JP6592428B2 - 電極の製造方法及び当該方法を用いて作製された電極 - Google Patents
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Description
pHが7より上では、超常磁性ナノ粒子の表面はOH−基で囲まれており、テトラメチルアンモニウムの場合には、超常磁性ナノ粒子はテトラメチルアンモニウムカチオンで囲まれている。プラスに帯電したテトラメチルアンモニウムカチオンシェルは、超常磁性ナノ粒子の凝集を妨げる。グラファイト粒子上への超常磁性ナノ粒子の堆積後、TMAH残基は60℃超の温度及び100mbar未満の圧力でアンモニアとして蒸発する。
該電極及び/又は電気装置又は電子装置は、厚さが10〜1000μm、好ましくは20〜500μmの範囲の表面層を有していてもよい。
磁場を印加している間又は磁場の印加後にプロセス溶媒を蒸発させることにより、粒子の配向を保存し、粒子間にバインダー材の架橋を形成して固体構造を形成し、その結果、制御された異方性のねじれを有する多孔質電極が得られる。
転換(置換)反応材料の場合、それらはMOx(M=Fe,Co,Ni,Cu,Cr,Mo等)等の遷移金属酸化物であり得る。
図2aに示すように、ヨークによって接続される、同じ方向に磁化された対向する永久磁石は、それらの間の空間に均一な磁場を作り出す。そのような配置の中心にある静止物体は、磁石/ヨーク配置が当該物体の周りを回転すると、均一な回転磁場の影響を受ける。
k=2を有するハルバッハ円筒として知られる構造中に配置された永久磁石は、円筒軸に垂直に配向された均一な磁場を作り出し、ヨークを必要としない。円筒軸に垂直な平面中の理想的なハルバッハ円筒の磁化は、下記式によって与えられる:
下記磁化パターンに従うハルバッハ配列として知られている、図2eに示すような平面構造で配置された永久磁石は、y>0のxz平面で空間的に回転する磁場を作り出し、y<0の磁場を消滅させる。
前記平面のハルバッハ配列構造で配置された永久磁石は、下記磁化パターンに従う同等の角速度及び方向(図2g)で個々に回転させると、空間的及び時間的に回転する磁場(図2h)を作り出す。
その表面にナノ粒子が堆積した非球形導電性マイクロ粒子によるスラリーを製造し、ハルバッハ円筒を用いて電極を製造するために当該スラリーを用いる方法:
5gのグラファイト粒子(d90=32μm、アスペクト比>6(6より大きい)を40mlの脱イオン水に分散した。200μlのカチオン性強磁性流体(EMG605,FerroTec GmbH,ドイツ)をこの懸濁液に加え、30分間攪拌した。10分間の超音波攪拌を行った。この懸濁液を以下の手順で3回洗浄した:a.懸濁液を9000rpmで5分間遠心分離し;b.上澄みをデカントし、40mlの脱イオン水を加え;c.攪拌して沈殿物を分散させ;懸濁液を9000rpmで5分間遠心分離し、上澄みをデカントした。沈殿物を120℃で24時間乾燥した。
2.7gのナノ粒子装飾グラファイトを3gの高分子バインダー懸濁液(NMP中10重量%のPVDF)及び2gの溶媒(NMP,Sigma Aldrich,スイス)と混合し、高剪断ミキサーで10分間分散させた。10分間超音波攪拌した。スラリーを回転テーブル上で1時間放置した。
200μmのノッチバーを用いて電極スラリーで銅箔をコーティングした。コーティングされた電極を、回転ハルバッハ円筒で発生した均一な回転磁場(B=100mT,周波数=1Hz)の影響下で減圧下(<100mbar)、80℃で8時間乾燥した。
その表面にナノ粒子が堆積された非球状導電性微粒子でスラリーを製造する方法及びハルバッハ円筒を用いて電極を製造するために当該スラリーを使用する方法:
