(57)【要約】  三次元ホウ素ドープ・カーボン・ナノチューブ・マクロ材料を含んで成るアノード及び／又はカソードを含む電極が開示される。アノード及び／又はカソードは、化学蒸着を用いて、基板として銅箔などの金属箔を使用して調製することができ、又は、他の実施形態において、調製後の金属箔に接着することができる。アノード及び／又はカソードは多孔質であり、細孔の一部は、適切なアノード又はカソードの活性材料で充填され得る。アノードの好ましい活性材料は、リチウム金属又はリチウム含有合金を含んで成る。カソードの好ましい活性材料は、酸化リチウム又は硫化リチウムなどのリチウム塩を含んで成る。また、これらのアノード及び／又はカソードを有して成るバッテリー、キャパシタ及びスーパーキャパシタも開示される。
2021527313.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
三次元ホウ素含有カーボン・ナノチューブ発泡体を含んで成るアノード。
【請求項２】
アノードが金属箔に形成される、又は金属箔に接着される、請求項１に記載のアノード。
【請求項３】
金属箔が、銅箔又はアルミニウム箔である、請求項２に記載のアノード。
【請求項４】
活性材料が発泡体内に含浸される、及び／又は発泡体上にコーティングされる、請求項１に記載のアノード。
【請求項５】
活性材料が、リチウム金属、リチウムイオンを可逆的にインターカレーション／脱インターカレーションする材料、リチウム金属合金、リチウムをドープ及び脱ドープすることが可能な材料、又は遷移金属酸化物から成る群から選択される、請求項４に記載のアノード。
【請求項６】
活性材料が、リチウム金属又はリチウムを含んで成る合金である、請求項４に記載のアノード。
【請求項７】
アノードが金属箔に形成される、又は金属箔に接着される、請求項４に記載のアノード。
【請求項８】
金属箔が、銅箔又はアルミニウム箔である、請求項７に記載のアノード。
【請求項９】
活性材料が、リチウム金属、リチウムイオンを可逆的にインターカレーション／脱インターカレーションする材料、リチウム金属合金、リチウムをドープ及び脱ドープすることが可能な材料、又は遷移金属酸化物から成る群から選択される、請求項７に記載のアノード。
【請求項１０】
三次元ホウ素含有カーボン・ナノチューブ発泡体がＣＶＤプロセスを用いて形成され、発泡体は金属箔に形成される、請求項１に記載のアノード。
【請求項１１】
三次元ホウ素含有カーボン・ナノチューブ発泡体を含んで成るカソード。
【請求項１２】
アノードが金属箔に形成される、又は金属箔に接着される、請求項１１に記載のカソード。
【請求項１３】
金属箔が、銅箔又はアルミニウム箔である、請求項１２に記載のカソード。
【請求項１４】
活性材料が発泡体内に含浸される、及び／又は発泡体上にコーティングされる、請求項１１に記載のカソード。
【請求項１５】
活性材料が、酸化リチウム、硫化リチウム、ＬｉＰＦ６、ＬｉＣｌＯ４、ＬｉＡｓＦ６、ＬｉＢＦ４、ＬｉＳｂＦ６、ＬｉＡｌＯ４、ＬｉＡｌＣｌ４、ＬｉＣＦ３ＳＯ３、ＬｉＣ４Ｆ９ＳＯ３、ＬｉＮ（Ｃ２Ｆ５ＳＯ３）２、ＬｉＮ（Ｃ２Ｆ５ＳＯ２）２、ＬｉＮ（ＣＦ３ＳＯ２）２、ＬｉＣｌ、ＬｉＩ、ＬｉＢ（Ｃ２Ｏ４）２、ＬｉＣｏＯ２、ＬｉＭｎ２Ｏ４、ＬｉＦｅＰＯ４、Ｌｉ１−ｘＦｅｘＰＯ４（０≦ｘ≦１）、Ｌｉ［Ｍｎ２−ｘＭｘ］Ｏ４（Ｍ＝Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｍｇ、０≦ｘ≦０．１）、ＬｉａＣｏＭａＯ２、Ｌｉ１−ｂＣｏＭ’ｙＯ２（Ｍ及びＭ’はＷ、Ｍｏ、Ｚｒ、Ｔｉ、Ｍｇ、Ｔａ、Ａｌ、Ｆｅ、Ｖ、Ｃｒ、及び／又はＮｂを表す；１≦ａ≦１．２、０＜ｂ≦０．０５、０≦ｘ≦０．０２及び０≦ｙ≦０．０２）、ＬｉＮｉＯ２、ＬｉＮｉＭｎＣｏＯ２、Ｌｉ２ＦｅＰＯ４Ｆ、ＬｉＣｏ０．３３Ｎｉ０．３３Ｍｎ０．３３Ｏ２、Ｌｉ（ＬｉａＮｉｘＭｎｙＣｏｚ）Ｏ２（ＮＭＣとしても知られる）、ＬｉＮｉＣｏＡｌＯ２、Ｌｉ４Ｔｉ５Ｏ１２、Ｌｉ３Ｖ２（ＰＯ４）３、及びそれらの組合せから成る群から選択される、請求項１４に記載のカソード。
【請求項１６】
活性材料が酸化リチウム又は硫化リチウムである、請求項１４に記載のカソード。
【請求項１７】
アノードが金属箔に形成される、又は金属箔に接着される、請求項１４に記載のカソード。
【請求項１８】
金属箔が、銅箔又はアルミニウム箔である、請求項１７に記載のカソード。
【請求項１９】
活性材料が、酸化リチウム、硫化リチウム、ＬｉＰＦ６、ＬｉＣｌＯ４、ＬｉＡｓＦ６、ＬｉＢＦ４、ＬｉＳｂＦ６、ＬｉＡｌＯ４、ＬｉＡｌＣｌ４、ＬｉＣＦ３ＳＯ３、ＬｉＣ４Ｆ９ＳＯ３、ＬｉＮ（Ｃ２Ｆ５ＳＯ３）２、ＬｉＮ（Ｃ２Ｆ５ＳＯ２）２、ＬｉＮ（ＣＦ３ＳＯ２）２、ＬｉＣｌ、ＬｉＩ、ＬｉＢ（Ｃ２Ｏ４）２、ＬｉＣｏＯ２、ＬｉＭｎ２Ｏ４、ＬｉＦｅＰＯ４、Ｌｉ１−ｘＦｅｘＰＯ４（０≦ｘ≦１）、Ｌｉ［Ｍｎ２−ｘＭｘ］Ｏ４（Ｍ＝Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｍｇ、０≦ｘ≦０．１）、ＬｉａＣｏＭａＯ２、Ｌｉ１−ｂＣｏＭ’ｙＯ２（Ｍ及びＭ’はＷ、Ｍｏ、Ｚｒ、Ｔｉ、Ｍｇ、Ｔａ、Ａｌ、Ｆｅ、Ｖ、Ｃｒ、及び／又はＮｂを表す；１≦ａ≦１．２、０＜ｂ≦０．０５、０≦ｘ≦０．０２及び０≦ｙ≦０．０２）、ＬｉＮｉＯ２、ＬｉＮｉＭｎＣｏＯ２、Ｌｉ２ＦｅＰＯ４Ｆ、ＬｉＣｏ０．３３Ｎｉ０．３３Ｍｎ０．３３Ｏ２、Ｌｉ（ＬｉａＮｉｘＭｎｙＣｏｚ）Ｏ２（ＮＭＣとしても知られる）、ＬｉＮｉＣｏＡｌＯ２、Ｌｉ４Ｔｉ５Ｏ１２、Ｌｉ３Ｖ２（ＰＯ４）３、及びそれらの組合せから成る群から選択される、請求項１７に記載のカソード。
【請求項２０】
三次元ホウ素含有カーボン・ナノチューブ発泡体がＣＶＤプロセスを用いて形成され、発泡体は金属箔に形成される、請求項１１に記載のカソード。
【請求項２１】
請求項１〜１０のいずれかに記載のアノードを有して成るバッテリー。
【請求項２２】
請求項１１〜２０のいずれかに記載のカソードを有して成るバッテリー。
【請求項２３】
請求項１〜１０のいずれかに記載のアノードを有して成るキャパシタ又はスーパーキャパシタ。
【請求項２４】
請求項１１〜２０のいずれかに記載のカソードを有して成るキャパシタ又はスーパーキャパシタ。
【発明の詳細な説明】
【関連出願の相互参照】
【０００１】
本出願は、２０１８年６月１８日に出願された仮出願番号６２／６８６，４２０号の優先権を主張し、その全体が参照によって本明細書に組み込まれる。
【技術分野】
【０００２】
本開示は、三次元ヘテロ原子ドープ・カーボン・ナノチューブのマクロ材料を含んで成る電極、並びに当該電極を有して成るバッテリー（又は電池、battery）及びキャパシタ（又は蓄電器、capacitor）に関連する。三次元の材料は、アノード（又は陽極、anode）を形成するために金属に取り付けられ得るものであり、又はカソード（又は陰極、cathode）を形成するために半導体に取り付けられ得る。材料は、高多孔質である。孔は、アノードを形成するためにリチウムなどの様々な物質、又はカソードを形成するために硫化リチウムなどの金属塩で充填され得る、又は部分的に充填され得る。
【背景技術】
【０００３】
石油価格の変動及び世界的なグリーン・エネルギーへの関心のため、化石燃料の使用を低減するための環境規制及びエネルギー政策が急増している。これらの環境規制及びエネルギー政策のもと、環境に優しい電気自動車及びスマート・グリッドは大きな注目を集めており、改良されたエネルギー貯蔵デバイスへの関心が高まっている。
【０００４】
「二次バッテリー」は、エネルギー貯蔵デバイスにおける重要な構成要素である。「二次バッテリー」は、貯蔵のために電気エネルギーを化学エネルギーに変換して、次いで使用のために貯蔵した化学エネルギーを電気エネルギーに変換するように構成される。これらのバッテリーには、アノード、カソード、バッテリー／キャパシタ、モジュール／パック／バッテリー管理システムなどを含む様々な構成要素が含まれる。現在、ほとんどのバッテリーにおいて、アノード電極及びカソード電極は、箔基板の上部に沈着された活性金属を有する集電体から成る。
【０００５】
このようなバッテリーの例には、リチウムイオン・バッテリー、リチウムイオン・ポリマー・バッテリー、金属空気バッテリー、レドックス・フロー・バッテリー、ナトリウム硫黄バッテリー、マグネシウムイオン・バッテリー、ナトリウムイオン・バッテリー、ニッケル水素バッテリー、ＮｉＣｄバッテリーなどが含まれる。バッテリーは、用途の目的に応じて、モバイル技術などの小規模エネルギー貯蔵システム；電気自動車及び家庭用リチウム・バッテリー・セル／モジュールなどの中規模エネルギー貯蓄システム；並びに大型バッテリーなどの大規模エネルギー貯蔵システムに分類することができる。
【０００６】
リチウムイオン・バッテリーは高いエネルギー密度を有するため、携帯電話、ＰＣ、及びデジタル・カメラの電源として供給される。この使用は、ハイブリッド車又は電気自動車の電源にまで拡大されているものの、安全性及びサイクル特性などのいくつかの前提条件が未だ残っている。懸念の１つは、リチウムイオン・バッテリーが経時的に劣化し、それの有効なサイクル寿命が制限されることである。
【０００７】
活性炭は、炭素質電極材料として用いられているものの、グラフェン、カーボン・ナノチューブ、カーバイド誘導炭素及び鋳型炭素などの様々な代替材料がある。特に、グラフェンは優れた物理的特性及び電気的特性を有し、注目すべき新しい材料である。しかしながら、その優れた特性を示すため、グラフェンを原子層の厚みにまで剥離する必要があり、このような機械的な剥離は低収率である。したがって、現在では、酸化グラフェンを調製し、次いで化学プロセスを介して酸化グラフェンを還元することによって還元グラフェンを得る方法が最も一般的に用いられる。しかしながら、高温の還元ガスを用いる還元法は大量生産には適さず、生産の単価が増加する。
【０００８】
従来のリチウムイオン・バッテリーより高いエネルギー密度、及びより長いサイクル寿命を有するバッテリーは有利となる。本発明は、そのようなバッテリーを供する。
【発明の概要】
【０００９】
一実施形態において、本発明は、三次元ヘテロ原子ドープ・カーボン・ナノチューブのマクロ材料を含んで成る電極材料に関連する。この実施形態の一態様において、特にヘテロ原子がホウ素である三次元ヘテロ原子ドープ・カーボン・ナノチューブのマクロ材料は、Ｄｒ．Ｄａｎｉｅｌ  Ｈａｓｈｉｍによる米国特許出願第１３／４２４，１８５号に記載されているように調製できる。
【００１０】
この実施形態の一態様において、電極はアノードである。いくつかの実施形態では、アノードは、化学蒸着を用いて、銅箔などの金属箔を基板として用いて調製される。他の実施形態では、アノードは調製後に金属箔に接着される。他の実施形態において、アノードは多孔性であり、細孔の一部はリチウム金属などの金属で充填される。さらに他の実施形態では、アノードは多孔性であり、細孔の一部は金属で充填され、アノードは、化学蒸着を用いて、銅箔などの金属箔を基板として用いて調製されるか、又は調製後に金属箔に接着される。
【００１１】
この実施形態の別の態様において、電極はカソードである。いくつかの実施形態では、カソードは、化学蒸着を用いて、銅箔などの金属箔を基板として用いて調製される。他の実施形態では、カソードは調製後に金属箔に接着される。他の実施形態において、カソードは多孔性であり、細孔の一部はリチウムイオンなどの１つ又はそれより多くの金属イオンで充填される。さらに他の実施形態では、カソードは多孔性であり、細孔の一部は１つ又はそれより多くの金属イオンで充填され、カソードは、化学蒸着を用いて、銅箔などの金属箔を基板として用いて調製されるか、又は調製後に金属箔に接着される。
【００１２】
米国特許出願第１３／４２４，１８５号に開示されるように、ホウ素含有カーボン・ナノチューブを含んで成る三次元カーボン・ナノチューブ構造（本明細書において、ＣＮＴ発泡材料（CNT foam material）とも呼ぶ）は、カーボン・ナノチューブの化学蒸着合成中に、炭化水素、ホウ素源、及び金属触媒源を化学蒸着反応器中で反応させることによって直接調製できる。反応器内に存在するホウ素原子に対する金属原子の比は、２〜２０、例えば４〜６である。
【００１３】
炭素、ホウ素、及び金属触媒のこの比を用いると、導電性であり、優れた物理的特性及び化学的特性を提供する、ホウ素ドープ・カーボン・ナノチューブの高多孔性の三次元ネットワークを形成することが可能である。リチウム金属（アノード）又はリチウム塩（カソード）で部分的に充填される場合、電極は、従来のリチウム・バッテリーより長いデンドライトの形成前の有効寿命を有する。さらに、いくつかの実施形態において、電気容量は、従来のリチウム・バッテリーの電気容量を大きく超える。
【００１４】
いくつかの実施形態において、ＣＮＴ発泡材料を用いて製造された電極は、発泡構造に活性材料を埋め込むことに起因して、電極の電力密度及び最終的なキャパシタの構成要素を大幅に向上させる。アノードとして、サブミクロン・スケールの三次元多孔質導電性発泡構造を有し、対向電極（又は対電極、counter electrode）の材料から分離され、多孔質発泡構造のボイド空間（void space）の全て又は一部を充填するキャパシタは、最終的なエネルギー貯蔵デバイスの電力密度を大きく増加させることができる。
【００１５】
さらに他の実施形態において、本発明は、三次元導電性多孔質発泡体集電体を組み合わせ、多孔質アノードを形成し、固体状態又は従来の電解質、並びにフィルム・ベース（又は薄膜ベースの、film-based）又はコーティング可能なセパレータ材料を用いるキャパシタに関する。充電式バッテリー（又は再充電可能なバッテリー、rechargeable battery）と同様に、ＣＮＴの発泡体又はスポンジの３Ｄ性質により、電極、電解質及びセパレータは最終的なパッケージに統合され、最終的な産業的使用のために、整合的に、気密に封止され得る。
【００１６】
いくつかの実施形態において、本明細書で説明されるようなカソード及び／又はアノードは、バッテリー、例えば、充電式バッテリーなどのエネルギー貯蔵デバイスにおいて用いられる。また、本明細書で説明されるアノード及びカソードの一方又は両方を含むエネルギー貯蔵デバイスには、一般的に、電解質及びセパレータ、並びに他の構成要素が含まれる。電解質及びセパレータは、当技術分野で公知のものの中から当業者によって適宜選択されてよく、特に限定されることなく用いられてよい。
【００１７】
一実施形態において、エネルギー貯蔵デバイスは、リチウム・バッテリーなどの充電式バッテリーであり、正極、正極に対向する負極、負極と正極との間に挿入されるセパレータを含む電極アッセンブリ、正極、負極及びセパレータを含浸する電解質溶液、電極アッセンブリを収容するバッテリー・ケース、並びにバッテリー・ケースを封止するシール部材（又は封止部材、sealing member）を含む。
【００１８】
これら及び他の実施形態は、以下の詳細な説明を参照してよりよく理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】図１は、抵抗率装置の一実施形態を示す図である。
【図２】図２は、抵抗率装置である。
【図３】図３は、ステンレス鋼アノードの図である。
【図４】図４は、ＣＮＴ発泡体アノードの図である。
【図５】図５は、ベースラインＳＳアノード構成のＣ／１０  ＣＣ充電／放電のチャートである。
【図６】図６は、３ＤＣＮＴ発泡体を用いたセルの容量保持性のチャートである。
【図７】図７は、ベースラインＳＳアノードのセル＃３のチャートである。
【図８】図８は、ベースラインＳＳアノードのプロットの拡大チャートである。
【図９】図９は、３ＤＣＮＴ発泡体アノードのチャートである。
【図１０】図１０は、３ＤＣＮＴ発泡体アノードの拡大チャートである。
【図１１】図１１は、セルのサイクルにおけるＬｉ損失の影響のチャートである。
【図１２】図１２は、倍率０．８倍の充電された３ＤＮＢ＿ＣＮＴ＿ＮＭＣ＿０９１９１７＿ＳＷ＿１である。
【図１３】図１３は、倍率１０倍の充電された３ＤＮＢ＿ＣＮＴ＿ＮＭＣ＿０９１９１７＿ＳＷ＿１である。
