(57)【要約】      （修正有）【課題】中率、高率電池、それらに対応する電極を形成する。【解決手段】  黒鉛状のシェルを持つ黒鉛状のフッ化カーボンからなる粒子の収集物。改良されたサブミクロンオーダーのフッ化カーボンは、黒鉛含有量が増量され、かつ、改良された均一性を有し得るものである。黒鉛含有量及び／又は均一性の増加は、例えば固有の容量に係る電池性能を良くすることに繋がる。好適な電池構造が、植え込み型医療装置に使用する目的で準備される。好適な電池は、高率、中率若しくは低率、又はこれらのレートが組み合わされた用途に使用され得る。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｘが１．９≧ｘ≧０．６である式（ＣＦｘ）を備え、１ミクロン程度の平均粒径を有する黒鉛状のフッ化カーボンからなる粒子の収集物であって、
前記粒子の収集物が、少なくとも約３．５ｎｍの領域厚さを備えた黒鉛状のシェルをもつ粒子であることを特徴とする粒子の収集物。
【請求項２】
平均粒子サイズが約５００ｎｍ程度であることを特徴とする請求項１に記載の粒子の収集物。
【請求項３】
平均粒子サイズが約１００ｎｍ程度であることを特徴とする請求項１に記載の粒子の収集物。
【請求項４】
前記黒鉛状のフッ化カーボンが、平均的にｘが１．６≧ｘ≧０．７５である式（ＣＦｘ）を備えていることを特徴とする請求項１に記載の粒子の収集物。
【請求項５】
前記黒鉛状のフッ化カーボンが、平均的にｘが１．５≧ｘ≧０．８５である式（ＣＦｘ）を備えていることを特徴とする請求項１に記載の粒子の収集物。
【請求項６】
前記黒鉛状のフッ化カーボン粒子が、少なくとも約５ｎｍの領域厚さを備えた黒鉛状のシェルを有していることを特徴とする請求項１に記載の粒子の収集物。
【請求項７】
前記黒鉛状のフッ化カーボン粒子が、少なくとも約８ｎｍの領域厚さを備えた黒鉛状のシェルを有していることを特徴とする請求項１に記載の粒子の収集物。
【請求項８】
一次粒子の少なくとも約９５％が、平均粒径の約４５％を超え、かつ、平均粒径の約２００％に満たない直径を有していることを特徴とする請求項１に記載の粒子の収集物。
【請求項９】
前記平均粒径の約４倍を超える直径をもつ粒子が事実上存在しないことを特徴とする請求項１に記載の粒子の収集物。
【請求項１０】
電気化学電池であって、
ａ）  アノードと、
ｂ）  請求項１に記載の粒子の収集物からなるカソードと、及び
ｃ）  前記カソード及びアノードを活性化する電解質と、
を含むことを特徴とする電気化学電池。
【請求項１１】
前記アノードが、単一のリチウム金属からなることを特徴とする請求項１０に記載の電気化学電池。
【請求項１２】
前記電解質が、
１，２−ジメトキシエタン、プロピレンカーボネート、ジメチルカーボネート、エチレンカーボネート及びγ−ブチロラクトン並びにこれらの混合物と、並びに、
ＬｉＢＦ４、ＬｉＰＦ６、ＬｉＡｓＦ６若しくはＬｉＣｌＯ４又はこれらの混合物からなる群から選ばれるリチウム塩と、
からなることを特徴とする請求項１０に記載の電気化学電池。
【請求項１３】
請求項１０に記載の電気化学電池を含む植え込み型医療装置であって、前記装置が神経刺激器、心臓ペースメーカー、鬱血性心臓疾患装置、及び植え込み型心臓除細動器であることを特徴とする植え込み型医療装置。
【請求項１４】
ｘが１．９≧ｘ≧０．６である式（ＣＦｘ）を備え、１ミクロン程度の平均粒径を有するフッ化カーボンからなる粒子の収集物であって、
一次粒子の少なくとも約９５％が、平均粒径の約４５％を超え、かつ、平均粒径の約２００％に満たない直径を有していることを特徴とする粒子の収集物。
【請求項１５】
平均粒子サイズが約２５０ｎｍ程度であることを特徴とする請求項１４に記載の粒子の収集物。
【請求項１６】
平均的にｘが１．６≧ｘ≧０．７５である式（ＣＦｘ）を備えていることを特徴とする請求項１４に記載の粒子の収集物。
【請求項１７】
黒鉛状の前記フッ化カーボン粒子が、少なくとも約５ｎｍの領域厚さを備えた黒鉛状のシェルを有していることを特徴とする請求項１４に記載の粒子の収集物。
【請求項１８】
前記平均粒径の約４倍を超える直径をもつ粒子が事実上存在しないことを特徴とする請求項１４に記載の粒子の収集物。
【請求項１９】
フッ化カーボンを形成するための方法であって、前記方法が、カーボンブラック粒子を、少なくとも約１，５００℃の温度で加熱する工程と、前記粒子をフッ素化剤の存在下で加熱する工程とからなることを特徴とする方法。
【請求項２０】
前記フッ素化剤の存在下で行われる前記粒子の加熱が、少なくとも約１，５００℃の温度に於ける熱処理の間に行われることを特徴とする請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
前記フッ素化剤の存在下で行われる前記粒子の加熱が、少なくとも約１，５００℃の温度に於ける熱処理の後に行われることを特徴とする請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
前記フッ素化剤の存在下で行われる前記粒子の加熱が、約３００℃から約６００℃の温度に於いて行われることを特徴とする請求項２０に記載の方法。
【請求項２３】
前記フッ素化剤が、ＨＦ、ＩＦ５、若しくはＦ２又はこれらの組み合わせからなることを特徴とする請求項２０に記載の方法。
【請求項２４】
前記カーボンブラックがアセチレンブラックからなることを特徴とする請求項２０に記載の方法。
【請求項２５】
前記カーボンブラックが、炭素前駆物質からなる反応物質の流れを反応させることによって形成されたカーボンブラック粒子からなり、かつ、前記反応が電磁波放射源によって推し進められたものであることを特徴とする請求項２０に記載の方法。
【請求項２６】
前記フッ化カーボンが約１ミクロン程度の平均粒子サイズを有していることを特徴とする請求項２０に記載の方法。
【請求項２７】
前記フッ化カーボンが約２５０ｎｍ程度の平均粒子サイズを有していることを特徴とする請求項２０に記載の方法。
【請求項２８】
前記フッ化カーボンが、少なくとも約３．５ｎｍの領域厚さを備えた黒鉛状のシェルを有していることを特徴とする請求項２０に記載の方法。
【請求項２９】
前記フッ化カーボンが、ｘが１．９≧ｘ≧０．０１である式（ＣＦｘ）を備えていることを特徴とする請求項２０に記載の方法。
【請求項３０】
前記カーボンブラック粒子を少なくとも約１，５００℃の温度で加熱する工程が、前記粒子を少なくとも約１，８００℃で加熱することからなることを特徴とする請求項２０に記載の方法。
【請求項３１】
フッ化カーボン粒子を形成するための方法であって、前記方法が、炭素前駆物質とフッ素前駆物質とからなる、流動する反応物質の流れを反応させてフッ化カーボン粒子を形成する工程からなり、
前記反応が電磁波放射源によって推し進められるものであることを特徴とする方法。
【請求項３２】
フッ素化の度合が、ｘが１．９≧ｘ≧０．０１であるＣＦｘの形で選ばれることを特徴とする請求項３１に記載の方法。
【請求項３３】
前記電磁波放射源が赤外線レーザーであることを特徴とする請求項３１に記載の方法。
【請求項３４】
前記フッ化カーボン粒子が約１ミクロン程度の平均粒径を有していることを特徴とする請求項３１に記載の方法。
【請求項３５】
さらに、前記粒子を少なくとも約１，５００℃の温度で加熱する工程を含むことを特徴とする請求項３１に記載の方法。
【請求項３６】
前記フッ化カーボンが、少なくとも約３．５ｎｍの領域厚さを備えた黒鉛状のシェルを有していることを特徴とする請求項３１に記載の方法。
【請求項３７】
フッ化カーボンを形成するための方法であって、前記方法が炭素粒子をフッ素化剤と接触させる工程からなり、
前記炭素粒子が、レーザー熱分解によって形成されるものであることを特徴とする方法。
【請求項３８】
前記フッ素化剤が、ＨＦ、ＩＦ５、若しくはＦ２又はこれらの組み合わせからなることを特徴とする請求項３７に記載の方法。
【請求項３９】
前記炭素粒子が１ミクロン程度の平均粒径を有していることを特徴とする請求項３７に記載の方法。
【請求項４０】
さらに、前記炭素粒子が少なくとも約１，５００℃の温度で加熱され、少なくとも約３．５ｎｍの領域厚さを備えた黒鉛状のシェルをもつ粒子を形成する様構成されたことを特徴とする請求項３７に記載の方法。
【請求項４１】
前記粒子をフッ素化剤と接触させる前記工程が、約３００℃から約６００℃の温度に於いて行われることを特徴とする請求項３７に記載の方法。
【請求項４２】
前記粒子をフッ素化剤と接触させる前記工程が、少なくとも約１，５００℃の温度に於いて行われることを特徴とする請求項３７に記載の方法。
【請求項４３】
電池であって、
リチウムベースのアノードと、
少なくとも約３．５ｎｍの領域厚さを備えた黒鉛状のシェルをもつ、熱処理されたカーボンブラック粒子からなるカソードと、及び
リチウム陽イオンからなる電解質と、
を含むことを特徴とする電池。
【請求項４４】
前記アノードが、単一のリチウム金属又はリチウム金属合金からなることを特徴とする請求項４３に記載の電池。
【請求項４５】
前記カーボンブラック粒子が約１ミクロン程度の平均粒子サイズを有していることを特徴とする請求項４３に記載の電池。
【請求項４６】
前記カーボンブラック粒子が式（ＣＦｘ）からなっていることを特徴とする請求項４３に記載の電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電池に関し、特に、中率及び高率放電用途に好適な電池に関する。更に、本発明は、中率及び高率電池、さらにそれらに対応する電極を形成する方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
中率及び高率電池は、特定の性能特性が所望される種々の特別な用途に使用され得る。特に、中率電池及び高率電池は、例えば植え込み型医療装置の様な医療装置に電力供給を行うに当たって特定の有用性が見られるものである。中率及び高率の医療装置は神経刺激器、心臓ペースメーカー、植え込み型心臓除細動器、及び鬱血性心臓疾患装置の様なものであって、ミリアンペアレベルの電気パルス（中率装置の場合）と、アンペアレベルの電気パルス（高率装置の場合）とを供給する電源を使用して、痛み、筋肉の動き、神経疾患、徐脈、心臓再同期化治療をコントロールするものである。既存の電源では、電力供給能力が限られていることから、寿命が短かった。さらに、電池寿命の初期及び末期における内部インピーダンスの上昇は、電池容量の低下を引き起こすこととなり、前記装置の定格寿命を短くすると言う問題があった。
【０００３】
リチウムベースの電池は比較的エネルギー密度が高いことから、商業的に多用される様になって来ている。リチウムベースの電池は、一回使い切りの電池（例えば一次電池）又は再充電可能な電池（例えば二次電池）とすることが可能である。リチウムベースの電池に好適な正電極材料としては、それらの格子中にリチウム原子をインターカレートし得るものが挙げられる。負電極としては、リチウム金属又はリチウム合金若しくは化合物とすることが出来る。これらは、それらの格子中にリチウム原子を可逆的にインターカレートし得るものである。尚従来技術の下では、リチウムベースの電池であって、リチウム金属又はリチウム合金から負電極が形成されたものは、リチウム電池として参照され、その一方で、リチウムイオンをインターカレート可能なアノード（負電極）活物質を用いて形成された電池については、リチウムイオン電池として参照される。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００４】
第１に、本発明は、平均的にｘが１．９≧ｘ≧０．６である式（ＣＦｘ）を備え、かつ１ミクロン程度の平均粒径を有する黒鉛状のフッ化カーボン（graphitic carbon fluoride）からなる粒子の収集物に関するものである。上記収集物に係る粒子は、少なくとも約３．５ｎｍの領域厚さを備えた黒鉛状のシェル（graphitic shell）を有する粒子からなる。電気化学電池は、アノード、黒鉛状のフッ化カーボンからなるカソード及び、上記カソードとアノードとを活性化する電解質を含んで構成され得る。
【０００５】
第２に、本発明は、ｘが１．９≧ｘ≧０．６である式（ＣＦｘ）を備え、かつ１ミクロン程度の平均粒径を有するフッ化カーボンからなる粒子の収集物に関するものである。一次粒子の少なくとも約９５％は、平均粒径の約４５％を超え、かつ、平均粒径の約２００％に満たない直径を有している。
【０００６】
別の面から見て、本発明は、フッ化カーボンを形成するための方法に関するものである。上記方法は、カーボンブラック粒子を少なくとも約２，０００℃の温度で加熱し、かつ、上記粒子をフッ素化剤の存在下で加熱することからなる。
【０００７】
さらなる別の面から見て、本発明はフッ化カーボン粒子を形成するための方法に関するものである。上記方法は、炭素前駆物質とフッ素前駆物質からなる、流動している反応物質の流れを反応させ、フッ化カーボン粒子を形成することからなる。反応は、電磁波放射源(electromagnetic radiation source)により推し進められる。
【０００８】
また、本発明はフッ化カーボンを形成するための方法に関するものである。上記方法は炭素粒子をフッ素化剤に接触させることからなる。ここで、上記炭素粒子はレーザー熱分解により形成されたものである。
【０００９】
さらに、本発明は、リチウムベースのアノードと、少なくとも約３．５ｎｍの領域厚さを備えた黒鉛状ののシェル（graphitic shell）をもつ、熱処理されたカーボンブラック粒子からなるカソードと、及びリチウム陽イオンからなる電解質とを含む電池に関するものである。
【発明の効果】
【００１０】
