CN105308772A - 用于三维电池的隔膜 - Google Patents
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Abstract
一种能量储存装置使用的电极结构，所述电极结构包含电极组、对电极组和将所述电极组的构件与所述对电极组的构件隔开的电绝缘材料层，所述电极组的每个构件具有被所述电绝缘隔膜层围绕的纵轴AE。
Description
技术领域
本发明一般涉及供能量储存装置用的结构，涉及被结合入此种结构的能量储存装置，以及用于制作此种结构和能量装置的方法。
背景技术
摇椅或插入二次电池为能量储存装置的类型，在其中，载流离子，如锂、钠、钾、钙或镁离子，穿过电解质在正电极和负电极之间移动。二次电池可包含单电池基元或电耦合形成电池的两个以上电池基元，每个电池基元包含正电极、负电极、微多孔隔膜和电解质。
在摇椅电池基元中，正电极和负电极包含载流离子插入和迁出的材料。随着基元的放电，载流离子由负电极迁出，并插入正电极中。随着基元的充电，逆向过程发生：载流离子由正电极迁出并插入负电极中。
图1示出现有的能量储存装置(例如，非水、锂离子电池)的电化学叠层的横截面图。电化学叠层1包括正电极集电体12，在其上装有正电极活性材料层13。此活性材料层被微多孔隔膜14所覆盖，其上装有负电极集电体15和负电极活性材料层16。此叠层有时在负电极集电体15之上覆盖有另一隔膜层(未示出)，其被卷绕并填入容器中，并填充非水电解质以组装二次电池。
正电极和负电极集电体从各自活性电化学电极蓄积电流，并使得电流能够转移到电池外部环境。负电极集电体的一部分与负电极活性材料物理接触，同时正电极集电体的一部分与正电极活性材料物理接触。集电体不参与电化学反应，因而限用对于阳极和阴极在各自的电化学电势范围内电化学稳定的材料。
为了将电流由集电体带到电池外部环境，负电极和正电极集电体典型地均被连接到电极汇流线、接头、附属物(tag)、封装馈通或者外壳馈通，典型地统一被称为接触。接触的一端被连接到一个或多个集电体，同时另一端为电连接到电池外部的环境而穿过电池封装。通过焊接、压接或超声波结合或使用导电胶胶合到适当位置，负电极接触被连接到负电极集电体，且正电极接触被连接到正电极集电体。
常规的卷绕电池(见美国专利号6,090,505和6,235,427)典型地有电极材料(活性材料、粘结剂、导电助剂)，其涂覆在单箔上并在电池基元组装之前被压紧。电极在被涂覆其上的箔，典型地为集电路径的部分。在单凝胶卷(jellyroll)电池如18650或方形基元，集电体箔超声焊接到电极汇流线、接头、附属物等，通过集电体箔和接头，将电流从活性材料运到电池外部。根据设计，沿着单凝胶卷或沿着集电体箔的一端或两端中的一个位置，可有在多个位置的接头。常规的叠层电池袋基元具有在每个箔的顶部的区的多层活性材料板(或箔)，该板其后被集中并与接头焊接在一起；然后其携带电流到电池袋的外面(参看，如，U.S.专利公开号2005/0008939)。
再参考图1，在充电过程期间，锂离开正电极阴极层13并穿过隔膜14，以锂离子形态到负电极活性材料层16中。根据使用的负电极活性材料，锂离子或者插入(例，没有形成合金，加入负电极活性材料基质中)或者形成合金。在放电过程期间，锂离开负电极活性材料层16，穿过隔膜14且进入正电极活性材料层13。电流导体将电子从电池接触(未示出)传导到电极，反之亦然。
在组装和电池操作中，使用电池隔膜以分隔阳极和阴极。现有的锂离子电池用的隔膜典型地使用有高离子透过性、优良机械稳定性和对电池化学成分有优良化学相容性的的薄多孔绝缘材料。在结构上，隔膜为了高离子电导率，应该具有充分的孔隙率以吸附液体电解质。其主要为包含有聚合物膜或无纺织物垫的微多孔层。
现有的能量储存装置，如电池、燃料电池和电化学电容器，典型地有二维层状构造(如平面分层或螺旋卷绕压层)，如图1所示，每片压层的表面面积大致等于它的几何占用面积(忽略孔隙度和表面粗糙度)。
在文献中三维电池一直被提议作为改善电池容量和活性材料利用的途径。已经提议与二维、层状装置电池构造相比，三维构造可被用作提供更高的表面面积和更高的能量。由于从小几何面积可获得增大量的能量，三维能量储存装置是有益处的。参看如，Rust等，WO2008/089110和Long等，"Three-DimensionalBatteryArchitectures，"ChemicalReviews，(2004)，104，4463-4492。
尽管迄今为止取得了进展，仍然需要具有更高能量密度的二次电池和其他能量储存装置。
发明内容
在本发明的多个方面中，本方明提供供能量储存装置(如电池，燃料电池和电化学电容器)中使用的三维结构。有利地，且按照本发明的一个方面，相对于所述能量储存装置的其他组件，即，所述能量储存装置的非活性材料组件，电极活性材料的比例被增加。于是，包含本发明的三维结构的能量储存装置具有增加的能量密度。对于特定量储存的能量，它们还可提供比二维能量储存装置高的能量利用率，如通过极小化或减少电子和离子在正电极负电极间迁移的运输距离。这些装置可更适合于小型化及用于给装置可用的几何面积有限和/或能量密度要求比层状装置所能达到的高的应用。
简言之，因而，本发明的一个方面为供能量储存装置使用的电极结构。所述电极结构包含具有电极活性材料层的电极组，及具有对(counter)电极活性材料层的对电极组。所述电极组与所述对电极组以交替序列、沿着第一方向布置。所述电极组的每个构件有底部、顶部、长度LE、宽度WE、高度HE和纵轴AE，所述纵轴AE由每个这样的构件底部向顶部延伸且在横切所述第一方向的方向上，所述电极组每个构件的所述长度LE在其纵轴AE的方向上被测量，所述电极组每个构件的所述宽度WE在所述第一方向上被测量，且所述电极组的每个构件的所述高度HE在垂直于每个这样的构件的所述纵轴AE和所述第一方向的方向上被测量。所述电极组的每个构件的LE对WE和HE中每一个的比率分别至少为5:1，而且，对于所述电极组的每个构件HE对WE的比率分别在0.4:1和1000:1之间。所述电极组的每个构件的所述纵轴AE被电绝缘隔膜层所围绕，及所述电绝缘隔膜层包含含有颗粒材料和粘结剂、在所述电极和对电极组的构件之间的微多孔隔膜材料层，所述微多孔隔膜材料层的空隙分数至少为20vol.％。
本发明的进一步的方面为供能量储存装置使用的电极结构，其包含具有电极活性材料层的电极组，及具有对电极活性材料层的对电极组。所述电极组与所述对电极组以交替序列、沿着第一方向布置。所述电极组每个构件有底部、顶部、长度LE、宽度WE、高度HE和纵轴AE，所述纵轴AE由所述每个这样的构件的底部向所述顶部延伸且在横切所述第一方向的方向上，所述电极组每个构件的所述长度LE在其纵轴AE的方向上被测量，所述电极组每个构件的所述宽度WE在所述第一方向上被测量，且所述电极组每个构件的所述高度HE在垂直于每个这样的构件的所述纵轴AE和所述第一方向的方向上被测量。所述电极组的每个构件的LE对WE和HE中每一个的比率分别至少为5:1，而且，对于所述电极组每个构件，HE对WE的比率分别在0.4:1和1000:1之间。所述电极组的每个构件的所述纵轴AE被电绝缘隔膜层所围绕，且所述电绝缘隔膜层包含含有颗粒材料和粘结剂、在所述电极和对电极组的构件之间的微多孔隔膜材料层，所述微多孔隔膜材料层的空隙分数至少为20vol.％。
本发明的另一个方面为包含至少两个电极结构的电极叠层。所述电极结构的每一个都包含含有具有电极活性材料层的电极组，及具有对电极活性材料层对电极组的电极结构。所述电极组与所述对电极组以交替序列、沿着第一方向布置。所述电极组的每个构件有底部、顶部、长度LE、宽度WE、高度HE和纵轴AE，所述纵轴AE，由每个这样的构件所述底部向所述顶部延伸且在横切所述第一方向的方向上，所述电极组的每个构件的所述长度LE在其纵轴AE的方向上被测量，所述电极组的每个构件的所述宽度WE在所述第一方向上被测量，且所述电极组的每个构件的所述高度HE在垂直于每个这样的构件的所述纵轴AE和所述第一方向的方向上被测量。所述电极组的每个构件的LE对WE和HE中每一个的比率分别至少为5:1，而且，对于所述电极组的每个构件，HE对WE的比率分别在0.4:1和1000:1之间。所述电极组的每个构件的所述纵轴AE被电绝缘隔膜层所围绕，且所述电绝缘隔膜层包含含有颗粒材料和粘结剂的、在所述电极和对电极组的构件之间的微多孔隔膜材料层，所述微多孔隔膜材料层的空隙分数至少为20vol.％。
本发明的另一个方面为包含电池外壳、非水电解质和电极结构的二次电池。所述电极结构包含具有电极活性材料层的电极组及具有对电极活性材料层的对电极组。所述电极组与所述对电极组以交替序列、沿着第一方向布置。所述电极组的每个构件有底部、顶部、长度LE、宽度WE、高度HE和纵轴AE，所述纵轴AE由每个这样的构件的所述底部向所述顶部延伸且在横切所述第一方向的方向上，所述电极组每个构件的所述长度LE在其纵轴AE的方向上被测量，所述电极组每个构件的所述宽度WE在所述第一方向上被测量，且所述电极组每个构件的所述高度HE在垂直于每个这样的构件的所述纵轴AE和所述第一方向的方向上被测量。所述电极组的每个构件的LE对WE和HE中每一个的比率分别至少为5:1，而且，对于所述电极组每个构件，HE对WE的比率分别在0.4:1和1000:1之间。所述电极组的每个构件的所述纵轴AE被电绝缘隔膜层所围绕，且所述电绝缘隔膜层包含含有颗粒材料和粘结剂、在所述电极和对电极组的构件之间的微多孔隔膜材料层，且所述微多孔隔膜材料层的空隙分数至少为20vol.％。
在下文中，其他目的和特征将在某种程度上显而易见并被指明。
附图说明
图1为一种典型的、现有技术的二维能量储存装置，如锂离子电池的电化学叠层的基元的截面。
图2为本发明的电极结构一个实施例的透视图，部件被拆去以示出内部构造；
图3为于包含线3-3的平面中截取的、图2电极结构的局部截面。
图4为图2的电极结构子装配件的局部透视图；
图5为沿图4的线5截取的电极结构的子装配件的俯视图。
图6为沿图4的线6截取的电极结构的子装配件的俯视图。
图7为于包含图5线7-7的平面中截取的、电极结构的子装配件的截面。
图8为于包含图6线8-8的平面中截取的、电极结构的子装配件的截面。
图9为图2电极结构的子装配件的局部透视图，部件被拆去以示出内部构造。
图10为本发明的三维二次电池分解图。
图11为组装的图10的三维二次电池局部透视图。
图12为于包含线3-3的平面中截取的、图2电极结构的替代的实施例截面。
图13为于包含线3-3的平面中截取的、图2电极结构的替代的实施例截面。
图14为于包含线3-3的平面中截取的、图2电极结构的替代的实施例截面。
图15为于包含线3-3的平面中截取的、图2电极结构的替代的实施例截面。
图16为于包含线3-3的平面中截取的、图2电极结构的替代的实施例截面。
图17为于包含线3-3的平面中截取的、图2电极结构的替代的实施例截面。
图18为于包含线3-3的平面中截取的、图2电极结构的替代的实施例截面。
图19为图2电极结构子装配件的替代的实施例的局部透视图，部件被拆去以示出内部构造。
图20为于包含线3-3的平面中截取的、图2电极结构的替代的实施例截面。
图21为于包含线3-3的平面中截取的、图2电极结构的替代的实施例截面。
图22为于包含线3-3的平面中截取的、图2的电极结构替代的实施例的截面。
图23为图4电极结构沿线5截取的、一个替代的实施例的子装配件的局部透视图，部件被拆去以示出内部构造。
图24为图4电极结构沿线6截取的、一个替代的实施例的子装配件的局部透视图，部件被拆去以示出内部构造。
图25A-E为本发明电极(正电极或负电极)的替代的实施例的截面。
图26为本发明电极叠层的替代的实施例的截面。
图27为本发明电极叠层的替代的实施例的截面。
在全部附图中，相应的参考标号表示相应的部件。
具体实施方式
在本发明的各个方面中，我们注意到当被结合入能量储存装置如电池、电容器和燃料电池中时，三维结构提供的独特优势。例如，这种结构可被结合入其中正电极、负电极和/或隔膜本质上非为压层的二次电池。在一个优选的实施例中，这种结构被结合入其中载流离子(如选自锂、钠、钾、钙和镁离子)在正负电极之间移动的二次电池。
一般而言，三维结构包含一组电极、一组对电极和将电极组与对电极组构件电隔离的隔膜材料。该组电极和该组对电极以交替顺序排列，大体上每个电极组的构件在两个对电极组的构件之间，且大体上每个对电极组的构件在两个电极组的构件之间。例如，除了在交错序列中的第一个和最后一个电极或对电极以外，在一个实施例中，在交错序列中的每个电极都在两个对电极之间，且在序列中的每个对电极都在两个电极之间。
在一个实施例中，电极组的构件包含电极活性材料层、电极集电体和支撑电极活性材料层和电极集电体的电极脊骨(backbone)。同样地，在一个实施例中，对电极组的构件包含对电极活性材料层、对电极集电体和支撑对电极活性材料和对电极集电体的对电极脊骨。
电极组的每个构件具有底部、顶部和在垂直于电极和对电极交替顺序进行的方向的由底部伸至其顶部的纵轴(AE)。另外，电极组的每个构件具有沿纵轴(AE)测量的长度(LE)，在电极和对电极交替顺序进行的方向测量的宽度(WE)，及在垂直于长度(LE)和宽度(WE)每个测量方向的方向测量的高度(HE)。电极组的每个构件还有对应于在垂直于纵轴的的平面中电极的投影的各边长度的总和的周长(PE)。
电极组的构件的长度(LE)将根据能量储存装置及其预期使用而变化。一般而言，然而，电极组的构件典型地具有在约5mm至约500mm范围内的长度(LE)。例如，在一个这种实施例中，电极组的构件具有在约10mm至约250mm范围内的长度(LE)。通过另一个实例，在一个这样的实施例中，电极组的构件具有约25mm至约100mm的长度(LE)。
电极组的构件的宽度(WE)也将根据能量储存装置及其预期使用而变化。一般而言，然而，电极组的每个构件典型地具有在约0.01mm至约2.5mm范围内的宽度(WE)。例如，在一个实施例中，电极组的每个构件的宽度(WE)在约0.025mm至约2mm范围内。通过进一步的实例，在一个实施例中，电极组的每个构件的宽度(WE)在约0.05mm至约1mm的范围内。
电极组的构件的高度(HE)也将根据能量储存装置及其预期使用而变化。一般而言，然而，电极组的构件典型地具有在约0.05mm至约10mm范围内的高度(HE)。例如，在一个实施例中，电极组的每个构件的高度(HE)在约0.05mm至约5mm范围内。通过进一步的实例，在一个实施例中，电极组的每个构件的高度(HE)在约0.1mm至约1mm的范围内。
电极组的构件的周长(PE)也将根据能量储存装置及其预期使用而变化。一般而言，然而，电极组的构件典型地具有在约0.025mm至约25mm范围内的周长(PE)。例如，在一个实施例中，电极组的每个构件的周长(PE)在约0.1mm至约15mm范围内。通过进一步的实例，在一个实施例中，电极组的每个构件的周长(PE)在约0.5mm至约10mm的范围内。
一般而言，电极组的构件的长度(LE)基本上大于其宽度(WE)和其高度(HE)的每一个。例如，在一个实施例中，对于电极组每个构件，LE对WE和HE中每一个的比率分别至少为5:1(也就是，LE对WE的比率分别至少为5:1且LE对HE的比率分别至少为5:1)。通过进一步的实例，在一个实施例中，LE对WE和HE中每一个的比率至少为10:1。通过进一步的实例，在一个实施例中，LE对WE和HE中每一个的比率至少为15:1。通过进一步的实例，在一个实施例中，LE对WE和HE中每一个的比率至少为20:1。
另外，一般优选电极组的构件具有基本上大于其周长(PE)的长度(LE)；例如，在一个实施例中，对于电极组的每个构件，LE对PE的比率分别至少为1.25:1。通过进一步的实例，在一个实施例中，对于电极组每个构件，LE对PE的比率分别至少为2.5:1。通过进一步的实例，在一个实施例中，对于电极组的每个构件，LE对PE的比率分别至少为3.75:1。
