CN102549814A - 高性能电极 - Google Patents

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Abstract

提供了用于将纳米结构化材料结合到用于贮能装置的电极中的技术、配置、和组合物。可以使用例如碳纳米管、硅纳米线、碳化硅纳米线、锌纳米线、和其它材料的材料来改善电极性能如电子传导率、导热率、耐久性。在一些实施方案中，可以将纳米结构化材料添加到电极配制剂如浆料或粉末中。可以将纳米结构化材料直接沉积在活性材料颗粒或电极部件上。在一些实施方案中，可以使用涂层来帮助进行沉积。

Description

高性能电极
相关申请的交叉引用
本申请要求2009年9月22日提交的美国临时申请61/244,826、以及2009年9月23日提交的美国临时申请61/245,121的权益，通过引用方式将所述两个申请都以其全部内容并入本文。
技术领域
本发明涉及形成电极，更特别涉及用于形成包含纳米结构化(nanostructured)材料的电极的技术。
背景技术
电极用于从一些介质(medium)供给电子和移除电子，并典型地由金属或金属合金制成。电化学电池使用电极来促进电化学相互作用过程中的电子传送和传输。蓄电池或电化学存储设备可以以流电(galvanic)和电解容量使用电极，分别对应于放电过程或充电过程。电化学反应通常发生在电解质和电极的界面处或附近，其可以扩展至外电路，通过该外电路可以施用或提取电功率。电极典型地被设置为与集流体接触，以便吸取和/或供给电力。
典型地使用机械和化学工艺来制造电极，该电极的特征在于期望的性能规格(metrics)，如充电/放电倍率或循环寿命。这些性能规格经常取决于所使用的材料。此外，一些电化学材料在充电或放电过程期间经受体积变化。例如，一些活性材料的之间的体积变化可以达到百分之几百那么大。这可能在电极上产生显著的应力和应变。这些活性材料的重复的体积变化可以导致破碎和电极循环寿命缩短。
发明内容
考虑到前述内容，提供了用于将纳米结构化材料纳入电极的技术、组合物、和配置。在一些实施方案中，向浆料或其它混合物添加纳米结构化材料来形成电极。在一些实施方案中，将纳米结构化材料直接沉积在电极部件的表面上。在一些方法中，在电极中使用纳米结构化材料可以改变电极的性能。例如，在一些实施方案中，可以在电极中纳入碳纳米管，以提高电子传导率、导热率、耐久性、任何其它适当的性能或其性能的适当组合。此外，在一些方法中，在电极中使用纳米结构化材料可以减少充电和放电期间的体积变化。
在一些实施方案中，可以通过组合一种或多种活性材料、电子传导性材料、粘合剂、液体试剂、或其它的适当材料或其适当组合来制备浆料。浆料的一种或多种组分可以是包括纳米结构化元件的纳米结构化材料，所述纳米结构化元件例如纳米颗粒(例如，LiMPO4、LiMO2，其中M是任何合适的金属)、纳米线(例如，硅纳米线、锌纳米线)、单壁或多壁纳米管(例如碳纳米管)、闭合的富勒烯(例如C60巴基球)、任何其它合适的纳米结构化元件、任何合适的纳米结构化复合元件或其任何合适的组合或阵列。可以将浆料设置为与电极部件接触或以其它方式施用于电极部件，例如金属化泡沫体、基材、任何其它电极部件或部件的子组件、或其任何合适的组合。可以在电极部件的又一个表面上形成至少一个基本上连续的浆料层。所述层的厚度可以是均匀的或不均匀的，并且可以在电极部件的一个或多个表面上是连续的或不连续的。在一些实施方案中，可以在电极部件的一个特定表面上形成多于一个连续层。可以在电极部件上将浆料干燥，形成电极。干燥可能需要从至少一个连续的浆料层除去基本上所有(即，所有或几乎所有)的液体试剂，以留下固体材料，其可以保持与电极部件的表面接触。电极可以在干燥之前或之后进行定尺寸(size)、压延、处理、或以其它方式进行加工。
在一些实施方案中，可以将多个活性材料颗粒用一种或多种纳米结构化材料改性。可以将活性材料颗粒用任何合适的材料涂覆以有助于在活性材料颗粒上形成纳米结构，所述材料例如铁(Fe)、铝(Al)、氧化铝(Al2O3)、锰盐、镁盐、硅(Si)、任何其它合适的材料或其任何合适的组合。可以使用沉积技术(例如，化学气相沉积、物理真空沉积、电泳)在经涂覆的活性材料上形成纳米结构化材料。沉积技术可以包括向经涂覆的颗粒引入前体，例如烃、氢、硅烷(例如SiH4)、惰性物质、或其它合适的前体或其混合物。纳米结构化材料可以包括纳米结构化元件的阵列，例如纳米颗粒(例如，LiFePO4纳米颗粒)、纳米线(例如硅纳米线、锌纳米线)、单壁或多壁纳米管(例如碳纳米管)、闭合的富勒烯、任何其它合适的纳米结构化元件、任何合适的纳米结构化复合元件或其任何合适的组合。可以在浆料中包括已经通过沉积纳米结构化材料进行改性的活性材料颗粒，并将该浆料施用于电极部件并干燥以形成电极。
在一些实施方案中，可以将电极部件用一种或多种纳米结构化材料改性。可以使电极部件涂覆有任何合适的材料或材料组合，其可充当用于沉积纳米结构化材料的催化剂。可以使用沉积技术(例如化学气相沉积、物理真空沉积、电泳)在经涂覆的电极部件上形成纳米结构化材料。沉积技术可以包括向经涂覆的电极部件引入前体，例如烃、氢、硅烷(例如SiH4)、惰性物质、或其它合适的前体或其混合物。纳米结构化材料可以包括纳米结构化元件的阵列，例如纳米颗粒(例如LiFePO4纳米颗粒)、纳米线(例如硅纳米线、锌纳米线)、单壁或多壁纳米管(例如碳纳米管)、闭合的富勒烯、任何其它合适的纳米结构化元件、任何合适的纳米结构化复合元件或其任何合适的组合。可以向已经通过沉积纳米结构化材料改性的电极部件添加活性材料。在一些实施方案中，可以将活性材料包括在浆料中，将该浆料施用于电极部件并干燥以形成电极的活性材料可以在电极部件的改性之前或之后添加。
附图简述
通过结合附图考虑以下的发明详述可以使本发明的上述和其它目的和优点变得清楚，其中，自始至终，相似的标记表示相似的部分，其中：
图1显示了根据本发明的一些实施方案的双极性电极单元(BPU)的说明性结构的示意性横截面图；
图2显示了根据本发明的一些实施方案的图1的BPU的叠层的说明性结构的示意性横截面图；
图3显示了根据本发明的一些实施方案的单极性电极单元(MPU)的说明性结构的示意性横截面图；
图4显示了根据本发明的一些实施方案的包含两个图3的MPU的装置的说明性结构的示意性横截面图；
图5显示了根据本发明的一些实施方案的在活性界面处的说明性传送过程的图表；
图6显示了根据本发明的一些实施方案的活性界面区域的说明性的部分横截面示意图；
图7显示了根据本发明的一些实施方案的带有切去部分的说明性的电极结构；
图8显示了根据本发明的一些实施方案的两个说明性电极结构的侧面正视图(side elevation view)；
图9显示了根据本发明的一些实施方案的纳米结构化材料的示意图；
图10显示了根据本发明的一些实施方案的纳米结构化材料的示意图；
图11是根据本发明的一些实施方案的用于形成电极的说明性步骤的流程图；
图12是根据本发明的一些实施方案的用于形成电极的说明性步骤的流程图；
图13是根据本发明的一些实施方案的用于形成改性颗粒的说明性步骤的流程图；
图14是根据本发明的一些实施方案的用于形成电极的说明性步骤的流程图；
图15是根据本发明的一些实施方案的用于形成电极的说明性步骤的流程图；
图16显示了根据本发明的一些实施方案的与基材接触的浆料的说明性侧面正视图；
图17显示了根据本发明的一些实施方案的图16的元件的从线XVII-XVII截取的说明性俯视图；
图18和19显示了根据本发明的一些实施方案的经受改性的说明性的颗粒；
图20显示了根据本发明的一些实施方案的与基材接触的电极部件的说明性侧面正视图；
图21显示了根据本发明的一些实施方案的图20的元件的从线XXI-XXI截取的说明性俯视图；和
图22显示了根据本发明的一些实施方案的电极部件的几个说明性的部分横截面图。
发明详述
