JP2015516643A - Nanostructured composite battery and method for producing nanostructured composite battery from nanostructured composite sheet - Google Patents

Nanostructured composite battery and method for producing nanostructured composite battery from nanostructured composite sheet Download PDF

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エス. ラッシュモアー,デイビッド
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ナノコンプ テクノロジーズ,インク.
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Abstract

放電後に充電可能な二次電池を提供する。該電池は、混合金属酸化物が浸潤したカーボンナノチューブのシートから作られる正極、及びシリコン又はゲルマニウムの粒子を備えるカーボンナノチューブのシートから作られる負極を含む。【選択図】図12A secondary battery that can be charged after discharging is provided. The battery includes a positive electrode made from a sheet of carbon nanotubes infiltrated with a mixed metal oxide and a negative electrode made from a sheet of carbon nanotubes comprising silicon or germanium particles. [Selection] Figure 12

Description

<関連出願>
本出願は、2008年5月7日出願の米国仮特許出願第61/051,249号の優先権を主張する、2009年5月7日出願の米国特許出願第12/437,538号の一部継続である2012年2月7日出願の米国特許出願第13/367,572号の優先権を主張するものであり、各々は、その全体において引用により本明細書に組み込まれる。
<Related applications>
This application claims priority to US Provisional Patent Application No. 61 / 051,249, filed May 7, 2008, which is prior to US Patent Application No. 12 / 437,538, filed May 7, 2009. US patent application Ser. No. 13 / 367,572, filed Feb. 7, 2012, which is a part continuation, each of which is hereby incorporated by reference in its entirety.

<技術分野>
本発明は電池に関するものであり、より具体的には、不織布のカーボンナノチューブのシートを使用する二次電池に関するものである。
<Technical field>
The present invention relates to a battery, and more specifically, to a secondary battery using a sheet of non-woven carbon nanotubes.

カーボンナノチューブは、破壊(failure)に対する高い負荷及び比較的高い引張係数を含む、並外れた引張強度を有すると知られている。カーボンナノチューブはまた、疲労、放射線損傷、及び熱に対して非常に耐性があり得る。この目的のために、複合材料へのカーボンナノチューブの追加により、複合材料の引張強度及び剛性を高めることができる。   Carbon nanotubes are known to have extraordinary tensile strength, including high load against failure and relatively high tensile modulus. Carbon nanotubes can also be very resistant to fatigue, radiation damage, and heat. For this purpose, the addition of carbon nanotubes to the composite material can increase the tensile strength and rigidity of the composite material.

過去15年以内に、カーボンナノチューブの特性がより良く理解されたために、カーボンナノチューブに対する関心が、研究団体内及びその外部で大きく増加した。これら特性を使用するための1つの重要な点は、ナノチューブを広く展開するのに十分な量でそれらを合成することである。例えば、大量のカーボンナノチューブが巨視的規模の構造(即ち、1cmより大きな寸法を有する構造)で複合物の高強度のkouseiyousoとして使用されねばならない場合、大量のカーボンナノチューブが必要とされ得る。   Within the last 15 years, interest in carbon nanotubes has increased significantly both within and outside the research community due to a better understanding of the properties of carbon nanotubes. One important point for using these properties is to synthesize them in an amount sufficient to widely deploy the nanotubes. For example, large quantities of carbon nanotubes may be required if large quantities of carbon nanotubes have to be used as a high-strength kouseiouso in a composite with a macroscopic scale structure (ie, a structure having dimensions greater than 1 cm).

ナノチューブ合成に対する1つの共通のルートは、化学気相蒸着法に関連して使用されるものなどの、気相熱分解の使用を介する場合がある。このプロセスにおいて、ナノチューブは、触媒のナノ粒子の表面から形成され得る。具体的に、触媒のナノ粒子は、触媒粒子の表面からのナノチューブの生成のための供給材料として機能する炭素化合物を包含する、ガス混合物に暴露され得る。   One common route for nanotube synthesis may be through the use of gas phase pyrolysis, such as that used in connection with chemical vapor deposition. In this process, the nanotubes can be formed from the surface of the catalytic nanoparticles. Specifically, the catalyst nanoparticles can be exposed to a gas mixture that includes a carbon compound that serves as a feed for the production of nanotubes from the surface of the catalyst particles.

近年、高容量のナノチューブの生成に対する1つの有望なルートは、反応ガス中で「浮遊」触媒粒子から、ナノチューブを増大する化学気相蒸着システムを使用することであった。そのようなシステムは典型的に、ナノチューブが反応ガスから凝結した触媒粒子から生成される得る加熱したチャンバに、反応ガスの混合物を通す。多数の他の変形が可能である場合があり、触媒粒子があらかじめ供給され得るものを含む。   In recent years, one promising route for the production of high capacity nanotubes has been to use chemical vapor deposition systems that augment nanotubes from “floating” catalyst particles in the reaction gas. Such systems typically pass a mixture of reaction gases through a heated chamber in which nanotubes can be generated from catalyst particles condensed from the reaction gas. Numerous other variations may be possible, including those where the catalyst particles may be pre-fed.

しかし、大量のカーボンナノチューブが生成され得る場合、ナノチューブは、反応チャンバの壁に付着し得、結果として、ナノ材料がチャンバから出るのを妨害する。更に、これらの妨害は、反応チャンバの圧力上昇を引き起こし、その結果として、全反応の動力学の変化をもたらし得る。動力学の変化は、製作された材料の均一性の減少に通じ得る。   However, if a large amount of carbon nanotubes can be produced, the nanotubes can adhere to the walls of the reaction chamber and consequently prevent nanomaterials from exiting the chamber. In addition, these disturbances can cause a pressure increase in the reaction chamber, resulting in a change in the kinetics of the overall reaction. The change in kinetics can lead to a decrease in the uniformity of the fabricated material.

ナノ材料に対する更なる懸念は、ナノスケール材料に関連する危険がいまだ十分に理解されていないために、大量の空気中浮遊微粒子を生成することなく、ナノ材料が取り扱われ且つ処理される必要がある、ということである。   A further concern with nanomaterials is that the dangers associated with nanoscale materials are not yet fully understood, so that nanomaterials need to be handled and processed without producing large amounts of airborne particulates. ,That's what it means.

巨視的規模の適用のためのナノチューブ又はナノスケール材料の処理は、近年において着実に増加した。紡織繊維中のナノスケール材料及び関連する材料の使用も増加しつつある。紡織分野において、固定長であり且つ大量に処理された繊維は、ステープル繊維と称される場合がある。亜麻、ウール、及び綿などのステープル繊維を扱うための方法が、長く確立されてきた。織物又は他の構造の要素においてステープル繊維を使用するために、ステープル繊維は、編み糸、麻くず、又はシートなどのバルク構造へと最初に形成され得、それらは後に適切な材料に処理され得る。   The processing of nanotubes or nanoscale materials for macroscopic applications has steadily increased in recent years. The use of nanoscale materials and related materials in textile fibers is also increasing. In the textile field, fibers that are fixed length and processed in large quantities are sometimes referred to as staple fibers. Methods for dealing with staple fibers such as flax, wool and cotton have long been established. In order to use staple fibers in fabrics or other structural elements, staple fibers can be first formed into a bulk structure such as knitting yarn, hemp or sheet, which can then be processed into suitable materials. .

従って、カーボンナノチューブ製のシートが電池などの最終用途の適用のために処理され得るように、カーボンナノチューブの特徴及び特性を利用することが可能な材料を提供することが望ましい。   Accordingly, it is desirable to provide a material that can take advantage of the characteristics and properties of carbon nanotubes so that the carbon nanotube sheets can be processed for end use applications such as batteries.

本発明は、一実施形態に従い、半導体粒子を備えた少なくとも1つのカーボンナノチューブのシートを有する陽極電流収集装置を含む負極、混合金属酸化物が浸潤する少なくとも1つのカーボンナノチューブのシートを有する陰極電流収集装置を含む正極、及び負極と正極の間に位置するセパレーターを含む、電池を提供する。電池は、カーボンナノチューブ複合材料から作られたケースを更に含む。1つの実施形態において、複合材料には、カーボンナノチューブ及びポリアミド、ポリフェニレンスルフィド、ポリエーテル・エーテル・ケトン、ポリプロピレン、ビスポリアミド、ビスマレイミド、エポキシ、又はそれらの組み合わせが含まれ得る。   The present invention, according to one embodiment, comprises a negative electrode comprising an anode current collector having at least one sheet of carbon nanotubes with semiconductor particles, a cathode current collection having at least one sheet of carbon nanotubes infiltrated with a mixed metal oxide. A battery is provided that includes a positive electrode including the device and a separator positioned between the negative electrode and the positive electrode. The battery further includes a case made from the carbon nanotube composite material. In one embodiment, the composite material may include carbon nanotubes and polyamides, polyphenylene sulfide, polyether ether ketone, polypropylene, bispolyamide, bismaleimide, epoxy, or combinations thereof.

カーボンナノチューブシートは、単層カーボンナノチューブ又は多層カーボンナノチューブから作られ得る。カーボンナノチューブのシートは、約80g/mの密度を有し得る。カーボンナノチューブのシートには、実質的に位置合わせしたカーボンナノチューブが含まれ得、層間化合物としてリチウムが更に含まれ得る。 The carbon nanotube sheet can be made from single-walled carbon nanotubes or multi-walled carbon nanotubes. The sheet of carbon nanotubes can have a density of about 80 g / m 2 . The sheet of carbon nanotubes can include substantially aligned carbon nanotubes and can further include lithium as an intercalation compound.

1つの実施形態に従い、陽極には、シリコン又はゲルマニウムの粒子などの半導体粒子が含まれる。シリコン又はゲルマニウムの粒子は、カーボンナノチューブに超音波で溶接され得る。一実施形態において、陰極には、リチウム、ニッケル、コバルト、又はそれらの混合物を含むリチウム混合金属酸化物が浸潤した、或いは代替的に、亜鉛酸化ニッケルが浸潤した1つのカーボンナノチューブのシートが含まれる。セパレーターは、多孔性のポリエチレン膜、ポリエチレン膜、又はそれらの組み合わせでもよい。   According to one embodiment, the anode includes semiconductor particles, such as silicon or germanium particles. Silicon or germanium particles can be ultrasonically welded to the carbon nanotubes. In one embodiment, the cathode includes a sheet of carbon nanotubes infiltrated with lithium mixed metal oxide comprising lithium, nickel, cobalt, or mixtures thereof, or alternatively infiltrated with zinc nickel oxide. . The separator may be a porous polyethylene membrane, a polyethylene membrane, or a combination thereof.

本発明はまた、陽極を形成する方法を提供する。該方法は、ナノチューブのマトリックスの全体にわたる半導体粒子を備えたカーボンナノチューブシートの形成を可能にするように、半導体粒子の存在下でカーボンナノチューブのマトリックスによって画成される(defined)ほぼ平面の本体を生成する工程を含む。一実施形態において、リチウムなどの層間化合物は、シートの形成中にシート内に分散するか、又はシートの形成後にシート内に浸潤され得る。その後、多くの混合物は、ナノチューブのマトリックス内に相互分散した半導体粒子を備えたカーボンナノチューブのマトリックスによって画成される、ほぼ平面の本体を形成するように表面上に堆積され得る。幾つかの実施形態において、大量のカーボンナノチューブが形成され、半導体粒子は、カーボンナノチューブ及び半導体粒子の大量の混合物を形成するために、大量の混合物内に導入される。幾つかの実施形態において、リチウムは、容量中で揮発性の担体と混合され得、揮発性の担体は、カーボンナノチューブ複合体シートを形成するように熱い環境で蒸発することが可能である。幾つかの実施形態において、シートは、シリコン又はゲルマニウムの粒子の存在下で超音波のパルストレインに暴露される。   The present invention also provides a method of forming an anode. The method forms a substantially planar body defined by a matrix of carbon nanotubes in the presence of semiconductor particles so as to allow formation of a carbon nanotube sheet with semiconductor particles throughout the matrix of nanotubes. Generating. In one embodiment, intercalation compounds such as lithium can be dispersed within the sheet during sheet formation or can be infiltrated into the sheet after sheet formation. Many mixtures can then be deposited on the surface to form a generally planar body defined by a matrix of carbon nanotubes with semiconductor particles interdispersed within the nanotube matrix. In some embodiments, large quantities of carbon nanotubes are formed, and the semiconductor particles are introduced into the bulk mixture to form a bulk mixture of carbon nanotubes and semiconductor particles. In some embodiments, lithium can be mixed with a volatile carrier in a volume, and the volatile carrier can evaporate in a hot environment to form a carbon nanotube composite sheet. In some embodiments, the sheet is exposed to an ultrasonic pulse train in the presence of silicon or germanium particles.

本発明はまた、陰極を形成する方法を提供する。該方法は、リチウム混合金属酸化物の存在下でカーボンナノチューブのマトリックスによって画成される、ほぼ平面の本体を生成する工程を含む。リチウム混合金属酸化物には、リチウム及びニッケル、コバルト、又はそれらの混合物が含まれ得る。1つの実施形態において、混合金属酸化物は、シートの形成中に組み込まれ得るか、又は代替的に、その後形成されたシート上に噴霧され得る。幾つかの実施形態において、大量のカーボンナノチューブが形成され、混合金属酸化物は、カーボンナノチューブ及び混合金属酸化物の大量の混合物を形成するために、大量の混合物内に導入される。その後、多くの混合物は、ナノチューブのマトリックス内に混合した混合金属を備えたカーボンナノチューブのマトリックスによって画成される、ほぼ平面の本体を形成するように表面上に堆積され得る。幾つかの実施形態において、リチウム混合金属酸化物は、容量中で揮発性の担体と混合され得、揮発性の担体は、カーボンナノチューブ複合体シートを形成するように熱い環境で蒸発することが可能である。   The present invention also provides a method of forming a cathode. The method includes generating a substantially planar body defined by a matrix of carbon nanotubes in the presence of a lithium mixed metal oxide. Lithium mixed metal oxides can include lithium and nickel, cobalt, or mixtures thereof. In one embodiment, the mixed metal oxide can be incorporated during sheet formation, or alternatively can be sprayed onto the subsequently formed sheet. In some embodiments, large quantities of carbon nanotubes are formed and the mixed metal oxide is introduced into the large volume mixture to form a large volume mixture of carbon nanotubes and mixed metal oxides. Many mixtures can then be deposited on the surface to form a generally planar body defined by a matrix of carbon nanotubes with mixed metals mixed within the matrix of nanotubes. In some embodiments, the lithium mixed metal oxide can be mixed with a volatile support in volume, and the volatile support can evaporate in a hot environment to form a carbon nanotube composite sheet. It is.

本発明はまた、電池を形成する方法を提供する。該方法は、負極を形成するために複数の半導体粒子をカーボンナノチューブのシートに組み込む工程;正極を形成するためにカーボンナノチューブの第2シート内にリチウム混合金属酸化物を浸潤させる工程;正極と負極の間にセパレーターを位置つける工程;及び、ポリマーが染み込んだカーボンナノチューブシートに、正極、負極、並びにセパレーターを密封する工程、を含む。幾つかの実施形態において、シートは、位置合わせした単層カーボンナノチューブ又は多層カーボンナノチューブから作られる。   The present invention also provides a method of forming a battery. The method includes incorporating a plurality of semiconductor particles into a sheet of carbon nanotubes to form a negative electrode; infiltrating a lithium mixed metal oxide into a second sheet of carbon nanotubes to form a positive electrode; positive electrode and negative electrode And a step of sealing the positive electrode, the negative electrode, and the separator on the carbon nanotube sheet soaked with the polymer. In some embodiments, the sheet is made from aligned single-walled carbon nanotubes or multi-walled carbon nanotubes.

