JP7336839B2 - ３次元電池のための電極構造体 - Google Patents

Description

本発明は、全般的に、エネルギー貯蔵装置において使用されるための構造体に、係る構造体を内蔵するエネルギー貯蔵装置に、および係る構造体およびエネルギー装置を作製するための方法に、関する。

ロッキングチェア型２次電池または挿入２次電池（ｉｎｓｅｒｔｉｏｎ ｓｅｃｏｄａｒｙ ｂａｔｔｅｒｙ）は、リチウムイオン、ナトリウムイオン、カリウムイオン、カルシウムイオン、またはマグネシウムイオンなどのキャリアイオンが電解質を通って正極と負極との間で移動する種類のエネルギー貯蔵装置である。２次電池は、単一の電池セル、または電気的に連結されて電池を形成する２つ以上の電池セルを含み得る。なお各電池セルは、正極、負極、ミクロ多孔性セパレータ、および電解質を含む。

ロッキングチェア型の電池セルでは、正極および負極の両方は、キャリアイオンが提供され奪われる物質を含む。セルが放電される際は、キャリアイオンは負極から奪われ、正極に提供される。セルが充電される際は逆のプロセスが発生し、キャリアイオンは正極から奪われ、負極に提供される。

図１は非水性リチウムイオン電池などの既存のエネルギー貯蔵装置の電気化学的スタックの断面図を示す。電気化学的スタック１は正極電流コレクタ１２を含み、正極電流コレクタ１２の上に正極活物質層１３が組み立てられる。活物質層はミクロ多孔性セパレータ１４により覆われ、ミクロ多孔性セパレータ１４の上方には、負極電流コレクタ１５および負極活物質層１６の組立体が配置される。この電気化学的スタックは、時として負極電流コレクタ１５の上方で他のセパレータ層（図示せず）により覆われ、巻かれ、缶に詰め込まれ、非水電解質が充填され、それにより２次電池が組み立てられ得る。

正極電流コレクタおよび負極電流コレクタは、それぞれの活電気化学的電極からの電流を蓄え、電池外部の環境に電流が伝達されることを可能にする。負極電流コレクタの１部分は負極活物質に物理的に接触する一方で、正極電流コレクタの１部分は正極活物質に物理的に接触する。電流コレクタは電気化学反応には参加せず、したがってアノードおよびカソードに対してそれぞれの電気化学ポテンシャル範囲において電気的に安定した物質に限定される。

電流コレクタから電池外部の環境に電流を運ぶために、負極電流コレクタおよび正極電流コレクタのそれぞれは通常、一般に端子と総称される電極バス、タブ、タグ、パッケージフィードスルー、またはハウジングフィードスルーに接続される。端子の一方端が１つまたは複数の電流コレクタに接続される一方で、他方端は電池外部の環境に電気接続するためにバッテリーパッケージを通過する。溶接、締め付け、もしくは超音波接合により、負極端子は負極電流コレクタに接続され正極端子は正極電流コレクタに接続されるかまたは、導電性接着剤により定位置に接着される。

従来の巻回型電池（例えば米国特許第６，０９０，５０５号および米国特許第６，２３５，４２７号参照）は通常、セル組み立ての前に単一のホイル上にコーティングおよび圧縮された電極物質（活物質、結合剤、導電助剤）を有する。電極がコーティングされたホイルは通常、電流収集経路の１部分である。１８６５０セルまたは角柱セルなどの単一のゼリーロール電池では、電流コレクタホイルは、活物質から電流コレクタホイルおよびタブを通って電池外部まで電流を運ぶ電極バス、タブ、タグ、その他に超音波溶接される。設計に応じて、タブが、単一ゼリーロールに沿った複数箇所に、または電流コレクタホイルの一方端または両端における一箇所に沿って、存在し得る。従来のスタックされた電池ポーチセルは、実質的に寄せられてタブに対して一緒に溶接された各ホイルの上部上のエリアを有する活物質の複数のプレート（またはホイル）を有し、次にこのプレート（またはホイル）が電池ポーチの外部に電流を搬送する（例えば米国特許公開第２００５／０００８９３９号参照）。

再び図１を参照すると、充電プロセスの間、リチウムはリチウムイオンとして正極カソード層１３を出てセパレータ１４を通って負極活物質層１６へと移動する。使用される負極活物質に応じて、リチウムイオンはインターカレートされてもよく（例えば、合金を形成することなく、負極活物質のマトリクス内に位置する）、または合金を形成してもよい。放電プロセスの間、リチウムは負極活物質層１６を出てセパレータ１４を通って正極活物質層１３に進入する。電流導体は電子を電池端子（図示せず）から電極へと伝導し、または電極から電子端子へと伝導する。

電池、燃料セル、および電気化学的コンデンサなどの既存のエネルギー貯蔵装置は通常、図１に図示するような、各薄板の表面積がその幾何学的占有面積に（多孔性および表面粗さを無視して）略等しい２次元層状アーキテクチャ（例えば平面状または渦巻き型薄板）を有する。

電池容量および活物質利用を改善する方法として３次元電池が文献において提案されている。３次元アーキテクチャを使用して、２次元層状電池アーキテクチャと比較してより大きい表面積およびエネルギーが提供され得ることが提案されている。小さい幾何学的面積から得られ得るエネルギーが増加するため、３次元エネルギー貯蔵装置を作ることには利益が存在する。例えばＲｕｓｔらの国際公開第２００８／０８９１１０号、およびＬｏｎｇらの”Ｔｈｒｅｅ－Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ Ｂａｔｔｅｒｙ Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅｓ，” Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｒｅｖｉｅｗｓ，（２００４），１０４，４４６３－４４９２を参照されたい。

現時点まででもたらされている利点にも関わらず、増加されたエネルギー密度を有する２次電池および他のエネルギー貯蔵装置に対する必要性が依然として存在する。

電池、燃料セル、および電気化学的コンデンサなどのエネルギー貯蔵装置において使用されるための３次元構造体を提供することが、本発明の様々な態様に含まれる。有利なことに、本発明の１つの態様によれば、エネルギー貯蔵装置の他の構成要素（すなわちエネルギー貯蔵装置の非活物質構成要素）に対する電極活物質の比率が増大し得る。結果として、本発明に係る３次元構造体を備えるエネルギー貯蔵装置は増大したエネルギー密度を有し得る。係るエネルギー貯蔵装置は、例えば正極と負極との間における電子の輸送距離およびイオン輸送を最小化または低減することにより、貯蔵される特定のエネルギー量に対して２次元エネルギー貯蔵装置よりも高いエネルギー回収率も提供し得る。これらの装置は、小型化に対して、および、装置に対して利用可能な幾何学面積が限定された、および／または層状装置を用いて達成され得るよりもエネルギー密度要件が高い用途に対して、より好適であり得る。

したがって簡潔には、本発明の１つの態様は、エネルギー貯蔵装置において使用されるための構造体である。この構造体は、 電極群と、対電極群と、電極群の要素と対電極群の要素とを隔てるミクロ多孔性セパレータと、を含む電極構造体を含む。電極群および対電極群は交互シーケンスで配列され、この交互シーケンスでは、電極群の要素は、交互シーケンスが第１方向に進行する状態で、対電極群の要素により互いから隔てられる。電極群の各要素は電極活物質層および電極電流導体層を含み、電極群の各要素は、底部、上部、長さＬ_Ｅ、幅Ｗ_Ｅ、および高さＨ_Ｅを有する。なお長さＬ_Ｅはそれぞれの係る電極の底部から上部まで測定され、幅Ｗ_Ｅおよび高さＨ_Ｅは、互いに対して垂直であり且つ長さＬ_Ｅの測定の方向に垂直な方向に測定され、Ｌ_ＥのＷ_ＥおよびＨ_Ｅのそれぞれとの比はそれぞれ少なくとも５：１であり、Ｈ_ＥのＷ_Ｅとの比は０．４：１～１０００：１の範囲である。電極群の各要素の電極電流コレクタ層は、長さＬ_Ｅと同一方向に測定された長さＬ_Ｃを有し、長さＬ_Ｃは長さＬ_Ｅの少なくとも５０％である。

本発明の他の態様は、電極群、対電極群、および電極群の要素と対電極群の要素とを隔てるミクロ多孔性セパレータを含む電極構造体である。なお電極群は負極群であり、対電極群は正極群である。電極群および対電極群は交互シーケンスで配列され、この交互シーケンスでは、電極群の要素は、交互シーケンスが第１方向に進行する状態で、対電極群の要素により互いから隔てられる。負極群の各要素は負極活物質層および負極電流導体層を含み、負極群の各要素は底部と、上部と、長さＬ_ＮＥと、幅Ｗ_ＮＥと、高さＨ_ＮＥと、を有し、長さＬ_ＮＥはそれぞれの係る負極の底部から上部まで測定され、幅Ｗ_ＮＥおよび高さＨ_ＮＥは、互いに対して垂直であり且つ長さＬ_ＮＥの測定方向に垂直な方向に測定され、Ｌ_ＮＥのＷ_ＮＥおよびＨ_ＮＥのそれぞれとの比はそれぞれ少なくとも５：１であり、Ｈ_ＮＥのＷ_ＮＥとの比は０．４：１～１０００：１の範囲であり、当該群の各要素の負極電流コレクタ層は、Ｌ_ＮＥと同一方向に測定された長さＬ_ＮＣを有し、長さＬ_ＮＣはＬ_ＮＥの少なくとも５０％である。

本発明の他の態様は、電極群、対電極群、および電極群の要素と対電極群のメンバとを隔てるミクロ多孔性セパレータを含む電極構造体である。なお電極群は正極群であり、対電極群は負極群である。電極群および対電極群は交互シーケンスで配列され、この交互シーケンスでは、電極群の要素は、交互シーケンスが第１方向に進行する状態で、対電極群の要素により互いから隔てられる。対電極群は負極群であり、正極群の各要素は正極活物質層および正極電流導体層を含み、正極群の各要素は底部と、上部と、長さＬ_ＰＥと、幅Ｗ_ＰＥと、高さＨ_ＰＥと、を有する。長さＬ_ＰＥはそれぞれの係る正極の底部から上部まで測定され、幅Ｗ_ＰＥおよび高さＨ_ＰＥは、互いに対して垂直であり且つ長さＬ_ＰＥの測定方向に垂直な方向に測定され、Ｌ_ＰＥのＷ_ＰＥおよびＨ_ＰＥのそれぞれとの比はそれぞれ少なくとも５：１であり、Ｈ_ＰＥのＷ_ＰＥとの比はそれぞれ０．４：１～１０００：１の範囲であり、正極群の各要素の正極電流コレクタ層は、Ｌ_ＰＥと同一方向に測定された長さＬ_ＰＣを有し、長さＬ_ＰＣはＬ_ＰＥの少なくとも５０％である。