【図１４】図１４は、セパレータ及びステンレス鋼集電体上にリチウムめっきを伴う、倍率０．８倍のステンレス鋼アノードを用いた３ＤＮＢ＿ＳＳ＿ＮＭＣ＿０９１９１７＿ＳＷ＿１である。
【図１５】図１５は、セル容量（ｍＡｈｒ／ｇ）対サイクル数に関して示された、０．３５ｍＡ（〜０．１５Ｃ）におけるＣＮＴ発泡体の脱リチウム容量を示すチャートである。
【図１６】図１６は、セル電位（Ｖ）対セル容量（ｍＡｈｒ／ｇ）に関して、３つの電圧プラトーを示す、グラファイトのリチウム化を示すチャートである。
【図１７】図１７は、セル電位（Ｖ）対セル容量（ｍＡｈｒ／ｇ）に関して、第１のＣＮＴのリチウム化の電流／電圧プロットを示すチャートである。
【図１８】図１８は、ｄＱ／ｄＶ対セル電位（Ｖ）を示すチャートである。
【図１９】図１９は、アノード、カソード、セパレータ、カン、及びヘッダーを示す充電式バッテリーの一実施形態の図である。
【図２０】図２０は、単一の連続した、又は接続されたＣＮＴ発泡体基板内に形成された、完全なアノード／カソード／セパレータ・バッテリー・セルの図であって、アノード材料、セパレータ及びカソード材料は、３Ｄ発泡材料に導入され、各構成要素の層の間には間隔が生じる。材料は、２つのフィルム層で挟まれており、バッテリー・セルの前方に集電体（＋及び−）が図示されている。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
この実施形態の一態様において、電極はアノードである。いくつかの実施形態において、アノードは、基板として、銅箔などの金属箔を使用して、化学蒸着法を用いて作製される。他の実施形態では、アノードは作製後に金属箔に接着される。他の実施形態において、アノードは多孔質であり、細孔の一部はリチウム金属などの金属で充填される。さらに他の実施形態では、アノードは多孔質であって、細孔の一部は金属で充填され、アノードは、基板として、銅箔などの金属箔を使用して、化学蒸着法を用いて作製されるか、又は作製後に金属箔に接着される。
【００２１】
この実施形態の別の態様において、電極はカソードである。いくつかの実施形態において、カソードは、基板として、銅箔などの金属箔を使用して、化学蒸着法を用いて作製される。他の実施形態では、作製後に金属箔に接着される。他の実施形態において、カソードは多孔質であって、細孔の一部はリチウムイオンなどの１つ又はそれより多くの金属イオンで充填される。さらに他の実施形態では、カソードは多孔質であって、細孔の一部は１つ又はそれより多くの金属イオンで充填され、カソードは、基板として、銅箔などの金属箔を使用して、化学蒸着法を用いて作製されるか、又は作製後に金属箔に接着される。
【００２２】
いくつかの実施形態において、ＣＮＴ発泡体材料を用いて製造された電極は、発泡体構造に活性材料を埋め込むことに起因して、電極の電力密度及び最終的なキャパシタ構成要素（又はコンデンサ部品、capacitor component）を大きく向上させる。アノードとして、サブミクロン・スケールの三次元多孔質導電性発泡体構造を有し、対向電極（又は対電極、counter electrode）材料から分離され、多孔質発泡体構造のボイド空間（又は空所、void space）の全て又は一部を充填するキャパシタは、最終的なエネルギー貯蔵デバイスの電力密度を大幅に増加させ得る。
【００２３】
さらに他の実施形態において、本発明は、三次元導電性多孔質発泡体集電体を組み合わせ、多孔質アノードを形成し、固体状態又は導電性の電解質、並びにフィルム・ベース又はコーティング可能なセパレータ材料を使用するキャパシタに関する。充電可能なバッテリーと同様に、ＣＮＴ発泡体又はスポンジの３Ｄ性質（又は三次元の性質、3D nature）により、電極、電解質及びセパレータは最終的なパッケージに統合され、最終的な産業の使用のために適合し、密閉して封止され得る。
【００２４】
いくつかの実施形態において、本明細書で説明されるようなカソード及び／又はアノードは、バッテリー、例えば充電式バッテリー（又は再充電可能な電池、rechargeable battery）などのエネルギー貯蔵デバイスにおいて用いられる。また、本明細書で説明されるアノード及びカソードの一方又は両方を含むエネルギー貯蔵デバイスには、一般的に、電解質及びセパレータ、並びに他の構成要素が含まれる。電解質及びセパレータは、当分野において公知であるものの中から当業者によって適宜選択されてよく、特定の制限なく使用されてよい。
【００２５】
一実施形態において、エネルギー貯蔵デバイスは、リチウム・バッテリーなどの充電式バッテリーであって、正極、正極に対向する（又は面する、face）負極、負極と正極との間に挿入されるセパレータを含む電極アッセンブリ、正極、負極及びセパレータを含浸する（又は満たす、impregnate）電解質溶液、電極アッセンブリを収容するバッテリー・ケース、並びにバッテリー・ケースを封止するシール部材を含む。
【００２６】
以下、当業者が本開示を容易に実行し得るように、添付の図面を参照して、実施例を詳細に説明する。しかしながら、本開示は実施例に限定されるものではなく、他の様々な方法で実施され得ることに留意されたい。図面では、説明の簡略化のため、説明に無関係の部分は省略されており、文書全体を通して、同様の参照番号は同様の部分を示す。
【００２７】
文書全体を通して、ある要素の別の要素への接続又は結合を示すために用いられる「接続される」又は「結合される」なる用語には、要素が別の要素に「直接的に接続又は結合される」場合、及び要素がさらに別の要素を介して別の要素に「電気的に接続又は結合される」場合の両方が含まれる。
【００２８】
文書全体を通して、別の要素に関してある要素の一部を示すために用いられる「〜の上に（ｏｎ）」なる用語には、ある要素が別の要素に隣接している場合、及び任意の他の要素がこれら２つの要素の間に存在する場合の両方が含まれる。
【００２９】
さらに、文書全体を通して、文書において用いられる「含んで成る（comprise）又は含む（include）」及び／又は「含んで成っている（comprising）又は含んでいる（including）」なる用語は、文脈において別段規定していない限り、説明される構成要素、ステップ、操作及び／又は要素に加えて、１つ又はそれより多くの他の構成要素、ステップ、操作並びに／若しくは要素の存在又は追加が除外されないということを意味する。文書全体を通して、「約又はおよそ」又は「実質的に」なる用語は、許容な誤差で特定された数値又は数的範囲に近い意味を有することが意図されており、本開示の理解のために開示された正確な、又は絶対的な数値を、いずれの非良心的な第三者によって違法に、又は不当に用いられないようにすることが意図されている。文書全体を通して、「〜のステップ（step of）」なる用語は、「〜のためのステップ（step for）」を意味していない。
【００３０】
文書全体を通して、マーカッシュ型式の説明に含まれる「〜の組合せ」なる用語は、マーカッシュ型式で説明される構成要素、ステップ、操作及び／又は要素から成る群から選択される１つ又はそれより多くの構成要素、ステップ、操作、及び／又は要素の混合又は組み合わせを意味する。それによって、本開示がマーカッシュ群から選択される１つ又はそれより多くの構成要素、ステップ、操作及び／又は要素を含むことを意味する。
【００３１】
文書全体を通して、「Ａ及び／又はＢ」の形式における語句は、「Ａ又はＢ、若しくはＡ及びＢ」を意味する。
【００３２】
Ｉ．アノード及び／又はカソードの形成に有用なＣＮＴ発泡体材料
米国特許出願第１３／４２４，１８５号に開示されたように、ホウ素含有カーボン・ナノチューブを含んで成る三次元カーボン・ナノチューブ構造（本明細書では、ＣＮＴ発泡体材料とも称する）は、化学蒸着反応器内で炭化水素、ホウ素源、及び金属触媒源を反応させることによって、カーボン・ナノチューブの化学蒸着合成中に直接調製できる。反応器に存在するホウ素原子に対する金属原子の比は、２〜２０、例えば、４〜６である。
【００３３】
炭素、ホウ素、及び金属触媒のこの比を用いて、導電性であり、優れた物理的特性及び化学的特性を提供する、ホウ素ドープ・カーボン・ナノチューブの高多孔質の三次元ネットワークを形成することが可能である。リチウム金属（アノード）又はリチウム塩（カソード）で部分的に充填されている場合、電極は、従来のリチウム・バッテリーよりも、デンドライト形成前のより長い有効寿命を有する。さらに、いくつかの実施形態において、電気容量は、従来のリチウム・バッテリーの電気容量を大幅に超える。
【００３４】
本明細書で説明される方法を用いて作製されたＣＮＴ発泡体材料は、金属（アノード）又は金属塩（カソード）に拘わらず、活性材料の支持体として機能することを可能にする多くの物理的、機械的及び化学的な特性を有する。
１〜１０００ｎｍの孔径
１〜１００ｎｍのＣＮＴ直径
他の物質、すなわち鉄、ニッケル、炭素を有する２５〜１００％のＣＮＴ分率
他の導電助剤は、カーボン・ブラック及びグラファイトを含む補助材料として用いられ得る。
【００３５】
バインダーの含有量は、約１〜約１０％の範囲にまで減じられ得る。
【００３６】
トルエン及びヘキサンは代表的な炭素源であって、フェロセンは代表的な金属触媒源である。トリエチルボラン、有機ボレート、及びそれらの組合せなどの有機ボランは、代表的なホウ素源であるものの、炭素源、ホウ素源、及び金属触媒源の他の供給源が用いられ得る。
【００３７】
実施形態の一態様において、炭化水素、ホウ素源、及び金属触媒源は、反応器内で化学前駆体を形成するように組み合わされる。
【００３８】
一実施形態において、炭化水素は、反応器内の炭化水素、金属触媒源、及びホウ素源の約８７重量％〜約９７重量％である。一実施形態において、金属触媒源は、反応器内の炭化水素、金属触媒源、及びホウ素源の約２．５重量％〜約１２重量％である。一実施形態において、ホウ素源は、反応器内の炭化水素、金属触媒源、及びホウ素源の約０．１重量％〜約２重量％である。
【００３９】
ＣＮＴ発泡体の範囲
三次元カーボン・ナノチューブ発泡体（３ＤＣＮＴ、又はＣＮＴ発泡体）は、カソード及びアノードの両方において導電助剤として用いられ得る。ＣＮＴ発泡体は、単層及び多層のＣＮＴを含む、カーボン・ナノチューブの他の形態と同様に、リチウムイオン・バッテリーにおいていずれの容量においても機能し得る。従来の単層及び多層のＣＮＴは、導電助剤、機械的支持体、及び表面エネルギー・ブリッジ（surface energy bridge）として、リチウムイオン・バッテリーのカソード及びアノードの両方に組み込まれ得る。
【００４０】
本明細書で説明される本発明の様々な態様には、三次元アレイ、発泡体構造として、電極活性材料の活性部分として、並びにアノード電極及びカソード電極の両方における導電助剤として含む、幅広い用途においてＣＮＴを使用することが含まれる。
【００４１】
ＣＮＴ発泡体構造
本明細書で説明される三次元発泡体材料の発泡体構造は、単層及び多層のナノチューブを用いるよりも多くの利点を供する。個々のナノチューブは、一般的に、従来の方法で適用される。すなわち、アノード及びカソードのスラリーに混合される。これらの材料の使用に関連する一般的な課題には、効果的な分散、及びナノチューブの製造に由来する様々な不純物と共に、凝集した塊状のＣＮＴからの個々のナノチューブの撚り線（又は束、strand）の分離を得ることの難しさが含まれる。
【００４２】
従来のＣＮＴに対する、本明細書で開示されるＣＮＴ発泡体の使用に関連する１つの利点は、個々のＣＮＴ要素間のファンデルワールス力（ＣＮＴの凝集及びバンドル化（bundling）を引き起こすとして不名誉に公知である力）の最小化である。これにより、活性バッテリー材料の装填のためのサブミクロン・スケールの間隔、及びエネルギー貯蔵のためのアクセス可能な表面積の最大化が可能となる。三次元ＣＮＴ発泡体構造を用いて、ＣＮＴを分散させるために従来要したいずれの加工ステップも回避され得る。代替的に、活性材料が発泡体に含浸／浸透され得る。
【００４３】
出発材料としてＣＮＴの三次元発泡体構造を使用すると、活性材料が添加剤となる一方で、従来のＣＮＴは、一般的にスラリーへの分散を介して、単に活性バッテリー材料における添加剤として用いられる。三次元ＣＮＴ発泡体構造は、従来のＣＮＴが用いられるものに関して、バッテリーを組み立てるプロセスを変える。
【００４４】
ＣＮＴ発泡材料の別の重要な利益は、全面電極（又は全電極、full electrode）を構築する（又は開発する、develop）ための構造を供することである。ＣＮＴ発泡体で作られた電極は、可撓性であってよく、導電性集電体となり、埋め込まれる活性材料の構造及び支持体を供することになる。この追加された構造支持体は、この新たな発泡体基板で製造されたセルの長期的な信頼性及び寿命を改善する。この構造により、二次元の従来の集電体に関連する制約が取り除かれ、電極及びセルも同様に、様々な形状因子（form factor）を自由に作成することが可能となる。
【００４５】
ＣＮＴ発泡体は可撓性であるものの、明確な構造であり、外部の化学作用（又は化学的性質、chemistry）及び機械的応力による影響を最小限にする。すなわち、間隔を維持するものの、可撓性である。従来のＣＮＴは、エネルギー入力及び化学的環境に応じて、単一又は複数の撚り線に分散又は分離され得る。反対に、ＣＮＴ発泡体は、物理的処理による影響を最小限にし、リチウムイオン・バッテリーの電極スラリーにおける分散を含む、明確な構造を維持する。換言すれば、ＣＮＴ粉末材料は、添加剤で作られた電極の電気的性能及び接着性を改善することになるものの、ＣＮＴ発泡体は、構造的支持体だけではなく、統合された構造における高導電性ＣＮＴのネットワークが供されるように、電極及びセルのまったく新しい構造を供することになる。得られた三次元電極構造は、電極及びセルの機械的保全性（又は完全性、integrity）を改善することになるだけではなく、発泡体を用いて作られたセルの電力及びエネルギー密度の性能を劇的に高め得る。
【００４６】
特に考慮されるべき別の態様は、ＣＮＴ発泡体材料の３Ｄ構造であって、ＣＮＴは様々なヘテロ原子（例えば、ホウ素、窒素、硫黄、リンなど）でドープされることができ、ＣＮＴのこれらのヘテロ原子ドーパント箇所（dopant site）は、増強されたエネルギー貯蔵のためのイオンへのより強い親和性を示し得る。
【００４７】
ＣＮＴ発泡体材料の形成方法
三次元ＣＮＴ発泡体材料の合成は、米国特許出願第１３／４２４，１８５号に開示されており、本明細書ではそれほど詳細には繰り返されない。しかしながら、以下はＣＮＴ発泡体材料を形成する代表的な方法である。
【００４８】
ＣＮＴ発泡体の調製
一般的なナノチューブの調製プロセスには、気相又は気−固相反応、好ましくは化学蒸着法が含まれる。炭化水素及びホウ素源は金属触媒と共に用いられ、これは、遷移金属錯体であってよく、一実施形態では鉄含有触媒である。反応条件は変更され得るものの、一般的な条件は７００〜８００℃の範囲である。米国特許出願第１３／４２４，１８５号に開示されるように、個々のナノチューブではなく三次元構造を供するため、化学蒸着反応中に、化学蒸着反応器内の反応体、すなわち、１つ又はそれより多くの炭化水素、ホウ素源、及び金属触媒源は、反応器に存在するホウ素原子に対する金属原子の比が２〜２０、例えば４〜６であるように、特定の比で保持されることが重要である。
【００４９】
炭化水素、ホウ素、及び金属触媒のこの比を用いて、導電性であり、優れた物理的特性及び化学的特性を提供する、ホウ素ドープ・カーボン・ナノチューブの高多孔質の三次元ネットワークを形成することが可能である。
【００５０】
一実施形態において、反応器に存在するホウ素原子に対する金属原子の比は４〜６である。
【００５１】
代表的なホウ素源には、有機ボラン、有機ボレート、及びそれらの組合せが含まれる。
【００５２】
一実施形態において、炭素源はトルエン又はヘキサンを含んで成り、金属触媒源はフェロセンを含んで成り、及び／又はホウ素源はトリエチルボランを含んで成る。別の実施形態において、ホウ素源はホウ素含有ガス源、三塩化ホウ素である。
【００５３】
一実施形態において、炭化水素、ホウ素源、及び金属触媒源は、反応器内で化学的前駆体を形成するように組み合わされる。
