(57)【要約】本発明は、概して、バッテリまたは他の電気化学装置、ならびに新規電極材料および設計を含む、これらで使用するシステムおよび材料に関する。いくつかの実施形態では、本発明は、小型バッテリまたはマイクロバッテリに関する。例えば、本発明の一局面では、バッテリは、約５ｍｍ３以下の体積を有する一方で、少なくとも約４００Ｗｈ／ｌのエネルギー密度を有してもよい。本発明の他の局面は、そのようなバッテリを包装する技術を対象とする。
2011512010.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
全アノードと、電解質と、全カソードとを備えるバッテリであって、該バッテリは約１０ｍｍ３以下の体積を有し、該バッテリは少なくとも１つの金属化部分を含む密閉容器内に含有される、バッテリを備える、部品。
【請求項２】
前記容器は、前記金属化部分を備える蓋を備える、請求項１に記載の部品。
【請求項３】
前記蓋は、金属フィードスルーを備える、請求項１に記載の部品。
【請求項４】
全アノードと、電解質と、全カソードとを備えるバッテリであって、該バッテリは約１０ｍｍ３以下の体積を有し、該バッテリは少なくとも１つの金属フィードスルーを含む密閉容器内に含有される、バッテリを備える、部品。
【請求項５】
前記容器は、液体電解質を含む、請求項１または４のうちのいずれか一項に記載の部品。
【請求項６】
前記容器は、ポリマー電解質を含む、請求項１または４のうちのいずれか一項に記載の部品。
【請求項７】
前記バッテリは、約５ｍｍ３以下の体積を有する、請求項１または４のうちのいずれか一項に記載の部品。
【請求項８】
前記容器は、５面容器である、請求項１または４のうちのいずれか一項に記載の部品。
【請求項９】
はんだを含有する１つ以上の金属化部分を含有する、ポリマー膜を、バッテリを少なくとも部分的に包む容器に隣接して位置付けることと、
該はんだを少なくとも部分的に溶融させるように、該１つ以上の金属化部分を加熱することと、
該容器と該ポリマー膜との間にシールを形成することと
を含む、方法。
【請求項１０】
はんだを含有する金属膜を、バッテリを少なくとも部分的に包む容器に隣接して位置付けることと、
該はんだを少なくとも部分的に溶融させるように、該金属膜を加熱することと、
該容器と該金属膜との間にシールを形成することと
を含む、方法。
【請求項１１】
はんだを含有するセラミック膜を、バッテリを少なくとも部分的に包む容器に隣接して位置付けることと、
該はんだを少なくとも部分的に溶融させるように、該セラミック膜を加熱することと、
該容器と該セラミック膜との間にシールを形成することと
を含む、方法。
【請求項１２】
加熱する前記行為は、高強度の光を使用して加熱することを含む、請求項９、１０、または１１のうちのいずれか一項に記載の方法。
【請求項１３】
前記バッテリは、全アノードと、電解質と、全カソードとを含み、該バッテリは約１０ｍｍ３以下の体積を有する、請求項９、１０、または１１のうちのいずれか一項に記載の方法。
【請求項１４】
前記バッテリは、全アノードと、電解質と、全カソードとを含み、該バッテリは約５ｍｍ３以下の体積を有する、請求項９、１０、または１１のうちのいずれか一項に記載の方法。
【請求項１５】
前記容器は、金属を含む、請求項９、１０、または１１のうちのいずれか一項に記載の方法。
【請求項１６】
前記容器は、銅を含む、請求項９、１０、または１１のうちのいずれか一項に記載の方法。
【請求項１７】
前記シールは、密閉シールである、請求項９、１０、または１１のうちのいずれか一項に記載の方法。
【請求項１８】
前記ポリマー膜上にマスクを位置付けることをさらに含む、請求項９、１０、または１１のうちのいずれか一項に記載の方法。
【請求項１９】
前記マスクは、ガラスを含む、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記マスクは、反射ホイルを含有する、請求項１８に記載の方法。
【請求項２１】
前記容器は、５面容器である、請求項１８に記載の方法。
【請求項２２】
約１０ｍｍ３以下の体積を有するバッテリを少なくとも部分的に包む、容器を提供することと、
１つ以上の金属化部分を含有するポリマー膜を使用して、該容器内に該バッテリを密閉することと
を含む、方法。
【請求項２３】
約１０ｍｍ３以下の体積を有するバッテリを少なくとも部分的に包む、容器を提供することと、
１つ以上の金属化部分を含有する基板を使用して、該容器内に該バッテリを密閉することと
を含む、方法。
【請求項２４】
前記バッテリを密閉する前記行為は、該バッテリの少なくとも一部分を加熱することを含む、請求項２２または２３のうちのいずれか一項に記載の方法。
【請求項２５】
加熱する前記行為は、高強度の光を使用して加熱することを含む、請求項２４に記載の方法。
【請求項２６】
前記バッテリは、全アノードと、電解質と、全カソードとを含み、該バッテリは約５ｍｍ３以下の体積を有する、請求項２２または２３のうちのいずれか一項に記載の方法。
【請求項２７】
前記容器は、金属を含む、請求項２２または２３のうちのいずれか一項に記載の方法。
【請求項２８】
前記容器は、銅を含む、請求項２２または２３のうちのいずれか一項に記載の方法。
【請求項２９】
前記シールは、密閉シールである、請求項２２または２３のうちのいずれか一項に記載の方法。
【請求項３０】
前記ポリマー膜上にマスクを位置付けることをさらに含む、請求項２２または２３のうちのいずれか一項に記載の方法。
【請求項３１】
前記マスクは、ガラスを含む、請求項３０に記載の方法。
【請求項３２】
前記マスクは、反射ホイルを含有する、請求項３０に記載の方法。
【請求項３３】
前記容器は、５面容器である、請求項２２または２３のうちのいずれか一項に記載の方法。
【請求項３４】
前記容器は、銅を含む、請求項９、１０、１１、２２、または２３のうちのいずれか一項に記載の方法。
【請求項３５】
前記容器は、ニッケルを含む、請求項９、１０、１１、２２、または２３のうちのいずれか一項に記載の方法。
【請求項３６】
前記容器は、金を含む、請求項９、１０、１１、２２、または２３のうちのいずれか一項に記載の方法。
【請求項３７】
前記容器は、銀を含む、請求項９、１０、１１、２２、または２３のうちのいずれか一項に記載の方法。
【請求項３８】
前記基板は、ガラスを含む、請求項２３に記載の方法。
【請求項３９】
前記基板は、セラミックを含む、請求項２３に記載の方法。
【請求項４０】
前記基板は、金属を含む、請求項２３に記載の方法。
【請求項４１】
前記基板は、その上に堆積されたメタライゼーション層を含む、請求項２２または２３のうちのいずれか一項に記載の方法。
【請求項４２】
前記メタライゼーション層は、インジウムを含む、請求項４１に記載の方法。
【請求項４３】
前記メタライゼーション層は、スズを含む、請求項４１に記載の方法。
【請求項４４】
前記メタライゼーション層は、銀を含む、請求項４１に記載の方法。
【請求項４５】
前記メタライゼーション層は、ガリウムを含む、請求項４１に記載の方法。
【請求項４６】
前記基板は、銅を含む、請求項２３に記載の方法。
【請求項４７】
前記基板は、ニッケルを含む、請求項２３に記載の方法。
【請求項４８】
前記基板は、相互拡散結合を使用して金属化される、請求項２３に記載の方法。
【請求項４９】
前記基板は、超音波結合を使用して金属化される、請求項２３に記載の方法。
【請求項５０】
請求項９、１０、１１、２２、または２３のうちのいずれか一項に記載の方法を使用して生産される、装置。
【請求項５１】
前記装置は、バッテリである、請求項５０に記載の装置。
【請求項５２】
前記装置は、約１０ｍｍ３以下の体積を有する、請求項５０に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願）
本出願は、２００８年２月１２日に出願された、Ｍａｒｉｎｉｓらによる、「Ｓｍａｌｌ  Ｓｃａｌｅ  Ｂａｔｔｅｒｉｅｓ  ａｎｄ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅｓ  Ｆｏｒ  Ｕｓｅ  Ｔｈｅｒｅｏｆ」というタイトルの米国仮特許出願第６１／０２７，８４２号、および２００８年１１月２６日に出願された、Ｍａｒｉｎｉｓらによる、「Ｓｍａｌｌ  Ｓｃａｌｅ  Ｂａｔｔｅｒｉｅｓ  ａｎｄ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅｓ  Ｆｏｒ  Ｕｓｅ  Ｔｈｅｒｅｏｆ」というタイトルの米国仮特許出願第６１／１１８，１２２号の利益を主張し、これらの各々が本明細書に参考として援用される。
【０００２】
（本発明の分野）
本発明は、概して、バッテリまたは他の電気化学装置、ならびに新規電極材料および設計を含む、これらで使用するシステムおよび材料に関する。いくつかの実施形態では、本発明は、小型バッテリまたはマイクロバッテリに関する。
【背景技術】
【０００３】
（背景）
Ｖｏｌｔａの時代から、バッテリおよび他の電気化学装置は、重要な構成要素の手動組み立てによって製作されてきた。超小型かつ高エネルギー密度の電源を必要とする、分散型および自立型の電子機器の出現、ならびに低費用エネルギーおよび電力のためのより大きなバッテリの継続的需要は、バッテリおよび同類のもののまったく新しい製作手法の必要性をもたらした。現行の装置の長さの範囲は、マイクロメートルの厚さの薄膜バッテリから、巻回積層膜に基づく再充電可能なリチウムバッテリ、一般的なアルカリバッテリおよび鉛酸バッテリに使用されるマクロアセンブリである。しかしながら、電力が供給される装置の寸法が縮小し続けているため、見合う寸法の分散型高エネルギー密度電源の必要性の高まりが存在する。しかしながら、今、工学技術的限界に近づいている、現行の高エネルギー密度バッテリ（例えば、リチウムイオンバッテリ）の積層構成技術は、低効率な質量および体積利用率を有し、使用可能な装置体積の３０％〜４０％のみがイオン貯蔵に使用されている。例えば、より薄い電極を使用することによって電力密度を増加させる試みは、通常、エネルギー密度の消費となる。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００４】
（本発明の概要）
本発明は、概して、バッテリまたは他の電気化学装置、ならびに新規電極材料および設計を含む、これらで使用するシステムおよび材料に関する。いくつかの実施形態では、本発明は、小型バッテリまたはマイクロバッテリに関する。本発明の主題は、場合によっては、相関製品、特定の問題の代替案、ならびに／または１つ以上のシステムおよび／もしくは部品の複数の異なる使用に関連する。
【０００５】
一局面では、本発明は、部品を対象とする。一組の実施形態では、部品は、全アノードと、電解質と、全カソードとを備える、バッテリを含み、バッテリは、約５ｍｍ３以下の体積、および少なくとも約４００Ｗｈ／ｌのエネルギー密度を有する。別の組の実施形態では、部品は、少なくとも約１０００Ｗｈ／ｌのエネルギー密度を有する、再充電可能なバッテリを含む。
【０００６】
さらに別の組の実施形態では、部品は、焼結セラミックから形成される電極を含み、電極は、約５０％以下の細孔率を有する。場合によっては、電極の細孔のうちの少なくともいくつかは、液体ポリマーである電解質で充填される。さらに別の組の実施形態では、部品は、Ｃ／２０速度での少なくとも６回の充電−放電サイクル後に、初期貯蔵容量の少なくとも約５０％を保持することができる、焼結セラミックから形成される電極を含む。
【０００７】
一組の実施形態では、部品は、ＬｉＣｏＯ２を含む焼結セラミックから形成される、マイクロマシン加工電極を含む。別の組の実施形態では、部品は、多孔質焼結セラミックから形成されるマイクロマシン加工電極を含む。さらに別の組の実施形態では、部品は、焼結セラミックから形成されるマイクロマシン加工電極を含み、セラミックは、約２％未満の線形歪み差を有する。
【０００８】
別の組の実施形態によると、部品は、基部と、電極の基部から少なくとも約５０マイクロメートル離れて延在する複数の突出部とを有する、電極を含み、突出部のうちの少なくともいくつかは、ＬｉＣｏＯ２を含み、突出部の実質的に全ては、表面と、バルクとを有し、バルクの実質的に全ては、表面から約２５マイクロメートル以下離れるように寸法化される。また、部品は、突出部の表面上に配置される非多孔質電解質も含み得る。
【０００９】
さらに別の組の実施形態によると、部品は、基部と、基部から延在する複数の突出部と、基部から延在し、複数の突出部を囲む壁とを備える、電極を含む。場合によっては、突出部および壁は、単一材料から形成される。別の組の実施形態では、部品は、片側表面上に、複数の突出部と、複数の突出部を囲む壁とを備える、電極を含む。場合によっては、電極は、レーザーマイクロマシン加工を使用して形成することができる。
【００１０】
一組の実施形態では、部品は、複数の突出部を有する電極を含む。場合によっては、突出部は、少なくとも約３：１のアスペクト比、および少なくとも約２：１のピッチを有する。一実施形態では、電極は、レーザーマイクロマシン加工を使用して形成される。別の実施形態では、電極は、単一材料から形成される。
【００１１】
別の組の実施形態によると、部品は、リチウム金属電極と、リチウム金属電極と接触する非多孔質電解質と、リチウム金属電極と接触する多孔質焼結電極とを含む。
【００１２】
別の組の実施形態では、本発明は、部品およびバッテリの密閉パッケージである物理設計を対象とする。パッケージは、容器、１つ以上の蓋またはキャップ、フィードスルー、蓋またはキャップを容器に接合するためのシールおよびシール材料、ならびに／あるいはバッテリの内部構成要素を電気的に接続する、もしくは電気的に絶縁するために使用される絶縁材料または伝導性材料を含み得る。いくつかの実施形態では、バッテリは、再充電可能なリチウムバッテリである。場合によっては、バッテリは、パッケージを含む全体積が１０ｍｍ３未満のマイクロバッテリである。
【００１３】
本発明の別の局面は、方法に言及する。一組の実施形態では、方法は、単一材料から電極を製作する行為を含む。場合によっては、電極は、片側表面上に、複数の突出部と、複数の突出部を囲む壁とを備える。
【００１４】
別の組の実施形態では、方法は、Ｌｉ金属が濡れないＬｉ含有基板を提供する行為と、基板上に金属層を堆積させる行為と、金属層にＬｉ金属を追加する行為とを含む。場合によっては、Ｌｉは、金属層と反応し、表面を濡らす。
【００１５】
別の組の実施形態によると、電極を包装容器の内側および／もしくはその蓋に接合する方法、組み立てもしくは使用中の内部短絡を回避するために、電気的に絶縁のコーティングを用いてバッテリの内側を不動態化する方法、ならびに／またはパッケージを密閉する方法を含む、バッテリを組み立て、包装するための方法が提供される。例えば、一組の実施形態では、方法は、はんだを含有する１つ以上の金属化部分を含有する、ポリマー膜または他の基板を、バッテリを含有する容器に隣接して位置付ける行為と、はんだを少なくとも部分的に溶融させるように、１つ以上の金属化部分を加熱する行為と、容器とポリマー膜との間にシールを形成する行為とを含む。さらに別の組の実施形態では、方法は、約１０ｍｍ３以下の体積を有するバッテリを少なくとも部分的に包む、容器を提供する行為と、１つ以上の金属化部分を含有するポリマー膜を使用して、容器内にバッテリを密閉する行為とを含む。
【００１６】
一組の実施形態では、方法は、はんだを含有する金属膜を、バッテリを少なくとも部分的に包む容器に隣接して位置付ける行為と、はんだを少なくとも部分的に溶融させるように、金属膜を加熱する行為と、容器と金属膜との間にシールを形成する行為とを含む。別の組の実施形態では、方法は、はんだを含有するセラミック膜を、バッテリを少なくとも部分的に包む容器に隣接して位置付ける行為と、はんだを少なくとも部分的に溶融させるように、セラミック膜を加熱する行為と、容器とセラミック膜との間にシールを形成する行為とを含む。
【００１７】
