定義
本明細書で使用される「A」、「an」、および「the」(すなわち、単数形)は、文脈が明らかにそうでないことを示さない限り、複数の指示対象を指す。例えば、一例では、「電極(an electrode)」への言及は、単一の電極および複数の同様の電極の両方を含む。
本明細書で使用される「約(About)」および「およそ(approximately)」は、記載された値の±10%、5%、または1%を指す。例えば、一例では、約250μmは、225μmから275μmを含む。さらなる例として、一例では、約1,000μmは、900μmから1,100μmを含む。特記しない限り、本明細書および特許請求の範囲で使用される量(例えば、測定値など)などを表す全ての数字は、全ての場合において用語「約(about)」によって修飾されていると理解されるべきである。したがって、そうでないと示さない限り、以下の明細書および添付の特許請求の範囲に記載された数値パラメータは近似値である。各数値パラメータは、少なくとも、報告された有効桁数を考慮して、通常の丸め手法を適用することによって解釈されるべきである。
二次電池に関して本明細書で使用される「面容量(Areal capacity)」は、単位面積あたりの電池の容量を指し、面積は、二次電池内の全てのアノード構造に対して加算した、カソード構造に面するアノード構造(多孔性を無視する)の一部の幾何学的面積である。面容量はまた、典型的には、0.1Cなどの特定のCレートで特定される。例えば、電池の定格容量が0.1CのCレートで1000mA・hであり、各カソード構造に面する各アノード構造の部分の幾何学的面積が250cm2であり、(それぞれが2つの対向面を有する)5つのアノード構造がある場合、面容量は、1000/(250×5×2)=0.4mA・h/cm2である。
本明細書で使用される「Cレート」は、二次電池が放電される速度の尺度を指し、電池が1時間でその公称定格容量を送達するであろう理論的な消費電流によって除算された放電電流として定義される。例えば、1CのCレートは、1時間で電池を放電する放電電流を示し、2Cのレートは、1/2時間で電池を放電する放電電流を示し、C/2のレートは、2時間で電池を放電する放電電流を示している。
二次電池の状態に関して本明細書で使用される「充電状態」は、二次電池がその定格容量の少なくとも75%まで充電されている状態を指す。例えば、電池は、その定格容量の少なくとも80%、その定格容量の少なくとも90%、さらには、その定格容量の100%など、その定格容量の少なくとも95%まで充電されることができる。
二次電池の状態に関して本明細書で使用される「放電状態」は、二次電池がその定格容量の25%未満まで放電されている状態を指す。例えば、電池は、その定格容量の10%未満など、その定格容量の20%未満まで、さらには、その定格容量の0%など、その定格容量の5%未満まで放電されることができる。
充電状態と放電状態との間での二次電池のサイクルに関して本明細書で使用される「サイクル」は、充電状態または放電状態のいずれかである第1の状態から、第1の状態と反対の第2の状態(すなわち、第1の状態が放電された場合は充電状態、または第1の状態が充電された場合は放電状態)までのサイクルで電池を変化させ、その後、第1の状態に電池を戻してサイクルを完了するための電池の充電および/または放電を指す。例えば、充電状態と放電状態との間の二次電池の一つのサイクルは、充電サイクルにおけるように、電池を放電状態から充電状態まで充電し、その後、放電して放電状態に戻してサイクルを完了することを含むことができる。この一つのサイクルは、放電サイクルにおけるように、電池を充電状態から放電状態に放電し、その後、充電して充電状態に戻してサイクルを完了することも含むことができる。
電極アセンブリに関して本明細書で言及される「フェレット直径」は、2つの平面に対して垂直な方向に測定される電極アセンブリを制限する2つの平行面間の距離として定義される。例えば、長手方向における電極アセンブリのフェレット直径は、長手方向に対して垂直である電極アセンブリを制限する2つの平行面間の長手方向において測定される距離である。他の例として、横方向における電極アセンブリのフェレット直径は、横方向に対して垂直である電極アセンブリを制限する2つの平行面間の横方向において測定される距離である。さらに他の例として、垂直方向における電極アセンブリのフェレット直径は、垂直方向に対して垂直である電極アセンブリを制限する2つの平行面間の垂直方向において測定される距離である。
電極構造(すなわち、アノード構造および/またはカソード構造)の少なくとも1つの寸法(例えば幅)、断面積、および/または体積の変化に関して本明細書で使用される「逆相関」は変化の符号であり、対向電極構造における同じ寸法、断面積および/または体積における変化の符号とは逆を指す。例えば、アノード構造の幅の増加について、それと逆相関のカソード構造の幅寸法の変化は、カソード構造の幅の減少である。他の例として、アノード構造の断面積の増加について、それと逆相関のカソード構造の断面積の変化は、カソード構造の断面積の減少である。同様に、アノード構造の幅の減少について、それと逆相関のカソード構造の幅寸法の変化は、カソード構造の幅の増加である。他の例として、アノード構造の断面積の減少について、それと逆相関のカソード構造の断面積の変化は、カソード構造の断面積の増加である。さらなる例として、カソード構造の幅の増加について、それと逆相関のアノード構造の幅寸法の変化は、アノード構造の幅の減少である。他の例として、カソード構造の断面積の増加について、それと逆相関のアノード構造の断面積の変化は、アノード構造の断面積の減少である。同様に、カソード構造の幅の減少について、それと逆相関のアノード構造の幅寸法の変化は、アノード構造の幅の増加である。他の例として、カソード構造の断面積の減少について、それと逆相関のアノード構造の断面積の変化は、アノード構造の断面積の増加である。
本明細書で使用される「長手方向軸(Longitudinal axis)」、「横軸(transverse axis)」、および「垂直軸(vertical axis)」は、互いに垂直な軸を指す(すなわち、それぞれが互いに直交している)。例えば、本明細書で使用される「長手方向軸」、「横軸」、および「縦軸」は、3次元の態様または向きを定義するために使用される直交座標系と同種である。そのため、本明細書における本発明の主題の要素の説明は、要素の3次元の向きを説明するために使用される特定の1つまたは複数の軸に限定されるものではない。換言すれば、本発明の主題の3次元の態様に言及するとき、軸は交換可能とすることができる。
本明細書で使用される「長手方向(Longitudinal direction)」、「横方向(transverse direction)」、および「垂直方向(vertical direction)」は、互いに垂直な方向を指す(すなわち、それぞれが互いに直交している)。例えば、本明細書で使用される「長手方向」、「横方向」、および「垂直方向」は、それぞれ、3次元の態様または向きを定義するために使用される直交座標系の長手方向軸、横軸および垂直軸にほぼ平行とすることができる。
二次電池の充電状態と放電状態との間のサイクルに関して本明細書で使用される「反復サイクル」は、放電状態から充電状態への、または充電状態から放電状態への複数回のサイクルを指す。例えば、充電状態と放電状態との間の反復サイクルは、放電状態から充電状態への充電、放電状態に戻す放電、充電状態への再充電および最後に放電状態に戻す放電など、少なくとも2回の放電状態から充電状態へのサイクルを含むことができる。さらに他の例として、少なくとも2回の充電状態と放電状態との間の反復サイクルは、充電状態から放電状態への放電、充電状態に戻す充電、放電状態への再放電および最後に充電状態に戻す充電を含むことができる。さらなる例として、充電状態と放電状態との間の反復サイクルは、少なくとも5回のサイクル、さらには少なくとも10回の放電状態から充電状態へのサイクルも含むことができる。さらなる例として、充電状態と放電状態との間の反復サイクルは、放電状態から充電状態への少なくとも25回、50回、100回、300回、500回、さらには1000回の放電状態から充電状態へのサイクルを含むことができる。
二次電池に関して本明細書で使用される「レート性能」は、百分率として表される、第2のCレートでの二次電池の容量に対する第1のCレートでの二次電池の容量の比を指す。例えば、レート性能は、容量1/容量2×100により計算することができ、容量1は、1CのCレートなどの第1のCレートでの放電のための容量であり、容量2は、C/10のCレートなどの第2のCレートでの放電のための容量であり、特定の比Cx:Cyについて計算された百分率として表すことができ、Cxは第1のCレートであり、Cyは第2のCレートである。
二次電池に関して本明細書で使用される「定格容量」は、標準温度条件下(25℃)で測定されるときに所定期間にわたって特定の電流を送るための二次電池の容量を指す。例えば、定格容量は、指定された時間についての電流出力を判定することによって、または指定された電流についての電流が出力されることができる時間を判定することによって、および電流および時間の積をとることによって、アンペア・時間の単位で測定されることができる。例えば、定格20アンペア・時間の電池の場合、定格について2Aの電流が指定されている場合、その電池は、10時間電流出力を提供するものと理解されることができ、逆に、定格について10時間の時間が指定されている場合、その電池は、10時間の間に2アンペアを出力するものであると理解されることができる。特に、二次電池の定格容量は、Cレートなどの特定の放電電流での定格容量として与えられてもよく、Cレートは、電池がその容量に対して放電される速度の尺度である。例えば、1CのCレートは、1時間で電池を放電する放電電流を示し、2Cは、1/2時間で電池を放電する放電電流を示し、C/2は、2時間で電池を放電する放電電流を示している。したがって、例えば、1CのCレートで20アンペア・時間の定格の電池は、1時間で20アンペアの放電電流を与えるのに対して、2CのCレートで20アンペア・時間の定格の電池は、1/2時間で40アンペアの放電電流を与え、C/2のCレートで20アンペア・時間の定格の電池は、2時間にわたって10アンペアの放電電流を与える。
電極アセンブリの寸法に関して本明細書で使用される「最大幅」(WEA)は、長手方向における電極アセンブリの長手方向端面の対向点から測定したときの電極アセンブリの最大幅に対応する。
電極アセンブリの寸法に関して本明細書で使用される「最大長さ」(LEA)は、横方向における電極アセンブリの側面の対向点から測定したときの電極アセンブリの最大長さに対応する。
電極アセンブリの寸法に関して本明細書で使用される「最大高さ」(HEA)は、横方向における電極アセンブリの側面の対向点から測定したときの電極アセンブリの最大高さに対応する。
本明細書で使用される「多孔度」または「ボイド率」は、全体積にわたる体積内のボイドの割合を指し、百分率として表すことができる。例えば、カソード活物質層の多孔度は、全層体積あたりの層中のボイドが占める体積の割合である。二次電池の文脈では、カソード活物質層中のボイドは、二次電池の充電および/または放電中に、少なくとも部分的に液体電解質などの電解質によって充填されることができ、そのため、多孔度またはボイド率は、電解質が占める可能性がある層の体積分率の尺度とすることができる。
一般に、本開示の態様は、例えば図1A~図1Bおよび/または図9に示すように、充電状態と放電状態との間でサイクルする二次電池102などのエネルギー貯蔵装置100(例えば、図9を参照)に関する。二次電池102は、電池筐体104、電極アセンブリ106、キャリアイオン、および電池筐体内の非水性液体電解質を含む。図1Aに示す実施形態では、電極アセンブリ106は、一群のアノード構造110(すなわち、負極構造)、一群のカソード構造112(すなわち、正極構造)、および一群のアノード構造110および112の部材を電気的に分離するように構成された電気絶縁性微孔質セパレータ130を備える。
一実施形態によれば、本開示の態様は、一群のアノード構造110の部材が充電状態と放電状態との間で二次電池102のサイクル時に膨張および/または収縮する場合に、二次電池102などのエネルギー貯蔵装置100において起こり得る問題に対処することに関する。例えば、アノード構造110は、アノード構造の体積の増加を発生させるのに十分な量で、キャリアイオンによってインターカレートまたは合金化することなどによって、二次電池102の充電中にキャリアイオンを受容するアノード活物質132の層(例えば、図7を参照)を含むことができる。図1Aを参照すると、3次元電極アセンブリ106の実施形態が、交互に噛み合い、且つ積層方向Dにほぼ平行な長手方向軸AEA(図1Aでは、Y軸に平行であるように描かれている)、X軸にほぼ平行な横軸(図示せず)、およびZ軸にほぼ平行な垂直軸(図示せず)を有する交互の組のアノード構造110およびカソード構造112とともに示されている。本明細書に示されるX、YおよびZ軸は、基準空間内で互いに直交する基底セットを示すことのみを意図した任意の軸であり、決して本明細書の構造を特定の向きに限定することを意図するものではない。一般に、電極アセンブリ106を有する二次電池102の充電および放電サイクルの際に、キャリアイオンは、図1Aに描かれる実施形態に示すようにY軸にほぼ平行な方向などにおいて、アノード構造110とカソード構造112との間を移動し、移動方向内に位置するアノード構造110およびカソード構造112のうちの1つ以上のアノード/カソード活物質内にインターカレートおよび/または移動することができる。特に、放電状態から充電状態への移行において、例えば、リチウム、ナトリウム、カリウム、カルシウムおよびマグネシウムなどのうちの1つ以上のキャリアイオンは、電池内の正極と負極との間を移動することができる。アノード構造に到達すると、キャリアイオンは、電極材料内にインターカレートまたは合金化することができ、それによってその電極のサイズおよび体積が増大する。逆に、充電状態から放電状態への逆転によりイオンはデインターカレートまたは脱合金化し、したがって、アノード構造を収縮させることができる。この合金化および/またはインターカレーションならびに脱合金化および/またはデインターカレーションは、二次電池102のサイクル中に一群のアノード構造110の部材が膨張する結果として生じうる電極アセンブリ106の全体的な巨視的膨張により、電極アセンブリ106に歪みを引き起こしうるアノード構造の体積における大幅な変化を引き起こすことができる。したがって、充電および放電時にアノード構造110が繰り返し膨張および収縮すると、電極アセンブリ106に歪みを形成する可能性がある。
一実施形態によれば、二次電池のサイクルに伴って膨張および/または収縮するアノード構造110は、二次電池102が放電状態から充電状態に充電されるとき、アノード活物質のモルあたり複数モルのキャリアイオンを受容する容量を有するアノード活物質を含む。さらなる例として、アノード活物質は、アノード活物質のモルあたり2.0モル以上のキャリアイオンなど、アノード活物質のモルあたり1.5モル以上のキャリアイオン、さらには、アノード活物質のモルあたり3.5モル以上のキャリアイオンなど、アノード活物質のモルあたり2.5モル以上のキャリアイオンさえも受容する容量を有する物質を含むことができる。アノード活物質によって受容されるキャリアイオンは、リチウム、カリウム、ナトリウム、カルシウム、およびマグネシウムのうちの少なくとも1つとすることができる。そのような体積変化をもたらすように膨張するアノード活物質の例は、シリコン、アルミニウム、スズ、亜鉛、銀、アンチモン、ビスマス、金、白金、ゲルマニウム、パラジウム、およびそれらの合金のうちの1つ以上を含む。
一実施形態によれば、二次電池102は、電極アセンブリ106の増大を抑制する一組の電極制約部108を含む。制約されている電極アセンブリ106の増大は、電極アセンブリ106の1つ以上の寸法の巨視的増加とすることができ、一群のアノード構造110の部材の体積の増加に起因しうる。一実施形態では、一組の電極制約部108は、例えば図1Bに示すように、長手方向(すなわち、Y軸に平行な方向)における電極アセンブリ106の増大、膨張、および/または膨潤のうちの少なくとも1つを軽減および/または低減するための一次増大制約システム151を備える。例えば、一次増大制約システム151は、電極アセンブリ106の長手方向端面116、118などにおける反対の膨張によって増大を抑制するように構成された構造を含むことができる。一実施形態では、一次増大制約システム151は、長手方向に互いに分離され、電極アセンブリ106の長手方向の増大を抑制するために第1および第2の一次増大制約システム154、156を一体に接続する少なくとも1つの一次接続部材162と協調して動作する第1および第2の一次増大制約部154、156を備える。例えば、第1および第2の一次増大制約部154、156は、電極アセンブリ106の第1および第2の長手方向端面116、118を少なくとも部分的に覆うことができ、充電および/または放電の反復サイクル中に発生する電極アセンブリ106内のいかなる増大にも対抗し且つ抑制するために、一次増大制約部154、156を互いに接続する1つ以上の接続部材162、164と協調して動作することができる。他の実施形態では、第1および第2の一次増大制約部154、156のうちの1つ以上は、電極アセンブリ106の内部にあることができ、長手方向の増大を制約するために少なくとも1つの接続部材162と協調して動作することができる。一次増大制約システム151の実施形態および動作について、以下により詳細に述べる。
さらに、二次電池102における充電および放電プロセスの反復サイクルは、電極アセンブリ106の長手方向(例えば、図1A~図1BのY軸)に増大および歪みを誘発することができるのみならず、横方向および垂直方向(例えば、それぞれ図1A~図1BのX軸およびZ軸)など、長手方向に対して直交する方向にも増大および歪みを誘発すること可能性がある。さらにまた、特定の実施形態では、一方向の増大を抑制するための一次増大制約システム151の組み込みは、1つ以上の他の方向における増大および/または膨潤をさらに悪化させる可能性がある。例えば、一次増大制約システム151が電極アセンブリ106の長手方向の増大を抑制するために設けられている場合、充電および放電のサイクル中のキャリアイオンのインターカレーションならびに結果として生じる電極構造の膨潤は、他の1つ以上の方向における歪みを引き起こす可能性がある。特に、一実施形態では、電極の増大/膨潤と長手方向の増大の制約との組み合わせによって発生する歪みは、垂直方向(例えば、図1A~図1Bに示すZ軸)における、または横方向(例えば、図1A~図1Bに示すX軸)においてさえも電極アセンブリ106の座屈または他の故障をもたらす可能性がある。
したがって、本開示の一実施形態では、二次電池102は、一次増大制約システム151だけでなく、一次増大制約システム151と協調して動作して電極アセンブリ106の1つ以上の軸に沿った電極アセンブリ106の増大を抑制することができる少なくとも1つの二次増大制約システム152も含む。例えば、一実施形態では、二次増大制約システム152は、電極アセンブリ106の全体的な増大が抑制され、電極アセンブリ106ならびに一次および二次増大制約システム151および152をそれぞれ有する二次電池の向上した性能および低減した故障の発生率を与えることができるように、一次増大制約システム151と連動するか、あるいは相乗的に動作するように構成されることができる。一実施形態では、二次増大制約システム152は、第2の方向に分離され且つ少なくとも1つの二次接続部材166によって接続された第1および第2の二次増大制約158、160を備え、二次制約システムは、二次電池のサイクルにおいて、長手方向に対して直交する方向(例えば、Z方向)における電極アセンブリの増大を少なくとも部分的に抑制する。一次および二次増大制約システム151および152の間のそれぞれの相互関係、ならびに電極アセンブリ106の増大を抑制するためのそれらの動作の実施形態について、以下により詳細に述べる。
本開示の一実施形態では、一組の電極制約部108は、一群のアノード構造110の部材の増大が、すなわち、電極アセンブリ106を有する二次電池102の充電中に、電極アセンブリ106の他の構造の圧縮をもたらすように、電極アセンブリ106の増大を抑制することができる。例えば、一組の電極制約部108は、二次電池102の充電中、長手方向における一群のアノード構造110の部材の膨張が電極アセンブリ106内の一群のカソード構造112の部材に圧縮圧力を加えるように、すなわち一次増大制約システム151を介して、長手方向の電極アセンブリ106の増大を制約する長手方向の制約を提供することができる。すなわち、一群のカソード構造112の部材は、長手方向制約の存在によって膨張したアノード構造部材から長手方向に並進移動するのを少なくとも部分的に防止され、その結果、一群のアノード構造110の部材の長手方向膨張は、一群のカソード構造112の部材を圧縮する。さらに他の実施形態によれば、一組の電極制約部108は、充電中における一群のアノード構造110の部材の増大が圧縮力を生じるように、垂直方向(Z方向)および/または横方向(X軸)など、長手方向に対して直交する他の方向への電極アセンブリ106の増大を制約することができる。したがって、一組の電極制約部を有する電極アセンブリ106における一群のアノード構造110の部材の増大は、力および/または圧力の破損限界を超える場合に、電極アセンブリの他の構成要素の故障に繋がりうる圧縮力および/または圧力をそうした構成要素に発生させることがある。
一実施形態では、制約された電極アセンブリ106内の一群のアノード構造110の部材の膨張および/または収縮は、一群のアノード構造110の部材の膨張および/または収縮に少なくとも部分的に関連するなど、膨張および/または収縮可能な一群のカソード構造112の部材を提供することによって少なくとも部分的に対応することができ、それによって電極アセンブリ106の歪みを低減する。例えば、一実施形態では、一群のカソード構造112の部材は、一群のアノード構造の部材の少なくとも1つの寸法の変化に逆相関があるように、少なくとも1つの寸法を変化(例えば、膨張および/または収縮)させることができる。例えば、二次電池102の充電中に、一群のアノード構造110の部材の幅寸法および/または断面積が増加する場合、一群のカソード構造112の部材は、一群のアノード構造110の部材の寸法の変化に少なくとも部分的に対応するように、幅寸法および/または断面積において収縮することが可能であり得る。
一実施形態では、一群のアノード構造110の各部材は、断面積Aの断面114を有し、一群のカソード構造112の各部材は、断面積Cの断面114を有し、断面積は、例えば図1Cおよび図1Dに示すように、長手方向に平行(すなわち、長手方向軸AEAに平行)である第1の長手方向面113において測定される。長手方向面113に沿って切り取られたほぼ矩形断面を示す図1Dに示すような実施形態からわかるように、そのような矩形断面についてのアノード構造の断面積Aは、アノード構造の幅WAにアノード構造110の高さHAを乗算したものに等しくてもよく、カソード構造112の断面積Cは、カソード構造112の幅WCにカソード構造110の高さHCを乗算したものに等しくてもよい。代替的におよび/または追加的に、断面積114は、例えば当業者によって理解される適切な断面積判定法によって図1C~図1Dに示されたもの以外の異なる形状および/または断面積を有する電極について計算されてもよい。これに限定されるものではないが、一実施形態では、断面積は、走査型電子顕微鏡(SEM)技術を使用して、第1の長手方向面113内において対象となる一群のカソード構造および/または一群のアノード構造の部材の断面を特定するために計算される。そして、SEMによって得られた断面の断面積は、例えば国立衛生研究所から入手可能なImageJ software(Java(登録商標)における画像処理および解析)など、例えば様々な形状および物体の面積を判定することができる利用可能なソフトウェアプログラムを使用するなど、当業者に知られている方法を使用して取得されることができる。一実施形態では、SEMによって特定された画像内の断面の面積は、一般に、ソフトウェアプログラムを使用し、SEM画像内の断面の境界を計算によってまたは手動で識別し、断面に対応するSEM画像の部分の識別された境界内に含まれる画素数を計数し、識別された断面の面積を計算するために画像のスケール(例えば、画像内の画素あたりの寸法サイズ)を入力することによって判定されることができる。断面積を判定するための当業者に知られている他の方法もまた、一群のアノード構造および一群のカソード構造の1つ以上の部材の断面積を判定する際に使用されることができる。
したがって、一実施形態では、一群のアノード構造110の部材および/または一群のカソード構造112の部材のいずれかのサイズの変化は、第1の長手方向面において測定されるように構造の断面積の変化に応じて判定されることができる。例えば、一実施形態では、一群のアノード構造の各部材は、二次電池が充電状態にあるときに第1の断面積A1を有し、二次電池が放電状態にあるときに第2の断面積A2を有し、一群のカソード構造の各部材は、二次電池が充電状態にあるときに第1の断面積C1を有し、二次電池が放電状態にあるときに第2の断面積C2を有する。したがって、充電および放電時の一群のアノード構造および/または一群のカソード構造の部材の寸法および/または体積の変化は、一群のアノード構造のサブセットの部材のそれぞれについてA1がA2よりも大きく且つ一群のカソード構造のサブセットの部材のそれぞれについてC1がC2よりも小さいアセンブリをもたらすことができる。すなわち、二次電池の充電時に、一群のアノード構造の部材の断面積は、A1からA2に増加する一方で、一群のカソード構造の部材の断面積は、C2からC1に収縮し、二次電池の放電時に、一群のアノード構造の部材の断面積は、A2からA1に減少する一方で、一群のカソード構造の部材の断面積は、C2からC1に増加する。したがって、一実施形態では、一群のカソード構造の部材の寸法の変化は、一群のアノード構造の部材の寸法および/またはサイズの増加および/または減少に少なくとも部分的に対応することができる。
さらにまた、一群のアノード構造の「サブセット」により、一群のアノード構造の少なくとも1つの部材を意味し、サブセットはまた、電極アセンブリ106内の一群のアノード構造の部材の数と同一の広がりを持つことができる。すなわち、一群のアノード構造のサブセットは、電極アセンブリ106内の一群のアノード構造のうちの1つのみの部材もしくは全ての部材、またはその間の任意数の部材を含むことができる。同様に、一群のカソード構造の「サブセット」により、一群のカソード構造の少なくとも1つの部材を意味し、サブセットはまた、電極アセンブリ106内の一群のカソード構造の部材の数と同一の広がりを持つことができる。すなわち、一群のカソード構造のサブセットは、電極アセンブリ内の一群のカソード構造のうちの1つのみの部材もしくは全ての部材、またはその間の任意数の部材を含むことができる。例えば、一群のアノード構造または一群のカソード構造のいずれかのサブセットは、1つの部材もしくは2つの部材、またはそれ以上の部材を含むことができる。一実施形態では、サブセットは、少なくとも5個の部材を含む。他の実施形態では、サブセットは、少なくとも10個の部材を含む。さらに他の実施形態では、サブセットは、少なくとも20個の部材を含む。さらに他の実施形態では、サブセットは、少なくとも50個の部材を含む。例えば、一実施形態では、一群のサブセットは、2個から6個の部材、さらには3個から5個の部材など、1個から7個の部材を含むことができる。さらに他の実施形態では、(一群のアノード構造および/または一群のカソード構造のいずれかの)サブセットは、電極アセンブリ106内の部材の総数の百分率を含むことができる。例えば、サブセットは、電極アセンブリ内の部材(アノードおよび/またはカソード部材)の少なくとも25%など、部材の少なくとも10%を含むことができ、さらには電極アセンブリ内の部材の少なくとも75%、さらには少なくとも90%など、少なくとも50%を含むことができる。
さらなる説明として、一実施形態では、一群のカソード構造112の部材は、寸法、断面および/または体積の変化など、サイズの変化を示すと理解されることができる。例えば、一群のカソード構造112の部材は、アノード構造110の膨張/収縮に少なくとも部分的に対応するために、長手方向(すなわち、長手方向軸AEAに平行)において測定したときの各カソード構造112の断面積Cまたは幅WCの変化を示すことができる。例えば、一実施形態では、一群のカソード構造112の部材の幅WCおよび/または断面積Cの変化は、一般に長手方向とすることができるアノード構造とカソード構造との間のキャリアイオンの移動方向におけるキャリアイオンのインターカレーションおよび/または合金化またはデインターカレーションおよび脱合金化により発生することがある、長手方向に測定したときの幅および/または幅の少なくとも一部を寸法として有する断面など、一群のアノード構造110の部材の幅WAおよび/または断面積Aの変化に少なくとも部分的に対応することができる。すなわち、充電時に一群のアノード構造110の幅および/または断面積が増加する場合、一群のカソード構造112の部材は、充電時に幅および/または断面積を減少させることができ、一群のアノード構造110の部材が放電時に幅および/または断面積を減少させる場合、一群のカソード構造112の部材は、放電時に幅および/または断面積を増加させることができる。さらに他の実施形態では、一群のアノード構造110の部材の膨張/収縮時の、一群のカソード構造112の部材の少なくとも1つの寸法の変化は、一群のアノード構造の部材の断面積の変化と逆相関がある一群のカソード構造112の部材の断面積における全体的な変化を生じると理解されることができる。すなわち、充電時に一群のアノード構造110の部材の断面積が増加する場合、一群のカソード構造112の部材は、充電時に断面積を減少させることができ、一群のアノード構造110の部材が放電時に断面積を減少させる場合、一群のカソード構造112の部材は、放電時に断面積を増加させることができる。さらに他の実施形態では、一群のアノード構造110の部材の膨張/収縮時の、一群のカソード構造112の部材の少なくとも1つの寸法の変化は、一群のアノード構造の部材の体積の変化に逆相関があるカソード構造112の体積の全体的な変化を生じさせると理解されることができる。すなわち、充電時に一群のアノード構造110の部材の体積が増加する場合、一群のカソード構造112の部材は、充電時に体積を減少させることができ、一群のアノード構造110の部材が放電時に体積を減少させる場合、一群のカソード構造112の部材は、放電時に体積を増加させることができる。
さらにまた、一実施形態では、一群のカソード構造112の部材の少なくとも1つの寸法(例えば、幅)、断面および/または体積の変化の符号は、サイズの変化が互いに逆相関の関係にあるように、一群のアノード構造110の部材の少なくとも1つの寸法、断面および/または体積の変化の符号のものとは反対である。例えば、二次電池102の充電時に幅が増加する一群のアノード構造110の部材の場合、幅の変化の符号は、最終的な幅WFから初期幅WIを減算した結果得られる数(WF-WI=+ΔW)の符号であり、アノード構造のWFがWIよりも大きいため、正の符号(+)を有する正数である。逆に、二次電池102の充電時に幅が減少する一群のカソード構造112の部材の場合、幅変化についての符号は、WF-WI=-ΔWであり、カソード構造のWFがWIよりも小さいため、負の符号(-)を有する負数である。しかしながら、充電および/または放電中、アノード構造のΔWの大きさの絶対値は、必ずしもカソード構造のΔWの大きさの絶対値と同じではないことに留意すべきである。換言すれば、充電中のアノード構造の膨張の程度は、カソード構造の収縮の程度に等しい必要はない。例えば、二次電池内の他の構造は、カソード構造がアノード構造の膨張の全範囲に完全に対応する程度まで圧縮する場合に予想されるものよりもカソード構造の圧縮が小さいように、アノード構造の膨張に少なくとも部分的に対応することができる。同じことが放電にもあてはまり、この場合、カソード構造の膨張の程度は、放電プロセス中のアノード構造の収縮の程度とは異なる大きさとすることができる。したがって、一群のアノード構造110の部材が、正の符号を有する幅、断面および/または体積の変化を呈する(例えば、幅が増大する)場合、一群のカソード構造112の部材の幅、断面および/または体積の変化は、(おそらく異なる大きさであるが)それと逆相関にあることができ、したがって負の符号を有する。逆に、一群のアノード構造の部材が、負の符号を有する、幅、断面および/または体積の変化を呈する(例えば、幅が減少する)場合、一群のカソード構造112の部材の幅、断面および/または体積の変化は、(おそらく異なる大きさであるが)それと逆相関にあることができ、したがって正の符号を有する。一群のアノード構造の部材の膨張および/または収縮に関連して、幅、断面および/または体積などの少なくとも1つの寸法において変化することができる一群のカソード構造の部材を提供することによって、そうでなければ二次電池の複数サイクルにわたる反復した膨張および収縮によって引き起こされる可能性がある電極アセンブリ106への歪みが低減されることができ、それによって二次電池102の寿命および性能を改善する。
さらなる説明として、図2A~図2Cを参照すると、充電状態(図2Aおよび図2C)および放電状態(図2B)の両方において、一群のアノード構造112の部材の膨張/収縮に関連して大きさ(例えば、幅、断面積および/または体積)が変化する一群のカソード構造110の部材を有する電極アセンブリ106の実施形態が示されている。二次電池102の充電状態を示す図2Aでは、一群のアノード構造110の部材は、幅WA1の断面積A1を有し、一群のカソード構造112の部材は、幅WC1の断面積C1を有する。しかしながら、二次電池102が図2Bに示される放電状態に放電されると、一群のアノード構造110の部材の幅は、断面積A2および幅WA2を提供するように減少する一方で、一群のカソード構造112の部材の幅は、断面積C2およびWC2を提供するように増加し、A2<A1且つC2>C1であり、WA2<WA1およびWC2>WC1である。すなわち、二次電池が放電されると、一群のカソード構造の部材が断面積および/または幅が増加する一方で、一群のアノード構造の部材が断面積および/または幅が減少することから(幅の変化の方向は、図2Bの矢印によって概略的に示されている)、一群のカソード構造112の部材の大きさの変化は、一群のアノード構造110の部材のものと逆相関とすることができる。二次電池102が図2Bに示す放電状態から図2Cに示す後続の充電状態に充電されると、一群のアノード構造および一群のカソード構造110、112の部材は、断面積および/または幅のさらなる変化を呈し、一群のアノード構造の部材の断面積は、A3<A2の場合、A3に増加し、一群のアノード構造の部材の幅は、WA3>WA2の場合、WA3に増加し、一群のカソード構造の部材の断面積は、C3<C2の場合、C3に減少し、一群のカソード構造の部材の幅は、WC3<WC2の場合、WC3に減少する。いくつかの実施形態では、図2Cに示される後続の充電状態における一群のアノード構造110の部材の断面積A3および/または幅WA3は、図2Aに示される初期充電状態における一群のアノード構造110の部材の対応する断面積A1および/または幅WA1と同じとすることができる一方で、後続の充電状態における一群のアノード構造110の部材の断面積A3および/または幅WA3を、初期充電状態における一群のアノード構造110の部材の断面積A1および/または幅WA1にわたって増加させることができることもまた可能である。すなわち、特定の実施形態では、充電状態における一群のアノード構造110の部材の幅、断面積および/または体積は、充電状態と放電状態との間の二次電池102の反復サイクルにわたって増加することができる。同様に、図2Cに示される後続の充電状態における一群のカソード構造112の部材の断面積C3および/または幅WC3は、図3Aに示される初期充電状態における一群のカソード構造112の部材の断面積C3および/または幅WC1と同じとすることができる一方で、後続の充電状態における一群のカソード構造112の部材の断面積C3および/または幅WC3を、初期帯電状態における一群のカソード構造112の部材の対応する断面積C3および/または幅WC1にわたって減少させることもまた可能である。すなわち、特定の実施形態では、充電状態における一群のカソード構造112の部材の幅、断面積、および/または体積は、二次電池102の反復サイクルにわたって起こり得る一群のアノード構造110の部材の増大の増加に対応するなど、充電状態と放電状態との間の二次電池102の反復サイクルにわたって減少することができる。
したがって、一実施形態では、一群のカソード構造112の部材は、二次電池102が充電状態にあるときに第1の寸法および/または断面積などの第1のサイズを有し、二次電池102が放電状態にあるときに第2の寸法および/または断面積などの第2のサイズを有し、第1の寸法および/または断面積は、第2の寸法および/または断面積よりも小さい。さらに他の実施形態では、カソード構造112の寸法および/または断面積の変化などのサイズの変化は、一群のアノード構造110の部材の寸法および/または断面積の変化と逆相関とすることができる。例えば、一実施形態では、一群のカソード構造112のうちの少なくとも1つの部材は、充電状態において3×107μm2以下の第1の断面積C1を有してもよい。さらなる例として、一実施形態では、一群のカソード構造のうちの少なくとも1つの部材は、充電状態において1×107μm2以下の第1の断面積C1を有してもよい。さらなる例として、一実施形態では、一群のカソード構造のうちの少なくとも1つの部材は、充電状態において9.5×106μm2以下の第1の断面積C1を有してもよい。またさらなる例として、一実施形態では、一群のカソード構造のうちの少なくとも1つの部材は、充電状態において8×106μm2以下の第1の断面積C1を有してもよい。またさらなる例として、一群のカソード構造のうちの少なくとも1つの部材は、充電状態において5×106μm2以下の第1の断面積C1を有してもよい。一般に、充電状態における一群のカソード構造の少なくとも1つの部材の第1の断面積C1は、少なくとも2×102μm2とすることができ、例えば、充電状態における第1の断面積C1は、少なくとも2.5×102μm2、さらには少なくとも3×102μm2とすることができる。例えば、第1の断面積C1は、2.5×102μm2から9.5×106μm2、さらには3×102μm2から8×106μm2など、2×102μm2から3×107μm2の範囲内とすることができる。
さらにまた、一実施形態では、一群のカソード構造のうちの少なくとも1つの部材は、放電状態において少なくとも1.01×102μm2の第2の断面積C2を有する。さらなる例として、一実施形態では、一群のカソード構造のうちの少なくとも1つの部材は、放電状態において少なくとも1.05×102μm2の第2の断面積C2を有することができる。さらなる例として、一実施形態では、一群のカソード構造のうちの少なくとも1つの部材は、放電状態において少なくとも1.0×103μm2の第2の断面積C2を有することができる。さらなる例として、一実施形態では、一群のカソード構造のうちの少なくとも1つの部材は、放電状態において少なくとも1.05×103μm2の第2の断面積C2を有することができる。さらなる例として、一実施形態では、一群のカソード構造のうちの少なくとも1つの部材は、放電状態において少なくとも1.1×103μm2の第2の断面積C2を有することができる。一般に、充電状態における一群のカソード構造の少なくとも1つの部材の第2の断面積C2は、1.5×1010を超えることはなく、例えば、放電状態における第2の断面積C2は、1×107μm2を超えることはなく、1×106μm2を超えることはない。例えば、第2の断面積C2は、1.0×103μm2から1.0×107μm2など、1.01×102μm2から1.5×1010μm2の範囲内、さらには1.05×102μm2から1×106μm2の範囲内とすることができる。
さらに他の実施形態では、一実施形態では、一群のカソード構造のうちの少なくとも1つの部材は、少なくとも1.05:1である、充電状態におけるカソード構造112の第1の断面積C1に対する放電状態におけるカソード構造112の第2の断面積C2の比を有する。さらなる例として、一実施形態では、一群のカソード構造のうちの少なくとも1つの部材は、少なくとも1.1:1である、カソード構造112の第1の断面積C1に対するカソード構造112の第2の断面積C2の比を有する。さらなる例として、一実施形態では、一群のカソード構造のうちの少なくとも1つの部材は、少なくとも1.3:1である、カソード構造112の第1の断面積C1に対するカソード構造112の第2の断面積C2の比を有する。さらなる例として、一実施形態では、一群のカソード構造のうちの少なくとも1つの部材は、少なくとも2:1である、カソード構造112の第1の断面積C1に対するカソード構造112の第2の断面積C2の比を有する。さらなる例として、一実施形態では、一群のカソード構造のうちの少なくとも1つの部材は、少なくとも3:1である、カソード構造112の第1の断面積C1に対するカソード構造112の第2の断面積C2の比を有する。さらなる例として、一実施形態では、一群のカソード構造のうちの少なくとも1つの部材は、少なくとも4:1である、カソード構造112の第1の断面積C1に対するカソード構造112の第2の断面積C2の比を有する。さらなる例として、一実施形態では、一群のカソード構造のうちの少なくとも1つの部材は、少なくとも6:1である、カソード構造112の第1の断面積C1に対するカソード構造112の第2の断面積C2の比を有する。一般に、第1の断面積C1に対する第2の断面積C2の比は、例えば8:1を超えないなど、約15:1を超えず、さらには10:1を超えない、例えば、一実施形態では、一群のカソード構造のうちの少なくとも1つの部材は、1.05:1から15:1の範囲内とすることができる、カソード構造112の第1の断面積C1に対するカソード構造112の第2の断面積C2の比を有する。さらなる例として、一実施形態では、一群のカソード構造のうちの少なくとも1つの部材は、1.1:1から6:1の範囲内とすることができる、カソード構造112の第1の断面積C1に対するカソード構造112の第2の断面積C2の比を有する。さらなる例として、一実施形態では、一群のカソード構造のうちの少なくとも1つの部材は、1.3:1から4:1の範囲内とすることができる、カソード構造112の第1の断面積C1に対するカソード構造112の第2の断面積C2の比を有する。さらにまた、一実施形態では、第2の断面積C2に対する第1の断面積C1の収縮は、5%の収縮から75%の収縮など、2%の収縮から90%の収縮の範囲内である。すなわち、第1の断面積C1は、C2に対して少なくとも5%、さらには少なくとも10%など、C2に対して少なくとも2%だけ収縮されることができるが、C2に対して80%未満、さらには75%未満など、C2に対して90%未満収縮されてもよい。
さらにまた、一実施形態では、一群のアノード構造110のうちの少なくとも1つの部材は、充電状態において少なくとも100μm2である第1の断面積A1を有することができる。さらなる例として、一実施形態では、一群のアノード構造のうちの少なくとも1つの部材は、充電状態において少なくとも1×103μm2である第1の断面積A1を有することができる。またさらなる例として、一実施形態では、一群のアノード構造のうちの少なくとも1つの部材は、充電状態において少なくとも4.5×103μm2である第1の断面積A1を有することができる。またさらなる例として、一群のアノード構造のうちの少なくとも1つの部材は、充電状態において少なくとも6×103μm2である第1の断面積A1を有することができる。さらなる例として、一実施形態では、一群のアノード構造のうちの少なくとも1つの部材は、充電状態において少なくとも8×103μm2である第1の断面積A1を有することができる。一般に、充電状態における一群のアノード構造のうちの少なくとも1つの部材の第1の断面積A1は、1.5×107μm2を超えることはなく、例えば、充電状態における第1の断面積A1は、7.6×106μm2を超えることはなく、さらには5×106μm2を超えることはない。例えば、第1の断面積A1は、4.5×103μm2から7.6×106μm2など、100μm2から1.5×107μm2の範囲内、さらには6×103μm2から5×106μm2の範囲内とすることができる。
さらにまた、一実施形態では、一群のアノード構造のうちの少なくとも1つの部材は、放電状態において3×107μm2以下の第2の断面積A2を有する。さらなる例として、一実施形態では、一群のアノード構造のうちの少なくとも1つの部材は、放電状態において1.5×107μm2以下の第2の断面積A2を有することができる。さらなる例として、一実施形態では、一群のアノード構造のうちの少なくとも1つの部材は、放電状態において7.5×106μm2以下の第2の断面積A2を有することができる。さらなる例として、一実施形態では、一群のアノード構造のうちの少なくとも1つの部材は、放電状態において5×106μm2以下の第2の断面積A2を有することができる。さらなる例として、一実施形態では、一群のアノード構造のうちの少なくとも1つの部材は、放電状態において3×106μm2以下の第2の断面積A2を有することができる。一般に、充電状態における一群のアノード構造の少なくとも1つの部材の第2の断面積A2は、少なくとも500μm2であり、例えば、放電状態における第2の断面積A2は、少なくとも1.5×103、さらには少なくとも3×103μm2とすることができる。例えば、第2の断面積A2は、1.5×103μm2から7.5×106μm2、さらには3×103μm2から5×106μm2の範囲内など、500μm2から3×107μm2の範囲内とすることができる。
さらに他の実施形態では、一実施形態では、一群のアノード構造のうちの少なくとも1つの部材は、少なくとも1.01:1である、放電状態におけるアノード構造110の第2の断面積A2に対する充電状態におけるアノード構造110の第1の断面積A1の比を有する。さらなる例として、一実施形態では、一群のアノード構造のうちの少なくとも1つの部材は、少なくとも1.05:1である、アノード構造110の第2の断面積A2に対するアノード構造110の第1の断面積A1の比を有する。さらなる例として、一実施形態では、一群のアノード構造のうちの少なくとも1つの部材は、少なくとも1.5:1である、アノード構造110の第2の断面積A2に対するアノード構造110の第1の断面積A1の比を有する。さらなる例として、一実施形態では、一群のアノード構造のうちの少なくとも1つの部材は、少なくとも2:1である、アノード構造110の第2の断面積A2に対するアノード構造110の第1の断面積A1の比を有する。さらなる例として、一実施形態では、一群のアノード構造のうちの少なくとも1つの部材は、少なくとも3:1である、アノード構造110の第2の断面積A2に対するアノード構造110の第1の断面積A1の比を有する。さらなる例として、一実施形態では、一群のアノード構造のうちの少なくとも1つの部材は、少なくとも4:1である、アノード構造110の第2の断面積A2に対するアノード構造110の第1の断面積A1の比を有する。さらなる例として、一実施形態では、一群のアノード構造のうちの少なくとも1つの部材は、少なくとも5:1である、アノード構造110の第2の断面積A2に対するアノード構造110の第1の断面積A1の比を有する。例えば、一実施形態では、一群のアノード構造のうちの少なくとも1つの部材は、1.01:1から5:1の範囲内とすることができる、アノード構造110の第2の断面積A2に対するアノード構造110の第1の断面積A1の比を有する。さらなる例として、一実施形態では、一群のアノード構造のうちの少なくとも1つの部材は、1.01から4:1の範囲内とすることができる、アノード構造110の第2の断面積A2に対するアノード構造110の第1の断面積A1の比を有する。さらなる例として、一実施形態では、一群のアノード構造のうちの少なくとも1つの部材は、1.01:1から3:1の範囲内、さらには1.5:1から3:1の範囲内とすることができる、アノード構造110の第2の断面積A2に対するアノード構造110の第1の断面積A1の比を有する。
一実施形態では、一群のアノード構造のサブセットは、本明細書で使用される場合、2つ以上のアノード部材の断面積の中央値を指すMAAにしたがって測定される、および/または本明細書で使用される場合、アノード部材の長さ方向の異なる長手方向面における断面積の中央値を指すMLAにしたがって測定される、および/または本明細書で使用される場合、MAAおよびMLAの中央値を指すMOAにしたがって測定される中央断面積を有する。さらにまた、一群のカソード構造のサブセットは、本明細書で使用される場合、2つ以上のカソード部材の断面積の中央値を指すMACにしたがって測定される、および/または本明細書で使用される場合、カソード部材の長さ方向の異なる長手方向面における断面積の中央値を指すMLCにしたがって測定される、および/または本明細書で使用される場合、MACおよびMLCの中央値を指すMOCにしたがって測定される、いずれかの中央断面積を有する。これらの測定値のさらなる説明は、以下のとおりである。
一実施形態によれば、一群のアノード構造のサブセットは、中央断面積MAAを有し、一群のカソード構造のサブセットは、中央断面積MACを有し、ここで、MAAおよびMACは、それぞれ、一群のアノード構造および/または一群のカソード構造のサブセットにわたって測定された、一群のアノード構造およびカソード構造の部材についての断面積AおよびCの中央値である。すなわち、MAAは、一群のアノード構造の部材のサブセットについての第1の長手方向面113において測定された中央断面として理解されることができ、MACは、一群のカソード構造の部材のサブセットについての第1の長手方向面113において測定された中央断面として理解されることができる。すなわち、サブセットについての中央断面積MAAを判定するために、サブセット内の一群のアノード構造の各部材についての断面積が判定され、次いで断面積の中央値が評価される。同様に、サブセットについての中央断面積MACを判定するために、サブセット内の一群のカソード構造の各部材についての断面積が判定され、次いで断面積の中央値が評価される。一実施形態では、第1の長手方向面において測定される断面積の中央値は、少なくとも2つの部材を含むサブセットについて判定される。他の実施形態では、第1の長手方向面において測定される断面積の中央値は、少なくとも5個の部材を含むサブセットについて判定される。他の実施形態では、第1の長手方向面において測定される断面積の中央値は、少なくとも10個の部材を含むサブセットについて判定される。他の実施形態では、第1の長手方向面において測定される断面積の中央値は、少なくとも20個の部材を含むサブセットについて判定される。他の実施形態では、第1の長手方向面において測定される断面積の中央値は、少なくとも50個の部材を含むサブセットについて判定される。例えば、一実施形態では、一群のサブセットは、2個から6個の部材、さらには3個から5個の部材など、1個から7個の部材を含むことができる。さらに他の実施形態では、一群のサブセットは、電極アセンブリ106内の部材の総数の百分率を含むことができる。例えば、サブセットは、部材の少なくとも25%など、電極アセンブリ内の部材の少なくとも10%を含むことができ、少なくとも75%など、さらには少なくとも50%、さらには電極アセンブリ内の部材の少なくとも90%を含むことができる。
