專利名稱：納米結(jié)構(gòu)柔性電極和使用該柔性電極的能量存儲(chǔ)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本公開內(nèi)容涉及能量存儲(chǔ)單元。這樣的能量存儲(chǔ)單元可以在便攜電子設(shè)備、光伏系統(tǒng)等中使用。具體而言，本公開內(nèi)容涉及具有作為功能部件的納米結(jié)構(gòu)材料的能量存儲(chǔ)單元。
背景技術(shù)：
對(duì)便攜電子設(shè)備的與日俱增的需求激發(fā)對(duì)這些設(shè)備中所用的能量轉(zhuǎn)換和存儲(chǔ)單元的技術(shù)改進(jìn)。在開發(fā)能量轉(zhuǎn)換和存儲(chǔ)單元(其例子包括電池、電容器和混合電池-電容器)時(shí)，重量輕的構(gòu)造、長(zhǎng)壽命、高能量密度、高功率密度以及滿足各種設(shè)計(jì)和功率消耗需要的靈活性是要考慮的重要因素。在諸如相機(jī)閃光燈、硬盤驅(qū)動(dòng)器、高分辨率顯示器等功率要求高的應(yīng)用中提供快速電流突發(fā)時(shí)需要高功率密度。也稱為超級(jí)電容器的電化學(xué)雙層電容器(EDLC)對(duì)于那些能量需求高的電子設(shè)備而言是非常有吸引力的電源。超級(jí)電容器一般重量輕、具有高功率密度和長(zhǎng)耐久性。由于常規(guī)電池如果尺寸不變得太大就不能提供高功率密度應(yīng)用所需要的功率高峰，所以在電子設(shè)備中具有與電池共同工作的超級(jí)電容器將是理想的解決方案。超級(jí)電容器-電池組合可以提供設(shè)備需要的功率提升同時(shí)保持電池尺度小并且延長(zhǎng)電池壽命。普遍使用各種形式的碳來(lái)制備電容器電極。碳具有相對(duì)高的電導(dǎo)率、輕的重量以及在酸和堿條件下的高化學(xué)穩(wěn)定性，從而使它成為用于存儲(chǔ)電荷的理想候選。在超級(jí)電容器中，電極的表面積至關(guān)重要。普遍使用表面積大的多孔碳結(jié)構(gòu)、諸如活化碳。近來(lái)為了進(jìn)一步增大表面積而使用各種形式的納米結(jié)構(gòu)的碳。將來(lái)的便攜設(shè)備概念設(shè)想柔性和/或透明的設(shè)備。一個(gè)知名的例子是諾基亞公司開發(fā)的所謂“Morph”概念。在這一概念中，設(shè)想便攜電子設(shè)備為柔性和透明，從而它們與人們的生活方式更無(wú)縫地融合。透明和柔性電子設(shè)備提供全新的審美維度。另外可以內(nèi)置對(duì)設(shè)備充電的太陽(yáng)能吸收能力而電池變得更小、持續(xù)更久并且充電更快。Morph概念中所示集成電子器件可以成本更少并且在小得多的空間中包括更多功能，甚至同時(shí)接口被簡(jiǎn)化并且可用性被增強(qiáng)。所有這些新能力將開辟將允許人們以前所未有的方式通信和交互的新應(yīng)用和服務(wù)。這樣的柔性設(shè)備的一個(gè)必不可少但又未探索的部分是透明功率存儲(chǔ)單元。這樣的功率存儲(chǔ)單元應(yīng)當(dāng)滿足便攜電子設(shè)備的功率要求和設(shè)計(jì)要求兩者。用簡(jiǎn)易和低成本的過程制成柔性和透明功率存儲(chǔ)單元也很重要。

發(fā)明內(nèi)容