在一个实施例中，电极组构件的高度(HE)对宽度(WE)的比率分别至少为0.4:1。例如，在一个实施例中，对于电极组每个构件，HE对WE的比率分别至少为2:1。通过进一步的实例，在一个实施例中，HE对WE的比率分别至少为10:1。通过进一步的实例，在一个实施例中，HE对WE的比率分别至少为20:1。然而，典型地，HE对WE的比率一般分别小于1000:1。例如，在一个实施例中，HE对WE的比率分别小于500:1。通过进一步的实例，在一个实施例中，HE对WE的比率分别小于100:1。通过进一步的实例，在一个实施例中，HE对WE的比率分别小于10:1。通过进一步的实例，在一个实施例中，对于电极组的每个构件，HE对WE的比率分别在约2:1至约100:1的范围内。
对电极组的每个构件有底部、顶部和由其底部向顶部延伸且在一般垂直于电极和对电极交替序列进行的方向的纵轴(ACE)。另外，对电极组的每个构件的长度(LCE)沿着纵轴(ACE)测量，宽度(WCE)在电极和对电极的交替序列进行的方向测量，且高度(HCE)在垂直于长度(LCE)和宽度(WCE)测量的每个方向的方向测量。对电极组的每个构件还有周长(PCE)，该周长对应于对电极在垂直于其纵轴的平面中的投影的边的长度之和。
对电极组构件的长度(LCE)将根据能量储存装置及其预期使用而变化。一般而言，然而，典型地，每个对电极组的构件的长度(LCE)在约5mm至约500mm的范围内。例如，在一个这种实施例中，对电极组的每个构件的长度(LCE)为约10mm至约250mm。通过进一步的实例，在一个这种实施例中，对电极组的每个构件的长度(LCE)为约25mm至约100mm。
对电极组构件的宽度(WCE)也将根据能量储存装置及其预期使用而变化。一般而言，然而，对电极组的构件的宽度(WCE)典型地在约0.01mm至2.5mm的范围至内。例如，在一个实施例中，对电极组每个构件的宽度(WCE)在约0.025mm至约2mm的范围内。通过进一步的实例，在一个实施例中，对电极组每个构件的宽度(WCE)在约0.05mm至约1mm的范围内。
对电极组构件的高度(HCE)也将根据能量储存装置及其预期使用而变化。一般而言，然而，对电极组的构件的高度(HCE)典型地在约0.05mm至约10mm的范围之内。例如，在一个实施例中，对电极组每个构件的高度(HCE)在约0.05mm至约5mm的范围内。通过进一步的实例，在一个实施例中，对电极组每个构件的高度(HCE)在约0.1mm至约1mm的范围内。
对电极组构件的周长(PCE)也将根据能量储存装置及其预期使用而变化。一般而言，然而，对电极组的构件的周长(PCE)典型地在约0.025mm至约25mm的范围之内。例如，在一个实施例中，对电极组每个构件的周长(PCE)在约0.1mm至约15mm的范围内。通过进一步的实例，在一个实施例中，对电极组每个构件的周长(PCE)在约0.5mm至约10mm的范围内。
一般而言，对电极组的每个构件的长度(LCE)基本上大于其宽度(WCE)且基本上大于其高度(HCE)。例如，在一个实施例中，对于对电极组的每个构件，LCE对WCE和HCE中每一个的比率分别至少为5:1(也就是，LCE对WCE的比率分别至少为5:1且LCE对HCE的比率分别至少为5:1)。通过进一步的实例，在一个实施例中，对于对电极组的每个构件，LCE对WCE和HCE中每一个的比率至少为10:1。通过进一步的实例，在一个实施例中，对于对电极组的每个构件，LCE对WCE和HCE中每一个的比率至少为15:1。通过进一步的实例，在一个实施例中，对于对电极组的每个构件，LCE对WCE和HCE中每一个的比率至少为20:1。
另外，一般优选对电极组的构件的长度(LCE)基本上大于其周长(PCE)；例如，在一个实施例中，对于对电极组的每个构件，LCE对PCE的比率分别至少为1.25:1。通过进一步的实例，在一个实施例中，对于对电极组的每个构件，LCE对PCE的比率分别至少为2.5:1。通过进一步的实例，在一个实施例中，对于对电极组的每个构件，LCE对PCE的比率分别至少为3.75:1。
在一个实施例中，对电极组的构件的高度(HCE)对宽度(WCE)的比率分别至少为0.4:1。例如，在一个实施例中，对于对电极组的每个构件，HCE对WCE的比率分别至少为2:1。通过进一步的实例，在一个实施例中，对于对电极组的每个构件，HCE对WCE的比率分别至少为10:1。通过进一步的实例，在一个实施例中，对于对电极组的每个构件，HCE对WCE的比率分别至少为20:1。典型地，然而，对于电极组的每个构件，HCE对WCE的比率一般分别小于1000:1。例如，在一个实施例中，对于对电极组的每个构件，HCE对WCE的比率分别小于500:1。通过进一步的实例，在一个实施例中，HCE对WCE的比率分别小于100:1。通过进一步的实例，在一个实施例中，HCE对WCE的比率分别小于10:1。通过进一步的实例，在一个实施例中，对于对电极组的每个构件，HCE对WCE的比率分别在约2:1至约100:1的范围内。
为将电极组的构件与对电极组电隔离：(i)电极组的构件沿其纵轴(AE)被电绝缘隔膜材料层所围绕，(ii)对电极组的构件沿其纵轴(ACE)被电绝缘隔膜材料层所围绕，或者(iii)电极组构件和对电极组构件各自被电绝缘材的层、沿着它们各自的纵轴所围绕。例如，在一个实施例中，电极组的每个构件的纵轴(AE)被电绝缘材料的层所围绕。通过进一步的实例，在一个实施例中，对电极组的每个构件的纵轴(ACE)被电绝缘材料的层所围绕。通过进一步的实例，在一个实施例中，电极组的每个构件的纵轴(ACE)和对电极组的每个构件的纵轴(ACE)被电绝缘材料的层所围绕。
在一个实施例中，电绝缘材料层的厚度至少约为5微米。一般而言，然而，电绝缘材料层的厚度(至少在那些使电极组的构件与最近的对电极阻的构件隔离的区中)不超过约100微米。例如，在某些实施例中，电绝缘材料层的厚度(至少在那些使电极组的构件与最近的对电极阻的构件隔离的区中)在约5至约50微米的范围内。通过进一步的实例，在某些实施例中，电绝缘材料层的厚度(至少在那些使电极组的构件与最近的对电极阻的构件隔离的区中)在约10至约35微米的范围内。通过进一步的实例，在某些实施例中，电绝缘材料层的厚度(至少在那些使电极组的构件与最近的对电极组的构件隔离的区中)在约15至约30微米范围内。
在充电或放电操作期间，为允许载流离子在电极组构件和对电极组构件之间交换，将电极组构件的电极活性材料层与对电极组构件的对电极活性材料层隔离的电绝缘材料层包含了微多孔隔膜材料。在一个实施例中，例如，并忽略微多孔隔膜材料的孔隙率，微多孔隔膜材料构成至少70vol％的在电极组的构件和对电极组的构件之间的电绝缘隔膜材料层。通过进一步的实例，在一个实施例中，并忽略微多孔隔膜材料的孔隙率，微多孔隔膜材料构成至少75vol％的在电极组的构件和对电极组的构件之间的电绝缘隔膜材料层。通过进一步的实例，在一个实施例中，并忽略微多孔隔膜材料的孔隙率，微多孔隔膜材料构成至少80vol％的在电极组的构件和对电极组的构件之间的电绝缘隔膜材料层。通过进一步的实例，在一个实施例中，并忽略微多孔隔膜材料的孔隙率，微多孔隔膜材料构成至少85vol％的在电极组的构件和对电极组的构件之间的电绝缘隔膜材料层。通过进一步的实例，在一个实施例中，并忽略微多孔隔膜材料的孔隙率，微多孔隔膜材料构成至少90vol％在电极组的构件和对电极组的构件之间的电绝缘隔膜材料层。通过进一步的实例，在一个实施例中，并忽略微多孔隔膜材料的孔隙率，微多孔隔膜材料构成至少95vol％的在电极组的构件和对电极组的构件之间的电绝缘隔膜材料层。通过进一步的实例，在一个实施例中，并忽略微多孔隔膜材料的孔隙率，微多孔隔膜材料构成至少99vol％的在电极组的构件和对电极组的构件之间的电绝缘隔膜材料层。
在一个实施例中，微多孔隔膜材料包含颗粒材料和粘结剂，且孔隙率(空隙率)至少为20vol.％。微多孔隔膜材料的孔隙直径至少为且典型地属于约250至的范围之内。微多孔隔膜材料孔隙率典型地小于约75％。在一个实施例中，微多孔隔膜材料的孔隙率(空隙率)至少为25vol.％。在一个实施例中，孔隔膜材料的孔隙率约为35-55％。
微多孔隔膜材料的粘结剂可选自范围广泛的无机或聚合的材料。例如，在一个实施例中，粘结剂为无机材料选自硅酸盐、磷酸盐、铝酸盐、铝硅酸盐和如氢氧化镁、氢氧化钙的氢氧化物等。例如，在一个实施例中，粘结剂为来源于含有偏二氟乙烯、六氟丙烯、四氟丙烯等单体的含氟聚合物。在另一个实施例中，粘结剂为聚烯烃，如聚乙烯、聚丙烯或聚丁烯，具有一系列变化的分子量和密度的任何一种。在另一个实施例中，粘结剂选自乙烯-二烯-丙烯三元共聚物、聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙二醇、聚醋酸乙烯酯、聚乙烯醇缩丁醛、聚缩醛和聚乙二醇双丙烯酸酯。在另一个实施例中，粘结剂选自甲基纤维素、羧甲基纤维素、苯乙烯橡胶、丁二烯橡胶、丁苯橡胶、异戊二烯橡胶、聚丙烯酰胺、聚乙烯醚、聚丙烯酸、聚甲基丙烯酸和聚氧化乙烯。在另一个实施例中，粘结剂选自丙烯酸酯、苯乙烯、环氧树脂和硅橡胶(silicones)。在另一个实施例中，粘结剂为共聚物或两种以上前文述及的聚合物的混合。
包含于微多孔隔膜材料的颗粒材料也可从范围广泛的材料中选择。一般而言，这样的材料在操作温度具有相对低的电子和离子电导率且在电池电极或接触微多孔隔膜材料的集电体的操作电压下不腐蚀。例如，在一个实施例中，颗粒材料对于载流离子(如，锂)的电导率小于1×10-4S/cm。通过进一步的实例，在一个实施例中，颗粒材料对于载流离子的电导率小于1×10-5S/cm。通过进一步的实例，在一个实施例中，颗粒材料对于载流离子的电导率小于1×10-6S/cm。示例性颗粒材料包括颗粒聚乙烯、聚丙烯、TiO2-聚合物复合材料、二氧化硅气凝胶、气相二氧化硅、硅胶、二氧化硅水凝胶、二氧化硅干凝胶、二氧化硅溶胶、胶态二氧化硅、氧化铝、二氧化钛、氧化镁、高岭土、滑石、硅藻土、硅酸钙、硅酸铝、碳酸钙、碳酸镁或其组合。例如，在一个实施例中，颗粒材料包含颗粒氧化物或氮化物，如TiO2、SiO2、Al2O3、GeO2、B2O3、Bi2O3、BaO、ZnO、ZrO2、BN、Si3N4、Ge3N4(参看，如，P.Aror和J.Zhang，“BatterySeparator”ChemicalReviews2004年，104，4419-4462)。在一个实施例中，颗粒材料的平均粒径为约20nm至2微米，更典型地200nm至1.5微米。在一个实施例中，颗粒材料的平均粒径为约500nm至1微米。
在一个替代的实施例中，包含于微多孔隔膜材料组的颗粒材料可通过如烧结、粘结、固化等技术被粘合，同时维持电解质进入所要求的空隙率以为电池的功能提供离子电导率。
微多孔隔膜材料可被沉积，例如，通过颗粒隔膜材料电泳沉积，在其中颗粒通过如静电吸引或范德瓦尔斯力的表面能被合并，颗粒隔膜材料的浆料沉积(包括旋涂或喷涂)、丝网印刷、浸涂和静电喷雾沉积。粘结剂被包括在在沉积过程中；例如，颗粒材料可经溶剂蒸发后沉淀与溶解的粘结剂一起被浆料沉积，在溶解的粘结剂材料存在情况的电泳沉积，或与粘结剂和绝缘颗粒等的共电泳沉积。备选地，或者另外地，在颗粒被沉积到电极结构内或上之后，粘结剂被添加；例如，颗粒材料可被分散在有机粘结剂溶液中并浸涂或喷涂，接着是干燥、融化或交联粘结剂材料以提供粘附强度。
在组装的能量储存装置中，微多孔隔膜材料渗透有适于用作二次电池电解质的非水电解质。典型地，非水电解质包含溶入有机溶剂的锂盐。示例性锂盐包括无机锂盐，如LiClO4、LiBF4、LiPF6、LiAsF6、LiCl和LiBr；和有机锂盐，如LiB(C6H5)4、LiN(SO2CF3)2、LiN(SO2CF3)3、LiNSO2CF3、LiNSO2CF5、LiNSO2C4F9、LiNSO2C5F11、LiNSO2C6F13和LiNSO2C7F15。示例性溶解锂盐的有机溶剂包括环酯、链酯、环醚和链醚。环酯的具体实例包括碳酸亚丙酯、碳酸亚丁酯、γ-丁内酯、碳酸亚乙烯酯、2-甲基-γ-丁内酯、乙酰基-γ-丁内酯和γ-戊内酯。链酯的具体实例包括碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、碳酸二丁酯、碳酸二丙酯、碳酸甲乙酯、碳酸甲丁酯、碳酸甲丙酯、碳酸乙丁酯、碳酸乙丙酯、碳酸丁丙酯、丙酸烷基酯、丙二酸二烷基酯和醋酸烷基酯。环醚的具体实例包括四氢呋喃、烷基四氢呋喃、二烷基四氢呋喃、烷氧基四氢呋喃、二烷氧基四氢呋喃、1，3-二氧戊环、烷基alkyl-1，3-二氧戊环衍生物和1，4-二氧戊环。链醚的具体实例包括1，2-二甲基乙烷、1，2-二乙氧基乙烷、乙醚、乙二醇二烷基醚、二甘醇二烷基醚、三甘醇二烷基醚和四甘醇二烷基醚。
在一个实施例中，电极组为负电极的组，而对电极组为正电极的组。在此实施例中，电极组的构件的纵轴AE、长度LE、宽度WE、高度HE和周长PE分别对应于负电极组的构件的纵轴ANE、长度LNE、宽度WNE、高度HNE和周长PNE，而对电极组的构件的纵轴ACE、长度LCE、宽度WCE、高度HCE和周长PCE分别对应于正电极组的构件的纵轴APE、长度LPE、宽度WPE、高度HPE和周长PPE。
在一个替代的实施例中，电极组为正电极组，而对电极组为负电极组。在此实施例中，因而，电极组构件的纵轴AE、长度LE、宽度WE、高度HE和周长PE分别对应于正电极组的构件的纵轴APE、长度LPE、宽度WPE、高度HPE和周长PPE，而对电极组的构件纵轴ACE、长度LCE、宽度WCE、高度HCE和周长PCE分别对应于负电极组的纵轴ANE、长度LNE、宽度WNE、高度HNE和周长PNE。
现在参考图2，且在本发明的一个实施例中，电极结构20包含负电极21的组和正电极22的组。为便于说明，在图2中，负电极组包括四个构件21，且正电极组包括四个构件22；在实际中，然而，负电极组和正电极组可各自包含较多或较少数目的构件。例如，在一个实施例中，包含于本发明的电极结构的负电极组和正电极组可各自包括至少5个构件。通过进一步的实例，在一个实施例中，负电极组和正电极组各自包括至少10个构件。通过进一步的实例，在一个实施例中，负电极组和正电极组各自包括至少50个构件。通过进一步的实例，在一个实施例中负电极组和正电极组各自包括至少100个构件。
不考虑构件的数目，负电极组的构件21和正电极组的构件22为相间错杂的并沿方向D在交错序列中进行中排列。如图2所示，除一个例外，负电极组的每个构件21在正电极组的两个构件22之间，而且，除一个例外，正电极组的每个构件22在负电极组的两个构件21之间。更一般地说，在一个实施例中，正电极组和负电极组各自有N个构件，N-1个正电极组构件的每一个都在两个负电极之间，N-1个负电极组构件的每一个都在两个正电极之间，且N至少为2。例如，在一个实施例中，N至少为4(如图2所示)，至少为5，至少为10，至少为25，至少为50或甚至至少为100。
在一个替代的实施例中，负电极组的构件21在正电极组的两个构件22之间这样相间错杂的序列以正电极22开始并结束，且每个负电极21在两个正电极22之间(如，一连串的电极具有以下重复序列：正电极，负电极，正电极，负电极，正电极...)以相间错杂的序列在方向D进行。例如，在一个此类实施例中，负电极组有N个构件，正电极组有N+1个构件，每个负电极在两个正电极之间，且N至少为5，至少为10，至少为25，至少为50或甚至至少为100。
在另一个替代的实施例，例如，正电极组的每个构件22在负电极组的两个构件21之间这样相间错杂的序列以负电极21开始并结束，且每个正电极22在两个负电极21之间(如，一连串的电极具有以下重复序列：负电极，正电极，负电极，正电极，负电极…)以相间错杂序列在方向D进行。在一个此类实施例中，正电极组有N个构件，负电极组有N+1个构件，每个正电极在两个负电极之间，且N至少为5，至少为10，至少为25，至少为50或甚至至少为100。
再参考图2，负电极组的每个构件21被直接连接到负电极汇流线23且由其伸出，其从负电极组的每个构件21蓄积电流。负电极汇流线23，进而，可被用作将负电极组的每个构件21电连接到能量储存装置(未示出)的副端子或到外部能量供给(未示出)或外部能量消耗(未示出).
