(57)【要約】  導電性金属ワイヤー（１２）上の電池および５〜５００マイクロメートルの円形断面直径の導電性金属ワイヤー（１２）上の電池の素子、ならびに電池および電池素子を作製する方法が開示される。一実施形態では、電池は、電池におけるイオン交換を補助する多孔質のアノード（４２）またはカソード層（７４）を特色とする。多孔質のアノードまたはカソード層を形成する方法は、加熱された金属ワイヤー上に不活性ガスもしくは水素濃縮炭素またはシリコン層を堆積することと、次いで不活性ガスもしくは水素濃縮炭素シリコン層をアニールすることとを含む。ワイヤー（９０１）上の電池のバンドル（９００）を有するエネルギ蓄積装置（９０２）および他のエネルギ蓄積装置も開示される。
2015505127.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電池であって、
円形断面を有する５〜５００マイクロメートルの範囲の直径の導電性金属ワイヤーと、
前記金属ワイヤー上に配置された第１の層と、
前記第１の層上に形成された第２の層とを備え、前記第１および第２の層のうち一方は炭素であり、他方はシリコンであり、前記金属ワイヤーと前記第１および第２の層とは第１の電極を形成し、さらに、
前記第１の電極から離間された円筒型の第２の電極と、
前記第１および第２の電極間の空間を占める電解質とを備える、電池。
【請求項２】
前記第１および第２の層には細孔が形成されており、前記細孔は、前記第１および第２の電極の間のイオン交換に、拡大した領域を提供する、請求項１に記載の電池。
【請求項３】
炭素層が前記第１の層であり、シリコン層が前記第２の層であるとき、前記シリコン層上に配置された第２の炭素層をさらに含む、請求項２に記載の電池。
【請求項４】
前記第２の炭素層上に配置された別のシリコン層をさらに備える、請求項３に記載の電池。
【請求項５】
前記第１の層は、不活性ガスもしくは水素濃縮シリコンまたは炭素層である、請求項１に記載の電池。
【請求項６】
電極アセンブリを形成する方法であって、
円形断面を有する導電性金属ワイヤーを加熱することと、
活性ガスもしくは水素濃縮炭素またはシリコン層のいずれかを、前記金属ワイヤー上に堆積して、円形断面を有する電極層を形成することと、
前記不活性ガスもしくは水素濃縮炭素またはシリコン層および金属ワイヤ集電体をアニールすることとを含み、アニールは前記電極層に細孔を作成し、前記細孔は、電池におけるイオン交換に、拡大した領域を提供する、方法。
【請求項７】
前記不活性ガスもしくは水素濃縮炭素またはシリコン層上にカソード物質を堆積して、アニール前にカソード層を形成することをさらに含む、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記電極層はアノード層である、請求項６に記載の方法。
【請求項９】
アニールは真空アニールを含む、請求項６に記載の方法。
【請求項１０】
前記不活性ガスもしくは水素濃縮炭素またはシリコン層を堆積する前に、金属ワイヤーの酸化物を水素エッチングすることをさらに含む、請求項６に記載の方法。
【請求項１１】
前記導電性金属ワイヤーを抵抗加熱することをさらに含む、請求項６に記載の方法。
【請求項１２】
アルゴン濃縮炭素層がワイヤー上に堆積され、前記アルゴン濃縮炭素層をアニールした後で、水素濃縮シリコン層を濃縮炭素層上に堆積することをさらに含む、請求項６に記載の方法。
【請求項１３】
前記水素濃縮シリコン層が前記金属ワイヤー上に堆積され、アルゴン濃縮炭素層をアニールした後で、水素濃縮シリコン層上に前記アルゴン濃縮炭素層を堆積することをさらに含む、請求項６に記載の方法。
【請求項１４】
炭素コーティング応力対応層を前記水素濃縮シリコン層上に堆積することをさらに含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１５】
前記水素濃縮シリコン層は、１０％〜８０％の範囲の割合の水素を有して堆積される、請求項６に記載の方法。
【請求項１６】
アルゴン濃縮炭素層は、１０％〜８０％の範囲の割合のアルゴンを有して堆積される、請求項６に記載の方法。
【請求項１７】
前記不活性ガスもしくは水素濃縮炭素またはシリコン層を堆積する前に、シリコン接着層を堆積することをさらに含む、請求項６に記載の方法。
【請求項１８】
水素またはヘリウムを含む所望の量の冷却ガスを、導電性金属ワイヤーがそこを通って移動しているリアクタの各蒸着室に導入し、それによってリアクタチャンバ温度を制御することをさらに含む、請求項６に記載の方法。
【請求項１９】
電池において使用するための電気化学装置であって、
直径が５〜５００マイクロメートルの範囲であり、円形断面を有する導電性金属ワイヤーと、前記金属ワイヤー上に配置され、円形断面を有する電極層とを含む電極素子を備える、電気化学装置。
【請求項２０】
前記電極層は、炭素層およびシリコン層を含むアノード層であり、前記炭素層および前記シリコン層の一方は前記金属ワイヤー上に配置され、他方は前記炭素層および前記シリコン層の他方上に配置される、請求項１９に記載の電気化学装置。
【請求項２１】
直径が５〜５００マイクロメートルの範囲であり、円形断面を有する導電性金属ワイヤーと、前記金属ワイヤー上に配置され、円形断面を有する電極層とを含む第２の電極素子をさらに備え、少なくとも前記第１および第２の電極素子は、複数の電極素子を含み、前記第２の電極素子は、前記第１の電極素子に接続され、第１および第２の電気化学素子の双方はアノードまたはカソードを含む、請求項１９に記載の電気化学装置。
【請求項２２】
複数の電極素子がウィービングによって接続される、請求項２１に記載の電気化学装置。
【請求項２３】
前記複数の電極素子が積層に配置される、請求項２２に記載の電気化学装置。
【請求項２４】
前記複数の電極素子は、箔状のカソードまたはアノードの他方および前記複数の電極素子を分離する電解質と電気化学的に通じるアノードまたはカソードを形成する、請求項２１に記載の電気化学装置。
【請求項２５】
前記電極層はカソード層である、請求項２１に記載の電気化学装置。
【請求項２６】
前記電極層は細孔が形成されている、請求項１９に記載の電気化学装置。
【請求項２７】
エネルギ蓄積装置であって、
電池のアレイを備え、各電池は、円形断面の導電性金属ワイヤーと、導電性金属ワイヤーで形成された第１の電極と、前記第１の電極から離間された円筒型の第２の電極と、前記第１および第２の電極間の空間を占める電解質とを有し、第１の電極はすべて第１の出力電極において接続され、第２の電極はすべて第２の電極出力において接続される、エネルギ蓄積装置。
【請求項２８】
各電池の前記金属ワイヤーは、前記第１の出力電極と並行に電気的に接続される、請求項２７に記載のエネルギ蓄積装置。
【請求項２９】
前記第２の電極は外側集電体を含み、アレイ中のすべての外側集電体は、物理的および電気的に互いに接触し、かつ前記第２の出力電極に電気的に接続される、請求項２７に記載のエネルギ蓄積装置。
【請求項３０】
第２のアレイの電池をさらに備え、各電池は、円形断面の導電性金属ワイヤーと、前記導電性金属ワイヤーで形成された第１の電極と、前記第１の電極から離間された円筒型の第２の電極と、前記第１および第２の電極間の空間を占める電解質とを有し、第１の電極はすべて第１の出力電極において接続され、第２の電極はすべて第２の電極出力において接続され、前記第２のアレイの電池は、前記第１のアレイの電池と直列に電気的に接続される、請求項２７に記載のエネルギ蓄積装置。
