(57)【要約】      （修正有）【課題】カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバーまたはナノワイヤーに担持された層間層の電気化学的容量増大。【解決手段】層間層が電極から分離することを防止するように構成された構造、及び／または、より低濃度の層間材料を有する領域を電極上に作製するように構成された構造を、電極が含む。この電極は支持フィラメントを含み、その上に層間層を堆積させる。この支持フィラメントは随意的に、ナノスケールの寸法を有する。【選択図】図１
2015149292.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と；
この基板に結合された支持フィラメントと；
電気化学的反応の反応物を受容するように構成された、ドナーアクセプタ材料を含む層
間層であって、前記ドナーアクセプタ材料が前記支持フィラメントの全長に沿って配置さ
れている層間層と；
前記層間層の前記基板に対して遠位にある領域に比べて低量のドナーアクセプタ材料を
含む、前記層間層の前記基板に近接した領域と
を具えていることを特徴とする電極。
【請求項２】
前記支持フィラメントが、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバー、またはナ
ノワイヤーを含むことを特徴とする請求項１に記載の電極。
【請求項３】
前記層間層が、シリコン、スズ、またはゲルマニウムを含むことを特徴とする請求項１
に記載の電極。
【請求項４】
前記支持フィラメント上に配置され、より低量のドナーアクセプタ材料を含む領域を前
記層間層内に生成するように構成されたカラーストップを、さらに具えていることを特徴
とする請求項１に記載の電極。
【請求項５】
前記層間層における前記より低量のドナーアクセプタ材料を含む領域内の層間材料が、
前記層間層の前記基板に対して遠位にある領域に比べて、前記支持フィラメントの単位面
積当りの重量で、少なくとも２５％少ないドナーアクセプタ材料を含むことを特徴とする
請求項４に記載の電極。
【請求項６】
前記層間層における前記より低量のドナーアクセプタ材料を含む領域内の層間材料が、
前記層間層の前記基板に対して遠位にある領域に比べて、前記支持フィラメントの単位面
積当りの重量で、少なくとも５０％少ないドナーアクセプタ材料を含むことを特徴とする
請求項４に記載の電極。
【請求項７】
前記層間層が前記支持フィラメントから分離することを防止するように構成された支持
カラーを、さらに具えていることを特徴とする請求項１に記載の電極。
【請求項８】
前記層間層が前記支持フィラメントから分離することを防止するように構成された支持
キャップを、さらに具えていることを特徴とする請求項１に記載の電極。
【請求項９】
前記層間層がｐ＋またはｎ＋にドーピングされていることを特徴とする請求項１に記載
の電極。
【請求項１０】
前記基板と前記支持フィラメントとの間に配置され、前記支持フィラメントを前記基板
に結合するように構成されたシード層を、さらに具えていることを特徴とする請求項１に
記載の電極。
【請求項１１】
カラーストップ、支持カラー、及び支持キャップの３つ以上を含むことを特徴とする請
求項１に記載の電極。
【請求項１２】
前記層間層の表面上に、カーバイド層、酸化物層、または窒化物層を、さらに具えてい
ることを特徴とする請求項１に記載の電極。 
【請求項１３】
前記層間層の導電率を増加させるように選択した金属を含むことを特徴とする請求項１
に記載の電極。
【請求項１４】
前記層間層の表面にパッシベーションが施されていることを特徴とする請求項１に記載
の電極。 
【請求項１５】
電極を生産する方法において、
基板を受けるステップと；
前記基板に結合された支持フィラメントの第１領域を成長させるステップと；
前記支持フィラメントの第１領域における前記基板に対して遠位にある端部にカラース
トップを成長させるステップであって、前記カラーステップは、前記第１領域に達するド
ナーアクセプタ材料の量を低減するように構成されるステップと；
前記カラーストップから前記支持フィラメントの第２領域を成長させるステップであっ
て、前記支持フィラメントの第２領域は、前記カラーストップより小さい径を有するステ
ップと；
前記支持フィラメントの第１領域に比べて厚いドナーアクセプタ材料が、前記支持フィ
ラメントの第２領域に堆積するように、前記支持フィラメントにドナーアクセプタ材料を
付加するステップと
を含むことを特徴とする電極の生産方法。
【請求項１６】
前記支持フィラメントの径が増加するように成長条件を変更することによって、前記カ
ラーストップを成長させることを特徴とする請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記ドナーアクセプタ材料が、シリコン、スズ、またはゲルマニウムを含み、前記支持
フィラメントが、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバー、またはナノワイヤー
を含むことを特徴とする請求項１５に記載の方法。
【請求項１８】
前記ドナーアクセプタ材料が前記支持フィラメントの未結合の端部から滑り落ちること
を防止するように構成された支持キャップを成長させるステップを、さらに含むことを特
徴とする請求項１５に記載の方法。
【請求項１９】
前記ドナーアクセプタ材料が前記支持フィラメントの未結合の端部から滑り落ちること
を防止するように構成された支持カラーを成長させるステップを、さらに含むことを特徴
とする請求項１５に記載の方法。
【請求項２０】
前記支持フィラメントを成長させるように構成されたシード層を、前記基板に付加する
ステップを、さらに含む請求項１５に記載の方法。
【請求項２１】
酸化物層、炭化物層、または窒化物層を、前記ドナーアクセプタ材料の表面に追加する
ステップを、さらに含むことを特徴とする請求項１５に記載の方法。
【請求項２２】
前記ドナーアクセプタ材料に、ｎ＋またはｐ＋のドーピング材料を追加するステップを
、さらに含むことを特徴とする請求項１５に記載の方法。
【請求項２３】
前記ドナーアクセプタ材料に金属を追加するステップを、さらに含むことを特徴とする
請求項１５に記載の方法。
【請求項２４】
前記ドナーアクセプタ材料を前記支持フィラメントに付加した後に、前記ドナーアクセ
プタ材料を加熱して、前記ドナーアクセプタ材料を含む層間材料の結晶構造を変化させる
ステップを、さらに含むことを特徴とする請求項１５に記載の方法。
【請求項２５】
前記ドナーアクセプタ材料を前記支持フィラメントに付加した後に、前記ドナーアクセ
プタ材料を含む層間材料にパッシベーションを施すステップを、さらに含むことを特徴と
する請求項１５に記載の方法。
【請求項２６】
第１電極及び第２電極を具え、この第２電極が、
基板と；
この基板に結合された支持フィラメントと；
電気化学的反応の反応物を受容するように構成され、前記支持フィラメント上に配置
された層間層と；
前記層間層の前記基板に対して遠位にある領域に比べて低量のドナーアクセプタ材料
を含む、前記層間層の前記基板に近接した領域を作製する手段と
を具えていることを特徴とする電池。
【請求項２７】
前記第２電極が陽極として動作するように構成されていることを特徴とする請求項２６
