CN103959075A - 用于储能装置的核/壳结构的电极 - Google Patents
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Abstract
一种储能装置，其可包括至少一个如下的电极和电解质，所述电极包含多根与活性物质接触的并入碳纳米结构(CNS)的纤维。
Description
相关申请交叉参考
不适用。
关于联邦政府资助的研究或开发的声明
不适用。
技术领域
概括地，本发明涉及电极中，并且更特别地核/壳电极结构中的碳纳米结构。
背景技术
储能装置广泛地用于我们的经济的多个方面。作为非限制性实例，使用低容量电池作为诸如移动电话、笔记本计算机和便携式摄像机的小型电子装置的电源，而使用高容量电池作为用于驱动混合电动车辆等中的电机的电源。近来，用于可再生能源的电网规模的储能也需要快速存储和输送大量能量。由于在更大的电需求下结合电化学储能装置使用的装置变得更复杂，因此必须改进储能装置的特性。
储能装置的特征可在于其循环寿命和其充电-放电倍率。这些特性主要受储能装置的正电极和负电极影响。通常，储能装置的电极包括活性物质和集电器。活性物质在充电和放电期间经历化学反应，例如离子的还原或氧化，而集电器在活性物质与其各自端子之间传输电子。此外，在正电极与负电极之间，电解质介导(mediate)例如锂离子的离子的迁移。
活性物质和集电器的组成和构造影响电极的特性。储能装置的充电和放电倍率尤其取决于电极的电阻和离子扩散速率。诸如LiFePO4、V2O5的许多高容量电极材料具有高电阻和低离子扩散速率。已经将电极材料的纳米粒子并入电极中以缓解这个问题。通常通过混合纳米粒子与常规导电添加剂来制备电极。纳米粒子用以缩短离子扩散路径，从而增加离子扩散速率。为确保纳米粒子与导电添加剂充分接触，添加剂的量必须高，这不可避免地降低电极的比容量。
随着电极继续进行充电和放电循环的进程，电极在离子的吸收和解吸期间膨胀和收缩。膨胀和收缩导致活性物质与其集电器之间的接触减少或损失。这些不利效应导致循环寿命显著缩短。为克服与此类机械劣化有关的问题，已经提出数种方法，包括使用纳米级粒子作为活性物质。然而，大多数现有技术复合电极具有缺陷，如可逆容量不那么令人满意、循环稳定性差、不可逆容量高和不能有效地降低诸如锂离子嵌入和提取循环的充电/放电循环期间的内应力或应变。
鉴于上述内容，具有更高充电-放电倍率和延长的循环寿命的电极结构，将在本领域中在实质上有利。本发明满足这个需要并且还提供相关优点。
发明内容
概括地，本文中公开的实施方案涉及用于储能装置中的核/壳电极结构中的碳纳米结构。
在特定实施方案中，储能装置具有至少一个如下的电极和电解质，所述电极包括多根与活性物质接触的并入碳纳米结构(CNS)的纤维。
在特定实施方案中，储能装置具有多个正电极、多个负电极和电解质。所述正电极的至少一个和/或所述负电极的至少一个包括与活性物质接触的并入CNS的纤维。
在特定实施方案中，电极具有与活性物质接触的并入CNS的纤维。
在特定实施方案中，制造核/壳电极结构的方法包括，提供并入CNS的纤维，并向所述并入CNS的纤维施加活性物质，以在所述活性物质与所述并入CNS的纤维之间产生多个接触点。
上述内容相当宽泛地概述了本发明的特征，以便可更好地理解随后的发明详述。下文将描述本发明的构成权利要求主题的其它特征和优点。
附图说明
为更全面地理解本发明和其优点，现在将结合描述本发明具体实施方案的附图参照下文的说明，其中：
图1A-1C显示电子可行进通过双连续集电器的路径的非限制性实例。
图2显示核/壳电极结构的非限制性实例。
图3显示具有堆叠架构的储能装置的非限制性实例。
图4显示具有滚压架构的储能装置的组件的非限制性实例。
图5A-5B显示具有掺杂(intermingled)纤维架构的储能装置的非限制性实例。
