高性能カーボンナノチューブエネルギー蓄積装置
本発明の実施形態は、エネルギー蓄積装置およびエネルギー蓄積装置を製造する方法に関する。この方法は、金属基板にアクセスすること、および金属基板上に複数のカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）を直接形成することを含む。この方法は、前記複数のＣＮＴから実質的にすべての非晶質炭素を除去すること、および複数のＣＮＴを電解セパレータに結合することをさらに含む。
【発明の詳細な説明】
【関連出願】
【０００１】
[001]本出願は、２００９年１２月２１日に出願された、Ｎｇｕｙｅｎらの「ＣＡＰＡＣＩＴＯＲ ＵＳＩＮＧ ＣＡＲＢＯＮ ＮＡＮＯＴＵＢＥ ＥＬＥＣＴＲＯＤＥ」という名称の米国特許仮出願第６１／２８８，７８８号明細書（代理人整理番号ＷＩＮＤ−Ｐ００１Ｒ）の優先権を主張するものである。この出願は、参照によりその全体がすべての目的のために本明細書に組み込まれる。
【政府の権利】
【０００２】
[002]本明細書に記述されている発明は、米国空軍の契約の下での業務の遂行において寄与した非政府の被雇用者によってなされたものであり、Ｐｕｂｌｉｃ Ｌａｗ ９６−５１７（米国特許法（３５ Ｕ．Ｓ．Ｃ．）第２０２条）の規定の適用を受ける。本発明は、空軍から授与された契約ＦＡ９４５３−０９−Ｍ−０１４１の下で政府の助成でなされたものである。政府は本発明における一定の権利を有する。
【技術分野】
【０００３】
[003]本発明の実施形態は、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）、電極、およびエネルギー蓄積に関する。
【背景技術】
【０００４】
[004]技術が進歩するにつれて、動力技術に対するエネルギーの必要性が急速に増大している。動力装置にエネルギーを蓄積する能力もまたますます重要になってきている。エネルギー蓄積に関する研究の量が増大している１つの分野が、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）を用いたキャパシタである。ＣＮＴは一般に金属触媒層を用いて成長させられる。金属触媒層は、堆積中に制御するのが困難である。金属触媒層はキャパシタの製造のコストを増大させる。不都合なことに、金属触媒層は一般にＣＮＴの成長後に残存し、性能に悪影響を及ぼす。
【０００５】
[005]ＣＮＴと金属の間の界面の抵抗は、キャパシタ内の抵抗の主成分であることが多い。金属触媒層を用いて成長させたＣＮＴは、残存する金属触媒層のせいで界面抵抗が高くなる。それによって高い界面抵抗は性能に悪影響を及ぼす。具体的には、高い界面抵抗によりキャパシタの電力性能が悪化する。
【０００６】
[006]非晶質炭素もまた性能に悪影響を及ぼす。典型的なプロセスを用いてＣＮＴが成長すると非晶質炭素になる。非晶質炭素は、表面積を減少させるＣＮＴの細孔のアクセス性を低下させ、それによってＣＮＴの性能に影響を及ぼす。
【発明の概要】
【０００７】
[007]したがって、コストを低減し、抵抗を低くし、かつ性能を向上させるエネルギー蓄積装置を製造する必要性が存在する。本発明の実施形態は、製造が安価でありかつ高性能の（例えば低抵抗の）エネルギー蓄積装置（例えばキャパシタ）を提供する。本発明の実施形態は、金属触媒を含むまたは金属触媒でコーティングされた金属基板上にカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）を直接成長させることを含む。ＣＮＴは、触媒層を堆積させずに金属基板上に直接成長させられる。ＣＮＴから非晶質炭素が除去され、それによってエネルギー蓄積装置の性能を向上させる。
【０００８】
[008]一実施形態では、本発明は、エネルギー蓄積装置の一部を形成する方法として実施される。この方法は、金属基板にアクセスすること、および金属基板上に複数のカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）を直接形成することを含む。金属基板は、金属触媒を含むことができ、または触媒でコーティングすることもできる。複数のＣＮＴは、触媒層を用いずに金属基板上に直接成長させることができる。複数のＣＮＴは化学気相成長（ＣＶＤ）によって形成することができる。一実施形態では、複数のＣＮＴは実質的に垂直に整列される。この方法は、複数のＣＮＴから非晶質炭素を除去すること、および複数のＣＮＴを電解セパレータに結合することをさらに含む。一実施形態では、非晶質炭素は水を伴うプロセスを経て除去される。
【０００９】
[009]別の実施形態では、本発明はキャパシタを形成する方法として実施される。この方法は、第１の金属基板上に第１の複数のカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）を形成すること、および第１の複数のカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）から非晶質炭素を除去することを含む。第１の複数のＣＮＴは、触媒層を追加せずに第１の金属基板上に直接成長させることができる。第１の複数のＣＮＴは実質的に垂直に整列することができる。この方法は、第２の金属基板上に第２の複数のカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）を形成すること、および第２の複数のＣＮＴから非晶質炭素を除去することをさらに含む。一実施形態では、第１の金属基板および第２の金属基板は金属触媒を含む。別の実施形態では、第１の金属基板および第２の金属基板は金属触媒でコーティングされる。次いで、第１の複数のＣＮＴおよび第２の複数のＣＮＴは膜（例えば電解セパレータ）に結合されることができる。
【００１０】
[010]別の実施形態では、本発明はエネルギー蓄積装置である。この装置は、第１の金属基板、第２の金属基板、および電解セパレータを含む。一実施形態では、第１の金属基板は金属触媒を含む。別の実施形態では、第１の金属基板は金属触媒でコーティングされる。この装置は、第１の金属基板、第２の金属基板、および電解セパレータに結合された複数のカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）をさらに含む。複数のＣＮＴは実質的に垂直に整列することができる。複数のＣＮＴの第１の部分が第１の金属基板上に直接成長させられ、複数のＣＮＴの第２の部分が第２の金属基板上に直接成長させられる。一実施形態では、複数のＣＮＴは、触媒層を用いずに第１の金属基板上に直接成長させられる。複数のＣＮＴから非晶質炭素が除去されている。非晶質炭素は水を伴うプロセスを経て除去することができる。
【００１１】
[011]本発明の実施形態は、添付図面の図に限定するためではなく一例として示されており、添付図面の図において同様の参照番号は同様の要素を参照する。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１Ａ】本発明の一実施形態による、エネルギー蓄積装置の一部の例示的な生産段階の図である。
【図１Ｂ】本発明の一実施形態による、エネルギー蓄積装置の一部の例示的な生産段階の図である。
【図２】本発明の一実施形態による、エネルギー蓄積装置の一部の例示的な生産段階の図である。
【図３】本発明の一実施形態による、エネルギー蓄積装置の一部の例示的な生産段階の図である。
