JP2017174789A - Electrode for battery, biofuel cell and manufacturing method of electrode for battery - Google Patents

Electrode for battery, biofuel cell and manufacturing method of electrode for battery Download PDF

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an electrode for a battery capable of enhancing the output furthermore, and to provide a biofuel cell and a manufacturing method of the electrode for the battery.SOLUTION: An electrode for a battery includes a base material containing multiple carbon fiber bundles, and a conductive mesh structure 18 adhering to the surface and interior of the base material, and containing an aggregation of carbon nanotube foils 20. The conductive mesh structure 18 formed in the base material interconnects the carbon fibers 16 contained in a carbon fiber bundle 14, and connects the carbon fibers contained in one carbon fiber bundle with the carbon fibers contained in the other carbon fiber bundle.SELECTED DRAWING: Figure 5

Description

本発明は、電池用電極、バイオ燃料電池及び電池用電極の製造方法に関する。   The present invention relates to a battery electrode, a biofuel cell, and a method for producing a battery electrode.

近年、白金等の金属触媒の代わりに酵素を触媒に用いた燃料電池としてバイオ燃料電池が注目されている。バイオ燃料電池では、酸化還元酵素によって、燃料を酸化し、酸素を還元して化学エネルギーを電気エネルギーに変換する。   In recent years, biofuel cells have attracted attention as fuel cells using enzymes as catalysts instead of metal catalysts such as platinum. In biofuel cells, oxidoreductases are used to oxidize fuel and reduce oxygen to convert chemical energy into electrical energy.

このようなバイオ燃料電池では、出力を向上させるために種々の改良がなされている。   In such a biofuel cell, various improvements have been made to improve the output.

例えば、特許文献1には、カーボンナノチューブ等の炭素微粒子を、酵素及び金属酸化物と共に導電性の基材に固定して、酵素反応の効率を高めた酵素電極が開示されている。   For example, Patent Document 1 discloses an enzyme electrode in which carbon fine particles such as carbon nanotubes are fixed to a conductive base material together with an enzyme and a metal oxide to increase the efficiency of the enzyme reaction.

特開2012-28181号公報JP 2012-28181 A

炭素微粒子は、比表面積が大きな導電性材料であるので、電極材料として有用である。基材に固定される炭素微粒子の量が多いほど、電極の性能を高めることができる。より多量の炭素微粒子が固定された電極を用いることによって、出力のより向上した電池が得られる。   Since carbon fine particles are conductive materials having a large specific surface area, they are useful as electrode materials. The greater the amount of fine carbon particles fixed to the substrate, the higher the performance of the electrode. By using an electrode on which a larger amount of carbon fine particles are fixed, a battery with improved output can be obtained.

しかしながら、炭素微粒子が基材表面に付着されている場合には、炭素微粒子の付着量が多くなると炭素微粒子が脱離しやすくなる。この場合、脱離した炭素微粒子によって、周囲が汚染されるおそれがある。一方、脱離しないように炭素微粒子を基材に付着させた場合には、炭素微粒子の付着量は性能向上のために十分な量とはならない。   However, when the carbon fine particles are attached to the substrate surface, the carbon fine particles are easily detached when the amount of the carbon fine particles attached increases. In this case, the surroundings may be contaminated by the desorbed carbon fine particles. On the other hand, when carbon fine particles are adhered to the base material so as not to desorb, the amount of carbon fine particles attached is not sufficient for improving the performance.

バイオ燃料電池の出力をより向上させるために、より多量の炭素微粒子を効果的に基材に付着させた電池用電極が求められている。   In order to further improve the output of the biofuel cell, there is a need for a battery electrode in which a larger amount of carbon fine particles are effectively adhered to a substrate.

そこで本発明は、出力をより向上できる電池用電極、バイオ燃料電池及び電池用電極の製造方法を提供することを目的とする。   Then, an object of this invention is to provide the manufacturing method of the electrode for batteries which can improve an output more, a biofuel cell, and the electrode for batteries.

本発明の電池用電極は、複数の炭素繊維束を含む基材と、前記基材の表面及び内部に付着し、カーボンナノチューブの薄片の集合体を含む導電性網目構造体とを備え、前記基材の内部に形成された前記導電性網目構造体は、前記炭素繊維束に含まれる炭素繊維の間で前記炭素繊維同士をつなぐと共に、一方の炭素繊維束に含まれる炭素繊維と他方の炭素繊維束に含まれる炭素繊維とをつなぐことを特徴とする。   The battery electrode of the present invention includes a base material including a plurality of carbon fiber bundles, and a conductive network structure that is attached to the surface and the inside of the base material and includes an aggregate of thin pieces of carbon nanotubes. The conductive network structure formed inside the material connects the carbon fibers between the carbon fibers contained in the carbon fiber bundle, and the carbon fiber contained in one carbon fiber bundle and the other carbon fiber. It is characterized by connecting the carbon fibers contained in the bundle.

本発明のバイオ燃料電池は、前述の電池用電極を用いたことを特徴とする。   The biofuel cell of the present invention is characterized by using the aforementioned battery electrode.

本発明の電池用電極の製造方法は、カーボンナノチューブ分散液を準備する工程と、前記カーボンナノチューブ分散液を用いて、カーボンナノチューブの薄片の集合体を含む導電性網目構造体を基材の表面及び内部に付着させる工程とを備え、前記カーボンナノチューブの薄片は、前記カーボンナノチューブ分散液を凍結乾燥させることにより形成されることを特徴とする。   The method for producing a battery electrode according to the present invention includes a step of preparing a carbon nanotube dispersion, and using the carbon nanotube dispersion, a conductive network structure including an aggregate of carbon nanotube flakes is formed on a surface of a substrate and The carbon nanotube flakes are formed by freeze-drying the carbon nanotube dispersion.

本発明の電池用電極は、基材の表面及び内部に導電性網目構造体が付着している。導電性網目構造体は、カーボンナノチューブの薄片の集合体を含むので、カーボンナノチューブが単体の状態で基材に付着している場合よりも、電池用電極に含まれるカーボンナノチューブの量が多くなる。しかも、導電性網目構造体は表面積が大きいことから、導電性網目構造体が基材の表面に付着することによって、電池用電極の表面積が効率よく増大する。   In the battery electrode of the present invention, the conductive network structure is attached to the surface and inside of the substrate. Since the conductive network structure includes an aggregate of thin pieces of carbon nanotubes, the amount of carbon nanotubes contained in the battery electrode is larger than when the carbon nanotubes are attached to the substrate in a single state. In addition, since the conductive network structure has a large surface area, the surface area of the battery electrode efficiently increases when the conductive network structure adheres to the surface of the substrate.

また、電池用電極は、このような導電性網目構造体によって十分な導電性経路が基材に形成されているので、電池に用いたとき電池の出力をより向上できる。   Further, since the battery electrode has a sufficient conductive path formed on the base material by such a conductive network structure, the output of the battery can be further improved when used for a battery.

本発明のバイオ燃料電池は、十分な導電性経路を備えた電池用電極が用いられているので、従来よりも効率的に電気エネルギーを生成でき、また、電池用電極の表面積が大きいので、従来よりも電流密度を増加でき、電池の出力をより向上できる。   The biofuel cell of the present invention uses a battery electrode with a sufficient conductive path, so that it can generate electric energy more efficiently than the conventional one, and the surface area of the battery electrode is large. The current density can be increased more and the output of the battery can be further improved.

本発明の電池用電極の製造方法は、カーボンナノチューブ分散液を凍結乾燥させることによって、カーボンナノチューブの薄片を形成する。本発明の製造方法では、カーボンナノチューブの薄片が基材の表面及び内部で形成される、あるいはカーボンナノチューブの薄片を基材に浸透させるので、導電性網目構造体が基材に付着した電池用電極を製造することが可能である。   In the method for producing a battery electrode according to the present invention, the carbon nanotube dispersion is freeze-dried to form the carbon nanotube flakes. In the manufacturing method of the present invention, since the carbon nanotube flakes are formed on the surface and inside of the base material, or the carbon nanotube flakes are permeated into the base material, the electrode for battery having the conductive network structure attached to the base material Can be manufactured.

本実施形態に係る電池用電極の一部を拡大して示す模式図である。It is a schematic diagram which expands and shows a part of battery electrode which concerns on this embodiment. 炭素繊維束の構成を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the structure of a carbon fiber bundle. 導電性網目構造体を撮影したCCD顕微鏡画像である。It is a CCD microscope image which image | photographed the electroconductive network structure. 導電性網目構造体の走査電子顕微鏡(SEM:Scanning Electron Microscope)画像であり、図4Aは全体像、図4Bは図4Aにおける領域X1の拡大像である。FIG. 4A is a scanning electron microscope (SEM) image of a conductive mesh structure, FIG. 4A is an overall image, and FIG. 4B is an enlarged image of a region X1 in FIG. 4A. 炭素繊維束に含まれる複数の炭素繊維の状態を説明する模式図である。It is a schematic diagram explaining the state of the some carbon fiber contained in a carbon fiber bundle. 導電性網目構造体によりつながれた炭素繊維を示すSEM画像である。It is a SEM image which shows the carbon fiber connected by the electroconductive network structure. 塊状のCNT薄片(バルク体)を示すSEM画像である。It is a SEM image which shows a block-like CNT flake (bulk body). 塊状のCNT薄片(バルク体)の模式図である。It is a schematic diagram of a block-like CNT flake (bulk body). 他の実施形態に係る電池用電極の一部を拡大して示す模式図である。It is a schematic diagram which expands and shows a part of battery electrode which concerns on other embodiment. 実施例1の電池用電極と比較例1の電池用電極との電流−電位曲線を比較したグラフ図である。3 is a graph comparing current-potential curves of the battery electrode of Example 1 and the battery electrode of Comparative Example 1. FIG. 実施例2〜10の電池用電極の電流−電位曲線を示すグラフ図である。It is a graph which shows the electric current-potential curve of the battery electrode of Examples 2-10. 実施例2〜10の電池用電極の還元電流値の時間変化を示すグラフ図である。It is a graph which shows the time change of the reduction current value of the electrode for batteries of Examples 2-10. 実施例9の電池用電極と比較例1の電池用電極との電流−電位曲線を比較したグラフ図である。It is the graph which compared the electric current-potential curve of the battery electrode of Example 9, and the battery electrode of the comparative example 1. 実施例の電池用電極と比較例の電池用電極とのCNT付着量依存性を比較したグラフ図である。It is the graph which compared the CNT adhesion amount dependence of the battery electrode of an Example and the battery electrode of a comparative example. 実施例5の電池用電極に含まれる基材中の炭素繊維の表面のSEM画像であり、図15Aは全体像、図15Bは拡大像である。It is a SEM image of the surface of the carbon fiber in the base material contained in the battery electrode of Example 5, FIG. 15A is an overall image, and FIG. 15B is an enlarged image. 比較例1の電池用電極に含まれる基材中の炭素繊維の表面のSEM画像である。4 is a SEM image of the surface of carbon fibers in a base material included in the battery electrode of Comparative Example 1. 比較例4の電池用電極に含まれる基材中の炭素繊維の表面のSEM画像である。It is a SEM image of the surface of the carbon fiber in the base material contained in the battery electrode of Comparative Example 4. 実施例5の電池用電極に含まれる基材の断面のSEM画像である。6 is a SEM image of a cross section of a base material included in the battery electrode of Example 5. 比較例1の電池用電極に含まれる基材の断面のSEM画像である。4 is a SEM image of a cross section of a base material included in the battery electrode of Comparative Example 1.

(1)本実施形態のバイオ燃料電池
本実施形態に係るバイオ燃料電池は、アノード電極及びカソード電極の少なくとも一方として、後述する本実施形態の電池用電極を用いる。本実施形態に係るバイオ燃料電池は、この点が異なる以外、公知のバイオ燃料電池の構成を用いることができる。
(1) Biofuel cell of this embodiment The biofuel cell according to this embodiment uses a battery electrode of this embodiment described later as at least one of an anode electrode and a cathode electrode. The biofuel cell according to the present embodiment can use a configuration of a known biofuel cell except for this point.