一実施形態では、一群のカソード構造112のサブセットは、充電状態の一群のカソード構造の部材の第1の断面積C1について上記与えられた値と同じおよび/または同様とすることができる充電状態の第1の中央断面積MAC1を有することができる。例えば、一実施形態では、一群のカソード構造112のサブセットは、3×107μm2以下である第1の中央断面積MAC1を有することができる。さらなる例として、一実施形態では、一群のカソード構造112のサブセットは、1×107μm2以下である充電状態の第1の中央断面積MAC1を有することができる。またさらなる例として、一実施形態では、一群のカソード構造112のサブセットは、9.03×106μm2以下である充電状態の第1の中央断面積MAC1を有することができる。またさらなる例として、一実施形態では、一群のカソード構造112のサブセットは、8×106μm2以下である充電状態の第1の中央断面積MAC1を有することができる。さらなる例として、一実施形態では、一群のカソード構造112のサブセットは、5×106μm2以下である充電状態の第1の中央断面積MAC1を有することができる。一般に、一群のカソード構造のサブセットの第1の中央断面積MAC1は、少なくとも2×102μm2とすることができ、例えば、一群のカソード構造のサブセットの第1の中央断面積MAC1は、少なくとも2.6×102μm2とすることができ、例えば、充電状態の第1の中央断面積MAC1は、少なくとも3×102μm2とすることができる。例えば、第1の中央断面積MAC1は、2.6×102μm2から9.03×106μm2、さらには3×102μm2から8×106μm2など、1×102μm2から3×107μm2の範囲内とすることができる。
さらにまた、一実施形態では、一群のカソード構造112のサブセットは、放電状態の一群のカソード構造の部材の第2の断面積C2について上記与えられた値と同じおよび/または同様とすることができる放電状態の第2の中央断面積MAC2を有することができる。例えば、一実施形態では、一群のカソード構造112のサブセットは、放電状態において少なくとも1.01×102μm2である充電状態の第2の中央断面積MAC2を有することができる。さらなる例として、一実施形態では、一群のカソード構造112のサブセットは、放電状態において少なくとも1.05×102μm2である第2の中央断面積MAC2を有することができる。さらなる例として、一実施形態では、一群のカソード構造112のサブセットは、放電状態において少なくとも1.05×103μm2である第2の中央断面積MAC2を有することができる。さらなる例として、一群のカソード構造112のサブセットは、放電状態において少なくとも1.1×103μm2である第2の中央断面積MAC2を有することができる。さらなる例として、一群のカソード構造112のサブセットは、放電状態において少なくとも1.5×103μm2である第2の中央断面積MAC2を有することができる。一般に、放電状態における一群のカソード構造のサブセットの第2の中央断面積MAc2は、1.5×1010μm2を超えず、例えば、放電状態における第2の中央断面積MAc2は、9.5×106μm2を超えることはなく、さらには1×106μm2を超えることはない。例えば、第2の中央断面積MAC2は、1.05×103μm2から9.5×106μm2、さらには1.1×102μm2から1×106μm2の範囲内など、1.01×102μm2から1.5×1010μm2の範囲内とすることができる。
さらに他の実施形態では、一群のカソード構造112のサブセットは、充電状態における第1の断面積C1に対する放電状態における第2の断面積C2の比について上記与えられた値と同じおよび/または同様である充電状態の第1の中央断面積MAC1に対する放電状態の第2の中央断面積MAC2の比を有することができる。例えば、一実施形態では、一群のカソード構造のサブセットは、少なくとも1.05:1である、充電状態の第1の中央断面積MAc1に対する放電状態の第2の中央断面積MAc2の比を有する。さらなる例として、一実施形態では、一群のカソード構造のサブセットは、少なくとも1.1:1である、充電状態の第1の中央断面積MAc1に対する放電状態の第2の中央断面積MAc2の比を有する。さらなる例として、一実施形態では、一群のカソード構造のサブセットは、少なくとも1.3:1である、充電状態の第1の中央断面積MAc1に対する放電状態の第2の中央断面積MAc2の比を有する。さらなる例として、一実施形態では、一群のカソード構造のサブセットは、少なくとも2:1である、充電状態の第1の中央断面積MAc1に対する放電状態の第2の中央断面積MAc2の比を有する。さらなる例として、一実施形態では、一群のカソード構造のサブセットは、少なくとも3:1である、充電状態の第1の中央断面積MAc1に対する放電状態の第2の中央断面積MAc2の比を有する。さらなる例として、一実施形態では、一群のカソード構造のサブセットは、少なくとも4:1である、充電状態の第1の中央断面積MAc1に対する放電状態の第2の中央断面積MAc2の比を有する。さらなる例として、一実施形態では、一群のカソード構造のサブセットは、少なくとも6:1である、充電状態の第1の中央断面積MAc1に対する放電状態の第2の中央断面積MAc2の比を有する。一般に、サブセットについてのMAC1に対するMAC2の比は、約15:1を超えず、例えば8:1を超えないなど、さらには10:1を超えない。例えば、一群のカソード構造のサブセットは、1.05:1から15:1の範囲内とすることができる、充電状態の第1の中央断面積MAc1に対する放電状態の第2の中央断面積MAc2の比を有する。さらなる例として、一群のカソード構造のサブセットは、1.1:1から6:1の範囲内とすることができる、充電状態の第1の中央断面積MAc1に対する放電状態の第2の中央断面積MAc2の比を有する。さらなる例として、一実施形態では、一群のカソード構造のサブセットは、1.3:1から4:1の範囲内とすることができる、充電状態の第1の中央断面積MAc1に対する放電状態の第2の中央断面積MAc2の比を有する。さらなる例として、一実施形態では、第2の中央断面積MAC2に対する第1の中央断面積MAC1のサブセットの収縮は、5%の収縮から75%の収縮など、2%の収縮から90%の収縮の範囲内とすることができる。すなわち、一群のカソード構造のサブセットは、第2の中央断面積MAC2に対して少なくとも5%、さらには少なくとも10%など、第2の中央断面積MAC2に対して少なくとも2%だけ収縮される第1の中央断面積MAC1を有することができるが、第2の中央断面積MAC2に対して80%未満、さらには75%未満など、第2の中央断面積MAC2に対して90%未満収縮されてもよい。
さらにまた、一実施形態では、一群のアノード構造110のサブセットは、充電状態の一群のアノード構造の部材の第1の断面積A1について上記与えられた値と同じおよび/または同様とすることができる充電状態の第1の中央断面積MAA1を有することができる。例えば、一実施形態によれば、一群のアノード構造110のサブセットは、少なくとも100μm2である充電状態の第1の中央断面積MAA1を有することができる。さらなる例として、一実施形態では、一群のアノード構造110のサブセットは、少なくとも1×103μm2である充電状態の第1の中央断面積MAA1を有することができる。またさらなる例として、一実施形態では、一群のアノード構造110のサブセットは、少なくとも4.7×103μm2である充電状態の第1の中央断面積MAA1を有することができる。またさらなる例として、一群のアノード構造110のサブセットは、少なくとも6×103μm2である充電状態の第1の中央断面積MAA1を有することができる。さらなる例として、一実施形態では、一群のアノード構造110のサブセットは、少なくとも8×103μm2である充電状態の第1の中央断面積MAA1を有することができる。一般に、充電状態における一群のアノード構造のサブセットの第1の中央断面積MAA1は、1.5×107μm2を超えることはなく、例えば、充電状態における第1の中央断面積MAA1は、6.8×107μm2を超えることはなく、さらには5×106μm2を超えることはない。例えば、充電状態における第1の中央断面積MAA1は、4.7×103μm2から6.8×106μm2、さらには6×103μm2から5×106μm2の範囲内など、100μm2から1.5×107μm2の範囲内とすることができる。
さらにまた、一実施形態では、一群のアノード構造110のサブセットは、放電状態における一群のアノード構造の部材の第2の断面積A2について上記与えられた値と同じおよび/または同様とすることができる、放電状態の第2の中央断面積MAA2を有することができる。例えば、一実施形態では、一群のアノード構造110のサブセットは、3×107μm2以下である放電状態の第2の中央断面積MAA2を有することができる。さらなる例として、一実施形態では、一群のアノード構造110のサブセットは、1.5×107μm2以下である放電状態の第2の中央断面積MAA2を有することができる。さらなる例として、一実施形態では、一群のアノード構造110のサブセットは、7.1×106μm2以下である放電状態の第2の中央断面積MAA2を有することができる。さらなる例として、一実施形態では、一群のアノード構造110のサブセットは、5×106μm2以下である放電状態の第2の中央断面積MAA2を有することができる。さらなる例として、一実施形態では、一群のアノード構造110のサブセットは、3×106μm2以下である放電状態の第2の中央断面積MAA2を有することができる。一般に、充電状態における一群のアノード構造のサブセットの第2の中央断面積MAA2は、少なくとも1.5×103μm2であり、例えば、放電状態における第2の中央断面積MAA2は、少なくとも1.6×103μm2、さらには少なくとも3×103μm2とすることができる。例えば、放電状態における第2の中央断面積MAA2は、1.6×103μm2から7.1×106μm2、さらには3×103μm2から5×106μm2の範囲内など、500μm2から3×107μm2の範囲内とすることができる。
さらに他の実施形態では、一群のアノード構造110のサブセットは、放電状態の第2の断面積A2に対する充電状態の第1の断面積A1の比について上記与えられた値と同じおよび/または同様である放電状態の第2の中央断面積MAA2に対する充電状態の第1の中央断面積MAA1の比を有することができる。例えば、一実施形態では、一群のアノード構造のサブセットは、少なくとも1.01:1である、放電状態の第2の中央断面積MAA2に対する充電状態の第1の中央断面積MAA1の比を有する。さらなる例として、一実施形態では、一群のアノード構造のサブセットは、少なくとも1.05:1である、放電状態の第2の中央断面積MAA2に対する充電状態の第1の中央断面積MAA1の比を有する。さらなる例として、一実施形態では、一群のアノード構造のサブセットは、少なくとも1.5:1である、放電状態の第2の中央断面積MAA2に対する充電状態の第1の中央断面積MAA1の比を有する。さらなる例として、一実施形態では、一群のアノード構造のサブセットは、少なくとも2:1である、放電状態の第2の中央断面積MAA2に対する充電状態の第1の中央断面積MAA1の比を有する。さらなる例として、一実施形態では、一群のアノード構造のサブセットは、少なくとも3:1である、放電状態の第2の中央断面積MAA2に対する充電状態の第1の中央断面積MAA1の比を有する。さらなる例として、一実施形態では、一群のアノード構造のサブセットは、少なくとも4:1である、放電状態の第2の中央断面積MAA2に対する充電状態の第1の中央断面積MAA1の比を有する。さらなる例として、一実施形態では、一群のアノード構造のサブセットは、少なくとも5:1である、放電状態の第2の中央断面積MAA2に対する充電状態の第1の中央断面積MAA1の比を有する。例えば、一実施形態では、一群のアノード構造のサブセットは、1.01:1から5:1の範囲内とすることができる、放電状態の第2の中央断面積MAA2に対する充電状態の第1の中央断面積MAA1の比を有する。さらなる例として、一実施形態では、一群のアノード構造のサブセットは、1.01:1から4:1の範囲内とすることができる、放電状態の第2の中央断面積MAA2に対する充電状態の第1の中央断面積MAA1の比を有する。さらなる例として、一実施形態では、一群のアノード構造のサブセットは、1.01:1から3:1の範囲内、さらには1.5:1から3:1の範囲内とすることができる、放電状態の第2の中央断面積MAA2に対する充電状態の第1の中央断面積MAA1の比を有する。
さらに他の実施形態では、一群のアノード構造の部材は、それぞれ、例えば図1Aに示されるように、横方向に測定された長さLA、長手方向に測定された幅WA、および垂直方向に測定された高さHAを有すると理解されることができる。同様に、一群のカソード構造の部材は、それぞれ、横方向に測定された長さLC、長手方向に測定された幅WC、および垂直方向に測定された高さHCを有すると理解されることができる。アノードおよびカソード構造部材の長さLAおよびLCは、それぞれ、例えば図1Cに示されるように、各部材の底部115aから頂部115bまで測定されたものとすることができ、底部115aは、部材が延在する面121に近接しており、頂部115bは、面121に対して遠位にある。さらにまた、一実施形態では、一群のアノード構造および/または一群のカソード構造の部材の長さLAおよび/またはLCは、部材の幅および高さのそれぞれ少なくとも5倍とすることができる(例えば、部材の長さは、幅または高さよりも長くすることができる)。例えば、幅W(例えば、WAまたはWCのいずれか)および高さH(例えば、HAまたはHCのいずれか)のそれぞれに対する部材の長さL(例えば、LAまたはLCのいずれか)の比は、少なくとも20:1など、少なくとも10:1、さらには少なくとも15:1とすることができる。
一態様によれば、一群のカソードおよび/またはアノードの少なくとも1つの部材の断面積は、長手方向に平行であるだけでなく、LAおよびLCの方向の1つ以上の方向に対しても直交する第1の長手方向面において測定される。例えば、図1Cの実施形態を参照すると、第1の長手方向面113は、積層方向(長手方向)と平行でありつつ、その実施形態に描かれるようにX方向であるとともに、一群のアノード構造および一群のカソード構造の部材の長さ方向に対しても垂直であるように描かれている。例えば、一実施形態によれば、第1の長手方向面はZ-Y平面内にあってよく、Yは長手方向に平行な軸に対応し、Zは長手方向に対して直交するとともに、一群のアノード構造およびカソード構造の部材の長さLAおよび/またはLCに対してそれぞれ直交する軸に対応する。さらに他の実施形態では、断面積が測定される第1の長手方向面は、Y軸(例えば、長手方向軸)に沿って回転したときにZ-Y平面から15度未満離れた平面内にある。さらに他の実施形態では、断面積が測定される第1の長手方向面は、Y軸(例えば、長手方向軸)に沿って回転したときにZ-Y平面から45度未満離れた平面内にある。さらに他の実施形態では、断面積が測定される第1の長手方向面は、Y軸(例えば、長手方向軸)に沿って回転したときにZ-Y平面から45度を超えてZ-Y平面から90度未満離れた平面内にある。さらに他の実施形態では、第1の長手方向面はX-Y平面内にあり、Y軸は長手方向と平行な軸に対応し、X軸は長手方向軸に対して直交し、またそれぞれ一群のアノード構造およびカソード構造の部材の長さLAおよび/またはLCにも平行な軸に対応する。さらにまた、一実施形態では、アノードおよび/またはカソードの長さLAまたはLCに沿った第1の長手方向面113の位置は、行われる測定に応じて選択されてもよい。例えば、一実施形態では、第1の長手方向面113は、図1Cに示すように、アノードおよび/またはカソードの長さLに沿ってほぼ半分(例えば、X方向の長さに沿ってほぼ半分)だけZ-Y平面内に配置されることができる。他の実施形態では、第1の長手方向面は、1つ以上のカソードおよび/またはアノード構造の端部の近くの(例えば、X方向におけるアノードおよび/またはカソードの底部または頂部の近くの)Z-Y平面に配置されてもよい。さらに他の実施形態では、断面積は、長手方向に平行な複数の長手方向面113a、113bにおいて測定されることができる。
さらに他の実施形態によれば、一群のアノード構造のサブセットの少なくとも1つの部材は、その部材の長手方向に平行な複数の平面で測定したときの複数の断面積Aの部材の中央値である中央断面積MLAを有することができる。同様に、一群のカソードのサブセットの少なくとも1つの部材は、その部材についての長手方向に平行な複数の平面において測定したときの複数の断面積Cの部材の中央値である中央断面積MLCを有することができる。例えば、図1Cを参照すると、一群のアノード構造の部材の断面Aは、例えば第1の長手方向面113および1つ以上の面113a、bなど、その部材の長手方向に平行な複数の面113a、bにおいて測定されることができる。一実施形態では、1つ以上の他の面113a、bは、第1の長手方向面113と平行な平面であり、アノードの長さに沿って異なる位置に(例えば、X軸上の異なる位置に)位置することができる。したがって、中央断面積MLAは、一群のアノード構造の部材について各長手方向面において測定された断面Aの中央値として計算されることができる。同様に、一群のカソード構造の部材の断面Cは、例えば第1の長手方向面113および1つ以上の面113a、bなど、その部材の長手方向に平行な複数の面113a、bにおいて測定されることができる。一実施形態では、1つ以上の他の面113a、bは、第1の長手方向面113と平行な平面であり、カソードの長さに沿って異なる位置に(例えば、X軸上の異なる位置に)位置することができる。したがって、中央断面積MLCは、一群のカソード構造の部材についての各長手方向面において測定された断面積Cの中央値として計算されることができる。
一実施形態では、中央断面積MLAおよびMLCは、それぞれ、一群のアノード構造サブセットおよび一群のカソード構造サブセットについての少なくとも2つの長手方向面において測定したときの断面積の中央断面積である。一実施形態では、中央断面積MLAおよびMLCは、それぞれ、一群のアノード構造サブセットおよび一群のカソード構造サブセットについての少なくとも3つの長手方向面において測定したときの断面積の中央断面積である。一実施形態では、中央断面積MLAおよびMLCは、それぞれ、一群のアノード構造サブセットおよび一群のカソード構造サブセットについての少なくとも5つの長手方向面において測定したときの断面積の中央断面積である。一実施形態では、中央断面積MLAおよびMLCは、それぞれ、一群のアノード構造サブセットおよび一群のカソード構造サブセットについての少なくとも10個の長手方向面において測定したときの断面積の中央断面積である。さらにまた、一実施形態では、中央断面積MLAおよびMLCは、互いに所定の長さだけ離れている少なくとも2つの長手方向面において測定される断面積の中央値とすることができる。例えば、一実施形態では、中央断面積MLAおよびMLCは、部材の長さLAおよび/またはLCの少なくとも10%だけ互いに離間している(例えば、X軸に沿って離間している)少なくとも2つの長手方向面内の部材について測定される断面積の中央値である。他の例として、一実施形態では、中央断面積MLAおよびMLCは、部材の長さLAおよび/またはLCの少なくとも15%だけ互いに離間している(例えば、X軸に沿って離間している)少なくとも2つの長手方向面内の部材について測定される断面積の中央値である。他の例として、一実施形態では、中央断面積MLAおよびMLCは、部材の長さLAおよび/またはLCの少なくとも20%だけ互いに離間している(例えば、X軸に沿って離間している)少なくとも2つの長手方向面内の部材について測定される断面積の中央値である。例えば、一実施形態では、中央断面積MLAおよびMLCは、部材の長さLAおよび/またはLCの少なくとも25%だけ互いに離間している(例えば、X軸に沿って離間している)少なくとも2つの長手方向面内の部材について測定される断面積の中央値である。他の例として、一実施形態では、中央断面積MLAおよびMLCは、部材の長さLAおよび/またはLCの少なくとも30%だけ互いに離間している(例えば、X軸に沿って離間している)少なくとも2つの長手方向面内の部材について測定される断面積の中央値である。他の例として、一実施形態では、中央断面積MLAおよびMLCは、部材の長さLAおよび/またはLCの少なくとも50%だけ互いに離間している(例えば、X軸に沿って離間している)少なくとも2つの長手方向面内の部材について測定される断面積の中央値である。他の例として、一実施形態では、中央断面積MLAおよびMLCは、部材の長さLAおよび/またはLCの少なくとも75%だけ互いに離間している(例えば、X軸に沿って離間している)少なくとも2つの長手方向面内の部材について測定される断面積の中央値である。
したがって、一実施形態では、一群のアノード構造サブセットの少なくとも1つの部材は、二次電池が充電状態にあるときに第1の中央断面積MLA1を有し、二次電池が放電状態にあるときに第2の中央断面積MLA2を有することができ、同様に、一群のカソード構造サブセットの少なくとも1つの部材は、二次電池が充電状態にあるときに第1の中央断面積MLC1を有し、二次電池が放電状態にあるときに第2の中央断面積MLC2を有することができ、MLA1は、一群のアノード構造のサブセットの各部材についてMLA2よりも大きく、MLC1は、一群のカソードのサブセットの各部材についてMLC2よりも小さい。
一実施形態では、一群のカソード構造112のサブセットの少なくとも1つの部材は、充電状態における一群のカソード構造の部材の第1の断面積C1について上記与えられた値と同じおよび/または同様とすることができる充電状態の第1の中央断面積MLc1を有することができる。例えば、一実施形態では、一群のカソード構造112のサブセットの少なくとも1つの部材は、3×107μm2以下である充電状態の第1の中央断面積MLC1を有することができる。さらなる例として、一実施形態において、一群のカソード構造112のサブセットの少なくとも1つの部材は、1×107μm2以下である充電状態の第1の中央断面積MLC1を有することができる。またさらなる例として、一実施形態では、一群のカソード構造112のサブセットの少なくとも1つの部材は、9.03×106μm2以下である充電状態の第1の中央断面積MLC1を有することができる。さらなる例として、一実施形態では、一群のカソード構造112のサブセットの少なくとも1つの部材は、8×106μm2以下である充電状態の第1の中央断面積MLC1を有することができる。さらなる例として、一実施形態では、一群のカソード構造112のサブセットのうちの少なくとも1つの部材は、5×106μm2以下である充電状態の第1の中央断面積MLC1を有することができる。一般に、一群のカソード構造のサブセットのうちの少なくとも1つの部材の第1の中央断面積MLC1は、少なくとも2×102μm2とすることができ、例えば、充電状態における第1の中央断面積MLC1は、2.6×102μm2、さらには3×102μm2とすることができる。例えば、充電状態における第1の中央断面積MLC1は、2.6×102μm2から9.03×106μm2、さらには3×102μm2から8×106μm2の範囲内など、1×102μm2から3×107μm2の範囲内とすることができる。
さらにまた、一実施形態では、一群のカソード構造112のサブセットの少なくとも1つの部材は、放電状態における一群のカソード構造の部材の第2の断面積C2について上記与えられた値と同じおよび/または同様とすることができる放電状態の第2の中央断面積MLc2を有することができる。例えば、一実施形態では、一群のカソード構造112のサブセットの少なくとも1つの部材は、少なくとも1.01×102μm2である放電状態の第2の中央断面積MLC2を有することができる。さらなる例として、一実施形態では、一群のカソード構造112のサブセットの少なくとも1つの部材は、少なくとも1.05×102μm2である放電状態の第2の中央断面積MLC2を有することができる。さらなる例として、一実施形態では、一群のカソード構造112のサブセットの少なくとも1つの部材は、少なくとも1.05×103μm2である放電状態の第2の中央断面積MLC2を有することができる。さらなる例として、一群のカソード構造112のサブセットの少なくとも1つの部材は、少なくとも1.1×103μm2である放電状態の第2の中央断面積MLC2を有することができる。さらなる例として、一実施形態では、一群のカソード構造112のサブセットの少なくとも1つの部材は、少なくとも1.5×103μm2である放電状態の第2の中央断面積MLC2を有することができる。一般に、放電状態における一群のカソード構造のサブセットの少なくとも1つの部材の第2の中央断面積MLc2は、1.5×1010μm2を超えず、例えば、少なくとも1つの部材の放電状態における第2の中央断面積MAc2は、9.5×106μm2を超えることはなく、さらには1×106μm2を超えることはない。例えば、第2の中央断面積MLC2は、1.05×103μm2から9.5×106μm2、さらには1.1×102μm2から1×106μm2の範囲内など、1.01×102μm2から1.5×1010μm2の範囲内とすることができる。
さらに他の実施形態では、一群のカソード構造112のサブセットの少なくとも1つの部材は、充電状態における第1の断面積C1に対する放電状態における第2の断面積C2の比について上記与えられた値と同じおよび/または同様である充電状態の第1の中央断面積MLC1に対する放電状態の第2の中央断面積MLC2の比を有することができる。例えば、一実施形態では、一群のカソード構造のサブセットの少なくとも1つの部材は、少なくとも1.05:1である、充電状態の第1の中央断面積MLc1に対する放電状態の第2の中央断面積MLc2の比を有する。さらなる例として、一実施形態では、一群のカソード構造のサブセットの少なくとも1つの部材は、少なくとも1.1:1である、充電状態の第1の中央断面積MLc1に対する放電状態の第2の中央断面積MLc2の比を有する。さらなる例として、一実施形態では、一群のカソード構造のサブセットの少なくとも1つの部材は、少なくとも1.3:1である、充電状態の第1の中央断面積MLc1に対する放電状態の第2の中央断面積MLc2の比を有する。さらなる例として、一実施形態では、一群のカソード構造のサブセットの少なくとも1つの部材は、少なくとも2:1である、充電状態の第1の中央断面積MLc1に対する放電状態の第2の中央断面積MLc2の比を有する。さらなる例として、一実施形態では、一群のカソード構造のサブセットの少なくとも1つの部材は、少なくとも3:1である、充電状態の第1の中央断面積MLc1に対する放電状態の第2の中央断面積MLc2の比を有する。さらなる例として、一実施形態では、一群のカソード構造のサブセットの少なくとも1つの部材は、少なくとも4:1である、充電状態の第1の中央断面積MLc1に対する放電状態の第2の中央断面積MLc2の比を有する。さらなる例として、一実施形態では、一群のカソード構造のサブセットの少なくとも1つの部材は、少なくとも6:1である、充電状態の第1の中央断面積MLc1に対する放電状態の第2の中央断面積MLc2の比を有する。一般に、第1の中央断面積MLC1に対する第2の中央断面積MLC2の比は、約15:1を超えず、例えば8:1を超えないなど、さらには10:1を超えない。例えば、一群のカソード構造のサブセットの少なくとも1つの部材は、1.05:1から15:1の範囲内とすることができる充電状態の第1の中央断面積MLc1に対する放電状態の第2の中央断面積MLc2の比を有することができる。さらなる例として、一群のカソード構造のサブセットの少なくとも1つの部材は、1.1:1から6:1の範囲内とすることができる充電状態の第1の中央断面積MLc1に対する放電状態の第2の中央断面積MLc2の比を有する。さらなる例として、一実施形態では、一群のカソード構造のサブセットのうちの少なくとも1つの部材は、1.3:1から4:1の範囲内とすることができる充電状態の第1の中央断面積MLc1に対する放電状態の第2の中央断面積MLc2の比を有する。さらにまた、一実施形態では、第2の中央断面積MLC2に対する第1の中央断面積MLC1の収縮は、5%から75%の収縮、さらには10%から70%の収縮など、2%から90%の収縮の範囲内とすることができる。すなわち、第1の中央断面積MLC1は、MLC2に対して少なくとも5%、さらには少なくとも10%など、中央断面積MLC2に対して少なくとも2%だけ収縮されることができるが、80%未満など、MLC2に対して90%未満、MLC2に対して70%未満など、さらにはMLC2に対して75%未満収縮されることができる。
さらにまた、一実施形態では、一群のアノード構造110のサブセットの少なくとも1つの部材は、充電状態の一群のアノード構造の部材の第1の断面積A1について上記与えられた値と同じおよび/または同様とすることができる充電状態の第1の中央断面積MLA1を有することができる。例えば、一実施形態では、一群のアノード構造110のサブセットの少なくとも1つの部材は、少なくとも100μm2である充電状態の第1の中央断面積MLA1を有することができる。さらなる例として、一実施形態では、一群のアノード構造110のサブセットの少なくとも1つの部材は、少なくとも1×103μm2である充電状態の第1の中央断面積MLA1を有することができる。またさらなる例として、一実施形態では、一群のアノード構造110のサブセットの少なくとも1つの部材は、少なくとも4.7×103μm2である充電状態の第1の中央断面積MLA1を有することができる。またさらなる例として、一群のアノード構造110のサブセットの少なくとも1つの部材は、少なくとも6×103μm2である充電状態の第1の中央断面積MLA1を有することができる。さらなる例として、一実施形態では、一群のアノード構造110のサブセットの少なくとも1つの部材は、少なくとも8×103μm2である充電状態の第1の中央断面積MLA1を有することができる。一般に、充電状態における一群のアノード構造のサブセットの少なくとも1つの部材の第1の中央断面積MLA1は、1.5×107μm2を超えることはなく、例えば、少なくとも1つの部材の充電状態における第1の中央断面積MLA1は、6.8×107μm2を超えることはなく、さらには5×106μm2を超えることはない。例えば、一群のアノード構造のサブセットの少なくとも1つの部材の第1の中央断面積MLA1は、4.7×103μm2から6.8×106μm2、さらには6×103μm2から5×106μm2の範囲内など、100μm2から1.5×107μm2の範囲内とすることができる。
さらにまた、一実施形態では、一群のアノード構造110のサブセットの少なくとも1つの部材は、充電状態の一群のアノード構造の部材の第1の断面積A2について上記与えられた値と同じおよび/または同様とすることができる放電状態の第2の中央断面積MLA2を有することができる。例えば、一群のアノード構造110のサブセットの少なくとも1つの部材は、3×107μm2以下である放電状態の第2の中央断面積MLA2を有することができる。さらなる例として、一実施形態では、一群のアノード構造110のサブセットの少なくとも1つの部材は、1.5×107μm2以下である放電状態の第2の中央断面積MLA2を有することができる。さらなる例として、一実施形態では、一群のアノード構造110のサブセットの少なくとも1つの部材は、7.1×106μm2以下である放電状態の第2の中央断面積MLA2を有することができる。さらなる例として、一実施形態では、一群のアノード構造110のサブセットの少なくとも1つの部材は、5×106μm2以下である放電状態の第2の中央断面積MLA2を有することができる。さらなる例として、一実施形態では、一群のアノード構造110のサブセットの少なくとも1つの部材は、3×106μm2以下である放電状態の第2の中央断面積MLA2を有することができる。一般に、充電状態における一群のアノード構造のサブセットの少なくとも1つの部材の第2の中央断面積MLA2は、少なくとも1.5×103μm2であり、例えば、放電状態における少なくとも1つの部材の第2の中央断面積MLA2は、少なくとも1.6×103μm2、さらには少なくとも3×103μm2とすることができる。例えば、放電状態における第2の中央断面積MLA2は、1.6×103μm2から7.1×106μm2、さらには3×103μm2から5×106μm2の範囲内など、500μm2から3×107μm2の範囲内とすることができる。
さらに他の実施形態では、一群のアノード構造110のサブセットの少なくとも1つの部材は、放電状態の第2の断面積A2に対する充電状態の第1の断面積A1の比について上記与えられた値と同じおよび/または同様である放電状態の第2の中央断面積MLA2に対する充電状態の第1の中央断面積MLA1の比を有することができる。例えば、一実施形態では、一群のアノード構造のサブセットの少なくとも1つの部材は、少なくとも1.01:1である、放電状態の第2の中央断面積MLA2に対する充電状態の第1の中央断面積MLA1の比を有する。さらなる例として、一実施形態では、一群のアノード構造のサブセットの少なくとも1つの部材は、少なくとも1.05:1である、放電状態の第2の中央断面積MLA2に対する充電状態の第1の中央断面積MLA1の比を有する。さらなる例として、一実施形態では、一群のアノード構造のサブセットの少なくとも1つの部材は、少なくとも1.5:1である、放電状態の第2の中央断面積MLA2に対する充電状態の第1の中央断面積MLA1の比を有する。さらなる例として、一実施形態では、一群のアノード構造のサブセットの少なくとも1つの部材は、少なくとも2:1である、放電状態の第2の中央断面積MLA2に対する充電状態の第1の中央断面積MLA1の比を有する。さらなる例として、一実施形態では、一群のアノード構造のサブセットの少なくとも1つの部材は、少なくとも3:1である、放電状態の第2の中央断面積MLA2に対する充電状態の第1の中央断面積MLA1の比を有する。さらなる例として、一実施形態では、一群のアノード構造のサブセットの少なくとも1つの部材は、少なくとも4:1である、放電状態の第2の中央断面積MLA2に対する充電状態の第1の中央断面積MLA1の比を有する。さらなる例として、一実施形態では、一群のアノード構造のサブセットの少なくとも1つの部材は、少なくとも5:1である、放電状態の第2の中央断面積MLA2に対する充電状態の第1の中央断面積MLA1の比を有する。例えば、一実施形態では、一群のアノード構造のサブセットの少なくとも1つの部材は、1.01:1から5:1の範囲内とすることができる、放電状態の第2の中央断面積MLA2に対する充電状態の第1の中央断面積MLA1の比を有する。例えば、一実施形態では、一群のアノード構造のサブセットの少なくとも1つの部材は、1.01:1から4:1の範囲内とすることができる、放電状態の第2の中央断面積MLA2に対する充電状態の第1の中央断面積MLA1の比を有する。例えば、一実施形態では、一群のアノード構造のサブセットの少なくとも1つの部材は、1.01:1から3:1、さらには1.5:1から3:1の範囲内とすることができる、放電状態の第2の中央断面積MLA2に対する充電状態の第1の中央断面積MLA1の比を有する。
さらに他の実施形態によれば、中央断面積MOAおよび/またはMOCは、それぞれ、各部材について複数の長手方向面において測定される断面積の中央値(例えば、MLAおよび/またはMLC)を評価し、次いで、一群のアノード構造または一群のアノード構造の少なくとも2つの部材などのサブセットについて測定されるこの値の中央値をとることによって、一群のアノード構造および/または一群のカソード構造のサブセットについて測定されることができる。すなわち、MOAおよび/またはMOCは、複数の長手方向面において、且つ複数のアノードおよび/またはカソードにわたって測定される断面積の「全体的な」中央値として理解されることができる。MOAおよび/またはMOCを得るために中央値が評価されるアノードおよび/またはカソードのサブセットは、上述したサブセットのいずれかに対応することができる。上記のMAA、MLA、MACおよびMLCの値と同様に、一群のアノード構造のサブセットは、二次電池が充電状態にあるときに第1の中央断面積MOA1を有し、二次電池が放電状態にあるときに第2の中央断面積MOA2を有し、一群のカソード構造のサブセットは、二次電池が充電状態にあるときに第1の中央断面積MOC1を有し、二次電池が放電状態にあるときに第2の中央断面積MOC2を有し、MOA1は、MOA2よりも大きく、MOC1は、MOC2よりも小さい。
一実施形態では、一群のカソード構造112のサブセットは、充電状態の一群のカソード構造の部材の第1の断面積C1について上記与えられた値と同じおよび/または同様とすることができる充電状態の第1の中央断面積MOc1を有することができる。例えば、一実施形態では、一群のカソード構造112のサブセットは、3×107μm2以下である充電状態の第1の中央断面積MOC1を有することができる。さらなる例として、一実施形態では、一群のカソード構造112のサブセットは、1×107μm2以下である充電状態の第1の中央断面積MOC1を有することができる。またさらなる例として、一実施形態では、一群のカソード構造112のサブセットは、9.3×106μm2以下である充電状態の第1の中央断面積MOC1を有することができる。またさらなる例として、一実施形態では、一群のカソード構造112のサブセットは、8×106μm2以下である充電状態の第1の中央断面積MOC1を有することができる。さらなる例として、一実施形態では、一群のカソード構造112のサブセットは、5×106μm2以下である充電状態の第1の中央断面積MOC1を有することができる。一般に、一群のカソード構造のサブセットの第1の中央断面積MOC1は、少なくとも2.0×106μm2とすることができ、例えば、充電状態の第1の中央断面積MOC1は、少なくとも2.6×102μm2、さらには少なくとも5×102μm2とすることができる。例えば、一群のカソード構造のサブセットの第1の中央断面積MOC1は、2.6×102μm2から9.03×106μm2、さらには3×102μm2から8×106μm2の範囲内など、1×102μm2から3×107μm2の範囲内とすることができる。
さらにまた、一実施形態では、一群のカソード構造112のサブセットは、放電状態の一群のカソード構造の部材の第2の断面積C2について上記与えられた値と同じおよび/または同様とすることができる放電状態の第2の中央断面積MOc2を有することができる。例えば、一実施形態では、一群のカソード構造112のサブセットは、放電状態において少なくとも1.01×102μm2である充電状態の第2の中央断面積MOC2を有することができる。さらなる例として、一実施形態では、一群のカソード構造112のサブセットは、放電状態において少なくとも1.05×102μm2である第2の中央断面積MOC2を有することができる。さらなる例として、一実施形態では、一群のカソード構造112のサブセットは、放電状態において少なくとも1.05×103μm2である第2の中央断面積MOC2を有することができる。さらなる例として、一群のカソード構造112のサブセットは、放電状態において少なくとも1.1×103μm2である第2の中央断面積MOC2を有することができる。さらなる例として、一実施形態では、一群のカソード構造112のサブセットは、放電状態において少なくとも1.5×103μm2である第2の中央断面積MOC2を有することができる。一般に、放電状態における一群のカソード構造のサブセットの第2の中央断面積MOc2は、1.5×1010μm2を超えず、例えば、放電状態における第2の中央断面積MOc2は、9.5×106μm2を超えることはなく、さらには1×106μm2を超えることはない。例えば、放電状態における一群のカソード構造のサブセットの第2の中央断面積MOC2は、1.05×103μm2から9.5×106μm2、さらには1.1×102μm2から1×106μm2の範囲内など、1.01×102μm2から1.5×1010μm2の範囲内とすることができる。
さらに他の実施形態では、一実施形態では、一群のカソード構造112のサブセットは、充電状態の一群のカソード構造の部材の第1の断面積C1に対する放電状態の一群のカソード構造の部材の第2の断面積C2の比と同じおよび/または同様の値とすることができる充電状態の第1の中央断面積MOC1に対する放電状態の第2の中央断面積MOC2の比を有することができる。例えば、一実施形態では、一群のカソード構造のサブセットは、少なくとも1.05:1である、充電状態の第1の中央断面積MOc1に対する放電状態の第2の中央断面積MOc2の比を有する。さらなる例として、一実施形態では、一群のカソード構造のサブセットは、少なくとも1.1:1である、充電状態の第1の中央断面積MOc1に対する放電状態の第2の中央断面積MOc2の比を有する。さらなる例として、一実施形態では、一群のカソード構造のサブセットは、少なくとも1.3:1である、充電状態の第1の中央断面積MOc1に対する放電状態の第2の中央断面積MOc2の比を有する。さらなる例として、一実施形態では、一群のカソード構造のサブセットは、少なくとも2:1である、充電状態の第1の中央断面積MOc1に対する放電状態の第2の中央断面積MOc2の比を有する。さらなる例として、一実施形態では、一群のカソード構造のサブセットは、少なくとも3:1である、充電状態の第1の中央断面積MOc1に対する放電状態の第2の中央断面積MOc2の比を有する。さらなる例として、一実施形態では、一群のカソード構造のサブセットは、少なくとも4:1である、充電状態の第1の中央断面積MOc1に対する放電状態の第2の中央断面積MOc2の比を有する。さらなる例として、一実施形態では、一群のカソード構造のサブセットは、少なくとも6:1である、充電状態の第1の中央断面積MOc1に対する放電状態の第2の中央断面積MOc2の比を有する。一般に、第1の中央断面積MOC1に対する第2の中央断面積MOC2の比は、約15:1を超えず、さらには10:1を超えず、例えば8:1を超えることはない。例えば、一群のカソード構造のサブセットは、1.05:1から6:1の範囲内とすることができる、充電状態の第1の中央断面積MOc1に対する放電状態の第2の中央断面積MOc2の比を有する。さらなる例として、一群のカソード構造のサブセットは、1.1:1から4:1の範囲内とすることができる、充電状態の第1の中央断面積MOc1に対する放電状態の第2の中央断面積MOc2の比を有する。さらなる例として、一群のカソード構造のサブセットは、1.3:1から4:1の範囲内とすることができる、充電状態の第1の中央断面積MOc1に対する放電状態の第2の中央断面積MOc2の比を有する。さらにまた、一実施形態では、第2の中央断面積MOC2に対する第1の中央断面積MOC1の収縮は、5%から75%の収縮、さらには10%から70%の収縮など、2%から90%の収縮の範囲内とすることができる。すなわち、第1の中央断面積MOC1は、MOC2に対して少なくとも5%、さらには少なくとも10%など、中央断面積MOC2に対して少なくとも2%だけ収縮されることができるが、80%未満など、MOC2に対して90%未満、MOC2に対して70%未満など、さらにはMOC2に対して75%未満収縮されることができる。
さらにまた、一実施形態では、一群のアノード構造110のサブセットは、充電状態の一群のアノード構造の部材の第1の断面積A1について上記与えられた値と同じおよび/または同様とすることができる充電状態の第1の中央断面積MOA1を有することができる。例えば、一実施形態では、一群のアノード構造110のサブセットは、100よりも大きい充電状態の第1の中央断面積MOA1を有することができる。さらなる例として、一実施形態では、一群のアノード構造110のサブセットは、少なくとも100μm2である充電状態の第1の中央断面積MOA1を有することができる。またさらなる例として、一実施形態では、一群のアノード構造110のサブセットは、少なくとも1×103μm2である充電状態の第1の中央断面積MOA1を有することができる。またさらなる例として、一群のアノード構造110のサブセットは、少なくとも4.7×103μm2である充電状態の第1の中央断面積MOA1を有することができる。さらなる例として、一実施形態では、一群のアノード構造110のサブセットは、少なくとも6×103μm2である充電状態の第1の中央断面積MOA1を有することができる。さらなる例として、一実施形態では、一群のアノード構造110のサブセットは、少なくとも8×103μm2である充電状態の第1の中央断面積MOA1を有することができる。一般に、充電状態における一群のアノード構造のサブセットの第1の中央断面積MOA1は、1.5×107μm2を超えることはなく、例えば、充電状態における第1の中央断面積MOA1は、6.8×107μm2を超えることはなく、さらには5×106μm2を超えることはない。例えば、充電状態における第1の中央断面積MOA1は、4.7×103μm2から6.8×106μm2など、100μm2から1.5×107μm2の範囲内とすることができ、さらには6×103μm2から5×106μm2の範囲内とすることができる。
さらにまた、一実施形態では、一群のアノード構造110のサブセットは、放電状態において、放電状態における一群のアノード構造の部材の第2の断面積A2について上記与えられた値と同じおよび/または同様とすることができる第2の中央断面積MOA2を有することができる。例えば、一実施形態では、一群のアノード構造110のサブセットは、3.3×107μm2以下である放電状態の第2の中央断面積MOA2を有することができる。さらなる例として、一実施形態では、一群のアノード構造110のサブセットは、1.5×107μm2以下である放電状態の第2の中央断面積MOA2を有することができる。さらなる例として、一実施形態では、一群のアノード構造110のサブセットは、7.1×106μm2以下である放電状態の第2の中央断面積MOA2を有することができる。さらなる例として、一実施形態では、一群のアノード構造110のサブセットは、5×106μm2以下である放電状態の第2の中央断面積MOA2を有することができる。さらなる例として、一実施形態では、一群のアノード構造110のサブセットは、3×106μm2以下である放電状態の第2の中央断面積MOA2を有することができる。一般に、充電状態における一群のアノード構造のサブセットの第2の中央断面積MOA2は、少なくとも1.5×103μm2であり、例えば、放電状態における第2の中央断面積MOA2は、少なくとも1.6×103μm2、さらには少なくとも3×103μm2とすることができる。例えば、充電状態における一群のアノード構造のサブセットの第2の中央断面積MOA2は、1.6×103μm2から7.1×106μm2、さらには3×103μm2から5×106μm2の範囲内など、500μm2から3×107μm2の範囲内とすることができる。
さらに他の実施形態では、一群のアノード構造110のサブセットは、放電状態の一群のアノード構造の部材の第2の断面積A2に対する充電状態の一群のアノード構造の部材の第1の断面積A1の比について上記与えられた値と同じおよび/または同様とすることができる放電状態の第2の中央断面積MOA2に対する充電状態の第1の中央断面積MOA1の比を有することができる。例えば、一実施形態では、一群のアノード構造のサブセットは、少なくとも1.01:1である、放電状態の第2の中央断面積MOA2に対する充電状態の第1の中央断面積MOA1の比を有する。さらなる例として、一実施形態では、一群のアノード構造のサブセットは、少なくとも1.05:1である、放電状態の第2の中央断面積MOA2に対する充電状態の第1の中央断面積MOA1の比を有する。さらなる例として、一実施形態では、一群のアノード構造のサブセットは、少なくとも1.5:1である、放電状態の第2の中央断面積MOA2に対する充電状態の第1の中央断面積MOA1の比を有する。さらなる例として、一実施形態では、一群のアノード構造のサブセットは、少なくとも2:1である、放電状態の第2の中央断面積MOA2に対する充電状態の第1の中央断面積MOA1の比を有する。さらなる例として、一実施形態では、一群のアノード構造のサブセットは、少なくとも3:1である、放電状態の第2の中央断面積MOA2に対する充電状態の第1の中央断面積MOA1の比を有する。さらなる例として、一実施形態では、一群のアノード構造のサブセットは、少なくとも4:1である、放電状態の第2の中央断面積MOA2に対する充電状態の第1の中央断面積MOA1の比を有する。さらなる例として、一実施形態では、一群のアノード構造のサブセットは、少なくとも5:1である、放電状態の第2の中央断面積MOA2に対する充電状態の第1の中央断面積MOA1の比を有する。例えば、一実施形態では、一群のアノード構造のサブセットは、1.01から4:1の範囲内とすることができる、放電状態の第2の中央断面積MOA2に対する充電状態の第1の中央断面積MOA1の比を有する。さらなる例として、一実施形態では、一群のアノード構造のサブセットは、1.01:1から3:1の範囲内、さらには1.5:1から3:1の範囲内とすることができる、放電状態の第2の中央断面積MOA2に対する充電状態の第1の中央断面積MOA1の比を有する。