本発明の他の態様は、電極群、負極群、および正極群の要素と負極群の要素とを隔てるミクロ多孔性セパレータを含む電極構造体であって、
（ｉ）正極群の各要素は正極活物質層および正極電流導体層を含み、正極群の各要素は底部と、上部と、長さＬ_ＰＥと、幅Ｗ_ＰＥと、高さＨ_ＰＥと、を有し、長さＬ_ＰＥはそれぞれの係る正極の底部から上部まで測定され、幅Ｗ_ＰＥおよび高さＨ_ＰＥは、互いに対して垂直であり且つ長さＬ_ＰＥの測定方向に垂直な方向に測定され、Ｌ_ＰＥのＷ_ＰＥおよびＨ_ＰＥのそれぞれとの比はそれぞれ少なくとも５：１であり、Ｈ_ＰＥのＷ_ＰＥとの比はそれぞれ０．４：１～１０００：１の範囲であり、正極群の各要素の正極電流コレクタ層は、Ｌ_ＰＥと同一方向に測定された長さＬ_ＰＣを有し、長さＬ_ＰＣはＬ_ＰＥの少なくとも５０％であり、
（ｉｉ）負極群の各要素は負極活物質層および負極電流導体層を含み、負極群の各要素は底部と、上部と、長さＬ_ＮＥと、幅Ｗ_ＮＥと、高さＨ_ＮＥと、を有し、長さＬ_ＮＥはそれぞれの係る負極の底部から上部まで測定され、幅Ｗ_ＮＥおよび高さＨ_ＮＥは、互いに対して垂直であり且つ長さＬ_ＮＥの測定方向に垂直な方向に測定され、Ｌ_ＮＥのＷ_ＮＥおよびＨ_ＮＥのそれぞれとの比はそれぞれ少なくとも５：１であり、Ｈ_ＮＥのＷ_ＮＥとの比はそれぞれ０．４：１～１０００：１の範囲であり、負極群の各要素の負極電流コレクタ層は、Ｌ_ＮＥと同一方向に測定された長さＬ_ＮＣを有し、長さＬ_ＮＣは少なくとも少なくともＬ_ＮＥである、
電極構造体である。

本発明の他の態様は少なくとも２つの電極構造体を含む電極スタックであり、係る電極構造体のそれぞれは、電極群と、対電極群と、電極群の要素と対電極群の要素とを隔てるミクロ多孔性セパレータと、を含む。電極および対電極群は交互シーケンスで配列され、この交互シーケンスでは、電極群の要素は、交互シーケンスが第１方向に進行する状態で、対電極群の要素により互いから隔てられる。電極群の各要素は電極活物質層および電極電流導体層を含み、電極群の各要素は、底部、上部、長さＬ_Ｅ、幅Ｗ_Ｅ、および高さＨ_Ｅを有し、長さＬ_Ｅはそれぞれの係る電極の底部から上部まで測定され、幅Ｗ_Ｅおよび高さＨ_Ｅは、互いに対して垂直であり且つ長さＬ_Ｅの測定方向に垂直な方向に測定され、Ｌ_ＥのＷ_ＥおよびＨ_Ｅのそれぞれとの比はそれぞれ少なくとも５：１であり、Ｈ_ＥのＷ_Ｅとの比は０．４：１～１０００：１の範囲である。電極群の各要素の電極電流コレクタ層は、長さＬ_Ｅと同一方向に測定された長さＬ_Ｃを有し、長さＬ_Ｃは長さＬ_Ｅの少なくとも５０％である。

本発明の他の態様は少なくとも２つの電極構造体および非水電解質を含む２次電池であり、係る電極構造体のそれぞれは、電極群と、対電極群と、電極群の要素と対電極群の要素とを隔てる非水電解質が浸透されたミクロ多孔性セパレータと、を含む。電極群および対電極群は交互シーケンスで配列され、この交互シーケンスでは、電極群の要素は、交互シーケンスが第１方向に進行する状態で、対電極群の要素により互いから隔てられる。電極群の各要素は電極活物質層および電極電流導体層を含み、電極群の各要素は、底部、上部、長さＬ_Ｅ、幅Ｗ_Ｅ、および高さＨ_Ｅを有し、長さＬ_Ｅはそれぞれの係る電極の底部から上部まで測定され、幅Ｗ_Ｅおよび高さＨ_Ｅは、互いに対して垂直であり且つ長さＬ_Ｅの測定方向に垂直な方向に測定され、Ｌ_ＥのＷ_ＥおよびＨ_Ｅのそれぞれとの比はそれぞれ少なくとも５：１であり、Ｈ_ＥのＷ_Ｅとの比は０．４：１～１０００：１の範囲である。電極群の各要素の電極電流コレクタ層は、長さＬ_Ｅと同一方向に測定された長さＬ_Ｃを有し、長さＬ_Ｃは長さＬ_Ｅの少なくとも５０％である。

他の目的および特徴は以後、部分的に明らかにされ部分的に指摘されるであろう。

リチウムイオン電池などの一般的な先行技術に係る２次元エネルギー貯蔵装置の電気化学的スタックのセルの断面図である。 内部構造を図示するために各部が破断された状態の、本発明に係る電極構造体の１つの実施形態の透視図である。 線３－３を含む平面で取られた図２の電極構造体の部分断面図である。 図２の電極構造体のサブ組立体の部分斜視図である。 線５に沿って取られた図４の電極構造体のサブ組立体の上面図である。 線６に沿って取られた図４の電極構造体のサブ組立体の上面図である。 図５の線７－７を含む平面で取られた電極構造体のサブ組立体の断面図である。 図６の線８－８を含む平面で取られた電極構造体のサブ組立体の断面図である。 内部構造を図示するために各部が破断された状態の、線５に沿って取られた図４の電極構造体のサブ組立体の部分斜視図である。 内部構造を図示するために各部が破断された状態の、線６に沿って取られた図４の電極構造体のサブ組立体の部分斜視図である。 本発明に係る３次元２次電池の分解図である。 図１１の組み立てられた３次元２次電池の部分透視図である。 図１１の組み立てられた３次元２次電池の代替の実施形態の部分透視図である。 図１１の組み立てられた３次元２次電池の代替の実施形態の部分透視図である。 図１１の組み立てられた３次元２次電池の代替の実施形態の部分透視図である。 図５の線１６－１６を含む平面で取られた電極構造体のサブ組立体の断面図である。 図６の線１７－１７を含む平面で取られた電極構造体のサブ組立体の断面図である。 本発明に係る電極（正極または負極）の代替の実施形態の断面図である。 本発明に係る電極（正極または負極）の代替の実施形態の断面図である。 本発明に係る電極（正極または負極）の代替の実施形態の断面図である。 本発明に係る電極（正極または負極）の代替の実施形態の断面図である。 本発明に係る電極（正極または負極）の代替の実施形態の断面図である。

対応する参照符号は、全図面を通して、対応する部分を示す。

本発明の様々な態様の中で、電池、燃料セル、および電気化学的コンデンサなどのエネルギー貯蔵装置に組み込まれたとき、３次元構造体が特定的な利点を提供することに注意されたい。例えば係る構造体は、正極、負極、および／またはセパレータが本質的に非層状である２次電池に組み込まれ得る。有利なことに、係る非層状の正極構造体および負極構造体に対する表面積は、電極を支持する基部の幾何学的占有面積の１．５倍、２倍、２．５倍、さらには３倍以上となり得る。１つの好適な代表的実施形態では、係る構造体は、キャリアイオン（例えばリチウムイオン、ナトリウムイオン、カリウムイオン、カルシウムイオン、およびマグネシウムイオンから選択される）が正極と負極との間で移動する２次電池に組み込まれる。

一般的に、３次元構造体は、電極群、対電極群、および電極群の要素と対電極群の要素とを隔てるミクロ多孔性セパレータを含む電極構造体を含む。電極群および対電極群は、交互シーケンスが第１方向に進行する状態で、電極群の実質的に各要素が対電極群の２つの要素間に挟まれ、且つ対電極群の実質的に各要素が電極群の２つの要素間に挟まれた交互シーケンスで配列される。例えば、交互シリーズ内の最初および最後の電極または対電極を除き、１つの実施形態では、交互シリーズ内の各電極は２つの対電極間に挟まれ、交互シリーズ内の各対電極は２つの電極間に挟まれる。

電極群の各要素は電極活物質層および電極電流導体層を含み、電極群の各要素は、底部、上部、長さＬ_Ｅ、幅Ｗ_Ｅ、高さＨ_Ｅ、および周辺長Ｐ_Ｅを有し、長さＬ_Ｅはそれぞれの係る電極の底部から上部まで測定され、幅Ｗ_Ｅおよび高さＨ_Ｅは、互いに対して垂直であり且つ長さＬ_Ｅの測定方向に垂直な方向に測定され、Ｌ_ＥのＷ_ＥおよびＨ_Ｅのそれぞれとの比はそれぞれ少なくとも５：１であり、Ｈ_ＥのＷ_Ｅとの比は０．４：１～１０００：１の範囲であり、電極群の各要素に対してＬ_ＥのＰ_Ｅとの比は少なくとも１．２５：１である。電極群の各要素の電極電流コレクタ層は、長さＬ_Ｅと同一方向に測定された長さＬ_Ｅ－Ｃを有し、長さＬ_Ｅ－Ｃは長さＬ_Ｅの少なくとも５０％である。一般に、電極群の要素は通常、約５ｍｍ～約５００ｍｍの範囲の長さ（Ｌ_Ｅ）を有するであろう。ある特定の実施形態では、電極群の各要素は通常、約１０ｍｍ～約２５０ｍｍの範囲の長さＬ_Ｅを有する。さらなる例として１つの係る実施形態では、電極群の要素は約２５ｍｍ～約１００ｍｍの長さ（Ｌ_Ｅ）を有する。

１つの実施形態では、対電極群の各要素は、対電極活物質層および対電極電流導体層を含み、対電極群の各要素の寸法は、電極群の各要素に釣り合う。すなわち対電極群の各要素は底部と、上部と、長さＬ_ＣＥと、幅Ｗ_ＣＥと、高さＨ_ＣＥと、周辺長Ｐ_ＣＥと、を有し、長さＬ_ＣＥはそれぞれの係る対電極の底部から上部まで測定され、幅Ｗ_ＣＥおよび高さＨ_ＣＥは互いに対して垂直であり且つ長さＬ_ＣＥの測定方向に垂直な方向に測定され、Ｌ_ＣＥのＷ_ＣＥおよびＨ_ＣＥのそれぞれとの比はそれぞれ少なくとも５：１であり、Ｈ_ＣＥのＷ_ＣＥとの比は０．４：１～１０００：１の範囲であり、対電極群の各要素に対してＬ_ＣＥのＰ_ＣＥとの比は少なくとも１．２５：１である。この実施形態では、電極群の各要素の対電極電流コレクタ層は、長さＬ_ＣＥと同一方向に測定された長さＬ_ＣＥ－Ｃを有し、長さＬ_ＣＥ－Ｃは長さＬ_ＣＥの少なくとも５０％である。一般に、対電極群の要素は通常、約５ｍｍ～約５００ｍｍの範囲の長さ（Ｌ_ＣＥ）を有するであろう。ある特定の実施形態では、対電極群の各要素は通常、約１０ｍｍ～約２５０ｍｍの範囲の長さＬ_ＣＥを有する。さらなる例として１つの係る実施形態では、対電極群の要素は約２５ｍｍ～約１００ｍｍの長さ（Ｌ_ＣＥ）を有する。

