CN102414875A - 用于电化学能量储存的金属化纤维 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种用于形成金属化纤维，并在所述金属化纤维上沉积多层膜以形成薄膜电化学能量储存装置的成本有效的方法和设备。在一个实施方式中，使用纤维纺丝工艺形成纤维基板，并且使用湿式沉积以铜层电镀所述纤维基板。此后，沉积多个材料层到所述铜层上，以形成锂-离子电池纤维。
Description
技术领域
本发明的实施方式一般来说涉及一种用于形成金属化纤维的方法和设备，所述金属化纤维可用来形成电化学能量储存装置。更具体地说，本发明的实施方式涉及一种用于形成金属化纤维，并在所述金属化纤维上沉积多层膜以形成薄膜电化学能量储存装置的方法和设备。
背景技术
多功能复合材料已经由于此类材料广泛的潜在应用而引起极大的兴趣，所述多功能复合材料可充当功率源。可通过在具有非常规几何图形的基板上沉积多层膜来形成多功能复合材料，以在基板上形成薄膜电化学能量储存装置(例如，电池、超级电容器)或能量转换装置(例如，燃料电池、光伏电池)。具有非常规几何图形的基板可包括纤维、织物、带状物、杆或其它结构，所述其它结构可用作各种应用中的结构元件。例如，上面形成有薄膜电化学能量储存装置的纤维可用来形成织物或纤维增强复合材料，所述织物或纤维增强复合材料也可充当功率源。因此，多功能复合材料可充当结构材料和功率源，并且此组合功能性可为需要电源供应器的应用提供例如空间、重量和成本上的节约。
可充当功率源的多功能复合材料的一个例子为电池纤维。图1A为现有技术电池纤维100的横截面透视图。电池纤维100包含纤维基板102和所述纤维基板102上的多层固体材料，所述多层固体材料形成薄膜电池。出于清晰性考虑，没有按比例绘制电池纤维100，并且夸示了相对于纤维基板102厚度的层厚度。每一层材料可适当地加以选择以形成不同类型电池，诸如，锂基电池或具有非锂化学物质的电池。纤维基板102具有近似圆形的横截面，所述近似圆形的横截面垂直于中心定位的纤维轴线“A”，所述中心定位的纤维轴线“A”平行纤维长度。以一层金属材料涂覆纤维基板102，以形成阴极电流集电器层104，所述阴极电流集电器层104覆盖有一层阴极材料，以形成阴极层106。将电解质材料沉积至阴极层106上，以形成固体电解质层108，所述固体电解质层108由一层阳极材料覆盖，所述阳极材料层形成阳极层110。第二层金属材料覆盖阳极层110，以形成阳极电流集电器层112。可将电绝缘材料沉积至阳极电流集电器层112上，以形成保护性涂层114，所述保护性涂层114保护并密封电池纤维100的下层。
可在电池纤维100的形成期间或之后图案化电池纤维100，以便在沿纤维长度的所要位置处暴露阴极电流集电器层104和阳极电流集电器层112，以便可将电力负荷耦接至电流集电器层并从电池纤维100获取功率。M.Benson等人在2002年4月1日提交的美国专利申请公开案第2003/0059526 A1号中公开了电池纤维100的例子。
可组合多个电池纤维100，以形成不同类型结构材料，所述不同类型的结构材料也可为各种应用提供功率。图1B为现有技术电池纤维织物150的透视图，所述现有技术电池纤维织物150包含图1A中所示的电池纤维100。将多个电池纤维100纺织到一起以形成可提供功率的柔性织物。可将薄片内的个别电池纤维100以串联或并联方式彼此电气耦接，这取决于应用的功率要求。也可将一或更多个电池纤维织物150与环氧树脂、树脂或其它基体材料组合，以形成刚性或半刚性薄片或面板。在其它应用中，可将电池纤维100与基体材料组合，以形成管、杆、横梁或可充当功率源的其它结构的复合材料。J.Armstrong等人在2002年9月11日提交的美国专利申请公开案第2003/0068559 A1号中公开了电池纤维织物150和含有电池纤维100的其它复合材料的例子。
纤维的潜在应用的范围使得此类多功能纤维的成本有效的生产为合意的，所述纤维可充当功率源和结构材料。用于形成金属化纤维的成本有效的方法也为合意的，因为薄膜电化学能量储存装置通常包括一或更多个金属电流集电器层，诸如，针对电池纤维100所示的阴极电流集电器层104和阳极电流集电器层112。在半导体工业中用于形成薄膜电化学能量储存装置的方法和设备一般来说适宜于在具有传统几何图形的基板上沉积材料，所述基板诸如晶片、面板或其它平面基板。因此，用于在纤维上形成薄膜电化学能量储存装置的成本有效的方法和设备为合意的。
因此，需要一种用于形成金属化纤维并在所述金属化纤维上沉积多层膜以形成薄膜电化学能量储存装置(诸如，电池)的成本有效的方法和设备。
发明内容
本发明的实施方式提供一种用于形成金属化纤维基板并在所述金属化纤维基板上沉积多个膜层以形成电化学能量储存装置的成本有效的方法和设备。
在一个实施方式中，金属化纤维经装配用于电化学储存装置中，并且所述金属化纤维包含：纤维基板；初始黏附层，所述初始黏附层设置在所述纤维基板上方；以及金属层，所述金属层设置在所述初始黏附层上。
在另一个实施方式中，本发明提供一种用于形成金属化纤维的方法，所述金属化纤维用于电化学储存装置中。所述方法包含：形成纤维基板；在所述纤维基板上方形成初始黏附层；以及在所述初始黏附层上沉积金属层。
在一个实施方式中，本发明公开一种用于形成金属化纤维的设备。所述设备包含：主要支撑件，所述主要支撑件经调适用于耦接至部分的纤维基板；纤维形成设备，所述纤维形成设备经调适用于形成纤维基板；以及一或更多个处理站，所述一或更多个处理站经调适用于金属化部分的所述纤维基板，所述部分的所述纤维基板设置在所述主要支撑件与所述纤维形成设备之间，并且所述主要支撑件经调适用于将部分的所述纤维基板定位在所述一或更多个处理站中。
在另一个实施方式中，一种电池纤维包含：金属化纤维，所述金属化纤维具有阳极层；电解质/隔板层，所述电解质/隔板层设置在所述阳极层上方；阴极层，所述阴极层设置在所述电解质/隔板层上；以及第二金属层，所述第二金属层设置在所述阴极层上。
在一个实施方式中，本发明提供一种用于形成电池纤维的方法。所述方法包含：形成金属化纤维，所述金属化纤维具有阳极层；在所述阳极层上形成阳极层；在所述阳极层上方沉积电解质/隔板层；在所述电解质/隔板层上沉积阴极层；以及在所述阴极层上沉积第二金属层。
在又一个实施方式中，本发明提供一种用于形成电池纤维的设备。所述设备包含：主要支撑件，所述主要支撑件经调适用于耦接至部分的金属化纤维；金属化纤维形成设备，所述金属化纤维形成设备经调适用于形成金属化纤维；以及一或更多个处理站，所述一或更多个处理站经调适用于在部分的所述金属化纤维上沉积膜，所述部分的所述金属化纤维设置在所述主要支撑件与所述金属化纤维形成设备之间，并且所述主要支撑件经调适以将部分的所述金属化纤维定位在所述一或更多个处理站内。
附图说明
以便可详细地理解本发明的上述特征，可参考实施方式来进行上文简要概述的本发明的更特定描述，其中一些实施方式示出于附图中。然而，应注意到，附图仅示出本发明的典型实施方式并且因此不被视为本发明的范围的限制，因为本发明可允许其它同等有效的实施方式。
图1A为现有技术电池纤维的横截面透视图。
图1B为现有技术电池纤维织物的透视图，所述现有技术电池纤维织物包含图1A中所示的电池纤维。
图2为根据本发明的一个实施方式的金属化纤维的横截面示意图。
图3A为根据本发明的一个实施方式在电池充电之前的电池纤维的横截面示意图。
图3B为根据本文所述的一个实施方式在电池充电之后的图3A中所示的电池纤维的横截面示意图。
图3C为根据本文所述的一个实施方式的图3B中所示的电池纤维的横截面示意图。
图3D为根据本文所述的一个实施方式的多电池纤维的横截面示意图。
图4示出根据本发明的一个实施方式用于形成图2中所示的金属化纤维的工艺。
图5示出根据本发明的一个实施方式用于形成图3A和图3B中所示的电池纤维的工艺。
图6A为根据本发明的一个实施方式用于形成图2中所示的金属化纤维的设备的简化示意图。
图6B为根据本文所述的另一个实施方式的图6A中所示的设备的简化详图。
图6C为根据本文所述的另一个实施方式的图6A中所示的设备的简化示意图。
图6D为根据本文所述的一个实施方式的图6A中所示的设备的简化示意图。
图6E为根据本文所述的另一个实施方式的图6A中所示的设备的简化示意图。
图7A为根据本发明的另一个实施方式的图6A中所示的设备的简化示意图，所述图6A中所示的设备使用湿式沉积工艺。
图7B为根据本文所述的一个实施方式的湿式沉积设备的简化示意图。
图8A为根据本发明的一个实施方式用于形成图3A和图3B中所示的电池纤维的设备的简化示意图。
图8B为根据本发明的一个实施方式的沉积设备的简化示意图。
为了促进理解，在可能的情况下已使用相同的元件符号来指定诸图共用的相同元件。设想在于，一个实施方式的特征可并入其它实施方式中，而不需进一步叙述。
具体实施方式
本发明一般来说提供一种用于形成金属化纤维，并在所述金属化纤维上沉积多层膜以形成电化学能量储存装置的成本有效的方法和设备。在一个实施方式中，使用纤维形成工艺形成纤维基板，并且使用湿式沉积工艺以铜层电镀纤维基板。此后，将多个材料层沉积至铜层上，以形成锂基电池纤维。
图2为根据本发明的一个实施方式的金属化纤维200的横截面示意图。金属化纤维200包含纤维基板201，所述纤维基板201具有长度，所述长度沿与纤维轴线方向“B”平行的方向延伸。纤维基板201具有横截面，所述横截面垂直于纤维轴线方向“B”，并且所述横截面的形状可为近似圆形的(参见图3C)。纤维基板201可具有横截面形状，所述横截面形状包括(但不限于)圆形、椭圆形、正方形、矩形、六边形、八边形、多边形、叶形和上述形状的组合。可将具有多边形横截面的纤维基板201描述为具有多个平坦表面或刻面的纤维。如本文所定义的，具有“平坦”横截面的纤维基板201可包括带状物或带状物状基板。
纤维基板201可包含材料，所述材料包括(但不限于)碳、含碳化合物、碳化物、碳纳米管、碳纳米纤维、硅石、氧化铝、锆钛酸铅、玻璃、陶瓷、聚合物、芳族聚酰胺、聚芳酰胺、聚乙烯、聚酰胺、尼龙、丙烯酸树脂、人造丝、纤维素材料、金属、金属合金、半导体、超导体、光纤、电线或上述材料的组合。纤维基板201还可包含纤维束(strandof fibers)。在一个实施方式中，纤维基板201包含碳或氧化铝。
纤维基板201包含第一表面202和第二表面205。第一表面202和第二表面205可包含纤维基板201的两个分离的表面(例如，刻面纤维或带状纤维的顶表面和底表面)。在另一个实施方式中，第一表面202和第二表面205包含纤维基板201的单个外表面(例如，圆柱表面)。
在第一表面202和第二表面205中的每一者上，金属化纤维200进一步包含补充层203、纳米丝层(nanofilament layer)204、初始黏附层206和金属层208，所述纳米丝层204形成在补充层203上，所述初始黏附层206形成在纳米丝层204上方，所述金属层208形成在初始黏附层206上。在另一个实施方式中，可用上文提及的层仅覆盖第一表面202。金属层208的第一金属表面210和第二金属表面212上可收纳额外材料层，以形成能量储存装置(参见图3A)或能量转换装置。
补充层203包含一或更多个处理层和/或一或更多层沉积材料，所述一或更多个处理层和/或一或更多层沉积材料可帮助促进或控制其它层的沉积。一或更多个补充层203还可包括用来改变或修改金属化纤维200的性质的材料。金属化纤维200可包含一或更多个补充层203，并且补充层203可设置在金属化纤维200的其它层之间。在一个实施方式中，补充层203为纤维基板201的表面的一部分。在另一个实施方式中，补充层203形成在纤维基板201的表面上方。在另一个实施方式中，金属化纤维200不包括任何补充层203。
在一个实施方式中，补充层203包含第一电流收集层203A，所述第一电流收集层203A形成在纤维基板材料上。电流收集层203A可包括设置在主纤维基板上的相对薄的导电性材料。电流收集层203A可包含一或更多种传导性材料，诸如，金属、塑料、石墨、聚合物、含碳聚合物、复合物或其它适当材料。可形成电流集电器层203A的金属的例子包括铜(Cu)、锌(Zn)、镍(Ni)、钴(Co)、钯(Pd)、铂(Pt)、锡(Sn)、钌(Ru)、不锈钢、上述金属的合金和上述金属的组合，所述金属是使用蒸发、物理气相沉积(PVD)、化学气相沉积(CVD)或其它类似工艺沉积在主纤维基板上。电流收集层203A的厚度可在几纳米到几十微米之间。
