JP2013541836A - 疑似容量性エネルギ貯蔵のためのナノ構造体電極 - Google Patents

Abstract

【課題】疑似容量性材料の大きな表面を有する少なくとも一つのナノ構造体電極を含む、エネルギ貯蔵デバイスを提供する。
【解決手段】陽極酸化処理されたアルミナ（ＡＡＯ）基板であるナノ多孔性テンプレート基板を用いて、高い格納エネルギ密度を有する疑似コンデンサが形成される。核形成層を用いる、原子層堆積、化学気相堆積、もしくは電気化学堆積またはこれらの組み合わせによって、疑似容量性材料がＡＡＯ基板の側壁沿いに共形的に堆積される。壁上の疑似容量性材料の厚さは、堆積処理において正確に制御が可能である。ＡＡＯはエッチングされて、ＰＣ材料のナノチューブのアレイが形成され、該ナノチューブは円筒形状でキャビティをその中に有し構造的にロバストである。足場としての機能を果たしたＡＡＯ基板が除去されるので、活性なＰＣ材料だけが残され、これにより質量当たりのエネルギが最大化される。さらに、ナノチューブを基板から切り離し、ランダムな方向を有する個別のナノチューブを導電性基板上に堆積して、疑似コンデンサの電極を形成することができる。
【選択図】図３

Description

本開示は、エネルギ貯蔵デバイスに関し、具体的には、疑似容量性エネルギ貯蔵のための疑似容量性材料の大きな表面を有する少なくとも一つのナノ構造体電極を含む、エネルギ貯蔵デバイスに関する。

ウルトラコンデンサまたは電気化学二重層コンデンサ（ＥＤＬＣ：ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ ｄｏｕｂｌｅ ｌａｙｅｒ ｃａｐａｃｉｔｏｒ）は、容量性エネルギ貯蔵を用いる市販のデバイスの中では最高のエネルギ密度を備えている。かかるＥＤＬＣは、バッテリよりもかなり高いパワーで動作可能であるが、高パフォーマンスのＥＤＬＣであってもそのエネルギ密度は、高パフォーマンス・バッテリのエネルギ密度より低くその１０〜２０分の一である。従来式のウルトラコンデンサは、非常に大きな表面積を備えた高度に多孔質の活性化カーボン・シートから作製された２つの電極から成り、該表面積は、通常、材料のグラム当たり１０００平方メータのオーダーである。これらの多孔質活性化カーボン・ベースの電極は、電解液に浸されている。多孔質活性化カーボン・ベースの電極と電解液とにまたがって電圧が印加されると、カーボン表面と電解液との間に形成された二重層中に誘発された電界中にエネルギが格納される。多孔質活性化カーボン・ベースの電極と電解液との間のインターフェースを横切って電荷が移動することはない。

しかして、ＥＤＬＣの容量は、活性化カーボン・シートの表面の面積によって制限される。この面積の増大は、困難なばかりでなく、格納エネルギのわずかな増加をもたらすだけである。今までのところ、この制限によって、ウルトラコンデンサのエネルギ密度は、１０Ｗｈ／ｋｇを下回っている。この値は、この１０年以上に亘って目に付くほど変化していない。

エネルギ密度を増大するための別の手段は、ある種の金属および金属酸化物の表面におけるレドックス（還元／酸化）化学作用を介して電荷を格納することである。このファラデー・プロセスは、金属酸化物の表面と電解液との間での実際の電荷の移動を伴う。格納された電荷の移行は、従来のコンデンサと似た形で、外部から印加された電圧の関数として連続的に変化する。しかして、この現象は疑似容量と呼ばれる。疑似容量性エネルギ貯蔵とは、この疑似容量の現象を用いたエネルギ貯蔵の方法をいう。

米国特許第７，０８４，００２号 米国特許第７，７１３，６６０号

理論上、疑似容量（ＰＣ：ｐｓｅｕｄｏｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ）は、標準的なＥＤＬＣの約１０倍より多い電荷を格納可能であるが、現時点では、このエネルギ密度レベルに多少なりとも近づいていることを実証した市販の疑似コンデンサはない。電極の微視的性質に問題があり、高エネルギ密度に対する潜在力を生かすことを可能にするには、その電極は極めて大きな表面積を持たねばならない。さらに、適切なＰＣ材料、および電解液またはイオン液も必要となる。加えて、商業的に実用化するためには、高エネルギ密度の疑似コンデンサを、軽量低コストで毒性のない材料によって製作しなければならない。現在のところ、ＰＣ電極を生成するための知られた全ての方法は、ＰＣ材料を不活性の基板の上に被覆するステップを含み、これら基板はエネルギ貯蔵に寄与することなく質量だけを増加させ、格納エネルギ密度を低下させている。

キムらの特許文献１は、陽極酸化アルミナ・テンプレート上への金属のスパッタリングを用いた類似のテンプレート方式を記載しており、これは、この堆積プロセスの指向性質および下部の何らかの構造体上に堆積される材料のシャドウイング効果に起因して、電極が適切にその最高度のエネルギ貯蔵潜在力で動作するために必要なナノスケール・ポアの、超高アスペクト比に対しては機能しないであろう方法である。加えて、特許文献１は、適切な金属酸化物の電気化学堆積を必要とするが、これは絶縁酸化アルミニウムのテンプレートには行えない。同様に、キムらの特許文献２は、湿式化学処理について記載しているが、これは壁厚制御も導電性基板への配列された付着も達成できない。さらに、この方法では、毛管張力および表面張力効果によって、チューブ直径が数百ナノメータより大きなものに限定される。

陽極酸化処理されたアルミナ（ＡＡＯ：ａｎｏｄｉｃａｌｌｙ ｏｘｉｄｉｚｅｄ ａｌｕｍｉｎａ）基板であるナノ多孔性テンプレート基板を用いて、高い格納エネルギ密度を有する疑似コンデンサが形成される。核形成層を用いる、原子層堆積、化学気相堆積、もしくは電気化学堆積またはこれらの組み合わせによって、疑似容量性材料がＡＡＯ基板の側壁沿いに共形的に堆積される。壁上の疑似容量性材料の厚さは、堆積プロセスにおいて正確に制御すること可能である。ＡＡＯはエッチングされて、ＰＣ材料のナノチューブのアレイが形成され、該ナノチューブは円筒形状でキャビティをその中に有し構造的にロバストである。足場としての機能を果たしたＡＡＯ基板が除去されるので、活性なＰＣ材料だけが残され、これにより質量当たりのエネルギが最大化される。さらに、ナノチューブを基板から切り離し、ランダムな方向を有する個別のナノチューブを導電性基板上に堆積して、疑似コンデンサの電極を形成することができる。