さらに他の実施形態では、二次電池の充電および/または放電時に起こり得る一群のアノード構造および/または一群のカソード構造の部材のサイズの変化は、一群のアノード構造および一群のカソード構造のうちの1つ以上のサブセットの幅の変化に反映される。同様に上述したように、一群のアノード構造のサブセットは、二次電池が充電状態にあるときに第1の幅WA1を有し、二次電池が放電状態にあるときに第2の幅WA2を有することができ、一群のカソード構造のサブセットは、二次電池が充電状態にあるときに第1の幅WC1を有し、二次電池が放電状態にあるときに第2の幅WC2を有することができ、WA1はWA2よりも大きく、WC1はWC2よりも小さい。一実施形態では、幅WAおよびWCは、直交X-Y平面123と第1の長手方向面113の二等分線によって形成される線上の点間の距離を測定することによって測定され、Y軸は、長手方向に平行であり、X軸は、それぞれ一群のアノード構造および一群のカソード構造の部材の長さLAおよびLcの方向に平行である。例えば、図1Dを参照すると、幅は、部材の第1の側の第1の点125aから部材の第2の側の同じ線上の第2の点125bまで、X-Y平面123と長手方向面113の二等分線から形成される線に沿って測定されることができる。一実施形態では、X-Y平面123は、一群のアノード構造および/または一群のカソード構造の部材のうちの1つ以上の高さHAまたはHCの中点に位置してもよく、この場合、高さは、長手方向と一群のアノード構造および/または一群のカソード構造の部材の長さLAおよびLCの方向との両方に直交する方向において測定される。他の実施形態では、X-Y平面は、一群のカソードおよび/またはアノード構造の部材の全高Hの25%から75%のいずれかである電極(例えば、HAおよび/またはHC)の高さに沿った位置に配置される。代替的におよび/または追加的に、一群のアノード構造および/またはカソード構造の部材の幅は、部材の幅方向において(例えば、長手方向軸に沿って)測定される部材のフェレット直径に対応することができ、フェレット直径は、2つの平面に平行な方向で測定したときに部材を幅方向に制限する2つの平行な平面間の距離である。
したがって、一実施形態では、一群のカソード構造112のサブセットは、5000μm以下である充電状態の第1の幅WC1を有する。さらなる例として、一実施形態では、一群のカソード構造の部材のサブセットは、3000μm以下である充電状態の第1の幅WC1を有する。またさらなる例として、一実施形態では、一群のカソード構造の部材のサブセットは、1.9×103μm未満の充電状態の第1の幅WC1を有する。またさらなる例として、一実施形態では、一群のカソード構造の部材のサブセットは、1000μm以下である充電状態の第1の幅WC1を有する。さらなる例として、一実施形態では、一群のカソード構造の部材のサブセットは、500μm以下である充電状態の第1の幅WC1を有する。一般に、充電状態における第1の幅WC1は、少なくとも5μm、さらには少なくとも15μmなど、少なくとも2μmである。例えば、一実施形態では、一群のカソード構造の部材のサブセットは、5μmから1900μm、さらには15μmから1000μmなど、2μmから5000μmの範囲内とすることができる充電状態の第1の幅WC1を有することができる。
一実施形態では、一群のカソード構造の部材のサブセットは、少なくとも5μmの放電状態の第2の幅WC2を有する。さらなる例として、一実施形態では、一群のカソード構造の部材のサブセットは、少なくとも10μmの放電状態の第2の幅WC2を有する。さらなる例として、一実施形態では、一群のカソード構造の部材のサブセットは、少なくとも20μmの放電状態の第2の幅WC2を有する。さらなる例として、一実施形態では、一群のカソード構造の部材のサブセットは、少なくとも50μmの放電状態の第2の幅WC2を有する。さらなる例として、一実施形態では、一群のカソード構造の部材のサブセットは、少なくとも100μmの放電状態の第2の幅WC2を有する。一般に、放電状態における第2の幅WC2は、2,000μm未満、さらには1000μm未満など、5,000μm未満である。例えば、一実施形態では、一群のカソード構造112の部材のサブセットは、20μmから2,000μm、さらには50μmから1000μmなど、5μmから5,000μmの範囲内にある放電状態における第2の幅WC2を有する。
さらに他の実施形態では、一実施形態では、一群のサブセットについての充電状態のカソード構造112の第1の幅WC1に対する放電状態のカソード構造112の第2の幅WC2の比は、少なくとも1.05:1である。さらなる例として、一実施形態では、一群のサブセットについてのカソード構造112の第1の幅WC1に対するカソード構造112の第2の幅WC2の比は、少なくとも1.1:1である。さらなる例として、一実施形態では、一群のサブセットについてのカソード構造112の第1の幅WC2に対するカソード構造112の第2の幅WC2の比は、少なくとも1.3:1である。さらなる例として、一実施形態では、一群のサブセットについてのカソード構造112の第1の幅WC2に対するカソード構造112の第2の幅WC2の比は、少なくとも2:1である。さらなる例として、一実施形態では、一群のサブセットについてのカソード構造112の第1の幅WC1に対するカソード構造112の第2の幅WC2の比は、少なくとも3:1である。さらなる例として、一実施形態では、一群のサブセットについてのカソード構造112の第1の幅WC1に対するカソード構造112の第2の幅WC2の比は、少なくとも4:1である。さらなる例として、一実施形態では、一群のサブセットについてのカソード構造112の第1の幅WC1に対するカソード構造112の第2の幅WC2の比は、少なくとも6:1である。一般に、第1の幅WC1に対する第2の幅WC2の比は、10:1を超えず、さらには8:1を超えないなど、15:1を超えない。例えば、一実施形態では、一群のサブセットについてのカソード構造112の第1の幅WC1に対するカソード構造112の第2の幅WC2の比は、1.05:1から15:1の範囲内とすることができる。さらなる例として、一実施形態では、一群のサブセットについてのカソード構造112の第1の幅WC1に対するカソード構造112の第2の幅WC2の比は、1.1:1から6:1の範囲内とすることができる。さらなる例として、一実施形態では、一群のサブセットについてのカソード構造112の第1の幅WC1に対するカソード構造112の第2の幅WC2の比は、1.3:1から4:1の範囲内とすることができる。さらなる例として、一実施形態では、第2の幅WC2に対する第1の幅WC1の収縮は、5%から75%の収縮など、2%から90%の収縮の範囲内とすることができる。すなわち、第1の幅WC1は、第2の幅WC2に対して少なくとも5%、さらには少なくとも10%など、第2の中央幅WC2に対して少なくとも2%だけ収縮されることができるが、第2の幅WC2に対して80%未満、さらには75%未満など、第2の幅WC2に対して90%未満収縮されてもよい。
さらにまた、一実施形態では、一群のアノード構造110のサブセットは、少なくとも50μmである充電状態の第1の幅WA1を有することができる。さらなる例として、一実施形態では、一群のアノード構造の部材のサブセットは、少なくとも75μmである充電状態の第1の幅WA1を有する。またさらなる例として、一実施形態では、一群のアノード構造の部材のサブセットは、少なくとも90μmである充電状態の第1の幅WA1を有する。またさらなる例として、一実施形態では、一群のアノード構造の部材のサブセットは、少なくとも150μmである充電状態の第1の幅WA1を有する。さらなる例として、一実施形態では、一群のアノード構造の部材のサブセットは、少なくとも200μmである充電状態の第1の幅WA1を有する。一般に、充電状態における第1の幅WA1は、1520μmを超えず、さらには1000μmを超えないなど、2000μmを超えない。例えば、一実施形態では、一群のアノード構造110の部材のサブセットは、90μmから1520μm、さらには150μmから1000μmなど、50μmから2000μmの範囲内にある充電状態の第1の幅WA1を有する。
一実施形態では、一群のアノード構造の部材のサブセットは、2500μm以下である放電状態の第2の幅WA2を有する。さらなる例として、一実施形態では、一群のアノード構造の部材のサブセットは、2000μm以下である放電状態の第2の幅WA2を有する。さらなる例として、一実施形態では、一群のアノード構造の部材のサブセットは、1500μm以下である放電状態の第2の幅WA2を有する。さらなる例として、一実施形態では、一群のアノード構造の部材のサブセットは、1000μm以下である放電状態の第2の幅WA2を有する。さらなる例として、一実施形態では、一群のアノード構造の部材のサブセットは、800μm以下である放電状態の第2の幅WA2を有する。一般に、放電状態における第2の幅WA2は、少なくとも30μm、さらには少なくとも60μmなど、少なくとも15μmである。例えば、一実施形態では、一群のアノード構造110の部材のサブセットは、30μmから1500μm、さらには60μmから1000μmなど、15μmから2500μmの範囲内にある放電状態の第2の幅WA2を有する。
またさらに他の実施形態では、一群のサブセットについての放電状態のアノード構造110の第2の幅WA2に対する充電状態のアノード構造110の第1の幅WA1の比は、少なくとも1.01:1である。さらなる例として、一実施形態では、一群のサブセットについての放電状態のアノード構造110の第2の幅WA2に対する充電状態のアノード構造110の第1の幅WA1の比は、少なくとも1.05:1である。さらなる例として、一実施形態では、一群のサブセットについての放電状態のアノード構造110の第2の幅WA2に対する充電状態のアノード構造110の第1の幅WA1の比は、少なくとも1.5:1である。さらなる例として、一実施形態では、一群のサブセットについての放電状態のアノード構造110の第2の幅WA2に対する充電状態のアノード構造110の第1の幅WA1の比は、少なくとも2:1である。さらなる例として、一実施形態では、一群のサブセットについての放電状態のアノード構造110の第2の幅WA2に対する充電状態のアノード構造110の第1の幅WA1の比は、少なくとも3:1である。さらなる例として、一実施形態では、一群のサブセットについての放電状態のアノード構造110の第2の幅WA2に対する充電状態のアノード構造110の第1の幅WA1の比は、少なくとも4:1である。さらなる例として、一実施形態では、一群のサブセットについての放電状態のアノード構造110の第2の幅WA2に対する充電状態のアノード構造110の第1の幅WA1の比は、少なくとも5:1である。例えば、一実施形態では、一群のサブセットについての放電状態のアノード構造110の第2の幅WA2に対する充電状態のアノード構造110の第1の幅WA1の比は、1.0:1から5:1の範囲内とすることができる。さらなる例として、一実施形態では、一群のサブセットについての放電状態のアノード構造110の第2の幅WA2に対する充電状態のアノード構造110の第1の幅WA1の比は、1.01:1から4:1の範囲内とすることができる。さらなる例として、一実施形態では、一群のサブセットについての放電状態のアノード構造110の第2の幅WA2に対する充電状態のアノード構造110の第1の幅WA1の比は、1.01:1から3:1の範囲内とすることができ、さらには1.5:1から3:1の範囲内とすることができる。
一実施形態では、上述したものなど、充電状態および放電状態における一群のアノード構造110およびカソード構造112の部材のサイズ(例えば、寸法および断面積)は、二次電池102の初期形成段階が既に実行された後に実行される充電および/または充電ステップで達成されるものである。すなわち、電極アセンブリ106を有する二次電池102の製造において、二次電池102の部材間の所望の構造および接触の形成を促進するために、電流、温度および持続時間のうちの1つ以上を含む慎重に制御された条件下で実行されることができる二次電池102の少なくとも1回の初期充電サイクルを備える初期形成段階が実行されることができる。初期形成段階は、特定の電池構造および組成に応じて、製造の最終段階として実行されて二次電池102をその全電力および/または容量にすることができる単一の初期充電サイクルのみを備えることができるかまたは複数の充電サイクルを備えることができる。一実施形態によれば、以下でさらに詳細に説明するように、二次電池102が充電および/または放電されるにつれて、アノードおよび/またはカソード構造の1つ以上の寸法もまた、初期形成段階中に変化することがある。したがって、一実施形態では、本明細書で言及されるカソードおよびアノード構造110、112の寸法、ならびにその変化は、初期形成段階に続く二次電池の充電および/または放電中に生じるものである。しかしながら、他の実施形態では、本明細書で言及される寸法、ならびにその変化もまた、初期形成段階の一部として生じるものに対応することができる。
一実施形態では、一群のカソード構造110の部材は、多孔質構造を有するカソード活物質層138を含み、カソード活物質層138の多孔度は、二次電池102の充電/放電時のカソード構造112の膨張/収縮に応じて変化することができる。例えば、図3を参照すると、一群のカソード構造112の部材は、物質の多孔質マトリクス204中に分散されたカソード活物質202を有するカソード活物質層138を含むことができ、多孔質マトリクス204は、その中に形成された細孔200および/または間隙を含む。図3に示す実施形態では、カソード活物質層138は、多孔質マトリクス204中に分散しているカソード活物質の粒子202を含む。カソード活物質層138はまた、必要に応じて、多孔質マトリクス204中に同様に分散されているフィラー粒子206を含んでもよい。図示の実施形態では、多孔質マトリクスは、比較的高度に多孔質であり、カソード活物質の粒子202および/またはフィラー材料の粒子206を接続するマトリクス材料のウェブおよび/またはストランドを含み、細孔200および/または間隙は、マトリクス材料の隣接するウェブおよび/またはストランドの間に形成される。したがって、一実施形態では、多孔質マトリクス204は、カソード活物質の粒子を互いに結合してカソード活物質層138を形成するバインダーとして作用すると理解されることができる。他の実施形態では、多孔質マトリクス204はまた、および/またはその代わりに、少なくとも部分的に且つさらには全体的に埋め込まれている粒子202を有するマトリクス材料の厚い部分を含むことができ、比較的厚いマトリクス材料部分に細孔が形成される。特定の実施形態では、マトリクス材料中の細孔202および/または間隙の容積および/または数に関連することができ、且つ二次電池102の充電/放電状態に応じて変化し得るマトリクス204の多孔度(すなわち、ボイド率)はまた、以下により詳細に説明するように、カソード活物質層138の性能を提供するように選択されることができる。
一実施形態によれば、一群のカソード構造112の部材の圧縮および/または膨張により、細孔および/または間隙200が一群のカソード構造112の部材の膨張時にサイズおよび/または数が増加し、且つ一群のカソード構造112の部材の圧縮時にサイズおよび/または数が減少するように、カソード活物質層138が圧縮および/または膨張する。すなわち、充電状態と放電状態との間の二次電池102のサイクル中の一群のカソード構造112の部材の圧縮および/または膨張は、カソード活物質層138の多孔度の変化をもたらす。図4A~図4Bに示す実施形態では、一群のカソード構造112の部材は、図4Aの幅WC1を有する充電状態、および図4Bの幅WC2を有する放電状態にあるものとして示されており、幅WC2は、幅WC1よりも大きい。同様に、一群のカソード構造112の部材の断面積C2は、図4Aに示す充電状態の断面積C1よりも図4Bに示す放電状態の方が高い。すなわち、一群のカソード構造112の部材は、それぞれ、例えば、二次電池102の充電状態および放電状態に対応する、図4Aにおけるより圧縮された状態、および図4Bにおけるより膨張された状態にあるように描かれている。なお、図4A~図4Bは、アノード活物質層132、アノード集電体136、およびアノードバックボーン134、一群のアノード構造部材110と一群のカソード構造部材112との間のセパレータ130を有するアノード構造110と、カソードバックボーン141およびカソード集電体140を有するカソード構造112をさらに示していることに留意されたい。しかしながら、アノードおよびカソード構造110、112を有する電極アセンブリ106は、それに限定されるものではなく、アノードおよびカソード構造の構成要素の他の構造および/または配置もまた提供可能であることが理解されるべきである。図4A~図4Bに示す実施形態からわかるように、図4Aに示す充電状態から図4Bに示す放電状態への一群のカソード構造112の部材の膨張は、カソード活物質層138が放電状態の体積の増加に応じて膨張するにつれて、細孔および/または間隙200のサイズおよび/または数の増加をもたらすことができる。逆に、図4Bに示す放電状態から図4Aに示す充電状態への一群のカソード構造112の部材の収縮は、カソード活物質層138が充電状態のより小さい体積まで圧縮されるにつれて、カソード活物質層138の圧縮および細孔および/または間隙の少なくとも部分的な充填をもたらす。
したがって、一実施形態では、一群のカソード構造112の部材は、二次電池102が充電状態にあるときに第1の多孔度P1を有し且つ二次電池102が放電状態にあるときに第2の多孔度P2を有するカソード活物質層138を有し、第1の多孔度は、第2の多孔度よりも小さい。例えば、一実施形態では、第1の多孔度は、30%未満とすることができる。さらなる例として、一実施形態では、第1の多孔度は、20%未満とすることができる。さらなる例として、一実施形態では、第1の多孔度は、10%未満とすることができる。さらなる例として、一実施形態では、第1の多孔度は、5%未満とすることができる。例えば、一実施形態では、第1の多孔度は、1%から30%の範囲内とすることができる。さらなる例として、一実施形態では、第1の多孔度は、2%から20%の範囲内とすることができる。さらなる例として、一実施形態では、第1の多孔度は、5%から10%の範囲内とすることができる。さらにまた、一実施形態では、放電状態における第2の多孔度は、少なくとも50%とすることができる。例えば、一実施形態では、第2の多孔度は、少なくとも60%とすることができる。さらなる例として、一実施形態では、第2の多孔度は、少なくとも70%とすることができる。さらなる例として、一実施形態では、第2の多孔度は、少なくとも75%とすることができる。例えば、一実施形態では、第2の多孔度は、50%から90%の範囲内とすることができる。さらなる例として、一実施形態では、第2の多孔度は、60%から80%の範囲内とすることができる。さらなる例として、一実施形態では、第2の多孔度は、70%から75%の範囲内とすることができる。カソード活物質層138の多孔度は、カソード活物質層138の全質量が占める体積に対するカソード活物質層138内のカソード活物質202間の細孔および/または間隙200の体積の比である。
またさらに他の実施形態では、充電状態のカソード活物質層138の多孔度P1に対する放電状態のカソード活物質層138の多孔度P2の比は、少なくとも1.1:1である。さらなる例として、一実施形態では、充電状態のカソード活物質層138の多孔度P1に対する放電状態のカソード活物質層138の多孔度P2の比は、少なくとも1.5:1である。さらなる例として、一実施形態では、充電状態のカソード活物質層138の多孔度P1に対する放電状態のカソード活物質層138の多孔度P2の比は、少なくとも2:1である。さらなる例として、一実施形態では、充電状態のカソード活物質層138の多孔度P1に対する放電状態のカソード活物質層138の多孔度P2の比は、少なくとも5:1である。さらなる例として、一実施形態では、充電状態のカソード活物質層138の多孔度P1に対する放電状態のカソード活物質層138の多孔度P2の比は、少なくとも10:1である。さらなる例として、一実施形態では、充電状態のカソード活物質層138の多孔度P1に対する放電状態のカソード活物質層138の多孔度P2の比は、少なくとも15:1である。例えば、一実施形態では、充電状態のカソード活物質層138の多孔度P1に対する放電状態のカソード活物質層138の多孔度P2の比は、2:1から30:1の範囲内である。例えば、一実施形態では、充電状態のカソード活物質層138の多孔度P1に対する放電状態のカソード活物質層138の多孔度P2の比は、3:1から20:1の範囲内である。さらなる例として、一実施形態では、充電状態のカソード活物質層138の多孔度P1に対する放電状態のカソード活物質層138の多孔度P2の比は、5:1から15:1の範囲内である。
一実施形態では、カソード活物質層138は、粒子202の形態のカソード活物質を含む。例えば、一実施形態では、カソード活物質は、選択的に使用されることができる遷移金属酸化物、遷移金属硫化物、遷移金属窒化物、リチウム遷移金属酸化物、リチウム遷移金属硫化物、およびリチウム遷移金属窒化物のうちの少なくとも1つの粒子202を含む。これら遷移金属酸化物、遷移金属硫化物、および遷移金属窒化物の遷移金属元素は、d‐シェルまたはf‐シェルを有する金属元素を含むことができる。このような金属元素の具体例は、Sc、Y、ランタノイド、アクチノイド、Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Mn、Tc、Re、Fe、Ru、Os、Co、Rh、Ir、Ni、Pb、Pt、Cu、Ag、およびAuである。さらなるカソード活物質は、LiCoO2、LiNi0.5Mn1.5O4、Li(NixCoyAl2)O2、LiFePO4、Li2MnO4、V2O5、モリブデンオキシサルファイド、リン酸塩、ケイ酸塩、バナジウム酸塩およびそれらの組み合わせを含む。一実施形態では、カソード活物質層138は、少なくとも40重量%のカソード活物質202を含む。例えば、一実施形態では、カソード活物質層138は、少なくとも50重量%のカソード活物質を含む。さらなる例として、一実施形態では、カソード活物質層138は、少なくとも60重量%のカソード活物質を含む。例えば、カソード活物質層138は、40重量%から99重量%の範囲の重量パーセントのカソード活物質を含むことができる。例えば、一実施形態では、カソード活物質層138中のカソード活物質の重量パーセントは、50%から99%の範囲内とすることができる。さらにまた、一実施形態では、カソード活物質層138は、粒子の形態とすることもできる少なくとも1つのフィラー材料を含む。例えば、カソード活物質層138は、カーボンブラックなどの炭素含有材料、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリフッ化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリアクリル酸、カルボキシメチルセルロース、ポリビニルアルコール、デンプン、再生セルロース、ジアセチルセルロース、ヒドロキシプロピルセルロース、ポリ塩化ビニル、ポリビニルピロリドン、ポリブタジエン、ポリエチレンオキシド、ポリアクリレート、例えば、エチレン-プロピレン-ジエンモノマー(EPDM)ゴム、スルホン化EPDM、フッ素化ゴム、スチレンブタジエンゴム(SBR)、ポリアクリロニトリル(PAN)、ポリメチルメタクリレート(PMMA)、ポリアクリル酸(PAA)、架橋ポリエチレン(PEX、XLPE)、ポリエチレン(PE)、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリフェニルエーテル(PPE)、ポリ塩化ビニル(PVC)、ポリ塩化ビニリデン(PVDC)、ポリアミド(PA)、ポリイミド(PI)、ポリカーボネート(PC)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリスチレン(PS)、ポリウレタン(PU)、ポリエステル(PE)、アクリロニトリルブタジエンスチレン(ABS)、ポリオキシメチレン(POM)、ポリスルホン(PES)、スチレン-アクリロニトリル(SAN)、エチレンビニルアセテート(EVA)、スチレン無水マレイン酸(SMA)、これらの組み合わせなどのゴム、、および1E-5GPaから10GPaの間の弾性率を有し且つ電池内で不活性である他の不活性ポリマーのうちの1つ以上から形成されるビーズなどのポリマー含有ビーズのうちの少なくとも1つを含むフィラー粒子を含むことができる。特に、これらの材料の濃度および粒径は、カソード構造の所定の圧縮性を達成するために、工学的特性設計によって選択されることができる。例えば、一実施形態では、比較的高い圧縮性を有するカソード活物質層を有するカソード構造を得るために、比較的低い弾性率(ヤング率)を有するポリマーがカソード活物質層に比較的高濃度で提供されることができる。フィラーおよび/またはカソード活物質の粒子は、例えば図3に示すように、マトリクス材料中に分散させることができる。
一実施形態では、カソード活物質202は、0.1μmから500μmの範囲の平均粒径を有する粒子(例えば、1つ以上のカソード活物質粒子およびフィラー粒子)を含む。さらなる例として、一実施形態では、カソード活物質202は、0.15μmから300μmの範囲の重量平均粒径を有する粒子を含む。さらなる例として、一実施形態では、カソード活物質202は、0.2μmから200μmの範囲の平均粒径を有する粒子を含む。
一実施形態では、カソード活物質層138は、カソード活物質層の0.05重量%から20重量%の範囲のフィラー材料を含む。さらなる例として、一実施形態では、カソード活物質層138は、0.1重量%から10重量%の範囲のフィラー材料を含む。さらなる例として、一実施形態では、カソード活物質層138は、0.5重量%から5重量%の範囲のフィラー材料を含む。
さらに他の実施形態では、カソード活物質層138中のフィラー材料に対するカソード活物質の重量比は、1.5:1から30:1の範囲内である。さらに他の実施形態では、カソード活物質層138中のフィラーに対するカソード活物質の重量比は、2:1から20:1の範囲内である。さらに他の実施形態では、カソード活物質層138中のフィラーに対するカソード活物質の重量比は、3:1から15:1の範囲内である。
一実施形態によれば、カソード活物質層138は、ポリマー材料のマトリクス中に分散されたカソード活物質の粒子および/またはフィラー粒子を含む。一実施形態では、カソード活物質の粒子は、ポリマー材料のマトリクス全体にわたって実質的に均一に分散させることができる。あるいは、他の実施形態では、カソード活物質層138の一方側においてカソード活物質層の他方側よりも高い粒子濃度でカソード活物質層138全体にわたってカソード活物質が勾配するように、カソード活物質の粒子をポリマー材料のマトリクス全体にわたって不均一に分布させることができる。一実施形態では、ポリマー材料は、フッ化ビニリデン、ヘキサフルオロプロピレン、テトラフルオロプロペンなどのうちの少なくとも1つを含むモノマーから誘導されたフルオロポリマーを含むことができる。他の実施形態では、ポリマー材料は、任意の範囲の様々な分子量および密度を有する、ポリエチレン、ポリプロピレン、またはポリブテンのうちの少なくとも1つなどのポリオレフィンとすることができる。他の実施形態では、ポリマー材料は、エチレン-ジエン-プロペンターポリマー、ポリスチレン、ポリメチルメタクリレート、ポリエチレングリコール、ポリ酢酸ビニル、ポリビニルブチラール、ポリアセタール、およびポリエチレングリコールジアクリレートからなる群から選択される。他の実施形態では、ポリマー材料は、メチルセルロース、カルボキシメチルセルロース、スチレンゴム、ブタジエンゴム、スチレン-ブタジエンゴム、イソプレンゴム、ポリアクリルアミド、ポリビニルエーテル、ポリアクリル酸、ポリメタクリル酸、およびポリエチレンオキシドからなる群から選択される。他の実施形態では、ポリマー材料は、アクリレート、スチレン、エポキシ、およびシリコンからなる群から選択される。さらに他の実施形態では、ポリマー材料は、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリフッ化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリアクリル酸、カルボキシメチルセルロース、ポリビニルアルコール、デンプン、再生セルロース、ジアセチルセルロース、ヒドロキシプロピルセルロース、ポリ塩化ビニル、ポリビニルピロリドン、ポリブタジエン、ポリエチレンオキシド、ポリアクリレート、例えば、エチレン-プロピレン-ジエンモノマー(EPDM)ゴム、スルホン化EPDM、フッ素化ゴム、スチレンブタジエンゴム(SBR)、ポリアクリロニトリル(PAN)、ポリメチルメタクリレート(PMMA)、ポリアクリル酸(PAA)、架橋ポリエチレン(PEX、XLPE)、ポリエチレン(PE)、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリフェニルエーテル(PPE)、ポリ塩化ビニル(PVC)、ポリ塩化ビニリデン(PVDC)、ポリアミド(PA)、ポリイミド(PI)、ポリカーボネート(PC)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリスチレン(PS)、ポリウレタン(PU)、ポリエステル(PE)、アクリロニトリルブタジエンスチレン(ABS)、ポリオキシメチレン(POM)、ポリスルホン(PES)、スチレン-アクリロニトリル(SAN)、エチレンビニルアセテート(EVA)、スチレン無水マレイン酸(SMA)、これらの組み合わせなどのゴム、、および1E-5GPaから10GPaの間の弾性率を有し且つ電池内で不活性である他の不活性ポリマーのうちの1つ以上を含むことができる。特に、上記のフィラー粒子と同様に、これらの材料の濃度は、カソード構造の所定の圧縮性を達成するために、工学的特性設計によって選択されることができる。例えば、一実施形態では、比較的高い圧縮性を有するカソード活物質層を有するカソード構造を得るために、比較的低い弾性率(ヤング率)を有するポリマーがカソード活物質層に比較的高濃度で提供されることができる。他の実施形態では、ポリマー材料は、前述のポリマーのうちの2つ以上のコポリマーまたはブレンドである。
一実施形態では、一群のカソード構造112の部材は、二次電池の充電/放電サイクル中に良好な性能を付与する圧縮性を有する。例えば、一実施形態では、一群のカソード構造112の1つ以上の部材は、(寸法1-寸法2)/(寸法1)×100によって定義されるように圧縮を呈することができ、寸法1は、少なくとも0.7MPa(100psi)の圧力で、少なくとも5%の、放電状態におけるカソード構造の寸法(幅または断面積など)であり、寸法2は、充電状態におけるカソード構造の寸法である。さらなる例として、一群のカソード構造のうちの1つ以上の部材は、0.7MPa(100psi)の圧力で少なくとも10%の圧縮を呈することができる。さらなる例として、一群のカソード構造のうちの1つ以上の部材は、0.7MPa(100psi)の圧力で少なくとも25%の圧縮を呈することができる。さらなる例として、一群のカソード構造のうちの1つ以上の部材は、70MPa(10,000psi)の圧力で少なくとも5%の圧縮を呈することができる。さらなる例として、一群のカソード構造のうちの1つ以上の部材は、70MPa(10,000psi)の圧力で少なくとも10%の圧縮を呈することができる。例えば、一実施形態では、一群のカソード構造112のうちの1つ以上の部材は、0.7MPa(100psi)の圧力で5%から75%の範囲の圧縮を呈することができる。さらなる例として、一実施形態では、一群のカソード構造112のうちの1つ以上の部材は、70MPa(10,000psi)の圧力で0.5%から75%の範囲の圧縮を呈することができる。さらなる例として、一実施形態では、一群のカソード構造112のうちの1つ以上の部材は、0.7MPa(100psi)の圧力で20%から50%の範囲の圧縮を呈することができる。さらなる例として、一実施形態では、一群のカソード構造112のうちの1つ以上の部材は、70MPa(10,000psi)の圧力で20%から50%の範囲の圧縮を呈することができる。
一実施形態では、一群のカソード構造112の部材は、圧縮性および弾性の両方であるフィラー粒子を有するカソード活物質層138を有する。すなわち、フィラー粒子は、カソード構造の圧縮とともに圧縮することができ、粒子が圧縮前にその形状を少なくとも部分的に回復できる弾性を有するポリマービーズまたは他の材料などの粒子を含むことができる。一実施形態では、所定のレベルの弾性を有するフィラー粒子により、二次電池の充電中のカソード構造の圧縮を過度に阻害することなく、二次電池の放電中のカソード構造の膨張が容易になる。フィラー粒子はまた、0.1から4.1GPa、さらには2.5GPaから10Gpaなど、0.1GPaから10Gpaの範囲内のヤング率に応じて測定される弾性を含むことができる。
一実施形態では、一群のカソード構造112の部材は、非圧縮性で多孔質のフィラー粒子を有するカソード活物質層138を有する。フィラー粒子は、中空微小球、マイクロファイバー、マイクロチューブ、マイクロシリンダー、マイクロスケルトン、ならびに電池に適合する他のマイクロスコピックおよびナノスコピックな物体形状およびサイズなどの構造を含むことができる。多孔質フィラー粒子は、圧縮に抵抗するとともに多孔質内部も提供する、例えば多孔質セラミック材料などの非圧縮性材料、または硬質セラミックセルを有する多孔質材料を含むことができる。これらの多孔質の非圧縮性粒子は、電極のマトリクス中の電解質貯蔵体として使用されることができる。電極がその圧縮形態にあるとき、これらの粒子の多孔質に貯蔵されている電解質は、マトリクス電極のイオン抵抗を減少させるように作用することができる。
一態様によれば、電解質貯蔵体として作用するフィラー材料は、セラミック、ポリマー、金属、金属酸化物、または他の適合性材料から構成されることができる。フィラー粒子の量、サイズ、形状、および材料特性は、特定の用途および動作中に電池によって発生する圧力に合わせて調整されることができる。
一実施形態では、フィラー材料の圧縮率および多孔度は、用途および動作中に電池によって発生する圧力に合わせて調整されることができる。一例では、フィラー粒子は、動作中に電池によって加えられる圧力下では非圧縮性であり、フィラー粒子の内部に貯蔵された電解質の体積は、充電中および放電中にそれほど変化しない。他の実施形態では、フィラー材料は、電極マトリクスよりも圧縮性が低いため、フィラー粒子中の電解質体積は、非圧縮状態よりも圧縮状態の方が低いが、マトリクス中の電解質体積よりも大きく、それによってイオン伝導性を提供する。
電解質貯蔵体として使用するために設計されたフィラー材料の多孔度は、電池動作中に粒子中の電解質の量を最大にするために高いことが好ましい。好ましくは、多孔度は、フィラー材料の70体積%超、80体積%超、さらには90体積%超など、60体積%超とすることができる。一態様によれば、フィラー材料の孔径は、イオン輸送を容易にするために、10nmよりも大きく、さらには50nmよりも大きいなど、一般に5nmよりも大きくすることができる。
一実施形態において、電解質貯蔵体を構成するために使用されるフィラー材料は、50GPaよりも大きく、さらには100Gpaよりも大きいなど、10GPaよりも大きいヤング率に応じた弾性を有する材料から構成されることができる。
一実施形態では、互いに逆相関があるなど、膨張および/または収縮することができる一群のアノード構造110およびカソード構造112の部材を有する二次電池102は、二次電池の比較的高い面容量および/またはエネルギー密度と比較的高い放電率(例えば、レート性能によって測定されるような)との両方を同時に付与する点で相乗効果をもたらすことができる。例えば、二次電池102は、特定の態様では、カソード構造110の圧縮下でその多孔度を維持することが可能であり得る。いずれかの特定の理論に限定されることなく、二次電池102の放電/充電時の一群のカソード構造112の部材の膨張/収縮は、二次電池の放電が起こり得る速度を犠牲にすることなく、比較的高い面容量を提供するカソード構造112の使用を可能にすると考えられる。明確にするために、二次電池102の面容量は、提供されることができる単位幾何学的面積あたりの比較的高いカソード体積(すなわち、カソード活物質体積)に関連することができることに留意されたい。一般に、単位幾何学的面積あたりの比較的体積が高いカソードは、比較的高い面容量をもたらすであろう。しかしながら、長手方向に比較的大きい厚さを有するものなどの比較的体積が高いカソードを有する電池もまた、カソード表面ではなくカソードの内部に存在するより多くの量のカソード活物質により、より薄いカソードと比較して放電が減少する可能性がある。しかしながら、いかなる理論によっても限定されることなく、カソード構造112の膨張/収縮、および膨張/収縮とともに生じるカソード活物質層138の多孔度の変化により、比較的体積が高いカソード構造112によって観察されるかもしれない、いかなる減少も少なくとも部分的に補償する放電速度を可能にし得ると考えられる。すなわち、放電中のカソードの膨張およびカソード内の多孔度の増加により、カソードのさらに内部の領域においても電解質とカソード活物質との接触が容易となり、それによって放電速度の増加を容易にできると仮定される。したがって、本開示の態様は、比較的高い放電速度、したがって二次電池の高いレート性能を維持しながら、(カソード構造、アノード構造、およびセパレータの総体積に対して)比較的大きな体積のカソード活物質が提供されることを可能にし得る。
例えば、一実施形態では、二次電池の面容量は、電池の一群のアノード構造の部材の対向表面積の中央値あたりの電池の容量として決定されてもよく、対向表面積は、積層方向においてアノードに直接隣接するカソード表面に面するアノード表面の一部の面積である。面容量は、mA・h/cm2の単位で測定されることができる。例えば、図1Dを参照すると、対向表面積OAは、アノードの長さLAに沿った点126aと126bとの間のアノード表面積の一部に高さHAを乗じたものとすることができ、点126bは、アノードの遠位端であり、点126aは、対面するカソード112の遠位端を横切って位置するアノードの基部のすぐ手前の点であり、したがって、126aおよび126bは、対向するカソード112の表面に直接面するアノードの表面領域の端部をマーキングしている。したがって、一実施形態では、二次電池の面容量は、0.1Cで少なくとも3mA・h/cm2である。さらなる例として、一実施形態では、二次電池のエネルギー密度は、0.1Cで少なくとも5mA・h/cm2である。さらなる例として、一実施形態では、二次電池のエネルギー密度は、0.1Cで少なくとも8mA・h/cm2である。さらなる例として、一実施形態では、二次電池のエネルギー密度は、0.1Cで少なくとも10mA・h/cm2である。さらなる例として、一実施形態では、二次電池のエネルギー密度は、0.1Cで少なくとも15mA・h/cm2である。さらなる例として、一実施形態では、二次電池のエネルギー密度は、0.1Cで少なくとも20mA・h/cm2である。さらなる例として、一実施形態では、二次電池のエネルギー密度は、0.1Cで少なくとも25mA・h/cm2である。例えば、一実施形態では、二次電池102のエネルギー密度は、0.1Cで3から50mA・h/cm2の範囲内である。さらなる例として、一実施形態では、二次電池102のエネルギー密度は、0.1Cで5から25mA・h/cm2の範囲内である。さらなる例として、一実施形態では、二次電池102のエネルギー密度は、0.1Cで8から20mA・h/cm2の範囲内である。
一実施形態では、二次電池102は、二次電池のレート性能に応じて定量化されることができるより高い放電速度を提供することができる。二次電池のレート性能は、百分率として表される、第2のCレートにおける二次電池の容量に対する第1のCレートにおける二次電池の容量の比を指す。例えば、レート性能は、容量1/容量2×100にしたがって計算されることができ、容量1は、1CのCレートなどの第1のCレートでの放電のための容量であり、容量2は、C/10のCレートなどの第2のCレートでの放電のための容量であり、特定の比Cx:Cyについて計算された百分率として表すことができ、Cxは第1のCレートであり、Cyは第2のCレートである。特に、レート性能メトリックは、より低いレートと比較してより高いレートで放電されたときの二次電池の放電速度の効率の尺度とすることができる。明確にするために、実際には、二次電池の放電速度を増加させることは、より高い電流に対抗するために増大することができるインピーダンスおよび他の力の発生をもたらすことに留意されたい。したがって、レート性能は、放電速度の変化によって生じる容量の変化の尺度とすることができる。一実施形態では、二次電池は、少なくとも75%の1C:C/10のレート性能を提供することが可能であり得る。さらなる例として、二次電池は、少なくとも80%の1C:C/10のレート性能を提供することが可能であり得る。さらなる例として、二次電池は、少なくとも90%の1C:C/10のレート性能を提供することが可能であり得る。さらなる例として、二次電池は、少なくとも95%の1C:C/10のレート性能を提供することが可能であり得る。さらなる例として、二次電池は、少なくとも75%の2C:C/10レートを提供することが可能であり得る。さらなる例として、二次電池は、少なくとも80%の2C:C/10のレート性能を提供することが可能であり得る。さらなる例として、二次電池は、少なくとも90%の2C:C/10のレート性能を提供することが可能であり得る。さらなる例として、二次電池は、少なくとも95%の2C:C/10のレート性能を提供することが可能であり得る。さらなる例として、二次電池は、少なくとも75%の5C:C/10レートを提供することが可能であり得る。さらなる例として、二次電池は、少なくとも80%の5C:C/10のレート性能を提供することが可能であり得る。さらなる例として、二次電池は、少なくとも90%の5C:C/10のレート性能を提供することが可能であり得る。さらなる例として、二次電池は、少なくとも95%の5C:C/10のレート性能を提供することが可能であり得る。
一実施形態では、二次電池は、0.1Cで少なくとも3mA・h/cm2の面容量、および少なくとも75%の1C/0.1Cのレート性能を有する。例えば、一実施形態では、二次電池は、0.1Cで少なくとも5mA・h/cm2の面容量、および少なくとも80%の1C/0.1C、さらには95%などの少なくとも90%のレート性能など、少なくとも75%の1C/0.1Cのレート性能を有することができる。さらなる例として、一実施形態では、二次電池は、0.1Cで少なくとも8mA・h/cm2の面容量、および少なくとも80%の1C/0.1C、さらには95%などの少なくとも90%のレート性能など、少なくとも75%の1C/0.1Cのレート性能を有することができる。さらなる例として、一実施形態では、二次電池は、0.1Cで少なくとも10mA・h/cm2の面容量、および少なくとも80%の1C/0.1C、さらには95%などの少なくとも90%のレート性能など、少なくとも75%の1C/0.1Cのレート性能を有することができる。さらなる例として、一実施形態では、二次電池は、0.1Cで少なくとも15mA・h/cm2の面容量、および少なくとも80%の1C/0.1C、さらには95%などの少なくとも90%のレート性能など、少なくとも75%の1C/0.1Cのレート性能を有することができる。さらなる例として、一実施形態では、二次電池は、0.1Cで少なくとも20mA・h/cm2の面容量、および少なくとも80%の1C/0.1C、さらには95%などの少なくとも90%のレート性能など、少なくとも75%の1C/0.1Cのレート性能を有することができる。さらなる例として、一実施形態では、二次電池は、0.1Cで少なくとも25mA・h/cm2の面容量、および少なくとも80%の1C/0.1C、さらには95%などの少なくとも90%のレート性能など、少なくとも75%の1C/0.1Cのレート性能を有することができる。
さらに他の実施形態では、特定の理論に限定されることなく、膨張/収縮カソード構造112を有する電極アセンブリ106は、カソード構造中のカソード活物質への電解質の移動および流れを増大させ、且つカソード構造112を有する二次電池102の高い放電速度を維持するのを助ける電解質ポンピング効果を提供することができると考えられる。明確にするために、特定の理論のいずれかに限定されることなく、二次電池102内の電解質が占める体積は、一群のカソードおよびアノード構造112、110の部材間の電解質が占める体積を含み、また、その多孔度から生じる、一群のアノード構造110の部材における細孔などの存在による任意の開放体積、および一群のカソード構造112の部材における開放体積も含むことに留意されたい。二次電池102が充電されるにつれて、一群のアノード構造110の部材を占める電解質の体積が減少するように、インターカレートされたおよび/または相互合金化されたキャリアイオンによって、一群のアノード構造110の部材におけるいかなる細孔が次第に充填される。さらにまた、このインターカレーションおよび/または相互合金化による一群のアノード構造110の部材のサイズの増大は、上述したように、一群のカソード構造112の部材を圧縮することができ、それによって、二次電池102が充電されているときにカソード構造112を占める電解質の体積が減少するようにカソード構造部材における開放細孔体積が減少する。逆に、二次電池102の放電は、キャリアイオンのデインターカレーションおよび/または脱合金化をもたらし、アノード構造内により多くの利用可能な体積を提供することができ、また、一群のカソード構造の部材の細孔/開放体積における電解質についての多孔度および利用可能な体積を増加させることができるカソード構造の膨張をもたらすことができる。すなわち、電解質は、放電状態における一群のカソード構造112の部材の細孔の体積V2よりも小さい、充電状態における一群のカソード構造112の部材の細孔の体積V1を占めることができる。説明として、いかなる理論によっても限定されることなく、充電状態と放電状態との間のサイクルにおける一群のカソード構造112の部材の(さらには一群のアノード構造における)電解質についての利用可能な体積の変化(V1とV2との間)は、電解質ポンピング効果を提供することができ、それによって、電解質は、サイクル中にカソード活物質層138の細孔内およびその周りに攪拌および/または「ポンピング」されると考えられる。したがって、カソード活物質層138の細孔内およびその周りへの電解質の「ポンピング」は、電解質をカソード活物質と接触させることができ、放電プロセス中の電解質とカソード活物質との接触の増加によってカソード活物質層の放電速度を高めることができる。放電状態における一群のカソード構造112の部材の細孔の体積V2は、放電状態におけるカソード活物質層138の多孔度に関連することができ、充電状態における一群のカソード構造112の部材の細孔の体積V1は、充電状態におけるカソード活物質層138の多孔度に関連することができる。一実施形態では、充電状態における体積に対する放電状態における電解質に利用可能なカソード活物質層138の体積の比V2:V1は、少なくとも1.1:1とすることができる。例えば、一実施形態では、比V2:V1は、少なくとも1.5:1とすることができる。例えば、一実施形態では、比V2:V1は、少なくとも2:1とすることができる。例えば、一実施形態では、比V2:V1は、少なくとも5:1とすることができる。さらなる例として、一実施形態では、比V2:V1は、少なくとも10:1とすることができる。またさらなる例として、一実施形態では、比V2:V1は、少なくとも15:1とすることができる。例えば、比V2対V1は、1.5:1から20:1、さらには3:1から15:1など、1.1:1から30:1の範囲内とすることができる。さらに他の実施形態では、充電状態および/または放電状態のうちの1つ以上における所定の細孔体積を促進するために、多孔質フィラー粒子もまた提供されることができる。
さらに他の実施形態では、充電状態と放電状態との間でサイクルするための二次電池の形成方法が提供されることができる。一態様によれば、形成方法は、一群のアノード構造110の部材が膨張するように二次電池102が充電され、その結果、膨張するアノード構造110が一群のカソード構造112の部材を圧縮する少なくとも1つの初期形成充電ステップを備えることができる。一般的に言えば、形成段階は、二次電池がその定格容量まで充電されることができるように、内部構造および形態を再配置および/または最適化する条件下で行われる1つ以上の初期充電ステップを含むことができる。例えば、形成段階は、例えば二次電池のインピーダンスを最小化し且つ電解質と電極との間の接触を最適化するために、慎重に制御された電流、温度および持続時間の条件下で行われる1つ以上の充電ステップを含むことができる。一実施形態では、形成段階中に、一群のアノード構造110の部材は、カソード活物質の圧縮性層138を初期形成段階前のカソード活物質層138の元のサイズよりも小さいサイズに圧縮することができる。したがって、初期形成段階は、一群のカソード構造の部材のカソード活物質層138中のカソード活物質の所定のサイズ、断面積および/または体積、ならびに所定の密度、多孔度、および/または体積%を有する一群のカソード構造112の部材のインサイチュ形成を提供することができる。一実施形態では、初期形成段階は、断面積が初期形成ステップ前の初期断面積Ciから初期断面積Ciの95%未満である初期形成段階後の形成後断面積Cfまで減少するように、一群のカソード構造112のサブセットを圧縮する。さらなる例として、一実施形態では、初期形成段階は、断面積が初期形成段階前の初期断面積Ciから初期断面積Ciの90%未満である初期形成段階後の形成後断面積Cfまで減少するように、一群のカソード構造112のサブセットを圧縮する。さらなる例として、一実施形態では、初期形成段階は、断面積が初期形成段階前の初期断面積Ciから初期断面積Ciの80%未満である初期形成段階後の形成後断面積Cfまで減少するように、一群のカソード構造112のサブセットを圧縮する。さらなる例として、一実施形態では、初期形成段階は、断面積が初期形成段階前の初期断面積Ciから初期断面積Ciの70%未満である初期形成段階後の形成後断面積Cfまで減少するように、一群のカソード構造112のサブセットを圧縮することができる。一般に、成形後断面積Cfは、初期断面積Ciの少なくとも25%であろう。例えば、初期形成ステップは、一群のカソード構造112のサブセットを、Ciの30%から80%の範囲内、さらにはCiの40%から60%の範囲内など、Ciの25%から95%の範囲内の断面積Cfに圧縮することができる。さらにまた、一実施形態によれば、MAC(例えば、2つ以上のカソード部材についての断面積の中央値)、MLC(例えば、カソード部材の異なる長手方向の長さにおける断面積の中央値)、および/またはMOC(例えば、MAcおよびMLcの中央値)にしたがって測定される中央断面積は、上述したように、初期形成中の一群のカソード構造のサブセットの圧縮の程度を判定するために使用されることができ、上記Ciの%としてのCfの範囲と同様および/または同じである形成前の中央断面積の%として形成後の中央断面積を呈することができる。