5.6gの塩化鉄(II)四水和物FeCl2・4H2Oを、14mlの2M HClに溶解して、Fe2+前駆体を作った。3.02gの塩化鉄(III)六水和物FeCl3・6H2Oを、11.2mlの2M HClに溶解して、Fe3+前駆体を作った。1mlのFe2+前駆体と4mlのFe3+前駆体をガラス容器中で混合した。1M NH4OHを、攪拌しながら5分間かけて滴加した。永久磁石をガラス容器の下に置き、磁性ナノ粒子が磁石の近くに集まった後、上澄みをデカントし、30mlの脱イオンH2Oを加え、上澄みを再度デカントした。磁石を取り去り、30mlの脱イオンH2Oを加えて攪拌した。磁石をガラス容器の下に置き、上澄みを完全にはデカントしなかった。1mlのH2O中25重量%テトラメチルアンモニウムヒドロキシドTMAHを加え、磁石を動かして2分間攪拌した。上澄をデカントした。
5gのグラファイト粒子(d90=32μm、アスペクト比>6)を40mlの脱イオンH2Oに分散させた。この懸濁液に、200μlのナノ粒子懸濁液を加え、30分間攪拌した。10分間の超音波攪拌を行った。懸濁液を以下の手順で3回洗浄した:a.懸濁液を9000rpmで5分間遠心分離し;b.上澄みをデカントし、40mlの脱イオンH2Oを加え;c.攪拌して沈殿物を分散させた。この懸濁液を9000rpmで5分間遠心分離し、上澄みをデカントした。沈殿物を120℃で24時間乾燥した。
2.6gの前記ナノ粒子で装飾されたグラファイトが入った電極スラリー調製品を、0.1gのカーボンブラック(SuperC−65,TIMCAL,スイス)、3gの高分子バインダー懸濁液(NMP中、10重量%のPVDF)及び2.3gの溶媒(NMP,Sigma Aldrich,スイス)と混合し、高剪断ミキサーで10分間分散した。10分間超音波攪拌を行った。スラリーを回転テーブルの上で1時間放置した。
200μmのノッチバーを用いて銅箔の表面を電極スラリーで被覆した。この被覆された電極を、回転式ハルバッハ円筒によって作り出された均一な回転磁場(B=100mT,周波数=1Hz)の影響下で、減圧下(<100mbar)80℃で8時間乾燥した。
希釈されたpH安定化強磁性流体の合成:
5.6gの塩化鉄(II)四水和物FeCl2・4H2Oを、14mlの2M HClに溶解し、Fe2+前駆体を作った。3.02gの塩化鉄(III)六水和物FeCl3・6H2Oを、11.2mlの2M HClに溶解し、Fe3+前駆体を作った。1mlのFe2+前駆体と4mlのFe3+前駆体をガラス容器中で混合した。1M NH4OHを、撹拌しながら5分間かけて滴加した。永久磁石をガラス容器の下に置き、磁性ナノ粒子が磁石の近くに集まった後で上澄みをデカントした。磁石を取り去り30mlの脱イオンH2Oを加えて攪拌した。希NH4OH及びHClを滴加することによってpHの値を10に調整し懸濁液を安定化させた。
2.7gのグラファイト粒子(d90=32μm、アスペクト比>6)を2.3mlの脱イオンH2O及び700μlのナノ粒子懸濁液と高剪断ミキサーで5分間混合した。130mgのNaClを加え、懸濁液を10分間高剪断混合する。1.3gの水性バインダー懸濁液(H2O中15重量%のスチレンブタジエンゴム、LICO LHB−108P)を加え、10分間高剪断混合した。10分間超音波攪拌した。スラリーを回転テーブルの上で1時間放置した。電極スラリーを200μmのノッチバーを用いて銅箔に被覆した。被覆された電極を、回転型ハルバッハ円筒によって作られる均一な回転磁場(B=100mT,周波数=1Hz)の影響下、減圧下(<100mbar)、80℃で8時間乾燥した。
気相からのナノ粒子堆積:異方性形状を有する電気化学的に活性な粒子を、0.1〜100mbarの範囲、好ましくは1〜10mbarの範囲の減圧下、0.1〜100kg/h、好ましくは1〜10kg/hでダウナープラズマ反応器に供給し、100〜5000sccm、通常は500〜3000sccmの流速を有するアルゴンや窒素等のプロセスガスと、1〜50体積%、通常は3〜10体積%のペンタカルボニル鉄Fe(CO)5やtert−ブトオキシド鉄[Fe(OtBu)3]2等の有機金属前駆体との混合物で分散する。任意に、酸素や二酸化炭素等の添加剤を供給ガスに加える。放電は、誘導結合若しくは容量結合高周波(13.56MHz)、又は10〜1000W、好ましくは100〜500Wのマイクロ波放電である。