別の局面では、本発明は、本明細書に記載される実施形態のうちの１つ以上、例えば、小型バッテリまたはマイクロバッテリを作製する方法を対象とする。別の局面では、本発明は、本明細書に記載される実施形態のうちの１つ以上、例えば、小型バッテリまたはマイクロバッテリを使用する方法を対象とする。
【００１８】
本発明の他の利点および新規特徴は、添付の図面と併せて熟考される時、以下の本発明の種々の非限定的実施形態の発明を実施するための形態から明らかとなる。本明細書および参考として援用される文献が、相反および／または矛盾する開示を含む場合、本明細書が効力を持つものとする。参考として援用される２つ以上の文献が、互いに対して相反および／または矛盾する開示を含む場合、発効日の遅い文献が効力を持つものとする。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
本発明の非限定的実施形態は、一例として、概略であり、実物大で描かれることが意図されない、添付の図面を参照して説明される。図中、示される、各同一の、またはほぼ同一の構成要素は、通常、一桁の数字で表される。明確にする目的で、全ての構成要素が全ての図で標識されているわけでもなく、また、当業者が本発明を理解できるようにするために図示が必要ではない場合に本発明の各実施形態の全ての構成要素が示されているわけでもない。図中、以下の通りである。
【図１Ａ】図１Ａ〜図１Ｄは、本発明の一実施形態による、突出部を有する電極を示す。
【図１Ｂ】図１Ａ〜図１Ｄは、本発明の一実施形態による、突出部を有する電極を示す。
【図１Ｃ】図１Ａ〜図１Ｄは、本発明の一実施形態による、突出部を有する電極を示す。
【図１Ｄ】図１Ａ〜図１Ｄは、本発明の一実施形態による、突出部を有する電極を示す。
【図２Ａ】図２Ａ〜図２Ｃは、リブを有する電極を示す、本発明の実施形態の顕微鏡写真である。
【図２Ｂ】図２Ａ〜図２Ｃは、リブを有する電極を示す、本発明の実施形態の顕微鏡写真である。
【図２Ｃ】図２Ａ〜図２Ｃは、リブを有する電極を示す、本発明の実施形態の顕微鏡写真である。
【図３】図３は、本発明の一実施形態による、傾斜した突出部を示す。
【図４】図４Ａ〜図４Ｃは、傾斜した突出部を有する、本発明の種々の実施形態の顕微鏡写真である。
【図５】図５Ａ〜図５Ｂは、本発明の別の実施形態による、壁を有する電極を示す。
【図６Ａ】図６Ａ〜図６Ｅは、壁を有する電極を示す、本発明の種々の実施形態の顕微鏡写真である。
【図６Ｂ】図６Ａ〜図６Ｅは、壁を有する電極を示す、本発明の種々の実施形態の顕微鏡写真である。
【図６Ｃ】図６Ａ〜図６Ｅは、壁を有する電極を示す、本発明の種々の実施形態の顕微鏡写真である。
【図６Ｄ】図６Ａ〜図６Ｅは、壁を有する電極を示す、本発明の種々の実施形態の顕微鏡写真である。
【図６Ｅ】図６Ａ〜図６Ｅは、壁を有する電極を示す、本発明の種々の実施形態の顕微鏡写真である。
【図７Ａ】図７Ａ〜図７Ｄは、壁を有する電極を示す、本発明の別の実施形態の顕微鏡写真である。
【図７Ｂ】図７Ａ〜図７Ｄは、壁を有する電極を示す、本発明の別の実施形態の顕微鏡写真である。
【図７Ｃ】図７Ａ〜図７Ｄは、壁を有する電極を示す、本発明の別の実施形態の顕微鏡写真である。
【図７Ｄ】図７Ａ〜図７Ｄは、壁を有する電極を示す、本発明の別の実施形態の顕微鏡写真である。
【図８】図８Ａ〜図８Ｂは、実質的に平らな表面を有する電極を示す、本発明のさらに別の実施形態の顕微鏡写真である。
【図９】図９Ａ〜図９Ｃは、いかなる明白な劣化または亀裂も示さない電極を示す、本発明のさらに別の実施形態の顕微鏡写真である。
【図１０】図１０は、本発明の一実施形態の概略図である。
【図１１】図１１は、本発明の別の実施形態に従ってバッテリを製作する方法の概略図である。
【図１２Ａ】図１２Ａ〜図１２Ｄは、電極を生産するためにコロイド寸法自己組織化を使用する、本発明の実施形態を示す。
【図１２Ｂ】図１２Ａ〜図１２Ｄは、電極を生産するためにコロイド寸法自己組織化を使用する、本発明の実施形態を示す。
【図１２Ｃ】図１２Ａ〜図１２Ｄは、電極を生産するためにコロイド寸法自己組織化を使用する、本発明の実施形態を示す。
【図１２Ｄ】図１２Ａ〜図１２Ｄは、電極を生産するためにコロイド寸法自己組織化を使用する、本発明の実施形態を示す。
【図１３Ａ】図１３Ａ〜図１３Ｂは、本発明の特定の実施形態による、種々の材料を使用するバッテリのエネルギー密度を示す。
【図１３Ｂ】図１３Ａ〜図１３Ｂは、本発明の特定の実施形態による、種々の材料を使用するバッテリのエネルギー密度を示す。
【図１４】図１４は、本発明のさらに別の実施形態における、種々のバッテリの体積の関数としてのエネルギー密度を示す。
【図１５】図１５Ａ〜図１５Ｂは、本発明のさらに別の実施形態による、濡れた酸化物表面上への液体リチウムの堆積を示す。
【図１６Ａ】図１６Ａ〜図１６Ｂは、本発明の特定の実施形態に従って調製された、多孔質ＬｉＣｏＯ２電極の電気化学的試験結果を示す。
【図１６Ｂ】図１６Ａ〜図１６Ｂは、本発明の特定の実施形態に従って調製された、多孔質ＬｉＣｏＯ２電極の電気化学的試験結果を示す。
【図１７】図１７Ａ〜図１７Ｂは、本発明の特定の実施形態による、種々の「缶」を示す。
【図１８Ａ】図１８Ａ〜図１８Ｄは、本発明の一実施形態による、缶内でのバッテリの調製を示す。
【図１８Ｂ】図１８Ａ〜図１８Ｄは、本発明の一実施形態による、缶内でのバッテリの調製を示す。
【図１８Ｃ】図１８Ａ〜図１８Ｄは、本発明の一実施形態による、缶内でのバッテリの調製を示す。
【図１８Ｄ】図１８Ａ〜図１８Ｄは、本発明の一実施形態による、缶内でのバッテリの調製を示す。
【図１９】図１９は、本発明の一実施形態のバッテリを示す。
【図２０】図２０は、本発明の別の実施形態に従って生産されたバッテリを示す。
【図２１】図２１は、本発明のさらに別の実施形態で生産されたバッテリを示す。
【図２２】図２２は、本発明のさらに別の実施形態のバッテリを示す。
【図２３】図２３Ａ〜図２３Ｂは、本発明のさらに別の実施形態における、バッテリの一実施例を示す。
【図２４】図２４Ａ〜図２４Ｂは、一組の実施形態による、電気化学電池パッケージの構成要素の写真である。
【図２５】図２５Ａ〜図２５Ｂは、電気化学電池パッケージの構成要素の一組の実施形態の写真である。
【図２６】図２６Ａ〜図２６Ｂは、一組の実施形態による、電気化学電池パッケージの構成要素の概略図である。
【図２７】図２７は、一組の実施形態による、電気化学電池パッケージの構成要素の断面概略図である。
【図２８】図２８Ａ〜図２８Ｂは、電気化学電池パッケージの構成要素の一組の実施形態の写真である。
【図２９】図２９は、一組の実施形態による、組み立てられた電気化学電池の断面概略図である。
【図３０】図３０Ａ〜図３０Ｂは、一組の実施形態による、電気化学電池パッケージを密閉するプロセスの概要を示す写真である。
【図３１Ａ】図３１Ａ〜図３１Ｅは、電流が電圧の関数として測定される、一組の実施形態を示す。
【図３１Ｂ】図３１Ａ〜図３１Ｅは、電流が電圧の関数として測定される、一組の実施形態を示す。
【図３１Ｃ】図３１Ａ〜図３１Ｅは、電流が電圧の関数として測定される、一組の実施形態を示す。
【図３１Ｄ】図３１Ａ〜図３１Ｅは、電流が電圧の関数として測定される、一組の実施形態を示す。
【図３１Ｅ】図３１Ａ〜図３１Ｅは、電流が電圧の関数として測定される、一組の実施形態を示す。
【図３２】図３２Ａ〜図３２Ｂは、一組の実施形態による、組み立てられた電気化学電池の断面概略図である。
【図３３Ａ】図３３Ａ〜図３３Ｃは、一組の実施形態による、時間の関数としての電圧のプロットである。
【図３３Ｂ】図３３Ａ〜図３３Ｃは、一組の実施形態による、時間の関数としての電圧のプロットである。
【図３３Ｃ】図３３Ａ〜図３３Ｃは、一組の実施形態による、時間の関数としての電圧のプロットである。
【図３４】図３４は、一組の実施形態による、組み立てられた電気化学電池の断面概略図である。
【図３５Ａ】図３５Ａ〜図３５Ｃは、別のアノード材料が使用される、一組の実施形態を示す。
【図３５Ｂ】図３５Ａ〜図３５Ｃは、別のアノード材料が使用される、一組の実施形態を示す。
【図３５Ｃ】図３５Ａ〜図３５Ｃは、別のアノード材料が使用される、一組の実施形態を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
（詳細な説明）
本発明は、概して、バッテリまたは他の電気化学装置、ならびに新規電極材料および設計を含む、これらで使用するシステムおよび材料に関する。いくつかの実施形態では、本発明は、小型バッテリまたはマイクロバッテリに関する。例えば、本発明の一局面では、バッテリは、約５ｍｍ３以下の体積を有する一方で、少なくとも約４００Ｗｈ／ｌのエネルギー密度を有してもよい。場合によっては、バッテリは、場合によっては、粒子成形体の焼結を含むが、これに限定されないプロセスによって形成され得る、多孔質電気活性化合物、例えば、ＬｉＣｏＯ２を含む、電極を含んでもよい。いくつかの実施形態では、多孔質電極の細孔は、有機カーボネート類および／もしくはＬｉＰＦ６等のリチウム塩を含む液体電解質等の液体、ポリエチレンオキシドおよび／もしくはリチウム塩を含むポリマー電解質等のポリマー、ならびに／またはブロックコポリマーリチウム伝導性電解質で、少なくとも部分的に充填されてもよい。電極は、繰り返される充電および放電に耐えることが可能であり得る。
【００２１】
場合によっては、電極は、複数の突出部、および／または壁（存在する場合、突出部を囲み得る）を有してもよいが、しかしながら、他の場合では、突出部または壁が存在しなくてもよい。電極は、単一材料から形成されてもよく、例えば、レーザーマイクロマシン加工、プラズマもしくは反応性イオンエッチング等の乾式エッチングプロセス、湿式化学エッチング、または類似の技術を使用して形成される。特定の実施形態では、リチウムリン酸窒化物等の非多孔質電解質、ポリエチレンオキシドおよび／もしくはリチウム塩に基づくもの等のポリマー電解質、ブロックコポリマーリチウム伝導性電解質、ならびに／または高分子電解質多層膜（層毎堆積プロセスによって形成され得る）が電極上に配置されてもよい。そのような電解質は、細孔の欠如による樹枝状形成を防止する一方、イオン輸送（例えば、リチウムイオンの）を可能にし得る。特定の実施形態では、多孔質電極は、内側より密度の高い表面を有する。より密度が高い表面は、レーザー処理、高速熱アニーリング、焼結前のより高い粉末粒子パッキング密度での表面層の形成、より細かい粒子を用いた表面の充填、気相堆積もしくはゾル−ゲルコーティングプロセスによる表面コーティングの適用、または他のそのような方法によって形成され得る。本発明の他の局面は、そのような電極またはバッテリを作製する技術、そのようなバッテリとの電気接続を形成し、そのようなバッテリを包装する技術、そのような電極またはバッテリを使用する技術等を対象とする。
【００２２】
本発明の種々の局面は、バッテリまたは他の電気化学装置を対象とする。一般に、バッテリは、アノードと、カソードと、アノードおよびカソードを分離する電解質とを含む。電流コレクタは、アノードおよびカソードに電気的に接続され、電流は、電流コレクタを使用してバッテリから引き出されてもよい。通常、電流は、例えば、光、モータ、電気回路、センサ、送信器、電気装置等の負荷によって、電流コレクタが互いと電気通信状態に置かれる時、バッテリによって生成される。バッテリ内では、放電中、イオンは、アノードとカソードとの間の電解質を通って流れる。電解質は、固体であっても液体であってもよい。本発明の一局面では、バッテリは、Ｌｉイオン（Ｌｉ＋）バッテリである、すなわち、バッテリは、電解質内の電荷担体としてＬｉ＋を使用する（単体で、または他の電荷担体と共に）。
【００２３】
場合によっては、バッテリは、再充電可能である、すなわち、バッテリを２回以上充電および放電することができる。例えば、バッテリは、最初の完全充電後のバッテリの初期電荷と比較して、初期貯蔵容量（例えば、Ｗｈで測定される）の少なくとも約５０％、少なくとも約６０％、少なくとも約７０％、少なくとも約７５％、少なくとも約８０％、少なくとも約８５％、少なくとも約９０％、または少なくとも約９５％の保持率で、少なくとも３サイクル、少なくとも６サイクル、または少なくとも１０サイクルの充電および放電に耐えることが可能であり得る（例えば、Ｃ／２０速度、１Ｃ＝２８０ｍＡ／ｇで）。再充電可能なリチウムバッテリは、通常、充電および放電中にリチウムを交換する電極を有する。カソードまたはアノード材料では、バッテリの放電中、Ｌｉ＋および電子が吸収され、このプロセスは、充電中、反転される。本発明は、カソードに限定されないが、本明細書で使用される場合、「充電」は、アノードからのリチウム除去を指し、「放電」は、アノードへのリチウム挿入に言及する。
【００２４】
本発明のいくつかの実施形態では、バッテリは、バッテリを形成する、全アノード、カソード、電解質、電流コレクタ、および外部パッケージを含む、「マイクロバッテリ」、すなわち、約１０ｍｍ３未満の体積を有するバッテリである。場合によっては、バッテリの体積は、約５ｍｍ３未満、約３ｍｍ３未満、または約１ｍｍ３未満であってもよい。例えば、バッテリは、各側で約３ｍｍ未満、約２．５ｍｍ未満、約２ｍｍ未満、約１．５ｍｍ未満、または約１ｍｍ未満の寸法を有する、概して立方体形状であってもよい。もちろん、本発明の他の実施形態では、また、他の形状、例えば、直方体、円板、ロッド、プレート、または球形状も可能である。本発明のいくつかの実施形態では、バッテリは、少なくとも約０．２ｍｍ、場合によっては、少なくとも約０．４ｍｍ、少なくとも約０．６ｍｍ、少なくとも約０．８ｍｍ、少なくとも約１．０ｍｍ、少なくとも約１．５ｍｍ、または少なくとも約２．０ｍｍの最小寸法を有する電極を含有してもよい。
【００２５】
一組の実施形態では、バッテリは、少なくとも約４００Ｗｈ／ｌのエネルギー密度を有する、すなわち、バッテリは、バッテリ（バッテリを形成する全アノード、カソード、および電解質を含む）体積１リットル当たり、４００Ｗｈのエネルギーを生成することができる。いくつかの実施形態では、例えば、少なくとも約８００Ｗｈ／ｌ、少なくとも約１０００Ｗｈ／ｌ、少なくとも約１２００Ｗｈ／ｌ、少なくとも約１４００Ｗｈ／ｌ、または少なくとも約１６００Ｗｈ／ｌのさらに高いエネルギー密度を得ることができる。他のそのような実施形態では、電流コレクタおよび電池の包装がバッテリ体積内に含まれる時にさえ、そのようなエネルギー密度を得ることができる。
【００２６】
本発明の一局面では、そのようなエネルギー密度は、カソードの実質的に全てが、充電または放電中、例えば、電解質を用いたリチウムイオン交換に関与することができるような形状を有するカソードを使用することによって達成され得る。例えば、いくつかの実施形態では、電極は、電極と、電極と接触する電解質との間の比較的高度の暴露を可能にする形状、および／または比較的薄い断面寸法を有し、これは、電極へ、または電極からのイオンの輸送を促進し得る。一組の実施形態では、電極は、例えば、図１Ａに側面図で示されるような、基部および複数の突出部の形態を有してもよい。この図では、電極１０は、基部１５と、基部の表面から離れて延在する複数の突出部１８とを含む。基部および突出部は、いくつかの実施形態では、以下に記載されるように、単一材料から作製されるが、本明細書で使用される場合、電極の基部は、概して平らで、連続する、特徴のない表面として画定され、突出部は、それぞれが基部から延在する、一連の延在部として画定される。
【００２７】
図１に示されるように、突出部は、それぞれ、概して長方形であるように示され、しかしながら、他の実施形態では、突出部は、円筒型、円錐形状、不規則な形、長方形、ピラミッド形等であってもよく、いずれかの方法で基部の表面上に分散されてもよく、例えば、規則的または不規則的に配設されてもよい。基部上の突出部は、それぞれ、図１Ａに示されるように、実質的に同一の形状および／または寸法であってもよく、または突出部は、異なる寸法を有してもよい。
【００２８】
