(57)【要約】  少なくとも１つのカーボンナノチューブのシート及び該シート上に堆積する半導体材料を備えるアノード電流収集装置を含む、負極；硫化ニッケル又は硫化スズが堆積した少なくとも１つのカーボンナノチューブのシートを備える、カソード電流収集装置を含む、正極；及び、負極と正極の間に位置するセパレーター、を備える電池が、提供される。カーボンナノチューブシート上に堆積する硫化ニッケル又は硫化スズを備えるカソードを形成する方法も、提供される。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電池であって、該電池は：
少なくとも１つのカーボンナノチューブのシート及び該シート上に堆積する半導体材料を備えるアノード電流収集装置を含む、負極；
硫化ニッケル又は硫化スズが堆積した少なくとも１つのカーボンナノチューブのシートを備える、カソード電流収集装置を含む、正極；及び
負極と正極の間に位置するセパレーター
を含むことを特徴とする、電池。
【請求項２】
前記シートは、単層のカーボンナノチューブから作られる、ことを特徴とする請求項１に記載の電池。
【請求項３】
前記シートは、多層のカーボンナノチューブから作られる、ことを特徴とする請求項１に記載の電池。
【請求項４】
前記半導体材料は、シリコン又はゲルマニウムを含む、ことを特徴とする請求項１に記載の電池。
【請求項５】
前記半導体材料は、前記カーボンナノチューブ上に溶接される粒子を含む、ことを特徴とする請求項１に記載の電池。
【請求項６】
カーボンナノチューブ複合材料から作られるケースを更に含む、ことを特徴とする請求項１に記載の電池。
【請求項７】
前記複合材料は、ポリアミド、硫化ポリフェニレン、ポリエーテル・エーテル・ケトン、ポリプロピレン、ビスポリアミド、ビスマレイミド、エポキシ、及びそれらの組み合わせを含む、ことを特徴とする請求項６に記載の電池。
【請求項８】
前記セパレーターは、多孔質ポリエチレン膜、又はポリエチレン膜、或いはそれらの組み合わせである、ことを特徴とする請求項１に記載の電池。
【請求項９】
カーボンナノチューブの前記シートは、約８０ｇ／ｍ２の密度を持つ、ことを特徴とする請求項１に記載の電池。
【請求項１０】
前記電池は角形電池である、ことを特徴とする請求項１に記載の電池。
【請求項１１】
カーボンナノチューブの前記シートは、十分に位置合わせしたカーボンナノチューブを含む、ことを特徴とする請求項１に記載の電池。
【請求項１２】
カーボンナノチューブの前記シートは、層間化合物としてリチウムを更に含む、ことを特徴とする請求項１に記載の電池。
【請求項１３】
前記セパレーターは電解質溶液に浸される、ことを特徴とする請求項８に記載の電池。
【請求項１４】
電池において使用するためのカソードを形成する方法であって、該方法は：
カーボンナノチューブシート上にニッケルを堆積する工程；及び
ニッケルを硫化ニッケルに変える工程
を含むことを特徴とする、方法。
【請求項１５】
カーボンナノチューブシート上にニッケルを堆積する工程は、該カーボンナノチューブシート上にニッケルを電着させる工程を含む、ことを特徴とする請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
ニッケルを硫化ニッケルに変える工程は加熱工程を含む、ことを特徴とする請求項１４に記載の方法。
【請求項１７】
電池において使用するためのカソードを形成する方法であって、該方法は：
カーボンナノチューブシート上にスズを堆積する工程；及び
スズを硫化スズに変える工程
を含むことを特徴とする、方法。
【請求項１８】
カーボンナノチューブシート上にスズを堆積する工程は、カーボンナノチューブシート上にスズを電着させる工程を含む、ことを特徴とする請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
スズを硫化スズに変える工程は加熱工程を含む、ことを特徴とする請求項１７に記載の方法。
【請求項２０】
電池において使用するためのアノードを形成する方法であって、該方法は：
カーボンナノチューブのマトリックスによって画成される、略平面の本体を提供する工程；及び  
マトリックス上に硫化ニッケル又は硫化スズをスプレーする工程
を含むことを特徴とする、方法。
【請求項２１】
電池を製造する方法であって、該方法は：
負極を形成するために複数の半導体粒子をカーボンナノチューブの第１シートに組み込む工程；
正極を形成するためにカーボンナノチューブの第２シート上に硫化ニッケル又は硫化スズを堆積する工程；
正極と負極の間にセパレーターを位置付ける工程；及び
前記カーボンナノチューブシートのケースにより、正極と負極とセパレーターとを密封する工程
を含むことを特徴とする、方法。
【請求項２２】
前記組み込む工程において、前記半導体粒子は前記カーボンナノチューブに溶接される、ことを特徴とする請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
前記組み込む工程において、前記半導体粒子はシリコン又はゲルマニウムの粒子である、ことを特徴とする請求項２１に記載の方法。
【請求項２４】
前記密封する工程において、前記ケースは、カーボンナノチューブ複合材料を含む、ことを特徴とする請求項２１に記載の方法。
【請求項２５】
前記密封する工程において、前記複合材料は、ポリアミド、硫化ポリフェニレン、ポリエーテル・エーテル・ケトン、ポリプロピレン、ビスポリアミド、ビスマレイミド、エポキシ、及びそれらの組み合わせを含む、ことを特徴とする請求項２４に記載の方法。
【請求項２６】
前記位置付ける工程において、前記セパレーターは、多孔質ポリエチレン膜、又はポリエチレン膜、或いはそれらの組み合わせである、ことを特徴とする請求項２１に記載の方法。
【請求項２７】
電池において使用するためのカソードであって、該カソードは：
少なくとも１つのカーボンナノチューブのシート；及び
前記シートに堆積する硫化ニッケル又は硫化スズ
を含むことを特徴とする、カソード。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
＜関連出願＞
本出願は、２０１３年３月１２日出願の米国特許出願第１３／７９５，５１５号の利益及び優先権を請求するものであり、該米国特許出願は、２０１２年８月２３日出願の米国仮特許出願第６１／６９２，５７２号の利益及び優先権を主張し、各々の内容は、全体を引用することで本明細書に組み込まれる。
【０００２】
本出願は、２０１２年２月７日出願の米国特許出願第１３／３６７，５７２号の一部継続であり、該米国特許出願は、２００８年５月７日出願の米国仮特許出願第６１／０５１，２４９号の優先権を主張する、２００９年３月７日出願の米国特許出願第１２／４３７，５３８号の一部継続であり、各々の内容は、全体を引用することで本明細書に組み込まれる。
【０００３】
＜技術分野＞
本発明は電池に関するものであり、より具体的には、不織布のカーボンナノチューブのシートを使用する二次電池に関するものである。
【背景技術】
【０００４】
カーボンナノチューブは、破壊（ｆａｉｌｕｒｅ）に対する高い負荷及び比較的高い引張係数を含む、並外れた引張強度を有すると知られている。カーボンナノチューブはまた、疲労、放射線損傷、及び熱に対して非常に耐性があり得る。この目的のために、複合材料にカーボンナノチューブを追加することにより、複合材料の引張強度及び剛性を高めることができる。
【０００５】
過去１５年以内に、カーボンナノチューブの特性がより良く理解されたために、カーボンナノチューブに対する関心が、研究団体内及びその外部で大きく増加した。これら特性を使用するための１つの重要な点は、ナノチューブを広く展開するのに十分な量でそれらを合成することである。例えば、大量のカーボンナノチューブが巨視的規模の構造（即ち、１ｃｍより大きな寸法を有する構造）で複合物の高強度の構成要素として使用されねばならない場合、大量のカーボンナノチューブが必要とされ得る。
【０００６】
ナノチューブ合成に対する１つの共通のルートは、化学気相蒸着法に関連して使用されるものなどの、気相熱分解の使用を介する場合がある。このプロセスにおいて、ナノチューブは、触媒のナノ粒子の表面から形成され得る。具体的に、触媒のナノ粒子は、触媒粒子の表面からのナノチューブの生成のための供給材料として機能する炭素化合物を包含する、気体混合物に暴露され得る。
【０００７】
近年、高容量のナノチューブの生成に対する１つの有望なルートは、反応気体中で「浮かぶ」触媒粒子から、ナノチューブを増大する化学気相蒸着システムを使用することであった。そのようなシステムは典型的に、反応ガスから凝結した触媒粒子からナノチューブが生成される得る加熱チャンバに、反応気体の混合物を通す。多くの他の変形が可能であり、触媒粒子が予め供給され得るものを含み得る。
【０００８】
しかし、大量のカーボンナノチューブが生成され得る場合、ナノチューブは、反応チャンバの壁に付着し得、結果として、ナノ材料がチャンバから出るのを妨害する。更に、これらの妨害は、反応チャンバの圧力上昇を引き起こし、その結果として、全体の反応動力学の修正をもたらし得る。該動力学の修正は、製作された材料の均一性の減少に通じ得る。
【０００９】
ナノ材料に対する更なる懸念は、ナノスケール材料に関連する危険が未だ十分に理解されていないために、大量の空気中浮遊微粒子を生成することなく、ナノ材料が取り扱われ且つ加工される必要がある、ということである。
【００１０】
巨視的規模の適用のためのナノチューブ又はナノスケール材料の処理は、近年において着実に増加した。紡織繊維中のナノスケール材料及び関連する材料の使用も増加しつつある。紡織分野において、固定長であり且つ大質量で加工された繊維は、ステープル繊維と称される場合がある。亜麻、ウール、及び綿などのステープル繊維を扱うための技術が、長く確立されてきた。織物又は他の構造の要素においてステープル繊維を使用するために、ステープル繊維は、編み糸、麻くず、又はシートなどのバルク構造へと最初に形成され得、それらは後に適切な材料に加工され得る。
【００１１】
従って、カーボンナノチューブ製のシートが電池などの最終用途の適用のために加工され得るように、カーボンナノチューブの特徴及び特性を利用することが可能な材料を提供することが望ましい。
【発明の概要】
【００１２】
本発明は、一実施形態に従い、半導体粒子を備えた少なくとも１つのカーボンナノチューブのシートを有するアノード電流収集装置を含む負極、混合金属酸化物が浸潤する少なくとも１つのカーボンナノチューブのシートを有するカソード電流収集装置を含む正極、及び負極と正極の間に位置するセパレーターを含む、電池を提供する。該電池は、カーボンナノチューブ複合材料から作られたケースを更に含む。１つの実施形態において、前記複合材料は、カーボンナノチューブ及びポリアミド、ポリフェニレンスルフィド、ポリエーテル・エーテル・ケトン、ポリプロピレン、ビスポリアミド、ビスマレイミド、エポキシ、又はそれらの組み合わせを含み得る。
【００１３】
前記カーボンナノチューブシートは、単層カーボンナノチューブ又は多層カーボンナノチューブから作られ得る。カーボンナノチューブのシートは、約８０ｇ／ｍ２の密度を有し得る。カーボンナノチューブのシートは、実質的に位置合わせしたカーボンナノチューブを含み得、且つ、層間化合物としてリチウムを更に含み得る。
【００１４】
１つの実施形態に従い、前記アノードは、シリコン又はゲルマニウムの粒子などの半導体粒子を含む。前記シリコン又はゲルマニウムの粒子は、カーボンナノチューブに超音波で溶接され得る。一実施形態において、前記カソードは、リチウム、ニッケル、コバルト、又はそれらの混合物を含むリチウム混合金属酸化物が浸潤した、或いは代替的に、亜鉛酸化ニッケルが浸潤した、１つのカーボンナノチューブのシートを含む。セパレーターは、多孔性のポリエチレン膜、ポリエチレン膜、又はそれらの組み合わせでもよい。
【００１５】
本発明はまた、アノードを形成する方法を提供する。該方法は、ナノチューブのマトリックスの全体にわたり半導体粒子を備えたカーボンナノチューブシートの形成を可能にするように、半導体粒子の存在下でカーボンナノチューブのマトリックスによって画成される、ほぼ平面の本体を生成する工程を含む。一実施形態において、リチウムなどの層間化合物は、シートの形成中にシート内に分散されるか、又はシートの形成後にシート内に浸潤され得る。その後、多量の混合物が、ナノチューブのマトリックス内に相互分散した半導体粒子を備えたカーボンナノチューブのマトリックスによって画成される、ほぼ平面の本体を形成するように表面上に堆積され得る。幾つかの実施形態において、大量のカーボンナノチューブが形成され、半導体粒子は、カーボンナノチューブ及び半導体粒子の大量の混合物を形成するために、該大量の混合物内に導入される。幾つかの実施形態において、前記リチウムは、容量中で揮発性の担体と混合され得、該揮発性の担体は、カーボンナノチューブ複合シートを形成するように熱い環境で蒸発することが可能となる。幾つかの実施形態において、前記シートは、シリコン又はゲルマニウムの粒子の存在下で超音波のパルストレインに暴露される。
