[发明专利]碳基纳米结构的层-层组装及其在储能和产能装置中的应用

说明书

相关申请

本申请要求Shao-Horn等人于2008年8月15日提交的标题为“Layer-By-Layer Assemblies of Carbon-Based Nanostructures and their Applications in Energy Storage and Generation Devices”的美国临时专利申请系列号61/089,406的权益，其全部内容以引用的方式并入本文。

技术领域

本发明一般性地涉及碳基纳米结构，更具体而言，涉及与碳基纳米结构的层-层(layer-by-layer)组装和/或官能化相关的方法和装置。

背景技术

由于传统能源和储存方法的持久性已成为问题，所以最近的研究集中于研发新型能量转化和储存装置。碳基纳米结构(例如石墨、碳纳米管和富勒烯)由于其独特的机械和电子性质而在该领域中受到关注。例如，碳纳米管可以表现出高电子迁移率，使其可能用于制造不同能量转化装置(例如尤其是光电池、燃料电池、蓄电池和超级电容器)的电极。碳基纳米结构具有数种对于这类应用来说可能期望的物理性质，包括高电导率、优越的化学和机械稳定性以及大的表面积。然而，由于碳基纳米结构之间强的范德华相互作用，碳基纳米结构从溶液中的沉淀可能难以控制且经常导致表现不佳的结构的形成。

因此，需要改善的方法。

发明内容

本发明一般性地涉及用于碳基纳米结构的层-层组装和/或官能化的组合物(composition)和方法。在一些情况下，本发明的主题涉及相关产品，特定问题的替代解决方案，和/或一种或多种系统和/或制品的多个不同用途。

在一个方面，本发明涉及一种方法。在一组实施方案中，所述方法包括提供包含碳基纳米结构的第一流体，所述第一流体中的所述碳基纳米结构包含带正电的官能团；提供包含碳基纳米结构的第二流体，所述第二流体中的所述碳基纳米结构包含带负电的官能团；将基底表面的第一部分暴露于第一流体，并贴近基底表面的第一部分沉积第一组碳基纳米结构；以及单独地将与基底表面的第一部分可相同或不同的基底表面的第二部分暴露于第二流体，并贴近基底表面的第二部分沉积第二组碳基纳米结构。

在一组实施方案中，所述方法包括使用包括电极的装置，该电极含有碳基纳米结构，以在电极上达到至少约300法拉/立方厘米电极的电容。在一组实施方案中，所述方法包括使用包括电极的装置，该电极含有碳基纳米结构，以在电极上达到至少约400瓦时/升电极的能量密度。在一组实施方案中，所述方法包括使用包括电极的装置，该电极含有碳基纳米结构，以在电极上达到至少约400法拉/克电极的电容。在一组实施方案中，所述方法包括使用包括电极的装置，该电极含有碳基纳米结构，以在电极上达到至少约500瓦时/千克电极的比能。

在一个方面，本发明涉及一种组合物。在一组实施方案中，所述组合物包括具有至少约10纳米厚度的电极，所述电极含有碳基纳米结构且限定该组合物体积，每个碳基纳米结构限定纳米结构体积，其中所述纳米结构的总体积限定至少约60％的所述组合物体积。

在一个方面，本发明涉及一种装置。在一组实施方案中，所述装置包括含有碳基纳米结构的电极，能够在电极上达到至少约300法拉/立方厘米电极的电容。在一组实施方案中，所述装置包括含有碳基纳米结构的电极，能够在电极上达到至少约400瓦时/升电极的能量密度。在一组实施方案中，所述装置包括含有碳基纳米结构的电极，能够在电极上达到至少约400法拉/克电极的电容。在一组实施方案中，所述装置包括含有碳基纳米结构的电极，能够在电极上达到至少约500瓦时/千克电极的比能。在一组实施方案中，所述装置包括电极，能够在充电步骤过程中将输入装置的能量的至少约60％转化为储存在所述装置中的能量，进行所述充电步骤从而在1秒之内使所述装置充电到至少50％的容量。在一组实施方案中，所述装置包括电极，能够在放电步骤过程中将充电步骤之后储存的能量的至少约60％转化为电，进行所述放电步骤从而在1秒之内使所述装置放出至少50％的容量。在一组实施方案中，所述装置包括电极，能够在充电步骤过程中将输入装置的能量的至少约60％转化为储存在所述装置中的能量，所述充电步骤以至少约1千瓦/千克电极的比率进行。在一组实施方案中，所述装置包括电极，能够在放电步骤过程中将充电步骤之后储存的能量的至少约60％转化为电，所述放电步骤以至少约1千瓦/千克电极的比率进行。