(57)【要約】【課題】単層カーボンナノチューブ（ＳＷＮＴ）の製造方法を提供する。【解決手段】本発明の製造方法は、電池電極粉末中にＳＷＮＴが均一に分散した分散物を一段階で製造する工程を含む。当該方法では、反応器は混合器と流体連結され、ＳＷＮＴを含有するエアロゾルを該反応器から電池電極粉末を入れた混合器へと直接移す。【選択図】図１
2019021613.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電池電極粉末中に単層カーボンナノチューブが分散した分散物の製造方法であって、該方法は、
反応器中で前記単層カーボンナノチューブを含有するエアロゾルを調製する工程と、
前記エアロゾルを前記反応器から前記電池電極粉末を含有する混合器へと直接移し、前記分散物を製造する工程と、
を含み、
前記電池電極粉末は、一次電池電極粉末材料及び二次電池電極粉末材料を含み、
前記二次電池電極粉末材料は、界面活性剤、バインダー、及びこれらの混合物からなる群から選択される、
製造方法。
【請求項２】
請求項１記載の製造方法において、
前記一次電池電極粉末材料は有機溶媒を含む、
製造方法。
【請求項３】
請求項２記載の製造方法において、
前記有機溶媒はｎ−メチルピロリドンを含む、
製造方法。
【請求項４】
請求項１記載の製造方法において、
前記界面活性剤はドデシル硫酸ナトリウムを含む、
製造方法。
【請求項５】
請求項１記載の製造方法において、
前記エアロゾルを前記混合器へ移す際に、前記電池電極粉末を継続的に混合する、
製造方法。
【請求項６】
請求項５記載の製造方法において、
前記混合器の一部として設けられるメカニカルスターラー、マグネチックスターラー、ボールミル、超音波破砕機、又はこれらの組み合わせを用いて、前記電池電極粉末を継続的に混合する、
製造方法。
【請求項７】
請求項１記載の製造方法において、
前記反応器中で前記単層カーボンナノチューブを製造しながら、前記エアロゾルを連続的に前記混合器へと移す、
製造方法。
【請求項８】
請求項１記載の製造方法において、
前記反応器中で炭素源と触媒とを接触させることによって、前記単層カーボンナノチューブを製造する、
製造方法。
【請求項９】
請求項８記載の製造方法において、
前記触媒は金属を含む、
製造方法。
【請求項１０】
請求項８記載の製造方法において、
前記反応器中で触媒前駆体を前記触媒に変換する、
製造方法。
【請求項１１】
請求項８記載の製造方法において、
前記触媒はナノ粒子を含む、
製造方法。
【請求項１２】
請求項１記載の製造方法において、
前記電池電極粉末に対する単層カーボンナノチューブの比は約０．０１〜８０重量％である、
製造方法。
【請求項１３】
請求項１記載の製造方法において、
前記電池電極粉末に対する前記単層カーボンナノチューブの比は約０．０１〜５０重量％である、
製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、一般に、単層カーボンナノチューブ（ＳＷＮＴ）の製造方法に関する。この方法では、電池電極粉末中にＳＷＮＴを均一分散した分散物を一段階で製造する。
【背景技術】
【０００２】
電気伝導性・熱伝導性の機能材料等にＳＷＮＴを使用すると、非常に多くの利点が得られる。多くの場合、電池電極粉末材料中にＳＷＮＴを分散させて炭素強化複合材料を調製する。対応の非複合材料と比較して、このような炭素強化複合材料はしばしば優れた特性を示す。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、従来の分散技術は高コストであり、加えてナノチューブ特性の低下を招き、アスペクト比低下や欠陥の導入を引き起こす。このような技術で性能を改善するためには、より多くの（より高い重量比の）ナノチューブを添加する必要がある。加えて、従来の技術では、複合材料中で高濃度のＳＷＮＴの凝集が起こることが多い。
【０００４】
従って、本技術分野では、より効率的で、好ましくはＳＷＮＴ凝集を低減可能な、ＳＷＮＴ含有分散物の製造方法が必要とされている。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本開示は、一般に、電池電極等に用いられる複合材料の添加剤等として使用可能なＳＷＮＴの製造方法に関する。特に、本開示は、電池電極粉末中にＳＷＮＴが均一に分散した分散物を一段階で製造する方法を提供する。当該方法では、反応器は混合器と流体連結され、ＳＷＮＴを含有するエアロゾルを該反応器から電池電極粉末を入れた混合器へ直接移す。
【０００６】
本開示のある態様は、上記方法によって得られるＳＷＮＴ、ＳＷＮＴ含有分散物、及びＳＷＮＴ含有複合材料に関する。また、本開示のある態様は、上記ＳＷＮＴ含有分散物を製造するための装置に関する。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】図１は、本発明のある実施形態によるＳＷＮＴ含有分散物を製造するための装置の一例を示す。
【図２】図２は、本発明のある実施形態によるＳＷＮＴ含有分散物を製造するための方法の一例を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
本開示は、一般に、電池電極等に用いられる複合材料の添加剤等として使用可能なＳＷＮＴの製造方法に関する。特に、本開示は、電池電極粉末中にＳＷＮＴが均一に分散した分散物を一段階で製造する方法を提供する。当該方法は、反応器を混合器と流体連結するように設けることを含み、ＳＷＮＴを含有するエアロゾルを反応器から電池電極粉末を入れた混合器へと直接移す。
【０００９】
本開示の方法は、ＳＷＮＴのエアロゾルを調製するための反応器を設けることを含む。幾つかの実施形態においては、該反応器は、化学蒸着法（ＣＶＤ法）によってＳＷＮＴを調製できるように構成される。
【００１０】
