(57)【要約】電気化学セルにおける使用のための集電アセンブリであって、前記集電アセンブリは、以下：ａ．第１の表面を画定する第１の側面および第２の表面を画定する第２の側面を有する集電基体であって、前記第１および第２の表面のそれぞれが、表面積を画定している集電基体；およびｂ．前記集電基体の前記第１の側面上に位置されて取り付けられている強化構造の第１のアセンブリ、を含み；ここで、前記集電体は、導電性材料を含み、強化構造の前記第１のアセンブリは、第１のポリマー材料を含む強化構造の第１のセットを含み、これにより、強化構造の前記第１のアセンブリは、前記集電基体を機械的に強化している。この集電アセンブリを形成する方法、リチウムイオンバッテリのための電極およびこの電極を形成する方法もまた提供される。
2016535920.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気化学セルにおける使用のための集電アセンブリであって、前記集電アセンブリは、以下：
ａ．第１の表面を画定する第１の側面および第２の表面を画定する第２の側面を有する集電基体であって、前記第１および第２の表面のそれぞれが、表面積を画定している集電基体；および
ｂ．前記集電基体の前記第１の側面上に位置されて取り付けられている強化構造の第１のアセンブリ、
を含み、
ここで、前記集電体は、導電性材料を含み、強化構造の前記第１のアセンブリは、第１のポリマー材料を含む強化構造の第１のセットを含み、これにより、強化構造の前記第１のアセンブリは、前記集電基体を機械的に強化している、
集電アセンブリ。
【請求項２】
強化構造の前記第１のアセンブリが、前記第１の表面にわたって広がっており、その表面積の４０％未満を覆っている、請求項１に記載の集電アセンブリ。
【請求項３】
強化構造の前記アセンブリが、前記第１の表面の表面積の１０％未満を覆っている、請求項１または２に記載の集電アセンブリ。
【請求項４】
強化構造の前記第１のセットが、０．５マイクロメートル〜５マイクロメートルの平均の高さを有する、請求項１〜３のいずれか一項に記載の集電アセンブリ。
【請求項５】
強化構造の前記第１のセットが、０．５マイクロメートル〜５マイクロメートルの範囲の平均の幅を有する構造を含む、請求項１〜４のいずれか一項に記載の集電アセンブリ。
【請求項６】
前記第１のセットにおける前記強化構造が、長方形グリッドに配置され、ここで、前記強化構造の一部が、互いに対して平行であり、残りの構造に対して垂直である、請求項１〜５のいずれか一項に記載の集電アセンブリ。
【請求項７】
前記第１のアセンブリにおける前記強化構造が、長方形グリッドに配置され、ここで、前記強化構造の一部が、互いに対して平行であり、残りの構造に対して垂直である、請求項１〜６のいずれか一項に記載の集電アセンブリ。
【請求項８】
前記第１のセットの前記強化ストランドが、ランダムに配向されている、請求項１〜７のいずれか一項に記載の集電アセンブリ。
【請求項９】
前記第１のアセンブリの前記強化ストランドが、ランダムに配向されている、請求項１〜８のいずれか一項に記載の集電アセンブリ。
【請求項１０】
前記第１のポリマー材料が、ポリアニリン、ポリピロール、ポリパラフェニレン、ポリパラフェニレンスルフィド、ポリパラビニレン、ポリチオフェン、ケブラー、ナイロン、ポリイソチオナフタレンまたはポリアクリロニトリルから選択された、１種または２種以上のポリマーを含む、請求項１〜９のいずれか一項に記載の集電アセンブリ。
【請求項１１】
前記集電体の前記第２の表面上に位置されて取り付けられた強化構造の第２のアセンブリをさらに含み、ここで、強化構造の前記第２のアセンブリは、第２のポリマー材料を含む強化構造の第２のセットを含み、強化構造の前記第２のアセンブリは、前記集電基体を機械的に強化している、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の集電アセンブリ。
【請求項１２】
前記第２のポリマー材料が、前記第１のポリマー材料と同一であるか、または異なる、請求項１〜１１のいずれか一項に記載の集電アセンブリ。
【請求項１３】
前記第２のポリマー材料が、前記第１のポリマー材料と同一である、請求項１１または１２に記載の集電アセンブリ。
【請求項１４】
強化ポリマー構造の前記第１のアセンブリが、強化構造の第３のセットを含み、ここで、強化構造の前記第３のセットは、第３のポリマー材料を含む、請求項１〜１３のいずれか一項に記載の集電アセンブリ。
【請求項１５】
前記第３のポリマー材料が、ポリアニリン、ポリピロール、ポリパラフェニレン、ポリパラフェニレンスルフィド、ポリパラビニレン、ポリチオフェン、ケブラー、ナイロン、ポリイソチオナフタレンまたはポリアクリロニトリルから選択された、１種または２種以上のポリマーから選択される、請求項１４に記載の集電アセンブリ。
【請求項１６】
強化構造の前記第１のセットが、前記集電基体の表面にわたって複数のポイントで強化構造の前記第３のセットと交差している、請求項１４または１５に記載の集電アセンブリ。
【請求項１７】
前記第１のアセンブリが、長方形グリッドを含み、ここで、強化構造の一部が、互いに対して平行であり、他の強化構造に対して垂直であり、ここで、強化構造の前記第１および第３のセットが、前記垂直方向および平行方向に交互に配置されている、請求項１〜１６のいずれか一項に記載の集電アセンブリ。
【請求項１８】
強化ポリマー構造の前記第２のアセンブリが、強化構造の第４のセットを含み、強化構造の前記第４のセットが、第４のポリマー材料を含む、請求項１〜１８のいずれか一項に記載の集電アセンブリ。
【請求項１９】
前記第４のポリマー材料が、前記第３のポリマー材料と同一である、請求項１８に記載の集電アセンブリ。
【請求項２０】
強化構造の前記第２のセットが、前記集電基体の表面にわたって複数のポイントで強化構造の前記第４のセットと交差している、請求項１８または１９に記載の集電アセンブリ。
【請求項２１】
前記第２のアセンブリが、長方形グリッドを含み、ここで、強化構造の一部が、互いに対して平行であり、他の強化構造に対して垂直であり、ここで、強化構造の前記第２および第４のセットが、前記垂直方向および平行方向に交互に配置されている、請求項１８〜２０のいずれか一項に記載の集電アセンブリ。
【請求項２２】
前記第２のアセンブリにおける前記強化構造の位置が、前記第１のアセンブリの前記強化構造の位置と一致している、請求項１〜２１のいずれか一項に記載の集電アセンブリ。
【請求項２３】
前記第１および第２のアセンブリの前記強化構造が、角部およびそれぞれが４つの角部により同定される長方形要素を有する長方形グリッドに配置され、前記第１のアセンブリの角部が、前記第２のアセンブリの前記長方形要素の中心と一致している、請求項１〜２２のいずれか一項に記載の集電アセンブリ。
【請求項２４】
電極の製造における使用のための、請求項１〜２３のいずれか一項に記載の集電アセンブリ。
【請求項２５】
前記電極が、アノードである、請求項２４に記載の集電アセンブリ。
【請求項２６】
前記集電基体が、銅、ニッケル、銅めっきされたニッケルである、請求項１〜２５のいずれか一項に記載の集電アセンブリ。
【請求項２７】
強化構造の前記第１〜第４のセットの１つまたは２つ以上が、導電性添加剤を含む、請求項１〜２６のいずれか一項に記載の集電アセンブリ。
【請求項２８】
前記導電性添加剤が、グラファイト、カーボンブラック、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、フラーレン、グラフェン、気相成長炭素繊維（ＶＧＣＦ）を含むカーボンファイバー、カーボンナノチューブおよび金属フレーク、金属繊維または導電性インクを含む、請求項２７に記載の集電アセンブリ。
【請求項２９】
電気化学セルにおける使用のための、請求項１〜２８のいずれか一項に記載の集電アセンブリを形成する方法であって、前記方法は、以下のステップ：
ａ．導電性材料を含み、第１および第２の表面および第１および第２の表面積を画定する第１および第２の側面を有する集電基体を提供するステップ；および
ｂ．前記集電基体の前記第１の側面上で強化構造の第１のアセンブリを形成するステップ、
を含み、
ここで、強化構造の前記第１のアセンブリは、第１のポリマー材料を含む強化ポリマーの第１のセットを含み、それにより、前記第１のアセンブリが、前記集電基体を機械的に強化する、
方法。
【請求項３０】
前記集電基体の前記第２の側面の強化構造の第２のセットを形成するステップをさらに含む、請求項２９に記載の方法。
【請求項３１】
前記集電基体の前記第１の側面上の強化構造の第３のセットを形成するステップをさらに含み、ここで、強化構造の前記第３のセットが、強化構造の前記第１のセットと交差する、請求項２９に記載の方法。
【請求項３２】
前記集電基体の前記第２の側面上の強化構造の第４のセットを形成するステップをさらに含み、ここで、強化構造の前記第４のセットが、強化構造の前記第２のセットと交差する、請求項２９〜３１のいずれか一項に記載の方法。
【請求項３３】
前記集電基体が、その表面上で強化構造のセットを形成する前に、前記集電基体の表面上に位置されたマスクとして含み、ここで、前記マスクは、強化構造の前記セットのパターンを画定し、ここで、前記マスクは、除去されて強化構造の前記セットを形成する、請求項２９〜３２のいずれか一項に記載の方法。
【請求項３４】
強化構造の前記セットを形成することが、前記マスクの上に連続層を堆積して前記マスクを除去することを含み、ここで、前記マスクが除去されて、それにより、強化構造の前記セットが形成された場合に、前記連続層の一部が除去される、請求項３３に記載の方法。
【請求項３５】
電気化学セルのための電極であって、前記電極は、以下：
ａ．請求項１〜２８のいずれか一項に記載の集電アセンブリであって、前記集電アセンブリは、第１の表面および第１の表面積を画定している第１の側面、第２の表面および第２の表面積を画定している第２の側面ならびに前記集電基体の第１の側面上に位置されて取り付けられた第１のポリマー材料を含む強化構造の第１のセットを含む強化構造の第１のアセンブリを有する、導電性集電基体を含む、集電アセンブリ、
ｂ．前記集電基体の前記第１の側面上に位置されて取り付けられた第１の活物質、
を含み、
ここで、
（ｉ）前記第１の活物質は、強化構造の前記第１のアセンブリの上に位置されて取り付けられており；
（ｉｉ）前記第１の活物質は、シリコン、スズおよびゲルマニウムの１種または２種以上を含む、
電極。
【請求項３６】
前記第１の活物質が、少なくとも１０００ｍＡｈ／ｇの容量を有する高容量電気活物質を少なくとも３０ｗｔ％含む、請求項３５に記載の電極。
【請求項３７】
前記高容量活物質が、シリコン、スズまたはゲルマニウムまたはそれらの混合物を含む、請求項３５または３６に記載の電極。
【請求項３８】
前記第１の活物質が、グラファイトをさらに含む、請求項３５〜３７のいずれか一項に記載の電極。
【請求項３９】
前記高容量電気活物質が、粒子、ピラー化粒子、多孔性粒子、多孔性粒子フラグメント、ファイバー、フレーク、リボンまたはそれらの混合物を含む、請求項３５〜３８のいずれか一項に記載の電極。
【請求項４０】
前記粒子、ピラー化粒子および多孔性粒子が、少なくとも１μｍのＤ５０直径により特徴付けられる、請求項３９に記載の電極。
【請求項４１】
前記粒子、ピラー化粒子および多孔性粒子が、４０μｍ以下のＤ５０直径により特徴付けられる、請求項３９に記載の電極。
【請求項４２】
前記粒子、ピラー化粒子および多孔性粒子が、１〜７μｍのＤ５０直径により特徴付けられる、請求項３９〜４１のいずれか一項に記載の電極。
【請求項４３】
前記粒子、ピラー化粒子および多孔性粒子が、１０〜１５μｍのＤ５０直径により特徴付けられる、請求項３９〜４１のいずれか一項に記載の電極。
【請求項４４】
前記粒子、ピラー化粒子および多孔性粒子が、２０〜２５μｍのＤ５０直径により特徴付けられる、請求項３９〜４１のいずれか一項に記載の電極。
【請求項４５】
前記多孔性粒子フラグメントが、少なくとも１０ｎｍの最小直径により特徴付けられる、請求項３９に記載の電極。
【請求項４６】
前記多孔性粒子フラグメントが、３００ｎｍ以下の最大寸法により特徴付けられる、請求項３９または４５に記載の電極。
【請求項４７】
前記ファイバー、フレークおよびリボンが、２μｍまでの最小寸法により特徴付けられる、請求項３９に記載の電極。
【請求項４８】
前記ファイバー、フレークおよびリボンが、少なくとも２：１のアスペクト比により特徴付けられる、請求項３９または４７に記載の電極。
【請求項４９】
カーボンブラック、ケッチェンブラック、アセチレンブラック、グラファイト、フラーレン、グラフェン、気相成長炭素繊維、カーボンナノチューブ、金属繊維から選択される導電性材料をさらに含む、請求項３５〜４８のいずれか一項に記載の電極。
【請求項５０】
前記電気活物質が、シリコンを含む、請求項３５〜４９のいずれか一項に記載の電極。
【請求項５１】
前記電気活物質が、シリコン合金である、請求項５０に記載の電極。
【請求項５２】
前記電気活物質が、シリコン酸化物、シリコン炭化物またはシリコン硫化物である、請求項５０に記載の電極。
【請求項５３】
前記第１の活物質が、前記第１のアセンブリの前記強化構造間で突き出ており、強化構造の前記第１のアセンブリにより覆われていない前記集電基体の前記第１の側面の少なくとも一部と電気的および機械的接続を形成している、請求項３５〜５２のいずれか一項に記載の電極。
【請求項５４】
前記第１の活物質が、前記集電アセンブリの前記第１の表面上に位置されて取り付けられた層の形態で提供されている、請求項３５〜５２のいずれか一項に記載の電極。
【請求項５５】
前記層が、前記集電アセンブリの表面全体にわたって広がった連続層である、請求項５４に記載の電極。
【請求項５６】
前記集電基体の前記第２の表面上に位置されて取り付けられた第２の活物質をさらに含む、請求項３５〜５５のいずれか一項に記載の電極。
【請求項５７】
強化構造の前記第２のアセンブリが、前記集電基体の前記第２の側面上に位置されて取り付けられた第４のポリマー材料を含む強化構造の第４のセットをさらに含み、ここで、強化構造の前記第４のセットは、強化構造の前記第２のセットと交差している、請求項５６に記載の電極。
【請求項５８】
電気化学セルにおける使用のための電極を作製する方法であって、前記方法は、以下：
ａ．請求項１〜２８のいずれか一項に記載の集電アセンブリであって、前記集電アセンブリは、第１の表面および第１の表面積を画定する第１の側面、第２の表面および第２の表面積を画定する第２の側面ならびに前記集電基体の第１の側面上に位置されて取り付けられた第１のポリマー材料を含む強化構造の第１のセットを含む強化構造の第１のアセンブリを有する、導電性集電基体を含む集電アセンブリを提供すること；
ｂ．前記集電基体の前記第１の側面上で第１の活物質を形成し、それにより、強化構造の前記第１のアセンブリを覆うこと、
を含む、
方法。
【請求項５９】
前記第１の活物質は、層の形態であり、前記集電基体の第１の側面上に、および強化構造の前記第１のアセンブリの上に、スラリーの連続層を堆積することにより形成され、前記スラリーが、前記強化構造間に流れ込み、前記集電基体の曝露された部分と接触する、請求項５８に記載の方法。
【請求項６０】
活物質層をカレンダリングして、その層について所望の多孔性を得るステップをさらに含む、請求項５８または５９に記載の方法。
【請求項６１】
請求項３５〜５７のいずれか一項に記載の電極を含む、セル。
【請求項６２】
請求項６１に記載のセルを含む、バッテリ。
【請求項６３】
リチウムイオンバッテリである、請求項６２に記載のバッテリ。
【請求項６４】
請求項６２に記載のバッテリを含む、デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
序文
本発明は、電気化学セルのための集電体に、より具体的には、リチウムイオンバッテリのための集電体に、これらの集電体を含む電極に、集電体およびこれらの集電体を含む電極の両方を製造する方法に、集電体を含むバッテリに、およびこれらのバッテリを含むデバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
背景
モバイルエレクトロニクス、電動輸送機器、医療機器、および他の類似の用途の急速な発展により、軽量で小型の高容量再充電可能なバッテリが要求されている。例えば、鉛電池およびニッケル水素電池などと比較して、リチウムイオン技術は、この領域でいくらかの前進を提示した。しかしながら、今日までリチウムイオンセルは、負の活物質としてのグラファイトにより主に構築されている。グラファイトの理論容量は３７２ｍＡｈ／ｇであり、この事実は本質的に、さらなる改善を制限する。
【０００３】
