KR102230556B1 - 3차원 배터리들을 위한 전극 구조들 - Google Patents

3차원 배터리들을 위한 전극 구조들 Download PDF

Info

Publication number
KR102230556B1
KR102230556B1 KR1020157005561A KR20157005561A KR102230556B1 KR 102230556 B1 KR102230556 B1 KR 102230556B1 KR 1020157005561 A KR1020157005561 A KR 1020157005561A KR 20157005561 A KR20157005561 A KR 20157005561A KR 102230556 B1 KR102230556 B1 KR 102230556B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
electrode
group
length
cathode
anode
Prior art date
Application number
KR1020157005561A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20150045456A (ko
Inventor
하롤드 존스 러스트
아쇼크 라히리
무랄리 라마서브라마니안
로버트 엠. 스포니츠
로버트 에이. 콜레
군터 코블밀러
니라브 샤
브라이언 이. 브루스카
크리스토퍼 지. 캐슬딘
로리 제이. 라우츨란
제임스 디. 윌콕스
Original Assignee
에노빅스 코오퍼레이션
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 에노빅스 코오퍼레이션 filed Critical 에노빅스 코오퍼레이션
Priority to KR1020217007832A priority Critical patent/KR102428025B1/ko
Publication of KR20150045456A publication Critical patent/KR20150045456A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102230556B1 publication Critical patent/KR102230556B1/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/13—Electrodes for accumulators with non-aqueous electrolyte, e.g. for lithium-accumulators; Processes of manufacture thereof
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/04—Construction or manufacture in general
    • H01M10/0436—Small-sized flat cells or batteries for portable equipment
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05—Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/052—Li-accumulators
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05—Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/052—Li-accumulators
    • H01M10/0525—Rocking-chair batteries, i.e. batteries with lithium insertion or intercalation in both electrodes; Lithium-ion batteries
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05—Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/058—Construction or manufacture
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05—Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/058—Construction or manufacture
    • H01M10/0585—Construction or manufacture of accumulators having only flat construction elements, i.e. flat positive electrodes, flat negative electrodes and flat separators
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/13—Electrodes for accumulators with non-aqueous electrolyte, e.g. for lithium-accumulators; Processes of manufacture thereof
    • H01M4/133—Electrodes based on carbonaceous material, e.g. graphite-intercalation compounds or CFx
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/13—Electrodes for accumulators with non-aqueous electrolyte, e.g. for lithium-accumulators; Processes of manufacture thereof
    • H01M4/134—Electrodes based on metals, Si or alloys
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/38—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of elements or alloys
    • H01M4/386—Silicon or alloys based on silicon
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/48—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic oxides or hydroxides
    • H01M4/52—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic oxides or hydroxides of nickel, cobalt or iron
    • H01M4/525—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic oxides or hydroxides of nickel, cobalt or iron of mixed oxides or hydroxides containing iron, cobalt or nickel for inserting or intercalating light metals, e.g. LiNiO2, LiCoO2 or LiCoOxFy
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/58—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic compounds other than oxides or hydroxides, e.g. sulfides, selenides, tellurides, halogenides or LiCoFy; of polyanionic structures, e.g. phosphates, silicates or borates
    • H01M4/583—Carbonaceous material, e.g. graphite-intercalation compounds or CFx
    • H01M4/587—Carbonaceous material, e.g. graphite-intercalation compounds or CFx for inserting or intercalating light metals
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/64—Carriers or collectors
    • H01M4/66—Selection of materials
    • H01M4/665—Composites
    • H01M4/667—Composites in the form of layers, e.g. coatings
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/64—Carriers or collectors
    • H01M4/70—Carriers or collectors characterised by shape or form
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/40—Separators; Membranes; Diaphragms; Spacing elements inside cells
    • H01M50/409—Separators, membranes or diaphragms characterised by the material
    • H01M50/411—Organic material
    • H01M50/414—Synthetic resins, e.g. thermoplastics or thermosetting resins
    • H01M50/417—Polyolefins
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/40—Separators; Membranes; Diaphragms; Spacing elements inside cells
    • H01M50/409—Separators, membranes or diaphragms characterised by the material
    • H01M50/446—Composite material consisting of a mixture of organic and inorganic materials
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/40—Separators; Membranes; Diaphragms; Spacing elements inside cells
    • H01M50/489—Separators, membranes, diaphragms or spacing elements inside the cells, characterised by their physical properties, e.g. swelling degree, hydrophilicity or shut down properties
    • H01M50/491—Porosity
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Composite Materials (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Secondary Cells (AREA)
  • Battery Electrode And Active Subsutance (AREA)
  • Electric Double-Layer Capacitors Or The Like (AREA)
  • Cell Electrode Carriers And Collectors (AREA)

Abstract

전극들의 집단, 상대-전극들의 집단 및 전극 집단의 부재들을 상대-전극 집단의 부재들로부터 분리하는 미세다공성 격리막을 포함하는, 에너지 저장 장치에서 사용하기 위한 전극 구조. 전극 집단의 각 부재는 전극 활성 물질층 및 전극 전류 전도체층을 포함하며, 전극 집단의 각 부재는 하부, 상부, 길이 LE, 폭 WE 및 높이 HE를 가지며, 여기서 LE 대 WE 및 HE 각각의 비는 적어도 5:1이고, HE 대 WE의 비는 0.4:1 내지 1000:1 사이에 있고, 전극 집단의 각 부재의 전극 전류 콜렉터층은 동일 방향으로 측정되고 길이 LE의 적어도 50%인 길이 LC를 갖는다.