反応器は、触媒及び／又は触媒前駆体のソース（供給部）、並びに炭素源のソース（供給部）と流体連結される。例えば、図１に示すように、反応器１はソースチャンバ２と流体連結される。このソースチャンバ２は、触媒及び／又は触媒前駆体、並びに／或いは炭素源を収容するように形成されている。幾つかの実施形態においては、反応器を１つ以上のソースチャンバと流体連結する。例えば、触媒及び／又は触媒前駆体、並びに／或いは炭素源のガスを、同一又は異なるソースチャンバに収納してよい。
【００１１】
上記方法は、触媒及び／又は触媒前駆体、並びに炭素源を、反応器中に投入する工程を含んでよい。例えば、反応器は、触媒及び／又は触媒前駆体をソースチャンバから反応器へ投入するための第１の注入口を有してよい。図１に示すように、第１の注入口は、例えば液体ポンプ３と連結される。液体ポンプ３を用いて、触媒及び／又は触媒前駆体をソースチャンバ２から反応器１へと供給できる。
【００１２】
本明細書において「触媒」という語は、ＳＷＮＴ合成等の化学反応を引き起こすか、或いは加速する成分を表す。例えば、触媒は金属を含有してよい。金属の例としては、遷移金属、ランタニド金属、アクチニド金属、及びこれらの組み合わせ等が挙げられるが、金属は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）、タングステン（Ｗ）、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）、銅（Ｃｕ）、銀（Ａｇ）、金（Ａｕ）、カドミウム（Ｃｄ）、スカンジウム（Ｓｃ）、イットリウム（Ｙ）、ランタン（Ｌａ）、白金（Ｐｔ）、及び／又はこれらの組み合わせ等の遷移金属を含有してよい。
【００１３】
幾つかの実施形態においては、触媒に替えて触媒前駆体を反応器中に投入してよい。また、触媒前駆体と触媒の組み合わせを投入してもよい。本明細書において「触媒前駆体」という語は、活性触媒へと変換可能な成分を表す。触媒前駆体の例としては、遷移金属塩（硝酸塩、酢酸塩、クエン酸塩、塩化物、フッ化物、臭化物、ヨウ化物、及び／又はこれらの水和物等）が挙げられるが、触媒前駆体はこれらに限定されない。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、有機金属化合物、金属硫酸塩、金属水酸化物、金属炭酸塩、又はこれらの組み合わせ等であってよい。
【００１４】
幾つかの実施形態においては、反応器中で触媒前駆体から触媒を調製してよい。例えば、触媒前駆体を反応器中に投入した後、ＳＷＮＴを製造する前に、触媒前駆体中の金属等の一成分又は全成分を活性触媒へと還元してよい。反応器は、触媒を製造し得る第１領域を有してよい。
【００１５】
幾つかの実施形態においては、触媒及び／又は触媒前駆体はナノ粒子状であってよい。例えば、触媒及び／又は触媒前駆体の直径は、約０．０１〜５００ｎｍであってよく、好ましくは約０．０１〜２５０ｎｍ、より好ましくは約０．０５〜２００ｎｍ、最も好ましくは約０．５〜１００ｎｍである。
【００１６】
幾つかの実施形態においては、触媒及び／又は触媒前駆体は、液状、噴霧状、又はエアロゾル状で、反応器中に投入される。例えば、反応器中に投入する前に、触媒及び／又は触媒前駆体は、第１のキャリアガス（不活性ガス等）と混合される。不活性ガスの例としては、アルゴンガス、水素ガス、ヘリウムガス、窒素ガス、及びこれらの混合物等が挙げられるが、これらに限定されない。例えば、図１に示すように、反応器中に投入する前に、触媒及び／又は触媒前駆体は、水素ガスと組み合わせられる。
【００１７】
上記方法は炭素源を反応器中に投入する工程を含んでよい。幾つかの実施形態においては、反応器はソースチャンバから反応器中に炭素源を投入するための第２の注入口を有してよい。第２の注入口は、第１の注入口と同じであっても異なるものであってもよい。第２の注入口は液体ポンプと連結されていてよい。この液体ポンプを用いて、炭素源をソースチャンバから反応器へと供給できる。
【００１８】
炭素源の例としては、炭化水素、アルコール、エステル、ケトン、芳香族化合物、アルデヒド、及びこれらの組み合わせ等が挙げられるが、これらに限定されない。例えば、炭素源はキシレン、プロパン、ブタン、ブテン、エチレン、エタノール、一酸化炭素、ブタジエン、ペンタン、ペンテン、メタン、エタン、アセチレン、二酸化炭素、ナフタレン、ヘキサン、シクロヘキサン、ベンゼン、メタノール、プロパノール、プロピレン、市販燃料ガス（液化石油ガス、天然ガス等）、及びこれらの組み合わせから選択してよい。
【００１９】
幾つかの実施形態においては、炭素源は、液状、噴霧状、又はエアロゾル状で、投入される。例えば、炭素源は、第２のキャリアガスと混合される。第２のキャリアガスは第１のキャリアガスと同じ又は異なるものであってよい。炭素源の反応器中への投入は、触媒及び／又は触媒前駆体の投入と同時に、或いはその投入前又は投入後に行ってよい。
【００２０】
幾つかの実施形態においては、反応器中でＳＷＮＴのエアロゾルを調製してよい。例えば、反応器中、炭素源は触媒粒子の表面で熱分解及び／又は触媒分解される。これによってＳＷＮＴが形成され、且つ／或いはＳＷＮＴが成長する。
【００２１】
幾つかの実施形態においては、１つ以上の熱源（炉等）を用いて、反応器の温度を維持し、且つ／或いは変化させる。図１に示すように、炉４は、反応器１の近傍に設置してよい。例えば、炉４は、反応器１の１つ以上の部分の、１つ又は２つ又はそれ以上の側面の近傍に、設置してよい。或いは、反応器１の１又はそれ以上の部分を、炉４で完全に囲んでもよい。
【００２２】
１つ以上の熱源によって、反応器１の温度は、本明細書で記載される反応のうち、１種以上の反応に適した温度に維持される。例えば、炉４を用いて、反応器の温度を、触媒前駆体を活性触媒に還元するのに適した温度に維持してよく、且つ／或いは、ＳＷＮＴの合成及び／又は形成に適した温度に維持してもよい。