本開示のある態様によれば、エネルギ貯蔵デバイスは、電極を含み、該電極は、導電性基板の上に配置された複数の疑似容量性ナノシリンダを有する。各疑似容量性ナノシリンダは疑似容量性材料を包含し、キャビティを中に有する。

本開示の別の態様によれば、複数の疑似容量性ナノシリンダを製造する方法は、複数の穴部をその中に有する陽極酸化アルミナ基板上に、疑似容量性材料層を堆積するステップと、陽極酸化アルミナ基板の表面を露出するステップと、陽極酸化アルミナ基板を除去するステップと、を含む。疑似容量性材料層の残存部分から複数の疑似容量性ナノシリンダが形成される。

３０ｎｍ以下の直径のポアの規則的な六角形アレイを有する、原子層堆積を介しＴａＮを被覆された陽極酸化アルミナ（ＡＡＯ）基板の表面のトップダウン方向走査電子顕微鏡（ＳＥＭ：ｓｃａｎｎｉｎｇ ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｍｉｃｒｏｇｒａｐｈ）写真である。 ＡＬＤ（ａｔｏｍｉｃ ｌａｙｅｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ（原子層堆積））を介して成長されたＴａＮの被膜を有するＡＡＯ基板の破片の断面図を示す走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真である。 本開示の第一実施形態による、ＡＡＯ基板と導電性基板とのスタックの鳥瞰図であり、図中のＡＡＯ基板は円筒形状穴部のアレイを含む。 図３のＺ面に沿った、ＡＡＯ基板と導電性基板とのスタックの垂直断面図である。 本開示の第一実施形態による、疑似容量性材料層の堆積後の、ＡＡＯ基板と導電性基板とのスタックの垂直断面図である。 本開示の第一実施形態による、疑似容量性材料層の最上部分の除去後の、ＡＡＯ基板と導電性基板とのスタックの垂直断面図である。 本開示の第一実施形態による、ＡＡＯ基板の除去後の、導電性基板と疑似容量性ナノシリンダのアレイとの垂直断面図である。 図７の、導電性基板と疑似容量性ナノシリンダのアレイとの鳥瞰図である。 本開示の第二実施形態による、ＡＡＯ基板と使い捨て基板とのスタックであり、図中のＡＡＯ基板は円筒形状穴部のアレイを含む。 本開示の第二実施形態による、疑似容量性材料層の堆積後の、ＡＡＯ基板と使い捨て基板とのスタックの垂直断面図である。 本開示の第二実施形態による、使い捨て基板除去後の、ＡＡＯ基板および疑似容量性材料層の垂直断面図である。 図１１の、ＡＡＯ基板および疑似容量性材料層の鳥瞰図である。 本開示の第二実施形態による、反転して導電性基板上に配置された後の、ＡＡＯ基板および疑似容量性材料層の垂直断面図である。このステップでは、疑似容量性材料層は導電性基板に付着されていてもいなくてもよい。 図１３の、ＡＡＯ基板ならびに疑似容量性材料層および導電性基板の鳥瞰図である。 本開示の第二実施形態による、ＡＡＯ基板の除去後の、導電性基板と疑似容量性ナノシリンダのアレイとの垂直断面図である。 図１５の、導電性基板と疑似容量性ナノシリンダのアレイとの鳥瞰図である。全ての疑似容量性ナノシリンダが、平面の疑似容量性材料層のシートを介して相互に接続されている。 本開示の第三実施形態による、図１１の疑似容量性材料層の最上部分の除去後の、疑似容量性ナノシリンダおよびＡＡＯ基板の垂直断面図である。 図１７の、導電性基板と疑似容量性ナノシリンダのアレイとの鳥瞰図である。 図１８のＡＡＯ基板を除去し、疑似容量性ナノシリンダを導電性基板の上に転倒させることによって得られた、導電性基板上の疑似容量性ナノシリンダのランダムなスタックの鳥瞰図である。 疑似容量性ナノシリンダを用いたエネルギ貯蔵デバイスの概略図である。

前述したように、本開示は、疑似容量性エネルギ貯蔵のための疑似容量性材料の大きな表面を有する少なくとも一つのナノ構造体電極を含む、エネルギ貯蔵デバイス、および同デバイスを製造する方法に関し、以降に、添付の図面を用いてこれらを詳細に説明する。なお、各種の実施形態に亘って、同じ参照番号は同じエレメントを表す。

図１を参照すると、陽極酸化アルミナ（ＡＡＯ）基板の表面のトップダウン方向走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真は、６０ｎｍ以下の直径のポアの規則的な六角形アレイを示している。当該技術分野では、酸性陽極酸化溶液は、アルミニウムの陽極酸化被膜中にポアを生成することが知られている。アルミニウムを陽極酸化させるため用いることが可能な酸の例には、以下に限らないが、リン酸および硫酸が含まれる。ポアのサイズおよびピッチは、実行される陽極酸化の種類、陽極酸化温度、および形成電圧の如何による。ポアの直径は、約１０ｎｍ〜２００ｎｍとすることができ、壁の厚さ（隣接のポアまでの距離）は１０ｎｍ〜２００ｎｍの間とすることができるが、妥当な陽極酸化条件の下で上記より小さいまたは大きい直径および壁厚さを得ることも可能である。ポアの長さは、ポアの直径より数桁大きくすることができ、直径の約２５，０００倍にもすることができる。

図２を参照すると、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真が、原子層堆積（ＡＬＤ）を介して成長されたＴａＮの被膜を有するＡＡＯ基板の破片の断面図を示している。ＴａＮ層は、ＡＡＯ基板の絶縁材料上の電荷蓄積もしくはアークまたはその両方を防止する。垂直の円筒形状ポアは、ＡＡＯ基板の断面全体を貫通して延びており、前述したように、そのアスペクト比、すなわち、ポアの長さとポアの直径との比は、２５，０００以上に至るまで大きくすることができる。

