(57)【要約】      （修正有）【課題】カーボンナノチューブ及び電極活物質の液体分散体から複合材を生成するための方法の提供。【解決手段】自立電極の製造方法に関し、方法は、カーボンナノチューブ又は炭素繊維及び液体媒体を含む液体分散体を提供することと、カーボンナノチューブ又は炭素繊維を液体分散体から、電極活物質が事前堆積された移動基材に湿式堆積させて、カーボンナノチューブ又は炭素繊維及び電極活物質の両方を含む複合材を形成することと、を含む。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
カーボンナノチューブ又は炭素繊維及び液体媒体を含む液体分散体を提供することと、
前記カーボンナノチューブ又は前記炭素繊維を前記液体分散体から、電極活物質が事前堆積された移動基材に湿式堆積させて、前記カーボンナノチューブ又は前記炭素繊維及び前記電極活物質の両方を含む複合材を形成することと、を含む、自立電極を製造する方法。
【請求項２】
前記基材から前記複合材を除去して、自立電極を形成することを更に含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記複合材を圧縮することを更に含む、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記カーボンナノチューブが、単層カーボンナノチューブ、多層ナノチューブ、及びこれらの混合物から選択される、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記カーボンナノチューブが、単層カーボンナノチューブを含む、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記液体媒体が、水、アルコール、エタノール、ＮＭＨ、及びこれらの混合物から選択される溶媒を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記液体分散体が、界面活性剤を更に含む、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記電極活物質が、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ａｌ、Ｍｇ、Ｔｉ、Ｌｉの酸化物、及びこれらの混合物から選択される、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記電極活物質が、リチウムニッケルマンガンコバルト酸化物を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記カーボンナノチューブが、コレクタと連結された合成反応器内で生成され、
前記コレクタが、前記液体媒体を収容して、前記合成反応器内で生成された前記浮遊カーボンナノチューブを捕捉し、
前記合成反応器が、金属触媒前駆体、炭素源、及びナノチューブ成長促進剤、並びにキャリアガスを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
前記炭素源が、炭化水素、一酸化炭素、二酸化炭素、及びこれらの混合物から選択され、前記ナノチューブ成長促進剤が、チオフェン及び水素ガスから選択され、前記キャリアガスが、アルゴン、水素、窒素、及びこれらの混合物から選択される、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
カーボンナノチューブ又は炭素繊維及び第１の液体媒体を含む第１の液体分散体を提供することと、
電極活物質及び第２の液体媒体を含む第２の液体分散体を提供することと、
前記第１の液体分散体及び前記第２の分散体を移動基材に同時に湿式堆積させて、複合材を形成することと、を含む、自立電極を製造する方法。
【請求項１３】
前記基材から前記複合材を除去して、自立電極を形成することを更に含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記複合材を圧縮することを更に含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１５】
前記カーボンナノチューブが、単層カーボンナノチューブ、多層ナノチューブ、及びこれらの混合物から選択される、請求項１２に記載の方法。
【請求項１６】
前記カーボンナノチューブが、単層カーボンナノチューブを含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記液体媒体が、水、アルコール、エタノール、ＮＭＨ、及びこれらの混合物から選択される溶媒を含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１８】
前記液体分散体が、界面活性剤を更に含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１９】
前記電極活物質が、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ａｌ、Ｍｇ、Ｔｉ、Ｌｉの酸化物、及びこれらの混合物から選択される、請求項１２に記載の方法。
【請求項２０】
前記電極活物質が、リチウムニッケルマンガンコバルト酸化物を含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項２１】
前記カーボンナノチューブが、コレクタと連結された合成反応器内で生成され、
前記コレクタが、前記液体媒体を収容して、前記合成反応器内で生成された前記浮遊カーボンナノチューブを捕捉し、
前記合成反応器が、金属触媒前駆体、炭素源、及びナノチューブ成長促進剤、並びにキャリアガスを含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項２２】
前記炭素源が、炭化水素、一酸化炭素、二酸化炭素、及びこれらの混合物から選択され、前記ナノチューブ成長促進剤が、チオフェン及び水素ガスから選択され、前記キャリアガスが、アルゴン、水素、窒素、及びこれらの混合物から選択される、請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
カーボンナノチューブ又は炭素繊維、電極活物質、及び液体媒体を含む単一液体分散体を提供することと、
前記単一液体分散体を移動基材に湿式堆積させて、複合材を形成することと、を含む、自立電極を製造する方法。
【請求項２４】
前記基材から前記複合材を除去して、自立電極を形成することを更に含む、請求項２３に記載の方法。
【請求項２５】
前記複合材を圧縮することを更に含む、請求項２３に記載の方法。
【請求項２６】
前記カーボンナノチューブが、単層カーボンナノチューブ、多層ナノチューブ、及びこれらの混合物から選択される、請求項２３に記載の方法。
【請求項２７】
前記カーボンナノチューブが、単層カーボンナノチューブを含む、請求項２６に記載の方法。
【請求項２８】
前記液体媒体が、水、アルコール、エタノール、ＮＭＨ、及びこれらの混合物から選択される溶媒を含む、請求項２３に記載の方法。