【００２３】
幾つかの実施形態においては、反応器１の複数の領域を、それぞれ異なる温度に維持してよい。例えば、反応器の第１領域を、触媒前駆体を活性触媒へと還元するのに適した温度に維持し、且つ、反応器の第２領域の温度を、ＳＷＮＴの合成及び／又は成長に適した温度に維持してよい。幾つかの実施形態においては、反応器１の各領域を同一及び／又は異なる熱源によって加熱してよい。
【００２４】
幾つかの実施形態においては、１つ以上の熱源によって反応器の温度を約２００℃〜１６００℃に維持してよい。
【００２５】
反応器中、ＳＷＮＴはエアロゾルの形態で存在してよい。上記方法はＳＷＮＴ含有エアロゾルを反応器から混合器へ直接移す工程を含んでよい。このとき混合器には電池電極粉末が入れられている。例えば、図１に示すように、混合器５は、反応器１と流体連結される。混合器５は、反応器１の上、下、又は横に配置されてよい。幾つかの実施形態においては、ＳＷＮＴを合成しながら、エアロゾルを連続的に混合器に導入してよい。或いは、一旦ＳＷＮＴの一部又は全てを合成してから、ＳＷＮＴ含有エアロゾルを混合器に導入してもよい。
【００２６】
幾つかの実施形態においては、電池電極粉末は、ＳＷＮＴが分散した材料を調製可能であれば、いかなる材料であってもよい。例えば、電池電極粉末は、一次電池電極粉末材料を含有してよい。本明細書において「一次電池電極粉末材料」という語は、電池電極粉末中に存在する最も主要な成分を表し、例えば、電池電極粉末を構成する全ての材料成分のうち重量百分率が最も高い成分を指す。幾つかの実施形態においては、一次電池電極粉末材料は、金属合金、カーボンピッチ、グラフェン又は酸化グラフェンのシートの分散液、タール、セメント、アスファルト、イミダゾリウム系液体から選択されるイオン性液体、有機溶媒（Ｎ，Ｎ−ジメチルホルムアミド、ｎ−メチルピロリドン等）、溶融ポリマー（溶融ポリエステル、エポキシ、ポリイミド、オルガノシリコーン、ナイロン、テフロン（登録商標）、ポリスチレン、ポリエチレン、これらの組み合わせ等）、又はこれらの組み合わせ等の液体を含んでよい。
【００２７】
幾つかの実施形態においては、電池電極粉末は１種以上の二次電池電極粉末材料も含んでよい。本明細書において「二次電池電極粉末材料」という語は、一次電池電極粉末材料よりも少ない量で電池電極粉末に含まれる１種以上の成分を表す。
【００２８】
幾つかの実施形態においては、二次電池電極粉末材料は、アニオン性界面活性剤等の界面活性剤を含んでよい。アニオン性界面活性剤の例としては、ドデシル硫酸ナトリウム（ＳＤＳ）、カルボン酸塩、スルホン酸塩、硫酸塩、ドデシルトリメチルアンモニウムブロミド、オクチルベンゼンスルホン酸ナトリウム、リン酸エステル、ポリリン酸エステル、アルキルリン酸エステル、モノアルキルリン酸エステル（ＭＡＰ）、ブチルベンゼンスルホン酸ナトリウム、安息香酸ナトリウム、パーフルオロカルボン酸塩等が挙げられるが、これらに限定されない。
【００２９】
幾つかの実施形態においては、上記二次材料はバインダーを含んでよい。バインダーの例としては、フッ素樹脂（ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリビニリデンフルオライド（ＰＶｄＦ）等）、ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）、ポリイミド樹脂、アクリル樹脂、ポリオレフィン樹脂、又はこれらの組み合わせ等が挙げられるが、これらに限定されない。
【００３０】
幾つかの実施形態においては、ＳＷＮＴ含有エアロゾルは、ＳＷＮＴを反応器から混合器へ移動させるための１種以上のキャリアガスを含んでよい。このようなキャリアガスは、例えば、触媒及び／又は触媒前駆体、並びに／或いは炭素源を反応器中に投入するために使用される、第１のキャリアガス及び／又は第２のキャリアガスと同じものであってよい。幾つかの実施形態においては、更なる追加のキャリアガスを反応器中に投入してもよく、或いは反応器中に存在させておいてもよい。この追加のキャリアガスは第１のキャリアガス及び／又は第２のキャリアガスと同じであっても異なっていてもよい。例えば、図１に示すように、反応器は、追加のキャリアガス（ヘリウムガス等）を反応器内に投入するためのキャリアガス注入口６を有していてもよい。幾つかの実施形態においては、混合器５は、ＳＷＮＴを電池電極粉末中に分散させるのに伴い、１種以上のキャリアガスを放出するための出口１１を有していてもよい。
【００３１】
上記方法はＳＷＮＴを電池電極粉末中に分散させる工程を含む。例えば、混合器は分散部を有していてよく、その例としてはメカニカルスターラー、マグネチックスターラー、ボールミル、超音波破砕機、又はこれらの組み合わせ等が挙げられる。例えば、図１に示すように、混合器５は、一次電池電極粉末材料９及び二次材料１０を含有する電池電極粉末中にＳＷＮＴ８を分散させるように構成された撹拌器（スターラー）７を有してよい。幾つかの実施形態においては、一定の撹拌下でＳＷＮＴを混合器に移してよい。
【００３２】
幾つかの実施形態においては、各成分の量は、電池電極粉末に対するＳＷＮＴの割合が特定の値となるように選択してよい。この割合は、電池電極粉末中でＳＷＮＴ凝集の発生が少なくなるように選択してよい。例えば、電池電極粉末に対するＳＷＮＴの重量比は、約０．０１〜１００重量％であってよく、好ましくは約０．０１〜８０重量％であり、より好ましくは約０．０１〜６５重量％であり、最も好ましくは約０．０１〜５０重量％である。
【００３３】
幾つかの実施形態においては、上記方法は、一般的に確立されている方法を用いて、得られた分散物を活性材料と混合する工程、及び／又は該分散物を含むスラリーを調製する工程を、任意に含んでよい。
【００３４】