正电极组的每个构件22由正电极汇流线24伸出并被电连接到正电极汇流线24，该正电极汇流线24从正电极组的的每个构件22蓄积电流。正电极汇流线24，进而，可被用作将正电极组的每个构件22电连接到能量储存装置(未示出)的正端子或到外部能量供给(未示出)或外部能量消耗(未示出)。
负电极汇流线23和正电极汇流线24可包含范围广泛的任何导电材料。例如，负电极汇流线23和正电极汇流线24可独立地包含导电陶瓷、玻璃、聚合物、半导体或金属，用于将负和正电极组的构件分别电连接到负和正导电通路25、26。通过进一步的实例，在一个实施例中，负电极汇流线23和正电极汇流线24各自独立地包含导电材料，如硅、碳、碳复合材料、金属硅化物等等。用于正电极汇流线的示例性材料包括铝、碳、铬、金、镍、NiP、钯、铂、铑、钌、硅和镍的合金、钛、其一种或多种的合金和其组合。用于负电极汇流线的示例性材料包括铜、镍、铬、钛、钨、钴、碳，其一种或多种的合金和其组合。用于正和负电极汇流线的材料可通过任何一系列熟知的金属沉积工艺而被沉积，如蒸发、溅射、化学镀、浸渍镀、电镀等等。在某些实施例中，正和负电极汇流线的导电部分可包含相同的材料。在其他实施例中，正和负电极汇流线的导电部分可包含组成上不同的材料。在某些实施例中，正和/或负电极汇流线包含非导电的芯，其部分或完全被导电的材料壳所覆盖；另外，在此类其中正和负电极汇流线包含部分或完全被导电的材料壳覆盖的非导电芯实施例中，正和负电极汇流线的非导电芯可具有相同的组成然而导电的壳组成上不同。
电绝缘隔膜层43围绕负电极组的每个构件21，且使负电极组的每个构件21与正电极组的每个构件22电隔离，而且使负电极汇流线23与正电极汇流线24电隔离。相邻的负电极/正电极对(即，在充电或放电操作期间，负电极/正电极对为载流离子提供最短的从负电极组的给定构件去到正电极组的构件的距离，反之亦然)之间，电绝缘隔膜层43包含非水电解质可透过的微多孔隔膜材料，如前所述；例如，如之前更详细的描述，在一个实施例中，微多孔隔膜材料包含直径至少为的孔，更典型地在为约范围以内，且孔隙率在约25％至约75％的范围内，更典型地在为约35-55％的范围内。
在一个实施例中，例如，并忽略微多孔隔膜材料的孔隙率，至少70vol％的在负电极组构件21和最近的正电极组构件22之间(即，“相邻的对”)的电绝缘隔膜材料层43，为了在充电或放电周期期间的离子交换，为微多孔隔膜材料；换句话说，微多孔隔膜材料构成至少70vol.％的负电极构件21和正电极构件22之间的电绝缘材料。通过进一步的实例，在一个实施例中，并忽略微多孔隔膜材料的孔隙率，微多孔隔膜材料分别构成至少75vol％的在相邻的负电极组和正电极组的构件21和构件22对之间的电绝缘隔膜材料层。通过进一步的实例，在一个实施例中，忽略微多孔隔膜材料的孔隙率，微多孔隔膜材料分别至少80vol％的在相邻的负电极组和正电极组的构件21和构件22对之间的电绝缘隔膜材料层。通过进一步的实例，在一个实施例中，并忽略微多孔隔膜材料的孔隙率，微多孔隔膜材料分别至少85vol％的在相邻的负电极组和正电极组的构件21和构件22对之间的电绝缘隔膜材料层。通过进一步的实例，在一个实施例中并忽略微多孔隔膜材料的孔隙率，微多孔隔膜材料分别构成至少90vol％的在相邻的负电极组和正电极组的构件21和构件22对之间的电绝缘隔膜材料层。通过进一步的实例，在一个实施例中，并忽略微多孔隔膜材料的孔隙率，微多孔隔膜材料分别构成至少95vol％的在相邻的负电极组和正电极组的构件21和构件22对之间的电绝缘隔膜材料层。通过进一步的实例，在一个实施例中，并忽略微多孔隔膜材料的孔隙率，微多孔隔膜材料分别构成至少99vol％的在相邻的负电极组和正电极组的构件21和构件22对之间的电绝缘隔膜材料层。
现在参考图3，在一个实施例中，负电极组的每个构件21包含负电极脊骨51、负电极集电体层47和负电极活性材料层49。负电极活性材料层49以侧表面61、63，前表面65和后表面67为边界。同样地，正电极组的每个构件22包含正电极脊骨52、正电极集电体层48和正电极活性材料层50。正电极活性材料层50以侧表面61、63，前表面65和后表面67为边界。负电极组的每个构件21通过电绝缘隔膜层43与正电极组的每个构件22隔离，所述电绝缘隔膜层至少沿着它们各自长度的一部分而围绕负和正电极组的每个构件21的纵轴ANE和每个构件22的纵轴APE。
分别在构件21、22的相对的侧表面61、62和相对的侧表面63、64之间，电绝缘材料层43包含微多孔隔膜材料(如前所述)。在一个实施例中，例如，并忽略微多孔隔膜材料的孔隙率，分别在构件21、22的相对的侧表面61、62和相对的侧表面63、64之间的至少70vol％的电绝缘隔膜材料层43包含微多孔隔膜材料(如前所述)。通过进一步的实例，在一个实施例中，并忽略微多孔隔膜材料的孔隙率，微多孔隔膜材料分别构成至少75vol％的在构件21、22的相对的侧表面61、62和相对的侧表面63、64之间的电绝缘隔膜材料层，包含微多孔隔膜材料(如前所述)。通过进一步的实例，在一个实施例中，并忽略微多孔隔膜材料的孔隙率，微多孔隔膜材料分别构成至少80vol％的在构件21、22的相对的侧表面61、62和相对的侧表面63、64之间的电绝缘隔膜材料层，包含微多孔隔膜材料(如前所述)。通过进一步的实例，在一个实施例中，并忽略微多孔隔膜材料的孔隙率，微多孔隔膜材料分别构成至少85vol％的在构件21、22的相对的侧表面61、62和相对的侧表面63、64之间的电绝缘隔膜材料层，包含微多孔隔膜材料(如前所述)。通过进一步的实例，在一个实施例中，并忽略微多孔隔膜材料的孔隙率，微多孔隔膜材料分别构成至少90vol％的在构件21、22的相对的侧表面61、62和相对的侧表面63、64之间的电绝缘隔膜材料层，包含微多孔隔膜材料(如前所述)。通过进一步的实例，在一个实施例中，并忽略微多孔隔膜材料的孔隙率，微多孔隔膜材料分别构成至少95vol％的在构件21、22的相对的侧表面61、62和相对的侧表面63、64之间的电绝缘隔膜材料层，包含微多孔隔膜材料(如前所述)。通过进一步的实例，在一个实施例中，并忽略微多孔隔膜材料的孔隙率，微多孔隔膜材料分别构成少99vol％的在构件21、22的相对的侧表面61、62和相对的侧表面63、64之间的电绝缘隔膜材料层，包含微多孔隔膜材料(如前所述)。
在放电过程中，锂离子(或其他载流离子如钠、钾、钙或镁离子)经由侧表面61、63离开负电极活性材料层49，且穿过包含于电绝缘隔膜层43的微多孔隔膜材料，并经由侧表面62、64到正电极活性材料层50里。在充电过程中，锂离子(或其他载流离子)通过侧表面62、64离开正电极活性材料层50，且穿过包含于电绝缘隔膜层43的微多孔隔膜材料，并经由侧表面61、63到负电极活性材料层49里。根据使用的负电极活性材料，锂离子(或其他载流离子)或者插入(如，不形成合金，加入负电极活性材料的基质)或者形成合金。与锂离子(或其他载流离子)在正负电极之间的移动相一致，电子由负电极集电体47和正电极集电体48分别被携带到负和正电极汇流线23、24(或从负和正电极汇流线23、24携带电子)(见图2)。负和正电极汇流线23、24，进而，被电连接到包含电极结构20的能量储存装置(未示出)的负和正端子或者到外部能量供给(未示出)或外部能量消耗(未示出)。
负电极脊骨51为负电极活性材料层49提供机械稳定性。一般而言，负电极脊骨51可含有任何可改变形状的材料，如金属、半导体、有机物、陶瓷和玻璃。目前优选材料包括半导体材料如硅和锗。可选地，然而，碳基有机材料或金属，如铝、铜、镍、钴、钛和钨，也可被结合入负电极脊骨。在一个示例性实施例中，负电极脊骨51包含硅。硅，例如，可为单晶硅、多晶硅、非晶硅或其组合。
根据应用，负电极脊骨51可为导电或绝缘的。例如，在一个实施例中，负电极脊骨51的电导率小于10西门子/cm。通过进一步的实例，在一个实施例中，负电极脊骨51的电导率小于1西门子/cm。通过进一步的实例，在一个实施例中，负电极脊骨51的电导率小于10-1西门子/cm。在其他实施例中，负电极脊骨51的电导率可至少为10西门子/cm。通过进一步的实例，在一些实施例中，负电极脊骨51的电导率可至少为102西门子/cm。通过进一步的实例，在一些实施例中，负电极脊骨51的电导率可至少为103西门子/cm。
典型地，负电极集电体层47的电导率至少为约103西门子/cm。例如，在一个此类实施例中，负电极集电体层47的电导率至少约为104西门子/cm。通过进一步的实例，在一个此类实施例中，负电极集电体层47的电导率至少约为105西门子/cm。一般而言，负电极集电体层47可包含任何金属或其他常规用作负电极的集电体材料的导体，如碳、钴、铬、铜、镍、钛或其一种或多种的合金。且负电极集电体47可被下列工艺如电沉积、化学沉积、浸入沉积、物理气相沉积、化学气相沉积等等来制造。
在此实施例中，负电极集电体层47的厚度(即，负电极脊骨和负电极活性材料层之间的最短距离)将取决于层的构成和对于电化学叠层性能参数。一般而言，然而，厚度在约1微米至约100微米范围内。
负电极活性材料层49可包含能够吸附和释放载流离子的负电极活性材料，如锂、钠、钾、钙或镁离子。此类材料包括碳材料，如石墨和软或硬碳，或者任何一系列的金属、半金属、合金、氧化物和能够与锂形成合金的化合物。能够构成阳极材料的金属或半金属的具体实例包括锡、铅、镁、铝、硼、镓、硅、铟、锆、锗、铋、镉、锑、银、锌、砷、铪、钇和钯。在一个示例性实施例中，负电极活性材料层49包含铝、锡或硅、或其氧化物、其氮化物、其氟化物、或其他其合金。在另一个示例性实施例中，负电极活性材料层49包含硅或其合金。在此段中列举的每个实施例和实例中，负电极活性材料层49可为颗粒团块电极或单片电极。
正电极脊骨52为正电极活性材料层50提供机械稳定性。一般而言，正电极脊骨52可包含任何可改变形状的材料，如金属、半导体、有机物、陶瓷和玻璃。目前优选材料包括半导体材料如硅和锗。可选地，然而，碳基有机材料或金属，如铝、铜、镍、钴、钛和钨，也可被结合入正电极脊骨。在一个示例性实施例中，正电极脊骨52包含硅。硅，例如，可为单晶硅、多晶硅、非晶硅或其组合。
根据应用，正电极脊骨52可为导电或绝缘的。例如，在一个实施例中，正电极脊骨52的电导率小于10西门子/cm。通过进一步的实例，在一个实施例中，正电极脊骨52的电导率小于1西门子/cm。通过进一步的实例，在一个实施例中，正电极脊骨52的电导率小于10-1西门子/cm。在其他实施例中，正电极脊骨52的电导率至少可为10西门子/cm。通过进一步的实例，在一些实施例中，正电极脊骨52的电导率至少可为102西门子/cm。通过进一步的实例，在一些实施例中，正电极脊骨52的电导率至少可为103西门子/cm。
在图3所示的实施例中，正电极集电体层48位于正电极脊骨52和正电极材料层50之间，且典型地电导率为至少约103西门子/cm。例如，在一个此类实施例中，正电极集电体层48的电导率至少为约104西门子/cm。通过进一步的实例，在一个此类实施例中，正电极集电体层48的电导率至少为约105西门子/cm。正电极集电体48可含有任何之前被确定为负电极集电体的金属；例如，在一个实施例中，正电极集电体48包含铝、碳、铬、金、镍、NiP、钯、铂、铑、钌、硅和镍的合金、钛或其组合(参看“Currentcollectorsforpositiveelectrodesoflithium-basedBatteries”作者A.H.Whitehead和M.Schreiber，JournaloftheElectrochemicalSociety，152(11)A2105-A2113(2005))。通过进一步的实例，在一个实施例中，正电极集电体48包含金或其合金，如硅化金。通过进一步的实例，在一个实施例中，正电极集电体48包含镍或其合金如硅化镍。正电极集电体48可通过如电沉积、化学沉积、浸入沉积、物理气相沉积、化气相沉积等工艺被制造。正电极和负电极集电体可同时被沉积，或随后使用已知的构图和金属沉积技术制造。
正电极活性材料层50可包含一系列阴极活性材料，包括阴极活性材料的混合物。例如，对于锂离子电池，正电极活性材料层50可包含阴极材料，选自过渡金属氧化物、过渡金属硫化物、过渡金属氮化物、锂-过渡金属氧化物、锂-过渡金属硫化物和锂-过渡金属氮化物，可被选择性地使用。这些过渡金属氧化物、过渡金属硫化物和过渡金属氮化物的过渡金属元素可以包括具有d-层或f-层的金属元素。此类金属元素的具体实例为Sc、Y、镧系元素、锕系元素、Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Mn、Tc、Re、Fe、Ru、Os、Co、Rh、Ir、Ni、Pb、Pt、Cu、Ag和Au。附加的阴极活性材料包括LiCoO2、LiNi0.5Mn1.5O4、Li(NixCoyAl2)O2、LiFePO4、Li2MnO4、V2O5、硫氧化钼和其组合。通过任何下列一系列技术，正电极活性材料层可被沉积以形成正电极结构，例如，包括电泳沉积、电沉积、共沉积或浆料沉积。在一个示例性实施例中，前文述及的正电极活性材料的一种或其组合，以颗粒的形态被电泳沉积。在另一个示例性实施例中，正电极活性材料，如V2O5被电沉积。在另一个示例性实施例中，前文述及的正电极活性材料的一种或其组合，以颗粒的形态在如导电的基质(如聚苯胺)中被共沉积。在另一个示例性实施例中，前文述及的正电极活性材料的一种或其组合，以颗粒形态被浆料沉积。
负电极脊骨51和正电极脊骨52可按照本领域已知的任何制作三维结构方法来制作。例如，用于正电极(阴极)的硅脊骨和用于负电极(阳极)的硅脊骨可通过使用以临时的、永久的或半永久的结合而被结合到基底的晶片同时制造。将基底结合到晶片的非详尽的方法包括使用无机或有机粘合剂粘合、阳极氧化结合、压力接合、热结合等等。绝缘体上硅晶片、阳极玻璃结合晶片、临时的载体安装晶片为将基底结合到活性衬底上的实例。其后，晶片可被构图，且在不需要的区的硅可被除去以留下能够用作电极的脊骨的结构。在一些实施例中，脊骨可按照负(negative)方式，以激光加工、电火花加工、高精度加工、烧蚀和钻削通过在不需要的区从平的衬底除去材料来制造。在其他实施例中，每个脊骨可单独地或独立地按照正(positive)方式通过建造层来建造，使用方法如：3D打印、漏板印刷和成层、凹版印刷、注射成型、压力成型并烧结、凝胶铸模并烧结、注浆成型、流延成型等，有或无烧结烧结、微成形、电铸等。其他示例性可被用于做脊骨的过程包括：生长柱、棒、波状物(waves)等，使用基于真空的沉积工艺，如通过掩膜的溅射、蒸发等。仍有进一步的用于制造的示例性方法包括纳米线的使用或在构图的基底材料上的纳米结构生长。
负电极活性材料层49可使用下列方法形成或其他组装，如电沉积、电泳沉积、气相沉积、如气液固沉积的基于催化剂的生长、凝胶灌制、流延成型、构图和浆料沉积，接着是通过如烧结、粘结等方法密实化。在一些实施例中，负电极材料层和负脊骨可包含相同的材料，如硅、铝和锡，且负电极材料层和负电极脊骨同时被制作。同样地，正电极材料层50可使用下列方法组装，如电沉积、电泳沉积、气相沉积、如气液固沉积的基于催化剂的生长、凝胶灌制、流延成型、构图和浆料沉积，接着是通过如压制、烧结、粘结、固化等方法密实化。
在一个实施例中，负电极活性材料层49为微观结构的以在充电和放电过程期间，随着锂离子(或其他载流离子)被结合入或离开负电极活性材料层49，提供可观的空隙体积分数以容纳体积膨胀和收缩。一般而言，负电极活性材料层空隙体积分数至少为0.1。典型地，然而负电极活性材料层的空隙体积分数不大于0.8。例如，在一个实施例中，负电极活性材料层空隙体积分数为约0.15至约0.75。通过进一步的实例，在一个实施例中，负电极活性材料层空隙体积分数为约0.2至约0.7。通过进一步的实例，在一个实施例中，负电极活性材料层空隙体积分数为约0.25至约0.6。
根据微观结构的负电极活性材料层的成分和其形成方法，微观结构的负电极活性材料层可包含大孔、微孔或介孔材料层或者其组合，如微孔和介孔的组合或者介孔和大孔的组合。微孔材料典型的特征在于孔尺寸小于10nm，壁尺寸小于10nm，孔深为1-50微米，及孔形态一般以“海绵状”和不规则的外观、不平滑的壁和分支的孔为特征。典型地，介孔材料的特征在于孔尺寸为10-50nm，壁尺寸为10-50nm，孔深为1-100微米，及孔形态一般以轮廓有些分明的分支孔或树枝状的孔为特征。典型地，大孔材料的特征在于孔尺寸大于50nm，壁尺寸大于50nm，孔深为1-500微米，且孔形态可能变化，直线、分支或树枝状的，及顺滑或粗糙壁的。另外，空隙体积可包含开放或封闭空隙或其组合。在一个实施例中，空隙体积包含开放空隙，也就是，负电极活性材料层含有在负电极活性材料层的侧面(也就是，朝向隔膜和正电极活性材料层的表面)有开口的空隙，通过该开口锂离子(或其他载流离子)能够进入或离开负电极活性材料层；例如，锂离子离开正电极活性材料层后通过空隙开口可进入负电极活性材料层。在另一个实施例中，空隙体积包含封闭空隙，也就是，负电极活性材料层含有被负电极活性材料所封闭的的空隙。一般而言，开放空隙能为载流离子提供较大的界面表面积，而封闭空隙倾向于不太易受固体电解质界面(“SEI”)的影响，虽然每种都为载流离子的进入负电极活性材料层后提供空间。在某些实施例中，因而，优选负电极活性材料层包含开放和封闭空隙的组合。
在一个实施例中，负电极活性材料层49包含多孔铝、锡或硅，或其合金。多孔硅层可被形成，例如，通过阳极氧化，通过蚀刻(如，通过在(100)单晶硅的表面上沉积贵金属，如金、铂、银或金/钯并用氢氟酸和过氧化氢的混合物蚀刻表面)，或通过本领域已知的其他方法，如构图的化学蚀刻。另外，多孔的负电极活性材料层一般的孔隙分数至少约为0.1但小于0.8，且厚度为约1至约100微米。例如，在一个实施例中负电极活性材料层49包含多孔硅，厚度为约5至约100微米，且孔隙分数为约0.15至约0.75。通过进一步的实例，在一个实施例中，负电极活性材料层49包含多孔硅，其厚度为约10至约80微米，且孔隙分数为约0.15至约0.7。通过进一步的实例，在一个此类实施例中，负电极活性材料层49包含多孔硅，厚度为约20至约50微米，孔隙分数为约0.25至约0.6。通过进一步的实例，在一个实施例中，负电极活性材料层49包含多孔硅合金(如硅化镍)，厚度为约5至约100微米，且孔隙分数为约0.15至约0.75。
