專利名稱：碳納米管復合結構體及其制備方法
碳納米管復合結構體及其制備方法相關申請的交叉引用本申請要求以下早期提交的臨時申請的優先權序列號61/223，338，2009年7 月 6 日提交，名稱為 ELECTRODE STRUCTURE FOR ELECTROCHEMICAL POWER DEVICE AND PROCESS SEQUENCE FOR PREPARING THE STRUCTURE ;61/241，241，2009 年 9 月 10 日提交， 名稱為ANODE STRUCTURE FOR AN ELECTROCHEMICAL POWER DEVICE AND PROCESS SEQUENCE FOR PREPARING THE STRUCTURE ；61/259，365,2009 年 11 月 9 日提交，名稱為 COMPOSITE ELECTRODE STRUCTURE FOR ANODE FOR BATTERIES AND PROCESS SEQUENCE FOR MAKING THE STRUCTURE ；61/310，563,2010 年 3 月 4 日提交，名稱為 METHOD TO MANUFACTURE SHEET OF METAL-CARBON NANOTUBE COMPOSITE ；61/347，995,2010 年 5 月 25 日提交，名稱為 METHOD TO MANUFACTURE SHEET OF METAL-CARBON NANOTUBE COMPOSITE，其都以其整體在此引入作為參考并用于所有目的。背景領域本發明一般涉及結構體和設備，其包括從傳導性復合物伸出的錨固的碳納米管 (CNT)陣列(a array of CNT)，用于作為電流導體以及電化學動力設備如電池、超級電容器、燃料電池等的電極的全部或部分。此外，本發明還一般涉及制備上述結構體和設備的方法。相關技術本文所述的電化學動力設備通常包括以下設備，其可以化學形式儲存電能且按需要將其再以電形式釋放(例如，用于移動電話的Li離子電池；將化學能轉化為電能(例如，可使用化學燃料如氫或甲醇且將其轉化為電能的燃料電池)；和/或儲存電能且按需要將其釋放(例如，超級電容器)。盡管能量儲存和轉化的機理在這些設備中可能不同，所有這些設備的一個共同方面為需要電流導體和/或電極。各設備通常具有兩個電極，一個陽極，通過該陽極電流流進設備，和一個陰極，通過該陰極電流流出設備。有時，除了電極或作為電極一部分，使用集電器(通常為金屬如銅或鋁)以改善電傳導。碳納米管(CNT)通常已知具有優異的導電性，導熱性，機械強度和耐化學性。盡管 CNT超過半世紀以前已被注意，最近預測的CNT的顯著物理性質激發了對該材料的廣泛興趣，CNT已被吹捧為21世紀的新材料。CNT已受到了廣泛研究，且多個組織已提出了該材料在復合物中的潛在應用，其用于更高的強度和導熱性，用于生物醫藥領域如靶向的藥物遞送的納米探針和納米吸量管，場致發射設備如發光二極管，能量產生設備如太陽能電池，納米級探頭，納米級半導體設備應用，電化學能量設備如電池、燃料電池、超級電容器的電極，寸寸。在電化學能量設備的領域，例如，基于CNT的結構體已建議作為電池、燃料電池和超級電容器的電極的潛在候選物。特別是，在鋰離子電池領域，有多種將CNT用于電極的實例。美國專利號6，709，471公開了 CNT-氮化硼電池，其包括以下結構體，其使用CNT的壁作為電極且氮化硼作為中間介電層。而且，美國專利號5，879，836描述了使用碳原纖維作為電極中的鋰嵌入位點。另一實例包括美國專利號7，442，觀4，其描述了使用用傳導性聚合物涂覆的CNT陣列作為多種設備的電極，包括能量儲存設備。