【請求項２９】
前記液体分散体が、界面活性剤を更に含む、請求項２３に記載の方法。
【請求項３０】
前記電極活物質が、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ａｌ、Ｍｇ、Ｔｉ、Ｌｉの酸化物、及びこれらの混合物から選択される、請求項２３に記載の方法。
【請求項３１】
前記電極活物質が、リチウムニッケルマンガンコバルト酸化物を含む、請求項２３に記載の方法。
【請求項３２】
前記カーボンナノチューブが、コレクタと連結された合成反応器内で製造され、
前記コレクタが、前記液体媒体を収容して、前記合成反応器内で生成された前記浮遊カーボンナノチューブを捕捉し、
前記合成反応器が、金属触媒前駆体、炭素源、及びナノチューブ成長促進剤、並びにキャリアガスを含む、請求項２３に記載の方法。
【請求項３３】
前記炭素源が、炭化水素、一酸化炭素、二酸化炭素、及びこれらの混合物から選択され、前記ナノチューブ成長促進剤が、チオフェン及び水素ガスから選択され、前記キャリアガスが、アルゴン、水素、窒素、及びこれらの混合物から選択される、請求項３２に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
様々なマトリックス中の添加剤としての単層カーボンナノチューブ（ＳＷＮＴ）は、優れた電気的特性及び機械的特性並びに複合材料に重要な高いアスペクト比のため、用途について最も集中的に研究された分野の１つとなっている。様々な用途の中でも、電池電極の性能向上のための添加材料としてＳＷＮＴを利用することは、非常に有望である。混合技術の主要部分は、液体プロセスに基づき、５つの必要な工程、ａ）ナノチューブの合成、ｂ）適切な溶媒中でのナノチューブの分散（脱凝集）、ｃ）ナノチューブ表面の官能化（凝集に対する保護）、ｄ）結合剤との混合、及びｅ）活物質との混合（調製スラリー）を含む。これらを選択すると、高価であるだけでなく、ナノチューブ特性も劣化させ、例えば、ボールミリング、超音波処理などによる分散は、アスペクト比の不可避的な低減及び欠陥を引き起こし、結果として、性能を改善するためにより多くのナノチューブ充填量（重量％）が必要となる。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００２】
いくつかの実施形態では、本開示は、自立電極の製造方法に関し、方法は、カーボンナノチューブ又は炭素繊維及び液体媒体を含む液体分散体を提供することと、カーボンナノチューブ又は炭素繊維を液体分散体から、電極活物質が事前堆積された移動基材に湿式堆積させて、カーボンナノチューブ又は炭素繊維及び電極活物質の両方を含む複合材を形成することと、を含む。
【０００３】
いくつかの実施形態では、本開示は、自立電極の製造方法に関し、方法は、カーボンナノチューブ又は炭素繊維及び第１の液体媒体を含む第１の液体分散体を提供することと、電極活物質及び第２の液体媒体を含む第２の液体分散体を提供することと、第１の液体分散体及び第２の分散体を移動基材に同時に湿式堆積させて、複合材を形成することと、を含む。
【０００４】
いくつかの実施形態では、本開示は、自立電極の製造方法に関し、方法は、カーボンナノチューブ又は炭素繊維、電極活物質、及び液体媒体を含む単一液体分散体を提供することと、単一液体分散体を移動基材に湿式堆積させて、複合材を形成することと、を含む。
【図面の簡単な説明】
【０００５】
添付の図面は、本明細書と共に例示的な実施形態を示し、説明と共に、これらの実施形態の原理を説明する役割を果たす。
【０００６】
【図１】自立電極を製造する例示的な方法（方法Ｉ）を示す概略ブロック図である。
【０００７】
【図２】自立電極を製造するための例示的な方法（方法ＩＩ）を示すフローブロック図である。
【０００８】
【図３】自立電極を製造するための例示的な方法（方法ＩＩＩ）を示すフローブロック図である。
【０００９】
【図４】コレクタと連結された例示的なカーボンナノチューブ合成反応器を示す図である。
【００１０】
【図５】コレクタ内の液体分散体から多孔質基材にカーボンナノチューブを湿式堆積させるための例示的な方法（方法Ｉ）を示す図である。
【００１１】
【図６】２つの別個の液体分散体から多孔質基材にカーボンナノチューブ及び電極活物質を共堆積させるための例示的な方法（方法ＩＩ）を示す図である。
【００１２】
【図７】単一液体分散体から多孔質基材にカーボンナノチューブ及び電極活物質を同時に湿式堆積させるための例示的な方法（方法ＩＩＩ）を示す図である。
【００１３】
【図８】本開示により合成されたカーボンナノチューブの例示的なラマン特性評価を示す図である。
【００１４】
【図９】本開示により合成されたカーボンナノチューブの例示的な微分熱重量分析（ＤＴＧ）及び熱重量分析（ＴＧＡ）を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本開示は、自立電極を生産するための方法を提供する。ナノチューブと電極活物質との混合物を含む自立電極もまた提供される。一実施形態では、自立電極は、最初にカーボンナノチューブ（又は炭素繊維）を含有する液体分散体及び電極活物質を含有する別個の液体分散体を提供することと、電極活物質を移動多孔質基材に湿式堆積させることと、続いて、多孔質基材上の電極活物質層にカーボンナノチューブ又は炭素繊維を湿式堆積させることと、によって調製される。電極活物質と、単層及び多層ナノチューブなどのカーボンナノチューブとの得られた複合材は、多孔質基材から除去又は剥離されて、自立電極を形成することができる。基材は、任意の種類のフィルタ材料又はこれらの混合物で製造することができる。基材材料の例としては、固形物を回収し、かつ溶液／ろ液が通過することを可能にする、セルロース、布、及び任意の種類の材料が挙げられる。
【００１６】
一実施形態では、自立電極は、カーボンナノチューブ（又は炭素繊維）及び電極活物質の両方を含有する液体分散体を提供することと、組み合わせた液体分散体を移動多孔質基材上に湿式堆積させることと、によって調製される。電極活物質と、単層及び多層ナノチューブなどのカーボンナノチューブとの得られた複合材は、基材から除去又は剥離されて、自立電極を形成することができる。
【００１７】
別の実施形態では、自立電極は、最初にカーボンナノチューブ（又は炭素繊維）を含有する液体分散体及び電極活物質を含有する別個の液体分散体を提供することと、カーボンナノチューブ又は炭素繊維及び電極活物質を移動多孔質基材に同時に湿式堆積することと、によって調製される。電極活物質と、単層及び多層ナノチューブなどのカーボンナノチューブとの得られた複合材は、基材から除去又は剥離されて、自立電極を形成することができる。
【００１８】
本開示は、移動多孔質基材上にカーボンナノチューブ（又は炭素繊維）及び電極活物質を堆積させるための液体プロセスを使用して、リチウムイオン電池用の自立電極を生産するための方法に関する。合成反応器由来の単層及び多層ナノチューブなどのカーボンナノチューブを回収し、液体媒体中に分散させて、ナノチューブ懸濁液又は分散体を形成する。得られた液体ナノチューブ懸濁液／分散体は、ロールツーロールシステムに取り付けられた多孔質可撓性基材上に容器から直接堆積される。
