(57)【要約】本発明は、リチウムイオンバッテリ用の電極（３４，３５）として使用可能な装置に関し、その装置は、導電性基板（１）を有し、その表面に、イオン吸収コーティング（５）を具備するナノフィラメント（２）が適用され、そのナノフィラメント（２）は光の適用により複数の束（３）へと結束され、それらの束の各々が複数のナノフィラメント（２）を具備する。隣り合う束（３）間にスペーサ間隙（６）が形成される。【選択図】図１
2019530181.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
特にリチウムイオンバッテリ用の電極として使用可能であり、かつ導電性基板（１）を有し、イオン吸収コーティング（５）を具備するナノフィラメント（２）が前記導電性基板（１）の表面に適用されている装置（３４，３５）において、前記ナノフィラメント（２）が複数の束（３）へと結束され、前記束（３）の各々が複数のナノフィラメント（２）を具備し、隣り合う束（３）同士の間に間隙（６）が形成されていることを特徴とする装置。
【請求項２】
特にリチウムイオンバッテリ用の電極を製造する方法であって、
導電性基板（１）を供給する処理ステップと、
前記基板（１）の表面に統計的平均において均一に配置されるようにナノフィラメント（２）の層を適用する処理ステップと、
複数のナノフィラメント（２）を束（３）へとそれぞれ結束し隣り合う束同士の間に間隙（６）を残す処理ステップと、
前記束（３）にイオン吸収コーティング（５）を適用する処理ステップとを少なくとも有する方法。
【請求項３】
基板（１）の表面上に均一に配置されたナノフィラメント（２）を束（３）に成形する方法において、前記ナノフィラメント（２）が光に曝されることを特徴とする方法。
【請求項４】
前記ナノフィラメント（２）がカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）であることを特徴とする請求項１に記載の装置または請求項２若しくは３に記載の方法。
【請求項５】
束（３）の断面長さがそれぞれ、０．５μｍと５μｍとの間、または、１．５μｍと２．５μｍとの間であることを特徴とする先の請求項のいずれかに記載の装置、または、先の請求項のいずれかに記載の方法。
【請求項６】
前記イオン吸収コーティング（５）がナノ粒子（４）により形成され、それらは互いに接続されると共にナノフィラメント（２）の前記束に接続されることを特徴とする先の請求項のいずれかに記載の装置、または、先の請求項のいずれかに記載の方法。
【請求項７】
前記ナノ粒子（４）が、シリコン、イオウ、酸化チタン、亜リン酸塩、亜硝酸塩または炭素、および、特にＳｉＯ２、ＴｉＯ２、ＣｒＯ２、Ｓ、ＬｉＣｏＯ、ＬｉＴｉＯ、ＬｉＮｉＯ、ＬｉＭｎＯ、ＬｉＦｅＰＯ、ＬｉＣｏＰＯ、ＬｉＭｎＰＯ、Ｖ２Ｏ５、Ｇｅ、Ｓｎ、ＰｂまたはＺｎＯを有することを特徴とする先の請求項のいずれかに記載の装置、または、先の請求項のいずれかに記載の方法。
【請求項８】
前記基板（１）に適用された前記ナノフィラメント（２）が、光に曝されることにより束（３）へと成形されることを特徴とする先の請求項のいずれかに記載の方法。
【請求項９】
前記ナノフィラメント（２）の層が、キセノンランプ又はレーザーの光に曝されることを特徴とする先の請求項のいずれかに記載の方法。
【請求項１０】
連続的又はパルス的に生成されて帯状に拡大されたレーザービームが、前記ナノフィラメント（２）の層を光に曝すために用いられ、前記レーザービームが好適には一定の速度で前記層の上を移動することを特徴とする先の請求項のいずれかに記載の方法。
【請求項１１】
前記コーティング（５）の適用中、シリコンナノ粒子（４）が前記束（３）上に適用され、特に噴射され、前記シリコンナノ粒子に印加されるエネルギーにより、前記シリコンナノ粒子が互いに接続すると共に、前記シリコンナノ粒子の下にある前記ナノフィラメント（２）に接続することを特徴とする先の請求項のいずれかに記載の方法。
【請求項１２】
光、特にレーザービームの光が、前記ナノ粒子（４）を互いに接続させるために、かつ／または、前記ナノ粒子の下にあるナノフィラメント（２）の束に接続するために用いられ、前記ナノ粒子（４）の少なくとも表面が融けるように前記光が前記基板の表面上を移動することを特徴とする請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
第１の室（３１）と、多孔隔壁（３３）により前記第１の室（３１）から分離された第２の室（３２）とを具備し、前記室（３１，３２）に電解質が収容され、かつ第１の電極（３４）が前記第１の室（３１）に割り当てられると共に第２の電極（３５）が前記第２の室（３２）に割り当てられたバッテリ（３０）において、前記第１および／又は第２の電極（３４，３５）が先の請求項のいずれかによって実現されることを特徴とするバッテリ。
【請求項１４】
導電性基板（１）を処理装置（１０）内に供給するための入口機構（２２）を有する装置、特に前記方法を実行するための装置であって、前記基板（１）が搬送手段に支援されて前記処理装置を通って搬送方向に搬送されて出口機構（２３）に到達し、前記基板（１）は前記出口機構（２３）を通って前記処理装置（１０）を出て行き、かつ、前記処理装置（１０）における少なくとも以下の処理ステーション：
ナノフィラメント（２）が前記基板（１）に適用される第１のコーティングステーション（１１）と、
前記ナノフィラメント（２）がイオン吸収コーディング（５）を施される第２のコーティングステーション（１３）とが、搬送方向において互いに直接前後して配置されている装置。
【請求項１５】
前記ナノフィラメント（２）が束（３）へと結束される成形ステーション（１２）が、前記第１のコーティングステーション（１１）と前記第２のコーティングステーション（１３）との間に設けられ、前記束（３）が前記第２のコーティングステーション（１３）でコーティング（５）を付与されることを特徴とする請求項１４に記載の装置。
【請求項１６】
