(57)【要約】      （修正有）【課題】電気化学電池における力の印加により電気化学電池の性能を高めるシステム及び方法の提供。【解決手段】電気化学電池はカソード３０と、活性材料としてリチウムを含むアノード５０、及び該カソードと該アノードとを電気化学的に連絡する電解質４０とを備えており、電気化学電池の充電及び／または放電中の少なくとも１つの期間中に、該アノードの該活性表面５２に垂直な成分を伴う異方性力を一様に印加するよう構築され、前記異方性力は約１４７ニュートン／ｃｍ２未満で、４．９ニュートン／ｃｍ２以上とする電気化学電池。【選択図】図１
2014239047.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
本願明細書に記載された発明。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願の相互参照）
本願は、Ｓｃｏｒｄｉｌｉｓ−Ｋｅｌｌｅｙらによる米国仮特許出願第６１／０８６，３２９号（名称「Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ  ｏｆ  Ｆｏｒｃｅ  ｉｎ  Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｃｅｌｌｓ」、２００８年８月５日出願）の利益を主張し、この出願の全体が本明細書に参考として援用される。
【０００２】
（発明の分野）
本発明は、電気化学電池に関し、より具体的には、力の印加を介して電気化学電池の性能を向上させるシステムおよび方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
典型的な電気化学電池は、電気化学反応に関与するカソードおよびアノードを有する。いくつかの電気化学電池（例えば、充電式バッテリ）は、アノード表面上の金属と他の電池成分（例えば、電解質成分）との寄生反応が同時に起こるアノードの表面上の金属（例えば、リチウム金属）の剥離および析出を伴う、充電／放電サイクルを受け得、金属は、放電中に、アノード表面から拡散することができる。このようなプロセスの効率および一様性は、電気化学電池の効率的な機能に影響を及ぼす可能性がある。いくつかの場合において、１つ以上の電極の１つ以上の表面は、しばしば電解質の中に溶解するイオンの不均一な再析出により、電気化学電池が充電／放電サイクルを繰り返し受けるにつれて不均一になり得る。１つ以上の電極の１つ以上の表面の粗化は、ますます不十分な電池性能をもたらす可能性がある。
【０００４】
したがって、改善された組成物および方法が必要である。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、概して、電気化学電池に関し、より具体的には、力の印加を介して電気化学電池の性能を改善させるためのシステムおよび方法に関する。本発明の主題は、いくつかの場合において、相互関係のある生成物、特定の問題に対する代替の解決策、ならびに／または１つ以上のシステムおよび／もしくは物品の複数の異なる用途を含む。
【０００６】
ある実施形態において、本発明は、電気化学電池に関する。一組の実施形態において、カソードと、アノード活性材料としてリチウムを含むアノードであって、活性表面を有する、アノードと、カソードおよびアノードと電気化学的に連絡する電解質とを含む、電気化学電池が提供される。電池は、電池の充電および／または放電中の少なくとも１つの期間中に、アノードの活性表面に垂直な成分を伴う異方性力を印加するように構築および配設され得る。
【０００７】
いくつかの事例において、カソードと、アノードであって、活性表面を有するアノードと、カソードおよびアノードと電気化学的に連絡する非固体電解質とを備える、電気化学電池が提供されてもよい。電池は、電池の充電および／または放電中の少なくとも１つの期間中に、アノードの活性表面に垂直な成分を伴う異方性力を印加するように構築および配設され得る。
【０００８】
いくつかの実施形態では、物品が説明される。物品は、内部容積、内部容積に近接した第１の電極、第１の電極に近接した電解質、および電解質に近接した第２の電極を備える、電気化学電池を備えることができる。物品はまた、電気化学電池の内部容積内に位置している膨張要素と、電気化学電池の外側の少なくとも一部分を包囲する収縮要素とを備えることができる。いくつかの場合において、収縮要素は、電気化学電池の最外表面に力を印加するように構築および配設される。いくつかの実施形態において、膨張要素は、電気化学電池の内部容積から外向きに放射状に広がる力を印加するように構築および配設される。いくつかの場合において、電気化学電池の境界内の力は、電気化学電池の境界内のメジアンの力の約３０％未満だけ外れている。
【０００９】
一組の実施形態において、複数の電気化学電池を備える物品が説明される。物品は、第１の電気化学電池と、第２の電気化学電池と、少なくとも第１の電池および第２の電池の部分を包囲する収縮要素とを備えることができる。いくつかの実施形態において、収縮要素は、少なくとも約４．９ニュートン／ｃｍ２の圧力を画定する力を、第１および第２の電池に印加するように構築および配設することができる。
【００１０】
いくつかの場合において、活性表面を伴うカソードと、活性表面を伴うアノードと、カソードおよびアノードと電気化学的に連絡する電解質とを備える、電気化学電池が提供されてもよい。カソードおよびアノードは、降伏応力を有し得、カソードおよびアノードのうちの一方の有効降伏応力は、他方の降伏応力よりも大きいので、アノードの活性表面およびカソードの活性表面のうちの１つの表面に垂直に印加される異方性力は、カソードおよびアノードのうちの１つの表面形態に影響を及ぼさせる。
【００１１】
ある実施形態において、本発明は、電気エネルギーの貯蔵および使用方法に関する。一組の実施形態において、該方法は、電気化学電池を提供するステップであって、該電気化学電池は、カソードと、リチウムアノード活性材料を含む、アノードであって、活性表面を有する、アノードと、カソードおよびアノードと電気化学的に連絡する電解質とを備える、ステップを含む。該方法はさらに、電池の充電および／または放電中の少なくとも１つの期間中に、アノードの活性表面に垂直な成分を伴う異方性力を印加するステップを含んでもよい。
【００１２】
一組の実施形態において、該方法は、電気化学電池を提供するステップであって、該電気化学電池は、カソードと、アノードであって、活性表面を有する、アノードと、カソードおよびアノードと電気化学的に連絡する非固体電解質とを備える、ステップを含む。該方法はさらに、電池の充電および／または放電中の少なくとも１つの期間中に、アノードの活性表面に垂直な成分を伴う異方性力を印加するステップを含んでもよい。
【００１３】
本発明の他の側面、実施形態、および特徴は、添付図面とともに考慮した時に、以下の詳細な説明から明らかになるであろう。添付図面は、概略図であり、一定の比率で描画することを意図したものではない。明確にするために、当業者が本発明を理解できるようにするための図示が不要である場合、全ての図面内の全ての構成要素に参照符号が付されず、また、本発明の各実施形態の全ての構成要素が示されるわけではない。参照することにより本明細書に組み込まれる全ての特許出願および特許は、参照することによりその全体が組み込まれる。矛盾する場合は、定義を含めて、本明細書が優先される。
（項目１）
電気化学電池であって、
カソードと、
アノード活性材料としてリチウムを含むアノードであって、該アノードは活性表面を有する、アノードと、
該カソードおよび該アノードと電気化学的に連絡する電解質と
を備えており、
該電池は、該電池の充電および／または放電中の少なくとも１つの期間中に、該アノードの該活性表面に垂直な成分を伴う異方性力を印加するように構築および配設される、電気化学電池。
（項目２）
前記リチウム材料は、リチウム合金を含む、項目１に記載の電気化学電池。
（項目３）
前記異方性力は、前記アノードの前記活性表面の上に一様に印加される、項目１に記載の電気化学電池。
（項目４）
前記カソードは、炭素と、硫黄とを含む、項目１に記載の電気化学電池。
（項目５）
前記カソードは、カソード活性材料と、結合剤材料とを含む、項目１に記載の電気化学電池。
（項目６）
前記電気化学電池は、円筒形である、項目１に記載の電気化学電池。
（項目７）
前記円筒形の電気化学電池は、円筒形の格納構造内に配置される、項目６に記載の電気化学電池。
（項目８）
前記カソードは、カソード活性材料を含み、該カソードの中のカソード活性材料の量に対する前記アノードの中のアノード活性材料の量の比は、モル単位で１．５：１未満である、項目１に記載の電気化学電池。
（項目９）
前記アノードと前記カソードとの間に多孔質セパレータをさらに備える、項目１に記載の電気化学電池。
（項目１０）
前記アノードと前記カソードとの間に、前記電解質に透過性のセパレータをさらに備える、項目１に記載の電気化学電池。
（項目１１）
前記セパレータは、微孔質ポリエチレンフィルムを備える、項目１０に記載の電気化学電池。
（項目１２）
前記電池は、該電池の充電および／または放電中の少なくとも１つの期間中に、約１４７ニュートン／ｃｍ２未満の圧力を画定する、前記アノードの前記活性表面に垂直な成分を伴う異方性力を印加するように構築および配設され、該アノード活性表面と異方性力とは、該異方性力が、充電および放電を通して、該アノード活性表面の表面形態に影響を及ぼし、アノード活性表面積の増大を抑制するように一緒に選択され、該異方性力の非存在下にあるが、それ以外は本質的に同一である条件下においては、該アノード活性表面積は、充電および放電サイクルを通して大幅に増大させられる、項目１に記載の電気化学電池。
（項目１３）
前記電池は、該電池の充電および／または放電中の少なくとも１つの期間中に、少なくとも約４．９ニュートン／ｃｍ２の圧力を画定する、前記アノードの前記活性表面に垂直な成分を伴う異方性力を印加するように構築および配設される、項目１に記載の電気化学電池。
（項目１４）
前記電池は、該電池の充電および／または放電中の少なくとも１つの期間中に、約４．９ニュートン／ｃｍ２から約１４７ニュートン／ｃｍ２の間の圧力を画定する、前記アノードの前記活性表面に垂直な成分を伴う異方性力を印加するように構築および配設される、項目１に記載の電気化学電池。
（項目１５）
電気化学電池であって、
カソードと、
アノードであって、該アノードは活性表面を有する、アノードと、
該カソードおよび該アノードと電気化学的に連絡する非固体電解質と
を備えており、
該電池は、該電池の充電および／または放電中の少なくとも１つの期間中に、該アノードの該活性表面に垂直な成分を伴う異方性力を印加するように構築および配設される、電気化学電池。
（項目１６）
前記電池は、該電池の充電および／または放電中の少なくとも１つの期間中に、約１４７ニュートン／ｃｍ２未満の圧力を画定する、前記アノードの前記活性表面に垂直な成分を伴う異方性力を印加するように構築および配設され、該アノード活性表面と異方性力とは、該異方性力が、充電および放電を通して、該アノード活性表面の表面形態に影響を及ぼし、アノード活性表面積の増大を抑制するように一緒に選択され、該異方性力の非存在下にあるが、それ以外は本質的に同一である条件下においては、該アノード活性表面積は、充電および放電サイクルを通して、大幅に増大させられる、項目１５に記載の電気化学電池。
（項目１７）
前記電池は、該電池の充電および／または放電中の少なくとも１つの期間中に、少なくとも約４．９ニュートン／ｃｍ２の圧力を画定する、前記アノードの前記活性表面に垂直な成分を伴う異方性力を印加するように構築および配設される、項目１５に記載の電気化学電池。
（項目１８）