【００１９】
得られた堆積層は、活性電極材料中に十分に分散されたナノチューブを含有する。ナノチューブ及び活物質堆積速度の独立制御は、ナノチューブの活物質に対する比（重量％）の調節を可能にする。得られた複合材の厚さは、例えば、所与の堆積速度について基材移動速度を変化させることによって制御することができる。複合材の厚さはまた、例えば、堆積時間を変化させること、ナノチューブ／活物質比を変化させることなどによっても制御することができる。複合材の厚さに関連付けられる電気的特性及び機械的特性は、同じ手法で制御することができる。複合材は、多孔質基材から除去することができ、層は、自立型かつ可撓性であり、任意の望ましいサイズに切断することができる。複合材は、任意の追加の結合剤又はコレクタ（電極種類に応じてアルミナ又は銅）を含まない電極として使用することができる。この電極を活用することで、電池のエネルギー密度及び電力密度を増加させる可能性が与えられる。加えて、ナノチューブ及び活物質粉末堆積のための分離された供給源を使用すること、並びにロールツーロールシステムを実装することにより、ナノチューブ充填量（重量％）及び複合材の厚さの制御を可能にすることができる。更に、本開示の方法は、連続的に実行することができ、費用効率性をもたらすことができる。
【００２０】
加えて、上記の方法は、単層カーボンナノチューブの生成及び湿式堆積に好適であるだけでなく、多層カーボンナノチューブ又は炭素繊維の生成及び湿式堆積にも好適である。多孔質基材に炭素ナノチューブ又は炭素繊維を湿式堆積させるのに好適なシステムは、ロールツーロールシステム、バッチツーバッチシステム（すなわち、非移動基材）、及び半連続（半移動）システムを含む。上記の方法における湿式堆積多孔質基材は、任意選択的に洗浄かつ乾燥されてもよい。一実施形態では、洗浄された多孔質基材の乾燥温度は、約１１０℃である。
【００２１】
上記液体分散体を調製するための好適な材料は、少なくともカーボンナノチューブ及び炭素繊維を含む。更に、カーボンナノチューブとしては、単層ナノチューブ、多層ナノチューブ、又はこれらの混合物が挙げられる。
【００２２】
本明細書で使用するとき、「電極活物質」は、電極内の伝導性材を指す。「電極」という用語は、イオン及び電子が電解質及び外部回路と交換される電気導体を指す。「正極」及び「カソード」は、本明細書において同義的に使用され、電気化学セルにおいてより高い（すなわち、負極よりも高い）電極電位を有する電極を指す。「負極」及び「アノード」は、本明細書において同義的に使用され、電気化学セルにおいてより低い（すなわち、正極よりも低い）電極電位を有する電極を指す。カソード還元は、化学種の電子（複数可）の獲得を指し、アノード酸化は、化学種による電子（複数可）の喪失を指す。
【００２３】
図４は、液体カーボンナノチューブ分散体を生成するためのコレクタ１００と連結されたカーボンナノチューブ反応器１０Ａを示す。カーボンナノチューブ合成反応器の構成は、決して限定されることを意図しないことを理解されたい。図４に示すように、ナノチューブは、反応器１０Ａ内で合成することができる。例えば、炭素源又は炭素前駆体１３０は、触媒と共に、１種以上のキャリアガス２０Ａ及び２１の存在下で、ポンプ２２によって反応器１０Ａ内にポンプ圧送されて、カーボンナノチューブを形成することができる。例えば、水素２０Ａ及び２１及びアルゴン２１を含むキャリアガスの流れは、反応器１０Ａに導入されて、炭素源又は炭素前駆体と配合される。水素はまた、ナノチューブ成長促進剤としても使用することができる。一実施例では、単層及び多層ナノチューブなどのカーボンナノチューブは、管状反応器１０Ａ内の金属触媒前駆体の熱分解を使用し、炭化水素（又はＣＯｘ）を炭素源として使用し、チオフェン及び水素ガスをナノチューブ成長促進剤として使用し、かつアルゴンガスをキャリアガスとして使用することによって、合成することができる。
【００２４】
本開示と共に使用するのに好適なキャリアガスとしては、アルゴン、水素、窒素、及びこれらの組み合わせが挙げられるが、これらに限定されない。キャリアガスは、任意の好適な圧力並びに炭素源及び／触媒との任意の好適な流速配合で使用して、カーボンナノチューブを形成し、得られたナノチューブをコネクタ１１０を介してコレクタ１００に輸送することができる。いくつかの実施形態では、キャリアガスは、アルゴン、水素、ヘリウム、又はこれらの混合物であってもよい。いくつかの実施形態では、キャリアガスは、８５０標準立方センチメートル毎分（ｓｃｃｍ）の流速のアルゴン及び３００ｓｃｃｍの流速の水素を含んでもよい。キャリアガスの流速は、最適な結果を得るように変化させることができる。反応排ガスは、出口２５を通って排気される。
【００２５】
一実施例では、合成反応器１０Ａ内で生成された単層及び多層ナノチューブなどの浮遊カーボンナノチューブ、又は炭素繊維は、コネクタ／ノズル１１０を通ってコレクタ１００に入り、液体媒体２５内に回収される。液体媒体及び回収されたカーボンナノチューブは、コレクタ１００内で撹拌及び混合することができる。反応排ガスは、出口２４を通ってコレクタから排気される。液体媒体２５は、ミキサー２６によって撹拌されてもよい。液体媒体２５は、例えば、浮遊カーボンナノチューブを捕捉するための溶媒又は溶媒混合物を含む。液体媒体を調製するための好適な溶媒としては、水、エタノール、アルコール、ＮＭＨ溶媒、及びこれらの混合物が挙げられるが、これらに限定されない。液体媒体は、少量の、ドデシル硫酸ナトリウム（ＳＤＳ）、臭化セチルトリメチルアンモニウム（ＣＴＡＢ）などの界面活性剤、並びにピレン又はペリレンなどの芳香族基質、及び脂肪族鎖を含有する界面活性剤、又はこれらの混合物を任意選択的に含んでもよい。液体媒体中の界面活性剤は、捕捉されたカーボンナノチューブが束化するのを防止することができる。液体媒体中の少量の界面活性剤は、自立電極を生産するためのその後のプロセスにおいて別個の精製工程を必要とせず、少量の界面活性剤の存在により、最終製品の性能を変化させない。これにより、カーボンナノチューブが内部に均一に分散した液体媒体が生成される。
【００２６】
カーボンナノチューブの液体分散体を含有するコレクタ１００は、コネクタ／ノズル１１０と共に、合成反応器１０Ａから分離又は取り外される。前述の工程で得られた液体分散体は、更なる処理を必要とせず、移動多孔質基材上に噴霧（湿式堆積）するために直接使用される。このプロセスでは、合成中に浮遊カーボンナノチューブを回収するために使用される同じノズル１１０もまた、湿式堆積のために使用されるように、コレクタは、ノズル１１０を移動基材に向かって方向付ける位置で反転される。プロセス全体は、追加の装置又は追加の処理を必要としない。あるいは、液体分散体は、基材上への堆積のためにコレクタからポンプ圧送されることができ、又は分散体全体を別個の湿式堆積貯蔵部及び分配タンクに移すことができる。このような別個の湿式堆積貯蔵部及び分配タンクを利用することにより、複数の反応器及びコレクタを使用して、自立電極のより連続的な生産を容易に行うことができる。コレクタから分配タンクに移される内容物又は液体分散体は、湿式堆積工程においてより良好に均一になるように、分配タンク内で更に撹拌及び混合されてもよい。