第１のロール（７）が設けられ、前記第１のロール上に前記基板（１）が巻かれており、前記基板が前記入口機構（２２）から前記処理装置（１０）を通って前記出口機構（２３）へと通過し、そして搬送方向において前記出口機構（２３）の下流側の第２のロール（８）上に巻かれることを特徴とする請求項１４または１５に記載の装置。
【請求項１７】
前記成形ステーション（１２）が、光源（１８）、特にレーザーを有し、それを用いて、前記第１のコーティングステーション（１１）で前記基板（１）に適用された前記ナノフィラメント（２）の層を光に曝すことができ、それによって複数のナノフィラメント（２）が束（３）へと結束することを特徴とする請求項１４〜１６のいずれかに記載の装置。
【請求項１８】
前記第２のコーティングステーション（１３）が、噴射装置（２０）を有し、それを用いて、前記成形ステーションで作製された束（３）に対してナノ粒子（４）を噴射することができることを特徴とする請求項１４〜１７のいずれかに記載の装置。
【請求項１９】
前記第２のコーティングステーション（１３）が、光源、特にレーザーを有し、それを用いて、前記束（３）またはナノフィラメント（２）に適用された前記ナノ粒子（４）が互いに接続されかつ前記ナノフィラメント（２）に接続されることを特徴とする請求項１４〜１８のいずれかに記載の装置。
【請求項２０】
先の請求項のいずれかの１または複数の特徴的構成を特徴とする、装置若しくは方法、または、その方法を実行するためのバッテリ若しくは装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、特にリチウムイオンバッテリのための電極として使用可能であり、かつ導電性基板を有し、その基板の表面に、イオン吸収コーティングを具備するナノフィラメントが適用された装置に関する。
【０００２】
本発明はさらに、そのような電極を製造するための方法に関する。
【０００３】
本発明はさらに、少なくとも１つのそのような電極を有するバッテリに関する。
【０００４】
本発明はさらに、その方法を実行する装置に関する。
【背景技術】
【０００５】
特許文献１は、リチウムイオンバッテリで使用するための電極を開示している。
【０００６】
リチウムイオンバッテリは、本質的に２つの室からなり、それらは多孔隔壁により互いに分離されて、その中にリチウムイオンを含む電極が収容されている。銅から形成できる陰極は、シリコンでコーティングされたツリー状のカーボンナノチューブを有する。シリコン層はイオン吸収コーティングを形成し、その中にリチウムカチオンを吸収できることによって同時にその体積が増加する。
【０００７】
特許文献２は、リチウムイオンバッテリ用の導電性基板を開示する。シリコン層が適用されるカーボンからなるフィラメントは、基板の表面に配置される。フィラメントはイオン吸収機能を有する。
【０００８】
特許文献３は、カーボンナノチューブを束ねるための方法を開示し、カーボンナノチューブは、基板の表面に統計的平均において均一に配置されている。ナノフィラメントの束は、ナノフィラメントを濡らした後に乾燥させることにより毛細管力により形成される。この場合、複数の直接隣接するナノフィラメントがそれらの自由端により互いに接触する。２つの直接隣り合う束同士の間に間隙が形成される。
【０００９】
特許文献４および特許文献５は、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）が導電性基板上に堆積されかつレーザービームを用いて構造が形成される方法を開示している。レーザービームは、ナノフィラメントの均一な表面分布の中に間隙が切り欠かれるように、化学結合を断絶するためのものである。
【００１０】
リチウムイオンバッテリの電極の製造において、シリコンは、カーボンよりも単位体積当たり１０倍以上のリチウムを吸収できる点で有利である。しかしながら、単結晶または多結晶シリコンによるコーティングは、リチウムイオンの吸収が体積増加に関係することから、その層が数回の充電サイクル後に破壊されるという欠点を有する。
【００１１】
ＣＮＴを束ねる方法は、さらに非特許文献１および非特許文献２に記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】米国特許第8,420,258号明細書
【特許文献２】米国特許出願公開第2013/0244107号公報
【特許文献３】米国特許出願公開第2012/0126449号公報
【特許文献４】米国特許第8,540,922号明細書
【特許文献５】米国特許第9,064,614号明細書
【非特許文献】
【００１３】
【非特許文献１】PNAS,"Capillarity-driven assembly of two-dimensional cellular carbon nanotube foams," March 23, 2004/Vol. 101/No. 12/4009-4012
【非特許文献２】PNAS,"Behavior of fluids in nanoscopic space," April 27, 2004/Vol. 101/No. 17/6331-6332
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
本発明は、技術的に強化された電極、電極を設けられたバッテリ、電極を製造する方法または処理ステップ、および電極を製造する装置を開示する目的に基づく。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
先ず、ナノフィラメントが複数の束へと結束され、それらの各々が複数のナノフィラメントを有することが本質的に提示される。各束は、複数のナノフィラメントを含み、それらの固定端は導電性基板に接続されると共に、それらの自由端は隣接するナノフィラメントの自由端に対して当接している。これにより、刈り束の山（コーンショック：corn shock）のような構造が形成され、ナノフィラメントでコーティングされた表面の平面視において、円形状または線形状を有し、互いに間隙により分離されている。すかし細工的な束の外壁には、コーティングプロセス中にイオン吸収コーティングが施される。
