TW201135769A - High performance carbon nanotube energy storage device - Google Patents

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201135769 六、發明說明： 【相關申請案】 本申請案系主張Nguyen等人申請於2009年12月21日 之美國暫時申請案編號61/288,788，名稱為“CAPACITOR USING CARON NANOTUBE ELECTRODE” 之優先權’其代 理人文件編號為WIND-P001R，在此為各種目的將其全文納 入本文中供參考。 【發明所屬之技術領域】 〇 , 本發明係與奈米碳管(carbon nanotube，CNT)、電極和能源 儲存相關。 【先前技術】 隨著科技演進，對於將能源轉換為電力的需求快速增長， 將能源存入電力裝置的能力也日益重要。在能源儲存領域中， 關於包含奈米碳管之電容的研究逐漸增加。奈米碳管通常是生 成於金屬觸媒層(metal catalyst layer)。然而，金屬觸媒層在沉 〇 積過程中不易控制，還會增加製作電容的成本。此外，在奈: 碳管生成後仍繼續留存的金屬觸媒層會對奈米碳管的效二ς 成負面影響。 此k 奈米碳管和金屬間的電阻常常是影響電容之電阻值的 。触成於金屬麟層的奈米碳管而言，留存的金屬觸 ^層胃導致高介面電阻，形成負面影響，尤其是造成電 源效率低落。 非晶碳(amorphous carbon)也是造成負面影響的原因之 201135769 傳統技術生成的奈米碳管帶有非晶碳。非晶碳會降低奈 米石反官之氣孔的有效性(accessibility)，令奈米碳管的有效表面 積減少，因此降低其效能。 ^ 【發明内容】 +市場上存據ϋ低成本、雜抗和紐能之能賴存裝置 的需求。根據本發明之實施例提供了一種製作成本較低且效能 ，佳(例如娜抗)的麟儲存裝置(例如電容）。根據本發明之 貫施例包含直接在金屬基板上生成奈米碳管，該金屬基板包含 ΐΐ佈有—金屬觸媒。該等奈米碳管係直接生成於金屬基i， 二衣作程料含沉積—觸層。藉由自奈米碳管移除非晶碳， 5亥能源儲存裝置的效能可被提升。 根據本發明之-實施例為—_以形成能源儲存褒置之 的方法。該方法包含取得一金屬基板’並且直接於該金 Ο ϋίΐ軸複數個奈米碳管。該金屬基板可包含—金屬觸媒 s、有觸媒。5亥等奈米碳管可直接被生成於該金屬基板 於媒層。該等奈米碳管可以化學氣相沉積法形成。 勺人二奈米碳管大致為垂直排列。該方法進一步 …7r、米移除非晶碳’並將該等奈米碳管連接至-I解分離器。於-實施例中，非晶碳係透過一水處理程序被移 =據本發^另-實施例為—種職餘的方法 繼板上形成複數個第-奈米碳管，並自該等第 移除非晶碳。該等第—奈米碳管可被生成於該第: 屬基板上’不加人觸媒層。該㈣—奈米碳管可大致為垂直 4 201135769 ί t該方法進—步包含於第二金屬基板上形錢數個第二奈 未石厌官/並自該等第二奈米碳管移除該非晶碳。於—實施例 中該第金屬基板和$亥第二金屬基板各自包含—金屬觸媒。 ^另-實施例中’該第—金屬基板和該第二金屬基板各自塗佈 ^2觸媒。接著，該等第—奈米碳管和該等第二奈米碳管 刁被連接至一隔膜(例如電解分離器）。 Ο