前記電池は、該電池の充電および／または放電中の少なくとも１つの期間中に、約４．９ニュートン／ｃｍ２と約１４７ニュートン／ｃｍ２との間の圧力を画定する、前記アノードの前記活性表面に垂直な成分を伴う異方性力を印加するように構築および配設される、項目１５に記載の電気化学電池。
（項目１９）
電気化学電池であって、
活性表面を伴うカソードと、
活性表面を伴うアノードと、
該カソードおよび該アノードと電気化学的に連絡する電解質と
を備えており、
該カソードおよびアノードは、降伏応力を有し、該カソードおよびアノードのうちの一方の有効降伏応力は、他方の該降伏応力よりも大きいことにより、該アノードの該活性表面および該カソードの該活性表面のうちの１つの該表面に垂直に印加される異方性力は、該カソードおよび該アノードのうちの１つの表面形態に影響を受けさせる、電気化学電池。
（項目２０）
電気エネルギーの貯蔵および使用の方法であって、
電気化学電池を提供することであって、該電気化学電池は、
カソードと、
リチウムアノード活性材料を含むアノードであって、該アノードは活性表面を有する、アノードと、
該カソードおよび該アノードと電気化学的に連絡する電解質と
を備えている、ことと、
該電池の充電および／または放電中の少なくとも１つの期間中に、該アノードの該活性表面に垂直な成分を伴う異方性力を印加することと
を含む、方法。
（項目２１）
前記アノード活性表面に垂直な前記異方性力の前記成分は、前記アノード材料の降伏応力の約２０％と約２００％との間である、項目２０に記載の方法。
（項目２２）
前記アノード活性表面に垂直な前記異方性力の前記成分は、前記アノード材料の降伏応力の約５０％と約１２０％との間である、項目２０に記載の方法。
（項目２３）
前記アノード活性表面に垂直な前記異方性力の前記成分は、前記アノード材料の降伏応力の約８０％と約１００％との間である、項目２０に記載の方法。
（項目２４）
前記アノード活性表面に垂直な前記異方性力の前記成分は、約４．９と約１４７ニュートン／ｃｍ２との間の圧力を画定する、項目２０に記載の方法。
（項目２５）
前記アノード活性表面に垂直な前記異方性力の前記成分は、約４９と約１１７．６ニュートン／ｃｍ２との間の圧力を画定する、項目２０に記載の方法。
（項目２６）
前記アノード活性表面に垂直な前記異方性力の前記成分は、約６８．６と約９８ニュートン／ｃｍ２との間の圧力を画定する、項目２０に記載の方法。
（項目２７）
前記アノード活性表面と異方性力とは、前記異方性力が、充電および放電を通して、該アノード活性表面の表面形態に影響を及ぼし、アノード活性表面積の増大を抑制するように一緒に選択され、該異方性力の非存在下にあるが、それ以外は本質的に同一である条件下においては、該アノード活性表面積は、充電および放電サイクルを通して、大幅に増大させられる、項目２０に記載の方法。
（項目２８）
前記異方性力は、圧縮ばねを使用して印加される、項目２０に記載の方法。
（項目２９）
前記異方性力は、ベルビルワッシャを使用して印加される、項目２０に記載の方法。
（項目３０）
前記異方性力は、空気圧式デバイスを使用して印加される、項目２０に記載の方法。
（項目３１）
前記異方性力は、熱膨張を介して印加される、項目２０に記載の方法。
（項目３２）
前記電気化学電池は、格納構造内に配置され、前記異方性力は、該格納構造に対して該電気化学電池を膨潤させることによって印加される、項目２０に記載の方法。
（項目３３）
前記電気化学電池は、円筒形状である、項目３２に記載の方法。
（項目３４）
前記電気化学電池は、三角柱形状である、項目３２に記載の方法。
（項目３５）
前記電気化学電池は、四角柱形状である、項目３２に記載の方法。
（項目３６）
前記電気化学電池は、該電池の充電および／または放電に起因して膨潤する、項目３２に記載の方法。
（項目３７）
前記電池を代替的に放電および充電することによって、該電池を少なくとも３回サイクルすることをさらに含み、３回目のサイクルの終了時に、該電池は、該電池の初期容量の少なくとも８０％を呈する、項目２０に記載の方法。
（項目３８）
前記電池を代替的に放電および充電することによって、該電池を少なくとも１０回サイクルすることをさらに含み、１０回目のサイクルの終了時に、該電池は、該電池の初期容量の少なくとも８０％を呈する、項目２０に記載の方法。
（項目３９）
前記電池を代替的に放電および充電することによって、該電池を少なくとも２５回サイクルすることをさらに含み、２５回目のサイクルの終了時に、該電池は、該電池の初期容量の少なくとも８０％を呈する、項目２０に記載の方法。
（項目４０）
前記異方性力の非存在下での表面積の増加に対して、前記アノードの前記活性表面の表面積の増加を抑制することに有効な程度まで、前記電池の充電および／または放電中の少なくとも１つの期間中に、該アノード活性表面に垂直な成分を伴う異方性力を印加することをさらに含む、項目２０に記載の方法。
（項目４１）
電気エネルギーの貯蔵および使用の方法であって、
電気化学電池を提供することであって、該電気化学電池は、
カソードと、
アノードであって、該アノードは活性表面を有する、アノードと、
該カソードおよび該アノードと電気化学的に連絡する非固体電解質と
を備えている、ことと、
該電池の充電および／または放電中の少なくとも１つの期間中に、該アノードの該活性表面に垂直な成分を伴う異方性力を印加することと
を含む、方法。
（項目４２）
前記異方性力の非存在下での表面積の増加に対して、前記アノードの前記活性表面の表面積の増加を抑制することに有効な程度まで、前記電池の充電および／または放電中の少なくとも１つの期間中に、該アノード活性表面に垂直な成分を伴う異方性力を印加するステップをさらに含む、項目４１に記載の方法。
（項目４３）
前記非固体電解質は、液体を含む、項目４１に記載の方法。
（項目４４）
物品であって、
第１の電気化学電池と、
第２の電気化学電池と、
少なくとも該第１の電池および該第２の電池の部分を包囲する収縮要素と
を備えており、
該収縮要素は、少なくとも約４．９ニュートン／ｃｍ２の圧力を画定する力を、該第１および第２の電池に印加するように構築および配設される、物品。
（項目４５）
前記第１の電気化学電池は、第１の電解質を含み、前記第２の電気化学電池は、第２の電解質を含み、該第１および第２の電解質のうちの少なくとも１つは、非固体電解質を含む、項目４４に記載の物品。
（項目４６）
前記第１と第２の電気化学電池との間に配置される、スペーサをさらに備える、項目４４に記載の物品。
（項目４７）
前記第１の電気化学電池は、アノード活性材料を含む第１のアノードを備え、
前記第２の電気化学電池は、アノード活性材料を含む第２のアノードを備え、
該第１および第２のアノードのうちの少なくとも１つは、アノード活性材料としてリチウムを含む、項目４４に記載の物品。
（項目４８）  
前記リチウムアノード活性材料は、リチウム合金を含む、項目４７に記載の物品。
（項目４９）
前記第１の電気化学電池は、アノード活性表面を備える第１のアノードを備え、
前記第２の電気化学電池は、アノード活性表面を備える第２のアノードを備え、
前記収縮要素は、前記電池の充電および／または放電中の少なくとも１つの期間中に、少なくとも４９ニュートン／ｃｍ２の圧力を画定する、該第１および第２の活性表面に垂直な成分を伴う異方性力を印加するように構築および配設される、項目４４に記載の物品。
（項目５０）
前記第１の電気化学電池は、第１のカソードを備え、前記第２の電気化学電池は、第２のカソードを備え、該第１および第２のカソードのうちの少なくとも１つは、炭素と、硫黄とを含む、項目４４に記載の電気化学電池。
（項目５１）
物品であって、
電気化学電池であって、内部容積、該内部容積に近接した第１の電極、該第１の電極に近接した電解質、および該電解質に近接した第２の電極を備える、電気化学電池と、
該電気化学電池の該内部容積内に位置している膨張要素と、
該電気化学電池の外側の少なくとも一部分を包囲する収縮要素と
を備えており、
該収縮要素は、該電気化学電池の最外表面に力を印加するように構築および配設され、
該膨張要素は、該電気化学電池の該内部容積から外向きに放射状に広がる力を印加するように構築および配設され、
該電気化学電池の境界内の該力は、該電気化学電池の該境界内のメジアンの力の約３０％未満だけ外れている、物品。
（項目５２）
前記電解質は、非固体電解質を含む、項目５１に記載の物品。
（項目５３）
前記非固体電解質は、液体を含む、項目５２に記載の物品。
（項目５４）
前記電気化学電池の前記境界内の前記力は、該電気化学電池の該境界内のメジアンの力の約２０％未満だけ外れている、項目５１に記載の物品。
（項目５５）
前記電気化学電池の前記境界内の前記力は、該電気化学電池の該境界内のメジアンの力の約１０％未満だけ外れている、項目５１に記載の物品。
（項目５６）
前記電気化学電池の前記境界内の前記力は、約４．９ニュートン／ｃｍ２と約１４７ニュートン／ｃｍ２との間である、項目５１に記載の物品。
（項目５７）
前記電気化学電池は、円筒形である、項目５１に記載の電気化学電池。
（項目５８）
前記電気化学電池は、角柱を含む、項目５１に記載の電気化学電池。
（項目５９）
前記第１の電極は、前記内部容積の上に形成され、前記電解質は、該第１の電極の上に形成され、前記第２の電極は、該電解質の上に形成される、項目５１に記載の電気化学電池。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
非限定的な本発明の実施形態は、添付図面を参照して一例として記載されるものであり、添付図面は概略図であって一定の比率で描画することを意図したものではない。図面中、示される全く同じまたは同様の各構成要素は、一般的に同様の参照符号で表される。明確にするために、当業者が本発明を理解できるようにするための図示が不要である場合、全ての図面内の全ての構成要素に参照符号が付されず、また、本発明の各実施形態の全ての構成要素が示されるわけではない。
【図１】図１は、一組の実施形態による電気化学電池の概略図である。
【図２】図２は、別の一組の実施形態による電気化学電池の概略図である。
【図３】図３は、さらに別の一組の実施形態による電気化学電池の概略図である。
【図４】図４は、充電および放電中の異方性力の印加後のアノードのＳＥＭ顕微鏡写真である。
【図５】図５は、等方性力の非存在下での充電および放電後のアノードのＳＥＭ顕微鏡写真である。
【図６】図６Ａ−６Ｄは、充電および放電中の（ａ）０、（ｂ）４９、（ｃ）７３．５、および（ｄ）９８ニュートン／ｃｍ２の印加後のアノードのＳＥＭ顕微鏡写真を含む。
【図７】図７Ａ−７Ｄは、充電および放電中の（ａ）０、（ｂ）４９、（ｃ）７３．５、および（ｄ）９８ニュートン／ｃｍ２の印加後のアノードのＳＥＭ顕微鏡写真を含む。
【図８】図８は、別の実施形態による電気化学電池スタックの概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明は、電気化学電池の性能を高める力の印加に関する。本出願で説明されるように電気化学電池の部分に印加される単一または複数の力は、電池の電極表面の不規則性または粗化を低減することができ、性能を向上させる。
【００１６】
力は、いくつかの事例において、電気化学電池のアノードの活性表面に垂直な成分を伴う異方性力を含んでもよい。本明細書で説明される実施形態において、電気化学電池（例えば、充電式バッテリ）は、充電時にアノードの表面上の金属（例えば、リチウム金属または以下に説明する他の活性材料）の析出、およびアノード表面上の金属の反応を伴う、充電／放電サイクルを受けてもよく、金属は、放電時に、アノード表面から拡散する。金属がアノード上に析出される一様性は、電池性能に影響を及ぼし得る。例えば、リチウム金属は、アノードから除去される、および／またはその上に再析出する時に、いくつかの場合において、不均一な表面をもたらし得、例えば、再析出時に、不均一に析出して粗面を形成し得る。粗面は、不要な化学反応に利用可能であるリチウム金属の量を増大させ得、それは減少したサイクル寿命および／または不十分な電池性能をもたらし得る。電気化学電池への力の印加は、本発明によれば、そのような挙動を低減すること、ならびにおよび電池のサイクル寿命および／もしくは性能を向上させることが分かっている。