【図４】本発明の一実施形態による、エネルギー蓄積装置の例示的な生産段階の図である。
【図５】本発明の一実施形態による、エネルギー蓄積装置の例示的な生産段階の図である。
【図６】本発明の一実施形態による、エネルギー蓄積装置の例示的な生産段階の図である。
【図７】本発明の実施形態による、エネルギー蓄積装置を製造するためのプロセスの例示的なフローチャートである。
【図８】本発明の一実施形態による、例示的なエネルギー蓄積装置のブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
[016]次に、本発明による様々な実施形態について詳細に説明する。実施形態の例は添付図面に例示されている。本発明について様々な実施形態に関連して説明するが、これらの様々な実施形態は本発明を限定するものではないことが理解されたい。それどころか、本発明は、添付の特許請求の範囲に従って解釈される本発明の範囲内に含まれうる代替物、変更物、および均等物を網羅するよう意図されている。さらに、本発明による様々な実施形態の以下の詳細な説明では、本発明の完全な理解を提供するために多くの特定の詳細が記載されている。しかしながら、本発明はこれらの特定の詳細を用いずに実施されうることが当業者には明らかであろう。他の例では、周知の方法、手順、構成要素、および回路は、本発明の態様を不必要に不明瞭にしないように、詳細には記述されていない。
【００１４】
例示的なエネルギー蓄積装置およびエネルギー蓄積装置を製造する方法
[017]図１〜図３に、本発明の一実施形態による、エネルギー蓄積装置の一部の例示的な生産段階の図を示す。図１Ａを参照すると、金属基板１０２ａが選定される。金属基板１０２ａは金属合金とすることができ、金属合金は、Ｆｅ、ＮｉもしくはＣｏ、または任意の他の金属、あるいはカーボンナノチューブの成長を支える能力をもつ金属の組合せなどの金属触媒１０８ａを含んでいる様々な合金とすることができる。一例として、ＦｅＣｒＡｌ合金、カンタル（例えば、主として鉄、クロム（２０〜３０％）、およびアルミニウム（４〜７．５％））、ニュージャージー州モリスタウンのＤｒｉｖｅｒ−Ｈａｒｒｉｓ Ｃｏｍｐａｎｙから入手可能なニクロム（登録商標）（例えば、ニッケル８０質量パーセントおよびクロム２０質量パーセント）、またはステンレス鋼がある。
【００１５】
[018]図１Ｂを参照すると、金属基板１０２ｂが選定される。金属基板１０２ｂは、金属（例えば、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ａｌ）または金属箔（例えば、Ａｌおよび／またはＣｒを含む）とすることができる。一実施形態では、金属基板１０２ｂは、触媒１０８ｂを用いて（例えば、連続プロセスを経て）コーティングまたは堆積することができる。
【００１６】
[019]図２を参照すると、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）１０４が金属基板１０２上に直接形成または成長される。ＣＮＴ１０４は、構造が高度に多孔質であり、メソ細孔のかなりの部分と大きい使用可能な表面積とで特徴付けられる。ＣＮＴ１０４は化学的に安定しており不活性である。ＣＮＴ１０４は電気的に導電性である。図２の金属基板１０２は、図示されていない触媒（例えば、触媒１０８ａまたは触媒１０８ｂ）を含むことが留意されたい。
【００１７】
[020]一実施形態では、ＣＮＴ１０４は、熱化学気相成長（ＣＶＤ）プロセスで成長させられる。例えば、ＣＶＤプロセスは、６００℃を超える温度でかつ酸素濃度の低い環境の中で炭化水素（例えば、エチレン、任意のＣＨｘ基の炭化水素、または他の炭素源）を用いて実行することができる。ＣＮＴ１０４は、金属触媒堆積を用いずに金属基板１０２の表面上に直接成長させられる。一実施形態では、ＣＮＴ１０４は、金属基板上に直接成長させられた多層塔状構造体（ｍｕｌｔｉ−ｗａｌｌｅｄ ｔｏｗｅｒ−ｌｉｋｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ）である。別の実施形態では、ＣＮＴ１０４は、金属基板上に直接成長させられた単層塔状構造体である。別の実施形態では、ＣＮＴ１０４は、金属基板上に直接成長させられた単層塔状構造体と多層塔状構造体の両方を組み合わせたものである。
【００１８】
[021]触媒層を用いずにＣＮＴ１０４を直接成長させることにより、高い界面抵抗の問題および基板上に残存する触媒層の問題が取り除かれる。したがって、本発明の諸実施形態は、界面抵抗に影響を及ぼす触媒不純物を有していない。したがって、実施形態はＣＮＴと金属基板との間の界面に最小電気抵抗を有し、それによってエネルギー蓄積装置の性能を向上させる。金属基板上にＣＮＴを直接成長させることにより、不活性材料の不必要な重量を低減する結合剤を使用する必要もなくなる。
【００１９】
[022]一実施形態では、ＣＮＴ１０４は垂直整列構成である。ＣＮＴ１０４は、水平のランダムで無秩序な配列、他の材料を有するＣＮＴ、または他の整列などを含む様々な構成とすることができる。例えば、ＣＮＴ１０４は、垂直な（例えば、金属表面に対して垂直な）塔状構造体とすることができる。別の実施形態では、ＣＮＴは、垂直方向の構造的整列の度合いの低いランダムネットワークと似ている。
【００２０】
[023]一実施形態では、ＣＮＴ１０４に親水性特徴を与えて電解質によるぬれをより良くするために、ＣＮＴ塔のプラズマベースの処理（例えば、Ｏ２プラズマによる）が実行される。これにより、電解質からのより多くのイオンがＣＮＴ電極内の細孔にアクセスすることが可能になり、それによってヘルムホルツ層における電荷密度を増大させる。
【００２１】
[024]ＣＮＴ１０４が成長する間、ＣＮＴ１０４は非晶質炭素１０６を発生させる可能性がある。非晶質炭素１０６はＣＮＴ１０４相互間の空間をふさぎ、したがってＣＮＴ１０４が多孔質でなくなり、それによってＣＮＴ１０４の（例えば電極としての）性能に影響を及ぼす。一実施形態では、成長温度を制御して非晶質炭素不純物を実質的に減らす。
【００２２】
[025]図３を参照すると、洗浄プロセスがＣＮＴ１０４に適用され、非晶質炭素１０６はＣＮＴ１０４から（例えば、部分的にまたは完全に）除去され、それによってエネルギー蓄積装置１１０の一部が生成される。一実施形態では、ＣＮＴ１０４から非晶質炭素１０６を除去するために高温の水蒸気が使用される。使用される洗浄プロセスは、参照により本明細書に組み込まれている、Ｄｅｌｚｅｉｔらの米国特許第６，９７２，０５６号明細書に記述されているプロセスとすることができる。
【００２３】
[026]一実施形態では、非晶質炭素を含む不純物を除去するためのカーボンナノチューブコレクタ電極を浄化するために、連続水処理プロセスが使用される。連続水処理プロセスは、湿った不活性キャリアガス流（例えば、ＡｒまたはＮ２）を含むことができ、追加の乾燥したキャリアガス流を含むこともできる。湿った不活性キャリアガス流と追加の乾燥したキャリアガス流とを混合して水濃度を制御することができる。水は、バブラ（ｂｕｂｂｌｅｒ）、膜移動システム、または他の水注入方法を用いて加えることができる。水蒸気は、５０〜１１００℃の高温でプロセス室に導入することができる。プロセス室の温度は５０〜１１００℃である。水処理は電極の気孔率を高め、それによって細孔のアクセス性を向上させ、電極表面積が大きい応用例でのＣＮＴの使用を可能にする。表面積の増大は、本発明の実施形態によるエネルギー蓄積装置の性能を向上させたり静電容量を高めたりする。例えば、水処理により、水処理されたＣＮＴ電極の場合に比静電容量値が約３倍増加することができる。