【００１６】
本発明はまた、カソードを形成する方法を提供する。該方法は、リチウム混合金属酸化物の存在下でカーボンナノチューブのマトリックスによって画成される、ほぼ平面の本体を生成する工程を含む。リチウム混合金属酸化物は、リチウム及びニッケル、コバルト、又はそれらの混合物を含み得る。１つの実施形態において、前記混合金属酸化物は、シートの形成中に組み込まれ得るか、又は代替的に、その後形成されたシート上にスプレーされ得る。幾つかの実施形態において、大量のカーボンナノチューブが形成され、混合金属酸化物は、カーボンナノチューブ及び混合金属酸化物の大量の混合物を形成するために、該大量の混合物内に導入される。その後、多量の混合物は、ナノチューブのマトリックス内に混合金属を備えたカーボンナノチューブのマトリックスによって画成される、ほぼ平面の本体を形成するように表面上に堆積され得る。幾つかの実施形態において、リチウム混合金属酸化物は、容量中で揮発性の担体と混合され得、該揮発性の担体は、前記カーボンナノチューブ複合シートを形成するように熱い環境で蒸発することが可能となる。
【００１７】
本発明はまた、電池を形成する方法を提供する。該方法は、負極を形成するために複数の半導体粒子をカーボンナノチューブの第１シートに組み込む工程；正極を形成するためにカーボンナノチューブの第２シート内にリチウム混合金属酸化物を浸潤させる工程；正極と負極の間にセパレーターを位置付ける工程；及び、ポリマーが染み込んだカーボンナノチューブシートに、正極、負極、並びにセパレーターを密閉する工程、を含む。幾つかの実施形態において、シートは、位置合わせした単層カーボンナノチューブ又は多層カーボンナノチューブから作られる。
【００１８】
一実施形態において、負極と正極を含む電池が提供される。前記負極は、少なくとも１つのカーボンナノチューブのシート、及び該シート上に堆積される半導体材料を持つ、アノード電流収集装置を含む。前記正極は、硫化ニッケル又は硫化スズが堆積される少なくとも１つのカーボンナノチューブのシートを持つ、カソード電流収集装置を含む。セパレーターが、負極と正極の間に位置する。
【００１９】
一実施形態に従い、電池において使用されるカソードを形成する方法が、提供される。該方法は、カーボンナノチューブシート上に電着などによりニッケルを堆積する工程、及び加熱処理等によりニッケルを硫化ニッケルに変える工程を含む。
【００２０】
一実施形態において、電池において使用されるカソードを形成する方法が、提供される。該方法は、カーボンナノチューブシート上に電着などによりスズを堆積する工程、及び加熱処理等によりスズを硫化スズに変える工程を含む。
【００２１】
一実施形態において、電池において使用されるアノードを形成する方法が、提供される。該方法は、カーボンナノチューブのマトリックスによって画成される、ほぼ平面の本体を提供する工程、及び前記マトリックス上に硫化ニッケル又は硫化スズをスプレーする工程を含む。
【００２２】
一実施形態において、電池を製造する方法が提供される。該方法は、負極を形成するためカーボンナノチューブの第１シートに複数の半導体粒子を組み込む工程、及び正極を形成するためにカーボンナノチューブの第２シート上に硫化ニッケル又は硫化スズを堆積する工程を含む。セパレーターが、正極と負極の間に位置付けられる。正極と負極とセパレーターとは、カーボンナノチューブシートのケースで密閉される。
【００２３】
一実施形態に従い、電池において使用されるカソードが、提供される。該カソードは、硫化ニッケル又は硫化スズが堆積する少なくとも１つのカーボンナノチューブのシートを含む。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の１つの実施形態に従って作られるカーボンナノチューブの電気的特性を示す。
【図２】本発明の１つの実施形態に従って作られるカーボンナノチューブの、抵抗率対温度特徴を示す。
【図３】磁場の存在下での（又は不在下での）、カーボンナノチューブの抵抗率対温度特徴を示す。
【図４】本発明の１つの実施形態に従ったナノチューブのシートを示す。
【図５】本発明の代替的な実施形態を示す。
【図６】本発明の１つの実施形態に従った、ナノチューブを組み上げるための化学気相蒸着システムを示す。
【図７】ナノファイバー材料の形成及び収集のための、本発明のシステムを示す。
【図８】ナノファイバー材料の形成及び収集のための、本発明のシステムを示す。
【図９】形成後のナノ構造のシートを処理するための、本発明のシステムを示す。
【図１０】本発明の１つの実施形態に従って作られる、ナノ構造のシートからの挿入損失を示す。
【図１１Ａ】図１−２に示されるシステムから、及び、電池のアノード及びカソードが本発明の１つの実施形態に従って作り上げられ得るシステムから作られる、ナノファイバーの不織布のシートを示す。
【図１１Ｂ】本発明の１つの実施形態に従ったナノチューブのマトリックスの断面図を示す。
【図１２】先行技術分野の電池技術を示す。
【図１３】１つの実施形態に従ったカーボンナノチューブのシートを使用する電池を示す。
【図１４】カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）導電性シート中に分散したミクロシリコン微粒子粉末の画像である。
【図１５】カーボンナノチューブマトリックスに「溶接された」ナノシリコン粒子の画像である。
【図１６】周波数の関数として比導電率を示すグラフである。
【図１７】カーボンナノチューブ複合材料に対する応力ひずみを示すグラフである。
【図１８Ａ】ＣＮＴシート、即ち、シランＣＶＤプロセスを使用して、各チューブ上に堆積される約３０乃至５０ｎｍのシリコンで被覆した１０ｇ／ｍ２の電極の画像である。
【図１８Ｂ】図１８ＡのＣＮＴシートの、より高倍率の画像である。
【図１９Ａ】シリコンで被覆したＣＮＴ電極のリチウム化のための放電容量に関する充電容量を示すグラフである。
【図１９Ｂ】シリコンで覆ったＣＮＴ電極のリチウム化のための充電容量に関する可逆容量を示すグラフである。
【図２０】サイクルインデックスに関する脱合金容量及びクーロン効率を示すグラフである。
【図２１】電気自動車のための大型ＣＮＴバッテリーの模型を表わす。
【図２２】様々な異なるＣＮＴシート処理のための温度に関する伝導率を示すグラフである。
【図２３】温度に関する銅の抵抗率を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
本発明は、一実施形態において、例えば伝導率の増加を促進するように設計される、ナノ構造のシートから作られる複合材料を提供する。一実施形態において、前記シートは、ほぼ平面の本体を含み得る。前記平面の本体は、１つの実施形態において、ナノチューブのマトリックスによって画成され得る。マトリックスは、本明細書で定義されるように、隣接したナノチューブ間に開口を備える、格子状又は網状の構造である。マトリックス中で隣接したナノチューブ間に開口が存在し得るために、プロトン化薬剤が、より優れた伝導のためにナノチューブ間の接触を増強するよう適用され得る。所望の程度で、複数の合成シートがその後、シートの厚みを増強するために互いに層にされ得る。
【００２６】
現在、ナノチューブを増大し、且つ、これらナノチューブから作られる編み糸、シート、又はケーブルの構造を形成するための、複数のプロセス及びその変形が存在する。これらは、次のものを含む：（１）化学気相蒸着法（ＣＶＤ）、即ち、周囲近くの又は高い圧力で、且つ４００℃を超える温度で生じ得る共通のプロセス、（２）アーク放電、即ち、高度の完全性を持つチューブに生じ得る高温プロセス、及び、（３）レーザアブレーション。
【００２７】
本発明は、１つの実施形態において、カーボンナノチューブを含む適切なナノ構造を生成すると当工業界で知られる、ＣＶＤプロセス又は同様の気相熱分解手順を利用する。ＣＶＤプロセスに関する成長温度は比較的低い場合があり、例えば４００℃乃至１３５０℃に及ぶ。カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）、単層（ＳＷＮＴ）又は多層（ＭＷＮＴ）の両方は、本発明の一実施形態において、試薬の炭素含有ガス（即ち、ガス状の炭素ソース）の存在下で、ナノスケールの触媒粒子を露出することにより、拡大され得る。特に、ナノスケールの触媒粒子は、既存の粒子の追加、又は有機金属前駆物質或いは非金属触媒からの粒子のインサイツの合成の何れかによって、試薬の炭素含有ガスに導入され得る。ＳＷＮＴとＭＷＮＴの両方が拡大し得るが、特定の例において、ＳＷＮＴが、その比較的より高い拡大速度のために、及び、ロープ状構造を形成する傾向性のために選択され得、これらは、取り扱い、熱伝導率、電子特性、及び強度における長所を提供し得る。
【００２８】
本発明に関連して生成された個々のカーボンナノチューブの強度は、約３０ＧＰａ以上でもよい。強度は、注意されるべきものとして、欠陥に敏感である。しかし、本発明において作り上げられたカーボンナノチューブの弾性係数は、欠陥に敏感ではなく、約１乃至約１．２ＴＰａまで変わり得る。更に、これらナノチューブの破損に対する負荷は、一般に構造に敏感なパラメーターであり得、本発明において、約１０％から最大約２５％にまで及ぶ場合がある。
【００２９】
更に、本発明のナノチューブは、比較的小さな直径で設けられ得る。本発明の実施形態において、本発明において作り上げられたナノチューブは、１ｎｍ未満から１０ｎｍまでの範囲の直径で設けられ得る。商業上利用可能なカーボンナノチューブと比較した場合、本発明の１つの実施形態に従って作られたカーボンナノチューブは、長さが拡張され得る（即ち、長いチューブ）ことを、理解されたい。本発明の実施形態において、本発明において作り上げられるナノチューブは、ミリメートル（ｍｍ）の範囲の長さで設けられ得る。
【００３０】
本発明のナノチューブはまた、リッツ線又はケーブルに類似する、比較的高い電流を運ぶための導電部材として使用され得る。しかし、コネクター部分に接合されるリッツ線又はケーブルと異なり、本発明のナノチューブの導電部材は、比較すると比較的低いインピーダンスを示す場合がある。特に、電流パルスが短くなるにつれ、ナノチューブベースのワイヤーケーブル又はリボンは、銅のリボン又はリッツ線と比較して、より良く機能することが、本発明において観察された。観察された、より優れた性能に関する１つの理由は、正方形であり且つ短い電流パルスに関する波形のフーリエ変換から計算され得る、例えば、約１００ｍｓ乃至約１ｍｓ未満である、パルスの効果的な周波数容量が、非常に高いことである。具体的には、本発明の個々のカーボンナノチューブは導電経路として機能することができ、その小さなサイズのため、バルク構造がこれらナノチューブから作られる場合に、該バルク構造は、例えば約１０１４／ｃｍ２以上の、非常に多くの導電要素を含有し得る。
【００３１】
本発明のカーボンナノチューブはまた、導電率の根本的な手段としてバリスティック伝導を実証することができる。故に、本発明のナノチューブから作られる材料は、ＡＣ電流条件下で、銅及び他の金属の導電部材にわたる重要な進歩を表わすことができる。しかし、この種の導電部材を外部回路に繋ぐには、本質的に、接続時の接触抵抗を回避するために、各ナノチューブが電気的又は熱的に接触させられることが必要となる。
【００３２】
本発明のカーボンナノチューブは、図１−３に示される特定の特徴を示し得る。図１は、本発明の実施形態に従って作られるカーボンナノチューブの電気的特性を示す。図２は、温度に対するこれらのカーボンナノチューブの抵抗率を示す。４つのプローブ構成において測定される単一のＭＷＮＴの典型的な温度依存性の電気抵抗Ｒ（Ｔ）、すなわち、電流は、外部の接触を介して通過され、電圧は、内部の接触にわたって測定される。図３は、磁場の存在下での（及び不在下での）カーボンナノチューブの抵抗率対温度の特徴を示す。
【００３３】