ナノフィラメントは、好適にはカーボンナノチューブである。平面視で計測された束の断面長さ、すなわち円と等価のベース領域の直径は、０．５μｍと５μｍとの間とすることができる。束の断面長さは、好適には１．５μｍと２．５μｍとの間にある。隣り合う束同士は、それらのナノフィラメントの自由端の領域において、互いに約１．５μｍ〜２．５μｍだけ離間している。自由端の領域において、束の断面長さは、束のフィラメントの固定端の領域における断面長さの半分の長さよりも短い。
イオン吸収コーティングは、特に、ナノ粒子によるコーティングである。これらのナノ粒子は、束と束との間の間隙内に噴射することができる。ナノ粒子は、特に、シリコン粒子、イオウ粒子、酸化チタン粒子、または３Ｄ金属粒子からなることができる。
本発明の電極を製造する方法において、先ず、基板が供給され、その基板は、例えばアルミ箔または銅箔である金属基板の形態で実現することができる。ナノフィラメントの層は、この基板に適用される。これは、ＣＶＤプロセスで行われることが好ましく、そのプロセスは成長プロセスであり、その場合、好適にはカーボンナノチューブからなるナノフィラメントが基板の表面から成長していくことによって、得られるナノフィラメントの配置は、表面上で統計的平均において均一である。このために、この方法を実行するべく用いられる装置は、第１のコーティングステーションを有し、それはＣＶＤリアクタの形態で実現することができる。ナノフィラメントは、次のステップにおいて束へと結束され、それは処理装置の成形ステーションで行われる。
本願の発明者らは、ナノフィラメントが光の適用により束へと結束する驚くべき効果を発見した。したがって、好適な方法では、ナノフィラメントが曝される光を用いることにより結束が実施される。光は、ランプ、特にキセノンランプにより発生させることができる。その光は、レーザーにより発生させることもできる。そのレーザーは、パルスレーザーまたは連続動作するレーザーからなることができる。それは、キセノンレーザー、ダイオードレーザー、ガスレーザー、赤外レーザー、ＵＶレーザー、またはエキシマレーザーの形態で実現することができる。光がレーザービームにより生成されたならば、レーザービームが拡大されることが好適である。この拡大は、線形拡大とすることができる。光、特にレーザービームが、好適には一定の速度で層の上を移動することによって、フィラメントの自由端が互いに接続して束を形成する。
次のステップで、イオン吸収コーティングが束に適用され、それは処理装置のコーティングステーションで行われる。好適には、ナノ粒子がこの目的のために用いられる。好適にはシリコン粒子からなるナノ粒子を、湿式または乾式の形態で基板の表面に噴射することができる。このために処理装置は、好適には例えば噴射装置であるノズル機構を有する。
束に塗布されたナノ粒子は、別の処理ステップにおいて、互いに接続されることができ、かつ／または、ナノフィラメントに対して接続されることができる。これは、第２のコーティングステーションで行われる。このために、第２のコーティングステーションは、光源、ヒーター、または別のエネルギー印加装置を有することができ、それを用いてナノ粒子が互いに焼結されかつ／またはナノ粒子の下にあるナノフィラメントに対して焼結される。そのコーティングステーションは、好適にはレーザーを有し、それは、一定の速度で基板の上を移動する拡大されたレーザービームを発生する。
好適な変形においては、処理装置が、基板の搬送方向において互いに直接前後して配置された複数の処理ステーションを有し、基板はロールから巻き解かれてそれらの処理ステーションを連続的に通過する。この連続処理において製造された電極は、第２のロールに巻き取られる。リチウムイオンバッテリにおいて、シリコン粒子をコーティングされた電極はアノードとして、別の金属例えばイオウまたは酸化チタンをコーティングされた電極はカソードとして用いることができる。個々のナノフィラメントの長さは、２０μｍと２００μｍとの間にあることができる。個々のナノフィラメントの直径は、１ｎｍと２００ｎｍとの間に、好適には５ｎｍと１００ｎｍとの間にあることができる。特にカーボンナノチューブの堆積は、導電性基板上での自己組織化システムで行われる。しかしながら、シード構造、例えばシード粒子により予め構造化された基板上にカーボンナノチューブを堆積することもできる。この処理ステップにおいて、隣接して配置されたカーボンナノチューブの実質的に連続的な森が好適に作製される。
続いて、これらのカーボンナノチューブは、別の処理ステップにおいて、特に光の適用により束へと結束される。束の典型的な直径は、２００ｎｍと１０μｍとの間にある。束になったナノフィラメントをコーティングするナノ粒子は、１ｎｍと５００ｎｍとの間の、好適には２０ｎｍと２００ｎｍとの間の範囲の特性直径を有する。ナノフィラメントは、好適には、５ｇ／ｍ２〜５０ｇ／ｍ２で基板に適用される。キセノンレーザーが稼動させられるレーザー出力は、約１ｍＪと１００ｍＪとの間にある。レーザービームによるナノ粒子の処理中、それらナノ粒子の表面が融けることによってそれらの表面を互いに溶け合わせることにより隣接するナノ粒子が接続しかつ／またはナノフィラメントの束に接続する。
１００ｍｂａｒ〜１１００ｍｂａｒの全圧下でコーティング処理を行うことができるプロセスチャンバは、好適には第１のコーティングステーションとして用いられる。アルゴン、窒素、または水素は、通常、不活性ガスとして用いられる。ＣＮＴ堆積は、好適には２００℃〜１０００℃で生じる。シリコンナノ粒子による束のコーティングは、室温と２５０℃との間の温度で、好適には室温と１５０℃との間の温度で行われる。レーザー光は、装置内で発生することができる。レーザー光はまた、遠隔レーザーから装置へ光ファイバーケーブルを用いて伝送されることもできる。ナノ粒子は、好適には、乾式形態でナノフィラメントに塗布することができる。Ｓｉに加えて、ＳｉＯ２、ＴｉＯ２、ＣｒＯ２、Ｓ、ＬｉＣｏＯ、ＬｉＴｉＯ、ＬｉＮｉＯ、ＬｉＭｎＯ、ＬｉＦｅＰＯ、ＬｉＣｏＰＯ、ＬｉＭｎＰＯ、Ｖ２Ｏ５、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｐｂ、およびＺｎＯもナノ粒子として考慮することができる。