1. 2mlの2M HCl中4mmol(0.795g)のFeCl2・4H2Oを、脱酸素され、脱イオンされた水に溶解する;
2. 8mlの2M HCl中8mmol(2.162g)のFeCl3・6H2Oを、脱酸素され、脱イオンされた水に溶解する;
3. 激しく攪拌しながら前記2つの溶液をビーカー中で混合する;
4. 100mlの脱酸素され、脱イオンされた水中1.5M NH3を5分間で滴加する;
5. ビーカーの下に強力な磁石を置いて超常磁性ナノ粒子を集め、透明な上澄みをデカントする;
6. 磁石を取り去り、100mlの脱酸素され、脱イオンされた水を加え、懸濁液を攪拌する;
7. 5.及び6.を繰り返す;
8. 2mlの1.68M テトラメチルアンモニウムヒドロキシド(TMAH)水溶液を加える。
2. 合成した超常磁性ナノ粒子懸濁液を加え、5分間混合する;
3. pHを連続的にモニターし、1M HClを滴加することでpH5に調節する;
4. 5分間攪拌する;
5. 懸濁液を真空濾過し、500mlの脱イオン水で3回洗浄する;
6. 濾液を真空下120℃で乾燥する。
その表面に堆積されたナノ粒子を有する非球形導電性微粒子のスラリーの製造方法、及びハルバッハ配列を用いて電極を製造するための該スラリーの使用方法:
4mmol(0.795g)の塩化鉄(II)四水和物FeCl2・4H2Oを2mlの2M HClに溶解してFe2+前駆体を作った。8mmol(2.162g)の塩化鉄(III)六水和物FeCl3・6H2Oを2mlの2M HClに溶解してFe3+前駆体を作った。Fe2+前駆体とFe3+前駆体をガラス容器中で混合した。100mlの1.5M NH3を攪拌しながら5分間かけて滴加した。永久磁石をガラス容器の下に置き、磁性ナノ粒子が磁石近くに集まった後、上澄みをデカントし、100mlの脱イオン水を加え、上澄みを再度デカントした。磁石を取り去り、100mlの脱イオン水を加えて攪拌した。磁石をガラス容器の下に配置し、磁性ナノ粒子が磁石近くに集まった後、上澄みをデカントし、100mlの脱イオン水を加えた。2mlの25重量%テトラメチルアンモニウムヒドロキシドTMAH水溶液を加えた。
30gのグラファイト粒子(d90=32μm、アスペクト比>6)を500mlの脱イオンH2Oに分散した。ナノ粒子懸濁液を前記懸濁液に加え、30分間攪拌した。10分間超音波攪拌した。懸濁液のpHを、1M HClを滴加することで調節し、pH5とした。懸濁液を以下の手順で3回洗浄した:a.懸濁液を真空下吸引フィルタで濾過した;b.全ての液体が濾過によって除去された後、500mlの脱イオンH2Oをフィルタの上に注いだ。全ての液体を濾過し終わった後、濾液を真空下120℃で24時間乾燥した。
7.6gのナノ粒子装飾グラファイトが入った電極スラリー調製品を、6.6gの高分子バインダー懸濁液(NMP中6重量%PVDF)及び9.6gの溶媒(NMP,Sigma Aldrich,スイス)と混合し、高剪断ミキサーで10分間分散した。10分間超音波攪拌した。このスラリーを回転テーブル上で1時間放置した。
200μmのノッチバーを用いて電極スラリーで銅箔を被覆した。被覆された電極を、ハルバッハ配列(周波数f=5Hz)の上で電極を振動させることによって生じた磁場(B=700mT)の影響下で、80℃で8時間、減圧(<100mbar)乾燥した。
Claims (32)
- 最短軸(c)よりも少なくとも1.5倍長い最長軸(a)を有し、かつ第2最長軸(b)に対する前記最長軸(a)の比が2より小さい、異方性形状の電気化学的活性粒子を含む、少なくとも1つの多孔質表面層を有する電極の製造方法であって、前記最長軸(a)が平均で1〜100μmの範囲であり、該方法は、少なくとも
