JP7197497B2 - Ｃｎｔパルプのネットワークにより画定された構造物を製造するための系および方法 - Google Patents

Description

関連出願の相互参照

本開示は、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）パルプネットワークを製造するための組成物（ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｓ）および方法、そして具体的には、ＣＮＴパルプのネットワークが画定する構造物、に関する。

技術分野
本願は、これにより、この特許の内容全体を参照によって本願明細書に引用したものとする、２０１６年１１月１５日に出願された、米国特許出願（ＵＳＣ Ｕｔｉｌｉｔｙ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ）第１５／３５１，９１２号に対する恩典および優先権を請求する。

リチウムイオン電池（ＬｉＢ）およびスーパーキャパシター（ＳＣ）のような、充電式エネルギー蓄積装置（ＥＳＤ）は、電子装置に広く使用される。しかし、ＥＳＤは一般に、限られた厚さと容量をもつ、エネルギー貯蔵活性物質を有する硬い構造物である。更に、ＬｉＢカソード中の活性物質は一般に、固有の導電率を、ほとんどもしくは全くもたない金属酸化物である。前記カソードの活性物質全体に電子を伝達するためには、導電添加剤を使用しなければならない。現在の技術は、前記導電添加剤として、前記カソードの活性物質層の使用可能な厚さを限定する場合がある、ある形態のカーボンブラック（ＣＢ）を使用している。より厚い活性物質層は一般に、前記必要な導電率を達成するために、より多量のＣＢを必要とする。しかし、ＣＢの濃度が約５重量％を超えると、前記材料は機械的に不安定になり、乾燥するとマッドクラックする（ｍｕｄ－ｃｒａｃｋ）であろう。これは、前記カソード層の厚さを約１００ミクロン未満に限定し、それにより、フル充電電池（ｆｕｌｌ ｂａｔｔｅｒｙ）に必要な容量を達成するために、多数の層を必要とする。各層は、エネルギー貯蔵容量に寄与しない空間を占居し、重量を付加する場合があるセパレーターおよび集電体をもたなければならない。より厚い活性層を有することは、前記電池中の層の数および従ってセパレーターの数を低減させ、従って全体的電池のセルの容積および重量的容量（ｇｒａｖｉｍｅｔｒｉｃ ｃａｐａｃｉｔｙ）の増加をもたらすと考えられる。

粉末形態の、十分に分離された、短い、（＜１００ミクロンの長さの）カーボンナノチューブが、ＬｉＢカソード内の導電添加剤として使用されて来、そしてカーボンブラックより約３分の１の低濃度で前記活性物質において電子伝達のための浸透閾値（ｐｅｒｃｏｌａｔｉｏｎ ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ）を達成した。しかし、これらの粉末化ＣＮＴは、機械的強度に改善を提供しなかった。

幾つかの実施態様において、構造物が提供される。該構造物は、相互接続されたカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）パルプのネットワークにより画定された本体を含み、前記ＣＮＴパルプは、前記構造物全体の電子伝達を可能にするために十分な量を提供される。前記構造物はまた、前記ＣＮＴパルプネットワーク内に分散された結合物質を含む。前記構造物はまた、イオンの貯蔵のための、前記本体全体に分布された活性物質を含む。

幾つかの実施態様において、構造物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（ＣＮＴ）パルプを、結合剤、活性物質および溶媒と混合して、分散物を形成する工程を含む。前記方法はまた、前記分散物を基板に適用する工程を含む。前記方法
はまた、前記分散物を硬化して、ＣＮＴパルプネットワークをその中に形成されている構造物を形成する工程を含み、前記ＣＮＴパルプは前記ネットワークを介して前記構造物全体の電子伝達を可能にするために十分な量を提供される。

幾つかの実施態様において、エネルギー蓄積装置が提供される。前記エネルギー蓄積装置は１つのハウジングを含む。前記エネルギー蓄積装置はまた、前記ハウジング内に配置された第１の集電体を含む。前記エネルギー蓄積装置はまた、第１の集電体と電気的に接続された第１の構造物を含む。第１の構造物は、相互接続したカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）パルプの第１のネットワークにより画定された第１の本体を含み、前記ＣＮＴパルプは、第１の構造物全体の電子伝達を可能にするために十分な量を提供される。第１の構造物はまた、第１のＣＮＴパルプネットワーク内に分散された第１の結合物質を含む。第１の構造物はまた、イオン貯蔵のために第１の本体全体に分散された第１の活性物質を含む。

前記エネルギー蓄積装置はまた、前記ハウジング内に配置された第２の集電体を含む。前記エネルギー蓄積装置はまた、第２の集電体と電気的に接続した第２の構造物を含む。

第２の構造物は、相互接続されたカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）パルプの第２のネットワークにより画定された第２の本体を含み、前記ＣＮＴパルプは、第２の構造物全体の電子伝達を可能にするために十分な量を提供される。第２の構造物はまた、第２のＣＮＴパルプネットワーク内に分散された第２の結合物質を含む。第２の構造物はまた、イオン貯蔵のために、第２の本体全体に分布された第２の活性物質を含む。前記エネルギー蓄積装置はまた、第１および第２の構造物間の直接的電気接触を妨げ、そして第１および第２の構造物間のイオンの通過を可能にするために、第１の構造物と第２の構造物との間に挿入配置されたセパレーターを含む。

幾つかの実施態様において、前記ＣＮＴパルプ上にナノスケールのシリコン層を形成する方法が提供される。前記方法は、「化学蒸着法（ＣＶＤ）」反応器中に一定量のＣＮＴパルプを投入する工程を含む。前記方法はまた、前記ＣＶＤ反応器内の前記ＣＮＴパルプ上にシランガスを流す工程を含む。前記方法はまた、前記ＣＮＴパルプをシリコンのナノスケール層で被覆するために前記ＣＮＴパルプを加熱する工程を含む。

本開示の実施態様は、添付図を参照して更に説明される。示される図面は必ずしも実測値に基づかないが、その代り、全般的に、本開示の実施態様の原理を説明することに重点が置かれる。

図１は、様々な実施態様に従う、ＣＮＴパルプネットワークにより画定された構造物を形成する方法を表わすフロー図である。 図２は、様々な実施態様に従う、ＣＮＴ材料の、十分に絡み合ったネットワークの直接的回収用システムを表わす図である。 図３は、様々な実施態様に従う、ＣＮＴパルプを形成する方法を表わすフロー図である。 図４は、様々な実施態様に従う、ＣＮＴパルプネットワークにより画定された構造物の一部の顕微鏡画像である。 図５は、様々な実施態様に従う、ＣＮＴパルプネットワークにより画定された構造物を含む、エネルギー蓄積装置を表わすブロック図である。 図６は、様々な実施態様に従う、様々なリチウム鉄リン酸塩カソードの複合体（ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ）の固有抵抗（ｒｅｓｉｓｔｉｖｉｔｙ）を表わすプロットである。 図７は、様々な実施態様に従う、様々なカソード組成物（ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｓ）のカソードの放電容量を表わすプロットである。 図８は、様々な実施態様に従う、様々なカソード負荷物（ｌｏａｄｉｎｇｓ）および組成物のカソードの放電容量を表わすプロットである。 図９Ａはたわみ（ｆｌｅｘｕｒｅ）を受けている従来のカソードの画像である。図９Ｂは、様々な実施態様に従う、たわみを受けているＣＮＴパルプネットワークにより画定された構造物の画像である。 図１０は、様々な実施態様に従う、様々なアノード組成物のアノード容量を表わすプロットである。 図１１は、様々な実施態様に従う、ナノスケールシリコンを形成する方法を表わすフロー図である。

上記図面は本開示を示すが、考察で特記されるように、他の実施態様もまた想定される。本開示は、表明により説明的実施態様を提示し、限定を意味しない。本開示の原理の範囲および趣旨の内に入る、幾多の、他の改変および実施態様が当業者により考案される場合がある。

詳細な説明
様々な実施態様に従って、その中にカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）パルプネットワークを有する構造物を製造するための、改善された組成物および方法が提供される。様々な実施態様に従って、前記組成物および方法は、ＣＮＴパルプネットワークにより画定された本体と、活性物質と、前記活性物質および前記ＣＮＴパルプネットワークを結合する結合剤とを有する構造物を含む場合がある。幾つかの実施態様において、前記構造物は、活性物質と、溶媒と、結合剤との中に分散されたＣＮＴパルプを含む分散物を硬化する工程により形成される場合がある。