シリコン、ゲルマニウム、スズ、および多くの他の材料は、それらの高いリチウム化能力により、グラファイトとの置換のための潜在的な候補物である。例えば、シリコンは、Ｌｉ４．４Ｓｉ相に対応する約４２００ｍＡｈ／ｇの理論容量を有する。しかも、これらの高容量材料の適用は、それらのサイクルの間、実質的な体積変化により部分的に制限される。例えば、シリコンは、充電されるとその理論容量の４００％に膨張する。この規模の大きさの体積変化により、電極中で顕著な機械的ストレスが引き起こされて、活物質の破裂および粉末化、電極内での電気的および機械的接続の損失、および容量減衰をもたらし得る。さらに、これらのストレスは、集電基体にしわを生じさせ、および／または集電基体を裂いて、セル性能の劣化を引き起こし得る。
【発明の概要】
【０００４】
詳細な説明
以下の説明において、提示される概念の完全な理解を提供するために、多数の特定の詳細が記載される。提示される概念は、これらの特定の詳細のいくらかまたは全てがなくても実施され得る。他の例においては、説明される概念を不必要に不明確にしないように、周知プロセス操作は説明しなかった。いくつかの概念が特定の態様に関連して説明される一方で、これらの態様は限定することを意図しないことが理解されるであろう。
【０００５】
序文
リチウムイオンバッテリの容量は、例えば、シリコン、スズおよびゲルマニウムなどの高容量活物質での、部分的なまたは完全なカーボン系活物質の置換により実質的に増加され得る。しかしながら、リチウム化および脱リチウム化の間の体積変化により、これらの新規な材料の電極中への組み込みは困難であることが判明した。以前の組み込みアプローチは、活物質粒子のサイズの低減および活物質の濃度の低減に焦点が当てられた。しかしながら、これらのアプローチにより、低容量設計および高容量活物質の不十分な使用がもたらされた。
【０００６】
高容量活物質の体積変化により、種々の電極構成要素へ損傷を与え得る顕著な機械的ストレスが引き起こされる。例えば、電極は、集電基体および基体の側面上に位置された１種または２種以上の活物質層を含む。各活物質層は、活物質粒子を含む。シリコン粒子が高負荷された大きなサイズの電極をサイクルさせること（cycling  large  size  electrode）は、集電基体に、しわ、裂け、ひび、および他のタイプの損傷を引き起こし得ることが見出された。いかなる特定の理論にも束縛されないが、サイクルの間の活物質粒子の膨みおよび収縮が、機械的ストレスを基体に伝達させて、その損傷を引き起こすと考えられている。
【０００７】
一般的に、基体損傷問題を、高容量活物質の濃度を低減することにより緩和させることができる。例えば、３０重量％（乾燥）未満の濃度を有するシリコン粒子で作製された電極は、一般的に顕著な基体劣化を示さない。しかしながら、シリコン濃度を約５０重量％まで上昇させることは、すなわち、２０％のグラファイトをシリコンで置き換えることにより、主要な基体損傷を引き起こし、使用不可能な電極およびセルをもたらす。シリコンの理論容量が、グラファイトの理論容量の１０倍より大きなことを考慮すると、シリコン濃度を限定することは、セルの容量に負の影響をもたらす。
【０００８】
したがって、上に位置された活物質が、当該物質を含むバッテリの充放電サイクルの間に、顕著な体積変化を起こす高容量活物質を含む場合には、変形しないまたは使用不可能にならない（fail）集電体を含む電極アセンブリについての必要性が存在する。本発明は、その必要性に対処する。
【０００９】
本発明の第１の側面により、以下：
ａ．第１の表面および第１の表面積を画定する第１の側面および第２の表面および第２の表面積を画定する第２の側面を有する集電基体；および
ｂ．集電基体の第１の側面上に位置されて取り付けられた強化構造の第１の配置、
を含む、集電アセンブリが提供され、
ここで、集電基体は、導電性材料を含み、強化構造の第１の配置は、第１のポリマー材料を含む強化構造の第１のセットを含む。強化構造の第１の配置は、集電基体を機械的に強化し、本発明の第１の側面の集電アセンブリおよび高容量電気活物質を含むバッテリの充放電フェーズの間、集電アセンブリの表面にわたって位置された活物質中に含まれる高容量活物質の膨張および収縮に関連する体積変化から生じるストレスの結果としての集電基体の変形を防止する。
【００１０】
疑義を回避するために、集電基体の第１の側面の表面を指す場合に、用語「第１の側面の表面」および「第１の表面」が交換可能に使用されることが理解されなければならない。同様に、集電基体の第２の側面の表面を指す場合に、用語「第２の側面の表面」および「第２の表面」が交換可能に使用される。
【００１１】
本発明の第２の側面は、本発明の第１の側面による、かかる集電アセンブリを作製する方法を提供する。本発明の第３の側面は、本発明の第１の側面による、かかる集電アセンブリを含む電極を提供する。本発明の第４の側面は、本発明の第３の側面による電極を製造する方法を提供する。本発明の第５の側面は、本発明の第１の側面による集電アセンブリを含む電気化学セルを提供する。本発明の第６の側面は、本発明の第５の側面による電気化学セルを作製する方法を提供する。
【００１２】
集電アセンブリは、２つの側面を有する集電基体を含む。集電基体は、銅被覆されたニッケル集電体を含んでもよい。各側面は、上に位置されて取り付けられた強化構造の配置を含んでもよい。各配置は、強化構造の１つまたは２つ以上のセットを含んでもよい。強化構造は、ポリマー材料を含む。前記セットの１つのポリマー材料は、配置内の別のセットのポリマー材料と異なっていてもよい。強化構造のポリマー材料は、好ましくは、集電基体に強く付着している。配置が、異なるポリマー材料を含む強化構造の２つまたは３つ以上を含む場合には、ポリマー材料の一方は、好適には集電基体に強く付着し、他方のポリマー材料は、好適には集電アセンブリの上に堆積された活物質の層に強く付着している。他の材料をポリマーと組み合わせて、強化構造の機械的および／または電気的特性を改善してもよい。任意に、強化構造は、固有の多孔性を有する。強化構造はネットワークを形成し、それにより、集電基体を機械的に強化する。
【００１３】
本発明の第１の側面の第１の態様において、集電基体の一方の側面のみが、第１のポリマー材料を含む強化構造の第１のセットを含む強化構造の配置を含む一方で、他方の側面は、強化構造を含まなくてもよい。かかる集電アセンブリを１つの活物質層のみを受容した（received）片面電極を作製するために使用してもよい。代替的に、集電アセンブリを、一方では活物質層でオーバーレイされた（overlaid）強化構造の配置を含み、他方では集電基体の上に位置されて取り付けられた活物質層を含む、電極の製造において使用してもよい。
【００１４】
代替的に、本発明の第１の側面の第２の態様において、集電アセンブリは、第１の表面を画定する第１の側面および第２の表面を画定する第２の側面を有する集電基体を含み、ここで、第１の表面は、上に位置されて取り付けられた強化構造の１つまたは２つ以上のセットを含む強化構造の第１の配置を含み、第２の表面は、上に位置されて取り付けられた強化構造の１つまたは２つ以上のセットを含む強化構造の第２の配置を含む。
【００１５】
本発明の第１の側面の第２の態様による集電体を、両面電極を作製するために使用してもよく、ここで、活物質は、集電基体の第２の側面の表面上に位置された第２のポリマー材料を含む強化構造の第２のセットを含む強化構造の第２の配置の上に位置される。強化構造の第２の配置を、全く加えなくてもよいか、または第１のセットの上に第１の活物質層を形成した後に加えてもよい。
【００１６】
本発明の第１の側面の第３の態様において、強化構造の第１の配置は、第１のポリマー材料を含む強化構造の第１のセットに加え、集電基体の第１の表面上に位置されて取り付けられた第３のポリマー材料を含む強化構造の第３のセットを含んでもよい。第３のポリマー材料は、強化構造の第１のセットの第１のポリマー材料とは異なる組成を有する。好ましくは、強化構造の第１のセットのポリマーは、強化構造が適用される集電基体の第１の表面の材料への強いレベルでの付着により特徴付けられる。強化構造の第３のセットの第３のポリマー材料は、第１のポリマー材料としての集電基体の材料への、類似のまたは異なるレベルでの付着により特徴付けられ得る。好ましくは、第３のポリマー材料により、活物質層の材料への高いレベルの付着を示す（by  the  third  polymer  material  exhibits  a  high  level  of  adhesion  to  the  material  of  the  active  material  layer）。好ましくは、本発明の第１の側面の第３の態様において、集電アセンブリは、第１のポリマー材料を含む強化構造の第１のセットおよび第３のポリマー材料を含む強化構造の第３のセットを含む強化構造の第１の配置を含み、ここで、第１のポリマー材料は、集電基体の材料に強く付着し、第３のポリマー材料は、活物質層の材料に強く付着している。付着の相対的レベルを、例えば、本明細書において詳しく上述したプルオフ法（Pull−Off  method）、超音波法および剥離試験法などの機械的試験を使用して測定することができる。
【００１７】
本発明の第１の側面の第４の態様において、集電基体の第２の表面上の強化構造の第２の配置には、第２のポリマー材料を含む強化構造の第２のセットに加え、第２のポリマー材料、集電基体の第２の表面上に位置されて取り付けられた第４のポリマー材料を含む強化構造の第４のセットが含まれてもよい。第４のポリマー材料は、強化構造の第２のセットの第２のポリマー材料とは異なる組成を有する。好ましくは、強化構造の第２のセットのポリマーは、強化構造が適用される集電基体の第２の表面の材料への強いレベルでの付着により特徴付けられる。強化構造の第４のセットの第４のポリマー材料は、第２のポリマー材料としての集電基体の第２の表面の材料への、類似のまたは異なるレベルでの付着により特徴付けられ得る。好ましくは、第４のポリマー材料により、活物質層の材料への高いレベルの付着を示す（by  the  fourth  polymer  material  exhibits  a  high  level  of  adhesion  to  the  material  of  the  active  material  layer）。好ましくは、本発明の第１の側面の第４の態様により、第２のポリマー材料を含む強化構造の第２のセットおよび第４のポリマー材料を含む強化構造の第４のセットを含む強化構造の第２の配置を含む集電アセンブリが提供され、ここで、第２のポリマー材料は、集電基体の第２の表面の材料に強く付着し、第４のポリマー材料は、集電基体の第２の表面に塗布された活物質層の材料に強く付着している。付着の相対的レベルを、例えば、プルオフ法および剥離試験法などの機械的方法を使用して測定することができる。セットの一方が集電基体の材料への強いレベルでの付着を示し、他方のセットが活物質層の材料への強いレベルでの付着を示す、強化構造の２つまたは３つ以上のセットを含む強化構造の配置により、集電基体への活物質の付着を強化し、バッテリの充放電の間、集電基体が、活物質中で生じる体積変化による電極内で確立されたストレスの結果として変形または破壊される度合いを防止するかまたは低減する利点が提供される。強化構造の一方のセットは、集電基体を機械的に強化する。強化構造の他方のセットは活物質層の材料に結合して、それを集電基体に固定する。好ましくは、強化構造の一方のセットは、活物質層の材料への良好な付着を示すであろう。好ましくは、強化構造の他方のセットは、集電基体の材料への良好な付着を示すであろう。
【００１８】
好ましくは、強化構造の配置が強化構造の２つのセットを含む場合には、一方のセットは、集電基体の表面の上で複数のポイントで他のセットと交差する。集電基体の表面の上での強化構造の、この交差した配置は、集電体が強化構造を欠いている電極と比較して、電極中の活物質への集電体の付着全体を強化する。
【００１９】
強化構造のセットを含む強化構造の配置は、グリッドの形態であってもよく、またはランダムな配向を有してもよい。例えば、正方形グリッド、長方形グリッド、ひし形グリッド、または他の多角形状グリッドを、セット中で強化構造を配置させるために使用してもよい。十分な間隔が、セット中の強化構造間で提供され得、これにより、強化構造が基体上で形成された場合に、基体の大部分が曝露されたままである。例えば、セットが表面に付着し、表面全体にわたって伸びている場合には、強化構造は、表面の４０％未満を、またはより具体的には、３０％未満をまたはなお２０％未満をまたはなお１０％未満を覆ってもよい。好ましくは、強化構造の配置は、それらが適用される基板の表面の１％より多くを、より好ましくは２％より多くを、特には５％より多くを覆ってもよい。よって、電極の形成の間、表面のほとんどは曝露されたままであり、集電基体の表面上に位置された活物質層との直接的接触を確立するためにその後使用される。直接的接触により、基体および活物質層間での付着および導電が提供される。さらに、強化構造のセットにより、基体および活物質層間でさらなる結合が提供されると考えられている。
【００２０】
いくつかの態様において、電極は、それぞれの配置が集電基体の別の（反対の）側面に位置されて取り付けられた、強化構造の２つの配置を含んでもよい。両方の配置を、あらゆる活物質層を形成する前に、集電基体上に位置させて取り付けてもよい。代替的に、第２の配置を、集電基体の第１の側面の第１の表面上で、および強化構造の第１の配置の上で、第１の活物質層を形成した後で、集電基体の第２の側面上に位置させて取り付けてもよい。強化構造の各配置は、強化構造の１つまたは２つのセットを含んでもよい。
【００２１】
本発明の第１の側面の第５の態様において、強化構造の第１の配置は、集電アセンブリの第１の表面上に位置されて取り付けられ、強化構造の第２の配置は、集電アセンブリの第２の表面上に位置されて取り付けられる。第１のアセンブリは、第１のポリマー材料を含む強化構造の第１のセットおよび第３のポリマー材料を含む強化構造の第３のセットを含む。強化構造の第２のアセンブリは、第２のポリマー材料を含む強化構造の第２のセットおよび第４のポリマー材料を含む。第１、第２、第３および第４のポリマー材料は、同一でも異なっていてもよい。好ましくは、第１および第２のポリマー材料は、同一または類似である。好ましくは、第３および第４のポリマー材料は、同一または類似である。好ましくは、第１および第２のポリマー材料は、集電基体の第１および第２の表面のそれぞれへの強い付着により特徴付けられる。好ましくは、第３および第４のポリマー材料は、集電基体を含む電極の製造の間、集電基体の第１および第２の表面に適用される活物質層の材料への強い付着により特徴付けられる。
【００２２】
強化構造の２つの配置の強化構造を、集電基体の反対の側面上で類似の形状およびサイズのグリッドに配置する場合には、２つのグリッドの位置は一致してもよい。言い換えると、両方の配置の集電基体のいずれかの側面に対する強化構造の投影が一致してもよい。代替的に、強化構造の２つの配置により形成された２つのグリッドは、互いに対してオフセットであってもよい。例えば、両方の配置を、長方形グリッドに配置してもよく；オフセットは、一方のグリッドの角部が他方のグリッドの長方形要素の中心と一致するようなものであってもよい。
【００２３】
２つの配置のパターンまたはグリッドは、同一でも異なってもよい。例えば、一方の配置は、その強化構造間で他方の配置よりも大きな間隔を有してもよい。さらに、一方の配置の強化構造は、他方の配置の強化構造に対して平行および／または垂直であってもよい。いくつかの態様において、一方の強化構造は、基体の他の側面上に位置された他方の配置の強化構造に対して約３０°〜６０°の角度を有してもよい。
【００２４】
強化構造の配置が強化構造を１つより多い強化構造を含む場合には、１つのセットの強化構造は、配置内の他方のセットの強化構造に対して平行および／または垂直であってもよい。いくつかの態様において、一方のセットの強化構造は、配置中の他方のセットの強化構造に対して約３０°〜６０°の角度を有してもよい。
【００２５】
集電基体の材料に対する強化構造のポリマーの付着の強度を、プルオフ法、超音波法または剥離試験法を使用して測定することができる。
【００２６】
強化構造の第１〜第４のポリマー材料は、独立して、ホモポリマーまたはブロックまたは交互コポリマーであってもよい。ポリマーを、分岐状または非分岐状のモノマー種から形成してもよく、架橋構造を含んでもよい。
【００２７】
第１〜第４のポリマー材料は、それぞれ５０，０００〜３，０００，０００、好ましくは、１００，０００〜２，０００，０００、より好ましくは、２５０，０００〜１，５００，０００、特には、４５０，０００〜１，０００，０００の範囲の重量平均分子量を有してもよい。