炭素から合成されたナノチューブへの用途の全体にわたって言及されるが、ホウ素、ＭｏＳ２、又はその組み合わせなどの他の化合物が本発明に関するナノチューブの合成において使用され得ることに、注目されたい。例えば、ホウ素のナノチューブも拡大し得るが、化学前駆物質は異なることを理解されたい。加えて、個々のカーボンナノチューブにおける抵抗率を少なくするために、ホウ素も使用され得ることに、注目されたい。更に、プラズマＣＶＤなどの他の方法も、本発明のナノチューブを作り上げるために使用され得る。
【００３４】
本発明は、一実施形態において、シート内のカーボンナノチューブの導電率を増加させるように設計されるナノ構造の複合シートから作られる、複合材料を提供する。図４に示されるように、複合材料（１０）は、複合シート（１２）の形態であるほぼ平面の本体を含み得る。ナノチューブ（１４）のマトリックスは、平面の本体を画成し得る。ナノスケールの環境と、従来の電気及び／又は熱回路システムとの間の効率的な伝導を可能にするために、隣接したカーボンナノチューブ間に隙間が存在するため、前記平面の本体内の隣接したカーボンナノチューブの接近が、互いに対してより近くなり得る。隣接したナノチューブ間の接近を増強するために、プロトン化薬剤が適用され得る。一実施形態において、前記複合材料は、図４に示されるような単層でもよく、又は図５に示されるような互いの上部にある複数の層でもよい。
【００３５】
＜シートを作り上げるためのシステム＞
ここで図６を参照すると、ナノチューブの構成における使用に関する、米国特許第７，９９３，６２０号（引用によって本明細書に組み込まれる）に開示されるものに類似する、システム（３０）が示される。システム（３０）は、一実施形態において、合成チャンバ（３１）に繋がれ得る。合成チャンバ（３１）は、一般に、反応気体（即ち、気体状の炭素ソース）が供給され得る入口端部（３１１）、拡張した長さのナノチューブ（３１３）の合成が生じ得るホットゾーン（３１２）、及び、反応の生成物（即ち、ナノチューブと排気ガス）が出て集められ得る出口端部（３１４）を含む。合成チャンバ（３１）は、一実施形態において、炉（３１６）を通って伸長する石英チューブ（３１５）を含み得る。システム（３０）によって生成されるナノチューブは、他方では、個々の単層ナノチューブ、そのようなナノチューブの束、及び／又は絡み合った単層ナノチューブでもよい。特に、システム（３０）は、圧縮して混合されたナノチューブから生成され、且つ、シートとして扱われるのに十分な構造の完全性を有する、実質的に連続的な不織布のシートの形成において使用され得る。
【００３６】
システム（３０）はまた、本発明の１つの実施形態において、合成チャンバ（３１）の内部から環境への浮遊微小粒子の放出を最小化するよう、十分に密閉するように設計されるハウジング（３２）も含み得る。ハウジング（３２）はまた、酸素がシステム（３０）に侵入し且つ合成チャンバ（３１）に到達するのを防ぐように作用し得る。特に、合成チャンバ（３１）内の酸素の存在は、完全性に影響を及ぼし、ナノチューブ（３１３）の産生を損なう場合がある。システム（３０）は、全体において引用により本明細書に組み込まれる特許出願第１２／１４０，２６３号に開示されるものに類似するインジェクターも含み得る。
【００３７】
システム（３０）は、システム（３０）の合成チャンバ（３１）内のＣＶＤプロセスから作られる合成ナノチューブ（３１３）を収集するために設計される、ハウジング（３２）内に位置する移動ベルト（３２０）も含み得る。特に、ベルト（３２０）は、ほぼ連続的である拡張可能な構造（３２１）、例えば不織布のシートを後に形成するために、ナノチューブがベルト上に集まるのを許容するために使用され得る。そのようなシートは、シートとして扱われるのに十分な構造の完全性を備える、圧縮した、実質的に位置合わせしていない、且つ混合したナノチューブ（３１３）のマトリックス、ナノチューブの束、又は絡み合ったナノチューブから作られ得る。
【００３８】
作り上げられたナノチューブ（３１３）を集めるために、ベルト（３２０）は、ナノチューブがベルト（３２０）の上に堆積されることを可能にするよう、合成チャンバ（３１）の出口端部（３１４）に隣接して位置付けられ得る。１つの実施形態において、ベルト（３２０）は、図６に示されるように、出口端部（３１４）からの気体の流れにほぼ平行して位置付けられ得る。代替的に、ベルト（３２０）は、出口端部（３１４）からの気体の流れにほぼ垂直に位置づけられ、且つ、ナノ材料を運ぶ気体の流れがそれを通り抜けるのを可能にするための性質において多孔性でもよい。ベルト（３２０）は、従来のコンベヤーベルトに類似する連続的なループとして設計され得る。そのためには、ベルト（３２０）は、一実施形態において、回転要素（３２２）（例えばローラー）にほぼ対向するようにループ状にされ得、電気モーターなどの機械デバイスによって駆動され得る。代替的に、ベルト（３２０）は強剛なシリンダーでもよい。１つの実施形態において、前記モーターは、コンピューター又はマイクロプロセッサーなどの制御システムの使用を通じて制御され得、その結果、張力と速度が最適化され得る。その後、集めたナノチューブは、後の使用のために、手動で、又はベルト（３２０）を取り去る任意の他の手段によって、除去され得る。
【００３９】
所望の程度で、ローラー（４５）などの圧力アプリケーターが使用され得る。図７を参照すると、圧力の適用は、収集したナノ材料に圧縮する力（即ち、圧力）を加えるために、気体の流れにほぼ垂直に位置し得るベルト（４４）に隣接して位置付けられ得る。特に、ナノ材料がローラー（４５）の方へ運ばれるにつれ、ベルト（４４）上のナノ材料は、ローラー（４５）の下に及びそれに対して移動するよう強いられる場合があり、その結果、圧力は混合したナノ材料に適用され得、一方でナノ材料は、凝集した十分に結合されたシート（４６）へと、ベルト（４４）とローラー（４５）の間で圧縮される。ベルト（４４）上のナノ材料に対する圧力を増強するために、プレート（４４４）が、ローラー（４５）から圧力が加えられ得る硬い表面を提供するために、ベルト（４４）の後ろに位置し得る。万が一集められたナノ材料が十分な量であり、且つ十分に統合されると、ローラー（４５）の使用は必ずしも必要ではなく、その結果、接触部位の適切な数が、シート（４６）を生成するのに必要な結合力を提供するために存在することに、注目されたい。
【００４０】
ハウジング（４２）からの後の除去のためにベルト（４４）から混合したナノ材料のシート（４６）を切り離すために、メス又はブレード（４７）が、ベルト（４４）の表面（４４５）に対向する縁部を備えるローラー（４５）の下流に設けられ得る。このように、シート（４６）がローラー（４５）を通り下流に移動するにつれ、ブレード（４７）は、ベルト（４４）の表面（４４５）からシート（４６）を持ち上げるように作用し得る。代替的な実施形態において、ブレードは、シート（４６）を外すために使用されるものではない。正しくは、シート（４６）の除去は、手動、又は当該技術分野において他の既知の方法によるものでもよい。
【００４１】
加えて、スプール又はローラー（４８）が、ブレード（４７）の下流に設けられ、その結果、切り離されたシート（４６）は後にその上に向けられ、収集のためにローラー（４８）の周囲に巻きつけられる場合がある。シート（４６）がローラー（４８）に巻きつけられると、複数の層が形成され得る。もちろん、シート（４６）がその後にハウジング（４２）から除去するために集められ得る限り、他の機構が使用され得る。ベルト（４４）のように、ローラー（４８）は、一実施形態において、電気モーター（４８１）などの機械的駆動によって駆動され得、その結果、その回転軸がシート（４６）の移動方向にほぼ直交する場合がある。
【００４２】
ローラー（４８）に巻きつけられる際、シート（４６）自体への結合を最小化するために、分離材料（４９）（図８を参照）は、ローラー（４８）に巻きつけられる前に、シート（４６）の１つの側部上に適用され得る。本発明に関する使用のための分離材料（４９）は、連続するロール（４９１）に供給され得る様々な商業上利用可能な金属シート又はポリマーの１つでもよい。そのために、シート（４６）がローラー（４８）に巻きつけられる際、分離材料（４９）はローラー（４８）上のシート（４６）に沿って引っ張られ得る。シート（４６）の１つの側部に適用され得る限り、分離材料（４９）を含むポリマーは、シート、液体、又は任意の他の形態で設けられ得る。更に、シート（４６）内の混合されたナノチューブが、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉなどの強磁性体の触媒のナノ粒子を包含し得るため、分離材料（４９）は、１つの実施形態において、シート（４６）が分離材料（４９）に強く付くのを防ぐために、例えば導電性又はその他のものなどの非磁性材料でもよい。代替的な実施形態において、分離材料は必要でない場合もある。
【００４３】
シート（４６）が生成された後、それはシート（４６）として残り、又はストリップなどの小さな切片に切断され得る。一実施形態において、シート（４６）をストリップに切断するためにレーザーを使用してもよい。レーザー光線は、一実施形態において、レーザーがハウジングから出た時にシート（４６）に向けられるように、ハウジングに隣接して位置してもよい。レーザー光線の操作及びストリップの切断を制御するためのコンピューター又はプログラムが利用され得る。代替的な実施形態において、シート（４６）をストリップに切断するための、当技術分野で既知の任意の機械的な手段又は他の手段が、使用され得る。
【００４４】
所望の程度で、静電場（図示せず）が、合成チャンバ（３１）から生成され得、ナノチューブをほぼベルト運動の方向に位置合わせするために使用され得る。静電場は、１つの実施形態において、例えば合成チャンバ（３１）の出口端部（３１４）の周辺に２以上の電極を置き、且つ該電極に高電圧を適用することにより、生成され得る。電圧は、一実施形態において、約１０Ｖから約１００ｋＶ、好ましくは約４ｋＶから約６ｋＶまで変わる場合がある。必要ならば、電極は、小さな石英又は他の適切な絶縁体などの絶縁体で保護され得る。電場の存在により、その中を通って移動するナノチューブは、電場に十分に合致し、ベルトの移動後にナノチューブの位置合わせを与え得る。
【００４５】
代替的に、カーボンナノチューブは、全体において引用により本明細書に組み込まれる同時係属の米国特許出願第１２／１７０，０９２号に提供されるような、カーボンナノチューブシートの合成の後に伸びることによって整列され得る。
【００４６】
システム（３０）は、述べられたように、図１１Ａに示されるシートなどの不織布のシートにおいて、高強度のバルクナノ材料を提供することができる。カーボンナノチューブ（１４）は、一実施形態において、図１１Ｂに示されるように、単一のＣＮＴシート（１２）において多層の構造又は形態を形成するために多数の別個の層（５１）に堆積され得る。上述のように、ナノファイバーの不織布のシート（１１０）は、ＳＷＮＴ又はＭＷＮＴのカーボンナノチューブのいずれかの多数の別個の層の堆積から作られ得る。一実施形態において、そのような不織布のシート（１１０）の引張強度は、ＳＷＮＴについては４０ＭＰａ以上となり得る。更に、そのようなシートは、ナノチューブの形成からの残りの触媒と共に使用され得る。しかし、典型的な残余は、２原子パーセント未満でもよい。
【００４７】
不織布のシートにナノ材料を設けることによって、バルクナノ材料は容易に扱われ、とりわけ水素貯蔵、電池、又はコンデンサ構成部品を含む、最終用途の適用のために後に処理され得る。
【００４８】
本発明の実施形態に従って作られるカーボンナノチューブは、界面活性剤による処理を必要としない場合があり、導電率と熱伝導率においてより優れて少なくとも３倍優れている場合があることを、理解されたい。更に、本発明の実施形態に従って作られるカーボンナノチューブシートは、複数の層を含み得る。他方、例えばバッキーペーパー中のカーボンナノチューブは、比較的短いナノチューブで作られ、界面活性剤による処理を必要とする。加えて、バッキーペーパーは、本発明の不織布のシートと共に設けられる多層に対立するものとして、ナノチューブのほんの１つの層から作られる。
【００４９】
＜処理プロセス＞
所望の程度で、一旦シート（４６）が生成されると、シート（４６）は、シートにおけるナノチューブの伝導率及び／又は生産性を増強するための処理を受ける場合がある。ストリップが生成されると、該ストリップも、ストリップにおけるナノチューブの伝導率及び／又は生産性を増強するための処理を受ける場合がある。
【００５０】