例えば、本実施形態のバイオ燃料電池は、アノード電極及びカソード電極が、電解液中に配置された構成を有する。電解液は、酸化されて電子を放出する燃料、酸化還元酵素、及び必要に応じて電子伝達メディエータを含む。酸化還元酵素は、アノード電極で燃料を酸化させると共に、カソード電極で酸素などを還元させる。電子伝達メディエータは、酵素及び電極間の電子の受け渡しを媒介する。   For example, the biofuel cell of this embodiment has a configuration in which an anode electrode and a cathode electrode are arranged in an electrolyte solution. The electrolyte includes a fuel that is oxidized to release electrons, an oxidoreductase, and, if necessary, an electron transfer mediator. The oxidoreductase oxidizes fuel at the anode electrode and reduces oxygen and the like at the cathode electrode. The electron transfer mediator mediates the transfer of electrons between the enzyme and the electrode.

燃料としては、糖、アルコール、有機酸、アミン、水素及び無機化合物などの生物がエネルギー源として利用できるすべての還元物質を用いることができる。   As the fuel, all reducing substances that can be used as an energy source by living organisms such as sugar, alcohol, organic acid, amine, hydrogen and inorganic compounds can be used.

より具体的には、燃料としては、メタノール、エタノール、プロパノール、グリセリン、ポリビニルアルコールなどのアルコール類、グルコース、フルクトース、ソルボースなどの糖類、ホルムアルデヒド、アセトアルデヒドなどのアルデヒド類、及びこれら混合物を用いることができる。   More specifically, as fuel, alcohols such as methanol, ethanol, propanol, glycerin and polyvinyl alcohol, sugars such as glucose, fructose and sorbose, aldehydes such as formaldehyde and acetaldehyde, and mixtures thereof can be used. .

酸化還元酵素としては、上記の燃料を酸化できるとともに酸素を還元できる酵素を、使用する燃料に応じて選択して用いることができる。   As the oxidoreductase, an enzyme capable of oxidizing the above fuel and reducing oxygen can be selected and used according to the fuel used.

例えば、酸化還元酵素として、ラッカーゼ、アスコルビン酸オキシダーゼ、ビリルビンオキシダーゼ(BOD)、グルコースデヒドロゲナーゼ(GDH)、アルコールデヒドロゲナーゼ(ADH)、アルデヒドデヒドロゲナーゼ、グルコースオキシダーゼ(GOD)、アルコールオキシダーゼ(AOD)、及びアルデヒドオキシダーゼなどを用いることができる。   Examples of oxidoreductases include laccase, ascorbate oxidase, bilirubin oxidase (BOD), glucose dehydrogenase (GDH), alcohol dehydrogenase (ADH), aldehyde dehydrogenase, glucose oxidase (GOD), alcohol oxidase (AOD), and aldehyde oxidase. Can be used.

酸化還元酵素は、1種のみを単独で用いてもよく、2種以上を組み合わせて用いてもよい。   Only one type of oxidoreductase may be used alone, or two or more types may be used in combination.

電子伝達メディエータとしては、例えば、Os、Fe、Ru、Co、Cu、Ni、V、Mo、Cr、Mn、Pt及びWなどの金属元素を中心金属とする金属錯体、キノン、ベンゾキノン、アントラキノン及びナフトキノン等のキノン類、ビオローゲン、メチルビオローゲン及びベンジルビオローゲンなどの複素環式化合物などが挙げられる。電子伝達メディエータは、使用する酸化還元酵素に応じて選択される。   Electron transfer mediators include, for example, metal complexes having metal elements such as Os, Fe, Ru, Co, Cu, Ni, V, Mo, Cr, Mn, Pt, and W, quinones, benzoquinones, anthraquinones, and naphthoquinones. And heterocyclic compounds such as quinogens such as viologen, methyl viologen and benzyl viologen. The electron transfer mediator is selected according to the oxidoreductase used.

(2)本実施形態の電池用電極の構成
図1に示すように、電池用電極10は、複数の炭素繊維束14を含む基材12を備えている。
(2) Configuration of Battery Electrode of this Embodiment As shown in FIG. 1, the battery electrode 10 includes a base material 12 including a plurality of carbon fiber bundles 14.

本実施形態においては、基材12は、炭素繊維束14を経糸14a及び緯糸14bとした平織りの織布(炭素繊維クロス)である。基材12は、テフロン(登録商標)等のフッ素樹脂により撥水処理が施されていてもよい。炭素繊維束14は、図2に示すように複数の炭素繊維16を含んでいる。   In the present embodiment, the base material 12 is a plain woven fabric (carbon fiber cloth) in which the carbon fiber bundle 14 is a warp yarn 14a and a weft yarn 14b. The substrate 12 may be subjected to water repellent treatment with a fluororesin such as Teflon (registered trademark). The carbon fiber bundle 14 includes a plurality of carbon fibers 16 as shown in FIG.

基材12の一表面には、図3のCCD顕微鏡画像に示すような導電性網目構造体18が形成されている。なお、図3のCCD顕微鏡画像は、導電性網目構造体18をエタノールに再分散させて観察したものである。導電性網目構造体18は、基材12の一表面の炭素繊維束14に含まれる炭素繊維16の表面に付着している。導電性網目構造体18は、基材12の一表面を覆う単一の構造体に限定されない。導電性網目構造体18は、5μm□〜600μm□程度の大きさの構造体を複数含む場合がある。   On one surface of the substrate 12, a conductive network structure 18 as shown in the CCD microscope image of FIG. 3 is formed. The CCD microscope image in FIG. 3 is an observation of the conductive network structure 18 redispersed in ethanol. The conductive network structure 18 is attached to the surface of the carbon fiber 16 included in the carbon fiber bundle 14 on the one surface of the substrate 12. The conductive network structure 18 is not limited to a single structure that covers one surface of the substrate 12. The conductive network structure 18 may include a plurality of structures having a size of about 5 μm □ to 600 μm □.

導電性網目構造体18は、カーボンナノチューブ(以下、CNTという)の薄片20の集合体を含む。本実施形態においては、導電性網目構造体18は、CNT薄片20の集合体からなる(図4A、図4B参照)。CNT薄片20は、複数のCNTが互いに直接接続され、複数層に積層された薄片である。CNT薄片20は、数nm〜十数nm程度の厚さを有する。複数のCNT薄片20が三次元的に結合して網目状となって、導電性網目構造体18が形成される。CNT薄片20は、CNTを介して他のCNT薄片20と結合していてもよい。導電性網目構造体18中には、1〜100μm程度の大きさの連続気泡が存在する。   The conductive network structure 18 includes an aggregate of thin pieces 20 of carbon nanotubes (hereinafter referred to as CNT). In the present embodiment, the conductive network structure 18 is composed of an aggregate of CNT flakes 20 (see FIGS. 4A and 4B). The CNT flakes 20 are flakes in which a plurality of CNTs are directly connected to each other and stacked in a plurality of layers. The CNT flakes 20 have a thickness of about several nm to several tens of nm. The plurality of CNT slices 20 are three-dimensionally joined to form a network, and the conductive network structure 18 is formed. The CNT flakes 20 may be coupled to other CNT flakes 20 via CNTs. In the conductive network structure 18, open bubbles having a size of about 1 to 100 μm are present.

直接接続とは、CNT同士が、分散剤や界面活性剤、接着剤などで覆われておらず、互いに絡み合った状態で、CNT同士の間に接着剤や分散剤、界面活性剤などの介在物を介さずに接続していることをさす。直接接続には、物理的な接続(単なる接触)と、化学的な接続とが含まれる。   Direct connection means that the CNTs are not covered with a dispersant, a surfactant, an adhesive, etc., but are entangled with each other, and an inclusion such as an adhesive, a dispersant, a surfactant, etc. Indicates that the connection is made without going through. Direct connection includes physical connection (simple contact) and chemical connection.

電池用電極10は、基材12の内部にも導電性網目構造体18が付着している。基材12の内部とは、基材12の外側に露出していない部分をさし、炭素繊維束14の内部を含む。図5に示すように、炭素繊維束14の内部では、CNT薄片20同士の間に隙間24を有する導電性網目構造体18が炭素繊維16同士をつないでいる。   In the battery electrode 10, the conductive network structure 18 is attached to the inside of the base material 12. The inside of the base material 12 refers to a portion not exposed to the outside of the base material 12 and includes the inside of the carbon fiber bundle 14. As shown in FIG. 5, inside the carbon fiber bundle 14, a conductive network structure 18 having a gap 24 between the CNT thin pieces 20 connects the carbon fibers 16.

導電性網目構造体18は、炭素繊維16の表面に直接固定されている。導電性網目構造体18は、導電性網目構造体18に含まれるCNT薄片20またはCNT(図示せず)が、炭素繊維16の表面に直接固定されることによって、炭素繊維16の表面に固定されている。炭素繊維16とCNT薄片20との間、炭素繊維16とCNTとの間には、接着剤や分散剤、界面活性剤などは存在しない。   The conductive network structure 18 is directly fixed to the surface of the carbon fiber 16. The conductive network structure 18 is fixed to the surface of the carbon fiber 16 by the CNT flakes 20 or CNT (not shown) included in the conductive network structure 18 being directly fixed to the surface of the carbon fiber 16. ing. There are no adhesives, dispersants, surfactants, etc. between the carbon fibers 16 and the CNT flakes 20 and between the carbon fibers 16 and the CNTs.

図示していないが、導電性網目構造体18は、炭素繊維束14の表面でも、炭素繊維16同士をつないでいる。この場合も、CNT薄片20またはCNTが、炭素繊維16の表面に直接固定される。2つの炭素繊維束14(経糸14aと緯糸14b)が接する部分では、複数のCNT薄片20が導電性網目構造体18を形成して、一方の炭素繊維束14(例えば経糸14a)に含まれる炭素繊維16と、他方の炭素繊維束14(例えば緯糸14b)に含まれる炭素繊維16とをつなぐことができる。   Although not shown, the conductive network structure 18 also connects the carbon fibers 16 to each other on the surface of the carbon fiber bundle 14. Also in this case, the CNT flakes 20 or CNTs are directly fixed to the surface of the carbon fiber 16. In a portion where two carbon fiber bundles 14 (warp yarn 14a and weft yarn 14b) are in contact, a plurality of CNT slices 20 form a conductive network structure 18, and carbon contained in one carbon fiber bundle 14 (for example, warp yarn 14a). The fiber 16 and the carbon fiber 16 contained in the other carbon fiber bundle 14 (for example, the weft 14b) can be connected.

導電性網目構造体18によりつながれた炭素繊維16のSEM像を、図6に示す。2本の炭素繊維16の間には隙間24が存在し、炭素繊維16同士は、CNT薄片20の集合体からなる導電性網目構造体18によってつながれている。導電性網目構造体18中のCNT薄片20は、炭素繊維16の表面に直接固定されている。図6には示されていないが、導電性網目構造体18中には、所定の大きさの連続気泡が存在する。炭素繊維16の表面の一部には、CNT19が付着していることが確認される。   An SEM image of the carbon fiber 16 connected by the conductive network structure 18 is shown in FIG. A gap 24 exists between the two carbon fibers 16, and the carbon fibers 16 are connected to each other by a conductive network structure 18 made of an aggregate of the CNT thin pieces 20. The CNT flakes 20 in the conductive network structure 18 are directly fixed to the surface of the carbon fiber 16. Although not shown in FIG. 6, open bubbles of a predetermined size exist in the conductive network structure 18. It is confirmed that the CNT 19 is attached to a part of the surface of the carbon fiber 16.

固定とは、導電性網目構造体18に含まれるCNTと炭素繊維16とのファンデルワールス力による結合、及び導電性網目構造体18に含まれるCNTと炭素繊維16との官能基を介した化学的な結合を含む。官能基は、後述するように、炭素繊維16の表面、又は導電性網目構造体18に含まれるCNTの表面に形成されたものである。   The fixation means the bonding by the van der Waals force between the CNTs contained in the conductive network structure 18 and the carbon fibers 16 and the chemistry via the functional groups of the CNTs contained in the conductive network structure 18 and the carbon fibers 16. Including typical bonds. As will be described later, the functional group is formed on the surface of the carbon fiber 16 or the surface of the CNT included in the conductive network structure 18.

本実施形態の場合、炭素繊維16の表面は酸化されている。炭素繊維16の表面の一部には、ヒドロキシ基及びカルボキシ基などの官能基が形成されている。   In the present embodiment, the surface of the carbon fiber 16 is oxidized. A functional group such as a hydroxy group and a carboxy group is formed on a part of the surface of the carbon fiber 16.