在本發(fā)明的第一方面中提供一種器件。該器件包括第一導(dǎo)電片、與第一導(dǎo)電片平行的第二導(dǎo)電片和放置于第一導(dǎo)電片與第二導(dǎo)電片之間的物質(zhì)片。第一導(dǎo)電片和第二導(dǎo)電片中的至少一個(gè)導(dǎo)電片包括膜。膜由碳納米粒子組成。碳納米粒子被布置成與物質(zhì)片相鄰。 物質(zhì)片包括吸入離子溶液的多孔絕緣膜片。第一導(dǎo)電片、第二導(dǎo)電片和物質(zhì)片至少部分透明。在上述器件中，第一導(dǎo)電片、物質(zhì)片和第二導(dǎo)電片形成多層堆疊。該器件還可以包括分別設(shè)置于多層堆疊的外表面上的第一絕緣片和第二絕緣片。該器件可以是電能存儲(chǔ)單元。第一和第二導(dǎo)電片可以被布置成可與外部電能源或者電能耗的相應(yīng)端子連接。在上述器件中，膜可以設(shè)置于透明襯底上。透明襯底可以是柔性透明襯底。柔性透明襯底可以由聚對(duì)苯二甲酸乙二酯或者聚酰亞胺制成?？梢酝ㄟ^包括以下的過程來(lái)制備膜經(jīng)過過濾器過濾碳納米粒子的懸浮液以在過濾器的表面上形成碳納米粒子層，在升高的溫度在碳納米粒子層上設(shè)置襯底，并且溶解過
1 ' O在該器件中，碳納米粒子可以包括高縱橫比碳納米粒子。高縱橫比碳納米粒子可以包括碳納米管、碳納米纖維或者碳納米管和碳納米纖維的混合物。碳納米管可以包括單壁碳納米管?？商娲?，在該器件中，碳納米粒子可以包括高縱橫比碳納米粒子和低縱橫比碳納米粒子。高縱橫比碳納米粒子可以包括碳納米管、碳納米纖維或者碳納米管和碳納米纖維的混合物；低縱橫比碳納米粒子可以包括碳納米角、碳納米洋蔥或者碳納米角和納米洋蔥的混合物?？商娲?，可以通過包括以下的過程來(lái)制備膜經(jīng)過過濾器過濾高縱橫比碳納米粒子的懸浮液以在過濾器的表面上形成高縱橫比碳納米粒子層，在升高的溫度在高縱橫比碳納米粒子層上設(shè)置襯底，溶解過濾器，并且在高縱橫比碳納米粒子層上設(shè)置低縱橫比碳納米粒子。在本發(fā)明的第二方面中，提供一種用于形成碳納米粒子結(jié)構(gòu)的過程。該過程包括 經(jīng)過過濾器過濾碳納米粒子的懸浮液以在過濾器的表面上形成碳納米粒子的層，在升高的溫度在碳納米粒子層上設(shè)置襯底，并且溶解過濾器在該過程中，碳納米粒子可以包括高縱橫比碳納米粒子。高縱橫比碳納米粒子可以包括碳納米管、碳納米纖維或者碳納米管和碳納米纖維的混合物。碳納米管可以包括單壁碳納米管?？商娲?，該過程可以包括經(jīng)過過濾器過濾高縱橫比碳納米粒子的懸浮液以在過濾器的表面上形成高縱橫比碳納米粒子層，在升高的溫度在高縱橫比碳納米粒子層上設(shè)置襯底，溶解過濾器，并且在高縱橫比碳納米粒子層上設(shè)置低縱橫比碳納米粒子。高縱橫比碳納米粒子可以包括包括碳納米管、碳納米纖維或者碳納米管和碳納米纖維的混合物；低縱橫比碳納米粒子可以包括碳納米角、碳納米洋蔥或者碳納米角和納米洋蔥的混合物。在上述過程中，襯底可以是透明膜。透明膜可以是聚對(duì)苯二甲酸乙二酯膜或者聚酰亞胺膜。在該過程中，碳納米粒子懸浮液可以包含懸浮于分散劑的水溶液中的碳納米粒子。分散劑為以下分散劑中的一種或者多種分散劑十二烷基硫酸鈉、十二烷基苯磺酸納、 聚乙二醇P-(1，1，3，3-四甲基丁基)-二苯醚或者其衍生物、十六烷基三甲基溴化銨或者其衍生物以及N-甲基-2-吡咯烷酮或者其衍生物。在上述過程中，可以在真空氛圍中執(zhí)行過濾碳納米粒子的懸浮液。


通過考慮與以下附圖結(jié)合呈現(xiàn)的后續(xù)具體描述，這里描述的本發(fā)明的特征和優(yōu)點(diǎn)
將變得清楚圖1是在襯底上沉積的高縱橫比碳納米粒子層的示意圖，圖2是針對(duì)具有不同碳納米管(CNT)密度的CNT膜樣品的在可見光波長(zhǎng)的透明度數(shù)據(jù)繪圖，圖3是根據(jù)本發(fā)明的能量存儲(chǔ)器件結(jié)構(gòu)的示意圖，圖4是包括具有不同CNT密度的CNT膜的電容器的循環(huán)伏安法數(shù)據(jù)繪圖，圖5是在襯底上沉積的低縱橫比碳納米粒子與高縱橫比碳納米粒子的組合的示意圖，圖6是比較示例CNT膜電極與示例CNT加碳納米角(nanohorn) (CNH)膜電極的循環(huán)伏安法數(shù)據(jù)繪圖，并且圖7是通過卷起多層薄膜堆疊來(lái)產(chǎn)生的薄膜超級(jí)電容器核的例子。