電極群は負極群であり得、対電極群は正極群であり得る。この実施形態では、電極群の各要素の長さＬ_Ｅ、幅Ｗ_Ｅ、高さＨ_Ｅ、および周辺長Ｐ_Ｅはそれぞれ負極群の各要素の長さＬ_ＮＥ、幅Ｗ_ＮＥ、高さＨ_ＮＥ、および周辺長Ｐ_ＮＥに対応し、電極群の各要素の電流コレクタの長さＬ_Ｅ－Ｃは負極群の各要素の電流コレクタの長さＬ_ＮＣに対応する。加えて、対電極群の各要素の長さＬ_ＣＥ、幅Ｗ_ＣＥ、高さＨ_ＣＥ、および周辺長Ｐ_ＣＥはそれぞれ電極群の各要素の長さＬ_ＰＥ、幅Ｗ_ＰＥ、高さＨ_ＰＥ、周辺長Ｐ_ＰＥに対応し、対電極群の各要素の電流コレクタの長さＬ_ＣＥ－Ｃは、正極群の各要素の電流コレクタの長さＬ_ＰＣに対応する。

代替の実施形態では、電極群は正極群であり、対電極群は負極群である。したがってこの実施形態では、電極群の各要素の長さＬ_Ｅ、幅Ｗ_Ｅ、高さＨ_Ｅ、および周辺長Ｐ_Ｅはそれぞれ正極群の各要素の長さＬ_ＰＥ、幅Ｗ_ＰＥ、高さＨ_ＰＥ、および周辺長Ｐ_ＰＥに対応し、電極群の各要素の電流コレクタの長さＬ_Ｅ－Ｃは正極群の各要素の電流コレクタの長さＬ_ＰＣに対応する。加えて、対電極群の各要素の長さＬ_ＣＥ、幅Ｗ_ＣＥ、高さＨ_ＣＥ、および周辺長Ｐ_ＣＥはそれぞれ負極群の各要素の長さＬ_ＮＥ、幅Ｗ_ＮＥ、高さＨ_ＮＥ、周辺長Ｐ_ＮＥに対応し、対電極群の各要素の電流コレクタの長さＬ_ＣＥ－Ｃは、負極群の各要素の電流コレクタの長さＬ_ＮＣに対応する。

ある特定の実施形態では、正極群および負極群は、直方体の長さ寸法、幅寸法、および高さ寸法に近似する長さ寸法、幅寸法、および高さ寸法を有する。係る事例では、それぞれの係る電極の幅Ｗ_Ｅおよび高さＨ_Ｅは互いに対して垂直であり且つ長さＬ_Ｅの測定方向に対して垂直な方向で測定される。他の実施形態では、正極群および／または負極群は、例えば台形、平行四辺形、三角形、ダイアモンド形、または長円形の断面形状を有するよう異なる形状に成形され得る。係る実施形態では、電極の長さＬ_Ｅはそれぞれの係る電極の底部から上部まで測定され、それぞれの係る電極の幅Ｗ_Ｅおよび高さＨ_Ｅは互いに対して垂直であり且つ長さＬ_Ｅの測定方向に対して垂直な方向に測定される。加えて幅Ｗ_Ｅおよび高さＨ_Ｅは、長さ方向に対して垂直な平面における電極の突起の最大幅および最大高さである。換言すると、幅Ｗ_Ｅおよび高さＨ_Ｅは、長さ方向に垂直である平面における仮想的な長方形であって、電極の突起の全部の点を含みながらも寸法が最小の長方形の２つの近接する側部の長さに相当する。

図１８Ａ～図１８Ｅは、電極の長さ方向に対して垂直な平面における電極（正極または負極）の代表的ないくつかの代替の突起を図示する。図１８Ａ～図１８Ｅでは、電極の突起は台形（図１８Ａ）、平行四辺形（図１８Ｂ）、三角形（図１８Ｃ）、ダイアモンド形（図１８Ｄ）、および長円形（図１８Ｅ）の輪郭を有する。各事例において、電極の突起の全部の点を含みながらも寸法が最小である仮想的な長方形が、幅Ｗ_Ｅおよび高さＨ_Ｅを有するであろう。

ここで図２を参照して、本発明の１つの実施形態では、電極構造体２０は、直接的に負極バス２３に接続され負極バス２３から延長する負極２１の群と、直接的に正極バス２４に接続され正極バス２４から延長する正極２２の群と、を含む。図２に図示するように、負極２１の群は４つの要素を含み、正極２２の群は４つの要素を含むが、実際には負極群および正極群のそれぞれは、より多い個数またはより少ない個数の要素を含み得る。例えば、本発明に係る電極構造体により含まれる負極群および正極群のそれぞれは少なくとも５つの要素を含み得る。さらなる例として、１つの実施形態では、負極群および正極群のそれぞれは少なくとも１０個の要素を含む。さらなる例として、１つの実施形態では、負極群および正極群のそれぞれは少なくとも５０個の要素を含む。さらなる例として、１つの実施形態では、負極群および正極群のそれぞれは少なくとも１００個の要素を含む。加えて正極群および負極群は、負極群の各要素が正極群の各要素に隣接するよう、電極の交互シリーズで互いに入り込んで配列される。１つの実施形態では例えば、各負極は、互いに入り込んだシリーズが正極で開始および終了するよう、正極群の２つの要素間に挟まれ、各陽極は、互いに入り込んだシリーズが方向Ｄに進行する状態で、２つの陽極に挟まれる（例えば電極のシリーズが以下の反復シーケンス、すなわち正極、負極、正極、負極、正極……を有する）。他の実施形態では例えば、各正極は、互いに入り込んだシリーズが負極で開始および終了するよう、負極群の２つの要素間に挟まれ、各陽極は、互いに入り込んだシリーズが方向Ｄに進行する状態で、２つの負極に挟まれる（例えば電極のシリーズが以下の反復シーケンス、すなわち負極、正極、負極、正極、負極……を有する）。１つの実施形態では、負極群はＮ個の要素を有し、正極群はＮ＋１個の要素を有し、各負極は２つの陽極間に挟まれ、Ｎは少なくとも５、１０、２５、５０であり、または少なくとも１００になることさえある。他の実施形態では、正極群はＮ個の要素を有し、負極群はＮ＋１個の要素を有し、各正極は２つの負極間に挟まれ、Ｎは少なくとも５、１０、２５、５０であり、または少なくとも１００になることさえある。さらに他の実施形態では、正極群および負極群のそれぞれはＮ個の要素を有し、Ｎ－１個の正極群要素は２つの負極間に挟まれ、Ｎ－１個の負極群要素のそれぞれは２つの正極間に挟まれ、Ｎは少なくとも５、１０、２５、５０であり、または少なくとも１００になることさえある。

負極群の各要素２１は負極バス２３から延長し負極バス２３に電気的に接続され、負極バス２３は負極群の各要素からの電流を蓄える。負極バス２３は、方向Ｄに測定され且つ電極の互いに入り込んだシリーズの全長にわたり実質的に延長する長さＬ_ＮＢと、幅Ｗ_ＮＢ（図５および図９）と、高さＨ_ＮＢ（図９）と、を有する。なおＷ_ＮＢおよびＨ_ＮＢの測定方向は互いに対して垂直であり、長さＬ_ＮＢの測定方向に対して垂直である。図２に示すＸ－Ｙ－Ｚ座標系の状況で、幅Ｗ_ＮＢは、図示されたＸ－Ｙ－Ｚ座標系の「Ｘ」軸に沿って測定され、高さＨ_ＮＢは「Ｚ」軸に沿って測定され、長さＬ_ＮＢは「Ｙ」軸に沿って測定される。なおＸ軸、Ｙ軸、およびＺ軸は違いに対して垂直であり、方向Ｄと「Ｙ」軸とは一致する。加えて、負極バスの長さＬ_ＮＢは負極バスの幅Ｗ_ＮＢおよび高さＨ_ＮＢよりも長い。換言すると、当該長さは負極バスの最長寸法である。一般にＬ_ＮＢのＷ_ＮＢおよびＨ_ＮＢのそれぞれとの比は少なくとも５：１である。例えば１つの実施形態では、Ｌ_ＮＢのＷ_ＮＢおよびＨ_ＮＢのそれぞれとの比は少なくとも１０：１である。さらなる例として１つの実施形態では、Ｌ_ＮＢのＷ_ＮＢおよびＨ_ＮＢのそれぞれとの比は少なくとも２５：１である。加えて、Ｈ_ＮＢのＷ_ＮＢとの比は一般にそれぞれ約１：１～約１０，０００：１の範囲であり、いくつかの実施形態ではＨ_ＮＢのＷ_ＮＢとの比は約１００：１～約１，０００：１の範囲である。

図５および図９に示す実施形態では、負極バスは長さの関数として一定の幅Ｗ_ＮＢおよび一定の高さＨ_ＮＢを有する。他の実施形態では、負極バスの幅Ｗ_ＮＢまたは高さＨ_ＮＢは負極バスの長さの関数として変化してもよく、または負極バスは長方形以外の断面（長さ方向に対して垂直な平面で取られた）を有してもよい。係る他の実施形態では、幅Ｗ_ＮＢおよび高さＨ_ＮＢは、長さ方向すなわち方向Ｄに対して垂直な平面における負極バスの突起の最大幅および最大高さを指す（例えば、図１８Ａ～図１８Ｅを参照されたい。これらの図面では、台形（図１８Ａ）、平行四辺形（図１８Ｂ）、三角形（図１８Ｃ）、ダイアモンド形（図１８Ｄ）、および長円形（図１８Ｅ）の断面形状を有する一連の電極に対する最大幅Ｗ_Ｅおよび最大高さＨ_Ｅが示される）。換言すると、幅Ｗ_ＮＢおよび高さＨ_ＮＢは、長さ方向に垂直な平面に存在する仮想的な長方形であって負極バスの突起の全部の点を含みながらも寸法が最小である長方形の２つの隣接する側部の長さに対応する。