在另一个实施例中，负电极活性材料层49包含铝、锡、或硅、或其合金的纤维。单根纤维直径(厚度维度)可为约5nm至约10000nm且长度一般对应于负电极活性材料层49的厚度。硅的纤维(纳米线)可被形成，例如，通过化学气相沉积或其他本领域已知技术，如气液固(VLS)生长和固液固(SLS)生长。另外，负电极活性材料层49的孔隙分数一般至少约为0.1但小于0.8，且厚度为约1至约200微米。例如，在一个实施例中，负电极活性材料层49包含硅纳米线，厚度为约5至约100微米，且孔隙分数为约0.15至约0.75。通过进一步的实例，在一个实施例中，负电极活性材料层49包含硅纳米线，厚度为约10至约80微米，且孔隙分数为约0.15至约0.7。通过进一步的实例，在一个此类实施例中，负电极活性材料层49包含硅纳米线，厚度为约20至约50微米且孔隙分数为约0.25至约0.6。通过进一步的实例，在一个实施例中，负电极活性材料层49包含硅合金(如硅化镍)的纳米线，厚度为约5至约100微米，且孔隙分数为约0.15至约0.75。
尽管可能有可观的纤维与纤维间的变化，铝、锡或硅(或其合金)纳米线有主轴(有时被称为中轴)，该主轴显著地垂直于负电极脊骨51(在纳米线与负电极活性材料层的附着点处)。
在另一个实施例中，负电极活性材料层49包含硅或其合金与多孔硅或其合金的纳米线。在此类实施例中，负电极活性材料层一般的孔隙分数至少约为0.1但小于0.8，且厚度为约1至约100微米，如前文中与多孔硅和硅纳米线相关的描述。
现在参考图4，负电极组的每个构件21从负电极汇流线23的内表面27伸出，且正电极组的每个构件22从正电极汇流线24的内表面28伸出，内表面27、28互相面对或相对。负电极汇流线23包含将负电极组每个构件21电连接到负电极组的其他构件的导电材料。类似地，正电极汇流线24包含将正电极组的每个构件22互相电连接的导电材料。为便于说明，电绝缘隔膜材料层43(见图2和3)被省略。
现在参考图5，负电极组的每个构件21有接近负电极汇流线23内表面27的底部31、远离内表面27的顶部33、宽度WNE、长度LNE和纵轴ANE。长度LNE对应于底部31和顶部33之间的距离且沿着从内表面27沿着纵轴ANE、大体上垂直于方向D的方向测量。在图2描画的X-Y-Z坐标系统的情况下，长度LNE沿着“X”轴(且垂直于方向D)测量。
现在参考图7，负电极组的每个构件21具有宽度WNE、高度HNE和周长PNE，其中宽度WNE和高度HNE在互相垂直且垂直于长度LNE被测量方向的方向上而被测量。在此实施例中，周长PNE的值等于2WNE+2HNE。宽度WNE和高度HNE将根据能量储存装置及其预期使用而变化，但在许多实施例中，WNE的值在约0.01mm至2.5mm范围之内，且HNE的值在约0.05mm至10mm的范围之内。例如，在一个实施例中，WNE在约0.025mm至约2mm的范围之内。通过进一步的实例，在一个实施例中，WNE在约0.05mm至约1mm的范围之内。通过进一步的实例，在一个实施例中，HNE在约0.05mm至约5mm的范围内。通过进一步的实例，在一个实施例中，HNE在约0.05mm至约1mm的范围内。一般而言，LNE(见图5)基本上大于WNE和HNE中每一个；例如，在一个实施例中，LNE对WNE和HNE中每一个的比率分别至少为5:1(也就是，分别地，LNE对WNE比率至少为5:1且LNE对HNE的比率至少为5:1)。通过进一步的实例，在一个实施例中，LNE对WNE和HNE中每一个的比率至少为10:1。通过进一步的实例，在一个实施例中，LNE对WNE和HNE中每一个的比率至少为15:1。通过进一步的实例，在一个实施例中，LNE对WNE和HNE中每一个的比率至少为20:1。另外，一般优选LNE基本上大于周长PNE；例如，在一个实施例中，LNE对PNE的比率分别至少为1.25:1。通过进一步的实例，在一个实施例中，LNE对PNE的比率分别至少为2.5:1。通过进一步的实例，在一个实施例中，LNE对PNE的比率分别至少为3.75:1。另外，HNE对WNE的比率一般分别至少为0.4:1。例如，在一个实施例中，HNE对WNE的比率分别至少为2:1。通过进一步的实例，在一个实施例中，HNE对WNE的比率分别至少为10:1。通过进一步的实例，在一个实施例中，HNE对WNE的比率至少20:1。典型地，然而，HNE对WNE的比率一般小于1000:1。例如，在一个实施例中，HNE对WNE的比率分别小于500:1。通过进一步的实例，在一个实施例中，HNE对WNE的比率分别小于100:1。通过进一步的实例，在一个实施例中，HNE对WNE的比率分别小于10:1。通过进一步的实例，在一个实施例中，HNE对WNE的比率分别在约2:1至约100:1的范围内。在图2描画的X-Y-Z坐标系统的情况下，沿着“X”轴(且垂直于方向D)测量长度LNE，沿着“Y”轴测量WNE，且沿着“Z”轴测量HNE。
典型地，当在负电极的宽度WNE相同的方向测量时(见图7)，负电极脊骨51的厚度至少为1微米。负电极脊骨51可大体上更厚，但典型地，厚度不会超过100微米；较大的厚度可行但可负面影响能量密度。例如，在一个实施例中，负电极脊骨51的厚度为约1至约50微米。一般而言，负电极脊骨51的高度HNB(当在与负电极的高度HNE相同的方向测量时)至少为约50微米，更典型地，至少为约100微米。一般而言，然而，负电极脊骨51，典型地，高度至为不多于约10000微米，且更典型地不多于约5000微米。通过实例的方式，在一个实施例中，负电极脊骨51的厚度为约5至约50微米，且高度为约50至约5000微米。通过进一步的实例，在一个实施例中，负电极脊骨51的厚度为约5至约20微米，且高度为约100至约1000微米。通过进一步的实例，在一个实施例中，负电极脊骨51的厚度为约5至约20微米，且高度为约100至约2000微米。
负电极活性材料层49的厚度(如，如图3所示的，集电体层47和电绝缘隔膜层43之间的最短距离，且当在与负电极的宽度WNE相同的方向测量时)至少为1微米。一般而言，然而，负电极活性材料层49典型的厚度不超过200微米。例如，在一个实施例中，负电极活性材料层49的厚度为约1至约100微米。通过进一步的实例，在一个实施例中，负电极活性材料层49的厚度为约2至约75微米。通过进一步的实例，在一个实施例中，负电极活性材料层49的厚度为约10至约100微米。通过进一步的实例，在一个实施例中，负电极活性材料层49的厚度为约5至约50微米。另外，负电极活性材料的层49在负电极脊骨51的侧表面的每一个上的高度(当在对应于负电极的高度HNE的方向测量时，如图5所示)至少为约50微米，更典型地至少为约100微米。一般而言，然而，负电极活性材料层49的典型高度为不多于约10000微米，且更典型地为不多于约7500微米。通过实例的方式，在一个实施例中，负电极活性材料层49的厚度为约1至约200微米且高度为约50至约7500微米。通过进一步的实例，在一个实施例中，负电极活性材料层49的厚度为约1至约50微米，且高度为约100至约1000微米。通过进一步的实例，在一个实施例中，负电极活性材料层49的厚度为约5至约20微米，且高度为约100至约1000微米。通过进一步的实例，在一个实施例中，负电极活性材料层49的厚度为约10至约100微米，且高度为约100至约1000微米。通过进一步的实例，在一个实施例中，负电极活性材料层49的厚度为约5至约50微米，且高度为约100至约1000微米。
现在参考图6，正电极组的每个构件22有接近内正电极汇流线24的内表面28的底部32、远离正电极衬底表面26的顶部34、宽度WPE、长度LPE和纵轴APE。长度LPE对应于在底部32和顶部34之间的距离，且在从内表面28沿着纵轴APE大体上垂直于方向D的方向而被测量。在图2描画的X-Y-Z坐标系统的情况下，长度LPE沿着“X”轴(且垂直于方向D)测量。
现在参考图8，正电极组的每个构件22有宽度WPE、高度HPE和周长PPE，其中宽度WPE和高度HPE在互相垂直且垂直于长度LPE测量方向的方向上而被测量。在此实施例中，周长PPE的值等于2WPE+2HPE。宽度WPE和高度HPE将根据能量储存装置及其预期使用而变化，但在很多实施例中，WPE在约0.01mm至2.5mm的范围之内，且HPE的值在约0.05mm至10mm的范围之内。例如，在一个实施例中，WPE在约0.025mm至约2mm的范围内。通过进一步的实例，在一个实施例中，WPE在约0.05mm至约1mm的范围内。通过进一步的实例，在一个实施例中，HPE在约0.05mm至约5mm的范围内。通过进一步的实例，在一个实施例中，HPE在约0.05mm至约1mm的范围内。一般而言，LPE(见图6)基本上大于WPE和HPE的每一个；例如，在一个实施例中，LPE对WPE和HPE的每一个的比率分别至少为5:1(也就是，分别地，LPE对WPE的比率至少为5:1，且LPE对HPE的比率至少为5:1)。通过进一步的实例，在一个实施例中，LPE对WPE和HPE的每一个的比率至少为10:1。通过进一步的实例，在一个实施例中，LPE对WPE和HPE的每一个的比率至少为15:1。通过进一步的实例，在一个实施例中，LPE对WPE和HPE的每一个的比率至少为20:1。另外，一般优选LPE基本上大于周长PPE；例如，在一个实施例中，LPE对PPE的比率分别至少为1.25:1。通过进一步的实例，在一个实施例中，LPE对PPE的比率分别至少为2.5:1。通过进一步的实例，在一个实施例中，LPE对PPE的比率分别至少为3.75:1。另外，HPE对WPE的比率一般分别至少为0.4:1。例如，在一个实施例中，HPE对WPE的比率分别至少为2:1。通过进一步的实例，在一个实施例中，HPE对WPE的比率分别至少为10:1。通过进一步的实例，在一个实施例中，HPE对WPE的比率分别至少为20:1。典型地，然而，HPE对WPE的比率一般分别小于1000:1。例如，在一个实施例中，HPE对WPE的比率分别小于500:1。通过进一步的实例，在一个实施例中，HPE对WPE的比率分别小于100:1。通过进一步的实例，在一个实施例中，HPE对WPE的比率分别小于10:1。通过进一步的实例，在一个实施例中HPE对WPE的比率分别在约2:1至约100:1的范围之内。在图2描画的X-Y-Z坐标系统的情况下，在优选的实施例中，长度LPE沿着“X”轴(且垂直于方向D)被测量，WPE沿着“Y”轴被测量，且HPE沿着“Z”轴被测量。
典型地，当在与正电极宽度WPE相同的方向测量时，正电极脊骨52的厚度为至少1微米(见图8)。正电极脊骨52可大体上更厚，但厚度一般不会超过100微米。例如，在一个实施例中，正脊骨52的厚度为约1至约50微米。一般而言，正电极脊骨52的高度HPE(当在与负电极的高度HNE相同的方向测量时)至少为约50微米，更典型地，至少约100微米。一般而言，然而，典型地正电极脊骨52的高度为不多于约10000微米，且更典型地，为不多于约5000微米。通过实例的方式，在一个实施例中，正电极脊骨52的厚度为约5至约50微米，且高度为约50至约5000微米。通过进一步的实例，在一个实施例中，正电极脊骨52的厚度为约5至约20微米，且高度为约100至约1000微米。通过进一步的实例，在一个实施例中，正电极脊骨52的厚度为约5至约20微米，且高度为约100至约2000微米。
正电极活性材料层50的厚度(如，在集电体层48和电绝缘隔膜层43之间的最短距离，如图3所示，且当在与正电极的宽度WPE相同的方向测量时)至少为1微米。一般而言，然而，正电极活性材料层50的典型厚度不超过500微米。例如，在一个实施例中，正电极活性材料层50的厚度为约1至约200微米。通过进一步的实例，在一个实施例中，正电极活性材料层50的厚度为约2至约100微米。通过进一步的实例，在一个实施例中，正电极活性材料层50的厚度为约10至约100微米。通过进一步的实例，在一个实施例中，正电极活性材料层50的厚度为约5至约50微米。另外，正电极活性材料的层50在正电极脊骨51侧表面的每一个上的高度(当在对应于正电极的高度HPE的方向测量时，如图6所示)至少为约50微米，更典型地，至少约100微米。一般而言，然而，正电极活性材料层50的典型高度为不多于约10000微米，且更典型地为不多于约7500微米。通过实例的方式，在一个实施例中，正电极活性材料层50的厚度为约1至约200微米，且高度为约50至约7500微米。通过进一步的实例，在一个实施例中，正电极活性材料层50的厚度为约1至约50微米，且高度为约100至约1000微米。通过进一步的实例，在一个实施例中，正电极活性材料层50的厚度为约5至约20微米，且高度为约100至约1000微米。通过进一步的实例，在一个实施例中，正电极活性材料层50的厚度为约10至约100微米，且高度为约100至约1000微米。通过进一步的实例，在一个实施例中，正电极活性材料层50的厚度为约5至约50微米，且高度为约100至约1000微米。
现在参考图9，在一个实施例中，电绝缘隔膜层43从正电极汇流线24的表面28向负电极汇流线23的表面27伸出，且分别围绕构件22和构件21的轴APE和ANE用于构件22和21的长度LPE和LNE的全长。在一个此类实施例中，电绝缘隔膜层43包含微孔隔膜材料(如前所述)，且微多孔隔膜材料分别围绕构件22和构件21的轴APE和ANE用于构件22和21的长度LPE和LNE的全长。电绝缘材料层43还包含在负电极21的顶部33和正电极汇流线24的表面28之间的区域中的微多孔隔膜材料(如前所述)。在此实施例中，因而，电绝缘材料层43围绕负电极组的每个构件21和正电极组的每个构件22；换句话说，在此实施例中，电绝缘材料层43(i)围绕每个构件21的纵轴ANE用于负电极组的每个构件21长度LNE的全长，且围绕负电极组的每个构件21的顶部33，而且(ii)围绕每个构件22的纵轴APE用于正电极组的每个构件22长度LPE的全长，且围绕正电极组的每个构件22的顶部34。
现在参考图10，在本发明的一个实施例三维电池70包含电池外壳72、电池叠层74、用于将电极叠层74电连接到外部能量供给或消耗(未示出)的负电极接头41和正电极接头42。电池叠层74包含六个电极结构20(见图2)，其在垂直于在每个电极结构20内相间错杂电极序列的进行方向的方向上层叠；再参考图2，在此实施例中，六个电极结构的层叠方向相对X-Y-Z坐标系统为“Z”方向，如图2所示，且垂直于方向D。在电极叠层74中电极结构的数目不是关键且范围例如可在从1到50，在电极叠层中有2至20个电极结构为典型的情况。以非水电解质填充电池外壳之后，电池外壳72可通过在铰链72B处折叠盖72A被密封并将盖72A胶合到上表面72C。
在一个实施例中，负电极接头延伸部25被电连接到叠层74中每个电极结构20的负电极汇流线23(如使用导电胶)，且正电极接头延伸部26被电连接到叠层74中每个电极结构20的正电极汇流线24(如，使用导电胶)。如所示，负电极接头延伸部25被电连接到负电极汇流线23，且正电极接头延伸部26被电连接到六个电极结构20的每个的正电极汇流线24；在其他实施例中，负和正电极接头延伸部25、26可被电连接到在电极叠层74之内较大或较少数目的负和正电极汇流线，且范围可，例如，从1到50，以2到20为典型的。在一个替代的实施例中，且不依赖在叠层中的电极结构的数目，叠层74可包含两个或以上负电极接头延伸部25和两个或以上正电极接头延伸部26。
负电极接头41和负电极接头延伸部25、正电极接头42和正电极接头延伸部42可包含任何范围广泛的导电材料。例如，在一个实施例中，负电极接头41、负电极接头延伸部25、正电极接头42和正电极接头延伸部42独立地包含导电材料，如硅、碳、碳复合材料、金属硅化物等等。用于正电极接头和正电极接头延伸部的示例性材料包括与被确定为正电极汇流线的那些相同的材料，且用于负电极接头和负电极接头延伸部的示例性材料包括与被确定为负电极汇流线的那些相同的材料。
负电极接头41、负电极接头延伸部25、正电极接头42和正电极接头延伸部26可通过一系列的技术分别被附着到负电极汇流线23和正电极汇流线24。用于接头、接头延伸部和汇流线的附着的方法可包括，胶合、焊接、结合、烧结、按压接触、钎焊、热喷连接、夹持或其组合。胶合可包括将下列导电材料与材料连接，如导电环氧树脂、导电弹性体、填充有导电金属的绝缘有机胶的混合物，如镍填充环氧树脂、碳填充环氧树脂等。导电膏可被用作将材料连接在一起且连接强度可通过温度(烧结)、光(UV固化、交联)、化学固化(基于催化剂的交联)被定制。结合过程可包括线结合、带结合、超声波结合。焊接过程可包括超声波焊接、电阻焊接、激光束焊接、电子束焊接、感应焊接和冷焊。为将材料连接在一起，这些材料的连接也可通过使用涂覆过程来进行，如诸如等离子喷涂、火焰喷涂、电弧喷涂的热喷涂涂覆。通过实例的方式，使用镍热喷涂作为胶，镍或铜网可被连接到镍汇流线上。
现在参考图11，电池外壳72被填充有非水电解质(未示出)且盖72A可被折叠并密封到上表面(见图10))以封闭电极叠层74。为允许到能量供给或消耗(未示出)的连接，接头41，42在垂直于在电极叠层74中单个的电极结构20的叠层方向且平行于电极叠层74中每个电极结构20中的相间错杂的电极序列进行的方向的方向上伸出密封的外壳。
在某些实施例中，电池外壳可含有两个或以上电极结构(有时也被称作芯(dies))相互之间垂直、水平或垂直且水平叠层，且为了提供电连接到电池外部的环境，接头延伸部被连接到电极的每一个。当芯垂直层叠时，在不同的电极结构中的负电极组的底部(或负电极汇流线，无论哪个存在)相对于彼此被垂直定位，且在不同的电极结构中的正电极组的底部(或正电极汇流线，无论哪个存在)相对于彼此被垂直定位。在某些实施例中，在叠层中的每个电极结构有隔膜材料的顶部和底部涂层，如图2所示。在其他实施例中，然而，隔膜材料的顶部、底部或顶部和底部涂层可被省略，且自支撑隔膜层可被插入电极结构(芯)之间以提供电隔离。市场上可买到的电池隔膜可被切到所需的大小并用于此目的。一旦芯被层叠，在一些实施例中，在电极结构中的正和负电极组的接头延伸部通过胶合、等离子喷涂、焊接等被电连接到各自组的电极汇流线(如存在)的末端或电极末端。根据预期的应用，每个接头延伸部可被连接到在电极叠层中的单个的电极结构(芯)。备选地，单一的接头延伸部可被电连接到在叠层中的两个或以上的电极结构(芯)；在一个此类实施例中，接头延伸部跨越叠层的高度(见图10中的如，26)且建立到在叠层中所有电极结构(芯)的电连接。
