JP2002539595A - Metal sponge for rapid surface chemistry - Google Patents

Metal sponge for rapid surface chemistry

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JP2002539595A JP2000605277A JP2000605277A JP2002539595A JP 2002539595 A JP2002539595 A JP 2002539595A JP 2000605277 A JP2000605277 A JP 2000605277A JP 2000605277 A JP2000605277 A JP 2000605277A JP 2002539595 A JP2002539595 A JP 2002539595A
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metal
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reaction
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マクガーべイ,ドナルド
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Abstract

(57)【要約】 装飾ビニル壁体カバリング(10)の前面(14)に、乾性拭き取り可能なフッ化炭素重合体から保護コーティング(18)が作成される。本製品は、従来の壁紙またはビニル壁体カバリングと同様に用いて、部屋の壁部の一部または全体を覆う装飾性に富んだ装飾デザインを得ることができる。しかし、本製品に為されたマーキングは容易に取り除くことができるので、この装飾性に富んだ装飾デザインは所望通りに書き込むことができる。 (57) Abstract: On the front (14) of the decorative vinyl wall covering (10), a protective coating (18) is made from a dry wipeable fluorocarbon polymer. The product can be used in the same way as conventional wallpaper or vinyl wall covering to obtain a decorative design that is rich in decorativeness that covers some or all of the walls in a room. However, since the marking made on the product can be easily removed, the decorative design with rich decorativeness can be written as desired.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】 (発明の背景) 本発明は表面化学技術に関する。これは、化学反応を行うのに、容易に接触で
きる高表面積を持つ金属スポンジから形成される反応表面と合わせて特別な用途
を有し、そして特にそれを参照した記述が行われる。しかしながら、本発明は、
また、容積に対する接触できる高表面積の比がメリットとなる、種々の用途にも
適用可能であることを評価すべきである。 多数の化学反応は、一つあるいはそれ以上の反応試剤の表面上で起こる表面反
応を含む。例えば、電池、触媒、気体センサー、燃料電池、及び熱交換器等のデ
バイスは、すべて表面で起こる化学反応に依存する。このような反応に対しては
、この反応速度は、反応試剤が相互作用することができる使用可能な表面に極め
て依存的である。
BACKGROUND OF THE INVENTION The present invention relates to surface chemistry technology. This has particular application in conjunction with a reaction surface formed from a metal sponge having a high surface area that can be easily contacted to carry out a chemical reaction, and will be described with particular reference thereto. However, the present invention
It should also be appreciated that it is applicable to a variety of applications where the ratio of contactable high surface area to volume is advantageous. Many chemical reactions include surface reactions that occur on the surface of one or more reactants. For example, devices such as batteries, catalysts, gas sensors, fuel cells, and heat exchangers all rely on chemical reactions occurring at the surface. For such reactions, the rate of the reaction is highly dependent on the available surface with which the reactants can interact.

【0002】 このようなデバイスが最適な効率となるためには、反応試剤を表面に供給し、
そして反応生成物を表面から取り出す抵抗が少ないことが望ましい。例えば、ア
ノード、電解質、及びカソードを含有する電池は、酸化反応が高速度で起こる接
触できる高表面積を持つアノードがメリットとなる。同じように、電池は、迅速
な還元反応のための接触できる高表面積のカソードがメリットとなる。これは、
結果として電池に高出力をもたらす。 慣用的に、電池は、多数の交互配置されたプレートからできていて、アノード
とカソードを提供する。ある厚さ以下では、このプレートが所望の間隔を維持す
るのに充分な剛性を持たなくなるために、このプレートの厚さは制限される。
In order for such a device to have optimal efficiency, a reactant is supplied to the surface,
It is desirable that the resistance to take out the reaction product from the surface is small. For example, a battery containing an anode, an electrolyte, and a cathode would benefit from an anode having a high surface area that can be contacted where the oxidation reaction occurs at a high rate. Similarly, batteries benefit from a high surface area cathode that can be contacted for rapid reduction reactions. this is,
The result is a high output of the battery. Conventionally, a battery is made up of a number of alternating plates, providing an anode and a cathode. Below a certain thickness, the thickness of the plate is limited because the plate does not have sufficient rigidity to maintain the desired spacing.

【0003】 金属スポンジは、慣用の電極材料にまさる表面積を増大する機会を提供する。
Hunter及びKroll法により製造されるもの等のチタンのスポンジは、
比較的大きな表面積を有する。しかしながら、スポンジにより完全に囲い込まれ
て、かなりの部分の表面は接触できないので、表面積を最大化しなくてもよい。 本発明は、上記に参照された問題と他の問題を克服する、スポンジから形成さ
れた新しい、改良された反応表面を提供する。
[0003] Metal sponges offer the opportunity to increase surface area over conventional electrode materials.
Titanium sponges, such as those manufactured by the Hunter and Kroll methods,
It has a relatively large surface area. However, the surface area need not be maximized because the sponge is completely enclosed and a significant portion of the surface cannot be contacted. The present invention provides a new and improved reaction surface formed from sponge that overcomes the above-referenced problems and others.

【0004】 (発明の要約) 本発明の一つの局面によれば、アノード、カソード、及びこれらの間の電解質
を含む電池が提供される。この電池は、電気電導性のスポンジ材料を含む少なく
とも一つのアノードとカソードを特徴とする。 本発明のもう一つの局面によれば、表面上で反応を行う方法が提供される。この
方法は、表面を形成し、この表面を反応試剤と接触し、そして反応を起こさせる
ことを含む。この方法は、反応試剤と接触できる複数の開放細孔を持つスポンジ
材料を成長させることを含む、表面を形成するステップを特徴とする。本発明の
一つの利点は、単位重量当りの大きな表面積を持つ反応表面が形成され、それに
よりデバイスのサイズの低減が可能となることである。 本発明のもう一つの利点は、これが反応試剤と反応生成物の効率的な移動のた
めの多数の、短い流れ経路を提供することである。 本発明のなお更なる利点は、通常レベルの当該技術者ならば好ましい形態の次
の詳細な説明を読み、理解すれば明白であろう。
According to one aspect of the present invention, there is provided a battery including an anode, a cathode, and an electrolyte therebetween. The battery features at least one anode and cathode comprising an electrically conductive sponge material. According to another aspect of the present invention, there is provided a method of performing a reaction on a surface. The method includes forming a surface, contacting the surface with a reactant, and causing a reaction. The method features forming a surface that includes growing a sponge material having a plurality of open pores that can contact a reactant. One advantage of the present invention is that a reaction surface having a large surface area per unit weight is formed, thereby allowing a reduction in device size. Another advantage of the present invention is that it provides multiple, short flow paths for efficient transfer of reactants and reaction products. Still further advantages of the present invention will be apparent to one of ordinary skill in the art upon reading and understanding the following detailed description of the preferred embodiments.

【0005】 (好ましい形態の詳細な説明) 大きな内部表面積の反応表面が金属スポンジから製造される。このスポンジは
、好適な基材上でのデンドライトスポンジの方向性成長またはスポンジの非方向
性成長により形成される。本発明のスポンジは大きな比表面積(単位容積当りの
表面積)を有する。デンドライトスポンジ、すなわち分離したデンドライトが共
通の基材または骨格に付着したスポンジに対しては、比表面積を一般式 比表面積=(デンドライトの円周xスポンジ材料の容積)/デンドライトの断面
積 により近似的に計算することができる。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS A large internal surface area reaction surface is made from metal sponge. The sponge is formed by directional growth of a dendritic sponge on a suitable substrate or non-directional growth of a sponge. The sponge of the present invention has a large specific surface area (surface area per unit volume). For dendrite sponges, ie sponges in which separated dendrites adhere to a common substrate or skeleton, the specific surface area is approximated by the general formula: specific surface area = (circumference of dendrite x volume of sponge material) / cross-sectional area of dendrite Can be calculated.

【0006】 例えば、直径が100nmの円筒形のデンドライトのスポンジは、40m2
cm3の比表面積を有する。比較として、1cm3の固体は、約0.0006m2
/cm3の比表面積を有する。 表面上で起こる化学反応の速度は、式 反応の速度=反応した物質/容積x時間 に従う。 このデンドライトが微細な程、表面積は大きく、そして表面での反応の速度は
速い。
For example, a cylindrical dendrite sponge with a diameter of 100 nm is 40 m 2 /
It has a specific surface area of cm 3 . As a comparison, 1 cm 3 of solid is about 0.0006 m 2
/ Cm 3 . The rate of a chemical reaction that occurs on a surface follows the formula: rate of reaction = reactant / volume x time. The finer the dendrite, the greater the surface area and the faster the reaction at the surface.

【0007】 しかしながら、この表面積が電解質または反応気体等の可動性反応試剤と容易
に接触でき、そして表面からの反応生成物の移動経路を提供することが重要であ
る。従って、このような運動に低抵抗をもたらすためには、デンドライト間の細
孔によりもたらされる流れ経路とデンドライトそれ自身を通る電導経路の双方は
、好ましくは短い。この短い流れ経路は、 a)スポンジに方向性構造を付与することにより、 (このデンドライト間の細孔は短い流れ経路となるように配列され、そしてまた
、デンドライトは短い電導経路となるように配列される)あるいは b)電解質及び/または反応試剤を接触させるために多数の、短い流れ経路を持
つ薄層の形の非方向性スポンジの幾何学的配列を設けることにより提供される。
[0007] It is important, however, that this surface area be readily accessible to mobile reactants, such as electrolytes or reactant gases, and provide a path for reaction products to migrate from the surface. Thus, in order to provide low resistance to such movement, both the flow path provided by the pores between the dendrites and the conduction path through the dendrites themselves are preferably short. The short flow paths are: a) By imparting a directional structure to the sponge, the pores between the dendrites are arranged to be short flow paths, and the dendrites are also arranged to be short conductive paths. Or b) providing a non-directional sponge geometry in the form of a thin layer with multiple short flow paths for contacting the electrolyte and / or reactant.

【0008】 電池における等の電気的用途には、この層を、好ましくは高電気電導度の材料
により裏打ちする。 可動性反応試剤と生成物の迅速な移動、電解質中のイオン、または電子の電導
のための高度に接触できる表面を提供するのに、方向性スポンジと非方向性スポ
ンジの薄層の幾何学的配列が特に適している。
For electrical applications, such as in batteries, this layer is preferably lined with a material of high electrical conductivity. The geometry of thin layers of directional and non-directional sponges to provide a highly accessible surface for rapid migration of mobile reagents and products, conduction of ions or electrons in the electrolyte Arrays are particularly suitable.