本発明の1つの実施形態に従って作られるカーボンナノチューブの電気的特性を例証する。Fig. 3 illustrates the electrical properties of carbon nanotubes made according to one embodiment of the present invention. 本発明の1つの実施形態に従って作られるカーボンナノチューブの、抵抗率対温度特徴を例証する。Fig. 4 illustrates resistivity versus temperature characteristics of carbon nanotubes made according to one embodiment of the present invention. 磁場の存在下での(又は不在下での)、カーボンナノチューブの抵抗率対温度特徴を例証する。2 illustrates the resistivity versus temperature characteristics of carbon nanotubes in the presence (or absence) of a magnetic field. 本発明の1つの実施形態に従ったナノチューブのシートを例証する。2 illustrates a sheet of nanotubes according to one embodiment of the present invention. 本発明の代替的な実施形態を例証する。3 illustrates an alternative embodiment of the present invention. 本発明の1つの実施形態に従った、ナノチューブを組み上げるための化学気相蒸着システムを例証する。Figure 3 illustrates a chemical vapor deposition system for assembling nanotubes, according to one embodiment of the present invention. ナノファイバー材料の形成及び収集のための、本発明のシステムを例証する。1 illustrates a system of the present invention for the formation and collection of nanofiber materials. ナノファイバー材料の形成及び収集のための、本発明のシステムを例証する。1 illustrates a system of the present invention for the formation and collection of nanofiber materials. 形成後のナノ構造のシートを処理するための本発明のシステムを例証する。1 illustrates a system of the present invention for processing a nanostructured sheet after formation. 本発明の1つの実施形態に従って作られる、ナノ構造のシートからの挿入損失を例証する。Fig. 4 illustrates insertion loss from a nanostructured sheet made in accordance with one embodiment of the present invention. 図1−2に示されるシステムから、及び、電池の陽極及び陰極が本発明の1つの実施形態に従って組み上げられ得るシステムから作られる、ナノファイバーの不織布のシートを例証する。2 illustrates a nanofiber nonwoven sheet made from the system shown in FIGS. 1-2, and from a system where the anode and cathode of the battery can be assembled according to one embodiment of the present invention. 本発明の1つの実施形態に従ったナノチューブのマトリックスの断面図を例証する。FIG. 4 illustrates a cross-sectional view of a matrix of nanotubes according to one embodiment of the present invention. 先行技術分野の電池技術を例証する。Illustrates prior art battery technology. 1つの実施形態に従ったカーボンナノチューブのシートを使用する電池を例証する。Fig. 4 illustrates a battery using a sheet of carbon nanotubes according to one embodiment. カーボンナノチューブ(CNT)導電性シートに挿入されるミクロのシリコン粒子の粉末(power)の画像である。It is an image of a powder of micro silicon particles inserted into a carbon nanotube (CNT) conductive sheet. 炭素ナノチューブマトリックスに「溶接される」ナノ−シリコン粒子の画像である。3 is an image of nano-silicon particles “welded” to a carbon nanotube matrix. 周波数の関数として比導電率を示すグラフである。2 is a graph showing specific conductivity as a function of frequency. カーボンナノチューブ複合材料に対する応力ひずみを示すグラフである。It is a graph which shows the stress distortion with respect to a carbon nanotube composite material.

本発明は、一実施形態において、例えば導電率の増加を促進するように設計される、ナノ構造のシートから作られる複合材料を提供する。一実施形態において、シートには、ほぼ平面の本体が含まれ得る。平面の本体は、1つの実施形態において、ナノチューブのマトリックスによって画成され得る。マトリックスは、本明細書で定義されるように、隣接したナノチューブ間に開口を備える、格子状又は網状の構造である。マトリックス中で隣接したナノチューブ間に開口が存在し得るために、プロトン化薬剤が、より優れた伝導のためナノチューブ間の接触を増強するために適用され得る。所望の程度で、複数の合成シートがその後、シートの厚みを増強するために互いに層にされ得る。   The present invention, in one embodiment, provides a composite material made from nanostructured sheets, for example, designed to promote increased conductivity. In one embodiment, the sheet can include a generally planar body. The planar body can be defined in one embodiment by a matrix of nanotubes. A matrix is a lattice-like or network-like structure with openings between adjacent nanotubes, as defined herein. Because openings can exist between adjacent nanotubes in the matrix, protonated agents can be applied to enhance contact between the nanotubes for better conduction. To the desired degree, multiple composite sheets can then be layered together to enhance the thickness of the sheets.

現在、ナノチューブを増大し、且つ、これらナノチューブから作られる編み糸、シート、又はケーブルの構造を形成するための、複数の過程及びその変形が存在する。これらは次のものを含む:(1)化学気相蒸着法(CVD)、即ち、周囲近くの又は高い圧力で、且つ400℃を超える温度で生じ得る共通のプロセス、(2)アーク放電、即ち、高度の完全性を有するチューブに生じ得る高温プロセス、及び、(3)レーザアブレーション。   Currently, there are multiple processes and variations thereof to increase nanotubes and to form knitted yarn, sheet, or cable structures made from these nanotubes. These include: (1) chemical vapor deposition (CVD), a common process that can occur near ambient or at high pressure and at temperatures in excess of 400 ° C., (2) arc discharge, ie High temperature processes that can occur in tubes with a high degree of integrity, and (3) laser ablation.

本発明は、1つの実施形態において、カーボンナノチューブを含む適切なナノ構造を生成すると、当工業界で知られるCVDプロセス又は同様の気相熱分解手順を利用する。CVDプロセスに関する成長温度は比較的低い場合があり、例えば400℃乃至1350℃に及ぶ。カーボンナノチューブ(CNT)、単層(SWNT)又は多層(MWNT)の両方は、本発明の一実施形態において、試薬の炭素含有ガス(即ち、ガス状の炭素ソース)の存在下で、ナノスケールの触媒粒子を露出することにより、拡大され得る。特に、ナノスケールの触媒粒子は、既存の粒子の追加、又は有機金属前駆物質或いは非金属触媒からの粒子のインサイツの合成の何れかによって、試薬の炭素含有ガスに導入され得る。SWNTとMWNTの両方が拡大し得るが、特定の例において、SWNTが、その比較的より高い拡大速度のために、及び、ロープ状構造を形成する傾向のために選択され得、これらは、取り扱い、熱伝導度、電子特性、及び強度における長所を提供し得る。   The present invention, in one embodiment, utilizes a CVD process or similar gas phase pyrolysis procedure known in the industry once the appropriate nanostructures comprising carbon nanotubes have been generated. Growth temperatures for CVD processes can be relatively low, for example ranging from 400 ° C to 1350 ° C. Both carbon nanotubes (CNT), single-walled (SWNT), or multi-walled (MWNT) are nanoscaled in one embodiment of the invention in the presence of a reagent carbon-containing gas (ie, a gaseous carbon source). It can be enlarged by exposing the catalyst particles. In particular, nanoscale catalyst particles can be introduced into the reagent carbon-containing gas either by addition of existing particles or by in situ synthesis of particles from organometallic precursors or non-metallic catalysts. Although both SWNTs and MWNTs can expand, in certain instances, SWNTs can be selected because of their relatively higher expansion rate and because of their tendency to form rope-like structures, May provide advantages in thermal conductivity, electronic properties, and strength.

本発明に関連して生成された個々のカーボンナノチューブの強度は、約30GPa以上でもよい。強度は、注意されるべきものとして、欠陥に敏感である。しかし、本発明において作り上げられたカーボンナノチューブの弾性係数は、欠陥に敏感ではなく、約1から約1.2TPaまで変わり得る。更に、これらナノチューブの破損に対する負荷は、一般に構造に敏感なパラメーターであり得、本発明において、約10%から最大約25%にまで及ぶ場合がある。   The strength of the individual carbon nanotubes produced in connection with the present invention may be about 30 GPa or more. Intensity is sensitive to defects as it should be noted. However, the elastic modulus of the carbon nanotubes made in the present invention is not sensitive to defects and can vary from about 1 to about 1.2 TPa. In addition, the load on breakage of these nanotubes can generally be a structure sensitive parameter and can range from about 10% up to about 25% in the present invention.

更に、本発明のナノチューブは、比較的小さな直径で設けられ得る。本発明の実施形態において、本発明において作り上げられたナノチューブは、1nm未満から10nmまでの範囲の直径で設けられ得る。商業上利用可能なカーボンナノチューブと比較した場合、本発明の1つの実施形態に従って作られたカーボンナノチューブは、長さが拡張され得る(即ち、長いチューブ)ことを、理解されたい。本発明の実施形態において、本発明において作り上げられるナノチューブは、ミリメートル(mm)の範囲の長さで設けられ得る。   Furthermore, the nanotubes of the present invention can be provided with a relatively small diameter. In embodiments of the present invention, nanotubes made in the present invention may be provided with diameters ranging from less than 1 nm to 10 nm. It should be understood that carbon nanotubes made in accordance with one embodiment of the present invention can be extended in length (ie, long tubes) when compared to commercially available carbon nanotubes. In embodiments of the present invention, the nanotubes made in the present invention may be provided with a length in the millimeter (mm) range.

本発明のナノチューブはまた、リッツ線又はケーブルに類似する、比較的高い電流を運ぶための導電部材として使用され得る。しかし、コネクター部分に接合されるリッツ線又はケーブルと異なり、本発明のナノチューブの導電部材は、比較すると比較的低いインピーダンスを示す場合がある。特に、電流パルスが短くなるにつれ、ナノチューブベースのワイヤーケーブル又はリボンは、銅のリボン又はリッツ線と比較して、より良く機能することが、本発明において観察された。観察されたより優れた性能に関する1つの理由は、正方形且つ短い電流パルスに関する波形のフーリエ変換から計算され得る、約100ms乃至約1ms未満である、パルスの効果的な周波数容量が、非常に高いことである。具体的には、本発明の個々のカーボンナノチューブは導電経路として機能することができ、その小さなサイズのため、バルク構造がこれらナノチューブから作られる場合に、バルク構造には、例えば約1014/cm以上の、非常に多くの導電要素が含有され得る。 The nanotubes of the present invention can also be used as conductive members for carrying relatively high currents, similar to litz wires or cables. However, unlike the litz wire or cable joined to the connector portion, the nanotube conductive member of the present invention may exhibit a relatively low impedance when compared. In particular, it has been observed in the present invention that nanotube-based wire cables or ribbons perform better compared to copper ribbons or litz wires as current pulses are shortened. One reason for the observed superior performance is that the effective frequency capacity of the pulse, which is about 100 ms to less than about 1 ms, can be calculated from the Fourier transform of the waveform for square and short current pulses. is there. Specifically, the individual carbon nanotubes of the present invention can function as conductive paths, and due to their small size, when the bulk structure is made from these nanotubes, the bulk structure can be, for example, about 10 14 / cm. A very large number of conductive elements, two or more, can be included.

本発明のカーボンナノチューブはまた、導電率の根本的な手段としてバリスティック伝導を実証することができる。故に、本発明のナノチューブから作られる材料は、AC電流条件下で、銅及び他の金属の導電部材にわたる重要な進歩を表わすことができる。しかし、この種の導電部材を外部回路に繋ぐには、本質的に、接続時の接触抵抗を回避するために、各ナノチューブが電気的又は熱的に接触させられることが必要となる。   The carbon nanotubes of the present invention can also demonstrate ballistic conduction as a fundamental means of conductivity. Thus, materials made from the nanotubes of the present invention can represent a significant advancement over copper and other metal conducting members under AC current conditions. However, in order to connect this type of conductive member to an external circuit, it is essential that each nanotube be brought into electrical or thermal contact in order to avoid contact resistance during connection.

本発明のカーボンナノチューブは、図1−3に示される特定の特徴を示し得る。図1は、本発明の実施形態に従って作られるカーボンナノチューブの電気的特性を例証する。図2は、温度に対するこれらのカーボンナノチューブの抵抗率を例証する。図3は、磁場の存在下での(及び不在下での)カーボンナノチューブの抵抗率対温度の特徴を例証する。   The carbon nanotubes of the present invention may exhibit the specific features shown in FIGS. 1-3. FIG. 1 illustrates the electrical properties of carbon nanotubes made in accordance with embodiments of the present invention. FIG. 2 illustrates the resistivity of these carbon nanotubes with respect to temperature. FIG. 3 illustrates the resistivity versus temperature characteristics of carbon nanotubes in the presence (and absence) of a magnetic field.

炭素から合成されたナノチューブに対して本出願の全体にわたって言及されるが、ホウ素、MoS2、又はその組み合わせなどの他の化合物が本発明に関するナノチューブの合成において使用してもよいことに、注目されたい。例えば、ホウ素のナノチューブも増大し得るが、化学前駆物質は異なることを理解されたい。加えて、個々のカーボンナノチューブに対する抵抗率を少なくするために、ホウ素も使用してもよいことに、注目されたい。更に、プラズマCVDなどの他の方法も、本発明のナノチューブを作り上げるために使用され得る。   It is noted throughout this application for nanotubes synthesized from carbon, but it should be noted that other compounds such as boron, MoS2, or combinations thereof may be used in the synthesis of nanotubes in accordance with the present invention. . For example, boron nanotubes can be increased, but it should be understood that the chemical precursors are different. In addition, it should be noted that boron may also be used to reduce the resistivity to individual carbon nanotubes. In addition, other methods such as plasma CVD can also be used to make the nanotubes of the present invention.

本発明は、一実施形態において、シート内のカーボンナノチューブの導電率を増加させるように設計されるナノ構造の複合体シートから作られる、複合材料を提供する。図4に示されるように、複合材料(10)には、複合体シート(12)の形態であるほぼ平面の本体が含まれ得る。ナノチューブ(14)のマトリックスは、平面の本体を画成し得る。ナノスケールの環境と、従来の電気及び/又は熱回路システムとの間の効率的な伝導を可能にするために、隣接したカーボンナノチューブ間に開口が存在するため、平面の本体内の隣接したカーボンナノチューブの接近が、互いに対してより近くなり得る。隣接したナノチューブ間の接近を増強するために、プロトン化薬剤が適用され得る。一実施形態において、複合材料は、図4に示されるような単層でもよく、又は図5に示されるような互いの上部にある複数の層でもよい。   The present invention, in one embodiment, provides a composite material made from a nanostructured composite sheet designed to increase the conductivity of carbon nanotubes in the sheet. As shown in FIG. 4, the composite material (10) may include a generally planar body in the form of a composite sheet (12). The matrix of nanotubes (14) may define a planar body. Adjacent carbon in a planar body because there is an opening between adjacent carbon nanotubes to allow efficient conduction between the nanoscale environment and conventional electrical and / or thermal circuit systems. The approach of the nanotubes can be closer to each other. In order to enhance the proximity between adjacent nanotubes, a protonated agent can be applied. In one embodiment, the composite material may be a single layer as shown in FIG. 4 or multiple layers on top of each other as shown in FIG.

