(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
エネルギー蓄積デバイスにおいて使用するための電気化学スタックであって、前記電気化学スタックは、積み重ねられた配置において、カソード活性物質層を含むカソード構造、セパレータ層、および基準面に対して直交する方向において測定された少なくとも５０マイクロメートルの高さＨＡを有するアノード構造の集合体を含み、
前記集合体のそれぞれのメンバーは、フロント面、バック面、前記フロント面から前記バック面までの測定された厚みＴ、および少なくとも０．１のボイド容量率を有する微細構造のアノード活性物質層を有し、
前記フロント面と前記バック面は、前記基準面に対して実質的に垂直であり、
前記厚みＴは、前記基準面に平行な方向に測定され、少なくとも１マイクロメートルであり、
前記カソード構造、前記セパレータ層および前記アノード構造の積み重ねられた方向は、基準面に対して平行であり、充電プロセス又は放電プロセスにおける、前記カソード構造のカソード活性物質層と、前記アノード構造の微細構造のアノード活性物質層との間のキャリアー・イオンの移動方向は、基準面に対して略平行であり、
前記微細構造のアノード活性物質層は、繊維質又は多孔質のアノード活性物質を含み、
（ｉ）前記微細構造の物質層により構成されたアノード活性物質の繊維質が、当該層のバック面に付着され、大部分が微細構造のアノード活性物質層のバック面に前記繊維質の付着点で前記基準面に対して実質的に平行な中心軸を有するように、および
（ｉｉ）前記微細構造の物質層により構成された多孔質のアノード活性物質の細孔の大部分が、前記基準面に対して実質的に平行である主軸を有するように、配向された繊維質又は多孔質のアノード活性物質を含むように構成されており、その構成において、
前記基準面に平行な方向に測定された、前記集合体の少なくとも２つのメンバーの間の直線的な距離ＤＬは、前記集合体のためのＨＡの最大値より大きな値である、エネルギー蓄積デバイスにおいて使用するための電気化学スタック。
【請求項２】
前記アノード構造の前記集合体の各メンバーが、アルミニウム、錫、シリコン、又はそれらの合金を含む、請求項１に記載の電気化学スタック。
【請求項３】
前記アノード構造の前記集合体の各メンバーが、シリコン若しくはその合金を含み、１〜１００マイクロメートルの厚みを有する、請求項１に記載の電気化学スタック。
【請求項４】
前記アノード構造の前記集合体の各メンバーのＨＡがＴより大きい、請求項１に記載の電気化学スタック。
【請求項５】
前記アノード構造の前記集合体の各メンバーの前記微細構造のアノード活性物質層が、多孔質シリコン若しくはその合金を含み、０．８未満であり少なくとも０．１のボイド容量率、および１〜２００マイクロメートルの厚みを有する、請求項１に記載の電気化学スタック。
【請求項６】
前記アノード構造の前記集合体のためのＨＡの最大値が５，０００マイクロメートル未満である、請求項１に記載の電気化学スタック。
【請求項７】
前記アノード構造の前記集合体の各メンバーの前記微細構造のアノード活性物質層は、シリコン若しくはその合金、又は多孔質シリコン若しくはその合金のナノ細線を含み、０．８未満であり少なくとも０．１のボイド容量率を有し、１〜２００マイクロメートルの厚みを有し、１０シーメンス／ｃｍ未満の電気伝導率を有するバックボーンに支持され、そして前記集合体のためのＨＡの最大値は５，０００マイクロメートル未満である、請求項１に記載の電気化学スタック。
【請求項８】
前記アノード構造はアノード電流コレクタを含み、前記カソード構造はカソード電流コレクタを含み、前記アノード電流コレクタ又は前記カソード電流コレクタはイオン透過伝導層を含む、請求項１に記載の電気化学スタック。
【請求項９】
前記アノード構造はアノード電流コレクタ層を含み、前記アノード電流コレクタ層は前記アノード活性物質層とセパレータ層との間で直接接触して配置された、請求項１に記載の電気化学スタック。
【請求項１０】
請求項１から９のいずれか一項に記載の構造の電気化学スタックを備えるエネルギー蓄積デバイス。
【請求項１１】
キャリアー・イオンが、リチウムイオンである、請求項１０に記載のエネルギー蓄積デバイス。
【請求項１２】
前記微細構造のアノード活性物質層は、メソ多孔質のシリコン若しくはその合金、マクロ多孔質のシリコン若しくはその合金、又はメソ多孔質とマクロ多孔質のシリコンとの組み合わせ若しくはその合金を含み、前記微細構造のアノード活性物質層は、２から７５マイクロメートルの厚みを有する、請求項１０又は１１に記載のエネルギー蓄積デバイス。
【請求項１３】
前記基準面に平行な方向に測定された、前記集合体の少なくとも２つのメンバーの間の直線的な距離ＤＬは、前記集合体のためのＨＡの最大値より少なくとも１０倍大きな値である、請求項１０又は１１に記載のエネルギー蓄積デバイス。
【請求項１４】
二次電池が少なくとも２つの電気化学スタックを含み、前記電気化学スタックが前記基準面に対して直交する方向に互いに積み重ねられた、請求項１０から１３のいずれか一項に記載のエネルギー蓄積デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般的に、エネルギー蓄積デバイスにおいて使用される構造、そのような構造を組込んだエネルギー蓄積デバイス、およびそのような構造およびエネルギー蓄積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、又はインサート型二次電池は、リチウム、ナトリウム、又はカリウムイオンのようなキャリアー・イオンが電解質を通ってアノード電極とカソード電極の間を移動するエネルギー蓄積デバイスの一形式である。二次電池は単一の電池セル、若しくは電池を形成するために電気的に連結された２つ以上の電池セルを備えており、各電池がアノード電極、カソード電極および電解質を含んでいる。
【０００３】
ロッキングチェア型電池セルにおいて、アノードとカソードの両方は、キャリアー・イオンが挿入され引き出される物質を含んでいる。セルが放電されるとき、キャリアー・イオンはアノードから引き出され、カソードに挿入される。セルが充電されるとき、逆のプロセスが生じる。キャリアー・イオンはカソードから引き出され、アノードに挿入される。
【０００４】
図１は、例えば、非水性、リチウムイオン電池の従来のエネルギー蓄積デバイスの電気化学スタックの断面図である。電気化学スタック１はカソード電流コレクタ２を含んでおり、その上にカソード層３が形成されている。この層は、微孔セパレータ４により覆われ、その上にアノード電流コレクタ５およびアノード層６が配置されている。このスタックは、二次電池を組み立てるために、アノード電流コレクタ５の上に別のセパレータ層（図示せず）で覆ったり、丸くなって容器の中に詰められて、非水性の電解質が充填されている。
【０００５】
アノードとカソードの電流コレクタは、それぞれの能動的な電気化学電極からの電流をプールし、そして電池の外側の環境へ電流を流すことができる。カソード電流コレクタの一部がカソード能動物質に接している間、アノード電流コレクタの一部はアノード能動物質に物理的に接触している。電流コレクタは、電気化学反応に関与しておらず、したがって、アノードとカソードのためのそれぞれの電気化学ポテンシャルレンジにおいて電気化学的に安定している物質に限定される。
【０００６】
電流コレクタのために電流を電池の外側の環境に流すために、タブ、タグ、パッケージ・フィードスルーあるいはハウジングフィードスルー等の典型的にはまとめて接点と呼ばれているものが典型的に接続されている。接点の一端が１つ以上の電流コレクタに接続されており、一方、他端が電気接続用の電池パッケージングを通り抜けて電池の外側の環境に接続されている。アノード接点はアノード電流コレクタに接続されている。また、カソード接点は溶接、クリンプ、又は超音波接合によってカソード電流コレクタに接続されるか、若しくは電気伝導性の接着剤で適所に固着される。
【０００７】
充電プロセス中において、リチウムはカソード層３を離れ、リチウムイオンとしてセパレータ４を通ってアノード層６の中へ移動する。使用されたアノード物質によって、リチウムイオンが差し込まれるか（例えば、合金を形成することなく、アノード物質の母体の中に入り込む）、又は合金が形成される。放電プロセス中において、リチウムは、アノード層６を離れ、セパレータ４を通って移動し、そして通り過ぎてカソード層３に到達する。これらの電流伝導体は、電池の端子（図示せず）から電極まで、あるいは逆方向に電子を導いている。
【０００８】
典型的に、電池、燃料電池および電気化学キャパシターのような従来のエネルギー蓄積デバイスは、図１に示すように、その幾何学的な設置面積（孔隙率および表面粗さを無視）と概略同様の各積層の表面積を伴う、二次元薄層構成（例えば、平面の積層あるいは螺旋状に巻かれた積層）を典型的には有している。
【０００９】
三次元電池は、電池容量および能動物質の使用の改良方法として、文献の中で提案されている。２次元の薄層電池構成と比較して、より高い表面積およびより高いエネルギーを提供するために、三次元の構成を使用することが、提案されている。小さな幾何学的な面積から得られるかもしれないエネルギーの増大分により三次元のエネルギー蓄積デバイスが作成されることは利点がある。例えば、ラスト等（Ｒｕｓｔ  ｅｔ  ａｌ．）、ＷＯ２００８／０８９１１０、およびロング等（Ｌｏｎｇ  ｅｔ  ａｌ．）、「３次元の電池構成」ケミカルレビューズ、（２００４）、１０４，４４６３−４４９２参照。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
新しいアノードおよびカソードの物質もまた、二次電池のエネルギー密度、安全性、充電／放電率、および寿命を改善する方法として提案されている。リチウム電池におけるシリコン、アルミニウム又は錫のアノードのような新しい高容量物質のうちのいくつかには、リチウムの挿入および引き出し中にその既存の電子電流コレクタから分裂および剥離を引き起こす重大な体積膨張を有している。シリコンアノードはリチウム電池適用のリチウムのためのホスト物質の単位体積当たりのエネルギーより著しく大きなエネルギーを供給する容量を有しているので、シリコンアノードが、例えば、炭素電極の置換として使用することが提案されている。例えば、コニシイケ等（Ｋｏｎｉｓｈｉｉｋｅ  ｅｔ  ａｌ．）、米国特許公報番号２００９／００６８５６７；カサバジュラ等（Ｋａｓａｖａｊｊｕｌａ  ｅｔ  ａｌ．）、「リチウムイオン二次電池用のナノおよびバルクシリコンに基づく挿入アノード」、ジャーナルオブパワーソース１６３（２００７）１００３−１０３９参照。リチウムがアノードに挿入される場合のリチウム・シリコン化合物の構成は、アノードのクラック形成および粉砕に結びつく重大な体積変化をもたらす。その結果、電池が繰り返し放電され充電されるにつれて、電池の容量が減少する場合がある。
【００１１】
様々な方策としては、繰り返された充電および放電のサイクルの結果として、シリコンアノードによって経験する著しい体積変化を示す課題を克服することが提案されている。例えば、ボーディラウ等（Ｂｏｕｒｄｅｒａｕ  ｅｔ  ａｌ．）は、アモルファス・シリコンを開示している（ボーディラウ等（Ｂｏｕｒｄｅｒａｕ  ｅｔ  ａｌ．）、「リチウムイオン電池のために可能なアノード物質としてのアモルファス・シリコン」（ジャーナルオブパワーソース８１−８２（１９９９）２３３−２３６））。リー等（Ｌｉ  ｅｔ  ａｌ．）は、シリコン・ナノ細線を開示している（リー等（Ｌｉ  ｅｔ  ａｌ．）「室温でリチウム挿入および引き出しによって引き起こされるナノシリコン・アノードのクリスタル構造の進展」、ソリッドステートイオニクス１３５（２０００）１８１−１９１）。ＮＬ１０１５９５６では、スロー・ヤーオ・カン（Ｓｌｏｅ  Ｙａｏ  Ｋａｎ）は、電池用の多孔質シリコン電極を開示している。また、シン等（Ｓｈｉｎ  ｅｔ  ａｌ．）は、複数の電池用の多孔質シリコン電極（複数）を開示している（シン等（Ｓｈｉｎ  ｅｔ  ａｌ．）、「再充電可能なリチウム電池用の多孔質シリコンネガティブ電極」（ジャーナルオブパワーソース１３９（２００５）３１４−３２０）。
【００１２】
モノリシック電極は、即ち、バインダーを使用することなく形状を保持する多くの電極物質を含む電極は、成型又は他の方法で形作られ、微粒子物質の凝集体の形を残すように伝導性の作用物質又はバインダーに依存する、微粒子電極を超える性能（重量測定および質量測定のエネルギー密度、率、等）に改良する代替物として提案されている。モノリシックアノードは、例えば、シリコンの単一の凝集体（例えば、単結晶シリコン、多結晶シリコン、あるいはアモルファス・シリコン）を含んでもよく、あるいは、焼結された、又はアノード物質を一緒に溶かし、そして如何なるバインダーも取り除くように他の方法で処理された凝集体となった微粒子体を含んでいてもよい。そのような典型的な実施例においては、シリコン・ウエハーは、ウエハーの一方側がセパレータを通して第１のカソードエレメントに結合し、他方の側がその反対側の第２のカソードエレメントに結合して、リチウムイオン電池用のモノリシックアノード物質として使用することができる。そのような構成においては、重要な技術的な課題の１つとしては、電池の内部において利用可能なスペースを効率的に使用しているときのモノリシック電極から電池の外部への電流を集めて運ぶ能力である。
【００１３】
また、電池をより効率的にパックするために、従来の電池のエネルギー密度は、活動していないコンポーネントの重量および容量を減らすことにより、増やすことができるかもしれない。活性物質アプリケーションプロセスを乗り切るのに十分強くなるために、電流コレクタを形成する箔が最小厚み要求で使用されるので、現在の電池は比較的厚い電流コレクタが使用されている。電流コレクタを制約処理から離れて発明がなされた場合、性能における利点は予想することが可能である。
【００１４】
様々なアプローチにもかかわらず、電池容量および活性物質の使用を改善することの必要性は依然として残っている。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明の様々な態様の中には、電池、燃料電池および電気化学キャパシターのようなエネルギー蓄積デバイスにおいて使用される三次元構造の対策がある。そのような三次元構造は、バックボーン構造の側面上の微細構造のアノード活性物質の層を含んでおり、その層は充電と放電との間を循環するようにアノード活性物質における著しい容積変化に適応するボイド率を含む。有利的には、そのような三次元構造は、垂直に積み重ねられた２つ以上の電池セルに組み入れら、それによって、電池セルにおけるアノード活性物質とカソード物質との間の最短距離は、電池セルの積み重ねられている方向に直角の方向に測定される（例えば、三次元の直交座標（Ｘ−Ｙ−Ｚ）において、積み重ねられる方向がＺ方向である場合、アノード活性物質とカソード物質との間の最短距離は、Ｘの方向、又はＹの方向において測定される）。そのような三次元のエネルギー蓄積デバイスは、従来のデバイスより、単位幾何学的面積当りにおいて、より高いエネルギーの蓄積および回復を生み出すことができる。それらは、蓄積されたエネルギーの具体的な量のために、例えば、アノードとカソードとの間の電子およびイオンの移動のための移動距離を最小化又は減少させることにより、二次元エネルギー蓄積デバイスよりエネルギー回復の率が高いものを提供することができる。これらのデバイスは、デバイスのために利用可能な幾何学的面積が制限されたところの、および／またはエネルギー密度の要求が薄層デバイスで達成されるものより高いところの、小型化および適用化のために、より適したものとなる。
【００１６】
したがって、簡潔に述べると、本発明の１つの態様は、エネルギー蓄積デバイスにおいて使用される構造である。この構造はポピュレーション（集合体）を含み、微細構造化されたアノード活性物質層のポピュレーションを含んでおり、（ａ）ポピュレーションのメンバーは、繊維質で多孔質のアノード活性物質を含み、基準面に実質的に直角である表面を有し、（ｉｉ）基準面に平行な方向に測定された少なくとも１マイクロメートルの厚みと、基準面に直交する方向に測定された少なくとも５０マイクロメートルの高さと、少なくとも０．１のボイド容量率を有する。さらに、基準面に平行な方向に測定された、ポピュレーションの少なくとも２つのメンバーの間の直線的な距離は、ポピュレーションにおける層のいずれ層の最大の高さより大きい。
【００１７】
本発明の別の態様は、一連の側面を含むバックボーン・ネットワークを含むエネルギー蓄積デバイスにおいて使用される構造である。側面は、基準面に実質的に垂直であり、基準面に実質的に垂直な方向において測定された高さが少なくとも５０マイクロメートルである。さらに、その構造は、表面に支持され、測定されたアノード活性物質層のポピュレーション（集合体）を含んでおり、基準面に平行な方向において測定されたポピュレーションにおける表面の少なくとも二つの間の直線的な最大距離が一連の表面におけるいずれのものの最大高さより大きい。微細構造のアノード活性物質層は、フロント面と、バック面と、そして繊維質又は多孔質のアノード活性物質を含んでおり、アノード活性物質層が少なくとも０．１のボイド容量率を有し、少なくとも１マイクロメートルのフロント面とバック面の間の厚みを有する。そのような微細構造のアノード活性物質層のそれぞれのバック面は、そのような微細構造のアノード活性物質層を支持しているバックボーンの側面に近位である。そのような微細構造のアノード活性物質層のそれぞれのフロント面は、そのような微細構造のアノード活性物質層を支持しているバックボーンに遠位である。微細構造のアノード活性物質層のポピュレーションのメンバーにより備えられているファイバーは、そのようなファイバーを含むポピュレーションメンバーのバック面にファイバーのアタッチメントを取り付けるポイントの基準面に実質的に平行である中心軸に取り付けられ、その中心軸を有している。微細構造のアノード活性物質層のポピュレーションのメンバーにより構成されている細孔は、基準面に実質的に平行である長軸を有している。