導電性網目構造体18に含まれるCNTも同様に表面が酸化されており、ヒドロキシ基及びカルボキシ基などの官能基を表面に有している。CNT表面の官能基は、電池用電極10を電池の電極として用いた際に電子の受け渡しに寄与する。   The surface of the CNT included in the conductive network structure 18 is similarly oxidized, and has functional groups such as a hydroxy group and a carboxy group on the surface. The functional group on the CNT surface contributes to the delivery of electrons when the battery electrode 10 is used as a battery electrode.

これによって、より円滑に電子の受け渡しが行われるようになる。その結果、電池用電極10を電極に用いた電池では、効率的に電気エネルギーを発生させることができるようになり、電池の出力が向上する。電池用電極10をバイオ燃料電池の電極に用いた場合は、導電性網目構造体18と電子伝達メディエータとの電子の受け渡しが官能基を介しても行われるようになる、このようなバイオ燃料電池は、電子の受け渡しがより円滑になって電池の出力がより向上する。   As a result, electrons are transferred more smoothly. As a result, in the battery using the battery electrode 10 as an electrode, electric energy can be generated efficiently, and the output of the battery is improved. When the battery electrode 10 is used as an electrode of a biofuel cell, such a biofuel cell in which electrons are transferred between the conductive network structure 18 and the electron transfer mediator via a functional group. In this case, the delivery of electrons becomes smoother and the output of the battery is further improved.

上述したように、本実施形態の電池用電極10は、基材12に付着した導電性網目構造体18を含んでいる。導電性網目構造体18は、複数のCNT薄片20の集合体からなる。導電性網目構造体18に含まれるCNTの総量は、基材12に対し0.01wt%以上10wt%以下の割合であることが好ましい。0.01wt%未満の場合はCNTの存在頻度が低く、炭素繊維同士を繋ぐことが難しい。一方、10wt%を超えると、チキソ性が高すぎて炭素繊維クロスとの親和性が悪化して、複合化が困難になる。CNTが上記範囲内の割合である場合、基材12の機能を損なうことなく、電池の出力を高めることができる。電池用電極10に含まれるCNTの総量は、基材12に対し0.1wt%以上10wt%以下であるのがより好ましく、3wt%以上10wt%以下であるのが最も好ましい。   As described above, the battery electrode 10 of the present embodiment includes the conductive network structure 18 attached to the substrate 12. The conductive network structure 18 is composed of an aggregate of a plurality of CNT slices 20. The total amount of CNT contained in the conductive network structure 18 is preferably a ratio of 0.01 wt% or more and 10 wt% or less with respect to the base material 12. When it is less than 0.01 wt%, the presence frequency of CNTs is low, and it is difficult to connect carbon fibers. On the other hand, if it exceeds 10 wt%, the thixotropy is too high and the affinity with the carbon fiber cloth deteriorates, making it difficult to form a composite. When the CNT is within the above range, the output of the battery can be increased without impairing the function of the substrate 12. The total amount of CNT contained in the battery electrode 10 is more preferably 0.1 wt% or more and 10 wt% or less with respect to the base material 12, and most preferably 3 wt% or more and 10 wt% or less.

CNT薄片20は、基材12の一表面及び内部で網目状となって導電性網目構造体18を形成していればよく、基材12の厚さ方向におけるCNT薄片20の分布状態は、特に規定されない。導電性網目構造体18は、基材12の一表面に加えて他表面にも形成されていてもよい。   The CNT flakes 20 are only required to form a network on one surface and inside of the base material 12 to form the conductive network structure 18, and the distribution state of the CNT flakes 20 in the thickness direction of the base material 12 is particularly Not specified. The conductive network structure 18 may be formed on the other surface in addition to the one surface of the substrate 12.

なお、基材12及び導電性網目構造体18の機能を制限しない限り、電池用電極10は、炭素繊維16と接着剤や分散剤などを介して結合したCNTを含むCNT薄片20が存在していてもよい。   In addition, unless the function of the base material 12 and the conductive network structure 18 is limited, the battery electrode 10 includes the CNT flakes 20 including CNTs bonded to the carbon fibers 16 via an adhesive, a dispersant, or the like. May be.

(3)本実施形態の電池用電極の製造方法
続いて、電池用電極10の製造方法を説明する。電池用電極10を製造する方法は、(3−1)CNT分散液を準備する工程、及び(3−2)CNT薄片の集合体からなる導電性網目構造体を基材に付着させる工程を含む。CNT薄片は、CNT分散液を凍結乾燥させることによって形成される。以下、各工程について説明する。
(3) Manufacturing method of battery electrode of this embodiment Subsequently, the manufacturing method of the battery electrode 10 is demonstrated. The method for manufacturing the battery electrode 10 includes (3-1) a step of preparing a CNT dispersion, and (3-2) a step of attaching a conductive network structure made of an aggregate of CNT flakes to a substrate. . The CNT flakes are formed by lyophilizing the CNT dispersion. Hereinafter, each step will be described.

(3−1)CNT分散液を準備する工程
CNT分散液は、例えばCNTを作製し、得られたCNTを分散溶媒に分散させることにより準備することができる。
(3-1) Step of Preparing CNT Dispersion The CNT dispersion can be prepared by, for example, preparing CNTs and dispersing the obtained CNTs in a dispersion solvent.

(3−1−1)CNTの作製
CNTは、例えば特開2007−126311号公報に記載されているような熱CVD法を用いて作製することができる。この場合、まず、シリコン基板上にアルミニウム、鉄からなる触媒膜を成膜し、触媒膜を熱処理して触媒膜表面に触媒粒子を形成する。次に、加熱雰囲気中で炭化水素ガスを触媒粒子に接触させ、触媒粒子からCNTを成長させることで、CNTを作製できる。
(3-1-1) Production of CNT CNT can be produced using a thermal CVD method as described in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2007-126311. In this case, first, a catalyst film made of aluminum and iron is formed on a silicon substrate, and the catalyst film is heat-treated to form catalyst particles on the surface of the catalyst film. Next, CNT can be produced by bringing hydrocarbon gas into contact with the catalyst particles in a heated atmosphere and growing the CNTs from the catalyst particles.

このようにして作製されたCNTは、基板上において基板表面に対して垂直方向に直線的に配向し、数百から数千という高いアスペクト比を有している。CNTは、基板から刈り取って使用する。刈り取ったCNTに触媒粒子やその欠片などの触媒残渣が含まれている場合には、適切な処理を施して触媒残渣を取り除くことが望ましい。触媒残渣は、作製したCNTを不活性ガス中で高温アニールすることによって除去することができる。あるいは、硝酸と硫酸の混酸、または過酸化水素水と硫酸の硫酸過水にCNTを浸漬して酸処理を施すことによって、触媒残渣を除去してもよい。混酸中における硝酸と硫酸との比率は、任意に決定することができる。硫酸過水中における過酸化水素水と硫酸との比率も、任意に決定することができる。CNTに酸処理を施した場合には、CNTの表面が酸化される。   The CNTs thus produced are linearly oriented in the direction perpendicular to the substrate surface on the substrate and have a high aspect ratio of several hundred to several thousand. The CNT is used by cutting it from the substrate. When the cut CNT contains catalyst residues such as catalyst particles and fragments thereof, it is desirable to remove the catalyst residues by performing an appropriate treatment. The catalyst residue can be removed by annealing the produced CNT at a high temperature in an inert gas. Or you may remove a catalyst residue by immersing CNT in the mixed acid of nitric acid and a sulfuric acid, or the hydrogen peroxide solution and the sulfuric acid persulfate of a sulfuric acid, and performing an acid treatment. The ratio of nitric acid and sulfuric acid in the mixed acid can be arbitrarily determined. The ratio of the hydrogen peroxide solution and sulfuric acid in the sulfuric acid / hydrogen peroxide can also be determined arbitrarily. When the CNT is subjected to an acid treatment, the surface of the CNT is oxidized.

CNTは、CNT以外の不純物(触媒残渣など)を極力含まずに得られる方法で作製するのが望ましい。CNTは、アーク放電法、レーザ蒸発法などその他の方法により作製することもできる。作製されたCNT中に不純物が含まれている場合には、不純物は、触媒残渣と同様に除去することが望まれる。   CNTs are preferably produced by a method that can be obtained without containing impurities (such as catalyst residues) other than CNTs as much as possible. CNT can also be produced by other methods such as an arc discharge method and a laser evaporation method. When the produced CNT contains impurities, it is desirable to remove the impurities in the same manner as the catalyst residue.

CNTは、多層であるのが好ましい。またCNTは、長さが0.1μm以上50μm以下であるのが好ましい。CNTは長さが0.1μm以上であると、CNT同士が絡まり合って直接接続される。またCNTは長さが50μm以下であると、均等に分散しやすくなる。一方、CNTは長さが0.1μm未満であるとCNT同士が絡まりにくくなる。また、CNTは長さが50μm超であると凝集しやすくなる。   The CNT is preferably multi-layered. Moreover, it is preferable that CNT is 0.1 micrometer or more and 50 micrometers or less in length. When the length of the CNT is 0.1 μm or more, the CNTs are entangled and directly connected. Further, when the length of the CNT is 50 μm or less, it becomes easy to disperse evenly. On the other hand, if the length of the CNT is less than 0.1 μm, the CNTs are less likely to be entangled with each other. Further, CNTs tend to aggregate when the length exceeds 50 μm.

CNTは、直径が30nm以下であるのが好ましい。CNTは直径が30nm以下であると、柔軟性に富み容易に変形できるので、CNT薄片20を形成して導電性網目構造体18を構成し易い。一方、CNTは直径が30nm超であると、柔軟性が乏しくなって変形しにくくなるので、CNT薄片20を形成し難くなる。   The CNT preferably has a diameter of 30 nm or less. If the diameter of the CNT is 30 nm or less, the CNT flakes 20 can be easily deformed, so that the conductive network structure 18 can be easily formed by forming the CNT flakes 20. On the other hand, if the diameter of the CNT is more than 30 nm, the CNT flakes 20 are difficult to form because the flexibility is poor and deformation is difficult.

CNTの直径は、20nm以下であるのがより好ましい。CNTの直径は、透過型電子顕微鏡(TEM:Transmission Electron Microscope)により撮影した画像から求めた平均直径とする。画像は、凍結乾燥する前のCNT分散液中からCNTの一部を取り出して撮影することができる。   The diameter of CNT is more preferably 20 nm or less. The diameter of CNT is taken as the average diameter calculated | required from the image image | photographed with the transmission electron microscope (TEM: Transmission Electron Microscope). The image can be taken by taking a part of the CNT from the CNT dispersion before lyophilization.

(3−1−2)CNTの分散
まず、上記の方法で作製したCNTを所定温度の酸素雰囲気中で酸化する。酸化により触媒や金属が除去されて、ヒドロキシ基やカルボキシ基などの官能基が、CNTの表面の一部に形成される。CNTは、オゾン処理により酸化することができる。CNTは、硝酸と硫酸の混酸、あるいは過酸化水素水と硫酸の硫酸過水に浸漬することによって酸化することもできる。混酸中における硝酸と硫酸との比率は、任意に決定することができる。硫酸過水中における過酸化水素水と硫酸との比率も、任意に決定することができる。
(3-1-2) Dispersion of CNT First, the CNT produced by the above method is oxidized in an oxygen atmosphere at a predetermined temperature. The catalyst and metal are removed by oxidation, and a functional group such as a hydroxy group or a carboxy group is formed on a part of the surface of the CNT. CNT can be oxidized by ozone treatment. CNTs can also be oxidized by immersing them in a mixed acid of nitric acid and sulfuric acid, or in a hydrogen peroxide solution and sulfuric acid persulfate. The ratio of nitric acid and sulfuric acid in the mixed acid can be arbitrarily determined. The ratio of the hydrogen peroxide solution and sulfuric acid in the sulfuric acid / hydrogen peroxide can also be determined arbitrarily.

上述したようにCNT作製において、酸処理により触媒残渣を除去した場合には、CNTの表面が酸化される。CNTの表面の一部には、酸化によってヒドロキシ基やカルボキシ基などの官能基がすでに形成されているので、ここでの酸化は必ずしも行なう必要はない。   As described above, when the catalyst residue is removed by acid treatment in CNT production, the surface of the CNT is oxidized. Since a functional group such as a hydroxy group or a carboxy group has already been formed on a part of the surface of the CNT by oxidation, the oxidation here is not necessarily performed.