【００１７】
本発明は、様々な電気化学デバイスにおける用途を見出すことができるが、そのようなデバイスの一実施例を、例示目的だけのために図１に提供する。図１において、電気化学電池の全般的な一実施形態は、カソードと、アノードと、カソードおよびアノードと電気化学的に連絡する電解質層とを含むことができる。いくつかの場合において、電池はまた、格納構造を備えてもよい。構成要素は、いくつかの場合において、電解質が、積層構成でカソードとアノードとの間に配置されるように組み立てられてもよい。図１は、本発明の電気化学電池を示す。示される実施形態において、電池１０は、基板２０の実質的に平面の表面上に形成することができる、カソード３０を含む。図１のカソードおよび基板は、平面構成を有するように示されているが、他の実施形態は、以下により詳細に説明するように、非平面構成を含み得る。カソードは、様々なカソード活性材料を含んでもよい。本明細書で使用する場合、「カソード活性材料」という用語は、カソードと関連するあらゆる電気化学的活性種を指す。例えば、カソードは、硫黄含有材料を含んでもよく、硫黄は、カソード活性材料である。カソード活性材料の他の実施例は、以下により十分に説明する。いくつかの実施形態において、カソード３０は、少なくとも１つの活性表面（例えば、表面３２）を備える。本明細書で使用する場合、「活性表面」という用語は、電解質と物理的接触した状態にあり、そこで電気化学反応が起こり得る、電極の表面を説明するために使用される。電解質４０（例えば、多孔質セパレータ材料を含む）は、カソード３０に隣接して形成することができる。
【００１８】
いくつかの実施形態において、電解質４０は、非固体電解質を含んでもよく、多孔質セパレータとともに組み込まれてもよい。本明細書で使用する場合、「非固体」という用語は、静的剪断応力に耐えることができない材料を指すために使用され、非固体は、剪断応力が印加された時に、連続的かつ永続的な歪曲を受ける。非固体の実施例には、例えば、液体、変形可能なゲル等が挙げられる。アノード層５０は、電解質４０に隣接して形成することができ、また、電極３０と電気連絡し得る。随意に、電池はまた、いくつかの実施形態において、格納構造５６を含みんでもよい。
【００１９】
アノードは、様々なアノード活性材料を含んでもよい。本明細書で使用する場合、「アノード活性材料」という用語は、アノードと関連するあらゆる電気化学的活性種を指す。例えば、アノードは、リチウム含有材料を含んでもよく、リチウムは、アノード活性材料である。アノード活性材料の他の実施例は、以下により十分に説明する。いくつかの実施形態において、アノード５０は、少なくとも１つの活性表面（例えば、表面５２）を備える。アノード５０はまた、電解質４０を介してカソード３０上に配置される電解質層上に形成されてもよい。当然、構成要素の配向は、変動させることができ、また、例えばアノード層または電解質層が基板上に最初に形成されるように層の配向が変動する、他の実施形態が存在することを理解されたい。随意に、電気活性材料（例えば、電極）を電解質から保護する多層構造等の、付加層（図示せず）が存在してもよく、Ａｆｆｉｎｉｔｏ他への、２００６年４月６日に出願の米国特許出願第１１／４００，７８１号、名称「Ｒｅｃｈａｒｇｅａｂｌｅ  Ｌｉｔｈｉｕｍ／Ｗａｔｅｒ，Ｌｉｔｈｉｕｍ／Ａｉｒ  Ｂａｔｔｅｒｉｅｓ」でより詳細に説明されており、参照することによりその全体が本明細書に組み込まれる。加えて、非平面配設、示されるものとは異なる材料の割合を伴う配設、および他の代替配設は、本発明と関連して有用である。典型的な電気化学電池はまた、当然、電流コレクタ、外部回路、筐体構造等を含む。当業者は、図に示され、本明細書で説明されるように、一般的な配設で利用することができる、多数の配設を十分認識している。
【００２０】
図１は、積層した形態で配設された電解電池を示すが、本発明の原理を採用して、あらゆる構成で、あらゆる電気化学電池の配設を構築できることを理解されたい。例えば、図２は、円筒として配設された電気化学電池の断面図を示す。図２に示される実施形態において、電池１００は、電極１３０と、電解質１４０と、電極１５０とを含む。いくつかの実施形態において、電極１３０は、アノードを備えてもよく、一方で、電極１５０は、カソードを備え得るが、他の実施形態では、それらの順序は逆になってもよい。随意に、電池は、コア１７０を含有してもよく、それは、中実、中空、または単一もしくは複数のチャネルを含有してもよい。電池１００はまた、活性表面１３２および１５２を含む。随意に、電池はまた、いくつかの実施形態において、格納構造１５６を含んでもよい。図２に示されるように、電極１３０は、コア１７０上に形成され、電解質１４０は、電極１３０上に形成され、電極１５０は、電解質１４０上に形成される。しかしながら、いくつかの実施形態において、電極１３０は、コア１７０に隣接してもよく、電解質１４０は、電極１３０に隣接してもよく、および／または電極１５０は、電解質１４０に隣接してもよく、随意に、構成要素間に、材料の１つ以上の介在区間を含む。一組の実施形態において、電極１３０は、コア１７０を少なくとも部分的に包囲してもよく、電解質１４０は、電極１３０を少なくとも部分的に包囲してもよく、および／または電極１５０は、電解質１４０を少なくとも部分的に包囲してもよい。本明細書で使用する場合、第１のエンティティは、第２のエンティティだけを通して第１のエンティティの周囲に閉ループを描くことができる場合に、第２のエンティティによって「少なくとも部分的に包囲され」、第１のエンティティが、第２のエンティティによって必ずしも完全にカプセル化されることを意味しない。
【００２１】
図３に示される別の一組の実施形態において、電気化学電池は、折り畳み積層物の形状である。図３に示される電池２００は、アノード２３０およびカソード２５０を分離する電解質２４０を備える。図３の電気化学電池は、矢印２６０に平行な３つの折り畳み面を含む、電解質を含む。他の実施形態において、電気化学電池は、矢印２６０に平行な任意の数の折り畳み面を含む、電解質を含んでもよい。随意に、電池はまた、いくつかの実施形態において、格納構造２５６を含んでもよい。図１〜３に示される形状に加えて、本明細書で説明される電気化学電池は、角柱（例えば、三角柱、四角柱等）、「スイスロール」、非平面積層物等を含む、任意の他の形状であり得るが、これに限定されない。付加的な構成は、Ａｆｆｉｎｉｔｏ他への、２００６年４月６日に出願の米国特許出願番号第１１／４００，０２５号、名称「Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ  ｉｎ  ｂｏｔｈ  Ａｑｕｅｏｕｓ  ａｎｄ  Ｎｏｎ−Ａｑｕｅｏｕｓ  Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｃｅｌｌｓ，ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ  Ｒｅｃｈａｒｇｅａｂｌｅ  Ｌｉｔｈｉｕｍ  Ｂａｔｔｅｒｉｅｓ」で説明されており、参照することにより本明細書に組み込まれる。
【００２２】
上述のように、いくつかの実施形態において、本発明は、デバイスの性能を高めるように力の印加が使用される、電気化学デバイスに関する。いくつかの実施形態において、力は、アノードの活性表面に垂直な成分を伴う異方性力を含む。平面表面の場合、力は、力が印加される点において、表面に垂直な成分を伴う異方性力を含んでもよい。例えば、図１を参照すると、力は、矢印６０の方向に印加され得る。矢印６２は、アノード５０の活性表面５２に垂直である力の成分を示す。例えば凹状表面または凸状表面といった湾曲表面の場合、力は、力が印加される点で湾曲表面に正接する平面に垂直な成分を伴う異方性力を含み得る。図２に示される円筒形電池を参照すると、力は、例えば矢印１８０の方向に、電池の外表面に印加され得る。いくつかの実施形態において、力は、円筒形の電池の内側から、例えば矢印１８２の方向に印加されてもよい。いくつかの実施形態において、アノードの活性表面に垂直な成分を伴う異方性力は、電気化学電池の充電および／または放電中の少なくとも１つの期間中に印加される。いくつかの実施形態において、力は、ある期間にわたって、または持続時間および／もしくは周波数が変動し得る複数の期間にわたって、連続的に印加されてもよい。異方性力は、いくつかの場合において、１つ以上の所定の場所で印加され得、随意に、アノードの活性表面の上に分配される。いくつかの実施形態において、異方性力は、アノードの活性表面の上に一様に印加される。
【００２３】
「異方性力」とは、従来技術においてその通常の意味が与えられ、全方向において等しくない力を意味する。全方向において等しい力とは、例えば、物体の内部のガス圧力等の、流体または材料内の流体または材料の内部圧力である。全方向において等しくない力の例には、重力を介してテーブル上の物体によって印加される、テーブル上の力等の、特定の方向に方向付けられる力が挙げられる。異方性力の別の例には、物体の外辺部の周りに配設されるバンドによって印加される力が挙げられる。例えば、ゴムバンドまたはターンバックルは、それが巻き付けられる物体の外辺部の周りに力を印加することができる。しかしながら、バンドは、バンドと接触しない物体の外面の任意の部分上に、任意の直接力を印加し得ない。加えて、バンドが、第１の軸に沿って、第２の軸よりも大きな程度まで膨張した時に、バンドは、第２の軸に平行に印加される力よりも大きい力を、第１の軸に平行な方向に印加することができる。
【００２４】
例えばアノードの活性表面といった表面に「垂直な成分」を伴う力は、当業者によって理解される通常の意味が与えられ、例えば、少なくとも部分的にそれ自体が、表面に実質的に垂直な方向に及ぼす力を含む。例えば、テーブル上に静置した物体を伴い、かつ重力による影響だけを受ける水平テーブルの場合、物体は、テーブルの表面に本質的に完全に垂直な力を及ぼす。物体が、水平テーブル表面を横切って側方に付勢された場合も、物体は、水平表面に完全に垂直ではないが、テーブル表面に垂直な成分を含む力をテーブルに及ぼす。当業者は、特にこの文書の説明の範囲内で適用されるような、これらの用語の他の例を理解することができる。
【００２５】
いくつかの実施形態において、異方性力は、電気化学電池の断面を画定する面内の全方向での力の大きさは実質的に等しいが、面外の方向での力の大きさが面内の力の大きさとは実質的に異なるように印加することができる。例えば、図２を参照すると、円筒形のバンドは、電池の中央軸（点１９０によって示され、概略断面図の中に、およびそこから外に延在する）に向かって配向された電池に、力（例えば、力１８０）が印加されるように、電池１００の外側周辺に配置されてもよい。いくつかの実施形態において、電池の中心軸に向かって配向される力の大きさは、面方向から外に印加される力（例えば、中央軸１９０に平行）の大きさとは異なる（例えば、それよりも大きい）。
【００２６】
一組の実施形態において、本発明の電池は、電池の充電および／または放電中の少なくとも１つの期間中に、アノードの活性表面に垂直な成分を伴う異方性力を印加するように構築および配設される。当業者は、この意味を理解するであろう。そのような構成において、電池は、電池の組立中もしくはその後に印加される、または、電池自体の１つ以上の部分の膨張および／もしくは収縮の結果として、電池の使用中に印加される「負荷」による力等を印加する、容器の一部として形成されてもよい。
