CN102471105A - 碳纳米管复合结构体及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

描述了用于电化学动力设备的电流导体，其包括锚固在碳纳米管金属复合层中的碳纳米管(CNT)阵列和将纳米级颗粒或薄膜掺入至电流导体上的结构体。此外，提供了生产该结构体的方法，其使用电化学电镀金属层至CNT阵列上，然后从基底分离该结构体。另一方法包括使用从电镀槽共电沉积CNT和金属产生该结构体，其使用表面活性剂、物理能、和磁场和/或电场以定向CNT和增强复合物中CNT密度。

Description

碳纳米管复合结构体及其制备方法
相关申请的交叉引用
本申请要求以下早期提交的临时申请的优先权：序列号61/223,338，2009年7月6日提交，名称为ELECTRODE STRUCTURE FORELECTROCHEMICAL POWER DEVICE AND PROCESS SEQUENCE FORPREPARING THE STRUCTURE；61/241,241，2009年9月10日提交，名称为ANODE STRUCTURE FOR AN ELECTROCHEMICAL POWER DEVICEAND PROCESS SEQUENCE FOR PREPARING THE STRUCTURE；61/259,365，2009年11月9日提交，名称为COMPOSITE ELECTRODESTRUCTURE FOR ANODE FOR BATTERIES AND PROCESS SEQUENCEFOR MAKING THE STRUCTURE；61/310,563，2010年3月4日提交，名称为METHOD TO MANUFACTURE SHEET OF METAL-CARBON NANOTUBECOMPOSITE；61/347,995，2010年5月25日提交，名称为METHOD TOMANUFACTURE SHEET OF METAL-CARBON NANOTUBE COMPOSITE，其都以其整体在此引入作为参考并用于所有目的。
背景
领域：
本发明一般涉及结构体和设备，其包括从传导性复合物伸出的锚固的碳纳米管(CNT)阵列(a array of CNT)，用于作为电流导体以及电化学动力设备如电池、超级电容器、燃料电池等的电极的全部或部分。此外，本发明还一般涉及制备上述结构体和设备的方法。
相关技术：
本文所述的电化学动力设备通常包括以下设备，其可：以化学形式储存电能且按需要将其再以电形式释放(例如，用于移动电话的Li离子电池；将化学能转化为电能(例如，可使用化学燃料如氢或甲醇且将其转化为电能的燃料电池)；和/或储存电能且按需要将其释放(例如，超级电容器)。
尽管能量储存和转化的机理在这些设备中可能不同，所有这些设备的一个共同方面为需要电流导体和/或电极。各设备通常具有两个电极，一个阳极，通过该阳极电流流进设备，和一个阴极，通过该阴极电流流出设备。有时，除了电极或作为电极一部分，使用集电器(通常为金属如铜或铝)以改善电传导。
碳纳米管(CNT)通常已知具有优异的导电性，导热性，机械强度和耐化学性。尽管CNT超过半世纪以前已被注意，最近预测的CNT的显著物理性质激发了对该材料的广泛兴趣，CNT已被吹捧为21世纪的新材料。CNT已受到了广泛研究，且多个组织已提出了该材料在复合物中的潜在应用，其用于更高的强度和导热性，用于生物医药领域如靶向的药物递送的纳米探针和纳米吸量管，场致发射设备如发光二极管，能量产生设备如太阳能电池，纳米级探头，纳米级半导体设备应用，电化学能量设备如电池、燃料电池、超级电容器的电极，等等。
