包含三维杂原子掺杂碳纳米管宏观材料的电极

本申请要求2018年6月18日递交的临时申请第62/686,420号的优先权，其全文以引用方式并入本文。

技术领域

本公开涉及包含三维杂原子掺杂碳纳米管宏观材料的电极、以及包含该电极的电池和电容器。该三维材料可以附接到金属以形成负极，或附接到半导体以形成正极。这些材料是高度多孔的。孔中可以填充或部分填充各种金属(例如锂)以形成负极，或填充金属盐(例如硫化锂)以形成正极。

背景技术

由于油价的波动和全球对绿色能源的兴趣，环境法规和能源政策激增，以减少化石燃料的使用。在这些环境法规和能源政策下，环保型电动汽车和智能电网受到了广泛关注，这驱使了对改进的储能设备的兴趣。

“二次电池”是储能设备中的关键组件。“二次电池”配置为将电能转换为化学能储存起来，然后将存储的化学能转换为电能以供使用。这些电池包含各种组件，包括负极、正极、电池/电容器、模块/电池组/电池管理系统等。在当今的大多数电池中，负极和正极包括集流体，具有沉积在箔基底的顶部的活性材料。

这种电池的例子包括锂离子电池、锂离子聚合物电池、金属空气电池、氧化还原液流电池、钠硫电池、镁离子电池、钠离子电池、镍氢电池、NiCd电池等。根据应用目的，可以将该电池分为小型储能系统(例如移动技术)；中型储能系统(例如电动汽车和家用锂电池单元/模块)；以及大型储能系统(例如大型电池)。

锂离子电池具有较高的能量密度，因此已被用作手机、PC和数码相机的电源，并且其用途已扩展到混合动力汽车或电动汽车的电源，但是仍保留一些前提条件例如安全性和循环特性等。一个问题是锂离子电池会随着时间而退化，从而限制了其有效寿命。

活性炭已被用作碳质电极材料，但是有各种替代材料，例如石墨烯、碳纳米管、碳化物诱导的碳和模板碳。尤其是石墨烯具有优异的物理和电学性能，是引入注意的新材料。但是，为了显示其优异的性能，需要将石墨烯剥离至原子层厚度，并且这种机械剥离的产率较低。因此，目前最常用的是通过制备氧化石墨烯然后通过化学方法还原氧化石墨烯来获得还原的石墨烯的方法。然而，使用高温还原气体的还原方法不适合大规模生产，并且增加了单位生产成本。

具有比常规锂离子电池更高的能量密度和更长的寿命周期的电池将是有利的。本发明提供了这样的电池。

发明内容

在一个实施方式中，本发明涉及电极材料，其包括三维杂原子掺杂碳纳米管宏观材料。在该实施方式的一方面，所述三维杂原子掺杂碳纳米管宏观材料(特别是杂原子是硼的情况)可以如Daniel Hashim博士在美国专利申请第13/424,185号中描述的那样制备。

在该实施方式的一方面，所述电极是负极。在一些实施方式中，所述负极通过使用金属箔例如铜箔作为基底的化学气相沉积法制备，在其他实施方式中，其在制备之后其粘附至金属箔。在其他实施方式中，负极是多孔的，并且部分孔填充有金属，例如锂金属。在其他实施方式中，负极是多孔的，部分孔填充有金属，并且负极通过使用金属箔例如铜箔作为基底的化学气相沉积法制备，或者在制备后粘附至金属箔。

在该实施方式的另一方面，所述电极是正极。在一些实施方式中，所述正极通过使用金属箔例如铜箔作为基底的化学气相沉积法制备，在其他实施方式中，其在制备之后其粘附至金属箔。在其他实施方式中，正极是多孔的，并且部分孔填充有一种或多种金属离子，例如锂离子。在其他实施方式中，正极是多孔的，部分孔填充有一种或多种金属离子，并且正极通过使用金属箔例如铜箔作为基底的化学气相沉积法制备，或者在制备后粘附至金属箔。

如美国专利申请第13/424,185号所公开,包括含硼碳纳米管的三维碳纳米管结构(在本文中也称为CNT泡沫材料)可以通过使碳氢化合物、硼源和金属催化剂源反应进入化学气相沉积反应器，直接在碳纳米管的化学气相沉积合成过程中来制备，其中反应器中存在的金属原子与硼原子之比为2至20，例如4至6。

使用该比例的碳、硼和金属催化剂，可以形成高度多孔的三维网络的硼掺杂碳纳米管，其具有导电性，并提供出色的物理和化学性能。当部分填充有锂金属(负极)或锂盐(正极)时，电极在枝晶形成之前，具有比传统锂电池更长的使用寿命。此外，在一些实施方式中，电容量显著超过传统锂电池的电容量。

在某些实施方式中，使用CNT泡沫材料制成的电极可以大大提高电极的功率密度、以及通过将活性材料嵌入到泡沫结构中形成的最终电容器组件。具有与填充多孔泡沫结构的全部或部分空隙的对电极材料分离的亚微米级三维多孔导电泡沫结构作为负极的电容器可以显著提高最终储能设备的功率密度。

在其他实施方式中，本发明涉及一种电容器，其结合了三维导电多孔泡沫集流体，形成多孔负极，并使用固态或常规电解质以及膜基或可涂覆的隔离材料。类似于可充电电池，CNT泡沫或海绵的3D性质将电极、电解质和隔膜集成至最终包装中，该包装可以被合适地不透气密封以用于最终工业用途。

在一些实施方式中，本文所述的正极和/或负极用于储能装置，例如电池(例如可充电电池)。包括本文所述的负极和正极之一或两者的储能装置通常还典型地包括电解质和隔膜以及其他组件。电解质和隔膜可以由本领域技术人员从本领域已知的那些中适当地选择，并且可以没有特别限制地使用。

在一个实施方式中，储能装置是可充电电池，例如锂电池，并且包括电极组件(包括正极、面对正极的负极、介于负极和正极之间的隔膜、浸渍正极、负极和隔膜的电解液)、容纳电极组件的电池壳体和密封该电池壳体的密封构件。

参考下面的详细描述将更好地理解上述和其他实施方式。

附图说明

图1是示出电阻率仪的一个实施方式的图。

图2是电阻率仪。

图3是不锈钢负极的图。

图4是CNT泡沫负极的图。

图5是基线SS负极配置，C/10CC充电/放电的图表。

图6是具有3D CNT泡沫的电池的容量保持率的图表。

图7是3号电池的基线SS负极的图表。

图8是基线SS负极图的特写图。

图9是3D CNT泡沫负极的图表。

图10是3D CNT泡沫负极的特写图。

图11是Li损失对电池循环的影响的图表。

图12是3DNB_CNT_NMC_091917_SW_1.充电后，0.8倍放大。

图13是3DNB_CNT_NMC_091917_SW_1.充电后，10倍放大。

图14是DNB_SS_NMC_091917_SW_1.不锈钢负极.0.8倍放大，隔膜和不锈钢集流体上镀有锂。

图15显示在0.35mA(约0.15C)下的CNT泡沫脱锂能力的图，以电池容量(mAhr/g)相对于循环的形式示出。

图16是显示石墨锂化的图表，其以电池电势(V)对电池容量(mAhr/g)表示三个电压平稳段。

图17是显示第一CNT锂化的电流/电压图的图，以电池电势(V)对电池容量(mAhr/g)表示。

图18是示出dQ/dV对电池电位(V)的图。

图19是可充电电池的一个实施方式的图，示出了负极、正极、隔膜、罐和集管。

图20是在单个连续或连接的CNT泡沫基材中形成的完整负极/正极/隔膜电池单元的图，其中将负极材料、隔膜和正极材料注入3D泡沫材料中，并且每个组件层之间相分隔。该材料夹在两个薄膜层之间，集流体(+和-)显示在电池单元的正面。

具体实施方式

在该实施方式的一方面，所述电极是负极。在一些实施方式中，所述负极通过使用金属箔例如铜箔作为基底的化学气相沉积法制备，在其他实施方式中，其在制备之后其粘附至金属箔。在其他实施方式中，负极是多孔的，并且部分孔填充有金属，例如锂金属。在其他实施方式中，负极是多孔的，部分孔填充有金属，并且负极通过使用金属箔例如铜箔作为基底的化学气相沉积法制备，或者在制备后粘附至金属箔。

在该实施方式的另一方面，所述电极是正极。在一些实施方式中，所述正极通过使用金属箔例如铜箔作为基底的化学气相沉积法制备，在其他实施方式中，其在制备之后其粘附至金属箔。在其他实施方式中，正极是多孔的，并且部分孔填充有一种或多种金属离子，例如锂离子。在其他实施方式中，正极是多孔的，部分孔填充有一种或多种金属离子，并且正极通过使用金属箔例如铜箔作为基底的化学气相沉积法制备，或者在制备后粘附至金属箔。

在某些实施方式中，使用CNT泡沫材料制成的电极可以大大提高电极的功率密度、以及通过将活性材料嵌入到泡沫结构中形成的最终电容器组件。具有与填充多孔泡沫结构的全部或部分空隙的对电极材料分离的亚微米级三维多孔导电泡沫结构作为负极的电容器可以显著提高最终储能设备的功率密度。

在其他实施方式中，本发明涉及一种电容器，其结合了三维导电多孔泡沫集流体，形成多孔负极，并使用固态或常规电解质以及膜基或可涂覆的隔离材料。类似于可充电电池，CNT泡沫或海绵的3D性质将电极、电解质和隔膜集成至最终包装中，该包装可以被合适地不透气密封以用于最终工业用途。

在一些实施方式中，本文所述的正极和/或负极用于储能装置，例如电池(例如可充电电池)。包括本文所述的负极和正极之一或两者的储能装置通常还典型地包括电解质和隔膜以及其他组件。电解质和隔膜可以由本领域技术人员从本领域已知的那些中适当地选择，并且可以没有特别限制地使用。