幾つかの実施態様において、前記構造物は、ＣＢまたは粉末ＣＮＴのいずれよりもずっと低い濃度で、前記活性物質全体の電子伝達のための浸透閾値を達成する、十分に絡み合った（ｗｅｌｌ－ｅｎｔａｎｇｌｅｄ）ＣＮＴの複数の束から形成される、相互接続ネットワークを取り入れる。幾つかの実施態様において、長いＣＮＴ（＞１ｍｍ）を含む、分枝状の、束状の、そして十分に分散されたＣＮＴパルプの十分に絡み合ったネットワークは、カーボンブラックより約８ないし１６分の１に低い濃度で、ＬｉＢに対する前記の必要な導電性およびイオン伝導性を提供し、そして更に、より厚いカソード、柔軟な電池、並びに進歩したアノードおよびカソードの化学、を可能にする機械的支持体を提供する場合がある。

本明細書で使用される浸透閾値（ｐｅｒｃｏｌａｔｉｏｎ ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ）は、前記構造物全体に導電性および熱伝導性を提供するために十分な、導電添加剤（カーボンブラックまたはＣＮＴパルプのような）の濃度または重量百分率を表わす。すなわち、前記浸透閾値を超えると、前記導電添加剤は、前記構造物全体に導電性および／または熱伝導性を提供するために十分に接続されている。導電性の場合には、前記相互接続導電添加剤は、前記活性物質全体の電子伝達を可能にする。それに対し、前記浸透閾値未満においては、前記の相互接続導電添加剤間の長距離接続性は、前記構造物全体に導電性を提供するためには不十分であり、従って、電子伝達は、たとえあったとしても、前記活性物質の狭い、局所的部分に限られる。

本開示に記載される十分に絡み合ったネットワークはまた、より厚いカソードと、アノードにおけるナノスケールシリコン添加物と、前記構造物の柔軟性とを可能にするための改善された機械的強度を与える。幾つかの実施態様において、前記構造物は、電池またはキャパシターのような「エネルギー蓄積装置ＥＳＤ」のカソード、アノードまたは電極の
うちの１種以上を含む場合がある。

図１を参照して、様々な実施態様に基づいて、構造物を形成する方法２００が提供される。方法２００は、分散物を形成するために、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）パルプを、結合剤、および活性物質、および溶媒と混合する工程２０１を含む。方法２００は更に、前記分散物を基板に適用する工程２０３を含む。方法２００は更に、その中に前記構造物の浸透閾値を超える長距離接続性を有するＣＮＴパルプネットワークが形成されている構造物を形成するために、前記分散物を硬化する工程２０５を含む。

混合工程２０１は、例えばＦｌａｃｋｔｅｋ（登録商標）二重非対称遠心分離実験室ミキサーのような高剪断ミキサーを使用して、例えば、ＣＮＴパルプと、結合剤と、活性物質と、溶媒とを一緒に混合する工程を含む場合がある。幾つかの実施態様において、混合工程２０１は単一工程を伴う場合がある。幾つかの実施態様において、混合工程２０１は２工程を含む場合がある。例えば、様々な実施態様に従って、混合工程２０１は、最初に前記ＣＮＴパルプを前記結合剤および前記溶媒と混合して前記分散物を形成する工程と、次に、前記分散物に、前記活性物質および／または更なる溶媒を添加する工程と、再度混合する工程とにより実施される場合がある。幾つかの実施態様において、最初に前記ＣＮＴパルプを、前記結合剤および前記溶媒とともに混合する工程は、前記分散物全体に前記ＣＮＴパルプと前記結合剤の実質的に均一な分配を達成するために必要な時間にわたり、あらゆる適切な速度で前記高剪断ミキサーを運転することにより実施される場合がある。例えば、３、０００センチポアズ以上のあらゆる粘度を含むあらゆる適切な粘度を有する、ＣＮＴパルプ、結合剤、および溶媒の前記分散物が調製される場合がある。幾つかの実施態様において、本分散物は、良好な分散を達成するために、非常に高い粘度、例えば約２０，０００ないし約２５０，０００センチポアズを示す場合がある。このような高粘度は、硬化前の長期貯蔵期間中に、前記分散物内の前記ＣＮＴパルプの凝集を防止する場合がある。従って、幾つかの実施態様において、このような高粘度を有する前記ＣＮＴパルプと、前記結合剤と、前記溶媒とから形成される分散物は、後の時間に（例えば、倉庫貯蔵および／または発送後に）前記活性物質および溶媒と合わされ、そして混合されて前記分散物を完成する場合がある。

幾つかの実施態様において、前記活性物質が添加され、混合される場合、前記分散物は希釈されて、適用工程（２０３）および硬化工程（２０５）に適した粘度の分散物を生成する場合がある。幾つかの実施態様において、前記ＣＮＴパルプネットワークの形成を促進し、そして適用および硬化に適した下流のコンシステンシーを提供して（例えば、適用２０３および硬化２０５の工程におけるような）前記構造物を形成するために、前記分散物は、適用および硬化のために、例えば、約３，０００ないし約６，０００センチポアズの粘度を有する分散物に希釈される場合がある。幾つかの実施態様において、ＣＮＴパルプの実質的に均一な分配を維持し、そして前記の十分に絡み合ったネットワークの形成を維持し、促進するために、前記の高粘度分散物は前記の所望粘度まで、連続的に希釈される場合がある。すなわち、幾つかの実施態様において、前記所望粘度（例えば、３，０００ないし６，０００センチポアズ間）を達成するために必要な溶媒の総量の一部が添加され、そして、前記活性物質と混合され、次に前記溶媒の更なる部分が添加、混合される場合がある。この方法は、前記の所望粘度および、従って前記所望分散物が達成されるまで反復される場合がある。

幾つかの実施態様において、前記ＣＮＴパルプは複数のＣＮＴを含む場合がある。現在、ナノチューブを成長させ、そして前記パルプの原料として働くためのこれらのナノチューブから製造される糸、シートまたはケーブル構造物を形成するための複数の方法およびそれらのバリエーションが存在する。これらは、（１）ほぼ常圧または高圧において、そして約４００℃を超える温度で起こる場合がある一般的な方法の、「化学蒸着法（ＣＶＤ
）」、（２）高い完成度を有するチューブを与える場合がある高温法の「アーク放電法」、および（３）「レーザーアブレーション法」：を含む。

幾つかの実施態様において、ＣＶＤ法または当該業界で知られた類似の気相熱分解法は、カーボンナノチューブを含む適切なナノ構造物を形成するために使用される場合がある。ＣＶＤ法用の成長温度は、比較的低い範囲、例えば約４００℃ないし約１３５０℃の場合がある。幾つかの実施態様において、単層（ＳＷＮＴ）または多層（ＭＷＮＴ）両方のカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）は、試薬の炭素含有ガス（すなわち、気体炭素源）の存在下に、ナノスケールの触媒粒子を曝露することにより成長させられる場合がある。とりわけ、前記ナノスケール触媒粒子は、既存の粒子の添加か、金属有機物（ｍｅｔａｌ－ｏｒｇａｎｉｃ）前駆体または非金属触媒からの前記粒子のＩｎ ｓｉｔｕ合成かのいずれかにより、前記試薬の炭素含有ガス中に導入される場合がある。ＳＷＮＴおよびＭＷＮＴ両者が成長する場合があるが、特定の場合には、比較的高い成長速度およびロープ様構造を形成する傾向のために、ＳＷＮＴが選択される場合があり、取り扱い、熱伝導度、電子的性質および強度での利点を提供する場合がある。

本発明と関連して生成される個々のカーボンナノチューブの強度は、例えば、約３０ＧＰａ以上である場合がある。注目すべきことには、強度は欠陥に感受性である。しかし、本発明において二次加工されたカーボンナノチューブの弾性率は欠陥に感受性ではない場合があり、そして約１ないし約１．２ＴＰａの間にわたる場合がある。更に、一般的に構造物感受性パラメーターである場合があるこれらのナノチューブの破損歪（ｓｔｒａｉｎ
ｔｏ ｆａｉｌｕｒｅ）は、本発明において、約１０重量％ないし最大約２５重量％の範囲の場合がある。

更に、本発明のナノチューブは比較的小さい直径を提供される場合がある。本発明の１つの実施態様において、本発明において二次加工されたナノチューブは、１ｎｍ未満から約３０ｎｍまでの範囲の粒径を提供される場合がある。本発明の１つの実施態様に基づいて製造されたカーボンナノチューブは、市販のカーボンナノチューブに比較されると、長さが延長される（すなわち長いチューブである）場合があることは認められなければならない。本発明の１つの実施態様において、本発明で製作されたナノチューブは、ミリメートル（ｍｍ）範囲の長さで提供される場合がある。