【００５４】
一実施形態において、炭化水素は、反応器における炭化水素、金属触媒源、及びホウ素源の約８７重量％〜約９７重量％である。別の実施形態において、金属触媒源は、反応器における炭化水素、金属触媒源、及びホウ素源の約２．５重量％〜約１２重量％である。さらに第三の実施形態において、ホウ素源は、反応器における炭化水素、金属触媒源、及びホウ素源の約０．１重量％〜約２重量％である。これらの好ましい量のいずれの組合せも用いられ得る。
【００５５】
いくつかの実施形態において、ホウ素含有カーボン・ナノチューブを含んで成る三次元カーボン・ナノチューブ構造は、弾性の機械的挙動を示す。
【００５６】
いくつかの実施形態において、ホウ素含有カーボン・ナノチューブを含んで成る三次元カーボン・ナノチューブ構造は、約４００エルステッドの高保磁力を有する磁気特性を示す。
【００５７】
いくつかの実施形態において、ホウ素含有カーボン・ナノチューブを含んで成る三次元カーボン・ナノチューブ構造は、多孔性固体である。
【００５８】
発泡体材料が形成された後、プロセスは、三次元マクロスケール・カーボン・ナノチューブ構造のホウ素含有カーボン・ナノチューブを溶接する、さらなるステップを含む。
【００５９】
細孔がリチウム金属（アノード）又はリチウム塩（カソード）で部分的に充填される場合、電極は、従来のリチウム・バッテリーよりも、デンドライト形成前のより長い有効寿命を有する。
【００６０】
いくつかの実施形態において、電気容量は、従来のリチウム・バッテリーの電気容量を大幅に超える。
【００６１】
いくつかの実施形態において、ＣＮＴ発泡体材料を用いて製造された電極は、発泡体構造に活性材料を埋め込むことに起因して、電極の電力密度及び最終的なキャパシタ構成要素を大きく増強する。アノードとして、サブミクロン・スケールの三次元多孔質導電性発泡体構造を有し、対向電極材料から分離され、多孔質発泡体構造のボイド空間の全て又は一部を満たすキャパシタは、最終的なエネルギー貯蔵デバイスの電力密度を大幅に増加させ得る。
【００６２】
供給原料は、大きく変わり得る。しかしながら、全ての供給原料には、エチレン、メタン、エタンなどの永久ガスとして、又は炭素含有蒸気、すなわち、一般的に炭化水素と称されるもののいずれかとして、何らかの形態の炭素が含まれる。さらに、水素、窒素、又は希ガスの不活性ガス組成物又はフォーミング・ガス（forming gas）組成物がガス流に含まれる。加熱は、伝導及び放射によって気相に結合される熱エネルギーを用いて、従来の炉手段によって行われ得る。温度、触媒濃度、ガス流量などの合成パラメータを変更することによって、ＣＮＴ発泡体密度、多孔率（又は空隙率、porosity）及び細孔サイズを調整できる。これらの条件は、前述のバッテリー活性材料を組み込むために、理想の特性に合わせて具体的に調整され得る。さらに、反応におけるＣＮＴ発泡体の成長プロセス中に、イン・サイチュで活性バッテリー材料を含むことになる合成反応に追加の化学物質があってよい。ＣＮＴ発泡構造内にバッテリー活性材料をうまく組み込むことを達成するため、前述のバッテリー構成要素のいずれかが反応に含まれてよい。
【００６３】
これらの方法は、ホウ素含有カーボン・ナノチューブを含んで成る三次元カーボン・ナノチューブ構造を形成するために用いられ得るものであり、これは、絡まった（又はもつれた、entangle）カーボン・ナノチューブ・ネットワークの、スポンジ状のマクロスケール三次元材料を形成する。この実施形態の態様において、ホウ素含有カーボン・ナノチューブを含んで成る三次元カーボン・ナノチューブ構造は、ナノチューブのマクロスケールの三次元構造を形成し、マクロ構造は、２つの垂直方向において少なくとも１ｃｍ、又は３つの直交方向に少なくとも１ｃｍである。
【００６４】
この方法を用いて形成されたホウ素含有カーボン・ナノチューブを含んで成る三次元カーボン・ナノチューブ構造は、いくつかの実施形態では１０ｍｇ／ｃｍ３未満のバルク密度、他の実施形態では１０ｍｇ／ｃｍ３〜２９ｍｇ／ｃｍ３のバルク密度を有する多孔質材料である。
【００６５】
いくつかの実施形態において、ホウ素含有カーボン・ナノチューブを含んで成る三次元カーボン・ナノチューブ構造は、エルボー欠陥（elbow defect）又は共有接合サイト（又は共有結合的接合サイト、covalent junction site）を含んで成る、絡まった個々のカーボン・ナノチューブの等方性アンサンブル（isotropic ensemble）を含んで成る。他の実施形態では、絡まった個々のカーボン・ナノチューブの等方性アンサンブルは、エルボー欠陥又は共有接合サイトを含まない。
【００６６】
理想的には、低密度及び高多孔率に加えて、ホウ素含有カーボン・ナノチューブを含んで成る三次元カーボン・ナノチューブ構造は、弾性の機械的挙動を示す。
【００６７】
理想的には、ナノチューブ構造は高多孔性である。米国特許出願第１３／４２４，１８５号の図１Ｄ及び５Ａ〜Ｈに示されるように、ホウ素は、原子スケールの「エルボー」接合を誘発し、高多孔率を有する三次元材料を形成する。いくつかの実施形態において、本出願で説明されるプロセスを用いて、５０ｎｍより大きい細孔径を有するマクロポーラス材料が供された。個々のＭＷＣＮＴの密度が約２．１ｇ／ｃｍであるという仮定に基づいて、１９ｍｇ／ｃｍ３より小さい密度を有するこれらの方法を用いて形成された材料は、９９％より大きい多孔率を有する（したがって、体積の９９％が空気であることを意味する）。ＢＥＴ表面積測定によって、同様に材料をさらに特徴づけた。いくつかの実施形態において、ＢＥＴ表面積は１０３．２４ｍ２／ｇ〜３６０．４２ｍ２／ｇであることが見出され、これは、比較的低密度であり、高多孔率に相関する。
【００６８】
以下でより詳細に説明される、３ＤＣＮＴ発泡体構造への活性材料の組み込みにより、これは、高い表面積及び制御された低効率を有する、高い導電性の材料になる。
【００６９】
充電の第１段階は、グラファイト状炭素構造、すなわちＣＮＴ発泡体への従来のリチウムのインターカレーション（intercalation）である。充電の第２段階は、高表面積ＣＮＴ発泡体の外側へのリチウム金属のめっきである。
【００７０】
３ＤＣＮＴ発泡体構造により、リチウム・バッテリーを含む充電式バッテリーの性能を向上させるための以下の特性の適切な組合せが供される：
Ｌｉイオンの電気化学との化学的適合性
高表面積
相互接続された３Ｄ構造
制御された抵抗率
【００７１】
従来のセルにおいて、リチウム金属のデンドライトは、セパレータに穴をあけて壊滅的な短絡引き起こすものの、本明細書で説明される３ＤＣＮＴ構造は、デンドライトの形成を抑え、セパレータに穴があくことを防ぐためにＬｉ金属を被包する（又はカプセル化する、encapsulate）。
【００７２】
ＩＩ．アノード及びカソード
電極は、金属ではないものに接続される導電体である。カソード型の電極は電子を供給し（負電荷）、アノードは電子を集める（そして正電荷を有する）。
【００７３】
電子は、電極を介してデバイスから流出し、電極は、正に帯電しているため、アノードと呼ばれる。アノードは、バッテリーの負極であり、電解セルの正極である。
【００７４】
カソードは、バッテリーの正極であり、電解セルの負極である。
【００７５】
電流は、電子が流れる方向と反対方向に流れると認識される。電子がバッテリーの＋端子に入ると、電流は出る。電子が電解セルの−端子に入ると、電流は出る。
【００７６】
電極には、カソード活性材料及びアノード活性材料を含む活性材料が含まれ、当技術分野において公知のものの組合せと、選択された電解質との適合性に基づいて選択されてよい。
【００７７】
アノード活性材料は、一般的に、金属としての元素形態、又はイオンとしての結合した形態のいずれかにおける金属である。
【００７８】
カソード材料又は活性集合体（又は活性集団、active mass）は金属塩、一般的には酸化リチウムなどの金属酸化物であって、バッテリーの放電状態において、その構造に結合したリチウムを含む。
【００７９】
一実施形態において、活性材料は約１０ｎｍ〜約１０００ｎｍの範囲における平均粒子サイズ（例えば、直径）を有するナノ粒子の懸濁液の形態で用いられるものの、それに限定されなくてもよく、これらの材料のいくつかは、好ましいサイズ範囲で市販されている。
【００８０】
一実施形態において、アノード及びカソードの１つ又はそれより多くには、本明細書で説明されるようなＣＮＴ発泡体材料において存在する活性材料が含まれる。この実施形態の一態様において、アノード又はカソードの活性材料は、リチウムイオン・バッテリーなどのエネルギー貯蔵デバイスに適している。
【００８１】
一実施形態において、アノードには集電体が含まれる。
【００８２】
この実施形態の一態様において、負の活性材料の層は集電体に配置される。負の活性材料の層には、負の活性材料及びバインダー（又は結合剤、binder）が含まれてよい。負の活性材料は、リチウムイオン、リチウム金属、リチウム金属合金、リチウムをドープ及び脱ドープできる材料、又は遷移金属酸化物を可逆的にインターカレーション（又は層間挿入する若しくは挿入する、intercalate）／脱インターカレーションする（又は脱挿入する若しくは脱離する、deintercalate）する材料であり得る。
【００８３】
リチウムイオンを可逆的にインターカレーション／脱インターカレーションする材料は、例えば、充電式リチウム・バッテリーに利用可能な、いずれの適当な炭素ベースの負の活性材料でもよい炭素材料であり得る。その例として、結晶性炭素、アモルファス炭素、又はそれらの組合せが含まれてよい。結晶性炭素は、非成形（例えば、アモルファス）であってよく、又はシート、フレーク、球状、又は繊維形状の天然グラファイト若しくは人口グラファイトであってよい。アモルファス炭素は、軟質炭素又は硬質炭素、中間相ピッチ炭化生成物（mesophase pitch carbonized product）、焼成されたコークなどであってよい。
【００８４】
リチウムをドープ又は脱ドープすることが可能な材料は、例えば、Ｓｉ、ＳｉＯｘ（０＜ｘ＜２）、Ｓｉ−Ｃ複合体、Ｓｉ−Ｑ合金（ここで、Ｑはアルカリ金属、アルカリ土類金属、１３族から１６族の元素、遷移金属、希土類元素、又はそれらの組合せであって、Ｓｉではない）、Ｓｎ、ＳｎＯ２、Ｓｎ−Ｃ複合体、Ｓｎ−Ｒ（ここで、Ｒはアルカリ金属、アルカリ土類金属、１３族から１６族の元素、遷移金属、希土類元素、又はそれらの組合せであって、Ｓｎではない）、などであり得る。これらの材料の少なくとも１つは、ＳｉＯ２と混合され得る。元素Ｑ及びＲは、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｒａ、Ｓｃ、Ｙ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｒｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｄｂ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｓｇ、Ｔｃ、Ｒｅ、Ｂｈ、Ｆｅ、Ｐｂ、Ｒｕ、Ｏｓ、Ｈｓ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｚｎ、Ｃｄ、Ｂ、Ａｌ、Ｇａ、Ｓｎ、Ｉｎ、Ｔｌ、Ｇｅ、Ｐ、Ａｓ、Ｓｂ、Ｂｉ、Ｓ、Ｓｅ、Ｔｅ、Ｐｏ、又はそれらの組合せであってよい。
【００８５】
遷移金属酸化物は、酸化バナジウム、酸化リチウムバナジウムなどであってよい。
【００８６】
この実施形態の一態様において、集電体は金属箔である。代表的な金属箔には、銅箔、ニッケル箔、ステンレス鋼箔、チタン箔、ニッケル発泡体、銅発泡体、導電性金属でコーティングされたポリマー基板、及びそれらの組合せが含まれる。
【００８７】
リチウムは、リチウム・バッテリーの全ての部分、及びリチウム・バッテリーにおけるバッテリーの反応の全ての段階の共通因子（common denominator）である。バッテリーが充電される際、リチウムはアノード材料に存在し、放電中にＬｉ＋イオンの形態において電解質を介してイオン電荷を移送し、放電された形態においてカソードの構造に結合する。時には、このプロセスはリチウムのインターカレーションと呼ばれる。アノード材料及びカソード材料の両方は、一方の電極から他方の電極に往復する際、リチウムのホスト又は基板として機能することが想定される。時には、この機構は基板の間でリチウムが「振動する（rock）」ため、「ロッキング・チェア（rocking chair）」と呼ばれる。
【００８８】
リチウム・バッテリーにおいて、アノードは、元素の形態で金属として、又は結合状態でイオンとしてリチウムを常に含有する。
【００８９】
リチウムがイオンの形態である場合、リチウムはグラファイト、軟質炭素、硬質炭素、シリコン又はチタンなどの様々な支持体材料と結合し、本明細書で用いられるように、ＣＮＴ発泡体材料における炭素に結合し得る。
【００９０】
また、リチウム金属合金は、リチウムと、Ｎａ、Ｋ、Ｒｂ、Ｃｓ、Ｆｒ、Ｂｅ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｓｉ、Ｓｂ、Ｐｂ、Ｉｎ、Ｚｎ、Ｂａ、Ｒａ、Ｇｅ、Ａｌ及びＳｎから選択される金属との合金として存在し得る。
【００９１】
これらの材料の性質、及びリチウムがこれらの構造に結合する方法により、性能の要素が決定する。
【００９２】
リチウムイオン・バッテリーに用いられるリチウムイオンを供給することが可能である限り、特に制限されることなく、いずれのリチウム塩も用いられ得る。代表的なリチウム塩には、ＬｉＰＦ６、ＬｉＣｌＯ４、ＬｉＡｓＦ６、ＬｉＢＦ４、ＬｉＳｂＦ６、ＬｉＡｌＯ４、ＬｉＡｌＣｌ４、ＬｉＣＦ３ＳＯ３、ＬｉＣ４Ｆ９ＳＯ３、ＬｉＮ（Ｃ２Ｆ５ＳＯ３）２、ＬｉＮ（Ｃ２Ｆ５ＳＯ２）２、ＬｉＮ（ＣＦ３ＳＯ２）２、ＬｉＣｌ、ＬｉＩ、又はＬｉＢ（Ｃ２Ｏ４）２が含まれる。
【００９３】
リチウムイオン・ハイブリッド・キャパシタには、ＬｉＣｏＯ２、ＬｉＭｎ２Ｏ４、ＬｉＦｅＰＯ４、Ｌｉ１−ｘＦｅｘＰＯ４（０≦ｘ≦１）、Ｌｉ［Ｍｎ２−ｘＭｘ］Ｏ４（Ｍ＝Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｍｇ、０≦ｘ≦０．１）、ＬｉａＣｏＭａＯ２、Ｌｉ１−ｂＣｏＭ’ｙＯ２（Ｍ及びＭ’はＷ、Ｍｏ、Ｚｒ、Ｔｉ、Ｍｇ、Ｔａ、Ａｌ、Ｆｅ、Ｖ、Ｃｒ、及び／又はＮｂを表す；１≦ａ≦１．２、０＜ｂ≦０．０５、０≦ｘ≦０．０２及び０≦ｙ≦０．０２）、ＬｉＮｉＯ２、ＬｉＮｉＭｎＣｏＯ２、Ｌｉ２ＦｅＰＯ４Ｆ、ＬｉＣｏ０．３３Ｎｉ０．３３Ｍｎ０．３３Ｏ２、Ｌｉ（ＬｉａＮｉｘＭｎｙＣｏｚ）Ｏ２（又はＮＭＣとして知られる）、ＬｉＮｉＣｏＡｌＯ２、Ｌｉ４Ｔｉ５Ｏ１２、Ｌｉ３Ｖ２（ＰＯ４）３、及びそれらの組合せから成る群から選択される部材が含まれ得るものの、それらに限定されなくてよい。
【００９４】
リチウム・バッテリーにおいて最も一般的に用いられるカソードのタイプは以下の通りである：リチウムコバルト酸化物（ＬＣＯ）、リチウムマンガン酸化物（ＬＭＯ）、リチウムニッケルマンガンコバルト（ＮＭＣ）、リチウム鉄リン酸塩（ＬＦＰ）、リチウムニッケルコバルトアルミニウム酸化物（ＮＣＡ）及びリチウム空気。
【００９５】
ＩＩＩ．活性材料構造で成長したＣＮＴ発泡体
ＣＮＴ発泡体は、銅箔、アルミニウム箔、又は他の導電性金属箔に直接成長させるか、若しくは電極コーティングの前に予め堆積（又は沈着、deposit）され得る。これによって、箔が予め形成されたＣＮＴ発泡体に接着される箇所と比較して、電気的及び／又は機械的な接着を大幅に改善し得る。
【００９６】
ＣＮＴ発泡体は、ミクロンサイズの編みロープ（knitted rope）の、緩んだ、開いた構造内に形成され得る。これには、５〜１０μｍの粒子を、マイクロサイズの骨格（scaffold）を構成するｎｍサイズの撚り線と接触させることが含まれ、不均一な電極混合物全体に優れた導電性を供する。この実施形態は、緩く編まれた編み糸に類似している。活性アノード材料及び活性カソード材料が発泡体構造の内側に埋め込まれ得るため、この材料は、速いイオン移動及び高エネルギー密度に必要な全ての特質（又は性質、attribute）を有する。
