專利名稱：具混合納米碳層的三維電池的制作方法
具混合納米碳層的三維電池發(fā)明背景發(fā)明領(lǐng)域本發(fā)明的實(shí)施例大體涉及鋰離子電池。更具體而言，本發(fā)明的實(shí)施例涉及具有混合納米碳層的三維電池以及使用薄膜沉積工藝制造該電池的方法。相關(guān)技術(shù)說(shuō)明諸如超級(jí)電容及鋰(Li)離子電池之類的快速充電、大電容能量?jī)?chǔ)存裝置被用于越來(lái)越多的應(yīng)用，包括可攜式電子器件、醫(yī)療、運(yùn)輸工具、并聯(lián)式大型能量?jī)?chǔ)存、再生能量?jī)?chǔ)存以及不斷電系統(tǒng)(UPQ。在這些應(yīng)用中的每一種中，充電時(shí)間及能量?jī)?chǔ)存裝置的容量是重要參數(shù)。此外，此類能量?jī)?chǔ)存裝置的尺寸、重量和/或費(fèi)用可為重大限制。再者，對(duì)高效性能而言，低的內(nèi)電阻是必須的。電阻越低，能量?jī)?chǔ)存裝置在傳遞電能上所遭遇的限制越少。 舉例而言，論及超級(jí)電容，較低的內(nèi)電阻允許其較快且較有效地充電及放電。論及電池，電池中的內(nèi)電阻通過(guò)減少電池所儲(chǔ)存的可用能量的總量以及減少傳遞數(shù)字裝置需求的高電流脈沖而影響性能。因此，在本領(lǐng)域中需要更小、更輕且在成本上更有效地制造的更快充電、高電容能量?jī)?chǔ)存裝置。本領(lǐng)域中也需要用于電子儲(chǔ)存裝置的部件以減少儲(chǔ)存裝置的內(nèi)電阻。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，一種電極結(jié)構(gòu)包括導(dǎo)電基材；形成于該導(dǎo)電基材的表面上的富勒烯(fullerene)混合材料；以及共形地沉積在該富勒烯混合材料及至少一部分的該導(dǎo)電基材的表面上的金屬層。根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例，一種鋰離子電池包括導(dǎo)電基材；形成于該導(dǎo)電基材的表面上的富勒烯混合材料；共形地沉積在該富勒烯混合材料上的第一金屬層；共形地沉積在該金屬層上的電極層；共形地沉積在該金屬層上的活性陰極材料層；以及共形地沉積在該金屬層上的第二金屬層。根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例，一種具有電極結(jié)構(gòu)的鋰離子電池包括陽(yáng)極結(jié)構(gòu)，其包括導(dǎo)電基材、形成于該導(dǎo)電基材的一表面上的富勒烯混合材料、以及共形地沉積在該富勒烯混合材料及至少一部分的該導(dǎo)電基材上的活性陽(yáng)極材料層；共形地沉積在該活性陽(yáng)極材料層上的電解質(zhì)-隔膜層；共形地沉積在該電解質(zhì)-隔膜層上的活性陰極材料層；以及共形地沉積在該陰極材料層上的金屬層。根據(jù)本發(fā)明的又一實(shí)施例，一種鋰離子電池包括導(dǎo)電基材；形成于該導(dǎo)電基材的一表面上的富勒烯混合材料；共形地沉積在該富勒烯混合材料上的第一金屬層；共形地沉積在該金屬層上的陽(yáng)極材料層；共形地沉積在該陽(yáng)極材料層上的電解質(zhì)-隔膜層；共形地沉積在該電解質(zhì)-隔膜層上的活性陰極材料層；共形地沉積在該活性陰極材料層上的第二金屬層；沉積在該共形金屬層上以形成實(shí)質(zhì)上平坦的表面的厚金屬層；連接至該厚金屬層的第一接觸箔片；以及通過(guò)層壓施用的封裝嵌入膜箔。
根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例，一種材料包括第一碳富勒烯洋蔥狀物；通過(guò)具有第一直徑的第一納米碳管(CNT)連接至該第一碳富勒烯洋蔥狀物的第二碳富勒烯洋蔥狀物； 通過(guò)具有第二直徑的第二納米碳管連接至該第一碳富勒烯洋蔥狀物的第三碳富勒烯洋蔥狀物，其中該第一和第二直徑小于該第一碳富勒烯洋蔥狀物的直徑的約一半。根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例，一種形成電極結(jié)構(gòu)的方法包括氣化一高分子量的碳?xì)淝膀?qū)物；將該氣化的高分子量碳?xì)淝膀?qū)物導(dǎo)引至一導(dǎo)電基材上以于該導(dǎo)電基材上沉積一富勒烯混合材料；以及使用薄膜金屬沉積工藝在該富勒烯混合材料上沉積一薄金屬層，其中該薄金屬層與該導(dǎo)電基材的一表面有良好電性接觸，且其中該高分子量碳?xì)淝膀?qū)物包括具有至少18個(gè)碳原子的分子。附圖簡(jiǎn)要說(shuō)明參考實(shí)施例可得到之前簡(jiǎn)要概述的本發(fā)明的更特別描述，如此，可詳細(xì)了解之前陳述的本發(fā)明的特色，某些實(shí)施例繪制在附圖中。但應(yīng)考慮的是，附圖只繪示本發(fā)明的典型實(shí)施例，因?yàn)楸景l(fā)明允許其它同等有效的實(shí)施例，故不視為限制其范圍。

圖1概要繪示根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的高表面積電極的截面視圖。圖2概要繪示單一球狀碳富勒烯的概念模型。圖3A及圖IBB概要地繪示球狀碳富勒烯洋蔥狀物的不同結(jié)構(gòu)的概念模型。圖4繪示納米碳管一種結(jié)構(gòu)的概念模型。圖5A至圖5E繪示根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的碳富勒烯洋蔥狀物及納米碳管的可能結(jié)構(gòu)，其可形成組成富勒烯混合材料的三維結(jié)構(gòu)。圖6A至圖6E繪示根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的混合富勒烯鏈的不同結(jié)構(gòu)，其可組成富勒烯混合材料。圖7A是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的富勒烯混合材料的SEM影像，其顯示形成為高深寬比的混合富勒烯鏈的碳富勒烯洋蔥狀物。第7B圖是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例通過(guò)納米碳管連接至另一富勒烯洋蔥狀物的多壁外殼的TEM影像。圖8是概括根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例用于形成高表面積電極的方法的工藝流程圖。