【００２７】
本開示によるカーボンナノチューブの合成は、連続的かつ中断されないようにできるのは、カーボンナノチューブの液体分散体を収容する分離されたコレクタが、合成反応器から浮遊カーボンナノチューブを回収する準備ができた同じ液体媒体を収容する新しいコレクタと交換することができるためである。
【００２８】
本開示による液体分散体中で使用される溶媒は、蒸発によって除去され得る。蒸発条件は、溶媒の性質に依存する。例えば、アルコールは、室温に近い温度で迅速に蒸発させることができるのに対し、ＮＭＨは、蒸発させるために長時間にわたり非常に高い温度、例えば、１１０℃を必要とする。
【００２９】
湿式堆積速度は、カーボンナノチューブ及び電極活物質の所望の複合材を得るように制御することができる。湿式堆積速度は、毎分０．２ｍｇ〜２０ｍｇカーボンナノチューブである。一実施形態では、本開示による湿式堆積カーボンナノチューブの速度は、毎分約１ｍｇナノチューブである。
【００３０】
本開示で使用されるナノチューブの種類は限定されない。ナノチューブは、完全に炭素であってもよく、又は置換されていてもよく、すなわち非炭素格子原子を有する。カーボンナノチューブは、側部及び／又は端部位置に１つ以上の官能基部分を含むように、外部から誘導体化されてもよい。いくつかの実施形態では、カーボンナノチューブ及び無機ナノチューブは、ナノチューブの構造に組み込まれる金属又は半金属などの追加の構成成分を含む。特定の実施形態では、追加の構成成分は、ドーパント、表面コーティング、又はこれらの組み合わせである。
【００３１】
ナノチューブは、それらのカイラリティーに応じて金属性、半金属性、又は半導体性であってもよい。カーボンナノチューブのカイラリティーは、二重指数（ｎ，ｍ）によって示され、ｎ及びｍは、当該技術分野において周知であるように、管状構造に形成されたときに、六角形のグラファイトの切り出し及び巻き方を記述する整数である。（ｍ，ｎ）構成のナノチューブは、絶縁性である。（ｎ，ｎ）構成、又は「アームチェア型」のナノチューブは、金属性であり、したがって、その電気伝導率及び熱伝導率が非常に高い値である。カーボンナノチューブは、単層ナノチューブについては約０．６ｎｍから、単層又は多層ナノチューブについては２０ｎｍ以上までの範囲の直径を有してもよい。ナノチューブは、長さが約５０ｎｍ〜約１ｃｍ以上の範囲であってもよい。
【００３２】
別の実施例では、同じ合成反応器１０Ａを使用して炭素繊維を生成することができる。炭素繊維の液体懸濁液／分散体の生成方法は、カーボンナノチューブの生成方法と概ね同じである。炭素繊維は、約１００ｎｍ〜約数ミリメートルの範囲の直径を有してもよい。好ましくは、炭素繊維の直径は、約１００ｎｍ〜数百μｍ（マイクロメートル）の範囲である。
【００３３】
非限定的な実施例では、電極活物質は、液体媒体中に分散させることができる任意の固形の金属酸化物粉末であってもよい。例示的な実施例では、金属酸化物は、電池のカソードに使用するための材料である。金属酸化物の非限定的な例としては、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ａｌ、Ｍｇ、Ｔｉの酸化物、及びこれらの任意の混合物が挙げられる。金属酸化物は、リチウム挿入されてもよい。例示的な実施例では、金属酸化物は、リチウムニッケルマンガンコバルト酸化物（ＬｉＮｉＭｎＣｏＯ２）である。金属酸化物粉末は、約１ナノメートル〜約１００マイクロメートルの範囲内に画定される粒径を有し得る。非限定的な実施例では、金属酸化物粒子は、約１ナノメートル〜約１０ナノメートルの平均粒径を有する。
【００３４】
本開示によるリチウム金属酸化物中の金属としては、１種以上のアルカリ金属、アルカリ土類金属、遷移金属、アルミニウム、又はポスト遷移金属、及びこれらの水和物が挙げられてもよいが、これらに限定されない。いくつかの実施形態では、電極活物質は、リチウムニッケルマンガンコバルト酸化物（ＬｉＮｉＭｎＣｏＯ２）である。
【００３５】
図１及び図５に示すような非限定的な実施例では、Ｌｉイオン電池用の自立電極は、カーボンナノチューブ液体分散体及び電極活物質液体分散体を別々に提供することによって調製される。本実施例では、電極活物質は、リチウムニッケルマンガンコバルト酸化物（Ｌｉ・Ｎｉ・Ｍｎ・Ｃｏ・酸化物又はＬｉＮｉＭｎＣｏＯ２）である。２つの材料の液体分散体は、工程Ｓ１１０で２つの別個の液体媒体中で調製される。液体分散体は、２つのコレクタ中で別々に混合又は撹拌されてもよい。電極活物質の液体分散体を多孔質基材に噴霧／湿式堆積した後、カーボンナノチューブ分散体を同じ基材に湿式堆積させて（Ｓ１２０〜Ｓ１３０）、混合カーボンナノチューブ及び電極活物質を含む所望の厚さを表面に有する複合自立電極を形成する。
【００３６】
任意選択的に、自立電極は、工程Ｓ１４０において、例えば、自立電極の密度を増加させるために、プレス加工及び注型成形によって処理することができる。自立電極は、自立型かつ可撓性であり、電池電極の所望の寸法に任意選択的に切断することができる。自立電極は、任意選択的に結合剤を含まず、任意選択的に、金属系集電体（一般的には、電極の種類に応じてアルミナ又は銅）を用いずに使用することができる。
【００３７】
図２及び図６に示すような非限定的な実施例では、リチウムイオン電池用の自立電極は、液体カーボンナノチューブ分散体及び液体電極活物質分散体を別々に提供することによって調製される。コレクタ（図６の１００及び１００Ｂ）内の液体分散体を、別々に撹拌及び混合することができる。本実施例では、電極活物質は、ＬｉＮｉＭｎＣｏＯ２である。２つの材料の液体分散体は、図２の工程Ｓ２１０において２つの別個の液体媒体（図６の２５及び６５）内で調製される。カーボンナノチューブの液体分散体及び電極活物質の液体分散体は、２つのノズル（図６の１１０）を通って、多孔質基材（図６の６０）に同時に噴霧（共堆積）されて、混合カーボンナノチューブ及び電極活物質を含む所望の厚さを表面に有する複合自立電極を形成する。あるいは、２つの別個の液体分散体は、多孔質基材への湿式堆積の前に予混合されてもよい。２つの液体分散体の予混合は、Ｔ形状又はＹ形状継手／チューブ又はインラインミキサーなどの混合装置を通って分散体を供給することによって達成することができる。インラインミキサーの市販のモデルの例としては、Ｋｏｆｌｏ（登録商標）静的インラインミキサーが挙げられる。
【００３８】
任意選択的に、自立電極は、工程Ｓ２３０において、例えば、自立電極の密度を増加させるために、プレス加工及び注型成形によって、処理することができる。自立電極は、自立型かつ可撓性であり、電池電極の所望の寸法に任意選択的に切断することができる。自立電極は、任意選択的に結合剤を含まず、任意選択的に、金属系集電体（一般的には、電極の種類に応じてアルミナ又は銅）を用いずに使用することができる。
【００３９】
