(57)【要約】概略的には、in situ 集電体を形成できる、（例えば、非リチウム金属を含む固溶体の形態の）リチウムを含む電極を含む電気化学セルが、説明される。
2020523738.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
以下を含む電気化学セル：
カソード；
リチウムと少なくとも一つの非リチウム金属の固溶体を含むアノード（ここで、アノードが活性表面を有する）；および
カソードおよびアノードと電気化学的に連通している電解質；
ここで、
電気化学セルが、最初に組み立てられたときに充電状態になるように構成されており；
電気化学セルが、アノードの活性表面に垂直な力成分を有する加えられた異方性力の下にあり；かつ
電気化学セルが１０回完全にサイクルされるとき、１０回目のサイクルの放電直後においてアノードが２０％未満の空隙率を有し、１０回目のサイクルの放電直後において初期完全充電状態におけるアノードに存在するリチウムの量の７５ｗｔ％以下がアノードに残存するように、異方性力および電気化学セルが構成されている電気化学セル。
【請求項２】
以下を含む電気化学セル：
カソード；
リチウムと少なくとも一つの非リチウム金属の固溶体を含むアノード（ここで、アノードが活性表面を有する）；および
カソードおよびアノードと電気化学的に連通している電解質；
ここで、
電気化学セルが、最初に組み立てられたときに充電状態になるように構成されており；
電気化学セルが、アノードの活性表面に垂直な力成分を有する加えられた異方性力の下にあり；かつ
電気化学セルが１０回完全にサイクルされるとき、１０回目のサイクルの放電直後においてアノードが２０％未満の空隙率を有し、１０回目のサイクルの放電直後において初期完全充電状態におけるアノードに存在するリチウムの量の７５ｗｔ％以下がアノードに残存するように、少なくとも一つの非リチウム金属が十分体積存在している電気化学セル。
【請求項３】
以下を含む電気化学セル：
カソード；
リチウムと少なくとも一つの非リチウム金属の固溶体を含むアノード（ここで、アノードが活性表面を有する）；および
カソードおよびアノードと電気化学的に連通している電解質；
ここで、
電気化学セルが、最初に組み立てられたときに充電状態になるように構成されており；
電気化学セルが、アノードの活性表面に垂直な力成分を有する加えられた異方性力の下にあり；かつ
電気化学セルが１０回完全にサイクルされるとき、１０回目のサイクルの放電直後においてアノードが１０００Ω／ｓｑ．未満のシート抵抗を有し、１０回目のサイクルの放電直後において初期完全充電状態におけるアノードに存在するリチウムの量の７５ｗｔ％以下がアノードに残存するように、異方性力および電気化学セルが構成されている電気化学セル。
【請求項４】
以下を含む電気化学セル：
カソード；
リチウムと少なくとも一つの非リチウム金属の固溶体を含むアノード（ここで、アノードが活性表面を有する）；および
カソードおよびアノードと電気化学的に連通している電解質；
ここで、
電気化学セルが、最初に組み立てられたときに充電状態になるように構成されており；
電気化学セルが、アノードの活性表面に垂直な力成分を有する加えられた異方性力の下にあり；かつ
電気化学セルが１０回完全にサイクルされるとき、１０回目のサイクルの放電直後において少なくとも一つの非リチウム金属が１０００Ω／ｓｑ．未満のシート抵抗を有する領域を形成しており、１０回目のサイクルの放電直後において初期完全充電状態におけるアノードに存在するリチウムの量の７５ｗｔ％以下がアノードに残存するように、少なくとも一つの非リチウム金属が十分体積存在している電気化学セル。
【請求項５】
セルが完全充電状態にあるとき、固溶体が約０．１ＭＰａから約１００ＭＰａ、または約０．４ＭＰａから約４０ＭＰａの降伏強度を有する、上記請求項のいずれかに記載の電気化学セル。
【請求項６】
少なくとも一つの非リチウム金属が、マグネシウム、亜鉛、鉛、スズ、白金、金、アルミニウム、カドミウム、銀、水銀、およびそれらの組み合わせからなる群から選択される、上記請求項のいずれかに記載の電気化学セル。
【請求項７】
少なくとも一つの非リチウム金属が、マグネシウム、亜鉛、鉛、白金、金、カドミウム、銀、水銀、およびそれらの組み合わせからなる群から選択される、上記請求項のいずれかに記載の電気化学セル。
【請求項８】
少なくとも一つの非リチウム金属は、シリコン、ゲルマニウム、スズ、アンチモン、ビスマス、およびアルミニウムからなる群を除外する、上記請求項のいずれかに記載の電気化学セル。
【請求項９】
少なくとも一つの非リチウム金属がマグネシウムを含む、上記請求項のいずれかに記載の電気化学セル。
【請求項１０】
アノード中の少なくとも一つの非リチウム金属が、完全充電状態のときのアノード中のリチウムと非リチウム金属の合計重量の０．１ｗｔ％、１ｗｔ％、５ｗｔ％、または１０ｗｔ％以上であり、２５ｗｔ％、１０ｗｔ％、５ｗｔ％または１ｗｔ％以下である、上記請求項のいずれかに記載の電気化学セル。
【請求項１１】
組み立て時、アノード中の少なくとも一つの非リチウム金属が、アノード中のリチウムおよび非リチウム金属の合計重量の０．１ｗｔ％、１ｗｔ％、５ｗｔ％または１０ｗｔ％以上であり、２５ｗｔ％、１０ｗｔ％、５ｗｔ％または１ｗｔ％以下である、上記請求項のいずれかに記載の電気化学セル。
【請求項１２】
少なくとも一つの非リチウム金属が、少なくとも一つの非リチウム金属の約１０ｗｔ％未満、約５ｗｔ％未満、または約１ｗｔ％未満が約０Ｖ〜約５Ｖの電圧ウィンドウ内で作動するセルの最初の充電および放電サイクル中における電気化学反応に関与するように選択される、上記請求項のいずれかに記載の電気化学セル。
【請求項１３】
少なくとも一つの非リチウム金属が、−４０℃〜８０℃の温度でリチウムと固溶体を形成する、上記請求項のいずれかに記載の電気化学セル。
【請求項１４】
充電状態の電気化学セルの容量が元の充電容量の８０％未満に減少する前に、電気化学セルが少なくとも７０回サイクルすることができる、上記請求項のいずれかに記載の電気化学セル。
【請求項１５】
アノードの活性表面に垂直な力成分が少なくとも約４．９、少なくとも約９．８、少なくとも約２４．５、少なくとも約４９、少なくとも約７８、少なくとも約９８、少なくとも約１１７．６、少なくとも約１４７、少なくとも約１７５、少なくとも約２００、少なくとも約２２５、少なくとも約２５０、少なくとも約３００、少なくとも約４００、または少なくとも約５００ニュートン／平方センチメートルであって、約５００未満、約４００未満、約３００未満、約２５０未満、約２２５未満、約１９６未満、約１４７未満、約１１７．６未満、約９８未満、約４９未満、約２４．５未満、または約９．８ニュートン／平方センチメートル未満の圧力をアノードの活性表面に加えるように異方性力が構成される、上記請求項のいずれかに記載の電気化学セル。
【請求項１６】
電解質に近接するセパレーターをさらに含む、上記請求項のいずれかに記載の電気化学セル。
【請求項１７】
セパレーターが微多孔膜を含む、請求項１６に記載の電気化学セル。
【請求項１８】
電気化学セルが１０回完全にサイクルされるとき、１０回目のサイクルの放電直後においてアノードが１０００Ω／ｓｑ．未満のシート抵抗を有する、請求項１および２のいずれかに記載の電気化学セル。
【請求項１９】
電気化学セルが１０回完全にサイクルされるとき、１０回目のサイクルの放電直後においてアノードが２０％未満の空隙率を有する、請求項３および４のいずれかに記載の電気化学セル。
【請求項２０】
電気化学セルが１０回完全にサイクルされるとき、１０回目のサイクルの放電直後においてアノードのシート抵抗が９００Ω／ｓｑ．、８００Ω／ｓｑ．、７００Ω／ｓｑ．、６００Ω／ｓｑ．、５００Ω／ｓｑ．、４００Ω／ｓｑ．、３００Ω／ｓｑ．、２００Ω／ｓｑ．、または１００Ω／ｓｑ．未満である、上記請求項のいずれかに記載の電気化学セル。
【請求項２１】
電気化学セルが１０回完全にサイクルされるとき、その１０回目のサイクルの放電直後においてアノードは、１５％、１０％、５％、または１％未満の空隙率を有する、上記請求項のいずれかに記載の電気化学セル。
【請求項２２】
電気化学セルが１０回完全にサイクルされるとき、１０回目のサイクルの放電直後において初期完全充電状態におけるアノードに存在するリチウムの量の６０ｗｔ％以下、５０ｗｔ％以下、４０ｗｔ％以下、３０ｗｔ％以下、２０ｗｔ％以下、または１０ｗｔ％以下が、アノードに残存する上記請求項のいずれかに記載の電気化学セル。
【請求項２３】
カソードが組み立て時に実質的にリチウムを含まない、上記請求項のいずれかに記載の電気化学セル。
【請求項２４】
カソードは、硫黄化合物を含むカソード活物質を含む、上記請求項のいずれかに記載の電気化学セル。
【請求項２５】
以下を含む電気化学セル：
カソード；
リチウムと少なくとも一つの非リチウム金属の固溶体を含むアノード（ここで、アノードが活性表面を有する）；および
カソードおよびアノードと電気化学的に連通している電解質；
ここで、
電気化学セルが、アノードの活性表面に垂直な力成分を有する加えられた異方性力の下にあり；かつ
電気化学セルが５０回完全にサイクルされるとき、５０回目のサイクルの放電直後においてアノードが２０％未満の空隙率を有し、５０回目のサイクルの放電直後において初期完全充電状態におけるアノードに存在するリチウムの量の７５ｗｔ％以下がアノードに残存するように、異方性力および電気化学セルが構成されている電気化学セル。
【請求項２６】
以下を含む電気化学セル：
カソード；
リチウムと少なくとも一つの非リチウム金属の固溶体を含むアノード（ここで、アノードが活性表面を有する）；および
カソードおよびアノードと電気化学的に連通している電解質；
ここで、
電気化学セルが、アノードの活性表面に垂直な力成分を有する加えられた異方性力の下にあり；かつ
電気化学セルが５０回完全にサイクルされるとき、５０回目のサイクルの放電直後においてアノードが２０％未満の空隙率を有し、５０回目のサイクルの放電直後において初期完全充電状態におけるアノードに存在するリチウムの量の７５ｗｔ％以下がアノードに残存するように、少なくとも一つの非リチウム金属が十分体積存在している電気化学セル。
【請求項２７】
以下を含む電気化学セル：
カソード；
リチウムと少なくとも一つの非リチウム金属の固溶体を含むアノード（ここで、アノードが活性表面を有する）；および
カソードおよびアノードと電気化学的に連通している電解質；
ここで、
電気化学セルが、アノードの活性表面に垂直な力成分を有する加えられた異方性力の下にあり；かつ
電気化学セルが５０回完全にサイクルされるとき、５０回目のサイクルの放電直後においてアノードが１０００Ω／ｓｑ．未満のシート抵抗を有し、５０回目のサイクルの放電直後において初期完全充電状態におけるアノードに存在するリチウムの量の７５ｗｔ％以下がアノードに残存するように、異方性力および電気化学セルが構成されている電気化学セル。
【請求項２８】
以下を含む電気化学セル：
カソード；
リチウムと少なくとも一つの非リチウム金属の固溶体を含むアノード（ここで、アノードが活性表面を有する）；および
カソードおよびアノードと電気化学的に連通している電解質；
ここで、
電気化学セルが、アノードの活性表面に垂直な力成分を有する加えられた異方性力の下にあり；かつ
電気化学セルが５０回完全にサイクルされるとき、５０回目のサイクルの放電直後において少なくとも一つの非リチウム金属が１０００Ω／ｓｑ．未満のシート抵抗を有する領域を形成しており、５０回目のサイクルの放電直後において初期完全充電状態におけるアノードに存在するリチウムの量の７５ｗｔ％以下がアノードに残存するように、少なくとも一つの非リチウム金属が十分体積存在している電気化学セル。
【請求項２９】
電気化学セルは、最初に組み立てられたときに放電状態になるように構成されている、請求項２５〜２８のいずれかに記載の電気化学セル。
【請求項３０】
セルが初期完全充電状態にあるとき、固溶体は約０．１ＭＰａ〜約１００ＭＰａ、又は約０．４ＭＰａ〜約４０ＭＰａの降伏強度を有する、請求項２５〜２９のいずれかに記載の電気化学セル。
【請求項３１】
少なくとも一つの非リチウム金属が、マグネシウム、亜鉛、鉛、スズ、白金、金、アルミニウム、カドミウム、銀、水銀、およびそれらの組み合わせからなる群から選択される、請求項２５〜３０のいずれかに記載の電気化学セル。
【請求項３２】
少なくとも一つの非リチウム金属が、マグネシウム、亜鉛、鉛、白金、金、カドミウム、銀、水銀、およびそれらの組み合わせからなる群から選択される、請求項２５〜３１のいずれかに記載の電気化学セル。
【請求項３３】
少なくとも一つの非リチウム金属は、シリコン、ゲルマニウム、スズ、アンチモン、ビスマス、およびアルミニウムからなる群を除外する、請求項２５〜３２のいずれかに記載の電気化学セル。
【請求項３４】
少なくとも一つの非リチウム金属がマグネシウムを含む、請求項２５〜３３のいずれかに記載の電気化学セル。
【請求項３５】
アノード中の少なくとも一つの非リチウム金属が、完全充電状態のときのアノード中のリチウムと非リチウム金属の合計重量の０．１ｗｔ％、１ｗｔ％、５ｗｔ％、または１０ｗｔ％以上であり、２５ｗｔ％、１０ｗｔ％、５ｗｔ％または１ｗｔ％以下である、請求項２５〜３４のいずれかに記載の電気化学セル。
【請求項３６】
組み立て後、初期完全充電状態で、アノード中の少なくとも一つの非リチウム金属が、アノード中のリチウムおよび非リチウム金属の合計重量の２５ｗｔ％、１０ｗｔ％、５ｗｔ％または１ｗｔ％以下である、請求項２５〜３５のいずれかに記載の電気化学セル。
【請求項３７】
少なくとも一つの非リチウム金属が、少なくとも一つの非リチウム金属の約１０ｗｔ％未満、約５ｗｔ％未満、または約１ｗｔ％未満が約０Ｖ〜約５Ｖの電圧ウィンドウ内で作動するセルの最初の充電および放電サイクル中における電気化学反応に関与するように選択される、請求項２５〜３６のいずれかに記載の電気化学セル。
【請求項３８】
少なくとも一つの非リチウム金属が、−４０℃〜８０℃の温度でリチウムと固溶体を形成する、請求項２５〜３７のいずれかに記載の電気化学セル。
【請求項３９】
充電状態の電気化学セルの容量が元の充電容量の８０％未満に減少する前に、電気化学セルが少なくとも７０回サイクルすることができる、請求項２５〜３８のいずれかに記載の電気化学セル。
【請求項４０】
アノードの活性表面に垂直な力成分が少なくとも約４．９、少なくとも約９．８、少なくとも約２４．５、少なくとも約４９、少なくとも約７８、少なくとも約９８、少なくとも約１１７．６、少なくとも約１４７、少なくとも約１７５、少なくとも約２００、少なくとも約２２５、少なくとも約２５０、少なくとも約３００、少なくとも約４００、または少なくとも約５００ニュートン／平方センチメートルであって、約５００未満、約４００未満、約３００未満、約２５０未満、約２２５未満、約１９６未満、約１４７未満、約１１７．６未満、約９８未満、約４９未満、約２４．５未満、または約９．８ニュートン／平方センチメートル未満の圧力をアノードの活性表面に加えるように異方性力が構成される、請求項２５〜３９のいずれかに記載の電気化学セル。
【請求項４１】
電解質に近接するセパレーターをさらに含む、請求項２５〜４０のいずれかに記載の電気化学セル。
【請求項４２】
セパレーターが微多孔膜を含む、請求項４１に記載の電気化学セル。
【請求項４３】
電気化学セルが５０回完全にサイクルされるとき、５０回目のサイクルの放電直後においてアノードが１０００Ω／ｓｑ．未満のシート抵抗を有する、請求項２５および２６のいずれかに記載の電気化学セル。
【請求項４４】
電気化学セルが５０回完全にサイクルされるとき、５０回目のサイクルの放電直後において、アノードが２０％未満の空隙率を有する、請求項２７および２８のいずれかに記載の電気化学セル。
【請求項４５】