圖9是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的共形地沉積于富勒烯混合材料上的金屬層的SEM影像。圖10是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的電性連接至負(fù)載的鋰離子電池的概要圖。圖IlA至圖IlD繪示根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例在不同形成階段的鋰離子電池芯的部分概要截面視圖。圖12A繪示根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例由依序沉積的薄膜層形成的鋰離子電池芯的部分概要截面視圖。圖12B繪示根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例依序沉積的薄膜層的一部分的概要截面視圖。圖13是概括根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例用于形成鋰離子電池芯的方法的工藝流程圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明的實(shí)施例注重于由沉積的薄膜層所形成且包括高表面積三維電池 (battery)結(jié)構(gòu)的鋰離子電池芯(battery cell)，以及形成該電池芯的方法。高表面積陽(yáng)極包括沉積在導(dǎo)電基材表面上的富勒烯混合材料以及沉積在該富勒烯混合材料上的共形金屬層(conformal metallic layer)。該富勒烯混合材料由納米碳管所連接的富勒烯洋蔥狀物鏈所組成以在導(dǎo)電基材上形成高表面基層，且該材料是由類似化學(xué)氣相沉積(CVD)的工藝所生產(chǎn)。因此，富勒烯混合材料可在導(dǎo)電基材表面上形成為薄膜，且在結(jié)構(gòu)上通常是平坦的，而富勒烯混合材料具有“三維”表面。共形的金屬層是由CVD、物理氣相沉積(PVD)、 原子層沉積(ALD)或其它金屬沉積工藝所沉積的薄膜，且在鋰離子電池中作用為活性陽(yáng)極材料。因?yàn)楣残蔚慕饘賹邮枪残蔚爻练e在富勒烯混合材料的三維表面上，它也具有高表面積，因而形成高表面積的陽(yáng)極。除了高表面積陽(yáng)極結(jié)構(gòu)外，鋰離子電池芯也包括離子電解質(zhì)-隔膜層、活性陰極材料層、以及用于陰極的金屬集流體，它們各沉積為薄膜。一實(shí)施例中，高表面積電極結(jié)構(gòu)包括沉積在導(dǎo)電基材表面上的富勒烯混合材料以及沉積在該富勒烯混合材料上的共形金屬層。這種電極結(jié)構(gòu)可并入至能量?jī)?chǔ)存裝置中，如鋰離子電池、超級(jí)電容或燃料電池。根據(jù)一實(shí)施例，形成鋰離子電池的方法包括氣化一高分子量的碳?xì)淝膀?qū)物；將該蒸氣導(dǎo)引至一導(dǎo)電基材上以在該基材上沉積一富勒烯混合材料；以及使用薄膜金屬沉積工藝在該富勒烯混合材料上沉積一薄金屬層。該形成鋰離子電池的方法進(jìn)一步包括使用薄膜沉積工藝沉積離子電解質(zhì)-隔膜層、活性陰極材料層及最終的金屬膜。圖1繪示根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的高表面積電極100的示意性截面視圖。高表面積電極100可并入許多能量?jī)?chǔ)存裝置，如鋰離子電池、超級(jí)電容、或燃料電池。或者，根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，以及以下結(jié)合圖IlA至圖IlD所述，高表面積電極100可充當(dāng)由沉積薄膜層形成的鋰離子電池的陽(yáng)極結(jié)構(gòu)。高表面積電極100包括導(dǎo)電基材101、富勒烯混合材料102、以及金屬層103。富勒烯混合材料102包括球狀碳富勒烯洋蔥狀物111以及納米碳管112，且通過(guò)納米級(jí)自組裝工藝形成于導(dǎo)電基材101的表面105上，如下所述。如所示，金屬層103 沉積于富勒烯混合材料102的表面上以形成導(dǎo)電表面106，該導(dǎo)電表面在微米級(jí)上為“三維的”且因此具有非常高的表面積。導(dǎo)電基材101可為金屬板、金屬箔或其上形成有導(dǎo)電層121的非導(dǎo)電基材120，如圖1所示。本發(fā)明的實(shí)施例所考慮的金屬板或箔可包括任何金屬、導(dǎo)電性材料，其可用做能量?jī)?chǔ)存裝置中的電極和/或電容。此類導(dǎo)電材料包括銅(Cu)、鋁(Al)、鎳(Ni)、不銹鋼、鈀 (Pd)及鉬(Pt)，等等。非導(dǎo)電基材120可為玻璃、硅或塑料基材和/或柔性材料，而導(dǎo)電層 121可使用本領(lǐng)域已知的薄膜沉積技術(shù)形成，該些技術(shù)除其它之外包括PVD、CVD、原子層沉積(ALD)、熱蒸鍍以及電化學(xué)鍍覆。導(dǎo)電層121可包括任何金屬、導(dǎo)電性材料，其可用做能量?jī)?chǔ)存裝置中的電極，如上列出的用于導(dǎo)電基材101。富勒烯混合材料102由納米碳管112所連接的球狀碳富勒烯洋蔥物111所形成， 如圖1所示。碳富勒烯是碳分子族，它們完全由碳所構(gòu)成并且為中空球體、橢球、管或平面形式。碳富勒烯洋蔥狀物是本領(lǐng)域已知的球狀富勒烯碳分子的變形物，且由多個(gè)相互套疊的碳層所組成，其中每一碳層為一球狀碳富勒烯或直徑漸增的“巴克球”(buckykill)。納米碳管(也稱作“巴克管”)為圓柱狀富勒烯，且通常直徑只有數(shù)納米且具多種長(zhǎng)度。納米碳管在本領(lǐng)域中也為已知會(huì)形成單獨(dú)的結(jié)構(gòu)且不會(huì)連接至富勒烯洋蔥狀物。納米碳管獨(dú)一無(wú)二的分子結(jié)構(gòu)造成特別的宏觀性質(zhì)，包括高張力強(qiáng)度、高導(dǎo)電性、高延展性、高抗熱性及化學(xué)上相對(duì)不活潑，該些性質(zhì)中許多可用于能量?jī)?chǔ)存裝置的部件。CN 102246336 A
說(shuō)明書(shū)