Description

3차원 배터리들을 위한 전극 구조들{ELECTRODE STRUCTURES FOR THREE-DIMENSIONAL BATTERIES}
본 발명은 일반적으로 에너지 저장 장치들에서 사용하기 위한 구조들, 이러한 구조들을 탑재한 에너지 저장 장치들, 및 이러한 구조들 및 에너지 장치들을 생성하기 위한 방법들에 관한 것이다.
록킹 체어(rocking chair) 또는 삽입 2차 배터리들은 리튬, 나트륨, 포타슘, 칼슘 또는 마그네슘 이온들과 같은 캐리어 이온들(carrier ions)이 전해질을 통해 양극과 음극 간을 이동하는 에너지 저장 장치의 유형이다. 2차 배터리는 단일 배터리 셀, 혹은 배터리를 형성하기 위해 전기적으로 결합된 2 이상의 배터리 셀들을 포함할 수 있고, 각 배터리 셀은 양극, 음극, 미세다공성 격리막(microporous separator) 및 전해질을 포함한다.
록킹 체어 배터리 셀들에서, 양극 및 음극들 양자는 캐리어 이온이 삽입되고 추출되는 물질들을 포함한다. 셀이 방전될 때, 캐리어 이온들은 음극으로부터 추출되어 양극에 삽입된다. 셀이 충전될 때, 역 프로세스가 일어나는데, 캐리어 이온은 양극으로부터 추출되어 음극에 삽입된다.
도 1은 비수성, 리튬-이온 배터리와 같은, 기존의 에너지 저장 장치의 전기화학 적층의 단면도를 도시한다. 전기화학 적층(1)은 양극 전류 콜렉터(12)를 포함하고, 이 상부에 양극 활성 물질층(13)이 조립된다. 이 층은 미세다공성 격리막(14)에 의해 커버되고, 이 위에 음극 전류 콜렉터(15) 및 음극 활성 물질층(16)의 조립체가 배치된다. 이 적층은 종종 음극 전류 콜렉터(15) 위에 다른 격리막 층(미도시)으로 커버되고, 캔으로 롤링되어 스터핑(stuffing)되고, 비수성 전해질로 채워져 2차 배터리를 조립한다.
양극 및 음극 전류 콜렉터들은 각각의 활성 전기화학 전극들로부터 전기 전류를 모으고 배터리 외부의 환경으로 전류를 전달할 수 있게 한다. 음극 전류 콜렉터의 부분은 음극 활성 물질과 물리적으로 접촉하는 한편 양극 전류 콜렉터의 부분은 양극 활성 물질과 물리적으로 접촉한다. 전류 콜렉터들은 전기화학 반응에 관여하지 않으며, 따라서 애노드(anode) 및 캐소드(cathode)를 위한 각각의 전기화학적 잠재적 범위 내에서 전기화학적으로 안정된 물질들로 제한된다.
전류를 전류 콜렉터로부터 배터리 외부의 환경으로 제공해 주기 위해서, 음극 및 양극 전류 콜렉터들은 전형적으로 총괄적으로 접촉들로 지칭되는, 전극 버스, 탭, 태그, 패키지 피드-스루(package feed-through) 또는 하우징 피드-스루에 전형적으로 각각 연결된다. 접촉의 하나의 말단은 하나 이상의 전류 콜렉터들에 연결되는 한편 다른 말단은 배터리 외부의 환경에의 전기적 연결을 위해 배터리 패키징을 통과한다. 음극 접촉은 음극 전류 콜렉터들에 연결되고, 양극 접촉은 용접, 크림핑(crimping), 또는 초음파 압착(ultrasonic bonding)에 의해 양극 전류 콜렉터들에 연결되며, 혹은 전기적 도전성 글루로 적소에 접착된다.
통상의 권취된 배터리들(예를 들면, 미국 특허 6,090,505호 및 6,235,427호 참조)는 전형적으로 단일 포일(foil)로 코팅되고 셀 조립에 앞서 압축되는 전극 물질들(활성 물질들, 결합제, 전도성 보조물)을 갖는다. 전극이 코팅되는 포일은 전형적으로 전류 수집 경로의 부분이다. 18650 또는 각기둥형 셀들과 같은 단일의 젤리롤 배터리들에서, 전류 콜렉터 포일은 활성 물질들로부터의 전류를 전류 콜렉터 포일들 및 탭들을 통해 배터리의 외부로 운반하는 전극 버스들, 탭들, 태그들 등에 초음파로 용접된다. 설계에 따라, 단일 젤리롤을 따라, 혹은 전류 콜렉터 포일의 하나 또는 양 단부들에서의 하나의 위치를 따라, 다수의 위치들에 탭들이 있을 수 있다. 통상의 적층된 배터리 파우치 셀들(pouch cells)은 각 포일의 상부에 이어서 탭에 모여 함께 용접되고 그 후 전류를 배터리 파우치의 외부로 운반하는 영역들을 가진 활성 물질의 다수의 플레이트들(또는 포일들)을 갖는다(예를 들면, 미국 특허 공개 번호 2005/0008939호 참조).
다시 도 1을 참조하면, 충전 프로세스 동안, 리튬은 양극 캐소드 층(13)을 이탈하여 격리막(14)을 통하여 리튬 이온들로서 음극 활성 물질층(16)으로 이동한다. 사용되는 음극 활성 물질에 따라, 리튬 이온들은 삽입하거나(예를 들면, 합금을 형성하지 않고 음극 활성 물질의 매트릭스에 안착한다), 합금을 형성한다. 방전 프로세스 동안, 리튬은 음극 활성 물질층(16)을 이탈하여 격리막(14)을 통해 이동하고 양극 활성 물질층(13)에 진입한다. 전류 전도체들은 배터리 접촉들(미도시)에서 전극으로 혹은 그 반대로 전자들을 전도한다.
배터리들, 연료 셀들, 및 전기화학 캐패시터들과 같은, 기존의 에너지 저장 장치들은 전형적으로 각 적층판의 표면적이 그것의 기하학적 풋프린트(다공성 및 표면 거칠기를 무시하고)와 개략적으로 동일한, 도 1에 예시된 바와 같은 2차원 층상 아키텍처들(예를 들면, 평면형(planar) 또는 나권형(spiral wound) 적층판들)을 갖는다.
배터리 용량 및 활성 물질 이용을 개선하기 위한 방법들로서 3차원 배터리들이 문헌에 제안되었다. 2차원 층상 배터리 아키텍처와 비교했을 때 더 큰 표면적 및 더 큰 에너지를 제공하기 위해 3차원 아키텍처가 사용될 수 있음이 제안되었다. 작은 기하학적 영역으로부터 얻어질 수 있는 증가된 에너지량에 기인하여 3차원 에너지 저장장치를 형성하는데 이점이 있다. 예를 들어, Rust 외, WO2008/089110 및 Long 외, "Three-Dimensional Battery Architectures," Chemical Reviews, (2004), 104, 4463-4492를 참조한다.
지금까지 이루어진 진보들에도 불구하고, 증가된 에너지 밀도를 가지는 2차 배터리들 및 다른 에너지 저장 장치들에 대한 필요성은 그대로 남아 있다.
본 발명의 여러 측면들 중에서 배터리들, 연료 셀들, 및 전기화학 캐패시터들과 같은 에너지 저장 장치들에서 사용하기 위한 3차원 구조들이 제공된다. 바람직하게는, 그리고 본 발명의 일 측면에 따라, 에너지 저장 장치의 다른 성분들에 관한 전극 활성 물질의 부분, 즉, 에너지 저장 장치의 비-활성 물질 성분들이 증가될 수 있다. 결과적으로, 본 발명의 3차원 구조들을 포함하는 에너지 저장 장치들은 증가된 에너지 밀도를 가질 수 있다. 이들은 또한 이를테면 양극과 음극 간에 전자 및 이온 전달을 위한 수송 거리를 최소화 또는 감소시킴으로써, 저장된 에너지의 특정한 양에 대해 2차원 에너지 저장 장치들보다 더 큰 에너지 인출률을 제공할 수 있다. 이들 장치들은 장치에 대해 이용가능한 기하학적 영역이 제한되고 및/또는 에너지 밀도 요건이 층상 장치로 달성될 수 있는 것보다 큰 응용들에 그리고 소형화에 더 적합할 수 있다.
그러므로, 간략히, 본 발명의 일 측면은 에너지 저장 장치에서 사용하기 위한 구조이다. 상기 구조는 전극들의 집단, 상대-전극들의 집단 및 전극 집단의 부재들을 상대-전극 집단의 부재들로부터 분리하는 미세다공성 격리막을 포함하는 전극 구조를 포함한다. 전극들 및 상대-전극들의 집단들은 상기 전극 집단의 부재들이 상기 상대-전극 집단의 부재들에 의해 서로로부터 분리되는 교번하는 시퀀스로 배열되고, 상기 교번하는 시퀀스는 제1 방향으로 진행한다. 상기 전극 집단의 각 부재는 전극 활성 물질층 및 전극 전류 전도체층을 포함하고, 상기 전극 집단의 각 부재는 하부, 상부, 길이 LE, 폭 WE 및 높이 HE을 가지며, 상기 길이 LE은 각 이러한 전극의 상기 하부에서 상기 상부까지 측정되며, 상기 폭 WE 및 상기 높이 HE는 서로에 그리고 상기 길이 LE의 측정 방향에 수직한 방향들로 측정되며, LE 대 WE 및 HE 각각의 비는 각각 적어도 5:1이며, HE 대 WE의 비는 각각 0.4:1 내지 1000:1 사이이다. 상기 전극 집단의 각 부재의 전극 전류 콜렉터층은 동일 방향으로 측정되고 길이 LE의 적어도 50%인 길이 LC를 갖는다.
본 발명의 다른 측면은 전극들의 집단, 상대-전극들의 집단 및 전극 집단의 부재들을 상대-전극 집단의 부재들로부터 분리하는 미세다공성 격리막을 포함하는 전극 구조이며, 상기 전극들의 집단은 음극들의 집단이고 상기 상대-전극들의 집단은 양극들의 집단이다. 전극들 및 상대-전극들의 집단들은 상기 전극 집단의 부재들이 상기 상대-전극 집단의 부재들에 의해 서로로부터 분리되는 교번하는 시퀀스로 배열되고, 상기 교번하는 시퀀스는 제1 방향으로 진행한다. 상기 음극들의 집단의 각 부재는 음극 활성 물질층 및 음극 전류 전도체층을 포함하고, 음극 집단들의 각 부재는 하부, 상부, 길이 LNE, 폭 WNE 및 높이 HNE를 가지며, 상기 길이 LNE은 각 이러한 음극의 상기 하부에서 상기 상부까지 측정되며, 상기 폭 WNE 및 상기 높이 HNE는 서로에 그리고 상기 길이 LNE의 측정 방향에 수직한 방향들로 측정되며, LNE 대 WNE 및 HNE 각각의 비는 각각 적어도 5:1이며, HNE 대 WNE의 비는 각각 0.4:1 내지 1000:1 사이이고, 상기 집단의 각 부재의 음극 전류 콜렉터층은 동일 방향으로 측정되고 길이 LNE의 적어도 50%인 길이 LNC를 갖는다.
본 발명의 다른 측면은 전극들의 집단, 상대-전극들의 집단 및 전극 집단의 부재들을 상대-전극 집단의 부재들로부터 분리하는 미세다공성 격리막을 포함하는 전극 구조이며, 상기 전극들의 집단은 양극들의 집단이고 상기 상대-전극들의 집단은 음극들의 집단이다. 전극들 및 상대-전극들의 집단들은 상기 전극 집단의 부재들이 상기 상대-전극 집단의 부재들에 의해 서로로부터 분리되는 교번하는 시퀀스로 배열되고, 상기 교번하는 시퀀스는 제1 방향으로 진행한다. 상기 상대-전극들의 집단은 음극들의 집단이고, 상기 양극들의 집단의 각 부재는 양극 활성 물질층 및 양극 전류 전도체층을 포함하고, 상기 양극들의 집단의 각 부재는 하부, 상부, 길이 LPE, 폭 WPE 및 높이 HPE을 가지며, 길이 LPE는 각 이러한 양극의 상기 하부에서 상기 상부까지 측정되며, 상기 폭 WPE 및 상기 높이 HPE는 서로에 그리고 상기 길이 LPE의 측정 방향에 수직한 방향들로 측정되며, LPE 대 WPE 및 HPE 각각의 비는 각각 적어도 5:1이며, HPE 대 WPE의 비는 각각 0.4:1 내지 1000:1 사이이고, 양극 집단의 각 부재의 양극 전류 콜렉터층은 동일 방향으로 측정되고 길이 LPE의 적어도 50%인 길이 LPC를 갖는다.
본 발명의 다른 측면은 양극들의 집단, 음극들의 집단, 및 양극 집단의 부재들을 음극 집단의 부재들로부터 분리하는 미세다공성 격리막을 포함하는 전극 구조이며,
(i) 상기 양극들의 집단의 각 부재는 양극 활성 물질층 및 양극 전류 전도체층을 포함하고, 상기 양극들의 집단의 각 부재는 하부, 상부, 길이 LPE, 폭 WPE 및 높이 HPE을 가지며, 상기 길이 LPE는 각 이러한 양극의 상기 하부부터 상기 상부까지 측정되고, 상기 폭 WPE 및 상기 높이 HPE는 서로에 그리고 상기 길이 LPE의 측정 방향에 수직한 방향들로 측정되고, LPE 대 WPE 및 HPE 각각의 비는 각각 적어도 5:1이고, HPE 대 WPE의 비는 각각 0.4:1 내지 1000:1 사이이고, 양극 집단의 각 부재의 양극 전류 콜렉터층은 동일 방향으로 측정되고 LPE의 적어도 50%인 길이 LPC를 가지며,
(ii) 상기 음극들의 집단의 각 부재는 음극 활성 물질층 및 음극 전류 전도체층을 포함하고, 상기 음극들의 집단의 각 부재는 하부, 상부, 길이 LNE, 폭 WNE 및 높이 HNE을 가지며, 상기 길이 LNE는 각 이러한 음극의 상기 하부부터 상기 상부까지 측정되고, 상기 폭 WNE 및 상기 높이 HNE는 서로에 그리고 상기 길이 LNE의 측정 방향에 수직한 방향들로 측정되고, LNE 대 WNE 및 HNE 각각의 비는 각각 적어도 5:1이고, HNE 대 WNE의 비는 각각 0.4:1 내지 1000:1 사이이고, 음극 집단의 각 부재의 음극 전류 콜렉터층은 동일 방향으로 측정되고 적어도 LNE인 길이 LNC를 갖는다.
본 발명의 다른 측면은 전극 적층이며, 상기 적층은 적어도 2개의 전극 구조들을 포함하고, 상기 전극 구조들 각각은 전극들의 집단, 상대-전극들의 집단 및 전극 집단의 부재들을 상대-전극 집단의 부재들로부터 분리하는 미세다공성 격리막을 포함한다. 전극들 및 상대-전극들의 집단들은 상기 전극 집단의 부재들이 상기 상대-전극 집단의 부재들에 의해 서로로부터 분리되는 교번하는 시퀀스로 배열되고, 상기 교번하는 시퀀스는 제1 방향으로 진행한다. 상기 전극 집단의 각 부재는 전극 활성 물질층 및 전극 전류 전도체층을 포함하고, 상기 전극 집단의 각 부재는 하부, 상부, 길이 LE, 폭 WE 및 높이 HE를 가지며, 상기 길이 LE는 각 이러한 전극의 상기 하부에서 상기 상부까지 측정되며, 상기 폭 WE 및 상기 높이 HE는 서로에 그리고 상기 길이 LE의 측정 방향에 수직한 방향들로 측정되며, LE 대 WE 및 HE 각각의 비는 각각 적어도 5:1이며, HE 대 WE의 비는 각각 0.4:1 내지 1000:1 사이이다. 상기 전극 집단의 각 부재의 전극 전류 콜렉터층은 동일 방향으로 측정되고 길이 LE의 적어도 50%인 길이 LC를 갖는다.
본 발명의 다른 측면은 2차 배터리이며, 상기 2차 배터리는 적어도 2개의 전극 구조들 및 비수성 전해질을 포함하고, 상기 전극 구조들 각각은 전극들의 집단, 상대-전극들의 집단, 및 상대-전극 집단의 부재들로부터 전극 집단의 비수성 전해질 분리 원소들이 투과되는 미세다공성 격리막을 포함한다. 전극들 및 상대-전극들의 집단들은 상기 전극 집단의 부재들이 상기 상대-전극 집단의 부재들에 의해 서로로부터 분리되는 교번하는 시퀀스로 배열되고, 상기 교번하는 시퀀스는 제1 방향으로 진행한다. 상기 전극 집단의 각 부재는 전극 활성 물질층 및 전극 전류 전도체층을 포함하고, 상기 전극 집단의 각 부재는 하부, 상부, 길이 LE, 폭 WE 및 높이 HE을 가지며, 상기 길이 LE는 각 이러한 전극의 상기 하부에서 상기 상부까지 측정되며, 상기 폭 WE 및 상기 높이 HE는 서로에 그리고 상기 길이 LE의 측정 방향에 수직한 방향들로 측정되며, LE 대 WE 및 HE 각각의 비는 각각 적어도 5:1이며, HE 대 WE의 비는 각각 0.4:1 내지 1000:1 사이이다. 상기 전극 집단의 각 부재의 전극 전류 콜렉터층은 동일 방향으로 측정되고 길이 LE의 적어도 50%인 길이 LC을 갖는다.
다른 목적들 및 특징들은 부분적으로 명백하게 될 것이고 이하 부분적으로 개시될 것이다.
도 1은 리튬 이온 배터리와 같은 전형적인, 종래 기술의, 2차원 에너지 저장장치의 전기화학 적층의 셀의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 전극 구조의 일 실시예의 사시도이고 내부 구조를 보이기 위해 부분들은 해체되었다.
도 3은 선 3-3을 포함하는 평면에서 취해진 도 2의 전극 구조의 부분 단면이다.
도 4는 도 2의 전극 구조의 부-조립체의 부분 사시도이다.
도 5는 선 5을 따라 취해진 도 4의 전극 구조의 부-조립체의 상평면도이다.
도 6은 선 6을 따라 취해진 도 4의 전극 구조의 부-조립체의 상평면도이다.
도 7은 도 5의 선 7-7을 포함하는 평면에서 취해진 전극 구조의 부-조립체의 단면이다.
도 8은 도 6의 선 8-8을 포함하는 평면에서 취해진 전극 구조의 부-조립체의 단면이다.
도 9은 선 5를 따라 취해진 도 4의 전극 구조의 부-조립체의 부분 사시도이며, 내부 구조를 보이기 위해 부분들은 해체되었다.
도 10은 선 6를 따라 취해진 도 4의 전극 구조의 부-조립체의 부분 사시도이며, 내부 구조를 보이기 위해 부분들은 해체되었다.
도 11은 본 발명의 3차원 2차 배터리의 분해도이다.
도 12는 도 11의 조립된 3차원 2차 배터리의 부분 사시도이다.
도 13는 도 11의 조립된 3차원 2차 배터리의 대안적 실시예의 부분 사시도이다.
도 14는 도 11의 조립된 3차원 2차 배터리의 대안적 실시예의 부분 사시도이다.
도 15는 도 11의 조립된 3차원 2차 배터리의 대안적 실시예의 부분 사시도이다.
도 16은 도 5의 선 16-16을 포함하는 평면에서 취해진 전극 구조의 부-조립체의 단면이다.
도 17은 도 6의 선 17-17을 포함하는 평면에서 취해진 전극 구조의 부-조립체의 단면이다.
도 18a 내지 도 18e는 본 발명의 전극(양극 또는 음극)의 대안적 실시예의 단면이다.
대응하는 참조 부호들은 도면들 전체에 걸쳐 대응하는 부분들을 나타낸다.
본 발명의 여러 측면들 중에서, 배터리들, 캐패시터들, 및 연료 셀들과 같은 에너지 저장장치들에 탑재되었을 때 특별한 이점들을 제공하는 3차원 구조들임에 유의할 수 있다. 예를 들면, 이러한 구조들은 양극, 음극, 및/또는 격리막이 본질적으로 비-층상인 2차 배터리들에 탑재될 수 있다. 바람직하게는, 이러한 비-층상 양극 및 음극 구조들을 위한 표면적은 1.5 팩터, 2 팩터, 2.5 팩터 또는 심지어 3 팩터 또는 그 이상만큼 전극들을 지지하는 베이스의 기하학적 풋프린트(footprint)를 초과할 수 있다. 바람직한 예시적 일 실시예에서, 이러한 구조들은 양극과 음극 사이에서 캐리어 이온들(예를 들면, 리튬, 나트륨, 포타슘, 칼슘 및 마그네슘 이온들에서 선택되는)이 이동하는 2차 배터리들에 탑재된다.
일반적으로, 3차원 구조는 전극들의 집단, 상대-전극들의 집단 및 전극 집단의 부재들을 상대-전극 집단의 부재들로부터 분리하는 미세다공성 격리막을 포함하는 전극 구조를 포함한다. 전극들 및 상대-전극들의 집단들은 실질적으로 전극 집단의 각 부재가 상대-전극 집단의 두 부재들 사이에 있고 실질적으로 상대-전극 집단의 각 부재가 전극 집단의 두 부재들 사이에 있는 교번하는 시퀀스로 배열되고, 교번하는 시퀀스는 제1 방향으로 진행한다. 예를 들면, 교번하는 시리즈에서 제1 및 마지막 전극 또는 상대-전극을 제외하고, 일 실시예에서 교번하는 시리즈에서의 각 전극은 2개의 상대-전극들 사이에 있고 교번하는 시리즈에서의 각 상대-전극은 2개의 전극들 사이에 있다.
전극 집단의 각 부재는 전극 활성 물질층 및 전극 전류 전도체층을 포함하고, 전극 집단의 각 부재는 하부, 상부, 길이 LE, 폭 WE 및 높이 HE, 둘레 PE를 가지며, 길이 LE는 각 이러한 전극의 하부에서 상부까지 측정되며, 폭 WE 및 높이 HE는 서로에 그리고 길이 LE의 측정 방향에 수직한 방향들로 측정되며, LE 대 WE 및 HE 각각의 비는 각각 적어도 5:1이며, HE 대 WE의 비는 각각 0.4:1 내지 1000:1 사이이며, 전극 집단의 각 부재에 대한 LE 대 PE의 비는 적어도 1.25:1 이다. 전극 집단의 각 부재의 전극 전류 콜렉터층은 동일 방향으로 측정되고 길이 LE의 적어도 50%인 길이 LE -C을 갖는다. 일반적으로, 전극 집단의 부재들은 전형적으로 약 5 mm 내지 약 500 mm의 범위 내 길이(LE)를 가질 것이다. 어떤 실시예들에서, 전극 집단의 각 부재는 약 10 mm 내지 약 250 mm의 범위 내 길이 LE를 갖는다. 추가 예로서, 이러한 일 실시예에서, 전극 집단의 부재들은 약 25 mm 내지 약 100 mm의 길이(LE)를 갖는다.
일 실시예에서, 상대-전극 집단의 각 부재는 상대-전극 활성 물질층 및 상대-전극 전류 전도체층을 포함하며, 상대-전극 집단의 각 부재는 유사하게 전극 집단의 각 부재에 비례한다. 즉, 상대-전극 집단의 각 부재는 하부, 상부, 길이 LCE, 폭 WCE, 높이 HCE, 및 둘레 PCE를 가지며, 길이 LCE은 각 이러한 상대-전극의 하부에서 상부까지 측정되며, 폭 WCE 및 높이 HCE은 서로에 그리고 길이 LCE의 측정의 방향에 수직한 방향들로 측정되며, LCE 대 WCE 및 HCE 각각의 비는 각각 적어도 5:1이며, HCE 대 WCE의 비는 각각 0.4:1 내지 1000:1 사이이며, 상대-전극 집단의 각 부재에 대한 LCE 대 PCE의 비는 적어도 1.25:1이다. 이 실시예에서, 전극 집단의 각 부재의 상대-전극 전류 콜렉터층은 동일 방향으로 측정되고 길이 LCE의 적어도 50%인 길이 LCE -C를 갖는다. 일반적으로, 상대-전극 집단의 부재들은 전형적으로 약 5 mm 내지 약 500 mm의 범위 내 길이(LCE)를 가질 것이다. 특정 실시예들에서, 상대-전극 집단의 각 부재는 약 10 mm 내지 약 250 mm의 범위 내 길이 LCE를 갖는다. 추가 예로서, 이러한 일 실시예에서, 상대-전극 집단의 부재들은 약 25 mm 내지 약 100 mm의 길이(LCE)를 갖는다.
전극들의 집단은 음극들의 집단일 수 있고, 상대-전극들의 집단은 양극들의 집단일 수 있다. 이 실시예에서, 전극 집단의 각 부재의 길이 LE, 폭 WE, 높이 HE 및 둘레 PE는 음극 집단의 각 부재의 길이 LNE, 폭 WNE, 높이 HNE 및 둘레 PNE에 각각 대응하며, 전극 집단의 각 부재의 전류 콜렉터의 길이 LE -C는 음극 집단의 각 부재의 전류 콜렉터의 길이 LNC에 대응한다. 또한, 상대-전극 집단의 각 부재의 길이 LCE, 폭 WCE, 높이 HCE 및 둘레 PCE는 양극 집단의 각 부재의 길이 LPE, 폭 WPE, 높이 HPE, 및 둘레 PPE에 각각 대응하며, 상대-전극 집단의 각 부재의 전류 콜렉터의 길이 LCE-C는 양극 집단의 각 부재의 전류 콜렉터의 길이 LPC에 대응한다.
대안적 실시예에서, 전극들의 집단은 양극들의 집단이고, 상대-전극들의 집단은 음극들의 집단이다. 그러므로, 이 실시예에서, 전극 집단의 각 부재의 길이 LE, 폭 WE, 높이 HE, 및 둘레 PE은 양극 집단의 각 부재의 길이 LPE, 폭 WPE, 높이 HPE, 및 둘레 PPE에 각각 대응하며, 전극 집단의 각 부재의 전류 콜렉터의 길이 LE -C는 양극 집단의 각 부재의 전류 콜렉터의 길이 LPC에 대응한다. 또한, 상대-전극 집단의 각 부재의 길이 LCE, 폭 WCE, 높이 HCE 및 둘레 PCE는 음극 집단의 각 부재의 길이 LNE, 폭 WNE, 높이 HNE 및 둘레 PNE에 각각 대응하며, 상대-전극 집단의 각 부재의 전류 콜렉터의 길이 LCE -C는 음극 집단의 각 부재의 전류 콜렉터의 길이 LNC에 대응한다.
특정 실시예들에서, 양극 및 음극의 집단들은 직육면체의 치수들에 근사한 길이, 폭 및 높이 치수들을 가질 것이다. 이러한 경우들에서, 각 이러한 전극의 폭 WE 및 높이 HE는 서로에 그리고 길이 LE의 측정 방향에 수직한 방향들로 측정된다. 다른 실시예들에서, 양극 및/또는 음극의 집단들은 예를 들면, 사다리형, 평행사변형, 삼각형, 다이아몬드 또는 오발(oval)의 단면 형상을 갖게 상이하게 형상화될 수 있다. 이러한 실시예들에서, 전극들의 길이 LE는 각 이러한 전극의 하부에서 상부까지 측정되고, 각 이러한 전극의 폭 WE 및 높이 HE는 서로에 그리고 길이 LE의 측정 방향에 수직한 방향들로 측정된다. 또한, 폭 WE 및 높이 HE는 길이 방향에 수직한 평면에서 전극의 투사의 최대 폭 및 높이인데, 환원하여, 폭 WE 및 높이 HE는 길이 방향에 수직하고 가장 작은 치수들을 갖지만 전극의 투사의 모든 점들을 포함하는 평면에서의 가상의 직사각형의 2개의 인접한 변들의 길이들에 대응한다.
도 18a 내지 도 18e는 전극의 길이 방향에 수직한 평면에서 전극(양극 또는 음극)의 몇몇 대안적 투사들을 도시한 것이다. 도 18a 내지 도 18e에서, 전극의 투사는 사다리형(도 18a), 평행사변형(도 18b), 삼각형(도 18c), 다이아몬드(도 18d) 및 오발(도 18e)을 그린다. 각 경우에, 가장 작은 치수들을 갖지만 전극의 투사의 모든 점들을 포함하는 가상의 직사각형은 폭 WE 및 높이 HE을 가질 것이다.
이제 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에서, 전극 구조(20)는 음극 버스(23)에 직접 연결되고 이로부터 확장하는 음극들(21)의 집단 및 양극 버스(24)에 직접 연결되고 이로부터 확장하는 양극들(22)의 집단을 포함한다. 도 2에 예시된 바와 같이, 음극들(21)의 집단은 4개의 부재들을 포함하고, 양극들(22)의 집단은 4개의 부재를 포함하는데, 그러나, 실제로, 음극들의 집단 및 양극들의 집단은 각각 더 많은 혹은 더 적은 수의 부재들을 포함할 수 있다. 예를 들면, 본 발명의 전극 구조에 의해 포함되는 음극들의 집단 및 양극들의 집단은 각각 적어도 5개의 부재들을 포함할 수 있다. 추가 예로서, 일 실시예에서 음극들의 집단 및 양극들의 집단은 각각 적어도 10개의 부재들을 포함한다. 추가 예로서, 일 실시예에서 음극들의 집단 및 양극들의 집단은 각각 적어도 50개의 부재들을 포함한다. 추가 예로서, 일 실시예에서 음극들의 집단 및 양극들의 집단은 각각 적어도 100개의 부재들을 포함한다. 또한, 양극 및 음극의 집단들은 음극들의 집단의 각 부재가 양극들의 집단의 부재에 인접하도록, 교번하는 전극들의 시리즈로 서로 맞물려(interdigitate) 배열된다. 일 실시예에서, 예를 들면, 각 음극은 서로 맞물린 시리즈가 시작하여 양극으로 끝나도록 양극들의 집단의 두 부재들 사이에 있고, 각 음극은 두 양극들 사이에 있고(예를 들면, 일련의 전극들은 다음의 반복 시퀀스를 갖는다: 양극, 음극, 양극, 음극, 양극...), 서로 맞물린 시리즈는 방향 D로 진행한다. 다른 실시예에서, 예를 들면, 각 양극은 서로 맞물린 시리즈가 시작하여 음극에서 끝나도록 음극들의 집단의 두 부재들 사이에 있고, 각 양극은 두 음극들 사이에 있고(예를 들면, 전극들의 시리즈는 다음의 반복 시퀀스를 갖는다: 음극, 양극, 음극, 양극, 음극...), 서로 맞물린 시리즈는 방향 D로 진행한다. 일 실시예에서, 음극 집단은 N 부재들을 가지며, 양극 집단은 N+1 부재들을 가지며, 각 음극은 2개의 양극들 사이에 있고, N은 적어도 5, 10, 25, 50 혹은 심지어 적어도 100이다. 다른 실시예에서, 양극 집단은 N 부재들을 가지며, 음극 집단은 N+1 부재들을 가지며, 각 양극은 2개의 양극들 사이에 있고, N은 적어도 5, 10, 25, 50 혹은 심지어 적어도 100이다. 또 다른 실시예에서, 양극 집단 및 음극 집단 각각은 N 부재들을 가지며, N-1 양극 집단 부재들 각각은 2개의 음극들 사이에 있고, N-1 음극 집단 부재들 각각은 2개의 양극들 사이에 있고, N은 적어도 5, 10, 25, 50 혹은 심지어 적어도 100이다.
음극들의 집단의 각 부재(21)는 음극들의 집단의 각 부재로부터 전류를 모으는 음극 버스(23)로부터 확장하고 이에 전기적으로 연결된다. 음극 버스(23)는 방향 D으로 측정되고 서로 맞물린 시리즈의 전극들의 실질적으로 전체 길이를 확장하는 길이 LNB, 폭 WNB(도 5 및 도 9) 및 높이 HNB(도 9)를 가지며, WNB 및 HNB의 측정 방향은 서로에 그리고 길이 LNB의 측정의 방향에 수직한다. 도 2에 도시된 X-Y-Z 좌표계의 맥락에서, 폭 WNB는 "X" 축을 따라 측정되고, 높이 HNB는 "Z" 축을 따라 측정되고, 길이 LNB는 예시된 X-Y-Z 좌표계의 "Y" 축을 따라 측정되고, 여기서 X, Y 및 Z 축들은 서로 수직하고 방향 D 및 "Y" 축은 일치한다. 또한, 음극 버스의 길이 LNB는 음극 버스의 폭 WNB 및 높이 HNB보다 큰데, 환원하여, 길이는 음극 버스의 가장 긴 치수이다. 일반적으로, LNB 대 WNB 및 HNB 각각의 비는 적어도 5:1이다. 예를 들면, 일 실시예에서 LNB 대 WNB 및 HNB 각각의 비는 적어도 10:1이다. 추가 예로서, 일 실시예에서 LNB 대 WNB 및 HNB 각각의 비는 적어도 25:1이다. 또한, HNB 대 WNB의 비는 일반적으로 각각 약 1:1 내지 약 10,000:1의 범위에 있고, 일부 실시예들에서 HNB 대 WNB의 비는 약 100:1 내지 약 1,000:1의 범위에 있다.
도 5 및 도 9에 예시된 실시예에서, 음극 버스는 길이의 함수로서 일정 폭 WNB 및 일정 높이 HNB를 갖는다. 다른 실시예들에서, 음극 버스 폭 WNB 또는 높이 HNB는 음극 버스 길이의 함수로서 달라질 수 있고, 혹은 음극 버스는 직사각형과는 다른 단면(길이 방향에 수직한 평면에서 취해지는)을 가질 수 있다. 이러한 다른 실시예들에서, 폭 WNB 및 높이 HNB는 길이 방향에 수직한, 즉 방향 D에 수직한 평면에서 음극 버스의 투사의 최대 폭 및 최대 높이를 지칭한다(예를 들면, 사다리형(도 18a), 평행사변형(도 18b), 삼각형(도 18c), 및 다이아몬드(도 18d) 및 오발(도 18e)의 단면 형상을 갖는 전극들의 시리즈에 대해 최대 폭 WE 및 최대 높이 HE를 예시한 도 18a 내지 도 18e를 참조한다). 환원하여, 폭 WNB 및 높이 HNB는 길이 방향에 수직하고 가장 작은 치수들을 갖지만 음극 버스의 투사의 모든 점들을 포함하는 평면에 놓이는 가상의 직사각형의 2개의 인접한 변들의 길이들에 대응한다.
음극들의 집단의 각 부재(21) 외에도, 음극 버스(23)는 음극들(21)의 집단을 에너지 저장 장치(미도시)의 음의 단자에 전기적으로 연결하기 위해 사용될 수 있는 음극 탭(41)에 전기적으로 연결된다. 도 2에 예시된 실시예에서, 음극 탭(41)은 음극 버스(23)의 실질적으로 전체 길이 LNB를 잇는 길이 LNT를 갖는 음극 탭 확장부(25)를 포함한다. 예를 들면, 일 실시예에서 음극 탭 확장부(25)는 음극 버스(23)의 길이 LNB의 적어도 50%, 적어도 75% 또는 심지어 적어도 90%인 길이 LNT를 갖는다. 다른 실시예들에서, 음극 탭 확장부(25)는 실질적으로 LNb 미만인(예를 들면, LNT는 길이 LNB의 50%, 25% 또는 심지어 10% 미만이다) 길이 LNT를 가질 수 있고, 혹은 음극 탭 확장부(25)는 전체가 생략될 수도 있고, 음극 탭(41)은 음극 버스(23)의 길이 LNB를 따라 말단에 혹은 그것의 중간 위치에 음극 버스(23)에 전기적으로 직접 연결된다.
양극들의 집단의 각 부재(22)는 양극들의 집단의 각 부재(22)로부터 전류를 모으는 양극 버스(24)로부터 확장하고 이에 전기적으로 연결된다. 양극 버스(24)는 방향 D로 측정되고, 서로 맞물린 전극들의 시리즈의 실질적으로 전체 길이를 확장하는 길이 LPB, 폭 WPB(도 6 및 도 10) 및 높이 HPB(도 10)를 가지며, WPB 및 HPB의 측정 방향은 서로에 그리고 길이 LPB의 측정 방향에 수직한다. 도 2에 도시된 X-Y-Z 좌표계의 맥락에서, 폭 WPB는 "X" 축을 따라 측정되고, 높이 HPB는 "Z" 축을 따라 측정되고, 길이 LPB는 예시된 X-Y-Z 좌표계의 "Y" 축을 따라 측정되고, 여기서 X, Y 및 Z 축들은 서로 수직하고 방향 D와 "Y" 축은 일치한다. 또한, 양극 버스의 길이 LPB는 양극 버스의 폭 WPB 및 높이 HPB보다 큰데, 환원하여, 길이는 양극 버스의 가장 긴 치수이다. 일반적으로, LPB 대 WPB 및 HPB 각각의 비는 적어도 5:1이다. 예를 들면, 일 실시예에서 LPB 대 WPB 및 HPB 각각의 비는 적어도 10:1이다. 추가 예로서, 일 실시예에서 LPB 대 WPB 및 HPB 각각의 비는 적어도 25:1이다. 또한, HPB 대 WPB의 비는 일반적으로 각각 약 1:1 내지 약 10,000:1의 범위에 있고, 일부 실시예들에서 HPB 대 WPB의 비는 약 100:1 내지 약 1,000:1의 범위에 있다.
도 6 및 도 10에 예시된 실시예에서, 양극 버스는 길이의 함수로서 일정 폭 WPB 및 일정 높이 HPB를 갖는다. 다른 실시예들에서, 양극 버스 폭 WPB 또는 높이 HPB는 양극 버스 길이의 함수로서 달라질 수 있고, 혹은 양극 버스는 직사각형과는 다른 단면(길이 방향에 수직한 평면에서 취해지는)을 가질 수 있다. 이러한 다른 실시예들에서, 폭 WPB 및 높이 HPB는 길이 방향에 수직한, 즉 방향 D에 수직한 평면에서 양극 버스의 투사의 최대 폭 및 최대 높이를 지칭한다. 환원하여, 폭 WPB 및 높이 HPB는 가장 작은 치수들을 갖지만 양극 버스의 투사의 모든 점들을 포함하는 평면에 놓이는 가상의 직사각형의 두 인접한 변들의 길이들에 대응한다.
양극들의 집단의 각 부재(22) 외에도, 양극 버스(24)는 음극들(22)의 집단을 에너지 저장 장치(미도시)의 양의 단자에 전기적으로 연결하기 위해 사용될 수 있는 양극 탭(42)에 전기적으로 연결된다. 도 2에 예시된 실시예에서, 양극 탭(42)은 양극 버스(24)의 실질적으로 전체 길이 LPB를 잇는 길이 LPT를 갖는 양극 탭 확장부(26)를 포함한다. 예를 들면, 일 실시예에서 양극 탭 확장부(25)는 양극 버스(23)의 길이 LPB의 적어도 50%, 적어도 75% 또는 심지어 적어도 90%인 길이 LPT를 갖는다. 다른 실시예들에서, 양극 탭 확장부(26)는 실질적으로 LPB 미만인(예를 들면, LPT는 길이 LPB의 50%, 25% 또는 심지어 10% 미만이다) 길이 LPT를 가질 수 있고, 혹은 양극 탭 확장부(26)는 전체가 생략될 수도 있고, 양극 탭(42)은 양극 버스(24)의 길이 LPB를 따라 말단에 혹은 그것의 위치에 양극 버스(24)에 전기적으로 연결된다.