Ci —根據本翻之另-實施例為—種能源儲存裝置，其中包含 ，金屬基板、—第二金屬基板及—電解分離器。於一實施 金屬基板包含—金屬觸媒。於另—實施例中’該 個太^板塗佈有一金屬觸媒。該能源儲存衷置亦包含複數 解:離二該第一金屬基板、該第二金屬基板及該電 ，。該專奈米碳管可大致為垂直排列。該等奈米碳管中 夕_结彳刀係直接生成於該第一金屬基板，該等奈米碳管中 今箄太係直接生成於該第二金屬基板。於一實施例中， 係直接生成於第—金屬基板上，不用—觸媒層。 =碳已自鱗奈米碳管被移除，例如可透過一水處理程序被 【實施方式】 對认Γ下將以文子和圖式說明根據本發明的實施例細節。以下 梦袖各實施例之詳述，係希望能更加清楚描述本發明之特徵與 ^申’而非以下述倾實施繼本發明之鱗純關。相反 明所各種改變及具相等性的安排於本發 魅 專利犯圍的乾驚内。對於熟悉本發明所屬技術領 以下㈣已充分揭露本發明。此外，眾所周知的方法、 &序、組件和轨並糖詳細咖，以避免縣發明造成不必 5 201135769 要的限制。 能源儲存裝置範例及其製造方法 圖1至圖3係用以顯示根據本發明之一實施例中製作能源 儲存裝置之一部分的幾個生產階段示意圖。如圖1A所示，選 用一金屬基板102a。金屬基板102a可為各種包含金屬觸媒 (metal catalyst) 108a的金屬合金，金屬觸媒1〇8a可包含鐵、 錄、钻或其他各種適於奈米碳管之生長的金屬或其組合。範例 包含鐵鉻鋁合金、坎氏合金(Kanthal，主要為鐵，包含20-30% 的絡和4-7.5%的銘）、由新澤西州摩里斯敦^^ew jersey，