【0009】 スポンジに好適な材料は、アルミニウム、ベリリウム、炭素(グラファイト及
び他の形)、カドミウム、カルシウム、セシウム、クロム、銅、ゲルマニウム、
金、鉄、鉛、リチウム、マグネシウム、マンガン、ニッケル、ニオブ、白金、カ
リウム、ナトリウム、ケイ素、銀、タンタル、チタン、バナジウム、亜鉛、ジル
コニウム、またはこれらの金属の合金を含む。材料の選択は、反応基材が使用さ
れる反応のタイプに依存する。電池等の電気的用途に対しては、スポンジ材料は
電気電導性である。触媒に対しては、このスポンジ材料は、好ましくは反応を触
媒する能力があるものである。
Materials suitable for sponges are aluminum, beryllium, carbon (graphite and other forms), cadmium, calcium, cesium, chromium, copper, germanium,
Includes gold, iron, lead, lithium, magnesium, manganese, nickel, niobium, platinum, potassium, sodium, silicon, silver, tantalum, titanium, vanadium, zinc, zirconium, or alloys of these metals. The choice of material depends on the type of reaction in which the reaction substrate is used. For electrical applications such as batteries, the sponge material is electrically conductive. For a catalyst, the sponge material is preferably one capable of catalyzing the reaction.

【0010】 この反応表面は、下記に詳細に述べるように、多数の方法で形成され得る。固
化方法により形成される押し出しデンドライトスポンジの場合のように、全くス
ポンジ材料からこれを形成してもよい。あるいは、この反応表面は、スポンジを
焼結、あるいは他の好適な方法により成長あるいは付着させる基材材料を含んで
なってもよい。この焼結方法は、方向性スポンジについても使用することができ
るが、非方向性スポンジ粒子から反応表面を形成するのに、特に適している。 いくつかの用途に対しては、その表面を異なる材料の層により、このスポンジ
を被覆してもよい。例えば、触媒での使用に対しては、このスポンジを経済的な
基材材料から形成し、大きな表面積の触媒を作るために、薄層の触媒材料により
被覆してもよい。
[0010] The reaction surface can be formed in a number of ways, as described in detail below. It may be formed entirely from sponge material, as in the case of extruded dendrite sponges formed by a solidification method. Alternatively, the reaction surface may comprise a substrate material on which the sponge is grown or deposited by sintering or other suitable method. This sintering method can also be used for directional sponges, but is particularly suitable for forming a reactive surface from non-directional sponge particles. For some applications, the sponge may be coated on its surface with a layer of a different material. For example, for use in catalysts, the sponge may be formed from an economical base material and coated with a thin layer of catalytic material to create a high surface area catalyst.

【0011】 この反応表面は、触媒、燃料電池、気体センサー、熱交換器、及び電池用の電
極材料を含む、広範で多様なデバイスにおいて用途がある。これらの用途はすべ
て、比較的短い経路または細孔から誘導される、大きな表面積と表面の接触の容
易さを持つメリットを有する。 方向性及び非方向性の2つのタイプのスポンジを使用する反応表面を更に詳細
に述べる。双方のスポンジタイプが触媒、燃料電池等の他の用途に適することを
評価すべきであるが、例として、電池での反応表面の電極としての使用を示す。
This reactive surface has applications in a wide variety of devices, including catalysts, fuel cells, gas sensors, heat exchangers, and electrode materials for batteries. All of these applications have the advantage of having a large surface area and ease of surface contact, derived from relatively short paths or pores. Reaction surfaces using two types of sponges, directional and non-directional, are described in further detail. It should be appreciated that both sponge types are suitable for other applications, such as catalysts, fuel cells, etc., but by way of example the use of the reaction surface as an electrode in a cell is shown.

【0012】方向性成長したスポンジを使用する反応表面 方向性成長した、デンドライトスポンジを使用する反応表面は、大きな接触で
きる表面積と短い流れ経路を有する。このデンドライトは、好ましくは極めて微
細であり、好ましくは約30マイクロメーターあるいはそれ以下の、そして更に
好ましくは1マイクロメーターあるいはそれ以下、数ナノメーター迄の幅を有す
る。この極微細度のデンドライト構造は、化学反応が起こる高表面積(数100
2/cm3迄の)を提供する。このデンドライト間の隙間または細孔は、好まし
くは30マイクロメーターあるいはそれ以下、更に好ましくは300nmあるい
はそれ以下の細孔サイズを有する。
Reaction surface using directionally grown sponge Reaction surface using directionally grown, dendritic sponge has a large contact surface area and a short flow path. The dendrite is preferably very fine, preferably having a width of about 30 micrometers or less, and more preferably 1 micrometer or less, up to several nanometers. The ultrafine dendrite structure has a high surface area (a few hundreds) where a chemical reaction occurs.
m 2 / cm 3 ). The gaps or pores between the dendrites preferably have a pore size of 30 micrometers or less, more preferably 300 nm or less.

【0013】 このデンドライトは基材上に方向性成長する。この基材は、リボン、ワイヤ、
キャスト構造物またはシートの形である。あるいは、デンドライトに沿ってこの
基材を押し出してもよい。この基材は、構造安定性と所望する場合には電気電導
を持つスポンジを提供する。スポンジと同じ材料、または異なる材料からこの基
材を形成してもよい。銀、銅またはアルミニウムの基材は、電気電導を要求する
用途に好ましい。
The dendrite grows directionally on the substrate. The substrate is a ribbon, wire,
In the form of a cast structure or sheet. Alternatively, the substrate may be extruded along a dendrite. This substrate provides a sponge with structural stability and, if desired, electrical conductivity. The substrate may be formed from the same material as the sponge, or from a different material. Silver, copper or aluminum substrates are preferred for applications requiring electrical conductivity.

【0014】 デンドライトスポンジを含む反応表面の一つの好ましい形態は、電池中のアノ
ードあるいはカソード材料である。図1を参照すると、電池1は、反応表面を使
用するアノード10とカソード12を含む。特定すれば、このアノードとカソー
ドは、約10μmあるいはそれ以上の厚さを持つ箔14のインターディジタル形
のシートから形成される。この箔は、デンドライトスポンジ材料16用の骨格ま
たは基材として振る舞う。このスポンジ材料は、基材表面から延びる多数のデン
ドライト18を含む。
[0014] One preferred form of the reaction surface including the dendrite sponge is an anode or cathode material in a battery. Referring to FIG. 1, a battery 1 includes an anode 10 and a cathode 12 using a reaction surface. In particular, the anode and cathode are formed from interdigitated sheets of foil 14 having a thickness of about 10 μm or more. This foil acts as a skeleton or substrate for the dendrite sponge material 16. The sponge material includes a number of dendrites 18 extending from the substrate surface.

【0015】 電解質20がアノードとカソードを取り囲む。ケーシング22は電池用の外側
カバーを提供する。場合によっては、このカソードがケーシングとして振る舞う
。導体リード30及び32は、アノードとカソードを電池を使用する電気回路(
図示せず)とそれぞれ結合する。図1は、アノード10とカソード12の双方を
デンドライトスポンジを含んでいると示して示している一方、デンドライトスポ
ンジなしでアノードまたはカソードのいずれかを形成することができることを評
価すべきである。
[0015] An electrolyte 20 surrounds the anode and cathode. Casing 22 provides an outer cover for the battery. In some cases, this cathode acts as a casing. Conductor leads 30 and 32 are connected to the anode and cathode of an electric circuit (using a battery).
(Not shown). While FIG. 1 shows both anode 10 and cathode 12 as including a dendritic sponge, it should be appreciated that either an anode or a cathode can be formed without a dendritic sponge.

【0016】 箔シートが妥当な程度に近接し、好ましくは数センチメートル未満で離れてい
る限り、この電解質は、低い抵抗を有し、電池が極めて高い出力密度を持つのに
充分である。電池(R)の等価直列抵抗(ESR)は式 R=RAE+RCE+RE+RA+RC により得られる。式中、 RAEはアノードと電解質の間の化学反応のESRであり、 RCEはカソードと電解質の間の化学反応のESRであり、 REは電解質の抵抗であり、 RAはアノードの抵抗であり、 そしてRCはカソードの抵抗である。 RAE、RCE、及びREはすべて表面積に依存する。RAEはアノード/電解質界面
の表面積、またはアノードの表面積に逆比例する。RCEはカソード表面積に逆比
例する。 RE=ρAP/t 式中、ρは電解質の抵抗率であり、 APは基材の投影表面積であり、そして tは電解質層の幅、すなわちアノードとカソードの間隔である。 アノードとカソードの抵抗は、他の抵抗と比較した場合、通常小さく、従って
無視し得る。
As long as the foil sheets are reasonably close together, preferably less than a few centimeters apart, this electrolyte has a low resistance and is sufficient for the cell to have a very high power density. Equivalent series resistance of the battery (R) (ESR) is obtained by the equation R = R AE + R CE + R E + R A + R C. Where R AE is the ESR of the chemical reaction between the anode and the electrolyte, R CE is the ESR of the chemical reaction between the cathode and the electrolyte, R E is the resistance of the electrolyte, and R A is the resistance of the anode. And RC is the cathode resistance. R AE , R CE and R E all depend on the surface area. R AE is inversely proportional to the surface area of the anode / electrolyte interface, or the surface area of the anode. R CE is inversely proportional to the cathode surface area. During R E = ρA P / t formula, [rho is the resistivity of the electrolyte, A P is the projection surface area of the substrate, and t is the width of the electrolyte layer, that is, the anode and cathode spacing. The anode and cathode resistances are usually small when compared to other resistances and are therefore negligible.

【0017】 図2、3、及び4は、デンドライト18の種々の構造を示す。好ましい反応表
面36においては、このデンドライトは、好ましくは基材14に垂直あるいはほ
ぼ垂直であり、電気抵抗を最小化する。デンドライトの間に開放細孔37があり
、これは、電池の場合には電気的に帯電した種等の反応試剤に接触をもたらし、
触媒表面の場合には、表面上で触媒反応を受ける反応試剤に接触をもたらす。図
3に示すように、このデンドライトは、今度は表面から成長して、単位基材面積
当りの表面積を更に増大させる、小さなあるいは2次的なデンドライト38を有
してもよい。方向性成長したデンドライトは、幅に対する長さの大きな比を有し
、表面積を最大化するために、密で、また相対的に均等な間隔を有している。図
2に示すように、改善した電気電導度を提供する、薄層の表面材料39bにより
、このデンドライトを被覆してもよい。あるいは、この表面材料は、反応表面が
反応を触媒する用途において触媒として振舞う、反応表面36を提供してもよい
FIGS. 2, 3, and 4 show various configurations of the dendrite 18. On the preferred reaction surface 36, the dendrite is preferably perpendicular or nearly perpendicular to the substrate 14 to minimize electrical resistance. There are open pores 37 between the dendrites, which, in the case of batteries, bring into contact with reactants such as electrically charged species,
In the case of a catalyst surface, contact is made with a reagent that undergoes a catalytic reaction on the surface. As shown in FIG. 3, the dendrite may have small or secondary dendrites 38, which in turn grow from the surface to further increase the surface area per unit substrate area. Directional grown dendrites have a large ratio of length to width and are dense and relatively evenly spaced to maximize surface area. As shown in FIG. 2, the dendrite may be coated with a thin layer of surface material 39b that provides improved electrical conductivity. Alternatively, the surface material may provide a reaction surface 36 that acts as a catalyst in applications where the reaction surface catalyzes the reaction.