<シートを作り上げるためのシステム>
ここで図6を参照すると、ナノチューブの構成に使用される、米国特許第7,993,620号(引用によって本明細書に組み込まれる)に開示されるものに類似する、システム(30)が例証される。システム(30)は、一実施形態において、合成チャンバ(31)に繋いでもよい。合成チャンバ(31)には、一般に、反応ガス(即ち、ガス状の炭素ソース)が供給され得る入口端部(311)、拡張した長さのナノチューブ(313)の合成が生じ得るホットゾーン(312)、及び、反応の生成物(即ち、ナノチューブと排気ガス)が出て集められ得る出口端部(314)が含まれる。合成チャンバ(31)には、一実施形態において、炉(316)を通って伸長する石英チューブ(315)が含まれ得る。システム(30)によって生成されるナノチューブは、他方では、個々の単層ナノチューブ、そのようなナノチューブの束、及び/又は絡み合った単層ナノチューブでもよい。特に、システム(30)は、圧縮して混合されたナノチューブから生成され、且つ、シートとして扱われるのに十分な構造の完全性を有する、実質的に連続的な不織布のシートの形成において使用され得る。
<System for creating seats>
Referring now to FIG. 6, there is illustrated a system (30) similar to that disclosed in US Pat. No. 7,993,620 (incorporated herein by reference) used in the construction of nanotubes. Is done. The system (30) may in one embodiment lead to the synthesis chamber (31). The synthesis chamber (31) generally has an inlet end (311) that can be supplied with a reaction gas (ie, a gaseous carbon source), a hot zone (312) where synthesis of the extended length nanotube (313) can occur. ), And an outlet end (314) through which reaction products (ie, nanotubes and exhaust gases) can be collected. The synthesis chamber (31) may include a quartz tube (315) that extends through a furnace (316) in one embodiment. The nanotubes produced by the system (30) may on the other hand be individual single-walled nanotubes, bundles of such nanotubes, and / or entangled single-walled nanotubes. In particular, the system (30) is used in the formation of a substantially continuous nonwoven sheet produced from compressed and mixed nanotubes and having sufficient structural integrity to be treated as a sheet. obtain.

システム(30)にはまた、本発明の1つの実施形態において、合成チャンバ(31)の内部から環境への浮遊微小粒子の放出を最小化するよう、十分に密封するように設計されるハウジング(32)も含まれ得る。ハウジング(32)はまた、酸素がシステム(30)に侵入し且つ合成チャンバ(31)に到達するのを防ぐように作用し得る。特に、合成チャンバ(31)内の酸素の存在は、完全性に影響を及ぼし、ナノチューブ(313)の生産を損なう場合がある。システム(30)には、全体において引用により本明細書に組み込まれる特許出願第12/140,263号に開示されるものに類似するインジェクターも含まれ得る。   The system (30) also includes a housing (in one embodiment of the invention) designed to be sufficiently sealed to minimize the release of airborne microparticles from the interior of the synthesis chamber (31) to the environment. 32) may also be included. The housing (32) may also act to prevent oxygen from entering the system (30) and reaching the synthesis chamber (31). In particular, the presence of oxygen in the synthesis chamber (31) can affect integrity and impair the production of nanotubes (313). The system (30) may also include an injector similar to that disclosed in patent application 12 / 140,263, which is incorporated herein by reference in its entirety.

システム(30)には、システム(30)の合成チャンバ(31)内のCVDプロセスから作られる合成ナノチューブ(313)を収集するために設計される、ハウジング(32)内に位置する移動ベルト(320)も含まれ得る。特に、ベルト(320)は、十分に連続的である拡張可能な構造(321)、例えば不織布のシートを後に形成するために、ナノチューブがベルト上に集まるのを許容するために使用され得る。そのようなシートは、シートとして扱われるのに十分な構造の完全性を備える、圧縮した、実質的に位置合わせしていない、且つ混合したナノチューブ(313)のマトリックス、ナノチューブの束、又は絡み合ったナノチューブから作られ得る。   The system (30) includes a moving belt (320) located in a housing (32) designed to collect synthetic nanotubes (313) made from a CVD process in the synthesis chamber (31) of the system (30). ) May also be included. In particular, the belt (320) can be used to allow nanotubes to collect on the belt to later form an expandable structure (321) that is sufficiently continuous, eg, a sheet of nonwoven fabric. Such a sheet is a matrix of compressed, substantially unaligned and mixed nanotubes (313), bundles of nanotubes, or entangled with sufficient structural integrity to be treated as a sheet. Can be made from nanotubes.

作り上げられたナノチューブ(313)を集めるために、ベルト(320)は、ナノチューブがベルト(320)の上に置かれることを可能にするよう合成チャンバ(31)の出口端部(314)に隣接して位置付けられ得る。1つの実施形態において、ベルト(320)は、図6に示されるように、出口端部(314)からのガスの流れにほぼ平行して位置付けられ得る。代替的に、ベルト(320)は、出口端部(314)からのガスの流れにほぼ垂直に位置づけられ、且つ、ナノ材料を運ぶガスの流れがそれを通り抜けるのを可能にするための性質において多孔性でもよい。ベルト(320)は、従来のコンベヤーベルトに類似する連続的なループとして設計され得る。そのためには、ベルト(320)は、一実施形態において、回転要素(322)(例えばローラー)にほぼ対向するようにループ上にされ得、電気モーターなどの機械デバイスによって駆動され得る。代替的に、ベルト(320)は強剛なシリンダーでもよい。1つの実施形態において、モーターは、コンピューター又はマイクロプロセッサーなどの制御システムの使用を通じて制御され得、その結果、張力と速度が最適化され得る。その後、集めたナノチューブは、後の使用のために、手動で、又はベルト(320)を取り去る任意の他の手段によって、除去され得る。   To collect the fabricated nanotubes (313), the belt (320) is adjacent to the outlet end (314) of the synthesis chamber (31) to allow the nanotubes to be placed on the belt (320). Can be positioned. In one embodiment, the belt (320) may be positioned substantially parallel to the gas flow from the outlet end (314), as shown in FIG. Alternatively, the belt (320) is positioned substantially perpendicular to the gas flow from the outlet end (314) and is in a nature to allow the gas flow carrying the nanomaterial to pass through it. It may be porous. The belt (320) can be designed as a continuous loop similar to a conventional conveyor belt. To that end, the belt (320), in one embodiment, can be looped to generally face the rotating element (322) (eg, a roller) and driven by a mechanical device such as an electric motor. Alternatively, the belt (320) may be a rigid cylinder. In one embodiment, the motor can be controlled through the use of a control system such as a computer or microprocessor, so that tension and speed can be optimized. The collected nanotubes can then be removed for later use, either manually or by any other means of removing the belt (320).

所望の程度で、ローラー(45)などの圧力アプリケーターが使用され得る。図7を参照すると、圧力の適用は、収集したナノ材料に圧縮する力(即ち、圧力)を適用するために、ガスの流れにほぼ垂直に位置し得るベルト(44)に隣接して位置していてもよい。特に、ナノ材料がローラー(45)の方へ運ばれるにつれ、ベルト(44)上のナノ材料は、ローラー(45)の下に及びそれに対して移動するよう強いられる場合があり、その結果、圧力は混合したナノ材料にかけられ得、一方でナノ材料は、ベルト(44)とローラー(45)の間で圧縮され、凝集した十分に結合されたシート(46)になる。ベルト(44)上のナノ材料に対する圧力を増強するために、プレート(444)が、ローラー(45)からの圧力が加えられ得る硬い表面を提供するためのベルト(44)の後ろに位置し得る。もし集められたナノ材料が量において十分であり且つ十分に統合されると、ローラー(45)の使用は必ずしも必要ではなく、その結果、接触部位の適切な数が、シート(46)を生成するのに必要な結合力を提供するために存在することに、注目されたい。   To the extent desired, a pressure applicator such as a roller (45) can be used. Referring to FIG. 7, the application of pressure is located adjacent to a belt (44) that may be positioned substantially perpendicular to the gas flow to apply a compressive force (ie, pressure) on the collected nanomaterial. It may be. In particular, as the nanomaterial is carried toward the roller (45), the nanomaterial on the belt (44) may be forced to move under and against the roller (45), resulting in pressure Can be applied to the mixed nanomaterial, while the nanomaterial is compressed between a belt (44) and a roller (45), resulting in an agglomerated well-bonded sheet (46). To enhance the pressure on the nanomaterial on the belt (44), the plate (444) can be located behind the belt (44) to provide a hard surface to which pressure from the roller (45) can be applied. . If the collected nanomaterial is sufficient in quantity and fully integrated, the use of a roller (45) is not necessarily required, so that an appropriate number of contact sites produces a sheet (46) Note that it exists to provide the necessary cohesive strength.

ハウジング(42)からの後の除去のためにベルト(44)から混合したナノ材料のシート(46)を切り離すために、メス又はブレード(47)は、ローラー(45)の下流に設けられ得、その縁部はベルト(44)の表面(445)に対向する。このように、シート(46)がローラー(45)を通り下流に移動するにつれ、ブレード(47)は、ベルト(44)の表面(445)からシート(46)を持ち上げるように作用し得る。代替的な実施形態において、ブレードは、シート(46)を外すために使用されるものではない。正しくは、シート(46)の除去は、手動、又は当該技術分野において他の既知の方法によるものでもよい。   A scalpel or blade (47) may be provided downstream of the roller (45) to separate the mixed nanomaterial sheet (46) from the belt (44) for later removal from the housing (42), Its edge faces the surface (445) of the belt (44). Thus, as the sheet (46) moves downstream through the roller (45), the blade (47) may act to lift the sheet (46) from the surface (445) of the belt (44). In an alternative embodiment, the blade is not used to remove the seat (46). Correctly, removal of the sheet (46) may be manual or by other known methods in the art.

加えて、スプール又はローラー(48)が、ブレード(47)の下流に設けられ、その結果、切り離されたシート(46)は後にその上に方向付けられ、収集のためにローラー(48)の周囲に巻きつかれる場合がある。シート(46)がローラー(48)に巻きつけられると、複数の層が形成され得る。もちろん、シート(46)がその後にハウジング(42)から除去するために集められ得る限り、他の機構が使用され得る。ベルト(44)のように、ローラー(48)は、一実施形態において、電気モーター(481)などの機械的駆動によって駆動され得、その結果、その回転軸がシート(46)の移動方向にほぼ直交する場合がある。   In addition, a spool or roller (48) is provided downstream of the blade (47) so that the cut sheet (46) is later directed onto it and around the roller (48) for collection There is a case that you can get caught in. When the sheet (46) is wound around the roller (48), multiple layers may be formed. Of course, other mechanisms can be used as long as the sheet (46) can be subsequently collected for removal from the housing (42). Like the belt (44), the roller (48) may be driven by a mechanical drive, such as an electric motor (481), in one embodiment, so that its axis of rotation is approximately in the direction of movement of the seat (46). May be orthogonal.

ローラー(48)に巻きつけられる際、シート(46)自体の結合を最小化するために、分離材料(49)(図8を参照)は、シート(46)がローラー(48)に巻きつけられる前に、シート(46)の1つの側部上に適用され得る。本発明に関する使用のための分離材料(49)は、連続するロール(491)に供給され得る様々な商業上利用可能な金属シート又はポリマーの1つでもよい。そのために、シート(46)がローラー(48)に巻きつけられる際、分離材料(49)はローラー(48)上にシート(46)に沿って引っ張られ得る。シート(46)の1つの側部に適用され得る限り、分離材料(49)を含むポリマーは、シート、液体、又は任意の他の形態で設けられ得る。更に、シート(46)内の混合されたナノチューブが、Fe、Co、Niなどの強磁性体の触媒のナノ粒子を包含し得るため、分離材料(49)は、1つの実施形態において、シート(46)が分離材料(49)に強く付くのを防ぐために、例えば導電性又はその他のものなどの非磁性材料でもよい。代替的な実施形態において、分離材料は必要でない場合もある。   In order to minimize the bonding of the sheet (46) itself when wrapped around the roller (48), the separating material (49) (see FIG. 8) causes the sheet (46) to be wound around the roller (48). Before, it can be applied on one side of the sheet (46). The separation material (49) for use in connection with the present invention may be one of a variety of commercially available metal sheets or polymers that can be fed to a continuous roll (491). To that end, when the sheet (46) is wound around the roller (48), the separating material (49) can be pulled along the sheet (46) onto the roller (48). As long as it can be applied to one side of the sheet (46), the polymer comprising the separating material (49) can be provided in sheet, liquid, or any other form. Furthermore, since the mixed nanotubes in the sheet (46) can include nanoparticles of ferromagnetic catalyst such as Fe, Co, Ni, etc., the separation material (49) is in one embodiment the sheet ( In order to prevent 46) from sticking strongly to the separating material (49), it may be a non-magnetic material such as, for example, conductive or others. In alternative embodiments, a separation material may not be necessary.

シート(46)が生成された後、それはシート(46)として残り、又はストリップなどの小さな切片に切断され得る。一実施形態において、シート(46)をストリップに切断するためにレーザーを使用してもよい。レーザー光線は、一実施形態において、レーザーがハウジングから出た時にシート(46)に向けられるように、ハウジングに隣接して位置してもよい。レーザー光線の操作及びストリップの切断を制御するためのコンピューター又はプログラムが利用され得る。代替的な実施形態において、シート(46)をストリップに切断するための、当技術分野で既知の任意の機械的な手段又は他の手段が、使用され得る。   After the sheet (46) is generated, it remains as a sheet (46) or can be cut into small sections such as strips. In one embodiment, a laser may be used to cut the sheet (46) into strips. The laser beam, in one embodiment, may be located adjacent to the housing so that the laser is directed to the sheet (46) as it exits the housing. A computer or program for controlling the operation of the laser beam and the cutting of the strip can be utilized. In alternative embodiments, any mechanical means or other means known in the art for cutting the sheet (46) into strips may be used.

所望の程度で、静電場(図示せず)は、合成チャンバ(31)から生成され得、ナノチューブをほぼベルト運動の方向に位置合わせするために使用され得る。静電場は、1つの実施形態において、例えば合成チャンバ(31)の出口端部(314)の周辺に2以上の電極を置き、且つ該電極に高電圧を適用することにより、生成され得る。電圧は、一実施形態において、約10Vから約100kV、好ましくは約4kVから約6kVまで変わる場合がある。必要ならば、電極は、小さな石英又は他の適切な絶縁体などの絶縁体で保護され得る。電場の存在は、その中を通って移動するナノチューブに、電場に十分に合致させ得、ベルトの移動後にナノチューブの位置合わせを与える。   To a desired degree, an electrostatic field (not shown) can be generated from the synthesis chamber (31) and can be used to align the nanotubes generally in the direction of belt motion. The electrostatic field can be generated in one embodiment, for example, by placing two or more electrodes around the exit end (314) of the synthesis chamber (31) and applying a high voltage to the electrodes. The voltage may vary from about 10 V to about 100 kV, preferably from about 4 kV to about 6 kV, in one embodiment. If necessary, the electrodes can be protected with an insulator, such as small quartz or other suitable insulator. The presence of an electric field can cause the nanotubes moving through it to be well matched to the electric field and provide alignment of the nanotubes after movement of the belt.

代替的に、カーボンナノチューブは、全体において引用により本明細書に組み込まれる同時係属の米国特許出願第12/170,092号に提供されるような、カーボンナノチューブシートの合成の後に伸びることによって位置合わせされ得る。   Alternatively, the carbon nanotubes are aligned by stretching after synthesis of the carbon nanotube sheet, as provided in co-pending US patent application Ser. No. 12 / 170,092, incorporated herein by reference in its entirety. Can be done.

システム(30)は、述べられたように、図11Aに図示されるシートなどの不織布のシートにおいて、高強度のバルクナノ材料を提供することができる。カーボンナノチューブ(14)は、一実施形態において、図11Bに示されるように、単一のCNTシート(12)において多層の構造又は形態を形成するために多数の別個の層(51)に堆積され得る。上述のように、ナノファイバーの不織布のシート(110)は、SWNT又はMWNTのカーボンナノチューブのいずれかの多数の別個の層の堆積から作られ得る。一実施形態において、そのような不織布のシート(110)の引張強度は、SWNTについては40MPa以上となり得る。更に、そのようなシートは、ナノチューブの形成からの残りの触媒と共に使用され得る。しかし、典型的な残余は、2原子パーセント未満でもよい。   The system (30) can provide high strength bulk nanomaterials in a nonwoven sheet, such as the sheet illustrated in FIG. 11A, as described. Carbon nanotubes (14), in one embodiment, are deposited in multiple separate layers (51) to form a multi-layer structure or morphology in a single CNT sheet (12), as shown in FIG. 11B. obtain. As noted above, the nanofiber nonwoven sheet (110) can be made from the deposition of multiple separate layers of either SWNT or MWNT carbon nanotubes. In one embodiment, the tensile strength of such a nonwoven sheet (110) can be 40 MPa or more for SWNTs. Furthermore, such sheets can be used with the remaining catalyst from the formation of nanotubes. However, a typical residue may be less than 2 atomic percent.