に記載の電池。
【請求項２８】
前記層間層が前記支持フィラメントから滑り落ちることを防止する手段を、さらに具え
ていることを特徴とする請求項２６に記載の電池。
【請求項２９】
前記層間層の導電率を増加させる手段を、さらに具えていることを特徴とする請求項２
６に記載の電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願のクロスリファレンス）
本願は、米国特許仮出願第６１／２５４，０９０号、２００９年１０月２２日出願、発
明の名称”Electrodes Including Collar Stop”に基づいて優先権を主張し、本願は、米
国特許出願第１２／３９２，５２５号、２００９年２月２５日出願、発明の名称”High C
apacity Electrodes”の一部継続出願であり、この米国特許出願は、米国特許仮出願第６
１／０６７，０１８号、２００８年２月２５日出願、及び米国特許仮出願第６１／１３０
，６７９号、２００８年６月２日出願に基づいて優先権を主張する。上記米国特許仮出願
及び米国特許出願のすべてを、参考文献として本明細書に含める。
【０００２】
本発明は、電極技術の分野に属する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国特許仮出願第６１／２５４，０９０号明細書
【特許文献２】米国特許出願第１２／３９２，５２５号明細書
【特許文献３】米国特許仮出願第６１／０６７，０１８号明細書
【特許文献４】米国特許仮出願第６１／１３０，６７９号明細書
【発明の概要】
【０００４】
本発明の種々の好適例は電極を含み、この電極は、基板と、この基板に接続された支持
フィラメントと、この支持フィラメントの全長に沿って配置され、電気化学反応の反応物
（例えば、イオン、電子、電荷ドナー及び／または電荷アクセプタ）を受容するように構
成されたドナーアクセプタ材料を含む層間（インターカレーション）層とを具え、この層
間層の上記基板に近接した領域は、この層間層の上記基板に対して遠位にある領域に比べ
て、より低量のドナーアクセプタ材料を含む。
【０００５】
本発明の種々の好適例は、電極を生産する方法を含み、この方法は、基板を受けるステ
ップと、この基板に結合された、支持フィラメントの第１領域を成長させるステップと、
この基板に対して遠位にある、支持フィラメントの第１領域の端部にカラーストップ（つ
ば形止め具）を成長させるステップであって、このカラーストップは、第１領域に達する
ドナーアクセプタ材料の量を低減するように構成されるステップと、このカラーストップ
から支持フィラメントの第２領域を成長させるステップであって、この支持フィラメント
の第２領域は、上記カラーストップより小さい径を有するステップと、上記支持フィラメ
ントの第１領域に比べて大きい厚さのドナー材料が上記支持フィラメントの第２領域に堆
積するように、上記支持フィラメントにドナーアクセプタ材料を付加するステップとを含
む。
【０００６】
本発明の種々の好適例は、第１電極及び第２電極を具えた電池を含み、この第２電極は
、基板と、この基板に結合された支持フィラメントと、この支持フィラメント上に配置さ
れ、電気化学反応の反応物を受容するように構成された層間層と、上記層間層の上記基板
に対して遠位にある領域に比べて、より低量のドナーアクセプタ材料を含み、上記基板に
近接した領域を生成する手段とを具えている。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】本発明の種々の実施例による、支持キャップ付き電極の設計を例示する図である。
【図２】本発明の種々の実施例による、支持カラー付き電極の設計を例示する図である。
【図３】本発明の種々の実施例による、カラーストップ付き電極の設計を例示する図である。
【図４】本発明の種々の実施例による、支持キャップ及び支持カラー付き電極の設計を例示する図である。
【図５】本発明の種々の実施例による、支持キャップ及びカラーストップ付き電極の設計を例示する図である。
【図６】本発明の種々の実施例による、支持カラー及びカラーストップ付き電極の設計を例示する図である。
【図７Ａ】本発明の種々の実施例による、層間材料を含む電極を例示する図である。
【図７Ｂ】本発明の種々の実施例による、層間材料を含む電極を例示する図である。
【図７Ｃ】本発明の種々の実施例による、層間材料を含む電極を例示する図である。
【図８】本発明の種々の実施例による、電極の延長部を作製する方法を例示する図である。
【図９】本発明の種々の実施例による、測定した電荷容量対層間材料の厚さの関係を例示する図である。
【図１０】本発明の種々の実施例による、電池のサイクル寿命対温度及び層間材料の厚さを例示する図である。
【図１１】本発明の種々の実施例による電池を例示する図である。
【図１２Ａ】本発明の種々の実施例による、銅基板上に成長させたカーボンナノファイバーを例示する図である。
【図１２Ｂ】本発明の種々の実施例による、銅基板上に成長させカーボンナノファイバーを例示する図である。
【図１３Ａ】本発明の種々の実施例による、銅基板上に成長させて層間材料で覆ったカーボンナノファイバーを例示する図である。
【図１３Ｂ】本発明の種々の実施例による、銅基板上に成長させて層間材料で覆ったカーボンナノファイバーを例示する図である。
【図１４】本発明の種々の実施例による、図９及び図１０のデータを収集するために使用した層間層７５０を有しない電極の断面を例示する図である。
【０００８】
[発明の詳細な説明]
図１に、支持フィラメント１１０を具えた電極を例示する。支持フィラメント１１０は
支持キャップ１５０を含む。支持キャップ１５０は随意的に、支持フィラメント１１０の
延長であり、支持フィラメントの径１１２より約１％、２．５％、１０％、２５％、４０
％、あるいは約６０％まで大きい支持キャップ幅１５７を有する。支持フィラメントの高
さ１１４は支持キャップの高さ１５５を含む。一部の実施例では、支持キャップの高さ１
５５は少なくとも２５０ｎｍ、５００ｎｍ、２０００ｎｍ、あるいは５０００ｎｍである
。他の実施例では、支持キャップの高さ１５５は、フィラメントの高さ１１４の少なくと
も１％、５％、２０％、３０％、あるいは５０％である。支持キャップ幅１５７は、開始
位置分離距離１２６の少なくとも１％、５％、１５％、４０％、あるいは７５％とするこ
とができる。開始位置は、シード層１２２上の、支持フィラメントの成長を開始する箇所
である。（図１に示す）支持キャップ１５０の断面形状は、長方形、三角形、正方形、円
形、あるいは菱形とすることができる。他の形状も可能である。支持キャップ１５０は、
層間（インターカレーション）層７５０（図７）が支持フィラメント１１０の未結合の端
部から滑り落ちることを防止するように構成されている。
【０００９】
支持フィラメント１１０は、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ：Carbon Nano Tube）、カ
ーボンナノファイバー（ＣＮＦ：Carbon Nano Fiber）、ナノワイヤー（ＮＷ：Nano Wire
）、あるいは他のナノスケール構造とすることができる。ＣＮＴを含む材料は概ね炭素で
