JP2020520540A - 電解質材料、電池アセンブリ、およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
本出願は、2017年5月15日に出願された米国仮出願第62/506,332号の利益を主張する。この出願は全体が参照により本明細書に組み込まれている。
図1、2、3、および4に示すように、電池を製造する方法S100は:ブロックS120において、電解質材料100であって、第1体積の溶媒に混和するモノマーと、このモノマー110に半混和性であり第1体積の溶媒に混和するポリマーと、光開始剤130とを含む電解質材料100を基板210上に被覆させるステップと;ブロックS122において、電解質材料100を電磁放射に曝露させて、モノマー110を架橋して、電解質構造102から相分離したポリマー120を有する電解質構造102を形成する反応性サブスピーシーに光開始剤130を解離させるステップと;ブロックS130において、第2体積の溶媒で電解質構造102からポリマー120を分離して、電解質構造102内にオープンセル細孔ネットワークを形成するステップと;ブロックS142において、電解質構造102を第3体積の溶媒とイオンに曝露させて、オープンセル細孔ネットワークを溶媒和イオンで満たすステップと;を具える。
図1、図7、図8A、および図8Bに示すように、方法S100は、第1の形態において、溶媒に混和性の第1割合のモノマー110と;モノマー110に半混和性であり、溶媒に混和性の第2割合のポリマー120と;電磁放射線への曝露に反応して反応性サブスピーシーに分離するように構成された光開始剤130と;を含む電解質材料100を用いて実行することができる。第2の形態においては、電解質材料100は:反応性サブスピーシーで架橋され、溶媒と混和しない電解質構造102を形成する第1割合のモノマー110と;溶媒に混和性であり、電解質構造102中の架橋モノマーから相分離した第2割合のポリマー120と;を含む。
図1、2、3、および4に示すように、方法S100を実行して、アノードと;アノードの第1面上に配置された電解質であって、光開始剤130で架橋されて電解質構造102を形成するモノマーと、モノマー110から相分離して電解質構造102全体にオープンセル細孔ネットワークを形成するポリマーを含み、オープンセル細孔ネットワークを占める溶媒和リチウムイオンで湿潤させた電解質と;アノードの反対側の電解質上に配置され、活性リチウム貯蔵材料と、モノマー中のオープンセル細孔の寸法上界に近い寸法下界を示す導電性粒子と、リチウム塩と、バインダーと、電解質中の連続オープンセル細孔ネットワークを介して、カソードとアノードの間でリチウムイオンを輸送するように構成された溶媒とを含むカソードと;を具える電池アセンブリ200を作成することができる。
方法S100を実行して、アノードとカソード間に比較的密度の高い連続した空隙(または「オープンセル細孔」または「チャネル」)を示し、アノードとカソード間を流れる高導電性イオンを示す電解質104を含む二次元(「2D」)または三次元(「3D」)電池であって、図5B、5C、および11に示すようにこれらのチャネルが溶媒和イオンで満たされている電池を製造することができる。特に、方法S100を実行して、剛性のある多孔質電解質を含むバッテリーであって、高電気抵抗を示し;分布が制御された断面開口領域を有するとともに、アノードとカソード間の溶媒和イオン(例えば、リチウムイオン)の輸送に対して低い抵抗を示すが、電解質を介してカソード中のその他の粒子のアノードへの移行、またはその逆を防ぐ、高密度の細孔ネットワークを規定する;剛性のある多孔質電解質を含むバッテリーを製造できる。2Dまたは3Dバッテリーに組み込むと、この電解質は:バッテリー内のイオンの流れに対して低い内部抵抗を示し、それによってバッテリーの電力密度が高くなり;一方で高い内部電気抵抗を示し、自己放電率を低減するとともにバッテリーの電荷保持を向上させることができる。
上述のように、電解質材料100は、電磁放射線に曝露されると光開始剤130により生成される反応性サブスピーシーの存在下で架橋(例えば、重合)するモノマーを含む。したがって、モノマー110は、電解質材料100内ではネイティブな非架橋形態(以下、モノマー)で存在し、電解質構造102内では架橋形態(以下、「架橋モノマー」という)で存在できる。天然の非架橋形態のモノマー110と架橋形態のモノマー110(すなわち「ポリマー」)は両方共、以下において「モノマー110」という。