形成後のシート（４６）の処理は、一実施形態において、シート（４６）をプロトン化薬剤に曝す工程を含む。プロトン化薬剤の１つの特徴は、カーボンナノチューブを互いにより接近した状態にすることであり得る。カーボンナノチューブを共により接近することによって、プロトン化薬剤は、表面張力を少なくし、抵抗率を少なくし、且つシートの導電率を増加させるように作用し得る。プロトン化薬剤の例は、ヒドロニウムイオン、塩酸、臭化水素酸、フッ化水素酸、ヨウ化水素酸、炭酸、硫酸、硝酸、フルオロ硫酸、クロロスルホン酸、メタンスルホン酸、トリフルオロメタンスルホン酸、オレウムなどの酸、その薬剤、又はそれらの組み合わせ、或いは、電気的及び／又は熱的に伝導率であり得る他の材料が含まれ得る。
【００５１】
プロトン化薬剤は、一実施形態において、図９に示されるもの等の、装置（６０）の使用により適用され得る。前記装置は、一実施形態において、適用プロセスを通じてシートを導くための複数のローラーを含む。示されるように、第１ローラー（６４）及び第２ローラー（６５）は互いに隣接して位置してもよく、第２ローラー（６５）はローラー（６４）より下に置かれ得る。第１端部（６２）及び第２端部（６３）を備え、且つプロトン化薬剤を含有するタブ（６１）は、第１ローラー（６４）と第２ローラー（６５）の真下に位置し得る。第１ローラーは、タブ（６１）を通して、第２ローラー（６５）上にシートを押しつけるように作用し得る。第２ローラー（６５）は、第１ローラー（６４）からシートを引っ張り、該シートから過剰なプロトン化薬剤の流体を絞り出し得る。第３ローラー（６６）が、第１ローラー（６４）の近くのタブの第１端部（６２）の上に置かれ、一方で第４ローラー（６７）が、第２ローラー（６５）の近くのタブの第２端部（６３）の上に置かれ得る。シート（６８）がローラーを通って滑らかに移動することを可能にするために、ローラー（６４、６５、６６、及び６７）が、連続して位置付けられ得る。もちろん、４つのローラーを備えると図９に示されるが、シート（６８）の後処理用の装置は、少数の又は多数のローラーを含み得る。必要な程度で、プロトン化薬剤から蒸気が漏れるのを防ぐような様式で、フードが位置付けられ得る。１つの実施形態において、装置（６０）は、ポリプロピレンフードなどのフードを含み得る。
【００５２】
プロトン化薬剤によるシート（６８）の処理は、第３ローラー（６６）上にシート（６８）のボビン又はロールを置く工程を含み得る。その後、シート（６８）は下流に移動し、第３ローラー（６６）から、第１ローラー（６４）を通って、プロトン化薬剤を含有するタブ（６１）に入り、第２ローラー（６５）上を通過して、第４ローラー（６７）を渡る。
【００５３】
処理後の特定の状況において、結果として生じるシート（６８）は酸性又は塩基性でもよい。結果として生じるシート（６８）のｐＨをほぼ中性にするために、すすぎ液がシート（６８）に適用され得る。すすぎ液は、一実施形態において、プロトン化薬剤内で連続的に適用され、又は、プロトン化薬剤とは別個に適用され得る。
【００５４】
別の実施形態において、シート（６８）の処理は、第２溶液が炉を出て、ベルト（３２０）に集められるように、第２溶液をシート（６８）に吹きかける工程を更に含み得る。溶液は、一実施形態において、カーボンナノチューブの位置合わせを増強し、且つカーボンナノチューブが互いにより接近するのを可能にするような様式で、ナノチューブの外部表面を覆う化合物の混合物を含有し得る。
【００５５】
一実施形態において、第２溶液の混合物は、溶媒、ポリマー、金属、又はそれらの組み合わせを含み得る。本発明の溶液に関して使用される溶媒は、カーボンナノチューブのより優れた位置合わせ及び特性の増強を獲得するために、シートを滑らかにするよう使用され得る。溶液に関して使用され得る溶解の例は、トルエン、ケロシン、ベンゼン、ヘキサン、任意のアルコール（エタノール、メタノール、ブタノール、イソプロパノールを含むがこれらに限定されない）、同様に、テトラヒドロフラン、１−メチル−２−ピロリジノン、ジメチルホルムアミド、塩化メチレン、アセトン、又は本発明がこの様式で限定されないことを意図するような任意の他の溶媒を含む。一実施形態において、溶媒は、ポリマー、モノマー、無機塩類、又は金属酸化物のための担体として使用され得る。
【００５６】
溶液に関して使用され得るポリマーの例は、ポリウレタン、ポリエチレン、ポリ（スチレン・ブタジエン）、ポリクロロプレン、ポリ（ビニルアルコール）、ポリ（ビニルピロリドン）、ポリ（アクリロニトリル−ｃｏ−ブタジエン−ｃｏ−スチレン、エポキシ、ポリウレアシラザン、ビスマレイミド、ポリアミド、ポリイミド、ポリカーボネート、又は任意のモノマー（スチレン、ジビニルベンゼン、アクリル酸メチル、及びｔｅｒｔ−アクリル酸ブチルを含む）を含むが、これらに限定されない小さな分子又はポリマーマトリクス（熱硬化性又は熱可塑性プラスチック）を含む。一実施形態において、ポリマーは、液体の形態で得るのが困難であるポリマー粒子を含み得る。
【００５７】
溶液に関して使用され得る金属の例は、塩（ニッケル水酸化物、水酸化カドミウム、塩化ニッケル、塩化銅、カルシウム亜鉛酸塩（ＣａＺｎ２（ＯＨ）６）を含むが、これらに限定されない、任意の遷移金属、アルカリ金属、又はアルカリ土類金属塩、或いはそれらの混合物）、又は金属酸化物（酸化亜鉛、酸化鉄、酸化銀、酸化銅、酸化マンガン、ＬｉＣｏＯ２、ＬｉＮｉＯ２、ＬｉＮｉｘＣｏ１−ｘＯ２、ＬｉＭｎ２Ｏ４を含むが、これらに限定されない、任意の遷移金属、アルカリ金属、又はアルカリ土類金属酸化物、或いはそれらの混合物）を含む。一実施形態において、金属は、カーボンナノチューブ金属マトリックス複合材料を作成するためにポリマー又は揮発性溶剤を含み得る。そのようなポリマー又は揮発性溶剤の例は、アルミニウム又はその合金、ニッケル、超合金、銅、銀、スズ、コバルト、鉄、鉄合金の粉末形態、又は、二元複合体及び三元合金又は超電導体さえも含む粉末形態で生産され得る任意の要素を含む。
【００５８】
溶液を分散するために、スプレー装置が使用され得る。前記スプレー装置は、市販で入手可能な任意の装置でもよい。一実施形態において、前記スプレー装置の一端には、スプレーヘッドが存在し、該スプレーヘッドを通って、溶液はシート（４６）上にスプレーされ得る。一実施形態において、前記スプレーヘッドは、平面、丸型、又は溶液が中を通って出るのを許容できるような任意の他の形状でもよい。所望の程度で、前記スプレーヘッドは、連続的な様式又は予めプログラムされた様式で溶液を放射してもよい。
【００５９】
一旦シート（６８）が処理されると、処理されたシート（６８）は、シートの処理のために熱源に曝され得る。例えば、前記シートは、複合シート又は最終生成物の所望の形態をもたらすために、焼結、高温静水圧圧縮、ホットプレス、冷間静水圧成形に曝され得る。
【００６０】
前記複合シートの処理は、別の実施形態において、シートの構造の完全性を増加させ、且つ十分に低い抵抗結合を提供するために、複合シートにガラス状炭素材料を注入する工程を更に含む。ガラス状炭素は、一般に、カーボンナノチューブに関係する炭素の形態でもよく、無定形炭素のマトリックスを含むリボンのような、相当量のグラフェンを包含し得る。これらリボンは、ｓｐ２が結合したナノチューブにほぼ類似し得る、ｓｐ２が結合したリボンを含む。結果として、それらは比較的優れた熱及び電気の伝導率を有し得る。ガラス状炭素が作られ得る前駆物質材料の例は、フルフリルアルコール、ＲＥＳＯＬレジン（即ち、アルキルフェニルホルムアルデヒド）、ＰＶＡ、又は液体レジン、或いは熱処理時にガラス状炭素を形成すると知られる任意の材料を含む。もちろん、他の商業上利用可能なガラス状炭素材料又は前駆物質材料が、使用され得る。
【００６１】
本発明の実施形態に従い、カーボンナノチューブシートは、シート内のカーボンナノチューブの実質的な整列を可能にするように化学的に処理され得る。カーボンナノチューブシートは、本明細書に記載されるように、リチウムなどの活性化合物又は層間の要素を挿入するように更に処理され得る。
【００６２】
＜電池の適用＞
電池は一般的に、電極と、電極間に配置される電解質との対を包含する、一種の電気化学電池である。電極の１つはカソードと称され得、ここで、活性材料は放電中に少なくされる。他の電極はアノードと称され得、ここで、別の活性材料は放電中に酸化する。二次電池は一般的に、放電後に電気を充電することができる電池と称される。
【００６３】
二次電池の高電圧及び高エネルギー密度のため、リチウム二次電池などの二次電池に対して研究が行なわれた。二次電池のカソードのための電極材料に特に注意を払った。例えば、米国特許第４，８３３，０４８号は、ジスルフィド化合物を、陽イオン（Ｍ＋）を供給し且つ捕捉する金属Ｍと組み合わせることにより得られた充電式電池を開示する。該充電式電池は、少なくとも１５０Ｗｈ／ｋｇの改善されたエネルギー密度を提供する。しかし、ジスルフィド化合物の酸化電位と還元電位の間の差は非常に大きい。電気化学反応の理論に従い、ジスルフィド化合物の電子伝達は室温で非常にゆっくりと進行する。それ故、室温で１ｍＡ／ｃｍ２以上のより高い電流出力を提供する充電式電池を得ることが、難しい場合もある。ジスルフィド化合物の電極を含む電池の操作は、１００℃乃至２００℃の範囲にある高温度に制限され、そこでは、電子伝達がより速く進行することが可能となる。
【００６４】
リチウムに基づいた化学的性質は、著しいエネルギー貯蔵の有望性を提供する；しかし、保存され且つ余分な重量によって負担を受け得る、モバイルのリチウムの重量によって制限される。電力を生成するデバイスの１つのメトリック（ｍｅｔｒｉｃ）は、重量比対エネルギー容量に対する電力である。従来の電池、同様に現在利用可能な二次電池は、比較的重い部品から作られるため、生成されるエネルギーの量は、より軽い材料が使用され得る場合と同じように効率的又は理想的でない場合もある。
【００６５】
３乃至４．２Ｖの電池電位が非常に高エネルギーの電流ソースを提供するため、リチウムに基づいた化学的性質は、電池にとってほぼ理想的である。リチウム電池による安全の問題は、大部分については、純粋なリチウム金属の代わりのリチウムリザーバとして黒鉛ベースのアノードへのリチウムインターカレーションの使用により、及び適切な熱リンク及び圧力放出を加えることによって、対処されてきた。シャトル化合物（ｓｈｕｔｔｌｅ  ｃｏｍｐｏｕｎｄ）の使用に結び付けられるこの手法は、この化学的性質に関連する安全の問題を最小化した。残りの問題は、様々な構成部品の重量、熱暴走の可能性、及び、リチウムを空気又は水へ暴露し得る事故から結果として生じる外部の物理的な損傷に関係する。
【００６６】
既存の電池技術は典型的に、アノード材料、カソード材料、及び黒鉛と結合剤のような電流を増強する追加物（ｃｕｒｒｅｎｔ  ｅｎｈａｎｃｉｎｇ  ａｄｄｉｔｉｏｎｓ）を含む化合物で覆われた、金属電流収集装置を使用する。アノード電流収集装置は典型的に銅であり、一方でカソード電流収集装置は典型的にアルミニウムであり、ケースは典型的に鋼である。時々、焼結した黒鉛プレートが電流収集装置として使用される。
【００６７】
本発明は、他方で、高電力、及び、カソードとアノードの両方のためにカーボンナノチューブの１以上のシートを利用する、高性能の電池（例えば、再充電可能な又は二次電池）を提供する。本発明はまた、用途に関連する様々なエネルギー及び電力における使用のための、高電力及び高性能の電池を提供する。
【００６８】
本発明の電池は、一般に、正極、負極、電極間に位置するセパレーター、及びケースを含む。幾つかの実施形態において、電池は、電流収集装置としての使用のためカーボンナノチューブシートから作られる電極を利用し、また、カーボンナノチューブ複合ケースを利用し得る。幾つかの実施形態において、電極は、リチウムなどの活性化合物又は挿入要素が組み込まれる、位置合わせしたカーボンナノチューブシートを利用する。本発明の１つの実施形態に従って、電池は、リチウムイオン型電池でもよい。代替的に、本発明の別の実施形態に従い、電池はニッケル亜鉛型電池でもよい。
【００６９】
本出願における電気化学的用途において、独立型カーボンナノチューブを電極として使用することにより、電極が二機能性（即ち、活性材料と電流収集装置の両方としての役割）を維持することが可能となる。結合剤がこれら電極を作り上げることを要求されないため、高温用途の可能性が熟慮され、２００℃（大半の従来の結合剤が不安定となる温度）を超えた電池の用途における使用を広げる。独立型電極はまた、薄膜電池及び代替的な形態因子のために、軽量で柔軟な幾何学的形状を提供する。独立したＣＮＴシートの物理的特性は、任意の用途に対して重要な考慮事項であるが、リチウムイオン電池に関しては、強度と導電率を取り巻く問題が最重要である。電池の製造は典型的に、ロールコーター又はダイカッティング（ｄｙｅ  ｃｕｔｔｉｎｇ）を利用するため、強度は、結合剤と金属基材が存在しないため、ＣＮＴ電極に対する重要な考慮事項である。合成及び処理の工程は、この特性に劇的に影響を及ぼし得るが、本発明の実施形態に従って作られた典型的なＳＷＣＮＴシートの引張強度は、約８０−１００ＭＰａである。本発明の実施形態に従って作られたＳＷＣＮＴシートに関するヤング係数は、約５−１０ＧＰａの範囲にあり、塑性変形前にこれら材料に大きな力が加えられ得ることを示す。別の都合の良い特性は、本発明のＣＮＴシートが必要とされる任意の形状因子へと形成され得ることである；それらは、従来のハサミで容易に切断され得る。
