(57)【要約】  本出願は、２次元物質（例えば、ＭｏＳ２、ＷＳ２、ＭｏＴｅ２、ＭｏＳｅ２、ＷＳｅ２、ＢＮ、ＢＮ−Ｃ複合体など）を、リチウム電極上に蒸着させる方法に関する。２次元物質でコーティングされたリチウム金属電極を含むバッテリシステムもまた記載される。これらの方法は、リチウム電極に出入りするリチウムイオンの流れを容易にするために、２次元物質をインターカレートするステップを含む。２次元物質−コーティングされたリチウム電極は、高いサイクル安定性及び著しい性能改善を提供する。これらのシステム及び方法は、硫黄コーティングと共に炭素構造（例えば、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）、グラフェン、多孔性炭素、自立型（ｆｒｅｅ−ｓｔａｎｄｉｎｇ）３Ｄ  ＣＮＴなど）を有する電極をさらに提供する。【選択図】図４
2020506519.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
リチウム金属をパッシベーションする方法であって、
前記方法は、
リチウム電極を提供するステップと、
前記リチウム電極上に２次元物質の少なくとも一つの層を蒸着させるステップと、
前記２次元物質の少なくとも一つの層に、複数のリチウムイオンをインターカレートするステップと、
を含む、方法。
【請求項２】
前記２次元物質が、ＭｏＳ２、ＷＳ２、ＭｏＴｅ２、ＭｏＳｅ２、ＷＳｅ２、ＢＮ、及びＢＮ−Ｃからなる群から選択される、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
少なくとも一つの界面層を挿入するステップをさらに含み、
少なくとも一つの前記界面層が、前記リチウム電極と前記２次元物質の少なくとも一つの層との間に存在するように配置される、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
少なくとも一つの前記界面層が、プラズマで処理されたきれいな表面を含む、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
少なくとも一つの前記界面層が、１０ｎｍ未満の厚さを有する金属中間層を含む、請求項３に記載の方法。
【請求項６】
少なくとも一つの前記界面層が、官能化中間層である、請求項３に記載の方法。
【請求項７】
前記蒸着のステップが、スパッタリング及び蒸発のうち少なくとも一つを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記インターカレートするステップが、
２次元物質を含む第１のターゲットを提供するステップと、
リチウム金属を含む第２のターゲットを提供するステップと、
前記第１のターゲット及び前記第２のターゲットを、前記リチウム電極上に同時にスパッタリングするステップと、
をさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記インターカレートするステップが、
２次元物質−リチウム複合体を含むターゲットを提供するステップと、
前記リチウム電極上に、前記ターゲットをスパッタリングするステップと、
をさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
カソードを提供するステップと、
前記カソード上に複数のカーボンナノチューブ構造を形成するステップと、
複数の前記カーボンナノチューブ構造上に、複数の硫黄粒子を蒸着するステップと、
をさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
バッテリであって、
正極端子（ｐｏｓｉｔｉｖｅ  ｔｅｒｍｉｎａｌ）と、
前記正極端子に接続されたアノードであって、前記アノードは、パッシベーション層を形成するために、２Ｄ物質の少なくとも一つの層でコーティングされたリチウム電極を含む、アノードと、
セパレータ層と、
複数の硫黄粒子が配置されている複数のカーボンナノチューブ構造体を含むカソードと、
前記カソードに接続された負極端子（ｎｅｇａｔｉｖｅ  ｔｅｒｍｉｎａｌ）と、
を含む、バッテリ。
【請求項１２】
前記カーボンナノチューブ構造が３Ｄカーボンナノチューブ構造である、請求項１１に記載のバッテリ。
【請求項１３】
前記カソードは、基板に結合された複数の硫黄コーティングされたカーボンナノチューブ構造と共に、グラフェン基板を含む、請求項１１に記載のバッテリ。
【請求項１４】
前記セパレータ層が、ポリプロピレン層及びポリエチレン層のうち少なくとも一つを含む、請求項１１に記載のバッテリ。
【請求項１５】
前記アノード及び前記カソードが電解質溶液内に配置されている、請求項１１に記載のバッテリ。
【請求項１６】
前記電解質溶液が非水溶液である、請求項１５に記載のバッテリ。
【請求項１７】
１つ以上の集電装置をさらに含む、請求項１１に記載のバッテリ。
【請求項１８】
１つ以上の前記集電装置が、少なくとも一つのアルミニウム金属集電体及び少なくとも一つの銅金属集電体を含む、請求項１７に記載のバッテリ。
【請求項１９】
前記リチウム電極上のコーティングが１つ以上の二硫化モリブデン（ＭＯＳ２）層を含む、請求項１１に記載のバッテリ。
【請求項２０】
前記リチウム電極上のコーティングが、二硫化タングステン（ＷＳ２）、二テルル化モリブデン（ＭｏＴｅ２）、二セレン化モリブデン（ＭｏＳｅ２）、二セレン化タングステン（ＷＳｅ２）、窒化ホウ素（ＢＮ）、及び遷移金属二カルコゲン化物（ｄｉｃｈａｌｃｏｇｅｎｉｄｅ）単層から選択される少なくとも一つの層をさらに含む、請求項１９に記載のバッテリ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本出願は、２０１７年２月１０日に出願された米国仮特許出願６２／４５７，４８８及び２０１７年６月２９日に出願された米国仮特許出願６２／５２６，６６５の優先権を主張し、これらの出願の内容は、引用によってその全体が本願明細書の記載に組み込まれる。
【０００２】
本出願は、パッシベーション（ｐａｓｓｉｖａｔｉｏｎ；不動態化）技術に関する。さらに詳しくは、本出願は、バッテリの電極を保護するためにパッシベーション層を有するバッテリを製造するシステム、装置及び方法を提供する。
【背景技術】