2Dまたは3Dの単一セルまたはマルチセル電池アセンブリ200の製造中に方法S100を実行して、硬質電解質を製造することができる。例えば、バルクマイクロマシニングおよびフォトリソグラフィプロセスを実装して:ブロックS110でシリコンウェーハ上にアノードを作成し;ブロックS120、S122、およびS130において、アノード上に電解質材料100を被覆し処理して、硬質多孔質電解質構造102を形成し;ブロックS140およびS142において、この電解質上にカソードを形成して、バッテリーアセンブリ200を製造することができる。次いで、ダイスとパッケージにウェハ処理手順を実装して、バッテリーアセンブリ200を、数の個別セル、単一セルまたはマルチセルの2Dまたは3Dバッテリーユニット202にダイシングおよびパッケージ化することができる。この例では、方法S100にしたがって既存のバルクマイクロマシニングおよびフォトリソグラフィ技術を実施して、1枚のシリコンウェハを、多数の(例えば、数百の)個別の密閉された単一セル電池を含むバッテリーアセンブリ200に変換し;次いで図2および3に示すように、これらの単一セル電池を既存のウェーハ処理技術を用いて電池アセンブリ200から分離して、数多くの電池ユニット202を形成することができる。
図1、2、3、および4に示す方法S100の一変形例は、アノードの製造について記載したブロックS110を具える。一般的に、この変形例では、電解質材料100は、2Dまたは3Dアノードを規定する基板210の上に直接被覆されている。
図7に示す第1の形態(例えば、「非架橋状態」)では、電解質材料100は:第1の溶媒140と;第1の溶媒140に混和性のモノマーと;第1の溶媒140に混和性であり、モノマー110に半混和性のポリマーと;電磁放射線に曝露すると反応性サブスピーシーに解離して、モノマー110を架橋させる光開始剤130と;を具える。この第1の形態では、電解質材料100は、以下に説明するように、電池アセンブリ200の製造中に電解質材料100が基板210上を流れる(例えば、スピンコート、またはドクターブレードによりセルを充填し、3Dアノードのポストの周りを流れる)のに十分に低い粘度を示す。第1の形態では、モノマー110とポリマー120を第1の溶媒140(例えば、50重量%の第1の溶媒140)に混合して、光開始剤130を活性化するスペクトル内の電磁放射に対して実質的に透明な均質混合物を形成することもできる。
図7に示す一実施形態では:モノマー110は、高分子エポキシ樹脂(例えば、SU−8)を含み;光開始剤130は、(例えば、トリアリリウム−スルホニウム塩のファミリーからの)光酸発生剤を含む。電解質材料100の第1の形態では、モノマー110および光開始剤130を第1の溶媒140と組み合わせて、十分に低い粘度を示し電解質材料100を表面全体にスピンコートまたはドクターブレードできるようにした均質な混合物を形成することもできる。例えば、第1の溶媒140はシクロペンタノンまたはγ−ブチロラクトンを含んでいてもよく、電解質材料100は、基板上に被覆したときに約50質量%のシクロペンタノンを含み、ソフトベークを行って電磁放射に選択的に曝露する前は10%未満のシクロペンタノンを含む。
一般に、ポリマー120は:電解質材料100の第1の形態では、第1の溶媒140、モノマー、および光開始剤130と混合して均質な混合物を形成し;電解質材料100の第2の形態では、図1、5Aおよび5Bに示すように、活性化光開始剤130の存在下でモノマー110が架橋すると、モノマー110全体にほぼ均一に分散したままでモノマー110から相分離するよう、機能する。特に、第2の形態では、ポリマー120は、架橋モノマーによって形成された電解質構造102全体にわたって実質的に均一な空隙ネットワークを形成することができる。
ポリマー120は、第1の溶媒140(例えば、シクロペンタノン、ガンマブチロラクトン)に混和性であり:第1の形態では電解質材料100の第1の溶媒140中に均質な混合物を形成し;第2の形態では電解質材料100の第2の溶媒150によって電解質構造102から溶出される。