在一个实施方式中，补充层203包含一或更多个处理层(诸如，第二层203B)和/或特征，所述一或更多个处理层可包括沉积材料层，所述特征帮助促进或控制石墨纳米丝(即，碳纳米管和/或碳纳米纤维)的形成。在一个实施方式中，补充层203包含一或更多层催化材料，所述一或更多层催化材料促进石墨纳米丝的生长。催化材料可包括(但不限于)铁、钴、镍、铜、银、镁、钌、铑、铱、铂、钯、钼、钨、铬和上述物质的合金、氧化物和组合。可使用的催化剂材料的组合或混合物包括(但不限于)铁-镍、铁-钼、铁-钴、钴-镍和钴-钼。优选的催化剂包括铁、钴、镍和上述物质的合金。在一个实施方式中，补充层203包含缓冲材料，所述缓冲材料防止催化材料在纳米丝生长温度下与纤维基板201反应或成合金。例如，缓冲材料可包括氮化钛或二氧化硅。
在一个实施方式中，补充层203包含补充材料和/或特征，所述补充材料和/或特征抑制或防止石墨纳米丝的生长，并且可在纤维基板201上图案化此类材料或特征。在一个实施方式中，补充层203包含二或更多个层，其中一些层促进并推动石墨纳米丝生长，而其它层抑制或防止纳米丝生长。
在一个实施方式中，补充层203包含处理层，诸如，氧化物层。在一个例子中，氧化物层可包含各种类型的氧化物，所述各种类型的氧化物可通过使补充层203的第一表面207和第二表面209暴露于空气或通过所述表面的氧化处理来形成。
在一个实施方式中，补充层203包含定向孔隙或孔洞，所述定向孔隙或孔洞可帮助石墨纳米丝沿定向孔隙的方向对准。石墨纳米丝可形成在孔隙中并大体上与孔隙壁平行地生长。孔隙直径的尺寸可为纳米级的。在一个实施方式中，可大体上垂直于第一表面202和/或第二表面205地定向孔隙壁。
在另一个实施方式中，补充层203包含补充材料，所述补充材料可增强或修改金属化纤维200的性质，并且此类材料可包括碳形式或其它材料，所述碳形式诸如金刚石、类金刚石碳(diamond-like carbon；DLC)和氟化碳，所述其它材料诸如硅酸盐、金属氧化物、金属氟化物、陶瓷和聚合物。在一个实施方式中，补充层203设置在纳米丝层204与初始黏附层206之间。在一个实施方式中，初始黏附层206和/或金属层208包含补充材料，所述补充材料包括(但不限于)金刚石、类金刚石碳(DLC)、氟化碳、硅酸盐、金属氧化物、金属氟化物、陶瓷和聚合物。
参阅图2，纳米丝层204包含石墨纳米丝，所述石墨纳米丝形成在纤维基板201上方。石墨纳米丝包含碳纳米管和/或碳纳米纤维。碳纳米管可包括单壁碳纳米管和/或多壁碳纳米管，并且碳纳米纤维可包括人字形、小片、带状物、堆叠的圆锥形和/或所属领域中已知的其它碳纳米纤维类型。纳米丝层204还可包含材料(例如，金属)，所述材料嵌入石墨纳米丝。在一个实施方式中，纳米丝层204形成在补充层203的第一表面207和第二表面209上。在另一个实施方式中，纳米丝层204形成在纤维基板201上而没有中介的补充层203。在又一个实施方式中，金属化纤维200不包括纳米丝层204。
初始黏附层206包含一或更多层材料，所述一或更多层材料促进金属层208的沉积和黏附。初始黏附层206可包含成核层、晶种层和/或初始层，所述成核层、晶种层和/或初始层使纤维基板201为金属材料的沉积做准备。初始黏附层206可形成在纳米丝层204、补充层203上或直接形成在纤维基板201上。
在一个实施方式中，初始黏附层206包含晶种层或成核层，所述晶种层或成核层包含材料，所述材料可包括(但不限于)铜、锡、铝、铋、锑、镍、钛、钒、铬、锰、铁、钴、银、金、锌以及上述材料的合金和氧化物。在另一个实施方式中，初始黏附层206包含初始层，所述初始层包含一或更多种催化材料，所述一或更多种催化材料可发起无电电镀工艺。可使用敏化溶液和活化溶液来沉积催化材料。在一个实施方式中，初始黏附层206包含金属或金属合金。在一个实施方式中，初始黏附层206包含催化材料，所述催化材料包括(但不限于)钯、锡、铂、金、铑、钌、镁、锇、铱、铁、铜、钴、铅、汞、镍、铝、钛和碳。在一个实施方式中，初始黏附层206包含氨丙基三乙氧基硅烷(aminopropyltriethoxysilane；APTS)和钯(Pd)。在另一个实施方式中，初始黏附层206包含锡(Sn)和钯。在一个实施方式中，初始黏附层206包含铜(Cu)、铜合金或镍(Ni)。
金属层208包含一或更多层金属或金属合金。金属层208可包含材料，所述材料包括(但不限于)铜、铬、锡、铝、铋、锑、镍、钛、钒、锰、铁、钴、银、金、锌、镁、钼、铂、铅以及上述物质的合金和氧化物。在一个实施方式中，金属层208包含铜或铜合金。在一个实施方式中，可使初始黏附层206和金属层208充分薄和/或多孔，以增加暴露表面区域并允许离子在电池的电解质(例如，锂、钠、钾)中移动穿过每一层的部分。
参阅图2，纤维基板201具有厚度或直径“d1”，所述厚度或直径“d1”可具有宽范围的值，这取决于金属化纤维200的应用。在一个实施方式中，直径“d1”可在几微米到若干厘米之间，或更大。在一个实施方式中，补充层203具有厚度“t1”，所述厚度“t1”可在几纳米到几十微米之间。纳米丝层204具有厚度“t2”，所述厚度“t2”可高达几十微米或更大。初始黏附层206具有厚度“t3”，并且金属层208具有厚度“t4”。在一个实施方式中，每一厚度“t3”和“t4”在约0.01微米到约25微米之间。在另一个实施方式中，每一厚度“t3”和“t4”在几埃到几微米之间。在一个实施方式中，初始黏附层206包含晶种层并具有厚度“t3”，所述厚度“t3”在约10埃到约2,500埃之间。
可将图2中所示和本文所述的金属化纤维200用作形成薄膜电化学能量储存装置的基板，并且金属化纤维200可充当装置的电极。如本文所定义的，“电极”指的是电化学能量储存装置的区，所述区经调适以在外负荷与电化学储存装置的其它部分之间传递电能，所述“电极”可包括电流集电器和/或在所述“电极”上形成的活性材料(例如，阳极材料或阴极材料)。可将纳米丝层204添加到金属化纤维200，以增加金属层208的表面区域，所述表面区域可充当电流集电器，并且大的表面区域可为电化学能量储存装置提供改良的电荷储存能力。
图3A为根据本发明的一个实施方式在电池充电之前的电池纤维300的横截面示意图。电池纤维300包含金属化纤维200，所述金属化纤维200上形成有多个材料层，以形成固态可再充电薄膜电池。在一个实施方式中，电池纤维300包含锂离子电池。金属化纤维200沿平行于纤维轴线方向“B”的方向纵向(lengthwise)延伸，并且出于清晰性考虑，仅示出了金属化纤维200的金属层208。金属化纤维200包含电池纤维300的两个电极或电流集电器中的一者。在一个实施方式中，金属层208包含用于电池纤维300的阳极电流集电器。
电池纤维300进一步包含电解质/隔板层(separator layer)302、阴极层304、第二金属层306和保护性涂层308，所述电解质/隔板层302形成在金属层208上方，所述阴极层304形成在电解质/隔板层302上，所述第二金属层306形成在阴极层304上，所述保护性涂层308覆盖第二金属层306。在另一个实施方式中，省略了保护性涂层308。
电解质/隔板层302包含一或更多层固态电解质材料，所述一或更多层固态电解质材料可传导活性金属的离子，所述活性金属诸如碱金属(例如，锂、钠)、碱土金属或过渡金属。在一个实施方式中，活性金属为锂。例如，电解质材料可包含玻璃、陶瓷、聚合物或上述物质的组合。在一个实施方式中，电解质材料包含一或更多种材料，所述一或更多种材料包括(但不限于)锂磷氧氮(LiPON)、锂硅碳氧氮、锂硅铌氧氮、锂硅钽氧氮、锂硅钨氧氮、基于氮氧化物的电解质、磷酸锂玻璃、氧化锂玻璃、硅酸锂玻璃、硼硅酸锂玻璃、硼硅酸钠玻璃、含锂硫化物玻璃、基于硫氧化物的电解质、含锂玻璃电解质、含锂陶瓷电解质、含锂固相聚合物电解质、固相聚合物电解质或上述物质的组合。在一个实施方式中，电解质/隔板层302包含锂磷氧氮(LiPON)。如本文所使用的，LiPON一般来说指的是锂磷氧氮材料。一个这样的例子为Li3PO4N，并且其它例子可包含较高比率的氮，以增加锂离子穿过电解质的迁移率。应相信，较高比率的氮也可用来增强形成的层的介电性质，所述形成的层需要增强层的能力，以作为形成的装置的阳极部分与阴极部分之间的隔板。
在另一个实施方式中，电解质/隔板层302包含固体电解质/隔板，所述固体电解质/隔板具有分子式LixSiyMzOvNw，其中，0.3≤x≤0.46，0.05≤y≤0.15，0.016≤z＜0.05，0.05≤v＜0.42，0＜w≤0.029，并且M为选自由以下物质组成的群组的至少一者：铌(Nb)、钽(Ta)和钨(W)。Park等人在美国专利第7,220,517号中公开了一种形成固体电解质的方法。
阴极层304包含一或更多层阴极材料，所述阴极材料可包括(但不限于)锂钴氧化物(LiCoO)(包括LiCoO2)、锂锰氧化物(LiMnO)(包括Li2Mn2O4、LiMn2O4和LiMnO2)、锂钛氧化物、钒氧化物(包括V2O5)、锂钒氧化物(包括LiVO2和Li2V2O5)、锂镍氧化物(包括LiNiO2、LiNiMnCo)、锂铁磷酸盐(包括LiFePO4)、银钒氧化物、硫化钛、氧化锰、碳、石墨、碳纤维、聚合物、聚四氟乙烯(PTFE)、聚乙烯和聚丙烯。在一个实施方式中，阴极层304包含锂钴氧化物(LiCoO)或锂锰氧化物(LiMnO)。
在一个实施方式中，电池纤维300包括空气阴极。空气阴极可包含阴极层304、第二金属层306和保护性涂层308。空气阴极还可包括形成在保护性涂层308上的额外材料层。在一个实施方式中，阴极层304可包含碳(例如，石墨、碳纤维或粒子)的混合物、聚合物、催化剂材料或其它材料，所述其它材料形成氧可渗透的多孔碳层。催化剂材料可包括(但不限于)锰(Mn)、钴(Co)、钌(Ru)、铂(Pt)和银(Ag)。催化剂材料可增强氧还原并增加电池纤维300的比容量(specific capacity)。第二金属层306可包含金属网丝、金属条或多孔金属膜，所述金属网丝、金属条或多孔金属膜对氧可渗透但充当电流集电器。可由薄金属膜图案化金属网丝或金属条，或可通过调节各种沉积参数沉积多孔金属膜。保护性涂层308包含氧可渗透膜，所述氧可渗透膜充当防潮层。保护性涂层308可包含聚合物，诸如聚四氟乙烯(PTFE)。额外多孔碳层可沉积在保护性涂层308上方。
参阅图3A，第二金属层306包含一或更多层金属或金属合金，所述一或更多层金属或金属合金形成用于电池纤维300的第二电极或电流集电器。在一个实施方式中，第二金属层306包含阴极电流集电器。加号“+”和减号“-”指示阴极电流集电器充当正电极而阳极电流集电器充当负电极。
用于第二金属层306的金属材料可与用以形成金属层208的材料相同或不同。第二金属层306可包含材料，所述材料包括(但不限于)铜、铬、锡、铝、铋、锑、镍、钛、钒、锂、锰、铁、钴、银、金、锌、镁、钼、铂、铅以及上述物质的合金和氧化物。在一个实施方式中，第二金属层306包含铜、铜合金或铬。在一个例子中，第二金属层306包含铜或铜合金，并且金属层208包含铝或铝合金。
在一个实施方式中，第二金属层306包含两个层，即晶种层或初始层和块体金属层，所述块体金属层形成在所述晶种层或初始层上。初始层可包含催化材料，所述催化材料可用来发起无电电镀工艺，并且第二金属层306可包含催化材料，所述催化材料包括(但不限于)钯、锡、铂、金、铑、钌、镁、锇、铱、铁、铜、钴、铅、汞、镍、铝、钛和碳。晶种层或初始层还可包含非金属材料。在一个实施方式中，第二金属层306包含氨丙基三乙氧基硅烷(APTS)和金属材料。
保护性涂层308包含一或更多层材料，所述一或更多层材料可用以保护、密封且/或电气绝缘下层电池层。保护性涂层308包含材料，所述材料可包括(但不限于)锂磷氧氮(LiPON)、金属氧化物、聚合物、聚二甲苯聚合物、聚乙烯、聚四氟乙烯(PTFE)、聚丙烯、高弹体、树脂、环氧树脂、硅树脂、电介质粘着剂、金属(例如，不锈钢、铝)、电介质、陶瓷(例如，Al2O3)、玻璃、橡胶材料或上述物质的组合。还可通过处理第二金属层306的表面以提供所要的保护性质来形成保护性涂层308。经处理的表面层可包括经氧化的层、经阳极化的层或其它处理层。在一个实施方式中，保护性涂层308包含锂磷氧氮(LiPON)。