【0018】 この方向性成長したデンドライトは、容積に対する表面の大きな比と良好な表
面接触性を提供する。形成された電導経路が比較的短く、傾向として平行である
点で、この接触性は、電気的性質に対して、また反応試剤と反応生成物の移動に
対して重要である。また、望まれない材料がデンドライト間の隙間から容易に除
去されるという点で、この接触性はスポンジの精製も改良する。電気的デバイス
に対しては、この接触性によって、電解質がこのスポンジに浸透して、スポンジ
を完全に充填することが可能になる。
This directional grown dendrite provides a large surface to volume ratio and good surface contact. This contact is important for the electrical properties and for the movement of the reactants and reaction products, in that the conduction paths formed are relatively short and tend to be parallel. This contact also improves sponge purification in that unwanted material is easily removed from the gaps between the dendrites. For electrical devices, this contact allows the electrolyte to penetrate the sponge and completely fill the sponge.

【0019】 この反応表面(36)は、触媒反応での使用に極めて適している。触媒は、化
学反応の速度を増大する物質である。この反応試剤は、通常、気体または蒸気ま
たは液体の形である。本発明の用途は、固体触媒の存在下でのこのような反応に
関する。この触媒が高表面積を持ち、そしてこの表面積が反応試剤に容易に接触
できることは、化学反応を加速するメリットがある。非方向性スポンジも使用し
てもよいが、これらの所望の条件は、図2から4に示すように方向性デンドライ
トスポンジにより最もよく充たされる。このスポンジは、触媒それ自身であるか
、あるいはスポンジ表面に付着した触媒物質のキャリアである。また、容易に接
触できる細孔を持つスポンジにより、そして反応試剤が僅かな抵抗で開放端の細
孔を流れることが可能であるスポンジの薄層により、反応を加速する所望の条件
も充たされる。方向性あるいは非方向性のスポンジ層の細孔は、好ましくは比較
的直接的で、開放された経路を有する。このスポンジ層は、ワイヤ、箔、リボン
または他の準備された形状等の基材の上にあってもよく、あるいは自立するもの
であってもよい。この細孔は、この層の少なくとも一つの側に向って開放端であ
るか、あるいは層の厚さを通る開放端である。ここに述べた方法により製造され
るスポンジは、概してこれらの所望の性質を有している。それゆえ、これらは、
触媒として機能するのに、あるいは触媒用のキャリアとして機能するのに特に極
めて適している。触媒スポンジ材料または表面触媒層39に好適な金属は、Li
、Be、Mg、Al、Si、Ca、Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、
Ni、Cu、Zn、Ge、Sr、Y、Zr、Nb、Mo、Rh、Pd、Ag.C
d、In、Sn、Sb、Te、Ba、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、E
u、Gd、Tb、Dy、Ho、Er.Tm、Yb、Lu、Hf、Ta、W、Rh
、Os、Ir、Pt、Au、Ti、Pb、Bi、Po、及びこれらの組合せを含
む。
This reaction surface (36) is very suitable for use in catalytic reactions. A catalyst is a substance that increases the rate of a chemical reaction. The reagent is usually in gaseous or vapor or liquid form. The use of the present invention relates to such a reaction in the presence of a solid catalyst. The fact that the catalyst has a high surface area and that this surface area can be easily contacted with the reactants has the advantage of accelerating the chemical reaction. Non-directional sponges may also be used, but these desired conditions are best met by directional dendritic sponges as shown in FIGS. The sponge is the catalyst itself or a carrier for the catalytic material attached to the sponge surface. The desired conditions for accelerating the reaction are also satisfied by a sponge with easily accessible pores and a thin layer of sponge that allows the reactant to flow through the open-ended pores with little resistance. The pores of the directional or non-directional sponge layer are preferably relatively direct and have an open path. The sponge layer may be on a substrate such as a wire, foil, ribbon or other prepared shape, or may be freestanding. The pores are open ends towards at least one side of the layer or open ends through the thickness of the layer. Sponge made by the methods described herein generally have these desired properties. Therefore, these
Particularly suitable for functioning as a catalyst or as a carrier for a catalyst. Suitable metals for the catalyst sponge material or surface catalyst layer 39 are Li
, Be, Mg, Al, Si, Ca, Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co,
Ni, Cu, Zn, Ge, Sr, Y, Zr, Nb, Mo, Rh, Pd, Ag. C
d, In, Sn, Sb, Te, Ba, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, E
u, Gd, Tb, Dy, Ho, Er. Tm, Yb, Lu, Hf, Ta, W, Rh
, Os, Ir, Pt, Au, Ti, Pb, Bi, Po, and combinations thereof.

【0020】デンドライトスポンジの形成 方向性スポンジを形成するために、デンドライトを基材材料上に方向性成長す
る。いくつかの方法がデンドライトのスポンジの形成に使える。大きな表面積の
特に均一なデンドライトを製造するのに、3つの方法が見出されている。化学的
方法の第1の方法においては、蒸気の形の金属ハライドを還元剤、好ましくはア
ルカリ金属またはアルカリ土類金属により還元し、還元した金属のデンドライト
を基材材料上に堆積する。
Formation of Dendrite Sponge To form a directional sponge, a dendrite is directionally grown on a substrate material. Several methods can be used to form dendritic sponges. Three methods have been found to produce particularly uniform dendrites of high surface area. In the first of the chemical methods, the metal halide in vapor form is reduced by a reducing agent, preferably an alkali metal or alkaline earth metal, and dendrites of the reduced metal are deposited on the substrate material.

【0021】 この金属ハライドは反応温度で気体であるものである。いくつかの金属ハライ
ドが好適であることが見出されている。これらは、チタン、アルミニウム、タン
タル、ニオブ、ジルコニウム、バナジウム、クロム、ケイ素、ゲルマニウム、及
びこれらの混合物のクロライド、フルオライド、及びアイオダイドを含む。例え
ば、塩化チタンのマグネシウムによる還元により形成されるチタンスポンジの場
合、堆積プロセスは、次式 TiCl4(g)+2Mg → Ti(s)+2MgCl2 液体または蒸気 液体または固体 により記述される。 この反応生成物は、固体チタンと塩化マグネシウムであり、使用する温度に依
って液体あるいは固体であってよい。
The metal halide is a gas at the reaction temperature. Some metal halides have been found to be suitable. These include chloride, fluoride, and iodide of titanium, aluminum, tantalum, niobium, zirconium, vanadium, chromium, silicon, germanium, and mixtures thereof. For example, for a titanium sponge formed by the reduction of titanium chloride with magnesium, the deposition process is described by the following formula: TiCl 4 (g) + 2Mg → Ti (s) + 2MgCl 2 liquid or vapor liquid or solid. The reaction products are solid titanium and magnesium chloride and may be liquid or solid, depending on the temperature used.

【0022】 この2つの反応生成物が共存するために、チタン金属と塩化マグネシウムの場
合には、成長するスポンジの形態は、デンドライト間の隙間に存在する塩化マグ
ネシウムと一緒のチタンデンドライトからなる。塩化マグネシウム、または他の
アルカリ金属ハライドは、排液と真空蒸留により、あるいは浸出により除去され
る。真空蒸留により、スポンジを汚染しないように、残存する痕跡量の塩化マグ
ネシウムを確実に除去する。好ましくは、蒸留を800と1200℃の間で高真
空で行ない、アルカリ金属ハライドの完全な除去を確実にする。 マグネシウムとナトリウムが特に好ましい還元剤であり、塩化ナトリウムの除
去が更に容易であるために、ナトリウムが最も好ましい。加えて、ナトリウムを
還元剤として使用することにより、スポンジの粗さまたは細かさのレベルの選択
が可能になる。相対的に低い温度(600−700℃)で極めて微細なスポンジ
を製造できる。
Due to the coexistence of the two reaction products, in the case of titanium metal and magnesium chloride, the morphology of the growing sponge consists of titanium dendrites with magnesium chloride present in the gaps between dendrites. Magnesium chloride or other alkali metal halide is removed by drainage and vacuum distillation or by leaching. The vacuum distillation ensures that any remaining traces of magnesium chloride are removed so as not to contaminate the sponge. Preferably, the distillation is performed at a high vacuum between 800 and 1200 ° C. to ensure complete removal of the alkali metal halide. Magnesium and sodium are particularly preferred reducing agents, with sodium being most preferred because of the easier removal of sodium chloride. In addition, the use of sodium as a reducing agent allows for the selection of sponge roughness or fineness levels. Extremely fine sponges can be produced at relatively low temperatures (600-700 ° C.).

【0023】 混合スポンジをこの方法により形成してもよい。例えば、TiCl4とZrC
4の混合物をアルカリ元素(A)またはアルカリ土類(EA)元素により還元
することにより、Ti−Zr合金スポンジを形成してもよい。このスポンジ合成
プロセスは、反応 (TiCl4+ZrCl4)+(AまたはEA)→(Ti+Zr)+(AまたはEA)−クロライド 気体混合物 液体または気体 固体合金スポンジ 固体または液体塩 により進行する。 カリウムを還元性元素として用いて、50原子%のTiと50原子%のZr合
金のスポンジを形成する特定の例は、 (TiCl4+ZrCl4)+(8K) → (Ti+Zr) + (8KCl) 気体混合物 液体または気体 固体合金スポンジ 固体または液体塩 である。
A mixed sponge may be formed by this method. For example, TiCl 4 and ZrC
A mixture of l 4 by reducing the alkali elements (A) or alkaline earth (EA) element, may be formed Ti-Zr alloy sponge. This sponge synthesis process proceeds by the reaction (TiCl 4 + ZrCl 4 ) + (A or EA) → (Ti + Zr) + (A or EA) -chloride gas mixture liquid or gas solid alloy sponge solid or liquid salt. A specific example of forming a sponge of 50 atomic% Ti and 50 atomic% Zr alloy using potassium as a reducing element is (TiCl 4 + ZrCl 4 ) + (8K) → (Ti + Zr) + (8KCl) gas Mixture Liquid or gas Solid alloy sponge Solid or liquid salt.