【００２４】
[027]図４〜図６に、本発明の一実施形態による、エネルギー蓄積装置の例示的な生産段階の図を示す。図４を参照すると、エネルギー蓄積装置の２つの部分２１０ａ、２１０ｂが（例えば本明細書に記述されているように）形成され、膜２０６が選定される。エネルギー蓄積装置の部分２１０ａ、２１０ｂはそれぞれ、金属基板２０２ａ、２０２ｂおよびＣＮＴ２０４ａ、２０４ｂを含む。金属基板２０２ａ、２０２ｂは、触媒でコーティングされてもよく、または金属触媒を含む金属合金でもよい。ＣＮＴ２０４ａ、２０４ｂは金属基板２０２ａ、２０２ｂ上に直接成長させられ、非晶質炭素が除去される。膜２０６は、ポリプロピレン、Ｎａｆｉｏｎ、ノースカロライナ州シャーロットのＣｅｌｇａｒｄ ＬＬＣ（セルガード社）から入手可能なＣｅｌｇａｒｄまたはＣｅｌｇａｒｄ ３４００などの様々な材料を含む多孔質セパレータとすることができる。
【００２５】
[028]図５を参照すると、ＣＮＴ２０４ａ、２０４ｂは膜２０６に結合される。一実施形態では、ＣＮＴ２０４ａ、２０４ｂおよび金属基板２０２ａ、２０２ｂはクランプアセンブリ（例えば、クランプアセンブリ４０８）によって膜２０６に結合される。
【００２６】
[029]図６を参照すると、ＣＮＴ２０４ａ、２０４ｂは、液体もしくはゲルとすることができる電解質２０８の中に入れられてもよく、または特定のゲル、空気、もしくは真空で取り囲まれていてもよい。電解質２０８は、水性電解質（例えば、硫酸ナトリウム（Ｎａ２ＳＯ４）、水酸化カリウム（ＫＯＨ）、塩化カリウム（ＫＣｌ）、硫酸（Ｈ２ＳＯ４）、塩化マグネシウム（ＭｇＣｌ２）など）、非水電解質溶媒（例えば、アセトニトリル、プロピレンカーボネート、テトラヒドロフラン、ガンマ−ブチロラクトン、ジメトキシエタン）、無溶媒イオン液体（例えば、１−エチル−３−メチルイミダゾリウムビス（ペンタフルオロエチルスルホニル）イミド（ＥＭＩＭＢｅＴｉ）など）を含む様々な電解質とすることができる。
【００２７】
[030]電解質２０８は、テトラアルキルアンモニウム塩（例えば、テトラフルオロホウ酸テトラエチルアンモニウム（（Ｃ２Ｈ５）４ＮＢＦ４）、テトラフルオロホウ酸メチルトリエチルアンモニウム（（Ｃ２Ｈ５）３ＣＨ３ＮＢＦ４）、テトラフルオロホウ酸テトラブチルアンモニウム（（Ｃ４Ｈ９）４ＮＢＦ４）、ヘキサフルオロリン酸テトラエチルアンモニウム（Ｃ２Ｈ５）ＮＰＦ６））、テトラアルキルホスホニウム塩（例えば、テトラフルオロホウ酸テトラエチルホスホニウム（（Ｃ２Ｈ５）４ＰＢＦ４）、テトラフルオロホウ酸テトラプロピルホスホニウム（（Ｃ３Ｈ７）４ＰＢＦ４）、テトラフルオロホウ酸テトラブチルホスホニウム（（Ｃ４Ｈ９）４ＰＢＦ４））、リチウム塩（例えば、テトラフルオロホウ酸リチウム（ＬｉＢＦ４）、ヘキサフルオロリン酸リチウム（ＬｉＰＦ６）、トリフルオロメチルスルホン酸リチウム（ＬｉＣＦ３ＳＯ３））を含む溶媒に使用される様々な電解質塩を含むことができる。
【００２８】
[031]図７を参照すると、例示的なフローチャート３００は、本発明の様々な実施形態で用いられるコンピュータ制御プロセス例を示している。特定のブロックがフローチャート３００の中に開示されているが、かかるブロックは例示的なものである。すなわち、実施形態は、他の様々なブロックまたはフローチャート３００に記載されているブロックの変形を実行するのによく適している。フローチャート３００内のブロックは提示されているのとは異なる順序で実行されうること、および、フローチャート３００内のブロックのすべてが実行されなくてもよいことが理解されよう。
【００２９】
[032]図７は、本発明の実施形態による、エネルギー蓄積装置を製造するためのプロセスの例示的なフローチャート３００を示す。プロセス３００は、電気化学二重層キャパシタ（ＥＤＬＣ）を製造するために実施可能となりうる。
【００３０】
[033]ブロック３０２で、第１の複数のカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）（例えば、ＣＮＴ２０４ａ）が第１の金属基板（例えば金属基板２０２ａ）上に形成される。本明細書に記述されているように、ＣＮＴは金属基板上に直接形成することができる。
【００３１】
[034]ブロック３０４で、第１の複数のＣＮＴから非晶質炭素が除去される。本明細書に記述されているように、非晶質炭素は水処理プロセスを経て除去しておくことができる。ブロック３０６で、第１のワイヤが第１の金属基板に結合される。
【００３２】
[035]ブロック３０８で、第２の複数のカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）（例えば、ＣＮＴ２０４ｂ）が第２の金属基板（例えば金属基板２０２ｂ）上に形成される。本明細書に記述されているように、ＣＮＴは金属基板上に直接形成することができる。
【００３３】
[036]ブロック３１０で、第２の複数のＣＮＴから非晶質炭素が除去される。本明細書に記述されているように、非晶質炭素は水処理プロセスを経て除去しておくことができる。ブロック３１２で、第２のワイヤが第２の金属基板に結合される。
【００３４】
[037]ブロック３１４で、第１の複数のＣＮＴおよび第２の複数のＣＮＴは膜（例えば電解セパレータ）に結合される。ブロック３１６で、電解質が追加される。電解質は、本明細書に記述されているように、様々な電解質とすることができる。
【００３５】
[038]図８に、本発明の一実施形態による、例示的なエネルギー蓄積装置のブロック図を示す。一実施形態では、装置アセンブリ４００は、電気化学二重層キャパシタ（ＥＤＬＣ）とすることができる。装置アセンブリ４００は、０．０５Ｖ以上の動作電圧を有することができる。本発明の実施形態は、急速充電時間、大電力送出（ｈｉｇｈ ｐｏｗｅｒ ｄｅｌｉｖｅｒｙ）、および高エネルギー密度を支える。
【００３６】
[039]装置アセンブリ４００は、電解膜４０６で隔てられた２つのＣＮＴ電極４０４ａ、４０４ｂを備える。一実施形態では、ＣＮＴ電極４０４ａ、４０４ｂは、触媒でコーティングされた金属基板または金属箔上に１×１ｃｍ２より大きい面積とすることができ、ロール・ツー・ロール方式で製造することができる。ＣＮＴ電極４０４ａ、４０４ｂは、電極材料の任意の連続的な加工で製造することができる。ＣＮＴ電極４０４ａ、４０４ｂは、水処理の有無にかかわらずかつ追加の触媒の有無にかかわらず基板から形成することができる。
【００３７】
[040]クランプアセンブリ４０８を貼る前に電気リード線がアセンブリに取り付けられる。電気リード線４１０（例えば、細い金属線）は、電気接触を可能にするために、コレクタ４０２ａ、４０２ｂ（例えば、金属基板２０２ａ、２０２ｂ）の背面と接触する。次いで、装置アセンブリ４００は、本明細書に記述されているように、電解質（例えば、溶媒和イオンを含む電解質溶液）（図示せず）の容器の中に入れられる。電気リード線４１０は、キャパシタの作動を促進するために溶液から外へ与えられる。
【００３８】
[041]クランプアセンブリ４０８は電極４０４ａ、４０４ｂを極めて接近して保持し、電解膜４０６は、適切な電極間隔を維持するのと同時に、装置アセンブリ４００の体積を最小限に抑える。一実施形態では、クランプアセンブリ４０８は高密度アセンブリポリプロピレン（ＨＤＰＥ）である。
【００３９】