图6显示并入CNS的碳纤维的扫描电子显微照片。
图7显示碳纤维上并入CNS的扫描电子显微照片。
图8显示碳纤维上并入CNS的扫描电子显微照片，已经将活性物质电沉积在CNS上。
发明详述
本发明部分地涉及用于储能装置的核/壳电极结构中的碳纳米结构。
如本文中所使用的，术语“电化学储能装置”或“储能装置”指可充电和可放电的电力存储单元。电存储装置的非限制性实例包括电容器、超级电容器(ultracapacitor)、超电容器(supercapacitor)、赝电容器、电池、低容量二次电池、高容量二次电池、超级电容器-电池混合体、赝电容器-电池混合体和储能电池。
如本文中所使用的，术语“碳纳米结构”(CNS，复数是CNSs)指在至少一个维度上小于约100纳米并且基本上由碳制成的结构。碳纳米结构可包括石墨烯、富勒烯、碳纳米管、竹状碳纳米管、碳纳米角(nanohorn)、碳纳米纤维、碳量子点等。此外，CNS可作为CNS的缠绕和/或互连网状结构存在。互连网状结构可含有以树枝状方式从其它CNS分支的CNS。互连网状结构还可含有在CNS之间的桥连，作为非限制性实例，碳纳米管的侧壁的至少一部分可与另一个碳纳米管共有。
如本文中所使用的，术语“石墨烯”指主要具有sp2杂化碳的单层或少数层(例如，少于10层)二维碳片材。在本文中所述的实施方案中，除非另外注明，否则术语石墨烯的使用不应解释为受限于石墨烯的任何特定形式。
如本文中所使用的，术语“碳纳米管”指富勒烯家族的碳的许多种圆柱形同素异形体中的任何物质，包括单壁碳纳米管(SWNT)、双壁碳纳米管(DWNT)和多壁碳纳米管(MWNT)。碳纳米管可由富勒烯类结构封端或为末端开口的。碳纳米管可包括包封其它材料的那些。
如本文中所使用的，术语“基底”旨在包括通过其可合成CNS的任何材料，并且可包括但不限于碳纤维、石墨纤维、纤维素纤维、玻璃纤维、金属纤维(例如，钢、铝等)、金属性纤维、陶瓷纤维、金属性-陶瓷纤维、聚合物纤维(例如，尼龙、聚乙烯、芳族聚酰胺等)或包含其组合的任何基底。所述基底可包括例如以纤维束(通常具有约1000根到约12,000根纤维)排列的纤维或丝，以及平面基底，例如织物、条带或其它纤维阔绸(broadgood)(例如，纱、垫等)，和通过其可合成CNS的材料。
如本文中所使用的，术语“并入的”(infused)是指以化学方式或以物理方式结合，并且“并入”(infusion)是指结合的过程。CNS被“并入”基底的具体方式被称为“结合式样”(bonding motif)。
核/壳电极结构通常包含与活性物质接触的并入CNS的纤维。接触可涉及涂层、并入CNS的纤维的CNS中嵌入的粒子、并入CNS的纤维的CNS上的粒子或其任何组合，其非限制性实例显示于图2中。不受限于理论或机制，并入CNS的纤维用作电极的双连续集电器。并入CNS的纤维的CNS部分以增加的表面积和较高的导电性提供与活性物质的更充分接触。此外，在其中并入CNS的纤维的CNS部分缠绕的一些实施方案中，CNS可用以在活性物质与其各自端子之间传输电子。并入CNS的纤维的纤维部分提供强度、柔性和在一些实施方案中用于在双连续集电器内传输电子的主要管道。本文中所讨论的核/壳电极结构有利地提供更高的充电-放电倍率和延长的循环寿命，同时还提供柔性和机械强度，其可转变为具有独特的结构性质的电极。
图1A-1C显示电子可行进通过双连续集电器的路径的非限制性实例。电子路径取决于CNS的排列和上面并入CNS的纤维两者。如图1B和图1C中所示的，形成连续网状结构的CNS容许电子从CNS传递到CNS和从CNS传递到纤维。如图1A中所示的，形成不连续网状结构的CNS容许电子从CNS传递到纤维。在一些实施方案中，CNS网状结构可为连续的和不连续的。如图1A和图1B中所示，诸如铜或铝的导电纤维材料容许电子沿纤维的纵轴传递。如图1C中所示，诸如玻璃的绝缘纤维材料基本上阻止电子沿纤维的纵向流动。在此类实施方案中，如图1C中所示，电子流将通过连续或基本上连续的CNS网状结构。