ポリマー120およびモノマー110は溶媒と混合して、光開始剤130による波長以外の活性化波長で最小の光散乱および最小の電磁放射吸収を示す混合物を形成し、電解質材料100を比較的大きな深さまたは膜厚(例えば、500ミクロン以上)にして、電解質材料を高い体積選択性で光パターン化することができる。特に、ポリマー、モノマー、および第1の溶媒140は、光開始剤130の活性化波長では電磁放射に対して光学的にほぼ透明(例えば、95%以上の光透過性)である。例えば、電解質材料100による光開始剤130の活性化波長での電磁放射の吸収および散乱を制限するために、ポリマー120はモノマーから相分離して、平均して、光開始剤130の活性化波長よりも小さいサイズのポリマードメインを生成することができる。ポリマー120とモノマー110は、活性化波長で同様の屈折率を示すことで、電解質材料100による活性化波長での電磁放射の光散乱を制限することもできる。
ポリマー120は、電解質材料100中でモノマー分子を架橋(例えば、重合)する反応に関与せず(すなわち、「不活性」)、さもなければ活性化した光開始剤130の存在下でモノマー110が架橋する際に、電解質材料100内の空間を占める。また、ポリマー120は、活性化した光開始剤130によって110モノマー110を架橋した後は、第1及び第2の溶媒150、140において混和性のままである。特に、ポリマーは:モノマーの架橋にほんのわずかに影響するかまたは全く影響せず; 光開始剤130、反応性サブスピーシー、またはモノマーの存在下ではそれ自体が架橋またはさらなる架橋を行わず、第2の溶媒150によってポリマー120が電解質構造102から溶出して、電解質の厚さ全体にわたってオープンセル細孔ネットワークを提供することができる。
ポリマー120のサイズは、モノマー110中に、ポリマー分子が溶媒和イオンの平均断面寸法よりわずかに大きい(例えば、50%から1000%)相分離ドメインを形成するように選択することができる。このようにしてブロックS130でポリマー120が電解質構造102 から除去されると、電解質構造102にできたオープンセル細孔が:図5B、図5C、図6、および図10に示すように、この電解質を含む電池ユニット202の内部イオン伝導性を増加させる可能性がある、完全に溶媒和したイオンが電解質構造102の厚さを通過する(例えば、片側のアノードと反対側のカソードの間)のに十分であり;アノードおよびカソードからの導電性粒子が電解質を通って移動するのを防ぐのに十分に小さく、このバッテリーユニット202内部の電気的短絡を防ぐ;ようなジオメトリを規定することができる。
一般的に、電解質材料100中のポリマーの割合が大きいほど、電解質構造102内により大きな多孔率とより緻密なオープンセル細孔ネットワークが生じ、結果として生じる電解質を通るイオンの流れに対する抵抗を減らすことができる。しかしながら、電解質構造102の多孔度が大きいと、電解質構造102の機械的強度が低下し、機械的故障が生じる可能性が高くなる。例えば、電解質材料100をアノード上に被覆させて処理することができ、得られた電解質上にカソードを製造して、カソード集電体250をカソード材料230上に押し込んで、電解質に応力を誘発できる。したがって、電解質材料100は、得られた電解質構造102における最大の多孔率と少なくとも最小の強度をもたらす比率のポリマーを閾値までを含みうる。
図7、8A、8B、および9に示す例では、電解質材料100は:SU−8のモノマーなど約55重量%のモノマーと;PMMAなどの約40重量%のポリマーと;トリアリールスルホニウム/ヘキサフルオロアンチモネート塩などの約5重量%の光開始剤130を含む。第1の溶媒140はシクロペンタノンを含み、SU−8モノマー分子とPMMAポリマー分子は、両方共シクロペンタノンと混和性である。さらに、PMMAポリマーは、SU−8モノマーと化学的に類似しており、したがって、SU−8モノマーに半混和性である。
図1、2、3、および4に示すように、ブロックS110でアノードが形成されると、ブロックS120で電解質材料100がアノードの第1の側に被覆され、ブロックS122で選択的に電磁放射に曝露されて、モノマー110が、電解質構造102から相分離し、絡み合って、電解質構造102または架橋モノマー全体に分布した空隙ネットワークを規定するコロイド懸濁液を形成するポリマー120と架橋する。