【請求項３１】
電池のアレイのうち少なくとも１つの選択電池は、当該電池のアレイの他の電池とは長さおよび／または断面直径が異なる、請求項２７に記載のエネルギ蓄積装置。
【請求項３２】
前記第１のアレイの電池は、安全回路と直列に電気接続する、請求項２７に記載のエネルギ蓄積装置。
【請求項３３】
電池であって、
円形断面を有し、隔離板によって包囲されたアノードワイヤを含む第１の電極と、
中空チャンバを規定する表面を含む取外し可能なマンドレルチューブとを備え、第１の電極ワイヤーは、前記取外し可能なマンドレルチューブに巻付けられ、さらに、
円形断面を有するカソードワイヤーを含む第２の電極を備え、前記第２の電極は、前記第１の電極に巻付けられ、さらに、
前記第１および第２の電極および前記取外し可能なマンドレルチューブを収容するケーシング材料と、
中空チャンバに配置された電解質とを備える、電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
発明の分野
本発明は、電池、特に充電式電池および充電式電池素子、主に電極、ならびにフェールセーフ破損耐久性充電式電池および充電式電池素子を作製するための方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
背景
エネルギ蓄積システムにおける効率向上の要望により、エネルギ密度が上昇し、放電深度が増大し、サイクルが長寿命化し、形状因子が軽量化および柔軟化した電池の開発が推進されている。他の種類の充電式電池の化学的性質と比較してより高い固有のエネルギ密度および多数の充放電サイクル後の無視できる記憶効果から、最新の研究努力は、リチウムイオン電池（ＬＩＢ）に向けられている。したがって過去２０年間、活電極物質の電気化学性能を向上させ、より安全な電極および電解質を開発し、ＬＩＢの製造費用を低下させることに著しい資源が向けられてきた。しかし、ＬＩＢは、特定の適用要件を満たすように設計されており、高エネルギ密度対高出力、充放電速度対容量およびサイクル寿命、安全性対費用などといった各種パラメータ間でしばしばトレードオフが行われる。主として活物質、電解質および隔離板の電気化学的特性ならびに電池製造方法によって課される制限により、これらのトレードオフが必要となる。
【０００３】
多様な形状および寸法のリチウムイオン電池（ＬＩＢ）が様々な種類の携帯用電子装置、医療装置に広く使用され、電気自動車での使用、ならびに太陽光発電システム、スマート電気グリッド、および電気工具での使用について検討されている。しかし、現在の技術水準（ＳＯＡ）のリチウムイオン電池技術は、エネルギ容量、充電速度、および製造費用の点から制限されている。エネルギ省（ＤＯＥ）の報告書、１０年間の努力、およびリチウムイオン電池開発への数十億の投資に基づいて、ＬＩＢの製造費用は著しくは減少しておらず、ＤＯＥ目標よりも依然として３倍〜６倍高い（目標１５０ドル／ｋＷｈに対して現在の７００ドル／ｋＷｈ）。また、リチウムイオン電池の性能は、特にスケーラブルな製造プラットホームについて予測通りには改善されていない。２０年以上前に開発されていたロールツーロール箔積層を用いた同じ従来の電池製造技術に対する継続的な依拠が、価格停滞および性能停滞状態をもたらしている重要な要因である。別の要因は、電池費用の４０〜５０％を構成する粉末ベースの活電極物質の合成である。したがって、新しい電池設計および製造パラダイムは費用の問題に対処することが必要とされている。また、技術水準の黒鉛アノードベースのリチウムイオン電池技術は、エネルギ容量、充電速度、および安全性の点で制限されている。制限されたアノード容量によって、電池はより一層充電を必要とする。競合的なアノード溶液は根本的な課題を克服しておらず、カレンダー寿命が制限され、充電が遅くなる。
【０００４】
昇温アニールがカソード物質を結晶化させると、適切な条件下での基体上のカソード物質のアニールにより電池性能が向上することが報告されている。しかし、昇温アニールによってカソード製造の費用が上昇する。したがって必要なのは、たとえば、性能および安全性の向上のための所望の結晶構造を有する低費用のカソード製造方法を提供することである。
【０００５】
リチウムイオン電池は、大量のエネルギが蓄積される箔ベース構造のために、本質的に安全ではない。電池への損傷は、大量のエネルギを放出し、熱暴走、火災および爆発をもたらす短絡回路につながる恐れがある。
【０００６】
したがって、次世代のリチウムイオン電池は、たとえば電池および電池素子のための費用効率の高い連続的な製造方法、ならびにたとえばフェールセーフ電池設計を有するより高容量のアノード溶液を必要とする。
【０００７】
関連する技術の説明
柔軟な形状因子の必要性に対処するケーブル型電池が当該分野において知られている。たとえば、Ａｈｎ他の韓国特許公開番号第１０−２００５−００９９９０３号は、内側集電体上に形成された内部電極と、内部電極上に形成された電解質と、内部電極上に形成された外部電極と、外側集電体とを有するスレッド型電池を開示し、保護コーティング部が外部電極上に形成される。Ｋｗｏｎ他の米国特許公開番号第２０１２／０１００４０８号も、円形断面の長細いワイヤ形状を有する第１の極性の集電体と、第１の極性の集電体上に形成された少なくとも２つの第１の極性の電極活物質層と、第１の極性の電極活物質層を包囲するように充填された電解質層と、電解質層上に形成された少なくとも２つの第２の極性の活物質と、第２の極性の電極活物質層の外面を包囲するように構成された第２の極性の集電体とを有する電極アセンブリを含むケーブル型二次電池を開示している。Ｋｗａｎ他の米国特許公開番号第２０１２／０００９３３１号は、電極スラリーの使用を含む、ケーブル型二次電池を製造するための方法を開示している。これらの電池および電池素子の欠点は、イオン交換のための領域が拡大した小規模の電池を提供していない点である。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の実施形態は、長円形断面の金属ワイヤーを固体電池の電極用の基体として使用する電池素子を含む。ワイヤー上の薄膜は、カソード、アノード、および電解質を形成することができる。そのような電池をエネルギワイヤーと規定し、実施形態は、たとえば、固体電池の優れた性能特徴（優れたサイクルおよびカレンダー寿命、高放電深度、迅速な充電速度）を、粉末ベースの活物質を使用して製造された高エネルギ容量の従来の電池と組合せる電池構造体をもたらす。金属ワイヤー基体は電気化学セルの集電体として動作することができる。発明の一実施形態は、たとえば、アモルファス三次元多孔質シリコン‐炭素複合アノード活物質を製造する低費用の方法を含む。一実施形態は、多孔質アノード構造が作成される方法について説明する。一実施形態では、堆積されたカソード物質を熱処理するための革新的な低費用のアニール技術が提供され、所望の結晶質および構造の多孔性をもたらす。高密度電池を製造することについての説明が示され、破損耐久性の電池の形成を可能にする。本発明の実施形態の性質および利点のさらなる理解は、明細書の後半部分および添付図面を参照することによって実現され得る。
【０００９】