在电化学能量设备的领域，例如，基于CNT的结构体已建议作为电池、燃料电池和超级电容器的电极的潜在候选物。特别是，在锂离子电池领域，有多种将CNT用于电极的实例。美国专利号6,709,471公开了CNT-氮化硼电池，其包括以下结构体，其使用CNT的壁作为电极且氮化硼作为中间介电层。而且，美国专利号5,879,836描述了使用碳原纤维作为电极中的锂嵌入位点。另一实例包括美国专利号7,442,284，其描述了使用用传导性聚合物涂覆的CNT阵列作为多种设备的电极，包括能量储存设备。
在燃料电池领域，美国专利号7,585,584描述了使用生长在碳基底上的CNT，且催化剂颗粒沉积在CNT上。而且，在超级电容器领域，美国专利Nos.6,665,169和6,205,016描述了使用碳纳米纤维作为电极以增加性能。
除了CNT，已研究了基于CNT的复合物(其通常包括用CNT嵌入的传导性材料)以尝试利用CNT的许多所需性质(参见，例如，“Carbon NanotubeComposites”，作者：Harris P.J.F.International Materials Reviews，Volume 49，Number 1，2004年二月，pp.31-43(13))。多种基于CNT的复合物和多种技术是已知的。例如，CNT-聚合物复合物通常通过以下制备：将分散在包含聚合物的溶液中的预处理的CNT溶解，且控制溶剂的蒸发(参见，例如，M.S.P.Shaffer和A.H.Windle：Adv.Mater.，1999，11，937-941；和D.E.Hill，Y.Lin，A.M.Rao，L.F.Allard和Y.-P.Sun：Macromolecules，2002，35，9466-9471.)，而CNT-陶瓷复合物通常通过热压陶瓷粉末和CNT制备(参见，例如，E.Flahaut，A.Peigney，C.Laurent，C.Marliere，F.Chastel and A.Rousset：ActaMater.，2000，48，3803-3812；和A.Peigney，E.Flahaut，C.Laurent，F.Chastel和A.Rousset，Chem.Phys.Lett.，2002，352，20-25)，且CNT-金属复合物已使用以下技术制备：热拉CNT和金属粉末(参见，例如，T.Kuzumaki，K.Miyazawa，H.Ichinose和K.Ito：J.Mater.Res.，1998，13，2445-2449)，无电镀(参见，例如，W.X.Chen，J.P.Tu，L.Y.Wang，H.Y.Gan，Z.D.Xu和X.B.Zhang：Carbon，2003，41，215-222)，共电镀金属和CNT(参见，例如，“Effectsof Additives on Cu-MWCNT Composite Plating Films，”Susumu Arai，TakashiSaito，and Morinobu Endo，Journal of The Electrochemical Society，157(3)D127-D134(2010)；和“Fibrous Nanocarbon Metal Composite and Method forManufacturing the same，”美国专利申请No.11/257,742，2005年10月25日提交)和电镀金属至一组CNT上(参见，例如，“Nanoengineered thermalmaterials based on carbon nanotube array composites，”美国专利号7,273,095)。本文引用的所有文献在此以其整体引入作为参考。
发明内容