本发明提供用于形成包括纳米结构化材料的电极和电极结构的技术、组合物、和配置。在一些实施方案中，纳米结构化材料可以直接形成在电极或电极部件上。所述纳米结构化材料可以是用于贮能装置(ESD)的活性材料、电子传导性材料、任何其它合适的材料或其任何合适的组合。本发明的电极结构和组件可以应用于贮能装置，例如可以存储或提供电能或电流的蓄电池、电容器或任何其它贮能装置、或其任何组合。例如，本发明的电极结构和组件可以体现为单极性电极单元(MPU)或双极性电极单元(BPU)，并且可以施用于MPU或BPU的一个或多个表面。应该理解，尽管本发明在本文中是在层叠的贮能装置的情况下进行描述的，但所讨论的概念可适用于任何电池间(intercellular)电极结构，包括但不限于平行板、棱柱、折叠、卷绕和/或双极性的结构、任何其它合适的结构或其任何组合。
在一些实施方案中，电极可以包含纳米结构化材料以增加活性界面面积和改善分子(例如水)、离子(例如氢氧根阴离子)、电子、或其任何组合到界面区域的传送。例如，可以向电极添加碳纳米管(CNT)以增加活性界面面积和改善电子传导率。电化学反应可以发生在活性材料、电解质和电子传导性部件之间的界面区域处或附近。增加的界面面积可以允许对于电化学装置增加的充电或放电倍率。
在一些实施方案中，电极可以包含纳米结构化材料以减少充电和放电期间的体积变化。活性材料可以是纳米结构化的，以减少可能由体积变化产生的材料应力和应变。例如，可以将硅纳米线(SiNW)用作锂离子ESD中的活性材料(例如负电极材料)，以减少锂吸取、锂移去或其二者期间的体积变化。在一些实施方案中，包含SiNW作为活性材料的电极可以由于纳米结构化材料的相对运动而经受减小的体积变化。
本发明包括用于形成包括纳米结构化材料的电子传导性电极的技术、组合物、和配置。在一些实施方案中，例如可以通过如下方式形成电极：将纳米结构化材料或具有纳米结构化特征的材料组合到浆料中，可将该浆料施用于电极部件如电子传导性基材或金属化泡沫体，并干燥。在一些实施方案中，例如可以通过将纳米结构化材料沉积在材料、颗粒、部件的合适表面、其它表面、或表面的组合对材料进行改性。在一些实施方案中，可以例如通过如下方式形成电极：将纳米结构化材料沉积在电极部件的表面上，所述电极部件如电子传导性基材或金属化泡沫体、或其它合适的部件或部件的组合。可以在沉积纳米结构化材料之前、之后、或期间将活性材料引入到电极或电极部件中。
现在在图1-22的说明中描述了本发明，所述图示出了说明性的实施方案。
图1显示了根据本发明的一些实施方案的BPU 100的说明性结构的示意性横截面图。示例性的BPU 100可以包括正极活性材料电极层104、电子传导性的不可渗透的基材106、和负极活性材料电极层108。正电极层104和负电极层108提供在基材106的相对侧上。
图2显示了根据本发明的一些实施方案的图1的BPU 100的叠层200的说明性结构的示意性横截面图。可以将多个BPU 202设置为叠层结构200。在叠层200内，可以在两个相邻的BPU之间提供电解质层210，使得一个BPU的正电极层204与相邻BPU的负电极层208相对，电解质层210处于两个BPU之间。可以在一个或多个电解质层210中提供分隔体以使相对的正和负电极层电隔离。分隔体允许相邻的电极单元之间的分子和离子传输，但是可以基本上抑制相邻电极单元之间的电子传输。如本文中定义的，“电池”或“电池部分”222是指第一BPU 202的基材206和正电极层204、相邻于第一BPU 202的第二BPU 202的负电极层208和基材206、以及第一和第二BPU 202之间的电解质层210中所包括的部件。每个电池部分222的各自不可渗透的基材206可以由可适用的相邻电池部分222共用。
图3显示根据本发明的一些实施方案的MPU 300的说明性结构的示意性横截面图。示例性的MPU 300可以包括活性材料电极层304和电子传导性的不可渗透的基材306。活性材料层304可以是任何合适的正极或负极活性材料。
图4显示了根据本发明的一些实施方案的包含两个图3的MPU的装置的说明性结构的示意性横截面图。可以将分别具有正极和负极活性材料的两个MPU 300层叠以形成电化学装置400。可以在两个MPU 300之间提供电解质层410，使得一个MPU 300的正电极层404与另一个MPU 300的负电极层408相对，电解质层410位于两个MPU之间。可以在电解质层410中提供分隔体以使相对的正和负电极层电隔离。尽管未示出，但在一些实施方案中，可以向图2的叠层200添加分别具有正极和负极活性材料的两个MPU以及合适的电解质层，以形成双极性贮能装置。双极性ESD和ESD叠层在Ogg等人的美国专利7,794,877、Ogg等人的美国专利申请12/069,793、和West等人的美国专利申请12/258,854中得到更详细地讨论，所有这些都通过引用方式以其全部内容并入本文。
用于形成电极单元的基材(例如，基材106、206、406和416)可由任何合适的电子传导性和不可渗透性或基本上不可渗透性的材料形成，所述材料包括但不限于无穿孔的金属箔、铝箔、不锈钢箔、包括镍和铝的包覆材料、包括铜和铝的包覆材料、镀镍的钢、镀镍的铜、镀镍的铝、金、银、任何其它合适的电子传导性和不可渗透性材料或其任何合适的组合。在一些实施方案中，基材可由一种或多种合适的金属或金属组合(例如，合金、固溶体、镀覆的金属)形成。在某些实施方案中，每个基材可由彼此粘附的两片或更多片金属箔制成。每个BPU的基材可以典型地为0.025到5毫米厚，而每个MPU的基材可为0.025到30毫米厚，并充当例如ESD的端子或亚端子。可以在例如平面的金属膜或箔中使例如金属化的泡沫体与任何合适的基材材料组合，使得可以通过使传导性基质扩展贯穿电极而降低电池部分的活性材料之间的电阻。
提供在基材上用于形成本发明的电极单元的正电极层(例如正电极层104、204和404)可由任何合适的活性材料形成，包括但不限于例如氢氧化镍(Ni(OH)2)、羟基氧化镍(NiOOH)、锌(Zn)、磷酸铁锂(LiFePO4)、磷酸锂锰(LiMnPO4)、氧化锂钴(LiCoO2)、氧化锂锰(LiMnO2)、任何其它合适的材料、或其组合。可以将正极活性材料烧结并浸渍、用合适的粘合剂(例如水性的、非水性的、有机的、无机的)涂覆并压制、或通过用于将正极活性材料与其它支持性化学品一起包含在传导性基质中的任何其它合适的技术包含在内。电极单元的正电极层可以具有例如注入其基质中以减少膨胀的颗粒，包括但不限于金属氢化物(MH)、钯(Pd)、银(Ag)、任何其它合适的材料、或其组合。这可以例如增加循环寿命、改善再组合、和降低电池部分内的压力。这些颗粒例如MH也可以是活性材料糊料的粘结剂，例如Ni(OH)2，用以改善电极内部的电导率和支持再组合。
提供在基材上用以形成本发明的电极单元的负电极层(例如负电极层108、208、和408)可以由任何合适的活性材料形成，包括但不限于例如MH、镉(Cd)、锰(Mn)、Ag、碳(C)、硅(Si)、硅-碳复合材料、碳化硅(SiC)、任何其它合适的材料或其组合。可以将负极活性材料烧结、用水性粘合剂涂覆并压制、用有机粘结剂涂覆并压制、或通过用于将负极活性材料与其它支持性化学品一起包含在传导性基质中的任何其它合适的技术包含在内。负电极侧可具有被注入负电极材料基质内以稳定结构、减少氧化、和延长循环寿命的化学品，包括但不限于例如Ni、Zn、Al、任何其它合适的材料或其组合。
可以将多种合适的粘合剂与活性材料混合或以其它方式引向活性材料以保持活性材料与基材、固相泡沫体、任何其它合适的部件、或其任何合适的组合之间的接触，所述粘合剂包括但不限于例如有机羧甲基纤维素(CMC)、Creyton橡胶、PTFE(Teflon)、聚偏氟乙烯(PVDF)、任何其它合适的材料或其任何合适的组合。可以将任何合适的粘合剂包含在浆料或任何其它混合物中以增加粘着性、粘聚性或其它合适的性能或其组合。在一些实施方案中，可以将n-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)用作浆料中的液体试剂(例如溶剂)。