在燃料電池領域，美國專利號7，585，584描述了使用生長在碳基底上的CNT，且催化劑顆粒沉積在CNT上。而且，在超級電容器領域，美國專利Nos. 6，665，169和6，205，016 描述了使用碳納米纖維作為電極以增加性能。除了 CNT，已研究了基于CNT的復合物(其通常包括用CNT嵌入的傳導性材料) 以嘗試利用CNT的許多所需性質(參見，例如，“Carbon Nanotube Composites”，作者 Harris P. J. F. International Materials Reviews, Volume 49, Number 1,2004 年二月， pp. 31-43(13))。多種基于CNT的復合物和多種技術是已知的。例如，CNT-聚合物復合物通常通過以下制備將分散在包含聚合物的溶液中的預處理的CNT溶解，且控制溶劑的蒸發 (參見，例如，M. S. P. Shaffer 和 A. H. Windle :Adv. Mater.，1999，11，937-941 ；禾口 D. E. Hill, Y. Lin, Α. Μ. Rao, L. F. Allard 和 Y. -P. Sun =Macromolecules,2002,35,9466-9471.),而 CNT-陶瓷復合物通常通過熱壓陶瓷粉末和CNT制備(參見，例如，E. Flahaut, A. Peigney, C.Laurent, C. Marliere, F. Chastel and A. Rousset :Acta Mater. ,2000,48,3803-3812 ； 禾口 k. Peigney, Ε. Flahaut, C. Laurent, F. Chastel 禾口 k. Rousset, Chem. Phys. Lett. , 2002, 352,20-25)，且CNT-金屬復合物已使用以下技術制備熱拉CNT和金屬粉末(參見，例如， T. Kuzumaki，K. Miyazawa, H. Ichinose 禾口 K. Ito J. Mater. Res. ，1998，13,2445-2449)，無電鍍(參見,例如，W. X. Chen, J. P. Tu, L. Y. Wang, H. Y. Gan，Ζ. D. Xu 和 Χ· B. Zhang :Carbon， 2003，41，215-222)，共電鍍金屬和 CNT (參見，例如，“Effects of Additives on Cu-MWCNT Composite Plating Films,"Susumu Arai,Takashi Saito,and Morinobu Endo,Journal of The Electrochemical Society, 157(3)D127-D134 (2010)；和“Fibrous Nanocarbon Metal Composite and Method forManufacturing the same，”美國專利申請No. 11/257，742，2005 年10月25日提交)和電鍍金屬至一組CNT上(參見，例如，“Nanoengineered thermal materials based on carbon nanotube array composites,，，美國專利號 7，273，095)。本文引用的所有文獻在此以其整體引入作為參考。
發明內容