具體實(shí)施例方式本公開內(nèi)容涉及一種薄、重量輕、柔性并且甚至透明的能量存儲(chǔ)單元。該能量存儲(chǔ)單元的關(guān)鍵部件是能夠存儲(chǔ)大量電荷并且迅速釋放電荷以產(chǎn)生功率突發(fā)的成對(duì)電極。根據(jù)本發(fā)明，用納米結(jié)構(gòu)材料制成這些電極中的至少一個(gè)并且優(yōu)選地制成兩個(gè)電極。在合適的納米結(jié)構(gòu)材料中，碳納米粒子是優(yōu)選的。碳納米粒子包括高縱橫比碳納米粒子和低縱橫比碳納米粒子。高縱橫比碳納米粒子的例子包括碳納米纖維(CNF)和碳納米管(CNT)。低縱橫比碳納米粒子的例子包括碳納米角(CNH)、富勒烯(C60)和碳納米洋蔥(CNO)。CNT相對(duì)于容易合成并且被普遍使用。CNT包括單壁CNT (SffCNT)和多壁CNT (MWCNT)。SWCNT由于它們的優(yōu)異的電性質(zhì)而尤為優(yōu)選。為了用作電極，納米材料優(yōu)選為薄膜形式。納米材料薄膜可以自支撐 (freestanding)或者沉積于襯底上。下文通過示例實(shí)施例說明如下過程，這些過程用于制成納米結(jié)構(gòu)薄膜電極并且用于制成包括該納米結(jié)構(gòu)薄膜電極的能量存儲(chǔ)單元。應(yīng)理解本發(fā)明的范圍不受這些特定實(shí)施例限制。本發(fā)明的第一實(shí)施例根據(jù)下文描述的過程制備透明能量存儲(chǔ)器件結(jié)構(gòu)(例如超級(jí)電容器)。該器件結(jié)構(gòu)包括透明分離體和成對(duì)透明電極。這些電極中的至少一個(gè)并且優(yōu)選地兩個(gè)電極包括碳納米結(jié)構(gòu)膜層。碳納米結(jié)構(gòu)膜的一個(gè)例子是由CNT組成的膜?？梢酝ㄟ^本領(lǐng)域已知的各種合成方法制備粒子形式的CNT (即松散粉末)。優(yōu)選為SffCNT納米粒子形式的CNT納米粒子與分散劑溶液混合以形成水懸浮液。懸浮液的一種示例組成是它包含十二烷基硫酸鈉(SDS)的水溶液中ang/L的CNT粉末。其它合適的分散劑包括諸如十二烷基苯磺酸納(SDBS)、聚乙二醇p-(l，l，3，3-四甲基丁基)-二苯醚(商標(biāo)名TritonX)、十六烷基三甲基溴化銨(CTAB)等各種非離子表面活性劑以及CNT容易分散于其中的有機(jī)溶劑(諸如N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP))。使用過濾瓶并且在真空環(huán)境中經(jīng)過過濾膜過濾特定量的上述CTN懸浮液。過濾膜的一個(gè)例子是孔尺寸為220nm的MCE硝化纖維素。CNT留在過濾膜上以形成與多孔薄膜類似的纏繞網(wǎng)絡(luò)。然后清洗CNT膜以去除表面活性劑。此后在升高的溫度(例如80°C)向透明襯底上轉(zhuǎn)移CNT膜。隨后在合適的溶劑的浴中腐蝕掉過濾膜。如圖1中示意地所示，所得CNT膜10均勻沉積于襯底20上。將使用襯底上的CNT膜作為用于超級(jí)電容器的電極。適合于透明襯底的材料包括多種有機(jī)材料(諸如聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯(PET)) 或者無(wú)機(jī)材料(諸如玻璃或者石英)。如PET的情況中那樣優(yōu)選柔性和透明襯底。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)柔性“PET上CNT”膜的電性質(zhì)不容易隨著彎曲而劣化。