一実施形態では、本発明は、金属ワイヤー上に形成された第１および第２の多孔質層のための導電性金属ワイヤー基体と、当該金属ワイヤーと、第１の円筒型の電極を形成する第１および第２の層と、第１の電極から離間された円筒型の第２の電極と、第１および第２の電極の間に配置された電解質とを有する電池を含む。多孔質層は、第１および第２の電極の間のイオン交換に、拡大した領域を提供する。
【００１０】
一実施形態では、本発明は、多孔質電極アセンブリを作製する方法を含む。
別の実施形態では、本発明は、円形断面の導電性金属ワイヤーと、金属ワイヤー上に配置された多孔質電極層とを有する電気化学アセンブリを含む、電池において使用するための電気化学装置を備える。電気化学装置は、アノードまたはカソードを形成し得る。１つ以上の追加的な電気化学装置に並列または直列に接続され得る。一接続形態は、たとえば、隣接する電気化学装置の部材のウィービングである。電気化学装置は、異なる種類の電池を形成するために使用してもよい。
【００１１】
発明の一実施形態は、電池のアレイを有し、各電池は、導電性金属ワイヤー上に形成された第１および第２の円筒型の電極を有し、第１の電極はすべて第１の出力電極において接続され、第２の電極はすべて第２の電極出力において接続される、エネルギ蓄積装置を備える。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】金属ワイヤー基体の側面図である。
【図２】金属ワイヤー基体を処理するためのシステムの正面図である。
【図３ａ】アノード素子の実施形態の断面側面図である。
【図３ｂ】アノード素子の別の実施形態の断面側面図である。
【図３ｃ】アノード素子の別の実施形態の断面側面図である。
【図４ａ】蒸着室を通過するカバーを有する複数の金属ワイヤー基体の斜視図である。
【図４ｂ】図４ａの金属ワイヤー基体の部分断面正面図である。
【図４ｃ】図４ｂの金属ワイヤー基体の部分断面側面図である。
【図５ａ】アノード素子の断面側面図である。
【図５ｂ】Ａ−Ａ線に沿った図５ａのアノード素子の部分断面図である。
【図６】カソード素子のためのアニールシステムの正面図である。
【図７ａ】非多孔質カソード素子の断面側面図である。
【図７ｂ】Ａ−Ａ線に沿った図７ａのカソード素子の部分断面図である。
【図７ｃ】多孔質カソード素子の断面側面図である。
【図７ｄ】Ｂ−Ｂ線に沿った図７ｃのカソード素子の部分断面図である。
【図８ａ】ワイヤ基体上に形成されたアノード層を特色とする電池の断面頂面図である。
【図８ｂ】Ａ−Ａ線に沿った図８ａの電池の断面正面図および回路構成のブロック図である。
【図８ｃ】ワイヤ基体上に形成されたカソード層を特色とする電池の断面頂面図である。
【図８ｄ】Ａ−Ａ線に沿った図８ｃの電池の断面正面図および回路構成のブロック図である。
【図８ｅ】アノード素子および箔ベースのカソードを特色とする電池の正面図である。
【図８ｆ】カソード素子および箔ベースのアノードを特色とする電池の正面図である。
【図９ａ】電池バンドルの電池アセンブリの斜視図および回路構成のブロック図である。
【図９ｂ】図９ａの電池バンドルの部分断面図である。
【図９ｃ】図９ｂの部分Ａの拡大図である。
【図９ｄ】エネルギ蓄積装置の斜視図および部分切取図である。
【図９ｅ】図９ｄのエネルギ蓄積装置の回路構成のブロック図である。
【図１０】電池バンドルのためのブロック回路構成図である。
【図１１ａ】マンドレルを有して形成された電池の断面図である。
【図１１ｂ】マンドレルのない図１１ａの電池の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
発明の詳細な説明
本発明の実施形態は、導電性金属ワイヤー基体上の固体リチウムイオン電池の製造に関し、カソード、アノード、電解質、および集電体のための種々の材料はすべてワイヤーと関連付けられる。図１は、金属ワイヤー基体１の円形断面積を示す。金属ワイヤー１は、５ミクロン〜５００ミクロンの範囲を有する直径Ｄの集電体として作用する。堆積前には、金属ワイヤーは、清掃され、電極コーティングと基体との間の機械的および化学的結合を高めるために、ビードブラストなどの機械的な方法または化学的エッチング法などの化学的な方法を用いて、所望の表面粗さにテクスチャード加工することができる。円形断面の電極を有することによって、従来の電極製造における平坦な矩形の金属シートまたは箔電極と比較して、表面積が増大する。アノード膜厚の減少と対となる表面積の増大により、等価エネルギ密度のための重量および体積の減少として、高速充電能力がＬＩＢに与えられる。金属ワイヤー上に固体電池を製造するためのこの新規な手法により、破損耐久性の高密度電池の設計が可能となる。
【００１４】
アノード物質の製造
本発明の実施形態は、チタン、鋼、またはタングステンもしくはスズでメッキされた銅からなる長円形断面の中実または中空の金属ワイヤーに対して、熱化学蒸着法（ＣＶＤ）技術を用いてシリコン‐炭素積層複合アノード物質を製造する低費用の方法を含む。今日のリチウムイオン電池のエネルギ密度を向上させる最も有望な手段は、黒鉛ベースのアノードを、シリコンなどのエネルギ密度がより高い物質に置換することである。しかしシリコンのサイクル性能は、大量のリチウムの投入および抽出時の大規模な膨張および収縮によって問題となることが多い。本発明の実施形態は、構造の完全性を維持しつつ、優れたＬｉ投入／抽出性能を得るにあたって必要ないくつかの重要な問題に対処する。さらに、薄いシリコン膜の容量は実際的な目的にとって十分ではない。本発明の実施形態は、シリコン層と電解質との間の反応障壁と、多孔質および／またはナノ結晶のミクロ構造と、優れた基体−膜密着性と、膜構造内の制御された応力状態とをもたらすことに加えて、リチウム化誘発応力の管理のためにインターカレーション化合物および機械的に柔軟な層の両方として炭素層が機能する多層シリコンおよび炭素構造をもたらすことによって、これに対処する。シリコン‐炭素積層複合アノードの容量は、個々のシリコンおよび炭素層の厚さを変更することによって調整することができる。「アノード・オン・ワイヤー」構造を製造する発明は、優れたＬｉ投入／抽出性能を得るにあたって必要ないくつかの重要な要因に対処する。アノード・オン・ワイヤー構造についての適切な類似点は、円筒型の圧力容器である。この比較を用いて、電気化学リチウム化から薄膜において生じるアノード・オン・ワイヤー構造における応力は、組合された圧力荷重により、圧力容器中の応力と類似している。シリコンの膨張および伸縮は、内部および外部圧力荷重にそれぞれたとえることができ、主要な接線またはフープ応力成分をもたらす。円筒形構造の周囲のフープ応力の連続的な性質は、平面形状と比較して、平面アノード構造に共通するエッジ効果および応力集中、つまり円形断面形状のための膜積層体のより低い圧縮応力レベルを排除すると期待される。アノード製造に円形断面ワイヤーを用いることにより、体積膨張に関連する応力への対応を含む従来の平坦なプレートアノード構造と比較して、いくつかの重要な利点が得られる。
【００１５】
構造的なセラミック膜を様々な基体形態上に堆積する熱ＣＶＤの適用は周知の処理である。しかし、たとえば多層薄膜多孔質構造が電気化学活物質として形成される先行技術の方法は本発明の必要性を満たしていない。本発明の一実施形態では、多段リアクタ２０（図２）は、そのような電気化学活物質を下記のように作成するように設計されている。
【００１６】