根據本發明一方面，提供用于電化學動力設備的結構體。在一個實例中，結構體包括傳導性復合層和錨固在其中的碳納米管陣列，以使至少一部分碳納米管從復合傳導層伸出。該結構體可進一步包括設置在碳納米管上的納米級顆粒或薄膜。該示例性結構體可在多種電化學動力設備中用作電極，如電池，燃料電池，或電容器。從復合層伸出的碳納米管的部分可以共同的方向對齊，比錨固在復合層中的部分更多(更少)地對齊，或為纏結的。在一些實例中，該碳納米管可從復合層的兩側伸出。而且，錨固在復合層中的碳納米管的部分可為纏結的或對齊的。在一些實例中，該傳導性復合層包括碳-金屬復合材料。根據本發明另一方面，提供了形成用于電化學動力設備的結構體的示例性方法。 在一個實例中，該方法包括形成或設置嵌入或錨固在傳導性復合層中的碳納米管陣列，其中該碳納米管陣列的長度的至少第一部分從該傳導性復合層伸出。在一些實例中，碳納米管的第一部分進一步沿著共同的方向對齊。該碳納米管陣列可根據沉積方法、電鍍方法、模板等至少部分對齊而形成。在一個實例中，該結構體通過將基底通過電化學浴而形成，該電化學浴在溶液中具有碳納米管，和將具有碳納米管的傳導層電鍍至基底。可在傳導性復合層的形成過程中使用磁場和/或電場以輔助碳納米管對齊。而且，形成該結構體的示例性方法可為卷對卷制造方法的一部分。附圖簡述
圖1示出示例性電化學動力設備，其可包括一個或多個本文所述的示例性結構體。圖2A和2B示出電化學動力設備的電流導體結構體的不同實施方案。圖3示出電化學動力設備的電流導體結構體的另一示例性實施方案。圖4示出電化學動力設備的電流導體結構體的另一示例性實施方案。圖5示出電化學動力設備的電流導體結構體的另一示例性實施方案。圖6A-6E示出形成用于電化學動力設備的結構體的示例性方法。圖7A-7D示出形成用于電化學動力設備的結構體的另一示例性方法。圖8A-8F示出形成用于電化學動力設備的結構體的另一示例性方法。圖9示出形成根據一種實施方案的電化學動力設備的結構體的示例性卷對卷過程。圖10示出形成根據另一實施方案的電化學動力設備的結構體的示例性卷對卷過程。圖11示出形成根據另一實施方案的電化學動力設備的結構體的示例性卷對卷過程。圖12示出根據本文所述的某些實施方案的結構體的示例性掃描電子顯微鏡 (SEM)圖像。發明詳述提供以下描述以使得本領域技術人員得到和使用本發明實施方案的各個方面，且在具體應用和其需要的背景下提供。各種實施方案的修改對本領域技術人員是顯而易見的，且本文限定的一般原則可適用于其它實施方案和應用，而不偏離本發明的精神和范圍。 而且，在以下說明中，數字提供為解釋目的。然而，本領域技術人員應認識到本發明可在不使用這些具體細節的情況下實踐。在其它情況中，眾所周知的結構體和設備以方塊圖形式顯示以不使本發明說明書被不需要的細節模糊。因此，本發明不限于所示實施方案，而是與本文公開的原則和特征一致的最寬的范圍相符。根據本發明一方面，廣義地說，描述了包括碳納米管(CNT)的結構體，該碳納米管 (CNT)錨固在傳導性復合物中，且從其伸出。該示例性結構體可用作電化學動力設備如電池、電容器、燃料電池等的導體。而且，提供了形成該結構體和設備的示例性方法。最初，描述了示例性結構體，然后是示例性方法和制造方法。示例性設備和結構體圖1示出示例性電化學動力設備，其可包括本文所述的一個或多個示例性電流導體結構體。特別是，圖1示例性示出電池設備10，例如，Li-離子電池，通常包括陰極20和陽極觀，通過隔板M分離。陰極20通常由金屬氧化物材料制備且隔板M通常由聚合物如
6聚乙烯、聚丙烯、這些聚合物的層壓制品等制成。在該實例中，陽極28包括CNT結構體，其包括錨固在傳導性復合層110中的CNT102，該CNT從其伸出且在電解質溶液30如鋰鹽或有機溶劑中。此外，本領域技術人員將認識到電解質溶液30和/或陽極觀的區域可包括另外的材料如碳或石墨粉末、硅粉末或合金硅粉末，等，其形成電極的鋰離子插入部分。圖2A示出電化學動力設備的電流導體結構體100的第一實施方案。該示例性結構體100包括對齊的錨固在傳導性復合層110中的CNT102陣列。