JP2020021736A - Hybrid energy storage device including supporting filament - Google Patents

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Abstract

To provide an electrode that suppresses breakage due to structural stress due to large body expansion during lithiation.SOLUTION: An electrode includes a conductive substrate, and an output enhancing material that is disposed on the conductive substrate, and includes carbon, an intercalation material that is interspersed with the carbon and that reversibly adsorbs charge carriers within a bulk of the intercalation material, and a plurality of surface effect dominant sites for intercalating the charge carrier into the intercalation material.SELECTED DRAWING: Figure 1A

Description

関連出願の相互参照
本出願は
2013年2月27日出願の米国非仮特許出願第13/779,409号の一部継続出
願、
2012年12月21日出願の米国非仮特許出願第13/725,969号の一部継続
出願であり、また、
2012年7月 3日出願の米国仮特許出願第61/667,876号、
2012年7月30日出願の米国仮特許出願第61/677,317号、
2013年3月29日出願の米国仮特許出願第61/806,819号及び
2013年1月14日出願の米国仮特許出願第61/752,437号
の恩典及び優先権を主張する。
本出願は、さらに、すべて2013年3月26日出願の米国非仮特許出願第13/77
9,472号、同第13/779,522号、及び同第13/779,571号に関連す
る。
CROSS REFERENCE TO RELATED APPLICATIONS This application is a continuation-in-part of U.S. Non Provisional Patent Application No. 13 / 779,409, filed February 27, 2013,
A continuation-in-part of U.S. Non Provisional Patent Application No. 13 / 725,969, filed December 21, 2012;
US Provisional Patent Application No. 61 / 667,876, filed July 3, 2012,
US Provisional Patent Application No. 61 / 677,317, filed July 30, 2012,
Claim the benefits and priority of U.S. Provisional Patent Application No. 61 / 806,819, filed March 29, 2013 and U.S. Provisional Patent Application No. 61 / 752,437, filed January 14, 2013.
This application is further subject to U.S. Non-Provisional Patent Application No. 13/77, all filed on March 26, 2013.
9,472, 13 / 779,522 and 13 / 779,571.

上述したすべての米国仮特許出願及び米国非仮特許出願の開示は参照によって本明細書
に組込まれるものとする。
The disclosures of all U.S. provisional and non-provisional patent applications mentioned above are incorporated herein by reference.

本発明は、限定しないが、電池、キャパシタ及び燃料電池を含むエネルギー貯蔵デバイ
ス分野に関する。
The present invention relates to the field of energy storage devices, including but not limited to batteries, capacitors and fuel cells.

再充電可能なリチウムイオン電池は、携帯電子機器、電動工具、及び未来の電気自動車
における電源のための重要な電気的エネルギー貯蔵デバイスである。固有エネルギー容量
、充電/放電速度、及びサイクル稼働寿命を向上させることはより広い用途にとって重要
である。
Rechargeable lithium-ion batteries are important electrical energy storage devices for power supplies in portable electronics, power tools, and future electric vehicles. Improving intrinsic energy capacity, charge / discharge rate, and cycle operating life is important for wider applications.

現在市販されているリチウムイオン電池においては、黒鉛又は他の炭素質材料をアノー
ド(負極)として使用し、このアノードは、完全にインターカレートされたLiC化合
物を形成することにより372mAh/gの理論的容量限界を有する。これに対し、シリ
コンは、完全にインターカレートされた合金Li4.4Siを形成することにより4,2
00mAh/gの相当高い理論比容量(比湧出量)を有する。しかし、〜300〜400
%にも達するリチオ化されたSiの大きな体膨張は大きな構造的応力を生じ、過去には必
ず破損及び機械的故障に至り、このことが従来Siアノードの寿命を大きく制限していた
In lithium ion batteries that are currently commercially available, using a graphite or other carbonaceous material as an anode (negative electrode), the anode of 372 mAh / g by forming fully LiC 6 compound intercalated Has a theoretical capacity limit. On the other hand, silicon forms 4,2 by forming a fully intercalated alloy Li 4.4 Si.
It has a considerably high theoretical specific capacity (specific output) of 00 mAh / g. However, ~ 300-400
The large volume expansion of lithiated Si, which can be as high as 10%, results in large structural stresses, which in the past have always led to breakage and mechanical failure, which has severely limited the life of Si anodes in the past.

幾つかの実施形態において、電力貯蔵デバイスは、非晶質シリコン層で同軸状に被覆し
た垂直方向整列カーボンナノファイバ(VACNFs:vertically aligned carbon nanof
ibers)のアレイを組込むことにより、高性能リチウムイオンアノードにおけるハイブリ
ッドコア殻NW(ナノワイヤ)を有する。垂直方向整列CNFは、多重壁付きカーボンナ
ノチューブ(MWCNTs:multiwalled carbon nanotubes)を有し、このMWCNTsは
、随意的にDCバイアスをかけたプラズマ化学蒸着(PECVD:plasma chemical vapo
r deposition)プロセスを用いてCu基板上に成長させる。この方法で成長させたカーボ
ンナノファイバ(CNFs)は一般的なMWCNTs及び従来の固体カーボンナノファイバ
の中空構造とは異なるどくじの内部形態を有することができる。際立った特性の1つは、
これらCNFsは、随意的にほぼ中空中心チャネルに沿って一連の竹状の節により構成さ
れている点である。この微細構造は、本明細書の他の箇所で説明する円錐状黒鉛カップの
スタックに起因するものと思われる。より長いスケールではこれらPECVDで成長した
CNFsは、一般的に基板表面に対し直交するよう均一に整列し、互いに具合よく離れる
。CNFsはいかなる絡み合いもなく、又は僅かしか絡み合いがなく、したがって、VA
CNFアレイと称されるブラシ状構体を形成する。個別CNFの直径は所望の機械的強度
が得られるよう選択し、これによりVACNFアレイが堅牢でSi堆積、及び湿潤電気化
学検査にわたり無欠性を保持できるようにする。
In some embodiments, the power storage device comprises a vertically aligned carbon nanofiber (VACNFs) coaxially coated with an amorphous silicon layer.
Incorporating an array of ibers has a hybrid core shell NW (nanowire) in a high performance lithium ion anode. Vertically aligned CNFs have multiwalled carbon nanotubes (MWCNTs), which are optionally DC-biased plasma chemical vapor deposited (PECVD).
(r deposition) process to grow on Cu substrate. Carbon nanofibers (CNFs) grown in this way can have a different internal shape of the lottery than common MWCNTs and conventional hollow structures of solid carbon nanofibers. One of the distinguishing characteristics is that
These CNFs are optionally composed of a series of bamboo-like nodes along a generally hollow central channel. This microstructure is believed to be due to the stack of conical graphite cups described elsewhere herein. At longer scales, these PECVD grown CNFs are generally uniformly aligned perpendicular to the substrate surface and are well separated from each other. CNFs have no or little entanglement and therefore have a VA
A brush-like structure called a CNF array is formed. The diameter of the individual CNFs is selected to provide the desired mechanical strength, which allows the VACNF array to be robust and maintain integrity over Si deposition and wet electrochemical inspections.

本発明の種々の実施形態は、VACNFs以外の支持フィラメントタイプを有する。こ
れら支持フィラメントとしては、例えば、ナノワイヤ、カーボンシート又は本明細書に記
載する他の構体があり得る。他の実施形態は何らの支持フィラメントを有することなく、
代わりに結合剤を使用する。
Various embodiments of the present invention have support filament types other than VACNFs. These support filaments can include, for example, nanowires, carbon sheets, or other structures described herein. Other embodiments do not have any supporting filaments,
Use a binder instead.

本発明の種々の実施形態は、導電性の基板と、前記導電性基板に成長させた垂直方向に
整列する複数のカーボンナノファイバであって、前記カーボンナノファイバは、複数の多
重壁付きカーボンナノチューブを含む、該カーボンナノファイバと、及び1種又は複数種
の電荷キャリヤを含む電解質とを備える、エネルギー貯蔵システムを包含する。
Various embodiments of the present invention include a conductive substrate and a plurality of vertically aligned carbon nanofibers grown on the conductive substrate, the carbon nanofibers comprising a plurality of multi-walled carbon nanotubes. And an energy storage system comprising the carbon nanofiber and an electrolyte comprising one or more charge carriers.

本発明の種々の実施形態は、導電性の基板と、前記導電性基板に成長させたカーボンナ
ノファイバと、及び前記垂直方向に整列する複数のカーボンナノファイバ上に配置したイ
ンターカレーション材料の層であって、1グラムのインターカレーション材料あたり約1
,500〜4,000mAhのリチウムイオン貯蔵容量を有するよう構成した、該インタ
ーカレーション材料の層とを備える、エネルギー貯蔵システムを包含する。
Various embodiments of the present invention include a conductive substrate, carbon nanofibers grown on the conductive substrate, and a layer of intercalation material disposed on the plurality of vertically aligned carbon nanofibers. About 1 per gram of intercalation material
And a layer of said intercalation material configured to have a lithium ion storage capacity of between 500 and 4,000 mAh.

本発明の種々の実施形態は、導電性の基板と、前記導電性の基板に成長させたカーボン
ナノファイバと、及び前記垂直方向に整列する複数のカーボンナノファイバ上に配置した
インターカレーション材料の層であって、インターカレーション材料のイオン貯蔵容量が
1C及び3Cの充電率でほぼ同一になるよう構成した、該インターカレーション材料の層
とを備える、エネルギー貯蔵システムを包含する。
Various embodiments of the present invention include a conductive substrate, carbon nanofibers grown on the conductive substrate, and an intercalation material disposed on the plurality of vertically aligned carbon nanofibers. An energy storage system comprising a layer and a layer of the intercalation material configured such that the ion storage capacity of the intercalation material is approximately the same at 1 C and 3 C charge rates.

本発明の種々の実施形態は、エネルギー貯蔵デバイスを生産する方法を包含し、この方
法は、基板を準備するステップと、前記基板上にカーボンナノファイバを成長させる成長
ステップであって、前記カーボンナノファイバは積層コーン構体を有する、該成長ステッ
プと、及び前記カーボンナノファイバにインターカレーション材料を塗布する塗布ステッ
プであって、前記インターカレーション材料は電荷キャリヤをインターカレーションする
よう構成した、該塗布ステップとを有する。
Various embodiments of the present invention include a method of producing an energy storage device, the method comprising the steps of providing a substrate and growing a carbon nanofiber on the substrate, the method comprising: A fiber having a laminated cone structure, the growing step, and an application step of applying an intercalation material to the carbon nanofiber, wherein the intercalation material is configured to intercalate a charge carrier; Coating step.

本発明の種々の実施形態は、1種又は複数種の電荷キャリヤを含む電解質と、導電性の
基板と、前記基板に取付けた垂直方向に整列する複数の支持フィラメントと、各支持フィ
ラメント上に配置したインターカレーション材料であって、インターカレーション材料の
バルク内に電荷キャリヤの構成メンバーを可逆的に吸着するよう構成した、該インターカ
レーション材料と、前記インターカレーション材料に配置し、かつ複数のナノ粒子を含む
結合剤であって、各ナノ粒子は、前記電荷キャリヤの構成メンバーをファラデー反応によ
りナノ粒子表面に吸着し得る表面効果優勢部位を生ずる構成とする、該結合剤とを備える
、エネルギー貯蔵システムを包含する。
Various embodiments of the present invention include an electrolyte including one or more charge carriers, a conductive substrate, a plurality of vertically aligned support filaments attached to the substrate, and disposed on each support filament. An intercalation material, wherein the intercalation material is configured to reversibly adsorb charge carrier components within a bulk of the intercalation material; and A binder comprising nanoparticles of, wherein each of the nanoparticles is configured to create a surface effect dominant site capable of adsorbing the charge carrier member to the nanoparticle surface by a Faraday reaction. Includes an energy storage system.

本発明の種々の実施形態は、1種又は複数種の電荷キャリヤを含む電解質と、導電性の
基板と、前記基板に取付けた垂直方向に整列する複数の支持フィラメントと、各支持フィ
ラメント上に配置したインターカレーション材料であって、インターカレーション材料の
バルク内に電荷キャリヤの構成メンバーを可逆的に吸着するよう構成した、該インターカ
レーション材料と、前記インターカレーション材料に配置し、かつ複数の表面効果優勢部
位を含む結合剤であって、前記表面効果優勢部位は、前記電荷キャリヤが前記インターカ
レーション材料内にインターカレーションする触媒作用を行うよう構成した、該結合剤と
、を備える、エネルギー貯蔵システムを包含する。
Various embodiments of the present invention include an electrolyte including one or more charge carriers, a conductive substrate, a plurality of vertically aligned support filaments attached to the substrate, and disposed on each support filament. An intercalation material, wherein the intercalation material is configured to reversibly adsorb charge carrier components within a bulk of the intercalation material; and A binder comprising a surface effect dominant site, wherein the surface effect dominant site comprises a binder configured to catalyze the charge carriers to intercalate into the intercalation material. , Energy storage systems.

本発明の種々の実施形態は、1種又は複数種の電荷キャリヤを含む電解質と、導電性の
基板と、インターカレーション材料であって、インターカレーション材料のバルク内に電
荷キャリヤの構成メンバーを可逆的に吸着するよう構成した、該インターカレーション材
料と、前記インターカレーション材料に配置し、かつ複数のナノ粒子を含む結合剤であっ
て、前記ナノ粒子は、前記電荷キャリヤの構成メンバーをファラデー反応によりナノ粒子
表面に吸着し得る表面効果優勢部位を生ずるよう構成した、該結合剤と、を備える、エネ
ルギー貯蔵システムを包含する。
Various embodiments of the present invention provide an electrolyte including one or more charge carriers, a conductive substrate, and an intercalation material, wherein the charge carrier components are contained within a bulk of the intercalation material. A resorbable adsorbent, the intercalation material, and a binder disposed on the intercalation material and including a plurality of nanoparticles, the nanoparticles comprising a member of the charge carrier. And a binder configured to create a surface effect dominant site that can be adsorbed to a nanoparticle surface by a Faraday reaction.

本発明の種々の実施形態は、カソードと、1種又は複数種の電荷キャリヤを含む電解質
によって前記カソードから分離したアノードとを備え、前記アノードは、前記電荷キャリ
ヤをインターカレートし、また電子を第1反応電位で前記電荷キャリヤに提供するよう構
成したインターカレーション材料と、電子を第2反応電位で前記電荷キャリヤに提供し得
る表面効果優勢部位を含む複数のナノ粒子とを有し、前記第1反応電位と前記第2反応電
位との差の絶対値は2.4V未満とする、エネルギー貯蔵システムを包含する。
Various embodiments of the present invention comprise a cathode and an anode separated from the cathode by an electrolyte comprising one or more charge carriers, the anode intercalating the charge carriers and transferring electrons. An intercalation material configured to provide the charge carrier at a first reaction potential; and a plurality of nanoparticles including a surface effect dominant site capable of providing electrons to the charge carrier at a second reaction potential; An energy storage system, wherein the absolute value of the difference between the first reaction potential and the second reaction potential is less than 2.4V.

本発明の種々の実施形態は、電荷貯蔵デバイスのアノードに電位勾配を確立する電位勾
配確立手段であって、前記アノードは、電解質、複数の表面効果優勢部位、インターカレ
ーション材料及び基板を有する、該電位勾配確立手段と、1つの表面効果優勢部位で前記
電解質における電荷キャリヤを受取る手段と、前記電荷キャリヤにおける電子を前記表面
効果優勢部位から受取る手段と、並びに前記インターカレーション材料における電荷キャ
リヤを受取る手段とを備える、システムを包含する。
Various embodiments of the present invention are potential gradient establishing means for establishing a potential gradient at an anode of a charge storage device, wherein the anode has an electrolyte, a plurality of surface effect dominant sites, an intercalation material, and a substrate. The potential gradient establishing means, the means for receiving charge carriers in the electrolyte at one surface effect dominant site, the means for receiving electrons in the charge carriers from the surface effect dominant site, and the charge carrier in the intercalation material. Means for receiving.

本発明の種々の実施形態は、エネルギー貯蔵デバイスを生産する方法を包含し、この方
法は、導電性の基板を準備するステップと、前記基板上に支持フィラメントを成長させる
ステップと、インターカレーション材料を前記支持フィラメントに塗布する塗布ステップ
であって、前記インターカレーション材料は電荷キャリヤをインターカレーションするよ
う構成した、該塗布ステップと、及び前記インターカレーション材料のごく近傍に複数の
表面効果優勢部位を塗布するステップとを有する。
Various embodiments of the present invention include a method of producing an energy storage device, the method comprising providing a conductive substrate; growing a support filament on the substrate; Applying to the support filament, wherein the intercalation material is configured to intercalate charge carriers; and the plurality of surface effects predominantly in close proximity to the intercalation material. Applying a site.

本発明の種々の実施形態は、アノードを生産する方法を包含し、この方法は、導電性の
基板を準備するステップと、結合材料、表面効果優勢部位及びインターカレーション材料
を混合する混合ステップであって、前記表面効果優勢部位は、第1反応電位で電子を電荷
キャリヤから受取るよう構成し、また前記インターカレーション材料は、第2反応電位で
電荷キャリヤを受取る又は電荷キャリヤからの電子を受取るよう構成した、該混合ステッ
プと、並びに結合材料、表面効果優勢部位及びインターカレーション材料を前記基板に塗
布するステップとを有する。
Various embodiments of the present invention include a method for producing an anode, the method comprising the steps of providing a conductive substrate and mixing a bonding material, a surface effect dominant site, and an intercalation material. Wherein the surface effect dominant site is configured to receive electrons from a charge carrier at a first reaction potential, and the intercalation material receives charge carriers at or receives electrons from a charge carrier at a second reaction potential. The mixing step and the step of applying a bonding material, a surface effect dominant site and an intercalation material to the substrate.

本発明の種々の実施形態は、エネルギー貯蔵デバイスを生産する方法を包含し、この方
法は、導電性の基板を準備するステップと、前記基板上に支持フィラメントを準備するス
テップと、インターカレーション材料を前記支持フィラメントに塗布する塗布ステップで
あって、前記インターカレーション材料は電荷キャリヤをインターカレーションするよう
構成した、該塗布ステップと、及び表面効果優勢部位を前記支持フィラメントに添加する
ステップとを有する。
Various embodiments of the present invention include a method of producing an energy storage device, the method comprising providing a conductive substrate; providing a support filament on the substrate; Applying to the support filament, wherein the intercalation material is configured to intercalate charge carriers, the application step, and adding a surface effect dominant site to the support filament. Have.

本発明の種々の実施形態は、電荷貯蔵デバイスを充電する方法を包含し、この方法は、
電荷貯蔵デバイスのカソードとアノードとの間に電位を確立する電位確立ステップであっ
て、前記電荷貯蔵デバイスは電解質を含む、該電位確立ステップと、前記アノードにおけ
る表面効果優勢部位で前記電解質の第1電荷キャリヤを受取るステップと、前記アノード
における電子を前記第1電荷キャリヤに転移させるステップと、前記アノードにおけるイ
ンターカレーション材料で前記電解質における第2電荷キャリヤを受取るステップと、前
記インターカレーション材料からの電子を前記第2電荷キャリヤに転移させるステップと
、を有する。
Various embodiments of the invention include a method of charging a charge storage device, the method comprising:
A potential establishing step of establishing a potential between a cathode and an anode of the charge storage device, wherein the charge storage device includes an electrolyte; Receiving charge carriers; transferring electrons at the anode to the first charge carriers; receiving a second charge carrier at the electrolyte with an intercalation material at the anode; Transferring electrons to the second charge carrier.

本発明の種々の実施形態は、電荷貯蔵デバイスを充電する方法を包含し、この方法は、
電荷貯蔵デバイスのアノードに電位勾配を確立する電位勾配確立ステップであって、前記
アノードは、電解質、表面効果優勢部位を持つ複数のナノ粒子、インターカレーション材
料及び基板を含む、該電位勾配確立ステップと、前記表面効果優勢部位の1つで前記電解
質における第1電荷キャリヤを受取るステップと、前記表面効果優勢部位からの前記第1
電荷キャリヤに電子を転移させるステップと、前記アノードにおけるインターカレーショ
ン材料で第2電荷キャリヤを受取るステップと、前記インターカレーション材料からの電
子を前記第2電荷キャリヤに転移させるステップと、を有する。
Various embodiments of the invention include a method of charging a charge storage device, the method comprising:
Establishing a potential gradient at an anode of the charge storage device, said anode comprising an electrolyte, a plurality of nanoparticles having surface effect dominant sites, an intercalation material, and a substrate. Receiving a first charge carrier in the electrolyte at one of the surface effect dominant sites; and
Transferring an electron to a charge carrier; receiving a second charge carrier with an intercalation material at the anode; and transferring an electron from the intercalation material to the second charge carrier.

本発明の種々の実施形態は、導電性の基板と、前記導電性の基板に連結したカーボンナ
ノファイバ又は他の支持フィラメントであって、前記カーボンナノファイバは、前記カー
ボンナノファイバの長さに沿って複数の露出したナノスケール端縁を有する、該カーボン
ナノファイバと、及び前記カーボンナノファイバの少なくとも一部にわたり殻を形成する
よう構成したインターカレーション材料とを備える、エネルギー貯蔵システムを包含する
Various embodiments of the present invention include a conductive substrate and a carbon nanofiber or other support filament coupled to the conductive substrate, wherein the carbon nanofibers extend along a length of the carbon nanofiber. An energy storage system comprising the carbon nanofiber having a plurality of exposed nanoscale edges and an intercalation material configured to form a shell over at least a portion of the carbon nanofiber.

本発明の種々の実施形態は、電池又は電極のようなエネルギー貯蔵システムを包含し、
このエネルギー貯蔵システムは、導電性の基板と、前記導電性の基板に連結したカーボン
ナノファイバ又は他の支持フィラメントであって、前記カーボンナノファイバは、前記カ
ーボンナノファイバの長さに沿って複数のカップ状構体を有する、該カーボンナノファイ
バと、及び前記カーボンナノファイバの少なくとも一部にわたり殻を形成するよう構成し
たインターカレーション材料とを備える。
Various embodiments of the present invention include an energy storage system, such as a battery or an electrode,
The energy storage system includes a conductive substrate and a carbon nanofiber or other support filament coupled to the conductive substrate, wherein the carbon nanofiber comprises a plurality of carbon nanofibers along a length of the carbon nanofiber. The carbon nanofiber having a cup-like structure, and an intercalation material configured to form a shell over at least a portion of the carbon nanofiber.

本発明の種々の実施形態は、導電性の基板と、前記導電性の基板に連結したカーボンナ
ノファイバ又は他の支持フィラメントと、及び前記カーボンナノファイバの少なくとも一
部にわたり殻を形成するよう構成したインターカレーション材料であって、前記カーボン
ナノファイバの長さに沿う羽根状構体に配置する、該インターカレーション材料とを備え
る、エネルギー貯蔵システムを包含する。
Various embodiments of the present invention are configured to form a conductive substrate, a carbon nanofiber or other support filament coupled to the conductive substrate, and a shell over at least a portion of the carbon nanofiber. An intercalation material, wherein the intercalation material is disposed in a vane-like structure along a length of the carbon nanofiber.

本発明の種々の実施形態は、導電性の基板と、前記導電性の基板に連結したカーボンナ
ノファイバと、及び前記カーボンナノファイバの少なくとも一部にわたり殻を形成するよ
う構成したインターカレーション材料であって、前記インターカレーション材料の膨張に
より前記インターカレーション材料が前記カーボンナノファイバから剥離しないよう構成
した、該インターカレーション材料とを備える、エネルギー貯蔵システムを包含する。
Various embodiments of the present invention include a conductive substrate, a carbon nanofiber coupled to the conductive substrate, and an intercalation material configured to form a shell over at least a portion of the carbon nanofiber. An energy storage system comprising: the intercalation material configured to prevent the intercalation material from separating from the carbon nanofibers due to expansion of the intercalation material.

本発明の好適な実施形態は、エネルギー貯蔵デバイスを生産する方法を包含し、この方
法は、導電性の基板を準備するステップと、前記導電性の基板にカーボンナノファイバを
付加するステップであり、前記カーボンナノファイバの各々は、前記カーボンナノファイ
バの長さに沿って複数の露出したナノスケール端縁を有する、該カーボンナノファイバ付
加ステップと、及び前記カーボンナノファイバにインターカレーション材料を塗布する塗
布ステップであり、前記インターカレーション材料は電荷キャリヤのインターカレーショ
ンを生ずる構成とした、該塗布ステップと、を有する。
A preferred embodiment of the present invention includes a method of producing an energy storage device, the method comprising: providing a conductive substrate; and adding carbon nanofibers to the conductive substrate. Each of the carbon nanofibers has a plurality of exposed nanoscale edges along the length of the carbon nanofiber, the step of applying the carbon nanofiber, and applying an intercalation material to the carbon nanofiber A coating step, wherein the intercalation material is configured to cause charge carrier intercalation.