【０００３】
現在のリチウムイオンバッテリの技術は、貯蔵能力及びエネルギー能力の面で技術の限界に達しているという認識が徐々に高まっている。しかしながら、より高いエネルギー貯蔵及びより長持ちする装置に対する要求は依然として増加している。これは、研究コミュニティにとって次世代のバッテリシステムを模索するようにした。研究中である現在のシステムのいくつかは、リチウム−空気（Ｌｉ−Ｏ２）及びリチウム−硫黄（Ｌｉ−Ｓ）バッテリを含む。
【０００４】
リチウム（Ｌｉ）金属は、インターカレート（ｉｎｔｅｒｃａｌａｔｉｎｇ）及び／または伝導スカフォード（ｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ  ｓｃａｆｆｏｌｄ）技術を用いることなく、Ｌｉイオン（Ｌｉ＋）を貯蔵する「ホストレス（ｈｏｓｔｌｅｓｓ）」物質として知られている。このような理由から、Ｌｉ金属電極は、高い理論比容量（ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ  ｓｐｅｃｉｆｉｃ  ｃａｐａｃｉｔｙ）（約３８６０ｍＡｈ  ｇ−１）及び低い酸化還元電位（−３．０４Ｖ）を示す。したがって、これらは次世代の再充電可能なＬｉバッテリ用アノードの製作／製造に用いられる最良の選択としてみなされている。しかしながら、Ｌｉ金属アノードは、それらの使用を妨げる多数の実質的な問題を引き起こす特性を示す。これらの特性は、多くの場合、繰り返しのＬｉ蒸着／溶解工程における制御不能なデンドライト形成と関連しており、これは、バッテリの短絡及び潜在的な過熱や発火の原因となる虞がある。
【０００５】
Ｌｉデントライト成長を抑制させるか、あるいはＬｉ金属の安定性を高めるために、いくつかの技術が実施されてきた。例えば、添加剤を用いた液体電解質の改変を介してＬｉのデンドライト成長／蒸着を制御することと、Ｌｉ＋伝導性ポリマーまたは固体状の電解質を採用することと、Ｌｉ金属の表面にアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）層を塗布すること、を介してこれを実行する方法が模索された。Ａｌ２Ｏ３の薄層は、２Ｄ物質の電子伝導性を欠くセラミック系物質であり、したがって、バッテリ電極の内部抵抗を増加させる。しかしながら、これらのアプローチのいずれも再充電可能なバッテリに関して効果的なものとは言えなかった。
【０００６】
低コストで豊富な硫黄がＬｉ−Ｓバッテリの概念を魅力的にしている一方で、一般的にＬｉ−Ｓバッテリの広範な開発を妨げるいくつかの問題が存在する。例えば、硫黄は絶縁物質であり、活性物質の不十分な利用をもたらし、充電／放電過程中の電子移動を妨げる。また、放電過程中に、Ｌｉは硫黄と反応してカソードから高次の可溶性ポリスルフィドを形成することがあり、これはサイクリング過程中にアノードとカソードとの間でポリスルフィドのシャトリング（ｓｈｕｔｔｌｉｎｇ）を生じさせる。シャトル効果は、バッテリの内部抵抗を増加させ、容量減少（ｃａｐａｃｉｔｙ  ｆａｄｉｎｇ）に寄与する可能性がある。さらに、Ｌｉ金属の不均一な蒸着による制御されていないデンドライトの形成は、より高いＣ率（Ｃ−ｒａｔｅ）における安全性問題のみならず、Ｌｉ金属の腐食をもたらしかねない多孔性Ｌｉ金属構造の継続した発生を引き起こす虞がある。いくつかのアプローチが開発されているが、電池効率の低下及び容量減少の増大の問題は、Ｌｉアノードと共に使用される場合、Ｌｉ−Ｓバッテリの性能に依然として影響を及ぼす。
【発明の概要】
【０００７】
本出願は、２Ｄ物質（例えば、ＭｏＳ２、ＷＳ２、ＭｏＴｅ２、ＭｏＳｅ２、ＷＳｅ２、ＢＮ、ＢＮ−Ｃ複合体など）の薄層を利用し、Ｌｉ金属をパッシベーションするシステム、方法及び装置に関する。２次元（２Ｄ）物質、１原子の厚さのフィルムは、Ｌｉデンドライト成長のためのパッシベーション層として作用しながらも、Ｌｉ−イオン拡散性及び電気伝導性を実質的に増加させるために、最小のエネルギーを有するＬｉイオンを容易にインターカレートするこれらのフィルムの独特な中間層構造により、低インピーダンスを示す。これらの方法は、パッシベーション層を生成するために、スパッタリングまたは蒸発蒸着を利用してもよい。これらの方法は、Ｌｉ金属と電解質との間に新たな相（ｐｈａｓｅ）を形成してもよく、ここで多くのＬｉ原子がインターカレートしてバルクＬｉ金属に出入りするＬｉ＋の均質な流れを容易にすることができる。他の炭素／ポリマー／セラミック系保護層とは異なり、ＭｏＳ２、ＷＳ２、ＭｏＴｅ２、ＭｏＳｅ２、ＷＳｅ２のような２Ｄ物質の独特な構造的態様及び相変化の特徴（例えば、半導体及び／または金属の属性（ｔｒａｉｔ））は、高インピーダンス及び／または不十分な界面−接触に関連する問題を回避するための適用の実施形態を許容した。例えば、一実施形態において、ＭｏＳ２がコーティングされたＬｉ電極は、１０ｍＡ  ｃｍ−２を超える困難な電流密度では、如何なるＬｉデンドライト成長も示さず、１０００サイクルを超える間に、高い容量維持率を示した。製造された２Ｄ物質−コーティングされたＬｉ金属は、基板に対して安定した接着を示し、再充電可能なバッテリにおけるベア（ｂａｒｅ）Ｌｉ電極対応物を凌駕する２Ｄ物質−コーティングされたＬｉ金属において、高いサイクル安定性を提供する。そこで、本出願の実施形態は、再充電可能なバッテリにおいて著しい性能改善を提供する。
【０００８】
一実施形態において、リチウム金属をパッシベーションする方法は、リチウム電極を提供するステップと、前記リチウム電極上に２次元物質の少なくとも一つの層を蒸着させるステップと、前記２次元物質の少なくとも一つの層に、複数のリチウムイオンをインターカレートするステップとを含む。別の実施形態において、再充電可能なリチウム電池は、第１の電極と、電解質と、第２の電極とを含み、ここで、前記第２の電極は、２次元物質の少なくとも一つの層が蒸着されているリチウム金属を含む。
【０００９】