図３および４を参照すると、本開示の第一実施形態による第一例示的構造体が、図３では鳥瞰図で、図４では垂直断面図で示されている。図３のＺ面が、図４の垂直断面図である。

この第一例示的構造体は、導電性基板１０と陽極酸化アルミナ（ＡＡＯ）基板２０とのスタックを含む。ＡＡＯ基板２０は、陽極酸化され、垂直ポアの自己組織化されたアレイをその中に含む酸化アルミニウム層に変換された、アルミニウム・ホイルのシートである。ＡＡＯ基板２０は、当該技術分野で周知の方法を用いて形成することができる。ＡＡＯ基板２０は「ナノポア」２１のアレイを含み、「ナノポア」とは１ミクロンより小さい直径を有するポアをいう。個別のナノポア２１の直径、およびナノポア２１のアレイのピッチは、陽極酸化のパラメータを変えることによって制御することが可能である。

通常、各ナノポア２１の直径は、１０ｎｍ〜２００ｎｍであるが、これより小さいまたは大きい直径も、今後の処理条件の最適化次第によっては実現可能であろう。ＡＡＯ基板２０の厚さは、ナノポア２１の少なくとも５０倍であり、ナノポア２１の直径の２５，０００倍まで、またはこれを超えて厚くすることができる。通常、ＡＡＯ基板２０の厚さは、１０ミクロン〜５ｍｍであるが、これより小さいまたは大きい厚さを使うことも可能である。各ナノポア２１は、ＡＡＯ基板２０の最上部表面からＡＡＯ基板２０の最底部表面に延び、導電性基板１０の平面状の最上部表面に接触している、円筒形状の穴部である。しかして、ＡＡＯ基板２０は、その中に複数の穴部を含み、これらが基板中の複数のナノポア２１である。複数の穴部は、六角形アレイなど、二次元の周期的なアレイを形成し得る。

ＡＡＯ基板２０は、導電性基板１０の上に配置され、該導電性基板は、元素金属、少なくとも２つの元素金属の金属間化合物合金、金属の導電性化合物、金属の導電性窒化物、高濃度にドープされた半導体材料、または合金あるいはこれらのスタックなどの導電性材料を含む。導電性基板の材料は、後にＡＡＯ基板２０を除去するために用いられるエッチング処理に対し、構造的完全性を失うことなく耐えるものが選択される。ＡＡＯ基板２０の厚さは、５０ミクロン〜１ｍｍとすることができるが、これより小さいまたは大きい厚さを使うことも可能である。ＡＡＯ基板２０の最底部表面は、導電性基板１０の平面状の最上部表面に接触する。ＡＡＯ基板２０と導電性基板１０とは、微視的スケールで平面の接触面を保持するが、ＡＡＯ基板２０と導電性基板１０とのアセンブリは、必要に応じ微視的スケールで曲げることが可能である。好ましくは、エネルギ貯蔵デバイスの合計質量当たりの格納エネルギ密度を最大化するために、導電性基板１０は薄い軽量の基板である。

図５を参照すると、本開示の第一実施形態によって、疑似容量性材料層３０Ｌが、その堆積後に、ＡＡＯ基板と導電性基板とのスタックの上に共形的に堆積されている。本明細書で使う「疑似容量性材料」とは、その表面における可逆的な還元／酸化反応を介して、エネルギを格納できる材料をいう。疑似容量性材料は、いくつかの金属およびいくつかの金属酸化物を含む。疑似容量性材料が、可逆的な還元／酸化反応を介してエネルギを格納および放出する現象は「疑似容量」といわれる。疑似容量性材料は、以下に限らないが、酸化マンガン（ＭｎＯ_２）、酸化ルテニウム（ＲｕＯ_２）、酸化ニッケル（ＮｉＯ）、およびこれらの組み合わせを含む。

通常、ナノポア２１の極めて高いアスペクト比（少なくとも５０）は、ＡＡＯ基板２０中のナノポア２１の側壁上に疑似容量性材料の共形被膜を生成するために、原子層堆積（ＡＬＤ）の使用を必要とする。ＡＡＯ基板２０は、疑似容量性材料層３０Ｌの堆積のためのテンプレートとしての役割を果たす。

原子層堆積では、第一材料の単原子層が、堆積チャンバ中に第一反応材料を流入させることによって、第一材料の単原子層が形成されると飽和する自己制限的反応で堆積される。第一反応材料を除去した後、第二材料の単原子層が、堆積チャンバ中に第二反応材料を流入させることによって、第二材料の単原子層が形成されると飽和する別の自己制限的反応で堆積される。第一反応材料と第二反応材料とは、単原子層の堆積の各時間間隔の送り込み周期で、交互に同じ堆積チャンバ中に流入される。金属酸化物の形態の疑似容量性材料の場合は、金属前駆体が、堆積チャンバ中に金属含有反応材料を流入させることによって、金属原子の単原子層が形成されると飽和する自己制限的反応で堆積される。金属含有反応材料を除去した後、酸素の単原子層が、堆積チャンバ中に酸素ガスを流入させることによって、酸素原子の単原子層が形成されると飽和する自己制限的反応で堆積される。次いで、酸素が堆積チャンバから排出される。金属含有反応材料の流入、金属含有反応材料の排出、酸素ガスの流入、および酸素ガスの排出のステップは繰り返してサイクルされ、疑似容量の特性を示す金属酸化物層、すなわち「疑似容量性」金属酸化物層が堆積される。疑似容量性材料層３０Ｌは、各ナノポア２１の底部に位置する導電性基板１０の露出面上にも堆積される。

疑似容量性材料層３０Ｌの厚さは、原子レベルの精度で正確に制御することが可能である。さらに、疑似容量性材料層３０Ｌの厚さは、ＡＬＤ処理における反応の自己制限的性質によって、疑似容量性材料層３０Ｌの全体を通して原子的精度で均一である。疑似容量性材料層３０Ｌの厚さは、疑似容量性材料層３０Ｌの各陥凹部分内に、ナノポア２１の直径より小さな直径を有するキャビティ２１’が存在するように、ナノポア２１の直径の半分より小さくなるよう選択される。このステップでは、疑似容量性材料層３０Ｌの全体は切れ目なく連続している。しかして、このナノチューブの内径は、容量の大幅な増加が報告されている、１ナノメータ以下にまで精巧に制御することができる。例えば、Ｊ．Ｃｈｍｉｏｌａ、Ｇ．Ｙｕｓｈｉｎ、Ｙ．Ｇｏｇｏｔｓｉ、Ｃ．Ｐｏｒｔｅｔ、Ｐ．Ｓｉｍｏｎ、およびＰ．ｌ．Ｔａｂｅｒｎａの「Ａｎｏｍａｌｏｕｓ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｉｎ ｃａｒｂｏｎ ｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ ａｔ ｐｏｒｅ ｓｉｚｅｓ ｌｅｓｓ ｔｈａｎ １ ｎａｎｏｍｅｔｅｒ」、サイエンス誌３１３、１７６０（２００６年）を参照されたい。

