三次元電池用セパレータ

著者らは特許

H01M2/14 - 隔離板;薄膜;隔膜;間隔保持部材
H01M2/16 - 材質に特徴のあるもの
H01M4/02 - 活物質からなるまたは活物質を含有した電極
H01M4/13 - 非水電解質二次電池用の電極,例.リチウム電池用のもの;その製造方法
H01M4/134 - 金属,Siまたは合金を主成分とする電極
H01M4/38 - 元素または合金
H01M10/04 - 構造または製造一般(H01M10/058,H01M10/12,H01M10/28,H01M10/38が優先)
H01M10/052 - リチウム二次電池
H01M10/0585 - 板状電極を有する二次電池

の所有者の特許 JP2016517618:

エノビクス・コーポレイションEnovix Corporation

 

エネルギー蓄積デバイス内で用いるための電極構造体であって、当該電極構造体は、電極群と、対電極群と、電極群の要素を対電極群の要素から隔離する電気絶縁性材料層とを含み、電極群の各要素は、電気絶縁性セパレータ層で包囲される長手軸AEを有する。

 

 

本発明は、一般にエネルギー蓄積デバイスにおいて用いるための構造体、このような構造体を組み入れるエネルギー蓄積デバイス、及びこのような構造体及びエネルギーデバイスを製造するための方法に関する。
ロッキングチェア型二次電池又は挿入型二次電池は、リチウムイオン、ナトリウムイオン、カリウムイオン、カルシウムイオン又はマグネシウムイオン等のキャリアイオンが正極と負極との間で電解質を介して移動するタイプのエネルギー蓄積デバイスである。二次電池は、単一の電池セルを備える場合もあれば、電池を形成するために電気的に接続されているさらに2つの電池セルを備える場合もあり、各電池セルは、正極と、負極と、マイクロポーラスセパレータと、電解質とを備える。
ロッキングチェア型の電池セルにおける正極及び負極の双方は、キャリアイオンが挿入されかつ引き出される材料を備える。セルの放電に伴って、キャリアイオンは、負極から引き出されて正極へ挿入される。セルが充電される際には、逆のプロセスが発生し、キャリアイオンが正極から引き出されて負極へ挿入される。
図1は、非水リチウムイオン電池等の既存のエネルギー蓄積デバイスの電気化学積層体を示す断面図である。電気化学積層体1は、正極集電体12を含み、その上に、正極活性材料層13が組み立てられる。この層は、マイクロポーラスセパレータ14で被覆され、この上に、負極集電体15と負極活性材料層16とのアッセンブリが置かれる。この積層体は、負極集電体15の上が別のセパレータ層(図示せず)で被覆され、丸められて容器に詰められ、かつ非水電解質を充填されて二次電池に組み立てられることがある。
正極及び負極の集電体はそれぞれの活性電気化学電極からの電流を溜め込み、かつ電流を電池外の環境へ伝達できるようにする。負極集電体の一部は、負極活性材料と物理的に接触し、一方で、正極集電体の一部は、正極活性材料と物理的に接触している。集電体は、電気化学反応に関与せず、よって、アノード及びカソードのそれぞれの電気化学ポテンシャルの範囲内で電気化学的に安定している材料に限定される。
集電体から電池外環境へ電流を持ち出すために、典型的には、負極及び正極の集電体はそれぞれ、典型的には集合的に接点と称される電極のバス、タブ、タグ、パッケージフィードスルー又はハウジングフィードスルーへ接続される。接点の一端は、1つ又は複数の集電体へ接続され、一方で、他端は、電池パッケージングを通って電池外環境へ電気的に接続される。負極接点は、負極集電体へ、かつ正極接点は、正極集電体へ、溶接、圧着又は超音波接着によって接続され、又は、導電グルーによって所定位置に接着される。
従来の巻回電池(例えば、特許文献1及び2参照)は、典型的には、1枚の箔上へ被覆されかつセルの組立てに先行して圧縮される電極材料(活性材料、結合剤、導電補助剤)を有する。上に電極が被覆される箔は、典型的には、集電経路の一部である。18650個のセル又は角型セル等のジェリーロール型単電池において、集電体箔は、活性材料から集電体箔及びタブを介して電池外部へ電流を伝送する電極バス、タブ、タグ、他へ超音波溶接される。設計によっては、タブは、単一のジェリーロールに沿った複数の場所に、又は集電体箔の一端又は両端におけるある場所に沿って存在する場合がある。従来の積層型電池パウチセルは、活性材料による複数のプレート(又は箔)を有し、各箔の上部における部位は、続いて集められてまとめてタブへ溶接される。そして、タブは、電流を電池パウチの外部へと伝送する(例えば、特許文献3参照)。
再度図1を参照すると、充電プロセスの間、リチウムは、正極カソード層13を出て、セパレータ14内をリチウムイオンとして進み、負極活性材料層16へと至る。使用される負極活性材料に依存して、リチウムイオンは介在する(例えば、負極活性材料のマトリクス内に合金を形成することなく位置する)か、合金を形成する。放電プロセスの間、リチウムは、負極活性材料層16を出て、セパレータ14を通って正極活性材料層13に進入する。電流導体は、電池接点(図示せず)からの電子を電極へ、又はこの逆に導く。
電池セパレータは、組み立て及び電池動作中にアノードとカソードとを隔離するために使用される。既存のリチウムイオン電池のセパレータは、典型的には、イオン透過性の高い、機械的安定性に優れかつ電池化学に対する化学的適合性に優れた薄い多孔性絶縁材を用いる。構造的には、セパレータは、高いイオン伝導性を達成するために液体電解質を吸収するに足る多孔性を有するべきである。これは、主として、高分子膜又は不織布マットの何れかより成るマイクロポーラス層である。
電池、燃料電池及び電気化学キャパシタ等の既存のエネルギー蓄積デバイスは、典型的には、図1に示されているような二次元層状構造(例えば、平坦な、又は渦巻形ラミネート)を有し、各ラミネートの表面積は、その幾何学的占有面積に略等しい(多孔性及び表面粗さは考慮しない)。
文献には、電池容量及び活性材料の利用度を高める方法として、三次元電池が提案されている。三次元構造は、二次元層状電池構造よりも大きい表面積及びエネルギーを提供するために使用され得ることが提案されている。三次元エネルギー蓄積デバイスを製造することには、少ない幾何学的面積からより大きなエネルギーを入手し得るという利点がある。例えば、特許文献4及び非特許文献1を参照されたい。
米国特許第6,090,505号明細書 米国特許第6,235,427号明細書 米国特許公開第2005/0008939号明細書 国際公開第2008/089110号パンフレット
Long et al., "Three−Dimensional Battery Architectures,"Chemical Reviews,(2004),104,4463−4492
P.Arora,J.Zhang,"Battery Separators」Chemical Reviews",2004,104,4419−4462
A.H.Whitehead,M.Schreiber,"Current collectors for positive electrodes of lithim−based batteries」Journal of the Electrochemical Society,"152(11)A2105−A2113(2005)