可在材料层的沉积期间或之后图案化电池纤维300，以便在沿纤维长度的所要位置处暴露阴极电流集电器和阳极电流集电器，以便可将电力负荷、另一个电池纤维300或电池充电源(例如)以电气方式耦接至电流集电器。可使用各种图案化和材料除去技术，诸如，遮蔽、光刻法、薄膜图案化、选择性沉积、蚀刻、以化学方式除去、以机械方式除去、激光烧蚀、激光划线或其它技术，所述其它技术为图案化和除去材料层提供所要的控制。
可图案化电池纤维300的材料层，来为材料层的边界形成各种构造，并且许多构造为可能的且图3A中所示的构造并非意谓限制。在一个实施方式中，通过索引位置(indexlocation)310A至索引位置310E来突出每一材料层边界。例如，索引位置310A与索引位置310B之间的电池纤维300中缺失金属层208，索引位置310A与索引位置310C之间的电池纤维300中缺失电解质/隔板层302，从而暴露索引位置310B与索引位置310C之间的金属层208。索引位置310A与索引位置310D之间的电池纤维300中缺失阴极层304和第二金属层306，并且索引位置310A与索引位置310E之间的电池纤维300中缺失保护性涂层308，从而暴露索引位置310D到索引位置310E之间的第二金属层306。
可将索引位置310A至索引位置310E设置在电池纤维300的一个端或两个端处，或设置在沿电池纤维300长度的各种位置或间隔处，以便材料层图案沿电池纤维300重复。尽管示出五个索引位置，即索引位置310A至索引位置310E，但是任何数目的位置可用来指示所要的材料层图案。在图3A的右侧所示的索引位置310A至索引位置310E是由左边的第二组索引位置310A至索引位置310E反映(mirror)的，出于清晰性考虑已省略了所述左边的第二组索引位置310A至索引位置310E。图3A中所示的实施方式并非意谓限制，由于在不脱离本文所述本发明的基本范围的情况下可使用其它材料层图案。
可将电池纤维300的每一材料层形成各种所要的厚度。电解质/隔板层302具有厚度“t5”，阴极层304具有厚度“t6”，第二金属层306具有厚度“t7”，并且保护性涂层308具有厚度“t8”。每一厚度“t5”、“t6”、“t7”和“t8”可在几纳米到几微米之间或更大。在一个实施方式中，每一厚度“t5”、“t6”和“t7”可在约.01微米到约5微米之间。在一个实施方式中，电解质/隔板层302的厚度“t5”在约.1微米到约3微米之间。在一个实施方式中，金属层208的厚度“t4”(参见图2)和第二金属层306的厚度“t7”各自在约0.1微米到约50微米之间，或在约0.1微米到约30微米之间。
图3B为根据本文所述的一个实施方式在电池充电之后的图3A中所示的电池纤维300的横截面示意图。在形成电池纤维300之后，可通过电池纤维300的初始充电原位沉积一层阳极材料，以形成阳极层309，所述阳极层309设置在金属层208与电解质/隔板层302之间。形成阳极层309的方法有时称为“原位活化”。在充电之后，电池纤维300经活化并可输送功率到电力负荷，所述电力负荷连接至电池电极/电流集电器。Neudecker等人在美国专利第6,168,884号中公开了原位活化的方法。
在另一个实施方式中，图3B描绘在电池充电之前的电池纤维300的横截面图，并且在沉积电解质/隔板层302之前在金属层208上沉积阳极层309。阳极层309也可包含一或更多层阳极材料。
当将LiPON用于电解质/隔板层302时，也可在沉积电解质/隔板层302之后但在另一个电池层的沉积之前，在金属层208上形成阳极层309。J.Klassen在美国专利第7,211,351中公开了用于以电化学方式在金属/LiPON界面处的金属上沉积锂的方法。
阳极层309包含阳极材料，所述阳极材料可包括(但不限于)锂、碱金属、碱土金属、过渡金属、碳、石墨、钠、钠-铅合金、锡氮化物(包括Sn3N4)、锂氮化物(包括Li3N)、锂-金属合金(包括锂-铝合金、锂-铋合金、锂-镉合金、锂-镁合金、锂-铅合金、锂-锑合金、锂-锡合金、锂-锌合金)、包含金属间化合物的合金(包括锡基合金，诸如，铜-锡合金、铁-锡合金、镍-锡合金、锡-锑合金和钴-锡-铜合金)、硅基合金(包括锂-硅合金)、氧化钨基合金、含碱金属、碱土金属和/或过渡金属的金属合金、上述物质的组合。在一个实施方式中，阳极层309包含金属锂和/或含诸如石墨、锡、硅和炭黑的材料的复合物。
阳极层309具有厚度“t9”，所述厚度“t9”可在0.01微米到约5微米之间，然而可使用其它厚度。虽然从金属层208到第二金属层306包括性地测量的总厚度“t10”可在约5微米到约40微米之间，但是其它厚度为可能的。在一个实施方式中，金属层208或第二金属层306的厚度大于阳极层309、电解质/隔板层302或阴极层304各自的厚度。
在另一个实施方式中，可形成电池纤维300，以便使阳极层309和阴极层304在电池纤维300中以颠倒次序设置。例如，电池纤维300包含阴极层304，所述阴极层304可形成在金属层208上方，此后可将电解质/隔板层302形成在阴极层304上方，并且将第二金属层306形成在电解质/隔板层302上，并且可将保护性涂层308沉积在第二金属层306上。在电池充电(原位形成)期间，在电解质/隔板层302与第二金属层306之间形成阳极层309，或者在沉积第二金属层306之前，通过在电解质/隔板层302上沉积阳极材料来形成阳极层309。在颠倒次序实施方式中，金属层208包含阴极电流集电器，并且第二金属层306包含阳极电流集电器。
图3C为根据本文所述的一个实施方式的图3B中所示的电池纤维300的横截面示意图。电池纤维300的材料层遵照金属化纤维200的圆形横截面形状，以形成具有圆形横截面的电池纤维300。在另一个实施方式中，电池纤维300可具有其它横截面形状，诸如，椭圆形、正方形、矩形、六边形、八边形、多边形或叶形，这取决于金属化纤维200的横截面形状。
图4示出根据本发明的一个实施方式用于形成图2中所示的金属化纤维200和电池的阳极部分的工艺。工艺包含一系列方法步骤400，所述方法步骤400始于步骤402，步骤402包含使用纤维形成设备(参见图6A)形成纤维基板201。在另一个实施方式中，使用市场上可买到的纤维基板201来形成金属化纤维200，并且省略步骤402。
步骤402的纤维基板201形成工艺可包含挤压浓的粘性液体或溶胶或凝胶(溶胶-凝胶合成物的溶胶或凝胶)穿过纤维形成设备的部分(例如，喷丝头)中的一或更多个孔洞。在挤压之后，液体或凝胶纤维即从孔洞涌出，并且所述液体或凝胶纤维首先被转换成半固态，然后在纤维形成工艺期间凝固。各种工艺可用来将液体或凝胶纤维转换成半固体然后转换成固态，这取决于所使用的纤维形成工艺。纤维基板201可为连续的且具有伸展长度，或纤维基板201可为离散的且具有有限或较短的长度。如本文所描述的，术语“纺丝”指的是挤压和凝固以形成纤维的工艺。经挤压的纤维在半固态或固态时也可被拉伸或展开，以帮助对准纤维内的分子链并改良纤维的各种性质(例如，强度)。也可组合经挤压的纤维，以形成纤维束。
纤维基板201可由纤维前体材料620(参见图6A)形成，所述纤维前体材料620可包含液体、凝胶或固体，所述液体、凝胶或固体进一步经处理以形成纤维基板201。必须将固体材料在挤压或拉伸之前转换为流体状态，并且可熔化、使用适当溶剂溶解或以化学方式处理所述材料，以形成流体化学衍生物。在一个实施方式中，纤维形成设备经调适，用于加热纤维前体材料620。在一个实施方式中，在挤压之前熔化纤维前体材料620。在一个实施方式中，将纤维前体材料620加热到约20℃到约500℃之间的温度。纤维前体材料620可包括(但不限于)聚合物、热塑性塑料、含碳化合物、纤维素材料、碳化物、硅石、氧化铝、锆钛酸铅、玻璃、陶瓷、芳族聚酰胺、聚芳酰胺、聚乙烯、聚酰胺、尼龙、丙烯酸树脂、金属醇盐、硅醇盐、人造丝、中间相沥青、聚丙烯腈(PAN)、碳纳米管、碳纳米纤维或上述物质的衍生物、前体和组合。在一个实施方式中，纤维前体材料620包含溶胶-凝胶合成物。也可使用所属领域中已知的另一种方法来形成纤维基板201，所述另一种方法诸如纤维拉丝(fiber drawing)。在这个方法中，由具有尖锐顶端的突出部分接触包含纤维前体材料620的粘性液体的表面，并且暂时将所述尖锐顶端浸渍到粘性液体的表面中，然后拔起所述尖锐顶端以将粘性液体连续地拉伸成纤维形状。此后，使从粘性液体拉伸出的连续纤维通过加热设备或其它设备，以使所述纤维凝固，并且此后可将所述固体纤维缠绕在拉起纤维的线轴或接收卷轴上。也可使用各种纤维形成方法来形成纤维基板201，所述各种纤维形成方法可包括(但不限于)湿式纺丝、干式纺丝、熔融纺丝、干湿式纺丝、凝胶纺丝、溶胶-凝胶纺丝、干喷湿式纺丝、凝结纺丝、纤维拉丝和溶胶-凝胶纤维拉丝。在一个实施方式中，使用溶胶-凝胶纺丝或凝胶纺丝形成每一纤维基板201，其中挤压溶胶-凝胶合成物的溶胶或凝胶穿过孔洞，然后使溶胶或凝胶凝固。
在步骤404处，可在纤维基板201的一或更多个表面上形成补充层203。可使用各种图案化技术来图案化补充层203，所述各种图案化技术包括(但不限于)激光烧蚀、遮蔽、丝网印刷、喷墨印刷、平版印刷术、局部喷雾沉积、局部印刷和选择性蚀刻。补充层203的图案化可用来控制在后续步骤中在纤维基板201的一或更多个表面上石墨纳米丝生长在什么地方，并且所述补充层203的图案化可增强纤维基板201的机械性质或表面性质。例如，可沉积并图案化催化材料，以控制在纤维基板201上石墨纳米丝生长在什么地方。在另一个实施方式中，金属化纤维200包含二或更多个补充层203，所述二或更多个补充层203是通过重复步骤404多次或是在执行后续方法步骤400的任何一者之后形成。在一个构造中，所沉积补充层203中的一或更多者为催化层，诸如第二层203B，所述催化层进一步帮助促进或控制石墨纳米丝的形成。在一个实施方式中，所沉积的补充层203中的一或更多者包含电流收集层203A和第二层203B。
可通过处理纤维基板201的一或更多个表面和/或通过在所述表面上沉积补充材料来形成补充层203。处理可包括(但不限于)加热、蚀刻、照射、阳极化和氧化。可使用湿式或干式沉积技术来沉积补充材料，所述湿式或干式沉积技术包括(但不限于)溅射、化学气相沉积、等离子增强的化学气相沉积、电化学沉积、无电沉积、选择性润湿、离子束辅助溅射、电泳沉积及碳靶材的阴极电弧和激光烧蚀。在一个实施方式中，补充材料包含催化材料，所述催化材料可使用方法沉积，所述方法包括(但不限于)溅射、热蒸发、CVD、涂敷含催化剂溶液、涂敷含催化剂胶体溶液、涂敷含催化剂溶胶-凝胶、电化学电镀和无电电镀。在一个例子中，催化材料可包括(但不限于)铁、钴、镍、铜、银、镁、钌、铑、铱、铂、钯、钼、钨、铬及上述物质的合金、氧化物和组合。
步骤404可包含用于形成补充层203的多个步骤，所述补充层203可包含多个处理层和沉积层。例如，可氧化纤维基板201的一或更多个表面以形成氧化物层，继之以沉积第一催化材料以在所述氧化物层上形成第一催化剂层，然后沉积第二催化材料以在所述第一催化剂层上形成第二催化剂层。可涵盖用于补充层203的替代处理、补充材料及沉积和处理的顺序。
接下来，在任选步骤406中，在纤维基板201的一或更多个表面上形成石墨纳米丝，以产生纳米丝层204。可使用催化CVD方法或非催化CVD方法来形成纳米丝层204。使用催化剂材料来促进和帮助控制石墨纳米丝生长的方法被称为催化CVD方法。没有将催化剂材料用于石墨纳米丝生长的方法被称为非催化或热解CVD方法，因为通常仅加热而没有催化作用驱动纳米丝生长。催化CVD方法经常提供比非催化方法更大的对石墨纳米丝生长的控制。在一个实施方式中，在步骤406之前将用来形成石墨纳米丝的催化剂材料沉积在纤维基板201上。在另一个实施方式中，在步骤406期间将催化剂材料沉积在纤维基板201上，诸如，在使用石墨纳米丝形成的浮动催化剂方法时。在一个实施方式中，使用催化CVD方法来形成纳米丝层204。
在一个实施方式中，使用“浮动催化剂”方法来形成纳米丝层204，并且将含催化剂的材料直接注入到石墨纳米丝生长腔室中。可以在注入碳源气体之前、期间或之后注入含催化剂的材料。含催化剂的材料可包含催化剂粒子或催化剂前体，由所述催化剂前体形成催化剂粒子。