【００９７】
ＩＶ．金属（アノード）及び金属イオン（カソード）を含む活性材料の組み込み
活性材料が本明細書で説明されるＣＮＴ発泡体材料に組み込まれる場合、それは発泡体構造上又は発泡体構造内のいずれかに組み込まれる。発泡体構造内に組み込まれる場合、活性材料は多孔質構造の細孔に入り込む。一般的には、活性材料がＣＮＴ発泡体材料の細孔に組み込まれる場合、それは発泡体構造の細孔体積の１〜９９％、より一般的には発泡体構造の細孔体積の１０〜９０％、さらにより一般的には発泡体構造の細孔体積の２５〜７５％の範囲で組み込まれる。
【００９８】
ＣＮＴ発泡体構造上又はＣＮＴ発泡体構造内への活性材料のコーティング
一実施形態において、本明細書で説明されるＣＮＴ発泡体構造から形成されるアノード電極及びカソード電極が電気的に活性であるため、一方又は両方の電極の成分（又は構成要素、ingredient）が集電体の上部又は骨格内のいずれかに直接位置付けられ得る。これにより、活性材料が電極の集電体に密接に接触することが保証される。
【００９９】
材料の特質並びに電極及びセルの設計に応じて、３Ｄ発泡体基板材料を用いる電極の作製のための幅広い種類のオプションが存在する。一般的に、活性材料は、３Ｄ発泡体の上部に位置付けられるか、又は３Ｄ発泡体材料の細孔に埋め込まれ得る。これは、原材料の選択だけではなく、３Ｄ発泡体内又は３Ｄ発泡体上に活性材料を挿入するために用いられる適用方法にも多くの影響を有する。換言すれば、発泡体の細孔は、発泡体内に埋め込まれることが可能であることを保証するため、各電極の活性成分の粒子サイズのニーズに合うように調整され得る。これは、発泡体をめっきすることによって活性材料のより良い接着を可能にし、アノード電極ＳＥＩ（固体電極界面）層を構築するために利用可能な、開いたＣＮＴ材料を減ずることに助力し得る。
【０１００】
バッテリー活性材料で３Ｄ発泡体基板をコーティングするための複数の実施形態がある。
【０１０１】
ＣＮＴ発泡体基板の上部へのコーティング
従来のバッテリー電極コーティング操作と同様に、３Ｄ発泡体のコア材料（又は芯材、core material）に活性材料を適用するため、標準のドクター・ブレード・コーティング法を用いることが可能である。これには、スロット・ダイ、リバース・ロール、コンマ・コートなど、バッテリー産業において用いられる従来のコーティング方法の全ての形態が含まれる。また、無電解法及び電気めっき法の両方を含む膜堆積法、並びに蒸着法も同様に用いられ得る。
【０１０２】
ＣＮＴ発泡体基板の組成及び細孔サイズに応じて、多くの技術を用いてＣＮＴ発泡体のマトリックスの内側の材料をコーティングすることが可能である：
【０１０３】
金属化された材料の薄層を用いて、ＣＮＴ発泡体を前処理する。これによって、導電率及び接着が向上するだけではなく、完成したセルの第１サイクル損失が大幅に減じられ得る。
【０１０４】
ＣＮＴ発泡体構造マトリックスの内側に電極材料を注入する。これは、コーティング・プロセス、押し出し、化学堆積（又は化学蒸着、chemical deposition）、薄膜蒸着、プレス、又は現在用いられている多くのいずれの標準コーティング方法をも介して、多くの方法で行われ得る。
【０１０５】
層におけるＣＮＴ発泡体基板の内側のコーティング
完全なアノード／カソード／セパレータ・バッテリー・セルは、単一で連続した、又は接続されたＣＮＴ発泡体基板内に形成され得る。この実施形態において、アノード材料、セパレータ及びカソード材料は３Ｄ発泡体材料に注入され、構成要素の層の各々の間に間隔が生じる。この例を図２０に示す。
【０１０６】
特有の化学的性質の作製、適用方法、及び構築技術
特有の３Ｄ発泡体構造及びＣＮＴ材料の特質によって、新しい化学的性質の適用が可能となる：
【０１０７】
ナノスケール材料の使用を容易にするため、Ｓｉ、Ｓｎ、Ｇｅ及び他の元素のいくつかの原子層が、ＣＮＴ発泡体材料上にコーティングされ得る。ＣＮＴ発泡体構造の多孔率又は解放寸法（open dimension）は、他の化合物又は特定の活性材料を含むことが可能となるようにカスタマイズされ得る。密度の高い、相互接続された構造は、全ての他の望ましくない種を拒絶するように作られ得る。発泡体構造は、溶媒がナノ多孔質構造に浸透できるように最適化され得る。
【０１０８】
溶媒和したポリマーは、発泡体材料におけるナノ多孔性構造並びに溶媒及びポリマーに浸透され得る。
【０１０９】
従来のバインダーは、電極内の体積／表面積（エネルギー及び電力密度を最大化するために、細孔の一部を金属（アノード）又は金属塩（カソード）で充填した後に残る、いずれの体積／表面積など）の全て又は一部を充填するために用いられ得る。活性材料への改良された接触により、バインダーの含有量を減ずることが可能となり、結果として、セルにおけるエネルギー密度が直接増加する。
【０１１０】
第一サイクル損失を減じ、導電率を改善する材料を前処理するため、ＣＮＴ発泡体構造上に電気めっきをすることが可能である。
【０１１１】
無電解めっき及び電気化学めっきは、ＰＶＤ、ＣＶＤ、ＡＬＤ（原子層堆積）を含む気相コーティングと同様に、発泡体構造をコーティングするためのオプションである。
【０１１２】
活性材料上へのＣＮＴ発泡体のコーティング
基本的に、活性材料の３つの主な種類には、グラファイト、高容量元素Ｓｉ、Ｓｎなど、インターカレーション酸化物、すなわちＬＴＯが含まれる。３つの全ては、ＣＮＴ形成、又はＣＮＴ発泡体形成の基板として用いられ得るものであり、ＳＥＩ形成に大きな好影響を与え得る。
【０１１３】
活性材料の選択は、ＣＮＴの成長に影響を与えるように調整され得る。
【０１１４】
カソード材料へのＣＮＴ発泡体コーティング
ＣＮＴ発泡体は、高温にさらされた場合、比較的安定である。このように、ＣＮＴ発泡体により、高温条件に耐え得るカソード材料を形成することが可能となる。
【０１１５】
Ｖ．３Ｄ発泡体アノード及び／又は電極を含むバッテリー
充電式バッテリーを含むバッテリーは、本明細書で説明されるアノード及び／又はカソードを含んで形成され得る。これには、発泡体の細孔が金属（アノード）又は金属塩（カソード）で部分的に充填される箔層の上部に必要に応じて形成されるＣＮＴ発泡体材料が含まれる。
【０１１６】
バッテリーの重要な性能特質は、エネルギー密度、電力密度、サイクル寿命（又はサイクル数）、安全性及びコストである。エネルギー密度は、バッテリーの体積の単位当たりのバッテリーに貯蔵されたエネルギーの量、Ｗｈ／ｃｍ３、又は比エネルギーと呼ばれ、Ｗｈ／ｇで表される場合、重量の単位当たりのバッテリーに貯蔵されたエネルギーの量である。これらの特性は、ある電流においてバッテリーが作動する時間を予測する。
【０１１７】
体積当たりの電力密度、又は重量当たりの比電力は、バッテリーが供給できるエネルギー放電率又は電流を示す。
【０１１８】
サイクル寿命は、バッテリーが容量を大幅に（一般的に２０％）失うことなく供給できる充放電サイクルの数である。これは、エネルギー及び電力密度とともに、バッテリーの重要な特性である。
【０１１９】
バッテリーの安全性は、バッテリーの温度の上昇、構成要素の故障、ガスの排出、及びその後の火災及び爆発につながる危険因子の最小化に関連する特性である。バッテリーの安全性は、バッテリーの化学的性質の機能、並びに電極及び他のバッテリー構成要素の設計である。
【０１２０】
バッテリーのコストは、バッテリーの幅広い適用のための別の重要な因子である。バッテリーを製造するコストは、安価な材料の使用、製造プロセスの改善を介して、性能の改善によって、及び生産量の増加によって削減され得る。
【０１２１】
現在、これらの特質の１つより多くの解決に成功する、利用可能なバッテリーはない。一般的に、エネルギー密度が良好である場合、安全性、寿命又はコストなどの他の特質はそれほど良好ではない傾向がある。代替的に、バッテリーが良好な安全特性を有する場合、そのような安全特性は、より低いエネルギー又は電力密度若しくはサイクル寿命を犠牲にする。
【０１２２】
性能の低下の原因となる主要な問題は、リチウム・バッテリーなどの充電式バッテリーにおける、いくつかの基本的な不要な反応に関連する。これらには、リチウムのデンドライトの成長、固体電解質中間相の形成、遅いリチウムイオンのインターカレーション及び電極における活性集合体の低い導電率が含まれる。
【０１２３】
アノードにおけるリチウム金属デンドライトの成長は、電気的短絡、温度上昇、並びに爆発又は火災につながり得る深刻な問題である。デンドライトの成長は、充電中にアノードにおいて発生し、その際、正極（カソード）から電解質を介して透過したリチウムイオンがホスト材料に組み込まれず、代わりに、セパレータを介して他の電極にまで延び得るランダムな樹状成長の形態でリチウム金属として還元又は堆積され、電気的短絡を引き起こす。リチウム金属デンドライトが反対側の電極に達しない場合もあるものの、負極（アノード）への緩い接続（又は接触不良、loose connection）を有し、主要の活性集合体から容易に切り離され、容量損失につながり得る。これらの問題は、リチウム金属が本明細書で説明されるＣＮＴ発泡体に被包される場合に、ほとんど回避される。
【０１２４】
一実施形態において、リチウム・バッテリーなどの充電式バッテリーには、正極、正極に対向する負極、負極と正極との間に挿入されるセパレータを含む電極アッセンブリ、正極、負極、及びセパレータに含浸する電解質溶液、電極アッセンブリを収容するバッテリー・ケース、並びにバッテリー・ケースを封止するシール部材が含まれる。
【０１２５】
実装方法（packaging method）又は形状因子に関わらず、一般的なバッテリーは共通の要素で構成される。参考として、充電式バッテリーの共通の構成要素には、以下のものがある：アノード、カソード、セパレータ、ハウジング（いくつかの実施形態においては「カン（can）」とも称される）、及びヘッダー（正と負との接続が回路を完成させるように、デバイス内に合うように適合される）。代表的なバッテリーを図１９に示す。
【０１２６】
これらの構成要素、及び三次元基板構造に適合し、その利益を得るこれらの能力は、本明細書の他の所で詳細に説明される。
【０１２７】
バッテリーの重要な性能特質は、エネルギー密度、電力密度、サイクル寿命（又はサイクル数）、安全性及びコストである。エネルギー密度は、バッテリーの体積の単位当たりのバッテリーに貯蔵されるエネルギーの量、Ｗｈ／ｃｍ３であり、又は、エネルギー密度が比エネルギーと呼ばれ、Ｗｈ／ｇで表される場合、重量の単位当たりのバッテリーに貯蔵されるエネルギーの量である。これらの特性は、ある電流においてバッテリーが作動する時間を予測する。
【０１２８】
体積当たりの電力密度、又は重量当たりの比電力は、エネルギー放電率又はバッテリーが供給できる電流を示す。
【０１２９】
サイクル寿命は、容量を大幅に（一般的には２０％）損失することなく、バッテリーが供給できる充放電サイクルの数である。これは、エネルギー及び電力密度とともに、バッテリーの重要な特性である。
【０１３０】
一般的に、バッテリーには公称電圧が記されているものの、完全に充電されたバッテリーの開回路電圧（ＯＣＶ）は５〜７％高い。化学的性質及び直列に接続されたセルの数により、ＯＣＶが供される。閉回路電圧（ＣＣＶ）は、作動電圧である。容量は、アンペア時（Ａｈ）における比エネルギーを表す。Ａｈは、バッテリーが経時的に供給できる放電電流である。バッテリーの充電器は、Ａｈ定格（同じ電圧と化学的性質を有する）に関していくらかの許容差を有する。より大きなバッテリーは、より小さなパック（pack）よりも充電にとても時間がかかることになる。
【０１３１】
比電力、又は重量測定電力密度（又は重量電力密度、gravimetric power density）は、負荷能力（loading capability）を示す。電動工具のバッテリーは、高い比電力のために作られ、減じられた比エネルギー（容量）を伴う。
【０１３２】
Ｃレートは、バッテリーが充電又は放電される速度を特定する。１Ｃでは、バッテリーは記されたＡｈ定格と同等の電流で充放電する。０．５Ｃでは、電流は半分で時間は２倍であり、０．１Ｃでは電流は１０分の１で時間は１０倍である。
【０１３３】
負荷は、バッテリーから引き出される電流を規定する。内部バッテリー抵抗及び充電状態（ＳｏＣ）の消耗により、負荷がかかって電圧が降下し、放電の終了の誘因となる。電力は、ワット（Ｗ）で測定される電流供給に関連する。エネルギーは、ワット時（Ｗｈ）で測定される経時的な物理的仕事である。
【０１３４】
バッテリーの安全性は、バッテリーの温度の上昇、構成要素の故障、ガスの排出、並びにその後の火災及び爆発につながる危険因子の最小化に関連する特性である。バッテリーの安全性は、バッテリーの化学的性質の機能、並びに電極及び他のバッテリー構成要素の設計である。
【０１３５】
バッテリーのコストは、バッテリーの幅広い適用のための別の重要因子である。バッテリーの製造コストは、安価な材料の使用、製造プロセスの改善を介して、性能の向上、及び生産量の増加によって削減され得る。
【０１３６】
現在、これらの特質の１つより多くの解決に成功する、利用可能なバッテリーはない。一般的に、エネルギー密度が良好である場合、安全性、寿命又はコストなどの他の特質は、それほど良好ではない傾向がある。代替的に、バッテリーが良好な安全特性を有する場合、そのような安全特性は、より低いエネルギー又は電力密度若しくはサイクル寿命を犠牲にもたらされる。
【０１３７】
性能低下の原因となる主要な問題は、リチウム・バッテリーなどの充電式バッテリーにおける、いくつかの基本的な不要な反応に関連する。これには、リチウムのデンドライトの成長、固体電解質中間相の形成、遅いリチウムイオンのインターカレーション、及び電極における活性集合体の低い導電率が含まれる。
【０１３８】
アノードでのリチウム金属デンドライトの成長は、電気的な短絡、温度上昇並びに爆発又は火災につながり得る深刻な問題である。電解質を介して正極（カソード）から透過したリチウムイオンがホスト材料に組み込まれず、代わりに、セパレータを介して他の電極にまで延び得る、ランダムに樹状成長の形態のリチウム金属として還元又は堆積する場合、デンドライトの成長は充電中にアノードで発生し、電気的短絡を引き起こす。リチウム金属デンドライトは、反対の電極に達しない場合があるものの、負極（アノード）への緩い接続を有し、容易に主要な活性集合体から切り離され、容量の損失につながり得る。
【０１３９】
一実施形態において、リチウム・バッテリーなどの充電式バッテリーには、正極、正極に対向する負極、負極と正極との間に挿入されるセパレータを含む電極アッセンブリ、正極、負極、及びセパレータに含浸する電解質溶液、電極アッセンブリを収容するバッテリー・ケース、並びにバッテリー・ケースを封止するシール部材が含まれる。これらの個々の構成要素（上述したアノード／カソードを除く）を、以下に詳細に説明する。
【０１４０】
セパレータ
いくつかの実施形態において、本明細書で説明されるカソード及び／又はアノードは、バッテリーなどのエネルギー貯蔵デバイスにおいて用いられる。また、本明細書で説明されるアノード及びカソードの一方又は両方を含むエネルギー貯蔵デバイスには、一般的に電解質及びセパレータ、並びに他の構成要素が含まれる。電解質及びセパレータは、当技術分野において公知のものの中から当業者によって適宜選択されてよく、特定の制限なく用いられてよい。
【０１４１】
セパレータは、アノード及びカソードの分離だけではなく、電解質を介する電極間のイオン移動を可能とする、特有の複雑な役割を果たす。
【０１４２】
セパレータは、アノードとカソードとを電気的に分離して電気的短絡を防ぐだけではなく、電解質を介したＬｉｉ＋イオンの移動を可能にする。多くの場合、セパレータは安全機能を有しており、それによって、上昇した温度において細孔径が変化し、さらなるイオン移動を防ぐことによってセルが閉鎖される。セパレータは、電解質における科学的安定性、必要な厚さ、細孔径、及び透過性を有する必要がある。セパレータは、Ｌｉ＋イオン透過性であり、機械的強度及び濡れ性（又は湿潤性、wettability）を有する必要がある。また、熱安定性である必要があり、必要な温度でサーマル・シャットダウン（又は熱閉鎖、thermal shut-down）を引き起こす機能を有する必要がある。リチウムイオン産業において最も一般的に使用されるセパレータには、ガラス繊維、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリアミド、ナイロン及びセラミック充填セパレータが含まれる。