在該具體實例中，CNT102 錨固在傳導性復合物110的第一側中且從其伸出，且通常為對齊的，S卩，以基本平行方式從傳導性復合物110伸出。CNT102可進一步從傳導性復合物110的第二側伸出，例如，在第一側的相對側上。CNT102在第二側上的伸出可以為或可以不為對齊的。CNT102可進一步如所示形成網或在傳導性復合物110內纏結，提供其中CNT102的機械錨。該傳導性復合物可包括多種材料，如傳導性金屬，金屬合金，傳導性聚合物，等。例如，可使用包含Ni，Zn, Cu，Al，Au，Ag，和/或其它金屬的金屬合金。CNT102可包括單或多壁結構體，可在高度、寬度等方面改變。而且，催化劑或顆粒可沉積在CNT102上。在一個實例中，CNT102可包括四壁結構體以匹配單晶硅晶格的原子間距。CNT102可在沉積過程中為對齊的，例如，通過物理氣相沉積或通過使用模板等(該模板可包括陽極化的氧化鋁(AAO)模板，基于聚合物的模板，基于陶瓷的模板，等)。形成這個和其它實施方案的結構體的示例性方法將參考圖6A-11更詳細描述。結構體100可用作電化學動力設備的組件或亞結構體；具體地，用作電化學設備的電流導體。作為一種示例性實例，結構體100，以及其它所述的示例性結構體，可用作電池設備的陽極，例如，如圖1所示。圖2B示出電化學動力設備的電流導體結構體200的第二實施方案。結構體200 類似于圖2A的，但在該實例中，傳導性復合層110完全覆蓋CNT102的一端且延伸超出傳導性復合區域。因此，CNT102僅從傳導性復合物110的一個表面或一側伸出。圖3示出電化學動力設備的電流導體結構體300的另一示例性實施方案。該實例電流導體和電極結構體類似于圖2B的，包括錨固在傳導性復合層110中的CNT102陣列 ’然而，在該實例中，CNT102彼此不必然為對齊的或以共同的方向對齊。在一個實例中，從復合層110伸出的CNT102的該部分相比嵌入或錨固在復合層110中的部分更加沿著垂直于復合層110的方向對齊。在一個實例中，從復合層110伸出的CNT102的該部分比嵌入或錨固在復合層110中的部分纏結較少。圖4示出電化學動力設備的電流導體結構體400的另一示例性實施方案。在該實例中，結構體400類似于圖2A和2B的，但進一步包括納米顆粒106，其設置或附連至錨固在傳導性復合層110中的對齊的CNT102陣列。納米顆粒106，用于電池設備，可形成電極的部分且作為鋰離子插入的位點。對于在燃料電池中的使用，例如，納米顆粒106可作為催化劑以驅動化學反應。納米顆粒106可通過任何合適的方法沉積。在一個實例中，納米顆粒通過電沉積從具有分散在溶液中的顆粒的化學浴沉積。另一示例性方法包括將納米顆粒電鍍或無電鍍至該結構體。另一示例性方法包括將納米顆粒粉末與溶劑和粘合劑分散至結構體上且蒸發該溶劑，從而使顆粒無規粘附至CNT102和傳導性復合層110。圖5示出電化學動力設備的電流導體結構體500的另一示例性實施方案。在該實例中，結構體500類似于圖2A，2B，或4的，但進一步包括沉積在陣列中CNT102上的薄膜或材料108 ；例如，至少在從復合層110伸出的CNT102的部分上。例如材料108可作為鋰離子插入層。材料108可包括硅。在一個實例中，材料108包括分級的硅碳層，其范圍從CNT102 的各管的表面處100% C至材料108的層的外表面處100%硅，其中該梯度可有助于處理與一種材料轉變為另一種相關的應力。材料108可通過任何合適的方法沉積。在一個實例中， 材料108通過等離子體增強的化學氣相沉積(PECVD)和原子層沉積(ALD)使用C的前體氣體(如CH4)、Si的前體氣體(如SiH4)和惰性氣體(如Ar或N2)進行沉積。應認識到本文所示實例的其它組合是可能的和考慮到。