【００７０】
本発明の精製したＳＷＣＮＴシートの電気伝導率は約１０６Ｓ／ｍであり、適切なドーピングにより純金属の導電率に接近することができる。本発明の独立した電極のための温度依存性の反応はまた、誘引性の電気的性質を有し、約１００−４００Ｋの範囲にわたる導電率において約３％未満の変異を示す導電率反応を含む。本発明の実施形態に従って作られる、独立したＳＷＣＮＴ電極における電子輸送は、チューブ間の相互作用のため、障壁にトンネルを作ることによって遮られる優勢な金属伝導に起因し、同様に、フォノン散乱と可変領域ホッピングに起因し得る。
【００７１】
本発明の電池の主な構造の要素は、（１）アノード電流収集装置、（２）カソード電流収集装置、及び（３）構造のケースを含み、それらは全て、ＣＮＴシート及び／又はＣＮＴ複合シートから作られ得る。図１３は、電池の１つの実施形態を示す。電池（５０）は、示されるように、カーボンナノチューブカソード（５２）、カーボンナノチューブアノード（５４）、カソードとアノードの間のセパレーター（５６）、及びケース（５８）を含む。電池（５０）は電解質材料も有し得る。電池（５０）の充電中、イオン（例えばリチウムイオン）は正極（カソード）から負極（アノード）まで移動し、一方で放電中、イオンは負極から正極まで移動する。
【００７２】
本発明のカーボンナノチューブ組成物はまた、既存の電池と比較して電池の重量を最小化するのに、及び、本発明の電池のエネルギー対重量及びエネルギー対体積の比を増加させるのに、有用であり得る。
【００７３】
独立型のＣＮＴ電極の構成は、金属箔基板の必要性を排除し、容量及び速度性能を増加させることができる。独立したＣＮＴ電極はリチウムを保存し、また、電池中で使用可能なアノードの特定の容量（Ａｈ／ｋｇ）を著しく増加させ得る、シリコンとゲルマニウムのような、極めて高容量の半導体粒子を支持し得る。
【００７４】
本発明の電池は、アルミニウムアノード及び銅カソード、又は結合剤及び導電性充填剤などの重材料を有していないという長所を有する。本発明の電池のカーボンナノチューブ組成物はまた、高い破壊靭性を提供し得る。加えて、本発明のカーボンナノチューブ電池は、暴走を始める可能性のある、熱によるホットスポットを防ぐことができる。
【００７５】
アノードとカソードは、１つの実施形態において、カーボンナノチューブの少なくとも１つのシートから形成され得る。カーボンナノチューブのシートは、図６に示されるシステム（３０）を使用するＣＶＤプロセスによって作り上げられ得る。浮遊触媒ＣＶＤプロセスを使用して気相中で生成されるナノチューブは、回転ドラムに置かれ得る大量のナノチューブを形成することができる。ニッケル、亜鉛、ニッケル亜鉛合金、リチウム、リチウム混合金属酸化物、ニッケル酸化亜鉛などの化合物、又はそれらの組み合わせは、回転ドラムに堆積され得る化合物により大量のナノチューブを形成するために加えられ得る。単一のシート内のカーボンナノチューブの複数の層によって画成される幅広いマットを作成するために、前記ドラムは、炉出口の前で並進運動（ｔｒａｎｓｌａｔｅ）する場合がある（図１１ｂを参照）。図５を参照すると、ナノチューブ（１４）の複数の層（１２）は、不織布のシート（２０）を所望の密度に作り上げるために堆積され得る。一実施形態において、不織布のシートの密度は約１ｍｇ／ｃｍ２である。幾つかの実施形態において、各不織布のシートの密度は、例えば約０．１ｍｇ／ｃｍ２から約５ｍｇ／ｃｍ２までの広い範囲内で制御され得る。そのような不織布のシートの例は、アイテム（１１０）として図１１ａに示される。各シートは、１つの実施形態において、カーボンナノチューブ（１４）の層の厚み及び／又は数を変えることにより作られ得る。幾つかの実施形態において、複数のシートが、約８０ｇ／ｍ２の密度を有するカーボンナノチューブマットを作り上げるのに必要とされ得る。例えば、所望のカーボンナノチューブ密度を提供するために、複数のシートが互いの上部で層状にされ得る。所望の程度まで、前記シートは、プロトン化薬剤を有し得る、又は有さない場合もある。
【００７６】
＜カソード＞
前記カソードは、一実施形態において、例えば、混合金属酸化物に浸透した、位置合わせしたカーボンナノチューブの１以上のシートから作られ得る。一実施形態に従い、混合金属酸化物は、電流の生成のために利用されている、ニッケル酸化亜鉛酸化物、ニッケルコバルト酸化物、リチウム金属酸化物、又は任意の他の同様の化合物であり得る。例えば、カーボンナノチューブのシートは、ナノスケールの鉄−リチウム−リン酸塩、リチウム−ニッケル−酸化物、リチウム−コバルト−ニッケル−酸化物、リチウム−コバルト−酸化物、亜鉛−ニッケル−酸化物、又はそれらの組み合わせを浸透し得る。他の置換は、硫黄（酸素のため）、硫酸塩、ホウ酸塩、及びケイ酸塩と共に混合されたリチウムを含み得る。代替的に、本発明の電池は、亜鉛空気ベース、ナトリウムベース、又は鉛酸ベースであり得る。位置合わせしたカーボンナノチューブのシートについて言及されるが、位置合わせしていないカーボンナノチューブのシートも使用され得ることに、注意されたい。
【００７７】
混合金属酸化物は、カソードとして使用されるカーボンナノチューブのシートの構築中に、カーボンナノチューブのシート内に組み込まれ得る。幾つかの実施形態において、ナノチューブ拡張プロセス中に、混合金属酸化物が加えられ得る。例えば、混合金属酸化物は、任意の既知の方法を使用して、ナノチューブ拡張プロセス中に大量のナノチューブと共に分散され得る。代替的な実施形態において、混合金属酸化物は、既知の方法を使用するカーボンナノチューブシートの組成後に加えられ得る、又は堆積され得る。例えば、混合金属酸化物は、アセトン、イソプロプロパノール、メタノール、エタノールなどの揮発性担体中で分散され得、及び、カーボンナノチューブシート上にスプレーされ得る。シートを加熱して担体をシートから蒸発させることにより、カーボンナノチューブ粒子複合材材料を形成することができる。
【００７８】
＜アノード＞
本発明の電池のアノードは、黒鉛粒子、シリコン微粒子、ゲルマニウム粒子、又はそれらの組み合わせが組み込まれる、１以上のカーボンナノチューブのシートを含み得る。アノードは、カソードのように拡張プロセス中にリチウム又は亜鉛ニッケルの粉末を加えることにより、或いは、予め形成したカーボンナノチューブシートにスプレーすることにより、リチウム層間化合物又は亜鉛ニッケル合金を構造に含む、位置合わせしたＣＮＴシートから形成され得る。位置合わせしたカーボンナノチューブのシートについて言及されるが、位置合わせしていないカーボンナノチューブのシートも使用され得ることに、注意されたい。
【００７９】
シリコン又はゲルマニウムの粒子は、一実施形態において、化学蒸着法プロセスを使用してカーボンナノチューブのシート上に被覆され得る。例えば、図１４−１５を参照すると、シリコン粉末又はゲルマニウム粉末などの半導体粉末は、カーボンナノチューブシートに組み込まれ得る。代替的に、シリコン粉末又はゲルマニウム粉末などの半導体粉末は、負電流収集装置又はアノードを形成するために、カーボンナノチューブシートに溶接され得る。幾つかの実施形態において、シリコンの粒子は、アセトン、エタノール、メタノールなどの溶媒又は担体中で分散され、及び強力な超音波パルスによってＣＮＴシートに溶接され得る。幾つかの実施形態において、シリコン微粒子がカーボンナノチューブと一体になるように、シリコン又はゲルマニウムの粒子が、高エネルギー溶接、又は当該技術分野で既知の同様のプロセスを使用して、カーボンナノチューブに加えられる。例えば、シリコン又はゲルマニウムの粒子は、１以上のカーボンナノチューブの上に、又は１以上のカーボンナノチューブの表面に、位置付けられ得る。代替的に、シリコン微粒子は、当該技術分野で既知の任意の他の適切な方法によって、カーボンナノチューブの表面に付着され得る。
【００８０】
幾つかの実施形態において、シリコン又はゲルマニウムの粒子は、マイクロメートル又はナノメートルの範囲にある。幾つかの実施形態において、シリコン又はゲルマニウムの粒子は、１００ｎｍ以下である。
【００８１】
中にシリコン又はゲルマニウムのナノ微粒子が挿入される、カーボンナノチューブシートを設けることにより、アノードに結合剤又は伝導率の添加剤を加えることが、必要で無くなり得る。加えて、熱安定性は、熱センサー及び通気弁（ｖｅｎｔｉｎｇ  ｖａｌｖｅｓ）が潜在的に除去され得る点まで、改善され得る。
【００８２】
カーボンナノチューブの独立型シートから作られる電極を使用する重要な点は、不活性な銅箔の除去により、使用可能な容量が増大され得るということである。銅基板の除去は、放電深度の増加、及び充電のほぼ０ボルト状態を維持する能力を含む、更なる利点を持つ。２．５Ｖ未満の長期間のサイクルは、銅基板の酸化に通じることが、十分に文書で証明されている。
【００８３】
加えて、本発明によって使用される方法によって製造される、シリコン又はゲルマニウムの粒子を持つカーボンナノチューブのシートが、市販の黒鉛アノードのエネルギー密度より３倍まで高いエネルギー密度を持つことが、観察された（表１を参照）。
【００８４】
１つの実施形態において、０．５ｍｇのナノシリコン粒子は、２５０ｍｌのアセトン中で分散された。個々のカーボンナノチューブシートは、それらが超音波ホーン（Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃａｔｏｒ  ＶＣ６００，  Ｓｏｎｉｃｓ  ＆  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，  Ｎｅｗｔｏｎ）から０．２５乃至０．５０インチの距離で溶液に懸濁されるように、金属ホルダーに入れられた。超音波ホーンは、以下のセッティング、デューティサイクル：２、及びマイクロチップ限界：２．３に設定される。デューティサイクルは、パルスがサンプルに送達された時間のパーセンテージを規定した。ミクロンで測定される振幅は、プローブの先端が移動する上下の距離（軌跡）として定義される。振幅設定点は、プローブの直径に基づき、及び、液体に送達されるエネルギー量を規定した。タイマーが目標値に設定され、超音波処理が開始された。超音波ホーンをビーカーの中心に維持して、確実に電力をサンプルへと平等に送達した。
【００８５】
【表１】
2015534209.tif 000003
【００８６】
銅電流収集装置を備える、市販で入手可能な黒鉛アノードは、３５０ｍＡｈ／ｇのエネルギー密度を持ち、一方でＳＷＮＴ電流収集装置シート上に蒸着したシリコンを持つアノードは、約１５００ｍＡｈ／ｇ以上のエネルギー密度を提供することができる。上記のものに加えて、本発明のカーボンナノチューブのシートは、市販で入手可能なアノードと比較して１０倍以上高い静電容量を持つことが、測定されてきた。
【００８７】
＜セパレーター＞
正極及び負極は、１つの実施形態において、セパレーターによって分離されるように設計され得る。例えば、セパレーターは、多孔性及び親水性の膜などの膜であり得る。幾つかの実施形態において、セパレーターは、ポリプロピレン及び／又はポリエチレンの電解質膜であり得る。前記膜が、前記膜を通る電解質の拡散を可能にする限り、他の薄いセパレーター／膜は代替的に、電極間に配置され得ることを、理解されたい。一実施形態において、膜は、ＣＥＬＧＡＲＤ（商標）の多孔質ポリエチレン膜、又はポリエチレン膜、或いはそれらの組み合わせ、又は、アルカリ電池と共に使用することができる他の膜でもよい。
【００８８】
任意の適切な電解質溶液が使用され得る。典型的な電解質は、限定されないが、ＫＯＨ、ＨＮＯ３、ＨＣｌ、テトラエチルアンモニウム  ビス（オキザレート（ｏｘａｌｏａｔｏ））ホウ酸塩（ＴＥＡＢＯＢ）、テトラエチルアンモニウムテトラフルオロボラート（ＴＥＡＢＦ４）、又は、アセトニトリル中で溶解したトリエチルメチルアンモニウムテトラフルオロボラートの水溶液を含む。
【００８９】
＜ケース＞