[042]一実施形態では、装置アセンブリ４００は、２つの垂直に整列された多層ＣＮＴ塔状電極４０４ａ、４０４ｂと電解膜４０６（例えば、ｃｅｌｇａｒｄまたはポリプロピレン）とを有する平行板キャパシタであり、従来の水性電解質（例えば、４０％硫酸またはＫＯＨ）を使用している。
【００４０】
[043]装置アセンブリ４００は、電池または他のエネルギー蓄積装置の代わり、家庭用電化製品（例えば、携帯電話、カメラ、コンピュータ、ＰＤＡ（携帯情報端末）、スマートフォン、ポケベル、および充電装置）、自動車（例えば、電気／ハイブリッド車両用、制動などの自動車運転時に消耗されるエネルギーの計算用、ならびにモータ、照明、器具類などの駆動用）、スマートグリッド（例えば、家庭、商業ビルおよび工場への電力供給用）、常温始動の支援、触媒コンバータの余熱、配達用トラック、ゴルフカート、ゴーカート、コンピュータ用の無停電電源装置（ＵＰＳ）、予備電源システム、コピー機（例えば、ウォーム・アップ・モードを迅速化すること、および待機モードを最小限に抑えること）、カー・ステレオ・アンプなどを含む様々な用途に実施可能となりうる。
【００４１】
[044]したがって、本発明の実施形態は、製造を安価にするとともに性能を高めた（例えば低抵抗の）エネルギー蓄積装置（例えばキャパシタ）を提供する。本発明の実施形態は、金属触媒を含む金属基板または金属触媒でコーティングされた金属基板上にカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）を直接成長させることを含む。ＣＮＴは、触媒層を堆積させずに金属基板上に直接成長させられる。ＣＮＴから非晶質炭素が除去され、それによってエネルギー蓄積装置の性能を向上させる。
【００４２】
[045]本発明の特定の実施形態に関する先の記述は、例示および説明のために提示されている。本発明の特定の実施形態は、網羅的なものではなく、すなわち本発明を開示されている正確な形に限定するものではなく、多くの修正および変形が上記の教示に照らして可能である。実施形態は、本発明および本発明の実際の適用の原理を最もよく説明するために選択され記述されており、それにより、当業者は、本発明と予期される特定の用途に適している様々な修正点を有する様々な実施形態とを最もよく利用することが可能になる。本発明の範囲は、本明細書に添付されている特許請求の範囲およびその同等物によって定義されることが意図されている。
【関連出願】
【０００１】
[001]本出願は、２００９年１２月２１日に出願された、Ｎｇｕｙｅｎらの「ＣＡＰＡＣＩＴＯＲ ＵＳＩＮＧ ＣＡＲＢＯＮ ＮＡＮＯＴＵＢＥ ＥＬＥＣＴＲＯＤＥ」という名称の米国特許仮出願第６１／２８８，７８８号明細書（代理人整理番号ＷＩＮＤ−Ｐ００１Ｒ）の優先権を主張するものである。この出願は、参照によりその全体がすべての目的のために本明細書に組み込まれる。
【政府の権利】
【０００２】
[002]本明細書に記述されている発明は、米国空軍の契約の下での業務の遂行において寄与した非政府の被雇用者によってなされたものであり、Ｐｕｂｌｉｃ Ｌａｗ ９６−５１７（米国特許法（３５ Ｕ．Ｓ．Ｃ．）第２０２条）の規定の適用を受ける。本発明は、空軍から授与された契約ＦＡ９４５３−０９−Ｍ−０１４１の下で政府の助成でなされたものである。政府は本発明における一定の権利を有する。
【技術分野】
【０００３】
[003]本発明の実施形態は、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）、電極、およびエネルギー蓄積に関する。
【背景技術】
【０００４】
[004]技術が進歩するにつれて、動力技術に対するエネルギーの必要性が急速に増大している。動力装置にエネルギーを蓄積する能力もまたますます重要になってきている。エネルギー蓄積に関する研究の量が増大している１つの分野が、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）を用いたキャパシタである。ＣＮＴは一般に金属触媒層を用いて成長させられる。金属触媒層は、堆積中に制御するのが困難である。金属触媒層はキャパシタの製造のコストを増大させる。不都合なことに、金属触媒層は一般にＣＮＴの成長後に残存し、性能に悪影響を及ぼす。
【０００５】
[005]ＣＮＴと金属の間の界面の抵抗は、キャパシタ内の抵抗の主成分であることが多い。金属触媒層を用いて成長させたＣＮＴは、残存する金属触媒層のせいで界面抵抗が高くなる。それによって高い界面抵抗は性能に悪影響を及ぼす。具体的には、高い界面抵抗によりキャパシタの電力性能が悪化する。
【０００６】
[006]非晶質炭素もまた性能に悪影響を及ぼす。典型的なプロセスを用いてＣＮＴが成長すると非晶質炭素になる。非晶質炭素は、表面積を減少させるＣＮＴの細孔のアクセス性を低下させ、それによってＣＮＴの性能に影響を及ぼす。
【発明の概要】
【０００７】
[007]したがって、コストを低減し、抵抗を低くし、かつ性能を向上させるエネルギー蓄積装置を製造する必要性が存在する。本発明の実施形態は、製造が安価でありかつ高性能の（例えば低抵抗の）エネルギー蓄積装置（例えばキャパシタ）を提供する。本発明の実施形態は、金属触媒を含むまたは金属触媒でコーティングされた金属基板上にカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）を直接成長させることを含む。ＣＮＴは、触媒層を堆積させずに金属基板上に直接成長させられる。ＣＮＴから非晶質炭素が除去され、それによってエネルギー蓄積装置の性能を向上させる。
【０００８】
[008]一実施形態では、本発明は、エネルギー蓄積装置の一部を形成する方法として実施される。この方法は、金属基板にアクセスすること、および金属基板上に複数のカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）を直接形成することを含む。金属基板は、金属触媒を含むことができ、または触媒でコーティングすることもできる。複数のＣＮＴは、触媒層を用いずに金属基板上に直接成長させることができる。複数のＣＮＴは化学気相成長（ＣＶＤ）によって形成することができる。一実施形態では、複数のＣＮＴは実質的に垂直に整列される。この方法は、複数のＣＮＴから非晶質炭素を除去すること、および複数のＣＮＴを電解セパレータに結合することをさらに含む。一実施形態では、非晶質炭素は水を伴うプロセスを経て除去される。
【０００９】
[009]別の実施形態では、本発明はキャパシタを形成する方法として実施される。この方法は、第１の金属基板上に第１の複数のカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）を形成すること、および第１の複数のカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）から非晶質炭素を除去することを含む。第１の複数のＣＮＴは、触媒層を追加せずに第１の金属基板上に直接成長させることができる。第１の複数のＣＮＴは実質的に垂直に整列することができる。この方法は、第２の金属基板上に第２の複数のカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）を形成すること、および第２の複数のＣＮＴから非晶質炭素を除去することをさらに含む。一実施形態では、第１の金属基板および第２の金属基板は金属触媒を含む。別の実施形態では、第１の金属基板および第２の金属基板は金属触媒でコーティングされる。次いで、第１の複数のＣＮＴおよび第２の複数のＣＮＴは膜（例えば電解セパレータ）に結合されることができる。