4/11 發(fā)明人通過(guò)掃描式電子顯微鏡(SEM)影像已確定球狀碳富勒烯洋蔥狀物111的直徑以及富勒烯混合材料102中的納米碳管112的長(zhǎng)度范圍在5至50nm之間。富勒烯混合材料102在表面105上的任何實(shí)質(zhì)沉積最終會(huì)增加導(dǎo)電表面106的表面積。但是相信這類表面積的增加在富勒烯混合材料102的名義厚度T處于約50nm及約300 μ m之間時(shí)為最佳。 一實(shí)施例中，富勒烯混合材料102的厚度T是介于約30與50 μ m之間。圖2繪示碳富勒烯200的概念模型，其可組成富勒烯混合材料102中球狀碳富勒烯洋蔥狀物111的多層中的一層。球狀碳富勒烯200是C6tl分子并且由60個(gè)碳原子201所組成，其結(jié)構(gòu)如所示為20個(gè)六邊形及12個(gè)五邊形。碳原子201位于各多邊形的各頂點(diǎn)而沿各多邊形邊緣202形成鍵。在科學(xué)文獻(xiàn)中，記述了碳富勒烯200的范德華直徑為約1納米(nm)而球形碳富勒烯200的核對(duì)核的直徑為約0. 7nm。圖3A繪示如文獻(xiàn)中所記述的球狀碳富勒烯洋蔥狀物111的一種結(jié)構(gòu)的概念模型 300。此實(shí)施例中，球狀碳富勒烯洋蔥狀物111包括類似于球狀碳富勒烯200的C6tl分子301， 以及一個(gè)或多個(gè)環(huán)繞C6tl分子301的更大的碳富勒烯分子302，如所示，其形成具有多壁外殼的碳分子。在本領(lǐng)域中已知的模型指出C6tl是存在于富勒烯洋蔥狀結(jié)構(gòu)(如球狀碳富勒烯洋蔥狀物111)中最小的球狀碳富勒烯。更大的碳富勒烯分子302是比C6tl分子301具有更大碳數(shù)的球狀碳富勒烯分子，例如CTO、C72、C84、C112。一實(shí)施例中，C6tl分子301可包括在多重較大碳富勒烯洋蔥狀物層中(例如CTO、C84, C112等)，因而形成具有多于兩層的富勒烯洋蔥狀物。圖:3B繪示如文獻(xiàn)所記述，球狀碳富勒烯洋蔥狀物111的另一結(jié)構(gòu)的概念模型350。 此實(shí)施例中，如所示，球狀碳富勒烯洋蔥物111包括C6tl分子301以及環(huán)繞C6tl分子301且形成具有多壁外殼310的碳分子的多層石墨烯平面309?；蛘撸哂刑紨?shù)大于60的球狀碳富勒烯可形成球狀碳富勒烯洋蔥狀物111的核心，例如CTO、C84, C112等。另一實(shí)施例中，由包括諸如鎳(Ni)、鈷(Co)、鈀(Pd)及鐵(Fe)之類的金屬、金屬氧化物或鉆石的納米顆粒作為替代，以形成球狀碳富勒烯洋蔥狀物111的核心。如前結(jié)合圖1所述，富勒烯混合材料102的碳富勒烯洋蔥狀物111通過(guò)納米碳管 112相互連接，因而在導(dǎo)電基材101的表面105上形成延伸的三維結(jié)構(gòu)。圖4繪示根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的納米碳管112的一種結(jié)構(gòu)的概念模型400。概念模型400顯示納米碳管112的三維結(jié)構(gòu)。如球狀碳富勒烯洋蔥狀物111，碳原子201位于組成納米碳管112的多邊形的各頂點(diǎn)處，而沿各多邊形邊緣202形成鍵。納米碳管112的直徑401可位于約1至IOnm之間。圖5A至圖5E繪示根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的碳富勒烯洋蔥狀物111及納米碳管112的多種可能結(jié)構(gòu)501-505，其可形成組成富勒烯混合材料102的三維結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)501-505是基于本領(lǐng)域中已知的理論模型并且已部分由發(fā)明人使用SEM得到富勒烯混合材料102的影像而證實(shí)。如圖5A至圖5C分別所示，結(jié)構(gòu)501、502及503描繪了球狀碳富勒烯511及納米碳管512之間的連接作為一個(gè)或多個(gè)單鍵。結(jié)構(gòu)501中，連接501A由單一碳鍵520或形成于球狀碳富勒烯511的單一頂點(diǎn)(即碳原子)及納米碳管512的單一頂點(diǎn)之間的單一碳鍵的鏈所構(gòu)成。結(jié)構(gòu)502中，如所示，球狀碳富勒烯511經(jīng)定向以致包括于其中的碳鍵521實(shí)質(zhì)上平行定向并且接近對(duì)應(yīng)的納米碳管512的碳鍵522。在此類結(jié)構(gòu)中，連接502A由兩個(gè)碳鍵523、5M構(gòu)成，其如所示形成于碳鍵521和碳鍵522之間。結(jié)構(gòu)503中，球狀碳富勒烯511經(jīng)定向以至多邊形面實(shí)質(zhì)上定向?yàn)槠叫杏诓⑶医咏鼘?duì)應(yīng)的納米碳管512的多邊形面。 如所示，對(duì)應(yīng)的多邊形面的頂點(diǎn)對(duì)齊，而連接503A由形成于球狀碳富勒烯511及納米碳管 512的兩個(gè)平行多邊形面的頂點(diǎn)之間的三至六個(gè)碳鍵所構(gòu)成。繪示于圖5D及圖5E中的結(jié)構(gòu)504及505分別描繪球狀碳富勒烯511及納米碳管512之間的連接分別為納米管狀結(jié)構(gòu) 531,532ο為清晰起見(jiàn)，結(jié)構(gòu)501-505中的球狀碳富勒烯511被繪示為單壁的球狀碳富勒烯。 本領(lǐng)域技術(shù)人員可理解結(jié)構(gòu)501-505也同樣可應(yīng)用到多壁富勒烯結(jié)構(gòu)(即碳富勒烯洋蔥狀物)，其可包括于富勒烯混合材料102中。一實(shí)施例中，富勒烯混合材料102中的球狀碳富勒烯511及納米碳管512之間的連接可包括兩種或更多種結(jié)構(gòu)501-505的結(jié)合。圖6Α至圖6Ε繪示根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的混合富勒烯鏈610、620、630、640及650的不同結(jié)構(gòu)，其可組成富勒烯混合材料102。圖6Α至圖6Ε是部分基于已由發(fā)明人使用SEM及透射式電子顯微鏡(TEM)得到富勒烯混合材料102的影像。圖6Α概要地描繪混合富勒烯鏈 610，其為由單壁納米碳管612所連接的數(shù)個(gè)球狀碳富勒烯洋蔥狀物111的高深寬比結(jié)構(gòu)。 圖6Α至圖6Ε所描繪的在截面上為圓形，而在本領(lǐng)域中已知球狀碳富勒烯洋蔥狀物111不會(huì)是完美的球形。球狀碳富勒烯洋蔥狀物111在截面上也可為扁圓形、長(zhǎng)橢圓形(oblong)、 橢圓形(elliptical)等。此外，發(fā)明人通過(guò)TEM及SEM已觀察到此類球狀碳富勒烯洋蔥狀物111的非對(duì)稱和/或非球狀的形狀，如圖7及圖8所示。結(jié)合圖4如上所述，單壁納米碳管612實(shí)質(zhì)上類似單壁納米碳管112，且直徑為約1至lOnm。