電気化学セルが５０回完全にサイクルされるとき、５０回目のサイクルの放電直後において、アノードのシート抵抗が９００Ω／ｓｑ．、８００Ω／ｓｑ．、７００Ω／ｓｑ．、６００Ω／ｓｑ．、５００Ω／ｓｑ．、４００Ω／ｓｑ．、３００Ω／ｓｑ．、２００Ω／ｓｑ．、または１００Ω／ｓｑ．未満である、請求項２５〜４４のいずれかに記載の電気化学セル。
【請求項４６】
電気化学セルが５０回完全にサイクルされるとき、その５０回目のサイクルの放電直後において、アノードは、１５％、１０％、５％、または１％未満の空隙率を有する、上記請求項のいずれかに記載の電気化学セル。
【請求項４７】
電気化学セルが５０回完全にサイクルされるとき、５０回目のサイクルの放電直後において、初期完全充電状態におけるアノードに存在するリチウムの６０ｗｔ％以下、５０ｗｔ％以下、４０ｗｔ％以下、３０ｗｔ％以下、２０ｗｔ％以下、または１０ｗｔ％以下が、アノードに残存する請求項２５〜４６のいずれかに記載の電気化学セル。
【請求項４８】
カソードが、リチウム挿入化合物を含むカソード活物質を含む、請求項２５〜４７のいずれかに記載の電気化学セル。
【請求項４９】
以下を含む電気化学セル：
カソード；
リチウムと少なくとも一つの非リチウム金属の固溶体を含むアノード（ここで、アノードが活性表面を有する）；および
カソードおよびアノードと電気化学的に連通している電解質；
ここで、
電気化学セルがアノードの活性表面に垂直な力成分を有する加えられた異方性力の下にあり、かつ
電気化学セルが１０回完全にサイクルされるとき、１０回目のサイクルの放電直後においてアノードが、加えられた異方性力が存在しない同等のセルに存在するであろう１０回目のサイクルの放電直後における空隙率の５０％未満の空隙率を電気化学セルが有するように、異方性力および電気化学セルが構成されている電気化学セル。
【請求項５０】
以下を含む電気化学セル：
カソード；
リチウムと少なくとも一つの非リチウム金属の固溶体を含むアノード（ここで、アノードが活性表面を有する）；および
カソードおよびアノードと電気化学的に連通している電解質；
ここで、
電気化学セルがアノードの活性表面に垂直な力成分を有する加えられた異方性力の下にあり、かつ
電気化学セルが１０回完全にサイクルされるとき、１０回目のサイクルの放電直後においてアノードが、少なくとも一つの非リチウム金属を有しない同等のセルに存在するであろう１０回目のサイクルの放電直後における空隙率の５０％未満の空隙率を電気化学セルが有するように、少なくとも一つの非リチウム金属が十分体積存在している電気化学セル。
【請求項５１】
以下を含む電気化学セル：
カソード；
リチウムと少なくとも一つの非リチウム金属の固溶体を含むアノード（ここで、アノードが活性表面を有する）；および
カソードおよびアノードと電気化学的に連通している電解質；
ここで、
電気化学セルがアノードの活性表面に垂直な力成分を有する加えられた異方性力の下にあり、かつ
電気化学セルが１０回完全にサイクルされるとき、１０回目のサイクルの放電直後においてアノードが、加えられた異方性力が存在しない同等のセルに存在するであろう１０回目のサイクルの放電直後におけるシート抵抗の５０％未満のシート抵抗を電気化学セルが有するように、異方性力および電気化学セルが構成されている電気化学セル。
【請求項５２】
以下を含む電気化学セル：
カソード；
リチウムと少なくとも一つの非リチウム金属の固溶体を含むアノード（ここで、アノードが活性表面を有する）；および
カソードおよびアノードと電気化学的に連通している電解質；
ここで、
電気化学セルがアノードの活性表面に垂直な力成分を有する加えられた異方性力の下にあり、かつ
電気化学セルが１０回完全にサイクルされるとき、１０回目のサイクルの放電直後においてアノードが、少なくとも一つの非リチウム金属を有しない同等のセルに存在するであろう１０回目のサイクルの放電直後におけるシート抵抗の５０％未満のシート抵抗を電気化学セルが有するように、少なくとも一つの非リチウム金属が十分量存在している電気化学セル。
【請求項５３】
セルが完全充電状態にあるとき、固溶体が約０．１ＭＰａから約１００ＭＰａ、または約０．４ＭＰａから約４０ＭＰａの降伏強度を有する、請求項４９〜５２のいずれかに記載の電気化学セル。
【請求項５４】
少なくとも一つの非リチウム金属が、マグネシウム、亜鉛、鉛、スズ、白金、金、アルミニウム、カドミウム、銀、水銀、およびそれらの組み合わせからなる群から選択される、請求項４９〜５３のいずれかに記載の電気化学セル。
【請求項５５】
少なくとも一つの非リチウム金属が、マグネシウム、亜鉛、鉛、白金、金、カドミウム、銀、水銀、およびそれらの組み合わせからなる群から選択される、請求項４９〜５４のいずれかに記載の電気化学セル。
【請求項５６】
少なくとも一つの非リチウム金属は、シリコン、ゲルマニウム、スズ、アンチモン、ビスマス、およびアルミニウムからなる群を除外する、請求項４９〜５５のいずれかに記載の電気化学セル。
【請求項５７】
少なくとも一つの非リチウム金属がマグネシウムを含む、請求項４９〜５６のいずれかに記載の電気化学セル。
【請求項５８】
アノード中の少なくとも一つの非リチウム金属が、完全充電状態のときのアノード中のリチウムと非リチウム金属の合計重量の０．１ｗｔ％、１ｗｔ％、５ｗｔ％、または１０ｗｔ％以上であり、２５ｗｔ％、１０ｗｔ％、５ｗｔ％または１ｗｔ％以下である、請求項４９〜５７のいずれかに記載の電気化学セル。
【請求項５９】
組み立て後の初期完全充電状態において、アノード中の少なくとも一つの非リチウム金属が、アノード中のリチウムおよび非リチウム金属の合計重量の２５ｗｔ％、１０ｗｔ％、５ｗｔ％または１ｗｔ％以下である、請求項４９〜５８のいずれかに記載の電気化学セル。
【請求項６０】
少なくとも一つの非リチウム金属が、少なくとも一つの非リチウム金属の約１０ｗｔ％未満、約５ｗｔ％未満、または約１ｗｔ％未満が約０Ｖ〜約５Ｖの電圧ウィンドウ内で作動するセルの最初の充電および放電サイクル中における電気化学反応に関与するように選択される、請求項４９〜５９のいずれかに記載の電気化学セル。
【請求項６１】
少なくとも一つの非リチウム金属が、−４０℃〜８０℃の温度でリチウムと固溶体を形成する、請求項４９〜６０に記載の電気化学セル。
【請求項６２】
充電状態の電気化学セルの容量が元の充電容量の８０％未満に減少する前に、電気化学セルが少なくとも７０回サイクルすることができる、請求項４９〜６１のいずれかに記載の電気化学セル。
【請求項６３】
アノードの活性表面に垂直な力成分が少なくとも約４．９、少なくとも約９．８、少なくとも約２４．５、少なくとも約４９、少なくとも約７８、少なくとも約９８、少なくとも約１１７．６、少なくとも約１４７、少なくとも約１７５、少なくとも約２００、少なくとも約２２５、少なくとも約２５０、少なくとも約３００、少なくとも約４００、または少なくとも約５００ニュートン／平方センチメートルであって、約５００未満、約４００未満、約３００未満、約２５０未満、約２２５未満、約１９６未満、約１４７未満、約１１７．６未満、約９８未満、約４９未満、約２４．５未満、または約９．８ニュートン／平方センチメートル未満の圧力をアノードの活性表面に加えるように異方性力が構成される、請求項４９〜６２のいずれかに記載の電気化学セル。
【請求項６４】
電解質に近接するセパレーターをさらに含む、請求項４９〜６３のいずれかに記載の電気化学セル。
【請求項６５】
セパレーターが微多孔膜を含む、請求項６４に記載の電気化学セル。
【請求項６６】
電気化学セルは、最初に組み立てられたときに充電状態になるように構成されている請求項４９〜６５のいずれかに記載の電気化学セル。
【請求項６７】
カソードが組み立て時に実質的にリチウムを含まない、請求項４９〜６６のいずれかに記載の電気化学セル。
【請求項６８】
カソードは、硫黄化合物を含むカソード活物質を含む、請求項４９〜６７のいずれか一項に記載の電気化学セル。
【請求項６９】
電気化学セルが１０回完全にサイクルされるとき、１０回目のサイクルの放電直後においてアノードのシート抵抗が１０００Ω／ｓｑ．、９００Ω／ｓｑ．、８００Ω／ｓｑ．、７００Ω／ｓｑ．、６００Ω／ｓｑ．、５００Ω／ｓｑ．、４００Ω／ｓｑ．、３００Ω／ｓｑ．、２００Ω／ｓｑ．、または１００Ω／ｓｑ．未満である、請求項４９〜６８のいずれかに記載の電気化学セル。
【請求項７０】
電気化学セルが１０回完全にサイクルされるとき、その１０回目のサイクルの放電直後においてアノードが、２０％、１５％、１０％、５％、または１％未満の空隙率を有する、請求項４９〜６９のいずれかに記載の電気化学セル。
【請求項７１】
電気化学セルが１０回完全にサイクルされるとき、１０回目のサイクルの放電直後において初期完全充電状態におけるアノードに存在するリチウムの量の６０ｗｔ％以下、５０ｗｔ％以下、４０ｗｔ％以下、３０ｗｔ％以下、２０ｗｔ％以下、または１０ｗｔ％以下が、アノードに残存する請求項４９〜７０のいずれかに記載の電気化学セル。
【請求項７２】
電気化学セルが、最初に組み立てられたときに放電状態になるように構成されている、請求項４９〜６５のいずれかに記載の電気化学セル。
【請求項７３】
カソードが、リチウム挿入化合物を含むカソード活物質を含む、請求項４９〜６５および７２のいずれかに記載の電気化学セル。
【請求項７４】
電気化学セルが５０回完全にサイクルされるとき、５０回目のサイクルの放電直後において、アノードのシート抵抗が１０００Ω／ｓｑ．、９００Ω／ｓｑ．、８００Ω／ｓｑ．、７００Ω／ｓｑ．、６００Ω／ｓｑ．、５００Ω／ｓｑ．、４００Ω／ｓｑ．、３００Ω／ｓｑ．、２００Ω／ｓｑ．、または１００Ω／ｓｑ．未満である、請求項４９〜６５及び７２〜７３のいずれかに記載の電気化学セル。
【請求項７５】
電気化学セルが５０回完全にサイクルされるとき、その５０回目のサイクルの放電直後において、アノードは、２０％、１５％、１０％、５％、または１％未満の空隙率を有する、請求項４９〜６５及び７２〜７４のいずれかに記載の電気化学セル。
【請求項７６】
電気化学セルが５０回完全にサイクルされるとき、５０回目のサイクルの放電直後において、初期完全充電状態におけるアノードに存在するリチウムの量の６０ｗｔ％以下、５０ｗｔ％以下、４０ｗｔ％以下、３０ｗｔ％以下、２０ｗｔ％以下、または１０ｗｔ％以下が、アノードに残存する請求項４９〜６５及び７２〜７５のいずれかに記載の電気化学セル。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願の表示）
この出願は、２０１７年６月９日に提出された「In Situ Current Collector」というタイトルの米国仮出願第６２／５１７，４０９号の優先権を主張する。
【０００２】
概略的には電気化学セルおよびそれを形成および使用する方法が説明される。
【０００３】
電気化学セルは、通常、カソード活物質を含むカソードと、アノード活物質を含むアノードを含む。カソード活物質およびアノード活物質は、電流を生成するために使用できる一つまたは複数の電気化学反応に関与することができる。
【０００４】
電気化学セルのアノードとカソードは、通常、集電体を含み、集電体が関連付けられている電極に電子を出し入れするために使用される。金属シートを使用することの欠点の一つは、電極への密着性が低いため、これら２つの間の電気的接触が減少することである。
したがって、電気化学セルの改善が望まれている。
【発明の概要】
【０００５】
リチウムを含む電極を含む電気化学セルは、in situで集電体が形成され得ることが概略的に説明される。本発明の主題は、場合によっては、相互に関連する製品、特定の問題に対する代替ソリューション、および／または一つまたは複数のシステムおよび／または物品の複数の異なる使用を含む。
【０００６】
一態様では、電気化学セルが説明される。電気化学セルは、カソードを備えてもよい。電気化学セルは、リチウムと少なくとも一つの非リチウム金属の固溶体を含むアノードをさらに含むことができ、アノードは活性表面を有する。電気化学セルは、カソードおよびアノードと電気化学的に連通している電解質をさらに含むことができる。電気化学セルは、最初に組み立てられたときに充電状態になるように構成されてもよい。電気化学セルは、アノードの活性表面に垂直な力成分を有する、加えられた異方性力の下にあってよい。
【０００７】
いくつかの実施形態では、電気化学セルが１０回完全にサイクルされるとき１０回目のサイクルの放電直後においてアノードが２０％未満の空隙率を有し、１０回目のサイクルの放電直後において初期完全充電状態におけるアノードに存在するリチウムの量の７５ｗｔ％以下がアノードに残存するように、異方性力および電気化学セルが構成されてよい。
【０００８】
いくつかの実施形態において、電気化学セルが１０回完全にサイクルされるとき、１０回目のサイクルの放電直後においてアノードが２０％未満の空隙率を有し、１０回目のサイクルの放電直後において初期完全充電状態におけるアノードに存在するリチウムの量の７５ｗｔ％以下がアノードに残存するように、少なくとも一つの非リチウム金属が十分体積で存在していてよい。
【０００９】
いくつかの実施形態において、電気化学セルが１０回完全にサイクルされるとき、１０回目のサイクルの放電直後においてアノードが１０００Ω／ｓｑ．未満のシート抵抗を有し、１０回目のサイクルの放電直後において初期完全充電状態におけるアノードに存在するリチウムの量の７５ｗｔ％以下がアノードに残存するように、異方性力および電気化学セルが構成されてよい。
【００１０】
いくつかの実施形態において、少なくとも一つの非リチウム金属は、電気化学セルが１０回完全にサイクルされるとき、少なくとも一つの非リチウム金属が未満のシート抵抗を有する領域を形成するように十分体積で存在し得る。１０００Ω／ｓｑ．１０回目のサイクルの放電直後において、そして初期完全充電状態におけるアノードに存在するリチウムの量の７５ｗｔ％以下が、１０回目のサイクルの放電直後においてアノードに残存する。
【００１１】
一態様では、電気化学セルが説明される。電気化学セルは、カソードを備えてもよい。電気化学セルは、リチウムと少なくとも一つの非リチウム金属の固溶体を含むアノードをさらに含むことができ、アノードは活性表面を有する。電気化学セルは、最初に組み立てられたときに充電状態になるように構成されてもよい。電気化学セルは、アノードの活性表面に垂直な力成分を有する、加えられた異方性力の下にあり得る。
【００１２】
いくつかの実施形態では、異方性力および電気化学セルは、電気化学セルが完全に５０回サイクルされると、５０サイクル目の放電直後においてアノードが２０％未満の空隙率を有し、および５０回目のサイクルの放電直後において初期完全充電状態におけるアノードに存在するリチウムの量の７５ｗｔ％未満が、アノードに残存する。
【００１３】
いくつかの実施形態において、少なくとも一つの非リチウム金属は、電気化学セルが５０回完全にサイクルされるとき、アノードが５０回目のサイクルの放電直後において２０％未満の空隙率を有するように十分体積で存在してよく、かつ、初期完全充電状態におけるアノードに存在するリチウムの量の７５ｗｔ％以下が、５０回目のサイクルの放電直後においてアノードに残存する。
【００１４】
いくつかの実施形態において、異方性力および電気化学セルは、電気化学セルが完全に５０回サイクルされるとき、アノードが１０００Ω／ｓｑ．未満のシート抵抗を有するように構成され得る。５０サイクル目の放電直後において、そして初期完全充電状態におけるアノードに存在するリチウムの量の７５ｗｔ％以下が、５０サイクル目の放電直後においてアノードに残存する。
【００１５】
いくつかの実施形態では、少なくとも一つの非リチウム金属は、電気化学セルが５０回完全にサイクルされるとき、少なくとも一つの非リチウム金属が以下のシート抵抗を有する領域を形成するように十分体積で存在し得る。１０００Ω／ｓｑ．５０サイクル目の放電直後において、そして初期完全充電状態におけるアノードに存在するリチウムの量の７５ｗｔ％以下が、５０サイクル目の放電直後においてアノードに残存する。
【００１６】