催化剂前体可包含液体催化剂混合物、有机金属催化剂化合物或含有催化剂的其它材料。液体催化剂混合物可包含催化剂材料的溶液、悬浮液或胶体。有机金属催化剂化合物可包括(但不限于)五羰基铁、酞菁铁(II)、二茂铁、二茂镍、二茂钴和其它茂金属。可使用喷雾器、注射器泵、淋喷头或其它注入构件将催化剂前体以气相、液相或固相注入。在注入之后，可通过各种方式将催化剂前体转化为催化剂粒子，所述各种方式诸如加热、还原、分解、蒸发、冷凝和升华。
在浮动催化剂方法中，随着粒子从生长腔室的顶部下降到底部或在催化剂粒子已停止在腔室内的表面上之后，可由催化剂粒子生长石墨纳米丝。如果基板包括在生长腔室内，那么许多催化剂粒子可停止在基板的表面上，并且石墨纳米丝可形成在基板表面上。在某些条件下，浮动催化剂方法可用来在基板的表面上形成许多密集包装且对准的石墨纳米丝。
可使用各种CVD技术来形成石墨纳米丝，所述各种CVD技术包括(但不限于)大气压CVD(atmospheric pressure CVD；APCVD)、低压CVD(low pressure CVD；LPCVD)、高压CVD(high pressure CVD；HPCVD)、等离子增强的CVD(plasma enhanced CVD；PECVD)、激光增强的CVD、热CVD、金属-有机CVD(metal-organic CVD；MOCVD)、热丝CVD和上述技术的组合。在一个实施方式中，使用低压CVD(LPCVD)来形成石墨纳米丝。
可通过控制CVD生长参数来控制石墨纳米丝类型(纳米管或纳米纤维)、结构(单壁、多壁、人字形等)、直径、长度和对准。生长参数包括(但不限于)碳源气体、载气、生长温度、生长压力和生长时间。对于催化CVD生长来说，额外生长参数可包括催化剂参数，诸如，催化剂尺寸、形状、成分和催化剂前体。除催化剂参数之外，用于催化CVD生长的参数范围和选项通常可适用于石墨纳米丝的非催化CVD生长，然而更高的温度可用于非催化CVD方法。
在一个实施方式中，用于石墨纳米丝的催化CVD生长的温度可在约300摄氏度(℃)到约3,000摄氏度(℃)之间，但是优选在约500℃到约700℃之间，然而可使用低于500℃的温度，尤其是如果CVD生长为等离子增强的。生长压力可在约0.1托到约1个大气压之间，但是更优选在约0.1托到约100托之间，然而也可使用更低或更高的压力。在另一个实施方式中，生长压力超过大气压力，并且所述生长压力可在约1个大气压到约10个大气压之间。生长时间或“停留时间”部分取决于所要的石墨纳米丝长度，其中较长的生长时间产生较长的长度。生长时间可在约十秒到许多小时之间，但是更通常在约十分钟到若干小时之间。
形成纳米丝层204和所述纳米丝层204中的石墨纳米丝的工艺包含使碳源气体在纤维基板201上方流动。用于石墨纳米丝生长的碳源气体可包括(但不限于)乙烯、丙烯、乙炔、苯、甲苯、乙烷、甲烷、丁烷、丙烷、己烷、甲醇、乙醇、丙醇、异丙醇、一氧化碳、丙酮、氧化碳氢化合物、低分子量碳氢化合物或上述气体的组合。一般来说，碳源气体可包含任何一或更多种含碳气体，并且碳源气体可从用于一或更多种含碳气体的液体或固体前体获得。辅助气体可与碳源气体一起使用，以促进生长工艺。辅助气体可包含一或更多种气体，诸如，载气、惰性气体、还原气体(例如，氢气、氨气)、稀释气体或上述气体的组合。术语“载气”在所属领域中有时用来表示惰性气体、还原气体和上述气体的组合。载气的一些例子为氢气、氮气、氩气和氨气。
用于石墨纳米丝生长的CVD生长参数也可包括促进基板上的石墨纳米丝的对准的参数。对准参数可包括(但不限于)电场方向和强度、催化剂粒子密度和基板孔隙取向。在一个实施方式中，通过在纳米丝附近施加电场来对准石墨纳米丝，并且纳米丝长度沿近似平行于电场方向的方向对准。电场可由等离子或其它构件产生。
在另一个实施方式中，通过控制石墨纳米丝在纤维基板201的表面上的密度，在没有电场的情况下对准石墨纳米丝。对于充分高的密度来说，石墨纳米丝彼此平行地对准。由于紧密封包，石墨纳米丝的对准有时被称为“自我导向”生长或“自我组装”生长。
在又一个实施方式中，使用表面中经对准或经定向的孔隙或孔洞来对准石墨纳米丝，石墨纳米丝生长在所述表面上，如本文所述。在一个实施方式中，通过阳极化生长表面来形成经对准的孔隙或孔洞。如本文所定义的，“非对准(non-aligned)”石墨纳米丝是相对于彼此和所述石墨纳米丝所生长的表面而随机定向。在一个实施方式中，纳米丝层204包含非对准石墨纳米丝。
也可组合方法步骤400中的一些，以减少用于形成金属化纤维200的处理时间。在一个实施方式中，将步骤402与步骤404和/或步骤406组合。例如，可用并行方式或用组合纤维基板201与纳米丝层204的形成以减少用于形成金属化纤维200的总处理时间的方式，来形成纤维基板201和纳米丝层204，并且可将用于形成纤维基板201的设备(参见图6D)调适成也形成纳米丝层204。
在下一个步骤，或步骤407中，在纳米丝层204上方视需要形成初始黏附层206。在另一个实施方式中，当省略步骤406时，在纤维基板201或补充层203上形成初始黏附层206。步骤407通常包含一或更多个步骤，所述一或更多个步骤使纤维基板201为沉积金属材料于所述纤维基板201上做准备。一般说来，步骤407可需要沉积材料操作、除去材料和/或除去污染物操作，或清洗操作。例如，可将各种处理应用到纳米丝层204，以除去残留在石墨纳米丝中的催化剂材料。此类处理可包括将含有酸(例如，盐酸、硫酸、硝酸等)的溶液应用到纳米丝或将纳米丝暴露于等离子。
在一个实施方式中，可使用沉积技术来沉积初始黏附层206，所述沉积技术包括(但不限于)溅射、化学气相沉积、原子层沉积、电化学沉积、无电沉积和电泳沉积。本文与初始黏附层206有关描述了可沉积的各种材料。在一个实施方式中，初始黏附层206包含晶种层或成核层。在另一个实施方式中，初始黏附层206包含使纤维基板201为金属层208的无电沉积做准备的层。步骤407可包含在无电沉积金属于纤维基板201上之前对所述纤维基板201执行的多个步骤，诸如清洗、冲洗、敏化和活化。无电沉积工艺包括将待电镀的表面浸入一或更多个无电电镀溶液或浴(bath)中，所述一或更多个无电电镀溶液或浴包含金属盐，诸如铜盐、锂盐、锡盐、铝盐、铋盐、锑盐、镍盐、钛盐、钒盐、铬盐、锰盐、铁盐、钴盐、银盐、金盐或锌盐。无电电镀溶液通常为水溶液，所述水溶液包括金属盐，所述金属盐含有电镀金属、一或更多种还原剂、络合剂、酸碱值(pH)调节剂和和其它添加剂，以控制溶液稳定性、膜性质和金属沉积速率。
在一个实施方式中，步骤407包含将纤维基板201浸入一或更多种溶液中，所述一或更多种溶液包括(但不限于)敏化溶液、活化溶液、电镀溶液、蚀刻溶液、清洗溶液、冲洗溶液或其它表面处理溶液和上述溶液的组合，所述其它表面处理溶液和上述溶液的组合形成初始黏附层206。如本文所定义的，“浸入”可意谓将主体淹没在液体中或仅使主体的一或更多个表面与液体接触。
敏化溶液可包含水溶液，所述水溶液包括酸(例如，盐酸(HCl)、硫酸(H2SO4))和敏化剂，所述敏化剂诸如氯化锡(SnCl2)、氟化锡(SnF2)、氯化铂(PtCl2)或氯化钛(TiCl2)，然而可使用其它敏化剂。活化溶液可包含水溶液，所述水溶液包括酸(例如，盐酸(HCl)、硫酸(H2SO4))和活化剂，所述活化剂诸如氯化钯(PdCl2)，然而可使用其它活化剂。敏化剂和活化剂可包含金属盐或其它化合物，所述金属盐或其它化合物包括催化材料(例如，金属)，所述催化材料可发起金属的无电沉积。催化材料可包括(但不限于)钯、锡、铂、金、铑、钌、镁、锇、铱、铁、铜、钴、铅、汞、镍、铝、钛和碳。在一个实施方式中，将纤维基板201浸入敏化溶液或活化溶液中达约1分钟到约30分钟的持续时间。
参阅图4，在一个实施方式中，在步骤408中，使用一或更多种沉积技术在纳米丝层204的石墨纳米丝上方沉积金属层208，所述一或更多种沉积技术包括(但不限于)溅射、化学气相沉积、等离子增强的化学气相沉积、原子层沉积、金属-有机化学气相沉积、电化学沉积、无电沉积和电泳沉积。在一个实施方式中，在步骤408中，在初始黏附层206上方沉积金属层208，所述初始黏附层206设置在纳米丝层204上。步骤407可包含多个步骤，所述多个步骤用于沉积多个金属层，所述多个金属层形成金属层208，并且可使用不同的沉积技术来沉积每一金属层。
在一个实施方式中，使用无电沉积来沉积金属层208。在步骤406和/或步骤407中形成的石墨纳米丝和/或初始黏附层206可提供适当的催化材料，所述适当的催化材料可发起无电电镀工艺。此后，将纳米丝层204和/或初始黏附层206浸入一或更多种无电电镀溶液中，所述一或更多种无电电镀溶液含有金属离子，所述金属离子被还原成金属状态，以形成金属层208。可将纳米丝层204和/或初始黏附层206顺序地浸入一系列无电电镀溶液中，以沉积一或更多个金属层，所述一或更多个金属层形成金属层208。金属层208的厚度“t4”部分取决于纳米丝层204和/或初始黏附层206浸入一或更多种电镀溶液中的每一者的持续时间，并且每一金属层的厚度随着较长的浸入时间而增加。也可加热无电电镀溶液以增加沉积速率。在一个实施方式中，将无电电镀溶液加热到约18℃到约95℃之间的温度。在一个实施方式中，将纳米丝层204和/或初始黏附层206浸入无电电镀溶液中达约5分钟到约60分钟的周期。
在另一个实施方式中，使用电化学沉积来沉积金属层208，并且纳米丝层204和/或初始黏附层206包含导电性成核层或晶种层，所述导电性成核层或晶种层能够实现电化学电镀金属于所述纳米丝层204和/或初始黏附层206上。将纳米丝层204和/或初始黏附层206浸入电镀溶液中，所述电镀溶液包含电解质浴，在所述电解质浴中设置有电极(例如，阳极)，所述电极包含待电镀的金属。纳米丝层204和/或初始黏附层206充当反电极(例如，阴极)，并且将所述电极适当地连接到电源供应器，所述电源供应器为沉积金属于纳米丝层204上方提供电镀电流。电镀电流可为由电源供应器输送的直流电(DC)或脉冲电镀波形。可将纳米丝层204和/或初始黏附层206浸入一系列电解质溶液中，以沉积多个金属层，所述多个金属层形成金属层208。电解质溶液通常包含水浴，所述水浴包括金属盐、酸(或碱)和添加剂，所述金属盐含有待电镀的金属。可添加添加剂(例如，均匀剂、增亮剂、表面活性剂)，以改良沉积的金属层的品质和共形性。
步骤407和408中的每一者也可包含沉积本文所述的一或更多种补充材料，所述一或更多种补充材料可增强或修改金属化纤维200的性质，并且此类材料可包括金刚石、类金刚石碳(DLC)、氟化碳、硅酸盐、金属氧化物、金属氟化物、陶瓷或聚合物或其它材料。可增强或修改的金属化纤维200的性质包括(但不限于)抗挠刚度、导热性和/或导电性、热膨胀系数、耐磨性和其它性质。例如，可将金刚石或DLC沉积至柔性纤维基板201上，以改良纤维基板201的抗挠刚度。
可使用本文所述用于在步骤404中形成补充层203的沉积技术来沉积补充材料。补充材料也可与其它材料一起共同沉积，所述其它材料用来形成初始黏附层206和金属层208。例如，可使补充材料与敏化剂、活化剂、晶种层、成核层、起始层和/或金属电镀层一起共同沉积。也可在步骤407和步骤408中的每一者之前或之后沉积补充材料。在一个实施方式中，使用超过一种沉积技术来沉积补充材料，诸如电泳沉积继之以电化学电镀。在一个实施方式中，补充材料包含金刚石或DLC，所述补充材料与其它材料一起共同沉积，所述其它材料用来形成初始黏附层206或金属层208。
用于使用湿式沉积工艺(诸如，电化学沉积、无电沉积或电泳沉积)来沉积补充材料(例如，金刚石、DLC、氟化碳)的方法公开于美国专利第3,753,667号，第5,836,796号和第6,156,390号中。可制备包含补充材料粒子的粉末，并且可将所述粉末添加到用于湿式沉积工艺的一或更多种溶液，诸如敏化溶液、活化溶液、无电电镀溶液或电化学电镀溶液。在一个实施方式中，控制补充材料的粒子尺寸，以具有小于几十纳米的平均直径，然而可使用其它粒子尺寸(例如，次微米、微米)，这取决于所使用的材料、沉积溶液和沉积技术。例如，可控制金刚石或DLC粒子的尺寸，以具有小于约10纳米的平均直径。