表面が酸化されたCNTを、所定の濃度となるように分散溶媒に加え、均一に分散させてCNT分散液が得られる。CNT分散液中のCNTの濃度が低すぎる場合には、CNT薄片20を形成して導電性網目構造体18を得ることが困難になる。CNT分散液中におけるCNTの濃度は、少なくとも500ppm程度以上であることが望まれる。CNTの濃度が過剰に高いCNT分散液を用いても、顕著な効果が得られるわけではない。CNT分散液中のCNTの濃度は、最大でも10000ppm程度とすれば十分である。CNT分散液中におけるCNTの濃度は、例えば1000ppmとすることができる。   The CNT having a surface oxidized is added to a dispersion solvent so as to have a predetermined concentration, and is uniformly dispersed to obtain a CNT dispersion. If the CNT concentration in the CNT dispersion is too low, it becomes difficult to form the CNT flakes 20 and obtain the conductive network structure 18. It is desirable that the concentration of CNT in the CNT dispersion is at least about 500 ppm. Even if a CNT dispersion having an excessively high concentration of CNTs is used, a remarkable effect is not obtained. It is sufficient that the CNT concentration in the CNT dispersion is about 10,000 ppm at the maximum. The concentration of CNT in the CNT dispersion can be set to 1000 ppm, for example.

CNTを均一に分散させるには、ホモジナイザーや高圧せん断、超音波分散機などを用いることができる。CNT分散液は、CNTが1本ずつ物理的に分離して絡み合っていない状態で分散溶媒中に分散している。2以上のCNTが凝集した凝集体の割合は、CNT全体の10%以下である。CNTの凝集体の割合は、TEM画像からCNTの本数と凝集体の個数を測定して求めることができる。   In order to uniformly disperse CNTs, a homogenizer, high-pressure shear, an ultrasonic disperser, or the like can be used. The CNT dispersion liquid is dispersed in the dispersion solvent in a state where the CNTs are physically separated and are not entangled one by one. The ratio of aggregates in which two or more CNTs aggregate is 10% or less of the entire CNTs. The proportion of CNT aggregates can be determined by measuring the number of CNTs and the number of aggregates from a TEM image.

分散溶媒は、その中にCNTが分散できることに加えて、極低温冷媒に接触させて凍結すること、乾燥により除去できること、が求められる。分散溶媒としては、例えば、水、アルコール類(エタノール、メタノール、イソプロピルアルコールなど)、有機溶媒(トルエン、アセトン、テトラヒドロフラン(THF)、メチルエチルケトン(MEK)、ヘキサン、ノルマルヘキサン、エチルエーテル、キシレン、酢酸メチル、酢酸エチルなど)を用いることができる。CNT分散液は、基材12及びCNTの機能を制限しない限り、分散剤、界面活性剤、接着剤などを含有していてもよい。   In addition to being able to disperse CNTs therein, the dispersion solvent is required to be frozen by contact with a cryogenic refrigerant and to be removed by drying. Examples of the dispersion solvent include water, alcohols (ethanol, methanol, isopropyl alcohol, etc.), organic solvents (toluene, acetone, tetrahydrofuran (THF), methyl ethyl ketone (MEK), hexane, normal hexane, ethyl ether, xylene, methyl acetate. , Ethyl acetate, etc.) can be used. The CNT dispersion liquid may contain a dispersant, a surfactant, an adhesive and the like as long as the functions of the base material 12 and the CNT are not limited.

なお、CNT分散液を準備するに当たって、CNTの作製は必ずしも必要とはされない。上述したような条件を備えたCNTを入手した場合には、所定の分散溶媒に分散させてCNT分散液を準備することができる。CNT分散液自体を入手可能な場合には、CNTの作製や分散溶媒へのCNTの分散を行なうことなく、CNT分散液を準備することができる。   In preparing the CNT dispersion, it is not always necessary to produce CNTs. When a CNT having the above-described conditions is obtained, a CNT dispersion can be prepared by dispersing in a predetermined dispersion solvent. When the CNT dispersion itself can be obtained, the CNT dispersion can be prepared without producing CNT or dispersing CNT in the dispersion solvent.

(3−2)CNT薄片の集合体からなる導電性網目構造体を基材に付着させる工程
基材12に前処理を施した後、CNT分散液を用いて、CNT薄片20の集合体からなる導電性網目構造体を基材12に付着させる。
(3-2) A process of attaching a conductive network structure composed of an aggregate of CNT flakes to a base material After pre-treating the base material 12, it is composed of an aggregate of CNT flakes 20 using a CNT dispersion. A conductive network structure is attached to the substrate 12.

(3−2−1)基材の前処理
基材12としては、所定の大きさに切断した炭素繊維クロスなどを用意する。炭素繊維クロスは、複数の炭素繊維16を含む炭素繊維束14を経糸14a及び緯糸14bとして有する平織りの織布とすることができる。炭素繊維クロスは、テフロンにより撥水化処理が施されていてもよい。使用し得る基材12としては、例えば、東陽テクニカ製カーボンクロス(EC−CC1−0601T)が挙げられる。
(3-2-1) Pretreatment of base material As the base material 12, a carbon fiber cloth cut into a predetermined size is prepared. The carbon fiber cloth can be a plain woven fabric having a carbon fiber bundle 14 including a plurality of carbon fibers 16 as warps 14a and wefts 14b. The carbon fiber cloth may be subjected to water repellency treatment with Teflon. Examples of the substrate 12 that can be used include carbon cloth (EC-CC1-0601T) manufactured by Toyo Technica.

基材12は、酸素雰囲気中で所定温度に加熱して、炭素繊維束14を構成している炭素繊維16の表面を酸化する。基材12を加熱する。これにより、触媒や金属が除去されて、炭素繊維16の表面の一部にヒドロキシ基やカルボキシ基などの官能基が形成される。炭素繊維16の表面は、オゾン処理により酸化することができる。あるいは、例えば硝酸と硫酸の混酸に基材12を浸漬することによって、炭素繊維16の表面を酸化してもよい。混酸中における硝酸と硫酸との比率は、任意に決定することができる。   The base material 12 is heated to a predetermined temperature in an oxygen atmosphere to oxidize the surface of the carbon fibers 16 constituting the carbon fiber bundle 14. The substrate 12 is heated. Thereby, the catalyst and the metal are removed, and a functional group such as a hydroxy group or a carboxy group is formed on a part of the surface of the carbon fiber 16. The surface of the carbon fiber 16 can be oxidized by ozone treatment. Alternatively, for example, the surface of the carbon fiber 16 may be oxidized by immersing the base material 12 in a mixed acid of nitric acid and sulfuric acid. The ratio of nitric acid and sulfuric acid in the mixed acid can be arbitrarily determined.

このようにヒドロキシ基やカルボキシ基などの官能基を炭素繊維16の表面の一部に形成して、基材12に前処理が施される。   In this way, a functional group such as a hydroxy group or a carboxy group is formed on a part of the surface of the carbon fiber 16, and the substrate 12 is pretreated.

(3−2−2)基材への導電性網目構造体の付着
導電性網目構造体18は、上述のように調製されたCNT分散液を、前処理後の基材12に浸透させ、凍結乾燥によりCNT薄片20を基材12の表面及び内部に形成して、基材12に付着させることができる(第1の付着法)。あるいは、導電性網目構造体18は、CNT薄片分散液を前処理後の基材12に浸透させることによって、基材12に付着させることができる(第2の付着法)。CNT薄片分散液は、CNT薄片20を含む分散液であり、CNT分散液を凍結乾燥させて調製することができる。CNT分散液の凍結乾燥は、例えば特開2015−101531号公報に記載されている方法を参考にすることができる。第1、第2のそれぞれの付着法について、以下に説明する。
(3-2-2) Adhesion of Conductive Network Structure to Substrate Conductive network structure 18 allows CNT dispersion prepared as described above to permeate base material 12 after pretreatment and freeze. The CNT flakes 20 can be formed on the surface and inside of the substrate 12 by drying, and can be adhered to the substrate 12 (first adhesion method). Alternatively, the conductive network structure 18 can be attached to the base material 12 by infiltrating the CNT flake dispersion into the base material 12 after the pretreatment (second attachment method). The CNT flake dispersion is a dispersion containing the CNT flakes 20 and can be prepared by freeze-drying the CNT dispersion. For the freeze-drying of the CNT dispersion liquid, for example, a method described in JP-A-2015-101531 can be referred to. The first and second adhesion methods will be described below.

<第1の付着法>
まず、上述のように調製されたCNT分散液を、前処理後の基材12に浸透させる。CNT分散液は、基材12を構成している炭素繊維束14の内部、具体的には炭素繊維16同士の間まで浸透することが求められる。基材12をCNT分散液中に浸漬して、CNT分散液を炭素繊維束14内部まで浸透させることができる。CNT分散液は、撥水性の樹脂シートの上に載置された基材12の表面に滴下して、炭素繊維束14の内部まで浸透させてもよい。撥水性の樹脂シートとしては、例えばポリテトラフルオロエチレン(PTFE)シートを用いることができる。
<First adhesion method>
First, the CNT dispersion prepared as described above is allowed to permeate the substrate 12 after pretreatment. The CNT dispersion liquid is required to permeate the inside of the carbon fiber bundle 14 constituting the substrate 12, specifically, between the carbon fibers 16. The base material 12 can be immersed in the CNT dispersion liquid to allow the CNT dispersion liquid to penetrate into the carbon fiber bundle 14. The CNT dispersion may be dropped on the surface of the base material 12 placed on a water-repellent resin sheet so as to penetrate into the carbon fiber bundle 14. As the water-repellent resin sheet, for example, a polytetrafluoroethylene (PTFE) sheet can be used.

CNT分散液が浸透した基材12は、急冷してCNT分散液を凍結させる。例えば、CNT分散液が浸透した基材12を所定の容器に収容し、容器ごと極低温冷媒に浸漬して、基材12に浸透したCNT分散液を凍結させる。極低温冷媒としては、例えば液体窒素、ドライアイス等を用いることができる。CNT分散液中の分散溶媒は、基材12を構成している炭素繊維束14の表面及び内部で急冷凍結し、基材12の全体にわたって多数の凍結氷塊が生成する。   The base material 12 infiltrated with the CNT dispersion is rapidly cooled to freeze the CNT dispersion. For example, the base material 12 infiltrated with the CNT dispersion liquid is accommodated in a predetermined container, the whole container is immersed in a cryogenic refrigerant, and the CNT dispersion liquid infiltrated into the base material 12 is frozen. For example, liquid nitrogen or dry ice can be used as the cryogenic refrigerant. The dispersion solvent in the CNT dispersion liquid is rapidly frozen and frozen on the surface and inside of the carbon fiber bundle 14 constituting the base material 12, and a large number of frozen ice blocks are generated throughout the base material 12.

炭素繊維束14の表面及び内部では、CNT分散液中のCNTが凍結氷塊外に押しやられる。複数のCNTが互いに直接接続され、複数層に積層して薄片を形成する。こうして、複数のCNT薄片20が炭素繊維束14の表面及び内部に形成される。CNT薄片20の厚さは、数nm〜十数nm程度である。CNT分散液が凍結した炭素繊維束14は複数の炭素繊維16を含んでいるので、炭素繊維16同士の間は、凍結氷塊とCNT薄片20とで埋められる。CNT薄片20の形成に寄与しなかったCNTが、そのまま残留する場合もある。   On the surface and inside of the carbon fiber bundle 14, the CNT in the CNT dispersion is pushed out of the frozen ice block. A plurality of CNTs are directly connected to each other and laminated in a plurality of layers to form a flake. Thus, a plurality of CNT flakes 20 are formed on the surface and inside of the carbon fiber bundle 14. The thickness of the CNT flakes 20 is about several nm to several tens of nm. Since the carbon fiber bundle 14 in which the CNT dispersion is frozen contains a plurality of carbon fibers 16, the gap between the carbon fibers 16 is filled with frozen ice blocks and CNT flakes 20. CNT that did not contribute to the formation of the CNT flakes 20 may remain as it is.