また、形成段階は、一群のアノード構造の部材のサイズの増加をもたらすことができる。例えば、一群のアノード構造のサブセットの初期断面積Aiは、少なくとも1.3:1、さらには少なくとも1.5:1など、少なくとも1.1:1であるAf:Aiの比を提供する形成後断面積Afまで増加することができる。例えば、比Af:Aiは、少なくとも2:1とすることができ、さらには少なくとも4:1、さらには少なくとも5:1など、少なくとも3:1とすることができる。例えば、初期形成ステップ前の一群のカソード構造のサブセットの断面積Ciは、1000μm2から5×106μm2、さらには1500μm2から3×106μm2など、800μm2から8×106μm2の範囲内とすることができる。対照的に、初期形成ステップ後の一群のカソード構造のサブセットの断面積Cfは、4000μm2から5.05×106μm2、さらには500μm2から3×106など、3500μm2から8×106μm2の範囲内とすることができる。さらにまた、一実施形態によれば、MAA(例えば、2つ以上のアノード部材についての断面積の中央値)、MLA(例えば、アノード部材の異なる長手方向の長さにおける断面積の中央値)、および/またはMOA(例えば、MAAおよびMLAの中央値)にしたがって測定される中央断面積は、上述したように、初期形成段階中の一群のアノード構造のサブセットの膨張の程度を判定するために使用されることができ、上記のようにAiに対するAfの比についての範囲と同様および/または同じである形成前の中央断面積の%として形成後の中央断面積を呈することができる。
さらに他の実施形態では、初期形成段階は、二次電池102を充電してカソード活物質層138を圧縮してその多孔度を減少させること、および/またはカソード活物質および/または(例えば、カソード活物質層を緻密化するための)フィラーの粒子が占めるカソード活物質層138の体積%を増加させることを備えることができる。一例として、一実施形態では、初期形成段階前のカソード活物質層138中の粒子の体積%は、30%以下、さらには25%以下など、50%以下とすることができる。対照的に、初期形成段階後のカソード活物質層138中の粒子の体積%は、少なくとも75%などの少なくとも60%、さらには少なくとも95%などの少なくとも85%とすることができる。
さらに他の実施形態によれば、初期形成段階は、微孔質セパレータが一群のカソード構造およびアノード構造の部材に少なくとも部分的に接着する圧力で、一群のアノード構造110の部材がカソード構造112および/またはアノード構造に対して微多孔質セパレータ130を膨張および圧縮するように二次電池102を充電することを備えることができる。すなわち、微孔質セパレータ130が、少なくとも部分的に可塑化および/またはそうでなければ一群のカソード構造112および/またはアノード構造110の部材に接着することができるポリマーまたは他の材料を含む場合、部材に対する微孔質セパレータ130の圧縮により、セパレータと部材とを互いに少なくとも部分的に接着させることができる。一実施形態では、カソード構造部材および/またはアノード構造部材への微孔質セパレータの少なくとも部分的な接着は、二次電池102の放電時にカソード構造部材を膨張させることができる。明確にするために、二次電池の充電は、一群のアノード構造110の部材を膨張させ、この膨張はまた、アノード構造部材に隣接する弾性微孔質セパレータ130の部分を伸張させることができることに留意されたい。さらにまた、二次電池102の放電中に一群のアノード構造110の部材が収縮すると、弾性微孔質セパレータもまた、一群のアノード構造部材110の収縮プロファイルと実質的に一致するなど、より弛緩した状態に収縮することができる。しかしながら、セパレータ130が少なくとも部分的に部材に接着しているため、セパレータの収縮はまた、微孔質セパレータに少なくとも部分的に接着している一群のカソード構造112の部材の表面を引っ張る力を加え、それによって部材のサイズが膨張する。すなわち、一群のカソード構造112の部材および/またはアノード構造110へセパレータ130が少なくとも部分的な接着することで、例えば、一群のアノード構造部材110のサイズの収縮と逆相関があるように一群のカソード構造112のサイズが膨張するように、二次電池102の放電中に一群のカソード構造部材112を一群のアノード構造110の部材の収縮と協調して膨張させることができる。一実施形態では、初期形成段階は、二次電池102のサイクル中にカソード活物質層138がセパレータの撓みおよび/または収縮に伴って膨張および/または収縮するように、カソード構造112のカソード活物質層138の接触表面におけるポリマーマトリクス材料およびアノード構造110の接触表面と、微孔質セパレータ130の表面における微孔質セパレータのポリマー材料を少なくとも部分的に融合させるのに十分な圧力で、一群のアノード構造110の部材が一群のカソード構造112の部材に対して微孔質セパレータ130を膨張および圧縮するように二次電池102を充電することを備える。
一実施形態では、初期形成段階は、一群のアノード構造の部材が膨張し、少なくとも1,000psiの圧力で一群のカソード構造および/またはアノード構造の部材に対して微孔質セパレータ130を圧縮する圧力を加えるように、二次電池を充電することを備える。他の実施形態では、微孔質セパレータは、初期形成段階中に少なくとも3,000psiの圧力で一群のカソード構造および/または一群のアノード構造の部材に対して圧縮される。さらに他の実施形態では、微孔質セパレータは、初期形成段階中に少なくとも5,000psiの圧力で一群のカソード構造および/またはアノード構造の部材に対して圧縮される。さらに他の実施形態では、微孔質セパレータは、初期形成段階中に少なくとも10,000psiの圧力で一群のカソード構造および/またはアノード構造の部材に対して圧縮される。
圧縮性カソード構造112を有する、二次電池102およびその構成要素などのエネルギー貯蔵装置100の実施形態を、以下でさらに詳細に説明する。
電極アセンブリ
再び図1A~図1Bを参照すると、一実施形態では、交互に噛み合う電極アセンブリ106は、一群のアノード構造110と、一群のカソード構造112と、アノード構造110をカソード構造112から電気的に絶縁する電気絶縁性微孔質セパレータ130とを含む。一実施形態では、アノード構造110は、図7に示す実施形態に示すように、アノード活物質層132と、アノード活物質層132を支持するアノードバックボーン134と、イオンを通過させることができるイオン多孔質集電体とすることができるアノード集電体136とを含む。同様に、一実施形態では、カソード構造112は、例えば図7に示す実施形態に示すように、カソード活物質層138と、カソード集電体140と、カソード集電体140および/またはカソード活物質層138のうちの1つ以上を支持するカソードバックボーン141とを含む。電気絶縁性微孔質セパレータ130は、充電および/または放電プロセス中にキャリアイオンを通過させ、電極アセンブリ106内のアノード構造110とカソード構造112との間を移動させることを可能にする。さらにまた、アノードおよびカソード構造110および112は、それぞれ、本明細書に記載の特定の実施形態および構造に限定されるものではなく、本明細書に具体的に記載したもの以外の他の構成、構造、および/または材料もまた、アノード構造110およびカソード構造112を形成するために提供されることができることが理解されるべきである。例えば、アノードおよび/またはカソード構造110、112は、バックボーンを含むアノードおよび/またはカソード構造110、112の領域が代わりにアノード活物質および/またはカソード活物質からなる場合のように、構造がアノードおよび/またはカソードバックボーン134、141が実質的に存在しない形態で提供されることができる。
図1A~図1Bに示す実施形態によれば、一群のアノード構造110および一群のカソード構造112の部材は、それぞれ、交互に並んで配置され、交互配列の方向は、積層方向Dに対応する。この実施形態にかかる電極アセンブリ106は、さらに、互いに垂直な長手方向、横方向、および垂直軸を含み、長手方向軸AEAは、一群の電極および対向電極構造の部材の積層方向Dにほぼ対応するかまたは平行である。図1Aの実施形態に示すように、長手方向軸AEAは、Y軸に対応するように描かれ、横軸は、X軸に対応するように描かれ、垂直軸は、Z軸に対応するように描かれている。
さらに、電極アセンブリ106は、長手方向において(すなわち、y軸に沿って)測定される最大幅WEA、側面によって境界が定められ且つ横方向において(すなわち、x軸に沿って)測定される最大長さLEA、および側面によって境界を定められ且つ垂直方向において(すなわち、z軸に沿って)測定される最大高さHEAを有する。最大幅WEAは、長手方向において電極アセンブリの幅が最も広くなる、電極アセンブリ106の長手方向端面116、118の対向点から測定したときの電極アセンブリ106の最大幅に対応すると理解されることができる。例えば、図1Aの電極アセンブリ106の実施形態を参照すると、最大幅WEAは、長手方向において測定したときのアセンブリ106の幅に単純に対応すると理解されることができる。しかしながら、図5Hに示す電極アセンブリ106の実施形態を参照すると、最大幅WEAは、電極アセンブリ106が狭いほうの対向点301a、301bから測定したときの幅とは対照的に、電極アセンブリが長手方向において最も広くなる2つの対向点300a、300bから測定したときの電極アセンブリの幅に対応することがわかる。同様に、最大長さLEAは、電極アセンブリが横方向において最も長くなる電極アセンブリ106の側面142の対向点から測定したときの電極アセンブリの最大長さに対応すると理解されることができる。再び図1Aの実施形態を参照すると、最大長さLEAは、単に電極アセンブリ106の長さとして理解されることができるが、図5Hに示す実施形態では、最大長さLEAは、電極アセンブリが短いほうの対向点303a、303bから測定したときの長さとは対照的に、電極アセンブリが横方向において最も長くなる2つの対向点302a、302bから測定したときの電極アセンブリの長さに対応する。同様の線に沿って、最大高さHEAは、電極アセンブリが垂直方向において最も高くなる電極アセンブリの側面143の対向点から測定したときの電極アセンブリの最大高さに対応すると理解されることができる。すなわち、図1Aに示す実施形態では、最大高さHEAは、単に電極アセンブリの高さである。図5Hに示される実施形態には具体的に示されていないが、電極アセンブリが長手方向および横方向のうちの1つ以上を横切る点で異なる高さを有する場合、電極アセンブリの最大高さHEAは、最大幅WEAおよび最大長さLEAについて同様に説明されるように、電極アセンブリが短いほうの対向点から測定したときの高さとは対照的に、電極アセンブリが垂直方向において最も高くなる2つの対向点から測定したときの電極アセンブリの高さに対応すると理解される。電極アセンブリ106の最大長さLEA、最大幅WEA、および最大高さHEAは、エネルギー貯蔵装置100およびその意図される用途に応じて変わり得る。例えば、一実施形態では、電極アセンブリ106は、従来の二次電池の典型的な寸法である最大長さLEA、幅WEA、および高さHEAを含むことができる。さらなる例として、一実施形態では、電極アセンブリ106は、薄膜電池の典型的な寸法である最大長さLEA、幅WEA、および高さHEAを含むことができる。
いくつかの実施形態では、寸法LEA、WEA、およびHEAは、垂直軸(Z軸)に沿った最大高さHEAよりも長い横軸(X軸)に沿った最大長さLEAおよび/または長手方向軸(Y軸)に沿った最大幅WEAを有する電極アセンブリ106を提供するように選択される。例えば、図1Aに示す実施形態では、寸法LEA、WEA、およびHEAは、電極構造の積層方向Dと直交する横軸(X軸)に沿って、ならびに電極構造の積層方向Dと一致する長手方向軸(Y軸)に沿って最大寸法を有する電極アセンブリ106を提供するように選択される。すなわち、最大長さLEAおよび/または最大幅WEAは、最大高さHEAよりも大きくすることができる。例えば、一実施形態では、最大高さHEAに対する最大長さLEAの比は、少なくとも2:1とすることができる。さらなる例として、一実施形態では、最大高さHEAに対する最大長さLEAの比は、少なくとも5:1とすることができる。さらなる例として、一実施形態では、最大高さHEAに対する最大長さLEAの比は、少なくとも10:1とすることができる。さらなる例として、一実施形態では、最大高さHEAに対する最大長さLEAの比は、少なくとも15:1とすることができる。さらなる例として、一実施形態では、最大高さHEAに対する最大長さLEAの比は、少なくとも20:1とすることができる。異なる寸法の比により、活物質の量を最大化するようにエネルギー貯蔵装置内の最適な構成が可能となり、それによってエネルギー密度が増加する。
いくつかの実施形態では、最大幅WEAは、最大高さHEAよりも大きい電極アセンブリ106の幅を提供するように選択されることができる。例えば、一実施形態では、最大高さHEAに対する最大幅WEAの比は、少なくとも2:1とすることができる。さらなる例として、一実施形態では、最大高さHEAに対する最大幅WEAの比は、少なくとも5:1とすることができる。さらなる例として、一実施形態では、最大高さHEAに対する最大幅WEAの比は、少なくとも10:1とすることができる。さらなる例として、一実施形態では、最大高さHEAに対する最大幅WEAの比は、少なくとも15:1とすることができる。さらなる例として、一実施形態では、最大高さHEAに対する最大幅WEAの比は、少なくとも20:1とすることができる。
一実施形態によれば、最大長さLEAに対する最大幅WEAの比は、最適な構成を提供する所定の範囲内にあるように選択されることができる。例えば、一実施形態では、最大長さLEAに対する最大幅WEAの比は、1:5から5:1の範囲内とすることができる。さらなる例として、一実施形態では、最大長さLEAに対する最大幅WEAの比は、1:3から3:1の範囲内とすることができる。さらに他の例として、一実施形態では、最大長さLEAに対する最大幅WEAの比は、1:2から2:1の範囲内とすることができる。
図1Aに示される実施形態では、電極アセンブリ106は、第1の長手方向端面116と、長手方向軸AEAに沿って第1の長手方向端面116から分離された反対側の第2の長手方向端面118とを有する。電極アセンブリ106は、長手方向軸AEAを少なくとも部分的に囲み、且つ第1および第2の長手方向端面116、118を接続する側面142をさらに備える。一実施形態では、最大幅WEAは、第1の長手方向端面116から第2の長手方向端面118までを測定したときの長手方向軸AEAに沿った寸法である。同様に、最大長さLEAは、側面142によって境界を定められることができ、一実施形態では、長手方向軸に対して直交する横軸に沿って側面142の対向する第1および第2の領域144、146から測定される寸法とすることができる。一実施形態では、最大高さHEAは、側面142によって境界を定められることができ、長手方向軸に対して直交する垂直軸に沿って側面142の対向する第1および第2の領域148、150から測定されることができる。
明確にするために、図1Aに示す実施形態では、4つのアノード構造110および4つのカソード構造112のみが示されている。例えば、一群のアノード構造110およびカソード構造112の部材の交互配列は、それぞれ、エネルギー貯蔵装置100およびその意図される用途に応じて、各一群について任意の数の部材を含むことができ、一群のアノード構造110およびカソード構造112の部材の交互配列は、例えば、図1Aに示されるように、互いに噛合されることができる。さらなる例として、一実施形態では、交互配列が積層方向Dに沿って終端するときを除いて、一群のアノード構造110の各部材は、一群のカソード構造112の2つの部材間に存在してもよい。さらなる例として、一実施形態では、交互配列が積層方向Dに沿って終端するときを除いて、一群のカソード構造112の各部材は、一群のアノード構造110の2つの部材の間に存在してもよい。さらなる例として、一実施形態では、より一般的に述べると、一群のアノード構造110および一群のカソード構造112は、それぞれ、N個の部材を有し、N-1個のアノード構造部材110のそれぞれは、2つのカソード構造部材112、124の間にあり、N-1個のカソード構造部材112のそれぞれは、2つのアノード構造部材110の間にあり、Nは少なくとも2である。さらなる例として、一実施形態では、Nは少なくとも4である。さらなる例として、一実施形態では、Nは少なくとも5である。さらなる例として、一実施形態では、Nは少なくとも10である。さらなる例として、一実施形態では、Nは少なくとも25である。さらなる例として、一実施形態では、Nは少なくとも50である。さらなる例として、一実施形態では、Nは少なくとも100以上である。一実施形態では、一群のアノードおよび/またはカソードの部材は、バックプレーン内の部材の幾何学的フットプリント(すなわち、投影)の2倍よりも大きい表面積(多孔度を無視)を有するように、仮想バックプレーン(例えば、アノードアセンブリの表面と実質的に一致する平面)から十分に延びている。特定の実施形態では、仮想バックプレーン内の幾何学的フットプリントに対する非層状(すなわち、3次元)のアノードおよび/またはカソード構造の表面積の比は、少なくとも約5、少なくとも約10、少なくとも約50、少なくとも約100、またはさらには少なくとも約500とすることができる。しかしながら、一般には、この比は、約2から約1000の間である。そのような一実施形態では、一群のアノードの部材は、本質的に非層状である。さらなる例として、そのような一実施形態では、一群のカソードの部材は、本質的に非層状である。さらなる例として、そのような一実施形態では、一群のアノードの部材および一群のカソードの部材は、本質的に非層状である。
一実施形態によれば、電極アセンブリ106は、電極アセンブリ106が終端する長手方向端部117、119を有する。一実施形態によれば、電極アセンブリ106におけるアノード構造110およびカソード構造112の交互配列は、それぞれ、長手方向における電極アセンブリ106の各端部117、119にアノード構造110を有する、または長手方向における電極アセンブリ106の各端部117、119にカソード構造112を有するなど、長手方向に沿って対称的に終端する。他の実施形態では、アノード構造110およびカソード構造112の交互配列は、長手方向軸AEAの一方の端部117にアノード構造110を、且つ長手方向軸AEAの他方の端部119にカソード構造112を有するなど、長手方向に沿って非対称的に終端してもよい。さらに他の実施形態によれば、電極アセンブリ106は、電極アセンブリ106の1つ以上の端部117、119において、アノード構造110および/またはカソード構造112のうちの1つ以上のサブ構造で終端してもよい。一例として、一実施形態によれば、アノード構造110およびカソード構造112の交互配列は、アノードバックボーン134、カソードバックボーン141、アノード集電体136、カソード集電体140、アノード活物質層132、カソード活物質層138などを含むアノード構造110およびカソード構造112の1つ以上のサブ構造で終端することができ、また、セパレータ130などの構造で終端してもよく、電極アセンブリ106の各長手方向端部117、119における構造は、同じ(対称的)であっても異なって(非対称的)いてもよい。電極アセンブリ106の長手方向終端部117、119は、電極アセンブリ106の全体的な増大を制約するために、第1および第2の一次増大制約部154、156によって接触される第1および第2の長手方向端面116、118を備えることができる。
さらに他の実施形態によれば、電極アセンブリ106は、電極および/または対向電極構造110、112を負荷および/または電圧供給源(図示せず)に電気的に接続するために使用されることができる1つ以上の電極および/または対向電極タブ190、192(例えば、図9を参照)と接触することができる第1および第2の横方向端部145、147(例えば、図1Aを参照)を有する。例えば、電極アセンブリ106は、各アノード構造110が接続されることができ、且つ一群の電極構造110の各部材からの電流をプールすることができる電極バス194(例えば、図1Aを参照)を含むことができる。同様に、電極アセンブリ106は、各カソード構造112が接続されることができ、且つ一群のカソード構造112の各部材からの電流をプールするカソードバス196を含むことができる。アノードおよび/またはカソードバス194、196は、それぞれ、方向Dにおいて測定される長さを有し、交互に噛み合う一連のアノード構造110、112のほぼ全長にわたって延びている。図9に示す実施形態では、アノードタブ190および/またはカソードタブ192は、アノードおよび/またはカソードバス194、196と電気的に接続し、且つそのほぼ全長にわたって延びるアノードタブ延長部191、193を含む。あるいは、アノードおよび/またはカソードタブ190、192は、タブ延長部191、193を必要とせずに、アノードおよび/またはカソードバス194、196、例えばバス194、196の長さに沿ったその端部または中間位置に直接接続することができる。したがって、一実施形態では、アノードおよび/またはカソードバス194、196は、横方向における電極アセンブリ106の終端部145、147の少なくとも一部を形成し、負荷および/または電圧供給源(図示せず)への電気的接続のために電極アセンブリをタブ190、192に接続することができる。さらにまた、他の実施形態では、電極アセンブリ106は、垂直(Z)軸に沿って配置された第1および第2の終端部149、153を含む。例えば、一実施形態によれば、各アノード構造110および/またはカソード構造112は、図1Aに示されるように、セパレータ材料の頂部および底部コーティングを備え、コーティングは、垂直方向における電極アセンブリ106の終端部149、153を形成する。セパレータ材料のコーティングから形成されることができる終端部149、153は、垂直方向における増大を抑制するために第1および第2の二次増大制約部158、160と接触して配置されることができる垂直軸に沿って側面142の第1および第2の表面領域148、150を含むことができる。
一般に、電極アセンブリ106は、平面、共平面、または非平面である長手方向端面116、118を含むことができる。例えば、一実施形態では、対向する長手方向端面116、118は、凸状とすることができる。さらなる例として、一実施形態では、対向する長手方向端面116、118は、凹状とすることができる。さらなる例として、一実施形態では、対向する長手方向端面116、118は、略平面である。特定の実施形態では、電極アセンブリ106は、平面上に投影したときに任意の範囲の2次元形状を有する対向する長手方向端面116、118を含むことができる。例えば、長手方向端面116、118は、滑らかな湾曲形状(例えば、円形、楕円形、双曲線状、または放物線状)を独立して有してもよく、それらは、一連の線および頂点(例えば、多角形)を独立して含んでもよく、または、それらは、滑らかな湾曲形状を独立して含み且つ1つ以上の線および頂点を含んでもよい。同様に、電極アセンブリ106の側面142は、滑らかな湾曲形状であってもよく(例えば、電極アセンブリ106は、円形、楕円形、双曲線状、または放物線状の断面形状を有してもよい)、または、側面142は、頂点で接続された2つ以上の線を含んでもよい(例えば、電極アセンブリ106は、多角形断面を有してもよい)。例えば、一実施形態では、電極アセンブリ106は、円筒形、楕円形円筒形、放物線形円筒形、または双曲線形円筒形の形状を有する。さらなる例として、そのような一実施形態では、電極アセンブリ106は、平行四辺形である同じサイズおよび形状の対向する長手方向端面116、118および側面142(すなわち、対向する長手方向端面116および118の間に延びる面)を有する角柱形状を有してもよい。さらなる例として、そのような一実施形態では、電極アセンブリ106は、三角柱に対応する形状を有し、電極アセンブリ106は、2つの対向する三角形の長手方向端面116および118ならびに2つの長手方向端部間に延在する3つの平行四辺形(例えば、矩形)からなる側面142を有する。さらなる例として、そのような一実施形態では、電極アセンブリ106は、直角柱に対応する形状を有し、電極アセンブリ106は、2つの対向する矩形の長手方向端面116および118、ならびに4つの平行四辺形(例えば、矩形)面を含む側面142を有する。さらなる例として、そのような一実施形態では、電極アセンブリ106は、五角柱、六角柱などに対応する形状を有し、電極アセンブリ106は、それぞれ2つの五角形、六角形などの対向する長手方向端面116および118、ならびにそれぞれ5個、6個などの平行四辺形(例えば、矩形)面を含む側面を有する。
ここで図5A~図5Hを参照すると、電極アセンブリ106のいくつかの例示的な幾何学的形状が概略的に示されている。より具体的には、図5Aでは、電極アセンブリ106は、長手方向軸AEAに沿って分離された対向する第1および第2の長手方向端面116、118と、長手方向軸AEAの周りの長手方向端面116、118を接続する3つの矩形面を含む側面142とを有する三角柱形状を有する。図5Bでは、電極アセンブリ106は、長手方向軸AEAに沿って分離された対向する第1および第2の平行四辺形の長手方向端面116、118と、2つの長手方向端面116、118を接続し且つ長手方向軸AEAを囲む4つの平行四辺形の形状面を含む側面142とを有する直方体形状を有する。図5Cでは、電極アセンブリ106は、長手方向軸AEAに沿って分離された対向する第1および第2の矩形の長手方向端面116、118と、2つの長手方向端面116、118を接続し且つ長手方向軸AEAを囲む4つの矩形面を含む側面142とを有する矩形柱状形状を有する。図5Dでは、電極アセンブリ106は、長手方向軸AEAに沿って分離された対向する第1および第2の五角形の長手方向端面116、118と、2つの長手方向端面116、118を接続し且つ長手方向軸AEAを囲む5つの矩形面を含む側面142とを有する五角柱状形状を有する。図5Eでは、電極アセンブリ106は、長手方向軸AEAに沿って分離された対向する第1および第2の六角形の長手方向端面116、118と、2つの長手方向端面116、118を接続し且つ長手方向軸AEAを囲む6つの矩形面を含む側面142とを有する六角柱状形状を有する。図5Fでは、電極アセンブリは、長手方向軸AEAに沿って分離された対向する第1および第2の正方形端面116、118と、2つの長手方向端面116、118を接続し且つ長手方向軸AEAを囲む4つの台形面を含む側面142とを有する四角錐台形状を有し、台形面は、長手方向軸に沿って、第1の表面116におけるより大きな寸法から第2の表面118におけるより小さな寸法まで寸法が次第に細くなり、第2の表面の寸法は、第1の表面の寸法よりも小さい。図5Gでは、電極アセンブリは、長手方向軸AEAに沿って分離された対向する第1および第2の正方形端面116、118と、2つの長手方向端面116、118を接続し且つ長手方向軸AEAを囲む5つの台形面を含む側面142とを有する五角錐台形状を有し、台形面は、長手方向軸に沿って、第1の表面116におけるより大きな寸法から第2の表面118におけるより小さな寸法まで寸法が次第に細くなり、第2の表面の寸法は、第1の表面の寸法よりも小さい。図5Hでは、電極アセンブリ106は、長手方向軸上で電極アセンブリ106の第1の長さから中央に向かって、電極アセンブリ106の長手方向端部117、119における第2の長さまで減少する長さを有する電極および対向電極構造110、112によって、長手方向においてピラミッド形状を有する。
電極制約部
一実施形態では、例えば図1A~図1Bに示すように、電極アセンブリ106の全体的な巨視的増大を抑制する一組の電極制約部108が設けられている。一組の電極制約部108は、電極アセンブリ106の膨張および変形を低減し、それによって一組の電極制約部108を有するエネルギー貯蔵装置100の信頼性およびサイクル寿命を改善などのために、1つ以上の寸法に沿った電極アセンブリ106の増大を抑制することができる。上述したように、特定の理論のいずれかに限定されることなく、二次電池102の充電および/または放電中にアノード構造110とカソード構造112との間を移動するキャリアイオンは、アノード活物質に挿入されることができ、アノード活物質および/またはアノード構造110を膨張させると考えられる。アノード構造110のこの膨張は、電極および/または電極アセンブリ106を変形および膨潤させ、それによって電極アセンブリ106の構造的完全性を損ない、および/または電気的短絡または他の故障の可能性を増大させることができる。一例では、エネルギー貯蔵装置100のサイクル中のアノード活物質層132の過度の膨潤および/または膨張および収縮により、アノード活物質の断片がアノード活物質層132から剥離および/または層間剥離する可能性があり、それによってエネルギー貯蔵装置100の効率およびサイクル寿命が損なわれる。さらに他の例では、アノード活物質層132の過度の膨潤および/または膨張および収縮により、アノード活物質が電気絶縁性微孔質セパレータ130を破り、それによって電極アセンブリ106の電気的短絡および他の故障を引き起こす可能性がある。したがって、一組の電極制約部108は、充電状態と放電状態との間のサイクルに伴って起こり得るこの膨潤または増大を抑制して、エネルギー貯蔵装置100の信頼性、効率、および/またはサイクル寿命を改善する。
一実施形態によれば、一組の電極制約部108は、電極アセンブリ106の長手方向軸(例えば、図1A~図1BのY軸)に沿った増大および/または膨潤を抑制するための一次増大制約システム151を含む。他の実施形態では、一組の電極制約部108は、垂直軸(例えば、図1のZ軸)に沿った増大を抑制する二次増大制約システム152を含むことができる。さらに他の実施形態では、一組の電極制約部108は、横軸(例えば、図4CのX軸)に沿った増大を抑制する三次増大制約システム155を含むことができる。一実施形態では、一組の電極制約部108は、それぞれ、長手方向軸および垂直軸(例えば、Y軸およびZ軸)に沿って、さらには長手方向軸、垂直軸および横軸(例えば、Y軸、Z軸およびX軸)の全てに同時に沿ってなど、1つ以上の方向への増大を同時に抑制するように協働する、一次増大および二次増大制約システム151、152、さらには三次増大制約システム155を含む。例えば、一次増大制約システム151は、充電状態と放電状態との間のサイクル中に電極アセンブリ106の積層方向Dに沿って起こり得る増大を抑制することができるとともに、二次増大制約システム152は、電極アセンブリ106の垂直方向における座屈または他の変形を防止するために、垂直軸に沿って起こり得る膨潤および増大を抑制することができる。さらなる例として、一実施形態では、二次増大制約システム152は、そうでなければ一次増大制約システム151によって課される増大の抑制によって悪化するであろう垂直軸に沿った膨潤および/または膨張を低減することができる。三次増大制約システム155はまた、必要に応じて、サイクルプロセス中に起こり得る横軸に沿った膨潤および/または膨張を低減することができる。すなわち、一実施形態によれば、一次増大制約システム151および二次増大制約システム152、ならびに必要に応じて三次増大制約システム155は、それぞれ、協働して電極アセンブリ106の多次元増大を抑制するようにともに動作することができる。
図6A~図6Bを参照すると、電極アセンブリ106についての一次増大制約システム151および二次増大制約システム152を有する一組の電極制約部108の実施形態が示されている。図6Aは、結果として生じる2-D断面が垂直軸(Z軸)および長手方向軸(Y)で示されるように、長手方向軸(Y軸)に沿って切り取られた図1の電極アセンブリ106の断面を示している。図6Bは、結果として生じる2-D断面が垂直軸(Z軸)および横軸(X)で示されるように、横軸(X軸)に沿って取られた図1の電極アセンブリ106の断面を示している。図6Aに示すように、一次増大制約システム151は、一般に、長手方向(Y軸)に沿って互いに分離された第1および第2の一次増大制約部154、156をそれぞれ備えることができる。例えば、一実施形態では、第1および第2の一次増大制約部154、156は、それぞれ、電極アセンブリ106の第1の長手方向端面116を少なくとも部分的にまたはさらには全体的に覆う第1の一次増大制約部154と、電極アセンブリ106の第2の長手方向端面118を少なくとも部分的にまたはさらには全体的に覆う第2の一次増大制約部156とを含む。さらに他のバージョンでは、第1および第2の一次増大制約部154、156のうちの1つ以上は、一次増大制約部のうちの1つ以上が電極アセンブリ106の内部構造を含むなどの場合には、電極アセンブリ106の長手方向端部117、119の内側にあってもよい。一次増大制約システム151は、第1および第2の一次増大制約部154、156を接続し、且つ長手方向に平行な主軸を有することができる少なくとも1つの一次接続部材162をさらに含むことができる。例えば、一次増大制約システム151は、実施形態に示すように垂直軸(Z軸)に沿ってなど、長手方向軸に対して直交する軸に沿って互いに分離された第1および第2の一次接続部材162、164をそれぞれ含むことができる。第1および第2の一次接続部材162、164は、それぞれ、第1および第2の一次増大制約部154、156をそれぞれ互いに接続し、且つ電極アセンブリ106の長手方向軸に沿った増大を抑制するように、第1および第2の一次増大制約部154、156をそれぞれ互いに緊張状態に維持するように機能することができる。
一実施形態によれば、一次増大制約システム151を含む一組の電極制約部108は、二次電池の20回の連続サイクルにわたる長手方向における電極アセンブリのフェレット直径のいかなる増加も充電状態と放電状態との間で20%未満であるように、電極アセンブリ106の長手方向(すなわち、電極積層方向D)への増大を抑制することができる。さらなる例として、一実施形態では、一次増大制約システム151は、二次電池の30回の連続サイクルにわたる長手方向における電極アセンブリのフェレット直径のいかなる増加も20%未満であるように、電極アセンブリ106の長手方向への増大を抑制することができる。さらなる例として、一実施形態では、一次増大制約システム151は、二次電池の50回の連続サイクルにわたる長手方向における電極アセンブリのフェレット直径のいかなる増加も20%未満であるように、電極アセンブリ106の長手方向への増大を抑制することができる。さらなる例として、一実施形態では、一次増大制約システム151は、二次電池の80回の連続サイクルにわたる長手方向における電極アセンブリのフェレット直径のいかなる増加も20%未満であるように、電極アセンブリ106の長手方向への増大を抑制することができる。さらなる例として、一実施形態では、一次増大制約システム151は、二次電池の100回の連続サイクルにわたる長手方向における電極アセンブリのフェレット直径のいかなる増加も20%未満であるように、電極アセンブリ106の長手方向への増大を抑制することができる。さらなる例として、一実施形態では、一次増大制約システム151は、二次電池の200回の連続サイクルにわたる長手方向における電極アセンブリのフェレット直径のいかなる増加も20%未満であるように、電極アセンブリ106の長手方向への増大を抑制することができる。さらなる例として、一実施形態では、一次増大制約システム151は、二次電池の300回の連続サイクルにわたる長手方向における電極アセンブリのフェレット直径のいかなる増加も20%未満であるように、電極アセンブリ106の長手方向への増大を抑制することができる。さらなる例として、一実施形態では、一次増大制約システム151は、二次電池の500回の連続サイクルにわたる長手方向における電極アセンブリのフェレット直径のいかなる増加も20%未満であるように、電極アセンブリ106の長手方向への増大を抑制することができる。さらなる例として、一実施形態では、一次増大制約システム151は、二次電池の800回の連続サイクルにわたる長手方向における電極アセンブリのフェレット直径のいかなる増加も20%未満であるように、電極アセンブリ106の長手方向への増大を抑制することができる。さらなる例として、一実施形態では、一次増大制約システム151は、二次電池の1000回の連続サイクルにわたる長手方向における電極アセンブリのフェレット直径のいかなる増加も20%未満であるように、電極アセンブリ106の長手方向への増大を抑制することができる。さらなる例として、一実施形態では、一次増大制約システム151は、二次電池の2000回の連続サイクルにわたる長手方向における電極アセンブリのフェレット直径のいかなる増加も20%未満であるように、電極アセンブリ106の長手方向への増大を抑制することができる。さらなる例として、一実施形態では、一次増大制約システム151は、二次電池の3000回の連続サイクルにわたる長手方向における電極アセンブリのフェレット直径のいかなる増加も20%未満であるように、電極アセンブリ106の長手方向への増大を抑制することができる。さらなる例として、一実施形態では、一次増大制約システム151は、二次電池の5000回の連続サイクルにわたる長手方向における電極アセンブリのフェレット直径のいかなる増加も20%未満であるように、電極アセンブリ106の長手方向への増大を抑制することができる。さらなる例として、一実施形態では、一次増大制約システム151は、二次電池の8000回の連続サイクルにわたる長手方向における電極アセンブリのフェレット直径のいかなる増加も20%未満であるように、電極アセンブリ106の長手方向への増大を抑制することができる。さらなる例として、一実施形態では、一次増大制約システム151は、二次電池の10,000回の連続サイクルにわたる長手方向における電極アセンブリのフェレット直径のいかなる増加も20%未満であるように、電極アセンブリ106の長手方向への増大を抑制することができる。
さらに他の実施形態では、一次増大制約システム151を含む一組の電極制約部108は、二次電池の10回の連続サイクルにわたる長手方向における電極アセンブリのフェレット直径のいかなる増加も10%未満であるように、電極アセンブリ106の長手方向への増大を抑制することができる。さらなる例として、一実施形態では、一次増大制約システム151は、二次電池の20回の連続サイクルにわたる長手方向における電極アセンブリのフェレット直径のいかなる増加も10%未満であるように、電極アセンブリ106の長手方向への増大を抑制することができる。さらなる例として、一実施形態では、一次増大制約システム151は、二次電池の30回の連続サイクルにわたる長手方向における電極アセンブリのフェレット直径のいかなる増加も10%未満であるように、電極アセンブリ106の長手方向への増大を抑制することができる。さらなる例として、一実施形態では、一次増大制約システム151は、二次電池の50回の連続サイクルにわたる長手方向における電極アセンブリのフェレット直径のいかなる増加も10%未満であるように、電極アセンブリ106の長手方向への増大を抑制することができる。さらなる例として、一実施形態では、一次増大制約システム151は、二次電池の80回の連続サイクルにわたる長手方向における電極アセンブリのフェレット直径のいかなる増加も10%未満であるように、電極アセンブリ106の長手方向への増大を抑制することができる。さらなる例として、一実施形態では、一次増大制約システム151は、二次電池の100回の連続サイクルにわたる長手方向における電極アセンブリのフェレット直径のいかなる増加も10%未満であるように、電極アセンブリ106の長手方向への増大を抑制することができる。さらなる例として、一実施形態では、一次増大制約システム151は、二次電池の200回の連続サイクルにわたる長手方向における電極アセンブリのフェレット直径のいかなる増加も10%未満であるように、電極アセンブリ106の長手方向への増大を抑制することができる。さらなる例として、一実施形態では、一次増大制約システム151は、二次電池の300回の連続サイクルにわたる長手方向における電極アセンブリのフェレット直径のいかなる増加も10%未満であるように、電極アセンブリ106の長手方向への増大を抑制することができる。さらなる例として、一実施形態では、一次増大制約システム151は、二次電池の500回の連続サイクルにわたる長手方向における電極アセンブリのフェレット直径のいかなる増加も10%未満であるように、電極アセンブリ106の長手方向への増大を抑制することができる。さらなる例として、一実施形態では、一次増大制約システム151は、二次電池の800回の連続サイクルにわたる長手方向における電極アセンブリのフェレット直径のいかなる増加も充電状態と放電状態との間で10%未満であるように、電極アセンブリ106の長手方向への増大を抑制することができる。さらなる例として、一実施形態では、一次増大制約システム151は、二次電池の1000回の連続サイクルにわたる長手方向における電極アセンブリのフェレット直径のいかなる増加も10%未満であるように、電極アセンブリ106の長手方向への増大を抑制することができる。さらなる例として、一実施形態では、一次増大制約システム151は、2000回の連続サイクルにわたる長手方向における電極アセンブリのフェレット直径のいかなる増加も10%未満であるように、電極アセンブリ106の長手方向への増大を抑制することができる。さらなる例として、一実施形態では、一次増大制約システム151は、二次電池の3000回の連続サイクルにわたる長手方向における電極アセンブリのフェレット直径のいかなる増加も10%未満であるように、電極アセンブリ106の長手方向への増大を抑制することができる。さらなる例として、一実施形態では、一次増大制約システム151は、二次電池の5000回の連続サイクルにわたる長手方向における電極アセンブリのフェレット直径のいかなる増加も10%未満であるように、電極アセンブリ106の長手方向への増大を抑制することができる。さらなる例として、一実施形態では、一次増大制約システム151は、二次電池の8000回の連続サイクルにわたる長手方向における電極アセンブリのフェレット直径のいかなる増加も10%未満であるように、電極アセンブリ106の長手方向への増大を抑制することができる。さらなる例として、一実施形態では、一次増大制約システム151は、二次電池の10,000回の連続サイクルにわたる長手方向における電極アセンブリのフェレット直径のいかなる増加も10%未満であるように、電極アセンブリ106の長手方向への増大を抑制することができる。
さらに他の実施形態では、一次増大制約システム151を含む一組の電極制約部108は、二次電池の5回の連続サイクルにわたる長手方向における電極アセンブリのフェレット直径のいかなる増加も5%未満であるように、電極アセンブリ106の長手方向への増大を抑制することができる。さらなる例として、一実施形態では、一次増大制約システム151は、二次電池の10回の連続サイクルにわたる長手方向における電極アセンブリのフェレット直径のいかなる増加も5%未満であるように、電極アセンブリ106の長手方向への増大を抑制することができる。さらなる例として、一実施形態では、一次増大制約システム151は、二次電池の20回の連続サイクルにわたる長手方向における電極アセンブリのフェレット直径のいかなる増加も5%未満であるように、電極アセンブリ106の長手方向への増大を抑制することができる。さらなる例として、一実施形態では、一次増大制約システム151は、二次電池の30回の連続サイクルにわたる長手方向における電極アセンブリのフェレット直径のいかなる増加も5%未満であるように、電極アセンブリ106の長手方向への増大を抑制することができる。さらなる例として、一実施形態では、一次増大制約システム151は、二次電池の50回の連続サイクルにわたる長手方向における電極アセンブリのフェレット直径のいかなる増加も5%未満であるように、電極アセンブリ106の長手方向への増大を抑制することができる。さらなる例として、一実施形態では、一次増大制約システム151は、二次電池の80回の連続サイクルにわたる長手方向における電極アセンブリのフェレット直径のいかなる増加も5%未満であるように、電極アセンブリ106の長手方向への増大を抑制することができる。さらなる例として、一実施形態では、一次増大制約システム151は、二次電池の100回の連続サイクルにわたる長手方向における電極アセンブリのフェレット直径のいかなる増加も5未満であるように、電極アセンブリ106の長手方向への増大を抑制することができる。さらなる例として、一実施形態では、一次増大制約システム151は、二次電池の200回の連続サイクルにわたる長手方向における電極アセンブリのフェレット直径のいかなる増加も5%未満であるように、電極アセンブリ106の長手方向への増大を抑制することができる。さらなる例として、一実施形態では、一次増大制約システム151は、二次電池の300回の連続サイクルにわたる長手方向における電極アセンブリのフェレット直径のいかなる増加も5%未満であるように、電極アセンブリ106の長手方向への増大を抑制することができる。さらなる例として、一実施形態では、一次増大制約システム151は、二次電池の500回の連続サイクルにわたる長手方向における電極アセンブリのフェレット直径のいかなる増加も5%未満であるように、電極アセンブリ106の長手方向への増大を抑制することができる。さらなる例として、一実施形態では、一次増大制約システム151は、二次電池の800回の連続サイクルにわたる長手方向における電極アセンブリのフェレット直径のいかなる増加も5%未満であるように、電極アセンブリ106の長手方向への増大を抑制することができる。さらなる例として、一実施形態では、一次増大制約システム151は、二次電池の1000回の連続サイクルにわたる長手方向における電極アセンブリのフェレット直径のいかなる増加も充電状態と放電状態との間で5%未満であるように、電極アセンブリ106の長手方向への増大を抑制することができる。さらなる例として、一実施形態では、一次増大制約システム151は、二次電池の2000回の連続サイクルにわたる長手方向における電極アセンブリのフェレット直径のいかなる増加も充電状態と放電状態との間で5%未満であるように、電極アセンブリ106の長手方向への増大を抑制することができる。さらなる例として、一実施形態では、一次増大制約システム151は、二次電池の3000回の連続サイクルにわたる長手方向における電極アセンブリのフェレット直径のいかなる増加も5%未満であるように、電極アセンブリ106の長手方向への増大を抑制することができる。さらなる例として、一実施形態では、一次増大制約システム151は、二次電池の5000回の連続サイクルにわたる長手方向における電極アセンブリのフェレット直径のいかなる増加も5%未満であるように、電極アセンブリ106の長手方向への増大を抑制することができる。さらなる例として、一実施形態では、一次増大制約システム151は、二次電池の8000回の連続サイクルにわたる長手方向における電極アセンブリのフェレット直径のいかなる増加も5%未満であるように、電極アセンブリ106の長手方向への増大を抑制することができる。さらなる例として、一実施形態では、一次増大制約システム151は、二次電池の10,000回の連続サイクルにわたる長手方向における電極アセンブリのフェレット直径のいかなる増加も5%未満であるように、電極アセンブリ106の長手方向への増大を抑制することができる。
さらに他の実施形態では、一次増大制約システム151を含む一組の電極制約部108は、二次電池のサイクルあたりの長手方向における電極アセンブリのフェレット直径のいかなる増加も1%未満であるように、電極アセンブリ106の長手方向への増大を抑制することができる。さらなる例として、一実施形態では、一次増大制約システム151は、二次電池の5回の連続サイクルにわたる長手方向における電極アセンブリのフェレット直径のいかなる増加も1%未満であるように、電極アセンブリ106の長手方向への増大を抑制することができる。さらなる例として、一実施形態では、一次増大制約システム151は、二次電池の10回の連続サイクルにわたる長手方向における電極アセンブリのフェレット直径のいかなる増加も1%未満であるように、電極アセンブリ106の長手方向への増大を抑制することができる。さらなる例として、一実施形態では、一次増大制約システム151は、二次電池の20回の連続サイクルにわたる長手方向における電極アセンブリのフェレット直径のいかなる増加も1%未満であるように、電極アセンブリ106の長手方向への増大を抑制することができる。さらなる例として、一実施形態では、一次増大制約システム151は、二次電池の30回の連続サイクルにわたる長手方向における電極アセンブリのフェレット直径のいかなる増加も1%未満であるように、電極アセンブリ106の長手方向への増大を抑制することができる。さらなる例として、一実施形態では、一次増大制約システム151は、二次電池の50回の連続サイクルにわたる長手方向における電極アセンブリのフェレット直径のいかなる増加も1%未満であるように、電極アセンブリ106の長手方向への増大を抑制することができる。さらなる例として、一実施形態では、一次増大制約システム151は、二次電池の80回の連続サイクルにわたる長手方向における電極アセンブリのフェレット直径のいかなる増加も1%未満であるように、電極アセンブリ106の長手方向への増大を抑制することができる。さらなる例として、一実施形態では、一次増大制約システム151は、二次電池の100回の連続サイクルにわたる長手方向における電極アセンブリのフェレット直径のいかなる増加も1%未満であるように、電極アセンブリ106の長手方向への増大を抑制することができる。さらなる例として、一実施形態では、一次増大制約システム151は、二次電池の200回の連続サイクルにわたる長手方向における電極アセンブリのフェレット直径のいかなる増加も1%未満であるように、電極アセンブリ106の長手方向への増大を抑制することができる。さらなる例として、一実施形態では、一次増大制約システム151は、二次電池の300回の連続サイクルにわたる長手方向における電極アセンブリのフェレット直径のいかなる増加も1%未満であるように、電極アセンブリ106の長手方向への増大を抑制することができる。さらなる例として、一実施形態では、一次増大制約システム151は、二次電池の500回の連続サイクルにわたる長手方向における電極アセンブリのフェレット直径のいかなる増加も1%未満であるように、電極アセンブリ106の長手方向への増大を抑制することができる。さらなる例として、一実施形態では、一次増大制約システム151は、二次電池の800回の連続サイクルにわたる長手方向における電極アセンブリのフェレット直径のいかなる増加も1%未満であるように、電極アセンブリ106の長手方向への増大を抑制することができる。さらなる例として、一実施形態では、一次増大制約システム151は、二次電池の1000回の連続サイクルにわたる長手方向における電極アセンブリのフェレット直径のいかなる増加も1%未満であるように、電極アセンブリ106の長手方向への増大を抑制することができる。さらなる例として、一実施形態では、一次増大制約システム151は、二次電池の2000回の連続サイクルにわたる長手方向における電極アセンブリのフェレット直径のいかなる増加も1%未満であるように、電極アセンブリ106の長手方向への増大を抑制することができる。さらなる例として、一実施形態では、一次増大制約システム151は、二次電池の3000回の連続サイクルにわたる長手方向における電極アセンブリのフェレット直径のいかなる増加も1%未満であるように、電極アセンブリ106の長手方向への増大を抑制することができる。さらなる例として、一実施形態では、一次増大制約システム151は、二次電池の5000回の連続サイクルにわたる長手方向における電極アセンブリのフェレット直径のいかなる増加も充電状態と放電状態との間で1%未満であるように、電極アセンブリ106の長手方向への増大を抑制することができる。さらなる例として、一実施形態では、一次増大制約システム151は、二次電池の8000回の連続サイクルにわたる長手方向における電極アセンブリのフェレット直径のいかなる増加も1%未満であるように、電極アセンブリ106の長手方向への増大を抑制することができる。さらなる例として、一実施形態では、一次増大制約システム151は、二次電池の10,000回の連続サイクルにわたる長手方向における電極アセンブリのフェレット直径のいかなる増加も1%未満であるように、電極アセンブリ106の長手方向への増大を抑制することができる。