幾つかの実施形態において、電池のケースは、カーボンナノチューブ高分子複合材料から作られる。電池のケースは、予め含浸したＣＮＴシートから形成され得る。これらシートは、強化したエポキシ樹脂、ビスマレイミド、ポリプロピレン、ポリエチレン、ＰＰＳ、ＰＥＥＫ（ポリエーテル・エーテル・ケトン）、ＰＴＦＥなどの様々な重合体マトリックスを含浸し得る。幾つかの実施形態において、前記シートは、約２０乃至約５０％のカーボンナノチューブ含有量を含み得る。結果として生ずる複合材料の密度は、標準の鋼のケースに関して７．８ｇ／ｃｃより大きな密度と比較して、１ｃｃ当たり２グラム未満である。
【００９０】
カーボンナノチューブのシートに対するバスは、リベット固定されるか、又はスポット溶接され得る。カーボンナノチューブのシートの縁部は、一実施形態においてニッケルで予備的に電気めっきを施され得るため、後者が可能となる。
【００９１】
これらの電池のケースは、別々に量産され、又は電池材料（アノード、カソード、セパレーター、入口弁、出口弁）は、製造工程中に予め含浸して封入され得る。ケースは、１工程で電池アノード、セパレーター、及びカソードを熱密閉するために使用され得る。代替的に、熱硬化性マトリックス材料を用いて、組立後に電池を完全に密閉することができる。所望される場合、安全な圧力解放弁は、組立中に構造に同時密閉され得る。
【００９２】
そのような複合材料は、幾つかの実施形態において、鋼よりも高い破壊強度を持ち、且つ、約４倍も軽い。加えて、そのようなカーボンナノチューブ複合材料は、高い破壊靱性をケースに与える。カーボンナノチューブ複合材料から作られるケースは、鋼から作られる従来のケースよりも遥かに強く、且つ高い破壊靱性を持つという利点を有し、及び、崩壊損傷を軽減するために電池構造用部材として使用され得ることに、注目されたい。
【００９３】
既存の技術と、本発明の１つの実施形態に従う電池との間の比較が、図１２−１３で示される。幾つかの実施形態において、アノードは、互いの上に複数のカーボンナノチューブシートを有し、且つ、カーボンナノチューブに浸透し及び溶接されるシリコンの粒子を含む、マットである（図１４及び１５）。
【００９４】
図１６は、周波数の関数として比電気伝導率が、銅収集装置及びカーボンナノチューブ収集装置について測定されたことを示す。
【００９５】
図１７は、６０％のカーボンナノチューブエポキシ複合材の応力歪み曲線を示す。示されるように、炭素複合材料は、１Ｇｐａの破壊応力を持つ。
【００９６】
＜電池パック＞
本発明の幾つかの実施形態に従い、電池は、エネルギー密度及び／又は電力を最適化するように設計され得る。電池パック中のセルの数を増加させることにより、所望量のエネルギーを蓄える電池を設計することが、可能である。従って、電池は、一実施形態において、２以上のセルを含むよう最適化され、各セルは、所望の幾何学的形状及び寸法を持つ。例えば、セルは、円筒状（螺旋状に巻き付けられる）又は角柱状でもよい。セルは、モジュール、又は電池パックに組み込まれ得る。セル又はモジュールは、本明細書に記載されるように、鋼よりも遥かに強く且つ鋼よりも高い破壊靱性を持つという利点を有する、カーボンナノチューブ複合材料から作られたケース中に包装され、且つ、崩壊損傷を軽減することができる。
【００９７】
ケースのカーボンナノチューブ複合材料は、ヒートシンクとして作用し得ることを、理解されたい。それ故、説明されるような構成要素を持つ、本発明の電池の設計は、圧力センサー、温度センサー、圧力解放弁、又は安全ベントなどの追加の保護物を備えることなく、電池が作用させることができる。
【００９８】
＜混合金属の実施形態の適用＞
金属水素化物型電池の欠点の１つは、電池の複数の充電−放電の過程での、電極の完全性の劣化である。これは、水素化の相の変化に伴い、合金の亀裂に通じる拡張の結果として生じ得る、格子接触（ｌａｔｔｉｃｅ  ｃｏｎｔａｃｔ）の変化も存在するためである。前記合金は典型的に、電池がその性能を緩め始めるまで、約３００乃至５００のサイクルを耐える場合がある。
【００９９】
他方、本発明の方法によって作り上げられるナノ構造材料を使用する場合、電池が耐えることのできるサイクルの数が、増加し得る。特に、本発明の実施形態に従って作られるカーボンナノチューブのシートを利用する電池は、この種の劣化を最小化することができ、それ故、無制限の回数の充電−放電のサイクルに耐えることができる。
【０１００】
カーボンナノチューブのシートは、リチウムイオン電池よりも遥かに多くのエネルギーを蓄えることができるだけでなく、充電／放電サイクルにより劣化しないという利点を持つことを、理解されたい。加えて、カーボンナノチューブのシートは、十分に高い表面積を提供することができ、その結果、二重層充電は、電力は非常に高いがピークは短い電池に必要とされる場合、要求に応じて戻され得る莫大なエネルギーを保持するために、適応され得る。この作用が、本発明の電池と他の市販で入手可能な二次電池との間の強い差異を示す。
【０１０１】
導電性カーボンナノチューブのシートを含む、上で説明される構成要素を持つ本発明の電池は、二次電池としての用途を持つ。二次電池は一般的に、放電後に電気を充電することができる電池と称される。本発明の電池の設計はまた、電池が２つの工程で放電されるのを可能にする。特に、電池の第１の放電は、比較的高い電力を生成し、第２の放電は、比較的高いエネルギーを生成することができる。
【０１０２】
本発明のカーボンナノチューブは、高アスペクト比、リチウムイオンのインターカレーションのためのチャンネル、電気及び熱の両方の向上した伝導率、及び増加した容量を含む、様々な有用な特性を持つ。本発明のＳＷＣＮＴ又はＭＷＣＮＴのシートを持つアノード、同様に本発明のＳＷＣＮＴ又はＭＷＣＮＴのシートを持つカソードは、電気及び熱の伝導率、並びに容量の改善を示すことができることに、注目されたい。加えて、本発明のシートを使用して作られるカソードとアノードは、重量の減少を示すことができる。更に、本発明のカーボンナノチューブシートの使用は、電力と重量の比率対エネルギー容量の改善を示すことができる。
【０１０３】
電池の設計は、電池の質量及び体積を減らし、且つ、例えば電気自動車における使用を可能にするように最適化され得ることに、注目されたい。現在、化石燃料及び温室効果ガスの排出に対する依存性を同時に減らす、持続可能なエネルギーシステムが、世界的規模で追求されている。これらの発案の基礎となるものは、より持続可能な輸送機関（例えば電気自動車）、及び太陽光及び風力技術から再生可能なエネルギー消費を増加させる能力を開発することに向けた戦略である。そのような絶え間ない製造及び消費の必要条件のため、これらの方向性は、高度な電池でのみ効果的に実現されると予想される、有意な蓄電容量を必要とする。リチウムイオン技術は、他の再充電可能な技術を上回るエネルギー密度の増加のため、主たる電池化学として出現した。しかし、前進する技術は、電気自動車、モバイル通信、及びモバイルグリッド保存（ｍｏｂｉｌｅ  ｇｒｉｄ  ｓｔｏｒａｇｅ）などのポータブルな用途における、電池の質量及び体積の特徴を減らし得る、より大きなエネルギー密度を必要とする。電池対応の電気自動車が外国のエネルギー源及び温室効果ガス排出の使用を著しく少なくするため、リチウムイオン電池の向上は直接、ＡＲＰＡ−Ｅの任務領域の両方を支持する。
【０１０４】
本発明のシステム及び方法は、複合シートにおいて、高強度の、低い又は同等の重量の、バルクナノ材料を提供することができる。複合シート中にナノ材料を提供することによって、バルクナノ材料は、（ｉ）織物、外装、複合強化、アンテナ、導電体又は熱伝導体、ヒーター、及び電極などの構造システム、（ｉｉ）プレート及びＩ−ビームなどの機械的な構造要素、及び（ｉｉｉ）ケーブル又はロープを含む、最終使用の用途のために容易に扱われ、且つその後処理され得る。他の用途は、水素貯蔵、又はコンデンサ部品を含み得る。
【０１０５】
前述の技術の拡大及び商業化は、現在のリチウムイオン電池用の炭素及び基板に匹敵する価格で、十分な品質の材料を大量に製造する能力に依存する。本発明の方法に従って製造される、高品質なＳＷＣＮＴＳの大きなシートは、前記電池が作られ得る、強い、軽量な、且つ電導性−熱伝導率の材料を提供する。
【０１０６】
更に、複合シートは、運動用具製品、ヘルメット、アンテナ、モーフィングアプリケーション、航空宇宙産業、避雷、防炎加工などの、更なる最終用途の適用のために、複合構造物に組み込まれ得る。複合シートは更に、ニッケルを含まず、即ち、前記複合シートは、標準製品ほど有毒ではないことを意味する。加えて、複合シートは、該複合シートを完全に又は部分的に交換する必要性を排除するために、修理可能であり得る。１つの実施形態において、複合材料は、Ｋｒａｙｔｏｎ、ビニルエステル、硫化ポリフェニレン（ＰＰＳ）、ポリエーテル・エーテル・ケトン（ＰＥＥＫ）、ビスポリアミド、ＢＭＩ（ビスマレイミド）、エポキシ、又はポリアミドなどのマトリックス前駆物質を複合シートに含浸させ、その後、マトリックスが重合する又は熱硬化することにより、形成され得る。
【０１０７】
本発明から作られたカーボンナノチューブの複合シートには、種々様々な用途がある。具体的な用途の例は、電磁波を吸収、反射、又は送信し得る、電磁干渉シールド（ＥＭＩシールド）を含む。シールドは、周囲の機器からの干渉を防ぐことに役立ち得、及び、ステレオシステム、電話、携帯電話、テレビ、医療器具、コンピューター、及び他の多くの用途において見出され得る。これら及び同様の用途のために、ガラス質の炭素前駆物質がほぼ薄い層に設けられ、それにより、カーボンナノチューブシートへの浸透が、該シートの特性の劣化を防ぐために最小化され得ることが、重要であり得る。
【０１０８】
ＥＭＩシールドは、カーボンナノチューブのシートからの挿入損失を最小化するのに更に有用であり得る。挿入損失は、複合シートの使用前及び使用後の受電における差異を表わす。図１０に示されるように、受電はほぼ即時に低下し、その後安定する。
【０１０９】
カーボンナノチューブの複合シートは、レーダー信号（ＥＭＩシールド）の吸収において結果として生じる組立体を利用すること、又は、避雷、ヒートシンク、又はアクチュエーターなどの他の所要の特性を設けることなど、更なる用途を持つ場合がある。そのような用途について、結合剤がカーボンナノチューブシートに浸透するかどうかは、重要でない場合がある。従って、ガラス状炭素材料は、コンデンサ、電池、又は燃料電池の用途において実行されるものよりも、手間をかけることなくコーティングされ得る。１つの実施形態において、この例における用途のための基板は、黒鉛エポキシ、ｅ−ガラスエポキシ、又は他のタイプのマトリックスとの組み合わせであり得る。
【０１１０】
＜追加の実施形態＞
本発明の別の実施形態において、（１）アノード電流収集装置、（２）カソード電流収集装置、及び（３）構造的なケースを含む電池が提供され、前記（１）乃至（３）は全て、ＣＮＴシート及び／又はＣＮＴ複合シートから作られ得る。そのような電池はまた、負極と正極の間にあるセパレーター、及びケースを含み得る。本発明の電池は、電解質材料も有し得る。１つの実施形態において、ＣＮＴカソードは、その上に硫化ニッケル又は硫化スズを堆積し得る。１つの実施形態において、前記アノードは、シリコンが堆積されるＣＮＴシートを含み、及び前記カソードは、硫化ニッケル又は硫化スズが堆積するＣＮＴシートを含み得る。
【０１１１】
前記シート上に硫化ニッケルを堆積する前記ＣＮＴカソードを作るために、ダマシンニッケル（Ｄａｍａｓｃｅｎｅ  ｎｉｃｋｅｌ）などのニッケルは、ＣＮＴシート上に堆積し、その後、加熱プロセス等により硫化ニッケルに変えられ得る。別の実施形態において、前記シート上に硫化スズを堆積するＣＮＴカソードを作るために、スズは、ＣＮＴシート上に堆積し、その後、加熱プロセスなどにより硫化スズに変えられ得る。
【０１１２】
ＣＮＴアノードは、ＣＶＤによるシランからのシリコンコーティングによって製造され得る。その後、カソードへの電着によって製造されるニッケルは、後に硫化ニッケル（ＮｉＳ）に変えられる。その上にシリコンを堆積するＣＮＴシートを含むアノードは、上述の方法を使用して形成され得る。
【０１１３】
幾つかの実施形態において、電池は、アノードとカソードがＣＮＴから作られることを除いて従来の材料で作られ得ることを、理解されたい。例えば、幾つかの実施形態において、カソード及びアノードのみが各々、ＣＮＴシートから作られ、該アノードはシート上に堆積するシリコンを備え、該カソードはシート上に堆積する硫化ニッケル又は硫化スズを備える。
【０１１４】