本願全体にわたり、炭素から合成されたナノチューブに言及されているが、窒化ホウ素、ＭｏＳ２またはそれらの組み合わせのような１種以上の他の化合物が、本発明と関連したナノチューブの合成に使用される場合があることは特記しなければならない。例えば、窒化ホウ素ナノチューブもまた、成長される場合があるが、異なる化学的前駆体による場合があることは理解されなければならない。更に、個々のカーボンナノチューブにおける固有抵抗を低下させるために、ホウ素および／または窒素が使用される場合があることを特記しなければならない。更に、プラズマＣＶＤ等のような他の方法もまた、本発明のナノチューブを製作するために使用される場合がある。

幾つかの実施態様において、前記ＣＮＴパルプは、例えば図３を参照して以下に更に詳述される通りに形成される、ＣＮＴパルプを含む場合がある。幾つかの実施態様において、前記ＣＮＴパルプは、前記構造物の機械的性質および安定性を高めながら、前記構造物全体に長距離の電気接続性を有する（すなわち、前記構造物の浸透閾値を超える）導電補助物を提供するための三次元ＣＮＴパルプネットワークを形成することが可能な、あらゆるＣＮＴパルプの場合がある。一般に、前記ＣＮＴパルプは、あらゆるＣＮＴシート、ＣＮＴストリップ、ＣＮＴテープ、複数のバルク回収ＣＮＴ、ＣＮＴ糸、他のいずれかの適切な、十分絡み合ったＣＮＴ材料、またはそれらの組み合わせから製造される場合がある。

幾つかの実施態様において、前記ＣＮＴ材料は、様々な実施態様に基づいて、この特許の内容全体を本願明細書に引用したものとする、米国特許第８，９９９，２８５号明細書に記載された通りの、「浮遊触媒化学蒸着法（ＦＶ－ＣＶＤ）」により製造される場合がある。ＣＮＴ製造の前記ＦＶ－ＣＶＤ法は、それらが形成されるときに、気相にある間に十分に絡み合った、非常に長いナノチューブ（＞１００ミクロン）をもたらす場合がある。前記ＣＮＴ材料は前記の炉の高温領域を出るときに、前記ナノチューブは、絡み合い、束になり、その上、他のＣＮＴの生成法によって得ることは不可能な、相互接続され、分枝化した束の拡張ネットワークに凝集する。幾つかの実施態様において、ＦＶ－ＣＶＤにより製造された相互接続ＣＮＴの拡張ネットワークは、前記パルプ化工程を通して保持され、従って従来のカーボンブラックおよびＣＮＴ粉末に比較して、電気的および機械的性質が改善される。

図２を参照して、幾つかの実施態様において、ＣＮＴ材料は、回収システム２０００により前記ＦＶ－ＣＶＤ反応器から回収される場合がある。幾つかの実施態様において、システム２０００は、合成室２００１に連結される場合がある。合成室２００１は概して、反応ガスがその中に供給される場合がある入口端２００１ａ、延長された長さのナノチューブの合成が起こる場合がある高温領域２００２、および、前記反応の生成物、すなわち、前記の延長した長さのナノチューブと排気ガスがそこから排出しそして回収される場合がある出口端２００１ｂを含む。幾つかの実施態様において、合成室２００１は、前記高温領域２００２中を延伸する石英管２００３を含む場合がある。図２に一般的に図示されているが、合成室２００１のデザインには他の形態が使用される場合があることを認めなければならない。

幾つかの実施態様において、前記システム２０００はハウジング２００５を含む。図２に図示される通りのハウジング２００５は、合成室２００１内から環境中への有害な可能性がある空中の粒状物の放出を最少にし、そして酸素が前記システム２０００中に侵入して前記合成室２００１に到達することを防止するために、実質的に気密性の場合がある。とりわけ、合成室２００１内の酸素の存在は、完全性（ｉｎｔｅｇｒｉｔｙ）に影響を与え、そして前記ナノチューブの生産を危うくする場合がある。

システム２０００はまた、合成室２００１の出口端２００１ｂを実質的に気密なやり方で嵌合するためのハウジング２００５の入口２００５ａを含む場合がある。幾つかの実施態様において、前記ＣＮＴ材料が合成室２００１を排出するときに、前記ナノチューブは絡み合い、束になり、その上、相互接続した、分枝化する束の拡張ネットワークに凝集する。幾つかの実施態様において、これらの拡張ネットワークは、そよ風により膨張された吹き流しに類似の形状の、中空のＣＮＴ「ソックス」を形成する傾向をもつ。従って、前記ＣＮＴは、図２に示される通り、回転メッシュ円板２００９上にＣＮＴソックス２００７を吸引し（例えば、円板２００７の裏側上への真空吸引により）そして、メスまたは「医師」のナイフ２０１１により回転円板２００９から前記ＣＮＴを取り除くことにより、合成室２００１からハウジング２００５内に回収される場合がある。とりわけ、ＣＮＴソックス２００７が回転メッシュ円板２００９上に吸引されるときに、前記ＣＮＴ材料は円板２００９上に膜を形成し、次に、ＣＮＴソックス２００７の新規部分が円板２００９上に吸引されるときに、ブレード２０１１がそれをこすり落とし、切断する。次に、前記ＣＮＴ材料は回収ビン２０１５か、その後のパルプ化のための他の回収容器かの中に、落下するか、あるいはそれに運搬される場合がある。

幾つかの実施態様において、前記真空吸引は、ガスおよび熱がそれを通ってハウジング２００５を排出する場合がある少なくとも１つのガス排出口２０１３の一部として提供される場合がある。１つの実施態様において、排出口２０１３から排出するガスは、水のよ
うな液体、または、排気２００７の上流で回収されなかったナノ物質を回収するためのフィルター中を通過させられる場合がある。更に、前記排気ガスは、前記排気ガスの様々な成分を不活化するために、火炎で処理される場合があり、例えば反応性水素は酸化されて水を形成する場合がある。

回転円板２００９の回収機構を有する回収システム２０００に関して以上説明したが、本開示に照らして、幾つかの実施態様において、前記の、十分に絡み合ったＣＮＴネットワークを破壊せずに、前記ＦＶ－ＣＶＤ環境から前記ＣＮＴ材料を回収、除去するあらゆる方法が、様々な実施態様に従って使用される場合があることは明白であろう。例えば、幾つかの実施態様において、ＦＶ－ＣＶＤによりもたらされるＣＮＴ材料の回収は、米国特許第７，９９３，６２０号および同第８，７２２，１７１号明細書に記載の通りの、（例えば、回収されたＣＮＴを一緒に撚ることによる）ＣＮＴ糸またはトウ（ｔｏｗ）の形成および／またはＣＮＴシートの形成により実施される場合がある。前記特許のそれぞれは、その内容全体が本願明細書に取り込まれる。

幾つかの実施態様において、前記ＣＮＴ材料は、最初に鉄その他の含有物を含む場合がある。幾つかの実施態様において、このような含有物は望ましくなく、好ましくはパルプ化の前に除去される場合がある。例えば、幾つかの実施態様において、鉄含有物は、前記ＣＮＴ材料を、不活性雰囲気または還元性雰囲気内で高温（例えば、約１８００℃）まで加熱することにより、前記ＣＮＴ材料から排除される場合がある。このような温度において、前記の鉄は前記ＣＮＴ材料から蒸発除去され（ｄｉｓｔｉｌｌｅｄ ｏｕｔ）、より冷たい表面上に再固化される場合がある。幾つかの実施態様において、含有物のこのような除去は、例えば、上述されたＦＶ－ＣＶＤ反応器のようなＣＶＤ反応器、または例えば米国特許第８，９９９，２８５号および同第７，９９３，６２０号明細書に記載されたいずれかのＣＮＴ反応器内で実施される場合がある。

幾つかの実施態様において、例えば鉄含有物のような含有物は、前記ＣＮＴ材料を大気中で約５００℃に加熱することにより除去されて、処理される場合がある。例えば、幾つかの実施態様において、前記ＣＮＴ材料は、大気中で約２時間、前記５００℃に加熱され、次に、塩酸で処理されて、鉄含有物を除去される場合がある。