【００１６】
本発明はさらに、基板に適用されたナノフィラメントを結束するための方法に関する。 その結束は、ナノフィラメントに光の形態でエネルギーを印加することによって実現され、その光はスペクトルの可視部分だけでなく、スペクトルの隣接する紫外部分および赤外部分も含む。
【００１７】
本発明はさらに、特許文献１に記載されたタイプの電極を製造するための方法を実行するための装置に関する。コーティングされていないかまたは予めコーティングされた金属箔からなることができる導電性基板が、搬送手段に支援されて搬送方向に装置を通って搬送される。基板は、第１のロールから巻き解かれて、第２のロールに再び巻き取られることができる。基板が搬送され通過する装置は、２つのロールの間に位置する。装置は、以下の処理ステーションが搬送方向に連続的に配置された処理装置を有する：
第１のコーティングステーションで、ナノフィラメントが基板に適用される。このコーティングステーションは、ＣＶＤプロセスチャンバを有することができ、その中でナノフィラメントが基板上に堆積される。この堆積プロセスで、基板の表面上に実質的に均一に分布したナノフィラメントの森が形成される。しかしながら、基板上に予め堆積されたシード構造に補助されることにより、ナノフィラメントの成長を、構造化された領域に、例えば互いに離間した領域に制限することも可能である。例えば、それらの領域は、均一に分布した島の形態で実現することができる。基板上に堆積したナノフィラメントは、特に個々に起立するナノフィラメントとすることができる。堆積したナノフィラメントは、互いに接触しないように互いに十分に遠く離間することができる。
次のステップにおいて、第２のコーティングステーションで、上述したコーティングがナノフィラメントに適用される。この場合、ナノ粒子、特にシリコンナノ粒子が先ずナノフィラメントに適用される。これは、噴射装置により実現することができ、それを用いてナノ粒子が、ガス流により乾式形態で、または、液体流により湿式形態でプロセスチャンバに導入される、すなわちノズル機構に補助されて導入される。ナノフィラメントによりコーティングされた基板は、プロセスチャンバを通って搬送される。ナノ粒子は、このプロセスにおいてナノフィラメント上に堆積する。
次のステップにおいて、ナノ粒子は、互いに焼結しかつナノフィラメントと焼結することができる。これは、エネルギーを印加することにより実現され、そのエネルギーが、表面上のナノ粒子を好適に融かすために十分大きいことによって、それらのナノ粒子が隣接するナノ粒子およびフィラメントと接続することができる。エネルギー源として、レーザーまたは別の光源、並びに放射ヒーター等のヒーターを用いることができる。
個々のステーション、すなわち第１のコーティングステーション、ナノ粒子適用ステーション、および溶融ステーションは、搬送方向において直接前後して配置することができる。それらは、共通ハウジング内に配置することができる。しかしながら、それらは互いに分離したハウジング内に配置することもできる。個々の分離したハウジング同士の間にガス洗浄ゲートを設けることができる。
【００１８】
基板は、その２つの反対向きの広い面のうちの１つのみに上述の構造を備えることができる。しかしながら、基板の両面に上述した構造を設けることも提示される。構造を適用することは、両方の広い面で同時に行うことができる。しかしながら、構造を２つの広い面に連続的に適用することも提示される。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】図１は、本発明の電極を製造するための処理順序を示す。
【図２】図２は、本方法を実施するための装置の第１の例示的実施形態の概略図を示す。
【図３】図３は、装置の第２の例示的実施形態を示す。
【図４】図４は、装置の第３の例示的実施形態を示す。
【図５】図５は、電極を製造するための方法および装置の第２の例示的実施形態に関する図１と同様の図を示す。
【図６】図６は、図５に概略的に示した方法を実行するための装置の別の例示的実施形態を示す。
【図７】図７は、リチウムイオンバッテリの電池を概略的に示す。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
図１は、リチウムイオンバッテリ用の電極を製造するための処理シーケンスを概略的に示す。例えばアルミ箔または好適には銅箔の形態の薄い金属基板が、第１のロール７から巻き解かれ、４つの連続的な処理ステップＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄにおいてマイクロ構造によりコーティングされる。コーティングされた基板１は、その後、第２のロール８に再び巻き取られる。
【００２１】
基板１は、第１の処理ステップＡにおいて、カーボンナノチューブ２によりコーティングされる。ナノチューブ２は、基板１に堅固に接続された固定端と、基板１から実質的に離れるように向いた自由端とを有する。コーティングプロセスは、第１のコーティングステーション１１で行われる。
【００２２】
第２の処理ステップＢは、基板１の搬送方向においてコーティングステーション１１の下流側に配置された成形ステーション２において行われる。第１の処理ステップＡで基板上に堆積したナノフィラメントの層に、キセノンレーザーのレーザービームを用いて光エネルギーが印加される。この光への露出は、驚くべきことにナノフィラメント２を束状の態様で結束させる。基板１の表面に均一に配置されたナノフィラメント２の自由端がそれら自体、近接した束３へと配向することによって、隣接する束３同士の間に間隙６が形成される。ナノフィラメント２が延在する方向に計測された束３の長さは、ナノフィラメント２の固定端の領域における束３の断面長さよりも長い。束３において隣接するナノフィラメント２と接触しているナノフィラメント２の自由端の領域における特性断面長さは、ナノフィラメント２の固定端の領域における束の断面長さの半分よりも短い値を有する。