本開示は、上記方法によって得られるＳＷＮＴ、ＳＷＮＴ含有分散物、及び当該ＳＷＮＴ及び／又はＳＷＮＴ含有分散物を含む複合材料にも関する。例えば、本開示は上記複合材料を含む電池電極に関する。
【００３５】
本開示は上記ＳＷＮＴ含有分散物を製造するための装置にも関する。この装置の各構成要素は、上述した機能を示す限り、様々な配置（例えば、上、下、横）で設置され得ると解すべきである。
【００３６】
本明細書では上述の例を用いて実施形態を記載したが、様々な代替、修飾、変更、又は改善を行った物、及び／又は実質的に等価な物も、それが公知か、現在予期できないか、或いは予期できない可能性があるかにかかわらず、当業者には明らかになり得る。上記実施形態は例示を意図したものであって、本発明を限定するものではない。本開示の趣旨及び範囲から逸脱しない範囲で、種々の変更が可能である。即ち、本開示は、公知の又は後に開発される、様々な代替、修飾、変更、又は改善を行った物、及び／又は実質的に均等な物を、全て包含することを意図している。
【００３７】
特許請求の範囲は本明細書に記載した実施形態に限定されるものではなく、請求項に記載の文言に適合する全ての範囲が許容されるべきである。単数形で記載した構成要素も、特に説明が無い限り、「唯一」であることを意味するわけではなく、「１つ以上」であることを意味する。本開示の様々な実施形態による構成要素の構造的及び機能的均等物は全て、当業者に既に公知であっても後に公知になるものであっても、参照により本開示に明確に含まれ、特許請求の範囲に包含されるべきである。更に、本明細書の開示は、特許請求の範囲に明示されているか否かにかかわらず、公衆に供されることを意図したものではない。特許請求の範囲に記載の構成は、「ｍｅａｎｓ  ｆｏｒ」という表現で明記されていない限り、ミーンズプラスファンクション形式として解釈されるべきではない。
【００３８】
更に、本明細書において、「例（ｅｘａｍｐｌｅ）」という語は、単なる例示（ｅｘａｍｐｌｅ、ｉｎｓｔａｎｃｅ、又はｉｌｌｕｓｔｒａｔｉｏｎ）に用いられるものを意味する。本明細書で「例」として記載した実施形態は、必ずしも他の形態よりも好ましい又は有利であるわけではない。特に明記しない限り、「幾つかの（ｓｏｍｅ）」という語は、１つ以上であることを意味する。「Ａ、Ｂ、又はＣの少なくとも１つ」、「Ａ、Ｂ、及びＣの少なくとも１つ」、「Ａ、Ｂ、Ｃ、又はこれらの組み合わせ」等のコンビネーションは、Ａ、Ｂ、及び／又はＣのいかなる組み合わせも包含し、複数のＡ、複数のＢ、又は複数のＣも包含し得る。具体的には、「Ａ、Ｂ、又はＣの少なくとも１つ」、「Ａ、Ｂ、及びＣの少なくとも１つ」、「Ａ、Ｂ、Ｃ、又はこれらの組み合わせ」等のコンビネーションは、Ａのみ、Ｂのみ、Ｃのみ、ＡとＢ、ＡとＣ、ＢとＣ、又はＡとＢとＣであってよく、各組み合わせは１種以上の部材Ａ、Ｂ、又はＣを含み得る。特許請求の範囲に明示されているか否かにかかわらず、本明細書の開示は公衆に供されることを意図したものではない。
【図１】
2019021613.tif 000003
【図２】
2019021613.tif 000004
【外国語明細書】
Production of Carbon Nanotube Modified Battery Electrode Powders via Single Step Dispersion
FIELD 
[001]The present disclosure relates generally to a method of making single walled carbon nanotubes (SWNTs). The method includes a single step for preparing a homogeneous dispersion of SWNTs in a battery electrode powder.
BACKGROUND
[002]SWNTs provide numerous benefits for use in, for example, electrically and thermally conducting functional materials. In many cases, SWNTs are dispersed in a battery electrode powder material to produce carbon-reinforced composite materials, which often possess improved properties relative to the corresponding non-composite materials.
[003]However, current dispersion technologies are not only expensive but also degrade nanotube properties, leading to reduction of aspect ratio and introduction of defects. The technologies end up requiring more nanotube loading (in terms of weight percent) for improved performance. In addition, current technologies often result in high levels of SWNT agglomeration within the composite materials. 
[004]There is thus a need in the art for a more efficient method for preparing SWNT-containing dispersions that preferably reduce SWNT agglomeration.
SUMMARY 