一般に、ナノポア２１の底部まで延びる連続した疑似容量性材料層３０Ｌを形成するため要求される、高いレベルの共形性および全体的な幾何学的制御を達成するには、原子層堆積が必要である。電気めっきを用いる試みは２つの問題にぶつかっている。第一の問題は、ＡＡＯ基板２０が絶縁体であるため、ＡＡＯ基板２０を電気めっきの電極として使用できないことである。電気めっきを用いるには、まず、ＡＡＯ基板２０の露出面を、導電性材料の均一な被膜を形成することによって、導体の面に変換しなければならない。しかして、電気めっきを用いるための導電性シード層を形成するためにも、いずれにせよ原子層堆積が必要となる。第二の問題は、仮に導電性シード層がうまく設けられたとしても、電気めっきを用いるには、ナノポア２１の直径が小さすぎ、ナノポア２１のアスペクト比が高すぎることである。ナノポア２１の小さな直径、およびナノポア２１の高いアスペクト比（少なくとも１０、および典型的には５０より大きい）の故に、めっき液および電界はナノポア２１の下部にまで浸透できず、これにより電気めっきを実行不可能にしている。

化学気相堆積（ＣＶＤ：ｃｈｅｍｉｃａｌ ｖａｐｏｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）は、加熱表面上で前駆体のクラッキングを行う、一般的気相プロセスである。化学気相堆積の方法は、原則的には機能できるであろうが、化学気相堆積は、原子層堆積が提供するような精巧な厚さ制御は持たない。現在のところ、ナノポア２１の小さな直径および各ナノポア２１の高いアスペクト比を所与とすれば、ナノポア２１の底部に確実に到達可能な化学気相堆積は得られていない。実際、原子層堆積は、現在、ナノポア２１の最底部に接する疑似容量性材料の共形層を形成するための唯一の実行可能な方法である。原子層堆積の使用は、ナノポア２１の上記長さ、直径、およびアレイのピッチを所与として、ナノポア２１の側壁を被覆し、一つながりになった疑似容量性材料層３０Ｌを形成する能力を提供する。疑似容量性材料層３０Ｌの厚さは、１ｎｍ〜７５ｎｍ、典型的には３ｎｍ〜３０ｎｍとすることができるが、これより小さなまたは大きな厚さを使うことも可能である。

図６を参照すると、ＡＡＯ基板２０の上部表面が、疑似容量性材料層３０Ｌの端面平面部分を除去することによって、露出されている。この疑似容量性材料層３０Ｌの端面部分とは、ＡＡＯ基板２０の最上面の上側に所在する疑似容量性材料層３０Ｌの連続した平面部分をいう。疑似容量性材料層３０Ｌの該端面部分は、例えば、化学機械平坦化によって、あるいは反応性イオン・エッチングなどの異方性エッチングによって除去することができる。化学機械平坦化が用いられる場合、疑似容量性材料層３０Ｌの端面部分は、必要により化学スラリを用いて、研磨によって除去することができる。異方性エッチングが用いられる場合、気相中のエッチャントが、方向性をもってすなわち垂直方向沿いに、疑似容量性材料層３０Ｌの端面部分に衝突する。通常、エッチャントは、未充填のナノポア２１のアスペクト比よりもさらに大きなキャビティ２１’の高アスペクトに起因して、キャビティ２１’の内部で導電性基板１０に接している、疑似容量性材料層３０Ｌの最底部部分はエッチングしない。（図４参照）。

図７および８を参照すると、ＡＡＯ基板２０を除去することによって、複数の疑似容量性「ナノシリンダ」４０が形成されている。本明細書での使用において、「ナノシリンダ」とは、１ミクロン以下の外径を有する円筒形状のチューブを含む構造体をいう。通常、ナノシリンダの外径は１０ｎｍ〜２００ｎｍであるが、これより小さいまたは大きい（だが１ミクロンより小さい）外径を使うことも可能である。ＡＡＯ基板中のアルミナ、すなわち酸化アルミニウムは、例えば、クロム酸水溶液中に浸すなど標準的な湿式エッチング法を利用してエッチング除去することができる。この結果、疑似容量性ナノシリンダ４０のアレイとして、複数の疑似容量性ナノシリンダ４０が形成され、これらは、構造的にロバストな、疑似容量性材料のナノチューブである。言い換えれば、複数の疑似容量性ナノシリンダ４０は、ＡＡＯ基板２０の除去後の疑似容量性材料層３０Ｌの残存部分から形成される。除去される前は、ＡＡＯ基板２０は、疑似容量性ナノシリンダ４０の二次元の周期的なアレイに対する足場として機能する。ＡＡＯ基板２０が除去されると、導電性基板１０と、疑似容量性ナノシリンダ４０のアレイと、周辺の疑似容量性壁４２とのアセンブリだけが残される。

ＡＡＯ基板２０の除去の利点は多種多様である。第一に、ＡＡＯ基板２０の除去によって、非常に高い比表面積を有する電極の部分として用いることが可能な疑似容量性ナノシリンダ４０の二次元の規則的アレイが形成される。「比表面積」とは、単位質量当たりの表面積をいう。例えば、疑似容量性ナノシリンダ４０の二次元の規則的アレイには、１０^１６／ｍ^２にのぼる面密度と約５００ｍ^２／ｇの比表面積を持たせることができる。この非表面積は、疑似容量性ナノシリンダ４０の側壁の特定の形態如何によって、例えば、疑似容量性ナノシリンダ４０の表面を粗面化またはテクスチャ処理すれば、２〜３倍に高くすることができよう。