Morristown)之 Driver-Harris 公司提供的鎳鉻合金(nichrome®， 在質量上包含80%的鎳和20%的鉻），以及不鏽鋼。 如圖1B所示，金屬基板l〇2b被選用。金屬基板1〇2b可 為金屬(例如鐵、鎳、銘、鋁)或金屬箔（例如包含鋁及/或鉻）。 於一實施例中，金屬基板102b可被塗佈或沉積(例如透過一連 續程序）觸媒108b。 請參閱圖2 ’複數個奈米碳管104係直接形成或生長於金 屬基板102上。奈米碳管104為多孔結構，且具有相當大的孔 洞及大量可用表面積。奈米碳管104在化學上具有穩定性和惰 性，且具有導電性。須說明的是，圖2中的金屬基板1〇2包^ 未顯示於圖中的觸媒(例如觸媒l〇8a或觸媒i〇8b)。 於一實施例中，奈米碳管丨04係以一熱化學氣相沉積法 (thermal chemical vapor deposition)升j成。舉例而言，兮化風广 相沉積程序可在溫度高於攝氏600度且氧氣密度較低的 6 201135769 下以碳氫化合物(例如乙烯、任何（：}^碳氫化合物或其他碳源) 來實行。奈米碳管104係以沉積的方式直接生成於不含金屬觸 媒之金屬基板102的表面。於一實施例中，奈米碳管係直 接生成於金屬基板上的多牆塔狀(multi_walled t〇wer_iike)結 構。在另一實施例中，奈米碳管1〇4為直接生成於金屬基板上 的單牆塔狀(single-walled tower-like)結構。在另一實施例中， 奈米碳管104為直接生成於金屬基板上的單牆塔狀結構/多牆 塔狀結構之結合。 (Γ) 不使用觸媒層’直接生成奈米碳管1〇4的做法解決了因留 存於結構中之觸媒層產生的高介面阻抗問題。根據本發明之實 細例因此不會有影響介面阻抗的觸媒雜質。奈米碳管和金屬基 板間的電性阻抗因此被最小化，進而提升了能源儲存裝置的效 月b。在金屬基板上直接生成奈米碳管的做法亦消除了對於結合 材料的需求，因此省去非活性物質之不必要的重量。 於一實施例中，奈米碳管104的形態為垂直排列。奈米碳 〇 管ω4可被排列為各種型態，包括水平、任意、不具規律性的 陣列、與其他材料排列在一起等等。舉例而言，奈米碳管104 可被排列為一垂直塔狀結構(例如垂直於金屬表面）。於另一實 轭例中，該等奈米碳管則是被排列為在垂直方向具低度結構對 齊性的隨機網絡。 於—實施例中，針對該等奈米碳管塔之一電漿程序(例如 利用氧電槳)被實施以賦予奈米碳管〗04親水性，藉此提昇電 解液對奈米碳管104的浸潤程度。這種做法能促成電解液中之 離子接近奈米碳管的孔洞，以增加亥姆霍玆層(Helmholtz layer) 7 201135769 的電荷密度。 在奈米礙管104生長期間，非晶碳(amorphous carbon) 106 可能被生成。非晶碳106會佔據該等奈米碳管104間的空間， 導致奈米碳管104的有效孔洞減少，進而使奈米碳管1〇4 (例 如做為電極時）的效能下降。於一實施例中，奈米碳管104生 長時的溫度被控制，以大幅減少非晶碳雜質。 〇 凊參閱圖3 ’奈米碳管104被施以一清潔程序後，（部份或 王。卩的）非晶碳1〇6被移除，能源儲存裝置11〇的一部分就此 形成。於一實施例中，高溫水蒸汽被用以自奈米碳管1〇4間移 除非晶碳106。該清潔程序可為美國第6972,〇56號專利中 述者。 於—貫施例中，一 Ο 北曰山 逆躓水慝理程序被實施，用以移除包含 〜i曰=淨奈米碳管形成的電極。該程序可包含利用 氣流用或可另外包含利用-乾载體 用嘴水口 以調節水氣的濃度。可使 在溫度範圍攝工氏二、^或其他注水方式加人水分。水蒸氣可 處理腔體的溫度範圍為二導=處理腔體。該 電極的有效m m 度。水處理程序可增加 積的領域。增加後的表= 上T米碳管應用至需要大電極面 存裝置的電容量。舉^錢加強了根據本發明之能源儲 大約提升三件。細§，水處理程序可將奈米碳管的電容 圖4至圖6係用 以顯示根據本發明之—實施例中製作 能 201135769 源儲存裝置的生產階段示意目。如圖4所示，能源儲存裝置的 兩個部分210a-b被形成(例如以先前所述的方式），且一隔膜 206被選用。能源儲存裝置的部分21〇a_b包含金屬基板七 和奈米碳管204a-b。金屬基板2〇2a_b可被塗佈一觸媒或是為 包含一金屬觸媒的金屬合金。奈米碳管2〇4a_b係直接生長於 金屬基板202a-b並且其間的非晶碳已被移除。隔膜2〇6可為 一多孔分離器(porous separator)，其材質可包含聚丙烯、納菲 薄膜(Nafion)、塞爾加薄膜(Celgard)或塞爾加34〇〇薄膜似职纪 3400)’其可自北卡羅萊那夏洛特之塞爾加公司(North Carolina， l Charlotte, Celgard LLC)取得。 ， 如圖5所示，奈米碳管2〇4a-b係連接至隔膜206。於一實 施例中，奈米碳管204a-b和金屬基板202a-b係透過一夾持組 件(例如夾持組件408)被連接至隔膜206。 如圖6所示’奈米碳管2〇4a-b可被浸入電解液208中， 電解液208可為液態或膠狀，或者奈米碳管2〇4a-b可被空氣 Q 或特定氣體包圍，或是處於真空中。電解液208可為下列各種 形式：水狀電解液(例如硫酸鈉（Na2S04)、氫氧化鉀(K0H)、 氣化鉀(KC1)、硫酸(H2S〇4)、氯化錢(MgCl2)等等）、非水電解 貝〉谷劑(例如乙腈、碳酸丙烯g旨、四氫σ夫喃、γ _丁内醋、二曱 氣基乙炫）、無離子溶劑液體(例如1-乙基_3_甲η米If坐雙(五氟乙 石頁基）亞醯胺（l-ethyl-3-methylimidazolium bis(pentafluoroethylsulfonyl) imide (EMIMBeTi))。 電解液208可包含使用於溶劑中的多種電解質鹽類，包 含.四燒基銨鹽類(例如四乙基銨四氟>5朋酸鹽((c2h5)4nbf4)、 9 201135769 三乙基曱基銨四氟硼酸鹽((c2h5)3ch3nbf4)、四丁基銨四氟硼 酸鹽((C4H9)4NBF4)、四乙基銨六氟磷酸鹽((C2H5)NPF6))、四烷 基磷鹽(例如四乙基磷四氟硼酸鹽((C2H5)4PBF4)、四丙基磷四氟 硼酸鹽((C3H7)4PBF4)、四丁基磷四氟硼酸鹽((c4h9)4pbf4))，以 及鋰鹽(例如四氟硼酸鋰(LiBF4)、六氟磷酸鋰(LiPF6)、三氟乙 基磺酸鋰(LiCF3S03))。 圖7係繪示根據本發明之一實施例中的電腦控制程序之 流程300，其中的步驟皆為範例，易言之，其他實施例可將流 程300中的各個步驟加以調整變化。流程3〇〇中的步驟之順序 也可被調整為不同於圖7所示者。此外，流程300中的步驟並 不一定要全部被實施。 圖7顯示了根據本發明之實施例中製作能源儲存裝置的 矛王序之範例流程3〇〇。流程3〇〇可被用以實施以製作電化學雙 電層電容(electrochemical double layer capacitor，EDLC)。 、在步驟302中，複數個第一奈米碳管(例如奈米碳管204a) 破形成於一第一金屬基板上(例如金屬基板2〇2a)。如先前所 述’該等奈米碳管可被直接形成於該金屬基板上。 ,在步驟304中，非晶碳自該等第一奈米碳管間被移除。如 先如所述，非晶碳的移除可透過一水處理程序。在步驟 中，一第一導線被連接至該第一金屬基板。 、在步驟兕8中，複數個第二奈米碳管(例如奈米碳管2〇仙) 被形成於一第二金屬基板上(例如金屬基板2〇2b)。如先前所 10 201135769 述’該等奈米碳管可被直接形成於該金屬基板上β 在步驟310中，非晶碳自該等第二奈米碳管間被移除。如 先前所述，非晶碳的移除可透過一水處理程序。在步驟312 中’一第二導線被連接至該第二金屬基板。 在步驟314中’該等第一奈米碳管和該等第二奈米碳管連 接至一隔膜(例如電解分離器）。步驟316為加入電解液，該電 解液可為如前所述的各種電解液。 Ο