【００２８】
強化構造は、多孔性または非多孔性であってもよい。多孔性強化構造を、異なる沸点を有する２種または３種以上の構成成分を含む混合溶媒系中で溶液の形態の強化構造の全てまたは一部を構成するポリマーを提供することにより、形成してもよい。スラリーを乾燥する際のより低沸点の溶媒の蒸発により、準乾燥（semi−dry）ポリマーおよびより高沸点の溶媒のしっかりとした（intimate）混合物が残留する。第２の溶媒の続く除去により、ポリマー構造中に多孔性が導入される。多孔性の程度および性質を、２種の溶媒の相対的濃度、溶媒混合物中で異なる沸点を有する溶媒の数、およびスラリーが乾燥される温度変化の速度を変化させることにより、制御することができる。ポリマー構造内で多孔性を制御する方法は比較的ありふれたものであり、当業者には周知である。
【００２９】
強化構造の第１〜第４のセットのポリマーは、独立して、ポリアニリン、ポリピロール、ポリアセチレン、ポリパラフェニレン、ポリパラフェニレンスルフィド、ポリパラビニレン、ポリチオフェン、ポリイソチオナフテン、およびポリアクリロニトリル、高性能繊維、ケブラー、またはナイロンの、１種または２種以上であってもよい。強化構造のポリマーは、好ましくは、４００ＭＰａより大きな、好ましくは、６００Ｍｐａより大きな、より好ましくは、８００ＭＰａより大きな、および特には１０００ＭＰａより大きな、例えば２０００〜３０００ＭＰａなどの引張係数を有し；特に、集電アセンブリが、高容量活物質を含む電極構造中に含まれる場合には、かかるポリマーは、集電基体の機械的強化を提供する。比較のために、銅の引張係数は約４１０ＭＰａである一方で、ニッケルの引張係数は約８７０ＭＰａである。いくつかの態様において、強化構造はまた、導電性ドーパントを含み、これらの構造の導電性を増加させる。さらに、強化構造は、充填剤を含み、これらの構造の機械的特性を増加させてもよい。
【００３０】
ポリマーの弾性係数または引張係数は、その引張強度の数値表示を与え、Polymer  Testing，Vol  31（7）2012，926−930に記載された方法を使用する、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）を使用して測定される。好適には、強化構造のポリマーは、２００〜８０００ＭＰａ、好ましくは、１２００〜５０００ＭＰａ、より好ましくは、２０００〜３５００ＭＰａの範囲の引張係数を有する。
【００３１】
上で示したとおり、本発明の第２の側面は、本発明の第１の側面の集電体を作製する方法を提供し、前記方法は、以下のステップ：
ａ．第１の表面を画定する第１の側面および第２の表面を画定する第２の側面を有する導電性材料を含む集電基体を提供すること；および
ｂ．集電基体の第１の側面の表面上で、強化構造の第１の配置を形成すること、
を含み、
ここで、強化構造の第１の配置は、第１のポリマー材料を含む強化構造の第１のセットを含み、それにより、第１の配置は、集電基体を機械的に強化する。
【００３２】
任意に、本発明の第２の側面の第１の態様において、一方の表面上に強化構造の配置を有する集電基体のみが作製される。
【００３３】
本発明の第２の側面の第２の態様は、前記方法は、集電基体の第２の側面上の第２の表面上で第２のポリマー材料を含む強化構造の第２のセットを含む強化構造の第２の配置を形成する、さらなるステップを含む。第１のポリマー材料は、第２のポリマー材料と同一でも異なっていてもよい。好ましくは、第１のポリマー材料は、第２のポリマー材料と同一である。
【００３４】
本発明の第２の側面の第３の態様は、集電基体の第１の側面上で第３のポリマー材料を含む強化構造の第３のセットを形成する、さらなるステップを含む。強化構造の第３のセットを、第１のポリマー材料を含む強化構造の第１のセットを位置させて取り付けると同時にまたはその後に、集電基体の第１の表面に位置させて取り付けることができる。上で示したとおり、第３のポリマー材料は、第１のポリマー材料と同一または異なっていてもよい。好ましくは、第１のポリマー材料は、第３のポリマー材料とは異なる。好ましくは、強化構造の第１のセットは、強化構造の第１のセットの広がりにわたる１つまたは２つ以上の位置で強化構造の第３のセットと交差する。
【００３５】
強化構造の第３のセットは、強化構造の第１のセットと平行に、または強化構造の第１のセットと斜めに構成されてもよい。強化構造の第１および第３のセットの平行な構成は、第１のセットに属する強化構造が、第３のセットに属する強化構造と交互であるパターンを含んでもよい。他のパターンは、強化構造の第３のセットに属する強化構造のブロックと、第１のセットに属する強化構造の散在するブロックを含む。第１および第３の強化構造の交互のおよび散在された構成を、交互にまたは散在された強化構造の第１の構成が、交互にまたは散在された強化構造の第２の構成に斜めに位置されたグリッドパターンに形成してもよい。好ましくは、第１および第３の強化構造は、積層化手法を使用して集電基体に適用され得る編みの（woven）構成で提供される。
【００３６】
本発明の第２の側面の第３の態様に従い、強化構造の第２のセットを集電基体の第２の表面上へ位置させる前または後に、強化構造の第３のセットを集電基体の第１の表面上に堆積させて取り付けることができる。本発明の第２の側面の方法は、強化構造の第１のセットおよび強化構造の第３のセットを集電基体の第１の表面上へ同時にまたは続いて形成するステップを含んでもよい。本発明の第２の側面の第３の態様の方法は、強化構造の第２の配置を集電基体の第２の表面上へ形成するステップを含んでもまたは含まなくてもよい。
【００３７】
本発明の第２の側面の第４の態様は、集電基体の第２の表面上で第４のポリマー材料を含む強化構造の第４のセットを形成する、さらなるステップを含む。強化構造の第４のセットを、第２のポリマー材料を含む強化構造の第２のセットを位置させて取り付けると同時にまたはその後に、集電基体の第２の表面に位置させて取り付けることができる。上で示したとおり、第４のポリマー材料は、第２のポリマー材料と同一または異なっていてもよい。好ましくは、第２のポリマー材料は、第４のポリマー材料とは異なる。
【００３８】
強化構造の第４のセットは、強化構造の第２のセットと平行に、または強化構造の第２のセットと斜めに構成されてもよい。強化構造の第２および第４のセットの平行な構成は、第２のセットに属する強化構造が、第４のセットに属する強化構造と交互であるパターンを含んでもよい。他のパターンは、強化構造の第４のセットに属する強化構造のブロックと、第２のセットに属する強化構造の散在するブロックを含む。第２および第４の強化構造の交互のおよび散在された構成を、交互にまたは散在された強化構造の第１の構成が、交互のまたは散在された強化構造の第２の構成に斜めに位置されたグリッドパターンに形成してもよい。好ましくは、第２および第４の強化構造は、積層化手法を使用して集電基体に適用され得る編みの配置で提供される。
【００３９】
強化構造の第１の配置を、集電基体の第２の表面上の強化構造の第２の配置を位置させる前にまたはそれと同時に、集電基体の第１の表面上に位置させてもよい。第１および第２の配置は共に、強化構造の１つまたは２つ以上のセットを含んでもよい。本発明の第２の側面の方法を使用して、１つまたは両方の表面が強化構造の１つまたは２つ以上のセットを含む集電アセンブリを調製してもよい。強化構造の第１および第２のセットを、強化構造の第３および第４のセットの堆積の前に、第１および第２の表面上に堆積させてもよい。強化構造の第１および第２のセットを、強化構造の第３および第４のセットを堆積した後に、集電基体の第１および第２の表面上にそれぞれ堆積してもよい。最後に、強化構造の第１および第２のセットを、強化構造の第３および第４のセットを堆積すると同時に、集電基体の第１および第２の表面上にそれぞれ堆積してもよい。好ましくは、強化構造の第１のセットは、基体の表面にわたって複数のポイントで強化構造の第３のセットと交差する。好ましくは、強化構造の第２のセットは、強化構造の第４のセットと交差する。好ましくは、強化構造の第１および第３のセットは、編みの構成で提供される。好ましくは、強化構造の第２および第４のセットは、編みの構成で提供される。
【００４０】
強化構造のセットを含む強化構造の配置を、当業者に周知の手法を使用して集電基体の表面上で堆積して取り付けることができる。かかる手法には、積層化、スクリーンプリント、リソグラフィック堆積、スプレーコーティングおよびエレクトロスピニングが含まれる。集電基体に強化構造を取り付けるために使用される条件は、当業者により容易に決定され得る。
【００４１】
強化構造の予備形成された配置を、積層化を使用して集電基体の表面に取り付けてもよい。積層化は、集電基体の表面に予備形成された強化構造の編みの構成を取り付けるのに特に好適である。積層化ステップを、２０℃より高い、好ましくは、３０℃より高い、より好ましくは、４０℃より高い、例えば、５０℃、６０℃、７０℃または８０℃の温度で好適に行う。好ましくは、積層化ステップを、２００℃未満、好ましくは、１５０℃未満、より好ましくは、１００℃未満、例えば、８０℃またはそれ未満の温度で好適に行う。カレンダリング（calendering）を使用して、集電基体への付着の強度を強化することができる。
【００４２】
溶媒中の強化構造−ポリマー材料の溶液を集電基体の表面上に堆積し、溶媒を蒸発させて強化構造を形成することにより、強化構造は集電基体上で好適に形成される。強化構造−ポリマーの溶液を、スクリーンプリント手法またはスプレー乾燥手法を使用して堆積してもよい。強化構造−ポリマーの溶液をまた、集電基体の表面上のリソグラフィーマスクを通して堆積してもよく；強化構造は、マスクの除去の際に集電基体表面上に残る。
【００４３】
本発明の第２の側面の好ましい態様において、前記方法は、表面上の強化構造の配置または強化構造のセットを形成する前に、集電基体の１つのまたは両方の側面上でマスクを堆積するステップを含む。マスクは、強化構造の配置のパターンまたは強化構造のセットの１つを画定する。マスクの上で強化構造−ポリマーの溶液の連続層を堆積し、マスクを除去することにより、集電基体の表面上で強化構造を形成する。マスクの除去により、連続層の一部分の除去が生じ、集電基体の表面に付着した強化構造のパターンが残り、基体表面上の強化構造のパターンは、マスクのパターンにより画定される。１つまたは２つ以上のマスクを、集電基体の１つのまたは両方の側面上で形成して、強化構造の１つまたは２つ以上のセットを含む強化構造の配置の形成を促進してもよい。
【００４４】
強化構造−ポリマーの溶液は、少なくとも１ｗｔ％のポリマー材料を、好ましくは、少なくとも２ｗｔ％、より好ましくは、少なくとも５ｗｔ％、および特には少なくとも１０ｗｔ％を、好適に含む。強化構造−ポリマーの溶液は、ポリマー材料の５０ｗｔ％以下を、好ましくは、３０ｗｔ％以下、より好ましくは、２０ｗｔ％以下、および特には１５ｗｔ％以下を、好適に含む。溶液中の強化構造−ポリマーの実際の濃度は、ポリマーの重量平均分子量および溶媒中でのその溶解度に依存し、当業者により容易に決定されるであろう。
【００４５】
強化構造−ポリマーの溶液は、追加の構成成分をさらに含み、集電基体の表面へのポリマーの付着を強化してもよい。強化構造−ポリマー溶液に添加され得る追加の構成成分の例は、シュウ酸である。シュウ酸を、少なくとも０．０５ｗｔ％、好ましくは、少なくとも０．１ｗｔ％の量で溶液に添加してもよい。好ましくは、シュウ酸は、溶液の５ｗｔ％以下を、好ましくは、２ｗｔ％以下を、および特には１ｗｔ％以下を構成する。
【００４６】
導電性添加剤をまた、強化構造−ポリマー溶液に添加してもよい。これらの導電性添加剤は、これらのポリマー溶液から形成された強化構造の電気伝導性を強化する。溶液に添加し得る導電性添加剤の例には、グラファイト、カーボンブラック、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、フラーレン、グラフェン、気相成長炭素繊維（ＶＧＣＦ）を含むカーボンファイバー、カーボンナノチューブおよび金属フレークが含まれる。導電性添加剤は、好適には、溶液の０．５ｗｔ％より多くを、好ましくは、１ｗｔ％より多くを構成する。導電性添加剤は、好適には、溶液の６０ｗｔ％以下を、好ましくは、５０ｗｔ％以下を構成する。１〜５０ｗｔ％の導電性添加剤を含むポリマー溶液が好ましい。
【００４７】
本発明の第３の側面は、電気化学セルのための電極を提供し、前記電極は、以下：
ａ．第１の表面および第１の表面積を画定する第１の側面、第２の表面および第２の表面積を画定する第２の側面ならびに集電基体の第１の側面に位置されて取り付けられた第１のポリマー材料を含む強化構造の第１のセットを含む強化構造の第１の配置を有する、導電性集電基体を含む集電アセンブリ；
ｂ．集電基体の第１の側面上に位置されて取り付けられた第１の高容量活物質を含む第１の活物質層、
を含み、ここで、
ｉ．第１の活物質層は、強化構造の第１の配置および集電基体の第１の表面上に位置されて取り付けられ、
ｉｉ．第１の高容量活物質は、高容量電気活物質を含む。
【００４８】
好ましくは、第１の活物質層は、第１の高容量活物質の少なくとも１０ｗｔ％を、好ましくは、少なくとも２０ｗｔ％、より好ましくは、少なくとも３０ｗｔ％、特には、少なくとも５０ｗｔ％を構成する。好ましくは、第１の活物質層は、第１の高容量活物質の９０ｗｔ％以下を、好ましくは、８０ｗｔ％以下、好ましくは、６０ｗｔ％を構成する。第１の活物質層は、例えば、高容量電気活物質の１５〜１８ｗｔ％を、例えば、１６ｗｔ％を構成してもよい。第１の活物質は、好適には、少なくとも１０００ｍＡｈ／ｇの容量を有する高容量電気活物質である。好ましくは、第１の活物質は、シリコン、スズおよびゲルマニウムおよびそれらの混合物、化合物および合金の１種または２種以上を含む。
【００４９】
第１の高容量活物質を、ピラー化粒子、多孔性粒子、および多孔性粒子フラグメントを含む粒子；ファイバー、フレークまたはリボンまたはそれらの混合物の形態で提供してもよい。第１の高容量活物質が、粒子、ピラー化粒子、多孔性粒子または多孔性粒子フラグメントの形態で提供される場合には、これらの粒子は、好適には、少なくとも１μｍ、好ましくは、少なくとも２μｍ、より好ましくは、少なくとも５μｍ、例えば、少なくとも１０μｍのＤ５０直径を有する。活物質粒子は、好適には、４０μｍ以下、好ましくは、３０μｍ以下、より好ましくは、２５μｍ以下、例えば、１０μｍ以下の直径を有する。多孔性粒子を、３００ｎｍ未満、好ましくは、２００ｎｍ未満、例えば、５０〜１００ｎｍのＤ５０直径を有するフラグメントから形成してもよい。
【００５０】
１つの好ましい態様において、粒子は、１〜７μｍの範囲のＤ５０直径を有する。任意に、Ｄ５０粒径は、少なくとも１．５μｍ、少なくとも２μｍ、少なくとも２．５μｍまたは少なくとも３μｍであってもよい。任意に、Ｄ５０粒径は、６μｍ以下、５μｍ以下、４．５μｍ以下、４μｍ以下、または３．５μｍ以下であってもよい。このサイズ範囲の粒子は、スラリー中でのそれらの分散性、アノード層における従来の合成グラファイト粒子間の空隙の空間を占めるそれらの能力、それらの構造的堅牢性および繰り返しの充放電サイクルに対するそれらの回復力（resilience）により、金属イオンバッテリのためのハイブリッドアノードにおける使用に理想的に適していることが見出された。
【００５１】
第２の態様において、高容量活物質は、１０〜１５μｍの範囲のＤ５０直径を有する粒子を含む。
【００５２】
第３の態様において、粒子は、２０〜２５μｍの範囲のＤ５０直径を有する。
好ましくは、粒子は、狭いサイズ分布スパンを有する。例えば、粒径分布スパン（（Ｄ９０−Ｄ１０）／Ｄ５０として定義されるもの）は、好ましくは、５未満、より好ましくは、４未満、より好ましくは、３未満、より好ましくは、２未満、および最も好ましくは、１．５未満である。
【００５３】
疑義を回避するために、本明細書において使用される用語「粒径」は、相当球径（ｅｓｄ）、すなわち、所定の粒子として同一の体積を有する球の直径を指し、ここで、粒子の体積は、粒子内孔（intra−particle  pore）の体積を含むと理解される。本明細書において使用される用語「Ｄ５０」および「Ｄ５０粒径」は、体積ベースのメディアン粒径、すなわち、粒子母集団の５０体積％が見出されるものより下の直径を指す。本明細書において使用される用語「Ｄ１０」および「Ｄ１０粒径」は、１０番目のパーセンタイルの体積ベースのメディアン粒径、すなわち、粒子母集団の１０体積％が見出されるものより下の直径を指す。本明細書において使用される用語「Ｄ９０」および「Ｄ９０粒径」は、９０番目のパーセンタイルの体積ベースのメディアン粒径、すなわち、粒子母集団の９０体積％が見出されるものより下の直径を指す。本明細書において使用される用語「Ｄ９９」および「Ｄ９９粒径」は、９９番目のパーセンタイルの体積ベースのメディアン粒径、すなわち、粒子母集団の９９体積％が見出されるものより下の直径を指す。