負極群の各要素２１に加えて、負極バス２３は、負極２１の群をエネルギー貯蔵装置（図示せず）の負端子に電気的に接続するために使用され得る負極タブ４１に電気的に接続される。図２に示す実施形態では、負極タブ４１は、実質的に負極バス２３の長さＬ_ＮＢ全体にわたって伸びる長さＬ_ＮＴを有する負極タブ伸張部分２５を含む。例えば１つの実施形態では、負極タブ伸張部分２５は負極バス２３の長さＬ_ＮＢの少なくとも５０％もしくは少なくとも７５％である長さＬ_ＮＴを有してもよく、または少なくとも９０％である長さＬ_ＮＴさえも有し得る。他の実施形態では、負極タブ伸張部分２５は、長さＬ_ＮＢよりも大幅に短い長さＬ_ＮＴを有してもよく（例えばＬ_ＮＴは長さＬ_ＮＢの５０％未満、２５％未満、または１０％未満になることさえある）、または負極タブ伸張部分２５は完全に省略され、負極タブ４１が、いずれかの端部において、または負極バス２３の長さＬ_ＮＢに沿った負極バス２３の中間位置において、直接的に負極バス２３と電気的に接続されてもよい。

正極群の各要素２２は正極バス２４から延長し正極バス２４に電気的に接続され、正極バス２４は正極群の各要素２２からの電流を蓄える。正極バス２４は、方向Ｄに測定され且つ電極の互いに入り込んだシリーズの全長にわたり実質的に延長する長さＬ_ＰＢと、幅Ｗ_ＰＢ（図６および図１０）と、高さＨ_ＰＢ（図１０）と、を有する。なおＷ_ＰＢおよびＨ_ＰＢの測定方向は互いに対して垂直であり、長さＬ_ＰＢの測定方向に対して垂直である。図２に示すＸ－Ｙ－Ｚ座標系の状況で、幅Ｗ_ＰＢは、図示されたＸ－Ｙ－Ｚ座標系の「Ｘ」軸に沿って測定され、高さＨ_ＰＢは「Ｚ」軸に沿って測定され、長さＬ_ＰＢは「Ｙ」軸に沿って測定される。なおＸ軸、Ｙ軸、およびＺ軸は違いに対して垂直であり、方向Ｄと「Ｙ」軸とは一致する。加えて、負極バスの長さＬ_ＰＢは正極バスの幅Ｗ_ＰＢおよび高さＨ_ＰＢよりも長い。換言すると、当該長さは正極バスの最長寸法である。一般にＬ_ＰＢのＷ_ＰＢおよびＨ_ＰＢのそれぞれとの比は少なくとも５：１である。例えば１つの実施形態では、Ｌ_ＰＢのＷ_ＰＢおよびＨ_ＰＢのそれぞれとの比は少なくとも１０：１である。さらなる例として１つの実施形態では、Ｌ_ＰＢのＷ_ＰＢおよびＨ_ＰＢのそれぞれとの比は少なくとも２５：１である。加えて、Ｈ_ＰＢのＷ_ＰＢとの比は一般にそれぞれ約１：１～約１０，０００：１の範囲であり、いくつかの実施形態ではＨ_ＰＢのＷ_ＰＢとの比は約１００：１～約１，０００：１の範囲である。

図６および図１０に示す実施形態では、正極バスは長さの関数として一定の幅Ｗ_ＰＢおよび一定の高さＨ_ＰＢを有する。他の実施形態では、正極バスの幅Ｗ_ＰＢまたは高さＨ_ＰＢは正極バスの長さの関数として変化してもよく、または正極バスは長方形以外の断面（長さ方向に対して垂直な平面で取られた）を有してもよい。係る他の実施形態では、幅Ｗ_ＰＢおよび高さＨ_ＰＢは、長さ方向すなわち方向Ｄに対して垂直な平面における正極バスの突起の最大幅および最大高さを指す。換言すると、幅Ｗ_ＰＢおよび高さＨ_ＰＢは、当該平面に存在する仮想的な長方形であって正極バスの突起の全部の点を含みながらも寸法が最小である長方形の２つの隣接する側部の長さに対応する。

正極群の各要素２２に加えて、正極バス２４は、負極２２の群をエネルギー貯蔵装置（図示せず）の正端子に電気的に接続するために使用され得る正極タブ４２に電気的に接続される。図２に示す実施形態では、正極タブ４２は、実質的に正極バス２４の長さＬ_ＰＢ全体にわたって伸びる長さＬ_ＰＴを有する正極タブ伸張部分２６を含む。例えば１つの実施形態では、正極タブ伸張部分２５は正極バス２３の長さＬ_ＰＢの少なくとも５０％もしくは少なくとも７５％である長さＬ_ＰＴを有してもよく、または少なくとも９０％である長さＬ_ＰＴさえも有し得る。他の実施形態では、正極タブ伸張部分２６は、長さＬ_ＰＢよりも大幅に短い長さＬ_ＰＴを有してもよく（例えばＬ_ＰＴは長さＬ_ＰＢの５０％未満、２５％未満、または１０％未満になることさえある）、または正極タブ伸張部分２６は完全に省略され、正極タブ４２が、いずれかの端部において、または正極バス２４の長さＬ_ＰＢに沿った正極バス２４の中間位置において、直接的に正極バス２４と電気的に接続されてもよい。

ミクロ多孔性セパレータ層４３は負極群の各要素２１を正極群の各要素２２から電気的に絶縁し、負極バス２３を正極バス２４から電気的に絶縁する。２次電池に組み込まれる際、ミクロ多孔性セパレータ層４３は通常、非水電解質２次電池に対して従来使用される非水電解質が浸透される。一般にミクロ多孔性セパレータは、少なくとも５０Åの、通常は約２，５００Åの範囲の直径を有する細孔を含むであろう。加えてミクロ多孔性セパレータは通常、少なくとも２５％の多孔率を有するであろう。しかし通常、ミクロ多孔性セパレータは約７５％未満の多孔率を有するであろう。１つの実施形態ではミクロ多孔性セパレータは約３５～５５％の多孔率を有するであろう。

ここで図３を参照して１つの実施形態では、負極群の各要素２１は、負極基幹部５１と、負極活物質層４９と、負極電流コレクタ層４７と、補助負極電流コレクタ層４７Ａおよび４７Ｂと、を含む。同様に、正極群の各要素２２は、正極基幹部５２と、正極電流コレクタ層４８と、補助正極電流コレクタ層４８Ａおよび４８Ｂと、正極活物質層５０と、を含む。負極群の各要素２１はミクロ多孔性セパレータ層４３により正極群の各要素２２から隔てられる。

放電プロセスの間、リチウムイオン（またはナトリウムイオン、カリウムイオン、カルシウムイオン、またはマグネシウムイオンなどの他のキャリアイオン）は負極活物質層４９から出て、負極電流コレクタ層４７およびセパレータ層４３を通り、正極活物質層５０に移動する。充電プロセスの間、リチウムイオン（または他のキャリアイオン）は正極活物質層５０から出て、セパレータ層４３および負極電流コレクタ層４７を通り、負極活物質層４９に移動する。使用される負極活物質に応じて、リチウムイオン（または他のキャリアイオン）はインターカレートされてもよく（例えば、合金を形成することなく、負極活物質のマトリクス内に位置する）、または合金を形成してもよい。正極と負極との間でのリチウムイオン（または他のキャリアイオン）の移動に一致して、電子は、負極電流コレクタ４７と、補助負極電流コレクタ４７Ａおよび４７Ｂと、正極電流コレクタ４８と、補助正極電流コレクタ４８Ａおよび４８Ｂと、により、それぞれ負極バス２３および正極バス２４（図２参照）へとまたは負極バス２３および正極バス２４から搬送される。次に負極バス２３および正極バス２４はそれぞれ、負極タブ４１および正極タブ４２を介して、エネルギー貯蔵装置（図示せず）の負端子および正端子に対して電気的に接続される。

ここで図４を参照すると負極群の各負極（すなわち要素）２１は負極バス２３の内側表面２７から延長し、正極群の各正極（すなわち要素）２２は正極バス２４の内側表面２８から延長する。なお内側表面２７および２８は互いに対して対面または対向する。前述のように、負極バス２３は、負極群の各要素２１を、負極群の他の要素に対して、および負極タブ伸張部分２５（図２）に対して、電気的に接続する導電性物質を含む。同様に、正極バス２４は、正極群の各要素２２を、互いに対して、および正極タブ伸張部分２６に対して、電気的に接続する導電性物質を含む。

ここで図５を参照すると、負極群の要素２１のそれぞれは、負極バス２３の内側表面２７の近位にある底部３１と、内側表面２７の遠位にある上部３３と、底部３１と上部３３との間の距離により画定される長さＬ_ＮＥと、を有する。長さＬ_ＮＥは、負極バス２３の内側表面２７から、互いに入り込んだ電極のシリーズの進行方向に対して好適な実施形態では実質的に垂直である方向に測定される。図２に示すＸ－Ｙ－Ｚ座標系の状況で、長さＬ_ＮＥは「Ｘ」軸に沿って（および方向Ｄに対して垂直に）測定される。ある特定の実施形態では、負極群の要素の全部は直線状の側部を有する（すなわち底部３１と上部３３との間で延長する側部のそれぞれは平面状）であろう。他の実施形態では、負極群の要素は多角形である側部を有し、または湾曲した側部を有する（例えば底部３１と上部３３との間で延長する側部は正弦曲線状）ことさえあるであろう。それぞれの係る実施形態では、長さＬ_ＮＥは底部３１と上部３３との間の直線距離である。

ここで図６を参照すると、正極群の要素２２のそれぞれは、正極バス２４の内側表面２８の近位にある底部３２と、正極基板表面２６の遠位にある上部３４と、底部３２と上部３４との間の距離により画定される長さＬ_ＰＥと、を有する。長さＬ_ＰＥは、正極バス２４の内側表面２８から、互いに入り込んだ電極のシリーズの進行方向に対して好適な実施形態では実質的に垂直な方向に測定される。図２に示すＸ－Ｙ－Ｚ座標系の状況で、好適な実施形態では、長さＬ_ＰＥは「Ｘ」軸に沿って（および方向Ｄに対して垂直に）測定される。ある特定の実施形態では、正極群の要素は直線状の側部を有する（すなわち底部３２と上部３４との間で延長する側部のそれぞれは平面状）であろう。他の実施形態では、正極群の要素は多角形である側部を有し、または湾曲した側部を有する（例えば底部３２と上部３４との間で延長する側部は正弦曲線状）ことさえあるであろう。それぞれの係る実施形態では、長さＬ_ＰＥは底部３２と上部３４との間の直線距離である。