【0024】 図5及び6は、基材14の上にデンドライト18を堆積するプロセスを図示す
る。塩化チタンをナトリウムにより還元することによるチタンスポンジの形成を
特に参照しながら、このプロセスを記述する。しかしながら、このプロセスは、
異なる還元剤による他の金属スポンジの形成にも適することを評価すべきである
。還元性金属の蒸気圧力と他の反応変数に依り、このプロセス条件は変る。 スポンジ形成プロセスを行うための反応容器40がチャンバー42を規定する
。この基材14は、チャンバー40内で電気電導性コネクター44及び46によ
り支持される。この基材を好適な反応温度迄加熱するために、電源50をコネク
ターにより接続する。 チャンバー内で還元剤の蒸気圧力を与えるために、チャンバー内の貯蔵容器5
2は、ナトリウム、または他の還元性金属を含む。発生する蒸気圧力は、チャン
バーの温度に依存する。例えば、520℃で、ナトリウムの蒸気圧力は10-2
圧である。加熱源54は、チャンバーを好適な温度迄加熱して、蒸気を与えるた
めに、チャンバーを取り囲む。
FIGS. 5 and 6 illustrate a process for depositing dendrite 18 on substrate 14. This process is described with particular reference to the formation of titanium sponges by reducing titanium chloride with sodium. However, this process
It should be appreciated that it is also suitable for forming other metal sponges with different reducing agents. Depending on the reducing metal vapor pressure and other reaction variables, this process condition will vary. A reaction vessel 40 for performing the sponge forming process defines a chamber 42. This substrate 14 is supported in chamber 40 by electrically conductive connectors 44 and 46. To heat the substrate to a suitable reaction temperature, a power supply 50 is connected by a connector. A storage container 5 in the chamber to provide the vapor pressure of the reducing agent in the chamber.
2 contains sodium or other reducing metals. The generated steam pressure depends on the temperature of the chamber. For example, at 520 ° C., the vapor pressure of sodium is 10 −2 atm. A heating source 54 surrounds the chamber to heat the chamber to a suitable temperature and provide steam.

【0025】 最初に、加熱源54をオンし、還元剤を蒸発するために、チャンバーを所望の
温度とする。ナトリウム還元剤に対しては、他の温度を使用することもできるが
、好適なチャンバー温度は705℃である。次に、電源50をオンして、基材1
4を選ばれた堆積温度に抵抗加熱する。通常、チタンの堆積が主として基材上で
起こるように、堆積温度は、チャンバーの温度よりも高い。加熱した基材は、デ
ンドライトの成長のために限定数の核形成サイトを与える。 所望のチャンバー及び基材温度に達したならば、塩化チタン源等のスポンジ材
料60のハライド源は、チャンバー42に塩化チタンを入口62から供給する。
源60と入口62の間の入口バルブ64により、塩化チタンの導入速度を調整す
ることが可能になる。チャンバーの温度と圧力で、塩化チタンは蒸気の形であり
、加熱した基材表面でナトリウムにより還元される。チタンデンドライトの外向
きに方向性成長したデンドライトスポンジが塩化ナトリウムと共にデンドライト
間の隙間中に形成される。スポンジの厳密なミクロ構造は、基材上の核形成サイ
トの数と加工パラメーター、すなわち、ナトリウムの蒸気圧力、PNa、チタンク
ロライドの蒸気圧力、PTiCl4及び反応温度とに依存する。
First, the heating source 54 is turned on, and the chamber is brought to a desired temperature in order to evaporate the reducing agent. A preferred chamber temperature is 705 ° C., although other temperatures can be used for the sodium reducing agent. Next, the power supply 50 is turned on, and the base material 1
4 is resistance heated to the selected deposition temperature. Usually, the deposition temperature is higher than the temperature of the chamber, so that the deposition of titanium occurs mainly on the substrate. The heated substrate provides a limited number of nucleation sites for dendrite growth. Once the desired chamber and substrate temperatures have been reached, a halide source of sponge material 60, such as a titanium chloride source, supplies titanium chloride to chamber 42 through inlet 62.
An inlet valve 64 between source 60 and inlet 62 allows the rate of introduction of titanium chloride to be adjusted. At the temperature and pressure of the chamber, titanium chloride is in the form of a vapor and is reduced by sodium on the heated substrate surface. Outward directional dendrite sponges of titanium dendrites are formed in the interdendrites with sodium chloride. The exact microstructure of the sponge depends on the number of nucleation sites on the substrate and the processing parameters, i.e., the sodium vapor pressure, PNa , titanium chloride vapor pressure, PTiCl4 and reaction temperature.

【0026】 100−1,000℃のチャンバー温度は、この方法のチタンスポンジの形成
に好適である。特に好ましい温度は800℃以下である。デンドライトの成長の
速度と形状は温度依存性である。低温度では、デンドライトは微細であり、表面
積が大きい。しかしながら、成長速度は比較的遅い。高温度では、成長は更に速
いが、デンドライトは幅が広く、容積に対する表面積の比が小さい。このように
、反応表面の所望する性質に合わせて、スポンジの表面積を選ぶことができる。 スポンジの好適な成長を得たならば、望まれない反応生成物、この場合塩化ナ
トリウムを、図6に示すように真空蒸留により除去する。真空ポンプバルブまた
は出口バルブ66は、ポンプ等の真空源(図示していない)に反応容器の出口に
接続する。入口バルブ64を閉じて、チタンクロライドのチャンバー42中への
供給を停止し、ナトリウム52の源を好ましくはチャンバーから封止あるいは除
去して、ナトリウムの不必要な浪費を防止する。真空ポンプバルブ66を開き、
チャンバーの温度を好適な蒸留温度に調節する。この真空ポンプは、スポンジ中
の隙間から、またチャンバーから塩化ナトリウムを吸引する。デンドライトの規
則的な配向のために、塩化ナトリウムの除去は、スポンジの本質的にすべての表
面から行われる。塩化ナトリウムをトラップする、囲い込まれた細孔は形成され
ない。
A chamber temperature of 100-1,000 ° C. is suitable for forming a titanium sponge in this method. A particularly preferred temperature is 800 ° C. or less. The growth rate and shape of dendrite are temperature dependent. At low temperatures, dendrites are fine and have a large surface area. However, the growth rate is relatively slow. At higher temperatures, growth is faster, but dendrites are wider and have a smaller surface to volume ratio. Thus, the surface area of the sponge can be selected according to the desired properties of the reaction surface. Once suitable growth of the sponge has been obtained, unwanted reaction products, in this case sodium chloride, are removed by vacuum distillation as shown in FIG. A vacuum pump valve or outlet valve 66 connects to a vacuum source (not shown), such as a pump, at the outlet of the reaction vessel. The inlet valve 64 is closed to stop the supply of titanium chloride into the chamber 42 and the source of sodium 52 is preferably sealed or removed from the chamber to prevent unnecessary waste of sodium. Open the vacuum pump valve 66,
Adjust the temperature of the chamber to a suitable distillation temperature. The vacuum pump draws sodium chloride through gaps in the sponge and from the chamber. Due to the regular orientation of the dendrites, the removal of sodium chloride takes place from essentially all surfaces of the sponge. No enclosed pores trapping sodium chloride are formed.

【0027】 蒸留に必要な時間は、温度に、またデンドライト間領域からの気体拡散経路の
長さと幅に依存する。大気中の塩化ナトリウムの蒸気圧力は、次式 log(PNaCl)=−12,440T-1−0.90logT−0.46x10-3T+1
1.43 により与えられる。式中、Tはケルビン度での温度である。塩化ナトリウムの蒸
気圧力は、800から1,000度の温度範囲で4x10-5から1.9x10-2 気圧の範囲である。このように、真空蒸留による塩化ナトリウムの完全な除去は
容易に行われる。 デンドライトスポンジを形成するための第2のプロセスは固化方法である。こ
の方法においては、スポンジ用の材料を不溶物質と共にスポンジ材料と不溶物質
の双方が液体である温度迄加熱することにより、混合液体からスポンジを堆積す
る。固化時に、不均一な固体が得られる。この方法はアルミニウムスポンジの形
成に特に適している。表1は、スポンジを形成するための材料の組み合わせを掲
げる。この不溶物質は、選ばれたスポンジ材料に不溶なものである。これは元素
または塩であってもよい。
The time required for distillation depends on the temperature and on the length and width of the gas diffusion path from the interdendritic region. The vapor pressure of sodium chloride in the atmosphere is given by the following equation: log (P NaCl ) = − 12,440 T −1 −0.90 log T−0.46 × 10 −3 T + 1
1.43. Where T is the temperature in degrees Kelvin. The vapor pressure of sodium chloride ranges from 4 × 10 -5 to 1.9 × 10 -2 atm in the temperature range from 800 to 1,000 degrees. Thus, complete removal of sodium chloride by vacuum distillation is easily performed. The second process for forming dendrite sponge is a solidification method. In this method, a sponge is deposited from a mixed liquid by heating the sponge material together with the insoluble material to a temperature at which both the sponge material and the insoluble material are liquid. Upon solidification, a heterogeneous solid is obtained. This method is particularly suitable for forming aluminum sponges. Table 1 lists the combinations of materials for forming the sponge. This insoluble material is insoluble in the selected sponge material. It may be an element or a salt.

【0028】[0028]

【表1】 [Table 1]

【0029】 相互に不溶な材料の加熱した混合物を冷却する。それは速度固化を速めるため
に凍結温度に曝してもよい。この混合物は、デンドライト構造と共に固化し、固
体の部分がスポンジ材料からなり、そしてデンドライト間の隙間が不溶材料から
なるようになる。冷却速度が速い程、デンドライト構造は微細であり、単位基材
面積当たりのスポンジの表面積は大きい。例えば、アルミニウムとカリウムの混
合物は、アルミニウムデンドライト構造として固化し、デンドライト間の隙間は
カリウムからなる。例えば、アルミニウムデンドライト骨格を残す真空蒸留によ
り、このカリウムを除去することができる。
The heated mixture of mutually insoluble materials is cooled. It may be exposed to freezing temperatures to speed up rate setting. This mixture solidifies with the dendrite structure, such that the solid part consists of sponge material and the gaps between dendrites consist of insoluble material. The higher the cooling rate, the finer the dendrite structure and the larger the sponge surface area per unit substrate area. For example, a mixture of aluminum and potassium solidifies as an aluminum dendrite structure, with gaps between dendrites consisting of potassium. For example, the potassium can be removed by vacuum distillation leaving an aluminum dendrite skeleton.

【0030】 固化方法により成長したスポンジを、図7A、7B及び7Cに示すように、準
備した基材82の上に方向性固化したデンドライトとして成長してもよく、ある
いは図8及び9に示すように、リボンとして押し出してもよい。基材が成長する
デンドライトよりも冷たい、温度勾配を与えることにより、固化の方向性を更に
増進することができる。 図7の形態においては、液体スポンジ材料86と液体不溶材料88のよく混合
した溶融混合物84に冷たい金属基材82を浸漬する。図7B及びCに見られる
ように、スポンジ材料86のデンドライトは、概ね基材表面に垂直の方向性で基
材上で成長する。不溶材料88は、デンドライト間の隙間中に排除される。
The sponge grown by the solidification method may be grown as a directionally solidified dendrite on a prepared substrate 82 as shown in FIGS. 7A, 7B and 7C, or as shown in FIGS. 8 and 9. Alternatively, it may be extruded as a ribbon. By providing a temperature gradient that is cooler than the dendrite on which the substrate grows, the direction of solidification can be further enhanced. In the embodiment of FIG. 7, a cold metal substrate 82 is immersed in a well-mixed molten mixture 84 of a liquid sponge material 86 and a liquid insoluble material 88. As can be seen in FIGS. 7B and C, the dendrites of sponge material 86 grow on the substrate in a direction generally perpendicular to the substrate surface. Insoluble material 88 is excluded in the gap between the dendrites.