図１Ｂは、突出部の２次元アレイを有する、一電極の一実施例を示す。他の実施形態では、他の形状、例えば、長方形または円形が可能であるが、この図では、突出部の断面は、概して正方形である。図１Ｃおよび図１Ｄは、それぞれ、アノードおよびカソードと電気通信している、上部および下部電流コレクタを含む、カソードおよびアノードとして使用される、突出部のそのような２次元アレイを含む、バッテリの分解図（図１Ｃ）、ならびに組み立てられた時（図１Ｄ）を示す。図１Ｃでは、バッテリ２０は、アノード１２と、カソード１４と、電解質１３とを含む。図１Ｄでは、組み立てられたバッテリが示され、上部電流コレクタ１７は、アノード１２と電気通信し、下部電流コレクタ１９は、カソード１４と電気通信している。さらに、図１Ｄでは、非限定的な一実施例として、そのような電極を使用して形成され得るマイクロバッテリの寸法が示される。
【００２９】
しかしながら、場合によっては、電極の１次元に沿って延在し、それによって断面で見る時に「リブ」の外観を与える突出部は、図１Ａに示されるものと類似する外観を有する。そのような一連の延在する突出部を有する電極の一実施例が、図２Ａ〜図２Ｃに異なる倍率で示される。また、他の材料および他の形成プロセスを使用することもできるが、本実施例では、電極は、多孔質焼結ＬｉＣｏＯ２材料からレーザー機械加工された。
【００３０】
いくつかの実施形態では、突出部は、電極の基部から少なくとも約２５マイクロメートル離れた距離に延在してもよい、すなわち、電極の基部の表面から離れる突出部の端部の最大距離間隔は、約２５マイクロメートルである。他の場合では、突出部は、少なくとも約５０マイクロメートル、少なくとも約７５マイクロメートル、少なくとも約１００マイクロメートル等の距離だけ電極の基部から離れて延在してもよい。上述されるように、突出部の全てが、同一差だけ基部の表面から離れて延在し得るわけではない。場合によっては、突出部は、少なくとも約３：１、および場合によっては、少なくとも約５：１、少なくとも約１０：１、少なくとも約１５：１、少なくとも約２０：１等のアスペクト比（すなわち、突出部が基部から離れて延在する距離対突出部の最大厚さの比）を有し得る。
【００３１】
場合によっては、突出部は、傾斜した側面、すなわち、基部の表面に対して直角ではない側面を有する。例えば、突出部は、少なくとも約２：１のピッチを有してもよく、いくつかの実施形態では、ピッチは、少なくとも約３：１、少なくとも約５：１、または少なくとも約１０：１であってもよい。本明細書で使用される場合、突出部の「ピッチ」とは、突出部の傾斜、または「上昇」対「広がり」の比である。突出部の側面は、全てが同一のピッチを有する必要はない。図３に示されるように、突出部は、傾斜した側面を有してもよく、ピッチは、突出部の傾斜の上昇２２対その広がり２４の比である。そのような傾斜した突出部の顕微鏡写真が、図４Ａ〜図４Ｃに示される。図４Ａは、多結晶グラファイトから形成される、傾斜した突出部を示し、図４Ｂは、アルミナ上のポリグラファイトから形成される、傾斜した突出部を示し、図４Ｃは、アルミナ上のＨＯＰＧ（高秩序化熱分解性グラファイト）から形成される、傾斜した突出部を示す。電極および／または突出部を形成するために使用することができる材料は、以下に詳細に記載される。
【００３２】
場合によっては、突出部は、突出部、または突出部の少なくとも相当部分が突出部の表面から特定の距離以下離れるような形状および／または寸法を有してもよい。そのような突出部は、例えば、Ｌｉイオンが、表面または電解質に到達する前に、電極内で限定された距離だけ輸送されるようにし得、したがって、場合によっては、突出部の実質的に全てが、電極の充電または放電中、Ｌｉイオン交換に関与し、それによって電極の効率および／または電力密度を増加し得る。例えば、突出部は、表面およびバルクを有してもよく、突出部は、バルクの実質的に全てが、突出部の表面から、約５マイクロメートル以下、約１０マイクロメートル、約１５マイクロメートル、約２０マイクロメートル、約２５マイクロメートル、約５０マイクロメートル、約７５マイクロメートル、または約１００マイクロメートル離れるような形状および／または寸法を有する。
【００３３】
特定の実施形態では、電極の基部上の突出部は、壁または「缶」によって、少なくとも部分的に囲まれてもよい。例えば、図５Ａに断面で示されるように、電極１０は、基部１５と、基部の表面から離れて延在する複数の突出部１８と、突出部を囲む壁１１とを含む。３次元図は、図５Ｂに見ることができ、そのような電極の顕微鏡写真は、図６Ａ〜図６Ｅに示される。図６Ａおよび図６Ｂでは、壁および突出部の高さは、約０．５ｍｍであり、突出部の幅は、約１００マイクロメートルである。図６Ｃ〜図６Ｅでは、突出部は、１００マイクロメートルのピッチ、および８０マイクロメートルの特徴幅を有する。本実施例に示されるように、壁は、正方形または長方形配設を有するが、他の実施形態では、例えば、円形、六角形、三角形等の他の形状が可能である。
【００３４】
壁は、突出部と同一の厚さであっても異なる厚さであってもよい。例えば、壁は、約２００マイクロメートル未満、約１７５マイクロメートル未満、約１５０マイクロメートル未満、約１２５マイクロメートル未満、約１００マイクロメートル未満、約７５マイクロメートル未満、約５０マイクロメートル未満、または約２５マイクロメートル未満の厚さを有してもよく、壁厚さは、均一であっても不均一であってもよい。また、壁は、基部に対して直角であってもよく、または場合によっては、壁は、傾斜した側面または先細の側面を有してもよい。先細の壁を有する電極の非限定的な一実施例が、図７Ａ〜図７Ｄに示される。加えて、図７Ａ〜図７Ｄに見ることができるように、本発明の特定の実施形態では、電極は、いずれかの突出部を必ずしも有することなく、基部上に壁を有してもよい。
【００３５】
本発明の特定の実施形態では、壁は、電解質および／または他の材料を電極内に含有する、すなわち、それを電極の突出部と接触した状態に維持するのに有用であり得る。また、壁は、外部要因から、例えば、突出部を変形させ得る、または破壊し得る力から突出部を保護し得る。場合によっては、壁は、例えば、マイクロバッテリ用途のための集積電極アレイの構築を容易にする。場合によっては、以下に記載されるように、壁は、基部、および随意に突出部に沿って、単一材料から形成される。壁および基部を単一材料から形成することによって、壁と基部との間に気密または密閉シールが必然的に形成され、これは、バッテリへ、またはそれからの漏洩、例えば、電極内に含有される電解質の漏洩を防止する。一組の実施形態では、壁および突出部は、以下により詳細に記載されるように、単一セラミック材料からマイクロマシン加工される。
【００３６】
ここで、本発明の全ての実施形態が、突出部および／または壁を必ずしも含まなければならないわけではないことに留意されたい。例えば、いくつかの実施形態では、電極は、例えば、焼結ＬｉＣｏＯ２からモノリシック形状に形成され、約８５％の密度を有する電極の一実施例の図８Ａおよび図８Ｂに示されるような実質的に平らな表面である。したがって、本発明の別の局面によると、電極の形状に関わらず（すなわち、電極が平らであるか、または突出部、壁等を有するかに関わらず）、電極の細孔率のため、比較的高いエネルギー密度が達成され得る。場合によっては、以下に記載されるように、電極の電解質充填細孔率のため、充電または放電中、電極の実質的に全てが、例えば、電解質を用いるＬｉイオン交換に関与することが可能であり得る。
【００３７】
場合によっては、電極は、少なくとも約０．２ｍｍ、および場合によっては、少なくとも約０．４ｍｍ、少なくとも約０．６ｍｍ、少なくとも約０．８ｍｍ、少なくとも約１．０ｍｍ、少なくとも約１．５ｍｍ、または少なくとも約２．０ｍｍの最小寸法を有してもよい。
【００３８】
本明細書で使用される場合、「多孔質」とは、複数の開口部を含有することを意味し、この定義は、両方の規則的および不規則的な開口部、ならびに概して構造体全体を通って延在する開口部、さらにそうではないもの（例えば、少なくとも部分的に非接続の、または「閉鎖した」細孔とは対照的に、相互接続された、または「開放した」細孔）を含む。多孔質電極は、いずれかの好適な細孔率を有してもよい。例えば、多孔質電極は、最大約１５％、最大約２０％、最大約２５％、最大約３０％、最大約４０％、または最大約５０％（パーセンテージは、電極内の空隙体積を表す）の細孔率を有してもよい。同等に、多孔質電極は、少なくとも約５０％、および最大約７０％、最大約７５％、最大約８０％、最大約８５％、最大約９０％、または最大約９５％の密度を有してもよく、密度は、電極材料内に存在する、非空隙体積の量である。場合によっては、多孔質電極は、約３００マイクロメートル未満、例えば、約１００マイクロメートル未満、約１マイクロメートル〜約３００マイクロメートル、約５０マイクロメートル〜約２００マイクロメートル、または約１００マイクロメートル〜約２００マイクロメートルの平均細孔寸法を有してもよい。平均細孔寸法は、例えば、密度測定から、光学および／もしくは電子顕微鏡画像から、または例えば、非湿潤性液体（多くの場合、水銀）の高圧での材料への圧入によるものであり、通常、材料中に存在する細孔の数平均寸法として見なされる、ポロシメトリから、決定されてもよい。試料の細孔率を決定するためのそのような技術は、当業者に既知である。例えば、ポロシメトリ測定は、水銀等の液体を試料の細孔に押し込むために必要とされる圧力に基づき、材料の外部に開放している細孔の平均細孔寸法を決定するために使用することができる。いくつかの実施形態では、例えば、細孔を電解質で充填するのを容易にするために、細孔のうちのいくつか、または全ては、開放細孔である。多孔質電極を形成するための技術は、以下により詳細に記載される。
【００３９】
いかなる理論にも束縛されるものではないが、細孔は、Ｌｉ＋または他のイオンの電極から電解質への輸送を促進すると考えられる。多孔質構造を有する材料では、その細孔のうちのいくつかは、電解質で充填されてもよく（以下に記載されるように）、Ｌｉ＋または他のイオンは、電極から電解質へ、またはその逆へのより短い移動距離を有し、それによって、電極がエネルギー貯蔵に関与する能力、および／または電極のエネルギー密度を増加する。加えて、以下に記載されるように、いくつかの実施形態では、充電および放電を受けて、比較的低いディメンション歪みを有する多孔質電極が製作され得、そのような材料は、驚くべき回数の充電または放電サイクルに耐えることができる。
【００４０】
場合によっては、電極の体積分率細孔率は、電極を通じて一定ではなく、様々であり得る。例えば、電極の表面の細孔率は、電極のバルクより低くてもよく、電極の一方の端部は、電極の他方の端部より高い、または低い細孔率を有し得る等である。一実施形態では、電極のバルクは多孔質であるが、表面は、非多孔質である。場合によっては、電極内の細孔率差は、多孔質電極を作出するプロセス中、例えば、セラミックを形成するための圧縮粉末の焼成中にもたらされ得る。しかしながら、他の場合では、細孔率差は、例えば、表面のレーザー処理、セラミックの高速熱アニーリング、物理蒸着もしくは化学蒸着によって、粒子もしくは他の材料を電極表面に添加することによって、ゾル−ゲル材料等の材料で電極をコーティングすることによって等、意図的に制御または変化され得る。表面での細孔率および表面からの距離による細孔率のばらつきは、試料の平面図および断面図の電子顕微鏡検査ならびに画像解析等の技術を使用して、容易に観測および定量化される。
【００４１】
上述されるもの等の電極（例えば、多孔質、突出部および／または壁等を有する）は、本発明の別の局面によると、セラミックまたはセラミック複合体から形成されてもよい。以下に記載されるように、セラミックは、その構造内に、金属イオン、例えば、Ｌｉ＋もしくはＮａ＋、またはＫ＋等の遷移金属類あるいはアルカリイオンを含むことができるが、セラミックは、通常、無機非金属材料である。セラミック複合体は、通常、１つ以上のセラミック材料を含む混合物、例えば、異なるセラミック相の混合物、またはセラミックおよび金属もしくはセラミックおよびポリマーの混合物であり、セラミック単体と比較して、改善された特性を有し得る。例えば、セラミック−セラミック複合体は、依然としてイオン貯蔵機能を保持する一方で、複合体により高いイオン伝導率を付与するために、高速イオン伝導性セラミックと組み合わせたイオン貯蔵セラミックを有してもよい。セラミック−金属複合体は、純セラミックと比較して、改善された電子伝導率、および改善された機械的強度または破壊靱性を有し得る。セラミック−ポリマー複合体は、ポリマーが、セラミックより高いイオン伝導率を有する電解質である場合、改善されたイオン伝導率、ならびに改善された破壊靱性または強度を有し得る。また、これらおよび／または他の複合体の組み合わせも熟考される。いくつかの実施形態では、電極は、本質的にセラミックからなり、場合によっては、電極は、単一セラミック材料から形成される。いくつかの実施形態では、より低い電子伝導率を有する電極材料が、単一セラミックまたはセラミック複合体から形成され、これは、バッテリの使用中、電極へ、または電極からの電子輸送を改善し得る。
【００４２】
好適なセラミック材料の非限定的な例には、充電／放電中にＬｉイオンを輸送することができるものが挙げられる。セラミックは、充電中にＬｉイオンを除去することができるもの（「Ｌｉ抽出」セラミック）であってもよい、すなわち、セラミックは、限定的複合材料を形成するために除去することができるＬｉイオンを含有するものである（例えば、Ｌｉ０．５ＣｏＯ２を生成するためにＬｉＣｏＯ２から、Ｌｉ０．３ＮｉＯ２を生成するためにＬｉＮｉＯ２から等、Ｌｉイオンを抽出することができる）。Ｌｉを含む潜在的に好適なセラミック材料の例には、ＬｉＣｏＯ２、ＬｉＮｉＯ２、ＬｉＦｅＰＯ４、ＬｉＭｎＯ２、ＬｉＭｎ２Ｏ４、Ｌｉ２ＭｎＮｉＯ４、スピネル、オリビン類、ＭがＮｉ、Ｃｏ、Ｍｎ、およびＦｅのうちの１つ以上を備え得、ＬｉまたはＭ部位上で置換された遷移金属または非遷移金属ドーパントを含み得る、ＬｉＭＰＯ４、Ｌｉ４Ｔｉ５Ｏ１２等が挙げられるが、これらに限定されない。場合によっては、以下に記載されるように、セラミックは、約２％未満のイオンの挿入中および除去中の線形歪み差を有し得る。そのようなセラミックの例には、ＬｉＣｏＯ２およびＬｉＮｉＯ２が挙げられる。
【００４３】
一般に、電極は、電極の最終形状を生産するために、例えば、何らかの方法で、例えば、マイクロマシン加工またはエッチング技術等によって、セラミックを「彫る」ことによって、セラミックの単独、単一「ブロック」から形成され得る。そのようなプロセス中、電極の最終形状を生産するために、単一開始材料の部分が、何らかの方法で除去される。したがって、単一開始材料は、開始材料から「彫られる」最終電極より大きな寸法のものである。以下に記載されるように、そのような単一セラミック材料は、より小さな歪み差、応力集中特徴の欠如、あるいはイオン、流体、もしくはガスが通過し得る接合部または継ぎ目の欠如を含む、いくつかの利点を有し得る。本明細書で使用される場合、「単一」という用語は、別個の、個々のユニットとして形成され、次いで何らかの方法で凝集され、最終構造体を形成する、結合した個々の粒子等の構造体を含むことを意味せず、代わりに、単一材料とは、材料を形成するために使用される、いかなる個々の粒子も、個々の粒子として容易に分離されなくなるように処理される（例えば、焼結によって）ものである。
【００４４】
例えば、単一材料は、焼結プロセスによって、セラミック前躯体、例えば、粉末から形成されてもよい。例えば、セラミック前躯体は、粉末粒子が共に固着し、単一全体を形成するように押圧および／または加熱されてもよい。例えば、初期粉末パッキング密度、焼成温度および時間、焼成プロセスの様々な段階中の加熱速度、ならびに焼成雰囲気を制御することによって、焼結セラミック材料内の細孔率がもたらされてもよい。所望の密度または細孔率をもたらすために、粉末ベースの材料の収縮（緻密化）および細孔率の進化を制御するための方法は、当業者に既知である。
【００４５】