本発明の好適な実施形態は、エネルギー貯蔵デバイスを生産する方法を包含し、この方
法は、導電性の基板を準備するステップと、前記導電性の基板にカーボンナノファイバを
付加するステップであり、前記カーボンナノファイバの各々は、前記カーボンナノファイ
バの長さに沿って複数のカップ状構体を有する、該カーボンナノファイバ付加ステップと
、及び前記カーボンナノファイバにインターカレーション材料を塗布する塗布ステップで
あり、前記インターカレーション材料は電荷キャリヤのインターカレーションを生ずる構
成とした、該塗布ステップとを有する。
A preferred embodiment of the present invention includes a method of producing an energy storage device, the method comprising: providing a conductive substrate; and adding carbon nanofibers to the conductive substrate. Each of the carbon nanofibers has a plurality of cup-shaped structures along the length of the carbon nanofiber, the carbon nanofiber adding step, and a coating step of applying an intercalation material to the carbon nanofiber. Said intercalating material having an application step configured to cause intercalation of charge carriers.

本発明の好適な実施形態は、エネルギー貯蔵デバイスを生産する方法を包含し、この方
法は、導電性の基板を準備するステップと、前記導電性の基板にカーボンナノファイバを
付加するステップと、及び前記カーボンナノファイバにインターカレーション材料を塗布
する塗布ステップであり、前記インターカレーション材料は電荷キャリヤのインターカレ
ーションを生ずる構成とし、また前記インターカレーション材料は前記カーボンナノファ
イバの長さに沿って羽根状構体となるよう配置する、該塗布ステップと、を有する。
A preferred embodiment of the present invention includes a method of producing an energy storage device, the method comprising: providing a conductive substrate; adding carbon nanofibers to the conductive substrate; A coating step of applying an intercalation material to the carbon nanofibers, wherein the intercalation material causes charge carrier intercalation, and the intercalation material extends along a length of the carbon nanofibers. And disposing them in a blade-like structure.

本発明の種々の実施形態による、基板上に成長させた複数のCNFを有するCNFアレイを示す。4 illustrates a CNF array having a plurality of CNFs grown on a substrate, according to various embodiments of the invention. 本発明の種々の実施形態による、基板上に成長させた複数のCNFを有するCNFアレイを示す。4 illustrates a CNF array having a plurality of CNFs grown on a substrate, according to various embodiments of the invention. 本発明の種々の実施形態による、異なる状態で垂直方向に整列する複数のCNFを示す。FIG. 3 illustrates a plurality of vertically aligned CNFs in different states, according to various embodiments of the invention. 本発明の種々の実施形態による、異なる状態で垂直方向に整列する複数のCNFを示す。FIG. 3 illustrates a plurality of vertically aligned CNFs in different states, according to various embodiments of the invention. 本発明の種々の実施形態による、異なる状態で垂直方向に整列する複数のCNFを示す。FIG. 3 illustrates a plurality of vertically aligned CNFs in different states, according to various embodiments of the invention. 本発明の種々の実施形態による、CNFの細部を示す。4 illustrates details of a CNF, according to various embodiments of the invention. 本発明の種々の実施形態による、CNFの細部を示す。4 illustrates details of a CNF, according to various embodiments of the invention. 本発明の種々の実施形態による、CNFの細部を示す。4 illustrates details of a CNF, according to various embodiments of the invention. 本発明の種々の実施形態による、CNFの積層コーン構造の概略図を示す。FIG. 4 shows a schematic diagram of a laminated cone structure of CNF, according to various embodiments of the present invention. 図5Aは、本発明の種々の実施形態による、〜3μm(3μmまで)の長さを有するCNFの電気化学特性を示す。図5Bは、本発明の種々の実施形態による、〜3μm(3μmまで)の長さを有するCNFの電気化学特性を示す。図5Cは、本発明の種々の実施形態による、〜3μm(3μmまで)の長さを有するCNFの電気化学特性を示す。FIG. 5A shows the electrochemical properties of CNF having a length of 33 μm (up to 3 μm), according to various embodiments of the present invention. FIG. 5B shows the electrochemical properties of CNF having a length of 33 μm (up to 3 μm), according to various embodiments of the present invention. FIG. 5C shows the electrochemical properties of CNF having a length of 33 μm (up to 3 μm), according to various embodiments of the present invention. 本発明の種々の実施形態による、3μmの長さを有するCNFの走査電子顕微鏡画像を示す。4 shows scanning electron microscope images of CNF having a length of 3 μm, according to various embodiments of the present invention. 本発明の種々の実施形態による、3μmの長さを有するCNFの走査電子顕微鏡画像を示す。4 shows scanning electron microscope images of CNF having a length of 3 μm, according to various embodiments of the present invention. 本発明の種々の実施形態による、3μmの長さを有するCNFの走査電子顕微鏡画像を示す。4 shows scanning electron microscope images of CNF having a length of 3 μm, according to various embodiments of the present invention. 図7Aは、本発明の種々の実施形態による、リチウムイオン電池アノード(負極)としてSi層を有するCNFを使用して得られた結果を示す。図7Bは、本発明の種々の実施形態による、リチウムイオン電池アノードとしてSi層を有するCNFを使用して得られた結果を示す。図7Cは、本発明の種々の実施形態による、リチウムイオン電池アノードとしてSi層を有するCNFを使用して得られた結果を示す。FIG. 7A shows results obtained using CNF with a Si layer as a lithium ion battery anode (negative electrode), according to various embodiments of the present invention. FIG. 7B illustrates results obtained using CNF with a Si layer as a lithium ion battery anode, according to various embodiments of the present invention. FIG. 7C illustrates results obtained using CNF with a Si layer as a lithium ion battery anode, according to various embodiments of the present invention. 本発明の種々の実施形態による、CNFアレイの容量が充電率とともにどのように変化するかを示す。4 illustrates how the capacity of a CNF array varies with the charge rate, according to various embodiments of the present invention. 本発明の種々の実施形態による、CNFアレイのラマンスペクトルを示す。4 shows Raman spectra of a CNF array according to various embodiments of the present invention. 図10Aは、本発明の種々の実施形態による、Liインターカレーション及び脱離(エクストラクション)容量の変動、及び15回の充放電サイクルにわたるクーロン効率の変動を示す。図10Bは、本発明の種々の実施形態による、Liインターカレーション及び脱離(エクストラクション)容量の変動、及び15回の充放電サイクルにわたるクーロン効率の変動を示す。図10Cは、本発明の種々の実施形態による、Liインターカレーション及び脱離(エクストラクション)容量の変動、及び15回の充放電サイクルにわたるクーロン効率の変動を示す。FIG. 10A shows variation in Li + intercalation and desorption (extraction) capacity, and variation in Coulombic efficiency over 15 charge and discharge cycles, according to various embodiments of the present invention. FIG. 10B shows variation in Li + intercalation and desorption (extraction) capacity, and variation in Coulombic efficiency over 15 charge / discharge cycles, according to various embodiments of the present invention. FIG. 10C shows variation in Li + intercalation and desorption (extraction) capacity, and variation in Coulombic efficiency over 15 charge and discharge cycles, according to various embodiments of the present invention. 本発明の種々の実施形態による、新たに準備したCNFアレイの走査電子顕微鏡画像を示す。4 shows scanning electron microscope images of freshly prepared CNF arrays, according to various embodiments of the present invention. 本発明の種々の実施形態による、新たに準備したCNFアレイの走査電子顕微鏡画像を示す。4 shows scanning electron microscope images of freshly prepared CNF arrays, according to various embodiments of the present invention. 本発明の種々の実施形態による、新たに準備したCNFアレイの走査電子顕微鏡画像を示す。4 shows scanning electron microscope images of freshly prepared CNF arrays, according to various embodiments of the present invention. 1個より多いCNFを含むナノファイバ/シリコン錯体の断面図を示す。1 shows a cross-sectional view of a nanofiber / silicon complex containing more than one CNF. 本発明の種々の実施形態による、長さ10μmのファイバを含むカーボンナノファイバのアレイを示す。4 illustrates an array of carbon nanofibers including 10 μm long fibers, according to various embodiments of the invention. 本発明の種々の実施形態による、CNFアレイ及び/又はCNFを生産する方法を示す。4 illustrates a method for producing a CNF array and / or CNF, according to various embodiments of the invention. 本発明の種々の実施形態による、出力増強材料を含有するCNFを示す。3 illustrates a CNF containing a power enhancing material, according to various embodiments of the invention. 本発明の種々の実施形態による、図144Aに示す出力増強材料の細部を示す。FIG. 144B shows a detail of the power enhancing material shown in FIG. 144A, according to various embodiments of the invention. 本発明の種々の実施形態による、図14Aに示す代替的出力増強材料の細部を示す。FIG. 14B illustrates details of the alternative power enhancing material shown in FIG. 14A, according to various embodiments of the present invention. 本発明の種々の実施形態による、出力増強材料、及びインターカレーション材料で被覆した非整列CNFを含有する電極表面を示す。4 illustrates an electrode surface containing a non-aligned CNF coated with a power enhancing material and an intercalation material, according to various embodiments of the invention. 本発明の種々の実施形態による、出力増強材料、非整列CNF及びフリーなインターカレーション材料を含有する電極表面を示す。FIG. 2 illustrates an electrode surface containing a power enhancing material, a non-aligned CNF, and a free intercalation material, according to various embodiments of the invention. 本発明の種々の実施形態による、CNFがない、インターカレーション材料及び出力増強材料を含有する電極表面を示す。4 illustrates an electrode surface containing an intercalation material and a power enhancement material without CNF, according to various embodiments of the invention. 本発明の種々の実施形態による、CNFの近傍に密集配置した表面効果優勢部位を有する電極表面を示す。FIG. 4 illustrates an electrode surface having a surface effect dominant site closely spaced near a CNF, according to various embodiments of the invention. 本発明の種々の実施形態による、フリーなインターカレーション材料の近傍に密集配置した表面効果優勢部位を有する電極表面を示す。FIG. 4 illustrates an electrode surface having surface effect dominant sites closely spaced near a free intercalation material, according to various embodiments of the invention. 本発明の種々の実施形態による、フリーなインターカレーション材料の近傍に密集配置した表面効果優勢部位を有する電極表面を示す。FIG. 4 illustrates an electrode surface having surface effect dominant sites closely spaced near a free intercalation material, according to various embodiments of the invention. 本発明の種々の実施形態による、電極表面を作製する方法を示す。4 illustrates a method of making an electrode surface according to various embodiments of the invention. 本発明の種々の実施形態による、電荷貯蔵デバイスを動作させる方法を示す。4 illustrates a method of operating a charge storage device according to various embodiments of the invention.

図1A及び1Bは、本発明の種々の実施形態による、導電性基板105上に成長させた
複数のCNF110を有するCNFアレイ100を示す。図1AにおいてCNFアレイ1
00はLiが脱離した(放電された)状態を示し、図1AにおいてCNFアレイ100は
Liが挿入された(充電された)状態を示す。本明細書で詳述するこれら及び他の実施形
態におけるCNF110は、随意的に垂直方向に整列する。CNF110は、Cu製の基
板105上にDCでバイアスしたプラズマ化学蒸着(PECVD)プロセスを用いて成長
させる。上述したように、この方法で成長させたCNF110は独特な形態を有し、この
形態は、積層させたカップ又はコーン又は螺旋体に類似する円錐状黒鉛構体のスタックを
有する。このことは、リチウムのインターカレーションを容易にする極めて微細な構体を
生ずる。この構体は、本明細書の他の箇所で「積層コーン」と称することもある。より大
きい長さスケールでは、これらCNF110は、代表的には基板に直交して均一に整列し
、また互いに十分分離している。個別のCNFの直径は所望の機械的強度が得ることがで
きるよう選択し、これによりCNFアレイ100が堅牢となり、またSi堆積及びウェッ
トな電気化学サイクル中に一体性を保持できる。随意的にシード層を使用して基板105
上にCNF110を成長させるようにする。使用にあたり、CNFアレイ100は電解質
125に接触するよう配置し、この電解質125は固体若しくは液体、又は固体及び液体
の組合せとすることができ、またリチウムイオンのような電荷キャリヤを1種類又は複数
種類含むものとすることができる。このCNF110は、電解質125の一部がCNF1
10間に位置するよう構成する、及び/又はCNF110間にギャップが介在して基板1
05を準備できるよう構成する。
1A and 1B illustrate a CNF array 100 having a plurality of CNFs 110 grown on a conductive substrate 105, according to various embodiments of the present invention. In FIG. 1A, CNF array 1
00 shows a state in which Li has been desorbed (discharged), and FIG. 1A shows a state in which Li has been inserted (charged) in the CNF array 100. The CNFs 110 in these and other embodiments detailed herein are optionally vertically aligned. CNF 110 is grown on a Cu substrate 105 using a DC-biased plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD) process. As described above, CNFs 110 grown in this manner have a unique morphology, which has a stacked cup or cone or stack of conical graphite structures resembling a spiral. This results in very fine structures that facilitate lithium intercalation. This structure may be referred to elsewhere herein as a "stacked cone." On a larger length scale, the CNFs 110 are typically uniformly aligned orthogonal to the substrate and well separated from each other. The diameter of the individual CNFs is selected to achieve the desired mechanical strength, which makes the CNF array 100 robust and maintains integrity during Si deposition and wet electrochemical cycling. Optionally, using a seed layer to form the substrate 105
The CNF 110 is grown thereon. In use, the CNF array 100 is placed in contact with an electrolyte 125, which may be solid or liquid, or a combination of solid and liquid, and one or more charge carriers such as lithium ions. Can be included. In this CNF 110, a part of the electrolyte 125 is CNF1.
10 and / or a gap between the CNFs 110 with the substrate 1
05 is prepared.

図1A及び1Bに示す個別のCNF110の公称直径は、100〜200nmの間であ
るが、75〜300nmの間、又は他の範囲内の値もあり得る。CNF110は、随意的
に長さに沿ってテーパ付きとする。本明細書に記載の技術を用いて生産したCNF110
は、軸線に沿って優れた導電性(σ=〜2.5×10S/m)を有し、また基板105
に対して強いオーミック接触を形成する。CNF110相互間の開いた空間により、各C
NF110上にシリコン層115を堆積させ、CNF110の先端に塊を有して徐々に薄
くなる同軸状の殻(シェル)を形成することができる。この設計によれば、シリコン層1
15全体がCNF110に対して電気的に接続され、また充放電サイクル中に完全なアク
ティブ状態を維持することができる。シリコン層115にリチウムを合金化する際に生ず
る拡張は、半径方向、例えば、CNF110の長さ寸法に直交する方向に容易に順応させ
ることができる。非Si被覆CNF110及びSi被覆CNF110の充放電容量及びサ
イクル安定性を比較することができる。シリコン層115を添加することにより、C/2
のレートで3938mAh/gSiにも達する顕著なLi挿入(充電)容量が得られ、
また110回のサイクル後に1944mAh/gSiを保持した。この充電/放電率及び
対応の容量は、Siナノワイヤ又はSi-Cナノ構体を使用する従来アーキテクチャより
も相当高い。図1A及び1Bは透視図である。
The nominal diameter of the individual CNFs 110 shown in FIGS. 1A and 1B is between 100 and 200 nm, but can also be between 75 and 300 nm or other values. CNF 110 is optionally tapered along its length. CNF110 produced using the techniques described herein
Has excellent conductivity (σ = 〜2.5 × 10 5 S / m) along the axis, and the substrate 105
Form a strong ohmic contact to Due to the open space between CNFs 110, each CNF
The silicon layer 115 is deposited on the NF 110 to form a coaxial shell that has a lump at the tip of the CNF 110 and gradually becomes thinner. According to this design, the silicon layer 1
15 is electrically connected to the CNF 110, and can be kept completely active during a charge / discharge cycle. The expansion that occurs when lithium is alloyed into the silicon layer 115 can be easily accommodated in a radial direction, for example, a direction orthogonal to the length dimension of the CNF 110. The charge / discharge capacity and cycle stability of the non-Si coated CNF 110 and the Si coated CNF 110 can be compared. By adding the silicon layer 115, C / 2
At a rate of 3938 mAh / g Si , a remarkable Li + insertion (charging) capacity was obtained,
In addition, 1944 mAh / g Si was maintained after 110 cycles. This charge / discharge rate and corresponding capacity is significantly higher than conventional architectures using Si nanowires or Si-C nanostructures. 1A and 1B are perspective views.

種々の実施形態において、0.01〜0.5、1.0、1.5、2.5、3.0、4.0、1
0、20、若しくは25μm(又はそれ以上の値)までの公称Si厚さを3μmの長さの
CNF上に堆積させて、図1A及び1Bに示すようなCNFアレイ100を形成すること
ができる。同様に、種々の実施形態において、0.01〜0.5、1.0、1.5、2.5、
3.0、4.0、10、20、若しくは25μm(又はそれ以上の値)までの公称Si厚さ
を10μmの長さのCNF上に堆積させてCNFアレイ100を形成することができる。
幾つかの実施形態において、Siの公称厚さは、0.01μmとCNF110相互間平均
距離との間における値とする。
In various embodiments, 0.01 to 0.5, 1.0, 1.5, 2.5, 3.0, 4.0, 1,
A nominal Si thickness of up to 0, 20, or 25 μm (or greater) can be deposited on a 3 μm long CNF to form a CNF array 100 as shown in FIGS. 1A and 1B. Similarly, in various embodiments, 0.01 to 0.5, 1.0, 1.5, 2.5,
A nominal Si thickness of up to 3.0, 4.0, 10, 20, or 25 μm (or greater) can be deposited on a 10 μm long CNF to form the CNF array 100.
In some embodiments, the nominal thickness of Si is between 0.01 μm and the average distance between CNFs 110.

CNFアレイ100を使用すると、リチウムイオン貯蔵は、C/2のレートで4,00
0mAh/gまでにも達する質量−比容量(比湧出量)が得られる。この容量は、同一パ
ワーレートでSiナノワイヤ単独又は他のSiナノ構造カーボンハイブリッドで得られる
よりも相当高い。この改善された性能は完全に活性化されたSi殻に起因するもので、こ
の活性化は、このハイブリッドなアーキテクチャにおけるCNF110による有効的電荷
収集及び短いLi経路長によるものである。良好なサイクル安定性は110サイクルに
わたり実証された。種々の実施形態において、CNFアレイ100におけるリチウムイオ
ン貯蔵の貯蔵容量は、Siの1グラムあたり〜750、1500、2000、2500、
3000、3500又は4000mAhであるか、これら値間における任意の範囲内であ
る。本明細書に使用する用語である「公称厚さ(nominal thickness)」(例えば、Si
の)は、基板105上にそのアクセスのSiによる平坦層を生産するSi量である。例え
ば、1.0μmのSi公称厚さは、基板105上に直接堆積させる場合、Siの厚さ1.0
μm層となるSi量である。公称厚さは従来既知の方法を用いて重量で容易に測定できる
ので公称厚さが報告される。1.0μmの公称厚さは、CNF110上により薄い厚さの
Si層115となり、なぜならSiがCNF110の表面のより大きい面積にわたり分布
するからである。
Using the CNF array 100, lithium ion storage can be performed at a rate of C / 2 at 4,000.
It is possible to obtain a mass-specific capacity (specific discharge amount) that reaches up to 0 mAh / g. This capacity is significantly higher than that obtained with Si nanowires alone or other Si nanostructured carbon hybrids at the same power rate. This improved performance is due to the fully activated Si shell, which is due to the effective charge collection by CNF 110 and the short Li + path length in this hybrid architecture. Good cycle stability has been demonstrated over 110 cycles. In various embodiments, the storage capacity of lithium ion storage in CNF array 100 is -750, 1500, 2000, 2500, per gram of Si.
3000, 3500 or 4000 mAh or any range between these values. As used herein, the term "nominal thickness" (e.g., Si
) Is the amount of Si that produces a flat layer of the access Si on the substrate 105. For example, a nominal Si thickness of 1.0 μm, if deposited directly on the substrate 105, would have a Si thickness of 1.0 μm.
This is the amount of Si to be a μm layer. The nominal thickness is reported because the nominal thickness can be easily measured by weight using methods known in the art. The nominal thickness of 1.0 μm results in a thinner Si layer 115 on the CNF 110 because Si is distributed over a larger area of the surface of the CNF 110.

図2A〜2Cは、本発明の種々の実施形態による、〜3μmの平均ファイバ長を有する
CNFアレイ100を示す。図2A〜2Cは、層さ電子顕微鏡(SEM)画像である。図
2Aは、シリコン層115がなく垂直方向に整列した複数のCNF110を示す。図2B
は、シリコン層115を有して垂直方向に整列した複数のCNF110を示す。図2Cは
、100回の充放電サイクルを受けた後の脱離(放電)状態における、垂直方向に整列し
た複数のCNF110を示す。CNF110は、Cu基板105に対してほぼ均一に垂直
方向に整列し、また基板表面上にランダムに分布して強固に取付けられる。この研究で使
用されるサンプルは、〜330nmの平均最近隣距離に対応して1.11×10CNF
s/cm(SEM頂面画像からカウントして)の平均面密度を有する。図2におけるC
NF110の平均長さは、2.5〜3.5μmの長さ範囲内にあるCNFの90%より多い
(>90%)割合が〜3.0μmである。直径は〜80nmから240nmまでの範囲に
わたり、平均は〜147nmである。先端120における逆涙滴形のNi触媒が各CNF
110の先端に存在し、CNF中心における中空チャネルの蓋閉じをし、これによりPE
CVDプロセス中のCNF110成長を促進する。Ni触媒ナノ粒子のサイズは、各CN
F110の直径を規定した。10μmにも達するより長いCNF110も、後述する幾つ
かの研究で使用した。
2A-2C illustrate a CNF array 100 having an average fiber length of 33 μm, according to various embodiments of the present invention. 2A-2C are layered electron microscope (SEM) images. FIG. 2A shows a plurality of CNFs 110 without a silicon layer 115 and aligned vertically. FIG. 2B
Shows a plurality of CNFs 110 having a silicon layer 115 and aligned vertically. FIG. 2C shows a plurality of vertically aligned CNFs 110 in a detached (discharged) state after undergoing 100 charge and discharge cycles. The CNFs 110 are aligned substantially uniformly in the vertical direction with respect to the Cu substrate 105, and are randomly distributed and firmly mounted on the substrate surface. The sample used in this study had a 1.11 × 10 9 CNF corresponding to an average nearest neighbor distance of 330330 nm.
It has an average areal density of s / cm 2 (counted from the SEM top image). C in FIG.
The average length of NF110 is 〜3.0 μm with more than 90% (> 90%) of CNF in the 2.5-3.5 μm length range. Diameters range from 8080 nm to 240 nm, with an average of 14147 nm. The inverted teardrop-shaped Ni catalyst at the tip 120
110, which closes the lid of the hollow channel at the center of the CNF,
Promotes CNF110 growth during the CVD process. The size of the Ni catalyst nanoparticles is
The diameter of F110 was specified. CNF110 longer than 10 μm were also used in some of the studies described below.

幾つかの実施形態において、平均最最近隣距離は、200〜450nmの間、275〜
385nmの間、300〜360nmの間等で変動し得る。さらに、CNF110の平均
長さは、〜2〜20の間、20〜40の間、40〜60の間、60〜80の間、80〜1
00の間、100〜120の間、120〜250(μm)の間、又はそれ以上の間とする
ことができる。ミリメートル長もの長さでの標準カーボンナノファイバが従来知られてい
る。種々の実施形態において、平均直径は、〜50〜125の間、100〜200の間、
125〜175(nm)の間、又は他の範囲内で変動し得る。
In some embodiments, the average nearest neighbor distance is between 200-450 nm, 275-
It can vary between 385 nm, between 300 and 360 nm, and so on. Further, the average length of the CNF 110 is between 2〜2-20, between 20-40, between 40-60, between 60-80, 80-1
Between 00, 100-120, 120-250 (μm) or more. Standard carbon nanofibers with lengths as long as millimeters are conventionally known. In various embodiments, the average diameter is between 5050-125, between 100-200,
It can vary between 125 and 175 (nm) or in other ranges.

