JP2016026375A - カーボンナノチューブ複合材料構造及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
本出願は、以下に示す先出願の仮出願による利益を主張する。名称がELECTRODE STRUCTURE FOR ELECTROCHEMICAL POWER DEVICE AND PROCESS SEQUENCE FOR PREPARING THE STRUCTUREである、2009年7月6日に出願された出願番号61/223,338の仮出願、名称がANODE STRUCTURE FOR AN ELECTROCHEMICAL POWER DEVICE AND PROCESS SEQUENCE FOR PREPARING THE STRUCTUREである、2009年9月10日に出願された出願番号61/241,241の仮出願、名称がCOMPOSITE ELECTRODE STRUCTURE FOR ANODE FOR BATTERIES AND PROCESS SEQUENCE FOR MAKING THE STRUCTUREである、2009年11月9日に出願された出願番号61/259,365の仮出願、名称がMETHOD TO MANUFACTURE SHEET OF METAL−CARBON NANOTUBE COMPOSITEである、2010年3月4日に出願された出願番号61/310,563の仮出願、及び名称がMETHOD TO MANUFACTURE SHEET OF METAL−CARBON NANOTUBE COMPOSITEである、2010年5月25日に出願された出願番号61/347,995の仮出願の全てについて、ここで言及することによって、これらの出願全体を、事実上本明細書に組み込む。
(分野)
本発明は、概して、電気化学パワーデバイス(例えば、導電性バッテリー、スーパーキャパシタ、燃料電池等)のための電流導電体及び電極の全体又は一部として応用される、導電複合材料から伸びたカーボンナノチューブ(CNT)の固定されたアレイを含んだ構造及びデバイスに関する。さらに、本発明は、また、概して、上記の構造及びデバイスの製造方法に関する。
本明細書に記載されている電気化学パワーデバイスは、化学的形態において電気エネルギーを蓄え、要求に応じて電気的形態に戻って、それを放出し(例えば、携帯電話に使用されるLiイオンバッテリー)、化学的エネルギーを電気的エネルギーに変換し(例えば、水素又はメタノールのような化学燃料を使用できる、それを電気エネルギーに変換できる燃料電池)、及び/又は、電気エネルギーを蓄え、要求に応じてそれを放出する(例えば、スーパーキャパシタ)ことが可能な、デバイスを概して含んでいる。
本発明の一つの局面によれば、電気化学パワーデバイスのための構造が提供される。一実施形態において、当該構造は、導電性複合材料層及び当該層の内部に固定されたカーボンナノチューブの配列を含んでおり、カーボンナノチューブの少なくとも一部は、導電性複合材料層から伸びている。当該構造は、さらに、カーボンナノチューブ上に配置されているナノスケール粒子又は薄膜を含み得る。この構造の例は、様々な電気化学パワーデバイス(例えば、バッテリー、燃料電池又はキャパシタ)における電極として使用され得る。
図1は、本発明書に記載されている構造の例を一つ以上含んでいてもよい、電気化学パワーデバイスの一例を示す。
以下の記載は、当業者が、本発明の様々な態様及び実施形態を行うこと及び使用することを可能にするために提示され、特定の出願及びその要求の背景において提供される。実施形態への様々な変更は、当業者にとって容易に明らかとなり得、本明細書において定義されている総称的な原理は、発明の意図及び範囲から離れることなく、他の実施形態及び適用においても応用され得る。さらに、以下の記載において、多くの詳細が説明のために示されている。しかし、当業者は、これら明細書の詳細を使用せずに、本発明を実施し得る。他の例において、本発明の内容を不要な詳細により隠すのを防ぐために、公知の構造及びデバイスを、ブロック図の形態で示している。したがって、本発明は、示された実施形態に限定されることを意図していない。しかしながら、本明細書に開示された原則及び特徴に一貫した最も広範な範囲に一致する。
図1は、本発明書に記載した電流導電体構造の一例を一つ以上含み得る、電気化学パワーデバイスの一例を示す。特に、図1は、バッテリーデバイス10(例えば、Liイオンバッテリー)を概略的に示したものであり、当該デバイスは、セパレータ24によって分離されたカソード20及びアノード28を、通常備えている。カソード20は、通常、金属酸化物から形成されており、セパレータ24は、通常、ポリマー(例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン)、これらポリマーのラミネート等から形成される。本例において、アノード28は、導電性複合材料層110に固定されたCNT102を含む、CNT構造を備えている。CNT102は、導電性複合材料層110から電解質溶液30内まで伸びている。電解質溶液30として、例えば、リチウム塩又は有機溶媒がある。さらに、電解質溶液30及び/又はアノード28の領域に、電極のリチウムイオン挿入部を形成する追加材料を含んでいてもよいことを、当業者は認識する。このような追加材料として、例えば、炭素又はグラファイトパウダー、シリコンパウダー、シリコン合金パウダー等が挙げられる。
大まかには、本明細書に記載した構造の例を製造するための実施形態において、工程の例は、複合材料層内に固定された、又は、埋め込まれたCNTアレイを形成する工程、及びそこからCNTアレイを伸ばす工程を含んでいる。複合材料層から伸びたCNTは、少なくとも部分的には共通した方向に配列している。複合材料層内に固定されたCNTアレイの一部は、絡み合っていてもよく、又は、非配列方向に位置していてもよい。