例如，納米顆粒和/或薄膜可包括在任一實例中，在傳導性復合層110的兩側伸出CNT102可包括在任一實例中，且任一實例可從復合層110伸出，如圖3所示。示例件方法廣義地說，在制備本文所述示例性結構體的實施方案中，一個示例性方法包括形成錨固或嵌入在復合層中且從其伸出的CNT陣列。該從復合層伸出的CNT至少部分為以共同的方向對齊的。錨固在復合層中的該CNT陣列的部分可為纏結的或以非對齊的方向定位。圖6A-6E示出形成用于電化學動力設備的結構體的示例性方法。該示例性方法起始于圖6A，其具有基底620和在其上形成的播種層622以用于隨后的CNT生長(和/或模板沉積)，如下所述。基底620可包括，例如，硅，二氧化鍺硅，氧化鋁，不銹鋼，等。播種層 622可包括，例如，鈷，鐵，鎳，等。播種層622可以多種合適的方法沉積在基底層622上，包括多種沉積方法(如物理氣相沉積)，電鍍，等。例如，可進行以下沉積，其通過物理氣相沉積將Ni播種層沉積至氧化的硅基底上達到厚度少于lOnm。模板6 沉積在播種層622上，如圖6B所示。在一個實例中，模板6 形成在播種層622上，且具有高縱橫比的多個孔被蝕刻或以其它方式在其中形成以用于隨后的CNT生長。模板擬4可由陽極化的氧化鋁，陽極化的Al-Fe，陽極化的Ti，二氧化硅等形成。在一個實例中，模板6 具有約50nm M 50 μ m的厚度，且其中形成的孔可具有Inm至200nm的直徑和彼此Inm至200nm的分離距離。當然，其它尺寸也是可以的和考慮的。模板擬4的孔可通過多種方法形成。在一個實例中，可使用陽極化技術，其中形成模板624的塊或膜材料在化學浴中陽極化，且使用高電壓在模板上蝕刻出圖案。此外，例如，可使用光刻法、然后干蝕刻該孔以形成圖案。圖6C示出CNT在模板624的孔中生長。特別是，CNT630從播種層622生長，在模板6M的孔中生長且從其伸出。CNT630在模板6M的孔中對齊生長，但一旦CNT630生長超過模板擬4的高度，CNT630通常自由生長且變得纏結，如圖所示。在一個實例中，CNT630通過等離子體增強的化學氣相沉積(PECVD)生長，其使用乙炔和氨以約Im Torr壓力和450°C 至850°C的溫度。在另一實例中，CNT630可使用原子層沉積(ALD)在20°C至450°C的溫度沉積。CNT630可生長為單或多壁的，且沿著它們的高度在壁數量方面改變。復合層640沉積在纏結的CNT上，如圖6D所示。在一個實例中，碳-金屬復合材料沉積在CNT630纏結的部分之上，高于模板624。復合層640可包括金屬合金，該金屬合金包含Ni，Zn，Cu，Al，Au，Ag，以任何組合或比例。復合層640可通過物理氣相沉積(PVD)，電鍍，無電鍍，蒸發等沉積。而且，復合層640可沉積至約Inm至20 μ m的厚度，其可以或可以不包封或超過CNT630的纏結部分的高度。復合層640可在沉積后進一步蝕刻，達到所需厚度或表面特征。而且，聚合物可用于涂覆復合層640。復合層640和CNT630與基底620、播種層622和模板6 分離，如圖6E所示。例如，模板擬4可被蝕刻掉，例如，以濕或干化學腐蝕，導致該結構體分離。在其它實例中，基底620可從復合層640和CNT630機械剝離。而且，在一些實例中，基底620可在隨后過程中重復使用以形成另一結構體。圖7A-7D示出形成用于電化學動力設備的結構體的另一示例性方法。該實例類似于圖6A-6D的；然而，在該實例中，未使用模板。該示例性方法起始于圖7A，其具有基底720 和在其上形成的播種層722以用于隨后的CNT生長。CNT730生長為其第一部分是對齊而其第二部分是未對齊的或纏結的，如圖7B所示。例如，CNT730可使用化學氣相沉積(CVD)或等離子體增強的化學氣相沉積(PECVD)生長，而不使用模板，其中一旦CNT730的生長達到某一高度，例如，50 μ m至500 μ m，它們通常自由生長且變得纏結。