在湿式沉积工艺(诸如，电化学沉积或无电沉积)期间可使补充材料的粒子与金属一起共同沉积至电镀表面上。无电溶液或电化学溶液中的金属粒子在沉积工艺期间可带走补充材料的粒子，以便金属和补充材料两者共同沉积至电镀表面上。或者，湿式沉积工艺(例如，电泳沉积)可仅将补充材料沉积至表面上，而没有共同沉积其它材料。在一个实施方式中，在步骤407中使补充材料与无电电镀溶液或电化学电镀溶液中的金属一起共同沉积。在另一个实施方式中，在步骤408中使补充材料与无电电镀溶液或电化学电镀溶液中的金属一起共同沉积。在一个实施方式中，补充材料包含金刚石或DLC。
在工艺步骤407和408的一个例子中，步骤407包含使用敏化溶液沉积锡(Sn)，继之以使用活化溶液沉积钯(Pd)，继之以使用无电电镀溶液沉积镍(Ni)，以形成初始黏附层206，所述初始黏附层206包含锡(Sn)、钯(Pd)和镍(Ni)。此后，在步骤408中，使用电化学沉积工艺将铜层沉积至初始黏附层206上。
在工艺步骤407和408的另一个例子中，步骤407包含使用敏化溶液沉积锡(Sn)，继之以使用活化溶液沉积钯(Pd)，以形成初始黏附层206，所述初始黏附层206包含锡(Sn)和钯(Pd)，并且步骤408包含使用无电沉积将铜沉积至初始黏附层206上，以形成铜金属层208。
在工艺步骤407和408的一个例子中，步骤407包含使用包含硅烷化试剂APTS的溶液来沉积氨丙基三乙氧基硅烷(APTS)，以在纤维基板201上形成APTS的自组装单分子层(self-assembled monolayer；SAM)的薄膜，然后使用活化溶液沉积钯(Pd)，以形成初始黏附层206，所述初始黏附层206包含氨丙基三乙氧基硅烷(APTS)和钯(Pd)。此后，在步骤408中，使用无电沉积工艺将铜层沉积至初始黏附层206上。用于使用APTS自组装单分子层的无电金属电镀的方法在2002年的Chinese Chemical Letters的13卷7期687-688页中由Xu等人发表的文章“A New Activation Method for Electroless Metal Plating：PalladiumLaden via Bonding with Self-Assembly Monolayers”中报告。
在工艺步骤407和408的另一个例子中，步骤407包含使用物理气相沉积(PVD)技术(诸如溅射或热蒸发)沉积铜晶种层，并且在步骤408中，将铜以电化学方式沉积至PVD晶种层上。
在工艺步骤407和408的另一个例子中，步骤407包含使用化学气相沉积(CVD)工艺沉积铜晶种层，并且步骤408包含使用无电沉积工艺将铜沉积至晶种层上。在形成金属化纤维200之后，可通过在金属化纤维200上形成额外材料层来形成电池纤维300。
参阅图4，在步骤409中，可用金属物质(例如，离子)嵌入金属化石墨纳米丝，所述金属诸如碱金属(例如，锂、钠、钾、铷等)。在一个例子中，以锂材料嵌入金属化石墨纳米丝，以形成锂化阳极材料。在工艺400的另一个实施方式中，金属层208没有沉积在石墨纳米丝上方，并且因此没有金属材料设置在石墨纳米丝与嵌入材料之间。术语“嵌入”可定义为客体物质(例如，离子、原子、分子)的可逆插入到固体主材料中，而主材料没有较大的分裂或变化。可被嵌入的主材料(例如，石墨纳米丝)具有性质，所述性质允许客体物质(例如，金属离子)容易地移动进出主材料，而主材料不改变所述主材料的相位。
当纤维基板201形成部分的能量储存装置时，金属化或非金属化石墨纳米丝的嵌入可为合意的。金属化或非金属化石墨纳米丝的大表面区域可用来建立具有优良离子储存和可逆性容量的多孔电极，并且此类电极可用于高性能能量储存装置中，诸如可再充电电池(例如，锂-离子电池)。与石墨的约372毫安小时每克(mAh/g)的最大(理论)可逆容量相比，针对单壁碳纳米管的用于接受锂的可逆特定容量已由Zhou等人报告(美国专利第6,422,450号)为约550mAh/g和更高的值。
可使用各种电化学方法、化学方法或物理方法以金属离子嵌入金属化或非金属化石墨纳米丝。在电化学方法中，石墨纳米丝形成电池中的部分电极，所述电池包括电解质和反电极，所述反电极充当金属离子源。此后，电池被充电，并且金属离子离开反电极且被插入金属化或非金属化石墨纳米丝中。其它化学方法包括将金属盐(例如，碱金属盐)添加至适当溶剂，以形成含有金属离子的溶液，然后将金属化或非金属化石墨纳米丝浸入所述溶液中，以用金属离子嵌入金属化或非金属化碳纳米丝。或者，物理运送方法(例如，蒸气扩散)将纳米丝暴露于热金属蒸气，所述物理运送方法可用于一些类型的金属离子(例如，钾、钠)，以执行嵌入。然而，可涵盖用于金属化或非金属化石墨纳米丝的嵌入的其它方法。
在下一个步骤或步骤410中，在经嵌入的金属化或非金属化石墨纳米丝上方形成电解质/隔板层302(图3A)。在一个例子中，电解质/隔板层302包含LiPON，并且将金属化纤维200浸入含有碳酸丙烯酯/LiPF6的电解质溶液中。在一个实施方式中，电解质/隔板层302可包含锂磷氧氮(LiPON)、锂氧磷(LiOP)、锂磷(LiP)、锂聚合物电解质、双草酸硼酸锂(LiBOB)、与碳酸乙烯酯(C3H403)组合的六氟磷酸锂(LiPF6)、和碳酸二甲酯(C3H6O3)。在另一个实施方式中，可沉积离子液体，以形成电解质。在一个实施方式中，在金属化或非金属化石墨纳米丝上方沉积电解质材料，以形成电解质/隔板层302。可使用技术来沉积电解质材料，所述技术包括(但不限于)溅射、磁控溅射、热蒸发、离子束辅助溅射、化学气相沉积、等离子增强的化学气相沉积、原子层沉积、阴极电弧蒸发和金属有机化学气相沉积。在一个实施方式中，使用溅射沉积工艺来沉积电解质材料。在另一个实施方式中，使用湿式沉积方法来沉积电解质材料，所述湿式沉积方法诸如电化学沉积、无电沉积和电泳沉积。
参阅图4，在一个实施方式中，可在步骤414执行任选退火步骤，以稳定或增强金属化纤维200内的一或更多种材料的性质，所述金属化纤维200是使用步骤402至步骤410形成的。例如，可退火金属层208，以减少金属内的内应力并增加金属颗粒尺寸，以增加金属的传导性。退火还可减少金属层208性质的一些不稳定性。例如，铜的电化学沉积在沉积之后可导致铜的自退火行为。铜的自退火行为可发生在室温下，并且所述铜的自退火行为可导致铜膜的薄片电阻和硬度逐渐降低。退火可减少达到铜层的薄片电阻和硬度的稳定值所需要的时间。
各种参数可用于步骤414中的退火工艺。在一个实施方式中，退火温度可在约75℃到约450℃之间。在一个实施方式中，退火时间可在约1分钟到约120分钟之间。可在真空下或以大气压力或大气压力以上的压力来执行退火，并且所述退火可在含有惰性气体(例如，氮气、氢气、氩气、氦气)的环境中进行，所述惰性气体防止金属化纤维200的氧化。退火工艺也可在含有形成等离子的一或更多种气体的环境中进行。
图4中所示和本文所述的方法步骤400也可包括额外的清洗步骤和冲洗步骤，所述额外的清洗步骤和冲洗步骤可发生在步骤404、406、407、408、409和410中的每一者之前、期间或之后。同样地，可加热且/或搅拌用于处理的任何溶液，以促进沉积、清洗、冲洗或其它处理。可用机械方式、以超声方式或以其它方式搅拌溶液。
电池纤维形成工艺
图5示出根据本发明的一个实施方式用于形成图3A和图3B中所示的电池纤维300的工艺。工艺包含一系列方法步骤500，所述系列方法步骤500始于步骤502，所述步骤502包含使用上文结合图4所论述的工艺步骤402至工艺步骤409来形成金属化纤维200和电池纤维300的阳极部分，因此本文不再赘述。
在下一步骤(步骤506)中，在金属层208上方沉积电解质材料，以形成电解质/隔板层302，所述金属层208是在步骤502中形成。在一个实施方式中，步骤506类似于上文所述的步骤410。可使用技术来沉积电解质材料，所述技术包括(但不限于)溅射、磁控溅射、热蒸发、离子束辅助溅射、化学气相沉积、等离子增强的化学气相沉积、原子层沉积、阴极电弧蒸发和金属有机化学气相沉积。在一个实施方式中，使用溅射沉积来沉积电解质材料。在另一个实施方式中，使用湿式沉积方法来沉积电解质材料，所述湿式沉积方法诸如电化学沉积、无电沉积和电泳沉积。在一个实施方式中，在沉积阴极层304之前使用上文所述的步骤414来退火电解质层302。
在方法步骤500的另一个实施方式中，在步骤502期间执行的步骤409是在步骤506中沉积电解质/隔板层302之后，但在步骤508之前执行，并且阳极层309以电化学方式沉积在第二金属层306与电解质/隔板层302之间。在一个实施方式中，阳极材料为含锂材料，电解质/隔板层302包含LiPON，并且将金属化纤维200浸入电解质溶液中，所述电解质溶液含有碳酸丙烯酯/LiPF6。J.Klassen在美国专利第7,211,351号中公开了用于以电化学方式在金属/LiPON界面处的金属上沉积锂的方法。在又一个实施方式中，可在方法步骤508之后执行步骤409。
在步骤508中，在电解质/隔板层302上沉积阴极材料，以形成阴极层304。可使用沉积方法来沉积阴极材料，所述沉积方法包括(但不限于)溅射、磁控溅射、热蒸发、离子束辅助溅射、化学气相沉积、等离子增强的化学气相沉积、原子层沉积、阴极电弧蒸发和金属有机化学气相沉积。在一个实施方式中，使用溅射沉积来沉积阴极材料。在另一个实施方式中，使用湿式沉积方法来沉积阴极材料，所述湿式沉积方法诸如电化学沉积、无电沉积、电泳沉积或浸入浆体中。在一个实施方式中，在沉积阴极层304之后且在步骤510之前退火阴极层304。在一个实施方式中，退火温度小于或等于约300℃。在另一个实施方式中，退火温度在约300℃到约700℃之间。
在一个实施方式中，阴极层304形成空气阴极的部分，并且可沉积阴极材料，以形成多孔层。在一个实施方式中，将电解质/隔板层302浸渍或浸入浆体中，以在电解质/隔板层302上形成多孔阴极层304。
接下来，在步骤510中，在阴极层304上沉积金属材料，以形成第二金属层306。可使用湿式或干式沉积技术来沉积金属材料，所述湿式或干式沉积技术包括(但不限于)溅射、离子束辅助溅射、磁控溅射、热蒸发、化学气相沉积、等离子增强的化学气相沉积、原子层沉积、金属有机化学气相沉积、阴极电弧蒸发、电化学沉积、无电沉积和电泳沉积。在一个实施方式中，使用电化学沉积、无电沉积和/或电泳沉积形成第二金属层306。
在一个实施方式中，步骤510包含两步骤工艺：第一步骤，其中晶种层或初始层沉积在阴极层304上；以及第二步骤，其中块体金属层沉积在所述晶种层或初始层上。也可将本文所述用于形成初始黏附层206和金属层208的步骤407和408的实施方式应用于形成第二金属层306的步骤510。在一个实施方式中，步骤510包含沉积非金属初始层，诸如APTS。
在步骤511中，可执行退火，以稳定或增强电池纤维300内的一或更多种材料的性质，所述一或更多种材料诸如第二金属层306或阴极层304。本文所述用于金属化纤维200的退火实施方式和参数可用于退火电池纤维300中的材料层中的一或更多者。可在其他方法步骤500中的任何一者之后执行退火步骤511。同样地，任选步骤511可发生在方法步骤500中的任一者或所有步骤之后，以退火电池纤维300中的材料层。
在下一个步骤(步骤512)中，以材料覆盖第二金属层306，所述材料形成保护性涂层308。可使用湿式或干式沉积方法来沉积保护性涂层308，所述湿式或干式沉积方法包括(但不限于)溅射、离子束辅助溅射、化学气相沉积、等离子增强的化学气相沉积、原子层沉积、金属有机化学气相沉积、电化学沉积和无电沉积。在一个实施方式中，通过使第二金属层306与材料的一或更多种熔化物或溶液接触来形成保护性涂层308，所述材料包含保护性涂层308。
可在真空下或以大气压力执行处理，所述处理发生在步骤504、506、508、510、511和512中的每一者中。在一个实施方式中，在真空下执行干式沉积技术，并且以大气压力执行湿式沉积技术。
在下一个步骤(步骤514)中，图案化所形成的电池纤维300中的任一层，以允许进行电连接到所形成的层中的一或更多者，所述所形成的层诸如补充层203和第二金属层306。图案化步骤可包括各种图案化技术和材料除去技术，所述各种图案化技术和材料除去技术可包括执行一或更多个蚀刻或烧蚀步骤，或执行遮蔽步骤和蚀刻或烧蚀步骤。在一个例子中，遮蔽步骤可包括(但不限于)遮蔽、光刻法、薄膜图案化和/或选择性沉积技术，并且蚀刻工艺可包括(但不限于)湿式蚀刻、干式蚀刻、以化学方式蚀刻、以机械方式除去材料、激光烧蚀和/或激光划线。也可在上文所述步骤502、506、508、510、511和512中任何一者之前、期间或之后执行步骤514。在一个实施方式中，在执行上文所述步骤502、506、508、510、511和512中每一者之后执行步骤514。除步骤514之外，可在上文所述步骤502、506、508、510、511、512和514中任一者之前、期间或之后执行额外的处理步骤，诸如清洗步骤或冲洗步骤。