あり、ＣＮＴの成長中に原料ガス中に含まれる金属、半導体、及び絶縁体のような他の材
料を含むことができる。これに加えて、ＣＮＴは単壁または複壁とすることができる。Ｃ
ＮＦを構成する材料は概ね炭素であり、ＣＮＦの成長中に原料ガス中に含まれる金属、半
導体、及び絶縁体のような他の材料を含むことができる。ＣＮＴは一般に、少なくとも２
ｎｍ、５ｎｍ、１０ｎｍ、３０ｎｍ、または５０ｎｍの径を有すると記されている。ＣＮ
Ｆは一般に、少なくとも３０ｎｍ、５０ｎｍ、１５０ｎｍ、２５０ｎｍ、または７５０ｎ
ｍの径を有すると記されている。ナノワイヤー（ＮＷ）は、（金、銅、またスズのような
）金属、または（シリコン、ゲルマニウム、ＩnＰ、ＧaＮ、ＧaＰ、ＺnＯのような）半導
体、あるいははＭnＯ2、酸化インジウムスズ、ＺnＯ、ＳnＯ2、Ｆe2Ｏ3、Ｉn2Ｏ3、また
はＧa2Ｏ3のような酸化物で構成することができる。他の材料も可能である。
【００１０】
図２に、支持カラー２１０を含む支持フィラメント１１０を具えた電極を例示する。支
持カラー２１０は随意的に支持フィラメント１１０の延長であり、支持フィラメントの径
１１２より少なくとも１％、２．５％、１０％、２５％、４０％、または６０％大きい径
を有する。一部の実施例では、支持カラーの高さ２１４は、少なくとも１００ｎｍ、２５
０ｎｍ、５００ｎｍ、２０００ｎｍ、または５０００ｎｍであり、あるいはより大きく、
そして５０ｎｍまで小さく、あるいはより小さくすることができる。一部の実施例では、
支持カラーの高さ２１４は、支持フィラメントの高さ１１４の少なくとも１％、５％、１
５％、４０％、または７５%である。支持カラーの幅２１２は、開始位置分離距離１２６
の少なくとも１％、５％、１５％、４０％、または７５％である。支持カラー２１０の形
状は、長方形、正方形、円形、三角形、半円形、菱形、弓形、等にすることができる。他
の形状も可能である。支持カラーのベース距離２１６は随意的に、支持フィラメントの高
さ１１４の少なくとも半分である。支持カラーのベース距離２１６は、支持フィラメント
の高さ１１４の１０％、３０％、または７５％にすることもできる。ベース距離２１６は
、初期位置１２０から、少なくとも延長５００ｎｍ、１０００ｎｍ、２５００ｎｍ、５０
００ｎｍ、または１２５００ｎｍとすることができる。これに加えて、ベース距離２１６
は、フィラメントの延長端１５２から数ミクロン以内の所に終端させることができる。
【００１１】
図３に、カラーストップ３１０を含む支持フィラメント１１０を具えた電極を例示する
。カラーストップ３１０は、支持フィラメント１１０における、支持フィラメント１１０
の他の領域より大きい径によって特徴付けられる領域である。一部の実施例では、カラー
ストップ３１０の径は、支持フィラメント１１０の１つ以上の他の領域における支持フィ
ラメント１１０の径（例えば支持フィラメントの径１１２）より少なくとも１％、２．５
％、１０％、２５％、４０％、または６０%大きい。カラーストップ３１０の径及びカラ
ーストップの間隔３１２は、トランク（幹部）３５０を生成するように制御されている。
このトランク３５０は、低減されたドナーアクセプタ材料（ＤＡＭ：Donor Acceptor Mat
erial）の領域を生じさせる。ＤＡＭ低減領域は、支持フィラメントの他の領域に比べて
層間材料の量が低減された領域であるが、必ずしも層間材料が完全に欠如していない。例
えば、種々の実施例では、ドナーアクセプタ材料領域は、支持フィラメント１１０の他の
領域に比べて、（支持フィラメント１１０の単位面積の当りの重量で）７５％、５０％、
２５％、１０％、または５％以下の層間材料を含むことができる。（説明目的で、この層
間材料は、電荷を供出するか受容するかのいずれかをして電極の外部回路を完成させる材
料として定義される。この層間材料は、電荷担体、電荷ドナー、及び／または電荷アクセ
プタを、周囲の電解質と交換するように構成されている。この層間材料は、随意的にこれ
らの種のものに対する多孔質とすることができる。カラーストップの間隔３１２は、ほぼ
０にするか、あるいは少なくとも初期位置間の距離１２６の１０％、５０％、７５％、ま
たは９５%とすることができる。カラーストップ３１０は、支持フィラメント１１０の全
長のどこにでも成長させることができ、例えば、一部の実施例では、カラーストップ３１
０は、初期位置１２０から１００００ｎｍ、５０００ｎｍ、２０００ｎｍ、１０００ｎｍ
、７５０ｎｍ、２５０ｎｍ、１００ｎｍ、２５ｎｍ、または５ｎｍ以内の所に配置するこ
とができる。
【００１２】
カラーストップ３１０を作製する方法は概ね、支持カラー２１０または支持キャップ１
５０を作製する方法と同様である。支持カラー２１０、支持キャップ１５０及び／または
カラーストップ３１０の径を制御する方法は、原料ガス、基板、または反応チャンバ（あ
るいはこれら３つの組合せ）の温度を変化させること、あるいは種々の原料ガスの流量を
変化させることを含むことができる。例えば、支持フィラメント１１０の成長中に原料ガ
スの組成を変化させることによって、これらの径を制御することもできる。支持フィラメ
ント１１０、カラーストップ３１０、支持カラー２１０、及び／または支持キャップ１５
０の径を制御する他の方法は、静電界または動的電界を加えること、静磁界または動的磁
界を加えること、あるいは電界と磁界の組合せを加えることである。これら径を制御する
他の方法は、通常の当業者にとって明らかである。
【００１３】
カラーストップ３１０、支持カラー２１０、及び支持キャップ１５０は随意的に、支持
フィラメント１１０と同じ材料製とすることができるが、実行する特定の処理に応じて、
他の材料またはその比率を用いることができる。例えば、（ＣＮＴ／ＣＮＦ成長の場合は
）メタンをアセチレン、エチレン、またはエタノールに置き換えるように、異なる原料ガ
スを異なる処理時刻に用いることができる。これに加えて、異なる処理ガスを異なる時刻
に用いることができる。例えば、アンモニア、窒素、または水素のような処理ガスの代わ
りにアルゴンを用いることができる。異なるガス混合率も、望ましい効果に依存して使用
できる。他の原料ガス及び処理ガスを用いることができることは、ＣＮＴ／ＣＮＦ成長の
当業者にとって明らかである。
【００１４】
カラーストップの厚さ３１４は一般に数ミクロン以下であるが、支持フィラメントの高
さ１１４の１％、５％、１０％、２６％、５０％、または７５％までにすることができる
。一部の実施例では、カラーストップの厚さ３１４は、支持フィラメントの高さ１１４の
４０％、２０％、５％、２％、または０．２５％以下である。カラーストップ３１０の断
面は、図３の平面に見られるように、支持フィラメント１１０の成長率に応じて、楕円形
、菱形、または円形にすることができる。他の断面形状も可能である。これらの形状及び
寸法は随意的に、支持キャップ１５０及び支持カラー２１０、並びにカラーストップ３１
０によって持たせることができる。
【００１５】
カラーストップの径３１６は、カラーストップ３１０を作製するために選定した処理方
法によって制御される。例えば、カラーストップ３１０の成長中には、反応チャンバの温
度を変化させて、支持フィラメント１１０を作り出す反応を減速するか加速させ、これに
より、支持フィラメント１１０において、支持フィラメント１１０の他の領域より大きい