并入CNS的纤维的实例和制造方法可参见美国专利申请公开2010/0159240，标题为“CNT-Infused Metal Fiber Materials and ProcessThereof”(并入CNS的金属纤维材料和其方法)；2010/0178825，标题为“CNT-Infused Carbon Fiber Materials and Process Thereof”(并入CNS的碳纤维材料和其方法)；和2011/0171469，标题为“CNT-InfusedAramid Fiber Materials and Process Thereof”(并入CNS的芳族聚酰胺纤维材料和其方法)；和美国专利申请12/611,103，标题为“CNT-InfusedCeramic Fiber Materials and Process Thereof”(并入CNS的陶瓷纤维材料和其方法)，所述专利的全部公开内容以引用的方式并入本文中。在一些实施方案中，并入CNS的纤维的CNS从纤维的纵轴径向对齐。应注意，术语“径向地”并不意味着所有CNS均偏离纤维的纵轴90°，其是从纤维向外延伸的定向，而不是与纤维的纵轴对齐。
CNS的性质可影响双连续集电器的性质。在一些实施方案中，CNS可从纤维的表面延伸约100nm或更大，约500nm或更大，约1微米或更大，约5微米或更大，或约50微米或更大。本领域普通技术人员根据本发明的技术效果将理解，从纤维的表面延伸更远的CNS可为有益的，其中上限超过约100微米。在一些实施方案中，CNS可包括CNT。尽管优选较小直径的CNT，但直径超过约100nm是可接受的。
并入纤维中的CNS的量也可影响双连续集电器的性质。在一些实施方案中，纤维表面上CNS的密度或覆盖CNS(与CNS直接接触)的纤维表面的百分比可在约1％到约95％的范围内。在一些实施方案中，并入CNS的纤维所具有的CNS的量以CNS对纤维的重量计可在约1％到约80％的范围内。
适合并入的纤维可包括但不限于碳纤维、玻璃纤维、金属纤维、陶瓷纤维、聚合物(例如，芳族聚酰胺)纤维、玻璃上的陶瓷或其任何组合。碳纤维材料的实例包括但不限于碳丝、碳纤维纱线、碳纤维束、碳条带、碳纤维编织物、梭织碳织物、非梭织碳纤维垫、碳纤维股线和其它3D梭织结构。
在本发明的一些方面中，可将许多种初级纤维材料结构组织成织物或片材状结构。这些包括例如梭织碳织物、非梭织碳纤维垫和碳纤维股线，和条带。这样的更高度有序的结构可从母束、纱线、丝等组装，其中，CNS已经或尚未并入母纤维中。
正电极活性物质可包括但不限于纯元素(硫)、有机化合物和/或无机化合物，如过渡金属氧化物、锂与过渡金属的复合氧化物、金属的亚硫酸盐、磷酸盐、硫酸盐或其任何组合。适合的有机化合物可包括但不限于聚苯胺、聚吡咯、多并苯、二硫化物系统化合物、多硫化物系统化合物、N-氟吡啶盐或其任何组合。适合的过渡金属氧化物可包括但不限于Li、Fe、Co、Ni、Ru和Mn的氧化物(例如，MnOx、V2O5、V6O13、V2O5、RuOx、TiO2)；或其任何组合。适合的锂与过渡金属的复合氧化物可包括但不限于镍酸锂、钴酸锂、锰酸锂、LiCoO2、LiNiO2、LiMnO3、LiMn2O3、LiMnO2、LiV3O8、LiFe3O4、Cu2V2O7、LiNi1-xMxO2(其中，M＝Co、Mn、Al、Cu、Fe、Mg、B或Ga，并且x＝0.01到0.3)、LiMn2-xMxO2(其中，M＝Co、Ni、Fe、Cr、Zn或Ta，并且x＝0.01到0.1)、Li2Mn3MO8(其中，M＝Fe、Co、Ni、Cu或Zn)、LiFePO4、AgxNiYO(其中，X/Y小于1但不小于0.25)，或其任何组合。适合的金属硫化物可包括但不限于TiIS2、FeS、MoS2、Li2S或其任何组合。