電池アセンブリ200が3D電池を規定している上述の変形例では、各セルの底部、各ポストの側面および上面、およびアノードによって画定される各壁216の側面が、実質的に均一な厚さの電解質材料100でコーティングされている。一実施形態では、基板210を均一な厚さの電解質材料100でコーティングする準備として、ブロックS122は、各セル内のポスト214セット内の各ポスト位置であり、セル212セット内の各セルを取り囲む各壁216の位置に窓を画定するフォトマスクを作成するステップを具え、各窓は対応するポストまたは壁216から外側に向けて、電解質構造102のほぼ目標の厚さだけオフセットしている。特に、フォトマスクは、図1、3、および4に示すように、各ポストの指定された位置および各壁216の指定された位置に窓(または「開口」)を規定できる。
次いで、ブロックS120で、電解質材料100がアノードの第1の側面にわたって被覆され、それによって各セルを、アノードの第1の側面にわたってパターン化された壁216の上面の均一で平坦な表面オフセットまで電解質材料100で満たす。例えば、電解質材料100の過剰分をアノードの第1の側に分配し、次いでドクターブレードをアノードの第1の側部の上に均一な高さでアノードを通し、図1に示すように電解質材料100をアノードの上の均一な目標厚さまで切り落とすことができる。代替的に、電解質材料100をアノード上にスピンコーティングしてもよい。
電解質材料100を電磁放射に曝露する前に、ブロックS122において、電解質材料100および基板210をソフトベークすることができる。一実施形態では、電解質材料100がアノード上に被覆されると、ソフトベークサイクル中にアノードと電解質材料100が加熱されて、露出用の非架橋モノマーが調製される。
次に、ブロックS122において:セルセット212内の各セル内の対応するポストに整列させたフォトマスク内の窓を有する基板210上にフォトマスクを配置し;電解質材料100を、フォトマスクを通して電磁放射に露出させ、光開始剤130をセルセット212の各セルの垂直面の周りの反応性サブスピーシーに選択的に解離させる。
電解質材料100を電磁放射に曝露させた後、電解質材料100と基板210を、ブロックS122で焼成して、反応性サブスピーシーを含む局所体積の電解質材料100のモノマーを架橋することができる。一実施形態では、選択された体積の電解質材料100が電磁放射に曝露されると、図1に示すように、露光後のベークサイクル中にアノードと電解質材料100が加熱され、電解質材料100のこれらの曝露された体積中の、ポリマー120のネットワークの周りのモノマーがさらに架橋される。
次いで、ブロックS130では、ポリマー120がある量の溶媒で電解質構造102から溶出して、電解質構造102内にオープンセル細孔ネットワークを形成することができる。一般に、ブロックS130では、電解質構造102および架橋した電解質材料100を溶媒で洗浄またはすすぎ、電解質構造102からポリマー120を溶出させ、図1および2に示すように、電解質構造102から残りの電解質材料100(電磁放射に曝されていない)を溶出させることができる。
ブロックS142では、多孔質電解質構造102を溶媒およびイオンに曝露して、電解質構造102のオープンセル細孔ネットワークを溶媒和イオンで満たし、それによって電解質を完成させる。一般的に、ブロックS142では、図1および10に示すように、溶媒和イオンが電解質構造102に導入されてオープンセル細孔ネットワークを埋め、したがってこの電解質構造102がイオン搬送(例えば、リチウムイオン搬送)電解質として機能する。
図1、2、3、および4に示す方法S100の一変形例は、リチウム貯蔵材料を含むカソード材料230をアノードの反対側の電解質構造102上に被覆させるステップを記載したブロックS140を具える。この変形例では、ブロックS140は、上述したように、カソード材料230をある量の溶媒で濡らして、溶媒和リチウムイオンをカソード材料230から電解質構造102のオープンセル細孔ネットワークに引き込むステップを具えている。
図10に示す一変形例では、上述の活性リチウム貯蔵材料、導電性粒子、およびリチウム塩に加えて、カソード材料230は、第2体積のポリマーも含む。カソード材料230は、電解質構造102上への被覆時に、ある体積の第3の溶媒160と混合することができる。この体積の第3の溶媒160は、電解質構造102に吸い上げられ、ポリマー120を溶解させ、次いでポリマー120を電解質構造102からカソードに向かって引き出して、これによって電解質からカソードへのポリマー120の密度がなだらかに変化する。これにより、電解質構造102の細孔からポリマー120を除去しながら電池の性能を改善して、少ない数の生産ステップでカソードからの溶媒和イオンのスペースを作ることができる。