一組の実施形態では、電極は、電極がＬｉイオンで浸透される時に、約２％未満の線形歪み差、または約１％未満の線形歪み差を有するセラミック材料から製作される。そのような材料の非限定的な例には、ＬｉＣｏＯ２（約Ｌｉ０．５ＣｏＯ２の組成物への脱リチウム化を受けて、約＋０．６％の線形歪み差を有する）、およびＬｉＮｉＯ２（約Ｌｉ０．３ＮｉＯ２の組成物への脱リチウム化を受けて、約−０．９％の線形歪み差を有する）が挙げられる。そのような材料は、充電もしくは放電中に材料が大幅に膨張または縮小しないため、依然として亀裂ないしは劣化がない状態のままで、比較的大きな数の充電または放電サイクルに耐えることが可能であり得る。線形歪みは、一般に、初期長さ（ΔＬ／Ｌ０）に対する材料の長さの変化として定義される。例えば、本発明の材料は、走査電子顕微鏡検査下で観測され得る識別可能な亀裂または他の劣化（例えば、欠け、剥離等）がない状態のままで、完全な充電および放電（例えば、Ｃ／２０速度での）の少なくとも６サイクル、少なくとも１０サイクル、少なくとも１５サイクル、または少なくとも２０サイクルに耐えることが可能であり得る。一実施例として、図９Ａ〜図９Ｃでは、電極として使用されるセラミック材料は、Ｃ／２０速度で６回、完全に充電および放電され（すなわち、「サイクルされた」）、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）を使用して詳しく調べられた。したがって、別の組の実施形態では、電極は、少なくとも６回のＣ／２０速度での充電−放電サイクルの後、その初期貯蔵容量の少なくとも５０％を保持することができる。これらの図（尺度バーで示されるように、異なる倍率の）に見ることができるように、セラミック材料の明白な劣化または亀裂は観測されなかった。対照的に、多くの従来技術材料は、そのような条件に耐えることができない。
【００４６】
いくつかの実施形態では、本発明の多孔質電極は、多孔質電極の細孔内に電解質を含有してもよい。電解質は、場合によっては、炭酸アルキルおよびＬｉＰＦ６等のリチウム塩の混合物等の液体電解質、またはポリエチレンオキシドもしくはブロックコポリマー等のポリマー電解質であってもよい。場合によっては、それぞれは、リチウムイオン伝導性を付与するために、リチウム塩を含有してもよい。他の属性の中でも、安全性、サイクル寿命、および／または耐用年数を改善するための添加剤を含む、そのような電解質の製剤は、当業者に既知であり、特定の用途のためのバッテリの所望の属性に基づき、いずれかのそのような製剤が使用されてもよいことを理解されたい。電極内に含有される電解質は、電極を反対の電極から分離する（すなわち、バッテリ内のカソードおよびアノードを分離する）電解質と同一の濃度または組成物を有しても有さなくてもよい。液体電解質は、例えば、Ｌｉイオンの多孔質電極へ、またはそれからの流れを促進するのに有用であり得る。場合によっては、液体電解質は、Ｌｉイオンを備えてもよい。そのような電解質の一実施例は、リチウム塩としてＬｉＰＦ６を使用するものである。電極の細孔率によって、例えば、以下に記載されるように、細孔を液体電解質に暴露することによって、液体電解質が、電極の細孔に導入されてもよい。また、電解質は、場合によっては、電極の突出部を囲んでもよい（突出部が存在する場合）。例えば、電解質は、電極内に含有され（例えば、壁が存在する場合、電極の壁内）、突出部を電解質中に入浴させてもよい。
【００４７】
本発明の別の局面は、電解質を対象とする。バッテリまたは他の電気化学装置内のアノードおよびカソードは、一般に、イオン交換を可能にする電解質を有する一方で、互いから電子的に絶縁される。イオン伝導性電解質が注入される多孔質「セパレータ」材料は、この機能を果たすことができるが、一組の実施形態によると、電解質は、非多孔質（すなわち、固体）である、すなわち、電解質は、数十回、数百回、または数千回の充電または放電サイクルの後にさえ、それによって短絡回路につながるＬｉ樹枝状形成が生じ得る、「ピンホール」または欠陥（細孔または亀裂等）を含有しない。場合によっては、電解質は、Ｌｉイオンを備え、これは、Ｌｉイオンの隣接する電極へ、またはそれからの流れを促進するのに有用であり得る。数多くの考えられる選択肢の中で、そのような電解質の一例は、ＬＩＰＯＮ（リチウムリン酸窒化物）、通常、スパッタリングによって薄膜の形態で作製される無機材料である。電解質の別の例は、ヨウ化リチウム（ＬｉＩ）である。一組の実施形態では、電解質は、膜として存在し、これは、スパッタリングまたは他の物理蒸着もしくは化学蒸着方法によって堆積させることができる。場合によっては、電解質は、層毎堆積を使用して電極表面上に形成される共形膜である、すなわち、電解質の好適に厚い層が構築されるまで、電解質材料の別々の分子層が電極に追加される。当業者は、通常、湿式化学溶液からのそれらの電荷を変化させる分子層の適用を伴う、好適な層毎堆積技術を認識するであろう。
【００４８】
いくつかの実施形態では、電極表面を密閉する、例えば、存在する場合に電極の壁と接触し（例えば、壁上に「キャッピング層」を形成する）、それによって電極コンパートメント内に、液体またはポリマー電解質等、内部電解質を含有する電解質を含有する、密閉されたコンパートメントを作出するために、非多孔質電解質が使用されてもよい。したがって、密閉されたコンパートメントは、壁、電極の基部、および非多孔質電極によって形成される蓋によって画定されてもよい。そのような非多孔質電解質を有するバッテリの非限定的な一実施例は、図１０に示される。非多孔質電解質は、いずれかの好適な寸法および／または形状を有してもよい。例えば、電解質の部分は、電極の内部空間に延在してもよく、または電解質は、電極の壁上に、実質的に平らな層または「蓋」を本質的に画定してもよい。例えば、非多孔質電解質は、少なくとも約１マイクロメートル、少なくとも約３マイクロメートル、少なくとも約５マイクロメートル、少なくとも約１０マイクロメートル、少なくとも約２０マイクロメートル、少なくとも約３０マイクロメートル、少なくとも約５０マイクロメートル等の厚さを有してもよい。
【００４９】
本発明のさらに別の局面は、そのような電極およびバッテリまたはマイクロバッテリを作製するための技術を対象とする。一組の実施形態では、単一セラミック材料が使用され、全てではないが、いくつかの実施形態では、材料は、何らかの方法で、例えば、微小電子機械システム（ＭＥＭＳ）の製作の当業者に周知のレーザーマイクロマシン加工等のマイクロマシン加工技術、または乾式エッチングもしくは湿式化学エッチング方法を使用して、エッチングされてもよい。電極の基部の表面上に壁および／または突出部を形成するために、そのような機械加工プロセスが使用されてもよい。別の組の実施形態では、電極の突出部または壁は、所望の最終の幾何学形状の逆を有するダイを使用して、圧力下で開始粉末または複合体混合物を形成することによって、直接生産される。したがって形成される電極は、直接使用されてもよく、または形成後に焼結されてもよい。
【００５０】
完成したバッテリの非限定的な一実施例は、図１０に見ることができる。この図では、本発明のバッテリ１０は、カソード１４と、カソードの基部１５の表面から離れて延在し、壁１１によって囲まれる、複数の突出部１８とを含む。加えて、バッテリは、図１０に示されるように、包装材料２７内に含有されてもよい。バッテリのためのいくつかの包装材料が、当業者に既知である。リチウムバッテリでは、非限定的な例には、ポリマー類、ポリマー−金属積層体、薄壁金属容器（例えば、銅）、ポリマー類で密閉された金属容器、およびレーザー溶接金属容器が挙げられる。他の例には、金属化液晶ポリマー（ＬＣＰ）、無金金属化液晶ポリマー、銅、および／またはＡｌ２Ｏ３が挙げられる。本発明のバッテリでは、一実施形態は、包装材料として、絶縁酸化物等の無機化合物を使用する。そのような化合物は、湿式化学溶液または粒子懸濁液から、物理蒸着またはコーティングによって適用されてもよい。
【００５１】
場合によっては、アノードまたはカソードと電子接触している構成要素は、使用中、アノード電位で安定であるように選択される。そのような構成要素に使用することができる特定の材料は、当業者に既知である。例えば、アルミニウム、金、およびチタンは、炭酸アルキルに基づく通常の液体電解質と共に使用する時に、ＬｉＣｏＯ２、ＬｉＭｎ２Ｏ４、ＬｉＦｅＰＯ４、ＬｉＭｎＰＯ４、および２．５Ｖ〜５Ｖの類似するリチウム挿入電圧の他のカソード等のカソード活性材料の正電位で、電気化学的に安定である、材料である。
【００５２】
また、負電極またはアノード側に、種々の構成要素が使用されてもよい。例えば、銅、グラファイトおよび硬質炭素類を含む炭素質電極、金属合金負電極、またはリチウム金属に対して約１Ｖを下回るリチウム反応電位を有する他のリチウム貯蔵材料は、種々の実施形態で使用することができる。
【００５３】
包装材料の非限定的な一実施例は、以下である。図１Ｃに示されるようなバッテリは、銅金属パッケージまたは「缶」、例えば、開放端部にシールフランジを有する５面銅金属缶内に含有されてもよく、これは、ポリマー膜によって被覆されてもよい。銅の代わりに、またはそれに加えて、他の金属、例えば、金、ニッケル、および／またはアルミニウム（または銅、金、ニッケル、アルミニウム、および／もしくは他の材料のいずれかの組み合わせ）が使用されてもよい。また、カバーは、セラミック（アルミナを含む）またはガラス類等の他の絶縁材料を備えてもよい。場合によっては、例えば、単結晶サファイアがカバーとして使用されてもよい。別の実施例として、缶は、ニッケルおよび／または銅上に金を備えてもよく、または場合によっては、金で満たされてもよい。例えば、以下に記載されるように、例えば、電極に好適な接触を提供するために、ポリマー膜の少なくとも一部分（または実質的に全て）が、金属化されてもよい。場合によっては、メタライゼーションは、以下に記載されるように、絶縁膜の２つの側間での電子流れのための導管を提供するために、絶縁膜にドリル加工されたビアを金属で充填するステップを含んでもよい。また、メタライゼーションは、缶をカバーに接合するための接着密閉剤としての機能を果たすように、絶縁カバーの周辺近くに堆積された、はんだ金属または合金のリングを含んでもよい。場合によっては、メタライゼーション層は、はんだ、あるいははんだ合金、例えば、インジウム、スズ、銀、ガリウム、またはこれらおよび／もしくは他の材料のいずれかの組み合わせを備えるはんだを備えてもよい。
【００５４】
別の実施例として、リチウム金属に対して１．５５Ｖの電位を有するチタン酸リチウムスピネルが、包装材料として、アルミニウムと共に使用されてもよい。他の実施例として、ポリマー類もしくは無機ガラス類、またはシリカ、アルミナ、マグネシア等の酸化物等の電気的に絶縁の包装材料は、正または負電極活性材料のうちのいずれかとの接触において安定である。電池を密閉するため、および電極もしくはセパレータ等の構成要素をパッケージの缶または蓋に取り付けるために使用される材料は、場合によっては、同様に選択されてもよい。
【００５５】
カバーは、いずれかの好適な技術、例えば、リフローはんだ付け、鉛−スズはんだ、シアノアクリレート類、エポキシ類（例えば、Ｒｆｌｅｘ１０００）、ＵＶ硬化接着剤（例えば、Ｌｏｃｋｔｉｔｅ３９７２アクリル）、固体シート状エポキシ、および／またはアルミニウム−金反応固着によって、「缶」に取り付けられてもよい。一実施形態では、金「バンプ」または個々の堆積物が使用される。
【００５６】
一実施例として、一実施形態では、カソードおよび金属缶は、ＰＶＤＦ（ポリビニリデンジフルオライド）および炭素で作製されるペーストを使用して、アルミニウムに取り付けられてもよい。
【００５７】
特定の実施形態では、包装材料、接着剤、または密閉剤の安定性を決定するために、サイクリックボルタンメトリーを含む、標準電気化学的試験が実施されてもよい。例えば、缶および／または光硬化接着剤を含むカソード側の材料の電気化学的安定性は、２．５Ｖ〜４．７５Ｖの０．１ｍＶ／ｓでのサイクリックボルタンメトリーを使用して、試験することができる。
【００５８】
そのようなパッケージの非限定的な実施例は、図１７Ａおよび図１７Ｂに示される。図１７では、パッケージ２７は、例えば、銅を備える、５面下位部分３１と、上位部分３３とを含む。上位部分３３は、例えば、液晶ポリマー（例えば、部分的に結晶性芳香族ポリエステル）等のポリマー膜、またはカプトンもしくはＵｐｉｌｅｘ等のポリイミドベースの材料であってもよい。図１７Ａでは、上位部分３３の一部分３４のみが金属化され、一方、図１７Ｂでは、電極に好適な接触を提供するために、上位部分３３の実質的に全てが金属化される。また、図１７Ｂは、パッケージ２７を通るカソードへの接続を作るために使用され得る、タブ３５も示す。また、上位部分３３は、例えば、相互拡散または超音波固着を使用して金属化することができる、いずれかの好適な基板であってもよい。例えば、上位部分３３は、金属類（例えば、銅またはニッケル）、ガラス、セラミック等を含む、基板であってもよい。
【００５９】
パッケージ２７は、いずれかの好適な技術を使用して作製されてもよく、場合によっては、パッケージ２７は、単一であってもよい。一実施形態では、パッケージ２０は、例えば、電鋳またはいずれかの他の好適な技術を使用して、鋳型を電気めっきすることによって調製される。場合によっては、パッケージ２７に追加材料が添加されてもよい。例えば、一実施形態では、パッケージ２７の少なくとも一部分は、他の材料または金属類、例えばニッケルもしくは金によって電気めっきされてもよく、これは、電極接点として使用され得る。
【００６０】
本発明と共に使用することができる、電極取り付け機構の他の例には、チタン／鉛−スズはんだ、アルミニウム／金反応固着、溶接、またはＰＶＤＦ（ポリビニリデンジフルオライド）、および／または炭素が挙げられるが、これらに限定されない。さらに他の方法には、固体もしくは液体接着剤、または他のシール材料上への熱、圧力、光（赤外光、紫外光、または可視光）が挙げられる。
【００６１】
ここで、製作技術の非限定的な一実施例が記載される。ここで、図１８を参照すると、図１８Ａでは、少量のはんだ３７が、空の金属「缶」に定置され、次いで、図１８Ｂに示されるように、バッテリ２０が加えられる。アセンブリは、ホットプレート上でリフローはんだ付けされ、図１８Ｃで、リチウム金属３８の予備成形物が、最上部に定置される。リチウムは、それをバッテリ２０と密接に接触させるために、溶融または加熱プレスされてもよい。ポリマーカバーは、カバーの底面がはんだを用いて事前にスズめっきされるように調製されてもよい。場合によっては、図１８Ｄに示されるように、ポリマーカバーのアレイ４２は、バッテリのアレイ４３およびガラスマスク４１と整合されてもよい。カバーおよび缶のアレイの効率的な生産を可能にする、電鋳およびスタンピング等のいくつかの製作方法が存在し、そのようなアレイを固着することによって、単一ステップでの大きな数のバッテリの並行密閉を達成することができる。カバーを接触するように押圧するため、および／または密閉中のバッテリの温度を制御するために、マスクが使用されてもよい。バッテリは、図１８Ｄに示されるように整合された層を共にクランプし、はんだをリフローするためにアセンブリを加熱することによって、密閉されてもよい（例えば、密閉して）。密閉プロセスに必要とされる熱は、熱源との接触によって、ならびに放射加熱（例えば、フラッシュランプまたは加熱ランプを使用する）によって、供給することができる。バッテリの内部で感熱構成要素が密閉されている場合、バッテリの外面は、冷却される、または熱源から遮蔽されてもよい。一実施例として、また、缶のアレイを保持する固定具は、必要に応じて能動的に冷却される、ヒートシンクとして機能するように設計することができる。別の実施例として、例えば、放射加熱による加熱の場合、バッテリの加熱を制限するために、ガラスマスク上のメタライゼーション４５等の反射特徴が使用されてもよい。また、はんだの制御された加熱のための、ここに記載される手法は、隣接する部品の反応固着を可能にするために、上昇温度で反応する、硬化性エポキシまたは多層状金属構造体の固体シート等の他の熱活性密閉剤に採択することもできる。