ここで述べられる改良電池は、改良されたレート能力、及びサブミクロンオーダーの電気活性粒子による電力容量と、並びにこれらサブミクロンオーダーの電気活性粒子に関連して改良された電池材料及び構成が得られると言う特長を有している。とりわけ、サブミクロンオーダーのフッ化カーボン（ＣＦｘ）を、特に植え込み型医療装置向けの電池に組み込むことは、極めて高い特定の容量が得られることとも関連して欠かせないことである。サブミクロンオーダーのフッ化カーボンに関しては、黒鉛状の含有物(graphitic content)がさらなる検討材料となる。ここで述べられる改良された黒鉛状の含有物は、サブミクロンオーダーのフッ化カーボンを得るためのものである。或る実施例では、多種のカソード活性構成物を組み合わせて夫々の望ましい特性からなる強みを引き出すことにより、更なるアドバンテージが得られる。改良された性能特性は、他のナノスケール電気活性粒子を、単独で、或いは更なる電気活性物質と組合せて中率又は高率電池内に組み込むことによっても得ることが出来る。
【００１１】
サブミクロンオーダーのフッ化カーボン粒子の望ましい形態として、黒鉛状のシェル（graphitic shell）を備えていることが挙げられる。黒鉛状のシェルを備えた、フッ素化されていない形態のカーボンブラックもまた、電気化学電池の用途に使用し得るが、これらの物質は一般的にリチウムベースの電池のアノードに使用されるものである。上記した電気活性物質の改良された性能特性はまた、改良された生産の仕方を用いる目的で提供される。さらに、本電極構成物は、高率用途向けに規定出来るほか、以下に詳述する通り、中率用途向けの電極中に、（前記電極構成物を扱うに当たって）大幅な改修を要すること無く組み合わせることが可能である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
一般的に、本発明の対象となる電池は、一又はそれ以上のアノードと、一又はそれ以上のカソードと、及び隣接する一組のアノード−カソード間のセパレーターとからなる。固体電解質は、セパレーターとして利用出来る一方、液体電解質（電解液）は、一般的に中率又は高率の用途に利用される。ここで述べられる幾つかの電池の化学系では、非水系のリチウムベースの電解質が所望の性能を提供する。種々の電極化学系では、ナノスケール物質による改良された性能を上手く利用している。リチウムベースの電池は、リチウムに関してエネルギー密度が高いという利点を備えている。或る実施例では、各物質の望ましい性質を提供すべく、２つの相異なるカソード活物質が導入される。中率の能力又は高率の能力を達成するには、電池の性能に影響を与えることとなる電極の厚さをコントロールすることが好適である。結果として得られる電池の総合的な容量は、電極を並列に積み重ねたり、電極を巻回したり、電極を折り重ねたり、或いはこれに類することを行って電極を電池の外形寸法いっぱいに詰め、容量を増やすことで選定され得る。ここでの議論は一次電池に絞られているが、改良された物質及び製造の仕方の幾つかは、二次電池、例えば再充電可能な電池を形成する上でも有用である。
【００１３】
ここで述べられる幾つかの電極活性物質は、一連の電池化学系の構成に好適であり、リチウムアノードに基づく電池も関心の対象である。尚リチウムは、例えば、イオン化していないＬｉ０等の金属リチウム、或いはそれらの合金とされ得る。リチウムイオンを備えた電解質に基づく別の実施例では、アノードは、可逆的にそれらの格子内にリチウムイオンがインターカレートし得る物質からなる。一般的に、カソードは、粒子状の電気活性混合物(electroactive composition)からなる。リチウムベースの電池向けの好適なカソード電気活性物質には、例えば、種々の金属カルコゲニド化合物、特に金属酸化物が挙げられる。特に、金属バナジウム酸化物化合物は、リチウムベースの電池の正電極に使用される際に高いエネルギー密度及び出力密度を有しているものと認められる。酸化バナジウム銀は、リチウムベースの電池で使用される際特に高いエネルギー密度及び出力密度を有しており、さらに、高率用途に於いて望ましい特性を有している。酸化バナジウム銀電池は、植え込み型心臓除細動器の製造に際し特に有用であり、このとき電池は、大きなパルスエネルギーを素早く連続して伝達してキャパシタの再充電を行う。植え込み型医療装置の他の用途、例えば中率用途では、フッ化カーボン粒子を、それらが高エネルギー密度を有していることから、カソード活物質として使用することが望ましい。
【００１４】
特に高率用途で使用されるサブミクロンオーダーの粒子に関して、ナノスケールの酸化バナジウム銀の電池では、典型的な酸化バナジウム銀の電池と比較して著しく改良された性能特性が観察される。ここで述べられるＣＦｘサブミクロン粒子は、下記の通り電池中で酸化バナジウム銀と組み合わされ得る。サブミクロンオーダーの金属バナジウム酸化物粒子、特に、酸化バナジウム銀粒子の合成に関しては、「金属バナジウム酸化物粒子」と題されたホルン(Horne)他の米国特許第６，２２５，００７号、及び「金属バナジウム酸化物粒子」と題されたライツ他の米国特許第６，３９１，４９４号に記載されており、これらは双方共、ここに参照として組み込まれる。他の好適な金属バナジウム酸化物については、上記特許の中にも記載されているが、例えば、酸化バナジウム銅及び酸化バナジウム金並びにこれらの組み合わせ（酸化バナジウム銀銅のようなもの）が挙げられる。上の２件の特許では、それらの粒子を改良された電池、特にリチウムベースの電池内に組み込むことについて更に記載されている。出発物質としてサブミクロンオーダーのバナジウム酸化物をもつ金属バナジウム酸化物の合成に関する改良された技術、並びに著しく改良された高率容量電池が結果として得られる、サブミクロンオーダーの金属バナジウム酸化物粒子から電池を形成することに係る改良された仕方が、同時係属の、２００３年７月２２日に出願された、ガントゥス(Ghantous)他の「高容量及び高率電池」と題された米国特許出願（出願番号第１０／６２４，２２６号）中にさらに記載されており、ここに参照として組み込まれる。
【００１５】
酸化マンガン、例えばＭｎＯ２の様な他の金属酸化物は、医療用電池の形成に有用である。レーザー熱分解による種々の酸化状態中で酸化マンガンナノ粒子を形成することに関しては、「金属酸化物粒子」と題されたクマール(Kumar)他の米国特許第６，５０６，４９３号中に記載されており、ここに参照として組み込まれる。バナジウム酸化物のナノ粒子が、極めて高い特定の容量をもたらすことが見出されている。Ｖ２Ｏ５及びＶ６Ｏ１３の様なバナジウム酸化物のナノ粒子の形成が、「バナジウム酸化物のナノ粒子」と題されたカムベ(Kambe)他の米国特許第６，１０６，７９８号中に更に記載されており、又バナジウム酸化物のナノ粒子を備えることによる電池性能の改良が、「電気活性ナノ粒子を備えた電池」と題されたビ(Bi)他の米国特許第６，１３０，００７号中に更に記載されており、これらは双方共、ここに参照として組み込まれる。
【００１６】
さらに、炭素物質は、リチウムベースの電池で、電気活性物質として使用される。特に、幾つかの炭素物質は、効率的にリチウム原子をインターカレートして、電気化学反応を完了する。特に、黒鉛状の炭素物質（graphitic carbon material）は、黒鉛状の炭素（graphitic carbon）がリチウムを可逆的にインターカレートすることから、二次又は一次リチウムイオン電池の負電極／アノードに使用される。また、フッ化カーボンは、リチウムベースの電池向けの高い特定の容量を持つ電気活性カソード物質であることが見出されている。例えば、ここに参照として組み込まれる「電圧遅延の無いリチウム／フッ化カーボン電池」と題されたタン(Tung)他の米国特許第４，６８１，８２３号では、石油コークスと共に形成したＣＦｘを備えたリチウム電池を形成することについて記載されている。また、ＣＦｘ及び固体ポリマー電解質を備えたリチウムベースの電池を形成することについては、「一次リチウム電池」と題されたムンシ(Munshi)他の米国特許出願公開第２００３／０２１１３８３号に記載されており、ここに参照として組み込まれる。
【００１７】
種々の形態を取り得るフッ化カーボン(Fluorinated carbon)は、式（ＣＦｘ）で表され得る。ここで、ｘはフッ素化の程度を表わす。当業界での相異なる専門用語に従えば、カーボンフルオライド(carbon fluoride)、グラファイトフルオライド(graphite fluoride)、フッ化グラファイト(Fluorinated graphite)及びフッ化カーボン(Fluorinated carbon)並びにこれらと類似の用語等があるが、これらは、黒鉛含有量の度合に関する特定がなければ、何れを使っても変わりがないものである。一般的に、ｘは２＞ｘ≧０の範囲に入っている。一般的に、フッ化カーボンには改良された性能が期待出来るが、特定の用途向けには他の炭素構造も好適である。酸化マンガンと組み合わせてフッ化カーボンを使用することに関しては、「非水系電解質電池」と題されたショウジ(Shoji)他の米国特許第５，４４３，９３０号に記載されており、ここに参照として組み込まれる。結晶質の黒鉛状炭素とは対照的に、非平面（構造）のため黒鉛状の炭素ではないフッ素化されたフラーレン（fluorinated fullerenes）は、リチウムベースの電池のカソードに組み込まれる。このことは、「フラーレンベースの二次電池電極」と題されたケーグル(Cagle)他の米国特許出願公開第２００２／０１８２５０６Ａ号に記載されており、ここに参照として組み込まれる。なお、カーボンナノチューブは、ここで使用される黒鉛状の炭素として考慮されていない。
【００１８】
サブミクロンオーダーの炭素粒子は、炭素粒子の形成後にフッ素化されるところ、フッ素を物質内に組み込むと、結果として顕著な変化が構造内に起こる。特に、炭素−フッ素結合は、対応する純粋な炭素物質と比べてより大きな構造をもつ結果となる。このとき、炭素物質のフッ素化では、結果として物質構造の著しい膨張が生じる。構造の膨張は粒子を破砕し得、それにより均一性のない不揃いの粒子の収集物が得られる。この様に、フッ素化が粒子の形成中に生じ得る場合、粒子構造の膨張は避けられない。そのようなプロセスについては、以下で更に記載されている。上記の通り、粒子の形成中のフッ素化で、結果としてより望ましい粒子特性を、最初の粒子の製造に引き続けて追加的なプロセスが行われるかどうかに関わらず得ることが出来る。
【００１９】
表面積が増やされ、リチウムの取り込みが改良されたサブミクロンオーダー又はナノスケールのフッ化カーボン（ＣＦｘ）を使用することにより、改良された電池特性を得ることが出来る。さらに、改良された電池特性を、一般的に黒鉛の含有量を増やして物質の結晶構造を変更することで得ることが出来る。黒鉛状の炭素（graphitic carbon）は、結晶質の炭素が層状に積み重ねられたシートを備えている。黒鉛の含有量を特徴付けるには、いくつかのアプローチがある。実際、或る実施例では、サブミクロンオーダー／ナノスケールの炭素が、例えば少なくとも１０モル％の黒鉛状の炭素を有しており、実質的に黒鉛状のものであることが、赤外分光法によって規定される。また、サブミクロンオーダーの炭素が少なくとも１０体積％備わっていることが、電子顕微鏡で検査することによって規定される。別の実施例では、サブミクロンオーダーの粒子は、平均して少なくとも３．５ｎｍの領域厚さの黒鉛領域を有していることが、電子顕微鏡で検査することによって規定される。対照的に、炭素はアモルファス又はダイヤモンド格子を有し得、カーボンブラック粒子は一般的に、タマネギに似たグラフィン(graphine)層を有しており、これらの物質は回転軸を有していないことから非晶質である。尚カーボンブラック粒子は小さな黒鉛状の領域を有している。
【００２０】
サブミクロンオーダーの基本的な炭素粒子及びフッ化炭素粒子は、例えば、レーザー熱分解で、直接、或いは追加的なプロセスと共に形成され得る。「レーザー熱分解」と言うのは、強い非レーザー光源もエネルギー源としての役割を果たし得るほか、この「熱分解」と言うのが、純粋な「熱」による熱分解プロセスと言う意識からのものではないことからしても、概して間違った呼び名である。
【００２１】
炭素粒子及びフッ化カーボン粒子並びにこれらに類するものを製造する用途にぴったりであるレーザー熱分解の基本的な特徴は、適当な前駆物質及び放射吸収材を含有する反応物質の流れを作り出すことにある。一般的に、適度の鉄が導入され、触媒としての役割を果たす。レーザービームのような強い光ビームが、反応物質の流れを熱分解する。レーザービームが好適なエネルギー源ではあるが、別の強い光源もレーザー熱分解に使用し得る。レーザー熱分解で、熱力学的に平衡の条件の下では形成することが難しかった物質の相の形成が可能になる。反応物質が光ビームから脱すると、粒子は素早く急冷される。レーザー熱分解によりサブミクロンオーダーの炭素粒子を製造することについては、「ＣＯ２レーザー熱分解によって製造されたナノスケールのカーボンブラック」と題されたビ(Bi)他による発表論文（物質研究ソサイエティ  シンポジウム会報、Ｖｏｌ．２８６、１６１−１６７頁、１９９３年）に記載されており、ここに参照として組み込まれる。さらに、不活性ガス雰囲気中に於いて２，０００℃又は２，８５０℃の温度で熱処理することで、著しい粒子の焼結を起こすこと無く粒子の黒鉛含有量を増大させ得ることが見出されている。このように、レーザー熱分解は、一次粒子が一般的に殆ど融合せず、一次粒子が高度に分散され、それによりナノスケールの粒子を全て有効に使用出来る様になることからも、粒子を形成するのに極めて望ましいやり方である。
【００２２】