CNT730的管通常由于表面力而具有纏結的傾向，其中纏結的可能性隨著縱橫比(高度/直徑)超過約100-1000而增加。在PECVD過程中，等離子體的存在，從而電場的存在，通常保持管對齊，但關閉等離子體同時保持氣體流動可導致生長以未對齊的方式持續。在一個實例中，CNT730通過PECVD使用乙炔和氨在約Im Torr壓力和450°C 至850°C的溫度沉積。如圖7C所示，復合層740然后沉積在CNT730的纏結部分上。復合層740可通過物理氣相沉積(PVD)，電鍍，無電鍍，蒸發，等沉積。而且，復合層740可包括Inm至20 μ m的厚度，其可以或可以不包封或超過CNT730的纏結部分的高度。在一個實例中，使用自頂向下的沉積以形成復合層740，使得CNT730的纏結的結構體接收復合層740的沉積且有效封鎖大多數CNT730的對齊的部分以避免沉積。當然，在一些實例中，CNT730的一些對齊的部分也可被材料覆蓋。復合層740的沉積條件可被控制以嘗試不填充超過某一深度，例如，使用較低的沉積速率和在PVD方法中添加偏倚，和/或在電鍍中去除或減少添加劑如聚亞烷基二醇和有機硫化物，其可減少填充深入該結構體的傾向。CNT730和復合層740的結構體與基底720和播種層722分離，如圖7D所示。例如，復合層740和CNT730可從基底720和播種層722剝離或機械去除。在一些實例中，基底720可在隨后過程中重復使用以形成另一結構體。圖8A-8F示出形成用于電化學動力設備的結構體的另一示例性方法。該實例類似于圖7A-7D的；然而，在該實例中，CNT830與基底820和播種層822分離，然后添加復合材料層。該示例性方法起始于圖8A，其具有基底820和在其上形成的播種層822以用于隨后的CNT生長。CNT830生長為其第一部分是對齊而其第二部分是纏結的，如圖8B所示。例如， CNT830可使用化學氣相沉積(CVD)生長，例如，不使用模板。一旦CNT830生長達到某一高度，例如，50 μ m至500 μ m，取決于具體方法，它們通常自由生長且變得纏結，如所示。如圖8C-8D所示，CNT830然后與基底820和播種層822分離。在一個實例中，傳導性粘合帶860壓制在CNT830的纏結部分上，然后移動以從基底820分離或剝離CNT830。
9當然，其它方法可用于分離CNT830。如圖8E所示，然后將復合物840沉積在CNT830的纏結部分上。復合層840可通過物理氣相沉積(PVD)，電鍍，無電鍍，蒸發等沉積。而且，復合層840可包括Inm至IOOnm 的厚度，其可以或可以不包封或超過CNT830的纏結部分的高度。該結構體進一步與帶860分離，如圖8F所示。例如，復合物840和CNT830可從帶 860剝離或機械去除。在其它實例中，可省略帶860，且金屬可通過在隨后固化的液體聚合物膠層上蒸發或旋涂沉積在CNT830的纏結部分上，且以類似于帶860所示的方式使用。根據本發明另一示例性實施方案，提供形成示例性結構體的共電沉積方法。特別是，描述了 CNT和傳導性復合層的共電沉積方法，其中CNT至少部分從該傳導性復合層伸出ο圖9示例性示出形成本文所述的示例性結構體的第一示例性卷對卷方法和系統。 特別是，該示例性方法起始于基底材料的纏繞。該基底材料可包括銅，鎳，鋁，鋅，金，銀，不銹鋼等的金屬或合金，厚度范圍為5 μ m至5mm。該基底材料通過其中分散CNT的電鍍溶液，例如，經由通過至少部分浸沒在電鍍溶液中的筒。該電鍍溶液通常包含作為復合層沉積的金屬或金屬離子和分散在其中的CNT 的溶液(在用于去污染的合適表面處理后，例如)。該電鍍溶液可包括基于用硫酸酸化的硫酸銅的鍍銅電解質。