(a)常磁性のナノメーターサイズの粒子を前記異方性形状の電気化学的活性粒子の表面に結合させてナノメーターサイズの粒子と異方性形状の電気化学的活性粒子との複合体を生成する工程;
(b)ナノメーターサイズの粒子と異方性形状の電気化学的活性粒子との前記複合体のスラリーを製造する工程であって、該スラリーは、揮発性成分又は溶出性成分を放出することができるバインダー及び/又は液体バインダーと混合された溶媒を含む工程;
(c)前記スラリーを平面基材に塗布し、1〜1000μmの範囲の厚さを有する膜を形成する工程;
(d)少なくとも前記膜に磁場を印加し、前記異方性形状の電気化学的活性粒子を配向させスラリー被覆基材とする工程であって、前記スラリー被覆基材において、前記異方性形状の電気化学的活性粒子の最短軸が、少なくとも領域の幅に関して、当該領域において前記基材に平行に配向された共通軸に沿って整列されるように、前記異方性形状の電気化学的活性粒子が配置される工程;
(e)前記磁場の印加の際又は印加後のいずれかで、前記バインダーの固化と共に前記溶媒を蒸発させて、及び/又は前記バインダーの固化と前記揮発性成分の放出により、及び/又は前記バインダーの固化とその後の前記溶出性成分の溶出によって、実体積分率が50〜80%の範囲である前記多孔質表面層を形成する工程
を含む方法。 - 前記工程(c)において、5〜500μmの厚さの層を塗布する、請求項1に記載の方法。
- 前記工程(c)において、10〜50μmの厚さの層を塗布する、請求項1に記載の方法。
- 前記工程(d)において、回転磁場を、前記スラリー被覆基材全体に印加する、請求項1〜3のいずれかに記載の方法。
- 前記工程(d)において、均一な回転磁場を、前記スラリー被覆基材全体に印加する、請求項1〜3のいずれかに記載の方法。
- 前記工程(d)において、回転磁場を、前記スラリー被覆基材全体に印加し、前記回転磁場のベクトルは前記基材平面に対して垂直な平面で回転する、請求項1〜3のいずれかに記載の方法。
- 前記工程(d)において、回転磁場を、前記スラリー被覆基材全体に印加し、前記回転磁場のベクトルは前記基材平面に対して垂直な平面で回転し、前記回転磁場の磁束密度(B)が、磁気エネルギー(UM)及び重力エネルギー(UG)の合計によって与えられる総エネルギー(UM+UG)の最小値が、面外の整列された粒子の傾斜角θ=π/2に対して、当該粒子で生じるように調節される、請求項1〜3のいずれかに記載の方法。
- 前記工程(d)において、回転磁場を、前記スラリー被覆基材全体に印加し、前記回転磁場のベクトルは前記基材平面に対して垂直な平面で回転し、前記回転磁場の磁束密度(B)が、磁気エネルギー(UM)及び重力エネルギー(UG)の合計によって与えられる総エネルギー(UM+UG)の最小値が、面外の整列された粒子の傾斜角θ=π/2に対して、当該粒子で生じるように調節され、ディスク形状の粒子に対して、前記必要な磁束は前記磁場エネルギー(UM)及び前記重力エネルギー(UG)について以下の式に基づいて算出される、請求項1〜3のいずれかに記載の方法。
(式中、θは前記粒子の傾斜角であり、Vpは前記粒子の体積であり、ρp及びρfはそれぞれ前記粒子及び流体の密度であり、gは重力加速度であり、2*aは前記粒子の厚さであり、2*bは前記ディスクの直径であり、Δは前記ナノ粒子コーティングの厚さであり、χpは前記コーティングの有効磁化率である。) - 1〜2000mTの範囲の磁束密度を有する磁場が印加され、回転磁場の場合、回転数が0.1〜1000Hzである、請求項1〜8のいずれかに記載の方法。
- 100〜500mTの範囲の磁束密度を有する磁場が印加され、回転磁場の場合、回転数が1〜10Hzである、請求項1〜8のいずれかに記載の方法。
- 前記工程(a)において、溶媒中における静電付着を用いることにより、又は、前記ナノメーターサイズの粒子のその場での(in-situ)生成及び気相での前記異方性形状の電気化学的活性粒子への付着を用いることにより、前記常磁性のナノメーターサイズの粒子を前記異方性形状の電気化学的活性粒子の表面に付着させる、請求項1〜10のいずれかに記載の方法。