【００２３】
第３の処理ステップＣにおいて、ナノ粒子適用ステーション１４でシリコンナノ粒子４が、乾式または湿式の噴射法により束に噴射される。シリコンナノ粒子１４は、束３内および束同士の間の介在空間内に部分的に入り込む。
【００２４】
ナノ粒子適用ステーション１４は、第４の処理ステップＤを実行するためにも用いられる第２のコーティングステーション１３の一部を形成し、第２のコーティングステーション１３では束３に塗布されたナノ粒子４が互いに焼結させられる。このために、ナノ粒子４を噴射された束３に対し、溶融ステーション１５でエネルギーが印加される。そのエネルギーは好適には光の形態で束３に適用され、その場合、その光は赤外光、可視光、または紫外光とすることができる。しかしながら、そのエネルギーを熱の形態で適用することも可能である。第４の処理ステップＤにおいて、適用された放射エネルギーによってナノ粒子４は互いに融合させられる。
【００２５】
図２は、その方法を実行するための第１の実施形態を示す。その場合、基板１が、両面をナノフィラメント２でコーティングされる。このために、装置は、気密ゲートの形態で実現され得る入口機構を有し、それを通して基板１が装置１０内に搬送される。装置は、ハウジング２４内に配置された第１のコーティングステーション１１を有する。ハウジングは２つのヒーター１６を含み、それによってコーティングステーション１１のプロセスチャンバはプロセス温度に加熱される。ガス入口要素１７が平坦な導電性基板１の各側のプロセスチャンバ内に配置されており、プロセスガスはそのガス入口要素を通してプロセスチャンバ内に供給される。ナノフィラメント２は、熱分解反応により、コーティングステーション１１を通って連続的に搬送される基板１上で成長する。基板１が両面をコーティングされるように、ヒーター１６およびガス入口要素１７が基板１の両側にそれぞれ配置されている。
【００２６】
ナノフィラメント２を付与された基板１は、ガス洗浄ゲート９を通って、成形ステーション１２に割り当てられている別のハウジング２５内に搬送される。ハウジング２５は、ナノフィラメント２でそれぞれコーティングされている導電性基板１の両側の広い面に光エネルギーを加える２つのレーザー機構を含む。光はキセノンランプまたはレーザーから生じ、光は、レーザー光の形態のエネルギーの印加によりナノフィラメント２が束３へと自己配向するような強度を有する。このプロセスにおいて、非特許文献１または非特許文献２に記載されたタイプの束３が形成される。
【００２７】
導電性基板１は、別のガス洗浄ゲート９を通って第２のコーティングステーション１３に搬送される。図２に示す例示的実施形態では、第２のコーティングステーション１３は、ナノ粒子適用ステーション１４およびその下流側に配置された溶融ステーション１５からなる。コーティングステーション１３はハウジング２６を有する。
【００２８】
ナノ粒子適用ステーション１４は、ヒーター１６と同様に、基板１の両側に配置されたヒーター１９を有する。ナノ粒子適用ステーション１４のプロセスチャンバは、これらのヒーターによって室温と２５０℃との間の温度に加熱される。
【００２９】
プロセスチャンバはさらに、噴射ノズル２０またはガス入口要素２０を含み、それによって、特にキャリアガスを用いて基板１の広い面の方向に、ナノ粒子４をプロセスチャンバ内に搬送することができる。ナノ粒子４は、それぞれナノフィラメント２の束３の上に堆積し、束３の内部に到達する。ナノ粒子４とナノフィラメント２との間に空洞を含む緩い結合が形成される。ヒーター１９および噴射ノズル２０は同じハウジング２６内に配置される。
【００３０】
このようにして準備された基板１は、別のガス洗浄ゲート９を通って溶融ステーション１５に運ばれる。そこでは、隣接するナノ粒子４が互いに融合するように、かつ／または、ナノ粒子４がナノフィラメント２に接続されるように、基板１の両方の広い面が溶融ステーションにおいてレーザー２１のレーザ光またはキセノンランプの光に曝される。このプロセスにおいて、溶液中のリチウムイオンを吸収することができる多数の空洞を有する多孔体が形成される。溶融ステーション１５は別個のハウジング２７を有する。
【００３１】
図２に示される例示的な実施形態は、導電性基板１の搬送方向において互いに前後して配置された３つのハウジング２４、２５、２６、２７を有し、ここで４つの処理ステップＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄのうちの１つがハウジング２４、２５、２６、２７の各々で行われる。ハウジング２４、２５、２６、２７は、ガス洗浄ゲート９によって互いに接続されている。
【００３２】
図３は、すべての処理ステーションが１つのハウジング内に配置されている、本発明の第２の例示的実施形態を示す。ヒーター１６、ガス入口要素１７、キセノンレーザー１８、加熱要素１９および噴射装置２０は、レーザー２１と共に共通のハウジング内に収容されている。入口機構２２および出口機構２３のみがガス洗浄ゲートを形成し、それを通って基板１が装置１０内に搬送され、再び装置１０外に搬送される。
【００３３】
図４に示す例示的実施形態では、装置１０は、ガス洗浄ゲート９によって互いに接続された２つのハウジング部分からなる。第１の処理ステップＡはハウジング１６内で行われ、第２、第３および第４の処理ステップＢ、Ｃ、Ｄは第２のハウジング２９内で行われる。
【００３４】
図５および図６は、導電性基板１を第１のロール７から巻き解く方法を含む、リチウムイオン電池の電極を製造するためのシステムの変形例を示す。処理ステップＡにおいて、ナノフィラメント２が基板１上に堆積される。処理ステップＣにおいて、ナノ粒子４がナノフィラメント２に塗布される。処理ステップＤにおいて、ナノ粒子４はコーティング５に融合される。ナノ粒子はまた、その過程でナノフィラメント２にも接続される。基板１は前処理されてもよい。例えば、その表面にシード構造を設けることができ、それによってナノフィラメント２は、基板１の所定の領域上にのみ成長する。これらの領域は、広い面にわたって均一に分布し、かつ間隙によって互いに隔てられている島状のマイクロ領域からなることができる。それらは、隣接するナノフィラメント２が互いに接触しないように互いに離間していてもよい。