[005]The present disclosure relates generally to methods of making SWNTs which, for example, may be used as additives in composite materials, such as for use in battery electrodes. In particular, the present disclosure provides a single step method for preparing a homogeneous dispersion of SWNTs in a battery electrode powder. The method may comprise providing a reactor in fluid communication with a mixer, wherein an aerosol containing SWNTs is transmitted from the reactor directly to the mixer containing a battery electrode powder. 
[006]Aspects of the present disclosure also relate to SWNTs, SWNT-containing dispersions, and  composite materials including the SWNTs obtainable by the methods disclosed herein. Further, aspects of the present disclosure also relate to apparatuses for preparing SWNT-containing dispersions as described herein. 
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS
[007]Fig. 1 shows an example apparatus for preparing SWNT-containing dispersions according to aspects of the present invention.
[008]Fig. 2 shows a flowchart depicting an example method for preparing SWNT-containing dispersions according to aspects of the present invention.
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
[009]The present disclosure relates generally to methods of making SWNTs which, for example, may be used as additives in composite materials, such as for use in battery electrodes. In particular, the present disclosure provides a single step method for preparing a homogeneous dispersion of SWNTs in a battery electrode powder. The method may comprise providing a reactor in fluid communication with a mixer, wherein an aerosol containing SWNTs is transmitted from the reactor directly to the mixer containing a battery electrode powder. 
[0010]The method of the present disclosure comprises providing a reactor for preparing an aerosol of SWNTs. According to some aspects, the reactor is configured for use with a chemical vapor deposition (CVD) method for the preparation of SWNTs.
[0011]The reactor may be in fluid communication with a source of catalyst and/or catalyst precursor and a carbon source. For example, as shown in Fig. 1, the reactor 1 may be in fluid communication with a source chamber 2, the source chamber 2 being configured to house a catalyst and/or catalyst precursor and/or a carbon source. According to some aspects, the reactor may be in fluid communication with one or more source chambers. For example, the catalyst and/or catalyst precursor and/or the carbon source gas may be housed in different or the same source chambers.