ブロックS140に続いて、電池アセンブリ200は、このように、電解質構造体102材料で被覆され、硬化したカソード材料で満たされたセルセット212を規定する基盤210を具えている。したがって、電流コレクタは、カソード上に取り付けて密封することができ、バッテリーアセンブリ200は、個々のセルまたはセルのグループにダイシングすることができ、図2および12に示すように、これらの個々のセルまたはセルのグループは、パッケージ化して複数の個別のバッテリーを形成できる。例えば、セルセット212は、SMTまたはスルーホールバッテリーに入れて、PCBに直接インストールすることができる。次いで、各SMTまたはスルーホールパッケージは、その他の回路部品とともに、はんだペーストでPCBに取り付けて、約225℃の温度でリフローオーブンに通してはんだペーストをリフローさせ、これによって、各回路構成部品とバッテリの両方を同時にPCBに固定し、1回のピックアンドプレースとリフローサイクルでPCBを完成させることができる。この実施例では、上述したとおり、第3の溶媒160は、高沸点(例えば、242℃)および低可燃性の炭酸プロピレンを含んでいてもよい。第3の溶媒160の沸点ははんだペーストのリフロー温度よりも高いため、溶媒はSMTまたはスルーホール電池内では液相のままであり、電池内の圧力を十分に低く保って断裂または破裂を防ぐことができる。第3の溶媒160の低い可燃性が、リフローオーブンを通過するときでも、SMTまたはスルーホールバッテリーの火災または爆発のリスクを下げることができる。
方法S100は、一般に、シリコンウェーハ上に3D電池を製造するという状況で順応性のある硬質電解質を製造するステップが記載されている。しかしながら、平面アノードに均一な厚さの電解質フィルムを作成し、電解質フィルム上に平面カソードを被覆または組み立てることによるなどして、2Dバッテリー内で適合性のある硬質電解質を生成する同様の方法と手法を実装することができる。同様に、これらの方法、技術、および材料を実装して、燃料電池を通る水素イオン伝導の改善を可能にする比較的大きな細孔の制御された密度と分布を定義する電解質膜を含む、2Dまたは3D水素燃料電池を製造できる。さらに、これらの方法、技術、および材料を実装して、ニッケル金属−水素化物バッテリーを通る水素イオン伝導を改善できる比較的大きな細孔の制御された密度と分布を定義する電解質膜を含む、2Dまたは3Dニッケル金属水素化物電池を製造できる。
Claims (20)
- 電解質の製造方法において:
基板上に電解質材料を被覆させるステップであって、前記電解質材料が、第1体積の溶媒に混和性のモノマー、当該モノマーに半混和性であり前記第1体積の溶媒に混和性のポリマー、および光開始剤を含む、ステップと:
前記電解質材料を電磁放射に曝露して、前記光開始剤を、前記モノマーを架橋して、前記電解質構造から相分離した前記ポリマーを有する電解質構造を形成する反応性サブスピーシーに解離させるステップと;
第2体積の溶媒で前記電解質構造から前記ポリマーを溶出させて、前記電解質構造内にオープンセル細孔ネットワークを形成するステップと;
前記電解質構造を第3体積の溶媒とイオンに曝露して、前記オープンセル細孔ネットワークを溶媒和イオンで満たすステップと;
を具えることを特徴とする方法。 - 請求項1に記載の方法において:
前記基板上に電解質材料を被覆させるステップが、アノードを含む基板上に前記電解質材料を被覆させるステップを具え;
前記方法がさらに、前記アノードに対向する前記電解質構造上にカソード材料を被覆させるステップを具え、当該カソード材料がリチウム貯蔵材料を含んでおり;
前記電解質構造を前記第3体積の溶媒とイオンに曝露するステップが、前記カソード材料を前記第3体積の溶媒で湿潤させ、溶媒和リチウムイオンを前記カソード材料から、前記電解質構造内のオープンセル細孔ネットワーク内に引き込むステップを具える;
ことを特徴とする方法。 - 請求項1に記載の方法において:
前記電解質材料を電磁放射に曝露するステップが、前記電解質材料を電磁放射に選択的に曝露して前記モノマーを架橋し、前記電解質構造から相分離して絡み合ったポリマーを有する電解質構造を形成し、前記モノマーの局所架橋を前記電解質材料全体にわたって阻害する懸濁液を形成するステップを具え;