第二に、ＡＡＯ基板２０の除去によって、寄生質量すなわち電荷の貯蔵に寄与しない材料の合計質量を減らすことにより、第一例示的構造体の合計質量が低減される。言い換えれば、第一例示的構造体のエネルギ対質量比率は、エネルギの貯蔵に寄与しない全ての材料、すなわち、ＡＡＯ基板２０中のアルミナを完全に除去することによって向上する。このステップにおける第一例示的構造体の全ての残存部分を含む、アセンブリ（１０、４０、４２）の低減された質量は、後に導電性基板１０と疑似容量性ナノシリンダ４０のアレイとのアセンブリを含む軽量の電極を設けるため有利に利用することができる。

第三に、ＡＡＯ基板２０の除去によって、疑似容量性材料の合計表面積が倍以上になり、これにより、比静電容量、すなわち単位質量当たりの静電容量が倍加される。疑似容量性ナノシリンダ４０のシリンダ部分の露出された外部側壁表面が合計表面積に加わるので、これに応じ、アセンブリ（１０、４０、４２）の合計容量も増加する。アセンブリ（１０、４０、４２）が電極として機能するとき、電極の上側部分（４０、４２）は、ファラデー・プロセス、すなわち酸化および還元を用いた電荷移動プロセスを介して、電荷を格納するように十分に最適化されている。この場合、導電性基板１０は、その上に疑似容量性ナノシリンダ４０のアレイが構造的に取り付けられる電極部分として機能する。

しかして、この電極は、導電性基板１０の上に配置された複数の疑似容量性ナノシリンダ４０を用いることができる。各疑似容量性ナノシリンダ４０は疑似容量性材料を包含し、キャビティ２１’を中に有する。各疑似容量性ナノシリンダ４０中のキャビティ２１’は、その疑似容量性ナノシリンダ４０に密閉されているのではなく、各疑似容量性ナノシリンダ４０は、その一端に開口を有する。この一端の開口は、各疑似容量性ナノシリンダ４０中のキャビティ２１’に切れ目なくつながれている。

各疑似容量性ナノシリンダ４０は、キャビティ２１’に切れ目なくつながれている上記開口の反対側端に、穴部を中に含まない端末キャップ部分４０Ｅを含む。各疑似容量性ナノシリンダ４０は、外部末端表面を包含する端末キャップ部分４０Ｅを含め、その全体を通して均一な（同一の）厚さを有する。各疑似容量性ナノシリンダ４０の外部末端表面は、その疑似容量性ナノシリンダ４０の側壁全体の内外周に切れ目なくつながれている。さらに、各疑似容量性ナノシリンダ４０の末端表面の全体が、導電性基板１０に接して結合されている。

これら複数の疑似容量性ナノシリンダ４０は、導電性基板１０の上面に対し垂直な側壁を有する疑似容量性ナノシリンダ４０のアレイとして形成される。各疑似容量性ナノシリンダ４０は、他のどの疑似容量性ナノシリンダ４０にも接触していない、すなわち、他の疑似容量性ナノシリンダ４０から引き離されている。しかして、各疑似容量性ナノシリンダ４０は、複数の容量性ナノシリンダ４０の他のどれからも横方向に間を置かれている。

随意的に、官能基分子を、複数の疑似容量性ナノシリンダ４０の外部側壁もしくは内部側壁またはその両方に被覆することができる。これら官能基は、複数の疑似容量性ナノシリンダ４０の電荷貯蔵を増加できるさらなる疑似容量性材料を含む。例示的な官能基には、以下に限らないが、導電性ポリマーであるポリアニリンが含まれる。官能基の被覆は、少なくとももう一回の原子層堆積プロセス、あるいは蒸着または湿式化学堆積を使ったプロセスで達成することができる。内部側壁と外部側壁とへの被覆は、同一の処理ステップまたは異なる処理ステップで実施することが可能である。例えば、内部側壁および外部側壁への被覆は、ＡＡＯ基板２０の除去の後で行うことができる。これに換えて、複数の疑似容量性ナノシリンダ４０の内部側壁は、ＡＡＯ基板２０の除去の前に被覆することができ、ナノシリンダ４０の外部側壁の被膜は、ＡＡＯ基板２０の除去の後で被覆することも可能である。当該技術分野で周知の被覆材料および被覆プロセスを用いて、複数の疑似容量性ナノシリンダ４０の外部側壁もしくは内部側壁またはその両方を被覆することができる。例えば、Ｓｔｅｗａｒｔ，Ｍ．Ｐ．；Ｍａｙａ，Ｆ．；Ｋｏｓｙｎｋｉｎ，Ｄ．Ｖ．；Ｄｉｒｋ，Ｓ．Ｍ．；Ｓｔａｐｌｅｔｏｎ，Ｊ．Ｊ．；ＭｃＧｕｉｎｅｓｓ，Ｃ．Ｌ．；Ａｌｌａｒａ，Ｄ．Ｌ．；Ｔｏｕｒ，Ｊ．Ｍ．の、「Ｄｉｒｅｃｔ Ｃｏｖａｌｅｎｔ Ｇｒａｆｔｉｎｇ ｏｆ Ｃｏｎｊｕｇａｔｅｄ Ｍｏｌｅｃｕｌｅｓ ｏｎｔｏ Ｓｉ， ＧａＡｓ，ａｎｄ Ｐｄ Ｓｕｒｆａｃｅｓ ｆｒｏｍ Ａｒｙｌｄｉａｚｏｎｉｕｍ Ｓａｌｔｓ」、Ｊ．Ａｍ．Ｃｈｅｍ．Ｓｏｃ．２００４年、１２６、３７０−３７８頁、を参照されたい。

図９を参照すると、本開示の第二実施形態による第二例示的構造体は、ＡＡＯ基板２０と使い捨て基板９９とのスタックを含む。ＡＡＯ基板２０は第一実施形態と同様とすることができる。使い捨て基板９９には、導電性材料、半導電材料、絶縁材料、またはこれらの組み合わせを含めることができる。使い捨て基板９９の材料は、ＡＡＯ基板２０の材料に対し選択的に、すなわち、後で使用される方法によって、ＡＡＯ基板２０の材料が除去されることなく、使い捨て基板９９の容易な除去が可能なように選定される。使い捨て基板９９の除去の方法は、機械的除去法、化学機械的除去法、または化学的除去法とすることができる。使い捨て基板９９の厚さは、１０ミクロン〜５００ミクロンとすることができるが、これより小さいまたは大きい厚さを使うことも可能である。