【００１８】
本発明の別の態様はエネルギー蓄積デバイスで使用される電気化学スタックである。電気化学スタックは、積み重ねられた配置において、カソード構造、セパレータ層、およびアノード構造を備えており、セパレータ層はアノード構造とカソード構造の間に配置され、電気化学スタックにおけるカソード構造と、セパレータ層と、アノード構造の積み重ねられた方向が基準面に平行である。アノード構造は、微細構造のアノード活性物質層を含んでおり、そこにおいて（ａ）ポピュレーション（集合体）のメンバーは、繊維質又は多孔質のアノード活性物質を含んでおり、そして（ｉ）基準面に実質的に垂直な表面と、（ｉｉ）基準面に平行な方向に測定された少なくとも１マイクロメートルの厚みと、（ｉｉｉ）基準面に直交する方向に測定された少なくとも５０マイクロメートルの高さと、そして（ｉｖ）少なくとも０．１のボイド容量率とを有している。さらに、基準面に平行な方向に測定された、ポピュレーションの少なくとも２つのメンバーの間の直線的な距離は、ポピュレーションのメンバーの最大高さより大きい。
【００１９】
本発明の別の態様は、エネルギー蓄積デバイスで使用される電気化学スタックである。電気化学スタックは、アノード構造、カソード構造、およびアノード構造とカソード構造の間の多孔質の誘電体を含むセパレータ層のポピュレーション（集合体）を含む。アノード構造、カソード構造およびセパレータ層は、基準面に実質的に平行な方向に積み重ねられており、それぞれのアノード構造は、（ａ）側面を有するバックボーンと、（ｂ）表面により支持された微細構造のアノード活性物質層とを含み、表面が、基準面に実質的に垂直であり、そして基準面の表面に実質的に垂直である方向に測定された少なくとも５０マイクロメートルの高さを有している。基準面に平行な方向に測定された、ポピュレーションの少なくとも２人のメンバーの間の直線的な距離は、ポピュレーションのメンバーの最大高さより大きい。微細構造のアノード活性物質層は、バック面、フロント面、および繊維質又は多孔質のアノード活性物質を含んでいる。さらに、微細構造のアノード活性物質層は、少なくとも０．１のボイド容量率と、および少なくとも１マイクロメートルのバック面とフロント面との間の厚みを有しており、そこにおいて（ｉ）そのような微細構造のアノード活性物質層のそれぞれのバック面が、そのような微細構造のアノード活性物質層を支持するバックボーンの表面に近位であり、（ｉｉ）そのような微細構造のアノード活性物質層のそれぞれのフロント面が、そのような微細構造のアノード活性物質層を支持するバックボーンの表面に遠位であり、（ｉｉｉ）微細構造のアノード活性物質層のポピュレーションのメンバーにより備えられているファイバーは、そのようなファイバーを含むメンバーのバック面に実質的に垂直である中心軸に取り付けられ、そしてその中心軸を有しており、および、（ｉｖ）微細構造のアノード活性物質層のポピュレーションのメンバーにより備えられている細孔は、基準面に実質的に平行である長軸を有する長孔開口を持っている。
【００２０】
本発明の別の態様は、キャリアー・イオン、非水性の電解質および電気化学スタックを含むエネルギー蓄積デバイスであり、キャリアー・イオンはリチウム、ナトリウムあるいはカリウムのイオンであり、電気化学スタックは、積み重ねられた配置において、カソード構造、セパレータ層およびアノード構造を含み、セパレータ層はアノード構造とカソード構造との間に配置される。電気化学スタックにおけるカソード構造、セパレータ層、およりアノード層の積み重ねの方向は、基準面と平行である。アノード構造は、微細構造のアノード活性物質層を含んでおり、そこにおいて、（ａ）ポピュレーション（集合体）のメンバーは、繊維質又は多孔質のアノード活性物質を含んでおり、そして（ｉ）基準面に実質的に垂直である表面と、（ｉｉ）基準面に平行な方向に測定された少なくとも１マイクロメートルの厚みと、（ｉｉｉ）基準面に直交する方向に測定された少なくとも５０マイクロメートルの高さと、そして（ｉｖ）少なくとも０．１のボイド容量率とを有している。基準面と平行な方向に測定された、ポピュレーションの少なくとも２つのメンバーの間の直線的な距離は、微細構造のアノード活性物質層のポピュレーションの如何なるメンバーの最大高さより大きい。
【００２１】
本発明の別の態様は、キャリアー・イオン、非水性の電解質および少なくとも２つの電気化学スタックを含む二次電池であり、キャリアー・イオン、リチウム、ナトリウムあるいはカリウムのイオンである。電気化学スタックの各々は、積み重ねられた配置において、カソード構造、セパレータ層およびアノード構造を含む。セパレータ層はアノード構造とカソード構造との間に配置され、それぞれのそのような電気化学スタック内のカソード構造、セパレータ層およびアノード構造の積み重ねの方向は、基準面に平行である。アノード構造は、微細構造のアノード活性物質層を含んでおり、そこにおいて、（ａ）ポピュレーション（集合体）のメンバーは、繊維質又は多孔質のアノード活性物質を含んでおり、そして（ｉ）基準面に実質的に垂直である表面と、（ｉｉ）基準面に平行な方向に測定された少なくとも１マイクロメートルの厚みと、（ｉｉｉ）基準面に直交する方向に測定された少なくとも５０マイクロメートルの高さと、そして（ｉｖ）少なくとも０．１のボイド容量率とを有している。さらに、電気化学スタックは基準面に直交する方向に互いに積み重ねられている。
【００２２】
他の目的および特徴は、以下において一部分において明白になり、一部分において指摘されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】リチウムイオン電池のような従来の二次元のエネルギー蓄積デバイスの電気化学スタックのセルの一般的な断面を示す断面図
【図２】二次電池のような本発明の三次元エネルギー蓄積デバイスの２個のセルの概略図
【図３】図２の線３−３に沿ったシリコンを含むアノード活性物質層の断片的な断面図
【図４Ａ】アノードとカソードの構造が本発明の一実施例に従って組み立てられるいくつかの形状の概略図
【図４Ｂ】アノードとカソードの構造が本発明の一実施例に従って組み立てられるいくつかの形状の概略図
【図４Ｃ】アノードとカソードの構造が本発明の一実施例に従って組み立てられるいくつかの形状の概略図
【図４Ｄ】アノードとカソードの構造が本発明の一実施例に従って組み立てられるいくつかの形状の概略図
【図４Ｅ】アノードとカソードの構造が本発明の一実施例に従って組み立てられるいくつかの形状の概略図
【図５】各々が電気化学スタックを含む３つのダイの断片的な断面図
【図６】図５のダイの１つのアノード構造の図
【図７】図６の線７−７に沿った多孔質シリコンを含むアノード活性物質層の断片的な断面図
【図８】本発明のアノード・バックボーンおよびカソード支持構造を製造する工程の出発物質の略図
【図９】本発明のプロセスの一実施例により形成された例示的なアノード・バックボーンおよびカソード支持構造の略図
【図１０】本発明の二次電池の略図
【図１１】本発明の代替実施例によるエネルギー蓄積デバイスの３次元の電気化学スタックの略図
【図１２】本発明の代替実施例によるエネルギー蓄積デバイスの３次元の電気化学スタックの断片的な略図
【図１３】本発明の代替実施例によるエネルギー蓄積デバイスのインターディジット型の３次元の電気化学スタックの略図
【図１４】具体例１に述べられているように準備されたシリコン・バックボーン上の多孔質シリコン層の写真  図面における対応する参照符号は、図面の全体にわたって対応する部分を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
本発明の多様な態様の中には、バッテリー、コンデンサーおよび燃料電池のようなエネルギー蓄積デバイスの電気化学スタックに組み入れられた時、特別の長所を提供している３次元構造に言及しているかもしれない。例えば、そのような構造は、アノード、カソードおよび／またはセパレータが本来は非薄層の二次電池に組み入れられるかもしれない。有利には、そのような非薄層のアノード構造およびカソード構造用の表面積は、１．５倍、２倍、２．５倍あるいは３倍以上に電極を支持するベースの幾何学的な設置面を超えるかもしれない。好ましい例示的な実施例の一つにおいて、そのような構造は、リチウム、ナトリウムおよびカリウムイオンから選択されたキャリアー・イオンがアノードとカソードとの間を移動する二次電池に組み入れられてもよい。
【００２５】
図２は、本発明の一実施例に従って三次元電池の２個のセルの電気化学スタックを概略的に描いている。説明を容易にするために、１つのアノード構造２４と２つのカソード構造２６だけが各セル２０の図２に描かれており、２個のセルだけが図２に示されている。しかしながら、実際的には、各セルの電気化学スタックは、適用に応じて１セル当たりのアノードとカソード構造の数、および電池におけるセルの数で、典型的には、共通の基準面から垂直に延設される一連のアノード構造とカソード構造を含むであろう。例えば、一実施例において、電気化学スタックにおけるアノード構造の数は、少なくとも１０である。一実施例のさらなる例示として、電気化学スタックにおけるアノード構造の数は、少なくとも５０である。さらなる例示として、電気化学スタックにおけるアノード構造の数は、少なくとも１００である。
【００２６】
各セル２０の電気化学スタックは、描かれているように、ベース２２、アノード構造２４およびカソード構造２６を含む。アノード構造２４はそれぞれ、（図示のように）ベース２２の表面である共通基準面から垂直（即ち、図２に表れている直交座標系の軸によって説明されるようなＺ方向）に突出している。アノード構造のそれぞれは、ベース２２に対して近位であるボトム面Ｂと、ベース２２に対して遠位であるトップ面Ｔと、トップ面Ｔからボトム面Ｂまで延びる側面Ｓ１，Ｓ２を有している。側面Ｓ１は角度αでベース２２の表面と交差しており、側面Ｓ２は角度δでベース２２の表面と交差している。好ましい実施例においては、αとδは略等しく、約８０°と１００°との間にある。例えば、一実施例においては、αとδは略等しく、９０°±５°である。特に好ましい実施例では、αとδは実質的に同じであり、略９０°である。交差の角度とは無関係に、各々の側面Ｓ１およびＳ２の表面積の大部分が（表面Ｓ１およびＳ２における如何なる多孔質も無視）、基準面に対して、この実施例においては、ベース２２の表面に対して実質的に垂直である。異なる言い方をすると、各々の側面Ｓ１およびＳ２の表面積の大部分が（表面Ｓ１およびＳ２における如何なる多孔質も無視）、約８０°と１００°との間、より好ましくは９０°±５°の角度で基準面（説明されているようにベース２２の表面）に交差する面（又は複数の面）の中にあることが概ね好ましい。トップ面Ｔは、側面Ｓ１およびＳ２（表面Ｓ１およびＳ２における如何なる多孔質も無視）に実質的に垂直であり、そして、この実施例においてはベース２２の表面である、基準面に対して実質的に平行であることがさらに概ね好ましい。例えば、現在の好ましい一実施例において、ベース２２は実質的に平面を有し、そしてアノード構造２４は、基準面に対して、即ち、この実施例においてはベース２２の平面に対して、実質的に平行なトップ面Ｔを有しており、そして、側面Ｓ１およびＳ２は（表面Ｓ１およびＳ２における如何なる多孔質も無視）、基準面に対して、即ちこの実施例においてはベース２２の平面に対して実質的に垂直である。
【００２７】
説明したように、アノード構造２４のそれぞれは、（説明したようにベース２２の平面である基準面に平行な方向において表面Ｓ３からＳ４まで測定された）厚みＴ３を有するアノード・バックボーン３２と、（説明したようにベース２２の平面である基準面に平行な方向において表面Ｓ１からＳ３まで測定された）厚みＴ１と（説明したようにベース２２の平面である基準面に平行な方向における表面Ｓ２からＳ４まで測定された）Ｔ２とをそれぞれ有するアノード活性物質層３０および３１と、を含んでおり、アノード活性物質層３０および３１が、（基準面に直交する方向に測定された）高さＨＡを含んでいる。充電プロセスにおいて、リチウム（又は他のキャリアー）はカソード構造２６を離れ、アノード活性物質層３０および３１の中へリチウムイオンとしてのセパレータ（図示せず）を通って矢印２３の方向に概ね移動する。使用されたアノード活性物質層によって、リチウムイオンが、挿入する（例えば、合金を形成せずに、アノード物質の母体に入り込む）、又は合金を形成する。放電プロセスにおいて、リチウムイオン（又は、他のキャリアー・イオン）は、アノード活性物質層３０および３１を離れて、セパレータ（図示せず）を通して、矢印２１の方向に移動し、そしてカソード構造２６に移動する。図２で示されているように、２つのセルは垂直（即ち、説明されているように、Ｚ方向）に配置され、アノード活性物質層と個別セルのカソード物質との間の最短距離は、基準面、即ち、この実施例においてはベース２２の実質的な平面（即ち、図示のようにＸ−Ｙ面）に平行な方向であり、且つセルの積み重ねられている方向（即ち、図示のようにＺ方向）において測定される。別の実施例においては、２つのセルが水平に配置されており（即ち、図２に示すように、Ｘ−Ｙ面において）、アノード活性物質層と個別セルのカソード物質との間の最短距離は、基準面、即ち、この実施例においてはベース２２の実質的な平面（即ち、図示のようにＸ−Ｙ面）に平行な方向において測定され、そしてセルの積み重ねられている方向が、基準面（即ち、図２で示されるようなＸ−Ｙ面）に平行である。
【００２８】
アノード・バックボーン３２は、アノード活性物質層３０、３１に機械的な安定性を提供する。典型的には、アノード・バックボーン３２は、少なくとも１マイクロメートルの厚みＴ３（基準面、即ち、図示されているようにベース２２の実質的な平面である基準面の表面に平行な方向においてバック面Ｓ３からバック面Ｓ４まで測定）を有するであろう。アノード・バックボーン３２は実質的より厚みを有するが、１００マイクロメートルを超えた厚さを概ね有するものではないであろう。例えば、一実施例において、アノード・バックボーン３２の厚みは約１〜約５０マイクロメートルであろう。一般的に、アノード・バックボーンは、少なくとも約５０マイクロメートルの高さ、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（基準面、即ち、図示したようにベース２２の実質的な平面である基準面に対して垂直な方向に測定される）を有するであろう。しかしながら、一般的に、アノード・バックボーン３２は約１０，０００マイクロメートルより高い高さを有しておらず、さらに典型的には約５，０００マイクロメートルの高さより高くないであろう。例示として、一実施例において、アノード・バックボーン３２は、約５〜約５０マイクロメートルの厚み、および約５０〜約５，０００マイクロメートルの高さを有するであろう。さらなる例示として、一実施例において、アノード・バックボーン３２は、約５〜約２０マイクロメートルの厚み、および約１００〜約１，０００マイクロメートルの高さを有するであろう。さらなる例示として、一実施例において、アノード・バックボーン３２は、約５〜約２０マイクロメートルの厚み、および約１００〜約２，０００マイクロメートルの高さを有するであろう。
【００２９】
適用に応じて、アノード・バックボーン３２は電気的な伝導性、又は絶縁性であるかもしれない。例えば、一実施例において、アノード・バックボーン３２は電気伝導性であってもよく、アノード活性物質層３０、３１のための電流コレクタを含んでもよい。一実施例において，アノード・バックボーンは、少なくとも約１０３シーメンス／ｃｍの伝導率を有する電流コレクタを含む。さらなる例示として、一実施例において、アノード・バックボーンは、少なくとも約１０４シーメンス／ｃｍの伝導率を有する電流コレクタを含む。さらなる例示として、一実施例において、アノード・バックボーンは、少なくとも約１０５シーメンス／ｃｍの伝導率を有する電流コレクタを含む。他の実施例においては、アノード・バックボーン３２は比較非伝導性である。例えば、一実施例において、アノード・バックボーン３２には１０シーメンス／ｃｍ未満の電気伝導率を有している。一実施例におけるさらなる例示として、アノード・バックボーン３２は１シーメンス／ｃｍ未満の電気伝導率を有している。一実施例における例示として、アノード・バックボーン３２は１０−１シーメンス／ｃｍ未満の電気伝導率を有している。
【００３０】
アノード・バックボーン３２は、例えば、金属、半導体、有機物、セラミックスおよびガラスなどの、形作られる如何なる物質を含んでもよい。現在の好ましい物質としては、シリコンとゲルマニウムのような半導体を含む。しかしながら、代替的に、炭素系有機物、又はアルミニウム、銅、ニッケル、コバルト、チタンおよびタングステンのような金属が、アノード・バックボーン構造に組み込まれてもよい。典型的な一実施例おいては、アノード・バックボーン３２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、アモルファス・シリコンあるいはそれらの組み合わせでもよい。