【００５４】
粒径および粒子サイズ分布をルーチンのレーザー回折手法により決定することができる。レーザー回折は、粒子が、粒子のサイズに応じて変化する角度で光を散乱させ、粒子の収集により、粒子サイズ分布に相関し得る強度および角度により定義された、散乱された光のパターンが作り出されるであろうという原理に依拠する。多数のレーザー回折装置が、粒子サイズ分布の迅速で信頼性のある決定のために商業的に入手可能である。特に述べない限り、本願明細書において特定するかまたは報告する粒子サイズ分布測定は、Ｍａｌｖｅｒｎ  Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓからの従来のＭａｌｖｅｒｎ  Ｍａｓｔｅｒｓｉｚｅｒ  ２０００粒子サイズアナライザにより測定されたとおりのものである。Ｍａｌｖｅｒｎ  Ｍａｓｔｅｒｓｉｚｅｒ  ２０００粒子サイズアナライザは、水溶液中に懸濁された関心のある粒子を含む透明セルにヘリウム−ネオンガスレーザービームを投影することにより操作される。粒子に衝突する光線は、粒子サイズに反比例する角度により散乱され、光検出アレイは、いくつかの所定の角度で光の強度を測定し、異なる角度で測定された強度を、標準的な理論原理（standard  theoretical  principles）を使用してコンピュータにより加工されて、粒子サイズ分布を決定する。本明細書において報告するレーザー回折値は、蒸留水中の粒子の湿式分散物を使用して得られる。粒子屈折指数は、３．５０であると解釈され、分散指数は、１．３３０であると解釈される。粒子サイズ分布を、ミー散乱モデルを使用して計算する。
【００５５】
用語「多孔性」により、粒子構造内で複数の孔、空隙またはチャネルを含む高容量電気活性粒子を指すことが理解されなければならない。用語「多孔性粒子」は、直線状、分岐状または層状の細長い構造的要素のランダムなまたは秩序のあるネットワークを含む粒子を含むことが特に理解されなければならず、ここで、相互に連結された空隙の空間またはチャネルは、ネットワークの細長い構造的要素間で定義され、前記細長い構造的要素は、好適には、直線状、分岐状または層状のファイバー、チューブ、ワイヤ、ピラー、ロッド、リボン、プレートまたはフレークを含む。好ましくは、多孔性粒子は、実質的に開放された孔構造を有し、これにより、多孔性粒子の実質的に全ての孔体積は、例えば、ガスへまたは電解質などへの、粒子の外部からの流体へアクセス可能となる。実質的に開放された多孔性構造により、少なくとも９０％、好ましくは、少なくとも９５％、好ましくは、少なくとも９８％、好ましくは、少なくとも９９％の多孔性粒子の孔体積が、粒子の外側からアクセス可能であることが意味される。
【００５６】
多孔性粒子の粒子内多孔性は、高容量電気活性多孔性粒子の粒子間多孔性（inter−particle  porosity）と区別されなければならない。粒子内多孔性は、粒子内の孔の体積の、粒子の合計体積に対する比により定義される。粒子間多孔性は、別々の粒子間の孔の体積であり、個別の粒子のサイズおよび形状ならびに粒状材料の充填密度の両方の関数である。粒状材料の合計の多孔性を、粒子内多孔性および粒子間多孔性の合計として定義してもよい。
【００５７】
多孔性粒子の粒子内多孔性は、好ましくは、少なくとも６０％、好ましくは、少なくとも６５％、より好ましくは、少なくとも７０％、より好ましくは、少なくとも７５％、および最も好ましくは、少なくとも７８％である。粒子内多孔性は、好ましくは、８７％以下、より好ましくは、８６％以下、および最も好ましくは、８５％以下である。
【００５８】
多孔性粒子の粒子内多孔性を、水銀ポロシメトリーにより測定してもよい。水銀ポロシメトリーは、水銀中に浸漬された材料のサンプルに、種々のレベルの圧力をかけることにより材料の多孔性を特徴付ける手法である。サンプルの孔中に水銀を圧入するのに必要な圧力は、ポアのサイズに反比例する。より具体的には、水銀ポロシメトリーは、小さな孔中への液体の侵入を支配する毛細管の法則（capillary  law）に基づく。この法則は、例えば、水銀などの非湿式液体の場合には、ウォッシュバーン（Washburn）の方程式により表され：
Ｄ＝（１／Ｐ）・４γ・ｃｏｓφ
【００５９】
式中、Ｄは孔径であり、Ｐは、かけられる圧力であり、γは、表面張力であり、φは、液体およびサンプル間の接触角である。サンプルの孔に侵入する水銀の体積を、かける圧力の関数として直接測定する。分析の間、圧力が増加するにつれて、孔サイズを、各圧力点について計算し、これらの孔を充填するのに必要な水銀の対応する体積を測定する。圧力の範囲にわたって行われるこれらの測定により、サンプル材料について、孔径分布に対する孔体積が与えられる。ウォッシュバーンの方程式は、全ての孔が円筒形状であることを想定している。真の円筒形状の孔が実際の材料中でほとんど見当たらない一方で、この想定により、ほとんどの材料についての孔構造の十分に有用な表現が提供される。疑義を回避するために本明細書において孔径を指すことは、水銀ポロシメトリーにより決定された等円筒形状寸法（equivalent  cylindrical  dimensions）指すものとして理解されなければならない。本明細書において報告される水銀ポロシメトリーにより得られる値は、室温の水銀について、表面張力γが４８０ｍＮ／ｍであり、接触角φが１４０°である、ＡＳＴＭ  ＵＯＰ５７４−１１に従って得られる。水銀の密度は、室温で１３．５４６２ｇ／ｃｍ３である。
【００６０】
多孔性粒子の粉末の形態のサンプルについては、サンプルの合計孔体積は、粒子内孔および粒子間孔の合計である。これにより水銀ポロシメトリー分析において少なくとも二峰性孔径分布曲線が生じ、これは、粒子内孔径分布に関するより低い孔サイズの１つまたは２つ以上のピークのセット、および粒子間孔径分布に関するより大きな孔サイズの１つまたは２つ以上のピークのセットを含む。孔径分布曲線から、ピークの２つのセット間の最低点は、粒子内および粒子間孔体積を分離することができる直径を示す。これより大きな直径の孔体積は、粒子間孔と関連する孔体積であると想定される。合計孔体積から粒子間孔体積を引いたものは、粒子内多孔性を計算することができる粒子内孔体積を与える。
【００６１】
多数の高精度水銀ポロシメトリー機器が、例えば、Ｍｉｃｒｏｍｅｒｉｔｉｃｓ  Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ、米国から入手可能な自動水銀ポロシメトリーであるＡｕｔｏＰｏｒｅ  ＩＶ  ｓｅｒｉｅｓなどが、商業的に入手可能である。水銀ポロシメトリーの完全なレビューについては、「Ａｎａｌｙｔｉｃａｌ  Ｍｅｔｈｏｄｓ  ｉｎ  Ｆｉｎｅ  Ｐａｒｔｉｃｌｅ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，１９９７年，Ｍｉｃｒｏｍｅｒｉｔｉｃｓ  Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ，ＩＳＢＮ  ０−９６５６７８３−０におけるＰ．Ａ．  Ｗｅｂｂ  ａｎｄ  Ｃ．  Ｏｒｒが参照されてもよい。
【００６２】
水銀ポロシメトリーおよび他の圧入手法は、測定される多孔性粒子の外部から水銀（または別の流体）にアクセス可能な孔の孔体積を決定するのにのみ効果的であることが十分に理解されるであろう。上で述べたとおり、本発明の粒子の孔体積の実質的に全ては、粒子の外部からアクセス可能であり、よって、水銀ポロシメトリーによる多孔性測定は、一般的に粒子の孔体積全体に等しいであろう。そうではあるが、疑義を回避するために、本明細書において特定されるかまたは報告される粒子内多孔性の値は、開放された孔の、すなわち、本発明の粒子の外部から流体にアクセス可能な孔の体積を指すものとして理解されなければならない。水銀ポロシメトリーにより同定することができない、完全に密封された孔は、粒子内多孔性を特定するかまたは報告する場合に、本願において考慮されてはならない。
【００６３】
高容量電気活性多孔性粒状材料のサンプルは、水銀ポロシメトリーにより決定された孔径分布における少なくとも２つのピークを有することにより特徴付けられ、より低い孔サイズの少なくとも１つのピークは、粒子内孔に関連し、より高い孔サイズの少なくとも１つのピークは、粒子間多孔性に関連する。高容量電気活性多孔性粒状材料は、水銀ポロシメトリーにより決定される、３５０ｎｍ未満、より好ましくは、３００ｎｍ未満、より好ましくは、２５０ｎｍ未満、および最も好ましくは、２００ｎｍ未満の孔サイズの少なくとも１つのピークを有する孔径分布を有する。好ましくは、孔径分布は、水銀ポロシメトリーにより決定される、５０ｎｍより大きい、より好ましくは、６０ｎｍより大きい、および最も好ましくは、８０ｎｍより大きい孔サイズの少なくとも１つのピークを有する。
【００６４】
好ましくは、高容量電気活性多孔性粒状材料はまた、水銀ポロシメトリーにより決定される１０００ｎｍ以下の孔サイズの粒子間多孔性に関する緩く充填された複数の粒子の孔径分布におけるピークにより特徴付けられる。
【００６５】
多孔性粒子は、好ましくは回転楕円の形状である。本明細書において定義される回転楕円状粒子には、球状および楕円状粒子の両方が含まれてもよく、粒子の形状は、好適には、それらの真球度およびアスペクト比の参照により定義されてもよい。球状粒子は、凝集物を形成せず、スラリー中での分散に特に良好に適していると思われる。
【００６６】
物体の真球度は、球の表面積の、物体の表面積に対する比として、従来定義され、ここで、物体および球は同一の体積を有する。しかしながら、実際には、ミクロンスケールで個々の粒子の表面積および体積を測定することは困難である。しかしながら、デジタルカメラを使用して粒子により投影された影を記録する動画像解析によりおよび走査電子顕微鏡法（ＳＥＭ）により、ミクロンスケールの粒子のかなり正確な二次元投影を得ることは可能である。本明細書において使用する用語「真球度」は、粒子投影（particle  projection）の面積の、円（circle）の面積に対する比として理解されなければならず、ここで、粒子投影および円は、同一の円周を有する。よって、個々の粒子について、真球度Ｓを：
【数１】
2016535920.tif 000003
として定義してもよく、
【００６７】
式中、Ａｍは、粒子投影の測定された面積であり、Ｃｍは、粒子投影の測定された円周である。本明細書において使用される粒子の母集団の平均真球度Ｓａｖは：
【数２】
2016535920.tif 000004
と定義され、
ここで、ｎは、母集団における粒子の数を表す。
【００６８】
本明細書において使用されるとおり、本発明の粒子に適用される用語「回転楕円」は、少なくとも０．７０の平均真球度を有する材料を指すと理解されなければならない。好ましくは、高容量電気活性多孔性粒子は、少なくとも０．８５、より好ましくは、少なくとも０．９０、より好ましくは、少なくとも０．９２、より好ましくは、少なくとも０．９３、より好ましくは、少なくとも０．９４、より好ましくは、少なくとも０．９５、より好ましくは、少なくとも０．９６、より好ましくは、少なくとも０．９７、より好ましくは、少なくとも０．９８、および最も好ましくは、少なくとも０．９９の平均真球度を有する。
【００６９】
多孔性粒子の平均アスペクト比は、好ましくは、３以下：１、より好ましくは２．５以下：１、より好ましくは、２以下：１、より好ましくは、１．８以下：１、より好ましくは、１．６以下：１、より好ましくは１．４以下：１、および最も好ましくは、１．２以下：１である。本明細書において使用されるとおり、用語「アスペクト比」は、二次元粒子投影の最も長い寸法の最も短い寸法に対する比を指す。用語「平均アスペクト比」は、粒子母集団における個々の粒子のアスペクト比の数加重平均（number−weighted  mean  average）を指す。
【００７０】
完全に回転楕円状でないあらゆる粒子の場合には、二次元粒子投影の円周および面積は、粒子の配向に依存するであろうことが理解されるであろう。しかしながら、粒子の配向の効果は、ランダムな配向を有する複数の粒子から得られる平均の値としての真球度およびアスペクト比を報告することにより、オフセットされ得る。多数のＳＥＭおよび動画像分析機器は、商業的に入手可能であり、粒状材料の真球度およびアスペクト比を、迅速におよび高い信頼性により決定することができる。特に述べない限り、本明細書において特定されるかまたは報告される真球度の値は、Ｒｅｔｓｃｈ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ  ＧｍｂＨからのＣａｍＳｉｚｅｒ  ＸＴ粒子アナライザにより測定される。ＣａｍＳｉｚｅｒ  ＸＴは、１００ｍｇ〜１００ｇのサンプル体積中の粒状材料についてサイズおよび形状のかなり正確な分布を得ることができる動画像分析機器であり、例えば、平均真球度およびアスペクト比などの特性を機器により直接計算することを可能にする。
【００７１】
高容量電気活性多孔性粒状材料は、好ましくは、３００ｍ２／ｇ未満、より好ましくは、２５０ｍ２／ｇ未満、より好ましくは、２００ｍ２／ｇ未満、より好ましくは１５０ｍ２／ｇ未満、より好ましくは１２０ｍ２／ｇ未満のＢＥＴ比表面積を有する。高容量電気活性多孔性粒状材料は、１００ｍ２／ｇ未満、例えば、８０ｍ２／ｇ未満のＢＥＴ比表面積を有してもよい。好ましくは、ＢＥＴ表面は、少なくとも１０ｍ２／ｇ、少なくとも１５ｍ２／ｇ、少なくとも２０ｍ２／ｇ、または少なくとも５０ｍ２／ｇであってもよい。本明細書において使用される用語「ＢＥＴ比表面積」は、ＡＳＴＭ  Ｂ９２２／１０に従い、ブルナウアー−エメット−テラー理論を使用する、固体表面上のガス分子の物理的吸着の測定から計算される単位質量当たりの表面積を指すものと理解されなければならない。
【００７２】
電気活物質のＢＥＴ比表面積の制御は、金属イオンバッテリのアノードの設計における重要な検討事項である。低過ぎるＢＥＴ比表面積により、周囲の電解質における金属イオンへの電気活物質のバルクの非アクセス性により許容できない低充電速度および容量がもたらされる。しかしながら、極めて高いＢＥＴ比表面積はまた、バッテリの初回充放電サイクルの間、アノード表面で固体電解質相界面(solid  electrolyte  interphase)（ＳＥＩ）層の形成により不利であることが知られている。ＳＥＩ層は、電気活物質の表面での電解質の反応により形成され、電解質からの金属イオンのかなりの量を消費し得、これにより、続く充放電サイクルにおけるバッテリの容量を枯渇させる。当該技術分野における従前の教示が、約１０ｍ２／ｇより低い最適ＢＥＴ比表面積に焦点を当てる一方で、本発明者らは、ずっと広範なＢＥＴ範囲が許容され得ることを見出した。
【００７３】
好ましくは、高容量電気活性多孔性粒子は、針状、フレーク様、樹状またはサンゴ様として説明され得る電気活物質を含む、相互に連結した不規則の細長い構造的要素のネットワークを含む。この粒子の構成は、孔の相互に連結されたネットワークに、好ましくは、粒子中の孔の実質的に一様な分布に関連する。好ましい態様において、多孔性粒子は、少なくとも２：１およびより好ましくは、少なくとも５：１のアスペクト比を有する微細構造的要素のネットワークを含む。構造的要素の高いアスペクト比により、電気的連続性について多孔性粒子を構成する構造的要素間の極めて多数の相互の連結が提供される。
【００７４】
多孔性粒子を構成する構造的要素の厚さは、金属イオンを可逆的にインターカレートして放出するための電気活物質の能力に関し、重要なパラメータである。薄過ぎる構造的要素は、ＳＥＩ層の形成をもたらす過剰に高いＢＥＴ比表面積により、過剰な初回サイクル損失をもたらし得る。しかしながら、厚過ぎる構造的要素は、金属イオンのインターカレーションの間、過剰なストレス下に置かれ、また、金属イオンのシリコン材料のバルク中への挿入を妨げる。最適化されたサイズおよび割合の構造的要素の存在により、高容量電気活性多孔性粒状材料は、これらの競争因子の最適なバランスを提供する。よって、多孔性粒子は、好ましくは、３００ｎｍ未満、好ましくは、２００ｎｍ未満、より好ましくは、１５０ｎｍ未満の最小寸法、および最小寸法の少なくとも２倍、および好ましくは、少なくとも５倍の最大寸法を有する構造的要素を含む。最小寸法は、好ましくは、少なくとも１０ｎｍ、より好ましくは、少なくとも２０ｎｍ、および最も好ましくは、少なくとも３０ｎｍである。
【００７５】