미세다공성 격리막층(43)은 음극 집단의 각 부재(21)를 양극 집단의 각 부재(22)로부터 전기적으로 분리시키고, 음극 버스(23)를 양극 버스(24)로부터 전기적으로 분리시킨다. 2차 배터리에 탑재되었을 때, 미세다공성 격리막층(43)은 전형적으로, 통상적으로 비수성 전해질 2차 배터리들용으로 사용되는 비수성 전해질이 투과될 것이다. 일반적으로, 미세다공성 격리막은 적어도 50 Å 및 전형적으로 약 2,500 Å의 범위 내인 직경을 가진 기공들을 포함할 것이다. 또한, 미세다공성 격리막은 일반적으로 적어도 25%의 다공성을 가질 것이다. 그러나, 전형적으로, 미세다공성 격리막은 약 75% 미만의 다공성을 가질 것이다. 일 실시예에서, 미세다공성 격리막은 약 35 내지 55%의 다공성을 가질 것이다.
이제 도 3을 참조하면, 일 실시예에서 음극들의 집단의 각 부재(21)는 음극 백본(backbone)(51), 음극 활성 물질층(49), 음극 전류 콜렉터층(47) 및 보충 음극 전류 콜렉터층들(47A, 47B)을 포함한다. 유사하게, 양극들의 집단의 각 부재(22)는 양극 백본(52), 양극 전류 콜렉터층(48), 보충 양극 전류 콜렉터층들(48A, 48B) 및 양극 활성 물질층(50)을 포함한다. 음극들의 집단의 각 부재(21)는 미세다공성 격리막층(43)에 의해 양극들의 집단의 각 부재(22)로부터 분리된다.
방전 프로세스 동안, 리튬 이온들(또는 나트륨, 포타슘, 칼슘 또는 마그네슘 이온들과 같은 그외 다른 캐리어 이온들)은 음극 활성 물질층(49)을 이탈하여 음극 전류 콜렉터층(47) 및 격리막층(43)을 통해 양극 활성 물질층(50)으로 이동한다. 충전 프로세스 동안, 리튬 이온들(또는 이외 다른 캐리어 이온들)은 양극 활성 물질층(50)을 이탈하여 격리막층(43) 및 음극 전류 콜렉터층(47)을 통해 음극 활성 물질층(49)으로 이동한다. 사용되는 음극 활성 물질에 따라, 리튬 이온들(또는 이외 다른 캐리어 이온들)은 서로 맞물리거나(예를 들면, 합금을 형성하지 않고 음극 활성 물질의 매트릭스 내에 안착한다) 합금을 형성한다. 양극과 음극 간에 리튬 이온들(또는 이외 다른 캐리어 이온들)의 이동과 일치하여, 전자들은 음극 전류 콜렉터(47) 및 보충 음극 전류 콜렉터들(47A, 47B)과 양극 전류 콜렉터(48) 및 보충 양극 전류 콜렉터들(48A, 48B)에 의해 각각 음극 및 양극 버스들(23, 24)로(또는 이들로부터) 운반된다(도 2 참조). 이어, 음극 및 양극 버스들(23, 24)은 각각 음극 탭(41) 및 양극 탭(42)을 통해 에너지 저장 장치(미도시)의 음 및 양의 단자에 전기적으로 연결된다.
도 4를 참조하면, 음극들의 집단의 각 음극(21)(즉, 각 부재)은 음극 버스(23)의 내부 표면(27)으로부터 확장하고, 양극들의 집단의 각 양극(22)(즉, 각 부재)은 서로 대면하거나 대향하는 내부 표면들(27, 28)을 가진 양극 버스(24)의 내부 표면(28)으로부터 확장한다. 이전에 언급된 바와 같이, 음극 버스(23)는 음극 집단의 각 부재(21)를 음극 집단의 다른 부재들에 그리고 음극 탭 확장부(25)(도 2 참조)에 전기적으로 연결하는 전기적 도전성 물질을 포함한다. 유사하게, 양극 버스(24)는 양극 집단의 각 부재(22)를 서로에 그리고 양극 탭 확장부(26)에 전기적으로 연결하는 전기적 도전성 물질을 포함한다.
도 5를 참조하면, 음극 집단 부재들(21) 각각은 음극 버스(23)의 내부 표면(27)에 근접한 하부(31), 내부 표면(27)에서 먼 쪽의 상부(33), 및 하부(31)와 상부(33) 사이에 거리에 의해 정의되는 길이 LNE를 갖는다. 길이 LNE는 음극 버스(23)의 내부 표면(27)으로부터의 방향으로 측정되는데, 측정 방향은, 바람직한 실시예에서, 서로 맞물린 전극들의 시리즈의 진행 방향에 실질적으로 수직한다. 도 2에 도시된 X-Y-Z 좌표계의 맥락에서, 길이 LNE는 "X" 축(및 방향 D에 수직한)을 따라 측정된다. 특정 실시예들에서 음극 집단 부재들은 곧은 면들을 가질 것이다(즉, 하부(31)와 상부(33) 간에 확장하는 면들 각각은 평면이다). 다른 실시예들에서, 음극 집단 부재들은 다각형의 또는 심지어 만곡된 면(예를 들면, 하부(31)과 상부(33) 사이에 확장하는 면들은 사인 곡선적일 수도 있다)을 가질 것이다. 각 이러한 실시예에서, 길이 LNE는 하부(31)와 상부(33) 사이의 직선 거리이다.
도 6을 참조하면, 양극 집단 부재들(22) 각각은 양극 버스(24)의 내부 표면(28)에 근접한 하부(32), 양극 기판 표면(26)에서 먼 쪽의 상부(34), 및 하부(32)와 상부(34) 사이에 거리에 의해 정의되는 길이 LPE를 갖는다. 길이 LPE는 양극 버스(24)의 내부 표면(28)으로부터의 방향으로 측정되는데, 측정 방향은, 바람직한 실시예에서, 서로 맞물린 전극들의 시리즈의 진행 방향에 실질적으로 수직한다. 도 2에 도시된 X-Y-Z 좌표계의 맥락에서, 바람직한 실시예에서 길이 LPE는 "X" 축(및 방향 D에 수직한)을 따라 측정된다. 특정 실시예들에서 양극 집단 부재들은 곧은 면들을 가질 것이다(즉, 하부(32)와 상부(34) 사이에 확장하는 면들 각각은 평면이다). 다른 실시예들에서, 양극 집단 부재들은 다각형 또는 심지어 만곡된 면들(예를 들면, 하부(32)와 상부(34) 사이에서 확장하는 면들은 사인 곡선적일 수도 있다)을 가질 것이다. 각 이러한 실시예에서, 길이 LPE는 하부(32)와 상부(34) 사이의 직선 거리이다.
도 7을 참조하면, 음극 집단 부재들(21) 각각의 단면(즉, 길이, LNE가 측정되는 방향에 수직한 방향으로 취해진 단면)은 폭 WNE, 높이 HNE 및 둘레 PNE를 갖는다. 이 실시예에서, 음극 집단 부재들의 단면은 직사각형이며 둘레 PNE는 2WNE + 2HNE와 동일한 값을 갖는다. 또한, 음극 집단 부재들(21) 각각은 그것의 폭 WNB 및 그것의 높이 HNB보다 큰 길이 LNE를 갖는데, 환원하여, 길이는 음극 집단의 각 부재의 가장 큰 치수이다. 폭 WNE 및 높이 HNE는 에너지 저장 장치 및 그것의 의도된 용도에 따라 달라질 것이지만, 많은 실시예들에서 각각 약 0.01 mm 내지 약 5　mm 범위 내에 있을 것이다. 예를 들면, 일 실시예에서, 폭 WNE 및 높이 HNE은 각각 약 0.025 mm 내지 약 2 mm 범위 내 값을 가질 것이다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 폭 WNE 및 높이 HNE는 각각 약 0.05 mm 내지 약 1 mm 범위 내 값을 가질 것이다. 일반적으로, LNE(도 5 참조)는 WNE 및 HNE 각각보다 실질적으로 클 것이며; 예를 들면, 일 실시예에서, LNE 대 WNE 및 HNE 각각의 비는 각각 적어도 5:1이다(즉, LNE 대 WNE의 비는 각각 적어도 5:1이고 LNE 대 HNE의 비는 각각 적어도 5:1이다). 추가 예로서, 일 실시예에서 LNE 대 WNE 및 HNE의 각각의 비는 적어도 10:1이다. 추가 예로서, 일 실시예에서, LNE 대 WNE 및 HNE 각각의 비는 적어도 15:1이다. 추가 예로서, 일 실시예에서, LNE 대 WNE 및 HNE 각각의 비는 적어도 20:1이다. 또한, LNE는 둘레 PNE보다 실질적으로 큰 것이 일반적으로 바람직한데, 예를 들면, 일 실시예에서, LNE 대 PNE의 비는 각각 적어도 1.25:1이다. 추가 예로서, 일 실시예에서 LNE 대 PNE의 비는 각각 적어도 2.5:1이다. 추가 예로서, 일 실시예에서, LNE 대 PNE의 비는 각각 적어도 3.75:1이다. 또한, HNE 대 WNE의 비는 일반적으로 각각 적어도 0.4:1일 것이다. 예를 들면, 일 실시예에서, HNE 대 WNE의 비는 각각 적어도 2:1일 것이다. 추가 예로서, 일 실시예에서 HNE 대 WNE의 비는 각각 적어도 10:1일 것이다. 추가 예로서, 일 실시예에서 HNE 대 WNE의 비는 각각 적어도 20:1일 것이다. 그러나, 전형적으로, HNE 대 WNE의 비는 각각 일반적으로 1,000:1 미만일 것이다. 예를 들면, 일 실시예에서 HNE 대 WNE의 비는 각각 500:1 미만일 것이다. 추가 예로서, 일 실시예에서 HNE 대 WNE의 비는 각각 100:1 미만일 것이다. 추가 예로서, 일 실시예에서 HNE 대 WNE의 비는 각각 10:1 미만일 것이다. 추가 예로서, 일 실시예에서 HNE 대 WNE의 비는 각각 약 2:1 내지 약 100:1의 범위 내일 것이다. 도 2에 도시된 X-Y-Z 좌표계의 맥락에서, 길이 LNE는 "X" 축(및 방향 D에 수직한)을 따라 측정되고, WNE는 "Y" 축을 따라 측정되며, HNE는 "Z" 축을 따라 측정된다.
도 7에 예시된 실시예에서, 음극 집단 부재들(21)은 길이의 함수로서 일정 폭 WNE 및 일정 높이 HNE를 갖는다. 다른 실시예들에서, 음극 집단 부재들(21)은 음극 길이를 따른 위치의 함수로서 가변하는 폭 WNE 또는 높이 HNE을 가질 수 있고, 또는 음극 집단 부재들은 직사각형과는 다른 단면(길이 방향에 수직한 평면에서 취해지는)을 가질 수 있다. 이러한 다른 실시예들에서, 폭 WNE 및 높이 HNE는 음극 집단 부재들(21)의 길이 방향에 수직한 평면에서 음극 집단 부재들(21)의 투사의 최대 폭 및 최대 높이를 지칭한다. 환원하여, 폭 WNE 및 높이 HNE는 가장 작은 치수들을 갖지만 음극 집단 부재들의 투사의 모든 점들을 포함하는 평면에 놓이는 가상의 직사각형의 2개의 인접한 변들의 길이들에 대응한다.
도 8을 참조하면, 양극 집단 부재들(21)의 각각의 단면(즉, 길이, LPE가 측정되는 방향에 수직한 방향으로 취해지는 단면)은 폭 WPE, 높이 HPE 및 둘레 PPE를 갖는다. 이 실시예에서, 양극 집단 부재들의 단면은 직사각형이며 둘레 PPE는 2WPE + 2HPE와 동일한 값을 갖는다. 또한, 양극 집단 부재들(22) 각각은 그것의 폭 WPB 및 그것의 높이 HPB보다 큰 길이 LPE를 갖는데, 환원하여, 길이는 양극 집단의 각 부재의 가장 큰 치수이다. 폭 WPE 및 높이 HPE는 에너지 저장 장치 및 그것의 의도된 용도에 따라 다를 것이지만, 많은 실시예들에서 각각 약 0.01 mm 내지 약 5　mm의 범위 내에 있을 것이다. 예를 들면, 일 실시예에서, 폭 WPE 및 높이 HPE는 각각 약 0.025 mm 내지 약 2 mm의 범위 내 값을 가질 것이다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 폭 WPE 및 높이 HPE는 각각 약 0.05 mm 내지 약 1 mm의 범위 내 값을 가질 것이다. 일반적으로, LPE(도 6 참조)는 WPE 및 HPE 각각보다 실질적으로 더 클 것이며; 예를 들면, 일 실시예에서, LPE 대 WPE 및 HPE 각각의 비는 각각 적어도 5:1이다(즉, LPE 대 WPE의 비는 각각 적어도 5:1이고 LPE 대 HPE의 비는 각각 적어도 5:1이다). 추가 예로서, 일 실시예에서 LPE 대 WPE 및 HPE 각각의 비는 적어도 10:1이다. 추가 예로서, 일 실시예에서, LPE 대 WPE 및 HPE 각각의 비는 적어도 15:1이다. 추가 예로서, 일 실시예에서, LPE 대 WPE 및 HPE 각각의 비는 적어도 20:1이다. 또한, LPE가 둘레 PPE보다 실질적으로 더 큰 것이 일반적으로 바람직하다. 예를 들면, 일 실시예에서, LPE 대 PPE의 비는 각각 적어도 1.25:1이다. 추가 예로서, 일 실시예에서 LPE 대 PPE의 비는 각각 적어도 2.5:1이다. 추가 예로서, 일 실시예에서, LPE 대 PPE의 비는 각각 적어도 3.75:1이다. 또한, HPE 대 WPE의 비는 일반적으로 각각 적어도 0.4:1일 것이다. 예를 들면, 일 실시예에서, HPE 대 WPE의 비는 각각 적어도 2:1일 것이다. 추가 예로서, 일 실시예에서 HPE 대 WPE의 비는 각각 적어도 10:1일 것이다. 추가 예로서, 일 실시예에서 HPE 대 WPE의 비는 각각 적어도 20:1일 것이다. 그러나, 전형적으로, HPE 대 WPE의 비는 각각 일반적으로 1,000:1 미만일 것이다. 예를 들면, 일 실시예에서 HPE 대 WPE의 비는 각각 500:1 미만일 것이다. 추가 예로서, 일 실시예에서 HPE 대 WPE의 비는 각각 100:1 미만일 것이다. 추가 예로서, 일 실시예에서 HPE 대 WPE의 비는 각각 10:1 미만일 것이다. 추가 예로서, 일 실시예에서 HPE 대 WPE의 비는 각각 약 2:1 내지 약 100:1의 범위 내 일 것이다. 도 2에 도시된 X-Y-Z 좌표계의 맥락에서, 바람직한 실시예에서 길이 LPE는 "X" 축(및 방향 D에 수직한)을 따라 측정되고, WPE는 "Y" 축을 따라 측정되며, HPE는 "Z" 축을 따라 측정된다.
도 9에 예시된 실시예에서, 양극 집단 부재들(22)은 그것들의 길이의 함수로서 일정 폭 WPE 및 일정 높이 HPE를 갖는다. 다른 실시예들에서, 양극 집단 부재들(22)은 양극 길이를 따르는 위치의 함수로서 가변하는 폭 WPE 또는 높이 HPE를 가질 수 있고, 또는 양극 집단 부재들은 직사각형 이외의 단면(길이 방향에 수직한 평면에서 취해지는)을 가질 수 있다. 이러한 다른 실시예들에서, 폭 WPE 및 높이 HPE는 양극 집단 부재들(22)의 길이 방향에 수직한 평면에서 양극 집단 부재들(22)의 투사의 최대 폭 및 최대 높이를 지칭한다. 환원하여, 폭 WPE 및 높이 HPE는 가장 작은 치수들을 갖지만 양극 버스의 투사의 모든 점들을 포함하는 평면에 놓이는 가상의 직사각형의 2개의 인접한 변들의 길이들에 대응한다.
다시 도 2 및 도 5 내지 도 8을 참조하면, 양극들의 집단의 부재들(22) 및 음극들의 집단의 부재들(23) 각각은 총괄적으로, 각각의 전극들을 지지하는 양극 및 음극 버스들(혹은 이외 다른 지지 구조)의 기하학적 풋프린트를 초과하는 표면적을 갖는다. 바람직하게, 양극들의 집단의 부재(22) 및 음극들의 집단의 부재(23) 각각은 총괄적으로, 1.5 팩터, 2 팩터, 2.5 팩터 또는 심지어 3 팩터 또는 그 이상만큼 각각의 전극들을 지지하는 양극 및 음극 버스들(혹은 이외 다른 지지 구조)의 기하학적 풋프린트를 초과하는 표면적을 갖는다. 예를 들면, "N" 부재들을 갖는 음극 또는 양극의 집단의 기하학적 풋프린트는 다음 식에 따라 결정될 수 있고:
음극 기하학적 풋프린트 = (N*LNE *(2*HNE + WNE))
"N" 부재들을 갖는 양극들의 집단의 기하학적 풋프린트는 다음 식에 따라 결정될 수 있으며:
양극 기하학적 풋프린트 = (N*LPE *(2*HPE + WPE))
LNE, HNE, WNE , LPE, HPE, 및 WPE는 이전에 기술된 바와 같이 음극 및 양극 집단 부재들의 길이, 폭 및 높이이다.
도 9를 참조하면, 음극 백본(51), 음극 활성 물질층(49), 음극 전류 콜렉터층(47) 및 보충 음극 전류 콜렉터층(47A, 47B)은, 바람직하게, 음극 집단의 각 부재(21)의 하부(31)에서 상부(33)까지의 대부분의 거리를 확장한다. 보충 음극 전류 콜렉터들은 추가의 전기 전도도를 제공하기 위해 음극 집단 부재들에 탑재될 수 있다. 특정 실시예들에서, 보충 음극 전류 콜렉터는 음극 전류 콜렉터의 전기 전도도를 적어도 2 팩터만큼을 초과하는 전기 전도도를 갖는데, 특정 실시예들에서, 보충 음극 전류 콜렉터의 전기 전도도는 음극 전류 콜렉터의 전기 전도도를 적어도 5 팩터 또는 심지어 10 팩터만큼 초과한다. 바람직하게는, 보충 음극 전류 콜렉터에 의해 제공되는 추가의 전기 전도도는 음극 전류 콜렉터층(47)의 전체 전류 콜렉터 중량 및 체적 요건이 감소되게 한다. 또한, 음극 전류 콜렉터층이 이온 투과성 전류 콜렉터(본 명세서에서의 다른 어떤 곳에서 더 완전하게 기술되는 바와 같이)일 때, 보충 음극 전류 콜렉터는 전극 길이 LNE을 따라 대다수의 전류를 운반할 수 있고, 음극 전류 콜렉터층은 전극으로부터 전류를 주로 수집하여 이를 보충 음극 전류 콜렉터에 제공하게 기능할 수 있다. 이어 이것은 이온 투과성 전류 콜렉터층으로부터 요구되는 전자 전도도를 감소시키고 더 나은 셀 성능을 위해 낮은 전자 전도성 및 높은 이온 전도성을 갖는 이온 투과성층을 설계하는 능력을 가능하게 한다.
일부 실시예들에서, 보충 음극 전류 콜렉터는 전극을 따라 특정 위치들에서 충전/방전 반응들을 차단하는 수단을 제공할 수 있다. 도 3을 참조하면, 보충 전류 콜렉터들(47A, 47B)은 이 층의 이온 전도성이 근본적으로 제로가 되도록 설계되는데, 이는 보충 전류 콜렉터 바로 아래에 있는 전극 상에서 충전/방전 반응을 저해할 수 있다.
일 실시예에서 음극 집단의 각 부재(21)에 의해 포함되는 음극 전류 전도체층(47)은 이러한 음극 전류 콜렉터를 포함하는 부재의 길이 LNE의 적어도 50%인 길이 LNC를 갖는다. 추가 예로서, 일 실시예에서 음극 집단의 각 부재(21)에 의해 포함되는 음극 전류 전도체층(47)은 이러한 음극 전류 콜렉터를 포함하는 부재의 길이 LNE의 적어도 60%인 길이 LNC를 갖는다. 추가 예로서, 일 실시예에서 음극 집단의 각 부재(21)에 의해 포함되는 음극 전류 전도체층(47)은 이러한 음극 전류 콜렉터를 포함하는 부재의 길이 LNE의 적어도 70%인 길이 LNC를 갖는다. 추가 예로서, 일 실시예에서 음극 집단의 각 부재(21)에 의해 포함되는 음극 전류 전도체층(47)은 이러한 음극 전류 콜렉터를 포함하는 부재의 길이 LNE의 적어도 80%인 길이 LNC를 갖는다. 추가 예로서, 일 실시예에서 음극 집단의 각 부재(21)에 의해 포함되는 음극 전류 전도체층(47)은 이러한 음극 전류 콜렉터를 포함하는 부재의 길이 LNE의 적어도 90%인 길이 LNC를 갖는다. 이전 실시예들의 각각에서, 보충 음극 전류 콜렉터층들(47A, 47B)은 독립적으로, 음극 전류 콜렉터층(47)의 길이 LNC의, 예를 들면, 적어도 60%, 70%, 80% 또는 심지어 90%의 실질적 부분과 동일한 길이(길이 LNC와 동일한 방향으로 측정되는)를 갖는다. 대안적으로, 이전 실시예들의 각각에서, 보충 음극 전류 콜렉터층들(47A, 47B)은 독립적으로, 음극 전류 콜렉터층(47)의 길이 LNC의, 예를 들면, 40%, 30%, 20% 또는 심지어 10% 미만의 실질적 부분 미만인 길이(길이 LNC와 동일 방향으로 측정되는)를 갖는다. 음극 집단의 부재들(21)의 각각의 길이 LNE는 에너지 저장 장치 및 그것의 의도된 용도에 따라 달라질 것이지만, 많은 실시예들에서 약 5 mm 내지 약 500 mm의 범위 내에 있을 것이다. 예를 들면, 일 실시예에서, 부재(21)의 각각에 대한 길이 LNE는 약 10 mm 내지 약 250 mm의 범위 내에 있을 것이다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 부재(21)의 각각에 대한 길이 LNE는 약 25 mm 내지 약 100 mm의 범위 내에 있을 것이다.
도 10을 참조하면, 양극 백본(52), 양극 활성 물질층(50), 및 양극 전류 콜렉터층(48) 및 보충 양극 전류 콜렉터층들(48A, 48B)은 바람직하게는 음극 집단의 각 부재(22)의 하부(32)에서 상부(34)까지의 대부분의 거리를 확장한다. 보충 양극 전류 콜렉터들은 추가의 전기 전도도를 제공하기 위해 양극 집단 부재들에 탑재될 수 있다. 특정 실시예들에서, 보충 양극 전류 콜렉터는 양극 전류 콜렉터의 전기 전도도를 적어도 2 팩터만큼 초과하는 전기 전도도를 갖고, 특정 실시예들에서는, 보충 양극 전류 콜렉터의 전기 전도도는 양극 전류 콜렉터의 전기 전도도를 적어도 5 팩터 또는 심지어 10 팩터만큼 초과한다. 바람직하게는, 보충 양극 전류 콜렉터에 의해 제공되는 추가의 전기 전도도는 양극 전류 콜렉터층(48)의 전체 전류 콜렉터 중량 및 체적 요건이 감소되게 한다. 또한, 양극 전류 콜렉터층이 이온 투과성 전류 콜렉터(본 명세서에서의 다른 어떤 곳에서 더 완전하게 기술되는 바와 같이)일 때, 보충 양극 전류 콜렉터는 전극 길이 LPE를 따라 대다수의 전류를 운반할 수 있고, 양극 전류 콜렉터층은 전극으로부터 전류를 주로 수집하여 이를 보충 양극 전류 콜렉터에 제공하도록 기능할 수 있다. 이어 이것은 이온 투과성 전류 콜렉터층으로부터 요구되는 전자 전도도를 감소시키고, 더 나은 셀 성능을 위해 낮은 전자 전도성 및 높은 이온 전도성을 갖는 이온 투과성층을 설계하는 능력을 가능하게 한다.
일부 실시예들에서, 보충 양극 전류 콜렉터는 전극을 따라 특정 위치들에서 충전/방전 반응들을 차단하는 수단을 제공할 수 있다. 이제 도 3을 참조하면, 보충 전류 콜렉터들(48A, 48B)은 이 층의 이온 전도성이 근본적으로 제로가 되게 하여 보충 전류 콜렉터 바로 아래에 있는 전극 상에서 충전/방전 반응을 저해하게 설계될 수 있다.
예를 들면, 일 실시예에서 양극 집단의 각 부재(22)에 의해 포함되는 양극 전류 전도체층(48)은 이러한 양극 전류 콜렉터를 포함하는 부재의 길이 LPE의 적어도 50%인 길이 LPC를 갖는다. 추가 예로서, 일 실시예에서 양극 집단의 각 부재(22)에 의해 포함되는 양극 전류 전도체층(48)은 이러한 양극 전류 콜렉터를 포함하는 부재의 길이 LPE의 적어도 60%인 길이 LPC를 갖는다. 추가 예로서, 일 실시예에서 양극 집단의 각 부재(22)에 의해 포함되는 양극 전류 전도체층(48)은 이러한 양극 전류 콜렉터를 포함하는 부재의 길이 LPE의 적어도 70%인 길이 LPC를 갖는다. 추가 예로서, 일 실시예에서 양극 집단의 각 부재(22)에 의해 포함되는 양극 전류 전도체층(48)은 이러한 양극 전류 콜렉터를 포함하는 부재의 길이 LPE의 적어도 80%인 길이 LPC를 갖는다. 추가 예로서, 일 실시예에서 양극 집단의 각 부재(22)에 의해 포함되는 양극 전류 전도체층(48)은 이러한 양극 전류 콜렉터를 포함하는 부재의 길이 LPE의 적어도 90%인 길이 LPC를 갖는다. 이전 실시예들의 각각에서, 보충 양극 전류 콜렉터층들(48A, 48B)은 독립적으로, 양극 전류 콜렉터층(48)의 길이 LPC의 예를 들면, 적어도 60%, 70%, 80% 또는 심지어 90%의 실질적 부분과 동일한 길이(길이 LPC와 동일한 방향으로 측정되는)를 갖는다. 대안적으로, 이전 실시예들의 각각에서, 보충 양극 전류 콜렉터층들(48A, 48B)은 독립적으로, 양극 전류 콜렉터층(48)의 길이 LPC의 예를 들면, 40%, 30%, 20% 또는 심지어 10% 미만의 실질적 부분 미만인 길이(길이 LPC와 동일 방향으로 측정되는)를 갖는다. 양극 집단의 부재들(22)의 각각의 길이 LPE는 에너지 저장 장치 및 그것의 의도된 용도에 따라 달라질 것이지만, 많은 실시예들에서 약 5 mm 내지 약 500 mm의 범위 내에 있을 것이다. 예를 들면, 일 실시예에서, 부재(21)의 각각에 대한 길이 LPE는 약 10 mm 내지 약 250 mm의 범위 내에 있을 것이다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 부재(21)의 각각에 대한 길이 LPE는 약 25 mm 내지 약 100 mm의 범위 내에 있을 것이다.
이제 도 3 및 도 7을 참조하면, 음극 백본(51)은 양극(들)을 대면하는 음극 백본(51)의 측면 상에 위치되는 음극 활성 물질층(49)에 기계적 안정성을 제공한다. 전형적으로, 음극 백본(51)은 적어도 1 마이크로미터의 두께를(음극의 폭 WNE과 동일한 방향으로 측정되었을 때) 가질 것이다. 음극 백본(51)은 실질적으로 더 두꺼울 수 있으나, 전형적으로 100 마이크로미터를 초과하는 두께를 갖지 않을 것이며; 더 큰 두께가 가능하지만 에너지 밀도에 부정적으로 영향을 미칠 것이다. 예를 들면, 일 실시예에서, 음극 백본(51)은 약 1 내지 약 50 마이크로미터의 두께를 가질 것이다. 일반적으로, 음극 백본(51)은 적어도 약 50 마이크로미터, 보다 전형적으로 적어도 약 100 마이크로미터의 높이(음극의 높이 HNE와 동일한 방향으로 측정되었을 때)를 가질 것이다. 그러나, 일반적으로, 음극 백본(51)은 전형적으로 약 10,000 마이크로미터를 넘지 않는 높이, 보다 전형적으로 약 5,000 마이크로미터를 넘지 않는 높이를 가질 것이다. 예로서, 일 실시예에서, 음극 백본(51)은 약 5 내지 약 50 마이크로미터의 두께 및 약 50 내지 약 5,000 마이크로미터의 높이를 가질 것이다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 음극 백본(51)은 약 5 내지 약 20 마이크로미터의 두께 및 약 100 내지 약 1,000 마이크로미터의 높이를 가질 것이다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 음극 백본(51)은 약 5 내지 약 20 마이크로미터의 두께 및 약 100 내지 약 2,000 마이크로미터의 높이를 가질 것이다.
적용에 따라, 음극 백본(51)은 전기적 도전성 또는 절연일 수 있다. 예를 들면, 일 실시예에서 음극 백본(51)은 전기적 도전성일 수 있고 음극 활성 물질층(49)을 위한 전류 콜렉터를 포함하거나 또는 심지어 구성할 수 있다. 이러한 일 실시예에서, 음극 백본은 적어도 약 103 Siemens/cm의 전도성을 갖는 전류 콜렉터를 포함한다. 추가 예로서, 이러한 일 실시예에서, 음극 백본은 적어도 약 104 Siemens/cm의 전도성을 갖는 전류 콜렉터를 포함한다. 추가 예로서, 이러한 일 실시예에서, 음극 백본은 적어도 약 105 Siemens/cm의 전도성을 갖는 전류 콜렉터를 포함한다. 다른 실시예들에서, 음극 백본(51)은 비교적 비도전성이다. 예를 들면, 일 실시예에서, 음극 백본(51)은 10 Siemens/cm 미만의 전기 전도성을 갖는다. 추가 예로서 일 실시예에서, 음극 백본(51)은 1 Siemens/cm 미만의 전기 전도성을 갖는다. 추가 예로서 일 실시예에서, 음극 백본(51)은 10-1 Siemens/cm 미만의 전기 전도성을 갖는다.
음극 백본(51)은 형상화될 수 있는 임의의 물질, 예컨대 금속들, 반도체들, 유기물들, 세라믹들, 및 유리들을 포함할 수 있다. 현재 바람직한 물질들은 실리콘 및 게르마늄과 같은 반도체 물질들을 포함한다. 그러나, 대안적으로, 알루미늄, 구리, 니켈, 코발트, 티타늄, 및 텅스텐과 같은 탄소-기반 유기 물질들 또는 금속들이 음극 백본들에 또한 탑재될 수 있다. 예시적 일 실시예에서, 음극 백본(51)은 실리콘을 포함한다. 실리콘은, 예를 들면, 단결정 실리콘, 다결정 실리콘, 비정질 실리콘 또는 이들의 조합일 수 있다.
음극 백본(51)의 각각의 측면의 상에 음극 활성 물질층(49)은 적어도 1 마이크로미터의 두께(음극의 폭 WNE과 동일한 방향으로 측정되었을 때)를 가질 것이다. 그러나, 일반적으로, 음극 활성 물질층(49)은 전형적으로, 200 마이크로미터를 초과하지 않는 두께(즉, 음극 백본(51)의 일측 상에 전류 콜렉터층(47)과 음극 백본(51) 사이 층의 두께)를 가질 것이다. 예를 들면, 일 실시예에서, 음극 활성 물질층(49)은 약 1 내지 약 100 마이크로미터의 두께를 가질 것이다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 음극 활성 물질층(49)은 약 2 내지 약 75 마이크로미터의 두께를 가질 것이다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 음극 활성 물질층(49)은 약 10 내지 약 100 마이크로미터의 두께를 가질 것이다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 음극 활성 물질층(49)은 약 5 내지 약 50 마이크로미터의 두께를 가질 것이다. 또한, 음극 백본(51)의 각각의 측면 상에 음극 활성 물질층(49)은 적어도 약 50 마이크로미터, 보다 전형적으로 적어도 약 100 마이크로미터의 높이(도 5에 도시된 바와 같이 음극의 높이 HNE에 대응하는 방향으로 측정되었을 때)를 가질 것이다. 그러나, 일반적으로, 음극 활성 물질층(49)은 전형적으로, 약 10,000 마이크로미터를 넘지 않는, 및 보다 전형적으로 약 7,500 마이크로미터를 넘지 않는 높이를 가질 것이다. 예로서, 일 실시예에서, 음극 활성 물질층(49)은 약 1 내지 약 200 마이크로미터의 두께 및 약 50 내지 약 7,500 마이크로미터의 높이를 가질 것이다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 음극 활성 물질층(49)은 약 1 내지 약 50 마이크로미터의 두께 및 약 100 내지 약 1,000 마이크로미터의 높이를 가질 것이다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 음극 활성 물질층(49)은 약 5 내지 약 20 마이크로미터의 두께 및 약 100 내지 약 1,000 마이크로미터의 높이를 가질 것이다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 음극 활성 물질층(49)은 약 10 내지 약 100 마이크로미터의 두께 및 약 100 내지 약 1,000 마이크로미터의 높이를 가질 것이다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 음극 활성 물질층(49)은 약 5 내지 약 50 마이크로미터의 두께 및 약 100 내지 약 1,000 마이크로미터의 높이를 가질 것이다.
음극 활성 물질층(49)은 리튬, 나트륨, 포타슘, 칼슘 또는 마그네슘 이온들과 같은 캐리어 이온을 흡수 및 방출할 수 있는 음극 활성 물질을 포함할 수 있다. 이러한 물질들은, 흑연 및 이흑연화 탄소(soft carbon) 또는 난흑연화 탄소(hard carbon)와 같은 탄소 물질들, 혹은 리튬과 합금을 형성할 수 있는 다양한 금속들, 반-금속들, 합금들, 산화물들 및 화합물들 중 임의의 것을 포함한다. 애노드 물질을 구성할 수 있는 금속들 또는 반-금속들의 특정한 예들은 주석, 납, 마그네슘, 알루미늄, 보론, 갈륨, 실리콘, 인듐, 지르코늄, 게르마늄, 비스무스, 카드뮴, 안티모니, 은, 아연, 비소, 하프늄, 이트륨, 및 팔라듐을 포함한다. 대표적인 일 실시예에서, 음극 활성 물질층(49)은 알루미늄, 주석, 또는 실리콘, 또는 이들의 산화물, 이들의 질화물, 이들의 플루오라이드, 또는 이들의 그외 다른 합금을 포함한다. 또 다른 대표적인 실시예에서, 음극 활성 물질층(49)은 실리콘 또는 이들의 합금을 포함한다. 이 단락에서 나열된 각각의 실시예들 및 예들에서, 음극 활성 물질층(49)은 입자성 집괴 전극(agglomerate electrode) 또는 단일체 전극(monolithic electrode)일 수 있다.
일 실시예에서, 음극 활성 물질층(49)은 충전 및 방전 프로세스들 동안 리튬 이온들(또는 이외 다른 캐리어 이온들)이 음극 활성 물질층(49)에 탑재되거나 이탈할 때 체적 팽창 및 수축을 수용하기 위한 현저한 공극 체적 부분을 제공하도록 미세구조화된다. 일반적으로, 음극 활성 물질층의 공극 체적 부분은 적어도 0.1이다. 그러나, 전형적으로, 음극 활성 물질층의 공극 체적 부분은 0.8보다 크지 않다. 예를 들면, 일 실시예에서, 음극 활성 물질층의 공극 체적 부분은 약 0.15 내지 약 0.75이다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 음극 활성 물질층의 공극 체적 부분은 약 0.2 내지 약 0.7이다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 음극 활성 물질층의 공극 체적 부분은 약 0.25 내지 약 0.6이다.
미세구조화된 음극 활성 물질층의 조성 및 그것의 형성 방법에 따라, 미세구조화된 음극 활성 물질층은 미세다공성 및 중형다공성의 조합 또는 중형다공성 및 거대다공성의 조합과 같은, 거대다공성(macroporous), 미세다공성(microporous) 또는 중형다공성(mesoporous) 물질층들 혹은 이들의 조합을 포함할 수 있다. 미세다공성 물질은 전형적으로, 10nm 미만의 기공 치수, 10　nm 미만의 벽 치수, 1-50　마이크로미터의 기공 깊이, 및 "스폰지(sponzy)" 및 불규칙한 외양, 매끄럽지 않은 벽들 및 분기 기공들(branched pores)에 의해 일반적으로 특징지어지는 기공 형태학에 의해 전형적으로 특징지어진다. 중형다공성 물질은 전형적으로, 10-50　nm의 기공 치수, 10-50　nm의 벽 치수, 1-100　마이크로미터의 기공 깊이, 및 다소 뚜렷한 분기 기공들 혹은 수상 기공들(dendritic pores)에 의해 일반적으로 특징지어지는 기공 형태학에 의해 전형적으로 특징지어진다. 거대다공성 물질은 50　nm보다 큰 기공 치수, 50　nm보다 큰 벽 치수, 1-500　마이크로미터의 기공 깊이, 및 가변적인, 곧은, 분기 또는 수상, 및 매끄러운 또는 거친 벽일 수 있는 기공 형태학에 의해 전형적으로 특징지어진다. 또한, 공극 체적은 열린 또는 닫혀진 공극들, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 공극 체적은 열린 공극들을 포함하는데, 즉, 음극 활성 물질층은 음극 활성 물질층의 전면(즉, 격리막 및 양극 활성 물질층을 대면하는 표면)에 개구들은 갖는 공극들을 포함하며, 이 개구들을 통해 리튬 이온들(또는 이외 다른 캐리어 이온들)은 음극 활성 물질층에 진입 또는 이탈할 수 있는데; 예를 들면, 리튬 이온들은 양극 활성 물질층을 이탈한 후 공극 개구들을 통해 음극 활성 물질층에 진입할 수 있다. 다른 실시예에서, 공극 체적은 닫힌 공극들을 포함하는데, 즉, 음극 활성 물질층은 음극 활성 물질에 의해 에워싸인 공극들을 내포한다. 일반적으로, 열린 공극들은 캐리어 이온들에 대한 더 큰 계면 표면적을 제공할 수 있는 반면 닫힌 공극들은 고형 전해질 계면("SEI"; solid electrolyte interface)에 덜 허용되는 경향이 있고 각각은 캐리어 이온들의 진입시 음극 활성 물질층의 팽창을 위한 공간을 제공한다. 그러므로, 특정 실시예들에서, 음극 활성 물질층은 열린 및 닫힌 공극들의 조합을 포함하는 것이 바람직하다.