前述した内容は、後述する本発明の詳細な説明をより容易に理解することができるように、本発明の特徴及び技術的利点をやや広く説明している。本発明の特許請求の範囲の主題を形成する本発明のさらなる特徴及び利点が以下に説明される。当業者であれば、開示された概念及び具体的な実施形態が、本発明の同じ目的を実行するための他の構造を変形または設計するための基礎として容易に利用できることを理解するべきである。さらに、当業者であれば、これらの等価の構成が添付の特許請求の範囲に記載されている本発明の思想及び範囲から逸脱しないことを理解しなければならない。さらなる目的及び利点と共に、本発明の構造化及び操作方法の両方について、本発明の特徴であると考えられる新規な特徴は、添付の図面と併せて考慮すると、以下の説明からより容易に理解されるだろう。しかしながら、それぞれの図面は、例示及び説明のみの目的として提供され、本発明の範囲を限定する定義として意図されていないことを明確に理解するべきである。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
ここで、本発明をより完全に理解するために、添付の図面と併せて記載された以下の説明を参照する。
【００１１】
【図１Ａ】図１Ａは、本出願の一実施形態に係る界面層を有するリチウム電極を例示する断面図である。
【図１Ｂ】図１Ｂは、本出願の一実施形態に基づいて、２次元物質を利用し、リチウム電極をパッシベーションする第１の製造工程の様態を示す図である。
【図２Ａ】図２Ａは、本出願の一実施形態に基づいて、リチウム電極上に２次元物質をインターカレートする第１の製造工程の様態を示す図である。
【図２Ｂ】図２Ｂは、本出願の一実施形態に基づいて、リチウム電極上に２次元物質をインターカレートする第２の製造工程の様態を示す図である。
【図２Ｃ】図２Ｃは、本出願の一実施形態に基づいて、リチウム電極上に２次元物質をインターカレートする第３の製造工程の様態を示す図である。
【図３Ａ】図３Ａは、本出願の一実施形態に係る電極上に２次元物質が蒸着されたリチウム電極を例示する断面図である。
【図３Ｂ】図３Ｂは、本出願の一実施形態に係る界面層と、その上に２次元物質が蒸着されたリチウム電極とを例示する断面図である。
【図３Ｃ】図３Ｃは、本出願の一実施形態に係る代替的な界面層と、その上に２次元物質が蒸着されたリチウム電極とを例示する断面図である。
【図４】本出願の一実施形態に係る電極上に２次元物質を有するリチウム電極を製造する方法のフローチャートである。
【図５】本出願の一実施形態に係る２次元物質−コーティングされたリチウム電極を用いて実施されるバッテリシステムを示す図である。
【図６】本出願の一実施形態に係る２次元物質−コーティングされたリチウム電極を用いて実施されるさらなるバッテリシステムを示す図である。
【図７】本出願の一実施形態に係る３次元カーボンナノチューブ硫黄カソード及び２次元物質−コーティングされたリチウムアノードを用いて実施されるバッテリシステムを示す図である。
【図８】本出願の一実施形態に係る電極構造の断面図と対応するＳＥＭ画像である。
【図９】本出願の一実施形態に係る電極の製造工程の様態を示す図である。
【図１０Ａ】図１０Ａは、本出願の一実施形態に基づいて、様々な硫黄負荷量に応じた電極のサイクルレートと容量のグラフである。
【図１０Ｂ】図１０Ｂは、本出願の一実施形態に係る電極のサイクルレートと容量の付加的なグラフである。
【図１０Ｃ】図１０Ｃは、本出願の一実施形態に係る電極の面積容量のグラフである。
【図１１Ａ】図１１Ａは、本出願の一実施形態に係る３次元金属メッシュ上における例示的なカーボンナノチューブ構造を示す図である。
【図１１Ｂ】図１１Ｂは、本出願の一実施形態に係る３次元金属メッシュ上における例示的なカーボンナノチューブ構造を示す図である。
【図１１Ｃ】図１１Ｃは、本出願の一実施形態に係る３次元金属メッシュ上における例示的なカーボンナノチューブ構造を示す図である。
【図１１Ｄ】図１１Ｄは、本出願の一実施形態に係る３次元金属メッシュ上における例示的なカーボンナノチューブ構造を示す図である。
【図１２】本出願の一実施形態に係る電極の製造工程の様態を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
様々な特徴及び有利な詳細事項は、添付の図面に例示され、以下の詳細な説明で詳述される非限定的な実施形態を参照することで、より完全に説明される。本発明を不要に不明瞭にしないように、公知の出発物質、加工技術、構成要素及び装置の説明は省略する。しかしながら、詳細な説明及び具体的な実施形態は、本発明の実施形態を示しているが、例示としてのみ記載されているに過ぎず、制限するためのものではないことを理解するべきである。本発明の概念の思想及び／または範囲内で行われる様々な置換、変形、追加及び／または再配置は、本開示内容から当業者であれば明らかになるだろう。
【００１３】
図１Ａないし１Ｂに示したように、２Ｄ物質−コーティングされたＬｉ金属電極の製造方法が、本出願の実施形態に基づいて例示される。図１Ａを参照に、２Ｄ物質の蒸着の前に、Ｌｉ金属電極１０１は、洗浄されてもよい。電極１０１は、リボン型Ｌｉ金属、Ｌｉ金属−コーティングされたアノードなどを含んでもよい。一実施形態において、電極１０１は、酢酸、アセトン、イソプロピルアルコール、脱イオン水などで洗浄されてもよい。別の実施形態において、電極１０１は、異なる一連のステップ及び／または洗浄溶液を使用して洗浄されてもよい。所定の実施形態において、電極１０１は、界面層１０２を有してもよい。界面層１０２は、２Ｄ物質と電極１０１との接着を促進するために挿入されてもよい。例えば、界面層１０２は、プラズマ（例えば、Ａｒ、Ｈｅ、Ｈ２、Ｎ２ガス）で処理されたきれいな表面を含んでもよい。別の実施形態において、界面層１０２は、蒸着された金属層を含んでもよい。金属層は、１．０ｎｍ〜１０ｎｍの厚さで蒸着されてもよい。別の実施形態において、界面層１０２は、官能化（ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌｉｚｅｄ）界面層であってもよい。例えば、電極１０１は、真空内において官能基（例えば、水素、フッ素、Ｃ−Ｈ結合）で処理されてもよい。
【００１４】