【0031】 図8、9、及び10の形態においては、スポンジ材料と不溶材料の溶融混合物
を回転ヒートシンクと接触させる。図8に示すように、加熱コイル92により加
熱した、混合物の下に配設したローラー等の回転円筒形ヒートシンク96上に混
合物90を狭い開口94から流す。ヒートシンクが回転するに従い、固化したス
ポンジ材料のリボン98が形成される。図9の拡大断面に示すように、リボン中
のデンドライト100は、ヒートシンクに最も近いスポンジ材料の連続層102
と共に、ヒートシンクに最も近い側から外向きに成長する。層102は、デンド
ライトを支持するための基材として振舞う。前のように、不溶材料104は、真
空蒸留によりデンドライト間空隙から除去される。
In the configurations of FIGS. 8, 9, and 10, a molten mixture of sponge material and insoluble material is contacted with a rotating heat sink. As shown in FIG. 8, the mixture 90 flows from a narrow opening 94 onto a rotating cylindrical heat sink 96 such as a roller disposed below the mixture, which is heated by a heating coil 92. As the heat sink rotates, a ribbon 98 of solidified sponge material is formed. As shown in the enlarged cross-section of FIG. 9, the dendrite 100 in the ribbon comprises a continuous layer 102 of sponge material closest to the heat sink.
At the same time, it grows outward from the side closest to the heat sink. Layer 102 acts as a substrate for supporting dendrites. As before, the insoluble material 104 is removed from the interdendritic space by vacuum distillation.

【0032】 図10の形態においては、回転円筒形のヒートシンク108は、スポンジ材料
114と不溶材料116の混合物112の浴110に接触する。場合によっては
、浴中のスターラー118は、スポンジ材料と不溶材料のよい撹拌を続ける。ヒ
ートシンクが回転するに従い、シンクに隣接する混合物の層が冷却し、リボン1
20が形成される。図8及び9の形態の場合のように、スポンジ材料114のデ
ンドライトは、ヒートシンクの表面から外向きに成長し、そして不溶材料はデン
ドライト間の隙間中に濃縮する。 固化方法に対しては、スポンジ用の材料は、加工を容易にするために、好まし
くは約1,700℃以下、更に好ましくは1200℃以下である融点を有する。
場合によっては、このスポンジ材料は、一つあるいはそれ以上の次の元素の合金
であってもよい。Mg、Al、Si、Zn、Ga、Ge、Be、Li、Ni、A
u、Pt、Cu、Ag、As、Se、Cd、In、Sn、Sb、Tl、Pb、B
i及び希土類元素。
In the embodiment of FIG. 10, a rotating cylindrical heat sink 108 contacts a bath 110 of a mixture 112 of a sponge material 114 and an insoluble material 116. In some cases, the stirrer 118 in the bath continues to provide good agitation of the sponge material and the insoluble material. As the heat sink rotates, the layer of the mixture adjacent to the sink cools and the ribbon 1
20 are formed. As in the case of the configurations of FIGS. 8 and 9, the dendrites of sponge material 114 grow outward from the surface of the heat sink and the insoluble material concentrates in the interstices between the dendrites. For the consolidation method, the sponge material has a melting point that is preferably about 1,700 ° C or less, more preferably 1200 ° C or less, to facilitate processing.
In some cases, the sponge material may be an alloy of one or more of the following elements. Mg, Al, Si, Zn, Ga, Ge, Be, Li, Ni, A
u, Pt, Cu, Ag, As, Se, Cd, In, Sn, Sb, Tl, Pb, B
i and rare earth elements.

【0033】 デンドライトスポンジを形成するための第3の方法は酸化/還元方法である。
第1のステップにおいては、酸化物スケールを好適な基材の上に成長させる。図
11A、11B、11C、及び11Dを参照すると、基材120は、シート、片
、ワイヤ、メッシュ、またはTi、Ta、またはTi−Ta、Ti−Zr、また
はTi−Beの合金等の金属の加工したスケリトンの形であってもよい。スケー
ル122の厚さは、好ましくは0.5マイクロメーターと10ミリメートルの間
である。この金属は、1以上のPilling−Bedworth比の酸化物を
持つものである。この場合には、生成する酸化物スケール122の分子容モルは
、消費される金属124の容積よりも大きい(図11Bと11Aを比較)。例え
ば2.5のPilling−Bedworth比を持つタンタルに対しては、こ
の酸化物層は、消費される金属の厚さの少なくとも2.5倍である。基材のすべ
てまたはほんの一部を酸化物スケールに変換する程度に、このスケールを成長さ
せてもよい。このスケールの厚さは、好ましくは形成されるべき金属スポンジの
所望の細孔サイズの1から104倍である。
A third method for forming dendrite sponge is an oxidation / reduction method.
In the first step, an oxide scale is grown on a suitable substrate. Referring to FIGS. 11A, 11B, 11C, and 11D, the substrate 120 may be a sheet, piece, wire, mesh, or metal such as Ti, Ta, or an alloy of Ti-Ta, Ti-Zr, or Ti-Be. It may be in the form of a processed skelton. The thickness of the scale 122 is preferably between 0.5 micrometers and 10 millimeters. This metal has an oxide of one or more Pilling-Bedworth ratio. In this case, the molecular volume moles of the resulting oxide scale 122 are larger than the volume of metal 124 consumed (compare FIGS. 11B and 11A). For example, for tantalum having a Pilling-Bedworth ratio of 2.5, this oxide layer is at least 2.5 times the thickness of the metal consumed. The scale may be grown to such an extent that all or only a portion of the substrate is converted to oxide scale. The thickness of this scale is preferably 1 to 10 4 times the desired pore size of the metal sponge to be formed.

【0034】 図11C及び11Dに示す第2のステップにおいては、酸化物スケールを高温
度で好適な還元剤128により金属126に還元する。金属Ti、Ta、Zr、
Be、またはこれらの合金の酸化物に対しては、Li、Mg、Ca、Ba、Sr
、及び水素等の還元剤が有効である。還元剤128は、好ましくは気体または液
体の形である。例えば、水素の存在下で酸化タンタルスケールを次のようにタン
タルスポンジに還元してもよい。 Ta2O5 + 5H2 → 2Ta + 5H2O 酸化物スケール 還元剤 スポンジ層 還元剤の酸化物 同じように、酸化チタンスケールをカルシウムにより次のようにチタンスポン
ジに還元してもよい。
In a second step, shown in FIGS. 11C and 11D, the oxide scale is reduced to metal 126 at a high temperature with a suitable reducing agent 128. Metal Ti, Ta, Zr,
For Be or oxides of these alloys, Li, Mg, Ca, Ba, Sr
And reducing agents such as hydrogen are effective. Reducing agent 128 is preferably in gaseous or liquid form. For example, tantalum oxide scale may be reduced to tantalum sponge in the presence of hydrogen as follows. Ta 2 O 5 + 5H 2 → 2Ta + 5H 2 O Oxide scale Reducing agent Sponge layer Reducing agent oxide Similarly, titanium oxide scale may be reduced to titanium sponge with calcium as follows.

【0035】 Tio2 + 2Ca(液体または蒸気)→ Ti + 2CaO 酸化物スケール 還元剤 スポンジ層 還元剤の酸化物 還元した金属は、酸化物スケールのそれよりも小さな容積を持つので、多孔性
である。従って、還元反応時には、この酸化物層は、還元された金属の外側から
基材/還元された金属界面に向かって延びる、図11C及び11Dに示す、概ね
方向性の細孔130を持つ金属スポンジに変形される。この細孔は、還元剤の酸
化物、例えば水素の場合には水蒸気とカルシウムの場合には酸化カルシウムを含
有する。この酸化物を、例えば水または酢酸等の酸によって浸出してもよい。酸
化物としての水の場合、この水を好ましくは蒸気として運び去ってもよい。残存
する金属スポンジは、第1及び第2の方法により製造した外向きに成長したスポ
ンジの多くの性質を有する。このスポンジは、容易に接触できる開放細孔の高表
面積を有する。
Tio 2 + 2Ca (Liquid or Vapor) → Ti + 2CaO Oxide Scale Reducing Agent Sponge Layer Oxidation of Reducing Agent Reduced metal is porous because it has a smaller volume than that of oxide scale . Thus, during the reduction reaction, this oxide layer is a metal sponge with generally directional pores 130, shown in FIGS. 11C and 11D, extending from the outside of the reduced metal toward the substrate / reduced metal interface. Is transformed into These pores contain an oxide of the reducing agent, for example water vapor for hydrogen and calcium oxide for calcium. This oxide may be leached with, for example, water or an acid such as acetic acid. In the case of water as oxide, this water may be carried away, preferably as steam. The remaining metal sponge has many of the properties of the outwardly grown sponge produced by the first and second methods. This sponge has a high surface area of open pores that can be easily contacted.

【0036】 この基材の一部のみを酸化物スケールに変換し、次に金属スポンジに変換する
場合には、残存する基材は、高電気電導度の経路を提供する。このように、この
基材は、このデンドライトと電流の供給し、受け取りを行う。高電気電導度の経
路が電池と他の電気的用途には重要である。
If only a portion of this substrate is converted to oxide scale and then to metal sponge, the remaining substrate provides a path of high electrical conductivity. Thus, the substrate supplies and receives the dendrite and current. High electrical conductivity paths are important for batteries and other electrical applications.

【0037】非方向性成長したスポンジを使用する反応表面 非方向性成長したスポンジは、細孔がランダムな方向に配向し、一定のグレイン
内で方向性を持つスポンジである。方向性スポンジの場合のように、この細孔幅
は、用途、例えば、所望の出力密度または形成した反応生成物に依り選ばれる。
好ましくは、この細孔は、約10nmから100μmあるいはそれ以上の幅を持
つ相互接続されたチャンネルからなる。 反応表面を形成するためのいくつかの方法が存在する。第1の方法においては
、スポンジの粒子の薄層が金属片等の基材に結合されている。スポンジ粒子の層
は、好ましくは厚さが2cm未満であり、1μmあるいはそれ以下と薄くてもよ
い。第2の方法においては、非方向性スポンジを基材の上に成長させる。
Reaction Surface Using Non-Directionally Grown Sponge A non-directionally grown sponge is a sponge in which pores are oriented in random directions and are directional within certain grains. As in the case of a directional sponge, the pore width is chosen according to the application, for example, the desired power density or the reaction product formed.
Preferably, the pores consist of interconnected channels having a width of about 10 nm to 100 μm or more. Several methods exist for forming a reactive surface. In a first method, a thin layer of sponge particles is bonded to a substrate, such as a piece of metal. The layer of sponge particles is preferably less than 2 cm thick and may be as thin as 1 μm or less. In a second method, a non-directional sponge is grown on a substrate.