今日までの進歩にも関わらず、なおも、より大きなエネルギー密度を有する二次電池及び他のエネルギー蓄積デバイスが必要とされている。
本発明の様々な態様は、電池、燃料電池及び電気化学キャパシタ等のエネルギー蓄積デバイスにおいて用いるための三次元構造体を提供することを含む。効果的には、かつ本発明の一態様によれば、電極活性材料の、エネルギー蓄積デバイスの他の構成要素に対する比率、すなわちエネルギー蓄積デバイスの非活性材料成分に対する比率は、増加されてもよい。その結果、本発明による三次元構造体を備えるエネルギー蓄積デバイスは、より大きなエネルギー密度を有し得る。また、このようなエネルギー蓄積デバイスは、電子の輸送距離又は正極及び負極間のイオン移動を最小限に抑える、又は低減すること等により、蓄積される特定のエネルギー量に関して、二次元エネルギー蓄積デバイスより高いエネルギー回収率を提供する場合もある。これらのデバイスは小型化に際してより適切であり得、また、あるデバイスに関して利用可能な幾何学的面積が限定されている、かつ/又は、エネルギー密度要件が層状デバイスで達成され得るものより高い用途に、より適切であり得る。
よって、簡潔に言えば、本発明の一態様は、エネルギー蓄積デバイスにおいて用いるための電極構造体である。本電極構造体は、電極活性材料層を有する電極群と、対電極活性材料層を有する対電極群とを備える。電極群は、第1の方向に沿って、対電極群と交互に配列される。電極群を構成する各要素は、底部と、上部と、長さLと、幅Wと、高さHと、当該要素の底部から上部へ第1の方向に対して交差する方向に延在する長手軸Aとを有し、電極群の各要素の長さLは、その長手軸Aの方向に測定され、電極群の各要素の幅Wは、第1の方向に測定され、かつ電極群の各要素の高さHは、当該要素の長手軸A及び第1の方向に対して垂直方向に測定される。電極群の各要素のLとW及びHとの比はそれぞれ少なくとも5:1であり、電極群の各要素のHとWとの比はそれぞれ0.4:1から1000:1までの間である。電極群の各要素の長手軸Aは、電気絶縁性セパレータ層で包囲され、この電気絶縁性セパレータ層は、電極群の要素と対電極群の要素との間で、粒子状材料と結合剤とを含むマイクロポーラスセパレータ材料層を備え、マイクロポーラスセパレータ材料層は、少なくとも20体積%のボイド率を有する。
本発明のさらなる態様は、電極活性材料層を有する電極群と、対電極活性材料層を有する対電極群とを備える、エネルギー蓄積デバイスにおいて用いるための電極構造体である。電極群は、第1の方向に沿って、対電極群と交互に配列される。電極群を構成する各要素は、底部と、上部と、長さLと、幅Wと、高さHと、当該要素の底部から上部へ第1の方向に対して交差する方向に延在する長手軸Aとを有し、電極群の各要素の長さLは、その長手軸Aの方向に測定され、電極群の各要素の幅Wは、第1の方向に測定され、かつ電極群の各要素の高さHは、当該要素の長手軸A及び第1の方向に対して垂直方向に測定される。電極群の各要素のLとW及びHとの比はそれぞれ少なくとも5:1であり、電極群の各要素のHとWとの比はそれぞれ0.4:1から1000:1までの間である。電極群の各要素の長手軸Aは、電気絶縁性セパレータ層で包囲され、この電気絶縁性セパレータ層は、電極群の要素と対電極群の要素との間で、粒子状材料と結合剤とを含むマイクロポーラスセパレータ材料層を備え、マイクロポーラスセパレータ材料層は、少なくとも20体積%のボイド率を有する。
本発明の別の態様は、少なくとも2つの電極構造体を備える電極積層体である。これらの電極構造体はそれぞれ、電極活性材料層を有する電極群と、対電極活性材料層を有する対電極群とを備える電極構造体からなる。電極群は、第1の方向に沿って、対電極群と交互に配列される。電極群を構成する各要素は、底部と、上部と、長さLと、幅Wと、高さHと、当該要素の底部から上部へ第1の方向に対して交差する方向に延在する長手軸Aとを有し、電極群の各要素の長さLは、その長手軸Aの方向に測定され、電極群の各要素の幅Wは、第1の方向に測定され、かつ電極群の各要素の高さHは、当該要素の長手軸A及び第1の方向に対して垂直方向に測定される。電極群の各要素のLとW及びHとの比はそれぞれ少なくとも5:1であり、電極群の各要素のHとWとの比はそれぞれ0.4:1から1000:1までの間である。電極群の各要素の長手軸Aは、電気絶縁性セパレータ層で包囲され、この電気絶縁性セパレータ層は、電極群の要素と対電極群の要素との間で、粒子状材料と結合剤とを含むマイクロポーラスセパレータ材料層を備え、マイクロポーラスセパレータ材料層は、少なくとも20体積%のボイド率を有する。
本発明の別の態様は、電池筐体と、非水電解質と、電極構造体とを備える二次電池である。本電極構造体は、電極活性材料層を有する電極群と、対電極活性材料層を有する対電極群とを備える。電極群は、第1の方向に沿って、対電極群と交互に配列される。電極群を構成する各要素は、底部と、上部と、長さLと、幅Wと、高さHと、当該要素の底部から上部へ第1の方向に対して交差する方向に延在する長手軸Aとを有し、電極群の各要素の長さLは、その長手軸Aの方向に測定され、電極群の各要素の幅Wは、第1の方向に測定され、かつ電極群の各要素の高さHは、当該要素の長手軸A及び第1の方向に対して垂直方向に測定される。電極群の各要素のLとW及びHとの比はそれぞれ少なくとも5:1であり、電極群の各要素のHとWとの比はそれぞれ0.4:1から1000:1までの間である。電極群の各要素の長手軸Aは、電気絶縁性セパレータ層で包囲され、この電気絶縁性セパレータ層は、電極群の要素と対電極群の要素との間で、粒子状材料と結合剤とを含むマイクロポーラスセパレータ材料層を備え、マイクロポーラスセパレータ材料層は、少なくとも20体積%のボイド率を有する。
以下、他の目的及び特徴の一部を明らかにし、かつ一部を指摘する。
リチウムイオン電池等の先行技術による典型的な二次元エネルギー蓄積デバイスの電気化学積層体のセルを示す断面図である。 内部構造を示すために一部が切り欠かれている、本発明の電極構造体の一実施形態を示す斜視図である。 図2の線3−3を含む平面に沿った電極構造体の部分断面図である。 図2の電極構造体のサブアッセンブリを示す部分斜視図である。 図4の線5に沿った電極構造体のサブアッセンブリの平面図である。 図4の線6に沿った電極構造体のサブアッセンブリの平面図である。 図5の線7−7を含む平面に沿った電極構造体のサブアッセンブリを示す断面図である。 図6の線8−8を含む平面に沿った電極構造体のサブアッセンブリを示す断面図である。 内部構造を示すために一部が切り欠かれている、図2の電極構造体のサブアッセンブリを示す部分斜視図である。 本発明の三次元二次電池の分解図である。 組み立てられた図10の三次元二次電池を示す部分斜視図である。 図2の線3−3を含む平面に沿った電極構造体の代替実施形態の断面図である。 図2の線3−3を含む平面に沿った電極構造体の代替実施形態の断面図である。 図2の線3−3を含む平面に沿った電極構造体の代替実施形態の断面図である。 図2の線3−3を含む平面に沿った電極構造体の代替実施形態の断面図である。 図2の線3−3を含む平面に沿った電極構造体の代替実施形態の断面図である。 図2の線3−3を含む平面に沿った電極構造体の代替実施形態の断面図である。 図2の線3−3を含む平面に沿った電極構造体の代替実施形態の断面図である。 内部構造を示すために一部が切り欠かれている、図2の電極構造体のサブアッセンブリの代替実施形態を示す部分斜視図である。 図2の線3−3を含む平面に沿った電極構造体の代替実施形態の断面図である。 図2の線3−3を含む平面に沿った電極構造体の代替実施形態の断面図である。 図2の線3−3を含む平面に沿った電極構造体の代替実施形態の断面図である。 内部構造を示すために一部が切り欠かれている、図4の線5に沿った電極構造体の代替実施形態のサブアッセンブリを示す部分斜視図である。 内部構造を示すために一部が切り欠かれている、図4の線6に沿った電極構造体の代替実施形態のサブアッセンブリを示す部分斜視図である。 本発明の電極(正極又は負極)の代替実施形態の断面図である。 本発明の電極(正極又は負極)の代替実施形態の断面図である。 本発明の電極(正極又は負極)の代替実施形態の断面図である。 本発明の電極(正極又は負極)の代替実施形態の断面図である。 本発明の電極(正極又は負極)の代替実施形態の断面図である。 本発明の電極積層体の代替実施形態の断面図である。 本発明の電極積層体の代替実施形態の断面図である。
すべての図面を通じて、対応する参照符号は、対応する部品又は構成要素を示す。
本発明の様々な態様の中で注目され得るものは、電池、キャパシタ及び燃料電池等のエネルギー蓄積デバイスに組み込まれる場合に特別な優位点を提供する三次元構造体である。例えば、このような構造体は、正極、負極及び/又はセパレータが本質的に非層状である二次電池に組み込まれてもよい。ある好ましい実施形態例において、このような構造体は、(例えば、リチウムイオン、ナトリウムイオン、カリウムイオン、カルシウムイオン及びマグネシウムイオンから選択される)キャリアイオンが正極と負極との間で移動する二次電池に組み込まれる。
一般に、三次元構造体は、電極群と、対電極群と、電極群の要素を対電極群の要素から電気的に絶縁するためのセパレータ材料とを備える。電極群及び対電極群は、交互に配置され、実質的に、電極群の各要素は、対電極群の2要素間に存在し、かつ実質的に、対電極群の各要素は、電極群の2要素間に存在する。例えば、交互になった一連の電極における最初と最後の電極又は対電極を例外として、ある実施形態では、交互になった一連の電極において、各電極は2つの対電極の間に存在し、かつ各対電極は2つの電極間に存在する。
ある実施形態において、電極群の要素は、電極活性材料層と、電極集電体と、電極活性材料層及び電極集電体を支持する電極基幹部とを備える。同様に、ある実施形態において、対電極群の要素は、対電極活性材料層と、対電極集電体と、対電極活性材料層及び対電極集電体を支持する対電極基幹部とを備える。
電極群の各要素は、底部と、上部と、各要素の底部から上部へ、電極及び対電極の交互に並ぶ順序が進行する方向に対して一般に垂直方向に延在する長手軸(A)とを有する。さらに、電極群の各要素は、長手軸(A)に沿って測定される長さ(L)と、電極及び対電極の交互に並ぶ順序が進行する方向に測定される幅(W)と、長さ(L)及び幅(W)の各測定方向に対して垂直方向に測定される高さ(H)とを有する。また、電極群の各要素は、電極の長手軸に対して直角な平面における電極突起の側面長さの合計に対応する外周(P)も有する。
電極群の要素の長さ(L)は、エネルギー蓄積デバイス及びその意図される用途に依存して変化する。しかしながら、一般に、電極群の要素は、典型的には、約5mmから約500mmまでの範囲内の長さ(L)を有する。例えば、このような一実施形態において、電極群の要素は、約10mmから約250mmまでの範囲内の長さ(L)を有する。さらなる例として、このような一実施形態における電極群の要素は、約25mmから約100mmまでの長さ(L)を有する。
また、電極群の要素の幅(W)も、エネルギー蓄積デバイス及びその意図される用途に依存して変化する。しかしながら、一般に、電極群の各要素は、典型的には、約0.01mmから2.5mmまでの範囲内の幅(W)を有する。例えば、ある実施形態において、電極群の各要素の幅(W)は、約0.025mmから約2mmまでの範囲内になる。さらなる例として、ある実施形態における電極群の各要素の幅(W)は、約0.05mmから約1mmまでの範囲内になる。
また、電極群の要素の高さ(H)も、エネルギー蓄積デバイス及びその意図される用途に依存して変化する。しかしながら、一般に、電極群の要素は、典型的には、約0.05mmから約10mmまでの範囲内の高さ(H)を有する。例えば、ある実施形態において、電極群の各要素の高さ(H)は、約0.05mmから約5mmまでの範囲内になる。さらなる例として、ある実施形態における電極群の各要素の高さ(H)は、約0.1mmから約1mmまでの範囲内になる。
同様に、電極群の要素の外周(P)も、エネルギー蓄積デバイス及びその意図される用途に依存して変化する。しかしながら、一般に、電極群の要素は、典型的には、約0.025mmから約25mmまでの範囲内の外周(P)を有する。例えば、ある実施形態において、電極群の各要素の外周(P)は、約0.1mmから約15mmまでの範囲内になる。さらなる例として、ある実施形態における電極群の各要素の外周(P)は、約0.5mmから約10mmまでの範囲内になる。
一般に、電極群の要素は、その幅(W)及びその高さ(H)のそれぞれより実質的に大きい長さ(L)を有する。例えば、ある実施形態において、電極群の各要素において、LとW及びHのそれぞれとの比はそれぞれ少なくとも5:1である(すなわち、LとWとの比はそれぞれ少なくとも5:1であり、かつLとHとの比はそれぞれ少なくとも5:1である)。さらなる例として、ある実施形態におけるLとW及びHのそれぞれとの比は、少なくとも10:1である。さらなる例として、ある実施形態におけるLとW及びHのそれぞれとの比は、少なくとも15:1である。さらなる例として、ある実施形態では、電極群の各要素においてLとW及びHのそれぞれとの比は、少なくとも20:1である。
さらに、一般に、電極群の要素は、その外周(P)より実質的に大きい長さ(L)を有することが好ましく、例えば、ある実施形態において、電極群の各要素においてLとPとの比はそれぞれ少なくとも1.25:1である。さらなる例として、ある実施形態では、電極群の各要素においてLとPとの比はそれぞれ少なくとも2.5:1である。さらなる例として、ある実施形態では、電極群の各要素においてLとPとの比はそれぞれ少なくとも3.75:1である。
ある実施形態において、電極群の要素の高さ(H)と幅(W)との比はそれぞれ少なくとも0.4:1である。例えば、ある実施形態において、電極群の各要素においてHとWとの比はそれぞれ少なくとも2:1になる。さらなる例として、ある実施形態におけるHとWとの比はそれぞれ少なくとも10:1になる。さらなる例として、ある実施形態におけるHとWとの比はそれぞれ少なくとも20:1になる。しかしながら、典型的には、HとWとの比は一般にそれぞれ1,000:1より少なくなる。例えば、ある実施形態において、HとWとの比はそれぞれ500:1より少なくなる。さらなる例として、ある実施形態におけるHとWとの比はそれぞれ100:1より少なくなる。さらなる例として、ある実施形態におけるHとWとの比はそれぞれ10:1より少なくなる。さらなる例として、ある実施形態では、電極群の各要素においてHとWとの比はそれぞれ約2:1から約100:1までの範囲内になる。
対電極群の各要素は、底部と、上部と、各要素の底部から上部へ、一般に電極及び対電極の交互に並ぶ順序が進行する方向に対して垂直方向に延在する長手軸(ACE)とを有する。さらに、対電極群の各要素は、長手軸(ACE)に沿って測定される長さ(LCE)と、電極及び対電極の交互に並ぶ順序が進行する方向に測定される幅(WCE)と、長さ(LCE)及び幅(WCE)の各測定方向に対して垂直方向に測定される高さ(HCE)とを有する。また、対電極群の各要素は、対電極の長手軸に対して直角な平面における対電極突起の側面長さの合計に対応する外周(PCE)も有する。
対電極群の要素の長さ(LCE)は、エネルギー蓄積デバイス及びその意図される用途に依存して変化する。しかしながら、一般に、対電極群の各要素は、典型的には、約5mmから約500mmまでの範囲内の長さ(LCE)を有する。例えば、このような一実施形態において、対電極群の各要素は、約10mmから約250mmまでの範囲内の長さ(LCE)を有する。さらなる例として、このような一実施形態における対電極群の各要素は、約25mmから約100mmまでの長さ(LCE)を有する。
また、対電極群の要素の幅(WCE)も、エネルギー蓄積デバイス及びその意図される用途に依存して変化する。しかしながら、一般に、対電極群の要素は、典型的には、約0.01mmから2.5mmまでの範囲内の幅(WCE)を有する。例えば、ある実施形態において、対電極群の各要素の幅(WCE)は、約0.025mmから約2mmまでの範囲内になる。さらなる例として、ある実施形態における対電極群の各要素の幅(WCE)は、約0.05mmから約1mmまでの範囲内になる。
また、対電極群の要素の高さ(HCE)も、エネルギー蓄積デバイス及びその意図される用途に依存して変化する。しかしながら、一般に、対電極群の要素は、典型的には、約0.05mmから約10mmまでの範囲内の高さ(HCE)を有する。例えば、ある実施形態において、対電極群の各要素の高さ(HCE)は、約0.05mmから約5mmまでの範囲内になる。さらなる例として、ある実施形態における対電極群の各要素の高さ(HCE)は、約0.1mmから約1mmまでの範囲内になる。
また、対電極群の要素の外周(PCE)も、エネルギー蓄積デバイス及びその意図される用途に依存して変化する。しかしながら、一般に、対電極群の要素は、典型的には、約0.025mmから約25mmまでの範囲内の外周(PCE)を有する。例えば、ある実施形態において、対電極群の各要素の外周(PCE)は、約0.1mmから約15mmまでの範囲内になる。さらなる例として、ある実施形態における対電極群の各要素の外周(PCE)は、約0.5mmから約10mmまでの範囲内になる。
一般に、対電極群の各要素は、幅(WCE)より実質的に大きくかつその高さ(HCE)より実質的に大きい長さ(LCE)を有する。例えば、ある実施形態において、対電極群の各要素において、LCEとWCE及びHCEのそれぞれとの比はそれぞれ少なくとも5:1である(すなわち、LCEとWCEとの比は、少なくとも5:1であり、かつLCEとHCEとの比は、少なくとも5:1である)。さらなる例として、ある実施形態において、対電極群の各要素においてLCEとWCE及びHCEのそれぞれとの比は、少なくとも10:1である。さらなる例として、ある実施形態において、対電極群の各要素においてLCEとWCE及びHCEのそれぞれとの比は、少なくとも15:1である。さらなる例として、ある実施形態において、対電極群の各要素においてLCEとWCE及びHCEのそれぞれとの比は、少なくとも20:1である。
さらに、一般に、対電極群の要素は、その外周(PCE)より実質的に大きい長さ(LCE)を有することが好ましく、例えば、ある実施形態において、対電極群の各要素においてLCEとPCEとの比はそれぞれ少なくとも1.25:1である。さらなる例として、ある実施形態では、対電極群の各要素においてLCEとPCEとの比は、少なくとも2.5:1である。さらなる例として、ある実施形態では、対電極群の各要素においてLCEとPCEとの比はそれぞれ少なくとも3.75:1である。
ある実施形態において、対電極群の要素の高さ(HCE)と幅(WCE)との比はそれぞれ少なくとも0.4:1である。例えば、ある実施形態において、対電極群の各要素においてHCEとWCEとの比はそれぞれ少なくとも2:1になる。さらなる例として、ある実施形態では、対電極群の各要素においてHCEとWCEとの比はそれぞれ少なくとも10:1になる。さらなる例として、ある実施形態では、対電極群の各要素においてHCEとWCEとの比はそれぞれ少なくとも20:1になる。しかしながら、典型的には、対電極群の各要素においてHCEとWCEとの比は一般にそれぞれ1,000:1より少なくなる。例えば、ある実施形態において、対電極群の各要素においてHCEとWCEとの比はそれぞれ500:1より少なくなる。さらなる例として、ある実施形態におけるHCEとWCEとの比はそれぞれ100:1より少なくなる。さらなる例として、ある実施形態におけるHCEとWCEとの比はそれぞれ10:1より少なくなる。さらなる例として、ある実施形態では、対電極群の各要素においてHCEとWCEとの比はそれぞれ約2:1から約100:1までの範囲内になる。
電極群の要素を対電極群から電気的に絶縁するために、(i)電極群の要素は、その長手軸(A)に沿って電気絶縁性セパレータ材料層で包囲され、(ii)対電極群の要素は、その長手軸(ACE)に沿って電気絶縁性セパレータ材料層で包囲され、又は、(iii)電極群の要素及び対電極群の要素はそれぞれの長手軸に沿って電気絶縁性材料層で包囲される。例えば、ある実施形態において、電極群の各要素の長手軸(A)は、電気絶縁性材料層で包囲される。さらなる例として、ある実施形態では、対電極群の各要素の長手軸(ACE)が電気絶縁性材料層で包囲される。さらなる例として、ある実施形態では、電極群の各要素の長手軸(ACE)及び対電極群の各要素の長手軸(ACE)が電気絶縁性材料層で包囲される。
ある実施形態において、電気絶縁性材料層は、少なくとも約5マイクロメートルの厚さを有する。しかしながら、一般に、電気絶縁性材料層は、(少なくとも、電極群の要素を対電極群の最も近い要素から隔離する部位において)約100マイクロメートルを超えない厚さを有する。例えば、所定の実施形態において、電気絶縁性材料層は、(少なくとも、電極群の要素を対電極群の最も近い要素から隔離する部位において)約5マイクロメートルから約50マイクロメートルまでの範囲内の厚さを有する。さらなる例として、所定の実施形態における電気絶縁性材料層は、(少なくとも、電極群の要素を対電極群の最も近い要素から隔離する部位において)約10マイクロメートルから約35マイクロメートルまでの範囲内の厚さを有する。さらなる例として、所定の実施形態における電気絶縁性材料層は、(少なくとも、電極群の要素を対電極群の最も近い要素から隔離する部位において)約15マイクロメートルから約30マイクロメートルまでの範囲内の厚さを有する。
充電又は放電動作中に、電極群の要素と対電極群の要素との間でキャリアイオンを交換させるために、電極群の要素の電極活性材料層と対電極群の要素の対電極活性材料層とを分離する電気絶縁性材料層は、マイクロポーラスセパレータ材料を備える。例えば、ある実施形態において、マイクロポーラスセパレータ材料の多孔性を考慮に入れなければ、マイクロポーラスセパレータ材料は、電極群の要素と対電極群の要素との間で電気絶縁性セパレータ材料層の少なくとも70体積%を構成する。さらなる例として、ある実施形態では、マイクロポーラスセパレータ材料の多孔性を考慮に入れなければ、マイクロポーラスセパレータ材料は、電極群の要素と対電極群の要素との間で電気絶縁性セパレータ材料層の少なくとも75体積%を構成する。さらなる例として、ある実施形態では、マイクロポーラスセパレータ材料の多孔性を考慮に入れなければ、マイクロポーラスセパレータ材料は、電極群の要素と対電極群の要素との間で電気絶縁性セパレータ材料層の少なくとも80体積%を構成する。さらなる例として、ある実施形態では、マイクロポーラスセパレータ材料の多孔性を考慮に入れなければ、マイクロポーラスセパレータ材料は、電極群の要素と対電極群の要素との間で電気絶縁性セパレータ材料層の少なくとも85体積%を構成する。さらなる例として、ある実施形態では、マイクロポーラスセパレータ材料の多孔性を考慮に入れなければ、マイクロポーラスセパレータ材料は、電極群の要素と対電極群の要素との間で電気絶縁性セパレータ材料層の少なくとも90体積%を構成する。さらなる例として、ある実施形態では、マイクロポーラスセパレータ材料の多孔性を考慮に入れなければ、マイクロポーラスセパレータ材料は、電極群の要素と対電極群の要素との間で電気絶縁性セパレータ材料層の少なくとも95体積%を構成する。さらなる例として、ある実施形態では、マイクロポーラスセパレータ材料の多孔性を考慮に入れなければ、マイクロポーラスセパレータ材料は、電極群の要素と対電極群の要素との間で電気絶縁性セパレータ材料層の少なくとも99体積%を構成する。
ある実施形態において、マイクロポーラスセパレータ材料は、粒子状材料と結合剤とを含み、かつ少なくとも約20体積%の多孔性(ボイド率)を有する。マイクロポーラスセパレータ材料の細孔は、少なくとも50Åの直径を有し、かつ典型的には、約250Åから2,500Åまでの範囲内になる。マイクロポーラスセパレータ材料は、典型的には、約75%未満の多孔率を有する。ある実施形態において、マイクロポーラスセパレータ材料は、少なくとも約25体積%の多孔性(ボイド率)を有する。ある実施形態において、マイクロポーラスセパレータ材料は、約35−55%の多孔率を有する。
マイクロポーラスセパレータ材料の結合剤は、広範な無機材料又は高分子材料から選択されてもよい。例えば、ある実施形態において、結合剤は、ケイ酸塩、リン酸塩、アルミン酸塩、アルミノケイ酸塩、及び水酸化マグネシウム、水酸化カルシウム、他等の水酸化物よりなる群から選択される有機材料である。例えば、ある実施形態において、結合剤は、単量体から導出される、フッ化ビニリデン、ヘキサフルオロプロピレン、テトラフルオロプロペンなどを含有するフルオロポリマーである。別の実施形態において、結合剤は、あらゆる範囲の可変分子量及び分子密度を有する、ポリエチレン、ポリプロピレン又はポリブテン等のポリオレフィンである。別の実施形態において、結合剤は、エチレン−ジエン−プロペン三元共重合体、ポリスチレン、ポリメタクリル酸メチル、ポリエチレングリコール、ポリビニルアセテート、ポリビニルブチラール、ポリアセタール及びポリエチレングリコールジアクリレートよりなる群から選択される。別の実施形態において、結合剤は、メチルセルロース、カルボキシメチルセルロース、スチレンゴム、ブタジエンゴム、スチレン−ブタジエンゴム、イソプレンゴム、ポリアクリルアミド、ポリビニルエーテル、ポリアクリル酸、ポリメタクリル酸及びポリエチレンオキシドよりなる群から選択される。別の実施形態において、結合剤は、アクリレート、スチレン、エポキシ及びシリコンよりなる群から選択される。別の実施形態において、結合剤は、共重合体又は上述の重合体のうちの2つ以上による配合物である。
また、マイクロポーラスセパレータ材料で構成される粒子状材料は、広範な材料から選択されてもよい。一般に、このような材料は、動作温度において比較的低い電子伝導性及びイオン伝導性を有し、かつマイクロポーラスセパレータ材料に接触する電池電極又は集電体の動作電圧下で腐食しない。例えば、ある実施形態において、粒子状材料は、1×10−4S/cm未満のキャリアイオン(例えば、リチウム)伝導率を有する。さらなる例として、ある実施形態では、粒子状材料は、1×10−5S/cm未満のキャリアイオン伝導率を有する。さらなる例として、ある実施形態では、粒子状材料は、1×10−6S/cm未満のキャリアイオン伝導率を有する。粒子状材料の例は、粒子状のポリエチレン、ポリプロピレン、TiO−重合体複合材、シリカエーロゲル、ヒュームドシリカ、シリカゲル、シリカヒドロゲル、シリカキセロゲル、シリカゾル、コロイド状シリカ、アルミナ、チタニア、マグネシア、カオリン、タルク、珪藻土、ケイ酸カルシウム、ケイ酸アルミニウム、炭酸カルシウム、炭酸マグネシウム又はこれらの組合せを含む。例えば、ある実施形態において、粒子状材料は、TiO、SiO、Al、GeO、B、Bi、BaO、ZnO、ZrO、BN、Si、Ge等の粒子状酸化物又は窒化物を含む。例えば、非特許文献2を参照されたい。ある実施形態において、粒子状材料は、約20nmから2マイクロメートルまで、より典型的には、200nmから1.5マイクロメートルまでの平均粒子サイズを有する。ある実施形態において、粒子状材料は、約500nmから1マイクロメートルまでの平均粒子サイズを有する。
ある代替実施形態において、マイクロポーラスセパレータ材料で構成される粒子状材料は、電池が機能するためのイオン伝導性を提供するために電解質の侵入にとって望ましいボイド率を維持しながら、焼結、結着、硬化、他等の技術によって結合されてもよい。
マイクロポーラスセパレータ材料は、例えば、粒子が静電気引力又はファンデルワールス力等の表面エネルギーによって合着される粒子状セパレータ材料の電気泳動堆積(析出)、粒子状セパレータ材料のスラリ堆積(蒸着)(スピン被覆又はスプレー被覆を含む)、スクリーン印刷、浸漬被覆及び静電スプレー堆積によって堆積(蒸着)されてもよい。結合剤は、堆積プロセスにおいて包含されてもよく、例えば、粒子状材料は、溶剤蒸発時に沈降する溶解結合剤によってスラリ堆積(蒸着)されても、溶解結合剤材料の存在下で電気泳動堆積されても、結合剤及び絶縁粒子、他によって同時電気泳動堆積されてもよい。あるいは、又は追加的に、結合剤は、粒子が電極構造体内又は上へ堆積(蒸着)された後に添加されてもよく、例えば、粒子状材料は、有機結合剤溶液内に分散されて浸漬被覆又はスプレー被覆されてもよく、続いて、結合剤材料が乾燥され、溶融され、又は架橋結合されて接着強さがもたらされる。
組み立てられたエネルギー蓄積デバイスにおいて、マイクロポーラスセパレータ材料は、二次電池電解質としての使用に適する非水電解質で浸潤される。典型的には、非水電解質は、有機溶剤内に溶解したリチウム塩を含む。リチウム塩の例は、LiClO、LiBF、LiPF、LiAsF、LiCl及びLiBr等の無機リチウム塩、及びLiB(C、LiN(SOCF、LiN(SOCF、LiNSOCF、LiNSOCF、LiNSO、LiNSO11、LiNSO13及びLiNSO15等の有機リチウム塩を含む。リチウム塩を溶解する有機溶剤の例は、環状エステル、鎖状エステル、環状エーテル及び鎖状エーテルを含む。環状エステルの具体例は、炭酸プロピレン、炭酸ブチレン、γ−ブチロラクトン、炭酸ビニレン、2−メチル−γ−ブチロラクトン、アセチル−γ−ブチロラクトン及びγ−バレロラクトンを含む。鎖状エステルの具体例は、炭酸ジメチル、炭酸ジエチル、炭酸ジブチル、炭酸ジプロピル、炭酸メチルエチル、炭酸メチルブチル、炭酸メチルプロピル、炭酸エチルブチル、炭酸エチルプロピル、炭酸ブチルプロピル、プロピオン酸アルキル、マロン酸ジアルキル及び酢酸アルキルを含む。環状エーテルの具体例は、テトラヒドロフラン、アルキルテトラヒドロフラン、ジアルキルテトラヒドロフラン、アルコキシテトラヒドロフラン、ジアルコキシテトラヒドロフラン、1,3−ジオキソラン、アルキル−1,3−ジオキソラン及び1,4−ジオキソランを含む。鎖状エーテルの具体例は、1,2−ジメトキシエタン、1,2−ジエトキシエタン、ジエチルエーテル、エチレングリコールジアルキルエーテル、ジエチレングリコールジアルキルエーテル、トリエチレングリコールジアルキルエーテル及びテトラエチレングリコールジアルキルエーテルを含む。
ある実施形態において、電極群は、一群の負極であり、かつ対電極群は、一群の正極である。この実施形態において、電極群の要素の長手軸A、長さL、幅W、高さH及び外周Pはそれぞれ、負極群の要素の長手軸ANE、長さLNE、幅WNE、高さHNE及び外周PNEに対応し、かつ対電極群の要素の長手軸ACE、長さLCE、幅WCE、高さHCE及び外周PCEはそれぞれ、正極群の要素の長手軸APE、長さLPE、幅WPE、高さHPE及び外周PPEに対応する。
ある代替実施形態において、電極群は、一群の正極であり、かつ対電極群は、一群の負極である。したがって、この実施形態では、電極群の要素の長手軸A、長さL、幅W、高さH及び外周Pはそれぞれ、正極群の要素の長手軸APE、長さLPE、幅WPE、高さHPE及び外周PPEに対応し、かつ対電極群の要素の長手軸ACE、長さLCE、幅WCE、高さHCE及び外周PCEはそれぞれ、負極群の要素の長手軸ANE、長さLNE、幅WNE、高さHNE及び外周PNEに対応する。
次に、図2を参照すると、本発明の一実施形態において、電極構造体20は、負極21の群と、正極22の群とを備える。説明を容易にするために、図2では、負極群が4つの要素21を含み、かつ正極群が4つの要素22を含んでいるが、実際には、負極群及び正極群はそれぞれ、これより多い、又は少ない数の要素を備えてもよい。例えば、ある実施形態において、本発明の電極構造体に含まれる負極群及び正極群はそれぞれ少なくとも5つの要素を含んでもよい。さらなる例として、ある実施形態における負極群及び正極群はそれぞれ少なくとも10の要素を含む。さらなる例として、ある実施形態における負極群及び正極群はそれぞれ少なくとも50の要素を含む。さらなる例として、ある実施形態における負極群及び正極群はそれぞれ少なくとも100の要素を含む。
要素の数に関わらず、負極群の要素21及び正極群の要素22は、交互に嵌合し、方向Dへと交互になった連続で配列される。図2に示されているように、負極群の各要素21は、1つを例外として、正極群の2つの要素22間に存在し、かつ正極群の各要素22は、1つを例外として、負極群の2つの要素21間に存在する。より一般的に言えば、ある実施形態において、正極群及び負極群はそれぞれN個の要素を有し、N−1個の正極群要素はそれぞれ、2つの負極間に存在し、N−1個の負極群要素はそれぞれ、2つの正極間に存在し、かつNは、少なくとも2である。例えば、ある実施形態において、Nは、少なくとも4(図2に示されているように)であり、少なくとも5であり、少なくとも10であり、少なくとも25であり、少なくとも50であり、又は少なくとも100でさえある。