前記電解質構造から前記ポリマーを溶出するステップが、前記電解質構造を前記第2体積の溶媒ですすぎ、前記懸濁液中のポリマーを前記電解質構造から溶出させて、前記電解構造内に、断面寸法における上側の結合によって特徴づけられる、前記オープンセル細孔ネットワークを提供するステップを具え;
ここで、前記電解質構造上に前記カソード材料を被覆するステップが、前記電解質構造上に、前記カソード材料を被覆させるステップを具え、当該カソード材料が:
第1割合のリチウム貯蔵材料と;
前記第1割合より小さい第2割合の導電性粒子であって、前記電解質構造内のオープンセル細孔の断面寸法の上界サイズより大きい下界サイズを示す、導電性粒子と;
を具える:
ことを特徴とする方法。 - 請求項1に記載の方法において:
当該方法がさらに、前記基板をエッチングしてセルセットを形成するステップであって、当該セルセット内の各セルが、連続壁に囲まれたベースと、ベースに垂直に延びるポストのセットとを具える、ステップを具え、
前記基板上に前記電解質材料を被覆させるステップが、前記電解質材料を、前記セルセット内および前記セルセット内の各セル内の各ポストの周りに被覆させるステップを具え;
前記電解質材料を電磁放射に曝露するステップが、薄い体積の前記電解質材料を、前記連続壁の垂直面および前記セルのセット内の各セルのポストセットの近傍で、電磁放射に選択的に曝露して、前記モノマーを、前記セルのセット内の各セルの連続壁とポストのセットの周りに適合する電解質構造内へ選択的に架橋させて、前記ポリマーを前記電解質構造から相分離させるステップを具え;
前記第2体積の溶媒で前記電解質構造からポリマーを溶出するステップが、前記電解質構造を前記第2体積の溶媒ですすぎ、前記電解質構造の周りから未架橋モノマーを除去し、前記電解質構造からポリマーを溶出するステップを具える;
ことを特徴とする方法。 - 請求項4に記載の方法において、前記電解質材料を電磁放射に曝露するステップが:
前記セルセット内の各セル内のポストセット内の各ポストの位置にウィンドウを規定するフォトマスクを作成するステップであって、各ウィンドウが、ほぼ目標厚さの前記電解質構造だけ、対応するポストから外側にオフセットさせるステップと;
前記セルセット内の各セルを前記電解質材料で満たす、ステップと;。
セルのセット内の各セルの対応するポストに整列した前記第2のフォトマスク内の窓がある基板上に前記フォトマスクを配置する、ステップと;
前記フォトマスクを介して前記電解質材料を電磁放射に曝露して、前記光開始剤を、前記セルのセット内の各セルの垂直面の周囲の反応性サブスピーシーに選択的に解離するステップと;
を具えることを特徴とする方法。 - 請求項1に記載の方法において:
前記基板上に前記電解質材料を被覆させるステップが、前記第1体積の溶媒に溶解させた第1割合のモノマーと第2割合のポリマーを含む電解質材料を被覆させるステップを具え;
前記電解質構造体から前記ポリマーを溶出するステップが、前記電解質構造体を前記第2体積の溶媒ですすいで、前記電解質構造内にほぼ第2割合のオープンセル体積を提供するステップを具える;
ことを特徴とする方法。 - 請求項6に記載の方法において:
前記基板上に前記電解質材料を被覆するステップが:
55体積%から65体積%エポキシベースのネガ型フォトレジストを含むモノマーを含み;
有機化合物の合成ポリマーを含むポリマーを35体積%か45体積%含み;
有機環状ケトン溶媒を含む前記第1体積の溶媒に溶かした;
電解質材料を被覆するステップを具え、
前記電解質構造からポリマーを溶出させるステップが、前記電解質構造を有機環状ケトン溶媒ですすぎ、前記電解質構造からポリマーを溶出させるステップを具える、
ことを特徴とする方法。 - 請求項1に記載の方法において:
前記基板上に前記電解質材料を被覆させるステップが、前記基板上に前記電解質材料をドクターブレードするステップを具え;
前記方法がさらに:
前記電解質材料を電磁放射に曝露する前に、前記電解質材料と前記基板とをソフトベークするステップと;
前記電解質材料を電磁放射に曝露した後に、前記電解質材料と前記基板を焼き付けて、電磁放射への選択的な曝露に反応した前記光開始剤を含む、局所体積中の前記電解質材料のモノマーを架橋するステップと;を具え、