除了 PET之外，也可以使用許多其它柔性和透明聚合物膜，其例子包括KAPTON聚酰亞胺膜等。CNT膜電極的透明度和電導(dǎo)率可以根據(jù)CNT在襯底上的密度(即在襯底的單位面積上的CNT數(shù)目)而變化。一般而言，CNT的密度與經(jīng)過過濾器過濾的水懸浮液體積成比例以及與CNT濃度成比例。圖2示出了對(duì)用不同量的已過濾溶液(分別為30ml、40ml、60ml 和80ml)制成的CNT膜樣品所測(cè)量的透明度數(shù)據(jù)。從載玻片上的單個(gè)CNT膜測(cè)量透明度。 上文討論了過濾器材料和懸浮液的組成?，F(xiàn)在參照?qǐng)D3，多層薄膜能量存儲(chǔ)單元100的基本結(jié)構(gòu)包括第一導(dǎo)電片110、設(shè)置于第一片110上的包含離子溶液(即電解質(zhì))的片120、和設(shè)置于包含電解質(zhì)的片120上的相同或者不同材料的第二導(dǎo)電片130。第一片110、包含電解質(zhì)的片120和第二片130形成基本多層器件結(jié)構(gòu)。第一片110和/或第二片130可以包括多于一層。例如第一片110可以包括導(dǎo)電層112和基層114，而第二層130可以包括導(dǎo)電層132和基層134。導(dǎo)電層112 和132中的至少一層(并且優(yōu)選地兩層)為上述CNT膜層。CNT膜層112和/或132被布置成分別與包含電解質(zhì)的片120相鄰。包含電解質(zhì)的片120包括浸有(即吸入)電解質(zhì)溶液的多孔非導(dǎo)電膜(稱為分離體)?？梢允褂猛该骶酆衔锬?諸如Nafion 或者Parylene)作為分離體，但是也可以使用任何其它合適的分離體材料。電解質(zhì)溶液的例子包括IM硫磺酸和IM氫氧化鉀，但是也可以使用任何其它合適的電解質(zhì)。當(dāng)連接到外部DC電源時(shí)，電解質(zhì)中的自由離子根據(jù)施加的外部電場(chǎng)的方向向CNT膜遷移。CNT膜112和132由于它們的表面積極大而能夠存儲(chǔ)大量自由離子?？梢酝ㄟ^濺射/蒸發(fā)合適的金屬(諸如鈀)、通過澆注銀膏或者通過任何其它合適的方法在CNT膜上制成與外部電路的接觸(如圖3中示意地所示例如為元件116和136)。 器件結(jié)構(gòu)100還可以包括分別設(shè)置于基本多層器件堆疊(片110、120和130)的外表面上的保護(hù)片140和150。更進(jìn)一步，可以密封器件100。為了使器件100為透明，器件的所有片必須是透明的。為了使器件100為柔性，所有片必須是柔性的。例如可以用如上文提到的透明和柔性材料制成基層114和134。如果僅需透明度，則也可以考慮其它透明、但是較不柔性的材料。
可以通過所謂循環(huán)伏安法(CV)測(cè)量來(lái)測(cè)量超級(jí)電容器中的CNT電極的性能。在 CV測(cè)量中，電壓源連接于CNT電極之間，并且電極之間的電勢(shì)相對(duì)時(shí)間線性上升，使得對(duì)電容器充電直至電勢(shì)達(dá)到設(shè)置點(diǎn)。然后反轉(zhuǎn)電勢(shì)坡度從而使電容器放電。相對(duì)施加的電壓繪出電荷強(qiáng)度和放電電流密度以給出作為電流密度(mA/cm2)相對(duì)電勢(shì)(V)循環(huán)伏安圖跡線。 簡(jiǎn)而言之，y軸上的充電(上)曲線和放電(下)曲線之差(即伏安圖跡線的寬度)與電極存儲(chǔ)電荷的能力成比例。這意味著曲線越寬、電極就可以存儲(chǔ)越多電荷、因此電容越高。 