ESD的各电解质层的分隔体可以由任何合适的材料形成，所述材料电隔离两个相邻的电极单元同时允许那些电极单元之间的离子传输。分隔体可以包含纤维素超吸收体以改善填充并充当电解质储存器以提高循环寿命，其中分隔体可由例如超吸收尿布类(diaper)材料制成。由此，分隔体可以在对ESD进行充电时释放先前吸收的电解质。在某些实施方案中，分隔体可比标准电池密度更低且更厚，使得电极间距离(IES)可以开始于高于正常值并连续减小以便在其整个使用期限内保持ESD的容量(或C-倍率)以及延长ESD的使用期限。
分隔体可以是相对薄的材料，该材料粘结于电极单元上的活性材料的表面以减少短路和改善传送机械学。这种分隔体材料可以例如是喷射的、涂覆的、压制的、或其组合。分隔体可具有与之附接的再组合剂。可以将这种试剂注入分隔体的结构内(例如，这可以通过使用聚乙烯醇类(PVA或PVOH)以湿法物理捕获试剂以使该试剂与分隔体纤维结合来进行，或者可以通过电沉积将该试剂加入其中)，或者其可以通过例如真空沉积在表面上成层。分隔体可由任何合适的材料制成，例如聚丙烯、聚乙烯、任何其它合适的材料或其任何组合。分隔体可包括有效支持再组合的试剂，包括但不限于例如铅(Pb)、Ag、铂(Pt)、Pd、任何其它合适的材料、或其任何合适的组合。在一些实施方案中，试剂可基本上与任何电子传导性部件或材料绝缘(例如不接触)。例如，所述试剂可以设置在分隔体材料的片材之间，使得所述试剂不接触电子传导性电极或基材。尽管如果电池的基材彼此相对地移动那么分隔体可能呈现出电阻，但在本发明的某些实施方案中可以不提供分隔体，所述实施方案可以利用足够刚性而不偏斜的基材。
ESD的各电解质层的电解质可以由可在溶解或熔化时离子化以产生导电介质的任何合适的化合物形成。所述电解质可以是任何合适的ESD的标准电解质，包括但不限于例如NiMH和锂离子ESD。基于锂离子的ESD中的电解质可以包括例如碳酸亚乙酯(C3H4O3)、碳酸二乙酯(C5H10O3)、六氟磷酸锂(LiPF6)、任何其它合适的锂盐、任何其它有机溶剂、任何其它合适的材料或其任何合适的组合。基于NiMH的ESD中的电解质可以是例如水溶液。电解质可以包含另外的合适的材料，包括但不限于例如氢氧化锂(LiOH)、氢氧化钠(NaOH)、氢氧化钙(CaOH)、氢氧化钾(KOH)、任何其它合适的金属氢氧化物、任何其它合适的材料、或其组合。电解质还可以包含添加剂以改善再组合，包括但不限于例如Pt、Pd、任何合适的金属氧化物(例如Ag2O)、任何其它合适的添加剂、或其任何组合。电解质还可以包含例如氢氧化铷(RbOH)或任何其它合适的材料，以改善低温性能。可以将电解质冻结在分隔体内部，然后在将ESD完全组装之后将其解冻。这可以允许在垫圈和与之相邻的电极单元形成基本上液密的密封之前将特别粘性的电解质插入到ESD的电极单元叠层中。
电极可以包含电子传导性的网络或部件。电子传导性的网络或部件可以是电子传导性的泡沫体(例如镀有金属的泡沫体)、接触的电子传导性颗粒的集合(例如烧结的金属颗粒)、纳米结构化材料的阵列(例如CNT的阵列)、任何其它电子传导性材料或部件或网络、或其任何合适的组合。电子传导性的网络或部件可以降低欧姆电阻并可以允许增加用于电化学相互作用的界面面积。例如，在图4中所示的叠层400中，电解质410和正电极层404之间的界面、以及电解质410和负电极层408之间的界面似乎为平面的二维表面。尽管在贮能装置的一些实施方案中可以采用平面的界面，但电极也可以具有基本上三维表面的多孔结构。所述多孔结构可以增加电极和电解质之间的界面面积，由此可以增加可实现的充电或放电倍率。可以将活性材料与传导性部件或网络混合或者施用于传导性部件或网络，以便在更大的表面区域扩展界面。电化学相互作用可以发生在活性材料、电解质和电子传导性材料之间的界面处。
例如，电子传导性基材可以是不可渗透性的，防止渗漏或短路。在一些配置中，可以将一个或多个多孔电极保持与基材接触，如图1-4中所示。这种配置可以允许在外电路和电极之间的电子传输。
图5显示根据本发明的一些实施方案的说明性传送图示500。电子、离子、和分子可以被传送到位于活性材料、电子传导性材料和电解质相的交叉部分的活性界面502或从该活性界面502传送。ESD的充电和放电倍率可以随着活性界面502的面积的增加而提高。活性界面502可以代表ESD内的活性材料的活性表面积。电化学反应可以在活性界面502处发生。在一些实施方案中，纳米结构化材料可以增加活性表面积，由此提高充电和放电倍率。纳米结构化材料可以例如通过增加活性表面积提高传送速率。在一些实施方案中，使用纳米结构化材料可以通过改善性能例如电子传导率、导热率、耐久性、任何其它合适的性能或其任何合适的组合来改善电极性能。
电子可以沿着路径504在电子传导性区域506(例如金属化泡沫体、基材106、206、306、406、或416)和活性界面502之间传送，所述路径504可以代表通过连续的电子传导性材料或材料组合的路径。传导电子可以沿着路径508在电子传导性区域506和外电路510之间传送，所述路径508可以代表通过连续的电子传导性材料或材料组合(例如金属线、电路)的路径。离子(例如氢氧根阴离子、锂阳离子)可以沿着路径514在电解质区域516(例如电解质210、410)和活性界面502之间传送(例如迁移、扩散)，所述路径514可以代表通过基本连续的电解质材料(可为固体或液体)的路径。例如，在基于锂离子的ESD的充电或放电期间，锂阳离子可以通过扩散、迁移或两者通过电解质传送到活性界面和从活性界面传送。化合物可以沿着路径524在主体(bulk)化合物区域526(例如主体活性材料、主体电解质、主体气相)和活性界面502之间传送，所述路径524可以代表通过基本连续的介质或介质组合的路径，该路径可以允许合适的分子传送(例如电解质、活性材料)。例如，在基于NiMH的ESD的充电或放电期间，水可以因水性电解质中的浓度梯度而扩散到活性界面和从活性界面扩散。在一些实施方案中，电子、离子、化合物、或其合适的组合可以在相同的材料(例如混合的导体)或合适的材料组合内进行传送。如本文中使用的，术语“主体”是指材料的远离纳米级界面或纳米结构的区域(例如贮存器、非纳米结构化的材料)。如本文中使用的，术语“活性界面”是指在空间上在显著发生电化学反应的界面处或附近的区或区域。如本文中使用的，术语“传送”是指电子、离子、原子、分子、粒子、或其集合和组合响应物理量(例如压力、浓度、温度、电势、化学势)的梯度进行的净空间移动，包括如扩散、迁移、对流、表面扩散、和任何其它合适机理的现象。
图6显示了根据本发明的一些实施方案的界面区域600的说明性的部分横截面示意图。界面区域600可包括基材608、活性材料604、电子传导性材料606、和孔隙网络620。活性界面602(虚线区域)可以代表活性材料604、电子传导性材料606、和电解质(未示出，但是其可以基本上填充孔隙网络620)的交叉部分处或附近的区域。在一些实施方案中，活性界面602可以相应于图5中所示的活性界面502或代表其近视图。应该理解，例如图6所示的、三维多孔固体的说明性的示意性二维部分图示可能没有显示固体(或孔隙)的某些连通性，但是该连通性可依然存在。