一般的に、フッ素は、レーザー熱分解により形成された生成物粒子中に導入されることが、「光学材料及び光学素子」と題されたホルン他の米国特許出願第２００３／０１１８８４１号に記載されており、この文献はここに参照として組み込まれる。一般的に、導入され得るフッ素の供給源は、炭素の供給源と互換性がある。例えば、ガス状のカーボンテトラフルオライド(carbon tetrafluoride)が、レーザー熱分解装置の反応物質の流れの中に導入され得る。レーザー熱分解炉内に於ける反応条件の選択は、黒鉛のものの組成を変更することになる反応物質の流れの速さ、レーザーの強さ、及び反応物質の相対濃度等を変えることにより行われる。これには、例えば、反応物質の流れ中に於ける不活性の希釈ガスを変更することも含まれる。粒子の製造後に追加的なプロセスが行われ得、炭素粒子の黒鉛含有量並びに金属酸化物粒子の結晶化度及び純度等の様な粒子の所望の特性を増大させ又は強める。熱処理が粒子の特性を改良することについては、以下で詳細に述べられている。
【００２３】
別の実施例では、サブミクロンオーダーの、黒鉛状の炭素粒子のフッ素化は、粒子の形成後に行われる。フッ素ガス（Ｆ２）及び／又はＨＦは、特に、サブミクロンオーダーの炭素粒子のフッ素化に使用され得る。一般的に１５０℃から４００℃の範囲の温度での適度な加熱が、フッ素化反応を推し進める。フッ素化の度合は、フッ素化条件をコントロールすることを通じて選ばれ得る。例えば、ここに参照として組み込まれる「式（Ｃ２Ｆ）ｎで表された、主としてポリジカーボン モノフルオライド(Polydicarbon Monofluoride)からなるグラファイトフルオライド(Graphite Fluoride)を製造するための方法」と題されたワタナベ他の米国特許第４，４２３，２６１号では、アルカリ金属、アルカリ土類金属、又は第１遷移金属を有する金属フッ化物の存在下に於いて、Ｆ２を用いて黒鉛状の物質をフッ素化することについて記載されている。フッ素化された黒鉛（fluorinated graphite）を形成する別のプロセスのやり方が、「フッ化カーボン及びカーボン フルオライド クロリド(Carbon Fluoride Chloride)に基づく黒鉛の低温合成」と題されたナレワイェク(Nalewajek)他の米国特許第４，７９５，６２４号に記載されており、ここに参照として組み込まれる。ＩＦ５、Ｆ２及びＨＦの組み合わせを使用した、フッ素化された黒鉛（fluorinated graphite）の形成が、「フッ素を含有する炭素、その製法及びその電極物質としての使用」と題されたヤザミ他の米国特許第６，３５８，６４９号に記載されており、ここに参照として組み込まれる。カーボンブラックのフッ素化については、「カーボン ポリモノフルオライド(Carbon Polymonofluoride)を連続的に製造する方法及び装置［ｓｉｃ］」と題されたメツガー他の米国特許第４，８５５，１２１号と、「グラファイト フルオライド(Graphite Fluoride)の超微細粒子を製造するための方法」と題されたキタ他の米国特許第４，８５９，４４４号に記載されており、これらは何れもここに参照として組み込まれる。炭素粒子のフッ素化に係るこれらのやり方は、レーザー熱分解により形成される炭素粒子のフッ素化にも適合させることが可能である。
【００２４】
一般的に、所望のＣＦｘサブミクロン粒子は約１ミクロン未満の平均粒径を備え得る。さらに、粒子は一般的にサイズの均一性が高く、それにより、改良された性能を多くの用途で発揮し得る。また、これは電池中でカソード活物質と組み合わせるのに好都合である。このように、上記粒子は異なるカソード活物質を組み合わせ得、電池がより多くの用途に合う様することが出来るという特長がある。従って本発明は、例えば極めて大容量で、一定の低電流を流すことに加えて高率パルス電流を供給し得る電池等に好適である。
【００２５】
従って、酸化バナジウム銀の様な高率カソード物質を、ＣＦｘの様な高容量物質と組み合わせるのが望ましい。これら一又はそれ以上の物質は、サブミクロン粒子の形で備えられる。一般的に、医療用電池向けのカソードは、ＣＦｘと、他の電気活性物質、例えば、酸化バナジウム銀、酸化バナジウム銅、酸化バナジウム、酸化銀及び酸化マンガン並びにそれらの組み合わせ（例えば酸化バナジウム銀銅）とから構成され得る。二又はそれ以上の相異なるカソード活性組成物が、電気活性物質の混合物として単一の電極構造体内に、電極構造体の相異なる層内に、単一のアノードシステムと組み合わされた相異なる電極構造体の中に、及び／又は、単一のケース内にある２つの異なるアノードシステムと組み合わされた相異なる電極構造体内に配置され得る。２つの相異なるカソード活物質を分離する集電体を使ったサンドイッチ構成については、以下にて詳細に説明される。
【００２６】
ここで説明される改良されたナノ粒子電気活性物質を使用することで、電極組成物を改良された特性で形成することが可能となる。特に、ナノ粒子の粉末は、容量を改善すべく若干多目のバインダーと組み合わされ得る。適度に混ぜ合わせることで、結果として得られる電極組成物は、良好な結合性及び密着性を有するより均一なものとなる。改良された特性の結果、電極組成物は顕著に改良された取扱性を備える。
【００２７】
一例として、追加的なプロセスを伴う或いは伴わないレーザー熱分解により準備されたサブミクロンオーダーのフッ化カーボンは、結果として粒子サイズが小さく、かつ粒子サイズの分布の幅が狭いものとなっている。粒子サイズが小さく、かつ粒子サイズの分布の幅が狭いということは、放電特性の形をコントロールすることとなるプレス密度を高めて、セルの伝達容量(cell's delivered capacity)を拡張させ得ることを意味している。さらに、均質なサブミクロンオーダーのフッ化カーボンベースのカソードは、寿命初期に於いて低い内部インピーダンスをもたらすほか、定格容量を維持すると共に寿命を拡張する。小さくかつ均質な粒子サイズは、低い内部インピーダンスと組み合わせて、サブミクロンオーダーのフッ素カーボンベースのカソードの電流供給能力を増大させ、伝達容量(delivered capacity)を維持すると同時に電流供給能力を高めている。これらの性能は、高率及び中率装置に於いてより洗練された機能性を与えることを可能にしている。
【００２８】
上記した通り、複数の電気活性物質が、単一の電池又は装置中の正電極向けに組み合わされ得る。例えば、金属バナジウム酸化物がフッ化カーボンと組み合わされ得る。酸化バナジウム銀の様な金属バナジウム酸化物は、高率用途向けに特に望ましい一方、フッ化カーボンは、この様な物質の高い容量特性から、中率又は低率用途に望ましい粒子である。組み合わせて使用する際、フッ化カーボンはパルス動作中に於ける各パルスの間で酸化バナジウム銀を再充電するのに使用され得る。この組み合わせは、フッ化カーボンの高い容量と、酸化バナジウム銀の高率供給能力と言う強みを発揮する。
【００２９】
複数のカソード活物質から利点を引き出すべく、種々の積層構造が効果的に用いられ得る。例えば、カソード層は２つの相異なるカソード活物質より形成され得、これらは夫々集電体の対側に配置され得る。従って、高率放電物質を対応するアノードに近付けて配置することが出来、電解質からのイオンの拡散時間をより短くすることが出来る。他の構造も特定の構造には有用である。他の例として、２つの相異なるカソード層が２つの集電体間にサンドイッチされたサンドイッチ構造というのが、「高い放電レート能力を備えた、アルカリ金属電気化学電池向けのサンドイッチカソード構成」と題されたガン他の米国特許第６，５５１，７４７号に記載されており、ここに参照として組み込まれる。
【００３０】
ここで述べられた改良された物質は、電池構造の範囲を形成すべく効果的に使用され得る。その様な構造の範囲内では、ここで述べられたフッ化カーボン粒子の改良された特性という強みが発揮される。改良されたフッ化カーボンは、改良された放電容量を提供するが、これは、植え込み型医療装置の様な用途に特に望ましいものである。理由は、再手術の頻度を少なくする長い寿命と、又植え込むのが簡単な小さな装置を提供出来ることによる。
【００３１】
［Ａ．  レーザー熱分解を用いた粒子の製造］
上記した通り、レーザー熱分解は、対象となるサブミクロン及びナノスケールオーダーの粒子の製造に有益なツールである。粒子は、直接、関係ある物質として形成され得、及び／又は熱処理の様な追加的な処理を受けて、所望の物質に形成され得る。或る医療電池用途では、炭素粒子及びフッ化カーボン粒子が関係し得る。
【００３２】
反応条件は、レーザー熱分解により製造される粒子の品質を決定する。レーザー熱分解向けの反応条件は、所望の性質を備えた粒子を製造するべく比較的精密にコントロールされ得る。一般的に、特定の種類の粒子を製造するための適当な反応条件は、特定の装置の構成に依存している。レーザー熱分解を用いて粒子を製造するに際し、結果として得られる粒子と反応条件との間には、或る一般的な観測結果が見られる。
【００３３】
光パワーを増大させることは、反応領域に於ける反応温度を上昇させるのみならず、急冷速度(quenching rate)をより速くすることに繋がる。速い急冷速度は、高エネルギー相(high energy phases)の製造に向いているが、熱平衡付近でのプロセスを成立させない。また、チャンバー圧力を増大させることは、高エネルギー構造体(high energy structures)の製造に向いている。さらに、反応物質の流れ中に於ける、酸素供給源としての役割を果たす反応物質の濃度を増大させることは、酸素量が増やされた粒子の製造に向いている。
【００３４】
反応物質の流量及び反応物質ガスの流れの速度は、粒子サイズと反比例し、反応物質ガスの流量又は流速を増大させることは、粒子サイズを小さくすることに繋がる。また、光パワーは粒子サイズに影響し、光パワーを増大させると、高度に溶融する物質については小さめの粒子が形成され、又低度に溶融する物質についてはそれより大きめの粒子が形成されることになる。また、粒子の成長ダイナミクスは、結果として得られる粒子のサイズに重大な影響を及ぼしている。言い換えれば、異なる形態の生成物化合物は、比較的同じ条件の下であっても、別の相のものとは異なったサイズの粒子を形成する傾向がある。また、相異なる化合物をもつ粒子の群が形成される多相領域では、一般的に、夫々の粒子の群は、それ自身、粒子サイズの分布の幅が狭いという特性を有している。
【００３５】
「レーザー熱分解」は、光によって規定される幅の狭い反応領域を出た後に生じる生成物の素早い急冷を伴う、極めて強い光の照射によって推し進められる反応に係る標準的な専門用語となっている。反応は、「熱による」熱分解(thermal pyrolysis)という意味の熱分解ではない。レーザー熱分解反応は、反応物質の発熱・燃焼によって熱的に推し進められるものではない。実際、「レーザー熱分解」反応は、反応からは炎が視認されない状況の下で実施される。
【００３６】
レーザー熱分解は、一般的にガス／蒸気相の反応物質を用いて行われる。多くの前駆物質の化合物(compounds)が、反応チャンバー内にガスとして導入され得る。一般的に、搬送されるガス状の適当な前駆物質の化合物は、適当な蒸気圧(vapor pressures)、例えば、所望の量の前駆物質のガス／蒸気(vapor)を反応物質の流れの中へ入れるのに十分な蒸気圧をもつ化合物(compounds)も含有している。液体又は固体の前駆物質の化合物を保持している容器は、必要に応じて、前駆物質の蒸気圧(vapor pressures)を増大させるべく加熱され得る。一般的に、固体前駆物質は、十分な蒸気圧(vapor pressures)を生じさせるべく加熱される。反応物質の流れは、ガス状の反応物質から構成され得るものであって、液体又は固体の前駆物質のリザーバより搬送される蒸気反応物質(vapor reactants)に加えられ得るものである。
【００３７】
キャリアガスは、液体の前駆物質を通じて泡立てられ得、所望量の前駆物質蒸気の搬送を促進する。また、キャリアガスは固体前駆物質を通過して、前駆物質蒸気の搬送を促進する。炭素生成物の搬送に係る触媒向けの好適な鉄の前駆物質(iron precursors)には、鉄ペンタカルボニル(iron pentacarbonyl)及びＦｅ（ＣＯ）５が挙げられる。
【００３８】
もっぱら気相のみの反応物質の使用は、便利に用いられ得る前駆物質の化合物の種類とも関連してやや制限される。それゆえ、反応物質の前駆物質を含有するエーロゾルをレーザー熱分解チャンバー内に導入するための技術改良が行われた。改良された反応システム向けのエーロゾル搬送装置については、「反応物質搬送装置」と題されたガードナー他の米国特許第６，１９３，９３６号に更に記載されており、ここに参照として組み込まれる。一又はそれ以上のエーロゾル反応物質が、一又はそれ以上の蒸気反応物質(vapor reactants)と好適に組み合わされ得る。便宜上、蒸気反応物質(vapor reactants)は組成物に係り、上記組成物が室温又は室内の圧力下に於いて気体、液体或いは固体であるかどうかに関係なく、蒸気(vapor)として反応チャンバー内に導入されるものである。
【００３９】
好適な種々の炭素前駆物質には、例えば、ガス状、液体及び固体の組成物が挙げられる。好適な前駆物質には、例えば、蒸気(vapor)の形態で反応チャンバー内に導入され得るエチレン及びベンゼンが挙げられる。エチレンは、ＣＯ２レーザーからの赤外線光の強い吸収を示すことから、望ましい。
【００４０】
関連する実施例では、適当な反応物質が酸素供給源として機能するが、これには、例えばＯ２、ＣＯ、Ｈ２Ｏ、ＣＯ２及びＯ３並びにそれらの混合物が挙げられる。酸素分子は、空気として供給され得る。二次反応物質化合物は、その後一般的に、結果として大きな粒子を形成する。反応ゾーンに入る前は他の前駆物質と著しく反応することは無く、反応物質が自発的に良く反応するものである場合、別異の前駆物質が反応チャンバー内にある別のノズル内に搬送され得、それらは、光ビームに達する直前に混ぜ合わされる。尚他の前駆物質が酸素を含有していれば、酸素を供給する別の反応物質は必要とされない。