一態様では、電気化学セルが説明される。電気化学セルは、カソードを備えてもよい。電気化学セルは、リチウムと少なくとも一つの非リチウム金属の固溶体を含むアノードをさらに含むことができ、アノードは活性表面を有する。電気化学セルは、最初に組み立てられたときに充電状態になるように構成されてもよい。電気化学セルは、アノードの活性表面に垂直な力成分を有する、加えられた異方性力の下にあり得る。
【００１７】
一部の実施形態では、異方性力および電気化学セルは、電気化学セルが１０回完全にサイクルされるとき、１０回目のサイクルの放電直後において、アノードが空隙率の５０％未満の空隙率を有するように構成され得るそれは、１０回目のサイクルの放電直後において、異方性力が適用されていない同等のセルに存在する。
【００１８】
いくつかの実施形態において、少なくとも一つの非リチウム金属は、電気化学セルが１０回完全にサイクルされるとき、１０回目のサイクルの放電直後において、アノードが１０回目のサイクルの放電直後において、少なくとも一つの非リチウム金属がない同等のセルに存在する空隙率の５０％の空隙率を有するように十分体積で存在し得る。
【００１９】
いくつかの実施形態では、異方性力および電気化学セルは、電気化学セルが１０回完全にサイクルされるとき、１０回目のサイクルの放電直後において、アノードのシート抵抗が、１０回目のサイクルの放電直後において、異方性力が適用されていない同等のセルに存在するシート抵抗５０％未満になるように構成されてもよい。
【００２０】
いくつかの実施形態では、少なくとも一つの非リチウム金属は、電気化学セルが１０回完全にサイクルされるときに、１０回目のサイクルの放電直後においてアノードのシート抵抗が１０回目のサイクルの放電直後において、少なくとも一つの非リチウム金属を含まない同等のセルに存在するシート抵抗の５０％未満となるように十分体積で存在してもよい。
【００２１】
本発明の他の利点および新規の特徴は、添付の図面と併せて考慮すると、本発明の様々な非限定的な実施形態の以下の詳細な説明から明らかになるであろう。本明細書および参照により組み込まれた文書が矛盾するおよび／または一貫性のない開示を含む場合、本明細書が支配するものとする。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
図面の簡単な説明本発明の非限定的な実施形態は、添付の図面を参照して例として説明されるが、添付の図面は概略であり、縮尺通りに描かれることを意図していない。図では、図示されている同一またはほぼ同一の各コンポーネントは、通常、単一の数字で表されている。明確にするために、すべての構成要素がすべての図でラベル付けされているわけではなく、当業者が本発明を理解できるようにするために例示が必要でない場合、本発明の各実施形態のすべての構成要素が示されているわけではない。図では：
図１は、本発明の実施形態の一つのセットによる電気化学セルの断面の概略図を示す。
図２は、本発明の１組の実施形態による電気化学セルの電極の概略図を示す。
図３Ａは、ライフサイクルの終了時の比較電気化学セルの画像を示す。
図３Ｂは、ライフサイクルの終了時の本発明の実施形態による電気化学セルの画像を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
リチウムを含む電極（例えば、非リチウム金属を含む固溶体の形態）を含む電気化学セル（例えば、再充電可能なリチウム電池）は、in situ集電体が形成され得ることが一般的に記載されている。本発明の特定の実施形態は、リチウム含有電極における材料の発明的配置および／またはそのような電極の発明的使用に関する。いくつかの実施形態では、リチウム含有電極の一つまたは複数の非リチウム成分を集電体として使用することができる。集電体は、このように形成されると、放電中にリチウムベースの電極活物質を除去する前に、電極の元の体積内に配置することができる。この方法での使用は、特定の実施形態によれば、そのような電極が使用される電気化学セルのエネルギー密度および／または比エネルギーの増加につながる可能性がある、独立した独立した集電体の必要性を排除できる。
【００２４】
本発明を実施することができる電気化学セルの例には、リチウムイオン（Ｌｉイオン）、リチウム硫黄（Ｌｉ−Ｓ）およびリチウム空気（Ｌｉ空気）電池が含まれるが、これらに限定されない。いくつかの実施形態では、電気化学セルは、再充電可能な電気化学セル（二次電気化学セルとも呼ばれる）であってもよい。
【００２５】
特定の実施形態によれば、リチウム金属固溶体をアノードまたは部分アノードとして使用することができる。このような固溶体の使用は、特定の実施形態によれば、追加の集電体を使用する必要なく、リチウムベースの電池の局所的なリチウム欠乏に起因する特定の不利な点を克服し得る。セルサイクル中、リチウムは放電段階でアノードから剥ぎ取られ、充電段階でアノードに再堆積する。しかしながら、本発明の一つ以上の実施形態によれば、非リチウム金属成分は、周囲温度で残留リチウムと固溶体を形成することができ、充電状態またはリチウム枯渇の程度に関係なく、無傷の電気的に連続した集電体として残る。
【００２６】
一つ以上の実施形態によれば、リチウムと少なくとも一つの非リチウム金属の固溶体を含む開示された電極（例えば、アノード）は電気化学セルに組み込まれる。セルは、カソードをさらに備えてもよい。カソードおよびアノードはそれぞれ、活性表面を有していてもよい。セルは、カソードおよびアノードと電気化学的に連通している電解質を含んでもよい。電解質は、電気化学セルの放電中にアノードとカソードの間でイオンを往復させることができる場合、アノードとカソードと電気化学的に連通している。セルは、以下でさらに議論されるように、電解質に近接したセパレーターを備えてもよい。本明細書に記載の実施形態では、電気化学セル（例えば、再充電可能電池）は、充電中および放電中のアノードからの電極活物質の電極除去中にアノード上また内に電極活物質（例えば、リチウム金属）の堆積を伴う充電／放電サイクルを受けることがある。作動の少なくとも一つの期間中、電気化学セルは、アノードの活性表面に垂直な力成分を有する異方性力の適用下にあり得る。
【００２７】
いくつかの実施形態では、電気化学セルは、最初に組み立てられたときに充電状態になるように構成される。例えば、いくつかの実施形態では、カソードがリチウムベースではない電気化学セル（硫黄ベースのカソードなど）は、最初に組み立てられたときに充電状態にある。いくつかの実施形態では、電気化学セルは、最初に組み立てられたときに放電状態になるように構成される。例えば、いくつかの実施形態では、カソードがリチウムベースである電気化学セル（リチウム挿入カソードなど）は、最初に組み立てられたときに放電状態にある。
【００２８】
当業者によって理解されるように、セルは、最初に組み立てられたときに完全にまたは大部分（すなわち、５０％を超える）充電されたときに最初に組み立てられたときに充電状態にあると見なされる。特定の実施形態では、最初に組み立てられたときに完全充電状態にあるセルを使用することが有利である。
【００２９】
同様に、セルは、最初に組み立てられたときに完全にまたは大部分（つまり、５０％以上）放電されたときに最初に組み立てられたときに放電状態にあると見なされる。特定の実施形態では、最初に組み立てられたときに完全に放電された状態にあるセルを使用することが有利である。
【００３０】
作動中、電気化学セルは一連の充電／放電サイクルを受ける場合がある。完全なサイクルは完全な充電とそれに続く完全な放電で構成されていることが理解されるべきである。例えば、セルが放電状態で組み立てられる実施形態（例えば、リチウム挿入カソードを有するセル）では、最初の完全な充電に続いて最初の完全な放電を受けた後、最初の完全なサイクルが完了する。しかしながら、セルが充電状態で組み立てられる実施形態（例えば、硫黄ベースのカソードを有するセル）では、充電ステップなし（セルが完全にあった場合）に続く最初の完全放電後に、最初のフルサイクルが完了する。最初のアセンブリで充電）または部分的な充電ステップに続く（最初のアセンブリでセルが部分的に放電された場合）。
【００３１】
本明細書で使用される「初期完全充電状態」という用語は、電気化学セルの最初の完全充電状態を指す。例えば、セルが完全充電状態で組み立てられる実施形態では、初期完全充電状態は組み立て完了時の状態である。しかしながら、セルが放電状態（例えば、完全放電状態または大部分放電状態）または完全充電状態ではない充電状態で組み立てられる実施形態では、初期完全充電状態はアセンブリ後の最初のフル充電における状態である。
【００３２】
いくつかの実施形態では、異方性力および電気化学セルは、所与の回数の充電／放電サイクルを受けた後に測定される、アノードの空隙率の有益な減少をもたらすように構成される。「空隙率」という用語は、当業者によって理解されるように、材料の細孔容積を細孔容積と材料容積の合計で割ることによって計算される材料の値を指す。「真密度」という用語は、当業者によって理解されるように、細孔容積を差し引いた後、材料の質量を材料の体積で割ることによって計算される材料の密度値を指す。「嵩密度」という用語は、材料の質量を細孔容積を含む材料の体積で除算することにより計算される材料の密度値を指す。これらの用語は、図面を参照して本明細書でさらに説明される。
【００３３】
いくつかの実施形態では（例えば、電気化学セルが最初に組み立てられたときに充電状態になるように電気化学セルが構成されるいくつかの実施形態では）、電気化学セルが１０回完全にサイクルされるとき、１０回目のサイクルの放電直後においてアノードが２０％未満の空隙率を有し、１０回目のサイクルの放電直後において、初期完全充電状態におけるアノードに存在するリチウムの量の７５ｗｔ％以下がアノードに残存するように、異方性力および電気化学セルが構成されている。換言すれば、２０％未満の空隙率を有するアノードは、アノードの細孔容積と材料容積の合計の２０％未満の細孔容積を有することになる。
【００３４】
例として、アノードがその初期完全充電状態で１０ミクロンのリチウムを含み（例えば、いくつかの実施形態では組み立てられたとき、または組み立て後に最初に充電されたとき、他）、放電直後において７．５ミクロンのリチウムを含む場合、１０回目のサイクル目の放電後、初期完全充電状態におけるアノードに存在するリチウムの量の７５ｗｔ％が、１０回目のサイクルの放電直後においてアノードに残っている。この割合は、初期完全充電状態（組み立て時、または組み立て後の最初の充電後）にあるアノードのリチウム量を測定することで決定できる。次に、セルは一連の充電／放電サイクルを経ることができ、設定点の後（たとえば、１０回目のサイクルの放電直後）、アノード内のリチウムの量が再び測定される。次に、２番目の値と初期値の比較を使用して、ｗｔ％の差を決定できる。
【００３５】
いくつかの実施形態では（例えば、電気化学セルが最初に組み立てられたときに充電状態になるように電気化学セルが構成されるいくつかの実施形態では）、異方性力および電気化学セルは、電気化学セルが１０回完全にサイクルされるとき、１０回目のサイクルの放電直後において、アノードは１５％、１０％、５％、または１％未満の空隙率を有する。いくつかの実施形態では、電気化学セルが１０回完全にサイクルされるとき、１０回目のサイクルの放電直後において、初期完全充電状態におけるアノードに存在するリチウムの量の６０ｗｔ％以下、５０ｗｔ％以下、４０ｗｔ％以下、３０ｗｔ％以下、２０ｗｔ％以下、または１０ｗｔ％以下がアノードに残存するように、異方性力および電気化学セルが構成される。
【００３６】
いくつかの実施形態では（例えば、最初に組み立てられたときに電気化学セルが放電状態になるように構成されているいくつかの実施形態では）、電気化学セルが５０回完全にサイクルされるとき、アノードは、５０回目のサイクルの放電直後において、２０％未満の空隙率を持ち、また、５０回目のサイクルの放電直後において、初期完全充電状態（完全充電状態で組み立てられていない場合、組み立て後の初期完全充電）におけるアノードに存在するリチウムの量の７５ｗｔ％以下がアノードに残存するように異方性力と電気化学セルが構成される。いくつかの実施形態では、電気化学セルが完全に５０回サイクルされるとき、５０回目のサイクルの放電直後においてアノードが１５％、１０％、５％、または１％未満の空隙率を有するように異方性力および電気化学セルが構成される。いくつかの実施形態では、異方性力および電気化学セルは、電気化学セルが５０回完全にサイクルされるとき、５０回目のサイクルの放電直後において、初期完全充電状態におけるアノードに存在するリチウムの量の６０ｗｔ％以下、５０ｗｔ％以下、４０ｗｔ％以下、３０ｗｔ％以下、２０ｗｔ％以下、または１０ｗｔ％以下がアノードに残存するように構成される。
【００３７】
いくつかの実施形態では、電気化学セルが１０回完全にサイクルされるとき、１０回目のサイクルの放電直後において、アノードが、異方性力が適用されていない同等のセルに存在する１０回目のサイクルの放電直後における空隙率の５０％未満の空隙率を有するように異方性力および電気化学セルが構成される。いくつかの実施形態において、電気化学セルが１０回完全にサイクルされるとき、１０回目のサイクルの放電直後において、アノードが、異方性力が適用されていない同等のセルに存在する１０回目のサイクルの放電直後における空隙率の４０％、３０％、２０％、又は１０％未満の空隙率を有するように異方性力および電気化学セルが構成される。
【００３８】
いくつかの実施形態では、少なくとも一つの非リチウム金属は、所定の回数の充電／放電サイクルを受けた後に測定されるアノードの空隙率の有益な減少をもたらすのに十分体積で存在する。
【００３９】
いくつかの実施形態（例えば、電気化学セルが最初に組み立てられたときに充電状態になるように構成されているいくつかの実施形態）において、電気化学セルが１０回完全にサイクルされるとき、１０回目のサイクルの放電直後においてアノードが２０％未満の空隙率を有し、また、１０回目のサイクルの放電直後において初期完全充電状態におけるアノードに存在するリチウムの量の７５ｗｔ％以下がアノードに残存するように少なくとも一つの非リチウム金属が十分体積存在する。いくつかの実施形態において、電気化学セルが１０回完全にサイクルされるとき、１０回目のサイクルの放電直後において、アノードが１５％、１０％、５％、または１％未満の空隙率を有するように少なくとも一つの非リチウム金属が十分体積で存在する。いくつかの実施形態では、電気化学セルが完全に１０回サイクルされるとき、１０回目のサイクルの放電直後において、初期完全充電状態におけるアノードに存在するリチウムの量の６０ｗｔ％以下、５０ｗｔ％以下、４０ｗｔ％以下、３０ｗｔ％％以下、２０ｗｔ％以下、または１０ｗｔ％以下がアノードに残存するように少なくとも一つの非リチウム金属が十分体積で存在する。
【００４０】
いくつかの実施形態（例えば、電気化学セルが最初に組み立てられたときに放電状態になるように構成されているいくつかの実施形態）において、電気化学セルが５０回完全にサイクルされるとき、５０回目のサイクルの放電直後においてアノードが２０％未満の空隙率を有し、また、５０回目のサイクルの放電直後において初期完全充電状態におけるアノードに存在するリチウムの量の７５ｗｔ％以下がアノードに残存するように少なくとも一つの非リチウム金属が十分体積存在する。いくつかの実施形態において、電気化学セルが５０回完全にサイクルされるとき、５０回目のサイクルの放電直後において、アノードが１５％、１０％、５％、または１％未満の空隙率を有するように少なくとも一つの非リチウム金属が十分体積で存在する。いくつかの実施形態では、電気化学セルが完全に５０回サイクルされるとき、５０回目のサイクルの放電直後において、初期完全充電状態におけるアノードに存在するリチウムの量の６０ｗｔ％以下、５０ｗｔ％以下、４０ｗｔ％以下、３０ｗｔ％％以下、２０ｗｔ％以下、または１０ｗｔ％以下がアノードに残存するように少なくとも一つの非リチウム金属が十分体積で存在する。
【００４１】