不是一个在另一个上垂直叠层芯，在一个实施例中，而芯是在X平面中相互贴靠着铺设。铺设可只沿着一个轴发生(例如，只X)或沿着两个轴。在一个此类实施例中，在每个芯上的电极汇流线的极性交替反转以使自一个芯的阴极汇流线邻接于自下一个芯的阴极汇流线，且自一个芯的阳极汇流线贴靠着自下一个芯的阳极汇流线。以这种方式，共用的接头能被用以连接到两个相邻的芯，节省重量和体积。当在XY平面中铺设，多个阳极和/或阴极接头可需要连接在一起以形成单一的阳极连接和单一的阴极连接。这可在电池外壳的内部或电池外壳的外部被实现。在某些实施例中，多个阳极接头和/或多个阴极接头可仍不连接并从电池外壳出来。备选地，单一的阳极和阴极连接可被带到电池外壳的外面。在此实施例中，阴极接头最初被塑成T构型。T的顶部连接到两个相邻的阴极汇流线。T的底部以90度弯曲且沿着铺设的芯的底部延展。多个阴极接头的底部部分在沿着底部互相铺设的芯顶部上平躺。这些多个接头然后可通过电阻焊接、激光焊接、点焊接而被电连接在一起或用导电胶连接。这些阴极接头只有一个随后被带到电池外壳的外面。同样地，多个阳极接头最初被塑成T构型。T的顶部连接到两个相邻的阳极汇流线。T的底部以90度弯曲并沿着铺设的芯的底部延展。多个阳极接头的底部部分在沿着底部互相铺设的芯在彼此顶部上放置。这些多个接头然后可通过电阻焊接、激光焊接、点焊接而被电连接在一起或用导电胶连接。这些阳极接头只有一个随后后被带到电池外壳的外面。在XY平面中铺设也可与在Z平面中层叠芯相结合。以这种方式，可制造比每个单个芯大得多的电池。
对于诸如移动电话和电脑等便携式电子设备用的锂离子电池，例如，袋(pouch)或其他常规的电池外壳可替代电池外壳72。
现在参考图12，在一个替代实施例中，电绝缘隔膜层43围绕负电极组的每个构件21的轴ANE；在此实施例中，电绝缘隔膜层43在相邻的负电极构件21和正电极构件22对之间，但不围绕正电极的每个构件22的轴APE。分别在相对的构件21、22的相对的侧表面61、62之间，及分别在构件21、22的相对的侧表面63、64之间，电绝缘隔膜层43包含微多孔隔膜材料(如前所述)。例如，在一个此类实施例中，电绝缘隔膜层43包含微多孔隔膜材料(如前所述)，且微多孔隔膜材料围绕每个构件21的轴ANE用于至少每个构件21长度LNE的70％。通过进一步的实例，在一个此类实施例中，电绝缘隔膜层43包含微多孔隔膜材料(如前所述)，且微多孔隔膜材料围绕每个构件21的轴ANE用于至少每个构件21长度LNE的75％。通过进一步的实例，在一个此类实施例中，电绝缘隔膜层43包含微多孔隔膜材料(如前所述)且微多孔隔膜材料围绕每个构件21的轴ANE用于至少每个构件21长度LNE的80％。通过进一步的实例，在一个此类实施例中，电绝缘隔膜层43包含微多孔隔膜材料(如前所述)且微多孔隔膜材料围绕每个构件21的轴ANE用于至少每个构件21长度LNE的85％。通过进一步的实例，在一个此类实施例中，电绝缘隔膜层43包含微多孔隔膜材料(如前所述)且微多孔隔膜材料围绕每个构件21的轴ANE用于至少每个构件21长度LNE的90％。通过进一步的实例，在一个此类实施例中，电绝缘隔膜层43包含微多孔隔膜材料(如前所述)且微多孔隔膜材料围绕每个构件21的轴ANE用于至少每个构件21长度LNE的95％。通过进一步的实例，在一个此类实施例中，电绝缘隔膜层43包含微多孔隔膜材料(如前所述)且微多孔隔膜材料围绕每个构件21的轴ANE用于每个构件21的全长LNE。在每个前文述及的示例性实施例中，在围绕构件21的前表面65和后表面67的区域中，电绝缘隔膜层43也包含微多孔隔膜材料(如前所述)。
现在参考图13，在替代的实施例中，负电极组的每个构件21的高度HNE可小于正电极组的每个构件22的高度HPE。在此实施例中，且如图12更详尽的相关描述，电绝缘隔膜层43围绕负电极组的每个构件的轴ANE用于至少为负电极组的每个构件21长度LNE的大部分(如，至少70％，至少75％，至少80％，至少85％，至少90％，至少95％或甚至全部)。在围绕构件21的前表面65和后表面67的区域中，电绝缘隔膜层43也包含微多孔隔膜材料(如前所述)。
现在参考图14，在一个替代的实施例中，电绝缘隔膜层43围绕正电极组的每个构件22的轴APE；在此实施例中，电绝缘隔膜层43在相邻的负电极构件21和正电极构件22对之间，但不围绕负电极组的每个构件21的轴ANE。分别在构件21、22相对的侧表面61、62之间，且分别在构件21、22相对的侧表面63、64之间，电绝缘隔膜层43包含微多孔隔膜材料(如前所述)。例如，在一个此类实施例中，电绝缘隔膜层43包含微多孔隔膜材料(如前所述)，且微多孔隔膜材料围绕每个构件22的轴APE用于至少每个构件22长度LPE的70％。通过进一步的实例，在一个此类实施例中，电绝缘隔膜层43包含微多孔隔膜材料(如前所述)，且微多孔隔膜材料围绕每个构件22的轴APE用于至少每个构件22长度LPE的75％。通过进一步的实例，在一个此类实施例中，电绝缘隔膜层43包含微多孔隔膜材料(如前所述)，且微多孔隔膜材料围绕每个构件22的轴APE用于至少每个构件22长度LPE的80％。通过进一步的实例，在一个此类实施例中，电绝缘隔膜层43包含微多孔隔膜材料(如前所述)，且微多孔隔膜材料围绕每个构件22的轴APE用于至少每个构件22长度LPE的85％。通过进一步的实例，在一个此类实施例中，电绝缘隔膜层43包含微多孔隔膜材料(如前所述)，且微多孔隔膜材料围绕每个构件22的轴APE用于至少每个构件22长度LPE的90％。通过进一步的实例，在一个此类实施例中，电绝缘隔膜层43包含微多孔隔膜材料(如前所述)，且微多孔隔膜材料围绕每个构件22的轴APE用于至少每个构件22长度LPE的95％。通过进一步的实例，在一个此类实施例中，电绝缘隔膜层43包含微多孔隔膜材料(如前所述)，且微多孔隔膜材料围绕每个构件22的轴APE用于每个构件22的全长LPE。在每个前文述及的示例性实施例中，电绝缘隔膜层43也包含在围绕构件22的前表面66和后表面68的区域中的微多孔隔膜材料(如前所述)。
在一个替代的实施例，电绝缘隔膜层43围绕正电极组的每个构件22轴APE，如图14的相关描述，但负电极组的每个构件21的高度HNE大于正电极组的每个构件22的高度HPE。在此替代的实施例中，电绝缘隔膜层43围绕正电极组的每个构件22的轴APE用于至少正电极组的每个构件22长度LPE的大部分(如，至少70％，至少75％，至少80％，至少85％，至少90％，至少95％，或甚至全部)。电绝缘隔膜层43也包含在围绕构件22的前表面66和后表面68的区域中的微多孔隔膜材料(如前所述)。
现在参考图15，在一个实施例中，电绝缘隔膜层43、86和88组合地围绕：(i)负电极组的每个构件21的轴ANE和(ii)正电极组的每个构件22的轴APE。电绝缘隔膜层43包含在分别在构件21、22的相对的侧表面61、62之间且分别在构件21、22的相对的侧表面63、64之间区域中的微多孔隔膜材料(如前所述)。因为在构件21和构件22之间离子迁移的主要路径在这些构件的侧面之间发生，电绝缘隔膜层86、88可包含适于用在二次电池中任何电绝缘材料；在一个此类实施例中，电绝缘隔膜层86、88包含具有低电子和对于载流离子(如，锂离子)的低离子电导率的电绝缘材料。例如，在一个实施例中，电绝缘材料对于载流离子(如，锂)的电导率小于1x10-4S/cm。通过进一步的实例，在一个实施例中，颗粒材料对于载流离子的电导率小于1x10-5S/cm。通过进一步的实例，在一个实施例中，颗粒材料对于载流离子的电导率小于1x10-6S/cm。示例性颗粒材料包括先前确定为微多孔隔膜材料的示例性颗粒材料的任何材料。在一个示例性实施例中，电绝缘隔膜层43、86和88组合地围绕每个构件21的轴ANE用于至少每个构件21的长度LNE的70％，且围绕每个构件22的轴APE用于至少每个构件22长度LPE的70％。通过进一步的实例，在一个此类实施例中，电绝缘隔膜层43、86和88组合地围绕每个构件21的轴ANE用于至少每个构件21的长度LNE的75％，且围绕每个构件22的轴APE用于至少每个构件22长度LPE的75％。通过进一步的实例，在一个此类实施例中，电绝缘隔膜层43、86和88组合地围绕每个构件21的轴ANE用于至少每个构件21的长度LNE的80％，且围绕每个构件22的轴APE用于至少每个构件22长度LPE的80％。通过进一步的实例，在一个此类实施例中，电绝缘隔膜层43、86和88组合地围绕每个构件21的轴ANE用于至少每个构件21的长度LNE的85％，且围绕每个构件22的轴APE用于至少每个构件22长度LPE的85％。通过进一步的实例，在一个此类实施例中，电绝缘隔膜层43、86和88组合地围绕每个构件21的轴ANE用于至少每个构件21长度LNE的90％，且围绕每个构件22的轴APE用于至少每个构件22长度LPE的90％。通过进一步的实例，在一个此类实施例中，电绝缘隔膜层43、86和88组合地围绕每个构件21的轴ANE用于至少每个构件21的长度LNE的95％，且围绕每个构件22的轴APE用于至少每个构件22长度LPE的95％。通过进一步的实例，在一个此类实施例中，电绝缘隔膜层43、86和88组合地围绕每个构件21的轴ANE用于每个构件21的全长LNE，且围绕每个构件22的轴APE用于每个构件22的全长LPE。
现在参考图16，在一个替代的实施例中，电绝缘隔膜层43、86和88组合地围绕负电极组的每个构件21的轴ANE。在此实施例中，电绝缘隔膜层43在正电极组的构件22和负电极组的构件21之间，而电绝缘隔膜层86和88在别处。例如，在此实施例中，电绝缘隔膜层43包含在分别在构件21、22的相对的侧表面61、62和分别在构件21、22的相对的侧表面63、64之间的区域中的微多孔隔膜材料。因为在构件21和构件22之间离子迁移的主要路径在这些构件的侧面之间发生，然而，电绝缘隔膜层86、88不必包含微多孔隔膜材料；反而，电绝缘隔膜层86、88可任选地包含基本上不透过载流离子(如，锂离子)的电绝缘材料，如图15更详尽的相关描述。在一个此类示例性实施例中，电绝缘隔膜层43、86和88组合地围绕每个构件21的轴ANE用于每个构件21的长度LNE的至少70％。通过进一步的实例，在一个此类实施例中，电绝缘隔膜层43、86和88组合地围绕每个构件21的轴ANE用于每个构件21的长度LNE的至少75％。通过进一步的实例，在一个此类实施例中，电绝缘隔膜层43、86和88组合地围绕每个构件21的轴ANE用于每个构件21的长度LNE的至少80％。通过进一步的实例，在一个此类实施例中，电绝缘隔膜层43、86和88组合地围绕每个构件21的轴ANE用于每个构件21的长度LNE的至少85％。通过进一步的实例，在一个此类实施例中，电绝缘隔膜层43、86和88组合地围绕每个构件21的轴ANE用于每个构件21的长度LNE的至少90％。通过进一步的实例，在一个此类实施例中，电绝缘隔膜层43、86和88组合地围绕每个构件21的轴ANE用于每个构件21的长度LNE的至少95％。通过进一步的实例，在一个此类实施例中，电绝缘隔膜层43、86和88组合地围绕每个构件21的轴ANE用于每个构件21的全长LNE。
现在参考图17，在一个替代的实施例中，电绝缘隔膜层43、86和88组合地围绕正电极组的每个构件22的轴APE。在此实施例中，电绝缘隔膜层43在正电极组的构件22和负电极组的构件21之间，且电绝缘隔膜层86和88在别处。例如，在此实施例中，电绝缘隔膜层43包含分别在构件21、22的相对的侧表面61、62之间及在构件21、22的相对的侧表面63、64之间的区域中的微多孔隔膜材料。因为在构件21和构件22之间离子迁移的主要路径在这些构件的侧面之间发生，然而，电绝缘隔膜层86、88不必包含微多孔隔膜材料；反而，电绝缘隔膜层86、88可选地包含大体上不透过载流离子(如，锂离子)的电绝缘材料，如图15更详尽的相关描述。在一个此类示例性实施例中，电绝缘隔膜层43、86和88组合地围绕每个构件22的轴APE用于每个构件22长度LPE的至少70％。通过进一步的实例，在一个此类实施例中，电绝缘隔膜层43、86和88组合地围绕每个构件22的轴APE用于每个构件22长度LPE的至少75％。通过进一步的实例，在一个此类实施例中，电绝缘隔膜层43、86和88组合地围绕每个构件22的轴APE用于每个构件22长度LPE的至少80％。通过进一步的实例，在一个此类实施例中，电绝缘隔膜层43、86和88组合地围绕每个构件22的轴APE用于每个构件22长度LPE的至少85％。通过进一步的实例，在一个此类实施例中，电绝缘隔膜层43、86和88组合地围绕每个构件22的轴APE用于每个构件22长度LPE的至少90％。通过进一步的实例，在一个此类实施例中，电绝缘隔膜层43、86和88组合地围绕每个构件22的轴APE用于每个构件22长度LPE的至少95％。通过进一步的实例，在一个此类实施例中，电绝缘隔膜层43、86和88组合地围绕每个构件22的轴APE用于每个构件22的全长LPE。
现在参考图18，在一个替代的实施例中，电绝缘隔膜层43、86和88组合地围绕(i)负电极组的每个构件21的轴ANE和(ii)正电极组的每个构件22轴APE。如图15的相关描述，电绝缘隔膜层43包含分别在构件21、22的相对的侧表面61、62之间和分别在构件21、22的相对的侧表面63、64之间的区域中的微多孔隔膜材料。因为在构件21和22之间离子迁移的主要路径在这些构件的侧面之间发生，电绝缘隔膜层86、88可包含任何适于用在二次电池中的电绝缘材料；在一个此类实施例中，电绝缘隔膜层86、88包含大体上不透过载流离子(如，锂离子)的电绝缘材料，如关于图15所作的描述。在此实施例中，电绝缘隔膜层86分别延伸超过构件21、22的前表面65、66，且分别延伸到构件21和22的相对的侧表面61、62和相对的侧表面63、64之间的区域中。电绝缘隔膜层88还分别延伸超过构件21、22的后表面67、68，且分别延伸到构件21和22的相对的侧表面61、62和相对的侧表面63、64之间的区域中。在一个此类实施例中，例如，并忽略微多孔隔膜材料的孔隙率，微多孔隔膜材料分别构成至少70vol％的在构件21和22的相对的侧表面61、62和相对的侧表面63、64之间的电绝缘隔膜材料层43。通过进一步的实例，在一个实施例中，并忽略微多孔隔膜材料的孔隙率，微多孔隔膜材料分别构成至少75vol％的在构件21和22的相对的侧表面61、62和相对的侧表面63、64之间的电绝缘隔膜材料层43。通过进一步的实例，在一个实施例中，并忽略微多孔隔膜材料的孔隙率，微多孔隔膜材料分别构成至少80vol％的在构件21和22的相对的侧表面61、62和相对的侧表面63、64之间的电绝缘隔膜材料层43。通过进一步的实例，在一个实施例中，并忽略微多孔隔膜材料的孔隙率，微多孔隔膜材料分别构成至少85vol％的在构件21和22的相对的侧表面61、62和相对的侧表面63、64之间的电绝缘隔膜材料层43。通过进一步的实例，在一个实施例中，并忽略微多孔隔膜材料的孔隙率，微多孔隔膜材料分别构成至少90vol％的元在件21和22的相对的侧表面61、62和相对的侧表面63、64之间的电绝缘隔膜材料层43。通过进一步的实例，在一个实施例中，并忽略微多孔隔膜材料的孔隙率，微多孔隔膜材料分别构成至少95vol％的在构件21和22的相对的侧表面61、62和相对的侧表面63、64之间的电绝缘隔膜材料层43。
现在参考图19，在一个实施例中，电绝缘隔膜层43、82和84分别围绕正和负电极组的每个构件22和每个构件21。在此实施例中，然而，电绝缘隔膜层43分别围绕每个构件22和每个构件21的轴APE和ANE，用于构件22和21的长度LPE和LNE的一部分。换句话说，在此实施例中，电绝缘隔膜层43在在每个构件21、22的相对的侧面之间的区域中，电绝缘隔膜层43覆盖每个构件21、22的前表面65、66(见图3)，且电绝缘隔膜层43覆盖每个构件21、22的后表面67、68(见图3)，电绝缘隔膜层82在负电极21的顶部33和正电极汇流线条24之间的区域，且电绝缘隔膜层84在正电极22的顶部34和负电极汇流线条23之间的区域。长度L82对应于电绝缘隔膜层82的长度，长度L84对应于电绝缘隔膜层84的长度，且L43对应于电绝缘隔膜层43的长度。如，在此实施例中，电绝缘隔膜层43围绕(i)轴ANE用于至少每个负电极组的构件21的长度LNE的大部分(如，至少70％，至少75％，至少80％，至少85％，至少90％或甚至至少95％)，但小于负电极组的每个构件21的全长LNE。换句话说，在此实施例中，长度L43为至少70％，至少75％，至少80％，至少85％，至少90％或甚至至少95％，但小于全长LNE。另外，在此实施例中每个正电极组的构件22的轴APE用于至少每个正电极组的构件22的LPE的大部分(如，至少70％，至少75％，至少80％，至少85％，至少90％或甚至至少95％)，但小于正电极组的每个构件22的全长LPE。换句话说，在此实施例中，长度L43至少为长度LPE的70％，至少75％，至少80％，至少85％，至少90％或甚至至少95％但小于全长LPE。电绝缘隔膜层43包含微多孔隔膜材料(如前所述)。因为在构件21和22之间离子迁移的主要路径在这些构件的侧面发生，然而，电绝缘隔膜层82、84不必包含微多孔隔膜材料；反而，电绝缘隔膜层82、84可任选地包含大体上不透过载流离子(如，锂离子)的电绝缘材料，如图15更详尽的相关描述。