図３及び図７に示すような非限定的な実施例では、リチウムイオン電池用の自立電極は、カーボンナノチューブ及び電極活物質の両方を含有する単一液体分散体を提供することによって調製される。本実施例では、電極活物質は、ＬｉＮｉＭｎＣｏＯ２である。ナノチューブ及びＬｉＮｉＭｎＣｏＯ２の両方を含有する単一液体分散体は、図３の工程Ｓ３１０において液体媒体（図７の２５）内で調製される。液体分散体は、コレクタ（図７の１００）内で撹拌及び混合されてもよい。単一液体分散体を、ノズル（図７の１１０）を通って多孔質基材（図７の６０）に湿式堆積させて、混合カーボンナノチューブ及び電極活物質を含む所望の厚さを表面に有する複合自立電極を形成する。
【００４０】
任意選択的に、自立電極は、工程Ｓ３３０において、例えば、自立電極の密度を増加させるために、プレス加工及び注型成形によって、処理することができる。自立電極は、自立型かつ可撓性であり、電池電極の所望の寸法に任意選択的に切断することができる。自立電極は、任意選択的に結合剤を含まず、任意選択的に、金属系集電体（一般的には、電極の種類に応じてアルミナ又は銅）を用いずに使用することができる。
【００４１】
可動多孔質基材は、当業者に既知の任意の好適な手段によって移動可能にされてもよい。いくつかの実施形態では、可動多孔質基材は、コンベヤベルト又は図５〜図７に示したロールツーロールシステム４５などのロールツーロールシステムに取り付けられた多孔質可撓性基材であってもよい。可動多孔質基材の移動速度は、コンピュータによって又は操作者による手動などで、制御可能であってもよい。移動速度の制御は、得られる複合材の厚さの制御を可能にするか、又は容易にすることができる。フィルタ又はフリットが挙げられるがこれらに限定されない好適な多孔質可撓性基材は、複合材を通過させないように適切にサイズ決めされた細孔を有する。いくつかの実施形態では、細孔は、液体分散体中の溶媒を通過させるようにサイズ決めされてもよい。ロールツーロールシステムの一例は、水平ベルトフィルタシステムである。水平ベルトフィルタシステムは、スラリー材料（例えば、カーボンナノチューブ分散体）が塗布され得るフィルタ（又は多孔質）基材として連続織布を使用する。水平ベルトフィルタシステムは、真空を引いてろ液を除去し、固体スラリー材料が織布上に堆積してケーキ（例えば、カーボンナノチューブフィルム）を形成する。水平ベルトフィルタシステムは、任意選択的に、ケーキを洗浄する工程を提供してもよい。市販の水平ベルトフィルタシステムの一例は、Ｏｕｔｏｔｅｃ（登録商標）Ｌａｒｏｘ  ＲＴ水平真空ベルトフィルタである。このような市販のシステムは、スラリーケーキを圧縮及び加熱するために使用される領域を更に提供することができる。水平ベルトフィルタシステムは、個々の電極の形成に実際に導く別個のろ過ゾーンを形成するようにフィルタにわたって位置決めすることができるテンプレートを使用して、個別の電極を形成する方法を提供することができるであろう。このようなベルトフィルタシステムは、個々の電極に大きなブランケットをトリミングするプロセスにおけるカーボンナノチューブの損失を回避することができるであろう。
【００４２】
非限定的な実施例では、単層及び多層ナノチューブなどのカーボンナノチューブ、又は炭素繊維は、触媒又は触媒前駆体の存在下で、約１３００℃などの約１０００〜約１５００℃の温度で、炭素源又は炭素前駆体から反応器又は炉内で合成され得る。
【００４３】
本開示は、カーボンナノチューブの生成に使用される触媒の種類又は形態に限定されない。様々な態様では、触媒粒子は、エアロゾルとして存在する。いくつかの実施形態では、触媒材料は、ナノ粒子として供給され、遷移金属、ランタニド金属、又はアクチニド金属を含むコロイド金属ナノ粒子が挙げられるが、これらに限定されない。例えば、触媒は、クロム（Ｃｒ）、モリブデン（Ｍｏ）、及びタングステン（Ｗ）などの第ＶＩ族遷移金属、又は鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、ルテニウム（Ｒｕ）、ロジウム（Ｒｈ）、パラジウム（Ｐｄ）、オスミウム（Ｏｓ）、イリジウム（Ｉｒ）、及び白金（Ｐｔ）などの第ＶＩＩＩ族遷移金属を含んでもよい。いくつかの実施形態では、２種以上の金属の組み合わせは、例えば、鉄、ニッケル、及びコバルトの混合物、又はより具体的には、ニッケル及びコバルトの５０：５０（重量）混合物が使用される。触媒は、純金属、金属酸化物、金属炭化物、金属の硝酸塩、及び／又は本明細書に記載の金属のうちの１種以上を含有する他の化合物を含んでもよい。触媒は、約０．１原子％〜約１０原子％で反応器に添加されてもよく、原子％は、反応器中の原子（触媒及び炭素前駆体の原子）の総数に対する触媒原子の数の割合を示す。
【００４４】
代替的に又は組み合わせて、触媒前駆体が導入されてもよく、触媒前駆体は、反応器の条件下で活性触媒に変換することができる。触媒前駆体は、遷移金属硝酸塩、遷移金属酢酸塩、遷移金属クエン酸塩、遷移金属塩化物、遷移金属フッ化物、遷移金属臭化物、遷移金属ヨウ化物、又はこれらの水和物などの１種以上の遷移金属塩を含んでもよい。例えば、触媒前駆体は、メタロセン、金属アセチルアセトナート、金属フタロシアニン、金属ポルフィリン、金属塩、金属有機化合物、又はこれらの組み合わせであってもよい。例えば、触媒前駆体は、フェロセン、ニッケロセン、コバルトセン、モリブデノセン、ルテノセン、鉄アセチルアセトナート、ニッケルアセチルアセトナート、コバルトアセチルアセトナート、モリブデンアセチルアセトナート、ルテニウムアセチルアセトナート、鉄フタロシアニン、ニッケルフタロシアニン、コバルトフタロシアニン、鉄ポルフィリン、ニッケルポルフィリン、コバルトポルフィリン、鉄塩、ニッケル塩、コバルト塩、モリブデン塩、ルテニウム塩、又はこれらの組み合わせであってもよい。触媒前駆体は、水などの液体中に溶解されたＦｅ（ＮＯ３）３、Ｎｉ（ＮＯ３）２又はＣｏ（ＮＯ３）２などの可溶性塩を含んでもよい。触媒前駆体は、反応器の触媒粒子成長領域内で中間触媒状態に到達し、続いて、反応器のナノ構造成長領域内のナノ構造成長条件に曝露されると、活性触媒に変換され得る。例えば、触媒前駆体は、触媒粒子成長領域内で遷移金属酸化物に変換され、次いでナノ構造成長領域内で活性触媒ナノ粒子に変換される、遷移金属塩であってもよい。
【００４５】
触媒粒子は、ｄ−ブロック遷移金属、ｆ−ブロック遷移金属、又はこれらの組み合わせなどの遷移金属を含んでもよい。例えば、触媒粒子は、鉄、ニッケル、コバルト、金、銀、又はこれらの組み合わせなどのｄ−ブロック遷移金属を含んでもよい。触媒粒子は、触媒担体上に担持されてもよく、触媒担体は、アルミナ、シリカ、ジルコニア、マグネシア、又はゼオライトから選択されてもよい。例えば、触媒担体は、ナノ多孔質酸化マグネシウム担体であってもよい。触媒担体は、マトリックス用に選択された材料と同じであってもよく、又は異なっていてもよい。触媒担体上に触媒粒子を有するために、触媒担体材料は、触媒を反応器に添加する前に触媒材料内に導入されてもよい。例えば、モリブデン／コバルト混合物などの触媒材料の溶液は、硝酸マグネシウムの溶液と組み合わせて一緒に加熱し、次いで冷却して、ナノ多孔質ＭｇＯ担体上に触媒を生成することができる。あるいは、シリカ担体に、硝酸コバルト及びヘプタモリブデン酸アンモニウムを含浸させ、数時間乾燥させて、多孔質シリカ担体上にコバルト／モリブデン触媒を生成することができる。