圖8係繪示根據本發明之一實施例中的能源儲存裝置之 塊圖。於-實施例中’裝i _可為—電化學雙電層電容。 衣置4〇0可具有〇.〇5伏特或更高的操作電壓。據本發明之實 施例具有快速充f、高神輸出、高能源密度等特性。 裝置彻包含被電解膜分隔開的兩個奈米碳管電極 〇4a b於Λ把例中，奈米碳管電極4〇如七可各自在金屬基 板或塗佈有觸_金屬紅具有大於丨χ〗平方公分的面積， ^可被製作為—卷對卷_如。11)㈣態。奈米碳管電極 編1可透過任何電極材料的連續處理被製作。奈米碳管電極 不成麵可包含或不含水處理料，其基底可包含或 不含額外的觸媒。 接失持，、且件蝴之前，電性導線(electrical lead)被連 =衣。包性導線410 (例如金屬線)和集流器 402a-b的背 it，”供電性接觸。接著，如先前所述，裝置_被 衣书角牛夜(例如含溶劑化離子的電解溶液)的容器（未 201135769 繪示於圖中）。電性導線410係伸出於溶液之外，以實現電容 的功能。 夾持組件408使電極404a，b彼此鄰近，電解膜406使兩 電極分隔，同時令裝置400的體積保持在最小的狀態。於一實 施例中，夾持組件408為一高密度聚乙稀組件。

於一實施例中，褒置400為-平行板電容，具有兩個垂直 設置的多牆塔式奈米碳㈣極购七、一電_條（例如塞 爾加薄膜或聚丙婦），並係採用傳統的水性電解液(例如45%的 硫酸或氣氧化卸）。 Λ可被細在許多領域，包含取代電池或其他能源 用於消#性電子產品_°行動電話、相機、 理、智慧型電話、呼叫器)，或是應用:機 ，車在電航t合動力汽車中用以收集煞車時耗費的能 ' ^車燈或音響）’或應用在冷啟動協助(<X)ld-starting Γ e)、觸媒轉化器預熱、厢型車、高爾夫球車、幼兒車