如所示，單壁納米碳管612在球狀碳富勒烯洋蔥狀物111之間形成相對(duì)低的深寬比連接，其中每個(gè)單壁納米碳管612的長(zhǎng)度613近似等于其直徑614。結(jié)合圖3A及圖;3B如上所述，球狀碳富勒烯洋蔥狀物111可各包括C6tl分子或其它納米顆粒，其形成各球狀碳富勒烯洋蔥狀物111及多層石墨平面的核心 615。圖6B概要地描繪混合富勒烯鏈620，其為由單壁納米碳管612所連接的球狀碳富勒烯洋蔥狀物111的高深寬比結(jié)構(gòu)，且也包括環(huán)繞一個(gè)或多個(gè)碳富勒烯洋蔥狀物111的單壁納米碳管外殼619。圖6C概要地描繪混合富勒烯鏈630，其為由多壁納米碳管616所連接的多個(gè)球狀碳富勒烯洋蔥狀物111的高深寬比結(jié)構(gòu)。如所示，多壁納米碳管616在球狀碳富勒烯洋蔥狀物111之間形成相對(duì)低的深寬比連接，其中每個(gè)多壁納米碳管616的長(zhǎng)度 617近似等于其直徑618。圖6D概要地描繪混合富勒烯鏈640，其為由多壁納米碳管616所連接的球狀碳富勒烯洋蔥狀物111的高深寬比結(jié)構(gòu)并且也包括環(huán)繞一個(gè)或多個(gè)碳富勒烯洋蔥狀物111的一個(gè)或多個(gè)多壁納米碳管外殼621。圖6E描繪多壁納米碳管650的截面視圖，其可形成包括在富勒烯混合材料102中的高深寬比結(jié)構(gòu)的部分。如圖所示，多壁納米碳管650包括一個(gè)或多個(gè)相互連接的球狀碳富勒烯洋蔥狀物111，并且通過(guò)多壁納米碳管616 連接至納米碳管650，其中球狀碳富勒烯洋蔥狀物111被包括在納米碳管650的內(nèi)徑內(nèi)側(cè)。圖7A為富勒烯混合材料102的SEM影像，其根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，顯示形成為高深寬比的混合富勒烯鏈的碳富勒烯洋蔥狀物111。在某些位置，可清楚地見(jiàn)到連接碳富勒烯洋蔥狀物111的納米碳管112。圖7B是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例通過(guò)納米碳管702連接至另一富勒烯洋蔥狀物703的多壁外殼701的TEM影像。本領(lǐng)域技術(shù)人員可理解，根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，混合富勒烯鏈610、620、630、640 及650能致使富勒烯混合材料102形成于導(dǎo)電基材上。首先，此類混合富勒烯鏈具有相當(dāng)高的表面積。此外，由于形成它們的納米級(jí)自組裝工藝，形成富勒烯混合材料102的混合富勒烯鏈也擁有高張力強(qiáng)度、導(dǎo)電性、抗熱性以及化學(xué)不活潑性質(zhì)。進(jìn)一步而言，形成此類結(jié)構(gòu)的方法良好地適于形成高表面積電極，因?yàn)樾纬筛焕障┗旌喜牧?02的混合富勒烯鏈在形成時(shí)以機(jī)械式且電性耦接至導(dǎo)電材料，而非以單個(gè)工藝形成而后沉積到導(dǎo)電材料上。參考圖1，金屬層103沉積在富勒烯混合材料102的表面上。為了最大化高表面積電極100的導(dǎo)電表面積，共形地沉積金屬層103，如圖1所示。為了更進(jìn)一步增強(qiáng)導(dǎo)電表面106的表面積，在一實(shí)施例中，金屬層103的厚度108可限制在不超過(guò)約lOOnm，以致存在于富勒烯混合材料102的三維結(jié)構(gòu)之間的縫隙不會(huì)完全由金屬層103所填充。另一實(shí)施例中，金屬層103的厚度108可高達(dá)一微米。金屬層103可含有任何金屬、導(dǎo)電材料，其可當(dāng)作能量?jī)?chǔ)存裝置中的電極。此類導(dǎo)電材料除其它材料之外還包括銅(Cu)、鎢(W)、鈀(Pd)、鉬 (Pt)。舉例而言，鈀和鉬特別可用于燃料電池所用的電極結(jié)構(gòu)，而銅、鎢、鋁(Al)、釕(Ru)及鎳(Ni)可更適于在電池和/或超級(jí)電容中使用。當(dāng)高表面積電極100用作由沉積薄膜層所形成的鋰離子電池的高表面積陽(yáng)極結(jié)構(gòu)時(shí)，金屬層103包括活性陽(yáng)極材料，如金屬合金、 其氧化物及其碳復(fù)合物。除了提供含高表面積的導(dǎo)電表面106外，金屬層103可與導(dǎo)電表面101的表面105 有良好的電性接觸。因此，在導(dǎo)電表面106及表面105之間有一低電阻的電路徑，且導(dǎo)電表面作為高表面積電極100的頂表面。以此方法，高表面積電極100具有比含常規(guī)平坦表面 (如表面10 的電極高許多的表面積。一實(shí)施例中，高表面積電極100可具有一表面積，其比含常規(guī)平坦表面的電極大一個(gè)或多個(gè)量級(jí)，因而大幅減少包括有高表面積電極100的能量?jī)?chǔ)存裝置的內(nèi)電阻。一實(shí)施例中，高表面積電極100可具有一表面積，其比含常規(guī)平坦表面的電極大100至1000倍?？梢栽S多方法在組成富勒烯混合材料102的結(jié)構(gòu)上形成金屬層103。因?yàn)楣残纬练e可改善導(dǎo)電表面106的表面積，因此CVD是用于沉積金屬層103的較佳技術(shù)。低真空(即接近大氣壓)與高真空CVD工藝二者皆可使用。大氣壓和接近大氣壓CVD工藝容許沉積在較大表面積的基材、更高產(chǎn)量及較低成本的處理設(shè)備。原位工藝容許使用連續(xù)性沉積工藝形成富勒烯混合材料102、金屬層103及導(dǎo)電層121而不使基材暴露至大氣。更高真空的工藝可提供所沉積層的較少潛在污染，因此提供沉積層之間較佳的黏附。另一實(shí)施例中，不使用CVD工藝積金屬層103。替代地，使用PVD或熱蒸鍍工藝形成金屬層103。尚在另一實(shí)施例中，可在富勒烯混合材料102上沉積導(dǎo)電晶種層，而隨后可由電化學(xué)鍍覆工藝形成金屬層103。導(dǎo)電晶種層可使用PVD、CVD、ALD、熱蒸鍍或無(wú)電鍍覆工藝沉積。此類方法在本領(lǐng)域中是已知的而不在此描述?？偨Y(jié)而言，高表面積電及100的導(dǎo)電表面106相較于常規(guī)電極具有非常高的表面積。因此，高表面積電極100當(dāng)并入能量?jī)?chǔ)存裝置時(shí)，可減少該些裝置(如電池、超級(jí)電容或燃料電池)的內(nèi)電阻。這一點(diǎn)尤為真實(shí)，因?yàn)殡姌O與電解質(zhì)之間的界面在操作期間可為電阻的重要來(lái)源，且增大此類界面的面積可減少由此產(chǎn)生的電阻。圖8是概述根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例用于形成高表面積電極100的方法800的工藝流程圖。步驟801中，在非導(dǎo)電基材120的表面上形成導(dǎo)電層121。導(dǎo)電層121可使用一種或多種本領(lǐng)域已知的金屬薄膜沉積技術(shù)形成，包括PVD、CVD、ALD及熱蒸鍍，等等?；蛘?，在步驟801中提供導(dǎo)電基材，如金屬箔或金屬板。