いくつかの実施形態において、電気化学セルが１０回完全にサイクルされるとき、１０回目のサイクルの放電直後において、アノードが、１０回目のサイクルの放電直後における少なくとも一つの非リチウム金属を含まない同等のセルに存在する空隙率の５０％未満の空隙率を有するように、少なくとも一つの非リチウム金属が十分体積で存在する。いくつかの実施形態において、電気化学セルが１０回完全にサイクルされるとき、第１０回目のサイクルの放電直後において、アノードが、１０回目のサイクルの放電直後における少なくとも一つの非リチウム金属を含まない同等のセルに存在する空隙率の４０％、３０％、２０％、または１０％未満の空隙率を有するように少なくとも一つの非リチウム金属が十分体積で存在する。いくつかの実施形態では、異方性力および電気化学セルは、所与の回数の充電／放電サイクルを受けた後に測定されるアノードのシート抵抗の有益な低減を提供するように構成される。シート抵抗は、２つのプローブ間に電流を流して電圧計を使用して他の２つのプローブ間で電圧を測定する４点プローブを使用して測定する（例：三菱から市販されているＬｏｒｅｓｔａ−ＧＰ  ４点プローブ）。
【００４２】
いくつかの実施形態（例えば、電気化学セルが最初に組み立てられたときに充電状態になるように電気化学セルが構成されるいくつかの実施形態）において、電気化学セルが１０回完全にサイクルされるとき、１０回目のサイクルの放電直後において、アノードは１０００Ω／ｓｑ未満のシート抵抗を有し、１０回目のサイクルの放電直後において、初期完全充電状態におけるアノードに存在するリチウムの量の７５ｗｔ％以下が、アノードに残存するように異方性力と電気化学セルが構成される。
いくつかの実施形態において、電気化学セルが１０回完全にサイクルされるとき、１０回目のサイクルの放電直後において、アノードが９００Ω／ｓｑ．、８００Ω／ｓｑ．、７００Ω／ｓｑ．、６００Ω／ｓｑ．、５００Ω／ｓｑ．、４００Ω／ｓｑ．、３００Ω／ｓｑ．、２００Ω／ｓｑ．、又は１００Ω／ｓｑ．未満のシート抵抗を有するように異方性力および電気化学セルが構成される。いくつかの実施形態では、電気化学セルが１０回完全充電されるとき、１０回目のサイクルの放電直後において、初期完全充電状態におけるアノードに存在するリチウムの量の６０ｗｔ％以下、５０ｗｔ％以下、４０ｗｔ％以下、３０ｗｔ％以下、２０ｗｔ％以下、または１０ｗｔ％以下が、アノードに残存するように、異方性力および電気化学セルが構成される。
【００４３】
いくつかの実施形態（例えば、電気化学セルが最初に組み立てられたときに放電状態になるように電気化学セルが構成されるいくつかの実施形態）において、電気化学セルが５０回完全にサイクルされるとき、５０回目のサイクルの放電直後において、アノードは１０００Ω／ｓｑ未満のシート抵抗を有し、５０回目のサイクルの放電直後において、初期完全充電状態におけるアノードに存在するリチウムの量の７５ｗｔ％以下が、アノードに残存するように異方性力と電気化学セルが構成される。
いくつかの実施形態において、電気化学セルが５０回完全にサイクルされるとき、５０回目のサイクルの放電直後において、アノードが９００Ω／ｓｑ．、８００Ω／ｓｑ．、７００Ω／ｓｑ．、６００Ω／ｓｑ．、５００Ω／ｓｑ．、４００Ω／ｓｑ．、３００Ω／ｓｑ．、２００Ω／ｓｑ．、又は１００Ω／ｓｑ．未満のシート抵抗を有するように異方性力および電気化学セルが構成される。いくつかの実施形態では、電気化学セルが５０回完全充電されるとき、５０回目のサイクルの放電直後において、初期完全充電状態におけるアノードに存在するリチウムの量の６０ｗｔ％以下、５０ｗｔ％以下、４０ｗｔ％以下、３０ｗｔ％以下、２０ｗｔ％以下、または１０ｗｔ％以下が、アノードに残存するように、異方性力および電気化学セルが構成される。
【００４４】
いくつかの実施形態では、異方性力および電気化学セルは、電気化学セルが１０回完全にサイクルされるとき、１０回目のサイクルの放電直後において、アノードが、異方性力が適用されていない同等のセルの１０回目のサイクルの放電直後におけるシート抵抗の５０％未満のシート抵抗を有するように構成される。いくつかの実施形態において、電気化学セルが１０回完全にサイクルされるとき、１０回目のサイクルの放電直後において、アノードが、１０回目のサイクルの放電直後における異方性力が加えられていない同等のセルに存在するシート抵抗の、４０％、３０％、２０％または１０％未満のシート抵抗を有するように、異方性力および電気化学セルが構成される。
【００４５】
いくつかの実施形態では、少なくとも一つの非リチウム金属は、所与の回数の充電／放電サイクルを経た後に測定されるアノードのシート抵抗の有益な低減をもたらすのに十分体積で存在する。
【００４６】
いくつかの実施形態（例えば、電気化学セルが最初に組み立てられたときに充電状態になるように構成されているいくつかの実施形態）では、電気化学セルが１０回完全にサイクルされるとき、１０回目のサイクルの放電直後において、アノードのシート抵抗は１０００Ω／ｓｑ未満であり、また、１０回目のサイクルの放電直後において、初期完全充電状態におけるアノードに存在するリチウムの量の７５ｗｔ％以下がアノードに残存するように、少なくとも一つの非リチウム金属が十分体積で存在する。いくつかの実施形態において、電気化学セルが１０回完全にサイクルされるとき、１０回目のサイクルの放電直後において、アノードが９００Ω／ｓｑ．、８００Ω／ｓｑ．、７００Ω／ｓｑ．、６００Ω／ｓｑ．、５００Ω／ｓｑ．、４００Ω／ｓｑ．、３００Ω／ｓｑ．、２００Ω／ｓｑ．、または１００Ω／ｓｑ．未満のシート抵抗を有するように、少なくとも一つの非リチウム金属が十分体積で存在する。いくつかの実施形態において、電気化学セルが１０回完全にサイクルされるとき、１０回目のサイクルの放電直後において、初期完全充電状態におけるアノードに存在するリチウムの量の６０ｗｔ％以下、５０ｗｔ％以下、４０ｗｔ％以下、３０ｗｔ％以下、２０ｗｔ％以下、または１０ｗｔ％以下がアノードに残存するように少なくとも一つの非リチウム金属が十分体積で存在する。
【００４７】
いくつかの実施形態（例えば、電気化学セルが最初に組み立てられたときに放電状態になるように構成されているいくつかの実施形態）では、電気化学セルが５０回完全にサイクルされるとき、５０回目のサイクルの放電直後において、アノードのシート抵抗は１０００Ω／ｓｑ未満であり、また、５０回目のサイクルの放電直後において、初期完全充電状態におけるアノードに存在するリチウムの量の７５ｗｔ％以下がアノードに残存するように、少なくとも一つの非リチウム金属が十分体積で存在する。いくつかの実施形態において、電気化学セルが５０回完全にサイクルされるとき、５０回目のサイクルの放電直後において、アノードが９００Ω／ｓｑ．、８００Ω／ｓｑ．、７００Ω／ｓｑ．、６００Ω／ｓｑ．、５００Ω／ｓｑ．、４００Ω／ｓｑ．、３００Ω／ｓｑ．、２００Ω／ｓｑ．、または１００Ω／ｓｑ．未満のシート抵抗を有するように、少なくとも一つの非リチウム金属が十分体積で存在する。いくつかの実施形態において、電気化学セルが５０回完全にサイクルされるとき、５０回目のサイクルの放電直後において、初期完全充電状態におけるアノードに存在するリチウムの量の６０ｗｔ％以下、５０ｗｔ％以下、４０ｗｔ％以下、３０ｗｔ％以下、２０ｗｔ％以下、または１０ｗｔ％以下がアノードに残存するように少なくとも一つの非リチウム金属が十分体積で存在する。
【００４８】
いくつかの実施形態において、少なくとも一つの非リチウム金属は、電気化学セルが１０回完全にサイクルされるとき、第１０回目のサイクルの放電直後において、アノードが１０回目のサイクルの放電直後における少なくとも一つの非リチウム金属がない同等のセルに存在するシート抵抗の５０％のシート抵抗を有するように十分体積で存在する。いくつかの実施形態では、電気化学セルが１０回完全にサイクルされるとき、１０回目のサイクルの放電直後において、アノードが、少なくとも一つの非リチウム金属を有しない同等のセルに存在する１０回目のサイクルの放電直後におけるシート抵抗のシート抵抗の４０％、３０％、２０％、または１０％未満になるように少なくとも一つの非リチウム金属が十分体積で存在する。
【００４９】
いくつかの実施形態では、各電極は電極活物質を含む。電極活物質は、電極に関連付けられ、電流を生成する電気化学セルの電気化学反応に関与する材料である。カソード活物質は、電気化学セルのカソードに関連付けられた電極活物質であり、アノード活物質は、電気化学セルのアノードに関連付けられた電極活物質である。
【００５０】
図１は、本明細書に記載されるような電極（例えば、アノード）１２０が組み込まれ得る電気化学セル１００の例を示す。電気化学セル１００は、カソード１１０、電解質層１３０、およびアノード１２０を含む。アノード１２０は、リチウムおよび少なくとも一つの非リチウム金属の固溶体を含む。カソード１１０の活性面１８５は、カソード１１０と電解質１３０との界面に配置される。アノード１２０の活性面１８６は、アノード１２０と電解質層１３０との界面に配置される。コレクター１８０は、カソード１１０に関連付けられる。しかしながら、アノード１２０に固溶体を組み込むことにより、アノード１２０に関連付けられる別個の集電体を排除することができる。代わりに、集電体は、アノード１２０の材料からin situで形成される。電気化学セル１００は、任意の密閉格納構造１７０に配置することができる。
【００５１】
本明細書に記載されるいくつかの実施形態では、少なくとも一つまたは複数の力が電気化学セルの部分に加えられる。そのような力の適用は、セルの電極表面の不規則性または粗面化を低減し、それにより性能を改善し得る。異方性力が加えられる電気化学セルおよびそのような力を加える方法は、例えば、２０１５年８月１１日に発行され、２０１０年２月１１日に米国特許公開２０１０／００３５１２８として発行された米国特許第９，１０５，９３８号に記載されている。「電気化学セルにおける力の適用」と題されており、あらゆる目的のためにその全体が参照により本明細書に組み込まれる。
【００５２】
力は、場合によっては、電気化学セルのアノードの活性表面に垂直な成分を伴う異方性力を含んでもよい。本明細書に記載の実施形態では、電気化学セル（例えば、再充電可能電池）は、充電中および放電中の電極活物質のアノードからの除去中にアノード上またはアノード内に電極活物質（例えば、リチウム金属）の堆積を伴う充電／放電サイクルを経ることがある。アノード上に金属が堆積される均一性は、電池の性能に影響を与える可能性がある。例えば、リチウム金属がアノードから除去され、および／またはアノード上に再堆積されると、場合によっては、表面が不均一になる可能性がある。たとえば、再堆積すると、不均一に堆積して粗い表面を形成する場合がある。粗い表面は、望ましくない化学反応に利用できるリチウム金属の量を増加させ、サイクル寿命の低下および／または電池性能の低下を招く可能性がある。本明細書に記載の特定の実施形態によれば、電気化学セルへの力の印加は、そのような挙動を低減し、サイクル寿命および／またはセルの性能を改善することが見出された。いくつかの実施形態では、電気化学セルは、充電状態の容量が元の充電容量の８０％未満に低下する前に少なくとも７０回サイクルすることができる。
【００５３】
図１に示すように、矢印１８１の方向に力を加えることができる。矢印１８２は、カソード１１０の活性表面１８５およびアノード１２０の活性表面１８６に垂直な力１８１の成分を示す。例えば、曲面の場合、凹面または凸面の場合、力は、力が加えられる点で曲面に接する平面に垂直な成分を持つ異方性力を含んでもよい。
【００５４】
一部の実施形態では、電気化学セルの充電および／または放電中の少なくとも一つの期間中に、アノードの活性表面に垂直な成分の異方性力が適用される。いくつかの実施形態において、力は、継続的に、少なくとも一つの期間にわたって、または持続時間および／または頻度が変化し得る複数の期間にわたって印加されてもよい。異方性力は、場合によっては、少なくとも一つ以上の所定の位置に加えられ、必要に応じてアノードの活性表面上に分配される。いくつかの実施形態において、異方性力は、アノードの少なくとも一つ以上の活性表面上に均一に適用される。
【００５５】
「異方性力」とは、当技術分野での通常の意味が与えられ、すべての方向にで等しくはない力を意味する。すべての方向で等しい力は、例えば、物体の内部ガス圧など、流体または材料内の流体または材料の内部圧力である。すべての方向に等しくない力の例には、重力を介してテーブル上のオブジェクトによって適用されるテーブルにかかる力など、特定の方向に向けられた力が含まれる。異方性力の別の例には、物体の周囲に配置されたバンドによって加えられる特定の力が含まれる。たとえば、輪ゴムまたはターンバックルは、巻き付けられているオブジェクトの周囲に力を加えることができる。ただし、バンドは、バンドと接触していない物体の外面のどの部分にも直接力を加えてはならない。さらに、バンドが第１軸に沿って第２軸よりも大きく拡張すると、バンドは第２軸に平行に加えられる力よりも第１軸に平行な方向に大きな力を加えることができる。
【００５６】
表面、例えばアノードの活性表面、に対して「垂直な成分」を伴う力には、当業者によって理解されるようにその通常の意味が与えられ、例えば、少なくとも一部が表面にほぼ垂直な方向に作用する。特にこのドキュメントの説明内で適用されるように、当業者はこれらの用語の他の例を理解できる。
【００５７】
図２は、電気化学セル１００が、例えば１０回などの多くの回数、完全にサイクルされ、完全に放電された直後における、図１の電気化学セル１００のアノード１２０の表面の図を示す。そのような状態では、固溶体１２４のリチウム部分の大部分（例えば、少なくとも６０％、７０％、８０％、９０％、またはそれ以上）がアノード１２０から除去され、残りの固溶体が主にアノード１２０の残りの非リチウム金属成分によって形成されるin situ集電体として機能する。いくつかの実施形態では、初期完全充電状態でアノード１２０に存在するリチウムの量の７５ｗｔ％以下、６０ｗｔ％以下、５０ｗｔ％以下、４０ｗｔ％以下、３０ｗｔ％、２０ｗｔ％以下、または１０ｗｔ％以下が、１０回目のサイクルの放電直後においてアノード１２０に残存する。いくつかの実施形態において、初期完全充電状態でアノード１２０に存在するリチウムの量の７５ｗｔ％以下、６０ｗｔ％以下、５０ｗｔ％以下、４０ｗｔ％以下、３０ｗｔ％以下、２０ｗｔ％以下、または１０ｗｔ％以下が、５０回目のサイクルの放電直後においてアノード１２０に残存する。この状態では、多数の細孔１２６がアノード１２０にも存在する。細孔１２６は細孔容積を形成する。アノード１２０は、細孔１２６の体積を細孔体積１２６とアノード１２０を形成する固溶体１２４の体積との合計で割ることにより計算される空隙率を有する。固溶体１２４は材料体積を形成する。固溶体１２４は、材料１２４の質量を孔１２６の体積を含む材料１２４の体積で除算することにより計算されるかさ密度を有する。固溶体１２４は、細孔１２６の体積を差し引いた後、材料１２４の質量を材料１２４の体積で割ることにより計算される真密度を有する。
【００５８】
図２に示す放電状態では、図２を参照すると、図１に関して上述したように、アノード１２０の活性表面に垂直な力成分１８２を有する異方性力１８１（図１に示す）が加えられる。この放電状態において、セル１００および異方性力１８１は、アノード１２０が２０％未満の細孔容積を有するように構成される。この放電状態において、異方性力１８１は、アノード１２０がその嵩密度の少なくとも８０％である嵩密度を有するように構成される。上記のように、細孔容積または嵩密度の他の値も可能である。この放電状態では、非リチウム金属は、２０％未満の細孔容積を有するアノード１２０を提供するのに十分体積で固溶体１２４中に存在する。
【００５９】