非晶質Si層115はマグネトロンスパッタリングによってCNFアレイ100上に堆
積させた。ブラシ状のCNFアレイ100の開放構造は、Siが深く沈降してアレイ内に
達することができ、CNF110相互間で共形構体を生ずることを可能にする。この結果
、CNF先端における厚いSi被覆が形成されるのに続いてCNFの下方部分の周りに徐
々に薄くなる同軸状Si殻が形成される場合、綿棒に類似する興味深いテーパ付きコア殻
となる。Si堆積量は、スパッタリング中に水晶振動子マイクロバランス法(QCM:qu
artz crystal microbalance)を用いて平坦面上のSi膜の公称厚さによって特徴付けら
れる。Li挿入/脱離容量は、公称厚さから導かれる総Si質量に正規化するされた。
0.50μmの公称厚さで、Si被覆CNF110は互いに十分分離され、開放コア殻C
NFアレイ構体(図2Bに示した)を形成した。この構体によれば、電解質が自由にSi
層115の表面全体に到達できた。図示の実施形態において、平均先端直径は、Si層1
15を塗布する前のCNF110の平均直径である〜147nmと比較すると、〜457
nmであった。先端120における平均半径方向Si厚さは〜155nmであると見積も
られた。この値は、大部分のSiがCNF全長に沿って広がっているので、明らかに0.
50μmの公称Si厚さよりも相当小さい。代替的実施形態において、10〜1000、
20〜500、50〜250、100〜200(nm)の範囲内、又は他の範囲内におけ
る他の半径方向Si厚さもみられる。本明細書の他の部分で詳述するように、CNF11
0の積層コーンによれば、Si層115に付加する微細構造をもたらす。積層コーン構体
は、随意的にスパイラル成長パターンの結果とし、断面で見たとき積層コーン構体となる
The amorphous Si layer 115 was deposited on the CNF array 100 by magnetron sputtering. The open configuration of the brush-like CNF array 100 allows Si to settle deep into the array and create a conformal structure between the CNFs 110. This results in an interesting tapered core shell resembling a cotton swab if a thick Si coating at the CNF tip is formed followed by a gradually thinning coaxial Si shell around the lower portion of the CNF. During the sputtering, the amount of Si deposited was determined by a quartz crystal microbalance method (QCM: qu
It is characterized by the nominal thickness of the Si film on a flat surface using artz crystal microbalance. The Li + insertion / desorption capacity was normalized to the total Si mass derived from the nominal thickness.
At a nominal thickness of 0.50 μm, the Si-coated CNF 110 is well separated from each other and the open core shell C
An NF array structure (shown in FIG. 2B) was formed. According to this structure, the electrolyte is free of Si
The entire surface of the layer 115 could be reached. In the illustrated embodiment, the average tip diameter is
In comparison with the average diameter of CNF110 before applying No. 15, which is 〜147 nm,
nm. The average radial Si thickness at tip 120 was estimated to be 〜155 nm. This value is clearly less than 0,0 because most Si extends along the entire length of the CNF.
Much smaller than the nominal Si thickness of 50 μm. In an alternative embodiment, 10-1000;
Other radial Si thicknesses in the range of 20-500, 50-250, 100-200 (nm), or other ranges are also seen. As described in detail elsewhere herein, CNF11
A zero cone results in a microstructure added to the Si layer 115. The laminated cone structure is optionally a result of a spiral growth pattern, and is a laminated cone structure when viewed in cross section.

図3A〜3Cにおける透過電子顕微鏡(TEM)画像は、さらに、Si被覆CNF11
0の構造的細部を示す。Si厚さ〜390nmのSi層115を、直径〜210nmのC
NF110における先端120上に直接作製した。綿棒状Si層115の最大部分は、先
端120の終端近傍に現れる直径が〜430nmであった。CNF110周りの同軸状S
i層115は、変調コントラストを有する羽毛状の肌理(テクスチャ)を示し、先端上方
における均一Si堆積部とは明らかに異なる(図3A参照)。この状態は、PECVD成
長させたCNF110の積層コーン微細構造の結果でありそうである。文献からは、この
ようなCNF110は、CNF110の中心軸線に沿って不均一に積層したカップ状黒鉛
構体を含むことが知られている。CNF110の直径におけるこのような変動を使用する
ことは、本願人所有の2010年10月13日に出願された米国特許出願第12/904
,113号に開示されている。
The transmission electron microscope (TEM) images in FIGS. 3A-3C further show Si-coated CNF11.
0 shows structural details. An Si layer 115 having a thickness of 3390 nm is formed on a C layer having a diameter of 210210 nm.
Fabricated directly on tip 120 in NF110. The largest part of the swab-shaped Si layer 115 had a diameter of about 430 nm that appeared near the end of the tip 120. Coaxial S around CNF110
The i-layer 115 exhibits a feather-like texture having a modulation contrast, and is clearly different from the uniform Si deposition portion above the tip (see FIG. 3A). This condition is likely to be the result of the laminated cone microstructure of PECVD grown CNF110. From the literature, it is known that such a CNF 110 includes a cup-shaped graphite structure that is non-uniformly laminated along the central axis of the CNF 110. The use of such variations in the diameter of CNF 110 is disclosed in commonly owned US patent application Ser. No. 12/904, filed Oct. 13, 2010.
, 113.

各CNFの長さに沿う積層コーン構体は、図3Bに破線で明示されるように、1〜5個
、5〜15個、10個より多い数のカップ状黒鉛層により構成される。これら露出した端
縁において、リチウムは黒鉛層相互間内に貫入することができる。分子レベルのスケール
で、カップ状構体は、リチウムが相互反応できるグラフェン及び/又は黒鉛シートのコー
ンを有する。カップ端縁は、ナノスケールの端縁であり、またグラフェン端縁の特性を有
することができるとともに、黒鉛層間でグラフェンシート間におけるような特性が見られ
る。カップ端縁は、垂直方向に整列したカーボンナノファイバにおける継ぎ目をもたらし
、この継ぎ目を経てリチウムイオンが移動できる。VACNFの新規な微細構造は、CN
F側壁の長さに沿う露出した黒鉛端縁、例えば、カップ端縁の積層体を生ずる。これらナ
ノスケール端縁は、グラフェン/黒鉛シート及びリボンで一般的に見られる端縁に類似す
る。これら露出カップ端縁は、変動するシリコン核形成速度の結果であり、したがって、
変調したシリコン殻の肌理を生ずる。これら露出端縁は、さらに、VACNFコアとSi
殻との間における良好な界面を形成し、このハイブリッド構体における迅速な電子移動を
容易にする。Si殻における異なる2個の構体は、VACNFの成長プロセスを変動させ
ることによって制御できる。カップ構体を有するVACNFの領域は羽毛状Si殻となる
とともに、カップ構体を持たないVACNFの領域はVACNFの先端で見られるのと同
様のSi構体を有する。VACNFは、随意的に、VACNFの長さに沿って並びに先端
においてカップ積層構体を持たない領域を1つ又は複数有するよう構成する。代替的実施
形態において、カーボンナノファイバに露出した黒鉛/グラフェン又は黒鉛端縁を有する
カップ積層構体を設けるが、垂直方向に整列しない及び/又は基板に直接取付けることさ
えもしないようにする。「カップ積層」黒鉛微細構造の使用は本明細書の他の部分で詳述
するが、黒鉛シートの露出ナノスケール端縁を作製する他の方法としては、酸を使用して
カーボンナノチューブを解離(アンジップ)するものがある。このようにして作製した露
出ナノスケール端縁は、Si殻を制御及び/又は固定する利点が得られることも期待され
、また幾つかの実施形態において設けることができる。例えば、黒鉛ナノスケールリボン
の端縁を使用して、これらリボンの周りにSi殻の成長に影響を与えるようにすることが
できる。
The laminated cone structure along the length of each CNF is comprised of 1-5, 5-15, more than 10 cup-shaped graphite layers, as indicated by the dashed lines in FIG. 3B. At these exposed edges, lithium can penetrate between the graphite layers. On a molecular scale, the cup-like structure has cones of graphene and / or graphite sheets with which lithium can interact. The cup edge is a nanoscale edge and can have the properties of a graphene edge, with properties like those between graphene sheets between graphite layers. The cup edge provides a seam in the vertically aligned carbon nanofiber through which lithium ions can move. The novel microstructure of VACNF is CN
This results in a stack of exposed graphite edges, e.g., cup edges, along the length of the F sidewall. These nanoscale edges are similar to those commonly found in graphene / graphite sheets and ribbons. These exposed cup edges are the result of varying silicon nucleation rates and therefore
Produces a texture of a modulated silicone shell. These exposed edges are further integrated with VACNF core and Si
It forms a good interface with the shell, facilitating rapid electron transfer in this hybrid structure. Two different structures in the Si shell can be controlled by varying the growth process of VACNF. The region of VACNF with the cup structure becomes a feather-like Si shell, and the region of VACNF without the cup structure has a Si structure similar to that seen at the tip of VACNF. The VACNF is optionally configured to have one or more regions along the length of the VACNF as well as at the tip that do not have a cup laminate structure. In an alternative embodiment, a cup laminate structure with graphite / graphene or graphite edges exposed on carbon nanofibers is provided, but not vertically aligned and / or even attached directly to the substrate. Although the use of "cup-laminated" graphite microstructures is described in detail elsewhere herein, another method for making exposed nanoscale edges of graphite sheets is to use an acid to dissociate carbon nanotubes ( There is something to unzip. The exposed nanoscale edge thus produced is also expected to have the advantage of controlling and / or fixing the Si shell, and may be provided in some embodiments. For example, the edges of graphite nanoscale ribbons can be used to influence the growth of Si shells around these ribbons.

本明細書に使用される用語「ナノファイバ」は、ナノスケール(1マイクロメートル未
満)の少なくとも2つの寸法を有する構体を有することを意味する。これらナノファイバ
は、例えば、ワイヤ、チューブ及びリボンがあり、厚さ及び幅がナノスケールであるが、
長さはナノスケールであってもなくてもよい。用語「ナノファイバ」は、厚さがナノスケ
ールであるが、長さ及び幅の双方もナノスケールであるグラフェンシートを除外すること
を意味する。種々の実施形態において、本明細書に記載の支持フィラメントはナノファイ
バである。
The term "nanofiber" as used herein is meant to have a structure having at least two dimensions on the nanoscale (less than 1 micrometer). These nanofibers include, for example, wires, tubes and ribbons, and are nanoscale in thickness and width,
The length may or may not be nanoscale. The term "nanofiber" is meant to exclude graphene sheets that are nanoscale in thickness, but both length and width are also nanoscale. In various embodiments, the support filaments described herein are nanofibers.

図3B及び3Cの解像度及びコントラストは制限されており、なぜなら電子ビームは数
100ナノメートル厚さのCNF又はSi−CNFハイブリッドに貫通しなければならな
いからであり、しかし、構造的特性は、文献におけるより小さいCNFを使用する高解像
度TEM観察では一貫している。この独自の構体はCNF側壁に沿って一群の破断した黒
鉛端縁のクラスタを生じたものであり、これによりSi堆積中の核形成速度を変化させ、
したがって、CNF110の側壁におけるSi層115の密度を変調させた。変調密度は
、図3Aのボックス310(100nmの正方形)で示す超特大表面積のSi構体となる
。Si層115の羽毛状Si構体は優れたリチウムイオン界面をもたらし、この結果、極
めて高いLi容量及びCNF
に対する迅速な電子移動を生ずる。図3Aにおいて、先端120における暗領域はCNF
成長のためのニッケル触媒である。他の触媒を用いることもできる。
The resolution and contrast of FIGS. 3B and 3C are limited because the electron beam must penetrate several hundred nanometers thick CNF or Si-CNF hybrid, but the structural properties are High resolution TEM observations using smaller CNFs are consistent. This unique structure produced a group of broken graphite edge clusters along the CNF sidewalls, thereby altering the nucleation rate during Si deposition,
Therefore, the density of the Si layer 115 on the side wall of the CNF 110 was modulated. The modulation density results in a super-large surface area Si structure as shown by box 310 (100 nm square) in FIG. 3A. The feathered Si structure of the Si layer 115 provides an excellent lithium ion interface, resulting in extremely high Li capacity and CNF.
Resulting in rapid electron transfer to In FIG. 3A, the dark area at tip 120 is CNF
Nickel catalyst for growth. Other catalysts can be used.

図3B及び3Cはリチウムのインターカレーション/脱離サイクルの前(図3B)及び
後(図3C)を記録した画像である。図3Cにおけるサンプルはリチウム脱離(放電)状
態にあり、これは電気化学セルから取出したときのものである。図3Bにおける破線は、
CNF110内の積層コーン黒鉛層を視覚的にガイダンス表示するものである。図3Cに
おける長い破線はCNF110の側壁表面を表す。
3B and 3C are images recorded before (FIG. 3B) and after (FIG. 3C) the lithium intercalation / desorption cycle. The sample in FIG. 3C is in a lithium desorbed (discharged) state, as taken from the electrochemical cell. The dashed line in FIG.
This is for visually providing guidance for the laminated cone graphite layer in the CNF 110. The long dashed line in FIG. 3C represents the sidewall surface of CNF 110.

本明細書の他の部分で説明するように、CNF110の積層コーン構体は、一般的に使
用されるカーボンナノチューブ(CNT)又は黒鉛とは格段に相違する。積層コーン構体
は、標準的なカーボンナノチューブ又はナノワイヤに比べると、Si層115を付加しな
くても、改善されたLi挿入が得られる。例えば、CNF110の積層コーン黒鉛構体
によれば、CNF110の側壁を経る(単に端部だけでなく)黒鉛層内へのLiインタ
ーカレーションを可能にする。各CNF110の壁を通過するLi移動経路は極めて短
く(幾つかの実施形態においてはDが〜290nmである)、一般的に使用されるシーム
レスなカーボンナノチューブ(CNT)における開放端部からの長い経路とは全く異なる
。図4は、CNFの積層コーン構体を模式的に示す。この特別な実施形態において、パラ
メータの平均値は以下の通り、すなわち、CNF半径rCNF=74nm、CNF壁厚t
=〜50nm、黒鉛コーン角度θ=10゜、及び黒鉛コーン長さD=t/sinθ=
290nmである。
As described elsewhere herein, the laminated cone structure of CNF 110 is significantly different from commonly used carbon nanotubes (CNTs) or graphite. The laminated cone structure provides improved Li + insertion without the addition of a Si layer 115 when compared to standard carbon nanotubes or nanowires. For example, the laminated cone graphite structure of CNF 110 allows for Li + intercalation through the sidewalls of CNF 110 (not just at the edges) into the graphite layer. The Li + migration path through the wall of each CNF 110 is very short (D is 2290 nm in some embodiments) and long from the open end in commonly used seamless carbon nanotubes (CNTs) It is completely different from a route. FIG. 4 schematically shows a laminated cone structure of CNF. In this particular embodiment, the average values of the parameters are as follows: CNF radius r CNF = 74 nm, CNF wall thickness t
w = up to 50 nm, the graphite cone angle theta = 10 °, and graphite cone length D = t w / sinθ =
290 nm.

図5A〜5Cは〜3μmの長さを有するCNF110の電気化学特性を示す。この特性
は図4につき説明した現象を示す。図5Aは、0.1、0.5、及び1.0mV/sのスキ
ャンレートにおけるLi/Li参照電極に対する1.5Vから0.001Vまでの電位の
サイクリックボルタモグラム(CV)を示す。リチウムディスクをカウンタ電極として使
用した。データは第2サイクルから取得し、また露出した幾何学的表面積に対して正規化
した。図5Bは、C/0.5、C1、C/2のパワーレートにおける定電流充放電プロフ
ァイル(変化曲線)を示し、それぞれ647,323の電流密度及び162mA/g(推
定カーボン質量に正規化した値)、又は71.0、35.5及び17.8μA/cm(幾
何学的表面積に正規化した値)に対応する。図5Cは、C/1充放電レートにおけるサイ
クル数に対するインターカレーション容量及び脱離容量(左縦軸)及びクーロン効率(右
縦軸)を示す。(C/1放電レート=1時間、C/2放電レート=120分、2C=C/
0.5=30分等。)
5A-5C show the electrochemical properties of CNF 110 having a length of 33 μm. This characteristic shows the phenomenon described with reference to FIG. FIG. 5A shows a cyclic voltammogram (CV) of a potential from 1.5 V to 0.001 V for a Li / Li + reference electrode at scan rates of 0.1, 0.5, and 1.0 mV / s. Lithium disks were used as counter electrodes. Data was obtained from the second cycle and normalized to the exposed geometric surface area. FIG. 5B shows the constant current charge / discharge profiles (change curves) at power rates of C / 0.5, C1, and C / 2, with current densities of 647 and 323 and 162 mA / g (normalized to estimated carbon mass, respectively). Values), or 71.0, 35.5 and 17.8 μA / cm 2 (values normalized to geometric surface area). FIG. 5C shows intercalation capacity and desorption capacity (left vertical axis) and Coulomb efficiency (right vertical axis) with respect to the number of cycles at a C / 1 charge / discharge rate. (C / 1 discharge rate = 1 hour, C / 2 discharge rate = 120 minutes, 2C = C /
0.5 = 30 minutes, etc. )

一般的に未被覆CNF110アノードの開路電位(OCP:open circuit potential)
を示す新たに組立てた半電池(ハーフセル)は、Li/Li参照電極に対して〜2.5
0Vから3.00Vまでであった。0.001Vと1.5Vとの間において測定したCVは
、電極電位が1.20V未満であるときLiのインターカレーションが始まることを示
す。OCPから0.001Vまでの第1サイクルは、溶媒、塩、及び不純物の堆積による
必然的な保護層、すなわち、固体電解質相間(SEI:solid electrolyte interphase)
の形成を引き起こし、したがって、大きなカソード電流を生じた。その後のCVは、より
小さいがより安定した電流を示した。Liインターカレーションに関連するカソード電
流は、0.18Vで急峻なカソードピークが現れるまで電極電位を負側に掃引するとき緩
慢に上昇した。下限の0.001Vに達した後に電極電位を正側に逆転させるとき、リチ
ウム脱離が1.50Vまでの全体範囲で観測され、連続的アノード電流及び1.06Vにお
ける幅広のピークが示された。
Generally, the open circuit potential (OCP) of the uncoated CNF110 anode
The newly assembled half-cell (half-cell) shows ~ 2.5 with respect to the Li / Li + reference electrode.
It was from 0V to 3.00V. A CV measured between 0.001 V and 1.5 V indicates that Li + intercalation begins when the electrode potential is less than 1.20 V. The first cycle from OCP to 0.001 V is a necessary protective layer due to the deposition of solvents, salts and impurities, i.e. solid electrolyte interphase (SEI)
And thus resulted in large cathodic currents. Subsequent CVs showed a smaller but more stable current. The cathode current associated with Li + intercalation rose slowly as the electrode potential was swept negative until a sharp cathode peak appeared at 0.18V. When reversing the electrode potential to the positive side after reaching the lower limit of 0.001 V, lithium desorption was observed over the entire range up to 1.50 V, indicating a continuous anode current and a broad peak at 1.06 V. .

CNFアレイ100のCV特性は、黒鉛内への段階的インターカレーション及びCNT
の中空チャネル内への緩慢なLi拡散の特性とは幾分異なる。CNF110内へのリチ
ウムイオン挿入は、その独自構体に起因して側壁から黒鉛層相互間へのインターカレーシ
ョンにより起こり得る。図3CのTEM画像は、CNF110内側の積層コーンにおける
黒鉛スタックが、おそらくLiインターカレーションで生ずる大きな体積変化に起因し
て、Liインターカレーション−脱離サイクル中にいくらか分裂している状態を示す。
幾つかの残渣及びナノ粒子が、CNF110内側並びに外面における白い物体として観測
される。これらは側壁からCNF内部への貫入を示す。
The CV characteristics of the CNF array 100 are based on gradual intercalation into graphite and CNT.
Is somewhat different from the slow Li + diffusion characteristics into the hollow channel of Lithium ion insertion into the CNF 110 can occur by intercalation from the sidewalls to the graphite layers due to its unique structure. TEM image of FIG. 3C, the graphite stack in CNF110 inner lamination cone, possibly due to the large volume changes occurring with Li + intercalation, Li + intercalation - state is somewhat split into desorption cycle Is shown.
Some residues and nanoparticles are observed as white objects inside and outside of CNF110. These show penetration from the sidewall into the interior of the CNF.

図5Bにおける定電流充放電プロファイルは、パワーレートがC/2からC/0.5(
C/0.5は「2C」とも称される)に増加するとき、Li貯蔵容量が減少することを
示す。パワーレート(とくに、C/1より高いパワーレート)間の比較を容易にするため
、本発明者らは、文献で最も一般的に用いられている「2C」よりもC/0.5の分数表
記を本明細書で使用する。Liインターカレーション及び脱離容量は、CNF110の
推定質量(1.1×10g/cm)に正規化し、この推定質量は、以下の平均パラメ
ータ、すなわち、長さ(3.0μm)、密度(1.1×10CNF/cm)、外径(1
47nm)、及び中空内径(49nm、〜1/3の外径)を有する中空の垂直方向整列C
NF構体に基づいて計算した。CNF110の中実な黒鉛壁の密度は黒鉛と同一(2.2
g/cm)であると仮定した。通常のC/2では、インターカレーション容量は430
mAhg−1、脱離容量は390mAhg−1であり、双方とも黒鉛における372mA
hg−1の理論値よりも僅かに高い値であったが、このことは、SEI形成及びCNF1
10内側における中空コンパートメント内への可逆Li挿入に起因するものと思われる
。脱離容量は、全パワーレートにおけるインターカレーション値の90%よりも高いこと
が判明し、インターカレーション及び脱離双方の容量は、パワーレートがC/2からC/
1に増加するとき〜9%減少し、またC/1からC/0.5に増加するとき〜20%減少
した。
The constant current charge / discharge profile in FIG. 5B indicates that the power rate is from C / 2 to C / 0.5 (
When increasing to C / 0.5 (also referred to as “2C”), it indicates that the Li + storage capacity decreases. To facilitate comparisons between power rates (especially power rates higher than C / 1), we have chosen a fraction of C / 0.5 over the most commonly used "2C" in the literature. Notation is used herein. The Li + intercalation and desorption volumes were normalized to the estimated mass of CNF110 (1.1 × 10 4 g / cm 2 ), which estimated mass was the following average parameter: length (3.0 μm) , Density (1.1 × 10 9 CNF / cm 2 ), outer diameter (1
47 nm), and a hollow vertical alignment C with a hollow inner diameter (49 nm, 〜 outer diameter)
Calculated based on NF structure. The density of the solid graphite wall of CNF110 is the same as that of graphite (2.2
g / cm 3 ). For normal C / 2, the intercalation capacity is 430
mAhg −1 , the desorption capacity is 390 mAhg −1 , and both are 372 mAh in graphite.
Although slightly higher than the theoretical hg -1 value, this indicates that SEI formation and CNF1
It is likely due to reversible Li + insertion into the hollow compartment inside 10. The desorption capacity was found to be higher than 90% of the intercalation value at all power rates, and both the intercalation and desorption capacities were from power rates C / 2 to C /
A decrease of 99% when increasing to 1 and a 〜20% decrease when increasing from C / 1 to C / 0.5.

充放電サイクル稼働の際に、インターカレーション容量は、C/1における20サイク
ル後に410mAhg−1から370mAhg−1まで僅かに低下するとともに、脱離容
量は、375mAhg−1と355mAhg−1との間の値に維持されることが判明した
。全体クーロン効率(すなわち、インターカレーション容量に対する脱離容量の比)は、
最初の2サイクルを除いて、CNF110表面上のSEI形成に起因して〜94%であっ
た。SEI膜は、リチウムイオン拡散を可能にするが、電気絶縁して直列抵抗の増大を招
く初期サイクル中に炭素質アノード上に容易に形成されることが知られている。TEM画
像(図3C参照)及びSEM画像(図6A参照)は、充放電サイクル中に不均一な薄い膜
がCNF110表面上に堆積したことを示す。幾つかの実施形態において、SEIは、C
NF110の機械的強度を増加するシースとして作用し、他のポリマー被覆での研究で観
測される溶媒の凝集性毛細管力によってCNFが微細な束に崩壊するのを防止する。
During charge and discharge cycle operation, intercalation capacity, with decreases slightly from 410MAhg -1 after 20 cycles at C / 1 to 370MAhg -1, desorption capacity, between 375MAhg -1 and 355MAhg -1 It was found that the value was maintained. The overall Coulomb efficiency (ie, the ratio of desorption capacity to intercalation capacity) is
Except for the first two cycles, it was 9494% due to SEI formation on the CNF110 surface. It is known that SEI films allow lithium ion diffusion, but are easily formed on carbonaceous anodes during the initial cycle, which results in electrical isolation and increased series resistance. The TEM image (see FIG. 3C) and the SEM image (see FIG. 6A) show that a non-uniform thin film was deposited on the CNF 110 surface during the charge / discharge cycle. In some embodiments, the SEI is C
Acts as a sheath that increases the mechanical strength of NF110 and prevents CNF from collapsing into fine bundles due to the cohesive capillary forces of the solvent observed in studies with other polymer coatings.