【００２７】
印加された力の大きさは、いくつかの実施形態において、電解電池の性能を高めるのに十分大きい。アノード活性表面および異方性力は、いくつかの事例において、異方性力が、充電および放電を通して、アノード活性表面の表面形態に影響を及ぼし、アノード活性表面積の増大を抑制するように、一緒に選択されてもよく、異方性力の非存在下にあるが、それ以外は本質的に同一である条件下で、アノード活性表面積は、充電および放電サイクルを通して、大幅に増大させられる。この文脈の中の「本質的に同一の条件」とは、力の印加および／または大きさ以外の、類似した、または同一である条件を意味する。例えば、他の同一の条件とは、同一であるが、（例えば、ブラケットまたは他の接続によって）対象の電池に異方性力を印加するように構築されていない電池を意味し得る。
【００２８】
アノード活性表面および異方性力は、本明細書で説明される結果を達成するように、当業者によって容易に一緒に選択されることができる。例えば、アノード活性表面が比較的に軟質である場合、アノード活性表面に垂直な力の成分は、より低く選択され得る。アノード活性表面がより硬質である場合、活性表面に垂直な力の成分は、より大きくなり得る。当業者は、公知の、もしくは予測可能な特性で、またはそのような表面の硬度または軟度を試験することで、アノード材料、合金、混合物などを容易に選択することができ、また、本明細書で説明されることを達成するよう適切な力を提供するように、電池の構築技術および配設を容易に選択することができる。単純な試験は、例えば、（電池サイクル中の選択された組み合わせの予測のために）電池サイクルを伴わずに、または選択に関連する結果の観察を伴う電池サイクルを伴う、表面に関する力の形態的な影響を判定するように、一連の活性材料を配設し、それぞれが活性表面に垂直に印加される（または、垂直な成分を伴う）力を伴うことによって行うことができる。
【００２９】
いくつかの実施形態において、異方性力が存在しない表面積の増加に対して、アノード活性表面の表面積の増加を抑制するのに有効な程度まで、電池の充電および／または放電中の少なくとも１つの期間中に、アノードの活性表面に垂直な成分を伴う異方性力が印加される。アノード活性表面に垂直な異方性力の成分は、例えば、少なくとも約４．９、少なくとも約９．８、少なくとも約２４．５、少なくとも約４９、少なくとも約９８、少なくとも約１１７．６、または少なくとも約１４７ニュートン／ｃｍ２の圧力を画定してもよい。いくつかの実施形態において、アノード活性表面に垂直な異方性力の成分は、例えば、約１９６未満、約１４７未満、約１１７．６未満、約９８未満、約４９未満、約２４．５未満、または約９．８ニュートン／ｃｍ２未満の圧力を画定してもよい。いくつかの場合において、アノード活性表面に垂直な異方性力の成分は、約４．９から約１４７ニュートン／ｃｍ２の間、約４９から約１１７．６ニュートン／ｃｍ２の間、または約６８．６から約９８ニュートン／ｃｍ２の間の圧力を画定してもよい。力および圧力は、概して、本明細書で、それぞれニュートンおよび単位面積当たりのニュートンの単位で表されるが、力および圧力は、それぞれ重量キログラムおよび単位面積当たりの重量キログラムの単位で表すこともできる。当業者は、重量キログラムに基づく単位を理解するであろうし、また１重量キログラムが約９．８ニュートンに相当することを理解されるであろう。
【００３０】
いくつかの場合において、電池に印加される１つ以上の力は、アノードの活性表面に垂直ではない成分を有する。例えば、図１において、力６０は、アノード活性表面５２に垂直ではなく、力６０は、アノード活性表面５２に実質的に平行である成分６４を含む。加えて、いくつかの場合において、アノード活性表面５２に実質的に平行である力６６を電池に印加することができる。一組の実施形態において、アノード活性表面に垂直な方向に印加された全ての異方性力の成分の合計は、アノード活性表面に垂直ではない方向の成分の合計よりも大きい。いくつかの実施形態において、アノード活性表面に垂直な方向に印加された全ての異方性力の成分の合計は、アノード活性表面に平行である方向のあらゆる成分の合計よりも、少なくとも約５％、少なくとも約１０％、少なくとも約２０％、少なくとも約３５％、少なくとも約５０％、少なくとも約７５％、少なくとも約９０％、少なくとも約９５％、少なくとも約９９％、少なくとも約９９．９％大きい。
【００３１】
いくつかの実施形態において、カソードおよびアノードは、降伏応力を有し、カソードおよびアノードは、降伏応力を有し、カソードおよびアノードのうちの一方の有効降伏応力は、他方の降伏応力よりも大きいため、アノードの活性表面およびカソードの活性表面のうちの１つの表面に垂直に印加される異方性力は、カソードおよびアノードのうちの１つの表面形態に影響を及ぼさせる。いくつかの実施形態において、アノード活性表面に垂直な異方性力の成分は、アノード材料の降伏応力の約２０％から約２００％の間、アノード材料の降伏応力の約５０％から約１２０％の間、またはアノード材料の降伏応力の約８０％から約１００％の間である。
【００３２】
本明細書で説明される異方性力は、当技術分野において公知のあらゆる方法を使用して印加されてもよい。いくつかの実施形態において、力は、圧縮ばねを使用して印加され得る。例えば、図１を参照すると、電解電池１０は、矢印６２の方向の成分を伴う力を生成するように、表面５４と格納構造の隣接する壁との間に位置する１つ以上の圧縮ばねを伴う、密閉した格納構造５６の中に位置してもよい。いくつかの実施形態において、力は、格納構造の外側に１つ以上の圧縮ばねを位置させることによって印加されてもよいため、ばねは、格納構造の外表面５８と、別の表面（例えば、テーブルトップ、別の格納構造の内表面、隣接する電池等）との間に位置している。力は、とりわけベルビルワッシャ、機械ネジ、空気圧式デバイス、および／または重錘を含む、他の要素（格納構造の内側または外側のいずれか）を使用して印加されてもよいが、これらに限定されない。例えば、一組の実施形態において、１つ以上の電池（例えば、電池の積層物）は、２つの板（例えば、金属板）の間に配設される。デバイス（例えば、機械ネジ、ばね等）は、板を介して電池または積層物の端部に圧力を印加するように用いられてもよい。機械ネジの場合、例えば、電池は、ネジを回転させた時点で板の間で圧縮され得る。別の実施例として、いくつかの実施形態において、１つ以上の楔は、電池の表面（または電池を包囲する格納構造）と、固定表面（例えば、テーブルトップ、別の格納構造の内表面、隣接する電池等）との間を変位させられてもよい。異方性力は、（例えば、機械ネジを回転させることによる）楔への力の印加を通して、電池と隣接する固定表面との間に楔を送り込むことによって印加されてもよい。
【００３３】
いくつかの場合において、電池は、それらが格納構造の中に挿入される前に予め圧縮されてもよく、そして、格納構造に挿入されている時点で、それらが膨張して電池への正味の力を生成してもよい。例えば、図２の円筒形電池は、予め圧縮して、格納構造１５６内に挿入することができる。格納構造は、次いで、電池の膨張時に、円筒形電池の外表面に力を提供することができる。このような配向は、例えば、円筒形電池が、比較的に高い圧力の変動に耐えることができる場合に有利であり得る。そのような実施形態において、格納構造は、比較的に高い強度（例えば、少なくとも約１００ＭＰａ、少なくとも約２００ＭＰａ、少なくとも約５００ＭＰａ、または少なくとも約１ＧＰａ）を備えてもよい。加えて、格納構造は、比較的に高い弾性係数（例えば、少なくとも約１０ＧＰａ、少なくとも約２５ＧＰａ、少なくとも約５０ＧＰａ、または少なくとも約１００ＧＰａ）を備えてもよい。格納構造は、例えば、アルミニウム、チタニウム、または任意の他の好適な材料を含んでもよい。
【００３４】
いくつかの場合において、本明細書で説明される力のうちのいずれかは、積層物の中の複数の電気化学電池に印加されてもよい。本明細書で使用する場合、電気化学電池の「積層物」は、複数の電池が、例えば相互の上に配置される、本質的に電池繰り返しパターンで配設される構成を指すために使用される。いくつかの場合において、電池は、例えば、ある電池のある特定の構成要素（例えば、アノード）が、他の全ての電池の同じ構成要素の同じ表面に実質的に平行である場合といった、積層物の各電池のうちの少なくとも１つの表面が、積層物の中の他の全ての電池の少なくとも１つの表面に実質的に平行であるように配置されてもよい。例えば、図８は、電気化学電池１０の積層物の概略図を含む。いくつかの実施形態において、電池は、直接的に相互に接触した状態であり得、一方で、いくつかの事例において、１つ以上のスペーサが、積層物の中の電池の間に配置されてもよい。電気化学電池の積層物は、任意の数の電池（例えば、少なくとも２個、少なくとも３個、少なくとも５個、少なくとも１０個、少なくとも２５個、少なくとも１００個、またはそれ以上の電池）を備えてもよい。
【００３５】
いくつかの実施形態において、収縮要素は、電池または電池の積層物の少なくとも一部分を包囲してもよい。収縮要素は、いくつかの場合において、少なくとも約４．９、少なくとも約９．８、少なくとも約２４．５、少なくとも約４９、少なくとも約９８、少なくとも約１１７．６、少なくとも約１４７、約１９６未満、約１４７未満、約１１７．６未満、約９８未満、約４９未満、約２４．５未満、約９．８未満、約４．９から約１４７の間、約４９から約１１７．６の間、または約６８．６から９８ニュートン／ｃｍ２の間の圧力を画定する、電池または電池の積層物内の少なくとも１つのアノード活性表面に垂直な成分を伴う異方性力を印加するように構成および配設されてもよい。
【００３６】
いくつかの実施形態において、収縮要素は、バンド（例えば、ゴムバンド、ターンバックルバンド等）を備えてもよい。収縮要素を採用した例示的な一実施形態を図８に示す。この一組の実施形態において、収縮要素３２０は、電池１０の積層物を包囲する。いくつかの実施形態において、バンドは、例えば接着剤、留め金、締め具、ターンバックル、または任意の他の好適な方法によって、電池または電池の積層物に固定することができる。いくつかの場合において、バンドは、ターンバックルバンド（例えば、ケブラーターンバックルバンド）を備え、バンドを締め付けてターンバックルを固定することによって、力が印加される。いくつかの事例において、バンドは、連続的な弾性バンドである。いくつかの場合において、力は、弾性バンドが延伸されて電池の周囲に配置された後に、バンドの弾性収縮を介して印加されてもよい。特定の一実施例として、電池は、電池または電池の積層物に外嵌するように、バンドをそのマルテンサイト変態温度より低く冷却し、そして、バンドを（例えば、延伸を介して）塑性的に変形させることによって取り付けることができる。動作温度に戻した時点で、バンドは、次いで、予め形成した形状に収縮することができ、それによって、バンドは、力を印加することができる。
【００３７】
収縮要素は、所望の力を生成するために必要な弾性量を伴う、あらゆる材料を含んでもよい。弾性材料の中実バンドは、単一または複数の電池の外表面に印加されている時点で所要の外圧を提供し、そして緩和するようにサイズ決定することができる。いくつかの場合において、収縮要素は、ポリマー材料を含んでもよい。収縮要素は、例えば、とりわけＤｅｓｍｏｐａｎ（登録商標）３９２（ポリエステルウレタン（Ｂａｙｅｒ  ＭａｔｅｒｉａｌＳｃｉｅｎｃｅ、Ｌｅｖｅｒｋｕｓｅｎ、Ｇｅｒｍａｎｙによって製造される）、Ｅｓｔａｎｅ（登録商標）（Ｌｕｂｒｉｚｏｌ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ、Ｗｉｃｋｌｉｆｆｅ、Ｏｈｉｏによって製造される工学ポリマー）、Ｋｅｖｌａｒ（登録商標）（ＤｕＰｏｎｔ、Ｗｉｌｍｉｎｇｔｏｎ、Ｄｅｌａｗａｒｅによって製造される合成繊維）を含んでもよい。いくつかの実施形態において、収縮要素は、形状記憶合金（例えば、ニチノール（ＮｉＴｉ））を含んでもよく、材料が露出される温度の変動時に膨張および収縮し得る。いくつかの場合において、収縮要素は、例えばポリエステルフィルムおよび／または織物等の、収縮包装用チューブを備えることができる。