电子可以通过传导路径610(例如，图5的路径504)在活性界面602、电子传导性材料606(例如，图5的电子传导区域506)、和电子传导性基材608(例如，图5的电子传导区域506)之间进行传送。离子可以通过传送路径612在活性界面602和处于孔隙网络620中的主体电解质之间传送(例如，图5的路径514)。例如，氢氧根阴离子(OH-)可以通过孔隙网络620中的说明性的传送路径612扩散或迁移到活性界面602和从活性界面602扩散或迁移，所述孔隙网络620可基本上填充有水性电解质。在任何合适的电解质中的任何合适的离子或离子组合可沿着说明性的路径612传送。化合物可以在活性材料604(通过传送路径616)、可处于孔隙网络620中的主体电解质(通过路径614)、包含气态材料的气相区域(未示出)、任何其它材料或材料区域、或其任何合适的组合中的一种或多种和活性界面602之间传送。例如，水分子可以沿着孔隙网络620中的说明性路径614通过扩散传送到活性界面602和从活性界面602传送，所述孔隙网络620可基本上填充有水性电解质。在任何合适的介质中的任何合适的化合物或化合物的组合可以沿着说明性路径614传送。传送路径610、612和614是说明性的，并非意在代表可以发生传送的名义路径。应该理解，电子、离子、和化合物的实际路径可能不遵循这些说明性路径。还应该理解，如图6所示的、三维多孔固体的说明性的示意性二维部分图示可能没有显示固体(或孔隙)的某些连通性，但是该连通性可依然存在。
图7显示了根据本发明的一些实施方案的带有切去部分的说明性的电极结构700。电极结构700可以包括多孔电极702和无孔基材706。电极702和基材706可以共用界面710作为接触平面。界面610代表其中至少两个部件、材料或其适当组合在空间上相互会合的平面或路径。如本文中使用的，术语“界面”描述了浆料和基材、固体泡沫体和基材、任何两个合适的部件、任何合适的部件和非固体相之间的基本上平面的接触区域，或两个不同材料或部件之间的任何其它接触平面。虽然显示为平面的盘状几何形状，但电极结构700可具有任何合适的形状、曲率、厚度(任一层的)、相对大小(基材和泡沫体之间的)、相对厚度(基材和泡沫体之间的)、任何其它性能或其任何合适的组合。电极702可以包括一个或多个电子传导性部件(例如金属)、一种或多种活性材料(例如Ni(OH)2)、一种或多种粘合剂、一种或多种纳米结构化材料、任何其它合适的材料或其任何组合。在一些实施方案中，可以在结构700的组装或产生之后将活性材料引向电极702。在一些实施方案中，可以在结构700的组装或产生之后将纳米结构化材料引向电极702。
活性材料可以由于充电或放电而经受显著的体积膨胀或收缩。体积变化可以源于材料相变、活性材料内的原子或分子嵌入、或其它物理或化学过程、或其组合。例如，由锂的插入和移去所形成的活性材料硅(Si)和锂-硅络合物(例如Li4.4Si)之间的体积变化可能是百分之几百。
图8显示了根据本发明的一些实施方案的说明性电极结构800和850的侧面正视图。电极结构800的说明性电极802可经受体积变化，这可以导致轮廓812的尺寸增加。基材806可能不会经受显著的体积变化，这可能在电极的体积变化期间引起应力和应变。重复的膨胀和收缩可以导致电极802破碎或以其它方式损失结构完整性。重复的膨胀和收缩还可以导致电极802的电子传导率降低，因为电极中的电子传导性网络可能会中断。电极结构850的说明性电极852可以包括纳米结构化的颗粒。纳米结构化材料在电极852中的存在可以在充电和放电期间减少电极852的体积变化(如轮廓862所示)，相对于电极802而言。纳米结构化材料(例如碳纳米管、硅纳米线)在电极852中的存在可以允许电极852内的区域中的相对运动和体积变化，这可以降低在整个电极852中形成的应力和应变。例如，在一些实施方案中，电极内的应力和应变减小可以引起电极部件的变形、开裂、粉化、泄漏和任何其它失效模式或其组合的减少。在一些实施方案中，在电极中并入纳米结构化材料可以改善电极在充电和放电过程期间的耐久性和循环寿命。
图9显示根据本发明的一些实施方案的纳米结构化材料的示意图900。图900中所示的纳米结构化材料的阵列可包括一个或多个纳米结构化元件902。纳米结构化元件902可以是纳米颗粒(例如LiFePO4、LiMnPO4、LiMnO2纳米颗粒)、纳米线(例如，SiNW、ZnNW、SiC纳米线)、单壁或多壁的纳米管(例如CNT)、闭合的富勒烯(例如C60巴基球)、任何其它纳米结构化元件或其任何合适的组合。在一些实施方案中，纳米结构化元件902可以是设置为阵列的纳米结构化材料的薄层的晶胞(unit cell)。例如，在一些实施方案中，纳米结构化元件902可以是石墨片的一个晶胞，且这些晶胞的合适的阵列可以共同作为石墨片。可以使一个或多个纳米结构化元件902以任何取向或取向分布设置。纳米结构化元件902的阵列可以包括具有任何合适的形状和尺寸分布的元件。
图10显示了根据本发明的一些实施方案的纳米结构化材料的示意图1000。图1000可包括一个或多个纳米结构化材料1030(包括说明性的纳米结构化元件1002和1003)、(涂覆材料1004的)涂层1040、(主体材料1006的)主体表面1050、和环境1020。在一些实施方案中，主体材料1006可涂覆有涂覆材料1004，其可以有助于形成纳米结构化元件，例如纳米结构化元件1002。在一些实施方案中，涂覆材料1004可对于纳米结构化材料1030的沉积充当催化剂。在一些实施方案中，可不使用涂覆材料，而是将纳米结构化材料1030直接沉积在主体表面1050上。
纳米结构化元件可以任何合适的取向或取向分布设置，如纳米结构化元件1002和1003的不同取向所示。在一些实施方案中，可使用等离子体增强的化学气相沉积(CVD)来形成具有特定取向(例如与涂覆表面垂直)的纳米结构化元件。在一些实施方案中，可以沉积多于一种纳米结构化材料，且不同的纳米结构化材料可具有不同的取向。例如，在一些实施方案中，可以将SiNW沉积在主体Si表面上，基本上垂直于主体表面。然后，可以在SiNW阵列中沉积另外的CNT层，基本上平行于主体表面。可以在涂层1040或主体表面1050上沉积具有任何合适取向的任何合适的纳米结构化材料或纳米结构化材料的组合。
在一些实施方案中，可以在沉积纳米结构化材料1030期间对环境1020进行控制。例如，在一些实施方案中，环境1020可以是还原性气态环境，其可以包括烃、氢、硅烷、惰性气体、任何其它合适的气体或其组合。气态环境可以包括可沉积在涂层1040或主体表面1050上的前体材料。在一些实施方案中，环境1020可以是液体。液体可以包括例如可沉积(例如通过电泳)在涂层1040或主体表面1050上的悬浮的纳米颗粒、纳米线、纳米管、或其它合适的纳米结构化元件。在一些实施方案中，环境1020可以是超临界流体，其可以包括合适的前体。环境1020可以包括以任何合适的工艺时间表(例如流率、斜坡时间、保持时间)控制的任何合适的环境条件(例如温度、压力、组成)。
图11显示了根据本发明的一些实施方案的用于形成电极的说明性流程图1100。在图11中所示的工艺步骤1102中，可以制备浆料，该浆料包括例如活性材料(例如SiNW、LiFePO4、MH、Ni(OH)2)、电子传导性颗粒(例如CNT、金属颗粒)、一种或多种液体试剂(例如有机溶剂、水、醇、NMP)、粘合剂(例如，PTFE、PVDF)、石墨碳、无定形碳、任何其它合适的材料、或其任何合适的组合。在一些实施方案中，活性材料可以是具有任何合适的形状或尺寸分布的颗粒。电子传导性颗粒可具有任何合适的形状或尺寸分布。在一些实施方案中，电子传导性颗粒和活性材料颗粒可不必具有相同的尺寸和形状。工艺步骤1102可以包括混合、共混、搅拌、声处理、球磨、研磨、定尺寸(例如筛分)、干燥、任何其它合适的制备工艺、或其任何合适的组合。例如，在一些实施方案中，工艺步骤1102可必须制备包括Si颗粒、碳颗粒、NMP水溶液、和PVDF颗粒的浆料，以形成浆料。在一些实施方案中，例如，工艺步骤1102可能必须制备包括LiFePO4颗粒、碳颗粒、NMP水溶液、和PVDF颗粒的浆料，以形成浆料。根据工艺步骤1102制备的浆料可以包括任何合适的材料组合。
工艺步骤1103可以包括制备可在其上施用工艺1102的浆料的电极部件。电极部件可包括电子传导性基材、非电子传导性基材、金属化泡沫体、任何其它合适的部件、一个或多个部件的子组件(例如金属化泡沫体和基材子组件)、和其任何合适的组合。工艺步骤1103可以包括制备步骤，例如清洁电极部件、调节电极部件的表面光洁度(例如抛光、粗糙化)、蚀刻电极部件的表面、调节电极部件的尺寸或形状(例如切削、研磨、拆分、钻孔、机加工)、任何其它合适的制备步骤或其任何合适的组合。