根据本发明一方面，提供用于电化学动力设备的结构体。在一个实例中，结构体包括传导性复合层和锚固在其中的碳纳米管阵列，以使至少一部分碳纳米管从复合传导层伸出。该结构体可进一步包括设置在碳纳米管上的纳米级颗粒或薄膜。该示例性结构体可在多种电化学动力设备中用作电极，如电池，燃料电池，或电容器。
从复合层伸出的碳纳米管的部分可以共同的方向对齐，比锚固在复合层中的部分更多(更少)地对齐，或为缠结的。在一些实例中，该碳纳米管可从复合层的两侧伸出。而且，锚固在复合层中的碳纳米管的部分可为缠结的或对齐的。在一些实例中，该传导性复合层包括碳-金属复合材料。
根据本发明另一方面，提供了形成用于电化学动力设备的结构体的示例性方法。在一个实例中，该方法包括形成或设置嵌入或锚固在传导性复合层中的碳纳米管阵列，其中该碳纳米管阵列的长度的至少第一部分从该传导性复合层伸出。在一些实例中，碳纳米管的第一部分进一步沿着共同的方向对齐。
该碳纳米管阵列可根据沉积方法、电镀方法、模板等至少部分对齐而形成。在一个实例中，该结构体通过将基底通过电化学浴而形成，该电化学浴在溶液中具有碳纳米管，和将具有碳纳米管的传导层电镀至基底。可在传导性复合层的形成过程中使用磁场和/或电场以辅助碳纳米管对齐。而且，形成该结构体的示例性方法可为卷对卷制造方法的一部分。
附图简述
图1示出示例性电化学动力设备，其可包括一个或多个本文所述的示例性结构体。
图2A和2B示出电化学动力设备的电流导体结构体的不同实施方案。
图3示出电化学动力设备的电流导体结构体的另一示例性实施方案。
图4示出电化学动力设备的电流导体结构体的另一示例性实施方案。
图5示出电化学动力设备的电流导体结构体的另一示例性实施方案。
图6A-6E示出形成用于电化学动力设备的结构体的示例性方法。
图7A-7D示出形成用于电化学动力设备的结构体的另一示例性方法。
图8A-8F示出形成用于电化学动力设备的结构体的另一示例性方法。
图9示出形成根据一种实施方案的电化学动力设备的结构体的示例性卷对卷过程。
图10示出形成根据另一实施方案的电化学动力设备的结构体的示例性卷对卷过程。
图11示出形成根据另一实施方案的电化学动力设备的结构体的示例性卷对卷过程。
图12示出根据本文所述的某些实施方案的结构体的示例性扫描电子显微镜(SEM)图像。
发明详述
提供以下描述以使得本领域技术人员得到和使用本发明实施方案的各个方面，且在具体应用和其需要的背景下提供。各种实施方案的修改对本领域技术人员是显而易见的，且本文限定的一般原则可适用于其它实施方案和应用，而不偏离本发明的精神和范围。而且，在以下说明中，数字提供为解释目的。然而，本领域技术人员应认识到本发明可在不使用这些具体细节的情况下实践。在其它情况中，众所周知的结构体和设备以方块图形式显示以不使本发明说明书被不需要的细节模糊。因此，本发明不限于所示实施方案，而是与本文公开的原则和特征一致的最宽的范围相符。
根据本发明一方面，广义地说，描述了包括碳纳米管(CNT)的结构体，该碳纳米管(CNT)锚固在传导性复合物中，且从其伸出。该示例性结构体可用作电化学动力设备如电池、电容器、燃料电池等的导体。而且，提供了形成该结构体和设备的示例性方法。最初，描述了示例性结构体，然后是示例性方法和制造方法。
示例性设备和结构体：
图1示出示例性电化学动力设备，其可包括本文所述的一个或多个示例性电流导体结构体。特别是，图1示例性示出电池设备10，例如，Li-离子电池，通常包括阴极20和阳极28，通过隔板24分离。阴极20通常由金属氧化物材料制备且隔板24通常由聚合物如聚乙烯、聚丙烯、这些聚合物的层压制品等制成。在该实例中，阳极28包括CNT结构体，其包括锚固在传导性复合层110中的CNT102，该CNT从其伸出且在电解质溶液30如锂盐或有机溶剂中。此外，本领域技术人员将认识到电解质溶液30和/或阳极28的区域可包括另外的材料如碳或石墨粉末、硅粉末或合金硅粉末，等，其形成电极的锂离子插入部分。