圖4示出了如下各種CNT電極的CV數(shù)據(jù)，這些電極具有根據(jù)上述過程按照過濾后的溶液量 (分別為30ml、40ml、60ml和80ml)測(cè)量的不同CNT密度。盡管CNT膜電極的電容隨著CNT膜的密度增加，但是電極的透明度隨著CNT密度減少。因此需要確定在光學(xué)透明度與電荷存儲(chǔ)容量之間的平衡。然而仍然明顯的是，即使在最低分散度(30-40ml)的情況下，仍然發(fā)現(xiàn)CNT膜作為電容器電極的功能優(yōu)良。這些電極的透明度范圍和電性質(zhì)使它們很好地適合于高級(jí)用戶接口技術(shù)(諸如顯示器和相機(jī)應(yīng)用)。本發(fā)明的第二實(shí)施例基于上文描述的電極結(jié)構(gòu)，可以通過將高縱橫比CNT與低縱橫比碳納米粒子相互混合來(lái)進(jìn)一步增強(qiáng)納米結(jié)構(gòu)膜的電荷存儲(chǔ)容量。低縱橫比碳納米粒子的一個(gè)例子為單壁碳納米角(SWCNH)。SWCNH是由長(zhǎng)度約為兩至三納米的錐形空心碳(具有石墨烯表面)微晶構(gòu)造的納米晶態(tài)粒子。這些微晶聚集形成表面有納米錐的、直徑約為50至100納米而整個(gè)形狀為球形或者接近球形的、大麗花狀或者花蕾狀納米粒子結(jié)構(gòu)。低縱橫比碳納米粒子的另一例子為碳納米洋蔥(CNO)。CNO是一個(gè)碳球包圍另一碳球的球形微晶(富勒烯)?？梢允褂枚喾N方法來(lái)合成CNH和CN0。兩種常用方法為(1)在惰性氣體氛圍的腔中激光燒蝕石墨棒；或者(2)浸沒式電弧放電法，其中向帶到液體中的石墨棒近處的金屬或者石墨棒引入高電壓。在下文描述的例子中，使用對(duì)于碳納米粒子的大規(guī)模和經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)而言尤為適合的浸沒式電弧放電法來(lái)合成碳納米粒子。簡(jiǎn)而言之，對(duì)于浸沒式電弧過程，在由大量液體填充的容器中(例如在不銹鋼杜瓦瓶或者玻璃燒杯中的 2000cm3的液氮或者去離子水)浸沒的兩個(gè)石墨電極之間生成DC 電弧放電。液氮用于產(chǎn)生CNH而去離子水用于產(chǎn)生CN0。為了產(chǎn)生CNH，通過用相似純度的石墨陰極(頂端直徑為12mm)觸摸純度為99. 99%的石墨陽(yáng)極(直徑為3mm)而在液氮中啟動(dòng)電弧放電。電弧電壓和電流通常分別為34V和50A、但是可以被調(diào)節(jié)用于實(shí)現(xiàn)最優(yōu)生產(chǎn)率。通過在實(shí)驗(yàn)期間連續(xù)平移陽(yáng)極來(lái)保持電極之間的間隙恒定約為1mm，以便維持穩(wěn)定放電。液氮中的電弧放電為湍流，并且在放電區(qū)附近觀察到稠密黑煙。液氮的蒸發(fā)速率約為200cm3/分鐘，而陽(yáng)極消耗速率約為375. 3mg/分鐘。與水中放電對(duì)照，來(lái)自液氮中的電弧放電的產(chǎn)物僅沉淀于液體容器的底部。所得產(chǎn)物為若干種碳納米粒子(包括多壁碳納米管(MWCNT)、無(wú)定形碳和單壁碳納米角(SWCNH))的聚集混合物。然后將CNH從聚集物分離。 一種用于分離CNH的方法是向去離子水中引入聚集物，從而CNH漂浮于水上而其它粒子下沉。CNH粒子的平均直徑的范圍為20至lOOnm。通過與在本發(fā)明的第一實(shí)施例中描述的過程相似的過程制備碳納米結(jié)構(gòu)膜。不同之處在于沉積于襯底上的碳納米結(jié)構(gòu)薄膜包括至少兩種碳納米粒子一種為高縱橫比碳納米粒子(諸如SWCNT)而另一種為低縱橫比碳納米粒子(諸如SWCNH)。存在至少兩種用于