负电极活性物质可包括但不限于含有最小限度杂质的纯元素(例如，碳、硅和锗)、碳混合物、导电聚合物、氧化物、硫酸盐或其任何组合。适合的碳可包括但不限于石墨和焦炭。适合的碳混合物可包括但不限于与金属、金属盐、氧化物或其任何组合混合的碳。适合的导电聚合物可包括但不限于聚乙炔。适合的氧化物和硫酸盐可包括但不限于硅、锡、锌、锰、铁、镍、钒、锑、铅、锗和/或锂的氧化物和硫酸盐(例如，SnO、SiSnO3、SnO2、PbO、PbO2、Pb2O3、Pb3O4、Sb2O3、Sb2O4、Sb2O5、GeO、GeO2、Bi2O3、Bi2O4、Bi2O5、LiNiVO4、LiCoVO4、LiNiO2、Li0.95NiOz、LiNi0.9Co0.1Oz、LiNi0.98V0.02Oz、LiNi0.9Fe0.1Oz、LiNi0.95Mn0.05Oz、LiNi0.97Ti0.03Oz、LiNi0.97Cu0.030Oz、LiMn2O4、Li0.95Mn2Oz、LiMn1.8Co0.1Oz、LiMn0.9Fe0.1Oz、LiMn0.97Ti0.03Oz和LiMn0.97Cu0.03Oz，其中，z为1.7到2.3)；锂过渡金属氮化物；煅烧的碳质材料；尖晶石化合物(例如，TiS2、LiTiS2、WO2和LixFe(Fe2O4)，其中，x为0.7到1.3)；Fe2O3的锂化合物；Nb2O5；铁氧化物(例如，FeO、Fe2O3和Fe3O4)；钴氧化物(例如，CoO、Co2O3和Co3O4)等；或其任何组合。
在并入CNS的纤维与活性物质之间形成接触可包括用活性物质涂覆并入CNS的纤维。如本文中所使用的，术语“涂层”等并不意味着任何特定的涂覆程度。具体地，术语“涂覆(coat)”或“涂层(coating)”并不意味着被涂层100％覆盖。在一些实施方案中，涂层可大于约1nm。本领域普通技术人员根据本发明的技术效果将理解，涂层的厚度可取决于活性物质和并入CNS的纤维的特性具有任何可操作的上限。此外，本领域普通技术人员应理解，尽管可操作过厚的涂层，但它们可降低本文中所讨论的核/壳电极结构的益处。在一些实施方案中，涂层的厚度可在约1nm到约10微米、约1nm到约1微米、约10nm到约1微米、或约1nm到约100nm的范围内。
在并入CNS的纤维与活性物质之间形成接触可包括位于CNS上和/或嵌入CNS网状结构中的粒子。活性物质的粒子可具有任何形状，包括但不限于球形和/或卵形、基本上球形和/或卵形、圆盘状和/或板状、片状、带状、针状、纤维状、多边形(例如立方形)、无规形状(例如碎石形状)、有小平面的(例如晶体形状)或其任何混合。粒子的尺寸在至少一个维度上可在约1nm到约100微米、1nm到约10微米、约1nm到约1微米、约10nm到约1微米、或约1nm到约100nm的范围内。粒子可为具有不同组成、尺寸、形状、微结构、晶体结构或其任何组合的粒子的混合物。
并入CNS的纤维与活性物质(涂层和/或粒子)之间的接触可通过以下方式实现：浸涂、涂抹、洗涤、喷施、雾化、溅射、基于化学反应的沉积、电化学沉积、化学气相沉积、物理气相沉积或其任何组合。在一些实施方案中，可在并入CNS的纤维的制造期间施加涂层。在一些实施方案中，涂层可在后制造方法中施加。在一些实施方案中，可以以粒子形式、作为流体、在悬浮液中、作为悬浮液中的前体或其任何组合施加活性物质。应注意，术语“悬浮液”包括溶液。
在一些实施方案中，所述活性物质可具有与电解质接触的高表面积。在一些实施方案中，所述表面积可在约0.1m2/g到约500m2/g、约1m2/g到约500m2/g、约10m2/g到约500m2/g、或约10m2/g到约250m2/g的范围内。