【００３８】
いくつかの実施形態において、電池または電池の積層物に力を印加するために使用される要素（例えば、収縮要素、膨張要素等）の質量密度は、比較的に低い。比較的に低い質量密度を伴う要素を使用することによって、電池または電池の積層物の比エネルギーは、比較的に高いままになり得る。いくつかの実施形態において、電池または電池の積層物に力を印加するために使用される物品の質量密度は、約１０ｇ／ｃｍ３未満、約５ｇ／ｃｍ３未満、約３ｇ／ｃｍ３未満、約１ｇ／ｃｍ３未満、約０．５ｇ／ｃｍ３未満、約０．１ｇ／ｃｍ３未満、約０．１ｇ／ｃｍ３から約１０ｇ／ｃｍ３の間、約０．１ｇ／ｃｍ３から約５ｇ／ｃｍ３の間、約０．１ｇ／ｃｍ３から約３ｇ／ｃｍ３の間である。
【００３９】
いくつかの実施形態において、電池と別の電池との間、または電池と収縮要素との間に、圧力分配構成要素が含まれてもよい。このような圧力分配構成要素は、電池または電池の積層物の全体を通して一様な力を印加できるようにすることができる。いくつかの場合において、圧力分配構成要素は、端部キャップを備える。端部キャップの形状は、バンドによって印加される直線力を、例えばアノードの活性領域全体の一様な力に変換するように選択することができる。例えば、図８において、随意のキャップ３１０は、積層物およびバンドの端部の間に配置されてもよい。図８に示されるキャップは、丸みを帯びた端部を含み、これは、例えば、角部および縁部での積層物からのバンドの分離を低減し、かつ力の分配の一様性を高めるために使用されてもよい。キャップは、例えば、金属（例えば、アルミニウム）、炭素繊維、プラスチック等を含む、あらゆる好適な材料を含むことができる。いくつかの実施形態において、端部キャップは、複雑な形状に形成または機械加工することが比較的に容易である。
【００４０】
いくつかの実施形態において、端部キャップの質量密度は、比較的に低くてもよい。例えば、端部キャップは、約５ｇ／ｃｍ３未満、約３ｇ／ｃｍ３未満、約１ｇ／ｃｍ３未満、約０．５ｇ／ｃｍ３未満、約０．１ｇ／ｃｍ３未満、約０．１ｇ／ｃｍ３から約１０ｇ／ｃｍ３の間、約０．１ｇ／ｃｍ３から約５ｇ／ｃｍ３の間、約０．１ｇ／ｃｍ３から約３ｇ／ｃｍ３の間の質量密度を有してもよい。加えて、端部キャップは、あらゆる好適な硬度を備えてもよい。例えば、端部キャップの硬度は、いくつかの実施形態において、５０ＧＰａより高くてもよい。
【００４１】
圧力分配構成要素の別の実施例は、２つの電池の間に配置される、スペーサを備える。電池間のスペーサは、例えば個々の電池の幾何学的な製造のばらつきによって生じ得る、応力集中を低減するように機能することができる。例えば、電池の平坦さは、電池によって変動し得る。別の実施例として、１つ以上の電池の対向する側部は、いくつかの場合において、完全に平行であり得ない。図８に示される一組の実施形態では、電池１０の間に随意のスペーサ３３０を挿入した。スペーサは、例えば、金属（例えば、アルミニウム）、金属発泡体、炭素複合材、炭素発泡体、プラスチック等を含む、あらゆる好適な材料を含むことができる。いくつかの実施形態において、スペーサは、複雑な形状に形成または機械加工することが比較的に容易である。
【００４２】
スペーサはまた、あらゆる好適な厚さを有することができる。いくつかの場合において、スペーサは、約１０ｍｍ未満、約５ｍｍ未満、約１ｍｍ未満、約５００ミクロン未満、または約２５０ミクロン未満の平均厚さを有してもよい。いくつかの実施形態において、スペーサは、約１００ミクロンから約１０ｍｍの間、約１００ミクロンから約１ｍｍの間、約２５０ミクロンから約１０ｍｍの間、約２５０ミクロンから約１ｍｍの間、または約５００ミクロンから約２ｍｍの間とすることができる。
【００４３】
スペーサの対向面は、いくつかの実施形態において、高度に平行であってもよい。例えば、いくつかの実施形態において、第１の電池と接触するスペーサの第１の表面と、第２の電池と接触するスペーサの第２の表面との間の距離の変動は、第１の電池の質量中心から第２の電池の質量中心に描画されるベクトル（例えば、図８の線３４０）に実質的に平行に測定した時に、スペーサ全体の幅は、約１ｍｍ未満、約５００ミクロン未満、約１００ミクロン未満、約５０ミクロン未満、約２５ミクロン未満、約１０ミクロン未満、約１ミクロン未満である。
【００４４】
電池の積層物の質量密度は、いくつかの事例において、比較的に低くなる可能性がある。例えば、スペーサは、約５ｇ／ｃｍ３未満、約２ｇ／ｃｍ３未満、約１ｇ／ｃｍ３、約０．５ｇ／ｃｍ３未満、約０．１ｇ／ｃｍ３未満、約０．１ｇ／ｃｍ３から約１０ｇ／ｃｍ３の間、約０．１ｇ／ｃｍ３から約５ｇ／ｃｍ３の間、または約０．１ｇ／ｃｍ３から約２ｇ／ｃｍ３の間の質量密度を有してもよい。加えて、端部キャップは、比較的に高い硬度を備えてもよい。例えば、スペーサの硬度は、いくつかの実施形態において、１０ＧＰａより高くてもよい。
【００４５】
当業者は、電池または電池の積層物とともに使用する端部キャップまたはスペーサの適切なサイズ、形状、および構築材料を決定するように、実験を行うことができる。例えば、端部キャップまたはスペーサ材料が十分に固い場合、形状の単純な幾何学的最適化は、それらの特性を判定するのに十分なものとなり得る。他の場合において、端部キャップおよび／またはスペーサがそれらの最終的な変形形状に平衡化された後に、圧力分布が実質的に一様であることを確実にするように、より複雑な応力／歪み計算が必要になり得る。
【００４６】
収縮要素の使用は、平型電池の幾何学形状に限定されない。いくつかの事例において、収縮要素は、円筒形電気化学電池または角柱状電気化学電池（例えば、三角柱、四角柱等）に力を印加するように使用されてもよい。例えば、図２の一組の実施形態において、随意の収縮要素１８１は、電気化学電池の外側の少なくとも一部分を包囲するように、電池の周囲に配置することができる。収縮要素は、電気化学電池の最外表面（例えば、図２の表面１８２または表面１８４）に力を印加するように使用されてもよい。
【００４７】
上記に説明された収縮要素のうちのいずれかは、円筒形電池、角柱状電池、または他の当該の電池の中の収縮要素として使用されてもよい。例えば、いくつかの実施形態において、同じまたは異なる巻回材料の１回以上の巻付けは、電池の外表面に配置に配置されてもよい。いくつかの実施形態において、巻回材料は、比較的に高い強度を備える。巻回材料はまた、比較的に高い弾性係数を備えてもよい。いくつかの場合において、ポリエステルフィルムおよび織物等の収縮包装用チューブである。いくつかの場合において、収縮要素は、電池の外面で緩和した後に所要の外圧を提供するように、適切にサイズ決定された弾性材料を備える。
【００４８】
いくつかの実施形態において、電池は、当該電池の内部容積（例えば、図２の中空コア１７０）内に、膨張要素（例えば、膨張マンドレル）を備えてもよい。膨張要素は、電気化学電池の内部容積から外向きに、例えば図２の矢印１８２の方向に放射状に広がる力を印加するように構築および配設することができる。いくつかの実施形態において、膨張要素および収縮要素は、電気化学電池の境界内の力が、電気化学電池の境界内のメジアンの力の約３０％未満、約２０％未満、約１０％未満、または約５％未満だけ外れるように構成および配設することができる。いくつかの実施形態において、このような力の分配は、例えば、実質的に等しい単位面積当たりの内力および外力が電池に印加されるように、収縮および膨張要素を選択することによって達成することができる。
【００４９】
いくつかの実施形態において、内部圧力の印加ではなく、外部圧力の印加は、許容可能な境界内にある放射状の圧力分配を達成するように、相補的な（ｃｏｍｐｌｉｍｅｎｔａｒｙ）巻回機構と組み合わせることができる。例えば、（ニップローラを使用した）適切な表面ニップ巻回は、電池の内径での１０７．９ニュートン／ｃｍ２から外径での０ニュートン／ｃｍ２まで変動する、放射状の圧力分配を生成することができる。収縮要素は、内径で０ニュートン／ｃｍ２および外径で７８．５ニュートン／ｃｍ２の力を生成するように構築および配設されてもよい。これらの２つの分配の重ね合せは、±１９．６ニュートン／ｃｍ２のばらつきを伴う、９８ニュートン／ｃｍ２の平均圧力印加をもたらすことができる。いくつかの実施形態において、圧力分配要素（例えば、端部キャップ、スペーサ等）、および電池または電池の積層物に力を印加するために使用される要素（例えば、バンド、マンドレル等）の総容積は、比較的に低くてもよい。低容積を採用することによって、組立体のエネルギー密度は、比較的に高く保たれ得る。いくつかの場合において、圧力分配要素、および電池または電池の積層物に力を印加するために使用される要素の容積の合計は、電池または電池の積層物の容積の約１０％未満、約５％未満、約２％未満、約１％未満、約０．５％未満、約０．１％未満、約０．１％から約１０％の間、約０．１％から約５％の間、約０．１％から約２％の間、または約０．１％から約１％の間を備える。
【００５０】
いくつかの場合において、本明細書で説明される電池は、充電および放電中にサイズが変化し（例えば、膨潤し）てもよい。異方性力を印加する方法を選択する時には、いくつかの実施形態において、充電および放電中に電池の形状および／またはサイズが変化するにつれて、比較的に一定の力を生成する方法を選択することが望ましくなり得る。いくつかの事例において、この選択は、低効率のばね乗数を伴う系（例えば「軟質」ばねを選択することに類似してもよい。例えば、異方性力を印加するために圧縮ばねを使用する時に、比較的に低いばね定数を伴うばねは、電池のサイクル中に、比較的に高いばね定数を伴うばねによって生成される力よりも一定である、異方性力を生成し得る。弾性バンドが使用される事例において、比較的に高い弾性を伴うバンドは、電池のサイクル中に、比較的に低い弾性を伴うバンドによって生成される力よりも一定である、異方性力を生成し得る。機械ネジを使用して力が印加されるいくつかの実施形態では、軟質ネジ（例えば、黄銅、ポリマー等）の使用が有利になり得る。いくつかの応用において、例えば、機械ネジは、所望の圧縮範囲を対象とするが、ネジ自体は軟質であってもよいように選択されてもよい。
【００５１】
いくつかの実施形態において、本発明の電解電池は、格納構造の中に配置され、アノードの活性表面に垂直な成分を伴う異方性力の少なくとも一部分は、格納構造に対する電解電池の膨張により生成される。いくつかの場合において、格納構造は、電解電池の展開中に変形せず、電池に印加される力をもたらすように、十分に剛体である。電解電池は、様々な現象の結果として膨潤させてもよい。例えば、いくつかの場合において、電解電池は、熱膨張を受けてもよい。いくつかの実施形態において、電解電池は、電池の充電および／または放電により膨潤されてもよい。例えば、いくつかの場合において、部分的に放電した電池は、格納構造の中に配置されてもよい。部分的に放電された電池を充電する時点で、電池を膨潤させてもよい。この膨張は、格納構造の寸法によって制限されてもよく、異方性力の印加をもたらす。
【００５２】
いくつかの場合において、電池は、電解電池の多孔質構成要素の中への液体の吸着により膨潤されてもよい。例えば、いくつかの実施形態において、乾燥多孔質電解電池は、格納構造内に配置されてもよい。乾燥多孔質電解電池は、次いで（例えば、液体電解質に）浸漬されてもよい。いくつかの場合において、電解質の特性（例えば、表面張力）および電解電池の特性（例えば、多孔質空洞のサイズ）は、電解セルが電解質によって湿潤された時に、望ましいレベルの毛細管圧力が生成されるように選択されてもよい。湿潤されると、電極積層物は、膨潤し、したがって、異方性力を生成する。平衡時に、電解電池上の格納構造によって及ぼされる異方性力は、毛細管圧力から生じる力に等しい。