次に、図１Ｂを参照に、２Ｄ物質１０３が電極１０１（または界面層１０２を有する電極１０１）上に蒸着される。２Ｄ物質１０３は、二硫化モリブデン（ＭｏＳ２）、二硫化タングステン（ＷＳ２）、二テルル化モリブデン（ＭｏＴｅ２）、二セレン化モリブデン（ＭｏＳｅ２）、二セレン化タングステン（ＷＳｅ２）、窒化ホウ素（ＢＮ）、及び／または任意の他の遷移金属二カルコゲン化物（ｄｉｃｈａｌｃｏｇｅｎｉｄｅ）単層のように、２Ｄ物質の１つ以上の層を含んでもよい。異なる物質が異なる性能を提供することができるものと理解される。例えば、ＭｏＳ２は、Ｌｉ金属に対する強い接着を提供し、また、容易に金属相に変換され、インピーダンスを低下させる。一実施形態において、図１Ｂに示したように、金属１０２（例えば、Ｍｏ）は、直流（ＤＣ）スパッタリング、ｅ−ビーム蒸発または電気−化学蒸着によって蒸着されてもよく、後続的に２Ｄ物質１０３は、スパッタリングによって蒸着されてもよい。ターゲット１１１（例えば、任意の前述の２Ｄ物質）をマグネトロン無線周波数（ＲＦ；ｒａｄｉｏ  ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）スパッタリングのためのターゲット物質として使用し、２Ｄ物質の連続した層を電極１０１上にスパッタリングして、２Ｄ物質−コーティングされた電極を製造する。一実施形態において、スパッタリングは、チャンバ１１０内で、１０−６Ｔｏｒｒ以下で維持されるベース圧力、不活性ガス流１１２、及び１０〜１００ＷのＲＦ電力で発生してもよい。不活性ガス流１１２は、１〜１００ｍＴｏｒｒで流れてもよく、アルゴン、ヘリウム、または他の成分との低い反応性を有する任意の他のガスを含んでもよい。他の実施形態では、蒸発を利用して２Ｄ物質１０３を電極１０１上に蒸着させてもよい。２Ｄ物質１０３の厚さを調整するために、蒸着時間は１〜３０分まで変動してもよい。
【００１５】
図２Ａないし２Ｃは、本出願の実施形態に基づいて２Ｄ物質層をインターカレートする方法を示す。いくつかの実施形態において、電極２０１は、その上に界面層２０２を有してもよい。図２Ａは、真空スパッタリングチャンバ内でＬｉ−金属及び２Ｄ物質の２つのスパッタリングガンによって２Ｄ物質及びＬｉ−金属を共同−スパッタリングする実施形態を例示する。２Ｄ物質ターゲット２１１及びＬｉターゲット２１２をスパッタリングのためのターゲット物質として使用し、２Ｄ物質とＬｉの連続した層を電極２０１上にスパッタリングして、インターカレートした２Ｄ物質２０３が得られる。一実施形態において、共同−スパッタリングは、チャンバ２１０内で、１０−６Ｔｏｒｒ以下で維持されるベース圧力、不活性ガス流２１３、及び１０〜１００ＷのＲＦ電力で発生してもよい。不活性ガス流２１３は、１〜１００ｍＴｏｒｒで流れてもよく、アルゴン、ヘリウム、または他の成分との低い反応性を有する任意の他のガスを含んでもよい。他の実施形態では、蒸発を利用してインターカレートした２Ｄ物質２０３を電極２０１上に蒸着させてもよい。インターカレートした２Ｄ物質２０３の厚さを調整するために、蒸着時間は１〜３０分まで変動してもよい。
【００１６】
図２Ｂは、本出願の一実施形態に係る２Ｄ物質層をインターカレートする方法の別の実施形態を示し、ここで、ターゲットは、２Ｄ物質／Ｌｉ複合体に基づいて定められ、それに応じてスパッタリングされる。２Ｄ物質ターゲット２２１は、２Ｄ物質及びＬｉ金属を含む。前述の実施形態の代替形態では、共同−スパッタリング法を用いるよりも、組み合わせたターゲットをスパッタリングする。２Ｄ物質／Ｌｉ複合体ターゲット２２１をスパッタリングのためのターゲット物質として使用し、２Ｄ物質／Ｌｉ複合体の連続した層を電極２０１上にスパッタリングして、インターカレートした２Ｄ物質２０４が得られる。一実施形態において、スパッタリングは、チャンバ２２０内で、１０−６Ｔｏｒｒ以下で維持されるベース圧力、不活性ガス流２２２、及び１０〜１００ＷのＲＦ電力で発生してもよい。不活性ガス流２２２は、１〜１００ｍＴｏｒｒで流れてもよく、アルゴン、ヘリウム、または他の成分との低い反応性を有する任意の他のガスを含んでもよい。インターカレートした２Ｄ物質２０４の厚さを調整するために、蒸着時間は１〜３０分まで変動してもよい。他の実施形態では、蒸発を利用してインターカレートした２Ｄ物質２０４を電極２０１上に蒸着させてもよい。
【００１７】
図２Ｃは、２Ｄ物質２０５を電気−化学的にインターカレートするもう一つの実施形態を示す。例えば、電極２０１に、本明細書に記載の実施形態に基づいて２Ｄ物質を蒸着させてもよい。その後、前記電極２０１を反応チャンバ２３０内に導入してもよく、ここで前記電極２０１は、電解質溶液（例えば、１：１ＤＯＬ／ＤＭＥ溶媒中の１Ｍリチウムビス（トリフルオロメタンスルホニル）イミド（ＬｉＴＦＳＩ））のうちのＬｉ−金属２３１と対面する。次いで、電極２０１とＬｉ−金属２３１との間に電圧を印加してもよい。印加された電圧は、１〜１００Ｖであってもよい。電極２０１とＬｉ−金属２３１との間の距離は、１〜５０ｍｍであってもよい。次いで、電圧の印加は、Ｌｉ−金属２３１のＬｉイオンが電極２０１上にコーティングされた２Ｄ物質をインターカレートするようにし、インターカレートした２Ｄ物質２０５を製造してもよい。
【００１８】
図３Ａないし３Ｃは、本出願の所定の実施形態に基づいて電極上に２Ｄ物質が蒸着されたＬｉ電極の断面図である。図３Ａに示された実施形態において、２Ｄ物質−コーティングされた電極は、電極３０１と２Ｄ物質３０３とを含む。２Ｄ物質３０３は、ＭｏＳ２、ＷＳ２、ＭｏＴｅ２、ＭｏＳｅ２、ＷＳｅ２、ＢＮ、ＢＮ−Ｃなどを含んでもよい。一実施形態において、まず電極３０１を洗浄し、それから２Ｄ物質を前記電極３０１上に蒸着（例えば、スパッタリング、蒸発など）させてもよい。２Ｄ物質３０３はまた、前記任意のインターカレーション方法（例えば、２Ｄ物質とＬｉイオンの共同−スパッタリング、２Ｄ物質／Ｌｉ複合体のスパッタリング、電気−化学的方法）に従ってＬｉイオンにインターカレートしてもよい。特定の物質が２Ｄ−コーティングされた電極を提供するのに適していると開示されているが、これらの特定の物質は、制限ではなく例示のために開示されたものであり、本願で具体的に挙げたもの以外の物質でも容易に利用して、本開示内容の実施形態に係る２Ｄ物質−コーティングされた電極を提供できることに注目すべきである。一実施形態において、２Ｄ物質３０３用に選択された物質は、電極の製造に必要とされ得る化学物質及び温度サイクリングに耐えなければならない。所定の実施形態において、２Ｄ物質３０３は、キャビティ、アイランド（ｉｓｌａｎｄ）、及びポア（ｐｏｒｅ）を含む多孔性形態を有してもよい。多孔性形態は、様々な条件（例えば、スパッタリング中の高エネルギー衝撃による非平衡原子積層（ａｔｏｍｉｃ  ｓｔａｃｋｉｎｇ））に起因してもよい。多孔性形態は、電解質イオンの静電吸収のためのオープン通路を提供し、支配的な二重層電荷貯蔵のための電気化学的に活性な部位を提供してもよい。これは貯蔵された電荷の充電及び／または放電をより迅速に行うようにできる。