活性物质相对于并入CNS的纤维可具有数种空间排列，例如，沿纤维的纵轴周期性地、多于一种活性物质存在于沿纤维轴的交替涂层中、多于一个涂层在并入CNS的纤维上(包括在仅并入CNS的纤维的部分上存在多个涂层)、在纤维远侧的CNS的末端处、嵌入CNS之间、嵌入CNS之间直到纤维的表面，或其任何组合。
在一些实施方案中，可将CNS官能化以增强活性物质与CNS之间的接触。一些实施方案可涉及共价官能化和/或非共价官能化，例如，π-堆叠、物理吸着、离子缔合、范德华缔合等。适合的官能团可包括但不限于如下的基团，其包含胺(1°、2°或3°)、酰胺、羧酸、醛、酮、醚、酯、过氧化物、甲硅烷基、有机硅烷、烃、芳族烃或其任何组合；聚合物；螯合剂，如乙二胺四乙酸盐、二乙三胺五乙酸、三(羧乙)胺(triglycollamic acid)和包含吡咯环的结构；或其任何组合。本领域普通技术人员应理解，官能化可降低CNS的导电性，因此，官能化程度应提供CNS与活性物质之间的接触的必要增强，同时保持CNS的必要的导电性。
尽管本文中所述的核/壳电极结构可用于形成诸如棒和盘的标准电极构造，但核/壳电极结构有利地为柔性的，同时具有高机械强度，这使得电极可具有梭织或非梭织织物构造、缠绕构造、条带构造等。电极构造可为单个核/壳电极结构；对齐、缠绕、梭织、编织、缠结等或其任何组合的多个核/壳电极结构；或与已知电极结合的单个或多个核/壳电极结构。
在一些实施方案中，包含与活性物质接触的并入CNS的纤维的核/壳电极可包括在储能装置中。通常，储能装置可包括正电极、负电极和位于其间的电解质。储能装置还可包括连接到正电极的正端子和连接到负电极的负端子。储能装置还可包括位于电解质中的隔膜，以便有助于离子在正电极与负电极之间的流动。
电解质可处于固体、液体(水性和/或非水性)、糊剂等的形式。适合的电解质可包含盐，如硼酸盐、锂盐、钠盐、镁盐、铁盐和铋盐(例如，LiClO4、LiBF4、LiPF6、LiCF3SO3、LiC4F9SO3、LiN(CF3SO2)、LiCF3CO2、LiAsF6、LiSbF6、LiB10Cl10、Li(1,2-二甲氧基乙烷)2ClO4、低级脂肪酸的锂盐、LiAlO4、LiAlCl4、LiCl、LiBr、LiI、氯硼烷锂(chloroboran lithium)、四苯基硼酸锂、BiSO4HSO4)；固体电解质，其含有诸如Li3PO4、Li4SiO4和Li2SO4的锂化合物；向上述盐中的任何盐中添加的聚氧化乙烯；有机固体电解质，如聚乙烯衍生物、聚氧化乙烯衍生物、聚氧化丙烯衍生物、磷酸酯聚合物、聚搅动赖氨酸(polyagitation lysine)、聚酯硫化物、聚乙烯醇、聚偏二氟乙烯和含有离子离解基团的聚合物；其任何衍生物；等；或其任何组合。作为非限制性实例，非水性液体可为在质子惰性有机溶剂中的电解质，所述溶剂包括但不限于碳酸亚乙酯、碳酸亚丙酯、碳酸亚丁酯、碳酸二甲酯、碳酸乙酯甲酯、碳酸二乙酯、丙酸甲酯、丙酸乙酯、γ-丁内酯、1,2-二甲氧基乙烷、四氢呋喃、2-甲基四氢呋喃、二甲亚砜、1,3-二氧戊环、甲酰胺、二甲基甲酰胺、二氧戊环、乙腈、硝基甲烷、磷酸三酯、三甲氧基甲烷、二氧戊环衍生物、环丁砜、3-甲基-2-唑烷酮、碳酸亚丙酯衍生物、四氢呋喃衍生物、乙醚、1,3-丙磺酸内酯、离子液体(例如四氟硼酸甲基咪唑)、其任何质子惰性衍生物和其任何混合物。
隔膜的孔径可为约0.01微米到约10微米，并且厚度可为约5微米到约300微米。隔膜可为由具有耐化学性和疏水性的以下材料制成的片材或非梭织织物：烯烃聚合物，例如聚丙烯，纤维素和改性纤维素，聚酰亚胺，玻璃纤维或聚乙烯，或其任何组合。当使用诸如聚合物的固体电解质时，该固体电解质还可作为隔膜和电解质两者，其可包括但不限于聚(氧化乙烯)、聚(偏二氟乙烯)、(基于磺化的四氟乙烯的氟聚合物-共聚物，可从DuPont购得)、磺化和磷酸化的聚合物，或其任何组合。