径を有する領域を作製することができる。例えば、支持フィラメント１１０は、相対的に
大きい径を有するカラーストップ３１０によって分離された、より狭い径の領域を含むこ
とができる。あるいはまた、支持フィラメントは、基板１２４とカラーストップ３１０と
の間に相対的に径の大きい領域を含み（カラーストップ３１０は、この領域に比べて小さ
いかほぼ同じ径にすることができる）、基板１２４に対する遠位に、より小さい径の領域
を含むことができる。支持フィラメントの径１１２は、支持フィラメントにおける最小径
として定義される。
【００１６】
カラーストップの間隔３１２は、開始位置分離距離１２６及びカラーストップの径３１
６によって制御される。カラーストップ３１０の寸法は、基板１２４に対して遠位にある
支持フィラメント１１０の領域に比べてＤＡＭの付着の低減が、カラーストップ３１０と
基板１２４の間に生じるように選択する。単一の支持フィラメント１１０は、２つ以上の
カラーストラップ３１０及び／または２つ以上の支持カラー２１０を含むことができる。
【００１７】
例示する実施例では、トランク３５０は、実質的にドナーアクセプタ材料材の無い領域
か、カラーストップ３１０の上方（基板に対して遠位）にある支持フィラメント１１０の
部分に比べてＤＡＭの量が低減された領域である。このことは、カラーストップの径３１
６及びカラーストップの間隔３１２の適切な選定によって達成される。例えば、カラース
トップの間隔３１２及びカラーストップの径３１６は、特定のカラーストップ３１０が、
その最寄りに隣接するカラーストップに辛うじて接触して、０に等しいカラーストップの
間隔３１２を効果的に作り出すように選定することができる。あるいはまた、カラースト
ップの間隔３１２は、０より大きくすることができる。カラーストップ３１０は、支持フ
ィラメント１１０におけるカラーストップ３１０と基板１２４の間の領域に達するＤＡＭ
の量を、支持フィラメント１１０の他の部分に比べて低減するバリアー（障壁）を形成す
る。
【００１８】
図４に本発明の種々の実施例を示し、これらの実施例では、フィフィラメント１１０が
、支持キャップ１５０及び支持カラー２１０を有するが、カラーストップ３１０は有しな
い。
【００１９】
図５に本発明の種々の実施例を示し、これらの実施例では、フィフィラメント１１０が
、支持キャップ１５０及びカラーストップ３１０を有するが、支持カラー２１０は有しな
い。
【００２０】
図６に本発明の種々の実施例を示し、これらの実施例では、フィフィラメント１１０
が、支持カラー２１０及びカラーストップ３１０を有するが、支持キャップ１５０は有し
ない。図４〜６は、支持キャップ１５０、支持カラー２１０、及びカラーストップ３１０
の任意の組合せを支持フィラメント１１０上に含めることができることを例示している。
これら組合せは、これらの要素の１つ、２つ、３つ、あるいはそれ以上を含むことができ
る。単一の支持フィラメントの１１０が、２つ以上のカラーストップ３１０及び／または
２つ以上の支持カラー２１０を含むことができる。支持カラー２１０及びカラーストップ
３１０の位置は、支持フィラメント１１０の長さ方向に、この図に示す位置に対して上下
に変化させることができる。カラーストップ３１０及び支持カラー２１０は一般に、支持
フィラメント１１０の長軸について対称な円柱形である。
【００２１】
図７Ａに、カラーストップ３１０、支持キャップ１５０、支持カラー２１０、及びＤＡ
Ｍを含む層間層を例示する。この例示は、カラーストップ３１０についての基本機能を図
式的に表現し、例えば、層間層７５０は、支持キャップ１５０とカラーストップ３１０と
の間にある支持フィラメント１１０の上部にほとんど堆積／成長するが、カラーストップ
３１０の下方には堆積／成長せず（あるいはより少なく堆積／成長し）、こうして、層間
材料が相対的に少ないかほとんど無いＤＡＭ低減領域７２０が作製される。カラーストッ
プの径３１６及びカラーストップの間隔３１２の適切な選定によって、最小（またはより
少ない）層間材料が基板に達するようなマスクが作製される。
【００２２】
ＤＡＭ低減領域７２０は、支持フィラメント１１０における、層間層７５０の堆積を遮
断された領域である。一般に、ＤＡＭ低減領域７２０はシード層１２２に隣接している。
【００２３】
図７Ａは、支持キャップ１５０及び支持カラー２１０の有用性も例証する。支持キャッ
プ１５０及び支持カラー２１０は共に、支持フィラメント１１０の他の部分の径１１２よ
り大きい径によって特徴付けられる。電極の動作中に層間層７５０が膨張するならば、一
部の実施例では、層間層は支持フィラメント１１０の径から分離する。これらの実施例で
は、支持カラーの幅２１２及び／または支持キャップの幅１５７が、膨張した層間材料の
内径より大きい限り、層間層７５０は支持フィラメント１１０に機械的に拘束され、これ
により、層間材料が支持フィラメント１１０から分離しないことを保証する。
【００２４】
カラーストップ３１０と支持カラー２１０とは随意的に、同じサイズ及び／または形状
である。カラーストップ３１０と支持カラー２１０との１つの違いは、支持カラー２１０
は、層間層７５０の支持フィラメント１１０への付着を支援するような支持フィラメント
１１０上の位置に配置されている（さもなければ、そのように構成されている）ことにあ
る。例えば、支持カラー２１０は、層間層７５０が支持フィラメント１１０の未結合の端
部から滑り落ちることを防止するように構成されている。これとは対照的に、カラースト
ップ３１０は、支持フィラメント１１０において、カラーストップ３１０と基板１２４と
の間の領域内に、支持フィラメント１１０の他の部分に比べて低減された層間層７５０の
部分を生じさせるような、支持フィラメント１１０上の位置に配置されている（さもなけ
れば、そのように構成されている）。支持カラー２１０も、より小さい度合いで低減され
た層間層７５０の領域を生じさせることができる。
【００２５】
自由層間材料７１０は、層間層７５０の堆積／成長中に、カラーストップ３１０によっ
て停止されない材料である。層間層７５０の堆積／成長用の材料源は、図７Ａ〜７Ｃに例
示するように、概ね支持フィラメント１１０の上方（ページの最上部）から来るものと考
えられる。
【００２６】
図７Ｃに、支持フィラメント１１０の代案実施例を示す。これらの実施例は、２つ以上
の支持カラー及びテーパ形状を有する支持フィラメントの例を含む。図７Ｂ及び７Ｃに例
示する支持フィラメント１１０の種々の異なる例は、通常は同じ電極上に見られない。電
極は通常、すべての支持フィラメントが一緒に生成されるので、一種類の支持フィラメン
ト１１０、支持カラー２１０、支持キャップ１５０、及びカラーストップ３１０を含む。
本明細書に例示する変形例は、例示目的に過ぎない。図７Ａ〜７Ｃに例示する層間層７５
０の厚さも、例示目的に過ぎない。代表的な実施例では、層間層７５０は支持フィラメン
ト１１０より大幅に厚い。層間層７５０の厚さも、荷電種が吸着及び脱着される際に変化
する。また、本明細書に記載の層間層７５０の厚さは、層間層７５０によって吸着または
脱着された荷電種が存在しない状態を称する。
【００２７】
図８に、層間層７５０を有する支持フィラメントを製造する方法を例示する。第１ステ
ップ８０１は、基板１２４を受けることである。基板１２４は随意的に、陽極（アノード