図6A〜6Cは、本発明の種々の実施形態による、3μmの長さを有するCNF110
の走査電子顕微鏡画像を示す。図6Aは、インターカレーション/脱離サイクル後の脱リ
チオ化(放電)したCNF110を示す。図6Bは、100サイクル後の脱リチオ化状態
におけるSi層115を含むCNF110を示す。図6Cは、100サイクル後のリチオ
化状態におけるSi層115を含むCNF110を示す。これら画像は45゜の角度から
見た斜視図である。
6A-6C illustrate CNF 110 having a length of 3 μm, according to various embodiments of the present invention.
3 shows a scanning electron microscope image of the sample. FIG. 6A shows delithiated (discharged) CNF110 after an intercalation / desorption cycle. FIG. 6B shows CNF 110 including Si layer 115 in a delithiated state after 100 cycles. FIG. 6C shows the CNF 110 including the Si layer 115 in the lithiated state after 100 cycles. These images are perspective views as viewed from an angle of 45 °.

図7A〜7Cは、リチウムイオン電池アノードとしてSi層115を有するCNF11
0を用いて得られた結果を示す。これら結果は、0.50μmの公称Si厚さを用いて観
測した。図7Aは、0.10、0.50及び1.0mVs−1のスキャンレートにおける、
Li/Liに対する1.5Vと0.05Vとの間におけるサイクリックボルタモグラムを
示す。測定値は、サンプルが150回の充放電サイクルを受けた後に取得し、また各スキ
ャンレートにおける第2サイクルのデータを示す。図7Bは、サンプルを120サイクル
にわたりC/0.5、C/1及びC/2のパワーレートにおける定電流充放電プロファイ
ルを示す。すべてのプロファイルは各レートで第2サイクルから取得した。図7Cは、充
放電サイクル数に対する挿入容量及び脱離容量(左縦軸)、並びに2のCNFアレイ10
0(電極として使用)のクーロン効率(右縦軸)を示す。第1CNFアレイ100は、先
ずC/10レートでの1サイクル、C/5レートでの1サイクル、及びC/2レートでの
2サイクルにより調整した。この後、残りの96サイクルに対してC/2挿入レート及び
C/5脱離レートで検査した。塗りつぶし正方形及び空白正方形は、それぞれ挿入容量及
び脱離容量を示す。第2電極は、先ずC/10、C/5、C/2、C/1、C/0.5及
びC/0.2レートでそれぞれ2サイクルにより調整した。この後次の88サイクルに対
してC/1レートで検査した。双方の電極のクーロン効率は、塗りつぶし菱形(第1電極
)及び空白菱形(第2電極)で示し、その大部分の99%がオーバーラップする。
7A-7C show CNF 11 with Si layer 115 as lithium ion battery anode.
The results obtained using 0 are shown. These results were observed using a nominal Si thickness of 0.50 μm. FIG. 7A shows the scan rates at 0.10, 0.50 and 1.0 mVs −1 .
Figure 4 shows a cyclic voltammogram between 1.5 V and 0.05 V for Li / Li + . Measurements were taken after the sample underwent 150 charge / discharge cycles and represent data for the second cycle at each scan rate. FIG. 7B shows a constant current charge / discharge profile at a power rate of C / 0.5, C / 1 and C / 2 over 120 cycles of the sample. All profiles were taken from the second cycle at each rate. FIG. 7C shows the insertion capacity and desorption capacity (the left vertical axis) versus the number of charge / discharge cycles, and two CNF arrays 10.
The Coulomb efficiency (right vertical axis) of 0 (used as an electrode) is shown. The first CNF array 100 was first conditioned with one cycle at the C / 10 rate, one cycle at the C / 5 rate, and two cycles at the C / 2 rate. Thereafter, the remaining 96 cycles were tested at the C / 2 insertion rate and C / 5 desorption rate. Filled squares and blank squares indicate insertion capacity and desorption capacity, respectively. The second electrode was first conditioned in two cycles at C / 10, C / 5, C / 2, C / 1, C / 0.5 and C / 0.2 rates, respectively. This was followed by a test at the C / 1 rate for the next 88 cycles. The Coulomb efficiencies of both electrodes are indicated by filled diamonds (first electrode) and blank diamonds (second electrode), with 99% of the majority overlapping.

図7AにおけるCVはSiナノワイヤに極めて類似する特徴を示す。未被覆CNFアレ
イ110と比較すると、Li挿入のカソード波形及びLi脱離のアノード波形の双方
ともより低い値にシフトする(それぞれ〜0.5V及び0.7V未満となる)。ピーク電流
密度はSi層115の塗布後に10〜30倍に上昇し、またスキャンレートに直接比例す
る。明らかに、Siへの合金形成Li挿入は、黒鉛層相互間におけるLiの緩慢な拡
散によって制限される未被覆CNFへのインターカレーションよりも極めて迅速である。
〜0.28VにおけるカソードピークはピュアなSiナノワイヤに対する研究では観察さ
れなかった。Li-Si合金の非晶質Siへの転換を表す3つのアノードピークは、10
0〜200mVだけより低い電位へのシフトにも係わらずSiナノワイヤにおけるのと類
似する。
The CV in FIG. 7A shows features very similar to Si nanowires. Compared to the uncoated CNF array 110, both the Li + insertion cathode waveform and the Li + desorption anode waveform shift to lower values (below ~ 0.5V and 0.7V, respectively). The peak current density increases 10 to 30 times after application of the Si layer 115, and is directly proportional to the scan rate. Clearly, alloying Li + insertion into Si is much faster than intercalation into uncoated CNF limited by slow diffusion of Li + between graphite layers.
A cathode peak at に お け る 0.28 V was not observed in studies on pure Si nanowires. The three anode peaks representing the conversion of the Li-Si alloy to amorphous Si are 10
Similar to in Si nanowires despite a shift to a potential lower by 0-200 mV.

図7Bに示すSi層115を含むCNFアレイの定電流充放電プロファイルは、2つの
顕著な特徴、すなわち、(1) 〜3000mAh(gsi−1の高いLi挿入(充電)
及び脱離(放電)容量がC/2レートで120サイクル後でも得られる、及び(2) そのL
容量はC/2、C/1及びC/0.5のパワーレートでほぼ同一であるという特徴を
有する。換言すれば、電極として動作するCNFアレイ100の容量は、レートがC/2
からC/1及びC/0.5に増加するときに減退しない。これら充電レートに対して、上
述の実施形態において、容量は充電レートにほぼ無関係であった。Si層115を含むC
NFアレイ100の総Li貯蔵容量は、Si層115がないCNFアレイ100の〜1
0倍であった。このことは、放電サイクル用の電位下限が0.001Vから0.050Vに
増大した場合であっても生ずる。この結果、CNFコアへのLiインターカレーション
量はごく少量になったことが分かる。比容量(比湧出量)は、測定した公称厚さ及び2.
33gcm−3のバルク(かさ)密度から計算したSiの質量のみを割り算することによ
って計算される。この方法はSi層115の比容量をバルクSiの理論値に比較する適切
なメトリックとして選択した。0.456μmのSi層115を堆積した長さ3.0μmの
CNF110に関して、Si層115の質量密度は、CNF110の質量密度(〜1.1
×10−4gcm−2)と比べると、〜1.06×10−4gcm−2であった。図7B
における対応のクーロン効率は、3つのすべてのパワーレートで99%よりも高く、Si
層115のないCNF110のクーロン効率よりも相当高い。
The constant current charge / discharge profile of the CNF array including the Si layer 115 shown in FIG. 7B has two salient features: (1) a high Li + insertion (charge) of 3000 mAh (g si ) −1
And desorption (discharge) capacity is obtained even after 120 cycles at a C / 2 rate, and (2) its L
The feature is that the i + capacity is approximately the same at power rates of C / 2, C / 1 and C / 0.5. In other words, the capacity of the CNF array 100 operating as an electrode has a rate of C / 2.
Does not decrease when increasing from to C / 1 and C / 0.5. For these charging rates, in the above embodiment, the capacity was almost independent of the charging rate. C including Si layer 115
The total Li + storage capacity of the NF array 100 is 11 of the CNF array 100 without the Si layer 115.
It was 0 times. This occurs even when the lower potential limit for the discharge cycle increases from 0.001V to 0.050V. As a result, it can be seen that the amount of Li + intercalation to the CNF core was extremely small. The specific capacity (specific spring rate) is the nominal thickness measured and 2.
Calculated by dividing only the mass of Si calculated from the bulk (bulk) density of 33 gcm- 3 . In this method, the specific capacity of the Si layer 115 was selected as an appropriate metric to compare with the theoretical value of bulk Si. For a 3.0 μm long CNF 110 with a 0.456 μm Si layer 115 deposited, the mass density of the Si layer 115 is the mass density of the CNF 110 (〜1.1).
× 10 −4 gcm −2 ), which was 11.06 × 10 −4 gcm −2 . FIG. 7B
The corresponding Coulomb efficiency in is higher than 99% at all three power rates,
It is significantly higher than the Coulombic efficiency of CNF 110 without layer 115.

図8は、本発明の種々の実施形態によるCNFアレイ100の容量が充電率とともにど
のように変化するかを示す。データは数サイクルに対して示されている。図8は、設定時
間でのフル容量(C/h例えば、フル容量/時間)を得るに必要な充電率(Cレート)に
対する同一電流レートでの数サイクルにわたる平均比放電容量を示す。CNFアレイ10
0は、先ずC/8、C/4、C/2、C/1、C/0.8、C/0.4、及びC/0.16
レートそれぞれにおける2サイクルで対称的に調整し、この後、次の88サイクルにわた
りC/1の対称的レートで検査した。このことを101サイクルから200サイクルまで
繰り返した。サイクル201を開始する際に、電極は、C/4、C/3、C/2、C/1
、C/0.75、C/0.66、C/0.50、C/0.33、C/0.25、C/0.20、
及びC/0.15レートそれぞれにおける5サイクルで対称的に調整し、この後、次の4
5サイクルにわたりC/1の対称的レートで検査した。このことを、301サイクルから
400サイクルまで及び401サイクルから500サイクルまで繰り返した。容量変化は
、Cレートを32倍に変化させる間に僅か(<16%)である。100サイクル後の電極
は、Cレートを3Cから8Cに変化させるとき、増大した容量を示した。従って、向上し
た容量でより迅速な充電率が得られた。高い容量(>2,700mAh/g)が高レート
及び低レート(C/4及び8C)で得られた。3Cより高いレートでの容量はCレートが
増大するにつれて増加する。サイクル数に応じた比容量の低下は修正可能な要因であるこ
とが知られている。
FIG. 8 illustrates how the capacity of the CNF array 100 changes with the charge rate according to various embodiments of the present invention. Data is shown for several cycles. FIG. 8 shows the average specific discharge capacity over several cycles at the same current rate versus the charge rate (C rate) required to obtain a full capacity (C / h, eg, full capacity / hour) at a set time. CNF array 10
0 is first C / 8, C / 4, C / 2, C / 1, C / 0.8, C / 0.4, and C / 0.16.
Adjusted symmetrically in two cycles at each of the rates, and then tested at a symmetric rate of C / 1 for the next 88 cycles. This was repeated from 101 cycles to 200 cycles. At the beginning of cycle 201, the electrodes are C / 4, C / 3, C / 2, C / 1
, C / 0.75, C / 0.66, C / 0.50, C / 0.33, C / 0.25, C / 0.20,
And symmetrically adjusted in 5 cycles at each C / 0.15 rate, after which the next 4
The test was performed at a symmetric rate of C / 1 for 5 cycles. This was repeated from 301 cycles to 400 cycles and from 401 cycles to 500 cycles. The change in capacity is slight (<16%) while changing the C-rate by a factor of 32. The electrode after 100 cycles showed increased capacity when changing the C rate from 3C to 8C. Thus, a faster charge rate was obtained with improved capacity. High capacity (> 2,700 mAh / g) was obtained at high and low rates (C / 4 and 8C). Capacity at rates higher than 3C increases as the C rate increases. It is known that a decrease in specific capacity according to the number of cycles is a factor that can be corrected.

CV及び充電−放電測定双方は、Si層115内へのLi挿入が迅速であり、かつ高
度に可逆性であることを示したが、この高度な可逆性は高性能リチウムイオン電池アノー
ドに要求されるものである。このことは、さらに、異なる検査条件、すなわち、(1) 挿入
に対するC/2レート及び脱離に対するC/5レートでの緩慢な非対称的検査、並びに(2
) 挿入及び脱離双方に対するC/1での迅速な対称的検査における2つの同一サンプルに
対する2つの長いサイクル検査で実証された(図7C参照)。双方のデータセットは、初
期調整サイクル(変化させる低レートでの前4サイクル及び後12サイクル)間を除く長
いサイクル稼働にわたり、98%より高い(>98%)クーロン効率を示した。緩慢非対
称的検査において、挿入容量は、5番目サイクルでの3643mAhg−1から100番
目サイクルでの3341mAhg−1に8.3%のみ低下した。C/1の充電−放電レー
トでさえも、挿入容量は、13番目サイクルでの3096mAhg−1から100番目サ
イクルでの2752mAhg−1に11%のみ低下した。これら2つのデータセット相互
間でのLi容量の差異は、主に初期調整パラメータ及び小さいサンプル相互間変動に帰
するものであった。このことは、C/10及びC/5レートでの図7Cにおける最初の2
、3回の調整サイクル中における挿入−脱離容量の同様な値によって示された。より速い
レート(サンプル#2における9番目及び10番目のサイクルに対するC/0.5、並び
に11番目及び12番目のサイクルに対するC/0.2)は、容量に弊害があり、不可逆
的低下を生ずることが分かった。しかし、電極はより長いサイクル稼働後にも安定した状
態であった。図7Bに示すように、充電−放電プロファイルはC/2、C/1及びC/0
.5レートでほぼ同一であり、120サイクル後のサンプル#1で測定した。このことは
4倍の充電率変動を超える。
Both CV and charge-discharge measurements have shown that the insertion of Li + into the Si layer 115 is rapid and highly reversible, a requirement for high performance lithium ion battery anodes. Is what is done. This further implies that different test conditions, namely (1) a slow asymmetric test at C / 2 rate for insertion and C / 5 rate for desorption, and (2)
) Demonstrated in two long cycle tests on two identical samples in a rapid symmetric test at C / 1 for both insertion and removal (see FIG. 7C). Both data sets showed Coulomb efficiencies higher than 98% (> 98%) over long cycle runs except during the initial conditioning cycle (4 cycles before and 12 cycles after changing low rates). In slow asymmetric tests, insertion volume was decreased only 8.3% in 3341MAhg -1 at 100 th cycle from 3643MAhg -1 of the fifth cycle. C / 1 charge - even discharge rate are also intercalation capacity was reduced only 11% in 2752MAhg -1 at 100 th cycle from 3096MAhg -1 at 13 th cycle. The difference in Li + capacity between these two data sets was mainly due to initial tuning parameters and small inter-sample variability. This is the first 2 in FIG. 7C at C / 10 and C / 5 rates.
, Indicated by similar values of insertion-desorption capacity during the three conditioning cycles. Faster rates (C / 0.5 for ninth and tenth cycles and C / 0.2 for eleventh and twelfth cycles in sample # 2) are detrimental to capacity and cause irreversible degradation I understood that. However, the electrodes remained stable after longer cycle runs. As shown in FIG. 7B, the charge-discharge profiles are C / 2, C / 1 and C / 0.
It was almost the same at a rate of 0.5 and was measured on sample # 1 after 120 cycles. This exceeds a four-fold charge rate variation.

3000〜3650mAhg−1の範囲におけるSi層115の比容量は、文献で挙げ
られた非晶質Siアノードの最高値と一致する。注目に値することは、CNFアレイ11
0におけるSi殻がLi挿入に対して活性を示し、120サイクルにわたりほぼ90%
の容量を保持することであり、このことは我々発明者が知り得る限り極薄平坦Si膜を除
いては得られなかった。本明細書に開示した比容量は、同様のパワーレートでC/2レー
トにおける〜2500mAhg−1、Siナノワイヤ(NW)のC/1レートにおける〜
2200mAhg−1及びランダムに配向したカーボンナノファイバ−Siコア−殻NW
でC/1における〜800mAhg−1を含む、他のナノ構造のSi材料を使用して報告
されたものよりも相当高い。明らかに、本発明の種々の実施形態に含まれるような明確に
分離したCNF110における同軸状コア−殻NW構体は、従来技術よりも、向上した充
電−放電率、SiのLi貯蔵フル容量、及びロングサイクル寿命をもたらす。
The specific capacity of the Si layer 115 in the range of 3000 to 3650 mAhg -1 matches the highest value of the amorphous Si anode described in the literature. It is worth noting that the CNF array 11
The Si shell at 0 is active for Li + insertion, almost 90% over 120 cycles
This was not obtained except for the ultra-thin flat Si film as far as we could know. Specific capacities disclosed herein range from は 2500 mAhg −1 at C / 2 rates at similar power rates, に お け る at C / 1 rates of Si nanowires (NW).
2200 mAhg -1 and randomly oriented carbon nanofiber-Si core-shell NW
Significantly higher than those reported using other nanostructured Si materials, including 800800 mAhg −1 at C / 1. Clearly, the coaxial core-shell NW structure in the well-separated CNF 110 as included in various embodiments of the present invention provides improved charge-discharge rates, full Li + storage capacity of Si, And a long cycle life.

図7Cに示すように、異常に高い挿入容量(〜4500mAhg−1)が初期サイクル
において常に観測されたが、これはその後のサイクルよりも20〜30%高いものであっ
た。これとは対照的に、脱離値は全サイクルを通して比較的安定していた。過剰挿入容量
は、3つの不可逆的反応、すなわち、(1) 薄いSEI(表面電解質相間:surface electr
olyte interphase)層(数10ナノメートル)の形成、(2) Si表面に存在するSiO
に対するLiの反応(SiO+2xLi→Si+xLiO)、及び(3) より高い理論
的容量(〜4200mAhg−1)を有する開始結晶Si被覆のより低い容量(<380
0mAhg−1)を有する非晶質Siへの転換の組合せに帰することができる。TEM画
像(図3C)及びSEM画像(図6B)は、充電−放電サイクル後に不均一なSEIがS
i層の表面に堆積し得ることを示した。この弾性SEI膜は、CNFアレイ110が充電
−放電サイクル中に生ずる大きな体膨張−収縮を受けるとき、Si層115をCNF11
0の表面に固定するのに役立ち得る。図6B及び6CにおけるSEM画像間における顕著
な差異は、非リチオ化状態に対するリチオ化(充電)した状態におけるSi層115の大
きな膨張を示す。(しかし、幾つかの膨張は、電気化学セルを画像化のために装われると
き空気によるLiの酸化に起因する場合がある。)初期充電−放電サイクル中のSEI生
成は、この差異を図3Aと図3Bとの間でSi層115に見られることに留意されたい。
図3Bにおいて、Siは電解質と相互作用して、羽毛状構体相互間のギャップを埋めるS
EIを生ずる。この相互作用としては、混合、化学的反応、電荷結合、被包化等があり得
る。Si層115は、従って、図3Bにおいてより均一に見える。しかし、Si層115
は、この場合、Si(羽毛状構体)とSEIとの相互層を有する。これら交互層それぞれ
は、20〜30ナノメートルのオーダーであり得る。SEI層はイオン透過性材料であり
、このイオン透過性材料は、電解質とSi層115(又は他の電極材料)との間の相互反
応による生成物である。
As shown in FIG. 7C, an unusually high insertion capacity (〜4500 mAhg −1 ) was always observed in the initial cycle, which was 20-30% higher than in subsequent cycles. In contrast, the desorption values were relatively stable throughout the cycle. Excess insertion capacity can be attributed to three irreversible reactions: (1) thin SEI (surface electrolyte phase: surface electr).
olyte interphase) layer (several tens of nanometers), (2) SiO x existing on Si surface
Of Li (SiO x + 2 × Li → Si + xLi 2 O) to (3) the lower capacity of the starting crystalline Si coating with a higher theoretical capacity (〜4200 mAhg −1 ) (<380)
0 mAhg -1 ). The TEM image (FIG. 3C) and the SEM image (FIG. 6B) show that the uneven SEI
It was shown that it could be deposited on the surface of the i-layer. When the CNF array 110 undergoes significant body expansion and contraction that occurs during a charge-discharge cycle, the elastic SEI
0 can help fix to the surface. The striking differences between the SEM images in FIGS. 6B and 6C indicate a large expansion of the Si layer 115 in the lithiated (charged) versus non-lithiated state. (However, some swelling may be due to oxidation of Li by air when the electrochemical cell is armed for imaging.) SEI generation during the initial charge-discharge cycle makes this difference FIG. 3A. Note that it is found in the Si layer 115 between FIG.
In FIG. 3B, Si interacts with the electrolyte to fill the gap between the feathered structures.
Produces EI. This interaction can include mixing, chemical reaction, charge binding, encapsulation, and the like. The Si layer 115 therefore looks more uniform in FIG. 3B. However, the Si layer 115
Have in this case an inter-layer of Si (feathered structure) and SEI. Each of these alternating layers can be on the order of 20-30 nanometers. The SEI layer is an ion permeable material, which is the product of the interaction between the electrolyte and the Si layer 115 (or other electrode material).

Si殻の結晶及び非晶質構造は、ラマン分光法によって明らかになった。図9に示すよ
うに、Si層115を含む初期的CNFアレイ100は、非晶質Siに対応する350〜
550cm−1の範囲でオーバーラップする多重幅広帯域、及びナノ結晶Siに対応する
480cm−1のより先鋭な帯域を示した。充電−放電検査後、先鋭ピークは、幅広帯域
が470cm−1における単独ピークに合流しつつ消失した。むき出しのCNF110は
、この範囲で何らの特徴も示さない。結晶Siピークは、単結晶Si(100)ウエハで
測定されたものから〜40cm−1だけ、また他の微結晶Si材料から〜20〜30cm
−1だけダウンシフトした。このシフトはおそらくずっと小さい結晶サイズ及び大きな不
規則性に起因するものと思われる。元々のSi層115は、図3Aにおける羽毛状TEM
画像に関連する非晶質マトリクスに埋設されたナノ結晶により構成されていると思われる
。初期サイクル後、Siナノ結晶は、サイクル稼働検査後のTEM画像(図3B及び3C
)に一致する非晶質Siに転換した。しかし、Si層115は、明らかに、純SiNWに
おける大きな長手方向膨張(100%にも達する)とは対照的に、CNFの長さに沿って
スライドしなかった。このことは、幾つかの実施形態において、シリコンの膨張は、主に
、カーボンナノファイバに対して長手方向ではなく、半径方向であることを示している。
幾つかの実施形態において、膨張は、Siの羽毛状構体相互間で生ずる。例えば、1つの
羽根における膨張は、上方及び下方に最も隣接する羽根の方向に生じ、羽根相互間のギャ
ップを埋める。いずれの場合でも、膨張は、シリコンの層間剥離を従来よりも劇的に減少
するよう層ずる。Si層115は、したがって、120サイクルにわたりCNF110に
対して確実に固定された。Li挿入中におけるSi殻の体積変化は、半径方向膨張が優
勢的であるとともに、CNF−Si界面は損なわれずに留まった。
The crystalline and amorphous structure of the Si shell was revealed by Raman spectroscopy. As shown in FIG. 9, the initial CNF array 100 including the Si layer 115 has a thickness of 350 to
Multiple width broadband overlapping in the range of 550 cm -1, and showed sharper band of 480 cm -1 corresponding to the nanocrystalline Si. After the charge-discharge test, the sharp peak disappeared while the broadband merged with the single peak at 470 cm -1 . Bare CNF 110 does not show any features in this range. The crystalline Si peak is only 4040 cm −1 from that measured on a single crystal Si (100) wafer and 〜20-30 cm from other microcrystalline Si materials.
Downshifted by -1 . This shift is probably due to much smaller crystal size and larger irregularities. The original Si layer 115 is the feathered TEM in FIG. 3A.
It appears to be composed of nanocrystals embedded in an amorphous matrix associated with the image. After the initial cycle, the Si nanocrystals were examined by TEM images after cycle operation inspection (FIGS. 3B and 3C).
) Was converted to amorphous Si. However, the Si layer 115 apparently did not slide along the length of the CNF, in contrast to the large longitudinal expansion (up to 100%) in pure SiNW. This indicates that in some embodiments, the expansion of silicon is primarily radial, rather than longitudinal, with respect to the carbon nanofiber.
In some embodiments, expansion occurs between the Si feathered structures. For example, inflation in one blade occurs in the direction of the upper and lower most adjacent blades, bridging the gap between the blades. In each case, the swelling stratifies to reduce the delamination of silicon dramatically. The Si layer 115 was thus securely fixed to the CNF 110 for 120 cycles. The volume change of the Si shell during Li + insertion was dominated by radial expansion and the CNF-Si interface remained intact.