【００１０】
[010]別の実施形態では、本発明はエネルギー蓄積装置である。この装置は、第１の金属基板、第２の金属基板、および電解セパレータを含む。一実施形態では、第１の金属基板は金属触媒を含む。別の実施形態では、第１の金属基板は金属触媒でコーティングされる。この装置は、第１の金属基板、第２の金属基板、および電解セパレータに結合された複数のカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）をさらに含む。複数のＣＮＴは実質的に垂直に整列することができる。複数のＣＮＴの第１の部分が第１の金属基板上に直接成長させられ、複数のＣＮＴの第２の部分が第２の金属基板上に直接成長させられる。一実施形態では、複数のＣＮＴは、触媒層を用いずに第１の金属基板上に直接成長させられる。複数のＣＮＴから非晶質炭素が除去されている。非晶質炭素は水を伴うプロセスを経て除去することができる。
【００１１】
[011]本発明の実施形態は、添付図面の図に限定するためではなく一例として示されており、添付図面の図において同様の参照番号は同様の要素を参照する。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１Ａ】本発明の一実施形態による、エネルギー蓄積装置の一部の例示的な生産段階の図である。
【図１Ｂ】本発明の一実施形態による、エネルギー蓄積装置の一部の例示的な生産段階の図である。
【図２】本発明の一実施形態による、エネルギー蓄積装置の一部の例示的な生産段階の図である。
【図３】本発明の一実施形態による、エネルギー蓄積装置の一部の例示的な生産段階の図である。
【図４】本発明の一実施形態による、エネルギー蓄積装置の例示的な生産段階の図である。
【図５】本発明の一実施形態による、エネルギー蓄積装置の例示的な生産段階の図である。
【図６】本発明の一実施形態による、エネルギー蓄積装置の例示的な生産段階の図である。
【図７】本発明の実施形態による、エネルギー蓄積装置を製造するためのプロセスの例示的なフローチャートである。
【図８】本発明の一実施形態による、例示的なエネルギー蓄積装置のブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
[016]次に、本発明による様々な実施形態について詳細に説明する。実施形態の例は添付図面に例示されている。本発明について様々な実施形態に関連して説明するが、これらの様々な実施形態は本発明を限定するものではないことが理解されたい。それどころか、本発明は、添付の特許請求の範囲に従って解釈される本発明の範囲内に含まれうる代替物、変更物、および均等物を網羅するよう意図されている。さらに、本発明による様々な実施形態の以下の詳細な説明では、本発明の完全な理解を提供するために多くの特定の詳細が記載されている。しかしながら、本発明はこれらの特定の詳細を用いずに実施されうることが当業者には明らかであろう。他の例では、周知の方法、手順、構成要素、および回路は、本発明の態様を不必要に不明瞭にしないように、詳細には記述されていない。
【００１４】
例示的なエネルギー蓄積装置およびエネルギー蓄積装置を製造する方法
[017]図１〜図３に、本発明の一実施形態による、エネルギー蓄積装置の一部の例示的な生産段階の図を示す。図１Ａを参照すると、金属基板１０２ａが選定される。金属基板１０２ａは金属合金とすることができ、金属合金は、Ｆｅ、ＮｉもしくはＣｏ、または任意の他の金属、あるいはカーボンナノチューブの成長を支える能力をもつ金属の組合せなどの金属触媒１０８ａを含んでいる様々な合金とすることができる。一例として、ＦｅＣｒＡｌ合金、カンタル（例えば、主として鉄、クロム（２０〜３０％）、およびアルミニウム（４〜７．５％））、ニュージャージー州モリスタウンのＤｒｉｖｅｒ−Ｈａｒｒｉｓ Ｃｏｍｐａｎｙから入手可能なニクロム（登録商標）（例えば、ニッケル８０質量パーセントおよびクロム２０質量パーセント）、またはステンレス鋼がある。
【００１５】
[018]図１Ｂを参照すると、金属基板１０２ｂが選定される。金属基板１０２ｂは、金属（例えば、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ａｌ）または金属箔（例えば、Ａｌおよび／またはＣｒを含む）とすることができる。一実施形態では、金属基板１０２ｂは、触媒１０８ｂを用いて（例えば、連続プロセスを経て）コーティングまたは堆積することができる。
【００１６】
[019]図２を参照すると、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）１０４が金属基板１０２上に直接形成または成長される。ＣＮＴ１０４は、構造が高度に多孔質であり、メソ細孔のかなりの部分と大きい使用可能な表面積とで特徴付けられる。ＣＮＴ１０４は化学的に安定しており不活性である。ＣＮＴ１０４は電気的に導電性である。図２の金属基板１０２は、図示されていない触媒（例えば、触媒１０８ａまたは触媒１０８ｂ）を含むことが留意されたい。
【００１７】
[020]一実施形態では、ＣＮＴ１０４は、熱化学気相成長（ＣＶＤ）プロセスで成長させられる。例えば、ＣＶＤプロセスは、６００℃を超える温度でかつ酸素濃度の低い環境の中で炭化水素（例えば、エチレン、任意のＣＨｘ基の炭化水素、または他の炭素源）を用いて実行することができる。ＣＮＴ１０４は、金属触媒堆積を用いずに金属基板１０２の表面上に直接成長させられる。一実施形態では、ＣＮＴ１０４は、金属基板上に直接成長させられた多層塔状構造体（ｍｕｌｔｉ−ｗａｌｌｅｄ ｔｏｗｅｒ−ｌｉｋｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ）である。別の実施形態では、ＣＮＴ１０４は、金属基板上に直接成長させられた単層塔状構造体である。別の実施形態では、ＣＮＴ１０４は、金属基板上に直接成長させられた単層塔状構造体と多層塔状構造体の両方を組み合わせたものである。
【００１８】
[021]触媒層を用いずにＣＮＴ１０４を直接成長させることにより、高い界面抵抗の問題および基板上に残存する触媒層の問題が取り除かれる。したがって、本発明の諸実施形態は、界面抵抗に影響を及ぼす触媒不純物を有していない。したがって、実施形態はＣＮＴと金属基板との間の界面に最小電気抵抗を有し、それによってエネルギー蓄積装置の性能を向上させる。金属基板上にＣＮＴを直接成長させることにより、不活性材料の不必要な重量を低減する結合剤を使用する必要もなくなる。
【００１９】
[022]一実施形態では、ＣＮＴ１０４は垂直整列構成である。ＣＮＴ１０４は、水平のランダムで無秩序な配列、他の材料を有するＣＮＴ、または他の整列などを含む様々な構成とすることができる。例えば、ＣＮＴ１０４は、垂直な（例えば、金属表面に対して垂直な）塔状構造体とすることができる。別の実施形態では、ＣＮＴは、垂直方向の構造的整列の度合いの低いランダムネットワークと似ている。
【００２０】
[023]一実施形態では、ＣＮＴ１０４に親水性特徴を与えて電解質によるぬれをより良くするために、ＣＮＴ塔のプラズマベースの処理（例えば、Ｏ２プラズマによる）が実行される。これにより、電解質からのより多くのイオンがＣＮＴ電極内の細孔にアクセスすることが可能になり、それによってヘルムホルツ層における電荷密度を増大させる。