）の場合は銅、あるいは陰極（カソード）の場合はアルミニウムである。この基板は、所
望の用途に応じて他の材料製とすることができる。例えば、ステンレス鋼またはグラファ
イト（黒鉛）を基板用に用いることができる。電池設計の当業者はさらに、所望の用途に
応じて他の材料を指定することができる。
【００２８】
随意的な第２ステップ８０３は、基板を洗浄することである。基板を洗浄する（８０３
）目的は、後の処理ステップにおける、その後の材料の堆積及び成長に備えた準備を基板
に施すことにある。このことは、電流コレクタ上に存在するあらゆる有機物、酸化物、及
び他の汚染物を除去することを意味する。基板を洗浄する方法は、（例えば、研磨剤を用
いて、汚染物に曝された材料の薄層を除去する）物理的方法から、（アセトン、イソプロ
パノール、ＴＥＣ、またはメタノールのような溶剤を用いる）化学的方法、及び／または
化学的エッチング（銅の場合は、実際の基板の一部を溶解させるクエン酸浸漬／洗浄）ま
で、あるいは後続する処理ステップに備えた適切な準備を基板に施すための物理的方法と
化学的方法とのあらゆる組合せまでに及び得る。
【００２９】
第３ステップ８０５は、随意的なシード層の堆積である。シード層の堆積８０５は、支
持フィラメント１１０の成長用の基層またはシード層１２２を作製する処理ステップであ
る。この処理ステップは、（物理的または化学的）気相堆積／成長法、液相堆積／成長法
、または固相堆積／成長法、あるいはこれらの任意の組合せによって実現することができ
る。
【００３０】
（堆積させる材料を気相で材料源から基板に輸送する）物理的気相堆積技術は、熱蒸着
、電子ビーム蒸着、ＤＣスパッタリング、ＤＣマグネトロン・スパッタリング、ＲＦスパ
ッタリング、パルスレーザー堆積、陰極アーク堆積、等を含むことができる。反応型物理
的気相成長法を用いることもでき、この方法によって、成長プロセス（処理）中に「不純
物ガス」をチャンバ内に注入し、これにより、層が成長すると共に「不純物ガス」が層内
に取り込まれる。
【００３１】
（化学的前駆体を気相で表面に輸送し、その後にこの表面で化学反応を行う）化学的気
相成長技術は、低圧化学気相成長法、プラズマ化学気相成長法（ＰＥＣＶＤ）、大気圧化
学気相成長法、有機金属化学気相成長法、熱線化学気相成長法、超高周波プラズマ化学気
相成長法、マイクロ波プラズマ化学気相成長法、等を含むことができる。
【００３２】
シード層１２２を形成するための液相成長技術は、メッキ、電解メッキ、または化学溶
液堆積、等を含むことができる。固相成長技術は、集束イオンビーム堆積を含むことがで
きる。成長法の他の可能性は、液体、及び電流コレクタ上に噴霧される適切なサイズの粒
子の懸濁液を含む溶液であり、その後に基板が「硬化」して担体溶液が除去されて、基板
の表面上に粒子がそのまま残る。
【００３３】
上記の処理ステップのあらゆる組合せを用いて、支持フィラメント１１０の成長用の開
始位置を生成するための適切なシード層１２２を作製することができる。
【００３４】
この処理における第４ステップ８１５は、開始位置の生成である。このステップは、シ
ード層１２２を作製するために選定した方法に依存する。例えば、開始位置分離距離１２
６は、シード層の堆積８０５用に選定した厚さ及び材料によって決定することができる。
例えば、３０００オングストロームのニッケル／３００オングストロームのクロムのシー
ド層は、１平方センチメートル当りに何個かの開始位置を生成する。ニッケルの厚さが２
０００オングストロームに減少すれば、１平方センチメートル当りの開始位置の数は、３
０００オングストロームのニッケルにおける開始位置の数とは異なるであろう。ニッケル
を鉄に置き換えるように他の材料を選定した場合も、結果的な１平方センチメートル当り
の開始位置は異なるであろう。ステップ８１５は随意的に、ステップ８０５の一部である
。
【００３５】
固層堆積技術は、１平方センチメートル当りの開始位置の制御を可能にする。この技術
は集束イオンビーム堆積とすることができ、開始位置／ｃｍ2は、集束イオンビームがそ
の材料を堆積させる場所によって、あるいはナノ粒子懸濁液によって直接制御することが
でき、ここで開始位置／ｃｍ2は、懸濁液の所定体積中に含まれるナノ粒子の数によって
制御される。開始位置の数は、集束イオンビーム堆積位置のサイズ、あるいは溶液中のナ
ノ粒子のサイズによって制御することもできる。
【００３６】
開始部位は一般に、その内部で電極が生産される反応容器が、適切な原料ガスの流れを
伴って適切な温度に達する際に生成され、この原料ガスはシード層１２２と共に触媒作用
を開始する。こうして開始位置が生成され、支持フィラメント１１０の成長が開始される
。
【００３７】
第５ステップ８２０は、支持フィラメント１１０を成長させることである。支持フィラ
メント１１０を成長させるために利用可能な多数の成長プロセスが存在する。例えば、化
学気相成長法、熱化学気相成長法、気相‐液相‐固相成長法（化学気相成長法の一種）、
プラズマ化学気相成長法は、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）、カーボンナノファイバー
（ＣＮＦ）、及びナノワイヤー（ＮＷ）の成長が達成される処理である。他の利用可能な
成長法が存在することは、フィラメント成長の当業者が認める所である。
【００３８】
ＣＮＴ／ＣＮＦを成長させるために使用することのできる原料ガスの例は、一酸化炭素
、メタン、エタン、エチレン、アセチレン、等である。他の炭化水素または無機化合物も
成長プロセス用に用いることができる。
【００３９】
興味深いものはプラズマ化学気相堆積（ＣＶＤ）法である、というのは、支持フィラメ
ント１１０の成長がプラズマの電界に整列し、これにより、縦に整列した支持フィラメン
ト１１０の生産を可能にする、ということによる。熱ＣＶＤも、特定処理条件下で、縦に
整列した支持フィラメント１１０を生産することができる。さらに、水添加ＣＶＤは、非
常に高いアスペクト比（およそ１，０００，０００に等しい長さ／径）の縦に整列した支
持フィラメントを可能にし、非常に背の高い支持フィラメントを可能にする。
【００４０】
適切に変性させたバクテリア及びウィルスがナノワイヤー構造を成長させていることも
実証されている。こうした技術は、支持フィラメント１１０を作製するために用いること
ができる。
【００４１】
材料の適切な選定により、これらの技術のいくつかをまとめて同時に用いることもでき
る。例えば、印加された電界の存在下で、バクテリア／ウィルスを用いてＣＮＴ／ＣＮＦ
／ＮＷを成長させて、縦に整列した支持フィラメントを生産することができる。支持フィ
ラメント１１０を成長させる他の方法は、ＶＬＳ成長中に電界及び／または磁界を印加し
て、成長するＣＮＴ／ＣＮＦ／ＮＷの軌跡を制御することであり、このことは支持フィラ
メント１１０の三次元形状を制御する。他の技術は、ＰＥＣＶＤモードで動作中の反応容
器でＣＮＴ／ＣＮＦ／ＮＷの支持フィラメント１１０の成長を開始し、指定時間後に、こ
の反応容器を熱ＣＶＤモードに転換し、そして再び指定時間後に、この反応容器をＰＥＣ
ＶＤモードに再転換することである。支持フィラメント１１０の適切な成長制御を可能に
