JP5723870B2 - 単層カーボンナノチューブを主材料とする空気極 - Google Patents
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Description
本出願は、2009年4月30日出願の米国仮特許出願番号61/174,122の利益を享受するものであり、これにより米国仮特許出願のあらゆる式、表又は図面を包含する全てが参照として本明細書に組み込まれる。
図2は、多孔質膜上の金属電極接触型SWNTフィルム及び空気極の電気化学性能を試験するのに用いた電池の断面図を表している。空気極は、SWNTフィルム101、コンタクト電極102及び下地である多孔質疎水性膜103を有している。電池本体104は固体PTFEから作製した。電池側壁に開いた開口部106は、電池内の電解質用容積105に利用される。Oリング107は電池内の側壁開口部106の周囲にあり、SWNTフィルム101と電極102とを担持する膜103がプレキシガラス製のガスフローカバー108によってOリング107に押し付けられると、SWNTフィルム101に対して漏れ止めシールとなる。永久電池では、Oリング107は、クリンプシール、エポキシセメント、接着剤又は硬化シーラントと置き換えてもよい。ガスフローカバー108は、当該ガスフローカバー108の4つの穴109に挿入した4本のねじ(図示せず)で電池本体に固定した。ガスフローカバー108は、ガス吸気口取付部品110と、ガス室112までのスルーホール111と、それに続くガス排気口取付部品114までのスルーホール113と、を有している。電池本体104は、第2Oリング116の付いた第2側壁開口部115を有する対称型である。金属空気電池の構造中、金属箔117は、電池封止部の第2側壁孔115を覆うように、盲蓋118からの圧力によってOリング116に密着させて配置した。盲蓋118は、盲蓋の4つの穴(内、2つを表示)に通した4本のねじ(図示せず)で電池本体に固定した。電解質ガスパージチューブ120(及び取付部品)は上蓋123に差してある。白金フラグカウンター電極121が描写されており、また、(接続線及び)Ag/AgCl基準電極122は3端子クロノアンペロメトリーの測定に使用した。
102 コンタクト電極
103 多孔質疎水性膜
104 電池本体
105 電解質用容積
106 電池内の側壁開口部
107、116 Oリング
108 ガスフローカバー
110 ガス吸気口取付部品
111、113 スルーホール
112 ガス室
114 ガス排気口取付部品
115 第2側壁開口部
117 金属箔
118 盲蓋
120 電解質ガスパージチューブ
121 白金フラグカウンター電極
122 Ag/AgCl基準電極
123 上蓋
Claims (27)
- 金属空気電池又は燃料電池用の空気極であって、
疎水性表面を含む多孔質膜と、
お互いの間に密接な電気的接触および密接な物理的接触を有し、前記多孔質膜の前記疎水性表面に対してほぼ平行に、単層炭素ナノチューブ(SWNT)の長軸が配向されたSWNT、を含む導電性触媒フィルムであって、前記フィルムが前記多孔質膜の前記疎水性表面と接触しており、前記フィルムが貴金属を含んでいない導電性触媒フィルムと、
からなる、前記空気極。 - 前記多孔質膜が、疎水性ポリマー、セラミック又はガラスを含む、請求項1に記載の空気極。
- 前記疎水性ポリマーが、ポリテトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデン、ポリエチレン、ポリプロピレン、任意のポリアミド、任意のポリスルホン又はペルフルオロアルキル側鎖を有するポリオレフィンを含む、請求項2に記載の空気極。
- 前記SWNTが電荷移動ドーピング剤又は置換ドーピング剤でドーピングされている、請求項1に記載の空気極。
- 前記電荷移動ドーピング剤が黒鉛層間化合物を含む、請求項4に記載の空気極。
- 前記置換ドーピング剤がホウ素又は窒素である、請求項4に記載の空気極。
- 前記フィルムが更にフラーレン又はフラーレン誘導体を含む、請求項1に記載の空気極。
- 前記フィルムが更に金属酸化物粒子を含む、請求項1に記載の空気極。
- 前記フィルムが更に共役ポリマーを含む、請求項1に記載の空気極。