【００３１】
アノード活性物質層３０、３１は、充電および放電プロセス中にリチウムイオン（又は他のキャリアー・イオン）がアノード活性物質層３０、３１に組み込み（吸蔵）又は離れる（離脱）ので、容量の膨張と収縮に適応するよう意味のある大幅なボイド容量率を提供するために微細構造になっている。一般的に、アノード活性物質層のボイド容量率は少なくとも０．１である。しかしながら、典型的には、アノード活性物質層のボイド容量率は０．８を超えるものではない。例えば、一実施例において、アノード活性物質層のボイド容量率は約０．１５〜約０．７５である。さらなる例示として、一実施例において、アノード活性物質層のボイド容量率は約０．２〜約０．７である。さらなる例示として、一実施例において、アノード活性物質層のボイド容量率は約０．２５〜約０．６である。
【００３２】
微細構造アノード活性物質層の構成およびその形成方法に依存して、微細構造アノード活性物質層は、マクロ多孔質、微小多孔質、又はメソ多孔質の物質の層、若しくは、それらの組み合わせ、例えば、微小多孔質とメソ多孔質との組み合わせ、メソ多孔質とマクロ多孔質との組み合わせなどを含んでもよい。微小多孔質物質は、典型的に、１０ｎｍ未満の孔寸法、１０ｎｍ未満の壁寸法、１〜５０マイクロメートルの孔深さ、および「スポンジ」および不規則な外観、滑らかでない壁および枝分かれした細孔により一般的に特徴付けられている細孔形態により特徴付けられている。メソ多孔質物質は、１０〜５０ｎｍの孔寸法、１０−５０ｎｍの壁寸法、１〜１００マイクロメートルの孔深さ、および多少良く定義された細孔、又は樹枝状の細孔である枝分かれした細孔により概ね特徴付けられた細孔形態により典型的に特徴付けられている。マクロ多孔質物質は、５０ｎｍより大きい孔寸法、５０ｎｍより大きい壁寸法、１〜５００マイクロメートルの孔深さ、および、変化し、直線、枝分かれ又は樹枝状の分岐、および滑らか又は凸凹の壁となるかもしれない細孔形態により典型的に特徴付けられている。さらに、空隙容量は、開放空隙、あるいは閉鎖空隙、又はその組み合わせを含んでもより。一実施例において、空隙容量は、開いた空間を含み、すなわち、アノード活性物質層のフロント面（図２に図示されている面Ｓ１、Ｓ２）に開口を有する空隙を含み、その空隙開口がセパレータおよびカソード活性物質に対向しており、その空隙開口を通して、リチウムイオン（あるいは他のキャリアー・イオン）がアノード活性物質層に入り（吸蔵）、又は離れる（離脱）ことができ、例えば、リチウムイオンは、カソード活性物質層を離れ、そして、概ね矢印２３により示されている方向にアノード活性物質に移動した後、空隙開口を通して、アノード活性物質層に入るかもしれない。別の実施例において、空隙容量は、閉鎖空間を含み、すなわち、アノード活性物質層は、アノード活性物質によって囲まれている空隙を含んでいる。一般的に、開放空隙は、キャリアー・イオンのために、より大きな界面表面積を提供することができる、一方、閉鎖空隙は、それぞれがキャリアー・イオンの入るときのアノード活性物質層の膨張のための空間を提供している間、固体電解質インターフェース（「ＳＥＩ」）に左右されない傾向がある。したがって、特定の実施例においては、アノード活性物質層が、開放および閉鎖の空隙との組み合わせを備えていることが好ましい。
【００３３】
アノード活性物質層３０、３１は、リチウムのようなキャリアー・イオンを吸収（吸蔵）および放出（離脱）することができるアノード活性物質を含む。そのような物質は、グラファイトのような炭素材、あるいは金属、半金属、合金、酸化物、およびリチウムを備えた合金を形成することができる合成物におけるいずれかを含んでいる。アノード物質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、ホウ素、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、アンチモニー、金、銀、亜鉛、ヒ素、ハフニウム、イットリウムおよびパラジウムを含む。典型的な一実施例において、アノード活性物質層３０、３１は、アルミニウム、錫又はシリコンを含み、あるいはそれらの酸化物、それらの窒化物、それらのフッ化物又はそれらの他の合金を含む。別の典型的な一実施例において、アノード活性物質層３０、３１は、微細構造シリコン又はその合金を含む。特に好ましい一実施例において、アノード活性物質層３０、３１は、多孔質シリコン又はその合金、シリコンのファイバー（例えば、ナノ細線）又はその合金、多孔質シリコン又はその合金およびシリコンのファイバー（例えば、ナノ細線）又はその合金との組み合わせ、あるいは少なくとも０．１のボイド容量率を有する微細構造シリコン又はその合金の他の形状を含む。この段落において記載した実施例および具体例のそれぞれにおいて、および本出願における他の箇所において、アノード活性物質層はモノリシック又は微粒子の凝集体であってもよい。
【００３４】
一般的に、アノード活性物質層３０、３１のそれぞれには、フロント面Ｓ１、Ｓ２、バック面、Ｓ３、Ｓ４、および（ベース２２の表面に平行な方向に測定された）少なくとも１マイクロメートルの厚みＴ１、Ｔ２を有している。しかしながら、典型的には、アノード活性物質層３０、３１は各々、２００マイクロメートルを超えない厚みを有している。例えば、一実施例において、アノード活性物質層３０、３１は約１〜約１００マイクロメートルの厚みを有しているであろう。さらなる例示においては、一実施例において、アノード活性物質層３０、３１は約２〜約７５マイクロメートルの厚みを有しているであろう。さらに別の例示においては、一実施例において、アノード活性物質層３０、３１は約１０〜約１００マイクロメートルの厚みを有している。さらに別の例示においては、一実施例において、アノード活性物質層３０、３１は約５〜約５０マイクロメートルの厚みを有している。さらに別の例示においては、そのような実施例において、アノード活性物質層３０、３１は約１〜約１００マイクロメートルの厚みを有し、微細構造シリコンおよび／または、ニッケル・ケイ素化合物のようなその合金を含む。さらに、一実施例において、アノード活性物質層３０、３１は約１〜約５０マイクロメートルの厚みを有し、微細構造シリコンおよび／またはニッケル・ケイ素化合物のようなその合金を含む。一般的に、アノード活性物質層３０、３１は、少なくとも約５０マイクロメートルの高さＨＡ（基準面、即ち、図示しているようにベース２２の実質的な平面である基準面に対して垂直な方向に測定されたように）を有しており、典型的には、少なくとも約１００マイクロメートルを有するであろう。しかしながら、一般的に、アノード活性物質層３０、３１は、典型的には、高々約１０，０００マイクロメートルの高さＨＡを有しており、そしてさらに典型的には、高々約５，０００マイクロメートルの高さＨＡを有しているであろう。例示としては、一実施例において、アノード活性物質層３０、３１は、約１〜約２００マイクロメートルの厚さを有し、および約５０〜約５，０００マイクロメートルの高さを有するであろう。さらなる例示として、一実施例において、アノード活性物質層３０、３１は、約１〜約５０マイクロメートルの厚みを有し、および約１００〜約１，０００マイクロメートルの高さを有するであろう。さらなる例示において、一実施例において、アノード活性物質層３０、３１は、約５〜約２０マイクロメートルの厚みを有し、および約１００〜約１，０００マイクロメートルの高さを有するであろう。さらなる例示において、一実施例において、アノード活性物質層３０、３１は、約１０〜約１００マイクロメートルの厚みを有し、および約１００〜約１，０００マイクロメートルの高さを有するであろう。さらなる例示において、一実施例において、アノード活性物質層３０、３１は、約５〜約５０マイクロメートルの厚みを有し、および約１００〜約１，０００マイクロメートルの高さを有するであろう。
【００３５】
一実施例において、微細構造のアノード活性物質層３０、３１は、多孔質アルミニウム、錫、又はシリコン、あるいはそれらの合金を含む。多孔質シリコン層は、例えば、アノード処理によって、又はエッチング処理によって（例えば、金、プラチナ、又は金／パラジウムを単結晶シリコンの（１００）表面上に被覆し、そして沸化水素酸と過酸化水素の混合物を備えた表面をエッチングすることによって）、あるいはパターン化された化学エッチングの当技術分野において既知の他の方法により形成されてもよい。さらに、アノード活性物質層は、少なくとも約０．１、但し０．８より小さい多孔率（ボイド率）を有し、そして約１〜約１００マイクロメートルの厚みを概ね有するであろう。例えば、一実施例において、アノード活性物質層３０、３１は、多孔質シリコンを含み、約５〜約１００マイクロメートルの厚みを有し、そして約０．１５〜約０．７５の多孔率を有する。さらなる例示として、一実施例において、アノード活性物質層３０、３１は、多孔質シリコンを含み、約１０〜約８０マイクロメートルの厚みを有し、そして約０．１５〜約０．７の多孔率を有する。さらなる例示として、一実施例において、アノード活性物質層３０、３１は、多孔質シリコンを含み、約２０〜約５０マイクロメートルの厚みを有し、そして約０．２５〜約０．６の多孔率を有する。さらなる例示として、一実施例において、アノード活性物質層３０、３１は、多孔質シリコン合金（ニッケル・ケイ素化合物のような）を含み、約５〜約１００マイクロメートルの厚みを有し、そして約０．１５〜約０．７５の多孔率を有する。先に述べた実施例のそれぞれにおいて、アノード活性物質層の厚みは、典型的には細孔の深さを超えるであろう。別の言い方をすれば、細孔のベース（例えば、アノード・バックボーン３２（図２参照）に近位である細孔の表面）はアノード活性物質層とアノード・バックボーンとの間の境界（即ち、図２に描かれているような面Ｓ３およびＳ４）では典型的には生じないであろう、言い換えると、アノード活性物質層とアノード・バックボーンとの間の境界は、細孔のベースから大きな深さ（例えば、図２における矢印２３の方向に測定された、より長い距離）で生じるであろう。
【００３６】
重大な細孔対細孔の変化があるかもしれないが、多孔質シリコン（あるいはその合金）の細孔は、化学又は電気化学のエッチング・プロセスの方向に主に存在する長軸（時々、重心軸として参照される）を有している。ここで、図３参照すると、アノード活性物質層３２が多孔質シリコンを含むとき、細孔６０は、側面Ｓ１（図２参照）に主に垂直であり、基準面、この実施例におけるベース２２の平面、に対して概ね平行な長軸６２を持つであろう。特に、図２に示されているように、セルが垂直に積み重ねられているとき、細孔の長軸はセル積み重ねられる方向に概ね直交する（即ち、積み重ねられる方向が図２に示されているようなＺ方向のとき、細孔の長軸はＸ−Ｙ面に含まれる）。
【００３７】
別の実施例において、微細構造のアノード活性物質層３０、３１は、アルミニウム、錫、又はシリコン、あるいはそれらの合金のファイバーを含む。個々のファイバーの直径（厚みの次元）は、約５ｎｍから約１０，０００ｎｍ、および微細構造のアノード活性物質層３０、３１の厚みに概ね対応する長さを有しているであろう。シリコンのファイバー（ナノ細線）は、例えば、化学蒸着法により、および気体液体固体（ＶＬＳ）成長法および固体液体固体（ＳＬＳ）成長法のような当技術分野において既知の他の技術によって形成されるかもしれない。さらに、アノード活性物質層は、少なくとも約０．１、但し０．８より小さい多孔率を概ね有し、約１〜約２００マイクロメートルの厚みを有するであろう。例えば、一実施例において、アノード活性物質層３０、３１は、シリコン・ナノ細線を含み、約５〜約１００マイクロメートルの厚みを有し、約０．１５〜約０．７５の多孔率を有する。さらなる例示として、一実施例において、アノード活性物質層３０、３１はシリコン・ナノ細線を含み、約１０〜約８０マイクロメートルの厚みを有し、約０．１５〜約０．７の多孔率を有する。さらなる例示として、１つのそのような例示において、アノード活性物質層３０、３１はシリコン・ナノ細線を含み、約２０〜約５０マイクロメートルの厚みを有し、約０．２５〜約０．６の多孔率を有する。さらなる例示として、一実施例において、アノード活性物質層３０、３１は、（ニッケル・ケイ素化合物のような）シリコン合金のナノ細線を含み、約５〜約１００マイクロメートルの厚みを有し、約０．１５〜約０．７５の多孔率を有する。
【００３８】
重要なファイバー対ファイバーの変化があるかもしれないが、アルミニウム、錫、又はシリコン、（あるいはそれらの合金）のナノ細線は、（微細構造のアノード活性物質層に対するナノ細線のアタッチメントのポイントで）アノード・バックボーンに主に垂直であり、バックボーンを支持するベースの表面に平行である長軸（時々重心軸として参照される）を有している（図２参照）。特に、図２に示されるように、セルが垂直に積み重ねられている場合、ファイバーの長軸はセルの積み重ねられている方向に概ね直角である。
【００３９】
別の実施例において、微細構造のアノード活性物質層３０、３１は、シリコン又はその合金、および多孔質シリコン又はその合金のナノ細線を含む。そのような実施例において、アノード活性物質層は、多孔質シリコンとシリコンのナノ細線に関して前述したように、少なくとも約０．１、但し０．８より小さい多孔率を概ね有し、約１〜約１００マイクロメートルの厚みを有するであろう。
【００４０】
図２を再び参照して、ベース２２は堅いバックプレーンとして機能し、広範囲の物質のうちのいずれを用いて構成してもよい。例えば、ベース２２は、セラミックグラス、ポリマー、又は全体の構造に十分な剛性を与える他の物質のいずれかを含む。一実施例において、ベース２２は絶縁しており、例えば、ベース２２は１０シーメンス／ｃｍより小さい電気伝導率を有していてもよい。一つの具体的な実施例においては、ベース２２はシリコン・オン・インシュレーター構造を含んでもよい。しかしながら、いくつかの実施例においては、電気化学スタックが形成された後、ベース２２は除去されてもよい。
【００４１】
ここで、図４Ａ〜４Ｅを参照すると、アノード構造２４およびカソード構造２６は、同じ基準面、この実施例においてはベース２２の平面から突設されており、そして周期的に交替する。さらに、各々の図４Ａ〜４Ｅにおいて、アノード構造２４のそれぞれは、図２により十分に示されているように、そのボトム面とトップ面との間の少なくとも一つの側面を含み、微細構造のアノード活性物質層３０のポピュレーション（集合体）をサポートしている。例えば、アノード構造２４が柱形状（図４Ａ）である場合、微細構造のアノード活性物質層は、側面の周囲に少なくとも部分的に、好ましくは全体的に延びている。さらなる例示として、図示されているように、アノード構造２４が２つの（又はさらに多くの）側面を有している場合、例えば、図４Ｂ〜４Ｅにおいて、少なくとも部分的に、および好ましくは全体的にアノード活性物質層が、側面の少なくとも１つをカバーしている。さらに、ポピュレーションにおける微細構造のアノード活性物質層のそれぞれが、（ベース２２に垂直な方向に測定された）高さを有し、そしてそれらの層は、ベース２２の平面に実質的に平行である方向に測定されたポピュレーションの少なくとも２つの層、例えば、層３０Ａおよび層３０Ｂ、の間の直線的距離（ＤＬ）がポピュレーションにおけるいずれの層の最大高さより大きくなるように配置されている（即ち、ポピュレーションにおけるアノード活性物質層の全ての最大の高さを有するアノード活性物質層の高さＨＡを超える直線的距離ＤＬにより分けられているアノード活性物質層のポピュレーションにおける少なくとも一組のアノード活性物質層が存在している）。例えば、一実施例において、ポピュレーションの少なくとも二つの層、例えば、層３０Ａおよび層３０Ｂ、の少なくとも２つの間の直線的距離（ＤＬ）は、ポピュレーションにおけるいずれの層の最大高さより少なくとも２倍大きく、そしていくつかの実施例においては、例えば、少なくとも５倍又は１０倍までも実質的により大きくなっている。さらなる例示として、一実施例において、ポピュレーションの大部分の層の間の直線的距離（ＤＬ）は、ポピュレーションにおけるいずれの層の最大高さより少なくとも２倍大きく、そしていくつかの実施例においては、例えば、少なくとも５倍又は１０倍までも実質的により大きくなっている。
【００４２】
図４Ａは、柱形状におけるアノード構造２４およびカソード構造２６での三次元組立を示す。柱の各々は、ベース２２から垂直に突出している側面（図示せず）を有するバックボーンを含む。バックボーンの各々の側面は、アノード活性物質層３０を支持し、層３０は、ポピュレーションの少なくとも２つの層の間の直線的距離、例えば、層３０Ａと層３０Ｂの間の直線的距離が、ポピュレーションにおけるいずれの層の最大高さより大きい。例えば、一実施例において、ポピュレーションのアノード活性物質層の少なくとも一組（即ち、ポピュレーションにおける２つのアノード活性物質層の可能な組における少なくとも一組）の部材の間の直線的距離（ＤＬ）は、ポピュレーションにおけるいずれのアノード活性物質層の最大高さより少なくとも２倍大きく、そしていくつかの実施例においては、例えば、少なくとも５倍又は１０倍までも実質的により大きくなっている。さらなる例示として、一実施例において、ポピュレーションの大部分のアノード活性物質層の間の直線的距離（ＤＬ）は、ポピュレーションにおけるいずれのアノード活性物質層の最大高さより少なくとも２倍大きく、そしていくつかの実施例においては、例えば、少なくとも５倍又は１０倍までも実質的により大きくなっている。
【００４３】