【０１４３】
例えば、セパレータはリチウムイオン・バッテリー、リチウムイオン・ハイブリッド・キャパシタなどに一般的に用いられる構成要素であって、電極間の電気的接触を抑えるためにカソードとアノードとを分離するように構成されており、バッテリーの安定性のため、高強度、イオン透過性、及び電流遮断特性を有し、薄い必要がある。セパレータは、短絡を抑えるためにアノードとカソードとの間に位置付けられてよく、当技術分野において一般的に用いられるいずれのセパレータも、特に制限されることなく用いられ得る。セパレータの主な材料は、例えば、ＰＥ、ＰＰ、ＰＥ／ＰＰ積層構造又はＰＥ／ＰＰ相分離構造であってよいものの、これらに限定されなくてよい。例えば、セパレータは、電極間を前後に移動するリチウムイオンの導管として供され得る多孔性ポリマー膜であってよい。カソード、アノード、及びセパレータは、共に「バッテリー・スタック（battery stack）」を形成してよい。バッテリー・スタック及び電解質は、外部回路との接触を可能にする金属製バッテリー・ケーシング（又はバッテリー筐体、battery casing）において、気密に封止される。
【０１４４】
いくつかの実施形態において、セパレータは、アノード及びカソードの一方又は両方におけるＣＮＴ発泡体構造の一部の内側に含浸される、アノード及びカソードの一方又は両方の全て又は一部にコーティングされる、若しくはスパッタリング、蒸発、真空充填などの技術を用いて、アノード及びカソードの一方又は両方の全て又は一部に適用される。
【０１４５】
他の実施形態では、ＣＮＴ発泡体材料に接着していない、又はＣＮＴ発泡体材料内に含浸されていない従来のセパレータ材料が用いられる。
【０１４６】
具体的には、セパレータが正極から負極を分離し、リチウムイオンなどの金属イオンの移送通路を供することが可能である限り、セパレータには、充電式バッテリー、及び一般的にリチウム・バッテリーの技術分野において公知であるいずれの適当な材料も含まれ得る。
【０１４７】
換言すれば、セパレータは、イオン移送に対する低い抵抗を有し、電解質溶液の含浸に優れていてよい。
【０１４８】
一般的なセパレータは、その物理的特性及び化学的特性に基づいて、以下の６つのカテゴリーの１つに分類される。これには、微孔性セパレータ、不織布材料、イオン交換膜、支持型液体膜（又は支持された液体膜、supported liquid membrane）、ポリマー電解質、及び固体イオン伝導体が含まれる。
【０１４９】
リチウムイオン充電式バッテリーなどの充電式バッテリーにおいて最も一般的に用いられるセパレータには、ガラス繊維、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリアミド、ナイロン及びセラミック充填セパレータが含まれる。他の材料には、ポリエステル及びポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、並びにこれらとセパレータの他の種類との混合又は組み合わせが含まれる。
【０１５０】
好ましい実施形態では、ポリエチレン、ポリプロピレンなどのポリオレフィン系ポリマーのセパレータが用いられるか、若しくはセパレータの耐熱性又は機械的強度を保証するため、セラミック構成要素又はポリマー材料を含むコーティングされたセパレータが用いられる。これらの実施形態のいくつかの態様において、セパレータは単層又は多層構造を有する。
【０１５１】
理想的には、セパレータは充電式バッテリーにおける使用に適する特性を有する。このような特性の例を以下に供する。
【０１５２】
化学的安定性
セパレータ材料は、バッテリーが完全に充電される場合、強い反応性環境下で、電解質及び電極材料に対して化学的に安定である必要がある。セパレータは劣化するべきではない。安定性は、使用試験によって評価される。
【０１５３】
厚さ
バッテリーのエネルギー及び電力密度を高めるため、バッテリー・セパレータを薄くする必要がある。セパレータが薄すぎると、機械的強度及び安全性を損なう可能性がある。多くの充電サイクルを支持するため、厚さは均一であるべきである。一般的には、２５．４μｍ（１．０ミル）が標準の幅である。ポリマー・セパレータの厚さは、紙パルプ産業技術協会（Technical Association of the Pulp and Paper Industry）の支援の下で開発されたＴ４１１  ｏｍ−８３法を用いて測定できる。
【０１５４】
多孔率
セパレータは、イオンの電極間の移動を可能にするため、液体電解質を保持するのに十分な細孔密度を有する必要がある。過度の多孔率は、セパレータが過熱したバッテリーを停止できるようにするために不可欠である、細孔が閉じる能力を妨げる。多孔率は、米国材料試験協会（ＡＳＴＭ，American Society for Testing and Materials）Ｄ−２８７３に準拠する液体又は気体吸収法を用いて測定できる。一般的に、Ｌｉイオン・バッテリー・セパレータは、４０％の多孔率を供する。
【０１５５】
細孔径
理想的には、細孔径は、活性材料及び導電性添加剤を含む電極構成要素の粒子径より小さい。細孔は均一に分布し、また、曲がりくねった（又は蛇行性の、tortuous）構造を有することが理想的である。これは、アノード上のＬｉ、又は用いられる場合は他の金属の成長を抑えながら、セパレータ全体にわたって均一な電流分布を保証することを助力し得る。細孔の分布及び構造は、キャピラリー流動ポロメータ又は走査型電子顕微鏡を用いて分析できる。
【０１５６】
浸透性
セパレータは、バッテリー性能を大幅に制限してはならない。一般的に、ポリマー・セパレータは電解質の抵抗を４〜５倍に増加させる。電解質のみの抵抗に対する電解質を充填したセパレータの抵抗の比は、マクマリン数（MacMullin number）と呼ばれる。マクマリン数を推定するため、通気性が間接的に用いられ得る。通気性は、特定の圧力下で特定の量の空気がセパレータの特定の領域を通過するのに要する時間、ガーレー値（Gurley value）で表される。ガーレー値は、セパレータの多孔率及び厚さが固定される場合の細孔の屈曲度を反映する。均一な多孔率を有するセパレータは、バッテリーのサイクル寿命に不可欠である。均一な浸透率からの逸脱は不均一な電流密度分布を供し、それによってアノード上の結晶の形成が引き起こされる。
【０１５７】
機械的強度
いくつかのバッテリーは、「巻き取り操作（又は巻線操作、winding operation）」を用いて製造される。セパレータは、バッテリーの組立中の巻き取り操作の張力に耐えるのに十分な強度である必要がある。一般的に、機械的強度は、機械（巻き取り）方向及び横断方向の両方における引っ張り強度の観点、裂開抵抗性（又は耐引裂性、tear resistance）及び穿刺強度（又は突き刺し強度、puncture strength）の観点で規定される。これらのパラメータは、ヤング率の観点で規定される。
【０１５８】
濡れ性
電解液はバッテリー・アッセンブリ全体を満たす必要があり、セパレータは電解液で容易に「濡れる」必要がある。さらに、電解液は、セパレータを恒久的に濡らし、サイクル寿命を維持できるべきである。情報及び信念に関して、観察以外に、濡れ性を試験するために用いられる、一般的に受け入れられる方法はない。
【０１５９】
熱安定性
セパレータは、広い温度範囲にわたって安定性を保持する必要があり、理想的には曲がる又はしわになることなく、理想的には、完全に又は実質的に平らである。
【０１６０】
電解質
電解質は、アノードとカソードとの間のイオン交換を促進する構成要素であり、近年、低い揮発性及び可燃性を有するイオン液体電解質又はゲル・ポリマー電解質が主に使用されているものの、電解質はそれに限定されなくてよい。
【０１６１】
電解質の量は、例えば、活性材料が、バッテリーを収容する容器を満たすいくらかの余分な電解質の体積でアノード及び／又はカソード内及び／又はその上に充填された後に、カソード電極、アノード電極及びセパレータの多孔率に基づいて計算できる。
【０１６２】
電気化学システム（電源又は電解セルのいずれか）は、導電率の機構が変化する２つの界面、つまり電子伝導体／イオン伝導体／電子伝導体から成る。２つの電子伝導体は電極であり、イオン伝導体は電解質である。２つの電極は、短絡を引き起こすことを避けるため、互いに電気的接触を避ける必要がある。
【０１６３】
電解質は、セルの内部電気回路を閉じる。電極が電解質内に位置付けられ、電圧が印加又は発生される場合、電解質は電気を通す。したがって、それは正極と負極との間で内部回路において電荷担体として働き、電子（すなわち電流）が外部回路を介して流れることを可能にする。
【０１６４】
理想的には、電解質は高いイオン電導性を有するべきであり、これによってバッテリーの内部抵抗を最小化することが可能となる（これは、高電力密度の用途においてより重要である）。対照的に、その電子伝導率は非常に低い（すなわち、電子抵抗が高い）べきであり、これは、バッテリーの自己放電率を最小化し、長い貯蔵寿命に変える。また、対象の電圧で分解せず、所望の温度範囲にわたって作動し、対象の用途で許容されない安全上の危険を引き起こさないことが必要である。一般的に、充電式産業では、一般的な大量生産のバッテリーのための多くの市販電解質が用いられるものの、特定の製品特質の性能を向上させるため（シリコンのアノードのサイクル寿命を助成し、自動車バッテリーにおける低温及び高温の性能を改善するため）、新しい配合（又は構築、formulation）が開発されている。
【０１６５】
例えば、液体電解質にはＬｉＰＦ６−ＥＣ／ＤＥＣが含まれてよく、固体ポリマー電解質にはＬｉＢＦ４＋ＰＥＯが含まれてよく、ゲル・ポリマー電解質にはＬｉＰＦ６−ＥＣ／ＤＭＣ＋ＰＶｄＦ−ＨＦＰが含まれてよく、イオン液体電解質にはＬｉＴＦＳＩ−ＥＭＩＴＦＳＩが含まれてよいものの、これらに制限されなくてよい。
【０１６６】
いくつかの実施形態において、電解質には有機溶媒及びリチウム塩が含まれる。有機溶媒は、バッテリーの電気化学反応に関与するイオンが移動できる媒体として働く限り、特に制限なく用いられてよい。
【０１６７】
これらの実施形態のいくつかの態様において、有機溶媒は、酢酸メチル、酢酸エチル、ブチロラクトン、及びカプロラクトンなどのエステル系溶媒；ジブチルエーテル又はテトラヒドロフランなどのエーテル系溶媒；シクロヘキサンなどのケトン系溶媒；ベンゼン及びフルオロベンゼンなどの芳香族炭化水素系溶媒；炭酸ジメチル（ＤＭＣ）、炭酸ジエチル（ＤＥＣ）、炭酸メチルエチル（ＭＥＣ）、炭酸エチルメチル（ＥＭＣ）、炭酸エチレン（ＥＣ）、及び炭酸プロピレン（ＰＣ）などの炭酸系溶媒；エチルアルコール及びイソプロピルアルコールなどのアルコール系溶媒；Ｒ−−ＣＮ（ここで、ＲはＣ２〜Ｃ２０の直鎖、分岐、又は環状炭化水素基であり、二重結合方向環又はエーテル結合を含んでよい）などのニトリル；ジメチルホルムアミドなどのアミド；１，３−ジオキソランなどのジオキソラン；又はスルホランである。
【０１６８】
炭酸塩系の溶媒が好ましく、高いイオン伝導率及び高い比誘電率を有し、バッテリーの充電／放電性能を向上することが可能である環状炭酸塩（例えば、炭酸エチレン又は炭酸プロピレン）及び低粘度の直鎖の炭酸塩系化合物（例えば、炭酸エチルメチル、炭酸ジメチル、又は炭酸ジエチル）の混合物がより好ましい。この場合において、環状の炭酸塩及び鎖状炭酸塩が約１：１〜約１：９の体積比で混合される場合、電解質は優れた性能を示す。
【０１６９】
最も一般的に用いられる電解質には、その全てが本明細書で説明されるＣＮＴ発泡体構造材料と相性が良く（又は適合し、compatible）、水性電解質、有機電解質、イオン液体、及び固体電解質が含まれる。これらの分類の中の全ての電解質は、３Ｄ発泡体基板構造を用いて製造されるセルにおいて用いることができ、新たに開発された固体ポリマー及びガラス電解質を含む。用途の観点から、電解質及び電解質の配合における進歩が製品性能に関連する分野の具体例は、以下のとおりである。
【０１７０】
自動車：高温及び低温性能を改善するため、並びにサイクル寿命を増加するための電解質の調整が開発されている。また、安全性能も非常に重要であり、固体ポリマー又はゲル電解質はセルの安全性能を大きく改善できる。
【０１７１】
消費者製品：新しい高エネルギー・シリコン・アノードは、シリコン材料に関連する劣化を低減するための添加剤を要する。また、新しい電解質の添加、配合及び組成を用いて安全上の危険を減ずることの大きな利点もある。
【０１７２】
グリッド・ストレージ（grid storage）：長寿命は、リチウムイオン・バッテリーのバッテリーコストを削減して、グリッド・ストレージ用途に実行可能で低コストの解決になるために不可欠である。セル及びバッテリーの寿命を向上させる１つの構成要素は、電解質を改善することである。
【０１７３】
バインダー
従来のリチウム系のバッテリーの製造における重要な構成要素はバインダーであり、これは、電極における活性集合体の機械的強度の向上及び電極の導電性を改善するために役立つ。バインダーは、１モルあたり数十万〜数百万グラムの分子量を有し、スラリーの分散媒体への良好な溶解性を有する高分子量ポリマーである。さらに、バインダーは、電極構成要素の均一な混合に助力するべき界面活性剤である。バインダーはバッテリーに自重を加えるため、その量は可能な限り減ずるべきである。最近まで、バインダーは、主により良い機械的特性を複合材料に与えると認識されていた。
【０１７４】
ＬＩＢ電極の従来のバインダーは、改良された（又は精巧な、refined）機械的特性を有する、ポリ（ビニリデンジフルオリド）（ＰＶｄＦ）及びビニリデンジフルオリド（ＶｄＦ）とヘキサフルオロプロペン（ＨＦＰ）モノマーとのコポリマー、いわゆるＰＶｄＦＨＦＰ（Ｋｙｎａｒ又はＫｙｎａｒＦｌｅｘ）である。
【０１７５】
負のＬＩＢ電極には、３つの確立されたバインダーの選択肢がある：セルロース系のポリマー、特にカルボキシメチルセルロースのナトリウム塩（ＣＭＣ−Ｎａ）、ポリ（アクリル酸）（ＰＡＡ）及びそのナトリウム塩、ポリ（アクリル酸ナトリウム）（ＰＡＡ−Ｎａ）並びにラテックス・スチレンブタジエン・ゴム（ＳＢＲ）。
【０１７６】
他の構成要素
一般的に、本明細書で説明されるバッテリーは、バッテリーによって電力が供給されるデバイスに適したハウジングにバッテリーが取り付けられ得るように構成されたケースを有して成る。当業者には、バッテリーのケーシングを適切に設計する方法は公知である。
【０１７７】
特定のバッテリー設計は、電極設計に基づいて構築され、次いで電極面積、電極の数、及びバッテリーのケーシングなどの特定のバッテリー構造パラメータと組み合わされる。
【０１７８】
電極レベルの設計要素には、例えば、各電極について活性材料の独立した比容量、活性材料の負荷、電極密度、追加の電極構成要素及び集電体のパラメータが含まれる。正極及び負極の電極設計は、バランスの選択及び補足的なリチウムの添加の任意の含有物を介して相互接続する。
【０１７９】
電極パラメータ及びバランスが選択されると、バッテリーの特定の重量エネルギー密度及び体積エネルギー密度、並びにバッテリーの全体容量を達成するように、電極面積及び電極構造の数に基づいてバッテリーの設計が選択され得る。
【０１８０】
バッテリー・ケースは、例えば、プリズム状又は円筒形のいずれの様々な形状でもあり得、一般的に０．０５ｃｃ〜３００００ｃｃの体積を規定する。一般的に、この範囲内のバッテリーは、１．０ミリアンペア時〜１００００アンペア時の容量を示すものの、その容量は、本明細書で説明されるアノード及び／又はカソードを用いて増強され得る。
【０１８１】