【００５３】
本明細書で説明される格納構造は、円筒、角柱（例えば、三角柱、四角柱等）、立方体、または任意の他の形状を含む、様々な形状を備え得るが、これらに限定されない。いくつかの実施形態において、格納構造の形状は、格納構造の壁が電解電池の外面に平行であるように選択される。例えば、いくつかの場合において、格納構造は、例えば円筒形の電解電池を包囲して含有するように使用することができる、円筒を備え得る。他の事例において、格納構造は、類似した形状の角柱状電解電池を包囲する、角柱を備えてもよい。
【００５４】
いくつかの実施形態において、本発明は、本明細書で説明される力の印加が、力が印加されない本質的に同一の電池で使用される量に対する、電気化学電池内のアノード活性材料（例えば、リチウム）および／または電極のより少ない量の使用を可能にし得る、という発見に関する。本明細書で説明される印加された力が不足している電池において、アノード活性材料（例えば、リチウム金属）は、いくつかの場合において、電池の充電−放電サイクル中に、アノード上に不均一に再析出され得、粗面を形成する。いくつかの場合において、これは、アノード金属が関与する１つ以上の不要な反応の割合の増加を導き得る。これらの不要な反応は、多数の充電−放電サイクルの後に、安定し得、および／または自己抑制し始め得るため、実質的にいかなる付加的なアノード活性材料も枯渇した状態にならず、かつ電池が、残りの活性材料で機能し得る。本明細書で説明される印加された力が不足している電池について、この「安定化」は、しばしば、相当量のアノード活性材料が消費されて、電池性能が低下した後にだけしか到達しない。したがって、本明細書で説明される力が印加されなかったいくつかの場合において、電池性能を保つために、活性材料の消費中の材料の損失に適応するように、しばしば、比較的に大量のアノード活性材料および／または電解質が、電池内に組み込まれてきた。
【００５５】
したがって、本明細書で説明される力の印加は、活性材料の枯渇を低減および／または防止し得るため、大量のアノード活性材料および／または電解質の電気化学電池内への包含が不要になり得る。例えば、力は、電池の使用前、または電池の寿命の初期段階（例えば、５回未満の充電−放電サイクル）に印加されてもよいため、電池の充電または放電時に、ほとんど、または実質的に全く活性材料の枯渇が生じ得ない。電池の充電−放電中の活性材料の損失に適応する必要性を低減および／または排除することによって、本明細書で説明されるように、比較的に少量のアノード活性材料が、電池およびデバイスを製造するために使用され得る。いくつかの実施形態において、本発明は、その寿命の中で５回未満充電および放電された電気化学電池を備えるデバイスに関し、電池は、アノードと、カソードと、電解質とを備え、アノードは、１回の電池の完全放電サイクル中にイオン化することができるアノード活性材料の５倍を超えない材料を含む。いくつかの場合において、アノードは、ある電池の完全放電サイクル中にイオン化することができる、４、３、２、または１．５倍を超えないリチウムの量を備える。
【００５６】
いくつかの場合において、本発明は、電気化学電池を備えるデバイスに関し、電池は、アノード活性材料と、カソード活性材料と、電解質とを含み、カソードの中のカソード活性材料の量に対する、アノードの中のアノード活性材料の量の比は、モル単位で、約５：１未満、約３：１未満、約２：１未満、または１．５：１未満である。例えば、電池は、アノード活性材料としてのリチウムと、カソード活性材料としての硫黄とを含んでもよく、モル比Ｌｉ：Ｓは、約５：１未満である。いくつかの場合において、硫黄に対するリチウムのモル比Ｌｉ：Ｓは、約３：１未満、約２：１未満、または約１．５：１未満である。いくつかの実施形態において、カソード活性材料に対するアノード活性材料（例えば、リチウム）の重量による比は、２：１未満、約１．５：１未満、約１．２５：１未満、または約１．１：１未満であり得る。例えば、電池は、アノード活性材料としてのリチウムと、カソード活性材料としての硫黄とを含んでもよく、重量による比Ｌｉ：Ｓは、約２：１未満、約１．５：１未満、約１．２５：１未満、または約１．１：１未満であってもよい。
【００５７】
より小量のアノード活性材料および／または電解質材料の使用は、有利に、電気化学電池またはその一部分が、減少した厚さを有することができるようにする。いくつかの実施形態において、アノード層および電解質層は、互いに５００ミクロンの最大厚さを有する。いくつかの場合において、アノード層および電解質層は、互いに４００ミクロン、３００ミクロン、２００ミクロン、またはいくつかの場合において、１００ミクロンの最大厚さを有する。
【００５８】
いくつかの実施形態において、力の印加は、本明細書で説明されるように、電気化学電池を繰り返しサイクルした後に、向上した容量をもたらしてもよい。例えば、いくつかの実施形態において、３回、電池を代替的に放電および受電した後、電池は、３回目のサイクルの終了時に、電池の初期容量の少なくとも約５０％、少なくとも約８０％、少なくとも約９０％、または少なくとも約９５％を呈する。いくつかの場合において、１０回、電池を代替的に放電および受電した後、電池は、１０回目のサイクルの終了時に、電池の初期容量の少なくとも約５０％、少なくとも約８０％、少なくとも約９０％、または少なくとも約９５％を呈する。さらなる場合において、２５回、電池を代替的に放電および受電した後、電池は、２５回目のサイクルの終了時に、電池の初期容量の少なくとも約５０％、少なくとも約８０％、少なくとも約９０％、または少なくとも約９５％を呈する。
【００５９】
本発明の電気化学電池のカソードの中のカソード活性材料として使用するための好適な電気活性材料には、電気活性遷移金属カルコゲナイド、電気活性導電性ポリマー、硫黄、炭素、および／またはそれらの組み合わせが挙げられるが、これらに限定されない。本明細書で使用する場合、「カルコゲン化物」という用語は、酸素、硫黄、およびセレニウム元素のうちの１つ以上を含む化合物に関する。好適な遷移金属カルコゲナイドの例には、電気活性酸化物、硫化物、ならびにＭｎ、Ｖ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｙ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｒｅ、Ｏｓ、およびＩｒから成る群より選択される、遷移金属のセレン化物が挙げられるが、これらに限定されない。一実施形態では、遷移金属カルコゲナイドは、ニッケル、マンガン、コバルト、およびバナジウムの電気活性酸化物、ならびに鉄の電気活性硫化物から成る群より選択される。一実施形態では、カソードは、以下の材料のうちの１つ以上を含む。二酸化マンガン、ヨウ素、クロム酸銀、酸化銀および五酸化バナジウム、酸化銅、オキシリン酸銅、硫化鉛、硫化銅、硫化鉄、ビスマス酸鉛、三酸化ビスマス、二酸化コバルト、塩化銅、二酸化マンガン、および炭素。別の実施形態では、カソード活性層は、電気活性導電性ポリマーを含む。好適な電気活性導電性ポリマーの例には、ポリピロール、ポリアニリン、ポリフェニレン、ポリチオフェン、およびポリアセチレンから成る群より選択される、電気活性および電子的に導電性のポリマーが挙げられるが、これらに限定されない。導電性ポリマーの例には、ポリピロール、ポリアニリン、およびポリアセチレンが挙げられる。
【００６０】
いくつかの実施形態において、本明細書で説明される電気化学電池のカソード活性材料として使用するための電気活性材料は、電気活性硫黄含有材料を含む。「電気活性硫黄含有材料」は、本明細書で使用する場合、あらゆる形態で硫黄元素を含むカソード活性材料に関し、電気化学活性は、硫黄原子または部分の酸化または還元を伴う。本発明の実行に有用な電気活性硫黄含有材料の性質は、従来技術で知られているように、幅広く変動する。例えば、一実施形態において、電気活性硫黄含有材料は、硫黄元素を含む。別の実施形態において、電気活性硫黄含有材料は、硫黄元素および硫黄含有ポリマーの混合物を含む。したがって、好適な電気活性硫黄含有材料には、硫黄原子および炭素原子を含む硫黄元素および有機材料が挙げられ、ポリマーである場合もあるが、これに限定されない。好適な有機材料には、ヘテロ原子、導電性ポリマーセグメント、複合材、および導電性ポリマーをさらに含むものが挙げられる。
【００６１】
いくつかの実施形態において、カソードは、１つ以上の結合剤材料（例えば、ポリマー、多孔質シリカゾルゲル等）を含んでもよい。
【００６２】
硫黄含有ポリマーの実施例には、Ｓｋｏｔｈｅｉｍ他への米国特許第５，６０１，９４７号および第５，６９０，７０２号、Ｓｋｏｔｈｅｉｍ他への米国特許第５，５２９，８６０号および第６，１１７，５９０号、共通の譲受人のＧｏｒｋｏｖｅｎｋｏ他への２００１年３月１３日に発行された米国特許第６，２０１，１００号、およびＰＣＴ公開第ＷＯ  ９９／３３１３０号に説明されているものが挙げられる。ポリスルフィド結合を含む他の好適な電気活性硫黄含有材料には、Ｓｋｏｔｈｅｉｍ他への米国特許第５，４４１，８３１号、Ｐｅｒｉｃｈａｕｄ他への米国特許第４，６６４，９９１号、およびＮａｏｉ他への米国特許第５，７２３，２３０号、第５，７８３，３３０号、第５，７９２，５７５号、および第５，８８２，８１９号に説明されている。電気活性硫黄含有材料のさらなる例には、例えば、Ａｒｍａｎｄ他への米国特許第４，７３９，０１８号、どちらもＤｅ
Ｊｏｎｇｈｅ他への米国特許第４，８３３，０４８号および第４，９１７，９７４号、どちらもＶｉｓｃｏ他への米国特許第５，１６２，１７５号および第５，５１６，５９８号、ならびにＯｙａｍａ他への米国特許第５，３２４，５９９号に説明されているような、ジスルフィド基を含むものが挙げられる。
【００６３】
一実施形態では、カソード活性層の電気活性硫黄含有材料は、５０重量％を超える硫黄を含む。別の実施形態において、電気活性硫黄含有材料は、７５重量％を超える硫黄を含む。さらに別の実施形態において、電気活性硫黄含有材料は、９０重量％超える硫黄を含む。
【００６４】
本発明のカソード活性層は、（例えば、適切な量の溶媒が、アノード活性材料から除去された後に、および／または層が適切に硬化した後に測定した時に）約２０〜１００重量％の電気活性カソード材料を含んでもよい。一実施形態では、カソード活性層の中の電気活性硫黄含有材料の量は、カソード活性層の５〜３０重量％の範囲である。別の実施形態において、カソード活性層の電気活性硫黄含有材料の量は、カソード活性層の２０％〜９０重量％の範囲である。
【００６５】
カソード（ならびに本明細書で説明される電池の他の成分）の調製に好適な液体媒体（例えば、溶媒）の限定的でない例には、水性液体、非水性液体、およびそれらの混合物が挙げられる。いくつかの実施形態において、例えば、水、メタノール、エタノール、イソプロパノール、プロパノール、ブタノール、テトラヒドロフラン、ジメトキシエタン、アセトン、トルエン、キシレン、アセトニトリル、シクロヘキサン、およびそれらの混合物等の液体を使用することができる。当然、必要に応じて、他の好適な溶媒も使用することができる。
【００６６】
正電極層は、当技術分野において公知の方法によって調製されてもよい。例えば、１つの好適な方法は、次のステップを備える。（ａ）本明細書で説明されるように、電気活性硫黄含有材料を液体媒体の中に分散または懸濁するステップ、（ｂ）随意に、導電性充填剤および／または結合剤をステップ（ａ）の混合物に加えるステップ、（ｃ）電気活性硫黄含有材料を分散させるように、ステップ（ｂ）の結果として生じた組成物を混合するステップ、（ｄ）ステップ（ｃ）の結果として生じた組成物を好適な基板上へ流し込むステップ、および（ｅ）カソード活性層を提供するように、ステップ（ｄ）の結果として生じた組成物から、液体の一部または全てを除去するステップ。