在替代的实施例中，电绝缘隔膜层82在负电极21的顶部33和正电极汇流线条24之间的区域中，且电绝缘隔膜层84在正电极22的顶部34和负电极汇流线条23之间的区域，如图19更详尽的相关描述，但在这两个区域中间，构件21和22可沿着它们的长度被电隔离，如图12–Z更详尽的相关描述。换句话说，在一个此类替代的实施例中，构件21被电绝缘隔膜材料围绕，但构件22没有，如图12和13更详尽的相关描述。在另一个此类替代的实施例中，构件22被电绝缘隔膜材料围绕，但构件21没有，如图14更详尽的相关描述。在另一个此类替代的实施例中，构件21和22被电绝缘隔膜43、86和88所围绕，如图15更详尽的相关描述。在另一个此类替代的实施例中，构件21被电绝缘隔膜材料43、86和88围绕但构件22没有，如图16更详尽的相关描述。在另一个此类替代的实施例中，构件22被电绝缘隔膜材料43、86和88围绕，但构件21没有，如图17更详尽的相关描述。在另一个此类替代的实施例中，构件21和22被电绝缘隔膜43、86和88围绕，如图18更详尽的相关描述。在每个这些实施例中，长度L43至少为长度LPE和/或LNE的70％，至少75％，至少80％，至少85％，至少90％或甚至至少95％，但小于长度LPE和/或LNE的全长。
现在参考图20，在一个替代的实施例中，负电极活性材料层49在负电极脊骨51和负电极集电体层47之间。在此实施例中，负电极集电体层47包含离子和电传导的离子透过导体材料。换句话说，负电极集电体层47有厚度、电导率和对于载流离子的离子电导率，该离子电导率促进载流离子在电化学叠层中的于离子透过导体层的一侧的紧邻的负电极活性材料层49和于负电极集电体层的另一侧的紧邻的电绝缘隔膜层43之间的移动。在相对的基础上，当有施加的电流以在装置中储存能量或施加的负载以放电装置时，负电极集电体层具有大于其离子电导的电导。例如，当有施加的电流以在装置中储存能量或施加的负载以放电装置时，负电极集电体层的电导对离子电导(对于载流离子)的比率典型地分别至少为1000:1。通过进一步的实例，在一个此类实施例中，当有施加的电流以在装置中储存能量或施加的负载以放电装置时，负电极集电体层的电导对离子电导(对于载流离子)的比率分别至少为5000:1。通过进一步的实例，在一个此类实施例中，当有施加的电流以在装置中储存能量或施加的负载以放电装置时，负电极集电体层的电导对离子电导(对于载流离子)的比率分别至少为10000:1。通过进一步的实例，在一个此类实施例中，当有施加的电流以在装置中储存能量或施加的负载以放电装置时，负电极集电体层的电导对离子电导(对于载流离子)分别至少为50000:1。通过进一步的实例，在一个此类实施例中，当有施加的电流以在装置中储存能量或施加的负载以放电装置时，负电极集电体层的电导对离子电导(对于载流离子)的比率分别至少为100000:1。
一般而言，当负电极集电体层47为离子透过导体层时，其厚度至少约为300埃。例如，在一些实施例中，其厚度可在约300-800埃的范围之内。更典型地，然而，其厚度大于约0.1微米。一般而言，离子透过导体层的厚度不大于约100微米。因此，例如，在一个实施例中，负电极集电体层47的厚度在约0.1至约10微米的范围内。通过进一步的实例，在一些实施例中，负电极集电体层47的厚度在约0.1至约5微米范围内。通过进一步的实例，在一些实施例中，负电极集电体层47的厚度在约0.5至约3微米范围之内。一般而言，优选负电极集电体层47的厚度接近均匀。例如，在一个实施例中优选负电极集电体层47的厚度非均匀性小于约25％，其中厚度非均匀性被定义为：层最大厚度的量减去层最小厚度，再除以平均层厚度。在某些实施例中，厚度变化更小。例如，在一些实施例中，负电极集电体层47的厚度非均匀性小于约20％。通过进一步的实例，在一些实施例中，负电极集电体层47的厚度非均匀性小于约15％。在一些实施例中，离子透过导体层厚度非均匀性小于约10％。
在那些实施例，其中负电极集电体层47包含离子和电电导的离子透过导体材料，当电流被施加以在装置中储存能量或负载被施加以放电装置时，如当二次电池被充电或放电时，负电极集电体层47具有可与相邻的电绝缘隔膜层43的离子电导可比较的离子电导。例如，在一个实施例中，当有施加的电流以在装置中储存能量或施加的负载以放电装置时，负电极集电体层47的离子电导(对于载流离子)至少为隔膜层的离子电导的50％(即，比率分别为0.5:1)。通过进一步的实例，在一些实施例中，当有施加的电流以在装置中储存能量或施加的负载以放电装置时，负电极集电体层47的离子电导(对于载流离子)对隔膜层的离子电导(对于载流离子)的比率至少为1:1。通过进一步的实例，在一些实施例中，当有施加的电流以在装置中储存能量或施加的负载以放电装置时，负电极集电体层47的离子电导(对于载流离子)对隔膜层的离子电导(对于载流离子)的比率至少为1.25:1。通过进一步的实例，在一些实施例中，当有施加的电流以在装置中储存能量或施加的负载以放电装置时，负电极集电体层47的离子电导(对于载流离子)对隔膜层的离子电导(对于载流离子)的比率至少为1.5:1。通过进一步的实例，在一些实施例中，当有施加的电流以在装置中储存能量或施加的负载以放电装置时，负电极集电体层47的离子电导(对于载流离子)对隔膜层的离子电导(对于载流离子)的比率至少为2:1。
在一个实施例中，负电极集电体层47的电导也基本上大于负电极活性材料层49的电导。例如，在一个实施例中，当有施加的电流以在装置中储存能量或施加的负载以放电装置时，负电极集电体层47的电导对负电极活性材料层49的电导的比率至少为100:1。通过进一步的实例，在一些实施例中，当有施加的电流以在装置中储存能量或施加的负载以放电装置时，负电极集电体层47的电导对负电极活性材料层的电导的比率至少为500:1。通过进一步的实例，在一些实施例中，当有施加的电流以在装置中储存能量或施加的负载以放电装置时，负电极集电体层47的电导对负电极活性材料层的电导的比率至少为1000:1。通过进一步的实例，在一些实施例中，当有施加的电流以在装置中储存能量或施加的负载以放电装置时，负电极集电体层47的电导对负电极活性材料层的电导的比率至少为5000:1。通过进一步的实例，在一些实施例中，当有施加的电流以在装置中储存能量或施加的负载以放电装置时，负电极集电体层47的电导对负电极活性材料层的电导的比率至少为10000:1。
在此实施例中，负电极集电体层47的厚度(即，在隔膜和负电极活性材料层之间的最短距离，离子透过负电极集电体层47被夹在其间)取决于层的构成和对电化学叠层的性能指标。一般而言，当负电极集电体层为离子透过导体层时，它的厚度至少约300埃。例如，在一些实施例中，它的厚度在约300-800埃范围内。更典型地，然而，它的厚度大于约0.1微米。一般而言，离子透过导体层的厚度为不大于约100微米。因此，例如，在一个实施例中，负电极集电体层47的厚度在约0.1至约10微米的范围内。通过进一步的实例，在一些实施例中，负电极集电体层47的厚度在约0.1至约5微米范围内。通过进一步的实例，在一些实施例中，负电极集电体层47的厚度在约0.5至约3微米范围内。一般而言，优选负电极集电体层47的厚度接近均匀。例如，在一个实施例中优选负电极集电体层47的厚度非均匀性小于约25％，其中厚度非均匀性被定义为：层最大厚度的量减去层最小厚度，再除以平均层厚度。在某些实施例中，厚度变化甚至更小。例如，在一些实施例中，负电极集电体层47的厚度非均匀性小于约20％。通过进一步的实例，在一些实施例中，负电极集电体层47的厚度非均匀性小于约15％。在一些实施例中，离子透过导体层的厚度非均匀性小于约10％。
在一个优选的实施例中，负电极集电体层47为离子透过导体层，其包含为离子透过率和电导率贡献的导电组分和离子电导组分。典型地，导电组分包含连续的导电材料(如连续的金属或金属合金)，其以网或构图的表面、膜的形式，或包含连续的导电材料(如连续的金属或金属合金)的复合材料。另外，典型地，离子电导组分包含孔，如，网的间隙、在构图的金属或含有金属合金的材料层的之间的间隔、在金属膜中的孔或者对于载流离子具有充足扩散系数的固体离子导体。在某些实施例中，离子透过导体层包含沉积的多孔材料、离子运送材料、离子反应材料、复合材料或物理多孔的材料。如果多孔，例如，离子透过导体层的空隙分数可至少为约0.25。一般而言，然而空隙分数典型地不超过约0.95。更典型地，当离子透过导体层为多孔时，空隙分数可在为约0.25至约0.85的范围内。在一些实施例中，例如，当离子透过导体层为多孔时，空隙分数可在约0.35至约0.65的范围内。
被置于负电极活性材料层49和电绝缘隔膜层43之间，负电极集电体层47通过从负电极集电体穿过负电极活性材料层表面来分配电流，可促进更均匀的载流离子运送。这，进而，可促进更均匀的载流离子插入和迁出，且因此在循环期间降低在负电极活性材料中的应力；由于负电极集电体层47分配电流到负电极活性材料层的朝向隔膜的表面，在载流离子浓度最大的地方，对于载流离子的负电极活性材料层的反应度最大。
现在参考图21，在一个替代的实施例中，正电极活性材料层50在正电极脊骨52和正电极集电体层48之间。在此实施例中，正电极集电体层48包含离子和电电导的离子透过导体材料。换句话说，正电极集电体层有厚度、电导率和对于载流离子的离子电导率，该离子电导率促进载流离子在电化学叠层中在于离子透过的导体层的一个侧面上的紧邻的正电极活性材料层50和于正电极集电体层的另一个侧面上的紧邻的电绝缘隔膜层43之间的移动。在此实施例相对的基础上，当有施加的电流以在装置中储存能量或施加的负载以放电装置时，正电极集电体层的电导率大于其离子电导率。例如，当有施加的电流以在装置中储存能量或施加的负载以放电装置时，正电极集电体层的电导对离子电导(对于载流离子)的比率，典型地，分别至少为1000:1。通过进一步的实例，在一个此类实施例中，当有施加的电流以在装置中储存能量或施加的负载以放电装置时，正电极集电体层的电导对离子电导(对于载流离子)的比率分别至少为5000:1。通过进一步的实例，在一个此类实施例中，当有施加的电流以在装置中储存能量或施加的负载以放电装置时，正电极集电体层的电导对离子电导(对于载流离子)的比率分别至少为10000:1。通过进一步的实例，在一个此类实施例中，当有施加的电流以在装置中储存能量或施加的负载以放电装置时，正电极集电体层的电导对离子电导(对于载流离子)的比率分别至少为50000:1。通过进一步的实例，在一个此类实施例中，当有施加的电流以在装置中储存能量或施加的负载以放电装置时，正电极集电体层的电导对离子电导(对于载流离子)的比率分别至少为100000:1。
现在参考图22，在一个替代的实施例中，负电极活性材料层49在负电极脊骨51和负电极集电体层47之间，且正电极活性材料层50在正电极脊骨52和正电极集电体层48之间。在此实施例中，负电极集电体层47和正电极集电体层48包含离子电导和电电导的离子透过导体材料。换句话说，负电极集电体层和正电极集电体层各自具有厚度、导电性和对于载流离子的离子电导，该离子电导促进载流离子在紧邻的正电极活性材料层50和负电极活性材料层49之间的移动。在此实施例中相对的基础上，当有施加的电流以在装置中储存能量或施加的负载以放电装置时，如前所述，正电极集电体层和负电极集电体层各自具有大于其离子电导的电导。例如，在此实施例中，当有施加的电流以在装置中储存能量或施加的负载以放电装置时，正电极集电体层和负电极集电体层的电导对离子电导(对于载流离子)的比率典型地分别至少为1000:1。
现在参考21和22，在一个替代的实施例中，负电极21包含负电极脊骨51、负电极活性材料层49、负电极集电体层47和补充负电极集电体层47A、47B，而正电极22包含正电极脊骨52、正电极活性材料层50、正电极集电体层48和补充正电极集电体层48A、48B。补充负电极集电体可被结合入负电极组构件和/或正电极组构件以提供附加的电导。
在某些实施例中，补充负电极集电体的电导按系数至少超过负电极集电体的电导2倍；在某些实施例中，补充负电极集电体的电导按系数至少超过负电极集电体电导5或甚至10倍。有利地，由补充负电极集电体提供的附加的电导允许负电极集电体层47的整体集电体重量和体积要求。另外，当负电极集电体层为离子透过集电体(如文中别处的更详细的描述)时，补充负电极集电体可沿着电极长度LNE携带大部分的电流，且负电极集电体层可以起到主要地从电极收集电流并将它提供到补充负电极集电体的作用。这进而降低由离子透过集电体层所要求的电导，且允许为更好的电池性能而设计具有较低的电子电导率和较高的离子电导率的离子透过层的能力。
现在参考图23，在一个实施例中，包含于负电极组的每个构件21的负电极电流导体层47的长度LNC至少为包含这种负电极集电体的构件的长度LNE的50％。通过进一步的实例，在一个实施例中，包含于负电极组的每个构件21的负电极电流导体层47的长度LNC至少为包含这种负电极集电体的构件的长度LNE的60％。通过进一步的实例，在一个实施例中，包含于负电极组的每个构件21的负电极电流导体层47的长度LNC至少为包含这种负电极集电体的构件的长度LNE的70％。通过进一步的实例，在一个实施例中，包含于负电极的每个构件21的负电极电流导体层47的长度LNC至少为包含这种负电极集电体的构件的长度LNE的80％。通过进一步的实例，在一个实施例中，包含于负电极的每个构件21的负电极47的长度LNC至少为包含这种负电极集电体的构件的长度LNE的90％。
在一些实施例中，在沿着电极的某些位置，补充负电极集电体能提供阻断充电/放电反应的手段。补充集电体47A、47B能设计成为：此层的离子电导率基本为零，其抑制于补充集电体正下方的在电极上的充电/放电反应。
在每个前文述及的实施例中，补充负电极集电体层47A，47B独立地具有长度(在与长度LNC相同的方向测量)，该长度与负电极集电体层47的长度LNC的相当的部分(如，至少60％，至少70％，至少80％或甚至至少90％)相同。备选地，在每个前文述及的实施例中，补充负电极集电体层47A，47B独立地具有长度(在与长度LNC相同的方向测量)，该长度比负电极集电体层47的长度LNC相当的部分(如，小于40％，30％，20％或甚至10％)小。负电极组的构件21中的每一个的长度LNE将根据能量储存装置及其预期使用而变化，但在许多实施例中，在约5mm至约500mm的范围之内。例如，在一个实施例中，对于每一个构件中21的长度LNE在约10mm至约250mm的范围之内。通过进一步的实例，在一个实施例中，对于构件21中每一个，长度LNE在约25mm至约100mm的范围之内。
补充负电极集电体层47A和47B可包含之前确定为与负电极集电体层47相关的任何材料。因为补充负电极集电体层47A和47B不在负和正电极活性材料层之间，它们不必对载流离子离子透过。因此，补充负电极集电体层47A、47B可包含任何金属或其他常规地用作负电极的集电体材料的导体，如碳、钴、铬、铜、镍、钛或其一种或多种的合金。另外，在一个实施例中，补充负电极集电体层47A、47B独立地有超过负电极集电体层47电导的电导。例如，在一个实施例中，补充负电极集电体层47A、47B中的至少一个的电导为负电极集电体层的电导的至少200％，如，至少1000％。
现在参考图24，正电极脊骨52、正电极活性材料层50及正电极集电体层48和补充正电极集电体层48A、48B，优选地，从负电极组的每个构件22的底部32到顶部34延伸大部分的距离。补充正电极集电体可被结合入正电极组构件以提供附加的电导。在某些实施例中，补充正电极集电体的电导按系数至少超过正电极集电体的电导2倍；在某些实施例中，补充正电极集电体的电导按系数至少超过正电极集电体的电导5或甚至10倍。有利地，由补充正电极集电体提供的附加的电导允许整体集电体正电极集电体层48的重量和体积要求被降低。另外，当正电极集电体层为离子透过集电体(如文中别处的更详细的描述)时，补充正电极集电体沿着电极长度LPE可携带大部分的电流，且正电极集电体层可起到主要地从电极收集电流且将其提供到补充正电极集电体的作用。这进而降低由离子透过集电体层所要求的电导，且允许为更好的电池性能而设计具有较低的电子电导率和较高的离子电导率的离子透过层的能力。
补充正电极集电体层48A和48B可包含之前确定为与正电极集电体层48相关的任何材料。另外，在一个实施例中，补充正电极集电体层48A、48B中的至少一个的电导超过正电极集电体层48的电导。例如，在一个实施例中，正电极集电体层48A、48B中至少一个的电导至少为正电极集电体层电导的200-1000％。
在一些实施例中，补充正电极集电体能提供在沿电极某些位置阻断充电/放电反应的手段。补充集电体48A、48B能被设计为：此层的离子电导率基本为零，其抑制在补充集电体正下方的电极上的充电/放电反应。
例如，在一个实施例中，包含于正电极组的每个构件22的正电极电流导体层48的长度LPC至少为包含此种正电极集电体的构件的长度LPE的50％。通过进一步的实例，在一个实施例中，包含于正电极组的每个构件22的正电极电流导体层48的长度LPC至少为包含此种正电极集电体的构件的长度LPE的60％。通过进一步的实例，在一个实施例中，包含于正电极组的每个构件22的正电极电流导体层48的长度LPC至少为包含此种正电极集电体的构件的长度LPE的70％。通过进一步的实例，在一个实施例中，包含于正电极组的每个构件22的正电极电流导体层48的长度LPC至少为包含此种正电极集电体的构件的长度LPE的80％。通过进一步的实例，在一个实施例中，包含于正电极组的每个构件22的正电极电流导体层48的长度LPC至少为包含此种正电极集电体的构件的长度LPE的至少为90％。在每个前文述及的实施例中，补充正电极集电体层48A、48B独立地具有长度(在与长度LPC相同的方向测量)，其与正电极集电体层48的长度LPC的相当的部分(如，至少60％，至少70％，至少80％或甚至至少90％)相同。可选地，在每个前文述及的实施例中，补充正电极集电体层48A、48B独立地有长度(在与长度LPC相同的方向测量)，该长度小于正电极集电体层48的长度LPC的相当的部分(如，小于的40％，小于30％，小于20％或甚至小于10％)。正电极组的每一个构件22的长度LPE将根据能量储存装置及其预期使用而变化，但在许多实施例中，在约5mm至约500mm的范围之内。例如，在一个实施例中，对于每一个构件21，长度LPE在约10mm至约250mm的范围之内。通过进一步的实例，在一个实施例中，对于每一个构件21，长度LPE在约25mm至约100mm的范围之内。