幾つかの実施形態において、本発明の電池は、システム中に金属を含まない、ＣＮＴアノード及びＣＮＴカソードの電流収集装置を含む。幾つかの実施形態において、電池、及び、アノード及びカソードのための自己温度調整材料を備えた電池を製造するためのプロセスが、開示される。幾つかの実施形態において、前記電池は、温度計測システム、圧力解放弁などの安全装置のない、ＣＮＴシートを使用することができる。ＣＮＴシートは、活動的な電解質の適用を可能にする電流収集装置として使用され得る。例えば、前記電池は、アノードとカソードの両方のためのＣＮＴシート電流収集装置を含むように設計され、ＣＮＴ伝導率及びその自己温度調整を利用し、及び、アルミホイルに生じるような不動態層の破壊がない、非常に活動的な高伝導率電解質の適用を可能にする。１つの実施形態において、前記アノードはＣＮＴシート材料上にシリコン被膜（ＣＶＤプロセスなどによる）を含み、前記カソードは、ＣＮＴシート上にＮｉＳ被膜を含む。例えば、前記カソードは、スルフィド変換後にＣＮＴシート材料上で、第１電解被覆のダマシンニッケルによって作られ得る。しかし、他の従来のカソード材料が、ＣＮＴ電流収集装置に使用され得ることを、理解されたい。
【０１１５】
＜ＣＮＴ電池電極合成及び特性付け＞
本発明のＣＮＴ電流収集装置は、本明細書に記載されるように合成され得る。１つの実施形態において、導電率は０．５×１０６Ｓ／ｍを超える。そのような電極は、ＣＮＴで「ドープした」シートから、１平方メートル当たり１０乃至１５グラムで作り上げられ得る。特性付けが、四点抵抗率（ｆｏｕｒ  ｐｏｉｎｔ  ｒｅｓｉｓｔｉｖｉｔｙ）及びＶａｎ  ｄｅｒ  Ｐａｕｗ法測定、又は代替的に、Ｄｅｌｃｏｍ（５０ＭＨｚ）のシステムなどの渦電流技術を使用してシート抵抗を測定することにより、行われ得る。ＣＮＴシートの典型的な特性の例を表２に示す。
【０１１６】
【表２】
2015534209.tif 000004
【０１１７】
一実施形態において、ＣＮＴシート材料は、ＣＮＴ材料のクラウドが、本明細書に記載されるシステムを使用して回転ベルト又はドラム上に堆積する、ＣＶＤプロセスによって製造され得る。このプロセスにおいて、材料は、ベルト又はドラムから得られ、及び、長いロール（例えば４００フィートの長いロール）に継接され、並びに、高い導電率を持つシートを製造するために処理され得る。１つの実施形態に従い、８フィート×１５インチのシート、１０ｇ／ｍ２のＣＮＴシートが、合成され得る。任意の他の適切な寸法のＣＮＴシートは、このプロセスによって作られ得る。
【０１１８】
＜アノード：シリコンによるＣＮＴシート材料のコーティング＞
一実施形態において、アノードは、シリコンでＣＮＴシート材料を被覆することにより形成され得る。例えば、ＣＮＴは、シラン（ＳｉＨ４）を使用するＣＶＤプロセスを使用して、シリコンで被覆され得る。シリコンで被覆したＣＮＴ電極の例は、図１８Ａ及び１８Ｂに示される。図１８Ａは、シランＣＶＤプロセスを使用して、各チューブ上に堆積される約３０乃至５０ｎｍのシリコンで被覆された、ＣＮＴシート、１０ｇ／ｍ２の電極の画像である。図１８Ｂは、ＣＮＴシートの非常に大きな表面積が節状増加（ｎｏｄｕｌａｒ  ｇｒｏｗｔｈ）（５Ｋｅｖ、ＳＥＭ）によって拡大されることを示す、図１８ＡのＣＮＴシートの、より高倍率の画像である。
【０１１９】
幾つかの実施形態において、ＣＮＴ材料を覆うために使用されるプロセスは、熱により活性化されたシランプロセスである：
・ＳｉＨ４（ｇ）→ＳｉＨ４（ａｂ）
・ＳｉＨ４（ａｂ）→ＳｉＨ２（ａｂ）＋Ｈ２（ａｂ）
・ＳｉＨ２（ａｂ）＋Ｈ２（ａｂ）→Ｓｉ＋Ｈ２（ａｂ）
・Ｈ２（ａｂ）→Ｈ２（ｇ）
【０１２０】
＜試験＞
一実施形態において、容量が、様々なサイクルについて測定され得る。典型的な実施形態において、電極の容量は、例えば、１０００ｍＡ−ｈｒｓ／グラム（ｒｅｆ）の負荷、及び１７５０ｍＡ−ｈｒ／ｇの１つのサイクルで、測定される。負荷が５００ｍＡ−ｈｒｓ／グラムにまで低下した時、電極は、衰えることなく３０回以上周期運動された（ｃｙｃｌｅｓ）。一実施形態において、コーティングが薄いままである限り、より高い負荷試料も、衰えることなく周期運動され得る。
【０１２１】
充電貯蔵データの幾つかは、充電データが放電データに対してプロットされる図１９Ａと、及び特定の充電が図示される図１９Ｂに示される。特に、図１９Ａは、シリコンで被覆したＣＮＴ電極のリチウム化のための放電容量の関数としての充電容量を示すグラフである。他方、図１９Ｂは、シリコンで被覆したＣＮＴ電極のリチウム化のための充電容量の関数としての可逆的な容量を示すグラフである。
【０１２２】
１７００ｍＡ−ｈｒ／ｇまでがＰＳＩによってＣＮＴ材料上で測定されたことに、注意する。Ｓｉで被覆したＣＮＴシート上のサイクリング（完全な充電から放電まで）のデータが、５００サイクルまでに得られたが、この場合、完全な充電は５００ｍＡ−ｈｒ／ｇに制限された。このデータを図２０に示す。特に、図２０は、サイクルインデックスに関する脱合金容量及びクーロン効率を示すグラフである。この後者の場合において、材料の劣化は、試験したわずかなサイクルについては観察されなかった。
【０１２３】
＜カソード：ＮｉＳに変形されるダマシンニッケル＞
カソードは、一実施形態において、例えば、硫化ニッケル又は硫化スズを浸透した、位置合わせしたカーボンナノチューブの１以上のシート、又は電流の生成のために利用される任意の他の同様の化合物から作られ得る。例えば、カーボンナノチューブシートは、ナノスケールの硫化ニッケル又は硫化スズ、或いはそれらの組み合わせを浸透し得る。代替的に、本発明の電池は、亜鉛空気ベース、ナトリウムベース、又は鉛酸ベースであり得る。位置合わせしたカーボンナノチューブのシートについて言及されるが、位置合わせしていないカーボンナノチューブのシートも使用され得ることに、注意されたい。
【０１２４】
硫化ニッケル又は硫化スズは、カソードとしての使用のためのカーボンナノチューブのシートの構築中に、カーボンナノチューブのシート内に組み込まれ得る。幾つかの実施形態において、ナノチューブ拡張プロセス中に、硫化ニッケル又は硫化スズが加えられ得る。例えば、硫化ニッケルは、任意の既知の方法を使用して、ナノチューブ拡張プロセス中にナノチューブのクラウドと共に分散され得る。代替的な実施形態において、硫化ニッケル又は硫化スズは、既知の方法を使用するカーボンナノチューブシートの組成後に加えられ得る、又は堆積され得る。例えば、硫化ニッケルは、アセトン、イソプロピルアルコール、メタノール、エタノールなどの揮発性担体中で分散され得、及び、カーボンナノチューブシート上にスプレーされ得る。担体は、カーボンナノチューブ粒子複合材材料を形成するために、シートを加熱することにより、シートから蒸発させられ得る。
【０１２５】
本発明の１つの実施形態において、アノードとカソードの表面積及び負荷を一致させることが、望ましい場合がある。大半のリチウムイオン電池において、充電を蓄えるカソード材料の能力は、性能を制限する。この問題は、（１）硫黄、及び硫黄を含む化合物の使用、及び（２）脱着を防ぐための保護塗装による硫黄電極のコーティングにより、本発明によって克服され得る。
【０１２６】
ポリスルフィド分解鎖（ｐｏｌｙｓｕｌｆｉｄｅ  ｄｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ  ｃｈａｉｎ）と呼ばれる一連の反応により、硫黄が分解する強い傾向が存在する。分解を最小化するために、本発明のプロセスは、シース又は有機分子中に硫黄を封入することにより、又は硫黄を別の材料に結合することにより、硫黄を安定させる。そのため、本発明は、シリコンアノード物質の容量に匹敵する容量を作る、約８００ｍＡ−ｈｒ／ｇの充電を保持することができる、ニッケルと硫黄の化合物を利用する。ニッケルによる電極の負荷は、ニッケルと硫黄の化合物への変換後に行われる。ニッケルは、ダマスクニッケルのプロセスを使用して、異常な比率で堆積され得る。一旦堆積されると、ニッケルは、例えば加熱した環境においてＨ２Ｓに材料を曝すことにより、所望のＮｉＳ結晶へと化学的に変形され得る。代替的に、ＮｉＳ結晶へのダマシンニッケルの変換は、全体を引用することにより本明細書に組み込まれる、Ｚｈａｎｇ  ｅｔ  ａｌ．  Ｍａｔｅｒ．  Ｓｃｉ．  Ｅｎｇ．  （１９９９），  Ｚｈｏｕ  ｅｔ  ａｌ．  Ａｄｖ．  Ｆｕｎｃｔ．  Ｍａｔｅｒ．  （２０１０），  Ｈｕａｎｇ  ｅｔ  ａｌ．  Ｃｈｅｍ．  Ｇｅｏｌ．  （２０１０），  Ｗａｎｇ  ｅｔ  ａｌ．  Ｊ．  Ｓｏｌｉｄ  Ｓｔａｔｅ  Ｃｈｅｍ．  Ｖｏｌ．  １８３  （２０１０），  ｐ．  ２２３，  Ｓａｌａｖａｔｉ−Ｎｉａｓａｒｉ，  ｅｔ  ａｌ．  Ｍａｔｅｒ．  Ｒｅｓ．  Ｂｕｌｌ．  Ｖｏｌ．  ４４  （２００９），  ｐ．  ２２４６，  Ｋｈｉｅｗ，  ｅｔ  ａｌ．  Ｍａｔｅｒ．  Ｌｅｔｔ．  Ｖｏｌ．  ５８  （２００４），  ｐ．  ７６２，  Ｄｅｎｈｏｌｍｅ，  ｅｔ  ａｌ．  Ｉｓｒ．  Ｊ．  Ｃｈｅｍ．  （２０１０）に開示されるものなどの方法により、達成され得る。
【０１２７】
１つの実施形態において、本プロセスは、電気化学的に堆積されたダマシンニッケルを使用してＣＮＴチューブを被覆する工程、及び、アノード材料の帯電電位の合計と一致するようにＣＮＴ領域を負荷する工程を含む。ニッケルの密度（８．９０８ｇ／ｃｃ）がシリコンの密度（２．３２０９ｇ／ｃｃ）よりも高いため、充電の平衡を保つ問題が、最小化され得る。スルフィドは、５００−１０００℃で空になり密封された石英製アンプル中で加熱される計算量の金属及び硫黄を通じて、又は様々な解決法によって調製され得る。
【０１２８】
本明細書に記載されるプロセスにより、（１）ＣＮＴシート電極は、比較可能な銅又はアルミニウムのホイルよりも電極抵抗性が低く、且つ加熱時のジュール（Ｉ２Ｒ）が少ないことを理論的且つ試験的に示し、（２）ＣＮＴシートは、温度自己調整を示す傾向があり、それにより、初期の熱転移がある場合、材料はその後、熱伝導率を増加し、そうして暴走を抑止し、（３）非常に活動的な電解質の下でさえも、材料は劣化せず、より伝導率の電解質（リチウムトリフルオロメタンスルホニルイミド−ＬｉＴｆＩｍを包含するものなど）が使用されるのを可能にし、及び（４）このシステムの貯蔵容量は、最良の商業用の電池について、約１８０乃至２５０ｍＡ−ｈｒ／ｇと比較して、１１００ｍＡ−ｈｒ／ｇを超過し得る。硫化ニッケルベースのアノード及びカソードは各々、１１００ｍＡ−ｈｒ／ｇの値を有し得る。一致したシステム（アノードとカソード）は、現在の電池よりも多くの熱安定性を提供し、且つ設計をより単純なものにする。
【０１２９】
硫化ニッケルが開示されるが、硫化スズ（ＳｎＳ）も、本発明のカソードに関連して使用され得ることを、理解されたい。他の方法も、全体を引用することにより本明細書に組み込まれる、Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｐｏｗｅｒ  Ｓｏｕｒｃｅｓ，  Ｖｏｌｕｍｅｓ  ９７−９８，  Ｊｕｌｙ  ２００１，  Ｐａｇｅｓ  １９８−２００，  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ  Ｓｃｉｅｎｃｅ  ａｎｄ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ：  Ｂ，  Ｖｏｌｕｍｅ  １２８，  Ｉｓｓｕｅｓ  １−３，  １５  Ｍａｒｃｈ  ２００６，  Ｐａｇｅｓ  ７５−７９，  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｐｏｗｅｒ  Ｓｏｕｒｃｅｓ，  Ｖｏｌｕｍｅ  １４６，  Ｉｓｓｕｅｓ  １−２，  ２６  Ａｕｇｕｓｔ  ２００５，  Ｐａｇｅｓ  ７１−７８，  ａｎｄ  Ｃｕｒｒｅｎｔ  Ｏｐｉｎｉｏｎ  ｉｎ  Ｓｏｌｉｄ  Ｓｔａｔｅ  ａｎｄ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ  Ｓｃｉｅｎｃｅ，  Ｖｏｌｕｍｅ  ４，  Ｉｓｓｕｅ  ２，  Ａｐｒｉｌ  １９９９，  Ｐａｇｅｓ  １１３−１２１に記載されるものを含む、ダマシンスズの硫化スズへの変換のために使用され得る。
【０１３０】
＜電解質＞
任意の適切な電解質溶液が使用され得る。典型的な電解質は、限定されないが、ＫＯＨ、ＨＮＯ３、ＨＣｌ、テトラエチルアンモニウム  ビス（オキザレート（ｏｘａｌｏａｔｏ））ホウ酸塩（ＴＥＡＢＯＢ）、テトラエチルアンモニウムテトラフルオロボラート（ＴＥＡＢＦ４）、又は、アセトニトリル中で溶解したトリエチルメチルアンモニウムテトラフルオロボラートの水溶液を含む。