CuSO4(0.1〜1M)
H2SO4(0.2〜2M)
多層CNT又はカーボンナノファイバー(0.5〜5g/リットル)
界面活性剤(例えば、トリトン(登録商標))溶液の0.1〜5容量%
電磁攪拌機により、60rpmで、25℃における溶液を攪拌
電気めっき電流0.1〜8A/dm2(平方デシメートルあたりのアンペア)
もちろん、所望の複合材料層及び特性、CNT特性、材料の厚み等に依存して、他の種々の濃度、組成及び/又は電気めっき溶液が使用可能であり、考慮される。さらに、電気めっき浴槽は、例えば、塩化物イオン、ポリエーテル、有気硫化物、窒素化合物等のような、他の種々の添加物を含んでいてもよい。種々の電気めっき溶液の特質を含んだ、CNT溶液における電気めっきの他の例は、米国特許第7,651,766号及び米国特許公報第2010/0122910号に記載されており、両方の文献の全体を、参照として本明細書に組み込む。
Claims (31)
- 電気化学パワーデバイスのための構造であって、
カーボンナノチューブの配列と、
導電性のカーボンナノチューブの複合材料層とを備え、
上記カーボンナノチューブの少なくとも一部は、上記複合材料層に固定され、そこから伸びている、構造。 - 導電性の上記複合材料層は、炭素−金属複合材料を含んでいる、請求項1に記載の構造。
- 上記カーボンナノチューブは、上記複合材料層の第一面及び第二面から伸びている、請求項1に記載の構造。
- 上記複合材料層から伸びた上記カーボンナノチューブの配列の一部は、共通した方向において配列している、請求項1に記載の構造。
- 上記複合材料層から伸びた上記カーボンナノチューブの配列の一部は、上記複合材料層に固定された上記カーボンナノチューブの配列の一部よりも、共通した方向により配列している、請求項1に記載の構造。
- 上記複合材料層に固定された上記カーボンナノチューブの配列の一部は、配列していない、請求項1に記載の構造。
- 上記複合材料層に固定された上記カーボンナノチューブの配列の一部は、上記複合材料層内において絡み合っている、請求項1に記載の構造。
- 上記カーボンナノチューブは、多壁化したチューブを含んでいる、請求項1に記載の構造。
- 上記カーボンナノチューブは、カーボンナノファイバーを含んでいる、請求項1に記載の構造。
- 請求項1に記載の構造を含んでいる、電流導電体。
- 請求項1に記載の構造を含んでいる、電極。
- 請求項1に記載の構造を含んでいる、電気化学パワーデバイス。
- 請求項1に記載の構造を含んでいる、リチウムイオンバッテリー。
- 請求項1に記載の構造を含んでいる、燃料電池。
- 請求項1に記載の構造を含んでいる、キャパシタ。
- 電気化学パワーデバイスのための構造を形成する方法であって、
カーボンナノチューブの配列を含んだ導電性複合材料層を形成する工程を含み、
上記配列のカーボンナノチューブの長さの少なくとも第一部分は、上記導電性複合材料層から伸びており、
上記配列のカーボンナノチューブの長さの少なくとも第二部分は、上記導電性複合材料層内に埋め込まれている、方法。 - 上記カーボンナノチューブの長さの上記第一部分は、共通した方向に沿って配列している、請求項16に記載の方法。
- 上記カーボンナノチューブの長さの上記第二部分は、配列していない、請求項16に記載の方法。
- 上記カーボンナノチューブは、上記導電性複合材料層内において絡み合っている、請求項18に記載の方法。
- テンプレート内に上記カーボンナノチューブの配列を形成する工程をさらに含み、
上記テンプレートは、上記カーボンナノチューブの配列の形成中に、カーボンナノチューブを配列させるための孔を有している、請求項18に記載の方法。 - 上記テンプレートを除去する工程をさらに含んでいる、請求項20に記載の方法。
- 化学気相成長工程を介して、上記カーボンナノチューブの配列を形成する工程をさらに含んでいる、請求項16に記載の方法。
- 基板を、溶液中のカーボンナノチューブを含む電気化学浴に通す工程と、
上記カーボンナノチューブの配列を含む導電層を上記基板に電気めっきする工程とをさらに含んでいる、請求項16に記載の方法。 - カーボンナノチューブの溶液を含む電気化学浴において、上記導電層を形成することをさらに含んでいる、請求項16に記載の方法。
- 上記導電層は、電気化学装置の一部に形成された後、そこから除去される、請求項24に記載の方法。
- 電気化学パワーデバイスのための構造を形成する方法であって、
基板を、カーボンナノチューブが分散した電気めっき溶液に通す工程と、
カーボンナノチューブを有する導電性複合材料層を、上記基板に電気めっきする工程とを含み、
上記カーボンナノチューブは上記導電性複合材料層から少なくとも一部が伸びている、方法。 - 上記導電性複合材料層を電気めっきする際に、上記電気めっき溶液に磁場を形成することによって、少なくとも部分的に上記カーボンナノチューブを配列させる工程をさらに含んでいる、請求項26に記載の方法。
- 上記導電性複合材料層を電気めっきする際に、上記電気めっき溶液に電場を形成することによって、少なくとも部分的に上記カーボンナノチューブを配列させる工程をさらに含んでいる、請求項26に記載の方法。
- 上記導電性複合材料層を電気めっきする際に、上記電気めっき溶液に磁場を形成することによって、溶液中の上記カーボンナノチューブの密度を増加させる工程をさらに含んでいる、請求項26に記載の方法。
- 上記導電性複合材料層を電気めっきする際に、上記電気めっき溶液に電場を形成することによって、溶液中の上記カーボンナノチューブの密度を増加させる工程をさらに含んでいる、請求項26に記載の方法。
- 上記工程は、ロールツーロール工程を含んでいる、請求項26に記載の方法。
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