【００４１】
レーザー熱分解は、レーザー、或いは他の強力な光源の何れかを用いて、種々の光周波数で実行され得る。好適な光源には、電磁波スペクトルの赤外線部分で動作するものが挙げられる。ＣＯ２レーザーは、光源として特に有用である。反応物質の流れ中に含ませる赤外線吸収材には、例えばＣ２Ｈ４、イソプロピルアルコール、ＮＨ３、ＳＦ６、ＳｉＨ４及びＯ３が挙げられる。Ｏ３は、赤外線吸収材及び酸素供給源の双方の役割を果たし得る。炭素粒子の形成を基にした或る実施例では、Ｃ２Ｈ４は、赤外線吸収材であると共に炭素供給源として機能し得る。赤外線吸収材の様な放射吸収材(radiation absorber)は、放射ビーム(radiation beam)からのエネルギーを吸収し、そのエネルギーを他の反応物質に分配して熱分解を推し進める。
【００４２】
好ましくは、光ビームから吸収されたエネルギーは、驚くべき速度で温度を上昇させるが、多くの場合、熱は、一般的に、制御された条件下での発熱反応により生成される。一般的に、上記プロセスは非平衡条件を必要とし、温度は、吸収領域に於けるエネルギーを基にして大体表され得る。レーザー熱分解プロセスは、反応を起こすエネルギーの供給源となる燃焼炉内に於けるプロセスとは質的に異なるものであり、反応は、発熱反応によって放たれたエネルギーによって推し進められる。
【００４３】
不活性のシールドガスが、反応物質及び生成物微粒子が反応チャンバー構成要素に接触する量を減らす目的で使用される。不活性ガスが又、キャリアガス及び／又は反応減速材として反応物質の流れの中に導入され得る。適当な不活性のシールドガスには、Ａｒ、Ｈｅ、及びＮ２が挙げられる。
【００４４】
一般的に、好適なレーザー熱分解装置は、周囲環境と絶縁された反応チャンバーを含有している。反応物質の入口は反応物質搬送装置に接続され、反応チャンバーを通じて反応物質の流れを作り出す。光ビームの経路は、反応ゾーンに於いて反応物質の流れと交差している。反応ゾーンの後でも続いている反応物質／生成物の流れは、出口に達してそこより反応チャンバーから出、そして収集装置内に入って行く。一般的に、レーザーのような光源は反応チャンバーの外側に配置され、このとき光ビームは、適当な窓を通って反応チャンバー内に入って行く。
【００４５】
図１を参照すると、レーザー熱分解システムの特定の実施例１００は、反応物質搬送装置１０２と、反応チャンバー１０４と、シールドガス搬送装置１０６と、収集装置１０８と、及び光源１１０とを含むものである。以下に説明する第１の反応物質搬送装置は、気相の反応物質単独を搬送する目的で使用され得るものである。
【００４６】
図２を参照すると、反応物質搬送装置１０２の第１実施例１１２は、前駆物質の化合物の供給源１２０からなる。液体又は固体の反応物質に対しては、反応物質の搬送を手助けするために、一又はそれ以上のキャリアガス供給源１２２からのキャリアガスが、前駆物質の供給源１２０内に導入され得る。前駆物質の供給源１２０は、液体を保持する容器、固体前駆物質の搬送装置、或いは他の適当な容器とすることが出来る。キャリアガス供給源１２２からのキャリアガスは、赤外線吸収材及び／又は不活性ガスとされ得る。
【００４７】
前駆物質の供給源１２０から来るガスは、赤外線吸収材の供給源１２４、不活性ガスの供給源１２６、及び／又は二次的な反応物質の供給源１２８から来るガスと、チュービング１３０の一箇所で一体化され混合される。ガスは、反応チャンバー１０４から十分な距離を置いて混合される。それ故、これらのガスは、反応チャンバー１０４内に入る前によく混合された状態となっている。チューブ１３０内で一体化されたガス１３０はダクト１３２を通過して、チャネル１３４内に達する。チャネル１３４は、反応物質の入口２０６と繋がった流体の通路(fluid communication)である。
【００４８】
第２の反応物質は、第２の反応物質の供給源１３８から供給され得る。第２の反応物質の供給源１３８は、液体の反応物質の搬送装置、ガスシリンダー若しくは他の好適な容器、又は複数の容器等とすることが出来る。図２に示す通り、第２の反応物質の供給源１３８は、第２の反応物質を、チューブ１３０を通じてダクト１３２に搬送する。また、質量流量コントローラ１４６は、図２に示す反応物質搬送システム内におけるガスの流量を調節するために使用され得る。第２の反応物質は、第２のチャネルを通じて反応チャンバーに搬送するための第２のダクトを通って搬送され得る。それ故、反応物質同士は、それらが反応チャンバー内に入る迄混合することがない。
【００４９】
上記した通り、反応物質の流れは一又はそれ以上のエーロゾルから構成され得る。上記エーロゾルは、反応チャンバー１０４内、又は反応チャンバー１０４内に噴射されるに先立って反応チャンバー外側で形成され得る。エーロゾルが反応チャンバー１０４内に噴射されるに先立って生成される場合、エーロゾルは、図２に示される反応物質の入口１３４の様なガス状の反応物質用に使用されるものと類似の反応物質の入口を通って導入され得る。
【００５０】
図１を参照すると、反応チャンバー１０４はメインチャンバー２５０を有している。反応物質供給システム１０２はメインチャンバー２５０と、噴射ノズル２５２に於て繋がっている。反応チャンバー１０４は、装置内に於ける圧力の下、反応物質と不活性成分との混合物の露点より上の表面温度まで加熱され得る。
【００５１】
噴射ノズル２５２の端部は、不活性のシールドガスの通路となる環状の開口部２５４と、反応物質の通路となる反応物質の入口２５６（左下の挿入部分）とを備えており、反応物質の流れを反応チャンバー内に於いて形成している。図１の下側の挿入部分に示される様に、反応物質の入口２５６は、好ましくはスリットになっている。環状の開口部２５４は、例えば  約１．５インチの直径と、半径方向に沿った約１／８インチから約１／１６インチの幅とを有し得るものである。環状の開口部２５４を通るシールドガスの流れは、反応物質のガスの拡散を妨げ、反応チャンバー１０４を通じて粒子を生成することに寄与する。
【００５２】
管状部分２６０、２６２は、噴射ノズル２５２のどちらかの側に配置される。管状部分２６０、２６２は、夫々ＺｎＳｅの窓２６４、２６６を有している。窓２６４、２６６は、１インチの直径を有し得る。窓２６４、２６６は円柱レンズとすることが出来、例えば、焦点距離をチャンバー中心とレンズ表面との間の距離と等しいものとして、光ビームの焦点をノズル開口部の中央直下に合わせることが出来る様構成されている。窓２６４、２６６は、反射防止コーティングを有し得る。好適なＺｎＳｅレンズが、カリフォルニア州サンディエゴのレーザーパワーオプティックス社から入手可能である。管状部分２６０、２６２は、窓２６４、２６６にメインチャンバー２５０から離れた変位を与えており、それ故、窓２６４、２６６が反応物質及び／又は生成物によって汚される可能性は低い。窓２６４、２６６は、例えば３ｃｍ程、メインチャンバー２５０の端部から移動させてある。
【００５３】
窓２６４、２６６は、ラバー製のＯリングで管状部分２６０、２６２をシールしており、外気の流れが反応チャンバー１０４内に入ってくるのを防止している。管状の入口２６８、２７０は、シールドガスの流れが管状部分２６０、２６２内に入って来る様にして、窓２６４、２６６の汚れを減少させるために備えられる。管状の入口２６８、２７０は、シールドガス搬送装置１０６に接続される。
【００５４】
図１を参照すると、シールドガス搬送装置１０６は、不活性ガスのダクト２８２に接続された不活性ガスの供給源２８０を有している。不活性ガスのダクト２８２は、環状の開口部２５４へと導かれる環状のチャネル２８４に通じている。質量流量コントローラ２８６は、不活性ガスのダクト２８２内へと入って行く不活性ガスの流量を調節している。図２に示される反応物質搬送システム１１２が使用される際には、不活性ガスの供給源１２６は、必要に応じてダクト２８２への不活性ガス供給源としても機能し得る。図１を参照すると、不活性ガス供給源２８０又はこれとは別の不活性ガス供給源は、不活性ガスをチューブ２６８、２７０に供給するためにも使用され得る。好ましくは、質量流量コントローラ２８８は、チューブ２６８、２７０への流れを制御する。
【００５５】
光源１１０は、窓２６４より入り窓２６６より出る光ビーム３００発生させるために配置される。窓２６４、２６６は、メインチャンバー２５０を通過し、反応ゾーン３０２に於ける反応物質の流れを横切る光路を規定する。窓２６６を出て行った後、光ビーム３００は、ビームダンプ(beam dump)としての役割も果たすパワーメーター(power meter)３０４に突き当たる。好適なパワーメーターは、カリフォルニア州サンタクララのコヒーレント  Ｉｎｃ．から入手可能である。光源１１０は、レーザーか、或いはアーク灯の様な極めて強い一般的な光源とされ得る。一例によれば、光源１１０は、赤外線レーザー、特に、出力レーザーの最大パワーが１８００Ｗあって、ニュージャージー州ランディングのＰＲＣ  Ｃｏｒｐ．から入手可能である様なＣＷ  ＣＯ２レーザーとされ得る。
【００５６】
噴射ノズル２５２内にある反応物質の入口２５６を通過する反応物質は、反応物質の流れを起こす。反応物質の流れは反応ゾーン３０２を通過し、ここで、金属前駆物質の化合物を巻き込んだ反応が起こる。反応ゾーン３０２に於けるガスの加熱は極めて素早く行われ、特定の条件によって決まるが概ね１０５度Ｃ／秒のオーダーで行われる。反応は、反応ゾーン３０２を出れば素早く急冷され、そして粒子３０６が反応物質／生成物の流れの中に形成される。非平衡状態(nonequilibrium nature)の下でのプロセスは、極めて均一なサイズの分布と構造上の均質性を備えたナノ粒子の生成を可能にする。
【００５７】
反応物質の流れの道は、収集ノズル３１０へと続いている。図１の上側の挿入部分に示されている通り、収集ノズル３１０は円形の開口部３１２を有している。円形の開口部３１２は収集システム１０８に通じて(feeds into)いる。
【００５８】
チャンバー圧力は、メインチャンバーに取り付けられた圧力計３２０でモニタされる。所望の酸化物の生成に好適なチャンバー圧力は、一般的に８０トールから６５０トールの範囲内にある。
【００５９】
収集システム１０８は、収集ノズル３１０から延びる、湾曲したチャネル３３０から構成され得る。粒子のサイズが小さいことから、生成物の粒子はカーブ周辺のガスの流れにも追従する。収集システム１０８はフィルター３３２を有しており、ガスの流れの中に於ける生成物の粒子を収集する様になっている。湾曲部分３３０があることから、フィルターはチャンバーの上方で直接支持されている訳ではない。材料が不活性であり、かつ粒子を捕集するのに十分目の細かいメッシュを有している限り、フィルターには登録商標テフロン（ポリテトラフルオロエチレン）、ガラス繊維及びその他の多様な材料が使用され得る。フィルターに好適な材料には、例えば、ニュージャージー州ヴィーンランドのＡＣＥガラス  Ｉｎｃ．から出ているガラス繊維フィルターや、カリフォルニア州サニーヴェールのＡＦエクイップメント  Ｃｏ．から出ている円筒形のノメックス（登録商標）フィルターが挙げられる。
【００６０】
ポンプ３３４は、収集システム１０８を選ばれた圧力に保つために使用される。ポンプの排気の流れについては、大気中に放出される前に、スクラバー(scrubber)３６を通して、残っている反応性の化学物質を全て除去しておくことが好ましい。
【００６１】
ポンプ流量は、手動のニードルバルブか、ポンプ３３４とフィルター３３２との間に挿入された自動のスロットルバルブ３３８のいずれかにより制御される。フィルター３３２上に粒子が蓄積することによりチャンバー圧力が上昇すると、ポンプ流量及びそれに対応するチャンバー圧力を保つ様に手動バルブ又は自動スロットルバルブが調節され得る。
【００６２】
コンピューター３５０は、装置を制御する。一般的に、コンピューターは光源を制御し、かつ反応チャンバー内の圧力をモニターする。コンピューターは、反応物質及び／又はシールドガスの流量を制御するために使用され得る。
【００６３】
反応は、フィルター３３２上に反応物質が十分収集されるまで継続され得る。このとき、ポンプ３３４はもはや、フィルター３３２を通過する抵抗に対抗して反応チャンバー１０４内を所望の圧力に保つ必要が無くなる。反応チャンバー１０４内の圧力をもはや所望の値に保てなくなったとき、反応が停止され、そしてフィルター３３２が取り出される。本実施例では、一回の運転中に、チャンバー圧力をもはや保てなくなる前に約１〜３００グラムの粒子が収集され得る。反応物質の搬送システム、生成される粒子の種類、及び使用されるフィルターの種類によって決まるが、一回の運転は、一般的に、最高で約１０時間まで存続する。
【００６４】
図３には、レーザー熱分解装置の別の実施例が示されている。レーザー熱分解装置４００は、反応チャンバー４０２を有している。反応チャンバー４０２は、直方体の形状を有している。反応チャンバー４０２は、その最も長い寸法がレーザービームに沿って延びているものである。反応チャンバー４０２は、その側面に観察窓４０４を有しており、それ故運転中に反応ゾーンを観察することが出来る様になっている。
【００６５】
反応チャンバー４０２は、反応チャンバーを通過する光路を規定する管状の延長部分４０８、４１０を有している。管状の延長部分４０８は、円筒形のレンズ４１２に、シールを伴って接続されている。チューブ４１４は、レーザー４１６又は他の光源に、レンズ４１２と共に接続されている。同様に、管状の延長部分４１０は、チューブ４１８に、シールを伴って接続され得る。さらに、チューブ４１８は、ビームダンプ／ライトメーター４２０に通じている。レーザー４１６からビームダンプ４２０への光路全体は、密閉され得る。