- 前記異方性形状の電気化学的活性粒子の前記最短軸(c)に対する前記最長軸(a)の比が>2(2を超える)であり、及び/又は前記第2最長軸(b)に対する前記最長軸(a)の比が<1.4(1.4未満)であり、及び/又は前記最短軸(c)が平均で0.1〜50μmの範囲であり、及び/又は前記異方性形状の電気化学的活性粒子が、層間化合物、遷移金属酸化物、燐酸塩、リチウム合金及びこれらの組み合わせからなる群から選択される、請求項1〜11のいずれかに記載の方法。
- 前記異方性形状の電気化学的活性粒子の前記最短軸(c)に対する前記最長軸(a)の比が5を超え、及び/又は前記第2最長軸(b)に対する前記最長軸(a)の比が1.25未満であり、及び/又は前記最長軸(a)が平均で1〜40μmの範囲であり、及び/又は前記最短軸(c)が平均で1〜10μmの範囲であり、及び/又は前記異方性形状の電気化学的活性粒子が、グラファイト、遷移金属酸化物、燐酸塩、リチウム合金及びこれらの組み合わせからなる群から選択される、請求項1〜11のいずれかに記載の方法。
- 前記スラリーがさらに添加剤を含み、及び/又は使用する前記バインダーが高分子バインダーであり、及び、前記溶媒が有機溶媒及び/又は水である、請求項1〜13のいずれかに記載の方法。
- 前記スラリーがさらに添加剤を、加工助剤、伝導剤(conductivity agents)、分散剤、及びこれらの組み合わせの形態で含み、及び/又は使用する前記バインダーが、スチレン・ブタジエンゴム;ニトリルブタジエンゴム;メチル(メタ)アクリレート・ブタジエンゴム;クロロプレンゴム;カルボキシ変性スチレン・ブタジエンゴム;変性ポリオルガノシロキサンポリマー;ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、並びにこれらの誘導体、及びこれらの組み合わせからなる群から選択される高分子バインダーであり、及び、前記溶媒がN−メチルピロリドン(NMP)、エタノール、アセトン、水、並びにこれらの誘導体及び混合物からなる群から選択される、請求項1〜13のいずれかに記載の方法。
- 前記基材が電気伝導性である、請求項1〜15のいずれかに記載の方法。
- 前記基材が電気伝導性であり、ホイル、格子、炭素を含む織布若しくは不織布、伝導性ポリマー、銅、アルミニウム、チタニウム、ニッケル、銀、金、ステンレス鋼、又はこれらの合金である、請求項1〜15のいずれかに記載の方法。
- 前記工程(c)における前記スラリーの前記基材への塗布を、ペースティング、ドクター・ブレード法、ウェブ・コーティング、ローリング、スクリーン印刷、溶媒キャスト法、又は噴霧析出によって行う、請求項1〜17のいずれかに記載の方法。
- 前記工程(e)の後で、前記膜を熱アニール処理し、及び/又は前記工程(e)の後で、前記常磁性粒子を前記多孔質表面層から除去する、請求項1〜18のいずれかに記載の方法。
- 前記常磁性ナノ粒子が、常磁性及び/又は超常磁性ナノ粒子から選択される、請求項1〜19のいずれかに記載の方法。
- 前記常磁性ナノ粒子が、被覆若しくは非被覆の、界面活性剤で安定化された若しくは界面活性剤で安定化されていない、静電的に安定化された若しくは静電的に安定化されていない粒子からなる群から選択される常磁性及び/又は超常磁性ナノ粒子から選択される、請求項1〜19のいずれかに記載の方法。
- 前記常磁性ナノ粒子が、被覆若しくは非被覆の、界面活性剤で安定化された若しくは界面活性剤で安定化されていない、静電的に安定化された若しくは静電的に安定化されていない粒子であって、酸化鉄、コバルト、ニッケル粒子、及びこれらに由来する合金を含む粒子からなる群から選択される常磁性及び/又は超常磁性ナノ粒子から選択される、請求項1〜19のいずれかに記載の方法。