【0038】 一つの好ましい形態においては、反応表面を電池電極として使用する。図12
は、電気電導性の金属スポンジ粒子144の表面層を焼結結合、または他の好適
な方法により付着したアノード140(反応表面)が金属片142を含む電池1
38を示す。また、この電池は、電池の外部ケーシングを形成するカソード14
6とスポンジ粒子の細孔に浸透して、スポンジにより提供される大きな表面を電
気化学反応のために接触する電解質148も含む。絶縁材料のビーズ150は、
アノードに対してターミナル152を隣接するカソードから分離する。 明らかに、アノードとカソードの双方、あるいは電極の一方だけをスポンジの
粒子から形成してもよい。双方をスポンジ粒子から形成する場合、このスポンジ
粒子を同じ材料または異なる材料から形成してもよい。
In one preferred form, the reaction surface is used as a battery electrode. FIG.
The battery 1 in which the anode 140 (reactive surface), which has a surface layer of electrically conductive metal sponge particles 144 sintered or bonded by other suitable methods, includes a metal piece 142,
38 is shown. The battery also includes a cathode 14 forming the outer casing of the battery.
6 and an electrolyte 148 that penetrates the pores of the sponge particles and contacts the large surface provided by the sponge for an electrochemical reaction. Insulating material beads 150
The terminal 152 is separated from the adjacent cathode with respect to the anode. Obviously, both the anode and the cathode, or only one of the electrodes, may be formed from sponge particles. If both are formed from sponge particles, the sponge particles may be formed from the same or different materials.

【0039】 図13−14は、電極がインターデジタル形金属片を含む、電池の異なる形態
を示す。図13の形態において、電池158は、一連の電導性金属片162を持
つアノード160を含む。スポンジ粒子164をこの粒子の薄層166の形で片
の上及び下表面の上に焼結する。カソード168は、スポンジ粒子なしの金属片
170を含む。 図14の形態においては、アノード182とカソード184の双方がそれぞれ
焼結スポンジ粒子190、192を持つ金属片186、188を含む、電池18
0が形成される。このアノード及びカソードスポンジ粒子は、好ましくは異なる
材料から形成される。
FIGS. 13-14 show different forms of a battery in which the electrodes comprise interdigitated metal strips. In the embodiment of FIG. 13, the battery 158 includes an anode 160 having a series of conductive metal pieces 162. The sponge particles 164 are sintered in the form of a thin layer 166 of the particles on the upper and lower surfaces of the strip. Cathode 168 includes metal strip 170 without sponge particles. In the configuration of FIG. 14, a battery 18 in which both anode 182 and cathode 184 include metal strips 186, 188 with sintered sponge particles 190, 192, respectively.
0 is formed. The anode and cathode sponge particles are preferably formed from different materials.

【0040】 図15は、アノード202がスケール成長と還元方法により基材材料206上
に形成した、非方向性スポンジの表面層204を含む電池200を示す。カソー
ド208は、同じように形成されるか、あるいは図15に示すように、金属片2
10を含んでなってもよい。 アノードとカソードに対する他の組み合わせも考えられる。例えば、アノード
とカソードの一つを非方向性スポンジから形成し、他方を方向性スポンジから形
成してもよい。異なる多孔性を持つスポンジからこの電極を形成するか、あるい
は異なる材料から形成してもよい。このスポンジを同一あるいは異なる方法によ
り形成してもよい。
FIG. 15 shows a battery 200 including a non-directional sponge surface layer 204 in which the anode 202 has been formed on a substrate material 206 by a scale growth and reduction method. Cathode 208 may be formed in the same manner or, as shown in FIG.
10 may be included. Other combinations for the anode and cathode are also contemplated. For example, one of the anode and cathode may be formed from a non-directional sponge and the other may be formed from a directional sponge. The electrodes may be formed from sponges having different porosity, or may be formed from different materials. The sponges may be formed by the same or different methods.

【0041】非方向性スポンジの形成 方向性スポンジに関しては、非方向性スポンジを形成するのに、多数の方法が
使用できる。第1の方法においては、方向性スポンジについて述べたような、若
干の変形を加えた化学的蒸気堆積が使用される。特定すれば、蒸気の形の金属ハ
ライドを還元剤、好ましくはアルカリ金属またはアルカリ土類金属により還元す
る。還元された金属のスポンジは、反応チャンバー中で非方向性で成長する。こ
れは、基材材料を全く除くか、あるいはデンドライトの成長の方向をコントロー
ルせずに、スポンジを基材材料の上に堆積することにより達成される。方向性成
長したスポンジの場合のように、塩化ナトリウム等の望まれない反応生成物を、
図6に示すように真空蒸留により、あるいは他の好適な方法により浸出する。
Formation of Non-Directional Sponge With respect to the directional sponge, a number of methods can be used to form the non-directional sponge. In the first method, a slightly modified chemical vapor deposition is used, as described for the directional sponge. Specifically, the metal halide in the form of a vapor is reduced by a reducing agent, preferably an alkali metal or alkaline earth metal. The reduced metal sponge grows non-directionally in the reaction chamber. This is achieved by removing the substrate material at all or depositing the sponge on the substrate material without controlling the direction of dendrite growth. Undesired reaction products, such as sodium chloride, as in the case of directionally grown sponges,
Leaching is by vacuum distillation as shown in FIG. 6, or by any other suitable method.

【0042】 第2の方法においては、方向性成長したスポンジについて述べたものに類似し
た方法で、スポンジを固化方法により成長する。しかしながら、この場合、固化
プロセス時に案内が存在しない固化方法により製造したこのスポンジをランダム
なスポンジとして成長する。この2つの不溶材料を基材の存在なしで冷却し、非
方向性スポンジをスポンジの細孔中の望まれない反応生成物と共に生成させる。
次に、望まれない反応生成物を方向性スポンジの場合のように除去する。しかし
ながら、不溶のデンドライト間材料が容易に除去され、接触できない面積が少な
く、電解質または反応試剤の溶侵が容易であり、そして内部抵抗が低いので、方
向性固化したスポンジが非方向性スポンジよりも好ましい。
In a second method, the sponge is grown by a solidification method in a manner similar to that described for the directionally grown sponge. However, in this case, this sponge produced by a solidification method in which there is no guide during the solidification process grows as a random sponge. The two insoluble materials are cooled without the presence of the substrate, and a non-directional sponge is formed with unwanted reaction products in the pores of the sponge.
Next, unwanted reaction products are removed as in the case of a directional sponge. However, because the insoluble interdendritic material is easily removed, the area that cannot be contacted is small, the electrolyte or the reagent is easily infiltrated, and the internal resistance is low, the directionally solidified sponge is less than the non-directional sponge. preferable.

【0043】 第3の方法においては、酸化物の粒子をスポンジ材料に還元することにより、
あるいは酸化物グレインの層を還元することにより、スポンジ粒子を形成する。
これは、図15に示すスケールの還元方法に類似している。しかしながら、この
グレインはゆるく結合した、あるいは焼結した酸化物粒子からなってもよい。例
えば、鉄、ニッケル、またはスズ等の基材を、バインダー材料と酸化鉄、酸化ニ
ッケル、または酸化チタン等の酸化物粒子から形成した、スラリーにより被覆す
る。被覆した基材を加熱して、バインダー材料を除去する。次に、この表面をH 2 、CO、またはCa等の好適な還元剤により還元する。これにより、この表面
に金属スポンジ粒子(非方向性の)の層を焼結あるいはゆるく結合する。 次に、非方向性スポンジ粒子を焼結、または他の好適な付着の手法により好適
な基材材料に付着させる。
In a third method, the oxide particles are reduced to a sponge material,
Alternatively, sponge particles are formed by reducing a layer of oxide grains.
This is similar to the scale reduction method shown in FIG. However, this
The grains may consist of loosely bound or sintered oxide particles. An example
For example, a base material such as iron, nickel, or tin is mixed with a binder material and iron oxide or nickel oxide.
Coating with a slurry formed from nickel oxide or oxide particles such as titanium oxide.
You. The coated substrate is heated to remove the binder material. Next, this surface is H Two Reduction with a suitable reducing agent such as, CO, or Ca. This allows this surface
Sintered or loosely bonded layers of metal sponge particles (non-directional). The non-directional sponge particles are then sintered or otherwise suitable by other suitable methods of attachment.
To a suitable base material.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

本発明は、種々の構成要素及び構成要素の配列と種々のステップ及びステップ
の配列で形をなす。この図面は、好ましい形態を例示する目的のみであり、本発
明を限定するものと考えられるべきでない。
The invention may take form in various components and arrangements of components, and in various steps and arrangements of steps. This drawing is for the purpose of illustrating preferred embodiments only and should not be considered as limiting the invention.

【図1】 本発明の第1の形態の方向性成長したスポンジ材料を入れた電池の側面断面図
である。
FIG. 1 is a side cross-sectional view of a battery containing a directionally grown sponge material according to a first embodiment of the present invention.

【図2】 図1の基材とデンドライトの概略図である。FIG. 2 is a schematic view of the substrate and dendrite of FIG.

【図3】 図1の基材とデンドライトの代替の形態の概略図である。FIG. 3 is a schematic diagram of an alternative form of the substrate and dendrite of FIG.

【図4】 図1の基材とデンドライトの透視図である。FIG. 4 is a perspective view of the substrate and the dendrite of FIG. 1;

【図5】 本発明の方向性成長したスポンジを化学的に形成するシステムの概略図である
FIG. 5 is a schematic diagram of a system for chemically forming a directionally grown sponge of the present invention.

【図6】 蒸留相時の図5のシステムの概略図である。FIG. 6 is a schematic diagram of the system of FIG. 5 during the distillation phase.

【図7】 固化方法による方向性スポンジの進行性成長を示す側面概略図である。FIG. 7 is a schematic side view showing the progressive growth of a directional sponge by a solidification method.

【図8】 固化方法とリボンの押し出しによるデンドライトスポンジの成長を示すリボン
押し出しシステムの概略図である。
FIG. 8 is a schematic diagram of a ribbon extrusion system showing the solidification method and dendrite sponge growth by ribbon extrusion.

【図9】 固化方法とリボンの押し出しによるデンドライトスポンジの成長を示すリボン
押し出しシステムの概略図である。
FIG. 9 is a schematic diagram of a ribbon extrusion system showing the solidification method and the growth of dendritic sponges by ribbon extrusion.