在某些实施例中，补充负电极集电体层47A、47B和/或补充正电极集电体层48A、48B可提供改良的倍率性能。补充正和/或负集电体可使用与正和负电极集电体的形成有关的所述的那些相似的方法，在电极结构上被形成。为在期望的区选择性地沉积补充集电体，已知的用于掩膜和构图方法可被用作制备脊骨。在一些情形下，为了提供离子透过集电方案，在活性电极被沉积之后再进行集电体的沉积，。
再参考图4和5，在某些实施例中，负电极组的构件21有直侧面(即，在底部31和顶部33之间延伸的面中每一个为平面)。在其他实施例中，负电极组构件的侧面为多边形或甚至曲面(如，在底部31和顶部33之间延伸的面可为正弦曲线)。在每个此类实施例中，长度LNE为底部31和顶部33之间的直线距离。
再参考图4和6，在某些实施例中，正电极组构件22有直侧面(即，在底部32和顶部34之间延伸的面中每一个为平面)。在其他实施例中，正电极组构件的面为多边形或甚至曲面(如，在底部32和顶部34之间延伸的面可为正弦曲线)。在每个此类实施例中，长度LPE为底部32和顶部34之间的直线距离。
在图7所示的实施例中，负电极组构件21具有随长度变化却恒定的宽度WNE和恒定的高度HNE。在其他实施例中，负电极组构件21具有随沿着负电极长度的位置的变化而变化的宽度WNE或高度HNE，或者负电极组构件可具有不是矩形的截面(于垂直于长度方向的平面中截取)。在此类其他实施例中，宽度WNE和高度HNE指的是负电极组构件21在垂直于负电极组构件21长度方向的平面中投影的最大宽度和最大高度。换句话说，宽度WNE和高度HNE对应于存在于有最小尺寸但仍含有所有负电极组构件的投影点的平面中假想的矩形两个相邻的侧面的长度。
在图8所示的实施例中，正电极组构件22具有随长度变化却恒定的宽度WPE和恒定的高度HPE。在其他实施例中，负电极组构件22可具有随沿着负电极长度的位置变化而变化的宽度WPE或高度HPE，或者负电极组构件可具有不是矩形的截面(于垂直于长度方向的平面中截取)。在这种其他实施例中，宽度WPE和高度HPE指的是正电极组构件22在垂直于正电极组构件22的长度方向的平面中投影的最大宽度和最大高度。换句话说，宽度WPE和高度HPE对应于处于具有最小的尺寸但仍含有所有正电极组构件的投影点的平面中假想的矩形的两个相邻的侧面的长度。
图25A-E为电极(正或负电极)在垂直于电极的长度方向的平面中的几种示例的替代的投影。在图25A-E中，电极投影摹写出梯形(图25A)、平行四边形(图25B)、三角形(图25C)、钻石形(图25D)和椭圆形(图25E)。在每种情况，有最小尺寸但仍含有所有的电极投影点的假想的矩形有宽度WE和高度HE。另外，在每个这些情况，电极具有对应于由投影摹写的几何图形的周长的周长PE。
现在参考图26，在一个替代的实施例中，电极叠层74包含三个垂直层叠且被对准的电极结构20，以使得三个电极的正电极22被对准且负电极结构21被对准。在此实施例中，电绝缘材料层86覆盖在叠层中的顶部电极结构的构件21、22的前表面65、66，而电绝缘材料层88覆盖在叠层中的底部电极结构的构件21、22的后表面67、68。于是，不同电极结构的构件21彼此间未电隔离，但它们与在叠层中不同电极结构的构件22电隔离。于是，每个正电极结构22被电绝缘材料层43、86和88所围绕，且每个负电极结构21被电绝缘层43、86和88所围绕。为便于说明，电极叠层74只包含三个电极结构。如图10的相关描述，电极叠层74可包含较少或较多数目的电极结构20。
现在参考图27，在一个替代的实施例中，电极叠层74包含三个垂直层叠且对准的电极结构20，以使得电极结构的正电极组的构件22与上述和/或下述另一个电极结构20的负电极组的构件21对准。在此实施例中，每个构件21和每个构件22被电绝缘层43所围绕。为便于说明，电极叠层74只包含三个电极结构。如图10中的相关描述，电极叠层74可包含较少或较多数目的电极结构20。
以下非限制性实例用于进一步说明本发明。
实例
实例1:3D单基元制作1
1.梳状结构的制作
使用层厚度为200μm/3μm/675μm的绝缘体上硅(SOI)晶片(器件层/绝缘层/背衬层)作为样本。的Pd被溅射沉积在器件层顶部上，接着是二氧化硅的硬掩膜层。
此晶片然后被旋转涂覆5μm的抗蚀剂且以掩膜构图，以获得有两个互相隔离的相间错杂的梳状状结构。
设计示出结构其结果是两个独立的梳状状结构，每种结构以适于制作电接触的接合垫终止。在相邻的波状物之间的间隙被设计为100微米。每个线的长度为10000微米，两个末端中任一个上有200微米的边边间隔，即在梳和相对的电极连接的末端中间。换句话说，在图9中，在构成负电极21的一部分的负电极梳的顶部和构成正电极22的正电极梳的底部之间的间隔为200um。然后光致刻蚀剂在此图案中被用作光掩膜，以通过离子研磨除去二氧化硅和钯。
二氧化硅、光致刻蚀剂和Pd的组合被用作使用在氟等离子体中的深反应离子蚀刻(DRIE)的硅去除的掩膜。进行DRIE直至构成器件层的硅在掩膜中的间隙被完全除去，其在氧化物层上停止。为了除去在沟底中的硅岛，使用的过度蚀刻时间为总DRIE时间的10％。任何顶部光致刻蚀剂被通过在丙酮中的剥离而被除去。此时两个梳被DRIE所电隔离。
为了提供向钯金属的通道以制作电接触，正电极垫和负电极垫单独被浸入在稀释的(5:1)缓冲氧化物刻蚀(BOE)溶液中1分钟，以除去掩膜氧化物层。有隔离的负电极梳和正电极梳的梳状结构被用作集电体和电极制作的基底结构。
2.负电极集电体和负电极制作
隔离的梳状结构对中的一个(于此命名为负电极脊骨梳)通过钯导体而被电连接并被浸入铜镀液中。铜镀液条件被调节以使得沉积在构成梳状结构的硅层上发生。此Cu层沉积因而用作负电极集电体。
样本被浸入电泳抗蚀剂镀液中且正电极脊骨梳状结构其后被通电。使用市场上可买到的电泳抗蚀剂(ShipleyEAGLE)，且梳在50V使用Pd导体被电泳沉积120秒以形成抗蚀涂层。芯在120C被烘烤30min以硬化抗蚀剂。
硅样本现在被插入蒸发室中，且Au被沉积在样本表面上。此Au沉积过程结果是Au在蜂窝结构的顶部，也在其侧壁上，也在底部氧化物层上。然而在正电极脊骨梳上存在的光致刻蚀剂引起Au只和在负电极脊骨梳状结构上的铜接触。硅背衬层此时被胶带掩膜所保护。样本其后被浸入丙酮中15min以除去电泳抗蚀剂连同在电泳抗蚀剂顶部上蒸发的Au。样本然后被浸入稀释的(5:1)缓冲氧化物刻蚀(BOE)中，以从负电极梳的前面和在沟槽的底部的绝缘层除去Au簇和氧化物层。这只将Au纳米团簇与负电极脊骨梳侧面隔离。
硅纳米线然后通过CVD方法在负电极脊骨梳状结构的侧面而生长。样本被插入CVD室中，被加热到550C。硅烷气被引进到室中；反应器压力被保持在10torr。沉积速率为4um/hr；并进行沉积至目标的纳米线厚度20um。这些从负电极脊骨梳的侧面伸出的纳米线要用作用于锂离子电池的负电极。
3.正电极集电体和正电极制作
正电极脊骨梳然后通过钯导体被电连接且被浸入金电镀液中，以在钯和构成梳状结构的硅层上镀金。此围绕正电极脊骨梳的Au层将用作正电极集电体。
正电极脊骨梳与锂离子电池正电极材料一起被电泳沉积。电泳沉积溶液包含正电极材料(LiCoO2)、15wt％炭黑和在丙酮的溶液中150ppm的碘。为了使颗粒均匀，溶液混合物被通宵搅拌。Pd接接触垫被用作正电极沉积的电连接的端子。Pt对电极被使用。样本在100V的电压下被沉积3min以沉积40um厚的正电极结构。沉积在正电极梳的侧壁和前表面都会发生。
4.过剩正电极的去除
沉积在芯的前表面上的任何过剩正电极使用机械的去除工艺被除去。使用抛光垫研磨前表面以暴露正电极集电体层；接着是强制通风干燥以确保没有能够导致短路的疏松颗粒在芯上存在。
5.隔膜层No.1制作
多孔的隔膜被应用在正电极和负电极之间的间隙中(名义上为40微米)，通过使用制成固含量为60％的包含分散于N甲基吡咯烷酮中的细玻璃粉(直径<2微米)连同2体积百分比的PVDF粘结剂的浆料。此浆料被丝网印刷，以便弄湿芯并强迫颗粒物进入负电极和正电极材料之间。以多个流程进行丝网印刷，在中间有中间干燥步骤以便填充在负电极和正电极中间的沟槽；及沿着器件的顶部和底部的间隙(在图19构成82和84的区)。
使用机械去除工艺，沉积在芯的前表面上的任何过剩隔膜被除去。使用抛光垫片研磨(lap)前表面以暴露电极集电体层；接着是强制通风干燥，以确保没有能够导致短路的疏松颗粒在芯上存在。
6.结构层的去除
芯的顶侧其后借助于UV释放切割带被结合到牺牲玻璃衬底。使用这样的布置以使用常规的晶片研磨技术来机械除去背衬硅层。继续研磨过程直至背衬晶片和中间氧化物层被除去。UV释放被用作将有效的芯从牺牲玻璃衬底去除；因而使芯为其后的隔膜填充处理做好准备。
7.隔膜层No.2制作
通过在包含分散于N甲基吡咯烷酮中细玻璃粉(直径<2微米)连同2体积百分比的PVDF粘结剂、制成固含量为30％的浆料中，多孔隔膜的附加的层被应用在芯的前表面和后表面上。浸涂后的芯被干燥，为了除去溶剂并使粘结剂材料凝固(现阶段，器件的横截面看上去像图15，除了在硅的底部面上缺少集电体47和48)。在前面和后面上的浸涂厚度目标各自定为25微米。
实例2:3D单基元制作2
1.梳状结构的制作
使用层厚度为200μm硅晶片作为样本。的Pd被溅射沉积在器件层的顶部上，接着是的二氧化硅硬掩膜层。晶片被反转，且 的Cu被沉积在底侧上。
然后此样本使用标准阳极接合技术而被接合到浮法(borofloat)玻璃衬底。
然后此晶片被旋转涂覆5μm的抗蚀剂且以掩膜构图，以获得有两个相互隔离的、相间错杂的梳的梳状状的结构，如图1所示。
设计示出结构的结果是两个独立的梳状状结构，每个结构以适于制作电接触的接合垫终止。在相邻的波状物之间的间隙被设定在100微米。每个线的长度为10000微米，在两个末端中的一个上有200微米的边边间隔，即在梳和相对的电极连接的末端之间。换句话说，在图9中，在构成负电极21一部分的负电极梳的顶部和构成正电极22的正电极梳的底部之间的间隔为200um。然后光致刻蚀剂在此图案中被用作光掩膜以通过离子研磨除去二氧化硅和钯。
二氧化硅、光致刻蚀剂和Pd的组合被用作使用在氟等离子体中的深反应离子蚀刻(DRIE)的硅去除的掩膜。进行DRIE直至构成器件层的硅在掩膜中的间隙完全被除去，其在氧化物层上停止。为了除去在沟底中的硅岛，使用的过度蚀刻时间为总DRIE时间的10％。任何顶部的光致刻蚀剂被通过在丙酮中剥离而除去。芯其后被浸泡在1％硝酸溶液中以除去在沟槽底部的铜并暴露阳极玻璃。此时两个梳被DRIE电隔离。
为了提供向钯金属的通道以制作电接触，正电极垫和负电极垫单独被浸入稀释的(5:1)缓冲氧化物刻蚀(BOE)溶液中1分钟，以除去掩膜氧化物层。有隔离的负电极梳和正电极梳的梳状结构被用作集电体和电极制作用的基底结构。
2.负电极集电体和负电极制作
用与实例1相似的过程制作负电极集电体和负电极。
3.正电极集电体和正电极制作
用与实例1相似的过程制作正电极集电体和正电极。
4.隔膜制作
多孔隔膜被应用到正电极和负电极之间的间隙(名义上为40微米)中，通过使用制成固含量为60％的包含分散于N甲基吡咯烷酮中的细玻璃粉(直径<2微米)连同2体积百分比的PVDF粘结剂的浆料。此浆料被丝网印刷，以便弄湿芯并强迫颗粒物进入负电极和正电极材料之间。以多个流程进行丝网印刷，在中间有中间干燥步骤以便填充在负电极和正电极中间的沟槽；并沿着器件的顶部和底部的间隙(在图19中构成82和84的区)。其后，通过在制成固含量为30％的包含分散于N甲基吡咯烷酮中的细玻璃粉(直径<2微米)连同2体积百分比的PVDF粘结剂的浆料中浸涂芯，也将多孔隔膜应用到芯的前表面上。浸涂后的芯被干燥，为了除去溶剂并使粘结剂材料凝固。在前面上的浸涂厚度目标定为25微米。生成的芯看上去与图15相似，除了：(1)在51和52的后面上没有集电体，(2)阳极玻璃为88，及(3)有PVDF的玻璃粉为86。
实例3:3D单基元制作3
1.梳状结构的制作
与实例2相似制作梳状结构。
2.负电极集电体和负电极制作
用与实例1相似的过程制作负电极集电体和负电极。
3.正电极集电体和正电极制作
用与实例1相似的过程制作正电极集电体和正电极。
4.隔膜层no.1制作
用与实例1相似的过程制作隔膜层。
5.结构层的去除
通过与实例1相似的过程，除去结构层。
6.隔膜层no.2制作
用与实例1相似的过程制作第二隔膜层，以制造图15所示的类型的电极结构图。
实例4:3D单基元制作4
1.梳状结构的制作
梳状结构的制作与实例2相似，除了阳极接合的玻璃为只沿纵轴方向在芯的顶部和底部和接触垫区处接触负电极和正电极梳的框架。换句话说，在图4中，对于沿着纵轴AE的大部分的长度，梳状线被设计为自支撑。换个说法，芯的大部分的后面也易于进行处理。
2.负电极集电体和负电极制作
用与实例1相似的过程制作负电极集电体和负电极。
3.正电极集电体和正电极制作
用与实例1相似的过程制作正电极集电体和正电极。
4.过剩正电极和负电极材料的去除
沉积在芯的前和后面上的任何过剩正电极和负电极材料都使用机械去除过程被除去。使用抛光垫研磨前表面以暴露集电体层。在后面上进行刮刀片(doctorblade)的去除过程以除去过剩的电极材料；接着是强制通风干燥以确保没有能够导致短路的疏松颗粒在芯上存在。
5.隔膜制作
多孔隔膜被应用到在正电极和负电极之间的间隙(名义上为40微米)中、前面和后面，通过使用制成固含量为60％的包含分散于N甲基吡咯烷酮中的细玻璃粉(直径<2微米)连同2体积百分比的PVDF粘结剂的浆料。此浆料被丝网印刷，以便弄湿芯并强迫颗粒物进入负电极和正电极材料之间。以多个流程进行丝网印刷，在中间有中间干燥步骤以便填充在负电极和正电极之间的沟槽；并沿着器件的顶部和底部的间隙(在图19中构成82和84的区)。一旦完成后，附加的层被加上去以提供覆盖芯的前面且也有后面的隔膜层(见图3)。
实例5:3D单基元制作5
1.梳状结构的制作
梳状结构的制作如实例4。
2.负电极集电体和负电极制作
用与实例1相似的过程制作负电极集电体和负电极。
3.正电极集电体和正电极制作
用与实例1相似的过程制作正电极集电体和正电极。
4.过剩正电极和负电极材料的去除
过剩材料被以与实例4相似的过程除去。
5.隔膜制作
为了填充对应于在图19中的82和84项的芯的顶部和底部，市场上可买到的电绝缘双组环氧树脂被用注射器来分散。这提供无孔的、在电极和其相对的电极汇流线之间的绝缘隔膜层。
随后，多孔隔膜并应用到正电极和负电极之间的间隙(名义上为40微米)、前面和后面，通过使用制成固含量为60％的包含分散于N甲基吡咯烷酮中的细玻璃粉(直径<2微米)连同2体积百分比的PVDF粘结剂的浆料。此浆料被丝网印刷，以便弄湿芯并强迫颗粒物进入负电极和正电极材料之间。以多个流程进行丝网印刷，在中间有中间干燥步骤以便填充在负电极和正电极之间的沟槽。一旦完成后，附加的层被加上去以提供覆盖芯的前面及后面的隔膜层(见图3)。
实例6:3D单基元制作6
1.梳状结构的制作
与实例4中同样地制作梳状结构。
2.负电极集电体和负电极集电体制作
与实例1中同样地制作两个集电体，除了在负电极集电体之后立即制作正电极集电体。
3.隔膜层no.1制作
为了填充对应于图19中82和84项的芯的顶部和底部，市场上可买到的电绝缘双组环氧树脂被用注射器来分散。然而，在这种情况下，环氧树脂涂覆负电极集电体和正电极集电体而不是如同实例5中各自的电极。这提供无孔的、在电极和其相对的电极汇流线之间的绝缘隔膜层。
4.负电极制作和正电极的制作
用与实例4相似的过程制作负电极和正电极。
5.过剩正电极和负电极的去除
用与实例4相似的过程除去过剩材料。
6.隔膜层no.2的制作
多孔隔膜其后被应用到正电极和负电极之间的间隙(名义上为40微米)、前面和后面，通过使用制成固含量为60％的包含分散于N甲基吡咯烷酮中的细玻璃粉(直径<2微米)连同2体积百分比的PVDF粘结剂的浆料。此浆料被丝网印刷，以便弄湿芯并强迫颗粒物进入负电极和正电极材料之间。以多个流程进行丝网印刷，在中间有中间干燥步骤以便填充负电极和正电极之间的沟槽；及沿着器件的顶部和底部的间隙(在图19中构成82和84的区)。一旦完成后，附加的层被加上去以提供覆盖芯的前面且及后面的隔膜层(见图3)。
实例7:3D单基元制作7
1.梳状结构的制作
如实例4那样制作梳状结构，除了负电极梳和正电极梳之间的间隙被减少到80微米而不是100微米。负电极梳层也被加宽了40微米。
2.负电极和负电极集电体制作
隔离的梳状结构中的一个(于此命名为正电极脊骨梳)被浸入电泳抗蚀剂镀液中。使用市场上可买到的电泳抗蚀剂(ShipleyEAGLE)，且正电极脊骨梳在50V下使用Pd导体被电泳沉120秒以形成抗蚀剂涂层。芯在120C被烘烤30min以硬化抗蚀剂。
现在硅样本被插入蒸发室中，且的Au被沉积在样本表面上。此Au沉积过程的结果是Au在梳的顶部、其侧壁上，及在底部氧化物层上。然而，在梳中的一个上存在的光致刻蚀剂引起Au只在两个梳状结构中的一个上跟硅接触。硅背衬层此时也被胶带掩膜所保护。此样本其后被在30C被浸入按体积1:1的氢氟酸(49％)和过氧化氢(30％)溶液中，以形成多孔硅层。多孔硅深度通过改变蚀刻时间被定制。多孔硅形成的大致速率为750–1000nm/min。当达到目标的孔深20μm时，零件被除去及干燥。
多孔硅只在其上面没有电泳抗蚀剂构图的梳位(comb-set)上形成。多孔硅位(set)在锂离子电池中被用作负电极。电泳抗蚀剂随后在丙酮剥离15分钟。
负电极脊骨梳其后通过钯导体被电连接且被浸入由非常稀的(10mM)硫酸铜和硫酸组成的铜镀液中。铜镀液条件被调节，使得沉积在钯和多孔硅上皆发生。铜浓度被保持为低以便铜沉积有限地运送且沿着多孔硅的外层而多孔。由于其多孔性，此Cu层将用作也为离子透过的负电极集电体。在Pd层上的铜，然而，较厚且无孔，以担当负电极用的第二汇流集电体。
3.正电极集电体和正电极制作
用与实例1相似的过程制作正电极集电体和正电极。