在另一个实施方式中，在步骤506与步骤510之间执行步骤502中的步骤409的顺序，并且步骤508发生在步骤502与步骤506之间，即，在沉积电解质/隔板层302之前将阴极层304沉积至金属层208上，并且在沉积第二金属层306之前将阳极层309沉积(视需要)至电解质/隔板层302上。
多个电池形成工艺
图3D为电池纤维350的横截面示意图，所述电池纤维350具有形成在纤维基板上方的数个形成的电池，所述纤维基板诸如纤维基板201。在一个实施方式中，电池纤维350包含电池纤维300和第二电池纤维351，所述电池纤维300是使用上文结合图2、图3A至图3C、图4和图5所述的步骤形成，所述第二电池纤维351形成在电池纤维300上。在一个实施方式中，如图3D中所示，以并联方式电气连接电池纤维300和第二电池纤维351，以便阴极电流收集元件形成直接电接触(例如，元件符号306)。在这个构造中，电池纤维300的最外部分和第二电池纤维351的最内部分各自分别为形成的电池的阴极部分。在这个构造中，电池纤维300的阴极部分与第二电池纤维351的阴极部分彼此邻接，甚至共享共同的阴极电流收集层(例如，元件符号306)。在另一个实施方式中，电池纤维300的阴极部分与第二电池纤维351的阴极部分通过绝缘层彼此绝缘，所述绝缘层诸如保护性涂层308(上文所述)，所述保护性涂层308设置在形成的电池300与电池351之间。图3A至图3C和图3D中所示的电池结构各自示出一个阳极和阴极构造，并且这些构造并非旨在限制本文所述本发明的范围，因为在不脱离本文所述本发明的基本范围的情况下，可颠倒电池纤维300和/或第二电池纤维351中的阳极结构和阴极结构的次序。
在一个实施方式中，在使用上文结合图2、图3A至图3C、图4和图5所述的步骤形成电池纤维300之后，遵循相同的工艺步骤，但是以颠倒次序在电池纤维300上形成第二电池纤维351。在电池第二电池纤维35l形成在电池纤维300上方之后，可用保护性层(诸如，保护性涂层308)覆盖结构。可使用湿式或干式沉积方法来沉积保护性涂层308，所述湿式或干式沉积方法包括(但不限于)溅射、离子束辅助溅射、化学气相沉积、等离子增强的化学气相沉积、原子层沉积、金属有机化学气相沉积、电化学沉积和无电沉积。接下来，可图案化形成的电池纤维350中的任何层，以允许进行电连接到所形成的层中的一或更多者，所述形成的层存在于电池纤维300或第二电池纤维351中。图案化步骤可包括上文所述各种图案化和材料除去技术。也可在用来形成电池纤维300或第二电池纤维351的步骤中的任一者之前、期间或之后执行额外的处理步骤，诸如清洗步骤或冲洗步骤。
金属化纤维形成设备例子
可使用各种设备来实施图4和图5中所示和本文所述的用于形成金属化纤维200和电池纤维300的工艺。图6A为根据本发明的一个实施方式用于形成图2中所示的金属化纤维200的设备的简化示意图。处理设备600包含数个处理站，即处理站601A、601B、601C、601D、601E和601F，所述数个处理站分别含有处理站设备603A、603B、603C、603D、603E和603F。
处理设备600经调适用于处理伸展长度的数个连续纤维基板201，以形成金属化纤维200。尽管仅示出三个纤维基板201，但是处理设备600可经调适以处理任何数目的纤维基板201。虽然处理站601A至处理站601F和处理站设备603A至处理站设备603F示出为以线性构造设置，但是非线性构造(诸如，多边形或圆形)可用于处理设备600。在一个实施方式中，处理设备600包含生产线。
处理设备600还包含一或更多个主要支撑件604A(示出了三个)，所述一或更多个主要支撑件604A设置在沿每一纤维基板201的不同位置处，从而为纤维基板201提供支撑。主要支撑件604A可包含辊子、轮、线轴、鼓轮、供应卷轴(supply reel)、接收卷轴(take-upreel)或用于支撑、引导、展开或移动纤维基板201的其它构件。在一个实施方式中，主要支撑件604A包含耦接至纤维基板201的辊子或接收卷轴。主要支撑件604A可经调适以沿旋转方向614旋转，以便纤维基板201可沿运动方向602移动穿过处理站601A至处理站601F，用于沿纤维基板201的长度处理所述纤维基板201。沿每一纤维基板201的长度设置的一或更多个主要支撑件604A可耦接至适当的致动器，诸如电动机或其它传统致动器(未示出)，所述适当的致动器引起并控制主要支撑件604A的旋转和角位置。
处理设备600和一或更多个主要支撑件604A也可经调适以连续地、间歇地或双向(例如，相对于运动方向602)移动纤维基板201，以将部分的纤维基板201定位在处理设备600内，以便可对纤维基板201执行所要的处理顺序。在一个实施方式中，处理设备600和一或更多个主要支撑件604A经调适，以约每分钟10米到约每分钟1,000米之间的速度(即，接收速度)移动纤维基板201。
处理站601A至处理站601F中每一者可经调适用于干式或湿式处理纤维基板201，并且所述处理可包括(但不限于)纤维形成、石墨纳米丝生长、材料沉积、嵌入、退火、蚀刻、图案化、照射、阳极化、氧化、敏化、活化、清洗和冲洗。材料沉积的方法可包括(但不限于)溅射、离子束辅助溅射、化学气相沉积、等离子增强的化学气相沉积、原子层沉积、金属-有机化学气相沉积、碳靶材的阴极电弧和激光烧蚀、电化学沉积、无电沉积和电泳沉积。处理站设备603A至处理站设备603F中每一者包含一或更多个设备，所述一或更多个设备经调适用于处理纤维基板20l。本文描述了用于连续基板的代表性部分的连续纤维基板201的顺序处理，所述连续基板从一个站移动到下一个站以进行处理。
在一个实施方式中，处理站601A经调适以用于形成纤维基板201，并且处理站设备603A包含纤维形成装置，纤维前体材料620供应到所述纤维形成装置。纤维基板201作为连续纤维从纤维形成装置出现，并且所述纤维基板201由主要支撑件604A支撑、引导并移动穿过处理站601B至处理站601F。处理站设备603A可经调适以使用本文所述纤维形成方法和纤维前体材料620(参见图4，步骤402)。
在一个实施方式中，处理站设备603A包含纤维纺丝设备，诸如容积式(positivedisplacement)、活塞型挤压机。在一个实施方式中，纤维形成设备经调适用于加热纤维前体材料620。在一个实施方式中，处理站设备603A包含一或更多个挤压孔洞641(示出为三个；每一孔洞由点表示)，可挤压纤维前体材料620穿过所述一或更多个挤压孔洞641，以形成纤维基板201。在一个例子中，处理站设备603A包含一到一百个挤压孔洞641。在一个实施方式中，每一挤压孔洞641具有约1纳米到约100纳米之间的直径。在另一个实施方式中，每一挤压孔洞641具有约1纳米到约1,000微米之间的直径。每一挤压孔洞641也可具有高的长度-直径纵横比。每一挤压孔洞641可具有横截面形状，所述横截面形状包括(但不限于)圆形、椭圆形、正方形、长方形、六边形、五边形、八边形、叶形或三叶形。挤压孔洞641的横截面形状允许形成具有相同横截面形状的纤维基板201。处理站设备603A也可包括用于在挤压之后处理纤维的设备(未示出)，并且此类设备可包括浴或加热元件。
纤维基板201沿运动方向602移动到下一个处理站601B。在一个实施方式中，处理站601B经调适用于使纤维基板201为石墨纳米丝生长做准备。准备处理可包括(但不限于)本文所述用于使基板为石墨纳米丝生长做准备的处理类型。此类处理的例子可包括(但不限于)：在纤维基板201上沉积催化剂材料和/或补充材料；以及使用遮蔽、蚀刻、选择性沉积或湿式沉积，或其它图案化技术来图案化所述纤维基板201上的材料。在一个实施方式中，处理站601B经调适用于在纤维基板201上形成补充层203。在一个实施方式中，处理站601B经调适用于干式处理，并且处理站设备603B包含溅射沉积设备或CVD沉积设备。
用于处理纤维基板201的下一个站为处理站601C。在一个实施方式中，处理站601C经调适用于在纤维基板201上形成石墨纳米丝。处理站601C可经调适以使用本文所述用于形成石墨纳米丝的任何催化CVD方法或非催化CVD方法。处理站设备603C可包含所属领域中已知的CVD沉积设备，并且所述CVD沉积设备包括(但不限于)管式反应器(例如，管式炉)、淋喷头反应器、线性注入反应器、热丝反应器、高压反应器、等离子反应器和高密度等离子反应器。处理站设备603C也可经调适用于对准纤维基板201的表面上的石墨纳米丝。例如，处理站设备603C可经调适用于施加接近石墨纳米丝的电场。可由等离子形成设备或另一类型的电场产生设备来产生电场。处理站601C也可经调适用于嵌入石墨纳米丝。在另一个实施方式中，金属化纤维200不包括纳米丝层204，并且从处理设备600省略处理站601C。
接下来，在处理站601C处的处理之后，纤维基板201移动到处理站601D。在一个实施方式中，处理站601D经调适用于在纤维基板201上形成初始黏附层206。在一个实施方式中，处理站601D经调适用于湿式处理纤维基板201，并且处理站设备603D包含一或更多个设备，所述一或更多个设备经调适用于使纤维基板201和所述纤维基板201上的材料层与用于处理的一或更多个液体接触。在一个实施方式中，处理站设备603D包含一或更多个设备，所述一或更多个设备经调适用于使用沉积方法来沉积材料，所述沉积方法可包括(但不限于)电化学沉积、无电沉积和电泳沉积。在另一个实施方式中，处理站601D经调适用于干式处理纤维基板201，并且处理站设备603D包含一或更多个设备，所述一或更多个设备经调适用于沉积成核层或晶种层至纤维基板201上。在一个实施方式中，处理站设备603D包含溅射沉积设备或CVD沉积设备。
用于处理的下一个站为处理站601E，在一个实施方式中，所述处理站601E经调适用于在初始黏附层206上形成金属层208，所述初始黏附层206形成在纤维基板201上。在一个实施方式中，处理站601E经调适用于湿式处理，并且处理站设备603E包含一或更多个设备，所述一或更多个设备经调适用于使用沉积方法来沉积金属材料，所述沉积方法可包括(但不限于)电化学沉积、无电沉积和电泳沉积。
金属化纤维200离开处理站601E并此后可通过另一个处理站601F，以完成金属化纤维200的处理。在一个实施方式中，处理站601F经调适用于退火金属化纤维200，并且处理站设备603F包含用于加热金属化纤维200的一或更多个元件(参见图7A)。处理站601F可经调适以使用本文所述用于退火金属层208的退火方法、设备和处理参数。
金属化纤维200在经历处理站601F处的处理之后可缠绕至接收卷轴上并储存以备后用或处理。或者，金属化纤维200在处理站601F处经处理之后可移动穿过用于处理的额外站。
图6B为根据本文所述的另一个实施方式的图6A中所示的设备的简化详图。处理站600可包含一或更多个连接外壳(connecting enclosure)625(在站对之间示出了三个)，所述一或更多个连接外壳625设置在用于处理站601A至处理站601C的诸对处理站设备603A至处理站设备603C之间。每一连接外壳625在诸对处理站设备603A至处理站设备603C之间延伸并包围纤维基板201。在另一个实施方式中，每一连接外壳625可包围数个纤维基板201。连接外壳625可经调适以防止或减少纤维基板201在处理站601A至处理站601C之间移动时的污染。
连接外壳625可包含管或其它空心结构，所述管或其它空心结构可包围一或更多个纤维基板201。连接外壳625可包含陶瓷、石英、玻璃、硅石、氧化铝、金属、金属合金或其它材料。在一个实施方式中，连接外壳625经调适以经得起高温和外壳壁上的大压力差。在一个实施方式中，连接外壳625包含石英管。在另一个实施方式中，连接外壳625包含缓冲腔室(参见图8B)。
连接外壳625可耦接至处理站设备603A至处理站设备603C，以便在连接外壳625与处理站设备603A至处理站设备603C耦合的地方形成流体密封件(未示出)。流体密封件可经调适以将连接外壳625内的流体与连接外壳625外的流体隔离。在一个实施方式中，流体密封件包含真空密封件。在一个实施方式中，一或更多个连接外壳625延伸穿过(参见虚线626)处理站601C。处理设备600可包含连接外壳625，所述连接外壳625在任何处理站601A至处理站601F之间延伸且穿过任何处理站601A至处理站601F。