図４Ｂは、プレート形状におけるカソード構造２６およびアノード構造２４での三次元組立を示す。プレートの各々は、ベース２２から垂直に突出している側面（図示せず）を有するバックボーンを含む。バックボーンの各々の側面は、アノード活性物質層３０を支持し、層３０は、ポピュレーションの少なくとも２つの層の間の直線的距離、例えば、層３０Ａと層３０Ｂの間の直線的距離が、ポピュレーションにおけるいずれの層の最大高さより大きい。例えば、一実施例において、ポピュレーションのアノード活性物質層の少なくとも一組（即ち、ポピュレーションにおける２つのアノード活性物質層の可能な組における少なくとも一組）の部材の間の直線的距離（ＤＬ）は、ポピュレーションにおけるいずれのアノード活性物質層の最大高さより少なくとも２倍大きく、そしていくつかの実施例においては、例えば、少なくとも５倍又は１０倍までも実質的により大きくなっている。さらなる例示として、一実施例において、ポピュレーションの大部分のアノード活性物質層の間の直線的距離（ＤＬ）は、ポピュレーションにおけるいずれのアノード活性物質層の最大高さより少なくとも２倍大きく、そしていくつかの実施例においては、例えば、少なくとも５倍又は１０倍までも実質的により大きくなっている。
【００４４】
図４Ｃは、同心円形状におけるカソード構造２６およびアノード構造２４での三次元組立を示す。同心円の各々は、ベース２２から垂直に突出している側面（図示せず）を有するバックボーンを含む。バックボーンの各々の側面は、アノード活性物質層３０を支持し、層３０はポピュレーションの少なくとも２つの層の間の直線的距離、例えば、層３０Ａと層３０Ｂの間の直線的距離が、ポピュレーションにおけるいずれの層の最大高さより大きい。例えば、一実施例において、ポピュレーションのアノード活性物質層の少なくとも一組（即ち、ポピュレーションにおける２つのアノード活性物質層の可能な組における少なくとも一組）の部材の間の直線的距離（ＤＬ）は、ポピュレーションにおけるいずれのアノード活性物質層の最大高さより少なくとも２倍大きく、そしていくつかの実施例においては、例えば、少なくとも５倍又は１０倍までも実質的により大きくなっている。さらなる例示として、一実施例において、ポピュレーションの大部分のアノード活性物質層の間の直線的距離（ＤＬ）は、ポピュレーションにおけるいずれのアノード活性物質層の最大高さより少なくとも２倍大きく、そしていくつかの実施例においては、例えば、少なくとも５倍又は１０倍までも実質的により大きくなっている。
【００４５】
図４Ｄは、波形状におけるカソード構造２６およびアノード構造２４での三次元組立を示す。波の各々は、ベース２２から垂直に突出している側面（図示せず）を有するバックボーンを含む。バックボーンの各々の側面は、アノード活性物質層３０を支持し、層３０はポピュレーションの少なくとも２つの層の間の直線的距離、例えば、層３０Ａと層３０Ｂの間の直線的距離が、ポピュレーションにおけるいずれの層の最大高さより大きい。例えば、一実施例において、ポピュレーションのアノード活性物質層のいずれの組（即ち、ポピュレーションにおける２つのアノード活性物質層の可能な組のいずれの組）の２つの部材の間の直線的距離（ＤＬ）は、ポピュレーションにおけるいずれのアノード活性物質層の最大高さより少なくとも２倍大きく、そしていくつかの実施例においては、例えば、少なくとも５倍又は１０倍までも実質的により大きくなっている。さらなる例示として、一実施例において、ポピュレーションの大部分のアノード活性物質層の間の直線的距離（ＤＬ）は、ポピュレーションにおけるいずれのアノード活性物質層の最大高さより少なくとも２倍大きく、そしていくつかの実施例においては、例えば、少なくとも５倍又は１０倍までも実質的により大きくなっている。
【００４６】
図４Ｅは、ハニコームパターンにおけるカソード構造２６およびアノード構造２４での三次元組立を示す。カソード構造２６は、ハニコーム構造の各単位セルの中心に柱形状に形成されており、そしてハニコーム構造の各単位セルの壁は、ベース２２から垂直に突出している側面（図示せず）を有する相互に連結したバックボーン・ネットワーク（システム）を含む。バックボーン・ネットワーク（システム）の側面は、アノード活性物質層３０を支持し、層３０はポピュレーションの少なくとも２つの層、例えば、層３０Ａと層３０Ｂ、の間の直線的距離がポピュレーションにおけるいずれの層の最大高さより大きい。例えば、一実施例において、ポピュレーションのアノード活性物質層のいずれの組（即ち、ポピュレーションにおける２つのアノード活性物質層の可能な組のいずれの組）の２つの部材の間の直線的距離（ＤＬ）は、ポピュレーションにおけるいずれのアノード活性物質層の最大高さより少なくとも２倍大きく、そしていくつかの実施例においては、例えば、少なくとも５倍又は１０倍までも実質的により大きくなっている。さらなる例示として、一実施例において、ポピュレーションの大部分のアノード活性物質層の間の直線的距離（ＤＬ）は、ポピュレーションにおけるいずれのアノード活性物質層の最大高さより少なくとも２倍大きく、そしていくつかの実施例においては、例えば、少なくとも５倍又は１０倍までも実質的により大きくなっている。代替の実施例において、三次元組立はハニコーム構造であるが、アノード構造およびカソード構造の相対的位置が、図４Ｅに示された実施例の構成に対して逆であり、即ち、代替の一実施例においては、アノード構造が、（アノード活性物質層を支持する側面を有する）柱形状に形成されており、各単位セルの壁はカソード活性物質を含む。
【００４７】
アノード構造の形状とは無関係に、一実施例において、エレクトロクロミック・スタックは、部材として少なくとも２０のアノード活性物質層を有している微細構造のアノード活性物質層のポピュレーションを含む。例えば、一実施例において、ポピュレーションは少なくとも５０の部材を含む。さらなる例示として、一実施例において、ポピュレーションは少なくとも１００の部材を含む。他の実施例において、ポピュレーションは少なくとも１５０、少なくとも２００、又は少なくとも５００の部材までも含んでもよい。
【００４８】
ここで図５を参照すると、ダイ・スタック１４は３つのダイを含み、各ダイ２０は、ベース２２と、ベース２２から突出しているアノード構造２４およびカソード構造２６の交互のシリーズを含む電気化学スタックを含む。アノード構造２４のそれぞれは、アノード・バックボーン３２、微細構造のアノード活性物質層３１、およびアノード電流コレクタ２８を含む。アノード構造２４のアノード活性物質層３１のそれぞれは、（ベース２２に直交する方向に測定された）高さＨＡを有する。カソード構造２６のそれぞれは、カソード物質２７、カソード電流コレクタ３４、およびカソード・バックボーン３６を含む。セパレータ３８は各アノード構造２４と各カソード構造２６との間に配置されている。一実施例において、ベース２２は除去され、アノード構造２４およびカソード構造２６はベース２２に平行な共通基準面から突出する。
【００４９】
図示を容易にするために、各ダイ２０のために２つのアノード構造２４および１つのカソード構造２６だけを図５に示し、図５においては３つのダイのみを表している。しかしながら、実際、各ダイは、適用に応じて電気化学スタックあたりのアノード構造とカソード構造の数、および垂直スタックのダイの数で、アノード構造およびカソード構造の交互のシリーズを含む電気化学スタックを典型的には有している。携帯電話とコンピューターのようなポータブル電子機器用リチウムイオン電池については、例えば、各ダイは約２０〜約５００のアノード構造およびほぼ等しい数のカソード構造を含んでもよい。例えば、一実施例において、各ダイは、少なくとも２０、少なくとも５０、少なくとも１００、少なくとも１５０、少なくとも２００、又は少なくとも５００までものアノード構造、およびほぼ等しい数のカソード構造を含んでもよい。ダイのサイズは、適用に応じて実質的に変わるかもしれない。携帯電話とコンピューターのようなポータブル電子機器用リチウムイオン電池については、例えば、各ダイは、５０ｍｍ（Ｌ）ｘ５０ｍｍ（Ｗ）ｘ５ｍｍ（Ｈ）のサイズを有していてもよい。さらに、一実施例において、好ましくは、ダイの電気化学スタック内のアノード構造、セパレータ層およびカソード構造の積み重ねられている方向に直交する方向に、互い関連して積み重ねられている。異なる言い方をすると、各ダイは、好ましくは、個々のダイの各ベース２２（又は共通の基準面）の実質的な平面に直交している方向に積み重ねられている。代替の一実施例において、ダイの電気化学スタック内のアノード構造、セパレータ層およびカソード構造の積み重ねられている方向に平行である方向に、好ましくは、互い関連して積み重ねられている。異なる言い方をすると、各ダイは、個々のダイの各ベース２２（又は共通の基準面）の実質的な平面に平行である面内に横たわる方向に好ましくは積み重ねられている。
【００５０】
ベース２２は硬質バックプレーンとして機能し、物質における広範囲のもので構成してもよい。以前に述べたように、ベース２２は、セラミック、グラス、ポリマー、又は全体構造に対して十分な剛性および電気絶縁を提供する他の一連の物質のいずれかを含んでもよい。一実施例において、ベース２２は除去されるか、そうでなければ（アノード構造とカソード構造との間の電気的短絡を防止するためにいくつかの構造又は手段の提供を条件として）省略され、アノード構造とカソード構造が共通ベースに代わり共通の基準面から突出している。
【００５１】
アノード構造２４の全体の寸法は、一部分において、適用に依存するかもしれないし、一部分において、製造関連に依存するかもしれない。携帯電話とコンピューターのようなポータブル電子機器用リチウムイオン電池については、例えば、各アノード構造２４は、典型的には少なくとも約５０マイクロメートルの高さ、より典型的に少なくとも約１００マイクロメートルの高さ（ベース２２に垂直の方向に測定されたように）を有するであろう。しかしながら、一般的に、アノード構造は、典型的には、約１０，０００マイクロメートル未満の高さを有し、より典型的には、約５，０００マイクロメートル未満の高さを有する。さらに、同じ電気化学スタック２０のアノード活性物質層３１の少なくとも１組（図示せず）の間の直線的距離は、同じ電気化学スタックにおけるアノード活性物質層のポピュレーションの部材の最大高さ（ＨＡ）を好ましくは超える。
【００５２】
再び図５を参照して、各アノード構造２４は、アノード電流コレクタ層２８を含み、アノード電流コレクタ層２８がアノード活性物質層３１に重なって接触し、そしてアノード活性物質層３１がアノード・バックボーン３２に順番に重なって接触している。キャリアー・イオンがそのような電気化学スタックのアノード活性物質とカソード活性物質との間を移動するため、したがって、それらは、セパレータとアノード活性物質層との間に配置されたアノード電流コレクタ層２８を通り抜ける。この実施例において、アノード電流コレクタ層２８は、セパレータからアノード活性物質層へのキャリアー・イオンの移動を容易にするキャリアー・イオンに対する十分なイオン透過性と、電流コレクタとして機能することを可能とする十分な電気伝導性を有するイオン透過コンダクタを含む。
【００５３】
アノード活性物質層とセパレータとの間に配置されて、アノード電流コレクタ層がアノード活性物質層の表面を横切ってアノード電流コレクタからの流れを分配することにより、より一定のキャリアー・イオンの移動を促進することができる。これは、次に、キャリアー・イオンのより一定の挿入（吸蔵）および引出し（離脱）を促進するものとし、そのために、循環においてアノード活性物質におけるストレスを減らすことができる。アノード電流コレクタ層は、セパレータに対向しているアノード活性物質層の表面に電流を分配しているので、キャリアー・イオン濃度が最も大きいところで、キャリアー・イオンのためのアノード活性物質層の反応度は、最も大きくなるであろう。
【００５４】
この実施例において、アノード電流コレクタ層は、イオンおよび電気の両方の伝導性を有するイオン透過コンダクタ物質を含む。異なる言い方をすると、アノード電流コレクタ層は、厚み、電気伝導率、および、電気化学スタックにおける、イオン透過コンダクタ層の一方側の直に隣接した活性電極物質層と、アノード電流コレクタ層の他方側の直に隣接したセパレータ層との間のキャリアー・イオンの移動を容易なものとするキャリアー・イオンのイオン伝導度を有している。相対的な基本において、デバイスにエネルギーを格納するために電流が与えられている場合、又はデバイスを放電するために負荷が与えられている場合、アノード電流コレクタ層は、そのイオン伝導度より大きい電気伝導度を有する。例えば、デバイスにエネルギーを格納するために電流が与えられている場合、又はデバイスを放電するために負荷が与えられている場合、アノード電流コレクタ層の（キャリアー・イオンのための）イオン伝導度に対する電気伝導度の比率は、典型的には、それぞれに、少なくとも１，０００：１であろう。さらなる例示として、そのような一実施例において、デバイスにエネルギーを格納するために電流が与えられている場合、又はデバイスを放電するために負荷が与えられている場合、アノード電流コレクタ層の（キャリアー・イオンのための）イオン伝導度に対する電気伝導度の比率は、それぞれに、少なくとも５，０００：１である。さらなる例示として、そのような一実施例において、デバイスにエネルギーを格納するために電流が与えられている場合、又はデバイスを放電するために負荷が与えられている場合、アノード電流コレクタ層の（キャリアー・イオンのための）イオン伝導度に対する電気伝導度の比率は、それぞれに、少なくとも１０，０００：１である。さらなる例示として、そのような一実施例において、デバイスにエネルギーを格納するために電流が与えられている場合、又はデバイスを放電するために負荷が与えられている場合、アノード電流コレクタ層の（キャリアー・イオンのための）イオン伝導度に対する電気伝導度の比率は、それぞれに、少なくとも５０，０００：１である。さらなる例示として、そのような一実施例において、デバイスにエネルギーを格納するために電流が与えられている場合、又はデバイスを放電するために負荷が与えられている場合、アノード電流コレクタ層の（キャリアー・イオンのための）イオン伝導度に対する電気伝導度の比率は、それぞれに、少なくとも１００，０００：１である。
【００５５】
一実施例において、およびデバイスにエネルギーを格納するために電流が与えられている場合、又はデバイスを放電するために負荷が与えられている場合、例えば、二次電池が充電され、又は放電される場合、アノード電流コレクタ層は、隣接するセパレータ層のイオン伝導度に匹敵するイオン伝導度を有する。例えば、一実施例において、デバイスにエネルギーを格納するために電流が与えられている場合、又はデバイスを放電するために負荷が与えられている場合、アノード電流コレクタ層は、セパレータ層のイオン伝導度の少なくとも５０％である（キャリアー・イオンのための）イオン伝導度を有している（即ち、それぞれが、０．５：１の比率）。さらなる例示として、いくつかの実施例において、デバイスにエネルギーを格納するために電流が与えられている場合、又はデバイスを放電するために負荷が与えられている場合、セパレータ層の（キャリアー・イオンのための）イオン伝導度に対するアノード電流コレクタ層の（キャリアー・イオンのための）イオン伝導度の比率は、少なくとも１：１である。さらなる例示として、いくつかの実施例において、デバイスにエネルギーを格納するために電流が与えられている場合、又はデバイスを放電するために負荷が与えられている場合、セパレータ層の（キャリアー・イオンのための）イオン伝導度に対するアノード電流コレクタ層の（キャリアー・イオンのための）イオン伝導度の比率は、少なくとも１．２５：１である。さらなる例示として、いくつかの実施例において、デバイスにエネルギーを格納するために電流が与えられている場合、又はデバイスを放電するために負荷が与えられている場合、セパレータ層の（キャリアー・イオンのための）イオン伝導度に対するアノード電流コレクタ層の（キャリアー・イオンのための）イオン伝導度の比率は、少なくとも１．５：１である。さらなる例示として、いくつかの実施例において、デバイスにエネルギーを格納するために電流が与えられている場合、又はデバイスを放電するために負荷が与えられている場合、セパレータ層の（キャリアー・イオン（アノード電流コレクタ層）のための）イオン伝導度に対するアノード電流コレクタ層の（キャリアー・イオンのための）イオン伝導度の比率は、少なくとも２：１である。
【００５６】
一実施例において、アノード電流コレクタ層は、さらにアノード活性物質層の電気伝導度より実質的に大きい電気伝導度を有する。例えば、一実施例において、デバイスにエネルギーを格納するために電流が与えられている場合、又はデバイスを放電するために負荷が与えられている場合、アノード活性物質層の電気伝導度に対するアノード電流コレクタ層の電気伝導度の比率は、少なくとも１００：１である。さらなる例示として、いくつかの実施例において、デバイスにエネルギーを格納するために電流が与えられている場合、又はデバイスを放電するために負荷が与えられている場合、アノード活性物質層の電気伝導度に対するアノード電流コレクタ層の電気伝導度の比率は、少なくとも５００：１である。さらなる例示として、いくつかの実施例において、デバイスにエネルギーを格納するために電流が与えられている場合、又はデバイスを放電するために負荷が与えられている場合、アノード活性物質層の電気伝導度に対するアノード電流コレクタ層の電気伝導度の比率は、少なくとも１０００：１である。さらなる例示として、いくつかの実施例において、デバイスにエネルギーを格納するために電流が与えられている場合、又はデバイスを放電するために負荷が与えられている場合、アノード活性物質層の電気伝導度に対するアノード電流コレクタ層の電気伝導度の比率は、少なくとも５０００：１である。さらなる例示として、いくつかの実施例において、デバイスにエネルギーを格納するために電流が与えられている場合、又はデバイスを放電するために負荷が与えられている場合、アノード活性物質層の電気伝導度に対するアノード電流コレクタ層の電気伝導度の比率は、少なくとも１０，０００：１である。