- 前記共役ポリマーが粘着性末端を有するポリマーを含む、請求項9に記載の空気極。
- 前記粘着性末端を有するポリマーが更にペンダント置換基を含んでおり、前記ペンダント置換基が前記SWNTの疎水性を変性するものである、請求項10に記載の空気極。
- 前記多孔質膜が非平面形状をしており、前記フィルムが前記形状に適合している、請求項1に記載の空気極。
- 前記形状が、規則正しい、外見上規則正しい又は不規則である、請求項12に記載の空気極。
- 前記導電性触媒フィルムが厚さ10〜20,000nmである、請求項1に記載の空気極。
- 外部回路を前記フィルムの一部に電気接続するための手段を更に備えている、請求項1に記載の空気極。
- 前記導電性触媒フィルムがミクロン径の導電性炭素繊維を更に含む、請求項1に記載の空気極。
- 金属空気電池であって、
疎水性表面を含む多孔質膜と、お互いの間が密接に電気的接触および密接な物理的接触を有し、前記多孔質膜の前記疎水性表面に対してほぼ平行に、単層炭素ナノチューブ(SWNT)の長軸が配向されたSWNT、を含む導電性触媒フィルムと、を備える空気極であって、前記フィルムが前記多孔質膜の前記疎水性表面と接触している空気極と、
金属を含むアノードと、
を備え、前記フィルムが貴金属を含んでいない、前記金属空気電池。 - 前記金属が、チタン、亜鉛、アルミニウム、マグネシウム又はリチウムを含む、請求項17に記載の金属空気電池。
- 燃料電池であって、
疎水性表面を含む多孔質膜と、お互いの間が密接に電気的接触および密接な物理的接触を有し、前記多孔質膜の前記疎水性表面に対してほぼ平行に、単層炭素ナノチューブ(SWNT)の長軸が配向されたSWNT、を含む導電性触媒フィルムと、を備える空気極であって、前記フィルムが前記多孔質膜の前記疎水性表面と接触している空気極と、
燃料を酸化するアノードと、
を備え、前記フィルムが貴金属を含んでいない、前記燃料電池。 - 前記燃料が、水素、炭化水素又はアルコールを含む、請求項19に記載の燃料電池。
- 空気極の製造方法であって、前記方法が、
疎水性表面を含む多孔質膜を提供する工程と、
複数のSWNTを含む懸濁液を前記多孔質膜からの濾過により析出する工程であって、前記SWNTの均質なフィルムが前記疎水性表面の形状に適合し、お互いの間に密接な物理的接触を有し、前記多孔質膜の前記疎水性表面に対してほぼ平行に、SWNTの長軸が配向されている工程と、
前記フィルムを溶媒で洗浄する工程であって、前記SWNT間の密接な電気的接触によって導電性触媒フィルムが形成されることと、
を含む、前記方法。 - 前記フィルムの一部に導体を付着させる工程を更に含む、請求項21に記載の方法。
- 前記フィルムに、フラーレン、金属酸化物粒子、電気活性ポリマー又はこれらのいずれかの組み合わせを析出させる工程を更に含む、請求項21に記載の方法。
- 前記懸濁液が、フラーレン若しくはフラーレン誘導体、金属酸化物粒子、電気活性ポリマー、ミクロン径の導電性炭素繊維又はこれらのいずれかの組み合わせを更に含む、請求項21に記載の方法。
- 前記多孔質膜が非平面形状を有し、前記多孔質膜が以下の工程を含む方法により提供される請求項21に記載の方法であって、
ポリマーと、少なくとも1種の溶媒と、少なくとも1種の非溶媒と、を含む液状ポリマードーピング剤を提供する工程と、
前記液状ポリマードーピング剤を固体表面上に流し込んで平らにならす工程と、
前記溶媒と前記非溶媒とを蒸発させる工程であって、蒸発中に前記ポリマー間に相分離が生じて、前記多孔質膜が前記固体表面上に形成され、前記多孔質膜の少なくとも1つの表面が陥凹部及び/または突出部を有する工程と、
前記多孔質膜を前記固体表面から取り外す工程と、
を含む、前記方法。 - 前記陥凹部及び/又は前記突出部を有する前記多孔質膜の前記少なくとも1つの表面のうちの1つが、前記溶媒と前記非溶媒が蒸発する前記固体表面とは反対側の表面である、請求項25に記載の方法。
- 前記固体表面が、陥凹部及び/又は突出部を含むテンプレートを構成し、前記多孔質膜の前記少なくとも1つの表面のうちの1つが、前記固体表面に隣接した表面である、請求項25に記載の方法。
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