次いで、減圧乾燥を行なって、凍結氷塊を除去する。減圧乾燥は、例えば真空乾燥機中に所定時間、基材12を載置することによって達成することができる。凍結氷塊が除去され、複数のCNT薄片20が三次元的に結合して網目状となり、導電性網目構造体18が形成される。導電性網目構造体18には、1〜100μm程度の連続気泡が含まれる場合がある。CNTが残留している場合には、このCNTも導電性網目構造体18に取り込まれる。CNT薄片20又はCNTが炭素繊維16に直接固定されて、導電性網目構造体18が基材12の内部に付着する。   Next, drying under reduced pressure is performed to remove frozen ice blocks. The reduced-pressure drying can be achieved, for example, by placing the base material 12 in a vacuum dryer for a predetermined time. The frozen ice block is removed, and the plurality of CNT slices 20 are three-dimensionally joined to form a network, and the conductive network structure 18 is formed. The conductive network structure 18 may contain open cells of about 1 to 100 μm. If CNT remains, this CNT is also taken into the conductive network structure 18. The CNT flakes 20 or CNTs are directly fixed to the carbon fibers 16, and the conductive network structure 18 adheres to the inside of the substrate 12.

導電性網目構造体18は、炭素繊維束14内部で炭素繊維16同士をつなぐ。さらに、導電性網目構造体18は、炭素繊維束14同士の間でも、炭素繊維16同士をつなぐことができる。凍結氷塊が除去された部分は、導電性網目構造体18の隙間24になる。隙間24の大きさは、10〜500nm程度である。   The conductive network structure 18 connects the carbon fibers 16 inside the carbon fiber bundle 14. Further, the conductive network structure 18 can connect the carbon fibers 16 to each other even between the carbon fiber bundles 14. The portion from which the frozen ice block has been removed becomes a gap 24 of the conductive network structure 18. The size of the gap 24 is about 10 to 500 nm.

基材12に浸透したCNT分散液中の分散溶媒が凍結することによって、基材12の表面にも多数の凍結氷塊とともにCNT薄片20が形成される。凍結氷塊を除去することで、基材12の表面にも導電性網目構造体18が付着する。   When the dispersion solvent in the CNT dispersion liquid that has permeated the substrate 12 is frozen, the CNT flakes 20 are also formed on the surface of the substrate 12 together with a large number of frozen ice blocks. By removing the frozen ice block, the conductive network structure 18 also adheres to the surface of the substrate 12.

このように、第1の付着法では、基材12に浸透したCNT分散液を凍結乾燥させることによって、基材12の表面及び内部に導電性網目構造体18が形成される。   Thus, in the first adhesion method, the conductive network structure 18 is formed on the surface and inside of the substrate 12 by freeze-drying the CNT dispersion that has permeated the substrate 12.

<第2の付着法>
まず、上述のように調製されたCNT分散液を所定の容器に収容し、液体窒素等の極低温冷媒に容器ごと浸漬してCNT分散液を凍結させる。CNT分散液を凍結させることによって、分散溶媒は凍結氷塊となり、CNTが凍結氷塊外に押しやられる。押しやられた複数のCNTによってCNT薄片20が塊状に形成される。塊状のCNT薄片20(以下、バルク体とも称する)の大きさは、数〜数百μm程度である。上述したように、CNT薄片20は、複数のCNTが互いに直接接続され、複数層に積層することで形成される。
<Second adhesion method>
First, the CNT dispersion prepared as described above is accommodated in a predetermined container, and the container is immersed in a cryogenic refrigerant such as liquid nitrogen to freeze the CNT dispersion. By freezing the CNT dispersion, the dispersion solvent becomes frozen ice blocks, and the CNTs are pushed out of the frozen ice blocks. The CNT flakes 20 are formed in a lump shape by the pushed CNTs. The size of the massive CNT flakes 20 (hereinafter also referred to as a bulk body) is about several to several hundred μm. As described above, the CNT flakes 20 are formed by a plurality of CNTs being directly connected to each other and stacked in a plurality of layers.

図7には、塊状のCNT薄片20(バルク体200)のSEM画像を示す。多数のCNT薄片20が高密度に集合して、バルク体200が構成されている。バルク体200を、図8に模式的に示す。バルク体200においては、CNT薄片20同士の間に隙間240が存在している。隙間240が存在していることにより、後の工程で機械的エネルギーを付与して、個々のCNT薄片20に分離することができる。   FIG. 7 shows an SEM image of the massive CNT flake 20 (bulk body 200). A large number of CNT flakes 20 gather at a high density to form a bulk body 200. The bulk body 200 is schematically shown in FIG. In the bulk body 200, a gap 240 exists between the CNT slices 20. Due to the presence of the gap 240, mechanical energy can be applied in a later step and the individual CNT flakes 20 can be separated.

分散溶媒を加え、塊状のCNT薄片20(バルク体200)に機械的エネルギーを付与することで個々のCNT薄片20に分離する。CNT薄片20は、これ以上小さくならない最小の大きさの薄片である。このようなCNT薄片20は、電池に作製した際に受けることが想定される応力以上の機械的エネルギーを、分散溶媒中のバルク体200に付与することによって得ることができる。分散溶媒としては、例えばアルコール類(エタノール、メタノール、イソプロピルアルコールなど)、水、有機溶媒(トルエン、アセトン、THF、MEK、ヘキサン、ノルマルヘキサン、エチルエーテル、キシレン、酢酸メチル、酢酸エチルなど)等を用いることができる。機械的エネルギーとしては、超音波、ホモジナイザーなどが挙げられる。例えば、バルク体200を含む分散溶媒10〜100mlに対し、100〜1200W程度の超音波を1〜30分程度付与することで、目的のCNT薄片20を含むCNT薄片分散液が得られる。   A dispersion solvent is added, and mechanical energy is applied to the massive CNT flakes 20 (bulk body 200) to separate them into individual CNT flakes 20. The CNT flakes 20 are flakes having a minimum size that does not become any smaller. Such a CNT flake 20 can be obtained by applying mechanical energy equal to or greater than the stress expected to be received when the battery is fabricated to the bulk body 200 in the dispersion solvent. Examples of the dispersion solvent include alcohols (ethanol, methanol, isopropyl alcohol, etc.), water, organic solvents (toluene, acetone, THF, MEK, hexane, normal hexane, ethyl ether, xylene, methyl acetate, ethyl acetate, etc.) and the like. Can be used. Examples of mechanical energy include ultrasonic waves and homogenizers. For example, by applying ultrasonic waves of about 100 to 1200 W for about 1 to 30 minutes to 10 to 100 ml of the dispersion solvent containing the bulk body 200, a CNT flake dispersion containing the target CNT flakes 20 is obtained.

CNT薄片分散液を前処理後の基材12に浸透させて、導電性網目構造体18を基材12の表面及び内部に付着させることができる。CNT薄片分散液は、基材12を構成している炭素繊維束14の内部、具体的には炭素繊維16同士の間まで浸透することが求められる。基材12をCNT薄片分散液中に浸漬して、CNT薄片分散液を炭素繊維束14内部まで浸透させることができる。CNT薄片分散液は、撥水性の樹脂シートの上に載置された基材12の表面に滴下して、炭素繊維束14の内部に浸透させることもできる。   The conductive network structure 18 can be adhered to the surface and the inside of the base material 12 by infiltrating the CNT flake dispersion into the base material 12 after the pretreatment. The CNT flake dispersion is required to penetrate into the inside of the carbon fiber bundle 14 constituting the base material 12, specifically, between the carbon fibers 16. The base material 12 can be immersed in the CNT flake dispersion to allow the CNT flake dispersion to penetrate into the carbon fiber bundle 14. The CNT flake dispersion can be dropped on the surface of the base material 12 placed on a water-repellent resin sheet to penetrate into the carbon fiber bundle 14.

次いで、CNT薄片分散液が浸透した基材12から分散溶媒を除去する。分散溶媒は、一般的な方法により基材12から除去することができる。分散溶媒が除去され、複数のCNT薄片20が三次元的に結合して網目状となり、導電性網目構造体18が形成される。CNT薄片20が炭素繊維16に直接固定されることにより、導電性網目構造体18が基材12の内部に付着する。   Next, the dispersion solvent is removed from the base material 12 infiltrated with the CNT flake dispersion. The dispersion solvent can be removed from the substrate 12 by a general method. The dispersion solvent is removed, and the plurality of CNT slices 20 are three-dimensionally joined to form a network, and the conductive network structure 18 is formed. When the CNT flakes 20 are directly fixed to the carbon fibers 16, the conductive network structure 18 adheres to the inside of the base material 12.

導電性網目構造体18は、炭素繊維束14内部及び表面で炭素繊維16同士をつなぐ。こうして、複数のCNT薄片20を含む導電性網目構造体18が基材12の表面及び内部に形成される。   The conductive network structure 18 connects the carbon fibers 16 inside and on the surface of the carbon fiber bundle 14. Thus, a conductive network structure 18 including a plurality of CNT slices 20 is formed on the surface and inside of the substrate 12.

凍結乾燥を用いた任意の方法によりCNT分散液からCNT薄片20を形成して、基材12の表面及び内部に導電性網目構造体18を付着させることによって、本実施形態の電池用電極10を製造することができる。   The battery electrode 10 of this embodiment is formed by forming the CNT flakes 20 from the CNT dispersion by an arbitrary method using lyophilization, and attaching the conductive network structure 18 to the surface and inside of the substrate 12. Can be manufactured.

(4)電池用電極の評価
製造された電池用電極10は、例えば次のような手法で還元電流値を測定して性能を評価することができる。
(4) Evaluation of Battery Electrode The manufactured battery electrode 10 can be evaluated for performance by measuring the reduction current value by the following method, for example.

まず、電池用電極の液相側表面に酵素(例えばBOD)を吸着させ、気相側裏面に撥水性の樹脂シート(例えばPTFEシート)を配置して、試料電極を準備する。   First, an enzyme (for example, BOD) is adsorbed on the liquid phase side surface of the battery electrode, and a water-repellent resin sheet (for example, PTFE sheet) is disposed on the gas phase side rear surface to prepare a sample electrode.

対電極(例えば白金電極)と参照電極(Ag−AgCl電極)とを用い、電解液中で酵素を還元して、電池用電極の還元電流値を測定する。電解液としては、例えばpH5のクエン酸緩衝液(1.5mol/L)を用いることができる。セル温度は、例えば40℃とし、酸素雰囲気下で測定を行なう。   Using a counter electrode (for example, a platinum electrode) and a reference electrode (Ag-AgCl electrode), an enzyme is reduced in an electrolytic solution, and the reduction current value of the battery electrode is measured. As the electrolytic solution, for example, a citrate buffer solution (1.5 mol / L) having a pH of 5 can be used. The cell temperature is 40 ° C., for example, and measurement is performed in an oxygen atmosphere.

(5)作用及び効果
本実施形態の電池用電極10は、CNT薄片20の集合体からなる導電性網目構造体18が基材12の表面及び内部に付着している。基材12内部の導電性網目構造体18は、基材12を構成している炭素繊維束14の内部に入り込んで、炭素繊維束14に含まれる炭素繊維16同士をつないでいる。さらに、炭素繊維束14間においても、導電性網目構造体18は、炭素繊維16同士をつないでいる。
(5) Action and Effect In the battery electrode 10 of the present embodiment, the conductive network structure 18 made of an aggregate of the CNT thin pieces 20 is attached to the surface and the inside of the substrate 12. The conductive network structure 18 inside the base material 12 enters the carbon fiber bundle 14 constituting the base material 12 and connects the carbon fibers 16 included in the carbon fiber bundle 14. Further, the conductive network structure 18 also connects the carbon fibers 16 between the carbon fiber bundles 14.

CNT薄片20は、CNT分散液が基材12に浸透する前又は浸透した後に、CNT分散液を凍結乾燥させて形成する。これによって、基材12の表面及び内部に導電性網目構造体18を付着させることが可能となった。基材12に付着するのは、CNT薄片20の集合体からなる導電性網目構造体18であるので、基材12の表面がCNT層で覆われたり、基材12が目詰まりするおそれは極めて小さい。   The CNT flakes 20 are formed by freeze-drying the CNT dispersion before or after the CNT dispersion penetrates the substrate 12. As a result, the conductive network structure 18 can be attached to the surface and the inside of the substrate 12. Since the conductive network structure 18 made of an aggregate of the CNT flakes 20 is attached to the base material 12, there is a great possibility that the surface of the base material 12 is covered with the CNT layer or the base material 12 is clogged. small.

電池用電極10は、導電性網目構造体18が基材12の内部にも付着しているので、基材の表面のみにCNTが付着している場合よりも、CNTの付着量を増大させることができた。CNTは、導電性網目構造体18を形成して基材12の内部で炭素繊維16同士をつないでいることから、基材12からCNTが脱離するおそれは小さい。電池用電極10は、より多量のCNTが効果的に基材12に付着している。   In the battery electrode 10, since the conductive network structure 18 is also attached to the inside of the base material 12, the amount of CNT attached can be increased as compared with the case where CNT is attached only to the surface of the base material. I was able to. Since the CNT forms the conductive network structure 18 and connects the carbon fibers 16 inside the base material 12, the possibility that the CNT is detached from the base material 12 is small. The battery electrode 10 has a larger amount of CNT effectively attached to the substrate 12.