幾つかの実施態様において、前記ＣＮＴパルプは、例えば、あらゆるＣＮＴシート、ＣＮＴストリップ、ＣＮＴテープ、バルク回収ＣＮＴ、ＣＮＴ糸、本明細書に上述されたあらゆるＣＮＴ材料、あらゆる、他の、適切な、十分絡み合わされたＣＮＴ材料またはそれらの組み合わせのようなあらゆる適切なＣＮＴ材料から形成される場合がある。図３を参照して、様々な実施態様に基づいてＣＮＴパルプを形成するための方法１１００が提供される。方法１１００は、ＣＮＴパルプを形成するための、ＣＮＴシート、ＣＮＴストリップ、ＣＮＴテープ、バルク回収ＣＮＴ、ＣＮＴ糸、あらゆる十分絡み合わされたＣＮＴ材料、またはそれらの組み合わせのうちの１つ以上を、パルプ化装置により、パルプ化する工程１１０１を含む。前記方法はまた、前記ＣＮＴパルプの少なくとも一部を、第１の粉砕機において粉砕する工程１１０３を含む。前記方法はまた、第２の粉砕機において、前記ＣＮＴパルプを離解する（ｄｉｓａｇｇｒｅｇａｔｅ）工程１１０５を含む。

パルプ化工程１１０１は、様々な実施態様に従って、パルプ化装置中に、ストリップもしくはシートまたは直接回収されたＣＮＴ材料を投入し、そして前記物質をパルプ化して、ＣＮＴパルプを形成する工程により実施される場合がある。パルプ化装置は様々な実施態様に基づいて、例えば、Ｈｏｌｌａｎｄｅｒビーター、円錐形リファイナー、スタンプミルまたはあらゆる他の適切な機械的パルプ化装置またはそれらの組み合わせを含む場合がある。

様々な実施態様に基づいて、前記ＣＮＴパルプはパルプの粒度を確認するために試験される場合があり、次に使用者はパルプ化工程を継続するべきかどうか決定する場合がある。幾つかの実施態様において、前記ＣＮＴパルプは、該ＣＮＴパルプを脱水して、例えばＣＮＴのプレスケーキを形成することにより、（例えば、粉砕工程１１０３におけるような）粉砕のための準備をされる場合がある。

幾つかの実施態様において、前記ＣＮＴパルプは次に、更なる加工のために乾燥される場合がある。乾燥は、例えば、空気乾燥、オーブン乾燥、真空オーブン乾燥により、または、他のいずれかの適切な乾燥法により実施される場合がある。幾つかの実施態様において、前記ＣＮＴパルプ粒子は、約９０℃から約１１０℃まで温度のオーブン内で約４ないし約１２時間にわたり乾燥される場合がある。

様々な実施態様に基づく前記粉砕工程１１０３は、前記ＣＮＴパルプをＣＮＴパルプ粒子に破壊するために粉砕機を使用することにより実施される場合がある。幾つかの実施態様において、前記粉砕機によって前記ＣＮＴパルプの粒度は変らず、次の乾燥のために、ＣＮＴパルプの比較的大きな固まりを、構成要素のＣＮＴパルプ粒子に分解するだけである。幾つかの実施態様において、前記粉砕機は、例えば、コーヒー粉砕機、工業用バーミル（ｂｕｒｒ ｍｉｌｌ）、それらの組み合わせ、または他のいずれかの適切な粉砕装置を含む場合がある。

幾つかの実施態様において、前記ＣＮＴパルプは、前記ＣＮＴパルプのイオン伝導率を高めるために化学的に修飾され、そして／または、被覆される場合がある。このような化学的修飾物は、例えば、ポリシラザン、ポリ尿素シラザン、導電ポリマー、ポリアミン、ポリチオフェン、ポリアミドによる浸透物（ｉｎｆｉｌｔｒａｔｉｏｎ）、カルボキシレートもしくはアミン官能基を導入するための化学的修飾物、イオン伝導率を高めるために適するあらゆる修飾物、またはそれらの組み合わせを含む場合がある。幾つかの実施態様において、前記化学的修飾および／または被覆は、粉砕工程１１０３の後に、しかし離解工程１１０５の前に実施される場合がある。しかし、本開示に照らして、前記化学的修飾および／または被覆は、例えば、パルプ化工程１１０１の前、パルプ化工程１１０１の後、しかし粉砕工程１１０３の前、粉砕工程１１０３の後、しかし離解工程１１０５の前、離解工程１１０５の後、またはそれらの組み合わせを含むあらゆるときに実施される場合があることは明白であろう。更に、本開示に照らして、幾つかの実施態様において、前記化学的修飾および／または被覆は、前記パルプ化工程全体の異なる地点における段階で実施される場合があり、そして／または、複数の修飾物および／または被膜を適用する場合があることは明白であろう。

第２の粉砕機における前記ＣＮＴパルプを離解する工程１１０５は、第２の粉砕機（例えば、コーヒー粉砕機、工業的バ－ミル、それらの組み合わせ、または他のいずれかの適切な粉砕装置）に前記乾燥ＣＮＴパルプを添加することにより実施される場合がある。幾つかの実施態様において、離解工程１１０５はまた、前記乾燥ＣＮＴパルプを粉砕して、あらゆる残留する固まりまたは凝集物（ａｇｇｌｏｍｅｒａｔｉｏｎｓ）を粉砕し、それにより前記ＣＮＴパルプの量を増加して前記ＣＮＴパルプを形成する工程を含む。幾つかの実施態様において、離解工程１１０５は、粉砕工程１１０３において製造された前記粉砕ＣＮＴパルプの容量の約５ないし約１５倍を有するＣＮＴパルプを製造する場合がある（すなわち、前記粉砕ＣＮＴパルプは、前記離解ＣＮＴパルプより約５倍ないし約１５倍、濃密である）。前記ＣＮＴパルプを離解する工程１１０５は好都合には、前記ＣＮＴパルプのより広い表面積およびより良い分散を提供する。凝集物（ｃｌｕｍｐｉｎｇ）を低減または回避することにより、前記ＣＮＴパルプの分散性は改善され、そして前記ＣＮＴパルプネットワーク形成中の前記固まり形成の危険性が低下する。それに対し、もし前記ＣＮＴパルプが十分に分散されない場合は、前記ナノチューブは固まり（ｃｌｕｍｐ）、
そして前記活性物質粒子を相互接続させるために、より大量の物質が必要とされ、それにより、活性物質の量を低減させ、従って、前記構造物の性能を低下させるであろう。

再度、図１を参照して、幾つかの実施態様において前記結合剤は、例えば、ポリビニリデンフルオリド（ＰＶＤＦ）、カルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）、スチレンブタジエンゴム（ＳＢＲ）またはそれらの組み合わせ、のうちの１種以上を含む場合がある。より一般的には、前記結合剤は前記硬化構造物中の活性物質に前記ＣＮＴパルプを結合するために適するあらゆる物質である場合がある。

幾つかの実施態様において前記溶媒は、例えば、ｎ－メチル－２－ピロリドン（ＮＭＰ）、プロピレンカーボネート、水、エタノール、シクロヘキシルピロリドン（ＣＨＰ）、１－ベンジル－２－ピロリジノン（ＮＢｅｎＰ）、アニリン、アセトニトリル、ジメチルホルムアミド、ジクロロメタンまたはそれらの組み合わせのうちの１種以上を含む場合がある（例えば、溶媒は、水と約５重量％ないし約１０重量％のエタノールとの溶液である）。幾つかの実施態様において、前記溶媒はまた、水性分散液から生成されたアノード中に、最適なイオン伝導率のためのｐＨバッファーおよび微小構造物を含む場合がある。より一般的には、前記溶媒は、結合剤、ＣＮＴパルプおよび活性物質をその中に分散するためのあらゆる適切な流体を含む場合がある。

様々な実施態様に基づいて、前記分散物は、ＣＮＴパルプ、結合物質および溶媒のあらゆる流体混合物を含む場合がある。幾つかの実施態様において、前記分散物は、前記溶媒中に分散された約０．１重量％ないし約２重量％のＣＮＴパルプおよび約０．４重量％ないし約１５重量％の結合物質を含む場合がある。例えば幾つかの実施態様において、前記分散物は、ＮＭＰ溶媒中に分散された約０．８重量％のＣＮＴパルプおよび約４．８重量％の結合剤を含む場合がある。幾つかの実施態様において前記分散物は、５重量％エタノールと水との溶媒溶液中に分散された、約１．０重量％のＣＮＴパルプおよび約４．５重量％の結合剤を含む場合がある。

混合工程２０３は、例えば、活性物質および更なる溶媒を、前記分散物と混合して別の分散物を形成する工程を含む場合がある。様々な実施態様に基づいて、前記活性物質は、前記高剪断ミキサー（または更なる高剪断ミキサー）を使用して、前記の更なる溶媒および前記活性物質を前記分散物と混合する工程を含む場合がある。様々な実施態様に基づいて、前記混合工程は、前記溶媒中に前記活性物質の前記分散物との実質的に均一な混合を達成するために必要な一定期間にわたり、あらゆる適切な速度で前記高剪断ミキサーを運転する工程により実施される場合がある。幾つかの実施態様において、前記ＣＮＴパルプ粒子はそれにより（例えば、図３に示され、以下に更に詳述される通りに）前記活性物質と結合しそして絡み合い、それにより前記三次元のＣＮＴパルプネットワークを一部形成する場合がある。