発明の一実施形態では、炭素および／またはシリコン含有前駆体が様々な場所に導入されて金属ワイヤー１の周囲にアノード物質を堆積しつつ、ワイヤー１（図１）が抵抗加熱される。シリコン（ジクロロシランなど）および炭素（メタンなど）のための従来のＣＶＤ前駆体がリアクタ２００（図２）の長さに沿って導入される。前駆体が加熱されたワイヤー表面と接すると、熱的絶縁破壊機構によって前駆体化合物の分解が実現される。ＲＦまたはマイクロ波などの外部プラズマ源を用いて、活前駆体物質の分解速度をさらに補助することもできる。アモルファスおよび／またはナノ結晶シリコン‐炭素積層複合アノード物質が、堆積パラメータに依存して２〜２０μｍの範囲の厚さの移動するワイヤー上に堆積される。移動するワイヤーの速度を変動させて、堆積されるアノード物質の厚さを増少させることができる。堆積温度は、ワイヤが蒸着室を通って移動している間に、異なる電流密度で金属ワイヤーを抵抗加熱することによって変動させることができる。リアクタ２０の異なるチャンバにおける動いているワイヤーの堆積温度は、水素またはヘリウムなどの適切な量の冷却ガスを導入することによって調節することができる。個々のコーティング層の厚さの変動は、処理室内の、水素またはアルゴンなどの希釈ガスに対する化学反応の比率を変動させることによって実現することもできる。下記は、「アノード・オン・ワイヤー」構造を製造するために想定される典型的な処理シーケンスの方法例である。
１．ワイヤーの抵抗加熱およびチャンバ２０２における自然酸化物の水素エッチング。
２．チャンバ２０４におけるシリコン接着層（厚さ２０ｎｍ〜５０ｎｍまで）の堆積。
３．チャンバ２０６における応力対応層としての第１の炭素コーティングの堆積。
４．チャンバ２０８におけるシリコン層の堆積。
５．チャンバ２１０における応力対応層としての第２の炭素コーティングの堆積。
説明される製造方法は、リチウムイオン電池のための他の好適な物質に適用可能である。
【００１７】
図２は、化学蒸着リアクタ２００における蒸着室、たとえばチャンバ２０２，２０４，２０６，２０８，および２１０を通って連続的に移動する金属ワイヤー２を示す。テンショナーを用いて、ワイヤーとリール２１４および２１８上に集められたワイヤー供給源との張力を制御してもよい。一実施形態では、炭素およびシリコンのための高蒸気圧前駆体を用いて、アモルファスまたはナノ結晶の炭素‐シリコン‐炭素厚膜複合アノードが堆積される。金属ワイヤーの周囲にアノード物質を堆積するために、炭素および／またはシリコン含有ガスを様々な場所に導入しながら、ワイヤーが抵抗加熱される。アノードの炭素成分については、メタンもしくはアセチレンもしくはヘキサンなどのＣＶＤガス、または０．５ｔｏｒｒより蒸気圧が大きい任意の炭素原子含有前駆体ガスを使用することができる。液体蒸発器および質量流量コントローラと共に、ジメチルアダマンタンなどの液体前駆体を含有する炭素を使用することもできる。アノードのシリコン成分については、モノシランなどのＣＶＤガスまたはシリコン含有ガス（または高蒸気圧液体）の任意の変異体が使用される。メチルシランなどの、炭素およびシリコン成分双方を含有するガスを用いて、炭素‐シリコン厚膜複合アノードを形成することもできる。堆積温度は２００〜２０００℃の範囲であり、蒸着室を通って移動している間に金属ワイヤーを抵抗加熱することによって実現される。排気ガスは、ポートまたは出口２２２，２２６，２３０，２３４，および２３８を介して排出される。
【００１８】
図２を参照して、ワイヤーが抵抗加熱されると、金属ワイヤー２の周囲にアノード物質が堆積される。ブラシベースの電気接続点２４０および２４２により、抵抗加熱のための電流が供給される。ワイヤー２の水素エッチングのために、入口２２０を介してＨ２ガスがチャンバ２０２に導入される。排気ガスは出口２２２から排出される。シリコン接着層をワイヤー２上に堆積するために、入口２２４を介してシリコン前駆体がチャンバ２０４に導入される。排気ガスは出口２２６から排出される。応力対応層としての第１の炭素コーティングをシリコン接着層上に堆積するために、入口２２８を介して炭素前駆体がチャンバ２０６に導入される。排気ガスは出口２３０から排出される。シリコン層を炭素層上に堆積するために、入口２３２を介してシリコン前駆体がチャンバ２０８に導入される。排気ガスは出口２３４から排出される。炭素層をシリコン層上に堆積するために、入口２３６を介して炭素前駆体がチャンバ２１０に導入される。排気ガスは出口２３８から排出される。
【００１９】
別の実施形態では、図３ａに示されるように、１０ｎｍより厚いが５ミクロンより薄い炭素層１０が金属ワイヤ集電体１２上に堆積され、次いで１ミクロン〜１００ミクロンの範囲の様々な厚さのシリコン層１４が堆積される。図３ｂに示される別の実施形態では、１０ｎｍより厚いが５ミクロンより薄い薄シリコン層１６が堆積され、次いで１ミクロン〜１００ミクロンの範囲の厚さの炭素層１８が堆積される。図３ｃに示されるように、交互の炭素層２０およびシリコン層２２が１０ｎｍ〜１００ミクロンの範囲の厚さで堆積される。これらの実施形態に基づいて、単一層のシリコンまたは単一層の炭素を上記の金属ワイヤー上に堆積するなどの、シリコン層および炭素層の様々な他の構成が可能である。
【００２０】
図４ａは、蒸着室３２を通って移動し、ガイドローラ３３によってチャンバに案内された金属ワイヤー１２を例示する。金属ワイヤー基体が蒸着室３２に入る前に、ワイヤーの長さに沿った所望の場所において金属ワイヤー上にカバー３４を配置して、蒸着室３２を通って移動する金属ワイヤー１２の長さに沿った選択された領域での堆積を防ぐ。金属ワイヤー基体の長さに沿ったカバー配置間の距離３６（図４ｂ）は、特定用途に必要とされるアノードワイヤ（図４ｃ）の寸法に依存して変動することができる。このカバーは、セラミックまたは金属シートで作製することができる。堆積が完了すると、蒸着室の出口端部において、カバー３４を除去して下にある金属ワイヤーを露出させることができる。これらのコーティングされていない領域は、電気化学セルにおいて電気接続に使用することができる。
【００２１】
一実施形態では、シリコンおよび／または炭素含有前駆体ガスが水素または不活性ガスなどの希釈ガスと共に所定の場所に導入されつつ、移動するワイヤーが抵抗加熱される。一例では、水素濃縮シリコン層は１０〜８０％の水素を含む。別の例では、アルゴン濃縮炭素層は１０〜８０％のアルゴンを含む。圧力、温度、流量、および希釈ガスに対する前駆体ガスの比率などの処理条件を変動させて、成長中のアノード層内に水素および／または不活性ガスがトラッピングされる。アノード層の形成後、１０００℃以上に抵抗加熱しつつアノードコーティングワイヤーを真空室を通過させる。これにより、アノード層内にトラッピングされた水素および／または不活性ガスが漏れ、拡散経路および多孔質構造をもたらす。この方法は、多孔質カソード構造を作成するために適用することができ、より迅速な電池の充電／放電につながる。この構造は、金属ワイヤー１２、アノードコーティング４２および細孔４４とともに図５ａおよび図５ｂに示される。以下の工程は、そのような構造をもたらすために使用される方法例である。
１．ワイヤーの抵抗加熱および自然酸化物の水素エッチング。
２．シリコン接着層の堆積。
３．炭素前駆体に対するアルゴンの比率を増大させることによる高アルゴン濃縮炭素層の堆積。