- 前記常磁性ナノ粒子が、被覆若しくは非被覆の、界面活性剤で安定化された若しくは界面活性剤で安定化されていない、静電的に安定化された若しくは静電的に安定化されていない粒子であって、Fe3O4、Fe2O3、コバルト、ニッケル粒子、及びこれらに由来する合金粒子からなる群から選択される常磁性及び/又は超常磁性ナノ粒子から選択され、前記ナノ粒子が1〜500nmの範囲のサイズを有する、請求項1〜19のいずれかに記載の方法。
- 少なくとも1つの多孔質表面層を有する前記電極が、電気装置及び/又は電子装置の一部である、請求項1〜23のいずれかに記載の方法。
- 少なくとも1つの多孔質表面層を有する前記電極が、電気装置及び/又は電子装置、エネルギー貯蔵装置及び/又はエネルギー配給装置、分析装置、化学合成装置、又はこれらの組み合わせの一部であって、電池、燃料電池、コンデンサ、電気化学的水分解装置、電気めっき装置の形態で少なくとも1つの前記電極を含む、請求項1〜23のいずれかに記載の方法。
- 少なくとも1つの多孔質表面層を有する電極、及び/又は電気装置若しくは電子装置であって、前記多孔質表面層は、前記最短軸よりも少なくとも1.5倍長い最長軸を有し、かつ第2最長軸に対する前記最長軸の比が1.5未満の異方性形状の電気化学的活性粒子を含み、前記最長軸(a)が平均で1〜100μmの範囲であり、前記異方性形状の電気化学的活性粒子はバインダーによって埋められ一緒に保持されており、かつ前記異方性形状の電気化学的活性粒子の最短軸が、少なくとも領域の幅に関して、前記領域において前記基材に平行に向けられている共通軸に沿って整列されて前記多孔質表面層中に配置されており、前記多孔質表面層の厚さが1〜1000μmの範囲であり、かつ実体積分率が50〜80%の範囲である、電極、及び/又は電気装置若しくは電子装置。
- 少なくとも1つの多孔質表面層を有する電極、及び/又は電気装置若しくは電子装置であって、少なくとも1つの前記電極を含むバッテリーの形態であり、前記多孔質表面層は、前記最短軸よりも少なくとも1.5倍長い最長軸を有し、かつ第2最長軸に対する前記最長軸の比が1.5未満の異方性形状の電気化学的活性粒子を含み、前記異方性形状の電気化学的活性粒子はバインダーによって埋められ一緒に保持されており、かつ前記異方性形状の電気化学的活性粒子の最短軸が、少なくとも領域の幅に関して、前記領域において前記基材に平行に向けられている共通軸に沿って整列されて前記多孔質表面層中に配置されており、前記多孔質表面層の厚さが20〜50μmの範囲であり、かつ実体積分率が50〜80%の範囲である、請求項26に記載の電極、及び/又は電気装置若しくは電子装置。
- 前記多孔質表面層が1〜10の範囲のねじれを有し、及び/又は前記多孔質表面層の厚さが10〜1000μmの範囲である、請求項26に記載の電極及び/又は電気装置若しくは電子装置。
- 前記多孔質表面層が1〜3の範囲のねじれを有し、及び/又は前記多孔質表面層の厚さが20〜500μmの範囲である、請求項26に記載の電極及び/又は電気装置若しくは電子装置。
- 前記多孔質表面層の面外方向のねじれが少なくとも1つの方向で最大でも前記多孔質表面層の面内方向のねじれと同じ大きさである、請求項26〜29のいずれかに記載の電極及び/又は電気装置若しくは電子装置。
- 前記多孔質表面層の面外方向のねじれが両方の面内の方向で最大でも前記多孔質表面層の面内方向のねじれと同じ大きさである、請求項26〜29のいずれかに記載の電極及び/又は電気装置若しくは電子装置。
- 前記多孔質表面層の面外方向のねじれが前記面外のねじれが少なくとも1つの方向で前記多孔質表面層の面内方向のねじれよりも小さいか、又は両方の面内の方向で前記面内のねじれより小さい、請求項26〜29のいずれかに記載の電極及び/又は電気装置若しくは電子装置。
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