図３に示す完全放電状態では、図２に示されるように、セル１００および異方性力１８１は、固溶体１２４により形成されるアノード１２０（例えば、in situ 集電体）が１０００Ω／ｓｑ．未満のシート抵抗を有するように構成される。非リチウム金属は、１０００Ω／ｓｑ．未満のシート抵抗を有するアノード１２０を提供するのに十分体積で固溶体１２４中に存在する。上記のように、シート抵抗の他の値も可能である。図２に示す放電状態では、図２に示すように、初期完全充電状態のアノード１２０に存在するリチウムの量の７５ｗｔ％以下がアノード１２０に残っている。
【００６０】
当業者は、金属材料の文脈における固溶体に精通しており、これは一般に、２つ以上の金属が固体材料内で混合される配置を指す。本明細書で使用される「固溶体」という用語は、固体状態で発生する２種類以上の金属の均一な混合物を指し、結晶構造が個々の構成要素と異なる金属間化合物または他のタイプの合金とは区別される。いくつかの実施形態では、固溶体は、第１の成分が第２の成分の結晶構造の隙間内に存在する化合物を含む。固溶体は単相固溶体であってもよい。
【００６１】
少なくとも一つ以上の実施形態によれば、リチウムと固溶体を形成するために選択される少なくとも一つ以上の非リチウム金属は、以下のように特定の基準に従って選択され得る。
【００６２】
いくつかの実施形態において、非リチウム金属は、セル作動電圧ウィンドウ（例えば、約０Ｖから約５Ｖ）において電気化学的に活性ではない。いくつかの実施形態では、少なくとも一つの非リチウム金属の約２５ｗｔ％未満、約１０ｗｔ％未満、約５ｗｔ％未満、または約１ｗｔ％未満が、エネルギー分散型Ｘ線分光法（ＥＤＳ）分析で決定された上記の電圧ウィンドウ内で作動する、セルの最初の充電放電サイクル中の電気化学反応に関与する。
【００６３】
いくつかの実施形態では、非リチウム金属は電解質と反応しない。いくつかの実施形態において、電解質との非反応性により、非リチウム金属が無傷の集電体として残存することが可能になる。いくつかの実施形態では、約２５ｗｔ％未満、約１０ｗｔ％未満、約５ｗｔ％未満、または約１ｗｔ％未満の少なくとも一つの非リチウム金属が電解質との化学反応に関与し、ＥＤＳ分析により決定される。
【００６４】
いくつかの実施形態において、固溶体は、比較的低い降伏強度を有し得る。例えば、固溶体は、０．１〜１００ＭＰａ、または０．４〜４０ＭＰａの降伏強度を有し得る。いくつかの実施形態において、そのような降伏強度を有する固溶体の組み込みは、セル内の非リチウム材料の実質的に連続したシートの形成を助けて、in situ集電体として機能する。いくつかの実施形態では、固溶体は、リチウム成分と非リチウム成分の降伏強度の間の降伏強度を有する。降伏強度は、機械式テスター（ＩＮＳＴＲＯＮから市販されているものなど）またはＡＳＴＭ  Ｅ２５４６に記載されているテストプロトコルに従って硬度テスターで測定できる。
【００６５】
いくつかの実施形態において、非リチウム金属の量は、実質的に連続したシートを形成するのに十分な量でアノードに存在してもよい。いくつかの実施形態において、非リチウム金属の量は、集電体を形成するのに十分な量でアノードに存在してもよい。いくつかの実施形態では、電気化学セルのエネルギー密度および／または比エネルギーを増加させるために、アノードに存在する非リチウム金属の量はそうでなければ最小化される。そのような配置により、電極のエネルギー密度を最適化しながら、in situ 集電体の形成が可能になる。いくつかの実施形態では、アノード中の非リチウム金属は、完全充電状態において、アノード中のリチウムと非リチウム金属の合計重量の２５ｗｔ％、１０ｗｔ％、５ｗｔ％または１ｗｔ％以下である。いくつかの実施形態において、アノード中の非リチウム金属は、完全充電状態において、アノード中のリチウムおよび非リチウム金属の合計重量の少なくとも０．１ｗｔ％、１ｗｔ％、５ｗｔ％または１０ｗｔ％である。いくつかの実施形態では、アノード中の非リチウム金属は、組み立てられた完全充電状態において、充電中のアノード中のリチウムと非リチウム金属の合計重量の２５ｗｔ％、１０ｗｔ％、５ｗｔ％または１ｗｔ％以下である。いくつかの実施形態では、アノード中の非リチウム金属は、組み立てられた完全充電状態において、アノード中のリチウムと非リチウム金属の合計重量の少なくとも０．１ｗｔ％、１ｗｔ％、５ｗｔ％または１０ｗｔ％である。いくつかの実施形態において、アノード中の非リチウム金属は、組み立て後の最初の完全充電状態において、アノード中のリチウムと非リチウム金属の合計重量の２５ｗｔ％、１０ｗｔ％、５ｗｔ％または１ｗｔ％以下である。いくつかの実施形態では、アノード中の非リチウム金属は、組み立て後の最初の完全充電状態において、アノード中のリチウムと非リチウム金属の合計重量の少なくとも０．１ｗｔ％、１ｗｔ％、５ｗｔ％または１０ｗｔ％である。これらの範囲の組み合わせも可能である。
【００６６】
いくつかの実施形態では、非リチウム金属は、周囲温度でリチウムと固溶体を形成する。いくつかの実施形態では、非リチウム金属は、−４０℃〜８０℃の温度でリチウムと固溶体を形成する。いくつかの実施形態では、非リチウム金属は、サイクル中にセル内でリチウムと固溶体を形成し、無傷の集電体として残る。
【００６７】
いくつかの実施形態では、少なくとも一つの非リチウム金属は、マグネシウム、亜鉛、鉛、スズ、白金、金、アルミニウム、カドミウム、銀、水銀、パラジウム、ガリウム、ナトリウム、カリウム、ルビジウム、セシウム、フランシウム、およびそれらの組み合わせからなる群から選択される。いくつかの実施形態では、少なくとも一つの非リチウム金属は、マグネシウム、亜鉛、鉛、スズ、白金、金、アルミニウム、カドミウム、銀、水銀、およびそれらの組み合わせからなる群から選択される。いくつかの実施形態では、少なくとも一つの非リチウム金属は、マグネシウム、亜鉛、鉛、白金、金、カドミウム、銀、水銀、およびそれらの組み合わせからなる群から選択される。
【００６８】
いくつかの実施形態では、少なくとも一つの非リチウム金属はマグネシウムを含むか、本質的にマグネシウムからなる。いくつかの実施形態では、少なくとも一つの非リチウム金属は、亜鉛を含むか、本質的に亜鉛からなる。いくつかの実施形態では、少なくとも一つの非リチウム金属は鉛を含むか、本質的に鉛からなる。いくつかの実施形態では、少なくとも一つの非リチウム金属はスズを含むか、または本質的にスズからなる。いくつかの実施形態では、少なくとも一つの非リチウム金属は、白金を含むか、本質的に白金からなる。いくつかの実施形態では、少なくとも一つの非リチウム金属は金を含むか、本質的に金からなる。いくつかの実施形態では、少なくとも一つの非リチウム金属は、アルミニウムを含むか、本質的にアルミニウムからなる。いくつかの実施形態において、少なくとも一つの非リチウム金属は、カドミウムを含むか、本質的にカドミウムからなる。いくつかの実施形態において、少なくとも一つの非リチウム金属は、銀を含むか、本質的に銀からなる。いくつかの実施形態では、少なくとも一つの非リチウム金属は、水銀を含むか、本質的に水銀からなる。いくつかの実施形態では、少なくとも一つの非リチウム金属は、パラジウムを含むか、または本質的にそれからなる。いくつかの実施形態では、少なくとも一つの非リチウム金属は、ガリウムを含むかまたは本質的にガリウムからなる。いくつかの実施形態では、少なくとも一つの非リチウム金属は、ナトリウムを含むか、本質的にナトリウムからなる。いくつかの実施形態では、少なくとも一つの非リチウム金属はカリウムを含むか、本質的にカリウムからなる。いくつかの実施形態では、少なくとも一つの非リチウム金属は、ルビジウムを含むか、本質的にルビジウムからなる。いくつかの実施形態では、少なくとも一つの非リチウム金属は、セシウムを含むかまたは本質的にセシウムからなる。いくつかの実施形態では、少なくとも一つの非リチウム金属はフランシウムを含むか、本質的にフランシウムからなる。
【００６９】
いくつかの実施形態では、少なくとも一つの非リチウム金属は、シリコン、ゲルマニウム、スズ、アンチモン、ビスマス、およびアルミニウムからなる群を除外する。いくつかの実施形態では、少なくとも一つの非リチウム金属はシリコンを除外する。いくつかの実施形態では、少なくとも一つの非リチウム金属はゲルマニウムを除外する。いくつかの実施形態では、少なくとも一つの非リチウム金属はスズを除外する。いくつかの実施形態では、少なくとも一つの非リチウム金属はアンチモンを除外する。いくつかの実施形態では、少なくとも一つの非リチウム金属はビスマスを除外する。いくつかの実施形態では、少なくとも一つの非リチウム金属はアルミニウムを除外する。
【００７０】
少なくとも一つ以上の非リチウム金属を使用できることを理解されたい。すなわち、固溶体の非リチウム成分は、単一の金属または２つ以上の金属の組み合わせであり得る。
【００７１】
リチウムおよび非リチウム金属固溶体などの本明細書に記載のアノードは、任意の適切な方法によって形成されてもよい。そのような方法としては、例えば、物理的堆積法、化学気相堆積法、プラズマ化学気相堆積法、熱蒸発（例えば、抵抗、誘導、放射、および電子ビーム加熱）、スパッタリング（例えば、ダイオード、ＤＣマグネトロン、ＲＦ、ＲＦマグネトロン、パルス、デュアルマグネトロン、ＡＣ、ＦＭ、および反応性スパッタリング）、ジェット蒸着、レーザーアブレーション、押出、電気メッキ、イオンメッキ、およびカソーディックアークが挙げられる。いくつかの例では、Ｌｉ蒸気と非リチウム金属の蒸気が、（上記のような方法を使用して）基板上に（同時に）共堆積されて、固溶体アノードが形成される。堆積は、真空または不活性雰囲気で実行できる。
【００７２】
本明細書で使用する「カソード」とは、充電中に電極活物質が酸化され放電中に還元される電極を指し、「アノード」とは充電中に電極活物質が還元され放電中に酸化される電極を指す。
【００７３】
上記のように、アノードはアノード活物質を含むことができる。例えば、図１に示されるように、電気化学セル１００のアノード１２０は、アノード活物質を含む。いくつかの実施形態では、アノード活物質は、少なくとも一つの非リチウム金属と固溶したリチウム（例えば、リチウム金属）を含む。少なくとも一つの非リチウム金属の潜在的な候補は上で議論されている。
【００７４】
いくつかの実施形態では、アノード活物質は少なくとも５０ｗｔ％のリチウムを含む。場合によっては、アノード活物質は、少なくとも７５ｗｔ％、少なくとも９０ｗｔ％、少なくとも９５ｗｔ％、または少なくとも９９ｗｔ％のリチウムを含む。
【００７５】
いくつかの実施形態では、アノードは、放電中に放出され、充電中にアノードに組み込まれる（例えば挿入される）リチウムイオンを含む。いくつかの実施形態において、アノード活物質は、リチウム挿入化合物（例えば、格子部位および／または格子間部位にリチウムイオンを可逆的に挿入することができる化合物）である。特定の実施形態では、アノード活物質は、チタン酸リチウム（Ｌｉ４Ｔｉ５Ｏ１２、「ＬＴＯ」とも呼ばれる）、酸化スズコバルト、またはそれらの任意の組み合わせを含む。
【００７６】
上述のように、カソードはカソード活物質を含むことができる。例えば、図３を参照する。図１に示されるように、電気化学セル１００のカソード１１０は、カソード活物質を含む。特定の実施形態によれば、様々なカソード活物質が、本明細書に記載の電気化学セルのカソードと共に使用するのに適している。いくつかの実施形態において、カソード活物質は、リチウム挿入化合物（例えば、格子部位および／または格子間部位にリチウムイオンを可逆的に挿入することができる化合物）を含む。特定の場合、カソード活物質は層状酸化物を含む。層状酸化物とは、一般に、層状構造（例えば、互いに積み重ねられた複数のシートまたは層）を有する酸化物を指す。適切な層状酸化物の非限定的な例には、コバルト酸リチウム（ＬｉＣｏＯ２）、ニッケル酸リチウム（ＬｉＮｉＯ２）、およびマンガン酸リチウム（ＬｉＭｎＯ２）が含まれる。一部の実施形態では、層状酸化物は、リチウムニッケルマンガンコバルト酸化物（ＬｉＮｉｘＭｎｙＣｏｚＯ２、「ＮＭＣ」または「ＮＣＭ」とも呼ばれる）である。いくつかのそのような実施形態では、ｘ、ｙ、およびｚの合計は１である。例えば、適切なＮＭＣ化合物の非限定的な例は、ＬｉＮｉ１／３Ｍｎ１／３Ｃｏ１／３Ｏ２である。いくつかの実施形態では、層状酸化物は、式（Ｌｉ２ＭｎＯ３）ｘ（ＬｉＭＯ２）（１−ｘ）を有してもよく、ここでＭはＮｉ、Ｍｎ、およびＣｏのうちの少なくとも一つ以上である。例えば、層状酸化物は（Ｌｉ２ＭｎＯ３）０．２５（ＬｉＮｉ０．３Ｃｏ０．１５Ｍｎ０．５５Ｏ２）０．７５いくつかの実施形態において、層状酸化物は、リチウムニッケルコバルトアルミニウム酸化物（ＬｉＮｉｘＣｏｙＡｌｚＯ２、「ＮＣＡ」とも呼ばれる）である。いくつかのそのような実施形態では、ｘ、ｙ、およびｚの合計は１である。例えば、適切なＮＣＡ化合物の非限定的な例は、ＬｉＮｉ０．８Ｃｏ０．１５Ａｌ０．０５Ｏ２である。特定の実施形態において、カソード活物質は、遷移金属ポリアニオン酸化物（例えば、遷移金属、酸素、および／または絶対値が１より大きい電荷を有するアニオンを含む化合物）である。適切な遷移金属ポリアニオン酸化物の非限定的な例は、リン酸鉄リチウム（ＬｉＦｅＰＯ４、「ＬＦＰ」とも呼ばれる）である。適切な遷移金属ポリアニオン酸化物の別の非限定的な例は、リン酸マンガン鉄リチウム（ＬｉＭｎｘＦｅ１−ｘＰＯ４、「ＬＭＦＰ」とも呼ばれる）である。適切なＬＭＦＰ化合物の非限定的な例は、ＬｉＭｎ０．８Ｆｅ０．２ＰＯ４である。いくつかの実施形態では、カソード活物質はスピネル（例えば、構造ＡＢ２Ｏ４を有する化合物であり、ＡはＬｉ、Ｍｇ、Ｆｅ、Ｍｎ、Ｚｎ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｔｉ、またはＳｉであり、ＢはＡｌであり、  Ｆｅ、Ｃｒ、Ｍｎ、またはＶ）である。適切なスピネルの非限定的な例は、化学式ＬｉＭｘＭｎ２−ｘＯ４のマンガン酸リチウムである。ここで、ＭはＣｏ、Ｍｇ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｔｉ、Ｚｎの少なくとも一つ以上である。いくつかの実施形態では、ｘは０に等しくてもよく、スピネルはリチウムマンガン酸化物（ＬｉＭｎ２Ｏ４、「ＬＭＯ」とも呼ばれる）であってもよい。別の非限定的な例は、マンガン酸ニッケルリチウム（ＬｉＮｉｘＭ���−ｘＯ４、「ＬＭＮＯ」とも呼ばれる）である。適切なＬＭＮＯ化合物の非限定的な例は、ＬｉＮｉ０．５Ｍｎ１．５Ｏ４である。特定の場合、第２電極の電気活性材料は、Ｌｉ１．１４Ｍｎ０．４２Ｎｉ０．２５Ｃｏ０．２９Ｏ２（「ＨＣ−ＭＮＣ」）、炭酸リチウム（Ｌｉ２ＣＯ３）、炭化リチウム（例えば、Ｌｉ２Ｃ２、Ｌｉ４Ｃ、Ｌｉ６Ｃ２、Ｌｉ８Ｃ３、Ｌｉ６Ｃ３、Ｌｉ４Ｃ３、Ｌｉ４Ｃ５）、酸化バナジウム（例えば、Ｖ２Ｏ５、Ｖ２Ｏ３、Ｖ６Ｏ１３）、および／またはリン酸バナジウム（例えば、Ｌｉ３Ｖ２（ＰＯ４）３などのリン酸バナジウムリチウム）、またはそれらの任意の組み合わせである。いくつかの実施形態では、カソード活物質は変換化合物を含む。例えば、カソードはリチウム変換カソードであり得る。変換化合物を含むカソードは、比較的大きな比容量を有し得ることが認識されている。特定の理論に縛られることを望まないが、遷移金属ごとに複数の電子移動が起こる変換反応を通して化合物のすべての可能な酸化状態を利用することにより、比較的大きな比容量を達成することができる（例えば、０．１−１層間化合物の電子移動）。適切な変換化合物には、遷移金属酸化物（例：Ｃｏ３Ｏ４）、遷移金属水素化物、遷移金属硫化物、遷移金属窒化物、遷移金属フッ化物（例：ＣｕＦ２、ＦｅＦ２、ＦｅＦ３）が含まれるが、これらに限定されない。遷移金属は一般に、原子が部分的に満たされたｄサブシェルを持つ元素を指す（例えば、Ｓｃ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｙ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔｃ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｃｄ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｒｅ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｈｇ、Ｒｆ、Ｄｂ、Ｓｇ、Ｂｈ、Ｈｓ）。