充電状態とは、その定格容量の少なくとも80%などのその定格容量の少なくとも75%、さらにはその定格容量の少なくとも95%などのその定格容量の少なくとも90%、さらにはその定格容量の100%まで二次電池102が充電されることを意味する。放電状態とは、その定格容量の20%未満などのその定格容量の25%未満、さらには5%未満などの10%未満、さらにはその定格容量の0%まで二次電池102が放電されることを意味する。さらにまた、二次電池102の実際の容量は、経時的におよび電池が経たサイクル数とともに変化し得ることに留意されたい。すなわち、二次電池102は、その定格容量に近い実測容量を最初に呈することがあるが、電池の実際の容量は、時間とともに減少し、二次電池102は、実際の容量が充電状態から放電状態に移行する際に測定される定格容量の80%を下回ると、その寿命であると考えられる。
図6Aおよび図6Bにさらに示されるように、一組の電極制約部108は、示された実施形態では垂直軸(Z軸)に沿ってなど、長手方向に直交する第2の方向に沿って互いに分離された第1および第2の二次増大制約部158、160をそれぞれ一般に含むことができる二次増大制約システム152をさらに含むことができる。例えば、一実施形態では、第1の二次増大制約部158は、電極アセンブリ106の側面142の第1の領域148を少なくとも部分的に横切って延び、第2の二次増大制約部160は、第1の領域148に対向する電極アセンブリ106の側面142の第2の領域150を少なくとも部分的に横切って延びる。さらに他のバージョンでは、第1および第2の二次増大制約部154、156のうちの1つ以上は、二次増大制約部のうちの1つ以上が電極アセンブリ106の内部構造を含むなどの場合には、電極アセンブリ106の側面142の内側にあってもよい。一実施形態では、第1および第2の二次増大制約部158、160は、それぞれ、垂直軸などの第2の方向に平行な主軸を有することができる少なくとも1つの二次接続部材166によって接続される。二次接続部材166は、例えば垂直方向の(例えば、Z軸に沿った)増大を抑制するなど、長手方向に対して直交する方向に沿った電極アセンブリ106の増大を抑制するように、第1および第2の二次増大制約部158、160をそれぞれ互いに緊張状態で接続および保持するように機能することができる。図6Aに示す実施形態では、少なくとも1つの二次接続部材166は、第1および第2の一次増大制約部154、156のうちの少なくとも1つに対応することができる。しかしながら、二次接続部材166は、それに限定されるものではなく、代替的におよび/または追加的に他の構造および/または構成を含むことができる。
一実施形態によれば、二次増大制約システム152を含む一組の制約部は、二次電池の20回の連続サイクルにわたる第2の方向における電極アセンブリのフェレット直径のいかなる増加も20%未満であるように、垂直方向(Z軸)などの長手方向に対して直交する第2の方向における電極アセンブリ106の増大を抑制することができる。さらなる例として、一実施形態では、二次増大制約システム152は、二次電池の30回の連続サイクルにわたる第2の方向における電極アセンブリのフェレット直径のいかなる増加も20%未満であるように、電極アセンブリ106の第2の方向における増大を抑制することができる。さらなる例として、一実施形態では、二次増大制約システム152は、二次電池の50回の連続サイクルにわたる第2の方向における電極アセンブリのフェレット直径のいかなる増加も20%未満であるように、電極アセンブリ106の第2の方向における増大を抑制することができる。さらなる例として、一実施形態では、二次増大制約システム152は、二次電池の80回の連続サイクルにわたる第2の方向における電極アセンブリのフェレット直径のいかなる増加も20%未満であるように、電極アセンブリ106の第2の方向における増大を抑制することができる。さらなる例として、一実施形態では、二次増大制約システム152は、二次電池の100回の連続サイクルにわたる第2の方向における電極アセンブリのフェレット直径のいかなる増加も20%未満であるように、電極アセンブリ106の第2の方向における増大を抑制することができる。さらなる例として、一実施形態では、二次増大制約システム152は、二次電池の200回の連続サイクルにわたる第2の方向における電極アセンブリのフェレット直径のいかなる増加も20%未満であるように、電極アセンブリ106の第2の方向における増大を抑制することができる。さらなる例として、一実施形態では、二次増大制約システム152は、二次電池の300回の連続サイクルにわたる第2の方向における電極アセンブリのフェレット直径のいかなる増加も20%未満であるように、電極アセンブリ106の第2の方向における増大を抑制することができる。さらなる例として、一実施形態では、二次増大制約システム152は、二次電池の500回の連続サイクルにわたる第2の方向における電極アセンブリのフェレット直径のいかなる増加も20%未満であるように、電極アセンブリ106の第2の方向における増大を抑制することができる。さらなる例として、一実施形態では、二次増大制約システム152は、二次電池の800回の連続サイクルにわたる第2の方向における電極アセンブリのフェレット直径のいかなる増加も20%未満であるように、電極アセンブリ106の第2の方向における増大を抑制することができる。さらなる例として、一実施形態では、二次増大制約システム152は、二次電池の1000回の連続サイクルにわたる第2の方向における電極アセンブリのフェレット直径のいかなる増加も20%未満であるように、電極アセンブリ106の第2の方向における増大を抑制することができる。さらなる例として、一実施形態では、二次増大制約システム151は、二次電池の2000回の連続サイクルにわたる第2の方向における電極アセンブリのフェレット直径のいかなる増加も20%未満であるように、電極アセンブリ106の第2の方向における増大を抑制することができる。さらなる例として、一実施形態では、二次増大制約システム152は、二次電池の3000回の連続サイクルにわたる第2の方向における電極アセンブリのフェレット直径のいかなる増加も20%未満であるように、電極アセンブリ106の第2の方向における増大を抑制することができる。さらなる例として、一実施形態では、二次増大制約システム152は、二次電池の5000回の連続サイクルにわたる第2の方向における電極アセンブリのフェレット直径のいかなる増加も20%未満であるように、電極アセンブリ106の第2の方向における増大を抑制することができる。さらなる例として、一実施形態では、二次増大制約システム152は、二次電池の8000回の連続サイクルにわたる第2の方向における電極アセンブリのフェレット直径のいかなる増加も20%未満であるように、電極アセンブリ106の第2の方向における増大を抑制することができる。さらなる例として、一実施形態では、二次増大制約システム151は、二次電池の10,000回の連続サイクルにわたる第2の方向における電極アセンブリのフェレット直径のいかなる増加も充電状態と放電状態との間で20%未満であるように、電極アセンブリ106の第2の方向における増大を抑制することができる。
一実施形態では、二次増大制約システム152を含む一組の制約部は、二次電池の10回の連続サイクルにわたる第2の方向における電極アセンブリのフェレット直径のいかなる増加も充電状態と放電状態との間で10%未満であるように、電極アセンブリ106の第2の方向における増大を抑制することができる。さらなる例として、一実施形態では、二次増大制約システム152は、二次電池の20回の連続サイクルにわたる第2の方向における電極アセンブリのフェレット直径のいかなる増加も10%未満であるように、電極アセンブリ106の第2の方向における増大を抑制することができる。さらなる例として、一実施形態では、二次増大制約システム152は、二次電池の30回の連続サイクルにわたる第2の方向における電極アセンブリのフェレット直径のいかなる増加も10%未満であるように、電極アセンブリ106の第2の方向における増大を抑制することができる。さらなる例として、一実施形態では、二次増大制約システム152は、二次電池の50回の連続サイクルにわたる第2の方向における電極アセンブリのフェレット直径のいかなる増加も10%未満であるように、電極アセンブリ106の第2の方向における増大を抑制することができる。さらなる例として、一実施形態では、二次増大制約システム152は、二次電池の80回の連続サイクルにわたる第2の方向における電極アセンブリのフェレット直径のいかなる増加も10%未満であるように、電極アセンブリ106の第2の方向における増大を抑制することができる。さらなる例として、一実施形態では、二次増大制約システム152は、二次電池の100回の連続サイクルにわたる第2の方向における電極アセンブリのフェレット直径のいかなる増加も10%未満であるように、電極アセンブリ106の第2の方向における増大を抑制することができる。さらなる例として、一実施形態では、二次増大制約システム152は、二次電池の200回の連続サイクルにわたる第2の方向における電極アセンブリのフェレット直径のいかなる増加も10%未満であるように、電極アセンブリ106の第2の方向における増大を抑制することができる。さらなる例として、一実施形態では、二次増大制約システム152は、二次電池の300回の連続サイクルにわたる第2の方向における電極アセンブリのフェレット直径のいかなる増加も10%未満であるように、電極アセンブリ106の第2の方向における増大を抑制することができる。さらなる例として、一実施形態では、二次増大制約システム152は、二次電池の500回の連続サイクルにわたる第2の方向における電極アセンブリのフェレット直径のいかなる増加も10%未満であるように、電極アセンブリ106の第2の方向における増大を抑制することができる。さらなる例として、一実施形態では、二次増大制約システム152は、二次電池の800回の連続サイクルにわたる第2の方向における電極アセンブリのフェレット直径のいかなる増加も10%未満であるように、電極アセンブリ106の第2の方向における増大を抑制することができる。さらなる例として、一実施形態では、二次増大制約システム152は、二次電池の1000回の連続サイクルにわたる第2の方向における電極アセンブリのフェレット直径のいかなる増加も10%未満であるように、電極アセンブリ106の第2の方向における増大を抑制することができる。さらなる例として、一実施形態では、二次増大制約システム151は、二次電池の2000回の連続サイクルにわたる第2の方向における電極アセンブリのフェレット直径のいかなる増加も10%未満であるように、電極アセンブリ106の第2の方向における増大を抑制することができる。さらなる例として、一実施形態では、二次増大制約システム152は、二次電池の3000回の連続サイクルにわたる第2の方向における電極アセンブリのフェレット直径のいかなる増加も10%未満であるように、電極アセンブリ106の第2の方向における増大を抑制することができる。さらなる例として、一実施形態では、二次増大制約システム152は、二次電池の5000回の連続サイクルにわたる第2の方向における電極アセンブリのフェレット直径のいかなる増加も10%未満であるように、電極アセンブリ106の第2の方向における増大を抑制することができる。さらなる例として、一実施形態では、二次増大制約システム152は、二次電池の8000回の連続サイクルにわたる第2の方向における電極アセンブリのフェレット直径のいかなる増加も10%未満であるように、電極アセンブリ106の第2の方向における増大を抑制することができる。さらなる例として、一実施形態では、二次増大制約システム151は、二次電池の10,000回の連続サイクルにわたる第2の方向における電極アセンブリのフェレット直径のいかなる増加も10%未満であるように、電極アセンブリ106の第2の方向における増大を抑制することができる。
一実施形態では、二次増大制約システム152を含む一組の制約部は、二次電池の5回の連続サイクルにわたる第2の方向における電極アセンブリのフェレット直径のいかなる増加も充電状態と放電状態との間で5%未満であるように、電極アセンブリ106の第2の方向における増大を抑制することができる。さらなる例として、一実施形態では、二次増大制約システム152は、二次電池の10回の連続サイクルにわたる第2の方向における電極アセンブリのフェレット直径のいかなる増加も5%未満であるように、電極アセンブリ106の第2の方向における増大を抑制することができる。さらなる例として、一実施形態では、二次増大制約システム152は、二次電池の20回の連続サイクルにわたる第2の方向における電極アセンブリのフェレット直径のいかなる増加も5%未満であるように、電極アセンブリ106の第2の方向における増大を抑制することができる。さらなる例として、一実施形態では、二次増大制約システム152は、二次電池の30回の連続サイクルにわたる第2の方向における電極アセンブリのフェレット直径のいかなる増加も5%未満であるように、電極アセンブリ106の第2の方向における増大を抑制することができる。さらなる例として、一実施形態では、二次増大制約システム152は、二次電池の50回の連続サイクルにわたる第2の方向における電極アセンブリのフェレット直径のいかなる増加も5%未満であるように、電極アセンブリ106の第2の方向における増大を抑制することができる。さらなる例として、一実施形態では、二次増大制約システム152は、二次電池の80回の連続サイクルにわたる第2の方向における電極アセンブリのフェレット直径のいかなる増加も5%未満であるように、電極アセンブリ106の第2の方向における増大を抑制することができる。さらなる例として、一実施形態では、二次増大制約システム152は、二次電池の100回の連続サイクルにわたる第2の方向における電極アセンブリのフェレット直径のいかなる増加も5%未満であるように、電極アセンブリ106の第2の方向における増大を抑制することができる。さらなる例として、一実施形態では、二次増大制約システム152は、二次電池の200回の連続サイクルにわたる第2の方向における電極アセンブリのフェレット直径のいかなる増加も5%未満であるように、電極アセンブリ106の第2の方向における増大を抑制することができる。さらなる例として、一実施形態では、二次増大制約システム152は、二次電池の300回の連続サイクルにわたる第2の方向における電極アセンブリのフェレット直径のいかなる増加も5%未満であるように、電極アセンブリ106の第2の方向における増大を抑制することができる。さらなる例として、一実施形態では、二次増大制約システム152は、二次電池の500回の連続サイクルにわたる第2の方向における電極アセンブリのフェレット直径のいかなる増加も5%未満であるように、電極アセンブリ106の第2の方向における増大を抑制することができる。さらなる例として、一実施形態では、二次増大制約システム152は、二次電池の800回の連続サイクルにわたる第2の方向における電極アセンブリのフェレット直径のいかなる増加も5%未満であるように、電極アセンブリ106の第2の方向における増大を抑制することができる。さらなる例として、一実施形態では、二次増大制約システム152は、二次電池の1000回の連続サイクルにわたる第2の方向における電極アセンブリのフェレット直径のいかなる増加も5%未満であるように、電極アセンブリ106の第2の方向における増大を抑制することができる。さらなる例として、一実施形態では、二次増大制約システム151は、二次電池の2000回の連続サイクルにわたる第2の方向における電極アセンブリのフェレット直径のいかなる増加も5%未満であるように、電極アセンブリ106の第2の方向における増大を抑制することができる。さらなる例として、一実施形態では、二次増大制約システム152は、二次電池の3000回の連続サイクルにわたる第2の方向における電極アセンブリのフェレット直径のいかなる増加も5%未満であるように、電極アセンブリ106の第2の方向における増大を抑制することができる。さらなる例として、一実施形態では、二次増大制約システム152は、二次電池の5000回の連続サイクルにわたる第2の方向における電極アセンブリのフェレット直径のいかなる増加も5%未満であるように、電極アセンブリ106の第2の方向における増大を抑制することができる。さらなる例として、一実施形態では、二次増大制約システム152は、二次電池の8000回の連続サイクルにわたる第2の方向における電極アセンブリのフェレット直径のいかなる増加も5%未満であるように、電極アセンブリ106の第2の方向における増大を抑制することができる。さらなる例として、一実施形態では、二次増大制約システム151は、二次電池の10,000回の連続サイクルにわたる第2の方向における電極アセンブリのフェレット直径のいかなる増加も5%未満であるように、電極アセンブリ106の第2の方向における増大を抑制することができる。
実施形態では、二次増大制約システム152を含む一組の制約部は、二次電極のサイクルあたりの第2の方向における電極アセンブリのフェレット直径のいかなる増加も1%未満であるように、電極アセンブリ106の第2の方向における増大を抑制することができる。さらなる例として、一実施形態では、二次増大制約システム152は、二次電池の5回の連続サイクルにわたる第2の方向における電極アセンブリのフェレット直径のいかなる増加も1%未満であるように、電極アセンブリ106の第2の方向における増大を抑制することができる。さらなる例として、一実施形態では、二次増大制約システム152は、二次電池の10回の連続サイクルにわたる第2の方向における電極アセンブリのフェレット直径のいかなる増加も1%未満であるように、電極アセンブリ106の第2の方向における増大を抑制することができる。さらなる例として、一実施形態では、二次増大制約システム152は、二次電池の20回の連続サイクルにわたる第2の方向における電極アセンブリのフェレット直径のいかなる増加も1%未満であるように、電極アセンブリ106の第2の方向における増大を抑制することができる。さらなる例として、一実施形態では、二次増大制約システム152は、二次電池の30回の連続サイクルにわたる第2の方向における電極アセンブリのフェレット直径のいかなる増加も1%未満であるように、電極アセンブリ106の第2の方向における増大を抑制することができる。さらなる例として、一実施形態では、二次増大制約システム152は、二次電池の50回の連続サイクルにわたる第2の方向における電極アセンブリのフェレット直径のいかなる増加も1%未満であるように、電極アセンブリ106の第2の方向における増大を抑制することができる。さらなる例として、一実施形態では、二次増大制約システム152は、二次電池の80回の連続サイクルにわたる第2の方向における電極アセンブリのフェレット直径のいかなる増加も1%未満であるように、電極アセンブリ106の第2の方向における増大を抑制することができる。さらなる例として、一実施形態では、二次増大制約システム152は、二次電池の100回の連続サイクルにわたる第2の方向における電極アセンブリのフェレット直径のいかなる増加も1%未満であるように、電極アセンブリ106の第2の方向における増大を抑制することができる。さらなる例として、一実施形態では、二次増大制約システム152は、二次電池の200回の連続サイクルにわたる第2の方向における電極アセンブリのフェレット直径のいかなる増加も1%未満であるように、電極アセンブリ106の第2の方向における増大を抑制することができる。さらなる例として、一実施形態では、二次増大制約システム152は、二次電池の300回の連続サイクルにわたる第2の方向における電極アセンブリのフェレット直径のいかなる増加も1%未満であるように、電極アセンブリ106の第2の方向における増大を抑制することができる。さらなる例として、一実施形態では、二次増大制約システム152は、二次電池の500回の連続サイクルにわたる第2の方向における電極アセンブリのフェレット直径のいかなる増加も1%未満であるように、電極アセンブリ106の第2の方向における増大を抑制することができる。さらなる例として、一実施形態では、二次増大制約システム152は、二次電池の800回の連続サイクルにわたる第2の方向における電極アセンブリのフェレット直径のいかなる増加も1%未満であるように、電極アセンブリ106の第2の方向における増大を抑制することができる。さらなる例として、一実施形態では、二次増大制約システム152は、二次電池の1000回の連続サイクルにわたる第2の方向における電極アセンブリのフェレット直径のいかなる増加も1%未満であるように、電極アセンブリ106の第2の方向における増大を抑制することができる。さらなる例として、一実施形態では、二次増大制約システム151は、二次電池の2000回の連続サイクルにわたる第2の方向における電極アセンブリのフェレット直径のいかなる増加も1%未満であるように、電極アセンブリ106の第2の方向における増大を抑制することができる。さらなる例として、一実施形態では、二次増大制約システム152は、二次電池の3000回の連続サイクルにわたる第2の方向における電極アセンブリのフェレット直径のいかなる増加も充電状態と放電状態との間で1%未満であるように、電極アセンブリ106の第2の方向における増大を抑制することができる。さらなる例として、一実施形態では、二次増大制約システム152は、二次電池の5000回の連続サイクルにわたる第2の方向における電極アセンブリのフェレット直径のいかなる増加も1%未満であるように、電極アセンブリ106の第2の方向における増大を抑制することができる。さらなる例として、一実施形態では、二次増大制約システム152は、二次電池の8000回の連続サイクルにわたる第2の方向における電極アセンブリのフェレット直径のいかなる増加も1%未満であるように、電極アセンブリ106の第2の方向における増大を抑制することができる。さらなる例として、一実施形態では、二次増大制約システム151は、二次電池の10,000回の連続サイクルにわたる第2の方向における電極アセンブリのフェレット直径のいかなる増加も1%未満であるように、電極アセンブリ106の第2の方向における増大を抑制することができる。
図6Cは、横方向(X)などの長手方向および第2の方向に対して直交する第3の方向における電極アセンブリの増大を制約するための三次増大制約システム155をさらに含む一組の電極制約部108の実施形態を示している。三次増大制約システム155は、一次および二次増大制約システム151、152のそれぞれに加えて、3次元での電極アセンブリ106の全体的な増大を制約するために設けることができ、および/または2次元での電極アセンブリ106の全体的な増大をそれぞれ制約するために一次または二次増大制約システム151、152のうちの一方と組み合わせて設けることができる。図6Cは、結果として生じる2-D断面が垂直軸(Z軸)および横軸(X軸)で示されるように、横軸(X軸)に沿って切り取られた図1Aの電極アセンブリ106の断面を示している。図6Cに示すように、三次増大制約システム155は、一般に、横方向(X軸)などの第3の方向に沿って互いに分離された第1および第2の三次増大制約部157、159をそれぞれ含むことができる。例えば、一実施形態では、第1の三次増大制約部157は、電極アセンブリ106の側面142の第1の領域144を少なくとも部分的に横切って延び、第2の三次増大制約部159は、横方向において第1の領域144と対向する電極アセンブリ106の側面142の第2の領域146を少なくとも部分的に横切って延びる。さらに他のバージョンでは、第1および第2の三次増大制約部157、159のうちの1つ以上は、三次増大制約部のうちの1つ以上が電極アセンブリ106の内部構造を含むなどの場合には、電極アセンブリ106の側面142の内側にあってもよい。一実施形態では、第1および第2の三次増大制約部157、159は、それぞれ、第3の方向に平行な主軸を有することができる少なくとも1つの三次接続部材165によって接続される。三次接続部材165は、例えば、横方向の(例えば、X軸に沿った)増大を抑制するために、長手方向に対して直交する方向に沿った電極アセンブリ106の増大を抑制するように、第1および第2の三次増大制約部157、159をそれぞれ互いに緊張状態で接続および保持するように機能することができる。図6Cに示す実施形態では、少なくとも1つの三次接続部材165は、第1および第2の二次増大制約部158、160のうちの少なくとも1つに対応することができる。しかしながら、三次接続部材165は、それに限定されるものではなく、代替的におよび/または追加的に他の構造および/または構成を含むことができる。例えば、少なくとも1つの三次接続部材165は、一実施形態では、第1および第2の一次増大制約部154、156(図示せず)のうちの少なくとも1つに対応することができる。
一実施形態によれば、三次増大制約システム155を有する一組の制約部は、二次電池の20回の連続サイクルにわたる電極アセンブリの第3の方向におけるフェレット直径のいかなる増加も20%未満であるように、横方向(X軸)などの長手方向に対して直交する第3の方向における電極アセンブリ106の増大を抑制することができる。さらなる例として、一実施形態では、三次増大制約システム155は、二次電池の30回の連続サイクルにわたる第3の方向における電極アセンブリのフェレット直径のいかなる増加も20%未満であるように、電極アセンブリ106の第3の方向における増大を抑制することができる。さらなる例として、一実施形態では、三次増大制約システム155は、二次電池の50回の連続サイクルにわたる第3の方向における電極アセンブリのフェレット直径のいかなる増加も20%未満であるように、電極アセンブリ106の第3の方向における増大を抑制することができる。さらなる例として、一実施形態では、三次増大制約システム155は、二次電池の80回の連続サイクルにわたる第3の方向における電極アセンブリのフェレット直径のいかなる増加も20%未満であるように、電極アセンブリ106の第3の方向における増大を抑制することができる。さらなる例として、一実施形態では、三次増大制約システム155は、二次電池の100回の連続サイクルにわたる第3の方向における電極アセンブリのフェレット直径のいかなる増加も20%未満であるように、電極アセンブリ106の第3の方向における増大を抑制することができる。さらなる例として、一実施形態では、三次増大制約システム155は、二次電池の200回の連続サイクルにわたる第3の方向における電極アセンブリのフェレット直径のいかなる増加も20%未満であるように、電極アセンブリ106の第3の方向における増大を抑制することができる。さらなる例として、一実施形態では、三次増大制約システム155は、二次電池の300回の連続サイクルにわたる第3の方向における電極アセンブリのフェレット直径のいかなる増加も20%未満であるように、電極アセンブリ106の第3の方向における増大を抑制することができる。さらなる例として、一実施形態では、三次増大制約システム155は、二次電池の500回の連続サイクルにわたる第3の方向における電極アセンブリのフェレット直径のいかなる増加も20%未満であるように、電極アセンブリ106の第3の方向における増大を抑制することができる。さらなる例として、一実施形態では、三次増大制約システム152は、二次電池の800回の連続サイクルにわたる第3の方向における電極アセンブリのフェレット直径のいかなる増加も20%未満であるように、電極アセンブリ106の第3の方向における増大を抑制することができる。さらなる例として、一実施形態では、三次増大制約システム155は、二次電池の1000回の連続サイクルにわたる第3の方向における電極アセンブリのフェレット直径のいかなる増加も20%未満であるように、電極アセンブリ106の第3の方向における増大を抑制することができる。さらなる例として、一実施形態では、三次増大制約システム155は、二次電池の2000回の連続サイクルにわたる第3の方向における電極アセンブリのフェレット直径のいかなる増加も20%未満であるように、電極アセンブリ106の第3の方向における増大を抑制することができる。さらなる例として、一実施形態では、三次増大制約システム155は、二次電池の3000回の連続サイクルにわたる第3の方向における電極アセンブリのフェレット直径のいかなる増加も20%未満であるように、電極アセンブリ106の第3の方向における増大を抑制することができる。さらなる例として、一実施形態では、三次増大制約システム155は、二次電池の5000回の連続サイクルにわたる第3の方向における電極アセンブリのフェレット直径のいかなる増加も20%未満であるように、電極アセンブリ106の第3の方向における増大を抑制することができる。さらなる例として、一実施形態では、三次増大制約システム155は、二次電池の8000回の連続サイクルにわたる第3の方向における電極アセンブリのフェレット直径のいかなる増加も20%未満であるように、電極アセンブリ106の第3の方向における増大を抑制することができる。さらなる例として、一実施形態では、三次増大制約システム155は、二次電池の10,000回の連続サイクルにわたる第3の方向における電極アセンブリのフェレット直径のいかなる増加も20%未満であるように、電極アセンブリ106の第3の方向における増大を抑制することができる。
一実施形態では、三次増大制約システム155を有する一組の制約部は、二次電池の10回の連続サイクルにわたる第3の方向における電極アセンブリのフェレット直径のいかなる増加も10%未満であるように、電極アセンブリ106の第3の方向における増大を抑制することができる。さらなる例として、一実施形態では、三次増大制約システム155は、二次電池の20回の連続サイクルにわたる第3の方向における電極アセンブリのフェレット直径のいかなる増加も10%未満であるように、電極アセンブリ106の第3の方向における増大を抑制することができる。さらなる例として、一実施形態では、三次増大制約システム155は、二次電池の30回の連続サイクルにわたる第3の方向における電極アセンブリのフェレット直径のいかなる増加も10%未満であるように、電極アセンブリ106の第3の方向における増大を抑制することができる。さらなる例として、一実施形態では、三次増大制約システム155は、二次電池の50回の連続サイクルにわたる第3の方向における電極アセンブリのフェレット直径のいかなる増加も10%未満であるように、電極アセンブリ106の第3の方向における増大を抑制することができる。さらなる例として、一実施形態では、三次増大制約システム155は、二次電池の80回の連続サイクルにわたる第3の方向における電極アセンブリのフェレット直径のいかなる増加も10%未満であるように、電極アセンブリ106の第3の方向における増大を抑制することができる。さらなる例として、一実施形態では、三次増大制約システム155は、二次電池の100回の連続サイクルにわたる第3の方向における電極アセンブリのフェレット直径のいかなる増加も10%未満であるように、電極アセンブリ106の第3の方向における増大を抑制することができる。さらなる例として、一実施形態では、三次増大制約システム155は、二次電池の200回の連続サイクルにわたる第3の方向における電極アセンブリのフェレット直径のいかなる増加も10%未満であるように、電極アセンブリ106の第3の方向における増大を抑制することができる。さらなる例として、一実施形態では、三次増大制約システム155は、二次電池の300回の連続サイクルにわたる第3の方向における電極アセンブリのフェレット直径のいかなる増加も10%未満であるように、電極アセンブリ106の第3の方向における増大を抑制することができる。さらなる例として、一実施形態では、三次増大制約システム155は、二次電池の500回の連続サイクルにわたる第3の方向における電極アセンブリのフェレット直径のいかなる増加も10%未満であるように、電極アセンブリ106の第3の方向における増大を抑制することができる。さらなる例として、一実施形態では、三次増大制約システム152は、二次電池の800回の連続サイクルにわたる第3の方向における電極アセンブリのフェレット直径のいかなる増加も10%未満であるように、電極アセンブリ106の第3の方向における増大を抑制することができる。さらなる例として、一実施形態では、三次増大制約システム155は、二次電池の1000回の連続サイクルにわたる第3の方向における電極アセンブリのフェレット直径のいかなる増加も10%未満であるように、電極アセンブリ106の第3の方向における増大を抑制することができる。さらなる例として、一実施形態では、三次増大制約システム155は、二次電池の2000回の連続サイクルにわたる第3の方向における電極アセンブリのフェレット直径のいかなる増加も10%未満であるように、電極アセンブリ106の第3の方向における増大を抑制することができる。さらなる例として、一実施形態では、三次増大制約システム155は、二次電池の3000回の連続サイクルにわたる第3の方向における電極アセンブリのフェレット直径のいかなる増加も10%未満であるように、電極アセンブリ106の第3の方向における増大を抑制することができる。さらなる例として、一実施形態では、三次増大制約システム155は、二次電池の5000回の連続サイクルにわたる第3の方向における電極アセンブリのフェレット直径のいかなる増加も充電状態と放電状態との間で10%未満であるように、電極アセンブリ106の第3の方向における増大を抑制することができる。さらなる例として、一実施形態では、三次増大制約システム155は、二次電池の8000回の連続サイクルにわたる第3の方向における電極アセンブリのフェレット直径のいかなる増加も10%未満であるように、電極アセンブリ106の第3の方向における増大を抑制することができる。さらなる例として、一実施形態では、三次増大制約システム155は、二次電池の10,000回の連続サイクルにわたる第3の方向における電極アセンブリのフェレット直径のいかなる増加も10%未満であるように、電極アセンブリ106の第3の方向における増大を抑制することができる。
一実施形態では、三次増大制約システム155を有する一組の制約部は、二次電池の5回の連続サイクルにわたる第3の方向における電極アセンブリのフェレット直径のいかなる増加も5%未満であるように、電極アセンブリ106の第3の方向における増大を抑制することができる。さらなる例として、一実施形態では、三次増大制約システム155は、二次電池の10回の連続サイクルにわたる第3の方向における電極アセンブリのフェレット直径のいかなる増加も5%未満であるように、電極アセンブリ106の第3の方向における増大を抑制することができる。さらなる例として、一実施形態では、三次増大制約システム155は、二次電池の20回の連続サイクルにわたる第3の方向における電極アセンブリのフェレット直径のいかなる増加も5%未満であるように、電極アセンブリ106の第3の方向における増大を抑制することができる。さらなる例として、一実施形態では、三次増大制約システム155は、二次電池の30回の連続サイクルにわたる第3の方向における電極アセンブリのフェレット直径のいかなる増加も5%未満であるように、電極アセンブリ106の第3の方向における増大を抑制することができる。さらなる例として、一実施形態では、三次増大制約システム155は、二次電池の50回の連続サイクルにわたる第3の方向における電極アセンブリのフェレット直径のいかなる増加も5%未満であるように、電極アセンブリ106の第3の方向における増大を抑制することができる。さらなる例として、一実施形態では、三次増大制約システム155は、二次電池の80回の連続サイクルにわたる第3の方向における電極アセンブリのフェレット直径のいかなる増加も5%未満であるように、電極アセンブリ106の第3の方向における増大を抑制することができる。さらなる例として、一実施形態では、三次増大制約システム155は、二次電池の100回の連続サイクルにわたる第3の方向における電極アセンブリのフェレット直径のいかなる増加も5%未満であるように、電極アセンブリ106の第3の方向における増大を抑制することができる。さらなる例として、一実施形態では、三次増大制約システム155は、二次電池の200回の連続サイクルにわたる第3の方向における電極アセンブリのフェレット直径のいかなる増加も5%未満であるように、電極アセンブリ106の第3の方向における増大を抑制することができる。さらなる例として、一実施形態では、三次増大制約システム155は、二次電池の300回の連続サイクルにわたる第3の方向における電極アセンブリのフェレット直径のいかなる増加も5%未満であるように、電極アセンブリ106の第3の方向における増大を抑制することができる。さらなる例として、一実施形態では、三次増大制約システム155は、二次電池の500回の連続サイクルにわたる第3の方向における電極アセンブリのフェレット直径のいかなる増加も5%未満であるように、電極アセンブリ106の第3の方向における増大を抑制することができる。さらなる例として、一実施形態では、三次増大制約システム152は、二次電池の800回の連続サイクルにわたる第3の方向における電極アセンブリのフェレット直径のいかなる増加も5%未満であるように、電極アセンブリ106の第3の方向における増大を抑制することができる。さらなる例として、一実施形態では、三次増大制約システム155は、二次電池の1000回の連続サイクルにわたる第3の方向における電極アセンブリのフェレット直径のいかなる増加も5%未満であるように、電極アセンブリ106の第3の方向における増大を抑制することができる。さらなる例として、一実施形態では、三次増大制約システム155は、二次電池の2000回の連続サイクルにわたる第3の方向における電極アセンブリのフェレット直径のいかなる増加も5%未満であるように、電極アセンブリ106の第3の方向における増大を抑制することができる。さらなる例として、一実施形態では、三次増大制約システム155は、二次電池の3000回の連続サイクルにわたる第3の方向における電極アセンブリのフェレット直径のいかなる増加も5%未満であるように、電極アセンブリ106の第3の方向における増大を抑制することができる。さらなる例として、一実施形態では、三次増大制約システム155は、二次電池の5000回の連続サイクルにわたる第3の方向における電極アセンブリのフェレット直径のいかなる増加も5%未満であるように、電極アセンブリ106の第3の方向における増大を抑制することができる。さらなる例として、一実施形態では、三次増大制約システム155は、二次電池の8000回の連続サイクルにわたる第3の方向における電極アセンブリのフェレット直径のいかなる増加も5%未満であるように、電極アセンブリ106の第3の方向における増大を抑制することができる。さらなる例として、一実施形態では、三次増大制約システム155は、二次電池の10,000回の連続サイクルにわたる第3の方向における電極アセンブリのフェレット直径のいかなる増加も5%未満であるように、電極アセンブリ106の第3の方向における増大を抑制することができる。
一実施形態では、三次増大制約システム155を有する一組の制約部は、二次電池のサイクルあたりの第3の方向における電極アセンブリのフェレット直径のいかなる増加も1%未満であるように、電極アセンブリ106の第3の方向における増大を抑制することができる。さらなる例として、一実施形態では、三次増大制約システム155は、二次電池の5回の連続サイクルにわたる第3の方向における電極アセンブリのフェレット直径のいかなる増加も1%未満であるように、電極アセンブリ106の第3の方向における増大を抑制することができる。さらなる例として、一実施形態では、三次増大制約システム155は、二次電池の10回の連続サイクルにわたる第3の方向における電極アセンブリのフェレット直径のいかなる増加も1%未満であるように、電極アセンブリ106の第3の方向における増大を抑制することができる。さらなる例として、一実施形態では、三次増大制約システム155は、二次電池の20回の連続サイクルにわたる第3の方向における電極アセンブリのフェレット直径のいかなる増加も1%未満であるように、電極アセンブリ106の第3の方向における増大を抑制することができる。さらなる例として、一実施形態では、三次増大制約システム155は、二次電池の30回の連続サイクルにわたる第3の方向における電極アセンブリのフェレット直径のいかなる増加も1%未満であるように、電極アセンブリ106の第3の方向における増大を抑制することができる。さらなる例として、一実施形態では、三次増大制約システム155は、二次電池の50回の連続サイクルにわたる第3の方向における電極アセンブリのフェレット直径のいかなる増加も5%未満であるように、電極アセンブリ106の第3の方向における増大を抑制することができる。さらなる例として、一実施形態では、三次増大制約システム155は、二次電池の80回の連続サイクルにわたる第3の方向における電極アセンブリのフェレット直径のいかなる増加も1%未満であるように、電極アセンブリ106の第3の方向における増大を抑制することができる。さらなる例として、一実施形態では、三次増大制約システム155は、二次電池の100回の連続サイクルにわたる第3の方向における電極アセンブリのフェレット直径のいかなる増加も1%未満であるように、電極アセンブリ106の第3の方向における増大を抑制することができる。さらなる例として、一実施形態では、三次増大制約システム155は、二次電池の200回の連続サイクルにわたる第3の方向における電極アセンブリのフェレット直径のいかなる増加も1%未満であるように、電極アセンブリ106の第3の方向における増大を抑制することができる。さらなる例として、一実施形態では、三次増大制約システム155は、二次電池の300回の連続サイクルにわたる第3の方向における電極アセンブリのフェレット直径のいかなる増加も1%未満であるように、電極アセンブリ106の第3の方向における増大を抑制することができる。さらなる例として、一実施形態では、三次増大制約システム155は、二次電池の500回の連続サイクルにわたる第3の方向における電極アセンブリのフェレット直径のいかなる増加も1%未満であるように、電極アセンブリ106の第3の方向における増大を抑制することができる。さらなる例として、一実施形態では、三次増大制約システム152は、二次電池の800回の連続サイクルにわたる第3の方向における電極アセンブリのフェレット直径のいかなる増加も1%未満であるように、電極アセンブリ106の第3の方向における増大を抑制することができる。さらなる例として、一実施形態では、三次増大制約システム155は、二次電池の1000回の連続サイクルにわたる第3の方向における電極アセンブリのフェレット直径のいかなる増加も充電状態と放電状態との間で1%未満であるように、電極アセンブリ106の第3の方向における増大を抑制することができる。さらなる例として、一実施形態では、三次増大制約システム155は、二次電池の2000回の連続サイクルにわたる第3の方向における電極アセンブリのフェレット直径のいかなる増加も1%未満であるように、電極アセンブリ106の第3の方向における増大を抑制することができる。さらなる例として、一実施形態では、三次増大制約システム155は、二次電池の3000回の連続サイクルにわたる第3の方向における電極アセンブリのフェレット直径のいかなる増加も1%未満であるように、電極アセンブリ106の第3の方向における増大を抑制することができる。さらなる例として、一実施形態では、三次増大制約システム155は、二次電池の5000回の連続サイクルにわたる第3の方向における電極アセンブリのフェレット直径のいかなる増加も1%未満であるように、電極アセンブリ106の第3の方向における増大を抑制することができる。さらなる例として、一実施形態では、三次増大制約システム155は、二次電池の8000回の連続サイクルにわたる第3の方向における電極アセンブリのフェレット直径のいかなる増加も1%未満であるように、電極アセンブリ106の第3の方向における増大を抑制することができる。さらなる例として、一実施形態では、三次増大制約システム155は、二次電池の10,000回の連続サイクルにわたる第3の方向における電極アセンブリのフェレット直径のいかなる増加も1%未満であるように、電極アセンブリ106の第3の方向における増大を抑制することができる。
一実施形態によれば、一次および二次増大制約システム151、152のそれぞれ、ならびに必要に応じて三次増大制約システム155は、一次増大制約システム151の一部が二次増大制約システム152の一部として協調して機能するように、および/または二次増大制約システム152の一部が一次増大制約システム151の一部として協調して機能するように、ならびに一次および/または二次制約システム151、152のいずれかの一部もまた、それぞれ、三次増大制約システムの一部として機能することができるように、協調して動作するように構成され、その逆も成り立つ。例えば、図6Aおよび図6Bに示す実施形態では、一次増大制約システム151の第1および第2の一次接続部材162、164は、それぞれ、長手方向に対して直交する第2の方向における増大を制約する第1および第2の二次増大制約部158、160の少なくとも一部、またはさらにその全体構造として機能することができる。さらに他の実施形態では、上述したように、第1および第2の一次増大制約部154、156のうちの1つ以上は、それぞれ、第1および第2の二次増大制約部158、160をそれぞれ接続するための1つ以上の二次接続部材166として機能することができる。逆に、第1および第2の二次増大制約部158、160の少なくとも一部は、それぞれ、一次増大制約システム151の第1および第2の一次接続部材162、164として機能することができ、二次増大制約システム152の少なくとも1つの二次接続部材166は、一実施形態では、それぞれ、第1および第2の一次増大制約部154、156のうちの1つ以上として機能することができる。さらに他の実施形態では、一次増大制約システム151の第1および第2の一次接続部材162、164の少なくとも一部のそれぞれ、および/または二次増大制約システム152の少なくとも1つの二次接続部材166の少なくとも1つは、長手方向に対して直交する横方向における増大を制約する第1および第2の三次増大制約部157、159の少なくとも一部またはその全体構造としてそれぞれ機能することができる。さらに他の実施形態では、第1および第2の一次増大制約部154、156のそれぞれ、および/または第1および第2の二次増大制約部158、160のそれぞれのうちの1つ以上は、第1および第2の三次増大制約部157、159をそれぞれ接続するための1つ以上の三次接続部材166として機能することができる。逆に、第1および第2の三次増大制約部157、159の少なくとも一部は、それぞれ、一次増大制約システム151の第1および第2の一次接続部材162、164として機能することができ、および/または二次増大制約システム152の少なくとも1つの二次接続部材166、および三次増大制約システム155の少なくとも1つの三次接続部材165は、それぞれ、一実施形態では、第1および第2の一次増大制約部154、156のうちの1つ以上として、および/または第1および第2の二次増大制約部158、160のうちの1つ以上としてそれぞれ機能することができる。代替的におよび/または追加的に、一次および/または二次および/または三次増大制約部は、電極アセンブリ106の増大を抑制するように協働する他の構造を含むことができる。したがって、一次および二次増大制約システム151、152のそれぞれ、ならびに必要に応じて三次増大制約システム155は、電極アセンブリ106の増大を抑制するように構成要素および/または構造を共有することができる。
一実施形態では、一組の電極制約部108は、電池筐体104の外部および/または内部の構造であるまたは電池筐体104自体の一部とすることができる、一次および二次増大制約部ならびに一次および二次接続部材などの構造を含むことができる。例えば、一組の電極制約部108は、電池筐体104および他の構造部品を含む構造の組み合わせを含むことができる。そのような一実施形態では、電池筐体104は、一次増大制約システム151および/または二次増大制約システム152の構成要素とすることができ、他の言い方をすると、一実施形態では、電池筐体104は、単独でまたは1つ以上の他の構造(電池筐体104の内部および/または外部、例えば一次増大制約システム151および/または二次増大制約システム152)と組み合わせて、電極積層方向Dおよび/または積層方向Dに対して直交する第2の方向における電極アセンブリ106の増大を抑制する。例えば、一次増大制約部154、156および二次増大制約部158、160のうちの1つ以上は、電極アセンブリの内部にある構造を備えることができる。他の実施形態では、一次増大制約システム151および/または二次増大制約システム152は、電池筐体104を含まず、代わりに、電池筐体104以外の(電池筐体104の内部および/または外部の)1つ以上の個別構造は、電極積層方向Dおよび/または積層方向Dに対して直交する第2方向における電極アセンブリ106の増大を抑制する。電極アセンブリ106は、電極アセンブリ106を有するエネルギー貯蔵装置100または二次電池の反復サイクル中に電極アセンブリ106の増大および/または膨潤によって加えられる圧力よりも大きい圧力で、一組の電極制約部108によって抑制されることができる。