【００４６】
本開示は、１種以上の炭素含有ガス、１種以上の炭化水素溶媒、及びこれらの混合物などのカーボンナノチューブを形成するために使用される炭素前駆体又は炭素源の種類に限定されない。炭素前駆体の例としては、メタン、アセチレン、及びエチレンなどの炭化水素ガス、エタノール及びメタノールなどのアルコール、ベンゼン、トルエン、ＣＯ、及びＣＯ２が挙げられるが、これらに限定されない。カーボンナノチューブの合成及び成長用の燃料は、１種以上の炭素前駆体又は炭素源と１種以上の触媒又は触媒前駆体との混合物を含む。
【００４７】
燃料又は前駆体は、インジェクタごとに約０．１ｍＬ／分又は約０．３ｍＬ／分など、約０．０５〜約１ｍＬ／分の範囲で噴射されてもよい。いくつかの実施形態では、２つ以上のインジェクタが、例えば、大規模に使用されてもよい。ガス流速は、約５Ｌ／分の水素、又は約０．３Ｌ／分の水素及び約１Ｌ／分のアルゴンなどの、約０．１〜約５Ｌ／分の水素及び／又は約０．２〜約２Ｌ／分のヘリウム若しくはアルゴンであってもよい。流速の範囲は、上記の値から±１０％変動してもよい。任意の特定の理論に束縛されるものではないが、例えば、水素濃度を爆発限界未満に保つように、水素濃度を希釈するために、キャリアガス中にヘリウム又はアルゴンが含まれてもよい。燃料噴射速度及び／又はガス流速の選択は、当業者には明らかなように、例えば、反応器の体積に依存し得る。いくつかの実施形態では、２つ以上の反応器を併用してもよい。いくつかの実施形態では、反応器温度プロファイルは、開始時低温、ピーク又は最高温度への上昇、次いで、例えば、開始時低温までの低下からなる。任意の特定の理論に束縛されるものではないが、所与の反応器温度プロファイルに関して、反応器内のインジェクタの位置は、例えば、沸点及び分解を考慮して、当業者によって決定され得るように、液滴形成又は分解なしに、前駆体が注入点から蒸発するように前駆体温度と相関させるべきである。いくつかの実施形態では、インジェクタ先端部は、例えば、約８インチだけ反応器内に挿入されてもよい。インジェクタの先端部における注入温度は、反応器又は炉の温度、及びインジェクタの反応器又は炉への挿入深さに依存し得る。インジェクタの先端部における注入温度は、約６５０℃〜約７８０℃である。いくつかの実施形態では、インジェクタの先端部における注入温度は、約７５０℃である。いくつかの実施形態では、インジェクタ先端部は、反応器の内部に約８インチ挿入される。カーボンナノチューブ反応器は、所望の生成物組成及び厚さを得るために、当業者によって決定され得るように、例えば、出発物質が存在する限り、任意の好適な時間にわたって運転されてもよい。
【００４８】
本開示により合成されたカーボンナノチューブは、米国特許出願公開第２００９／０２７４６０９号に開示されているように、Ｇ／Ｄ比の計算などの、微分熱重量分析（ＤＴＧ）及びラマン分光法を含むがこれらに限定されない、当該技術分野において既知の任意の好適な手段を用いて特性評価され得る。ＳＷＮＴのラマンスペクトルは、約１５９０ｃｍ−１のＧバンド、約１３５０ｃｍ−１のＤバンド、及び約１００〜３００ｃｍ−１の動径呼吸モード（ＲＢＭ）である３つの主ピークを有する。ＲＢＭ周波数は、ＳＷＮＴの直径の逆数に比例し、したがって、ＳＷＮＴの直径を計算するために使用することができる。通常、ＲＢＭピークにおける赤方シフトは、ＳＷＮＴの平均直径の増加に対応する。ラマン分光観測可能なフォノンモードＥ２ｇに関連する接線モードＧバンドは、２つのピークの重ね合わせであり得る。約１５９３及び１５６８ｃｍ−１の二重ピークは、半導体ＳＷＮＴに帰属されているが、約１５５０ｃｍ−１のブロードなＢｒｅｉｔ−Ｗｉｇｎｅｒ−Ｆａｎｏ線は、金属性ＳＷＮＴに帰属されている。したがって、Ｇバンドは、金属性ＳＷＮＴと半導体ＳＷＮＴとを区別するための方法を提供する。Ｄバンド構造は、不規則炭素、非晶質炭素の存在、及びｓｐ２炭素ネットワークに起因する他の欠陥に関連する。ＳＷＮＴのラマンスペクトルにおけるＧバンドのＤバンドに対する比（ＩＧ：ＩＤ又はＧ／Ｄ比）は、生成されたＳＷＮＴの純度及び品質を決定するための指標として使用することができる。好ましくは、ＩＧ：ＩＤは、約１〜約５００、好ましくは約５〜約４００、より好ましくは約７超である。本開示により合成されたカーボンナノチューブのラマン特性評価の代表的な非限定例を図８に示す。本開示により合成されたカーボンナノチューブのＤＴＧ及び熱重量分析（ＴＧＡ）の代表的な非限定例を図９に示す。
【００４９】
本明細書で使用するとき、２種以上の物質の「共堆積」は、前に互いに接触していなかった２種以上の物質の同時堆積を指す。共堆積は、化学蒸着が挙げられるが、これに限定されない、当該技術分野において既知の任意の好適な手段によって実施されてもよい。共堆積は、当業者に既知であるように、フュームフード内又は他の好適な装置を用いて実施されてもよい。いくつかの実施形態では、カーボンナノチューブ及び電極活物質は、基材上に共堆積するまで互いに接触していない。
【００５０】
任意の好適な手段によって、単層カーボンナノチューブの混合物の回収、及びキャリアガスの除去を実施してもよい。多孔質基材６０の回収表面は、フィルタ又はフリットが挙げられるが、これらに限定されない多孔質表面であってもよく、細孔は、液体分散体内の溶媒の通過又は蒸発を可能にしながら、カーボンナノチューブと電極活物質との混合物を表面に保持して自立電極を形成するように適切にサイズ決めされる。キャリアは、反応器を通過した後、出口を経由して除去されてもよい。いくつかの実施形態では、キャリアガスの除去は、真空源によって促進されてもよい。フィルタに関しては、フィルタは、シートの形態であってもよく、織布及び不織布を含む様々な異なる材料を含んでもよい。例示的なフィルタ材料としては、綿、ポリオレフィン、ナイロン、アクリル、ポリエステル、ガラス繊維、及びポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）が挙げられるが、これらに限定されない。
【００５１】
いくつかの実施形態では、方法は、カーボンナノチューブ合成反応器内で単層カーボンナノチューブを合成することを更に含む。反応器は、触媒又は触媒前駆体、炭素源、１つ以上のガス入口、１つ以上の出口、及びカーボンナノチューブ成長領域を含んでもよい。１つ以上のガス入口は、１種以上のキャリアガスを入れるように構成されてもよい。
【００５２】
いくつかの実施形態では、カーボンナノチューブ合成反応器は、外径２５ｍｍ×内径２２ｍｍ×長さ７６０ｍｍの石英管を含んでもよく、大気圧で操作され得る。あるいは、カーボンナノチューブ合成反応器は、２０１７年３月７日に出願された米国特許出願第１５／４５２，５０９号及び２０１７年３月７日に出願された同第１５／４５２，５００号に記載されているように設計されてもよい。カーボンナノチューブ合成反応器は、他の装置に対して様々な角度で配置されてもよい。
【００５３】