不織布のシートにナノ材料を設けることによって、バルクナノ材料は容易に扱われ、とりわけ水素貯蔵、電池、又はコンデンサー構成部品を含む、最終用途の用途のために後に処理され得る。   By providing nanomaterials on a nonwoven sheet, bulk nanomaterials can be easily handled and later processed for end use applications, including hydrogen storage, batteries, or capacitor components, among others.

本発明の実施形態に従って作られるカーボンナノチューブは、界面活性剤による処理を必要としない場合があり、導電率と熱伝導率において約3倍優れ得ることを、理解されたい。更に、本発明の実施形態に従って作られるカーボンナノチューブシートには、複数の層が含まれ得る。他方、例えばバッキーペーパー中のカーボンナノチューブは、比較的短いナノチューブで作られ、界面活性剤による処理を必要とする。加えて、バッキーペーパーは、本発明の不織布のシートと共に設けられる多層に対して、ナノチューブのほんの1つの層から作られる。   It should be understood that carbon nanotubes made in accordance with embodiments of the present invention may not require treatment with a surfactant and may be about 3 times better in conductivity and thermal conductivity. Furthermore, a carbon nanotube sheet made according to embodiments of the present invention can include multiple layers. On the other hand, for example, carbon nanotubes in bucky paper are made of relatively short nanotubes and require treatment with a surfactant. In addition, bucky paper is made from only one layer of nanotubes, as opposed to multiple layers provided with the nonwoven sheet of the present invention.

<処理プロセス>
所望の程度で、一旦シート(46)が生成されると、シート(46)は、シートにおけるナノチューブの導電率及び/又は生産性を増強するための処理を受ける場合がある。ストリップが生成されると、該ストリップも、ストリップにおけるナノチューブの導電率及び/又は生産性を増強するための処理を受ける場合がある。
<Processing process>
Once the sheet (46) is produced to the desired degree, the sheet (46) may be subjected to processing to enhance the conductivity and / or productivity of the nanotubes in the sheet. Once the strip is generated, it may also be subjected to treatment to enhance the conductivity and / or productivity of the nanotubes in the strip.

形成後のシート(46)の処理は、一実施形態において、シート(46)をプロトン化薬剤に曝す工程を含む。プロトン化薬剤の1つの特徴は、カーボンナノチューブを互いにより接近した状態にすることであり得る。カーボンナノチューブが共により接近することによって、プロトン化薬剤は、表面張力を少なくし、抵抗率を少なくし、且つシートの導電率を増加させるように作用し得る。プロトン化薬剤の例には、ヒドロニウムイオン、塩酸、臭化水素酸、フッ化水素酸、ヨウ化水素酸、炭酸、硫酸、硝酸、フルオロ硫酸、クロロスルホン酸、メタンスルホン酸、トリフルオロメタンスルホン酸、オレウムなどの酸、その薬剤、又はそれらの組み合わせ、或いは、電気的及び/又は熱的に導電性であり得る他の材料が含まれ得る。   Processing of the formed sheet (46) includes, in one embodiment, exposing the sheet (46) to a protonated agent. One feature of the protonated agent may be to bring the carbon nanotubes closer together. By bringing the carbon nanotubes closer together, the protonated agent can act to reduce surface tension, reduce resistivity, and increase sheet conductivity. Examples of protonating agents include hydronium ions, hydrochloric acid, hydrobromic acid, hydrofluoric acid, hydroiodic acid, carbonic acid, sulfuric acid, nitric acid, fluorosulfuric acid, chlorosulfonic acid, methanesulfonic acid, trifluoromethanesulfonic acid , Acids such as oleum, agents thereof, or combinations thereof, or other materials that may be electrically and / or thermally conductive.

プロトン化薬剤は、一実施形態において、図9に示されるもの等の、装置(60)の使用により適用され得る。装置には、一実施形態において、適用プロセスを通じてシートを導くための複数のローラーが含まれる。示されるように、第1ローラー(64)及び第2ローラー(65)は互いに隣接して位置してもよく、第2ローラー(65)はローラー(64)より下に置かれ得る。第1端部(62)、第2端部(63)を備え、且つプロトン化薬剤を含有するタブ(61)は、第1ローラー(64)と第2ローラー(65)の真下に位置し得る。第1ローラーは、タブ(61)を通らせ、第2ローラー(65)上にシートを押しつけるように作用し得る。第2ローラー(65)は、第1ローラー(64)からシートを引っ張り、シートから過剰なプロトン化薬剤の流体を絞り出し得る。第3ローラー(66)が、第1ローラー(64)の近くのタブの第1端部(62)の上に置かれ、一方で第4ローラー(67)が、第2ローラー(65)の近くのタブの第2端部(63)の上に置かれ得る。シート(68)がローラーを通って滑らかに移動することを可能にするために、ローラー(64、65、66、及び67)は、連続して位置付けられ得る。もちろん、4つのローラーを備えると図9に示されるが、シート(68)の後処理用の装置には、少数の又は多数のローラーが含まれ得る。必要な程度で、プロトン化薬剤からの蒸気が漏れるのを防ぐような様式で、フードが位置付けられ得る。1つの実施形態において、装置(60)には、ポリプロピレンフードなどのフードが含まれ得る。   The protonated agent may be applied in one embodiment by use of a device (60), such as that shown in FIG. The apparatus, in one embodiment, includes a plurality of rollers for guiding the sheet through the application process. As shown, the first roller (64) and the second roller (65) may be located adjacent to each other, and the second roller (65) may be placed below the roller (64). A tab (61) comprising a first end (62), a second end (63) and containing a protonated agent may be located directly below the first roller (64) and the second roller (65). . The first roller can act to pass the tab (61) and press the sheet onto the second roller (65). The second roller (65) can pull the sheet from the first roller (64) and squeeze excess protonated drug fluid from the sheet. A third roller (66) is placed on the first end (62) of the tab near the first roller (64), while a fourth roller (67) is near the second roller (65). Can be placed over the second end (63) of the tab. The rollers (64, 65, 66, and 67) can be positioned sequentially to allow the sheet (68) to move smoothly through the rollers. Of course, four rollers are shown in FIG. 9, but the apparatus for post-processing the sheet (68) may include a few or many rollers. To the extent necessary, the hood can be positioned in a manner that prevents leakage of vapor from the protonated drug. In one embodiment, the device (60) may include a hood such as a polypropylene hood.

プロトン化薬剤によるシート(68)の処理は、第3ローラー(66)上にシート(68)のボビン又はロールを置く工程を含み得る。その後、シート(68)は下流に移動し、第3ローラー(66)から、第1ローラー(64)を通って、プロトン化薬剤を含有するタブ(61)に入り、第2ローラー(65)上を通過して、第4ローラー(67)を渡る。   Treatment of the sheet (68) with the protonated agent may include placing a bobbin or roll of sheet (68) on the third roller (66). Thereafter, the sheet (68) moves downstream, from the third roller (66), through the first roller (64), into the tab (61) containing the protonated drug, and on the second roller (65). And cross the fourth roller (67).

処理後の特定の状況において、結果として生じるシート(68)は酸性又は塩基性でもよい。結果として生じるシート(68)のpHをほぼ中性にするために、すすぎ液がシート(68)に適用され得る。すすぎ液は、一実施形態において、プロトン化薬剤と共に適用され、又は、プロトン化薬剤とは別個に適用され得る。   In certain situations after processing, the resulting sheet (68) may be acidic or basic. A rinsing liquid can be applied to the sheet (68) to make the pH of the resulting sheet (68) approximately neutral. The rinse may be applied with the protonated agent in one embodiment or separately from the protonated agent.

別の実施形態において、シート(68)の処理は、シート(68)が炉を出て、ベルト(320)に集められるように、第2溶液をシート(68)に吹きかける工程を更に含み得る。溶液は、一実施形態において、カーボンナノチューブの位置合わせを増強し、且つカーボンナノチューブが互いにより接近するのを可能にするような様式で、ナノチューブの外部表面を覆う化合物の混合物を含有し得る。   In another embodiment, the processing of the sheet (68) may further comprise spraying the second solution onto the sheet (68) such that the sheet (68) exits the furnace and is collected on the belt (320). The solution may, in one embodiment, contain a mixture of compounds that coat the outer surface of the nanotubes in a manner that enhances the alignment of the carbon nanotubes and allows the carbon nanotubes to be closer together.

一実施形態において、第2溶液の混合物には、溶媒、ポリマー、金属、又はそれらの組み合わせが含まれ得る。本発明の溶液に関して使用される溶媒は、カーボンナノチューブのより優れた位置合わせ及び特性の増強を獲得するために、シートを滑らかにするよう使用され得る。溶液に関して使用され得る溶媒の例には、トルエン、ケロシン、ベンゼン、ヘキサン、任意のアルコール(エタノール、メタノール、ブタノール、イソプロパノールを含むがこれらに限定されない)、同様に、テトラヒドロフラン、1−メチル−2−ピロリジノン、ジメチルホルムアミド、塩化メチレン、アセトン、又は本発明がこの様式で限定されないことを意図する任意の他の溶媒が含まれる。一実施形態において、溶媒は、ポリマー、モノマー、無機塩類、又は金属酸化物のための担体として使用され得る。   In one embodiment, the mixture of the second solution can include a solvent, a polymer, a metal, or a combination thereof. The solvent used with the solution of the present invention can be used to smooth the sheet to obtain better alignment and enhanced properties of the carbon nanotubes. Examples of solvents that can be used for the solution include toluene, kerosene, benzene, hexane, any alcohol (including but not limited to ethanol, methanol, butanol, isopropanol), as well as tetrahydrofuran, 1-methyl-2- It includes pyrrolidinone, dimethylformamide, methylene chloride, acetone, or any other solvent that is intended to not limit the invention in this manner. In one embodiment, the solvent can be used as a support for polymers, monomers, inorganic salts, or metal oxides.

溶液に関して使用され得るポリマーの例には、ポリウレタン、ポリエチレン、ポリ(スチレン・ブタジエン)、ポリクロロプレン、ポリ(ビニルアルコール)、ポリ(ビニルピロリドン)、ポリ(アクリロニトリル−co−ブタジエン−co−スチレン)、エポキシ、ポリウレアシラザン、ビスマレイミド、ポリアミド、ポリイミド、ポリカーボネート、又は任意のモノマー(スチレン、ジビニルベンゼン、アクリル酸メチル、及びtert−アクリル酸ブチルを含む)を含むが、これらに限定されない小さな分子またはポリマーマトリクス(熱硬化性又は熱可塑性プラスチック)が含まれる。一実施形態において、ポリマーには、液体の形態で得るのが困難であるポリマー粒子が含まれ得る。   Examples of polymers that can be used for the solution include polyurethane, polyethylene, poly (styrene butadiene), polychloroprene, poly (vinyl alcohol), poly (vinyl pyrrolidone), poly (acrylonitrile-co-butadiene-co-styrene), Small molecule or polymer matrix including but not limited to epoxy, polyureasilazane, bismaleimide, polyamide, polyimide, polycarbonate, or any monomer (including but not limited to styrene, divinylbenzene, methyl acrylate, and tert-butyl acrylate) (Thermosetting or thermoplastic). In one embodiment, the polymer may include polymer particles that are difficult to obtain in liquid form.

溶液に関して使用され得る金属の例には、塩(ニッケル水酸化物、水酸化カドミウム、塩化ニッケル、塩化銅、カルシウム亜鉛酸塩(CaZn(OH))を含むが、これらに限定されない、任意の遷移金属、アルカリ金属、又はアルカリ土類金属塩、或いはそれらの混合物)、又は金属酸化物(酸化亜鉛、酸化鉄、酸化銀、酸化銅、酸化マンガン、LiCoO、LiNiO、LiNixCol−xO、LiMnを含むが、これらに限定されない、任意の遷移金属、アルカリ金属、又はアルカリ土類金属酸化物、或いはそれらの混合物)が含まれる。一実施形態において、金属には、カーボンナノチューブ金属マトリックス複合材料を作成するためにポリマー又は揮発性溶剤が含まれ得る。そのようなポリマー又は揮発性溶剤の例には、アルミニウム又はその合金の粉末形態、ニッケル、超合金、銅、銀、スズ、コバルト、鉄、鉄合金の粉末形態、又は、二元複合体及び三元合金又は超電導体さえも含む粉末形態で生産され得る任意の要素が含まれる。 Examples of metals that can be used for the solution include, but are not limited to, salts (nickel hydroxide, cadmium hydroxide, nickel chloride, copper chloride, calcium zincate (CaZn 2 (OH) 6 ), any Transition metals, alkali metals, or alkaline earth metal salts, or mixtures thereof) or metal oxides (zinc oxide, iron oxide, silver oxide, copper oxide, manganese oxide, LiCoO 2 , LiNiO 2 , LiNixCol-xO 2). , Any transition metal, alkali metal, or alkaline earth metal oxide, or mixtures thereof, including but not limited to LiMn 2 O 4 . In one embodiment, the metal can include a polymer or volatile solvent to make a carbon nanotube metal matrix composite. Examples of such polymers or volatile solvents include powder forms of aluminum or its alloys, nickel, superalloys, copper, silver, tin, cobalt, iron, iron alloys, or binary composites and Included are any elements that can be produced in powder form, including the original alloy or even superconductor.

溶液を分散するために、噴霧装置が使用され得る。噴霧装置は、市販で入手可能な任意の装置でもよい。一実施形態において、噴霧装置の1つの端部には、噴霧ノズルが存在し、溶液はそれを通ってシート(46)上に噴霧され得る。一実施形態において、噴霧ヘッドは、平面、丸型、又は溶液が中を通って出るのを許容できるような任意の他の形状でもよい。所望の程度で、噴霧ノズルは、連続的な様式又は予めプログラムされた様式で溶液を放出してもよい。   A spray device can be used to disperse the solution. The spraying device may be any commercially available device. In one embodiment, at one end of the spray device there is a spray nozzle through which the solution can be sprayed onto the sheet (46). In one embodiment, the spray head may be flat, round, or any other shape that allows the solution to exit. To the extent desired, the spray nozzle may discharge the solution in a continuous or pre-programmed manner.

一旦シート(68)が処理されると、処理されたシート(68)は、シートの処理のために熱源に曝され得る。例えば、シートは、複合体シート又は最終生成物の所望の形態をもたらすために、焼結、高温静水圧圧縮、ホットプレス、冷間静水圧成形に曝され得る。   Once the sheet (68) has been processed, the processed sheet (68) can be exposed to a heat source for processing of the sheet. For example, the sheet can be subjected to sintering, hot isostatic pressing, hot pressing, cold isostatic pressing to provide the desired form of the composite sheet or final product.