【００７７】
場合によっては、カソード活物質の電気特性（例えば、導電率）を変えるために、カソード活物質に少なくとも一つまたは複数のドーパントをドープしてもよい。適切なドーパントの非限定的な例には、アルミニウム、ニオブ、銀、およびジルコニウムが含まれる。
【００７８】
特定の実施形態では、カソード活物質は硫黄を含む。いくつかの実施形態では、カソード活物質は、電気活性硫黄含有材料を含む。本明細書で使用される「電気活性硫黄含有材料」は、任意の形態の元素硫黄を含む電極活性材料を指し、電気化学活性は、硫黄原子または部分の酸化または還元を伴う。一例として、電気活性硫黄含有材料は元素硫黄（例えば、Ｓ８）を含んでもよい。いくつかの実施形態では、電気活性硫黄含有材料は、元素硫黄と硫黄含有ポリマーの混合物を含む。したがって、適切な電気活性硫黄含有材料には、有機または無機であり得る元素硫黄、硫化物または多硫化物（例えば、アルカリ金属）、および硫黄原子および炭素原子を含む有機材料が含まれるが、これらに限定されない。高分子ではなくてもよい。適切な有機材料には、ヘテロ原子、導電性ポリマーセグメント、複合材、および導電性ポリマーをさらに含むものが含まれるが、これらに限定されない。一部の実施形態において、電極（例えば、カソード）内の電気活性硫黄含有材料は、少なくとも約４０ｗｔ％の硫黄を含む。場合によっては、電気活性硫黄含有材料は、少なくとも約５０ｗｔ％、少なくとも約７５ｗｔ％、または少なくとも約９０ｗｔ％の硫黄を含む。
【００７９】
硫黄含有ポリマーの例には、Ｓｋｏｔｈｅｉｍらの米国特許第５，６０１，９４７号および第５，６９０，７０２号；  Ｓｋｏｔｈｅｉｍらの米国特許第５，５２９，８６０号および第６，１１７，５９０号。  ２００１年３月１３日に発行されたＧｏｒｋｏｖｅｎｋｏらの米国特許第６，２０１，１００号、およびＰＣＴ公開第ＷＯ９９／３３１３０号に記載されている。ポリスルフィド結合を含む他の適切な電気活性硫黄含有材料は、Ｓｋｏｔｈｅｉｍらの米国特許第５，４４１，８３１号、Ｐｅｒｉｃｈａｕｄらの米国特許第４，６６４，９９１号、およびＮａｏｉらの米国特許第５，７２３，２３０号、５，７８３，３３０号、５，７９２，５７５号および５，８８２，８１９号に記載されている。電気活性硫黄含有材料のさらに別の例は、例えば、Ａｒｍａｎｄらの米国特許第４，７３９，０１８号；Ｄｅ  Ｊｏｎｇｈｅらの米国特許第４，８３３，０４８号および第４，９１７，９７４号；両方ともＶｉｓｃｏらの米国特許第５，１６２，１７５号および第５，５１６，５９８号；およびＯｙａｍａらの米国特許第５，３２４，５９９号に記載されている。
【００８０】
カソードおよび／またはアノードは、上記のように、特定の実施形態によれば、細孔を含み得る。本明細書で使用される「細孔」は、ＡＳＴＭ  Ｄ６５８３−００を使用して測定される細孔を指し、これは油吸収により空隙率を測定し、一般に、少なくとも一部が媒体に囲まれている導管、空隙、または通路を指す細孔は、媒体内にとどまりながら連続したループが細孔の周りに引き寄せられるように形成される。一般に、材料に完全に囲まれている（したがって、材料の外部からアクセスできない、例えば独立気泡の）材料内の空隙は、本発明の文脈内の細孔とはみなされない。物品が粒子の凝集体を含む場合、細孔は粒子間細孔（すなわち、粒子が一緒に詰められたときに粒子間に定義される細孔、例えば隙間）と粒子内細孔（すなわち個々の粒子のエンベロープ内に横たわる細孔）の両方を含むことを理解されたい。細孔は、例えば、円形、楕円形、多角形（例えば、長方形、三角形など）、不規則などの任意の適切な断面形状を含んでもよい。
【００８１】
当業者によって理解されるように、第１０回目のサイクルの放電直後および電気化学セルが１０回完全にサイクルされた後の異方性力を受けるアノードの空隙率は、セルからアノードを取り外した後、上記の空隙率テストを適用することにより測定する。その後、アノードは異方性力を受けなくなる。アノードの除去は、セル内で異方性力を受けたときと比較して、アノードの空隙率の値に実質的な変化を引き起こさないため、この手順でアノードをテストすると、アノードの空隙率の値が示される一方、異方性力が加えられるとセルに組み込まれる。
【００８２】
上記のように、本発明の電気化学セルは電解質および／またはセパレーターを含む。例えば、図１に示すように、電気化学セル１００は電解質１３０を含む。電解質はセパレーターを含むことができる。電気化学またはバッテリーセルで使用される電解質は、イオンの貯蔵および輸送の媒体として機能でき、固体電解質およびゲル電解質の特別な場合、これらの材料は、アノードとカソードの間のセパレーターとしてさらに機能する。材料がアノードとカソードとの間のイオン（例えば、リチウムイオン）の輸送を促進する限り、イオンを貯蔵および輸送できる任意の液体、固体、またはゲル材料を使用してもよい。電解質は、アノードとカソード間の短絡を防ぐために電子的に非導電性である。いくつかの実施形態では、電解質は非固体電解質を含んでもよい。
【００８３】
いくつかの実施形態では、電解質は、製造プロセスの任意の時点で添加できる流体を含む。いくつかの場合、電気化学セルは、カソードとアノードを提供し、アノードの活性表面に垂直な異方性力成分を適用し、その後、電解質がカソードとアノードとを電気化学的に連通するように流体電解質を追加することにより製造される。他の場合、流体電解質は、異方性力成分の適用の前または同時に電気化学セルに追加されてもよく、その後、電解質はカソードおよびアノードと電気化学的に連通する。
【００８４】
電解質は、イオン伝導性を提供するための少なくとも一つ以上のイオン電解質塩と、少なくとも一つ以上の液体電解質溶媒、ゲルポリマー材料、またはポリマー材料を含むことができる。適切な非水性電解質には、液体電解質、ゲルポリマー電解質、および固体ポリマー電解質からなる群から選択される少なくとも一つまたは複数の材料を含む有機電解質が含まれ得る。リチウム電池用の非水性電解質の例は、Lithium Batteries, New Materials, Developments and Perspectives, Chapter 4, pp. 137-165, Elsevier, Amsterdam (1994).でDornineyによって説明されている。ゲルポリマー電解質および固体ポリマー電解質の例は、AlamgirらによってLithium Batteries, New Materials, Developments and Perspectives, Chapter 3, pp. 93-136, Elsevier, Amsterdam (1994)で説明されている。本明細書に記載の電池に使用できる不均一電解質組成物は、Mikhaylikらによる２００９年５月２６日に出願された「電解質の分離」と題する米国特許出願第１２／３１２，７６４号に記載されており、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。
【００８５】
有用な非水性液体電解質溶媒の例には、非水性有機溶媒、例えば、Ｎ−メチルアセトアミド、アセトニトリル、アセタール、ケタール、エステル、炭酸塩、スルホン、亜硫酸塩、スルホランが含まれるが、これらに限定されない。脂肪族エーテル、環状エーテル、グライム、ポリエーテル、リン酸エステル、シロキサン、ジオキソラン、Ｎ−アルキルピロリドン、前述の置換形態、およびそれらのブレンドが含まれる。前述のフッ素化誘導体も液体電解質溶媒として有用である。
【００８６】
場合によっては、水性溶媒は、例えばリチウム電池の電解質として使用できる。水性溶媒には、イオン塩などの他の成分を含む水が含まれる。上記のように、いくつかの実施形態では、電解質は、電解質中の水素イオンの濃度を低減するために、水酸化リチウムなどの種、または電解質を塩基性にする他の種を含むことができる。
【００８７】
液体電解質溶媒は、ゲルポリマー電解質、すなわち半固体ネットワークを形成する少なくとも一つまたは複数のポリマーを含む電解質の可塑剤としても有用である。有用なゲルポリマー電解質の例には、ポリエチレンオキシド、ポリプロピレンオキシド、ポリアクリロニトリル、ポリシロキサン、ポリイミド、ポリホスファゼン、ポリエーテル、スルホン化ポリイミド、過フッ素化膜（ＮＡＦＩＯＮ樹脂からなる群から選択される少なくとも一つ以上のポリマーを含むものが含まれるが、これらに限定されない。）、ポリジビニルポリエチレングリコール、ポリエチレングリコールジアクリレート、ポリエチレングリコールジメタクリレート、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、前述の誘導体、前述のコポリマー、前述の架橋およびネットワーク構造、および前述のブレンド、および付加的に少なくとも一つ以上の可塑剤が含まれる。いくつかの実施形態では、ゲルポリマー電解質は、体積で１０〜２０％、２０〜４０％、６０〜７０％、７０〜８０％、８０〜９０％、または９０〜９５％の不均一電解質を含む。
【００８８】
いくつかの実施形態では、少なくとも一つ以上の固体ポリマーを使用して電解質を形成することができる。有用な固体高分子電解質の例には、ポリエーテル、ポリエチレンオキシド、ポリプロピレンオキシド、ポリイミド、ポリホスファゼン、ポリアクリロニトリル、ポリシロキサン、前述の誘導体、前述のコポリマー、前述の架橋およびネットワーク構造、および前述のブレンドからなる群から選択される少なくとも一つ以上のポリマー、を含むものが含まれるが、これらに限定されない。
【００８９】
電解質を形成するための当技術分野で知られている電解質溶媒、ゲル化剤、およびポリマーに加えて、電解質はさらにイオン伝導性を高めるために当技術分野で知られている少なくとも一つ以上のイオン電解質塩をさらに含んでもよい。
【００９０】
本発明の電解質で使用するためのイオン電解質塩の例には、ＬｉＳＣＮ、ＬｉＢｒ、ＬｉＩ、ＬｉＣｌＯ４、ＬｉＡｓＦ６、ＬｉＳＯ３ＣＦ３、ＬｉＳＯ３ＣＨ３、ＬｉＢＦ４、ＬｉＢ（Ｐｈ）４、ＬｉＰＦ６、ＬｉＣ（ＳＯ２ＣＦ３）３、ＬｉＮ（ＳＯ２ＣＦ３）２、およびリチウムビス（フルオロスルホニル）イミド（ＬｉＦＳＩ）が含まれるが、これらに限定されない。有用な他の電解質塩には、リチウム多硫化物（Ｌｉ２Ｓｘ）、および有機多硫化物のリチウム塩（ＬｉＳｘＲ）ｎが含まれる。ここで、ｘは１〜２０の整数、ｎは１〜３の整数、Ｒは有機基であり、これらは、Ｌｅｅらによる米国特許第５，５３８，８１２号に開示されている。
【００９１】
いくつかの実施形態において、電解質は、一つ以上の室温イオン液体を含む。室温イオン液体は、存在する場合、典型的には一つ以上のカチオンと一つ以上のアニオンを含む。適切なカチオンの非限定的な例には、リチウムカチオンおよび／またはイミダゾリウム、ピロリジニウム、ピリジニウム、テトラアルキルアンモニウム、ピラゾリウム、ピペリジニウム、ピリダジニウム、ピリミジニウム、ピラジニウム、オキサゾリウム、およびトリゾリウムカチオンなどの一つまたは複数の第四級アンモニウムカチオンが含まれる。適切なアニオンの非限定的な例としては、トリフルオロメチルスルホネート（ＣＦ３ＳＯ３−）、ビス（フルオロスルホニル）イミド（Ｎ（ＦＳＯ２）２−、ビス（トリフルオロメチルスルホニル）イミド（（ＣＦ３ＳＯ２）２Ｎ−、ビス（ペルフルオロエチルスルホニル）イミド（（ＣＦ３ＣＦ２ＳＯ２）２Ｎ−およびトリス（トリフルオロメチルスルホニル）メチド（（ＣＦ３ＳＯ２）３Ｃ−が挙げられる。適切なイオン液体の非限定的な例には、Ｎ−メチル−Ｎ−プロピルピロリジニウム／ビス（フルオロスルホニル）イミドおよび１，２−ジメチル−３−プロピルイミダゾリウム／ビス（トリフルオロメタンスルホニル）が含まれるいくつかの実施形態では、電解質は室温イオン液体とリチウム塩の両方を含み、他のいくつかの実施形態では、電解質は室温イオン液体を含み、リチウム塩を含まない。
【００９２】
いくつかの実施形態では、電気化学セルは、カソードとアノードとの間に挿入されたセパレーターをさらに備えてもよい。いくつかの実施形態では、セパレーターは電解質に近接していてもよい。セパレーターは、短絡を防ぎ、アノードとカソードを互いに分離または絶縁し、アノードとカソードの間のイオンの輸送を可能にする固体の非導電性または絶縁性材料であってもよい。いくつかの実施形態では、多孔質セパレーターは電解質に対して透過性であってもよい。
【００９３】
セパレーターの細孔は、部分的または実質的に電解質で満たされていてもよい。セパレーターは、セルの製造中にアノードとカソードに挟まれた多孔質の自立膜として供給される。あるいは、例えば、CarlsonらのＰＣＴ公開番号ＷＯ９９／３３１２５やＢａｇｌｅｙらの米国特許第５，１９４，３４１号に記載されているように、多孔性セパレーター層を電極の一つの表面に直接適用してもよい。
【００９４】
様々なセパレーター材料が当技術分野で知られている。適切な固体多孔質セパレーター材料の例には、例えば、ポリエチレン（例えば、東燃化学株式会社製のＳＥＴＥＬＡ（商標））およびポリプロピレンなどのポリオレフィン、ガラス繊維濾紙、およびセラミック材料が含まれるが、これらに限定されない。例えば、いくつかの実施形態では、セパレーターは微孔性フィルム（例えば、微孔性ポリエチレンフィルム）を含む。本発明での使用に適したセパレーターおよびセパレーター材料のさらなる例は、微孔質キセロゲル層、例えば、微孔質擬ベーマイト層を含むものであり、自立フィルムとして、または、電極の一つに直接コーティングすることにより提供され得、これらは共譲受人であるＣａｒｌｓｏｎらによる米国特許第６，１５３，３３７号および第６，３０６，５４５号に記載されている。固体電解質およびゲル電解質は、電解質機能に加えてセパレーターとしても機能する。
【００９５】
上記のように、いくつかの実施形態では、本発明の電気化学セルは、加えられた異方性力の下にあり得る。いくつかの実施形態では、電気化学セルの断面を画定する平面内のすべての方向で力の大きさが実質的に等しくなるように異方性力を加えることができるが、面外方向の力の大きさは面内力の大きさと実質的に等しくない。
【００９６】
一組の実施形態では、本明細書に記載のセルは、セルの充電および／または放電中の少なくとも一つの期間中に、アノードの活性表面に垂直な成分で異方性力を加えるように構築および配置される。当業者はこの意味を理解するであろう。そのような配置では、セルは、セルの組み立て中または組み立て後に適用される、またはセル自体の一つ以上の部分の膨張および／または収縮の結果としてセルの使用中に適用される「負荷」によってそのような力を適用する容器の一部として形成され得る。
【００９７】
本明細書に記載の異方性力は、当技術分野で知られている任意の適切な方法を使用して加えることができる。いくつかの実施形態では、圧縮バネを使用して力を加えることができる。例えば、図１に示されるように、電気化学セル１００は、集電体１８０および／またはアノード１２０と格納構造１７０の隣接壁との間に位置する一つ以上の圧縮バネを有する任意の密閉格納構造１７０であって、電極１１０および１２０ならびに電解質１３０の方向に対する矢印１８２の方向の成分で力を生成してよい。いくつかの実施形態では、格納構造の外側表面と別の表面（例えば、テーブルトップ、別の格納構造の内面、隣接するセルなど）の間にバネが位置するように、格納構造の外側に一つ以上の圧縮バネを置くことにより力を加えてもよい。力は、他の要素（格納構造の内側または外側）を使用して力を加えることができ、これは特にベルビルワッシャー、ネジ、空気圧装置、および／または重りを含むが、これらに限定されない。例えば、一組の実施形態では、一つ以上のセル（例えば、セルのスタック）が、２つのプレート（例えば、金属プレート）の間に配置される。装置（例えば、ネジ、ばねなど）を使用して、プレートを介してセルまたはスタックの端に圧力を加えることができる。例えば、ネジの場合、セルは、ネジを回転させるとプレート間で圧縮される。別の例として、いくつかの実施形態では、一つまたは複数のウェッジが、セルの表面（またはセルを囲む格納構造）と固定表面（たとえば、テーブルトップ、別の格納構造の内面、隣接するセルなど）に配置（displace）されていてよい。異方性力は、セルと隣接する固定面との間でウェッジに力を加えることでウェッジを駆動することで適用できる（たとえば、ネジを回す）。