【００６６】
入口ノズル４２６は、反応チャンバー４０２と、下側の表面４２８に於いて接続されている。入口ノズル４２６は、下側の表面４２８にボルト止めされて入口ノズル４２６を固定する板４３０を有している。図４及び５に示される断面図を参照すると、入口ノズル４２６は、インナーノズル４３２とアウターノズル４３４を有している。インナーノズル４３２は、ノズルの頂部に、一対のオリフィスからなる内部混合噴霧器４３６を有し得る。好適なガス噴霧器は、イリノイ州ウィートンのスプレーイング  システムズ社から入手可能である。一対のオリフィスからなる内部混合噴霧器４３６は、扇形の形状を有しており、薄いシートの様なエーロゾル及びガス状の前駆物質を生成する。液体がチューブ４３８を通って噴霧器へと供給され、また反応チャンバー内へ導入するためのガスが、チューブ４４０を通って噴霧器へと供給される。小滴の形成が、ガスとの相互作用により支援される。
【００６７】
アウターノズル４３４は、チャンバー部４５０、ファンネル部４５２及び搬送部４５４を有している。チャンバー部は、インナーノズル４３２の噴霧器を保持している。ファンネル部４５２は、エーロゾルとガス状の前駆物質とが搬送部４５４へ向かう様構成されている。図４の挿入部分に示される通り、搬送部４５０は約３インチ×０．５インチの長方形の出口４５６に通じている。アウターノズル４３４は排液管４５８を有しており、アウターノズル内に集まる液体は全て排除される。アウターノズル４３４は、出口４５６を取り囲んでシールドガス開口部４６２を形成する外壁４６０によって覆われている。不活性ガスは、入口４６４を通って導入される。
【００６８】
図３を参照すると、出口ノズル４７０は、反応チャンバー４０２の上面に於いて装置４００と接続されている。出口ノズル４７０はフィルターチャンバー４７２に通じている。フィルターチャンバー４７２は、ポンプへと通じているパイプ４７４と接続される。円筒形のフィルターは、パイプ４７４の開口部に設置される。好適な円筒形のフィルターについては上記した通りである。
【００６９】
その他別のレーザー熱分解装置の構成が、「化学反応による、粒子の効率的な製造」と題されたビ(Bi)他の米国特許第５，９５８，３４８号に開示されている。上記文献は、ここに参照として組み込まれる。この別の構成は、レーザー熱分解による粒子を大量に製造するのを容易にすることを企図したものである。商業規模(commercial capacity)のレーザー熱分解装置に関するさらなる実施例及び他の好適な特長が、「粒子製造装置」と題されたモッソ他の米国特許出願第０９／３６２，６３１号に開示されている。上記文献は、ここに参照として組み込まれる。
【００７０】
商業規模(commercial capacity)のレーザー熱分解装置のある特定の実施例では、反応チャンバー及び反応物質の入口は、反応物質及び生成物のスループットを増加させるべく、光ビームに沿って著しく細長く引き延ばされて備えられている。装置のオリジナルのデザインは、特に、ガス状の反応物質を導入することに基づいたものである。エーロゾル反応物質を搬送するために用いる上記実施例は、細長く引き延ばされた反応チャンバーの構成を受け入れ得るものである。一又はそれ以上のエーロゾル発生器を用いて、エーロゾルを細長く引き延ばされた反応チャンバー内に導入することに関するさらなる実施例が、「反応物質搬送装置」と題されたガードナー他の米国特許第６，１９３，９３６号に開示されている。上記文献は、ここに参照として組み込まれる。
【００７１】
一般的に、細長く引き延ばされた反応チャンバーと反応物質の入口を備えたレーザー熱分解装置は、チャンバーの壁が汚れることを減少させ、製造能力を増大させ、かつ資源を効率的に利用させる様デザインされている。これらの目的を実現するために、細長く引き延ばされた反応チャンバーは、増やされた反応物質と生成物のスループットを、それに対応してチャンバーの空き容積(dead volume)を増やすこと無く提供している。チャンバーの空き容積は、未反応の化合物及び／又は反応生成物で汚され得る。さらに、シールドガスの好適な流れは、反応物質及び生成物を、反応チャンバーを通過する流れの中に閉じ込める。反応物質の高いスループットは、光エネルギーを効率的に利用させることに繋がる。
【００７２】
改良された反応システムは、反応物質の流れからナノ粒子を取り出すための収集装置からなる。この収集システムは、製造を終わらせる前になって多量の粒子を収集するバッチモード(batch mode)において粒子を収集するべく構成されたものである。フィルター又はそれに類するものが、バッチモードにおいて粒子を収集するために使用され得る。バッチ収集に好適な一実施例が以下に記載される。或いは、上記収集システムは、相異なる粒子収集器を収集装置内で切り替えることによって、又は収集システムを、外気に曝すこと無く粒子を取り出す手段を提供することによって連続製造モードで運転する目的でデザインされ得る。連続して粒子を製造するための収集装置に関する特定の実施例が、「粒子収集装置及びこれに関連した方法」と題されたガードナー他の米国特許第６，２７０，７３２号に開示されている。上記文献は、ここに参照として組み込まれる。この収集装置は、図１及び図３に即して上で記載されたレーザー熱分解装置の様な他の粒子製造装置にも同様に使用し得る。
【００７３】
高スループットの反応チャンバー４７０の構造は、図６に概略的に示されている。反応物質の入口４７２はメインチャンバー４７４に通じている。反応物質の入口４７２は、一般的にメインチャンバー４７４の形状に一致させてある。粒子状生成物、全ての未反応のガス、及び不活性ガスを取り出すべく、メインチャンバー４７４は、反応物質／生成物の流れに沿って出口４７６を有している。シールドガスの入口４７８は、反応物質の入口４７２の両側に位置している。シールドガスの入口は、反応物質の流れの面上に不活性ガスのブランケット又は覆い(blanket)を形成して、チャンバー壁と反応物質又は生成物との間の接触を阻止するべく用いられる。細長く引き延ばされた反応チャンバー４７４及び反応物質の入口４７２の外形寸法は、高効率で粒子の製造が行われるべくデザインされている。１８００ワットのＣＯ２レーザーを用いる場合、セラミックナノ粒子を製造するための反応物質の入口４７２の適当な外形寸法は、約５ｍｍ〜約１ｍの範囲内にある。
【００７４】
管状部分４８０、４８２は、メインチャンバー４７４から延びている。管状部分４８０、４８２は、窓４８４、４８６を保持しており、反応チャンバー４７０を通る光ビームの経路４８８を規定している。不活性ガスを管状部分４８０、４８２内へと導入するべく、管状部分４８０、４８２は、不活性ガスの入口４９０、４９２を包含し得る。
【００７５】
図７〜９を参照すると、特定の実施例であってエーロゾル反応物質の搬送を伴うレーザー熱分解システム５００は、反応チャンバー５０２と、粒子収集システム５０４と、レーザー５０６と、及び反応物質搬送システム５０８とからなる。反応チャンバー５０２は、反応物質の入口５１４を有している。入口５１４は、反応チャンバー５０２の底部にあり、この部分に於いて反応物質搬送システム５０８が反応チャンバー５０２と接続される。本実施例では、反応物質は反応チャンバーの底から搬送される一方、生成物は反応チャンバーの上から収集される。この構成は反転させることが出来、このとき、反応物質は上から供給され、生成物は下から収集される。
【００７６】
シールドガスの導管５１６は、反応物質の入口５１４の正面側及び背面側に配置される。不活性ガスは、各ポート５１８を通ってシールドガス導管５１６に搬送される。シールドガス導管は、シールドガスが反応チャンバー５０２の壁に沿う様に方向付けられており、反応物質のガス又は生成物が壁と関連付けられるのを阻止している。
【００７７】
反応チャンバー５０２は、図７中、参照符“ｗ”で表示された一次元又は方向に沿って細長く引き延ばされている。レーザービームの経路５２０は、メインチャンバー５２６からチューブ５２４に沿って変位した窓５２２を通って反応チャンバーに入り、反応チャンバー５０２の細長く引き延ばされた方向を縦走する。レーザービームはチューブ５２８を通過して、窓５３０から出て行く。一実施例によれば、チューブ５２４及び５２８には、メインチャンバーから約１１インチ変位している窓５２２及び５３０がある。レーザービームは、ビームダンプ５３２に於いて終端している。動作時には、レーザービームは、反応物質の入口５１４を通って生成される反応物質の流れと交差する。
【００７８】
メインチャンバー５２６の上端は開口しており、粒子収集システム５０４が入っている。粒子収集システム５０４は、メインチャンバー５２６の上端に接続され、メインチャンバー５２６からの流れを受け入れる出口ダクト５３４を有している。出口ダクト５３４は、反応物質の流れの面外の生成物の粒子も円筒形のフィルター５３６に運ぶ。フィルター５３６は、一端側にキャップ５３８を有している。フィルター５３６の他端側は、ディスク５４０に固定されている。排出口５４２が、ディスク５４０の中央部分に確保され、フィルター５３６の中央部分へのアクセスを可能にしている。排出口５４２は、ダクトを経由してポンプに結合される。従って、生成物の粒子は、反応チャンバー５０２からポンプへの流れによって、フィルター５３６上に捕集される。好適なポンプについては上記した通りである。又ポンプには、例えば、乗用車サーブ９０００用のエアクリーナーフィルター（Ｐｕｒｉｌａｔｏｒ社のパーツＡ４４−６７）が適合し得る。これは、Ｐｌａｓｔｉｃｏｌ社又はポリウレタンのエンドキャップを備えた、ワックスを含浸させた紙である。
【００７９】
一実施例によれば、反応物質搬送システム５０８は、図１０に示される反応物質のノズル５５０を有している。反応物質のノズル５５０は、取付板５５２を包含し得る。反応物質の入口５１４に於いて、反応物質のノズル５５０は、取付板５５２と共にメインチャンバー５２６の底部にボルト留めして取り付けられる。一実施例によれば、ノズル５５０は、４つのスリット５５４、５５６、５５８、及び５６０で終端する４つのチャネルを有している。スリット５５８及び５６０は、バナジウム前駆物質及び、反応物質の流れに於ける他の所望の成分の搬送のために使用され得る。スリット５５４、５５６は不活性のシールドガスの搬送のために使用され得る。ここで、二次的な反応物質が、バナジウム前駆物質と自発的によく反応するものである場合、更にそれがスリット５５４、５５６を通って搬送され得る。バナジウム酸化物の粒子を製造するために使用される或る装置では、４つのスリット５５４、５５６、５５８及び５６０は、３インチ×０．０４インチの寸法を有している。
【００８０】
［Ｂ．  熱処理］
サブミクロン及びナノスケールオーダーの炭素及び／又はフッ化カーボンの有効な性質は、熱処理を通じてモディファイされる。熱処理のための好適な出発物質には、例えば、レーザー熱分解によって生成された粒子等が挙げられる。さらに、熱処理工程のための出発物質として使用される粒子には、相異なる条件下で行われる一又はそれ以上の、先の加熱工程を経させることが出来る。レーザー熱分解によって形成される粒子を熱処理する際、例えば粒子をフッ素化させることによる更なる熱処理が、結晶化度を改善し、汚染物質を除去し、結晶構造を変更し、及び／又は化学量論(sroichiometry)を変更し得る。
【００８１】
一般的に、出発物質はどのような大きさ或いは形状の粒子とすることも出来るが、サブミクロン及びナノスケールオーダーの粒子を出発物質とすることが特に好ましい。ナノスケールの粒子は、約１０００ｎｍ以下の平均粒径を有しており、一実施例によれば約２ｎｍ〜約５００ｎｍ程度、又別の実施例によれば約５ｎｍ〜約１５０ｎｍ程度である。平均粒径から見て明らかな範囲内にある追加的な範囲については、本発明による開示の範囲内であることが当業者には認識される筈である。好適なナノスケールの出発物質は、レーザー熱分解により生成され得る。レーザー熱分解により形成される粒子の更なる性質は、以下に記載される。
【００８２】
粒子は、一般的に均一に加熱することが可能なオーブン又はそれに類するものの中に於いて加熱され得る。一般的に、処理条件はマイルドであるので、著しい量の粒子の焼結が生ずることはない。即ち、加熱温度は、出発物質及び生成物質の融点よりも比較的低い温度とされ得る。
【００８３】
粒子周りの雰囲気は、変化の無い静的なものとされ得、或いはシステム中を流れるガスとされる。加熱処理のための雰囲気は、酸化性雰囲気、還元性雰囲気、或いは不活性雰囲気とされ得る。特に、アモルファス粒子を結晶質の粒子に変換、或いは或る結晶構造から実質的に化学量論(sroichiometry)が同一である別異の結晶構造へ変換するに当たっては、一般的に雰囲気は不活性なものとされ得る。
【００８４】
好適な酸化気体には、例えば、Ｏ２、Ｏ３、ＣＯ及びＣＯ２並びにそれらの組み合わせが挙げられる。Ｏ２は、空気として供給され得る。還元ガスには、例えばＨ２が挙げられる。酸化気体又は還元ガスは、任意的に、Ａｒ、Ｈｅ及びＮ２の様な不活性ガスと混合され得る。不活性ガスが酸化気体／還元ガスと混合される際、その混合物は約１％の酸化気体／還元ガスから約９９％の酸化気体／還元ガスを含むものとされ得、或る実施例によれば約５％の酸化気体／還元ガスから約９９％の酸化気体／還元ガスを含むものとされる。また、必要に応じて、実質上純粋の酸化気体、純粋の還元ガス又は純粋の不活性ガスが使用され得る。高度に濃縮された還元性ガスを使用する際には、爆発の防止に関し注意する必要がある。
【００８５】