图6C为根据本文所述的另一个实施方式的图6A中所示的设备的简化示意图。已从处理设备600省略了处理站601B，并且处理站601C包含用于在纤维基板201上形成石墨纳米丝的一或更多个(示出为三个)管式炉630。虽然示出了单个纤维基板201通过每一管式炉630，但是每一管式炉630可经调适用于收纳和处理超过一个纤维基板201。管式炉630包含通常用于生长石墨纳米丝的沉积设备。每一管式炉630包含反应器管631和加热元件632(例如，电阻加热器、感应线圈、灯泡)，所述加热元件632设置在反应器管631周围。在一个实施方式中，处理站601C包含数个管式炉630和反应器管631。在一个实施方式中，反应器管631的数目在一到一百之间。在一个实施方式中，反应器管631包含连接外壳625，所述连接外壳625延伸到处理站601A并耦接至处理站设备603A。反应器管631可包含耐火材料，以经得起高温。在一个实施方式中，反应器管631包含石英管。管式炉630可经调适用于石墨纳米丝的催化生长或非催化生长。管式炉630也可经调适以用于等离子增强的CVD处理，所述等离子增强的CVD处理可促进石墨纳米丝生长和对准。加热元件632加热反应器管631，并且将纳米丝工艺气体640注入到接近加热元件632的反应器管631。纳米丝工艺气体640可包含碳源气体、载气、还原气体和本文所述用于生长石墨纳米丝的其它气体。对于催化生长工艺来说，纳米丝工艺气体640也可包括催化剂材料或催化剂前体。纳米丝工艺气体640(包括碳源气体)流动穿过反应器管631并在纤维基板201上方流动，以在纤维基板201上形成石墨纳米丝。
图6D为根据本文所述的一个实施方式的图6A中所示的设备的简化示意图。从处理设备600省略了处理站601C，并且形成纤维和石墨纳米丝的工艺与处理站601A结合。处理站设备603A经调适用于将纤维和石墨纳米丝的形成整合为单个操作。将纤维前体材料620和纳米丝工艺气体640供应到处理站设备603A，并且形成具有纳米丝层204的纤维基板201，从而消除对形成石墨纳米丝的分离站的需要。
图6E为根据本文所述的另一个实施方式的图6A中所示的设备的简化示意图。处理设备600不包括处理站601A或用于纤维形成的任何设备。处理站601A由一或更多个主要支撑件604B(示出为三个)替换，所述一或更多个主要支撑件604B包含供应卷轴，所述供应卷轴含有纤维基板201。纤维基板201可在分离操作中形成或可包含市场上可买到的纤维。在另一个实施方式中，主要支撑件604B的形式和功能与主要支撑件604A相同。
图7A为根据本发明的另一个实施方式的图6A中所示的设备的简化示意图，所述图6A中所示的设备使用湿式沉积工艺。处理设备600包含处理站601A、601C、601D、601E和601F。在另一个实施方式中，处理设备600可包括处理站601B，所述处理站601B用于形成补充层和/或使纤维基板201为石墨纳米丝生长做准备。出于清晰性考虑，示出了单个纤维基板201，但是纤维基板201可代表数个纤维基板201。处理设备600还包含至少一个主要支撑件604A和辅助支撑件705，所述至少一个主要支撑件604A和辅助支撑件705用于沿运动方向602移动一或更多个纤维基板201穿过处理设备600。辅助支撑件705包含辊子、轮、线轴或用于支撑和引导一或更多个纤维基板201的其它适当构件。
处理站601A包含处理站设备603A，所述处理站设备603A经调适用于形成一或更多个纤维基板201。处理站601C包含用于生长石墨纳米丝的一或更多个管式炉630，以形成纳米丝层204。在一个实施方式中，处理站601C包含数个管式炉630(参见图6C)，并且每一管式炉630可经调适用于处理一或更多个纤维基板201。在另一个实施方式中，从处理设备600省略了处理站601C，并且石墨纳米丝没有形成于纤维基板201上。
在处理站601C处的处理之后，纤维基板201移动到处理站601D，所述处理站601D经调适用于在纤维基板201上形成初始黏附层206。此后，纤维基板201移动到处理站601E，所述处理站601E经调适用于在初始黏附层206上形成金属层208。处理站601D包含处理站701A至处理站701B，并且处理站601E包含处理站701C。处理站701A至处理站701C经调适用于湿式处理纤维基板201。尽管仅示出三个处理站，即，处理站701A至处理站701C，但是处理站601D至处理站601E中每一者可包含用于湿式处理的任何数目的站。
处理站701A至处理站701C经调适以容纳用于基板处理的液体。处理站701A至处理站701C分别包括处理液体708A至处理液体708C，并且所述液体容纳在处理罐706中。每一处理罐706包含任何适当的容器，所述任何适当的容器用于容纳进行处理所需要的必要量和类型的液体。处理站701A至处理站701C可经调适以执行各种类型的处理，所述各种类型的处理包括(但不限于)沉积金属、沉积补充材料、活化、敏化、冲洗、清洗和嵌入石墨纳米丝。处理液体708A至处理液体708C可包含用于处理纤维基板201的无电电镀溶液、电化学电镀溶液、敏化溶液、活化溶液、电泳沉积溶液、嵌入溶液、补充材料溶液、预处理溶液、冲洗溶液、清洗溶液、浆体或其它类型的溶液和上述溶液的组合。
在一个实施方式中，处理站701A至处理站701C经调适用于无电沉积。纤维基板201移动到处理站701A并通过处理液体708A，所述处理液体708A包含敏化溶液。此后，纤维基板201移动到处理站701B并通过处理液体708B，所述处理液体708B包含活化溶液。处理液体708A至处理液体708B在纤维基板201上形成初始黏附层206。接下来，纤维基板201移动到处理站701C，所述处理站701C容纳处理液体708C，所述处理液体708C包含无电电镀溶液，所述无电电镀溶液在初始黏附层206上方沉积金属，以形成金属层208。在另一个实施方式中，处理站701A至处理站701C中的一或更多者可经调适用于电化学电镀(参见图7B)。
在处理站601E处金属化纤维基板201，以形成金属化纤维200，所述金属化纤维200此后移动到处理站601F。处理站601F经调适用于退火金属化纤维200，并且处理站601F包含用于加热金属化纤维200的一或更多个加热元件709(例如，电阻加热器、灯泡)。在一个实施方式中，处理站601F包含退火腔室710，所述退火腔室710容纳加热元件709。退火腔室710可允许退火得以在受控压力(例如，真空)下且在受控气体环境(例如，惰性气体)内执行。
将理解，处理设备600可包含用于处理的额外的站和溶液，以能够实现各种处理顺序。例如，纤维基板201可在到达处理站701A之前通过清洗溶液，然后可在处理站701A至处理站701C中的每一者之后通过冲洗溶液，其中可类似于处理站701A至处理站701C地构造清洗和冲洗。另外，处理站601A至处理站601F中的每一者可经调适以使用湿式处理技术和干式处理技术两者来处理纤维基板201。
图7B为根据本文所述的一个实施方式的湿式沉积设备的简化示意图。适于电化学电镀的处理站730包含罐731，所述罐731充填电解质电镀溶液732。一或更多个阳极733设置在电解质电镀溶液732中。一或更多个阳极733包含所要的电镀金属，并且适当地成形每一阳极733并将所述每一阳极733设置在纤维基板201周围，以促进沉积金属至纤维基板201的一或更多个表面上。处理站730也可包含主要支撑件604A至主要支撑件604B和一或更多个辅助支撑件705，当纤维基板201移动穿过一或更多个阳极733附近的电解质电镀溶液732时，所述主要支撑件604A至主要支撑件604B和一或更多个辅助支撑件705定位并引导纤维基板201。辅助支撑件705可包含适当的材料(例如，不导电材料)，以防止电镀至暴露于电解质电镀溶液732的辅助支撑件705上。
为了对纤维基板201执行电化学工艺，所述纤维基板201的表面中一或更多者，或电镀表面需要为导电性的。每一电镀表面可包含金属晶种层，所述金属晶种层在电化学电镀之前沉积至主基板300上，如上文关于图2至图6所论述的。处理站730进一步包含电源供应器734(例如，直流电源供应器)和接触电刷735或其它适当构件，当纤维基板201沿运动方向602移动时，所述适当构件提供与所述纤维基板201的一或更多个电镀表面的电接触。具有所示极性的电源供应器734与纤维基板201的一或更多个阳极733和一或更多个传导性电镀表面(即，阴极)连接。电源供应器734提供电镀电流，当纤维基板201移动穿过电解质电镀溶液732时，所述电镀电流沉积金属至所述纤维基板201的电镀表面上。
在另一个实施方式中，处理站730经调适用于金属或补充材料的电泳沉积。以电泳沉积溶液替换电解质电镀溶液732，所述电泳沉积溶液含有待沉积的所要的金属或补充材料。可用反电极代替一或更多个阳极733，以便材料可沉积在初级电极上，所述初级电极包含主基板300的电镀表面。或者，导电性罐731可充当反电极。如图7B中所示的电源供应器734极性可用于阴极电泳沉积。所述极性可反向，以用于阳极电泳沉积。
电池纤维形成设备例子
可进一步处理由处理设备600形成的金属化纤维200，以使用本发明的设备形成电池纤维300。图8A为根据本发明的一个实施方式用于形成图3A和图3B中所示的电池纤维300的设备的简化示意图。处理设备800包含数个处理站，即处理站801B、801C、801D、801E、801F和801G，所述数个处理站分别包含处理站设备803B、803C、803D、803E、803F和803G，然而处理设备800可包含用于处理的任何数目的站和设备。处理设备800还包含处理站801A，所述处理站801A包含处理设备600。
处理设备800经调适用于处理具有伸展长度的数个连续金属化纤维200，以形成电池纤维300。尽管仅示出了三个金属化纤维200，但是处理设备800可经调适以处理任何数目的金属化纤维200。可以线性构造(如所示)或以非线性构造(诸如，圆形或多边形构造)来设置处理站801A至处理站801G。处理设备800还包含一或更多个主要支撑件604A(示出了三个)，所述一或更多个主要支撑件604A可设置在沿每一金属化纤维200的不同位置处，以支撑、引导并移动每一金属化纤维200穿过处理设备800。处理设备800和一或更多个主要支撑件604A也可经调适以连续地、间歇地或双向移动金属化纤维200，以促进沉积、处理或图案化金属化纤维200的部分上的材料层。在一个实施方式中，处理设备800和一或更多个主要支撑件604A经调适，以约每分钟10米到约每分钟1,000米之间的速度(即，接收速度)移动纤维基板201。处理设备800也可包含一或更多个连接外壳625(参见图6B)，所述一或更多个连接外壳625可设置在任何对的处理站设备803B至处理站设备803G与处理设备600之间。
处理站801B至处理站801G中的每一者可经调适用于金属化纤维200的干式或湿式处理，并且所述处理可包括(但不限于)材料沉积、退火、蚀刻、图案化、照射、阳极化、氧化、敏化、活化、清洗和冲洗。材料沉积的方法可包括(但不限于)溅射、离子束辅助溅射、磁控溅射、热蒸发、离子束蒸发、化学气相沉积、等离子增强的化学气相沉积、原子层沉积、金属-有机化学气相沉积、阴极电弧蒸发、电化学沉积、无电沉积和电泳沉积。处理站设备803B至处理站设备803G中的每一者包含一或更多个设备，所述一或更多个设备经调适用于处理金属化纤维200。
处理站801A经调适用于形成金属化纤维200，并且所述处理站801A包含处理站设备600。在另一个实施方式中，可在分离的操作中形成金属化纤维200，并且用一或更多个主要支撑件604B(参见图6E)替换处理站801A，所述一或更多个主要支撑件604B包含供应卷轴，所述供应卷轴含有金属化纤维200。
金属化纤维200移动到用于处理从处理站801A收到的金属化纤维200的处理站801B。在一个实施方式中，处理站801B经调适用于沉积阳极材料至金属化纤维200上，以形成阳极层309。处理站801B也可经调适用于使金属化纤维200为材料沉积做准备，并且准备方法可包括清洗、冲洗或蚀刻。在一个实施方式中，处理站801B经调适用于干式处理，并且处理站设备803B包含溅射沉积设备、CVD沉积设备和/或蚀刻设备。在另一个实施方式中，处理站801B经调适用于湿式处理，并且处理站设备803B经调适用于使金属化纤维200与用于处理的一或更多种液体接触，并且所述液体可包含本文所述处理液体708A至处理液体708C中的一或更多者。