【００２１】
[024]ＣＮＴ１０４が成長する間、ＣＮＴ１０４は非晶質炭素１０６を発生させる可能性がある。非晶質炭素１０６はＣＮＴ１０４相互間の空間をふさぎ、したがってＣＮＴ１０４が多孔質でなくなり、それによってＣＮＴ１０４の（例えば電極としての）性能に影響を及ぼす。一実施形態では、成長温度を制御して非晶質炭素不純物を実質的に減らす。
【００２２】
[025]図３を参照すると、洗浄プロセスがＣＮＴ１０４に適用され、非晶質炭素１０６はＣＮＴ１０４から（例えば、部分的にまたは完全に）除去され、それによってエネルギー蓄積装置１１０の一部が生成される。一実施形態では、ＣＮＴ１０４から非晶質炭素１０６を除去するために高温の水蒸気が使用される。使用される洗浄プロセスは、参照により本明細書に組み込まれている、Ｄｅｌｚｅｉｔらの米国特許第６，９７２，０５６号明細書に記述されているプロセスとすることができる。
【００２３】
[026]一実施形態では、非晶質炭素を含む不純物を除去するためのカーボンナノチューブコレクタ電極を浄化するために、連続水処理プロセスが使用される。連続水処理プロセスは、湿った不活性キャリアガス流（例えば、ＡｒまたはＮ２）を含むことができ、追加の乾燥したキャリアガス流を含むこともできる。湿った不活性キャリアガス流と追加の乾燥したキャリアガス流とを混合して水濃度を制御することができる。水は、バブラ（ｂｕｂｂｌｅｒ）、膜移動システム、または他の水注入方法を用いて加えることができる。水蒸気は、５０〜１１００℃の高温でプロセス室に導入することができる。プロセス室の温度は５０〜１１００℃である。水処理は電極の気孔率を高め、それによって細孔のアクセス性を向上させ、電極表面積が大きい応用例でのＣＮＴの使用を可能にする。表面積の増大は、本発明の実施形態によるエネルギー蓄積装置の性能を向上させたり静電容量を高めたりする。例えば、水処理により、水処理されたＣＮＴ電極の場合に比静電容量値が約３倍増加することができる。
【００２４】
[027]図４〜図６に、本発明の一実施形態による、エネルギー蓄積装置の例示的な生産段階の図を示す。図４を参照すると、エネルギー蓄積装置の２つの部分２１０ａ、２１０ｂが（例えば本明細書に記述されているように）形成され、膜２０６が選定される。エネルギー蓄積装置の部分２１０ａ、２１０ｂはそれぞれ、金属基板２０２ａ、２０２ｂおよびＣＮＴ２０４ａ、２０４ｂを含む。金属基板２０２ａ、２０２ｂは、触媒でコーティングされてもよく、または金属触媒を含む金属合金でもよい。ＣＮＴ２０４ａ、２０４ｂは金属基板２０２ａ、２０２ｂ上に直接成長させられ、非晶質炭素が除去される。膜２０６は、ポリプロピレン、Ｎａｆｉｏｎ、ノースカロライナ州シャーロットのＣｅｌｇａｒｄ ＬＬＣ（セルガード社）から入手可能なＣｅｌｇａｒｄまたはＣｅｌｇａｒｄ ３４００などの様々な材料を含む多孔質セパレータとすることができる。
【００２５】
[028]図５を参照すると、ＣＮＴ２０４ａ、２０４ｂは膜２０６に結合される。一実施形態では、ＣＮＴ２０４ａ、２０４ｂおよび金属基板２０２ａ、２０２ｂはクランプアセンブリ（例えば、クランプアセンブリ４０８）によって膜２０６に結合される。
【００２６】
[029]図６を参照すると、ＣＮＴ２０４ａ、２０４ｂは、液体もしくはゲルとすることができる電解質２０８の中に入れられてもよく、または特定のゲル、空気、もしくは真空で取り囲まれていてもよい。電解質２０８は、水性電解質（例えば、硫酸ナトリウム（Ｎａ２ＳＯ４）、水酸化カリウム（ＫＯＨ）、塩化カリウム（ＫＣｌ）、硫酸（Ｈ２ＳＯ４）、塩化マグネシウム（ＭｇＣｌ２）など）、非水電解質溶媒（例えば、アセトニトリル、プロピレンカーボネート、テトラヒドロフラン、ガンマ−ブチロラクトン、ジメトキシエタン）、無溶媒イオン液体（例えば、１−エチル−３−メチルイミダゾリウムビス（ペンタフルオロエチルスルホニル）イミド（ＥＭＩＭＢｅＴｉ）など）を含む様々な電解質とすることができる。
【００２７】
[030]電解質２０８は、テトラアルキルアンモニウム塩（例えば、テトラフルオロホウ酸テトラエチルアンモニウム（（Ｃ２Ｈ５）４ＮＢＦ４）、テトラフルオロホウ酸メチルトリエチルアンモニウム（（Ｃ２Ｈ５）３ＣＨ３ＮＢＦ４）、テトラフルオロホウ酸テトラブチルアンモニウム（（Ｃ４Ｈ９）４ＮＢＦ４）、ヘキサフルオロリン酸テトラエチルアンモニウム（Ｃ２Ｈ５）ＮＰＦ６））、テトラアルキルホスホニウム塩（例えば、テトラフルオロホウ酸テトラエチルホスホニウム（（Ｃ２Ｈ５）４ＰＢＦ４）、テトラフルオロホウ酸テトラプロピルホスホニウム（（Ｃ３Ｈ７）４ＰＢＦ４）、テトラフルオロホウ酸テトラブチルホスホニウム（（Ｃ４Ｈ９）４ＰＢＦ４））、リチウム塩（例えば、テトラフルオロホウ酸リチウム（ＬｉＢＦ４）、ヘキサフルオロリン酸リチウム（ＬｉＰＦ６）、トリフルオロメチルスルホン酸リチウム（ＬｉＣＦ３ＳＯ３））を含む溶媒に使用される様々な電解質塩を含むことができる。
【００２８】
[031]図７を参照すると、例示的なフローチャート３００は、本発明の様々な実施形態で用いられるコンピュータ制御プロセス例を示している。特定のブロックがフローチャート３００の中に開示されているが、かかるブロックは例示的なものである。すなわち、実施形態は、他の様々なブロックまたはフローチャート３００に記載されているブロックの変形を実行するのによく適している。フローチャート３００内のブロックは提示されているのとは異なる順序で実行されうること、および、フローチャート３００内のブロックのすべてが実行されなくてもよいことが理解されよう。
【００２９】
[032]図７は、本発明の実施形態による、エネルギー蓄積装置を製造するためのプロセスの例示的なフローチャート３００を示す。プロセス３００は、電気化学二重層キャパシタ（ＥＤＬＣ）を製造するために実施可能となりうる。
【００３０】
[033]ブロック３０２で、第１の複数のカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）（例えば、ＣＮＴ２０４ａ）が第１の金属基板（例えば金属基板２０２ａ）上に形成される。本明細書に記述されているように、ＣＮＴは金属基板上に直接形成することができる。
【００３１】
[034]ブロック３０４で、第１の複数のＣＮＴから非晶質炭素が除去される。本明細書に記述されているように、非晶質炭素は水処理プロセスを経て除去しておくことができる。ブロック３０６で、第１のワイヤが第１の金属基板に結合される。
【００３２】
[035]ブロック３０８で、第２の複数のカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）（例えば、ＣＮＴ２０４ｂ）が第２の金属基板（例えば金属基板２０２ｂ）上に形成される。本明細書に記述されているように、ＣＮＴは金属基板上に直接形成することができる。
【００３３】
[036]ブロック３１０で、第２の複数のＣＮＴから非晶質炭素が除去される。本明細書に記述されているように、非晶質炭素は水処理プロセスを経て除去しておくことができる。ブロック３１２で、第２のワイヤが第２の金属基板に結合される。
【００３４】
[037]ブロック３１４で、第１の複数のＣＮＴおよび第２の複数のＣＮＴは膜（例えば電解セパレータ）に結合される。ブロック３１６で、電解質が追加される。電解質は、本明細書に記述されているように、様々な電解質とすることができる。
【００３５】