在一些实施方案中，储能装置可包括本文中所述的任何结构的核/壳电极作为至少一些负电极、至少一些正电极或其任何组合。当并非储能装置的所有电极均为所述核/壳电极时，本领域普通技术人员已知的任何其它电极结构和/或构造可与本文中所述的任何结构和/或构造的核/壳电极结合使用。作为非限制性实例，其它电极结构可包括活性物质的织物、片材、网状物、纤维、线材等，厚度和/或直径为约1nm到约10mm。
储能装置可具有本领域普通技术人员已知的正电极、负电极和电解质的任何架构。作为非限制性实例，储能装置的电极可处于如下形式中：堆叠架构、滚压架构、掺杂纤维架构、其任何混合或其任何组合中。此外，储能装置可包括单极和/或双极构造的电极。
作为非限制性实例，图3显示具有堆叠架构的储能装置300。由金属制成的箱体320在其底部具有绝缘体330。电极的组合件310容纳在圆柱形箱体320中，以使包括按如下顺序堆叠的正电极312、隔膜314和负电极316的条状层压体成螺旋形缠绕，其中隔膜布置在电极组合件310的最外侧。箱体320填充有电解质。将中心处具有开口的一片绝缘纸322布置在放置于箱体320中的电极组合件310的上方。将绝缘密封板324安置在箱体320的上部开口处，并且通过向内堵住箱体320的上部开口部分而密封固定到箱体320。将正电极端子326安装在绝缘密封板324的中心开口中。正电极引线328的一端连接到正电极312，并且其另一端连接到正电极端子326。负电极316经由负引线(未显示)连接到作为负端子的箱体320。
作为非限制性实例，图4显示具有滚压架构的储能装置的一部分。将正电极412、负电极416和隔膜414按正电极412、隔膜414、负电极416和隔膜414的顺序滚压，并缠绕在主轴440上，由此形成储能装置400。这时，在滚压架构400中，将正电极412和负电极416缠绕，以使正电极412的条状引线418聚集在滚压架构400的一侧，并且负电极416的条状引线418聚集在滚压架构400的另一侧。为形成储能装置，可将滚压架构400放置在含有电解质溶液的壳体中，并正确地连接到正端子和负端子。
掺杂纤维架构通常包括多个在正电极与负电极之间掺杂的细长电极。掺杂纤维架构可包括但不限于缠绕电极、交织电极(以期望的图案或无规地)、交错电极、交替电极等。在一些实施方案中，所有正电极或一些正电极可为核/壳电极结构。在一些实施方案中，所有负电极或一些负电极可为核/壳电极结构。
作为非限制性实例，图5B显示具有掺杂纤维架构的储能装置500，所述掺杂纤维架构具有交替电极。图5A显示具有固体电解质514的涂层的正电极512和负电极516的结构。可将所述电极附接到对应的正电极端子526和负电极端子530。然后可将电极/电极端子对集成到视需要具有箱体520和另外固体电解质514的储能装置500中。可根据本领域普通技术人员的需要和了解集成其它组件。此外，本领域普通技术人员应认识到，图5B中绘示的任一电极可与不包含核/壳电极构造的电极互换。
在一些实施方案中，本文中所公开的任何实施方案的储能装置可为另一个装置的组件和/或可操作地连接到另一个装置，包括但不限于传感器、小型电子装置、移动电话、笔记本计算机、照相机、便携式摄像机、音频播放器、混合电动车辆、电网等。在一些实施方案中，本文中所公开的任何实施方案的储能装置可以可操作地连接到能量产生和/或收集装置，包括但不限于光生伏打装置、风力涡轮机、燃料电池、液流电池等。
应注意，尽管本发明的一些实施方案涉及可再充电和可放电数个循环的储能装置，但电极、电极构造、储能装置架构等可适于一次存储装置，如一次性使用的电池。
在一些实施方案中，储能装置可包括至少一个包含多根与活性物质接触的并入CNS的纤维的电极和电解质。
在一些实施方案中，储能装置可包括多个正电极、多个负电极和电解质。所述正电极中的至少一个和/或所述负电极中的至少一个可包括与活性物质接触的并入CNS的纤维。
