(57)【要約】【課題】  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を必要としない装置を提供する。【解決手段】  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。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項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ＬＥと、幅ＷＥと、高さＨＥ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ＡＥとを有し、前記電極群の各要素の前記長さＬＥはその長手軸ＡＥの方向に測定され、前記電極群の各要素の前記幅ＷＥ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ＨＥは当該要素の前記長手軸ＡＥ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ＬＥとＷＥ及びＨＥ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ＨＥとＷＥ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ＡＥ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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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ＡＥ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。
【請求項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ＡＥを、前記電極群の各要素の前記長さＬＥ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。
【請求項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ＡＥを、前記電極群の各要素の前記長さＬＥ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。
【請求項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ＡＥを、前記電極群の各要素の前記長さＬＥ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。
【請求項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ＡＥを、前記電極群の各要素の前記長さＬＥ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。
【請求項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ＡＥを、前記電極群の各要素の前記長さＬＥ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。
【請求項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ＡＥ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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項１８】
ＬＥ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。
【請求項１９】
ＷＥ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。
【請求項２０】
ＨＥ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。
【請求項２１】
前記電極群の各要素において、ＬＥとＷＥ及びＨＥ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。
【請求項２２】
前記電極群の各要素の断面は外周ＰＥを有し、かつ前記電極群の各要素において、ＬＥとＰＥ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。
【請求項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。
【請求項２４】
ＬＣＥ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。
【請求項２５】
ＷＣＥ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。
【請求項２６】
ＨＣＥ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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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。
【０００４】
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。
【０００５】
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。
【０００６】
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。
【０００７】
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）。
【０００８】
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。
【０００９】
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。
【００１０】
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）。
【００１１】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】米国特許第６，０９０，５０５号明細書
【特許文献２】米国特許第６，２３５，４２７号明細書
【特許文献３】米国特許公開第２００５／０００８９３９号明細書
【特許文献４】国際公開第２００８／０８９１１０号パンフレット
【非特許文献】
【００１３】
【非特許文献１】Ｌｏｎｇ  ｅｔ  ａｌ．，  "Ｔｈｒｅｅ−Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ  Ｂａｔｔｅｒｙ  Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅｓ,"Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｒｅｖｉｅｗｓ，（２００４），１０４，４４６３−４４９２
【非特許文献２】Ｐ．Ａｒｏｒａ，Ｊ．Ｚｈａｎｇ，”Ｂａｔｔｅｒｙ  Ｓｅｐａｒａｔｏｒｓ」Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｒｅｖｉｅｗｓ”，２００４，１０４，４４１９−４４６２
【非特許文献３】Ａ．Ｈ．Ｗｈｉｔｅｈｅａｄ，Ｍ．Ｓｃｈｒｅｉｂｅｒ，”Ｃｕｒｒｅｎｔ  ｃｏｌｌｅｃｔｏｒｓ  ｆｏｒ  ｐｏｓｉｔｉｖｅ  ｅｌｅｃｔｒｏｄｅｓ  ｏｆ  ｌｉｔｈｉｍ−ｂａｓｅｄ  ｂａｔｔｅｒｉｅｓ」Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  ｔｈｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｓｏｃｉｅｔｙ，”１５２（１１）Ａ２１０５−Ａ２１１３（２００５）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
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。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
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。
【００１６】
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ＬＥと、幅ＷＥと、高さＨＥ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ＡＥとを有し、電極群の各要素の長さＬＥは、その長手軸ＡＥの方向に測定され、電極群の各要素の幅ＷＥは、第１の方向に測定され、かつ電極群の各要素の高さＨＥは、当該要素の長手軸ＡＥ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ＬＥとＷＥ及びＨＥ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ＨＥとＷＥ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ＡＥ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。
【００１７】
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ＬＥと、幅ＷＥと、高さＨＥ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ＡＥとを有し、電極群の各要素の長さＬＥは、その長手軸ＡＥの方向に測定され、電極群の各要素の幅ＷＥは、第１の方向に測定され、かつ電極群の各要素の高さＨＥは、当該要素の長手軸ＡＥ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ＬＥとＷＥ及びＨＥ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ＨＥとＷＥ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ＡＥ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。
【００１８】
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ＬＥと、幅ＷＥと、高さＨＥ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ＡＥとを有し、電極群の各要素の長さＬＥは、その長手軸ＡＥの方向に測定され、電極群の各要素の幅ＷＥは、第１の方向に測定され、かつ電極群の各要素の高さＨＥは、当該要素の長手軸ＡＥ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ＬＥとＷＥ及びＨＥ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ＨＥとＷＥ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ＡＥ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。
【００１９】