バッテリー・ハウジングとも呼ばれるバッテリー・ケーシングは、機能的なバッテリー部品及び化学物質を収容するシェル（又は外郭、shell）又は壁である。セルと称される場合もあるバッテリーは、電気の貯蔵デバイスであって、それが使い捨てである場合は「一次」、再充電可能である場合は「二次」と分類される。
【０１８２】
いずれの適当な材料もバッテリー・ケーシングを製造するために用いられ得るものの、一般的な材料はポリプロピレンのコポリマーなどのポリオレフィンである。
【０１８３】
バッテリー・ケーシングは、バッテリー・ケースと同一ではない。バッテリー・ケースは、ケーシングで囲まれたバッテリーを包含し、保護するように設計される。ケースは、用途に応じたサイズの範囲であり得るものの、一般的に、電気自動車で使用されるものなどのより大きなバッテリーを包含するための小さなスーツケースのサイズから、小さな補聴器セルのための紙マッチのサイズまである。
【０１８４】
バッテリー・ケースは、耐久性のある材料を用いて一般的に作製されるバッテリー・ケーシングとは異なり、プラスチック（コポリマー又はコポリマーではない）、木材、金属、アルミニウム、さらには布、皮革又はボール紙を含む様々な材料から製造されてよい。
【０１８５】
ＡＡＡ、ＡＡ、Ｃ、Ｄ及び９Ｖサイズのバッテリーのためのバッテリー構成要素及びホルダーは、比較的標準である。
【０１８６】
Ｈｕａｎｇの米国特許第９，８８７，４０３号は、薄フィルム被包バッテリー・システムを開示しており、それは本明細書で説明される３Ｄ発泡体材料を含むバッテリーを形成するために用いられ得る。積層バッテリーの用途において、多くの薄フィルム・バッテリー・セルがアッセンブリのためにバッテリー・システムにスタックされる（又は積み重ねられる、stack）。例えば、各スタックには、カソード層に隣接するカソード・コレクタ層（又はカソード集電体層、cathode collector layer）が含まれてよく、隣接するセルは、カソード・コレクタ層がバッテリー・アッセンブリ内に電気的に結合されるように反転され得る。代替的には、裸のカソード又はアノード層は互いに隣接してスタックされ得る。導電性接着剤は、コレクタ層を形成するために用いられ得る。
【０１８７】
バッテリー・セルは、ポリマー又は有機フィルムで被包され得る。代替的に、セルのスタックに向かって位置付けられた内側セラミック層、内側セラミック層の周りに配置される外側ポリマー層、及び内側セラミック層と外側ポリマー層との間の金属層を有する、多層の被包システムが用いられ得る。
【０１８８】
バッテリー・システムの用途において、多数の薄フィルム・バッテリー・セルはスタックされた構成に配置されてよく、セルの各々には、アノード層、カソード層、及びアノード層とカソード層との間の電解質層が含まれる。被包剤（又は封入剤、encapsulant）はスタックされた構成を包囲し、薄フィルム・バッテリー・セルの周りに、実質的に連続的な化学的及び機械的な障壁を供する。
【０１８９】
適当な被包剤は、有機液体及びポリマー材料で形成され得る。また、内側のセラミック層、外側のポリマー層、及びその間の金属層を有する３層の被包システムが用いられ得る。いくつかの設計において、熱膨張及び収縮に対応するため、被包剤とスタックされた薄フィルム・セル構成との間に空間又はギャップが残される。又は、バッテリー・セルのスタックは、相対的な移動を可能にするため、傾斜した、又は平行でない反対側で形成され得る。
【０１９０】
これらのバッテリー・システムは、電子デバイス、例えばスマートフォン、タブレット・コンピュータ、又は他の携帯デバイスにおいて利用され得る。これらの用途において、一般的に、バッテリー・アッセンブリはコントローラに結合され、ディスプレイに電力を供給するように構成される。アッセンブリ自体には、スタックされた構成に配置された多数の薄フィルム・バッテリー・セルが含まれ、薄フィルム・バッテリー・セルの各々は、アノード、カソード、及び電解質層を有する。被包剤は、バッテリー・セルのための化学的及び機械的な障壁を供するため、セルのスタックされた構成の周りに配置され得る。
【０１９１】
ヘッダー
バッテリー・ケーシングには、バッテリーによって電力を供給されるデバイスにバッテリーを接続することを可能とするヘッダーが含まれる。バッテリーには正及び負に帯電した電極が含まれ、電流がバッテリーからデバイスに流れるように、適切な方法でこれらをデバイスに接続することが重要である。
【０１９２】
Ａ、ＡＡ、及びＡＡＡバッテリーなどの円筒形バッテリーには、正及び負の端部を区別するため、平らな端部及び隆起したニップル（nipple）を有する端部が含まれる。一般的に、平らなバッテリーには、挿入されるデバイスに接続するためのコネクタが含まれる。バッテリーが誤って挿入されないことを保証する方法の１つは、バッテリーが正しい方向にある（すなわち、挿入されるデバイスを有する回路が完成するように正極及び負極が配置される）場合にデバイスに合うようにのみ設計することである。
【０１９３】
ホルダー
バッテリー・ホルダーは、バッテリーを保持するための１つ又はそれより多くのコンパートメント（又は区画、compartment）又はチャンバーである。また、ドライ・セル（又は乾電池、dry cell）の場合、ホルダーはバッテリー端子と電気的に接触する必要がある。ウェット・セル（又は湿電池、wet cell）の場合、自動車又は非常用の照明器具に認められるように、ケーブルがバッテリー端子に接続されることがよくある。
【０１９４】
いくつかの実施形態において、バッテリー・ホルダーは、１つ又は複数のバッテリーを受け入れる、１つ又は複数のコンパートメントとして成形されたハウジングの形状を有するプラスチックのケース、若しくはねじ、アイレット（又は小穴、eyelet）、接着剤、両面テープ、又は他の手段で取り付けられる別個のプラスチックのホルダーのいずれかである。バッテリー・ホルダーはバッテリーを保持及び保護するための蓋を有し得る、又はバッテリーの漏れから、回路及び構成要素への損傷を防ぐために封止されてよい。バッテリー端子を押すコイル状のばねワイヤー又は平らなタブは、ホルダーの内部で電気的に接続される２つの最も一般的な方法である。通常、バッテリー・ホルダーの外部接続は、ピン、表面実装足部（surface mount feet）、はんだ付けラグ（soldered lug）、又はリード線ワイヤー（wire lead）との接触によってなされる。
【０１９５】
一般的に、バッテリー・ホルダーは、より大きな製品がどのように、どこで用いられることになるかについての知識を用いて設計される。考慮すべき人的因子には、バッテリー交換の容易さ、意図する使用者の年齢範囲及び体調が含まれる。設計者は、製品ケースに成形されたバッテリー・ホルダー、又は別個の部品として作られたバッテリー・ホルダーから選択できる。多くの製品では、規制及び製品の安全標準がバッテリー・ホルダーの選択に影響を与える。
【０１９６】
一般的なバッテリー・ホルダーは、定格８０〜１００℃のポリプロピレン又はナイロン本体で作製される。通常、取り付けられた回路基板であり、１８０〜２４０℃におけるウェーブはんだ付け（wave soldering）又は２６０〜３００℃におけるリフローはんだ付けを要するため、リチウム・コイン・セルのホルダーは、高温のポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）、ナイロン又は液晶ポリマー（ＬＣＰ）本体で作製される。
【０１９７】
バッテリーの接点は、設計の最も重要な部分の１つであり得る。バッテリーがニッケルめっきされたこれらの実施形態において、異種金属間のガルバニック腐食を防ぐため、接点がニッケルめっきされていることが好ましい可能性がある。バッテリーの接点は、固定接点、柔軟接点（又は可撓性接点、flexible contact）、又はその２つのいくつかの組合せであり得る。
【０１９８】
固定接点は比較的安価であるものの、電気的接続が失われる傾向がある。固定接点と柔軟接点との組合せはより良い解決であるものの、これは、固定位置から離れる方向に移動すると開回路になる可能性がある。ばね接点は圧縮され、それによってバッテリーが固定接点から離れて移動することが可能となる。柔軟接点により、内部の化学物質の容量が増加する際、放電におけるセルのわずかな膨張が可能となる。アノード及びカソードに接触する複数のフィンガー（finger）を有する柔軟接点により、電気的接続を失わずに複数の方向への移動が可能となる。
【０１９９】
極性、又は逆バッテリー、保護などの特徴は設計の一部であり得る。アノード側の接点は、プラスチックの後方にくぼみが作られ、アルカリ・バッテリーに一般的なバッテリーの突起（又はこぶ、nub）を受けることができる。別の方法は、バッテリーのポスト又は端子を受けるためのプラスチックのチャネルである。米国特許公開番号２００７／０２７５２９９  Ａ１は、どちらの方向においてもバッテリーをバッテリー・ホルダーに挿入でき、さらに適切に作動できる極性保護について開示している。
【０２００】
９ボルト型などのバッテリーの種類は、スナップ留め式接点（snap-on contact）を有する。
【０２０１】
バッテリーが製品の寿命を超えて続くことが予想される場合、ホルダーは不要であり、バッテリー端子に溶接されたタブは、プリント回路基板に直接はんだ付けされ得る。
【０２０２】
ＶＩ．本明細書で説明されるバッテリーを使用するデバイス
本明細書で説明されるバッテリーは、充電式バッテリーが使用される様々な用途における使用のため、適切なサイズを有し、構成され得る。非限定的な例には、携帯電話、双方向ラジオ及び他の通信デバイス、ラップトップ・コンピュータ及びタブレット、ウェアラブル電子機器、ＧＰＳデバイス、埋め込み可能な医療デバイスを含む医療デバイス、並びにアフターマーケット電子機器が含まれるものの、これらに限定されない。
【０２０３】
ある実施形態において、バッテリーは、バック・アップ・バッテリー、「バッテリー・スティック（battery stick）」、並びにＡ、ＡＡ、ＡＡＡ、Ｃ、Ｄ、９ボルト型などの従来のサイズのバッテリーを含む充電式消費バッテリーなどとして、商業用及び／又は住宅用のエネルギー貯蔵を供するために用いられる。
【０２０４】
いくつかの態様において、バッテリーはエネルギー・グリッド（又はエネルギー網、energy grid）に電力を貯蔵するために用いられ、例えば、太陽光エネルギーは、太陽光エネルギーが生成されない夕方における使用のために貯蔵され得る。
【０２０５】
バッテリーの別の使用は、ドリル、のこぎりなどを含む電動工具におけるものである。
【０２０６】
さらに他の用途には、自動車、トラック、フォーク・リフト、バス、ゴルフカート、電動自転車、電動スクーター、電動バイク、セグウェイ、ホバーボード、及びドローンを含む飛行機を含む乗り物が含まれる。別の用途は、スターター・バッテリーにおけるものである。
【０２０７】
他の用途には、宇宙用途、ミサイル、及び兵が荷物を運ぶのを支援するように構成された外骨格（exoskeleton）を含む、兵が使用する装置を含む軍事用途が含まれる。
【０２０８】
また、バッテリーは採鉱及び掘削操作、並びにロボットへの電力供給にも使用され得る。
【０２０９】
当業者にはこれらのデバイスの適切な電力要件は公知であり、適切なバッテリーを設計できる。例えば、バッテリーの設計を支援するために計算が実行され、バッテリーの設計パラメータから全体的なバッテリーの性能を推定し、製造を誘導し得る。設計されたバッテリーの容量は、例えば、バッテリーにおける正極層の全数に各正極層の容量を掛けることによって計算され得る。正極層の数は、バッテリーの容量要件に応じて確定され得る。
【０２１０】
計算は、電極の面積及びバッテリー・スタックにおける電極層の数に基づいて実行され得る。これらの計算に基づいて、本明細書で説明される大容量の活性材料、電極設計及びバッテリー構造を達成し得るバッテリー性能の全体的な範囲に関して、いくつかの指標が供される。当業者は、本明細書の教示に基づいて、より広い範囲の性能を評価するために特定の計算例を外挿でき、バッテリーの適切なケーシングを決定できる。
【０２１１】
一実施形態において、バッテリーは、Ｃ／２０から２Ｃレートのいずれかのレートでアノード過剰バランス（anode excess balance）が存在するようにバランスがとられ、アノードの第１サイクル不可逆的容量損失の１００％に等しい量の補足リチウムを含むと見なされる。
【０２１２】
ＩＩ．キャパシタ
バッテリーにＣＮＴ発泡体を用いることに加え、この材料はキャパシタ及びウルトラキャパシタ（ultracapacitor）においても同様の使用及び利点を有する。ＣＮＦ発泡体材料が用いられ得る代表的なキャパシタには、セラミック誘電体を有するセラミック・キャパシタ、誘電体に由来して名付けられたフィルム及び紙キャパシタ、アノード及びカソード（電解質）の構造として用いられる材料に因んで各々名付けられたアルミニウム、タンタル及びニオブ電解キャパシタ、並びにポリマー・キャパシタ（一般的に、電解質として導電性ポリマーを有するアルミニウム、タンタル又はニオブ電解キャパシタ）が含まれる。
【０２１３】
スーパーキャパシタ（supercapacitor）には、二重層キャパシタ（ヘルムホルツ二重層の物理的現象に因んで名付けられた）、疑似キャパシタ（電気化学的に可逆的なファラデー電荷移動を伴う電気エネルギーを蓄積する能力に因んで名付けられた）、電力密度を高めるために二重層と疑似キャパシタとを組み合わせるハイブリッド・キャパシタ、並びに、各々がそれらの誘電体に由来して名付けられた、銀マイカ、ガラス、シリコン、エア・ギャップ及び真空キャパシタが含まれる。
【０２１４】
上述のキャパシタの種類に加え、その用途に基づいて名付けられた多くの個別のキャパシタがある。これには、パワー・キャパシタ、モーター・キャパシタ、ＤＣリンク・キャパシタ、抑制キャパシタ、オーディオ・クロスオーバー・キャパシタ、照明バラスト・キャパシタ（又は照明安定器キャパシタ、lighting ballast capacitor）、スナバ・キャパシタ、カップリング、デカップリング又はバイパス・キャパシタが含まれる。
【０２１５】
バッテリーにおける使用に関して説明されたＣＮＴ発泡体の使用の基本的な戦略及びアプローチは、キャパシタにも同様に適用され、以下の実施形態を含むということに留意されたい。
【０２１６】
一実施形態において、キャパシタは、ＣＮＴ発泡体を含む少なくとも１つの電極、及び２つの電極を分離する固体の電解質を有して成る固体キャパシタである。ＣＮＴ発泡体は、従来の材料を用いて製造されたキャパシタと比較して、この材料を用いて製造されたキャパシタの導電率及び全体の電力処理性能を向上させる。
【０２１７】
電極は、電極の電力密度、並びに発泡体構造における活性材料を埋め込むことに起因する最終的なキャパシタの構成要素を大きく向上させるために、ＣＮＴ発泡体材料を用いて供され得る。アノードとして、サブミクロン・スケールの三次元多孔質導電性発泡体構造を有するキャパシタは、最終的なデバイスの電力密度を大幅に増加させることになる、多孔質発泡体構造のボイド空間を充填する対向電極材料から分離される。
【０２１８】
一実施形態において、本発明は、多孔質アノードを形成する三次元導電性多孔質発泡集電体、及び固体又は従来の電解質、並びにフィルム・ベース又はコーティング可能なセパレータ材料を含む要素の組合せを有して成るキャパシタに関する。充電式バッテリーと同様に、スポンジの三次元的な性質により、電極、電解質及びセパレータは、最終的な産業使用のために適合して気密に封止され得る最終的なパッケージに統合される。
【０２１９】
本明細書で説明されるキャパシタは、自動車、消費製品、グリッド・ストレージ、医療及び電動工具の用途を含む、幅広い様々な用途に用いられ得る。
【０２２０】
ＣＮＴ発泡材料は、キャパシタにおける一方又は両方の電極として用いられる場合、従来のキャパシタの化学的性質及び材料との高度の互換性を有する。
【０２２１】
本発明は、以下の非限定的な実施例を参照して、より良く理解されるであろう。
【実施例】
【０２２２】
実施例１：ステンレス鋼及び３Ｄ発泡体アノードのアノード性能の評価／比較
開発の論拠
以下の実施例は、米国特許出願第１３／４２４，１８５号の教示に従って作製された三次元ナノチューブ材料で実施された。