多孔性粒子を構成する構造的要素を含む電気活物質は、好ましくは、１００ｎｍ未満、好ましくは、６０ｎｍ未満のサイズの晶子を有するナノ結晶性電気活物質またはアモルファス電気活物質を含む。構造的要素は、アモルファスおよびナノ結晶性電気活物質の混合物を含んでもよい。晶子サイズを、１．５４５６ｎｍのＸ線波長を使用するＸ線回折分光分析により決定してもよい。晶子サイズを、２Θ  ＸＲＤ走査からシェラーの方程式を使用して計算し、式中、晶子サイズｄ＝Ｋ・λ／（Ｂ・ＣｏｓΘＢ）であり、形状定数Ｋは０．９４であり、波長λは、１．５４５６ｎｍであり、ΘＢは、２２０シリコンピークに関連するブラッグ角であり、Ｂは、そのピークの半値全幅（ＦＷＨＭ）である。好適には、晶子サイズは、少なくとも１０ｎｍである。
【００７６】
用語「多孔性粒子フラグメント」により、多孔性粒子を構成する相互に連結された不規則な構造的要素のネットワークに由来する１つまたは２つ以上の構造的要素を含む粒子を意味することが理解されなければならない。かかるフラグメントは、ＧＢ  １１１５２６２．６に記載されている。
【００７７】
多孔性粒子フラグメントは、少なくとも１０ｎｍ、より好ましくは、少なくとも２０ｎｍ、および最も好ましくは、少なくとも３０ｎｍの最小Ｄ５０直径により特徴付けられる。好ましくは、多孔性粒子フラグメントは、３００ｎｍ未満、好ましくは、２００ｎｍ未満、より好ましくは、１５０ｎｍ未満の最小Ｄ５０直径、および最小寸法の少なくとも２倍、および好ましくは、少なくとも５倍の最大Ｄ５０直径により特徴付けられる。
【００７８】
本発明の第３の側面の電極の活物質層中に含まれ得るピラー化粒子構造は、実質的に、ＵＳ  ２０１１／００６７２２８、ＵＳ  ２０１１／０２６９０１９およびＵＳ  ２０１１／０２５０４９８に記載されたとおりのものであるか、またはＵＳ  ７４０２８２９、ＪＰ  ２００４２８１３１７、ＵＳ  ２０１０／０２８５３５８、ＵＳ  ２０１０／０２９７５０２、ＵＳ  ２００８／０２６１１１２もしくはＷＯ  ２０１１／１１７４３６に記載された手法を使用して調製されたものである。
【００７９】
ワイヤ、ファイバー、ロッドまたはリボンは、２ミクロンまでの、任意に約０．１ミクロン、好ましくは、１０〜３００ｎｍの直径または最小厚さとしての最小寸法を有してもよく、少なくとも２：１、任意に少なくとも５：１、少なくとも１０：１、少なくとも１００：１または少なくとも１０００：１のアスペクト比を有する、１μｍより長い、任意に５μｍよりも長い長さを有してもよい。最小寸法は、少なくとも１０ｎｍであってもよい。リボンは、最小厚さの少なくとも２倍、任意に、最小厚さの少なくとも５倍の幅を有してもよい。
【００８０】
フレークは、少なくとも２０ｎｍまでの厚さ、および約２０ミクロンまたは１０ミクロン、２ミクロン、任意に約０．１ミクロン、および５〜５０ミクロンの範囲の他の寸法を有してもよい。
本明細書において開示される、全ての粒状材料のサイズ、真球度、ＢＥＴ値および固有の多孔性を、上記で言及された手法を使用して決定することができる。
【００８１】
本発明の第３の側面の電極の活物質層中の含有物のためのファイバーは、実質的にＵＳ  ８１０１２９８に記載されている。ファイバーは、実質的に固体であってもよく、またはその表面にわたって分布される孔または空隙を含んでもよい。本発明の第３の側面の活物質層中の含有物についてのファイバーおよびリボンは、実質的にＵＳ  ２０１０／０１９００６１に記載されている（これはまた、実質的に固体であってもよく、またはその表面にわたって分布される孔または空隙を有してもよい）。
【００８２】
第１の（または第２の）活物質層は、追加の粒状電気活物質をさらに含んでもよい。好ましくは、第１の活物質層は、第１の高容量電気活物質に加えて、（ｉ）バインダ；（ｉｉ）導電性添加剤；および（ｉｉｉ）追加の粒状電気活物質、から選択される少なくとも１種の構成成分を含んでもよい。好ましくは、追加の粒状電気活物質は、１０００ｍＡｈ／ｇ未満の固有容量を有し；好適な材料の例には、例えば、グラファイトおよび硬質カーボンなどの電気活性炭素材料が含まれる。
【００８３】
本発明の第３の側面の第４の態様において、電極は、集電基体の第２の側面に位置されて取り付けられた第２の高容量活物質を含む第２の活物質層をさらに含み、ここで、集電基体の第２の側面には強化構造がない。
【００８４】
本発明の第３の側面の第５の態様において、電極は、集電基体の第２の側面に位置されて取り付けられた第２の高容量活物質を含む第２の活物質層をさらに含み、ここで、集電基体の第２の側面は、強化構造の少なくとも１セットを含む強化構造の第２の配置を含む。
【００８５】
本発明の第３の側面の第６の態様において、電極は、第１の表面およびその上に塗布された第１の活物質層上に位置されて取り付けられた、強化構造の第３のセット、および第２の表面およびその上に塗布された第２の活物質層に適用された、強化構造の１つまたは２つ以上のセットをさらに含む。第１および第２の活物質層は、同一でも異なっていてもよい。好ましくは、第１および第２の活物質層は、同一である。
【００８６】
本発明の第３の側面の電極の第１の活物質層は、電気活性炭素材料をさらに含んでもよい。好ましくは、第１の活物質層は、少なくとも１０ｗｔ％の電気活性炭素を含み、好ましくは、２０ｗｔ％、より好ましくは、少なくとも４０ｗｔ％、特には、少なくとも５０ｗｔ％、例えば、少なくとも６０ｗｔ％である。好ましくは、第１の活物質層は、９０ｗｔ％以下の電気活性炭素を含み、好ましくは、８０ｗｔ％以下、より好ましくは、７０ｗｔ％以下、例えば、６４ｗｔ％である。電気活性炭素の好適な形態には、グラファイトおよび硬質炭素、特にグラファイトおよび硬質炭素の球状形態が含まれる。
【００８７】
一態様において、電気活性炭素材料の高容量電気活物質に対する比は、好適には、重量で５０：５０〜９９：１、より好ましくは、重量で６０：４０〜９８：２、より好ましくは、重量で７０：３０〜９７：３、より好ましくは、重量で８０：２０〜９６：４、および最も好ましくは、重量で８５：１５〜９５：５の範囲にある。
【００８８】
別の態様において、電気活性炭素材料の高容量電気活物質に対する比は、好適には、重量で１：９９〜５０：５０、より好ましくは、９８：２〜４０：６０、最も好ましくは、３０：７０〜３：９７の範囲にある。
【００８９】
電気活性炭素材料および本発明の第１の高容量電気活物質は一緒に、好ましくは、電極組成物の合計重量の、少なくとも５０ｗｔ％、より好ましくは、少なくとも６０重量％、より好ましくは、少なくとも７０ｗｔ％、最も好ましくは、少なくとも８０ｗｔ％、例えば、少なくとも８５ｗｔ％、少なくとも９０ｗｔ％、または少なくとも９５ｗｔ％を構成する。
【００９０】
好適には、電気活性炭素材料は、少なくとも０．７０、好ましくは、少なくとも０．８５、より好ましくは、少なくとも０．９０、より好ましくは、少なくとも０．９２、より好ましくは、少なくとも０．９３、より好ましくは、少なくとも０．９４、および最も好ましくは、少なくとも０．９５の平均真球度を有する回転楕円状粒子を含む。好ましくは、第１の（または第２の）活物質層は、この範囲の真球度を有するグラファイトおよび／または硬質炭素の粒子を含む。
【００９１】
電気活性炭素材料は、好ましくは、３以下：１、好ましくは、２．５以下：１、より好ましくは、２以下：１、より好ましくは、１．８以下：１、より好ましくは、１．６以下：１、より好ましくは、１．４以下：１、および最も好ましくは、１．２以下：１のアスペクト比を有する。好ましくは、第１の（およびまたは第２の）活物質層は、この範囲のアスペクト比を有するグラファイトおよび／または硬質炭素の粒子を含む。
【００９２】
好適には、球状グラファイトおよび硬質粒子は、１０〜５０μｍ、好ましくは、１０〜４０μｍ、より好ましくは、１０〜３０μｍ、および最も好ましくは、１０〜２５μｍ、例えば、１５〜２５μｍの範囲にあるＤ５０粒径を有する。グラファイトおよび／または硬質炭素が、この範囲内のＤ５０粒径を有する場合には、高容量電気活物質は、特にこれらの電気活性炭素粒子が回転楕円の形状の場合に、有利に適合して、電気活性炭素材料の粒子間の空隙空間を占める。
【００９３】
本発明の第３の側面の第１の活物質層は、バインダをさらに含んでもよい。好適には、第１の活物質層は、活物質層の合計重量に基づき、少なくとも０．５〜２０ｗｔ％のバインダを含み、好ましくは、１〜１５ｗｔ％、および最も好ましくは２〜１０ｗｔ％である。第１の活物質層中の含有物のための好適なバインダには、ポリビニレンジフルオリド（ＰＶＤＦ）、ポリビニレンジフルオリド−ヘキサフルオロプロペン（ＰＶＤＦ−ＨＦＰ）コポリマー、ポリビニレンジフルオリド−テトラフルオロエチレンコポリマー（ＰＶＤＦ−ＴＦＥ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、フッ素化ゴム、スチレンブタジエンゴム（ＳＢＲ）、ニトリル−ブタジエン−スチレンコポリマー、メタクリル酸エステル、アクリル酸エステル、アクリルニトリル酸エステル（acrylic  nitrile−acid  ester）コポリマー、エチレン−プロピレンゴム、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）、ポリビニルアセテート、エチルセルロース、メチルセルロース、ポリアクリル酸（ＰＡＡ）、ヒドロキシエチルセルロース（ＨＥＣ）、カルボキシメチルセルロエ（carboxymethylcelluloe）（ＣＭＣ）、ポリフェニレンエーテル、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリペヘニレンスルホン（polypehenylene  sulfone）、ポリエーテルイミド、ポリアミドイミド、ポリアミド、ポリイミドおよびポリアルギネート、それらの塩または混合物が含まれる。バインダは、ホモポリマー、コポリマーまたはそれらから誘導される変性されたホモポリマーまたはコポリマーの形態で提供されてもよい。好適には、バインダは、そのアルカリ金属塩の形態で提供される。好適には、バインダは、塩を形成することができるポリマー中の３０〜８０％の基がアルカリ金属塩の形態である、アルカリ金属塩の形態で提供される。好適には、バインダポリマーは、２００，０００〜３，０００，０００、好ましくは、３００，０００〜２，５００，０００、特には、４５０，０００〜１，０００，０００の範囲にある重量平均分子量を有する。バインダポリマーはまた、それらの引張強度および集電基体へのおよびまた強化構造のポリマーへのそれらの付着の強度により特徴付けられてもよい。
【００９４】
好適には、バインダポリマーは、２００〜８０００ＭＰａ、好ましくは、１２００〜５０００ＭＰａ、より好ましくは、２０００〜３５０ＭＰａの範囲にある引張強度により特徴付けられる。ポリマー種の引張強度を測定するのに使用される手法は、本明細書の上記において概説する。
【００９５】
好適には、バインダポリマーは、１０４〜１０６Ｐａの範囲にある銅基板への付着の強度により特徴付けられる。下部の基板へのバインダポリマーの付着の強度を決定するのに使用される手法は、上で検討する。
【００９６】
好適には、バインダポリマーは、少なくとも１０４〜１０６Ｐａの第１の強化ポリマーを含む層への付着の強度により特徴付けられる。付着の強度は、当業者に周知の、上で検討された手法を使用して決定される。
【００９７】
好適には、バインダポリマーは、少なくとも１０４〜１０６Ｐａの第３の強化ポリマーを含む層への付着の強度により特徴付けられる。付着の強度を決定するのに使用される手法は、上で検討され、当業者に周知である。
【００９８】
本発明の第３の側面の電極の活物質層は、導電性材料をさらに含んでもよい。好ましくは、活物質層は、０．５〜２０ｗｔ％の導電性材料を含み、好ましくは、１〜１５ｗｔ％、最も好ましくは、２〜１０ｗｔ％である。好適な導電性材料には、ケッチェンブラック、アセチレンブラック、グラファイト、フラーレン、グラフェン、気相成長炭素繊維、ポリアクリロニトリルファイバー、ポリピロール、カーボンナノチューブおよび金属繊維を含むカーボンブラックおよび金属繊維が含まれる。
【００９９】
本発明の第３の側面の好ましい態様において、電極の活物質層は、１６ｗｔ％の高容量活物質、６４ｗｔ％のグラファイト、１０ｗｔ％のバインダおよび１０ｗｔ％の導電性カーボン組成物を含む。高容量活物質は、シリコン、スズまたはゲルマニウムであってもよいが、好ましくはシリコンである。
【０１００】
一態様において、バインダは、３５０，０００〜５００，０００の範囲にある分子量を有するカルボキシメチルセルロースである。代替的に、４５０，００〜３，０００，０００、好ましくは、５００，０００〜２，０００，０００、より好ましくは、１０００，０００〜１，５００，０００の重量平均分子量を有するポリアクリル酸バインダが使用されてもよい。ポリアクリル酸バインダを、ナトリウムイオンを有する塩の形態で提供してもよい。好ましくは、ポリアクリル酸バインダを、少なくとも４０％の中和の程度を有する部分的な塩の形態で提供し、好ましくは、少なくとも５０％、より好ましくは、少なくとも６０％である。好ましくは、バインダを、９０％以下の中和の程度を有する部分的な塩の形態で提供し、好ましくは、８０％以下、および特には７０％以下である。
【０１０１】
活物質層が、高容量電気活物質としてシリコンを含む場合には、シリコンは、高純度シリコンとしてまたは合金もしくは化合物の形態で提供されてもよい。シリコン高純度形態は、少なくとも９０ｗｔ％の元素シリコンを含み、好ましくは、少なくとも９５ｗｔ％、より好ましくは、少なくとも９８ｗｔ％、より好ましくは、少なくとも９９ｗｔ％である。高容量電気活性合金の例は、当業者に周知である。活物質層中に含まれ得る高容量電気活性シリコン化合物の例には、シリコン酸化物（ＳｉＯｘ、式中ｘ＜２）およびシリコン硫化物（ＳｉＳｘ、式中ｘ＜２）が含まれる。
【０１０２】
活物質層は、好適には集電アセンブリの表面にわたって伸び、集電基体の表面上に堆積された強化構造を超えて突き出ている。活物質層が集電アセンブリの第１の表面に適用される場合には、第１の活物質層は、第１のアセンブリの強化構造を超えて伸びている。
【０１０３】
本発明の第３の側面の電極の強化構造の第１のアセンブリは、好適には、集電基体の第１の表面の４０％未満を覆う。類似の構成が、集電基体の第２の表面に適用された強化構造の第２のアセンブリについて提供される。
【０１０４】
本発明の第４の側面は、電気化学セルのための電極を製造する方法を提供し、前記方法は、以下のステップ：
ａ．第１の表面および第１の表面積を画定する第１の側面、第２の表面および第２の表面積を画定する第２の側面ならびに集電基体の第１の側面に位置されて取り付けられた第１のポリマー材料を含む強化構造の第１の配置を有する、導電性集電基体を含む集電アセンブリを提供すること；
ｂ．集電基体の第１の側面上に第１の活物質層を形成して、それによりその第１の表面を覆うこと、
を含む。
【０１０５】
好ましくは、本発明の第４の側面の第１の活物質層は、集電基体の曝露された材料と同様に、強化構造の第１の配置を覆う。
【０１０６】
本発明の第４の側面の第１の態様において、第１の活物質層を、好適には、第１の高容量活物質を含むスラリーを集電基体の第１の表面上に堆積することにより形成する。好ましくは、スラリーは、強化構造の第１の配置にわたって広がり、第１の配置の強化構造および下部の集電基体間で交差により画定されるあらゆる凹部中へ流れ込み；このようにして、第１の活物質層中の第１の活物質および集電基体間に電気伝導性が提供される。
【０１０７】
好ましくは、高容量活物質を含むスラリーは、溶媒を含む。好ましくは、集電体の表面に位置されて取り付けられた強化構造は、溶媒に対して耐性を有する。
【０１０８】
本発明の第４の側面の第２の態様において、集電アセンブリには、集電基体の第２の表面上で強化構造の第２の配置が提供される。強化構造の第２の配置は、集電基体の第１の表面上に活物質の第１の層を堆積する前にまたは後に、集電基体の第２の表面に位置されて取り付けられてもよい。好ましくは、強化構造の第２の配置は、集電アセンブリの第１の表面上に第１の活性層が堆積される前に、集電基体の第２の表面上に位置されて、そこに取り付けられる。
【０１０９】
本発明の第４の側面の第３の態様において、第２の高容量活物質を含む第２の活物質層が、集電アセンブリの第２の表面に位置されて取り付けられる。第２の表面は、第２の活物質層の堆積前に、強化構造の第２の配置を含んでいても、または含まなくてもよい。好ましくは、第２の表面は、強化構造の第２の配置を含み、第２の活物質層は、集電アセンブリの第２の表面にわたって位置されていてもよい。強化構造の第２の配置を、第２の活物質層の堆積後に集電アセンブリの第２の側面に適用してもよいが、これはより好ましくない。
【０１１０】
本発明の第４の側面の方法は、好適には、スラリー溶媒を除去して、集電アセンブリの表面上に活物質層を形成するステップを含む。これは、３０℃より高い、好ましくは、４０℃より高い、好ましくは、５０℃より高い、より好ましくは、６０℃より高い温度で電極を乾燥することにより達成することができる。好ましくは、乾燥温度は、１５０℃を超えてはならず、好適には、１２０℃以下、例えば、１１０℃未満である。