前記第2体積の溶媒でポリマーを電解質構造から溶出させるステップが、前記第2体積の溶媒で前記電解質構造をすすぎ、当該電解質構造からポリマーを溶出し、前記電解質構造からの電磁放射に曝露されない電解質材料を溶出するステップと;
を具えることを特徴とする請求項1に記載の方法。 - 請求項1に記載の方法がさらに、前記電解質材料を電磁放射に曝露する前に:
前記電解液と基板を第1の温度に加熱するステップと;
前記電解質と基板を、前記第1の温度で第1の時間、浸漬して、前記モノマーと前記ポリマーのクラスターから非リンクポリマーネットワークへの前記ポリマーの相分離を促進するステップと;
前記電解質材料と基板を冷却して、前記モノマー内の未結合ポリマーネットワークを凍結するステップと;
を具えることを特徴とする方法。 - 電解質の製造方法において:
アノードを作製するステップと;
アノード上に電解質材料を被覆させるステップであって、前記電解質材料が、第1体積の溶媒に混和性であるモノマーと、当該モノマーに半混和性で前記第1体積の溶媒に混和性のポリマーと、光開始剤を含む、ステップと;
前記電解質材料を電磁放射に曝露して、前記光開始剤を、前記モノマーを架橋して前記アノード上に前記電解質構造から相分離させたポリマーを有する電解質構造を形成する反応性サブスピーシーに解離させるステップと;
第2体積の溶媒で前記電解質構造からポリマーを溶解させて、前記電解質構造内にオープンセル細孔ネットワークを提供するステップと;
前記アノードと反対側の電解質構造上にカソード材料を被覆させるステップであって、当該カソード材料がリチウム貯蔵材料を含む、ステップと;
第3体積の溶媒で前記カソード材料を湿潤させ、当該カソード材料から溶媒和リチウムイオンを前記電解質構造内のオープンセル細孔ネットワークに引き込むステップと;
を具えることを特徴とする方法。 - 請求項10に記載の方法において:
前記電解質材料を電磁放射に曝露させるステップが、前記電解質材料を電磁放射に選択的に曝露させてモノマーを架橋し、前記電解質構造から相分離し、絡み合わせたポリマーを有する電解質材料を形成して、前記電解質構造全体に分布するオープンセル細孔ネットワークを規定するコロイド懸濁液を形成するステップと;
前記電解質構造からポリマーを溶出させるステップが、前記電解質構造を第2体積の溶媒ですすいで、コロイド懸濁液中のポリマーを前記電解質構造から溶出させ、前記電解質構造中に断面において上側が結合することによって特徴づけられる、オープンセル細孔ネットワークを提供するステップと;
前記電解質構造上にカソード材料を被覆するステップが、前記電解質構造上に:
第1割合のリチウム貯蔵材料と;
前記第1割合よりも小さい第2割合で、前記電解質構造内の連続オープンセル細孔の断面寸法の上界に近い下界サイズを示す導電性粒子と;
を含むカソード材料を被覆するステップと;
を具えることを特徴とする方法。 - 請求項10に記載の方法において:
前記電解質構造上にカソード材料を被覆するステップが、前記電解質構造上に、リチウム貯蔵材料、導電性粒子、および第4体積の溶媒に混合されたバインダーを含むカソード材料を被覆するステップを具え;
前記方法がさらに、前記カソード材料を乾燥させて、前記電解質構造上に多孔質カソードを形成するステップを具え;
前記カソード材料を第3体積の溶媒で湿潤させるステップが、前記第3体積の溶媒を前記多孔質カソード上に分配して多孔質カソードを湿潤させ、前記溶媒和リチウムイオンを前記多孔質カソードから前記電解質構造中の連続オープンセル気泡ネットワーク内に引き込むステップを具える;
ことを特徴とする方法。 - 請求項10に記載の方法において:
前記アノードを製造するステップが、基板をエッチングしてセルセットを形成するステップであって、当該セルセット内の各セルが、連続壁に囲まれたベースと、当該ベースに垂直に延在するポストセットとを具える、ステップと;
前記アノード上に前記電解質材料を被覆させるステップが、前記電解質材料を前記セルセット内へ、および前記セルセット内の各セルの各ポストの周りに被覆させるステップを具え;
前記電解質材料を電磁放射に曝露させるステップが、前記連続壁の垂直面と前記セルセット内の各セルのポストセットとの近傍の、薄い体積の前記電解質材料を電磁放射に曝露させて、前記連続壁の周りおよび前記セルセット内の各セルのポストセットの周りに適合する電解質構造内に、前記モノマーを選択的に架橋させ、前記ポリマーを電解質構造から相分離する、ステップと;