일 실시예에서, 음극 활성 물질층(49)은 다공성 알루미늄, 주석 또는 실리콘 또는 이들의 합금을 포함한다. 다공성 실리콘 층들은, 예를 들면, 양극산화에 의해, 에칭(예를 들면, 단결정 실리콘의 (100) 표면 상에 금, 백금, 은 또는 금/팔라듐과 같은 귀금속들을 침착하고 불화수소산과 과산화수소와의 혼합물로 표면을 에칭함으로써)에 의해, 혹은 패터닝된 화학적 에칭과 같은 해당 기술분야에 공지된 다른 방법들에 의해 형성될 수 있다. 또한, 다공성 음극 활성 물질층은 일반적으로 적어도 약 0.1이지만 0.8 미만의 다공성 부분을 가지며 약 1 내지 약 100 마이크로미터의 두께를 가질 것이다. 예를 들면, 일 실시예에서 음극 활성 물질층(49)은 다공성 실리콘을 포함하며, 약 5 내지 약 100 마이크로미터의 두께를 가지며, 약 0.15 내지 약 0.75의 다공성 부분을 갖는다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 음극 활성 물질층(49)은 다공성 실리콘을 포함하고, 약 10 내지 약 80 마이크로미터의 두께를 가지며, 약 0.15 내지 약 0.7의 다공성 부분을 갖는다. 추가 예로서, 이러한 일 실시예에서, 음극 활성 물질층(49)은 다공성 실리콘을 포함하고, 약 20 내지 약 50 마이크로미터의 두께를 가지며, 약 0.25 내지 약 0.6의 다공성 부분을 갖는다. 추가 예로서, 일 실시예에서 음극 활성 물질층(49)은 다공성 실리콘 합금(니켈 실리사이드와 같은)을 포함하고, 약 5 내지 약 100 마이크로미터의 두께를 가지며, 약 0.15 내지 약 0.75의 다공성 부분을 갖는다.
다른 실시예에서, 음극 활성 물질층(49)은 알루미늄, 주석 또는 실리콘, 또는 이들의 합금의 섬유들(fibers)을 포함한다. 개개의 섬유들은 약 5　nm 내지 약 10,000 nm의 직경(두께 치수) 및 음극 활성 물질층(49)의 두께에 일반적으로 대응하는 길이를 가질 수 있다. 실리콘의 섬유들(나노선들(nanowires))은, 예를 들면, 기체 액체 고체(VLS; vapor liquid solid) 성장 및 고체 액체 고체(SLS; solid liquid solid) 성장과 같은 해당 기술분야에 공지된 화학 기상 증착 또는 다른 기술들에 의해 형성될 수 있다. 또한, 음극 활성 물질층(49)은 일반적으로 적어도 약 0.1이지만 0.8 미만의 다공성 부분을 가지며 약 1 내지 약 200 마이크로미터의 두께를 가질 것이다. 예를 들면, 일 실시예에서 음극 활성 물질층(49)은 실리콘 나노선들을 포함하고, 약 5 내지 약 100 마이크로미터의 두께를 가지며, 약 0.15 내지 약 0.75의 다공성 부분을 갖는다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 음극 활성 물질층(49)은 실리콘 나노선들을 포함하고, 약 10 내지 약 80 마이크로미터의 두께를 가지며, 약 0.15 내지 약 0.7의 다공성 부분을 갖는다. 추가 예로서, 이러한 일 실시예에서, 음극 활성 물질층(49)은 실리콘 나노선들을 포함하고, 약 20 내지 약 50 마이크로미터의 두께를 가지며, 약 0.25 내지 약 0.6의 다공성 부분을 갖는다. 추가 예로서, 일 실시예에서 음극 활성 물질층(49)은 실리콘 합금(니켈 실리사이드와 같은)의 나노선들을 포함하며, 약 5 내지 약 100 마이크로미터의 두께를 가지며, 약 0.15 내지 약 0.75의 다공성 부분을 갖는다.
상당한 섬유-대-섬유 변화가 존재할 수 있을지라도, 알루미늄, 주석 또는 실리콘(또는 이들의 합금)의 나노선들은 음극 백본(51)에 대부분 수직한(음극 활성 물질층에의 나노선의 부착점에서) 주 축들(때때로 중앙축이라고도 지칭되는)을 갖는다.
다른 실시예에서, 음극 활성 물질층(49)은 실리콘 또는 이들의 합금 및 다공성 실리콘 또는 이들의 합금의 나노선들을 포함한다. 이러한 실시예들에서, 음극 활성 물질층은 일반적으로 적어도 약 0.1이지만 0.8 미만의 다공성 부분을 가지며, 다공성 실리콘 및 실리콘 나노선들과 관련하여 이전에 기술된 바와 같이 약 1 내지 약 100 마이크로미터의 두께를 가질 것이다.
다시 도 3 및 도 5를 참조하면, 일 실시예에서 음극 전류 콜렉터층(47)은 이온적으로 및 전기적으로 도전성인 이온 투과성 전도체 물질을 포함한다. 환원하여, 음극 전류 콜렉터층은 이온 투과성 전도체층의 일측 상에 바로 인접한 활성 전극 물질층과 전기화학 적층에서의 음극 전류 콜렉터층의 다른 측 상에 바로 인접한 격리막층 간에 캐리어 이온들의 이동을 용이하게 하는 캐리어 이온들에 대한 두께, 전기 전도성, 및 이온 전도성을 갖는다. 상대적으로, 음극 전류 콜렉터층은 장치에 에너지를 저장하기 위해 인가된 전류 혹은 장치를 방전하기 위해 인가된 부하가 존재할 때 그것의 이온 전도도보다 큰 전기 전도도를 갖는다. 예를 들면, 전기 전도도 대 음극 전류 콜렉터층의 이온 전도도(캐리어 이온들에 대한)의 비는 전형적으로 장치에 에너지를 저장하기 위해 인가된 전류 혹은 장치를 방전하기 위해 인가된 부하가 존재할 때, 각각 적어도 1,000:1일 것이다. 추가 예로서, 이러한 일 실시예에서, 전기 전도도 대 음극 전류 콜렉터층의 이온 전도도(캐리어 이온들에 대한)의 비는 장치에 에너지를 저장하기 위해 인가된 전류 혹은 장치를 방전하기 위해 인가된 부하가 존재할 때, 각각 적어도 5,000:1이다. 추가 예로서, 이러한 일 실시예에서, 전기 전도도 대 음극 전류 콜렉터층의 이온 전도도(캐리어 이온들에 대한)의 비는 장치에 에너지를 저장하기 위해 인가된 전류 혹은 장치를 방전하기 위해 인가된 부하가 존재할 때, 각각 적어도 10,000:1일 것이다. 추가 예로서, 이러한 일 실시예에서, 전기 전도도 대 음극 전류 콜렉터층의 이온 전도도(캐리어 이온들에 대한)의 비는 장치에 에너지를 저장하기 위해 인가된 전류 혹은 장치를 방전하기 위해 인가된 부하가 존재할 때, 각각 적어도 50,000:1일 것이다. 추가 예로서, 이러한 일 실시예에서, 전기 전도도 대 음극 전류 콜렉터층의 이온 전도도(캐리어 이온들에 대한)의 비는 장치에 에너지를 저장하기 위해 인가된 전류 혹은 장치를 방전하기 위해 인가된 부하가 존재할 때, 각각 적어도 100,000:1일 것이다.
음극 전류 콜렉터층(47)이 이온적으로 및 전기적으로 도전성인 이온 투과성 전도체 물질을 포함하는 이들 실시예들에서, 음극 전류 콜렉터층(47)은, 2차 배터리가 충전 또는 방전할 때와 같은, 전류가 장치에 에너지를 저장하기 위해 인가되거나 부하가 장치를 방전하기 위해 인가될 때 인접 격리막층의 이온 전도도에 필적하는 이온 전도도를 가질 수 있다. 예를 들면, 일 실시예에서 음극 전류 콜렉터층(47)은 장치에 에너지를 저장하기 위해 인가된 전류 혹은 장치를 방전하기 위해 인가된 부하가 존재할 때 격리막층의 이온 전도도의 적어도 50%인 이온 전도도(캐리어 이온들에 대한)를 갖는다(즉, 각각 0.5:1의 비). 추가 예로서, 일부 실시예들에서 음극 전류 콜렉터층(47)의 이온 전도도(캐리어 이온들에 대한) 대 격리막층의 이온 전도도(캐리어 이온들에 대한)의 비는 장치에 에너지를 저장하기 위해 인가된 전류 혹은 장치를 방전하기 위해 인가된 부하가 존재할 때 적어도 1:1이다. 추가 예로서, 일부 실시예들에서 음극 전류 콜렉터층(47)의 이온 전도도(캐리어 이온들에 대한) 대 격리막층의 이온 전도도(캐리어 이온들에 대한)의 비는 장치에 에너지를 저장하기 위해 인가된 전류 혹은 장치를 방전하기 위해 인가된 부하가 존재할 때 적어도 1.25:1이다. 추가 예로서, 일부 실시예들에서 음극 전류 콜렉터층(47)의 이온 전도도(캐리어 이온들에 대한) 대 격리막층의 이온 전도도(캐리어 이온들에 대한)의 비는 장치에 에너지를 저장하기 위해 인가된 전류 혹은 장치를 방전하기 위해 인가된 부하가 존재할 때 적어도 1.5:1이다. 추가 예로서, 일부 실시예들에서 음극 전류 콜렉터층(47)의 이온 전도도(캐리어 이온들에 대한) 대 격리막층의 이온 전도도(캐리어 이온들에 대한)의 비는 장치에 에너지를 저장하기 위해 인가된 전류 혹은 장치를 방전하기 위해 인가된 부하가 존재할 때 적어도 2:1이다.
일 실시예에서, 음극 전류 콜렉터층(47)는 또한 음극 활성 물질층의 전기 전도도보다 실질적으로 더 큰 전기 전도도를 갖는다. 예를 들면, 일 실시예에서 음극 전류 콜렉터층(47)의 전기 전도도 대 음극 활성 물질층의 전기 전도도의 비는 장치에 에너지를 저장하기 위해 인가된 전류 혹은 장치를 방전하기 위해 인가된 부하가 존재할 때 적어도 100:1이다. 추가 예로서, 일부 실시예들에서 음극 전류 콜렉터층(47)의 전기 전도도 대 음극 활성 물질층의 전기 전도도의 비는 장치에 에너지를 저장하기 위해 인가된 전류 혹은 장치를 방전하기 위해 인가된 부하가 존재할 때 적어도 500:1이다. 추가 예로서, 일부 실시예들에서 음극 전류 콜렉터층(47)의 전기 전도도 대 음극 활성 물질층의 전기 전도도의 비는 장치에 에너지를 저장하기 위해 인가된 전류 혹은 장치를 방전하기 위해 인가된 부하가 존재할 때 적어도 1000:1이다. 추가 예로서, 일부 실시예들에서 음극 전류 콜렉터층(47)의 전기 전도도 대 음극 활성 물질층의 전기 전도도의 비는 장치에 에너지를 저장하기 위해 인가된 전류 혹은 장치를 방전하기 위해 인가된 부하가 존재할 때 적어도 5000:1이다. 추가 예로서, 일부 실시예들에서 음극 전류 콜렉터층(47)의 전기 전도도 대 음극 활성 물질층의 전기 전도도의 비는 장치에 에너지를 저장하기 위해 인가된 전류 혹은 장치를 방전하기 위해 인가된 부하가 존재할 때 적어도 10,000:1이다.
이 실시예에서 음극 전류 콜렉터층(47)의 두께(즉, 그 사이에 음극 전류 콜렉터층(47)이 개재되는 격리막과 음극 활성 물질층 간의 가장 짧은 거리)는 층의 조성 및 전기화학 적층에 대한 성능 명세들에 따를 것이다. 일반적으로, 음극 전류 콜렉터층이 이온 투과성 전도체층일 때, 그것은 적어도 약 300 옹스트롬의 두께를 가질 것이다. 예를 들면, 일부 실시예들에서 그것은 약 300-800 옹스트롬 범위 내의 두께를 가질 수 있다. 그러나, 보다 전형적으로, 그것은 약 0.1 마이크로미터보다 큰 두께를 가질 것이다. 일반적으로, 이온 투과성 전도체층은 약 100 마이크로미터보다 크지 않은 두께를 가질 것이다. 이에 따라, 예를 들면, 일 실시예에서, 음극 전류 콜렉터층(47)은 약 0.1 내지 약 10 마이크로미터의 범위 내의 두께를 가질 것이다. 추가 예로서, 일부 실시예들에서, 음극 전류 콜렉터층(47)은 약 0.1 내지 약 5 마이크로미터의 범위 내의 두께를 가질 것이다. 추가 예로서, 일부 실시예들에서, 음극 전류 콜렉터층(47)은 약 0.5 내지 약 3 마이크로미터의 범위 내의 두께를 가질 것이다. 일반적으로, 음극 전류 콜렉터층(47)의 두께가 근사적으로 균일한 것이 바람직하다. 예를 들면, 일 실시예에서 음극 전류 콜렉터층(47)은 약 25% 미만의 두께 비-균일성을 갖는 것이 바람직하고, 여기서 두께 비-균일성은 층의 최대 두께에서 층의 최소 두께를 뺀 수를 평균 층 두께로 나눈 것으로 정의된다. 특정 실시예들에서, 두께 변화는 훨씬 덜하다. 예를 들면, 일부 실시예들에서 음극 전류 콜렉터층(47)은 약 20% 미만의 두께 비-균일성을 갖는다. 추가 예로서, 일부 실시예들에서 음극 전류 콜렉터층(47)은 15% 미만의 두께 비-균일성을 갖는다. 일부 실시예들에서 이온 투과성 전도체층은 10% 미만의 두께 비-균일성을 갖는다.
바람직한 일 실시예에서, 음극 전류 콜렉터층(47)은 이온 투과성 및 전기 전도성에 기여하는 전기적 도전성 성분 및 이온 도전성 성분을 포함하는 이온 투과성 전도체층이다. 전형적으로, 전기적 도전성 성분은 메시(mesh) 또는 패터닝된 표면 형태의 연속된 전기적 도전성 물질(연속된 금속 또는 금속 합금과 같은), 막, 혹은 연속된 전기적 도전성 물질(연속된 금속 또는 금속 합금과 같은)을 포함하는 복합 물질을 포함할 것이다. 또한, 이온 도전성 성분은 전형적으로, 기공들, 예를 들면, 메시의 간극들, 패터닝된 금속 혹은 물질층을 포함하는 금속 합금 사이의 공간들, 금속 막에서의 기공들, 혹은 캐리어 이온들에 대해 충분한 확산도를 갖는 고체 이온 전도체를 포함할 것이다. 특정 실시예들에서, 이온 투과성 전도체층은 침착된 다공성 물질, 이온-수송 물질, 이온-반응성 물질, 복합 물질, 또는 물리적으로 다공성 물질을 포함한다. 다공성이라면, 예를 들면, 이온 투과성 전도체층은 적어도 약 0.25의 공극 부분을 가질 수 있다. 그러나, 일반적으로, 공극 부분은 전형적으로 약 0.95을 초과하지 않을 것이다. 보다 전형적으로, 이온 투과성 전도체층이 다공성일 때, 공극 부분은 약 0.25 내지 약 0.85의 범위 내 일 수 있다. 일부 실시예들에서, 예를 들면, 이온 투과성 전도체층이 다공성일 때, 공극 부분은 약 0.35 내지 약 0.65의 범위 내 일 수 있다.
음극 활성 물질층과 격리막 사이에 위치되었을 때, 음극 전류 콜렉터층(47)은 전류를 음극 전류 콜렉터로부터 음극 활성 물질층의 표면에 걸쳐 분포시킴으로써 더 균일한 캐리어 이온 수송을 용이하게 할 수 있다. 이어, 이것은 캐리어 이온들의 더 균일한 삽입 및 추출을 용이하게 하고, 그렇게 함으로써 사이클링 동안 음극 활성 물질에서의 응력을 감소시킬 수 있는데; 음극 전류 콜렉터층(47)은 격리막을 대면하는 음극 활성 물질층의 표면에 전류를 분포시키기 때문에, 캐리어 이온들에 대한 음극 활성 물질층의 반응성은 캐리어 이온 농도가 가장 클 때 가장 클 것이다.
보충 음극 전류 콜렉터층들(47A, 47B)은 음극 전류 콜렉터층(47)과 관련하여 이전에 확인된 물질들 중 임의의 것을 포함할 수 있다. 보충 음극 전류 콜렉터층들(47A, 47B)은 음극 및 양극 활성 물질층들 사이에 있지 않기 때문에, 이들은 캐리어 이온들에 대해 이온 투과성일 필요는 없다. 이에 따라, 보충 음극 전류 콜렉터층들(47A, 47B)은 탄소, 코발트, 크롬, 구리, 니켈, 티타늄, 또는 이들의 하나 이상의 합금과 같은, 음극들을 위한 전류 콜렉터 물질로서 통상적으로 사용되는 임의의 금속 또는 다른 전도체를 포함할 수 있다. 또한, 일 실시예에서, 보충 음극 전류 콜렉터층들(47A, 47B)은 독립적으로, 음극 전류 콜렉터층(47)의 전기 전도도를 초과하는 전기 전도도를 갖는다. 예를 들면, 일 실시예에서, 보충 음극 전류 콜렉터층들(47A, 47B) 중 적어도 하나는 음극 전류 콜렉터층의 전기 전도도의 적어도 200%, 예를 들면, 적어도 1000%인 전기 전도도를 갖는다.
대안적 실시예에서, 전극 전류 콜렉터층들(47A, 47B) 중 하나 또는 양자는 음극들의 집단의 각 부재(21)로부터 생략된다. 예를 들면, 이러한 일 실시예에서, 음극들의 집단의 각 부재(21)는 음극 전류 콜렉터층(47) 및 보충 음극 전류 콜렉터층(47A)을 포함하나 보충 음극 전류 콜렉터층(47B)은 아니다. 추가 예로서, 이러한 일 실시예에서, 음극들의 집단의 각 부재(21)는 음극 전류 콜렉터층(47) 및 보충 음극 전류 콜렉터층(47B)을 포함하나 보충 음극 전류 콜렉터층(47A)은 아니다. 추가 예로서, 이러한 일 실시예에서, 음극들의 집단의 각 부재(21)는 음극 전류 콜렉터층(47)을 포함하나 보충 음극 전류 콜렉터층(47A)도 보충 음극 전류 콜렉터층(47B)도 포함하지 않는다.
대안적 실시예에서, 음극 전류 콜렉터층(47) 및 음극 활성 물질층의 위치들은 도 3 및 도 6에 도시된 바와 같이 이들의 위치들에 관하여 반대로 된다. 환원하여, 일부 실시예들에서, 음극 전류 콜렉터층(47)은 음극 백본(51)과 음극 활성 물질층(49) 사이에 위치된다. 이러한 실시예들에서, 음극 전류 콜렉터층은 탄소, 코발트, 크롬, 구리, 니켈, 티타늄, 또는 이들의 하나 이상의 합금과 같은 음극들을 위한 전류 콜렉터 물질로서 통상적으로 사용되는 임의의 금속 또는 다른 전도체를 포함할 수 있다. 유일한 전류 콜렉터로서. 또한, 이러한 대안적 실시예들에서, 보충 음극 전류 콜렉터층들(47A, 47B) 중 하나 또는 양자는 음극들의 집단의 각 부재(21)로부터 생략될 수 있고, 음극 백본(51)은 음극 전류 콜렉터를 구성한다.
다시 도 2 및 도 3을 참조하면, 미세다공성 격리막층(43)은 음극들의 집단의 각 부재(21)와 양극들의 집단의 각 부재(22) 사이에 위치된다. 미세다공성 격리막층(43)은 예를 들면, 미세다공성 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, TiO2-폴리머 복합물들, SiO2, Al2O3 등(P. Arora 및 J. Zhang, "Battery Separators" Chemical Reviews 2004, 104, 4419-4462)을 포함하는 2차 배터리 격리막들로서 통상적으로 사용되는 다공성 물질들 중 임의의 것을 포함할 수 있다. 이러한 물질들은 예를 들면, 입자성 격리막 물질의 영동 전착(electrophoretic deposition), 입자성 격리막 물질의 슬러리 침착(스핀 또는 스프레이 코팅을 포함하는), 혹은 이온 도전성 입자성 격리막 물질의 스퍼터 코팅(sputter coating)에 의해 침착될 수 있다. 미세다공성 격리막층(43)은 예를 들면, 약 5 내지 100 마이크로미터의 두께(음극 및 양극들의 집단들의 인접 부재들을 분리하는 가장 짧은 거리) 및 약 0.25 내지 약 0.75의 공극 부분을 가질 수 있다.
동작 시, 미세다공성 격리막층(43)은 통상적으로 비수성 전해질 2차 배터리들용으로 사용되는 임의의 비수성 전해질을 포함하는 비수성 전해질이 바람직하게 투과된다. 전형적으로, 비수성 전해질은 유기 용액에서 용해되는 리튬 염을 포함한다. 대표적인 리튬 염들은 LiClO4, LiBF4, LiPF6, LiAsF6, LiCl, 및 LiBr과 같은 무기 리튬 염들; 및 LiB(C6H5)4, LiN(SO2CF3)2, LiN(SO2CF3)3, LiNSO2CF3, LiNSO2CF5, LiNSO2C4F9, LiNSO2C5F11, LiNSO2C6F13, 및 LiNSO2C7F15와 같은 유기 리튬 염들을 포함한다. 리튬 염을 용해하기 위한 대표적인 유기 용액들은 사이클릭 에스테르, 체인 에스테르, 사이클릭 에테르, 및 체인 에테르를 포함한다. 사이클릭 에스테르의 구체적 예들은 프로필렌 카보네이트, 부틸렌 카보네이트, γ-부티로락톤, 비닐렌 카보네이트, 2-메칠-γ-부티로락톤, 아세틸-γ-부티로락톤, 및 γ-발레로락톤을 포함한다. 체인 에스테르의 구체적 예들은 디메칠 카보네이트, 디에칠 카보네이트, 디부틸 카보네이트, 디프로필 카보네이트, 메칠 에칠 카보네이트, 메칠 부틸 카보네이트, 메칠 프로필 카보네이트, 에칠 부틸 카보네이트, 에칠 프로필 카보네이트, 부틸 프로필 카보네이트, 알킬 프로피오네이트, 디알킬 말로네이트, 및 알킬 아세테이트를 포함한다. 사이클릭 에테르의 구체적 예들은 테트라하이드로푸란, 알킬테트라하이드로푸란, 디알킬테트라하이드로푸란, 알콕시테트라하이드로푸란, 디알콕시테트라하이드로푸란, 1,3-디옥살란, 알킬-1,3-디옥살란, 및 1,4-디옥살란을 포함한다. 체인 에테르의 구체적 예들은 1,2-디메톡시에탄, 1,2-디에톡시탄, 디에칠 에테르, 에칠렌 글리콜 디알킬 에테르, 디에칠렌 글리콜 디알킬 에테르, 트리에칠렌 글리콜 디알킬 에테르, 및 테트라에칠렌 글리콜 디알킬 에테르를 포함한다.
도 3 및 도 7을 참조하면, 양극 백본(52)은 음극(들)을 대면하는 양극 백본(52)의 측면 상에 위치되는 양극 활성 물질층(50)에 그리고 양극 전류 콜렉터층(48)에 기계적 안정성을 제공한다. 전형적으로, 양극 백본(52)은 적어도 1 마이크로미터의 두께(양극의 폭 WPE와 동일한 방향으로 측정되었을 때)를 가질 것이다. 양극 백본(52)은 실질적으로 더 두꺼울 수 있으나, 일반적으로 100 마이크로미터를 초과하는 두께는 갖지 않을 것이다. 예를 들면, 일 실시예에서, 양극 백본(52)은 약 1 내지 약 50 마이크로미터의 두께를 가질 것이다. 일반적으로, 양극 백본(52)은 적어도 약 50 마이크로미터, 보다 전형적으로 적어도 약 100 마이크로미터의 높이 HPE(음극의 높이 HNE와 동일한 방향으로 측정되었을 때)를 가질 것이다. 그러나, 일반적으로, 양극 백본(52)은 전형적으로 약 10,000 마이크로미터를 넘지 않는, 보다 전형적으로 약 5,000 마이크로미터를 넘지 않는 높이를 가질 것이다. 예로서, 일 실시예에서, 양극 백본(52)은 약 5 내지 약 50 마이크로미터의 두께 및 약 50 내지 약 5,000 마이크로미터의 높이를 가질 것이다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 양극 백본(52)은 약 5 내지 약 20 마이크로미터의 두께 및 약 100 내지 약 1,000 마이크로미터의 높이를 가질 것이다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 양극 백본(52)은 약 5 내지 약 20 마이크로미터의 두께 및 약 100 내지 약 2,000 마이크로미터의 높이를 가질 것이다.
적용에 따라, 양극 백본(52)은 전기적 도전성 또는 절연일 수 있다. 예를 들면, 일 실시예에서 양극 백본(52)은 전기적 도전성 일 수 있고 양극 활성 물질층(50)을 위한 전류 콜렉터를 포함할 수 있다. 이러한 일 실시예에서, 양극 백본은 적어도 약 103 Siemens/cm의 전도성을 갖는 전류 콜렉터를 포함한다. 추가 예로서, 이러한 일 실시예에서, 양극 백본은 적어도 약 104 Siemens/cm의 전도성을 갖는 전류 콜렉터를 포함한다. 추가 예로서, 이러한 일 실시예에서, 양극 백본은 적어도 약 105 Siemens/cm의 전도성을 갖는 전류 콜렉터를 포함한다. 다른 실시예들에서, 양극 백본 애노드 백본(52)은 비교적 비도전성이다. 예를 들면, 일 실시예에서, 양극 백본(52)은 10 Siemens/cm 미만의 전기적 전도성을 갖는다. 추가 예로서 일 실시예에서, 양극 백본(52)은 1 Siemens/cm 미만의 전기적 전도성을 갖는다. 추가 예로서 일 실시예에서, 양극 백본(52)은 10-1 Siemens/cm 미만의 전기적 전도성을 갖는다.
양극 백본(52)은 금속들, 반도체들, 유기물들, 세라믹들, 및 유리들과 같은, 형상화될 수 있는 임의의 물질을 포함할 수 있다. 현재 바람직한 물질들은 실리콘 및 게르마늄과 같은 반도체 물질들을 포함한다. 그러나, 대안적으로, 알루미늄, 구리, 니켈, 코발트, 티타늄, 및 텅스텐과 같은, 탄소-기반 유기 물질들 또는 금속들은 또한 양극 백본들에 탑재될 수 있다. 대표적인 일 실시예에서, 양극 백본(52)은 실리콘을 포함한다. 실리콘은, 예를 들면, 단결정 실리콘, 다결정 실리콘, 비정질 실리콘 또는 이들의 조합일 수 있다.
양극 활성 물질층(50)은 캐소드 활성 물질들의 혼합물들을 포함하여, 다양한 캐소드 활성 물질들 중 임의의 것을 포함할 수 있다. 예를 들면, 리튬-이온 배터리에 대해서, 양극 활성 물질층(50)은 선택적으로 사용될 수 있는 전이 금속 산화물들, 전이 금속 황화물들, 전이 금속 질화물들, 리튬-전이 금속 산화물들, 리튬-전이 금속 황화물들, 및 리튬-전이 금속 질화물들에서 선택되는 캐소드 물질을 포함할 수 있다. 이들 전이 금속 산화물들, 전이 금속 황화물들, 및 전이 금속 질화물들의 전이 금속 원소들은 d-쉘(shell) 또는 f-쉘을 갖는 금속 원소들을 포함할 수 있다. 이러한 금속 원소의 구체적 예들은 Sc, Y, 란타노이드, 악티노이드, Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Mn, Tc, Re, Fe, Ru, Os, Co, Rh, Ir, Ni, Pb, Pt, Cu, Ag, 및 Au이다. 추가의 캐소드 활성 물질들은 LiCoO2, LiNi0 .5Mn1 .5O4, Li(NixCoyAl2)O2, LiFePO4, Li2MnO4, V2O5, 몰리브데늄 산황화물들, 및 이들의 조합들을 포함한다. 양극 활성 물질층은 예를 들면, 영동 전착, 전착(electrodeposition), 동시-침착(co-deposition) 또는 슬러리 침착을 포함하는 다양한 기술들 중 임의의 것에 의해 양극 구조를 형성하기 위해 침착될 수 있다. 대표적인 일 실시예에서, 입자성 형태로, 전술한 양극 활성 물질들, 또는 이들의 조합 중 하나는 영동 전착된다. 다른 대표적인 실시예에서, V2O5와 같은 양극 활성 물질이 전착된다. 다른 대표적인 실시예에서, 입자성 형태로, 전술한 양극 활성 물질들, 또는 이들의 조합 중 하나는 폴리아닐린과 같은 도전성 매트릭스 에 동시-침착된다. 다른 대표적인 실시예에서, 입자성 형태로, 전술한 양극 활성 물질들, 또는 이들의 조합 중 하나는 슬러리 침착된다.
양극들의 집단의 각 부재(22)는, 도 3에 예시된 실시예에서, 양극 백본(52) 위에 놓이는(즉, 양극 백본(52)과 양극 활성 물질층(50) 사이에 배치되는) 양극 전류 콜렉터층(48)을 더 포함한다. 양극 전류 콜렉터(48)는 음극 전류 콜렉터용으로 이전에 확인된 금속들 중 임의의 것을 포함할 수 있는데; 예를 들면, 일 실시예에서, 양극 전류 콜렉터(48)는 알루미늄, 탄소, 크롬, 금, 니켈, NiP, 팔라듐, 백금, 로듐, 루테늄, 실리콘 및 니켈의 합금, 티타늄, 또는 이들의 조합을 포함한다("Current collectors for positive electrodes of lithium-based batteries" by A. H. Whitehead and M. Schreiber, Journal of the Electrochemical Society, 152(11) A2105-A2113 (2005) 참조). 추가 예로서, 일 실시예에서, 양극 전류 콜렉터(48)는 금 또는 금 실리사이드와 같은 이들의 합금을 포함한다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 양극 전류 콜렉터(48)는 니켈 또는 니켈 실리사이드와 같은 이들의 합금을 포함한다.
보충 양극 전류 콜렉터층들(48A 및 48B)은 양극 전류 콜렉터층(48)과 관련하여 이전에 확인된 물질들 중 임의의 것을 포함할 수 있다. 또한, 일 실시예에서, 보충 양극 전류 콜렉터층들(48A, 48B) 중 적어도 하나는 양극 전류 콜렉터층(48)의 전기 전도도를 초과하는 전기 전도도를 갖는다. 예를 들면, 일 실시예에서, 보충 양극 전류 콜렉터층들(48A, 48B) 중 적어도 하나는 양극 전류 콜렉터층의 전기 전도도의 적어도 200-1,000%인 전기 전도도를 갖는다.
대안적 실시예에서, 양극 전류 콜렉터층들(48A, 48B) 중 하나 또는 양자는 양극들의 집단의 각 부재(22)로부터 생략된다. 예를 들면, 이러한 일 실시예에서, 양극들의 집단의 각 부재(22)는 양극 전류 콜렉터층(48) 및 보충 양극 전류 콜렉터층(48A)을 포함하나 보충 양극 전류 콜렉터층(48B)은 아니다. 추가 예로서, 이러한 일 실시예에서, 양극들의 집단의 각 부재(22)는 양극 전류 콜렉터층(48) 및 보충 양극 전류 콜렉터층(48B)을 포함하나, 보충 양극 전류 콜렉터층(48A)는 아니다. 추가 예로서, 이러한 일 실시예에서, 양극들의 집단의 각 부재(22)는 양극 전류 콜렉터층(48)을 포함하나, 보충 양극 전류 콜렉터층(48A)도 보충 양극 전류 콜렉터층(48B)도 아니다.
대안적 실시예에서, 양극 전류 콜렉터층 및 양극 활성 물질층의 위치들은 도 3 및 도 6에 도시된 바와 같이 이들의 위치들에 관하여 반대가 된다. 환원하여, 일부 실시예들에서, 양극 전류 콜렉터층은 격리막층과 양극 활성 물질층 사이에 위치된다. 이러한 실시예들에서, 바로 인접한 양극 활성 물질층에 대한 양극 전류 콜렉터는 음극 전류 콜렉터층과 관련하여 기술된 바와 같은 조성 및 구조를 갖는 이온 투과성 전도체를 포함하는데; 즉, 양극 전류 콜렉터층은 이온적으로 및 전기적으로 도전성인 이온 투과성 전도체 물질의 층을 포함한다. 이 실시예에서, 양극 전류 콜렉터층은 양극 전류 콜렉터층의 일측 상에 바로 인접한 양극 활성 물질층과 전기화학 적층에서 양극 전류 콜렉터층의 다른 측 상에 바로 인접한 격리막층 간에 캐리어 이온들의 이동을 용이하게 하는 캐리어 이온들에 대한 두께, 전기 전도성, 및 이온 전도성을 갖는다. 이 실시예에서, 상대적으로, 양극 전류 콜렉터층은 장치에 에너지를 저장하기 위해 인가된 전류 혹은 장치를 방전하기 위해 인가된 부하가 존재할 때 그것의 이온 전도도보다 큰 전기 전도도를 갖는다. 예를 들면, 전기 전도도 대 양극 전류 콜렉터층의 이온 전도도(캐리어 이온들에 대한)의 비는 전형적으로, 장치에 에너지를 저장하기 위해 인가된 전류 혹은 장치를 방전하기 위해 인가된 부하가 존재할 때, 각각 적어도 1,000:1일 것이다. 추가 예로서, 이러한 일 실시예에서, 전기 전도도 대 양극 전류 콜렉터층의 이온 전도도(캐리어 이온들에 대한)의 비는 장치에 에너지를 저장하기 위해 인가된 전류 혹은 장치를 방전하기 위해 인가된 부하가 존재할 때, 각각 적어도 5,000:1이다. 추가 예로서, 이러한 일 실시예에서, 전기 전도도 대 양극 전류 콜렉터층의 이온 전도도(캐리어 이온에 대한)의 비는 장치에 에너지를 저장하기 위한 인가된 전류 혹은 장치를 방전하기 위한 인가된 부하가 존재할 때 각각, 적어도 10,000:1일 것이다. 추가 예로서, 이러한 일 실시예에서, 전기 전도도 대 양극 전류 콜렉터층의 이온 전도도(캐리어 이온들에 대한)의 비는 장치에 에너지를 저장하기 위해 인가된 전류 혹은 장치를 방전하기 위해 인가된 부하가 존재할 때, 각각 적어도 50,000:1일 것이다. 추가 예로서, 이러한 일 실시예에서, 전기 전도도 대 양극 전류 콜렉터층의 이온 전도도(캐리어 이온들에 대한)의 비는 장치에 에너지를 저장하기 위해 인가된 전류 혹은 장치를 방전하기 위해 인가된 부하가 존재할 때, 각각 적어도 100,000:1일 것이다.
다시 도 2 및 도 4를 참조하면, 음극 버스(23) 및 양극 버스(24)는 광범위한 전기적 도전성 물질들 중 임의의 것을 구성할 수 있다. 예를 들면, 음극 버스(23) 및 양극 버스(24)는 독립적으로 전기적 도전성 세라믹, 유리, 폴리머, 반도체, 또는 음극 및 양극 집단들의 부재들을 음 및 양의 전기적 도전성 경로들(25, 26) 각각에 전기적으로 연결하기 위한 금속을 포함할 수 있다. 추가 예로서, 일 실시예에서, 음극 버스(23) 및 양극 버스(24) 각각은 독립적으로, 실리콘, 탄소, 탄소 복합물들, 금속 실리사이드들 등과 같은 전기적 도전성 물질을 포함한다. 양극 버스를 위한 대표적인 물질들은 알루미늄, 탄소, 크롬, 금, 니켈, NiP, 팔라듐, 백금, 로듐, 루테늄, 실리콘 및 니켈의 합금, 티타늄, 이들의 하나 이상의 합금, 및 이들의 조합을 포함한다. 음극 버스를 위한 대표적인 물질들은 구리, 니켈, 크롬, 티타늄, 텅스텐, 코발트, 탄소, 이들의 하나 이상의 합금, 및 이들의 조합들을 포함한다. 양극 및 음극 버스를 위한 물질들은 증발, 스퍼터링(sputtering), 무전해 도금(electroless plating), 침적 도금(immersion plating), 전기도금 등과 같은 다양한 공지된, 금속 침착 프로세스 중 임의의 것에 의해 침착될 수 있다. 특정 실시예들에서, 양극 및 음극 버스들의 도전성 부분들은 동일 물질을 포함할 수 있다. 다른 실시예들에서, 양극 및 음극 버스들의 도전성 부분들은 조성적으로 서로 다른 물질들을 포함할 수 있다. 특정 실시예들에서, 양극 및/또는 음극 버스는 도전성 물질 쉘에 의해 부분적으로 또는 완전히 커버되는 비도전성 코어를 포함하는데, 또한, 양극 및 음극 버스가 도전성 물질 쉘에 의해 부분적으로 또는 완전히 커버되는 비도전성 코어를 포함하는 이러한 실시예들에서, 양극 및 음극 버스들의 비도전성 코어들은 동일한 조성을 가질 수 있는 한편 도전성 쉘들은 조성적으로 서로 다르다.
음극 탭(41)과 음극 탭 확장부(25) 및 양극 탭(42)과 양극 탭 확장부(42)는 광범위한 전기적 도전성 물질들 중 임의의 것을 포함할 수 있다. 예를 들면, 일 실시예에서, 음극 탭(41), 음극 탭 확장부(25), 양극 탭(42) 및 양극 탭 확장부(42)는 독립적으로, 실리콘, 탄소, 탄소 복합물들, 금속 실리사이드들 등과 같은 전기적 도전성 물질을 포함한다. 양극 탭 및 양극 탭 확장부에 대한 대표적인 물질들은 양극 버스에 대해 확인된 것들과 동일한 물질들을 포함하고, 음극 탭 및 음극 탭 확장부에 대한 대표적인 물질들은 음극 버스에 대해 확인된 것들과 동일한 물질들을 포함한다.