【００３５】
処理ステップＡで堆積されたナノフィラメント２は、特に、個々に起立しているナノフィラメントとすることもできる。それらはまた、枝分かれしたナノフィラメント２の形で実現されてもよい。
【００３６】
この方法を実行するために必要とされる装置はまた、成形ステーション１２を除いて、図２〜図４に示される装置のすべての処理ステーションを有することができる。本発明は特に、図６に示す種類の装置に関する。入口機構２２が設けられており、それを通って導電性基板が装置１０に進入する。導電性基板１は出口機構２３を通って装置から再び出る。入口機構２２および出口機構２３はガス洗浄ゲートでもよい。コーティングステーション１１は、搬送方向において入口機構２２の下流側に隣接して配置され、その中を基板１が搬送される。コーティングステーション１１は、２つのヒーター１６とこれらのヒーター間に配置された２つのガス入口要素１７とを収容するハウジング２４を備える。導電性基板１は、２つのガス入口要素１７の間の中間スペースを通って搬送される。
【００３７】
基板１が通過して搬送されるガス洗浄ゲート９は、ハウジング２４の下流側に隣接して配置されている。
【００３８】
別のハウジング２６は、ガス洗浄ゲート９の下流側に隣接して配置されている。しかしながら、ハウジング２６はまた、ハウジング２４に直接接続することもできる。
【００３９】
２つのヒーター１９がハウジング２６内に配置されている。２つのノズル機構２０が２つのヒーター１９の間に配置されている。基板１は、２つのノズル機構２０の間の空間を通って搬送される。ハウジング２６は、上述のナノ粒子適用ステーション１４を収容している。
【００４０】
基板が通過して搬送されるガス洗浄ゲート９は、ハウジング２６の下流側に隣接して配置されている。追加のハウジング２７がガス洗浄ゲート９の下流側に隣接して配置され、レーザー２１を含む溶融ステーション１５を含む。しかしながら、ハウジング２７はハウジング２６に直接接続することもできる。
【００４１】
ナノ粒子適用ステーション１４内でナノフィラメント２上に堆積されたナノ粒子４が互いに接続しかつ／またはナノフィラメント２と接続するように、エネルギーが溶融ステーション１５内の基板１の両面にレーザービーム２１によって印加される。
【００４２】
出口機構２３は、ハウジング２７の直ぐ下流側に配置されている。
【００４３】
後者の方法およびこの方法を実行するための装置では、ナノ粒子４はナノフィラメント２に直接適用される。この場合、ナノフィラメント２の事前の結束は行われない。
【００４４】
図示されていない変形例では、基板１の片面のみに、ナノ粒子４でコーティングされた上述のフィラメント層が設けられている。この場合、対応して使用される装置は、図面において基板１の上または下に示される要素のみを含む。しかしながら、２つのそのような装置が、ナノ粒子で被覆されたナノフィラメント２を基板１の両面に付与すること、すなわち、ナノ粒子でコーティングされたフィラメント２を最初に基板１の第１の広い面に付与し、続いて基板１の第２の広い面に付与することによっても可能にする。
【００４５】
本発明の方法は、本発明の装置のリチウムイオン電池に使用されるタイプの電極３４、３５を製造することを可能にする。そのようなリチウムイオン電池は、図７に概略的に示されている。２つの電極３４、３５が電池セル３０の両側に配置されている。多孔壁３３が電極３４、３５の間に配置されている。リチウムイオンを含有する電解質が室３１、３２に収容されている。
【００４６】
本発明によれば、最初に均一に分布して本質的に構造のない態様で基板１に適用されたナノフィラメント２が、束３へと結束される。この場合、一群の直接隣接するナノフィラメント２が共通の中心に向けられる。隣接する束が、それぞれ共通の中心に向けられたナノフィラメント２を含むことによって、隣接する束のナノフィラメント２は、複数の束３同士の間に位置する間隙から離れるように向けられる。
【００４７】
次の製造ステップにおいて、束３は、シリコンナノ粒子のコーティングを付与される。この場合、各束３がこのようなコーティングを付与されることができ、シリコンナノ粒子のコーティングは互いに離間している。
【００４８】
上述した説明は、本願に含まれるすべての発明を説明するのに役立ち、また少なくとも以下の特徴的な特徴の組み合わせにより、それぞれ独立に従来技術を強化する。すなわち：
【００４９】
ナノフィラメントが、複数のナノフィラメントをそれぞれ含む複数の束へと結束され、隣接する束３同士の間に隙間６が形成されていることを特徴とする装置。
【００５０】
導電性基板１を供給する処理ステップと、
前記基板１の表面に統計的平均において均一に配置されたナノフィラメント２の層を適用する処理ステップと、
複数のナノフィラメント２を束３へとそれぞれ結束することにより隣接する束３同士の間に間隙６が残される処理ステップと、
前記束３にイオン吸収コーティング５を適用する処理ステップとを少なくとも有する方法。
【００５１】
前記ナノフィラメント２が光に曝されることを特徴とする方法。
【００５２】
前記ナノフィラメント２がカーボンナノチューブＣＮＴであることを特徴とする装置または方法。
【００５３】
束３の断面長さがそれぞれ、０．５μｍと５μｍとの間にあるか、または、１．５μｍと２．５μｍとの間にあることを特徴とする装置または方法。
【００５４】
前記イオン吸収コーティング５が、互いに接続されかつナノフィラメント２の束に接続されたナノ粒子４により形成されることを特徴とする装置または方法。
【００５５】
前記ナノ粒子４が、シリコン、イオウ、酸化チタン、亜リン酸塩、亜硝酸塩または炭素であり、かつ、特にＳｉＯ２、ＴｉＯ２、ＣｒＯ２、Ｓ、ＬｉＣｏＯ、ＬｉＴｉＯ、ＬｉＮｉＯ、ＬｉＭｎＯ、ＬｉＦｅＰＯ、ＬｉＣｏＰＯ、ＬｉＭｎＰＯ、Ｖ２Ｏ５、Ｇｅ、Ｓｎ、ＰｂまたはＺｎＯであることを特徴とする装置または方法。