在一個實例中，浴液可包括0. 1至1. 0摩爾的硫酸銅濃度和0. 2至 4摩爾的硫酸濃度。而且，在一個實例中浴液的CNT含量可為1至50重量％。在另一實例中，CNT含量可為1至50體積％。示例性電鍍化學浴CuS04 (0. 1 至 1M)H2S04 (0. 2-2M)多壁CNT或碳納米纖維(0. 5-5g/升)表面活性劑(實例Triton(TM))0. 1 %至5%體積的溶液通過磁力攪拌器在60rpm攪拌，溶液在25C電鍍電流0. 1至8A/dm2 (Amps每平方分米)當然，多種其它濃度，組成，和/或電鍍溶液是可能的和予以考慮的，取決于所需復合層和特征，CNT特征，材料厚度，等等。此外，該電鍍浴可包括多種其它添加劑如氯離子， 聚醚，有機硫化物，氮化合物，等等。其它在溶液中具有CNT的電鍍的實例，包括多種電鍍溶液特征，描述于美國專利號7，651，766和美國專利公開號2010/012^10，兩者以其整體在此引入作為參考。在該實例中，該筒提供負電極，且由沉積的金屬(圖中未示出)制備的正電極和與電場一起使用以驅動沉積過程。例如，可使用電場以將CNT吸引至金屬基底，使得它們至少部分在電鍍過程中被金屬復合物包封且從沉積的金屬復合層伸出。該化學溶液也可經受物理能量如攪拌，鼓氣泡，超聲波或兆聲波(megasonic wave)以促進混合，添加非離子表面活性劑以防止CNT粘附，等等。沉積后，該實例示出任選的一組中間的輥子以減少板的厚度。而且，在一個實例中，該基底層可從復合層剝離掉，然后通過該組輥子或以其它方式在最終軸上纏繞。該形成的結構體，例如，包括復合層，包括至少部分從其伸出的錨固的CNT，可用于形成多種所述的電化學動力設備。而且，該形成的結構體可切成多種尺寸，例如，尺寸為Imm乘Imm至Im乘 Im或更大。在其它實例中，該復合層，包括錨固的CNT，可在電鍍過程中形成而不使用基底。例如，該復合層可在筒(或溶液中電鍍裝置的其它元件)上形成，然后從其剝離或去除。圖10示出CNT和金屬復合層的另一示例性共電沉積方法。該實例類似于圖9所述的方法，然而，在該實例中，使用磁場以在溶液中定向碳納米管并潛在增加在基底上形成的復合物中CNT的密度。例如，可將磁體置于筒(drum)中以在溶液中吸引和定向CNT，使得它們被俘獲在沉積在基底上的金屬中且從其伸出，如CNT金屬復合部分所示的。相比沒有該磁場時，該實例可使得從金屬復合層伸出的CNT更加對齊。圖11示出CNT和金屬復合層的另一示例性共電沉積方法。該實例類似于圖10所述的方法，然而，在該實例中，在浴中使用惰性電極以產生電場，用于在溶液中定向CNT且潛在增加基底上形成的復合物中CNT的密度，類似于圖10所述的。而且，相比沒有該磁場時，該實例可使得從金屬復合層伸出的CNT更加對齊。圖12示出根據本文所述的某些實施方案的結構體的示例性SEM圖像。特別是，圖 12示出在金屬化過程(即，添加金屬復合層以錨固CNT)之前和之后的CNT的SEM圖像。特別是，錨固CNT的纏結部分。而且，該圖包括金屬化后該結構體的不同組件的示例性說明， 例如，對齊的CNT陣列，其可設置在Li-離子中作為Li-離子電池的部分，該CNT陣列錨固在金屬層中。在SEM圖中所示的該結構體根據圖7A-7D所示的方法形成。上述本發明的實施方案僅為說明性的，并不限制本發明。可進行各種變化和修改而不偏離本發明最寬的范圍。所附權利要求包括在本發明精神和范圍內的該變化和修改。
權利要求
1.用于電化學動力設備的結構體，該結構體包括 碳納米管陣列；和傳導性碳納米管復合層，其中至少一部分碳納米管錨固在復合層中并從其伸出。
2.權利要求1所述的結構體，其中該傳導性復合層包括碳-金屬復合材料。
3.權利要求1所述的結構體，其中該碳納米管從復合層的第一側和第二側伸出。