図１０を参照すると、疑似容量性材料層３０Ｌが、ＡＡＯ基板２０と使い捨て基板９９とのスタック上に堆積されている。疑似容量性材料層３０Ｌの堆積は、第一実施形態と同じ方法、すなわち、原子層堆積を用いることによって達成可能である。疑似容量性材料層３０Ｌの各キャビティ２１’の底部に位置する部分は、使い捨て基板９９の上部表面に接している。

図１１および１２を参照すると、使い捨て基板９９が除去され、疑似容量性材料層３０Ｌの底部部分が除去されて、ＡＡＯ基板２０と疑似容量性材料層３０Ｌの残存部分とのアセンブリが形成されている。ＡＡＯ基板２０と疑似容量性材料層３０Ｌとのアセンブリに対し選択的な使い捨て基板９９の除去は、例えば、研磨などの機械的除去法、化学機械的平坦化などの化学機械的除去法、湿式エッチングまたはドライ・エッチングなどの化学的除去法、あるいはこれらの組み合わせによって達成される。使い捨て基板９９が除去されると、図７の端末キャップ部分４０Ｅの外部末端表面と同様な、疑似容量性材料層３０Ｌの最底部表面、およびＡＡＯ基板の最底部表面が露出される。

引き続いて、ＡＡＯ基板２０の最底部部分と、図７の端末キャップ部分４０Ｅに対応する、疑似容量性材料層３０Ｌの最底部水平部分とが、研磨、または化学機械的平坦化、または非選択的エッチング処理などの非選択的除去法を用いて除去される。疑似容量性材料層３０Ｌの最底部水平部分が除去されると、各キャビティ２１’は、ＡＡＯ基板２０と疑似容量性材料層３０Ｌとのアセンブリ（２０、３０Ｌ）の最上部表面から、該アセンブリ（２０、３０Ｌ）の最底部表面に延び、上部の開口および底部の別の開口を有する。疑似容量性材料層３０Ｌの各キャビティ２１’の周りの部分は、原型的な疑似容量性ナノシリンダ４０Ｐを構成する。各原型的な疑似容量性ナノシリンダ４０Ｐは、原型的な疑似容量性ナノシリンダ４０Ｐの各隣接ペアの間に所在する疑似容量性材料層３０Ｌの上部の水平部分を介して、他のすべての原型的な疑似容量性ナノシリンダ４０Ｐと切れ目なくつながれているので、疑似容量性材料層３０Ｌ全体が一続きになっている。

図１３および１４を参照すると、ＡＡＯ基板２０と疑似容量性材料層３０Ｌとのアセンブリ（２０、３０Ｌ）が反転されている。随意的に、アセンブリ（２０、３０Ｌ）を導電性基板１０の上に配置することができ、該基板は、第一実施形態の導電性基板１０と同様の組成および厚さを有することができる。導電性基板１０が用いられる場合、このステップでは、疑似容量性材料層３０Ｌが導電性基板１０に付着されていてもいなくてもよい。一つの実施形態において、疑似容量性材料層３０Ｌの底部表面は、例えば導電接着材（図示せず）を使って、恒久的に付着される。別の実施形態において、ＡＡＯ基板２０と疑似容量性材料層３０Ｌとのアセンブリ（２０、３０Ｌ）は、疑似容量性材料層３０Ｌを後に分離できるようにするために、付着せずに、または一時的な取り付けで導電性基板１０の上にセットされる。

図１５および１６を参照すると、ＡＡＯ基板２０が、第一実施形態の図７および８に対応するのと同様な除去処理を用いて除去されている。導電性基板１０が使われる場合、平面の疑似容量性材料層３０Ｐが、導電性基板１０の上部表面と接する。ＡＡＯ基板２０が除去されると、原型的疑似容量性ナノシリンダ４０Ｐの外部側壁が露出され、複数の原型的疑似容量性ナノシリンダ４０Ｐは複数の疑似容量性ナノシリンダ４０’になる。全ての疑似容量性ナノシリンダ４０’は、平面の疑似容量性材料層３０Ｐを介して相互につながれている。

疑似容量性材料層３０Ｐの残存部分は、複数の疑似容量性ナノシリンダ４０’および平面の疑似容量性材料層３０Ｐを含み、これらは一体構造であり、全体を通して同一の厚さおよび組成を有する。しかして、複数の容量性ナノシリンダ４０’の各々は、各容量性ナノシリンダ４０’の底端部に位置する平面の疑似容量性材料層３０Ｐを介して相互に切れ目なくつながれている。平面の疑似容量性材料層３０Ｐは、少なくとも、複数の疑似容量性ナノシリンダ４０’のうちの疑似容量性ナノシリンダ４０’の合計数だけの数の穴部を有する。複数の疑似容量性ナノシリンダ４０’は、ＡＡＯ基板２０（これはこのステップではもはや存在しない。図９参照）中のナノポアと同じ二次元の周期性を有する、疑似容量性ナノシリンダのアレイとして形成される。導電性基板１０が存在する場合、疑似容量性ナノシリンダ４０’のアレイは、導電性基板１０の上面と直角な垂直側壁を有する。

各疑似容量性ナノシリンダ４０’は疑似容量性材料を包含し、キャビティ２１’を中に有する。各疑似容量性ナノシリンダ４０’中のキャビティ２１’は、その疑似容量性ナノシリンダ４０’に密閉はされていない。各疑似容量性ナノシリンダ４０’は、各々が穴部を中に含む２つの末端表面を有する。各疑似容量性ナノシリンダ４０’は、その疑似容量性ナノシリンダ４０’の両端部分に所在する２つの開口を有する。具体的には、各疑似容量性ナノシリンダ４０’は、上部端にある開口、すなわち上部開口、および底部端にある開口、すなわち底部開口を有する。上部開口および底部開口の各々は、切れ目なくキャビティ２１’につながれている。上部開口は周囲環境に接して開口している。また、導電性プレート１０が使われない場合は、底部開口も周囲環境に接して開口し、あるいは、導電性プレート１０が使われる場合は、導電性プレートの１０上部表面によって底部開口をブロックすることができる。導電性プレート１０が存在する場合、複数の疑似容量性ナノシリンダ４０’の側壁は導電性基板１０の上部表面に対して垂直である。