图2A示出电化学动力设备的电流导体结构体100的第一实施方案。该示例性结构体100包括对齐的锚固在传导性复合层110中的CNT102阵列。在该具体实例中，CNT102锚固在传导性复合物110的第一侧中且从其伸出，且通常为对齐的，即，以基本平行方式从传导性复合物110伸出。CNT102可进一步从传导性复合物110的第二侧伸出，例如，在第一侧的相对侧上。CNT102在第二侧上的伸出可以为或可以不为对齐的。CNT102可进一步如所示形成网或在传导性复合物110内缠结，提供其中CNT102的机械锚。
该传导性复合物可包括多种材料，如传导性金属，金属合金，传导性聚合物，等。例如，可使用包含Ni，Zn，Cu，Al，Au，Ag，和/或其它金属的金属合金。
CNT102可包括单或多壁结构体，可在高度、宽度等方面改变。而且，催化剂或颗粒可沉积在CNT102上。在一个实例中，CNT102可包括四壁结构体以匹配单晶硅晶格的原子间距。CNT102可在沉积过程中为对齐的，例如，通过物理气相沉积或通过使用模板等(该模板可包括阳极化的氧化铝(AAO)模板，基于聚合物的模板，基于陶瓷的模板，等)。形成这个和其它实施方案的结构体的示例性方法将参考图6A-11更详细描述。
结构体100可用作电化学动力设备的组件或亚结构体；具体地，用作电化学设备的电流导体。作为一种示例性实例，结构体100，以及其它所述的示例性结构体，可用作电池设备的阳极，例如，如图1所示。
图2B示出电化学动力设备的电流导体结构体200的第二实施方案。结构体200类似于图2A的，但在该实例中，传导性复合层110完全覆盖CNT102的一端且延伸超出传导性复合区域。因此，CNT102仅从传导性复合物110的一个表面或一侧伸出。
图3示出电化学动力设备的电流导体结构体300的另一示例性实施方案。该实例电流导体和电极结构体类似于图2B的，包括锚固在传导性复合层110中的CNT102阵列；然而，在该实例中，CNT102彼此不必然为对齐的或以共同的方向对齐。在一个实例中，从复合层110伸出的CNT102的该部分相比嵌入或锚固在复合层110中的部分更加沿着垂直于复合层110的方向对齐。在一个实例中，从复合层110伸出的CNT102的该部分比嵌入或锚固在复合层110中的部分缠结较少。
图4示出电化学动力设备的电流导体结构体400的另一示例性实施方案。在该实例中，结构体400类似于图2A和2B的，但进一步包括纳米颗粒106，其设置或附连至锚固在传导性复合层110中的对齐的CNT102阵列。纳米颗粒106，用于电池设备，可形成电极的部分且作为锂离子插入的位点。对于在燃料电池中的使用，例如，纳米颗粒106可作为催化剂以驱动化学反应。
纳米颗粒106可通过任何合适的方法沉积。在一个实例中，纳米颗粒通过电沉积从具有分散在溶液中的颗粒的化学浴沉积。另一示例性方法包括将纳米颗粒电镀或无电镀至该结构体。另一示例性方法包括将纳米颗粒粉末与溶剂和粘合剂分散至结构体上且蒸发该溶剂，从而使颗粒无规粘附至CNT102和传导性复合层110。
图5示出电化学动力设备的电流导体结构体500的另一示例性实施方案。在该实例中，结构体500类似于图2A，2B，或4的，但进一步包括沉积在阵列中CNT102上的薄膜或材料108；例如，至少在从复合层110伸出的CNT102的部分上。例如材料108可作为锂离子插入层。
