn中之一和另一材料的合金。
48.如权利要求44所述的电池，其特征在于，所述电池具有定义为与所述离子转移器提供的离子结合的所述固态纳米线以及所述固态纳米线向所述衬底传递功率的能力的函数的额定能量容量。
49.如权利要求44所述的电池，其特征在于，所述固态纳米线提供大于约2000mAh/g的平均能量容量。
50.如权利要求44所述的电池，其特征在于，大多数固态纳米线从位于所述衬底上的一端至第二端具有大于约60度的角，所述角如此衡量以使得若其为90度则垂直于所述第一端所在衬底的表面。
51.一种组装在电池中使用的电极结构的方法，所述方法包括：
将植根有固态纳米线的衬底附连于集电器；
形成集电器组件，所述集电器组件具有位于所述衬底和集电器与另一集电器之间的离子转移器；以及
将所述集电器组件设置在壳体中。
52.如权利要求51所述的方法，其特征在于，所述纳米线具有直径范围从50纳米至300纳米的平均外径。
53.如权利要求51所述的方法，其特征在于，所述纳米线具有范围从100纳米至1000纳米的平均外径。
54.如权利要求51所述的方法，其特征在于，还包括步骤：使用气态-液态-固态生长方法和气态-固态生长方法中之一生长所述固态纳米线。
55.如权利要求51所述的方法，其特征在于，所述固态纳米线包括硅。
56.如权利要求51所述的方法，其特征在于，还包括在所述衬底上的多个位置沉积多种催化剂的步骤，其中所述固态纳米线在所述多个位置生长。
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