本発明の種々の実施形態において、異なる長さ及びシリコン殻厚さを有するCNF11
0を有する。CNF110を生ずるときに制御され得る1つのファクタは、各CNF11
0間の開放空間、すなわち、CNFアレイ100におけるCNF相互間の平均距離である
。この開放空間により、Si層115は充電するとき半径方向に膨張でき、従って、幾つ
かの実施形態において安定性をもたらす。最適電極構体は、CNF110の長さ及びSi
層115の厚さの双方に依存するため、これによってより高い総Li貯蔵容量が得られ
るようにする上で、より長いCNF110及びより厚いSi層115を使用するのが望ま
しいことがあり得る。より長いCNF110は、より大きい貯蔵容量に相関する。図10
A〜10Cは、公称厚さ0.50、1.5及び4.0μmそれぞれでSi層115を堆積さ
せた3つの10μm長さを有する長いCNF110のサンプルを使用して15回の充填−
放電サイクルにわたるLi挿入−脱離容量及びクーロン効率のバリエーションを示す。
第1サイクルに対してC/10レートで調整し、また第2サイクルに対してC/5レート
で調整した後、その後のサイクルでは図7Cにおけるサンプル#1の測定と同様に非対称
的レート(挿入に対してC/2及び脱離に対してC/5)を使用した。この手順により、
サイクル全体にわたりほぼ100%のクーロン効率及び最小劣化が得られた。公称厚さは
、スパッタリング中に現場で水晶微量てんびんにより測定した。
In various embodiments of the present invention, CNFs 11 having different lengths and silicon shell thicknesses
Has zero. One factor that can be controlled when creating CNF 110 is that each CNF 11
This is the open space between zeros, that is, the average distance between CNFs in the CNF array 100. This open space allows the Si layer 115 to expand radially when charged, thus providing stability in some embodiments. The optimal electrode structure is the length of CNF110 and SiF
Because it depends on both the thickness of layer 115, it may be desirable to use a longer CNF 110 and a thicker Si layer 115 in order to obtain a higher total Li + storage capacity. A longer CNF 110 correlates to a larger storage capacity. FIG.
A-10C were filled 15 times using three samples of long 10 μm long CNF 110 with Si layers 115 deposited at nominal thicknesses of 0.50, 1.5 and 4.0 μm, respectively.
3 shows variations in Li + insertion-desorption capacity and Coulomb efficiency over discharge cycles.
After adjusting at the C / 10 rate for the first cycle and at the C / 5 rate for the second cycle, in subsequent cycles, the asymmetric rate (insertion) is similar to that of sample # 1 in FIG. 7C. C / 2 for elimination and C / 5) for elimination. With this procedure,
Nearly 100% Coulomb efficiency and minimal degradation over the entire cycle were obtained. Nominal thickness was measured in situ with a quartz crystal microbalance during sputtering.

3597mAhg−1及び3416mAhg−1のような高い比容量が、長さ3.0μ
mを有するCNF110上に厚さ0.5μmのSi層115を有するもの(図7C参照)
と極めて類似して、厚さ0.5μm及び1.5μmそれぞれのSi層115で得られた。こ
の容量は15サイクルにわたりほぼ一定に維持された。しかし、Si公称厚さが4.0μ
mの電極は、2221mAhg−1のみの相当低い比容量を示した。このことは、膨張に
より、Si層115は隣接するCNF110から互いに接触し始め、Si層のそれ以上の
膨張を制限し、またCNF相互間でのLi拡散を制限することを示す。この結果、シリコ
ン被覆の一部しかリチウム挿入に活性を示さないことになった。したがって、サイクル安
定性はより薄いSi層115を有するサンプルよりも悪化した。
High specific capacities, such as 3597 mAhg -1 and 3416 mAhg -1 , have a length of 3.0 μm.
having a 0.5 μm thick Si layer 115 on a CNF 110 having a thickness of m (see FIG. 7C)
Very similar to the above, Si layers 115 having thicknesses of 0.5 μm and 1.5 μm were obtained. This capacity was kept almost constant over 15 cycles. However, the nominal Si thickness is 4.0μ.
The m electrode exhibited a significantly lower specific capacity of only 2221 mAhg -1 . This indicates that due to expansion, the Si layers 115 begin to contact each other from adjacent CNFs 110, limiting further expansion of the Si layers and limiting Li diffusion between CNFs. As a result, only a portion of the silicon coating exhibited activity for lithium insertion. Therefore, the cycle stability was worse than the sample with the thinner Si layer 115.

長さ10μmのCNF110を備えるCNFアレイ100上における同一量のSi(公
称厚さ500nm)は、カーボン質量が3倍多いものであっても、長さ3μmのCNF1
10(3643mAhg−1/図7C参照)とほぼ同一量のLi貯蔵容量(3597m
Ahg−1/図6A参照)を与える。このことは、CNF110の関与はLi貯蔵を計
算する上で無視し得るものであることの極めて強い証左である。Si被覆サンプルにおい
てLiイオンはほとんどCNF110内にはインターカレーションされず、このことは
多重充電−放電サイクル中の構体安定性に貢献すると思われる。
The same amount of Si (nominal thickness 500 nm) on a CNF array 100 with a 10 μm long CNF 110 has a 3 μm long CNF 1 even though the carbon mass is three times greater.
10 (3643mAhg -1 / see Fig. 7C) and substantially the same amount of Li + storage capacity (3597M
Ahg -1 / see FIG. 6A). This is a very strong proof that the involvement of CNF110 is negligible in calculating Li + storage. Little Li + ions were intercalated into CNF 110 in the Si-coated samples, which would contribute to structural stability during multiple charge-discharge cycles.

3つのサンプルにおけるLi貯蔵比容量の変動は、図11A〜11Cに示すSEM画
像によって明らかにされたそれらの構造に深く相関した。図11A〜11Cは新たに準備
したCNFアレイ100(長さ〜10μmのCNF110に基づく)の走査電子顕微鏡画
像を示す。Si層115は、堆積中その場で水晶式微量てんびんを用いて測定した (1)
0.5μm、(2) 1.5μm、及び(3) 4.0μmの公称Si厚さを使用して生成した。す
べての画像は45゜の角度から見た斜視図である。0.5μmの公称Si厚さでは、平均
先端直径は、長さ10μmのCNFでは〜388nmであり、長さ3.0μmのCNF1
10における〜457nmの平均直径よりも相当小さいものであることが分かった。Si
層115は、より薄いが長さ10μmのCNF110に沿ってより均一に広がっていた。
The variation in Li + storage specific capacity in the three samples correlated deeply with their structure as revealed by the SEM images shown in FIGS. 11A-11C show scanning electron microscope images of a freshly prepared CNF array 100 (based on a CNF 110 of 10 μm length). The Si layer 115 was measured in-situ using a quartz crystal microbalance during deposition (1)
Produced using nominal Si thicknesses of 0.5 μm, (2) 1.5 μm, and (3) 4.0 μm. All images are perspective views from a 45 ° angle. At a nominal Si thickness of 0.5 μm, the average tip diameter is 38388 nm for a 10 μm long CNF and a 3.0 μm long CNF1
It was found to be significantly smaller than the average diameter of 45457 nm at 10. Si
Layer 115 spread more evenly along the thinner but 10 μm long CNF 110.

長さ10μmのCNF110を成長させるには、長さ3μmのCNF110を成長させ
るよりもおよそ6倍の120分かかったことに留意されたい。幾つかのニッケル触媒を、
長いPECVDプロセス中にNH によってゆっくりとエッチングし、この結果、Ni
ナノ粒子のサイズに連続的な還元を生じ、またテーパ付きの先端120(図12に示す)
になった。CNF110の長さ変動は、さらに、長いCNF110とともに増加した。こ
れら要因が相まって先端120の影効果を減少した。この結果、1.5μmの公称Si厚
さであっても、Si層115で被覆したCNF110は互いにうまく分離する。10μm
CNVアレイ110における1.5μmSiのSEM画像(図11B)は、3.0μmCN
Vアレイ110における0.50μmSiのSEM画像(図2B)に極めて類似する。し
かし、公称Si厚さが4.0μmに増大すると、Si層115は、はっきりと互いに合体
し、CNF110相互間の空間の大部分を填隙した(図11C参照)。このことはSi層
115の体膨張を許容するに必要な自由空間を減少する。この結果、Li貯蔵比容量は
大幅に低下した。
Note that growing a 10 μm long CNF 110 took approximately six times 120 minutes to grow a 3 μm long CNF 110. Some nickel catalysts,
Etch slowly with NH 3 during the long PECVD process, which results in Ni
A continuous reduction in the size of the nanoparticles results and a tapered tip 120 (shown in FIG. 12)
Became. CNF110 length variation further increased with longer CNF110. Together, these factors reduced the shadow effect of the tip 120. As a result, even with a nominal Si thickness of 1.5 μm, the CNFs 110 covered by the Si layer 115 are well separated from each other. 10 μm
An SEM image of 1.5 μm Si in the CNV array 110 (FIG. 11B) shows a 3.0 μm CN
Very similar to the SEM image of 0.50 μm Si in V array 110 (FIG. 2B). However, as the nominal Si thickness increased to 4.0 μm, the Si layers 115 clearly merged together, filling most of the space between the CNFs 110 (see FIG. 11C). This reduces the free space required to allow body expansion of Si layer 115. As a result, the Li + storage specific capacity was significantly reduced.

図11A及び11Bそれぞれはほぼ同数のCNF110を含むが、図11Bでは相当少
なく見える先端120を有する。これはなぜなら、Si層115が単独CNF110(図
1Aで示す断面)を含むナノファイバ/シリコン錯体を形成できるからである。又はSi
層115は、シリコンの単独カバーの下に2、3又はそれ以上のCNF110を含むナノ
ファイバ/シリコン錯体を形成できる。このことは、Si層115堆積プロセス中に2個
又はそれ以上のCNF110が合体するとき生ずる。ナノファイバ/シリコン錯体は、1
個又は複数個のCNF110を覆う連続的Si層115を含む構体である。2個のCNF
110を含むナノファイバ/シリコン錯体の断面を図11Dに示す。種々の実施形態にお
いて、ナノファイバ/シリコン錯体のうち少なくとも1%、5%又は10%は1個よりも
多いCNF110を含む。
11A and 11B each include approximately the same number of CNFs 110, but have tips 120 that appear much less in FIG. 11B. This is because the Si layer 115 can form a nanofiber / silicon complex that includes a single CNF 110 (cross-section shown in FIG. 1A). Or Si
Layer 115 can form a nanofiber / silicon complex that includes two, three or more CNFs 110 under a single cover of silicon. This occurs when two or more CNFs 110 coalesce during the Si layer 115 deposition process. Nanofiber / silicon complex is 1
The structure includes a continuous Si layer 115 covering one or more CNFs 110. Two CNFs
A cross section of the nanofiber / silicon complex containing 110 is shown in FIG. 11D. In various embodiments, at least 1%, 5% or 10% of the nanofiber / silicon complex comprises more than one CNF110.

種々の実施形態において、0.50及び1.5μmの公称Si厚さを有するCNFアレイ
100の場合、それぞれ3208±343及び3212±234mAhg−1の比較可能
質量−比容量を有する。4.0μmの公称Si厚さを有するサンプルは相当少ない容量2
072±298mAhg−1を有する。より薄いSi被覆は十分な活性を示し、非晶質S
iがもたらす最大Li挿入容量が得られる。他方、面積−比容量はSi厚さに比例した増
大し、0.50μmSiにおける0.373±0.040mAhcm−2から1.5μmSi
における1.12±0.08mAhcm−2に増加するが、4.0μmの公称Si厚さでは
線形曲線から低下して1.93±0.28mAhcm−2となる。4.0マイクロメートル
の公称シリコン厚さでは厚いSi被覆における過剰シリコンの一部しかLi貯蔵に有効に
関与しない。4.0μmの厚さはCNF110相互間の平均距離よりも大きい。この電気
化学的結果は、CNF110相互間の空間がほぼ埋められていることを示す図11CのS
EM画像で示される構造と一致する。
In various embodiments, CNF arrays 100 having nominal Si thicknesses of 0.50 and 1.5 μm have comparable mass-specific capacities of 3208 ± 343 and 3212 ± 234 mAhg −1 , respectively. A sample with a nominal Si thickness of 4.0 μm has a significantly lower capacity 2
072 ± 298 mAhg −1 . Thinner Si coatings show sufficient activity and amorphous S
The maximum Li insertion capacity provided by i is obtained. On the other hand, the area-specific capacity increases in proportion to the Si thickness, from 0.373 ± 0.040 mAhcm −2 at 0.50 μm Si to 1.5 μm Si.
At 1.12 ± 0.08 mAhcm −2 at a nominal Si thickness of 4.0 μm, but falls from the linear curve to 1.93 ± 0.28 mAhcm −2 . At a nominal silicon thickness of 4.0 micrometers, only a portion of the excess silicon in the thick Si coating effectively participates in Li storage. A thickness of 4.0 μm is greater than the average distance between CNFs 110. This electrochemical result shows that the space between the CNFs 110 is almost completely filled,
It is consistent with the structure shown in the EM image.

本発明の種々の実施形態において、CNFアレイ100の構造は、長さ〜30〜40、
40〜75、75〜125ミクロン(又はそれ以上若しくはそれらの組合せの長さ)、及
び〜50nmのオーダーの直径を有するCNF110に対する〜200〜300nmの半
径方向厚さのSi層を有する。幾つかの実施形態において、これらCNFアレイ100は
、〜10ミクロン(10ミクロンまで)、〜10〜20ミクロン、〜10〜50ミクロン
、又はそれ以上の範囲における厚さを有する導電性フォイル上で成長させる。種々の実施
形態において、Si(平坦表面上に1.5μmの公称厚さに等価)を長さ10μmのCN
F110上に堆積してCNFアレイ100を形成する。このことは、個別CNF110が
互いによく分離した状態で開放した垂直方向コア−殻のナノワイヤ構体を維持しつつ達成
し、これによりリチウムイオンがCNFアレイ100のCNF110間に貫入できるよう
にする。この独特なハイブリッドアーキテクチャにより、Li挿入及び脱離中にSi層
115は自由に半径方向の膨張/収縮ができる。3000〜3650mAhg−1の質量
−比容量を有する高性能Li貯蔵はC/1レートでも得られた。この容量は、Si層11
5が十分活性を示す同一質量の非晶質Siで期待される最大値に匹敵する。この3Dナノ
構造アーキテクチャによれば、短いLi挿入−脱離経路を維持しつつSi材料のかさ量
と有効な電気的接続を可能にする。この結果、理論的限界に近い高容量が120回の充電
−放電サイクルにわたり可能である。レートがC/10からC/0.5(又は2C)に2
0倍増加させても容量変化はほとんどしない。大きく改善された充電及びパワーレートで
の高容量及び桁外れのサイクル安定性は、この新規な構造を高性能リチウムイオン電池の
選択アノード材料に仕向ける。同一のコア−殻コンセプトは、Si殻をTiO、LiC
oO、LiNiO、LiMn、LiFePO、LiO、Li等と交
換することによって、カソード材料に適用することができる。
In various embodiments of the present invention, the structure of the CNF array 100 has a length of 3030-40,
It has a Si layer with a radial thickness of に 対 す る 200-300 nm for a CNF 110 having a diameter on the order of 5050 nm, or a length on the order of 〜50 nm (or more or a combination thereof). In some embodiments, the CNF arrays 100 are grown on conductive foils having a thickness in the range of -10 microns (up to 10 microns), -10-20 microns, -10-50 microns, or more. Let it. In various embodiments, Si (equivalent to a nominal thickness of 1.5 μm on a flat surface) is coated with a 10 μm long CN.
Deposited on F110 to form CNF array 100. This is achieved while maintaining the open vertical core-shell nanowire structures with the individual CNFs 110 well separated from each other, thereby allowing lithium ions to penetrate between the CNFs 110 of the CNF array 100. This unique hybrid architecture allows the Si layer 115 to freely expand / contract radially during Li + insertion and desorption. High performance Li storage with a mass-specific capacity of 3000-3650 mAhg -1 was also obtained at C / 1 rate. This capacitance is equivalent to the Si layer 11
5 is comparable to the maximum expected for the same mass of amorphous Si showing sufficient activity. This 3D nanostructure architecture allows for bulk and efficient electrical connection of the Si material while maintaining a short Li + insertion-desorption path. As a result, high capacities near the theoretical limit are possible over 120 charge-discharge cycles. Rate goes from C / 10 to C / 0.5 (or 2C) 2
Even if it is increased by a factor of 0, there is almost no change in capacitance. High capacity and extraordinary cycling stability at greatly improved charging and power rates make this new structure a choice anode material for high performance lithium ion batteries. Same core - shell concept, the Si shell TiO 2, LiC
It can be applied to a cathode material by exchanging with oO 2 , LiNiO 2 , LiMn 2 O 4 , LiFePO 4 , Li 2 O, Li 2 O 2 and the like.

図13は、本明細書で説明したCNFアレイ100及び/又はCNF110を生産する
方法を示す。基板準備ステップ1310で基板105を準備する。基板105は随意的に
CNF110の成長に適したものとする。基板105は様々な材料、例えば、Cuを含む
ものとすることができる。基板105は、随意的に本明細書の他の箇所で説明した厚さを
有する導電性フォイルとする。随意的な核生成部位準備ステップ1320において、CN
F110成長のための核生成部位を基板105上に準備する。Ni粒子のような種々の核
生成材料は従来既知である。核生成部位は、随意的に本明細書の他の部分で教示したよう
なCNF110間に平均距離を生ずる密度で設ける。核生成部位準備ステップ1320は
、核生成がCNF110又は同様な構体を成長させるのに不要である実施形態、又は成長
させた後に結合剤をいずれかの場所に使用して基板105にCNF110を取付ける実施
形態では随意的である。
FIG. 13 illustrates a method of producing the CNF array 100 and / or CNF 110 described herein. In a substrate preparing step 1310, the substrate 105 is prepared. Substrate 105 is optionally suitable for growing CNF 110. The substrate 105 can include various materials, for example, Cu. Substrate 105 is optionally a conductive foil having a thickness as described elsewhere herein. In an optional nucleation site preparation step 1320, CN
A nucleation site for F110 growth is prepared on the substrate 105. Various nucleation materials, such as Ni particles, are known in the art. The nucleation sites are optionally provided at a density that produces an average distance between the CNFs 110 as taught elsewhere herein. The nucleation site preparation step 1320 is an embodiment in which nucleation is not required to grow the CNF 110 or similar structure, or performing the attachment of the CNF 110 to the substrate 105 using a binder somewhere after growth. The form is optional.

CNF成長ステップ1330において、CNF110を基板105上に成長させる、又
は幾つかの実施形態において、基板105から分離する。CNF110は、随意的に成長
させ、本明細書の他の箇所で教示した積層コーン構体を作製する、又は長さに沿って黒鉛
端縁が露出した構体を作製する、又は類似の可変構体を作製する。CNF110は本明細
書の他の箇所で教示した長さのうち任意の長さに成長させることができる。成長は随意的
に、Klankowski et al. J .Mater. Chem, 2013,1,1055における「A high-performance li
thium-ion battery anode based on the core-shell heterostructureof silicon-coated
vertically aligned carbon nanofibers」で教示又は引用されたPECVDプロセスを
用いて行う。
In a CNF growth step 1330, CNF 110 is grown on substrate 105 or, in some embodiments, separated from substrate 105. CNF 110 is optionally grown to create a laminated cone structure taught elsewhere herein, or to create a structure with exposed graphite edges along its length, or to create a similar variable structure. I do. CNF 110 can be grown to any of the lengths taught elsewhere herein. Growth is optionally described in “A high-performance li” in Klankowski et al. J. Mater. Chem, 2013, 1, 1055.
thium-ion battery anode based on the core-shell heterostructureof silicon-coated
Performed using the PECVD process taught or cited in "Vertically aligned carbon nanofibers."

Si層塗布ステップ1340において、Si層115のようなインターカレーション材
料を成長したCNF110上に塗布する。幾つかの実施形態において、Si層塗布ステッ
プ1340はCNF110を基板105に取付けた後に行う。塗布する材料は、本明細書
の他の箇所で教示したいずれかの公称厚さにして、数10又は数100ナノメートルのS
i層115厚さを生ずる。幾つかの実施形態において、Si層塗布ステップ1340は、
CNF110の長さに沿う露出端縁に従う構造にインターカレーション材料を成長させる
ステップを含む。例えば、CNF110が本明細書で説明したカップ状構体を有するとき
、Si層塗布ステップ1340は、例えば図3Aで示すような羽根状構体を成長させるス
テップを含む。
In a Si layer application step 1340, an intercalation material such as a Si layer 115 is applied on the grown CNF 110. In some embodiments, the Si layer application step 1340 is performed after attaching the CNF 110 to the substrate 105. The material to be applied should have a nominal thickness of tens or hundreds of nanometers of S in any of the nominal thickness taught elsewhere herein.
This produces an i-layer 115 thickness. In some embodiments, the Si layer applying step 1340 comprises:
Growing the intercalation material into a structure that follows the exposed edges along the length of the CNF 110. For example, when the CNF 110 has a cup-like structure as described herein, the Si layer applying step 1340 includes growing a wing-like structure, for example, as shown in FIG. 3A.

随意的なPEM塗布ステップ1345において、出力増強材料(PEM:power enhanc
ement material)をCNFアレイ100又はCNF110に付加する。幾つかの実施形態
において、PEM塗布ステップ1345は、CNF110を基板105に取付けた後に行
う。PEMは、一般的には本明細書の他の箇所で説明したように、結合剤及び表面効果優
勢部位を含む。随意的な調整ステップ1350において、ステップ1310〜1340を
使用して作製したCNFアレイ100は、1回の又は複数回のリチウムインターカレーシ
ョンサイクルを用いて調整する。
In an optional PEM application step 1345, a power enhancer (PEM)
ement material) is added to the CNF array 100 or the CNF 110. In some embodiments, the PEM application step 1345 is performed after attaching the CNF 110 to the substrate 105. The PEM generally includes a binder and a surface effect dominant site, as described elsewhere herein. In an optional conditioning step 1350, the CNF array 100 created using steps 1310-1340 is conditioned using one or more lithium intercalation cycles.

図14Aは、本発明の種々の実施形態による出力増強材料1320を含むCNF110
を示す。出力増強材料1320は、インターカレーション材料上、例えばシリコン層11
5上の層として塗布する。図14Bは、本発明の種々の実施形態による図14Aに示す出
力増強材料1320の細部を示す。出力増強材料1320は、表面効果優勢部位1430
及び随意的な結合剤1440を含む。しかし、シリコン層115はインターカレーション
材料のうち一例である。シリコン層115を本明細書に説明する実施例として使用する場
合でも、他のタイプのインターカレーション材料をシリコンに代用する又は組合せること
ができると理解されたい。このような代替的又は付加的インターカレーション材料として
は、Ag,Al,Bi,C,Se,Sb,Sn及びZnがある。図14に示すCNF11
0は、CNFアレイ100内における多数のCNF110のうち代表的な1つである。
FIG. 14A illustrates a CNF 110 including a power enhancing material 1320 according to various embodiments of the invention.
Is shown. The power enhancing material 1320 may be provided on the intercalation material, for example, the silicon layer 11.
5 as a layer on top. FIG. 14B shows details of the power enhancing material 1320 shown in FIG. 14A, according to various embodiments of the present invention. The power enhancing material 1320 may be
And an optional binder 1440. However, the silicon layer 115 is one example of an intercalation material. It is to be understood that other types of intercalation materials can be substituted for or combined with silicon, even though silicon layer 115 is used as an example described herein. Such alternative or additional intercalation materials include Ag, Al, Bi, C, Se, Sb, Sn and Zn. CNF11 shown in FIG.
0 is a representative one of many CNFs 110 in the CNF array 100.