在图11中所示的工艺步骤1104中，可以将工艺步骤1102的浆料施用于工艺步骤1103的电极部件的一个或多个表面。工艺步骤1104可包括刮涂、旋涂、丝网印刷、任何其它合适的浆料施用技术或其任何合适的组合。在一些实施方案中，可以使用具有任何合适的形状的一个或多个模具来保持工艺步骤1102的浆料在工艺步骤1103的电极部件上的特定形状。例如，可以使用与基材接触的矩形棱柱模具来保持工艺步骤1102的浆料为矩形棱柱形状并抑制工艺步骤1102的浆料流动或以其它形式变形。在一些实施方案中，可以在对电极部件施用之前将工艺步骤1102的浆料干燥。在一些实施方案中，可以在对电极部件施用之前对浆料进行带铸(tape-cast)、干燥、定尺寸、任何其它合适的制备步骤和其任何合适的组合。干燥的浆料向电极部件的施用可以包括将干燥的浆料粘合或以其它方式粘附于电极部件。
在图11中所示的工艺步骤1106中，可以将与电极部件接触的浆料干燥(例如可以除去一种或多种液体组分中的一部分或基本上全部)。干燥工艺1106可以赋予剩余组分(例如剩余的浆料组分)刚性。在一些实施方案中，干燥工艺1106可以允许剩余组分保持形状，使得可以移除模具(如果使用的话)。在一些实施方案中，干燥工艺1106可以形成贯穿干燥浆料的充有气体的多孔网络。在一些实施方案中，干燥工艺1106可以包括加热、将电极部件和浆料浸入指定的气体环境(例如加热的氩)中、任何其它合适的干燥过程或其组合。在一些实施方案中，例如其中在对电极部件施用之前将浆料干燥的实施方案中，可以跳过工艺步骤1106。
根据工艺步骤1108，可以将与工艺1106的干燥浆料接触的电极部件进行定尺寸、成型、或其二者。工艺步骤1108可以包括冲压(使用任何合适的冲模和压力)、弯曲、折叠、修整、刮平、压延、机加工、任何其它合适的定尺寸或成型的技术、或其任何合适的组合。在一些实施方案中，工艺步骤1108可以省略。例如，在一些实施方案中，可以在工艺步骤1103中根据需要对电极部件进行成形或定尺寸，并可能不需要在工艺步骤1108中进一步定尺寸或成型。
如图11所示的工艺步骤1110可以包括电极部件的进一步加工。工艺步骤1110可以包括化学处理，例如对电极部件施用疏水性涂层(例如PTFE)。施用疏水性涂层可以减少多孔电极内的溢流(例如液态水的积累)。工艺步骤1110可以包括该化学气相沉积(CVD)、物理真空沉积(PVD)、任何其它沉积技术或其任何合适的组合将一种或多种合适的材料施用到电极部件的表面。在一些实施方案中，工艺步骤1110可以包括例如烧结、充电放电、任何其它合适的加工或其任何合适的组合。工艺步骤1110可包括用于调节电极部件的表面性质的技术。
图12显示根据本发明的一些实施方案的用于形成电极的说明性流程图1200。流程图1200的工艺可以包括将电极部件的表面改性，这可以提高界面面积、电子传导率、多孔性、任何其它合适的性能或其任何合适的组合。
如图12所示的工艺步骤1202可以包括制备电极部件。电极部件可包括电子传导性基材、非电子传导性基材、金属化泡沫体、任何其它合适的部件、一个或多个部件的子组件(例如金属化泡沫体和基材子组件)、和其任何合适的组合。工艺步骤1202可以包括制备步骤，例如清洁电极部件、调节电极部件的表面光洁度(例如抛光、粗糙化)、蚀刻电极部件的表面、调节电极部件的尺寸或形状(例如切削、研磨、拆分、钻孔、机加工)、任何其它合适的制备步骤或其任何合适的组合。在一些实施方案中，工艺步骤1202可以包括用催化剂、沉积基材、任何其它合适的材料或其任何合适的组合来涂覆电极部件的表面。
可以根据工艺步骤1204在电极部件的表面上形成基底矩阵，如图12中所示。基底矩阵可以是纳米结构化材料的阵列(CNT阵列、SiNW阵列、ZnNW阵列)，其可具有例如相对于无基底矩阵的电极部件增加的表面积。工艺步骤1204可以包括将一种或多种合适的材料通过化学气相沉积(CVD)、等离子体增强CVD、物理真空沉积(PVD)、任何其它沉积技术或其任何合适的组合施用到电极部件的表面，由此形成基底矩阵。
可以将第二材料引入到电极部件的基底矩阵，如图12的工艺步骤1206所示。工艺步骤1206可以包括将一种或多种合适的材料通过化学气相沉积(CVD)、物理真空沉积(PVD)、任何其它沉积技术或其任何合适的组合施用到基底矩阵。所述第二材料可以是活性材料、电子传导性材料、纳米结构化材料、任何其它合适的材料、和其任何合适的组合。例如，在一些实施方案中，工艺步骤1204可以包括将CNT的阵列沉积在电极部件上，且工艺步骤1206可以包括将SiNW的阵列沉积在CNT的基底矩阵上。例如，在一些实施方案中，工艺步骤1204可以包括将SiNW的阵列沉积在电极部件上，且工艺步骤1206可以包括将CNT的阵列沉积在SiNW的基底矩阵上。
根据图12中所示的工艺步骤1208，可以将电极部件进行定尺寸、成型、或二者。工艺步骤1208可以包括冲压(使用任何合适的冲模和压力)、弯曲、折叠、修整、刮平、压延、机加工、任何其它合适的定尺寸或成型的技术、或其任何合适的组合。在一些实施方案中，可以不包括工艺步骤1208。例如，在一些实施方案中，可以在工艺步骤1202中根据需要对电极部件进行定尺寸或成形，并可能不需要在工艺步骤1208中进一步定尺寸或成型。
如图12所示的工艺步骤1210可以包括电极部件的进一步加工。工艺步骤1210可以包括化学处理，例如对电极部件施用疏水性涂层(例如PTFE)。施用疏水性涂层可以减少多孔电极内的溢流(例如液态水的积累)。工艺步骤1210可以包括将一种或多种合适的材料通过化学气相沉积(CVD)、物理真空沉积(PVD)、任何其它沉积技术或其任何合适的组合施用在电极部件的表面上。工艺步骤1210可包括用于调节电极部件的表面性质的技术。在一些实施方案中，工艺步骤1210可以包括施用于电极部件的例如烧结、充电、放电、任何其它合适的加工技术和其任何合适的组合。
图13显示了根据本发明的一些实施方案的用于使活性颗粒改性的说明性流程图1300。可以在图13的工艺步骤1302中用材料涂覆活性材料颗粒。任何合适的活性材料都可以进行涂覆，包括负电极活性材料和正电极活性材料。工艺步骤1302可以包括用例如镍(Ni)、铁(Fe)、铝(Al)、氧化铝(Al2O3)、锰盐、镁盐、Si、任何其它合适的材料或其任何合适的组合涂覆活性材料颗粒以帮助在活性材料颗粒上形成纳米结构。可以将涂覆材料溶解于液体溶液中，可以将该液体溶液施用于活性材料颗粒。液体溶液可以是任何合适的液体，例如酸溶液。工艺步骤1302可以包括浸渍、电镀、无电镀、电泳、溅射、原子层沉积、化学溶液沉积(例如溶胶-凝胶过程)、CVD、PVD、任何其它合适的涂覆技术或其任何合适的组合。在一些实施方案中，可以不使用工艺步骤1302。例如，在一些实施方案中，活性材料颗粒可以是Si颗粒，且可能不需要涂覆。例如，在一些实施方案中，活性材料颗粒可以是Si颗粒，且可能需要CNT的涂覆材料。活性材料颗粒和涂覆材料可以包括任何合适的材料或材料组合。工艺步骤1302可以包括定尺寸、清洁、蚀刻、或其它加工技术以制备用于施用涂覆材料的活性材料颗粒。
可以在工艺步骤1304中处理涂覆的颗粒。工艺步骤1304可以包括定尺寸(例如筛分)、烧结、退火、团聚、干燥、任何其它合适的加工技术或其任何合适的组合。例如，在一些实施方案中，可以将涂覆的颗粒在规定的气态环境(例如惰性、还原性)中加热，以改善耐久性、改善粘着性、增加涂覆材料晶粒尺寸、任何其它合适的涂覆性能或其任何合适的组合。