步驟802中，在導(dǎo)電基材上形成富勒烯混合材料102。不像用于形成富勒烯的現(xiàn)有技術(shù)方法，步驟802使用無(wú)催化的納米顆粒(如鐵(Fe)或納米鉆石顆粒)以形成富勒烯混合材料102。相反地，使用類似CVD的工藝在導(dǎo)電基材101的表面105上形成富勒烯混合材料102，該工藝容許碳?xì)淝膀?qū)物氣體的碳原子在表面105上經(jīng)歷連續(xù)的納米級(jí)自組裝工藝。首先，高分子量的碳?xì)淝膀?qū)物(可為液態(tài)或固態(tài)前驅(qū)物)氣化以形成前驅(qū)物氣體。 可使用具有18個(gè)或更多個(gè)碳原子的碳?xì)淝膀?qū)物，如C2(iH4(i、C2(iH42、C22H44等。視所使用的特定碳?xì)淝膀?qū)物的性質(zhì)而定，將該前驅(qū)物加熱至300°C與1400°C之間。本領(lǐng)域技術(shù)人員可輕易地確定可加熱碳?xì)淝膀?qū)物以形成用于此工藝的蒸氣的適當(dāng)溫度。接著，將碳?xì)淝膀?qū)物蒸氣導(dǎo)引至導(dǎo)電基材的表面上，其中導(dǎo)電基材的溫度維持在相對(duì)冷的溫度，即不大于約220°C。此工藝步驟期間，導(dǎo)電表面所維持的溫度可作為基材種類的函數(shù)而變化。舉例而言，一實(shí)施例中，基材包括不耐溫度的聚合物，且可在步驟802期間維持在100°C與300°C之間的溫度。另一實(shí)施例中，基材是銅基材(如銅箔)，且可在步驟802期間維持在300°C與1000°C之間的溫度。尚一實(shí)施例中，基材由較耐熱的材料(如不銹鋼)所構(gòu)成，且在步驟802期間維持于高達(dá)約1000°C的溫度?；目稍诔练e工藝期間通過(guò)背側(cè)氣體和/或機(jī)械式冷卻基材支撐件而主動(dòng)冷卻?；蛘?，基材的熱慣量可適于在沉積工藝期間使基材的導(dǎo)電表面維持于適當(dāng)溫度。諸如氬(Ar)或氮(N2)的載氣可用于更好地將碳?xì)淝膀?qū)物氣體傳遞至導(dǎo)電基材的表面。對(duì)改善氣流的均勻性而言，可通過(guò)噴淋頭將碳?xì)淝膀?qū)物蒸氣和載氣的混合物導(dǎo)引至基材的導(dǎo)電表面?；蛘撸赏ㄟ^(guò)一個(gè)或多個(gè)氣體注入噴口將碳?xì)淝膀?qū)物蒸氣和/或載氣導(dǎo)進(jìn)工藝腔室，其中每一噴口經(jīng)設(shè)置以導(dǎo)入多氣體的組合或單一氣體，例如載氣、碳?xì)淝膀?qū)物蒸氣等。最后，在導(dǎo)電基材的表面上形成富勒烯混合材料。在所述條件下，發(fā)明人確定在碳?xì)淝膀?qū)物蒸氣中所包括的碳納米顆粒會(huì)在冷表面上“自組裝”成為富勒烯混合材料102，即由納米碳管所連接的富勒烯洋蔥狀物組成的三維結(jié)構(gòu)的基質(zhì)。因此，無(wú)催化納米顆粒用于形成富勒烯混合材料102。此外，形成富勒烯混合材料102的含富勒烯的材料不由單個(gè)的納米顆粒及分子所構(gòu)成。相反，富勒烯混合材料102是由高深寬比、類似鏈的結(jié)構(gòu)所組成，如混合富勒烯鏈610、620、630及640，如圖6A至圖6D所示。此高深寬比、類似鏈的結(jié)構(gòu)機(jī)械式地接合至導(dǎo)電基材的表面，如圖1所示。因此，富勒烯混合材料102可接著并入高表面積電極的結(jié)構(gòu)中。自組裝工藝期間于不同時(shí)間點(diǎn)通過(guò)SEM的實(shí)驗(yàn)觀察顯示自組裝始于具有高深寬比的分散的單個(gè)納米碳鏈的形成。富勒烯洋蔥狀物直徑范圍在5至20nm內(nèi)而混合富勒烯鏈在長(zhǎng)度上可達(dá)20微米。相信此富勒烯鏈的成長(zhǎng)起始于銅晶格中的缺陷和/或銅晶粒邊界。當(dāng)自組裝進(jìn)行時(shí)，混合富勒烯鏈彼此之間變得相互連接以形成一高孔隙度的材料層，即圖1中的富勒烯混合材料102。相互連接的混合富勒烯鏈的自組裝工藝作為一自催化工藝持續(xù)。已觀察到1、10、20、30、40及50微米厚的納米碳材料層。應(yīng)注意到步驟802所述的工藝實(shí)質(zhì)上不同于本領(lǐng)域已知的在基材上沉積含納米碳管的結(jié)構(gòu)的工藝。此類工藝一般需要在一個(gè)工藝步驟中形成納米碳管或石墨烯薄片，在第二工藝步驟中形成含預(yù)形成的納米碳管或石墨烯薄片的漿料及黏結(jié)劑，在第三工藝步驟中將該漿料施加至基材表面，及在最終工藝步驟中退火漿料以在基材上形成碳分子的相互連接的基質(zhì)。在此所述的方法明顯更簡(jiǎn)單，可在單一處理腔室中完成并且依賴于連續(xù)的自組裝工藝而非退火步驟以在基材上形成高深寬比的碳結(jié)構(gòu)。相信自組裝工藝可形成較大化學(xué)穩(wěn)定性及較高導(dǎo)電度的碳結(jié)構(gòu)(相較于漿料系碳結(jié)構(gòu))，該二者為用于能量?jī)?chǔ)存裝置的部件中有用的性質(zhì)。再者，缺少高溫退火工藝容許使用各式各樣于其上形成碳結(jié)構(gòu)的基材， 包括非常薄的金屬箔以及聚合膜，等等?！に嚪独?，在導(dǎo)電層上形成實(shí)質(zhì)上類似于富勒烯混合材料102的富勒烯混合材料，該導(dǎo)電層形成于柔性非導(dǎo)電基材的表面上，其中該非導(dǎo)電基材為耐熱聚合物而導(dǎo)電層為形成其上的銅薄膜。含有高分子量碳?xì)浠衔锏那膀?qū)物被加熱至300至1400°C以產(chǎn)生碳?xì)淝膀?qū)物蒸氣。于最大溫度700至1400°C的氬(Ar)、氮(N2)、空氣、一氧化碳(CO)、甲烷 (CH4)和/或氫(H2)用作載氣以將碳?xì)淝膀?qū)物蒸氣傳遞至具有工藝容積大約10至50升的 CVD腔室。碳?xì)淝膀?qū)物蒸氣的流速大約為0. 2至&(^!11，載氣的流速大約為0. 2至&(^!11，并維持CVD腔室內(nèi)的工藝壓力為大約10_2至10_4Τοπ·。基材溫度維持在大約100°C至700°C， 而沉積時(shí)間在約1分鐘至60分鐘之間，視想要沉積的材料厚度而定。一實(shí)施例中，氧氣(O2) 或空氣也以0. 