複合体シートの処理は、別の実施形態において、シートの構造の完全性を増加させ、且つ十分に低い抵抗結合を提供するために、複合体シートにガラス状炭素材料を注入する工程を更に含む。ガラス状炭素は、一般に、カーボンナノチューブに関係する炭素の形態でもよく、無定形炭素のマトリックスを含むリボンのような多くのグラフェンを包含し得る。これらリボンには、spが結合したナノチューブに十分に類似し得る、spが結合したリボンが含まれる。結果として、それらは比較的優れた熱及び電気の伝導率を有し得る。ガラス状炭素が作られ得る前駆物質材料の例には、フルフリルアルコール、RESOLレジン(即ち、アルキルフェニルホルムアルデヒド)、PVA、又は液体レジン、或いは熱処理時にガラス状炭素を形成すると知られる任意の材料が含まれる。もちろん、他の商業上利用可能なガラス状炭素材料又は前駆物質材料が、使用され得る。 The processing of the composite sheet, in another embodiment, further includes injecting a glassy carbon material into the composite sheet to increase the structural integrity of the sheet and provide a sufficiently low resistance bond. . Glassy carbon may generally be in the form of carbon related to carbon nanotubes and may include many graphenes such as ribbons comprising a matrix of amorphous carbon. These ribbons include sp 2 bonded ribbons that may be sufficiently similar to sp 2 bonded nanotubes. As a result, they can have relatively good thermal and electrical conductivity. Examples of precursor materials from which glassy carbon can be made include furfuryl alcohol, RESOL resin (ie, alkylphenylformaldehyde), PVA, or liquid resin, or any material known to form glassy carbon upon heat treatment. included. Of course, other commercially available glassy carbon materials or precursor materials can be used.

本発明の実施形態に従い、カーボンナノチューブシートは、シート内のカーボンナノチューブの実質的な位置合わせを可能にするように化学的に処理され得る。カーボンナノチューブシートは、本明細書に記載されるように、リチウムなどの活性化合物又は層間の要素を挿入するように更に処理され得る。   According to embodiments of the present invention, the carbon nanotube sheet can be chemically treated to allow substantial alignment of the carbon nanotubes within the sheet. The carbon nanotube sheet can be further processed to insert an active compound such as lithium or an inter-layer element, as described herein.

<電池の適用>
電池は一般的に、電極と、電極間に配置される電解質との対を包含する、一種の電気化学電池である。電極の1つは陰極と称され得、ここで、活性材料は放電中に少なくされる。他の電極は陽極と称され得、ここで、別の活性材料は放電中に酸化する。二次電池は一般的に、放電後に電気を充電することができる電池と称される。
<Application of batteries>
A battery is generally a type of electrochemical battery that includes a pair of electrodes and an electrolyte disposed between the electrodes. One of the electrodes can be referred to as the cathode, where the active material is reduced during the discharge. The other electrode may be referred to as the anode, where another active material oxidizes during discharge. Secondary batteries are generally referred to as batteries that can charge electricity after discharge.

二次電池の高電圧及び高エネルギー密度のため、リチウム二次電池などの二次電池上で研究が行なわれた。二次電池の陰極のための電極材料に特に注意を払った。例えば、米国特許第4,833,048号は、ジスルフィド化合物を、陽イオン(M)を供給し且つ捕らえる金属Mと組み合わせることにより得られた充電式電池を開示する。充電式電池は、少なくとも150Wh/kgの改善されたエネルギー密度を提供する。しかし、ジスルフィド化合物の酸化電位と還元電位の間の差は非常に大きい。電気化学反応の理論によると、ジスルフィド化合物の電子伝達は室温で非常にゆっくりと進行する。それ故、室温で1mA/cm以上のより高い電流出力を提供する充電式電池を得ることは、難しいこともある。ジスルフィド化合物の電極を含む電池の操作は、100℃乃至200℃の範囲にある高温度に制限され、そこでは、電子伝達がより速く進行することが可能となる。 Due to the high voltage and high energy density of secondary batteries, research has been conducted on secondary batteries such as lithium secondary batteries. Special attention was paid to the electrode material for the cathode of the secondary battery. For example, US Pat. No. 4,833,048 discloses a rechargeable battery obtained by combining a disulfide compound with a metal M that supplies and traps cations (M + ). Rechargeable batteries provide an improved energy density of at least 150 Wh / kg. However, the difference between the oxidation potential and the reduction potential of the disulfide compound is very large. According to the theory of electrochemical reaction, electron transfer of disulfide compounds proceeds very slowly at room temperature. Therefore, it may be difficult to obtain a rechargeable battery that provides a higher current output of 1 mA / cm 2 or higher at room temperature. The operation of batteries containing disulfide compound electrodes is limited to high temperatures in the range of 100 ° C. to 200 ° C., where electron transfer can proceed faster.

リチウムに基づいた化学的性質は、著しいエネルギー貯蔵の有望性を提供する;しかし、保存され且つ余分な重量によって負担を受け得るモバイルのリチウムの重量によって制限される。電力を生成するデバイスの1つのメトリック(metric)は、重量比対エネルギー容量に対する電力である。従来の電池、同様に現在利用可能な二次電池は、比較的重い部品から作られるため、生成されるエネルギーの量は、より軽い材料が使用され得る場合と同じように効率的又は理想的でない場合もある。   The lithium-based chemistry offers significant energy storage promise; however, it is limited by the weight of mobile lithium that can be stored and burdened by extra weight. One metric of a device that generates power is power to weight ratio versus energy capacity. Conventional batteries, as well as currently available secondary batteries, are made from relatively heavy parts, so the amount of energy generated is not as efficient or ideal as if lighter materials could be used. In some cases.

3乃至4.2Vの電池電位が非常に高エネルギーの電流ソースを提供するため、リチウムに基づいた化学的性質は、電池にとってほぼ理想的である。リチウム電池による安全の問題は、大部分については、純粋なリチウム金属の代わりのリチウムリザーバとして黒鉛ベースの陽極へのリチウムインターカレーションの使用により、及び適切な熱リンク及び圧力放出を加えることによって対処された。シャトル化合物(shuttle compound)の使用に結び付けられるこの手法は、この化学的性質に関連する安全の問題を最小化した。残りの問題は、様々な構成部品の重量、熱暴走の可能性、及び、リチウムを空気又は水へ暴露し得る事故から結果として生じる外部の物理的な損傷に関係する。   Lithium-based chemistry is almost ideal for the battery because the battery potential of 3 to 4.2 V provides a very high energy current source. Safety issues with lithium batteries are largely addressed by the use of lithium intercalation to graphite-based anodes as lithium reservoirs instead of pure lithium metal, and by adding appropriate thermal links and pressure relief. It was done. This approach, coupled with the use of shuttle compounds, has minimized safety issues associated with this chemistry. The remaining problems relate to the weight of various components, the possibility of thermal runaway, and external physical damage that results from accidents that can expose lithium to air or water.

既存の電池技術は典型的に、陽極材料、陰極材料、及び黒鉛と結合剤のような電流を増強する追加物(current enhancing additions)を含む化合物で覆われた金属集電装置を使用する。陽極電流収集装置は典型的に銅であり、一方で陰極電流収集装置は典型的にアルミニウムであり、ケースは典型的に鋼である。時々焼結した黒鉛プレートが集電装置として使用される。   Existing battery technologies typically use metal current collectors that are covered with compounds including anode materials, cathode materials, and current enhancing additions such as graphite and binders. The anode current collector is typically copper, while the cathode current collector is typically aluminum and the case is typically steel. Occasionally sintered graphite plates are used as current collectors.

本発明は、他方で、高電力、及び、陰極と陽極の両方のためにカーボンナノチューブの1以上のシートを利用する高性能電池(例えば、再充電可能な又は二次電池)を提供する。本発明はまた、様々なエネルギー及び電力に関連する用途における使用のための高電力及び高性能電池を提供する。   The present invention, on the other hand, provides high power and high performance batteries (eg, rechargeable or secondary batteries) that utilize one or more sheets of carbon nanotubes for both the cathode and anode. The present invention also provides high power and high performance batteries for use in various energy and power related applications.

本発明の電池には、一般に、正極、負極、電極間に位置するセパレーター、及びケースが含まれる。幾つかの実施形態において、電池は、集電装置としての使用のためカーボンナノチューブシートから作られる電極を利用し、また、カーボンナノチューブ複合体ケースを利用し得る。幾つかの実施形態において、電極は、リチウムなどの活性化合物又はインターカレーションが組み込まれる位置合わせしたカーボンナノチューブシートを利用する。本発明の1つの実施形態に従って、電池は、リチウムイオン型電池でもよい。代替的に、本発明の別の実施形態に従い、電池はニッケル亜鉛型電池でもよい。   The battery of the present invention generally includes a positive electrode, a negative electrode, a separator located between the electrodes, and a case. In some embodiments, the battery utilizes an electrode made from a carbon nanotube sheet for use as a current collector and may utilize a carbon nanotube composite case. In some embodiments, the electrodes utilize aligned carbon nanotube sheets that incorporate an active compound such as lithium or intercalation. According to one embodiment of the present invention, the battery may be a lithium ion battery. Alternatively, according to another embodiment of the present invention, the battery may be a nickel zinc battery.

本出願における電気化学的用途において、独立型(free−standing)カーボンナノチューブを電極として使用することにより、電極が二機能性(即ち、活性材料と集電装置の両方としての役割)を維持することが可能となる。結合剤がこれら電極を作り上げることを要求しないため、高温用途の可能性が熟慮され、200℃(大半の従来の結合剤が不安定な温度)を超えて電池の用途における使用を広げる。独立型電極はまた、薄膜電池及び代替的な形態因子のために、軽量で柔軟な幾何学的形状を提供する。独立したCNTシートの物理的特性は、任意の用途に対して重要な考慮事項であるが、リチウムイオン電池に関しては、強度と導電率を取り巻く問題が最重要である。電池の製造は典型的に、ロールコーター又はダイカッティング(dye cutting)を利用するため、強度は、結合剤と金属基材が存在しないためCNT電極に対する重要な考慮すべき事項である。合成及び処理の工程は、この特性に劇的に影響を及ぼし得るが、本発明の実施形態に従って作られた典型的なSWCNTシートの引張強度は、約80−100MPaである。本発明の実施形態に従って作られたSWCNTシートに関するヤング係数は、約5−10GPaの範囲にあり、塑性変形前にこれら材料に大きな力が加えられ得ることを示す。別の都合の良い特性は、本発明のCNTシートが必要とされる任意の形状因子に形成され得ることである;それらは、従来のハサミで容易に切断され得る。   In electrochemical applications in this application, by using free-standing carbon nanotubes as electrodes, the electrodes remain bifunctional (ie, serve as both active materials and current collectors). Is possible. Since the binder does not require that these electrodes be made up, the potential for high temperature applications is considered, extending the use in battery applications beyond 200 ° C. (the temperature at which most conventional binders are unstable). Stand-alone electrodes also provide a lightweight and flexible geometry for thin film batteries and alternative form factors. The physical properties of independent CNT sheets are important considerations for any application, but for lithium ion batteries, the issues surrounding strength and conductivity are paramount. Since battery manufacture typically utilizes a roll coater or die cutting, strength is an important consideration for CNT electrodes due to the absence of binder and metal substrate. Although the synthesis and processing steps can dramatically affect this property, the typical SWCNT sheet made in accordance with embodiments of the present invention has a tensile strength of about 80-100 MPa. The Young's modulus for SWCNT sheets made according to embodiments of the present invention is in the range of about 5-10 GPa, indicating that large forces can be applied to these materials prior to plastic deformation. Another convenient property is that the CNT sheets of the present invention can be formed into any required form factor; they can be easily cut with conventional scissors.

本発明の精製したSWCNTシートの電気伝導率は約10S/mであり、適切なドーピングにより純金属の導電率に近づくことができる。本発明の独立した電極のための温度依存性の反応はまた、誘引性の電気的性質を有し、約100−400Kの範囲にわたる導電率において約3%未満の変異を示す導電率反応を含む。本発明の実施形態に従って作られた独立したSWCNT電極における電子輸送は、チューブ間の相互作用のため、障壁にトンネルを作ることによって遮られる優勢な金属伝導に起因し、同様に、フォノン散乱と可変領域ホッピングに起因し得る。 The electrical conductivity of the purified SWCNT sheet of the present invention is about 10 6 S / m, and can approach the electrical conductivity of a pure metal by appropriate doping. The temperature dependent reactions for the independent electrodes of the present invention also include conductivity reactions that have attractive electrical properties and exhibit less than about 3% variation in conductivity over the range of about 100-400K. . Electron transport in independent SWCNT electrodes made in accordance with embodiments of the present invention is due to dominant metal conduction that is interrupted by tunneling the barrier due to tube-to-tube interaction, as well as phonon scattering and variable This can be due to region hopping.

本発明の電池の主な構造の要素には、(1)陽極電流収集装置、(2)陰極電流収集装置、及び(3)構造のケースが含まれ、それらは全て、CNTシート及び/又はCNT複合体シートから作られ得る。図13は、電池の1つの実施形態を例証する。電池(50)には、示されるように、カーボンナノチューブ陰極(52)、カーボンナノチューブ陽極(54)、陰極と陽極の間のセパレーター(56)、及びケース(58)が含まれる。電池(50)には電解質材料もある。電池(50)の充電中、イオン(例えばリチウムイオン)は正極(陰極)から負極(陽極)まで移動し、一方で放電中、イオンは負極から正極まで移動する。   The main structural elements of the battery of the present invention include (1) an anode current collector, (2) a cathode current collector, and (3) a structure case, all of which are CNT sheets and / or CNTs It can be made from a composite sheet. FIG. 13 illustrates one embodiment of a battery. The battery (50) includes a carbon nanotube cathode (52), a carbon nanotube anode (54), a separator (56) between the cathode and anode, and a case (58), as shown. The battery (50) also has an electrolyte material. During charging of the battery (50), ions (eg, lithium ions) move from the positive electrode (cathode) to the negative electrode (anode), while during discharge, ions move from the negative electrode to the positive electrode.

本発明のカーボンナノチューブ組成物はまた、既存の電池と比較して電池の重量を最小化するのに、及び、本発明の電池のエネルギー対重量の比及び/又はエネルギー対体積の比を増加させるのに、有用であり得る。   The carbon nanotube composition of the present invention also minimizes the weight of the battery compared to existing batteries and increases the energy to weight ratio and / or the energy to volume ratio of the battery of the present invention. However, it can be useful.

独立型のCNT電極の構成は、金属箔基板の必要性を排除し、容量及び速度性能を増加させることができる。独立したCNT電極はリチウムを保存し、また、電池中で使用可能な陽極の特定の容量(Ah/kg)を著しく増加させ得るシリコンとゲルマニウムのような、極めて高容量の半導体粒子を支持し得る。   The stand-alone CNT electrode configuration eliminates the need for a metal foil substrate and can increase capacity and speed performance. Independent CNT electrodes store lithium and can support very high capacity semiconductor particles, such as silicon and germanium, which can significantly increase the specific capacity (Ah / kg) of anodes that can be used in batteries. .

本発明の電池は、アルミニウム陽極及び銅陰極、又は結合剤及び導電性充填剤などの重材料を有していないという長所を有する。本発明の電池のカーボンナノチューブ組成物はまた、高い破壊靭性を提供し得る。加えて、本発明のカーボンナノチューブ電池は、暴走を始める可能性のある熱によるホットスポットから予防することができる。   The battery of the present invention has an advantage that it does not have heavy materials such as an aluminum anode and a copper cathode, or a binder and a conductive filler. The carbon nanotube composition of the battery of the present invention can also provide high fracture toughness. In addition, the carbon nanotube battery of the present invention can prevent heat hot spots that can start to run away.