【００１９】
次に、図３Ｂないし３Ｃを参照に、２Ｄ−コーティングされたＬｉ電極は、本出願の所定の実施形態に基づいて電極３０１と２Ｄ物質３０３との間に界面層を有してもよい。例えば、界面層は、前記２Ｄ物質３０３と前記電極３０１との間で強い接着を促すように挿入されてもよい。図３Ｂに示したように、界面層３０２ａは、２Ｄ物質３０３と電極３０１との間で界面としての役割を果たすために、任意の数の方法（例えば、スパッタリング、蒸発など）によって蒸着された金属の界面層を含んでもよい。例えば、界面層３０２ａは、モリブデン、タングステン、または任意の他の遷移金属のような遷移金属を含んでもよい。界面層３０２ａは、所定の厚さ（例えば、１〜１０ｎｍ）まで蒸着されてもよい。図３ｃに示したように、界面層３０２ｂは、例えば、電極３０１を官能基（例えば、水素、フッ素、Ｃ−Ｈ結合等）で処理して官能化された界面層を含んでもよい。
【００２０】
図４は、本出願の一実施形態に係る方法４００を示す。所定の実施形態において、方法４００は、図１Ａないし１Ｂ及び／または図２Ａないし２Ｃを参照に例示かつ記載された製造工程に対応してもよい。ブロック４１０において、方法４００は、Ｌｉ電極を提供するステップを含む。一実施形態において、前記Ｌｉ電極は、リチウム複合体、酸化リチウム、硫化リチウムなどを含んでもよい。所定の実施形態では、界面層が挿入されてもよく、これらの界面層は、２Ｄ物質へのより良好な接着を提供してもよい。例えば、界面層は、前述のように、プラズマで処理されたきれいな表面、金属層及び／または官能化層を含んでもよい。ブロック４２０において、方法４００は、２Ｄ物質の少なくとも一つの層を前記Ｌｉ電極上に蒸着させるステップを含む。前記２Ｄ物質は、ＭｏＳ２、ＷＳ２、ＭｏＴｅ２、ＭｏＳｅ２、ＷＳｅ２、ＢＮ、ＢＮ−Ｃなどを含み、前述のように、多くの方法（例えば、スパッタリング、蒸発など）を介して蒸着されてもよい。
【００２１】
ブロック４３０において、方法４００は、２Ｄ物質の少なくとも一つの層に、複数のＬｉイオンをインターカレートするステップを含む。いくつかの実施形態において、２Ｄ物質をインターカレートするステップは、電極の蒸着と同時に起こってもよく、他の実施形態において、２Ｄ物質の蒸着は、電極物質の蒸着後に起こってもよい。一実施形態において、２Ｄ物質とＬｉ−金属は、真空スパッタリングチャンバ内でＬｉ−金属と２Ｄ物質の２つのスパッタリングガンによって共同−スパッタリングされる。２Ｄ物質ターゲット及びＬｉターゲットをスパッタリング用ターゲット物質として使用し、２Ｄ物質とＬｉの連続した層をＬｉ電極上にスパッタリングして、インターカレートした２Ｄ物質が得られる。別の実施形態において、ターゲットは、２Ｄ物質及びＬｉ金属複合体を含む。その後、共同−スパッタリング法を用いるよりも、複合体ターゲットをスパッタリングする。スパッタリングのための２Ｄ物質／Ｌｉ複合体ターゲットを使用し、２Ｄ物質／Ｌｉ複合体の連続した層を電極上にスパッタリングして、インターカレートした２Ｄ物質が得られる。別の実施形態では、２Ｄ物質を電気−化学的にインターカレートしてもよい。例えば、本明細書に記載の実施形態に基づいて電極に２Ｄ物質を蒸着させてもよく、その後に前記電極を反応チャンバ内に導入して電解質溶液中のＬｉ−金属と対面させてもよい。それから、電圧を印加し、２Ｄ物質をインターカレートする。そして、生成された２Ｄ物質−コーティングされた電極を再充電可能なバッテリを始めとする様々な用途に使用してもよい。
【００２２】
図５は、本出願の一実施形態に係るＬｉ−イオンバッテリシステムを示す。一実施形態において、Ｌｉ−イオンバッテリ（ＬＩＢ）システム５００は、アノード５０１、カソード５０２、セパレータ５０３、電解質５０４、負極端子（ｎｅｇａｔｉｖｅ  ｔｅｒｍｉｎａｌ）５０６、正極端子（ｐｏｓｉｔｉｖｅ  ｔｅｒｍｉｎａｌ）５０７、及びケーシング５０８を含んでもよい。アノード５０１は、前述され、かつ少なくとも図１Ａないし１Ｂ、図２Ａないし２Ｃ、及び図３Ａないし３Ｃに示したように、２Ｄ物質の少なくとも一つの層でコーティングされたＬｉ電極を含んでもよい。カソード５０２は、Ｌｉオキシド物質（例えば、ＬｉＣｏＯ２、ＬｉＦｅＰＯ４、ＬｉＭｎ２Ｐ４、ＬｉＮｉｘＭｎｙＣｏｚＯ２など）を含んでもよい。他の実施形態において、カソード５０２は、前述され、かつ少なくとも図１Ａないし１Ｂ、図２Ａないし２Ｃ、及び図３Ａないし３Ｃに示したように、２Ｄ物質の少なくとも一つの層でコーティングされたＬｉ電極を含んでもよい。セパレータ５０３は、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリエチレン（ＰＥ）などを含んでもよい。電解質５０４は、カソード５０２とアノード５０１との間でＬｉイオンを輸送することを可能にできる任意の数の電解質溶液（例えば、水性、非水性など）を含んでもよい。例えば、電解質５０４は、様々なリチウム塩（例えば、ＬｉＰＦ６、ＬｉＣｌＯ４、ＬｉＨ２ＰＯ４、ＬｉＡｌＣｌ４、ＬｉＢＦ４など）または他の電解質物質を含んでもよい。集電装置５０６は、アノード５０１に取り付けてもよく、集電装置５０７は、カソード５０２に取り付けてもよい。一実施形態において、集電装置５０６は、銅金属を含んでもよく、集電装置５０７は、アルミニウム金属を含んでもよい。ケーシング５０８は、様々な電池の形成因子（ｃｅｌｌ  ｆｏｒｍ  ｆａｃｔｏｒ）を含んでもよい。例えば、ＬＩＢシステム５００の実施形態では、円筒形電池（例えば、１３６５０、１８６５０、１８５００、２６６５０、２１７００など）、ポリマー電池、ボタン型電池、角柱型（ｐｒｉｓｍａｔｉｃ）電池、ポーチ型電池などで実現されてもよい。さらには、１つ以上の電池を様々な用途（例えば、自動車、ラップトップなど）に使用するために、より大きなバッテリパックに組み合わせてもよい。所定の実施形態において、マイクロコントローラ、及び／または他の安全性の電気回路網（ｓａｆｅｔｙ  ｃｉｒｃｕｉｔｒｙ）を電圧調整器と共に使用して電池の動作を管理してもよく、ＬＩＢシステム５００の具体的な用途に合わせることができる。