在一个实施方式中，储能装置是可充电电池，例如锂电池，并且包括电极组件，该电极组件包括正极、面对正极的负极、介于负极和正极之间的隔膜、浸渍正极、负极和隔膜的电解液、容纳电极组件的电池壳体和密封该电池壳体的密封构件。

下面将参考附图详细地描述实施例，以使本领域技术人员可以容易地实现本公开。然而，应注意，本公开不限于实施例，而是可以以各种其他方式来体现。在附图中，为了简化说明，省略了与本描述无关的部分，并且在整个文档中，相同的附图标记表示相同的部分。

在整个文档中，用于表示一个元件与另一个元件的连接或耦合的术语“连接至”或“联结至”既包括元件“直接连接或联结至”另一元件的情况，也包括元件还通过其它元件“以电子方式连接至或联结至”另一元件的情况。

在整个文档中，用于指定一个元件相对于另一个元件的位置的术语“在...上”既包括一个元件与另一个元件相邻的情况，也包括在这两个元件之间存在任何其它元件的情况。

此外，在整个文档中，除非上下文另外指出，在文档中使用的术语“包括或包含”是指除了所描述的组件、步骤、操作和/或元素以外不排除一个或多个其他组件、步骤、操作和/或元素的存在或添加。在整个文档中，术语“约或大约”或“基本上”旨在具有以可允许的误差接近指定的数值或数值范围的含义，并且旨在防止为理解本公开而公开的准确或绝对的数值被任何不合理的第三方非法或不公平地使用。在整个文档中，术语“…的步骤(stepof)”并不意味着“用于…步骤(step for)”。

在整个文档中，包括在马库什类型描述中的术语“…的组合”是指从由以马库什类型描述的组件、步骤、操作和/或元素组成的组中选择的一个或多个组件、步骤、操作和/或元素的混合或组合，因此意味着本公开包括选自马库什(Markush)组的一个或多个组件、步骤、操作和/或元素。

在整个文档中，“A和/或B”形式的短语是指“A或B，或者A和B”.

可用于形成负极和/或正极的CNT泡沫材料

如美国专利申请第13/424,185号所公开,包括含硼碳纳米管的三维碳纳米管结构(在本文中也称为CNT泡沫材料)可以通过使碳氢化合物、硼源和金属催化剂源反应进入化学气相沉积反应器，直接在碳纳米管的化学气相沉积合成过程中来制备，其中反应器中存在的金属原子与硼原子之比为2至20，例如4至6。

使用该比例的碳、硼和金属催化剂，可以形成高度多孔的三维网络的硼掺杂碳纳米管，其具有导电性，并提供出色的物理和化学性能。当部分填充有锂金属(负极)或锂盐(正极)时，电极在枝晶形成之前，具有比传统锂电池更长的使用寿命。此外，在一些实施方式中，电容量显著超过传统锂电池的电容量。

使用本文描述的方法制备的CNT泡沫材料具有许多物理、机械和化学性质，这使得它们能够用作活性材料(无论是金属(负极)还是金属盐(正极))的支撑体。

孔径1至1000nm

CNT直径1至100nm

CNT含量25-100％，具有其它材料，例如铁、镍、碳

其它导电助剂可以用作辅助材料，包括炭黑和石墨。

粘结剂含量可降低至约1至约10％的范围。

甲苯和己烷是代表性的碳源，二茂铁是代表性的金属催化剂源，有机硼烷(例如三乙基硼烷、有机硼酸酯)及其组合是代表性的硼源，不过也可使用碳源、硼源和金属催化剂源的其他源。

在该实施方式的一方面，将碳氢化合物、硼源和金属催化剂源化合以在反应器内形成化学前体。

在一实施方式中，碳氢化合物占反应器中的碳氢化合物、金属催化剂源和硼源的约87wt％至约97wt％。在一实施方式中，金属催化剂源占反应器中的碳氢化合物、金属催化剂源和硼源的约2.5wt％至约12wt％。在一实施方式中，硼源占反应器中碳氢化合物、金属催化剂源和硼源的约0.1wt％至约2wt％。

三维碳纳米管泡沫(3DCNT或CNT泡沫)可在正极和负极两者中用作导电助剂。CNT泡沫可以像其他形式的碳纳米管(包括单壁和多壁碳纳米管)一样在锂离子电池中以任何容量使用。传统的单壁和多壁CNT可以掺入锂离子电池的正极和负极两者中，作为导电助剂、机械支撑体和表面能桥。

本文所述的发明的各个方面涉及在广泛的应用范围中使用CNT，包括作为三维阵列、泡沫结构，作为电极活性材料的活性部分以及作为负极和正极两者中的导电助剂。

与使用单壁和多壁纳米管相比，本文所述的三维泡沫材料的泡沫结构提供了许多优点。各个纳米管典型地以常规方式应用，即混合成负极和正极浆料。与使用这些材料相关的典型挑战包括难以获得有效的分散，各个纳米管束与团聚的团块CNT分离，以及来自纳米管生产中的各种杂质。

与传统CNT相比，使用本文公开的CNT泡沫的一个优点是使各个CNT元件之间的范德华力最小化，众所周知，该力会引起CNT的团聚和集束。这允许用于活性电池材料负载的亚微米级间隙，以及用于能量存储的可及表面积的最大化。利用三维CNT泡沫结构，可以避免传统上分散CNT所需的任何处理步骤。相反，可以将活性材料浸渍/渗透到泡沫中。

使用CNT的三维泡沫结构作为起始材料，活性材料变成添加剂，而常规CNT通常通过分散在浆料中而仅用作活性电池材料中的添加剂。相对于使用传统CNT，三维CNT泡沫结构改变了电池制造工序。

CNT泡沫材料的另一个显著优点是，它提供了用于开发完整电极的结构。用CNT泡沫制成的电极可以是柔性的，将成为导电集流体，并为嵌入的活性材料提供结构和支撑。这种增加的结构支撑提高了用这种新型泡沫基材生产的电池的长期可靠性和使用寿命。该结构还允许自由地为电极和电池创建不同的形状因数(form factor)，从而消除了与二维传统集流体相关的约束。

CNT泡沫是一种柔性但明确的结构，受外部化学和机械应力的影响最小，即它们保留了它们的间隙，但具有柔性。常规的CNT可根据能量输入和化学环境而分散或分离成单股或多股。相反，CNT泡沫保留了明确的结构，受物理处理(包括分散在锂离子电池的电极浆料中)的影响最小。换言之，CNT粉末材料将改善由添加剂制成的电极的电性能和粘结性，而CNT泡沫则为要生产的电极和电池提供全新的结构，其不仅提供结构支撑，而且还提供具有集成结构的高导电性CNT网络。所得的三维电极结构将不仅改善电极和电池的机械完整性，而且可以显著提高使用泡沫制成的电池的功率和能量密度性能。

要特别考虑的另一个方面是CNT泡沫材料的3D结构，即CNT可以掺杂各种杂原子(例如硼、氮、硫、磷等)，并且CNT上的这些杂原子掺杂位点可以显示出对离子更强的亲和力，以增强能量存储。

三维CNT泡沫材料的合成在美国专利申请第13/424,185号中公开，在此不再特别详细地描述。然而，以下是用于形成CNT泡沫材料的代表性方法。

一般的纳米管生产工艺涉及气相或气相-固相反应，优选化学气相沉积，其中使用碳氢化合物和硼源、以及金属催化剂，该金属催化剂可以是过渡金属化合物，并且在一个实施方式是含铁催化剂。反应条件可以变化，但是通常的条件是在700至800℃的范围内。为了提供三维结构而不是单个纳米管，如美国专利申请第13/424,185号中所公开的，在化学气相沉积反应期间，重要的是化学气相沉积反应器中的反应物，即一种或多种碳氢化合物、硼源和金属催化剂源保持特定的比例，以使反应器中存在的金属原子与硼原子的比例在2至20，例如在4至6。

使用该比例的碳氢化合物、硼和金属催化剂，可以形成高度多孔的三维网络硼掺杂碳纳米管，其能导电，并提供出色的物理和化学性能。

在一个实施方式中，反应器中存在的金属原子与硼原子之比为4至6。

代表性的硼源包括有机硼烷、有机硼酸酯及其组合。

在一个实施方式中，碳源包括甲苯或己烷，金属催化剂源包括二茂铁，和/或硼源包括三乙基硼烷。在另一个实施方式中，硼源是含硼气体源三氯化硼。

在一个实施方式中，将碳氢化合物、硼源和金属催化剂源合以在反应器内形成化学前体。

在一个实施方式中，碳氢化合物占反应器中碳氢化合物、金属催化剂源和硼源的约87wt％至约97wt％。在另一个实施方式中，金属催化剂源占反应器中碳氢化合物、金属催化剂源和硼源的约2.5wt％至约12wt％。在又一个第三实施方式中，硼源占反应器中碳氢化合物、金属催化剂源和硼源的约0.1wt％至约2wt％。可以使用这些优选量的任何组合。

在一些实施方式中，包括含硼碳纳米管的三维碳纳米管结构表现出弹性机械行为。

在一些实施方式中，包括含硼碳纳米管的三维碳纳米管结构表现出具有约400奥斯特的高矫顽场的磁性。

在一些实施方式中，包括含硼碳纳米管的三维碳纳米管结构是多孔固体。

在形成泡沫材料之后，该方法还包括焊接三维宏观碳纳米管结构的含硼碳纳米管的步骤。

当孔中部分填充有锂金属(负极)或锂盐(正极)时，在枝晶形成之前，电极比常规锂电池具有更长的使用寿命。

在一些实施方式中，电容量显著超过常规锂电池的电容量。

在一些实施方式中，使用CNT泡沫材料制成的电极可以大大提高电极的功率密度和将活性材料嵌入泡沫结构中形成的最终电容器组件。具有与填充多孔泡沫结构的全部或部分空隙的对电极材料分开的亚微米级三维多孔导电泡沫结构作为负极的电容器可以显著提高最终储能设备的功率密度。