いくつかの実施形態では、電極活物質は、グラファイト、硬質炭素、リチウム金属酸化物、リン酸鉄リチウム、及び金属酸化物から選択される。いくつかの実施形態では、アノード用の電極活物質は、グラファイト又は硬質炭素であってもよい。いくつかの実施形態では、カソード用の電極活物質は、リチウム金属酸化物又はリン酸鉄リチウムであってもよい。
【００５４】
あるいは、電極活物質は、２０１７年３月７日に出願された米国特許出願第１５／４５２，５０９号及び２０１７年３月７日に出願された同第１５／４５２，５００号に記載された電極活物質から選択されてもよい。
【００５５】
非限定的な実施例では、電極活物質は、液体媒体中に分散させることができる任意の固形の金属酸化物粉末であってもよい。例示的な実施例では、金属酸化物は、電池のカソードに使用するための材料である。金属酸化物の非限定的な例としては、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ａｌ、Ｍｇ、Ｔｉの酸化物、及びこれらの任意の混合物が挙げられる。金属酸化物は、リチウム挿入されてもよい。例示的な実施例では、金属酸化物は、リチウムニッケルマンガンコバルト酸化物（ＬｉＮｉＭｎＣｏＯ２）である。金属酸化物粉末は、約１ナノメートル〜約１００マイクロメートルの範囲内に画定される粒径を有し得る。非限定的な実施例では、金属酸化物粒子は、約１ナノメートル〜約１０ナノメートルの平均粒径を有する。
【００５６】
本開示によるリチウム金属酸化物中の金属としては、１種以上のアルカリ金属、アルカリ土類金属、遷移金属、アルミニウム、又はポスト遷移金属、及びこれらの水和物が挙げられてもよいが、これらに限定されない。いくつかの実施形態では、電極活物質は、リチウムニッケルマンガンコバルト酸化物（ＬｉＮｉＭｎＣｏＯ２）である。
【００５７】
「アルカリ金属」は、リチウム、ナトリウム、カリウム、ルビジウム、セシウム、又はフランシウムなどの元素周期表の第Ｉ族の金属である。
【００５８】
「アルカリ土類金属」は、ベリリウム、マグネシウム、カルシウム、ストロンチウム、バリウム、又はラジウムなどの元素周期表の第ＩＩ族の金属である。
【００５９】
「遷移金属」は、ランタニド系及びアクチニド系を含む元素の周期表のｄ−ブロック中の金属である。遷移金属としては、スカンジウム、チタン、バナジウム、クロム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、銅、亜鉛、イットリウム、ジルコニウム、ニオブ、モリブデン、テクネチウム、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、銀、カドミウム、ランタン、セリウム、プラセオジム、ネオジム、プロメチウム、サマリウム、ユーロピウム、ガドリニウム、テルビウム、ジスプロシウム、ホルミウム、エルビウム、ツリウム、イッテルビウム、ルテチウム、ハフニウム、タンタル、タングステン、レニウム、オスミウム、イリジウム、白金、金、水銀、アクチニウム、トリウム、プロトアクチニウム、ウラン、ネプツニウム、プルトニウム、アメリシウム、キュリウム、バークリウム、カリホルニウム、アインスタイニウム、フェルミウム、メンデレビウム、ノーベリウム、及びローレンシウムが挙げられるが、これらに限定されない。
【００６０】
「ポスト遷移金属」としては、アルミニウム、ガリウム、インジウム、スズ、タリウム、鉛、ビスマス、又はポロニウムが挙げられるが、これらに限定されない。
【００６１】
複合自立電極製品中のカーボンナノチューブの充填量又は重量％は、ナノチューブ（又はナノチューブを形成するために使用される炭素源）及び電極活物質の相対量に基づく。複合自立電極製品中のカーボンナノチューブの所与の充填量又は重量％をもたらすこととなる、炭素源、触媒／触媒前駆体、及び電極活物質の相対的な開始量を決定することは、当業者の水準の範囲内である。非限定的な実施例では、自立電極は、０．１重量％〜４重量％のカーボンナノチューブと、電極活物質及び任意選択的に１種以上の添加剤の残部と、を含んでもよい。任意選択的に、自立電極は、０．２重量％〜３重量％のカーボンナノチューブと、電極活物質及び任意選択的に１種以上の添加剤の残部と、を含んでもよい。任意選択的に、自立電極は、０．７５重量％〜２重量％のカーボンナノチューブと、電極活物質及び任意選択的に１種以上の添加剤の残部と、を含んでもよい。添加剤及び／又はドーパントは、０〜５重量％の量のそれぞれの範囲にわたって存在してもよい。非限定的な実施例では、自立電極は、カーボンナノチューブ及び電極活物質粉末から本質的になる。非限定的な実施例では、自立電極は、カーボンナノチューブ及び電極活物質粉末からなる。それぞれの範囲について、自立電極は、任意の結合剤を含まなくてもよい。結合剤の欠如は、可撓性が改善された自立電極をもたらす。更に、カーボンナノチューブ含有量がより高いと、自立電極の可撓性を増加させることが見出された。いかなる特定の理論にも束縛されるものではないが、これは、ウェブ内に含有されるか又は埋め込まれた電極活物質を有するカーボンナノチューブのウェブ状配置が存在する、自立電極のウェブ状形態に起因する可能性が高い。
【００６２】
非限定的な実施例では、自立電極は、０．９〜１．７５ｇ／ｃｃの密度を有してもよい。任意選択的に、自立電極は、０．９５〜１．２５ｇ／ｃｃの密度を有してもよい。任意選択的に、自立電極は、０．７５〜２．０ｇ／ｃｃの密度を有してもよい。任意選択的に、自立電極は、０．９５〜１．６０ｇ／ｃｃの密度を有してもよい。
【００６３】
非限定的な実施例では、自立電極は、多孔質基材上に回収した後、７５０μｍまでの厚さを有してもよい。任意選択的に、自立電極は、多孔質基材上に回収した後、５０μｍ〜５００μｍの厚さを有してもよい。任意選択的に、自立電極は、多孔質基材上に回収した後、１００μｍ〜４５０μｍの厚さを有してもよい。任意選択的に、自立電極は、多孔質基材上に回収した後、１７５μｍ〜２５０μｍの厚さを有してもよい。
【００６４】
いくつかの実施形態では、本開示の方法は、複合材又は自立電極をプレス加工することを含むが、これらに限定されない、複合材又は自立電極を処理することを更に含んでもよい。いかなる特定の理論にも束縛されるものではないが、プレス加工は自立電極の密度を増加させ、かつ／又は厚さを低減することができ、これは、速度性能、エネルギー密度、及び電池寿命などの特性を改善することができる。自立電極のプレス加工は、当業者に既知であるように、圧延プレス又はカレンダー加工機、圧盤プレス、又は他の好適な手段を使用することなどによって、所望の厚さ及び／又は密度を達成する力を加えることによって実行されてもよい。約１トン、約２トン、約３トン、約４トン、約５トン、約６トン、約７トン、約８トン、約９トン、約１０トン、約１５トン、又は約７トン〜約１０トンなどの、これらの間にある任意の整数若しくは範囲などの力であるが、これらに限定されない、任意の好適な力は、所望の厚さ、及び／又は密度、及び／又はインピーダンスを達成するために加えられてもよい。