【０１１１】
本発明の第４の側面の方法は、活物質層を硬化させるさらなるステップを含んでもよい。これは、活物質層を、１０〜３０分の間、ＵＶ光に曝露することにより達成することができる。
【０１１２】
本発明の第４の側面の方法は、集電アセンブリの一方または両方の表面で活物質層を形成した後で（after  formation  of  the  active  material  layers  one  or  both  surfaces  of  the  current  collecting  assembly）、電極をカレンダリングするさらなるステップを含んでもよい。
【０１１３】
本発明の第５の側面は、本発明の第３の側面による電極を含むセルを提供する。好ましくは、電極はアノードである。
本発明の第６の側面は、本発明の第５の側面によるセルを含むバッテリを提供する。好ましくは、バッテリはリチウムイオンバッテリである。
【０１１４】
本発明の第７の側面は、本発明の第６の側面によるバッテリを含むデバイスを提供する。
図面の簡単な説明
本発明は、以下の図面を参照して例示され、ここで、
【図面の簡単な説明】
【０１１５】
【図１Ａ】図１Ａは、電極１００の断面図であり；
【図１Ｂ】図１Ｂは、集電アセンブリ１１０の上面図を例示し；
【図１Ｃ】図１Ｃは、別の集電アセンブリ１２０の上面図であり；
【図１Ｄ】図１Ｄは、ランダムに配向された強化構造１３３を有する別の集電アセンブリ１３０の上面図であり；
【図１Ｅ】図１Ｅは、２つの活物質層１４４ａおよび１４４ｂを含む電極１４０の断面図であり；
【図１Ｆ】図１Ｆは、２つの活物質層１５４ａおよび１５４ｂを含む別の電極１５０の断面図であり；
【図１Ｇ】図１Ｇは、集電アセンブリ１６０の上面図であり；
【図１Ｈ】図１Ｈは、集電アセンブリ１７０の上面図であり；
【図２Ａ】図２Ａは、異なる断面プロファイルを有する強化構造を示し；
【図２Ｂ】図２Ｂは、異なる断面プロファイルを有する強化構造を示し；
【図２Ｃ】図２Ｃは、異なる断面プロファイルを有する強化構造を示し；
【図２Ｄ】図２Ｄは、基体の両方の側面に位置された強化構造を示し；
【図２Ｅ】図２Ｅは、基体の両方の側面に位置された強化構造を示し；
【図２Ｆ】図２Ｆは、集電基体の両方の側面に位置された強化構造を含む集電アセンブリの上面図を例示し；
【図２Ｇ】図２Ｇは、集電基体の両方の側面に位置された強化構造を含む集電アセンブリの上面図を例示し；
【図３】図３は、集電アセンブリを作製する方法に対応するプロセスフローチャートであり；
【図４】図４は、集電アセンブリを有する電極を形成する方法に対応するプロセスフローチャートであり；
【図５】図５は、巻かれた円筒形状セル５００の断面図を例示し；
【図６Ａ】図６Ａは、実験結果のセクションにおいて記載された電極の写真を例示し；
【図６Ｂ】図６Ｂは、実験結果のセクションにおいて記載された電極の写真を例示し；
【図６Ｃ】図６Ｃは、実験結果のセクションにおいて記載された電極の写真を例示し；
【図７】図７は、実験結果のセクションにおいて記載されたセルについてのサイクルデータを示す。
【０１１６】
電極および集電アセンブリの例
図１Ａは、いくつかの態様に従う、電極１００の断面図である。電極１００は、集電基体１０２および集電基体１０２にわたって位置されて付着された活物質層１０４を含む。いくつかの態様において、電極１００はまた、図１Ｄおよび１Ｅを参照して以下でさらに記載されるとおり、基体の他方の側面上に位置された別の活物質層（図１Ａにおいては示されないもの）を含んでもよい。集電基体１０２を使用して、１つまたは２つ以上の活物質層に機械的支持を提供し、１つまたは２つ以上の活物質層および例えば、セル端子などのセルの他の構成要素（図１Ａにおいては示されないもの）間に電流が流れる。
【０１１７】
活物質層１０４は、集電基体１０２の表面上でバインダにより支持された活物質粒子１０７および１０８を含む。いくつかの態様において、活物質層１０４は、例えば、高容量活物質で主に形成された粒子および低容量活物質で主に作製された粒子などの２つのタイプの粒子を含む。いくつかの態様において、同一の粒子は、低容量活物質および高容量活物質の両方を含んでもよい。この文書の目的のために、高容量活物質は、少なくとも約１０００ｍＡｈ／ｇの理論容量を有する材料として定義される一方で、低容量活物質は、約１０００ｍＡｈ／ｇ未満の理論容量を有する材料として定義される。高容量活物質の例には、シリコン、スズ、およびゲルマニウムが含まれる一方で、低高（low  high）容量活物質の例には、例えば、グラファイトおよび硬質炭素などの炭素系材料が含まれる。いくつかの態様において、活物質層中の１種または２種以上の高容量活物質の濃度は、少なくとも約３０重量％、少なくとも約４０重量％、およびなお少なくとも約５０重量％である。バインダ１０６および活物質粒子１０７および１０８に加え、活物質層１０４は、導電性添加剤（例えば、カーボンブラックなど）を含んでもよい。
【０１１８】
電極１００はまた、集電基体１０２の表面１０３にわたって位置されて取り付けられた強化構造１０５を含む。強化構造１０５および集電基体１０２の組み合わせは、集電アセンブリと称される。集電アセンブリは、強化構造の１つまたは２つ以上のセットを含んでもよい。例えば、一方のセットが集電基体の一方の側面上に提供されてもよく、別のセットが集電基体の他方の側面上に提供されてもよい。いくつかの態様において、強化構造の一方のセットのみが集電基体の一方の側面上に提供される。他方の側面は、強化構造を含まないままである。この他方の側面は、それに取り付けられる活物質層をなお有してもよい。
【０１１９】
強化構造の配置は、強化構造の１つまたは２つ以上のセットを含んでもよい。配置が強化構造の２つのセットを含む場合には、構造の一方の組成は、好ましくは、構造の他方の組成と差を有する。かかる差には、例えば、数平均分子量の差または強化構造の多孔性の差などの、化学的な差および物理的な差の両方が含まれる。
【０１２０】
１つのセットを含む配置における強化構造を、例えば、図１Ｂに示されるとおりのグリッドまたはいくつかの他の配置などに配置してもよい。具体的には、、いくつかの態様に従い、図１Ｂは、集電アセンブリ１１０の上面図を例示する。強化構造１１３ａおよび１１３ｂは、正方形グリッドに配置され、これにより、全ての構造１１３ａは互いに平行であり、全ての構造１１３ｂは互いに平行であり、構造１１３ａに垂直である。構造１１３ａ間および１１３ｂ間の間隔は、同一である。この間隔は、ピッチと称され得る。長方形グリッドにおいては、一方向のピッチは、異なる方向のピッチとは異なる。いくつかの態様において、強化構造のサブセットは、第１の方向に伸び、残りの構造は、第２の方向のままであり、これは、第１の方向と約３０°〜４５°の角度を形成する。いくつかの態様において、構造間の間隔は、電極の長さに、より具体的には、この方向の集電基体の寸法に比例してもよい。
【０１２１】
図１Ｂにおいて示されるとおり、集電アセンブリ１１０は、曝露される集電基体１１２の一部を有する。集電基体１１２の残留部分は、強化構造１１３ａおよび１１３ｂにより覆われる。いくつかの態様において、集電基体１１２の同一表面上でセットを形成する強化構造１１３ａおよび１１３ｂは、表面の約４０％以下を覆い、またはより具体的には、３０％未満、または２０％未満、またはなお１０％未満である。表面の残留部分は、曝露されたままであり、活物質層との直接接触をさせるのに利用可能である。
【０１２２】
図１Ｃは、強化構造１２３が集電基体１２２の表面上でランダムな配向を有する、別の集電アセンブリ１２０の上面図である。強化構造１２３は、湾曲した形状を有し、例えば、エレクトロスピニング（electro−spinning）または他の好適な手法などにより形成されてもよい。図１Ｄは、集電基体１３２の表面上に位置された、ランダムに配向された強化構造１３３を有する別の集電アセンブリ１３０の上面図である。
【０１２３】
図１Ｅは、いくつかの態様に従う、２つの活物質層１４４ａおよび１４４ｂおよび強化構造の２つのセット１４５ａおよび１４５ｂを含む２つの配置を含む電極１４０の断面図である。各配置は、強化構造の１つのセットを含む。電極１４０はまた、２つの活物質層１４４ａおよび１４４ｂおよび強化構造の２つの配置１４５ａおよび１４５ｂのために機械的支持を提供する集電基体１４２を含む。具体的には、第１の活物質層１４４ａおよび強化構造の第１の配置１４５ａは、集電基体１４２の第１の表面１４３により支持される。強化構造１４５ａは、第１の活物質層１４４ａおよび集電基体１４２の第１の表面１３４ａ間に位置される。第１の活物質層１４４ａの一部は、強化構造１４５ａ間で突き出し、集電基体１４２の第１の表面１３４ａと直接インターフェースする（A  portion  of  first  active  material  layer  144a  protrudes  in  between  reinforcing  structures  145a  directly  interfaces  with  first  surface  134a  of  current  collecting  substrate  142）。同様に、第２の活物質層１４４ｂおよび強化構造の第２の配置１４５ｂは、集電基体１４２の第２の表面１４３ｂにより支持される。
【０１２４】
図１Ｆは、いくつかの態様に従う、２つの活物質層１５４ａおよび１５４ｂおよび強化構造の１つのみの配置１５５を含む別の電極１５０の断面図である。電極１５０はまた、２つの活物質層１５４ａおよび１５４ｂおよび強化構造の配置１５５のために機械的支持を提供する集電基体１５２を含む。具体的には、第１の活物質層１５４ａおよび強化構造の配置１５５は、集電基体１５２の第１の表面１５３ａにより支持される。集電基体１５２の第２の表面１５３ｂは、第２の活物質層１５４ｂのみを支持し、いかなる強化構造も支持せず、またはいかなる強化構造ともインターフェースしない。この例において、集電基体１５２は、一方の側面でのみ強化されている。
【０１２５】
図１Ｇは、集電基体の同一の表面に適用された強化構造１６２の第１のセットおよび強化構造１６３の第２のセットを含む、別の集電アセンブリ１６０の上面図であり、ここで、強化構造１６２ａ、１６２ｂ、１６３ａおよび１６３ｂは、正方形グリッドに配置され、これにより、全ての構造１６２ａおよび１６３ａは互いに平行であり、全ての構造１６２ｂおよび１６３ｂは互いに平行であり、構造１６２ａおよび１６３ａに垂直である。構造１６２ａ間および１６２ｂ間の間隔は同一である。好ましくは、構造１６３ａおよび１６２ｂ間の間隔は同一である。好ましくは、一方向の構造１６２ａ間の間隔は、同一方向の構造１６３ａ間の間隔と同一である。同様に、構造１６２ａの方向に垂直な方向の構造１６２ｂ間の間隔は、同一の方向の構造１６３ｂ間の間隔と同一であることが好ましい。構造１６２のポリマー性材料は、構造１６３のポリマー性材料とは異なる。好ましくは、構造１６２のポリマー性材料は、集電基体の表面に強く付着している。好ましくは、構造１６３のポリマー性材料は、活物質層に強く付着している。一方向の同一の組成の構造間の間隔は、ピッチと称されてもよい。
【０１２６】
図１Ｈは、強化構造１７１の第１のセット、および強化構造１７２の第２のセットを含む、別の集電アセンブリ１７０を示す。１７１および１７２は、示されるとおり、垂直構成で配置されていてもよい。
【０１２７】
強化構造は、例えば、図２Ａ〜２Ｃなどに示すとおり、異なる断面プロファイルを有してもよい。具体的には、図２Ａは、いくつかの態様に従う、基体２０２上に位置された長方形の強化構造２０３を例示する。図２Ｂは、いくつかの態様に従う、基体２１２上に位置された三角形の強化構造２１３を例示する。最後に、図２Ｃは、いくつかの態様に従う、基体２２２上に位置された部分的にオーバルな強化構造２２３を例示する。一般的に、基体との十分な接触面積を有して、２つの構造間の十分な負荷輸送を保証することが望ましい。
【０１２８】
いくつかの態様において、強化構造の幅は、約０．５ミクロン〜５０ミクロン、より具体的には、約１ミクロン〜１０ミクロンである。強化構造の高さは、約０．５ミクロン〜５０ミクロン、または具体的には、約１ミクロン〜１０ミクロンであってもよい。強化構造の断面積は、約１平方ミクロン〜１００平方ミクロン、またはより具体的には、約１０平方ミクロン〜１００平方ミクロンであってもよい。
【０１２９】
いくつかの態様において、強化構造は、例えば、図２Ｄおよび２Ｅなどに示されるとおり、基体の両方の側面上に位置される。具体的には、図２Ｄは、基体２３２の第１の表面２３２ａ上に位置され、基体２３２の第２の表面２３２ｂ上に位置された強化構造２３４ａ〜２３４ｃに配列された、強化構造２３３ａ〜２３３ｃを有する集電アセンブリ２３０を例示する。本明細書において示される配列は、Ｘ方向にあることが留意されなければならない。言い換えると、Ｚ方向の強化構造２３３ａ〜２３３ｃおよび強化構造２３４ａ〜２３４ｃの投影は、この断面に対して一致する。
【０１３０】
図２Ｅは、基体２４２の第１の表面２４２ａ上に位置された強化構造２４３ａ〜２４３ｃおよび基体２４２の第２の表面２４２ｂ上に位置された強化構造２４４ａ〜２４４ｃを有する、集電アセンブリ２４０を例示する。この例において、強化構造２４３ａ〜２４３ｃおよび強化構造２４４ａ〜２４４ｃは、配列されておらず、その代わりに、Ｘ方向について互いに対してシフトしている。いくつかの態様において、強化構造２４３ａ〜２４３ｃおよび強化構造２４４ａ〜２４４ｃは、同一のピッチを有してもよく、例えば、図２Ｅなどに示されるとおり、互いに対してこのピッチの半分でシフトしていてもよい。
【０１３１】
図２Ｆは、いくつかの態様に従う、集電基体２５２の一方の側面上に位置された強化構造２４５および２５６を含む、集電アセンブリ２５０の上面図を例示する。強化構造２５４はＸ方向に伸びる一方で、強化構造２５６はＹ方向に伸び、これにより、集電基体２５２の表面上で正方形グリッドを形成する。この例において、強化構造２４５は、強化構造２５６に対して実質的に垂直である。一般的に、集電アセンブリには、基体の一方の側面上に位置された強化構造の１つまたは２つ以上のセットが含まれ得、これにより、各セットにおける構造は、互いに対して実質的に平行である。一方のセットにおける強化構造は、他方のセットの強化構造と４５°〜９０°のあらゆる角度を有してもよく、より具体的には、約６０°〜９０°またはなお約７５°〜９０°であってもよい。
【０１３２】
基体の別の側面は、強化構造の同様のセットまたは異なるセットを有してもよい。かかる一例は、図２Ｆにおいて示される。具体的には、図２Ｆは、同一の集電基体２５２の第２の側面上に位置された強化構造２５８の別のセットを例示する。上記のとおり、強化構造２５４および２５６は、集電基体２５２の第１の側面上に位置される。強化構造２５８は、破線で示され、この上面図におけるそれらの配向を表す。これらの強化構造２５８はまた、強化構造２５４および２５６と同一のＸおよびＹ軸に沿って正方形グリッドを形成する。強化構造２５８は、強化構造２５４および２５６と同一の、グリッドのセルサイズを有してもよい。いくつかの態様において、サイズは異なっていてもよい。
【０１３３】
図２Ｆは、いくつかの態様に従う、集電基体２５２の両方の側面上に位置された強化構造を含む集電アセンブリ２５０の上面図を例示する。前面側に位置された強化構造２５４および２５６は、実線で示される一方で、前面側に位置された強化構造２５４および２５６は、実線で示され、背面側に位置された強化構造２５７および２５８は、破線で示される（Reinforcing  structures  254  and  256  disposed  on  the  front  side  are  shown  with  solid  lines，while  reinforcing  structures  254  and  256  disposed  on  the  front  side  are  shown  with  solid  lines  reinforcing  structures  257  and  258  disposed  on  the  back  side  are  shown  with  dashed  lines）。一方の側面上の強化構造は、強化構造のセットと称されてもよい。両方のセット（すなわち、前面側および背面側のもの）は、２５６に垂直で強化構造２５７（およびＸ方向）に平行な強化構造２５４との正方形グリッドの形態である。同様に、強化構造２５７は、２５８に対して垂直であり、強化構造２５４に対して平行である。強化構造２５６および２５８は、Ｙ方向に平行である。