ある代替実施形態では、一連の交互に嵌合された電極が方向Dへと進行する状態で、一連の交互に嵌合された電極が正極22で始まって終わり、各負極21が2つの正極22間に存在する(例えば、一連の電極は、次のような反復配列、すなわち、正極、負極、正極、負極、正極、…を有する)ように、負極群の各要素21は、正極群の2つの要素22間に存在する。例えば、このような一実施形態において、負極群は、N個の要素を有し、正極群は、N+1個の要素を有し、各負極は、2つの正極間に存在し、かつNは、少なくとも5であり、少なくとも10であり、少なくとも25であり、少なくとも50であり、又は少なくとも100でさえある。
別の代替実施形態では、例えば、一連の交互に嵌合された電極が方向Dへと進行する状態で、一連の交互に嵌合された電極が負極21で始まって終わり、各正極22が2つの負極21間に存在する(例えば、一連の電極は、次のような反復配列、すなわち、負極、正極、負極、正極、負極、…を有する)ように、正極群の各要素22は、負極群の2つの要素21間に存在する。このような一実施形態において、正極群は、N個の要素を有し、負極群は、N+1個の要素を有し、各正極は、2つの負極間に存在し、かつNは、少なくとも5であり、少なくとも10であり、少なくとも25であり、少なくとも50であり、又は少なくとも100でさえある。
図2を再度参照すると、負極群の各要素21は、負極群の各要素21からの電流を溜め込む負極バス23へ直に連接されかつ負極バス23から延設される。そして負極バス23は、負極群の各要素21をエネルギー蓄積デバイス(図示せず)の負端子へ、又は外部エネルギー供給(図示せず)へ、又は外部エネルギー消費物(図示せず)へ電気的に接続するために使用されてもよい。
正極群の各要素22は、正極群の各要素22からの電流を溜め込む正極バス24へ連接されかつ正極バス24から延設される。そして正極バス24は、正極群の各要素22をエネルギー蓄積デバイス(図示せず)の正端子へ、又は外部エネルギー供給(図示せず)へ、又は外部エネルギー消費物(図示せず)へ電気的に接続するために使用されてもよい。
負極バス23及び正極バス24は、広範なあらゆる導電材料を含んでもよい。例えば、負極バス23及び正極バス24は、負極群及び正極群の要素をそれぞれ負及び正の導電経路25、26へ電気的に接続するために、独立して、導電性のセラミック、ガラス、重合体、半導体又は金属を含んでもよい。さらなる例として、ある実施形態における負極バス23及び正極バス24はそれぞれ独立して、シリコン、炭素、炭素複合材、金属シリサイドなどといった導電材料を含む。正極バス用材料の例は、アルミニウム、炭素、クロム、金、ニッケル、NiP、パラジウム、白金、ロジウム、ルテニウム、シリコンニッケル合金、チタン、これらのうちの1つ又はそれ以上の合金及びこれらの組合せを含む。負極バス用材料の例は、銅、ニッケル、クロム、チタン、タングステン、コバルト、炭素、これらのうちの1つ又はそれ以上の合金及びこれらの組合せを含む。正極バス及び負極バス用の材料は、蒸発、スパッタリング、無電解めっき、浸漬めっき、電気めっきなどといったあらゆる広範な周知の金属堆積(蒸着)プロセスによって堆積(蒸着)されてもよい。所定の実施形態において、正極バス及び負極バスの導電部分は、同じ材料を含んでもよい。他の実施形態において、正極バス及び負極バスの導電部分は、組成が異なる材料を含んでもよい。所定の実施形態において、正極バス及び/又は負極バスは、導電材料シェルによって部分的又は完全に被覆される非導電コアを備え、さらに、このような、正極バス及び負極バスが、導電材料シェルによって部分的又は完全に被覆される非導電コアを備える実施形態において、正極バス及び負極バスの非導電コアは、導電シェルの組成が異なる場合でも、同じ組成を有してもよい。
電気絶縁性セパレータ層43は、負極群の各要素21を包囲しかつこれを正極群の各要素22から電気的に絶縁し、かつ負極バス23を正極バス24から電気的に絶縁する。隣接する負極/正極ペア(すなわち、充電又は放電動作中に、キャリアイオンが負極群の所定の一要素から正極群の一要素へ、又はこの逆で移動する最短距離を提供する負極/正極ペア)の間に、電気絶縁性セパレータ層43は、上述したように非水電解質で浸潤されることが可能なマイクロポーラスセパレータ材料を備え、例えば、先に詳述したように、ある実施形態において、マイクロポーラスセパレータ材料は、少なくとも50Å、より典型的には約2,500Åの範囲内の直径、及び約25%から約75%までの範囲内、より典型的には約35−55%の範囲内の多孔率を有する細孔を備える。
例えば、ある実施形態では、マイクロポーラスセパレータ材料の多孔性を考慮に入れなければ、充電又は放電サイクル中のイオン交換のための負極群の要素21と正極群の最近要素22と(すなわち、「隣接ペア」)の間の電気絶縁性セパレータ材料層43の少なくとも70体積%は、マイクロポーラスセパレータ材料であり、言い替えれば、マイクロポーラスセパレータ材料は、負極要素21と正極要素22との間の電気絶縁性材料の少なくとも70体積%を構成する。さらなる例として、ある実施形態では、マイクロポーラスセパレータ材料の多孔性を考慮に入れなければ、マイクロポーラスセパレータ材料は、負極群の要素21及び正極群の要素22による隣接ペア間の電気絶縁性セパレータ材料層の少なくとも75体積%を構成する。さらなる例として、ある実施形態では、マイクロポーラスセパレータ材料の多孔性を考慮に入れなければ、マイクロポーラスセパレータ材料は、負極群の要素21及び正極群の要素22による隣接ペア間の電気絶縁性セパレータ材料層の少なくとも80体積%を構成する。さらなる例として、ある実施形態では、マイクロポーラスセパレータ材料の多孔性を考慮に入れなければ、マイクロポーラスセパレータ材料は、負極群の要素21及び正極群の要素22による隣接ペア間の電気絶縁性セパレータ材料層の少なくとも85体積%を構成する。さらなる例として、ある実施形態では、マイクロポーラスセパレータ材料の多孔性を考慮に入れなければ、マイクロポーラスセパレータ材料は、負極群の要素21及び正極群の要素22による隣接ペア間の電気絶縁性セパレータ材料層の少なくとも90体積%を構成する。さらなる例として、ある実施形態では、マイクロポーラスセパレータ材料の多孔性を考慮に入れなければ、マイクロポーラスセパレータ材料は、負極群の要素21及び正極群の要素22による隣接ペア間の電気絶縁性セパレータ材料層の少なくとも95体積%を構成する。さらなる例として、ある実施形態では、マイクロポーラスセパレータ材料の多孔性を考慮に入れなければ、マイクロポーラスセパレータ材料は、負極群の要素21及び正極群の要素22による隣接ペア間の電気絶縁性セパレータ材料層の少なくとも99体積%を構成する。
次に、図3を参照すると、ある実施形態において、負極群の各要素21は、負極基幹部51と、負極集電体層47と、負極活性材料層49とを備える。負極活性材料層49は、外側面61、63と、前面65と、裏面67とで囲まれる。同様に、正極群の各要素22も、正極基幹部52と、正極集電体層48と、正極活性材料層50とを備える。正極活性材料層50は、外側面61、63と、前面65と、裏面67とで囲まれる。負極群の各要素21は、正極群の各要素22から、負極群の各要素21の長手軸ANE及び正極群の各要素22の長手軸APEをそれぞれの長さの少なくとも一部に沿って取り囲む電気絶縁性セパレータ層43によって隔離される。
要素21、22の対向する外側面61、62間及び対向する外側面63、64間のそれぞれで、電気絶縁性材料層43は、(上述したように)マイクロポーラスセパレータ材料を含む。例えば、ある実施形態では、マイクロポーラスセパレータ材料の多孔性を考慮に入れなければ、それぞれの要素21、22の対向する外側面61、62間及び対向する外側面63、64間の電気絶縁性セパレータ材料層43の少なくとも70体積%は、(上述したように)マイクロポーラスセパレータ材料を含む。さらなる例として、ある実施形態では、マイクロポーラスセパレータ材料の多孔性を考慮に入れなければ、マイクロポーラスセパレータ材料はそれぞれ要素21、22の対向する外側面61、62間及び対向する外側面63、64間の電気絶縁性セパレータ材料層の少なくとも75体積%を構成し、(上述したように)マイクロポーラスセパレータ材料を含む。さらなる例として、ある実施形態では、マイクロポーラスセパレータ材料の多孔性を考慮に入れなければ、マイクロポーラスセパレータ材料はそれぞれ要素21、22の対向する外側面61、62間及び対向する外側面63、64間の電気絶縁性セパレータ材料層の少なくとも80体積%を構成し、(上述したように)マイクロポーラスセパレータ材料を含む。さらなる例として、ある実施形態では、マイクロポーラスセパレータ材料の多孔性を考慮に入れなければ、マイクロポーラスセパレータ材料はそれぞれ要素21、22の対向する外側面61、62間及び対向する外側面63、64間の電気絶縁性セパレータ材料層の少なくとも85体積%を構成し、(上述したように)マイクロポーラスセパレータ材料を含む。さらなる例として、ある実施形態では、マイクロポーラスセパレータ材料の多孔性を考慮に入れなければ、マイクロポーラスセパレータ材料はそれぞれ要素21、22の対向する外側面61、62間及び対向する外側面63、64間の電気絶縁性セパレータ材料層の少なくとも90体積%を構成し、(上述したように)マイクロポーラスセパレータ材料を含む。さらなる例として、ある実施形態では、マイクロポーラスセパレータ材料の多孔性を考慮に入れなければ、マイクロポーラスセパレータ材料はそれぞれ要素21、22の対向する外側面61、62間及び対向する外側面63、64間の電気絶縁性セパレータ材料層の少なくとも95体積%を構成し、(上述したように)マイクロポーラスセパレータ材料を含む。さらなる例として、ある実施形態では、マイクロポーラスセパレータ材料の多孔性を考慮に入れなければ、マイクロポーラスセパレータ材料はそれぞれ要素21、22の対向する外側面61、62間及び対向する外側面63、64間の電気絶縁性セパレータ材料層の少なくとも99体積%を構成し、(上述したように)マイクロポーラスセパレータ材料を含む。
放電プロセスの間、リチウムイオン(又は、ナトリウムイオン、カリウムイオン、カルシウムイオン又はマグネシウムイオン等の他のキャリアイオン)は、外側面61、63から負極活性材料層49を出て、電気絶縁性セパレータ層43で構成されるマイクロポーラスセパレータ材料内を進み、外側面62、64から正極活性材料層50内へ入る。充電プロセスの間、リチウムイオン(又は他のキャリアイオン)は、外側面62、64から正極活性材料層50を出て、電気絶縁性セパレータ層43で構成されるマイクロポーラスセパレータ材料内を進み、外側面61、63から負極活性材料層49内へ入る。使用される負極活性材料に依存して、リチウムイオン(又は他のキャリアイオン)は介在する(例えば、負極活性材料のマトリクス内に合金を形成することなく位置する)か、合金を形成する。正極と負極との間のリチウムイオン(又は他のキャリアイオン)の移動と同時に、負極集電体層47及び正極集電体層48により、それぞれの負極バス23及び正極バス24との間で電子が伝送される(図2参照)。負極バス23及び正極バス24は、電極構造体20を備えるエネルギー蓄積デバイス(図示せず)の負端子及び正端子へ、又は外部エネルギー供給(図示せず)へ、又は外部エネルギー消費物(図示せず)へ電気的に接続される。
負極基幹部51は、負極活性材料層49の機械的安定性を提供する。一般に、負極基幹部51は、金属、半導体、有機体、セラミック及びガラス等の、成形され得るあらゆる材料を含んでもよい。現時点で好ましい材料は、シリコン及びゲルマニウム等の半導体材料を含む。しかしながら、代替として、負極基幹部には、炭素系有機物、又はアルミニウム、銅、ニッケル、コバルト、チタン及びタングステン等の金属も組み込まれてもよい。ある例示的な実施形態において、負極基幹部51は、シリコンを含む。例えば、シリコンは、単結晶シリコン、多結晶シリコン、非晶質シリコン又はこれらの組合せであってもよい。
用途に依存して、負極基幹部51は、導電性であっても、絶縁性であってもよい。例えば、ある実施形態において、負極基幹部51は、10ジーメンス/cm未満の導電率を有する。さらなる例として、ある実施形態における負極基幹部51は、1ジーメンス/cm未満の導電率を有する。さらなる例として、ある実施形態における負極基幹部51は、10−1ジーメンス/cm未満の導電率を有する。他の実施形態において、負極基幹部51は、少なくとも10ジーメンス/cmの導電率を有してもよい。さらなる例として、実施形態によっては、負極基幹部51は、少なくとも10ジーメンス/cmの導電率を有してもよい。さらなる例として、実施形態によっては、負極基幹部51は、少なくとも10ジーメンス/cmの導電率を有してもよい。
負極集電体層47は、典型的には、少なくとも約10ジーメンス/cmの導電率を有する。例えば、このような一実施形態において、負極集電体層47は、少なくとも約10ジーメンス/cmの導電率を有する。さらなる例として、このような一実施形態における負極集電体層47は、少なくとも約10ジーメンス/cmの導電率を有する。一般に、負極集電体層47は、負極用の集電体材料として従来使用される、炭素、コバルト、クロム、銅、ニッケル、チタン又はこれらのうちの1つ又はそれ以上の合金等の任意の金属又は他の導体を含んでもよい。負極集電体47は、電着、無電解堆積、浸漬堆積、物理蒸着、化学蒸着などといったプロセスによって製造されてもよい。
この実施形態における負極集電体層47の厚さ(すなわち、負極基幹部と負極活性材料層との間の最短距離)は、層の組成及び電気化学積層体のパフォーマンス仕様に依存する。しかしながら、一般に、この厚さは、約1マイクロメートルから約100マイクロメートルまでの範囲である。
負極活性材料層49は、リチウムイオン、ナトリウムイオン、カリウムイオン、カルシウムイオン又はマグネシウムイオン等のキャリアイオンを吸収しかつ放出することができる負極活性材料を含んでもよい。このような材料は、黒鉛及び軟炭素又は硬炭素等の炭素系材料、又はリチウムとの合金を形成することができる任意の広範な金属、半金属、合金、酸化物及び化合物を含む。アノード材料を構成することができる金属又は半金属の具体例は、錫、鉛、マグネシウム、アルミニウム、ボロン、ガリウム、シリコン、インジウム、ジルコニウム、ゲルマニウム、ビスマス、カドミウム、アンチモン、銀、亜鉛、ヒ素、ハフニウム、イットリウム及びパラジウムを含む。ある例示的な実施形態では、負極活性材料層49は、アルミニウム、錫又はシリコン、又はこれらの酸化物、これらの窒化物、これらのフッ化物又はこれらの他の合金を含む。別の例示的な実施形態では、負極活性材料層49は、シリコン又はその合金を含む。本段落に記載されている実施形態及び例のそれぞれにおいて、負極活性材料層49は、粒子凝集電極であっても、モノリシック電極であってもよい。
正極基幹部52は、正極活性材料層50の機械的安定性を提供する。一般に、正極基幹部52は、金属、半導体、有機体、セラミック及びガラス等の、成形され得るあらゆる材料を含んでもよい。現時点で好ましい材料は、シリコン及びゲルマニウム等の半導体材料を含む。しかしながら、代替として、正極基幹部には、炭素系有機物、又はアルミニウム、銅、ニッケル、コバルト、チタン及びタングステン等の金属も組み込まれてもよい。ある例示的な実施形態において、正極基幹部52は、シリコンを含む。例えば、シリコンは、単結晶シリコン、多結晶シリコン、非晶質シリコン又はこれらの組合せであってもよい。
用途に依存して、正極基幹部52は、導電性であっても、絶縁性であってもよい。例えば、ある実施形態において、正極基幹部52は、10ジーメンス/cm未満の導電率を有する。さらなる例として、ある実施形態における正極基幹部52は、1ジーメンス/cm未満の導電率を有する。さらなる例として、ある実施形態における正極基幹部52は、10−1ジーメンス/cm未満の導電率を有する。他の実施形態において、正極基幹部52は、少なくとも10ジーメンス/cmの導電率を有してもよい。さらなる例として、実施形態によっては、正極基幹部52は、少なくとも10ジーメンス/cmの導電率を有してもよい。さらなる例として、実施形態によっては、正極基幹部52は、少なくとも10ジーメンス/cmの導電率を有してもよい。
図3に示されている実施形態において、正極集電体層48は、正極基幹部52と正極活性材料層50との間に位置し、かつ典型的には、少なくとも約10ジーメンス/cmの導電率を有する。例えば、このような一実施形態において、正極集電体層48は、少なくとも約10ジーメンス/cmの導電率を有する。さらなる例として、このような一実施形態における正極集電体層48は、少なくとも約10ジーメンス/cmの導電率を有する。正極集電体48は、負極集電体に関して先に識別した任意の金属を含んでもよく、例えば、ある実施形態における正極集電体48は、アルミニウム、炭素、クロム、金、ニッケル、NiP、パラジウム、白金、ロジウム、ルテニウム、シリコンとニッケルの合金、チタン又はこれらの組合せを含む(非特許文献3参照)。さらなる例として、ある実施形態における正極集電体48は、金、又はケイ化金等のその合金を含む。さらなる例として、ある実施形態における正極集電体48は、ニッケル、又はケイ化ニッケル等のその合金を含む。正極集電体48は、電着、無電解堆積、浸漬堆積、物理蒸着、化学蒸着などといったプロセスによって製造されてもよい。正極集電体及び負極集電体は、既知のパターニング技術及び金属堆積技術を用いて同時的に、又は順次製造されてもよい。
正極活性材料層50は、カソード活性材料の混合体を含む、広範な任意のカソード活性材料を含んでもよい。例えば、リチウムイオン電池の場合、正極活性材料層50は、選択的に使用され得る遷移金属酸化物、遷移金属硫化物、遷移金属窒化物、リチウム−遷移金属酸化物、リチウム−遷移金属硫化物及びリチウム−遷移金属窒化物から選択されるカソード材料を含んでもよい。これらの遷移金属酸化物、遷移金属硫化物及び遷移金属窒化物の遷移金属元素は、d−シェル又はf−シェルを有する金属元素を含むことが可能である。このような金属元素の具体例は、Sc、Y、ランタノイド、アクチノイド、Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Mn、Tc、Re、Fe、Ru、Os、Co、Rh、Ir、Ni、Pb、Pt、Cu、Ag及びAuである。追加的なカソード活性材料は、LiCoO、LiNi0.5Mn1.5、Li(NiCoAl)O、LiFePO、LiMnO、V、オキシ硫化モリブデン及びこれらの組合せを含む。正極活性材料層は、例えば、電気泳動堆積、電着、共蒸着又はスラリ堆積(蒸着)を含む広範な技術の何れかによって正極構造体を形成するために堆積(蒸着)されてもよい。ある例示的な実施形態では、上述の正極活性材料又はこれらの組合せのうちの1つが粒子形式で電気泳動堆積される。別の例示的な実施形態では、V等の正極活性材料が電着される。別の例示的な実施形態では、上述の正極活性材料又はこれらの組合せのうちの1つが粒子形式で、ポリアニリン等の導電マトリクス内で同時に蒸着(共堆積)される。別の例示的な実施形態では、上述の正極活性材料又はこれらの組合せのうちの1つが粒子形式で、スラリ堆積(蒸着)される。
負極基幹部51及び正極基幹部52は、三次元構造体を製造するための当該分野で既知のあらゆる方法で製造されてもよい。例えば、正極(カソード)用シリコン基幹部及び負極(アノード)用シリコン基幹部は、一時的、永久的又は半永久的な接着剤でベースに接着されるウェーハを用いて同時に製造されてもよい。ベースをウェーハに接着する非網羅的な方法は、無機又は有機粘着剤を用いる粘着、アノード酸化接合、圧着、熱接合などを含む。シリコン−オン−インシュレータ・ウェーハ、アノードガラス接合されたウェーハ、一時的キャリア搭載ウェーハは、活性基板上へ接着されるベースの例である。続いて、ウェーハは、パターン形成されることが可能であり、シリコンは、不要部位で取り除かれることが可能であって、電極用基幹部として機能し得る構造体が残される。実施形態によっては、基幹部は、消極的方式で、レーザ加工、放電加工、高精度加工、アブレーション及び穿孔により平面基板から不要部位における材料を取り除くことによって製造されてもよい。他の実施形態では、各基幹部は、積極的方式で、焼結、マイクロ形成、電鋳法、他の使用如何に関わらず、3D印刷、ステンシル印刷及び積層化、グラビア印刷、射出成形、プレス成形及び焼結、ゲルキャスト及び焼結、スラリキャスト、テープキャストのような方法を用いて層を作り上げることにより、個々に、又は別個に作製することが可能である。基幹部の作製に使用され得る他の例示的なプロセスは、マスクを介するスパッタリング、蒸着、他等の真空ベースの堆積(蒸着)プロセスを用いて支柱、棒状体、波形、他を成長させることを含む。さらに、他の例示的な製造方法は、パターン形成されたベース材料上でのナノワイヤ又はナノ構造体の成長を含む。
負極活性材料層49は、電着、電気泳動堆積、蒸着、蒸気−液体−固体堆積等の触媒ベースの成長、ゲル鋳込、テープ鋳込、パターニング及びスラリ堆積(蒸着)といった方法に続いて、焼結、結合、他等の方法による高密度化を用いて形成されても、別段で組み立てられてもよい。実施形態によっては、負極材料層及び負極基幹部は、シリコン、アルミニウム、錫等の同一材料を含んでもよく、かつこれらの負極材料層及び負極基幹部は、同時に製造されてもよい。同様に、正極活性材料層50も、電着、電気泳動堆積、蒸着、蒸気−液体−固体堆積(蒸着)等の触媒ベースの成長、ゲル鋳込、テープ鋳込、パターニング及びスラリ堆積(蒸着)といった方法に続いて、プレス、焼結、結合、硬化、他等の方法による高密度化を用いて組み立てられてもよい。
ある実施形態において、負極活性材料層49は、リチウムイオン(又は他のキャリアイオン)が充電及び放電プロセスの間に負極活性材料層49に組み込まれる、又は負極活性材料層49から出る際の体積膨張及び体積収縮に順応するに足るボイド体積率を提供するように微細構造化される。一般に、負極活性材料層のボイド体積率は、少なくとも0.1である。しかしながら、典型的には、負極活性材料層のボイド体積率は、0.8以下である。例えば、ある実施形態における負極活性材料層のボイド体積率は、約0.15から約0.75までである。さらなる例として、ある実施形態における負極活性材料層のボイド体積率は、約0.2から約0.7までである。さらなる例として、ある実施形態における負極活性材料層のボイド体積率は、約0.25から約0.6までである。
微細構造化される負極活性材料層の組成及びその形成方法に依存して、微細構造化される負極活性材料層は、マクロ多孔性、ミクロ多孔性又はメソ多孔性の材料層、又はミクロ多孔性とメソ多孔性との組合せ、又はメソ多孔性とマクロ多孔性との組合せ等のこれらの組合せによる材料層を備えてもよい。ミクロ多孔性材料は、典型的には、10nm未満の細孔寸法と、10nm未満の壁寸法と、1−50マイクロメートルの細孔深さと、一般に「スポンジ状」であって不規則な外観、滑らかでない壁及び分岐した細孔を特徴とする細孔形態と、によって特徴づけられる。メソ多孔性材料は、典型的には、10−50nmの細孔寸法と、10−50nmの壁寸法と、1−100マイクロメートルの細孔深さと、一般にある程度良好に画定された枝分かれした細孔、又は樹木状の細孔を特徴とする細孔形態と、によって特徴づけられる。マクロ多孔性材料は、典型的には、50nmを超える細孔寸法と、50nmを超える壁寸法と、1−500マイクロメートルの細孔深さと、可変的、直線状、分岐状又は樹木状でありかつ壁が滑らか、又は粗い場合もある細孔形態と、によって特徴づけられる。さらに、ボイド体積は、開放型又は閉鎖型ボイド、又はこれらの組合せを含んでもよい。ある実施形態では、ボイド体積が開放型ボイドを含み、すなわち、負極活性材料層は、負極活性材料層の外側面(すなわち、セパレータ及び正極活性材料層に面する表面)に、リチウムイオン(又は他のキャリアイオン)が負極活性材料層への出入りに際して通ることができる開口を有するボイドを含み、例えば、リチウムイオンは、正極活性材料層を出た後に、このボイド開口から負極活性材料層に入ってもよい。別の実施形態では、ボイド体積が閉鎖型ボイドを含み、すなわち、負極活性材料層は、負極活性材料で包囲されるボイドを含む。一般に、開放型ボイド及び閉鎖型ボイドはそれぞれ、キャリアイオンの進入時に負極活性材料層が膨張する余地を提供するが、開放型ボイドは、より大きい界面表面積をキャリアイオン用に提供できるのに対して、閉鎖型ボイドは、固体電解質界面(「SEI」)の影響を受けにくい傾向がある。したがって、所定の実施形態では、負極活性材料層は、開放型ボイドと閉鎖型ボイドとの組合せを含むことが好ましい。
ある実施形態において、負極活性材料層49は、多孔性のアルミニウム、錫又はシリコン、あるいはこれらの合金を含む。多孔性シリコン層は、例えば、陽極酸化によって、エッチング(例えば、金、白金、銀又は金/パラジウム等の貴金属を単結晶シリコンの(100)表面上へ堆積(蒸着)し、この表面をフッ化水素酸と過酸化水素との混合物でエッチングすること)によって、又はパターニングされる化学エッチング等の当該分野で既知の他の方法によって形成されてもよい。さらに、多孔性の負極活性材料層は、一般に、少なくとも約0.1かつ0.8未満の多孔度を有し、かつ約1マイクロメートルから約100マイクロメートルまでの厚さを有する。例えば、ある実施形態において、負極活性材料層49は、多孔性シリコンを含み、約5マイクロメートルから約100マイクロメートルまでの厚さを有し、かつ約0.15から約0.75までの多孔度を有する。さらなる例として、ある実施形態における負極活性材料層49は、多孔性シリコンを含み、約10マイクロメートルから約80マイクロメートルまでの厚さを有し、かつ約0.15から約0.7までの多孔度を有する。さらなる例として、このような一実施形態における負極活性材料層49は、多孔性シリコンを含み、約20マイクロメートルから約50マイクロメートルまでの厚さを有し、かつ約0.25から約0.6までの多孔度を有する。さらなる例として、ある実施形態における負極活性材料層49は、多孔性のシリコン合金(ケイ化ニッケル等)を含み、約5マイクロメートルから約100マイクロメートルまでの厚さを有し、かつ約0.15から約0.75までの多孔度を有する。
別の実施形態において、負極活性材料層49は、アルミニウム、錫又はシリコンの繊維、又はこれらの合金を含む。個々の繊維は、約5nmから約10,000nmまでの直径(厚さ寸法)と、一般に負極活性材料層49の厚さに対応する長さとを有してもよい。シリコンの繊維(ナノワイヤ)は、例えば、蒸気液体固体(VLS)成長及び固体液体固体(SLS)成長等の化学蒸着、又は当該分野で既知の他の技術によって形成されてもよい。さらに、負極活性材料層49は、一般に、少なくとも約0.1かつ0.8未満の多孔度を有し、かつ約1マイクロメートルから約200マイクロメートルまでの厚さを有する。例えば、ある実施形態における負極活性材料層49は、シリコンナノワイヤを含み、約5マイクロメートルから約100マイクロメートルまでの厚さを有し、かつ約0.15から約0.75までの多孔度を有する。さらなる例として、ある実施形態における負極活性材料層49は、シリコンナノワイヤを含み、約10マイクロメートルから約80マイクロメートルまでの厚さを有し、かつ約0.15から約0.7までの多孔度を有する。さらなる例として、このような一実施形態における負極活性材料層49は、シリコンナノワイヤを含み、約20マイクロメートルから約50マイクロメートルまでの厚さを有し、かつ約0.25から約0.6までの多孔度を有する。さらなる例として、ある実施形態における負極活性材料層49は、シリコン合金(ケイ化ニッケル等)のナノワイヤを含み、約5マイクロメートルから約100マイクロメートルまでの厚さを有し、かつ約0.15から約0.75までの多孔度を有する。
繊維毎にかなりの変動はあり得るものの、アルミニウム、錫又はシリコン(又はこれらの合金)のナノワイヤは、(ナノワイヤと負極活性材料層との付着点において)負極基幹部51に対して大部分が垂直である主軸(中心軸と称される場合もある)を有する。
別の実施形態において、負極活性材料層49は、シリコン又はその合金、及び多孔性シリコン又はその合金、のナノワイヤを含む。このような実施形態では、負極活性材料層は、一般に、多孔性シリコン及びシリコンナノワイヤに関して上述したように、少なくとも約0.1かつ0.8未満の多孔度を有し、かつ約1マイクロメートルから約100マイクロメートルまでの厚さを有する。
次に、図4を参照すると、負極群の各要素21は、負極バス23の内面27から延在し、かつ正極群の各要素22は、正極バス24の内面28から延在し、内面27、28は、互いに向き合い、又は対向する。負極バス23は、負極群の各要素21を負極群の他の要素へ電気的に接続する導電材料を含む。同様に、正極バス24は、正極群の各要素22を互いに電気的に接続する導電材料を含む。説明を容易にするために、電気絶縁性セパレータ材料層43(図2及び図3参照)は、図示されていない。
次に、図5を参照すると、負極群の各要素21は、負極バス23の内面27に近位の底部31と、内面27から遠位の上部33と、幅WNEと、長さLNEと、長手軸ANEとを有する。長さLNEは、底部31と上部33との距離に対応し、長手軸ANEに沿って内面27から、方向Dに対して略垂直である方向へ測定される。図2に図示されているX−Y−Z座標系のコンテキストで言えば、長さLNEは、「X」軸に沿って(かつ方向Dに対して垂直に)測定される。
次に、図7を参照すると、負極群の各要素21は、幅WNEと、高さHNEと、外周PNEとを有し、幅WNE及び高さHNEは、互いにかつ長さLNEが測定される方向に対して垂直方向に測定される。この実施形態では、外周PNEは、2WNE+2HNEに等しい値を有する。幅WNE及び高さHNEは、エネルギー蓄積デバイス及びその意図される用途に依存して変化するが、多くの実施形態において、WNEの値は、約0.01mmから2.5mmまでの範囲内になり、かつHNEの値は、約0.05mmから10mmまでの範囲内になる。例えば、ある実施形態におけるWNEは、約0.025mmから約2mmまでの範囲内になる。さらなる例として、ある実施形態におけるWNEは、約0.05mmから約1mmまでの範囲内になる。さらなる例として、ある実施形態におけるHNEは、約0.05mmから約5mmまでの範囲内になる。さらなる例として、ある実施形態におけるHNEは、約0.05mmから約1mmまでの範囲内になる。一般に、LNE(図5参照)は、WNE及びHNEのそれぞれより実質的に大きくなり、例えば、ある実施形態において、LNEとWNE及びHNEのそれぞれとの比はそれぞれ少なくとも5:1である(すなわち、それぞれLNEとWNEとの比は少なくとも5:1であり、かつLNEとHNEとの比は少なくとも5:1である)。さらなる例として、ある実施形態におけるLNEとWNE及びHNEのそれぞれとの比は少なくとも10:1である。さらなる例として、ある実施形態におけるLNEとWNE及びHNEのそれぞれとの比は少なくとも15:1である。さらなる例として、ある実施形態におけるLNEとWNE及びHNEのそれぞれとの比は少なくとも20:1である。さらに、一般に、LNEは外周PNEより実質的に大きいことが好ましく、例えば、ある実施形態において、LNEとPNEとの比はそれぞれ少なくとも1.25:1である。さらなる例として、ある実施形態では、LNEとPNEとの比はそれぞれ少なくとも2.5:1である。さらなる例として、ある実施形態では、LNEとPNEとの比はそれぞれ少なくとも3.75:1である。さらに、HNEとWNEとの比は一般にそれぞれ少なくとも0.4:1である。例えば、ある実施形態において、HNEとWNEとの比はそれぞれ少なくとも2:1になる。さらなる例として、ある実施形態では、HNEとWNEとの比はそれぞれ少なくとも10:1になる。さらなる例として、ある実施形態では、HNEとWNEとの比はそれぞれ少なくとも20:1になる。しかしながら、典型的には、HNEとWNEとの比は一般にそれぞれ1,000:1より少なくなる。例えば、ある実施形態において、HNEとWNEとの比はそれぞれ500:1より少なくなる。さらなる例として、ある実施形態におけるHNEとWNEとの比はそれぞれ100:1より少なくなる。さらなる例として、ある実施形態におけるHNEとWNEとの比はそれぞれ10:1より少なくなる。さらなる例として、ある実施形態におけるHNEとWNEとの比はそれぞれ約2:1から約100:1までの範囲内になる。図2に図示されているX−Y−Z座標系のコンテキストで言えば、長さLNEは、「X」軸に沿って(かつ方向Dに対して垂直に)測定され、WNEは、「Y」軸に沿って測定され、かつHNEは、「Z」軸に沿って測定される。