いくつかの実施形態では、プレス加工は、約２０マイクロメートル、約３０マイクロメートル、約４０マイクロメートル、約５０マイクロメートル、約６０マイクロメートル、約７０マイクロメートル、約８０マイクロメートル、約９０マイクロメートル、約１００マイクロメートル、約１５０マイクロメートル、約２００マイクロメートル、約２５０マイクロメートル、約３００マイクロメートル、約３５０マイクロメートル、約４００マイクロメートル、又はこれらの間の任意の整数若しくは範囲の厚さまでのプレス加工に限定されてもよい。いかなる特定の理論にも束縛されるものではないが、電極が厚すぎると、エネルギーの生成が遅くなるおそれがあるか、又は好適な可撓性ではないおそれがある。いくつかの実施形態では、酸化物又は亀裂を形成することなく可撓性である電極箔を得ることが所望され得る。電極が薄すぎる場合、エネルギー生成は、迅速である可能性があるが、十分なエネルギーが発生しない場合となるおそれがある。加えて、当業者に既知の任意の好適な手段によって、圧延プレス若しくはカレンダー加工機におけるロール間若しくはローラー間の距離、又は圧盤プレスのプレート間の距離を調節することが所望され得る。
【００６５】
好適な量のプレス加工の決定は、当業者の水準の範囲内である。当業者に既知であるように、過剰なプレス加工では、拡散に対するインピーダンス及び／又は抵抗を測定することによって決定されるように、電解質が電極に過度に入り込むおそれがある。当業者には明らかであるように、インピーダンスによって測定されるように、所与の電解質の電解質拡散抵抗又は係数を最小化することが目的となる場合がある。非限定的な実施例では、プレス加工後の自立電極の厚さは、未処理の自立電極、又は多孔質基材上に回収した後の自立電極の厚さの４０％〜７５％であってもよい。任意選択的に、プレス加工後の自立電極の厚さは、未処理の自立電極、又は多孔質基材上に回収した後の自立電極の厚さの４５％〜６０％であってもよい。
【００６６】
非限定的な実施例では、プレス加工後の自立電極の密度は、未処理の自立電極、又は多孔質基材上に回収した後の自立電極の密度の４０％〜１２５％だけ増加する。任意選択的に、プレス加工後の自立電極の密度は、未処理の自立電極、又は多孔質基材上に回収した後の自立電極の密度の４５％〜９０％だけ増加する。
【００６７】
より薄い厚さにプレス加工された電極は、不適切に脆弱になるおそれがある。プレス加工の有無での電極の厚さ及び密度の非限定的な実施例を以下の表に示す。
【表１】
2020119891.tif 000003
【００６８】
いくつかの実施形態では、カーボンナノチューブ合成反応器は、１つ以上のガス入口と、１つ以上のガス出口と、カーボンナノチューブを成長させるために触媒又は触媒前駆体及び炭素源が使用される、カーボンナノチューブ成長領域と、を含む。
【００６９】
いくつかの実施形態では、可動多孔質可撓性基材６０は、ロールツーロールシステム４０及び４５に接続される。
【００７０】
いくつかの実施形態では、本開示は、電極活物質と単層カーボンナノチューブとの複合材を含む自立電極に関し、自立電極は、バインダ材料又は金属系集電体材料を含まない。
【００７１】
いくつかの実施形態では、電極は、ウェブ状形態又はネットによって特徴付けられる。いくつかの実施形態では、ウェブ状形態又はネットは、カーボンナノチューブウェブ又はネット内に含有又は埋め込まれた電極活物質を有するカーボンナノチューブのウェブ状配置である。
【００７２】
本開示により調製された複合材又は自立電極は、任意の所望の厚さであってもよく、必要に応じて切断されてもよい。厚さは、可動基材の移動速度、カーボンナノチューブ及び／又は電極活物質の堆積速度、及びカーボンナノチューブ充填量（重量％）が挙げられるが、これらに限定されない因子によって制御され得る。
【００７３】
本明細書に記載の態様は、上記で概説した例示的な態様と併せて説明されてきたが、既知であるか、又は現在予期されないものであるかに関わらず、少なくとも当業者には、様々な代替物、修正、変形、改善、及び／又は実質的な等価物が明らかとなり得る。したがって、上記の例示的な態様は、限定するのではなく、例示的であることが意図される。本開示の趣旨及び範囲から逸脱することなく、様々な変更を行うことができる。したがって、本開示は、全ての既知の、又は今後開発される代替物、修正、変形、改善、及び／又は実質的な等価物を包含することを意図する。
【００７４】
したがって、「特許請求の範囲」は、本明細書に示される態様に限定されることを意図するものではなく、「特許請求の範囲」の言語に整合する全範囲に一致するものであり、単数の要素への言及は、具体的に記載されない限り、「唯一」ではなく、「１つ以上」を意味することを意図する。当業者に既知である、又は今後既知となる、本開示全体を通して記載される様々な態様の要素の全ての構造的及び機能的等価物は、参照により本明細書に明示的に組み込まれ、「特許請求の範囲」に包含されることを意図する。更に、本明細書に開示するいかなることも、かかる開示が「特許請求の範囲」に明示的に記載されているかどうかにかかわらず、公に供することを意図しない。「ための手段（means for）」という句を使用して要素が明示的に列挙されていない限り、いかなる請求項要素も、ミーンズプラスファンクション（means plus function）として解釈されるべきではない。
【００７５】
更に、「実施例」という語は、本明細書では、「実施例又は実例（example, instance, or illustration）としての役割を果たす」ことを意味する。本明細書で「実施例」として記載される全ての態様は、必ずしも他の態様よりも好ましい又は有利であると解釈されるべきではない。特に明記しない限り、「いくつか」という用語は、１つ以上を指す。「Ａ、Ｂ、又はＣのうちの少なくとも１つ」、「Ａ、Ｂ、及びＣのうちの少なくとも１つ」、及び「Ａ、Ｂ、Ｃ、又はこれらの任意の組み合わせ」などの組み合わせは、Ａ、Ｂ、及び／又はＣの任意の組み合わせを含み、Ａの倍数、Ｂの倍数、又はＣの倍数を含んでよい。具体的には、「Ａ、Ｂ、又はＣのうちの少なくとも１つ」、「Ａ、Ｂ、及びＣのうちの少なくとも１つ」、及び「Ａ、Ｂ、Ｃ、又はこれらの任意の組み合わせ」などの組み合わせは、Ａのみ、Ｂのみ、Ｃのみ、Ａ及びＢ、Ａ及びＣ、Ｂ及びＣ、又はＡ及びＢ及びＣであってもよく、任意のかかる組み合わせは、Ａ、Ｂ、若しくはＣのうちの１つ以上のメンバー、つまり複数のメンバーを含んでもよい。本明細書に開示するいかなることも、かかる開示が「特許請求の範囲」に明示的に記載されているかどうかにかかわらず、公に供することを意図しない。
【００７６】
更に、本出願全体にわたる全ての参考文献、例えば、発行された又は付与された特許又は等価物を含む特許文書、特許出願公開、及び非特許文献又は他の原料物質は、本明細書では、参照により個々に援用されているように、その全体が参照により本明細書に援用されている。
【図１】
2020119891.tif 000004
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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