可以根据工艺步骤1306将纳米结构化材料沉积在经涂覆的颗粒上。工艺步骤1306可以包括CVD、等离子体增强的CVD、PVD、用于沉积纳米结构化材料的任何其它合适技术或其任何合适的组合。工艺步骤1306可以包括将经涂覆的颗粒置于沉积室中、控制经涂覆的颗粒的环境(例如保持还原环境)、加热经涂覆的颗粒、用于将纳米结构化材料沉积在颗粒上的任何其它合适技术或其任何合适的组合。工艺步骤1306可以包括向沉积室提供气相前体。气相前体可以包括例如烃、一氧化碳、硅烷、任何其它合适的前体或其任何合适的组合。可以将气相前体与任何合适的气态材料组合，例如氢、惰性物质(例如氦)、任何其它合适的气体或其任何合适的组合。例如，在一些实施方案中，可以向沉积室中颗粒引入氢和一种或多种烃的气体混合物，所述颗粒可保持在300到1200℃。在一些实施方案中，所述前体可以是固相材料，其可以经受热处理、激光处理、或其它合适的处理或其组合以释放材料到蒸气相中。在一些实施方案中，可以将前体材料包括在溶液中，例如超临界混合物。在一些实施方案中，可以将包括纳米结构化材料的悬浮液(例如在液体介质中的固体颗粒)施用于经涂覆的颗粒以将纳米结构化材料沉积在经涂覆的颗粒上。例如，在一些实施方案中，可以使用电泳将包含在溶液中的纳米结构化材料施用于经涂覆的颗粒。可以使用任何合适的前体、额外材料、沉积温度(例如斜坡温度、浸泡温度)、沉积压力、其它工艺控制和其任何合适的组合来将纳米结构化材料沉积到颗粒上。
在一些实施方案中，源于工艺步骤1306的颗粒可具有改性的性能，例如组成、电子传导率、导热率、表面积、表面形态、尺寸、任何其它合适的经改性性能或其任何组合。在一些实施方案中，可以将源于工艺步骤1306的经改性的颗粒用作图11的工艺步骤1102的浆料中的活性材料颗粒。
在一些实施方案中，可以以任何顺序重复流程图1300的所有或部分技术以便在活性材料颗粒上形成纳米结构化材料的多于一个阵列。根据流程图1300的技术可以使用任何合适的活性材料的组合、涂层、纳米结构化材料、其它合适的材料或其组合。
图14显示根据本发明的一些实施方案的用于形成电极的说明性流程图1400。工艺步骤1402可以包括向电极部件引入活性材料。可以将任何合适的活性材料引向电极部件，包括负电极活性材料、正电极活性材料、或二者(例如BPU)。电极部件可包括电子传导性基材、非电子传导性基材、金属化泡沫体、任何其它合适的部件、一个或多个部件的子组件(例如金属化泡沫体和基材子组件)、和其任何合适的组合。在一些实施方案中，可以将活性材料作为浆料施用于电极部件(例如在图11的流程图1100中所述的工艺)。在一些实施方案中，可以将活性材料作为纳米结构化材料施用于电极部件。例如，工艺步骤1402可以包括CVD、等离子体增强的CVD、PVD、用于沉积纳米结构化材料的任何其它合适技术或其任何合适的组合。工艺步骤1402可以包括用于将活性材料引向电极部件的清洁、蚀刻、烧结、任何其它制备技术或其任何合适的组合。
在图14的工艺步骤1404中，可以用材料涂覆电极部件。工艺步骤1404可以包括用例如Ni、Fe、Al、Al2O3、锰盐、镁盐、Si、任何其它合适的材料或其任何合适的组合涂覆电极部件以帮助在电极部件上形成纳米结构。可以将涂覆材料溶解于液体溶液中，可以该将液体溶液施用于活性材料颗粒。液体溶液可以是任何合适的液体。工艺步骤1404可以包括浸渍、电镀、无电镀、电泳、溅射、原子层沉积、化学溶液沉积(例如溶胶-凝胶过程)、CVD、PVD、任何其它合适的涂覆技术或其任何合适的组合。在一些实施方案中，可以不使用工艺步骤1404。电极部件、活性材料、和涂覆材料可以包括任何合适的材料或材料组合。工艺步骤1404可以包括定尺寸、清洁、蚀刻、或其它加工技术以制备用于施用涂覆材料的电极部件。
可以在工艺步骤1406中处理经涂覆的电极部件。工艺步骤1406可以包括烧结、退火、干燥、任何其它合适的加工技术或其任何合适的组合。例如，在一些实施方案中，可以将经涂覆的电极部件在规定的气态环境(例如惰性、还原性)中加热，以改善耐久性、改善粘着性、增加涂覆材料晶粒尺寸、任何其它合适的涂覆性能或其任何合适的组合。
可以根据工艺步骤1408将纳米结构化材料沉积在经涂覆的电极部件上。工艺步骤1408可以包括CVD、等离子体增强的CVD、PVD、用于沉积纳米结构化材料的任何其它合适技术或其任何合适的组合。工艺步骤1408可以包括将电极部件置于沉积室中、控制经涂覆的电极部件的环境(例如保持还原环境)、加热经涂覆的电极部件、用于将纳米结构化材料沉积在电极部件上的任何其它合适技术或其任何合适的组合。工艺步骤1408可以包括向沉积室提供气相前体。气相前体可以包括例如烃、一氧化碳、硅烷、任何其它合适的前体或其任何合适的组合。可以将气相前体与任何合适的气态材料组合，例如氢、惰性物质(例如氦)、任何其它合适的气体或其任何合适的组合。例如，在一些实施方案中，可以将氢和一种或多种烃的气体混合物引向在沉积室中的经涂覆的电极部件，该电极部件可以保持在300到1200℃。在一些实施方案中，所述前体可以是固相材料，其可以经受热处理、激光处理、或其它合适的处理或其组合以释放材料到蒸气相中。在一些实施方案中，可以将前体材料包括在溶液中，例如超临界混合物。在一些实施方案中，可以将包括纳米结构化材料的悬浮液(例如在液体介质中的固体颗粒)施用于经涂覆的电极部件以将纳米结构化材料沉积在经涂覆的电极部件上。例如，在一些实施方案中，可以使用电泳将包含在溶液中的纳米结构化材料施用于电极部件。可以使用任何合适的前体、额外材料、沉积温度(例如斜坡温度、浸泡温度)、沉积压力、其它工艺控制和其任何合适的组合来将纳米结构化材料沉积到电极部件上。
可源于工艺步骤1408的经改性的部件可包括电子传导性网络(例如金属化泡沫体、CNT阵列)、活性材料、集流体(例如基材、接头)、任何其它合适的部件或其任何合适的组合。可以源于工艺步骤1408的经改性的部件可以被称为电极、BPU、MPU、电极子组件、或任何其它合适的名称。
例如，在一些实施方案中，根据工艺步骤1402，可以将包括金属氢化物(MH)的活性材料引向包括Ni泡沫体和电子传导性基材的电极部件。活性材料可以被包括施用于电极部件的浆料(例如，在图11的工艺步骤1102中所述的浆料)中。根据工艺步骤1402，可以将活性材料和电极部件烧结。根据工艺步骤1404，可以用催化剂材料涂覆电极部件和MH。根据工艺步骤1406，可以将催化剂材料涂层干燥并烧结。可以将经涂覆的电极部件和MH置于CVD烘箱中，并在300到1600摄氏度的温度向CVD烘箱引入烃/氢气态前体。在工艺步骤1408中，可以将CNT的阵列沉积在经涂覆的电极部件和MH上。CNT的阵列可以改变电极部件的一种或多种性能，包括例如电子传导率、导热率、表面积、任何其它合适的性能或其任何组合。根据流程图1400的这个示意性工艺是说明性的且意在说明本发明的某些实施方案，并不是限制本发明的范围。
图15显示根据本发明的一些实施方案的用于形成电极的说明性流程图1500。在图15的工艺步骤1502中，可以用材料涂覆电极部件。在一些实施方案中，工艺步骤1502可以相应于图14的工艺步骤1404。工艺步骤1502可以包括用材料例如Ni、Fe、Al、Al2O3、锰盐、镁盐、Si、任何其它合适的材料或其任何合适的组合涂覆电极部件以帮助在电极部件上形成纳米结构。可以将涂覆材料溶解于液体溶液中，可以将该液体溶液施用于活性材料颗粒。液体溶液可以是任何合适的液体。工艺步骤1502可以包括浸渍、电镀、无电镀、电泳、溅射、原子层沉积、化学溶液沉积(例如溶胶-凝胶过程)、CVD、PVD、任何其它合适的涂覆技术或其任何合适的组合。在一些实施方案中，可以不使用工艺步骤1502。电极部件、活性材料、和涂覆材料可以包括任何合适的材料或材料组合。工艺步骤1502可以包括定尺寸、清洁、蚀刻、或其它加工技术以制备用于施用涂覆材料的电极部件。
可以在工艺步骤1504中处理经涂覆的电极部件。工艺步骤1504可以包括烧结、退火、干燥、任何其它合适的加工技术或其任何合适的组合。例如，在一些实施方案中，可以将经涂覆的电极部件在规定的气态环境(例如惰性、还原性)中加热，以改善耐久性、改善粘着性、增加涂覆材料晶粒尺寸、任何其它合适的涂覆性能或其任何合适的组合。