原料可以显著不同，但是，都包括某种形式的碳，既可以是永久气体，例如乙烯、甲烷、乙烷，也可以是含碳的蒸气，即通常称为碳氢化合物。另外，在气流中包括氢气、氮气或稀有气体的惰性或形成气体成分。加热可以通过常规的炉装置进行，其中热能通过传导和辐射耦合到气相。通过改变温度、催化剂浓度、气体流速等的合成参数，可以调整CNT泡沫的密度、孔隙率和孔径。可以为理想性能特别调整这些条件，以掺入上述电池活性材料。此外，合成反应中可能会有其他化学物质，意在在反应中在CNT泡沫的生长过程中原位包括活性电池材料。反应中可包括任何上述电池组分，以成功地将电池活性材料并入CNT泡沫结构中。

这些方法可用于形成包括含硼碳纳米管的三维碳纳米管结构，其形成缠结的碳纳米管网络的海绵状宏观三维材料。在该实施方式的方面中，包括含硼碳纳米管的三维碳纳米管结构形成纳米管的宏观三维结构，其中该宏观结构在两个垂直方向上为至少1cm，或者在三个正交方向上为至少1cm。。

使用该方法形成的包括含硼碳纳米管的三维碳纳米管结构是多孔材料，在一些实施方式中，其堆积密度小于10mg/cm

在一些实施方式中，包括含硼碳纳米管的三维碳纳米管结构包含缠结的单个碳纳米管的各向同性集合体，其包括肘缺陷(elbow defect)或共价结合位点，并且在其它实施方式中，缠结的单个碳纳米管的各向同性集合体不包括肘缺陷或共价结合位点。

理想地，除了低密度和高孔隙率之外，包括含硼碳纳米管的三维碳纳米管结构还表现出弹性机械性能。

理想地，纳米管结构是高度多孔的。如美国专利申请第13/424,185号的图1D和5A-H所示，硼引起原子级的“肘”结，并形成具有高孔隙率的三维材料。在一些实施方式中，使用该申请中描述的方法，提供了孔径>50nm的大孔材料。基于单个MWCNT的密度大约为2.1g/cm的假设，使用这些方法形成的密度<19mg/cm

将活性材料掺入3D CNT泡沫结构中(将在下面进行更详细的讨论)，使它们成为具有高表面积和受控电阻率的极导电材料。

充电的第一阶段是常规的将锂嵌入石墨碳结构即CNT泡沫中。充电的第二阶段是将锂金属镀到高表面积CNT泡沫的外部。

3D CNT泡沫结构提供了性质的正确混合，以改善可充电电池(包括锂电池)的性能：

与锂离子电化学的化学相容性

高表面积

互连的3D结构

受控的电阻率

在常规电池中，锂金属的枝晶刺穿隔膜并造成灾难性的短路，但是本文所述的3DCNT泡沫结构抑制了枝晶的形成并封装了锂金属以保护隔膜免受刺穿。

II.负极(Anodes)和正极(Cathodes)

电极是连接到非金属物体上的电导体。正极类型的电极传递电子(负电荷)，而负极则收集电子(并具有正电荷)。

电子经其从器件流出的电极称为负极，因为它带正电。负极是电池上的负电极，电解池上的正电极。

正极是电池上的正电极，电解池上的负电极。

电流被认为以与电子流动相反的方向流动。电子进入电池的+端，但电流流出。电子进入电解池的-端，但电流流出。

电极包括活性材料，其包括正极活性材料和负极活性材料，并且可以基于本领域已知的其组合与所选电解质的相容性来选择。

负极活性材料通常是金属，以元素形式，作为金属，或以键合形式，作为离子。

正极材料或活性物质是金属盐，通常是金属氧化物，例如氧化锂，其在电池的放电状态下包含结合至其结构的锂。

在一个实施方式中，活性材料以平均粒径(例如直径)在约10nm至约1000nm范围内的纳米颗粒的悬浮液形式使用，但不限于此，并且这些材料中的某些在适当尺寸范围内可商购。

在一个实施方式中，负极和正极中的一个或多个包括存在于本文所述的CNT泡沫材料中的活性材料。在该实施方式的一方面，负极或正极活性材料适用于储能装置，例如锂离子电池。

在一个实施方式中，负极包括集流体。

在该实施方式的一个方面，负极活性材料层设置在集流体上。负极活性材料层可以包括负极活性材料和粘结剂。负极活性材料可以是可逆地嵌入/脱嵌锂离子的材料、锂金属、锂金属合金、能够掺杂和去掺杂锂的材料、或过渡金属氧化物。

可逆地嵌入/脱嵌锂离子的材料可以是例如碳材料，其可以是可用于可充电锂电池的任何合适的碳基负极活性材料，并且其示例可以包括结晶碳、无定形碳或其组合。所述结晶碳可以是不定形的(例如，无定形的)，或者可以是薄板状、片状、球形或纤维状的天然石墨或人造石墨，所述无定形碳可以是软碳或硬碳、中间相沥青碳化产物、焦炭等等。

能够掺杂和去掺杂锂的材料可以是例如Si、SiO

过渡金属氧化物可以是钒氧化物、锂钒氧化物等。

在该实施方式的一方面，集流体是金属箔。代表性的金属箔包括铜箔、镍箔、不锈钢箔、钛箔、泡沫镍、泡沫铜、涂覆有导电金属的聚合物基材及其组合。

锂是锂电池所有部分以及锂电池中电池反应的所有阶段的共同点。当电池充电时，它存在于负极材料中，在放电过程中，它以Li

在锂电池中，负极始终包含锂，其以元素形式(作为金属)或以键合形式(作为离子)。

当锂以离子形式时，其键合于各种支撑材料例如石墨、软碳、硬碳、硅或钛等，因此如本文所用，它可以与CNT泡沫材料中的碳键合。

锂金属合金也可以以锂和选自Na、K、Rb、Cs、Fr、Be、Mg、Ca、Sr、Si、Sb、Pb、In、Zn、Ba、Ra、Ge、Al、Sn的金属的合金存在。

这些材料的性质以及锂与其结构的键合方式决定了性能要素。

任何锂盐均可使用，而没有特别限制，只要其能够提供将在锂离子电池中使用的锂离子即可。代表性的锂盐包括LiPF

锂离子混合电容器可包括选自由LiCoO

下面是锂电池中最常使用的正极类型：钴酸锂(LCO)、锰酸锂(LMO)、镍钴锰酸锂(NMC)、磷酸铁锂(LFP)、钴酸锂镍铝(NCA)和锂空气。

III.活性材料结构上生长的CNT泡沫

CNT泡沫既可以在铜箔、铝箔或其它导电金属箔上直接生长，也可以在电极涂覆之前进行预沉积，这与将箔粘合到预形成的CNT泡沫上相比，可以显著改善电和/或机械接触。

CNT泡沫可形成微米级的编织绳、松散、开放的结构。这涉及使5-10μm的颗粒与构成微米级支架的纳米级股(strand)接触，从而在整个异质电极混合物中提供出色的导电性。该实施方式类似于松散的编织针织纱。这种材料具有快速离子转移和高能量密度所需的所有属性，因为可以将活性负极和正极材料嵌入泡沫结构内部。

IV.掺入活性材料，包括金属(负极)和金属离子(正极)

当活性材料掺入本文所述的CNT泡沫材料，它们既可以掺在泡沫结构上，也可以掺入泡沫结构中。当掺入泡沫结构中时，活性材料渗透到多孔结构的孔中。典型地，当活性材料掺入CNT泡沫材料的孔中时，它们掺入的范围为泡沫结构的孔体积的1至99％，更典型地，泡沫结构的孔体积的10至90％，进一步典型地，泡沫结构的孔体积的25至75％。

将活性材料涂覆在CNT泡沫结构之上或之中

在一个实施方式中，为了使由本文所述的CNT泡沫结构形成的负极和正极具有电活性，电极之一或两者的原料可以置于集流体顶部，也可以直接置于支架之中。这确保了活性材料与用于电极的集流体紧密接触。

根据材料的属性以及电极和电池的设计，使用3D泡沫基底材料创建电极存在多种选择。通常，可以将活性材料放置在3D泡沫的顶部或嵌入3D泡沫材料的孔中。这不仅对原材料的选择，而且对于将活性材料插入3D泡沫基底之中或之上所使用的施加方法也有很多影响。换句话说，可以调节泡沫孔以满足每个电极的活性成分的粒径的需要，以确保它们能够嵌入泡沫中。这可以通过镀覆泡沫来辅助，以允许活性材料更好地粘附并减少可用于构建负电极SEI(固体电极界面)层的开放CNT材料。

有使用电池活性材料涂覆3D泡沫基底的多种实施方式：

类似于传统的电池电极涂层操作，可以使用标准刮刀涂覆方法将活性材料施加于3D泡沫芯材。这包括电池工业中使用的所有形式的常规涂覆方法，例如狭缝式挤压涂布(slot die)、反向辊涂(reverse roll)、刮刀式涂覆(comma coat)等。也可以使用膜沉积法，包括化学镀和电镀方法，以及气相沉积法。

根据CNT泡沫基底的组成和孔径，可以使用多种技术在CNT泡沫基质内部涂覆材料：

使用金属化材料的薄层对CNT泡沫进行预处理。这不仅增强电导率和粘附力，而且可以显著减少完整电池的首次循环损耗。

将电极材料注入CNT泡沫结构基质中。这可以以多种方式完成，可以通过涂覆工艺、挤出、化学沉积、薄膜沉积、压制，或通过当今使用的许多标准涂覆方法。

完整的负极/正极/隔膜电池单元可在单个连续或连接的CNT泡沫基底中形成。在该实施方式中，将负极材料、隔膜和正极材料注入到3D泡沫材料中，并且在每个组件层之间发生分离。图20给出了一个示例。