典型的には、負極基幹部51は、負極の幅WNEと同一方向へ測定される場合に、少なくとも1マイクロメートルの厚さを有する(図7参照)。負極基幹部51の厚さは、実質上さらに厚いものであり得るが、典型的には、100マイクロメートルを超える厚さにはならない。これより大きい厚さにすることは可能であるが、エネルギー密度に悪影響が及ぶ場合がある。例えば、ある実施形態において、負極基幹部51は、約1マイクロメートルから約50マイクロメートルまでの厚さを有する。一般に、負極基幹部51は、(負極の高さHNEと同一方向へ測定される場合に)少なくとも約50マイクロメートル、より典型的には少なくとも約100マイクロメートルの高さHNBを有する。しかしながら、一般に、負極基幹部51は、典型的には、約10,000マイクロメートル以下、かつより典型的には約5,000マイクロメートル以下の高さを有する。例として、ある実施形態では、負極基幹部51は、約5マイクロメートルから約50マイクロメートルまでの厚さと、約50マイクロメートルから約5,000マイクロメートルまでの高さとを有する。さらなる例として、ある実施形態における負極基幹部51は、約5マイクロメートルから約20マイクロメートルまでの厚さと、約100マイクロメートルから約1,000マイクロメートルまでの高さとを有する。さらなる例として、ある実施形態における負極基幹部51は、約5マイクロメートルから約20マイクロメートルまでの厚さと、約100マイクロメートルから約2,000マイクロメートルまでの高さとを有する。
負極活性材料層49は、少なくとも1マイクロメートルの厚さ(例えば、負極の幅WNEと同一方向へ測定される場合の、図3に示されているような集電体層47と電気絶縁性セパレータ層43との間の最短距離)を有する。しかしながら、一般に、負極活性材料層49は、典型的には、200マイクロメートルを超えない厚さを有する。例えば、ある実施形態において、負極活性材料層49は、約1マイクロメートルから約100マイクロメートルまでの厚さを有する。さらなる例として、ある実施形態における負極活性材料層49は、約2マイクロメートルから約75マイクロメートルまでの厚さを有する。さらなる例として、ある実施形態における負極活性材料層49は、約10マイクロメートルから約100マイクロメートルまでの厚さを有する。さらなる例として、ある実施形態における負極活性材料層49は、約5マイクロメートルから約50マイクロメートルまでの厚さを有する。さらに、負極基幹部51の各外側面上の負極活性材料層49は、(図5に示されているような負極の高さHNEに対応する方向へ測定される場合)少なくとも約50マイクロメートル、より典型的には少なくとも約100マイクロメートルの高さを有する。しかしながら、一般に、負極活性材料層49は、典型的には、約10,000マイクロメートル以下、かつより典型的には約7,500マイクロメートル以下の高さを有する。例として、ある実施形態では、負極活性材料層49は、約1マイクロメートルから約200マイクロメートルまでの厚さと、約50マイクロメートルから約7,500マイクロメートルまでの高さとを有する。さらなる例として、ある実施形態における負極活性材料層49は、約1マイクロメートルから約50マイクロメートルまでの厚さと、約100マイクロメートルから約1,000マイクロメートルまでの高さとを有する。さらなる例として、ある実施形態における負極活性材料層49は、約5マイクロメートルから約20マイクロメートルまでの厚さと、約100マイクロメートルから約1,000マイクロメートルまでの高さとを有する。さらなる例として、ある実施形態における負極活性材料層49は、約10マイクロメートルから約100マイクロメートルまでの厚さと、約100マイクロメートルから約1,000マイクロメートルまでの高さとを有する。さらなる例として、ある実施形態における負極活性材料層49は、約5マイクロメートルから約50マイクロメートルまでの厚さと、約100マイクロメートルから約1,000マイクロメートルまでの高さとを有する。
次に、図6を参照すると、正極群の各要素22は、正極バス24の内面28に近位の底部32と、正極基板面26から遠位の上部34と、幅WPEと、長さLPEと、長手軸APEとを有する。長さLPEは、底部32と上部34との距離に対応し、長手軸APEに沿って内面28から、方向Dに対して略垂直である方向へ測定される。図2に図示されているX−Y−Z座標系のコンテキストで言えば、長さLPEは、「X」軸に沿って(かつ方向Dに対して垂直に)測定される。
次に、図8を参照すると、正極群の各要素22は、幅WPEと、高さHPEと、外周PPEとを有し、幅WPE及び高さHPEは、互いにかつ長さLPEが測定される方向に対して垂直方向に測定される。この実施形態では、外周PPEは、2WPE+2HPEに等しい値を有する。幅WPE及び高さHPEは、エネルギー蓄積デバイス及びその意図される用途に依存して変化するが、多くの実施形態において、WPEは、約0.01mmから2.5mmまでの範囲内になり、かつHPEの値は、約0.05mmから10mmまでの範囲内になる。例えば、ある実施形態におけるWPEは、約0.025mmから約2mmまでの範囲内になる。さらなる例として、ある実施形態におけるWPEは、約0.05mmから約1mmまでの範囲内になる。さらなる例として、ある実施形態におけるHPEは、約0.05mmから約5mmまでの範囲内になる。さらなる例として、ある実施形態におけるHPEは、約0.05mmから約1mmまでの範囲内になる。一般に、LPE(図6参照)は、WPE及びHPEのそれぞれより実質的に大きくなり、例えば、ある実施形態において、LPEとWPE及びHPEのそれぞれとの比はそれぞれ少なくとも5:1である(すなわち、LPEとWPEとの比はそれぞれ少なくとも5:1であり、かつLPEとHPEとの比はそれぞれ少なくとも5:1である)。さらなる例として、ある実施形態におけるLPEとWPE及びHPEのそれぞれとの比は、少なくとも10:1である。さらなる例として、ある実施形態におけるLPEとWPE及びHPEのそれぞれとの比は少なくとも15:1である。さらなる例として、ある実施形態におけるLPEとWPE及びHPEのそれぞれとの比は、少なくとも20:1である。さらに、一般に、LPEは外周PPEより実質的に大きいことが好ましく、例えば、ある実施形態において、LPEとPPEとの比はそれぞれ少なくとも1.25:1である。さらなる例として、ある実施形態では、LPEとPPEとの比はそれぞれ少なくとも2.5:1である。さらなる例として、ある実施形態では、LPEとPPEとの比はそれぞれ少なくとも3.75:1である。さらに、HPEとWPEとの比は一般にそれぞれ少なくとも0.4:1である。例えば、ある実施形態において、HPEとWPEとの比はそれぞれ少なくとも2:1になる。さらなる例として、ある実施形態では、HPEとWPEとの比はそれぞれ少なくとも10:1になる。さらなる例として、ある実施形態では、HPEとWPEとの比はそれぞれ少なくとも20:1になる。しかしながら、典型的には、HPEとWPEとの比は一般にそれぞれ1,000:1より少なくなる。例えば、ある実施形態において、HPEとWPEとの比はそれぞれ500:1より少なくなる。さらなる例として、ある実施形態におけるHPEとWPEとの比はそれぞれ100:1より少なくなる。さらなる例として、ある実施形態におけるHPEとWPEとの比はそれぞれ10:1より少なくなる。さらなる例として、ある実施形態におけるHPEとWPEとの比はそれぞれ約2:1から約100:1までの範囲内になる。図2に図示されているX−Y−Z座標系のコンテキストで言えば、ある好適な実施形態において、長さLPEは、「X」軸に沿って(かつ方向Dに対して垂直に)測定され、WPEは、「Y」軸に沿って測定され、かつHPEは、「Z」軸に沿って測定される。
典型的には、正極基幹部52は、正極の幅WPEと同一方向へ測定される場合に、少なくとも1マイクロメートルの厚さを有する(図8参照)。正極基幹部52の厚さは、実質上さらに厚いものであり得るが、一般に、100マイクロメートルを超える厚さにはならない。例えば、ある実施形態において、正極基幹部52は、約1マイクロメートルから約50マイクロメートルまでの厚さを有する。一般に、正極基幹部52は、(負極の高さHNEと同一方向へ測定される場合に)少なくとも約50マイクロメートル、より典型的には少なくとも約100マイクロメートルの高さHPEを有する。しかしながら、一般に、正極基幹部52は、典型的には、約10,000マイクロメートル以下、かつより典型的には約5,000マイクロメートル以下の高さを有する。例として、ある実施形態では、正極基幹部52は、約5マイクロメートルから約50マイクロメートルまでの厚さと、約50マイクロメートルから約5,000マイクロメートルまでの高さとを有する。さらなる例として、ある実施形態における正極基幹部52は、約5マイクロメートルから約20マイクロメートルまでの厚さと、約100マイクロメートルから約1,000マイクロメートルまでの高さとを有する。さらなる例として、ある実施形態における正極基幹部52は、約5マイクロメートルから約20マイクロメートルまでの厚さと、約100マイクロメートルから約2,000マイクロメートルまでの高さとを有する。
正極活性材料層50は、少なくとも1マイクロメートルの厚さ(例えば、正極の幅WPEと同一方向へ測定される場合の、図3に示されているような集電体層48と電気絶縁性セパレータ層43との間の最短距離)を有する。しかしながら、一般に、正極活性材料層50は、典型的には、500マイクロメートルを超えない厚さを有する。例えば、ある実施形態において、正極活性材料層50は、約1マイクロメートルから約200マイクロメートルまでの厚さを有する。さらなる例として、ある実施形態における正極活性材料層50は、約2マイクロメートルから約100マイクロメートルまでの厚さを有する。さらなる例として、ある実施形態における正極活性材料層50は、約10マイクロメートルから約100マイクロメートルまでの厚さを有する。さらなる例として、ある実施形態における正極活性材料層50は、約5マイクロメートルから約50マイクロメートルまでの厚さを有する。さらに、正極基幹部51の各外側面上の正極活性材料層50は、(図6に示されているような正極の高さHPEに対応する方向へ測定される場合)少なくとも約50マイクロメートル、より典型的には少なくとも約100マイクロメートルの高さを有する。しかしながら、一般に、正極活性材料層50は、典型的には、約10,000マイクロメートル以下、かつより典型的には約7,500マイクロメートル以下の高さを有する。例として、ある実施形態では、正極活性材料層50は、約1マイクロメートルから約200マイクロメートルまでの厚さと、約50マイクロメートルから約7,500マイクロメートルまでの高さとを有する。さらなる例として、ある実施形態における正極活性材料層50は、約1マイクロメートルから約50マイクロメートルまでの厚さと、約100マイクロメートルから約1,000マイクロメートルまでの高さとを有する。さらなる例として、ある実施形態における正極活性材料層50は、約5マイクロメートルから約20マイクロメートルまでの厚さと、約100マイクロメートルから約1,000マイクロメートルまでの高さとを有する。さらなる例として、ある実施形態における正極活性材料層50は、約10マイクロメートルから約100マイクロメートルまでの厚さと、約100マイクロメートルから約1,000マイクロメートルまでの高さとを有する。さらなる例として、ある実施形態における正極活性材料層50は、約5マイクロメートルから約50マイクロメートルまでの厚さと、約100マイクロメートルから約1,000マイクロメートルまでの高さとを有する。
次に、図9を参照すると、ある実施形態において、電気絶縁性セパレータ層43は、正極バス24の表面28から負極バス23の表面27へ延在し、かつ要素22及び要素21の各軸APE及びANEを要素22及び要素21の各長さLPE及びLNEの全体にわたって包囲する。このような一実施形態において、電気絶縁性セパレータ層43は、(上述したような)マイクロポーラスセパレータ材料を含み、マイクロポーラスセパレータ材料は、要素22及び要素21の各軸APE及びANEを要素22及び要素21の各長さLPE及びLNEの全体にわたって包囲する。また、電気絶縁性材料層43は、(上述したように)負極21の上部33と正極バス24の表面28との間の領域内にもマイクロポーラスセパレータ材料を含む。したがって、この実施形態では、電気絶縁性材料層43は、負極群の各要素21及び正極群の各要素22を包囲する。言い替えれば、この実施形態において、電気絶縁性セパレータ層43は、(i)負極群の各要素21の全長LNEに及ぶ各要素21の長手軸ANEと、負極群の各要素21の上部33とを包囲し、かつ(ii)正極群の各要素22の全長LPEに亘る各要素22の長手軸APEと、正極群の各要素22の上部34とを包囲する。
次に、図10を参照すると、ある実施形態において、本発明の三次元電池70は、電池筐体72と、電極積層体74と、電極積層体74を外部エネルギー供給又は消費物(図示せず)へ電気的に接続するための負極タブ41及び正極タブ42とを備える。電極積層体74は、6層の電極構造体20(図2参照)を備え、これらの電極構造体20は、各電極構造体20内において一連の交互に嵌合された電極が集積される進行方向に対して垂直の方向へ積層される。再度図2を参照すると、この実施形態における6層の電極構造体の積層方向は、図2に示されているX−Y−Z座標系の「Z」方向であり、また方向Dに対して垂直である。電極積層体74内の電極構造体の数は、さほど重要でなく、よって例えば、1から50までの範囲であってもよいが、典型的には、電極積層体内に2から20までの電極構造体が存在する。電池筐体に非水電解質を充填した後、電池筐体72は、蝶番72Bにおいて蓋72Aを折りかつ蓋72Aを上面72Cへ粘着することによって密封されてもよい。
ある実施形態において、負極タブ伸張部分25は、積層体74内の各電極構造体20の負極バス23へ(例えば、導電グルーを用いて)電気的に接続され、かつ正極タブ伸張部分26は、積層体74内の各電極構造体20の正極バス24へ(例えば、導電グルーを用いて)電気的に接続される。図示されているように、負極タブ伸張部分25は、6層の電極構造体20のそれぞれの負極バス23へ電気的に接続され、かつ正極タブ伸張部分26は、正極バス24へ電気的に接続され、他の実施形態では、負極及び正極タブ伸張部分25、26は、電極積層体74内のより多い、又はより少ない数の負極及び正極バスへ電気的に接続されてもよく、電極構造体の数は、例えば、1から50までの範囲であってもよいが、典型的には、2から20までの範囲である。ある代替実施形態では、積層体内の電極構造体の数に関わらず、積層体74は、2つ以上の負極タブ伸張部分25と、2つ以上の正極タブ伸張部分26とを含んでもよい。
負極タブ41及び負極タブ伸張部分25、及び正極タブ42及び正極タブ伸張部分42は、広範な導電材料のうちの何れをも含んでもよい。例えば、ある実施形態において、負極タブ41及び負極タブ伸張部分25、及び正極タブ42及び正極タブ伸張部分42は、独立的に、シリコン、炭素、炭素複合材、金属シリサイドなどといった導電材料を含む。正極タブ及び正極タブ伸張部分としての例示的な材料には、正極バス用に識別されるものと同じ材料が含まれ、かつ負極タブ及び負極タブ伸張部分としての例示的な材料は、負極バス用に識別されるものと同じ材料を含む。
負極タブ41、負極タブ伸張部分25、正極タブ42及び正極タブ伸張部分26は、広範な技術によってそれぞれ負極バス23及び正極バス24へ付着されてもよい。タブ、タブ伸張部分及びバスを付着するための方法には、粘着、はんだ付け、接着、焼結、圧接、蝋付け、溶射接合、締付け、又はこれらの組合せが含まれてもよい。粘着は、材料同士を、導電性エポキシ、導電性エラストマー、ならびにニッケル充填エポキシ、炭素充填エポキシ、他等の導電金属で充填された絶縁性有機接着剤の混合物等の導電材料で接合することを含んでもよい。材料同士の接合には、導電ペーストが使用されてもよく、接合強さは、温度(焼結)、光(UV硬化、架橋結合)、化学硬化(触媒ベースの架橋結合)によって調整することも可能である。接着プロセスには、ワイヤボンディング、リボンボンディング、超音波接着、が含まれてもよい。溶接プロセスには、超音波溶接、抵抗溶接、レーザビーム溶接、電子ビーム溶接、誘導溶接及び冷間溶接が含まれてもよい。また、これらの材料の接合は、プラズマ溶射、フレーム溶射、アーク溶射等の溶射被覆といった被覆プロセスを用いて材料同士を接合することによっても実行することが可能である。例として、ニッケル又は銅メッシュは、ニッケルバス上へ、ニッケル溶射を接着剤として用いて接合することが可能である。
次に、図11を参照すると、電池筐体72が非水電解質(図示せず)で充填され、かつ蓋72Aは、電極積層体74を封入するために上面(図10参照)上へ折られかつ上面へ密封されてもよい。エネルギー供給又は消費物(図示せず)へ接続できるように、タブ41、42は、密封された筐体から、電極積層体74内の個々の電極構造体20の積層方向に対して垂直でありかつ電極積層体74内の各電極構造体20における一連の交互に嵌合された電極の進行方向に対して平行である方向へ伸張する。
所定の実施形態において、電池筐体は、互いに垂直に、平行に、又は垂直かつ水平に積層される2つ以上の電極構造体(ダイと称されることもある)を含んでもよく、かつタブ伸張部分は、電池外部の環境への電気的な接続を提供するために、各電極へ接続される。ダイが垂直に積層される場合、異なる電極構造体内の負極群の底部(又は負極バス、の何れか存在するもの)は、互いに垂直に位置合わせされ、かつ異なる電極構造体内の正極群の底部(又は正極バス、の何れか存在するもの)は、互いに垂直に位置合わせされる。所定の実施形態において、積層体内の各電極構造体は、図2に示されているように、セパレータ材料の上部及び底部被覆を有する。しかしながら、他の実施形態では、セパレータ材料の上部被覆、底部被覆又は上部及び底部被覆が省かれてもよく、電気的な絶縁を提供するために、電極構造体(ダイ)間に独立したセパレータ層が挿入されてもよい。この目的のために、市販の電池セパレータが望ましいサイズにカットされて使用されてもよい。ダイが積層されると、実施形態によっては、電極構造体内の正極群及び負極群のタブ伸張部分が電極バス(存在すれば)の端部又はそれぞれの群の電極端部へ、粘着、プラズマ溶射、溶接、他によって電気的に接続される。意図される用途によっては、各タブ伸張部分は、電極積層体内の個々の電極構造体(ダイ)へ接続されてもよい。あるいは、単一のタブ伸張部分が積層体内の2つ以上の電極構造体(ダイ)へ電気的に接続されてもよく、このような一実施形態において、タブ伸張部分は、積層体の高さにわたって存在し(例えば、図10における26参照)、かつ積層体内の全ての電極構造体(ダイ)への電気的な接続を作り出す。
ダイを上下に垂直に積み重ねる代わりに、ある実施形態では、ダイがX平面内で互いに隣接して並べられる。並べることは、一軸のみ(例えば、X軸のみ)に沿って、又は両軸に沿って発生することが可能である。このような一実施形態において、各ダイ上の電極バスの極性は、1つのダイからのカソードバスが次のダイからのカソードバスに隣接し、かつ1つのダイからのアノードバスが次のダイのアノードバスの次に来るように交互に逆転される。この方法では、隣接する2つのダイへの接続に共通タブを用いることができ、重量及び体積が節約される。XY平面に並べる際には、複数のアノードタブ及び/又はカソードタブを互いに連接して単一のアノード接続及び単一のカソード接続を形成する必要がある場合がある。これは、電池筐体の内部でも、外部でも達成することが可能である。所定の実施形態では、複数のアノードタブ及び/又は複数のカソードタブが連接されないままで、電池筐体から出てきてもよい。あるいは、アノードとカソードの単一接続が電池筐体の外部へ引き出されてもよい。この実施形態では、カソードタブは、当初T字形に成形される。Tの上部は、隣接する2つのカソードバスへ連接する。Tの底部は、90度に曲げられて、並べられたダイの底部に沿って延在する。複数のカソードタブの底部は、並べられたダイの底部に沿って互いに上下に存在する。これらの複数のタブは、次に、抵抗溶接、レーザ溶接、スポット溶接によって互いに電気的に接続されるか、導電性接着剤で連接される。次に、これらのカソードタブのうちの1つだけが、電池筐体の外へ引き出される。同様に、複数のアノードタブも、当初T字形に成形される。Tの上部は、隣接する2つのアノードバスへ連接する。Tの底部は、90度に曲げられて、並べられたダイの底部に沿って延在する。複数のアノードタブの底部は、並べられたダイの底部に沿って互いに上下に存在する。これらの複数のタブは、次に、抵抗溶接、レーザ溶接、スポット溶接によって互いに電気的に接続されるか、導電性接着剤で連接される。次に、これらのアノードタブのうちの1つだけが、電池筐体の外へ引き出される。XY平面内の並びは、Z平面におけるダイの積層と組み合わされることも可能である。この方法では、個々のダイより遙かに大きい電池を製造することができる。
携帯電話及びコンピュータ等の携帯用電子機器のリチウムイオン電池の場合、例えば、電池筐体72は、パウチ又は他の従来型電池筐体で置換されてもよい。
次に、図12を参照すると、ある代替実施形態において、電気絶縁性セパレータ層43は、負極群の各要素21の軸ANEを包囲する。この実施形態における電気絶縁性セパレータ層43は、負極要素21と正極要素22とによる隣接するペア間に存在するが、正極群の各要素22の軸APEを包囲しない。電気絶縁性セパレータ層43は、各要素21、22の対向する外側面61、62間、及び各要素21、22の対向する外側面63、64間に(上述したような)マイクロポーラスセパレータ材料を含む。例えば、このような一実施形態において、電気絶縁性セパレータ層43は、(上述したような)マイクロポーラスセパレータ材料を含み、かつマイクロポーラスセパレータ材料は、各要素21の軸ANEを各要素21の長さLNEの少なくとも70%にわたって包囲する。さらなる例として、このような一実施形態における電気絶縁性セパレータ層43は、(上述したような)マイクロポーラスセパレータ材料を含み、かつマイクロポーラスセパレータ材料は、各要素21の軸ANEを各要素21の長さLNEの少なくとも75%にわたって包囲する。さらなる例として、このような一実施形態における電気絶縁性セパレータ層43は、(上述したような)マイクロポーラスセパレータ材料を含み、かつマイクロポーラスセパレータ材料は、各要素21の軸ANEを各要素21の長さLNEの少なくとも80%にわたって包囲する。さらなる例として、このような一実施形態における電気絶縁性セパレータ層43は、(上述したような)マイクロポーラスセパレータ材料を含み、かつマイクロポーラスセパレータ材料は、各要素21の軸ANEを各要素21の長さLNEの少なくとも85%にわたって包囲する。さらなる例として、このような一実施形態における電気絶縁性セパレータ層43は、(上述したような)マイクロポーラスセパレータ材料を含み、かつマイクロポーラスセパレータ材料は、各要素21の軸ANEを各要素21の長さLNEの少なくとも90%にわたって包囲する。さらなる例として、このような一実施形態における電気絶縁性セパレータ層43は、(上述したような)マイクロポーラスセパレータ材料を含み、かつマイクロポーラスセパレータ材料は、各要素21の軸ANEを各要素21の長さLNEの少なくとも95%にわたって包囲する。さらなる例として、このような一実施形態における電気絶縁性セパレータ層43は、(上述したような)マイクロポーラスセパレータ材料を含み、かつマイクロポーラスセパレータ材料は、各要素21の軸ANEを各要素21の長さLNE全体にわたって包囲する。前述の例示的な各実施形態において、電気絶縁性セパレータ層43は、(上述したような)マイクロポーラスセパレータ材料を、要素21の前面65及び裏面67を包囲する領域にも含む。
次に、図13を参照すると、ある代替実施形態において、負極群の各要素21の高さHNEは、正極群の各要素22の高さHPEより少なくてもよい。この実施形態において、かつ図12に関連してより十分に説明されているように、電気絶縁性セパレータ層43は、負極群の各要素21の軸ANEを負極群の各要素21の長さLNEの少なくとも大部分(例えば、少なくとも70%、少なくとも75%、少なくとも80%、少なくとも85%、少なくとも90%、少なくとも95%又は全体長さ)にわたって包囲する。電気絶縁性セパレータ層43は、(上述したような)マイクロポーラスセパレータ材料を、要素21の前面65及び裏面67を包囲する領域にも含む。
次に、図14を参照すると、ある代替実施形態において、電気絶縁性セパレータ層43は、正極群の各要素22の軸APEを包囲する。この実施形態における電気絶縁性セパレータ層43は、負極要素21と正極要素22とによる隣接するペア間に存在するが、負極群の各要素21の軸ANEを包囲しない。電気絶縁性セパレータ層43は、各要素21、22の対向する外側面61、62間、及び各要素21、22の対向する外側面63、64間に(上述したような)マイクロポーラスセパレータ材料を含む。例えば、このような一実施形態において、電気絶縁性セパレータ層43は、(上述したような)マイクロポーラスセパレータ材料を含み、かつマイクロポーラスセパレータ材料は、各要素22の軸APEを各要素22の長さLPEの少なくとも70%にわたって包囲する。さらなる例として、このような一実施形態における電気絶縁性セパレータ層43は、(上述したような)マイクロポーラスセパレータ材料を含み、かつマイクロポーラスセパレータ材料は、各要素22の軸APEを各要素22の長さLPEの少なくとも75%にわたって包囲する。さらなる例として、このような一実施形態における電気絶縁性セパレータ層43は、(上述したような)マイクロポーラスセパレータ材料を含み、かつマイクロポーラスセパレータ材料は、各要素22の軸APEを各要素22の長さLPEの少なくとも80%にわたって包囲する。さらなる例として、このような一実施形態における電気絶縁性セパレータ層43は、(上述したような)マイクロポーラスセパレータ材料を含み、かつマイクロポーラスセパレータ材料は、各要素22の軸APEを各要素22の長さLPEの少なくとも85%にわたって包囲する。さらなる例として、このような一実施形態における電気絶縁性セパレータ層43は、(上述したような)マイクロポーラスセパレータ材料を含み、かつマイクロポーラスセパレータ材料は、各要素22の軸APEを各要素22の長さLPEの少なくとも90%にわたって包囲する。さらなる例として、このような一実施形態における電気絶縁性セパレータ層43は、(上述したような)マイクロポーラスセパレータ材料を含み、かつマイクロポーラスセパレータ材料は、各要素22の軸APEを各要素22の長さLPEの少なくとも95%にわたって包囲する。さらなる例として、このような一実施形態における電気絶縁性セパレータ層43は、(上述したような)マイクロポーラスセパレータ材料を含み、かつマイクロポーラスセパレータ材料は、各要素22の軸APEを各要素22の長さLPE全体にわたって包囲する。前述の例示的な各実施形態において、電気絶縁性セパレータ層43は、(上述したような)マイクロポーラスセパレータ材料を、要素22の前面66及び裏面68を包囲する領域にも含む。
ある代替実施形態において、電気絶縁性セパレータ層43は、図14に関連して述べたように正極群の各要素22の軸APEを包囲するが、負極群の各要素21の高さHNEは、正極群の各要素22の高さHPEより大きい。この代替実施形態において、電気絶縁性セパレータ層43は、正極群の各要素22の軸APEを正極群の各要素22の長さLPEの少なくとも大部分(例えば、少なくとも70%、少なくとも75%、少なくとも80%、少なくとも85%、少なくとも90%、少なくとも95%又は全体長さ)にわたって包囲する。電気絶縁性セパレータ層43は、(上述したような)マイクロポーラスセパレータ材料を、要素22の前面66及び裏面68を包囲する領域にも含む。
次に、図15を参照すると、ある実施形態において、電気絶縁性セパレータ層43、86及び88の組合せは、(i)負極群の各要素21の軸ANE、及び(ii)正極群の各要素22の軸APEを包囲する。電気絶縁性セパレータ層43は、(上述したような)マイクロポーラスセパレータ材料を、各要素21、22の対向する外側面61、62間及び各要素21、22の対向する外側面63、64間の領域内に含む。要素21と要素22との間のイオン移動の主要ルートは、これらの要素の外側面間で発生することから、電気絶縁性セパレータ層86、88は、二次電池における使用に適するあらゆる電気絶縁性材料を含んでもよく、このような一実施形態において、電気絶縁性セパレータ層86、88は、キャリアイオン(例えば、リチウムイオン)に対して低い電子伝導性及びイオン伝導性を有する電気絶縁性材料を含む。例えば、ある実施形態において、この電気絶縁性材料は、キャリアイオン(例えば、リチウム)に対して1x10−4S/cmの伝導率を有する。さらなる例として、ある実施形態における粒子状材料は、キャリアイオンに対して1x10−5S/cm未満の伝導率を有する。さらなる例として、ある実施形態における粒子状材料は、キャリアイオンに対して1x10−6S/cm未満の伝導率を有する。例示的な粒子状材料は、マイクロポーラスセパレータ材料に関する例示的な粒子状材料として先に同定したあらゆる材料を含む。ある例示的な実施形態において、電気絶縁性セパレータ層43、86及び88の組合せは、各要素21の軸ANEを各要素21の長さLNEの少なくとも70%にわたって包囲し、かつ各要素22の軸APEを各要素22の長さLPEの少なくとも70%にわたって包囲する。さらなる例として、このような一実施形態における電気絶縁性セパレータ層43、86及び88の組合せは、各要素21の軸ANEを各要素21の長さLNEの少なくとも75%にわたって包囲し、かつ各要素22の軸APEを各要素22の長さLPEの少なくとも75%にわたって包囲する。さらなる例として、このような一実施形態における電気絶縁性セパレータ層43、86及び88の組合せは、各要素21の軸ANEを各要素21の長さLNEの少なくとも80%にわたって包囲し、かつ各要素22の軸APEを各要素22の長さLPEの少なくとも80%にわたって包囲する。さらなる例として、このような一実施形態における電気絶縁性セパレータ層43、86及び88の組合せは、各要素21の軸ANEを各要素21の長さLNEの少なくとも85%にわたって包囲し、かつ各要素22の軸APEを各要素22の長さLPEの少なくとも85%にわたって包囲する。さらなる例として、このような一実施形態における電気絶縁性セパレータ層43、86及び88の組合せは、各要素21の軸ANEを各要素21の長さLNEの少なくとも90%にわたって包囲し、かつ各要素22の軸APEを各要素22の長さLPEの少なくとも90%にわたって包囲する。さらなる例として、このような一実施形態における電気絶縁性セパレータ層43、86及び88の組合せは、各要素21の軸ANEを各要素21の長さLNEの少なくとも95%にわたって包囲し、かつ各要素22の軸APEを各要素22の長さLPEの少なくとも95%にわたって包囲する。さらなる例として、このような一実施形態における電気絶縁性セパレータ層43、86及び88の組合せは、各要素21の軸ANEを各要素21の長さLNE全体にわたって包囲し、かつ各要素22の軸APEを各要素22の長さLPE全体にわたって包囲する。
