[发明专利]用于电池电极的分支纳米结构

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求于2010年8月27日提交的待审美国临时专利申请61/377,729的优先权，该美国临时专利申请的公开内容通过引用的方式整体并入本文。

技术领域

本发明涉及包含分支纳米结构的电化学电极、以及生成所述电极的方法。

背景技术

很多电化学电池由于其效率高、排放低和寿命相对较长的特点，在未来的能量存储应用方面展现了很大的前景。这些电池可以用在（例如）电动车市场、便携式电子产品及其他家庭和商业应用中。锂离子（Li-ion）电池就是这些电化学电池中的一个例子。一般来讲，锂离子电池包含两个电极（阳极和阴极）、电解质和诸如集电器的导电材料。锂是电荷的载体。在充电过程中，电池通过将锂原子移动到阳极来存储能量。理想的电极每单位重量具有更大的能量容量（例如，更大的能量密度），因为它们可以在更小的重量和/或覆盖面上存储更多的能量。因此，更好的电池要求阳极中有更大的锂密度。

从历史上看，石墨已经被用作锂离子电池中的阳极，且其容量大约为372mAh/g。但是，研究表明，在这些电池中，硅理论上是锂离子的最优存储材料，其容量大于4000mAh/g。通常硅以薄膜的形式包含在锂离子电池的阳极中。充电过程中插入锂后，薄膜形式的硅会受到应力并脱离，因为在充电过程中刚性的硅薄膜扩大近乎400%。这将导致硅随着时间的推移发生降解，从而降低了能量存储和电池性能。

发明内容

诸如纳米线的分支柔性结构已经被发展来缓解锂离子插入的应力。这样的结构提供了两个方面的优势。首先，与具有相同覆盖面的薄膜或非分支的纳米结构的表面面积相比，分支纳米结构的表面面积大大增加。第二，相对于薄膜，这些纳米结构的柔韧性容许在不破坏阳极的情况下存储锂离子（或某种其它的电荷）；也就是说，柔性纳米结构由于其弯曲能力而缓解了与应力相关的问题。这样可以得到（例如）锂插入以及硅扩张所需的扩展面积。

使用本发明的分支纳米结构会得到更小、更持久、效率更高的电池。芯部是电阻性半导体材料而壳体是低阻的集电材料，也就是说，电流传导发生在壳体，而不是芯部。然后在该纳米结构上涂上电活性或导电涂层，用作电容性材料。该纳米结构的独特性在于：每个分支都连接至主干结构，以及每个主干都与衬底有良好的电连接和机械连接。本发明的纳米结构的分支特性容许更高的阳极密度，因此对于相同的充电容量需要更少的面积。

将催化剂微粒结合到正在生长的纳米结构中，这改变了纳米结构的外部壳体的电特性和/或化学特性。作为示例，可以通过改变生长参数来加厚硅化物区域，从而调节硅化镍纳米结构的导电特性。同样可以通过使用另外的表面涂层来改变纳米结构的特性。作为示例，硅化镍纳米结构的表面涂上TiO₂对于燃料电池非常有用，因为TiO₂可以作为很好的催化剂载体。

本发明的一个实施例提供了一种首先形成结构主干的形成分支金属硅化物纳米结构的方法。主干是这样形成的：提供可以在上面生长主干的衬底，将非难熔性的过渡金属或过渡金属合金催化剂沉积在衬底上；液化催化剂；将已液化的催化剂暴露在硅烷气体中。需要至少一些气体与至少一些液体反应，以形成固体初级结构（主干）。接着形成该结构的分支。该情况下，将非难熔性的过渡金属或过渡金属合金催化剂沉积在纳米结构主干的外表面上，然后将催化剂液化并暴露在硅烷气体中。再一次，至少一些气体与至少一些液体反应，使得形成附着至主干（固体初级结构）的分支（固体二级结构）。

本发明的一个实施例提供了一种首先形成结构主干的形成分支硅化镍纳米结构的方法。主干是这样形成的：提供可以在上面生长主干的衬底，将镍沉积在衬底上；液化镍；以及将该液体暴露在硅烷气体中。需要至少一些气体与至少一些液体反应，以形成固体初级结构（主干）。接着形成该结构的分支。该情况下，将镍沉积在纳米结构主干的外表面上，然后将镍液化并暴露在硅烷气体中。再一次，至少一些气体与至少一些液体反应，使得形成附着至主干（固体初级结构）的分支（固体二级结构）。