可以根据工艺步骤1506将纳米结构化材料沉积在经涂覆的电极部件上。在一些实施方案中，工艺步骤1506可相应于图14的工艺步骤1408。工艺步骤1506可以包括CVD、等离子体增强的CVD、PVD、电泳、用于沉积纳米结构化材料的任何其它合适技术或其任何合适的组合。工艺步骤1506可以包括将电极部件置于沉积室中、控制经涂覆的电极部件的环境、加热经涂覆的电极部件、烧蚀固相前体、热处理固相前体、用于将纳米结构化材料沉积在电极部件上的任何其它合适技术或其任何合适的组合。工艺步骤1506可以包括向沉积室提供气相前体、固相前体、或可被包括在溶液中的前体。可以使用任何合适的前体、额外材料、沉积温度(例如斜坡温度、浸泡温度)、沉积压力、其它工艺控制和其任何合适的组合来将纳米结构化材料沉积到电极部件上。
工艺步骤1508可以包括向经改性的电极部件引入活性材料。在一些实施方案中，工艺步骤1508可以相应于图14的工艺步骤1402。可以将任何合适的活性材料引向电极部件，包括负电极活性材料、正电极活性材料、或二者(例如BPU)。电极部件可包括电子传导性基材、非电子传导性基材、金属化泡沫体、任何其它合适的部件、一个或多个部件的子组件(例如金属化泡沫体和基材子组件)、和其任何合适的组合。在一些实施方案中，可以将活性材料作为浆料施用于电极部件(例如在图11的流程图1100中所述的工艺)。在一些实施方案中，可以将活性材料作为纳米结构化材料施用于电极部件。例如，工艺步骤1508可以包括CVD、等离子体增强的CVD、PVD、用于沉积纳米结构化材料的任何其它合适技术或其任何合适的组合。工艺步骤1508可以包括用于将活性材料引向电极部件的清洁、蚀刻、烧结、任何其它制备技术或其任何合适的组合。
例如，在一些实施方案中，根据工艺步骤1502，可以用催化剂涂覆包括刚性地附着于电子传导性基材的Ni泡沫体的电极部件的一个或多个表面。根据工艺步骤1504，可以将经涂覆的电极部件烧结。可以将经涂覆的电极部件置于CVD烘箱中并在600到1200摄氏度的温度向CVD烘箱引入烃/氢前体。在工艺步骤1506中，可以将CNT的阵列沉积在经涂覆的电极部件上。可以将包括例如Ni(OH)2的活性材料作为浆料(例如，在图11的工艺步骤1102中描述的浆料)添加给经改性的电极部件，根据工艺步骤1508，可将所述浆料干燥。CNT的阵列可以提供用于施用活性材料(例如Ni(OH)2)的基底矩阵(例如如图12的工艺步骤1204中所述的)。根据流程图1500的这个示意性工艺是说明性的且意在说明本发明的某些实施方案，并不是用于限制本发明的范围。
应该理解，图11-15的流程图1100-1500的步骤都是说明性的。流程图1100-1500的任何步骤都可以进行改变、省略、再设置、与流程图1100-1500的其它步骤组合、或用另外的步骤补充，而不脱离本发明的范围。
下面进一步结合图16和17讨论根据本发明的一些实施方案的用于制造电极结构的说明性工艺。
图16显示了根据本发明的一些实施方案的与基材1606接触的浆料1602的说明性侧面正视图。图17显示的是根据本发明的一些实施方案的、从图16的线XVII-XVII截取的图16的元件的说明性俯视图。显示浆料1602在界面1610处与基材1606接触。基材1606和浆料1602可具有任何合适的形状、横截面形状、曲率(例如圆顶状的)、(层1606和1602的任一层)厚度、相对大小(基材和复合材料之间)、相对厚度(基材和复合材料之间)、任何其它性能或其任何合适的组合。在一些实施方案中，浆料1602可以包括上述在图11的工艺步骤1102和1104中讨论的浆料。在一些实施方案中，浆料1602可以包括上述在图11的工艺步骤1106中讨论的经干燥的浆料。浆料1602可以包括任何材料或合适的材料组合。
图18显示根据本发明的一些实施方案的用于使颗粒改性的说明性工艺。说明性的颗粒1800可以包括如图18(I)所示的活性材料1802。活性材料1802可以是正极活性材料、任何其它合适的材料或其任何组合，或者活性材料1802可以是负极活性材料、任何其它合适的材料或其任何组合。虽然示意性地显示为球状的，但颗粒1800可具有任何合适的形状或尺寸、或二者，并且可以属于和代表具有任何合适的尺寸和形状分布的活性材料颗粒的集合。在一些实施方案中，颗粒1800可以是多孔的、无孔的、球团状的(cenospherical)(例如中空的)、任何其它形态学名称、或其任何合适的组合。
可以向颗粒1800引入涂覆材料1824(例如通过图13的工艺1302)，形成如图18(II)中所示的经涂覆的颗粒1820。经涂覆的活性材料1802可以基本上对应于活性材料1802。涂覆材料1824可以包括Fe、Al、Al2O3、锰盐、镁盐、Si、任何其它合适的材料或其任何合适的组合，从而帮助在经涂覆的颗粒上形成纳米结构。在一些实施方案中，涂覆材料1824可以覆盖活性材料1822的基本上全部表面。在一些实施方案中，涂覆材料1824可以覆盖活性材料1802的一部分表面。由涂覆材料1824形成的涂层可以是连续的或不连续的。涂覆材料1824的层可具有任何合适的厚度。
可以将纳米结构化材料1846沉积在经涂覆的颗粒1820的表面上，以形成改性的颗粒1840(例如通过图13的工艺步骤1306所描述的)，如图18(III)所示。纳米结构化材料1846存在于涂覆材料1824上，该涂覆材料可以部分或基本上完全涂覆活性材料1802的表面。纳米结构化材料1846可以是任何合适的材料或材料组合，且可以具有任何合适的取向或取向分布。例如，在一些实施方案中，纳米结构化材料1846可以包括基本上平行于涂覆材料1824的表面布置的CNT阵列。在一些实施方案中，例如，纳米结构化材料1846可以包括基本上垂直于涂覆材料1824的表面布置的ZnNW阵列。在一些实施方案中，纳米结构化材料1846可以包括多于一种材料。例如，在一些实施方案中，可以将SiNW阵列沉积在涂覆材料1824上，并可以将CNT的阵列沉积在SiNW阵列的上面。可以将任何合适数量的纳米结构化材料、纳米结构化材料的阵列、层、或其合适的组合以任何合适的顺序沉积在颗粒1820上以形成改性的颗粒1840。
可以将经改性的颗粒1840与其它经改性的颗粒、其它颗粒或二者进行组合，如图18(IV)的改性颗粒集合1860所示。改性颗粒集合1860可以包括改性颗粒1840和颗粒1870，其可以包括例如聚合物颗粒、活性材料颗粒、电子传导性颗粒(例如金属颗粒、CNT)、任何其它合适的颗粒或其任何合适的组合。经改性的颗粒集合1860可以是浆料，且可以包括液体试剂(图18中未示出)。经改性的颗粒集合1860可相对于未改性颗粒的集合具有改性的性能，例如增加的电子传导率、增加的导热率、增加的表面积、增加的颗粒间接触面积(例如图18的接触面积1868)、任何其它合适的性能或其组合。可以将经改性的颗粒集合1860包括在图11的流程图1100的浆料中。
图19显示了根据本发明的一些实施方案的用于将颗粒改性的说明性工艺。说明性的颗粒1900包括如图19(I)所示的活性材料1902。活性材料1902可以是任何合适的正极活性材料或负极活性材料、或其任何合适的材料组合。虽然示意性地显示为球状的，但颗粒1900可具有任何合适的形状和尺寸、或二者，并且可以属于和代表具有任何合适的尺寸和形状分布的活性材料颗粒的集合。在一些实施方案中，颗粒1900可以是多孔的、无孔的、球团状的(例如中空的)、任何其它形态学名称、或其任何合适的组合。
可以将纳米结构化材料1946沉积在活性材料颗粒1900的表面上，以形成如图19(II)所示的改性的颗粒1940(例如，通过图13的工艺步骤1306所描述的)。纳米结构化材料1946可存在于活性材料1902的表面上。纳米结构化材料1946可以是任何合适的材料或材料组合，且可以具有任何合适的取向或取向分布。例如，在一些实施方案中，纳米结构化材料1946可以包括基本上平行于活性材料1902的表面布置的CNT阵列。在一些实施方案中，例如，纳米结构化材料1946可以包括基本上垂直于活性材料1902的表面布置的SiNW阵列。在一些实施方案中，纳米结构化材料1946可以包括多于一种材料。例如，在一些实施方案中，可以将ZnNW阵列沉积在活性材料1902上，并可以将CNT的阵列沉积在ZnNW阵列的上面。可以将任何合适数量的纳米结构化材料、纳米结构化材料的阵列、层、或其合适的组合以任何合适的顺序沉积在颗粒1900上以形成改性的颗粒1940。