する他の可能な組合せが存在することは、ＣＮＴ／ＣＮＦ／ＮＷ成長の当業者にとって明
らかである。
【００４２】
この支持フィラメント１１０の高さ１１４は一般に、成長プロセスの継続時間によって
決まる。反応容器の温度、使用する原料ガス、及び印加する電界と磁界の組合せ及び強度
（あるいはそれらの不在）は、フィラメント成長の速度及び量に影響し得る。
【００４３】
支持フィラメント１１０の径１１２は一般に、シード層１２２の厚さによって、あるい
はシード層１２２を形成するためにナノ粒子懸濁液法を選定した場合は、懸濁液中に含ま
れるナノ粒子のサイズによって、あるいはシード層１２２を形成するために集束イオンビ
ーム堆積法を選定した場合は、イオンビームのサイズによって決まる。反応容器の温度、
使用する原料ガス、及び印加する電界と磁界の組合せ及び強度（あるいはそれらの不在）
も、支持フィラメント１１０の径に影響し得る。
【００４４】
支持フィラメント１１０の成長ステップ８２０中にサブステップ８２０ａを実行するこ
とができ、このサブステップでカラーストップ３１０を成長させる。このことは、反応容
器の温度、使用する原料ガス及びその相対組成と流量、印加する電界及び磁界の方向及び
強度（あるいはそれらの不在）を変更することによって達成することができる。この変更
の継続時間が暗に、カラーストップの厚さ３１４及びカラーストップの径３１６を決定す
る。カラーストップの間隔は、前述したパラメーターの定常状態への変更の継続時間（及
びこの変化自体の継続時間）によって、並びに開始位置分離距離１２６によって制御され
る。サブステップ８２０ａは反復することができる。
【００４５】
支持フィラメント１１０の成長ステップ８２０中にサブステップ８２０ｂを実行するこ
とができ、このサブステップで支持カラー２１０を成長させ、サブステップ８２０ａが発
生する場合は、このサブステップはサブステップ８２０ａの後に発生する。サブステップ
８２０ｂは、反応容器の温度、使用する原料ガス及びその相対組成、印加する電界と磁界
の組合せ及び強度（あるいはそれらの不在）を変更することによって達成される。支持カ
ラー２１０の径、厚さ、及び高さは、前述したパラメーターの変更によって大幅に制御さ
れる。
【００４６】
支持フィラメント１１０の成長ステップ８２０中に、サブステップ８２０ｃを実行する
ことができ、サブステップ８２０ｃで支持キャプ１５０を成長させ、サブステップ８２０
ｂが発生する場合は、このサブステップはサブステップ８２０ｂの後に発生する。このサ
ブステップは、反応容器の温度、使用する原料ガス及びその相対組成、印加する電界及び
磁界の方向及び強度（あるいはそれらの不在）を変更することによって達成することがで
きる。支持キャップ１５０の径、厚さ、及び高さは随意的に、前述したパラメーターの変
更によって制御される。
【００４７】
３つのサブステップ８２０ａ、８２０ｂ、及び８２０ｃのいずれも、他のサブステップ
８２０ａ、８２０ｂ、及び８２０ｃの存在または不在とは関係なしに実行することができ
る。例えば、サブステップ８２０ａは、サブステップ８２０ｂまたはサブステップ８２０
ｃなしに実行することができる。あるいはまた、サブステップ８２０ｂを実行せずにサブ
ステップ８２０ａ及び８２０ｃを実行することができ、あるいは、サブステップ８２０ａ
または８２０ｃを実行せずにサブステップ８２０ｂを実行することを決定することができ
る。これに加えて、サブステップ８２０ａ、８２０ｂ、及び８２０ｃのいずれかを実行し
ないことを決定し、これにより、支持フィラメント１１０の長さ方向における径の変化が
最小の支持フィラフィラメント１１０を作製することができる。
【００４８】
第６処理ステップ８２５は、ＤＡＭ低減領域７２０を作製することであり、ＤＡＭ低減
領域７２０がトランク３５０に相当する、ということは全く無い。（要素３５０と７２０
とを区別する理由は、ＤＡＭ低減領域７２０は層間層７５０の堆積中に作製されるのに対
し、トランク３５０は、支持フィラメント１１０の形状に関連して規定されることにある
。層間層７５０が追加されると、トランク３５０はＤＡＭ低減領域７２０になる。具体的
には、トランク３５０は支持フィラメント１１０の一部であるのに対し、ＤＡＭ低減領域
７２０は、層間材料７５０が低減されているか存在しない領域を称する。）ＤＡＭ領域作
製処理８２５はいくつかの方法によって達成することができ、これらの方法はカラースト
ップ３１０の使用を含むが、これに限定されない。こうした方法の例は、（蒸着またはイ
オンビーム堆積のような）層間材料の成長及び方向性堆積中に、支持フィラメント１１０
のアスペクト比を制御することを含む。追加的な方法は、トランク３５０を絶縁するため
の、底部（ベース）層への電着及び無電解メッキを含む。マスキング層のスパッタリング
／ライト（軽度の）エッチングを実行して、層間層７５０の成長／堆積に備えて支持フィ
ラメント１１０を開くこともでき、あるいはまた、支持フィラメント１１０の成長パラメ
ーターを修正して、（樹状構造のような）有利なアスペクト比を達成することもできる。
このことは、成長中に使用する原料ガス及び処理ガスの組成を変更することによって達成
することができる。ＤＡＭ低減領域７２０を作製する他の可能な方法は、層間材料の堆積
、及び方向性エッチバック（例えば反応性イオンエッチング）を実行して、支持フィラメ
ント１１０から層間層７５０による被覆をなくすことである。ＤＡＭ低減領域７２０の作
製は、ＣＮＴ／ＣＮＦ／ＮＷの成長用に選定した方法及び構造、並びに層間層の堆積用に
選定した方法及び構造に依存し得る。例えば、層間層７５０を堆積させた後に、例えば反
応性イオンエッチングまたは誘導結合プラズマエッチングのような適切な方向性エッチン
グによって、ＤＡＭ低減領域７２０を作製することができる。
【００４９】
第８処理ステップ８３０は、層間層７５０を堆積／成長させることである。（なお、Ｄ
ＡＭは、電池セルの充電中及び放電中にイオンを供出するか受容する材料を称し、層間層
７５０は、ＤＡＭ、並びに接着力を生じさせる他の層、または増加した吸着力を与えるこ
とのできる層、あるいは導電率を向上させることのできる層を含む。これらの層の他の目
的もあり得る。これらの追加的な層は、堆積させたＤＡＭの上方または下方にすることが
できる。）
【００５０】
層間層７５０の成長は、（物理的または化学的）気相堆積／成長法、液相堆積／成長法
、または固相堆積／成長法、あるいはこれらの任意の組合せによって実現することができ
る。
【００５１】
（堆積させる材料を気相で材料源から基板に輸送する）物理的気相成長法は、熱蒸着、
電子ビーム蒸着、直流スパッタリング、直流マグネトロン・スパッタリング、高周波スパ
ッタリング、パルスレーザー堆積、陰極アーク堆積、等を含むことができる。反応性の物
理的気相成長法を用いることもでき、成長プロセス中に燃焼室内に注入された"混合ガス"
による方法である、これによりこの層の形成に組み込まれる。
【００５２】
（化学的前駆体を気相で表面に輸送し、その後にこの表面で化学反応を行う）化学的気
相堆積技術は、低圧化学気相成長法、プラズマ化学気相成長法、大気圧化学気相成長法、
有機金属化学気相成長法、熱線化学気相成長法、超高周波プラズマ化学気相成長法、マイ
クロ波プラズマ化学気相成長法、等を含むことができる。
【００５３】