4.过剩正电极和负电极的去除
用与实例4相似的过程除去过剩材料。
5.隔膜的制作
多孔隔膜其后被应用到正电极和负电极之间的间隙(名义上为40微米)里、前面和后面，通过使用制成固含量为60％的包含分散于N甲基吡咯烷酮中的细玻璃粉(直径<2微米)连同2体积百分比的PVDF粘结剂的浆料。此浆料被丝网印刷，以便弄湿芯并强迫颗粒物进入负电极和正电极材料之间。以多个流程进行丝网印刷，在中间有中间干燥步骤以便填充负电极和正电极之间的沟槽；及沿着器件的顶部和底部间隙(在图19中构成82和84的区)。一旦完成后，附加的层被加上去以提供覆盖芯的前面及后面的隔膜层(见图20)。
实例8:3D单基元制作8
1.梳状结构的制作
如实例4那样制作梳状结构。
2.负电极和负电极集电体制作
使用与实例1相似的过程制作负电极集电体。
负电极脊骨梳被用作将石墨颗粒电泳沉积在梳表面之上，其使用非水电泳沉积浆料。沉积浆料由分散于丙酮中的石墨颗粒(中间相炭微球，按重量95％)和炭黑(按重量5％)组成，其中25ppm的碘作为充电剂。用铂对电极在100V进行电泳沉积180s以沉积60微米的平均膜厚。
继续进行下一步之前，通过机械研磨除去在负电极梳前面和后面的任何过剩负电极。
3.隔膜的制作
如下所示，制备氧化铝颗粒用的电泳沉积浆料。3wt％的亚微米氧化铝颗粒被加在于97wt％的乙醇的等价中并搅拌2小时。0.05wt％的聚乙烯醇缩丁醛(由氧化铝和乙醇的总重量计算)被加入以上浆料。盐酸被用于将溶液的pH调节到1.5。生成的混合物通宵搅拌。
其后，梳状结构组件被浸入此电泳沉积镀液，且电场被施加在负电极梳和正电极梳之间。对于电泳沉积过程，镀Au的正电极集电体梳用作对电极。用于隔膜的沉积的工作电极为有在顶部的负电极的电极梳。沉积电流被保持恒定在2mA/cm2的集电体区；且电流被接通1800秒的时间。这结果是40微米的氧化铝的厚层及聚乙烯醇缩丁醛在电泳沉积的负电极的周围。
4.正电极集电体制作
用与实例1相似的过程制作正电极集电体。
5.正电极制作
其后，芯用以下组成的锂离子正电极材料的浆料所涂覆：锂钴氧化物80g；石墨5g、炭黑5g和PVDF10g；全部在N甲基吡咯烷酮中混合且丙酮作快干溶剂，其体积比为1：2。浆料被干燥且溶剂被蒸发以留下导电的正电极材料。为了暴露在样本的前和后面上的隔膜材料，然后此材料对于梳表面进行研磨。
实例9:3D电池制作1
1.单芯制备
在实例1-8中被用以处理芯的接触垫被使用切割锯通过切割而除去，然而保持负电极和正电极汇流线连接的完整。任何覆盖芯的边缘和悬伸出汇流线的线的隔膜材料被清除以除去并暴露集电体材料，Cu为负电极的情形且Au为正电极的情形。
2.接头延伸部连接
集电体暴露后接着，接头延伸部被连接到负电极汇流线和正电极汇流线之上。使用市场上可买到的炭胶泥(DAG-T-502)，将金汇流线连接到铝接头。碳薄层被涂覆在接头延伸部上，且被胶合到金汇流线的侧面。使用相同的市场上可买到的炭胶泥，镍接头延伸部被胶合到铜集电体汇流线。胶泥在120C被烘烤1hr以硬化。接头延伸部还包括从封装出来的接头。此接头延伸部被弯折并使其水平扁平并为封装做好准备。
3.电池封装和电解质填充
有两个接头延伸部的芯被插入到市场上可买到的电池袋封装材料中。袋材料通过接头在接头侧面被密封。其他三侧面中的一侧面留下开口以为电解质填充提供端口。施加真空，且当在手套箱中时，包含1:1:3的比率的碳酸丙烯酯、碳酸乙烯酯和碳酸甲乙酯以及六氟磷酸锂盐(1M)的常规的电解质被加入基元中。为了防止水分和氧进入到袋里，并导致电池寿命减少，当芯在手套箱内部时，袋最后的侧面然后也被密封。然后使用市场上可买到的电池循环器将电池充放电。
实例10:3D叠层电池制作1
1.单芯制备:
与实例5相同，进行单芯制备过程；除了分别地在三个不同的芯上。在芯的每一个上的接触垫被除去，与实例9相似。芯其后一个在另一个的顶部被层叠以使电极对准。
2.接头延伸部连接:
在集电体暴露后随后地，接头延伸部被连接到负电极汇流线和正电极汇流线之上。使用市场上可买到的炭胶泥(DAG-T-502)，金汇流线线被连接到铝接头。碳薄层被涂覆在接头延伸部并胶合到金汇流线侧面。使用相同的市场上可买到的炭胶泥，镍接头延伸部被胶合到铜集电体汇流线。胶泥在120C被烘烤1hr以硬化。接头延伸部还包括要从封装出来的接头。此接头延伸部被弯折并使其水平扁平，且为封装做好准备。
3.电池封装和电解质填充:
进行电池封装和电解质填充，如同在实例9中。
实例11:3D铺设电池制作1
1.单芯制备:
和实例5相同，进行单芯制备过程；除了分别地在两个不同的芯上。
2.接头延伸部连接:
接头延伸部用导电胶连接，与实例9相似。然而，芯通过正电极汇流线连接而被铺设，该正电极汇流线连接彼此邻接且通过在其间的单接头延伸部而连接。
3.电池封装和电解质填充:
进行电池封装和电解质填充，如同在实例9中。
鉴于以上所述，可以看出本发明的几个目标已达到且获得了其他有利的结果。
当介绍本发明的元素或其优选实施例时，冠词“一”、“一个”、“该”和“所述”旨在表示存在一个或者多个要素。用语“包含”、“包括”和“具有”旨在包括性的并表示可以存在除所列要素之外的另外的要素。
由于在上述制品、组合和方法中在不脱离本发明的范围下可进行很多变化，其将被理解所有包含于上述说明和附图中示出的所有内容旨在示例说明、非为限制意义上的。
Claims (56)
1.一种电极结构，包含：含有电极活性材料层的电极组和含有对电极活性材料层的对电极组，其中，
所述电极组与所述对电极组被以交替序列沿第一方向布置，
所述电极组的每个构件有底部、顶部、长度LE、宽度WE、高度HE和纵轴AE，所述纵轴AE由每个这样的构件的所述底部向所述顶部延伸且在横切所述第一方向的方向上，所述电极组的每个构件的所述长度LE在其纵轴AE的所述方向上被测量，所述电极组的每个构件的所述宽度WE在所述第一方向上被测量，且所述电极组的每个构件的所述高度HE在垂直于每个这样的构件的所述纵轴AE和所述第一方向的方向上被测量，所述电极组的每个构件的LE对WE和HE中每一个的比率分别至少为5:1，对于所述电极组的每个构件，HE对WE的比率分别在0.4:1和1000:1之间，
所述电极组的每个构件的所述纵轴AE被电绝缘隔膜层所围绕，以及
在所述电极组和对电极组的构件之间，所述电绝缘隔膜层包含空隙分数至少为20vol.％的微多孔隔膜材料。
2.根据权利要求1所述的电极结构，其中在所述电极组的构件和所述对电极组的构件之间，所述微多孔隔膜材料构成所述电绝缘隔膜材料层的至少70vol％。
3.根据权利要求1所述的电极结构，其中在所述电极组的构件和所述对电极组的构件之间，所述微多孔隔膜材料构成所述电绝缘隔膜材料层的至少80vol％。
4.根据权利要求1所述的电极结构，其中在所述电极组的构件和所述对电极组的构件之间，所述微多孔隔膜材料构成所述电绝缘隔膜材料层的至少90vol％。
5.根据权利要求1所述的电极结构，其中在所述电极组的构件和所述对电极组的构件之间，所述微多孔隔膜材料构成所述电绝缘隔膜材料层的至少95vol％。
6.根据权利要求1至5中任何一项所述的电极结构，其中所述微多孔隔膜材料围绕电极组的每个构件的所述纵轴AE。
7.根据权利要求1至5中任何一项所述的电极结构，其中所述微多孔隔膜材料围绕电极组的每个构件的所述纵轴AE用于所述电极组的每个构件的所述长度LE的至少70％。
8.根据权利要求1至5中任何一项所述的电极结构，其中所述微多孔隔膜材料围绕电极组的每个构件的所述纵轴AE用于所述电极组的每个构件的所述长度LE的至少80％。
9.根据权利要求1至5中任何一项所述的电极结构，其中所述微多孔隔膜材料围绕电极组的每个构件的所述纵轴AE用于所述电极组的每个构件的所述长度LE的至少90％。
10.根据权利要求1至5中任何一项所述的电极结构，其中所述微多孔隔膜材料围绕电极组的每个构件的所述纵轴AE用于所述电极组的每个构件的所述长度LE的至少95％。
11.根据权利要求1至5中任何一项所述的电极结构，其中所述微多孔隔膜材料围绕电极组的每个构件的所述纵轴AE用于所述电极组的每个构件的所述长度LE的全长。
12.根据权利要求1至11中任何一项所述的电极结构，其中所述微多孔隔膜材料围绕电极组的每个构件的所述纵轴AE和所述电极组的每个构件的所述顶部。
13.根据权利要求1至12中任何一项所述的电极结构，其中所述电绝缘材料层包含所述微多孔隔膜材料和第二电绝缘材料。
14.根据权利要求1至5中任何一项所述的电极结构，其中所述电极组的每个构件的所述顶部被所述电绝缘隔膜层所覆盖，且所述电绝缘隔膜层包含微多孔隔膜材料，所述微多孔隔膜材料构成在所述电极组的构件和所述对电极组的构件之间的所述电绝缘孔隔膜材料层的至少70vol％。
15.根据前述权利要求的任一项所述的电极结构，其中所述电极组有N个构件，所述对电极组有个N+1个构件，且N至少为5。
16.根据前述权利要求的任一项所述的电极结构，其中所述对电极组有N个构件，所述电极组有N+1个构件，且N至少为5。
17.根据前述权利要求的任一项所述的电极结构，其中所述电极组和对电极组中的每一个包含至少50个构件。
18.根据前述权利要求的任一项所述的电极结构，其中LE的值在约10mm至约250mm的范围内。
19.根据前述权利要求的任一项所述的电极结构，其中WE的值在约0.01mm至2.5mm的范围内。
20.根据前述权利要求的任一项所述的电极结构，其中HE的值在约0.05mm至约10mm的范围内。
21.根据前述权利要求的任一项所述的电极结构，其中对于所述电极组的每个构件，LE对WE和HE的每一个的比率分别至少为10:1。
22.根据前述权利要求的任一项所述的电极结构，其中所述电极组的每个构件的横截面具有周长PE，且对于所述电极组的每个构件，LE对PE的比率分别至少为1.25:1。
23.根据前述权利要求的任一项所述的电极结构，其中所述对电极组的每个构件包含底部、顶部、长度LCE、宽度WCE、高度HCE和纵轴ACE，所述纵轴ACE由每个这样的构件的所述底部向所述顶部延伸且在横切所述第一方向的方向上，所述电极组的每个构件的所述长度LCE在其纵轴ACE的方向上被测量，所述电极组的每个构件的所述宽度WCE在所述第一方向上被测量，且所述电极组的每个构件的所述高度HCE在垂直于每个这样的构件的所述纵轴ACE和所述第一方向的方向上被测量，所述电极组的每个构件的LCE对WCE和HCE中每一个的比率分别至少为5:1，对于所述电极组的每个构件，HCE对WCE的比率分别在0.4:1和1000:1之间。
24.根据前述权利要求的任一项所述的电极结构，其中LCE的值在约10mm和约250mm的范围内。
25.根据前述权利要求的任一项所述的电极结构，其中WCE的值在约0.01mm和2.5mm的范围内。
26.根据前述权利要求的任一项所述的电极结构，其中HCE的值在约0.05mm至约10mm的范围内。
27.根据前述权利要求的任一项所述的电极结构，其中对于所述电极组的每个构件，LCE对WCE和HCE中每一个的比率分别至少为10:1。
28.根据前述权利要求的任一项所述的电极结构，其中所述对电极组的每个构件的横截面具有周长PCE，且对于所述对电极组的每个构件，LCE对PCE的比率分别至少为1.25:1。
29.根据前述权利要求的任一项所述的电极结构，其中所述电极组的每个构件进一步包含电极脊骨。
30.根据前述权利要求的任一项所述的电极结构，其中所述电极组的每个构件进一步包含电极脊骨，其中所述电极组的每个构件的所述电极脊骨的电导率小于10西门子/cm。
31.根据权利要求29和30的每一项所述的电极结构，其中对于所述电极组的每个构件，所述电极集电体层在所述电极活性材料和所述电极脊骨之间，且所述电极活性材料在所述微多孔隔膜和所述电极集电体层之间。
32.根据权利要求29和30的每一项所述的电极结构，其中对于所述电极组的每个构件，所述电极集电体层包含离子透过的导体材料并位于所述电极活性材料和所述微多孔隔膜之间，且所述电极活性材料在所述电极集电体层和所述电极脊骨之间。
33.根据权利要求32所述的电极结构，其中对于所述电极组的每个构件，所述电极集电体层具有电导和对于载流离子的离子电导，且当有施加的电流以在所述电极结构中储存能量或施加的负载以放电所述电极结构时，所述电极集电体层的所述电导对所述电极集电体层对于载流离子的所述离子电导的比率分别至少为1000:1。
34.根据前述权利要求的任一项所述的电极结构，其中所述电极集电体层和所述电极活性材料层具有电导，且对于所述电极组的每个构件，所述电极集电体层的所述电导对所述电极活性材料层的所述电导的比率分别至少为100:1。
35.根据前述权利要求的任一项所述的电极结构，其中所述电极组的每个构件进一步包含补充电极集电体层，所述补充电极集电体层的长度为包含于每个这样的构件的所述电极集电体层的所述长度LE-C的至少60％，且述补充电极集电体层的电导至少为包含于每个这样的构件的所述电极集电体层的所述电导的200％。
36.根据前述权利要求的任一项所述的电极结构，其中所述对电极组的每个构件进一步包含电极脊骨。
37.根据权利要求36所述的电极结构，其中所述对电极组的的每个构件的所述脊骨的电导率小于10西门子/cm。
38.根据权利要求36和37的每一项所述的电极结构，其中对于所述对电极组的每个构件，所述对电极集电体层在所述对电极活性材料和所述对电极脊骨之间，且所述电极活性材料在所述微多孔隔膜和所述对电极集电体层之间。
39.根据权利要求36和37的每一项所述的电极结构，其中对于所述对电极组的的每个构件，所述对电极集电体层包含离子透过的导体材料并位于所述对电极活性材料和所述微多孔隔膜之间，且所述对电极活性材料在所述对电极集电体层和所述对电极脊骨之间。
40.根据权利要求39所述的电极结构，其中对于所述对电极组的每个构件，所述对电极集电体层具有电导和对于载流离子的离子电导，且当有施加的电流以在所述电极结构中储存能量或施加的负载以放电所述电极结构时，所述对电极集电体层的所述电导对所述对电极集电体层对于载流离子的所述离子电导的比率分别至少为1000:1。
41.根据前述权利要求的任一项所述的电极结构，其中所述对电极集电体层和所述对电极活性材料层有电导，且对于所述对电极组的每个构件，所述对电极集电体层的所述电导对所述对电极活性材料层的所述电导的比率分别至少为100:1。
42.根据前述权利要求的任一项所述的电极结构，其中所述对电极组的每个构件进一步包含补充对电极集电体层，所述补充对电极集电体层的长度为包含于每个这样的构件的所述对电极集电体层的所述长度LE-C的至少60％，且所述补充对电极集电体层的电导至少为包含于每个这样的构件的所述对电极集电体层的所述电导的200％。
43.根据前述权利要求的任一项所述的电极结构电极，其中所述电极结构进一步包含具有表面的电极衬底，所述电极组的每个构件被直接附着到该电极衬底表面。
44.根据权利要求1-43的每一项所述的电极结构，其中所述电极结构进一步包含具有表面的电极衬底以及具有表面的对电极衬底，所述电极组的每个构件被直接附着到该电极衬底表面，所述对电极组的每个构件被附着到该对电极衬底表面，所述电极衬底表面和所述对电极衬底表面为大体上平行于所述第一方向的相对的表面。
45.根据前述权利要求的任一项所述的电极结构，其中所述电极组为负电极组，所述对电极组为正电极组，所述电极活性材料层为负电极活性材料层，且所述电极电流导体层为负电极电流导体层。
46.根据权利要求45所述的电极结构，其中所述负电极活性材料层包含碳、铝、锡、硅或其合金。
47.根据权利要求45所述的电极结构，其中所述负电极活性材料层包含硅或其合金。
48.根据权利要求45所述的电极结构，其中所述负电极活性材料层包含硅或其合金、或者多孔硅或其合金的纳米线。
49.根据权利要求1-44所述的电极结构，其中所述电极组为正电极组。
50.根据权利要求1所述的电极结构，其中所述电极组为负电极组，所述对电极组为正电极组，所述负电极组的每个构件包含负电极活性材料层和负电极电流导体层，所述负电极组的每个构件有底部、顶部、长度LNE、宽度WNE和高度HNE，所述长度LNE由每个这样的负电极的所述底部到所示顶部来测量，所述宽度WNE和所述高度HNE在互相垂直且垂直于所述长度LNE测量的所述方向的方向上被测量，LNE对WNE和HNE中每一个的比率分别至少为5:1，HNE对WNE的比率在0.4:1和1000:1之间，所述组的每个构件的所述负电极集电体层的长度LNC在与LNE相同的方向上被测量且至少为LNE的50％。
51.根据权利要求1所述的电极结构，其中所述电极组为正电极组，所述对电极组为负电极组，所述正电极组的每个构件包含正电极活性材料层和正电极电流导体层，所述正电极组的每个构件有底部、顶部、长度LPE、宽度WPE和高度HPE，所述长度LPE由每个这样的正电极的所述底部到所述顶部来测量，所述宽度WPE和所述高度HPE在互相垂直且垂直于所述长度LPE测量的所述方向的方向上被测量，LPE对WPE和HPE中每一个的比率分别至少为5:1，HPE对WPE的比率分别在0.4:1和1000:1之间，所述正组的每个构件的所述正电极集电体层的长度LPC在与LPE相同的方向上被测量且至少为LPE的50％。
52.根据前述权利要求的任一项所述的电极结构，其中所述微多孔隔膜材料层包含颗粒材料和粘结剂。
53.一种电极叠层，所述叠层包含至少两种电极结构，所述电极结构的每一种包含根据前述权利要求的任何一项所述的电极结构。
54.根据权利要求53所述的电极叠层，其中凭借包含于在所述电极叠层中的第一电极结构的所述正和负电极组处于与包含于在所述电极叠层中的第二电极结构的所述正和负电极组不同的平面中，所述电极结构被垂直层叠。
55.根据权利要求53所述的电极叠层，其中凭借包含于在所述电极叠层中的第一电极结构的所述正和负电极组大体上处于与包含于在所述电极叠层中的第二电极结构的所述正和负电极组相同的平面中，所述电极结构被水平布置。
56.一种二次电池，包含电池外壳、非水电解质和根据权利要求1-52的任何一项所述的电极结构或根据权利要求53-55的任何一项所述的电极叠层。
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