【００５６】
前記基板に適用された前記ナノフィラメント２が、光に曝されることにより束３へと成形されることを特徴とする方法。
【００５７】
前記ナノフィラメント２の層が、キセノンランプまたはレーザーの光に曝されることを特徴とする方法。
【００５８】
ナノフィラメント２の層を露光するために、連続的にまたはパルス状に生成され、帯状に拡大されるレーザービームが使用され、レーザービームは好適には層上を一定の速度で移動することを特徴とする方法。。
【００５９】
コーティング５の適用中、束３に対してシリコンナノ粒子４が適用され、特に噴射され、前記シリコンナノ粒子が、それにエネルギーを適用することにより互いに接続すると共に、ナノ粒子の下にあるナノフィラメント２に接続することを特徴とする方法。
【００６０】
ナノ粒子４を互いに接続し、かつ／または、ナノ粒子の下にあるナノフィラメント２の束に接続するために、光、特にレーザービームの光が使用され、少なくともナノ粒子４の表面が融けるように前記光が基板の表面上を移動することを特徴とする方法。
【００６１】
第１および／または第２の電極３４、３５が、前述した特徴的構成のいずれかにしたがって実現されることを特徴とするバッテリ。
【００６２】
処理装置１０の少なくとも以下の処理ステーションが、搬送方向において互いに直接前後して配置されている装置：
ナノフィラメント２が基板１に適用される第１のコーティングステーション１１；
ナノフィラメント２がイオン吸収コーティング５を付与される第２のコーティングステーション１３。
【００６３】
ナノフィラメント２が束３へと結束される成形ステーション１２が、第１のコーティングステーション１１と第２のコーティングステーション１３との間に設けられ、前記束３が第２のコーティングステーション１３においてコーティング５を付与されることを特徴とする装置。
【００６４】
第１のロール７が設けられ、その上に基板１が巻かれており、前記基板は処理装置１０を通って入口機構２２から出口機構２３まで進み、搬送方向に関して出口機構２３の下流側の第２のロール８に巻き取られることを特徴とする装置。
【００６５】
成形ステーション１２が、光源１８、特にレーザーを有し、それを用いて、第１のコーティングステーション１１で基板１に適用されたナノフィラメント２の層を光に曝すことによって複数のナノフィラメント２を束３へと結束することができることを特徴とする装置。
【００６６】
第２のコーティングステーション１３が噴射装置２０を有し、それを用いて、ナノ粒子４を、成形ステーションで作製された束３に噴射することができることを特徴とする装置。
【００６７】
第２のコーティングステーション１３が、光源２１、特にレーザーを含み、それを用いて、束３またはナノフィラメント２に適用されたナノ粒子４を互いに接続しかつナノフィラメント２に接続することを特徴とする装置。
【００６８】
開示された全ての特徴は、（個々にではあるが互いに組み合わせても）本発明にとって不可欠である。関連する／添付された優先権書類の開示内容（優先権出願の写し）は、すなわちこれらの書類の特徴を本願の特許請求の範囲に統合する目的でも、これにより本出願の開示に完全に組み込まれる。従属請求項の特徴は、特にこれらの請求項に基づいて分割出願を提出するための、先行技術の独立した独創的な機能的改良を特徴付ける。
【符号の説明】
【００６９】
１  導電性基板
２  ナノフィラメント
３  束
４  ナノ粒子
５  コーティング
６  間隙
７  第１のロール
８  第２のロール
９  ガスフラッシュゲート
１０  装置
１１  コーティングステーション
１２  成形ステーション
１３  コーティングステーション
１４  ナノ粒子適用ステーション
１５  溶融ステーション
１６  ヒーター
１７  ガス入口部材
１８  レーザー
１９  ヒーター
２０  噴射ノズル
２１  レーザー
２２  入口機構
２３  出口機構
２４  ハウジング
２５  ハウジング
２６  ハウジング
２７  ハウジング
２８  ハウジング
２９  ハウジング
３０  バッテリセル
３１  室
３２  室
３３  多孔隔壁
３４  電極
３５  電極
Ａ  処理ステップ／ナノフィラメント成長
Ｂ  処理ステップ／成形
Ｃ  処理ステップ／ナノ粒子適用
Ｄ  処理ステップ／焼結
【図１】
2019530181.tif 000003
【図２】
2019530181.tif 000004
【図３】
2019530181.tif 000005
【図４】
2019530181.tif 000006
【図５】
2019530181.tif 000007
【図６】
2019530181.tif 000008
【図７】
2019530181.tif 000009
【手続補正書】
【提出日】令和1年6月17日(2019.6.17)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電極、特にリチウムイオンバッテリの電極を製造する方法であって、
導電性基板（１）を供給する処理ステップと、
前記基板（１）の表面に統計的平均において均一に配置されるようにナノフィラメント（２）の層を適用する処理ステップと、
複数のナノフィラメント（２）を束（３）へとそれぞれ結束し隣り合う束同士の間に間隙（６）を残す処理ステップと、
前記束（３）にイオン吸収コーティング（５）を適用する処理ステップとを少なくとも有する、前記方法において、
前記ナノフィラメント（２）が光に曝されることにより結束されることを特徴とする方法。
【請求項２】
特にリチウムイオンバッテリ用の電極（３４，３５）の利用であって、前記電極が導電性基板（１）を有し、イオン吸収コーティング（５）を具備するナノフィラメント（２）が前記導電性基板（１）の表面に適用され、前記ナノフィラメント（２）が複数の束（３）へと結束され、前記束（３）の各々が複数のナノフィラメント（２）を具備し、隣り合う束（３）同士の間に間隙（６）が形成されている、前記電極の利用において、