陽極と陰極は、1つの実施形態において、カーボンナノチューブの少なくとも1つのシートから形成され得る。カーボンナノチューブのシートは、図6に示されるシステム(30)を使用するCVDプロセスから作り上げられ得る。浮遊触媒CVDプロセスを使用して気相中で生成されるナノチューブは、回転ドラムに置かれ得る大量のナノチューブを形成することができる。ニッケル、亜鉛、ニッケル亜鉛合金、リチウム、リチウム混合金属酸化物、ニッケル酸化亜鉛などの化合物、又はそれらの組み合わせは、回転ドラムに堆積され得る化合物により大量のナノチューブを形成するために加えられ得る。単一のシート内のカーボンナノチューブの複数の層によって画成される幅広いマットを作成するために、ドラムが、炉出口の前で並進運動(translate)する場合がある(図11bを参照)。図5を参照すると、ナノチューブ(14)の複数の層(12)は、不織布のシート(20)を所望の密度に作り上げるために堆積され得る。一実施形態において、不織布のシートの密度は約1mg/cmである。幾つかの実施形態において、各不織布のシートの密度は、例えば約0.1mg/cmから約5mg/cmまでの広い範囲内で制御され得る。そのような不織布のシートの例は、アイテム(110)として図11aに示される。各シートは、1つの実施形態において、カーボンナノチューブ(14)の層の厚み及び/又は数を変えることにより作られ得る。幾つかの実施形態において、複数のシートは、約80g/mの密度を有するカーボンナノチューブマットを作り上げるのに必要とされ得る。例えば、所望のカーボンナノチューブ密度を提供するために、複数のシートが互いの上部で層状にされ得る。所望の程度で、シートは、プロトン化薬剤を有する又は有していない場合がある。 The anode and cathode may be formed from at least one sheet of carbon nanotubes in one embodiment. A sheet of carbon nanotubes can be made from a CVD process using the system (30) shown in FIG. Nanotubes produced in the gas phase using a floating catalytic CVD process can form large quantities of nanotubes that can be placed on a rotating drum. Compounds such as nickel, zinc, nickel zinc alloys, lithium, lithium mixed metal oxides, nickel zinc oxide, or combinations thereof can be added to form large quantities of nanotubes with compounds that can be deposited on a rotating drum. In order to create a wide mat defined by multiple layers of carbon nanotubes in a single sheet, the drum may be translated in front of the furnace outlet (see FIG. 11b). Referring to FIG. 5, multiple layers (12) of nanotubes (14) may be deposited to make a nonwoven sheet (20) to a desired density. In one embodiment, the density of the nonwoven sheet is about 1 mg / cm 2 . In some embodiments, the density of each nonwoven sheet can be controlled within a wide range, for example from about 0.1 mg / cm 2 to about 5 mg / cm 2 . An example of such a nonwoven sheet is shown in FIG. 11a as item (110). Each sheet can be made in one embodiment by varying the thickness and / or number of layers of carbon nanotubes (14). In some embodiments, multiple sheets may be required to make up a carbon nanotube mat having a density of about 80 g / m 2 . For example, multiple sheets can be layered on top of each other to provide the desired carbon nanotube density. To the extent desired, the sheet may or may not have a protonated agent.

<陰極>
陰極は、一実施形態において、例えば混合金属酸化物が浸透した、位置合わせしたカーボンナノチューブの1以上のシートから作られ得る。実施形態に従い、混合金属酸化物は、ニッケル亜鉛酸化物、ニッケルコバルト酸化物、リチウム金属酸化物、又は電流の生成のために利用されている任意の他の同様の化合物でもよい。例えば、カーボンナノチューブシートには、ナノスケールの鉄−リチウム−リン酸塩、リチウム−ニッケル−酸化物、リチウム−コバルト−ニッケル−酸化物、リチウム−コバルト−酸化物、亜鉛−ニッケル酸化物、又はそれらの組み合わせが浸透することがある。他の置換は、硫黄(酸素用の)、硫酸、ホウ酸塩、及びケイ酸塩を伴うリチウム化合物を含み得る。代替的に、本発明の電池は、亜鉛空気ベース、ナトリウムベース、又は鉛酸ベースでもよい。位置合わせしたカーボンナノチューブのシートについて言及されるが、位置合わせしていないカーボンナノチューブのシートも使用され得ることに、注意されたい。
<Cathode>
The cathode may in one embodiment be made from one or more sheets of aligned carbon nanotubes, eg, infiltrated with mixed metal oxides. According to embodiments, the mixed metal oxide may be nickel zinc oxide, nickel cobalt oxide, lithium metal oxide, or any other similar compound that is utilized for the generation of current. For example, the carbon nanotube sheet may include nanoscale iron-lithium-phosphate, lithium-nickel-oxide, lithium-cobalt-nickel-oxide, lithium-cobalt-oxide, zinc-nickel oxide, or May penetrate. Other substitutions may include lithium compounds with sulfur (for oxygen), sulfuric acid, borates, and silicates. Alternatively, the battery of the present invention may be zinc air based, sodium based, or lead acid based. It should be noted that although reference is made to aligned carbon nanotube sheets, non-aligned carbon nanotube sheets may also be used.

混合金属酸化物は、陰極として使用されるカーボンナノチューブシートを構築する間に、カーボンナノチューブシート内に組み込むことができる。幾つかの実施形態では、混合金属酸化物は、ナノチューブの成長過程中に加えることができる。例えば、混合金属酸化物は、任意の既知の方法を使用して、ナノチューブの成長過程中に多くのナノチューブで分散させることができる。代替的な実施形態では、既知の方法を使用してカーボンナノチューブシートを形成した後に、混合金属酸化物を加えるか、または、堆積させることができる。例えば、混合金属酸化物を、アセトン、イソプロパノール、メタノール、エタノールなどの揮発性担体中に分散させ、カーボンナノチューブシート上に噴霧することができる。シートを加熱してシートから担体を蒸発させることで、カーボンナノチューブの微粒子の複合材料を形成することができる。   The mixed metal oxide can be incorporated into the carbon nanotube sheet during construction of the carbon nanotube sheet used as the cathode. In some embodiments, the mixed metal oxide can be added during the nanotube growth process. For example, mixed metal oxides can be dispersed with many nanotubes during the nanotube growth process using any known method. In an alternative embodiment, the mixed metal oxide can be added or deposited after forming the carbon nanotube sheet using known methods. For example, the mixed metal oxide can be dispersed in a volatile carrier such as acetone, isopropanol, methanol, ethanol, and sprayed onto the carbon nanotube sheet. By heating the sheet and evaporating the carrier from the sheet, a composite material of carbon nanotube fine particles can be formed.

<陽極>
本発明の電池の陽極は、黒鉛粒子、シリコン粒子、ゲルマニウム粒子のシート、またはその組み合わせが組み込まれた、1以上のカーボンナノチューブのシートを含んでもよい。陰極のような成長過程の間にリチウムまたは亜鉛ニッケル粉末を加えることにより、あるいは、あらかじめ形成されたカーボンナノチューブシートを噴霧することにより、リチウム層間化合物または亜鉛ニッケル合金をその構造内に含む、位置合わせしたCNTシートから、陽極を形成することができる。位置合わせしたカーボンナノチューブのシートについて言及されているが、位置合わせしていないカーボンナノチューブのシートも使用されてもよいことに留意する。
<Anode>
The anode of the battery of the present invention may include one or more carbon nanotube sheets incorporating a sheet of graphite particles, silicon particles, germanium particles, or a combination thereof. Alignment by including lithium intercalation compound or zinc-nickel alloy in its structure by adding lithium or zinc-nickel powder during the cathode-like growth process or by spraying pre-formed carbon nanotube sheet An anode can be formed from the finished CNT sheet. Note that although an aligned sheet of carbon nanotubes is mentioned, an unaligned sheet of carbon nanotubes may also be used.

一実施形態において、シリコンまたはゲルマニウムの粒子を、化学気相蒸着プロセスを使用して、カーボンナノチューブのシート上で覆うことができる。例えば、図14−15を参照すると、シリコン粉末またはゲルマニウム粉末などの半導体粉末を、カーボンナノチューブシートに組み込むことができる。代替的に、シリコン粉末またはゲルマニウム粉末のような半導体粉末をカーボンナノチューブシートに溶接して、負電流収集装置(negative current collector)または陽極を形成することができる。幾つかの実施形態では、シリコンの粒子を、アセトン、エタノール、メタノールなどの溶媒または担体に分散させ、強力な超音波パルスによってCNTシートに溶接することができる。幾つかの実施形態では、高エネルギー溶接または当該技術中知られている同様のプロセスを用いて、シリコンまたはゲルマニウムの粒子をカーボンナノチューブに加え、その結果、シリコン粒子はカーボンナノチューブと一体化する。例えば、シリコンまたはゲルマニウムの粒子を、1つ以上のカーボンナノチューブの上部に、または、1つ以上のカーボンナノチューブの表面に配してもよい。代替的に、当該技術で知られている任意の他の適切な方法によって、シリコン粒子をカーボンナノチューブの表面に付着させることができる。   In one embodiment, silicon or germanium particles can be coated on a sheet of carbon nanotubes using a chemical vapor deposition process. For example, referring to FIGS. 14-15, a semiconductor powder such as silicon powder or germanium powder can be incorporated into the carbon nanotube sheet. Alternatively, a semiconductor powder, such as silicon powder or germanium powder, can be welded to the carbon nanotube sheet to form a negative current collector or anode. In some embodiments, the silicon particles can be dispersed in a solvent or carrier such as acetone, ethanol, methanol, and welded to the CNT sheet by a powerful ultrasonic pulse. In some embodiments, high energy welding or similar processes known in the art are used to add silicon or germanium particles to the carbon nanotubes so that the silicon particles are integrated with the carbon nanotubes. For example, silicon or germanium particles may be placed on top of one or more carbon nanotubes or on the surface of one or more carbon nanotubes. Alternatively, the silicon particles can be attached to the surface of the carbon nanotubes by any other suitable method known in the art.

幾つかの実施形態では、シリコンまたはゲルマニウムの粒子は、マイクロメートルまたはナノメートルの範囲である。幾つかの実施形態では、シリコンまたはゲルマニウムの粒子は100nm以下である。   In some embodiments, the silicon or germanium particles are in the micrometer or nanometer range. In some embodiments, the silicon or germanium particles are 100 nm or less.

シリコンまたはゲルマニウムのナノ粒子を内部に挿入したカーボンナノチューブシートを提供することで、陽極に結合剤または導電性添加剤を加えることが必要ではないこともある。加えて、熱センサーおよび通気弁を潜在的に取り除くことができる点まで、熱安定性を改善させることが可能である。   By providing a carbon nanotube sheet with silicon or germanium nanoparticles inserted therein, it may not be necessary to add a binder or conductive additive to the anode. In addition, thermal stability can be improved to the point that the thermal sensor and vent valve can potentially be removed.

カーボンナノチューブの自立型シートから作られた電極を使用する重要な点は、不活性な銅箔を取り除くことで使用可能な容量を増加させることができるということである。銅基板の除去は、放電深度の増加とほぼゼロの充電状態を維持する能力を含むさらなる利点を備えている。2.5V未満の延長サイクルが銅基板の酸化をもたらすということは、文書で十分に証明されている。   An important point of using electrodes made from free-standing sheets of carbon nanotubes is that the usable capacity can be increased by removing the inert copper foil. The removal of the copper substrate has additional advantages including increased depth of discharge and the ability to maintain a nearly zero state of charge. It has been well documented that extended cycles below 2.5V result in copper substrate oxidation.

加えて、本発明によって使用される方法によって製造された、シリコンまたはゲルマニウム粒子を備えたカーボンナノチューブのシートは、市販の黒鉛陽極のエネルギー密度よりも3倍高いエネルギー密度を有していることが分かっている(表1を参照)。   In addition, the sheet of carbon nanotubes with silicon or germanium particles produced by the method used by the present invention has been found to have an energy density that is three times higher than that of a commercial graphite anode. (See Table 1).

1つの実施形態において、0.5mgのナノシリコン粒子を、250mlのアセトン中に分散した。個々のカーボンナノチューブシートを超音波ホーン(Ultrasonicator VC600, Sonics & Materials, Newton)から0.25〜0.50インチ離して溶液中に懸濁するように、金属ホルダーに入れた。超音波ホーンは以下の環境(デューティサイクル:2、および、マイクロチップ限界:2.3)に設定された。デューティサイクルは、パルスがサンプルに送られた時間の割合を規定した。ミクロンで測定される振幅は、プローブの先端が移動する上下動の距離(軌跡)として定義される。振幅の設定点は、プローブの直径に基づき、液体に伝えられるエネルギー量を規定した。タイマーを目標値に設定し、超音波処理を開始した。動力がサンプルに均等に確実に送達されるように、超音波ホーンをビーカーの中心で維持した。   In one embodiment, 0.5 mg of nanosilicon particles was dispersed in 250 ml of acetone. Individual carbon nanotube sheets were placed in a metal holder so that they were suspended in the solution 0.25 to 0.50 inches away from an ultrasonic horn (Ultrasonicator VC600, Sonics & Materials, Newton). The ultrasonic horn was set to the following environment (duty cycle: 2 and microchip limit: 2.3). The duty cycle defined the percentage of time that a pulse was sent to the sample. The amplitude measured in microns is defined as the distance (trajectory) of the up and down movement that the probe tip moves. The amplitude set point defined the amount of energy transferred to the liquid based on the probe diameter. The timer was set to the target value and sonication was started. An ultrasonic horn was maintained in the center of the beaker to ensure that power was delivered evenly to the sample.

銅集電体を備えた市販の黒鉛陽極は、350mAh/gのエネルギー密度を有しており、その一方で、SWNT集電体シートに蒸着したシリコンを有する陽極は、約1500mAh/g以上のエネルギー密度を提供することができる。上記に加えて、本発明のカーボンナノチューブのシートは、市販の陽極と比較して10倍以上高いキャパシタンスを有することが分かっている。   Commercial graphite anodes with copper current collectors have an energy density of 350 mAh / g, while anodes with silicon deposited on SWNT current collector sheets have an energy of about 1500 mAh / g or more. Density can be provided. In addition to the above, the carbon nanotube sheet of the present invention has been found to have a capacitance that is at least 10 times higher than a commercially available anode.

<セパレーター>
一実施形態において、正極および負極を、セパレーターによって分離されるように設計することができる。例えば、セパレーターは多孔性膜および親水性膜のような膜であり得る。幾つかの実施形態では、セパレーターは、ポリプロピレンおよび/またはポリエチレン電解膜であり得る。膜がそれを通る電解質の拡散を許すものである限り、それ以外の薄いセパレーター/膜を電極間に置いてもよいことが企図されよう。一実施形態において、膜はCELGARD(商標)の多孔性のポリエチレン膜、または、ポリエチレン膜、または、その組み合わせ、または、アルカリ電池と共に使用可能な任意の他の膜であってもよい。
<Separator>
In one embodiment, the positive and negative electrodes can be designed to be separated by a separator. For example, the separator can be a membrane such as a porous membrane and a hydrophilic membrane. In some embodiments, the separator can be a polypropylene and / or polyethylene electrolytic membrane. It will be contemplated that other thin separators / membranes may be placed between the electrodes, so long as the membrane allows diffusion of electrolyte therethrough. In one embodiment, the membrane may be a CELGARD ™ porous polyethylene membrane, or a polyethylene membrane, or a combination thereof, or any other membrane that can be used with alkaline batteries.

任意の適切な電解質溶液を使用することができる。典型的な電解質としては、限定されないが、KOH、HNO、HCl、テトラエチルアンモニウム ビス(オキサラート(oxaloato)ホウ酸(TEABOB)、テトラエチルアンモニウムテトラフルオロホウ酸塩(TEABF)、または、アセトニトリル中に溶解したトリエチルメチルアンモニウムテトラフルオロホウ酸塩の水溶液が挙げられる。 Any suitable electrolyte solution can be used. Typical electrolytes include, but are not limited to, KOH, HNO 3 , HCl, tetraethylammonium bis (oxalato boric acid (TEABOB), tetraethylammonium tetrafluoroborate (TEABF 4 ), or dissolved in acetonitrile And an aqueous solution of triethylmethylammonium tetrafluoroborate.