幾つかの実施形態において、表面効果優勢部位1430は、ファラデー反応で電荷キャ
リヤを吸着する、例えば、電荷キャリヤと酸化還元(レドックス)反応するよう構成した
ナノ粒子表面を有する。それら部位は「表面効果優勢(surface effect dominant)」と
称されるが、これはすなわち、典型的にこれらナノ粒子に関して電荷キャリヤとナノ粒子
表面との間のファラデー反応がバルク的ファラデー反応を優位に支配するからである。し
たがって、電荷キャリヤは、ナノ粒子のバルクに対して表面でより多く反応しようとする
。例えば、リチウムイオンは、ナノ粒子のバルク内に吸着されるよりもナノ粒子の表面に
吸着しようとする。これらナノ粒子は、ときに表面レドックス粒子と称される。ファラデ
ー反応は、結果的に大量のゆるく結合した電荷を蓄積し、したがって、大きな出力密度を
生ずることができる疑似キャパシタをもたらす。疑似キャパシタにおいては電子が交換さ
れる(例えば、放出される)。この場合、電荷キャリヤとナノ粒子との間で交換される。
何らかの電位により結果的に電荷キャリヤのナノ粒子内へのインターカレーションを生ず
るが、これは表面効果優勢部位1430における相互作用のバルクを構成せず、幾つかの
タイプのナノ粒子を劣化させ得る。ファラデー反応は、電気化学反応の結果として電荷が
転移する(例えば、放出される)反応である。
In some embodiments, surface effect dominant sites 1430 have a nanoparticle surface configured to adsorb charge carriers in a Faraday reaction, for example, to undergo a redox reaction with the charge carriers. The sites are referred to as "surface effect dominant", which means that typically for these nanoparticles, the Faraday reaction between the charge carrier and the nanoparticle surface favors the bulk Faraday reaction. Because they rule. Thus, the charge carriers tend to react more at the surface to the bulk of the nanoparticles. For example, lithium ions tend to adsorb on the surface of the nanoparticles rather than in the bulk of the nanoparticles. These nanoparticles are sometimes referred to as surface redox particles. The Faraday reaction results in a pseudo-capacitor that can accumulate large amounts of loosely-coupled charge and thus produce a high power density. In the pseudo capacitor, electrons are exchanged (for example, emitted). In this case, there is exchange between the charge carrier and the nanoparticles.
Any potential results in the intercalation of charge carriers into the nanoparticles, but this does not constitute a bulk of interaction at the surface effect dominant site 1430 and can degrade some types of nanoparticles. Faraday reactions are reactions in which charge is transferred (eg, released) as a result of an electrochemical reaction.

表面効果優勢部位1430を含むナノ粒子は、遷移金属酸化物、例えば、TiO2、V
aO2、MnO、MnO2、NiO、酸化タンタル、酸化ルテニウム、酸化スズ、酸化コ
バルト、酸化ニッケル、酸化銅、酸化鉄等により構成することができる。これらナノ粒子
は、さらに、金属窒化物、炭素、活性炭、グラフェン、黒鉛、チタン酸塩(LiTi
12)、結晶シリコン、錫、ゲルマニウム、金属水素化物、リン酸鉄、ポリアニリン、
メソフェーズ炭素等により構成することができる。望ましいファラデー特性を有する上述
の及び/又は対応材料の混合物も表面効果優勢部位1430に含まれるものと理解された
い。種々の実施形態において、これらナノ粒子は直径が1、2、3、5、8、13、21
又は34未満とすることができる。ナノ粒子サイズの下限は、構成材料の分子サイズの関
数である。ナノ粒子は、少なくとも2、3個の分子を含む。より小さいサイズのものは、
より大きい平面に対して可能な吸着部位の容積率を与える。しかし、2個の分子のみを有
する粒子は安定性が低下した。ナノ粒子は、随意的に多層構造とする。例えば、遷移金属
上、例えば、Co,Ni,Mn,Ta,Ru,Rb,Ti,Sn,V,FeO,C
u,若しくはFeのコア上におけるTiO2層(又は上述した他のナノ粒子材料のうち任
意なもの)、又は何らかの他の材料コア上におけるグラフェン/黒鉛層を有することがで
きる。幾つかの実施形態において、異なるコア材料は表面材料の反応電位に影響を与える
。表面効果優勢部位1430の量は、随意的に望ましい出力密度及びエネルギー密度に基
づいて選択する。例えば、より大きい出力密度は、インターカレーション材料の量につき
より多い数の表面効果優勢部位1430にすることによって得ることができ、又はより多
いエネルギー密度は、表面効果優勢部位1430の数につきより多い量のインターカレー
ション材料にすることによって得ることができる。本発明の幾つかの実施形態による利点
は、歴史的に見て高いエネルギー密度及び出力密度の双方が同時に得られる点である。
Nanoparticles containing surface effect dominant sites 1430 can be transition metal oxides, such as TiO2, V
It can be composed of aO2, MnO, MnO2, NiO, tantalum oxide, ruthenium oxide, tin oxide, cobalt oxide, nickel oxide, copper oxide, iron oxide, or the like. These nanoparticles further include metal nitride, carbon, activated carbon, graphene, graphite, titanate (Li 4 Ti 5
O 12 ), crystalline silicon, tin, germanium, metal hydride, iron phosphate, polyaniline,
It can be composed of mesophase carbon or the like. It should be understood that mixtures of the above and / or corresponding materials having desirable Faraday properties are also included in the surface effect dominant portion 1430. In various embodiments, the nanoparticles are 1, 2, 3, 5, 8, 13, 21 in diameter.
Or less than 34. The lower limit of nanoparticle size is a function of the molecular size of the constituent materials. Nanoparticles include at least a few molecules. For smaller sizes,
Gives the volume ratio of possible adsorption sites for a larger plane. However, particles having only two molecules had reduced stability. The nanoparticles optionally have a multilayer structure. For example, on a transition metal, for example, Co, Ni, Mn, Ta, Ru, Rb, Ti, Sn, V 2 O 2 , FeO, C
It can have a TiO2 layer on a u or Fe core (or any of the other nanoparticle materials mentioned above), or a graphene / graphite layer on some other material core. In some embodiments, different core materials affect the reaction potential of the surface material. The amount of surface effect dominant portion 1430 is optionally selected based on the desired power density and energy density. For example, a higher power density can be obtained by having a higher number of surface effect dominant sites 1430 per amount of intercalation material, or a higher energy density is more per number of surface effect dominant sites 1430 It can be obtained by making the amount of intercalation material. An advantage with some embodiments of the present invention is that both historically high energy and power densities are obtained simultaneously.

ナノ粒子表面に電荷キャリヤが吸着することによって、電荷キャリヤは、従来キャパシ
タによってのみ得られたような出力密度をもたらす。これはすなわち、電荷放出が電荷キ
ャリヤのインターカレーション材料への拡散に依存しないからである。さらに、表面効果
優勢部位1430をインターカレーション材料に極めて近接して配置することによって、
電荷キャリヤはインターカレーション材料から表面効果優勢部位1430に(又は電解質
に直接)移動できる。この結果、従来の電池に等しい、又はそれより大きいエネルギー密
度が得られる。電池のエネルギー密度及びキャパシタの出力密度の双方が同一デバイス内
で得られる。放電中インターカレーション材料内の電荷キャリヤは表面効果優勢部位14
30に移動し、したがって、これら表面効果優勢部位を再荷電することができる。
Due to the adsorption of charge carriers on the nanoparticle surface, the charge carriers provide a power density as conventionally obtained only with capacitors. This is because charge emission does not depend on the diffusion of charge carriers into the intercalation material. Further, by placing the surface effect dominant portion 1430 very close to the intercalation material,
Charge carriers can migrate from the intercalation material to surface effect dominant sites 1430 (or directly to the electrolyte). As a result, an energy density equal to or greater than that of a conventional battery is obtained. Both the energy density of the battery and the power density of the capacitor are obtained in the same device. During the discharge, the charge carriers in the intercalation material are
30 so that these surface effect dominant sites can be recharged.

幾つかの実施形態において、表面効果優勢部位1430はより大きい粒子上に配置する
。例えば、粒子サイズは、1、10、25、100又は250ミクロンより大きい(しか
し、概して1ミリメートルより小さい)ものとすることができる。活性炭、黒鉛、及びグ
ラフェンはこれらサイズの粒子であり得る材料である。さらに、活性炭は、出力増強材料
1320に含まれるとともに、上述のナノ粒子直径に類似の表面効果優勢部位1430に
おける細孔(ポア)サイズを有する。本明細書の開示目的で説明すると、ナノ粒子は1μ
m未満の平均直径を有する粒子である。
In some embodiments, surface effect dominant sites 1430 are located on larger particles. For example, the particle size can be greater than 1, 10, 25, 100 or 250 microns (but generally less than 1 millimeter). Activated carbon, graphite, and graphene are materials that can be particles of these sizes. Further, the activated carbon is included in the power enhancing material 1320 and has a pore size at the surface effect dominant site 1430 similar to the nanoparticle diameter described above. For the purposes of this disclosure, nanoparticles are 1 μm
particles having an average diameter of less than m.

随意的な結合剤1440は、表面効果優勢部位1430をインターカレーション材料の
近傍に維持するよう構成する。幾つかの実施形態において、表面効果優勢部位1430の
分布は結合剤1440全体にわたり均一にする。例えば、表面効果優勢部位1430を含
むナノ粒子は結合剤1440と混合してから結合剤1440をインターカレーション材料
に塗布し、比較的均一な分布となるようにする。代案として、結合剤1440を塗布する
前に、ナノ粒子をインターカレーション材料の表面に塗布することができる。この結果、
インターカレーション材料の遠位側にある結合剤1440の領域よりもインターカレーシ
ョン材料近傍に表面効果優勢部位1430の濃度(結合剤1440における濃度)が一層
高くなるようにすることができる。結合剤1440は、表面効果優勢部位1430又は関
連のナノ粒子をインターカレーション材料、例えば、シリコン層115に直接取付ける実
施形態では随意的である。
Optional binder 1440 is configured to maintain surface effect dominant site 1430 in proximity to the intercalation material. In some embodiments, the distribution of surface effect dominant sites 1430 is uniform throughout the binder 1440. For example, the nanoparticles including surface effect dominant sites 1430 may be mixed with binder 1440 and then applied to the intercalation material to provide a relatively uniform distribution. Alternatively, the nanoparticles can be applied to the surface of the intercalation material before applying the binder 1440. As a result,
The concentration of surface effect dominant sites 1430 near the intercalation material (the concentration in the binder 1440) can be higher than the region of the binder 1440 distal to the intercalation material. Binder 1440 is optional in embodiments that attach surface effect dominant sites 1430 or related nanoparticles directly to an intercalation material, eg, silicon layer 115.

結合剤1440は電解質の電荷キャリヤに対して透過性(多孔性)を有するものとする
。結合剤1440として適当な材料の例としては、ポリフッ化ビニリデン(PVDF:po
lyvinylidene fluoride)、スチレンブタジエンゴム、ポリアクリル酸(PAA:polyacr
ylic acid)、カルボキシメチルセルロース(CMC)等がある。他の結合剤1440と
しては、導電性ポリマー、グラファイト、グラフェン、金属ナノ粒子、カーボンナノチュ
ーブ、金属ナノワイヤ、スーパーP(導電性カーボンブラック)等がある。材料は、結合
剤1440が導電性例えば浸透限界となるのに十分な濃度にするのが好ましい。
The binder 1440 is permeable (porous) to the charge carriers of the electrolyte. An example of a suitable material for the binder 1440 is polyvinylidene fluoride (PVDF: po
lyvinylidene fluoride), styrene butadiene rubber, polyacrylic acid (PAA: polyacr)
ylic acid) and carboxymethyl cellulose (CMC). Other binders 1440 include conductive polymers, graphite, graphene, metal nanoparticles, carbon nanotubes, metal nanowires, Super P (conductive carbon black), and the like. Preferably, the material is at a concentration sufficient for the binder 1440 to be conductive, eg, to the permeation limit.

表面効果優勢部位1430をインターカレーション材料(例えば、シリコン層115)
の近傍に付加するのに必ずしも垂直方向整列CNF110又は任意の支持フィラメントを
使用する必要はない。例えば、図15は、本発明の種々の実施形態による、出力増強材料
1320及びインターカレーション材料で被覆した非整列CNF110を有する電極表面
を示す。これら実施形態において、CNF110は基板105に直接取付けず、しかし、
結合剤1440によって基板105の近傍に保持する。幾つかの実施形態において、図3
Bに例として示したカップ状構体を有するCNF110を図15に示すような非取付け形
態に使用する。これら実施形態において、カップ状構体は、やはりシリコンが下層のCN
F110から剥離するのを阻止するのに役立つ。ここで支持フィラメントの例としてCN
F110を使用することを示したが、任意の実施例として本明細書に記載した他のタイプ
の支持フィラメントを使用し、CNF110のカーボンナノファイバに対して補完又は交
換することができる。
The surface effect dominant portion 1430 is made of an intercalation material (for example, a silicon layer 115).
It is not necessary to use a vertically aligned CNF 110 or any supporting filament to add in the vicinity of the. For example, FIG. 15 illustrates an electrode surface having a non-aligned CNF 110 coated with a power enhancement material 1320 and an intercalation material, according to various embodiments of the present invention. In these embodiments, CNF 110 does not attach directly to substrate 105, but
It is held near the substrate 105 by the binder 1440. In some embodiments, FIG.
The CNF 110 having the cup-shaped structure shown as an example in B is used in a non-attached configuration as shown in FIG. In these embodiments, the cup-like structure comprises a layer of CN, also of silicon underlayer.
Helps prevent delamination from F110. Here, CN is used as an example of the supporting filament.
Although the use of F110 has been shown, other types of support filaments as described herein as optional examples can be used to complement or replace the carbon nanofibers of CNF110.

図15で示す実施形態は、例えば、先ず非取付けCNF110を成長させることによっ
て生産することができる。これらCNFはシリコン層115(又は何らかの他のインター
カレーション材料)で被覆し、この被覆は、インターカレーション材料が被覆層としてC
NF110に全体的に接触するように行う。次に、被覆されたCNF110を表面効果優
勢部位1430及び結合剤1440と混合する。最後に結果として得られた混合物を基板
105上に堆積する。
The embodiment shown in FIG. 15 can be produced, for example, by first growing an unattached CNF 110. These CNFs are coated with a silicon layer 115 (or some other intercalation material), and the coating is such that the intercalation material is
This is performed so as to entirely contact the NF 110. Next, the coated CNF 110 is mixed with the surface effect dominant sites 1430 and the binder 1440. Finally, the resulting mixture is deposited on the substrate 105.

図16は、本発明の種々の実施形態による、出力増強材料1320、非整列CNF11
0及び自由インターカレーション材料1610を含む電極表面を示す。これら実施形態に
おいて、インターカレーション材料1610は必ずしもCNF110の周りに被覆として
配置する必要はない。インターカレーション材料1610は、CNF110の表面に限定
されず、結合剤1440によって依然として基板105近傍に保持される点で自由である
FIG. 16 illustrates a power boost material 1320, a non-aligned CNF 11 according to various embodiments of the invention.
9 shows an electrode surface including zero and free intercalation material 1610. In these embodiments, the intercalation material 1610 need not necessarily be disposed as a coating around the CNF 110. The intercalation material 1610 is not limited to the surface of the CNF 110 and is free in that it is still held near the substrate 105 by the binder 1440.

図16に示す実施形態は、例えば、結合剤1440、表面効果優勢部位1430、イン
ターカレーション材料1610及びCNF110を一緒に(任意の順番で)混合すること
によって生産することができる。この後この混合物を基板105に塗布する。これら実施
形態において、CNF110は、結合剤1440以外の手段によって、基板105に取付
ける、又は取付けないようにすることができる。インターカレーション材料1610はC
NF110又は基板105に接触させる、及び/又は接触させないようにすることができ
る。同様に、表面効果優勢部位1430は、随意的に基板105、CNF110及び/又
はインターカレーション材料1610に接触させる。インターカレーション材料1610
は、随意的に、サイズが少なくとも0.1、0.6、1、1.5、2、3、5、7、9、1
0、13、15、18、21、若しくは29μm、又はそれらの間における任意の範囲に
あるインターカレーション材料の粒子、懸濁液、クラスタ及び/又は液滴を含むものとす
ることができる。
The embodiment shown in FIG. 16 can be produced, for example, by mixing together the binder 1440, the surface effect dominant site 1430, the intercalation material 1610, and the CNF 110 (in any order). Thereafter, the mixture is applied to the substrate 105. In these embodiments, CNF 110 may be attached or not attached to substrate 105 by means other than binder 1440. Intercalation material 1610 is C
It may be brought into contact with the NF 110 or the substrate 105 and / or not. Similarly, surface effect dominant sites 1430 optionally contact substrate 105, CNF 110 and / or intercalation material 1610. Intercalation material 1610
Optionally has a size of at least 0.1, 0.6, 1, 1.5, 2, 3, 5, 7, 9, 1,
It may include particles, suspensions, clusters and / or droplets of intercalation material at 0, 13, 15, 18, 21, or 29 μm, or any range therebetween.

図17は、本発明の種々の実施形態による、支持フィラメントがない、結合剤1440
、表面効果優勢部位1430及びインターカレーション材料1610を含む電極表面を示
す。これら実施形態において、表面効果優勢部位1430及びインターカレーション材料
1610は、結合剤1440によって基板105の近傍に保持される。
FIG. 17 illustrates a binder 1440 without a supporting filament, according to various embodiments of the present invention.
, An electrode surface including surface effect dominant sites 1430 and intercalation material 1610. In these embodiments, surface effect dominant sites 1430 and intercalation material 1610 are held in proximity to substrate 105 by binder 1440.

図18は、図15に示したのと同様の電極表面を示す。しかし、図18に示す実施形態
においては、表面効果優勢部位1430はインターカレーション材料1610の極めて近
傍に集中する。例えば、幾つかの実施形態において、表面効果優勢部位1430の少なく
とも2%、10%、25%、50%、75%、又は80%がインターカレーション材料1
610に接触する粒子上にある。インターカレーション材料1610に近接する表面効果
優勢部位1430の増大した濃度は、本明細書の他の箇所で説明した方法を使用して得る
ことができる。この結果、結合剤1440内の他の容積部に対してインターカレーション
材料1610の表面における表面効果優勢部位1430の濃度が増大する。
FIG. 18 shows an electrode surface similar to that shown in FIG. However, in the embodiment shown in FIG. 18, the surface effect dominant portion 1430 is concentrated very close to the intercalation material 1610. For example, in some embodiments, at least 2%, 10%, 25%, 50%, 75%, or 80% of the surface effect dominant sites 1430 have intercalation material 1
610 is on the particle. Increased concentrations of surface effect dominant sites 1430 proximate to intercalation material 1610 can be obtained using the methods described elsewhere herein. This results in an increase in the concentration of surface effect dominant sites 1430 on the surface of intercalation material 1610 relative to other volumes within binder 1440.

図14C、19及び20は、それぞれ図14B、16及び17に示したのと同様の電極
表面を示す。しかし、これら図で示す実施形態において、本発明による種々の実施形態に
よれば、表面効果優勢部位1430は自由インターカレーション材料に極めて近接して配
置する。図18で示す実施形態のように、幾つかの実施形態において、表面効果優勢部位
1430の少なくとも2%、10%、25%、50%、75%、又は80%がインターカ
レーション材料1610に接触する。幾つかの実施形態において、表面効果優勢部位14
30を含むナノ粒子のより高い濃度がインターカレーション材料1610の表面から10
〜15ナノメートルよりも5ナノメートル以内に配置される。インターカレーション16
10に近接する表面効果優勢部位1430の高い濃度は、溶液内におけるナノ粒子及びイ
ンターカレーション材料1610のゼータ電位を適切に選択し、ナノ粒子がインターカレ
ーション材料1610の表面に2重の静電層を形成するようにする。ゼータ電位は、バル
ク液体における表面から離れるポイントに対する表面位置における界面2重層の電位であ
る。ゼータ電位は随意的に25mV(絶対値)よりも大きいものとする。他の実施形態に
おいて、ナノ粒子は、結合剤1440を塗布する前にインターカレーション材料1610
の表面に付着させる。
FIGS. 14C, 19 and 20 show electrode surfaces similar to those shown in FIGS. 14B, 16 and 17, respectively. However, in the embodiments shown in these figures, according to various embodiments of the present invention, the surface effect dominant portion 1430 is located very close to the free intercalation material. In some embodiments, such as the embodiment shown in FIG. 18, at least 2%, 10%, 25%, 50%, 75%, or 80% of the surface effect dominant portions 1430 contact the intercalation material 1610. I do. In some embodiments, surface effect dominant sites 14
A higher concentration of nanoparticles, including 30
Located within 5 nanometers than よ り 15 nanometers. Intercalation 16
The high concentration of surface effect dominant sites 1430 close to 10 properly selects the zeta potential of the nanoparticles and the intercalation material 1610 in solution, causing the nanoparticles to have a double electrostatic potential on the surface of the intercalation material 1610. A layer is formed. The zeta potential is the potential of the interface bilayer at the surface location relative to the point in the bulk liquid away from the surface. The zeta potential is optionally greater than 25 mV (absolute value). In other embodiments, the nanoparticles are treated with an intercalation material 1610 prior to applying the binder 1440.
To adhere to the surface.

図16〜20に示すインターカレーション材料1610は、シリコン層115に対して
本明細書で説明した材料のうち任意の1つ又は組合せ(シリコンを含む又は含まない)と
することができる。同様に、図16〜20に示すCNF110は、本明細書で説明した種
々のタイプのファイバのうち任意に1つ又は組合せ(カーボンナノファイバを含む又は含
まない)とすることができる。例えば、これらCNF110は、分岐ファイバ、多重壁フ
ァイバ、ワイヤ、エアロゲル、黒鉛、炭素、グラフェン、窒化ホウ素ナノチューブ等とす
ることができる。これらの図及び他の図で示した表面効果優勢部位1430及びCNF1
10の数は、単に説明上のものである。例えば、実際には表面効果優勢部位1430の数
を相当多くすることができる。同様に、図示のインターカレーション材料1610及びシ
リコン層115の量及びサイズも説明上のものである。代替的実施形態は、より多い又は
より少ない量、及びより大きい又はより小さいサイズにすることができる。同様に、PE
M1420の深さ及びCNF110の長さは図に示すものから変動し得る。
The intercalation material 1610 shown in FIGS. 16-20 can be any one or combination (with or without silicon) of the materials described herein for the silicon layer 115. Similarly, the CNFs 110 shown in FIGS. 16-20 can be any one or combination (with or without carbon nanofibers) of the various types of fibers described herein. For example, these CNFs 110 can be branch fibers, multi-wall fibers, wires, aerogels, graphite, carbon, graphene, boron nitride nanotubes, and the like. Surface effect dominant sites 1430 and CNF1 shown in these and other figures.
The number 10 is for illustration only. For example, in practice, the number of surface effect dominant sites 1430 can be significantly increased. Similarly, the amounts and sizes of the illustrated intercalation material 1610 and silicon layer 115 are also illustrative. Alternative embodiments can be more or less in volume and larger or smaller in size. Similarly, PE
The depth of M1420 and the length of CNF 110 may vary from those shown.