次に、図16を参照すると、ある代替実施形態において、電気絶縁性セパレータ層43、86及び88の組合せは、負極群の各要素21の軸ANEを包囲する。この実施形態において、電気絶縁性セパレータ層43は、正極群の要素22と負極群の要素21との間に存在し、電気絶縁性セパレータ層86、88は、他の領域に存在する。例えば、この実施形態において、電気絶縁性セパレータ層43は、マイクロポーラスセパレータ材料を各要素21、22の対向する外側面61、62間及び各要素21、22の対向する外側面63、64間の領域内に含む。しかしながら、要素21と要素22との間のイオン移動の主要ルートは、これらの要素の外側面間で発生することから、電気絶縁性セパレータ層86、88は、マイクロポーラスセパレータ材料を含む必要がなく、代わりに、電気絶縁性セパレータ層86、88は、場合により、図15に関連してより十分に説明されているように、キャリアイオン(例えば、リチウムイオン)に対して実質的に不透過性である電気絶縁性材料を含んでもよい。このような例示的な一実施形態において、電気絶縁性セパレータ層43、86及び88の組合せは、各要素21の軸ANEを各要素21の長さLNEの少なくとも70%にわたって包囲する。さらなる例として、このような一実施形態における電気絶縁性セパレータ層43、86及び88の組合せは、各要素21の軸ANEを各要素21の長さLNEの少なくとも75%にわたって包囲する。さらなる例として、このような一実施形態における電気絶縁性セパレータ層43、86及び88の組合せは、各要素21の軸ANEを各要素21の長さLNEの少なくとも80%にわたって包囲する。さらなる例として、このような一実施形態における電気絶縁性セパレータ層43、86及び88の組合せは、各要素21の軸ANEを各要素21の長さLNEの少なくとも85%にわたって包囲する。さらなる例として、このような一実施形態における電気絶縁性セパレータ層43、86及び88の組合せは、各要素21の軸ANEを各要素21の長さLNEの少なくとも90%にわたって包囲する。さらなる例として、このような一実施形態における電気絶縁性セパレータ層43、86及び88の組合せは、各要素21の軸ANEを各要素21の長さLNEの少なくとも95%にわたって包囲する。さらなる例として、このような一実施形態における電気絶縁性セパレータ層43、86及び88の組合せは、各要素21の軸ANEを各要素21の長さLNE全体にわたって包囲する。
次に、図17を参照すると、ある代替実施形態において、電気絶縁性セパレータ層43、86及び88の組合せは、正極群の要素22の軸APEを包囲する。この実施形態において、電気絶縁性セパレータ層43は、正極群の要素22と負極群の要素21との間に存在し、電気絶縁性セパレータ層86、88は、他の領域に存在する。例えば、この実施形態において、電気絶縁性セパレータ層43は、マイクロポーラスセパレータ材料を各要素21、22の対向する外側面61、62間及び各要素21、22の対向する外側面63、64間の領域内に含む。しかしながら、要素21と要素22との間のイオン移動の主要ルートは、これらの要素の外側面間で発生することから、電気絶縁性セパレータ層86、88は、マイクロポーラスセパレータ材料を含む必要がなく、代わりに、電気絶縁性セパレータ層86、88は、場合により、図15に関連してより十分に説明されているように、キャリアイオン(例えば、リチウムイオン)に対して実質的に不透過性である電気絶縁性材料を含んでもよい。このような例示的な一実施形態において、電気絶縁性セパレータ層43、86及び88の組合せは、各要素22の軸APEを各要素22の長さLPEの少なくとも70%にわたって包囲する。さらなる例として、このような一実施形態における電気絶縁性セパレータ層43、86及び88の組合せは、各要素22の軸APEを各要素22の長さLPEの少なくとも75%にわたって包囲する。さらなる例として、このような一実施形態における電気絶縁性セパレータ層43、86及び88の組合せは、各要素22の軸APEを各要素22の長さLPEの少なくとも80%にわたって包囲する。さらなる例として、このような一実施形態における電気絶縁性セパレータ層43、86及び88の組合せは、各要素22の軸APEを各要素22の長さLPEの少なくとも85%にわたって包囲する。さらなる例として、このような一実施形態における電気絶縁性セパレータ層43、86及び88の組合せは、各要素22の軸APEを各要素22の長さLPEの少なくとも90%にわたって包囲する。さらなる例として、このような一実施形態における電気絶縁性セパレータ層43、86及び88の組合せは、各要素22の軸APEを各要素22の長さLPEの少なくとも95%にわたって包囲する。さらなる例として、このような一実施形態における電気絶縁性セパレータ層43、86及び88の組合せは、各要素22の軸APEを各要素22の長さLPE全体にわたって包囲する。
次に、図18を参照すると、ある代替実施形態において、電気絶縁性セパレータ層43、86及び88の組合せは、(i)負極群の各要素21の軸ANE、及び(ii)正極群の各要素22の軸APEを包囲する。図15に関連して説明したように、電気絶縁性セパレータ層43は、マイクロポーラスセパレータ材料を、各要素21、22の対向する外側面61、62間及び各要素21、22の対向する外側面63、64間の領域内に含む。要素21と要素22との間のイオン移動の主要ルートは、これらの要素の外側面間で発生することから、電気絶縁性セパレータ層86、88は、二次電池における使用に適するあらゆる電気絶縁性材料を含んでもよく、このような一実施形態において、電気絶縁性セパレータ層86、88は、図15に関連して説明したように、キャリアイオン(例えば、リチウムイオン)に対して実質的に不透過性である電気絶縁性材料を含む。この実施形態において、電気絶縁性セパレータ層86は、各要素21、22の前面65、66を超えて、各要素21及び要素22の対向する外側面61、62間及び外側面63、64間の領域内へと延在する。また、電気絶縁性セパレータ層88も、各要素21、22の裏面67、68を超えて、各要素21及び要素22の対向する外側面61、62間及び外側面63、64間の領域内へと延在する。例えば、このような一実施形態において、マイクロポーラスセパレータ材料の多孔性を考慮に入れなければ、マイクロポーラスセパレータ材料は、各要素21、22の対向する外側面61、62間及び対向する外側面63、64間の電気絶縁性セパレータ材料層43の少なくとも70体積%を構成する。さらなる例として、ある実施形態では、マイクロポーラスセパレータ材料の多孔性を考慮に入れなければ、マイクロポーラスセパレータ材料は、各要素21、22の対向する外側面61、62間及び対向する外側面63、64間の電気絶縁性セパレータ材料層43の少なくとも75体積%を構成する。さらなる例として、ある実施形態では、マイクロポーラスセパレータ材料の多孔性を考慮に入れなければ、マイクロポーラスセパレータ材料は、各要素21、22の対向する外側面61、62間及び対向する外側面63、64間の電気絶縁性セパレータ材料層43の少なくとも80体積%を構成する。さらなる例として、ある実施形態では、マイクロポーラスセパレータ材料の多孔性を考慮に入れなければ、マイクロポーラスセパレータ材料は、各要素21、22の対向する外側面61、62間及び対向する外側面63、64間の電気絶縁性セパレータ材料層43の少なくとも85体積%を構成する。さらなる例として、ある実施形態では、マイクロポーラスセパレータ材料の多孔性を考慮に入れなければ、マイクロポーラスセパレータ材料は、各要素21、22の対向する外側面61、62間及び対向する外側面63、64間の電気絶縁性セパレータ材料層43の少なくとも90体積%を構成する。さらなる例として、ある実施形態では、マイクロポーラスセパレータ材料の多孔性を考慮に入れなければ、マイクロポーラスセパレータ材料は、各要素21、22の対向する外側面61、62間及び対向する外側面63、64間の電気絶縁性セパレータ材料層43の少なくとも95体積%を構成する。
次に、図19を参照すると、ある実施形態において、電気絶縁性セパレータ層43、82及び84はそれぞれ正極群及び負極群の各要素22及び各要素21を包囲する。しかしながら、この実施形態において、電気絶縁性セパレータ層43は、各要素22及び各要素21の軸APE及び軸ANEをそれぞれ要素22及び要素21の長さLPE及びLNEの一部にわたって包囲する。言い替えれば、この実施形態において、電気絶縁性セパレータ層43は、各要素21、22の対向する外側面間の領域に存在し、電気絶縁性セパレータ層43は、各要素21、22の前面65、66を被覆し(図3参照)、かつ電気絶縁性セパレータ層43は、各要素21、22の裏面67、68を被覆し(図3参照)、電気絶縁性セパレータ層82は、負極21の上部33と、正極バスバー24との間の領域に存在し、かつ電気絶縁性セパレータ層84は、正極22の上部34と負極バスバー23との間の領域に存在する。長さL82は、電気絶縁性セパレータ層82の長さに対応し、長さL84は、電気絶縁性セパレータ層84の長さに対応し、かつ長さL43は、電気絶縁性セパレータ層43の長さに対応する。例えば、この実施形態において、電気絶縁性セパレータ層43は、(i)負極群の各要素21の軸ANEを、負極群の各要素21の少なくとも大部分(例えば、少なくとも70%、少なくとも75%、少なくとも80%、少なくとも85%、少なくとも90%又は少なくとも95%)にわたって、但し長さLNE全体より少ない長さにわたって包囲する。言い替えれば、この実施形態において、長さL43は、長さLNEの少なくとも70%、少なくとも75%、少なくとも80%、少なくとも85%、少なくとも90%又は少なくとも95%でもあり、かつ長さLNE全体より少ない。さらに、この実施形態において、電気絶縁性セパレータ層43は、正極群の各要素22の軸APEを、正極群の各要素22の少なくとも大部分(例えば、少なくとも70%、少なくとも75%、少なくとも80%、少なくとも85%、少なくとも90%又は少なくとも95%)にわたって、但し長さLPE全体より少ない長さにわたって包囲する。言い替えれば、この実施形態において、長さL43は、長さLPEの少なくとも70%、少なくとも75%、少なくとも80%、少なくとも85%、少なくとも90%又は少なくとも95%でもあり、かつ長さLPE全体より少ない。電気絶縁性セパレータ層43は、(上述したような)マイクロポーラスセパレータ材料を含む。しかしながら、要素21と要素22との間のイオン移動の主要ルートは、これらの要素の外側面間で発生することから、電気絶縁性セパレータ層82、84は、マイクロポーラスセパレータ材料を含む必要がなく、代わりに、電気絶縁性セパレータ層82、84は、場合により、図15に関連してより十分に説明したように、キャリアイオン(例えば、リチウムイオン)に対して実質的に不透過性である電気絶縁性材料を含んでもよい。
図19に関連してより十分に説明したように、代替実施形態において、電気絶縁性セパレータ層82は、負極21の上部33と正極バスバー24との間の領域に存在し、かつ電気絶縁性セパレータ層84は、正極22の上部34と負極バスバー23との間の領域に存在するが、これらの2領域の間で、要素21及び要素22は、図12以降に関連してより十分に説明されているように、個々の長さに沿って電気絶縁されてもよい。言い替えれば、このような代替実施形態では、図12及び図13に関連してより十分に説明されているように、要素21は、電気絶縁性のセパレータ材料によって包囲されるが、要素22は包囲されない。別のこのような代替実施形態では、図14に関連してより十分に説明されているように、要素22は、電気絶縁性のセパレータ材料によって包囲されるが、要素21は包囲されない。別のこのような代替実施形態では、図15に関連してより十分に説明されているように、要素21及び要素22は、電気絶縁性セパレータ層43、86及び88によって包囲される。別のこのような代替実施形態では、図16に関連してより十分に説明されているように、要素21は、電気絶縁性セパレータ層43、86及び88によって包囲されるが、要素22は包囲されない。別のこのような代替実施形態では、図17に関連してより十分に説明されているように、要素22は、電気絶縁性セパレータ層43、86及び88によって包囲されるが、要素21は包囲されない。別のこのような代替実施形態では、図18に関連してより十分に説明されているように、要素21及び要素22は、電気絶縁性セパレータ層43、86及び88によって包囲される。これらの各実施形態において、長さL43は、長さLPE及び/又は長さLNEの少なくとも70%、少なくとも75%、少なくとも80%、少なくとも85%、少なくとも90%又は少なくとも95%でもあり、かつ長さLPE及び/又は長さLNEの全体より少ない。
次に、図20を参照すると、ある代替実施形態において、負極活性材料層49は、負極基幹部51と負極集電体層47との間に存在する。この実施形態において、負極集電体層47は、イオン伝導性及び導電性の双方であるイオン透過性導体材料を含む。言い替えれば、負極集電体層47は、電気化学積層体内のイオン透過性導体層の一方の側面上の直近の負極活性材料層49と負極集電体層の他の側面上の直近する電気絶縁性セパレータ層43との間のキャリアイオンの移動を促進する厚さと、導電性と、キャリアイオンに対するイオン伝導性とを有する。相対的に、デバイス内にエネルギーを蓄積するための印加電流が存在する場合、又はデバイスを放電するための印加負荷が存在する場合、負極集電体層は、そのイオン伝導率より大きい導電率を有する。例えば、デバイス内にエネルギーを蓄積するための印加電流が存在する場合、又はデバイスを放電するための印加負荷が存在する場合の、負極集電体層の導電率と(キャリアイオンに対する)イオン伝導率との比は典型的にはそれぞれ少なくとも1,000:1になる。さらなる例として、このような一実施形態では、デバイス内にエネルギーを蓄積するための印加電流が存在する場合、又はデバイスを放電するための印加負荷が存在する場合の、負極集電体層の導電率と(キャリアイオンに対する)イオン伝導率との比はそれぞれ少なくとも5,000:1である。さらなる例として、このような一実施形態では、デバイス内にエネルギーを蓄積するための印加電流が存在する場合、又はデバイスを放電するための印加負荷が存在する場合の、負極集電体層の導電率と(キャリアイオンに対する)イオン伝導率との比はそれぞれ少なくとも10,000:1である。さらなる例として、このような一実施形態では、デバイス内にエネルギーを蓄積するための印加電流が存在する場合、又はデバイスを放電するための印加負荷が存在する場合の、負極集電体層の導電率と(キャリアイオンに対する)イオン伝導率との比はそれぞれ少なくとも50,000:1である。さらなる例として、このような一実施形態では、デバイス内にエネルギーを蓄積するための印加電流が存在する場合、又はデバイスを放電するための印加負荷が存在する場合の、負極集電体層の導電率と(キャリアイオンに対する)イオン伝導率との比はそれぞれ少なくとも100,000:1である。
一般に、負極集電体層47がイオン透過性導体層である場合、これは、少なくとも約300オングストロームの厚さを有する。例えば、実施形態によっては、これは、約300−800オングストロームの範囲内の厚さを有してもよい。しかしながら、より典型的には、これは、約0.1マイクロメートルより大きい厚さを有する。一般に、イオン透過性導体層は、約100マイクロメートル以下の厚さを有する。したがって、例えば、ある実施形態において、負極集電体層47は、約0.1マイクロメートルから約10マイクロメートルまでの範囲内の厚さを有する。さらなる例として、実施形態によっては、負極集電体層47は、約0.1マイクロメートルから約5マイクロメートルまでの範囲内の厚さを有する。さらなる例として、実施形態によっては、負極集電体層47は、約0.5マイクロメートルから約3マイクロメートルまでの範囲内の厚さを有する。一般に、負極集電体層47の厚さは、略均一であることが好ましい。例えば、ある実施形態において、負極集電体層47は、約25%未満の厚さ不均一性を有することが好ましく、ここで、厚さ不均一性は、層の最大厚さの量から層の最小厚さを減算して平均層厚さで除したものとして定義される。所定の実施形態において、厚さ変動は、さらに少ない。例えば、実施形態によっては、負極集電体層47は、約20%未満の厚さ不均一性を有する。さらなる例として、実施形態によっては、負極集電体層47は、約15%未満の厚さ不均一性を有する。実施形態によっては、イオン透過性導体層は、約10%未満の厚さ不均一性を有する。
負極集電体層47がイオン及び電気双方の伝導性を有するイオン透過性導体材料を含む実施形態では、二次電池が充電又は放電している場合等、デバイス内にエネルギーを蓄積するための印加電流が存在する場合、又はデバイスを放電するための印加負荷が存在する場合、負極集電体層47は、隣接する電気絶縁性セパレータ層43のイオン伝導性に比肩し得るイオン伝導性を有してもよい。例えば、ある実施形態において、デバイス内にエネルギーを蓄積するための印加電流が存在する場合、又はデバイスを放電するための印加負荷が存在する場合、負極集電体層47は、セパレータ層のイオン伝導率の少なくとも50%である(すなわち、それぞれ0.5:1の割合)(キャリアイオンに対する)イオン伝導率を有する。さらなる例として、実施形態によっては、デバイス内にエネルギーを蓄積するための印加電流が存在する場合、又はデバイスを放電するための印加負荷が存在する場合、負極集電体層47の(キャリアイオンに対する)イオン伝導率とセパレータ層の(キャリアイオンに対する)イオン伝導率との比は、少なくとも1:1である。さらなる例として、実施形態によっては、デバイス内にエネルギーを蓄積するための印加電流が存在する場合、又はデバイスを放電するための印加負荷が存在する場合、負極集電体層47の(キャリアイオンに対する)イオン伝導率とセパレータ層の(キャリアイオンに対する)イオン伝導率との比は、少なくとも1.25:1である。さらなる例として、実施形態によっては、デバイス内にエネルギーを蓄積するための印加電流が存在する場合、又はデバイスを放電するための印加負荷が存在する場合、負極集電体層47の(キャリアイオンに対する)イオン伝導率とセパレータ層の(キャリアイオンに対する)イオン伝導率との比は、少なくとも1.5:1である。さらなる例として、実施形態によっては、デバイス内にエネルギーを蓄積するための印加電流が存在する場合、又はデバイスを放電するための印加負荷が存在する場合、負極集電体層47の(キャリアイオンに対する)イオン伝導率とセパレータ層の(キャリアイオンに対する)イオン伝導率との比は、少なくとも2:1である。
ある実施形態において、負極集電体層47は、負極活性材料層49の導電率より実質的に大きい導電率も有する。例えば、ある実施形態では、デバイス内にエネルギーを蓄積するための印加電流が存在する場合、又はデバイスを放電するための印加負荷が存在する場合、負極集電体層47の導電率と負極活性材料層49の導電率との比は、少なくとも100:1である。さらなる例として、実施形態によっては、デバイス内にエネルギーを蓄積するための印加電流が存在する場合、又はデバイスを放電するための印加負荷が存在する場合、負極集電体層47の導電率と負極活性材料層の導電率との比は、少なくとも500:1である。さらなる例として、実施形態によっては、デバイス内にエネルギーを蓄積するための印加電流が存在する場合、又はデバイスを放電するための印加負荷が存在する場合、負極集電体層47の導電率と負極活性材料層の導電率との比は、少なくとも1000:1である。さらなる例として、実施形態によっては、デバイス内にエネルギーを蓄積するための印加電流が存在する場合、又はデバイスを放電するための印加負荷が存在する場合、負極集電体層47の導電率と負極活性材料層の導電率との比は、少なくとも5000:1である。さらなる例として、実施形態によっては、デバイス内にエネルギーを蓄積するための印加電流が存在する場合、又はデバイスを放電するための印加負荷が存在する場合、負極集電体層47の導電率と負極活性材料層の導電率との比は、少なくとも10,000:1である。
この実施形態における、負極集電体層47の厚さ(すなわち、イオン透過性の負極集電体層47を挟むセパレータと負極活性材料層との間の最短距離)は、この層の組成及び電気化学積層体のパフォーマンス仕様に依存する。一般に、負極集電体層がイオン透過性導体層である場合、これは、少なくとも約300オングストロームの厚さを有する。例えば、実施形態によっては、これは、約300−800オングストロームの範囲内の厚さを有してもよい。しかしながら、より典型的には、これは、約0.1マイクロメートルより大きい厚さを有する。一般に、イオン透過性導体層は、約100マイクロメートル以下の厚さを有する。したがって、例えば、ある実施形態において、負極集電体層47は、約0.1マイクロメートルから約10マイクロメートルまでの範囲内の厚さを有する。さらなる例として、実施形態によっては、負極集電体層47は、約0.1マイクロメートルから約5マイクロメートルまでの範囲内の厚さを有する。さらなる例として、実施形態によっては、負極集電体層47は、約0.5マイクロメートルから約3マイクロメートルまでの範囲内の厚さを有する。一般に、負極集電体層47の厚さは、略均一であることが好ましい。例えば、ある実施形態において、負極集電体層47は、約25%未満の厚さ不均一性を有することが好ましく、ここで、厚さ不均一性は、層の最大厚さの量から層の最小厚さを減算して平均層厚さで除したものとして定義される。所定の実施形態において、厚さ変動は、さらに少ない。例えば、実施形態によっては、負極集電体層47は、約20%未満の厚さ不均一性を有する。さらなる例として、実施形態によっては、負極集電体層47は、約15%未満の厚さ不均一性を有する。実施形態によっては、イオン透過性導体層は、約10%未満の厚さ不均一性を有する。
ある好適な実施形態において、負極集電体層47は、イオン透過性及び導電性に寄与する導電成分及びイオン伝導性成分を含むイオン透過性導体層である。典型的には、導電成分は、メッシュ又はパターニングされた表面、フィルム形式の連続的な導電材料(連続する金属又は金属合金等)、又は連続的な導電材料(連続する金属又は金属合金等)を含む複合材料を含む。さらに、イオン伝導性成分は、典型的には、細孔、例えば、メッシュの細隙、金属層を含むパターニングされた金属又は金属合金間の空間、金属膜又はキャリアイオンに対する十分な拡散率を有する固体イオン伝導体内の細孔、を含む。所定の実施形態において、イオン透過性導体層は、堆積(蒸着)された多孔性材料、イオン輸送材料、イオン反応材料、複合材料又は物理的に多孔性の材料を含む。例えば、多孔性であれば、イオン透過性導体層は、少なくとも約0.25のボイド率を有してもよい。しかしながら、一般に、ボイド率は、典型的には、約0.95を超えない。より典型的には、イオン透過性導体層が多孔性である場合、ボイド率は、約0.25から約0.85までの範囲内であってもよい。例えば、実施形態によっては、イオン透過性導体層が多孔性である場合、ボイド率は、約0.35から約0.65までの範囲内であってもよい。
負極活性材料層49と電気絶縁性セパレータ層43との間に位置合わせされることから、負極集電体層47は、電流を負極集電体から負極活性材料層の表面に分散させることによって、より均一なキャリアイオン輸送を促進する可能性がある。そして、これにより、キャリアイオンのより均一な挿入及び引き出しが促進されることがあり、よってこれにより、循環中の負極活性材料における応力が減らされることがある。負極集電体層47は、セパレータに面する負極活性材料層表面へ電流を分散することから、キャリアイオンに対する負極活性材料層の反応性は、キャリアイオン濃度が最大である場所で最大となる。
次に、図21を参照すると、ある代替実施形態において、正極活性材料層50は、正極基幹部52と正極集電体層48との間に存在する。この実施形態において、正極集電体層48は、イオン伝導性及び導電性の双方であるイオン透過性導体材料を含む。言い替えれば、正極集電体層は、電気化学積層体内のイオン透過性導体層の一方の側面上の直近の正極活性材料層50と正極集電体層の他の側面上の直近する電気絶縁性セパレータ層43との間のキャリアイオンの移動を促進する厚さと、導電性と、キャリアイオンに対するイオン伝導性とを有する。相対的に、この実施形態では、デバイス内にエネルギーを蓄積するための印加電流が存在する場合、又はデバイスを放電するための印加負荷が存在する場合、正極集電体層は、そのイオン伝導率より大きい導電率を有する。例えば、デバイス内にエネルギーを蓄積するための印加電流が存在する場合、又はデバイスを放電するための印加負荷が存在する場合の、正極集電体層の導電率と(キャリアイオンに対する)イオン伝導率との比は、典型的にはそれぞれ少なくとも1,000:1になる。さらなる例として、このような一実施形態では、デバイス内にエネルギーを蓄積するための印加電流が存在する場合、又はデバイスを放電するための印加負荷が存在する場合の、正極集電体層の導電率と(キャリアイオンに対する)イオン伝導率との比はそれぞれ少なくとも5,000:1である。さらなる例として、このような一実施形態では、デバイス内にエネルギーを蓄積するための印加電流が存在する場合、又はデバイスを放電するための印加負荷が存在する場合の、正極集電体層の導電率と(キャリアイオンに対する)イオン伝導率との比はそれぞれ少なくとも10,000:1である。さらなる例として、このような一実施形態では、デバイス内にエネルギーを蓄積するための印加電流が存在する場合、又はデバイスを放電するための印加負荷が存在する場合の、正極集電体層の導電率と(キャリアイオンに対する)イオン伝導率との比はそれぞれ少なくとも50,000:1である。さらなる例として、このような一実施形態では、デバイス内にエネルギーを蓄積するための印加電流が存在する場合、又はデバイスを放電するための印加負荷が存在する場合の、正極集電体層の導電率と(キャリアイオンに対する)イオン伝導率との比はそれぞれ少なくとも100,000:1である。
次に、図22を参照すると、ある代替実施形態において、負極活性材料層49は、負極基幹部51と負極集電体層47との間に存在し、かつ正極活性材料層50は、正極基幹部52と正極集電体層48との間に存在する。この実施形態において、負極集電体層47及び正極集電体層48は、イオン伝導性及び導電性の双方であるイオン透過性導体材料を含む。言い替えれば、負極集電体層及び正極集電体層はそれぞれ、直近の正極活性材料層50と負極活性材料層49との間のキャリアイオンの移動を促進する厚さと、導電性と、キャリアイオンに対するイオン伝導性とを有する。相対的に、この実施形態では、上述したように、デバイス内にエネルギーを蓄積するための印加電流が存在する場合、又はデバイスを放電するための印加負荷が存在する場合、正極集電体層及び負極集電体層はそれぞれ、そのイオン伝導率より大きい導電率を有する。例えば、デバイス内にエネルギーを蓄積するための印加電流が存在する場合、又はデバイスを放電するための印加負荷が存在する場合の、この実施形態における正極集電体層及び負極集電体層の導電率と(キャリアイオンに対する)イオン伝導率との比は典型的にはそれぞれ少なくとも1,000:1になる。
次に、図21及び図22を参照すると、ある代替実施形態において、負極21は、負極基幹部51と、負極活性材料層49と、負極集電体層47と、補助負極集電体層47A、47Bとを備え、かつ正極22は、正極基幹部52と、正極活性材料層50と、正極集電体層48と、補助正極集電体層48A、48Bとを備える。補助負極集電体は、追加的な電導性を提供するために負極群要素及び/又は正極群要素内に組み込まれてもよい。
所定の実施形態において、補助負極集電体は、負極集電体の電導率の少なくとも2倍を超える電導率を有し、所定の実施形態において、補助負極集電体の電導率は、負極集電体の電導率の少なくとも5倍又は10倍をも超える。効果的には、補助負極集電体により提供される追加的な電導性は、負極集電体層47の全体的な集電体重量及び体積要件を低減させる。さらに、負極集電体層が(本明細書における他の部分でより十分に説明されているように)イオン透過性の集電体である場合、補助負極集電体は、大部分の電流を電極の長さLNEに沿って伝送してもよく、負極集電体層は、主として電流を電極から収集しかつこれを補助負極集電体へ提供するように機能することができる。そしてこれにより、イオン透過性の集電体層が必要する電子伝導率が低減され、セルパフォーマンスを向上すべくイオン透過性層がより低い電子伝導性及びより高いイオン伝導性を有するように設計することが可能になる。
次に、図23を参照すると、ある実施形態において、負極群の各要素21に含まれる負極電流導体層47は、このような負極集電体を含む要素の長さLNEの少なくとも50%である長さLNCを有する。さらなる例として、ある実施形態における負極群の各要素21に含まれる負極電流導体層47は、このような負極集電体を含む要素の長さLNEの少なくとも60%である長さLNCを有する。さらなる例として、ある実施形態における負極群の各要素21に含まれる負極電流導体層47は、このような負極集電体を含む要素の長さLNEの少なくとも70%である長さLNCを有する。さらなる例として、ある実施形態における負極群の各要素21に含まれる負極電流導体層47は、このような負極集電体を含む要素の長さLNEの少なくとも80%である長さLNCを有する。さらなる例として、ある実施形態における負極群の各要素21に含まれる負極電流導体層47は、このような負極集電体を含む要素の長さLNEの少なくとも90%である長さLNCを有する。
実施形態によっては、補助負極集電体は、充電/放電反応を電極に沿った所定のロケーションで阻止するための手段を提供することができる。補助集電体47A、47Bは、この層のイオン伝導率が略ゼロになり、これにより、補助集電体直下に存在する電極上の充電/放電反応を抑止するように設計されることが可能である。
前述の各実施形態において、補助負極集電体層47A、47Bは、独立して、(長さLNCと同じ方向へ測定される)負極集電体層47の長さLNCと同じ長さ、その略一部である(例えば、少なくとも60%、少なくとも70%、少なくとも80%又は少なくとも90%でもある)長さを有する。あるいは、前述の各実施形態において、補助負極集電体層47A、47Bは、独立して、(長さLNCと同じ方向へ測定される)負極集電体層47の長さLNCの略一部より少ない(例えば、40%未満、30%未満、20%未満又は10%未満でもある)長さを有する。負極群の各要素21の長さLNEは、エネルギー蓄積デバイス及びその意図される用途に依存して変化するが、多くの実施形態において、約5mmから約500mmまでの範囲内になる。例えば、ある実施形態において、各要素21の長さLNEは、約10mmから約250mmまでの範囲内になる。さらなる例として、ある実施形態における各要素21の長さLNEは、約25mmから約100mmまでの範囲内になる。
補助負極集電体層47A、47Bは、負極集電体層47に関連して先に同定した材料のうちの何れを含んでもよい。補助負極集電体層47A、47Bは、負極活性材料層及び正極活性材料層間に存在していないことから、キャリアイオンに対してイオン透過性である必要はない。したがって、補助負極集電体層47A、47Bは、負極用集電体材料として従来的に使用される、炭素、コバルト、クロム、銅、ニッケル、チタン又はこれらのうちの1つ又はそれ以上の合金等の任意の金属又は他の導体を含んでもよい。さらに、ある実施形態において、補助負極集電体層47A、47Bは、独立的に、負極集電体層47の電導率を超える電導率を有する。例えば、ある実施形態において、補助負極集電体層47A、47Bの少なくとも一方は、負極集電体層の電導率の少なくとも200%、例えば、少なくとも1000%である電導率を有する。
次に、図24を参照すると、正極基幹部52、正極活性材料層50及び正極集電体層48及び補助正極集電体層48A、48Bは、好ましくは、負極群の各要素22の底部32から上部34までの距離の大部分を延在する。補助正極集電体は、追加的な電導性を提供するために正極群要素内に組み込まれてもよい。所定の実施形態において、補助正極集電体は、正極集電体の電導率の少なくとも2倍を超える電導率を有し、所定の実施形態において、補助正極集電体の電導率は、正極集電体の電導率の少なくとも5倍又は10倍をも超える。効果的には、補助正極集電体により提供される追加的な電導性は、正極集電体層48の全体的な集電体重量及び体積要件を低減させる。さらに、正極集電体層が(本明細書における他の部分でより十分に説明されているように)イオン透過性の集電体である場合、補助正極集電体は、大部分の電流を電極の長さLPEに沿って伝送してもよく、正極集電体層は、主として電流を電極から収集しかつこれを補助正極集電体へ提供するように機能することができる。そしてこれにより、イオン透過性の集電体層から必要とされる電子伝導率が低減され、かつセルパフォーマンス向上のためにイオン透過性層をより低い電子伝導性及びより高いイオン伝導性を有するように設計する能力が見込まれる。
補助正極集電体層48A、48Bは、正極集電体層48に関連して先に同定した材料の内の何れを含んでもよい。さらに、ある実施形態において、補助正極集電体層48A、48Bの少なくとも一方は、正極集電体層48の電導率を超える電導率を有する。例えば、ある実施形態において、補助正極集電体層48A、48Bの少なくとも一方は、正極集電体層の電導率の少なくとも200%−1,000%である電導率を有する。
実施形態によっては、補助正極集電体は、充電/放電反応を電極に沿った所定のロケーションで阻止するための手段を提供することができる。補助集電体48A、48Bは、この層のイオン伝導率が略ゼロになり、これにより、補助集電体直下に存在する電極上の充電/放電反応を抑止するように設計されることが可能である。