<ケース>
幾つかの実施形態では、電池ケースはカーボンナノチューブポリマー複合体から作られる。電池ケースはあらかじめ含浸させたCNTシートから形成することができる。これらのシートには、強化したエポキシ、ビスマリアミド(bismaliamide)、ポリプロピレン、ポリエチレン、PPS、PEEK(ポリエーテルエーテルケトン)、PTFEなどの様々なポリマーマトリックスを含浸させることができる。幾つかの実施形態では、シートは約20乃至約50%のカーボンナノチューブ含有量を含み得る。結果として生じた複合体の密度は、標準的な鋼のケースの場合の7.8g/ccよりも大きな密度と比較して、1cc当たり2グラム未満である。
<Case>
In some embodiments, the battery case is made from a carbon nanotube polymer composite. The battery case can be formed from a pre-impregnated CNT sheet. These sheets can be impregnated with various polymer matrices such as reinforced epoxy, bismariamide, polypropylene, polyethylene, PPS, PEEK (polyetheretherketone), PTFE and the like. In some embodiments, the sheet can include a carbon nanotube content of about 20 to about 50%. The resulting composite density is less than 2 grams per cc compared to a density greater than 7.8 g / cc for the standard steel case.

カーボンナノチューブのシートに対するバスは、リベットで留めるか、スポット溶接することができる。後者が可能であるのは、一実施形態において、カーボンナノチューブのシートの縁をニッケルであらかじめ電気めっきすることができるからである。   The bath for the sheet of carbon nanotubes can be riveted or spot welded. The latter is possible because, in one embodiment, the edges of the carbon nanotube sheet can be pre-plated with nickel.

これらの電池ケースは別々に大量に生産することができ、あるいは、電池材料(陽極、陰極、セパレーター、入口弁、出口弁)を、製造プロセス中にあらかじめ含浸させた状態でカプセルに入れることができる。1つの工程で電池陽極、セパレーターおよび陰極を熱融着するために、ケースを使用することができる。代替的に、熱硬化性マトリクス材料を用いて、組み立て後に電池を完全に密封することができる。必要に応じて、安全圧力解放弁を組み立て中に構造に同時に密封(co−sealed)することができる。   These battery cases can be produced separately in large quantities, or battery materials (anode, cathode, separator, inlet valve, outlet valve) can be encapsulated in a pre-impregnated state during the manufacturing process. . A case can be used to heat seal the battery anode, separator and cathode in one step. Alternatively, a thermoset matrix material can be used to completely seal the battery after assembly. If necessary, the safety pressure relief valve can be co-sealed to the structure simultaneously during assembly.

そのような複合材料は、実施形態によっては、鋼よりも破壊強度が高く、かつ、4倍軽い。加えて、そのようなカーボンナノチューブ複合材料は、高い破壊靭性をケースに与える。カーボンナノチューブ複合体から作られたケースは、鋼から作られた従来のケースよりもずっと強力な利点を備え、かつ、高い破壊靭性を有しており、そして、衝突による破損を軽減するために電池構成要素として用いることができるということに留意されたい。   Such composite materials have higher fracture strength than steel and are four times lighter in some embodiments. In addition, such a carbon nanotube composite material provides high fracture toughness to the case. Cases made from carbon nanotube composites have much stronger advantages than conventional cases made from steel, have high fracture toughness, and batteries to reduce crash damage Note that it can be used as a component.

既存の方法と、本発明の一実施形態にかかる電池との間の比較が、図12−13で示されている。幾つかの実施形態では、陽極は、互いの上に複数のカーボンナノチューブシートを有し、かつ、カーボンナノチューブに浸透したおよび溶接されたシリコンの粒子を含む、マットである(図14)。   A comparison between an existing method and a battery according to one embodiment of the present invention is shown in FIGS. 12-13. In some embodiments, the anode is a mat having a plurality of carbon nanotube sheets on top of each other and including particles of silicon that have penetrated and are welded to the carbon nanotubes (FIG. 14).

図16は、銅採取装置とカーボンナノチューブ採取装置について、周波数の関数として比伝導率が測定されたことを示している。   FIG. 16 shows that the specific conductivity was measured as a function of frequency for the copper collection device and the carbon nanotube collection device.

図17は、60%のカーボンナノチューブエポキシ複合体の応力歪み曲線を例証している。示されているように、炭素複合材料は1Gpaの破壊応力を備えている。   FIG. 17 illustrates the stress strain curve of a 60% carbon nanotube epoxy composite. As shown, the carbon composite has a fracture stress of 1 Gpa.

<電池パック>
本発明のいくつかの実施形態に従って、電池は、エネルギー密度および/または電力を最適化するために設計されてもよい。電池パック内のセルの数を増加させることにより、所望のエネルギー量を保存するように電池を設計することが可能である。したがって、一実施形態において、それぞれが所望の幾何学的形状と寸法をした2つ以上のセルを含むように、電池を最適化することができる。例えば、セルは円筒状(螺旋状に巻かれた)または角柱状であってもよい。セルはモジュールまたは電池パックに組み込むことができる。本明細書に記載されるように、鋼から作られるよりもずっと強力な利点を備えるとともに高い破壊靭性を有している、カーボンナノチューブ複合体から作られたケースに、セルまたはモジュールを入れることができ、衝突による破損を軽減することができる。
<Battery pack>
In accordance with some embodiments of the present invention, the battery may be designed to optimize energy density and / or power. By increasing the number of cells in the battery pack, the battery can be designed to conserve a desired amount of energy. Thus, in one embodiment, the battery can be optimized to include two or more cells, each having the desired geometric shape and dimensions. For example, the cell may be cylindrical (wound in a spiral) or prismatic. The cell can be incorporated into a module or battery pack. As described herein, a cell or module can be placed in a case made from a carbon nanotube composite that has a much stronger advantage than that made from steel and has a high fracture toughness. And damage due to collision can be reduced.

ケースのカーボンナノチューブ複合材料は、ヒートシンクとして作用し得ることが企図されよう。したがって、説明されたような構成要素を有する本発明の電池の設計は、圧力センサー、温度センサー、圧力解放弁、または安全ベントのような追加の保護なしで電池を作動させることができる。   It will be contemplated that the carbon nanotube composite of the case may act as a heat sink. Thus, the battery design of the present invention having components as described can operate the battery without additional protection such as pressure sensors, temperature sensors, pressure release valves, or safety vents.

<利点と用途>
金属水素化物型電池の欠点の1つは、電池の複数回の充放電中に、電極の完全性が崩れることである。これは、水素化相(hydriding phase)変化に伴って、合金の亀裂につながる膨張をもたらし得る格子接点の変化が生じる可能性があるからである。そのような合金は一般的に、電池がその性能を緩め始めるまで、約300〜500のサイクルに耐え得る。
<Advantages and uses>
One of the disadvantages of metal hydride type batteries is that the integrity of the electrode is lost during multiple charging / discharging of the battery. This is because with the changing of the hydrating phase, there can be changes in the grid contacts that can lead to expansion leading to cracks in the alloy. Such alloys generally can withstand about 300-500 cycles until the battery begins to loosen its performance.

他方で、本発明の方法によって作られたナノ構造材料を使用する際には、電池が絶え得るサイクルの数を増やすことができる。とりわけ、本発明の実施形態に従って作られたカーボンナノチューブのシートを利用する電池は、この種の劣化を最小限にすることができ、したがって、無制限な回数の充放電サイクルに耐えることができる。   On the other hand, when using nanostructured materials made by the method of the present invention, the number of cycles that the battery can withstand can be increased. In particular, batteries utilizing carbon nanotube sheets made in accordance with embodiments of the present invention can minimize this type of degradation and thus can withstand an unlimited number of charge and discharge cycles.

カーボンナノチューブのシートは、リチウムイオン電池よりもずっと多くのエネルギーを蓄えることができるだけでなく、充電/放電サイクルでも劣化しないという利点を備えていることが企図されよう。加えて、カーボンナノチューブのシートは十分に広い表面積を与えることができるため、その結果、電力が非常に高くピークの短い電池が必要な場合に、要求に応じて戻すことが可能な莫大なエネルギーを保持するために、二重層充電を適合させることができる。この反応が、本発明の電池と他の市販の二次電池の強い相違点である。   It will be contemplated that carbon nanotube sheets not only can store much more energy than lithium ion batteries, but also have the advantage of not degrading during charge / discharge cycles. In addition, carbon nanotube sheets can provide a sufficiently large surface area, resulting in enormous energy that can be returned on demand when batteries with very high power and short peaks are required. Double layer charging can be adapted to hold. This reaction is a strong difference between the battery of the present invention and other commercially available secondary batteries.

導電性のカーボンナノチューブのシートを含む、上で説明した構成要素を備えた本発明の電池は、二次電池としての用途を有する。二次電池とは一般に放電後に電気を充電することができる電池である。
本発明の電池の設計は、2つの工程で電池を放電させることができる。特に、電池の第1の放電は、比較的高い電力を生成し、第2の放電は比較的高いエネルギーを生成することができる。
The battery of the present invention comprising the components described above, including a sheet of conductive carbon nanotubes, has application as a secondary battery. A secondary battery is generally a battery that can be charged with electricity after discharging.
The battery design of the present invention can discharge the battery in two steps. In particular, the first discharge of the battery can generate a relatively high power and the second discharge can generate a relatively high energy.

本発明のカーボンナノチューブは、高いアスペクト比、リチウムイオンのインターカレーションのためのチャネル、電気と熱の両方の導電率の改善、および、容量の増加を含む、様々な有用な特性を備えている。本発明のSWCNTまたはMWCNTのシートを有する陽極と同様に、本発明のSWCNTまたはMWCNTのシートを有する陰極も、電気と熱の導電率、および、容量の改善を示すことができることに留意されたい。加えて、本発明のシートを使用して作られた陰極と陽極は、重量の減少を示すことができる。さらに、本発明のカーボンナノチューブシートを使用することで、電力対重量比VSエネルギー容量の改善を示すことができる。   The carbon nanotubes of the present invention have various useful properties including high aspect ratio, channels for lithium ion intercalation, improved electrical and thermal conductivity, and increased capacity. . It should be noted that, similar to an anode having a sheet of SWCNT or MWCNT of the present invention, a cathode having a sheet of SWCNT or MWCNT of the present invention can exhibit improved electrical and thermal conductivity and capacity. In addition, cathodes and anodes made using the sheets of the present invention can exhibit weight loss. Furthermore, the use of the carbon nanotube sheet of the present invention can show an improvement in the power to weight ratio VS energy capacity.

電池の質量と体積を減らし、かつ、例えば、電気自動車での使用を可能にするために、電池の設計を最適化することができることに留意されたい。化石燃料と温室効果ガスの排出への依存を同時に減らす持続可能なエネルギーシステムが現在、世界的に追求されている。これらの取り組みの基礎となっているのは、より持続可能な輸送機関(例えば電気自動車)と、太陽光および風力技術からの再生可能エネルギーの消費を増やす能力を開発することに対する戦略である。上記のような絶え間ない生産と消費の必要条件によって、こうした方向性は、進化した電池を用いてのみ有効に実現されると予想される莫大な蓄電容量を必要とする。リチウムイオン技術は、他の再充電可能な技術を上回るエネルギー密度の増加によって最高の電池化学として出現した。しかしながら、進行中の技術の要求は、より高いエネルギー密度を必要とし、このことは、電気自動車、モバイル通信、およびモバイルグリッド記憶装置のような持ち運び可能なアプリケーションの電池質量や体積といった特徴を減らしかねない。電池を使用可能な電気自動車が外国のエネルギー源および温室効果ガス排出の使用を著しく少なくするため、リチウムイオン電池の改良はエネルギー省高等研究計画局(ARPA−E)の任務領域を直接サポートするであろう。   Note that the battery design can be optimized to reduce the mass and volume of the battery and to allow, for example, use in an electric vehicle. Sustainable energy systems that simultaneously reduce dependence on fossil fuel and greenhouse gas emissions are now being pursued worldwide. Underlying these efforts are strategies for developing more sustainable transportation (eg, electric vehicles) and the ability to increase the consumption of renewable energy from solar and wind technology. With such constant production and consumption requirements as described above, this direction requires enormous storage capacity that is expected to be realized effectively only with advanced batteries. Lithium ion technology has emerged as the best battery chemistry with an increase in energy density over other rechargeable technologies. However, ongoing technology demands require higher energy density, which may reduce features such as battery mass and volume for portable applications such as electric vehicles, mobile communications, and mobile grid storage. Absent. As battery-powered electric vehicles significantly reduce the use of foreign energy sources and greenhouse gas emissions, the improvement of lithium-ion batteries will directly support the Department of Advanced Research Projects (ARPA-E) mission area. I will.

<他の用途>
本発明のシステムと方法は、複合体シートにおいて、高強度の、低重量、または同程度の重量のバルクナノ材料を提供することができる。複合体シートにナノ材料を提供することによって、バルクナノ材料は、(i)織物、装甲、複合体強化材、アンテナ、導電体または熱伝導体、ヒーター、および電極のような構造システム、(ii)プレートおよびアイビームのような機械的な構造要素、および、(iii)ケーブルまたはロープを含む最終使用用途向けに容易に扱いやすく、その後、処理することができる。他の用途は、水素貯蔵またはコンデンサー部品を含んでもよい。
<Other uses>
The systems and methods of the present invention can provide high strength, low weight, or similar weight of bulk nanomaterials in composite sheets. By providing nanomaterials to the composite sheet, bulk nanomaterials can be (i) structural systems such as fabrics, armor, composite reinforcements, antennas, conductors or heat conductors, heaters, and electrodes, (ii) Mechanical construction elements such as plates and eye beams, and (iii) easy to handle for end use applications including cables or ropes, which can then be processed. Other applications may include hydrogen storage or condenser components.

前述の技術のスケールアップと商業化は、現在のリチウムイオン電池炭素と基板に匹敵する価格で十分な質の大量の材料を生産する能力に依存している。本発明の方法に従って生産された高品質なSWCNTSの大きなシートは、電池を製造するもととなる、強力で軽量で電気および熱伝導性の材料を提供する。   The scale-up and commercialization of the aforementioned technology relies on the ability to produce large quantities of materials of sufficient quality at a price comparable to current lithium-ion battery carbon and substrates. A large sheet of high quality SWCNTS produced according to the method of the present invention provides a strong, lightweight, electrically and thermally conductive material from which batteries can be made.

さらに、スポーツグッズ製品、ヘルメット、アンテナ、モーフィングアプリケーション、航空宇宙産業、避雷フレームの補強加工などのさらなる最終使用用途向けに、複合体シートは複合体構造へ組み込まれてもよい。複合体シートはさらに、ニッケルを含まなくてもよく、このことは、標準的な製品よりも毒性が少ない可能性があることを意味している。さらに、複合体シートは、完全にまたは一部交換するという必要性をなくすために、修復可能であってもよい。一実施形態において、Krayton、ビニルエステル、ポリフェニレンスルフィド(PPS)、ポリエーテルエーテルケトン(PEEK)、ビスポリアミド、BMI(ビスマレイミド)、エポキシ、または、ポリアミドのようなマトリックス前駆物質に複合体シートを含浸させ、その後、マトリックスを重合するまたは熱で硬化させることによって、複合体材料を形成してもよい。   Further, the composite sheet may be incorporated into a composite structure for further end use applications such as sporting goods products, helmets, antennas, morphing applications, aerospace industry, lightning frame reinforcement processing. The composite sheet may also be free of nickel, which means it may be less toxic than standard products. Further, the composite sheet may be repairable to eliminate the need for complete or partial replacement. In one embodiment, the composite sheet is impregnated with a matrix precursor such as Krayton, vinyl ester, polyphenylene sulfide (PPS), polyetheretherketone (PEEK), bispolyamide, BMI (bismaleimide), epoxy, or polyamide. And then the matrix may be polymerized or thermally cured to form a composite material.