在一些实施方案中，电极可包括与活性物质接触的并入CNS的纤维。
在一些实施方案中，制造核/壳电极结构的方法可包括向并入CNS的纤维施加活性物质，以在活性物质与并入CNS的纤维之间产生多个接触点。
具体实施方式
应理解，此处所提供本发明定义内还包括不实质上影响本发明各实施方案的功能的改变。因此，以下实施例旨在示例而不是限制本发明。
实施例1研究在并入CNS的碳纤维上沉积聚吡咯。将并入CNS的碳纤维连续进给到含有0.05M吡咯并且以KCl作为支持电解质的沉积浴中。随着并入CNS的纤维通过沉积浴，相对于对电极，正电位施加到纤维束，从而使得吡咯在CNS的表面上聚合。在沉积浴中处理之后，冲洗并入CNS的纤维以去除过量的吡咯和盐，然后干燥，并且最后缠绕到收集轴上。图6和图7是并入CNS的碳纤维在聚吡咯沉积之前的扫描电子显微照片。并入CNS的碳纤维的外径为约180微米，其中，CNS包括最初具有小于50(sub-50)微米的直径的碳纳米管。图8是并入CNS的碳纤维在聚吡咯沉积之后的扫描电子显微照片。在这个实施例中，如由直径增加和形态改变所证实的，聚吡咯沉积在CNS上，同时保持与聚吡咯沉积之前的CNS结构相似的结构。此类结构的有利之处在于，活性物质的表面积可高于相同材料的片材或固体电极的表面积。
应理解，上述实施方案仅为示例本发明，并且本领域普通技术人员可在不背离本发明范围的情况下设想出上述实施方案的许多变体。例如，在本说明书中，提供许多具体细节以全面地描述和理解本发明的示例性实施方案。然而，本领域普通技术人员应认识到，能够在缺少一个或多个那些细节的情况下或在使用其它方法、材料、组件等的情况下实施本发明。
此外，在一些情况下，未详细显示或描述公知的结构、材料或操作，以避免模糊示例性实施方案的方面。应理解，图中所示的各个实施方案为示例性的，并且不一定按比例绘制。在通篇说明书中，提及“一个实施方案”或“一种实施方案”或“一些实施方案”，是指结合一个或多个实施方案描述的特定特征、结构、材料或特性包括在本发明的至少一个实施方案中，但不一定包括在所有实施方案中。因此，在通篇说明书中在不同位置出现的短语“在一个实施方案中”、“在一种实施方案中”或“在一些实施方案中”不一定全部指示相同的实施方案。此外，特定特征、结构、材料或特性能够以任何适合的方式在一个或多个实施方案中组合。因此，这样的变体旨在被包括在下文的权利要求书和其等效内容的范围内。
Claims (36)
1.一种储能装置，其包括：
至少一个如下的电极，其包含多根与活性物质接触的并入碳纳米结构(CNS)的纤维；和
电解质。
2.根据权利要求1所述的储能装置，其中所述并入CNS的纤维包含至少一种如下的纤维，其选自碳纤维、金属纤维、陶瓷纤维、玻璃纤维、有机纤维、玻璃上的陶瓷纤维和其任何组合。
3.根据权利要求1所述的储能装置，其中所述并入CNS的纤维包含多个从纤维径向延伸的CNS。
4.根据权利要求1所述的储能装置，其中所述并入CNS的纤维中的至少一些被构造成至少一种如下的方式，其选自对齐、缠绕、梭织、编织、缠结和其任何组合。
5.根据权利要求1所述的储能装置，其中所述活性物质是基本上涂覆单独的并入CNS的纤维的壳。
6.根据权利要求1所述的储能装置，其中所述活性物质是多个与单独的并入CNS的纤维接触的微粒。
7.根据权利要求1所述的储能装置，其中所述至少一个电极是至少一个如下的正电极和至少一个如下的负电极，所述正电极包含第一多根与第一活性物质接触的并入碳纳米结构(CNS)的纤维，所述负电极包含第二多根与第二活性物质接触的并入碳纳米结构(CNS)的纤维。
8.根据权利要求1所述的储能装置，其还包括正电极，并且其中所述至少一个电极是负电极。
9.根据权利要求1所述的储能装置，其还包括负电极，并且其中所述至少一个电极是正电极。