CNT材料独特的3D泡沫结构和属性允许应用新型化学方法：

为了促进纳米级材料的使用，可以将Si、Sn、Ge和其他元素的一些原子层涂覆到CNT泡沫材料上。可以定制CNT泡沫结构的孔隙率或开孔尺寸，以允许包含其它化合物或特定的活性材料。可以创建密集的、相互连接的结构，以排斥所有其它不想要的种类。泡沫结构可以针对溶剂进行优化，使其能够渗透到纳米多孔结构中。

溶剂化的聚合物以及溶剂和聚合物可以渗透到泡沫材料的纳米孔结构中。

常规的粘结剂可用于填充电极内的全部或部分体积/表面积(例如，在部分孔中填充金属(负极)或金属盐(正极)以最大化能量和功率密度后剩余的任何体积/表面积)。与活性材料的改善的接触允许降低了粘结剂含量，从而直接提高了电池的能量密度。

可以电镀到CNT泡沫结构上以对材料进行预处理，以减少首次循环损耗并提高电导率。

化学镀和电化学镀是涂覆泡沫结构的选择，气相涂覆也是如此，包括PVD、CVD、ALD(原子层沉积)。

基本上，三种主要类型的活性材料包括石墨，高容量元素Si、Sn等，插层氧化物，即LTO。所有这三种都可以用作基底以用于CNT形成或甚至CNT泡沫形成，其可对SEI形成产生重大而积极的影响。

可以调整活性材料的选择，以影响CNT的生长方式。

当暴露于高温时，CNT泡沫相对稳定。因此，CNT泡沫允许形成可以经受更高温度条件的正极材料。

V.包括3D泡沫负极和/或电极的电池

可以形成包括可充电电池的电池，该电池包括本文所述的负极和/或正极，其包括CNT泡沫材料，该CNT泡沫材料可选地形成在箔层的顶部，其中泡沫的孔部分填充有金属(负极)或金属盐(正极)。

电池的关键性能属性是能量密度、功率密度、循环寿命(或循环次数)、安全性和成本。能量密度是电池中每单位体积存储的能量的量，以Wh/cm

每体积的功率密度，或每重量的比功率，表示能量释放的速率或电池可提供的电流。

循环寿命是指电池在没有显著(通常为20％)的容量损失的情况下可以进行的充放电循环的次数。其与能量密度和功率密度一起是电池的关键特性。

电池安全性是指将导致电池温度升高、组件故障、气体排放以及随后起火和爆炸的风险因素最小化的特性。电池安全性取决于电池化学性质以及电极和其他电池组件的设计。

电池成本是电池广泛采用的另一个关键因素。通过使用不太贵的材料、改进制造工艺、改善性能以及增加产量，可以降低电池的制造成本。

当前，没有可用的电池能够成功解决这些属性中的多于一种。通常，如果能量密度良好，则其他属性(例如安全性、寿命或成本)往往不那么好。替代地，如果电池具有良好的安全特性，则这种安全特性以降低能量或功率密度或循环寿命为代价。

造成性能损失的核心问题与可充电电池(例如锂电池)中几种基本的不良反应有关。这些包括锂枝晶的生长，固体电解质界面的形成，缓慢的锂离子嵌入和电极中活性物质的低电导率。

锂金属枝晶在负极上的生长是一个严重的问题，可导致短路、温度升高以及爆炸或起火。在充电过程中，在如下情况下枝晶生长会发生在负极上：从正电极(正极)通过电解质传输的锂离子未能结合到主材料中，而是以无规的树状生长形式被还原或沉积为锂金属，其可以穿过隔膜延伸到另一个电极，从而导致电短路。有时，锂金属枝晶没有到达对电极，但它们与负电极(负极)松散地连接，很容易与主活性物质分离，从而导致容量损失。当将锂金属包封在本文所述的CNT泡沫中时，很大程度上避免了这些问题。

在一个实施方式中，诸如锂电池的可充电电池包括电极组件(包括正电极、面对正电极的负电极、置于负电极和正电极之间的隔膜、浸渍正电极、负电极和隔膜的电解质溶液)、容纳电极组件的电池壳体、和密封电池壳体的密封构件。

不管包装方法或形状因素如何，典型的电池都包括共同的元件。作为参考，以下是可充电电池的常见组件：负极、正极、隔膜、壳体(在某些实施方式中也称为“罐”)和集管(适于安装在设备内部，使得正极和负极连接完成电路)。代表性电池如图19所示。

这些部件及其适应和受益于三维基底结构的能力在本文其他地方进行了详细讨论。

电池的关键性能属性是能量密度、功率密度、循环寿命(或循环次数)、安全性和成本。能量密度是电池中每单位体积存储的能量的量，以Wh/cm

每体积的功率密度，或每重量的比功率，表示能量释放的速率或电池可提供的电流。

循环寿命是指电池在没有显著(通常为20％)的容量损失的情况下可以进行的充放电循环的次数。其与能量密度和功率密度一起是电池的关键特性。

电池通常标有标称电压；但是，充满电的电池的开路电压(OCV)高5％至7％。化学性质和串联连接的电池数量提供了OCV。闭路电压(CCV)是工作电压。容量代表以安培小时(Ah)为单位的比能量。Ah是电池可以随时间传递的放电电流。电池充电器对Ah额定值(在相同的电压和化学性质下)具有一定的容忍度；与较小的电池组相比，较大的电池将只需更长的充电时间。

比功率或重量功率密度表示负载能力。用于电动工具的电池具有较高的比功率，并且具有降低的比能量(容量)。

充电倍率(C-rate)指电池充电或放电的速度。在1C时，电池以与标记的Ah额定值相同的电流进行充电和放电。在0.5C时，电流是一半，时间是两倍；在0.1C时，电流是十分之一，时间是10倍。

负载定义了从电池汲取的电流。内部电池电阻和耗尽的荷电状态(SoC)导致电压在负载下下降，从而触发放电结束。功率与电流传送有关，以瓦特(W)为单位；能量是随时间变化的物理工作量，以瓦特小时(Wh)为单位。

电池安全性是指将导致电池温度升高、组件故障、气体排放以及随后起火和爆炸的风险因素最小化的特性。电池安全性取决于电池化学性质以及电极和其他电池组件的设计。

电池成本是电池广泛采用的另一个关键因素。通过使用不太贵的材料、改进制造工艺、改善性能以及增加产量，可以降低电池的制造成本。

当前，没有可用的电池能够成功解决这些属性中的多于一种。通常，如果能量密度良好，则其他属性(例如安全性、寿命或成本)往往不那么好。替代地，如果电池具有良好的安全特性，则这种安全特性以降低能量或功率密度或循环寿命为代价。

造成性能损失的核心问题与可充电电池(例如锂电池)中几种基本的不良反应有关。这些包括锂枝晶的生长，固体电解质界面的形成，缓慢的锂离子嵌入和电极中活性物质的低电导率。

锂金属枝晶在负极上的生长是一个严重的问题，可导致短路、温度升高以及爆炸或起火。在充电过程中，在如下情况下枝晶生长会发生在负极上：从正电极(正极)通过电解质传输的锂离子未能结合到主材料中，而是以无规的树状生长形式被还原或沉积为锂金属，其可以穿过隔膜延伸到另一个电极，从而导致电短路。有时，锂金属枝晶没有到达对电极，但它们与负电极(负极)松散地连接，很容易与主活性物质分离，从而导致容量损失。

在一个实施方式中，诸如锂电池的可充电电池包括电极组件(包括正电极、面对正电极的负电极、置于负电极和正电极之间的隔膜、浸渍正电极、负电极和隔膜的电解质溶液)、容纳电极组件的电池壳体、和密封电池壳体的密封构件。这些各构件(除了上文已描述的负极/正极之外)在下面详细描述。

在一些实施方式中，本文所述的正极和/或负极用于储能装置例如电池中。包括本文所述的负极和正极之一或两者的储能装置通常还包括电解质和隔膜以及其他构件。电解质和隔膜可以由本领域技术人员从本领域已知的那些中适当地选择，并且可以没有特别限制地使用。

隔膜不仅在隔离负极和正极方面，而且在允许离子在电极之间通过电解质转移方面，都发挥着独特而复杂的作用。

隔膜不仅使负极和正极电气隔离并防止电短路，而且还允许Li

例如，隔膜是通常用于锂离子电池、锂离子混合电容器等中的部件，并且构造成将正极和负极分开以抑制电极之间的电接触，并且需要薄且具有高强度、离子渗透性和电流开断特性，以确保电池的稳定性。隔膜可以位于负极和正极之间以抑制短路，并且本领域中通常使用的任何隔膜均可以使用而没有特别限制。隔膜的主要材料可以是例如PE、PP、PE/PP层叠结构或PE/PP相分离结构，但不限于此。例如，隔膜可以是多孔聚合物膜，其可以设置为用于锂离子在电极之间来回移动的导管。正极、负极和隔膜可以一起形成“电池堆”。电池堆和电解质被气密地密封在金属电池壳体中，这使得能够与外部电路接触。

在一些实施方式中，使用诸如溅射、蒸发、真空填充等技术将隔膜浸渍在负极和正极之一或两者中的CNT泡沫结构的一部分的内部，涂覆在负极和正极之一或两者的全部或部分上，或施加到负极和正极之一或两者的的全部或部分上。

在其他实施方式中，使用未粘附至或未浸渍在CNT泡沫材料中的常规隔膜材料。

隔膜可以包括在一般而言可充电电池和具体而言锂电池领域中已知的任何合适的材料，只要隔膜能够将负电极与正电极分离并提供金属离子例如锂离子的传输通道即可。

换句话说，隔膜可以对离子传输低抵抗并且对于电解质溶液的浸渍性极好。

基于其物理和化学特性，典型的隔膜属于以下六类之一。这些包括微孔隔膜、非织造材料、离子交换膜、被支持的液体膜、聚合物电解质和固体离子导体。

可充电电池(例如锂离子可充电电池)中最常用的隔膜包括玻璃纤维、聚丙烯(PP)、聚乙烯(PE)、聚酰胺，尼龙和陶瓷填充隔膜。其他材料包括聚酯和聚四氟乙烯(PTFE)、以及它们与其他类型隔膜的混合物或组合物。