本発明から作られたカーボンナノチューブの複合体シートには多様な用途がある。特定の用途の例としては、電磁波を吸収、反射、または、送信し得る、電磁干渉シールド(EMIシールド)が挙げられる。シールドは、周囲の機器からの干渉を防ぐのに有益であってもよく、ステレオシステム、電話、携帯電話、テレビ、医療デバイス、コンピューター、および他の多くの電気製品で見られてもよい。このような用途や同様の用途については、ガラス状カーボン前駆物質が実質的に薄い層に設けられ、その結果、カーボンナノチューブシートの特徴の劣化を防ぐために該シートへの浸透を最小限にすることができるということが重要かもしれない。   The carbon nanotube composite sheets made from the present invention have a variety of uses. An example of a specific application is an electromagnetic interference shield (EMI shield) that can absorb, reflect, or transmit electromagnetic waves. The shield may be beneficial to prevent interference from surrounding equipment and may be found in stereo systems, phones, cell phones, televisions, medical devices, computers, and many other electrical products. For such and similar applications, the glassy carbon precursor is provided in a substantially thin layer, so that the penetration of the carbon nanotube sheet is minimized to prevent deterioration of the carbon nanotube sheet characteristics. It may be important to be able to.

EMIシールドはさらに、カーボンナノチューブのシートからの挿入損失を最小化するのに役立つこともある。挿入損失は、複合体シートの使用前後に受電の差を表す。図10で示されるように、受電はほぼ即座に落ち、その後安定する。   The EMI shield may also help to minimize insertion loss from the carbon nanotube sheet. The insertion loss represents the difference in power reception before and after using the composite sheet. As shown in FIG. 10, the power reception drops almost immediately and then stabilizes.

カーボンナノチューブの複合体シートが、レーダー信号(EMIシールド)の吸収において結果として生じるアセンブリを利用するなどの、あるいは、避雷、ヒートシンク、または、アクチュエータなどの他の望ましい特性を提供するための、追加の用途を有することができる。そのような用途については、結合剤がカーボンナノチューブシートに浸透するかどうかは重要ではないこともある。したがって、ガラス状炭素材料は、コンデンサー、電池、または燃料電池用途で実行される場合よりも、手間をかけることなくコーティングすることができる。一実施形態において、この実施例における用途の基板は、黒鉛エポキシ、e−ガラスエポキシ、または他のタイプのマトリックスを含む組み合わせであり得る。   The carbon nanotube composite sheet utilizes additional assemblies such as utilizing the resulting assembly in the absorption of radar signals (EMI shields), or to provide other desirable characteristics such as lightning protection, heat sinks, or actuators. Can have uses. For such applications, it may not be important whether the binder penetrates the carbon nanotube sheet. Thus, the glassy carbon material can be coated with less effort than is done in capacitor, battery, or fuel cell applications. In one embodiment, the substrate for use in this example can be a graphite epoxy, an e-glass epoxy, or a combination that includes other types of matrices.

本発明は特定の実施形態を参照して記載されてきたが、本発明の精神と範囲から逸脱することなく、様々な変更が行なわれ、同等物が置き換えられてもよいことが、当業者によって理解されるに違いない。加えて、本発明の精神と範囲から逸脱することなく、特定の状況、指示、材料および物の組成物、処理工程に合わせるように多くの改良がなされてもよい。そのような全ての改良は、本明細書に添付された請求項の範囲内にあるように意図されている。   Although the present invention has been described with reference to particular embodiments, it will be appreciated by those skilled in the art that various changes and equivalents may be substituted without departing from the spirit and scope of the invention. It must be understood. In addition, many modifications may be made to adapt a particular situation, instruction, material and composition of matter, process steps, without departing from the spirit and scope of the present invention. All such modifications are intended to be within the scope of the claims appended hereto.

Claims (33)

電池であって、該電池は:
少なくとも1つのカーボンナノチューブのシートと、該シート内で相互分散した半導体粒子を有する陽極電流収集装置を含む負極;
混合金属酸化物が浸潤する少なくとも1つのカーボンナノチューブのシートを有する陰極電流収集装置を含む正極;及び
負極と正極の間に位置するセパレーター
を含むことを特徴とする、電池。
A battery, the battery comprising:
A negative electrode comprising an anode current collector having at least one sheet of carbon nanotubes and semiconductor particles interdispersed within the sheet;
A battery comprising: a positive electrode comprising a cathode current collector having a sheet of at least one carbon nanotube infiltrated with a mixed metal oxide; and a separator positioned between the negative electrode and the positive electrode.
シートは単層カーボンナノチューブから作られる、ことを特徴とする請求項1に記載の電池。   The battery of claim 1, wherein the sheet is made from single-walled carbon nanotubes. シートは多層カーボンナノチューブから作られる、ことを特徴とする請求項1に記載の電池。   The battery of claim 1, wherein the sheet is made from multi-walled carbon nanotubes. 半導体粒子はシリコン又はゲルマニウムの粒子である、ことを特徴とする請求項1に記載の電池。   The battery according to claim 1, wherein the semiconductor particles are silicon or germanium particles. 半導体粒子はカーボンナノチューブ上に溶接される、ことを特徴とする請求項1に記載の電池。   The battery according to claim 1, wherein the semiconductor particles are welded onto the carbon nanotubes. 正極は、リチウム及びニッケル、亜鉛、コバルト、又はそれらの混合物を含むリチウム混合金属酸化物が浸潤したカーボンナノチューブのシートから作られる、ことを特徴とする請求項1に記載の電池。   The battery according to claim 1, wherein the positive electrode is made of a sheet of carbon nanotubes infiltrated with lithium and a lithium mixed metal oxide containing nickel, zinc, cobalt, or a mixture thereof. カーボンナノチューブ複合材料から作られるケースを更に含む、請求項1に記載の電池。   The battery of claim 1, further comprising a case made from a carbon nanotube composite material. 複合材料は、ポリアミド、ポリフェニレンスルフィド、ポリエーテル・エーテル・ケトン、ポリプロピレン、ビスポリアミド、ビスマレイミド、エポキシ、及びそれらの組み合わせを含む、ことを特徴とする請求項7に記載の電池。   The battery of claim 7, wherein the composite material comprises polyamide, polyphenylene sulfide, polyether ether ketone, polypropylene, bispolyamide, bismaleimide, epoxy, and combinations thereof. セパレーターは、多孔性ポリエチレン膜、又はポリエチレン膜、或いはそれらの組み合わせである、ことを特徴とする請求項1に記載の電池。   The battery according to claim 1, wherein the separator is a porous polyethylene film, a polyethylene film, or a combination thereof. カーボンナノチューブのシートは約80g/mの密度を有する、ことを特徴とする請求項1に記載の電池。 The battery of claim 1, wherein the carbon nanotube sheet has a density of about 80 g / m 2 . 電池は角柱電池である、ことを特徴とする請求項1に記載の電池。   The battery according to claim 1, wherein the battery is a prismatic battery. カーボンナノチューブのシートは、十分に位置合わせしたカーボンナノチューブを含む、ことを特徴とする請求項1に記載の電池。   The battery of claim 1, wherein the sheet of carbon nanotubes includes well aligned carbon nanotubes. カーボンナノチューブのシートは更に、層間化合物としてリチウムを含む、ことを特徴とする請求項1に記載の電池。   The battery according to claim 1, wherein the carbon nanotube sheet further contains lithium as an intercalation compound. セパレーターは電解質溶液に浸される、ことを特徴とする請求項9に記載の電池。   The battery according to claim 9, wherein the separator is immersed in an electrolyte solution. 電池に使用するための陽極を形成するための方法であって、該方法は:
大量のカーボンナノチューブを形成する工程;
カーボンナノチューブと半導体粒子の大量の混合物を形成するために、大量の混合物内に半導体粒子を導入する工程;及び
内部に相互分散した半導体粒子を備えるカーボンナノチューブのマトリックスによって画成される、ほぼ平面の本体を形成するように、大量の混合物を表面上に堆積する工程
を含む方法。
A method for forming an anode for use in a battery, the method comprising:
Forming a large amount of carbon nanotubes;
Introducing a semiconductor particle into the bulk mixture to form a bulk mixture of carbon nanotubes and semiconductor particles; and a substantially planar surface defined by a matrix of carbon nanotubes having semiconductor particles interdispersed therein Depositing a large amount of the mixture on the surface to form a body.
生成工程は、リチウムの存在下で行われる、ことを特徴とする請求項15に記載の方法。   The method according to claim 15, wherein the generating step is performed in the presence of lithium. リチウムを揮発性の担体と混合する工程、及び、カーボンナノチューブ複合体シートを形成するために揮発性の担体を蒸発させる工程を更に含む、請求項15に記載の方法。   16. The method of claim 15, further comprising mixing lithium with a volatile carrier and evaporating the volatile carrier to form a carbon nanotube composite sheet. 半導体粒子を分散する工程において、粒子はシリコン又はゲルマニウムの粒子である、ことを特徴とする請求項15に記載の方法。   The method according to claim 15, wherein in the step of dispersing the semiconductor particles, the particles are silicon or germanium particles. 電池に使用するための陽極を形成する方法であって、該方法は:
カーボンナノチューブのマトリックスによって画成されるほぼ平面の本体を提供する工程;
超音波のパルストレインを使用してマトリックス半導体粒子内に半導体粒子を分散する工程
を含む、方法。
A method of forming an anode for use in a battery, the method comprising:
Providing a substantially planar body defined by a matrix of carbon nanotubes;
Dispersing the semiconductor particles within the matrix semiconductor particles using an ultrasonic pulse train.
電池に使用するための陰極を形成する方法であって、該方法は:
大量のカーボンナノチューブを形成する工程;
カーボンナノチューブとリチウム混合金属酸化物の大量の混合物を形成するために、大量の混合物内にリチウム混合金属酸化物を導入する工程;及び
内部に相互分散したリチウム混合金属酸化物を備えるカーボンナノチューブのマトリックスによって画成される、ほぼ平面の本体を形成するように、大量の混合物を移動表面上に堆積する工程
を含む方法。
A method of forming a cathode for use in a battery, the method comprising:
Forming a large amount of carbon nanotubes;
Introducing a lithium mixed metal oxide into the bulk mixture to form a bulk mixture of carbon nanotubes and lithium mixed metal oxide; and a matrix of carbon nanotubes comprising lithium mixed metal oxide interdispersed therein Depositing a large amount of the mixture on the moving surface so as to form a substantially planar body defined by.
リチウム混合金属酸化物を揮発性の担体と混合する工程、及びカーボンナノチューブ複合体シートを形成するために揮発性の担体を蒸発させる工程を更に含む、請求項20に記載の方法。   21. The method of claim 20, further comprising mixing the lithium mixed metal oxide with a volatile support and evaporating the volatile support to form a carbon nanotube composite sheet. 前記導入する工程において、リチウム混合金属酸化物は、リチウム及びニッケル、コバルト、又はそれらの混合物を含む、ことを特徴とする請求項20に記載の方法。   21. The method of claim 20, wherein in the introducing step, the lithium mixed metal oxide comprises lithium and nickel, cobalt, or a mixture thereof. 前記導入する工程において、リチウム混合金属酸化物は、リチウム及びニッケル、コバルト、又はそれらの混合物を含む、ことを特徴とする請求項22に記載の方法。   23. The method of claim 22, wherein in the introducing step, the lithium mixed metal oxide comprises lithium and nickel, cobalt, or a mixture thereof. 電池に使用するための陰極を形成する方法であって、該方法は:
カーボンナノチューブのマトリックスによって画成されるほぼ平面の本体を提供する工程;
マトリックスにリチウム混合金属酸化物を噴霧する工程
を含む、方法。
A method of forming a cathode for use in a battery, the method comprising:
Providing a substantially planar body defined by a matrix of carbon nanotubes;
Spraying a lithium mixed metal oxide onto the matrix.
電池を製造する方法であって、該方法は:
負極を形成するために複数の半導体粒子をカーボンナノチューブの第1シートに導入する工程;
正極を形成するためにリチウム混合金属酸化物をカーボンナノチューブの第2シート内に浸潤させる工程;
正極と負極の間にセパレーターを置く工程;及び
正極、負極、及びセパレーターをカーボンナノチューブシートのケースで密封する工程
を含む、方法。
A method of manufacturing a battery, the method comprising:
Introducing a plurality of semiconductor particles into a first sheet of carbon nanotubes to form a negative electrode;
Infiltrating a lithium mixed metal oxide into the second sheet of carbon nanotubes to form a positive electrode;
Placing a separator between the positive electrode and the negative electrode; and sealing the positive electrode, the negative electrode, and the separator with a carbon nanotube sheet case.
前記導入する工程において、半導体粒子はカーボンナノチューブ上に溶接される、ことを特徴とする請求項25に記載の方法。   26. The method of claim 25, wherein in the introducing step, semiconductor particles are welded onto the carbon nanotubes. 前記導入する工程において、半導体粒子はシリコン又はゲルマニウムの粒子である、ことを特徴とする請求項25に記載の方法。   26. The method according to claim 25, wherein in the introducing step, the semiconductor particles are silicon or germanium particles. 前記浸潤する工程において、リチウム混合金属酸化物は、リチウム、及びニッケル、コバルト、又はそれらの組み合わせを含む、ことを特徴とする請求項25に記載の方法。   26. The method of claim 25, wherein in the infiltrating step, the lithium mixed metal oxide comprises lithium and nickel, cobalt, or a combination thereof. 前記密封する工程において、ケースはカーボンナノチューブ複合材料を含む、ことを特徴とする請求項25に記載の方法。   26. The method of claim 25, wherein in the sealing step, the case comprises a carbon nanotube composite material. 前記密封する工程において、複合材料は、ポリアミド、ポリフェニレンスルフィド、ポリエーテル・エーテル・ケトン、ポリプロピレン、ビスポリアミド、ビスマレイミド、エポキシ、及びそれらの組み合わせを含む、ことを特徴とする請求項29に記載の方法。   30. The method of claim 29, wherein, in the sealing step, the composite material includes polyamide, polyphenylene sulfide, polyether ether ketone, polypropylene, bispolyamide, bismaleimide, epoxy, and combinations thereof. Method. 前記置く工程において、セパレーターは、多孔性ポリエチレン膜、又はポリエチレン膜、或いはそれらの組み合わせである、ことを特徴とする請求項25に記載の方法。   26. The method of claim 25, wherein in the placing step, the separator is a porous polyethylene membrane, a polyethylene membrane, or a combination thereof. 電池に使用するための陽極であって、該陽極は:
少なくとも1つのカーボンナノチューブのシート;及び
シート内に相互分散した複数の半導体粒子
を含む、陽極。
An anode for use in a battery, the anode comprising:
An anode comprising: a sheet of at least one carbon nanotube; and a plurality of semiconductor particles interdispersed within the sheet.
電池に使用するための陰極であって、該陰極は:
少なくとも1つのカーボンナノチューブのシート;及び
シート内に浸潤した混合金属酸化物
を含む、陰極。
A cathode for use in a battery, the cathode comprising:
A cathode comprising: a sheet of at least one carbon nanotube; and a mixed metal oxide infiltrated into the sheet.
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