【００６２】
カソードは、レーザーマイクロマシン加工されてもよく、図１０に示される、この特定の実施例では、約５００マイクロメートルの寸法を有する。カソードは、金電流コレクタ等の電流コレクタ１９と電気通信しており、これは、次いで、基板２３、例えば、アルミナ基板上に位置付けられる。コレクタは、いずれかの好適な厚さ、例えば、約２５マイクロメートル、約５０マイクロメートル、約７５マイクロメートル、約１００マイクロメートル等を有してもよい。同様に、基部は、カソードによって、いずれかの好適な形状および／または寸法を有してもよい。例えば、基部は、少なくとも約０．５ｍｍ、少なくとも約０．７５ｍｍ、少なくとも約１ｍｍ、少なくとも約２ｍｍ等の厚さを有してもよい。
【００６３】
多孔質であってもよい、カソード１５の壁内は、液体電解質１３、例えば、有機カーボネートの混合物中に溶解された１．３３ＭのＬｉＰＦ６である。液体電解質は、非多孔質電解質１６、例えば、ポリマー電解質を介して、電極内に含有される。また、非多孔質電解質は、カソード１５の表面を共形に被覆してもよい。非多孔質電解質は、カソードとアノードとの間で前後に電子および／またはイオンを伝導することが可能であってもよく、いずれかの好適な厚さまたは形状、例えば、少なくとも約１マイクロメートル、少なくとも約３マイクロメートル、少なくとも約５マイクロメートル、少なくとも約１０マイクロメートル、少なくとも約２０マイクロメートル、少なくとも約３０マイクロメートル、少なくとも約５０マイクロメートル等の厚さを有してもよい。
【００６４】
本実施例では、非多孔質電極に隣接して位置付けられるアノード１２は、金属電流コレクタ（例えば、Ｃｕ）等のアノード電流コレクタ１７と電気通信している。アノードは、例えば、リチウムおよび／もしくは炭素、ならびに／または本明細書に記載される他の材料を備えてもよい。アノード電流コレクタは、実施形態および用途によって、いずれかの好適な厚さ、例えば、少なくとも約１マイクロメートル、少なくとも約３マイクロメートル、少なくとも約５マイクロメートル、少なくとも約１０マイクロメートル、少なくとも約２５マイクロメートル、少なくとも約５０マイクロメートル、少なくとも約７５マイクロメートル、少なくとも約１００マイクロメートル等を有してもよく、同一の厚さであってもなくてもよく、および／またはカソード電流コレクタと同一の材料を備えても備えなくてもよい。非多孔質電解質１６が、電極１５の表面を共形にコーティングする場合では、場合によっては、また、アノード１２は、電解質１６の膜を共形にコーティングしてもよく、または特定の実施形態では、電解質１６によって、全ての場所で電極１５から分離された状態のままで、電極１５の突出部間の空間を充填してもよい。
【００６５】
いくつかの実施形態では、電極１５は、充電および放電中に電極内に貯蔵されるアルカリイオンの初期源であり、アノードは使用されず、単に負の電流コレクタが使用される。場合によっては、リチウム等のアルカリイオンは、バッテリを充電すると、負の電流コレクタにアルカリ金属として堆積され、放電すると、除去され、アノードに堆積される。
【００６６】
上述されるように、例えば、粒子を共に焼結し、例えば、単一材料を形成することによって、セラミックが形成されてもよい。粒子を焼結してセラミックを形成するための技術は、当業者に既知であり、例えば、前躯体を押圧および／または加熱してセラミックを形成することによって、焼結セラミックを形成する。一組の実施形態では、多孔質単一構造体を形成するために、そのような焼結が使用されてもよい。記載されるように、例えば、焼結温度および圧力を制御することによって、焼結セラミック材料内に細孔率がもたらされてもよく、そのようなプロセス条件は、当業者に既知のルーチン最適化技術を使用して、所望の密度または細孔率をもたらすように最適化することができる。
【００６７】
電極の所望の形状は、レーザーマイクロマシン加工等のマイクロマシン加工技術を使用して形造られてもよい。当業者は、そのような技術を熟知するであろう。例えば、レーザーマイクロマシン加工では、レーザーは、単一セラミック材料に方向付けられる。レーザー光は、セラミック材料と接触する時、材料を溶融、切除、または蒸発し得、これは、最終電極の形状を制御するために使用されてもよい。したがって、レーザーマイクロマシン加工は、最終形状に属さないものを全て、レーザーを使用して、何らかの方法で除去することによって、所望の形状を有する物体を生産することができる。レーザーは、バッテリまたは他の電気化学装置で使用するための最終構造体を生産するために、そのようなセラミック材料を破壊する、ないしは別の方法で除去することができる、いずれかの好適な周波数（波長）および／または電力を有してもよい。
【００６８】
以下は、本発明の一実施形態を製造する方法の非限定的な一実施例である。ここで、図１１を参照すると、経路Ａには、複数の突出部と、複数の突出部を囲む壁とを有する、マイクロバッテリであり得る、バッテリの作出が示される。単一セラミック材料は、レーザーマイクロマシン加工等の技術を使用して、複数の突出部を有する電極、および複数の突出部を囲む壁に形成される。また、電極は、例えば、金または銀等の別の金属を備える、電流コレクタを含有してもよい。
【００６９】
一技術では、セパレータ、またはＬＩＰＯＮおよび／もしくはポリマーまたは有機電解質を備える電解質層が、電極に最初に追加される。図１０に示されるように、ＬＩＰＯＮが、電極上にスパッタリングされてもよく、またはポリマーもしくは有機セパレータが、何らかの方法で、例えば、ゾル−ゲル溶液からのコーティング、電着技術、または層毎アセンブリを使用して、電極上に堆積されてもよい。
【００７０】
次に、残りの空間を実質的に充填するために、対極が追加される。一技術では、電極の壁によって画定される内部空間は、コロイド懸濁液を用いて充填され、コロイド粒子は、負電極材料であり、随意に伝導性添加剤または固着剤等の添加粒子である。しかしながら、別の技術では、Ａｕがセパレータ上に最初にスパッタリングされ、次いでＬｉ（例えば、Ｌｉはんだ）がＡｕ上で溶融される、「フラックスおよびはんだ」手法が使用される。そのような技術は、電極および／または電解質が、Ｌｉ金属が液体状態である時に「濡れ」ない、または実質的に接着しない材料を含有する場合に、有用であり得る。そのような場合、固着を促進するために、金、またはＬｉが液体である時にＬｉが濡れる、別の相性の良い金属が使用される。いかなる理論にも束縛されるものではないが、Ｌｉは、金属と反応し、表面を濡らすことができると考えられる。上部電流コレクタ（例えば、Ｃｕ等の金属）が次いで追加され、随意に、バッテリは密閉される。バッテリは、次いで、例えば、パリレンおよび／もしくは気密金属酸化物または厚膜をバッテリ上に堆積させることによって、包装することができる。
【００７１】
別の組の実施形態では、複数の突出部と、複数の突出部を囲む壁とを有する、マイクロバッテリ等のバッテリは、以下のように作出することができる。再び図１０を参照すると、経路Ｂでは、バッテリの作出は、対極およびセパレータの自己組織化を生じさせることによって開始してもよい。この手法では、セパレータまたは電解質材料によって自然発生的に果たされる分離をもたらすために、電極と対極との間の反発力が使用される。２つの電極を互いに対して自己組織化するために使用される反発力には、ファンデルワールス力、立体力、酸塩基相互作用、および静電気力が挙げられるが、これらに限定されない。続いて、前述同様に、次いで、上部電流コレクタ（例えば、Ｃｕ等の金属）が追加され、随意に、バッテリは密閉される。次いで、例えば、パリレンおよび／もしくは金属密閉酸化物または厚膜をバッテリ上に堆積させることによって、バッテリを包装することができる。
【００７２】
さらなる実施例が、図１９〜図２２を参照して示される。図１９では、マイクロバッテリを形成するために、金カソード容器が使用される。カソードは、リチウムリン酸窒化物（ＬＩＰＯＮ）の高密度不動態化セラミックの薄膜の部分コーティングを有する、含有構造体に形成される。本実施例では、カソードは、炭素および固着剤を使用して金カソード容器に固着された、多孔質ＬｉＣｏＯ２であり、空洞の残りの部分は、上述される液体電解質等の液体で充填される。固着剤は、有機溶媒中のポリビニリデンフルオライドの濃縮溶液に、炭素繊維（＜２重量％）を添加することによって、調製された。他の材料も同様にカソードに使用されてもよい。
【００７３】
固着剤は、Ｋｕｒｅｈａ７２０８溶液（３１重量部）、気相成長炭素繊維（２重量部）、およびＥＣＰ（高表面積カーボンブラック）（２重量部）を混合することによって調製された。２つの表面が固着されるように、２つの表面のうちの１つの上に少量の混合物が適用され、２つの表面は、穏やかに共に押圧された。固着剤は、固着部を害することなく、空気下で、少なくとも１時間乾燥された。真空下で、６０℃より高い温度で、少なくとも６時間、さらなる乾燥が実施された。
【００７４】
上記で議論されたような固体電解質は、カソードコンパートメントをアノードコンパートメントから分離する。また、他のアノード材料も使用することができるが、本実施例では、アノードコンパートメントは、リチウムを含有する。アノードコンパートメントは、銅から形成される「缶」内に含有され、コンパートメントは、本実施例ではＵＶ硬化エポキシを使用して共に固着され、絶縁密閉シールを形成する。場合によっては、腐食および／または短絡問題を最小化するために、金属容器のうちの１つまたは両方を、絶縁体で部分的にコーティングすることができる。ドリル穴は、随意に、液体浸透（例えば、液体電解質の）、通気等に使用することができる（場合によっては、また、ドリル穴は、後で密閉されてもよい）。加えて、本実施例では、アノードおよびカソードの容器を形成するために、金属が使用されたが、これは、ほんの一例でしかなく、絶縁体等の他の材料（例えば、適切なメタライゼーション接触および／またはフィードスルーを有する）を使用することができる。例えば、容器のうちの１つは、絶縁体材料でメタライゼーションを用いて作製することができ、一方、他方の容器は、金属で作製することができる。場合によっては、絶縁体材料上のメタライゼーション層は、例えば、相互拡散または超音波溶接による、構成要素の固着を促進するために使用することができる。
【００７５】
別の非限定的な実施例が、図２０に示される。本実施例では、アノード容器としてニッケルが使用され、一方、カソード容器として金でコーティングされたニッケルが使用される。アノードおよびカソードコンパートメントの両方は、液体電解質を含有し、これは、同一であっても異なってもよい。他の実施形態では、これらのそれぞれに他の材料が使用されてもよいが、本実施例では、アノードは、グラファイトと、固着剤とを備え、一方、カソードは、ＬｉＣｏＯ２と、固着剤とを備える。カソードは、本明細書に開示されるもの等の金「バンプ」を使用して等、いずれかの好適な技術を使用して、カソード容器に固定されてもよい。本実施例では、コンパートメントは、ＵＶ硬化エポキシまたは熱硬化接着剤を使用して共に固着され、絶縁密閉シールを形成してもよい。
【００７６】
さらに別の実施例が、図２１に示される。本実施例では、カソードに多孔質ＬｉＣｏＯ２が使用され、アノードに金属リチウムが使用される。他の実施形態では、アノードに他の材料、例えば、炭素が使用されてもよい。本実施例では、カソード容器は、絶縁容器を通過する、カソードの電流コレクタとして使用される金充填ビアを有する、絶縁Ａｌ２Ｏ３（また、他の絶縁体が使用されてもよいが）である。機械加工されたガラススリーブまたはＬＩＰＯＮコーティング等のセパレータは、図２１に示されるように、カソードと接触して位置付けられてもよい。本実施例では、アノード容器は、銅であり、アノードおよびカソード容器は、密閉金属−金属シールを使用して（例えば、反応固着、超音波溶接等を使用して）固着される。本実施例では、また、カソード容器フランジは、場合によっては、接触を改善するために、金属化されてもよい。
【００７７】
別の実施例として、「チューブ電池」が図２２に示される。本実施例では、アノードは、グラファイトと、固着剤とを備え、一方、カソードは、多孔質ＬｉＣｏＯ２を備え、アノード電流コレクタは、銅であってもよく、カソード電流コレクタは、金であってもよい。両方が液体電解質内に含有される一方で、アノードをカソードから分離するために、セパレータ、例えば、機械加工されたガラススリーブ、ＬＩＰＯＮコーティング、多孔質ポリマー等が使用されてもよい。随意に、セパレータの片側または両側上に、液体隙間も存在してもよい。電解質を囲む壁は、Ａｌ２Ｏ３等の絶縁体材料で作製される。一実施形態では、チューブは、絶縁材料から形成され、２５０マイクロメートル未満の平均壁厚さを有する。例えば、チューブは、セラミック（例えば、Ａｌ２Ｏ３）、ガラス、密閉硬化ポリマー、または本明細書に記載される、いずれかの他の絶縁体であってもよい。
【００７８】
米国特許出願公開第２００３／００８２４４６号として、２００３年５月１日に公開された、Ｃｈｉａｎｇらによって２００１年１０月２２日に出願された、名称が「Ｒｅｔｉｃｕｌａｔｅｄ  ａｎｄ  Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ  Ｐｏｒｏｓｉｔｙ  Ｂａｔｔｅｒｙ  Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ」の米国特許出願第１０／０２１，７４０号、および米国特許出願公開第２００３／００９９８８４号として、２００３年５月２９日に公開された、Ｃｈｉａｎｇらによって２００２年７月２６日に出願された、名称が「Ｂａｔｔｅｒｙ  Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ，  Ｓｅｌｆ−Ｏｒｇａｎｉｚｉｎｇ  Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ，ａｎｄ  Ｒｅｌａｔｅｄ  Ｍｅｔｈｏｄｓ」の米国特許出願第１０／２０６，６６２号は、本明細書に参考として援用される。また、Ｃｈｉａｎｇらによって２００８年５月２３日に出願された、名称が「Ｂａｔｔｅｒｉｅｓ  ａｎｄ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅｓ  Ｆｏｒ  Ｕｓｅ  Ｔｈｅｒｅｏｆ」の米国特許出願第１２／１２６，８４１号、Ｃｈｉａｎｇらによって２００８年５月２３日に出願された、名称が「Ｂａｔｔｅｒｉｅｓ  ａｎｄ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅｓ  Ｆｏｒ  Ｕｓｅ  Ｔｈｅｒｅｏｆ」の国際特許出願第ＰＣＴ／ＵＳ２００８／００６６０４号、およびＣｈｉａｎｇらによって２００８年１１月２６日に出願された、名称が「Ｂａｔｔｅｒｉｅｓ  ａｎｄ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅｓ  Ｆｏｒ  Ｕｓｅ  Ｔｈｅｒｅｏｆ」の米国特許出願第１２／３２３，９８３号も、本明細書に参考として援用される。また、Ｍａｒｉｎｉｓらによって２００８年２月１２日に出願された、名称が「Ｓｍａｌｌ  Ｓｃａｌｅ  Ｂａｔｔｅｒｉｅｓ  ａｎｄ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅｓ  Ｆｏｒ  Ｕｓｅ  Ｔｈｅｒｅｏｆ」の米国特許出願第６１／０２７，８４２号、およびＭａｒｉｎｉｓらによって２００８年１１月２６日に出願された、名称が「Ｓｍａｌｌ  Ｓｃａｌｅ  Ｂａｔｔｅｒｉｅｓ  ａｎｄ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅｓ  Ｆｏｒ  Ｕｓｅ  Ｔｈｅｒｅｏｆ」の米国仮特許出願第６１／１１８，１２２号も、本明細書に参考として援用される。
【００７９】
以下の実施例は、本発明の特定の実施形態を示すことが意図されるが、本発明の全範囲を例示しない。
【００８０】