【０１３１】
一実施形態において、エチレンカーボネートとジメトキシエタンの溶媒（リチウムトリフレートイミド＝ＬｉＴｆＩｍ）中の、リチウムトリフルオロメタンスルホニルイミドなどの、非常に活動的な高伝導率電解質が、使用され得る。前記電解質の使用は、非常に高い比出力レベルとなり得る電池を結果としてもたらし得る。
【０１３２】
一実施形態において、ＬｉＰＦ６を備えたプロピレンカーボネート及びジメトキシエタンが、利用され得る。一実施形態において、プロピレンカーボネート及びジメトキシエタンを備えたトリフルオロメタンスルホニルイミドが、使用され得る。
【０１３３】
＜パウチ型セルの製作＞
本発明の実施形態において、パウチ型セルが、この材料の特性付けのために使用され得る。代替的なコインセルに関する問題は、電流分布、高い辺対体積の比率、電解質と潜在的に接触する金属を含む。これらの問題は、パウチ型セルに存在しない。
【０１３４】
パウチ型セルは、酸素の無いグローブボックス中で作り上げられ得る。前記セルは、Ｂｒａｕｎのドライボックスなどのドライボックスに入れた商用の真空ラミネート装置を使用して、作られ得る。一実施形態において、Ｓｉで被覆したＣＮＴアノード及び／又はＮｉＳで被覆したＣＮＴカソードが、使用され得る。
【０１３５】
＜試験＞
一実施形態において、本発明の電池は、予め定めた負荷及び５００回のサイクルへと充電され得る。電池試験は、結合した電量計を備えた、研究所視界で駆動される電位調整器（ｌａｂ  ｖｉｅｗ  ｄｒｉｖｅｎ  ｐｏｔｅｎｔｉｏｓｔａｔ）で実行され得る。
【０１３６】
一実施形態において、電池は、５００ｍＡ−ｈｒ／ｇ乃至１０００ｍＡ−ｈｒ／ｇの負荷に充電され得る。
【０１３７】
質量と容積に基づく衰えた比エネルギー、及び質量と容積に基づく比出力が、測定され得る。また、エネルギー及び容積の効率、１ワット当たりの費用、及び１ジュール当たりの費用も、測定され得る。
【０１３８】
＜電池の設計及びシミュレーション（１４ボルトでの３ａｍｐ−時間）＞
一実施形態において、電池は、相互連結したフレキシブルパウチ型セルであり得る、４つのセルを有し得る。図２１は、ＥＶの大きな電池の例を示す。
【０１３９】
３Ａ−ｈｒの電池の例の特徴、３．５Ｖの特徴は、以下の表３で与えられる。
【０１４０】
【表３】
2015534209.tif 000005
【０１４１】
ｉ  ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｑｕａｌｌｉｏｎ．ｃｏｍ／ｓｕｂ−ｓｐ−ｑｌ００３２ａ．ａｓｐ
【０１４２】
＜大型電池の試験＞
本発明の実施形態において、電池は、一連で繋げられる、一連のパウチ型セルで作られ得る。この電池は試験システムであり、そのため全てのセルは、監視のためにアクセス可能である。この種の電池の電流密度は、（１）電解質の伝導率、（２）電極間隔、及び（３）バッテリーセパレータの普及率に関係する。この種の電池について、非常に多孔性のセパレーターが使用され得る。
【０１４３】
代替的な構成は、パウチの各端部に電極を含み得る。
【０１４４】
＜硫化ニッケル及び硫化スズの実施形態の適用＞
図１８Ａ−２１に関して上述された電池は、多くの利点及び適用を持つ。本発明のカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）シート電流収集装置は、アノード用の従来の銅箔、及びカソード用のアルミニウム箔の適所に、使用され得る。これにより、エネルギー密度が増加する一方で、熱暴走の可能性が減らされ得る。ミリメートル長さのＣＮＴで構成された非金属のＣＮＴシートは、例えば、表面積、及び、金属より優れた熱エネルギーを管理する特性の増加を提供する。最初に、銅及びアルミニウムなどの異種金属電流収集装置は使用される必要はなく、計量化し、腐食結合を排除し、且つ、より活動的及び優れた伝導率電解質の使用を可能にする。シリコンにより本発明のＣＮＴアノード電流収集装置を被覆することで、（被覆した銅箔と比較して）電極抵抗の相対的な減少を備えた高容量電極が結果としてもたらされる；それ故、高電流性能に関連したジュール加熱が減少する。
【０１４５】
本発明のカソード電極は、同じＣＮＴシートであるが、ニッケル−硫黄で被覆され得る。ＣＮＴ材料に存在する逆の熱伝導率の関係は、電池システムに対する熱安定効果を提供し、例えば、システムが熱くなるほど、より多くの熱が遠くに伝導される。この特徴は、安全性を改善するだけでなく、より単純な設計（即ち、電池の熱管理システムの減少又は除去）のため、コストを下げる。本発明のＣＮＴベースの電流収集装置の柔軟性により、より効率的な包装、及び柔軟な整合的な電池までもが、生産されることが可能となる。リチウムベースの二次電池用の、カーボンナノチューブのアノード及びカソードをベースとする電流収集装置も、作られ得る。
【０１４６】
金属収集装置ベースの電池と異なり、前述の薄いＣＮＴシートベースのシステムは、疲労及び曲げ応力の両方を少なくし、且つより効率的で革新的な包装を可能にする、非常に薄い柔軟且つ整合的な電池を可能にする。集積回路、安全なレリーズ値、及び温度センサーなどの熱監視要素が潜在的に排除され得る場合、より低コストの電池が製造され得る。硫黄にベースの化学的性質を使用する、空間ベースの電池、及びより高度な電池の両方も、本明細書に記載されるプロセス及び材料を使用して製造され得る。コンフォーマル電池は、防御用途に見合う価値を持つ、別のスピンアウト（ｓｐｉｎ  ｏｕｔ）である。
【０１４７】
本発明の電池の用途は、限定されないが、衛星、地上局、タイマー、及び遠隔計測装置を含む。これらのシステムは全て、それらの（１）重量、（２）信頼性、（３）安全性、及び（４）全エネルギー含有量（それらがどのくらいの間、作用するか）によって定められる。既存のリチウムイオン電池は、商用電池の型であり、最低１０年は持続することが証明されている。電力（エネルギーを送達する比率）はあまり重要でなく、寿命及び信頼性の方が重要であると、思われる。既存の技術は、適切な電力を持つ。本明細書に記載される電池は、重量を減らすと同様に、エネルギー蓄積量、安全性、及び信頼性を改善する。一実施形態において、前記電池は、電池重量を減らし且つより柔軟なパッキングを可能にし得る電流収集装置を利用し、一方で同時に、５倍のエネルギー蓄積量を可能にする。電極抵抗率は、より高い電力及びより少ないジュール加熱を可能にする、既存の商用の電池の電極低効率未満である。
【０１４８】
本発明の電流収集装置は、十分な疲労耐性を持ち得る、本発明の方法によって製造されたシートから、作られる。この方法を使用する場合、ジュール加熱は、現在の技術の４分の１だけである。高電流の下、この大きな倍数は著しいと予想され、外部冷却を必要とすることなく軽量なシステムに変わる。エネルギー貯蔵は、５倍まで増加すると予想され、その結果、より小さな電池が可能となる
【０１４９】
表４は、最先端技術に対して提唱された努力の比較を示す。
【０１５０】
【表４】
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【０１５１】
本発明のプロセスに従って作られたＣＮＴシート電極の１つの利点は、温度に対する抵抗率の、それらの陽性係数である。
【０１５２】
様々な異なるＣＮＴシート処理に関する、熱伝導率対温度のデータを、図２２に示す。純粋な被覆していない銅箔に関する、熱伝導率対温度を、図２３に示す。この特性は、自己温度調整を行う電池電極のための電位を提供する。電極が熱くなるにつれ、その熱伝導率は増加し、従って、ホットスポットが存在する場合、電池材料は、それを取り除くために熱をより速く放出する。これは、現在使用中の銅／アルミニウム地金の箔と、かなり異なる。内界センサー、バルブ、及び温度測定探触子を取り除き、それによりコストを削減することが、可能であり得る。
【０１５３】
本発明のＣＮＴ電極材料を使用する別の利点は、全体の電極電気抵抗が低いということである。本技術は、アノード用に、活性媒質、接着剤、及び黒鉛粉末のペーストを使用する。このペーストの抵抗率は、システムの抵抗率を支配し、その結果、ＣＮＴ電極は、表５に示されるように、より伝導性である。高電流負荷の下にあるこれらの電極のジュール加熱は、著しく現在の技術未満であり、より高い熱伝導率は、生成される任意の局所的な熱を取り除くのを支援し得る。
【０１５４】
表５は、銅ペーストで被覆した電極と比較して、本発明のＣＮＴシート電極の抵抗率を示し、抵抗率及び熱伝導率の改善を示す。
【０１５５】
【表５】
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【０１５６】
ＣＮＴ電極による重い且つ疲労しやすいシステムの置換は、遥かに軽量の電池を可能にするだけではない。更に、ＣＮＴ材料の安全利点は、温度監視と調整システムの排除を可能にし、その結果、重量利点が増大されるＣＮＴ電極の柔軟な性質により、空間を保存する新しい種類のパッキングが可能となる。例えば、コンフォーマル電池は、利用可能な空間をよりよく使用するために作り上げられ得る。
【０１５７】
本明細書に以前に記載される用途に加えて、電池はまた、航空機、ロケット、及び無人機において適用され得る。これらは、重量が高価（ｐｒｅｍｉｕｍ）な用途である。また、用途は、既存の電池が非常に不適当である自動車の使用を含む。例えば、Ｎｉｓｓａｎ  Ｌｅａｆの範囲は、１１０Ｖで１２時間の再充電を受ける前に、約７３マイルである。およそ４００マイルのＩＣ自動車（ＩＣ  ｐｏｗｅｒｅｄ  ｃａｒｓ）に等しい実際的な範囲は、電気自動車が主流な市場に参入し得る前に、必要であると考えられる。この技術は、現在の安全性のニーズを超過するシステムにより、この要求を満たさねばならない。
【０１５８】
本明細書で引用される全ての引用文献は、全体を本明細書に組み込むことで引用される。
【０１５９】
本発明は、その特定の実施形態を参照して記載されてきたが、本発明の真の精神及び範囲から逸脱することなく、様々な変更が行われ、且つ等価物が置き換えられ得る。加えて、多くの修正が、本発明の精神及び範囲から逸脱することなく、特定の状況、指標、材料及び物質の合成物、処理工程又は複数の工程に順応するために、行われ得る。全てのそのような修正は、本明細書に添付の特許請求の範囲内にあるよう意図される。
【図４】
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【図５】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１８Ａ】
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【図１８Ｂ】
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【図２１】
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【図１】
2015534209.tif 000018
【図２】
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【図３】
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【図６】
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【図１０】
2015534209.tif 000022
【図１１Ａ】
2015534209.tif 000023
【図１１Ｂ】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１６】
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【図１７】
2015534209.tif 000028
【図１９Ａ】
2015534209.tif 000029
【図１９Ｂ】
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【図２０】
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【図２２】
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【図２３】
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【国際調査報告】
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