幾つかの実施態様において、前記活性物質は、例えば、リチウム鉄リン酸塩（ＬＦＰ）、ニッケルマンガンコバルト酸化物（ＮＭＣ）、リチウムコバルト酸化物（ＬＣＯ）、リチウムマンガン酸化物（ＬＭＯ）、ナノスケールシリコン、黒鉛またはそれらの組み合わせのうちの１種以上を含む場合がある。より一般的には、前記活性物質は、電気エネルギーを貯蔵するために、正もしくは負の電荷を維持するために適するあらゆる物質である場合がある。

幾つかの実施態様において、前記分散物は、前記溶媒中に分散された、約０．１重量％ないし約２重量％のＣＮＴパルプ、約１重量％ないし約５重量％の結合物質、および約１０重量％ないし約５０重量％の活性物質を含む場合がある。例えば、幾つかの実施態様において、前記分散物は、ＮＭＰ溶媒中に分散された、約０．２５重量％のＣＮＴパルプ、
約１．０重量％の結合剤、および約５０重量％の活性物質を含む場合がある。他の実施態様において、前記分散物は、約ｐＨ＝３にバッファーされた水中に、約０．５重量％のＣＮＴパルプ、約２．２重量％の結合剤、約５０重量％の活性物質、約５重量％のエタノールを含む場合がある。

基板に前記分散物を適用する工程２０３は、例えば、医師のメス、ナイフ、金ごて、分配装置（ｄｉｓｐｅｎｓｅｒ）またはそれらの組み合わせのうちの１種以上を使用して実施される場合がある。より一般的には前記の適用工程は、基板上に前記分散物を分配可能なあらゆる適切な装置またはシステムを使用して実施される場合がある。

様々な実施態様に基づいて、前記基板は、１つの表面を有し、そして前記分散物と化学的に相容性のあらゆる物質を含む場合がある。例えば、幾つかの実施態様において、１種以上の前記基板は、集電体、カソード集電体、アノード集電体、アルミニウムフォイルもしくはプレート、銅フォイルもしくはプレート、ステンレス鋼フォイルもしくはプレート、他のいずれかの適切な金属のワイアもしくはフォイル、ＣＮＴシート、テープ、糸、ワイア、グラフェン、黒鉛の形態の炭素材料（ｃａｒｂｏｎ ｍａｔｅｒｉａｌ）またはそれらのあらゆる組み合わせを含む場合がある。幾つかの実施態様における、それらに代わる基板は、前記分散物がその上に硬化され後に除去される場合がある、テフロンその他のシートを含む場合がある。例えば、幾つかの実施態様において、アノードまたはカソード集電体は、前記アノードまたはカソード構造物と統合される場合があり、従って、前記アノードまたはカソード構造物は前記テフロンその他の除去可能なシート上に硬化され、次に、その後の加工および使用のために除去される場合がある。

前記分散物を硬化して、その中にＣＮＴパルプネットワークを形成されている構造物を形成する工程２０５は、様々な実施態様に基づいて、前記分散物を空気乾燥または加熱する工程のうちの１つ以上により実施される場合がある。幾つかの実施態様において、前記分散物は１６５℃で２時間空気乾燥される。

様々な実施態様に従って、前記構造物は、一旦硬化されると前記活性物質全体に三次元的に拡張する場合がある、ＣＮＴパルプネットワークと、該ＣＮＴパルプネットワークを前記活性物質と結合する結合物質とにより画定された、本体を含む場合がある。例えば、今度は図４を参照して、様々な実施態様に基づいて、活性物質３０３を前記ＣＮＴパルプと結合ネットワークとに結合する、ＣＮＴパルプおよび結合ネットワーク３０１を含む構造物３００の走査電子顕微鏡画像が提供される。

前記ＣＮＴパルプネットワーク３０１は、例えば、図３を参照して更に詳述された通りに製造された、ＣＮＴパルプから形成される場合がある。一般に前記ＣＮＴパルプは、前記構造物の機械的性質および安定度を高めながら、前記構造物全体に長距離の電気接続性を有する（すなわち、前記構造物の浸透閾値を超える）導電補助体を提供するために三次元のＣＮＴパルプネットワーク３０１を形成することが可能なあらゆるＣＮＴパルプである場合がある。

図４の画像に示される構造物３００は、ＮＭＣ活性物質中に約０．５重量％のＣＮＴパルプおよび約３重量％のＰＶＤＦ結合剤の特定の組成物を含むが、様々な実施態様に従う構造物はこの組成物に限定はされない。例えば、本明細書に記載されるあらゆる構造物は様々な実施態様に従って使用される場合がある。更に、本開示に照らして、前記ＣＮＴパルプネットワーク３０１が、（例えば約０．５重量％のＣＮＴパルプにおける）前記構造物３００の浸透閾値を超え、そして前記構造物３００に、物質の高められた性質を提供するために十分な量で存在することを条件として、様々な実施態様に従って、材料のあらゆる組み合わせ、材料のあらゆる比率、および／または、あらゆる幅、高さ、厚さまたは形
状を有するあらゆる組成物を使用する場合があることは明白であるろう。

図５を参照して、エネルギー蓄積装置（ＥＳＤ）１００は、様々な実施態様に従って、第１の活性層１０１に接続した第１の集電体１０２と、第２の活性１０３に接続した第２の集電体１０４と、その中間に挿入されたセパレーター１０５とを含む。

第１および第２の集電体１０２、１０４は、様々な実施態様に従って、アルミニウムフォイル、銅フォイル、ステンレス鋼フォイル、他のいずれかの適切な金属のワイアもしくはフォイル、ＣＮＴシート、テープ、糸、ワイア、グラフェン、黒鉛の形状の炭素物質、またはそれらのあらゆる組み合わせを含む場合がある。幾つかの実施態様において、明白に分離された集電体は必要とされない場合があり、その代わりに、第１および第２の集電体１０２、１０４の一方もしくは両方が、第１もしくは第２の活性層１０１、１０３中に統合される場合がある。

幾つかの実施態様において、第１の活性層１０１は、集電体１０２に接続される場合がある。第１の活性層１０１は、例えば、活性物質、結合剤、およびＣＮＴネットワークを含む場合がある。幾つかの実施態様において、第１の活性層はまた、１種以上の性能向上物質を含む場合がある。幾つかの実施態様において、性能向上物質は、カーボンブラック、黒鉛、グラフェン、ポリマー、粉末ナノチューブ、またはそれらのあらゆる組み合わせを含む場合があるがこれらに限定されない。幾つかの実施態様において、第１の活性層１０１は電池のカソードである場合があり、そして前記活性物質は、リチウム鉄リン酸塩（ＬＦＰ）、リチウムコバルト酸化物（ＬＣＯ）、ニッケルマンガンコバルト酸化物（ＮＭＣ）、硫黄、カプセル封入硫黄、ポリマー、電荷移動イオンを貯蔵する場合がある他のいずれかの物質、またはそれらの組み合わせを含む場合があるがそれらに限定はされない。

幾つかの実施態様において、第１の活性層１０１は、スーパーキャパシターまたは擬似キャパシターにおける電極である場合があり、そして前記活性物質は、導電多孔質物質、例えば黒鉛、グラフェン、炭素繊維、カーボンナノチューブ、またはそれらのあらゆる組み合わせ、並びに、ルテニウム酸化物、イリジウム酸化物またはマンガン酸化物、またはそれらの組み合わせを含む場合がある遷移金属酸化物のような、レドックス動態を示す物質を含む場合があるがそれらに限定はされない。

幾つかの実施態様において、前記結合剤は、ポリビニリデンフルオリド（ＰＶＤＦ）、スチレンブタジエンゴム（ＳＢＲ）、カルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）、その他の適切な可溶性もしくは分散性ポリマー、またはそれらの組み合わせを含む場合があるがそれらに限定はされない。

幾つかの実施態様において、前記セパレーター１０５は、前記の２基の集電体１０２、１０４間の直接の電気的接触を抑制もしくは阻止する場合があるが、適当なイオン透過を可能にする場合がある。幾つかの実施態様において、前記セパレーターは、多孔質ポリエチレン（ＰＥ）および多孔質ポリプロピレン（ＰＰ）、ナイロン、ガラス繊維、窒化ホウ素ナノチューブ、またはそれらの組み合わせを含む場合があるがそれらに限定はされない。