前記ナノフィラメント（２）を光に曝すことにより前記ナノフィラメント（２）が束へと結束されることを特徴とする利用。
【請求項３】
特に前記方法を実行するための装置であって、導電性基板（１）を処理装置（１０）内に供給するための入口機構（２２）を有し、前記基板（１）が搬送手段に支援されて前記処理装置を通って搬送方向に搬送されて出口機構（２３）に到達し、前記基板（１）は前記出口機構（２３）を通って前記処理装置（１０）を出て行き、前記処理装置（１０）における少なくとも以下の処理ステーション：
ナノフィラメント（２）が前記基板（１）に適用される第１のコーティングステーション（１１）と、
前記ナノフィラメント（２）がイオン吸収コーディング（５）を施される第２のコーティングステーション（１３）とが、搬送方向において互いに直接前後して配置されており、
前記ナノフィラメント（２）が束（３）へと結束される成形ステーション（１２）が、前記第１のコーティングステーション（１１）と前記第２のコーティングステーション（１３）との間に設けられ、かつ、前記束（３）が前記第２のコーティングステーション（１３）でコーティング（５）を付与される、前記装置において、
前記成形ステーション（１２）が、光源（１８）、特にレーザーを有し、それを用いて、前記第１のコーティングステーション（１１）で前記基板（１）に適用された前記ナノフィラメント（２）の層を光に曝すことができ、それによって複数のナノフィラメント（２）が束（３）へと結束することを特徴とする装置。
【請求項４】
前記ナノフィラメント（２）がカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）であることを特徴とする請求項１に記載の方法または請求項２に記載の利用。
【請求項５】
束（３）の断面長さがそれぞれ、０．５μｍと５μｍとの間、または、１．５μｍと２．５μｍとの間であることを特徴とする請求項１若しくは４に記載の方法または請求項２若しくは４に記載の利用。
【請求項６】
前記イオン吸収コーティング（５）がナノ粒子（４）により形成され、それらは互いに接続されると共にナノフィラメント（２）の前記束に接続されることを特徴とする請求項１、４若しくは５に記載の方法または請求項２、４若しくは５に記載の利用。
【請求項７】
前記ナノ粒子（４）が、シリコン、イオウ、酸化チタン、亜リン酸塩、亜硝酸塩または炭素、および、特にＳｉＯ２、ＴｉＯ２、ＣｒＯ２、Ｓ、ＬｉＣｏＯ、ＬｉＴｉＯ、ＬｉＮｉＯ、ＬｉＭｎＯ、ＬｉＦｅＰＯ、ＬｉＣｏＰＯ、ＬｉＭｎＰＯ、Ｖ２Ｏ５、Ｇｅ、Ｓｎ、ＰｂまたはＺｎＯを有することを特徴とする請求項１若しくは４〜６のいずれかに記載の方法または請求項２若しくは４〜６のいずれかに記載の利用。
【請求項８】
前記ナノフィラメント（２）の層が、キセノンランプ又はレーザーの光に曝されることを特徴とする請求項１若しくは４〜７のいずれかに記載の方法または請求項２若しくは４〜７のいずれかに記載の利用。
【請求項９】
連続的又はパルス的に生成されて帯状に拡大されたレーザービームが、前記ナノフィラメント（２）の層を光に曝すために用いられ、かつ／または、前記レーザービームが好適には一定の速度で前記層の上を移動することを特徴とする請求項１若しくは４〜８のいずれかに記載の方法または請求項２若しくは４〜８のいずれかに記載の利用。
【請求項１０】
前記コーティング（５）の適用中、シリコンナノ粒子（４）が前記束（３）上に適用され、前記シリコンナノ粒子に印加されるエネルギーにより、前記シリコンナノ粒子が互いに接続すると共に、前記シリコンナノ粒子の下にある前記ナノフィラメント（２）に接続することを特徴とする請求項１若しくは４〜９のいずれかに記載の方法または請求項２若しくは４〜９のいずれかに記載の利用。
【請求項１１】
光、特にレーザービームの光が、前記ナノ粒子（４）を互いに接続させるために、かつ／または、前記ナノ粒子の下にあるナノフィラメント（２）の束に接続するために用いられ、前記ナノ粒子（４）の少なくとも表面が融けるように前記光が前記基板の表面上を移動することを特徴とする請求項１若しくは４〜１０のいずれかに記載の方法または請求項２若しくは４〜１０のいずれかに記載の利用。
【請求項１２】
第１のロール（７）が設けられ、前記第１のロール上に前記基板（１）が巻かれており、前記基板が前記入口機構（２２）から前記処理装置（１０）を通って前記出口機構（２３）へと通過し、そして搬送方向において前記出口機構（２３）の下流側の第２のロール（８）上に巻かれることを特徴とする請求項３に記載の装置。
【請求項１３】
光源（１８）がレーザーを有し、それを用いて、前記第１のコーティングステーション（１１）で前記基板（１）に適用された前記ナノフィラメント（２）の層を光に曝すことができ、それによって複数のナノフィラメント（２）が束（３）へと結束することを特徴とする請求項３または１２に記載の装置。
【請求項１４】
前記第２のコーティングステーション（１３）が、噴射装置（２０）を有し、それを用いて、前記成形ステーションで作製された束（３）に対してナノ粒子（４）を噴射することができることを特徴とする請求項３または１２若しくは１３に記載の装置。
【請求項１５】
前記第２のコーティングステーション（１３）が、光源、特にレーザーを有し、それを用いて、前記束（３）またはナノフィラメント（２）に適用された前記ナノ粒子（４）が互いに接続されかつ前記ナノフィラメント（２）に接続されることを特徴とする請求項３または１２〜１４のいずれかに記載の装置。
【国際調査報告】
2019530181.tif 000010
2019530181.tif 000011
2019530181.tif 000012
2019530181.tif 000013
2019530181.tif 000014
2019530181.tif 000015
2019530181.tif 000016
2019530181.tif 000017
2019530181.tif 000018
2019530181.tif 000019
2019530181.tif 000020