【００５７】
この実施例において、アノード電流コレクタ層（即ち、セパレータと、アノード電流コレクタ層が挟まれるアノード活性物質層との間の最短距離）の厚みは、電気化学スタックのための層の成分および仕様の構成に依存するであろう。一般的に、アノード電流コレクタ層がイオン透過伝導層である場合、その厚みは少なくとも約３００オングストロームであろう。例えば、いくつかの実施例において、それは約３００〜８００オングストロームの範囲の厚みを有しているかもしれない。しかしながら、より典型的には、それは約０．１マイクロメートルより大きな厚みを有しているであろう。一般的に、イオン透過伝導層は約１００マイクロメートルより大きくない厚みを有するであろう。したがって、例えば、一実施例において、アノード電流コレクタ層は約０．１〜約１０マイクロメートルの範囲の厚みを有するであろう。さらなる例示として、いくつかの実施例において、アノード電流コレクタ層は約０．１〜約５マイクロメートルの範囲の厚みを有するであろう。さらなる例示として、いくつかの実施例において、アノード電流コレクタ層は約０．５〜約３マイクロメートルの範囲の厚みを有するであろう。一般的に、アノード電流コレクタ層の厚みがほぼ一定であることは好ましい。例えば、一実施例において、アノード電流コレクタ層は約２５％より小さい不均一厚みを有していることが好ましく、そこにおいて、不均一厚みとは、その層の最大厚みからその層の最小厚みを引いて、平均層厚みで割った値として定義される。特定の実施例において、厚みの変化はさらに小さいものである。例えば、いくつかの実施例において、アノード電流コレクタ層は約２０％より小さい厚み不均一を有する。さらなる例示として、いくつかの実施例において、アノード電流コレクタ層は約１５％より小さい厚み不均一を有する。いくつかの実施例において、イオン透過伝導層は約１０％より小さい厚み不均一を有する。
【００５８】
好ましい一実施例において、アノード電流コレクタ層は、イオン透過性および電気伝導性に寄与する、電気伝導コンポーネントとイオン伝導コンポーネントとを含むイオン透過伝導層である。典型的には、電気伝導コンポーネントは、メッシュ又はパターン化の表面、フィルムの形の連続電気伝導物質（例えば、連続物質又は金属合金）、又はこの連続電気伝導物質（例えば、連続物質又は金属合金）を含む複合物質を含むであろう。さらに、イオン伝導コンポーネントは、典型的には、細孔を含んでおり、例えば、メッシュの隙間、パターン化金属又は金属層を含む金属合金の間のスペース、金属フィルムにおける細孔、あるいはキャリアー・イオンのための十分な拡散率を有する固体イオン伝導体を含むであろう。特定の実施例において、イオン透過伝導層は、析出された多孔質物質、イオン輸送物質、イオン反応物質、複合物質、又は物理的多孔質物質を含むかもしれない。もし、多孔質ならば、例えば、イオン透過伝導層は少なくとも約０．２５のボイド率を有する場合があるかもしれない。しかしながら、一般的に、ボイド率は典型的には約０．９５を超えるものではないであろう。より典型的には、イオン透過伝導層が多孔質である場合、ボイド率は約０．２５〜約０．８５の範囲にある。いくつかの実施例において、例えば、イオン透過伝導層が多孔質である場合、ボイド率は約０．３５〜約０．６５の範囲にある。
【００５９】
図５に示された実施例において、アノード電流コレクタ層２８は、アノード活性物質層３１のための単一のアノード電流コレクタである。異なる言い方をすると、この実施例において、アノード・バックボーン３２はアノード電流コレクタを含まない。しかしながら、他の特定の実施例において、アノード・バックボーン３２は任意にアノード電流コレクタを含んでもよい。
【００６０】
各カソード構造２６は、カソード活性物質の混合物を含むカソード活性物質２７のいずれを含んでもよい。例えば、リチウムイオン電池のために、ＬｉＣｏＯ２、ＬｉＮｉ０．５Ｍｎ１．５Ｏ４、Ｌｉ（ＮｉｘＣｏｙＡｌ２）Ｏ２、ＬｉＦｅＰＯ４、Ｌｉ２ＭｎＯ４、Ｖ２Ｏ５、などのカソード物質、およびモリブデン酸硫化物。カソード活性物質は、例えば、電気泳動析出、電着、共同析出、又はスラリー析出を含む一連の技術のうちのどれによってもカソード構造を形成するように析出される。典型的な一実施例において、前述のカソード活性物質の１つ、又はその組み合わせは、微粒子形において、電気泳動で析出される。別の典型的な実施例において、Ｖ２Ｏ５のようなカソード活性物質は電着される。別の典型的な実施例において、前述のカソード活性物質の１つ、又はその組み合わせは、微粒子形において、ポリアニリンのような伝導母体において共同析出される。別の典型的な実施例において、前述のカソード活性物質の１つ、又はその組み合わせは、微粒子形において、スラリーで析出される。析出の方法と関係なく、カソード活性物質層は、典型的には、１ミクロンと１ｍｍの間の厚さを有しているであろう。特定の実施例においては、層厚みは５ミクロンと２００ミクロンの間であり、また、特定の実施例においては、層厚みは１０ミクロンと１５０ミクロンの間にある。
【００６１】
各カソード構造２６は、図５に示されている実施例において、カソード・サポート３６に重なるカソード電流コレクタ３４を含む。カソード電流コレクタ３４は、アノード電流コレクタのために以前に識別された金属のうちのいずれを含んでもよい、例えば、一実施例において、カソード電流コレクタ３４はアルミニウム、炭素、クロミウム、金、ニッケル、ＮｉＰ、パラジウム、プラチナ、ロジウム、ルテニウム、シリコンとニッケルの合金、チタン、又はそれらの組み合わせ（エイ．エッチ．ホワイトヘッドおよびエム．シュレベール、電気化学学会のジャーナル（１５２（１１）Ａ２１０５−Ａ２１１３（２００５））による「リチウムに基づいたバッテリーの正極用の電流コレクタ」参照）を含む。さらなる例示として、一実施例において、カソード電流コレクタ層３４は、金、又は金・ケイ素化合物のようなその合金を含む。さらなる例示として、一実施例において、カソード電流コレクタ層３４はニッケル、又はニッケル・ケイ素化合物のようなその合金を含む。
【００６２】
同様に、カソード・サポート３６は、アノード・バックボーンのために以前に識別された物質のうちのいずれかを含んでもよい。現在、好ましい物質は、シリコンとゲルマニウムのような半導体物質を含んでいる。しかしながら、代替的に、プラチナ、ロジウム、アルミニウム、金、ニッケル、コバルト、チタン、タングステンおよびそれらの合金のような、炭素に基づいた有機物質あるいは金属が、カソード・サポート構造にまた組み入れられるかもしれない。典型的には、カソード・サポートは、少なくとも約５０マイクロメートルの高さを有するであろうし、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であろうし、そして、使用される製造方法により許容される厚み（最小を含む）のうちのいずれも有するであろう。しかしながら、一般的に、カソード・サポート３６は、典型的には、約１０，０００マイクロメートルより大きくない高さを有するであろうし、そしてさらに典型的には、約５，０００マイクロメートルより大きくない高さを有するであろう。さらに、そのような実施例において、カソード電流コレクタ３４は約０．５〜５０マイクロメートルの範囲の厚みを有するであろう。
【００６３】
代替的な実施例において、カソード電流コレクタ層およびカソード活性物質層の位置は、図５に示されているようなそれらの位置に対して逆である。異なる言い方をすると、いくつかの実施例において、カソード電流コレクタ層はセパレータ層とカソード活性物質層との間に配置される。そのような実施例において、直に隣接したカソード活性物質層のためのカソード電流コレクタは、アノード電流コレクタ層に関して述べた成分および構成を有しているイオン透過伝導体を含む。即ち、カソード電流コレクタ層は、イオン伝導性および電気伝導性のイオン透過伝導物質の層を含む。この実施例において、カソード電流コレクタ層は、厚み、電気伝導率、そして、電気化学スタックにおける、カソード電流コレクタ層の一方における直に隣接するカソード電流コレクタ層と、カソード電流コレクタ層の他方における直に隣接するセパレータ層との間のキャリアー・イオンの移動を促進する、キャリアー・イオン用のイオン伝導率を有している。この実施例における相対的な基本において、デバイスにエネルギーを格納するために電流が与えられている場合、又はデバイスを放電するために負荷が与えられている場合、カソード電流コレクタ層は、そのイオン伝導度より大きい電気伝導度を有する。例えば、デバイスにエネルギーを格納するために電流が与えられている場合、又はデバイスを放電するために負荷が与えられている場合、カソード電流コレクタ層の（キャリアー・イオンのための）イオン伝導度に対する電気伝導度の比率は、典型的には、それぞれに、少なくとも１，０００：１であろう。さらなる例示として、そのような一実施例において、デバイスにエネルギーを格納するために電流が与えられている場合、又はデバイスを放電するために負荷が与えられている場合、カソード電流コレクタ層の（キャリアー・イオンのための）イオン伝導度に対する電気伝導度の比率は、それぞれに、少なくとも５，０００：１である。さらなる例示として、そのような一実施例において、デバイスにエネルギーを格納するために電流が与えられている場合、又はデバイスを放電するために負荷が与えられている場合、カソード電流コレクタ層の（キャリアー・イオンのための）イオン伝導度に対する電気伝導度の比率は、それぞれに、少なくとも１０，０００：１である。さらなる例示として、そのような一実施例において、デバイスにエネルギーを格納するために電流が与えられている場合、又はデバイスを放電するために負荷が与えられている場合、カソード電流コレクタ層の（キャリアー・イオンのための）イオン伝導度に対する電気伝導度の比率は、それぞれに、少なくとも５０，０００：１である。さらなる例示として、そのような一実施例において、デバイスにエネルギーを格納するために電流が与えられている場合、又はデバイスを放電するために負荷が与えられている場合、カソード電流コレクタ層の（キャリアー・イオンのための）イオン伝導度に対する電気伝導度の比率は、それぞれに、少なくとも１００，０００：１である。
【００６４】
この実施例において、デバイスにエネルギーを格納するために電流が与えられている場合、又はデバイスを放電するために負荷が与えられている場合、例えば、二次電池が充電され、又は放電される場合、カソード電流コレクタ層は、隣接するセパレータ層のイオン伝導度に匹敵するイオン伝導度を有する。例えば、一実施例において、デバイスにエネルギーを格納するために電流が与えられている場合、又はデバイスを放電するために負荷が与えられている場合、カソード電流コレクタ層は、セパレータ層のイオン伝導度の少なくとも５０％である（キャリアー・イオンのための）イオン伝導度を有している（即ち、それぞれが、０．５：１の比率）。さらなる例示として、いくつかの実施例において、デバイスにエネルギーを格納するために電流が与えられている場合、又はデバイスを放電するために負荷が与えられている場合、セパレータ層の（キャリアー・イオンのための）イオン伝導度に対するカソード電流コレクタ層の（キャリアー・イオンのための）イオン伝導度の比率は、少なくとも１：１である。さらなる例示として、いくつかの実施例において、デバイスにエネルギーを格納するために電流が与えられている場合、又はデバイスを放電するために負荷が与えられている場合、セパレータ層の（キャリアー・イオンのための）イオン伝導度に対するカソード電流コレクタ層の（キャリアー・イオンのための）イオン伝導度の比率は、少なくとも１．２５：１である。さらなる例示として、いくつかの実施例において、デバイスにエネルギーを格納するために電流が与えられている場合、又はデバイスを放電するために負荷が与えられている場合、セパレータ層の（キャリアー・イオンのための）イオン伝導度に対するカソード電流コレクタ層の（キャリアー・イオンのための）イオン伝導度の比率は、少なくとも１．５：１である。さらなる例示として、いくつかの実施例において、デバイスにエネルギーを格納するために電流が与えられている場合、又はデバイスを放電するために負荷が与えられている場合、セパレータ層の（キャリアー・イオン（カソード電流コレクタ層）のための）イオン伝導度に対するカソード電流コレクタ層の（キャリアー・イオンのための）イオン伝導度の比率は、少なくとも２：１である。
【００６５】
カソード電流コレクタ層がカソード活性物質層とセパレータとの間にある実施例において、カソード電流コレクタは、カソード活性物質層の電気伝導度より実質的に大きい電気伝導度を有するイオン透過伝導層を含む。例えば、一実施例において、デバイスにエネルギーを格納するために電流が与えられている場合、又はデバイスを放電するために負荷が与えられている場合、カソード活性物質層の電気伝導度に対するカソード電流コレクタ層の電気伝導度の比率は、少なくとも１００：１である。さらなる例示として、いくつかの実施例において、デバイスにエネルギーを格納するために電流が与えられている場合、又はデバイスを放電するために負荷が与えられている場合、カソード活性物質層の電気伝導度に対するカソード電流コレクタ層の電気伝導度の比率は、少なくとも５００：１である。さらなる例示として、いくつかの実施例において、デバイスにエネルギーを格納するために電流が与えられている場合、又はデバイスを放電するために負荷が与えられている場合、カソード活性物質層の電気伝導度に対するカソード電流コレクタ層の電気伝導度の比率は、少なくとも１０００：１である。さらなる例示として、いくつかの実施例において、デバイスにエネルギーを格納するために電流が与えられている場合、又はデバイスを放電するために負荷が与えられている場合、カソード活性物質層の電気伝導度に対するカソード電流コレクタ層の電気伝導度の比率は、少なくとも５０００：１である。さらなる例示として、いくつかの実施例において、デバイスにエネルギーを格納するために電流が与えられている場合、又はデバイスを放電するために負荷が与えられている場合、カソード活性物質層の電気伝導度に対するカソード電流コレクタ層の電気伝導度の比率は、少なくとも１０，０００：１である。
【００６６】
この実施例において、カソード電流コレクタ層（即ち、セパレータと、カソード電流コレクタ層が挟まれるカソード活性物質層との間の最短距離）の厚みは、電気化学スタックのための層の成分および仕様の構成に依存するであろう。一般的に、カソード電流コレクタ層がイオン透過伝導層である場合、その厚みは少なくとも約３００オングストロームであろう。例えば、いくつかの実施例において、それは約３００〜８００オングストロームの範囲の厚みを有しているかもしれない。しかしながら、より典型的には、それは約０．１マイクロメートルより大きな厚みを有しているであろう。この実施例において、カソード電流伝導体は、典型的には、約１００マイクロメートル未満の厚みを有するであろう。したがって、例えば、一実施例において、カソード電流コレクタ層は約０．１〜約１０マイクロメートルの範囲の厚みを有するであろう。さらなる例示として、いくつかの実施例において、カソード電流コレクタ層は約０．１〜約５マイクロメートルの範囲の厚みを有するであろう。さらなる例示として、いくつかの実施例において、カソード電流コレクタ層は約１〜約３マイクロメートルの範囲の厚みを有するであろう。一般的に、カソード電流コレクタ層の厚みがほぼ一定であることは好ましい。例えば、一実施例において、イオン透過伝導層（カソード電流コレクタ層）は、約２５％未満の厚み不均一率を有していることが好ましく、そこにおいて、厚み不均一率とは、その層の最大厚みからその層の最小厚みを引いて、平均層厚みで割った値として定義される。特定の実施例において、厚みの変化はさらに小さいものである。例えば、いくつかの実施例において、カソード電流コレクタ層は約２０％未満の厚み不均一率を有する。さらなる例示として、いくつかの実施例において、カソード電流コレクタ層は約１５％未満の厚み不均一率を有する。いくつかの実施例において、カソード電流コレクタ層は約１０％未満の厚み不均一率を有する。
【００６７】
好ましい一実施例において、カソード電流コレクタ層は、アノード電流コレクタに関連して述べたように、イオン透過性および電気伝導性に寄与する、電気伝導コンポーネントとイオン伝導コンポーネントとを含むイオン透過伝導層である。典型的には、電気伝導コンポーネントは、メッシュ又はパターン化の表面、フィルムの形の連続電気伝導物質（例えば、連続物質又は金属合金）、又はこの連続電気伝導物質（例えば、連続物質又は金属合金）を含む複合物質を含むであろう。さらに、イオン伝導コンポーネントは、典型的には、細孔を含んでおり、例えば、メッシュの隙間、パターン化金属又は金属層を含む金属合金の間のスペース、金属フィルムにおける細孔、あるいはキャリアー・イオンのための十分な拡散率を有する固体イオン伝導体を含むであろう。特定の実施例において、イオン透過伝導層は、析出された多孔質物質、イオン輸送物質、イオン反応物質、複合物質、又は物理的多孔質物質を含むかもしれない。もし、多孔質ならば、例えば、イオン透過伝導層は少なくとも約０．２５のボイド率を有する場合があるかもしれない。しかしながら、一般的に、ボイド率は典型的には約０．９５を超えるものではないであろう。より典型的には、イオン透過伝導層が多孔質である場合、ボイド率は約０．２５〜約０．８５の範囲にある。いくつかの実施例において、例えば、イオン透過伝導層が多孔質である場合、ボイド率は約０．３５〜約０．６５の範囲にある。