CNTが導電性網目構造体18として基材12の表面に付着しているので、電池用電極10をバイオ燃料電池の電極として用いた際、電解液や酸化還元酵素などの流通が促進されるのに加えて、表面積拡大によって電極に取り込める酵素量が向上するため、電池の出力がよりいっそう向上する。   Since the CNTs adhere to the surface of the base material 12 as the conductive network structure 18, when the battery electrode 10 is used as an electrode of a biofuel cell, the circulation of the electrolyte, oxidoreductase, etc. is promoted. In addition, since the amount of enzyme that can be taken into the electrode is improved by increasing the surface area, the output of the battery is further improved.

炭素繊維16同士をつなぐ導電性網目構造体18は、炭素繊維束14内部で導電性経路を形成する。導電性網目構造体18は、炭素繊維束14内の炭素繊維16同士をつないでいるので、炭素繊維束14の内部に導電性経路が形成される。炭素繊維束14の表面で導電性網目構造体18が炭素繊維16に付着することで、炭素繊維束14の表面にも導電性経路が形成される。複数の炭素繊維束14が電池用電極10の基材12を構成しているので、導電性網目構造体18に起因した導電性経路は基材12全体にわたって存在する。これによって、電池用電極10は、電池に用いたとき、電池の出力をより向上できる。   The conductive network structure 18 that connects the carbon fibers 16 forms a conductive path inside the carbon fiber bundle 14. Since the conductive network structure 18 connects the carbon fibers 16 in the carbon fiber bundle 14, a conductive path is formed inside the carbon fiber bundle 14. As the conductive network structure 18 adheres to the carbon fibers 16 on the surface of the carbon fiber bundle 14, a conductive path is also formed on the surface of the carbon fiber bundle 14. Since the plurality of carbon fiber bundles 14 constitute the base material 12 of the battery electrode 10, the conductive path caused by the conductive network structure 18 exists throughout the base material 12. Thereby, when the battery electrode 10 is used for a battery, the output of the battery can be further improved.

電池用電極10は、基材12の一表面に導電性網目構造体18が付着することによって表面積が増大する。導電性網目構造体18は網目状であるので、CNT単体が基材に付着する場合よりも、表面積の増大の割合は大きくなる。こうした表面積の増大も、電池の出力が向上する一因となる。   The surface area of the battery electrode 10 is increased by the conductive network structure 18 adhering to one surface of the substrate 12. Since the conductive network structure 18 has a network shape, the rate of increase in the surface area is larger than when the CNTs are attached to the substrate. Such an increase in surface area also contributes to an improvement in battery output.

本実施形態のバイオ燃料電池は、本実施形態の電池用電極10を用いて構成される。バイオ燃料電池は、基材12の表面及び内部に導電性網目構造体18が存在することで導電性経路が十分に形成されるので、従来よりも効率的に電気エネルギーを生成できる。また、電池用電極10の表面積が大きいことから、従来よりも電流密度を増加でき、電池の出力をより向上できる。   The biofuel cell of this embodiment is configured using the battery electrode 10 of this embodiment. In the biofuel cell, since the conductive network structure 18 exists on the surface and inside of the base material 12, the conductive path is sufficiently formed, so that electric energy can be generated more efficiently than before. Moreover, since the surface area of the battery electrode 10 is large, the current density can be increased as compared with the conventional case, and the output of the battery can be further improved.

(6)他の実施形態の電池用電極の構成
基材12は、複数の炭素繊維束14を含んでいれば、織布に限定されない。図9に示すような複数の炭素繊維束14を含む不織布を基材22として用いて、電池用電極10Aを構成することもできる。電池用電極10Aは、CNT薄片20の集合体からなる導電性網目構造体18が、図9に示すように基材22の表面で炭素繊維束14に付着している。図示していないが、基材22の内部においても、炭素繊維束14に導電性網目構造体18が付着している。
(6) Configuration of Battery Electrode of Other Embodiments The base material 12 is not limited to a woven fabric as long as it includes a plurality of carbon fiber bundles 14. The battery electrode 10 </ b> A can also be configured using a nonwoven fabric including a plurality of carbon fiber bundles 14 as shown in FIG. 9 as the base material 22. In the battery electrode 10A, a conductive mesh structure 18 made of an aggregate of CNT thin pieces 20 is attached to the carbon fiber bundle 14 on the surface of the base material 22 as shown in FIG. Although not shown, the conductive network structure 18 is attached to the carbon fiber bundle 14 even inside the base material 22.

図1に示した電池用電極10の場合と同様に、炭素繊維束14には複数の炭素繊維(図示せず)が含まれている。炭素繊維束14に含まれる炭素繊維同士は、上述したように導電性網目構造体18によってつながれている。   As in the case of the battery electrode 10 shown in FIG. 1, the carbon fiber bundle 14 includes a plurality of carbon fibers (not shown). The carbon fibers contained in the carbon fiber bundle 14 are connected by the conductive network structure 18 as described above.

基材22は、互いに交わる複数の炭素繊維束14が接触する部分、隣接する炭素繊維束14同士が接触する部分、及び複数の炭素繊維束14によって形成された網目などの一部に樹脂など接着剤からなる接着部(図示せず)が形成されていてもよい。この場合、炭素繊維束14同士が接着部によって接着される。   The base material 22 is bonded to a part such as a part where a plurality of carbon fiber bundles 14 intersecting each other, a part where adjacent carbon fiber bundles 14 contact each other, and a mesh formed by the plurality of carbon fiber bundles 14. An adhesive portion (not shown) made of an agent may be formed. In this case, the carbon fiber bundles 14 are bonded together by the bonding portion.

接着部は、例えば、フッ素樹脂などの樹脂材料を炭化して形成される。接着部が炭化されると導電性を示す。この場合、基材22は、接着部が樹脂などの絶縁体で形成されている場合と比較して、導電性が高くなる。   For example, the bonding portion is formed by carbonizing a resin material such as a fluororesin. When the bonded portion is carbonized, it exhibits conductivity. In this case, the base material 22 has higher conductivity as compared with the case where the bonding portion is formed of an insulator such as a resin.

電池用電極10Aは、炭素繊維束14に含まれる炭素繊維同士が導電性網目構造体18によってつながれているので、導電性経路が炭素繊維束14内部に形成される。基材22として用いられる不織布は、炭素繊維束14を経糸14a及び緯糸14bとして織られた織布と比較して、炭素繊維束14同士の隙間が大きい。不織布では、炭素繊維束14の隙間により緻密に導電性網目構造体18が形成される。炭素繊維束14同士の間でも、炭素繊維同士は導電性網目構造体18によってつながれる。   In the battery electrode 10 </ b> A, since the carbon fibers contained in the carbon fiber bundle 14 are connected by the conductive network structure 18, a conductive path is formed inside the carbon fiber bundle 14. The nonwoven fabric used as the base material 22 has a larger gap between the carbon fiber bundles 14 than a woven fabric in which the carbon fiber bundles 14 are woven as warps 14a and wefts 14b. In the nonwoven fabric, the conductive network structure 18 is densely formed by the gaps between the carbon fiber bundles 14. Even between the carbon fiber bundles 14, the carbon fibers are connected by the conductive network structure 18.

織布に含まれる炭素繊維束14の延びる方向は、縦方向と横方向の2方向のみであるのに対し、不織布に含まれる炭素繊維束14は任意の方向に延びている。基材22を構成している炭素繊維束14が任意の方向に延びることによって、導電性経路がより効率的に基材22内に形成される。   The extending direction of the carbon fiber bundle 14 included in the woven fabric is only two directions of the vertical direction and the horizontal direction, whereas the carbon fiber bundle 14 included in the nonwoven fabric extends in an arbitrary direction. The carbon fiber bundle 14 constituting the base material 22 extends in an arbitrary direction, so that the conductive path is more efficiently formed in the base material 22.

基材22として不織布を用いた電池用電極10Aは、電池用電極10より高い効果が得られることが期待される。   It is expected that the battery electrode 10 </ b> A using the nonwoven fabric as the base material 22 is more effective than the battery electrode 10.

(7)実施例
上記「(3)本実施形態の電池用電極の製造方法」に示す手順にしたがって、実施例1の電池用電極を作製した。CNTとしては、上述した熱CVD法によりシリコン基板上に直径10〜15nm、長さ100μmm以上に成長させた多層カーボンナノチューブを用いた。
(7) Example The battery electrode of Example 1 was produced according to the procedure shown in the above "(3) Method for producing battery electrode of this embodiment". As the CNTs, multi-walled carbon nanotubes grown on a silicon substrate to a diameter of 10 to 15 nm and a length of 100 μm or more by the above-described thermal CVD method were used.

基板から刈り取ったCNTは、硝酸と硫酸の混酸に浸漬した後、濾過乾燥して触媒残渣を除去した。混酸中における硝酸と硫酸の比率は、任意に決定できる。CNTは、混酸に浸漬することによって表面が酸化されている。CNTの表面の一部には、ヒドロキシ基やカルボキシ基などの官能基が形成されているので、別途、CNTの酸化を行なう必要はない。CNTを3000ppmの濃度で水に分散させて、CNT分散液を調製した。
調製されたCNT分散液を用いて、上記<第2の付着法>により、基材に導電性網目構造体を付着させた。
The CNTs cut from the substrate were immersed in a mixed acid of nitric acid and sulfuric acid, and then filtered and dried to remove catalyst residues. The ratio of nitric acid and sulfuric acid in the mixed acid can be arbitrarily determined. The surface of CNT is oxidized by being immersed in a mixed acid. Since a functional group such as a hydroxy group or a carboxy group is formed on a part of the surface of the CNT, it is not necessary to separately oxidize the CNT. CNT was dispersed in water at a concentration of 3000 ppm to prepare a CNT dispersion.
Using the prepared CNT dispersion, a conductive network structure was adhered to the base material by the above <second adhesion method>.

基材としては、東陽テクニカ製カーボンクロス(型番:EC-CC1-060T)を50×50mmのサイズにカットして用いた。ここで用いた基材は、テフロン処理が施された撥水性基材である。基材は、密閉容器内(容積1000cc中に1ccの酸素を含む)、500℃で10分加熱して酸洗浄することにより前処理を施した。酸洗浄によって、金属の除去や表面基の導入が達成される。   As the substrate, Toyo Technica carbon cloth (model number: EC-CC1-060T) was cut into a size of 50 × 50 mm and used. The base material used here is a water-repellent base material that has been subjected to Teflon treatment. The substrate was pretreated by heating in a sealed container (containing 1 cc of oxygen in a volume of 1000 cc) at 500 ° C. for 10 minutes and acid cleaning. By acid cleaning, metal removal and surface group introduction are achieved.

CNT分散液は、容器ごと液体窒素に浸漬し、CNT分散液を凍結させて塊状のCNT薄片(バルク体)を作製した。バルク体の重量は、0.01g程度であった。バルク体を100gのエタノール中に収容し、100W程度の超音波を10分程度付与した。その結果、バルク体は、厚さが20〜30nm程度のCNT薄片に分離して、CNT薄片分散液が得られた。   The CNT dispersion was immersed in liquid nitrogen together with the container, and the CNT dispersion was frozen to produce a massive CNT flake (bulk body). The weight of the bulk body was about 0.01 g. The bulk body was accommodated in 100 g of ethanol, and an ultrasonic wave of about 100 W was applied for about 10 minutes. As a result, the bulk body was separated into CNT flakes having a thickness of about 20 to 30 nm, and a CNT flake dispersion was obtained.

前処理後の基材にCNT薄片分散液を滴下して、基材の内部にCNT薄片分散液を浸透させた。CNT薄片分散液が浸透した基材を真空乾燥してエタノールを除去することで、基材の表面及び内部に導電性網目構造体を付着させた。こうして実施例1の電池用電極が得られた。実施例1の電池用電極は、CNTの付着量が約3wt%であった。なお、CNT付着量とは、基材に対するCNTの総量の割合である。CNTの付着量は、CNT付着前後の基材の重量の差に基づいて求めることができる。   The CNT flake dispersion was dropped on the pretreated substrate, and the CNT flake dispersion was infiltrated into the substrate. The substrate infiltrated with the CNT flake dispersion was vacuum-dried to remove ethanol, thereby attaching a conductive network structure to the surface and inside of the substrate. Thus, the battery electrode of Example 1 was obtained. In the battery electrode of Example 1, the amount of CNT attached was about 3 wt%. Note that the CNT adhesion amount is a ratio of the total amount of CNTs to the base material. The amount of CNT attached can be determined based on the difference in the weight of the substrate before and after CNT attachment.