材料108可包括硅。在一个实例中，材料108包括分级的硅碳层，其范围从CNT102的各管的表面处100％C至材料108的层的外表面处100％硅，其中该梯度可有助于处理与一种材料转变为另一种相关的应力。材料108可通过任何合适的方法沉积。在一个实例中，材料108通过等离子体增强的化学气相沉积(PECVD)和原子层沉积(ALD)使用C的前体气体(如CH4)、Si的前体气体(如SiH4)和惰性气体(如Ar或N2)进行沉积。
应认识到本文所示实例的其它组合是可能的和考虑到。例如，纳米颗粒和/或薄膜可包括在任一实例中，在传导性复合层110的两侧伸出CNT102可包括在任一实例中，且任一实例可从复合层110伸出，如图3所示。
示例性方法：
广义地说，在制备本文所述示例性结构体的实施方案中，一个示例性方法包括形成锚固或嵌入在复合层中且从其伸出的CNT阵列。该从复合层伸出的CNT至少部分为以共同的方向对齐的。锚固在复合层中的该CNT阵列的部分可为缠结的或以非对齐的方向定位。
图6A-6E示出形成用于电化学动力设备的结构体的示例性方法。该示例性方法起始于图6A，其具有基底620和在其上形成的播种层622以用于随后的CNT生长(和/或模板沉积)，如下所述。基底620可包括，例如，硅，二氧化锗硅，氧化铝，不锈钢，等。播种层622可包括，例如，钴，铁，镍，等。播种层622可以多种合适的方法沉积在基底层622上，包括多种沉积方法(如物理气相沉积)，电镀，等。例如，可进行以下沉积，其通过物理气相沉积将Ni播种层沉积至氧化的硅基底上达到厚度少于10nm。
模板624沉积在播种层622上，如图6B所示。在一个实例中，模板624形成在播种层622上，且具有高纵横比的多个孔被蚀刻或以其它方式在其中形成以用于随后的CNT生长。模板624可由阳极化的氧化铝，阳极化的Al-Fe，阳极化的Ti，二氧化硅等形成。在一个实例中，模板624具有约50nm至50μm的厚度，且其中形成的孔可具有1nm至200nm的直径和彼此1nm至200nm的分离距离。当然，其它尺寸也是可以的和考虑的。
模板624的孔可通过多种方法形成。在一个实例中，可使用阳极化技术，其中形成模板624的块或膜材料在化学浴中阳极化，且使用高电压在模板上蚀刻出图案。此外，例如，可使用光刻法、然后干蚀刻该孔以形成图案。
图6C示出CNT在模板624的孔中生长。特别是，CNT630从播种层622生长，在模板624的孔中生长且从其伸出。CNT630在模板624的孔中对齐生长，但一旦CNT630生长超过模板624的高度，CNT630通常自由生长且变得缠结，如图所示。在一个实例中，CNT630通过等离子体增强的化学气相沉积(PECVD)生长，其使用乙炔和氨以约1m Torr压力和450℃至850℃的温度。在另一实例中，CNT630可使用原子层沉积(ALD)在20℃至450℃的温度沉积。CNT630可生长为单或多壁的，且沿着它们的高度在壁数量方面改变。
复合层640沉积在缠结的CNT上，如图6D所示。在一个实例中，碳-金属复合材料沉积在CNT630缠结的部分之上，高于模板624。复合层640可包括金属合金，该金属合金包含Ni，Zn，Cu，Al，Au，Ag，以任何组合或比例。复合层640可通过物理气相沉积(PVD)，电镀，无电镀，蒸发等沉积。而且，复合层640可沉积至约1nm至20μm的厚度，其可以或可以不包封或超过CNT630的缠结部分的高度。复合层640可在沉积后进一步蚀刻，达到所需厚度或表面特征。而且，聚合物可用于涂覆复合层640。
复合层640和CNT630与基底620、播种层622和模板624分离，如图6E所示。例如，模板624可被蚀刻掉，例如，以湿或干化学腐蚀，导致该结构体分离。在其它实例中，基底620可从复合层640和CNT630机械剥离。而且，在一些实例中，基底620可在随后过程中重复使用以形成另一结构体。