음극 탭(41), 음극 탭 확장부(25), 양극 탭(42) 및 양극 탭 확장부(26)는 다양한 기술들에 의해, 각각 음극 버스(23) 및 양극 버스(24)에 부착될 수 있다. 탭들, 탭 확장부들, 및 버스들의 부착을 위한 방법들은 접착(gluring), 납땜(soldering), 결합(bonding), 신터링(sintering), 프레스 콘택(press contating), 브레이징(brazing), 열 스프레잉 접합(thermal spraying joining), 클램핑(clamping) 또는 이들의 조합들을 포함할 수 있다. 접착은 통전 에폭시들, 통전 엘라스토머들, 이를테면 니켈 충전 에폭시, 탄소 충전 에폭시 등과 같은 통전 금속들로 채워지는 절연 유기 접착제의 혼합물들과 같은 도전성 물질들로 물질들을 접합하는 것을 포함할 수 있다. 도전성 페이스트들은 물질들을 함께 접합하기 위해 사용될 수 있고, 접합 강도는 온도(신터링), 광(UV 경화, 가교(cross-linking)), 화학적 경화(촉매 기반 가교)에 의해 재단될 수도 있을 것이다. 결합 프로세스들은 선 결합, 리본(ribbon) 결합, 초음파 결합을 포함할 수 있다. 용접 프로세스들은 초음파 용접, 저항 용접, 레이저 빔 용접, 전자 빔 용접, 인덕션 용접, 및 냉 용접을 포함할 수 있다. 또한, 이들 물질들의 접합은 물질들을 함께 접합하기 위해서, 플라즈마 스프레잉, 플레임(flame) 스프레잉, 아크(arc) 스프레잉과 같은 열 스프레이 코팅과 같은 코팅 프로세스를 사용함으로써 수행될 수도 있다. 예로서, 니켈 또는 구리 메시는 글루로서 니켈의 열 스프레이를 사용하여 니켈 버스 상에 접합될 수 있다.
다시 도 2 및 도 3을 참조하면, 음극 백본(51) 및 양극 백본(52)은 3차원 구조들을 제조하기 위한 해당 기술분야에 공지된 임의의 방법으로 제조될 수 있다. 예를 들면, 양극(캐소드)을 위한 실리콘 백본 및 음극(애노드)을 위한 실리콘 백본은 일시적, 영구적, 또는 반-영구적 본드에 의해 베이스에 결합되는 웨이퍼를 사용함으로써 동시에 제조될 수 있다. 베이스를 웨이퍼에 결합하는 비-고갈적 방법은 무기 또는 유기 접착제들을 사용하는 접착, 양극산화 결합, 압착 결합, 열 결합 등을 포함한다. 절연체 상의 실리콘 웨이퍼, 양극 유리 결합된 웨이퍼, 일시적 캐리어에 장착된 웨이퍼들은 활성 기판에 결합되는 베이스의 예들이다. 이어서, 웨이퍼는 패터닝될 수 있고, 실리콘은 원하지 않는 영역들에서 제거되어 전극들을 위한 백본으로서 작용할 수 있는 구조들을 남길 수 있다. 일부 실시예들에서, 백본들은 레이저 가공(laser machining), 전기 방전 가공, 고 정밀 가공, 삭마(ablation), 및 드릴링(drilling)에 의해 원하지 않는 영역에서 평면 기판으로부터 물질들을 제거함으로써 네거티브 방식으로 제조될 수 있다. 다른 실시예들에서, 각 백본은 3D 프린팅, 스텐실 프린팅(stencil printing) 및 레이어링(layering), 그라비아 프린팅(gravure printing), 사출성형, 고압성형 및 신터링, 겔-캐스팅(gel-casting) 및 신터링, 슬러리-캐스팅, 테이프-캐스팅 등, 신터링과 함께 또는 없이, 미세소성(microforming), 전기주물(electroforming) 등과 같은 방법을 사용하여 층들을 구축함으로써 포지티브 방식으로 개별적으로 또는 별도로 생성될 수 있다. 백본을 형성하기 위해 사용될 수 있는 다른 예시적 프로세스들은 마스크를 통한 스퍼터링, 증발 등과 같은 진공 기반 침착 프로세스들을 사용하여, 필러들(pillars), 로드들(rods), 웨이브들(waves) 등을 성장시키는 것을 포함한다. 제조하기 위한 또 다른 대표적인 방법들은 패터닝된 베이스 물질 상에 나노선 또는 나노구조 성장의 사용을 포함한다.
다시 도 2 및 도 3을 참조하면, 음극 전류 콜렉터(47) 및 양극 전류 콜렉터(48)는 전착, 무전해 침착, 침적 피착, 물리 기상 증착, 화학 기상 증착 등과 같은 프로세스들에 의해 제조될 수 있다. 양극(캐소드) 및 음극(애노드) 전류 콜렉터들은 공지된 패터닝 및 금속 침착 기술들을 사용하여 동시에 침착, 또는 순차로 제조될 수 있다.
보충 음극 전류 콜렉터층들(47A, 47B) 및/또는 보충 양극 전류 콜렉터층들(48A, 48B)은 특정 실시예들에서 개선된 속도 성능을 제공할 수 있다. 보충 양극 및/또는 음극 전류 콜렉터들은 양극 및 음극 전류 콜렉터들의 형성과 관련하여 기술된 것들과 유사한 방법들을 사용하여 전극 구조 상에 형성될 수 있다. 마스킹 및 패터닝을 위한 공지의 방법들은 요망되는 영역들에 보충 전류 콜렉터들을 선택적으로 침착하기 위해 백본들을 준비하기 위해 사용될 수 있다. 일부 경우들에서, 전류 콜렉터의 침착은 이온 투과성 전류 수집 기법을 제공하기 위해 활성 전극이 침착된 후에 수행될 것이다.
도 3을 참조하면, 음극 물질층(49)은 전착, 영동 전착, 기상 증착, 기체-액체-고체 침착과 같은 촉매 기반 성장, 겔-캐스팅, 테이프 캐스팅, 패터닝 및 슬러리 침착, 뒤이어 신터링, 바인딩 등과 같은 방법들에 의한 치밀화와 같은 방법들을 사용하여 형성 또는 다른 방법으로 조립될 수 있다. 일부 실시예들에서, 음극 물질층 및 음극 백본은 실리콘, 알루미늄, 및 주석과 같은, 동일한 물질을 포함할 수 있고, 음극 물질층 및 음극 백본은 동시에 제작될 수 있다. 유사하게, 양극 물질층(50)은 전착, 영동 전착, 기상 증착, 기체-액체-고체 침착과 같은 촉매 기반 성장, 겔-캐스팅, 테이프 캐스팅, 패터닝 및 슬러리 침착, 뒤이어 신터링, 바인딩, 등과 같은 방법에 의한 치밀화와 같은 방법들을 사용하여 조립될 수 있다.
계속 도 3을 참조하면, 미세다공성 격리막층(43)은 다양한 통상적인 방법들 중 임의의 것으로 형성될 수 있다. 예시적 방법들은 영동 전착, 기상 증착, 딥 코팅, 겔-캐스팅, 테이프 캐스팅, 패터닝 및 슬러리 증착, 뒤이어 프레싱, 신터링, 바인딩, 경화 등과 같은 방법들에 의한 치밀화를 포함한다.
도 11을 참조하면, 일 실시예에서 본 발명의 3차원 배터리(70)는 배터리 엔클로저(72), 전극 적층(74), 전극 적층(74)을 외부 에너지 공급 또는 소비원(미도시)에 전기적으로 연결하기 위한 음극 탭(41) 및 양극 탭(42)을 포함한다. 전극 적층(74)은 각 전극 구조(20) 내에 서로 맞물린 전극들의 시리즈의 진행 방향에 수직한 방향으로 적층된 6 전극 구조들(20)(도 2 참조)을 포함하는데; 다시 도 2를 참조하면, 이 실시예에서 6 전극 구조들의 적층의 방향은 도 2에 예시된 X-Y-Z 좌표계에 관하여 "Z" 방향에 있고 방향 D에 수직한다. 전극 적층(74)에서의 전극 구조들의 수는 중요하지 않고, 예를 들면, 1 내지 50의 범위일 수 있는데, 전극 적층에서 2 내지 20 전극 구조들이 전형적이다. 배터리 엔클로저를 비수성 전해질로 채운 후에, 배터리 엔클로저(72)는 리드(72A)를 힌지(72B)에 폴딩(folding)하고 리드(72A)를 상측 표면(72C)에 접착함으로써 시일링(sealing)될 수 있다.
바람직하게는, 음극 탭 확장부(25)는 적층(74)(예를 들면, 전기적 도전성 접착제를 사용하여)에서의 각 전극 구조(20)의 음극 버스(23)에 전기적으로 연결되고, 양극 버스(26)는 적층(74)(예를 들면, 전기적 도전성 접착제를 사용하여)에서의 각 전극 구조(20)의 양극 버스(24)에 전기적으로 연결된다. 예시된 바와 같이, 음극 탭 확장부(25)는 음극 버스(23)에 전기적으로 연결되고 양극 탭 확장부(26)는 6 전극 구조들(20)의 각각의 양극 버스(24)에 전기적으로 연결되는데, 다른 실시예들에서, 네거티브 및 양극 탭 확장부들(25, 26)은 전극 적층(74) 내에 더 많은 또는 더 적은 다수의 음극 및 양극 버스들에 전기적으로 연결될 수 있고, 예를 들면, 1 내지 50의 범위일 수 있으며, 2 내지 20이 전형적이다. 대안적 일 실시예에서, 적층에서의 전극 구조들의 수와 무관하게, 적층(74)은 2 이상의 음극 탭 확장부들(25) 및 2 이상의 양극 탭 확장부들(26)을 포함할 수 있다.
탭(41)은 예를 들면, 전기적 도전성 접착제를 사용하여 음극 탭 확장부(25)에 전기적으로 연결될 수 있고, 탭(42)은 예를 들면, 전기적 도전성 접착제를 사용하여 양극 탭 확장부(26)에 전기적으로 연결될 수 있다. 대안적으로, 탭들(41, 42)은 각각 음극 탭 확장부(25) 및 양극 탭 확장부(26)의 폴딩된 말단들일 수 있다.
이제 도 12을 참조하면, 배터리 엔클로저(72)는 비수성 전해질(미도시)로 채워지고, 리드(72A)는 전극 적층(74)을 에워싸기 위해 상측 표면(도 11 참조) 위로 폴딩되어 시일링될 수 있다. 에너지 공급 또는 소비원(미도시)에의 연결을 허용하기 위해서, 탭들(41, 42)은 전극 적층(74) 내 개개의 전극 구조(20)들의 적층 방향에 수직하고 전극 적층(74)에서의 각 전극 구조(20)에서의 서로 맞물린 전극들의 시리즈의 진행 방향에 평행한 방향으로 시일링된 엔클로저로부터 확장한다.
특정 실시예들에서, 배터리 엔클로저는 서로에 관하여, 수직으로, 수평으로, 또는 수직 및 수평으로 적층된 2 이상의 전극 구조들(때때로 다이들(dies)이라고도 지칭되는)을 포함할 수 있고, 탭 확장부들은 배터리의 외부 환경에 전기적 연결을 제공하기 위해서 각각의 전극에 연결된다. 다이들이 수직으로 적층되었을 때, 상이한 전극 구조들(또는 어느 쪽이든 존재하는, 음극 버스들)에서의 음극들의 집단들의 하부들은 서로에 관하여 수직으로 위치되고, 상이한 전극 구조들(또는 어느 쪽이든 존재하는, 양극 버스들)에서의 양극들의 집단들의 하부들은 서로에 관하여 수직으로 위치된다. 특정 실시예들에서, 적층에서의 각 전극 구조는 도 2에 예시된 바와 같이 격리막 물질의 상부 및 하부 코팅을 갖는다. 그러나, 다른 실시예들에서, 격리막 물질의 상부, 하부, 또는 상부 및 하부 코팅은 생략될 수 있고, 단독으로 직립된 격리막층은 전기적 분리를 제공하기 위해 전극 구조들(다이들) 사이에 삽입될 수 있다. 시판되는 배터리 격리막들은 요망되는 크기로 절단되어 이 목적을 위해 사용될 수 있다. 일단 다이가 적층되면, 일부 실시예들에서, 전극 구조들에서의 양극 및 음극 집단들을 위한 탭 확장부(들)는 접착제, 플라즈마 스프레잉, 용접 등에 의해, 전극 버스들(존재한다면)의 말단에, 혹은 개개의 집단들의 전극 말단들에 전기적으로 연결된다. 의도된 적용에 따라, 각 탭 확장부는 전극 적층에서의 개개의 전극 구조(다이)에 연결될 수 있다. 대안적으로, 단일 탭 확장부는 적층에서의 2 이상의 전극 구조들(다이)에 전기적으로 연결될 수 있는데; 이러한 일 실시예에서, 탭 확장부는 적층(예를 들면, 도 11의 26 참조)의 높이에 걸쳐 있고, 적층에서의 모든 전극 구조들(다이)에 전기적 연결을 형성한다.
도 13 내지 도 15를 참조하면, 탭들(41, 42)에 대한 대안적 구성들이 예시된다. 도 13에서, 탭들(41, 42)은 폴딩되고, 탭들(41, 42)은 각각 45도 각도로 폴딩되는, 음극 탭 확장부(25) 및 양극 탭 확장부(26)의 폴딩된 말단들인데, 이 실시예에서, 탭들(41, 42)은 전극 적층(74)에서의 개개의 전극 구조들(20)의 적층 방향에 수직하고 전극 적층(74)에서의 각 전극 구조(20)에서의 서로 맞물린 전극들의 시리즈의 진행 방향에 평행한 방향으로 시일링된 엔클로저로부터 확장한다. 도 14에서, 음극 탭 확장부(25) 및 양극 탭 확장부(26)는 전극 구조들의 적층의 상부 위로 폴딩하고, 탭들(41, 42)은 이의 하나의 개개의 말단으로부터 확장하는데, 이 실시예에서, 탭들(41, 42)은 전극 적층(74)에서의 개개의 전극 구조들(20)의 적층 방향에 수직하고 전극 적층(74)에서의 각 전극 구조(20)에서의 서로 맞물린 전극들의 시리즈의 진행 방향에 평행한 방향으로 시일링된 엔클로저로부터 확장한다. 도 15에서, 탭들(41, 42)은 음극 및 양극 탭 확장부들(25, 26)의 개개의 말단들 중 하나에 위치되지 않고 그보다는 두 말단들의 중간 지점에서 위치되는데; 이 실시예에서, 탭들(41, 42)은 전극 적층(74)에서의 개개의 전극 구조들(20)의 적층 방향에 수직하고 전극 적층(74)에서의 각 전극 구조(20)에서의 서로 맞물린 전극들의 시리즈의 진행 방향에 수직한 방향으로 엔클로저로부터 확장한다.
다이들을 수직으로 서로의 상부에 적층하는 대신에, 일 실시예에서 다이들은 X 평면에서 나란히 타일링(tiling)된다. 타일링은 단지 하나의 축(예를 들면 X만)을 따라 혹은 양 축을 따라 행해질 수 있다. 이러한 일 실시예에서, 각 다이 상에 전극 버스들의 극성은 하나의 다이로부터의 캐소드 버스가 다음 다이로부터의 캐소드 버스에 인접하고 하나의 다이의 애노드 버스가 다음 다이의 애노드 버스의 옆에 있도록 번갈아 반대로 된다. 이러한 방식으로, 공통 탭은 두 인접한 다이에 연결하여 중량 및 체적을 저감하기 위해 사용될 수 있다. XY 평면에서 타일링할 때, 다수의 애노드 및/또는 캐소드 탭들은 단일 애노드 연결 및 단일 캐소드 연결을 형성하기 위해 함께 연결될 필요가 있을 수 있다. 이것은 배터리 엔클로저 내측 또는 배터리 엔클로저 외측에서 달성될 수 있다. 특정 실시예들에서 다수의 애노드 탭들 및/또는 다수의 캐소드 탭들은 연결되지 않은 채로 있고 배터리 엔클로저로부터 나올 수 있다. 대안적으로, 단일 애노드 및 캐소드 연결은 배터리 엔클로저 외부로 가져갈 수 있다. 이 실시예에서, 캐소드 탭들은 T 구성으로 초기에 형상화된다. T의 상부는 두 인접한 캐소드 버스들에 연결한다. T의 하부는 90도로 구부려지고 타일링된 다이들의 하부를 따라 이어진다. 다수의 캐소드 탭들의 하부 부분은 타일링된 다이들의 하부를 따라 서로의 상부에 놓여진다. 이어 이들 다수의 탭들은 저항 용접, 레이저 용접, 스폿(spot) 용접에 의해 전기적으로 함께 연결되거나, 도전성 접착제로 연결될 수 있다. 이어 이들 캐소드 탭들 중 하나만이 배터리 엔클로저 외부로 가져간다. 유사하게, 다수의 애노드 탭들이 T 구성으로 초기에 형상화된다. T의 상부는 두 인접한 애노드 버스들에 연결한다. T의 하부는 90도로 구부려지고 타일링된 다이들의 하부를 따라 이어진다. 다수의 애노드 탭의 하부 부분은 타일링된 다이들의 하부를 따라 서로의 상부에 놓여진다. 이어 이들 다수의 탭들은 저항 용접, 레이저 용접, 스폿 용접에 의해 전기적으로 함께 연결되거나, 도전성 접착제로 연결될 수 있다. 이어 이들 애노드 탭들 중 하나만이 배터리 엔클로저 외부로 가져간다. XY 평면에서의 타일링은 또한 Z 평면에서의 적층 다이와 결합될 수 있다. 이러한 방식으로, 각 개개의 다이보다 훨씬 큰 배터리들이 제조될 수 있다.
예를 들면, 모바일 전화들 및 컴퓨터들과 같은 휴대 전자장치들을 위한 리튬 이온 배터리들에 있어서, 파우치(pouch) 또는 다른 통상적인 배터리 엔클로저는 배터리 엔클로저(72)로 대체될 수 있다.
도 7 및 도 8에 예시된 바와 같은 직사각형 단면 형상 대신에, 음극 및 양극들의 집단들의 부재들은 독립적으로 다양한 대안적인 단면 프로파일들을 가질 수 있다. 예를 들면, 음극 및 양극들의 집단들의 부재들(21) 및 부재들(22)은 다각형 단면 형상(예를 들면, 삼각형, 사각형, 오각형 또는 육각형 단면 또는 매끄럽게 만곡된 단면(예를 들면, 타원 또는 원형) 또는 이들의 조합)을 가질 수 있다. 그러므로, 일반적으로, 음극 및 양극들의 집단들의 부재들은 독립적으로 다양한 다면체, 원뿔 모양 또는 원통형(예를 들면, 타원 원통, 포물 원통, 또는 하이포볼릭 원통) 형상들을 가질 수 있다. 도 18a 내지 도 18e는 몇몇 이러한 대안적인 단면 형상들을 예시한다.
다음의 비제한적 예들은 본 발명을 더 예시하기 위해 제공된다.
예들
예 1: 3D 단일 셀 제조
콤( comb ) 구조 제조
200 ㎛/3 ㎛/675 ㎛(장치층/절연층/백킹(backing)층)의 층 두께를 가진 절연체 상의 실리콘(SOI; silicon on insulator) 웨이퍼가 샘플로서 사용되었다. 1000 Å의 Pd가 장치층의 상부 상에, 뒤이어 2000 Å 실리콘 디옥사이드의 하드 마스크층에 의해 스퍼터 침착되었다.
이어, 이 웨이퍼는 5 ㎛ 레지스트로 스핀 코팅되고, 서로 분리되고 각각이 전기적으로 접촉하기에 적합한 랜딩 패드(landing pad)로 종료하는 2개의 서로 맞물린 콤을 가진 콤 형상 구조를 획득하기 위해 마스크로 패터닝되었다. 이어 이 패턴에서 포토레지스트는 이온 밀링(ion milling)에 의해 실리콘 디옥사이드 및 팔라듐을 제거하기 위해 포토마스크로서 사용되었다.
실리콘 디옥사이드, 포토레지스트, 및 Pd의 조합은 플루오라이드 플라즈마에서 딥 반응성 이온 에칭(DRIE; Deep Reactive Ion Etching)을 사용하여 실리콘 제거를 위한 마스크로서 사용되었다. DRIE는 마스크 갭들에서 장치층을 구성하는 실리콘이 완전히 제거되어 산화층에서 멈출 때까지 수행되었다. 사용된 과잉-에칭 시간은 트렌치 플로어(trench floor)에서의 실리콘의 섬들(islands)을 제거하기 위해서 총 DRIE 시간의 10%였다. 임의의 상부 포토레지스트(photoresist)는 아세톤에서 스트립핑(stripping)함으로써 제거되어 2개의 콤들이 DRIE에 의해 서로로부터 전기적으로 분리되어 남겨졌다.
이어서 상부 마스킹 산화물층은 희석 (5:1) 버퍼된 산화물 에치(BOE; Buffered Oxide Etch) 용액에서 1분 동안 샘플을 딥핑(dipping)함으로써 제거되었고 용해 시간은 트렌치의 하부에서의 절연 산화물층이 완전히 에칭되지 않도록 재단되었다.
분리된 애노드 콤들 및 캐소드 콤들을 가진 콤 구조는 전류 콜렉터 및 전극 제조를 위한 베이스 구조로서 사용되었다.
2. 애노드 전류 콜렉터 및 애노드 전극 제조
분리된 쌍의 콤-유사 구조들(본 명세서에서 애노드 백본 콤이라 명명되는) 중 하나는 팔라듐 전도체를 통해 전기적으로 연결되었고 구리 도금 배스 내에 침적되어졌다. 구리 도금 배스 조건은 애노드 전류 콜렉터로서 작용하는 Cu 층을 형성하기 위해 콤 구조를 구성하는 팔라듐 및 실리콘 층 양자 상에 침착이 일어나게 조절되었다.
이어서, 다른 콤 구조(본 명세서에서 캐소드 백본 콤이라 명명되는)는 전기영동 레지스트 배스 내에 적침되어졌다. 시판되는 전기영동 레지스트가 사용되었고(Shipley EAGLE), 콤은 레지스트 코팅을 형성하기 위해 Pd 전도체를 사용하여 120초 동안 50V에서 영동 전착되었다. 다이는 레지스트를 경화하기 위해 30분 동안 120 C에서 구워졌다.
이어 실리콘 샘플은 증발 챔버에 삽입되었고, 20 Å Au가 샘플 표면 상에 침착된다. 이 Au 침착 프로세스는 그것의 측벽들 및 하부 상에 산화물층뿐만 아니라 허니콤(honeycomb) 구조들 상부에 Au를 갖게 하였다. 캐소드 백본 콤 상에 존재하는 포토레지스트는 Au가 애노드 백본 콤 구조 상에 단지 구리와 접촉되게 하였다. 실리콘 백킹층은 이때 접착 테이프 마스크에 의해 보호되었고, 샘플은 전기영동 레지스트의 상부에 증발된 Au과 더불어 전기영동 레지스트를 제거하기 위해 15분 동안 아세톤에 적침되어졌다. 이것은 애노드 백본 콤에 대해 Au 나노클러스터들을 분리하였다.
이어 실리콘 나노선들은 화학 기상 증착(CVD; chemical vapor deposition)에 의해 애노드 백본 콤 구조의 상부에 성장되었다. 샘플은 CVD 챔버에 삽입되어 550 ℃까지 가열되었다. 실란 가스는 챔버에 도입되었는데; 반응기 압력은 10 Torr로 유지되었다. 침착 속도는 4　㎛/hr이었으며; 침착은 20　㎛의 표적 나노선 두께까지 행해졌다. 애노드 백본 콤 상부의 이들 나노선들은 리튬-이온 배터리를 위한 애노드로서 작용하였다.
3. 캐소드 전류 콜렉터 및 캐소드 전극 제조
이어 캐소드 백본 콤은 팔라듐 전도체를 통해 전기적으로 연결되었고 콤 구조를 구성하는 팔라듐 및 실리콘층 상에 금을 도금하기 위해 금 전기도금 배스에 침적되어졌다. 캐소드 백본 콤을 둘러싸는 이 Au 층은 캐소드 전류 콜렉터로서 작용하였다.
캐소드 백본 콤은 리튬 이온 배터리 캐소드 물질로 영동 전착되었다. 영동 전착 용액은 아세톤 용액 내에 캐소드 물질(LiCoO2), 15 wt% 카본 블랙(carbon black), 및 150　ppm의 요오드를 포함하였다. 용액 혼합물은 입자들을 균일하게 분산하기 위해 하루 동안 교반되었다. Pd 접촉 패드는 캐소드 침착을 위한 전기적 연결을 위해 단자로서 사용되었다. Pt 카운터 전극이 사용되었다. 샘플은 40㎛ 두께의 캐소드 구조를 침착하기 위해 100V의 전압에서 3분 동안 침착되었다.
4. 격리막 제조
샘플은 미세다공성 격리막이 배터리 상에 적용되어진 스핀 코터(spin coater)에 보내졌다. 이 경우에서의 미세다공성 격리막은 2 체적 퍼센트의 PVDF 바인더와 함께 아세톤에 분산된 미세 유리 분말(<2um 직경)의 조합이었다. 이 슬러리는 다이 상에 코팅되었고, 과잉의 슬러리는 격리막층을 충전하고 평탄화하기 위해 스핀 오프된다. 건조 프로세스는 용액이 증발하여 미세다공성 격리막층을 형성하게 하였다.
5. 구조 층 제거
이어서, 다이의 상부 측은 UV 방출 다이싱 테이프의 도움으로 전기방식용 유리 기판에 결합되었다. 이 배열은 통상의 웨이퍼 래핑(lapping) 기술들을 사용하여 백킹 실리콘 층을 기계식으로 제거하기 위해 사용되었다. 래핑 프로세스는 백킹 웨이퍼가 제거되고 중간 산화물층이 노출될 때까지 수행되었다. UV 방출은 전기방식용 유리 기판에서 활성 다이를 제거하기 위해 사용되었고, 그렇게 함으로써 다이를 후속되는 전류 수집 및 패키징 프로세스에 준비하게 하였다.
예 2: 3D 단일 셀 제작
1. 콤 구조 제조
이 예에 있어 콤 구조는 예 1에 기술된 바와 같이 제조되었다.
2. 애노드 전류 콜렉터 및 애노드 전극 제조
분리된 쌍의 콤-유사 구조들(본 명세서에서 애노드 백본 콤이라 명명되는) 중 하나는 팔라듐 전도체를 통해 전기적으로 연결되고 구리 도금 배스에 침적되어졌다. 구리 도금 배스 조건은 콤 구조를 구성하는 팔라듐 및 실리콘층 양자 상에서 침착이 일어나게 조절되었다. 이 Cu 층은 애노드 전류 콜렉터로서 작용하였다.
애노드 백본 콤은 비수성 영동 전착 슬러리를 사용하여 콤 표면 상에 그래파이트 입자들을 영동 전착하기 위해 사용되었다. 침착 슬러리는 충전제로서 25 ppm의 요오드를 가진 아세톤에 분산된 그래파이트 입자들(중형탄소 미세비즈, 중량으로 95%) 및 카본 블랙(중량으로 5%)으로 구성되었다. 영동 전착은 60 um 평균 막 두께를 침착하기 위해 180초 동안 100V에서 백금 카운터 전극에 행해졌다.
3. 캐소드 전류 콜렉터 및 캐소드 전극 제조
이어 캐소드 백본 콤 층은 팔라듐 전도체를 통해 전기적으로 연결되었고, 콤 구조를 구성하는 팔라듐 및 실리콘층 상에 금을 도금하기 위해 금 도금 배스에 침적되어졌다. 캐소드 백본 콤을 둘러싸는 이 Au 층은 캐소드 전류 콜렉터로서 작용할 것이다.
애노드 전극과 함께 애노드 백본 콤은 전기영동 레지스트 배스에 침적되어졌다. 시판되는 전기영동 레지스트(Shipley EAGLE)가 사용되었고, 콤은 레지스트 코팅을 형성하기 위해 Pd/Cu 전도체를 사용하여 180초 동안 75V에서 영동 전착되었다. 다이는 레지스트를 경화하기 위해 30분 동안 120C에서 구워졌다.
이어서 다이는 다음 조성의 리튬 이온 캐소드 물질의 슬러리로 코팅되었다: 리튬 코발트 산화물 80g; 그래파이트 5g, 카본 블랙 5g, 및 PVDF 10g; 모두는 1:2의 체적 비로 신속-건조 용액으로서 N-메칠 피롤리돈 및 아세톤에 혼합되었다. 슬러리는 건조되었고 용액은 증발되어 도전성 캐소드 물질을 남겼다. 이어, 이 물질은 애노드-콤 상에 영동 전착된 레지스트를 노출시키기 위해 콤 표면에 래핑되었다. 레지스트는 PGMEA에서 스트립핑함으로써 제거되어 격리막을 위한 공극을 충전하게 하였다.
4. 격리막 제조
격리막은 예 1에 기술된 바와 같이 제조되었다.
5. 구조층 제거
구조층은 예 1에 기술된 바와 같이 제거되었다.
예 3: 3D 단일 셀 제작
1. 콤 구조 제조
콤 구조는 예 1에 기술된 바와 같이 준비되었다.
2. 애노드 전류 콜렉터 및 애노드 전극 제조
분리된 콤 구조들(본 명세서에서 캐소드 백본 콤이라 명명되는) 중 하나는 전기영동 레지스트 배스에 침적되어졌다. 시판되는 전기영동 레지스트가 사용되었고(Shipley EAGLE), 캐소드 백본 콤은 레지스트 코팅을 형성하기 위해 Pd 전도체를 사용하여 120초 동안 50V에서 영동 전착되었다. 다이는 레지스트를 경화하기 위해 30분 동안 120C에서 구워졌다.
이어 실리콘 샘플은 증발 챔버에 삽입되었고, 100 Å Au가 샘플 표면 상에 침착되었다. 이 Au 침착 프로세스는 콤, 그것의 측벽들 상에, 그리고 하부 산화물층 상에 Au를 갖게 하였다. 그러나, 콤들 중 하나 상에만 있는 포토레지스트는 Au를 2개의 콤 구조들 중 하나의 구조 상에서만 실리콘과 접촉하게 한다. 또한, 실리콘 백킹층은 이때 접착 테이프 마스크에 의해 보호되었다. 이어 이 샘플은 다공성 실리콘층을 형성하기 위해 30C에서, 불화수소산(49%) 및 과산화수소(30%)의 체적으로 1:1의 용액 내에 침적되어졌다. 다공성 실리콘 깊이는 에칭 시간을 가변시킴으로써 재단되었다. 다공성 실리콘의 형성의 근사 속도는 750 - 1000 nm/min이었다. 부분들은은 30 m의 표적 기공 깊이에 도달되었을 때 제거되고 건조되었다.
다공성 실리콘은 전기영동 레지스트가 패터닝되게 하지 않았던 콤-세트 상에만 형성되었다. 다공성 실리콘 세트는 리튬 이온 배터리에서 애노드로서 사용하기에 적합하였다. 이어, 전기영동 레지스트는 15분 동안 아세톤에서 스트립핑되었다.
이어 애노드 백본 콤은 팔라듐 전도체를 통해 전기적으로 연결되었고, 매우 희석된 (10mM) 구리 황산염 및 황산으로 구성된 구리 도금 배스에 침적되어졌다. 구리 도금 배스 조건은 팔라듐 및 다공성 실리콘 상에 피착이 일어나게 조절되었다. 구리 농도는 구리 침착이 수송 제한되고 다공성 실리콘의 외부 층을 따라 다공성이 되도록 낮게 유지되었다. 이 Cu 층은 그것의 다공성에 기인하여 또한 이온 투과성인 애노드 전류 콜렉터로서 작용할 수 있다. 그러나, Pd 층 상의 구리는 더 두껍고 비-다공성이어서 애노드를 위한 2차 부싱(bussing) 콜렉터로서 작용하였다.
3. 캐소드 전류 콜렉터 및 캐소드 전극 제조
캐소드 전류 콜렉터 및 캐소드 전극은 예 2에서 기술된 바와 같이 준비되었다.
4. 격리막 제조
격리막은 예 2에서 기술된 바와 같이 준비되었다.
5. 구조층 제거
구조층은 예 2에서 기술된 바와 같이 제거되었다.
예 4: 3D 단일 배터리 제조
1. 단일 다이 준비
예 1 내지 예 3에서 다이들을 처리하기 위해 사용되었던 접촉 패드들은 애노드 및 캐소드 버스 연결들을 그대로 두게 하면서, 다이싱 소우(dicing saw)를 사용하여 다이싱함으로써 제거되었다. 다이들의 가장자리들을 덮고 버스 라인들에서 돌출하는 임의의 격리막 물질은 애노드의 경우엔 Cu 및 캐소드의 경우엔 Au인 전류 콜렉터 물질을 제거하여 노출시키기 위해 세정되었다.
2. 탭 확장부 연결:
탭 확장부들은 전류 콜렉터 노출에 이어 애노드 버스 및 캐소드 버스 상에 연결되었다. 금 버스 라인은 시판되는 탄소 접착제(DAG-T-502)를 사용하여 알루미늄 탭에 연결되었다. 얇은 탄소층은 탭 확장부 상에 코팅되었고 금 버스 측에 접착되었다. 니켈 탭 확장부는 동일한 시판되는 탄소 접착제를 사용하여 구리 전류 콜렉터 버스에 접착되었다. 접착제는 경화하기 위해 1시간 동안 120 C에서 구워졌다. 탭 확장부는 또한 패키지로부터 나온 탭을 포함하였다. 이 탭 확장부는 수평으로 구부려 평탄화되고 패키징할 준비가 되게 하였다.
배터리 패키징 및 전해질 충전:
두 탭 확장부들을 가진 다이는 시판되는 배터리 파우치 패키징 물질에 삽입되었다. 파우치 물질은 탭들을 통해 탭 측 상에 시일링되었다. 다른 3개의 변들 중 하나는 전해질 충전을 위한 포트를 제공하기 위해 열어놓았다. 진공이 적용되었고 글로브 박스(glove box)에 있는 동안 셀에 1:1:3의 비로 프로필렌 카보네이트, 에칠렌 카보네이트, 및 에칠 메칠 카보네이트 및 리튬 헥사플루오로포스페이트 염(1M)을 포함하는 통상의 전해질이 추가되었다. 또한, 이어 파우치의 마지막 측은 습기 및 산소가 파우치 내로 들어가 도 12에 예시된 개요도에 대응하는 조립된 패키지의 배터리 수명의 손실을 야기하는 것을 방지하기 위해서 다이가 글로브 박스 내에 있을 때 시일링되었다. 이어, 배터리는 시판되는 배터리 사이클러를 사용하여 충전-방전되었다.
예 5: 3D 단일 배터리 제조
1. 단일 다이 준비
다이 준비는 예 4에서와 같이 수행되었다.
2. 탭 확장부 연결:
탭 확장부들은 전류 콜렉터 노출에 이어 애노드 버스 및 캐소드 버스 상에 연결되었다. 알루미늄 탭 확장부(150 ㎛ 두께)는 버스 라인에 탭 확장부의 양호한 부착을 제공하기 위해서 버스 라인을 따라 다수의 스폿들 내 버스 표면 상에 초음파로 용접되었다. 이어, 200㎛ Ni 탭 확장부는 저항 용접을 사용하여 구리 버스 라인에 연결되었다. 다시, 버스 라인에 탭 확장부의 양호한 부착을 제공하기 위해서 다수의 연결들이 행해졌다. 또한, 탭 확장부는 패키지로부터 나온 탭을 포함하였다. 이 탭 확장부는 수평으로(도 12에 도시된 바와 같이) 구부리고 평탄화되어 패키징할 준비가 되게 하였다.
3. 배터리 패키징 및 전해질 충전
배터리 패키징 및 전해질 충전은 예 4에서와 같이 수행되었다.
예 6: 3D 단일 배터리 제조
1. 단일 다이 준비
예 1 내지 예 3에서 다이들을 처리하기 위해 사용되었던 접촉 패드들은 다이싱 소우를 사용하여 다이싱에 의해 제거되었다. 또한, 캐소드 및 애노드 버스 연결들은 또한 다이싱되어 애노드 및 캐소드 백본들의 말단들을 측면들 상에 노출되게 하였다.
2. 탭 확장부 연결:
탭 확장부는 버스 층들에 연결하는 대신에 애노드 백본들 및 캐소드 백본들 각각에 직접 행해지는 연결들을 제외하고, 예 4와 유사하게 연결되었다. 이 경우, 탭 확장부를 연결하기 위해 사용된 탭 확장부 및 접착층은 각 전극을 위한 부싱층로서도 작용한다.
3. 배터리 패키징 및 전해질 충전
배터리 패키징 및 전해질 충전은 예 4에서와 같이 수행되었다.
예 7: 3D 단일 배터리 제조
1. 단일 다이 준비
단일 다이 준비 프로세스는 예 6에 기술된 바와 같이 수행되었다.
2. 버스 형성
50㎛ 두께의 알루미늄층은 다이의 상부 및 하부를 마스크한 후에 캐소드 말단들의 측면들 상에 플레임 스프레이되어, 플레임 스프레이층이 다이의 단면을 따라서만 있게 함을 보증하였다. 이 플레임 스프레이된 층은 노출된 개개의 캐소드 백본 및 전류 콜렉터들의 각각에 접촉하고 이들을 함께 버스가 되게 하여 캐소드 버스를 만들었다. 유사한 프로세스는 플레임 스프레이된 애노드 버스를 생성하기 위해 니켈 플레임 스프레이로 애노드 측 상에 사용되었다.
3. 탭 확장부 연결:
탭 확장부들은 열 스프레이된 애노드 및 캐소드 버스 층들에 행해지는 연결들을 제외하고, 예 4에 기술된 바와 같이 연결되었다.
4. 배터리 패키징 및 전해질 충전
배터리 패키징 및 전해질 충전은 예 4에서와 같이 수행되었다.
예 8: 3D 단일 배터리 제작
1. 단일 다이 준비
단일 다이 준비 프로세스는 예 6과 동일하게 수행되었다.
2. 버스 형성:
버스 형성 프로세스는 예 7과 동일하게 수행되었다.
3. 탭 연결:
탭은 열 스프레이된 버스 층들의 상부에 용접되었고, Al은 캐소드 상에 Ni은 애노드상에 용접되었고, 탭들은 배터리의 짧은 치수로부터 직접 생산되었다.
4. 배터리 패키징 및 전해질 충전
배터리 패키징 및 전해질 충전은 예 4에서와 같이 수행되었다.
예 9: 3D 적층된 배터리 제조
1. 단일 다이 준비
단일 다이 준비 프로세스는 개별적으로 3개의 상이한 다이들을 제외하고, 예 7과 동일하게 수행되었다.
2. 버스 형성:
다이들은 각각 캐소드 및 애노드 말단들 상에 알루미늄 및 니켈 버스 층들을 침착하는 열 스프레이에 앞서 서로의 상부에 수직으로 적층되었다. 열 스프레이된 알루미늄은 모든 다이들을 위한 단일 캐소드 버스를 생성하는 것 외에도 각각의 다이들을 위한 전극 버스를 생성하였다. 유사하게, 열 스프레이된 Ni은 각각의 모든 다이들을 위한 애노드 버스를 생성하였다.
3. 탭 연결:
탭은 열 스프레이된 버스 층들의 상부에 용접되었고, Al은 캐소드 상에 Ni은 애노드 상에 용접되었고, 탭들은 배터리의 짧은 치수로부터 직접 생산되었다.
4. 배터리 패키징 및 전해질 충전
배터리 패키징 및 전해질 충전은 예 4에서와 같이 수행되었다.
예 10: 3D 타일링된 배터리 제조
1. 단일 다이 준비
단일 다이 준비 프로세스는 개별적으로 3개의 상이한 다이들을 제외하고, 예 7에서와 같이 수행되었다.
2. 버스 형성:
개별적으로 모든 다이들 상에 예 7과 유사하게 열 스프레이에 의한 버스 형성.
3. 탭 확장부 연결:
탭 확장부는 예 7과 유사하게 도전성 접착제로 연결되었다. 그러나, 다이들은 캐소드 버스 연결들로 타일링되어 중간에 단일 탭 확장부에 의해 연결되어 서로 맞닿았다.
4. 배터리 패키징 및 전해질 충전
배터리 패키징 및 전해질 충전은 예 4에서와 같이 수행되었다.
전술한 바에 비추어, 발명의 몇 가지 목적들이 달성되고 다른 바람직한 결과들이 얻어진 것을 알 것이다.
본 발명의 요소들 및 본 발명의 바람직한 실시예(들)를 도입할 때, 단수 표현 및 "상기"는 하나 이상의 요소들이 있음을 의미하게 의도된다. "포함하다" 및 "가지다"라는 용어들은 포괄하며 열거된 요소들 이외의 추가의 요소들이 있음을 수 있음을 의미하게 의도된다.
발명의 범위 내에서 상기 물품들, 조성들 및 방법들에서 다양한 변경들이 행해질 수도 있을 것이기 때문에, 상기 설명에 포함되고 첨부 도면들에 도시된 모든 사안은 제한의 의미가 아니라 예시로서 해석되어야 할 것이다.