在优选的实施方式中，使用基于聚烯烃的聚合物隔膜，例如聚乙烯、聚丙烯等，或者为了确保隔膜的耐热性或机械强度，使用包括陶瓷组分或聚合物材料的涂覆隔膜。在这些实施方式的一些方面，隔膜具有单层或多层结构。

隔膜理想地具有用于可充电电池的合适性能。下面提供了此类性能的示例：

当电池充满电时，在强烈反应的环境下，隔膜材料必须对电解质和电极材料具有化学稳定性。隔膜不应降解。通过使用测试来评估稳定性。

电池隔膜必须很薄，以利于电池的能量和功率密度。隔膜太薄会损害机械强度和安全性。厚度应均匀以支持许多充电循环。标准宽度通常为25.4μm-(1.0密耳)。可以使用在制浆造纸工业技术协会(Technical Association of the Pulp and Paper Industry)的主持下开发的T411 om-83方法测量聚合物隔膜的厚度。

隔膜必须具有足够的孔密度，以容纳可使离子在电极之间移动的液体电解质。过多的孔隙率会阻碍孔的封闭能力，该能力对于允许隔膜关闭过热的电池至关重要。孔隙率可根据美国测试与材料学会(ASTM)D-2873使用液体或气体吸收方法进行测量。通常，锂离子电池隔膜的孔隙率为40％。

孔径理想地小于包括活性材料和导电添加剂的电极组分的粒径。理想地，孔均匀地分布，同时也具有曲折的结构。这可以帮助确保整个隔膜上均匀的电流分布，同时抑制锂或其他金属(如果使用)在负极上的生长。孔的分布和结构可以使用毛细管流动孔率计或扫描电子显微镜进行分析。

隔膜不得显著限制电池性能。聚合物隔膜通常将电解质的电阻提高四到五倍。电解质填充的隔膜的电阻与单独的电解质的电阻之比被称为麦克马林数(MacMullinnumber)。透气性可间接用于估算麦克马林数。透气性用格利值(Gurley value)表示，即指定量的空气在指定压力下通过隔膜指定区域所需的时间。当隔膜的孔隙率和厚度固定时，格利值反映了孔的曲折性。具有均匀孔隙率的隔膜对于电池寿命至关重要。偏离均匀渗透性会产生不均匀的电流密度分布，从而导致负极上形成晶体。

有些电池是通过“卷绕操作”准备的。隔膜必须足够坚固，以承受电池组装过程中卷绕操作的张力。机械强度通常根据在机器(卷绕)方向和横向两者上的抗拉强度(根据抗撕裂性和穿刺强度)来定义。这些参数是根据杨氏模量定义的。

电解质必须充满整个电池组件，要求隔膜容易被电解质“弄湿”。此外，电解质应能够永久性地润湿隔膜，从而保持循环寿命。根据信息和信念，除了观察之外，没有其他公认的测试润湿性的方法。

隔膜必须在很宽的温度范围内保持稳定，理想情况下不能卷曲或起皱，并且理想情况下完全或基本上平放。

电解质

电解质是促进负极和正极之间离子交换的组分，并且近年来，已经主要使用挥发性和易燃性低的离子液体电解质或凝胶聚合物电解质，但是电解质不限于此。

电解质的量例如可以在将活性材料装载到负极和/或正极之中和/或之上以后基于正极、负极和隔膜的孔隙率来计算，一些额外体积的电解质用于填充要将电池装入其中的容器。

任何电化学系统(电源或电解池)都由两个接口组成，其中电导率的机制发生变化，即：电子导体/离子导体/电子导体。两个电子导体是电极，而离子导体是电解质。两个电极必须避免彼此电接触，以避免引起短路。

电解质会封闭电池的内部电路。当电极放置在电解质中并且施加或产生电压时，电解质将导电。因此，它在正负电极之间的内部电路中充当电荷载体，使电子(即电流)流过外部电路。

理想地，电解质应具有较高的离子电导率，以使电池的内阻最小化(这对于高功率密度应用尤为重要)；相反，其电导率应非常低(即，其电子电阻较高)，这将使电池的自放电率最小化，从而转化成长保质期。它还应该在目标电压下不分解，在所需温度范围内工作，并且在目标应用中不会造成不可接受的安全风险。可充电行业通常将大量商用电解质用于典型的大批量生产电池，但是正在开发新配方以改善特定产品属性的性能(以延长硅负极循环寿命，以改善汽车电池的低温和高温性能)。

例如，液体电解质可包括LiPF

在一些实施方式中，电解质包括有机溶剂和锂盐。可以使用有机溶剂而没有特别限制，只要其充当与电池的电化学反应有关的离子可以在其中移动的介质即可。

在这些实施方式的一些方面，有机溶剂是酯类溶剂，例如乙酸甲酯、乙酸乙酯、丁内酯和己内酯；醚类溶剂，例如二丁醚或四氢呋喃；酮类溶剂，例如环己酮；芳烃类溶剂，例如苯和氟苯；碳酸酯类溶剂，例如碳酸二甲酯(DMC)、碳酸二乙酯(DEC)、碳酸甲基乙基酯(MEC)、碳酸乙基甲基酯(EMC)、碳酸乙烯酯(EC)和碳酸丙烯酯(PC)；醇类溶剂，例如乙醇和异丙醇；腈例如R--CN等(在此，R为C

碳酸酯类溶剂是优选的，并且具有高离子传导率和高介电常数并且能够改善电池的充电/放电性能的环状碳酸酯(例如碳酸乙烯酯或碳酸丙烯酯)和低粘度的线性碳酸酯类化合物(例如，碳酸乙基甲基酯、碳酸二甲酯或碳酸二乙酯)的混合物是更优选的。在这种情况下，当环状碳酸酯和链状碳酸酯以约1：1至约1：9的体积比混合时，电解质表现出优异的性能。

最常用的电解质(其全部都与本文所述的CNT泡沫结构材料兼容)包括水性电解质、有机电解质、离子液体和固体电解质。这些类别中的所有电解质均可用于使用3D泡沫基底结构生产的电池中，包括新开发的固体聚合物和玻璃电解质。从应用的角度来看，以下是电解质和电解质配方进展与产品性能相关的领域的特定示例：

汽车：正在开发电解质调节剂以改善高温和低温性能，并延长循环寿命。安全性能也很重要，固体聚合物或凝胶电解质可以大大提高电池的安全性能。

消费产品：新型高能硅负极需要添加剂以减少与硅材料有关的降解。使用新型电解质添加剂、配方和组合物还具有减少安全隐患的显著优势。

网格存储：长寿命对于降低锂离子电池的电池成本至关重要，从而成为适用于网格存储应用的可行且低成本的解决方案。改善电池单元和电池寿命的一个因素是改善电解质。

传统锂基电池制造中的重要成分是粘合剂，该粘合剂用于改善电极中活性物质的机械强度，并改善电极的导电性。粘结剂是分子量为几十万至几百万克/摩尔且在浆料的分散介质中具有良好溶解性的高分子量聚合物。此外，粘结剂是应有助于电极组分的均匀混合的表面活性剂。由于粘结剂会增加电池的自重，因此应尽可能减少其用量。直到最近，粘结剂一直被广泛认为能赋予复合材料更好的机械性能。

用于LIB电极的传统粘结剂是聚偏二氟乙烯(PVdF)、和偏二氟乙烯(VdF)与六氟丙烯(HFP)单体的共聚物，即所谓的PVdFHFP(Kynar或KynarFlex)，具有精妙的机械性能。

在负LIB电极中存在三种已建立的粘结剂替代品：纤维素基聚合物、特别是羧甲基纤维素钠盐(CMC-Na)，聚丙烯酸(PAA)及其钠盐聚丙烯酸钠(PAA-Na)以及乳胶丁苯橡胶(SBR)

本文所述的电池通常包括壳体，其配置为使得电池可以被安装在用于待由电池供电的设备的合适的外壳中。本领域技术人员知道如何适当地设计用于电池的壳体。

特定的电池设计基于电极设计，其然后与特定的电池结构参数(例如电极面积、电极数量和电池壳体)组合。

电极水平设计元素包括，例如，对于每个电极，活性材料的独立比容量、活性材料负载、电极密度，附加电极组件和集流体参数。正电极和负电极的电极设计通过选择平衡和可选地包含补充锂添加来互连。

一旦选择了电极参数和平衡，就可以基于电极的面积和电极结构的数量来选择电池设计，以实现电池的特定重量能量密度和体积能量密度以及电池的总容量。

电池壳体可以是多种形状中的任何一种，例如棱柱形或圆柱形，并且通常限定在0.05cc至30,000cc之间的体积。该范围内的电池通常表现出介于1.0毫安小时与10,000安培小时之间的容量，尽管该容量可以使用本文所述的负极和/或正极来增强。

电池壳体，也称为电池外壳，是将功能性电池部件和化学物质包起来的外壳或壁。电池(有时称为电池单元)是电力存储设备，如果是一次性的，则分类为“一次”，如果可充电则分类为“二次”。

可以使用任何合适的材料来制备电池壳体，但是典型的材料是聚烯烃，例如聚丙烯共聚物。

电池外壳与电池壳体不同。电池壳体被设计为容纳并保护包在壳体中的电池。壳体的尺寸视应用而定，但通常介于容纳较大电池(例如电动汽车中使用的电池)的小手提箱的大小与用于小型助听器电池的火柴盒的大小之间。

电池壳体可以由各种材料制成，包括塑料(是或不是共聚材料)、木材、金属、铝、甚至布、皮革或硬纸板，这与通常使用耐用材料制备的电池壳体不同。

AAA、AA、C、D和9V尺寸电池的电池室和电池保持件(电池座)是相对标准的。

授予Huang的美国专利第9,887,403号公开了薄膜封装电池系统，该系统可用于形成包括本文所述的3D泡沫材料的电池。在堆叠电池应用中，多个薄膜电池单元被堆叠以组装到电池系统中。例如，每个堆叠可以包括与正极层相邻的正极集流体层，并且相邻的单元可以倒置，使得正极集流体层在电池组件内电耦合。可替代地，可以将裸露的正极或负极层彼此相邻地堆叠，并且可以使用导电粘结剂来形成集流体层。