第二例示的構造体は、エネルギ貯蔵デバイスの電極として用いることができる。一つの実施形態において、この電極は、複数の疑似容量性ナノシリンダ４０’、平面の疑似容量性材料層３０Ｐ、および導電性基板１０を含む。別の実施形態では、この電極は、複数の疑似容量性ンシリンダ４０’、および平面の疑似容量性材料層３０Ｐを含むが、導電性基板１０は含まない。随意的に、適切な官能基を、第一実施形態におけるのと同じ方法を用いて被覆することができる。

図１７を参照すると、本開示の第三実施形態による第三例示的構造体が、図１１および１２の第二例示的構造体から、疑似容量性材料層３０Ｌの最上部平面部分を除去してＡＡＯ基板２０の表面を露出することによって得られる。あるいは、第三例示的構造体は、図１０の第二例示的構造体から、疑似容量性材料層３０Ｌの最上部平面部分を最初に除去してＡＡＯ基板２０の表面を露出し、次いで、使い捨て基板９９および疑似容量性材料層３０Ｌの底部部分を除去することによっても得ることができる。ＡＡＯ基板２０と複数の疑似容量性ナノシリンダ４０”とのアセンブリ（２０、４０”）が形成される。各疑似容量性ナノシリンダ４０”は、トポロジ的にトーラスと同位相の円筒形状チューブであり、露出された内部垂直側壁、穴部が中にある、露出された上部端表面、および穴部が中にある、露出された底部端表面を有する。各疑似容量性ナノシリンダ４０”の外部垂直側壁はＡＡＯ基板２０に接しており、このステップでは、該基板が複数の疑似容量性ナノシリンダ４０”を所定の位置に保持している。ＡＡＯ基板２０の表面は、その上部および底部が露出されている。

図１９を参照すると、ＡＡＯ基板２０と複数の疑似容量性ナノシリンダ４０”とのアセンブリ（２０、４０”）が、導電性基板１０または一時的な基板（図示せず）の上に置かれ、次いでＡＡＯ基板２０は第一実施形態の図７および８に対応するのと同様な除去処理を用いて除去されている。ＡＡＯ基板２０がエッチング除去されたので、全ての疑似容量性ナノシリンダ４０”が相互に分離され、導電性基板１０または一時的な基板上に転倒している。

疑似容量性ナノシリンダ４０”が転倒しているので、疑似容量性ナノシリンダ４０”の方向性は「ランダム化」される、すなわち、これらの方向は「ランダム」になる。本明細書で使用する「ランダム」な方向または「ランダム化された」方向性とは、エレメントの間の配置構造の欠如をいい、短距離秩序または偶発的長距離傾向を含む形を包含する。例として、例えば、エッチング処理の過程での導電性基板１０または一時的な基板の傾きに起因して好ましい方向性が生じ、特定の転倒方向の発生確率がより高くなるとしても、転倒のプロセスは、本質的に各疑似容量性ナノシリンダ４０”の最終的方向に不確定性をもたらすので、疑似容量性ナノシリンダ４０”の方向性は「ランダム」であると見なされる。

複数の疑似容量性ナノシリンダ４０”は、例えば導電接着剤の薄膜を使って、導電性基板１０に取り付けることができる。一時的な基板が使われる場合、複数の疑似容量性ナノシリンダ４０”を、導電接着剤の薄膜を塗付した導電性基板１０上に散積して、該複数の疑似容量性ナノシリンダ４０”を導電性基板１０上に取り付けることができる。複数の疑似容量性ナノシリンダ４０”の方向性は、導電性基板１０の上に直接落下させるか、もしくは一時的な基板上に落下させてその後導電性基板１０の上に散積することによって導電性基板１０上に置かれて、ランダム化される。

各疑似容量性ナノシリンダ４０”は疑似容量性材料を包含し、キャビティ２１’を中に有する。各疑似容量性ナノシリンダ４０”は、その疑似容量性ナノシリンダ４０”の両端部分に所在する２つの開口を有する。各開口は、疑似容量性ナノシリンダ４０”の端部表面内にある。各開口は、切れ目なくキャビティ２１’とつながれている。しかして、各疑似容量性ナノシリンダ４０”中のキャビティ２１’は、その疑似容量性ナノシリンダ４０”によって密閉はされていない。

第三例示的構造体は、エネルギ貯蔵デバイスの電極として用いることができる。この場合、電極は「ランダム化ナノシリンダ電極」であり、この電極では、疑似容量性ナノシリンダ４０”の方向性は、導電性基板１０の局所部分に平行な二次元平面においてランダム化される。この電極は、必要に応じ、その中の疑似容量性ナノシリンダ４０”とともに曲げることができる。随意的に、適切な官能基を、第一および第二実施形態におけるのと同じ方法を用いて被覆することができる。

図２０を参照すると、疑似容量性ナノシリンダを用いた、例示的なエネルギ貯蔵デバイスが概略的に示されている。この例示的エネルギ貯蔵デバイスは、前述の第一、第二、および第三の例示的構造体の一つを用いた第一電極を含む。該例示的エネルギ貯蔵デバイスは、第一電極と接触していない第二電極を含む。第二電極は、多孔性活性化カーボンまたは疑似容量性材料でないナノ構造材料などの導電性材料を含む。該例示的エネルギ貯蔵デバイスは、セパレータをさらに含み、これはイオン導電性だが電子に対し障壁となる膜である。再言すれば、イオンは、第一電極と第二電極とにまたがる印加電気バイアスの下で、このセパレータを通過して移動する。しかしながら、該セパレータは、これを通る電子の移動を阻む。一つの実施形態において、このセパレータとしてロバストな紙を使うことができる。このロバストな紙は、電子絶縁体であるが、電解液に浸されるとイオン電導性となる。セパレータが電解溶液中に組み込まれるようにして、第一電極と第二電極との間に電解溶液が供される。

前述した固有の構造体およびプロセスを用いて、現在達成可能なエネルギ密度を２倍加または３倍加し、車載バッテリおよび電気通信におけるバックアップ・バッテリなど、多くのアプリケーションにおける鉛酸バッテリを代替することができる可能性のあるウルトラコンデンサの電極を提供することができる。開示された、疑似容量性ナノシリンダを用いる電極は、典型的なバッテリ並みのエネルギ密度を達成するのみならず、その１００〜１０００倍の充電／放電サイクル寿命を可能にする。