また、同様のCNTおよび基材を用い、CNT単体を基材に付着させて比較例1の電池用電極を作製した。CNTは、1000ppmの濃度でエタノールに分散させたCNT分散液として基材に滴下して、基材に浸透させた。基材に浸透したCNT分散液中のエタノールを揮発除去させることで、CNT単体を基材の表面及び内部に付着させた。こうして得られた比較例1の電池用電極は、CNT付着量が9wt%であった。   In addition, the same CNT and base material were used, and a single CNT was adhered to the base material to produce a battery electrode of Comparative Example 1. CNT was dropped on the base material as a CNT dispersion liquid dispersed in ethanol at a concentration of 1000 ppm and allowed to permeate the base material. By volatilizing and removing the ethanol in the CNT dispersion liquid that had permeated the base material, CNTs were attached to the surface and inside of the base material. The battery electrode of Comparative Example 1 obtained in this way had a CNT adhesion amount of 9 wt%.

図10には、実施例1の電池用電極の電流−電位曲線と比較例1の電池用電極の電流−電位曲線とを比較して示す。図10中、横軸は電位(V)を示し、縦軸は電流値(mAcm-2)を示している。曲線aは、実施例1の電池用電極の結果であり、曲線bは、比較例1の電池用電極の結果である。還元電流値は、電解液として飽和塩化カリウム水溶液を用いて、上記「(4)電池用電極の評価」に示した方法により測定した。 In FIG. 10, the current-potential curve of the battery electrode of Example 1 is compared with the current-potential curve of the battery electrode of Comparative Example 1. In FIG. 10, the horizontal axis indicates the potential (V), and the vertical axis indicates the current value (mAcm −2 ). Curve a is the result of the battery electrode of Example 1, and curve b is the result of the battery electrode of Comparative Example 1. The reduction current value was measured by the method shown in “(4) Evaluation of battery electrode” using a saturated potassium chloride aqueous solution as an electrolytic solution.

比較例1の電池用電極は、還元電流値の立ち上がりは早いものの、還元電流値は−15mAcm-2にとどまっている(曲線b)。これに対し実施例1の電池用電極は、−22mAcm-2という還元電流値が得られている(曲線a)。因みに、CNTを含まない同様の基材の還元電流値は、−0.001mAcm-2程度であった。 In the battery electrode of Comparative Example 1, the reduction current value rises quickly, but the reduction current value remains at −15 mAcm −2 (curve b). On the other hand, the battery electrode of Example 1 has a reduction current value of −22 mAcm −2 (curve a). Incidentally, the reduction current value of a similar base material not containing CNTs was about −0.001 mAcm −2 .

比較例1の電池用電極では、9wt%のCNT単体が基材に付着しているのに対し、実施例1の電池用電極におけるCNT付着量は比較例1より少ない。それにもかかわらず、実施例1の電池用電極は比較例1を上回る還元電流値を示している。上述したとおり実施例1の電池用電極は、基材に付着しているのが、CNT薄片の集合体からなる導電性網目構造体である。CNT薄片によって導通をより確実に確保できるとともにガス透過性が向上したことが、還元電流値の向上の一因であると推測される。   In the battery electrode of Comparative Example 1, 9 wt% of CNT alone is attached to the substrate, whereas the amount of CNT attached to the battery electrode of Example 1 is smaller than that of Comparative Example 1. Nevertheless, the battery electrode of Example 1 shows a reduction current value higher than that of Comparative Example 1. As described above, in the battery electrode of Example 1, the conductive network structure composed of an aggregate of CNT flakes is attached to the base material. It is presumed that the CNT flakes can ensure the conduction more reliably and the gas permeability is improved, which is a cause of the improvement of the reduction current value.

図11には、実施例2〜10の電池用電極の電流−電位曲線を示す。実施例2〜10の電池用電極は、CNT付着量を変更する以外は実施例1の電池用電極の場合と同様にして作製した。CNT付着量は、実施例2〜4では2wt%、実施例5〜7では4wt%、実施例8〜10では6wt%である。CNT付着量は、基材に滴下するCNT薄片分散液の量を変更することによって調整した。実施例2〜10の電池用電極においても、実施例1の電池用電極と同様、基材に付着しているのは、CNT薄片の集合体からなる導電性網目構造体である。   In FIG. 11, the electric current-potential curve of the battery electrode of Examples 2-10 is shown. The battery electrodes of Examples 2 to 10 were produced in the same manner as in the case of the battery electrode of Example 1 except that the CNT adhesion amount was changed. The CNT adhesion amount is 2 wt% in Examples 2 to 4, 4 wt% in Examples 5 to 7, and 6 wt% in Examples 8 to 10. The CNT adhesion amount was adjusted by changing the amount of the CNT flake dispersion dropped onto the substrate. Also in the battery electrodes of Examples 2 to 10, like the battery electrode of Example 1, what is attached to the base material is a conductive network structure made of an aggregate of CNT flakes.

実施例2〜10の電池用電極について、還元電流値の時間変化を図12に示す。CNT付着量が2wt%の場合(実施例2〜4)、還元電流値は、60秒までほぼ一定である。CNT付着量が4wt%の場合(実施例5〜7)には、還元電流値が一定値を保つ時間は短くなり、還元電流値は徐々に減少している。同様の傾向は、CNT付着量が6wt%の場合(実施例8〜10)に、より顕著に表れている。これは、電極での酸化還元により生成した水が残留し、基材における導電性網目構造の機能が低下したことが原因であると推測される。   FIG. 12 shows the change over time in the reduction current value for the battery electrodes of Examples 2-10. When the CNT adhesion amount is 2 wt% (Examples 2 to 4), the reduction current value is almost constant up to 60 seconds. When the CNT adhesion amount is 4 wt% (Examples 5 to 7), the time during which the reduction current value is kept constant is shortened, and the reduction current value is gradually decreased. The same tendency appears more conspicuously when the CNT adhesion amount is 6 wt% (Examples 8 to 10). This is presumed to be caused by the fact that the water produced by the oxidation / reduction at the electrode remains and the function of the conductive network structure in the substrate is lowered.

図13には、実施例9の電池用電極と比較例1の電池用電極との電流−電位曲線を比較して示す。図13中、横軸は電位(V)を示し、縦軸は電流値(mAcm-2)を示している。還元電流値は、電解液として飽和塩化カリウム水溶液を用いて、上記「(4)電池用電極の評価」に示した方法により測定した。 In FIG. 13, the current-potential curves of the battery electrode of Example 9 and the battery electrode of Comparative Example 1 are compared and shown. In FIG. 13, the horizontal axis indicates the potential (V), and the vertical axis indicates the current value (mAcm −2 ). The reduction current value was measured by the method shown in “(4) Evaluation of battery electrode” using a saturated potassium chloride aqueous solution as an electrolytic solution.

実施例9の電池用電極は、CNT付着量が6wt%と比較例1(9wt%)の2/3であるにもかかわらず、還元電流値は、比較例1の電池用電極の2倍以上に向上している。実施例1の電池用電極と同様、実施例9の電池用電極においても、CNT薄片によって導通がより確実に確保され、しかもガス透過性が向上して還元電流値が向上したものと推測される。さらに、実施例9の電池用電極では、CNT付着量が実施例1より多いことから、CNTの効果によって還元電流値がよりいっそう向上したことがわかる。   Although the battery electrode of Example 9 has a CNT adhesion amount of 6 wt% and 2/3 of Comparative Example 1 (9 wt%), the reduction current value is more than twice that of the battery electrode of Comparative Example 1 Has improved. Similar to the battery electrode of Example 1, in the battery electrode of Example 9, it is presumed that the conduction is more reliably ensured by the CNT flakes and the gas permeability is improved and the reduction current value is improved. . Furthermore, in the battery electrode of Example 9, since the amount of CNT attached was larger than that of Example 1, it can be seen that the reduction current value was further improved by the effect of CNT.

図14には、電池用電極におけるCNT付着量と電流値との関係を示す。図14中の曲線cは、図12に示した実施例2,3,4の電池用電極の15秒後の値の平均値、実施例5,6,7の電池用電極の15秒後の値の平均値、実施例8,9,10の電池用電極の15秒後の値をプロットし、そのプロットに基づいて得たものである。曲線dは、比較例1〜4の電池用電極の電流値を測定して15秒後の値をプロットし、そのプロットに基づいて得たものである。比較例2〜4の電池用電極は、CNT付着量を1wt%、2wt%、4wt%に変更する以外は比較例1と同様の方法で作製した。したがって、比較例2〜4の電池用電極も、比較例1の電池用電極と同様、基材に付着しているのはCNT単体である。   FIG. 14 shows the relationship between the amount of CNT attached to the battery electrode and the current value. A curve c in FIG. 14 shows the average value of the values after 15 seconds of the battery electrodes of Examples 2, 3, and 4 shown in FIG. The average value of the values and the values after 15 seconds of the battery electrodes of Examples 8, 9, and 10 are plotted and obtained based on the plots. A curve d is obtained by measuring the current values of the battery electrodes of Comparative Examples 1 to 4 and plotting the values after 15 seconds and based on the plots. The battery electrodes of Comparative Examples 2 to 4 were produced in the same manner as Comparative Example 1 except that the CNT adhesion amount was changed to 1 wt%, 2 wt%, and 4 wt%. Therefore, the battery electrodes of Comparative Examples 2 to 4 are also CNT alone attached to the base material, like the battery electrode of Comparative Example 1.

図14中の曲線c及び曲線dに示されるように、電池用電極の電流値は、CNTの付着量の増加に伴なって増大する。比較例の電池用電極の電流値は、CNT付着量が4w%程度までは増加傾向にあるが、CNT付着量がそれ以上増えても−15mAcm-2程度で一定となっている(曲線d)。実施例の電池用電極の電流値は、比較例の場合よりも急激に増加し、CNT付着量が6wt%の場合、−33mAcm-2程度となっている(曲線c)。導電性網目構造体を基材に付着させることによって、CNT単体を付着させる場合では達成できない高い還元電流値が得られたことが、この結果に示されている。 As shown by the curves c and d in FIG. 14, the current value of the battery electrode increases as the amount of CNT attached increases. The current value of the battery electrode of the comparative example tends to increase until the CNT adhesion amount is about 4 w%, but is constant at about −15 mAcm −2 even if the CNT adhesion amount further increases (curve d). . The current value of the battery electrode of the example increases more rapidly than in the comparative example, and is about −33 mAcm −2 when the CNT adhesion amount is 6 wt% (curve c). This result shows that by attaching the conductive network structure to the base material, a high reduction current value that cannot be achieved by attaching CNT alone is obtained.

実施例の電池用電極は、CNT薄片の集合体からなる導電性網目構造体が基材に付着している。導電性網目構造体には適度な空隙が存在しているので、CNT付着量が多くなっても、電池用電極におけるガスの透過経路は確保される。実施例の電池用電極は、導電性網目構造体が基材に付着していることによりガス透過性が優れているので、高い電流値を得ることができたものと推測される。   In the battery electrode of the example, a conductive network structure made of an aggregate of CNT flakes is attached to a substrate. Since there are appropriate voids in the conductive network structure, a gas permeation path in the battery electrode is ensured even if the amount of CNT adhesion increases. Since the battery electrode of an Example is excellent in gas permeability, when the electroconductive network structure adheres to a base material, it is estimated that the high electric current value was able to be obtained.