前記第2体積の溶媒で前記電解質構造からポリマーを溶出させるステップが、前記電解質構造を前記第2体積の溶媒ですすぎ、前記電解質構造の周りから未架橋モノマーを除去し、前記電解質構造から前記ポリマーを溶出させるステップと;
を具えることを特徴とする方法。 - 電解質材料において:
第1の形態では、
第1割合のモノマーが溶媒に混和性であり;
第2割合のポリマーが前記モノマーに半混和性で溶媒に混和性のであり;
光開始剤が電磁放射への曝露に応答性の反応性サブスピーシー内に解離するように構成されており;
第2の形態では、
第1割合のモノマーが前記反応性サブスピーシーにより架橋されて、前記溶媒に不混和性の電解質構造を形成し;
第2割合のポリマーが前記溶媒に混和し、前記電解質構造の架橋モノマーから相分離する;
ことを特徴とする電解質材料。 - 請求項14に記載の電解質材料において:
第3の形態で、前記第2割合のポリマーが前記溶媒によって前記電解質構造から溶出して、前記電解質構造に連続オープンセル細孔ネットワークを形成し;
第4の形態で、前記第1割合のモノマーが前記反応性サブスピーシーによって架橋され、ある体積の溶媒和イオンと溶媒で満たされて電解質を形成する連続オープンセル細孔ネットワークを具える電解質構造を規定する;
ことを特徴とする電解質材料。 - 請求項15に記載の組成物において:
前記第2の形態で:
前記光開始剤が電磁放射への曝露により、前記反応性サブスピーシーに解離し;
前記ポリマが前記モノマーから相分離し、前記反応性サブスピーシーによって架橋され、絡み合って前記電解質構造全体にコロイド懸濁液を形成し;
前記第3の形態で、前記コロイド懸濁液中の前記第2割合のポリマーが、前記電解質構造から溶出し、前記電解質構造内に、溶媒和イオンより大きい平均断面幅で特徴づけられる、連続オープンセル細孔ネットワークを提供する;
ことを特徴とする組成物。 - 請求項15に記載の組成物において:
前記第1の形態で:
第1割合のモノマーが、55体積%から65体積%のエポキシベースのネガ型フォトレジストを含み;
第2割合のポリマーが、35体積%から45体積%の有機化合物の合成ポリマーを含み;
前記第3の形態では、前記第2割合のポリマーが、有機環状ケトン溶媒を含む溶媒によって前記電解質構造から溶出し、前記電解質構造中に35%から45%の開細孔体積を提供する;
ことを特徴とする組成物。 - 請求項14に記載の組成物において:
前記第1の形態において:
前記第1割合のモノマーが、ビスフェノールノボラックエポキシのモノマーを含み;
前記第2割合のポリマーが、低分子量の第1狭帯域のポリ(メチルメタクリレート)分子と高分子量の第2狭帯域のポリ(メチルメタクリレート)分子とのブレンドを具えており;
前記第1割合のモノマーと第2割合のポリマーが、シクロペンタノンと混合されている;
ことを特徴とする組成物。 - 請求項14に記載の組成物において:
前記第1の形態で、第1割合のモノマーと、第2割合のポリマーと、光開始剤が溶媒に溶けて、三次元表面を画定するアノード上に被覆されており;
前記第2の形態では;
電磁放射への曝露により、前記光開始剤が前記反応性サブスピーシーに解離し;
前記反応性サブスピーシーは、モノマーを局所的に架橋して、前記アノードの三次元表面の周りに適合する電解質構造を形成し;
前記ポリマーが、前記モノマーから相分離し、反応性サブスピーシーによって架橋され、絡み合って前記電解質構造全体に未結合のネットワークを形成する;
ことを特徴とする組成物。 - 請求項14に記載の組成物において:
前記第2の形態で、前記光開始剤が、第1の波長の入射電磁放射に応答して前記反応性サブスピーシーに局所的に解離し;
前記第1の形態で、前記第1割合のモノマーが、第1のモル質量、前記第1の波長より小さい第1の寸法、および前記第1の波長における第1の屈折率によって特徴付けられるモノマーを含み;
前記第1の形態および前記第2の形態において、前記第2割合のポリマーが、前記第1のモル質量に近似する第2の平均モル質量、前記第1の波長より小さい第2の平均寸法、および前記第1の屈折率に近い第1の波高における第2の屈折率によって特徴付けられるポリマーを含む;
ことを特徴とする組成物。
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