8沉積碳納米粒子混合物的方式一種是在懸浮液中混合CNH與CNT并且如上文描述的那樣在膜上過濾懸浮液，而另一種是首先過濾CNT懸浮液、然后通過應(yīng)用CNH溶液而在CNT層上沉積CNH。可以通過在水中添加特定量的CNH粉末并且在超聲浴中分散粒子來(lái)制備CNH溶液。優(yōu)選地，在已經(jīng)向襯底轉(zhuǎn)移CNT膜之后應(yīng)用CNH溶液。 如圖5中示意地所示，沉積于襯底20上的所得碳納米結(jié)構(gòu)膜包括與CNT 10相互混合的CNH 30。使用這樣的CNT/CNH納米結(jié)構(gòu)膜作為用于根據(jù)如圖3中所示的器件結(jié)構(gòu)的超級(jí)電容器的電極。 圖6示出了比較示例CNT膜電極(80ml CNT)與示例CNT+CNH膜電極(80ml CNT+150 μ 1 CNH)的循環(huán)伏安圖數(shù)據(jù)繪圖。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)向CNT薄膜上添加CNH可以增加CNT 膜的有效表面積并且將能量存儲(chǔ)單元的電容增加約100%。據(jù)信超高表面積結(jié)構(gòu)以及從碳納米角向碳納米管的高效電荷轉(zhuǎn)移造成這一增加。 由于產(chǎn)生高表面積的低縱橫比碳納米粒子和高縱橫比納米粒子的纏繞形態(tài)并且也由于在電極表面的可變偶極矩而實(shí)現(xiàn)性能增加。雖然CNH聚集物與可見光的波長(zhǎng)相比尺寸大，但是CNH在CNT上的在數(shù)量和分布方面的恰當(dāng)分散應(yīng)當(dāng)維持電極的透明度。因此利用CNT+CNH膜仍然有可能制成透明能量存儲(chǔ)單元。與在本發(fā)明的第一實(shí)施例中相同，使用柔性和透明襯底以便使器件為透明和柔性的。如果僅需透明度，則也可以考慮其它透明但是較不柔性的材料。本發(fā)明的第三實(shí)施例如果不考慮透明度，則可以用多種柔性薄膜襯底和柔性薄膜電解質(zhì)制成本發(fā)明的能量存儲(chǔ)單元，并且可以通過堆疊在彼此上面來(lái)倍增圖3的能量存儲(chǔ)器件結(jié)構(gòu)。圖7示出了多層能量存儲(chǔ)器件結(jié)構(gòu)200的具體例子，其中至少一層為柔性襯底上的碳納米結(jié)構(gòu)薄膜層。結(jié)構(gòu)200包括第一絕緣體片210、具有設(shè)置于其上的CNT+CNH薄膜層 (根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例)的第一柔性襯底片220、與固態(tài)電解質(zhì)(如在本發(fā)明的第一實(shí)施例中提到)集成的分離體片230、具有設(shè)置于其上的CNT+CNH粒子層的第二柔性襯底片 240和第二絕緣體片250。碳納米結(jié)構(gòu)層被布置成與電解質(zhì)層相鄰。片210-250可以具有比它們的厚度大得多的寬度和長(zhǎng)度。可以采用工業(yè)化過程來(lái)將這些片堆疊在一起。可以折疊多層堆疊200(該堆疊然后具有比它的厚度大得多的寬度和長(zhǎng)度)以增加總厚度而減少總長(zhǎng)度和寬度，或者將多層堆疊200卷成例如圓柱形狀。然后密封折疊或者卷起的器件。優(yōu)選地，上述制備過程在無(wú)氧(例如氧水平不超過5ppm)的惰性氣體環(huán)境中進(jìn)行。概括而言，本發(fā)明提供與適用的現(xiàn)有技術(shù)過程相比的若干優(yōu)點(diǎn)。首先可以使用相對(duì)低成本的材料并且通過容易縮放的方法來(lái)制成本發(fā)明的能量存儲(chǔ)單元的部件。第二，透明和柔性電極結(jié)構(gòu)提供全透明能量存儲(chǔ)單元。第三，電極中的不同類型的碳納米粒子的獨(dú)特組成實(shí)現(xiàn)能量存儲(chǔ)單元的顯著性能增強(qiáng)。將理解上文描述的布置僅舉例說明其教導(dǎo)原理的應(yīng)用。具體而言，應(yīng)當(dāng)理解，雖然僅已經(jīng)示出幾個(gè)例子，但是其教導(dǎo)并不限于那些例子。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以設(shè)計(jì)諸多修改和替代布置而不脫離本公開內(nèi)容的范圍。