Claims (22)

  1. 전극 구조에 있어서, 전극들의 집단, 전극 버스, 상대-전극들의 집단 및 전극 집단의 부재들을 상대-전극 집단의 부재들로부터 분리하는 미세다공성 격리막을 포함하고, 전극들 및 상대-전극들의 집단들은 상기 전극 집단의 부재들이 상기 상대-전극 집단의 부재들에 의해 서로로부터 분리되는 교번하는 시퀀스로 배열되고 상기 교번하는 시퀀스는 제1 방향으로 진행하며, 상기 전극 집단의 각 부재는 전극 활성 물질층 및 측면들을 갖는 전극 전류 콜렉터층을 포함하고, 상기 전극 집단의 각 부재는 하부, 상부, 길이 LE, 폭 WE 및 높이 HE를 가지며, 상기 길이 LE는 각 이러한 전극의 상기 하부에서 상기 상부까지 측정되며, 상기 폭 WE 및 상기 높이 HE는 서로에 그리고 상기 길이 LE의 측정 방향에 수직한 방향들로 측정되며, LE 대 WE 및 HE 각각의 비는 각각 적어도 5:1이며, HE 대 WE의 비는 각각 0.4:1 내지 1000:1 사이이며, (i) 상기 전극 활성 물질층은 상기 전극 집단의 부재들 내의 상기 전극 전류 콜렉터층의 상기 측면들 각각에 배치되고, (ii) 상기 전극 집단의 각 부재의 상기 전극 전류 콜렉터층은 동일 방향으로 측정되고 길이 LE의 적어도 50%인 길이 LE-C를 갖고, (iii) 각 부재의 전극 전류 층은 상기 전극 집단의 각각의 이러한 부재를 상기 전극 버스에 전기적으로 연결하고, 이어서 상기 전극 버스는 상기 전극 집단의 모든 부재들로부터 전류를 인출하고, 상기 집단의 각각의 개별 부재와 배터리 단자 사이에 전기 전도 경로를 제공하며, (iv) 상기 전극 버스는 길이 LE-B, 폭 WE-B 및 높이 HE-B를 가지며, 상기 길이 LE-B는 상기 제1 방향에서 측정되며, 상기 폭 WE-B 및 상기 높이 HE-B는 서로에 상호 수직이고 그리고 상기 제1 방향에 수직인 방향들에서 측정되며, LE=B 대 WE-B 및 HE-B 각각의 비는 각각 적어도 5:1이며, (v) 상기 전극 집단은 N개의 부재를 갖고, 상기 상대-전극 집단은 N+1개의 부재를 가지며, N은 적어도 10인, 전극 구조.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 전극 집단은 N 부재들을 가지고, 상기 상대-전극 집단은 N+1 부재들을 가지며, N은 적어도 25인, 전극 구조.
  3. 삭제
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    LE는 10 mm 내지 250 mm의 범위 내 값을 갖는, 전극 구조.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    WE 및 HE 각각은 0.01 mm 내지 5 mm의 범위 내 값을 갖는, 전극 구조.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 전극 집단의 각 부재에 대해 LE 대 WE 및 HE 각각의 비는 각각 적어도 10:1인, 전극 구조.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 전극 집단의 각 부재의 상기 전극 전류 콜렉터층은 동일 방향으로 측정되고 길이 LE의 적어도 80%인 길이 LE-C를 갖는, 전극 구조.
  8. 삭제
  9. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 상대-전극 집단의 각 부재는 상대-전극 활성 물질층 및 상대-전극 전류 콜렉터층을 포함하고, 상기 상대-전극 집단의 각 부재는 하부, 상부, 길이 LCE, 폭 WCE 및 높이 HCE를 가지며, 상기 길이 LCE는 각 이러한 상대-전극의 상기 하부에서 상기 상부까지 측정되며, 상기 폭 WCE 및 상기 높이 HCE는 서로에 그리고 상기 길이 LCE의 측정 방향에 수직한 방향들로 측정되고, LCE 대 WCE 및 HCE 각각의 비는 각각 적어도 5:1이고, HCE 대 WCE의 비는 각각 0.4:1 내지 1000:1 사이이고, 상기 상대-전극 집단의 각 부재의 상기 상대-전극 전류 콜렉터층은 동일 방향으로 측정되고 길이 LCE의 적어도 50%인 길이인 LCE-C를 갖는, 전극 구조.
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 삭제
  13. 삭제
  14. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 전극 전류 콜렉터층 및 상기 전극 활성 물질층은 전기 전도도를 가지며, 상기 전극 전류 콜렉터층의 상기 전기 전도도 대 상기 전극 활성 물질층의 상기 전기 전도도의 비는 전극들의 상기 집단의 각 부재에 대해, 각각 적어도 100:1인, 전극 구조.
  15. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    전극들의 상기 집단은 음극들의 집단이며, 상대-전극들의 상기 집단은 양극들의 집단이며, 상기 전극 활성 물질층은 음극 활성 물질층이며, 전극 전류 전도체층은 음극 전류 전도체층이며, 상기 음극 활성 물질층은 탄소, 알루미늄, 주석, 실리콘 또는 이들의 합금을 포함하는, 전극 구조.
  16. 청구항 15에 있어서,
    상기 음극 활성 물질층은 실리콘 또는 이의 합금, 또는 다공성 실리콘 또는 이의 합금의 나노선들(nanowires)을 포함하는, 전극 구조.
  17. 청구항 1에 있어서,
    전극들의 상기 집단은 음극들의 집단이며, 상대-전극들의 상기 집단은 양극들의 집단이며, 음극들의 상기 집단의 각 부재는 음극 활성 물질층 및 음극 전류 전도체층을 포함하며, 음극들의 상기 집단의 각 부재는 하부, 상부, 길이 LNE, 폭 WNE 및 높이 HNE를 가지며, 상기 길이 LNE은 각 이러한 음극의 상기 하부에서 상기 상부까지 측정되고, 상기 폭 WNE 및 상기 높이 HNE는 서로에 그리고 상기 길이 LNE의 측정 방향에 수직한 방향들로 측정되며, LNE 대 WNE 및 HNE 각각의 비는 각각 적어도 5:1이며, HNE 대 WNE의 비는 0.4:1 내지 1000:1 사이이며, 상기 집단의 각 부재의 상기 음극 전류 전도체층은 동일 방향으로 측정되고 LNE의 적어도 50%인 길이 LNC를 갖는, 전극 구조.
  18. 청구항 1에 있어서,
    전극들의 상기 집단은 양극들의 집단이고, 상대-전극들의 상기 집단은 음극들의 집단이며,
    (i) 양극들의 상기 집단의 각 부재는 양극 활성 물질층 및 양극 전류 전도체층을 포함하고, 양극들의 상기 집단의 각 부재는 하부, 상부, 길이 LPE, 폭 WPE 및 높이 HPE를 가지며, 상기 길이 LPE는 각 이러한 양극의 상기 하부에서 상기 상부까지 측정되고, 상기 폭 WPE 및 상기 높이 HPE는 서로에 그리고 상기 길이 LPE의 측정 방향에 수직한 방향들로 측정되고, LPE 대 WPE 및 HPE 각각의 비는 각각 적어도 5:1이고, HPE 대 WPE의 비는 각각 0.4:1 내지 1000:1 사이이고, 상기 양극 집단의 각 부재의 상기 양극 전류 전도체층은 동일 방향으로 측정되고 LPE의 적어도 50%인 길이 LPC를 가지며,
    (ii) 음극들의 상기 집단의 각 부재는 음극 활성 물질층 및 음극 전류 전도체층을 포함하고, 음극들의 상기 집단의 각 부재는 하부, 상부, 길이 LNE, 폭 WNE 및 높이 HNE을 가지며, 상기 길이 LNE는 각 이러한 음극의 상기 하부에서 상기 상부까지 측정되고, 상기 폭 WNE 및 상기 높이 HNE는 서로에 그리고 상기 길이 LNE의 측정 방향에 수직한 방향들로 측정되고, LNE 대 WNE 및 HNE 각각의 비는 각각 적어도 5:1이고, HNE 대 WNE의 비는 각각 0.4:1 내지 1000:1 사이이고, 상기 음극 집단의 각 부재의 상기 음극 전류 전도체층은 동일 방향으로 측정되고 LNE의 적어도 50%인 길이 LNC를 갖는, 전극 구조.
  19. 전극 적층으로서, 상기 적층은 적어도 2개의 전극 구조들을 포함하고, 상기 전극 구조들 각각은 제1항의 전극 구조를 포함하는, 전극 적층.
  20. 청구항 19에 있어서, 상기 전극 구조들은 수직으로 적층되고, 이에 의해 상기 전극 적층에서의 제1 전극 구조에 의해 포함되는 양극 및 음극의 상기 집단들은 상기 전극 적층에서의 제2 전극 구조에 의해 포함되는 양극 및 음극의 상기 집단들과는 다른 평면에 놓이는, 전극 적층.
  21. 청구항 19에 있어서, 상기 전극 구조들은 수평으로 배열되고, 이에 의해 상기 전극 적층에서의 제1 전극 구조에 의해 포함되는 양극 및 음극의 상기 집단들은 상기 전극 적층에서의 제2 전극 구조에 의해 포함되는 양극 및 음극의 상기 집단들과 실질적으로 동일한 평면에 놓이는, 전극 적층.
  22. 배터리 엔클로저(battery enclosure), 비수성 전해질 및 제1항, 제2항, 제17항 및 제18항 중 어느 한 항의 전극 구조 혹은 제19항 내지 제21항 중 어느 한 항의 전극 적층을 포함하는, 2차 배터리.
KR1020157005561A 2012-08-16 2013-08-01 3차원 배터리들을 위한 전극 구조들 KR102230556B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020217007832A KR102428025B1 (ko) 2012-08-16 2013-08-01 3차원 배터리들을 위한 전극 구조들