[0012]The method may comprise injecting the catalyst and/or catalyst precursor and the carbon source into the reactor. For example, the reactor may be provided with a first inlet for injecting the catalyst and/or catalyst precursor from the source chamber to the reactor. The first inlet may be in communication with, for example, a liquid pump 3 as shown in Fig. 1, which may pump the catalyst and/or catalyst precursor from the source chamber 2 to the reactor 1.
[0013]As used herein, the term "catalyst" refers to a component that provokes or speeds up a chemical reaction, for example, the synthesis of SWNTs. The catalyst may comprise, for example, a metal. Examples of metals include, but are not limited to, transition metals, lanthanide metals, actinide metals, and combinations thereof. For example, the catalyst may comprise a transition metal such as chromium (Cr), molybdenum (Mo), tungsten (W), iron (Fe), cobalt (Co), nickel (Ni), ruthenium (Ru), rhodium (Rh), palladium (Pd), osmium (Os), iridium (Ir), copper (Cu), silver (Ag), gold (Au), cadmium (Cd), scandium (Sc), yttrium (Y), lanthanum (La), platinum (Pt), and/or combinations thereof. 
[0014]According to some aspects, a catalyst precursor may be injected into the reactor, either in place of or in combination with a catalyst. As used herein, the term "catalyst precursor" refers to a component that can be converted into an active catalyst. Examples of catalyst precursors include, but are not limited to, transition metal salts, such as a nitrate, acetate, citrate, chloride, fluoride, bromide, iodide, and/or hydrates thereof. For example, the catalyst precursor may be a metallocene, a metal acetylacetonate, a metal phthalocyanine, a metal porphyrin, a metal salt, a metalorganic compound, a metal sulfate, a metal hydroxide, a metal carbonate, or a combination thereof.
[0015]According to some aspects, a catalyst may be produced from the catalyst precursor inside the reactor. For example, after the catalyst precursor has been injected into the reactor, a component or all of the catalyst precursor, such as a metal, may be reduced into an active catalyst prior to the production of SWNTs. The reactor may comprise a first region wherein the catalyst may be produced.
[0016]According to some aspects, the catalyst and/or catalyst precursor may be provided as a nanoparticle. For example, the catalyst and/or catalyst precursor may have a diameter from about 0.01 to 500 nm, preferably from about 0.01 to 250 nm, even more preferably from about 0.05 to 200 nm, and most preferably from about 0.5 to 100 nm. 
[0017]According to some aspects, the catalyst and/or catalyst precursor may be injected into the reactor as a liquid, spray, or aerosol. For example, the catalyst and/or catalyst precursor may be mixed with a first carrier gas, such as an inert gas, prior to injection into the reactor. Examples of inert gasses include, but are not limited to, argon gas, hydrogen gas, helium gas, nitrogen gas, and mixtures thereof. For example, as shown in Fig. 1, the catalyst and/or catalyst precursor may be combined with hydrogen gas prior to injection into the reactor.
[0018]The method may also comprise injecting the carbon source into the reactor. According to some aspects, the reactor may be provided with a second inlet for injecting the carbon source from the source chamber to the reactor. The second inlet may be the same or different from the first inlet. The second inlet may be in communication with a liquid pump, which may pump the carbon source from the source chamber to the reactor.
[0019]Examples of carbon sources include, but are not limited to, a hydrocarbon, an alcohol, an ester, a ketone, an aromatic, an aldehyde, and a combination thereof. For example, the carbon source may be selected from xylene, propane, butane, butene, ethylene, ethanol, carbon monoxide, butadiene, pentane, pentene, methane, ethane, acetylene, carbon dioxide, naphthalene, hexane, cyclohexane, benzene, methanol, propanol, propylene, commercial fuel gases (such as liquefied petroleum gas, natural gas, and the like), and combinations thereof. 
[0020]According to some aspects, the carbon source may be injected as a liquid, spray, or aerosol. For example, the carbon source may be mixed with a second carrier gas, wherein the second carrier gas is the same or different than the first carrier gas. The carbon source may be injected into the reactor before, after, or simultaneously with the catalyst and/or catalyst precursor.
[0021]According to some aspects, an aerosol of SWNTs may be produced in the reactor. For example, the carbon source may decompose at the surface of the catalyst particles in the reactor by thermal and/or catalytic decomposition, thereby resulting in the formation and/or growth of SWNTs. 
[0022]According to some aspects, the temperature of the reactor may be maintained and/or varied using one or more heat sources, such as a furnace. As shown in Fig. 1, the furnace 4 may be proximal to the reactor 1. For example, the furnace 4 may be proximal to one, two, or more sides of one or more portions of reactor 1, or may completely surround one or more portions of reactor 1.