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ＬＥと、幅ＷＥと、高さＨＥ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ＡＥとを有し、電極群の各要素の長さＬＥは、その長手軸ＡＥの方向に測定され、電極群の各要素の幅ＷＥは、第１の方向に測定され、かつ電極群の各要素の高さＨＥは、当該要素の長手軸ＡＥ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ＬＥとＷＥ及びＨＥ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ＨＥとＷＥ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ＡＥ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。
【００２０】
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。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】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。
【図２】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３】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４】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５】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６】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７】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８】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。
【図９】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。
【図１０】本発明の三次元二次電池の分解図である。
【図１１】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１２】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１３】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１４】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１５】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１６】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１７】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１８】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１９】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２０】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２１】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２２】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２３】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。
【図２４】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。
【図２５Ａ】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。
【図２５Ｂ】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。
【図２５Ｃ】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。
【図２５Ｄ】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。
【図２５Ｅ】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。
【図２６】本発明の電極積層体の代替実施形態の断面図である。
【図２７】本発明の電極積層体の代替実施形態の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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（ＡＥ）とを有する。さらに、電極群の各要素は、長手軸（ＡＥ）に沿って測定される長さ（ＬＥ）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（ＷＥ）と、長さ（ＬＥ）及び幅（ＷＥ）の各測定方向に対して垂直方向に測定される高さ（ＨＥ）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（ＰＥ）も有する。
【００２７】
電極群の要素の長さ（ＬＥ）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（ＬＥ）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（ＬＥ）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（ＬＥ）を有する。
【００２８】
また、電極群の要素の幅（ＷＥ）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（ＷＥ）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（ＷＥ）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（ＷＥ）は、約０．０５ｍｍから約１ｍｍまでの範囲内になる。
【００２９】
また、電極群の要素の高さ（ＨＥ）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（ＨＥ）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（ＨＥ）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（ＨＥ）は、約０．１ｍｍから約１ｍｍまでの範囲内になる。
【００３０】
同様に、電極群の要素の外周（ＰＥ）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（ＰＥ）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（ＰＥ）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（ＰＥ）は、約０．５ｍｍから約１０ｍｍまでの範囲内になる。
【００３１】
一般に、電極群の要素は、その幅（ＷＥ）及びその高さ（ＨＥ）のそれぞれより実質的に大きい長さ（ＬＥ）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、ＬＥとＷＥ及びＨＥ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、ＬＥとＷＥとの比はそれぞれ少なくとも５：１であり、かつＬＥとＨＥ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ＬＥとＷＥ及びＨＥ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ＬＥとＷＥ及びＨＥ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ＬＥとＷＥ及びＨＥのそれぞれとの比は、少なくとも２０：１である。
【００３２】
さらに、一般に、電極群の要素は、その外周（ＰＥ）より実質的に大きい長さ（ＬＥ）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ＬＥとＰＥ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ＬＥとＰＥ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ＬＥとＰＥとの比はそれぞれ少なくとも３．７５：１である。
【００３３】
ある実施形態において、電極群の要素の高さ（ＨＥ）と幅（ＷＥ）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ＨＥとＷＥ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ＨＥとＷＥ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ＨＥとＷＥ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、ＨＥとＷＥ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、ＨＥとＷＥ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ＨＥとＷＥ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ＨＥとＷＥ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ＨＥとＷＥ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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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（ＡＥ）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（ＡＥ）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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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、ＴｉＯ２−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、ＴｉＯ２、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＧｅＯ２、Ｂ２Ｏ３、Ｂｉ２Ｏ３、ＢａＯ、ＺｎＯ、ＺｒＯ２、ＢＮ、Ｓｉ３Ｎ４、Ｇｅ３Ｎ４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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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、ＬｉＣｌＯ４、ＬｉＢＦ４、ＬｉＰＦ６、ＬｉＡｓＦ６、ＬｉＣｌ及びＬｉＢｒ等の無機リチウム塩、及びＬｉＢ（Ｃ６Ｈ５）４、ＬｉＮ（ＳＯ２ＣＦ３）２、ＬｉＮ（ＳＯ２ＣＦ３）３、ＬｉＮＳＯ２ＣＦ３、ＬｉＮＳＯ２ＣＦ５、ＬｉＮＳＯ２Ｃ４Ｆ９、ＬｉＮＳＯ２Ｃ５Ｆ１１、ＬｉＮＳＯ２Ｃ６Ｆ１３及びＬｉＮＳＯ２Ｃ７Ｆ１５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。