【図10】 リボン押し出しシステムの代替の形態を示す側面概略図である。FIG. 10 is a schematic side view showing an alternative form of the ribbon extrusion system.

【図11】 この酸化物フィルムのA)酸化前の、B)酸化後の、C)部分的還元の後の、
そしてD)完全な還元の後の金属基材の概略図である。
11: A) before oxidation, B) after oxidation, C) after partial reduction of this oxide film.
And D) Schematic of the metal substrate after complete reduction.

【図12】 本発明の第2の形態の非方向性スポンジ材料を入れた電池の側面断面図である
FIG. 12 is a side cross-sectional view of a battery containing a non-directional sponge material of the second embodiment of the present invention.

【図13】 本発明の第3の形態の非方向性スポンジ材料を入れた電池の側面断面図である
FIG. 13 is a side sectional view of a battery containing a non-directional sponge material according to a third embodiment of the present invention.

【図14】 本発明の第4の形態の非方向性スポンジ材料を入れた電池の側面断面図である
FIG. 14 is a side cross-sectional view of a battery containing a non-directional sponge material according to a fourth embodiment of the present invention.

【図15】 本発明の第5の形態の非方向性スポンジ材料を入れた電池の側面断面図である
FIG. 15 is a side sectional view of a battery containing a non-directional sponge material according to a fifth embodiment of the present invention.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) H01M 4/64 H01M 4/64 A 4/66 4/66 A (81)指定国 EP(AT,BE,CH,CY, DE,DK,ES,FI,FR,GB,GR,IE,I T,LU,MC,NL,PT,SE),OA(BF,BJ ,CF,CG,CI,CM,GA,GN,GW,ML, MR,NE,SN,TD,TG),AP(GH,GM,K E,LS,MW,SD,SL,SZ,TZ,UG,ZW ),EA(AM,AZ,BY,KG,KZ,MD,RU, TJ,TM),AE,AL,AM,AT,AU,AZ, BA,BB,BG,BR,BY,CA,CH,CN,C R,CU,CZ,DE,DK,DM,DZ,EE,ES ,FI,GB,GD,GE,GH,GM,HR,HU, ID,IL,IN,IS,JP,KE,KG,KP,K R,KZ,LC,LK,LR,LS,LT,LU,LV ,MA,MD,MG,MK,MN,MW,MX,NO, NZ,PL,PT,RO,RU,SD,SE,SG,S I,SK,SL,TJ,TM,TR,TT,TZ,UA ,UG,US,UZ,VN,YU,ZA,ZW (72)発明者 マクガーべイ,ドナルド アメリカ合衆国、44118 オハイオ州、ク リーブランド ハイツ、ウィルトン ロー ド 1819 (72)発明者 スゾドウスキー,ポール アメリカ合衆国、44119 オハイオ州、ユ ークリッド、ミラー アベニュー 21600 Fターム(参考) 4K001 AA01 AA02 AA04 AA05 AA06 AA07 AA08 AA09 AA10 AA12 AA13 AA15 AA16 AA17 AA18 AA19 AA20 AA21 AA23 AA24 AA25 AA26 AA27 AA28 AA29 AA30 AA31 AA34 AA36 AA37 AA39 AA41 BA08 DA11 EA01 EA02 EA05 5H017 BB01 BB10 BB13 BB16 BB17 CC01 CC18 CC25 EE00 EE05 EE08 HH04 HH05 HH08 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (51) Int.Cl. 7 Identification symbol FI Theme coat ゛ (Reference) H01M 4/64 H01M 4/64 A 4/66 4/66 A (81) Designated countries EP (AT, BE, CH, CY, DE, DK, ES, FI, FR, GB, GR, IE, IT, LU, MC, NL, PT, SE), OA (BF, BJ, CF, CG, CI, CM, GA, GN, GW, ML, MR, NE, SN, TD, TG), AP (GH, GM, KE, LS, MW, SD, SL, SZ, TZ, UG, ZW), EA (AM, AZ, BY) , KG, KZ, MD, RU, TJ, TM), AE, AL, AM, AT, AU, AZ, BA, BB, BG, BR, BY, CA, CH, CN, CR, CU, CZ, D , DK, DM, DZ, EE, ES, FI, GB, GD, GE, GH, GM, HR, HU, ID, IL, IN, IS, JP, KE, KG, KP, KR, KZ, LC, LK, LR, LS, LT, LU, LV, MA, MD, MG, MK, MN, MW, MX, NO, NZ, PL, PT, RO, RU, SD, SE, SG, SI, SK, SL , TJ, TM, TR, TT, TZ, UA, UG, US, UZ, VN, YU, ZA, ZW (72) Inventor McGarvey, Donald United States, 44118 Cleveland Heights, Wilton Road, Ohio 1819 (72) Inventor Suzodoski, Paul 44119 Ohio, United States, Euclid, Mirror Avenue 21600 F-term (reference) 4K001 AA01 AA02 AA04 AA05 AA06 AA07 AA08 AA09 AA10 AA12 AA13 AA15 AA16 AA17 AA18 AA19 AA21 A23 AA24 AA25 AA26 AA27 AA28 AA29 AA30 AA31 AA34 AA36 AA37 AA39 AA41 BA08 DA11 EA01 EA02 EA05 5H017 BB01 BB10 BB13 BB16 BB17 CC01 CC18 CC25 CC25 EE00 EE05 EE08 HH04 HH05 HH08

