[发明专利]能量储存装置和与其相关的复合制品

说明书

技术领域

本发明一般涉及能量储存装置和与这种结构相关的方法以及复合制品，更具体地，涉及由聚合物基体和细长导电结构形成的复合制品。

背景技术

能量储存装置包括电化学电容器(例如，超级电容器)和电池。

包括超级电容器在内的电化学电容器是用于便携式系统和机动车应用的有前途的电源。常规的电容器通常具有微法或皮法数量级的电容。自20世纪90年代以来，已经开发了具有高得多的电容的超级电容器。超级电容器还具有高的功率密度，其在电能储存装置的应用中可以是有利的。

电化学电容器的性能特性部分地由电极的结构和电化学性质确定。包括掺杂的导电聚合物、金属氧化物、金属氮化物和各种形式的碳在内的各种材料已经被研究用作电极材料。碳基超级电容器电极因其高表面积和多孔性质而具有吸引力。近来，碳纳米管已经被用作电化学双层电容器的电极(例如，见Frackowiak和Beguin的Electrochemical storage of energy incarbon nanotubes and nanostructured carbons；Carbon 40(2002)1775)。在美国专利No.7,061,749(Liu)中已经描述了使用单壁碳纳米管和聚合物复合材料的组合作为电极材料的超级电容器，其中在电极之间插入可渗透电解液的隔离器或隔离物。在这种电容器中，液体电解质和隔离器的使用可能导致限制。

常规的超级电容器电极的制造过程通常涉及诸如活性电极材料和粘合剂的物理混合和退火处理的各种步骤，退火处理对于减小电荷转移的阻抗而言是重要的。多孔的电绝缘隔离器可夹在两个电极之间。这类工艺可能复杂并具有其它缺点。

电池通常用作诸如便携式电子器件和电动或混合气电机动车系统的能量储存装置。对于电池用电极材料，尤其是用于锂电池的阴极材料，已经进行了大量的工作。锂电池的阳极包含用于在放电期间释放锂离子的活性材料。

也已经考虑将碳纳米管作为电极材料，包括作为锂电池用阴极材料。例如，与JP-A-5-175929对应的日本专利No.2,513,418公开了一种包含碳纳米管的阴极。通过放电获得的碳纳米管已经用作阴极电极。使用掺杂锂的过渡金属合金氧化物作为阴极材料和碳纳米管作为阳极材料的锂电池也已经有记载，如在美国专利No.7,060,390(Chen)中记载的。

在电池中使用碳纳米管作为电极材料的常规技术可涉及数个步骤，包括：将纳米管与导电粘合剂混合和实施退火处理，这增加了等效电阻并且实际上降低了电池的性能。

通常，需要提供克服常规装置及其形成方法的局限性(包括上述提及的那些)的能量储存装置(例如，电化学电容器和电池)。具体地，期望能量储存装置表现出稳定性、柔性、生物相容性、易包装性和由相对环境友好的材料制成。还期望这类能量储存装置的电极具有高的可利用表面积、高孔隙率和高电导率。还需要制造这种电极的简单、便宜和易于重复的方法。

发明内容

提供由聚合物基体和细长导电结构形成的复合制品以及与这类制品相关的能量储存装置和方法。

下面将说明本发明的各个方面。所给出的实施方案可以实施本发明的一个或多个方面。因此，尽管某些方面事实上可能是相互排斥的，但是也无意于将多个方面理解为相互排斥。

在一个方面中，本发明涉及一种能量储存装置，所述能量储存装置包括不导电的聚合物基体和包括嵌入所述聚合物基体中的第一细长导电结构的第一电极。所述能量储存装置还包括第二电极和包含离子物质的液体。所述液体包含于所述聚合物基体内。在一些实施方案中，该能量储存装置可以是电容器或电池。

在另一方面中，本发明涉及一种复合制品，所述复合制品包括不导电的聚合物基体和嵌入所述聚合物基体中的多个细长导电结构。所述复合制品还包括包含离子物质的液体，所述液体包含于所述聚合物基体内。所述复合制品可用于例如能量储存装置中。

在又一方面中，本发明涉及一种形成可用于能量储存装置的复合制品的方法。所述方法包括：形成细长导电结构组和利用聚合物和液体的溶液来浸润所述细长导电结构组。以使细长导电结构嵌入不导电的聚合物基体中的方式来形成复合制品。

当结合附图考虑时，通过本发明的以下详细说明，本发明的其它方面、实施方案和特征将变得明显。附图是示意性的，无意于按比例绘制。在附图中，在各个图中示出的每个相同或基本类似的组件均用单个附图标记表示。