==:、備用電源系統、影印機二= 機模式或、驗待機模式）、汽車音響放大器料。 I 11根據本發明的實施例提供了生產價格較低且效 存裝置(例如電容)。根據本發 觸媒層。藉由直接生成於金屬基板上，未沉積一 被改善。 u'k官間的非㈣’能源儲存裝置的效能 201135769 藉由以上較佳具體實施例之詳述，係希望能更加清楚描述 本發明之特徵與精神，而並非以上述所揭露的較佳具體實施例 來對本發明之範疇加以限制。相反地，其目的是希望能涵蓋各 種改變及具相等性的安排於本發明所欲申請之專利範圍的範 疇内。 【圖式簡單說明】 本發明之實施例係用以做為說明範例，並非對本發明之範 嘴加以限制，所附圖式中類似的元件被標以相同的標號。 圖1A、圖】B、圖2、圖3係用以顯示根據本發明之一實 施例中製作一能源儲存裝置之一部分的生產階段示意圖。 圖4、圖5、圖6係用以顯示根據本發明之一實施例中製 作一此源儲存裝置的生產階段示意圖。 圖7係繪示根據本發明之一實施例中製作一能源儲存裝 置的流程圖。 圖8係繪示根據本發明之一實施例中的能源儲存裝置之 方塊圖。 【主要元件符號說明】 l〇2、l〇2a-b 金屬基板 奈米碳管 106 非晶碳 108a-b 金屬觸媒 丨】0 能源儲存裝置 201135769 202a-b 金屬基板 204a-b 奈米碳管 206 隔膜 208 電解液 210a-b 能源儲存裝置之部分 300 流程 302-316 步驟 400 裝置 402a-b 集流器 404a-b 含奈米碳管之電極 406 電解膜 408 失持組件 410 電性導線

Claims (1)

1. 201135769 七、申請專利範圍： 1. 一種用以形成一能源儲存裝置之一部分的方法，包含： 取得一金屬基板； 直接於一金屬基板上形成複數個奈米碳管； 自該等奈米石反管移除一非晶碳(amorphous carbon);以及 將該等奈米碳管連接至一電解分離器。 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該金屬基板包含一金 屬觸媒(metal catalyst)。 3‘如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該金屬基板上塗佈有 一金屬觸媒。 其中該等奈米礙管係直接 〇 其中該非晶碳係透過一水 4. 如申請專利範圍第1項所述之方法， 生成於δ亥金屬基板上’不加入一觸媒層

   5. 如申請專利範圍第1項所述之方法， 處理程序被移除。 6垂直=請專纖述之找，射料奈純管大致為 7. 化學項所述之方法，其中該等奈米碳管係以 8. 一種形成一電容的方法，包含· 於一第一金屬基板上形成複i個第-奈米碳管； 15 201135769 自該等第一奈米碳管移除一非晶碳· 於一苐一金屬基板上形成複數個第_太、山 自S亥等第二奈米碳管移除該非晶碳=炭S ’ 將該等第一奈米碳管和該等第_ ” (membrane)。 不、米石厌管連接至一隔膜 9第二其中該第—^ 〇 川.如申請專利範圍第8項所述之方法，苴Α 觸媒 第二金屬基板各自塗佈有—金屬一 / /、肀該第一金屬基板和該 不加入一觸媒層 i1成峨-奈姆係 上利範圍第8項所述之方法’其中該等第-奈米碳管大 〇 if如申請專利範圍第8項所述之方法， 器0 其中該隔膜為一電解分離 14. 一種處源键存裝置， 一第一金屬基板和— 一電解分離器；以及 包含： 弟一金屬基板 複數個半^ r山々声， 及該電解絲ί 頌第—金麻板、鄕二金屬基板 於該第-金屬基板，、f寺奈米碳管#之—第—部分係直接生成 5亥寺奈米碳管中之一第二部分係直接生成於 16 201135769 該第二金屬基板，且—非晶碳已自該等奈米碳管被移除。 15·如申凊專利範圍第14項所述之能源儲存裴置，其中該第一金 屬基板包含一金屬觸媒。 ° ^ 申請Ϊ利範圍第14項所述之能源儲存裂置，其中該等奈米 分形成一第一電極’該等奈米碳管中之該第二 電極，該第—電極和該第二電極各自大於h ! Ο 該等奈米 其中該等奈米 ^如申清專利範圍第14項所述之能源儲存裝置， 〇 灭官係以一連續程序形成。 17