[038]図８に、本発明の一実施形態による、例示的なエネルギー蓄積装置のブロック図を示す。一実施形態では、装置アセンブリ４００は、電気化学二重層キャパシタ（ＥＤＬＣ）とすることができる。装置アセンブリ４００は、０．０５Ｖ以上の動作電圧を有することができる。本発明の実施形態は、急速充電時間、大電力送出（ｈｉｇｈ ｐｏｗｅｒ ｄｅｌｉｖｅｒｙ）、および高エネルギー密度を支える。
【００３６】
[039]装置アセンブリ４００は、電解膜４０６で隔てられた２つのＣＮＴ電極４０４ａ、４０４ｂを備える。一実施形態では、ＣＮＴ電極４０４ａ、４０４ｂは、触媒でコーティングされた金属基板または金属箔上に１×１ｃｍ２より大きい面積とすることができ、ロール・ツー・ロール方式で製造することができる。ＣＮＴ電極４０４ａ、４０４ｂは、電極材料の任意の連続的な加工で製造することができる。ＣＮＴ電極４０４ａ、４０４ｂは、水処理の有無にかかわらずかつ追加の触媒の有無にかかわらず基板から形成することができる。
【００３７】
[040]クランプアセンブリ４０８を貼る前に電気リード線がアセンブリに取り付けられる。電気リード線４１０（例えば、細い金属線）は、電気接触を可能にするために、コレクタ４０２ａ、４０２ｂ（例えば、金属基板２０２ａ、２０２ｂ）の背面と接触する。次いで、装置アセンブリ４００は、本明細書に記述されているように、電解質（例えば、溶媒和イオンを含む電解質溶液）（図示せず）の容器の中に入れられる。電気リード線４１０は、キャパシタの作動を促進するために溶液から外へ与えられる。
【００３８】
[041]クランプアセンブリ４０８は電極４０４ａ、４０４ｂを極めて接近して保持し、電解膜４０６は、適切な電極間隔を維持するのと同時に、装置アセンブリ４００の体積を最小限に抑える。一実施形態では、クランプアセンブリ４０８は高密度アセンブリポリプロピレン（ＨＤＰＥ）である。
【００３９】
[042]一実施形態では、装置アセンブリ４００は、２つの垂直に整列された多層ＣＮＴ塔状電極４０４ａ、４０４ｂと電解膜４０６（例えば、ｃｅｌｇａｒｄまたはポリプロピレン）とを有する平行板キャパシタであり、従来の水性電解質（例えば、４０％硫酸またはＫＯＨ）を使用している。
【００４０】
[043]装置アセンブリ４００は、電池または他のエネルギー蓄積装置の代わり、家庭用電化製品（例えば、携帯電話、カメラ、コンピュータ、ＰＤＡ（携帯情報端末）、スマートフォン、ポケベル、および充電装置）、自動車（例えば、電気／ハイブリッド車両用、制動などの自動車運転時に消耗されるエネルギーの計算用、ならびにモータ、照明、器具類などの駆動用）、スマートグリッド（例えば、家庭、商業ビルおよび工場への電力供給用）、常温始動の支援、触媒コンバータの余熱、配達用トラック、ゴルフカート、ゴーカート、コンピュータ用の無停電電源装置（ＵＰＳ）、予備電源システム、コピー機（例えば、ウォーム・アップ・モードを迅速化すること、および待機モードを最小限に抑えること）、カー・ステレオ・アンプなどを含む様々な用途に実施可能となりうる。
【００４１】
[044]したがって、本発明の実施形態は、製造を安価にするとともに性能を高めた（例えば低抵抗の）エネルギー蓄積装置（例えばキャパシタ）を提供する。本発明の実施形態は、金属触媒を含む金属基板または金属触媒でコーティングされた金属基板上にカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）を直接成長させることを含む。ＣＮＴは、触媒層を堆積させずに金属基板上に直接成長させられる。ＣＮＴから非晶質炭素が除去され、それによってエネルギー蓄積装置の性能を向上させる。
【００４２】
[045]本発明の特定の実施形態に関する先の記述は、例示および説明のために提示されている。本発明の特定の実施形態は、網羅的なものではなく、すなわち本発明を開示されている正確な形に限定するものではなく、多くの修正および変形が上記の教示に照らして可能である。実施形態は、本発明および本発明の実際の適用の原理を最もよく説明するために選択され記述されており、それにより、当業者は、本発明と予期される特定の用途に適している様々な修正点を有する様々な実施形態とを最もよく利用することが可能になる。本発明の範囲は、本明細書に添付されている特許請求の範囲およびその同等物によって定義されることが意図されている。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
エネルギー蓄積装置の一部を形成する方法であって、
金属基板にアクセスするステップと、
金属基板上に複数のカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）を直接形成するステップと、
前記複数のＣＮＴから非晶質炭素を除去するステップと、
前記複数のＣＮＴを電解セパレータに結合するステップと、
を備える方法。
【請求項２】
前記金属基板が金属触媒を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記金属基板が金属触媒でコーティングされる、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記複数のＣＮＴが、触媒層を追加することなく前記金属基板上で直接成長される、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記非晶質炭素が水を伴うプロセスを経て除去される、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記複数のＣＮＴが実質的に垂直に整列される、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記複数のＣＮＴが化学気相成長（ＣＶＤ）によって形成される、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
キャパシタを形成する方法であって、
第１の金属基板上に第１の複数のカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）を形成するステップと、
前記第１の複数のカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）から非晶質炭素を除去するステップと、
第２の金属基板上に第２の複数のカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）を形成するステップと、
前記第２の複数のＣＮＴから非晶質炭素を除去するステップと、
前記第１の複数のＣＮＴおよび前記第２の複数のＣＮＴを膜に結合するステップと、
を備える方法。
【請求項９】
前記第１の金属基板および前記第２の金属基板が金属触媒を含む、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記第１の金属基板および前記第２の金属基板が金属触媒でコーティングされる、請求項８に記載の方法。
【請求項１１】
前記第１の複数のＣＮＴが、触媒層を追加することなく前記第１の金属基板上に直接成長される、請求項８に記載の方法。
【請求項１２】
前記第１の複数のＣＮＴが実質的に垂直に整列される、請求項８に記載の方法。
【請求項１３】
前記膜が電解セパレータである、請求項８に記載の方法。
【請求項１４】
エネルギー蓄積装置であって、
第１の金属基板および第２の金属基板と、
電解セパレータと、