【００６７】
いくつかの実施形態において、圧縮に耐性のあるカソードの使用は、カソードがかなり圧縮可能である電池に対して、電池の性能を高めることができる。いかなる理論にも拘束されることを望むものではないが、弾性があり、比較的に高度に圧縮可能であるカソードの使用は、異方性力の印加中に、液体電解質の排出をもたらし得る。カソードからの液体電解質の排出は、電解電池の動作中の減少した電力出力をもたらし得る。例えば、いくつかの場合において、電解電池からの電力出力の減少は、異方性力が比較的に小さい（例えば、約６８．６ニュートン／ｃｍ２の圧力を画定する、アノードの活性表面に垂直な成分を伴う異方性力）時であっても、または例えば、アノード活性表面に垂直な異方性力の成分の限度および範囲に関して上述したように、異方性力が別の大きさである時に観察され得る。圧縮性の程度は、間隙率の変化、すなわち、圧縮力の印加中のカソードの空洞容積の変化に相関させることができる。いくつかの実施形態において、電池の動作中にカソードの間隙率の変化を制限することが望ましくなり得る。例えば、本発明のいくつかの実施形態では、カソードの間隙率は、電池の動作中に、１０％未満、６％未満、４％未満、２％未満、１％未満、０．５％未満、０．１％未満、またはそれ以下だけ減少してもよい。すなわち、カソードが、好適な抵抗を圧縮に提供するように製造された場合、電池の使用中にカソードが経験する圧縮力は、上記のパーセンテージだけ、総空洞容積、あるいは電解質が利用可能な総容積が減少し得る。
【００６８】
カソードの硬度（圧縮性に対する抵抗）は、様々な方法を使用して高められてもよい。いくつかの実施形態において、電解質の種類およびカソードの細孔のサイズは、電解質およびカソード細孔の相互作用によって生成された結果の毛細管力が、カソードの変形に抵抗するように、一緒に選択されてもよい。この効果は、例えば、小型電解電池に特に有用であり得る。別の実施例として、カソードの硬度は、強化繊維をカソードに組み込む（例えば、炭素粒子をカソードに接続する）ことによって高められてもよい。いくつかの場合において、剛性を提供するように、結合剤がカソードに組み込まれてもよい。他の実施形態において、本質的に剛体であるカソードは、活性材料（例えば、網状Ｎｉ発泡体）を薄くて軽量の超構造の中に注入することによって生成されてもよい。
【００６９】
本明細書で説明される電気化学電池のアノードにおけるアノード活性材料として使用するための好適な電気活性材料には、導電性基板上に蒸着させたリチウム箔およびリチウム、ならびにリチウム合金（例えば、リチウム−アルミニウム合金およびリチウム−スズ合金）等のリチウム金属が挙げられるが、これらに限定されない。これらは好ましい負極材料であるが、電流コレクタも、他の電池化学で使用されてもよい。いくつかの実施形態において、アノードは、１つ以上の結合剤材料（例えば、ポリマー等）を含んでもよい。
【００７０】
負電極材料（例えば、リチウム等のアルカリ金属アノード）を基板上に蒸着させるための方法には、熱蒸着、スパッタリング、ジェット気相蒸着、およびレーザアブレーション等の方法が挙げられる。代替的に、アノードがリチウム箔、またはリチウム箔と基板とを備える場合、これらは、アノードを形成するように、従来技術で公知の積層プロセスによって一緒に積層することができる。  
【００７１】
一実施形態において、アノード活性層の電気活性リチウム含有材料は、５０重量％を超えるリチウムを含む。別の実施形態において、アノード活性層の電気活性リチウム含有材料は、７５重量％を超えるリチウムを含む。さらに別の実施形態において、アノード活性層の電気活性リチウム含有材料は、９０重量％を超えるリチウムを含む。
【００７２】
正および／または負電極は、Ｍｉｋｈａｙｌｉｋ他によって２００６年１２月４日に出願された米国仮出願第６０／８７２，９３９号、名称「Ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ  ｏｆ  Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅｓ」に説明されているもの等のように、随意に、好適な電解質と好適に相互作用する１つ以上の層を含み得、参照することによりその全体が本明細書に組み込まれる。
【００７３】
電気化学またはバッテリ電池で使用される電解質は、イオンの貯蔵および輸送用の媒体として機能することができ、固体電解質およびゲル電解質の特別な事例において、これらの材料は、加えて、アノードとカソードとの間のセパレータとして機能してもよい。材料がアノードとカソードとの間でイオン（例えば、リチウムイオン）の輸送を促進するのであれば、イオンを貯蔵および輸送することが可能なあらゆる液体、固体、ゲル材料を使用してもよい。電解質は、アノードとカソードとの間の短絡を防止するように、電子的に非導電性である。いくつかの実施形態において、電解質は、非固体電解質を含んでもよい。
【００７４】
電解質は、イオン導電性および１つ以上の液体電解質溶媒、ゲルポリマー材料、またはポリマー材料を提供するように、１つ以上のイオン性電解質塩を含むことができる。好適な非水電解質は、液体電解質、ゲルポリマー電解質、および固体ポリマー電解質から成る群より選択される１つ以上の材料を含む、有機電解質を含んでもよい。リチウムバッテリ用の非水電解質の例は、Ｌｉｔｈｉｕｍ  Ｂａｔｔｅｒｉｅｓ、Ｎｅｗ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ、Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｓ  ａｎｄ  Ｐｅｒｓｐｅｃｔｉｖｅｓ、Ｃｈａｐｔｅｒ
４、ｐｐ．１３７−１６５、Ｅｌｓｅｖｉｅｒ、Ａｍｓｔｅｒｄａｍ（１９９４）にＤｏｒｎｉｎｅｙによって説明されている。ゲルポリマー電解質および固体ポリマー電解質の例は、Ｌｉｔｈｉｕｍ  Ｂａｔｔｅｒｉｅｓ、Ｎｅｗ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ、Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｓ  ａｎｄ  Ｐｅｒｓｐｅｃｔｉｖｅｓ、Ｃｈａｐｔｅｒ  ３、ｐｐ．９３−１３６、Ｅｌｓｅｖｉｅｒ、Ａｍｓｔｅｒｄａｍ（１９９４）にＡｌａｍｇｉｒ他によって説明されている。本明細書で説明されるバッテリで使用することができる異質の電解質組成物は、２００６年１２月４日に出願された米国仮出願第６０／８７２，９３９号に説明されている。
【００７５】
有用な非水性液体電解質溶媒の例には、例えば、Ｎ−メチルアセトアミド、アセトニトリル、アセタール、ケタール、エステル、カーボネート、スルホン、亜硫酸塩、スルホラン、脂肪族エーテル、環状エーテル、グリム、ポリエーテル、リン酸エステル、シロキサン、ジオキソラン、Ｎ−アルキルピロリドン、上述の置換形態、およびそれらの混合物等の、非水性有機溶媒が挙げられるが、これに限定されない。上述のフッ素化誘導体はまた、液体電解質溶媒としても有用である。
【００７６】
いくつかの場合において、水性溶媒を、リチウム電池用の電解質として使用することができる。水性溶媒は、水を含むことができ、イオン性塩等の他の成分を含有することができる。上述のように、いくつかの実施形態において、電解質は、電解質の中の水素イオンの濃度を低減するように、水酸化リチウム等の種、または電解質を塩基にする他の種を含むことができる。
【００７７】
液体電解質溶媒はまた、ゲルポリマー電解質、すなわち、半固体ネットワークを形成する１つ以上のポリマーを含む電解質のための可塑剤としても有用であり得る。有用なゲルポリマー電解質の例には、ポリエチレンオキシド、ポリプロピレンオキシド、ポリアクリロニトリル、ポリシロキサン、ポリイミド、ポリホスファゼン、ポリエーテル、スルホン化ポリイミド、ペルフルオロ化された膜（ＮＡＦＩＯＮ樹脂）、ポリジビニルポリエチレングリコール、ポリエチレングリコールジアクリレート、ポリエチレングリコールジメタクリレート、上述の誘導体、上述のコポリマー、上述の架橋およびネットワーク構造、ならびに上述の混合物から成る群より選択される１つ以上のポリマーを含むもの、および随意に、１つ以上の可塑剤が挙げられるが、これらに限定されない。いくつかの実施形態において、ゲルポリマー電解質は、１０から２０容積％の間、２０から４０容積％の間、６０から７０容積％の間、７０から８０容積％の間、８０から９０容積％の間、または９０から９５容積％の間の異質電解質を含む。
【００７８】
いくつかの実施形態において、電解質を形成するように、１つ以上の固体ポリマーを使用することができる。有用な固体ポリマー電解質の例には、ポリエーテル、ポリエチレンオキシド、ポリプロピレンオキシド、ポリイミド、ポリホスファゼン、ポリアクリロニトリル、ポリシロキサン、上述の誘導体、上述のコポリマー、上述の架橋およびネットワーク構造、ならびに上述の混合物から成る群より選択される１つ以上のポリマーを含むものが挙げられるが、これらに限定されない。
【００７９】
電解質を形成するための当技術分野において公知の電解質溶媒、ゲル化剤、およびポリマーに加えて、電解質はさらに、イオン導電性を増大するように、同じく従来技術で公知の１つ以上のイオン性電解質塩を含んでもよい。
【００８０】
本発明の電解質で使用するためのイオン性電解質塩の例には、ＬｉＳＣＮ、ＬｉＢｒ、ＬｉＩ、ＬｉＣｌＯ４、ＬｉＡｓＦ６、ＬｉＳＯ３ＣＦ３、ＬｉＳＯ３ＣＨ３、ＬｉＢＦ４、ＬｉＢ（Ｐｈ）４、ＬｉＰＦ６、ＬｉＣ（ＳＯ２ＣＦ３）３、およびＬｉＮ（ＳＯ２ＣＦ３）２が挙げられるが、これらに限定されない。有用であり得る他の電解質塩には、リチウムポリスルフィド（Ｌｉ２Ｓｘ）、および有機イオン性ポリスルフィド（ＬｉＳｘＲ）ｎのリチウム塩であり、ここで、ｘは、１から２０までの整数であり、ｎは、１から３までの整数であり、Ｒは、有機基であるもの、およびＬｅｅ他への米国特許第５，５３８，８１２号で開示されているものが挙げられる。
【００８１】
いくつかの実施形態において、電気化学電池はさらに、カソードとアノードとの間に挿入されるセパレータを備えてもよい。セパレータは、アノードおよびカソードを互いから分離または絶縁して、短絡を防止し、およびアノードとカソードとの間のイオンの輸送を可能にする、固体非導電性または絶縁性材料であってもよい。いくつかの実施形態において、多孔質セパレータは、電解質に透過性（ｐｅｒｒｍｅａｂｌｅ）であってもよい。
【００８２】
セパレータの細孔は、電解質で部分的に、または実質的に充填されてもよい。セパレータは、電池の製造中に、アノードおよびカソードで交互配置される、多孔質自立型フィルムとして供給されてもよい。代替的に、例えば、Ｃａｒｌｓｏｎ他へのＰＣＴ公開第ＷＯ
９９／３３１２５号、およびＢａｇｌｅｙ他への米国特許第５，１９４，３４１号に説明されているように、多孔質セパレータ層が、電極のうちの１つの表面に直接的に適用されてもよい。
【００８３】
様々なセパレータ材料が、当技術分野において公知である。好適な固体多孔質セパレータ材料の例には、例えば、ポリエチレン（例えば、Ｔｏｎｅｎ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｃｏｒｐによって作製されるＳＥＴＥＬＡ（商標））およびポリプロピレン等のポリオレフィン、ガラス繊維濾紙、ならびにセラミック材料が挙げられるが、これらに限定されない。例えば、いくつかの実施形態において、セパレータは、微孔質ポリエチレンフィルムを備える。本発明での使用に好適であるセパレータおよびセパレータ材料のさらなる例は、例えば、微孔質擬ベーマイト層といった、微孔質キセロゲル層を含むものであるが、これは、共通の譲受人のＣａｒｌｓｏｎによって米国特許第６，１５３，３３７号および第６，３０６，５４５号で説明されているように、自立型フィルム、または電極のうちの１つへの直接的な被覆の印加のいずれかとして提供されてもよい。固体電解質およびゲル電解質はまた、それらの電解質機能に加えて、セパレータとしても機能し得る。