【００５１】
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ＡＥ、長さＬＥ、幅ＷＥ、高さＨＥ及び外周ＰＥ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。
【００５２】
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ＡＥ、長さＬＥ、幅ＷＥ、高さＨＥ及び外周ＰＥ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。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
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。
【００５８】
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。
【００５９】
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。
【００６０】
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。
【００６１】
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。
【００６２】
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。
【００６３】
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。
【００６４】
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。
【００６５】
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。
【００６６】
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１０２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１０３ジーメンス／ｃｍの導電率を有してもよい。
【００６７】
負極集電体層４７は、典型的には、少なくとも約１０３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１０４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１０５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。
【００６８】
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。
【００６９】
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。
【００７０】
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。
【００７１】
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１０２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１０３ジーメンス／ｃｍの導電率を有してもよい。
【００７２】
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１０３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１０４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１０５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。
【００７３】
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、ＬｉＣｏＯ２、ＬｉＮｉ０．５Ｍｎ１．５Ｏ４、Ｌｉ（ＮｉｘＣｏｙＡｌ２）Ｏ２、ＬｉＦｅＰＯ４、Ｌｉ２ＭｎＯ４、Ｖ２Ｏ５、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、Ｖ２Ｏ５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。
【００７４】
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。
【００７５】
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。
【００７６】
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。
【００７７】
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。
【００７８】
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。
【００７９】
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。
【００８０】
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。
【００８１】
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。
【００８２】
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。
【００８３】
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。
【００８４】
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。
【００８５】
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。
【００８６】
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。
【００８７】
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。
【００８８】
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。
【００８９】
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。
【００９０】
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。
【００９１】
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。
【００９２】
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。
【００９３】
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。
【００９４】
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。
【００９５】
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。
【００９６】
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。
【００９７】
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。
【００９８】
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。
【００９９】
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。
【０１００】
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。
【０１０１】
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。
【０１０２】
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。
【０１０３】
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。
【０１０４】
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。
【０１０５】
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。
【０１０６】
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。
【０１０７】
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。
【０１０８】
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。
【０１０９】
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。
【０１１０】
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。
【０１１１】
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。
【０１１２】
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。
【０１１３】
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。
【０１１４】
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。
【０１１５】
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。
【０１１６】
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。
【０１１７】
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。
【０１１８】
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。
【０１１９】
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。
【０１２０】
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。
【０１２１】
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。
【０１２２】
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。
【０１２３】
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。
【０１２４】
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。
【０１２５】
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。