2至1. Osccm的流速在約10°C至約100°C之間的溫度導(dǎo)入CVD腔室的工藝容積中以產(chǎn)生類似燃燒的CVD工藝。反應(yīng)于約400°C至700°C發(fā)生在基材表面及氣體注入噴口或噴淋頭之間的反應(yīng)區(qū)域。以上工藝條件產(chǎn)生富勒烯混合材料，其實(shí)質(zhì)上類似在此所述的富勒烯混合材料102。較佳的用于執(zhí)行步驟802的CVD工藝包括氣溶膠輔助CVD (AACVD)以及直接液體注入CVD (DLICVD)，但可使用其它技術(shù)，包括低壓CVD (LPCVD)、次大氣壓CVD (SACVD)、大氣壓CVD(APCVD)以及放電增強(qiáng)CVD(DECVD)完成步驟802。步驟803中，使用薄膜沉積工藝將金屬層103沉積在富勒烯混合材料102上。一實(shí)施例中，使用常規(guī)CVD鎢(W)工藝在富勒烯混合材料102上沉積鎢的共形層，如圖1所示。此類CVD工藝在本領(lǐng)域中已知，且給予基材、工藝腔室及靶材膜厚度，本領(lǐng)域技術(shù)人員可輕易設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)墓に嚄l件以在富勒烯混合材料102上形成金屬層103，工藝條件即腔室壓力、工藝氣體流速及溫度等。發(fā)明人已經(jīng)確定富勒烯混合材料102的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性在CVD 鎢沉積工藝后維持不變，使此類工藝適合用于形成金屬層103。LPCVD, SACVD, APCVD以及等離子體增強(qiáng)CVD (PECVD)工藝可用于步驟803。也應(yīng)考慮到，沉積其它金屬以形成金屬層 103，包括鈀(Pd)及鉬(Pt)?；蛘?，可使用PVD、熱蒸鍍、電化學(xué)鍍覆及無(wú)電鍍覆工藝在富勒烯混合材料102上形成金屬層103?？沙练e以形成金屬層103的材料包括銅(Cu)、鈷(Co)、 鎳(Ni)、鋁(Al)、鋅(Si)、鎂(Mg)、鎢(W)、其合金、其氧化物和/或其含鋰化合物。其它可形成金屬層103的材料包括錫(Sn)、錫鈷(SnCo)、錫銅(Sn-Cu)、錫鈷鈦(Sn-Co-Ti)、錫銅鈦(Sn-Cu-Ti)、及其氧化物。步驟804中，可視情況任選地在導(dǎo)電表面106上沉積電解質(zhì)。此方法中，可以一系列原位沉積步驟形成用于電池或超級(jí)電容的完整的電極結(jié)構(gòu)。用于在金屬層103的導(dǎo)電表面106上沉積電解質(zhì)的技術(shù)包括PVD、CVD、濕沉積以及溶-凝膠沉積。電解質(zhì)可由鋰磷氮氧化物(LiPON)、鋰氧磷(LiOP)、鋰磷(LiP)、鋰聚合物電解質(zhì)、雙草酸硼酸鋰(LiBOB)、六氟磷酸鋰(LiPF6)結(jié)合碳酸乙烯酯(C3H4O3)以及碳酸二甲酯(dimethylene carbonate,C3H6O3) 所形成。另一實(shí)施例中，可沉積離子液體以形成電解質(zhì)。 一實(shí)施例中，原位執(zhí)行步驟802及803 (即，形成富勒烯混合材料102以及沉積金屬層103)。此實(shí)施例中，在諸如APCVD或SACVD腔室的低真空環(huán)境執(zhí)行富勒烯混合材料102的形成，而在諸如SACVD或LPCVD腔室的稍微更高的真空環(huán)境中執(zhí)行金屬層103的沉積?；蛘撸稍趩我磺皇抑袌?zhí)行兩工藝，而簡(jiǎn)單地在金屬沉積工藝所需求的較低腔室壓力下執(zhí)行步驟803的金屬沉積步驟。圖9是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，使用前述方法800共形地沉積于富勒烯混合材料102 上的金屬層103的SEM影像。可清楚見(jiàn)到金屬層103的三維表面。一實(shí)施例中，實(shí)質(zhì)上類似圖1中高表面積電極100的高表面積電極并入能量?jī)?chǔ)存裝置中，如鋰離子電池或超級(jí)電容。圖10是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的電性連接至負(fù)載1001的鋰離子電池1000的概要圖。鋰離子電池1000的主要功能部件包括陽(yáng)極結(jié)構(gòu)1002、陰極結(jié)構(gòu)1003、隔膜層1004以及電解質(zhì)(未圖示)?？墒褂枚喾N材料作為電解質(zhì)(如有機(jī)溶劑中的鋰鹽)且該些材料可包括于陽(yáng)極結(jié)構(gòu)1002、陰極結(jié)構(gòu)1003及隔膜層1004中。陽(yáng)極結(jié)構(gòu)1002及陰極結(jié)構(gòu)1003各充當(dāng)鋰離子電池1000的半芯，且一起形成鋰離子電池1000的完整的工作芯。陽(yáng)極結(jié)構(gòu)1002包括電極1011以及插層材料1010，其作為用于留持鋰離子的碳系插層母質(zhì)材料。類似地，陰極結(jié)構(gòu)1003包括電極1014以及用于留持鋰離子的插層母質(zhì)材料1012，如金屬氧化物。隔膜層1004為介電、多孔層，將陽(yáng)極結(jié)構(gòu) 1002電性隔離陰極結(jié)構(gòu)1003。電極1011和1014各可在結(jié)構(gòu)上實(shí)質(zhì)類似圖1中的高表面積電極100。本領(lǐng)域技術(shù)人員將了解到，相較于常規(guī)鋰離子電池，電極1011及1014顯著減少鋰離子電池1000的內(nèi)電阻。一實(shí)施例中，完整的鋰離子電池芯可由依序沉積的薄膜層形成，且可包括實(shí)質(zhì)上類似于圖1的高表面積電極100的高表面積陽(yáng)極結(jié)構(gòu)。圖IlA至圖IlD繪示根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的不同形成階段的鋰離子電池芯1100的部分概要截面視圖。圖IlA中，描繪在沉積組成鋰離子電池芯1100的其它層之前的陽(yáng)極結(jié)構(gòu)1101，且可如前所述的使用方法800形成陽(yáng)極結(jié)構(gòu)1101。陽(yáng)極結(jié)構(gòu)1101在結(jié)構(gòu)上實(shí)質(zhì)上類似圖1 中的高表面積電極100，并且包括導(dǎo)電基材、富勒烯混合材料以及活性陽(yáng)極材料的層，其為清楚圖標(biāo)起見(jiàn)而未示出。如前結(jié)合圖1所述，導(dǎo)電基材可為柔性基材，如金屬箔或其上沉積有導(dǎo)電層的聚合膜，并且包括用于鋰離子電池芯1100的陽(yáng)極的集流體。