幾つかの実施態様において、第２の活性層１０３は、第２の集電体１０４に接続される場合がある。第２の活性層１０３は、活性物質、結合剤、および分散ＣＮＴネットワークを含む場合がある。幾つかの実施態様において、第２の活性層１０３はまた、性能向上物質を含む場合がある。幾つかの実施態様において、第２の活性層１０３は電池のアノードを含む場合があり、そして前記活性物質は、黒鉛、シリコン、ガリウム、錫酸化物、鉄酸化物、チタン酸化物、またはそれらのあらゆる組み合わせを含む場合があるがそれらに限定はされない。前記結合剤は、例えば、ポリビニリデンフルオリド（ＰＶＤＦ）、スチレンブタジエンゴム（ＳＢＲ）、カルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）、その他の適切な分散性ポリマー、またはそれらの組み合わせの場合がある。幾つかの実施態様において、第２の活性層１０３は、スーパーキャパシターまたは擬似キャパシター中の電極を含む場合があり、そして前記活性物質は、例えば、黒鉛、グラフェン、炭素繊維、カーボンナノチューブまたはそれらのあらゆる組み合わせのような、導電多孔質物質を含む場合がある。

幾つかの実施態様において、第１の活性層１０１は、図１を参照して上述された方法に従って構成された構造物を含み、前記第１の活性層１０１は、約０．５重量％ないし約２０重量％のＣＮＴパルプ、例えば、約１．０重量％ないし約２．０重量％のＣＮＴパルプ、約２重量％ないし約５０重量％の結合剤、例えば、約２重量％ないし約５重量％の結合剤、および約３０重量％ないし約９７．５重量％の活性物質、の組成物を有する場合がある。例えば幾つかの実施態様において、第１の活性層１０１は、約０．５重量％のＣＮＴパルプ、３重量％のＰＶＤＦ（結合剤）および約９６．５重量％の活性物質の組成を有する場合がある。

幾つかの実施態様において、第２の活性層１０３は、図１を参照して上述された方法に従って構成された構造物を含み、第２の活性層１０３は、約０．５重量％ないし約２重量％のＣＮＴパルプ、約２重量％ないし約５重量％の結合剤、および、約１０重量％ないし約９５重量％のナノスケールシリコンの組成を有する場合がある。幾つかの実施態様において、第２の活性層１０３は更に黒鉛を含む場合があり、第２の活性層１０３は約７．５重量％ないし約８７．５重量％の黒鉛を含む。例えば、幾つかの実施態様において、第２の活性層１０３は、約１重量％のＣＮＴパルプ、約４．５重量％のＣＭＣ（結合剤）、約１０重量％のナノスケールシリコンおよび約８４．５重量％の黒鉛の組成を有する場合がある。

図６は、様々な実施態様に従う様々なリチウム鉄リン酸塩カソード複合体のオーム－センチメートル単位の固有抵抗を表わすプロットである。とりわけ図６は、リチウム鉄リン酸塩（ＬＦＰ）活性物質中に約１重量％のカーボンブラックを分散されている従来のカソード複合体と、ＬＦＰ中に約０．５重量％ないし約０．９重量％のＣＮＴ粉末を分散されている従来のカソード複合体と、本開示に基づく、ＬＦＰ中に約０．１重量％ないし約０．６重量％のＣＮＴパルプを分散されているカソード複合体との固有抵抗を比較している。図６に示されるように、前記約０．６重量％のＣＮＴパルプのカソード複合体は、前記従来のカーボンブラックおよび粉末ＣＮＴ複合体よりも更に低い濃度（ＣＮＴ粉末で約０．９重量％、および、カーボンブラックで１重量％に比較して約０．６重量％）で実質的に低下した固有抵抗（例えば、ＣＮＴ粉末で約１０オーム－ｃｍおよびカーボンブラックで約３０オーム－ｃｍに比較して、約１オーム－ｃｍ）を示す。好都合には、低下した固有抵抗は、前記カソードのより速い充電および放電を可能にし、そしてより低い濃度の導電補助体は、前記カソード内に更なる活性物質を含ませ、それによりカソード容量を増加させる。

幾つかの実施態様において、前記ＣＮＴパルプネットワークを形成するＣＮＴパルプは好都合にも前記構造物の浸透閾値を超える場合がある。図７は、様々な実施態様に基づいて、様々なニッケルマンガンコバルト（ＮＭＣ）カソード組成物の、ｍＡｈ／ｇ単位のカソード容量を表わすプロットである。とりわけ図７は、ＮＭＣ中に分散された４重量％のカーボンブラックの従来の複合体と、ＮＭＣ中約０．２５重量％のＣＮＴパルプの複合体と、ＮＭＣ中約０．５重量％のＣＮＴパルプの複合体と、ＮＭＣ中約０．７５重量％のＣＮＴパルプの複合体とに対する様々なカソード放電率におけるカソード容量を示す。図７に示されるように、前記約０．２５重量％のＣＮＴパルプ複合体は、完全な浸透閾値を達成せず、従って２Ｃの放電率においては約５０ｍＡｈ／ｇの比較的低い容量を示す。しか
し、Ｃ／２およびＣ／１０のようなより低い放電率においては、約０．２５重量％のＣＮＴパルプの複合体は、従来技術の４重量％のカーボンブラック技術品の性能に釣り合うことが可能である。更に図７に示されるように、他の複合体はそれぞれ、２Ｃの放電率において約１１０ｍＡｈ／ｇの同様な容量を示すが、約０．５重量％のＣＮＴパルプ複合体および約０．７５重量％のＣＮＴパルプ複合体は、Ｃ／１０のような比較的低い放電率においては、比較的高い容量（前記カーボンブラックで約１２０ｍＡｈに比較して約１４０ｍＡｈ）を示す。従って、図７に示されるように、ＣＮＴパルプネットワークで形成された構造物は、２Ｃの放電率（高電力印加）に対して、従来のカーボンブラック組成物に比較して、８分の１の低い濃度の（すなわち、約０．５重量％対約４重量％）導電添加剤で浸透閾値を達成する場合がある。より低い電力印加に対しては、１６分の１の低い濃度が適切である。

幾つかの実施態様において、前記ＣＮＴパルプネットワークは前記カソードに、機械的性質の改善と、固有抵抗の低減とを与えるので、活性物質のより高い負荷を伴うカソードが形成される場合がある。図８は、様々な実施態様に従う、１平方センチメートル当りのミリグラム単位のカソード物質の密度（ｍｇ／ｃｍ^２）により示される通りの、様々なカソード負荷物の、ｍＡｈ／ｇ単位のカソード容量を表わすプロットである。図８はとりわけ、約２１ｍｇ／ｃｍ^２の活性物質負荷を有するＮＭＣ中に分散された、約２．５重量％のカーボンブラックおよび約１．５重量％の黒鉛の従来の複合体と、約１２ｍｇ／ｃｍ^２の活性物質の負荷を有するＮＭＣ中約０．５重量％のＣＮＴパルプの複合体と、約２１ｍｇ／ｃｍ^２の活性物質負荷を有するＮＭＣ中約０．５％重量ＣＮＴパルプの複合体とに対する様々なカソード放電率におけるカソード容量を表わす。図８に示されるように、約２．５重量％のカーボンブラックおよび約１．５重量％の黒鉛の従来の複合体の厚さがより厚いために、前記従来の複合体は、約４０ｍＡｈ／ｇのカソード容量に対してより高い放電率２Ｃで破壊する。それに対し、より厚い約０．５重量％のＣＮＴパルプ複合体は、より薄い約０．５重量％のＣＮＴパルプ複合体とほぼ一致したカソード容量を示す（約１２ｍｇ／ｃｍ^２の前記複合体で約１２０ｍＡｈ／ｇに比較して、２Ｃの放電率における約１１０ｍＡｈ／ｇ）。

前記カソード性能の改善は、前記ＣＮＴパルプネットワークが前記活性物質層の機械的安定性のみならず導電度をも高めるために生じる。カソードの活性物質（ＡＭ）は本質的に非導電性であり、前記ＡＭ中へ、および、ＡＭ中から電荷を移動するために導電添加剤（ＣＡ）を必要とする。従来技術のＣＡは、カーボンブラック（ＣＢ）である。しかしＣＢは、前記物質に何の機械的強度をも与えず、従って、浸透閾値に到達するためにより多量のＣＢが必要とされ、前記ＡＭがより厚くなるに従って、前記カソードは機械的に、より不安定になるが、その理由は、ある時点で、前記カソードの活性層はばらばらになるためである。この懸念と齟齬をきたすために、電池の機能性において、セパレーターおよび集電体のような非活性物質によって占居される前記電池中の容積を縮小するために、前記活性層をできるだけ厚くさせることが望ましい。しかし、（例えば、約４重量％から約５重量％までのＣＢへ、または、厚さの増加による）前記ＣＢ量の増加は、前記電極の引っ張り強さをほぼゼロにまで著しく低下させる。約５重量％より高いＣＢ濃度において、前記カソード物質は乾燥すると破壊する（ｍｕｄ－ｃｒａｃｋ）。好都合なことには、本明細書に開示されたＣＮＴパルプネットワークは、より良い導電性を与え、従って、より少量の導電添加剤を必要とするのみならず更に、機械的安定性を高める。従って本開示のＣＮＴパルプネットワークは、前記カソードの機械的および電気的破壊を伴わずに、より厚いカソードを可能にする。