權(quán)利要求
1.一種器件，包括第一導(dǎo)電片，第二導(dǎo)電片，與所述第一導(dǎo)電片平行，以及物質(zhì)片，放置于所述第一導(dǎo)電片與所述第二導(dǎo)電片之間；其中所述第一導(dǎo)電片和所述第二導(dǎo)電片中的至少一個(gè)導(dǎo)電片包括膜，所述膜由碳納米粒子組成，所述碳納米粒子被布置成與所述物質(zhì)片相鄰，其中所述物質(zhì)片包括吸入離子溶液的多孔絕緣膜片，并且其中所述第一導(dǎo)電片、所述第二導(dǎo)電片和所述物質(zhì)片至少部分透明。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的器件，其中所述第一導(dǎo)電片、所述物質(zhì)片和所述第二導(dǎo)電片形成多層堆疊，并且所述器件還包括分別設(shè)置于所述多層堆疊的外表面上的第一絕緣片和第二絕緣片。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的器件，其中所述器件為電能存儲(chǔ)單元，并且所述第一和第二導(dǎo)電片被布置成可與外部電能源或者電能耗的相應(yīng)端子連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的器件，其中所述膜設(shè)置于透明襯底上。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的器件，其中所述透明襯底為柔性透明襯底。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的器件，其中所述柔性透明襯底由聚對(duì)苯二甲酸乙二酯或者聚酰亞胺制成。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的器件，其中通過包括以下的過程來(lái)制備所述膜經(jīng)過過濾器過濾所述碳納米粒子的懸浮液以在所述過濾器的表面上形成碳納米粒子層，在升高的溫度在所述碳納米粒子層上設(shè)置所述襯底，并且溶解所述過濾器。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的器件，其中所述碳納米粒子包括高縱橫比碳納米粒子。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的器件，其中所述高縱橫比碳納米粒子包括碳納米管、碳納米纖維或者碳納米管和碳納米纖維的混合物。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的器件，其中所述碳納米管包括單壁碳納米管。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的器件，其中所述碳納米粒子包括高縱橫比碳納米粒子和低縱橫比碳納米粒子。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的器件，其中所述高縱橫比碳納米粒子包括碳納米管、碳納米纖維或者碳納米管和碳納米纖維的混合物，而所述低縱橫比碳納米粒子包括碳納米角、 碳納米洋蔥或者碳納米角和納米洋蔥的混合物。