ここで図７を参照すると、負極群の要素２１のそれぞれの断面（すなわち長さＬ_ＮＥが測定された方向に対して垂直な方向で取られた断面）は、幅Ｗ_ＮＥ、高さＨ_ＮＥ、および周辺長Ｐ_ＮＥを有する。この実施形態では負極群の要素の断面は長方形であり、周辺長Ｐ_ＮＥは２Ｗ_ＮＥ＋２Ｈ_ＮＥに等しい値を有する。加えて負極群の要素２１のそれぞれは、その幅Ｗ_ＮＢおよびその高さＨ_ＮＢよりも大きい長さＬ_ＮＥを有する。換言すると、当該長さは負極群の各要素の最大寸法である。幅Ｗ_ＮＥおよび高さＨ_ＮＥはエネルギー貯蔵装置およびその意図する使用に応じて変化し得るが、多数の実施形態では、幅Ｗ_ＮＥおよび高さＨ_ＮＥのそれぞれは約０．０１ｍｍ～約５ｍｍの範囲内となるであろう。例えば１つの実施形態では、幅Ｗ_ＮＥおよび高さＨ_ＮＥのそれぞれは、約０．０２５ｍｍ～約２ｍｍの範囲内の値を有するであろう。さらなる例として１つの実施形態では、幅Ｗ_ＮＥおよび高さＨ_ＮＥのそれぞれは、約０．０５ｍｍ～約１ｍｍの範囲内の値を有するであろう。一般に、Ｌ_ＮＥ（図５参照）はＷ_ＮＥおよびＨ_ＮＥのそれぞれよりも大幅に大きくなるであろう。例えば１つの実施形態では、Ｌ_ＮＥのＷ_ＮＥおよびＨ_ＮＥのそれぞれとの比はそれぞれ少なくとも５：１である（すなわちＬ_ＮＥのＷ_ＮＥとの比はそれぞれ少なくとも５：１であり、Ｌ_ＮＥのＨ_ＮＥと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１つの実施形態では、Ｌ_ＮＥのＷ_ＮＥおよびＨ_ＮＥのそれぞれとの比は少なくとも１０：１である。さらなる例として１つの実施形態では、Ｌ_ＮＥのＷ_ＮＥおよびＨ_ＮＥのそれぞれとの比は少なくとも１５：１である。さらなる例として１つの実施形態では、Ｌ_ＮＥのＷ_ＮＥおよびＨ_ＮＥのそれぞれとの比は少なくとも２０：１である。加えて、Ｌ_ＮＥが周辺長Ｐ_ＮＥよりも大幅に大きい（例えば１つの実施形態ではＬ_ＮＥのＰ_ＮＥとの比がそれぞれ少なくとも１．２５：１である）ことが一般に好適である。さらなる例として１つの実施形態では、Ｌ_ＮＥのＰ_ＮＥとの比はそれぞれ少なくとも２．５：１である。さらなる例として１つの実施形態では、Ｌ_ＮＥのＰ_ＮＥとの比はそれぞれ少なくとも３．７５：１である。加えてＨ_ＮＥのＷ_ＮＥとの比は一般にそれぞれ少なくとも０．４：１となるであろう。例えば１つの実施形態では、Ｈ_ＮＥのＷ_ＮＥとの比はそれぞれ少なくとも２：１となるであろう。さらなる例として１つの実施形態では、Ｈ_ＮＥのＷ_ＮＥとの比はそれぞれ少なくとも１０：１となるであろう。さらなる例として１つの実施形態では、Ｈ_ＮＥのＷ_ＮＥとの比はそれぞれ少なくとも２０：１となるであろう。しかし通常は、Ｈ_ＮＥのＷ_ＮＥとの比はそれぞれ１，０００：１よりも小さくなるであろう。例えば１つの実施形態では、Ｈ_ＮＥのＷ_ＮＥとの比はそれぞれ５００：１より小さくなるであろう。さらなる例として１つの実施形態では、Ｈ_ＮＥのＷ_ＮＥとの比はそれぞれ１００：１より小さくなるであろう。さらなる例として１つの実施形態では、Ｈ_ＮＥのＷ_ＮＥとの比はそれぞれ１０：１より小さくなるであろう。さらなる例として１つの実施形態では、Ｈ_ＮＥのＷ_ＮＥとの比はそれぞれ約２：１～約１００：１の範囲内となるであろう。図２に示すＸ－Ｙ－Ｚ座標系の状況で、長さＬ_ＮＥは「Ｘ」軸に沿って（および方向Ｄに対して垂直に）測定され、Ｗ_ＮＥは「Ｙ」軸に沿って測定され、Ｈ_ＮＥは「Ｚ」軸に沿って測定される。

図７に示す実施形態では、負極群の要素２１は長さの関数として一定の幅Ｗ_ＮＥおよび一定の高さＨ_ＮＥを有する。他の実施形態では、負極群の要素２１は負極の長さに沿った位置の関数として変動する幅Ｗ_ＮＥおよび高さＨ_ＮＥを有してもよく、または負極群の要素は長方形以外の断面（長さ方向に対して垂直な平面で取られた）を有してもよい。係る他の実施形態では、幅Ｗ_ＮＥおよび高さＨ_ＮＥは、負極群の要素２１の長さ方向に対して垂直な平面における負極群の要素２１の突起の最大幅および最大高さを指す。換言すると、幅Ｗ_ＮＥおよび高さＨ_ＮＥは、負極群の要素の突起の全部の点を含みながらも寸法が最小である平面において存在する仮想的な長方形の２つの隣接する側部の長さに対応する。

ここで図８を参照すると、正極群の要素２１のそれぞれの断面（すなわち長さＬ_ＰＥが測定された方向に対して垂直な方向で取られた断面）は、幅Ｗ_ＰＥ、高さＨ_ＰＥ、および周辺長Ｐ_ＰＥを有する。この実施形態では正極群の要素の断面は長方形であり、周辺長Ｐ_ＰＥは２Ｗ_ＰＥ＋２Ｈ_ＰＥに等しい値を有する。加えて正極群の要素２２のそれぞれは、その幅Ｗ_ＰＢおよびその高さＨ_ＰＢよりも大きい長さＬ_ＰＥを有する。換言すると、当該長さは正極群の各要素の最大寸法である。幅Ｗ_ＰＥおよび高さＨ_ＰＥはエネルギー貯蔵装置およびその意図する使用に応じて変化し得るが、多数の実施形態では、幅Ｗ_ＰＥおよび高さＨ_ＰＥのそれぞれは約０．０１ｍｍ～約５ｍｍの範囲内となるであろう。例えば１つの実施形態では、幅Ｗ_ＰＥおよび高さＨ_ＰＥのそれぞれは、約０．０２５ｍｍ～約２ｍｍの範囲内の値を有するであろう。さらなる例として１つの実施形態では、幅Ｗ_ＰＥおよび高さＨ_ＰＥのそれぞれは、約０．０５ｍｍ～約１ｍｍの範囲内の値を有するであろう。一般に、Ｌ_ＰＥ（図６参照）はＷ_ＰＥおよびＨ_ＰＥのそれぞれよりも大幅に大きくなるであろう。例えば１つの実施形態では、Ｌ_ＰＥのＷ_ＰＥおよびＨ_ＰＥのそれぞれとの比はそれぞれ少なくとも５：１である（すなわちＬ_ＰＥのＷ_ＰＥとの比はそれぞれ少なくとも５：１であり、Ｌ_ＰＥのＨ_ＰＥと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１つの実施形態では、Ｌ_ＰＥのＷ_ＰＥおよびＨ_ＰＥのそれぞれとの比は少なくとも１０：１である。さらなる例として１つの実施形態では、Ｌ_ＰＥのＷ_ＰＥおよびＨ_ＰＥのそれぞれとの比は少なくとも１５：１である。さらなる例として１つの実施形態では、Ｌ_ＰＥのＷ_ＰＥおよびＨ_ＰＥのそれぞれとの比は少なくとも２０：１である。加えて、Ｌ_ＰＥが周辺長Ｐ_ＰＥよりも大幅に大きい（例えば１つの実施形態ではＬ_ＰＥのＰ_ＰＥとの比がそれぞれ少なくとも１．２５：１である）ことが一般に好適である。さらなる例として１つの実施形態では、Ｌ_ＰＥのＰ_ＰＥとの比はそれぞれ少なくとも２．５：１である。さらなる例として１つの実施形態では、Ｌ_ＰＥのＰ_ＰＥとの比はそれぞれ少なくとも３．７５：１である。加えてＨ_ＰＥのＷ_ＰＥとの比は一般にそれぞれ少なくとも０．４：１となるであろう。例えば１つの実施形態では、Ｈ_ＰＥのＷ_ＰＥとの比はそれぞれ少なくとも２：１となるであろう。さらなる例として１つの実施形態では、Ｈ_ＰＥのＷ_ＰＥとの比はそれぞれ少なくとも１０：１となるであろう。さらなる例として１つの実施形態では、Ｈ_ＰＥのＷ_ＰＥとの比はそれぞれ少なくとも２０：１となるであろう。しかし通常は、Ｈ_ＰＥのＷ_ＰＥとの比はそれぞれ１，０００：１よりも小さくなるであろう。例えば１つの実施形態では、Ｈ_ＰＥのＷ_ＰＥとの比はそれぞれ５００：１より小さくなるであろう。さらなる例として１つの実施形態では、Ｈ_ＰＥのＷ_ＰＥとの比はそれぞれ１００：１より小さくなるであろう。さらなる例として１つの実施形態では、Ｈ_ＰＥのＷ_ＰＥとの比はそれぞれ１０：１より小さくなるであろう。さらなる例として１つの実施形態では、Ｈ_ＰＥのＷ_ＰＥとの比はそれぞれ約２：１～約１００：１の範囲内となるであろう。図２に示すＸ－Ｙ－Ｚ座標系の状況で、好適な実施形態では、長さＬ_ＰＥは「Ｘ」軸に沿って（および方向Ｄに対して垂直に）測定され、Ｗ_ＰＥは「Ｙ」軸に沿って測定され、Ｈ_ＰＥは「Ｚ」軸に沿って測定される。

図９に示す実施形態では、正極群の要素２２は、それらの長さの関数として一定の幅Ｗ_ＰＥおよび一定の高さＨ_ＰＥを有する。他の実施形態では、正極群の要素２２は正極の長さに沿った位置の関数として変動する幅Ｗ_ＰＥおよび高さＨ_ＰＥを有してもよく、または正極群の要素は長方形以外の断面（長さ方向に対して垂直な平面で取られた）を有してもよい。係る他の実施形態では、幅Ｗ_ＰＥおよび高さＨ_ＰＥは、正極群の要素２２の長さ方向に対して垂直な平面における正極群の要素２２の突起の最大幅および最大高さを指す。換言すると、幅Ｗ_ＰＥおよび高さＨ_ＰＥは、当該平面に存在する仮想的な長方形であって正極バスの突起の全部の点を含みながらも寸法が最小である長方形の２つの隣接する側部の長さに対応する。