加熱性能を発揮するものであれば、種々のオーブン又はそれに類するものを使用し得る。この処理機能を発揮する一例となる装置６００が図１１に掲げられている。装置６００は、ガラス又はその他の不活性物質から造られ得、その中に粒子が収容され得るジャー６０２からなり得る。好適なガラス製の反応炉ジャーは、エースガラス社（ニュージャージー州ヴィーンランド）から入手可能である。高温向けの合金ジャーを、ガラス製ジャーに代えて使用し得る。ガラスジャー６０２の上面はガラスキャップ６０４で封止され、テフロン（登録商標）のガスケット６０６がジャー６０２とキャップ６０４との間に備えられる。キャップ６０４は複数のポート６０８を有しており、各ポートにはテフロン（登録商標）のブッシングが備えられている。複数の羽根を持つステンレス鋼製の撹拌器６１０が、中央ポート６０８を通ってキャップ６０４に差し込まれ得る。撹拌器６１０は、適当なモーターに接続されている。
【００８６】
一又はそれ以上のチューブ６１２が、ガス搬送用のポート６０８を通ってジャー６０２中に差し込まれる。チューブ６１２は、ステンレス鋼又はその他の不活性材料から造られ得る。拡散器６１４がチューブ６１２の先端に配置され得、ジャー内に於いてガスを分配する。一般的に、ヒーター／加熱炉６１６がジャー６０２の周りに配置され得る。好適な抵抗加熱器が、グラス−コル社（インディアナ州、テレ  ホーテ）から入手可能である。或るポートは、例えば、Ｔ字型の接続部６１８を有し得る。ジャー６０２内の温度は、Ｔ字型の接続部６１８を通って挿入された熱電対６１８で測定され得る。さらに、Ｔ字型の接続部６１８は、排出口６２０にも接続され得る。排出口６２０は、ジャー６０２を通って循環して来たガスを排出する。排出口６２０は、（ガスを）ドラフト(fume hood)或いはそれに代わる換気装置へと放出させ得るものである。
【００８７】
或る実施例では、所望のガスはジャー６０２を通って流れる。一般的に、チューブ６１２は、酸化気体の供給源、還元ガスの供給源及び／又は不活性ガスの供給源に接続される。所望の雰囲気を作り出すための酸化気体、還元ガス若しくは不活性ガス又はそれらの組み合わせは、然るべきガス供給源からジャー６０２内へと収容される。様々な流速が使用され得る。流速は、例えば、１分間当たり約１スタンダード立方センチメートル(sccm; standard cubic centimeter per minute)から約１０００ｓｃｃｍの間とすることが出来、或る実施例では約１０ｓｃｃｍから約５００ｓｃｃｍまでとされる。流速は処理工程中一定とされ得るが、必要に応じて、流速及びガスの組成は、処理を行っている間中意図的(systematically)に変更され得る。また、動きの無い静的なガス雰囲気(static gas atmosphere)も使用し得る。
【００８８】
［１．  炭素粒子］
典型的な炭素粒子は、長距離オーダーを表示するＸ線回折(x-ray diffractograms indicative of long-range order)を生成しないことから、アモルファスだと考えられている。炭素の黒鉛化は、カーボンブラック形成の温度よりも高いおよそ３，０００℃付近で起こる。ところで、カーボンブラックは、ｓｐ２−混成カーボンが屈曲した形態であるグラフェンシート(六員環シート; graphene sheets)を有している。グラフェンシート（graphene sheets）は、屈曲していることを除けばグラファイトシート(graphite sheets)と同様のものである。従って、短距離、場合によっては中距離オーダーのグラフェンシート（graphene sheet）は、グラファイトと同様の結晶構造となっている一方、グラフェンシート（graphene sheet）の屈曲は、さらなる長距離オーダーの形成を阻止している。さらに、グラフィンシート（graphine sheets）の性質は、カーボンブラックに、例えば電池用途中に於けるそれらの振る舞いに関する如く、グラファイトと比べて著しく異なる特性を与えている。短距離、場合によっては中距離オーダーをもつ同様の屈曲したカーボンシートは、バッキーボール(Ｃ６０構造分子; bucky balls)、例えば、単一壁及び複数壁のナノチューブの様なカーボンナノチューブ並びにフラーレン(fullerenes)中に見られる。
【００８９】
カーボンブラック粒子に於ける部分的なグラファイト形成は、およそ２，０００℃及びそれより高い温度で起こり得る。加熱条件が、十分穏やかな条件で行われるものであれば、粒子は焼結しない。従って、粒子の黒鉛状の性質(graphitic character)を、小さな粒子サイズを壊すこと無く増大させ得る。レーザー熱分解によって形成される炭素粒子は、典型的なカーボンブラックよりもさらに短距離オーダーを有している様に観察される。Ｊ．マテリアルズ  リサーチ誌、Ｖｏｌ．１０（１１）、２８７５−２８８４頁（１９９５年１１月）に見られる、ビ(Bi)他による「ＣＯ２レーザー熱分解によって生成されたナノスケールのカーボンブラック」と題されたものが、ここに参照として組み込まれる。この文献にはまた、例えばレーザー熱分解により形成されたカーボンブラックの様に、熱処理を用いたレーザーブラック(laser black)の部分的な黒鉛化に関する開示がある。
【００９０】
カーボンブラック粒子、特にレーザー熱分解によって形成された粒子は、熱処理され、相当多くの面を持つ(well faceted)黒鉛化された形態に形成され得る。レーザーブラック(laser black)中に於けるより多い不規則性の存在は、熱処理工程でのグラファイト層の形成を容易にする。この様に黒鉛化された形態は、屈曲したグラフェンシート（graphene sheets）よりも、リチウムのインターカレーションがグラファイト層でより効率的に行われ、電池用途での使用に好適である。好適に黒鉛化された炭素粒子は、Ｃｕ Ｋα、Ｘ線回折中の約２θ＝２６度に於いて、再現可能な先鋭なピークを有し得る。関連する或る実施例では、黒鉛状の領域は、粒子の体積の大部分を占めている。さらに、黒鉛化されたカーボンナノ粒子は、或る実施例では少なくとも約３．５ｎｍの厚さ、別の実施例では少なくとも約５ｎｍの厚さ、そして更なる別の実施例では少なくとも約８ｎｍの厚さの領域をもつ黒鉛状のシェルを有し得る。当業者には、黒鉛シェルの厚さの、明らかな範囲内にある追加的な範囲については、本発明による開示の範囲内であることが認識され、かつ予定される筈である。上記したビ(Bi)他による文献に記載されている様に、黒鉛シェルの厚さは、透過型電子顕微鏡写真(TEM; transmission electron micrograph)を視覚的に検査することよって評価され得る。
【００９１】
或る実施例では少なくとも１０モル％、別の実施例では少なくとも２５モル％、そして更なる別の実施例では少なくとも５０モル％の炭素が黒鉛状の環境中にあることが好ましい。黒鉛状の炭素の度合は、アモルファスカーボンと比較した黒鉛状炭素の結合(bonding)及びこれに対応する振動モードが異なることに基づき、赤外線分光法で評価され得る。特に、モルパーセンテージは、ラマン散乱の、およそ１６００波数（ｃｍ−１）に於けるピークと、１３７５波数に於けるピークの比を用いて評価され得る。これらのピークは、標準としての、商業的に入手可能な黒鉛とフラーレンとを用いて正規化され得る。また、炭素粒子は、少なくとも１０体積％が黒鉛状のもの、別の実施例では少なくとも２５体積％が黒鉛状のもの、そして更なる別の実施例では少なくとも５０体積％が黒鉛状のものとされ得る。黒鉛の体積％は、透過型電子顕微鏡写真より評価され得る。当業者には、黒鉛状の含有物に関する、明らかな範囲内にある追加的な範囲については、本発明による開示の範囲内であることが認識され、かつ予定される筈である。
【００９２】
炭素粒子の熱処理が、例えば、上記した図１１に示される装置内で行われ得る。不活性雰囲気が使用され得、さらに、酸素が効果的に排除される。好適な不活性ガスはＡｒである。一般的に、カーボンナノ粒子の熱処理は、少なくとも約１，５００℃、別の実施例では約１，８００℃から約３，２００℃、そして更なる別の実施例では約２，２００℃から約３，０００℃の温度で行われる。一般的に、加熱は、少なくとも約５分間、別の実施例では約１０分間から約１０時間、そして更なる別の実施例では約３０分間から約４時間行われる。当業者には、加熱温度及び時間に関する、明らかな範囲内にある追加的な範囲については、本発明による開示の範囲内であることが認識され、かつ予定される筈である。
【００９３】
［２．  炭素粒子のフッ素化］
フッ素は、炭素粒子中に、レーザー熱分解によるこれらの合成、又は以下の、フッ素化作用物（fluorination agent）を用いた粒子の合成を通じて取り込まれ得る。過剰なフッ素は、ガス状の生成物の形成、及びこれに対応した固体炭素の破壊に繋がり得ることから、フッ素の量はコントロールされる。一般的に、結果として得られるフッ化カーボンの化学量論(stoichiometry)は、約０．００１から約１．９、別の実施例では約０．１から約１．７、またそれとは別の実施例では約０．２５から約１．５、更に別の実施例では約０．５から約１．１の範囲のＦ／Ｃ比を有している。或る実施例では、Ｆ／Ｃ比をおよそ１とすることも可能である。別の言い方で説明すると、フッ化カーボンは（ＣＦｘ）として表され得、そのｘが０＞ｘ≧２の範囲内に、別の実施例では０．１≧ｘ≧１．９の範囲内に、或る実施例では０．５≧ｘ≧１．５の範囲内に、そして更なる別の実施例では０．１≧ｘ≧１．１の範囲内又は１．１≧ｘ≧１．４の範囲内にあるものである。当業者には、フッ化カーボンの組成に関する、明らかな範囲内にある追加的な範囲については、本発明による開示の範囲内であることが認識され、かつ予定される筈である。当業者には、Ｆ／Ｃ比に関する、明らかな範囲内にある追加的な範囲については、本発明による開示の範囲内であることが認識され、かつ予定される筈である。
【００９４】
フッ化カーボンは高い温度に於いて分解されることから、一般的に、フッ化カーボン粒子は約５００℃を越えない温度で、別の実施例では約１５０℃から約４５０℃の温度で、更なる別の実施例では約２５０℃から約３７５℃の温度で加熱される。一般的に、この加熱は、上記したものと同じ装置を用いて、かつ同じ時間を掛けて行われる。当業者には、明らかな範囲内にある、温度の追加的な範囲については、本発明による開示の範囲内であることが認識され、かつ予定される筈である。
【００９５】
或る実施例では、フッ素化反応は粒子の形成後に行われる。一般的に、フッ素化は、黒鉛含有物を増やす熱処理と同時に、又は黒鉛含有物を増やす熱処理の後に行われ得る。黒鉛含有物を増やす熱処理については上記した通りである。この工程中にフッ素化が行われる場合、加熱チャンバー内に於ける雰囲気は、任意的にＡｒ又はその他の不活性ガスで希釈化されたフッ素ガスから構成され得る。ガスの圧力、及びその他の反応パラメータについては、粒子へのフッ素の取り込みが所望の通り行われる様調節され得る。とりわけ、加熱のほか、特に冷却の速度に関しては、所望のフッ素化を得るべく実験的(empirically)に調節され得る。
【００９６】
黒鉛含有物を増やす熱処理の後に行われ得る粒子のフッ素化は、約２００℃から約６００℃の温度で、及び別の実施例では約３００℃から約５００℃の温度で行われ得る。これらの実施例では、反応炉内の雰囲気は、大気圧、又はそれより若干高い圧力とされ得る。一般的に、加熱時間は、約３時間から約４０時間、及び別の実施例では約５時間から約３０時間である。当業者には、明らかな範囲内にある、上記温度と時間の追加的な範囲については、本発明による開示の範囲内であることが認識され、かつ予定される筈である。
【００９７】
［Ｃ．  粒子の性質］
粒子の収集に関連して、一般的に、粒子は約１ミクロンを越えない、或いは５００ｎｍを越えない、別の実施例では約２ｎｍから約１００ｎｍの、また別の実施例では約５ｎｍから約７５ｎｍの、そして更なる別の実施例では約５ｎｍから約５０ｎｍの平均粒径を有している。当業者には、明らかな範囲内にある、上記粒径の追加的な範囲については、本発明による開示の範囲内であることが認識され、かつ予定される筈である。一般的に、粒径は透過電子顕微鏡法により評価される。非対称性を伴う粒子の直径の測定は、粒子の主軸に沿った長さ測定を行い、その平均を取ることに基づいている。一般的に、一次粒子(primary particles)に関連する粒子は僅かにあるが、もしあったとしても、一次粒子の間で融解し難い(hard fusing)ことから、それ故二次粒子(secondary particles)は一次粒子と実質的に等価になっている。言い換えれば、ここで使用される粒子の語は、分散性のある物理的粒子を指し示している。
【００９８】
一般的に、レーザー熱分解により生成された粒子は、全体的に見て略球状の態をなしている。具体的に言うと、結晶質粒子は、物理的な３次元に於いて略同等の成長を示す傾向があるため、全体的に見て略球状の外観をなしている。一般的に、アモルファス粒子は、より球に近い外観を備えている。熱処理後は、粒子は結晶格子を反映して非球状の形となる。内実を見ると、一般的に、結晶質の粒子は、基礎にある結晶格子に対応した小面を有している。
【００９９】
サイズが小さいことから、粒子は、隣接する粒子間に於けるファン・デル・ワールス力及びその他の電磁力のせいで緩い塊を形成する傾向がある。これらの塊は、例えば適当な溶媒中で著しい度合で分散され得る。粒子は緩い塊を形成するけれども、サブミクロン又はナノメートルスケールの粒子は、（粒子の）透過型電子顕微鏡写真中ではっきりと観察される。さらに、粒子は、粒子の重量当たりのサイズが小さく、かつ表面積が広いことから、特有の性質を表し得る。例えば、バナジウム酸化物のナノ粒子は、リチウム電池中で驚く程高いエネルギー密度を示し得る。このことは、「電気活性ナノ粒子を備えた電池」と題されたビ(Bi)他の米国特許第５，９５２，１２５号に開示されており、ここに参照として組み込まれる。
【０１００】