【００６８】
一実施例において、電極電流コレクタ層（即ち、アノード電流コレクタ層、又はカソード電流コレクタ層）によって含まれたイオン透過伝導層は、セパレータ層と電極活性物質層との間に配置されたメッシュを含む。メッシュは、電気伝導物質のメッシュ糸により定義された隙間を有する。例えば、電極活性物質層がアノード活性物質層である場合、メッシュは、炭素、コバルト、クロミウム、銅、ニッケル、チタン、あるいはそれらの１以上の合金の糸を含む。さらなる例示として、電極活性物質層がカソード活性物質層である場合、メッシュは、アルミニウム、炭素、クロミウム、金、ＮｉＰ、パラジウム、ロジウム、ルテニウム、チタンあるいはそれらの１以上の合金の糸を含む。一般的に、メッシュは少なくとも約２マイクロメートルの厚み（即ち、メッシュの糸は直径を有する）を有するであろう。典型的な一実施例において、メッシュは少なくとも約４マイクロメートルの厚みを有する。別の典型的な実施例において、メッシュは少なくとも約６マイクロメートルの厚みを有する。別の典型的な実施例において、メッシュは少なくとも約８マイクロメートルの厚みを有する。先に述べた実施例の各々では、メッシュ（即ち、メッシュ糸の間の隙間を構成するメッシュの比率）の開口領域比率は、好ましくは少なくとも０．５である。例えば、先に述べた実施例の各々では、メッシュの開口領域比率は少なくとも０．６かもしれない。さらなる例示として、先に述べた実施例の各々では、メッシュの開口領域比率は少なくとも０．７５かもしれない。さらなる例示として、先に述べた実施例の各々では、メッシュの開口領域比率は少なくとも０．８かもしれない。先に述べた実施例の各々においては、しかしながら、一般的に、電極活性物質層の厚みに対するメッシュの糸の間の平均距離の比率は、１００：１にすぎない。例えば、先に述べた実施例の各々では、電極活性物質層の厚みに対するメッシュの糸の間の平均距離の比率は、５０：１にすぎない。さらなる例示として、先に述べた実施例の各々では、電極活性物質層の厚みに対するメッシュの糸の間の平均距離の比率は、２５：１にすぎない。有利には、メッシュの一端又は両端は、溶着、又は他の方法として集められた電流を電池の外側の環境に運ぶことができるように金属タブ若しくは他のコネクタに接続されてもよい。
【００６９】
一実施例において、電極電流コレクタ層（即ち、アノード電流コレクタ層、又はカソード電流コレクタ層）により含まれたイオン透過伝導層は、以前に述べたように、金属又はその合金のメッシュを含み、そして、メッシュの糸の間の隙間は開口し、電解質が浸透しているかもしれない多孔質物質で充填されているかもしれないし、又は、それらがキャリアー・イオンが拡散するかもしれない非多孔質物質を含んでいるかもしれない。多孔質物質で充填されている場合、多孔質物質は、典型的には、少なくとも約０．５のボイド率を有するであろう。そして、いくつかの実施例において、ボイド率は、少なくとも０．６、０．７、又は少なくとも約０．８でもあるでしょう。典型的な多孔質物質は、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＣ又はＳｉ３Ｎ４のようにセラミックの微粒子の凝集体、およびポリエチレン、ポリプロピレン、ポリメチルメタクリル樹脂およびその共重合体のようなポリマーの微粒子の凝集体を含む。メッシュの隙間に配置されるかもしれない典型的な非多孔質の物質は、Ｎａ３Ｚｒ２Ｓｉ２ＰＯ１２（ＮＡＳＩＣＯＮ）、Ｌｉ２＋２ｘＺｎ１−ｘＧｅＯ４（ＬＩＳＩＣＯＮ）およびリチウム・リン・オキシ窒化物（ＬｉＰＯＮ）のような固体イオン伝導体を含む。
【００７０】
一実施例において、電極電流コレクタ層（即ち、アノード電流コレクタ層又はカソード電流コレクタ層）によって含まれたイオン透過伝導層は、直に隣接したセパレータ層又は直に隣接した電極活性材料層（即ち、直に隣接するアノード活性物質層、又は直に隣接するカソード活性物質層）の表面上に析出された、または別の方法で形成された伝導性ラインを含む。この実施例において、伝導性ラインは、メッシュ要素に関して以前に識別された金属（又はその合金）のうちのいずれかを含んでもよい。例えば、イオン透過伝導層がセパレータ層とアノード活性物質層との間に配置されている場合、伝導性ラインは、炭素、コバルト、クロミウム、銅、ニッケル、チタン、又はそれらの１以上の合金を含むかもしれない。イオン透過伝導層がセパレータ層とカソード活性物質層との間に配置されている場合、伝導性ラインは、アルミニウム、炭素、クロミウム、金、ＮｉＰ、パラジウム、ロジウム、ルテニウム、チタンあるいはそれらの１以上の合金を含むかもしれない。一般的に、伝導性ラインは少なくとも約２マイクロメートルの厚みを有するであろう。典型的な一実施例では、伝導性ラインは少なくとも約４マイクロメートルの厚みを有する。別の典型的な実施例では、伝導性ラインは少なくとも約６マイクロメートルの厚みを有する。別の典型的な実施例では、伝導性ラインは少なくとも約８マイクロメートルの厚みを有する。先に述べた実施例の各々では、電極活性物質層の厚みに対する伝導性ライン間の平均距離の比率が、それぞれ、１００：１にすぎない。例えば、先に述べた実施例の各々では、電極活性物質層の厚みに対する伝導性ライン間の平均距離の比率が、それぞれ、５０：１にすぎない。さらなる例示として、先に述べた実施例の各々では、電極活性物質層の厚みに対する伝導性ライン間の平均距離の比率が、それぞれ、２５：１にすぎない。有利には、伝導性ラインの１つ以上の端部は、溶着、又は他の方法として集められた電流を電池の外側の環境に送ることができるように金属タブ若しくは他のコネクタに接続されてもよい。
【００７１】
一実施例において、電極電流コレクタ層（即ち、アノード電流コレクタ層又はカソード電流コレクタ層）によって含まれたイオン透過伝導層は、以前に述べたように、金属又はその合金の伝導性ラインを含み、あるいは、塗布された物質の表面のスペースは開口しているかもしれないし、あるいは、それらは、電解質が浸透しているかもしれない多孔質物質で充填され、あるいは、それらは、キャリアー・イオンが拡散するかもしれない非多孔質物質を含んでいるかもしれない。多孔質物質で充填されている場合、多孔質物質は、典型的には、少なくとも約０．５のボイド率を有するであろう。そして、いくつかの実施例において、ボイド率は、少なくとも０．６、０．７、又は少なくとも約０．８でもあるであろう。典型的な多孔質物質は、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＣあるいはＳｉ３Ｎ４のようにセラミックの微粒子の凝集体、およびポリエチレン、ポリプロピレン、ポリメチルメタクリル樹脂およびその共重合体のようなポリマーの微粒子の凝集体を含む。伝導性ライン間に配置されるかもしれない典型的な非多孔質の物質は、Ｎａ３Ｚｒ２Ｓｉ２ＰＯ１２（ＮＡＳＩＣＯＮ）、Ｌｉ２＋２ｘＺｎ１−ｘＧｅＯ４（ＬＩＳＩＣＯＮ）およびリチウム・リン・オキシ窒化物（ＬｉＰＯＮ）のような固体イオン伝導体を含む。
【００７２】
一実施例において、電極電流コレクタ層（即ち、アノード電流コレクタ層又はカソード電流コレクタ層）によって含まれたイオン透過伝導層は、多孔質金属層のような多孔質層又はフィルムを含む。例えば、電極活性物質層がアノード活性物質層ある場合、多孔質層は、炭素、コバルト、クロミウム、銅、ニッケル、チタン、又はそれらの１以上の合金の多孔質層を含むかもしれない。さらなる例示として、電極活性物質層がカソード活性物質層である場合、多孔質層は、アルミニウム、炭素、クロミウム、金、ＮｉＰ、パラジウム、ロジウム、ルテニウム、チタン、又はそれらの１以上の合金の多孔質層を含むかもしれない。そのような多孔質層を形成する典型的な析出技術は、無電解析出、電気析出、スパッタリングのような真空蒸着技術、置換めっき、化学蒸着および物理蒸着のような蒸着技術、選択エッチングが続く共同析出、およびバインダーを伴う金属微粒子のスラリー・コーティングを含む。一般的に、そのような多孔質層のボイド率は、少なくとも０．２５であることが好ましい。例えば、一実施例において、多孔質金属層のボイド率は、少なくとも０．４、少なくとも０．５、少なくとも０．６、少なくとも０．７および約０．７５までであろう。望ましい電気伝導度を提供するために、層は典型的には少なくとも約１マイクロメートルの厚みを有するであろう。いくつかの実施例では、層は少なくとも２マイクロメートルの厚みを有するであろう。いくつかの実施例では、層は少なくとも５マイクロメートルの厚みであろう。しかしながら、一般的に、層の厚みは、典型的には２０マイクロメートルを超えることがなく、さらに典型的には約１０マイクロメートルを超えないであろう。任意的に、そのような金属層あるいはフィルムは、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、又は他の重合体、又はセラミック物質のようなバインダーを含む。
【００７３】
さらにもう一つの代替の実施例では、電極電流コレクタ層（即ち、アノード電流コレクタ層又はカソード電流コレクタ層）によって含まれたイオン透過伝導層は、金属充填イオン導電性高分子コンポジットフィルムを含む。例えば、イオン透過伝導層は、ポリエチレンオキシド、又はアルミニウム、炭素、金、チタン、ロジウム、パラジウム、クロミウム、ＮｉＰ、あるいはルテニウム、若しくはそれらの合金のような導体を含むポリマーゲル電解質のようなイオン伝導フィルムを含むかもしれない。しかしながら、典型的には、固体イオン伝導体は、比較的低いイオン伝導率を有しており、したがって、層は望ましいイオン伝導度を提供するように比較的薄い必要がある。例えば、そのような層は約０．５〜約１０マイクロメートルの範囲の厚みを有しているかもしれない。
【００７４】
さらにもう一つの代替の実施例では、電極電流コレクタ層（即ち、アノード電流コレクタ層又はカソード電流コレクタ層）によって含まれたイオン透過伝導層は、金属又は金属合金、好ましくはリチウムを備えた金属間化合物を形成しないもの多孔質層を含む。この実施例では、例えば、イオン透過伝導層は、銅、ニッケルおよびクロミウムから成るグループから選ばれた少なくとも１つの金属、あるいはそれらの合金を含むかもしれない。例えば、そのような一実施例では、電極電流コレクタ層は、多孔質の銅、多孔質のニッケル、銅またはニッケルの多孔質の合金、又はそれらのコンビネーションを含む。さらなる例示として、そのような一実施例では、電極電流コレクタ層は多孔質の銅あるいはその多孔質の銅のケイ素化合物のような合金を含む。さらなる例示として、そのような一実施例では、電極電流コレクタ層は多孔質のニッケルあるいはその多孔質のニッケル・ケイ素化合物のような多孔質の合金を含む。このパラグラフにおいて記載された先に述べた実施例の各々においては、電極電流コレクタ層（即ち、直に隣接した電極活性物質層と直に隣接したセパレータ層との間の最短距離）の厚みは、一般的に、少なくとも約０．１マイクロメートルであろうし、典型的には、約０．１〜１０マイクロメートルの範囲にあるであろう。このパラグラフにおいて記載された先に述べた実施例の各々においては、電極電流コレクタ層は、約０．２５〜約０．８５の範囲のボイド率の多孔質であるかもしれないし、特定の実施例においては約０．３５〜約０．４５の範囲のボイド率かもしれない。
【００７５】
好ましい一実施例では、アノード電流コレクタ層は置換めっきのステップを含むプロセスによって形成される。この実施例では、アノード活性物質層は好ましくはシリコンを含み、そして、その層は、メタルのイオンと、シリコンの溶解部分のための溶解コンポーネントとを含む溶液に接触している。そのシリコンは溶解されており、溶液における金属は、シリコンの溶解により提供された電子により低減されており、その金属はアノード活性物質層に析出し、そして、メタル−シリコン合金層を形成するようにアニーリングしている。「溶解コンポーネント」は、半導体物質の溶解を促進する成分に言及する。溶解コンポーネントは、フッ化物、塩化物、過酸化物、水酸化物、過マンガン酸塩などを含む。好ましい溶解コンポーネントは、フッ化物と水酸化物である。最も好まれる溶解コンポーネントは、フッ化物である。金属は、好ましいニッケルと銅を伴う前述の金属のいずれかでもよい。有利には、結果として生じる層は、約０．１５〜約０．８５のボイド率を有する多孔質である。さらに、結果として生じるイオン透過伝導層の厚みは、約１００ナノメーターと３マイクロメートルの間となるように制御される。もし望むならば、より厚い層を形成することができる。
【００７６】
再び図５参照して、セパレータ層３８は各アノード構造２４と各カソード構造２６との間に配置される。セパレータ層３８は、例えば、微孔ポリエチレン、ポリプロピレン、ＴｉＯ２、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３など（Ｐ．アロラおよびＪ．ツァン、「電池セパレータ」のケミカルレビュー２００４、１０４、４４１９−４４６２）を含む二次電池セパレータとして通常使用される物質のうちのいずを含んでもよい。そのような物質は、例えば、微粒子セパレータ物質の電気泳動析出、微粒子セパレータ物質のスラリー析出（スピンまたはスプレーコーディングを含む）、又はイオン伝導微粒子セパレータ物質のスパッターコーティングにより析出されるかもしれない。セパレータ層３８は、例えば、約５〜１００マイクロメートルの厚さ（隣接したアノード構造および隣接したカソード構造を分離している距離）、および約０．２５〜約０．７５のボイド率を有しているかもしれない。
【００７７】
動作においては、セパレータは、非水性電解質二次電池に従来使用されているいかなる非水性電解質を含む非水性電解質で浸透してるかもしれない。典型的には、非水性電解質は、有機溶媒に溶かされたリチウム塩を含む。典型的なリチウム塩は、ＬｉＣｌＯ４、ＬｉＢＦ４、ＬｉＰＦ６、ＬｉＡｓＦ６、ＬｉＣｌおよびＬｉＢｒのような無機のリチウム塩と、ＬｉＢ（Ｃ６Ｈ５）４、ＬｉＮ（ＳＯ２ＣＦ３）２、ＬｉＮ（ＳＯ２ＣＦ３）３、ＬｉＮＳＯ２ＣＦ３、ＬｉＮＳＯ２ＣＦ５、ＬｉＮＳＯ２Ｃ４Ｆ９、ＬｉＮＳＯ２Ｃ５Ｆ１１、ＬｉＮＳＯ２Ｃ６Ｆ１３およびＬｉＮＳＯ２Ｃ７Ｆ１５のような有機のリチウム塩を含んでいる。リチウム塩を溶解する典型的な有機溶媒は、環状エステル、チェーン・エステル、環状エーテルおよびチェーン・エーテルを含む。環状エステルの具体例は、プロピレン・カーボネート、ブチレン炭酸塩、γ−ブチロラクトン、ビニレン炭酸塩、２メチル−γ−ブチロラクトン、アセチル−γ−ブチロラクトン、およびγ−バレロラクトンを含む。チェーン・エステルの具体例は、ジメチル炭酸塩、炭酸ジエチル、ジブチル炭酸塩、ジプロピル炭酸塩、メチル炭酸エチル、メチル・ブチル炭酸塩、メチルのプロピル基の炭酸塩、エチル・ブチル・カーボネート、エチルのプロピル基の炭酸塩、ブチルのプロピル基の炭酸塩、アルキル基のプロピオン酸エステル、ジアルキルマロン酸エステル、およびアルキル・アセタートを含む。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、アルコシキル・テトラヒドロフラン、ジアルコシキル・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、および１，４−ジオキソランを含む。チェーン・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、およびテトラエチレン・グリコール・ジアルキル・エーテルを含む。
【００７８】
ここで図６を参照すると、アノード構造２４は、ベース２２に近位のボトム面Ｂ、ベース２２に遠位のトップ面Ｔ、およびトップ面Ｔからボトム面Ｂまで延びる側面Ｓ１、Ｓ２を有する。側面Ｓ１は、ベース２２の表面に対して角度αで交差しており、側面Ｓ２はベース２２の表面に対して角度δで交差している。好ましい実施例では、αとδはほぼ等しく、そして８０°と１００°の間である。例えば、一実施例では、αとδはほぼ等しく、９０°±５°である。特に好ましい実施例では、αとδは実質的に同じであり、ほぼ９０°である。交差の角度と無関係に、各々の側面Ｓ１およびＳ２の表面の大部分が基準面、この実施例においてはベース２２の表面、に対して実質的に垂直であることが概ね好ましい。異なった言い方をすると、各々の側面Ｓ１およびＳ２の大部分の表面が、基準面（図示されているようにベース２２の表面）と約８０°と１００°との間の角度で交差する面（複数の面）にあり、より好ましくは、９０°±５°の角度で交差することが、概ね好ましい。また、トップ面Ｔが側面Ｓ１およびＳ２に実質的に垂直であり、ベース２２の表面と実質的に平行であることが概ね好ましい。例えば、現在好ましい一実施例では、ベース２２は実質的に平面を有しており、アノード構造２４はベース２２の平面に実質的に平行なトップ面Ｔを有しており、そして、側面Ｓ１とＳ２はベース２２の平面に実質的に垂直である。
【００７９】