【００２３】
一実施形態において、低レベルの湿度及び酸素（０．５ｐｐｍ未満）下でアルゴン−充填されたグローブボックス内でカソード５０２及びアノード５０１を使用してＬＩＢシステム５００を製造した。電解質５０４は、エチレンカーボネート（ＥＣ）、ジメチレンカーボネート（ＤＭＣ）、及びジエチレングリコールカーボネート（ＤＥＣ）の１：１：１（体積比）の混合溶媒のうち、リチウムヘキサフルオロホスフェート（ＬｉＰＦ６）塩の１Ｍ溶液を含んでいた。セパレータ５０３は、ＰＰ系膜を含んでいた。ケーシング５０８は、圧着ツール（ｃｒｉｍｐｉｎｇ  ｔｏｏｌ）を用いて組み立てられたＣＲ２０３２コイン電池を含んでいた。マルチ−チャンネルバッテリ試験ユニットで、室温及び０．０１〜３．０Ｖの電圧範囲で充電（脱リチウム化）及び放電（リチウム化）サイクリング試験を行った。
【００２４】
図６は、本出願の一実施形態に係るリチウム−硫黄（Ｌｉ−Ｓ）バッテリシステムを示す。一実施形態において、Ｌｉ−Ｓバッテリシステム６００は、アノード６０１、カソード６０２、セパレータ６０３、電解質６０４、負極端子６０６、正極端子６０７、及びケーシング６０８を含んでもよい。アノード６０１は、前述され、かつ少なくとも図１Ａないし１Ｂ、図２Ａないし２Ｃ、及び図３Ａないし３Ｃに示したように、２Ｄ物質の少なくとも一つの層でコーティングされたＬｉ電極を含んでもよい。カソード６０２は、硫黄電極であり、硫黄粉末及び／または炭素構造を有する複合体（例えば、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）、グラフェン、多孔性炭素、自立型（ｆｒｅｅ−ｓｔａｎｄｉｎｇ）３Ｄ  ＣＮＴなど）を含んでもよい。セパレータ６０３は、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリエチレン（ＰＥ）などを含んでもよい。電解質６０４は、カソード６０２とアノード６０１との間でＬｉイオンを輸送することを可能できる任意の数の電解質溶液（例えば、水性、非水性など）を含んでもよい。例えば、電解質６０４は、１％ＬｉＮＯ３添加剤または他の電解質溶液と共に１：１ＤＯＬ／ＤＭＥ中の１Ｍ  ＬｉＴＦＳＩを含んでもよい。集電装置６０６は、アノード６０１に取り付けてもよく、集電装置６０７は、カソード６０２に取り付けてもよい。一実施形態において、集電装置６０６は、銅金属を含んでもよく、集電装置６０７は、アルミニウム金属を含んでもよい。ケーシング６０８は、様々な電池の形成因子を含んでもよい。例えば、Ｌｉ−Ｓバッテリシステム６００の実施形態では、円筒形電池（例えば、１３６５０、１８６５０、１８５００、２６６５０、２１７００など）、ポリマー電池、ボタン型電池、角柱型電池、ポーチ型電池などで実現されてもよい。さらには、１つ以上の電池を様々な用途（例えば、自動車、ラップトップなど）に使用するために、より大きなバッテリパックに組み合わせてもよい。所定の実施形態において、マイクロコントローラ、及び／または他の安全性の電気回路網を電圧調整器と共に使用して電池の動作を管理してもよく、Ｌｉ−Ｓバッテリシステム６００の具体的な用途に合わせることができる。
【００２５】
一実施形態において、湿度（Ｈ２Ｏ）及び酸素（Ｏ２）の濃度を０．５ｐｐｍ未満で一定に維持させているアルゴン−充填されたグローブボックス内で、Ｌｉ−Ｓバッテリシステム６００を製造した。リチウムをカウンター／基準（ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ）として使用し、コイン電池中でマルチ−チャンネルバッテリ試験ユニットによってカソード６０２（ＢＦ  ３Ｄ−ＣＮＴ−Ｓカソード物質）の電気化学的性能を評価した。カソード６０２のサイズは、１ｃｍ×１ｃｍ（１ｃｍ２）であり、正方形の幾何構造を有していた。１：１の体積比の１，２−ジメトキシエタン（ＤＭＥ、９９．５％、ｓｉｇｍａ  Ａｌｄｒｉｃｈ）と１，３−ジオキソラン（ＤＯＬ、９９％、ｓｉｇｍａ  Ａｌｄｒｉｃｈ）の有機溶媒に、リチウムビス−トリフルオロメタンスルホニルイミド（ＬＩＴＦＳＩ、９９％、ｓｉｇｍａ  Ａｌｄｒｉｃｈ、１Ｍ）、及び硝酸リチウム（ＬｉＮＯ３、９９．９９％、ｓｉｇｍａ  Ａｌｄｒｉｃｈ、０．２５Ｍ）塩を溶解させることで、電解質６０４を製造した。コイン電池に添加された電解質６０４を６０μＬの体積まで最適化した。セパレータ６０３は、アノード６０１とカソード６０２を単離するために、ポリプロピレン（ＰＰ）を含んでいる。定電流充電−放電試験を、室温下、１．５〜３．０Ｖの電圧範囲で行った。硫黄の理論比容量（（Ｑｓ＝２×９．６５×１０４／（３．６×３２．０６５））約１６７２ｍＡｈ／ｇ）に基づいてＣ率を計算した。循環電圧電流法（ｃｙｃｌｉｃ  ｖｏｌｔａｍｍｅｔｒｙ）及び電気化学インピーダンス分光法（ＥＩＳ）測定を、ポテンショスタット（ｐｏｔｅｎｔｉｏｓｔａｔ）によって行った。
【００２６】
図７は、本出願の一実施形態に係るＬｉ−Ｓバッテリシステム７００を示す。一実施形態において、Ｌｉ−Ｓバッテリシステム７００は、アノード７０１及びカソード７０２を含んでもよい。アノード７０１は、前述され、かつ少なくとも図１Ａないし１Ｂ、図２Ａないし２Ｃ、及び図３Ａないし３Ｃに示したように、２Ｄ物質の少なくとも一つの層でコーティングされたＬｉ電極を含んでもよい。例えば、図７には、アノード７０１金属の上にＭｏＳ２の１つ以上の層が蒸着されたＬｉ金属を含むことが示されている。以上で考察したように、アノード７０１は、２Ｄ物質（例えば、ＭｏＳ２など）の１つ以上の層を、スパッタリング、蒸発などによってＬｉ金属上に直接蒸着させることで形成されてもよい。２Ｄ物質の１つ以上の層は、均一で、かつ電池が低分極と共に高電流密度で動作できるように、無視できるインピーダンスを提供してもよい。一実施形態において、リチウム化されたＭｏＳ２はエッジ−配向されたフレーク状のＭｏＳ２であってもよく、これは、バルクＬｉ金属に出入りするＬｉ＋の一定な流れ、均質かつ安定したＬｉ電着、及びデンドライト形成の抑制を提供してもよい。
【００２７】