例示的な一実施形態では、一次増大制約システム151は、電極アセンブリ106の一部としてアノード構造110を有する二次電池102の反復サイクルの際に、積層方向Dにおいてアノード構造110によって発生した圧力を超える圧力を加えることによって、積層方向Dにおけるアノード構造110の増大を抑制する1つ以上の個別構造を、電池筐体104内に含む。他の例示的な実施形態では、一次増大制約システム151は、電極アセンブリ106の一部としてカソード構造112を有する二次電池102の反復サイクルの際に、積層方向Dにおいてアノード構造112によって発生した圧力を超える圧力を積層方向Dに加えることによって、積層方向Dにおけるカソード構造112の増大を抑制する1つ以上の個別構造を、電池筐体104内に含む。二次増大制約システム152は、同様に、アノードまたはカソード構造110、112をそれぞれ有する二次電池102の反復サイクルの際に、第2の方向においてアノードまたはカソード構造110、112によってそれぞれ発生した圧力を超える圧力を第2の方向に加えることによって、垂直軸(Z軸)に沿ってなど、積層構造Dに対して直交する第2の方向におけるアノード構造110およびカソード構造112のうちの少なくとも1つの増大を抑制する1つ以上の個別構造を、電池筐体104内に含むことができる。
さらに他の実施形態では、一次増大制約システム151の第1および第2の一次増大制約部154、156は、それぞれ、横軸および/または垂直軸に沿った電極アセンブリ106の側面142の対向する第1および第2の領域など、長手方向に対して直交する方向である電極アセンブリ106の他方の表面に第1および第2の一次増大制約部154、156によって加えられる圧力を超える圧力を、長手方向を意味する電極アセンブリ106の第1および第2の長手方向端面116、118に加えることによって電極アセンブリ106の増大を抑制する。すなわち、第1および第2の一次増大制約部154、156は、横方向(X軸)および垂直方向(Z軸)など、直交する方向においてそれによって発生した圧力を超える圧力を長手方向(Y軸)に加えることができる。例えば、そのような一実施形態では、一次増大制約システム151は、積層方向Dに対して垂直である2つの方向のうちの少なくとも一方、またはさらには両方において一次増大制約システム151によって電極アセンブリ106において維持される圧力を少なくとも3倍だけ超える第1および第2の長手方向端面116、118上の(すなわち、積層方向Dにおける)圧力によって、電極アセンブリ106の増大を抑制する。さらなる例として、そのような一実施形態では、一次増大制約システム151は、積層方向Dに対して垂直である2つの方向のうちの少なくとも一方、またはさらには両方において一次増大制約システム151によって電極アセンブリ106において維持される圧力を少なくとも4倍だけ超える第1および第2の長手方向端面116、118上の(すなわち、積層方向Dにおける)圧力によって、電極アセンブリ106の増大を抑制する。さらなる例として、そのような一実施形態では、一次増大制約システム151は、積層方向Dに対して垂直である2つの方向のうちの少なくとも一方、またはさらには両方において電極アセンブリ106において維持される圧力を少なくとも5倍だけ超える第1および第2の長手方向端面116、118上の(すなわち、積層方向Dにおける)圧力によって、電極アセンブリ106の増大を抑制する。
同様に、一実施形態では、一次増大制約システム151の第1および第2の二次増大制約部158、160は、それぞれ、第2の方向に対して直交する方向にある電極アセンブリ106の他方の表面に第1および第2の二次増大制約部158、160によってそれぞれ加えられる圧力を超える圧力を、それぞれ垂直軸148、150に沿った(すなわち、垂直方向における)第1および第2の対向表面領域など、長手方向に対して直交する第2の方向において電極アセンブリ106の側面142の第1および第2の対向領域に加えることによって電極アセンブリ106の増大を抑制する。すなわち、第1および第2の二次増大制約部158、160は、それぞれ、横方向(X軸)および長手方向(Y軸)など、直交する方向に発生した圧力を超える圧力を垂直方向(Z軸)に加えることができる。例えば、そのような一実施形態では、二次増大制約システム152は、垂直である2つの方向のうちの少なくとも一方、またはさらには両方において二次増大制約システム152によって電極アセンブリ106において維持される圧力を少なくとも3倍だけ超える第1および第2の対向表面領域148、150のそれぞれへの(すなわち、垂直方向における)圧力によって、電極アセンブリ106の増大を抑制する。さらなる例として、そのような一実施形態では、二次増大制約システム152は、垂直である2つの方向のうちの少なくとも一方、またはさらには両方において二次増大制約システム152によって電極アセンブリ106において維持される圧力を少なくとも4倍だけ超える第1および第2の対向表面領域148、150のそれぞれへの(すなわち、垂直方向における)圧力によって、電極アセンブリ106の増大を抑制する。さらなる例として、そのような一実施形態では、二次増大制約システム152は、垂直である2つの方向のうちの少なくとも一方、またはさらには両方において電極アセンブリ106において維持される圧力を少なくとも5倍だけ超える第1および第2の対向表面領域148、150のそれぞれへの(すなわち、垂直方向における)圧力によって、電極アセンブリ106の増大を抑制する。
さらに他の実施形態では、三次増大制約システム155の第1および第2の三次増大制約部157、159は、それぞれ、横方向に対して直交する方向にある電極アセンブリ106の他方の表面に三次増大制約システム155によって加えられる圧力を超える圧力を、横軸161、163にそれぞれ沿った(すなわち、横方向における)第1および第2の対向表面領域など、長手方向および第2の方向に対して直交する方向において電極アセンブリ106の側面142の第1および第2の対向領域に加えることによって電極アセンブリ106の増大を抑制する。すなわち、第1および第2の三次増大制約部157、159は、それぞれ、垂直方向(Z軸)および長手方向(Y軸)など、直交する方向に発生した圧力を超える圧力を横方向(X軸)に加えることができる。例えば、そのような一実施形態では、三次増大制約システム155は、垂直である2つの方向のうちの少なくとも一方、またはさらには両方において三次増大制約システム155によって電極アセンブリ106において維持される圧力を少なくとも3倍だけ超える第1および第2の対向表面領域144、146への(すなわち、横方向における)圧力によって、電極アセンブリ106の増大を抑制する。さらなる例として、そのような一実施形態では、三次増大制約システム155は、垂直である2つの方向のうちの少なくとも一方、またはさらには両方において三次増大制約システム155によって電極アセンブリ106において維持される圧力を少なくとも4倍だけ超える第1および第2の対向表面領域144、146のそれぞれへの(すなわち、横方向における)圧力によって、電極アセンブリ106の増大を抑制する。さらなる例として、そのような一実施形態では、三次増大制約システム155は、垂直である2つの方向のうちの少なくとも一方、またはさらには両方において電極アセンブリ106において維持される圧力を少なくとも5倍だけ超える第1および第2の対向表面領域144、146のそれぞれへの(すなわち、横方向における)圧力によって、電極アセンブリ106の増大を抑制する。
一実施形態では、一次増大制約システム151、二次増大制約システム152、および必要に応じて三次増大制約システム155を含むことができる一組の電極制約部108は、その2つ以上の寸法に沿って(例えば、長手方向および垂直方向に沿って、ならびに必要に応じて横方向に沿って)電極アセンブリ106に圧力を加えるように構成され、一組の電極制約部108によって長手方向に沿って加えられる圧力は、長手方向に対して直交する方向(例えば、Z方向およびX方向)のいずれかにおいて一組の電極制約部108によって加えられる任意の圧力よりも大きい。すなわち、一組の電極制約108を構成する一次、二次、および必要に応じて三次増大制約システム151、152、155によってそれぞれ加えられた圧力が合計されると、長手方向軸に沿って電極アセンブリ106に加えられた圧力は、直交する方向において電極アセンブリ106に加えられる圧力を超える。例えば、そのような一実施形態では、一組の電極制約部108は、積層方向Dに対して垂直である2つの方向のうちの少なくとも一方、またはさらには両方において一組の電極制約部108によって電極アセンブリ106において維持される圧力を少なくとも3倍だけ超える圧力を第1および第2の長手方向端面116、118上に(すなわち、積層方向Dにおいて)加える。さらなる例として、そのような一実施形態では、一組の電極制約部108は、積層方向Dに対して垂直である2つの方向のうちの少なくとも一方、またはさらには両方において一組の電極制約部108によって電極アセンブリ106において維持される圧力を少なくとも4倍だけ超える圧力を第1および第2の長手方向端面116、118上に(すなわち、積層方向Dにおいて)加える。さらなる例として、そのような一実施形態では、一組の電極制約部108は、積層方向Dに対して垂直である2つの方向のうちの少なくとも一方、またはさらには両方において電極アセンブリ106において維持される圧力を少なくとも5倍だけ超える圧力を第1および第2の長手方向端面116、118上に(すなわち、積層方向Dにおいて)加える。
一実施形態によれば、第1の長手方向端面116および第2の長手方向端面118は、それぞれ、電極アセンブリ106全体の全表面積の所定量よりも小さい合成表面積を有する。例えば、一実施形態では、電極アセンブリ106は、それぞれ、第1および第2の長手方向端面116、118と、端面116、118の間に延びる側面142とを有する直角柱状に対応する幾何学的形状を有することができ、これは、電極アセンブリ106の残りの表面を構成し、且つX方向における対向表面領域144、146(すなわち、直角柱の側面)と、Z方向における対向表面領域148、150(すなわち、直角柱の頂面および底面、X、YおよびZは、それぞれ、X、YおよびZ軸に対応する方向に測定された寸法である)とを有する。したがって、全体の表面積は、第1および第2の長手方向端面116、118のそれぞれの表面積に加算される、側面142によって覆われた表面積(すなわち、XおよびZにおける対向表面144、146、148、および150の表面積)の合計である。本開示の一態様によれば、第1および第2の長手方向端面116、118の表面積の合計は、それぞれ、電極アセンブリ106の全表面の表面積の33%未満である。例えば、そのような一実施形態では、第1および第2の長手方向端面116、118の表面積の合計は、それぞれ、電極アセンブリ106の全表面の表面積の25%未満である。さらなる例として、一実施形態では、第1および第2の長手方向端面116、118の表面積の合計は、それぞれ、電極アセンブリの全表面の表面積の20%未満である。さらなる例として、一実施形態では、第1および第2の長手方向端面116、118の表面積の合計は、それぞれ、電極アセンブリの全表面の表面積の15%未満である。さらなる例として、一実施形態では、第1および第2の長手方向端面116、118の表面積の合計は、それぞれ、電極アセンブリの全表面の表面積の10%未満である。
さらに他の実施形態では、電極アセンブリ106は、積層方向(すなわち、長手方向)に対して直交する面における電極アセンブリ106の投影の表面積が、他の直交平面上の電極アセンブリ106投影の表面積よりも小さくなるように構成される。例えば、図1Aに示す電極アセンブリ106の実施形態(例えば、直角柱)を参照すると、LEA×HEAに対応する積層方向に対して直交する平面(すなわち、X-Z平面)への電極アセンブリ106の投影の表面積がわかる。同様に、電極アセンブリ106のZ-Y平面への投影は、WEA×HEAに対応し、電極アセンブリ106のX-Y平面への投影は、LEA×WEAに対応する。したがって、電極アセンブリ106は、最も小さい表面積を有する投影が存在する平面と積層方向が交差するように構成される。したがって、図2の実施形態では、電極アセンブリ106は、HEA×LEAに対応する最小表面積投影が存在するX-Z平面と積層方向が交差するように位置決めされる。すなわち、電極アセンブリは、最も小さい表面積(例えば、HEA×LEA)を有する投影が積層方向に対して直交するように位置決めされる。
さらに他の実施形態では、二次電池102は、電極スタックを形成するように一体に積層され、且つ1つ以上の共有電極制約によって制約されることができる複数の電極アセンブリ106を含むことができる。例えば、一実施形態では、一次増大制約システム151および二次増大制約システム152のうちの1つ以上の少なくとも一部は、電極アセンブリスタックを形成する複数の電極アセンブリ106によって共有されることができる。さらなる例として、一実施形態では、電極アセンブリスタックを形成する複数の電極アセンブリは、スタックを形成する複数の電極アセンブリ106が、共有された二次増大制約システムによって垂直方向に制約されるように、スタックの頂部電極アセンブリ106における第1の二次増大制約部158と、スタックの底部電極アセンブリ106における第2の二次増大制約部160とを有する二次増大制約システム152によって垂直方向に制約されてもよい。同様に、一次増大制約システム151の一部もまた、共有されることができる。したがって、一実施形態では、上述した単一電極アセンブリと同様に、積層方向(すなわち、長手方向)に対して直交する面における電極アセンブリ106のスタックの投影の表面積は、他の直交平面上の電極アセンブリ106のスタックの投影の表面積よりも小さい。すなわち、複数の電極アセンブリ106は、積層方向(すなわち、長手方向)が交差し且つ電極アセンブリスタックの他の全ての直交投影の中で最も小さい電極アセンブリ106のスタックの投影を有する平面に対して直交するように構成されることができる。
一実施形態によれば、電極アセンブリ106は、積層方向(すなわち、長手方向)に対して直交する平面内へのアノード構造110の投影の表面積が他の直交平面上の電極構造100の投影の表面積よりも大きくなるように構成されたアノード構造110をさらに含む。例えば、図1Aおよび図7に示す実施形態を参照すると、アノード110は、それぞれ、横方向に測定される長さLA、長手方向に測定される幅WA、および垂直方向に測定される高さHAを有すると理解されることができる。したがって、図1Aおよび図7に示すようなX-Z平面への投影は、表面積LA×HAを有し、Y-Z平面への投影は、表面積WA×HAを有し、XY平面への投影は、表面積LA×WAを有する。これらのうち、最も大きい表面積を有する投影に対応する平面は、積層方向に対して直交するように選択された平面である。同様に、アノード110はまた、積層方向に対して直交する面へのアノード活物質層132の投影の表面積が他の直交平面への電極活物質層の投影の表面積よりも大きくなるように構成されることができる。例えば、図1Aおよび図7に示す実施形態では、アノード活物質層は、投影の表面積が計算されることができる横方向に測定される長さLAA、長手方向に測定される幅WAA、および垂直方向に測定される高さHAAを有することができる(LA、LAA、WA、WAA、HAおよびHAAもまた、アノード構造および/またはアノード活物質層132の寸法が1つ以上の軸に沿って変化する場合には、これらの寸法の最大値に対応することができる)。一実施形態では、アノード構造110および/またはアノード活物質層132の最も高い投影表面積を有する平面が積層方向に対して直交するようにアノード構造110を位置決めすることによって、アノード活物質の最大表面積を有するアノード構造110の表面がキャリアイオンの移動方向に面しており、したがってインターカレーションおよび/または合金化により、充電状態と放電状態との間のサイクル中に最大となる構成が達成されることができる。
一実施形態では、アノード構造110および電極アセンブリ106は、アノード構造110および/またはアノード活物質層132の最大表面積投影と電極アセンブリ106の最小表面積投影とが積層方向に対して直交する平面に同時にあるように構成されることができる。例えば、図1および図7に示すように、アノード活物質層132のX-Z平面におけるアノード活物質層132の投影(LAA×HAA)が最も高い場合には、アノード構造110および/またはアノード活物質層132は、両方の投影の投影面が積層方向に対して直交するように、電極アセンブリの最小表面積投影(LEA×HEA)に対して位置決めされる。すなわち、アノード構造110および/またはアノード活物質の最大表面積投影を有する平面は、電極アセンブリ106の最小表面積投影を有する平面と平行(および/または同一平面内)である。このようにして、一実施形態によれば、最も体積が高い増大を経験する可能性が最も高いアノード構造の表面、すなわち、最も高い含有量のアノード活物質層を有する表面、および/または二次電池の充電/放電中のキャリアイオンの移動方向に交差する(例えば、直交する)表面は、最も低い表面積を有する電極アセンブリ106の表面に面する。そのような構成を提供することの利点は、例えば長手方向軸に沿ったこの最大の増大方向に制約するために使用される増大制約システムが電極アセンブリ106の他の表面の面積と比較してそれ自体が比較的小さい表面積を有する増大制約によって実装されることができ、それによって電極アセンブリの増大を抑制するための制約システムを実装するのに必要な体積を減少させることとすることができる。
一実施形態では、制約システム108は、電極アセンブリ106と制約システム108との合成体積のうちの比較的低い体積%を占める。すなわち、電極アセンブリ106は、その外面によって境界を定められた体積(すなわち、変位体積)、すなわち第1および第2の長手方向端面116、118とこれらの端面を接続する側面42とによって囲まれた体積を有すると理解されることができる。第1および第2の一次増大制約部154、156が電極アセンブリ106の長手方向端部117、119に位置する場合、および第1および第2の二次増大制約部158、160が側面142の対向端部にある場合など、電極アセンブリ106の外側(すなわち、長手方向の端部表面116、118および側面の外側)にある制約システム108の部分など、制約システム108の部分は、制約システム部分の変位体積に対応する体積を同様に占める。したがって、一実施形態では、一次増大制約システム151の外側部分(すなわち、第1および第2の一次増大制約部154、156のいずれかと、外部にある、またはその外側部分である少なくとも1つの一次接続部材)、ならびに二次増大制約システム152の外側部分(すなわち、第1および第2の二次増大制約部158、160のいずれかと、外部にある、またはその外側部分である少なくとも1つの二次接続部材)を含むことができる一組の電極制約部108の外側部分は、電極アセンブリ106と一組の電極制約部108の外側部分との総合成体積の80%以下を占める。さらなる例として、一実施形態では、一組の電極制約部の外側部分は、電極アセンブリ106と一組の電極制約部の外側部分との総合成体積の60%以下を占める。またさらに他の例として、一実施形態では、一組の電極制約部106の外側部分は、電極アセンブリ106と一組の電極制約部の外側部分との総合成体積の40%以下を占める。またさらなる他の例として、一実施形態では、一組の電極制約部106の外側部分は、電極アセンブリ106と一組の電極制約部の外側部分との総合成体積の20%以下を占める。さらに他の実施形態では、一次増大制約システム151の外部部分(すなわち、第1および第2の一次増大制約部154、156のいずれかと、外部にある、またはその外側部分である少なくとも1つの一次接続部材)は、電極アセンブリ106と一次増大制約システム151の外部部分との総合成体積の40%以下を占める。さらなる例として、一実施形態では、一次増大制約システム151の外部部分は、電極アセンブリ106と一次増大制約システム151の外部部分との総合成体積の30%以下を占める。さらに他の例として、一実施形態では、一次増大制約システム151の外部部分は、電極アセンブリ106と一次増大制約システム151の外部部分との総合成体積の20%以下を占める。またさらなる例として、一実施形態では、一次増大制約システム151の外側部分は、電極アセンブリ106と一次増大制約システム151の外側部分との総合成体積の10%以下を占める。さらに他の実施形態では、二次増大制約システム152の外側部分(すなわち、第1および第2の二次増大制約部158、160のいずれかと、外部にある、またはその外側部分である少なくとも1つの二次接続部材)は、電極アセンブリ106と二次増大制約システム152の外側部分との総合成体積の40%以下を占める。さらなる例として、一実施形態では、二次増大制約システム152の外部部分は、電極アセンブリ106と二次増大制約システム152の外部部分との総合成体積の30%以下を占める。またさらなる例として、一実施形態では、二次増大制約システム152の外部部分は、電極アセンブリ106と二次増大制約システム152の外部部分との総合成体積の20%以下を占める。またさらなる例として、一実施形態では、二次増大制約システム152の外部部分は、電極アセンブリ106と二次増大制約システム152の外部部分との総合成体積の10%以下を占める。
一実施形態によれば、第1および第2の長手方向端面116、118上への一群のアノードおよびカソードの部材の投影は、第1および第2の投影領域2002a、2002bを囲む。一般に、第1および第2の投影領域2002a、2002bは、通常、それぞれ、第1および第2の長手方向端面122、124の表面積のかなりの部分を含む。例えば、一実施形態では、第1および第2の投影領域は、それぞれ、第1および第2の長手方向端面の表面積の少なくとも50%をそれぞれ含む。さらなる例として、そのような一実施形態では、第1および第2の投影領域は、それぞれ、第1および第2の長手方向端面の表面積の少なくとも75%をそれぞれ含む。さらなる例として、そのような一実施形態では、第1および第2の投影領域は、それぞれ、第1および第2の長手方向端面の表面積の少なくとも90%をそれぞれ含む。
特定の実施形態では、電極アセンブリ106の長手方向端面116、118は、かなりの圧縮負荷を受ける。例えば、いくつかの実施形態では、電極アセンブリ106の長手方向端面116、118のそれぞれは、(例えば、長手方向端面のそれぞれの全表面積にわたって平均化された)少なくとも0.7kPaの圧縮負荷を受ける。例えば、一実施形態では、電極アセンブリ106の長手方向端面116、118のそれぞれは、(例えば、長手方向端面のそれぞれの全表面積にわたって平均化された)少なくとも1.75kPaの圧縮負荷を受ける。さらなる例として、そのような一実施形態では、電極アセンブリ106の長手方向端面116、118のそれぞれは、(例えば、長手方向端面のそれぞれの全表面積にわたって平均化された)少なくとも2.8kPaの圧縮負荷を受ける。さらなる例として、そのような一実施形態では、電極アセンブリ106の長手方向端面116、118のそれぞれは、(例えば、長手方向端面のそれぞれの全表面積にわたって平均化された)少なくとも3.5kPaの圧縮負荷を受ける。さらなる例として、そのような一実施形態では、電極アセンブリ106の長手方向端面116、118のそれぞれは、(例えば、長手方向端面のそれぞれの全表面積にわたって平均化された)少なくとも5.25kPaの圧縮負荷を受ける。さらなる例として、そのような一実施形態では、電極アセンブリ106の長手方向端面116、118のそれぞれは、(例えば、長手方向端面のそれぞれの全表面積にわたって平均化された)少なくとも7kPaの圧縮負荷を受ける。さらなる例として、そのような一実施形態では、電極アセンブリ106の長手方向端面116、118のそれぞれは、(例えば、長手方向端面のそれぞれの全表面積にわたって平均化された)少なくとも8.75kPaの圧縮負荷を受ける。しかしながら、一般に、電極アセンブリ106の長手方向端面116、118は、(例えば、それぞれ長手方向端面の全表面積にわたって平均化された)約10kPa以下の圧縮負荷を受ける。一群の電極および対向電極の部材の長手方向端面への投影と一致する電極アセンブリの長手方向端面の領域(すなわち、投影面領域)もまた、上記の圧縮負荷の下にあり得る(それぞれ、各投影面領域の全表面積にわたって平均された)。前述の各例示的な実施形態では、電極アセンブリ106を有するエネルギー貯蔵装置100がその定格容量の少なくとも約80%まで充電されると、電極アセンブリ106の長手方向端面116、118は、そのような圧縮負荷を受ける。
一実施形態によれば、二次増大制約システム152は、所定の値に抑制力を加えることによって、増大抑制の過度のスキューなしに、電極アセンブリ106の垂直方向(Z方向)における増大を抑制することができる。例えば、一実施形態では、二次増大制約システム152は、1000psiを超え且つ0.2mm/m未満のスキューの抑制力を対向垂直領域148、150に加えることによって、電極アセンブリ106の垂直方向における増大を抑制することができる。さらなる例として、一実施形態では、二次増大制約システム152は、5%未満の変位で10,000psi以下で且つ0.2mm/m未満のスキューで抑制力を対向垂直領域148、150に加えることによって電極アセンブリ106の垂直方向における増大を制約することができる。さらなる例として、一実施形態では、二次増大制約システム152は、3%未満の変位で10,000psi以下で且つ0.2mm/m未満のスキューで抑制力を対向垂直領域148、150に加えることによって電極アセンブリ106の垂直方向における増大を制約することができる。さらなる例として、一実施形態では、二次増大制約システム152は、1%未満の変位で10,000psi以下で且つ0.2mm/m未満のスキューで抑制力を対向垂直領域148、150に加えることによって電極アセンブリ106の垂直方向における増大を制約することができる。さらなる例として、一実施形態では、二次増大制約システム152は、50回の電池サイクル後に15%未満の変位で10,000psi以下で且つ0.2mm/m未満のスキューで抑制力を垂直方向において対向垂直領域148、150に加えることによって電極アセンブリ106の垂直方向における増大を制約することができる。さらなる例として、一実施形態では、二次増大制約システム152は、150回の電池サイクル後に5%未満の変位で10,000psi以下で且つ0.2mm/m未満のスキューで抑制力を対向垂直領域148、150に加えることによって電極アセンブリ106の垂直方向における増大を制約することができる。
ここで図6Dを参照すると、一組の電極制約部108を有する電極アセンブリ106の実施形態が、図1Bに示されるように線A-A’に沿って切り取られた断面で示されている。図6Dに示す実施形態では、一次増大制約システム151は、電極アセンブリ106の長手方向端面116、118にそれぞれ第1および第2の一次増大制約部154、156を含むことができ、二次増大制約システム152は、電極アセンブリ106の側面142の対向する第1および第2の表面領域148、150に第1および第2の二次増大制約部158、160を含む。この実施形態によれば、第1および第2の一次増大制約部154、156は、第1および第2の二次増大制約部158、160を接続し且つ長手方向に対して直交する第2の方向(例えば、垂直方向)において増大制約を互いに緊張状態に維持するための少なくとも1つの二次接続部材166として機能することができる。しかしながら、追加的におよび/または代替的に、二次増大制約システム152は、電極アセンブリ106の長手方向端面116、118以外の領域に位置する少なくとも1つの二次接続部材166を含むことができる。また、少なくとも1つの二次接続部材166は、電極アセンブリの長手方向端部116、118の内側にあり、且つ増大を抑制するために電極アセンブリ106の長手方向端部116、118において他の内部一次増大制約部および/または一次増大制約部とともに作用することができる、第1および第2の一次増大制約部154、156のうちの少なくとも一方として作用することが理解されることができる。図6Dに示す実施形態を参照すると、電極アセンブリ106の中央領域に向かうなど、電極アセンブリ106の第1および第2の長手方向端面116、118からそれぞれ離れて長手方向軸に沿って離間している第2の接続部材166が設けることができる。二次接続部材166は、電極アセンブリ端面116、118からの内部位置で第1および第2の二次増大制約部158、160をそれぞれ接続することができ、その位置において二次増大制約部158、160の間で張力を受けることができる。一実施形態では、長手方向端面116、118において一次増大制約部154、156としても機能する二次接続部材166など、電極アセンブリ端面116、118に設けられた1つ以上の二次接続部材166に加え、端面116、118からの内部位置において二次増大制約部158、160を接続する二次接続部材166が設けられる。他の実施形態では、二次増大制約システム152は、長手方向端面116、118において二次接続部材166とともに、あるいは二次接続部材166なしに、長手方向端面116、118から離間した内部位置においてそれぞれ第1および第2の二次増大制約部158、160と接続する1つ以上の二次接続部材166を備える。一実施形態によれば、内部二次接続部材166はまた、第1および第2の一次増大制約部154、156として作用すると理解されることもできる。例えば、一実施形態では、内部二次接続部材166のうちの少なくとも1つは、以下でさらに詳細に説明するように、アノードまたはカソード構造110、112の少なくとも一部を含むことができる。
より具体的には、図6Dに示す実施形態に関して、二次増大制約システム152は、電極アセンブリ106の側面142の上部領域148を覆う第1の二次増大制約部158と、電極アセンブリ106の側面142の下部領域150を覆う対向する第2の二次増大制約部160とを含むことができ、第1および第2の二次増大制約部158、160は、垂直方向において(すなわち、Z軸に沿って)互いに離れている。さらに、二次増大制約システム152は、電極アセンブリ106の長手方向端面116、118から離間している少なくとも1つの内部二次接続部材166をさらに含むことができる。内部二次接続部材166は、Z軸と平行に整列され、それぞれ第1および第2の二次増大制約部158、160を接続して、増大制約を互いに緊張状態に維持し、二次増大制約システム152の少なくとも一部を形成する。一実施形態では、単独でまたは電極アセンブリ106の長手方向端面116、118に位置する二次接続部材166とともに、少なくとも1つの二次内部接続部材166は、垂直方向における電極アセンブリ106の増大が減少するように、電極アセンブリ106を有するエネルギー貯蔵装置100または二次電池102の反復充電および/または放電中に、垂直方向において(すなわち、Z軸に沿って)第1および第2の増大制約部158、160の間で緊張状態にあり得る。さらにまた、図5に示す実施形態では、一組の電極制約部108は、電極アセンブリ106の上側および下側側面領域148、150において、それぞれ第1および第2の一次接続部材162、164によって接続された、電極アセンブリ106の長手方向端部117、119にそれぞれ第1および第2の一次増大制約部154、156を有する一次増大制約部システム151をさらに含む。一実施形態では、二次内部接続部材166は、それ自体、第1および第2の一次増大制約部154、156のうちの1つ以上とそれぞれ協調して作用し、第1および第2の一次増大制約部154、156がそれぞれ配置されることができる、二次内部接続部材166と電極アセンブリ106の長手方向端部117、119との間の長手方向に存在する電極アセンブリ106の各部分に制約圧力を加えると理解されることができる。
一実施形態では、一次増大制約システム151および二次増大制約システム152のうちの1つ以上は、複数の制約部材を含む、第1および第2の一次増大制約部154、156をそれぞれ、および/または第1および第2の二次増大制約部158、160をそれぞれ含む。すなわち、一次増大制約部154、156および/または二次増大制約部158、160のそれぞれは、単一の均一部材であってもよく、または増大制約部のうちの1つ以上を構成するために複数の部材が使用されてもよい。例えば、一実施形態では、第1および第2の二次増大制約部158、160は、それぞれ、電極アセンブリ側面142の上面および下面領域148、150に沿ってそれぞれ延びる単一の制約部材を含むことができる。他の実施形態では、第1および第2の二次増大制約部158、160は、それぞれ、側面の対向する表面領域148、150を横切って延びる複数の部材を含む。同様に、一次増大制約部154、156もまた、複数の部材から構成されることができ、または各電極アセンブリの長手方向端部117、119にそれぞれ単一の均一部材を含むことができる。一次増大制約部154、156と二次増大制約部158、160との間の張力を維持するために、増大制約部の間で電極アセンブリ106に圧力を加えるように対向する増大制約部材に対して増大制約部を含む1つ以上の部材を接続するための接続部材(例えば、162、164、165、166)が設けられる。
一実施形態では、二次増大制約システム152の少なくとも1つの二次接続部材166は、第1および第2の二次増大制約部158、160との接触領域168、170をそれぞれ形成し、増大制約部を互いに緊張状態に維持する。接触領域168、170は、少なくとも1つの二次接続部材166の端部の表面がそれぞれ第1および第2の二次増大制約部158、160に接着または粘着される場所など、少なくとも1つの二次接続部材166の端部172、174の表面がそれぞれ第1および第2の二次増大制約部材158、160に触れるおよび/または接触する領域である。接触領域168、170は、各端部172、174にあってもよく、第1および第2の二次増大制約部158、160の表面積を横切って延びてそれらの間に良好な接触を提供してもよい。接触領域168、170は、第2の接続部材166と増大制約部158、160との間に長手方向(Y軸)の接触を提供し、接触領域168、170はまた、横方向(X軸)に延びて第1および第2の二次増大制約部158、160を互いに緊張状態に維持するための良好な接触および接続を提供することができる。一実施形態では、接触領域168、170は、少なくとも1%である長手方向における電極アセンブリ106のWEAあたりの、増大制約部158、160と長手方向(Y軸)における1つ以上の二次接続部材166の総接触面積(例えば、全面積の合計168、および全面積の合計170)の比を提供する。例えば、一実施形態では、長手方向における電極アセンブリ106のWEAあたりの、増大制約部158、160と長手方向(Y軸)における1つ以上の二次接続部材166の総接触面積の比は、少なくとも2%である。さらなる例として、一実施形態では、長手方向における電極アセンブリ106のWEAあたりの、増大制約部158、160と長手方向(Y軸)における1つ以上の二次接続部材166の総接触面積の比は、少なくとも5%である。さらなる例として、一実施形態では、長手方向における電極アセンブリ106のWEAあたりの、増大制約部158、160と長手方向(Y軸)における1つ以上の二次接続部材166の総接触面積の比は、少なくとも10%である。さらなる例として、一実施形態では、長手方向における電極アセンブリ106のWEAあたりの、増大制約部158、160と長手方向(Y軸)における1つ以上の二次接続部材166の総接触面積の比は、少なくとも25%である。さらなる例として、一実施形態では、長手方向における電極アセンブリ106のWEAあたりの、増大制約部158、160と長手方向(Y軸)における1つ以上の二次接続部材166の総接触面積の比は、少なくとも50%である。一般に、1つ以上の接続部材166は、通常、長手方向軸全体にわたって延在する接触領域168、170を有しないため、長手方向における電極アセンブリ106のWEAあたりの、増大制約部158、160と長手方向(Y軸)における1つ以上の二次接続部材166の総接触面積の比は、90%未満、さらには75%未満など、100%未満である。しかしながら、一実施形態では、増大制約部158、160との二次接続部材166の接触領域168、170は、横軸(X軸)のかなりの部分にわたって延びることができ、さらには横方向における電極アセンブリ106のLEA全体にわたって延びることができる。例えば、電極アセンブリ106の横方向におけるLEAあたりの、増大制約部158、160と横方向(X軸)における1つ以上の二次接続部材166の総接触面積(例えば、全面積の合計168、および全面積の合計170)の比は、少なくとも約50%とすることができる。さらなる例として、横方向(X軸)における電極アセンブリ106のLEAあたりの、増大制約部158、160と横方向(X軸)における1つ以上の二次接続部材166の総接触面積の比は、少なくとも約75%とすることができる。さらなる例として、横方向(X軸)における電極アセンブリ106のLEAあたりの、増大制約部158、160と横方向(X軸)における1つ以上の二次接続部材166の総接触面積の比は、少なくとも約90%とすることができる。さらなる例として、横方向(X軸)における電極アセンブリ106のLEAあたりの、増大制約部158、160と横方向(X軸)における1つ以上の二次接続部材166の総接触面積の比は、少なくとも約95%とすることができる。
一実施形態によれば、1つ以上の二次接続部材166と第1および第2の二次増大制約部158、160との間の接触領域168、170は、それぞれ、電極アセンブリ106を有するエネルギー貯蔵装置100または二次電池102のサイクル中に増大制約部158、160の間に適切な保持および張力を提供するのに十分な大きさを有する。例えば、接触領域168、170は、電極アセンブリ106の側面142の表面積の少なくとも10%、さらには電極アセンブリ106の側面142の表面積の少なくとも20%など、電極アセンブリ106の側面142の表面積の少なくとも2%を占める各増大制約部158、160との接触領域を形成することができる。さらなる例として、接触領域168、170は、電極アセンブリ106の側面142の表面積の少なくとも35%、さらには電極アセンブリ106の側面142の表面積の少なくとも40%を占める各増大制約部材158、160との接触領域を形成することができる。例えば、上部および下部対向表面領域148、150をそれぞれ有する電極アセンブリ106の場合、少なくとも1つの二次接続部材166は、上部および下部対向表面領域148、150の表面積のそれぞれに沿って少なくとも10%、さらには上部および下部対向表面領域148、150の表面積のそれぞれに沿って少なくとも20%など、上部および下部対向表面領域148、150の表面積のそれぞれに沿って少なくとも5%の増大制約部158、160との接触領域168、170を形成することができる。さらなる例として、上部および下部対向表面領域148、150をそれぞれ有する電極アセンブリ106、少なくとも1つの二次接続部材166は、上部および下部対向表面領域148、150の表面積のそれぞれの少なくとも50%に沿ってなど、上部および下部対向表面領域148、150の表面積のそれぞれの少なくとも40%に沿って増大制約部158、160との接触領域168、170を形成することができる。電極アセンブリ106の全表面積に対して最小の表面積を構成する少なくとも1つの接続部材166と増大制約部158、160との間に接触を形成することによって、増大制約部158、160の間に適切な張力が提供されることができる。さらにまた、一実施形態によれば、接触領域168、170は、単一の二次接続部材166によって提供されることができ、または全接触領域は、電極アセンブリ106の長手方向端部117、119に位置する1つ以上の二次接続部材166、および/または電極アセンブリ106の長手方向端部117、119から離間した1つ以上の内部二次接続部材166など、複数の二次接続部材166によって提供される複数の接触領域168、170の合計とすることができる。
さらにまた、一実施形態では、一次および二次増大制約システム151、152(および必要に応じて三次増大制約システム)は、それぞれ、電極アセンブリの体積増大%を抑制するために、長手方向と、垂直方向(Z軸)などの長手方向に対して直交する第2の方向の両方(および必要に応じて、X軸に沿ってなど、第3の方向)における電極アセンブリ106の増大を抑制することができる。
特定の実施形態では、一次および二次増大制約システム151、152のうちの1つ以上は、それぞれ、多孔質材料から構成された部材など、内部に細孔を有する部材を含む。例えば、電極アセンブリ106上の二次増大制約部158の平面図を示す図8を参照すると、二次増大制約部158は、二次増大制約部158によって少なくとも部分的に覆われる電極アセンブリ106にアクセスするために電解質が通過できるような細孔176を含むことができる。一実施形態では、第1および第2の二次増大制約部158、160は、それぞれ、内部に細孔176を有する。他の実施形態では、第1および第2の一次増大制約部154、156のそれぞれ、ならびに第1および第2の二次増大制約部158、160のそれぞれは、内部に細孔176を有する。さらに他の実施形態では、第1および第2の二次増大制約部158、160のうちの1つのみまたは一部のみが、それぞれ、内部に細孔を含む。さらに他の実施形態では、第1および第2の一次接続部材162、164うちの1つ以上のそれぞれ、および少なくとも1つの二次接続部材166は、内部に細孔を含む。細孔176を設けることは、例えば、エネルギー貯蔵装置100または二次電池102が電池筐体104内に一体に積層された複数の電極アセンブリ106を含む場合に、例えば、図9に示す実施形態に示す二次電池102内の異なる電極アセンブリ106の間に電解質が流れることを可能にするために有利とすることができる。例えば、一実施形態では、一次および二次増大制約システム151、152の少なくとも一部を構成する多孔質部材は、それぞれ、少なくとも0.25のボイド率を有することができる。さらなる例として、いくつかの実施形態では、一次および二次増大制約システム151、152の少なくとも一部を構成する多孔質部材は、それぞれ、少なくとも0.375のボイド率を有することができる。さらなる例として、いくつかの実施形態では、一次および二次増大制約システム151、152の少なくとも一部を構成する多孔質部材は、それぞれ、少なくとも0.5のボイド率を有することができる。さらなる例として、いくつかの実施形態では、一次および二次増大制約システム151、152の少なくとも一部を構成する多孔質部材は、それぞれ、少なくとも0.625のボイド率を有することができる。さらなる例として、いくつかの実施形態では、一次および二次増大制約システム151、152の少なくとも一部を構成する多孔質部材は、それぞれ、少なくとも0.75のボイド率を有することができる。
一実施形態では、一次増大制約システム151の構成要素を二次増大制約システム152の構成要素に接着、接合、および/または粘着することのうちの少なくとも1つによって電極アセンブリ106の増大を抑制するために、一組の電極制約セット108が組み立てられて固定されることができる。例えば、一次増大制約システム151の構成要素は、二次増大制約システム152の構成要素に粘着、溶接、接合、または他の方法で接着および固定されることができる。例えば、図6Aに示すように、第1および第2の一次増大制約部154、156は、それぞれ、第1および第2の二次増大制約部158、160としてもそれぞれ機能することができる第1および第2の一次接続部材162、164にそれぞれ接着されることができる。逆に、第1および第2の二次増大制約部158、150は、それぞれ、電極アセンブリ106の長手方向端部117、119における増大制約部など、それぞれ第1および第2の一次増大制約部154、156のうちの少なくとも1つとして機能する少なくとも1つの二次接続部材166に接着されることができる。図6Dを参照すると、第1および第2の二次増大制約部158、160はまた、それぞれ、長手方向端部117、119から離間した内部接続部材166である少なくとも1つの二次接続部材166に接着されることもできる。一実施形態では、一次および二次増大制約システム151、152の部分をそれぞれ互いに固定することによって、電極アセンブリ106の増大の協調的な抑制が提供されることができる。
制約システムのサブアーキテクチャ
一実施形態によれば、上述したように、第1および第2の二次増大制約部材158、160のうちの1つ以上は、それぞれ、アノード110および/またはカソード構造112の一部など、電極アセンブリ106の内部構造の一部である二次接続部材166を介して互いに接続されることができる。一実施形態では、電極アセンブリ106内の構造を介して制約部間の接続を提供することによって、アノード構造110の増大によって生じる歪みを適切に補償する、厳密に制約された構造が実現されることができる。例えば、一実施形態では、第1および第2の二次増大制約部158、160は、それぞれ、アノード110またはカソード構造112の一部である接続部材166による接続を介して互いに緊張状態に配置されることによって垂直方向などの長手方向に対して直交する方向における増大を制約することができる。さらに他の実施形態では、アノード構造110の増大は、二次接続部材166として機能するカソード構造112を介して二次増大制約部158、160を接続することによって打ち消すことができる。
一般に、特定の実施形態では、効果的な制約を提供するだけでなく、電極アセンブリ106を有するエネルギー貯蔵装置110または二次電池102の大きさを過度に増大させることなく電極アセンブリ106の体積をより効率的に利用するために、一次増大制約システム151および二次増大制約システム152の構成要素は、それぞれ、電極アセンブリ106内のアノード110および/またはカソード構造112に取り付けられることができ、二次増大制約システム152の構成要素はまた、それぞれ、電極アセンブリ106内のアノード110および/またはカソード構造112として具体化されることができる。例えば、一実施形態では、一次増大制約システム151および/または二次増大制約システム152は、1つ以上のアノード構造110に取り付けられることができる。さらなる例として、一実施形態では、一次増大制約システム151および/または二次増大制約システム152は、1つ以上のカソード構造112に取り付けられることができる。さらなる例として、特定の実施形態では、少なくとも1つの二次接続部材166は、一群のアノード構造110として具体化されてもよい。さらなる例として、特定の実施形態では、少なくとも1つの二次接続部材166は、一群のカソード構造112として具体化されてもよい。
ここで図7を参照すると、垂直軸(Z軸)、長手方向軸(Y軸)、および横軸(X軸)を有する直交座標系が参照用に示されており、X軸は、紙面から出てくるように向けられており、積層方向Dの指定は、上述したように、Y軸と平行である。より具体的には、図7は、一次増大制約システム151の一実施形態および二次増大制約システム152の一実施形態の両方を含む、一組の電極制約部108の図1BにおけるA-A’線に沿った断面図を示している。一次増大制約システム151は、上述したように第1の一次増大制約部154および第2の一次増大制約部156、ならびに上述したように第1の一次接続部材162および第2の一次接続部材164を含む。二次増大制約システム152は、第1の二次増大制約部158、第2の二次増大制約部160、および一群のアノード構造110および/または一群のカソード構造112として具体化された少なくとも1つの二次接続部材166を含み、したがって、この実施形態では、少なくとも1つの二次接続部材166、アノード構造110、および/またはカソード構造112は、交換可能であると理解されることができる。さらにまた、セパレータ130はまた、二次接続部材166の一部を形成してもよい。さらに、この実施形態では、第1の一次接続部材162および第1の二次増大制約部158は、上述したように交換可能である。さらに、この実施形態では、第2の一次接続部材164および第2の二次増大制約部160は、上述したように交換可能である。より具体的には、アノード110またはカソード構造112に対応する二次接続部材166と第1の二次増大制約部158および第2の二次増大制約部160との面一接続の一実施形態を図7に示す。面一接続は、第1の二次増大制約部158と二次接続部材166との間の粘着剤層182と、第2の二次増大制約部160と二次接続部材166との間の粘着剤層182とをさらに含むことができる。粘着剤層182は、第1の二次増大制約部材158を二次接続部材166に固定し、第2の二次増大制約部材160を二次接続部材166に固定する。
また、単一部材を形成するために一体に接合されることができる複数のセグメント1088または部品の形態で、第1および第2の一次増大制約部154、156、第1および第2の一次接続部材162、164、第1および第2の二次増大制約部158、160、ならびに少なくとも1つの二次接続部材166のうちの1つ以上が設けることができる。例えば、図7に示す実施形態に示すように、第1の二次増大制約部材158は、電極アセンブリ106の長手方向端部117、119に向かって位置する主中間セグメント1088aと第1および第2の端部セグメント1088bとの形態で設けられ、中間セグメント1088aは、セグメント1088を互いに接合するように相互接続されることができるセグメント1088に形成された切欠きなど、セグメント1088を接続するように設けられた接続部1089によって各第1および第2の端部セグメント1088bに接続される。図7に示されるように、第2の二次増大制約部160は、制約部を形成するために互いに接続されることができる複数のセグメント1088の形態で同様に提供されることができる。一実施形態では、二次増大制約部158、160のうちの1つ以上、少なくとも1つの一次接続部材162、および/または少なくとも1つの二次接続部材166もまた、切欠きなどの接続部を介して互いに接続されて完成部材を形成することができる複数のセグメント1088の形態で設けることができる。一実施形態によれば、切欠きまたは他の接続部を介したセグメント1088の相互接続は、セグメントが接続されるときに複数のセグメントから形成される部材の事前張力付与を提供することができる。
一実施形態における、アノード活物質層132、イオン多孔質アノード集電体136、ならびにアノード活物質層132およびアノード集電体136を支持するアノードバックボーン134を有する一群のアノード110の部材を、図7にさらに示す。同様に、一実施形態において、カソード活物質層138、カソード集電体140、ならびにカソード活物質層138およびカソード集電体140を支持するカソードバックボーン141を有する一群のカソード112を、図7に示す。
