[发明专利]纳米结构柔性电极和使用该柔性电极的能量存储器

说明书

联合研究协议公开

要求保护的本发明是在芬兰诺基亚公司与英国剑桥大学之间的联合研究协议之下创造的。联合研究协议在要求保护的本发明的创造日之前生效，并且要求保护的本发明的创造是在联合研究协议的范围内进行的活动的结果。

技术领域

本公开内容涉及能量存储单元。这样的能量存储单元可以在便携电子设备、光伏系统等中使用。具体而言，本公开内容涉及具有作为功能部件的纳米结构材料的能量存储单元。

背景技术

对便携电子设备的与日俱增的需求激发对这些设备中所用的能量转换和存储单元的技术改进。在开发能量转换和存储单元(其例子包括电池、电容器和混合电池-电容器)时，重量轻的构造、长寿命、高能量密度、高功率密度以及满足各种设计和功率消耗需要的灵活性是要考虑的重要因素。在诸如相机闪光灯、硬盘驱动器、高分辨率显示器等功率要求高的应用中提供快速电流突发时需要高功率密度。也称为超级电容器的电化学双层电容器(EDLC)对于那些能量需求高的电子设备而言是非常有吸引力的电源。超级电容器一般重量轻、具有高功率密度和长耐久性。由于常规电池如果尺寸不变得太大就不能提供高功率密度应用所需要的功率高峰，所以在电子设备中具有与电池共同工作的超级电容器将是理想的解决方案。超级电容器-电池组合可以提供设备需要的功率提升同时保持电池尺度小并且延长电池寿命。

普遍使用各种形式的碳来制备电容器电极。碳具有相对高的电导率、轻的重量以及在酸和碱条件下的高化学稳定性，从而使它成为用于存储电荷的理想候选。在超级电容器中，电极的表面积至关重要。普遍使用表面积大的多孔碳结构、诸如活化碳。近来为了进一步增大表面积而使用各种形式的纳米结构的碳。

将来的便携设备概念设想柔性和/或透明的设备。一个知名的例子是诺基亚公司开发的所谓“Morph”概念。在这一概念中，设想便携电子设备为柔性和透明，从而它们与人们的生活方式更无缝地融合。透明和柔性电子设备提供全新的审美维度。另外可以内置对设备充电的太阳能吸收能力而电池变得更小、持续更久并且充电更快。Morph概念中所示集成电子器件可以成本更少并且在小得多的空间中包括更多功能，甚至同时接口被简化并且可用性被增强。所有这些新能力将开辟将允许人们以前所未有的方式通信和交互的新应用和服务。

这样的柔性设备的一个必不可少但又未探索的部分是透明功率存储单元。这样的功率存储单元应当满足便携电子设备的功率要求和设计要求两者。用简易和低成本的过程制成柔性和透明功率存储单元也很重要。

发明内容

在本发明的第一方面中提供一种器件。该器件包括第一导电片、与第一导电片平行的第二导电片和放置于第一导电片与第二导电片之间的物质片。第一导电片和第二导电片中的至少一个导电片包括膜。膜由碳纳米粒子组成。碳纳米粒子被布置成与物质片相邻。物质片包括吸入离子溶液的多孔绝缘膜片。第一导电片、第二导电片和物质片至少部分透明。

在上述器件中，第一导电片、物质片和第二导电片形成多层堆叠。该器件还可以包括分别设置于多层堆叠的外表面上的第一绝缘片和第二绝缘片。

该器件可以是电能存储单元。第一和第二导电片可以被布置成可与外部电能源或者电能耗的相应端子连接。

在上述器件中，膜可以设置于透明衬底上。透明衬底可以是柔性透明衬底。柔性透明衬底可以由聚对苯二甲酸乙二酯或者聚酰亚胺制成。

可以通过包括以下的过程来制备膜：经过过滤器过滤碳纳米粒子的悬浮液以在过滤器的表面上形成碳纳米粒子层，在升高的温度在碳纳米粒子层上设置衬底，并且溶解过滤器。

在该器件中，碳纳米粒子可以包括高纵横比碳纳米粒子。高纵横比碳纳米粒子可以包括碳纳米管、碳纳米纤维或者碳纳米管和碳纳米纤维的混合物。碳纳米管可以包括单壁碳纳米管。

可替代地，在该器件中，碳纳米粒子可以包括高纵横比碳纳米粒子和低纵横比碳纳米粒子。高纵横比碳纳米粒子可以包括碳纳米管、碳纳米纤维或者碳纳米管和碳纳米纤维的混合物；低纵横比碳纳米粒子可以包括碳纳米角、碳纳米洋葱或者碳纳米角和纳米洋葱的混合物。

可替代地，可以通过包括以下的过程来制备膜：经过过滤器过滤高纵横比碳纳米粒子的悬浮液以在过滤器的表面上形成高纵横比碳纳米粒子层，在升高的温度在高纵横比碳纳米粒子层上设置衬底，溶解过滤器，并且在高纵横比碳纳米粒子层上设置低纵横比碳纳米粒子。