例えば、ある実施形態において、正極群の各要素22に含まれる正極電流導体層48は、このような正極集電体を含む要素の長さLPEの少なくとも50%である長さLPCを有する。さらなる例として、ある実施形態における正極群の各要素22に含まれる正極電流導体層48は、このような正極集電体を含む要素の長さLPEの少なくとも60%である長さLPCを有する。さらなる例として、ある実施形態における正極群の各要素22に含まれる正極電流導体層48は、このような正極集電体を含む要素の長さLPEの少なくとも70%である長さLPCを有する。さらなる例として、ある実施形態における正極群の各要素22に含まれる正極電流導体層48は、このような正極集電体を含む要素の長さLPEの少なくとも80%である長さLPCを有する。さらなる例として、ある実施形態における正極群の各要素22に含まれる正極電流導体層48は、このような正極集電体を含む要素の長さLPEの少なくとも90%である長さLPCを有する。前述の各実施形態において、補助正極集電体層48A、48Bは、独立して、(長さLPCと同じ方向へ測定される)正極集電体層48の長さLPCと同じ長さ、その略一部である(例えば、少なくとも60%、少なくとも70%、少なくとも80%又は少なくとも90%でもある)長さを有する。あるいは、前述の各実施形態において、補助正極集電体層48A、48Bは、独立して、(長さLPCと同じ方向へ測定される)正極集電体層48の長さLPCの略一部より少ない(例えば、40%未満、30%未満、20%未満又は10%未満でもある)長さを有する。正極群の各要素22の長さLPEは、エネルギー蓄積デバイス及びその意図される用途に依存して変化するが、多くの実施形態において、約5mmから約500mmまでの範囲内になる。例えば、ある実施形態において、各要素21の長さLPEは、約10mmから約250mmまでの範囲内になる。さらなる例として、ある実施形態における各要素21の長さLPEは、約25mmから約100mmまでの範囲内になる。
補助負極集電体層47A、47B及び/又は補助正極集電体層48A、48Bは、所定の実施形態において、向上した速度パフォーマンスを提供する場合がある。補助正極集電体及び/又は補助負極集電体は、電極構造体上に、正極集電体及び負極集電体の形成に関連して説明した方法と同様の方法を用いて形成されてもよい。補助集電体を所望される部位において選択的に堆積(蒸着)するために、基幹部の作製には、マスキング及びパターニングのための既知の方法が使用されてもよい。例によっては、集電体の堆積(蒸着)は、イオン透過性集電スキームを提供するために、活性電極が堆積(蒸着)された後に実行されることになる。
図4及び図5を再度参照すると、所定の実施形態において、負極群の要素21は、真っ直ぐな側面を有する(すなわち、底部31と上部33との間を延在する各側面は、平坦である)。他の実施形態では、負極群要素は、多角形又は湾曲している場合すらある側面を有する(例えば、底部31と上部33との間を延在する各側面は、正弦波状であり得る)。このような各実施形態では、長さLNEは、底部31と上部33との間の直線距離である。
図4及び図6を再度参照すると、所定の実施形態において、正極群の要素22は、真っ直ぐな側面を有する(すなわち、底部32と上部34との間を延在する各側面は、平坦である)。他の実施形態では、正極群要素は、多角形又は湾曲している場合すらある側面を有する(例えば、底部32と上部34との間を延在する各側面は、正弦波状であり得る)。このような各実施形態では、長さLPEは、底部32と上部34との間の直線距離である。
図7に示されている実施形態において、負極群の要素21は、一定の幅WNEと、一定の高さHNEとを長さの関数として有する。他の実施形態において、負極群の要素21は、負極の長さに沿った位置の関数として変化する幅WNE又は高さHNEを有してもよく、又は、負極群要素は、(長さ方向に対して直角な平面に沿った)長方形以外の断面を有してもよい。このような他の実施形態では、幅WNE及び高さHNEは、負極群の要素21の長さ方向に対して直角な平面における負極群の要素21の突起の最大幅及び最大高さを指す。言い替えれば、幅WNE及び高さHNEは、最小寸法を有しながらも負極群要素の突起の全ての点を包含する平面に存在する仮想長方形の隣接する2側面の長さに対応する。
図8に示されている実施形態において、正極群の要素22は、一定の幅WPEと、一定の高さHPEとを長さの関数として有する。他の実施形態において、負極群の要素22は、負極の長さに沿った位置の関数として変化する幅WPE又は高さHPEを有してもよく、又は、負極群要素は、(長さ方向に対して直角な平面に沿った)長方形以外の断面を有してもよい。このような他の実施形態では、幅WPE及び高さHPEは、正極群の要素22の長さ方向に対して直角な平面における正極群の要素22の突起の最大幅及び最大高さを指す。言い替えれば、幅WPE及び高さHPEは、最小寸法を有しながらも正極群要素の突起の全ての点を包含する平面に存在する仮想長方形の隣接する2側面の長さに対応する。
図25A〜図25Eは、電極の長さ方向に対して直角な平面における電極(正極又は負極)の幾つかの代替突起を示す。図25A−図25Eにおいて、電極の突起は、台形(図25A)、平行四辺形(図25B)、三角形(図25C)、菱形(図25D)及び楕円形(図25E)を描いている。各例において、最小寸法を有しながらも電極突起の全ての点を包含する仮想長方形は、幅W及び高さHを有することになる。さらに、これらの例のそれぞれにおいて、電極は、突起が描く幾何学的図形の外周に対応する外周Pを有することになる。
次に、図26を参照すると、ある代替実施形態において、電極積層体74は、垂直に積層されかつ3つの電極の正極22が位置合わせされかつ負極構造体21が位置合わせされるように位置合わせされた3つの電極構造体20を備える。この実施形態において、電気絶縁性材料層86は、積層体における上部電極構造体の要素21、22の前面65、66を被覆し、かつ電気絶縁性材料層88は、積層体における底部電極構造体の要素21、22の裏面67、68を被覆する。その結果、異なる電極構造体の各要素21は、互いから電気絶縁されないが、積層体内の異なる電極構造体の要素22からは電気絶縁される。その結果、各正極構造体22は、電気絶縁性材料層43、86及び88によって包囲され、かつ各負極構造体21は、電気絶縁層43、86及び88によって包囲される。説明を容易にするために、電極積層体74は、電極構造体を3つしか含んでいない。図10に関連して説明したように、電極積層体74は、より少ない、又はより多い数の電極構造体20を含んでもよい。
次に、図27を参照すると、ある代替実施形態において、電極積層体74は、垂直に積層されかつある電極構造体の正極群の要素22が別の電極構造体20の負極群の要素21と位置合わせされるように、かつこれの上及び/又は下に位置合わせされるように位置合わせされる3つの電極構造体20を備える。この実施形態において、各要素21及び各要素22は、電気絶縁層43によって包囲される。説明を容易にするために、電極積層体74は、電極構造体を3つしか含んでいない。図10に関連して説明したように、電極積層体74は、より少ない、又はより多い数の電極構造体20を含んでもよい。
以下、本発明をさらに示すために、非限定的な例について述べる。
3D単セルの作製1.
1.櫛構造体の作製
試料として、200μm/3μm/675μm(デバイス層/絶縁層/バッキング層)の層厚さを有するシリコン・オン・インシュレータ(SOI)ウェーハを用いた。デバイス層上部に1000ÅのPdをスパッタ堆積(蒸着)し、続いて二酸化珪素による2000Åの硬質マスク層を堆積(蒸着)した。
次に、このウェーハを5μmのレジストでスピン被覆してマスクでパターニングし、互いに隔絶された2つの交互に嵌合する櫛を有する櫛形構造体を得た。
この設計は、最終的に電気接点の形成に適するランディングパッドが末端部をなす2つの独立した櫛形構造体となる構造体を示している。隣接するウェーブ間の間隙は、100ミクロンで設計した。各ラインの長さは、10000ミクロンであり、両端の縁間の間隔、すなわち櫛の端と対向する電気接点との間の間隔は200ミクロンであった。言い替えれば、図9における、負極21の一部を構成する負極櫛の上部と、正極22を構成する正極櫛の底部との間隔は200μmであった。次に、このパターンにおけるフォトレジストをフォトマスクとして用いて、イオンミリングにより二酸化珪素及びパラジウムを除去した。
二酸化珪素、フォトレジスト及びPdの組合せを、フッ化物プラズマにおいて深掘り反応性イオンエッチング(DRIE)を用いるシリコン除去のためのマスクとして用いた。DRIEを、マスク間隙におけるデバイス層を構成するシリコンが完全に除去されて酸化物層上で停止するまで実行した。トレンチフロアにおけるシリコンのアイランドを除去するために用いたオーバーエッチング時間は、DRIE時間全体の10%であった。上部フォトレジストは、アセトンにおけるストリッピングによって全て除去した。この時点で、2つの櫛は、DRIEにより電気的に絶縁されている。
希釈(5:1)緩衝酸化物エッチング(BOE)溶液に正極パッド及び負極パッドを単独で1分間浸漬してマスキング酸化物層を除去し、電気接点を作成するためにパラジウム金属へのアクセスを設けた。負極櫛と正極櫛とが隔離されている櫛構造体を、集電体及び電極を作製するためのベース構造体として用いた。
2.負極集電体及び負極の作製
隔離された櫛状構造体ペアの一方(ここでは、負極基幹部櫛と称する)を、パラジウム導体を介して電気的に接続し、かつ銅めっき槽内に浸漬した。銅めっき槽の条件を、櫛構造体を構成するシリコン層上で堆積(蒸着)が発生するように調整した。このように堆積(蒸着)されるCu層は、負極集電体として作用する。
試料を電気泳動レジスト槽に浸漬し、続いて正極基幹部櫛構造体に電圧を加えた。市販の電気泳動レジスト(Shipley EAGLE)を使用し、Pd導体を用いて櫛を50Vで120秒間電気泳動堆積し、レジスト被覆を形成した。ダイを120℃で30分間焼成し、レジストを硬化させた。
次に、蒸着チャンバへシリコン試料を挿入し、試料表面上へ20ÅのAuを堆積させる。このAu堆積(蒸着)プロセスにより、ハニカム構造の上部、ならびにその側壁、ならびに底部酸化物層上にAuが生じる。しかしながら、正極基幹部櫛上にはフォトレジストが存在することから、Auは、負極基幹部櫛構造体上の銅とのみ接触する。この時点で、シリコンバッキング層を接着テープマスクで保護した。続いて、試料をアセトン内に15分間浸漬し、電気泳動レジスト及び電気泳動レジストの上部に蒸着されたAuを除去する。次に、試料を希釈(5:1)緩衝酸化物エッチング(BOE)溶液内に浸漬し、負極櫛の前面及びトレンチ底部における絶縁層からAuクラスタ及び酸化物層を除去する。これにより、Auナノクラスタを負極基幹部櫛の側面のみから隔離する。
次に、CVD法により、負極基幹部櫛構造体の側面にシリコンナノワイヤを成長させる。試料をCVDチャンバ内へ挿入し、550℃まで加熱する。チャンバ内にシランガスを導入し、反応器の圧力を10トールに保った。堆積(蒸着)速度は、毎時4μmであり、堆積(蒸着)を目標ナノワイヤ厚さである20μmまで行った。負極基幹部櫛の側面から外へと延在するこれらのナノワイヤは、リチウムイオン電池の負極として機能することになった。
3.正極集電体及び正極の作製
次に、正極基幹部櫛をパラジウム導体を介して電気的に接続し、金電気めっき槽に浸漬して櫛構造体を構成するパラジウム及びシリコン層を金でめっきした。正極基幹部櫛を包囲するこのAu層は、正極集電体として機能する。
正極基幹部櫛に、リチウムイオン電池の正極材料を電気泳動堆積させた。電気泳動堆積溶液は、アセトン溶液中に、正極材料(LiCoO2)、15重量%のカーボンブラック及び150ppmのヨウ素を含んでいた。混合溶液を終夜攪拌し、粒子を均一に分散させた。Pd接点パッドを、正極堆積の電気的接続用端子として用いた。Pt対電極を用いた。試料を電圧100Vで3分間堆積(蒸着)させ、厚さ40μmの正極構造体を堆積(蒸着)した。堆積(蒸着)は、正極櫛の側壁及び前面の双方で発生した。
4.過剰正極の除去
ダイの前面に過剰に堆積(蒸着)した正極を、全て、機械的な除去プロセスを用いて除去した。研磨パッドを用いて前面をラッピングし、正極集電体層を露出させた。続いて、通風乾燥により、ダイ上に短絡の原因となり得る散らばった粒子が存在しないようにした。
5.1番セパレータ層の作製
正極と負極との間隙(名目上40ミクロン)に、多孔性セパレータを、N−メチルピロリドン内に分散される微細なガラス粉末(直径2ミクロン未満)ならびに出来上がり固体含有量60%である2体積パーセントのPVDF結合剤を含むスラリを用いて塗布する。このスラリをスクリーン印刷し、ダイを湿らせて粒子状材料を負極材料と正極材料との間へ侵入させる。スクリーン印刷は複数のパスで、間に中間的な乾燥ステップを挟んで実行し、負極と正極との間のトレンチ、及びデバイスの上部及び底部に沿った間隙(図19における82及び84を構成する部位)を充填する。
ダイの前面に過剰に堆積(蒸着)されたセパレータを、全て、機械的除去プロセスを用いて除去した。研磨パッドを用いて前面をラッピングし、電極集電体層を露出させた。続いて、通風乾燥により、ダイ上に短絡の原因となり得る散らばった粒子が存在しないようにした。
6.構造的層の除去
続いて、ダイの上側部を、UV剥離ダイシングテープを用いて犠牲ガラス基板へ接着する。この構成は、従来のウェーハラッピング技術を用いてバッキングシリコン層を機械的に除去するために使用される。ラッピングプロセスを、バッキングウェーハ及び中間酸化物層が除去されるまで続ける。UV剥離を用いて、犠牲ガラス基板から能動ダイを除去し、これにより、後続のセパレータ充填プロセス用のダイを準備する。
7.2番セパレータ層の作製
N−メチルピロリドン内に分散される微細なガラス粉末(直径2ミクロン未満)ならびに出来上がり固体含有量30%である2体積パーセントのPVDF結合剤を含むスラリにおけるダイの浸漬被覆によって、ダイの前面及び裏面に追加的な多孔性セパレータ層を塗布する。浸漬被覆されたダイを乾燥し、溶媒を除去して結合剤材料を凝固させる(この段階で、デバイスの断面は、シリコン底面に集電体47及び48が存在しないことを除いて図15のようになる)。前面及び裏面の浸漬被覆の目標厚さはそれぞれ25ミクロンであった。
3D単セルの作製2.
1.櫛構造体の作製
試料として、層厚さが200μmであるシリコンウェーハを用いた。1000ÅのPdを、続いて2000Åの二酸化珪素の硬質マスク層をデバイス層上部にスパッタ堆積(蒸着)した。ウェーハを反転して、底側面に1500ÅのCuを堆積(蒸着)させた。
次に、標準的なアノード接合技術を用いて、この試料をボロフロートガラス基板へアノード接合した。
次に、このウェーハを5μmのレジストでスピン被覆してマスクでパターニングし、図1に示されているような互いに隔絶された2つの交互に嵌合する櫛を有する櫛形構造体を得た。
この設計は、最終的に電気接点の形成に適するランディングパッドが末端部をなす2つの独立した櫛形構造体となる構造体を示している。隣接するウェーブ間の間隙は、100ミクロンで設計した。各ラインの長さは、10000ミクロンであり、両端の縁間の間隔、すなわち櫛の端と対向する電気接点との間の間隔は200ミクロンであった。言い替えれば、図9における、負極21の一部を構成する負極櫛の上部と、正極22を構成する正極櫛の底部との間隔は200μmであった。次に、このパターンにおけるフォトレジストをフォトマスクとして用いて、イオンミリングにより二酸化珪素及びパラジウムを除去した。
二酸化珪素、フォトレジスト及びPdの組合せを、フッ化物プラズマにおいて深掘り反応性イオンエッチング(DRIE)を用いるシリコン除去のためのマスクとして用いた。DRIEを、マスク間隙におけるデバイス層を構成するシリコンが完全に除去されて酸化物層上で停止するまで実行した。トレンチフロアにおけるシリコンのアイランドを除去するために用いたオーバーエッチング時間は、DRIE時間全体の10%であった。上部フォトレジストは、アセトンにおけるストリッピングによって全て除去した。続いて、ダイを1%硝酸溶液に浸漬し、トレンチ底部における銅を除去してアノードガラスを露出させた。この時点で、2つの櫛は、DRIEにより電気的に絶縁されている。
希釈(5:1)緩衝酸化物エッチング(BOE)溶液に正極パッド及び負極パッドを単独で1分間浸漬してマスキング酸化物層を除去し、電気接点を作成するためにパラジウム金属へのアクセスを設けた。負極櫛と正極櫛とが隔離されている櫛構造体を、集電体及び電極を作製するためのベース構造体として用いた。
2.負極集電体及び負極の作製
負極集電体及び負極を、実施例1と同様のプロセスによって作製した。
3.正極集電体及び正極の作製
正極集電体及び正極を、実施例1と同様のプロセスによって作製した。
4.セパレータの作製
正極と負極との間隙(名目上40ミクロン)に、多孔性セパレータを、N−メチルピロリドン内に分散される微細なガラス粉末(直径2ミクロン未満)ならびに出来上がり固体含有量60%である2体積パーセントのPVDF結合剤を含むスラリを用いて塗布する。このスラリをスクリーン印刷し、ダイを湿らせて粒子状材料を負極材料と正極材料との間へ侵入させる。スクリーン印刷は複数のパスで、間に中間的な乾燥ステップを挟んで実行し、負極と正極との間のトレンチ、及びデバイスの上部及び底部に沿った間隙(図19における82及び84を構成する部位)を充填する。続いて、N−メチルピロリドン内に分散される微細なガラス粉末(直径2ミクロン未満)ならびに出来上がり固体含有量30%である2体積パーセントのPVDF結合剤を含むスラリにおけるダイの浸漬被覆によって、ダイの前面にも多孔性セパレータを塗布する。浸漬被覆されたダイを乾燥し、溶媒を除去して結合剤材料を凝固させる。前面の浸漬被覆の目標厚さは、25ミクロンであった。得られるダイは、(1)51及び52の裏面上に集電体が存在しないこと、(2)88がアノードガラスであること、及び(3)86がPVDFを含むガラス粉末であること、を除いて図15のようになる。
3D単セルの作製3.
1.櫛構造体の作製
櫛構造体を、実施例2と同様にして作製した。
2.負極集電体及び負極の作製
負極集電体及び負極を、実施例1と同様のプロセスによって作製した。
3.正極集電体及び正極の作製
正極集電体及び正極を、実施例1と同様のプロセスによって作製した。
4.1番セパレータ層の作製
セパレータ層を、実施例1と同様のプロセスによって作製した。
5.構造的層の除去
構造的層を、実施例1と同様のプロセスによって除去した。
6.2番セパレータ層の作製
第2のセパレータ層を、実施例1と同様のプロセスによって作製し、図15に示すタイプの電極構造体を得た。
3D単セルの作製4.
1.櫛構造体の作製.
櫛構造体を、実施例2と同様にして作製した。但し、アノード接合ガラスは、長手軸におけるダイの上部及び底部ならびに接点パッド部位においてのみ負極櫛及び正極櫛に接触するフレームであった。言い替えれば、図4における長手軸Aに沿った大部分の長さにわたって、櫛ラインは、自立型であるように設計した。言い替えれば、ダイ裏面の大部分は、加工用にもアクセス可能であった。
2.負極集電体及び負極の作製
負極集電体及び負極を、実施例1と同様のプロセスによって作製した。
3.正極集電体及び正極の作製
正極集電体及び正極を、実施例1と同様のプロセスによって作製した。
4.過剰な正極材料及び負極材料の除去
ダイの前面及び裏面に過剰に堆積(蒸着)した正極材料及び負極材料を、全て、機械的な除去プロセスを用いて除去した。研磨パッドを用いて前面をラッピングし、集電体層を露出させた。裏面にドクターブレードによる除去プロセスを実行して、過剰な電極材料を除去した。続いて、通風乾燥により、ダイ上に短絡の原因となり得る散らばった粒子が存在しないようにした。
5.セパレータの作製
正極と負極間、前面と裏面間の間隙(名目上40ミクロン)に、多孔性セパレータを、N−メチルピロリドン内に分散される微細なガラス粉末(直径2ミクロン未満)ならびに出来上がり固体含有量60%である2体積パーセントのPVDF結合剤を含むスラリを用いて塗布する。このスラリをスクリーン印刷し、ダイを湿らせて粒子状材料を負極材料と正極材料との間へ侵入させる。スクリーン印刷は複数のパスで、間に中間的な乾燥ステップを挟んで実行し、負極と正極との間のトレンチ、及びデバイスの上部及び底部に沿った間隙(図19における82及び84を構成する部位)を充填する。これが完了すると、追加的な層を加えてゆき、ダイの前面及び裏面も被覆するセパレータ層を設ける(図3参照)。
3D単セルの作製5.
1.櫛構造体の作製
櫛構造体を、実施例4と同様にして作製した。
2.負極集電体及び負極の作製
負極集電体及び負極を、実施例1と同様のプロセスによって作製した。
3.正極集電体及び正極の作製
正極集電体及び正極を、実施例1と同様のプロセスによって作製した。
4.過剰な正極材料及び負極材料の除去
過剰な材料を、実施例4と同様のプロセスによって除去した。
5.セパレータの作製
市販の電気絶縁性の二部のエポキシを注入器で計量分配し、図19におけるアイテム82及び84に対応するダイの上部及び底部に充填した。これにより、電極とその対向電極バスとの間に非多孔性の絶縁セパレータ層が生じる。
続いて、正極と負極間、前面と裏面間の間隙(名目上40ミクロン)に、多孔性セパレータを、N−メチルピロリドン内に分散される微細なガラス粉末(直径2ミクロン未満)ならびに出来上がり固体含有量60%である2体積パーセントのPVDF結合剤を含むスラリを用いて塗布する。このスラリをスクリーン印刷し、ダイを湿らせて粒子状材料を負極材料と正極材料との間へ侵入させる。スクリーン印刷は複数のパスで、間に中間的な乾燥ステップを挟んで実行し、負極と正極との間のトレンチを充填する。これが完了すると、追加的な層を加えてゆき、ダイの前面及び裏面も被覆するセパレータ層を設ける(図3参照)。
3D単セルの作製6.
1.櫛構造体の作製
櫛構造体を、実施例4と同様にして作製した。
2.負極集電体及び負極集電体の作製
2つの集電体を、実施例1と同様にして作製する。但し、正極集電体の作製は、負極集電体の直後に行った。
3.1番セパレータ層の作製
市販の電気絶縁性の二部のエポキシを注入器で計量分配し、図19におけるアイテム82及び84に対応するダイの上部及び底部に充填した。しかしながら、この場合、エポキシは、実施例5の場合のような個々の電極ではなく、負極集電体及び正極集電体を被覆する。これにより、電極とその対向電極バスとの間に非多孔性の絶縁セパレータ層が生じる。
4.負極の作製、及び正極の作製
負極及び正極を、実施例4と同様のプロセスによって作製した。
5.過剰な正極及び負極の除去
過剰な材料を、実施例4と同様のプロセスによって除去した。
6.2番セパレータ層の作製
続いて、正極と負極間、前面と裏面間の間隙(名目上40ミクロン)に、多孔性セパレータを、N−メチルピロリドン内に分散される微細なガラス粉末(直径2ミクロン未満)ならびに出来上がり固体含有量60%である2体積パーセントのPVDF結合剤を含むスラリを用いて塗布する。このスラリをスクリーン印刷し、ダイを湿らせて粒子状材料を負極材料と正極材料との間へ侵入させる。スクリーン印刷は複数のパスで、間に中間的な乾燥ステップを挟んで実行し、負極と正極との間のトレンチ、及びデバイスの上部及び底部に沿った間隙(図19における82及び84を構成する部位)を充填する。これが完了すると、追加的な層を加えてゆき、ダイの前面及び裏面も被覆するセパレータ層を設ける(図3参照)。
3D単セルの作製7
1.櫛構造体の作製
櫛構造体を、実施例4と同様にして作製した。但し、負極櫛と正極櫛との間隙は、100ミクロンではなく80ミクロンに減らした。また負極櫛層は、40ミクロンだけ広げた。
2.負極及び負極集電体の作製
隔離された櫛構造体の一方(ここでは、正極基幹部櫛と称する)を電気泳動レジスト槽に浸漬した。市販の電気泳動レジスト(Shipley EAGLE)を使用し、Pd導体を用いて正極基幹部櫛を50Vで120秒間電気泳動堆積し、レジスト被覆を形成した。ダイを120℃で30分間焼成し、レジストを硬化させた。
次に、蒸着チャンバへシリコン試料を挿入し、試料表面上へ100ÅのAuを堆積(蒸着)させる。このAu堆積(蒸着)プロセスにより、櫛の上部、その側壁及び底部酸化物層上にAuが生じる。しかしながら、一方の櫛上にはフォトレジストが存在することから、Auは、2つの櫛構造体のうちの一方の上でのみシリコンと接触する。この時点で、シリコンバッキング層を接着テープマスクで保護した。続いて、この試料を、体積比1:1である30℃のフッ化水素酸(49%)及び過酸化水素(30%)溶液に浸漬し、多孔性シリコン層を形成する。エッチング時間を変えて、多孔性シリコンの深さを調整した。多孔性シリコンの形成速度は、毎分約750−1000nmであった。目標細孔深さである20μmに達した時点でパーツを除去し、乾燥させた。
多孔性シリコンは、電気泳動レジストがパターニングされなかった櫛セット上にのみ形成される。この多孔性シリコンセットは、リチウムイオン電池における負極として用いる。続いて、電気泳動レジストをアセトン内で15分間剥ぎ取った。
続いて、負極基幹部櫛をパラジウム導体を介して電気的に接続し、極希釈(10mM)硫酸銅及び硫酸より成る銅めっき槽に浸漬した。銅めっき槽の条件を、堆積(蒸着)がパラジウム上及び多孔性シリコン上の双方で発生するように調整した。銅堆積(蒸着)が多孔性シリコンの外層に沿って輸送を制限され多孔性になるように、銅濃度を低く保った。このCu層は、その多孔性に起因して同じくイオン透過性である負極集電体として機能する。しかしながら、Pd層上の銅は、負極の二次バシングコレクタとして作用するために厚さがより大きく、非多孔性であった。
3.正極集電体及び正極の作製
正極集電体及び正極を、実施例1と同様のプロセスによって作製した。
4.過剰な正極及び負極の除去
過剰な材料を、実施例4と同様のプロセスによって除去した。
5.セパレータの作製
続いて、正極と負極間、前面と裏面間の間隙(名目上40ミクロン)に、多孔性セパレータを、N−メチルピロリドン内に分散される微細なガラス粉末(直径2ミクロン未満)ならびに出来上がり固体含有量60%である2体積パーセントのPVDF結合剤を含むスラリを用いて塗布する。このスラリをスクリーン印刷し、ダイを湿らせて粒子状材料を負極材料と正極材料との間へ侵入させる。スクリーン印刷は複数のパスで、間に中間的な乾燥ステップを挟んで実行し、負極と正極との間のトレンチ、及びデバイスの上部及び底部に沿った間隙(図19における82及び84を構成する部位)を充填する。これが完了すると、追加的な層を加えてゆき、ダイの前面及び裏面も被覆するセパレータ層を設ける(図20参照)。
3D単セルの作製8
1.櫛構造体の作製
櫛構造体を、実施例4と同様にして作製した。
2.負極及び負極集電体の作製
負極集電体を、実施例1と同様のプロセスを用いて作製した。
負極基幹部櫛を用いて、非水電気泳動堆積スラリの使用により黒鉛粒子を櫛表面上へ電気泳動堆積した。堆積スラリは、黒鉛粒子(メソカーボンマイクロビーズ、95重量%)と、荷電剤としてのヨウ素25ppmと共にアセトン内に分散されるカーボンブラック(5重量%)とで構成した。白金対電極を用いて100Vで180秒間電気泳動堆積を行い、平均60ミクロンの膜厚を堆積させた。
次のステップへ進む前に、負極櫛の前面及び裏面上の過剰な負極を全て、機械的研削によって除去した。
3.セパレータの作製
酸化アルミニウム粒子用の電気泳動堆積スラリを、下記に示すように準備した。3重量%の酸化アルミニウム極微粒子を97重量%相当のエタノールに添加し、2時間攪拌した。0.05重量%のポリビニルブチラール(酸化アルミニウム及びエタノールの総量から計算)を、上述のスラリに添加した。塩酸を用いて、溶液のpHを1.5に調整した。得られた混合物を、終夜攪拌した。
続いて、この電気泳動堆積槽に櫛構造体アッセンブリを浸漬し、負極櫛と正極櫛との間に電場を印加した。Auめっきした正極集電体櫛は、電気泳動堆積プロセスの対電極として機能した。セパレータ堆積用の作用電極は、上部に負極を有する負極櫛であった。堆積電流を、集電体部位の2mA/cm2で一定に保ち、電流を1800秒間オンにした。これにより、電気泳動堆積された負極の回りに厚さ40ミクロンの酸化アルミニウム及びポリビニルブチラールの層が生じた。
4.正極集電体の作製
正極集電体を、実施例1と同様のプロセスによって作製した。
5.正極の作製
続いて、ダイを、下記の組成のリチウムイオン正極材料のスラリ、すなわちリチウムコバルト酸化物80g、黒鉛5g、カーボンブラック5g及びPVDF10gが全て、体積比1:2である速乾性溶剤としてのN−メチルピロリドン及びアセトン内に混合されているスラリで被覆した。スラリを乾燥し、溶剤を蒸発させて、導電性の正極材料を残した。次に、この材料を櫛表面へとラッピングし、試料の前面及び裏面にセパレータ材料を露出させた。
3D電池の作製1
1.単一ダイの準備
実施例1〜8におけるダイの加工に用いた接点パッドを、負極バス接続部及び正極バス接続部をそのまま残しながら、ダイシングソーを用いるダイシングによって除去した。ダイの縁を被覆しかつバスラインの上に被さるセパレータ材料を全てなくして除去し、負極の場合はCu、正極の場合はAuである集電体材料を露出させた。
2.タブ伸張部分の接続
集電体の露出に続いて、タブ伸張部分を負極バス及び正極バス上へ接続した。金のバスラインを、市販のカーボン接着剤(DAG−T−502)を用いてアルミニウムタブへ接続した。タブ伸張部分に薄いカーボン層を被覆し、金バスの側面に接着した。同じ市販のカーボン接着剤を用いて、ニッケルタブ伸張部分を銅集電体バスへ接着した。接着剤を120℃で1時間焼成し、硬化させた。タブ伸張部分には、パッケージから出てくるタブも含まれていた。このタブ伸張部分を折り曲げて水平に平板化し、パッケージング用に準備を整えた。
3.電池のパッケージング及び電解質の充填
2つのタブ伸張部分を有するダイを、市販の電池パウチパッケージング材に挿入した。パウチ材を、タブを包含してタブ側面で密封した。他の3側面のうちの1つは、電解質充填用のポートを設けるために開放状態にした。真空を印加して、比1:1:3の炭酸プロピレン、炭酸エチレン及び炭酸エチルメチル、及びヘキサフルオロリン酸リチウム塩(1M)を含む従来の電解質を、グローブボックス内にてセルへ添加した。続いて、湿気及び酸素がパウチ内へ進入して電池寿命を損失させることを防止するために、ダイがグローブボックス内部に存在する際にパウチの最後の側面も密封した。続いて、市販の電池サイクラを用いて電池の充放電を行った。
3D積層電池の作製1.
1.単一ダイの準備:
単一ダイの準備プロセスを、実施例5と同様に実行したが、異なる3つのダイには別に実行した。それらのダイ上の接点パッドは、実施例9と同様に除去した。続いて、ダイを、電極が位置合わせされるように上下に積み上げた。
2.タブ伸張部分の接続:
集電体の露出に続いて、タブ伸張部分を負極バス及び正極バス上へ接続した。金のバスラインを、市販のカーボン接着剤(DAG−T−502)を用いてアルミニウムタブへ接続した。タブ伸張部分に薄いカーボン層を被覆し、金バスの側面に接着した。同じ市販のカーボン接着剤を用いて、ニッケルタブ伸張部分を銅集電体バスへ接着した。接着剤を120℃で1時間焼成し、硬化させた。タブ伸張部分には、パッケージから出てくるタブも含まれていた。このタブ伸張部分を折り曲げて水平に平板化し、パッケージング用に準備を整えた。
3.電池のパッケージング及び電解質の充填:
電池のパッケージング及び電解質の充填を、実施例9と同様に実行した。
3D並設電池の作製1.
1.単一ダイの準備:
単一ダイの準備プロセスを、実施例5と同様に実行したが、異なる2つのダイには別に実行した。
2.タブ伸張部分の接続:
実施例9と同様の導電性接着剤を用いて、タブ伸張部分を接続した。但し、ダイは、互いに隣接する正極バス接続部が単一のタブ伸張部分を間に挟んで接続される状態で並べた。
3.電池のパッケージング及び電解質の充填:
電池のパッケージング及び電解質の充填を、実施例9と同様に実行した。
上記に鑑みれば、本発明の幾つかの目的が達成され、かつ他の効果的な結果も達成されることが分かるであろう。
本発明又は本発明の好適な実施形態の要素を展開する場合の不定冠詞、定冠詞及び「前記」の意図は、1つ又は複数の要素の存在を意味することにある。「を備える」、「を含む」及び「を有する」という言い回しには、包含的であるという意図があり、列挙される要素以外にも追加的な要素が存在し得ることを意味する。
上述の項目、組成及び方法には、本発明の範囲を逸脱することなく様々な変更を行うことも可能であり、よって、上述の明細書本文に記載されかつ添付の図面に示されている事項は、全て例示として解釈されるべきものであって、限定的に解釈されるべきでないことが意図される。