4.權利要求1所述的結構體，其中從復合層伸出的該碳納米管陣列的該部分以共同的方向排成一列。
5.權利要求1所述的結構體，其中相比在復合層中錨固的該碳納米管陣列的一部分， 從復合層伸出的該碳納米管陣列的該部分更加以共同的方向對齊。
6.權利要求1所述的結構體，其中在復合層中錨固的該碳納米管陣列的一部分不對齊。
7.權利要求1所述的結構體，其中在復合層中錨固的該碳納米管陣列的一部分在復合層中纏結。
8.權利要求1所述的結構體，其中該碳納米管包括多壁管。
9.權利要求1所述的結構體，其中該碳納米管包括碳納米纖維。
10.電流導體，其包括權利要求1所述的結構體。
11.電極，其包括權利要求1所述的結構體。
12.電化學動力設備，其包括權利要求1所述的結構體。
13.鋰離子電池，其包括權利要求1所述的結構體。
14.燃料電池，其包括權利要求1所述的結構體。
15.電容器，其包括權利要求1所述的結構體。
16.形成用于電化學動力設備的結構體的方法，該方法包括以下步驟 形成具有碳納米管陣列的傳導性復合層，其中該碳納米管陣列的長度的至少第一部分從該傳導性復合層伸出；和該碳納米管陣列的長度的至少第二部分嵌入在傳導性復合層中。
17.權利要求16所述的方法，其中該碳納米管的長度的第一部分沿著共同的方向對齊。
18.權利要求16所述的方法，其中該碳納米管的長度的第二部分不對齊。
19.權利要求18所述的方法，其中該碳納米管的第二部分在傳導性復合層中纏結。
20.權利要求18所述的方法，進一步包括在模板中形成該碳納米管陣列，該模板具有孔以用于在碳納米管形成過程中使碳納米管對齊。
21.權利要求20所述的方法，進一步包括去除該模板。
22.權利要求16所述的方法，進一步包括通過化學氣相沉積方法形成該碳納米管陣列。
23.權利要求16所述的方法，進一步包括將基底通過電化學浴，該電化學浴包含在溶液中的碳納米管，和將傳導層電鍍至基底，其中該傳導層包括該碳納米管陣列。
24.權利要求16所述的方法，進一步包括在電化學浴中形成傳導層，該電化學浴包含在溶液中的碳納米管。
25.權利要求M所述的方法，其中該傳導層形成在電化學裝置的一部分上且隨后從其去除。
26.形成用于電化學動力設備的結構體的方法，該方法包括以下步驟將基底通過具有分散在其中的碳納米管的電鍍溶液；和將其中具有碳納米管的傳導性復合層電鍍至基底，其中該碳納米管至少部分從該傳導性復合層伸出。
27.權利要求沈所述的方法，進一步包括當電鍍該傳導性復合層時在電鍍溶液中形成磁場以至少部分使碳納米管對齊。
28.權利要求沈所述的方法，進一步包括當電鍍該傳導性復合層時在電鍍溶液中形成電場以至少部分使碳納米管對齊。
29.權利要求沈所述的方法，進一步包括當電鍍該傳導性復合層時在電鍍溶液中形成磁場以增加碳納米管在溶液中的密度。
30.權利要求沈所述的方法，進一步包括當電鍍該傳導性復合層時在電鍍溶液中形成電場以增加碳納米管在溶液中的密度。
31.權利要求沈所述的方法，其中該方法包括卷對卷過程。
全文摘要
描述了用于電化學動力設備的電流導體，其包括錨固在碳納米管金屬復合層中的碳納米管(CNT)陣列和將納米級顆粒或薄膜摻入至電流導體上的結構體。此外，提供了生產該結構體的方法，其使用電化學電鍍金屬層至CNT陣列上，然后從基底分離該結構體。另一方法包括使用從電鍍槽共電沉積CNT和金屬產生該結構體，其使用表面活性劑、物理能、和磁場和/或電場以定向CNT和增強復合物中CNT密度。
文檔編號C02F1/461GK102471105SQ201080030542
公開日2012年5月23日 申請日期2010年7月2日 優先權日2009年7月6日
發明者C.D.康索特, M.M.林康, V.巴魯, 鈴木達則 申請人:澤普托公司