図２および図５～図８を参照すると、正極２２の群の要素および負極２３の群の要素のそれぞれは合計すると、それぞれの電極を支持する正極バスおよび負極バス（または他の支持構造体）の幾何学的専有面積を越える表面積を有する。好適には、正極２２の群の要素および負極２３の群の要素のそれぞれは合計すると、それぞれの電極を支持する正極バスおよび負極バス（または他の支持構造体）の幾何学的専有面積の１．５倍、２倍、もしくは２．５倍の表面積を有し、または３倍以上の表面積を有しさえする。例えば、「Ｎ」個の要素を有する負極群または正極群の幾何学的専有面積は、以下の方程式にしたがって決定され得る：
負極幾何学的占有面積＝（Ｎ×Ｌ_ＮＥ×（２×Ｈ_ＮＥ＋Ｗ_ＮＥ））
「Ｎ」個の要素を有する正極群の幾何学的専有面積は、以下の方程式にしたがって決定され得る：
正極幾何学的占有面積＝（Ｎ×Ｌ_ＰＥ×（２×Ｈ_ＰＥ＋Ｗ_ＰＥ））
ただし式中Ｌ_ＮＥ、Ｈ_ＮＥ、Ｗ_ＮＥ、Ｌ_ＰＥ、Ｈ_ＰＥ、およびＷ_ＰＥは前述のように負極群要素および正極群要素の長さ、幅、および高さである。

ここで図９を参照すると、負極基幹部５１、負極活物質層４９、負極電流コレクタ層４７、および補助負極電流コレクタ層４７Ａならびに４７Ｂは、好適には、負極群の各要素２１の底部３１から上部３３までの距離の大部分にわたり延長する。補助負極電流コレクタは、追加的な電気伝導性を提供するために、負極群要素に組み込まれ得る。ある特定の実施形態では、補助負極電流コレクタは、負極電流コレクタの電気伝導性の少なくとも２倍である電気伝導性を有する。ある特定の実施形態では、補助負極電流コレクタの電気伝導性は負極電流コレクタの電気伝導性の少なくとも５倍であり、または１０倍となることさえある。有利に、補助負極電流コレクタにより提供される追加的な電気伝導性により、負極電流コレクタ層４７の電流コレクタ重量全体および体積要件が低減され得る。加えて、負極電流コレクタ層がイオン透過性の電流コレクタ（本明細書の他の箇所でより詳細に説明する）である場合、補助負極電流コレクタは、電極長さＬ_ＮＥに沿って電流の大部分を搬送し得、負極電流コレクタ層は、主に電極から電流を収集し、収集した電流を補助負極電流コレクタに提供するよう機能し得る。次にこれにより、イオン浸透性電流コレクタ層に要求される電子伝導性が低減され、より良好なセル性能のために、より低い電子伝導性およびより高いイオン伝導性を有するようにイオン浸透性層を設計することが可能となる。

いくつかの実施形態では、補助負極電流コレクタは、電極に沿った特定場所における充放電反応をブロックするための手段を提供する。ここで図３を参照すると、補助電流コレクタ４７Ａおよび４７Ｂは、この層のイオン伝導性が実質的にゼロとなりそれにより補助電流コレクタの直接的に下方にある電極上の充放電反応が抑制され得るよう、設計され得る。

１つの実施形態では、負極群の各要素２１により含まれる負極電流導体層４７は、係る負極電流コレクタを含む要素の長さＬ_ＮＥの少なくとも５０％である長さＬ_ＮＣを有する。さらなる例として１つの実施形態では、負極群の各要素２１により含まれる負極電流導体層４７は、係る負極電流コレクタを含む要素の長さＬ_ＮＥの少なくとも６０％である長さＬ_ＮＣを有する。さらなる例として１つの実施形態では、負極群の各要素２１により含まれる負極電流導体層４７は、係る負極電流コレクタを含む要素の長さＬ_ＮＥの少なくとも７０％である長さＬ_ＮＣを有する。さらなる例として１つの実施形態では、負極群の各要素２１により含まれる負極電流導体層４７は、係る負極電流コレクタを含む要素の長さＬ_ＮＥの少なくとも８０％である長さＬ_ＮＣを有する。さらなる例として１つの実施形態では、負極群の各要素２１により含まれる負極電流導体層４７は、係る負極電流コレクタを含む要素の長さＬ_ＮＥの少なくとも９０％である長さＬ_ＮＣを有する。前述の実施形態のそれぞれでは、補助負極電流コレクタ層４７Ａおよび４７Ｂは、同一の、または相当な割合の部分（例えば負極電流コレクタ層４７の長さＬ_ＮＣの少なくとも６０％、７０％、または８０％、さらには９０％にさえなり得る）である長さ（長さＬ_ＮＣと同一方向に測定された）を独立的に有する。代替的に、前述の実施形態のそれぞれでは、補助負極電流コレクタ層４７Ａおよび４７Ｂは、相当な割合の部分（例えば負極電流コレクタ層４７の長さＬ_ＮＣの少なくとも４０％、３０％、または２０％、さらには１０％にさえなり得る）より小さい長さ（長さＬ_ＮＣと同一方向に測定された）を独立的に有する。負極群の要素２１のそれぞれの長さＬ_ＮＥはエネルギー貯蔵装置およびその意図する使用に応じて変化し得るが、多数の実施形態では、長さＬ_ＮＥは約５ｍｍ～約５００ｍｍの範囲内となるであろう。例えば１つの実施形態では、要素２１のそれぞれに対する長さＬ_ＮＥは約１０ｍｍ～約２５０ｍｍの範囲内となるであろう。さらなる例として１つの実施形態では、要素２１のそれぞれに対する長さＬ_ＮＥは約２５ｍｍ～約１００ｍｍの範囲内となるであろう。

ここで図１０を参照すると、正極基幹部５２、正極活物質層５０、正極電流コレクタ層４８、および補助正極電流コレクタ層４８Ａならびに４８Ｂは、好適には、負極群の各要素２２の底部３２から上部３４までの距離の大部分にわたり延長する。補助正極電流コレクタは、追加的な電気伝導性を提供するために、正極群要素に組み込まれ得る。ある特定の実施形態では、補助正極電流コレクタは、正極電流コレクタの電気伝導性の少なくとも２倍である電気伝導性を有する。ある特定の実施形態では、補助正極電流コレクタの電気伝導性は正極電流コレクタの電気伝導性の少なくとも５倍であり、さらには１０倍にさえなり得る。有利に、補助正極電流コレクタにより提供される追加的な電気伝導性により、正極電流コレクタ層４８の電流コレクタ重量全体および体積要件が低減され得る。加えて、正極電流コレクタ層がイオン透過性の電流コレクタ（本明細書の他の箇所でより詳細に説明する）である場合、補助正極電流コレクタは、電極長さＬ_ＰＥに沿って電流の大部分を搬送し得、正極電流コレクタ層は、主に電極から電流を収集し、収集した電流を補助正極電流コレクタに提供するよう機能し得る。次にこれにより、イオン浸透性電流コレクタ層に要求される電子伝導性が低減され、より良好なセル性能のために、より低い電子伝導性およびより高いイオン伝導性を有するようにイオン浸透性層を設計することが可能となる。

いくつかの実施形態では、補助正極電流コレクタは、電極に沿った特定場所における充放電反応をブロックするための手段を提供する。ここで図３を参照すると、補助電流コレクタ４８Ａおよび４８Ｂは、この層のイオン伝導性が実質的にゼロとなりそれにより補助電流コレクタの直接的に下方にある電極上の充放電反応が抑制され得るよう、設計され得る。

例えば１つの実施形態では、正極群の各要素２２により含まれる正極電流導体層４８は、係る正極電流コレクタを含む要素の長さＬ_ＰＥの少なくとも５０％である長さＬ_ＰＣを有する。さらなる例として１つの実施形態では、正極群の各要素２２により含まれる正極電流導体層４８は、係る正極電流コレクタを含む要素の長さＬ_ＰＥの少なくとも６０％である長さＬ_ＰＣを有する。さらなる例として１つの実施形態では、正極群の各要素２２により含まれる正極電流導体層４８は、係る正極電流コレクタを含む要素の長さＬ_ＰＥの少なくとも７０％である長さＬ_ＰＣを有する。さらなる例として１つの実施形態では、正極群の各要素２２により含まれる正極電流導体層４８は、係る正極電流コレクタを含む要素の長さＬ_ＰＥの少なくとも８０％である長さＬ_ＰＣを有する。さらなる例として１つの実施形態では、正極群の各要素２２により含まれる正極電流導体層４８は、係る正極電流コレクタを含む要素の長さＬ_ＰＥの少なくとも９０％である長さＬ_ＰＣを有する。前述の実施形態のそれぞれでは、補助正極電流コレクタ層４８Ａおよび４８Ｂは、同一の、または相当な割合の部分（例えば正極電流コレクタ層４８の長さＬ_ＰＣの少なくとも６０％、７０％、または８０％、さらには９０％にさえなり得る）である長さ（長さＬ_ＰＣと同一方向に測定された）を独立的に有する。代替的に、前述の実施形態のそれぞれでは、補助正極電流コレクタ層４８Ａおよび４８Ｂは、同一の、または相当な割合の部分（例えば正極電流コレクタ層４８の長さＬ_ＰＣの少なくとも４０％、３０％、または２０％、さらには１０％にさえなり得る）より小さい長さ（長さＬ_ＰＣと同一方向に測定された）を独立的に有する。正極群の要素２２のそれぞれの長さＬ_ＰＥはエネルギー貯蔵装置およびその意図する使用に応じて変化し得るが、多数の実施形態では、長さＬ_ＰＥは約５ｍｍ～約５００ｍｍの範囲内となるであろう。例えば１つの実施形態では、要素２１のそれぞれに対する長さＬ_ＰＥは約１０ｍｍ～約２５０ｍｍの範囲内となるであろう。さらなる例として１つの実施形態では、要素２１のそれぞれに対する長さＬ_ＰＥは約２５ｍｍ～約１００ｍｍの範囲内となるであろう。