图7A-7D示出形成用于电化学动力设备的结构体的另一示例性方法。该实例类似于图6A-6D的；然而，在该实例中，未使用模板。该示例性方法起始于图7A，其具有基底720和在其上形成的播种层722以用于随后的CNT生长。
CNT730生长为其第一部分是对齐而其第二部分是未对齐的或缠结的，如图7B所示。例如，CNT730可使用化学气相沉积(CVD)或等离子体增强的化学气相沉积(PECVD)生长，而不使用模板，其中一旦CNT730的生长达到某一高度，例如，50μm至500μm，它们通常自由生长且变得缠结。CNT730的管通常由于表面力而具有缠结的倾向，其中缠结的可能性随着纵横比(高度/直径)超过约100-1000而增加。在PECVD过程中，等离子体的存在，从而电场的存在，通常保持管对齐，但关闭等离子体同时保持气体流动可导致生长以未对齐的方式持续。在一个实例中，CNT730通过PECVD使用乙炔和氨在约1m Torr压力和450℃至850℃的温度沉积。
如图7C所示，复合层740然后沉积在CNT730的缠结部分上。复合层740可通过物理气相沉积(PVD)，电镀，无电镀，蒸发，等沉积。而且，复合层740可包括1nm至20μm的厚度，其可以或可以不包封或超过CNT730的缠结部分的高度。
在一个实例中，使用自顶向下的沉积以形成复合层740，使得CNT730的缠结的结构体接收复合层740的沉积且有效封锁大多数CNT730的对齐的部分以避免沉积。当然，在一些实例中，CNT730的一些对齐的部分也可被材料覆盖。复合层740的沉积条件可被控制以尝试不填充超过某一深度，例如，使用较低的沉积速率和在PVD方法中添加偏倚，和/或在电镀中去除或减少添加剂如聚亚烷基二醇和有机硫化物，其可减少填充深入该结构体的倾向。
CNT730和复合层740的结构体与基底720和播种层722分离，如图7D所示。例如，复合层740和CNT730可从基底720和播种层722剥离或机械去除。在一些实例中，基底720可在随后过程中重复使用以形成另一结构体。
图8A-8F示出形成用于电化学动力设备的结构体的另一示例性方法。该实例类似于图7A-7D的；然而，在该实例中，CNT830与基底820和播种层822分离，然后添加复合材料层。该示例性方法起始于图8A，其具有基底820和在其上形成的播种层822以用于随后的CNT生长。
CNT830生长为其第一部分是对齐而其第二部分是缠结的，如图8B所示。例如，CNT830可使用化学气相沉积(CVD)生长，例如，不使用模板。一旦CNT830生长达到某一高度，例如，50μm至500μm，取决于具体方法，它们通常自由生长且变得缠结，如所示。
如图8C-8D所示，CNT830然后与基底820和播种层822分离。在一个实例中，传导性粘合带860压制在CNT830的缠结部分上，然后移动以从基底820分离或剥离CNT830。当然，其它方法可用于分离CNT830。
如图8E所示，然后将复合物840沉积在CNT830的缠结部分上。复合层840可通过物理气相沉积(PVD)，电镀，无电镀，蒸发等沉积。而且，复合层840可包括1nm至100nm的厚度，其可以或可以不包封或超过CNT830的缠结部分的高度。
该结构体进一步与带860分离，如图8F所示。例如，复合物840和CNT830可从带860剥离或机械去除。在其它实例中，可省略带860，且金属可通过在随后固化的液体聚合物胶层上蒸发或旋涂沉积在CNT830的缠结部分上，且以类似于带860所示的方式使用。
根据本发明另一示例性实施方案，提供形成示例性结构体的共电沉积方法。特别是，描述了CNT和传导性复合层的共电沉积方法，其中CNT至少部分从该传导性复合层伸出。