（実施例１）
本実施例は、本発明の一実施形態による、３次元相互貫入電極内部構造を有する、一体梱包された、固体リチウムの再充電可能なマイクロバッテリを説明する。そのようなマイクロバッテリは、（例えば）５：１未満の最大寸法対最小寸法の外装アスペクト比（すなわち、薄い平らな構成に限定されない）、１ｍｍ３の体積における＞７５％の活性材料包装率という能力を有してもよく、そのような条件下で、これらは、３５０Ｗｈ／ｌの初期エネルギー密度目標を２〜４倍超える。本実施例の手法は、現在入手可能であり、かつ実績のあるカソードおよびアノード材料を使用するが、将来のより高いエネルギーまたはより高率の活性材料を除外しない。
【００８１】
本実施例のマイクロバッテリは、以下に記載されるように、使用される電気化学結合、および具体的な設計パラメータによって、約３５０Ｗｈ／ｌ〜約１５００Ｗｈ／Ｌのエネルギー密度を達成できるようにする。この形態のマイクロバッテリは、単純なセンサから集積超高密度包装を有するシステムまで、多種多様な小型システムに電力を供給するために使用することができる。
【００８２】
技術手法は、例えば、図６Ａ〜図６Ｅに示されるような一体密閉パッケージを用いてともに製作された３Ｄ電極アレイの微細加工構造体を基調とする。この特定の実演には、グラファイト、および製作方法としてレーザーマイクロマシン加工を使用する。約２００マイクロメートルの半値厚さにレーザー機械加工された高配向熱分解グラファイト（ＨＯＰＧ）を使用して、約Ｃ／２０のサイクル速度がリチウム半電池で実演された。グラファイトでは、速度の２Ｃへの１０倍増加は、断面寸法の１０１／２＝３．２という因数の減少を必要とし得る（例えば、拡散時間ｔ＝ｘ２／Ｄ、式中、ｘは拡散距離であり、Ｄは拡散係数である）。これらの寸法は、レーザーマイクロマシン加工技術を用いて達成可能である。エネルギー密度を最大にするために、電極断面寸法は、依然として所望の速度能力を供給する間、可能な限り大きくするべきである（特徴寸法が減少するにつれて、不活性材料率が増加するため）。いくつかのマイクロバッテリ用途では、マイクロメートル〜数十マイクロメートルの寸法を有する電極が十分であり得る。
【００８３】
図６Ａは、レーザーマイクロマシン加工が、わずかに（制御可能）先細の、約５０マイクロメートルの半値厚さ、および０．５ｍｍの高さを有する個々の電極特徴をグラファイト中に生産し、３ｍｍ×３ｍｍのアレイ（体積が４．５ｍｍ３）を形成することができることを示す。さらに、レーザー機械加工の方位分解能および切り口の先細りは、機械加工される材料の熱伝導率によって強く影響を受け、高熱伝導率は、分解能を低減し、先細りを増加する。グラファイトと比較して低熱伝導率のリチウムのインターカレーション酸化物では、約０．５ｍｍ〜約１ｍｍの特徴高さで、全幅が約１０〜約２０マイクロメートルの密集した特徴が可能であると見込まれる。本実施例では、レーザーマイクロマシン加工、または例えば、多くの装置の同時製作に適した他の微細加工プロセスによって、リチウム貯蔵化合物から、類似する形態であるが、より小さな断面を有する、３次元（３Ｄ）電極を製作することができる。最終装置の電子分極を低減し、速度能力を増加するために、より低い電子伝導率の活性材料から、これらの連続し、かつ高密度の３Ｄ電極アレイ、通常カソードを製作することができる。
【００８４】
以下に記載されるように、図１１を参照して、開始テンプレートとして微細加工電極／パッケージ構造体を使用する、完成バッテリの製作への３つの例示的な進路が示される。
【００８５】
一進路では、スパッタリングによって、固体無機電解質膜（例えば、ＬＩＰＯＮ）の共形堆積が実施され、これは、上方を向く表面を被覆し得る、１マイクロメートル〜３マイクロメートルの厚さの電子的に絶縁の層をもたらすことができる。これらの電極特徴の先細りは、共形コーティングを可能にするために、機器パラメータによって「調整」することができる。そのような厚さでは、バッテリとしての続く使用中の電解質膜のインピーダンスは、十分に低くなり得るので、速度能力は、電極によって主に決定することができる。電解質堆積の後、対極によって、電池内の残りの空隙体積を充填することができる。ある場合においては、対極は、上述されるように、高表面張力液体リチウムが酸化物表面を濡らすことができるようにするために、「フラックスおよびはんだ」プロセスを使用して、コーティングされた電極アレイに、ＬｉまたはＬｉ合金溶融浸透（約１８０℃）される。リチウム金属を使用する一利点は、その高容積が、負電極を小さな体積のものにすることができる、例えば、ＬｉＣｏＯ２が使用される場合、アノードのたった約４分の１にすることができるということである。したがって、電池を平衡化するために、電極アレイの細孔空間を充填する、数マイクロメートル寸法以下の負電極膜が必要となり得る。あるいは、対極は、完全に固体の装置を提供するために、固体ポリマー電解質（例えば、ＰＥＯベースの）が製剤中に含まれる、粉末懸濁液の形態で適用することができる。続いて、物理蒸着または厚膜ペースト技術によって、上部電流コレクタを適用することができ、包装を完了するために、これに続き、スパッタリングされた酸化物を含む密閉層またはＣＶＤが適用されたポリマー層（パリレン）が使用される。
【００８６】
上記に概説された進路と類似する別の進路では、電解質膜は、固体ポリマー電解質の電着層である。本プロジェクトでは、電解層を形成するために、電子的に絶縁のポリマー膜を電着するための方法を適用することができる。あるいは、層毎堆積手法が使用されてもよい。Ｌｉ合金の最も穏やかな溶融温度でさえ、ポリマー電解質を損傷し得るため、対極は、粉末懸濁液ベースであってもよい。続く包装ステップは、上述と類似する。
【００８７】
さらに別の進路では、コロイド寸法自己組織化手法が適用されてもよい。好適な溶媒中に浸漬したＬｉＣｏＯ２およびグラファイトは、短距離分散および静電気力により、相互に反発し得る。図１２Ａ〜図１２Ｄは、焼結高密度ＬｉＣｏＯ２とＭＣＭＢ（メソカーボンマイクロビーズ）懸濁液との間の相互反発が、表面力の影響下で再充電可能なリチウムバッテリを形成したという重要な結果を示す。固体ポリマー電解質の構成物質は、粒子間力に悪影響を及ぼすことなく、溶媒中に溶解した。図１２Ａは、電池の概略図を示す。図１２Ｂは、強制接触を受けてのＬｉＣｏＯ２とＭＣＭＢとの間の開放回路電位（ＯＣＰ）を示し、アセトニトリルでは、接触を受けて電気短絡を示すが、ＭＥＫ（メチルエチルケトン）では、反発表面力により、開放回路を示す。図１２Ｃは、電解質としてＭＥＫおよび０．１ＭのＬｉＣｌＯ４を使用した、自己組織化バッテリの可逆定電流サイクルを示す。図１２Ｄは、ＭＥＫおよび０．１ＭのＬｉＣｌＯ４ならびに１ｗｔ％のＰＥＧ１５００（ポリ（エチレングリコール））中で行われた、チタン酸Ｌｉ参照電極と、ＬｉＣｏＯ２作用電極（Ｗ）と、ＭＣＭＢ対極（Ｃ）との間の電位差の測定値を示す。全ての電位は、Ｌｉ／Ｌｉ＋を参照した。試験の各段階中に観測された電位は、電磁誘導活性（Ｆａｒａｄｉｃ  ａｃｔｉｖｉｔｙ）を示し、ＬｉＣｏＯ２は脱リチオ化され、ＭＣＭＢはリチオ化される。本構成では、一体容器を充填するために、ＬｉＣｏＯ２および乾燥を受けて得られた自己形成セパレータから形成されるＭＣＭＢ懸濁液を使用することができる。続いて上部電流コレクタおよび外装の適用は、上述と同一の方法で実施される。
【００８８】
これらの装置では、エネルギー密度は、電池中に存在する活性材料の体積分率、およびこれらの材料の電気化学利用度によって決定される。図１３Ａおよび図１３Ｂでは、本製作手法を使用して５つの異なる電気化学結合から作製されたマイクロバッテリの見込まれるエネルギー密度のプロットは、５ｍｍ３（図１３Ａ）および１ｍｍ３（図１３Ｂ）の体積に対する、電解質層、一体パッケージ壁、電流コレクタ、および外装による、包装された電池中の不活性材料の体積分率に対してプロットされる。それぞれの場合で、正電極および負電極の相対体積は、電荷平衡電池に必要とされるものである。これらのシステムの理論上のエネルギー密度（不活性材料がゼロパーセントでの）は、３５０Ｗｈ／Ｌを２．３〜５倍超える。本実施例の構成の５ｍｍ３のマイクロバッテリの結果は、現実的な構成要素寸法、５０マイクロメートルの電極直径、１００マイクロメートルまたは６０マイクロメートルの一体パッケージ壁厚さ、２マイクロメートルの電解質層厚さ、および１０マイクロメートルの厚さの電流コレクタを仮定して計算される。外装の厚さは、２５マイクロメートル〜１５０マイクロメートルの厚さの範囲で、可変であるとして扱われる。また、実験的データ点（２１として識別される）が図１３Ａに示され、これは、ＬｉＣｏＯ２の実質的に全てが利用されたことを示す。
【００８９】
図１４は、図１３Ａおよび図１３Ｂの結果を、市販される小型バッテリの最新データ、ならびに本発明の種々の実施形態の様々な放電速度でのデータに対して比較する。この図に基づき、この手法によって表される性能包絡線は、小型バッテリの性能の大幅な改善を表すと思われる。
【００９０】
（実施例２）
本実施例では、それらの電子伝導率が、通常、バッテリ材料内のイオン伝導率より高いため、周期または非周期相互貫入電極を有する３Ｄバッテリが使用される。高アスペクト比の相互貫入電極は、電流を抽出するために、電極に沿ったより高い電子伝導率を依然として生かす一方で、電極間のより短いイオン拡散距離を有することができる。固体拡散限界では、バッテリ容量の利用率を決定し得る寸法は、電極特徴の半幅ｘであり、それに対する放電時間は、ｔ＝ｘ２／ＤＬｉである。
【００９１】
最大２Ｃの放電速度（ｔ＝１８００秒）、約６〜約３０マイクロメートルの半値厚さでは、１×１０−９ｃｍ２／秒〜５×１０−９ｃｍ２／秒に含まれる、スピネルおよび層状構造のインターカレーション酸化物の室温リチウム化学拡散係数（ＤＬｉ）の一覧が有用である。これらの反応速度論および粒子寸法におけるそれらの制限は、バッテリ分野において周知であり、ＬｉＣｏＯ２は、通常、５〜１０マイクロメートルの寸法の粒子として使用され、一方、ＬｉＭｎ２Ｏ４は、より高く、かつ、また等方性のリチウム拡散係数を有し、約２５マイクロメートルの粒子を使用できるようにする。一方、ＬｉＦｅＰＯ４は、高エネルギーおよび電力のために、＜１００ｎｍの粒子寸法を必要とする、より大幅に低いリチウム拡散係数を有する。Ｌｉ４Ｔｉ５Ｏ１２は、この点で、ＬｉＦｅＰＯ４と類似する。そのような材料は、好適な電解質で充填された、微細寸法の多孔質材料として使用されてもよい。ＬｉＣｏＯ２およびＬｉＭｎ２Ｏ４、ならびに関連する層状酸化物およびスピネル化合物では、１０マイクロメートル〜３０マイクロメートルの電極寸法が望まれ得る。また、いずれかの網状構造体では、特徴寸法が小さいほど、電解質／セパレータ、固着剤、および／または伝導性添加剤が占める不活性体積は大きくなる。図１３および図１４にプロットされる結果は、これらの材料が、Ｌｉ金属、Ｌｉ合金、または炭素ベースの電極等の低リチウム電位アノードとの組み合わせで、提案される電極寸法で、望ましいエネルギー密度を有することを示す。
【００９２】
平らではない形態の要因では、マイクロバッテリの製作における第２の問題は、電極アスペクト比または特徴高さである。最近では、３Ｄ電極を作製するために、種々のリソグラフィベースのプロセスが使用されている一方、これらの実験は、制御された先細りを有する、非常に側面化された特徴の作製に対する好適性から、レーザーマイクロマシン加工に焦点を当てる。図４は、これらの２つの幾何学的パラメータ、および対極の制御された細孔率における設計能力を示す。図４Ａは、２００マイクロメートル〜２５０マイクロメートルの特徴幅で、１．２ｍｍの高さを示し、図４Ｂおよび図４Ｃは、先細りを制御する能力を示す。前述のように、レーザーマイクロマシン加工の空間分解能は、材料の熱伝導率によって決定され得る。一実施例として、高密度化ＬｉＭｎ２Ｏ４における事前レーザー機械加工の結果は、所望の断面寸法で、５：１〜２０：１のアスペクト比を有する３Ｄ電極を製作することができることを示す。
【００９３】
例えば、薄い断面の非常に網状の電極では、電子分極の観点から（電圧は、電極に沿って低下する）、場合によっては、高すぎるアスペクト比は望ましくない場合がある。ＬｉＣｏＯ２、およびＬｉＭｎ２Ｏ４、ならびに室温で＞１０−３Ｓ／ｃｍの電子伝導率を有する関連する組成物では、これらのアスペクト比での電圧低下は、ごくわずかである（＜０．１Ｖ）。
【００９４】
単焦点ビームを用いるレーザー機械加工が、一手法であり、個々に製作される装置をもたらす一方、また、酸化物「ウェハ」（例えば、ホットプレスによって生産される）から多くの装置を同時に生産することができる製作方法への規模拡大も可能である。例えば、拡散ビームおよび物理マスクを使用する、レーザー機械加工は、依然として、規模拡大のための一選択肢である。しかしながら、また、ディープ反応性イオンエッチング等のＭＥＭＳ製作で使用される他の方法も可能である。
【００９５】
電解質層は、ＬＩＰＯＮを使用して堆積されてもよい。ＬＩＰＯＮは、１マイクロメートル〜２マイクロメートルの厚さで、低インピーダンス、高速、低自己放電電解質を提供する、薄膜電解質である。製作された３Ｄ電極構造体を、ＬＩＰＯＮでスパッタリングすることができる。被覆率の均一性は、対極の堆積後に、電子顕微鏡検査および電気試験によって評価することができる。
【００９６】
ＬＩＰＯＮの代替は、ＰＥＯベースの組成物等の固体ポリマー電解質（ＳＰＥ）の電着、または高分子電解質多層手法である。電気泳動的に形成されたバッテリにおける最近の研究は、電着が、ＰＥＯベースの電解質の効果的共形堆積技術であることを示す。１０−５Ｓ／ｃｍ〜１０−４Ｓ／ｃｍの通常の室温伝導率では、電解質は、数マイクロメートルの厚さに限定されない。
【００９７】
対極の選択および堆積は、以下のように実施されてもよい。前述の電子伝導率の理由のため、アノードから３Ｄ機械加工構造体が形成されてもよい。電解質膜の堆積後に細孔空間を充填する負電極には、電池平衡を達成するように設計された電池構造と共に、リチウム金属、ＬｉＡｌ等のリチウム金属合金、またはグラファイトベースの懸濁液を使用することができる。ＭＣＭＢ等のグラファイトベースのアノードは、液体電解質の不在下で、ＳＰＥを固着相として使用することができることを除き、従来のリチウムイオンアノードと同様に製剤することができる。これらの懸濁液は、電解質でコーティングされた３Ｄ構造体中の細孔空間に浸透するために使用することができる。
【００９８】
０．５ｍｍ〜１ｍｍの厚さのリチウム金属の堆積では、リチウム金属の低融点（１８１℃）を考えると、３Ｄ構造体を充填するために液体金属浸透を使用することが魅力的であり得る。問題は、他の液体金属と同様に、リチウムが、高表面張力を有し、酸化物またはポリマーをそれ程容易に濡らさないということである。したがって、本実施例では、「フラックスおよびはんだ」方法が使用され、これによって、液体リチウムが、酸化物表面を濡らすようにすることができる。Ａｕ等のＬｉを有する合金である金属の薄層を最初にスパッタリングすることによって、スパッタリングされた表面の反応濡れが容易に生じる。これは、図１５に示されるように、種々の構成および種々の放電速度を用いて、ガラス表面上で実証された。したがって、電解質表面に適用される、スパッタリングされる金属層は、続くリチウム金属による浸透を可能にし、３Ｄ電極構造体を充填するために使用することができる（図１１）。堆積されるリチウム金属の量を制御するために、液体リチウムは、シリンジによって分注されてもよく、または表面リン酸塩層で不動態化され、空気中および特定の有機溶媒中で取り扱うことを可能にする、ＦＭＣ  ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎから入手可能な固体リチウム金属粉末（ＳＬＭＰ）を分注し、次いで溶融してもよい。
【００９９】