  1. 電極活性材料層を備える電極群と、対電極活性材料層を備える対電極群とを備える電極構造体であって、
    前記電極群は、第1の方向に沿って、前記対電極群と交互に配列され、
    前記電極群の各要素は、底部と、上部と、長さLと、幅Wと、高さHと、当該要素の前記底部から前記上部へ前記第1の方向に対して交差する方向に延在する長手軸Aとを有し、前記電極群の各要素の前記長さLはその長手軸Aの方向に測定され、前記電極群の各要素の前記幅Wは前記第1の方向に測定され、かつ前記電極群の各要素の前記高さHは当該要素の前記長手軸A及び前記第1の方向に対して垂直方向に測定され、前記電極群の各要素のLとW及びHとの比はそれぞれ少なくとも5:1であり、前記電極群の各要素のHとWとの比はそれぞれ0.4:1から1000:1までの間であり、
    前記電極群の各要素の前記長手軸Aは電気絶縁性セパレータ層で包囲され、かつ、
    前記電極群の要素と前記対電極群の要素との間で、前記電気絶縁性セパレータ層は少なくとも20体積%のボイド率を有するマイクロポーラスセパレータ材料を備える、電極構造体。

  2. 前記電極群の要素と前記対電極群の要素との間で、前記マイクロポーラスセパレータ材料は、前記電気絶縁性セパレータ材料層の少なくとも70体積%を構成する、請求項1に記載の電極構造体。