10.根据权利要求1所述的储能装置，其中以堆叠架构的方式构造所述多个电极。
11.根据权利要求1所述的储能装置，其中以滚压架构的方式构造所述多个电极。
12.根据权利要求1所述的储能装置，其还包括：
隔膜。
13.根据权利要求1所述的储能装置，其中所述电解质是固体电解质。
14.根据权利要求1所述的储能装置，其中所述储能装置选自电容器、超级电容器、赝电容器、电池、低容量二次电池、高容量二次电池、超级电容器-电池混合体、赝电容器-电池混合体和储能电池。
15.根据权利要求1所述的储能装置，其中所述储能装置被可操作地连接到选自光生伏打装置、风力涡轮机和燃料电池的至少一者。
16.一种装置，其包括根据权利要求1所述的储能装置。
17.根据权利要求16所述的装置，其中所述装置选自传感器、小型电子装置、移动电话、笔记本计算机、照相机、便携式摄像机、音频播放器和混合电动车辆。
18.一种储能装置，其包括：
多个正电极；
多个负电极；和
电解质，
其中所述正电极中的至少一个和/或所述负电极中的至少一个包含与活性物质接触的并入碳纳米结构(CNS)的纤维。
19.根据权利要求18所述的储能装置，其中所述并入CNS的纤维包含至少一种如下的纤维，其选自碳纤维、金属纤维、陶瓷纤维、玻璃纤维、有机纤维、玻璃上的陶瓷纤维和其任何组合。
20.根据权利要求18所述的储能装置，其中所述并入CNS的纤维包含多个从纤维径向延伸的CNS。
21.根据权利要求18所述的储能装置，其中所述并入CNS的纤维是多根如下的并入CNS的纤维，其被构造成至少一种如下的方式，其选自对齐、缠绕、梭织、编织、缠结和其任何组合。
22.根据权利要求18所述的储能装置，其中所述活性物质是基本上涂覆所述并入CNS的纤维的壳。
23.根据权利要求18所述的储能装置，其还包括：
隔膜。
24.根据权利要求18所述的储能装置，其中所述电解质是固体电解质。
25.根据权利要求18所述的储能装置，其中所述储能装置选自电容器、超级电容器、赝电容器、电池、低容量二次电池、高容量二次电池、超级电容器-电池混合体、赝电容器-电池混合体和储能电池。
26.根据权利要求18所述的储能装置，其中所述储能装置被可操作地连接到选自光生伏打装置、风力涡轮机和燃料电池的至少一者。
27.一种装置，其包括根据权利要求18所述的储能装置。
28.根据权利要求27所述的装置，其中所述装置选自传感器、小型电子装置、移动电话、笔记本计算机、照相机、便携式摄像机、音频播放器和混合电动车辆。
29.一种电极，其包含：
与活性物质接触的并入碳纳米结构(CNS)的纤维。
30.根据权利要求29所述的电极，其中所述并入CNS的纤维包含至少一种如下的纤维，其选自碳纤维、金属纤维、陶瓷纤维、玻璃纤维、有机纤维、玻璃上的陶瓷纤维和其任何组合。
31.根据权利要求29所述的电极，其中所述并入CNS的纤维包含多个从纤维径向延伸的CNS。
32.根据权利要求29所述的电极，其中所述并入CNS的纤维是多根如下的并入CNS的纤维，其被构造成至少一种如下的方式，其选自对齐、缠绕、梭织、编织、缠结和其任何组合。
33.根据权利要求29所述的电极，其中所述活性物质是基本上涂覆所述并入CNS的纤维的壳。
34.一种制造核/壳电极结构的方法，所述方法包括：
向并入碳纳米结构(CNS)的纤维施加活性物质，以在所述活性物质与所述并入CNS的纤维之间产生多个接触点。
35.根据权利要求34所述的方法，其中施加涉及选自浸涂、涂抹、洗涤、喷施、雾化、溅射、电化学沉积和其任何组合的至少一者。
36.根据权利要求34所述的方法，其中所述活性物质处于如下的形式中，其选自多个粒子、流体、在悬浮液中、作为悬浮液中的前体和其任何组合。
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