また、対極の選択および堆積に、集合方法として、自己組織化が使用されてもよい。電気化学接合を形成するために、異なる材料間の反発力が使用され、それと同時に、単一の電極材料の浸透伝導網を形成するために、同様の材料間の引力が使用される、バイポーラ装置のためのコロイド寸法自己集合方法が使用されてもよい。この手法の実証は、図１２に示され、浸透網は、ＭＣＭＢである。本３Ｄは、それほど伝導性ではない材料から、高密度かつ連続する３Ｄ電極を形成する。
【０１００】
薄膜バッテリを含むマイクロバッテリ技術における課題のうちの１つは、最小付与体積を有する、効果的な密閉包装の開発であった。本実施例の３Ｄ設計は、上面を除く全ての上の密閉に、高密度化酸化物を使用する（図１１）。したがって、バッテリの最終密閉は、好適な包装材料の上からの堆積によって達成することができる。密閉のために、上に、通常、金属膜がスパッタリングされる、パリレンベースの包装材料が使用されてもよく、または、物理蒸着方法による高密度絶縁酸化物コーティングが使用されてもよい。
【０１０１】
（実施例３）
本実施例では、液体電解質が注入された、最小断面寸法が０．５ｍｍを超える、ＬｉＣｏＯ２の多孔質焼結電極は、Ｃ／２０速度での少なくとも２０回を超えるサイクルで、最小能力喪失で、電極への明らかな問題となる機械的損傷なく、使用可能なイオン貯蔵容量のほぼ全てを得る一方で、驚くことに、かつ予想外に、電気化学的にサイクルさせることができることが示される。これは、そのような電極が、本発明の特定のバッテリで効果的に使用できることを示す。
【０１０２】
１０．７マイクロメートルのｄ５０粒子寸法を有する、Ｓｅｉｍｉ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ（日本）からのバッテリ等級ＬｉＣｏＯ２粉末が、ＬｉＣｏＯ２の理論密度の約８５％を有する多孔質焼結セラミックを形成するために、押圧され、空気中で１１００℃で焼成された。ある場合においては、図８Ａおよび図８Ｂに示されるように、０．６６ｍｍの厚さを有する、この電極のプレートが調製された。この電極プレートは、金ホイル電流コレクタに取り付けられ、試験のために、対極としてリチウム金属ホイル、負電極に銅電流コレクタ、２０マイクロメートルの厚さの多孔質ポリマーセパレータ、および有機カーボネートの混合物中に１．３３Ｍ濃度のＬｉＰＦ６を有する液体電解質を使用して、密閉ポリマーポーチ電池に組み立てられた。
【０１０３】
図１６Ａは、この電池の６回目および７回目の充電−放電サイクルを示す。充電手順は、４．３Ｖの上方電圧までＣ／２０速度での定電流を使用し、続いて電流がＣ／１００速度に減衰するまで定電圧を持続し、開放回路停止がそれに続き、続いて２．５Ｖまで定電流放電した。図１６Ｂは、Ｃ／２０放電速度での２０回のサイクル、それに続くＣ／５および１Ｃ速度での放電にわたって観測された充電および放電能力を示す。Ｃ／２０放電容量は、約１３０ｍＡｈ／ｇであり、標準試験において、このＬｉＣｏＯ２でこの電圧範囲にわたり観測された値と本質的に同一であった。これは、この多孔質電極が、Ｃ／２０速度で、リチウム貯蔵容量のほぼ全てを受け入れ、放電できたことを示す。Ｃ／５速度でさえ、容量は、９０ｍＡｈ／ｇを超えた。さらに、Ｃ／２０速度での２０回のサイクルにわたり、非常にわずかな容量喪失しか存在しなかった。この電極が、前述の構成および方法に従って完全なマイクロバッテリとして包装される時、体積は、６．４ｍｍ３であり、測定されるカソード性能に基づいて予想されるエネルギー密度は、９５４Ｗｈ／Ｌである。
【０１０４】
注目すべきことに、この試料は、図９に示されるように、この電気化学的試験の後、明らかな機械的障害の兆候を呈さないことが分かった。
【０１０５】
他の場合では、図２および図７に示される電極は、レーザーマイクロマシン加工を使用して、同一の開始焼結セラミックから生産され、試験電池に組み立てられ、同一の方法で電気化学的に試験された。これらの試験電極は、図１６の電極と類似する電気化学的性能を呈した。完全に包装された形態の、これらの電極のそれぞれの電気化学的試験に基づき、図２の電極は、体積が５．７２ｍｍ３、およびエネルギー密度が１０２２Ｗｈ／Ｌのバッテリを生産し、一方、図７の電極は、体積が５．７４ｍｍ３、および１３００Ｗｈ／Ｌのバッテリを生産する。
【０１０６】
（実施例４）
本実施例では、バッテリを、液体電解質で浸透されたＬｉＣｏＯ２の多孔質焼結電極を使用して、缶−蓋パッケージに作製することができることが示される。
【０１０７】
Ｓｅｉｍｉ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ（日本）からのバッテリ等級ＬｉＣｏＯ２粉末は、５．７マイクロメートルのｄ５０粒子寸法にボールミルで粉砕された。粉末は、ＬｉＣｏＯ２の理論密度の約７５％を有する多孔質焼結セラミックを形成するために、押圧され、空気中で９５０℃で焼成された。０．４ｍｍの厚さの電極は、ＰＶＤＦおよび炭素固着剤を使用して電鋳金缶に取り付けられ、６５℃で一晩、真空乾燥された。２５マイクロメートルの厚さの多孔質ポリマーセパレータは、ＵＶ硬化接着剤を使用して、電鋳金缶のフランジ上に接着された。１００℃で１５分間の熱固着を使用して、Ｌｉの小片が、１０μｍの銅ホイル蓋に取り付けられた。蓋は、同一の接着剤を使用して、缶上に接着された。アセンブリは、銅ホイルにドリル加工された小さな穴によって、有機カーボネートの混合物中に１．３３Ｍの濃度のＬｉＰＦ６を有する液体電解質で浸透された。電池は、Ｃ／１５での定電流で４．２Ｖに充電された。最後に、ドリル穴は、接着剤を用いて密閉され、アセンブリ全体は、図２０に示される。
【０１０８】
図２３Ａは、この電池の最初の４回の充電−放電サイクルを示す。充電手順は、４．５Ｖの上方電圧までＣ／１５速度での定電流を使用し、続いて電流がＣ／３３速度に減衰するまで定電圧を持続し、続いて２．５Ｖまたは２Ｖまで定電流放電した。最初の４回のサイクルの平均エネルギー密度および電力密度は、それぞれ、３９８Ｗｈ／Ｌ±１５７Ｗ／Ｌ、３４４Ｗｈ／Ｌ±１５６Ｗ／Ｌ、４０９Ｗｈ／Ｌ±１５４Ｗ／Ｌ、および３８８Ｗｈ／Ｌ±１５４Ｗ／Ｌであった。３回目のサイクルの１ｍＡでのピーク電力は、６２７Ｗ／Ｌであった。４回目のサイクルの４ｍＡでのピーク電力は、１７６６Ｗ／Ｌであった。図２３Ｂは、５回目の充電プロセスを示し、開放回路期間がそれに続く。電池は、電荷を７０時間を超えて保持できることが示された。
【０１０９】
（実施例５）
本実施例は、一組の実施形態による、５ｍｍ２のバッテリパッケージの製作を記載する。パッケージは、２つの別個の部品、バッテリを収容するために使用される「缶」、および電極を備えるカバーとして製作された。缶およびカバー内でバッテリの構成要素を組み立てた後、２つの部品は、密閉パッケージを形成するように固着された。
【０１１０】
まず始めに、標準微細加工プロセスを使用して、大きさが約２．５ｍｍ×２．５ｍｍの正方形鋳型の８×８アレイが、シリコンウェハにエッチングされた。鋳型がウェハにエッチングされた後、厚さが１００μｍの銅の層が、ウェハの表面上に電鋳され、鋳型体積の内側の実質的に均一なコーティングをもたらした。堆積された銅は、図２４Ａに示されるような解放タブのパターンを形成するようにエッチングされた。最後に、鋳型のアレイ下のシリコンは、図２４Ｂに示されるような独立型「缶」を生産するようにエッチングされた。
【０１１１】
本実施例が、銅からの缶の製作を記載する一方、様々な材料が使用されてもよい。例えば、缶は、Ｎｉ／Ｃｕ合金から形成され、金でコーティングされてもよい。いくつかの実施形態では、缶は、金で再めっきされてもよい（１回、２回、またはそれ以上）。いくつかの実施形態では、缶のバルクは、例えば、金、アルミニウム、またはセラミック等の銅以外の材料から形成されてもよい。鋳型内に金属をめっきすることに加えて、缶は、例えば、金属（例えば、アルミニウム）ホイルをスタンピングまたは真空成形することによって形成されてもよい。マンドレル上でアルミニウムホイルをスタンピングすることによって製作される、アルミニウム缶の一実施例が、図２５Ａ〜図２５Ｂに示される。また、缶は、空洞を形成するために、材料（例えば、セラミック、金属等）をバルクエッチングまたは機械加工（例えば、放電加工）することによって形成されてもよく、缶の外側の形状の数値的に制御された研磨がこれに続く。
【０１１２】
カバーは、ＭｉｃｒｏＣｏｎｎｅｘ液晶ポリマーを使用して製作された。カバーが形成され得る好適な材料には、例えば、金属化液晶ポリマー、無金金属化液晶ポリマー、およびアルミナが挙げられる。まず始めに、大きさが約２．３５×２．８ｍｍの１片のポリマーが提供された。そのほぼ中心に、カバーの本体を通る穴が形成された。中心穴は、ビアとして機能し、メタライゼーションの正面および背面を接続し、パッケージの外側からアノードに電気的にアクセスできるようにした。標準金属堆積技術を使用し、メタライゼーションは、カバーの両側上に堆積された。２つのメタライゼーション設計が調査された。共面端子設計では、ポリマーの上下のメタライゼーションパターンは、実質的に同一であり、図２６Ａに示される。単一端子設計では、金属の層が、図２６Ａに示されるパターンでカバーの上側に形成され、金属の別の層が、図２６Ｂに示されるパターンでカバーの下側に形成された。図２６Ａ〜図２６Ｂに示される実施例では、上側は、銅の層でコーティングされ、一方、下側は、Ｎｉ／Ａｕ仕上げを有する銅でコーティングされた。金属堆積ステップは、正面と背面との間の電気伝導性を保証するために、中心穴が十分な銅で充填されるように実施された。メタライゼーションの後、カバーの厚さを通る第２の穴がドリル加工された。この穴は、それを通して液体電解質を輸送することができる、アクセスポートとしての機能を果たした。場合によっては、電解質装填中に空気が脱出できるようにするために、カバーを通る２つ以上の穴がドリル加工された。
【０１１３】
（実施例６）
本実施例は、実施例１に記載されるパッケージを使用した、バッテリの組み立てを記載する。バッテリを組み立てるために、アレイから缶が切り取られた。缶内に位置付けるためのカソードが提供された。カソードは、様々な方法を使用して、缶に取り付けられた。一組の実験では、カソードの底部は、スパッタ堆積によって、金属（例えば、銅）でコーティングされた。缶の内側の底面に、はんだペーストが適用された。缶の底面とカソードのスパッタ堆積された銅層との間に固着を形成するために、はんだペーストが使用された。
【０１１４】
他の実験では、ＰｖＤＦ／炭素懸濁液を使用して、ＬＣＯカソードがＡｕに固着された。
【０１１５】
別の組の実験では、カソードを缶の底部に取り付けるために、金バンププロセスが使用された。このプロセスでは、一連の金バンプが、缶の底面に適用された。さらに、カソードの底面上に金がスパッタリングされた。カソードは、缶に挿入され、カソードの金がスパッタリングされた表面は、缶の金の点が散在する表面と接触していた。４００グラムの重量が適用され、スタックは、３８０℃まで加熱され、カソードと缶との間に永久固着がもたらされた。
【０１１６】
さらに別の組の実験では、１片のアルミニウムホイルが、缶の底部に定置された。カソードの底面上に金がスパッタリングされた。カソードは、缶に挿入され、カソードの金がスパッタリングされた表面は、アルミニウムホイルと接触していた。８００グラムの重量が適用され、スタックは、３８０℃まで加熱され、カソードと缶との間に永久固着がもたらされた。いかなる論理にも束縛されるものではないが、固着は、カソード／缶接触面での金とアルミニウムとの間の相互拡散によって形成されていてもよい。
【０１１７】
パッケージを密閉する前に、カバーの缶の空洞に向いて配向される側に、アノードが実装された。一組の実験では、グローブボックス内で、カバーの内面に、Ｌｉアノードが実装された。リチウムは、図２７に概略的に示されるように、ポリマーカバーを通る金ビアと接触するように配向された。他の実験では、カバーに炭素が実装され、アノード材料として使用された。
【０１１８】
いくつかの実験では、最終組み立てされると、アノードおよびカソードを分離するために、カソード上にセパレータ層が位置付けられた。一組の実験では、カソード上に、ＬＩＰＯＮの実質的に共形のコーティングが堆積された。好適なセパレータ材料の例には、ポリマー類（例えば、Ｃｅｌｇａｒｄ等）、ＬＩＰＯＮ、機械加工されたガラススリーブ等が挙げられる。
【０１１９】
一旦、カソードおよびアノードが実装されると、缶およびカバーは、位置付けられ、密閉された。一組の実験では、バッテリは、はんだを使用して密閉された。缶の上側の周辺の周囲に、はんだの層が堆積された。図２８Ａ〜図２８Ｂに示されるように、カバーの周辺上のメタライゼーション上に、スズの層が適用された。カバーは、缶上に位置付けられ、アノード側は、缶の内側を向いていた。缶およびカバーを所定の位置に固定するために、ガラスプレートが使用された。一旦、カバーが位置付けられると、缶とカバーとの間のはんだは、リフローされ、シールを作り出した。他の実験では、カバーは、図２９に概略的に示されるように、非伝導性エポキシを使用して、缶に密閉された。
【０１２０】
他の実験では、缶／カバー接触面を密閉するために、Ｌｏｃｋｔｉｔｅ３９７２アクリル、ＵＶ硬化接着剤が使用された。この組の実験では、アクリルの薄層は、缶の上側部分上のフランジ上に貼り付けられた。次いで、カバーが、缶上に定置された。最後に、スタックは、各側からそれぞれ３０秒間照射され、シールを作り出した。
【０１２１】
さらに他の実験では、カバーを缶に密閉するために、Ｔａｃｋ  Ｒｆｌｅｘ１０００接着剤の膜が使用された。シールを作り出すために、接着剤膜は、缶上に位置付けられ、カバーは、膜上に位置付けられ、スタックは、加熱される。
【０１２２】
一旦、カバーが缶上に密閉されると、パッケージの内部は、アクセスポートを介して電解質を導入することによって、電解質で充填された。密閉された電池は、グローブボックス内で、液体電解質中に浸漬された。グローブボックス内の圧力は、アルゴン中１ａｔｍと不完全真空との間で、４〜５回サイクルされた。次いで、電池は、１６時間浸された。次に、グローブボックス内の圧力は、再び、アルゴン中１ａｔｍと不完全真空との間で、４〜５回サイクルされた。最後に、図３０Ａ〜図３０Ｂに示されるように、過剰な電解質が除去され、はんだを使用して、アクセスポートおよび中心ビアが密閉された。場合によっては、パッケージのカバーは、単一のアクセスポートを含み、一方、他の場合では、カバー内に複数のアクセスポートが存在した。
【０１２３】
（実施例７）
本実施例は、製作された電池内の動作中の電気化学腐食の研究を記載する。場合によっては、露出したＮｉ／Ｃｕは、電気化学腐食につながる可能性がある。場合によっては、Ｎｉ／Ｃｕは、不完全なＡｕめっきのため、露出したままである。また、缶の切り取りタブは、それらの縁部に露出したＮｉ／Ｃｕを含んだ。
【０１２４】
組み立てられた電池で、取り付けおよび包装に使用された構成要素の電気化学腐食の原因を決定するために、系統的サイクリックボルタンメトリー（ＣＶ）試験が実施された。ＣＶ試験から、Ｐｂ−Ｓｎはんだ（例えば、カソードおよび／またはカバーを缶に取り付けるための）は、いずれかの電解質と接触している場合、バッテリ動作電圧で、電気化学的に不安定であったと決定された。
【０１２５】
ＡｕでコーティングされたＮｉ−Ｃｕは、Ａｕコーティング層がＮｉ−Ｃｕを露出するように損傷されない限り、安定であった。図３１Ａは、２つの電池、Ｎｉ−Ｃｕ缶がＡｕで完全に被覆されたもの、およびＮｉ−Ｃｕ缶が完全に被覆されていないものの、電圧の関数としての電流のプロットを含む。Ａｕで不完全にめっきされた缶は、約０．１〜０．２ｍＡの大きな腐食電流を呈した。別の組の実験が実施され、缶上にさらに５μｍのＡｕめっきが堆積された。図３１Ｂに示されるように、全ての場合で、腐食電流は、０．０１５ｍＡ以下に大きく減少した。さらに別の組の実験が実施され、缶は、さらに１０μｍのＡｕでめっきされた。図３１Ｃに示されるように、これは、最大で０．００５ｍＡまでの腐食電流のさらなる減少をもたらした。
【０１２６】