図９Ａ－９Ｂを参照して、前記ＣＮＴパルプネットワークにより与えられる、機械的安定性の増強は、更に前記カソードおよびアノード、および、従ってこのようなアノードおよびカソードを使用するするあらゆる電池全体の、より強い柔軟性を可能にする。電池の
柔軟性は、装着可能な電子機器および個人用コンピューターを含む広範な用途に有用な場合がある。しかし、電池の真の柔軟性を得るためには、前記アノードおよび前記カソードは機械的に堅牢で柔軟でなければならない。図９Ａは、ＬＦＰ中約５重量％のカーボンブラック添加剤を有する従来のカソードの画像であり、そして図９Ｂは、ＬＦＰ中約１重量％のＣＮＴパルプを有する本開示のカソード構造物の画像である。図９Ａに示されるように、従来のカソードは、２．５ｃｍ直径のジベル（ｄｏｗｅｌ）の周囲に巻かれると亀裂する。それに対し図９Ｂに示されるように、約１重量％のＣＮＴパルプのカソードは、０．３２ｃｍのドエルの周囲に巻かれるときにも亀裂しない。本開示を考慮すると、ＣＮＴパルプを含む他のいずれかの組成物が、様々な実施態様に従って使用される場合があることは明白であろう。一般に、柔軟性と容量との間には二律背反（ｔｒａｄｅ－ｏｆｆ）が存在するようであるが、ＣＮＴおよび結合剤の割合の増加は更なる柔軟性をもたらす場合がある。しかし、すべての組成物において、ＣＮＴパルプ物質の含有は、電池の活性物質に、従来のカーボンブラックまたはＣＮＴ粉末添加剤によっては得られることができない柔軟性および強度を与える場合がある。

幾つかの実施態様において、その中を延伸するＣＮＴパルプネットワークを有するアノードが提供される場合がある。図１０は、様々な実施態様に従う、様々なアノード組成物の、ｍＡｈ／ｇ単位の経時的なアノード容量を表わすプロットである。図１０はとりわけ、すべて黒鉛のアノードと、約１０重量％シリコンナノ物質のアノードとの最大理論的容量を並記された、黒鉛中約１０重量％のナノスケールシリコン（Ｓｉ）の従来の複合体と、様々な実施態様に従う、黒鉛中約１０重量％のナノスケールシリコンと約１重量％のＣＮＴパルプとの複合体とに対する充電／放電サイクルの関数としてのアノード容量を表わす。約１０重量％Ｓｉのアノードの理論的容量は、Ｌｉ_１５Ｓｉ_４の推定最大Ｌｉ－Ｓｉ化学量論に基づいて計算される。図１０に示されるように、約１重量％のＣＮＴパルプを含むアノードは、１１回の試験サイクル全てに対して、より高いアノード容量を維持することによりＣＮＴパルプを含まない複合体の性能をしのぎ、そして更に第２のサイクルにおいて約１０重量％シリコンのアノードに対する前記の理論的最大のアノード容量に近づきさえする。これは更に、シリコンのような広い表面積のナノ粒子を含むときでも、ＣＮＴパルプの添加は被膜の電気的および機械的性質の両方を高めるために使用される場合があることを示す。

背景として、シリコンは、３７２ｍＡｈ／ｇのみの理論的容量を伴う従来のアノード技術（すなわち、黒鉛）に比較して、その高い理論的容量（Ｌｉ_２２Ｓｉ_５で４２００ｍＡｈ／ｇ、またはＬｉ_１５Ｓｉ_４で３５７２ｍＡｈ／ｇ）のために、ＬｉＢのアノード中にリチウム金属を貯蔵するための魅力的材料である。しかし、ＬｉＢアノードに対するシリコンの添加に伴う１つの永続的問題は、前記容量が、前記充電／放電サイクルとともに衰退することである。前記衰退は、リチウム化／脱リチウム化期間の、３Ｘないし４Ｘの膨張／収縮による前記Ｓｉの亀裂／粉末化による。この亀裂は、約５０ナノメートル未満の粒径もしくは厚さであるシリコンと定義されるナノスケールのＳｉによっては生じない。しかし、ナノスケールのＳｉの生産は典型的には、非常に高価であり、非常に困難であるか、またはそれら両方であり、そして、被覆可能で、その結果機械的に堅牢の両方である被膜中にそれらを取り入れる際の、その広い表面積のために問題を形成する。図１０に見られるサイクルとともに容量に認められる前記衰退は、有意な割合の約５０ｎｍを超えるＳｉ粒子の存在のためであると考えられる。

図１１を参照して、ナノスケールシリコン材料を形成するための化学蒸着（ＣＶＤ）法１２００が提供される。該方法は、一定量のＣＮＴパルプを、ＣＶＤ反応器中に投入する工程１２０１を含む。前記方法はまた、前記ＣＶＤ反応器内の前記ＣＮＴパルプ上にシランガスを流す工程１２０３を含む。前記方法はまた、前記ＣＮＴパルプを、シリコンのナノスケール層で被覆するために前記ＣＶＤ反応器を加熱する工程１２０５を含む。

前記ＣＶＤ反応器内にＣＮＴパルプの前記の量を投入する工程１２０１は、例えば、ＣＶＤ反応器内に上記の通りに生産された一定量のＣＮＴパルプか、一定量の他のＣＮＴナノ粒子かを投入することにより実施される場合がある。様々な実施態様に従って、ＣＶＤ反応器は、コールドウォール（ｃｏｌｄ－ｗａｌｌ）流動床反応器、ホットウォール（ｈｏｔ－ｗａｌｌ）抵抗加熱炉、または、それらの組み合わせのうちの１種以上を含む場合がある。

前記ＣＶＤ反応器内の前記ＣＮＴパルプ上にシランガスを流す工程１２０３は、例えば、前記ＣＶＤ反応器にシランガスの流れを提供することにより（例えば、圧縮ガスライン、ガスのビン、または他のいずれかの適当なガス流動機序により）実施される場合がある。幾つかの実施態様において、流動工程１２０３はまた、混合物中の１種以上の更なるガスと一緒に前記シランガスを流す工程を含む場合がある。例えば、幾つかの実施態様において、水素、シランおよびアルゴンの混合物が前記ＣＶＤ反応器内の前記ＣＮＴパルプ上に流される場合がある。

シリコンのナノスケール層で、前記ＣＮＴパルプを被覆するために、前記ＣＶＤ反応器を加熱する、加熱工程１２０５は、例えば、誘導加熱またはマイクロウェーブ加熱によるコールドウォール石英炉を加熱する工程により、あるいは、前記反応器を抵抗加熱することによるホットウォール抵抗加熱炉を加熱することにより実施される場合がある。本開示を考慮すると、様々な実施態様に従って、前記の所望される被膜厚さおよび均一性は、前記パルプの温度と、炉圧と、流入ガスの組成および流速とを変えることにより調整される場合があることが認められるであろう。

本開示の様々な態様は、単独で、組み合わせて、あるいは、上述された実施態様中に、具体的には考察されなかった様々な変法（ａｒｒａｎｇｅｍｅｎｔｓ）で使用される場合があり、従って、前記の説明中に示されるか、前記図面中に描かれるかされた構成部品の詳細および配列に対するその適用に限定はされない。例えば、１つの実施態様に説明された態様は、他の実施態様中に説明された態様と、どんな方法で組み合わされてもよい。更に、本明細書で使用される文言（ｐｈｒａｓｅｏｌｏｇｙ）および専門用語（ｔｅｒｍｉｎｏｌｏｇｙ）は、説明の目的のためのものであり、限定するものと見なすべきではない。