Claims (28)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 アノード(10,140,160,182,202)、カソ
ード(12,146,168,184,208)、及びその間の電解質(20,
148)を含む電池(1,138,158,180,200)であって、 少なくとも一つのアノード(10,140,160,182,202)とカソ
ード(12,184,208)が電気電導性のスポンジ材料(16,114,1
64,204)を含むことを特徴とする電池。
1. An anode (10, 140, 160, 182, 202), a cathode (12, 146, 168, 184, 208) and an electrolyte (20,
148), wherein at least one anode (10, 140, 160, 182, 202) and cathode (12, 184, 208) are electrically conductive sponges. Material (16,114,1
64, 204).
【請求項2】 この少なくとも一つのアノードとカソードが電気電導性のス
ポンジ材料と電気的に接触している電気電導性の基材(14,82,102,1
20,142,162,186,188,206)を含むことを更に特徴とする
請求項1に記載の電池。
2. An electrically conductive substrate (14, 82, 102, 1) wherein said at least one anode and cathode are in electrical contact with an electrically conductive sponge material.
20, 142, 162, 186, 188, 206).
【請求項3】 この基材が箔(14)、ワイヤ、リボン(98,102,1
20)、キャスト構造物、またはシート(14,82)の形であることを更に特
徴とする請求項2に記載の電池。
3. The substrate comprises a foil (14), a wire, a ribbon (98, 102, 1).
20) The battery of claim 2, further in the form of a cast structure or sheet (14,82).
【請求項4】 この基材とこの電気電導性スポンジが同一の材料から形成さ
れることを更に特徴とする先行の請求項2及び3のいずれか一項に記載の電池。
4. The battery according to claim 2, wherein said substrate and said electrically conductive sponge are formed from the same material.
【請求項5】 この基材が銀、銅、及びアルミニウムからなる群から選ばれ
る金属を含むことを更に特徴とする先行の請求項2から4のいずれか一項に記載
の電池。
5. The battery according to claim 2, wherein the substrate further comprises a metal selected from the group consisting of silver, copper, and aluminum.
【請求項6】 このスポンジ材料が基材に付着した粒子(144,164,
190,192)の形であることを更に特徴とする先行の請求項2から5のいず
れか一項に記載の電池。
6. The particles (144, 164, 164) having the sponge material adhered to a substrate.
190, 192), wherein the battery according to any one of the preceding claims, further characterized in that:
【請求項7】 スポンジ材料(16,86,98,114,120)が基材
の上に成長したスポンジの層(122,204)の形であることを更に特徴とす
る先行の請求項2から5のいずれか一項に記載の電池。
7. A method according to claim 2, wherein the sponge material is in the form of a layer of sponge grown on a substrate. 6. The battery according to claim 5.
【請求項8】 この少なくとも一つのアノード(10,160,182,2
02)とカソード(12,168,184,208)が複数の電気電導性のスポ
ンジ材料の薄層(166)を含むことを更に特徴とする先行の請求項1から7の
いずれか一項に記載の電池。
8. The at least one anode (10, 160, 182, 2)
8. The method as claimed in claim 1, wherein the cathode and the cathode further comprise a plurality of thin layers of electrically conductive sponge material. Batteries.
【請求項9】 この電気電導性のスポンジ材料が銅、銀、金、アルミニウム
、及びこれらの組み合わせからなる群から選ばれる元素を含むことを更に特徴と
する先行の請求項1から8のいずれか一項に記載の電池。
9. The electrical conductive sponge material of claim 1, further comprising an element selected from the group consisting of copper, silver, gold, aluminum, and combinations thereof. The battery according to claim 1.
【請求項10】 この電気電導性のスポンジ材料がデンドライト(18,1
00)を規定することを更に特徴とする先行の請求項1から9のいずれか一項に
記載の電池。
10. The electrically conductive sponge material comprises dendrite (18,1).
00). The battery according to any one of the preceding claims, further characterized in that:
【請求項11】 このデンドライトが約200ナノメーターから30マイク
ロメーターの幅を持つことを更に特徴とする請求項10に記載の電池。
11. The battery of claim 10, wherein said dendrite has a width of about 200 nanometers to 30 micrometers.
【請求項12】 この少なくとも一つのアノードとカソードが少なくとも一
つの基材層(14,82,206)を含み、そしてデンドライト(18,100
)がこの基材から延びることを更に特徴とする請求項10及び11のいずれか一
項に記載の電池。
12. The at least one anode and cathode comprising at least one substrate layer (14, 82, 206) and a dendrite (18, 100).
12. The battery according to any one of claims 10 and 11, further comprising extending from the substrate.
【請求項13】 デンドライト(18)が基材層(14)から概ね垂直に延
びることを更に特徴とする請求項12に記載の電池。
13. The battery of claim 12, wherein the dendrite (18) extends substantially perpendicularly from the substrate layer (14).
【請求項14】 このスポンジ材料が電気電導性の材料(39)により被覆
されていることを更に特徴とする請求項1から13のいずれか一項に記載の電池
14. The battery according to claim 1, wherein the sponge material is coated with an electrically conductive material (39).
【請求項15】 反応を表面の上で行う方法であって、この方法が表面(3
6)を形成し、この表面を反応試剤と接触し、そして反応を起こさせることを含
み、この表面を形成するステップが反応試剤に接触できる複数の開放細孔(37
,130)を持つスポンジ材料(16,114,164,204)を成長させる
ことを含むことを特徴とする方法。
15. A method wherein the reaction is carried out on a surface, said method comprising:
6), contacting the surface with the reagent and causing the reaction to occur, wherein the step of forming the surface comprises a plurality of open pores (37) capable of contacting the reagent.
, 130) with growing sponge material (16, 114, 164, 204).
【請求項16】 このスポンジ材料がLi、Be、Mg、Al、Si、Ca
、Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Ge、Sr、
V、Zr、Nb、Mo、Rh、Pd、Ag、Cd、In、Sn、Sb、Te、B
a、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、E
r、Tm、Yb、Lu、Hf、Ta、W、Rh、Os、Ir、Pt、Au、Tl
、Pb、Bi、Po、及びこれらの組み合わせからなる群の一つを含むことを更
に特徴とする請求項15に記載の方法。
16. The sponge material is composed of Li, Be, Mg, Al, Si, Ca.
, Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Ge, Sr,
V, Zr, Nb, Mo, Rh, Pd, Ag, Cd, In, Sn, Sb, Te, B
a, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, E
r, Tm, Yb, Lu, Hf, Ta, W, Rh, Os, Ir, Pt, Au, Tl
16. The method of claim 15, further comprising one of the group consisting of: Pb, Bi, Po, and combinations thereof.
【請求項17】 このスポンジを成長させるステップが化合物(122)を
その元素の形(126)に還元し、この元素の形がこの化合物よりも小さい容積
を占め、開放細孔を形成することを含むことを更に特徴とする請求項15及び1
6のいずれか一項に記載の方法。
17. The step of growing the sponge reduces the compound (122) to its elemental form (126), the elemental form taking up less volume than the compound and forming open pores. Claims 15 and 1 further comprising:
7. The method according to claim 6.
【請求項18】 このスポンジを成長させるステップが基材(14)を堆積
温度迄加熱し、アルカリ金属またはアルカリ土類金属の蒸気の存在下でこの基材
をスポンジ材料のハライドを含む蒸気と接触させ、スポンジハライド蒸気がアル
カリ金属またはアルカリ土類金属の蒸気と反応して、アルカリ金属蒸気スポンジ
材料とアルカリ金属あるいはアルカリ土類金属ハライドを形成し、スポンジ材料
が基材の上にデンドライト(18)の形で堆積することを含むことを更に特徴と
する請求項17に記載の方法。
18. The step of growing the sponge includes heating the substrate (14) to a deposition temperature and contacting the substrate in the presence of an alkali metal or alkaline earth metal vapor with a vapor containing a halide of the sponge material. The sponge halide vapor reacts with the alkali metal or alkaline earth metal vapor to form an alkali metal vapor sponge material and an alkali metal or alkaline earth metal halide, and the sponge material is dendritic on the substrate (18). 18. The method of claim 17, further comprising depositing in the form:
【請求項19】 スポンジ材料からアルカリ金属あるいはアルカリ土類金属
ハライドを真空蒸留により除去することを更に特徴とする請求項18に記載の方
法。
19. The method according to claim 18, further comprising removing alkali metal or alkaline earth metal halide from the sponge material by vacuum distillation.
【請求項20】 このスポンジを成長させるステップがこのスポンジ材料と
この不溶材料が双方とも液体であり、このスポンジ材料が凍結する温度でスポン
ジ材料と不溶材料が相互に不溶である温度迄スポンジ材料(86,114)を不
溶材料(88,116)と共に加熱し、この2つの液体を混合し、スポンジ材料
と不溶材料を冷却して、スポンジを形成し、そしてスポンジから不溶材料を除去
することを含むことを更に特徴とする請求項15に記載の方法。
20. The step of growing the sponge comprises the step of growing the sponge material to a temperature at which the sponge material and the insoluble material are both liquid and the sponge material and the insoluble material are mutually insoluble at a temperature at which the sponge material freezes. 86, 114) with the insoluble material (88, 116), mixing the two liquids, cooling the sponge material and the insoluble material to form a sponge, and removing the insoluble material from the sponge. The method of claim 15, further comprising:
【請求項21】 この冷却のステップがスポンジ材料(86)と基材(82
)に隣接する不溶材料(88)を冷却して、このスポンジ材料の方向性成長した
スポンジを基材の上に形成することを含むことを更に特徴とする請求項20に記
載の方法。
21. The cooling step comprises the steps of sponge material (86) and substrate (82).
21. The method of claim 20, further comprising cooling the insoluble material (88) adjacent to) to form a directionally grown sponge of the sponge material on the substrate.
【請求項22】 このスポンジ材料がMg、Al、Si、Zn、Ga、Ge
、As、Se、Cd、In、Sn、Sb、Cv、Ag、Ti、Te、Tl、Pb
、Bi、及びこれらの合金からなる群から選ばれる元素を含むことを更に特徴と
する請求項20及び21のいずれか一項に記載の方法。
22. The sponge material is made of Mg, Al, Si, Zn, Ga, Ge.
, As, Se, Cd, In, Sn, Sb, Cv, Ag, Ti, Te, Tl, Pb
22. The method according to any one of claims 20 and 21, further comprising an element selected from the group consisting of Bi, Bi, and alloys thereof.
【請求項23】 この不溶物質がNa、K、Rb、Cs、Ca、Sr、Ba
、及びこれらの塩からなる群から選ばれることを更に特徴とする請求項21に記
載の方法。
23. The insoluble substance is Na, K, Rb, Cs, Ca, Sr, Ba.
22. The method of claim 21, further selected from the group consisting of: and salts thereof.
【請求項24】 このスポンジを成長させるステップが基材(120)の上
に酸化物スケール(122)を形成し、この基材が基材の少なくとも外側の部分
(124)を酸化して、酸化物スケールを形成することにより、基材よりも低密
度を持つ酸化物に酸化可能である金属を含み,そして酸化物スケールを金属に還
元し、この金属が開放細孔構造を有することを含むことを更に特徴とする請求項
17に記載の方法。
24. The step of growing the sponge forms an oxide scale (122) on the substrate (120), which substrate oxidizes at least an outer portion (124) of the substrate, Including a metal that is oxidizable to an oxide having a lower density than the substrate by forming an oxide scale, and including reducing the oxide scale to a metal, the metal having an open pore structure The method of claim 17, further comprising:
【請求項25】 この還元するステップがこの酸化物を還元剤(128)に
より還元し,そしてこの方法が還元するステップの後に細孔金属から還元剤の酸
化物を除去することを更に含むことを更に特徴とする請求項23に記載の方法。
25. The reducing step wherein the reducing step comprises reducing the oxide with a reducing agent (128), and the method further comprises removing the reducing agent oxide from the pore metal after the reducing step. The method of claim 23, further comprising:
【請求項26】 この還元剤の酸化物が流体である請求項24に記載の方
法。
26. The method according to claim 24, wherein the oxide of the reducing agent is a fluid.
【請求項27】 スポンジ厚さの2倍よりも大きくない反応経路を持ち、反
応試剤に接触できる高比表面積の金属スポンジ。
27. A metal sponge having a high specific surface area that has a reaction path not more than twice the thickness of a sponge and can contact a reaction reagent.
【請求項28】 通常の焼結粉末スポンジのそれよりも少なくとも2倍小さ
い電気抵抗を持ち、気体または液体の流通を可能にするデンドライト間の開放細
孔構造の金属スポンジ。
28. A metal sponge with an open pore structure between dendrites having an electrical resistance at least twice as low as that of a normal sintered powder sponge and allowing the flow of gas or liquid.
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2012129490A (en) * 2010-12-10 2012-07-05 Samsung Electro-Mechanics Co Ltd Method of manufacturing electrode for energy storage device, and energy storage device using the same
JP2012246518A (en) * 2011-05-26 2012-12-13 Nissan Motor Co Ltd Conductive uneven layer
JP2014502307A (en) * 2010-11-08 2014-01-30 イヴァノヴィッチ ベグノヴ,アルベルト Method for producing aluminum by metal thermal reduction of aluminum trichloride using magnesium and apparatus for its implementation

Families Citing this family (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100453995B1 (en) * 2002-10-29 2004-10-26 한국타이어 주식회사 Complete plate for lead-acid accumulator and a lead-acid accumulator thereby
US9242297B2 (en) 2009-03-30 2016-01-26 Mitsubishi Materials Corporation Process for producing porous sintered aluminum, and porous sintered aluminum
JP5428546B2 (en) * 2009-06-04 2014-02-26 三菱マテリアル株式会社 Method for producing aluminum composite having porous aluminum sintered body
AT12696U1 (en) 2011-07-21 2012-10-15 Plansee Se MOLDING
US10008711B2 (en) 2012-11-28 2018-06-26 The United States Of America, As Represented By The Secretary Of The Navy Zinc electrodes for batteries
US9802254B2 (en) 2014-09-30 2017-10-31 The United States Of America, As Represented By The Secretary Of The Navy Zinc electrodes for batteries
KR102122099B1 (en) * 2013-07-17 2020-06-12 가부시키가이샤 가네카 Metal Oxide Particle with Dendritic Structure, Producing Process and Electric Device comprising thereof
KR101588974B1 (en) * 2013-10-16 2016-01-28 부산대학교 산학협력단 Fabrication of nano porous metal formed by osmium or rhenium dissolution and the nano porous metal thereof
US10903537B2 (en) * 2019-01-31 2021-01-26 Toyota Motor Engineering & Manufacturing North America, Inc. Optimized heat conducting member for battery cell thermal management
US11069889B2 (en) 2019-07-19 2021-07-20 The Government of the United Stales of America, as represented by the Secretare of the Navy Zinc electrode improvements

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS5036936A (en) * 1973-08-09 1975-04-07
US4347429A (en) * 1979-06-28 1982-08-31 General Electric Company High capacity corrosion and erosion resistant electrodes for AC electrode boilers
FR2672061B1 (en) * 1991-01-28 1993-10-15 Metaleurop Sa PROCESS FOR OBTAINING FINE DENDRITIC CADMIUM POWDER AND POWDER OBTAINED BY THE PROCESS.
US5800639A (en) * 1995-10-10 1998-09-01 Mobius Green Energy, Inc. Hydrogen storage electrode composed of alloy with dendrite-free laves phase structure
US5780186A (en) * 1996-05-09 1998-07-14 The United States Of America As Represented By The Administrator Of The National Aeronautics And Space Administration High performance zinc anode for battery applications

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2014502307A (en) * 2010-11-08 2014-01-30 イヴァノヴィッチ ベグノヴ,アルベルト Method for producing aluminum by metal thermal reduction of aluminum trichloride using magnesium and apparatus for its implementation
JP2012129490A (en) * 2010-12-10 2012-07-05 Samsung Electro-Mechanics Co Ltd Method of manufacturing electrode for energy storage device, and energy storage device using the same
JP2012246518A (en) * 2011-05-26 2012-12-13 Nissan Motor Co Ltd Conductive uneven layer

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Publication number Publication date
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