13.根據(jù)權(quán)利要求7所述的器件，其中所述碳納米粒子為高縱橫比碳納米粒子，并且其中所述過程還包括在所述高縱橫比碳納米粒子層上設(shè)置低縱橫比碳納米粒子。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的器件，其中所述高縱橫比碳納米粒子包括碳納米管、碳納米纖維或者碳納米管和碳納米纖維的混合物，而所述低縱橫比碳納米粒子包括碳納米角、 碳納米洋蔥或者碳納米角和納米洋蔥的混合物。
15.一種用于形成碳納米粒子結(jié)構(gòu)的過程，包括經(jīng)過過濾器過濾碳納米粒子的懸浮液以在所述過濾器的表面上形成所述碳納米粒子的層，在升高的溫度在所述碳納米粒子層上設(shè)置襯底，并且溶解所述過濾器。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中所述碳納米粒子包括高縱橫比碳納米粒子。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中所述高縱橫比碳納米粒子包括碳納米管、碳納米纖維或者碳納米管和碳納米纖維的混合物。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其中所述碳納米管包括單壁碳納米管。
19.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中所述碳納米粒子包括高縱橫比碳納米粒子，并且其中所述過程還包括在所述高縱橫比碳納米粒子層上設(shè)置低縱橫比碳納米粒子。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其中所述高縱橫比碳納米粒子包括碳納米管、碳納米纖維或者碳納米管和碳納米纖維的混合物，而所述低縱橫比碳納米粒子包括碳納米角、 碳納米洋蔥或者碳納米角和納米洋蔥的混合物。
21.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中所述襯底為透明膜。
22.根據(jù)權(quán)利要求21所述的方法，其中所述透明膜為聚對(duì)苯二甲酸乙二酯膜或者聚酰亞胺膜。
23.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中所述碳納米粒子懸浮液包含懸浮于分散劑的水溶液中的碳納米粒子。
24.根據(jù)權(quán)利要求23所述的方法，其中所述分散劑為以下分散劑中的一種或者多種分散劑十二烷基硫酸鈉， 十二烷基苯磺酸納，聚乙二醇ρ-(1，1，3，3-四甲基丁基)_ 二苯醚或者其衍生物， 十六烷基三甲基溴化銨或者其衍生物，以及 N-甲基-2-吡咯烷酮或者其衍生物。
25.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中在真空氛圍中執(zhí)行過濾所述碳納米粒子的懸浮液。
全文摘要
一種電能存儲(chǔ)器件結(jié)構(gòu)包括第一導(dǎo)電片、第二導(dǎo)電片和放置于第一導(dǎo)電片與第二導(dǎo)電片之間的電解質(zhì)片。在該器件中，第一導(dǎo)電片和第二導(dǎo)電片中的至少一個(gè)導(dǎo)電片包括碳納米粒子層。碳納米粒子層被布置成與電介質(zhì)片相鄰。碳納米粒子可以包括高縱橫比碳納米粒子和低縱橫比碳納米粒子。該器件為柔性并且至少部分透明。
文檔編號(hào)H01G9/004GK102449715SQ201080023274
公開日2012年5月9日 申請(qǐng)日期2010年5月11日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月25日
發(fā)明者G·阿瑪拉圖恩加, H·E·安亞蘭, M·魯瓦拉, P·希拉拉爾, 王浩蘭, 魏迪 申請(qǐng)人:諾基亞公司