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US201261684036P 2012-08-16 2012-08-16
US61/684,036 2012-08-16
PCT/US2013/053235 WO2014028230A1 (en) 2012-08-16 2013-08-01 Electrode structures for three-dimensional batteries

Related Child Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020217007832A Division KR102428025B1 (ko) 2012-08-16 2013-08-01 3차원 배터리들을 위한 전극 구조들

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20150045456A KR20150045456A (ko) 2015-04-28
KR102230556B1 true KR102230556B1 (ko) 2021-03-22

Family

ID=50100256

Family Applications (6)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020157005561A KR102230556B1 (ko) 2012-08-16 2013-08-01 3차원 배터리들을 위한 전극 구조들
KR1020227044534A KR102551899B1 (ko) 2012-08-16 2013-08-01 3차원 배터리들을 위한 전극 구조들
KR1020237022388A KR102658954B1 (ko) 2012-08-16 2013-08-01 3차원 배터리들을 위한 전극 구조들
KR1020247012319A KR20240055130A (ko) 2012-08-16 2013-08-01 3차원 배터리들을 위한 전극 구조들
KR1020217007832A KR102428025B1 (ko) 2012-08-16 2013-08-01 3차원 배터리들을 위한 전극 구조들
KR1020227026081A KR102480368B1 (ko) 2012-08-16 2013-08-01 3차원 배터리들을 위한 전극 구조들

Family Applications After (5)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020227044534A KR102551899B1 (ko) 2012-08-16 2013-08-01 3차원 배터리들을 위한 전극 구조들
KR1020237022388A KR102658954B1 (ko) 2012-08-16 2013-08-01 3차원 배터리들을 위한 전극 구조들
KR1020247012319A KR20240055130A (ko) 2012-08-16 2013-08-01 3차원 배터리들을 위한 전극 구조들
KR1020217007832A KR102428025B1 (ko) 2012-08-16 2013-08-01 3차원 배터리들을 위한 전극 구조들
KR1020227026081A KR102480368B1 (ko) 2012-08-16 2013-08-01 3차원 배터리들을 위한 전극 구조들

Country Status (8)

Country Link
US (6) US9660292B2 (ko)
EP (1) EP2885830B1 (ko)
JP (4) JP6416765B2 (ko)
KR (6) KR102230556B1 (ko)
CN (1) CN104662714B (ko)
HK (1) HK1209527A1 (ko)
TW (1) TWI611619B (ko)
WO (1) WO2014028230A1 (ko)

Families Citing this family (34)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101584065B (zh) 2007-01-12 2013-07-10 易诺维公司 三维电池及其制造方法
US9843027B1 (en) 2010-09-14 2017-12-12 Enovix Corporation Battery cell having package anode plate in contact with a plurality of dies
KR102230556B1 (ko) * 2012-08-16 2021-03-22 에노빅스 코오퍼레이션 3차원 배터리들을 위한 전극 구조들
EP4358271A3 (en) 2013-03-15 2024-07-24 Enovix Corporation Three-dimensional batteries
EP3134932B1 (en) 2014-04-25 2021-08-25 South Dakota Board of Regents High capacity electrodes
WO2016095059A1 (de) * 2014-12-19 2016-06-23 Hirschberg Engineering Verfahren und vorrichtung zu schichtweisen aufbau von formkörpern
JP6604532B2 (ja) * 2015-03-31 2019-11-13 東京応化工業株式会社 非水二次電池、その製造方法、及び電解質
EP3800730B1 (en) * 2015-05-14 2022-08-24 Enovix Corporation Secondary batteries with longitudinal constraints
KR102514595B1 (ko) 2015-10-12 2023-03-27 삼성전자주식회사 3차원 구조의 전극 구조체 및 이를 갖는 전지
DE102015120879A1 (de) * 2015-12-02 2017-06-08 Institut Für Solarenergieforschung Gmbh Verfahren zum Herstellen einer Silizium-basierten porösen Elektrode für eine Batterie, insbesondere Lithium-Ionen-Batterie
US9979009B2 (en) * 2015-12-17 2018-05-22 Intel Corporation Energy storage device having a laser weld
KR102099906B1 (ko) * 2015-12-18 2020-04-10 주식회사 엘지화학 3ｄ 프린팅을 이용한 이차전지의 제조방법
SG10202106068XA (en) * 2016-05-13 2021-07-29 Enovix Corp Dimensional constraints for three-dimensional batteries
US10847806B2 (en) 2016-11-07 2020-11-24 Samsung Electronics Co., Ltd. Electrochemical device and method of preparing the same
KR102525366B1 (ko) * 2016-11-16 2023-04-26 에노빅스 코오퍼레이션 압축 가능 캐소드들이 있는 3차원 배터리들
CN108666568A (zh) * 2017-04-01 2018-10-16 清华大学 锂离子电池阳极
CN108666567A (zh) * 2017-04-01 2018-10-16 清华大学 锂离子电池
US10833318B2 (en) 2017-10-03 2020-11-10 California Institute Of Technology Three-dimensional architected pyrolyzed electrodes for use in secondary batteries and methods of making three-dimensional architected electrodes
US10256507B1 (en) * 2017-11-15 2019-04-09 Enovix Corporation Constrained electrode assembly
CN111684638A (zh) 2017-11-15 2020-09-18 艾诺维克斯公司 电极组件及二次电池
US10468674B2 (en) 2018-01-09 2019-11-05 South Dakota Board Of Regents Layered high capacity electrodes
US11211639B2 (en) 2018-08-06 2021-12-28 Enovix Corporation Electrode assembly manufacture and device
CN111193044B (zh) * 2019-10-31 2021-05-18 清华大学 一种被动式液体燃料电池
TR201917239A1 (tr) * 2019-11-06 2021-05-21 Izmir Yueksek Teknoloji Enstituesue Dendri̇ti̇k yapiya sahi̇p bağlanti (tab) noktasi i̇çeren bi̇r batarya
US11568102B2 (en) 2019-11-27 2023-01-31 Toyota Motor Engineering & Manufacturing North America, Inc. Systems and methods for optimizing battery designs in multiple dimensions
US11728549B2 (en) 2019-11-27 2023-08-15 Toyota Motor Engineering & Manufacturing North America, Inc. Battery design in multiple dimensions
CN111223942B (zh) * 2019-12-02 2021-12-10 北京工业大学 一种锯齿状电极及提高纳米紫外探测器性能的方法
EP4107802A1 (en) 2020-02-21 2022-12-28 24M Technologies, Inc. Electrochemical cells with electrode material coupled directly to film and methods of making the same
TWI740400B (zh) * 2020-03-02 2021-09-21 力哲科技股份有限公司 電池材料及其製備方法
JP2023547993A (ja) 2020-09-18 2023-11-15 エノビクス・コーポレイション 電池に使用する電極の製造のための装置、システム、及び方法
WO2022125529A1 (en) 2020-12-09 2022-06-16 Enovix Operations Inc. Method and apparatus for the production of electrode assemblies for secondary batteries
EP4315466A1 (en) 2021-03-31 2024-02-07 Enovix Corporation Electrode assemblies including current limiters, secondary batteries having such electrode assemblies, and methods of testing
KR20240021849A (ko) 2021-06-15 2024-02-19 에노빅스 코오퍼레이션 전기화학 배터리 인클로저의 보호를 제공하기 위한 스페이서 및 이를 위한 시스템 및 방법
US20230035746A1 (en) 2021-07-15 2023-02-02 Enovix Operations Inc. Secondary battery cells having hermetically sealed case, electrode assemblies and methods

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20110111283A1 (en) * 2007-01-12 2011-05-12 Microazure Corporation Three-dimensional batteries and methods of manufacturing the same