ここで図３および図７を参照すると負極基幹部５１は、正極（単数または複数）に対向する負極基幹部５１の横方向表面上に配置された負極活物質層４９に対して機械的安定性を提供する。通常、負極基幹部５１は少なくとも１マイクロメートルの肉厚（負極の幅Ｗ_ＮＥと同一方向に測定された場合）を有するであろう。負極基幹部５１は、大幅により大きい肉厚を有し得るが、通常は１００マイクロメートルを越える肉厚を有することはないであろう。より大きい肉厚も可能であるが、エネルギー密度に悪影響を及ぼし得る。例えば１つの実施形態では、負極基幹部５１は約１～約５０マイクロメートルの肉厚を有するであろう。一般に、負極基幹部５１は少なくとも約５０マイクロメートルの、さらに典型的には少なくとも約１００マイクロメートルの高さ（負極の高さＨ_ＮＥと同一方向に測定された場合）を有するであろう。しかし一般に負極基幹部５１は典型的には約１０，０００マイクロメートルを超えない高さを、さらに典型的には約５，０００マイクロメールを超えない高さを有するであろう。一例として１つの実施形態では、負極基幹部５１は約５～約５０マイクロメートルの肉厚と、約５０～約５，０００マイクロメートルの高さと、を有するであろう。さらなる例として１つの実施形態では、負極基幹部５１は約５～約２０マイクロメートルの肉厚と、約１００～約１，０００マイクロメートルの高さを有するであろう。さらなる例として１つの実施形態では、負極基幹部５１は約５～約２０マイクロメートルの肉厚と、約１００～約２，０００マイクロメートルの高さを有するであろう。

用途に応じて、負極基幹部５１は導電性または電気絶縁性を有し得る。例えば１つの実施形態では、負極基幹部５１は導電性を有し、負極活物質層４９に対する電流コレクタを含み得、またはさらには係る電流コレクタを構成さえし得る。１つの係る実施形態では負極基幹部は少なくとも約１０^３ジーメンス／ｃｍの伝導性を有する電流コレクタを含む。さらなる例として１つの係る実施形態では、負極基幹部は少なくとも約１０^４ジーメンス／ｃｍの伝導性を有する電流コレクタを含む。さらなる例として１つの係る実施形態では、負極基幹部は少なくとも約１０^５ジーメンス／ｃｍの伝導性を有する電流コレクタを含む。他の実施形態では負極基幹部５１は比較的非伝導性である。例えば１つの実施形態では、負極基幹部５１は１０ジーメンス／ｃｍ未満の電気伝導性を有する。さらなる例として１つの実施形態では、負極基幹部５１は１ジーメンス／ｃｍ未満の電気伝導性を有する。さらなる例として１つの実施形態では、負極基幹部５１は１０^－１ジーメンス／ｃｍ未満の電気伝導性を有する。

負極基幹部５１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され得る任意の物質を含み得る。現在、好適には、物質は、シリコンおよびゲルマニウムなどの半導体物質を含む。しかし代替的に、炭素ベースの有機物質または金属（例えばアルミニウム、銅、ニッケル、コバルト、チタン、およびタングステン）も負極基幹部に組み込まれ得る。１つの代表的な実施形態では負極基幹部５１はシリコンを含む。例えばシリコンは単結晶シリコン、多結晶シリコン、非晶質シリコン、またはこれらの組み合わせであり得る。

負極基幹部５１の横方向表面のそれぞれに接する負極活物質４９の層は、少なくとも１マイクロメートルの肉厚（負極の幅Ｗ_ＮＥと同一方向に測定された場合）を有するであろう。しかし一般に負極活物質層４９は通常、２００マイクロメートルを越えない肉厚（すなわち負極基幹部５１と負極基幹部５１の一方の側部に接する電流コレクタ層４７との間の層の肉厚）を有するであろう。例えば１つの実施形態では、負極活物質層４９は約１～約１００マイクロメートルの肉厚を有するであろう。さらなる例として１つの実施形態では、負極活物質層４９は約２～約７５マイクロメートルの肉厚を有するであろう。さらなる例として１つの実施形態では、負極活物質層４９は約１０～約１００マイクロメートルの肉厚を有するであろう。さらなる例として１つの実施形態では、負極活物質層４９は約５～約５０マイクロメートルの肉厚を有するであろう。加えて負極基幹部５１の横方向表面のそれぞれに接する負極活物質４９の層は、少なくとも約５０マイクロメートルの、さらに典型的には少なくとも約１００マイクロメートルの高さ（図５に示す負極の高さＨ_ＮＥに対応する方向に測定された場合）を有するであろう。しかし一般に負極活物質層４９は典型的には約１０，０００マイクロメートルを超えない高さを、さらに典型的には約７，５００マイクロメールを超えない高さを有するであろう。一例として１つの実施形態では、負極活物質層４９は約１～約２００マイクロメートルの肉厚と、約５０～約７，５００マイクロメートルの高さと、を有するであろう。さらなる例として１つの実施形態では、負極活物質層４９は約１～約５０マイクロメートルの肉厚と、約１００～約１，０００マイクロメートルの高さを有するであろう。さらなる例として１つの実施形態では、負極活物質層４９は約５～約２０マイクロメートルの肉厚と、約１００～約１，０００マイクロメートルの高さを有するであろう。さらなる例として１つの実施形態では、負極活物質層４９は約１０～約１００マイクロメートルの肉厚と、約１００～約１，０００マイクロメートルの高さを有するであろう。さらなる例として１つの実施形態では、負極活物質層４９は約５～約５０マイクロメートルの肉厚と、約１００～約１，０００マイクロメートルの高さを有するであろう。

負極活物質層４９は、リチウムイオン、ナトリウムイオン、カリウムイオン、カルシウムイオンまたはマグネシ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能力を有する負極活物質を含み得る。係る物質は、黒鉛などの炭素物質および軟質炭素または硬質炭素、または、リチウムとの合金を形成する能力を有する多様な金属のうちの任意のもの、半金属、酸化物、および化合物を含む。アノード物質を構成する能力を有する金属または半金属の具体例としては、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、およびパラジウムが挙げられる。１つの代表的な実施形態では負極活物質層４９は、アルミニウム、スズ、もしくはシリコン、これらの酸化物、これらの窒化物、これらのフッ化物、またはこれらの他の合金を含む。他の代表的な実施形態では負極活物質層４９はシリコンまたはシリコンの合金を含む。この段落で挙げた実施形態および事例のそれぞれでは、負極活物質層４９は粒子凝集電極またはモノリシック電極であり得る。

１つの実施形態では負極活物質層４９は、リチウムイオン（または他のキャリアイオン）が充放電プロセスの間に負極活物質層４９に対して吸収または放出される際の体積膨張および体積収縮に順応するために顕著な空隙体積率を提供するよう微細構造化される。一般に負極活物質層の空隙体積率は少なくとも０．１である。しかし典型的には、負極活物質層の空隙体積率は０．８を越えない。例えば１つの実施形態では、負極活物質層の空隙体積率は約０．１５～約０．７５である。さらなる例として１つの実施形態では、負極活物質層の空隙体積率は約０．２～約０．７である。さらなる例として１つの実施形態では、負極活物質層の空隙体積率は約０．２５～約０．６である。

微細構造化された負極活物質層の組成およびその形成方法に応じて、微細構造化された負極活物質層は、マクロ多孔性、ミクロ多孔性、もしくはメソ多孔性、またはこれらの組み合わせ（例えばミクロ多孔性およびメソ多孔性の組み合わせ、またはメソ多孔性およびマクロ多孔性の組み合わせ）の物質層を含み得る。ミクロ多孔性物質は通常、１０ｎｍ未満の細孔寸法と、１０ｎｍ未満の壁部寸法と、１～５０マイクロメートルの細孔深さと、「スポンジ状」ならびに不規則的な外観、滑らかでない壁部、および枝分かれした細孔により全般的に特徴付けられる細孔形態と、により特徴付けられる。メソ多孔性物質は通常、１０～５０ｎｍの細孔寸法と、１０～５０ｎｍの壁部寸法と、１～１００マイクロメートルの細孔深さと、ある程度良好に画成された枝分かれした細孔または樹木状の細孔により全般的に特徴付けられる細孔形態と、により特徴付けられる。マクロ多孔性物質は通常、５０ｎｍを越える細孔寸法と、５０ｎｍを越える壁部寸法と、１～５００マイクロメートルの細孔深さと、変化に富んだ、直線状の、枝分かれした、または樹木状の、および滑らかまたは粗い壁部により全般的に特徴付けられる細孔形態と、により特徴付けられる。加えて空隙体積は、開放型もしくは閉鎖型、またはこれらの組み合わせの空隙を含み得る。１つの実施形態では空隙体積は開放型空隙を含む。すなわち負極活物質層は負極活物質層の前面（すなわちセパレータおよび正極活物質層に対向する表面）において、開口部を有する空隙を含み、係る空隙を通過してリチウムイオン（または他のキャリアイオン）は、負極活物質層に入ること、または負極活物質層から出ることが可能である。例えばリチウムイオンは、正極活物質層を出た後、空隙開口部を通り、負極活物質層に進入し得る。他の実施形態では、空隙体積は閉鎖型空隙を含む。すなわち負極活物質層は負極活物質により閉塞された空隙を含む。一般に開放型空隙および閉鎖型空隙の両者はキャリアイオンの進入時に負極活物質層の拡張のための余地を提供するが、開放型空隙はより大きい境界表面積をキャリアイオンに対して提供し、その一方で、閉鎖型空隙は固体電解質界面の影響を受けにくい傾向を有する。したがってある特定の実施形態では、負極活物質層が開放型空隙および閉鎖型空隙の組み合わせを含むことが好適である。

１つの実施形態では負極活物質層４９は、多孔性アルミニウム、スズ、もしくはシリコン、またはこれらの合金を含む。多孔性シリコン層は、例えば陽極酸化およびエッチング（例えば金、白金、銀、または金／パラジウムなどの貴金属を単結晶シリコンの（１００）表面上に堆積し、当該表面をフッ化水素酸および過酸化水素の混合物でエッチングすること）により、またはパターン形成された化学エッチング（ｐａｔｔｅｒｎｅｄ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｅｔｃｈｉｎｇ）などの当該技術分野で周知の他の方法により、形成され得る。加えて、多孔性負極活物質層は一般に、少なくとも約０．１であるが０．８を越えない多孔率と、約１～約１００マイクロメートルの肉厚と、を有するであろう。例えば１つの実施形態では、負極活物質層４９は多孔性シリコンを含み、約５～約１００マイクロメートルの肉厚を有し、約０．１５～約０．７５の多孔率を有する。さらなる例として１つの実施形態では、負極活物質層４９は多孔性シリコンを含み、約１０～約８０マイクロメートルの肉厚を有し、約０．１５～約０．７の多孔率を有する。さらなる例として１つの実施形態では、負極活物質層４９は多孔性シリコンを含み、約２０～約５０マイクロメートルの肉厚を有し、約０．２５～約０．６の多孔率を有する。さらなる例として１つの実施形態では、負極活物質層４９は多孔性シリコン合金（例えばニッケルシリサイドなど）を含み、約５～約１００マイクロメートルの肉厚を有し、約０．１５～約０．７５の多孔率を有する。