用于金属化纤维200的处理的下一个站为处理站801C。在一个实施方式中，处理站801C经调适用于沉积电解质材料，以形成电解质/隔板层302。处理站设备803C可经调适用于湿式或干式沉积。在一个实施方式中，处理站设备803C包含溅射沉积设备或CVD沉积设备。
接下来，金属化纤维200移动到处理站801D。在一个实施方式中，处理站801D经调适用于在金属化纤维200上形成阴极层304。在一个实施方式中，处理站设备803D包含溅射沉积设备或CVD沉积设备。
接下来，在沉积阴极层304之后，金属化纤维200移动到处理站801E。在一个实施方式中，处理站801E经调适用于沉积第二金属层306至金属化纤维200上。在一个实施方式中，使用湿式沉积方法来沉积第二金属层306，并且处理站设备803E经调适用于使金属化纤维200与用于处理的一或更多种液体接触，并且所述液体可包含本文所述处理液体708A至处理液体708C中的一或更多者。在一个实施方式中，处理站设备803E包含一或更多个设备，所述一或更多个设备经调适用于电化学沉积、无电沉积或电泳沉积。处理站设备803E也可经调适以沉积晶种层或初始层和块体金属层。在另一个实施方式中，处理站设备803E包含干式沉积设备，诸如溅射沉积设备或CVD沉积设备。在又一个实施方式中，处理站设备803E包含湿式沉积设备和干式沉积设备两者。
在一个实施方式中，处理站801E处的处理在电池纤维300的充电之前完成电池纤维300的实质层的形成。可添加一些额外的处理步骤(诸如，退火或形成保护性层)，以完成电池纤维300的处理。
用于处理的下一个站为处理站801F。在一个实施方式中，处理站801F经调适用于退火电池纤维300。处理站设备803F经调适以退火第二金属层306和/或电池纤维300中的其它材料。处理站设备803F可包含退火腔室710(图7A)或用于加热电池纤维300的其它类型的设备。本文所述用于退火金属层208的退火方法和参数可用于退火第二金属层306。在另一个实施方式中，可在处理站801A至处理站801G中任一者之后设置用于退火或加热的额外的站。
接下来，电池纤维300移动到处理站801G。在一个实施方式中，处理站801G经调适用于在电池纤维300上形成保护性涂层308。处理站设备803G可经调适用于湿式或干式沉积。在一个实施方式中，处理站设备803G经调适用于使电池纤维300与用于处理的一或更多种液体接触，并且所述液体中的一或更多者可包含各种材料的熔化物。在另一个实施方式中，处理站801G经调适用于退火，而处理站801F经调适用于在电池纤维300上形成保护性涂层308。
在处理站801G处的处理之后，可将电池纤维300缠绕至接收卷轴(例如，主要支撑件604A)上并储存，以用于后来的充电或额外处理。额外处理可包括使用电池纤维300来形成各种类型的纤维复合材料(例如，织物、纤维增强的薄片、管或其它结构)，然后充电电池纤维300。在一个实施方式中，电池纤维300用来形成电池纤维织物150(图1B)。
图8A中所示和本文所述的处理站设备803B至处理站设备803G可包括溅射设备，所述溅射设备经调适用于在纤维上沉积材料。
图8B为根据本发明的一个实施方式的沉积设备的简化示意图。用于溅射沉积各种材料至金属化纤维200上的处理站840包含工艺腔室843和缓冲腔室842A至缓冲腔室842B。缓冲腔室842A至缓冲腔室842B容纳主要支撑件604A至主要支撑件604B，所述主要支撑件604A至主要支撑件604B用于支撑和移动连续金属化纤维200穿过处理区841。缓冲腔室842A至缓冲腔室842B中的一或更多者可适当地经调适，以允许金属化纤维200从缓冲腔室842A至缓冲腔室842B中的一者传递到用于处理的另一个腔室或站。在一个实施方式中，缓冲腔室842A至缓冲腔室842B中的每一者包含可密封端口851(参见虚线)，所述可密封端口851允许处理站840与另一个处理腔室或站耦接。在一个实施方式中，通过将第一处理站840的缓冲腔室842A的腔室端850A耦接至第二处理站840的缓冲腔室842B的腔室端850B，将二或更多个处理站840耦接在一起，并且打开可密封端口851，以便金属化纤维200可移动穿过用于处理的每一处理站840。在一个实施方式中，图6A和图8A中所示的处理站601A至处理站601F、处理站801B至处理站801G中的一或更多者包含一或更多个处理站840，所述一或更多个处理站840可在站内或在站之间耦接在一起。可密封端口851可包含真空密封件，以便金属化纤维200可在真空下于处理站处理站801A至处理站801G之间移动。
工艺腔室843和缓冲腔室842A至缓冲腔室842B可耦接至真空泵送系统(未示出)并与所述真空泵送系统流体相通，以除去废气(exhaust gas)845并允许调节工艺腔室843和缓冲腔室842A至缓冲腔室842B中的压力。工艺腔室843可在真空或接近大气压力下操作，而缓冲腔室842A至缓冲腔室842B可在比工艺腔室843中的压力高的压力下操作。
工艺腔室843还包括靶材846，所述靶材846耦接至绝缘源块847，所述绝缘源块847可包含磁控管和热交换器或其它冷却构件。靶材846与工艺腔室843电气隔离，并且所述靶材846以电气方式连接到电源供应器848。具有所示极性的电源供应器848的另一端子可连接到工艺腔室843和接地849。电源供应器848为DC电源供应器(如图所示)，所述DC电源供应器可用来溅射导电性材料。在另一个实施方式中，电源供应器848为交流电源供应器(例如，射频发生器)，所述交流电源供应器可用来溅射电绝缘材料。在另一个实施方式中，电源供应器848连接到靶材846和工艺腔室843内的另一个适当反电极。
靶材846包含所要的沉积材料，诸如金属或金属合金。将工艺气体844引入工艺腔室843，并且在处理区841中形成等离子。从靶材846溅射材料，并且将所述材料沉积至金属化纤维200上。金属化纤维200可在溅射沉积期间移动，以便材料沿着连续金属化纤维200的长度沉积。处理站840可适当地经调适，以便可将材料沉积至金属化纤维200的一或更多个侧上。例如，可在沉积期间旋转金属化纤维200，或可将超过一个靶材846设置在金属化纤维200周围，或一个靶材846可在金属化纤维200周围移动。处理站840也可经调适用于反应性溅射。
如本文所述，在具有伸展长度的连续纤维基板201上形成金属化纤维200和电池纤维300。在另一个实施方式中，纤维基板201可为离散的并具有有限长度，并且设备600、800可经调适用于处理离散纤维基板201。例如，主要支撑件604A至主要支撑件604B可包含夹具，所述夹具经调适以固持一或更多个离散纤维基板201，并且所述夹具可经调适以移动穿过处理站601A至处理站601F、处理站801A至处理站801G，并在处理站601A至处理站601F、处理站801A至处理站801G之间移动，以处理离散纤维基板201。在另一个实施方式中，设备600、800可包含一或更多个群集工具，所述一或更多个群集工具具有处理站601A至处理站601F、处理站801A至处理站801G，所述处理站601A至处理站601F、处理站801A至处理站801G经调适用于在群集工具上处理离散纤维基板201，并且所述离散纤维基板201可由夹具支撑，所述夹具可由群集工具上的夹具搬运机器人在站之间传递。
虽然前述内容针对本发明的实施方式，但是在不脱离本发明的基本范围的情况下，可设计本发明的其它和更多实施方式，并且本发明的范围由以上权利要求书决定。
Claims (15)
1.一种电池纤维，所述电池纤维包含：
金属化纤维，所述金属化纤维包含：
纤维基板；
初始黏附层，所述初始黏附层设置在所述纤维基板上方；以及
第一金属层，所述第一金属层设置在所述初始黏附层上；
电解质层，所述电解质层设置在所述第一金属层上方；
阴极层，所述阴极层设置在所述电解质层上；以及
第二金属层，所述第二金属层设置在所述阴极层上。
2.如权利要求1所述的电池纤维，其特征在于，进一步包含阳极层，所述阳极层设置在所述第一金属层上，其中所述阳极层是使用湿式沉积工艺形成。
3.如权利要求2所述的电池纤维，其特征在于，进一步包含保护性涂层，所述保护性涂层设置在所述第二金属层上。
4.如权利要求1所述的电池纤维，其特征在于，进一步包含纳米丝层，所述纳米丝层包含石墨纳米丝，其中所述纳米丝层是形成在所述纤维基板的表面上，并且所述初始黏附层是形成在所述纳米丝层上方。
5.如权利要求1所述的电池纤维，其特征在于，所述第一金属层包含铜或铜合金。
6.如权利要求2所述的电池纤维，其特征在于，所述阳极层包含一种或更多种材料，所述一种或更多种材料选自由以下材料组成的群组：锂、碱金属、碱土金属、过渡金属、碳、石墨、钠、钠-铅合金、锡氮化物、锂氮化物、锂-铝合金、锂-铋合金、锂-镉合金、锂-镁合金、锂-铅合金、锂-锑合金、锂-锡合金、锂-锌合金、铜-锡合金、铁-锡合金、镍-锡合金、锡-锑合金、钴-锡-铜合金、锂-硅合金、氧化钨基合金以及含碱金属、碱土金属和/或过渡金属的金属合金。
7.如权利要求6所述的电池纤维，其特征在于，所述阳极层包含锂，所述电解质层包含锂磷氧氮化物(LiPON)，所述阴极层包含锂钴氧化物(LiCoO)或锂锰氧化物(LiMnO)，并且所述第二金属层包含一种或更多种材料，所述一种或更多种材料选自由以下材料组成的群组：锡(Sn)、钯(Pd)、镍(Ni)、铜(Cu)、铬(Cr)和氨丙基三乙氧基硅烷(APTS)。
8.如权利要求1所述的电池纤维，其特征在于，所述纤维基板包含一种或更多种材料，所述一种或更多种材料选自由以下材料组成的群组：碳、含碳化合物、碳化物、碳纳米管、碳纳米纤维、硅石、氧化铝、锆钛酸铅、玻璃、陶瓷、聚合物、芳族聚酰胺、聚芳酰胺、聚乙烯、聚酰胺、尼龙、丙烯酸树脂、人造丝、纤维素材料、金属、金属合金、半导体、超导体、光纤和电线。
9.一种形成电池纤维的方法，所述方法包含：
形成金属化纤维，其中形成所述金属化纤维进一步包含：
提供纤维基板；
在所述纤维基板上方形成初始黏附层；以及
在所述初始黏附层上沉积第一金属层，其中使用湿式沉积工艺来沉积所述第一金属层；
在所述第一金属层上方沉积电解质层；
在所述电解质层上沉积阴极层；以及
在所述阴极层上沉积第二金属层。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，进一步包含在所述第一金属层上沉积阳极层。
11.如权利要求9所述的方法，其特征在于，进一步包含在所述第二金属层上形成保护性涂层。
12.如权利要求9所述的方法，其特征在于，进一步包含在所述纤维基板上形成纳米丝层，所述纳米丝层包含石墨纳米丝，其中使用化学气相沉积来形成所述层，并且其中所述初始黏附层是形成在所述纳米丝层上方。
13.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述第二金属层的所述沉积进一步包含图案化所述第二金属层，以便所述层为氧可渗透的。
14.一种用于形成金属化纤维的设备，所述设备包含：
主要支撑件，所述主要支撑件经调适以收纳部分的纤维基板；
纤维提供设备，所述纤维提供设备经调适用于提供纤维基板；
一个或更多个处理站，所述一个或更多个处理站设置在所述主要支撑件与所述纤维提供设备之间，并且所述一个或更多个处理站经调适用于金属化部分的所述纤维基板；以及
致动器，所述致动器耦接至所述主要支撑件，所述主要支撑件经调适以将部分的所述纤维基板定位在所述一个或更多个处理站中。
15.如权利要求14所述的设备，其特征在于，所述纤维提供设备包含：
纤维形成设备，所述纤维形成设备经调适用于使用纤维形成方法来形成纤维，所述纤维形成方法选自由以下方法组成的群组：湿式纺丝、干式纺丝、熔融纺丝、干湿式纺丝、凝胶纺丝、溶胶-凝胶纺丝、干喷湿式纺丝、凝结纺丝、纤维拉丝和溶胶-凝胶纤维拉丝；以及
纳米丝生长设备，所述纳米丝生长设备经调适用于在部分的所述纤维基板上生长石墨纳米丝。
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