一実施形態において、カソード７０２は、３Ｄ  ＣＮＴ／Ｓ電極を含んでもよい。図７に示すように、基板上に複数のＣＮＴを有する基板（例えば、グラフェン）を含んでもよく、これについては以下でより詳しく考察する。複数のＣＮＴは硫黄でコーティングされ、広い表面積、超−低抵抗経路、及び基板との強い結合を提供してもよい。一実施形態において、３Ｄ  ＣＮＴ／Ｓカソード７０２の初期データは、８ｍｇ／ｃｍ２を超える硫黄負荷（ｓｕｌｆｕｒ  ｌｏａｄｉｎｇ）を実証した。２Ｄ物質−コーティングされたＬｉ−金属アノード７０１及び３Ｄ  ＣＮＴ／Ｓカソード７０２を含む別の実施形態では、比容量は、０．５〜１０００℃の充電／放電サイクルにわたって１１００ｍＡｈ／ｇ（例えば、５００Ｗｈ／ｋｇ超え）であった。
【００２８】
図８は、本出願の一実施形態に係る電極８００の断面図及び対応するＳＥＭ画像である。電極８００は、多孔性３Ｄ  ＣＮＴ構造（例えば、複数のＣＮＴ）を含んでもよく、このような構造は、Ｌｉイオンに対して高い伝導パス及び短い拡散長、及びサイクリング工程中に発生するポリスルフィドを吸収する能力を提供する。ＣＮＴの高い負荷は、構造的完全性（ｉｎｔｅｇｒｉｔｙ）及び導電性を維持しながら、１つ以上の３Ｄ  ＣＮＴ層を多重−積層することによって達成されてもよい。一実施形態において、官能基を用いたＣＮＴ表面の処理は、ＣＮＴと硫黄との間の結合強度を高めることができ（例えば、酸素終端ＣＮＴは、硫黄との結合強度がより高い）、したがってポリスルフィドシャトル効果が最小になり、これについても以下でより詳しく考察する。
【００２９】
一実施形態において、再充電可能なバッテリの３Ｄマイクロ−チャンネル電極では、３Ｄ  Ｃｕメッシュは、２Ｄ  Ｃｕ箔の表面積の約１０倍の表面積改善を実証し、ＣＮＴの負荷が増加する場合がある（例えば、５００ｎｍの厚さの試料で５０倍超え）。一実施形態において、電極８００は、様々な高エネルギーへの適用及びエネルギー貯蔵技術のために、サイズ変更が可能であってもよい。例えば、他のバッテリ構成要素の重量は、様々な適用において関心事である。一実施形態において、バッテリのエネルギー／電力密度及び／または比容量は、バッテリの全質量及び／または実装密度を用いて正規化してもよい。３Ｄ構造において、カーボンナノチューブは、様々なプラットフォームでより効率的で用途の広いエネルギー貯蔵を提供する。
【００３０】
図９は、本出願の一実施形態に係る電極の製造工程の態様を示す。一実施形態において、結合剤を含まない３Ｄ  ＣＮＴ／Ｓカソード構造を製造することができる。図９の（ａ）は、複数の自立型３Ｄ  ＣＮＴ及びこれを実証する、対応する低倍率ＳＥＭ画像である。図９の（ｂ）に示されたように、一実施形態は、１つ以上の硫黄層を３Ｄ  ＣＮＴ上に（例えば、約１５５℃で機械的圧着を介して）均一にコーティングするステップを含んでもよい。硫黄粒子は、均一に分布されて機械的に圧着され、毛細管現象及び低い表面張力によって硫黄溶融物を３Ｄ  ＣＮＴ構造内に閉じ込めることを容易にする。図９の（ｃ）は、３Ｄ  ＣＮＴ中への硫黄粒子の結果的な分布を示す図式を例示する。図９の（ｄ）は、高度に密集した３Ｄ  ＣＮＴの断面ＳＥＭ画像である。相互接続されたＣＮＴは、大きな表面積（例えば、１００ｍ２／ｇ超え）及び狭い細孔径分布（例えば、２〜２０ｎｍ）を提供する。図９の（ｅ）は、合成されたままの結合剤を含まない３Ｄ  ＣＮＴ／ＳのＳＥＭ画像を、対応する炭素及び硫黄のＥＤＳマッピングと共に示す。図９の（ｆ）は、（ｅ）に示されたＳＥＭ画像のエネルギー分散型Ｘ線（ＥＤＸ）スペクトルを示す。これらＣＮＴの平均直径は、１００〜１５０ｎｍの範囲であってもよい。製造された例示的な３Ｄ  ＣＮＴ／ＳカソードのＳＥＭ画像（ｅ）及びＥＤＸスペクトル（ｆ）は、３Ｄ  ＣＮＴの伝導ネットワーク内における硫黄の均一な分布を実証する。
【００３１】
一実施形態において、結合剤を含まない３Ｄ  ＣＮＴ／Ｓ電極を前記例示的な工程に従って製造した。結合剤を含まないカソード設計は、８．３３ｍｇ／ｃｍ２の高い硫黄負荷（カソード電極中で約５５重量％Ｓまで）と共に、０．１Ｃ率（約１．４ｍＡ／ｃｍ２）で８．８９ｍＡｈ／ｃｍ２の高い面積容量及び１０６８ｍＡｈ／ｇの比容量を示し、１５０サイクルの間に９５％を超えるクーロン効率（ｃｏｕｌｏｍｂｉｃ  ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ）を提供した。前記実施形態では、カソードの質量に対して約１２３３Ｗｈ／ｋｇの比エネルギーに加え、約４７６Ｗ／ｋｇの比電力を示した。
【００３２】
図１０Ａ及び１０Ｂは、本出願の一実施形態に基づいて、様々な硫黄負荷量に応じたサイクル回数に対する比容量を示すグラフである。例えば、図１０Ａは、異なる硫黄負荷量に応じた例示的な電池の速度能力（ｒａｔｅ  ｃａｐａｂｉｌｉｔｙ）を示す。さらに、図１０Ｂは、３Ｄ  ＣＮＴ内にロードされた５５重量％Ｓ（８．３３ｍｇ／ｃｍ２）硫黄の高硫黄負荷量のサイクル性能を示す。図１０Ｃは、本出願の一実施形態に基づいて、３Ｄ  ＣＮＴ／Ｓ電極の面積容量のグラフを示す。図１０Ｃは、結合剤を含まない３Ｄ  ＣＮＴ／Ｓ電極の面積容量と従来のＬｉ−Ｓバッテリカソード物質の面積容量との比較を示し、例示的な結合剤を含まない３Ｄ  ＣＮＴ／Ｓカソード構造がより高い面積容量を達成できることを実証する。
【００３３】
図１０Ａに対応する定電流放電−充電プロファイルは、すべてのＣ率について安定期（ｐｌａｔｅａｕ）を実証する（例えば、３Ｄ  ＣＮＴ／Ｓ構造のマトリックス内で高い電気伝導性と共に効率的な速度論過程（ｋｉｎｅｔｉｃ  ｐｒｏｃｅｓｓ）を表す）。改善された反応速度論はまた、より低い安定期（Ｑ低い安定期）と、より高い安定期（Ｑ高い安定期）との間の放電容量比から実証される。例えば、図１０Ａは、３７重量％Ｓと４２重量％Ｓの両方について、それぞれ１．８５及び１．８の２Ｃ率におけるＱ低い安定期／Ｑ高い安定期比を実証し、これは、可溶性ポリスルフィドから不溶性スルフィドへの転換がより高いＣ率において、より効率的であることを示す。図１０Ａは、５５重量％Ｓ（８．３３ｍｇ／ｃｍ２）の高硫黄負荷量からの比容量を示し、電池は、０．１Ｃ（約１．３９ｍＡ／ｃｍ２）から約１０６８ｍＡｈ／ｇの初期放電容量を伝達するが、これは、約８．８ｍＡｈ／ｃｍ２（例えば、従来のＬｉ−Ｓバッテリよりも高い）の面積容量に相当する。一実施形態において、１５０サイクル後、電池は、１サイクルあたり約０．４％の平均容量崩壊（ａｖｅｒａｇｅ  ｃａｐａｃｉｔｙ  ｄｅｃａｙ）と共に約６１３ｍＡｈ／ｇの比容量を依然として伝達することができる（例えば、図１０Ｃに示された以前に報告されたデータよりも優れている）。