【０１２６】
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。
【０１２７】
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。
【０１２８】
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。
【０１２９】
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。
【０１３０】
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。
【０１３１】
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。
【０１３２】
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。
【０１３３】
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。
【０１３４】
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ＷＥ及び高さＨＥ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ＰＥを有することになる。
【０１３５】
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。
【０１３６】
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。
【０１３７】
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。
【実施例１】
【０１３８】
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。
【０１３９】
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。
【０１４０】
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。
【０１４１】
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。
【０１４２】
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。
【０１４３】
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。
【０１４４】
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。
【０１４５】
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。
【０１４６】
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。
【０１４７】
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。
【０１４８】
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。
【０１４９】
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。
【０１５０】
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。
【０１５１】
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。
【０１５２】
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。
【０１５３】
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。
【実施例２】
【０１５４】
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。
【０１５５】
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。
【０１５６】
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。
【０１５７】
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。
【０１５８】
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。
【０１５９】
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。
【０１６０】
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。
【０１６１】
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。
【０１６２】
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。
【実施例３】
【０１６３】
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。
【０１６４】
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。
【０１６５】
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。
【０１６６】
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。
【０１６７】
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。
【０１６８】
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。
【実施例４】
【０１６９】
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ＡＥ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。
【０１７０】
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。
【０１７１】
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。
【０１７２】
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。
【０１７３】
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）。
【実施例５】
【０１７４】
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。
【０１７５】
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。
【０１７６】
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。
【０１７７】
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。
【０１７８】
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。
【０１７９】
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）。
【実施例６】
【０１８０】
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。
【０１８１】
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。
【０１８２】
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。
【０１８３】
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。
【０１８４】
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。
【０１８５】
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）。
【実施例７】
【０１８６】
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。
【０１８７】
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。
【０１８８】
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。
【０１８９】
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。
【０１９０】
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。
【０１９１】
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。
【０１９２】
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。
【０１９３】
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）。
【実施例８】
【０１９４】
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。
【０１９５】
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。
【０１９６】
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。
【０１９７】
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。
【０１９８】
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。
【０１９９】
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。
【０２００】
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。
【０２０１】
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。
【実施例９】
【０２０２】
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。
【０２０３】
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。
【０２０４】
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。
【実施例１０】
【０２０５】
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。
【０２０６】
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。
【０２０７】
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。