４．次いでワイヤーおよびアルゴン濃縮炭素層の真空アニーリングを行うことにより、アルゴンガスが炭素層から漏れ、炭素層内に多孔質経路を作成する。
５．シリコン前駆体に対する水素の比率を増大させることによる高水素濃縮シリコン層の堆積。
６．次いで水素濃縮シリコン層およびワイヤーの真空アニーリングを行うことにより、水素がシリコン層から漏れ、多孔質シリコン層構造を作成する。
７．応力対応層およびシリコンと電解質との間の反応障壁としての炭素コーティングの堆積。
【００２２】
カソード物質の製造
本発明の実施形態は、長円形断面の金属ワイヤー基体上にカソード活物質を製造する方法に関連する。この金属ワイヤー基体は、電気化学セルにおいて集電体として機能する。一実施形態では、カソード物質（ＬｉＣｏ０２など）は、上記のアノード形成と同様の方法を採用して、しかしカソード形成前駆体、物理蒸着法、熱溶射、噴霧熱分解、ゾルゲル、ならびにカソード物質および／または、結合物質の有無に関わらずカソード物質前駆体を用いた適用可能な粉末冶金法を用いることにより、金属ワイヤー上に堆積される。液相析出法を使用することもできる。この低費用の製造方法は、積層されたスピネルおよび橄欖石型構造、ならびにリチウムイオン型電池に好適な合金系のカソード物質に適用可能である。一実施形態では、カソード物質は、１００℃〜２０００℃の範囲の温度で抵抗加熱された金属ワイヤー基体上に堆積される。金属ワイヤー基体の熱膨張係数がカソード物質より高くなるほど、カソード物質内に歪みが導入され、より高レベルの歪み誘起結晶化が実現される。
【００２３】
一実施形態では、堆積されたカソード物質を熱処理するための革新的な低費用のアニール技術が提供される。金属ワイヤー基体上にカソード物質を堆積した後、連続したステップにおいて、基体を所望の温度に抵抗加熱して、堆積されたカソード物質内で所望の拡散、結晶化、およびボンディングを誘起するために、金属基体に電流を流す。図６は、堆積されたカソードのための低費用の昇温アニール方法のための装置の概略図である。連続的な堆積されたカソード金属ワイヤー５０を、アニール室５２を介してワイヤリール５４から受取りリール５６に通過させる。金属ワイヤーを抵抗加熱する接続点５８においてコーティングされていない領域（図４）を用いて電源６０によって金属ワイヤーに電流を流す。センサ６２を用いて温度を監視し、電源６０へのフィードバックによって制御することができる。堆積された物質を介して設定値電流を適用することもできる。コーティングされた金属ワイヤーの温度は、抵抗加熱のための入力電流を変動させることによって制御することができ、２００℃〜２０００℃の範囲である。酸素または窒素またはフッ素などの様々な環境をアニーリング処理中に導入することができる。
【００２４】
図７ａおよび図７ｂは、ワイヤ基体１２上のアニールされたカソード物質７０の縦断面図および側面図である。結晶度は、結晶寸法の増大をもたらす温度および／または時間の増大とともに温度および時間を変動させることによって制御される。
【００２５】
一実施形態では、カソード析出に先立って、上記のアノード形成のための水素またはアルゴンなどの不活性ガスと共に化学蒸着リアクタ２００（図２）にシリコンおよび／または炭素含有ガスを導入しながら、ワイヤーが抵抗加熱される。成長中の多孔質形成コーティング内に水素および／または不活性ガスがトラッピングされるように、処理条件を変動させる。上記の教示の通り、カソード物質の堆積がこれに続く。カソードアニール中に、炭素またはシリコン層内のトラッピングされたガスが漏れ、多孔質カソード構造がもたらされる。図７ｃおよび図７ｄは、多孔質構造７６を有するアニールされたカソード７４と、ワイヤ基体１２上に堆積された薄い基材炭素層８０とを示す。一例では、炭素層は５マイクロメートルより薄く、図５のアノード形成のために上記したようにカソード物質の堆積前に堆積される。本発明の性質および利点のさらなる理解は、明細書の後半部分および添付図面を参照することによって実現され得る。
【００２６】
固体電池の製造
アノードおよびカソードの製造について本開示に記載される教示によれば、円形断面の一体的な高表面積金属ワイヤー基体上に電気化学セル構造が作成されることになる固体電池を製造することができる。本発明の実施形態の利点は、たとえば、固体電池の優れた性能特徴（優れたサイクルおよびカレンダー寿命、高放電深度、迅速な充電速度）を、粉末ベースの活物質を用いて製造された従来の電池の高エネルギ容量と組合せた電池構造をもたらす点である。
【００２７】
この低費用の連続的な製造技術を用いて、高容量の多孔質膜系の「バッテリー・オン・ワイヤー」構造の三次元アレイを作成してもよい。高容量電池を形成するために本願によって必要とされるように、直径が異なる個々の「バッテリー・オン・ワイヤー」は、記録密度を向上させるために束ねられ、直列または並列に接続される。束ねられた「バッテリー・オン・ワイヤー」は、個々のワイヤの長さを変更する用途によって必要とされるのと同じ長さにすることができる。
【００２８】
「バッテリー・オン・ワイヤー」技術は、十分なエネルギ密度およびサイクル寿命とともに極めて高い充放電速度を有するＬＩＢを作成する可能性を有する。本発明の実施形態は、大きな表面積およびシリコンに基づくアノード容量の増大と結び付けられた多層多孔質膜構造の使用によって電子およびリチウムイオンが移動する経路長を低減することにより、高い充放電速度を達成し得る。本発明の実施形態は、ワイヤー形状を、高容量三次元多孔質シリコン含有アノードおよび２ミクロン未満の厚さの電解質層と組合せることによって「バッテリー・オン・ワイヤー」構造の高い比エネルギ密度を実現してもよく、容積測定および重量測定能力において著しい向上がもたらされる。
【００２９】
図８ａを参照して、本発明の一実施形態では、固体リチウムイオン電池（８０）の製造の方法は、（１）上記の教示において説明したように、活アノード物質８２を金属ワイヤー１２上に堆積するステップと、（２）標準的な堆積技術を用いて、または適切な電解質前駆体を用いたアノード製造について上記の教示において説明したようにリン酸リチウムオキシナイトライド（ＬＩＰＯＮ）もしくは他の好適な電解質８４を堆積するステップと、（３）上記の教示において説明したように活カソード物質８６を堆積するステップと、４）堆積されたカソード物質の昇温アニールを行い、上記の選択された環境において所望のレベルの結晶化を誘起するステップと、５）プラズマ溶射法または物理蒸着法またはスパッタリングなどの確立されている方法によってＡｌ、ＣｕまたはＷなどの導電性金属の前駆体を用いて金属集電体電極８８を堆積するステップとを含む。
【００３０】
図８ｃにおいて参照される別の実施形態では、１）上記の教示において説明したように、活カソード物質９２を金属ワイヤー１２上に堆積することと、（２）堆積されたカソード物質１２の昇温アニールを行い、上記の選択された環境において所望のレベルの結晶化を誘起することと、（３）標準的な堆積技術を用いて、または適切な電解質前駆体を用いたアノード製造について上記の教示において説明したようにリン酸リチウムオキシナイトライド（ＬＩＰＯＮ）もしくは他の好適な電解質９４などのリチウム塩を堆積することと、（４）上記の教示において説明したように活カソード物質９６を堆積することと、（５）プラズマ溶射法または物理蒸着法またはスパッタリングなどの確立されている方法によってＡｌ、ＣｕまたはＷなどの導電性金属の前駆体を用いて金属集電体電極９８を堆積することとによって、固体ＬＩＢ９０が製造される。電源は文字Ｐによって示される。