基材に付着した導電性網目構造体は、SEM画像で確認することができる。実施例5の電池用電極に含まれる基材中の炭素繊維の表面を撮影したSEM画像を、図15A、図15Bに示す。図15Bは、図15Aにおける領域X1の拡大像である。炭素繊維の表面には、CNT薄片20の集合体からなる導電性網目構造体18が付着して、炭素繊維の表面に凹凸が生じている。炭素繊維の表面に凹凸が存在することによって、電池用電極の表面積が増大する。表面の凹凸によって、電池用電極の内部に適度な空隙が形成される。その結果、ガス透過経路が確保されたことも、実施例5〜7の電池用電極の還元電流値が高められた一因であると推測される。   The conductive network structure attached to the substrate can be confirmed by an SEM image. The SEM image which image | photographed the surface of the carbon fiber in the base material contained in the battery electrode of Example 5 is shown in FIGS. 15A and 15B. FIG. 15B is an enlarged image of the region X1 in FIG. 15A. A conductive network structure 18 made of an aggregate of CNT flakes 20 is attached to the surface of the carbon fiber, and irregularities are generated on the surface of the carbon fiber. Due to the presence of irregularities on the surface of the carbon fiber, the surface area of the battery electrode increases. Appropriate voids are formed inside the battery electrode due to surface irregularities. As a result, it was speculated that the gas permeation path was ensured as one of the reasons why the reduction current values of the battery electrodes of Examples 5 to 7 were increased.

図16は、比較例1の電池用電極に含まれる炭素繊維の表面を撮影したSEM画像である。比較例1の電池用電極の場合、炭素繊維の表面には、多量のCNT19が付着してCNT層190が形成されている。CNT層190は、図15Bに示した導電性網目構造体18とは異なって、炭素繊維の表面に凹凸を形成しない。このようなCNT層190により炭素繊維が覆われているので、比較例1の電池用電極では、表面の凹凸に起因する効果は得られない。CNT層190が炭素繊維の表面を覆うことによって、基材の目詰まりも引き起こされる。   FIG. 16 is an SEM image obtained by photographing the surface of the carbon fiber included in the battery electrode of Comparative Example 1. In the case of the battery electrode of Comparative Example 1, a large amount of CNT 19 is adhered to the surface of the carbon fiber to form a CNT layer 190. Unlike the conductive network structure 18 shown in FIG. 15B, the CNT layer 190 does not form irregularities on the surface of the carbon fiber. Since the carbon fiber is covered with such a CNT layer 190, the battery electrode of Comparative Example 1 cannot obtain the effect due to the unevenness of the surface. Covering the surface of the carbon fiber with the CNT layer 190 also causes clogging of the substrate.

図17は、比較例4の電池用電極に含まれる炭素繊維の表面を撮影したSEM画像である。比較例1の場合と同様、比較例4の電池用電極においても、炭素繊維はCNT層190で覆われていることが示されている。比較例4の電池用電極では、CNT付着量が4wt%であり、比較例1の電池用電極の場合(9wt%)より少ない。このため、形成されるCNT層190に含まれるCNTは、比較例1の場合よりは少なくなる。それでも、基材に付着するのがCNT単体であることに起因して、比較例4の電池用電極においても、炭素繊維の表面がCNT層190で覆われてしまう。   FIG. 17 is an SEM image obtained by photographing the surface of the carbon fiber included in the battery electrode of Comparative Example 4. Similarly to the case of Comparative Example 1, it is shown that the carbon fiber is covered with the CNT layer 190 also in the battery electrode of Comparative Example 4. In the battery electrode of Comparative Example 4, the CNT adhesion amount is 4 wt%, which is less than that of the battery electrode of Comparative Example 1 (9 wt%). For this reason, CNT contained in the CNT layer 190 to be formed is smaller than that in the case of Comparative Example 1. Still, due to the fact that the CNTs alone adhere to the substrate, the surface of the carbon fiber is covered with the CNT layer 190 also in the battery electrode of Comparative Example 4.

実施例の電池用電極は、含まれているCNTの密度が比較例の電池用電極より低いので、より多くの空隙を内部に有している。このことは、断面のSEM画像から確認することができる。実施例5の電池用電極に含まれる基材の断面を撮影したSEM画像を図18に示し、比較例1の電池用電極に含まれる基材の断面を撮影したSEM画像を、図19に示す。これらの図中の白色の点は、CNTを表している。   Since the density of the contained CNT is lower than the battery electrode of the comparative example, the battery electrode of the example has more voids inside. This can be confirmed from the SEM image of the cross section. FIG. 18 shows an SEM image obtained by photographing the cross section of the base material contained in the battery electrode of Example 5, and FIG. 19 shows an SEM image obtained by photographing the cross section of the base material contained in the battery electrode of Comparative Example 1. . White dots in these figures represent CNTs.

図18では、領域Y1(1μm□)中には約25本のCNTが観察された。図19の場合、領域Y2(1μm□)中には、図18の領域Y1の2倍以上のCNTが観察された。比較例1の電池用電極は、CNTの密度が高いことから、内部の空隙が少ないことがわかる。   In FIG. 18, about 25 CNTs were observed in the region Y1 (1 μm square). In the case of FIG. 19, CNTs twice or more as large as the region Y1 in FIG. 18 were observed in the region Y2 (1 μm □). Since the battery electrode of Comparative Example 1 has a high CNT density, it can be seen that there are few internal voids.

実施例の電池用電極は、CNT薄片の集合体からなる導電性網目構造体が基材に付着しているので、電極内部に適度な空隙を確保することができる。導電性網目構造体が基材に付着していることによって、十分な導電性経路と十分なガス透過経路とが両立されるので、出力のより向上した電池用電極が得られた。   In the battery electrode of the example, the conductive network structure composed of the aggregate of CNT flakes adheres to the base material, so that an appropriate gap can be secured inside the electrode. Since the conductive network structure adheres to the base material, both a sufficient conductive path and a sufficient gas permeation path are compatible, and thus a battery electrode with improved output is obtained.

(8)変形例
本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内で種々の変形実施が可能である。
(8) Modifications The present invention is not limited to the embodiment described above, and various modifications can be made within the scope of the gist of the present invention.

上記実施形態では、電子伝達メディエータ及び酸化還元酵素が電解液中に存在している場合について説明したが、本発明はこれに限られず、電子伝達メディエータ及び酸化還元酵素が電池用電極10に固定されていてもよい。   In the above embodiment, the case where the electron transfer mediator and the oxidoreductase are present in the electrolytic solution has been described. However, the present invention is not limited to this, and the electron transfer mediator and the oxidoreductase are fixed to the battery electrode 10. It may be.

本発明の電池用電極10は、バイオ燃料電池以外の電池、例えば燃料電池、リチウムイオン二次電池の電極として用いることができる。   The battery electrode 10 of the present invention can be used as an electrode of a battery other than a biofuel cell, for example, a fuel cell or a lithium ion secondary battery.

導電性網目構造18は、結着部材を用いて基材12の表面に固定してもよい。結着部材としては、例えば、PTFEエマルジョンなどが挙げられる。導電性網目構造体18が炭素繊維16に物理的に固定されることで、変形例の電池用電極は、導電性網目構造体18が結着部材で補強される。導電性網目構造体18は、より強固に炭素繊維16に固定されるので、電池に用いたとき、導電性網目構造体18の剥離に伴う電池出力の低下や電極間のショートを抑制でき、電池の耐久性を向上できる。   The conductive network structure 18 may be fixed to the surface of the substrate 12 using a binding member. Examples of the binding member include PTFE emulsion. By electrically fixing the conductive network structure 18 to the carbon fiber 16, the conductive network structure 18 is reinforced by the binding member in the battery electrode of the modification. Since the conductive network structure 18 is more firmly fixed to the carbon fiber 16, when used in a battery, a decrease in battery output and a short circuit between the electrodes due to the peeling of the conductive network structure 18 can be suppressed. The durability of can be improved.

上記実施形態では、導電性網目構造体18は、CNT薄片20の集合体からなるものとしたが、本発明の電池用電極における導電性網目構造体18は、これに限定されない。導電性網目構造体18の機能を阻害しない範囲であれば、グラフェンやカーボンブラックなどが導電性網目構造体18に含まれていてもよい。例えば、グラフェンやカーボンブラックが含有されたCNT薄片分散液を基材12に浸透させることによって、グラフェンやカーボンブラックを含む導電性網目構造体18が基材12に付着した電池用電極を得ることができる。   In the said embodiment, although the electroconductive network structure 18 shall consist of the aggregate | assembly of the CNT thin piece 20, the electroconductive network structure 18 in the battery electrode of this invention is not limited to this. As long as the function of the conductive network structure 18 is not hindered, graphene, carbon black, or the like may be included in the conductive network structure 18. For example, by impregnating the base material 12 with a CNT flake dispersion containing graphene or carbon black, a battery electrode in which the conductive network structure 18 containing graphene or carbon black is attached to the base material 12 can be obtained. it can.

10 電池用電極
12 基材
14 炭素繊維束
16 炭素繊維
18 導電性網目構造体
20 カーボンナノチューブ(CNT)の薄片
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Battery electrode 12 Base material 14 Carbon fiber bundle 16 Carbon fiber 18 Conductive network structure 20 Carbon nanotube (CNT) flake

Claims (10)

複数の炭素繊維束を含む基材と、
前記基材の表面及び内部に付着し、カーボンナノチューブの薄片の集合体を含む導電性網目構造体とを備え、
前記基材の内部に形成された前記導電性網目構造体は、前記炭素繊維束に含まれる炭素繊維の間で前記炭素繊維同士をつなぐと共に、一方の炭素繊維束に含まれる炭素繊維と他方の炭素繊維束に含まれる炭素繊維とをつなぐ
ことを特徴とする電池用電極。
A substrate including a plurality of carbon fiber bundles;
A conductive network structure attached to the surface and the inside of the base material, and including an aggregate of flakes of carbon nanotubes;
The conductive network structure formed inside the base material connects the carbon fibers between carbon fibers contained in the carbon fiber bundle, and the carbon fibers contained in one carbon fiber bundle and the other. A battery electrode characterized by connecting carbon fibers contained in a carbon fiber bundle.
前記カーボンナノチューブは、表面にヒドロキシ基及びカルボキシ基の少なくとも一方を有することを特徴とする請求項1記載の電池用電極。   The battery electrode according to claim 1, wherein the carbon nanotube has at least one of a hydroxy group and a carboxy group on a surface thereof. 前記炭素繊維の表面が酸化していることを特徴とする請求項1又は2記載の電池用電極。   The battery electrode according to claim 1 or 2, wherein a surface of the carbon fiber is oxidized. 前記基材は、織布であることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項記載の電池用電極。   The battery electrode according to claim 1, wherein the base material is a woven fabric. 前記基材は、不織布であることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項記載の電池用電極。   The battery electrode according to any one of claims 1 to 3, wherein the substrate is a nonwoven fabric. 請求項1〜5のいずれか1項記載の電池用電極を用いたことを特徴とするバイオ燃料電池。   A biofuel cell using the battery electrode according to claim 1. カーボンナノチューブ分散液を準備する工程と、
前記カーボンナノチューブ分散液を用いて、カーボンナノチューブの薄片の集合体を含む導電性網目構造体を基材の表面及び内部に付着させる工程とを備え、
前記カーボンナノチューブの薄片は、前記カーボンナノチューブ分散液を凍結乾燥させることにより形成されることを特徴とする電池用電極の製造方法。
Preparing a carbon nanotube dispersion,
Using the carbon nanotube dispersion, and attaching a conductive network structure including an aggregate of thin pieces of carbon nanotubes to the surface and inside of the substrate,
The method for producing a battery electrode, wherein the carbon nanotube flakes are formed by freeze-drying the carbon nanotube dispersion.
前記カーボンナノチューブ分散液中の前記カーボンナノチューブの濃度は、500〜10000ppmであることを特徴とする請求項7記載の電池用電極の製造方法。   The method for producing a battery electrode according to claim 7, wherein the concentration of the carbon nanotubes in the carbon nanotube dispersion is 500 to 10,000 ppm. 前記カーボンナノチューブ分散液を凍結乾燥させる前に、前記カーボンナノチューブ分散液を前記基材に浸透させることを特徴とする請求項7又は8記載の電池用電極の製造方法。   9. The method for producing a battery electrode according to claim 7, wherein the carbon nanotube dispersion liquid is infiltrated into the base material before the carbon nanotube dispersion liquid is freeze-dried. 前記カーボンナノチューブ分散液を凍結乾燥させて前記カーボンナノチューブの薄片を形成した後、前記カーボンナノチューブの薄片を含む分散液を前記基材に浸透させることを特徴とする請求項7又は8記載の電池用電極の製造方法。
9. The battery according to claim 7 or 8, wherein the carbon nanotube dispersion is freeze-dried to form the carbon nanotube flakes, and then the dispersion containing the carbon nanotube flakes is infiltrated into the substrate. Electrode manufacturing method.
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