種々の実施形態において、表面効果優勢部位1430を含むナノ粒子の量は、(放電状
態で測って)インターカレーション材料1610又はシリコン層115の表面におけるナ
ノ粒子の単分子層の、少なくとも0.1、0.5、0.7、0.9、1.1、1.3、1.5、
2、3、5、10、25、50、若しくは100(又はこれら値間の任意の範囲)倍とな
るよう選択することができる。本明細書で使用する用語0.1単層は10%を示し、10
×単分子層は10単分子層である。種々の実施形態において、表面効果優勢部位1430
を含むナノ粒子の量は、(放電状態で測って)インターカレーション材料1610の表面
におけるナノ粒子の、少なくとも1、5、10、20、50、100、250、若しくは
500(又はこれら値における任意の組合せ)ナノメートル層となるよう選択する。単分
子層で測った他の被覆密度又は付加さも可能である。ナノ粒子(表面効果優勢部位143
0を含む)の被覆率が1.0単分子層に達するとき、ナノ粒子は、インターカレーション
材料1610と結合剤1440を移動する電解質の電荷キャリヤとの間に層を形成するこ
とができる。例えば、幾つかの実施形態において、電解質は電荷キャリヤとしてリチウム
を含む。リチウムは結合剤1440を移動し、また表面効果優勢部位1430とファラデ
ー反応を生ずることができ、この反応において、表面効果優勢部位1430の1つからリ
チウムに対して電子が放出される。この電子はインターカレーション材料1610を経て
基板105からナノ粒子に転移(例えば、放出)される。ナノ粒子は充電プロセスのこの
段階でバリヤを形成するので、電荷キャリヤの限られた量しかインターカレーション材料
1610に達しない。表面効果優勢部位1430における反応によって充電が優勢となる
。幾つかの実施形態において、電荷キャリヤとのファラデー反応が生ずる前には電荷キャ
リヤのインターカレーション材料1610内へのインターカレーションが不要であるため
、充電は急速に行われる。表面効果優勢部位1430の存在は、インターカレーションを
生ずる前に初期ファラデー反応を生ずる表面積を大きく増大させる。表面効果優勢部位1
430は、電荷キャリヤのインターカレーション材料1610内へのインターカレーショ
ンに対する触媒として作用する。電荷キャリヤは、表面効果優勢部位1430で受取られ
る形態でインターカレートされる、又は金属酸化物のような他の形態でインターカレート
されることができる。金属酸化物のようなにインターカレートされる場合、酸化物の酸素
はインターカレーションに続いて表面効果優勢部位1430に戻るよう循環される。
In various embodiments, the amount of nanoparticles comprising surface effect dominant sites 1430 is at least 0.1 of the intercalation material 1610 or the monolayer of nanoparticles at the surface of silicon layer 115 (measured in the discharge state). , 0.5, 0.7, 0.9, 1.1, 1.3, 1.5,
It can be chosen to be 2, 3, 5, 10, 25, 50, or 100 (or any range between these values) times. As used herein, the term 0.1 monolayer indicates 10%.
X The monolayer is 10 monolayers. In various embodiments, the surface effect dominant portion 1430
The amount of nanoparticles comprising (measured in the discharged state) the nanoparticles at the surface of the intercalation material 1610 is at least 1, 5, 10, 20, 50, 100, 250, or 500 (or any of these values). The combination is selected to be a nanometer layer. Other coating densities or additions, measured in monolayers, are also possible. Nanoparticle (surface effect dominant site 143
When the coverage reaches 1.0 monolayer, the nanoparticles can form a layer between the intercalation material 1610 and the charge carrier of the electrolyte traveling through the binder 1440. For example, in some embodiments, the electrolyte includes lithium as a charge carrier. The lithium can migrate through the binder 1440 and cause a Faraday reaction with the surface effect dominant site 1430, in which electrons are released from one of the surface effect dominant sites 1430 to lithium. The electrons are transferred (eg, emitted) from the substrate 105 to the nanoparticles via the intercalation material 1610. Since the nanoparticles form a barrier at this stage of the charging process, only a limited amount of charge carriers reach the intercalation material 1610. The reaction at the surface effect dominant site 1430 causes charging to dominate. In some embodiments, charging is rapid because no charge carrier intercalation into the intercalation material 1610 is required before a Faraday reaction with the charge carrier occurs. The presence of surface effect dominant sites 1430 greatly increases the surface area where the initial Faraday reaction occurs before intercalation occurs. Surface effect dominant part 1
430 acts as a catalyst for charge carrier intercalation into intercalation material 1610. The charge carriers can be intercalated in a form received at surface effect dominant sites 1430, or in other forms such as metal oxides. When intercalated, such as a metal oxide, the oxygen of the oxide is circulated back to the surface effect dominant site 1430 following the intercalation.

幾つかの実施形態において、ナノ粒子は不完全なバリヤを形成するので、幾つかの電荷
キャリヤは、充電のこの段階(例えば、本明細書で説明した電極を含む電力貯蔵デバイス
を充電する初期段階)で依然としてインターカレーション材料1610に達する。幾つか
の実施形態のインターカレーション材料、例えばシリコンは、電荷キャリヤのインターカ
レーションを生ずるときに膨張するため、インターカレーション材料1610の表面積も
増大する。このことは、ナノ粒子のインターカレーション材料1610表面に対する表面
被覆率を低下させ、また電荷キャリヤに対するバリヤを形成する上でのナノ粒子の有効性
を低下させる。したがって、充電が進行するにつれて、単位時間あたりより多くの電荷キ
ャリヤがインターカレーション材料1610に達する。このことは、インターカレーショ
ン材料1610内での反応によって充電が優勢になるまで随意に持続する。表面被覆率の
減少は、電解質に露出する各ナノ粒子に対する表面効果優勢部位1430の平均割合を増
大させる。本明細書で使用する用語「表面被覆率」は、表面における種密度を表し、また
単分子層の数(若しくはその分数形)、厚さ又は濃度等として測定することができる。
In some embodiments, because the nanoparticles form an imperfect barrier, some charge carriers may be charged at this stage of charging (eg, the initial stage of charging a power storage device including the electrodes described herein). ) Still reaches the intercalation material 1610. In some embodiments, the intercalation material, for example, silicon, expands when charge carrier intercalation occurs, thus also increasing the surface area of the intercalation material 1610. This reduces the surface coverage of the nanoparticles on the surface of the intercalation material 1610 and reduces the effectiveness of the nanoparticles in forming a barrier to charge carriers. Thus, as charge progresses, more charge carriers reach the intercalation material 1610 per unit time. This optionally persists until the charge in the intercalation material 1610 becomes dominant. The reduction in surface coverage increases the average ratio of surface effect dominant sites 1430 for each nanoparticle exposed to the electrolyte. As used herein, the term "surface coverage" refers to the seed density at a surface and can be measured as the number (or fractional form), thickness, or concentration of monolayers.

幾つかの実施形態において、表面効果優勢部位1430における電力貯蔵は、ファラデ
ー表面反応を生ずる電位で行われるが、表面効果優勢部位1430を含むナノ粒子内への
電荷キャリヤのインターカレーションは生じない。このことは、電荷キャリヤの繰返され
るインターカレーション及び脱インターカレーションによるナノ粒子劣化を防ぎ、またよ
り長いサイクル寿命を可能にする。同一電極において、より高い電位、随意的に表面効果
優勢部位1430を有するナノ粒子内への電荷キャリヤのインターカレーションを引き起
こす電位で生ずるファラデー反応を介してインターカレーション材料1610内に電力を
貯蔵するのが望ましい。このことは、本発明の幾つかの実施形態において、基板105と
電解質125との間に電位低下が存在するので発生することができる。
In some embodiments, power storage at the surface effect dominant site 1430 is performed at a potential that results in a Faraday surface reaction, but no intercalation of charge carriers into the nanoparticles that include the surface effect dominant site 1430. This prevents nanoparticle degradation due to repeated intercalation and deintercalation of charge carriers, and allows for longer cycle life. At the same electrode, power is stored in the intercalation material 1610 via a Faraday reaction that occurs at a higher potential, optionally at a potential that causes the intercalation of charge carriers into the nanoparticles having surface effect dominant sites 1430. It is desirable. This can occur in some embodiments of the present invention because there is a potential drop between the substrate 105 and the electrolyte 125.

リチウムが電荷キャリヤである特別な実施例において、表面効果優勢部位1430はT
iOナノ粒子上に配置し、またインターカレーション材料1610は主にシリコンとす
る。他の実施形態における特定電圧は、表面効果優勢部位1430及びインターカレーシ
ョン材料1610に含まれる化学種、並びに充電中に生ずる反応等に依存するものと理解
されたい。種々の実施形態において、表面効果優勢部位1430と基板105との間にお
ける電位差は、少なくとも0.001、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.8、1.
0、1.3、1.7、2.0、2.2、若しくは2.4V、又はこれら値間の任意な範囲の電
位差である。本明細書において使用する用語「電位」は、静電電位の絶対値(例えば、|
x|)を意味するものとして使用する。
In a particular embodiment where lithium is the charge carrier, the surface effect dominant site 1430 is
It is located on the iO 2 nanoparticles and the intercalation material 1610 is mainly silicon. It should be understood that the specific voltage in other embodiments depends on the species contained in the surface effect dominant portion 1430 and the intercalation material 1610, as well as the reactions that occur during charging. In various embodiments, the potential difference between the surface effect dominant portion 1430 and the substrate 105 is at least 0.001, 0.2, 0.3, 0.4, 0.5, 0.6, 0.8, 1.
0, 1.3, 1.7, 2.0, 2.2, or 2.4 V, or any range of potential differences between these values. As used herein, the term “potential” refers to the absolute value of the electrostatic potential (eg, |
x |).

図21は、本発明の種々の実施形態による電極表面を組立てる方法を示す。組立てた電
極表面は、例えば、電池、キャパシタ、又はハイブリッドデバイスにおけるアノードとし
て使用することができる。図21に示す方法は、随意的に本明細書の他の箇所で説明した
種々の電極を生産するのに使用する。
FIG. 21 illustrates a method of assembling an electrode surface according to various embodiments of the present invention. The assembled electrode surface can be used, for example, as an anode in a battery, capacitor, or hybrid device. The method shown in FIG. 21 is optionally used to produce the various electrodes described elsewhere herein.

基板準備ステップ2110において導電性基板を準備する。基板準備ステップ2110
は基板準備ステップ1310に類似する。基板準備ステップ2110において、随意的に
CNF110又は他の支持フィラメントを成長させるのに適した基板105を準備する。
本明細書で説明したように、基板105は、種々の材料、例えば、Cu,Au,Sn等を
含むことができる。基板105は、随意的に本明細書の他の箇所で説明した核形成部位を
含む。
In a substrate preparing step 2110, a conductive substrate is prepared. Substrate preparation step 2110
Is similar to the substrate preparation step 1310. In a substrate preparation step 2110, optionally, a substrate 105 suitable for growing CNF 110 or other support filaments is provided.
As described herein, the substrate 105 can include various materials, for example, Cu, Au, Sn, and the like. Substrate 105 optionally includes nucleation sites as described elsewhere herein.

随意的なCNF準備ステップ2120において、CNF110(又は本明細書にきさい
した他の支持フィラメント)を準備する。CNF準備ステップ2120は、図17及び2
0に示すような支持フィラメントがない電極を生産する実施形態では随意とする。幾つか
の実施形態において、CNF110は、CNF110を基板105上に成長させることに
よって準備する。幾つかの実施形態において、CNF110は、後で基板105に塗布す
る混合物にCNF110を添加することによって準備する。幾つかの実施形態において、
CNF110は基板105とは別個に生産し、後で基板105に取付ける。
In an optional CNF preparation step 2120, CNF 110 (or other support filaments as described herein) is prepared. The CNF preparation step 2120 is described in FIGS.
Embodiments producing electrodes without supporting filaments as shown at 0 are optional. In some embodiments, CNF 110 is prepared by growing CNF 110 on substrate 105. In some embodiments, CNF 110 is prepared by adding CNF 110 to a mixture that is subsequently applied to substrate 105. In some embodiments,
The CNF 110 is produced separately from the substrate 105 and is attached to the substrate 105 later.

インターカレーション材料準備ステップ2130において、インターカレーション材料
1610を準備する。インターカレーション材料1610は先ずCNF110に塗布する
。種々の実施形態において、インターカレーション材料1610は、溶媒内のコロイド状
懸濁液、ペースト等として蒸着を使用して塗布する。
In an intercalation material preparation step 2130, an intercalation material 1610 is prepared. Intercalation material 1610 is first applied to CNF 110. In various embodiments, the intercalation material 1610 is applied using vapor deposition as a colloidal suspension, paste, or the like in a solvent.

表面効果優勢部位(SEDS:Surface Effect Dominant Sites)準備ステップにおい
て、表面効果優勢部位1430を準備する。本明細書の他の箇所で説明したように、表面
効果優勢部位1430は、黒鉛、グラフェン、または活性炭のようなナノ粒子又はより大
きな構体上に堆積させることができる。表面効果優勢部位1430は、結合剤1440、
又は溶媒内における懸濁液として、スパッタ堆積、電子堆積、蒸着を使用して、又はスプ
レー等を使用して準備する。幾つかの実施形態において、インターカレーション材料16
10のゼータ電位は、表面効果優勢部位1430がインターカレーション材料1610の
表面に集中するよう選択する。
In a surface effect dominant site (SEDS) preparation step, a surface effect dominant site 1430 is prepared. As described elsewhere herein, surface effect dominant sites 1430 can be deposited on nanoparticles or larger structures such as graphite, graphene, or activated carbon. The surface effect dominant portion 1430 includes a binder 1440,
Alternatively, as a suspension in a solvent, it is prepared using sputter deposition, electron deposition, vapor deposition, or using a spray or the like. In some embodiments, the intercalation material 16
A zeta potential of 10 is selected such that the surface effect dominant site 1430 is concentrated on the surface of the intercalation material 1610.

塗布ステップ2150において、インターカレーション材料1610、表面効果優勢部
位1430及び随意的なCNF110を基板105に塗布する。これら材料は様々な順番
及び組合せで塗布することができる。例えば、インターカレーション材料1610はCN
F110(予め基板105に取付けることもあり得る)に塗布し、次いで表面効果優勢部
位1430をインターカレーション材料1610の頂面に塗布することができる。代案と
して、フリーのCNF110、インターカレーション材料1610を先ず混合し、次いで
表面効果優勢部位1430及び結合剤1140を単独で又は組合せて添加する。本明細書
の教示に基づいて、当業者であれば、異なる実施形態において、これら成分は任意の順序
又は組合せで混合又は添加できることを理解できるであろう。さらに、これら成分は基板
105に塗布する前又は後で混合できるステップ2110〜2150は任意の順序で行う
ことができる。塗布ステップ2150の後に、随意的に調整ステップ1350を行う。
In an application step 2150, an intercalation material 1610, surface effect dominant sites 1430 and optional CNF 110 are applied to the substrate 105. These materials can be applied in various orders and combinations. For example, the intercalation material 1610 may be CN
F110 (which may be pre-attached to substrate 105) and then surface effect dominant portion 1430 can be applied to the top surface of intercalation material 1610. Alternatively, free CNF 110, intercalation material 1610 is first mixed and then surface effect dominant sites 1430 and binder 1140 are added alone or in combination. Based on the teachings herein, one of ordinary skill in the art will appreciate that, in different embodiments, the components can be mixed or added in any order or combination. Further, these components can be mixed before or after application to the substrate 105. Steps 2110-2150 can be performed in any order. After the application step 2150, an optional adjustment step 1350 is performed.

幾つかの実施形態において、図21に示す方法はインターカレーション材料1610及
び表面効果優勢部位1430を溶剤内に十分分散する懸濁液として混合するステップを有
する。この分散液は、随意的にCNF110に塗布する。この後この分散液の溶剤を混合
物から蒸発させ、結果としてCNF110上における粉末又はコーティングとなる。結合
剤1440はCNF110の塗布前又は塗布後に懸濁液に添加することができる。幾つか
の実施形態において、表面効果優勢部位1430の塗布は、インターカレーション材料1
610を堆積する最終段階で基板105にスパッタリングしている材料を変化させること
によって行う。これら実施形態において、例えば、ほとんどすべてのインターカレーショ
ン材料1610を堆積した後にTiOをスパッタリングしている混合物に添加すること
ができる。このことにより、インターカレーション材料1610の頂面における表面効果
優勢部位1430としてTiOのスパッタ層を生ずる。
In some embodiments, the method shown in FIG. 21 comprises mixing the intercalation material 1610 and surface effect dominant sites 1430 as a well dispersed suspension in a solvent. This dispersion is optionally applied to CNF110. Thereafter, the solvent of the dispersion is evaporated from the mixture, resulting in a powder or coating on the CNF 110. Binder 1440 can be added to the suspension before or after application of CNF 110. In some embodiments, the application of the surface effect dominant portion 1430 comprises the intercalation material 1
This is done by changing the material being sputtered onto the substrate 105 in the final step of depositing 610. In these embodiments, for example, TiO 2 can be added to the sputtering mixture after depositing almost all of the intercalation material 1610. This results in a sputtered layer of TiO 2 as surface effect dominant sites 1430 on the top surface of intercalation material 1610.

図22は本発明の種々の実施形態による電荷貯蔵デバイスの動作方法を示す。この方法
は、例えば、電荷貯蔵デバイスを充電するときに使用することができる。幾つかの実施形
態において、この方法は、電荷貯蔵デバイスのアノード及びカソードに対してワイヤを介
して充電デバイスに取付けるステップを有する。この電荷貯蔵デバイスはアノード及びカ
ソードに電位を付与し、両者間に電位勾配を生ずる。図22に示すステップ群は、随意に
同時発生的に生ずる、例えば、それらを同時に又は互いにオーバーラップ時間があるよう
発生し得る。
FIG. 22 illustrates a method of operating a charge storage device according to various embodiments of the present invention. This method can be used, for example, when charging a charge storage device. In some embodiments, the method includes attaching to the charging device via wires to the anode and cathode of the charge storage device. The charge storage device applies a potential to the anode and the cathode, creating a potential gradient between the two. The steps shown in FIG. 22 may optionally occur simultaneously, for example, they may occur simultaneously or with overlap time with one another.

電位確立ステップ2210において、電位は電荷貯蔵デバイスで確立される。この電位
は電荷貯蔵デバイスのアノード及びカソード間に存在する。このような電位は、電荷貯蔵
デバイス内の基板105と電解質125との間の電位勾配を生ずる。この電位勾配は表面
効果優勢部位1430とインターカレーション材料1610との場所間に電位差を発生す
ることができる。種々の実施形態において、この電位差は、少なくとも0.001、0.2
、0.3、0.4、0.5、0.8、1.0、1.3、1.7、2.0、若しくは2.4V、又は
これら値間の任意な範囲の電位差である。
In a potential establishing step 2210, a potential is established at the charge storage device. This potential exists between the anode and cathode of the charge storage device. Such a potential creates a potential gradient between the substrate 105 and the electrolyte 125 in the charge storage device. This potential gradient can create a potential difference between the location of the surface effect dominant portion 1430 and the intercalation material 1610. In various embodiments, this potential difference is at least 0.001, 0.2
, 0.3, 0.4, 0.5, 0.8, 1.0, 1.3, 1.7, 2.0, or 2.4 V, or any range of potential differences between these values. .

リチウム受取りステップ2220において、1つのあり得る実施例でリチウムとする電
荷キャリヤを1つの表面効果優勢部位1430で受取る。この電荷キャリヤは、随意に結
合剤1440を介して受取る。
In a lithium receiving step 2220, charge carriers, which in one possible embodiment are lithium, are received at one surface effect dominant site 1430. This charge carrier is optionally received via a binder 1440.

電荷転移ステップ2230において、電子は表面効果優勢部位1430から、リチウム
受取りステップ2220で受取られる電荷キャリヤに転移する(例えば、放出される)。
この転移は、表面効果優勢部位1430と電荷キャリヤとの間で電子を共有するステップ
を有する。電子は、ファラデー反応で転移し、また一般的に基板105から導かれる。こ
の転移は、電荷キャリヤが表面効果優勢部位1430の表面である場合に生じ、またその
場所の電位で生ずる。電子転移の反応電位は、例えば、電荷キャリヤの反応電位及び表面
効果優勢部位1430の反応電位に依存する。反応電位は表面効果優勢部位1430及び
その近傍のインターカレーション材料1610の双方に依存し得る。本明細書で使用する
用語「反応電位」は、反応が適切な速度で生ずる電位を意味するのに使用する。反応にお
ける反応電位は、例えば、サイクリックボルタモグラムにおけるピークによって説明でき
る。他の実施例において、電気化学セルで生ずる
Li+e→Li又は2Li+MO+2e→LiO+M
(ここで、Mは本明細書で説明した任意の遷移金属)の反応に必要な電位がこれら反応に
おける反応電位である。反応電位は反応が生ずる環境に大きく依存し得る。例えば、上述
した第2反応は2〜10nmの範囲にある直径を有するTiOナノ粒子の存在の下でよ
り低い反応電位を有し得る。同様に、反応電位は、インターカレーションに必要なエネル
ギー、表面効果優勢部位1430及びインターカレーション材料1610の密な近接性に
影響され得る。
In the charge transfer step 2230, electrons are transferred (eg, emitted) from the surface effect dominant site 1430 to the charge carriers received in the lithium receiving step 2220.
This transition involves sharing an electron between the surface effect dominant site 1430 and the charge carrier. Electrons are transferred by the Faraday reaction and are generally guided from the substrate 105. This transition occurs when the charge carrier is at the surface of the surface effect dominant site 1430 and occurs at the potential there. The reaction potential of the electron transfer depends, for example, on the reaction potential of the charge carrier and the reaction potential of the surface effect dominant site 1430. The reaction potential may depend on both the surface effect dominant site 1430 and the intercalating material 1610 in its vicinity. As used herein, the term "reaction potential" is used to mean the potential at which the reaction occurs at an appropriate rate. The reaction potential in the reaction can be explained, for example, by a peak in a cyclic voltammogram. In other embodiments, Li + + e → Li or 2Li + + MO + 2e → Li 2 O + M generated in an electrochemical cell.
(Where M is any transition metal described herein) is the reaction potential in these reactions. The reaction potential can greatly depend on the environment in which the reaction takes place. For example, the second reaction mentioned above may have a lower reaction potential in the presence of TiO 2 nanoparticles having a diameter in the range of 2 to 10 nm. Similarly, the reaction potential may be affected by the energy required for intercalation, the close proximity of the surface effect dominant sites 1430 and the intercalation material 1610.

リチウムインターカレートステップ2240において、1つのあり得る実施例でリチウ
ムとする電荷キャリヤをインターカレーション材料1610内にインターカレート(挿入
)する。このステップは、インターカレーション材料1610のバルク内部への電荷キャ
リヤの移動を含む。電荷キャリヤは、リチウム受取りステップ2220において表面効果
優勢部位1430で受取られるのと同一化学種として、又は代案として、表面効果優勢部
位1430で生ずる化学種として、インターカレーション材料1610で受取ることがで
きる。例えば、電荷キャリヤは、表面効果優勢部位1430で受取られる化学種の酸化物
(例えば、LiO等)としてインターカレーション材料1610で受取ることができる
In a lithium intercalation step 2240, charge carriers, which in one possible embodiment are lithium, are intercalated into the intercalation material 1610. This step involves the transfer of charge carriers into the bulk of the intercalation material 1610. Charge carriers may be received at the intercalation material 1610 as the same species as received at the surface effect dominant site 1430 in the lithium receiving step 2220, or alternatively, as a species generated at the surface effect dominant site 1430. For example, charge carriers can be received at the intercalation material 1610 as oxides of species (eg, Li 2 O, etc.) received at the surface effect dominant sites 1430.

電子転移ステップ2250において、電子は、インターカレーション材料1610から
リチウムインターカレートステップ2240における電荷キャリヤに転移する。電子は、
ファラデー反応で転移し、また一般的に基板105から導かれる。この転移は、電荷キャ
リヤがインターカレーション材料1610内にある場合に生じ、またその場所の電位で生
ずる。電子転移の反応電位は、電荷キャリヤの反応電位及びインターカレーション材料1
610の反応電位に依存する。反応電位はインターカレーション材料1610及びその近
傍の表面効果優勢部位1430の双方に依存し得る。表面効果優勢部位1430は、リチ
ウムが電解質125からインターカレーション材料1610に転移する上で触媒として作
用することができる。本明細書の他の箇所で説明したように、この転移は、LiOのよ
うな中間酸化物を介して生ずることができる。このステップにおける電子転移の仕事関数
は、電子転移ステップ2230における電子転移の仕事関数とは異なることがあり得る。
例えば、種々の実施形態において、仕事関数は、少なくとも0.001、0.3、0.4、
0.5、0.8、1.0、1.3、1.7、2.0、若しくは2.4V、又はこれら値間の任意
な範囲の電位差である。幾つかの実施形態において、表面効果優勢部位1430を含むナ
ノ粒子のバルク内よりもインターカレーション材料1610内へリチウムをインターカレ
ートするのが熱力学的に望ましい。しかし、表面効果優勢部位1430の存在は、電荷キ
ャリヤのインターカレーション材料1610内へのインターカレーションに対して触媒作
用をすることができる。
In the electron transfer step 2250, electrons transfer from the intercalation material 1610 to charge carriers in the lithium intercalation step 2240. The electron
It is transferred by the Faraday reaction and is generally guided from the substrate 105. This transition occurs when the charge carriers are within the intercalation material 1610 and occurs at the local potential. The reaction potential of the electron transfer depends on the reaction potential of the charge carrier and the intercalation material 1.
610. The reaction potential may depend on both the intercalation material 1610 and the nearby surface effect dominant site 1430. The surface effect dominant portion 1430 can act as a catalyst in transferring lithium from the electrolyte 125 to the intercalation material 1610. As discussed elsewhere herein, this transition can occur via the intermediate oxide such as Li 2 O. The work function of the electron transfer in this step can be different from the work function of the electron transfer in the electron transfer step 2230.
For example, in various embodiments, the work function is at least 0.001, 0.3, 0.4,
0.5, 0.8, 1.0, 1.3, 1.7, 2.0, or 2.4 V, or any range of potential differences between these values. In some embodiments, it is thermodynamically desirable to intercalate lithium into the intercalation material 1610 rather than into the bulk of the nanoparticles that include the surface effect dominant sites 1430. However, the presence of surface effect dominant sites 1430 can catalyze the intercalation of charge carriers into intercalation material 1610.