【００３４】
図１１Ａないし１１Ｂは、本出願の一実施形態に基づいて、金属メッシュ上に複数のＣＮＴを有する可撓性３Ｄ金属メッシュを示す。図１１Ａないし１１Ｂは、前記実施形態において、サイズ変更が可能であり、曲げ可能なように構成された３Ｄ金属メッシュ上のＣＮＴの一実施形態を示す。さらに、図１１Ｃないし１１Ｄは、多孔性金属メッシュ構造上のＣＮＴを実証する実施形態のＳＥＭ画像を示す。一実施形態は、３Ｄ  Ｃｕ−メッシュ上で３Ｄ  ＣＮＴのＣＶＤ、及び／または本明細書で考察された任意の製造方法を用いて製造されてもよい。サイズ変更が可能であり、曲げ可能な構造は、本明細書に考察されたＬｉ−Ｓバッテリの実施形態では、電極として用いられてもよく、その結果、曲げ可能であり、サイズ変更が可能な電極は、多種多様な形状、サイズ、用途などに容易に合わせることができるものと理解される。
【００３５】
図１２は、本出願の一実施形態に係る３Ｄ  ＣＮＴアノード積層物（ｓｔａｃｋ）の製造工程の態様を示す。図１２の（ａ）を参照に、一実施形態において、複数の３Ｄ  ＣＮＴは、ＣＶＤ及び／または本明細書に考察された他の蒸着方法によってメッシュ構造（例えば、Ｃｕ、グラフェンなど）上で成長させてもよい。例えば、Ｃｕメッシュ構造（例えば、２００未満のメッシュ）は、５０〜２０μｍの平均厚さを含んでもよく、まずは、アセトン、エタノール、脱イオン水などの順で超音波洗浄されてもよい。そして、洗浄されたＣｕメッシュ構造は、オーブン内で乾燥させてもよい。一実施形態において、チタン緩衝剤層及びニッケル触媒が、室温で与えられた蒸着圧力（例えば、１０−３Ｔｏｒｒ  Ａｒ）で、様々な蒸着時間（例えば、１〜１５分）にかけてＣｕメッシュ上に（例えば、ＲＦマグネトロンスパッタリングを使用して）蒸着されてもよい。その後、３Ｄ  ＣＮＴは、熱ＣＶＤシステムで合成されてもよい。高度に密集して整列されたＣＮＴの成長は、６００〜８００℃の温度でエチレンガス（例えば、５０〜１５０ＳＣＣＭ）及び水素担体ガス（例えば、１０〜１００ＳＣＣＭ）を１０〜６０分間にかけて使用することにより、最適化することができる。
【００３６】
ここでは、１２の（ｂ）を参照に、３Ｄ  ＣＮＴを有するメッシュ構造をエッチング工程に導入してもよい。例えば、ＣＮＴ／Ｃｕメッシュ構造をＦｅＣｌ３エッチング溶液でエッチングさせ、（ｃ）に示すような自立型３Ｄ  ＣＮＴ構造が得られる。さらに、３Ｄ  ＣＮＴの層をホットプレスによって圧着させて３Ｄ  ＣＮＴの１つ以上の層を製造し、マルチ−スタック３Ｄ  ＣＮＴ（（ｄ）に示す）を生成してもよく、その後にこれを電極（例えば、カソード、アノードなど）として利用してもよい。
【００３７】
電解質中へのポリスルフィドの溶解は、Ｌｉ−Ｓバッテリの容量劣化に寄与することがある。一実施形態において、ポリスルフィドシャトル効果を軽減するために、ＣＮＴ表面を官能基（例えば、酸素終端ＣＮＴ等）で処理し、ＣＮＴと硫黄との間の結合強度を強化してもよい。例えば、ＣＮＴを用いた硫黄の安定化方法は、官能基（例えば、カルボン酸、アミン、ケトン、アルコール、エステルなど）を導入するステップを含んでもよい。化学的官能化は、ＣＮＴの表面と官能基の共有結合のみならず、ナノチューブの末端キャップにも部分的に基づいている。一実施形態において、ＨＮＯ３、Ｈ２ＳＯ及び／またはこれらの両方の混合物のような強酸と、強い酸化剤（例えば、ＫＭｎＯ４など）との混合物を用いたＣＮＴの酸化処理は、酸素化された官能基を形成してもよい。別の実施形態において、活性分子との非共有相互作用は、ＣＮＴ／Ｓの界面特性の調整を提供してもよい。ＣＮＴは芳香族化合物、界面活性剤、ポリマー、及び／または疎水性相互作用によって非共有的に官能化されてもよい。
【００３８】
本出願の実施形態及びその利点を詳細に説明したが、添付の特許請求の範囲によって定義されたような本発明の思想及び範囲から逸脱することなく、様々な変化、置換及び変更が行われ得ることを理解するべきである。さらに、本出願の範囲は、本明細書に記載されている工程、機械、製造、物質の組成、手段、方法及びステップの特定の実施形態に限定されるものではない。当業者であれば、本発明の開示内容から、本発明に基づいて利用することのできる、本明細書に記載の対応する実施形態と実質的に同じ機能を果たすか、あるいは実質的に同じ結果を達成する、現在存在するか、あるいは後に開発される工程、機械、製造、物質の組成、手段、方法、またはステップを簡単に理解するであろう。そこで、添付の特許請求の範囲には、これらの工程、機械、製造、物質の組成、手段、方法、またはステップも、これらの特許請求の範囲の範囲内に属するものとする。さらに、本出願の範囲は、発明の詳細な説明に記載された工程、機械、製造、物質の組成、手段、方法及びステップの特定の実施形態に限定されることを意図するものではない。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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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１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１０Ｃ】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１１Ｃ】
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【図１１Ｄ】
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【図１２】
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【国際調査報告】
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