  3. 前記電極群の要素と前記対電極群の要素との間で、前記マイクロポーラスセパレータ材料は、前記電気絶縁性セパレータ材料層の少なくとも80体積%を構成する、請求項1に記載の電極構造体。

  4. 前記電極群の要素と前記対電極群の要素との間で、前記マイクロポーラスセパレータ材料は、前記電気絶縁性セパレータ材料層の少なくとも90体積%を構成する、請求項1に記載の電極構造体。

  5. 前記電極群の要素と前記対電極群の要素との間で、前記マイクロポーラスセパレータ材料は、前記電気絶縁性セパレータ材料層の少なくとも95体積%を構成する、請求項1に記載の電極構造体。

  6. 前記マイクロポーラスセパレータ材料は、電極群の各要素の前記長手軸Aを包囲する、請求項1から請求項5までのいずれか1つの請求項に記載の電極構造体。

  7. 前記マイクロポーラスセパレータ材料は、電極群の各要素の前記長手軸Aを、前記電極群の各要素の前記長さLの少なくとも70%にわたって包囲する、請求項1から請求項5までのいずれか1つの請求項に記載の電極構造体。

  8. 前記マイクロポーラスセパレータ材料は、電極群の各要素の前記長手軸Aを、前記電極群の各要素の前記長さLの少なくとも80%にわたって包囲する、請求項1から請求項5までのいずれか1つの請求項に記載の電極構造体。

  9. 前記マイクロポーラスセパレータ材料は、電極群の各要素の前記長手軸Aを、前記電極群の各要素の前記長さLの少なくとも90%にわたって包囲する、請求項1から請求項5までのいずれか1つの請求項に記載の電極構造体。

  10. 前記マイクロポーラスセパレータ材料は、電極群の各要素の前記長手軸Aを、前記電極群の各要素の前記長さLの少なくとも95%にわたって包囲する、請求項1から請求項5までのいずれか1つの請求項に記載の電極構造体。

  11. 前記マイクロポーラスセパレータ材料は、電極群の各要素の前記長手軸Aを、前記電極群の各要素の前記長さL全体にわたって包囲する、請求項1から請求項5までのいずれか1つの請求項に記載の電極構造体。

  12. 前記マイクロポーラスセパレータ材料は、電極群の各要素の前記長手軸Aと、前記電極群の各要素の前記上部とを包囲する、請求項1から請求項11までのいずれか1つの請求項に記載の電極構造体。

  13. 前記電気絶縁性材料層は、前記マイクロポーラスセパレータ材料と、第2の電気絶縁性材料とを含む、請求項1から請求項12までのいずれか1つの請求項に記載の電極構造体。

  14. 前記電極群の各要素の前記上部は、前記電気絶縁性セパレータ層で被覆され、かつ前記電気絶縁性セパレータ層は、前記電極群の要素と前記対電極群の要素との間の前記電気絶縁性セパレータ材料層の少なくとも70体積%を構成するマイクロポーラスセパレータ材料を含む、請求項1から請求項5までのいずれか1つの請求項に記載の電極構造体。

  15. 前記電極群は、N個の要素を有し、前記対電極群は、N+1個の要素を有し、かつNは、少なくとも5である、請求項1から請求項14までのいずれか1つの請求項に記載の電極構造体。

  16. 前記対電極群は、N個の要素を有し、前記電極群は、N+1個の要素を有し、かつNは、少なくとも5である、請求項1から請求項15までのいずれか1つの請求項に記載の電極構造体。

  17. 前記電極群及び前記対電極群はそれぞれ、少なくとも50個の要素を含む、請求項1から請求項16までのいずれか1つの請求項に記載の電極構造体。

  18. は、約10mmから約250mmまでの範囲内の値を有する、請求項1から請求項17までのいずれか1つの請求項に記載の電極構造体。

  19. は、約0.01mmから約2.5mmまでの範囲内の値を有する、請求項1から請求項18までのいずれか1つの請求項に記載の電極構造体。

  20. は、約0.05mmから約10mmまでの範囲内の値を有する、請求項1から請求項19までのいずれか1つの請求項に記載の電極構造体。

  21. 前記電極群の各要素において、LとW及びHのそれぞれとの比はそれぞれ少なくとも10:1である、請求項1から請求項20までのいずれか1つの請求項に記載の電極構造体。

  22. 前記電極群の各要素の断面は外周Pを有し、かつ前記電極群の各要素において、LとPとの比はそれぞれ少なくとも1.25:1である、請求項1から請求項21までのいずれか1つの請求項に記載の電極構造体。

  23. 前記対電極群の各要素は、底部と、上部と、長さLCEと、幅WCEと、高さHCEと、当該要素の前記底部から前記上部へ前記第1の方向に対して交差する方向に延在する長手軸ACEとを含み、前記電極群の各要素の前記長さLCEはその長手軸ACEの方向に測定され、前記電極群の各要素の前記幅WCEは前記第1の方向に測定され、かつ前記電極群の各要素の前記高さHCEは当該要素の前記長手軸ACE及び前記第1の方向に対して垂直方向に測定され、前記電極群の各要素のLCEとWCE及びHCEのそれぞれとの比はそれぞれ少なくとも5:1であり、前記電極群の各要素のHCEとWCEとの比はそれぞれ0.4:1から1000:1までの間である、請求項1から請求項22までのいずれか1つの請求項に記載の電極構造体。

  24. CEは、約10mmから約250mmまでの範囲内の値を有する、請求項1から請求項23までのいずれか1つの請求項に記載の電極構造体。

  25. CEは、約0.01mmから2.5mmまでの範囲内の値を有する、請求項1から請求項24までのいずれか1つの請求項に記載の電極構造体。

  26. CEは、約0.05mmから約10mmまでの範囲内の値を有する、請求項1から請求項25までのいずれか1つの請求項に記載の電極構造体。

  27. 前記電極群の各要素において、LCEとWCE及びHCEのそれぞれとの比はそれぞれ少なくとも10:1である、請求項1から請求項26までのいずれか1つの請求項に記載の電極構造体。

  28. 前記対電極群の各要素の断面は外周PCEを有し、かつ前記対電極群の各要素において、LCEとPCEとの比はそれぞれ少なくとも1.25:1である、請求項1から請求項27までのいずれか1つの請求項に記載の電極構造体。

  29. 前記電極群の各要素はさらに、電極基幹部を備える、請求項1から請求項28までのいずれか1つの請求項に記載の電極構造体。

  30. 前記電極群の各要素はさらに、電極基幹部を備え、前記電極群の各要素の前記電極基幹部は、10ジーメンス/cm未満の導電率を有する、請求項1から請求項29までのいずれか1つの請求項に記載の電極構造体。

  31. 前記電極群の各要素において、前記電極集電体層は前記電極活性材料と前記電極基幹部との間に存在し、かつ前記電極活性材料は前記マイクロポーラスセパレータと前記電極集電体層との間に存在する、請求項29又は請求項30に記載の電極構造体。

  32. 前記電極群の各要素において、前記電極集電体層はイオン透過性導体材料を含み、かつ前記電極活性材料と前記マイクロポーラスセパレータとの間に位置し、かつ前記電極活性材料は前記電極集電体層と前記電極基幹部との間に存在する、請求項29又は30に記載の電極構造体。

  33. 前記電極群の各要素において、前記電極集電体層は電導性及びキャリアイオンに対するイオン伝導性を有しており、前記電極構造体内にエネルギーを蓄積するための印加電流が存在する場合、又は前記電極構造体を放電するための印加負荷が存在する場合の、前記電極集電体層の電導率と前記電極集電体層のキャリアイオンに対するイオン伝導率との比はそれぞれ少なくとも1,000:1である、請求項32に記載の電極構造体。

  34. 前記電極群の各要素において、前記電極集電体層及び前記電極活性材料層は電導性を有し、かつ前記電極集電体層の電導率と前記電極活性材料層の電導率との比はそれぞれ少なくとも100:1である、請求項1から請求項33までのいずれか1つの請求項に記載の電極構造体。

  35. 前記電極群の各要素は、当該要素に含まれる前記電極集電体層の長さLE−Cの少なくとも60%である長さと、当該要素に含まれる前記電極集電体層の電導率の少なくとも200%である電導率とを有する補助電極集電体層をさらに備える、請求項1から請求項34までのいずれか1つの請求項に記載の電極構造体。

  36. 前記対電極群の各要素はさらに、電極基幹部を備える、請求項1から請求項35までのいずれか1つの請求項に記載の電極構造体。

  37. 前記対電極群の各要素の前記基幹部は、10ジーメンス/cm未満の導電率を有する、請求項36に記載の電極構造体。

  38. 前記対電極群の各要素において、前記対電極集電体層は前記対電極活性材料と前記対電極基幹部との間に存在し、かつ前記電極活性材料は前記マイクロポーラスセパレータと前記対電極集電体層との間に存在する、請求項36又は37に記載の電極構造体。

  39. 前記対電極群の各要素において、前記対電極集電体層はイオン透過性導体材料を含み、かつ前記対電極活性材料と前記マイクロポーラスセパレータとの間に位置し、かつ前記対電極活性材料は前記対電極集電体層と前記対電極基幹部との間に存在する、請求項36又は37に記載の電極構造体。

  40. 前記対電極群の各要素において、前記対電極集電体層は電導性及びキャリアイオンに対するイオン伝導性を有しており、前記電極構造体内にエネルギーを蓄積するための印加電流が存在する場合、又は前記電極構造体を放電するための印加負荷が存在する場合の、前記対電極集電体層の電導率と前記対電極集電体層のキャリアイオンに対するイオン伝導率との比はそれぞれ少なくとも1,000:1である、請求項39に記載の電極構造体。

  41. 前記対電極群の各要素において、前記対電極集電体層及び前記対電極活性材料層は電導性を有し、かつ前記対電極集電体層の電導率と前記対電極活性材料層の電導率との比はそれぞれ少なくとも100:1である、請求項1から請求項40までのいずれか1つの請求項に記載の電極構造体。

  42. 前記対電極群の各要素は、当該要素に含まれる前記対電極集電体層の長さLE−Cの少なくとも60%である長さと、当該要素に含まれる前記対電極集電体層の電導率の少なくとも200%である電導率とを有する補助対電極集電体層をさらに備える、請求項1から請求項41までのいずれか1つの請求項に記載の電極構造体。

  43. 前記電極構造体は、前記電極群の各要素が直に付着される表面を有する電極基板をさらに備える、請求項1から請求項42までのいずれか1つの請求項に記載の電極構造体。

  44. 前記電極構造体は、前記電極群の各要素が直に付着される表面を有する電極基板と、前記対電極群の各要素が付着される表面を有する対電極基板とをさらに備え、前記電極基板の表面及び前記対電極基板の表面は、前記第1の方向に対して略平行な対向する表面である、請求項1から請求項43までのいずれか1つの請求項に記載の電極構造体。

  45. 前記電極群は一群の負極であり、前記対電極群は一群の正極であり、前記電極活性材料層は負極活性材料層であり、かつ前記電極電流導体層は負極電流導体層である、請求項1から請求項44までのいずれか1つの請求項に記載の電極構造体。

  46. 前記負極活性材料層は、炭素、アルミニウム、錫、シリコン又はこれらの合金を含む、請求項45に記載の電極構造体。

  47. 前記負極活性材料層は、シリコン又はその合金を含む、請求項45に記載の電極構造体。

  48. 前記負極活性材料層は、シリコンもしくはその合金のナノワイヤ、又は多孔性シリコンもしくはその合金を含む、請求項45に記載の電極構造体。

  49. 前記電極群は一群の正極である、請求項1から請求項44までのいずれか1つの請求項に記載の電極構造体。

  50. 前記電極群は一群の負極であり、前記対電極群は一群の正極であり、前記負極群の各要素は負極活性材料層と負極電流導体層とを含み、前記負極群の各要素は、底部と、上部と、長さLNEと、幅WNEと、高さHNEとを有し、前記長さLNEは当該各負極の前記底部から前記上部まで測定され、前記幅WNE及び前記高さHNEは互いに垂直方向に、かつ前記長さLNEの前記測定方向に対して垂直方向に測定され、LNEとWNE及びHNEのそれぞれとの比はそれぞれ少なくとも5:1であり、HNEとWNEとの比は0.4:1から1000:1までの間であり、前記群の各要素の前記負極集電体層はLNEと同じ方向に測定されかつLNEの少なくとも50%である長さLNCを有する、請求項1に記載の電極構造体。

  51. 前記電極群は一群の正極であり、前記対電極群は一群の負極であり、前記正極群の各要素は正極活性材料層と正極電流導体層とを含み、前記正極群の各要素は、底部と、上部と、長さLPEと、幅WPEと、高さHPEとを有し、前記長さLPEは当該各正極の前記底部から前記上部まで測定され、前記幅WPE及び前記高さHPEは互いに垂直方向に、かつ前記長さLPEの前記測定方向に対して垂直方向に測定され、LPEとWPE及びHPEのそれぞれとの比はそれぞれ少なくとも5:1であり、HPEとWPEとの比は0.4:1から1000:1までの間であり、前記正極群の各要素の前記正極集電体層はLPEと同じ方向に測定されかつLPEの少なくとも50%である長さLPCを有する、請求項1に記載の電極構造体。

  52. 前記マイクロポーラスセパレータ材料層は、粒子状材料と結合剤とを含む、請求項1から請求項51までのいずれか1つの請求項に記載の電極構造体。

  53. 請求項1から請求項52までのいずれか1つの請求項に記載の電極構造体を少なくとも2つ備える、電極積層体。

  54. 前記電極構造体は垂直に積層され、これにより、前記電極積層体における第1の電極構造体に含まれる前記正極群及び負極群は、前記電極積層体における第2の電極構造体に含まれる前記正極群及び負極群とは異なる平面に存在する、請求項53に記載の電極積層体。

  55. 前記電極構造体は水平に配列され、これにより、前記電極積層体における第1の電極構造体に含まれる前記正極群及び負極群は、前記電極積層体における第2の電極構造体に含まれる前記正極群及び負極群と略同じ平面に存在する、請求項53に記載の電極積層体。

  56. 電池筐体と、非水電解質と、請求項1から請求項52までのいずれか1つの請求項に記載の電極構造体又は請求項53から請求項55までのいずれか1つの請求項に記載の電極積層体とを備える二次電池。

 

 

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少なくとも1つの組み合わせ(11)を含む層の構成を備える電気化学デバイス(例えば、容量性デバイス、電池、又はハイブリッドデバイス)であって、各組み合わせ(11)は、第1の多孔性電極層(12)と第2の多孔性電極層(14)との間に配置される多孔性粒子状分離器層(13)と、任意追加的に少なくとも1つの粒子状集電器層(16、17)と、液体電解質(15)とを、パッケージ(19)に入れて含み、本質的に全ての液体電解質は、層の構成の内部に閉じ込められる、電気化学デバイス。第1の多孔性電極層と第2の多孔性電極層との間に配置される多孔性粒子状分離器層と、任意追加的に少なくとも1つの粒子状集電器層と、液体電解質と、を含む、第1の組み合わせを含む、容量性電気化学デバイス。
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