なお、あらゆる堆積段階において、２つ以上の材料を同時に堆積させることができる。
例えば、スズ（Ｓn）と金（Ａu）のような２つ（以上）の異なる種類の金属を同時に堆積
／成長させることができ、シリコン（Ｓi）とゲルマニウム（Ｇe）のような２つ（以上）
の異なる種類の半導体を堆積させることができ、リン酸鉄リチウム（ＬiＦeＰＯ4）とリ
チウム・ニッケル・コバルト・マンガン複合酸化物（Ｌi（ＮiＣoＭｎ）Ｏ2）のような２
つ（以上）の異なる種類の酸化物を成長／堆積させることができる。これに加えて、金属
と半導体、または半導体と酸化物、または金属と酸化物、あるいは金属、半導体、及び酸
化物のように、複数種類の材料を混合することができる。その例は、シリコン（Ｓi）と
リチウム（Ｌi）の共析（共堆積）、シリコン（Ｓi）とＬiＯ2（またはＳiＯ2）の共析、
及びシリコン（Ｓi）、リチウム（Ｌi）、及びＬiＯ2（またはＳiＯ2）の共析を含む。酸
化シリコン（ＳiＯ2）、窒化シリコン（Ｓi3Ｎ4）のような絶縁材料も共析させることが
望ましいことがある。これに加えて、炭素（Ｃ）を共析させることが望ましいことがある
。
【００５４】
層間層７５０は、無電解メッキまたは電気メッキのような液相プロセスによって随意的
に作製される。バインダー溶媒マトリックス中に懸濁した（シリコン（Ｓi）またはスズ
（Ｓn）のような）層間材料を含む溶液で支持フィラメントを被覆（コーティング）する
ことによって、層間層を作製することもできる。適切な処理の後に、この溶媒をマトリッ
クスから除去してバインダー及び層間材料のみを残し、これにより、支持フィラメント１
１０及び層間材料を含む電極を作製する。この技術は陰極にも適用することができる。こ
の層間層はエーロゲルを含むことができる。層間層７５０を液体プロセスとして生成する
際は、ＤＡＭ低減領域７２０は随意的に、この液体をはじく材料をトランク３５０中に含
めることによって生成される。例えば、水を使用する場合は、トランク３５０の領域内に
疎水種を含めることができる。これらの種は、支持フィラメント１１０中に取り込むこと
も、支持フィラメント１１０の表面にコーティングすることもできる。
【００５５】
一部の実施例では、堆積及び成長技術を適切に選定することによって、層間層７５０の
導電率を制御する。例えば、スパッタリングの場合に、強度にドーピングしたｐ＋または
ｎ＋シリコンを用いることによって、非ドーピングのシリコンに比べて導電率の高いシリ
コン層間層が作製される。（例えば、強度にドーピングしたシリコンが何十Ωｃｍである
のに対し、純シリコンは何万Ωｃｍである。）シランを用いたＣＶＤシリコン堆積の場合
は、ホスフィンまたはアルシンの添加を随意的に用いて、堆積／成長したシリコンの導電
率を増加させる。種々の実施例では、ドーパントは、ホウ素（Ｂ）、ガリウム（Ｇa）、
ヒ素（Ａs）、リン（Ｐ）、アンチモン（Ｓb）、インジウム（Ｉn）、タリウム（Ｔh）、
及び／またはビスマス（Ｂi）を含む。他のドーパントも可能である。
【００５６】
一部の実施例では、層間層７５０の導電率は、シリコンを堆積／成長させている間に、
金属（これらに限定されないが、例えば金（Ａu）、スズ（Ｓn）、銀（Ａg）、リチウム
（Ｌi）、またはアルミニウム（Ａl））の堆積により増加する。一部の実施例では、層間
層７５０の導電率を、イオン打ち込み（注入）によって制御する。これらの方法は、ゲル
マニウム（Ｇe）のような、層間層７５０用に選定した他の材料でも可能である。種々の
実施例では、結果的な層間層７５０の抵抗率は１０Ωｃｍ、５００Ωｃｍ、２０００Ωｃ
ｍ、または１２０００Ωｃｍ以下である。他の実施例では、抵抗率は１２０００Ωｃｍ以
上である。
【００５７】
一部の実施例では、ステップ８３０は、堆積させた層間層７５０の後処理を含む。この
後処理によって、層間層７５０の結晶構造を変化させることができる。例えば、一部の実
施例では、アモルファスシリコンを層間層７５０として堆積させ、後続する処理ステップ
は、このアモルファスケイ素を適切にアニール加熱し、これにより、ポリシリコン層及び
／または層間層７５０上の表面を作製する。結果的な構造は、外表面上のポリシリコン層
、及びこのポリシリコン層と支持フィラメント１１０の間のアモルファスシリコン層を含
むことができる。両シリコン層は、層間層７５０の一部と考えられる。このアニール加熱
処理は、高出力レーザー、あるいは他の何らかの高速高温熱源を用いることによって達成
することができる。こうした堆積後の後処理アニール加熱の方法は、随意的に陰極及び／
または陽極材料に適用する。
【００５８】
一部の実施例では、堆積させた層間層７５０にパッシベーションを施す。シリコンの場
合は、このパッシベーションは、本明細書の他所で説明したアニール加熱によって、ある
いは、およそ５ｎｍ、１０ｎｍ、４０ｎｍ、１００ｎｍ、または２５０ｎｍ以下の酸化物
、窒化物、及び／または炭化物（カーバイド）層の堆積によって達成することができる。
この酸化物、炭化物、または窒化物層は、層間層７５０の一部と考えられ、支持フィラメ
ントを成長させるステップ８２０の一部で生成することができる。この酸化物または窒化
物は、熱的手段、並びに標準的なＣＶＤ及びＰＥＣＶＤ技術によって成長または堆積させ
ることができる。例えば、表面パッシベーションは、層間層７５０の表面上に炭化物を成
長させることによって随意的に達成される。この成長は、シード層堆積のステップ８０５
、開始位置の作製ステップ８１５、及び支持フィラメントを成長させるステップ８２０を
実行することによって達成され、炭化物、酸化物、及び／または窒化物はステップ８２０
で成長させる。一部の実施例では、層間層７５０上に成長させたＣＮＴ／ＣＮＦ／ＮＷの
高さは最大でも数ミクロンであり、一般に２５０ｎｍ以下である。
【００５９】
支持フィラメント１１０、カラーストップ３１０、支持カラー２１０、及び支持キャッ
プ１５０形状により、異なる量の層間材料を、支持フィラメント１１０の長さ方向におけ
る異なる位置に堆積させることができる。層間層７５０を作製するために用いる堆積／成
長方法は随意的に、成長プロセスを開始して継続する表面反応に頼る。支持フィラメント
１１０の表面に至る反応物の流量が減少すれば、これに応じた層間層７５０の堆積／成長
速度の低下が生じる。
【００６０】
例として、そして図７Ａ〜７Ｃを参照すれば、カラーストップの間隔３１２が０であれ
ば、本質的に、カラーストップ３１０の下方にある支持フィラメント１１０の表面には、
反応物が到達しないか最小限の反応物しか到達せず、これにより、支持フィラメント１１
０の他の部分に比べて少量の層間層７５０を有するＤＡＭ低減領域７２０が作製される。
【００６１】
支持フィラメント１１０の長さ方向において異なる量の層間層７５０の堆積／成長を保
証する他の方法は、支持フィラメントの高さ１１４対開始位置分離距離１２６の高いアス
ペクト比に頼る。このアスペクト比は、５：１、１０：１、１００：１、１０００：１、
１００００：１、あるいは１００００００：１に及ぶオーダーにすることができ、場合に
よってはより大きくすることができる。より大きいアスペクト比は、反応物が基板１２４
に向かって移動すると共に、支持フィラメントの側面が、より小さく０に近い立体角を有
することを意味するので、支持フィラメントに沿った成長の量はこれに応じて減少し、こ