Family Cites Families (174)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3563805A (en) 1969-02-20 1971-02-16 Union Carbide Corp Thin,flat primary cells and batteries
US4587182A (en) 1984-12-11 1986-05-06 Moli Energy Limited Constant volume lithium battery cell and process
DE3528763A1 (de) * 1985-08-10 1987-02-19 Thomson Brandt Gmbh Verfahren zur phasenregelung von motoren in videorecordern
JPH0690934B2 (ja) 1987-08-07 1994-11-14 日本電信電話株式会社 二次電池およびその製造方法
US5294504A (en) 1988-08-30 1994-03-15 Osaka Gas Company, Ltd. Three-dimensional microstructure as a substrate for a battery electrode
US5709962A (en) * 1991-01-31 1998-01-20 Eveready Battery Company, Inc. Cell tester device employing spaced apart electrochromic electrodes
JPH05129036A (ja) * 1991-11-06 1993-05-25 Shin Kobe Electric Mach Co Ltd 密閉形２次電池
JPH0620678A (ja) * 1992-03-31 1994-01-28 Osaka Gas Co Ltd バッテリー電極用の基板としての三次元微小構造体
US5238759A (en) 1992-04-01 1993-08-24 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Army Flexible solid electrolyte for use in solid state cells and solid state cell including said flexible solid electrolyte
JP3364264B2 (ja) * 1993-02-09 2003-01-08 ティーディーケイ株式会社 積層型電池とその製造方法
US5350645A (en) 1993-06-21 1994-09-27 Micron Semiconductor, Inc. Polymer-lithium batteries and improved methods for manufacturing batteries
FR2746934B1 (fr) 1996-03-27 1998-05-07 Saint Gobain Vitrage Dispositif electrochimique
CA2228095C (en) 1997-01-28 2002-01-08 Canon Kabushiki Kaisha Electrode structural body, rechargeable battery provided with said electrode structural body, and process for the production of said electrode structural body and said rechargeable battery
US6090505A (en) 1997-06-03 2000-07-18 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. Negative electrode materials for non-aqueous electrolyte secondary batteries and said batteries employing the same materials
EP0991852A2 (en) 1997-06-27 2000-04-12 Lynntech, Inc. Method and apparatus for injecting hydrogen into a catalytic converter
US6337156B1 (en) * 1997-12-23 2002-01-08 Sri International Ion battery using high aspect ratio electrodes
US6235427B1 (en) 1998-05-13 2001-05-22 Fuji Photo Film Co., Ltd. Nonaqueous secondary battery containing silicic material
JP2948205B1 (ja) 1998-05-25 1999-09-13 花王株式会社 二次電池用負極の製造方法
JP2002523892A (ja) * 1998-08-21 2002-07-30 エス・アール・アイ・インターナシヨナル 電子回路およびコンポーネントの印刷
KR100366978B1 (ko) 1998-09-08 2003-01-09 마츠시타 덴끼 산교 가부시키가이샤 비수전해질 이차전지용 음극재료와 그 제조방법
US6083640A (en) 1998-09-22 2000-07-04 Samsung Display Device Co., Ltd. Secondary battery with electrode assembly fixing device
JP4116718B2 (ja) 1998-11-05 2008-07-09 日本リーロナール有限会社 無電解金めっき方法及びそれに使用する無電解金めっき液
JP4457429B2 (ja) 1999-03-31 2010-04-28 パナソニック株式会社 非水電解質二次電池とその負極
KR100289542B1 (ko) 1999-04-09 2001-05-02 김순택 각형 리튬 2차 전지의 제조 방법
US7794881B1 (en) 1999-10-22 2010-09-14 Sanyo Electric Co., Ltd. Electrode for lithium batteries and rechargeable lithium battery
US7464053B1 (en) 1999-10-26 2008-12-09 Pylant Jeffrey D Buyer-driven purchasing loyalty system and method using an electronic network
US6372371B1 (en) * 1999-10-29 2002-04-16 Eontech Group, Inc Ecologically clean mechanically rechargeable air-metal current source
JP4126715B2 (ja) 1999-11-22 2008-07-30 ソニー株式会社 負極材料の製造方法および二次電池の製造方法
US7066971B1 (en) 1999-11-23 2006-06-27 Sion Power Corporation Methods of preparing electrochemical cells
JP4461541B2 (ja) 1999-12-28 2010-05-12 株式会社ジーエス・ユアサコーポレーション 非水電解質二次電池
KR100497147B1 (ko) 2000-02-08 2005-06-29 주식회사 엘지화학 다중 중첩 전기화학 셀 및 그의 제조방법
JP2001236994A (ja) * 2000-02-24 2001-08-31 Japan Storage Battery Co Ltd 多孔性ポリマー電解質の製造方法及びそれを用いた非水電解質電池。
US20020013986A1 (en) 2000-04-17 2002-02-07 Ahn Tae-Yong Apparatus and method of manufacturing current collector for secondary battery
NL1015956C2 (nl) 2000-08-18 2002-02-19 Univ Delft Tech Batterij en werkwijze voor het vervaardigen van een dergelijke batterij.
TW522582B (en) 2000-10-05 2003-03-01 Matsushita Electric Ind Co Ltd Pancake battery and manufacturing method thereof
KR100929452B1 (ko) * 2000-10-20 2009-12-02 매사츄세츠 인스티튜트 오브 테크놀러지 2극 장치
US6525391B1 (en) 2001-02-06 2003-02-25 Advanced Micro Devices, Inc. Nickel silicide process using starved silicon diffusion barrier
JP4236390B2 (ja) 2001-04-19 2009-03-11 三洋電機株式会社 リチウム二次電池
ES2390375T3 (es) 2001-09-19 2012-11-12 Kawasaki Jukogyo Kabushiki Kaisha Batería tridimensional y estructura de electrodos y procedimiento para producir material de electrodos para la batería tridimensional
KR100403675B1 (ko) 2001-11-30 2003-10-30 학교법인 포항공과대학교 초소형 전지-축전기 하이브리드 소자 및 그 제조방법
JP4377565B2 (ja) 2002-05-07 2009-12-02 富士重工業株式会社 板状電池の接続構造
JP2005529468A (ja) 2002-06-08 2005-09-29 ケジハ、ジョゼフ、ビー． イオン伝導性接着剤で接着されたセラミックセパレータを有するリチウム系電気化学装置
KR100472504B1 (ko) 2002-06-17 2005-03-10 삼성에스디아이 주식회사 보강구조가 개선된 파우치형 이차전지
GB2395059B (en) 2002-11-05 2005-03-16 Imp College Innovations Ltd Structured silicon anode
EP1566855A4 (en) 2002-11-29 2009-06-24 Mitsui Mining & Smelting Co NEGATIVE ELECTRODE FOR NONAQUEOUS ELECTROLYTE SECONDARY ACCUMULATOR ELEMENT AND METHOD OF MANUFACTURING THE ELECTRODE, AND NONAQUEOUS ELECTROLYTE SECONDARY ACCUMULATOR ELEMENT
CN100452493C (zh) 2003-01-06 2009-01-14 三星Sdi株式会社 再充电锂电池用的负极活性材料、其制法和再充电锂电池
US20040185336A1 (en) 2003-02-18 2004-09-23 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. All solid-state thin-film cell and application thereof
CN1768404B (zh) 2003-03-31 2013-01-09 富士重工业株式会社 有机电解质电容器
JP2004311141A (ja) 2003-04-04 2004-11-04 Sony Corp 電極およびそれを用いた電池
JP2004351500A (ja) 2003-05-30 2004-12-16 Toppan Forms Co Ltd 巻取りシートの横ミシン目形成方法
JP4186115B2 (ja) 2003-06-11 2008-11-26 ソニー株式会社 リチウムイオン二次電池
JP4238645B2 (ja) 2003-06-12 2009-03-18 日産自動車株式会社 バイポーラ電池
JP2005149891A (ja) * 2003-11-14 2005-06-09 Nissan Motor Co Ltd バイポーラ電池、及びそれを用いた組電池
US20050130383A1 (en) 2003-12-10 2005-06-16 International Business Machines Corporation Silicide resistor in beol layer of semiconductor device and method
US7282295B2 (en) 2004-02-06 2007-10-16 Polyplus Battery Company Protected active metal electrode and battery cell structures with non-aqueous interlayer architecture
KR20070021192A (ko) 2004-04-27 2007-02-22 텔 아비브 유니버시티 퓨쳐 테크놀로지 디벨롭먼트 엘.피. 인터레이스식 마이크로컨테이너 구조 기반의 3차원마이크로배터리
US8187740B2 (en) 2004-04-27 2012-05-29 Tel Aviv University Future Technology Development L.P. 3-D microbatteries based on interlaced micro-container structures
CN101427415A (zh) * 2004-04-27 2009-05-06 特拉维夫大学未来技术研发有限公司 基于交错的微容器结构的三维微电池
US7638230B2 (en) 2004-09-03 2009-12-29 Panasonic Corporation Lithium ion secondary battery
US7662509B2 (en) 2004-10-29 2010-02-16 Medtronic, Inc. Lithium-ion battery
JP2006147210A (ja) * 2004-11-17 2006-06-08 Hitachi Ltd 二次電池及びその製造方法
JP4734912B2 (ja) 2004-12-17 2011-07-27 日産自動車株式会社 リチウムイオン電池およびその製造方法
JP2006236768A (ja) 2005-02-24 2006-09-07 Seiko Epson Corp スリット形成方法、電子放出素子の製造方法、及び電子デバイス
JP5070680B2 (ja) 2005-03-31 2012-11-14 大日本印刷株式会社 非水電解液二次電池用電極板、その製造方法、および非水電解液二次電池
WO2008030215A2 (en) 2005-07-12 2008-03-13 The Regents Of The University Of California Method and apparatus for high surface area carbon structures with minimized resistance
US8080334B2 (en) 2005-08-02 2011-12-20 Panasonic Corporation Lithium secondary battery
US7824806B2 (en) 2005-08-09 2010-11-02 Polyplus Battery Company Compliant seal structures for protected active metal anodes
US20110171518A1 (en) 2005-08-12 2011-07-14 The Government Of The United States Of America, As Represented By The Secretary Of The Navy Three dimensional Battery Architectures and Methods of Making Same
US7593154B2 (en) 2005-10-11 2009-09-22 Sage Electrochromics, Inc. Electrochromic devices having improved ion conducting layers
JP5135678B2 (ja) 2005-11-24 2013-02-06 日産自動車株式会社 電池構造体、組電池、およびこれらを搭載した車両
KR100763892B1 (ko) 2006-01-20 2007-10-05 삼성에스디아이 주식회사 음극 활물질, 그 제조 방법, 및 이를 채용한 음극과 리튬전지
GB0601319D0 (en) 2006-01-23 2006-03-01 Imp Innovations Ltd A method of fabricating pillars composed of silicon-based material
JP5135822B2 (ja) 2006-02-21 2013-02-06 日産自動車株式会社 リチウムイオン二次電池およびこれを用いた組電池
WO2007097172A1 (ja) 2006-02-21 2007-08-30 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. 角形扁平二次電池の製造方法
KR100949331B1 (ko) 2006-06-09 2010-03-26 삼성에스디아이 주식회사 이차 전지 모듈
US7726975B2 (en) 2006-06-28 2010-06-01 Robert Bosch Gmbh Lithium reservoir system and method for rechargeable lithium ion batteries
WO2008012970A1 (fr) 2006-07-27 2008-01-31 Nippon Mining & Metals Co., Ltd. Cible d'oxyde de métal de transition contenant du lithium, procédé de fabrication associé et batterie lithium-ion secondaire en couche mince
US20080081256A1 (en) 2006-08-10 2008-04-03 Madou Marc J Electrodeposition of a Polymer Film as a Thin Film Polymer Electrolyte for 3D Lithium Ion Batteries
JP2008078119A (ja) 2006-08-25 2008-04-03 Ngk Insulators Ltd 全固体蓄電素子
JP5456954B2 (ja) * 2006-11-30 2014-04-02 日産自動車株式会社 双極型二次電池のモジュール構造
US8865345B1 (en) 2007-01-12 2014-10-21 Enovix Corporation Electrodes for three-dimensional lithium batteries and methods of manufacturing thereof
JP2008171732A (ja) 2007-01-12 2008-07-24 Sumitomo Electric Ind Ltd 薄型電池
JP2008176962A (ja) * 2007-01-16 2008-07-31 Sumitomo Electric Ind Ltd 薄型電池
CN101636863B (zh) 2007-03-13 2013-01-09 松下电器产业株式会社 锂二次电池用负极及其制造方法、和具有锂二次电池用负极的锂二次电池
US20080233455A1 (en) * 2007-03-21 2008-09-25 Valadoula Deimede Proton conductors based on aromatic polyethers and their use as electolytes in high temperature pem fuel cells
US8119269B2 (en) 2007-05-10 2012-02-21 Enovix Corporation Secondary battery with auxiliary electrode
CN101821893A (zh) 2007-05-25 2010-09-01 麻省理工学院 电池及其所用的电极
GB0713898D0 (en) 2007-07-17 2007-08-29 Nexeon Ltd A method of fabricating structured particles composed of silcon or a silicon-based material and their use in lithium rechargeable batteries
US8999585B2 (en) 2007-07-18 2015-04-07 Panasonic Intellectual Property Management Co., Ltd. Nonaqueous electrolyte secondary battery
US7816031B2 (en) 2007-08-10 2010-10-19 The Board Of Trustees Of The Leland Stanford Junior University Nanowire battery methods and arrangements
KR101488850B1 (ko) 2007-08-21 2015-02-02 에이일이삼 시스템즈 인코포레이티드 전기화학전지용 분리막 및 이의 제조방법
US20090068567A1 (en) 2007-09-12 2009-03-12 Sony Corporation Anode for secondary battery, method of manufacturing it, and secondary battery
US20090123847A1 (en) 2007-11-12 2009-05-14 Kyushu University All-solid-state cell
US20090159354A1 (en) 2007-12-25 2009-06-25 Wenfeng Jiang Battery system having interconnected battery packs each having multiple electrochemical storage cells
JP5334420B2 (ja) 2008-01-16 2013-11-06 三洋電機株式会社 バッテリシステム
JP4587055B2 (ja) 2008-03-06 2010-11-24 トヨタ自動車株式会社 組電池
JP4535157B2 (ja) 2008-03-28 2010-09-01 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム
US8475957B2 (en) 2008-04-17 2013-07-02 Enovix Corporation Negative electrode structure for non-aqueous lithium secondary battery
US8133613B2 (en) 2008-04-17 2012-03-13 Enovix Corporation Nonaqueous electrolyte secondary battery anode material with a uniform metal-semiconductor alloy layer
US8192788B1 (en) 2008-04-17 2012-06-05 Enovix Corporation Single step current collector deposition process for energy storage devices
US8367244B2 (en) 2008-04-17 2013-02-05 Enovix Corporation Anode material having a uniform metal-semiconductor alloy layer
WO2009129490A1 (en) 2008-04-17 2009-10-22 Microazure Corporation Anode material having a uniform metal-semiconductor alloy layer
TW201004869A (en) * 2008-06-10 2010-02-01 Nanotune Technologies Corp Nanoporous materials and related methods
US8722226B2 (en) 2008-06-12 2014-05-13 24M Technologies, Inc. High energy density redox flow device
JP5129036B2 (ja) 2008-06-24 2013-01-23 株式会社リコー 用紙折り装置、用紙搬送装置、用紙後処理装置並びに画像形成装置
KR101558537B1 (ko) 2008-08-26 2015-10-08 삼성전자주식회사 다공성 애노드 활물질, 그 제조방법, 이를 포함한 애노드 및 리튬 전지
US8580439B1 (en) 2008-09-22 2013-11-12 Greatbatch Ltd. Insulator component design for maintaining electrode assembly compression in prismatic medical cells
US20100266907A1 (en) 2008-11-04 2010-10-21 Rachid Yazami Metal air battery system
JP5400370B2 (ja) 2008-12-16 2014-01-29 公立大学法人首都大学東京 非水電解液系二次電池用負極およびそれを用いたリチウムイオン二次電池
JP2012516941A (ja) 2009-02-04 2012-07-26 アプライド マテリアルズ インコーポレイテッド 電池およびウルトラキャパシタ用の銅、スズ、銅スズ、銅スズコバルト、および銅スズコバルトチタンの三次元多孔質電極
KR20110128855A (ko) 2009-02-10 2011-11-30 프라운호퍼-게젤샤프트 츄어 푀르더룽 데어 안게반텐 포르슝에.파우. 전기화학 에너지 저장기를 위한 출력 최적화 및 에너지 밀도 최적화 평면 전극
US8940438B2 (en) * 2009-02-16 2015-01-27 Samsung Electronics Co., Ltd. Negative electrode including group 14 metal/metalloid nanotubes, lithium battery including the negative electrode, and method of manufacturing the negative electrode
JP5449814B2 (ja) 2009-03-25 2014-03-19 三洋電機株式会社 組電池
JP2010262752A (ja) * 2009-04-30 2010-11-18 Furukawa Electric Co Ltd:The リチウムイオン二次電池用の負極、それを用いたリチウムイオン二次電池、リチウムイオン二次電池用の負極の製造方法
JP5313761B2 (ja) 2009-05-08 2013-10-09 パナソニック株式会社 リチウムイオン電池
WO2010138178A1 (en) 2009-05-26 2010-12-02 Steven Allen Carlson Batteries utilizing cathode coatings directly on nanoporous separators
JP2010278125A (ja) * 2009-05-27 2010-12-09 Nippon Zeon Co Ltd 電気化学素子用電極の製造方法及び電気化学素子
US20110020701A1 (en) * 2009-07-16 2011-01-27 Carbon Micro Battery Corporation Carbon electrode structures for batteries
US20110129732A1 (en) 2009-12-01 2011-06-02 Applied Materials, Inc. Compressed powder 3d battery electrode manufacturing
KR101040875B1 (ko) 2009-12-31 2011-06-16 삼성에스디아이 주식회사 이차전지
JP2011171029A (ja) 2010-02-17 2011-09-01 Sanyo Electric Co Ltd 電池モジュール
DE102010029282A1 (de) 2010-05-25 2011-12-01 Robert Bosch Gmbh Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung einer Dünnschichtbatterie
US9123954B2 (en) * 2010-06-06 2015-09-01 Ramot At Tel-Aviv University Ltd. Three-dimensional microbattery having a porous silicon anode
CN103038921A (zh) 2010-06-22 2013-04-10 K2能源处理公司 锂离子电池
US20120052341A1 (en) 2010-09-01 2012-03-01 Duk-Jung Kim Rechargeable battery
CN102792493B (zh) 2010-09-14 2015-03-11 日立麦克赛尔株式会社 非水二次电池
US9343772B2 (en) 2010-10-08 2016-05-17 Samsung Sdi Co., Ltd. Rechargeable battery
JP5664114B2 (ja) 2010-10-20 2015-02-04 住友電気工業株式会社 溶融塩電池
WO2012054767A2 (en) 2010-10-22 2012-04-26 Amprius Inc. Battery electrode structures for high mass loadings of high capacity active materials
US9209456B2 (en) * 2010-10-22 2015-12-08 Amprius, Inc. Composite structures containing high capacity porous active materials constrained in shells
JP5561191B2 (ja) 2011-02-01 2014-07-30 株式会社Ｉｈｉ 電極積層体の製造装置および製造方法
JP5554757B2 (ja) 2011-07-28 2014-07-23 矢崎総業株式会社 電池パック
TWI456817B (zh) 2011-09-27 2014-10-11 Au Optronics Corp 電池裝置
US20130136973A1 (en) * 2011-11-30 2013-05-30 Qualcomm Mems Technologies, Inc. Rechargeable lithium ion battery with silicon anode
JP5433669B2 (ja) 2011-11-30 2014-03-05 三菱重工業株式会社 電池モジュール及び電池システム
DE102011120511A1 (de) 2011-12-07 2013-06-13 Daimler Ag Batterie und Zellblock für eine Batterie
US8841030B2 (en) 2012-01-24 2014-09-23 Enovix Corporation Microstructured electrode structures
WO2013112135A1 (en) 2012-01-24 2013-08-01 Enovix Corporation Ionically permeable structures for energy storage devices
US9300002B2 (en) 2012-03-03 2016-03-29 Illinois Institute Of Technology Three-dimensional supercapacitors and batteries with high energy densities
AT512601B1 (de) 2012-03-05 2014-06-15 Chemiefaser Lenzing Ag Verfahren zur Herstellung einer Cellulosesuspension
KR101561445B1 (ko) 2012-03-16 2015-10-21 주식회사 엘지화학 신규한 구조의 전극 제조장치
EP2690689A1 (en) 2012-07-25 2014-01-29 Umicore Low cost Si-based negative electrodes with enhanced cycling performance
KR20130118716A (ko) * 2012-04-20 2013-10-30 주식회사 엘지화학 전극 조립체, 이를 포함하는 전지셀 및 디바이스
JP6236768B2 (ja) 2012-04-27 2017-11-29 セイコーエプソン株式会社 インクジェット記録方法、インクジェット記録装置
KR20130133640A (ko) 2012-05-29 2013-12-09 주식회사 엘지화학 코너부 형상이 다양한 단차를 갖는 전극 조립체, 이를 포함하는 전지셀, 전지팩 및 디바이스
JP2015172997A (ja) 2012-07-13 2015-10-01 三洋電機株式会社 バッテリシステム及びバッテリシステムを備える車両並びに蓄電装置
US20150135522A1 (en) 2012-08-09 2015-05-21 Sanyo Electric Co., Ltd. Method for producing battery pack
KR102230556B1 (ko) 2012-08-16 2021-03-22 에노빅스 코오퍼레이션 3차원 배터리들을 위한 전극 구조들
US8993159B2 (en) 2012-12-13 2015-03-31 24M Technologies, Inc. Semi-solid electrodes having high rate capability
EP4358271A3 (en) 2013-03-15 2024-07-24 Enovix Corporation Three-dimensional batteries
CN104604015B (zh) 2013-06-28 2017-08-25 株式会社Lg 化学 包括隔膜切割工序的电极组件的制造方法
KR101794265B1 (ko) 2013-07-18 2017-11-07 삼성에스디아이 주식회사 보강 비드부를 포함하는 배터리 팩
EP3018733B1 (en) 2013-08-23 2017-06-14 LG Chem, Ltd. Stackable battery module having easily modifiable connection structure
KR20150031861A (ko) 2013-09-17 2015-03-25 삼성에스디아이 주식회사 배터리 모듈
JP6166994B2 (ja) 2013-09-24 2017-07-19 日立オートモティブシステムズ株式会社 組電池
KR101784739B1 (ko) * 2013-12-10 2017-10-12 삼성에스디아이 주식회사 이차전지 및 그 제조방법
JP6306431B2 (ja) 2014-05-21 2018-04-04 日立オートモティブシステムズ株式会社 電池モジュール
WO2015187662A1 (en) * 2014-06-02 2015-12-10 East Penn Manufacturing Co. Lead acid battery having a strap molding well
CN104347856A (zh) 2014-10-14 2015-02-11 东莞新能源科技有限公司 锂离子电池
WO2016084272A1 (ja) 2014-11-28 2016-06-02 三洋電機株式会社 組電池及びそれを搭載した車両
US10390871B2 (en) 2015-02-20 2019-08-27 Galil Medical Inc. Cryoneedle
EP3800730B1 (en) 2015-05-14 2022-08-24 Enovix Corporation Secondary batteries with longitudinal constraints
CN108788490B (zh) 2016-01-06 2021-02-26 欧爱西株式会社 连接端形成方法及其装置
SG10202106068XA (en) 2016-05-13 2021-07-29 Enovix Corp Dimensional constraints for three-dimensional batteries
KR102525366B1 (ko) 2016-11-16 2023-04-26 에노빅스 코오퍼레이션 압축 가능 캐소드들이 있는 3차원 배터리들
US10784477B2 (en) 2016-11-28 2020-09-22 Viking Power Systems Pte. Ltd. Rechargeable battery with elastically compliant housing
DE102016125168A1 (de) 2016-12-21 2018-06-21 Fortu New Battery Technology Gmbh Wiederaufladbare elektrochemische Zelle mit keramischer Separatorschicht und Indikatorelektrode
CN111684638A (zh) 2017-11-15 2020-09-18 艾诺维克斯公司 电极组件及二次电池
US10256507B1 (en) 2017-11-15 2019-04-09 Enovix Corporation Constrained electrode assembly
DE102018203033A1 (de) 2018-03-01 2019-09-05 Robert Bosch Gmbh Verfahren und Vorrichtung zum Fließfertigen von Elektroden für eine Batterie
US11211639B2 (en) 2018-08-06 2021-12-28 Enovix Corporation Electrode assembly manufacture and device
JP2022130757A (ja) 2019-07-31 2022-09-07 京セラ株式会社 電子素子搭載用パッケージ及び電子装置
TW202240960A (zh) 2020-11-18 2022-10-16 美商易諾維營運公司 用於電極之間隔物、電極堆疊及電池與其系統及方法
WO2022125529A1 (en) 2020-12-09 2022-06-16 Enovix Operations Inc. Method and apparatus for the production of electrode assemblies for secondary batteries

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20110111283A1 (en) * 2007-01-12 2011-05-12 Microazure Corporation Three-dimensional batteries and methods of manufacturing the same

Also Published As

Publication number Publication date
KR102428025B1 (ko) 2022-08-03
US20200381771A1 (en) 2020-12-03
HK1209527A1 (en) 2016-04-01
US10038214B2 (en) 2018-07-31
JP2022091754A (ja) 2022-06-21
EP2885830A1 (en) 2015-06-24
US20140050969A1 (en) 2014-02-20
TW201414048A (zh) 2014-04-01
CN104662714B (zh) 2017-09-29
US20240356061A1 (en) 2024-10-24
JP2019040869A (ja) 2019-03-14
US20190260067A1 (en) 2019-08-22
KR102658954B1 (ko) 2024-04-18
JP7336839B2 (ja) 2023-09-01
US9660292B2 (en) 2017-05-23
KR20240055130A (ko) 2024-04-26
KR102480368B1 (ko) 2022-12-23
US10749207B2 (en) 2020-08-18
US11600848B2 (en) 2023-03-07
US20230178792A1 (en) 2023-06-08
JP6416765B2 (ja) 2018-10-31
TWI611619B (zh) 2018-01-11
KR20210032552A (ko) 2021-03-24
US20170222255A1 (en) 2017-08-03
US12009473B2 (en) 2024-06-11
JP2024075720A (ja) 2024-06-04
KR20150045456A (ko) 2015-04-28
KR20230107701A (ko) 2023-07-17
JP7461979B2 (ja) 2024-04-04
KR20230005412A (ko) 2023-01-09
WO2014028230A1 (en) 2014-02-20
CN104662714A (zh) 2015-05-27
EP2885830B1 (en) 2017-10-11
KR20220111732A (ko) 2022-08-09
JP2015524994A (ja) 2015-08-27
EP2885830A4 (en) 2016-03-23
KR102551899B1 (ko) 2023-07-06

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US12009473B2 (en) Electrode structures for three-dimensional batteries
US11355816B2 (en) Separators for three-dimensional batteries

Legal Events

Date Code Title Description
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
A107 Divisional application of patent
GRNT Written decision to grant