アノードバックボーン134に直接隣接するアノード活物質層132と、アノードバックボーン134およびアノード活物質層132に直接隣接し且つそれらを効果的に囲むアノード集電体136とを含むように一群のアノード110の部材が本明細書において示されて記載されているが、当業者であれば、一群のアノード110の他の配置が想定されることを理解するであろう。例えば、一実施形態(図示せず)では、一群のアノード110は、アノード集電体136に直接隣接するアノード活物質層132と、アノードバックボーン134に直接隣接するアノード集電体136とを含むことができる。換言すれば、アノードバックボーン134は、アノード集電体136によって効果的に囲まれてもよく、アノード活物質層132は、アノード集電体136に並んで直接隣接している。当業者には理解されるように、アノード活物質層132がセパレータ130を介してカソード活物質層138から分離される限り、一群のアノード110および/または一群のカソード112の任意の適切な構成が本明細書に記載の発明の主題に適用可能とすることができる。また、アノード集電体136は、アノード活物質層132とセパレータ130との間に位置する場合には、イオン透過性を有する必要があり、カソード集電体140は、カソード活物質層138とセパレータ130との間に位置する場合には、イオン透過性を有する必要がある。
図示の簡略化のため、一群のアノード110の3つの部材と一群のカソード112の4つの部材のみが描かれているが、実際には、本明細書における本発明の主題を使用するエネルギー貯蔵装置100または二次電池102は、上述したように、エネルギー貯蔵装置100または二次電池102の用途に応じて一群のアノード110およびカソード112の追加の部材を含むことができる。さらに、アノード活物質層132をカソード活物質層138から電気的に絶縁する微孔質セパレータ130を図7に示す。
さらにまた、第1および第2の二次増大制約部材158、160をそれぞれ接続するために、制約部158、160は、図示のように、粘着などの適切な手段によって、あるいは集電体136、140への溶接など、溶接することによって、少なくとも1つの接続部材166に取り付けられることができる。例えば、第1および/または第2の二次増大制約部158、160は、それぞれ、接着、粘着、接合、溶接などのうちの少なくとも1つによって、それぞれアノードおよび/またはカソードバックボーン134、141、アノードおよび/またはカソード集電体136、140のうちの少なくとも1つなど、アノード構造110および/またはカソード構造112の少なくとも1つに対応する二次接続部材166に取り付けられることができる。一実施形態によれば、第1および/または第2の二次増大制約部158、160は、それぞれ、粘着剤または他の接着剤を使用して第1および/または第2の二次増大制約部158、160の少なくとも一方にアノード110および/またはカソード構造112の1つ以上の端部をそれぞれ接着する一方で、一群のアノード100および/またはカソード構造112の端部など、1つ以上の二次接続部材166の端部に第1および/または第2の二次増大制約部158、160をそれぞれ機械的に押圧することによって二次接続部材166に取り付けられることができる。
一群のアノード構造
再び図7を参照すると、一群のアノード構造110の各部材はまた、第1の二次増大制約部158に隣接する頂部1052、第2の二次増大制約部160に隣接する底部1054、およびZ軸に平行な垂直軸AES(マークなし)を囲み、頂部1052および底部1054を接続する側面(マークなし)を含むことができる。アノード構造110は、長さLA、幅WA、および高さHAをさらに含む。長さLAは、側面によって境界を定められ、X軸に沿って測定される。幅WAは、側面によって境界を定められ、Y軸に沿って測定され、高さHAは、頂部1052から底部1054までの垂直軸AESまたはZ軸に沿って測定される。
一群のアノード110の部材のLAは、エネルギー貯蔵装置100または二次電池102およびそれらの意図される用途に応じて変わる。しかしながら、一般に、一群のアノード110の部材は、通常、約5mmから約500mmの範囲内のLAを有する。例えば、そのような一実施形態では、一群のアノード110の部材は、約10mmから約250mmのLAを有する。さらなる例として、そのような一実施形態では、一群のアノード110の部材は、約20mmから約100mmのLAを有する。
一群のアノード110の部材のWAもまた、エネルギー貯蔵装置100または二次電池102およびそれらの意図される用途に応じて変わる。しかしながら、一般に、一群のアノード110の各部材は、通常、約0.01mmから2.5mmの範囲内のWAを有する。例えば、一実施形態では、一群のアノード110の各部材のWAは、約0.025mmから約2mmの範囲内にある。さらなる例として、一実施形態では、一群のアノード110の各部材のWAは、約0.05mmから約1mmの範囲内にある。
一群のアノード110の部材のHAもまた、エネルギー貯蔵装置100または二次電池102およびそれらの意図される用途に応じて変わる。しかしながら、一般に、一群のアノード110の部材は、通常、約0.05mmから約10mmの範囲内のHAを有する。例えば、一実施形態では、一群のアノード110の各部材のHAは、約0.05mmから約5mmの範囲内にある。さらなる例として、一実施形態では、一群のアノード110の各部材のHAは、約0.1mmから約1mmの範囲内にある。
他の実施形態では、一群のアノード構造110の各部材は、Z軸に平行な垂直軸AESBを有するアノード構造バックボーン134を含むことができる。アノード構造バックボーン134はまた、垂直軸AESBの周りでアノード構造バックボーン134を囲むアノード活物質132の層を含むことができる。換言すれば、アノード構造バックボーン134は、アノード活物質132の層に機械的安定性を与え、一次増大制約システム151および/または二次制約システム152についての取り付け点を提供することができる。特定の実施形態では、アノード活物質132の層は、キャリアイオンのアノード活物質132の層への挿入時に膨張し、キャリアイオンのアノード活物質132の層からの抽出時に収縮する。アノード構造バックボーン134はまた、第1の二次増大制約部158に隣接する頂部1056、第2の二次増大制約部160に隣接する底部1058、および垂直軸AESBを囲み且つ頂部1056および底部1058を接続する側面(マークなし)を含むことができる。アノード構造バックボーン134は、長さLESB、幅WESB、および高さHESBをさらに含む。長さLESBは、側面によって境界を定められ、X軸に沿って測定される。幅WESBは、側面によって境界を定められ、Y軸に沿って測定され、高さHESBは、頂部1056から底部1058までのZ軸に沿って測定される。
アノード構造バックボーン134のLESBは、エネルギー貯蔵装置100または二次電池102およびそれらの意図される用途に応じて変わる。しかしながら、一般に、アノード構造バックボーン134は、通常、約5mmから約500mmの範囲内のLESBを有する。例えば、そのような一実施形態では、アノード構造バックボーン134は、約10mmから約250mmのLESBを有する。さらなる例として、そのような一実施形態では、アノード構造バックボーン134は、約20mmから約100mmのLESBを有する。一実施形態によれば、アノード構造バックボーン134は、少なくとも1つの接続部材166として機能するアノード構造110のサブ構造とすることができる。
アノード構造バックボーン134のWESBもまた、エネルギー貯蔵装置100または二次電池102およびそれらの意図される用途に応じて変わる。しかしながら、一般に、各アノード構造バックボーン134は、通常、少なくとも1マイクロメートルのWESBを有する。例えば、一実施形態では、各アノード構造バックボーン134のWESBは、実質的に厚くてもよいが、一般に500マイクロメートルを超える厚さを有しない。さらなる例として、一実施形態では、各アノード構造バックボーン134のWESBは、約1から約50マイクロメートルの範囲内にある。
アノード構造バックボーン134のHESBもまた、エネルギー貯蔵装置100または二次電池102およびそれらの意図される用途に応じて変わる。しかしながら、一般に、アノード構造バックボーン134は、通常、少なくとも約50マイクロメートル、より典型的には少なくとも約100マイクロメートルのHESBを有する。さらに、一般に、アノード構造バックボーン134は、通常、約10,000マイクロメートル以下、より典型的には約5,000マイクロメートル以下のHESBを有する。例えば、一実施形態では、各アノード構造バックボーン134のHESBは、約0.05mmから約10mmの範囲内にある。さらなる例として、一実施形態では、各アノード構造バックボーン134のHESBは、約0.05mmから約5mmの範囲内にある。さらなる例として、一実施形態では、各アノード構造バックボーン134のHESBは、約0.1mmから約1mmの範囲内にある。
アノード構造バックボーン134は、用途に応じて、導電性または絶縁性とすることができる。例えば、一実施形態では、アノード構造バックボーン134は、導電性とすることができ、アノード活物質132についてのアノード集電体136を含むことができる。そのような一実施形態では、アノード構造バックボーン134は、少なくとも約103ジーメンス/cmの導電率を有するアノード集電体136を含む。さらなる例として、そのような一実施形態では、アノード構造バックボーン134は、少なくとも約104ジーメンス/cmの導電率を有するアノード集電体136を含む。さらなる例として、そのような一実施形態では、アノード構造バックボーン134は、少なくとも約105ジーメンス/cmの導電率を有するアノード集電体136を含む。他の実施形態では、アノード構造バックボーン134は、比較的非導電性である。例えば、一実施形態では、アノード構造バックボーン134は、10ジーメンス/cm未満の導電率を有する。さらなる例として、一実施形態では、アノード構造バックボーン134は、1ジーメンス/cm未満の導電率を有する。さらなる例として、一実施形態では、アノード構造バックボーン134は、10-1ジーメンス/cm未満の導電率を有する。
特定の実施形態では、アノード構造バックボーン134は、金属、半導体、有機物、セラミック、およびガラスなどの、成型可能な任意の材料を含むことができる。例えば、特定の実施形態では、材料は、シリコンおよびゲルマニウムなどの半導体材料を含む。しかしながら、代替的に、炭素系有機材料、またはアルミニウム、銅、ニッケル、コバルト、チタン、およびタングステンなどの金属もまた、アノード構造バックボーン134に組み込むことができる。例示的な一実施形態では、アノード構造バックボーン134は、シリコンを含む。シリコンは、例えば、単結晶シリコン、多結晶シリコン、アモルファスシリコン、またはそれらの組み合わせとすることができる。
特定の実施形態では、アノード活物質層132は、少なくとも1マイクロメートルの厚さを有することができる。しかしながら、典型的には、アノード活物質層132の厚さは、通常、200マイクロメートルを超えない。例えば、一実施形態では、アノード活物質層132は、約1から50マイクロメートルの厚さを有することができる。さらなる例として、一実施形態では、アノード活物質層132は、約2から約75マイクロメートルの厚さを有することができる。さらなる例として、一実施形態では、アノード活物質層132は、約10から約100マイクロメートルの厚さを有することができる。さらなる例として、一実施形態では、アノード活物質層132は、約5から約50マイクロメートルの厚さを有することができる。
特定の実施形態では、アノード集電体136は、セパレータ130からアノード活物質層132へのキャリアイオンの移動を容易にするのに十分なキャリアイオンに対するイオン透過性と、集電体として機能できるのに十分な導電率とを有するイオン透過性導体材料を含む。アノード集電体136は、アノード活物質層132とセパレータ130との間に配置されるため、アノード集電体136からの電流をアノード活物質層132の表面にわたって分配することによって、より均一なキャリアイオン輸送を容易にすることができる。これにより、ひいては、キャリアイオンのより均一な挿入および抽出を容易にし、よってサイクル中のアノード活物質層132内の応力を低減することができる。アノード集電体136は、セパレータ130に面するアノード活物質層132の表面に電流を分配するため、キャリアイオンについてのアノード活物質層132の反応性は、キャリアイオン濃度が最大であるところで最大になる。
アノード集電体136は、イオン伝導性および導電性の両方をもつイオン透過性導体材料を含む。換言すれば、アノード集電体136は、イオン透過性導電体層の一方側における直接隣接するアノード活物質層132と電気化学スタックまたは電極アセンブリ106内のアノード集電体136の他方側における直接隣接するセパレータ層130との間でのキャリアイオンの移動を促進するキャリアイオンについての厚さ、導電率およびイオン伝導度を有する。相対的に、アノード集電体136は、装置100内にエネルギーを貯蔵するための印加電流または装置100を放電させるための印加負荷がある場合、そのイオン伝導度よりも大きい導電率を有する。例えば、装置100内にエネルギーを貯蔵するための印加電流または装置100を放電させるための印加負荷がある場合、アノード集電体136のイオン伝導度(キャリアイオンについて)に対する導電率の比は、通常、少なくとも1,000:1である。さらなる例として、そのような一実施形態では、装置100内にエネルギーを貯蔵するための印加電流または装置100を放電させるための印加負荷がある場合、アノード集電体136のイオン伝導度(キャリアイオンについて)に対する導電率の比は、少なくとも5,000:1である。さらなる例として、そのような一実施形態では、装置100内にエネルギーを貯蔵するための印加電流または装置100を放電させるための印加負荷がある場合、アノード集電体136のイオン伝導度(キャリアイオンについて)に対する導電率の比は、少なくとも10,000:1である。さらなる例として、そのような一実施形態では、装置100内にエネルギーを貯蔵するための印加電流または装置100を放電させるための印加負荷がある場合、アノード集電体136の層のイオン伝導度(キャリアイオンについて)に対する導電率の比は、少なくとも50,000:1である。さらなる例として、そのような一実施形態では、装置100内にエネルギーを貯蔵するための印加電流または装置100を放電させるための印加負荷がある場合、アノード集電体136のイオン伝導度(キャリアイオンについて)に対する導電率の比は、少なくとも100,000:1である。
一実施形態では、二次電池102が充電または放電しているときなど、装置100内にエネルギーを貯蔵するための印加電流または装置100を放電するための印加負荷がある場合、アノード集電体136は、隣接するセパレータ層130のイオン伝導度に匹敵するイオン伝導度を有する。例えば、一実施形態では、アノード集電体136は、装置100内にエネルギーを貯蔵するための印加電流または装置100を放電させるための印加負荷がある場合、セパレータ層130のイオン伝導度の少なくとも50%(すなわち、それぞれ0.5:1の比)であるイオン伝導度(キャリアイオンについて)を有する。さらなる例として、いくつかの実施形態では、装置100内にエネルギーを貯蔵するための印加電流または装置100を放電させるための印加負荷がある場合、セパレータ層130のイオン伝導度(キャリアイオンについて)に対するアノード集電体136のイオン伝導度(キャリアイオンについて)の比は、少なくとも1:1である。さらなる例として、いくつかの実施形態では、装置100内にエネルギーを貯蔵するための印加電流または装置100を放電させるための印加負荷がある場合、セパレータ層130のイオン伝導度(キャリアイオンについて)に対するアノード集電体136のイオン伝導度(キャリアイオンについて)の比は、少なくとも1.25:1である。さらなる例として、いくつかの実施形態では、装置100内にエネルギーを貯蔵するための印加電流または装置100を放電させるための印加負荷がある場合、セパレータ層130のイオン伝導度(キャリアイオンについて)に対するアノード集電体136のイオン伝導度(キャリアイオンについて)の比は、少なくとも1.5:1である。さらなる例として、いくつかの実施形態では、装置100内にエネルギーを貯蔵するための印加電流または装置100を放電させるための印加負荷がある場合、セパレータ層130のイオン伝導度(キャリアイオンについて)に対するアノード集電体136のイオン伝導度(キャリアイオンについて)の比は、少なくとも2:1である。
一実施形態では、アノード集電体136はまた、アノード活物質層132の導電率よりも実質的に大きい導電率を有する。例えば、一実施形態では、装置100内にエネルギーを貯蔵するための印加電流または装置100を放電させるための印加負荷がある場合、アノード活物質層132の導電率に対するアノード集電体136の導電率の比は、少なくとも100:1である。さらなる例として、いくつかの実施形態では、装置100内にエネルギーを貯蔵するための印加電流または装置100を放電させるための印加負荷がある場合、アノード活物質層132の導電率に対するアノード集電体136の導電率の比は、少なくとも500:1である。さらなる例として、いくつかの実施形態では、装置100内にエネルギーを貯蔵するための印加電流または装置100を放電させるための印加負荷がある場合、アノード活物質層132の導電率に対するアノード集電体136の導電率の比は、少なくとも1000:1である。さらなる例として、いくつかの実施形態では、装置100内にエネルギーを貯蔵するための印加電流または装置100を放電させるための印加負荷がある場合、アノード活物質層132の導電率に対するアノード集電体136の導電率の比は、少なくとも5000:1である。さらなる例として、いくつかの実施形態では、装置100内にエネルギーを貯蔵するための印加電流または装置100を放電させるための印加負荷がある場合、アノード活物質層132の導電率に対するアノード集電体136の導電率の比は、少なくとも10,000:1である。
特定の実施形態におけるアノード集電体層136の厚さ(すなわち、セパレータ130と、一実施形態では、アノード集電体層136が間に挟持されているアノード活物質層との間の最短距離)は、層136の組成および電気化学スタックの性能仕様による。一般に、イオン透過性導体層であるときのアノード集電体層136は、少なくとも約300オングストロームの厚さを有する。例えば、いくつかの実施形態では、それは約300-800オングストロームの範囲の厚さを有することができる。しかしながら、より典型的には、それは、約0.1マイクロメートルを超える厚さを有する。一般に、イオン透過性導体層は、約100マイクロメートル以下の厚さを有する。したがって、例えば、一実施形態では、電極集電体層136は、約0.1から約10マイクロメートルの範囲の厚さを有する。さらなる例として、いくつかの実施形態では、アノード集電体層136は、約0.1から約5マイクロメートルの範囲の厚さを有する。さらなる例として、いくつかの実施形態では、アノード集電体層136は、約0.5から約3マイクロメートルの範囲の厚さを有する。一般に、アノード集電体層136の厚さは、ほぼ均一であることが好ましい。例えば、一実施形態では、アノード集電体層136は、約25%未満の厚さ不均一性を有することが好ましい。特定の実施形態では、厚さの変動は、さらに小さい。例えば、いくつかの実施形態では、アノード集電体層136は、約20%未満の厚さ不均一性を有する。さらなる例として、いくつかの実施形態では、アノード集電体層136は、約15%未満の厚さ不均一性を有する。いくつかの実施形態では、イオン透過性導体層は、約10%未満の厚さ不均一性を有する。
一実施形態では、アノード集電体層136は、イオン透過性および導電性に寄与する導電性部材およびイオン伝導性部材を含むイオン透過性導体層である。典型的には、導電性部材は、メッシュまたはパターン化表面の形態の連続導電性材料(例えば、連続金属または金属合金)、フィルム、または連続導電性材料(例えば、連続金属または金属合金)を含む複合材料を含む。さらに、イオン伝導性部材は、典型的には、細孔、例えばメッシュの間隙、パターン化された金属もしくは金属合金含有材料層間の空間、金属膜中の細孔、またはキャリアイオンについての十分な拡散性を有する固体イオン伝導体を含む。特定の実施形態では、イオン透過性導体層は、蒸着した多孔質材料、イオン輸送材料、イオン反応性材料、複合材料、または物理的多孔質材料を含む。多孔質の場合、例えば、イオン透過性導体層は、少なくとも約0.25のボイド率を有することができる。しかしながら、一般に、ボイド率は、通常、約0.95を超えない。より典型的には、イオン透過性導体層が多孔質であるとき、ボイド率は、約0.25から約0.85の範囲内とすることができる。いくつかの実施形態では、例えば、イオン透過性導体層が多孔質であるとき、ボイド率は、約0.35から約0.65の範囲内とすることができる。
図7に示す実施形態では、アノード集電体層136は、電極活物質層132についての唯一のアノード集電体である。換言すれば、アノード構造バックボーン134は、アノード集電体を含むことができる。しかしながら、他の特定の実施形態では、アノード構造バックボーン134は、必要に応じてアノード集電体を含まなくてもよい。
一群のカソード構造
再び図7を参照すると、一群のカソード構造112の各部材はまた、第1の二次増大制約部158に隣接する頂部1068、第2の二次増大制約部160に隣接する底部1070、およびZ軸に平行な垂直軸ACES(マークなし)を囲み、頂部1068および底部1070を接続する側面(マークなし)を含むことができる。カソード構造112は、長さLC、幅WC、および高さHCをさらに含む。長さLCは、側面によって境界を定められ、X軸に沿って測定される。幅WCは、側面によって境界を定められ、Y軸に沿って測定され、高さHCは、頂部1068から底部1070までの垂直軸ACESまたはZ軸に沿って測定される。
一群のカソード112の部材のLCは、エネルギー貯蔵装置100または二次電池102およびそれらの意図される用途に応じて変わる。しかしながら、一般に、一群のカソード112の部材は、通常、約5mmから約500mmの範囲内のLCを有する。例えば、そのような一実施形態では、一群のカソード112の部材は、約10mmから約250mmのLCを有する。さらなる例として、そのような一実施形態では、一群のカソード112の部材は、約25mmから約100mmのLCを有する。
一群のカソード112の部材のWCもまた、エネルギー貯蔵装置100または二次電池102およびそれらの意図される用途に応じて変わる。しかしながら、一般に、一群のカソード112の各部材は、通常、約0.01mmから2.5mmの範囲内のWCを有する。例えば、一実施形態では、一群のカソード112の各部材のWCは、約0.025mmから約2mmの範囲内にある。さらなる例として、一実施形態では、一群のカソード112の各部材のWCは、約0.05mmから約1mmの範囲内にある。
一群のカソード112の部材のHCもまた、エネルギー貯蔵装置100または二次電池102およびそれらの意図される用途に応じて変わる。しかしながら、一般に、一群のカソード112の部材は、通常、約0.05mmから約10mmの範囲内のHCを有する。例えば、一実施形態では、一群のカソード112の各部材のHCは、約0.05mmから約5mmの範囲内にある。さらなる例として、一実施形態では、一群のカソード112の各部材のHCは、約0.1mmから約1mmの範囲内にある。
他の実施形態では、一群のカソード構造112の各部材は、Z軸に平行な垂直軸ACESBを有するカソード構造バックボーン141を含むことができる。カソード構造バックボーン141はまた、垂直軸ACESBの周りでカソード構造バックボーン141を囲むカソード活物質138の層を含むことができる。換言すれば、カソード構造バックボーン141は、カソード活物質138の層に機械的安定性を与え、一次増大制約システム151および/または二次制約システム152についての取り付け点を提供することができる。カソード構造バックボーン141はまた、第1の二次増大制約部158に隣接する頂部1072、第2の二次増大制約部160に隣接する底部1074、および垂直軸ACESBを囲み且つ頂部1072および底部1074を接続する側面(マークなし)を含むことができる。カソード構造バックボーン141は、長さLCESB、幅WCESB、および高さHCESBをさらに含む。長さLCESBは、側面によって境界を定められ、X軸に沿って測定される。幅WCESBは、側面によって境界を定められ、Y軸に沿って測定され、高さHCESBは、頂部1072から底部1074までのZ軸に沿って測定される。
カソード構造バックボーン141のLCESBは、エネルギー貯蔵装置100または二次電池102およびそれらの意図される用途に応じて変わる。しかしながら、一般に、カソード構造バックボーン141は、通常、約5mmから約500mmの範囲内のLCESBを有する。例えば、そのような一実施形態では、カソード構造バックボーン141は、約10mmから約250mmのLCESBを有する。さらなる例として、そのような一実施形態では、カソード構造バックボーン141は、約20mmから約100mmのLCESBを有する。
カソード構造バックボーン141のWCESBもまた、エネルギー貯蔵装置100または二次電池102およびそれらの意図される用途に応じて変わる。しかしながら、一般に、各カソード構造バックボーン141は、通常、少なくとも1マイクロメートルのWCESBを有する。例えば、一実施形態では、各カソード構造バックボーン141のWCESBは、実質的に厚くてもよいが、一般に500マイクロメートルを超える厚さを有しない。さらなる例として、一実施形態では、各カソード構造バックボーン141のWCESBは、約1から約50マイクロメートルの範囲内にある。
カソード構造バックボーン141のHCESBもまた、エネルギー貯蔵装置100または二次電池102およびそれらの意図される用途に応じて変わる。しかしながら、一般に、カソード構造バックボーン141は、通常、少なくとも約50マイクロメートル、より典型的には少なくとも約100マイクロメートルのHCESBを有する。さらに、一般に、カソード構造バックボーン141は、通常、約10,000マイクロメートル以下、より典型的には約5,000マイクロメートル以下のHCESBを有する。例えば、一実施形態では、各カソード構造バックボーン141のHCESBは、約0.05mmから約10mmの範囲内にある。さらなる例として、一実施形態では、各カソード構造バックボーン141のHCESBは、約0.05mmから約5mmの範囲内にある。さらなる例として、一実施形態では、各カソード構造バックボーン141のHCESBは、約0.1mmから約1mmの範囲内にある。
カソード構造バックボーン141は、用途に応じて導電性または絶縁性とすることができる。例えば、一実施形態では、カソード構造バックボーン141は、導電性とすることができ、カソード活物質138についてのカソード集電体140を含むことができる。そのような一実施形態では、カソード構造バックボーン141は、少なくとも約103ジーメンス/cmの導電率を有するカソード集電体140を含む。さらなる例として、そのような一実施形態では、カソード構造バックボーン141は、少なくとも約104ジーメンス/cmの導電率を有するカソード集電体140を含む。さらなる例として、そのような一実施形態では、カソード構造バックボーン141は、少なくとも約105ジーメンス/cmの導電率を有するカソード集電体140を含む。他の実施形態では、カソード構造バックボーン141は、比較的非導電性である。例えば、一実施形態では、カソード構造バックボーン141は、10ジーメンス/cm未満の導電率を有する。さらなる例として、一実施形態では、カソード構造バックボーン141は、1ジーメンス/cm未満の導電率を有する。さらなる例として、一実施形態では、カソード構造バックボーン141は、10-1ジーメンス/cm未満の導電率を有する。
特定の実施形態では、カソード構造バックボーン141は、金属、半導体、有機物、セラミック、およびガラスなどの、成形可能な任意の材料を含むことができる。例えば、特定の実施形態では、材料は、シリコンおよびゲルマニウムなどの半導体材料を含む。しかしながら、代替的に、炭素系有機材料、またはアルミニウム、銅、ニッケル、コバルト、チタン、およびタングステンなどの金属もまた、カソード構造バックボーン141に組み込むことができる。例示的な一実施形態では、カソード構造バックボーン141は、シリコンを含む。シリコンは、例えば、単結晶シリコン、多結晶シリコン、アモルファスシリコン、またはそれらの組み合わせとすることができる。
特定の実施形態では、カソード活物質層138は、少なくとも1マイクロメートルの厚さを有することができる。しかしながら、典型的には、カソード活物質層138の厚さは、200マイクロメートルを超えない。例えば、一実施形態では、カソード活物質層138は、約1から50マイクロメートルの厚さを有することができる。さらなる例として、一実施形態では、カソード活物質層138は、約2から約75マイクロメートルの厚さを有することができる。さらなる例として、一実施形態では、カソード活物質層138は、約10から約100マイクロメートルの厚さを有することができる。さらなる例として、一実施形態では、カソード活物質層138は、約5から約50マイクロメートルの厚さを有することができる。
特定の実施形態では、カソード集電体140は、セパレータ130からカソード活物質層138へのキャリアイオンの移動を容易にするのに十分なキャリアイオンに対するイオン透過性と、集電体として機能できるのに十分な導電率とを有するイオン透過性導体を含む。カソード集電体140は、カソード活物質層138とセパレータ130との間に配置されるか否かにかかわらず、カソード集電体140からの電流をカソード活物質層138の表面にわたって分配することによって、より均一なキャリアイオン輸送を容易にすることができる。これにより、ひいては、キャリアイオンのより均一な挿入および抽出を容易にし、それによってサイクル中のカソード活物質層138内の応力を低減することができる。カソード集電体140は、セパレータ130に面するカソード活物質層138の表面に電流を分配するため、キャリアイオンについてのカソード活物質層138の反応性は、キャリアイオン濃度が最大であるところで最大になる。
カソード集電体140は、イオン伝導性および導電性の両方をもつイオン透過性導体材料を含む。換言すれば、カソード集電体140は、イオン透過性導電体層の一方側における直接隣接するカソード活物質層138と電気化学スタックまたは電極アセンブリ106内のカソード集電体140の他方側における直接隣接するセパレータ層130との間でのキャリアイオンの移動を促進するキャリアイオンについての厚さ、導電率およびイオン伝導度を有する。相対的に、カソード集電体140は、装置100内にエネルギーを貯蔵するための印加電流または装置100を放電させるための印加負荷がある場合、そのイオン伝導度よりも大きい導電率を有する。例えば、装置100内にエネルギーを貯蔵するための印加電流または装置100を放電させるための印加負荷がある場合、カソード集電体140のイオン伝導度(キャリアイオンについて)に対する導電率の比は、通常、少なくとも1,000:1である。さらなる例として、そのような一実施形態では、装置100内にエネルギーを貯蔵するための印加電流または装置100を放電させるための印加負荷がある場合、カソード集電体140のイオン伝導度(キャリアイオンについて)に対する導電率の比は、少なくとも5,000:1である。さらなる例として、そのような一実施形態では、装置100内にエネルギーを貯蔵するための印加電流または装置100を放電させるための印加負荷がある場合、カソード集電体140のイオン伝導度(キャリアイオンについて)に対する導電率の比は、少なくとも10,000:1である。さらなる例として、そのような一実施形態では、装置100内にエネルギーを貯蔵するための印加電流または装置100を放電させるための印加負荷がある場合、カソード集電体140の層のイオン伝導度(キャリアイオンについて)に対する導電率の比は、少なくとも50,000:1である。さらなる例として、そのような一実施形態では、装置100内にエネルギーを貯蔵するための印加電流または装置100を放電させるための印加負荷がある場合、カソード集電体140のイオン伝導度(キャリアイオンについて)に対する導電率の比は、少なくとも100,000:1である。
一実施形態では、エネルギー貯蔵装置100または二次電池102が充電または放電しているときなど、装置100内にエネルギーを貯蔵するための印加電流または装置100を放電するための印加負荷がある場合、カソード集電体140は、隣接するセパレータ層130のイオン伝導度に匹敵するイオン伝導度を有する。例えば、一実施形態では、カソード集電体140は、装置100内にエネルギーを貯蔵するための印加電流または装置100を放電させるための印加負荷がある場合、セパレータ層130のイオン伝導度の少なくとも50%(すなわち、それぞれ0.5:1の比)であるイオン伝導度(キャリアイオンについて)を有する。さらなる例として、いくつかの実施形態では、装置100内にエネルギーを貯蔵するための印加電流または装置100を放電させるための印加負荷がある場合、セパレータ層130のイオン伝導度(キャリアイオンについて)に対するカソード集電体140のイオン伝導度(キャリアイオンについて)の比は、少なくとも1:1である。さらなる例として、いくつかの実施形態では、装置100内にエネルギーを貯蔵するための印加電流または装置100を放電させるための印加負荷がある場合、セパレータ層130のイオン伝導度(キャリアイオンについて)に対するカソード集電体140のイオン伝導度(キャリアイオンについて)の比は、少なくとも1.25:1である。さらなる例として、いくつかの実施形態では、装置100内にエネルギーを貯蔵するための印加電流または装置100を放電させるための印加負荷がある場合、セパレータ層130のイオン伝導度(キャリアイオンについて)に対するカソード集電体140のイオン伝導度(キャリアイオンについて)の比は、少なくとも1.5:1である。さらなる例として、いくつかの実施形態では、装置100内にエネルギーを貯蔵するための印加電流または装置100を放電させるための印加負荷がある場合、セパレータ層130のイオン伝導度((アノード集電体層)キャリアイオンについて)に対するカソード集電体140のイオン伝導度(キャリアイオンについて)の比は、少なくとも2:1である。
一実施形態では、カソード集電体140はまた、カソード活物質層138の導電率よりも実質的に大きい導電率を有する。例えば、一実施形態では、エネルギーを装置100内に貯蔵するための印加電流または装置100を放電させるための印加負荷がある場合、カソード活物質層138の導電率に対するカソード集電体140の導電率の比は、少なくとも100:1である。さらなる例として、いくつかの実施形態では、装置100内にエネルギーを貯蔵するための印加電流または装置100を放電させるための印加負荷がある場合、カソード活物質層138の導電率に対するカソード集電体140の導電率の比は、少なくとも500:1である。さらなる例として、いくつかの実施形態では、装置100内にエネルギーを貯蔵するための印加電流または装置100を放電させるための印加負荷がある場合、カソード活物質層138の導電率に対するカソード集電体140の導電率の比は、少なくとも1000:1である。さらなる例として、いくつかの実施形態では、装置100内にエネルギーを貯蔵するための印加電流または装置100を放電させるための印加負荷がある場合、カソード活物質層138の導電率に対するカソード集電体140の導電率の比は、少なくとも5000:1である。さらなる例として、いくつかの実施形態では、装置100内にエネルギーを貯蔵するための印加電流または装置100を放電させるための印加負荷がある場合、カソード活物質層138の導電率に対するカソード集電体140の導電率の比は、少なくとも10,000:1である。
特定の実施形態におけるカソード集電体層140の厚さ(すなわち、セパレータ130と、一実施形態では、カソード集電体層140が間に挟持されているカソード活物質層138との間の最短距離)は、層140の組成および電気化学スタックの性能仕様による。一般に、イオン透過性導体層であるときのカソード集電体層140は、少なくとも約300オングストロームの厚さを有する。例えば、いくつかの実施形態では、それは約300-800オングストロームの範囲の厚さを有することができる。しかしながら、より典型的には、それは、約0.1マイクロメートルを超える厚さを有する。一般に、イオン透過性導体層は、約100マイクロメートル以下の厚さを有する。したがって、例えば、一実施形態では、カソード集電体層140は、約0.1から約10マイクロメートルの範囲の厚さを有する。さらなる例として、いくつかの実施形態では、カソードド集電体層140は、約0.1から約5マイクロメートルの範囲の厚さを有する。さらなる例として、いくつかの実施形態では、カソードド集電体層140は、約0.5から約3マイクロメートルの範囲の厚さを有する。一般に、カソード集電体層140の厚さは、ほぼ均一であることが好ましい。例えば、一実施形態では、カソード集電体層140は、約25%未満の厚さ不均一性を有することが好ましい。特定の実施形態では、厚さの変動は、さらに小さい。例えば、いくつかの実施形態では、カソード集電体層140は、約20%未満の厚さ不均一性を有する。さらなる例として、いくつかの実施形態では、カソード集電体層140は、約15%未満の厚さ不均一性を有する。いくつかの実施形態では、カソード集電体層140は、約10%未満の厚さ不均一性を有する。
一実施形態では、カソード集電体層140は、イオン透過性および導電性に寄与する導電性部材およびイオン伝導性部材を含むイオン透過性導体層である。典型的には、導電性部材は、メッシュまたはパターン化表面の形態の連続導電性材料(例えば、連続金属または金属合金)、フィルム、または連続導電性材料(例えば、連続金属または金属合金)を含む複合材料を含む。さらに、イオン伝導性部材は、典型的には、細孔、例えばメッシュの間隙、パターン化された金属もしくは金属合金含有材料層間の空間、金属膜中の細孔、またはキャリアイオンについての十分な拡散性を有する固体イオン伝導体を含む。特定の実施形態では、イオン透過性導体層は、蒸着した多孔質材料、イオン輸送材料、イオン反応性材料、複合材料、または物理的多孔質材料を含む。多孔質の場合、例えば、イオン透過性導体層は、少なくとも約0.25のボイド率を有することができる。しかしながら、一般に、ボイド率は、通常、約0.95を超えない。より典型的には、イオン透過性導体層が多孔質であるとき、ボイド率は、約0.25から約0.85の範囲内とすることができる。いくつかの実施形態では、例えば、イオン透過性導体層が多孔質であるとき、ボイド率は、約0.35から約0.65の範囲内とすることができる。
図7に示す実施形態では、カソード集電体層140は、カソード活物質層138についての唯一のカソード集電体である。換言すれば、カソード構造バックボーン141は、カソード集電体140を含むことができる。しかしながら、他の特定の実施形態では、カソード構造バックボーン141は、必要に応じてカソード集電体140を含まなくてもよい。
一実施形態では、第1の二次増大制約部158および第2の二次増大制約部160は、それぞれ、z軸に沿って分離された内面1060および1062と、対向外面1064および1066とをそれぞれ含むことができ、それによって第1の二次増大制約部158の高さH158および第2の二次増大制約部160の高さH160を画定する。本開示の態様によれば、第1および/または第2の二次増大制約部158、160のいずれかの高さをそれぞれ増加させることは、制約部の剛性を増加させることができるが、体積の増加も必要とするため、電極アセンブリ106および一組の制約部108を含むエネルギー蓄積装置100または二次電池102についてのエネルギー密度を減少させる。したがって、制約部158、160の厚さは、制約部の材料特性、電極100の所定の膨張からの圧力を相殺するのに必要な制約部の強度、および他の要因に応じて選択されることができる。例えば、一実施形態では、第1および第2の二次増大制約部の高さH158およびH160は、それぞれ、高さHESの50%未満とすることができる。さらなる例として、一実施形態では、第1および第2の二次増大制約部の高さH158およびH160は、それぞれ、高さHESの25%未満とすることができる。さらなる例として、一実施形態では、第1および第2の二次増大制約部の高さH158およびH160は、それぞれ、高さHESの10%未満とすることができる。さらなる例として、一実施形態では、第1および第2の二次増大制約部の高さH158およびH160は、高さHESの約5%未満とすることができる。いくつかの実施形態では、第1の二次増大制約部の高さH158および第2の二次増大制約部の高さH160は、異なっていてもよく、第1および第2の二次増大制約部158、160のそれぞれに使用される材料もまた、異なっていてもよい。
特定の実施形態では、内面1060および1062は、一群のアノード構造110および/または一群のカソード構造112をそれに固定するのに適した表面特徴を含むことができ、外面1064および1066は、複数の制約された電極アセンブリ106の積層に適した表面特徴を含むことができる(すなわち、図7より推測されるが、明示されていない)。例えば、一実施形態では、内面1060および1062または外面1064および1066は、平面とすることができる。さらなる例として、一実施形態では、内面1060および1062または外面1064および1066は、非平面とすることができる。さらなる例として、一実施形態では、内面1060および1062ならびに外面1064および1066は、平面とすることができる。さらなる例として、一実施形態では、内面1060および1062ならびに外面1064および1066は、非平面とすることができる。さらなる例として、一実施形態では、内面1060および1062ならびに外面1064および1066は、略平面とすることができる。
本明細書の他の箇所に記載されるように、アノード構造110および/またはカソード構造112として具体化された少なくとも1つの二次接続部材166を内面1060および1062に固定するためのモードは、エネルギー貯蔵装置100または二次電池102およびそれらの意図される用途に応じて変わることができる。図7に示す1つの例示的な実施形態として、一群のアノード構造110の頂部1052および底部1054(すなわち、図示のようなアノード集電体136)ならびに一群のカソード構造112の頂部1068および底部1070(すなわち、図示のようなアノード集電体140)は、粘着剤層182を介して第1の二次増大制約部158の内面1060および第2の二次増大制約部160の内面1062に固定されてもよい。あるいは、特定の実施形態では、アノード集電体136のみ、またはカソード集電体140のみが固定されて、少なくとも1つの二次接続部材166として機能することができるか、またはアノードおよび/またはカソード構造の他のサブ構造が、少なくとも1つの二次接続部材166として機能することができる。同様に、第1の一次増大制約部154の頂部1076および底部1078、ならびに第2の一次増大制約部156の頂部1080および底部1082は、粘着剤層182を介して第1の二次増大制約部158の内面1060および第2の二次増大制約部160の内面1062に固定されることができる。
換言すれば、図7に示される実施形態では、一群のアノード構造110の頂部1052および底部1054は、第1の二次増大制約部158の内面1060および第2の二次増大制約部160の内面1062の両方を効果的に満たす高さHESを含み、面一実施形態では、粘着剤層182を介して第1の二次増大制約部158の内面1060および第2の二次増大制約部160の内面1062に固定されることができる。さらに、一群のカソード構造112の頂部1068および底部1070は、第1の二次増大制約部158の内面1060および第2の二次増大制約部160の内面1062の両方を効果的に満たす高さHCESを含み、面一実施形態では、粘着剤層182を介して第1の二次増大制約部158の内面1060および第2の二次増大制約部160の内面1062に固定されることができる。
さらに、他の例示的な実施形態では、アノードバックボーン134の頂部1056および底部1058、ならびにカソードバックボーン141の頂部1072および底部1074は、粘着剤層182(図示せず)を介して第1の二次増大制約部材158の内面1060および第2の二次増大制約部材160の内面1062に固定されることができる。同様に、第1の一次増大制約部154の頂部1076および底部1078、ならびに第2の一次増大制約部156の頂部1080および底部1082は、粘着剤層182を介して第1の二次増大制約部158の内面1060および第2の二次増大制約部160の内面1062に固定されることができる(この段落に記載された実施形態に関しては図示されていない)。換言すれば、アノードバックボーン134の頂部1056および底部1058は、第1の二次増大制約部158の内面1060および第2の二次増大制約部160の内面1062の両方を効果的に満たす高さHESBを含み、面一実施形態では、粘着剤層182を介して第1の二次増大制約部158の内面1060および第2の二次増大制約部160の内面1062に固定されることができる。さらに、カソードバックボーン141の頂部1072および底部1074は、第1の二次増大制約部158の内面1060および第2の二次増大制約部160の内面1062の両方を効果的に満たす高さHCESBを含み、面一実施形態では、粘着剤層182を介して第1の二次増大制約部158の内面1060および第2の二次増大制約部160の内面1062に固定されることができる。
したがって、一実施形態では、一群のアノード110および/またはカソード構造112の少なくとも一部、および/またはセパレータ130は、二次的増大制約システム152における第1および第2の二次増大制約部158、160をそれぞれ互いに接続するための1つ以上の二次接続部材166として機能することができ、それによってサイクル中に電極アセンブリ106の増大を抑制するためのコンパクトで空間効率のよい制約システムを提供する。一実施形態によれば、充電および放電サイクルで体積が膨潤するアノード110および/またはカソード構造112の任意の部分を除いて、アノード110および/またはカソード構造112の任意の部分、および/またはセパレータ130は、1つ以上の二次接続部材166として機能することができる。すなわち、電極アセンブリ106の体積変化の原因となる、アノード活物質132などのアノード110および/またはカソード構造112のその部分は、通常、一組の電極制約部108の一部としては機能しない。一実施形態では、一次増大制約システム151の一部としてそれぞれ設けられた第1および第2の一次増大制約部154、156は、長手方向の増大をさらに抑制し、また、二次増大制約システム152の第1および第2の二次増大制約部158、160をそれぞれ接続するための二次接続部材166としても機能することができ、それによってアノード増大/膨潤を抑制するための協調的、相乗的制約システム(すなわち、一組の電極制約部108)を提供する。
二次電池
ここで図9を参照すると、二次電池102の一実施形態の分解図が示されている。二次電池102は、電池筐体104と、電池筐体104内の一組の電極アセンブリ106aとを含み、各電極アセンブリ106は、上述したように、第1の長手方向端面116、対向する第2の長手方向端面118を有する(すなわち、示される直交座標系のY軸に沿って第1の長手方向端面116から分離される)。各電極アセンブリ106は、積層方向Dに各電極アセンブリ106内で相対的に積層された一群のアノード構造110および一群のカソード構造112を含む。換言すれば、一群のアノード110およびカソード112構造は、上述したように、第1および第2の長手方向端面116、118の間でそれぞれ積層方向Dに進む一連のアノード110およびカソード112の交互配列で配置される(例えば、図2を参照、図2および図9に示すように、積層方向Dは、示される直交座標系のY軸に平行である)。さらに、個々の電極アセンブリ106内の積層方向Dは、一組106a内の電極アセンブリ106の集まりの積層方向(すなわち、電極アセンブリ積層方向)に対して垂直である。換言すれば、電極アセンブリ106は、個々の電極アセンブリ106内の積層方向Dに対して垂直な組106a内の方向において互いに対して配置される(例えば、電極アセンブリ積層方向は、示される直交座標系のZ軸に対応する方向にあるのに対して、個々の電極アセンブリ106内の積層方向Dは、示される直交座標系のY軸に対応する方向にある)。
図9に示す実施形態に示す電極アセンブリ106aの組は、同じ全体サイズを有する個々の電極アセンブリ106を含んでいるが、個々の電極アセンブリ106のうちの1つ以上もまた、および/または代替的に、組106a内の他の電極アセンブリ106とは少なくとも1つの寸法において異なるサイズを有することができる。例えば、一実施形態によれば、二次電池102に設けられた組106aを形成するために一体に積層された電極アセンブリ106は、各アセンブリ106の長手方向(すなわち、積層方向D)において異なる最大幅WEAを有することができる。他の実施形態によれば、二次電池102に設けられた積層組106aを構成する電極アセンブリ106は、長手方向軸に対して直交する横軸に沿って異なる最大長さLEAを有することができる。さらなる例として、一実施形態では、二次電池102内に電極アセンブリの組106aを形成するように一体に積層された各電極アセンブリ106は、電極アセンブリの組106aを形成するように、電極アセンブリ106が一体に積層された方向に沿って減少する面積LEA×WEAを提供するように選択される長手方向軸に沿った最大幅WEAおよび横軸に沿った最大長LEAを有する。例えば、各電極アセンブリ106の最大幅WEAおよび最大長さLEAは、電極アセンブリ106が一体に積層されてピラミッド形状の電極アセンブリの組106aを有する二次電池102を形成するように、アセンブリ106が積層される第1の方向において隣接する電極アセンブリ106のものよりも小さくなるように、およびその反対の第2の方向において隣接する電極アセンブリ106のものよりも大きくなるように選択されてもよい。あるいは、各電極アセンブリ106の最大長LEAおよび最大幅WEAは、積層電極アセンブリの組106aについて異なる形状および/または構成を提供するように選択されることができる。1つ以上の電極アセンブリ106の最大垂直高さHEAもまた、および/または代替的に、組106a内の他のアセンブリ106とは異なるように、および/または所定の形状および/または構成を有する積層組106aを提供するように選択されることができる。