[0023]The one or more heat sources may maintain the temperature of the reactor 1 at a temperature suitable for one or more of the reactions described herein. For example, the furnace 4 may maintain the temperature of the reactor at a temperature suitable for reducing the catalyst precursor into active catalyst and/or for the synthesis and/or formation of SWNTs.
[0024]According to some aspects, different regions of the reactor 1 may be maintained at different temperatures. For example, the first region of the reactor may be maintained at a temperature suitable for reducing the catalyst precursor into active catalyst and a second region of the reactor may be maintained at a temperature suitable for the synthesis and/or growth of SWNTs. According to some aspects, each region of the reactor 1 may be heated by the same and/or different heat sources.
[0025]According to some aspects, the one or more heat sources may maintain the temperature of the reactor at a temperature of between about 200 and 1600°C.
[0026]The SWNTs may be present in the reactor as an aerosol. The method may comprise directly transmitting the SWNT-containing aerosol from the reactor to a mixer, the mixer comprising a battery electrode powder. For example, as shown in Fig. 1, a mixer 5 may be provided in fluid communication with the reactor 1. The mixer 5 may be above, below, or beside the reactor 1. According to some aspects, the aerosol may be continuously introduced to the mixer as the SWNTs are synthesized. Alternatively, the SWNT-containing aerosol may be introduced to the mixer once a portion or all of the SWNTs have been synthesized.
[0027]According to some aspects, the battery electrode powder may be any material capable of providing a dispersed SWNT material. For example, the battery electrode powder may comprise a primary battery electrode powder material. As used herein, the term "primary battery electrode powder material" refers to the most prominent material present in the battery electrode powder, such as the material having the highest weight percentage of all the materials making up the battery electrode powder. According to some aspects, the primary battery electrode powder material may comprise a liquid such as a metal alloy, a carbon pitch, a solution of dispersed graphene or graphene oxide sheets, a tar, a cement, an asphalt, an ionic liquid selected from a imidazolium-based liquid, an organic solvent (for example, N,N-dimethylformamide or n-methylpyrrolidone), a melted polymer (for example, a melted polyester, epoxy, polyimide, organosilicone, nylon, Teflon, polystyrene, polyethylene, or a combination thereof), or a combination thereof.
[0028]According to some aspects, the battery electrode powder may also comprise one or more secondary battery electrode powder materials. As used herein, the term "secondary battery electrode powder material" refers to one or more components of the battery electrode powder present in lesser amounts than the primary battery electrode powder material.
[0029]According to some aspects, the secondary battery electrode powder material may comprise a surfactant, such as an anionic surfactant. Examples of anionic surfactants include, but are not limited to, sodium dodecyl sulfate (SDS), salts of carboxylic acids, salts of sulfonic acids, salts of sulfuric acid, dodecyltrimethylammonium bromide, sodium octylbenzene sulfonate, phosphoric and polyphosphoric acid esters, alkylphosphates, monoalkyl phosphate (MAP), sodium butylbenzene sulfonate, sodium benzoate, and salts of perfluorocarboxylic acids.
[0030]According to some aspects, the secondary material may comprise a binder. Examples of binders include, but are not limited to, fluorine resins (for example, polytetrafluoroethylene (PTFE) or polyvinylidene fluoride (PVdF)), polyacrylonitrile (PAN), polyimide resins, acrylic resins, polyolefin resins, or a combination thereof.
[0031]According to some aspects, the SWNT-containing aerosol may comprise one or more carrier gasses that carry the SWNTs from the reactor to the mixer. For example, the carrier gasses may be the same as the first and/or second carrier gas used to inject the catalyst and/or catalyst precursor and/or the carbon source into the reactor. According to some aspects, an additional carrier gas may be injected into or already present in the reactor. The additional carrier gas may be the same or different from the first and/or second carrier gas. For example, as shown in Fig. 1, the reactor may comprise a carrier gas inlet 6 wherein an additional carrier gas, such as a helium gas, is injected into the reactor. According to some aspects, the mixer 5 may be provided with an outlet 11 to allow the one or more carrier gasses to be released as the SWNTs are dispersed within the battery electrode powder.
[0032]The method comprises dispersing the SWNTs in the battery electrode powder. For example, the mixer may be provided with a dispersing component, such as a mechanical stirrer, a magnetic stirrer, a ball miller, a sonicator, or a combination thereof. For example, as shown in Fig. 1, the mixer 5 may include a stirrer 7 configured to disperse the SWNTs 8 in a battery electrode powder comprising the primary battery electrode powder material 9 and the secondary materials 10. According to some aspects, the SWNTs may be transmitted to the mixer under constant stirring.
[0033]According to some aspects, the amount of any of the components herein may be selected in order to provide a specific ratio of SWNT to battery electrode powder. The specific ratio may be selected in order to provide a low instance of SWNT agglomeration in the battery electrode powder. For example, the ratio of SWNT to battery electrode powder by weight may be from about 0.01 to 100 wt%, preferably from about 0.01 to 80 wt%, more preferably from about 0.01 to 65 wt%, and most preferably from about 0.01 to 50 wt%.