れにより、層間層７５０を少量しか、あるいは全く有しないＤＡＭ低減領域７２０を生成
する。ＡＭ低減領域７２０を生成するためにカラーストップ３１０を必要としない。
【００６２】
ステップ８４０において、電極の製造を完了させることができる。この電極は随意的に
電池内に含まれる。
【００６３】
図９Ａと図９Ｂに、本明細書で説明した処理を用いて作製した陽極の容量の測定値を例
示し、ここでは、支持フィラメント１１０はカーボンナノファイバーであり、層間層７５
０はシリコンである。図９Ａは、層間層７５０の厚さと共に電極の容量が増加することを
例示する。図９Ｂでは、線９１０は、炭化物コーティングだけの容量の計算値を例示し、
線９２０は、アモルファスとポリシリコンの混合物を用いた実験的結果を例示する。この
測定値は半電池設定で行った。図９Ｂは、純粋なグラファイトベースの陽極に比べると、
５〜７倍の電荷蓄積容量の向上を例示している。この向上の量は、層間層７５０の厚さ及
び材料の種類に依存する。
【００６４】
図１０に、本明細書で説明した処理を用いて作製した陽極を用いた電池の層間層７５０
の厚さ及び温度に対するサイクル寿命の測定値を、工業規格の電極と比較して例示する。
支持フィラメント１１０はカーボンナノファイバーであり、層間層７５０はシリコンであ
る。測定は、全電池（フルセル）設定において２つの異なる温度で行い、サイクルはＣ／
２のレートで実行した。このデータは、従来技術に比べて、高温における大幅に増強され
たサイクル寿命を実証している。
【００６５】
図１１に、本発明の種々の実施例による電池１１００を例示する。電池１１００は、本
明細書の図１〜８に例示するもののような第１電極１１１０、及び第２電極１１２０を含
む。第２電極１１２０は、図１〜８に例示する特徴を含むことも含まないこともできる。
電池１１００はさらに、電力を負荷に供給するように構成された回路内で第１電極１１１
０と第２電極１１２０とを結合するように構成された導体（図示せず）を含む。これらの
導体を構成することのできる方法は、通常の当業者にとって明らかである。電池１１００
は一般に、再充電可能（充電式）電池である。第１電極は、陽極または陰極として動作す
るように構成することができる。
【００６６】
図１２Ａは、支持フィラメント１１０の高さ１１４が３．５μmである電極の像である
。図１２Ｂは、支持フィラメント１１０の高さ１１４が１７．５μmである電極の像であ
る。図１２Ａ及び１２Ｂの支持フィラメントは層間材料を含まない。
【００６７】
図１３Ａは、支持フィラメント１１０の高さ１１４が３．５μmであり、０．２５μmの
シリコンを層間層７５０として堆積させた電極の像である。データは、０．２５μmの層
間層７５０（シリコン）をコーティングした３．５μmの支持フィラメント１１０が非常
に貧弱なサイクル寿命（＜１０サイクル）を有することを示している。
【００６８】
図１３Ｂは、支持フィラメント１１０の高さ１１４が１７．５μmであり、０．２５μm
のシリコンを層間層７５０として堆積させた電極の像である。データは、０．２５μmの
層間層７５０（シリコン）をコーティングした１７．５μmの支持フィラメント１１０が
非常に良好なサイクル寿命（＞３０サイクル、＜２０％の容量低下）を有することを示し
ている。本発明の種々の実施例は、少なくとも１７．５μm（１７．５×１０-6ｍ）の高
さ１１４を有する支持フィラメント１１０、及び少なくとも０．１μm、０．２５μm、０
．３５μm、０．５μm、または０．７５μmの層間層を含む。
【００６９】
図１４は、支持フィラメントの高さ１１４が１０μmであり、層間層７５０が存在しな
い電極の断面である。この電極の設計（直線的に測った層間材料の堆積の厚さが０．５μ
m、１．５μm、４．０μm）を試験し、図９及び１０に示すデータが出ている。この結果
は、高温における増強された容量及び改善されたサイクル寿命を示す（３００サイクル、
４０％の容量低下、Ｃ／２のレート、６０℃）。本発明の種々の実施例は、少なくとも１
０μm（１０．０×１０-6ｍ）の高さ１１４、及び少なくとも０．１μm、０．２５μm、
０．３５μm、０．５μm、または０．７５μmの層間層７５０を有する支持フィラメント
を含む。
【００７０】
本明細書では、いくつかの実施例を具体的に図示及び／または説明している。しかし、
その変更及び変形は以上の教示によってカバーされ、特許請求の範囲内に入り、その意図
する範囲から逸脱しないことは明らかである。例えば、本明細書で説明した電極は、電池
以外の装置内で使用することができる。
【００７１】
本明細書で説明した実施例は、本発明の例示である。本発明のこれらの実施例は例示を
参照して説明しているので、説明した方法及び／または具体的構造の種々の変更または適
応は、当業者にとって明らかになり得る。本発明の教示に頼るこうした変更、適応、また
は変形のすべては、本発明の範囲内であると考えられる。従って、これらの説明及び図面
は、限定的意味で考えるべきでなく、本発明は決して、例示する実施例のみに限定されな
いことは明らかである。
【図１】
2015149292.tif 000003
【図２】
2015149292.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
2015149292.tif 000007
【図６】
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【図７Ａ】
2015149292.tif 000009
【図７Ｂ】
2015149292.tif 000010
【図７Ｃ】
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【図８】
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【図９】
2015149292.tif 000013
【図１０】
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【図１１】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【図１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
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【図１４】
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【手続補正書】
【提出日】平成27年5月1日(2015.5.1)
【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】
基板と；
この基板に結合された支持フィラメントと；
電気化学的反応の反応物を受容するように構成された、ドナーアクセプタ材料を含む層間層であって、前記ドナーアクセプタ材料が前記支持フィラメントの全長に沿って配置されている層間層と；
前記層間層の前記基板に対して遠位にある領域に比べて低量のドナーアクセプタ材料を含む、前記層間層の前記基板に近接した領域と
を具えていることを特徴とする電極。
【外国語明細書】
2015149292000001.pdf