本開示を特定の実施形態に関連させて説明してきたが、前述の説明を考慮することによって、数多くの代替案、修改、およびバリエーションが当業者に自明なことは明らかである。従って、本開示は、本開示および添付の特許請求の範囲および精神に含まれるかかる全ての代替案、修改、およびバリエーションを包含することを意図されている。

Claims (25)

1. 電極を含むエネルギ貯蔵デバイスであって、前記電極は、導電性基板上に配置された複数の疑似容量性ナノシリンダを含み、各疑似容量性ナノシリンダは、疑似容量性材料を含み、キャビティを中に有する、前記エネルギ貯蔵デバイス。
2. 各疑似容量性ナノシリンダ中の前記キャビティは、その疑似容量性ナノシリンダに密閉されていない、請求項１に記載のエネルギ貯蔵デバイス。
3. 前記各疑似容量性ナノシリンダは、その一端に開口を有し、前記開口は前記キャビティに切れ目なくつながれている、請求項１に記載のエネルギ貯蔵デバイス。
4. 前記複数の疑似容量性ナノシリンダの側壁は、前記導電性基板の表面に対し垂直である、請求項１に記載のエネルギ貯蔵デバイス。
5. 前記各疑似容量性ナノシリンダは、穴部を中に含まない端末キャップ部分を有し、その疑似容量性ナノシリンダの側壁の全体内外周に切れ目なくつながれている外部末端表面を有する、請求項４に記載のエネルギ貯蔵デバイス。
6. 前記外部末端表面の全体が前記導電性基板に接している、請求項５に記載のエネルギ貯蔵デバイス。
7. 前記各疑似容量性ナノシリンダは、前記複数の容量性ナノシリンダの他のどれとも横方向に間を置かれて接触していない、請求項４に記載のエネルギ貯蔵デバイス。
8. 前記各疑似容量性ナノシリンダは、その疑似容量性ナノシリンダの両端部分に所在する２つの開口を有する、請求項４に記載のエネルギ貯蔵デバイス。
9. 前記複数の容量性ナノシリンダの各々は、各容量性ナノシリンダの末端にある平面の疑似容量性材料層を介して切れ目なく相互につながれている、請求項４に記載のエネルギ貯蔵デバイス。
10. 前記平面の疑似容量性材料層は、少なくとも、前記複数の疑似容量性ナノシリンダ間での疑似容量性ナノシリンダの合計数だけの数の穴部を中に有する、請求項９に記載のエネルギ貯蔵デバイス。
11. 前記複数の疑似容量性ナノシリンダの方向性がランダム化されている、請求項１に記載のエネルギ貯蔵デバイス。
12. 前記各疑似容量性ナノシリンダは、その疑似容量性ナノシリンダの両端部分に所在する２つの開口を有する、請求項１１に記載のエネルギ貯蔵デバイス。
13. 前記疑似容量性材料は、酸化マンガン、酸化ルテニウム、酸化ニッケル、およびこれらの組み合わせから選択される、請求項１に記載のエネルギ貯蔵デバイス。
14. 前記電極に接触していない別の電極をさらに含み、導電性の材料を包含する、請求項１に記載のエネルギ貯蔵デバイス。
15. 前記電極と前記別の電極との間に所在する電解溶液と、
    前記電解溶液中に組み込まれたセパレータと、
    をさらに含み、
    イオンが、前記電極と前記別の電極とにまたがる印加電気バイアスの下で、前記セパレータを通過して移動し、前記セパレータはこれを通る電子の移動を阻む、
    請求項１４に記載のエネルギ貯蔵デバイス。
16. 前記複数の疑似容量性ナノシリンダは、疑似容量性材料である官能基によって被覆される、請求項１に記載のエネルギ貯蔵デバイス。
17. 複数の疑似容量性ナノシリンダを製造する方法であって、
    複数の穴部を中に有する陽極酸化アルミナ基板上に疑似容量性材料層を堆積するステップと、
    前記陽極酸化アルミナ基板の表面を露出するステップと、
    前記陽極酸化アルミナ基板を除去するステップであって、前記疑似容量性材料層の残存部分から複数の疑似容量性ナノシリンダが形成される、前記除去するステップと、
    を含む前記方法。
18. 前記疑似容量性材料層は、原子層堆積（ＡＬＤ）によって形成される、請求項１７に記載の方法。
19. 前記疑似容量性材料層を堆積するに先立って、前記陽極酸化アルミナ基板を導電性基板の上に配置するステップをさらに含み、前記疑似容量性材料層は前記導電性基板の表面上に堆積される、請求項１７に記載の方法。
20. 前記陽極酸化アルミナ基板の前記表面は、前記導電性基板に接していない方の、前記疑似容量性材料層の端面平面部分を除去することによって露出される、請求項１９に記載の方法。
21. 前記複数の疑似容量性ナノシリンダは、前記導電性基板の表面に対し垂直な側壁を有する疑似容量性ナノシリンダのアレイとして形成される、請求項１９に記載の方法。
22. 前記疑似容量性材料層を堆積するに先立って、前記陽極酸化アルミナ基板を使い捨て基板の上に配置するステップをさらに含み、前記疑似容量性材料層が前記使い捨て基板の表面上に堆積される、請求項１７に記載の方法。
23. 前記疑似容量性材料層と前記陽極酸化アルミナ基板とのアセンブリから前記使い捨て基板を除去するステップと、
    前記アセンブリを導電性基板に取り付けるステップであって、前記陽極酸化アルミナ基板の表面が前記取り付けステップの後で露出される、前記取り付けるステップと、
    をさらに含む、請求項２２に記載の方法。
24. 前記疑似容量性材料層と前記陽極酸化アルミナ基板とのアセンブリから前記使い捨て基板を除去するステップと、
    前記複数の疑似容量性ナノシリンダを導電性基板の上に配置するステップであって、前記複数の疑似容量性ナノシリンダの方向性は配置時にランダム化される、前記配置するステップと、
    をさらに含む、請求項２２に記載の方法。
25. 前記複数の疑似容量性ナノシリンダを、疑似容量性材料である官能基によって被覆するステップをさらに含む、請求項１７に記載の方法。

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