电池单元可以用聚合物或有机膜封装。可替代地，可以使用多层封装系统，具有朝着电池堆定位的内陶瓷层、围绕内陶瓷层布置的外聚合物层、以及在内陶瓷层和外聚合物层之间的金属层。

在电池系统应用中，可以将多个薄膜电池单元以堆叠构造布置，其中每个电池单元包括负极层、正极层以及在负极层和正极层之间的电解质层。封装剂围绕堆叠的构造，从而绕着薄膜电池单元提供基本连续的化学和机械屏障。

合适的封装剂可以由有机液体和聚合物材料形成。也可以使用三层封装系统，其具有内陶瓷层、外聚合物层和位于它们之间的金属层。在一些设计中，在封装剂和堆叠的薄膜电池构造之间留有空间或间隙，以适应热膨胀和收缩，或者电池单元堆可以形成有倾斜的或不平行的相对侧，以允许相对运动。

这些电池系统可以用在电子设备中，例如智能手机、平板电脑或其他移动设备。在这些应用中，电池组件通常耦合到控制器，并配置为给显示器供电。该组件本身包括以堆叠方式排列的多个薄膜电池单元，其中每个薄膜电池单元具有负极、正极和电解质层。封装剂可以围绕电池单元的堆叠构造设置，从而为电池单元提供化学和机械屏障。

电池壳体包括集管，其允许将电池连接到由电池供电的设备。电池包括带正电和带负电的电极，以正确的方式将它们连接到设备很重要，以使电流从电池流到设备。

圆柱形电池(例如A、AA和AAA电池)包括扁平端和带有凸起奶嘴的端，以区分正端和负端。扁平电池通常包括连接器，用于与其所插入的设备连接，并且确保不误插入电池的一种方法是将其设计为仅当电池处于正确方向(即，将正负电极对齐，以完成与它们插入的设备的电路)时电池才与设备匹配。

电池保持件是一个或多个用于保持电池的隔室或腔室。对于干电池，保持件还必须与电池端子进行电接触。对于湿电池，电缆经常连接到电池端子，如汽车或应急照明设备中所见。

在一些实施方式中，电池保持件是具有模制为容纳一个或多个电池的一个或多个隔室的外壳形状的塑料壳体，或者是以螺钉、孔眼、胶水、双面胶带或其它手段安装的单独的塑料保持件。电池保持件可以具有盖子来固定和保护电池，或者可以密封以防止电池泄漏对电路和组件造成损坏。压在电池端子上的螺旋弹簧线或扁平接线片是在保持件内部进行电气连接的两种最常见的方法。电池保持件上的外部连接通常通过与引脚、表面安装脚、焊片或导线的接触进行。

通常使用有关如何以及在何处使用较大产品的知识来设计电池保持件。要考虑的人为因素包括电池更换的方便程度、预期用户的年龄范围和身体状况。设计人员可以在模制到产品壳体中或制成独立部件的电池保持件之间进行选择。对于许多产品，法规和产品安全标准会影响电池保持件的选择。

典型的电池保持件由额定温度为80-100℃的聚丙烯或尼龙体制成。锂纽扣电池保持件由高温聚对苯二甲酸丁二酯(PBT)、尼龙或液晶聚合物(LCP)体制成，因为它们通常是安装的电路板，并且需要在180-240℃进行波峰焊接或在260-300℃进行回流焊接。

电池触点可能是设计中最重要的部分之一。在电池镀有镍的那些实施方式中，可以优选的是，触点镀有镍以防止异种金属之间的电化学腐蚀。电池触点可以是固定触点、柔性触点或两者的某种组合。

固定触点相对便宜，但是容易失去电连接。固定触点和柔性触点的组合是一种更好的解决方案，但是这在远离固定位置的方向上移动时会遭受开路；弹簧触点压缩并允许电池从固定触点移开。柔性触点允许放电时电池单元略微膨胀，因为内部化学物质的体积增加。以多个指部触摸负极和正极的柔性触点允许在多个方向上移动而不会失去电连接。

极性或电池反向保护等特征可以作为设计的一部分。负极侧的触点可以凹进塑料后面，并容纳碱性电池上常见的电池块。另一种方法是使用塑料通道来容纳电池接线柱或端子。美国公开号2007/0275299A1公开了极性保护，其中电池可以以任一方向插入到电池保持件中，并且仍然可以正常工作。

诸如9伏的电池类型具有扣入式触点。

如果电池预计将在产品的整个使用寿命中持续使用，则不需要保持件，并且可以将焊接到电池端子的接线片直接焊接到印刷电路板上。

VI.使用本文所述电池的设备

本文描述的电池可以被适当地确定尺寸和构造，以用于使用可充电电池的各种应用中。非限制性示例包括但不限于移动电话、双向无线电和其他通信设备、笔记本电脑和平板电脑、可穿戴电子设备、GPS设备、包括植入式医疗设备的医疗设备、以及售后市场电子设备。

在某些实施方式中，电池用于提供商业和/或住宅能量存储，作为备用电池、“电池棒”和可充电消费电池，包括常规尺寸的电池，例如A、AA、AAA、C、D、9伏之类。

在一些方面，电池用于将能量存储在能量网格中，例如，可以存储太阳能以在不产生太阳能的晚上使用。

电池的另一种用途是在电动工具中，包括电钻、锯等。

其他应用还包括车辆，包括汽车、卡车、叉车、公共汽车、高尔夫球车、电动自行车、电动踏板车、电动摩托车、赛格威(Segway)、悬浮板和飞机(包括无人机)。另一个应用是在起动机电池中。

其他应用包括军事应用，包括太空应用、导弹和士兵使用的设备，包括构造成协助士兵搬运货物的外骨骼。

电池还可以用于采矿和钻井作业，并为机器人供电。

本领域技术人员知道这些设备的适当功率要求，并且可以设计适当的电池。例如，为了协助电池设计，可以执行计算以根据电池设计参数估算整体电池性能，以指导制造。所设计的电池的容量可以例如通过将电池中的正电极层的总数乘以每个正电极层的容量来计算。可以根据电池的容量要求来固定正电极层的数量。

可以基于电池堆中的电极面积和电极层数进行计算。基于这些计算，提供了关于可以针对本文所述的高容量活性材料、电极设计和电池结构实现的电池性能的总体范围的一些指示。基于本文的教导，本领域普通技术人员可以外推特定的计算示例以评估更广泛的性能范围，并且可以确定电池的合适壳体。

在一个实施方式中，使电池平衡，以使在C/20到2C倍率中的任何倍率下都存在负极过剩平衡，并且包含补充锂，其含量等于负极的首次循环不可逆容量损失的100％。

除了在电池中使用CNT泡沫外，这些材料在电容器和超级电容器中也具有类似的用途和优点。可以使用CNF泡沫材料的代表性电容器包括具有陶瓷电介质的陶瓷电容器，以电介质命名的薄膜和纸电容器，铝、钽和铌电解电容器(各者均以用作负极的材料和正极(电解质)的结构命名)，和聚合物电容器(通常为铝、钽或铌电解质电容器，以导电聚合物作为电解质)。

超级电容器包括双层电容器(因亥姆霍兹双层的物理现象而得名)，赝电容器(因具有可逆法拉第电荷转移的电化学方式存储电能的能力而得名)，混合电容器(其结合了双层电容器和赝电容器以提高功率密度)，以及云母、玻璃、硅、气隙和真空电容器(每种均以其电介质命名)。

除了上述电容器类型以外，还有许多基于其应用命名的个别电容器。它们包括功率电容器、电动机电容器、直流链路电容器、抑制电容器、音频分频电容器、照明镇流器电容器、缓冲电容器、耦合，去耦或旁路电容器。

应注意，使用所述的CNT泡沫用于电池中的基本策略和方法也适用于电容器，并且包括以下实施方式。

在一个实施方式中，电容器是固态电容器，其包括至少一个电极，该电极包括CNT泡沫，以及将两个电极分开的固态电解质。相对于使用常规材料生产的电容器，CNT泡沫改善了用这种材料生产的电容器的电导率和整体功率处理性能。

可以使用CNT泡沫材料生产电极，以大大提高电极的功率密度，以及由于将活性材料嵌入泡沫结构而产生的最终电容器组件。具有与填充多孔泡沫结构的空隙的对电极材料隔开的亚微米级三维多孔导电泡沫结构作为负极、的电容器将显著提高最终器件的功率密度。

在一个实施方式中，本发明涉及一种电容器，其包括元件的组合，包括形成多孔负极的三维导电多孔泡沫集流体、以及固态或常规的电解质和膜基或可涂覆的隔膜材料。类似于可充电电池，海绵的三维特性将电极、电解质和隔膜整合到最终包装中，该最终包装可以被合适地不透气密封以用于最终工业用途。

本文所述的电容器可用于多种应用中，包括汽车、消费产品、网格存储、医疗和电动工具应用。

当CNT泡沫材料用作电容器中的一个或两个电极时，与常规电容器化学物质和材料具有高度的相容性。

参考以下非限制性实施例将更好地理解本发明。

实施例1：不锈钢/3D泡沫负极之间的负极性能评估/比较

开发原理

以下实施例在根据美国专利申请第13/424,185号的教导制备的三维纳米管材料上进行。

锂电池行业的“圣杯”是制造实用的锂“金属”电池。就体积和重量能量密度而言，锂金属在所有负极中具有最高的能量密度。石墨作为负极材料具有约360mAhr/g的能量容量。锂金属具有3860mAhr/g的能量密度。这并不是电池性能提高10倍，而是负极性能提高10倍。由于负极是电池体积/质量的30-50％，因此电池性能的提高与电池性能的2倍或3倍增长更加一致，这代表了电池性能的显著提高。