電荷キャリヤが電子転移ステップ2230で酸化物に転換する場合、電子転移ステップ
2250は酸素をインターカレーション材料1610から表面効果優勢部位1430に戻
る転移を生ずるステップを含む。この酸素はインターカレーション材料1610で電荷キ
ャリヤの酸化物として受取られ、またインターカレーション中電荷キャリヤから放出され
る。酸素は、表面効果優勢部位1430に戻る転移後に、電子転移ステップ2230をさ
らに行うのに使用でき、すなわち、酸素はリサイクルされる。
If the charge carriers are converted to oxides at the electron transfer step 2230, the electron transfer step 2250 includes the step of causing a transfer of oxygen from the intercalation material 1610 back to the surface effect dominant site 1430. This oxygen is received by the intercalation material 1610 as an oxide of the charge carrier and is released from the charge carrier during intercalation. Oxygen can be used to further perform an electron transfer step 2230 after the transfer back to the surface effect dominant site 1430, ie, the oxygen is recycled.

上述の図22の説明は、電荷キャリヤがリチウム受取りステップ2220で受取られ、
また電荷キャリヤがリチウムインターカレーションステップ2240で2つの異なる個別
電荷キャリヤ(同一タイプとすることがあり得る)であると仮定するが、種々の実施形態
において、ステップ2220,2230及び2240は同一の個別電荷キャリヤによって
行うことができる。例えば、幾つかの実施形態において、リチウム受取りステップ222
0は、1つの表面効果優勢部位1430で電荷キャリヤを受取るステップを含む。この後
電子転移ステップ2230は、電荷キャリヤが表面効果優勢部位1430と反応して中間
化合物を生ずる反応を含む。幾つかの実施形態において、この反応は2Li+MO+2
→LiO+M(ここで、Mは本明細書で説明した任意の遷移金属及びLiOは結
果として生じた中間化合物である)の反応を含む。リチウムインターカレートステップ2
240において、中間化合物(例えば、LiO)はインターカレーション材料1610
内にインターカレートされる、又は中間化合物における一方(又は双方)のLiがLi
OのOからインターカレーション材料(例えば、LiSi)の原子に転移する。この転
移は、結果として電子転移ステップ2230で分解されるMOを生ずる。この実施例にお
いて、同一の個別Li原子がステップ2220〜2230及び2240のそれぞれで関与
することに留意されたい。電子転移ステップ2250は、図22に示す方法の実施形態で
は不要である。幾つかの実施形態において、LiOのような中間物を含む反応シーケン
ス及び中間物を含まない反応シーケンスの双方とも単独充電サイクル中に生ずる。
The description of FIG. 22 above shows that charge carriers are received in a lithium receiving step 2220;
It is also assumed that the charge carriers are two different individual charge carriers (which may be of the same type) in the lithium intercalation step 2240, but in various embodiments, steps 2220, 2230 and 2240 are the same This can be done by charge carriers. For example, in some embodiments, the lithium receiving step 222
0 includes receiving charge carriers at one surface effect dominant site 1430. Subsequent electron transfer step 2230 includes a reaction in which charge carriers react with surface effect dominant sites 1430 to produce intermediate compounds. In some embodiments, the reaction is 2Li + + MO + 2
e → Li 2 O + M, where M is any of the transition metals described herein and Li 2 O is the resulting intermediate compound. Lithium intercalation step 2
At 240, an intermediate compound (eg, Li 2 O) is added to the intercalation material 1610.
One (or both) of Lis intercalated in or in the intermediate compound is Li 2
The transition from O of O to atoms of an intercalation material (for example, Li x Si). This transfer results in an MO that is decomposed in the electron transfer step 2230. Note that in this example, the same individual Li atoms are involved in each of steps 2220-2230 and 2240. The electron transfer step 2250 is not required in the method embodiment shown in FIG. In some embodiments, both of the reaction sequence do not contain the reaction sequence and intermediates containing intermediates such as Li 2 O occurs during a single charging cycle.

本明細書において、とくに幾つかの実施形態を図示及び/又は説明した。しかし、変更
例及び改変例は、本発明の精神及び意図する範囲から逸脱することなく、上述の教示によ
って、また特許請求の範囲内に含まれる。例えば、上述の実施例は積層コーン構体を有す
るCNFに焦点を当てて説明したが、その教示は同様の又は代替的な構体を有する他の材
料にも適用し得る。同様に、本明細書でCu基板及びLi電荷キャリヤを説明したが、他
の基板及び電荷キャリヤも当業者には明らかであろう。シリコン層115は、随意にシリ
コンに付加するインターカレーション材料を形成する、又はシリコンの代替物としてイン
ターカレーション材料を形成する。例えば、錫、ゲルマニウム、炭素、黒鉛、グラフェン
、シリコン、本明細書で説明した他の材料、又はそれらの組合せをインターカレーション
材料として使用することができる。さらに、エアロゲル、ナノワイヤ、TiO(酸化チ
タン)、金属ワイヤ、カーボンワイヤ、又は窒化ホウ素ナノファイバを本明細書に記載し
たカーボンナノファイバの代わりに使用することができる。結合剤1440、表面効果優
勢部位1430、インターカレーション材料1610及びCNF110、並びに図面にお
ける他の要素の相対濃度は説明したものから大きく変動し得る。
Several embodiments have been shown and / or described herein, particularly. However, modifications and variations are encompassed by the above teachings and within the scope of the claims, without departing from the spirit and intended scope of the invention. For example, while the embodiments described above focused on CNFs having a laminated cone structure, the teachings may be applied to other materials having similar or alternative structures. Similarly, while Cu substrate and Li charge carriers have been described herein, other substrates and charge carriers will be apparent to those skilled in the art. The silicon layer 115 forms an intercalation material that is optionally added to silicon, or forms an intercalation material as an alternative to silicon. For example, tin, germanium, carbon, graphite, graphene, silicon, other materials described herein, or combinations thereof, can be used as the intercalation material. Furthermore, aerogels, nanowires, TiO 2 (titanium oxide), metal wire, carbon wire, or boron nitride nanofibers can be used instead of the carbon nanofibers described herein. The relative concentrations of binder 1440, surface effect dominant sites 1430, intercalation material 1610 and CNF 110, and other elements in the figures can vary widely from those described.

本明細書で教示した電極は、キャパシタ、電池及びそれらのハイブリッド体を含む広範
囲にわたるエネルギー貯蔵デバイスに設けることができる。これらエネルギー貯蔵デバイ
スは、例えば照明システム、携帯電子機器、負荷バランシング装置、通信デバイス、バッ
クアップ電源、車両、及びコンピュータ装置に使用できる。本明細書で教示したコンセプ
トは多くの場合、カソード並びにアノードに適用することができる。
The electrodes taught herein can be provided on a wide range of energy storage devices, including capacitors, batteries and hybrids thereof. These energy storage devices can be used, for example, in lighting systems, portable electronics, load balancing devices, communication devices, backup power supplies, vehicles, and computer devices. The concepts taught herein can often be applied to cathodes as well as anodes.

VACNF成長、シリコン堆積、顕微鏡法及び分光法の特徴、電気化学セルの組立て、
並びに充放電検査の詳細については、2012年7月3日出願の米国仮特許出願第61/
667,876号に記載されている。
VACNF growth, silicon deposition, microscopy and spectroscopy features, electrochemical cell assembly,
For details of the charge and discharge inspection, see US Provisional Patent Application No. 61/61, filed July 3, 2012.
667,876.

本明細書に記載した実施形態は本発明を説明するためのものである。本発明のこれら実
施形態は説明上の参考として記載し、本明細書に記載の方法又は特定の構造に対して種々
の変更又は適応化は当業者には明らかであろう。本発明の教示に依存し、本発明の教示に
より進展するすべてのこのような変更、適応化又は改変は本発明の精神及び範囲内にある
と見なされる。したがって、これらの説明及び図面は限定的なものではなく、本発明は記
載された実施形態のみに限定されるものではないことを理解されたい。
The embodiments described in the present specification are for describing the present invention. These embodiments of the present invention have been described by way of illustration, and various modifications or adaptations to the methods or particular structures described herein will be apparent to those skilled in the art. All such alterations, adaptations, or modifications that rely on and progress with the teachings of the present invention are deemed to be within the spirit and scope of the present invention. Therefore, it is to be understood that these descriptions and drawings are not limiting and the invention is not limited to only the described embodiments.

Claims (38)

導電性基板と、
前記導電性基板に連結したカーボンナノファイバであって、前記カーボンナノファイバ
の長さに沿って複数の露出したナノスケール端縁を有する、該カーボンナノファイバと、
及び
前記カーボンナノファイバの少なくとも一部にわたり殻を形成するよう構成したインタ
ーカレーション材料と
を備える、エネルギー貯蔵システム。
A conductive substrate;
A carbon nanofiber coupled to the conductive substrate, the carbon nanofiber having a plurality of exposed nanoscale edges along a length of the carbon nanofiber,
And an intercalation material configured to form a shell over at least a portion of the carbon nanofiber.
請求項1、29、30又は31記載のシステム又は方法において、前記露出したナノス
ケール端縁の各々は、多重黒鉛シートの端縁を含む、システム又は方法。
32. The system or method of claim 1, 29, 30, or 31, wherein each of the exposed nanoscale edges comprises an edge of a multiple graphite sheet.
請求項29、30、31、1又は2記載のシステム又は方法において、前記露出したナ
ノスケール端縁の各々は、前記インターカレーション材料の成長を制御するよう構成する
、システム又は方法。
3. The system or method of claim 29, 30, 31, 1 or 2, wherein each of the exposed nanoscale edges is configured to control the growth of the intercalation material.
請求項29、30、31、1〜2又は3のうちいずれか一項記載のシステム又は方法に
おいて、前記露出したナノスケール端縁の各々は、カーボンナノファイバ内部への電荷キ
ャリヤの移動経路を生ずるよう構成する、システム又は方法。
40. The system or method according to any one of claims 29, 30, 31, 1-2 or 3, wherein each of the exposed nanoscale edges provides a path for the transfer of charge carriers into carbon nanofibers. A system or method configured as follows.
請求項29、30、31、1〜3又は4のうちいずれか一項記載のシステム又は方法に
おいて、前記露出したナノスケール端縁の各々は、多重グラフェン端縁を含む、システム
又は方法。
5. The system or method according to any one of claims 29, 30, 31, 1-3 or 4 wherein each of the exposed nanoscale edges comprises multiple graphene edges.
導電性基板と、
前記導電性基板に連結したカーボンナノファイバであって、前記カーボンナノファイバ
の長さに沿って複数のカップ状構体を有する、該カーボンナノファイバと、及び
前記カーボンナノファイバの少なくとも一部にわたり殻を形成するよう構成したインタ
ーカレーション材料と
を備える、エネルギー貯蔵システム。
A conductive substrate;
A carbon nanofiber connected to the conductive substrate, the carbon nanofiber having a plurality of cup-shaped structures along a length of the carbon nanofiber, and the carbon nanofiber; and a shell over at least a part of the carbon nanofiber. An energy storage system comprising: an intercalation material configured to form.
請求項29、30、31、1〜5又は6のうちいずれか一項記載のシステム又は方法に
おいて、前記カップ状構体の各々は、多重黒鉛シートを有する壁を含む、システム又は方
法。
The system or method according to any one of claims 29, 30, 31, 1 to 5 or 6, wherein each of the cup-shaped structures comprises a wall having multiple graphite sheets.
請求項29、30、31、1〜6又は7のうちいずれか一項記載のシステム又は方法に
おいて、前記カップ状構体の各々は、前記インターカレーション材料の成長を制御するよ
う構成する、システム又は方法。
10. The system or method according to any one of claims 29, 30, 31, 1 to 6 or 7, wherein each of the cup-shaped structures is configured to control the growth of the intercalation material. Method.
導電性基板と、
前記導電性基板に連結したカーボンナノファイバと、及び
前記カーボンナノファイバの少なくとも一部にわたり殻を形成するよう構成したインタ
ーカレーション材料であって、前記カーボンナノファイバの長さに沿って羽根状構体とな
るよう配置した、該インターカレーション材料と
を備える、エネルギー貯蔵システム。
A conductive substrate;
A carbon nanofiber coupled to the conductive substrate; and an intercalation material configured to form a shell over at least a portion of the carbon nanofiber, wherein the wing-like structure extends along a length of the carbon nanofiber. An energy storage system comprising: the intercalation material arranged to:
導電性基板と、
前記導電性基板に連結したカーボンナノファイバと、及び
前記カーボンナノファイバの少なくとも一部にわたり殻を形成するよう構成したインタ
ーカレーション材料であって、前記インターカレーション材料の膨張が前記カーボンナノ
ファイバから、前記インターカレーション材料が剥離しないよう構成した、該インターカ
レーション材料と
を備える、エネルギー貯蔵システム。
A conductive substrate;
A carbon nanofiber coupled to the conductive substrate, and an intercalation material configured to form a shell over at least a portion of the carbon nanofiber, wherein the expansion of the intercalation material is from the carbon nanofiber. An energy storage system comprising: an intercalation material configured to prevent exfoliation of the intercalation material.
請求項29、30、31、1〜9又は10のうちいずれか一項記載のシステム又は方法
において、前記膨張は、前記カーボンナノファイバに対して半径方向の膨張とする、シス
テム又は方法。
11. The system or method according to any one of claims 29, 30, 31, 1 to 9 or 10, wherein the expansion is a radial expansion of the carbon nanofiber.
請求項29、30、31、1〜10又は11のうちいずれか一項記載のシステム又は方
法において、前記膨張は、前記カーボンナノファイバに配置したインターカレーション材
料の部分相互間における膨張とする、システム又は方法。
12. The system or method according to any one of claims 29, 30, 31, 1 to 10, or 11, wherein the expansion is between parts of an intercalation material disposed on the carbon nanofiber. System or method.
請求項1〜11又は12のうちいずれか一項記載のシステム又は方法において、さらに
、前記インターカレーション材料に接触しかつ電荷キャリヤを含む電解質を備える、シス
テム又は方法。
13. The system or method according to any one of claims 1 to 11 or 12, further comprising an electrolyte in contact with the intercalation material and comprising a charge carrier.
請求項29、30、31、13のうちいずれか一項記載のシステム又は方法において、
前記電解質は固相電解質とする、システム又は方法。
The system or method according to any one of claims 29, 30, 31, 13,
The system or method wherein the electrolyte is a solid electrolyte.
請求項29、30、31、13又は14記載のシステム又は方法において、前記電荷キ
ャリヤはリチウムを含む、システム又は方法。
15. The system or method of claim 29, 30, 31, 13, or 14, wherein the charge carrier comprises lithium.
請求項29、30、31、1〜14又は15のうちいずれか一項記載のシステム又は方
法において、前記カーボンナノファイバは、前記基板に取付けた垂直方向に整列した複数
のカーボンナノファイバのうちの1つとする、システム又は方法。
16. The system or method according to any one of claims 29, 30, 31, 1 to 14 or 15, wherein the carbon nanofibers are a plurality of vertically aligned carbon nanofibers attached to the substrate. A system or method.
請求項29、30、31、1〜15又は16のうちいずれか一項記載のシステム又は方
法において、前記導電性の基板、前記カーボンナノファイバ及びインターカレーション材
料は、アノードとして機能するよう構成する、システム又は方法。
17. The system or method according to any one of claims 29, 30, 31, 1 to 15 or 16, wherein the conductive substrate, the carbon nanofiber, and the intercalation material are configured to function as an anode. , System or method.
請求項17記載のシステム又は方法において、さらに、前記電解質に接触するカソード
を備える、システム又は方法。
18. The system or method according to claim 17, further comprising a cathode in contact with said electrolyte.
請求項1〜17又は18のうちいずれか一項記載のシステム又は方法において、前記カ
ーボンナノファイバは、直接前記導電性の基板に取付ける、システム又は方法。
19. The system or method according to any one of claims 1 to 17 or 18, wherein the carbon nanofibers are directly attached to the conductive substrate.
請求項28、29、30、31、1〜18又は19のうちいずれか一項記載のシステム
又は方法において、前記インターカレーション層はシリコンを含む、システム又は方法。
20. The system or method according to any one of claims 28, 29, 30, 31, 1-18 or 19, wherein the intercalation layer comprises silicon.
請求項29、30、31、1〜19又は20のうちいずれか一項記載のシステム又は方
法において、前記カーボンナノファイバは、前記カーボンナノファイバの前記露出した端
縁にインターカレーション材料の構体を成長させるよう構成する、システム又は方法。
21. The system or method according to any one of claims 29, 30, 31, 1 to 19 or 20, wherein the carbon nanofiber comprises a structure of intercalation material on the exposed edge of the carbon nanofiber. A system or method configured to grow.
請求項29、30、31、1〜19又は20のうちいずれか一項記載のシステム又は方
法において、前記カーボンナノファイバは、結合剤を使用して前記導電性の基板に間接的
に取付ける、システム又は方法。
21. The system or method according to any one of claims 29, 30, 31, 1 to 19 or 20, wherein the carbon nanofibers are indirectly attached to the conductive substrate using a binder. Or method.
請求項29、30、31、1〜21又は22のうちいずれか一項記載のシステム又は方
法において、前記カップ状構体は、カップ状断面を有する螺旋体を含む、システム又は方
法。
23. The system or method according to any one of claims 29, 30, 31, 1, 1-21, or 22, wherein the cup-shaped structure comprises a helix having a cup-shaped cross-section.
請求項1〜22又は23のうちいずれか一項記載のシステム又は方法において、前記カ
ーボンナノファイバ及びインターカレーション材料は、2752〜3650mAhg−1
のLi挿入容量、及び100充電/放電サイクルに対して前記挿入容量の少なくとも8
5%保持を生ずる、システム又は方法。
24. The system or method according to any one of claims 1 to 22 or 23, wherein the carbon nanofibers and intercalation material are 2752-3650 mAhg- 1.
At least 8 of the Li + insertion capacity, and the insertion capacity for 100 charge / discharge cycles
A system or method that produces a 5% retention.
請求項29、30、31、1〜23又は24のうちいずれか一項記載のシステム又は方
法において、前記インターカレーション材料は、0.1〜4.0μmの公称厚さを有する層
として配置する、システム又は方法。
25. The system or method according to any one of claims 29, 30, 31, 1 to 23 or 24, wherein the intercalation material is arranged as a layer having a nominal thickness of 0.1 to 4.0 [mu] m. , System or method.
請求項29、30、31、1〜24又は25のうちいずれか一項記載のシステム又は方
法において、前記カーボンナノファイバは3〜200μmの長さとする、システム又は方
法。
26. The system or method according to any one of claims 29, 30, 31, 1 to 24 or 25, wherein the carbon nanofibers are 3 to 200 [mu] m long.
請求項1〜25又は26のうちいずれか一項記載のシステム又は方法において、さらに
、前記インターカレーション材料に取付けた複数のナノ粒子を備え、各ナノ粒子は、電荷
キャリヤがファラデー反応によりナノ粒子表面に吸着し得る表面効果優勢部位を生ずる構
成とする、システム又は方法。
27. The system or method according to any one of claims 1 to 25 or 26, further comprising a plurality of nanoparticles attached to the intercalation material, wherein each of the nanoparticles has a charge carrier by a Faraday reaction. A system or method configured to create a surface effect dominant site that can be adsorbed to a surface.
請求項29、30、31、1〜26又は27のうちいずれか一項記載のシステム又は方
法において、前記カーボンナノファイバ及びインターカレーション材料は、Li挿入容
量が充電率を2Cから8Cに上昇させるにつれて増大するよう構成する、システム又は方
法。
28. The system or method according to any one of claims 29, 30, 31, 1-26 or 27, wherein the carbon nanofiber and the intercalation material have a Li + insertion capacity that increases the charge rate from 2C to 8C. A system or method that is configured to increase as it increases.
エネルギー貯蔵デバイスを生産する方法であって、
導電性の基板を準備するステップと、
前記導電性の基板にカーボンナノファイバを付加するステップであり、前記カーボンナ
ノファイバの各々は、前記カーボンナノファイバの長さに沿って複数の露出したナノスケ
ール端縁を有する、該カーボンナノファイバ付加ステップと、及び
前記カーボンナノファイバにインターカレーション材料を塗布する塗布ステップであり
、前記インターカレーション材料は電荷キャリヤのインターカレーションを生ずる構成と
した、該塗布ステップと
を有する、方法。
A method of producing an energy storage device, comprising:
Providing a conductive substrate;
Adding carbon nanofibers to the conductive substrate, wherein each of the carbon nanofibers has a plurality of exposed nanoscale edges along a length of the carbon nanofibers. And applying the intercalation material to the carbon nanofibers, wherein the intercalation material is configured to cause charge carrier intercalation.
エネルギー貯蔵デバイスを生産する方法であって、
導電性の基板を準備するステップと、
前記導電性の基板にカーボンナノファイバを付加するステップであり、前記カーボンナ
ノファイバの各々は、前記カーボンナノファイバの長さに沿って複数のカップ状構体を有
する、該カーボンナノファイバ付加ステップと、及び
前記カーボンナノファイバにインターカレーション材料を塗布する塗布ステップであり
、前記インターカレーション材料は電荷キャリヤのインターカレーションを生ずる構成と
した、該塗布ステップと
を有する、方法。
A method of producing an energy storage device, comprising:
Providing a conductive substrate;
A step of adding carbon nanofibers to the conductive substrate, wherein each of the carbon nanofibers has a plurality of cup-shaped structures along the length of the carbon nanofibers, And applying the intercalation material to the carbon nanofibers, wherein the intercalation material is configured to cause charge carrier intercalation.
エネルギー貯蔵デバイスを生産する方法であって、
導電性の基板を準備するステップと、
前記導電性の基板にカーボンナノファイバを付加するステップと、及び
前記カーボンナノファイバにインターカレーション材料を塗布する塗布ステップであり
、前記インターカレーション材料は電荷キャリヤのインターカレーションを生ずる構成と
し、また前記インターカレーション材料は前記カーボンナノファイバの長さに沿って羽根
状構体となるよう配置する、該塗布ステップと
を有する、方法。
A method of producing an energy storage device, comprising:
Providing a conductive substrate;
A step of applying carbon nanofibers to the conductive substrate, and an application step of applying an intercalation material to the carbon nanofibers, wherein the intercalation material causes intercalation of charge carriers, Applying the intercalation material in a vane-like structure along the length of the carbon nanofiber.
請求項29,30又は31記載の方法において、さらに、前記インターカレーション材
料に接触しかつ電荷キャリヤを含む電解質を付加するステップを有する、方法。
32. The method of claim 29, 30 or 31, further comprising the step of contacting the intercalation material and adding an electrolyte comprising a charge carrier.
請求項29〜31又は32のうちいずれか一項記載の方法において、前記カーボンナノ
ファイバは、前記基板に取付けて垂直方向に整列するカーボンナノファイバとする、方法
33. The method according to any one of claims 29 to 31 or 32, wherein the carbon nanofibers are vertically aligned carbon nanofibers attached to the substrate.
請求項29〜32又は33のうちいずれか一項記載の方法において、前記導電性の基板
、前記カーボンナノファイバ及びインターカレーション材料は、アノードとして機能する
よう構成する、方法。
34. The method of any one of claims 29-32 or 33, wherein the conductive substrate, the carbon nanofibers, and the intercalation material are configured to function as an anode.
請求項29〜33又は34のうちいずれか一項記載の方法において、さらに、前記電解
質に接触するカソードを備える、方法。
35. The method of any one of claims 29-33 or 34, further comprising a cathode in contact with the electrolyte.
請求項29〜34又は35のうちいずれか一項記載の方法において、前記カーボンナノ
ファイバは、直接前記導電性の基板に取付ける、方法。
36. The method according to any one of claims 29 to 34 or 35, wherein the carbon nanofibers are attached directly to the conductive substrate.
請求項29〜35又は36のうちいずれか一項記載の方法において、さらに、前記イン
ターカレーション材料に複数のナノ粒子を取付けるステップを有し、各ナノ粒子は、電荷
キャリヤがファラデー反応によりナノ粒子表面に吸着し得る表面効果優勢部位を生ずる構
成とする、方法。
37. The method according to any one of claims 29 to 35 or 36, further comprising attaching a plurality of nanoparticles to the intercalation material, wherein each nanoparticle has a charge carrier by a Faraday reaction. A method comprising providing a surface effect dominant site that can be adsorbed to a surface.
請求項1〜27又は28のうちいずれか一項記載のシステム又は方法において、前記イ
ンターカレーション材料は、前記カーボンナノファイバの先端における第1シリコン構体
及び前記カーボンナノファイバの長さに沿う第2シリコン構体を有する、方法。
29. The system or method of any one of claims 1-27 or 28, wherein the intercalation material comprises a first silicon structure at a tip of the carbon nanofiber and a second silicon structure along a length of the carbon nanofiber. A method comprising a silicon structure.
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