【００９８】
加えられる力の大きさは、いくつかの実施形態では、電気化学セルの性能を高めるのに十分な大きさである。アノード活性表面と異方性力は、場合によっては、異方性力がアノード活性表面の表面形態に影響を与え、充電および放電を通じてアノード活性表面積の増加を抑制するように一緒に選択することができ、異方性力はないが、それ以外の点では本質的に同一の条件下で、充電と放電のサイクルを通じてアノードの活性表面積が大幅に増加する。この文脈における「本質的に同一の条件」とは、力の適用および／または大きさ以外は類似または同一の条件を意味する。たとえば、他の点では同一の条件とは、同一であるが、（例えばブラケットやその他の接続などにより）対象のセルに異方性力を加えるように構築されていないセルを意味してよい。
【００９９】
いくつかの実施形態では、セルを１０回完全にサイクルした後、１０回目のサイクルの放電直後において測定した場合において、アノードの空隙率を２０％、１５％、１０％、５％、または１％未満にさせるのに有効な範囲で、アノードの活性表面に垂直な成分を伴う異方性力が加えられる。
【０１００】
いくつかの実施形態では、セルが完全に放電された状態にあるとき、残りの非リチウム金属成分に、１０００Ω／ｓｑ．、９００Ω／ｓｑ．、８００Ω／ｓｑ．、７００Ω／ｓｑ．、６００Ω／ｓｑ．、５００Ω／ｓｑ．、４００Ω／ｓｑ．、３００Ω／ｓｑ．２００Ω／ｓｑ．、または１００Ω／ｓｑ．未満のシート抵抗を有する領域を形成させるのに有効な範囲で、アノードの活性表面に垂直な成分と異方性力が加えられる。
【０１０１】
いくつかの実施形態では、電池の充電および／または放電中の少なくとも一つの期間において、アノードの活性表面に垂直な成分を有する異方性力が、異方性力がない場合の表面積の増加と比較してアノード活性表面の表面積の増加を抑制するのに有効な程度まで加えられる。アノード活性表面に垂直な異方性力の成分は、例えば、少なくとも約４．９、少なくとも約９．８、少なくとも約２４．５、少なくとも約４９、少なくとも約７８、少なくとも約９８、少なくとも約１１７．６、少なくとも約１４７、少なくとも約１７５、少なくとも約２００、少なくとも約２２５、少なくとも約２５０、少なくとも約３００、少なくとも約４００、または少なくとも約５００ニュートン／平方センチメートルの圧力を加えてもよい。いくつかの実施形態では、アノード活性表面に垂直な異方性力の成分は、例えば、約５００未満、約４００未満、約３００未満、約２５０未満、約２２５、約１９６未満、約１４７未満、約１１７．６未満、約９８未満、約４９未満、約２４．５未満、または約９．８ニュートン／平方センチメートル未満の圧力を加えてもよい。上記の値の組み合わせも可能である。場合によっては、アノード活性表面に垂直な異方性力の成分は、約４．９〜約１４７ニュートン／平方センチメートル、約４９〜約１１７．６ニュートン／平方センチメートル、約６８．６〜約９８ニュートン／平方センチメートル、約７８〜約１０８ニュートン／平方センチメートル、約４．９〜約２５０ニュートン／平方センチメートル、約４９〜約２５０ニュートン／平方センチメートル、約８０〜約２５０ニュートン／平方センチメートル、約９０〜約２５０ニュートン／平方センチメートル、または約１００〜約２５０ニュートン／平方センチメートルの圧力を加えることができる。いくつかの実施形態では、力または圧力は、本明細書で説明されるように、セルに外部から加えられてもよい。本明細書では、力と圧力はそれぞれ単位面積あたりのニュートンとニュートンの単位で一般的に説明されているが、力と圧力はそれぞれ単位面積あたりのキログラム力（ｋｇｆ）とキログラム力の単位で表すこともできる。当業者は、キログラム力ベースのユニットに精通しており、１キログラム力が約９．８ニュートンに相当することを理解するであろう。
【０１０２】
本明細書で説明するように、いくつかの実施形態では、（いくつかの実施形態においては、一軸性である）外部印加圧力の適用により、アノードの表面をサイクル中に強化することができる（例えば、リチウムの場合、苔状またはリチウムの粗い表面を減少または除去できる）。一部の実施形態では、外部から加えられる圧力は、アノードを形成する材料の降伏応力よりも大きくなるように選択されてもよい。例えば、リチウムを含むアノードの場合、セルは、少なくとも約８ｋｇｆ／ｃｍ２、少なくとも約９ｋｇｆ／ｃｍ２、少なくとも約１０ｋｇｆ／ｃｍ２の圧力、少なくとも約２０ｋｇｆ／ｃｍ２、少なくとも約３０ｋｇｆ／ｃｍ２、少なくとも約４０ｋｇｆ／ｃｍ２、または少なくとも約５０ｋｇｆ／ｃｍ２を定義する成分を伴う外部印加異方性力の下にあり得る。これは、リチウムの降伏応力が約７〜８ｋｇｆ／ｃｍ２であるためである。したがって、この値よりも高い圧力（一軸圧力など）では、苔状のＬｉ、またはいかなる表面粗さも減少または抑制され得る。リチウム表面の粗さは、それを押し付けている表面を模倣する場合がある。したがって、少なくとも約８ｋｇｆ／ｃｍ２、少なくとも約９ｋｇｆ／ｃｍ２、または少なくとも約１０ｋｇｆ／ｃｍ２、少なくとも約２０ｋｇｆ／ｃｍ２、少なくとも約３０ｋｇｆ／ｃｍ２、少なくとも約４０ｋｇｆ／ｃｍ２、または少なくとも約５０ｋｇｆ／ｃｍ２の外部印加圧力の下サイクルされるとき、リチウム表面は、プレス表面が滑らかな場合、サイクルにより滑らかになる場合がある。本明細書に記載されるように、アノードとカソードとの間に配置される適切な材料を選択することにより、押圧面を修正することができる。
【０１０３】
場合によっては、セルに加えられる一つまたは複数の力に、アノードの活性表面に垂直でない成分が含まれる。例えば、図１に示すように、力１８４は、電極１１０の活性表面１８５に対して垂直ではない。一組の実施形態において、アノード活性表面に垂直な方向に加えられるすべての異方性力の成分の合計は、アノードの活性表面に対して垂直ではない方向における成分の合計よりも大きい。いくつかの実施形態では、アノード活性表面に垂直な方向に加えられるすべての異方性力の成分の合計は、アノード活性表面に平行な方向の成分の合計よりも、少なくとも約５％、少なくとも約１０％、少なくとも約２０％、少なくとも約３５％、少なくとも約５０％、少なくとも約７５％、少なくとも約９０％、少なくとも約９５％、少なくとも約９９％、または少なくとも約９９．９％大きい。
【０１０４】
場合によっては、セルは格納構造に挿入される前に事前に圧縮されている可能性があり、格納構造に挿入されると、セルが膨張してセルに正味の力が生じる場合がある。そのような配置は、例えば、セルが圧力の比較的大きな変動に耐えることができる場合に有利となり得る。そのような実施形態では、格納構造は比較的高い強度（例えば、少なくとも約１００ＭＰａ、少なくとも約２００ＭＰａ、少なくとも約５００ＭＰａ、または少なくとも約１ＧＰａ）を有し得る。加えて、格納構造は、比較的高い弾性率（例えば、少なくとも約１０ＧＰａ、少なくとも約２５ＧＰａ、少なくとも約５０ＧＰａ、または少なくとも約１００ＧＰａ）を有し得る。格納構造は、例えば、アルミニウム、チタン、または任意の他の適切な材料を含み得る。
【０１０５】
以下の出願は、すべての目的のために、その全体が参照により本明細書に組み込まれる:
2007年9月27日付け米国特許公開No. US 2007/0221265, 2006年4月6日付け出願No. 11/400,781 タイトル:“Rechargeable Lithium/Water, Lithium/Air Batteries”;
2009年2月5日付け米国特許公開No. US 2009/0035646, 2007年7月31日付け出願No. 11/888,339 タイトル:“Swelling Inhibition in Batteries”;
2010年5月17日付け米国特許公開No. US 2010/0129699, 2010年2月2日付け出願No. 12/312,674 2013年12月31日付け米国特許No. 8,617,748 タイトル:“Separation of Electrolytes”;
2010年11月18日付け米国特許公開No. US 2010/0291442, 2010年7月30日付け出願No. 12/682,011 2014年10月28日付け米国特許No. 8,871,387 , タイトル:“Primer for Battery Electrode”;
2009年8月31日付け米国特許公開No. US 2009/0200986, 2008年2月8日付け出願No. 12/069,335 2012年9月11日付け米国特許No. 8,264,205 タイトル:“Circuit for Charge and/or Discharge Protection in an Energy-Storage Device”;
2007年9月27日付け米国特許公開No. US 2007/0224502, 2006年4月6日付け出願No. 11/400,025 2010年8月10日付け米国特許No. 7,771,870 タイトル:“Electrode Protection in Both Aqueous and Non-Aqueous Electrochemical cells, Including Rechargeable Lithium Batteries”;
2008年12月25日付け米国特許公開No. US 2008/0318128, 2007年6月22日付け出願No. 11/821,576 タイトル:“Lithium Alloy/Sulfur Batteries”;
2002年5月9日付け米国特許公開No. US 2002/0055040, , 2001年2月27日付け出願No. 09/795,915 2011年5月10日付け米国特許No. 7,939,198 タイトル:“Novel Composite Cathodes, Electrochemical Cells Comprising Novel Composite Cathodes, and Processes for Fabricating Same”;
2006年10月26日付け米国特許公開No. US 2006/0238203, 2005年4月20日付け出願No. 11/111,262 2010年3月30日付け米国特許No. 7,688,075 タイトル:“Lithium Sulfur Rechargeable Battery Fuel Gauge Systems and Methods”; 
2008年8月7日付け米国特許公開No. US 2008/0187663, 2007年3月23日付け出願No. 11/728,197 2011年12月27日付け米国特許No. 8,084,102 タイトル:“Methods for Co-Flash Evaporation of Polymerizable Monomers and Non-Polymerizable Carrier Solvent/Salt Mixtures/Solutions”; 
2011年1月13日付け米国特許公開No. US 2011/0006738, 2010年9月23日付け出願No. 12/679,371 タイトル:“Electrolyte Additives for Lithium Batteries and Related Methods”;
2011年1月13日付け米国特許公開No. US 2011/0008531, 2010年9月23日付け出願No. 12/811,576 2015年5月19日付け米国特許No. 9,034,421 タイトル:“Methods of Forming Electrodes Comprising Sulfur and Porous Material Comprising Carbon”;
2010年2月11日付け米国特許公開No. US 2010/0035128, 2009年8月4日付け出願No. 12/535,328 2015年8月11日付け米国特許No. 9,105,938 タイトル:“Application of Force in Electrochemical Cells”;
2011年7月15日付け米国特許公開No. US 2011/0165471, 2008年7月25日付け出願No. 12/180,379 タイトル:“Protection of Anodes for Electrochemical Cells”;
2006年10月5日付け米国特許公開No. US 2006/0222954, , 2006年6月13日付け出願No. 11/452,445 2013年4月9日付け米国特許No. 8,415,054 タイトル:“Lithium Anodes for Electrochemical Cells”;
2010年9月23日付け米国特許公開No. US 2010/0239914, 2010年3月19日付け出願No. 12/727,862 タイトル:“Cathode for Lithium Battery”;
2010年11月25日付け米国特許公開No. US 2010/0294049, 2009年5月22日付け出願No. 12/471,095 2012年1月3日付け米国特許No. 8,087,309 タイトル:“Hermetic Sample Holder and Method for Performing Microanalysis under Controlled Atmosphere Environment”;
2011年3月31日付け米国特許公開No. US 2011/00765560, 2010年8月24日付け出願No. 12/862,581 タイトル:“Electrochemical Cells Comprising Porous Structures Comprising Sulfur”;
2011年3月24日付け米国特許公開No. US 2011/0068001, 2010年8月24日付け出願No. 12/862,513 タイトル:“Release System for Electrochemical Cells”;
2012年3月1日付け米国特許公開No. US 2012/0048729, 2011年8月24日付け出願No. 13/216,559 タイトル:“Electrically Non-Conductive Materials for Electrochemical Cells”;
2011年7月21日付け米国特許公開No. US 2011/0177398, 2010年8月24日付け出願No. 12/862,528 タイトル:“Electrochemical Cell”;
2011年3月24日付け米国特許公開No. US 2011/0070494, 2010年8月24日付け出願No. 12/862,563 タイトル:“Electrochemical Cells Comprising Porous Structures Comprising Sulfur”;
2011年3月24日付け米国特許公開No. US 2011/0070491, 2010年8月24日付け出願No. 12/862,551 タイトル:“Electrochemical Cells Comprising Porous Structures Comprising Sulfur”;
2011年3月10日付け米国特許公開No. US 2011/0059361, 2010年8月24日付け出願No. 12/862,576 2015年4月14日付け米国特許No. 9,005,009 タイトル:“Electrochemical Cells Comprising Porous Structures Comprising Sulfur”;
2012年3月22日付け米国特許公開No. US 2012/0070746, 2011年9月22日付け出願No. 13/240,113 タイトル:“Low Electrolyte Electrochemical Cells”;