目标是使用3D-CNT泡沫构造锂金属电池结构，并评估其可实现的性能优势。尽管不希望受特定理论的束缚，但独特的3D结构以及CNT主干结构提供了稳定的平台，可以在其上镀上和镀入Li，并作为负极(锂金属电池的定义)，然后可靠地使锂以最小损耗在正极和负极之间来回循环。

为了评估使用3D CNT泡沫的性能增强，我们首先需要在没有3D CNT泡沫(即不锈钢负极)的情况下建立“正常”或基线性能。性能上的任何差异将归因于3D CNT泡沫的影响。

如下所述，实验数据包括对基线锂金属电池和3D CNT锂金属电池配置的评估，并具有非常积极的结果。

CNT泡沫样品的厚度大于1mm，而常规的LIB负极或正极通常小于100μm，必须将离子电导率(质量传输)损失降至最低。

该实验结合了以前未发表的CNT实验的知识，其证明了用于负极配方时的高不可逆容量损失(ICL)。

这些研究的主要目的是确定3D CNT结构是否可以用作锂金属电池配置中的保护性负极。通过显示这是可能的，与常规锂金属电池相比的潜在优势包括：

1.与常规的混合和涂覆选择相比，减少了样品需求，

2.可以控制CNT样品的压缩(厚度)，

3.通过允许锂金属镀在CNT上或与CNT反应，消除了对石墨负极的需要，从而大大提高了锂电池的性能(Wh/L和Wh/kg))，以及

4.减少锂金属电池中的枝晶形成。

体积电阻率和面积比阻抗

体积电阻率测量是在原始的未改变CNT样品上进行的。样品从先前制备的材料中随机选择。由于体积电阻率测量涉及显著的样品压缩，因此不重复使用样品材料。

电阻率仪的示意图和照片如下图1和2所示。将测量的样品块插入两个精密磨削的不锈钢销钉(直径5/8英寸)之间。压力由精密螺旋压力机施加，其中压缩力由分辨率为1g的力传感器测量。施加已知电流，并通过电池测试系统(BTS)测量所引起的电压降。

使用本文所述的碳纳米管泡沫材料的结果示于下表1中：

表1：3DCNT样品

样品电阻R通过欧姆定律的重排计算得出：

R＝V/I

其中R是以欧姆为单位的样品电阻，I是以安培为单位的施加电流，V是测得的以伏特为单位的跨样品的电压降。

样品电阻率ρ如下计算：

ρ＝R*A/L

其中L是以厘米为单位的样品厚度，A是以cm

在几个不同的压缩力下测量电阻，并测量样品厚度以计算电阻率，然后其可以按面积和样品厚度进行缩放，以预测其他几何形状的样品电阻。最高压缩(100kg)电阻率高于较低的压缩力，这很可能是由于高压缩样品的测量精度所致。

相比之下，在100kg/cm

学术文献综述报告称，3D CNT的更高电阻率可能是由于溴引入的结构缺陷而产生相互连接的3D结构。对该理论的确认和/或CNT生产的优化可能是CNT继续发展的主题。

电池结构

由于被测碳纳米管的3D性质是新的，因此进行了两个初始测试，以建立在不锈钢负极上镀锂的基线，并将3DCNT作为负极材料引入到不锈钢基板上。

从标有01/16/13Runl CBx MWNT海绵的泡沫样品中冲出5/8英寸3DCNT样品。CNT样品和电池组件(包括在120g/m

理解3DCNT在锂离子电池中的性能特别困难，因为CNT的3D结构和元素结构是独特的，需要对相互关联的电池标准有更深入的了解。以下讨论旨在重点介绍使用3DCNT开发锂离子电池的大多数(并非全部)考量点。

SS负极上镀锂

图3显示了实验前半部分的设置，其中NMC111正极用作Li

尽管图3所示的配置提供了可用于锂电池(锂金属成为负极)的最高能量密度；然而，这种方法的缺点是锂金属以枝晶(针)的形式镀任何导体上，这会导致两种不利情况。

锂金属枝晶的高表面积与电解质(LiPF

锂枝晶的针状形状最终将穿透薄的隔膜，使正极直接与负极短路，从而导致灾难性故障(火焰)。为了在实际电池中防止枝晶形成和/或隔膜穿透，已经进行了20年以上的尝试，但没有成功。

在3D CNT泡沫之上和之中镀锂

SS负极提供基线或参考条件，以比较3D CNT泡沫的后续测试，如图4所示。添加3DCNT泡沫可带来以下潜在好处：

1.CNT具有可以利用的固有容量。

2.CNT提供了较高的表面积来固定锂金属，这将降低枝晶的生长速率，并提供了一种结构，允许以较低的SEI损耗对锂金属进行镀和除镀。

3.CNT泡沫的3D结构具有“包封”枝晶的潜力，可保护隔膜免受枝晶的直接接触。

实验结果

表2显示了电池性能的高级视图。1号电池意在充满电的状态下进行剖析，所以它不会在第一次充电后进行循环。2号电池无法正常充电。失败原因未知。作为参考点，第一次锂化的正极容量标称值为172mAhr/g，其中电池1、3和4处于正常变化范围内。电池的第一次脱锂应为NMC产生160mAhr/g的容量，但是可以看出，容量略低。

表2基线SS负极

该与预期的160mAhr/g相比的额外损失是枝晶形成的结果，其然后反应形成锂金属枝晶周围的过量SEI。在表2中，该锂/容量损失随着进一步循环可以被看到。有多种方法可以改善容量保持率并减缓衰减，但最终，电池将以相同的方式失效。在这些电池中，容量仅在10个循环中就严重退化，如图5所示。理想情况下，电池容量在循环期间将保持恒定，但锂会因SEI的形成而消耗掉。

有必要指出的是，这些实验中使用的隔膜是Whatman玻璃过滤纤维，在电池中压缩时大约100微米厚。通常，电池将使用更薄的隔膜，即20μm，以最小化电池极化并提高功率性能。在这种情况下，我们特意选择了较厚的Whatman隔膜，以允许我们专注于电池退化而不是灾难性故障。

相比之下，下表3中显示了3D CNT泡沫的第一次充电/放电性能。同样，1号电池被选择用于剖析，并且在第一次充电后不循环。类似于基线SS负极，正极首次充电容量非常接近NMC的172mAhr/g的预期值。这是可以预期的，因为第一充电容量实际上仅与正极有关，因为这是Li

与基线SS负极数据相反，使用3D CNT泡沫负极的第一次循环损耗明显更高，约为80％损耗。尽管这不希望具有如此高的损耗，但是这也并不意外，因为CNT的高表面积会通过形成SEI消耗过量的锂。

高ICL是一项重要性质，但随后的测试将显示如何通过在负极上包含锂金属以“预锂化”负极并消除高ICL来规避此结果，以实现实际的性能增强。

表3 3D CNT泡沫负极

在图6中可以看到3D CNT泡沫在性能方面的积极惊喜，其中电池容量在10个循环内保持稳定。相反，基线SS负极在10个周期内显示出连续衰减。图5和图6中的两个图均以相同比例绘制，以便轻松比较容量保持率。值得注意的是，电池的容量是根据原始NMC含量和正常容量进行评估的；然而，假设锂离子嵌入到CNT中，也可以按照循环容量来观察电池容量。

使用4mg的平均CNT质量和5mAhr的电池容量，假设锂实际上插入CNT中，则CNT的循环容量将为125mAhr/g。北极星电池实验室(Polaris Battery Labs)先前以其他CNT进行的工作显示出相似的容量。对电池行为的更深入研究将为物理行为提供一些启示，并提出其他问题。

dQ/dV与V的关系图,使用循环伏安法可获得的模拟结果的类似物

研究电化学性能的一种非常强大的方法是循环伏安法，它可以根据受控电压扫描来测量电流。可以使用电池测试系统(BTS)近似此方法，以提供对电池性能的更深入了解。图7显示了在所有10个充电/放电循环中具有基线SS负极配置的3号电池的dQ/dV与V的关系图。该数据与正常NMC性能一致，即在3.7V时电流突然增加，对应于Co

图8显示了3.7V时氧化还原跃迁的特写视图。第一次充电显示为峰值的蓝色迹线。第一次放电也显示为蓝色轨迹，但平坦得多。随后的循环将充电曲线显示为尖峰，放电显示为相同的颜色，但范围更广。重复循环显示充电峰值电压增加。此性质的确切解释目前尚不清楚，但相对较小，即每个周期10mV的偏移。

图9显示了如图4所示的3D CNT泡沫结构的电流/电压性能。此数据显示与基线SS负极结构不同的行为。

第一次充电显示在2.3、3.0和3.8伏的电流峰值。由于基线SS负极未显示这些峰，因此我们必须假定这些这些额外的峰是由于锂与CNT相互作用所致。实际上，这些峰代表了石墨负极所见性能的类型。看起来2.3、3.0和3.8V峰是与石墨(CNT)的插层反应，但由于NMC电压与负极反应重叠而有些复杂。该电池的首次放电显示出明显降低的量级(由于锂被捕获在负极中)。

第二个重要特征是后续循环不会显示原始的2.3、3.0和3.8V峰值。实际上，电流峰值会明显地向4.3伏偏移，这在缺少其他信息来指导解释时会有些混乱。

图10显示了电池循环范围内电流峰值的更近视图，其中存在在3.0至4.2伏特的范围内的电流，但现在电流峰值出现在4.25V和4.3V。另外，由于激活能量，存在充电和放电峰值的电压偏移。

在图11中可以看到有关3D CNT泡沫和电池行为的更多信息，其中x轴是正极的荷电状态(转移到负极的可用Li的分数)，y轴是相应的电压。蓝色迹线显示了电池充电时的电压曲线，即钴在正极中被氧化，释放出锂离子，并且锂离子被电镀、嵌入或被负极捕获。