サイズに関し、粒子は、高度の均一性を有する。一般的に、上記したレーザー熱分解によれば、粒径が採り得る範囲は極めて狭いものとなる。さらに、適度に穏やかな(mild)条件下での熱処理では、粒径が採る極めて狭い範囲が変わることはない。レーザー熱分解のための反応物質をエーロゾル搬送する際、粒径の分布は、反応条件に特に敏感となる。反応条件は、言うまでもなく適切にコントロールされ、それにより、エーロゾル分配システムで極めて狭い粒径の分布幅を得ることが出来る。透過型電子顕微鏡写真の検査から決定されるが、一般的に、粒子は、サイズに関し、少なくとも約９５％の、別の実施例では９９％の分布状態を有しており、又粒子は、平均粒径の約４０％よりも大きく、平均粒径の約２２５％よりも小さな直径を有している。或る実施例では、粒子は少なくとも約９５％の、別の実施例では９９％の分布状態を有しており、又粒子は、平均粒径の約４５％よりも大きく、平均粒径の約２００％よりも小さな直径を有している。当業者には、明らかな範囲内にある、粒子の均一性の追加的な範囲については、本発明による開示の範囲内であることが認識され、かつ予定される筈である。
【０１０１】
さらに、或る実施例では平均粒径の５倍、別の実施例では平均粒径の４倍、そして更なる別の実施例では平均粒径の３倍を超える直径を有する粒子は事実上、存在しない。言い換えれば、粒子サイズの分布は、著しく大きなサイズを備えた少数の粒子を表す末端を、事実上有していない。これは、反応領域が小さいこと、及びそれに対応して粒子が素早く冷却又は反応が抑さえられることによるものである。サイズ分布の末端に於ける事実上のカットオフは、粒子１０６中の約１個より少ない数の粒子が、平均粒径より上の特定のカットオフ値よりも大きい直径を有するかで示される。サイズの分布の幅が狭いこと、末端が欠けていることは、種々の適用用途に於いて有効利用され得る。当業者には、明らかな範囲内にある、粒子分布のカットオフに関する追加的な範囲については、本発明による開示の範囲内であることが認識され、かつ予定される筈である。
【０１０２】
さらに、ここで説明した技法により生成されるサブミクロン粒子は、極めて高い純度を有している。上記方法により生成される粒子には、レーザー熱分解反応のための反応物質よりも高い純度を有することが期待される。又適当な場合、結晶形成工程は、粒子から混入物質を排除しようとする。粒子の表面上にある若干の不純物は、粒子を加熱することによって除去され、高い結晶の純度だけでなく、全体的な高純度が実現される。
【０１０３】
［Ｄ．  電極及びセルの構造］
セル６５０の一般的な構造が、図１２に概略的に示されている。セル６５０は、負電極６５２、正電極６５４、及び負電極６５２と正電極６５４との間のセパレーター６５６を有している。単一の電池は、複数の正電極及び／又は複数の負電極を、１つのセル内又は複数のセル内に包含し得る。電解液は、以下に述べる種々の方法で供給され得る。セル６５０は、一般的に、負電極６５２及び正電極６５４と夫々関連付けられた集電体６５８、６６０からなる。複数の集電体が、必要に応じて各電極と関連付けられ得る。以下に述べられる電池構造は、とりわけ、高率及び中率の用途、特に、植え込み型医療装置に適している。
【０１０４】
リチウムは、一次及び二次電池に幅広く用いられている。金属リチウムの大部分が陽性金属であると言う点は、興味深い特長である。金属、金属酸化物及び混合金属酸化物の特定の形態は、インターカレーション又はこれと類似したメカニズムであるトポケミカル・アブソープション(化学吸着; topochemical absorption)の様なものを通じて、自身の構造中にリチウムイオンを取り込むことがよく知られている。さらに、リチウムイオンのインターカレーションは、黒鉛の格子及びカーボンフルオライド（carbon fluoride）の格子の形態中に於て行われ得る。
【０１０５】
特に、電池を放電している間中、リチウムは正電極物質の格子中にインターカレートする。再充電の状態中、例えば、電池に対し外部からの起電力が掛けられることによって電圧がセルに掛けられ、電流が正電極に流れ込んでいる際、リチウムは格子から離れる。正電極６５４は放電中、カソードとしての役割を果たし、かつ負電極６５２はセルの放電中、アノードとしての役割を果たしている。セルに高エネルギー密度を提供すべく、カーボンフルオライド（carbon fluoride）粒子は、リチウムベースの電池の正電極中に直接使用され得る。適当なカーボンフルオライド（carbon fluoride）粒子を、リチウム又はリチウムイオン電池の何れかの正電極向けの有効な電気活性物質とすることが出来る。
【０１０６】
正電極６５４は、高分子バインダーの様なバインダーと共に保持される、フッ化炭素粒子の様な電気活性ナノ粒子からなり得る。正電極６５４に使用される粒子は、例えば、略球状の粒子又は細長く引き延ばされた粒子等、任意の形状を有し得る。高率及び／又はパルス放電用途向けには、金属バナジウム酸化物が良好な特性をもつことが見出されており、酸化バナジウム銀(silver vanadium oxide)が単独で又はカーボンフルオライド（carbon fluoride）電気活性粒子と組み合わされて使用される。
【０１０７】
カーボンフルオライド（carbon fluoride）は、極めて高いエネルギー密度を有しているため、中率及び／又は低率用途に好ましい物質である。以下で述べる通り、高率及び中／低率の双方の領域で優れた性能を提供すべく、これらカーボンフルオライド（carbon fluoride）は、電池中に於いて、種々の方法で、酸化バナジウム銀粒子の様な高率物質と組み合わされ得る。一般的に、正電極（カソード）中に  金属バナジウム酸化物の組成を組み込んだ電池は、一次電池として使用される。
【０１０８】
或る電気活性物質は適当な導電体であるが、一般的に、正電極は電気活性ナノ粒子に加えて導電性粒子を含んでいる。一般的に、バインダーは、付加的に導電性粒子も保持している。好適な導電性粒子には、黒鉛の様な導電性炭素粒子、カーボンブラック、銀粒子の様な金属粒子、及びステンレス鋼繊維の様な金属繊維その他が挙げられる。黒鉛は、少なくとも５０ｍ２／ｇ、或る実施例では少なくとも１００ｍ２／ｇ、別の実施例では少なくとも１５０ｍ２／ｇ、更なる別の実施例では少なくとも２００ｍ２／ｇのＢＥＴ表面積を有している。当業者には、明らかな範囲内にある、表面積の追加的な範囲については、本発明による開示の範囲内であることが認識され、かつ予定される筈である。
【０１０９】
高負荷をもつ粒子が、バインダー中に実現され得る。粒子は、正電極の重量で約８０％以上を組成しており、或る実施例では正電極の重量で少なくとも約９０％を組成し得る。バインダーは、ポリビニリデンフルオライド、ポリエチレンオキサイド、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリアクリレート及びエチレン−（プロピレン−ジエン  モノマー）共重合体（ＥＰＤＭ）、並びにこれらの混合物及び共重合体の様な種々任意の好適なポリマーからなり得る。
【０１１０】
或る実施例では、正電極／カソードの製造に際しては、電気活性粉末、導電性粉末、及びポリマーを共に混ぜ合わせ、それに引き続いて、これらの物質を高圧でプレスしてカソードを形成することを必要とする。別の実施例では、十分な量の溶媒が、上記混合物をホモジナイザー又はこれに類するものを用いて混ぜ合わせるために加えられる。好適なホモジナイザーの一例としては、カリフォルニア州サンフランシスコのＶＷＲサイエンティフィック社から入手可能なＩＫＡワークスの商品名Ｔ２５  ベーシック  ウルトラ−ＴＵＲＲＡＸ  ラボラトリー  ディスペンサー／ホモジナイザーが挙げられる。当業者に知られている様に、ホモジナイザーは、他の混ぜ合わせ手段と比べて速い剪断動作を行い得るものである。
【０１１１】
ホモジナイザーを用いることで、より良好な粒子の分散を得ることが出来る。混合物は、或る実施例では約１分間から約２０分間、別の実施例では約２分間から約１０分間、又更なる別の実施例では約２分間から約５分間、適当なスピードで混ぜ合わされる。速い剪断による均質化は、標準的なホモジナイザーに於ける低い設定値に相当する約５０００ｒｐｍ以上、一般的には約８０００ｒｐｍから約２４，０００ｒｐｍで実施され得る。高回転数（ｒｐｍ）に於ける均質化でも、同様の結果が得られることが期待される。ホモジナイザーで混ぜ合わせることで、成分が極めて良好に分散された混合物を得ることが出来る。ホモジナイザーで混ぜ合わせることに引き続き、混合物は濾され、練られ、そしてローラーで延ばされ(rolled into)てカソードシートにされる。カソードは所定形状にカットされ、そして乾燥されて溶媒が除去される。乾燥は真空オーブンの様なオーブンで行われ得る。乾燥後、一般的にカソードは例えば１ｃｍ２あたり約３ｔから３．５ｔの圧力を掛けてプレスされる。カソード物質のプレスが行われた後、カソードは乾燥した雰囲気中に保管される。
【０１１２】
リチウム電池の場合、負電極はリチウム金属又はリチウム合金から構成され得、バインダー中に於ける金属粒子、格子又は箔の何れかの形態とされる。一般的に、リチウムイオン電池は、リチウムをインターカレートし得る構成の粒子を用いている。粒子は、負電極中のバインダーに保持されている。好適なインターカレーション化合物には、黒鉛、合成黒鉛、コークス、メソカーボン(mesocarbon)、ドープ炭素(doped carbons)、フラーレン、錫合金、ＳｎＯ２並びにこれらの混合物及び化合物が挙げられる。
【０１１３】
集電体６５８、６６０は、電池６５０から出て行く電気を流れ易くしている。集電体６５８、６６０は、導電性のものであって、一般的にニッケル、ステンレス鋼、タンタル、チタン、アルミニウム或いは銅の様な金属からなっており、更に金属箔又は好ましくは金属製の格子からなり得るものである。集電体６５８、６６０は、それらと関連付けられた電極の表面上に備えられ、或いはそれらと関連付けられた電極中に埋め込まれ得る。
【０１１４】
セパレーター構成要素６５６は、電気的に絶縁し、かつイオンの通路を提供するものである。セパレーターを通じたイオンの伝達は、電池全体を電気的中性にするものである。セパレーターは、回路短絡を引き起こす事となる、正電極中に於ける電気活性化合物と、負電極中に於ける電気活性化合物との接触を阻止する。
【０１１５】
セパレーター向けには、種々の材料が使用され得る。例えば、セパレーターは多孔性の基質を形成するガラス繊維から形成され得る。或る実施例では、セパレーターはポリエチレン或いはポリプロピレンの様なポリマーから構成され得る。商業的に入手し得る好適なポリマーのセパレーターには、ノースカロライナ州シャルロットにあるホーヒスト  セラネーズ社の商品名セルガード(Celgard)が挙げられる。ポリマーのセパレーターは、多孔性のものであり、イオン伝導を提供する。またこれに代え、或いは更に、ポリマーのセパレーターをポリエチレンオキサイドの様なポリマーから形成された固体電解質とすることも出来る。固体電解質は、電解質をポリマー基質中に組み込んだものであり、液体溶媒と共に、或いは液体溶媒を必要とすること無しにイオン伝導を提供するものである。
【０１１６】
リチウム電池又はリチウムイオン電池向けの電解質は、種々任意のリチウム塩を含有し得る。一般的に、適当なリチウム塩は化学的に不活性な陰イオンを有している。好適なリチウム塩には、例えばリチウム ヘキサフルオロフォスフェイト（ヘキサフルオロリン酸リチウム）、ヘキサフルオロヒ酸リチウム、リチウム ビス（トリフルオロメチルスルホニルイミド）、リチウム トリフルオロメタン スルホネート、リチウム トリス（テトラフルオロメチル スルホニル） メチド、テトラフルオロホウ酸塩リチウム、過塩素酸リチウム、テトラクロロアルミン酸リチウム及びリチウム塩化物並びにこれらの組み合わせが挙げられる。
【０１１７】
溶媒が電解質を溶解させるのに用いられる場合、この溶媒は一般的に不活性であり、かつ電気活性物質を溶解させないものである。適当な溶媒には、例えば、プロピレンカーボネート、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、２−メチルテトラヒドロフラン、ジオキソラン、テトラヒドロフラン、メチルエチルカーボネート、ジプロピルカーボネート、エチレンカーボネート、γ−ブチロラクトン、ジメチルスルホキシド、アセトニトリル、ホルムアミド、ジメチルホルムアミド、トリグリム（トリ（エチレングリコール）ジメチルエーテル）、ジグリム（ジエチレングリコール ジメチルエーテル）、ＤＭＥ（グリム又は１，２−ジメトキシエタン又はエチレングリコール ジメチルエーテル）、及びニトロメタン並びにこれらの混合物が挙げられる。
【０１１８】
或る実施例は、高率電池の製造に関連している。改良されたレート性能が、電解質を形成する高イオン伝導溶媒を使用することで見出された。好適な溶媒としては、とりわけ、ＤＭＥと他の溶媒、特に、アルキレンカーボネートとの混合物が挙げられる。例えば、或る好適な混合物は、およそ１：１の体積比を持つＤＭＥとエチレンカーボネート又はプロピレンカーボネートとのの混合物である。一般的に、好適な溶媒としては、例えば残りがアルキレンカーボネートとなる、約２５体積％から約７５体積％のＤＭＥ、又より好ましくは、約３３体積％から約６６体積％のＤＭＥが挙げられる。
【０１１９】
電池構成要素の形状は、所望の最終製品、例えばコイン型セル、矩形構造又は円筒形の電池、に合う様調整され得る。一般的に、電池は、集電体及び／又は電池の電極と電気的に接触する適当な端子を備えたケーシングからなる。液体の電解質が使用される場合、ケーシングは電解液の漏洩を阻止する様構成される。ケーシングは、電池構成要素を互いに近接して保持することが出来、適当な電気的経路及びイオン伝導経路の双方に関する抵抗、例えば電池中のインピーダンスを少なくする。複数の電池セルを単一のケース内に備える事が出来、それらのセルは直列、並列の何れかに接続され及び／又は単独構成とされる。