クレーム要素を修飾するために前記クレームにおける「第１の」、「第２の」、「第３の」、等のような序数の使用は、それだけでは、ある方法の行為（ａｃｔｓ）が実施される、他のまたは仮の順序に対する１つのクレーム要素の、どんな優先（ｐｒｉｏｒｉｔｙ）、優位（ｐｒｅｃｅｄｅｎｃｅ）または順序をも暗示するものではなく、単に前記クレーム要素を区別するために、特定の名称を有する１つのクレーム要素を、同一名称（しかし前記序数の使用のための）を有する他の要素から区別するための名称（ｌａｂｅｌｓ）として使用される。

Claims (21)

1. 構造物であって、
   それぞれ１ｍｍより大きい長さを有する複数のカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）を含む、相互接続されたカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）パルプ（前記ＣＮＴパルプは、前記構造物の０．１重量％～２０．０重量％の量が提供される）、のネットワークにより画定された本体と、
   前記ＣＮＴパルプネットワーク内に分散された結合物質と、
   イオン貯蔵のために前記本体全体に分配された活性物質と含み、
   前記構造物はアノードである、
   構造物。
2. 前記結合物質は前記構造物の２重量％ないし５０重量％である、請求項１に記載の構造物。
3. 更に、前記本体内に分散された、カーボンブラックか、黒鉛か、グラフェンか、導電ポリマーか、前記ＣＮＴパルプネットワークとの相乗的導電性を提供するあらゆる導電材料か、それらの組み合わせかのうちの１種以上を含む添加剤を含む、請求項１に記載の構造物。
4. 前記添加剤は前記構造物の０．５重量％ないし９０重量％である、請求項３の構造物。
5. 前記結合物質は、ポリビニリデンフルオリド（ＰＶＤＦ）か、カルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）か、スチレンブタジエンゴム（ＳＢＲ）か、前記活性物質を前記ＣＮＴパルプネットワークと結合させることが可能なあらゆる結合物質か、それらの組み合わせかのうちの１種以上を含む、請求項１に記載の構造物。
6. 前記構造物は１平方センチメートル当り１２ミリグラム以上の固形分負荷物（ｌｏａｄｉｎｇｓ）を有する、請求項１に記載の構造物。
7. 前記活性物質は、シリコンナノ粒子か、シリコンナノワイヤか、ナノスケールカーボン上のシリコン被膜か、あらゆるナノスケールシリコンか、あらゆるアノードの活性物質か、それらの組み合わせかのうちの１種以上を含み、前記ナノスケールカーボンは、カーボンナノチューブか、グラフェンか、黒鉛か、カーボンブラックか、あらゆるナノスケールカーボンか、それらの組み合わせかのうちの１種以上を含む、請求項１に記載の構造物。
8. 前記活性物質は前記構造物の１０重量％ないし９５重量％である、請求項１に記載の構造物。
9. 前記構造物はキャパシター、擬似キャパシターまたはスーパーキャパシターのうちの１種以上を画定する、請求項１に記載の構造物。
10. 構造物を形成する方法であって、
    分散物を形成するために、それぞれ１ｍｍより大きい長さを有する複数のカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）を含む（ＣＮＴ）カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）パルプを、結合剤、活性物質および溶媒と混合する工程、
    前記分散物を基板に適用する工程、および
    その中に形成されているＣＮＴパルプネットワークを有する構造物を形成するために、前記分散物を硬化する工程
    を含み、
    前記活性物質は、シリコンナノ粒子か、シリコンナノワイヤか、ナノスケールカーボン上のシリコン被膜か、あらゆるナノスケールシリコンか、あらゆるアノードの活性物質か、それらの組み合わせかのうちの１種以上を含み、前記ナノスケールカーボンは、カーボンナノチューブか、グラフェンか、黒鉛か、カーボンブラックか、あらゆるナノスケールカーボンか、それらの組み合わせかのうちの１種以上を含み、
    前記ＣＮＴパルプは、前記構造物の０．１重量％～２０．０重量％の量が提供され、
    前記構造物はアノードである、
    構造物を形成する方法。
11. 前記混合する工程は、
    最初に、前記カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）パルプを結合剤および溶媒と混合する工程、および、
    前記分散物を形成するために、活性物質を、前記ＣＮＴパルプ、前記結合剤、および前記溶媒にその後添加する工程
    を含む、請求項１０に記載の方法。
12. 前記その後添加する工程は、更に、前記分散物を形成するために、前記分散物を前記の更なる溶媒で希釈する工程を含む、請求項１１に記載の方法。
13. 更に、ＣＮＴパルプを形成するために、パルプ化装置により、ＣＮＴシートか、ＣＮＴストリップか、ＣＮＴテープか、バルク回収ＣＮＴか、ＣＮＴ糸か、あらゆる十分絡み合ったＣＮＴ材料か、それらの組み合わせかのうちの１種以上をパルプ化する工程、
    第１の粉砕機中で、前記ＣＮＴパルプの少なくとも一部を粉砕する工程、および
    第２の粉砕機中で、前記ＣＮＴパルプを離解する工程
    を含む、請求項１０に記載の方法。
14. 更に、前記ＣＮＴパルプのイオン伝導率を高めるために、前記ＣＮＴパルプを化学的に修飾または被覆する工程を含む、請求項１３に記載の方法。
15. 前記ＣＮＴパルプは、ポリシラザンか、ポリ尿素シラザンか、導電ポリマーか、ポリアミンか、ポリチオフェンか、ポリアミドによる浸潤物（ｉｎｆｉｌｔｒａｔｉｏｎ）か、カルボキシレートもしくはアミン官能基を導入するための化学的修飾物か、イオン伝導率を高めるための化学的修飾物か、それらの組み合わせかのうちの１種以上により、修飾または被覆されている、請求項１４に記載の方法。
16. 前記結合剤は、ポリビニリデンフルオリド（ＰＶＤＦ）か、カルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）か、スチレンブタジエンゴム（ＳＢＲ）か、前記活性物質を前記ＣＮＴパルプネットワークと結合させることが可能なあらゆる結合物質か、それらの組み合わせかのうちの１種以上を含む、請求項１０に記載の方法。
17. 前記溶媒は、ｎ－メチル－２－ピロリドン（ＮＭＰ）か、水か、エタノールか、シクロヘキシルピロリドン（ＣＨＰ）か、１－ベンジル－２－ピロリジノン（ＮＢｅｎＰ）か、アニリンか、アセトニトリルか、ジメチルホルムアミドか、ジクロロメタンか、ｐＨバッファーか、前記活性物質、前記結合剤および前記ＣＮＴパルプを含む分散物を形成することが可能なあらゆる溶媒か、それらの組み合わせかのうちの１種以上を含む、請求項１０に記載の方法。
18. ハウジング；
    前記ハウジング内に配置された第１の集電体；
    第１の集電体と電気的に接続し、そして
    それぞれ１ｍｍより大きい長さを有する複数のカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）を含む、相互接続されたカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）パルプ（前記ＣＮＴパルプは、第１の構造物全体に電子伝達を可能にする、前記構造物の０．１重量％～２０．０重量％の量を提供される）、の第１のネットワークにより画定された第１の本体、
    第１のＣＮＴパルプネットワーク内に分散された第１の結合物質、および
    イオン貯蔵のために第１の本体全体に分配された第１の活性物質：
    を含む、第１の構造物；
    前記ハウジング内に配置された第２の集電体；
    第２の集電体と電気的に接続し、そして
    それぞれ１ｍｍより大きい長さを有する複数のカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）を含む、相互接続されたカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）パルプ（前記ＣＮＴパルプは、第２の構造物全体に電子伝達を可能にする、前記構造物の０．１重量％～２０．０重量％の量を提供される）、の第２のネットワークにより画定された第２の本体、
    第２のＣＮＴパルプネットワーク内に分散された第２の結合物質、および
    イオン貯蔵のために第２の本体全体に分配された第２の活性物質：
    を含む、第２の構造物；
    並びに
    第１および第２の構造物間の直接の電気接触を防止し、そして第１および第２の構造物間のイオン通過を許すための、第１の構造物と第２の構造物との間に挿入されたセパレーター：
    を含む、エネルギー蓄積装置。
19. 第１および第２の集電体は、それぞれ、金属か、ＣＮＴシートか、ＣＮＴ糸か、分散されたＣＮＴネットワークか、黒鉛か、グラフェンか、カーボンブラックか、結合剤か、それらの組み合わせかのうちの１種以上を含む、請求項１８に記載のエネルギー蓄積装置。
20. 第１の構造物はカソードを画定し、そして第２の構造物はアノードを画定する、請求項１８に記載のエネルギー蓄積装置。
21. 第１の集電体は第１の構造物と統合されており、そして第２の集電体は第２の構造物と統合されている、請求項１８に記載のエネルギー蓄積装置。

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