[发明专利]用于形成电化学电池或电容器的立体纳米结构电极的设备及方法

说明书

发明背景

发明领域

本发明的实施例大体上是关于形成电化学电池或电容器的设备和方法。特别地，本发明的实施例是关于形成具立体(3D)纳米结构电极的电化学电池或电容器的设备和方法。

相关技术的描述

电能一般以两种根本上不同的方式储存：(1)以电势能间接储存于电池中而作为需氧化及还原活性物种的化学能、或(2)直接利用形成于电容器极板上的静电电荷。一般来说，普通的电容器因其尺寸而储存少量电荷，以致仅储存少量电能。储存于传统电容器的能量通常为非法拉第(non-Faradic)，意指电极界面各处未发生电子转移，且电荷储存和能量是静电型态。

为尽力形成有效的电能储存装置以储存足够电荷而做为用于可携式电子设备和电动车的宽光谱的个别功率源或补充功率源，已制造被称为电化学电容器的装置。电化学电容器为能量储存装置，其结合电池的一些高能储存潜力和电容器的高能迁移率与高放电能力方面。

本领域有时把“电化学电容器”称为超级电容器(super-capacitor)、电双层电容器或超高电容量电容器(ultra-capacitor)。电化学电容器的能量密度比传统电容器高数百倍且功率密度比电池高数千倍。应注意储存于电化学电容器的能量可同时为法拉第或非法拉第。

在法拉第电化学电容器与非法拉第电化学电容器中，电容与电极和电极材料的特性息息相关。理想地，电极材料应具导电性且有大表面积。通常，电极材料由多孔结构组成，以形成大表面积而用于生成静电荷储存器的电双层而提供非法拉第电容或用于可逆化学氧化还原反应位置来提供法拉第电容。

电化学电池为将化学能转换成电能的装置。电化学电池一般由电池组组成，该电池组经连接而当作直流源。

一般来说，电池由两种不同物质(正电极与负电极)和第三物质(电解质)组成。正、负电极传导电力。电解质在电极上产生化学作用。二电极由外部电路连接，例如铜线。

电解质当作离子导体，用以在电极之间传输电子。电压或电动势取决于所采用物质的化学属性，但不受电极尺寸或电解质用量影响。

电化学电池分为干电池或湿电池。在干电池中，电解质被多孔媒介吸收、或被限制流动。在湿电池中，电解质为液体形式且可自由流动及移动。电池一般还可分成两种主要类型：可充电、不可充电或抛弃式。

抛弃式电池亦称为一次电池，其可使用到产生电流供应的化学变化完全反应为止，此时即丢弃电池。抛弃式电池最常用于只间歇使用或远离替代功率源或具低耗电量的小型可携式装置。

可充电电池亦称为二次电池，其在放电后可重复使用。此达成方式为施加外部电流，造成使用中的化学变化发生逆反应。供应适当电流的外部装置称为充电器或再充电器。

可充电电池有时称为储存电池。储存电池一般属于使用液态电解质的湿电池类型且可充电多次。储存电池由数个串联电池组成。每一电池含有一些被液态电解质隔开的交替正极板与负极板。电池的正极板相连构成正电极，负极板构成负电极。

在充电过程中，各电池依其放电操作而逆向操作。充电时，电流被迫以与放电时相反的方向通过电池，因而造成通常在放电期间发生的化学反应逆向进行。充电期间，电能转换成储存化学能。

储存电池的最大用途在于汽车，其中该储存电池用于启动内燃引擎。电池技术的改良已可产生以电池系统供应电动马达功率的车辆。

为使电化学电池或电容器变成更可行的产品，降低制造电化学电池或电容器的成本及改善形成的电化学电池或电容器装置的效率是很重要的。

因此，需要用于形成电化学电池或电容器的电极的方法和设备，该电极具备延长的使用寿命、改善的沉积膜性质和降低的生产成本。

发明概要

所述实施例大体上是关于电化学电池和电容器的电极结构，特别是有关制造可靠又划算的电化学电池和电容器的电极结构的设备和方法，该电极结构具备延长的使用寿命、较低的生产成本和改善的工艺性能。