圖IlB中，如所示，已在陽(yáng)極結(jié)構(gòu)1101上共形地沉積有電解質(zhì)層1102。電解質(zhì)層 1102可使用在方法800的上述步驟804中的方法形成，并且該電解質(zhì)層1102為電性絕緣的鋰離子導(dǎo)體，如LiPON或其它含鋰的無(wú)機(jī)膜。一實(shí)施例中，LiPON通過(guò)磷酸鋰(Li3PO4)于氮?dú)庵械蛪簽R鍍沉積(即< IOmT)形成。共形沉積電解質(zhì)層1102確保表面1102A提供非常高表面積的界面用于鋰離子電池芯1100的后續(xù)沉積層，其減少鋰離子電池芯1100的內(nèi)電阻及充電/放電時(shí)間，并且改善鋰離子電池芯1100的鄰接層之間的黏附。電解質(zhì)層1102 電性上分別隔離鋰離子電池芯1100的陽(yáng)極與陰極(即，陽(yáng)極結(jié)構(gòu)1101及陰極結(jié)構(gòu)1103)， 而在充電及放電鋰離子電池芯1100期間提供在其間的離子導(dǎo)電性。圖IlC中，如所示，已在電解質(zhì)層1102上共形地沉積有陰極層1103。陰極層1103 包括活性陰極材料，如鋰金屬氧化物。適合用于陰極層中的活性陰極材料的例子包括鋰鈷氧化物(LiCoO2)、磷酸鋰鐵(LiFePO4)以及鋰錳氧化物(LiMn2O4)15共形沉積陰極層1103確保表面1103A提供非常高的表面積界面以供后續(xù)在其上沉積集流體層1104。陰極層1103 可使用PVD、熱蒸鍍或其它本領(lǐng)域中已知的方法形成。圖IlD中，如所示，已在電解質(zhì)層1102上共形地沉積有集流體層1104。集流體層1104包括金屬膜并且作為鋰離子電池芯1100的陰極的集流體。適合用于集流體層1104的金屬膜的范例包括鋁(Al)、銅(Cu)及鎳(Ni)，等等。一實(shí)施例中，沉積集流體層1104以致表面1104A實(shí)質(zhì)上為平坦的，因此該厚度可實(shí)質(zhì)上厚于組成鋰離子電池芯1100的其它層。 本領(lǐng)域中已知用于提供此類平坦表面的技術(shù)包括電化學(xué)鍍覆，而用于更耐溫度的基材的技術(shù)包括PVD回流及熱蒸鍍。鋰離子電池芯1100可經(jīng)封裝以將芯的陰極與陽(yáng)極電性隔離外部環(huán)境。一實(shí)施例中，電性接觸箔附接至集流體(例如沿鋰離子電池芯1100的一個(gè)或多個(gè)邊緣)，且隨后使用塑料、聚合或氧化鋁(Al2O3)積層膜將芯和接觸箔封裝在一起。另一實(shí)施例中，鋰離子電池芯1100首先封裝于積層膜內(nèi)，該積層膜包括將接觸墊曝露在集流體1101上的窗以及用于后續(xù)電性連接的集流體層1104的表面1104A?？偨Y(jié)而言，鋰離子電池芯1100為機(jī)能性的鋰離子電池芯，其通過(guò)依序沉積薄膜而形成于基材上。因?yàn)槊恳槐∧け砻婢哂蟹浅４植诘娜S結(jié)構(gòu)，故鋰離子電池芯1100可提供具有與芯重量和/或體積有關(guān)的高能量密度的能量?jī)?chǔ)存。此外，鋰離子電池芯1100的實(shí)質(zhì)上平坦的結(jié)構(gòu)容許較大量的此類芯堆棧在一起以形成小體積的完整電池。再者，因?yàn)殇囯x子電池芯1100可形成于柔性基材上，故可使用非常大表面積的基材，例如ImXlm的等級(jí)或更大。因?yàn)槿嵝曰目捎糜谛纬呻姵匦?100，故可使用卷對(duì)卷處理技術(shù)，避免更復(fù)雜的操作、更低的產(chǎn)量及與單一基材處理相關(guān)的更高的成本。圖12A繪示根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例由依序沉積的薄膜層形成的鋰離子電池芯1200 的部分概要截面視圖。鋰離子電池芯1200包括柔性基材1210、陽(yáng)極集流體1220、富勒烯混合材料1230以及多個(gè)依序沉積的薄膜層1240。柔性基材1210可實(shí)質(zhì)上類似圖1中的非導(dǎo)電基材120。陽(yáng)極集流體1220為沉積在柔性基材1210上的導(dǎo)電金屬薄膜，如銅(Cu)膜。 富勒烯混合材料1230形成于陽(yáng)極集流體1220上且可實(shí)質(zhì)上類似圖1中的富勒烯混合材料 102。富勒烯混合材料1230作為機(jī)械性穩(wěn)定、導(dǎo)電性、三維母質(zhì)材料，其可用于依序沉積的薄膜層1240的沉積。如所示，依序沉積的薄膜層1240沉積在富勒烯混合材料1230上以形成鋰離子電池芯1200。圖12B為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的依序沉積的薄膜層1240的一部分的概要截面視圖。 依序沉積的薄膜層1240包括一層陽(yáng)極材料1M1、一層電解質(zhì)/隔膜材料1M2、一層陰極材料1243以及一層陰極集流體材料1244。陽(yáng)極材料1241可由錫鈷鈦(SnCoTi)、錫銅鈦 (SnCuTi)、鋰鈦氧(LiTiO)、其氧化物或其碳酸鹽形成。電解質(zhì)/隔膜材料可為L(zhǎng)iPON或其變形物。陰極材料1243可為鋰金屬氧化物，如LiFePO、LiMnO或LiCoNiO。陰極集流體材料1244可為共形地沉積及導(dǎo)電性金屬膜，例如鋁。一實(shí)施例中，額外且相對(duì)厚的導(dǎo)電金屬層可形成在陰極材料1243上，因而減少鋰離子電池芯1200的內(nèi)電阻并且提供實(shí)質(zhì)上平坦的鋰離子電池芯1200的頂部表面。圖13是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例概括用于形成鋰離子電池芯1200的方法1300的工藝流程圖。在步驟1301中，提供柔性基材1210。在步驟1302中，使用電化學(xué)鍍覆、CVD或其它本領(lǐng)域中已知的技術(shù)將陽(yáng)極集流體1200沉積在柔性基材1210上。步驟1303中，在陽(yáng)極集流體1220上形成富勒烯混合材料1230，如前在方法800的步驟803中所述。步驟1304 中，使用任何前面于方法800的步驟803中所述的薄膜金屬沉積工藝將陽(yáng)極材料1241的層共形地沉積在富勒烯混合材料1230的三維表面上。步驟1305中，使用任何前面于方法800的步驟804中所述的薄膜金屬沉積工藝將電解質(zhì)/隔膜材料1242的層共形地沉積在陽(yáng)極材料1241的三維表面上。步驟1306中，使用任何前面于方法800的步驟803中所述的薄膜金屬沉積工藝將陰極材料1243的層共形地沉積在電解質(zhì)/隔膜材料1242的三維表面上。步驟1307中，使用任何前面于方法800的步驟803中所述的薄膜金屬沉積工藝將陰極集流體材料1244的層共形地沉積在陰極材料1243的三維表面上。在視情況任選的步驟 1308中，相對(duì)厚的金屬層可沉積在陰極集極材料1244的三維表面上以形成實(shí)質(zhì)上平坦的鋰離子電池芯1200的頂部表面并且以減少鋰離子電池芯1200的內(nèi)電阻。在步驟1309中， 接觸箔片可連接至陽(yáng)極集流體1220以及陰極集極(陰極集極材料1244或視情況任選的厚金屬層)。步驟1310中，鋰離子電池芯1200可使用含封裝膜箔(如AVAl2O3)的積層工藝封裝。 前述是導(dǎo)向本發(fā)明的實(shí)施例，可不背離本發(fā)明基本范疇而設(shè)計(jì)其它及進(jìn)一步的實(shí)施例，而本發(fā)明的范疇由所附權(quán)利要求所決定。