【００８４】
以下の出願は、参照することによりその全体が本願明細書にそれぞれ組み込まれる。Ｓｃｏｒｄｉｌｉｓ−Ｋｅｌｌｅｙ他による、２００８年８月５日に出願された米国暫定特許出願第６１／０８６，３２９号、名称「Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ  ｏｆ  Ｆｏｒｃｅ  ｉｎ  Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｃｅｌｌｓ」。
【００８５】
以下の実施例は、本発明のある実施形態を例示することを意図したものであるが、本発明の全範囲を例証するものではない。
【実施例】
【００８６】
（実施例１）
この実施例において、アノードの活性表面に垂直な成分を伴う異方性力は、電池の充電および／または放電中の少なくとも１つの期間中に、電気化学電池に印加される。アノード活性表面および異方性力は、異方性力が、充電および放電を通して、アノード活性表面の表面形態に影響を及ぼし、アノード活性表面積の増大を抑制するように、一緒に選択した。実施例２に示されるように、異方性力の非存在下にあるが、それ以外は本質的に同一である条件下で、前記アノード活性表面積は、充電および放電サイクルを通して、大幅に増大させられる。
【００８７】
この実施例において、リチウム金属（Ｃｈｅｍｅｔａｌｌ−Ｆｏｏｔｅ  Ｃｏｒｐ．、Ｋｉｎｇｓ  Ｍｏｕｎｔａｉｎ、ＮＣから入手可能な、Ｌｉ９９．９％超で、厚さ２ｍｉｌの箔）が、アノードとして使用された。電解質は、１３．２部のリチウムビス（トリフルオロメタンスルホニル）イミド、（３Ｍ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ、Ｓｔ．Ｐａｕｌ、ＭＮから入手可能なリチウムイミド）、１，３−ジオキソランの中の１．１部の硝酸リチウム（Ａｌｄｒｉｃｈ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｃｏｍｐａｎｙ、Ｍｉｌｗａｕｋｅｅ、ＷＩから入手可能）、５０ｐｐｍ未満の含水量を伴う、を含んでいた。使用した多孔質セパレータは、１６μｍのＳＥＴＥＬＡ（Ｔｏｎｅｎ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ、Ｔｏｋｙｏ、Ｊａｐａｎから入手可能なポリオレフィンセパレータの商標であり、またＥｘｘｏｎ  Ｍｏｂｉｌ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｃｏｍｐａｎｙ、Ｆｉｌｍｓ  Ｄｉｖｉｓｉｏｎ、Ｐｉｔｔｓｆｏｒｄ、ＮＹからも入手可能である）であった。
【００８８】
上述の構成要素は、約１６ｃｍ２の電極面積を伴う角柱状電池を形成するように、セパレータの空洞領域を満たす液体電解質を伴って、アノード／セパレータ／アノードの層構造に積層した。アルミめっきを施した可撓性包装材（Ｓｕｍｉｔｏｍｏ製）で封止した後、電池は、２４時間貯蔵して、圧縮ばねで鋼板との間に配置した。電池は、電池の充電および／または放電中の少なくとも１つの期間中に、アノードの活性表面に垂直な成分を伴う異方性力を印加するように構築および配設した。この実施例では、異方性力は、９８ニュートン／ｃｍ２の圧力を画定した。
【００８９】
これらの電池に関する放電−充電サイクルは、４時間にわたって、１８ｍＡで、放電および充電の両方を３０回行った（４１．５％のＬｉ  ＤＯＤに等しい、一定容量のサイクル）。次いで、電池を分解して、走査型電子顕微鏡によって電極の形態を評価し、示差走査熱量測定によって残留金属リチウムを測定した。図４は、３０サイクルにわたる９８ニュートン／ｃｍ２の印加後の、リチウムアノードのＳＥＭ顕微鏡写真を含む。結果として生じるアノードは、小型であり、それらの元々の厚さを保持し、また、主としてリチウム金属で構成されていた。
【００９０】
（実施例２）
この実施例において、実施例１で採用された電池と同一の電気化学電池を、充電および放電した。この実施例において、電気化学電池は、異方性力の非存在下で充電および放電した。加えて、電池を動作させる条件は、実施例１に概説したものと本質的に同一であった。
【００９１】
実施例１と同じ分析を使用することで、異方性力の非存在下にあるが、それ以外は本質的に同一である条件下で、アノード活性表面積は、充電および放電サイクルを通して、大幅に増大させられることが分かった。図５は、等方性力の非存在下での充電および放電後のリチウムアノードのＳＥＭ顕微鏡写真を含む。結果として生じたアノードは、厚さが２倍を超え、金属リチウムではなく、主に分解生成物で構成されていた。
【００９２】
（実施例３）
図６Ａ〜Ｄは、３０回の充電／放電サイクル後の、種々の析出したリチウム金属アノードのＳＥＭ顕微鏡写真を含む。図６Ａのアノードは、異方性力の非存在下でサイクルし、一方で、図６Ｂ、Ｃ、およびＤのアノードは、それぞれ、４９、７３．５、および９８ニュートン／ｃｍ２の圧力を画定する力を印加してサイクルした。顕微鏡写真から、印加された力が増大するにつれて、結果として生じるリチウム金属アノードが薄くなり、かつ多孔質でなくなった。
【００９３】
図７Ａ〜Ｄは、３０回の充電／放電サイクル後の、種々の剥離したリチウム金属アノードのＳＥＭ顕微鏡写真を含む。図７Ａのアノードは、異方性力の非存在下でサイクルし、一方で、図７Ｂ、Ｃ、およびＤのアノードは、それぞれ、４９、７３．５、および９８ニュートン／ｃｍ２の力を印加してサイクルした。ここでも、印加された力が増大するにつれて、結果として生じるリチウム金属アノードは、より薄くなり、かつ多孔質でなくなった。
【００９４】
本明細書において本発明の複数の実施形態を図とともに説明したが、当業者は、機能を実行するための機構、および／または本明細書に記述された結果および／または１つ以上の利点を得るための様々な他の手段を容易に想定されるであろう。また、そのような変形および／改良のそれぞれは、本発明の範囲内にあるものとみなされる。さらに一般的に言えば、当業者は、本明細書に記述される全てのパラメータ、寸法、材料、および構成が例示的なものであり、実際のパラメータ、寸法、材料、および／または構成は、本発明の教示を用いる単一または複数の特定のアプリケーションに依存するものであると容易に理解されるであろう。当業者は、ルーチン実験以上のものを用いなくても、本明細書に記載されている本発明の特定の実施形態には多くの同等物があることを認識するであろうし、または確認することが可能であろう。したがって、上述の実施形態は、一例として示されたものに過ぎず、添付の特許請求の範囲およびその同等物の範囲で、本発明が特に記述および主張されたものとは異なって実行される場合もあると理解されたい。本発明は、本明細書に記載される個々の特徴、システム、物品、材料、キット、および／または方法に関する。加えて、このような機能、システム、物品、材料、キット、および／または方法が互いに矛盾していなければ、２つ以上のこのような機能、システム、物品、材料、キット、および／または方法のあらゆる組み合わせが、本発明の範囲内に含まれる。
【００９５】
本明細書および請求項に使用される単数形（不定冠詞：「ａ」および「ａｎ」）は、特に明示されている場合を除き、「少なくとも１つ」を意味するものと理解されたい。
【００９６】
本明細書および請求項で使用する場合、「および／または」という成句は、そのように結合した要素の「一方または両方」、すなわち、ある場合では結合的に存在し、他の場合では分離的に存在することを意味するものと理解されたい。特に明確にそれとは反対に示されていない限り、特に定義された要素に関係するかしないかに関わらず、「および／または」の節によって特に識別された要素以外に、随意に他の要素が存在する場合がある。したがって、非現実的な一実施例として、「Ａおよび／またはＢ」という記述は、「〜を備える（含む）」等のオープンエンドな言語とともに使用される時には、１つの実施形態では、Ｂを伴わないＡ（随意に、Ｂ以外の要素を含む）を指す、別の実施形態では、Ａを伴わないＢ（随意に、Ａ以外の要素を含む）を指す、さらに別の実施形態では、ＡおよびＢの両方（随意に、他の要素を含む）を指す、等の可能性がある。
【００９７】
明細書および請求項で使用する場合、「または」は、上記で定義した「および／または」と同じ意味を有するものと理解されたい。例えば、アイテムを一覧に分類した時に、「または」または「および／または」は、包括的である、すなわち、複数の要素またはリスト内の要素のうちの少なくとも１つを含むだけでなく、２つ以上を含み、随意に、列記されていないアイテムも含むものと解釈されたい。「〜のうちの１つ」または「〜のうちの１つだけ」、あるいは請求項で使用される時には「〜から成る」等の、明確に指示される用語だけが、複数の要素または要素の一覧のうちの１つだけを包含することを指すことになる。一般的に、本明細書で使用される場合、「または」という用語は、「いずれか」、「〜のうちの１つ」、「〜のうちの１つのみ」、「〜のうちの１つだけ」等の排他的な用語が後にある時には、単に排他的な選択肢（すなわち、「両方ではなくどちらか一方」）を示すものであると解釈されたい。請求項で使用される時には、「〜のみから実質的に成る」は、特許法の分野において使用されるような一般的な意味を有するものとする。
【００９８】
明細書および請求項で使用する場合、１つ以上の要素の一覧を参照した時の「少なくとも１つの」という成句は、要素の一覧内のいずれか１つ以上から選択した少なくとも１つの要素を意味するが、必ずしも要素の一覧内に具体的に列記されるあらゆる要素のうちの少なくとも１つを含むとは限らず、また、要素の一覧内の要素のあらゆる組み合わせを除外しないものと理解されたい。本定義は、特に定義された要素に関係するかしないかに関わらず、「少なくとも１つの」という成句が参照する要素リスト内に特に識別された要素以外の要素が、随意に存在する場合があることも許容する。したがって、非限定的な一実施例として、「ＡおよびＢのうちの少なくとも１つ」（または同等に「ＡまたはＢのうちの少なくとも１つ」、あるいは同等に「Ａおよび／またはＢのうちの少なくとも１つ」）は、１つの実施形態では、少なくとも１つ、随意に１つ以上を含む、Ａ、Ｂが存在しない（および随意にＢ以外の要素を含む）ことを指す、別の実施形態では、少なくとも１つ、随意に１つ以上を含む、Ｂ、Ａが存在しない（および随意にＡ以外の要素を含む）ことを指す、さらに別の実施形態では、少なくとも１つ、随意に１つ以上を含む、Ａ、および少なくとも１つ、随意に１つ以上を含む、Ｂ（および随意に、他の要素を含む）こと指す、等の可能性がある。
【００９９】
上述の請求項および明細書において、「備える」、「含む」、「担持する」、「有する」、「包含する」、「伴う」、「保持する」等のような全ての移行句は、オープンエンドである、すなわちそれらを含むがそれらに限定されないことを意味するものと理解されたい。米国特許事務所の米国特許審査手続便覧のセクション２１１１．０３に記載されているように、「〜から成る」、「〜から実質的に成る」という移行句のみ、それぞれクローズドまたはセミクローズド移行句とする。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【外国語明細書】
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