ここで図７を参照すると、多孔質層３１は、細孔６０および細孔軸６２を有するアノード活性物質を含む。好ましい実施例では、アノード活性物質は多孔質シリコン、又はニッケル・シリサイドのようなシリコンの合金を含む。細孔６０のサイズ、形状および対称性は、異なっているかもしれないが、細孔軸６２は、（ｉ）側面Ｓ１に近位である多孔質層３１の領域において側面Ｓ１に主に垂直、（ｉｉ）側面Ｓ２に近位である多孔質層３１の領域において側面Ｓ２に主に垂直、そして（ｉｉｉ）トップ面Ｔに近位である多孔質層３１の領域においてトップ面Ｔに主に垂直であろう（図６参照）。したがって、側面Ｓ１およびＳ２がベース２２の表面に実質的に垂直な場合、細孔軸６２は、（ｉ）側面Ｓ１およびＳ２に近位である多孔質層３１の領域においてベースＢの表面に主に平行であり、そして、（ｉｉｉ）トップ面Ｔに近位である多孔質層３１の領域において、ベース２２の表面に主に垂直であろう（図６参照）。さらに、一実施例において、トップ面Ｔに近位の多孔質層３１の領域における細孔の大きさ、壁の大きさ、細孔の深さ、細孔の形態は、面Ｓ１およびＳ２に近位の多孔質層３１の領域における壁の大きさ、細孔の深さ、細孔の形態とは異なるかもしれない。
【００８０】
図８〜９は、本発明のアノード・バックボーンおよびカソード・サポートを製造するための工程の一実施例を示す略図である。ここに、図８を参照して、シリコン・ウエハー５０は、ベース２２に従来の手段によって付着されている。ベースは、基板と同じ大きさを持っていてもよく、基板より寸法的に大きいか、小さいくてもよい。例えば、ウエハー５０およびベース２２は一緒にアノード接合されるか、接着剤を使用して固着されるか、または高分子層がもとの場所に形成されてもよい。以前に示したように、ベース５０は、グラス、セラミック、ポリマー、又は後に続く処理工程において十分な堅さを提供する他の物質の層を含んでもよい。あるいは、シリコン・オン・インシュレーター・ウエハーは出発原料として使用されてもよい。
【００８１】
ここで、図９を参照して、フォトレジストは、望ましいバックボーン構造を提供するためにウエハー５０上にパターン化されており、アノード・バックボーンおよびカソード・サポートを提供するために化学的にエッチングされる。結果として生じるアノード・バックボーン３２は、長さＬＡＢ、高さＨＡＢおよび幅ＷＡＢを有しており、高さＨＡＢはベース２２の表面に垂直な方向に測定され、長さＬＡＢおよび幅ＷＡＢは、ベース２２の表面に平行である方向に測定される。典型的には、ＷＡＢは少なくとも５マイクロメートルであり、ＨＡＢは少なくとも５０マイクロメートルであり、ＬＡＢは少なくとも１，０００マイクロメートルであるであろう。結果として生じるカソード・サポート３６には長さＬＣＢ、高さＨＣＢおよび幅ＷＣＢを有しており、高さＨＣＢはベース２２の面に垂直な方向に測定され、そして長さＬＣＢおよび幅ＷＣＢも測定される。
【００８２】
アノード・バックボーンおよびカソード・サポートが図示されている実施例が形成された後、カソード・サポートは覆われ、アノード・バックボーン３２は、以前に述べたように、アノード・バックボーン３２の上に少なくとも０．１のボイド容量率を有している微細構造シリコンの層を形成するように処理される。その後、カソードはさらされ、そしてアノード電流コレクタは、アノード活性物質層上に形成され、そしてカソード電流コレクタはカソード・サポート上に形成される。カソード物質がカソード電流コレクタに選択的に析出された後、セパレータはカソード物質とアノード電流コレクタとの間に析出され、それぞれの電流コレクタはバッテリー・タブに接続され、そして、全体の組み立て品は従来のバッテリー・ポーチに挿入される。従来のバッテリー・ポーチは、リチウム塩を含んでいる従来のリチウム電池電解質および有機的な炭酸塩（プロピレン・カーボネート＋エチレン・カーボネート）の混合物が充填されており、電気的接続を形成するために、ポーチ外側に延びるワイヤーで真空シーラーを使用して密封されている。代替の一実施例において、２つ以上のダイの各々が１つ以上のアノードおよび１つ以上のカソードを含んで前述のように組み立てられており、２つ以上のダイは、電池を形成するために全体の組み立て品が従来の電池ポーチ内に挿入される前に、スタックの内部に配置され、バッテリー・タブに電気的に接続される。
【００８３】
ここで図１０を参照して、本発明の三次元バッテリー１０の一実施例は、バッテリー容器１２、ダイ・スタック１４、および外部エネルギー供給あるいは消費者（図示せず）にダイ・スタック１４を電気的に接続するためタブ１６、１８を含む。携帯電話およびコンピューターのようなポータブル電子機器用リチウムイオン電池のために、例えば、電池容器１２はポーチあるいは他の従来の電池容器でもよい。ダイ・スタック１４は、いくつかのダイを含み、それぞれのダイがアノードがタブ１６に電気的に接続されており、カソードがタブ１８に電気的に接続されて互いに入り込んだ一連のアノードとカソードを有する電池セルを含んでいる。垂直のスタックにおけるダイの数は臨界的なものではなく、例えば、典型的なスタックにおいて、２〜２０の範囲を含む１〜５０までの範囲でもよい。
【００８４】
ここで図１１を参照すると、一実施例では、電気化学スタック６１０は基準面６０１、および基準面６０１から概ね垂直に突出するバックボーン６０３を含む。電気化学スタック６１０のカソード要素はカソード電流コレクタ層６２０およびカソード活性物質層６１８を含む。電気化学スタック６１０のアノード要素はアノード活性物質層６１２、およびアノード電流コレクタ層として機能するイオン透過伝導層６１４を含む。好ましくは、イオン透過伝導層６１４は、バックボーン６０３の頂部、即ち、それは基準面６０１から遠位バックボーンの表面に厚みを有している。即ち、バックボーン６０３の側面（頂部と基準面６０１との間の表面）のイオン透過層の厚みより大きい。例えば、一実施例では、バックボーンの頂部のイオン透過伝導体の厚みは、側面上のイオン透過伝導体の厚みの１１０％から２，０００％である。さらなる例示として、一実施例では、バックボーンの頂部の厚みは、側面上のイオン透過伝導体の厚みの２００％から１，０００％である。一実施例において、バックボーンの頂部におけるイオン透過伝導体の透過率は、側面上のイオン透過伝導体であるものよりキャリアー・イオン（例えば、リチウムイオン）に対する浸透性が小さく、キャリアー・イオンを透過しないかもしれない。セパレータ層６１６はイオン透過伝導層６１４およびカソード活性物質層６１８との間にある。カソード電流コレクタ層６２０は、カソード接点（図示せず）に電気的に接続され、イオン透過伝導層６１４はアノード接点（図示せず）に電気的に接続される。図示を容易なものとするために、１つのアノード・バックボーンおよび２つのカソード・バックボーンだけを図１１に表示する。しかしながら、実際的には、電気化学スタックは、典型的には、適用に応じてスタックあたりの数で、アノードおよびカソードのバックボーンが交代的に続くものを含む。
【００８５】
ここで図１２を参照して、一実施例では、電気化学スタック６１０は基準面６０１、および基準面６０１から概ね垂直に突出するバックボーン６０３を含む。電気化学スタック６１０のカソード要素はカソード電流コレクタ層６２０およびカソード活性物質層６１８を含む。電気化学スタック６１０のアノード要素の各々は、（基準面６０１に直交する方向において基準面から測定された）高さＨＡを有するアノード活性物質層６１２、およびアノード電流コレクタ層として機能するイオン透過伝導層６１４を含む。セパレータ層６１６はイオン透過伝導層６１４およびカソード活性物質層６１８の間にある。この実施例では、アノード活性物質層６１２が、バックボーン６０３の頂部と側面の上にあり、カソード活性物質６１８がバックボーン６０３の頂部と側面の近位にある。その結果、電気化学スタック６１０を含むエネルギー・ストレージ・デバイスの充電中および放電中において、キャリアー・イオンは、基準面６０１に対して２つの方向に同時に移動する；キャリアー・イオンは、（バックボーン６０３の側面上のアノード活性物質６１２に入る（吸蔵される）又は離れる（離脱される）ように）基準面６０１に対して概ね平行な方向、および（バックボーン６０３のトップ面でアノード活性物質６１２に入る（吸蔵される）又は離れる（離脱される）ように）基準面６０１に対して概ね直交する方向に移動する。カソード電流コレクタ層６２０は、カソード接点（図示せず）に電気的に接続され、イオン透過導体層６１４はアノード接点（図示せず）に電気的に接続されている。図示を容易にするために、３つのアノード・バックボーンおよび２つのカソード・バックボーンだけを図１２に示す。また、図示は、図において示された割れ目の左側のアノード要素およびカソード要素が図において示された割れ目の右側の２つのアノードおよび１つのカソードの要素と直に隣接しないことを示すように、一部分を分離した断片で示す。しかしながら、実際的には、電気化学スタックは、前述したように、典型的には、適用に応じてスタックあたりの数で、アノードおよびカソードのバックボーンが交代的に続くものが含まれる。図示されているよう、電気化学スタック６１０は少なくとも１つのアノード活性物質層６１２を含み、そのアノード活性物質層６１２が、電気化学スタック６１０により含まれたアノード活性物質層のポピュレーションの部材のための最大値ＨＡを超える直線的距離ＤＬにより互いに分かれている。（異なる言い方をすると、アノード活性物質層は、電気化学スタック６１０により含まれたアノード活性物質層のポピュレーションのなかに少なくとも１つのアノード活性物質層が存在し、電気化学スタック６１０が、ポピュレーションにおけるアノード活性物質層の全てにおける最大高さを有するアノード活性物質層の最大値ＨＡを超える直線的距離ＤＬにより分けれている。）したがって、例えば、直線的距離ＤＬによって互いに分けられたアノード活性物質層６１２の組の図示された２つの部材は、電気化学スタック６１０により含まれるポピュレーションにおける一つ以上介在しているカソード活性物質層６１８およびアノード活性物質層６１２により互いに分けられるかもしれない（例えば、図４Ａ、４Ｂ、４Ｃ、４Ｄ、４Ｅ、および関連する記述参照）。
【００８６】
ここで図１３を参照すると、一実施例では、電気化学スタック７１０は、互いに入り込むアノード活性物質層７１２およびカソード物質層７１８を含む。電気化学スタック７１０のカソード要素は、さらにカソード電流コレクタ層７２０を含み、そして電気化学スタックのアノード要素は、アノード電流コレクタとして機能するイオン透過伝導層７１４を含む。セパレータ７１６は、イオン透過伝導層７１４とカソード活性物質層７１８との間にある。サポート層７０５、７０７は、互いに入り込むアノード活性物質層７１２の機械的な支持を提供する。図１２には示されませんが、一実施例では、図２に示し、関連して述べたように、アノード活性物質層７１２およびカソード活性物質層７１８はバックボーンにより支持されてもよい。
【００８７】
以下の限定しない例示は本発明をさらに説明するために提供される。
具体例
具体例１
【００８８】
１００μｍ／１μｍ／６７５μｍ（デバイス層／絶縁層／支持層）の層厚を有するシリコン・オン・インシュレーター（ＳＯＩ）ウエハーは、サンプルとして使用された。２０００Åのシリコンダイオードのハードマスク層は、デバイスシリコン層の頂部上にスパッタリングされた。その後、このウエハーは５μｍのレジストがスピンコーティングされ、そして、１００μｍのハニコーム壁厚で２００μｍのギャップ厚でハニコーム形状の構造を得るために、マスクでパターン化された。その後、イオン・ミリングによってシリコン・ジオキサイド（二酸化ケイ素）を除去するために、フォトレジストがフォトマスクとして使用された。
【００８９】
二酸化ケイ素とフォトレジストの組み合わせは、フッ化物プラズマにおけるディープ・リアクティブ・イオン・エッチング（ＤＲＩＥ）を使用しているシリコン除去のためのマスクとして使用された。ハニコーム・ギャップ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るまで、ＤＲＩＥが実行され、酸化膜上で停止された。使用されたオーバーエッチング時間は、トレンチ（溝）・フロアにおけるシリコンの島を除去するために、総ＤＲＩＥ時間の１０％であった。フォトレジストのいずれの頂部もアセトンの中で剥がされることにより除去された。
【００９０】
頂部マスク酸化膜は、バッファード・オキサイド・エッチと水溶液を薄めて（５：１）１分間サンプルを浸けることにより除去された。トレンチ（溝）の底における絶縁酸化膜が完全にエッチングされないように、溶解時間は調整されている。
【００９１】
その後、シリコン・サンプルは蒸発室に挿入され、そして１００Åの金（Ａｕ）がサンプル表面に析出される。このプロセスは、ハニコーム構造の頂部上に金をもたらし、その側面壁、およびボトム面の酸化膜上にももたらした。シリコン支持層は、接着テープ・マスクによってこの時間保護されていた。このサンプルは、多孔質シリコン層を形成するために３０℃で沸化水素酸（４９％）および過酸化水素（３０％）の容積にして１：１の溶液の中に連続的に浸された。多孔質シリコンの深さはエッチング時間を変えることにより調整された。多孔質シリコン形成の概算率は７５０〜１０００ｎｍ／分であった。３０μｍの目標細孔深さに到達したとき、その部分を削除し乾燥した。結果として生じる多孔質シリコン層はおよそ０．３のボイド容量率を有していた。
【００９２】
その後、サンプルが乾燥され、横に切って、撮影した。図１４に示したように、乾燥され、横に切られたサンプルの細孔は、ベース酸化膜に平行な方向に主に配向している。
具体例２
【００９３】
１００μｍ／１μｍ／６７５μｍ（デバイス層／絶縁層／支持層）の層厚を有するシリコン・オン・インシュレーター（ＳＯＩ）ウエハーは、サンプルとして使用された。１０００Åのパラジウム（Ｐｂ）は、２０００Åのシリコン・ジオキサイド（二酸化ケイ素）のハードマスク層に続くデバイス層の頂部上にスパッタリングされた。その後、このウエハーは５μｍのレジストがスピンコーティングされ、そして、図３に示すように、互いに分離するように、２つの互いに入り込んだコームを伴うコーム形状構造を得るために、マスクでパターン化された。２つの互いに入り込んだコームは、それぞれのサイドにランディング・パッドをまた有しており、それらのサイドは分離され、処理のための、および最終電池のためのコンタクト・パッドとして機能するかもしれない。その後、イオン・ミリングによって二酸化ケイ素とパラジウムを除去するために、フォトレジストはフォトマスクとして使用された。
【００９４】
二酸化ケイ素、フォトレジストおよびパラジウム（Ｐｂ）の組み合わせは、フッ化物プラズマにおけるディープ・リアクティブ・イオン・エッチング（ＤＲＩＥ）を使用しているシリコン除去のためのマスクとして使用された。マスク・ギャップにおける素子層を構成するシリコンが完全に除去されるまで、ＤＲＩＥが実行され、酸化膜上で停止された。使用されるオーバーエッチング時間は、トレンチ・フロアにおけるシリコンの島を除去するために、総ＤＲＩＥ時間の１０％であった。フォトレジストのいずれの頂部もアセトンの中で剥がされることにより除去された。この点において、２つのコームは、ＤＲＩＥによって電気的に分離された。
【００９５】
頂部マスク酸化膜は、バッファード・オキサイド・エッチ溶液を薄めて（５：１）１分間サンプルを浸けることにより除去された。トレンチ（溝）の底における絶縁酸化膜が完全にエッチングされないように、溶解時間は調整されている。
【００９６】
構造物のようなコームの分離されたペアの１つが、パラジウム伝導体を通して電気的に接続され、電気泳動レジスト・バスに浸積された。市販の電気泳動レジストが使用され（シップリーＥＡＧＬＥ）、また、コームはレジスト・コーティングを形成するために、１２０秒間５０Ｖで電気泳動で析出された。ダイはレジストを固くするために３０分間１２０℃で焼かれた。このレジストは、後の金属析出ステップにおける保護層として機能する。
【００９７】
その後、シリコン・サンプルは蒸発室に挿入され、１００Åの金（Ａｕ）がサンプル表面に析出された。この金析出プロセスは、コームの頂部上に金をもたらし、その側面壁、およびボトム面の酸化膜上にももたらした。しかしながら、コームのうちの１つの上に存在するフォトレジストは、金（Ａｕ）を２つのコーム構造のうちの１つだけのシリコンに接続させた。シリコン支持層もまた、このとき、接着テープ・マスクによって保護される。このサンプルは、多孔質シリコン層を形成するために、３０℃で、沸化水素酸（４９％）および過酸化水素（３０％）の容積にして１：１の溶液の中に連続的に浸された。多孔質シリコンの深さはエッチング時間を変えることにより調整された。多孔質シリコン形成の概算率は７５０〜１０００ｎｍ／分であった。３０μｍの目標細孔深さに到達したとき、その部分を削除し乾燥した。結果として生じる多孔質シリコン層はおよそ０．３のボイド容量率を有していた。
【００９８】
多孔質シリコンは、コーム・セット上でのみ形成され、その上にパターン化された電気泳動レジストを持っていないコーム・セットであった。その後、多孔質シリコン・セットはリチウムイオン電池におけるアノードとして使用されてもよい。電気泳動レジストは、続けて１５分間アセトンにおいて剥がされた。
具体例３
【００９９】
１００μｍ／１μｍ／６７５μｍ（デバイス層／絶縁層／支持層）の層厚を有するシリコン・オン・インシュレーター（ＳＯＩ）ウエハーは、サンプルとして使用された。１０００Åのパラジウム（Ｐｂ）は、２０００Åのシリコン・ジオキサイド（二酸化ケイ素）のハードマスク層に続くデバイス層の頂部上にスパッタリングされた。その後、このウエハーは５μｍのレジストがスピンコーティングされ、そして、図３に示すように、互いに分離するように、２つの互いに入り込んだコームを伴うコーム形状構造を得るために、マスクでパターン化された。２つの互いに入り込んだコームは、それぞれのサイドにランディング・パッドを有しており、それらは分離され、処理のための、および最終電池のためのコンタクト・パッドとして機能するかもしれない。その後、イオン・ミリングによって二酸化ケイ素とパラジウムを除去するために、フォトレジストはフォトマスクとして使用された。