[0034]According to some aspects, the method may also optionally comprise mixing the resultant dispersion with an active material and/or making a slurry comprising the dispersion using commonly established methods. 
[0035]The present disclosure also relates to SWNTs, SWNT-containing dispersions, and  composite materials including the SWNTs and/or SWNT-containing dispersions obtainable by the methods disclosed herein. For example, the present disclosure relates to battery electrodes comprising the composite materials described herein.
[0036]The present disclosure also relates to an apparatus for preparing SWNT-containing dispersions as described herein. It should be understood that the elements of the apparatus described herein may be arranged in various ways (e.g., above, below, beside one another) so long as they do not depart from the functionalities described herein.
[0037]While the aspects described herein have been described in conjunction with the example aspects outlined above, various alternatives, modifications, variations, improvements, and/or substantial equivalents, whether known or that are or may be presently unforeseen, may become apparent to those having at least ordinary skill in the art. Accordingly, the example aspects, as set forth above, are intended to be illustrative, not limiting. Various changes may be made without departing from the spirit and scope of the disclosure. Therefore, the disclosure is intended to embrace all known or later-developed alternatives, modifications, variations, improvements, and/or substantial equivalents.
[0038]Thus, the claims are not intended to be limited to the aspects shown herein, but are to be accorded the full scope consistent with the language of the claims, wherein reference to an element in the singular is not intended to mean "one and only one" unless specifically so stated, but rather "one or more." All structural and functional equivalents to the elements of the various aspects described throughout this disclosure that are known or later come to be known to those of ordinary skill in the art are expressly incorporated herein by reference and are intended to be encompassed by the claims. Moreover, nothing disclosed herein is intended to be dedicated to the public regardless of whether such disclosure is explicitly recited in the claims. No claim element is to be construed as a means plus function unless the element is expressly recited using the phrase "means for."
[0039]Further, the word "example" is used herein to mean "serving as an example, instance, or illustration." Any aspect described herein as "example" is not necessarily to be construed as preferred or advantageous over other aspects. Unless specifically stated otherwise, the term "some" refers to one or more. Combinations such as "at least one of A, B, or C," "at least one of A, B, and C," and "A, B, C, or any combination thereof" include any combination of A, B, and/or C, and may include multiples of A, multiples of B, or multiples of C. Specifically, combinations such as "at least one of A, B, or C," "at least one of A, B, and C," and "A, B, C, or any combination thereof" may be A only, B only, C only, A and B, A and C, B and C, or A and B and C, where any such combinations may contain one or more member or members of A, B, or C. Nothing disclosed herein is intended to be dedicated to the public regardless of whether such disclosure is explicitly recited in the claims.
WHAT IS CLAIMED IS:
CLAIMS
1.        A method for preparing a dispersion of single walled carbon nanotubes in a battery electrode powder, the method comprising:
preparing an aerosol containing single walled carbon nanotubes in a reactor; and
transmitting the aerosol directly from the reactor to a mixer containing the battery electrode powder to produce the dispersion,
wherein the battery electrode powder comprises a primary battery electrode powder material and a secondary material, the secondary material being selected from the group consisting of a surfactant, a binder, and a mixture thereof.
2.        The method according to claim 1, wherein the primary battery electrode powder material comprises an organic solvent.
3.        The method according to claim 2, wherein the organic solvent comprises n-methylpyrrolidone.
4.        The method according to claim 1, wherein the surfactant comprises sodium dodecyl sulfate.
5.        The method according to claim 1, wherein the battery electrode powder is continually mixed as the aerosol is transmitted to the mixer.
6.        The method according to claim 5, wherein the battery electrode powder is continually mixed by a mechanical stirrer, a magnetic stirrer, a ball miller, a sonicator, or a combination thereof provided as part of the mixer. 
7.        The method according to claim 1, wherein the aerosol is continuously transmitted to the mixer as the single walled carbon nanotubes are produced in the reactor.
8.        The method according to claim 1, wherein the single walled carbon nanotubes are produced by contacting a carbon source and a catalyst in the reactor.
9.        The method according to claim 8, wherein the catalyst comprises a metal.
10.       The method according to claim 8, wherein a catalyst precursor is converted to the catalyst in the reactor.
11.       The method according to claim 8, wherein the catalyst comprises nanoparticles.
12.       The method according to claim 1, wherein a ratio of single walled carbon nanotubes to battery electrode powder is from about 0.01 to 80 wt%.
13.       The method according to claim 1, wherein a ratio of single walled carbon nanotubes to battery electrode powder is from about 0.01 to 50 wt%.
ABSTRACT
Methods of making single walled carbon nanotubes (SWNTs) including a single step for preparing a homogeneous dispersion of SWNTs in a battery electrode powder. The method may comprise providing a reactor in fluid communication with a mixer, wherein an aerosol containing SWNTs is transmitted from the reactor directly to the mixer containing a battery electrode powder. 
Representative Drawing
Fig. 1
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