图9示例性示出形成本文所述的示例性结构体的第一示例性卷对卷方法和系统。特别是，该示例性方法起始于基底材料的缠绕。该基底材料可包括铜，镍，铝，锌，金，银，不锈钢等的金属或合金，厚度范围为5μm至5mm。
该基底材料通过其中分散CNT的电镀溶液，例如，经由通过至少部分浸没在电镀溶液中的筒。该电镀溶液通常包含作为复合层沉积的金属或金属离子和分散在其中的CNT的溶液(在用于去污染的合适表面处理后，例如)。该电镀溶液可包括基于用硫酸酸化的硫酸铜的镀铜电解质。在一个实例中，浴液可包括0.1至1.0摩尔的硫酸铜浓度和0.2至4摩尔的硫酸浓度。而且，在一个实例中浴液的CNT含量可为1至50重量％。在另一实例中，CNT含量可为1至50体积％。
示例性电镀化学浴：
CuSO4(0.1至1M)
H2SO4(0.2-2M)
多壁CNT或碳纳米纤维(0.5-5g/升)
表面活性剂(实例Triton(TM))0.1％至5％体积的溶液
通过磁力搅拌器在60rpm搅拌，溶液在25C
电镀电流0.1至8A/dm2(Amps每平方分米)
当然，多种其它浓度，组成，和/或电镀溶液是可能的和予以考虑的，取决于所需复合层和特征，CNT特征，材料厚度，等等。此外，该电镀浴可包括多种其它添加剂如氯离子，聚醚，有机硫化物，氮化合物，等等。其它在溶液中具有CNT的电镀的实例，包括多种电镀溶液特征，描述于美国专利号7,651,766和美国专利公开号2010/0122910，两者以其整体在此引入作为参考。
在该实例中，该筒提供负电极，且由沉积的金属(图中未示出)制备的正电极和与电场一起使用以驱动沉积过程。例如，可使用电场以将CNT吸引至金属基底，使得它们至少部分在电镀过程中被金属复合物包封且从沉积的金属复合层伸出。该化学溶液也可经受物理能量如搅拌，鼓气泡，超声波或兆声波(megasonic wave)以促进混合，添加非离子表面活性剂以防止CNT粘附，等等。
沉积后，该实例示出任选的一组中间的辊子以减少板的厚度。而且，在一个实例中，该基底层可从复合层剥离掉，然后通过该组辊子或以其它方式在最终轴上缠绕。该形成的结构体，例如，包括复合层，包括至少部分从其伸出的锚固的CNT，可用于形成多种所述的电化学动力设备。而且，该形成的结构体可切成多种尺寸，例如，尺寸为1mm乘1mm至1m乘1m或更大。
在其它实例中，该复合层，包括锚固的CNT，可在电镀过程中形成而不使用基底。例如，该复合层可在筒(或溶液中电镀装置的其它元件)上形成，然后从其剥离或去除。
图10示出CNT和金属复合层的另一示例性共电沉积方法。该实例类似于图9所述的方法，然而，在该实例中，使用磁场以在溶液中定向碳纳米管并潜在增加在基底上形成的复合物中CNT的密度。例如，可将磁体置于筒(drum)中以在溶液中吸引和定向CNT，使得它们被俘获在沉积在基底上的金属中且从其伸出，如CNT金属复合部分所示的。相比没有该磁场时，该实例可使得从金属复合层伸出的CNT更加对齐。
图11示出CNT和金属复合层的另一示例性共电沉积方法。该实例类似于图10所述的方法，然而，在该实例中，在浴中使用惰性电极以产生电场，用于在溶液中定向CNT且潜在增加基底上形成的复合物中CNT的密度，类似于图10所述的。而且，相比没有该磁场时，该实例可使得从金属复合层伸出的CNT更加对齐。
图12示出根据本文所述的某些实施方案的结构体的示例性SEM图像。特别是，图12示出在金属化过程(即，添加金属复合层以锚固CNT)之前和之后的CNT的SEM图像。特别是，锚固CNT的缠结部分。而且，该图包括金属化后该结构体的不同组件的示例性说明，例如，对齐的CNT阵列，其可设置在Li-离子中作为Li-离子电池的部分，该CNT阵列锚固在金属层中。在SEM图中所示的该结构体根据图7A-7D所示的方法形成。