【０１００】
二酸化ケイ素、フォトレジストおよびパラジウム（Ｐｄ）の組み合わせは、フッ化物プラズマにおけるディープ・リアクティブ・イオン・エッチング（ＤＲＩＥ）を使用しているシリコン除去のためのマスクとして使用された。マスク・ギャップにおける素子層を構成するシリコンが完全に除去されるまで、ＤＲＩＥが実行され、酸化膜上で停止する。使用されるオーバーエッチング時間は、トレンチ・フロアにおけるシリコンの島を除去するために、総ＤＲＩＥ時間の１０％であった。フォトレジストのいずれの頂部もアセトンの中で剥がされることにより除去された。この点において、２つのコームは、ＤＲＩＥによって電気的に分離された。
【０１０１】
頂部マスク酸化膜は、バッファード・オキサイド・エッチと水溶液を薄めて（５：１）１分間サンプルを浸けることにより除去された。トレンチ（溝）の底における絶縁酸化膜が完全にエッチングされないように、溶解時間は調整されている。
【０１０２】
構造物のようなコームの分離されたペアの１つが、パラジウム伝導体を通して電気的に接続され、電気泳動レジスト・バスに浸積された。市販の電気泳動レジストが使用され（シップリーＥＡＧＬＥ）、また、コームはレジスト・コーティングを形成するように、１２０秒間５０Ｖで電気泳動で析出された。ダイはレジストを固くするために３０分間１２０℃で焼かれた。
【０１０３】
その後、シリコン・サンプルは蒸発室に挿入され、２０Åの金（Ａｕ）がサンプル表面に析出された。この金析出プロセスは、コームの頂部上に金をもたらし、その側面壁、およびボトム面の酸化膜上にももたらした。しかしながら、コームのうちの１つの上に存在するフォトレジストは、金（Ａｕ）を２つのコーム構造のうちの１つだけのシリコンに接続させた。シリコン支持層は、このとき、接着テープ・マスクによって保護される。サンプルは、電気泳動レジストの頂部上の蒸発した金（Ａｕ）に沿って、電気泳動レジストを除去するために、続いて１５分間アセトンに浸積された。これは、２つの分離されたコームのうちの１つに金ナノクラスタを分離する。
【０１０４】
その後、シリコン・ナノ細線がＣＶＤ法によってコーム構造のうちの１つの頂部上に成長した。サンプルはＣＶＤ室に挿入され、５５０℃で加熱される。シラン・ガスがその室の内部に導入され、反応圧力が１０Ｔｏｒｒに維持された。シリコン・ナノ細線は、その上に金（Ａｕ）が析出されている表面上で成長した。析出速度は４μｍ／時間であり、そして析出は２０μｍの目標ナノ細線厚みで終了した。金がシリコン・ウェーブセットのうちの１つだけに接していたので、細線はボトム面の酸化膜に平行な方向において、このウェーブセットの外へ成長を始める。結果として生じるシリコン・ナノ細線層は、およそ０．５のボイド容量率を有していた。
具体例４
【０１０５】
１００μｍ／１μｍ／６７５μｍ（デバイス層／絶縁層／支持層）の層厚を有するシリコン・オン・インシュレーター（ＳＯＩ）ウエハーは、サンプルとして使用された。１０００Åのパラジウム（Ｐｂ）は、２０００Åのシリコン・ジオキサイド（二酸化ケイ素）のハードマスク層に続くデバイス層の頂部上にスパッタリングされた。その後、このウエハーは５μｍのレジストがスピンコーティングされ、そして、図３に示すように、互いに分離するように、２つの互いに入り込んだコームを伴うコーム形状構造を得るために、マスクでパターン化された。２つの互いに入り込んだコームは、それぞれのサイドにランディング・パッドをまた有しており、それらのサイドは分離され、処理のための、および最終電池のためのコンタクト・パッドとして機能するかもしれない。その後、イオン・ミリングによって二酸化ケイ素とパラジウムを除去するために、フォトレジストはフォトマスクとして使用された。
【０１０６】
二酸化ケイ素、フォトレジストおよびパラジウム（Ｐｂ）の組み合わせは、フッ化物プラズマにおけるディープ・リアクティブ・イオン・エッチング（ＤＲＩＥ）を使用しているシリコン除去のためのマスクとして使用された。マスク・ギャップにおける素子層を構成するシリコンが完全に除去されるまで、ＤＲＩＥが実行され、酸化膜上で停止する。使用されるオーバーエッチング時間は、トレンチ・フロアにおけるシリコンの島を除去するために、総ＤＲＩＥ時間の１０％であった。フォトレジストのいずれの頂部もアセトンの中で剥がされることにより除去された。この点において、２つのコームは、ＤＲＩＥによって電気的に分離された。
【０１０７】
セコンド・フォトレジストは大多数のウエハー上で適用され、コームパターンの各々の上に開口している小さな領域エリアをさらすように、セカンド・マスクでさらされた。これは、イオン・ミルによって二酸化ケイ素を除去し、かつパラジウム（Ｐｄ）層をさらすために続けて使用された。
【０１０８】
アノードとして機能するように存在したコーム構造は、ＤＭＳＯ（２Ｍ／２．５Ｍ）におけるＨＦ／Ｈ２Ｏを含んでいる溶液に浸され、アノードの可能性はプラチナ対電極に関して適用された。多孔質シリコンを形成するためにアノード酸化されるべきシリコン・コームは、オープン・ビアの中のパラジウム（Ｐｄ）を通して接続された。電流密度は３ｍＡ／ｃｍ２で維持され、２０μｍの細孔深さをもたらすために、アノード酸化処理は６０分間行なわれた。結果として生じる多孔質シリコン層はおよそ０．４のボイド容量率を有していた。このプロセスは、２つのコーム構造のうちの１つだけに多孔質シリコン構成に制限した。
具体例５
【０１０９】
１００μｍ／１μｍ／６７５μｍ（デバイス層／絶縁層／支持層）の層厚を有するシリコン・オン・インシュレーター（ＳＯＩ）ウエハーは、サンプルとして使用された。１０００Åのパラジウム（Ｐｂ）は、２０００Åのシリコン・ジオキサイド（二酸化ケイ素）のハードマスク層に続くデバイス層の頂部上にスパッタリングされた。その後、このウエハーは５μｍのレジストがスピンコーティングされ、そして、互いに分離するように、２つの互いに入り込んだコームを伴うコーム形状構造を得るために、マスクでパターン化された。２つの互いに入り込んだコームは、それぞれのサイドにランディング・パッドをまた有しており、それらのサイドは分離され、処理のための、および最終電池のためのコンタクト・パッドとして機能するかもしれない。その後、イオン・ミリングによって二酸化ケイ素とパラジウムを除去するために、フォトレジストはフォトマスクとして使用された。
【０１１０】
二酸化ケイ素、フォトレジストおよびパラジウム（Ｐｂ）の組み合わせは、フッ化物プラズマにおけるディープ・リアクティブ・イオン・エッチング（ＤＲＩＥ）を使用しているシリコン除去のためのマスクとして使用された。マスク・ギャップにおける素子層を構成するシリコンが完全に除去されるまで、ＤＲＩＥが実行され、酸化膜上で停止された。使用されるオーバーエッチング時間は、トレンチ・フロアにおけるシリコンの島を除去するために、総ＤＲＩＥ時間の１０％であった。フォトレジストのいずれの頂部もアセトンの中で剥がされることにより除去された。この点において、２つのコームは、ＤＲＩＥによって電気的に分離された。
【０１１１】
このポイントにおいて、サンプルは、すべての露出したシリコン表面の頂部上にＳｉＯ２の０．２５μｍ層を形成するために、熱的に酸化された。このＳｉＯ２はシリコンの電気化学エッチングのためのマスクとして機能するように析出された。続けて、金（Ａｕ）の５０Å層は、スパッタ析出技術を使用して、酸化膜の頂部上に析出された。金（Ａｕ）のこの層の厚みは、フィルムの全てではなく、島の形状に金（Ａｕ）を得るために最適化された。その後、島の形状のこの金（Ａｕ）は、その下のサーマル酸化層をエッチングするためのマスク層として使用された。
【０１１２】
セコンド・フォトレジストは大多数のウエハー上で適用され、コームパターンの各々の上のランディング・パッド・エリアをさらすように、セコンド・マスクでさらされた。これは湿式化学エッチングによって金（Ａｕ）と二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）の層を除去するために続けて使用された。金（Ａｕ）は市販のＫＩ／Ｉ２溶液を使用して除去され、そして二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）層は、後の電気接点のためのパラジウム（Ｐｂ）の頂部層をさらすために、バッファード・オキサイド・エッチ溶液を用いた除去された。
【０１１３】
その後、サンプルはフォトレジストを取り除くためにアセトンに浸され、続けて、ＢＯＥ：水溶液の１：２５に浸された。ＢＯＥ溶液は、金（Ａｕ）粒子の直下のコームの側壁における二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）層をアタックし、酸化物の中に金（Ａｕ）のパターンを移送する。エッチングは、９０秒後に停止された、これは、必ずしも金（Ａｕ）の下の酸化膜をアンダーカットするとは限らないが、酸化物をエッチングし、かつシリコン（Ｓｉ）をさらすためには十分である。すすぎと乾燥の後、サンプルは電気化学分解するために準備された。
【０１１４】
先のステップで露出されたコンタクト・パッドは、シリコン・アノード・エッチ・プロセス中においてサンプルのための電気的な接続を形成するために使用される。これは、プラチナ（Ｐｔ）対電極を使用して、作用電極として接続され、そして接続されたコーム構造の露出された領域からシリコンを溶かすように電気化学処理が駆動された。サンプルは、容量で１部のエタノール、１部の４９％のフッ化水素（ＨＦ）、および１０部の水を含む溶液に漬けられ、そして、１５ｍＡ／ｃｍ２の電流密度でアノードとして駆動された。露出したシリコンは、ファイバーおよび開口部を含む金（Ａｕ）ナノクラスタ分配を複写した微細構造のシリコン層を残して、およそ０．５のボイド容量率を有して溶解された。
具体例６
【０１１５】
１００μｍ／１μｍ／６７５μｍ（デバイス層／絶縁層／支持層）の層厚を有するシリコン・オン・インシュレーター（ＳＯＩ）ウエハーは、サンプルとして使用された。１０００Åのパラジウム（Ｐｂ）は、２０００Åのシリコン・ジオキサイド（二酸化ケイ素）のハードマスク層に続くデバイス層の頂部上にスパッタリングされた。
【０１１６】
その後、このウエハーは５μｍのレジストがスピンコーティングされ、そして、図３に示すように、互いに分離するように、２つの互いに入り込んだコームを伴うコーム形状構造を得るために、マスクでパターン化された。デザインは、それぞれの構造が電気接点を形成するためにふさわしいランディング・パッドにおいて終点となって、２つの独立したコーム形状の構造をもたらす構造を示している。その後、イオン・ミリングによって二酸化ケイ素とパラジウムを除去するために、このパターンにおけるフォトレジストはフォトマスクとして使用された。
【０１１７】
二酸化ケイ素、フォトレジストおよびパラジウム（Ｐｂ）の組み合わせは、フッ化物プラズマにおけるディープ・リアクティブ・イオン・エッチング（ＤＲＩＥ）を使用しているシリコン除去のためのマスクとして使用された。マスク・ギャップにおける素子層を構成するシリコンが完全に除去されるまで、ＤＲＩＥが実行され、酸化膜上で停止された。使用されるオーバーエッチング時間は、トレンチ・フロアにおけるシリコンの島を除去するために、総ＤＲＩＥ時間の１０％であった。フォトレジストのいずれの頂部もアセトンの中で剥がされることにより除去された。この点において、２つのコームは、ＤＲＩＥによって電気的に分離された。
【０１１８】
頂部マスク酸化膜は、バッファード・オキサイド・エッチ溶液を薄めて（５：１）１分間サンプルを浸けることにより続けて除去された。トレンチ（溝）の底における絶縁酸化膜が完全にエッチングされないように、溶解時間は調整されている。
【０１１９】
構造物のようなコームの分離されたペアの１つが、パラジウム伝導体を通して電気的に接続され、電気泳動レジスト・バスに浸積された。市販の電気泳動レジストが使用され（シップリーＥＡＧＬＥ）、また、コームはレジスト・コーティングを形成するように、１２０秒間５０Ｖで電気泳動で析出された。ダイはレジストを固くするために３０分間１２０℃で焼かれた。
【０１２０】
その後、シリコン・サンプルは蒸発室に挿入され、２０Åの金（Ａｕ）がサンプル表面に析出された。この金析出プロセスは、ハニコーム構造の頂部上に金をもたらし、その側面壁上、およびボトム面の酸化膜上にももたらした。しかしながら、ハニコームのうちの１つの上に存在するフォトレジストは、金（Ａｕ）を２つのコーム構造のうちの１つだけのシリコンに接続させた。シリコン支持層もまた、このとき、接着テープ・マスクによって保護される。このサンプルは、電気泳動レジストの頂部上の蒸発した金（Ａｕ）と共に電気泳動レジストを除去するために、１５分間アセトンに続けて浸された。これは、２つに分れたコームのうちの１つに金（Ａｕ）ナノクラスタを分離した。
【０１２１】
その後、シリコン・ナノ細線がＣＶＤ方法によってコーム構造のうちの１つの頂部上に成長した。サンプルはＣＶＤ室に挿入され、５５０℃に加熱された。シラン・ガスがその室の内部に導入され、反応圧力が１０Ｔｏｒｒに維持された。シリコン・ナノ細線は、その上に金（Ａｕ）が析出されている表面上で成長した。析出速度は４μｍ／時間であり、そして析出は２０μｍの目標ナノ細線厚みで終了した。結果として生じるシリコン・ナノ細線層は、およそ０．５のボイド容量率を有していた。リチウムイオン電池のためのアノードとして機能した。
【０１２２】
それに付けられたシリコン・ナノ細線のないコームは、リチウムイオン電池カソード物質で電気泳動処理で析出された。電気泳動析出溶液は、カソード資料（ＬｉＣｏＯ２）、１５ｗｔ％のカーボンブラック、およびアセトン溶液内の１５０ｐｐｍのヨウ素を含んでいた。溶液混合は、粒子を一様に分散させるために、夜通し撹拌された。パラジウム（Ｐｄ）コンタクト・パッドは、カソード析出のための電気接続用ターミナルとして使用された。プラチナ（Ｐｔ）対電極が使用された。サンプルは、４０μｍ厚カソード構造を析出するために、１００Ｖの電圧で３分間、析出された。
【０１２３】
その後、マクロ多孔質セパレータがバッテリーに適用された場合、サンプルはスピンコーティングデバイスに送られた。この場合のマクロ多孔質セパレータは、２容積パーセントのＰＶＤＦバインダーと共に、アセトンの中で分散した細粒ガラス粉末（＜２μｍ直径）の組み合わせであった。このスラリーはダイの上にコーティングされ、そして余分なスラリーはセパレータ層を満たして平坦化するようにスピンオフする。乾燥プロセスは、溶液を蒸発し、マクロ多孔質セパレータ層を形成する。
【０１２４】
その後、バッテリー用の接続点として機能するように、コンタクト・パッドは金（Ａｕ）ワイヤーをワイヤー・ボンディングするために使用した。全体の組み立て品は、リチウム塩を含んでいる従来のリチウム電池電解質、および有機炭酸塩（プロピレン・カーボネート＋エチレン・カーボネート）の混合物で充填された、従来のバッテリー・ポーチに挿入された。その後、ポーチは、電気接続を形成するために、ポーチの外に延びるワイヤーで真空シーラーを用いて密閉された。
具体例７
【０１２５】
５つのダイが互いの頂部上に積み重ねられ、各ダイからのコネクション・パッドからのラインのそれぞれが、各電極のためのタブに接続されていたことより以外は、具体例６のプロセスが繰り返された。
【０１２６】
全体の組み立て品は、リチウム塩を含んでいる従来のリチウム電池電解質、および有機炭酸塩（プロピレン・カーボネート＋エチレン・カーボネート）の混合物で充填された、従来のバッテリー・ポーチに挿入された。その後、ポーチは、電気接続を形成するために、ポーチの外に延びるワイヤーで真空シーラーを用いて密閉された。
【０１２７】
上記の点を考慮して、本発明のいくつもの目的が達成され、他の有利な結果がもたらされることは理解されるであろう。
【０１２８】
それについて本発明あるいは好ましい実施例の要素を導入する場合、冠詞「ａ」、「ａｎ」、「ｔｈｅ」、および「ｓａｉｄ」は、１つ以上があることを意味するように意図されている。用語「含む」、「有している」、「持っている」は、包括的であることを意図されており、リストされた要素以外の追加の要素を含むかもしれないことを意味する。
【０１２９】
発明の範囲から外れることなく、上記の物品、構成および方法において様々な変更が可能であるとともに、上記の記載および添付図面の中で示された全ての事項は、例示として解釈されるべきものであり、限定しているものと解釈されるべきではないことを意図している。
【図１】
0006389127.tif 000002
【図２】
0006389127.tif 000003
【図３】
0006389127.tif 000004
【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図４Ｄ】
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【図４Ｅ】
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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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