【実施例１１】
【０２０８】
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。
【０２０９】
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。
【０２１０】
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。
【０２１１】
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。
【０２１２】
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。
【０２１３】
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。
【図１】
2019169476.tif 000003
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５Ａ】
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【図２５Ｂ】
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【図２５Ｃ】
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【図２５Ｄ】
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【図２５Ｅ】
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【図２６】
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【図２７】
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【手続補正書】
【提出日】令和1年7月4日(2019.7.4)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項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（２１，２２）は、底部と、上部と、長さＬＥと、幅ＷＥと、高さＨＥ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ＡＥとを有し、前記電極群の各要素の前記長さＬＥはその長手軸ＡＥの方向に測定され、前記電極群の各要素の前記幅ＷＥ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ＨＥは当該要素の前記長手軸ＡＥ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ＬＥとＷＥ及びＨＥ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ＨＥとＷＥ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ＡＥは電気絶縁性セパレータ層（４３）で包囲され、かつ、
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、
前記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備え、
前記マイクロポーラスセパレータ材料の粒状状材料は、１×１０−４Ｓ／ｃｍ未満のキャリアイオン伝導率を有し、
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までの間であるように構成される、電極構造体。
【請求項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、
（１）前記電気絶縁性セパレータ材料層の少なくとも８０体積％を構成するか、
（２）前記電気絶縁性セパレータ材料層の少なくとも９０体積％を構成するか、
（３）前記電気絶縁性セパレータ材料層の少なくとも９５体積％を構成するかの
いずれかである、請求項１に記載の電極構造体。
【請求項３】
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ＡＥを包囲するように構成され、
（１）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ＡＥを、前記電極群の各要素の前記長さＬＥの少なくとも８０％にわたって包囲するか、
（２）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ＡＥと、前記電極群の各要素の前記上部とを包囲するか
のいずれかである、請求項１又は２に記載の電極構造体。
【請求項４】
前記電気絶縁性セパレータ材料層（４３）は、前記マイクロポーラスセパレータ材料と、別の電気絶縁性材料とを含む、請求項１から請求項３までのいずれか１つの請求項に記載の電極構造体。
【請求項５】
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材料層で被覆され、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４までのいずれか１つの請求項に記載の電極構造体。
【請求項６】
（１）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であることと、
（２）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であることと、
（３）前記電極群及び前記対電極群はそれぞれ、少なくとも５０個の要素を含むことと
の少なくとも１つである、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。
【請求項７】
（Ａ１）ＬＥは、約１０ｍｍから約２５０ｍｍまでの範囲内の値を有することと、
（Ａ２）ＷＥは、約０．０１ｍｍから約２．５ｍｍまでの範囲内の値を有することと、
（Ａ３）ＬＣＥは、約１０ｍｍから約２５０ｍｍまでの範囲内の値を有すことと、
（Ａ４）ＷＣＥは、約０．０１ｍｍから２．５ｍｍまでの範囲内の値を有することと、
（Ａ５）ＨＣＥは、約０．０５ｍｍから約１０ｍｍまでの範囲内の値を有することと
の少なくとも１つであることと、
（Ｂ１）前記電極群の各要素において、ＬＥとＷＥ及びＨＥのそれぞれとの比はそれぞれ少なくとも１０：１であることと、
（Ｂ２）前記電極群の各要素の断面は外周ＰＥを有し、かつ前記電極群の各要素において、ＬＥとＰＥとの比はそれぞれ少なくとも１．２５：１であることと、
（Ｂ３）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であることと、
（Ｂ４）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であることと
の少なくとも１つであること
とのうちの少なくとも１つである、請求項１から請求項６までのいずれか１つの請求項に記載の電極構造体。
【請求項８】
前記電極群の各要素はさらに、電極基幹部（５１，５２）を備えるように構成され、
（１）前記電極群の各要素において、前記電極集電体層（４７，４８）は前記電極活性材料（４９，５０）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（４３）と前記電極集電体層との間に存在することと、
（２）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ことと
のうちの少なくとも１つであるように構成され、
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１から請求項７までのいずれか１つの請求項に記載の電極構造体。
【請求項９】
（Ａ１）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であることと、
（Ａ２）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であることとの少なくとも１つと、
（Ｂ１）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ことと、
（Ｂ２）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こととの少なくとも１つと、
のうちのいずれか１つである、請求項１から請求項８までのいずれか１つの請求項に記載の電極構造体。
【請求項１０】
前記対電極群の各要素はさらに、電極基幹部を備えるように構成され、
（Ｂ１）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か、
（Ｂ２）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か
のいずれかであり、
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１から請求項８までのいずれか１つの請求項に記載の電極構造体。
【請求項１１】
（１）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（６１，６２）であることと、
（２）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ことと
の少なくとも１つであるように構成され、
（１）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か、
（２）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のナノワイヤを含むか
のいずれかである、請求項１から請求項１０までのいずれか１つの請求項に記載の電極構造体。
【請求項１２】
（１）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を有するか、
（２）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を有するか
のいずれかである、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（７４）。
【請求項１３】
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を少なくとも２つ備えるように構成される、電極積層体であって、
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ことと、
前記電極構造体は平に配置され、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正極群及び負極群と同じ平面に存在することと
のうちのいずれかである、電極積層体。
【請求項１４】
電池筐体（７２）と、非水電解質と、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、もしくは請求項１３に記載の電極積層体（７４）を備える二次電池。
【請求項１５】
（１）前記電極群の各構成要素は、イオン透過性材料を含む負極集電体を備え、前記負極集電体層のイオン伝導度と前記電気絶縁性セパレータ層のイオン伝導度との比は、少なくとも０．５：１であることと、
（２）前記電極群の各構成要素は、イオン透過性材料を含む負極集電体を備え。前記負極集電体層のイオン伝導度と前記電気絶縁性セパレータ層のイオン伝導度との比は、少なくとも１：１であることと、
（３）前記粒子状材料は、２０ｎｍ〜２マイクロメートルの平均粒径を有することと、
のうちの少なくとも１つである、請求項１記載の電極構造体。
【外国語明細書】
2019169476000001.pdf