【００３１】
図８ｅにおいて参照される一実施形態では、ＬＩＢ１０１は、ＬｉＰＦ６などの液体電解質１０２およびＬｉＣｏ０２などの従来の箔ベースのカソード１０４とともに、隔離板１０６を有する銅箔上に上記の教示によって製造された金属ワイヤー上のアノード１００で構成されて示される。金属ワイヤー上のアノードは、ウィービングされた、クロスウィービングされた、中空の螺旋状、多数の積層体などといった様々な幾何学的形態とすることができる。ワイヤ構造上のアノードは、大きな幾何学的および機能的能力を製造技術に提供する。
【００３２】
図８ｆにおいて参照される別の電池（１１０）の実施形態では、上記の教示によって製造された金属ワイヤー上のカソード１１２が、ＬｉＰＦ６などの液体電解質１１４および黒鉛などの従来の箔ベースのアノード１１６と共に、隔離板１１８を有するアルミニウム箔上で使用される。金属ワイヤー上のカソード１１２は、ウィービングされた、クロスウィービングされた、中空の螺旋状、多数の積層体などといった様々な幾何学的形態とすることができる。ワイヤ構造上のカソードは、大きな幾何学的および機能的能力を製造技術に提供する。
【００３３】
別の実施形態では、上記の教示によって製造された別個の金属ワイヤー上のアノードおよびカソードの双方を、隔離板に加えて、ＬｉＰＦ６または重合体電解質などの液体電解質と共に用いて、リチウムイオン電池を製造することができる。金属ワイヤー上のアノードおよびカソードは両方とも、ウィービングされた、クロスウィービングされた、中空の螺旋状、多数の積層体などといった様々な幾何学的形態とすることができる。ワイヤ構造上の活性構成要素形成は、大きな幾何学的および機能的能力を製造技術に提供する。また、金属ワイヤー基体を通る電流によって誘起される磁界は、金属ワイヤー電池を並列、直列、またはクロスウィーブパターンに配置して電気化学セルの内部電位を高めることによって、取り入れることができる。
【００３４】
本明細書に記載される例示的な構成は例示目的であり、本開示の原理に従って実現することができる可能な構成および組合せの全範囲を限定することは意図していない。これらの教示の原理は、電極もしくは電解質などの個々の構成要素、またはそれらの任意の組合せについて適用することができる。
【００３５】
フェールセーフ破損耐久性電池設計
本発明の実施形態は、破損耐久性であり本質的に安全な電池構造体の製造を可能にする、単一および複数バンドルレベルの双方において充電および安全性のための制御回路構成の実施を容易にする。既存の箔ベースのセルは、アノード‐カソード短絡の場合に熱暴走および／またはセル破壊を防ぐことを、外部保護回路構成に要求する。これらの外部保護回路は、所与のセルの体積効率を低下させ、保護されているセルから寄生電流を引出すことを必要とすることが多い。提案されている「バッテリー・オン・ワイヤー」セル構造は、熱スイッチの原理に基づいて、一体化された保護回路として作用することができる。「バッテリー・オン・ワイヤー」の通電容量は、アノード‐カソード短絡の場合にはあらかじめデザインされた場所でワイヤーが溶融して回路を開き、バンドル中の各個々の「バッテリー・オン・ワイヤー」が有効に熱スイッチとなるように、適切なワイヤー径を選択することによって設計されることになる。既存の箔ベースのセルと比較して、「バッテリー・オン・ワイヤー」構造は、優れた安全性、体積効率の向上をもたらし、外部保護回路の維持のために寄生電流の引出しを必要としないことが期待される。
【００３６】
図９ａ〜図９ｅにおいて参照される一実施形態では、記録密度を向上させるために直径が異なる多数の低エネルギ密度ワイヤー電池９０１のアレイまたはバンドル９００が共に束ねられて、電子機器、車両、医療、防衛、およびエネルギ蓄積用途に好適な高密度電池９０２を形成する。図９ａ〜図９ｃを参照して、バンドル９００の各電池９０１は、導電性金属ワイヤー基体９０４、カソード物質層９１０から離間された金属ワイヤー基体上に堆積されたアノード物質層９０６、アノード物質層とカソード層との間の空間に配置された電解質９０８、および頂部集電体９１２を含む。バンドル９００内の金属ワイヤー９０４の直径は、２〜５００ミクロンの範囲であり、バンドル内の記録密度を向上させるように適切に選択される。図９ａは、並列に接続されたバッテリー・オン・ワイヤーのアレイの単一のバンドル９００を示す。バンドルは重合体ケーシング９０３を含む。適用要件に依存して、個々のワイヤの直径および長さ、ならびにバンドル中のワイヤー数を変更することができる。
【００３７】
図９ｄおよび図９ｅを参照して、高密度電池９０２は、重合体シース９１４にパッケージングされ得る。アノード端子９０４、アノード接続ワイヤー９０６、およびカソード接続がモノリシック電池９０２を形成するものとして示される。単一ワイヤー電池９０１は、用途によって必要である場合には並列に接続することができる。これらの束ねられたワイヤー電池は、個々のワイヤー電池の長さによって制限されて必要とされるのと同じ長さとすることができる。
【００３８】
バンドル９００において、各エネルギワイヤー９０１の最も外側または頂部の集電体９１２（図９ｅ）は互いに接触しており、エネルギワイヤーの長さに沿った多数の場所において電子が取入れられる。頂部集電体９１２は、たとえば鋼、タングステンもしくはコーティングされた金属を含む導電性金属、またはセラミックワイヤーからなる。何百もの単一の電池ワイヤーを並列に接続して、１つの電池バンドル９００を形成することができる。電流要件に依存して、用途によって必要とされるようにワイヤーの数および長さを増大させることができる一方、適切な単一の電池ワイヤ径を選択して、単一のバンドルの記録密度を向上させることができる。たとえば、個々の電池９０１は、直径が５０マイクロメートルより大きくてもよく、長さが１０マイル以内であってもよい。さらに、いくつかのバンドル９００を直列に接続して、必要とされる印加電圧を生成することができる。図９ｅに示されるいくつかのバンドルは、より高容量の電池を作製するために直列に接続される。適用要件に依存して、電池中のバンドル数を増大させることができる。
【００３９】
この概念は、破損耐久性であり本質的に安全な電池構造体の製造を可能にする、単一および複数バンドルレベルの双方において充電および安全性のための制御回路構成の実施を容易にする。ロバストな電池のためにアノードおよびカソードの局所的な短絡を防ぐため、束ねられた端部から金属芯材を分離することが、各グループの端領域において必要とされる。これは、ワイヤーが図４ａおよび図４ｂで説明した蒸着室に入る前に、金属ワイヤー上にカバーまたはスペーサを配置することによって実現される。本明細書に記載される例示的な構成は例示目的であり、本開示の原理に従って実現することができる可能な構成および組合せの全範囲を限定することは意図していない。
【００４０】
本開示に記載され、図１０で参照される教示によれば、破損耐久性の電池設計実施形態が説明される。用途によって必要であれば、単一のエネルギワイヤーのバンドル１０００ａ〜ｅが直列接続１４２によって直列接続されて、たとえば電源１３２に接続された高密度エネルギ電池１００２を形成する。図１０に示すように、多数の低エネルギワイヤー電池を含む上記の高エネルギ密度電池の製造は、エネルギ出力はより低いものの、損傷したワイヤー電池１０００ａおよび１０００ｃのみが機能を果たさなくなる一方で他のバンドルワイヤー電池１０００ｂ，１０００ｄ，および１０００ｅは動作する電池１００２に損傷１３４を与える。本発明の適用により、エネルギワイヤーバンドル内でのアノードとカソードとの短絡による大量のエネルギの放出が防止される。大量のエネルギを放出することができる箔ベースの設計と比較して、損傷によるアノード‐カソード短絡は、損傷した単一ワイヤー電池バンドルからのみ低エネルギを放出させる。