【０２２３】
リチウム・バッテリー産業の「聖杯（Holy Grail）」は、実用的なリチウム「金属」バッテリーを作ることである。リチウム金属は、体積エネルギー密度及び重量エネルギー密度の両方に関して、いずれのアノードの中でも最も高いエネルギー密度を有する。アノード材料としてのグラファイトは、〜３６０ｍＡｈｒ／ｇのエネルギー容量を有する。リチウム金属は、３８６０ｍＡｈｒ／ｇのエネルギー密度を有する。これは、バッテリー性能の１０倍の増加ではなく、アノード性能の１０倍の増加である。アノードがセルの体積／質量の３０〜５０％であるため、バッテリー性能の増加は、バッテリー性能の２倍又は３倍の増加に一致しており、これは、バッテリー性能の大幅な向上を示す。
【０２２４】
目標は、３Ｄ−ＣＮＴ発泡体を有するリチウム金属バッテリーを構築し、それが達成し得る性能の利点を評価することである。特定の理論に結び付けることは望ましくないものの、ＣＮＴバックボーン構造（又は骨格構造、backbone construction）と共に、独自の３Ｄ構造は、アノードとして、アノード上、又はアノード中にＬｉをめっきするための安定したプラットフォームを供し（リチウム金属バッテリーの規定）、次いで、最小の損失で、カソードとアノードとの間で確実にリチウムを前後に循環させる。
【０２２５】
３ＤＣＮＴ発泡体を用いた性能の向上を評価するため、まず、「通常の」又は３ＤＣＮＴ発泡体なし、すなわちステンレス鋼アノードのベースラインの性能を確立することを要した。性能のいずれの違いも、３ＤＣＮＴ発泡体の影響によるものである。
【０２２６】
以下で説明されるように、実験データには、ベースラインのリチウム金属バッテリー及び三次元ＣＮＴリチウム金属バッテリーの構成の両方の評価が含まれており、非常に肯定的な結果を有する。
【０２２７】
ＣＮＴ発泡体サンプルの厚さは１ｍｍより大きかった。その一方で、従来のＬＩＢのアノード又はカソードは一般的に１００μｍ未満であり、イオン伝導性（物質移動）の損失を最小限にする必要がある。
【０２２８】
実験には、アノードの配合に用いられる場合に高い不可逆容量損失（ＩＣＬ）を実証した、以前の未公表のＣＮＴ実験からの知識が組み込まれた。
【０２２９】
これらの研究の主な目的は、３ＤＣＮＴ構造をリチウム金属バッテリー構成における保護アノードとして用いることができるかどうかを決定することである。これが可能であることを示すことによる、従来のリチウム金属バッテリーに対する潜在的な利点には、以下が含まれる：
１．従来の混合及びコーティングのオプションと比較してサンプル要件が減じられ、
２．ＣＮＴサンプルの圧縮（厚さ）を制御可能であり、
３．リチウム金属がＣＮＴにめっきされること、又はＣＮＴと反応することを可能にし、グラファイトのアノードの必要性を除くことによって、大幅に向上したリチウム・バッテリーの性能（Ｗｈ／Ｌ及びＷｈ／ｋｇ）が得られ、並びに
４．リチウム金属セルにおけるデンドライトの形成が減じられる。
【０２３０】
バルク抵抗率及び面積固有インピーダンス
バルク抵抗率の測定は、未加工で未変のＣＮＴサンプルで実施した。サンプルは、事前に作製した材料からランダムに選択した。バルク抵抗率の測定にはサンプルの大幅な圧縮が含まれるため、サンプル材料は再利用されない。
【０２３１】
抵抗率装置の概略図及び写真を以下の図１及び図２に示す。測定されるサンプルの集合体は、２つの精密に研磨されたステンレス鋼ピン（直径５／８インチ）の間に挿入される。精密スクリュー・プレス装置によって圧力が加えられ、圧縮力は１ｇの分解能を有する力センサーによって測定される。既知の電流が印加され、結果として生じる電圧降下はバッテリー試験システム（ＢＴＳ）によって測定される。
【０２３２】
本明細書で説明されるカーボン・ナノチューブ発泡体材料を用いた結果を、以下の表１に示す：
【０２３３】
【表１】
2021527313.tif 000003
【０２３４】
サンプルの抵抗Ｒは、オームの法則の再整理によって計算される。
Ｒ＝Ｖ／Ｉ
ここで、Ｒはオーム単位のサンプルの抵抗、Ｉはアンペア単位の印加電流、Ｖはボルト単位のサンプルにわたって測定された電圧降下である。
【０２３５】
サンプルの抵抗率ρは、以下のように計算される。
ρ＝Ｒ＊Ａ／Ｌ
ここで、Ｌはｃｍ単位のサンプルの厚さであり、Ａはｃｍ２単位のサンプル面積である。
【０２３６】
抵抗は、いくつかの異なる圧縮力で測定され、サンプルの厚さは抵抗率を計算するために測定され、次いで他の形状のサンプル抵抗を予測するため、面積及びサンプルの厚さによって基準化（又はスケーリング、scale）できる。最も高い圧縮（１００ｋｇ）の抵抗率は、より低い圧縮力よりも高く、これは、おそらく高度に圧縮されたサンプルの測定精度が原因である。
【０２３７】
相対的に、１００ｋｇ／ｃｍ２の圧縮力において、０．１〜０．２ｏｈｍ−ｃｍのカーボン・ブラック（ＩｍｅｒｙｓによるＣ６５）と比較すると、３ＤＣＮＴは１〜２ｏｈｍ−ｃｍで、より高い抵抗率を示す。３ＤＣＮＴのこの特定のバッチ（batch）の電気的性能は、市販のカーボン・ブラックほどは良くないものの、その独自の３Ｄ構造のため、依然として、カソード及びアノードのＬＩＢ作用における導電性補助の良い候補である。
【０２３８】
学術文献の概要は、３ＤＣＮＴのより高い抵抗率は、相互接続された３Ｄ構造を作るために臭素によって導入された構造欠陥によるものであり得ると報告している。この理論の立証及び／又はＣＮＴ製造の最適化は、継続的なＣＮＴ開発の対象となり得る。
【０２３９】
セルの構築
試験中のＣＮＴの３Ｄ構造が新しいことから、ステンレス鋼アノードへのリチウムめっきのベースラインを確立し、ステンレス鋼基板上のアノード材料として３ＤＣＮＴを導入するため、２つの初期試験を実施した。
【０２４０】
０１／１６／１３Ｒｕｎ１  ＣＢｘ  ＭＷＮＴスポンジと表示された発泡体サンプルから、５／８インチの３ＤＣＮＴサンプルを打ち抜いた（又は押し抜いた、punch）。１２０ｇ／ｍ２の負荷におけるＮＭＣカソードを含むＣＮＴサンプル及びセル構成要素を、６０℃で２２時間真空乾燥した。ドライ・グローブ・ボックスにおいて４つの複製セルをＬＰ−５７電解質で充填し、次いで電気化学試験のために封止した。セルは、０．３５３ｍＡの定電流条件を用いて３〜４．３Ｖの電圧範囲で１０回の充電／放電サイクルで試験した。これは、３．５ｍＡｈｒのカソード容量を用いるＣ／１０レートに相当する。全てのセルは、室温１９＋１℃で試験した。
【０２４１】
ＣＮＴの３Ｄ構造及び元素構造は独特であり、相互に関連するバッテリー基準のより深い理解を要するため、リチウムイオン・バッテリーの文脈における３ＤＣＮＴの性能を理解することは特に困難である。以下の説明は、全てではないものの、３ＤＣＮＴを用いたリチウムイオン・バッテリーの開発に関する考慮すべき事項のほとんどを強調することを意図している。
【０２４２】
ＳＳアノード上のリチウムめっき
図３に実験の前半のセットアップを示す。ここで、ＮＭＣ１１１カソードは、充電中にカソードから放出され、多孔質セパレータを通過し、次いでＳＳアノード集電体にめっきされるＬｉ＋イオンの供給源として用いられる。実際のセルにおいて、セパレータ及びステンレス鋼アノードは、ＥＣ：ＥＭＣ溶媒混合物中のＬｉＰＦ６電解質と完全に接触しており、セルの構成要素の全てを濡らしている。セルが充電される際、リチウムイオンはＳＳアノード集電体上にめっきされる。
【０２４３】
図３に示す構成により、リチウム・バッテリーに関して可能な最も高いエネルギー密度を供する（リチウム金属がアノードになる）。しかしながら、このアプローチの不都合な点は、デンドライト（針）の形態の、いずれの導電体上のリチウム金属めっきであり、結果として２つの有害な状況をもたらす。
【０２４４】
リチウム金属デンドライトの高い表面積は、電解質（ＬｉＰＦ６＋溶媒）と反応し、リチウム金属のいくらかを酸化し（電子を消費し）、生じたリチウムイオンを捕捉して、それがカソードへ放電されることを防ぐ。各充電サイクルはより多くのリチウム金属を消費し、急速にセル容量を低下させる。
【０２４５】
リチウムのデンドライトの針状の形状は、最終的に薄いセパレータを貫通し、カソードを直接アノードに短絡させ、結果として壊滅的な故障（火災）を引き起こす。デンドライトの形成及び／又は実際のセルへのセパレータの貫通を防ぐため、２０年間超にわたって試みがなされているものの、成功はない。
【０２４６】
３ＤＣＮＴ発泡体上及び３ＤＣＮＴ発泡体中のリチウムめっき
図４に示すように、ＳＳアノードにより、３ＤＣＮＴ発泡体の後続の試験を比較するためのベースライン又は参照条件が供される。３ＤＣＮＴ発泡体の追加により、いくつかの潜在的な利点が供される。
１．ＣＮＴは、利用され得る固有容量を有する。
２．ＣＮＴは、Ｌｉ金属を固定するための高い表面積を供してデンドライトの成長速度を低減し、並びに、低いＳＥＩ損失でリチウム金属のめっき及びめっきの除去を可能にする構造を供する。
３．ＣＮＴ発泡体の３Ｄ構造は、デンドライトの直接の接触からセパレータを保護するためにデンドライトを「被包する」可能性を有する。
【０２４７】
実験結果
セル性能の高水準の表示（又は一覧、view）を表２に示す。セル＃１は、完全に充電された状態における解体調査（又は分析、autopsy）を意図していたため、最初の充電を超えるサイクルを実施しなかった。セル＃２は、正常に充電できなかった。失敗の原因は不明である。基準点として、第１リチウム化のカソード容量は名目上１７２ｍＡｈｒ／ｇであり、ここで、セル１、３、及び４は通常の変動内であった。セルの第１脱リチウム化は、ＮＭＣに関して１６０ｍＡｈｒ／ｇの容量をもたらすはずであるものの、見られるとおり、容量はいくらか低かった。
【０２４８】
【表２】
2021527313.tif 000004
【０２４９】
予想される１６０ｍＡｈｒ／ｇと比較したこのさらなる損失は、デンドライトの形成によるものであって、次いで反応し、リチウム金属デンドライトの周りに過剰なＳＥＩを形成する。このリチウム／容量の損失は、表２におけるさらなるサイクルで見られる。容量の保持を改善し、減衰を遅らせる複数の方法があるものの、最終的に、セルは同様に故障することになる。これらのセルにおいて、図５に示すように、容量はわずか１０サイクルで大幅に低下する。セル容量はサイクルの間一定に保持されることが理想的であるものの、リチウムはＳＥＩ形成によって消費される。
【０２５０】
これらの実験において用いられるセパレータはワットマン・ガラス・フィルター・ファイバー（Whatman glass filter fiber）であり、セル内で圧縮された際、約１００μｍの厚さであることを指摘しておくことは有用である。通常、セルの分極を最小限に抑え、電力性能を向上させるために、はるかに薄いセパレータ、すなわち２０μｍのものを使用する。この場合、意図的により厚いワットマン・セパレータを選択することにより、壊滅的な故障ではなく、セルの劣化に重点を置くことが可能となる。
【０２５１】
比較的に、３ＤＣＮＴ発泡体の第１充電／放電性能を以下の表３に示す。再びセル＃１を解体調査用に選択し、第１充電を超えるサイクルは行わなかった。ベースラインのＳＳアノードと同様に、カソードの第１充電容量は、ＮＭＣの１７２ｍＡｈｒ／ｇの予想された値に非常に近かった。これは、カソードがＬｉ＋イオンの最初の供給源であるため、第１充電容量は実際にはカソードのみに関係することから予想される。
【０２５２】
ベースラインのＳＳアノードのデータとは対照的に、３ＤＣＮＴ発泡体アノードを用いた第１サイクル損失は〜８０％の損失であり、大幅に高い。このような高い損失を有することは望ましくないものの、ＣＮＴの表面積が大きいため、ＳＥＩ形成による過剰なリチウムの消費も予想外ではない。
【０２５３】
高いＩＣＬは重要な特徴であるものの、アノードを「予備リチウム化（pre-lithiate）」して高いＩＣＬを除去するようにアノード上にリチウム金属を含むことによって実際の性能向上を達成するため、後続の試験ではこの結果を回避する方法を示す。
【０２５４】
【表３】
2021527313.tif 000005
【０２５５】
３ＤＣＮＴ発泡体の性能における肯定的な意外性が図６に見られ、セル容量は１０サイクルにわたって安定であった。対照的に、ベースラインＳＳアノードは、１０サイクルにわたって連続的な減衰を示した。図５及び図６の両方のグラフは、容量の維持を容易に比較できるように同じスケールでプロットされている。セルの容量は、元のＮＭＣの内容及び通常の容量の観点で評価されるということに留意することは有益である。しかしながら、リチウムイオンがＣＮＴにインターカレーションしていると仮定すると、サイクル容量の観点からセル容量を表示することも可能である。
【０２５６】
４ｍｇの平均ＣＮＴ質量及び５ｍＡｈｒのセル容量を用いると、リチウムが実際にＣＮＴにインターカレーションしていると仮定すると、ＣＮＴのサイクル容量は１２５ｍＡｈｒ／ｇとなる。他のＣＮＴを用いたＰｏｌａｒｉｓ  Ｂａｔｔｅｒｙ  Ｌａｂｓにおける以前の研究では、同様の容量が示されている。セルの挙動のより深い調査により、物理的挙動にいくらかの光が投じられ、並びにさらなる疑問が提起されるであろう。
【０２５７】
ｄＱ／ｄＶ対Ｖのプロット、サイクリック・ボルタンメトリーを用いて得られる結果のアナログ
電気化学性能を調査する非常に強力な方法は、制御された電圧掃引の関数として電流の流れを測定するサイクリック・ボルタンメトリーである。この方法は、セルの性能のより深い理解を供するため、バッテリー試験システム（ＢＴＳ）を用いて概算され得る。充電／放電の１０サイクル全てに関する、ベースラインＳＳアノード構成を用いたセル＃３のｄＱ／ｄＶ対Ｖのプロットを図７に示した。データは、通常のＮＭＣ性能と一致しており、すなわち、Ｃｏ３＋／Ｃｏ４＋の酸化還元電位に対応する３．７Ｖにおいて電流が急激に増加する。
【０２５８】
図８は、３．７Ｖにおける酸化還元転移の拡大図を示す。第１充電は、ピークを有する青い線（又はトレース、trace）で示されている。また、第１放電も青い線で示されているものの、はるかに平坦である。後続のサイクルは、鋭いピークとして充電曲線を示し、同じ色で放電を示すものの、はるかにブロードである。繰り返されるサイクルは、充電ピークの電圧の上昇を示す。この特徴の正確な解釈は現時点で不明であるものの、比較的小さな、すなわち１サイクルあたり１０ｍＶのシフトである。
【０２５９】
図９は、図４で示されたような３ＤＣＮＴ発泡体構造の電流／電圧性能を示す。このデータは、ベースラインＳＳアノードとは大きく異なる挙動を示す。
【０２６０】
第１充電は、２．３、３．０、及び３．８ボルトにおいて電流ピークを示す。ベースラインＳＳアノードはこれらのピークを示さないため、これらの追加のピークがＣＮＴＳとのリチウムの相互作用によるものであると仮定する必要がある。実際、これらのピークはグラファイトのアノードで見られる性能の種類の典型である。２．３、３．０、及び３．８Ｖのピークはグラファイト（ＣＮＴ）とのインターカレーション反応であるように見えるものの、アノード反応とのＮＭＣ電圧のオーバーレイ（又は重ね合わせ、overlay）によっていくらか複雑化される。このセルの第１放電は、大幅に減少した大きさを示す（アノードで捕捉されたリチウムによる）。
【０２６１】
第２の重要な特徴は、後続のサイクルが元の２．３、３．０、及び３．８Ｖのピークを示さないことである。実際、電流のピークは４．３ボルトに向かって大幅にシフトする。このことにより、解釈を導くためのさらなる情報がない場合にいくらか混乱させられる。
【０２６２】
セルのサイクル範囲における電流のピークの拡大図を図１０に示す。３．０〜４．２ボルトの範囲において電流の流れがあるものの、電流のピークは４．２５Ｖ及び４．３Ｖに現れている。さらに、活性化エネルギーにより、充電ピーク及び放電ピークの電圧オフセットがある。
【０２６３】
３ＤＣＮＴ発泡体及びセルの挙動のさらなる洞察が図１１で見られる。ここで、ｘ軸はカソードの充電状態（アノードに移送された利用可能なＬｉの割合）であって、ｙ軸は対応する電圧である。青い線は、充電された際、すなわち、カソードでコバルトが酸化され、リチウムイオンを放出し、リチウムイオンがめっき、インターカレーション、又はアノードによって捕捉される際のセルの電圧プロファイルを示す。