在第一次放电期间，只有20％的锂返回到正极，这意味着正极仍处于其大部分荷电状态，即较高的电压。

结论

1. 3D CNT泡沫的电导率低于商用导电助剂，但是电池ASI值并不表明CNT的电导率是电池性能的限制因素。

2. 3D CNT泡沫表现出显著的不可逆容量损失，正如作为负极的测试所预期的那样。

3. 3D CNT泡沫表现出稳定的循环性能，但尚不知道此性能是否受SEI损失后锂的可用性的限制。

4.dQ/dV与V的关系图显示了3D CNT电池在第一次和第二次循环之间性能发生了显著变化。需要对这些结果有更好的理解以改善电池性能。“建议”部分将解决此目标。

5.虽然C/10循环条件应足以测试快速反应，但尚不清楚CNT反应速率是否能达到所有有用的容量。

6.剖析显示，即使充满电，在3D CNT泡沫结构上也没有镀锂。

剖析

注意：

如图12所示，在3D CNT泡沫、Whatman隔膜或SS集流体的任何一侧都没有观察到锂镀层。如图13所示，在10倍放大倍率下也观察到了同样的结果。此外，尽管3D CNT泡沫中存在锂金属，但将水加到泡沫中却没有反应，这与将锂金属置于与水接触时所观察到的现象相反。

润湿前的样品更加平坦，在10倍放大倍率下可以看到非常小的3D结构。润湿后，3D结构不可见，并且CNT似乎“膨胀或扩大”。

相反，当使用不锈钢集流体时，Whatman隔膜和SS集流体之间有显著的锂镀层(数据未显示)。该系统与水剧烈反应，如图14所示。

实施例2：半电池配置中3D CNF泡沫vs.锂金属的评估

这组测试的目的是在半电池配置下测量3D CNT泡沫vs.锂金属的基本性能。

世伟洛克电池(Swagelok cell)中测试的配置如图3所示。将电流控制在指定的速率下，并在此电流流动期间测量电池的电压曲线。可以使用提供与对电极一样多的Li的锂盘。这允许负极达到全容量，而无需镀锂金属。

需要明确的是，Li

采用半电池布置时，不可能在被测电极(即3D CNT泡沫)上产生锂金属枝晶。这样，仅测量了嵌入3D CNT泡沫中的锂离子，以测量3D CNT泡沫的嵌入能力。

图15显示了在0.35mA对称充电/放电条件下的循环容量。给定半电池的实际容量为2.4mAhr，此倍率大约相当于C/7倍率。CNT泡沫在240mAhr/g的10个循环中显示出稳定的容量。初始SEI电荷为358mAhr/g，在半电池配置中产生32％的不可逆容量损失(ICL)。这与先前报道的约80％ICL的锂金属、全电池、纽扣电池配置中的ICL相反。为了解释这种差异，我们需要更详细地研究数据。

下面的图17中显示了常规的石墨负极锂化，以将行为与3D CNT泡沫比较。图17是显示第一CNT锂化的电流/电压图的图，以电池电势(V)对电池容量(mAhr/g)表示。图5中感兴趣的特征是约0.18V、0.1V和0.06V的电压平稳段，对应于文献中报道的三种锂化状态。图16中3D CNT泡沫的电压/电流图显示出一些较小的平稳行为，但是处于与石墨相比显著不同的电压。

这些结果的重要性在于平衡全电池的正极/负极行为必须考虑到3D CNT泡沫具有高于100mV甚至高于500mV的显著容量这一事实。

3D CNT泡沫的升高电压的影响是一个很难完全理解的概念。电池测试中有一些概念可以帮助理解负极电压升高的影响。首先，将电池电压测量为：

Vcell＝Vcath–Van

电池测试仪唯一了解的就是电池电压，即正极连接的电位减去负极电压。根据化学，我们知道负极的电压不会降到锂金属的电势以下，而是会显著更高。因此，正极材料的电压为:

Vcath＝Vcell+Van

如果充电过程中负极的电压明显高于锂金属电压，则正极的实际电压将被推至显著高于“正常电池电压”。在当前实施例中，假定在充电过程中0.5伏的负极电势，可以将正极电压推至高于4.2+0.5＝4.7伏。这是一个极端的条件，但对于NMC对3D CNT泡沫的全电池而言，这并非超出实际范围。

必须完成更彻底的分析，以充分理解和定义适当的负极/正极容量平衡，以避免将正极电压提高到高于稳定条件。例如，NMC可以在4.2伏特下广泛地循环，但是也可以在更高的电压下(即4.3、4.4和4.5电压)循环，但是在更高的电压下退化会增加。

根据信息和信念，CNT/NMC与CNT/Li电池的ICL差异是由于负极电压升高引起的正极电压显着增加。ICL差异的其他原因也可能受负极：正极容量平衡的影响。

相对于锂金属，图18也支持高于0.1伏的显著容量。

3D CNT泡沫样品的固有容量(约240mAhr/g)与几百mAhr/g范围内的文献报道一致，这取决于CNT的具体类型和形态。

0.072mA(约C/30)下的倍率测试显示容量仅小幅增加至260mAhr/g，这表明以如此低的倍率循环3D CNT泡沫没有优势。

结论

1. 3D CNT泡沫半电池对锂金属在10个循环中显示无明显退化。

2. 3D CNT泡沫循环容量为约240mAhr/g，而石墨为340mAhr/g。

3.与C/30循环相比，在C/7循环下3D CNT泡沫容量没有明显增加，即作为适度的循环倍率没有功率限制。

4.未知3D CNT泡沫样品是否一致，并且可能导致第一次循环损失的差异。

5. 3D CNT泡沫的电压曲线与石墨明显不同。

概念综述

发展对3D CNT泡沫电池的概念如何工作的深入了解可能是有用的。第一步是将Li

第二步(将其变成高容量锂金属电池)是继续从正极充锂离子，然后在负极(3DCNT泡沫)还原，然后将锂金属镀到各个CNT股的外侧。这意味着锂金属将镀覆在泡沫结构内部(即不在CNT管内部)，利用高表面积以可复制的方式镀覆锂金属。

锂金属电池的放电将简单地逆转该过程，其中CNT管外部上的锂金属将释放电子(供在电池外部使用)，然后锂离子将迁移回正极并被正极活性材料(即NMC或LCO)吸收。一旦所有的锂金属全部被氧化(放电)，嵌入到CNT管内的锂离子将释放其电子极化(生成类似于锂金属氧化的可用电子)并迁移回正极以被吸收到活性正极材料中。

此过程应允许人们仅针对锂离子嵌入，大大提高显著高于240mAhr/g以上的3DCNT泡沫的容量。该设计的关键特征是3D CNT的高表面积，其允许锂金属均匀镀覆而不会形成枝晶。

实施例3：全电池配置中3D CNF泡沫vs.锂金属的评估

这组测试的目的是测量全电池配置中3D CNT泡沫相对于锂金属的基本性能。

3D CNF数据基于相同的LCO正极或更高性能NCM变体。为了使容量整体增加100％，其将传统的LCO/GRA与具有更高性能NM811的3D CNF泡沫负极进行了比较。

在下图中，商用电池的体积能量密度(VED)约为500Whr/L。全电池配置的3D CNF泡沫可使电池的容量增加一倍，达到约1000Whr/L。此数据基于1.2Ahr的实际商业生产电池，其外部尺寸为42x 57x 3.6mm，高密度LCO/GRA正极/负极的N/P比为1.1。

在此实施例中，常规正极：约110um正极是能量负载，高负载，最大化电池中的活性物质比例

常规负极：约110um石墨负极

常规隔膜：约20um

上方的3D CNF泡沫电池：

常规正极110um，包括14um铝箔

3D-NM负极，30um，包括10um铜箔

常规隔膜20um。

体积比为～(110+110+20)/(110+30+20)＝250/160～1.6～VED增加(以相同正极)。

●两阶段锂化

◆嵌入CNT(负极中的所有物质都参与Li/Li

◆锂金属镀3D泡沫间隙空隙空间

●通过以下手段消除和/或控制枝晶/锂镀的形态

◆Li+嵌入CNT(容量的次要组分)

◆在泡沫结构内部包封

◆电解质配方(基于现有锂离子金属技术)

现有锂金属电池限制的实用解决方案

●消除了体积变化

◆CNT泡沫结构是永久的，避免了负极体积的变化

●消除了负极的形状变化

◆CNT泡沫结构是永久的，并提供定向镀模板

◆可调的CNT结构

●由于泡沫结构解决了枝晶形成，因此充电速率可以很高

与其他材料(如Cu，Ni，Si，Zn，Sn，Fe…)相比，

●CNT具有化学稳定性，相对于锂金属0至+4.5伏

●CNT具有高抗张强度，随着电池循环机械稳定性提高

●CNT由碳构成，质量轻

●CNT泡沫

●现有和新的生产方法

附加概念

●在3D CNT泡沫上模制或涂覆隔膜。枝晶抑制/抑制更多，隔膜更薄

●使用CNT作为正极中的导电助剂，以将活性物质含量提高到97.9％，具有更好的功率性能、更稳定的循环……

●沉积在10um铜箔上的3D CNT泡沫结构

●Cu上的3D CNT泡沫结构为商业上相关的20um厚度，以最大化电池容量。与商业正极负载完全兼容…

●3D CNT泡沫结构的均匀沉积。显示SEM显微照片

●证明了Li

以上描述出于说明目的而提供，并且本领域技术人员将理解，可以在不改变本公开的技术概念和必要特征的情况下进行各种改变和修改。因此，很明显，上述实施例在所有方面都是示例性的，并且不限制本公开。例如，描述为单一类型的每个组件可以以分布式方式实现。同样，描述为分布式的组件可以以组合方式实现。

本公开的范围由所附权利要求而不是由实施方式的详细描述来限定。应当理解，从权利要求书的含义和范围及其等同方案想到的所有修改和实施方式均包括在本公开的范围内。