【０１３４】
２つの正方形グリッドは、例えば、図２Ｆなどに示されるとおり、ＸおよびＹ方向に同一のピッチを有してもよい。代替的に、１つのグリッドは、ＸおよびＹ方向の一方または両方とは異なるピッチを有してもよい。例えば、図２Ｇは、グリッド２６２がグリッド２６４より大きなピッチを有する集電アセンブリ２６０を例示する。
【０１３５】
配置または１つのセットの強化構造は、別の配置または１つのセットの強化構造と配列されてもよく、これにより、図２Ｄを参照して上で説明したとおり、１つの強化構造が、別の強化構造の上に投影される（projected  over）。代替的に、１つの配置またはセットの強化構造は、別の配置またはセットの強化構造に対してシフトされていてもよく、これにより、１つの強化構造は、図２Ｅを参照して上で説明したとおり、別の強化構造の上に投影されない。図２Ｆは、一方の正方形グリッドが、他方の側面上のグリッドに対して２つの方向に、すなわち、Ｘ方向およびＹ方向にシフトされた、集電アセンブリ２５０を例示する。図２Ｇは、一方の正方形グリッドが、他方のグリッドに対して４５°回転された集電アセンブリ２６０を例示する。いくつかの態様において、２つの正方形、またはより一般的には、長方形グリッドは、４５°までの角度で回転されていてもよく、より具体的には、３０°まで、またはなお１５°までである。
【０１３６】
作製および電気化学セルの例
図３は、いくつかの態様に従う、電気化学セルにおける使用のための集電アセンブリを作製する方法３００に対応するプロセスフローチャートである。方法３００は、操作３０２の間、集電基体を提供して進行してもよい。集電基体は、例えば、銅、チタン、ニッケル、鉄、アルミニウムまたは銅被覆されたニッケルなどの、１種または２種以上の導電性材料を含んでもよい。集電基体は、箔の形態であってもよく、約１マイクロメートル〜１００マイクロメートルまたは、より具体的には、約５マイクロメートル〜３０マイクロメートルの厚さを有してもよい。より厚い基体は、十分に強固であり得、よって、本明細書において記載されるとおり強化される必要がない。基体の種々の例を、この文書の別の場所で記載する。
【０１３７】
方法３００は、操作３０４の間、集電基体の第１の側面上の強化構造の第１のセットを形成して進行してもよい。強化構造は、１種または２種以上のポリマー材料を含んでもよい。強化構造のための材料、強化構造の形状、強化構造の配置の種々の例を、この文書の別の場所で記載する。例えば、強化構造は、パターン化されたグリッド（例えば、正方形または長方形グリッドなど）に配置してもよく、またはランダムな配向を有してもよい。
【０１３８】
操作３０４の間、強化構造の第１のセットを形成することは、積層化、スクリーンプリント、リソグラフィック堆積、スプレーコーティング、またはエレクトロスピニングを伴ってもよい。一例において、強化構造の第１のセットを形成することは、集電基体の第１の側面上に、予備形成された強化構造の初期セットを積層化することを伴う。例えば、強化構造の初期セットは、熱可塑性ポリマーから形成されてもよい。強化構造を、積層化の間に加熱しても、および／または集電基体の第１の側面に対して押圧してもよい。
【０１３９】
いくつかの態様において、操作３０４の間、強化構造の第１のセットを形成することは、ポリマーおよび溶媒を含む溶液を、集電基体の第１の側面上に堆積することを伴う。この堆積の後に、溶液から溶媒の少なくとも一部分を蒸発させる。いくつかの態様において、少なくともいくらかの溶媒が、競争操作（competing  operation）３０４の後に強化構造中に残留する。具体的には、強化構造の第１のセットは、強化構造の第１のセットが形成された後に、初期溶液の少なくとも約１０％を含んでもよい。
【０１４０】
いくつかの態様において、強化構造を形成するのに使用される溶液には、シュウ酸が含まれる。いかなる特定の理論にも縛られないが、シュウ酸が集電基体をエッチングすると考えられ、したがって、基体への強化構造の付着を改善させると考えられている。いくつかの態様において、溶液中のシュウ酸の濃度は、約０．１重量％〜１重量％であり、例えば、約０．４重量％などである。
【０１４１】
いくつかの態様において、強化構造を形成するのに使用される溶液には、導電性添加剤が含まれる。例えば、溶液は、グラファイト、カーボンブラック、カーボンナノチューブ、金属フレークなどを含んでもよい。溶液中の導電性添加剤の濃度は、約１重量％〜５０重量％である。いくつかの態様において、導電性添加剤はまた、強化構造の機械的特性（例えば、引張強度など）を改善してもよい。一般的に、溶液（およびその後の強化構造）は、例えば、フュームドシリカ、ポリマーファイバー、高引張強度繊維などの充填剤を含んでもよい。
【０１４２】
いくつかの態様において、集電基体は、強化構造の第１のセットを形成する前に、すなわち、操作３０４の前に、集電基体の第１の側面上に位置されたマスクを含む。マスクは、強化構造の第１のセットのパターンを画定する。このマスクは、強化構造の第１のセットを形成した後に除去される。この場合には、操作３０４の間、強化構造の第１のセットを形成することは、第１の側面上で連続層を堆積して進行してもよい。次いで、この連続層の一部分を、強化構造の第１のセットを交互に形成するマスクを除去することにより除去する。
【０１４３】
方法３００は、任意の操作３０６の間、基体の第２の側面上で強化構造の第２のセットを形成して進行してもよい。第１のセットに対する第２のセットの種々の配向は、図２Ｄ〜２Ｇを参照して上で説明されている。強化構造の第２のセットを、あらゆる活物質層が基体上で形成される前に形成してもよい。代替的に、強化構造の第２のセットを、活物質層が第１の側面上で、および強化構造の第１のセットの上で形成された後に形成してもよい。
【０１４４】
いくつかの態様において、強化構造の１つのセットのみが、集電基体上で形成される。かかるアセンブリを、（積層セルの端部のための）片面電極または両面電極に使用してもよい。片面電極において、強化構造の１つのセットのみおよび活物質層のみが、同一の側面または異なる側面上で形成されてもよい。活物質層が、（片面電極または両面電極における）強化構造を含まない集電基体の側面上で形成される場合には、この活物質層は、強化構造が形成される前にまたは後に形成されてもよい。片面電極については、界面を強化する活物質層の前に（prior  to  the  active  material  layer  to  reinforce  the  interface）、強化構造を集電体上に形成してもよい。
【０１４５】
作製および電極化学セルの例
図４は、いくつかの態様に従う、強化構造を有する集電アセンブリを有する電極を形成する方法４００に対応するプロセスフローチャートである。方法４００は、操作４０２の間に集電アセンブリを提供することにより開始されてもよい。集電アセンブリには、集電基体および集電基体の第１の側面上に位置された強化構造の第１の配置またはセットが含まれる。いくつかの態様において、集電基体はまた、集電基体の第２の側面上に位置された強化構造の第２の配置またはセットを含む。代替的に、第２の配置またはセットは、後で形成されてもよく、または全く形成されなくてもよい。第１の側面は、いかなる活物質層も含まない。第２の側面には、活物質層がをんでもよい。
【０１４６】
方法４００は、次いで、操作４０４の間、集電基体の第１の側面上に、および強化構造の第１の配置またはセットの上に第１の活物質層を形成して進行する。この操作は、集電基体の第１の側面上へ、および強化構造の第１の配置またはセットの上にスラリーの連続層を堆積することを伴ってもよい。スラリーは、強化構造の間に流れ込み、集電体の曝露された部分と接触する。スラリーは、溶媒を含んでもよい。強化構造は、この溶媒に耐性を有してもよい。代替的に、溶媒は強化構造を軟化させ、活物質層中のいくらかの材料を強化構造中へ侵入させて、それにより、活物質層および強化構造間の付着を改善してもよい。
【０１４７】
いくつかの態様において、方法４００は、任意の操作４０６の間、集電基体の第２の側面上で強化構造の第２の配置またはセットを形成して進行する。操作４０６が、操作４０４の後に、すなわち、第１の活物質層を形成した後に行われてもよいことが留意されなければならない。代替的に、配置または第２のセットは、操作４０２の間に提供されるか、または第１の活物質層を形成する前に形成された集電アセンブリの一部であってもよい。さらに、電極は、強化構造の１つの配置またはセット（すなわち、第１のセット）のみを含んでもよく、第２の配置またはセットは、形成されないか、または存在しない。
【０１４８】
方法４００はまた、操作４０８の間、集電基体の第２の側面上で第２の活物質層を形成することを伴ってもよい。いくつかの態様において、第２の活物質層は、強化構造の配置またはセット、すなわち、例えば、図１Ｅなどに示されるとおり、強化構造の第２の配置またはセットの上に形成される。代替的に、第２の活物質層は、例えば、図１Ｆなどに示されるとおり、強化構造を含まない基体の第２の側面上に形成される。
【０１４９】
方法４００はまた、操作４１０の間に、第１の活物質層を圧縮して進行してもよい。第１の活物質層を圧縮して、この層の所望の多孔性を達成する。この圧縮はまた、第１の活物質層の下に位置された強化構造を歪ませ得る。代替的に、強化構造は、無傷のままであり得る。
【０１５０】
いくつかの態様において、第１の活物質層は、シリコン、スズ、および／またはゲルマニウムを含む。より具体的には、第１の活物質層は、シリコン、グラファイト、およびバインダを含んでもよく、これにより、第１の活物質層中のシリコンの濃度は、少なくとも約３０重量％である。
【０１５１】
いくつかの態様において、第１の活物質層に使用される活物質構造は、表面処理されて、バインダおよび他の構成要素へのそれらの付着を改善してもよい。同様のやり方で、強化構造は、それらが基体上に形成された後に、および第１の活物質層の堆積前に表面処理されてもよい。表面処理を、係属中の米国特許出願ＵＳ  １４／０９３，６６６に詳述されるとおり、アミノシラン化（amino−silanization）により、またはポリ（アミン）吸着により行ってもよい。
【０１５２】
図５は、いくつかの態様に従う、巻かれた円筒形状セル５００の断面図を例示する。陽極５０６、陰極５０４、およびセパレータストリップ５０８を、円筒状ケース５０２中に挿入される、いわゆる「ジェリーロール」に巻いてもよい。具体的には、ジェリーロールには、陽極５０６、陰極５０４、およびセパレータ５０８の２つのストリップがらせん状に巻かれたアセンブリが含まれる。
【０１５３】
ケース５０２は、特にリチウムイオンセルのための剛体であってもよい。セルの他のタイプは、フレキシブルで箔タイプ（ポリマー積層）ケースに充填されていてもよい。種々の材料を、ケース５０２のための選ぶことができる。ケース材料の選択は、ケース５０２の極性に部分的に依存する。ケース５０２が陽極５０６と接続されている場合には、ケース５０２は、チタン６−４、他のチタン合金、アルミニウム、アルミニウム合金、および３００シリーズステンレス鋼で形成されていてもよい。一方で、ケース５０２が、陰極５０４に接続されている場合には、ケースは、チタン、チタン合金、銅、ニッケル、鉛、およびステンレス鋼でできていてもよい。いくつかの態様において、ケース５０２は中性であり、例えば、金属リチウムなどでできた補助電極に接続されていてもよい。ケース５０２および電極間の電気的接続を、ケース５０２およびこの電極（例えば、ジェリーロールの外部の巻き（outer  wound）など）間の直接的接触により、電極およびケース５０２に接続されたタブ（tab）および他の手法により確立してもよい。ケース５０２は、一体化された底部（integrated  bottom）を有してもよい。代替的に、底部は、溶接、はんだ付け、圧着、および他の手法により、ケースに取り付けられていてもよい。底部およびケースは、（例えば、ケースが中性であるなどの場合には）同一のまたは異なる極性を有してもよい。
【０１５４】
ジェリーロールを挿入するのに使用されるケース５０２の最上部は、ヘッダー（header）アセンブリ５１０でキャップされていてもよい。いくつかの態様において、ヘッダーアセンブリ５１０には、溶接プレート５１２、破裂膜５１４、ＰＣＴワッシャー５１６、ヘッダーカップ５１８、および絶縁ガスケット５１９が含まれる。溶接プレート５１２、破裂膜５１４、ＰＣＴワッシャー５１６、およびヘッダーカップ５１８は、全て導電性材料でできていて、電極（図５における陰極５０４）およびセルコネクタ５２０（図５におけるヘッダーカップ５１８に一体化されるか、または取り付けられたもの）間の電気を伝導させるために使用される。絶縁ガスケット５１９を使用して、ヘッダーアセンブリ５１０の導電性構成要素を支持し、これらの構成要素をケース５０２と絶縁する。溶接プレート５１２を、タブ５０９により電極に接続してもよい。タブ５０９の一方の端部を、電極に溶接してもよい（例えば、超音波または抵抗溶接（ultrasonic  or  resistance  welded）など）一方で、タブの他方の端部を溶接プレート５１２に溶接してもよい。溶接プレート５１２および破裂膜５１４の中心部を、破裂膜５１４の凸形状により接続する。（例えば、電解質の分解および他のガス放出プロセスなどにより）セル５００の内部圧が増加する場合には、破裂膜５１４は、その形状を変化させて、溶接プレートとの接続を切断し、それにより、電極およびセルコネクタ５２０間の電気的接続を遮断してもよい。
【０１５５】
ＰＣＴワッシャー５１６は、破裂膜５１４のエッジおよびヘッダーカップ５１８のエッジ間に位置され、効率的にこれら２つの構成要素を相互に連結させる。通常の操作温度では、ＰＣＴワッシャー５１６の抵抗性は低い。しかしながら、ＰＣＴワッシャー５１６が、例えば、セル５００内で放出された熱などにより加熱される場合には、その抵抗性は実質的に増加する。ＰＣＴワッシャー５１６は、ヘッダーカップ５１８との破裂膜５１４の電気的な接続を切断することができる、効果的な熱回路ブレーカーであり、結果として、ＰＣＴワッシャー５１６の温度がある閾値温度を超えた場合に、セルコネクタ５２０との電極の接続を切断する。いくつかの態様において、セルまたはバッテリパックは、ＰＣＴデバイスに加え、またはＰＣＴデバイスの代わりに、負温度係数（negative  thermal  coefficient）（ＮＴＣ）安全デバイスを使用してもよい。
【０１５６】
ヘッダーカップ５１８は、ヘッダーアセンブリ５１０の外部構成要素である。セルコネクタ５２０に取り付けられてもよく、またはセルコネクタ５２０と一体化されてもよい。取り付けまたは一体化を、ヘッダーアセンブリ５１０を形成する前に、および／またはヘッダーアセンブリ５１０をケース５０２に取り付ける前に、行ってもよい。よって、高温、機械的ストレス、および他の一般的な破壊特性を、この取り付けおよび／または一体化に使用してもよい。
【０１５７】
電気化学セルのタイプは、電解質の組成と同様に、陽極および陰極に使用される活物質により決定される。正の活物質のいくつかの例には、Ｌｉ（Ｍ’ＸＭ’’Ｙ）Ｏ２（式中、Ｍ’およびＭ’’は、異なる金属である（例えば、Ｌｉ（ＮｉＸＭｎＹ）Ｏ２、Ｌｉ（Ｎｉ１／２Ｍｎ１／２）Ｏ２、Ｌｉ（ＣｒＸＭｎ１−Ｘ）Ｏ２、Ｌｉ（ＡｌＸＭｎ１−Ｘ）Ｏ２など）、Ｌｉ（ＣｏＸＭ１−Ｘ）Ｏ２（式中、Ｍは、金属である（例えば、Ｌｉ（ＣｏＸＮｉ１−Ｘ）Ｏ２およびＬｉ（ＣｏＸＦｅ１−Ｘ）Ｏ２など）、Ｌｉ１−Ｗ（ＭｎＸＮｉＹＣｏＺ）Ｏ２（例えば、Ｌｉ（ＣｏＸＭｎｙＮｉ（１−ｘ−Ｙ）など）Ｏ２、Ｌｉ（Ｍｎ１／３Ｎｉ１／３Ｃｏ１／３）Ｏ２、Ｌｉ（Ｍｎ１／３Ｎｉ１／３Ｃｏ１／３−ｘＭｇＸ）Ｏ２、Ｌｉ（Ｍｎ０．４Ｎｉ０．４Ｃｏ０．２）Ｏ２、Ｌｉ（Ｍｎ０．１Ｎｉ０．１Ｃｏ０．８）Ｏ２）  Ｌｉ１−Ｗ（ＭｎＸＮｉＸＣｏ１−２Ｘ）Ｏ２、Ｌｉ１−Ｗ（ＭｎＸＮｉＹＣｏＡｌＷ）Ｏ２、Ｌｉ１−Ｗ（ＮｉＸＣｏＹＡｌＺ）Ｏ２（例えば、Ｌｉ（Ｎｉ０．８Ｃｏ０．１５Ａｌ０．０５）Ｏ２など）、Ｌｉ１−Ｗ（ＮｉＸＣｏＹＭＺ）Ｏ２（式中、Ｍは、金属である）、Ｌｉ１−Ｗ（ＮｉＸＭｎＹＭＺ）Ｏ２（式中、Ｍは、金属である）、Ｌｉ（ＮｉＸ−ＹＭｎＹＣｒ２−Ｘ）Ｏ４、ＬｉＭ’Ｍ’’２Ｏ４（式中、Ｍ’およびＭ’’は、異なる金属である）（例えば、ＬｉＭｎ２−Ｙ−ＺＮｉＹＯ４、ＬｉＭｎ２−Ｙ−ＺＮｉＹＬｉＺＯ４、ＬｉＭｎ１．５Ｎｉ０．５Ｏ４、ＬｉＮｉＣｕＯ４、ＬｉＭｎ１−ＸＡｌＸＯ４、ＬｉＮｉ０．５Ｔｉ０．５Ｏ４、Ｌｉ１．０５Ａｌ０．１Ｍｎ１．８５Ｏ４−ｚＦｚ、Ｌｉ２ＭｎＯ３など）  ＬｉＸＶＹＯＺ、例えば、ＬｉＶ３Ｏ８、ＬｉＶ２Ｏ５、およびＬｉＶ６Ｏ１３など、ＬｉＭＰＯ４（式中、Ｍは、金属である）；リン酸鉄リチウム（ＬｉＦｅＰＯ４）は、一般的な例である。比較的強いリン酸結合は過充電の間、格子中で酸素を保持する傾向があるので、共に安価で、高い安定性および安全性を有するが、乏しい伝導性を有し、十分な量の導電性添加剤を必要とし、ＬｉＭＸＭ’’１−ＸＰＯ４（式中、Ｍ’およびＭ’’は、異なる金属である）（例えば、ＬｉＦｅＰＯ４など）、ＬｉＦｅＸＭ１−ＸＰＯ４（式中、Ｍは、金属である）、ＬｉＶＯＰＯ４  Ｌｉ３Ｖ２（ＰＯ４）３、ＬｉＭＰＯ４（式中、Ｍは、例えば、鉄またはバナジウムなどの金属である）である。さらに、陽極には、例えば、Ｖ６Ｏ１３、Ｖ２Ｏ５、Ｖ３Ｏ８、ＭｏＯ３、ＴｉＳ２、ＷＯ２、ＭｏＯ２、およびＲｕＯ２などの充放電容量を改善する第２の活物質が含まれてもよい。