上述本发明的实施方案仅为说明性的，并不限制本发明。可进行各种变化和修改而不偏离本发明最宽的范围。所附权利要求包括在本发明精神和范围内的该变化和修改。

Claims (31)

1.用于电化学动力设备的结构体，该结构体包括：
碳纳米管阵列；和
传导性碳纳米管复合层，其中至少一部分碳纳米管锚固在复合层中并从其伸出。
2.权利要求1所述的结构体，其中该传导性复合层包括碳-金属复合材料。
3.权利要求1所述的结构体，其中该碳纳米管从复合层的第一侧和第二侧伸出。
4.权利要求1所述的结构体，其中从复合层伸出的该碳纳米管阵列的该部分以共同的方向排成一列。
5.权利要求1所述的结构体，其中相比在复合层中锚固的该碳纳米管阵列的一部分，从复合层伸出的该碳纳米管阵列的该部分更加以共同的方向对齐。
6.权利要求1所述的结构体，其中在复合层中锚固的该碳纳米管阵列的一部分不对齐。
7.权利要求1所述的结构体，其中在复合层中锚固的该碳纳米管阵列的一部分在复合层中缠结。
8.权利要求1所述的结构体，其中该碳纳米管包括多壁管。
9.权利要求1所述的结构体，其中该碳纳米管包括碳纳米纤维。
10.电流导体，其包括权利要求1所述的结构体。
11.电极，其包括权利要求1所述的结构体。
12.电化学动力设备，其包括权利要求1所述的结构体。
13.锂离子电池，其包括权利要求1所述的结构体。
14.燃料电池，其包括权利要求1所述的结构体。
15.电容器，其包括权利要求1所述的结构体。
16.形成用于电化学动力设备的结构体的方法，该方法包括以下步骤：
形成具有碳纳米管阵列的传导性复合层，其中
该碳纳米管阵列的长度的至少第一部分从该传导性复合层伸出；和
该碳纳米管阵列的长度的至少第二部分嵌入在传导性复合层中。
17.权利要求16所述的方法，其中该碳纳米管的长度的第一部分沿着共同的方向对齐。
18.权利要求16所述的方法，其中该碳纳米管的长度的第二部分不对齐。
19.权利要求18所述的方法，其中该碳纳米管的第二部分在传导性复合层中缠结。
20.权利要求18所述的方法，进一步包括在模板中形成该碳纳米管阵列，该模板具有孔以用于在碳纳米管形成过程中使碳纳米管对齐。
21.权利要求20所述的方法，进一步包括去除该模板。
22.权利要求16所述的方法，进一步包括通过化学气相沉积方法形成该碳纳米管阵列。
23.权利要求16所述的方法，进一步包括将基底通过电化学浴，该电化学浴包含在溶液中的碳纳米管，和将传导层电镀至基底，其中该传导层包括该碳纳米管阵列。
24.权利要求16所述的方法，进一步包括在电化学浴中形成传导层，该电化学浴包含在溶液中的碳纳米管。
25.权利要求24所述的方法，其中该传导层形成在电化学装置的一部分上且随后从其去除。
26.形成用于电化学动力设备的结构体的方法，该方法包括以下步骤：
将基底通过具有分散在其中的碳纳米管的电镀溶液；和
将其中具有碳纳米管的传导性复合层电镀至基底，其中该碳纳米管至少部分从该传导性复合层伸出。
27.权利要求26所述的方法，进一步包括当电镀该传导性复合层时在电镀溶液中形成磁场以至少部分使碳纳米管对齐。
28.权利要求26所述的方法，进一步包括当电镀该传导性复合层时在电镀溶液中形成电场以至少部分使碳纳米管对齐。
29.权利要求26所述的方法，进一步包括当电镀该传导性复合层时在电镀溶液中形成磁场以增加碳纳米管在溶液中的密度。
30.权利要求26所述的方法，进一步包括当电镀该传导性复合层时在电镀溶液中形成电场以增加碳纳米管在溶液中的密度。
31.权利要求26所述的方法，其中该方法包括卷对卷过程。
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