前記第１の金属基板、前記第２の金属基板、および前記電解セパレータに結合された複数のカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）と、
を備え、
前記複数のＣＮＴの第１の部分が前記第１の金属基板上に直接成長させられ、前記複数のＣＮＴの第２の部分が前記第２の金属基板上に直接成長させられ、前記複数のＣＮＴから非晶質炭素が除去されている、エネルギー蓄積装置。
【請求項１５】
前記第１の金属基板が金属触媒を含む、請求項１４に記載のエネルギー蓄積装置。
【請求項１６】
前記複数のＣＮＴの前記第１の部分が第１の電極を形成し、前記複数のＣＮＴの前記第２の部分が第２の電極を形成し、前記第１の電極および前記第２の電極が１×１ｃｍ２より大きい、請求項１４に記載のエネルギー蓄積装置。
【請求項１７】
前記複数のＣＮＴが、触媒層を追加することなく前記金属基板上に直接成長される、請求項１４に記載のエネルギー蓄積装置。
【請求項１８】
請求項18は原文になし。
【請求項１９】
前記エネルギー蓄積装置がキャパシタであり、前記キャパシタが０．０５Ｖを超える電圧で動作可能である、請求項１４に記載のエネルギー蓄積装置。
【請求項２０】
前記複数のＣＮＴが連続プロセスで形成される、請求項１４に記載のエネルギー蓄積装置。
【請求項１】
エネルギー蓄積装置の一部を形成する方法であって、
金属基板にアクセスするステップと、
金属基板上に複数のカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）を直接形成するステップと、
前記複数のＣＮＴから非晶質炭素を除去するステップと、
前記複数のＣＮＴを電解セパレータに結合するステップと、
を備える方法。
【請求項２】
前記金属基板が金属触媒を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記金属基板が金属触媒でコーティングされる、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記複数のＣＮＴが、触媒層を追加することなく前記金属基板上で直接成長される、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記非晶質炭素が水を伴うプロセスを経て除去される、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記複数のＣＮＴが実質的に垂直に整列される、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記複数のＣＮＴが化学気相成長（ＣＶＤ）によって形成される、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
キャパシタを形成する方法であって、
第１の金属基板上に第１の複数のカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）を形成するステップと、
前記第１の複数のカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）から非晶質炭素を除去するステップと、
第２の金属基板上に第２の複数のカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）を形成するステップと、
前記第２の複数のＣＮＴから非晶質炭素を除去するステップと、
前記第１の複数のＣＮＴおよび前記第２の複数のＣＮＴを膜に結合するステップと、
を備える方法。
【請求項９】
前記第１の金属基板および前記第２の金属基板が金属触媒を含む、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記第１の金属基板および前記第２の金属基板が金属触媒でコーティングされる、請求項８に記載の方法。
【請求項１１】
前記第１の複数のＣＮＴが、触媒層を追加することなく前記第１の金属基板上に直接成長される、請求項８に記載の方法。
【請求項１２】
前記第１の複数のＣＮＴが実質的に垂直に整列される、請求項８に記載の方法。
【請求項１３】
前記膜が電解セパレータである、請求項８に記載の方法。
【請求項１４】
エネルギー蓄積装置であって、
第１の金属基板および第２の金属基板と、
電解セパレータと、
前記第１の金属基板、前記第２の金属基板、および前記電解セパレータに結合された複数のカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）と、
を備え、
前記複数のＣＮＴの第１の部分が前記第１の金属基板上に直接成長させられ、前記複数のＣＮＴの第２の部分が前記第２の金属基板上に直接成長させられ、前記複数のＣＮＴから非晶質炭素が除去されている、エネルギー蓄積装置。
【請求項１５】
前記第１の金属基板が金属触媒を含む、請求項１４に記載のエネルギー蓄積装置。
【請求項１６】
前記複数のＣＮＴの前記第１の部分が第１の電極を形成し、前記複数のＣＮＴの前記第２の部分が第２の電極を形成し、前記第１の電極および前記第２の電極が１×１ｃｍ２より大きい、請求項１４に記載のエネルギー蓄積装置。
【請求項１７】
前記複数のＣＮＴが、触媒層を追加することなく前記金属基板上に直接成長される、請求項１４に記載のエネルギー蓄積装置。
【請求項１８】
請求項18は原文になし。
【請求項１９】
前記エネルギー蓄積装置がキャパシタであり、前記キャパシタが０．０５Ｖを超える電圧で動作可能である、請求項１４に記載のエネルギー蓄積装置。
【請求項２０】
前記複数のＣＮＴが連続プロセスで形成される、請求項１４に記載のエネルギー蓄積装置。
【図１Ａ】
【図１Ｂ】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図１Ｂ】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公表番号】特表２０１３−５１４９６７（Ｐ２０１３−５１４９６７Ａ）
【公表日】平成２５年５月２日（２０１３．５．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−５４６１２７（Ｐ２０１２−５４６１２７）
【出願日】平成２２年１２月２０日（２０１０．１２．２０）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２０１０／０６１３７５
【国際公開番号】ＷＯ２０１１／０８４７５６
【国際公開日】平成２３年７月１４日（２０１１．７．１４）
【出願人】（５１２３１９９８８）ウルトラ インコーポレイテッド (1)
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２５年５月２日（２０１３．５．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１２月２０日（２０１０．１２．２０）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２０１０／０６１３７５
【国際公開番号】ＷＯ２０１１／０８４７５６
【国際公開日】平成２３年７月１４日（２０１１．７．１４）
【出願人】（５１２３１９９８８）ウルトラ インコーポレイテッド (1)
【Ｆターム（参考）】
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