2011年8月25日付け米国特許公開No. US 2011/0206992, 2011年2月23日付け出願No. 13/033,419 タイトル:“Porous Structures for Energy Storage Devices”;
2013年1月17日付け米国特許公開No. 2013/0017441, 2012年6月15日付け出願No. 13/524,662 2017年1月17日付け米国特許No. 9,548,492 タイトル:“Plating Technique for Electrode”;
2013年8月29日付け米国特許公開No. US 2013/0224601, 2013年2月14日付け出願No. 13/766,862 2015年7月7日付け米国特許No. 9,077,041 タイトル:“Electrode Structure for Electrochemical Cell”;
2013年9月26日付け米国特許公開No. US 2013/0252103, 2013年3月8日付け出願No. 13/789,783 2015年12月15日付け米国特許No. 9,214,678 タイトル:“Porous Support Structures, Electrodes Containing Same, and Associated Methods”;
2013年4月18日付け米国特許公開No. US 2013/0095380, 2012年10月4日付け出願No. 13/644,933 , 2015年1月20日付け米国特許No. 8.936,870 タイトル:“Electrode Structure and Method for Making the Same”;
2014年5月8日付け米国特許公開No. US 2014/0123477, , 2013年11月1日付け出願No. 14/069,698 2015年4月14日付け米国特許No. 9,005,311 タイトル:“Electrode Active Surface Pretreatment”;
2014年7月10日付け米国特許公開No. US 2014/0193723, 2014年1月8日付け出願No. 14/150,156 2017年1月31日付け米国特許No. 9,559,348 タイトル:“Conductivity Control in Electrochemical Cells”;
2014年9月11日付け米国特許公開No. US 2014/0255780, 2014年3月5日付け出願No. 14/197,782 2016年11月6日付け米国特許No. 9,490,478 タイトル:“Electrochemical Cells Comprising Fibril Materials”;
2014年9月18日付け米国特許公開No. US 2014/0272594, 2013年3月15日付け出願No. 13/833,377 タイトル:“Protective Structures for Electrodes”;
2014年9月18日付け米国特許公開No. US 2014/0272597, 2014年3月13日付け出願No. 14/209,274 タイトル:“Protected Electrode Structures and Methods”;
2014年7月10日付け米国特許公開No. US 2014/0193713, 2014年1月8日付け出願No. 14/150,196 2016年12月27日付け米国特許No. 9,531,009 タイトル:“Passivation of Electrodes in Electrochemical Cells”;
2014年9月18日付け米国特許公開No. US 2014/0272565, 2014年3月13日付け出願No. 14/209,396 タイトル:“Protected Electrode Structures”;
2015年1月8日付け米国特許公開No. US 2015/0010804, 2014年7月3日付け出願No. 14/323,269 タイトル:“Ceramic/Polymer Matrix for Electrode Protection in Electrochemical Cells, Including Rechargeable Lithium Batteries”;
2015年2月12日付け米国特許公開No. US 2015/044517, 2014年8月8日付け出願No. 14/455,230 タイトル:“Self-Healing Electrode Protection in Electrochemical Cells”;
2015年8月20日付け米国特許公開No. US 2015/0236322, 2014年2月19日付け出願No. 14/184,037 タイトル:“Electrode Protection Using Electrolyte-Inhibiting Ion Conductor”;
2016年3月10日付け米国特許公開No. US 2016/0072132, 2015年9月9日付け出願No. 14/848,659 タイトル:“Protective Layers in Lithium-Ion Electrochemical Cells and Associated Electrodes and Methods”.
【０１０６】
２０１７年６月９日に出願された「In Situ Current Collector」というタイトルの米国仮出願Ｎｏ．６２／５１７，４０９号は、あらゆる目的のために参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。
【０１０７】
［実施例］
以下の実施例は、本発明の特定の実施形態を例示することを意図しているが、本発明の全範囲を例示するものではない。
【０１０８】
以下の実施例および比較例において、セルは以下の方法により調製された。開示された発明の非限定的な実施形態を組み込む実施例では、アノードは２milのＬｉ／Ｍｇ固溶体で作られた。比較例では、アノードは従来の２ｍｉｌのＬｉ箔で作られた。実施例および比較例の両方で使用されたカソードは、コバルト酸リチウム（ＬＣＯ）カソードであった。実施例および比較例の両方で使用された多孔質セパレーターは、２５μｍのポリオレフィン（Ｃｅｌｇａｒｄ  ２３２５）であった。上記の要素を組み立てて、カソード／セパレーター／アノード／セパレーター／カソードの積層構造で電気化学セルを形成し、活性カソード材料充填量は片側あたり２１ｍｇ／ｃｍ２であった。各セルの総表面積は１６．６ｃｍ２であった。フォイルポーチでセルコンポーネントを密閉した後、ＢＡＳＦのＬＰ３０電解液［重量比１：１の炭酸ジメチル（ＤＭＣ）と炭酸エチレン（ＥＣ）の１Ｍリチウムヘキサフルオロホスフェート（ＬｉＰＦ６）］を０．３ｍＬ添加した。次に、セルパッケージを真空密封した。これらのセルを無制限に電解液に２４時間浸し、１０ｋｇ／ｃｍ２の圧力をかけた。すべてのセルは、このような圧力下でサイクルされた。充電および放電サイクルは、標準のＣ／８（１２．５ｍＡ）およびＣ／５レート（２０ｍＡ）で、それぞれ４．２Ｖまたは４．３Ｖの充電カットオフ電圧、４．２Ｖまたは４．３Ｖで１ｍＡのテーパーで行われた。充電状態のセルが元の容量の８０％の容量に達するまで、セルの充電／放電サイクルを繰り返した。この容量低下状態に達するまでにかかったサイクル数が観察された。
【０１０９】
実施例１
本発明の一実施形態によれば、Ｌｉ／Ｍｇ固溶体を含む厚さ２milのアノードが、上述の条件に従って製造および操作される電気化学セルに組み込まれた。充電電圧のカットオフは４．２Ｖであった。
【０１１０】
実施例２
本発明の一実施形態によれば、Ｌｉ／Ｍｇ固溶体を含む厚さ２milのアノードが、上述の条件に従って製造および操作される電気化学セルに組み込まれた。充電電圧のカットオフは４．３Ｖであった。
【０１１１】
比較例１
第１の比較例では、従来の２milのＬｉ箔が、上述の条件に従って製造および操作される電気化学セルのアノードとして使用された。充電電圧のカットオフは４．２Ｖであった。
【０１１２】
比較例２
第２の比較例では、従来の２milのＬｉ箔が、上述の条件に従って製造および操作される電気化学セルのアノードとして使用された。充電電圧のカットオフは４．３Ｖであった。
【０１１３】
結果
表１に示すように、アノードとしてＬｉ／Ｍｇ固溶体を使用すると、実施例１と実施例２は、比較例よりもサイクル寿命が大幅に改善された。
表１：実施例と比較例のサイクル性能：
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【０１１４】
表１に示すように、リチウムマグネシウム固溶体を含むアノードを組み込んだ実施例１および２の電気化学セルは、放電状態での容量が元の容量の８０％に低下する前に、それぞれ７２回および７６回サイクルできた。対照的に、比較例１および２の電気化学セルは、それぞれ２９サイクルおよび２８サイクル後に元の容量の８０％に減少した。これらの試行は、開示された固溶体アノードの使用により改善された性能を示している。
【０１１５】
さらに、寿命末期セルを開いて、ＬｉおよびＬｉ／Ｍｇ固溶体のインテグリティを調べた。図３Ａは従来のリチウムアノードが使用された比較例１の電気化学セルの光学画像を示す。リチウムは薄片状であり、多くの局所的な領域で接続が失われていることがはっきりと観察できる。図３Ｂは、本発明の一実施形態による、Ｌｉ／Ｍｇ固溶体を含むアノードが組み込まれた実施例１の電気化学セルの光学画像を示す。図３Ｂは、Ｌｉ／Ｍｇ固溶体が無傷のシートとして残ったことを示している。
【０１１６】
本明細書では本発明のいくつかの実施形態を説明および図示したが、当業者は、機能を実行し、および／または結果を取得するためのさまざまな他の手段および／または構造および／または一つ以上を容易に構想するであろう。本明細書に記載される利点、およびそのような変形および／または修正のそれぞれは、本発明の範囲内であるとみなされる。より一般的に、当業者は、本明細書に記載のすべてのパラメータ、寸法、材料、および構成が例示であることを意味し、実際のパラメータ、寸法、材料、および／または構成が、本発明の教示が使用される特定の用途に依存することを容易に理解するであろう。当業者は、本明細書に記載の本発明の特定の実施形態に対する多くの同等物を認識するか、または日常的な実験のみを使用して確認することができるであろう。したがって、前述の実施形態は例としてのみ提示されており、添付の特許請求の範囲およびその均等物の範囲内で、本発明は具体的に説明および請求された以外の方法で実施できることを理解されたい。本発明は、本明細書に記載される個々の特徴、システム、物品、材料、および／または方法のそれぞれを対象とする。さらに、そのような機能、システム、物品、材料、および／または方法が相互に矛盾しない場合、そのような機能、システム、物品、材料、および／または方法の二つ以上の任意の組み合わせが本発明の範囲に含まれる。
【０１１７】
明確性のために、セルのライフサイクルの特定のポイント（たとえば、１０回目のサイクルの放電直後）が測定された際の、特定の特性（特定の空隙率またはシート抵抗など）を有する電気化学セルまたはセルのコンポーネント（アノードなど）が参照されるときは、そのような参照はセル（またはその他のクレームされた装置）の特性を測定するためのスクリーニング試験を構成することを理解する必要がある。装置がスクリーニング試験に供されていない場合、または試験が行われるライフサイクルの記載されたポイントに達していない場合でも、装置がスクリーニング試験に供されると列挙された特性（例えば、空隙率、シート抵抗）を有し、装置（例えば、電気化学セル）がスクリーニング試験で列挙された制限を満たすと理解されるように、クレーム内のスクリーニング試験は解釈されるべきである。
【０１１８】
本明細書および特許請求の範囲において本明細書で使用される不定冠詞「ａ」および「ａｎ」は、反対に明確に示されない限り、「少なくとも一つ」を意味すると理解されるべきである。
【０１１９】
本明細書および特許請求の範囲で本明細書で使用される語句「および／または」は、そのように結合された要素、すなわちある場合に連言的に存在し、他の要素に選言的に存在する要素の「いずれかまたは両方」を意味すると理解されるべきである。「および／または」節によって具体的に特定される要素以外に、明確に反対の指示がない限り、具体的に特定される要素に関連するかどうかに関係なく、他の要素がオプションで存在してもよい。したがって、非限定的な例として、「含む」などのオープンエンド言語と組み合わせて使用される場合の「Ａおよび／またはＢ」は、一実施形態では、Ｂを含まないＡ（任意で、Ｂ以外の要素を含む）；別の実施形態では、Ａを含まないＢ（任意にＡ以外の要素を含む）、さらに別の実施形態では、ＡおよびＢの両方（オプションで他の要素を含む）；等を指すものとする。
【０１２０】
本明細書および特許請求の範囲で使用される「または」は、上記で定義された「および／または」と同じ意味を有すると理解されるべきである。たとえば、列挙される事項を分離する際の、「または」または「および／または」は包括的、つまり数多くの又は列挙される事項の少なくとも一つを含むが複数も含むみ、そして、任意で、追加の列挙されない事項を含んでもよいものと解釈されるものとする。「ただ一つ」または「正確に一つ」などの明確に反対の用語のみ、または請求項で「からなる」と使用される場合は、数字または列挙される要素の正確に一つの要素を含めることを指す。概略的には、本明細書で使用される「または」という用語は、「どちらか」「一方」「一方のみ」などの排他性の用語が先行する場合に、排他的代替（すなわち「両方ではなく、一方または他方」）を示すものとしてのみ解釈される。「本質的に〜からなる」は、特許請求の範囲で使用される場合、特許法の分野で使用される通常の意味を有するものとする。
【０１２１】
本明細書および特許請求の範囲で使用される場合、一つまたは複数の要素の列挙に関して「少なくとも一つ」という語句は、要素の列挙の一つまたは複数の要素から選択される少なくとも一つの要素を意味すると理解されるべきである。ただし、要素の列挙内に具体的に列挙されている各要素の少なくとも一つを必ずしも含む必要はなく、要素の列挙内の要素の組み合わせを除外しない。また、この定義により、具体的に特定された要素に関連するかどうかに関係なく、「少なくとも一つ」という語句が指す要素の列挙内で具体的に特定された要素以外に要素が任意で存在することができる。したがって、非限定的な例として、「ＡおよびＢの少なくとも一つ」（または、同等に「ＡまたはＢの少なくとも一つ」、または同等に「Ａおよび／またはＢの少なくとも一つ」）は、一実施形態では、Ｂが存在しない少なくとも一つであり、任意に複数のＡを含む（および任意でＢ以外の要素を含む）；別の実施形態では、少なくとも一つ、任意で二つ以上のＢを含み、Ａが存在しない（および任意でＡ以外の要素を含む）。さらに別の実施形態では、少なくとも一つ、任意に複数のＡを含み、少なくとも一つ、任意に複数のＢを含む（および任意に他の要素を含む）、等が挙げられる。
【０１２２】
上記の明細書と同様に、特許請求の範囲では、「含んでなる（comprising）」、「含む（including）」、「運ぶ」、「有する」、「含む（containing）」、「含む（involving）」、「保持する」などのすべての移行句などは、開放式であると理解されるべきである、すなわち、含むがそれに限定されないことを意味する。米国特許庁の特許審査手続マニュアル、セクション２１１１．０３に記載されているように、移行句「からなる」および「から本質的になる」のみを、閉鎖式又は半閉鎖式の移行句とする。
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【国際調査報告】
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