エポキシは、残留不純物を含み、これは、１回目の充電中に酸化されたが、その他では安定であった。図３１Ｄは、Ｌｏｃｋｔｉｔｅ３９７２アクリル、ＵＶ硬化接着剤を使用して密閉された電池の、電圧の関数としての電流のプロットを含む。１回目のサイクル中、４．４Ｖで、約０．００３ｍＡの最大腐食電流が観測された。後続のサイクルは、減少した腐食電流を呈し、６回目のサイクルは、４．４Ｖで、０．０００５ｍＡの腐食電流を呈した。
【０１２７】
最後に、実質的に完全に金から製作された缶を使用して、一組の実験が実施された。これらの缶は、非常に低い腐食を示し、図３１Ｅに示されるように、４．４Ｖで約０．００１２ｍＡの最大腐食電流であった。
【０１２８】
耐食であると実証された設計の実施例が、図３２Ａ〜図３２Ｂに示される。
【０１２９】
（実施例８）
本実施例は、密閉された電池、および密閉されていない電池の試験を記載する。図３３Ａは、コーティングされていないカソードを使用する、密閉されていない、５ｍｍ３のＬｉＣｏＯ２-Ｌｉ金属電池の電圧対時間のプロットを含む。この電池の平均電力は、１２７Ｗ／Ｌであり、一方、エネルギー密度は、１００Ｗｈ／Ｌであった。図３３Ｂ〜図３３Ｃは、１μｍの堆積されたＬＩＰＯＮセパレータを使用する、密閉されていない、５ｍｍ３のＬｉＣｏＯ２−Ｌｉ金属電池の電圧対時間のプロットを含む。図３３Ｃは、１．０ｍＷｈの放電エネルギー、２０３Ｗｈ／Ｌの放電エネルギー密度、０．８１ｍＷのピーク電力、および１３５Ｗ／Ｌのピーク電力密度を示す。
【０１３０】
（実施例９）
場合によっては、アノードのない電池を使用することが有利であり得る。アノードのない電池の概略図が、図３４に示される。従来の設計におけるリチウム金属アノードの役割は、不可逆的損失を補うこと、および充電を受けて、Ｌｉ堆積のための「シーディング（種まき）」表面を提供することである。リチオ化カソード（ＬｉＣｏＯ２）が使用される時、カソードは、電池内の作用リチウムの一次源となり、Ｌｉ金属アノードを最小化する、または除去することができる。加えて、この設計は、アノードとカソードとの間にセパレータを必要とせず、むしろ、電解質充填隙間が単独で使用されてもよい。セパレータを除去することによって、より高い速度能力が見込まれる。
【０１３１】
（実施例１０）
本実施例では、リチウム金属アノードが、炭素アノードで置換される。そのような代替の一実施例が、図３５Ａ〜図３５Ｃに示される。リチウム金属アノードは、制御環境（例えば、乾燥室またはグローブボックス）での電池の組み立てを要求する。従来の電池設計のアノードは、主に、リチウム堆積のための「シーディング」表面としての役割を果たすため、リチオ化カソードが使用される時、アノードに他の材料が使用されてもよい。
【０１３２】
従来のリチウムイオン電池で使用されるもの等のグラファイトアノードは、同一の機能を果たし、空中組み立てを可能にし得る。最後の電解質充填は、従来のＬｉイオンバッテリと同様に、依然として制御環境で実施される。
【０１３３】
（実施例１１）
本明細書に記載される電池を製作するために使用される技術は、大きな数の電池を同時に並行して生産するために、規模拡大されてもよい。カソードのアレイは、厚膜処理、レーザートリミング、およびＬＩＰＯＮ堆積を使用して、同時に製作することができる。バッテリ構成要素のアレイの整合の一実施例が、図１８Ｄに示される。場合によっては、缶のアレイ上に金属化カバーが位置付けられてもよく、電池のアレイが、同時に密閉されてもよい（例えば、はんだのフラッシュランプ密閉によって）。
【０１３４】
本発明のいくつかの実施形態が、本明細書に記載され、図示されてきたが、当業者は、機能を実施するための、ならびに／あるいは結果および／もしくは本明細書に記載される利点のうちの１つ以上を得るための種々の他の手段および／または構造を容易に想像し、そのような変形および／または修正のそれぞれは、本発明の範囲内であると見なされる。より一般的に、当業者は、本明細書に記載される全てのパラメータ、寸法、材料、および構成は、例示的なものであることが意味され、実際のパラメータ、寸法、材料、および／または構成は、本発明の教示が使用される具体的な用途に依存することを容易に理解するであろう。当業者は、日常的なものにすぎない実験を使用して、本明細書に記載される、本発明の具体的な実施形態の多くの均等物を理解する、または解明することができるであろう。したがって、前述の実施形態は、一例として提示されること、および本発明は、添付の特許請求の範囲およびその均等物の範囲内で、具体的に記載され、主張される通り以外にも実践され得ることが理解される。本発明は、本明細書に記載される、それぞれの個々の特徴、システム、部品、材料、キット、および／または方法を対象とする。加えて、そのような特徴、システム、部品、材料、キット、および／または方法が、互いに矛盾していない場合、２つ以上のそのような特徴、システム、部品、材料、キット、および／または方法のいかなる組み合わせも、本発明の範囲に含まれる。
【０１３５】
本明細書で定義され、使用される場合、全ての定義は、辞書の定義、参照することによって組み込まれる文献での定義、および／または定義される用語の通常の意味に勝る効力を持つことを理解されたい。
【０１３６】
本明細書および特許請求の範囲で使用される場合、「１つの（ａ）」および「１つの（ａｎ）」という不明確な冠詞は、そうではないと明確に示されていない限り、「少なくとも１つ」を意味することを理解されたい。
【０１３７】
本明細書および特許請求の範囲で使用される場合、「および／または」という句は、そのように結合する要素、すなわち、場合によっては連接して存在し、他の場合では離接して存在する要素の「いずれかまたは両方」を意味することを理解されたい。「および／または」を用いてリストされる複数の要素は、同じように、すなわち、そのように結合される要素のうちの「１つ以上」と解釈されるべきである。具体的に特定されるこれらの要素に関連するか、または関連しないかに関わらず、「および／または」節によって具体的に特定される要素以外の他の要素が、随意に存在してもよい。したがって、非限定的な実施例として、「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」等の制約のない言語と併せて使用される時、「Ａおよび／またはＢ」への言及は、一実施形態では、Ａのみ（随意に、Ｂ以外の要素を含む）に言及することができ、別の実施形態では、Ｂのみ（随意に、Ａ以外の要素を含む）に言及することができ、さらに別の実施形態では、ＡおよびＢの両方（随意に、他の要素を含む）に言及することができる等である。
【０１３８】
本明細書および特許請求の範囲で使用される場合、「または」は、上記に定義される「および／または」と同一の意味を有すると理解されるべきである。例えば、リスト中のアイテムを分離する時、「または」または「および／または」は、包括的である、すなわち、多数または一覧の要素のうちの少なくとも１つであるが、また、２つ以上も含む、および随意に、追加のリストされていないアイテムの包含であると解釈されるものとする。「〜のうちの１つのみ（ｏｎｌｙ  ｏｎｅ  ｏｆ）」もしくは「〜のうちの厳密に１つ（ｅｘａｃｔｌｙ  ｏｎｅ  ｏｆ）」、または特許請求の範囲で使用される時の「〜からなる（ｃｏｎｓｉｓｔｉｎｇ  ｏｆ）」等、そうではないと明確に示される用語のみ、多数または一覧の要素のうちの厳密に１つの要素の包含に言及する。一般に、本明細書で使用される場合、「または」という用語は、「いずれか」、「〜のうちの１つ（ｏｎｅ  ｏｆ）」、「〜のうちの１つのみ（ｏｎｌｙ  ｏｎｅ  ｏｆ）」、または「〜のうちの厳密に１つ（ｅｘａｃｔｌｙ  ｏｎｅ  ｏｆ）」等の排他性の用語が先行する時、排他的代替（すなわち「一方または他方であるが、両方ではない」）を示すとしてのみ解釈されるものとする。特許請求の範囲で使用される場合、「本質的に〜からなる（ｃｏｎｓｉｓｔｉｎｇ  ｅｓｓｅｎｔｉａｌｌｙ  ｏｆ）」は、特許法の分野において使用される、通常の意味を有するものとする。
【０１３９】
本明細書および特許請求の範囲で使用される場合、１つ以上の要素のリストの参照における、「少なくとも１つ」という句は、リスト内の要素のうちのいずれか１つ以上から選択される、少なくとも１つの要素を意味するが、要素のリスト内に具体的にリストされる、各およびそれぞれの要素のうちの少なくとも１つを必ずしも含むわけではなく、要素のリスト内の要素のいずれかの組み合わせを排除しないことを理解されたい。また、この定義は、具体的に特定されるこれらの要素に関連するか、または関連しないかに関わらず、「少なくとも１つ」という句が言及する、要素のリスト内に具体的に特定される要素以外の要素が随意に存在し得ることを可能にする。したがって、非限定的な実施例として、「ＡおよびＢのうちの少なくとも１つ」（もしくは同等に「ＡまたはＢのうちの少なくとも１つ」、または同等に「Ａおよび／またはＢのうちの少なくとも１つ」）は、一実施形態では、Ｂが存在しない状態で、少なくとも１つ、随意に２つ以上のＡ（および随意に、Ｂ以外の要素を含む）に言及することができ、別の実施形態では、Ａが存在しない状態で、少なくとも１つ、随意に２つ以上のＢ（および随意に、Ａ以外の要素を含む）に言及することができ、さらに別の実施形態では、少なくとも１つ、随意に２以上のＡ、および少なくとも１つ、随意に２つ以上のＢ（および随意に、他の要素を含む）に言及することができる等である。
【０１４０】
また、そうではないと明確に示されていない限り、２つ以上のステップまたは行為を含む、本明細書に主張されるいずれかの方法における、方法のステップまたは行為の順序は、方法のステップまたは行為が列挙される順序に必ずしも限定されないことも理解されたい。
【０１４１】
特許請求の範囲、ならびに上記の明細書では、「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」、「運ぶ（ｃａｒｒｙｉｎｇ）」、「有する（ｈａｖｉｎｇ）」、「含有する（ｃｏｎｔａｉｎｉｎｇ）」、「伴う（ｉｎｖｏｌｖｉｎｇ）」、「保持する（ｈｏｌｄｉｎｇ）」、「〜で構成される（ｃｏｍｐｏｓｅｄ  ｏｆ）」等の全ての移行句は、制約のないものである、すなわち、含むが、それに限定されないことを意味すると理解される。特許審査手順の米国特許事務局マニュアル（Ｕｎｉｔｅｄ  Ｓｔａｔｅｓ  Ｐａｔｅｎｔ  Ｏｆｆｉｃｅ  Ｍａｎｕａｌ  ｏｆ  Ｐａｔｅｎｔ  Ｅｘａｍｉｎｉｎｇ  Ｐｒｏｃｅｄｕｒｅｓ）、２１１１．０３項に説明されるように、「〜からなる（ｃｏｎｓｉｓｔｉｎｇ  ｏｆ）」および「本質的に〜からなる（ｃｏｎｓｉｓｔｉｎｇ  ｅｓｓｅｎｔｉａｌｌｙ  ｏｆ）」という移行句のみ、それぞれ、クローズド移行句または一部クローズド移行句であるものとする。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
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【図１Ｄ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【図６Ｄ】
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【図６Ｅ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図７Ｃ】
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【図７Ｄ】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図９】
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【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１２Ｃ】
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【図１２Ｄ】
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【図１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６Ａ】
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【図１６Ｂ】
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【図１７Ａ】
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【図１７Ｂ】
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【図１８Ａ】
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【図１８Ｂ】
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【図１８Ｃ】
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【図１８Ｄ】
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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２４Ａ】
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【図２４Ｂ】
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【図２５Ａ】
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【図２５Ｂ】
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【図２６Ａ】
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【図２６Ｂ】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０Ａ】
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【図３０Ｂ】
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【図３１Ａ】
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【図３１Ｂ】
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【図３１Ｃ】
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【図３１Ｄ】
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【図３１Ｅ】
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【図３２】
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【図３３Ａ】
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【図３３Ｂ】
2011512010.tif 000069
【図３３Ｃ】
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【図３４】
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【図３５Ａ】
2011512010.tif 000072
【図３５Ｂ】
2011512010.tif 000073
【図３５Ｃ】
2011512010.tif 000074
【国際調査報告】
2011512010.tif 000075
2011512010.tif 000076
2011512010.tif 000077