【００４１】
本発明の実施形態は、従来の手法と比較して高度の柔軟性を提示し、図１１ａおよび図１１ｂの電気化学セルにおいて示されるような著しい利点を提示する。たとえば、アノードおよびカソードワイヤーを用いて、スパイラル構造を作成することができる。本開示に記載され、図１１ａで参照される教示によれば、一体化された隔離板１５２を有するアノードワイヤ１５１が、穴を有するマンドレルチューブ１５０に巻付けられる。この後、カソードワイヤー１５３およびケーシング材料１５４を巻付ける。アノードワイヤ１５１およびカソードワイヤー１５３は集電体として使用される。アノードおよびカソードの双方は、たとえば導電性金属、コーティングされた金属、金属がコーティングされた酸化物、またはカーボンワイヤからなり得る。マンドレルチューブ１５０は、ＬｉＰＦ６などの標準的な電解質で充填されて、スパイラルワイヤ電池を作製する。これらのスパイラルワイヤ電池は、マンドレルチューブ１５０の長さによって制限されて必要とされるのと同じ長さとすることができる。そのような手法のいくつかの他の変更例が想定される。図１１ｂで説明される別の実施形態では、中空のマンドレルチューブ１５０は、ケーシング材料１５８が封じ込めを提供する状態で液体電解質１５７で充填した後に除去される。そのようなスパイラル構造は、上記の方法を用いてマンドレルチューブ１５０の有無に関わらず固体電池ワイヤー（図８）を用いて作成することもできる。本明細書に記載される例示的な構成は例示目的であり、本開示の原理に従って実現することができる可能な構成および組合せの全範囲を限定することは意図していない。
【図１】
2015505127.tif 000003
【図２】
2015505127.tif 000004
【図３ａ】
2015505127.tif 000005
【図３ｂ】
2015505127.tif 000006
【図３ｃ】
2015505127.tif 000007
【図４ａ】
2015505127.tif 000008
【図４ｂ】
2015505127.tif 000009
【図４ｃ】
2015505127.tif 000010
【図５ａ】
2015505127.tif 000011
【図５ｂ】
2015505127.tif 000012
【図６】
2015505127.tif 000013
【図７ａ】
2015505127.tif 000014
【図７ｂ】
2015505127.tif 000015
【図７ｃ】
2015505127.tif 000016
【図７ｄ】
2015505127.tif 000017
【図８ａ】
2015505127.tif 000018
【図８ｂ】
2015505127.tif 000019
【図８ｃ】
2015505127.tif 000020
【図８ｄ】
2015505127.tif 000021
【図８ｅ】
2015505127.tif 000022
【図８ｆ】
2015505127.tif 000023
【図９ａ】
2015505127.tif 000024
【図９ｂ】
2015505127.tif 000025
【図９ｃ】
2015505127.tif 000026
【図９ｄ】
2015505127.tif 000027
【図９ｅ】
2015505127.tif 000028
【図１０】
2015505127.tif 000029
【図１１ａ】
2015505127.tif 000030
【図１１ｂ】
2015505127.tif 000031
【手続補正書】
【提出日】平成25年10月2日(2013.10.2)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１２】
【図１】金属ワイヤー基体の側面図である。
【図２】金属ワイヤー基体を処理するためのシステムの正面図である。
【図３ａ】アノード素子の実施形態の断面側面図である。
【図３ｂ】アノード素子の別の実施形態の断面側面図である。
【図３ｃ】アノード素子の別の実施形態の断面側面図である。
【図４ａ】蒸着室を通過するカバーを有する複数の金属ワイヤー基体の斜視図である。
【図４ｂ】図４ａの金属ワイヤー基体の部分断面正面図である。
【図４ｃ】図４ｂの金属ワイヤー基体の部分断面側面図である。
【図５ａ】アノード素子の断面側面図である。
【図５ｂ】Ａ−Ａ線に沿った図５ａのアノード素子の部分断面図である。
【図６】カソード素子のためのアニールシステムの正面図である。
【図７ａ】非多孔質カソード素子の断面側面図である。
【図７ｂ】Ａ−Ａ線に沿った図７ａのカソード素子の部分断面図である。
【図７ｃ】多孔質カソード素子の断面側面図である。
【図７ｄ】Ｂ−Ｂ線に沿った図７ｃのカソード素子の部分断面図である。
【図８ａ】ワイヤ基体上に第一に形成されたアノード層とその後の電解質、カソードおよび集電体とを特色とする電池の断面頂面図である。
【図８ｂ】Ａ−Ａ線に沿った図８ａの電池の断面正面図および回路構成のブロック図である。
【図８ｃ】ワイヤ基体上に第一に形成されたカソード層とその後の電解質、アノードおよび集電体とを特色とする電池の断面頂面図である。
【図８ｄ】Ａ−Ａ線に沿った図８ｃの電池の断面正面図および回路構成のブロック図である。
【図８ｅ】アノード素子および箔ベースのカソードを特色とする電池の正面図である。
【図８ｆ】カソード素子および箔ベースのアノードを特色とする電池の正面図である。
【図９ａ】電池バンドルの電池アセンブリの斜視図および回路構成のブロック図である。
【図９ｂ】図９ａの電池バンドルの部分断面図である。
【図９ｃ】図９ｂの部分Ａの拡大図である。
【図９ｄ】エネルギ蓄積装置の斜視図および部分切取図である。
【図９ｅ】図９ｄのエネルギ蓄積装置の回路構成のブロック図である。
【図１０】電池バンドルのためのブロック回路構成図である。
【図１１ａ】マンドレルを有して形成された電池の断面図である。
【図１１ｂ】マンドレルのない図１１ａの電池の断面図である。
【手続補正２】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電池であって、
円形断面を有する５〜５００マイクロメートルの範囲の直径の導電性金属ワイヤー集電体と、
前記金属ワイヤー集電体上に同心円状に形成された第１の薄膜層と、
前記第１の薄膜層上に同心円状に形成された第２の薄膜層とを備え、前記第１および第２の薄膜層のうち一方は炭素であり、他方はシリコンであり、前記金属ワイヤーと前記第１および第２の薄膜層とは第１の電極を形成し、さらに、
前記第１の電極から離間された円筒型の第２の電極と、
前記第１および第２の電極と接して前記第１の電極上に同心円状に形成され、前記第１および第２の電極間の空間を占める電解質とを備え、前記第２の電極は、前記電解質上に同心円状に形成される、電池。
【請求項２】
前記第１および第２の層には細孔が形成されており、前記細孔は、前記第１および第２の電極の間のイオン交換に、拡大した領域を提供する、請求項１に記載の電池。