【０１５８】
陽極材料の選択は、例えば、セル容量、安全性要件、意図されるサイクル寿命などのいくらかの考慮すべき事項に依存する。コバルト酸リチウム（ＬｉＣｏＯ２）を、例えば、ポータブルエレクトロニクスおよび医療機器などのより高い重量および／または体積容量（gravimetric  and／or  volumetric  capacities）を必要とするより小さなセルにおいて使用してもよい。コバルトは、Ｓｎ、Ｍｇ、Ｆｅ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｚｒ、Ｃｒ、Ｖ、Ｇａ、Ｚｎ、またはＣｕにより部分的に置換されていてもよい。例えば、ニッケル酸リチウム（ＬｉＮｉＯ２）などの特定の材料は、あまり熱を逃さないものであり得る。他の材料により、例えば、マンガン酸リチウム（ＬｉＭｎＯ２）などにより、実質的なコスト上の利点が提供される。さらにマンガン酸リチウムは、その三次元結晶構造により、より多くの表面積がもたらされ、それにより、電極間でのより多くのイオン流入を可能にするために、比較的高い出力密度を有する。
【０１５９】
活物質およびセル端子間に電流を送達するために、活物質を導電性基体上で層として堆積してもよい。基体材料には、銅および／または銅デンドライトで被覆された金属酸化物、ステンレス鋼、チタン、アルミニウム、（拡散バリアとしても使用される）、ニッケル、クロム、タングステン、金属窒化物、金属炭化物、炭素、炭素繊維、グラファイト、グラフェン、カーボンセット、導電性ポリマー、または多層構造を含む上記の組み合わせを含んでもよい。基体材料を、箔、フィルム、セット、積層物、ワイヤ、チューブ、粒子、多層構造、またはあらゆる他の好適な構成として形成してもよい。一例において、基体は、約１マイクロメートル〜５０マイクロメートルの厚さを有するステンレス鋼箔である。他の態様において、基体は、約５マイクロメートル〜３０マイクロメートルの厚さを有する銅箔である。なお別の態様において、基体は、約５マイクロメートル〜５０マイクロメートルの厚さを有するアルミニウム箔である。
【０１６０】
いくつかの態様において、セパレータ材料には、それだけでまたはフルオロポリマーミクロ多孔性フィルムで積層化されるかのいずれかで使用される、ポリ（エチレン−コ−テトラフルオロエチレン（ＰＥＴＦＥ）およびポリ（エチレンクロロ−コ−トリフルオロエチレン）のフルオロポリマー繊維でできた織布が含まれてもよい。さらに、セパレータ材料には、ポリスチレン、ポリビニルクロリドポリプロピレン、ポリエチレン（ＬＤＰＥ、ＬＬＤＰＥ、ＨＤＰＥ、および超高分子量ポリエチレンを含む）、ポリアミド、ポリイミド、ポリアクリル、ポリアセタール、ポリカーボネート、ポリエステル、ポリエーテルイミド、ポリイミド、ポリケトン、ポリフェニレンエーテル、ポリフェニレンスルフィド、ポリメチルペンテン、ポリスルホン不織ガラス、ガラス繊維材料、セラミック、ポリプロピレン膜が含まれてもよく、これらは、Ｃｈａｒｌｏｔｔｅ、Ｎ．Ｃ．、ＵＳＡのＣｅｌａｎｅｓｅ  Ｐｌａｓｔｉｃ  Ｃｏｍｐａｎｙからの製品名ＣＥＬＧＡＲＤで商業的に入手可能であり、日本国、東京の旭化成株式会社、日本国、東京の東燃株式会社、日本国、東京の宇部工業株式会社および日本国、大阪の日東電工株式会社も同様である。一態様において、セパレータは、前述のあらゆるもののコポリマーおよびそれらの混合物を含む。
【０１６１】
典型的なセパレータは、以下の特性を有する：約８００秒未満の、またはより具体的な態様においては約５００秒未満の空気抵抗（ガーレー数）；約５μｍ〜５００μｍ、またはより具体的な態様においては約１０μｍ〜１００μｍ、またはより具体的には、約１０μｍ〜３０μｍの厚さ；約０．０１μｍ〜５μｍ、またはより具体的には、約０．０２μｍ〜０．５μｍの範囲の孔径；約２０％〜８５％、またはより具体的には、約３０％〜６０％の範囲の多孔性、である。
【０１６２】
リチウムイオンセル中の電解質は、液体、固体、またはゲルであってもよい。固体電解質を有するリチウムイオンセルは、リチウムポリマーセルとも称される。典型的な液体電解質には、１種または２種以上の溶媒および１種または２種以上の塩が含まれ、それらの少なくとも１つはリチウムを含む。初回充放電サイクル（場合によっては、形成サイクルと称される）の間、電解質中の有機溶媒は、負極表面上で部分的に分解して、固体電解質相界面層（ＳＥＩ層）を形成する。界面は、一般的に、電気的に絶縁性であるが、イオン伝導性であり、リチウムイオンが通過することを可能にする。界面はまた、後の充電サブサイクルにおける電解質の分解を防止する。
【０１６３】
いくつかのリチウムイオンセルに好適な非水溶媒のいくつかの例には、以下が含まれる：環状カーボネート（例えば、エチレンカーボネート（ＥＣ）、プロピレンカーボネート（ＰＣ）、ブチレンカーボネート（ＢＣ）およびビニルエチレンカーボネート（ＶＥＣ）など）、ラクトン（例えば、ガンマ−ブチロラクトン（ＧＢＬ）、ガンマ−バレロラクトン（ＧＶＬ）およびアルファ−アンゲリカラクトン（ＡＧＬ）など）、直線状カーボネート（例えば、ジメチルカーボネート（ＤＭＣ）、メチルエチルカーボネート（ＭＥＣ）、ジエチルカーボネート（ＤＥＣ）、メチルプロピルカーボネート（ＭＰＣ）、ジプロピルカーボネート（ＤＰＣ）、メチルブチルカーボネート（ＮＢＣ）およびジブチルカーボネート（ＤＢＣ）など）、エーテル（例えば、テトラヒドロフラン（ＴＨＦ）、２−メチルテトラヒドロフラン、１，４−ジオキサン、１，２−ジメトキシエタン（ＤＭＥ）、１，２−ジエトキシエタンおよび１，２−ジブトキシエタンなど）、ニトリル（例えば、アセトニトリルおよびアジポニトリルなど）直線状エステル（例えば、メチルプロピオネート、メチルピバレート、ブチルピバレートおよびオクチルピバレートなど）、アミド（例えば、ジメチルホルムアミドなど）、有機リン酸塩（例えば、トリメチルホスフェートおよびトリオクチルホスフェートなど）、およびＳ＝Ｏ基を含む有機化合物（例えば、ジメチルスルホンおよびジビニルスルホンなど）、およびそれらの組み合わせ、である。
【０１６４】
初期電解質中に存在してもよい溶媒の例には、環状カーボネート（例えば、エチレンカーボネート（ＥＣ）およびプロピレンカーボネート（ＰＣ）など）、直線状カーボネート（例えば、ジメチルカーボネート（ＤＭＣ）、ジエチルカーボネート（ＤＥＣ）、およびエチルメチルカーボネート（ＥＭＣ）など）、環状および直線状の炭酸塩のフッ素化されたバージョン（例えば、モノフルオロエチレンカーボネート（ＦＥＣ）など）が含まれる。さらに、例えば、スルホン、ニトリル、ジニトリル、カルボン酸塩、およびエーテルなどの非カーボネート溶媒を使用してもよい。
【０１６５】
非水液体溶媒を、組み合わせて用いることができる。組み合わせの例には、環状カーボネート−直線状カーボネート、環状カーボネート−ラクトン、環状カーボネート−ラクトン−直線状カーボネート、環状カーボネート−直線状カーボネート−ラクトン、環状カーボネート−直線状カーボネート−エーテル、および環状カーボネート−直線状カーボネート−直線状エステルの組み合わせが含まれる。一態様において、環状カーボネートを、直線状エステルと組み合わせてもよい。さらに、環状カーボネートを、ラクトンおよび直線状エステルと組み合わせてもよい。特定の態様において、直線状エステルに対する環状カーボネートの比は、体積で、約１：９〜１０：０、好ましくは、２：８〜７：３である。
【０１６６】
液体電解質のための塩には、以下の１種または２種以上が含まれてもよい：ＬｉＰＦ６、ＬｉＢＦ４、ＬｉＣｌＯ４  ＬｉＡｓＦ６、ＬｉＮ（ＣＦ３ＳＯ２）２、ＬｉＮ（Ｃ２Ｆ５ＳＯ２）２、ＬｉＣＦ３ＳＯ３、ＬｉＣ（ＣＦ３ＳＯ２）３、ＬｉＰＦ４（ＣＦ３）２、ＬｉＰＦ３（Ｃ２Ｆ５）３、ＬｉＰＦ３（ＣＦ３）３、ＬｉＰＦ３（イソ−Ｃ３Ｆ７）３、ＬｉＰＦ５（イソ−Ｃ３Ｆ７）、環状アルキル基を有するリチウム塩（例えば、（ＣＦ２）２（ＳＯ２）２ｘＬｉおよび（ＣＦ２）３（ＳＯ２）２ｘＬｉなど）、およびそれらの組み合わせ、である。一般的な組み合わせには、ＬｉＰＦ６およびＬｉＢＦ４、ＬｉＰＦ６およびＬｉＮ（ＣＦ３ＳＯ２）２、ＬｉＢＦ４およびＬｉＮ（ＣＦ３ＳＯ２）２が含まれる。
【０１６７】
一態様において、液体非水溶媒（または溶媒の組み合わせ）中の塩の合計濃度は、少なくとも約０．３Ｍであり；より具体的な態様において、塩濃度は、少なくとも約０．７Ｍである。上限濃度は、溶解度限界により決められて（driven）もよく、または約２．５Ｍ以下であってもよく；より具体的な態様において、１．５Ｍ以下である。
【０１６８】
例  −  ハイブリッドセルの調製
水中で１０±２％の導電性カーボン組成物を含む分散物を調製した。次に、カルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）の水溶液を調製した；ここで、ＣＭＣの重量平均分子量は、３５０，０００であり、水溶液は、このポリマーを２〜４ｗｔ％含む。ＣＭＣの重量平均分子量が、５００，０００である場合には、水溶液は、２ｗｔ％のポリマーを含む。ＣＭＣの水溶液を、導電性カーボンスラリーと混合した。グラファイトを混合物に添加して、得られたスラリーを、各回について１０分間２０００ｒｐｍで、Ｔｈｉｎｋｙミキサを使用して２回撹拌した。混合物をろ過して、凝集物を除去した。
【０１６９】
水中の高容量活物質（５ｗｔ％）のスラリーを、２０秒間超音波浴を使用して調製した。スチレンブタジエンゴム（ＳＢＲ）を活物質のスラリーに添加して、１時間６０ｒｐｍで磁気撹拌を使用して撹拌した。
【０１７０】
１時間６０ｒｐｍで磁気撹拌を使用して、ＣＭＣ含有スラリーをＳＢＲ／活性スラリーと混合して、シリコン：グラファイト：バインダの重量比が、順に１．６：６．４：１の溶液を得た。スラリーは、２０ｓ−１のせん断速度で２．３〜１０Ｐａ・ｓのせん断粘度を有する。１重量部の導電性カーボンを含む混合物も調製してもよい。混合が完了すると直ちに、得られたコーティング混合物を集電基体の表面に塗布して、３０±２ｇｓｍのコーティング重量を得る。得られたコーティングを、６０℃で１０分間、その後さらに１２時間１１０℃で真空引き（dynamic  vacuum）下で乾燥する。最終スラリーの理想的固体含有量が、高容量活物質およびグラファイトの性質に依存するであろうことが十分に理解されるであろう。３０〜４７％の固体含有量が好適である。
【０１７１】
実験結果
実験のセットを行い、サイクル後に異なる基体を使用して電極の歪みを決定した。強化構造は、この実験では使用しなかった。図６Ａは、銅箔および１．４ｇ／ｃｍ３の活物質の負荷で作製された、サイクル後の電極の写真を例示する。図６Ｂは、ニッケル箔で構築された同様の電極の写真を例示する。活物質の負荷はまた、この電極において１．４ｇ／ｃｍ３であった。銅と比較してニッケルの高い引張強度により、ニッケル箔でアセンブリされた電極は、その表面上で、銅箔でアセンブリされた電極より少ないしわを示した。しかしながら、ニッケル箔ですらも、電極中のより厚い活物質層を使用して生じる力に耐えることはできなかった。図６Ｃは、ニッケル箔および１．７ｇ／ｃｍ３の活物質の負荷で作製された、サイクル後の電極の写真を例示する。しわは、この電極の表面上に明らかに認識できる。強化構造の追加は、電極の機械的堅牢性を改善すると考えられる。
【０１７２】
図６Ａ〜６Ｃに例示されたものと類似の電極を使用して、サイクル寿命試験に供されるセルを作製した。これらのセルについてのサイクルデータを図７に提示する。具体的には、線７０２は、銅箔および１．４ｇ／ｃｍ３の活物質の負荷を有する電極でアセンブリされたセルに対応する。線７０４は、ニッケル箔および１．４ｇ／ｃｍ３の活物質の負荷を有する電極でアセンブリされたセルに対応する。線７０６は、ニッケル箔および１．７ｇ／ｃｍ３の活物質の負荷を有する電極でアセンブリされたセルに対応する。２５０サイクル後、ニッケル箔電極に１．７ｇ／ｃｍ３の負荷を有するセルは、箔の脆さによる容量の落ち込みを示した。銅箔を有するセルはまた、しわを示し、これは、各層に余分な厚さを追加して、これにより、セルの合計体積を増加させて、セルエネルギー密度を低下させた。
【０１７３】
結論
上記の概念を、理解の明確性の目的のためにある程度詳細に説明してきたが、特定の変更および改変が、添付の特許請求の範囲内で実施されてもよいことはあきらかであろう。プロセス、システム、および装置を実装する多くの代替手段が存在することが留意されなければならない。したがって、本発明の態様は、例示的であり、限定的なものではないとみなされなければならない。
【０１７４】
本開示はさらに、以下を含む：
ａ）電気化学セルにおける使用のための集電アセンブリであって、前記集電アセンブリは、以下：
集電基体、
導電性材料を含む集電基体、
を含み、
集電基体は、第１の側面および第２の側面を有し；および
強化構造の第１のセットは、集電基体の第１の側面に位置されて取り付けられ、
ここで、強化構造の第１のセットは、ポリマー材料を含み、ネットワークを形成し、それにより、集電基体を機械的に強化する、
集電アセンブリ。
【０１７５】
ｂ）電気化学セルにおける使用のための集電アセンブリを作製する方法であって、前記方法は、以下：
集電基体を提供すること、        集電基体は、導電性材料を含み、
集電基体は、第１の側面および第２の側面を有し、および
集電基体の第１の側面上で強化構造の第１のセットを形成すること、
を含み、
ここで、ポリマー材料を含む強化構造の第１のセットは、ネットワークを形成し、それにより、集電基体を機械的に強化する、
方法。
【０１７６】
ｃ）電気化学セルにおける使用のための電極であって、前記電極は、以下：
集電基体および集電基体の第１の側面に位置されて取り付けられた強化構造の第１のセットを含む集電アセンブリ、
ここで、強化構造の第１のセットは、第１のポリマー材料を含み、ネットワークを形成し、それにより、集電基体を機械的に強化し、および
集電基体の第１の側面上に位置されて取り付けられた第１の活物質層、
を含み、
第１の活物質層はまた、強化構造の第１のセットの上に位置されて取り付けられ、
第１の活物質層は、シリコン、スズ、またはゲルマニウムのうちの１種を含む、
電極；ならびに
【０１７７】
ｄ）電気化学セルにおける使用のための電極を作製する方法であって、前記方法は、以下：
集電基体および集電基体の第１の側面上に位置された強化構造の第１のセットを含む集電アセンブリを提供すること、
ここで、強化構造の第１のセットは、ポリマー材料を含み、ネットワークを形成し、それにより、集電基体を機械的に強化し；および
集電基体の第１の側面上におよび強化構造の第１のセットの上に第１の活物質層を形成すること、
を含む、
方法。
【図１Ａ】
2016535920.tif 000005
【図１Ｂ】
2016535920.tif 000006
【図１Ｃ】
2016535920.tif 000007
【図１Ｄ】
2016535920.tif 000008
【図１Ｅ】
2016535920.tif 000009
【図１Ｆ】
2016535920.tif 000010
【図１Ｇ】
2016535920.tif 000011
【図１Ｈ】
2016535920.tif 000012
【図２Ａ】
2016535920.tif 000013
【図２Ｂ】
2016535920.tif 000014
【図２Ｃ】
2016535920.tif 000015
【図２Ｄ】
2016535920.tif 000016
【図２Ｅ】
2016535920.tif 000017
【図２Ｆ】
2016535920.tif 000018
【図２Ｇ】
2016535920.tif 000019
【図３】
2016535920.tif 000020
【図４】
2016535920.tif 000021
【図５】
2016535920.tif 000022
【図６Ａ】
2016535920.tif 000023
【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【図７】
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【国際調査報告】
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