【０１２０】
［Ｅ．  電池構造］
一般的に、電池のサイズは特定の用途に適合する様選択される。電池サイズの選択は、電池サイズを小型に保つことと、その一方で、所望の電流容量仕様及び／又はエネルギー仕様を提供することとのバランスと関連している。一般的に、植え込み型医療装置に使用するに当たっては、電池サイズを小型に保つことが望ましく、それによって、医療装置自体を小型にすることが出来る。
【０１２１】
或る適用例、例えば植え込み型医療装置向けには、植え込み型装置という制約があることから、結果として得られる電池の形状及び寸法の制約がある一方で、高い容量を有していることが望ましい。従って、特定の電池構成を盛り込むことが望ましい。特に、高率又は中率特性を維持する適切な実施例については、カソードの厚さを一定範囲内に保つことが望ましい。また一方、電池の厚さを特定の値以下に保つことが望ましいことから、円状に巻回した電池形態は好適でない。電池の厚さを制限する一方で、選択された総カソード体積を有し得る好適な電池構成が、図１３及び１４に示されている。対応するこれらの電池構造はそれぞれ、積み重ねられた電極構造と、そしてアノードの折り重ね体の間に個々独立したカソード板を有する、蛇行するアノード構造である。蛇行するアノードを備えた電池に関しては、ケイスター他の米国特許第４，８３０，９４０号中に詳細に記載されており、ここに参照として組み込まれる。
【０１２２】
図１３を参照すると、電池６７０は３つのアノード構成要素６７２と、３つのカソード構成要素又は板６７４と、５枚のセパレーター６７６とからなり、電極は平行に積み重ねられている。セパレーター６７６は、互いに隣接するアノード６７２とカソード６７４との間に配置される。セパレーターは、アノードをカソードから電気的に絶縁するものであることから、セパレーター６７６は、僅かに一又はそれ以上の対応する電極の表面を超えてさらに延びており、それによって電極の適切な絶縁を実現している。それぞれの型の電極の数は、電極の厚さにも依存する、所望の電池サイズ及び電池容量をもたらすべく選択され得る。カソードの厚さについては、以下にて更に説明する。或る高率の実施例では、電池は少なくとも６つのカソード構成要素から、そして別の実施例では、電池は少なくとも８つのカソード構成要素から構成され得る。その他より多い又は少ない数のカソード構成要素が、所望の電池パラメーターを達成すべく適当に用いられる。
【０１２３】
電池６７０では、等しい数のアノード構成要素６７２とカソード構成要素６７４とが示されているが、別のセパレーター６７６及びカソード構成要素６７４を図１３に示す構造の底部に配置することによって追加的なカソード構成要素６７４を持たせる様にしたり、或いは別のセパレーター６７６及びアノード構成要素６７２を図１３に示す構造の上面に配置することによって追加的なカソード構成要素６７２を持たせる様にして、構成要素の数を異ならせることも可能である。一般的に、アノード構成要素６７２及び／又はカソード構成要素６７４は、上記した様な集電体と関連付けられる。アノード構成要素６７２及び／又はこれに対応する集電体は、電池を外部回路と接続するためのタブ６８０を有し得、同様にカソード構成要素６７４及び／又はこれに対応する集電体もタブ６８０を有し得る。カソード構成要素６７４と関連付けられたタブは並列に接続され、又アノード構成要素６７２と関連付けられたタブも、同様に並列に接続される。一般的に、電池の構成要素は電解質を備えた適当なケース内に配置されており、アノード構成要素６７２及びカソード構成要素６７４は、電池と外部回路とを繋ぐための電気的端子に接続されている。
【０１２４】
図１４を参照すると、電池７７０は、蛇行するアノード７７２と、カソード板７７４、７７６、７７８及び７８０とからなっている。この蛇行構造では、種々のセパレーター実施例を、単独又は組み合わせて使用し得る。例えば、アノード７７２の表裏両面を曲がりくねって進む蛇行したセパレータを使用し得る。また、カソード板７７４、７７６、７７８及び７８０は、セパレーターにくるまれ得る。図１４に示される通り、アノード７７２は導電タブ７８２、７８４を備え、アノードとの電気的接触を可能にしている。或る実施例では、タブ７８２、７８４は導電性のケースと電気的に接触し得、アノード端子として機能している。カソード板７７４、７７６、７７８及び７８０は、カソード端子へ接続するための導電性タブ７８６、７８８、７９０及び７９２を有している。追加的な導電性タブ或いは別の位置にある導電性タブが、所望の電気的接続を提供し得る。電池７７０では、４ターンと４つのカソード板が示されているが、特定の用途に適合した、より多い又は少ないターン数及びそれに対応する数のカソード板を使用し得る。
【０１２５】
一般的に、これら電池構成要素は、適当な電解質と一緒にケース内に納められ、封止される。封止される前に、導電性タブは対応する端子に接続される。導電性のケースは、ケースを他の端子から隔離する適当な絶縁スペーサーと共に、一方側の端子として機能する。端子は、電池の放電の際に使用される。
【０１２６】
ここで、及びここで組み込まれる他の応用例で説明される、高率能力がある電池は、特定の植え込み型医療装置、特に心臓除細動器の製造に特に有用である。心臓除細動器は、患者の心臓に、通常の鼓動を引き起こさせるための電気的パルスを与えるものである。酸化バナジウム銀を組み込んだリチウム電池は、植え込み型心臓除細動器の製造に商業的に使用され得る大切なものであると理解されている。心臓除細動器に使用する際、電池セルは高い電流パルスを素早く連続してもたらす。
【０１２７】
一般的に、心臓除細動器は他の機能も有している。例えば、植え込み型心臓除細動器はモニタリング機能を有しており、患者の心臓が細動を受けていることを検知する様になっている。さらに、ペースメーカーと心臓除細動器の組み合わせも構成され得る。組み合わせ型植え込み型装置は、リチウムヨウ化物電池或いはカーボンモノフルオライド電池の様な、ペースメーカーの動作を継続して行わせる別の電池を有し得、それにより、高率酸化バナジウム電池を、電池を消耗させる事無くパルス動作用に待機させることが出来る。ペースメーカー及び／又は心臓除細動器の機能を備えた植え込み型医療装置に加えて、ここで述べられた改良された電池は、心臓疾患向け心臓再同期化治療装置(cardiac resynchronization therapy devices for heart failure)、心室アシスト装置及び神経刺激器並びにこれらの組み合わせ並びに上記の装置にペースメーカー及び心臓除細動器その他を備えたものにも好適なものである。
【０１２８】
サブミクロンオーダーのカーボンフルオライド（carbon fluoride）及び／又は炭素の粒子は、ペースメーカー機能、モニタリング機能或いは中率又は低率の用途に相応するその他の機能を備えた植え込み型医療装置向けに使用され得る。これらの物質は、高率物質又は他の中率若しくは低率物質と組み合わされ得、心臓除細動機能と組み合わせたモニタリング機能或いは寿命表示の様な、相応する機能或いは機能の組み合わせを提供する。無論、電極構造を形成する際、一般的に、電気活性物質は、バインダー、上記した様な導電性の粒子、さらに少量の他の添加物と組み合わされ得る。これら可能性のある一般的な成分については、特定の構造との関係で議論しておらず議論を簡略化しているが、当業者であれば、一般的な電極の成分が、電気活性組成を備えた電極構造内に含有され得ることを認識するであろう。特定の用途に関係無く、種々の構造が用いられ得、複数の相異なる電気活性物質が組み合わされる。例えば、２つの電気活性物質が、電極物質の複合材中に組み込まれる。
【０１２９】
或る実施例では、パルス動作に於いて上手く性能を発揮する物質、例えば酸化バナジウム銀の様な高率物質を、カーボンフルオライド（carbon fluoride）の様な高容量物質と組み合わせることが望ましい。特に、カソード活物質の層を、ステンレス鋼、チタン、アルミニウム若しくはタンタル又はこれらの組み合わせから形成される集電体の背中合わせの各面上に配置することが有用である。そのようなカソード構造が、図１５中に概略的に示されている。カソード構造体８１０は、接続タブ８１４を有する集電体８１２と、フッ化カーボンの様な第１の電気活性成分の層８１６と、及び酸化バナジウム銀の様な第２の電気活性成分の層８１８とからなる。図１５に示される構造は、所望の性能特性を有し得、また種々の他の層構造も、複数の電気活性物質の性質を上手く利用することが出来る様になっている。
【０１３０】
高率電池の試験手順が、「高率電池」と題されたガントゥス他の米国特許第６，５０３，６４６号及び「高容量及び高率電池」と題されたガントゥス他の米国特許出願（出願番号第１０／６２４，２２６号）に詳細に記載されており、これらはここに参照として組み込まれる。中率電池向けの好適な試験手順によれば、列中のパルス同士の間にウェイト又は待ち時間をもつ一定の電流パルス列をセルに与える。
【０１３１】
上記した実施例は、図示されたものに限定されることを意図していない。追加の実施例が以下のクレーム中に挙げられている。本発明は、好ましい実施例に基づいて説明されたが、当業者には、発明の精神及び射程から逸脱しない形状及び詳細についての変更が行われ得るであろうことが認識されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【０１３２】
【図１】レーザー熱分解装置の一実施例の概略断面図である。ここで、断面は、レーザー放射経路の中央を通るものである。上側の挿入部分は、出口ノズルを底面視した図であり、下側の挿入部分は、噴射ノズルを平面視した図である。
【図２】気相反応物質をレーザー熱分解装置に搬送するための反応物質搬送装置の概略側面図である。
【図３】レーザー熱分解装置の別の実施例を示す斜視図である。
【図４】図３に示す別のレーザー熱分解装置の入口ノズルの断面図である。図では、ノズルの長さ方向に沿って、ノズルの中央を通って切断された断面を示している。
【図５】図３に示す別のレーザー熱分解装置の入口ノズルの断面図である。図では、ノズルの幅方向に沿って、ノズルの中央を通って切断された断面を示している。
【図６】レーザー熱分解を行うための細長い反応チャンバーの一実施例を示す概略斜視図である。
【図７】レーザー熱分解を行うための細長い反応チャンバーの特定の実施例を示す斜視図である。
【図８】図７に示す反応チャンバーの、一部を切り取った側面図である。
【図９】図７に示す反応チャンバーを、図７の９−９線に沿って一部破断した側面図である。
【図１０】図７に示すチャンバーと共に使用される反応物質のノズルの一実施例を示す部分斜視図である。
【図１１】ナノ粒子を熱処理するための装置の概略断面図である。ここで、断面は、装置の中央を通るものである。
【図１２】本発明の電池を示す概略斜視図である。
【図１３】複数のカソード／アノード電池が組み立て用に積み重ねられた様子を示す概略斜視図である。
【図１４】所謂屈曲した又は曲がりくねった電池を示す概略断面図である。ここで、断面は、屈曲する又は曲がりくねる様子があらわれた平面に沿ったものである。
【図１５】蛇行するアノードと、アノードの折り重ね体の間のカソード板とを備えた電池の概略側面図である。
【図１６】集電体と向かい合う面に、相異なる電気活性材料を有する層が備えられたカソードの概略側面図である。
【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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【手続補正書】
【提出日】平成17年4月11日(2005.4.11)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１３２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１３２】
【図１】レーザー熱分解装置の一実施例の概略断面図である。ここで、断面は、レーザー放射経路の中央を通るものである。上側の挿入部分は、出口ノズルを底面視した図であり、下側の挿入部分は、噴射ノズルを平面視した図である。
【図２】気相反応物質をレーザー熱分解装置に搬送するための反応物質搬送装置の概略側面図である。
【図３】レーザー熱分解装置の別の実施例を示す斜視図である。
【図４】図３に示す別のレーザー熱分解装置の入口ノズルの断面図である。図では、ノズルの長さ方向に沿って、ノズルの中央を通って切断された断面を示している。
【図５】図３に示す別のレーザー熱分解装置の入口ノズルの断面図である。図では、ノズルの幅方向に沿って、ノズルの中央を通って切断された断面を示している。
【図６】レーザー熱分解を行うための細長い反応チャンバーの一実施例を示す概略斜視図である。
【図７】レーザー熱分解を行うための細長い反応チャンバーの特定の実施例を示す斜視図である。
【図８】図７に示す反応チャンバーの、一部を切り取った側面図である。
【図９】図７に示す反応チャンバーを、図７の９−９線に沿って一部破断した側面図である。
【図１０】図７に示すチャンバーと共に使用される反応物質のノズルの一実施例を示す部分斜視図である。
【図１１】ナノ粒子を熱処理するための装置の概略断面図である。ここで、断面は、装置の中央を通るものである。
【図１２】本発明の電池を示す概略斜視図である。
【図１３】複数のカソード／アノード電池が組み立て用に積み重ねられた様子を示す概略斜視図である。
【図１４】蛇行するアノードと、アノードの折り重ね体の間のカソード板とを備えた電池の概略側面図である。
【図１５】集電体と向かい合う面に、相異なる電気活性材料を有する層が備えられたカソードの概略側面図である。
【外国語明細書】
2005247679000001.pdf