【０２６４】
第１放電中に、リチウムの２０％のみがカソードに戻される。これは、カソードがまだほとんど充電された状態、すなわちより高い電圧にあることを意味する。
【０２６５】
結論
１．３ＤＣＮＴ発泡体の導電率は市販の導電補助剤より低いものの、セルのＡＳＩ値はＣＮＴの導電率がセルの性能における制限因子であることを示していない。
２．３ＤＣＮＴ発泡体は、アノードとしての試験で予測されるように、大幅な不可逆的容量損失を示した。
３．３ＤＣＮＴ発泡体は安定なサイクル性能を示したものの、この性能がＳＥＩ損失後にリチウムの利用可能性によって制限されたかどうかは不明である。
４．ｄＱ／ｄＶ対Ｖのプロットは、第１サイクルと第２サイクルとの間で３ＤＣＮＴセルの性能における大幅な変化を示す。これらの結果のより良い理解は、セル性能を向上させるために必要である。この目的は、推奨の部分で扱われる。
５．Ｃ／１０サイクル条件は速い反応を試験するのに十分である一方で、ＣＮＴ反応速度が全ての有用な容量にアクセスする（又は利用する、access）かどうかは不明である。
６．解体調査では、完全な充電においても３ＤＣＮＴ発泡体構造にリチウムめっきは見られなかった。
【０２６６】
解体調査
注記：
図１２に示されるように、３ＤＣＮＴ発泡体、ワットマン・セパレータ、又はＳＳ集電体のいずれの側にもリチウムめっきは観察されなかった。図１３に示されるように、同様のことが１０倍の倍率で観察された。さらに、リチウム金属は３ＤＣＮＴ発泡体中に存在したものの、リチウム金属が水と接触して配置された場合に見られるものとは対照的に、発泡体に水を適用した際に反応はなかった。
【０２６７】
濡らす前のサンプルははるかに平坦であって、１０倍の倍率で非常に小さな３Ｄ構造が見えた。濡れた後、３Ｄ構造は見られず、ＣＮＴが「膨張又は膨らんだ（又は増大した、swell）」ように見えた。
【０２６８】
対照的に、ステンレス鋼集電体が用いられる場合、ワットマン・セパレータとＳＳ集電体との間に多くのリチウムめっきが存在した（データは示さず）。図１４に示すように、このシステムは水と激しく反応する。
【０２６９】
実施例２：ハーフ・セル構成における３ＤＣＮＦ発泡体対リチウム金属の評価
この一連の試験の目的は、ハーフ・セル構成における３ＤＣＮＴ発泡体対リチウム金属の基本的な性能を測定することであった。
【０２７０】
Ｓｗａｇｅｌｏｋセルにおける試験の構成を図３に示す。電流は特定のレートで制御し、セルの電圧プロファイルはこの電流が流れる間に測定した。リチウム・ディスクは、反対側の電極が使用できる限り多くのＬｉを供給した。これにより、少しのリチウム金属めっきもなく、アノードが最大容量に達することが可能となった。
【０２７１】
明確にすると、Ｌｉ＋イオンのインターカレーションは、完全に無傷のナノチューブの側壁を透過することはできない。グラファイトと同様に、Ｌｉ＋イオンは、平面であろうと円筒形であろうと、グラフェン構造のエッジでのみ透過できる。ナノチューブの壁におけるいくつかの点に損傷がある場合（分岐、転移など）、Ｌｉ＋イオンはナノチューブの壁内に入り込む能力を有する可能性がある。また、これは多層ナノチューブの同心円状環に関連しても該当し、Ｌｉ＋イオンは、同心円状のＣＮＴ層／環の間、又は場合によるとＣＮＴ繊維の束（bundle）の間にインターカレーションする可能性を有する。
【０２７２】
ハーフ・セルの配置では、試験を行う電極、すなわち３ＤＣＮＴ発泡体上にリチウム金属デンドライトを生成する可能性はない。そのため、３ＤＣＮＴ発泡体のインターカレーション容量を測定するため、３ＤＣＮＴ発泡体構造内へのリチウムイオンのインターカレーションのみを測定した。
【０２７３】
図１５は、０．３５ｍＡの対称な充電／放電条件におけるサイクル容量を示す。ハーフ・セルの実際の容量が２．４ｍＡｈｒであったことを考慮すると、このレートは約Ｃ／７レートに相当する。ＣＮＴ発泡体は、２４０ｍＡｈｒ／ｇで１０サイクルにわたって安定な容量を示す。初期のＳＥＩ充電は３５８ｍＡｈｒ／ｇであって、ハーフ・セル構成において３２％の不可逆的容量損失（ＩＣＬ）をもたらした。これは、以前〜８０％のＩＣＬで報告されたリチウム金属、フル・セル、コイン・セル構成におけるＩＣＬと対照的である。この不一致を説明するため、より詳細にデータを調べる必要がある。
【０２７４】
３ＤＣＮＴ発泡体と挙動を比較するため、従来のグラファイトのアノードのリチウム化を以下の図１７に示す。図１７は、セル電圧（Ｖ）対セル容量（ｍＡｈｒ／ｇ）の観点から、第１ＣＮＴリチウム化の電流／電圧プロットを示すチャートである。図５における重要な特徴は、文献で報告されたような３つのリチウム化状態に対応する、〜０．１８Ｖ、０．１Ｖ、及び０．０６Ｖでの電圧プラトーである。図１６における３ＤＣＮＴ発泡体の電圧／電流プロットは、いくつかの小さなプラトー挙動を示すものの、グラファイトとは大幅に異なる電圧におけるものである。
【０２７５】
これらの結果の重要性は、カソード／アノードの挙動に関してフル・セルのバランスをとることにあり、３ＤＣＮＴ発泡体が１００ｍＶを超え、５００ｍＶをも超える大きな容量を有するという事実を考慮する必要がある。
【０２７６】
３ＤＣＮＴ発泡体の上昇した電圧の影響は、完全に理解することが困難なコンセプト（又は概念、concept）である。バッテリー試験には、上昇したアノード電圧の影響の理解を助力し得るいくつかのコンセプトがある。まず、セル電圧は以下のように測定される：
Ｖｃｅｌｌ＝Ｖｃａｔｈ−Ｖａｎ
【０２７７】
バッテリー・テスターでわかることは、セル電圧、すなわちアノードの電圧を引いたカソードの接続の電位のみである。化学的性質から、アノードの電圧がリチウム金属の電位より低下することは不可能であるものの、大幅に高くなり得ることがわかる。したがって、カソード材料の電圧は以下のとおりである。
Ｖｃａｔｈ＝Ｖｃｅｌｌ＋Ｖａｎ
【０２７８】
充電中のアノードの電圧がリチウム金属の電圧を大幅に超える場合、カソードの実際の電圧は「通常のセル電圧」を大幅に超えるように押し上げられることになる。現在の実施例において、充電中に０．５ボルトのアノード電位が与えられると、カソード電圧を４．２＋０．５＝４．７ボルトより大きく押し上げることができる。これは極端な条件であるものの、ＮＭＣ対３ＤＣＮＴ発泡体のフル・セルに関して、現実性の範囲外ではない。
【０２７９】
安定な条件を超えてカソード電圧が上昇することを避けるように、適切なアノード／カソード容量のバランスを完全に理解及び規定するため、はるかに徹底的な分析を完了する必要がある。例示として、ＮＭＣは４．２ボルトで広範囲にサイクルし得るものの、より高い電圧、すなわち４．３、４．４、及び４．５の電圧でもサイクルし得る。しかしながら、より高い電圧ではフェード（又は減衰、fade）が増加する。
【０２８０】
情報と信念に関して、ＣＮＴ／ＮＭＣ対ＣＮＴ／ＬｉセルのＩＣＬの不一致は、上昇したアノード電圧によって引き起こされるカソード電圧の大幅な増加によるものである。また、ＩＣＬの不一致のさらなる原因は、アノード：カソード容量のバランスにも影響を受け得る。
【０２８１】
また、図１８はリチウム金属に対する０．１ボルトを超える大きな容量も支持する。
【０２８２】
３ＤＣＮＴ発泡体のサンプルの固有容量（〜２４０ｍＡｈｒ／ｇ）は、ＣＮＴの特定の種類及び形態（又は構造、morphology）に応じて、数百ｍＡｈｒ／ｇの範囲における文献報告と一致する。
【０２８３】
０．０７２ｍＡ、約Ｃ／３０でのレート試験は、２６０ｍＡｈｒ／ｇにまでのわずかな容量の増加のみを示し、このような低いレートでは３ＤＣＮＴ発泡体をサイクルする利点がないことを示唆している。
【０２８４】
結論
１．３ＤＣＮＴ発泡体ハーフ・セル対リチウム金属は、１０サイクルにわたって大きなフェードを示さない。
２．３４０ｍＡｈｒ／ｇのグラファイトと比較して、３ＤＣＮＴ発泡体のサイクル容量は〜２４０ｍＡｈｒ／ｇである。
３．Ｃ／３０のサイクルに対するＣ／７のサイクルでは、３ＤＣＮＴ発泡体容量における大きな増加はなく、すなわち、適度なサイクルのレートとしての電力制限はない。
４．３ＤＣＮＴ発泡体サンプルに一貫性があるかどうかは不明であり、第１サイクル損失の違いに寄与する可能性がある。
５．３ＤＣＮＴ発泡体の電圧プロファイルは、グラファイトと大幅に異なる。
【０２８５】
コンセプトの概要
３ＤＣＮＴ発泡体バッテリーのコンセプトがどのように作用するかについての理解をより深めることは有用である。第１ステップは、Ｌｉ＋がグラファイト構造内にインターカレーションする方法と同様に、ＣＮＴチューブの内部への通常のＬｉ＋のインターカレーションである。リチウムイオンは、グラフェン構造の間隔に引き付けられ、グラフェン／グラファイト構造における電子の伝導帯によって安定化される。例示として、グラファイトは通常３６０ｍＡｈｒ／ｇの第１充電容量を有する。異なるグラファイト及び異なる炭素は、大幅に異なる容量を有し得るものの、通常は前述のものより低い。現在の実験において、３ＤＣＮＴ発泡体が〜２４０ｍＡｈｒ／ｇでＬｉ＋（金属リチウムではなく、リチウムイオン）に関して固有（最大）容量を有することを突き止めた。これは、バッテリー充電の第１ステップであり、すなわち、エネルギー的に最も有利であるため、最初に発生する。
【０２８６】
これを、高い容量を有するリチウム金属バッテリーにする第２ステップは、カソードからのリチウムイオンの連続的な充電であり、次いでアノード（３ＤＣＮＴ発泡体）で還元され、個々のＣＮＴの撚り線の外側にリチウム金属をめっきする。これは、リチウム金属が発泡体構造の内側（すなわち、ＣＮＴチューブの内側ではない）にめっきされ、再現性のある方法でリチウム金属をめっきするために高い表面積を利用することを意味する。
【０２８７】
リチウム金属バッテリーの放電は単純にプロセスの逆であって、ＣＮＴチューブの外側のリチウム金属が電子を放出し（バッテリーの外側での使用のため）、次いでリチウムイオンはカソードに戻るように移動し、カソード活性材料、すなわちＮＭＣ又はＬＣＯによって吸収される。全てのリチウム金属が完全に酸化（放電）されると、ＣＮＴチューブの内側にインターカレーションしたリチウムイオンは、電子分極を開放し（リチウム金属の酸化と同様に、利用可能な電子を発生し）、カソードへ戻るように移動して活性カソード材料内に吸収される。
【０２８８】
このプロセスにより、リチウムイオンのインターカレーションのみに関して、２４０ｍＡｈｒ／ｇを大幅に超えて３ＤＣＮＴ発泡体の容量を大きく改善することが可能となり得る。この設計の重要な特徴は３ＤＣＮＴの高い表面積であって、これによって、デンドライトを形成することなくリチウム金属を均一にめっきすることが可能となる。
【０２８９】
実施例３：フル・セル構成における３ＤＣＮＦ発泡体対リチウム金属の評価
この一連の試験の目的は、フル・セル構造における３ＤＣＮＴ発泡体対リチウム金属の基本的な性能を測定することであった。３ＤＣＮＦのデータは、同じＬＣＯカソード又はより高性能なＮＣＭ変形体（又は改良型、variant）に基づく。容量の点で全体として１００％の増加を得るため、これによって従来のＬＣＯ／ＧＲＡと高性能ＮＭ８１１を有する３ＤＣＮＦ発泡体アノードとを比較する。
【０２９０】
以下のグラフにおいて、市販のセルは５００Ｗｈｒ／Ｌの体積エネルギー密度（ＶＥＤ）の領域にある。フル・セル構成における３ＤＣＮＦ発泡体により、セルの容量が２倍の〜１０００Ｗｈｒ／Ｌになり得る。このデータは、１．２Ａｈｒで、４２ｘ５７ｘ３．６ｍｍの外形寸法、及びＮ／Ｐ比１．１を有する高密度ＬＣＯ／ＧＲＡカソード／アノードを備えた、実際の商業的に製造されたセルに基づく。
【０２９１】
2021527313.tif 000006
【０２９２】
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【０２９３】
ここで、この実施例における従来のカソード：〜１１０μｍのカソードは、エネルギー負荷、高い負荷であって、
セルにおける活性材料の割合を最大化し
従来のアノード：グラファイトを有する〜１１０μｍのアノード
従来のセパレータ：〜２０μｍ
である。
【０２９４】
上述の３ＤＣＮＦ発泡体セル：
１４μｍのアルミニウム箔を含む、１１０μｍの従来のカソード
１０μｍの銅箔を含む、３０μｍの３Ｄ−ＮＭアノード
２０μｍの従来のセパレータ
体積比は〜（１１０＋１１０＋２０）／（１１０＋３０＋２０）＝２５０／１６０〜１．６〜のＶＥＤで、同じカソードで増加する。
【０２９５】
2021527313.tif 000008
【０２９６】
●２段階のリチウム化
〇ＣＮＴへのインターカレーション（アノードにおける全てがＬｉ／Ｌｉ＋ストレージに関係する）
〇３Ｄ発泡体間隙ボイド空間（interstitial void space）のリチウム金属めっき
●デンドライト／リチウムめっきの形態は、以下によって排除及び／又は制御される。
〇ＣＮＴにおけるＬｉ＋のインターカレーション（容量のマイナー構成要素）
〇発泡体構造の内側の被包
〇電解質の配合（既存のリチウムイオン金属技術に基づいて構築）
【０２９７】
既存のリチウム金属バッテリーの制限に対する実用的な解決
●体積変化が除去される。
〇ＣＮＴ発泡体構造は永続的であって、アノードの体積変化を回避する。
●アノードの形状変化が排除される。
〇ＣＮＴ発泡体構造は永続的であって、指向性めっきテンプレート（又は有向めっき鋳型、directed plating template）を供する。
〇調整可能なＣＮＴ構造
・ＣＮＴの直径
・ＣＮＴの間隔
・発泡体の厚さ
・添加剤、すなわちホウ素を介する抵抗制御
・添加剤、すなわちホウ素を介する３Ｄ構造の密度
●発泡体構造はデンドライト形成を処理する（又は扱う、address）ため、充電レートが高くなり得る。
【０２９８】
Ｃｕ、Ｎｉ、Ｓｉ、Ｚｎ、Ｓｎ、Ｆｅなどの他の金属と比較して、発泡体構造としてのＣＮＴの利益は、以下のとおりである。
●ＣＮＴは、リチウム金属に対して０〜＋４．５ボルトで化学的に安定している。
●ＣＮＴは高い引張強度を有し、セルのサイクルで機械的安定性が増加する。
●ＣＮＴは炭素から構築されており、低質量である。
●９５％未満の多孔率のＣＮＴ発泡体が容易に達成される。
●既存及び新しい製造方法がある。
【０２９９】
さらなる構成要素
●３ＤＣＮＴ発泡体の上のセパレータのオーバーモールド又はコーティング。より多くのデンドライト抑制／封じ込め、より薄いセパレータ。
●活性材料の割合を９７．９％にまで増加させ、より良い電力性能、より安定したサイクルなどに向上させるための、カソードにおける導電性補助剤としてのＣＮＴの使用
●１０μｍのＣｕ箔上に堆積された３ＤＣＮＴ発泡体構造
●Ｃｕ上の３ＤＣＮＴ発泡体構造は、セル容量を最大化するため、商業的に関連する２０μｍの厚さである。
●３ＤＣＮＴ発泡体構造の均一な堆積。ＳＥＭ顕微鏡写真を示す。
●３ＤＣＮＴ構造へのＬｉ＋の実証された可逆的なインターカレーション（ハーフ・セルのリチウム金属対３ＤＣＮＴ発泡体）
【０３００】
上述の説明は例示の目的で供されており、当業者は、本開示の技術的な概念及び本質的な特徴を変更することなく、様々な変更及び修正がなされてよいということを理解されたい。したがって、上述の例示が全ての態様において説明的であり、本開示を制限するものではないということは明らかである。例えば、単一の種類であると説明される各構成要素は、分散された方法で実施され得る。同様に、分散されると説明される構成要素は、組み合わせた方法で実施され得る。
【０３０１】
本開示の範囲は、実施形態の詳細な説明ではなく、以下の請求項によって規定される。特許請求の範囲及び意味、並びにその同等物から想定される全ての修正及び実施形態が本開示の範囲に含まれるということが理解されるべきである。
【図１】
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【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【国際調査報告】
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