タブ190、192は、電池筐体104から突出しており、組106aの電極アセンブリ106とエネルギー供給源または消費者(図示せず)との間の電気的接続を提供する。より具体的には、この実施形態では、タブ190は、(例えば、導電性粘着剤を使用して)タブ延長部191に電気的に接続され、タブ延長部191は、各電極アセンブリ106に含まれる電極110に電気的に接続される。同様に、タブ192は、(例えば、導電性粘着剤を使用して)タブ延長部193に電気的に接続され、タブ延長部193は、電極アセンブリ106のそれぞれに含まれる対向電極112に電気的に接続される。
図9に示す実施形態の各電極アセンブリ106は、長手方向(すなわち、積層方向D)における増大を抑制するために関連する一次増大制約システム151を有することができる。あるいは、一実施形態では、組106aを構成する複数の電極アセンブリ106は、一次増大制約システム151の少なくとも一部を共有することができる。図示の実施形態では、各一次成長制約システム151は、それぞれ、上述したように第1および第2の長手方向端面116、118をそれぞれ覆うことができる第1および第2の一次増大制約部154、156と、上述したように側面142をそれぞれ覆うことができる第1および第2の対向する一次接続部材162、164とを含む。第1および第2の対向する一次接続部材162、164は、それぞれ、第1および第2の一次増大制約部154、156をそれぞれ互いに引き寄せることができるか、あるいは換言すれば、電極アセンブリ106の長手方向における増大を抑制する際に支援することができ、一次増大制約部154、156は、それぞれ、対向する第1および第2の長手方向端面116、118に圧縮力または制約力を加えることができる。結果として、長手方向における電極アセンブリ106の膨張は、充電状態と放電状態との間の電池102の形成および/またはサイクル中に抑制される。さらに、一次増大制約システム151は、互いに垂直であり且つ長手方向に対して垂直な2つの方向のいずれかにおいて電極アセンブリ106に維持される圧力を超える圧力を長手方向(すなわち、積層方向D)において電極アセンブリ106に加える(例えば、図示されるように、長手方向は、示された直交座標系のY軸の方向に対応し、互いに且つ長手方向に対して垂直な2つの方向は、X軸およびZ軸の方向に対応する)。
さらに、図9に示す実施形態の各電極アセンブリ106は、垂直方向における増大(すなわち、電極アセンブリ106、アノード110、および/またはカソード112の垂直方向における(すなわち、直交座標系のZ軸に沿った)膨張)を抑制するための関連する二次増大制約システム152を有する。あるいは、一実施形態では、組106aを構成する複数の電極アセンブリ106は、二次増大制約システム152の少なくとも一部を共有する。各二次増大制約システム152は、それぞれ、上記でより詳細に説明したように、それぞれ対応する側面142を覆うことができる第1および第2の二次増大制限部158、160、および少なくとも1つの二次接続部材166を含む。二次接続部材166は、第1および第2の二次増大制約部158、160をそれぞれ互いに引き寄せることができるか、あるいは換言すれば、電極アセンブリ106の垂直方向における増大を抑制する際に支援することができ、第1および第2の二次増大制約部158、160は、それぞれ、より詳細に上述したように、側面142)に圧縮力または制約力を加えることができる。結果として、垂直方向における電極アセンブリ106の膨張は、充電状態と放電状態との間の電池102の形成および/またはサイクル中に抑制される。さらに、二次増大制約システム152は、互いに垂直であり且つ長手方向に対して垂直な2つの方向のいずれかにおいて電極アセンブリ106に維持される圧力を超える圧力を垂直方向(すなわち、直交座標系のZ軸に平行)において電極アセンブリ106に加える(例えば、図示されるように、垂直方向は、示された直交座標系のZ軸の方向に対応し、互いに且つ垂直方向に対して垂直な2つの方向は、X軸およびY軸の方向に対応する)。
さらに、図9に示す実施形態の各電極アセンブリ106は、上記でより詳細に説明されたように、長手方向および垂直方向の増大を抑制するために、関連する一次増大制約システム151-および関連する二次増大制約システム152-を有することができる。さらにまた、特定の実施形態によれば、アノードタブ190および/またはカソードタブ192のそれぞれ、ならびにタブ延長部191、193は、三次増大制約システム155の一部として機能することができる。例えば、特定の実施形態では、タブ延長部191、193は、対向する横表面領域144、146に沿って延びて、第1および第2の三次増大制約部157、159などの三次制約システム155の一部として作用することができる。タブ延長部191、193は、一次増大制約部154、156が、互いに緊張状態でタブ延長部191、193を配置して電極アセンブリ106を横方向に沿って圧縮し、それぞれ第1および第2の三次増大制約部157、159として作用する少なくとも1つの三次接続部材165として機能するように、電極アセンブリ106の長手方向端部117、119において一次増大制約部154、156に接続されることができる。逆に、一実施形態によれば、タブ190、192および/またはタブ延長部191、193はまた、それぞれ、第1および第2の一次増大制約部154、156についての第1および第2の一次接続部材162、164としても機能することができる。さらに他の実施形態では、タブ190、192および/またはタブ延長部191、193は、二次増大制約部158、160を接続する少なくとも1つの二次接続部材166の一部を形成することなどによって、二次増大制約システム152の一部として機能することができる。したがって、タブ190、192および/またはタブ延長部191、193は、それぞれ、一次制約システム151および二次制約システム152のうちの1つ以上の一部として機能することによって、および/または一次および二次増大制約システム151、152のうちの1つ以上によってそれぞれ制約される方向に対して直交する方向に電極アセンブリ106を制約するように三次増大制約システム155の一部を形成することによって、電極アセンブリ106の全体的な巨視的増大を抑制するのを支援することができる。
二次電池102の組み立てを完成するために、電池筐体104は、非水性電解質(図示せず)によって充填され、蓋104aは、(折り線FLに沿って)折り重ねられ、上面104bに封止される。完全に組み立てられると、封止された二次電池102は、その外面によって境界を定められた体積(すなわち、変位体積)を占め、二次電池筐体104は、電池の変位体積(蓋104aを含む)に対応する体積からその内部体積を引いた体積(すなわち、内面104c、104d、104e、104f、104gおよび蓋104aによって境界を定められた角柱状体積)を占め、組106aの各増大制約部151、152は、それぞれの変位体積に対応する体積を占める。したがって、組み合わされた際、電池筐体104および増大制約部151、152は、電池筐体104の外面によって境界を定められる体積(すなわち、電池の変位体積)の75%以下を占める。例えば、そのような一実施形態では、増大制約部151、152および電池筐体104は、組み合わされた際、電池筐体104の外面によって境界を定められる体積の60%以下を占める。さらなる例として、そのような一実施形態では、制約部151、152および電池筐体104は、組み合わされた際、電池筐体104の外面によって境界を定められる体積の45%以下を占める。さらなる例として、そのような一実施形態では、制約部151、152および電池筐体104は、組み合わされた際、電池筐体104の外面によって境界を定められる体積の30%以下を占める。さらなる例として、そのような一実施形態では、制約部151、152および電池筐体104は、組み合わされた際、電池筐体の外面によって境界を定められる体積の20%以下を占める。
図9において説明を容易にするために、二次電池102は、電極アセンブリ106の一組106aのみを含み、組106aは、6つの電極アセンブリ106のみを含む。実際には、二次電池102は、2つ以上の電極アセンブリ106aを含むことができ、各組106aは、互いに横方向に(例えば、図9の直交座標系のX-Y平面内にある相対方向に)または互いに垂直方向に(例えば、図9の直交座標系のZ軸に略平行な方向に)配置される。さらに、これらの実施形態のそれぞれにおいて、電極アセンブリ106aの組のそれぞれは、1つ以上の電極アセンブリ106を含むことができる。例えば、特定の実施形態では、二次電池102は、1組、2組、またはそれ以上の組の電極アセンブリ106aを含むことができ、そのような各組106aは、1つ以上の電極アセンブリ106(例えば、そのような各組106aの内部の1個、2個、3個、4個、5個、6個、10個、15個、またはそれ以上の電極アセンブリ106)を含み、電池102が2つ以上のそのような組106aを含むとき、組106aは、二次電池102に含まれる他の組の電極アセンブリ106aに対して横方向または垂直方向に配置されることができる。これらの様々な実施形態のそれぞれにおいて、各個別の電極アセンブリ106は、上述したように、自身の増大制約部を有することができ(すなわち、電極アセンブリ106と制約部151、152との間の1:1の関係)、上述したように、2つ以上の電極アセンブリ106は、共通の増大制約部151、152を有することができ(すなわち、2つ以上の電極アセンブリ106について一組の制約部108)、または2つ以上の電極アセンブリ106は、増大制約部151、152の構成要素を共有することができる(すなわち、2つ以上の電極アセンブリ106は、例えば、上述したように、融合された実施形態におけるように、共通の圧縮部材(例えば、第2の二次増大制約部158)および/または引張部材166を有することができる)。
その他の電池部品
特定の実施形態では、上述したように、一次増大制約システム151および二次増大制約システム152を含む一組の電極制約部108は、例えば図9に示すように、長さL1、幅W1、および厚さt1を有するシート2000から導出されることができる。より具体的には、一次増大制約システム151を形成するために、シート2000は、電極アセンブリ106の周りに巻き付けられ、電極アセンブリ106を囲むように縁部2001において折り返されることができる。あるいは、一実施形態では、シート2000は、電極アセンブリの組106aを形成するように積層された複数の電極アセンブリ106の周りに巻き付けられてもよい。シートの縁部は、互いに重なり合い、互いに溶接、粘着、または他の方法で固定され、第1の一次増大制約部154および第2の一次増大制約部156、ならびに第1の一次接続部材162および第2の一次接続部材164を含む一次増大制約システム151を形成することができる。この実施形態では、一次増大制約システム151は、シート2000の変位体積(すなわち、L1、W1、およびt1の乗算積)に対応する体積を有する。一実施形態では、少なくとも1つの一次接続部材は、積層方向Dに伸張されて部材を緊張状態にし、それにより第1および第2の一次増大制約部によって圧縮力が及ぼされる。あるいは、少なくとも1つの二次接続部材は、第2の方向に伸張されて部材を緊張状態にすることができ、それにより第1および第2の二次増大制約部によって圧縮力が及ぼされる。代替実施形態では、接続部材を伸張させてそれらを緊張状態にする代わりに、接続部材および/または増大制約部または1つ以上の一次および二次増大制約システムの他の部分が電極アセンブリ上におよび/またはその内部において設置前に予め緊張状態にされてもよい。他の代替実施形態では、接続部材および/または増大制約部および/または一次および二次増大制約システムのうちの1つ以上の他の部分は、電極アセンブリ内におよび/またはその上において設置時に最初は緊張状態にないが、電池の形成により、接続部材および/または増大制約部など、一次および/または二次増大制約システムの部分において電極アセンブリを膨張させて張力を誘発させる(すなわち、自己緊張)。
シート2000は、電極アセンブリ106に所望の力を加えることができる広範囲の適合材料のいずれかを含むことができる。一般に、一次増大制約システム151は、典型的には、少なくとも10,000psi(>70MPa)の極限引張強度を有し、電池の電解質と適合性があり、電池102の浮遊電位またはアノード電位で著しく腐食せず、45℃、さらには70℃まで機械的強度に著しい反応または喪失を示さない材料を含む。例えば、一次増大制約システム151は、広範囲の金属、合金、セラミック、ガラス、プラスチック、またはそれらの組み合わせ(すなわち、複合材料)のいずれかを含むことができる。例示的な一実施形態では、一次増大制約システム151は、ステンレス鋼(例えば、SS316、440Cまたは440C硬質)、アルミニウム(例えば、アルミニウム7075-T6、硬質H18)、チタン(例えば、6Al-4V)、ベリリウム、ベリリウム銅(硬)、銅(O2フリー、硬)、ニッケルなどの金属を含むが、一般に、一次増大制約システム151が金属を含むとき、腐食を制限し且つアノード110とカソード112との間に電気的短絡を生じさせることを制限するように組み込まれることが一般に好ましい。他の例示的な実施形態では、一次増大制約システム151は、アルミナ(例えば、焼結またはCoorstek AD96)、ジルコニア(例えば、Coorstek YZTP)、イットリア安定化ジルコニア(例えば、ENrG E-Strate(登録商標))などのセラミックを含む。他の例示的な実施形態では、一次増大制約システム151は、Schott D263強化ガラスなどのガラスを含む。他の例示的な実施形態では、一次増大制約システム151は、ポリエーテルエーテルケトン(PEEK)(例えば、Aptiv 1102)、炭素を有するPEEK(例えば、Victrex 90HMF40またはXycomp 1000-04)、炭素を有するポリフェニレンスルフィド(PPS)(例えば、Tepex Dynalite 207)、30%ガラスを含むポリエーテルエーテルケトン(PEEK)(例えば、Victrex 90HMF40またはXycomp 1000-04)、ポリイミド(例えば、Kapton(登録商標))などのプラスチックを含む。他の例示的な実施形態では、一次増大制約システム151は、Eガラス標準繊維/エポキシ、0度、EガラスUD/エポキシ、0度、Kevlar標準繊維/エポキシ、0度、Kevlar UD/エポキシ、0度、炭素標準繊維/エポキシ、0度、炭素UD/エポキシ、0度、Toyobo Zylon(登録商標)HM 繊維/エポキシなどの複合材料を含む。他の例示的な実施形態では、一次増大制約システム151は、ケブラー 49アラミド繊維、Sガラス繊維、炭素繊維、Vectran UM LCP繊維、Dyneema、Zylonなどの繊維を含む。
一次増大制約システム151の厚さ(t1)は、例えば、一次増大制約システム151の構成材料、電極アセンブリ106の全体寸法、および電池のアノードおよびカソードの組成を含む一連の要因による。いくつかの実施形態では、例えば、一次増大制約システム151は、約10から約100マイクロメートルの範囲の厚さを有するシートを含む。例えば、そのような一実施形態では、一次増大制約システム151は、約30μmの厚さを有するステンレス鋼シート(例えば、SS316)を含む。さらなる例として、他のそのような実施形態において、一次増大制約システム151は、約40μmの厚さを有するアルミニウムシート(例えば、7075-T6)を含む。さらなる例として、他のそのような実施形態において、一次増大制約システム151は、約30μmの厚さを有するジルコニアシート(例えば、Coorstek YZTP)を含む。さらなる例として、他のそのような実施形態において、一次増大制約システム151は、約75μmの厚さを有するEガラス UD/エポキシ 0度シートを含む。さらなる例として、他のそのような実施形態において、一次増大制約システム151は、50%を超える充填密度で12μmの炭素繊維を含む。
特定の理論に縛られることなく、本明細書に記載の接着方法は、接着、はんだ付け、接合、焼結、圧接、ろう付け、溶射接合、クランプ、またはそれらの組み合わせを含むことができる。接着は、導電性エポキシ、導電性エラストマー、ニッケル充填エポキシ、炭素充填エポキシなどの導電性金属を充填した絶縁性有機接着剤の混合物などの導電性材料と材料を接合することを含むことができる。導電性ペーストが材料を互いに接合するために使用されてもよく、接合強度は、温度(焼結)、光(UV硬化、架橋)、化学硬化(触媒系架橋)によって調整されることができる。接合プロセスは、ワイヤボンディング、リボンボンディング、超音波ボンディングを含むことができる。溶接プロセスは、超音波溶接、抵抗溶接、レーザービーム溶接、電子ビーム溶接、誘導溶接、および冷間溶接を含むことができる。これらの材料の接合はまた、材料を接合するためにプラズマ溶射、火炎溶射、アーク溶射などの溶射コーティングなどのコーティングプロセスを使用することによっても行うことができる。例えば、接着剤としてニッケルの溶射を使用して、ニッケルまたは銅のメッシュをニッケルバス上に接合することができる。
一群のアノード110およびカソード構造112の部材は、リチウム、ナトリウム、カリウム、カルシウム、マグネシウムまたはアルミニウムイオンなどのキャリアイオンを吸収および放出することができる電気活物質を含むことができる。いくつかの実施形態では、一群のアノード構造110の部材は、アノード活性電気活物質(時には負極と呼ばれる)を含み、一群のカソード構造112の部材は、カソード活性電気活物質(時には正極と呼ばれる)を含む。この段落に列挙された実施形態および実施例のそれぞれにおいて、負極活物質は、粒状凝集電極またはモノリシック電極とすることができる。
例示的なアノード活性電気活物質は、グラファイトおよび軟質または硬質炭素などの炭素材料、あるいはリチウムと合金を形成することができる金属、半金属、合金、酸化物および化合物の範囲のいずれかを含む。アノード材料を構成することができる金属または半金属の具体例は、スズ、鉛、マグネシウム、アルミニウム、ホウ素、ガリウム、シリコン、インジウム、ジルコニウム、ゲルマニウム、ビスマス、カドミウム、アンチモン、銀、亜鉛、ヒ素、ハフニウム、イットリウム、およびパラジウムを含む。例示的な一実施形態では、アノード活物質は、アルミニウム、スズ、またはシリコン、あるいはそれらの酸化物、それらの窒化物、それらのフッ化物、またはそれらの他の合金を含む。他の例示的な実施形態では、アノード活物質は、シリコンまたはその合金を含む。
例示的なカソード活物質は、広範囲のカソード活物質のいずれかを含む。例えば、リチウムイオン電池の場合、カソード活物質は、遷移金属酸化物、遷移金属硫化物、遷移金属窒化物、リチウム遷移金属酸化物、リチウム遷移金属硫化物、およびリチウム遷移金属窒化物から選択的に使用されることができるカソード材料を含むことができる。これら遷移金属酸化物、遷移金属硫化物、および遷移金属窒化物の遷移金属元素は、d‐シェルまたはf‐シェルを有する金属元素を含むことができる。このような金属元素の具体例は、Sc、Y、ランタノイド、アクチノイド、Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Mn、Tc、Re、Fe、Ru、Os、Co、Rh、Ir、Ni、Pb、Pt、Cu、Ag、およびAuである。さらなるカソード活物質は、LiCoO2、LiNi0.5Mn1.5O4、Li(NixCoyAl2)O2、LiFePO4、Li2MnO4、V2O5、モリブデンオキシサルファイド、リン酸塩、ケイ酸塩、バナジウム酸塩およびそれらの組み合わせを含む。
一実施形態では、アノード活物質は、リチウムイオン(または他のキャリアイオン)が充電および放電プロセス中に負極活物質に取り込まれるかまたはそこから出るときに、微細構造化されて体積膨張および収縮に適応する有意なボイド体積分率を提供する。一般に、アノード活物質のボイド率は、少なくとも0.1である。しかしながら、通常、負極活物質のボイド率は、0.8以下である。例えば、一実施形態では、負極活物質のボイド率は、約0.15から約0.75である。さらなる例として、一実施形態では、アノード活物質のボイド率は、約0.2から約0.7である。さらなる例として、一実施形態では、アノード活物質のボイド率は、約0.25から約0.6である。
微細構造化アノード活物質の組成およびその形成方法に応じて、微細構造化アノード活物質は、マクロポーラス、ミクロポーラス、もしくはメソポーラス材料層、またはミクロポーラスとメソポーラスの組み合わせ、もしくはメソポーラスとマクロポーラスの組み合わせなどの組み合わせを含むことができる。ミクロポーラス材料は、典型的には、10nm未満の細孔寸法、10nm未満の壁寸法、1~50マイクロメートルの細孔深さ、ならびに一般に「スポンジ状」で不規則な外観、滑らかではない壁、および分岐した細孔を特徴とする細孔形態によって特徴付けられる。メソポーラス材料は、典型的には、10~50nmの細孔寸法、10~50nmの壁寸法、1~100μmの細孔深さ、および一般に、ある程度明確に定義された分岐細孔もしくは樹状細孔によって特徴付けられる細孔形態によって特徴付けられる。マクロポーラス材料は、典型的には、50nmを超える細孔寸法、50nmを超える壁寸法、1~500マイクロメートルの細孔深さ、ならびに変化し得る、直線状、分岐状、もしくは樹状、および滑らかもしくは粗い壁とする細孔形態によって特徴付けられる。さらに、ボイド体積は、開放または閉鎖ボイド、またはそれらの組み合わせを含むことができる。一実施形態では、ボイド体積は、開放ボイドを含み、すなわち、アノード活物質は、アノード活物質の側面にリチウムイオン(または他のキャリアイオン)が出入りすることができる開口を有するボイドを含み、含み、例えば、リチウムイオンは、カソード活物質を出た後にボイド開口を通ってアノード活物質に入ることができる。他の実施形態では、ボイド体積は、閉鎖ボイドを含み、すなわち、アノード活物質は、アノード活物質によって囲まれたボイドを含む。一般に、開放ボイドは、キャリアイオンのためにより大きい界面表面積を提供することができるのに対して、閉鎖ボイドは、固体電解質界面の影響を受けにくくなる傾向がある一方で、それぞれが、キャリアイオンの侵入時に負極活物質の膨張の余地を提供する。したがって、特定の実施形態では、アノード活物質が開放ボイドと閉鎖ボイドとの組み合わせを含むことが好ましい。
一実施形態では、アノード活物質は、多孔質アルミニウム、スズもしくはシリコンまたはそれらの合金を含む。多孔質シリコン層は、例えば、アノード酸化により、エッチングにより(例えば、単結晶シリコンの表面に金、白金、銀または金/パラジウムなどの貴金属を蒸着し、フッ化水素酸および過酸化水素の混合物で表面をエッチングすることにより)、またはパターン化化学エッチングなどの当該技術分野において公知の他の方法により、形成されることができる。さらに、多孔質アノード活物質は、一般に、少なくとも約0.1であるが0.8未満の多孔度を有し、約1から約100マイクロメートルの厚さを有する。例えば、一実施形態では、アノード活物質は、多孔質シリコンを含み、約5から約100マイクロメートルの厚さを有し、約0.15から約0.75の多孔度を有する。さらなる例として、一実施形態では、アノード活物質は、多孔質シリコンを含み、約10から約80マイクロメートルの厚さを有し、約0.15から約0.7の多孔度を有する。さらなる例として、そのような一実施形態では、アノード活物質は、多孔質シリコンを含み、約20から約50マイクロメートルの厚さを有し、約0.25から約0.6の多孔度を有する。さらなる例として、一実施形態では、アノード活物質は、多孔質シリコン合金(ニッケルシリサイドなど)を含み、約5から約100マイクロメートルの厚さを有し、約0.15から約0.75の多孔度を有する。
他の実施形態では、アノード活物質は、アルミニウム、スズ、もしくはシリコン、またはそれらの合金の繊維を含む。個々の繊維は、約5nmから約10,000nmの直径(厚さ寸法)、およびアノード活物質の厚さにほぼ対応する長さを有することができる。シリコンの繊維(ナノワイヤ)は、例えば、化学気相成長法、または気液固(VLS)成長および固液固(SLS)成長などの当該技術分野において知られている他の技法によって形成されることができる。さらに、アノード活物質は、一般に、少なくとも約0.1であるが0.8未満の多孔度を有し、約1から約200マイクロメートルの厚さを有する。例えば、一実施形態では、アノード活物質は、シリコンナノワイヤを含み、約5から約100マイクロメートルの厚さを有し、約0.15から約0.75の多孔度を有する。さらなる例として、一実施形態では、アノード活物質は、シリコンナノワイヤを含み、約10から約80マイクロメートルの厚さを有し、約0.15から約0.7の多孔度を有する。さらなる例として、そのような一実施形態では、アノード活物質は、シリコンナノワイヤを含み、約20から約50マイクロメートルの厚さを有し、約0.25から約0.6の多孔度を有する。さらなる例として、一実施形態では、アノード活物質は、シリコン合金(ニッケルシリサイドなど)のナノワイヤを含み、約5から約100マイクロメートルの厚さを有し、約0.15から約0.75の多孔度を有する。
一実施形態では、一群のアノード110の各部材は、底部、頂部、および底部からその頂部へ、且つアノード構造110およびカソード構造112の交互配列が進行する方向とほぼ垂直な方向に延びる長手方向軸(AE)を有する。さらに、一群のアノード110の各部材は、アノードの長手方向軸(AE)に沿って測定された長さ(LA)、アノード構造とカソード構造の交互配列が進行する方向に測定された幅(WA)、長さ(LA)および幅(WA)の測定方向のそれぞれに垂直な方向に測定された高さ(HA)を有する。一群のアノードの各部材はまた、その長手方向軸に対して垂直である平面内の電極の投影の辺の長さの合計に対応する周囲長(PA)を有する。長さLA、幅WAおよび高さHAの例示的な値は、上記でさらに詳細に述べられている。
一実施形態によれば、一群のアノードの部材は、第1の高さを有する1つ以上の第1のアノード部材と、第1の高さ以外の第2の高さを有する1つ以上の第2のアノード部材とを含む。例えば、一実施形態では、1つ以上の第1のアノード部材は、アノード部材が垂直方向(Z軸)で第2の制約システムの一部と接触できるように選択された高さを有することができる。例えば、第1のアノード部材のうちの1つ以上の高さは、第1のアノード部材またはそのサブ構造のうちの少なくとも1つが二次接続部材166として機能するなど、第1のアノード部材が垂直軸に沿って第1および第2の二次増大制約部158、160の間に延びて接触するのに十分な高さとすることができる。さらにまた、一実施形態によれば、1つ以上の第2のアノード部材は、例えば1つ以上の第2のアノード部材が第1および第2の二次増大制約条件158、160両方と接触するように完全に延在しないように、1つ以上の第1のアノード部材より低い高さを有することができる。さらに他の実施形態では、1つ以上の第1のアノード部材および1つ以上の第2のアノード部材の異なる高さは、長手方向軸および/または横軸のうちの1つ以上に沿って異なる高さを有する電極アセンブリ形状など、電極アセンブリ106の所定の形状に対応する、および/または二次電池に所定の性能特性を提供するように選択されることができる。
一群のアノードの部材の周囲長(PA)は、エネルギー貯蔵装置およびその意図される用途に応じて同様に変わる。しかしながら、一般に、一群のアノードの部材は、典型的には、約0.025mmから約25mmの範囲内の周囲長(PA)を有する。例えば、一実施形態では、一群のアノードの各部材の周囲長(PA)は、約0.1mmから約15mmの範囲内にある。さらなる例として、一実施形態では、一群のアノードの各部材の周囲長(PA)は、約0.5mmから約10mmの範囲内にある。
一般に、一群のアノードの部材は、その幅(WA)およびその高さ(HA)のそれぞれよりも実質的に大きい長さ(LA)を有する。例えば、一実施形態では、WAとHAのそれぞれに対するLAの比は、一群のアノードの各部材について、それぞれ少なくとも5:1である(すなわち、LAとWAの比は、それぞれ、少なくとも5:1であり、LAとHAの比は、それぞれ、少なくとも5:1である)。さらなる例として、一実施形態では、WAとHAのそれぞれに対するLAの比は、少なくとも10:1である。さらなる例として、一実施形態では、WAとHAのそれぞれに対するLAの比は、少なくとも15:1である。さらなる例として、一実施形態では、WAとHAのそれぞれに対するLAの比は、一群のアノードの各部材について少なくとも20:1である。
さらに、一群のアノードの部材は、その周囲長(PA)よりも実質的に大きい長さ(LA)を有することが一般に好ましく、例えば、一実施形態では、PAに対するLAの比は、一群のアノードの各部材について、それぞれ少なくとも1.25:1である。さらなる例として、一実施形態では、PAに対するLAの比は、一群のアノードの各部材について、それぞれ少なくとも2.5:1である。さらなる例として、一実施形態では、PAに対するLAの比は、一群のアノードの各部材について、それぞれ少なくとも3.75:1である。
一実施形態では、一群のアノードの部材の幅(WA)に対する高さ(HA)の比は、それぞれ少なくとも0.4:1である。例えば、一実施形態では、WAに対するHAの比は、一群のアノードの各部材について、それぞれ少なくとも2:1である。さらなる例として、一実施形態では、WAに対するHAの比は、それぞれ少なくとも10:1である。さらなる例として、一実施形態では、WAに対するHAの比は、それぞれ少なくとも20:1である。しかしながら、典型的には、WAに対するHAの比は、一般に、それぞれ1,000:1未満である。例えば、一実施形態では、WAに対するHAの比は、それぞれ500:1未満である。さらなる例として、一実施形態では、WAに対するHAの比は、それぞれ100:1未満である。さらなる例として、一実施形態では、WAに対するHAの比は、それぞれ10:1未満である。さらなる例として、一実施形態では、WAに対するHAの比は、一群のアノードの各部材について、それぞれ約2:1から約100:1の範囲内である。
一群のカソードの各部材は、底部、頂部、およびその底部から頂部へ、ならびにアノード構造およびカソード構造の交互配列が進行する方向に対してほぼ垂直な方向に延びる長手方向軸(ACE)を有する。さらに、一群のカソードの各部材は、長手方向軸(ACE)に沿って測定された長さ(LC)、アノード構造とカソード構造の交互配列が進行する方向に測定された幅(WC)、および長さ(LC)および幅(WC)の測定方向のそれぞれに垂直な方向に測定された高さ(HC)を有する。一群のカソードの各部材はまた、その長手方向軸に対して垂直である平面におけるカソードの投影の辺の長さの合計に対応する周囲長(PC)を有する。
一実施形態によれば、一群のカソードの部材は、第1の高さを有する1つ以上の第1のカソード部材と、第1の高さ以外の第2の高さを有する1つ以上の第2のカソード部材とを含む。例えば、一実施形態では、1つ以上の第1のカソード部材は、カソード部材が垂直方向(Z軸)で第2の制約システムの一部と接触できるように選択された高さを有することができる。例えば、第1のカソード部材のうちの1つ以上の高さは、第1のカソード部材またはそのサブ構造のうちの少なくとも1つが二次接続部材166として機能するなど、第1のカソード部材が垂直軸に沿って第1および第2の二次増大制約部158、160の間に延びて接触するのに十分な高さとすることができる。さらにまた、一実施形態によれば、1つ以上の第2のカソード部材は、例えば1つ以上の第2のカソード部材が第1および第2の二次増大制約条件158、160両方と接触するように完全に延在しないように、1つ以上の第1のカソード部材より低い高さを有することができる。さらに他の実施形態では、1つ以上の第1のカソード部材および1つ以上の第2のカソード部材の異なる高さは、長手方向軸および/または横軸のうちの1つ以上に沿って異なる高さを有する電極アセンブリ形状など、電極アセンブリ106の所定の形状に対応する、および/または二次電池に所定の性能特性を提供するように選択されることができる。
一群のカソードの部材の周囲長(PC)もまた、エネルギー貯蔵装置およびその意図される用途に応じて変わる。しかしながら、一般に、一群のカソードの部材は、典型的には、約0.025mmから約25mmの範囲内の周囲長(PC)を有する。例えば、一実施形態では、一群のカソードの各部材の周囲長(PC)は、約0.1mmから約15mmの範囲内にある。さらなる例として、一実施形態では、一群のカソードの各部材の周囲長(PC)は、約0.5mmから約10mmの範囲内にある。
一般に、一群のカソードの各部材は、幅(WC)よりも実質的に大きく、その高さ(HC)よりも実質的に大きい長さ(LC)を有する。例えば、一実施形態では、WCとHCのそれぞれに対するLCの比は、一群のカソードの各部材について、それぞれ少なくとも5:1である(すなわち、LCとWCの比は、それぞれ、少なくとも5:1であり、LCとHCの比は、それぞれ、少なくとも5:1である)。さらなる例として、一実施形態では、WCとHCのそれぞれに対するLCの比は、一群のカソードの各部材について少なくとも10:1である。さらなる例として、一実施形態では、WCとHCのそれぞれに対するLCの比は、一群のカソードの各部材について少なくとも15:1である。さらなる例として、一実施形態では、WCとHCのそれぞれに対するLCの比は、一群のカソードの各部材について少なくとも20:1である。
さらに、一群のカソードの部材は、その周囲長(PC)よりも実質的に大きい長さ(LC)を有することが一般に好ましく、例えば、一実施形態では、PCに対するLCの比は、一群のカソードの各部材について、それぞれ少なくとも1.25:1である。さらなる例として、一実施形態では、PCに対するLCの比は、一群のカソードの各部材について、それぞれ少なくとも2.5:1である。さらなる例として、一実施形態では、PCに対するLCの比は、一群のカソードの各部材について、それぞれ少なくとも3.75:1である。
一実施形態では、一群のカソードの部材の幅(WC)に対する高さ(HC)の比は、それぞれ少なくとも0.4:1である。例えば、一実施形態では、WEに対するHCの比は、一群のカソードの各部材について、それぞれ少なくとも2:1である。さらなる例として、一実施形態では、WCに対するHCの比は、一群のカソードの各部材について、それぞれ少なくとも10:1である。さらなる例として、一実施形態では、WCに対するHCの比は、一群のカソードの各部材について、それぞれ少なくとも20:1である。しかしながら、典型的には、WCに対するHCの比は、一般に、一群のカソードの各部材について、それぞれ1,000:1未満である。例えば、一実施形態では、WCに対するHCの比は、一群のカソードの各部材について、それぞれ500:1未満である。さらなる例として、一実施形態では、WCに対するHCの比は、それぞれ100:1未満である。さらなる例として、一実施形態では、WCに対するHCの比は、それぞれ10:1未満である。さらなる例として、一実施形態では、WCに対するHCの比は、一群のカソードの各部材について、それぞれ約2:1から約100:1の範囲内である。
一実施形態では、一群のアノードの各部材に含まれるアノード集電体層136は、そのようなアノード集電体を構成する部材の長さLNEの少なくとも50%の長さLNCを有する。さらなる例として、一実施形態では、一群のアノードの各部材に含まれるアノード集電体層136は、そのようなアノード集電体を構成する部材の長さLNEの少なくとも60%の長さLNCを有する。さらなる例として、一実施形態では、一群のアノードの各部材に含まれるアノード集電体層136は、そのようなアノード集電体を構成する部材の長さLNEの少なくとも70%の長さLNCを有する。さらなる例として、一実施形態では、一群のアノードの各部材に含まれるアノード集電体層136は、そのようなアノード集電体を構成する部材の長さLNEの少なくとも80%の長さLNCを有する。さらなる例として、一実施形態では、一群のアノードの各部材に含まれるアノード集電体136は、そのようなアノード集電体を構成する部材の長さLNEの少なくとも90%の長さLNCを有する。
一実施形態では、一群のカソードの各部材に含まれるカソード集電体層140は、そのようなカソード集電体を構成する部材の長さLPEの少なくとも50%の長さLPCを有する。さらなる例として、一実施形態では、一群のカソードの各部材に含まれるカソード集電体層140は、そのようなカソード集電体を構成する部材の長さLPEの少なくとも60%の長さLPCを有する。さらなる例として、一実施形態では、一群のカソードの各部材に含まれるカソード集電体層140は、そのようなカソード集電体を構成する部材の長さLPEの少なくとも70%の長さLPCを有する。さらなる例として、一実施形態では、一群のカソードの各部材に含まれるカソード集電体層140は、そのようなカソード集電体を構成する部材の長さLPEの少なくとも80%の長さLPCを有する。さらなる例として、一実施形態では、一群のカソードの各部材に含まれるカソード集電体層140は、そのようなカソード集電体を構成する部材の長さLPEの少なくとも90%の長さLPCを有する。
一実施形態では、アノード集電体136は、アノード活物質層とセパレータとの間に配置されるため、アノード集電体からの電流をアノード活物質層の表面にわたって分配することによって、より均一なキャリアイオン輸送を容易にすることができる。これにより、ひいては、キャリアイオンのより均一な挿入および抽出を容易にし、それによってサイクル中のアノード活物質内の応力を低減することができる。アノード集電体136は、セパレータに面するアノード活物質層の表面に電流を分配するため、キャリアイオンについてのアノード活物質層の反応性は、キャリアイオン濃度が最大であるところで最大になる。さらに他の実施形態では、アノード集電体136とアノード活物質層との位置は逆であってもよい。
一実施形態によれば、一群のカソード構造の各部材は、例えばカソードバックボーンとカソード活物質層との間に配置されることができるカソード集電体140を有する。さらに、アノード集電体136およびカソード電極集電体140のうちの1つ以上は、アルミニウム、炭素、クロム、金、ニッケル、NiP、パラジウム、白金、ロジウム、ルテニウム、シリコンとニッケルの合金、チタン、またはそれらの組み合わせなどの金属を含むことができる(A. H. WhiteheadおよびM. Schreiberによる「リチウム系電池の正極用の集電体」、Journal of the Electrochemical Society, 152(11) A2105-A2113 (2005)を参照)。さらなる例として、一実施形態では、カソード集電体140は、金、または金シリサイドなどの金合金を含む。さらなる例として、一実施形態では、カソード集電体140は、ニッケル、またはケイ化ニッケルなどのニッケル合金を含む。
他の実施形態では、例えばカソード電極集電体層がセパレータ層とカソード活性物質層との間に配置されるように、カソード集電体層とカソード電極活物質層の位置は逆であってもよい。そのような実施形態では、直接隣接するカソード活物質層用のカソード電極集電体140は、アノード集電体層に関して説明したような組成および構造を有するイオン透過性導電体を含む。すなわち、カソード集電体層は、イオン伝導性および導電性の両方をもつイオン透過性導電体材料の層を含む。この実施形態では、カソード電極集電体層は、電気化学スタックにおけるカソード電極集電体の一方側の直接隣接するカソード電極活物質層とカソード電極集電体層の他方側の直接隣接するセパレータ層との間でのキャリアイオンの移動を容易にするキャリアイオンの厚さ、導電率、およびイオン導電率を有する。
電気絶縁セパレータ層130は、一群のアノード構造110の各部材を囲んで一群のカソード構造112の各部材から電気的に絶縁することができる。電気絶縁性セパレータ層130は、典型的には、非水性電解質を浸透させることができる微孔質セパレータ材料を含み、例えば、一実施形態では、微孔質セパレータ材料は、少なくとも50Å、より典型的には約2,500Åの範囲内の直径、および約25%から約75%の範囲、より典型的には約35~55%の範囲内の多孔度を有する孔を含む。さらに、微孔質セパレータ材料は、一群のアノードおよび一群のカソードの隣接する部材間でのキャリアイオンの伝導を可能にするために非水性電解質を浸透させることができる。例えば、特定の実施形態では、微孔質セパレータ材料の多孔度を無視して、充電または放電サイクル中のイオン交換のための一群のアノード構造110の部材と一群のカソード構造112の最も近い部材との間の少なくとも70体積%の電気絶縁性セパレータ材料(すなわち、「隣接対」)は、微孔質セパレータ材料である。換言すれば、微孔質セパレータ材料は、一群のアノード構造110の部材と一群のカソード構造112の最も近い部材との間の電気絶縁材料の少なくとも70体積%を構成する。さらなる例として、一実施形態では、微孔質セパレータ材料の多孔度を無視して、微孔質セパレータ材料は、それぞれ、一群のアノード構造110の部材の隣接対と一群のカソード構造112の部材との間の電気絶縁性セパレータ材料層の少なくとも75体積%を構成する。さらなる例として、一実施形態では、微孔質セパレータ材料の多孔度を無視して、微孔質セパレータ材料は、それぞれ、一群のアノード構造110の部材の隣接対と一群のカソード構造112の部材との間の電気絶縁性セパレータ材料層の少なくとも80体積%を構成する。さらなる例として、一実施形態では、微孔質セパレータ材料の多孔度を無視して、微孔質セパレータ材料は、それぞれ、一群のアノード構造110の部材の隣接対と一群のカソード構造112の部材との間の電気絶縁性セパレータ材料層の少なくとも85体積%を構成する。さらなる例として、一実施形態では、微孔質セパレータ材料の多孔度を無視して、微孔質セパレータ材料は、それぞれ、一群のアノード構造110の部材の隣接対と一群のカソード構造112の部材との間の電気絶縁性セパレータ材料層の少なくとも90体積%を構成する。さらなる例として、一実施形態では、微孔質セパレータ材料の多孔度を無視して、微孔質セパレータ材料は、それぞれ、一群のアノード構造110の部材の隣接対と一群のカソード構造112の部材との間の電気絶縁性セパレータ材料層の少なくとも95体積%を構成する。さらなる例として、一実施形態では、微孔質セパレータ材料の多孔度を無視して、微孔質セパレータ材料は、それぞれ、一群のアノード構造110の部材の隣接対と一群のカソード構造112の部材との間の電気絶縁性セパレータ材料層の少なくとも99体積%を構成する。
一実施形態では、微孔質セパレータ材料は、粒状材料と結合剤とを含み、少なくとも約20体積%の多孔度(ボイド率)を有する。微孔質セパレータ材料の細孔は、少なくとも50Åの直径を有し、典型的には約250から2,500Åの範囲内に含まれる。微孔質セパレータ材料は、典型的には、約75%未満の多孔度を有する。一実施形態では、微孔質セパレータ材料は、少なくとも約25体積%の多孔度(ボイド率)を有する。一実施形態では、微孔質セパレータ材料は、約35~55%の多孔度を有する。
微孔質セパレータ材料用の結合剤は、広範囲の無機またはポリマー材料から選択されることができる。例えば、一実施形態では、結合剤は、ケイ酸塩、リン酸塩、アルミン酸塩、アルミノケイ酸塩、および水酸化マグネシウム、水酸化カルシウムなどの水酸化物からなる群から選択される有機材料である。例えば、一実施形態では、結合剤は、フッ化ビニリデン、ヘキサフルオロプロピレン、テトラフルオロプロペンなどを含有するモノマーから誘導されたフルオロポリマーである。他の実施形態では、結合剤は、ポリエチレン、ポリプロピレン、またはポリブテンなどのポリオレフィンであり、様々な分子量および密度の範囲のいずれかを有する。他の実施形態では、結合剤は、エチレン-ジエン-プロペンターポリマー、ポリスチレン、ポリメチルメタクリレート、ポリエチレングリコール、ポリ酢酸ビニル、ポリビニルブチラール、ポリアセタール、およびポリエチレングリコールジアクリレートからなる群から選択される。他の実施形態では、結合剤は、メチルセルロース、カルボキシメチルセルロース、スチレンゴム、ブタジエンゴム、スチレン-ブタジエンゴム、イソプレンゴム、ポリアクリルアミド、ポリビニルエーテル、ポリアクリル酸、ポリメタクリル酸、およびポリエチレンオキシドからなる群から選択される。他の実施形態では、結合剤は、アクリレート、スチレン、エポキシ、およびシリコンからなる群から選択される。他の実施形態では、結合剤は、前述のポリマーのうちの2つ以上のコポリマーまたはブレンドである。
微孔質セパレータ材料に含まれる粒状材料もまた、広範囲の材料から選択されることができる。一般に、そのような材料は、動作温度で比較的低い電子伝導性およびイオン伝導性を有し、微孔質セパレータ材料と接触する電池電極または集電体の動作電圧下では腐食しない。例えば、一実施形態において、粒状材料は、1×10-4S/cm未満のキャリアイオン(例えば、リチウム)についての導電率を有する。さらなる例として、一実施形態では、粒状材料は、1×10-5S/cm未満のキャリアイオンについての導電率を有する。さらなる例として、一実施形態では、粒状材料は、1×10-6S/cm未満のキャリアイオンについての導電率を有する。例示的な粒状材料は、粒状ポリエチレン、ポリプロピレン、TiO2-ポリマー複合材、シリカエアロゲル、ヒュームドシリカ、シリカゲル、シリカヒドロゲル、シリカキセロゲル、シリカゾル、コロイドシリカ、アルミナ、チタニア、マグネシア、カオリン、タルク、珪藻土、ケイ酸カルシウム、ケイ酸アルミニウム、炭酸カルシウム、炭酸マグネシウム、またはそれらの組み合わせを含む。例えば、一実施形態では、粒状材料は、TiO2、SiO2、Al2O3、GeO2、B2O3、Bi2O3、BaO、ZnO、ZrO2、BN、Si3N4、Ge3N4などの粒状酸化物または窒化物を含む。例えば、P. AroraおよびJ. Zhang、「電池セパレータ」Chemical Reviews 2004、104、4419-4462を参照のこと。一実施形態では、粒状材料は、約20nmから2マイクロメートル、より典型的には200nmから1.5マイクロメートルの平均粒径を有する。一実施形態では、粒状材料は約500nmから1マイクロメートルの平均粒径を有する。
代替実施形態では、微孔質セパレータ材料に含まれる粒状材料は、電池の機能のためのイオン伝導性を提供するために電解質進入に望まれるボイド率を維持しながら、焼結、結合、硬化などの技法によって結合されることができる。
微孔質セパレータ材料は、例えば、粒子が静電引力またはファンデルワールス力などの表面エネルギーによって合体される粒子状セパレータ材料の電気泳動蒸着、粒子状セパレータ材料のスラリー蒸着(スピンコーティングまたはスプレーコーティングを含む)、スクリーン印刷、ディップコーティング、および静電スプレー蒸着によって蒸着されることができる。結合剤は、蒸着プロセスに含まれてもよく、例えば、粒状材料は、溶媒蒸発時に沈殿する溶解結合剤を用いてスラリー蒸着させるか、溶解結合剤材料の存在下で電気泳動的に蒸着させるか、または結合剤および絶縁粒子などと共電気蒸着させることができる。代替的に、または追加的に、粒子を電極構造の中または上に蒸着させた後に結合剤を添加することができ、例えば、粒状材料を有機結合剤溶液中に分散させ、浸漬コーティングまたはスプレーコーティングし、続いて結合剤材料を乾燥、溶融または架橋させて接着強度を得ることができる。
組み立てられたエネルギー貯蔵装置において、微孔質セパレータ材料には、二次電池電解質としての使用に適した非水性電解質が浸透される。典型的には、非水性電解質は、有機溶媒に溶解したリチウム塩を含む。リチウム塩の例は、LiClO4、LiBF4、LiPF6、LiAsF6、LiCl、およびLiBrなどの無機リチウム塩;ならびにLiB(C6H5)4、LiN(SO2CF3)2、LiN(SO2CF3)3、LiNSO2CF3、LiNSO2CF5、LiNSO2C4F9、LiNSO2C5F11、LiNSO2C6F13、およびLiNSO2C7F15などの有機リチウム塩を含む。リチウム塩を溶解するための有機溶媒の例は、環状エステル、鎖状エステル、環状エーテル、および鎖状エーテルを含む。環状エステルの具体例は、プロピレンカーボネート、ブチレンカーボネート、γ-ブチロラクトン、ビニレンカーボネート、2-メチル-γ-ブチロラクトン、アセチル-γ-ブチロラクトン、およびγ-バレロラクトンを含む。鎖状エステルの具体例は、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、ジブチルカーボネート、ジプロピルカーボネート、メチルエチルカーボネート、メチルブチルカーボネート、メチルプロピルカーボネート、エチルブチルカーボネート、エチルプロピルカーボネート、ブチルプロピルカーボネート、アルキルプロピオネート、ジアルキルマロネート、およびアルキルアセテートを含む。環状エーテルの具体例は、テトラヒドロフラン、アルキルテトラヒドロフラン、ジアルキルテトラヒドロフラン、アルコキシテトラヒドロフラン、ジアルコキシテトラヒドロフラン、1,3-ジオキソラン、アルキル-1,3-ジオキソラン、および1,4-ジオキソランを含む。鎖状エーテルの具体例は、1,2-ジメトキシエタン、1,2-ジエトキシエタン、ジエチルエーテル、エチレングリコールジアルキルエーテル、ジエチレングリコールジアルキルエーテル、トリエチレングリコールジアルキルエーテル、およびテトラエチレングリコールジアルキルエーテルを含む。
さらにまた、一実施形態によれば、微孔質セパレータ130ならびに他のアノード110および/またはカソード112構造を含む二次電池102の構成要素は、二次電池102の充電および放電中にアノード活物質132の膨張が生じる場合であっても、構成要素が機能できる構成および組成を含む。すなわち、構成要素は、充電/放電中の電極活物質132の膨張による構成要素の故障が許容限界内にあるように構成されることができる。
参照による組み込み
以下に列挙したものを含む本明細書に記載の全ての刊行物および特許は、あたかも各個々の刊行物または特許が具体的且つ個別に参照により組み込まれるかのように、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。矛盾がある場合には、本明細書中の任意の定義を含む本特許出願が優先する。
等価物
以上、特定の実施形態について説明したが、上記の明細書は例示的なものであり、限定的なものではない。本明細書を検討すれば、当業者には多くの変形形態が明らかになるであろう。実施形態の全範囲は、特許請求の範囲をそれらの均等物の全範囲とともに、および明細書をそのような変形形態とともに参照して判断されるべきである。
特記しない限り、本明細書および特許請求の範囲で使用される成分の量、反応条件などを表す全ての数字は、全ての場合において用語「約(about)」によって修飾されていると理解されるべきである。したがって、そうでないと示さない限り、本明細書および添付の特許請求の範囲に記載の数値パラメータは、得られる所望の特性に応じて変わり得る近似値である。