【請求項３】
炭素層が前記第１の層であり、シリコン層が前記第２の層であるとき、前記シリコン層上に配置された第２の炭素層をさらに含む、請求項２に記載の電池。
【請求項４】
前記第２の炭素層上に配置された別のシリコン層をさらに備える、請求項３に記載の電池。
【請求項５】
前記第１の層は、不活性ガスもしくは水素が濃縮されたシリコンまたは炭素層である、請求項１に記載の電池。
【請求項６】
電極アセンブリを形成する方法であって、
円形断面を有する導電性金属ワイヤーを加熱することと、
活性ガスもしくは水素濃縮炭素またはシリコン層のいずれかを、前記金属ワイヤー上に堆積して、円形断面を有する電極層を形成することと、
前記不活性ガスもしくは水素濃縮炭素またはシリコン層および金属ワイヤ集電体をアニールすることとを含み、アニールは前記電極層に細孔を作成し、前記細孔は、電池におけるイオン交換に、拡大した領域を提供する、方法。
【請求項７】
前記不活性ガスもしくは水素濃縮炭素またはシリコン層上にカソード物質を堆積して、アニール前にカソード層を形成することをさらに含む、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記電極層はアノード層である、請求項６に記載の方法。
【請求項９】
アニールは真空アニールを含む、請求項６に記載の方法。
【請求項１０】
前記不活性ガスもしくは水素濃縮炭素またはシリコン層を堆積する前に、金属ワイヤーの酸化物を水素エッチングすることをさらに含む、請求項６に記載の方法。
【請求項１１】
前記導電性金属ワイヤーを抵抗加熱することをさらに含む、請求項６に記載の方法。
【請求項１２】
アルゴン濃縮炭素層がワイヤー上に堆積され、前記アルゴン濃縮炭素層をアニールした後で、水素濃縮シリコン層を濃縮炭素層上に堆積することをさらに含む、請求項６に記載の方法。
【請求項１３】
前記水素濃縮シリコン層が前記金属ワイヤー上に堆積され、アルゴン濃縮炭素層をアニールした後で、水素濃縮シリコン層上に前記アルゴン濃縮炭素層を堆積することをさらに含む、請求項６に記載の方法。
【請求項１４】
炭素コーティング応力対応層を前記水素濃縮シリコン層上に堆積することをさらに含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１５】
前記水素濃縮シリコン層は、１０％〜８０％の範囲の割合の水素を有して堆積される、請求項６に記載の方法。
【請求項１６】
アルゴン濃縮炭素層は、１０％〜８０％の範囲の割合のアルゴンを有して堆積される、請求項６に記載の方法。
【請求項１７】
前記不活性ガスもしくは水素濃縮炭素またはシリコン層を堆積する前に、シリコン接着層を堆積することをさらに含む、請求項６に記載の方法。
【請求項１８】
水素またはヘリウムを含む所望の量の冷却ガスを、導電性金属ワイヤーがそこを通って移動しているリアクタの各蒸着室に導入し、それによってリアクタチャンバ温度を制御することをさらに含む、請求項６に記載の方法。
【請求項１９】
電池において使用するための電気化学装置であって、
直径が５〜５００マイクロメートルの範囲であり、円形断面を有する導電性金属ワイヤー集電体と、前記金属ワイヤー集電体上に同心円状に形成された少なくとも１つの薄膜層を含み、円形断面を有する電極層とを含む電極素子を備える、電気化学装置。
【請求項２０】
前記電極層は、炭素層およびシリコン層を含むアノード層またはカソード層であり、前記炭素層および前記シリコン層の一方は前記金属ワイヤー上に配置され、他方は前記炭素層および前記シリコン層の他方上に配置される、請求項１９に記載の電気化学装置。
【請求項２１】
直径が５〜５００マイクロメートルの範囲であり、円形断面を有する導電性金属ワイヤーと、前記金属ワイヤー上に配置され、円形断面を有する電極層とを含む第２の電極素子をさらに備え、少なくとも前記第１および第２の電極素子は、複数の電極素子を含み、前記第２の電極素子は、前記第１の電極素子に接続され、第１および第２の電気化学素子の双方はアノードまたはカソードを含む、請求項１９に記載の電気化学装置。
【請求項２２】
複数の電極素子がウィービングによって接続される、請求項２１に記載の電気化学装置。
【請求項２３】
前記複数の電極素子が積層に配置される、請求項２２に記載の電気化学装置。
【請求項２４】
前記複数の電極素子は、箔状のカソードまたはアノードの他方および前記複数の電極素子を分離する電解質と電気化学的に通じるアノードまたはカソードを形成する、請求項２１に記載の電気化学装置。
【請求項２５】
前記電極層はカソード層である、請求項２１に記載の電気化学装置。
【請求項２６】
前記電極層は細孔が形成されている、請求項１９に記載の電気化学装置。
【請求項２７】
エネルギ蓄積装置であって、
電池の円筒型のアレイを備え、各電池は、円形断面および直径が２〜５００ミクロンの範囲の導電性金属ワイヤー集電体と、導電性金属ワイヤー集電体上に同心円状に形成された第１の電極と、前記第１の電極から離間された円筒型の第２の電極と、前記第１および第２の電極と接して前記第１の電極上に同心円状に形成され、前記第１および第２の電極間の空間を占める電解質とを有し、前記第２の電極は、前記電解質上に同心円状に形成され、第１の電極はすべて第１の出力電極において接続され、第２の電極はすべて第２の電極出力において接続される、エネルギ蓄積装置。
【請求項２８】
各電池の前記金属ワイヤーは、前記第１の出力電極と並行に電気的に接続される、請求項２７に記載のエネルギ蓄積装置。
【請求項２９】
前記第２の電極は外側集電体を含み、アレイ中のすべての外側集電体は、電気的に互いに接触し、かつ前記第２の出力電極に電気的に接続され、前記アレイ中のすべての隣接する外側集電体は、物理的に互いに接触する、請求項２７に記載のエネルギ蓄積装置。
【請求項３０】
第２のアレイの電池をさらに備え、各電池は、円形断面の導電性金属ワイヤーと、前記導電性金属ワイヤーで形成された第１の電極と、前記第１の電極から離間された円筒型の第２の電極と、前記第１および第２の電極間の空間を占める電解質とを有し、第１の電極はすべて第１の出力電極において接続され、第２の電極はすべて第２の電極出力において接続され、前記第２のアレイの電池は、前記第１のアレイの電池と直列に電気的に接続される、請求項２７に記載のエネルギ蓄積装置。
【請求項３１】
電池のアレイのうち少なくとも１つの選択電池は、当該電池のアレイの他の電池とは長さおよび／または断面直径が異なる、請求項２７に記載のエネルギ蓄積装置。
【請求項３２】
前記第１のアレイの電池は、安全回路と直列に電気接続する、請求項２７に記載のエネルギ蓄積装置。
【請求項３３】
電池であって、
円形断面を有し、隔離板によって包囲されたアノードワイヤを含む第１の電極と、
中空チャンバを規定する表面を含む取外し可能なマンドレルチューブとを備え、第１の電極ワイヤーは、前記取外し可能なマンドレルチューブに巻付けられ、さらに、
円形断面を有するカソードワイヤーを含む第２の電極を備え、前記第２の電極は、前記第１の電極に巻付けられ、さらに、
前記第１および第２の電極および前記取外し可能なマンドレルチューブを収容するケーシング材料と、
中空チャンバに配置された電解質とを備える、電池。
【国際調査報告】
2015505127.tif 000032
2015505127.tif 000033
2015505127.tif 000034