權(quán)利要求
1.一種電極結(jié)構(gòu)，包括 導(dǎo)電基材；富勒烯混合材料，形成于該導(dǎo)電基材的表面上；以及金屬層，共形地沉積在該富勒烯混合材料及至少一部分的該導(dǎo)電基材的該表面上。
2.權(quán)利要求1的電極結(jié)構(gòu)，其中該富勒烯混合材料由納米碳管所連接的碳富勒烯洋蔥狀物所組成，以形成具有三維表面的高表面積層。
3.權(quán)利要求2的電極結(jié)構(gòu)，其中該碳富勒烯洋蔥狀物包括Qo ^ C70 λ C72 Λ C84 或 C112 分子。
4.權(quán)利要求2的電極結(jié)構(gòu)，其中該富勒烯混合材料包括 高深寬比鏈的球狀碳富勒烯洋蔥狀物。
5.權(quán)利要求2的電極結(jié)構(gòu)，其中該富勒烯混合材料為由單壁或多壁納米碳管所連接的球狀碳富勒烯洋蔥狀物的一高深寬比結(jié)構(gòu)。
6.權(quán)利要求5的電極結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步包括環(huán)繞一個(gè)或多個(gè)球狀碳富勒烯洋蔥狀物的單壁納米碳管外殼。
7.權(quán)利要求1的電極結(jié)構(gòu)，其中該金屬層包括一材料，其選自以下構(gòu)成的群組銅(Cu)、鈷(Co)、鎳(Ni)、鋁(Al)、鋅(Si)、鎂(Mg)、 鎢(W)、其合金、其氧化物及其含鋰化合物；以及錫(Sn)、錫鈷(SnCo)、錫銅(SnCu)、錫鈷鈦 (Sn-Co-Ti)、錫銅鈦(Sn-Cu-Ti)及其氧化物。
8.權(quán)利要求1的電極結(jié)構(gòu)，其中該富勒烯混合材料包括 第一碳富勒烯洋蔥狀物；第二碳富勒烯洋蔥狀物，通過(guò)具有第一直徑的第一納米碳管連接至該第一碳富勒烯洋蔥狀物；以及第三碳富勒烯洋蔥狀物，通過(guò)具有第二直徑的第二納米碳管連接至該第一碳富勒烯洋蔥狀物；并且其中該第一和第二直徑小于該第一碳富勒烯洋蔥狀物的直徑的約一半。
9.一種具有電極結(jié)構(gòu)的鋰離子電池，包括 陽(yáng)極結(jié)構(gòu)，其包括導(dǎo)電基材；富勒烯混合材料，形成于該導(dǎo)電基材的表面上；以及活性陽(yáng)極材料層，共形地沉積在該富勒烯混合材料及至少一部分的該導(dǎo)電基材上； 電解質(zhì)-隔膜層，共形地沉積在該活性陽(yáng)極材料層上； 活性陰極材料層，共形地沉積在該電解質(zhì)-隔膜層上；以及金屬層，共形地沉積在該陰極材料層上。
10.權(quán)利要求9的鋰離子電池，其中該富勒烯混合材料由納米碳管所連接的碳富勒烯洋蔥狀物所組成，以形成具有三維表面的一高表面積層。
11.權(quán)利要求9的鋰離子電池，其中該活性陽(yáng)極材料層包括錫鈷鈦(Sn-Co-Ti)、錫銅鈦(Sn-Cu-Ti)、鋰鈦氧(LiTiO)、其氧化物、或其碳酸鹽。
12.權(quán)利要求9的鋰離子電池，其中該活性陰極材料層包括鋰金屬氧化物，如LiFePO、LiMnO、LiCoNiO、鋰鈷氧化物(LiCoO2)、磷酸鋰鐵(LiFePO4)、或鋰錳氧化物(LiMn2O4)。
13.一種鋰離子電池，其包括 導(dǎo)電基材；富勒烯混合材料，形成于該導(dǎo)電基材的表面上；第一金屬層，共形地沉積在該富勒烯混合材料上；陽(yáng)極材料層，共形地沉積在該金屬層上；電解質(zhì)-隔膜層，共形地沉積在該陽(yáng)極材料層上；活性陰極材料層，共形地沉積在該電解質(zhì)-隔膜層上；第二金屬層，共形地沉積在該活性陰極材料層上；厚金屬層，沉積在該共形金屬層上以形成實(shí)質(zhì)上平坦的表面；第一接觸箔片，連接至該厚金屬層；第二接觸箔片，連接至該導(dǎo)電基材；以及通過(guò)層壓施用的封裝嵌入膜箔。
14.一種形成電極結(jié)構(gòu)的方法，其包括以下步驟 氣化一高分子量的碳?xì)淝膀?qū)物；將該氣化的高分子量碳?xì)淝膀?qū)物導(dǎo)引至一導(dǎo)電基材上以在該導(dǎo)電基材上沉積富勒烯混合材料；以及使用薄膜金屬沉積工藝在該富勒烯混合材料上沉積薄金屬層，其中該薄金屬層與該導(dǎo)電基材的表面有良好電接觸，且其中該高分子量碳?xì)淝膀?qū)物包括具有至少18個(gè)碳(C)原子的分子。
15.權(quán)利要求14的方法，進(jìn)一步包括在該薄金屬層上沉積一電解質(zhì)，其中該電解質(zhì)由鋰磷氮氧化物(LiPON)、鋰氧磷 (LiOP)、鋰磷(LiP)、鋰聚合物電解質(zhì)、雙草酸硼酸鋰(LiBOB)、六氟磷酸鋰(LiPig結(jié)合碳酸乙烯酯(C3H4O3)、碳酸二甲酯(C3H6O3)、或離子液體所形成。
全文摘要
一種鋰離子電池芯，由沉積的薄膜層形成并且包括高表面積三維電池結(jié)構(gòu)。高表面積三維電池結(jié)構(gòu)包括沉積至導(dǎo)電基材的表面上的富勒烯混合材料以及沉積至富勒烯混合材料上的共形金屬層。富勒烯混合材料是由富勒烯“洋蔥狀物”的鏈所組成并以納米碳管連接以在導(dǎo)電基材上形成高表面積層并且具有“三維”表面。共形金屬層作為鋰離子電池中的活性陽(yáng)極材料且也具有高表面積，因而形成高表面積陽(yáng)極。鋰離子電池芯也包含離子電解質(zhì)-隔膜層、活性陰極材料層以及用于陰極的金屬集流體，各沉積為共形薄膜。
文檔編號(hào)H01M4/38GK102246336SQ200980149929
公開(kāi)日2011年11月16日 申請(qǐng)日期2009年12月9日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月12日
發(fā)明者克里斯多佛·S·拉齊克, 瑟奇·洛帕汀, 羅伯特·Z·巴克拉克 申請(qǐng)人:應(yīng)用材料股份有限公司