可以将经改性的颗粒1940与其它经改性的颗粒、其它颗粒或二者进行组合，如图19(III)的改性颗粒集合1960所示的。改性颗粒集合1960可以包括改性颗粒1940和颗粒1970，其可以包括例如聚合物颗粒、活性材料颗粒、电子传导性颗粒(例如金属颗粒、CNT)、任何其它合适的颗粒或其任何合适的组合。经改性的颗粒集合1960可以是浆料，且可以包括液体试剂(图19中未示出)。经改性的颗粒集合1960可相对于未改性颗粒的集合具有改性的性能，例如增加的电子传导率、增加的导热率、增加的表面积、增加的颗粒间接触面积(例如图19的接触面积1968)、任何其它合适的性能或其组合。可以将改性颗粒集合1960包括在图11的流程图1100的浆料中。
图20显示了根据本发明的一些实施方案的与基材2006接触的电极部件2002的说明性侧面正视图。图21显示的是根据本发明的一些实施方案的从图20的线XXI-XXI截取的图20的元件的说明性俯视图。显示电极部件2002在界面2010处与基材2006接触。基材2006和电极部件2002可具有任何合适的形状、横截面形状、曲率(例如圆顶状的)、(层2006和2002任一个)的厚度、相对大小(基材和复合材料之间)、相对厚度(基材和复合材料之间中)、任何其它性能或其任何合适的组合。在一些实施方案中，电极部件2002可以包括上述在图11的工艺步骤1102和1104中讨论的浆料。在一些实施方案中，电极部件2002可以包括在上述图11的工艺步骤1106中讨论的经干燥的浆料。电极部件2002可以包括任何其它合适的材料、或任何合适的材料组合。
图22显示了根据本发明的一些实施方案的电极部件的几个说明性的部分横截面图。图22(I)显示了说明性电极部件2200的近视图，所述电极部件2200可以是可包括金属化泡沫体2204和基材2206的子组件。金属化泡沫体2204可包括可赋予多孔性的孔隙网络2210。在一些实施方案中，电极部件2200可以基本上相应于图11的流程图1100、图12的流程图1200、图14的流程图1400或图15的流程图1500的电极部件。在这个说明性的实例中，为了方便起见，图22(I)可以示出金属化泡沫体2204和基材2206之间的界面区域。
图22(II)显示了说明性的经涂覆的电极部件2220的近视图，所述电极部件2220可以是可包括金属化泡沫体2204和基材2206的子组件。涂层2222可以覆盖电极部件2200的一些表面，形成涂覆的电极部件2220。涂层2222可以包括任何合适的材料，例如Fe、Al、Al2O3、锰盐、镁盐、Si、任何其它合适的材料或其任何合适的组合，以帮助在活性材料颗粒上形成纳米结构。涂层2222可以基本上相应于图14的流程图1400或图15的流程图1500的涂层。如说明性的图22(II)中所示，涂层2202可以涂覆多于一个表面，包括外部表面(例如边界)和内部表面(例如沿着孔隙网络2210的表面)。
图22(III)显示了说明性的经改性的电极部件2240的近视图，所述改性的电极部件2240可以包括经涂覆的电极部件2220。可以将纳米结构化材料2248沉积在经涂覆的电极部件2220的一些表面上，形成改性的电极部件2240。纳米结构化材料2248的沉积可以基本上相应于图13的流程图1300、图14的流程图1400或图15的流程图1500中讨论的沉积步骤。纳米结构化材料2248可以包括任何合适类型的纳米结构化元件，包括例如纳米颗粒、纳米线、单壁或多壁纳米管、闭合的富勒烯、任何其它合适的纳米结构化元件、任何合适的纳米结构化复合元件或其任何合适的组合或阵列。尽管示出为基本上与经涂覆的电极部件2220的表面垂直，但纳米结构化材料2248可以包括具有任何合适的尺寸、形状、取向分布的纳米结构化元件。还应该理解，如图22所示的、三维多孔固体的说明性的示意性二维部分截面可能没有显示固体(或孔隙)的某些连通性，但是该连通性可依然存在。
应该理解，前述只是对本发明的原理的说明，可以由本领域技术人员进行各种修改而不脱离本发明的范围和精神。还应该理解，各种方向性和取向的术语，如“水平”和“垂直”、“顶”和“底”和“侧”、“长度”和“宽度”和“高度”和“厚度”、“内”和“外”、“内部”和“外部”等在本文中的使用都是仅仅为了方便，而不是将这些术语用作固定的或绝对的方向或取向限制。例如，本发明的装置，以及其各个部件可具有任何需要的取向。如果重新取向，则可能需要不同的方向性或取向术语来进行描述，但是并不会改变它们落入本发明的范围和精神的本质。本领域技术人员应该理解，可以通过不同于所述实施方案的方式来实践本发明，提供所述实施方案是为了说明而非限制，且本发明仅受限于下述的权利要求。

Claims (22)

1.形成电极的方法，所述方法包括：
将活性材料颗粒、电子传导性颗粒、和液体试剂组合以形成浆料，其中活性材料颗粒和电子传导性颗粒中的至少一种包括纳米结构化材料；
使浆料与电极部件接触；和
将浆料干燥以形成电极。
2.权利要求1的方法，其中所述的纳米结构化材料包括硅纳米线。
3.权利要求1的方法，其中所述活性材料颗粒包含磷酸铁锂(LiFePO4)颗粒。
4.权利要求1的方法，其中所述的纳米结构化材料包括碳纳米管。
5.一种方法，包括：
向活性材料颗粒的表面引入涂覆材料以形成涂覆的颗粒；和
从气相前体沉积纳米结构化材料到经涂覆的颗粒的表面上以形成改性的颗粒，
其中涂覆材料充当用于纳米结构化材料的沉积的催化剂。
6.权利要求5的方法，还包括：
将所述改性的颗粒、电子传导性材料、和液体试剂组合，并形成浆料；
使浆料与电极部件接触；和
干燥所述浆料以形成电极。
7.权利要求5的方法，其中所述的纳米结构化材料包括碳纳米管。
8.权利要求5的方法，其中所述的纳米结构化材料包括硅纳米线。
9.权利要求5的方法，其中所述的气相前体包含烃。
10.权利要求5的方法，其中所述的气相前体包含硅烷。
11.一种方法，包括：
向电极部件的一个或多个表面引入涂覆材料；和
从气相前体沉积纳米结构化材料到电极部件的一个或多个表面上，其中涂覆材料充当用于纳米结构化材料的沉积的催化剂。
12.权利要求11的方法，其中第二纳米结构化材料包含碳纳米管。
13.权利要求11的方法，其中第二纳米结构化材料包含硅纳米线。
14.权利要求11的方法，其中电极部件包含电子传导性泡沫体。
15.权利要求11的方法，其中电极部件包含电子传导性基材。
16.权利要求11的方法，其中电极部件包含活性材料。
17.权利要求11的方法，其中所述的气相前体包含烃。
18.权利要求11的方法，其中所述的气相前体包含硅烷。
19.通过如下的方法形成的电极，所述方法包括：
向电极部件的一个或多个表面引入涂覆材料；和
从气相前体沉积纳米结构化材料到电极部件的一个或多个表面上，其中涂覆材料充当用于纳米结构化材料的沉积的催化剂。
20.权利要求19的电极，其中所述方法还包括向电极部件引入活性材料。
21.通过如下方法形成的电极，所述方法包括：
向活性材料颗粒的表面引入涂覆材料以形成涂覆的颗粒；
从气相前体沉积纳米结构化材料到经涂覆的颗粒的表面上以形成改性的颗粒，其中涂覆材料充当用于纳米结构化材料的沉积的催化剂；
将改性的颗粒、电子传导性材料、和液体试剂组合，并形成浆料；
使浆料与电极部件接触；和
干燥所述浆料以形成与电极部件接触的基本固态层。
22.电极，包括：
不可渗透的电子传导性基材；
在所述电子传导性基材的一侧上提供的电子传导性网络；和
与所述电子传导性网络接触的活性材料，其中所述活性材料和电子传导性网络中的至少一种包含纳米结构化材料。
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