他の実施形態では負極活物質層４９はアルミニウム、スズ、もしくはシリコンの繊維またはこれらの合金を含む。個々の繊維は約５ｎｍ～約１０，０００ｎｍの直径（肉厚寸法）と、負極活物質層４９の肉厚に略対応する長さと、を有し得る。シリコンの繊維（ナノワイヤ）は例えば、化学気相成長、または気液固相（ＶＬＳ）成長および固液固相（ＳＬＳ）成長などの当該技術分野で周知の他の技法により、形成され得る。加えて負極活物質層４９は一般に、少なくとも約０．１であるが０．８を越えない多孔率と、約１～約２００マイクロメートルの肉厚と、を有するであろう。例えば１つの実施形態では、負極活物質層４９はシリコンナノワイヤを含み、約５～約１００マイクロメートルの肉厚を有し、約０．１５～約０．７５の多孔率を有する。さらなる例として１つの実施形態では、負極活物質層４９はシリコンナノワイヤを含み、約１０～約８０マイクロメートルの肉厚を有し、約０．１５～約０．７の多孔率を有する。さらなる例として１つの実施形態では、負極活物質層４９はシリコンナノワイヤを含み、約２０～約５０マイクロメートルの肉厚を有し、約０．２５～約０．６の多孔率を有する。さらなる例として１つの実施形態では、負極活物質層４９はシリコン合金（例えばニッケルシリサイドなど）のナノワイヤを含み、約５～約１００マイクロメートルの肉厚を有し、約０．１５～約０．７５の多孔率を有する。

顕著な繊維と繊維の変動が存在し得るが、アルミニウム、スズ、またはシリコン（またはこれらの合金）のナノワイヤは、負極基幹部５１に対して（負極活物質層に対するナノワイヤの取り付け地点において）主に垂直である主軸（時には中心軸とも呼称される）を有する。

他の実施形態では負極活物質層４９はシリコンのナノワイヤもしくはシリコンの合金、または多孔性シリコンもしくは多孔性シリコンの合金を含む。係る実施形態では、負極活物質層４９は一般に、多孔性シリコンおよびシリコンナノワイヤに関して前述したように、少なくとも約０．１であるが０．８を越えない多孔率と、約１～約１００マイクロメートルの肉厚と、を有するであろう。

図３および図５を再び参照すると１つの実施形態では、負極電流コレクタ層４７は、イオン伝導性および導電性の両方を有するイオン透過性の伝導性物質を含む。換言すると、負極電流コレクタ層は、電気化学的スタックにおいてイオン浸透性の導体層の一方の側部に接する直接的に隣接する活電極物質層と、負極電流コレクタ層の他方の側部に接する直接的に隣接するセパレータ層と、の間のキャリアイオンの移動を支援する、肉厚と、電気伝導性と、キャリアイオンに対するイオン伝導性と、を有する。相対的に、負極電流コレクタ層は、電流が印加されてデバイスにエネルギーが貯蔵されるとき、または負荷が印加されてデバイスが放電されるとき、そのイオン伝導性よりも大きい電気伝導性を有する。例えば、電流が印加されてデバイスにエネルギーが貯蔵されるとき、または負荷が印加されてデバイスが放電されるとき、負極電流コレクタ層の電気伝導性とイオン伝導性（キャリアイオンに対する）との比は通常、それぞれ少なくとも１，０００：１となるであろう。さらなる例として１つの係る実施形態では、電流が印加されてデバイスにエネルギーが貯蔵されるとき、または負荷が印加されてデバイスが放電されるとき、負極電流コレクタ層の電気伝導性とイオン伝導性（キャリアイオンに対する）との比は、それぞれ少なくとも５，０００：１である。さらなる例として１つの係る実施形態では、電流が印加されてデバイスにエネルギーが貯蔵されるとき、または負荷が印加されてデバイスが放電されるとき、負極電流コレクタ層の電気伝導性とイオン伝導性（キャリアイオンに対する）との比は、それぞれ少なくとも１０，０００：１となるであろう。さらなる例として１つの係る実施形態では、電流が印加されてデバイスにエネルギーが貯蔵されるとき、または負荷が印加されてデバイスが放電されるとき、負極電流コレクタ層の電気伝導性とイオン伝導性（キャリアイオンに対する）との比は、それぞれ少なくとも５０，０００：１となるであろう。さらなる例として１つの係る実施形態では、電流が印加されてデバイスにエネルギーが貯蔵されるとき、または負荷が印加されてデバイスが放電されるとき、負極電流コレクタ層の電気伝導性とイオン伝導性（キャリアイオンに対する）との比は、それぞれ少なくとも１００，０００：１である。

負極電流コレクタ層４７がイオン伝導性および導電性の両方を有するイオン透過性の伝導性物質を含む実施形態では、電流が印加されてデバイスにエネルギーが貯蔵されるとき、または負荷が印加されてデバイスが放電されるとき（例えば２次電池の充放電時など）、負極電流コレクタ層４７は、隣接するセパレータ層のイオン伝導性に匹敵するイオン伝導性を有し得る。例えば１つの実施形態では、電流が印加されてデバイスにエネルギーを貯蔵されるとき、または負荷が印加されてデバイスが放電されると、負極電流コレクタ層４７はセパレータ層のイオン伝導性の少なくとも５０％（すなわちそれぞれ０．５：１の比）であるイオン伝導性（キャリアイオンに対して）を有する。さらなる例としていくつかの実施形態では、電流が印加されてデバイスにエネルギーが貯蔵されるとき、または負荷が印加されてデバイスが放電されるとき、負極電流コレクタ層４７のイオン伝導性（キャリアイオンに対する）とセパレータ層のイオン伝導性（キャリアイオンに対する）との比は少なくとも１：１である。さらなる例としていくつかの実施形態では、電流が印加されてデバイスにエネルギーが貯蔵されるとき、または負荷が印加されてデバイスが放電されるとき、負極電流コレクタ層４７のイオン伝導性（キャリアイオンに対する）のセパレータ層のイオン伝導性（キャリアイオンに対する）との比は少なくとも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、電流が印加されてデバイスにエネルギーが貯蔵されるとき、または負荷が印加されてデバイスが放電されるとき、負極電流コレクタ層４７のイオン伝導性（キャリアイオンに対する）のセパレータ層のイオン伝導性（キャリアイオンに対する）との比は少なくとも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、電流が印加されてデバイスにエネルギーが貯蔵されるとき、または負荷が印加されてデバイスが放電されるとき、負極電流コレクタ層４７のイオン伝導性（キャリアイオンに対する）のセパレータ層のイオン伝導性（キャリアイオンに対する）との比は少なくとも２：１である。

１つの実施形態では負極電流コレクタ層４７は負極活物質層の電気伝導性よりも大幅に大きい電気伝導性も有する。例えば１つの実施形態では、電流が印加されてデバイスにエネルギーが貯蔵されるとき、または負荷が印加されてデバイスが放電されるとき、負極電流コレクタ層４７の電気伝導性の負極活物質層の電気伝導性との比は少なくとも１００：１である。さらなる例としていくつかの実施形態では、電流が印加されてデバイスにエネルギーが貯蔵されるとき、または負荷が印加されてデバイスが放電されるとき、負極電流コレクタ層４７の電気伝導性の負極活物質層の電気伝導性との比は少なくとも５００：１である。さらなる例としていくつかの実施形態では、電流が印加されてデバイスにエネルギーが貯蔵されるとき、または負荷が印加されてデバイスが放電されるとき、負極電流コレクタ層４７の電気伝導性の負極活物質層の電気伝導性との比は少なくとも１０００：１である。さらなる例としていくつかの実施形態では、電流が印加されてデバイスにエネルギーが貯蔵されるとき、または負荷が印加されてデバイスが放電されるとき、負極電流コレクタ層４７の電気伝導性の負極活物質層の電気伝導性との比は少なくとも５０００：１である。さらなる例としていくつかの実施形態では、電流が印加されてデバイスにエネルギーが貯蔵されるとき、または負荷が印加されてデバイスが放電されるとき、負極電流コレクタ層４７の電気伝導性の負極活物質層の電気伝導性との比は少なくとも１０，０００：１である。

この実施形態における負極電流コレクタ層４７の肉厚（すなわちセパレータと負極活物質層との間の最短距離。セパレータと負極活物質層との間に負極電流コレクタ層４７が挟まれる）は当該層の組成と、電気化学的スタックに対する性能仕様と、に依存するであろう。一般に負極電流コレクタ層がイオン透過性の導体層である場合、負極電流コレクタ層は少なくとも約３００オングストロームの肉厚を有するであろう。例えばいくつかの実施形態では、負極電流コレクタ層は約３００～８００オングストロームの範囲の肉厚を有し得る。しかしさらに典型的には、負極電流コレクタ層は約０．１マイクロメートルを越える肉厚を有するであろう。一般にイオン透過性の導体層は、約１００マイクロメートルを越えない肉厚を有するであろう。したがって例えば１つの実施形態では、負極電流コレクタ層４７は約０．１～約１０マイクロメートルの範囲の肉厚を有するであろう。さらなる例としていくつかの実施形態では、負極電流コレクタ層４７は約０．１～約５マイクロメートルの範囲の肉厚を有するであろう。さらなる例としていくつかの実施形態では、負極電流コレクタ層４７は約０．５～約３マイクロメートルの範囲の肉厚を有するであろう。一般に、負極電流コレクタ層４７の肉厚は略均一であることが好適である。例えば１つの実施形態では、負極電流コレクタ層４７は約２５％未満の肉厚非均一性を有することが好適である。なお肉厚非均一性は、電流収集層の最大肉厚から電流収集層の最小肉厚を減算した値を平均電流収集層肉厚により除算した量として定義される。ある特定の実施形態では、肉厚変動はさらに小さい。例えばいくつかの実施形態では、負極電流コレクタ層４７は約２０％未満の肉厚非均一性を有する。さらなる例としていくつかの実施形態では、負極電流コレクタ層４７は約１５％未満の肉厚非均一性を有する。いくつかの実施形態では、イオン透過性の導体層は約１０％未満の肉厚非均一性を有する。

１つの好適な実施形態では、負極電流コレクタ層４７は、イオン透過性および電気伝導性に寄与する導電性成分およびイオン伝導性成分を含むイオン透過性の導体層である。典型的には導電性構成要素は、連続的な導電性物質（例えば連続的な金属または金属合金）を含むメッシュ表面もしくはパターン化された表面、薄膜、または複合材料の形態の連続的における導電性物質（例えば連続的な金属または金属合金など）を含むであろう。加えてイオン伝導性成分は通常、細孔（例えばメッシュの細隙、金属層を含むパターン化された金属間または金属合金間の空間、金属膜またはキャリアイオンに対する十分な拡散率を有する固体イオン伝導体における細孔）を含むであろう。ある特定の実施形態ではイオン透過性の導体層は、堆積された多孔性物質、イオン輸送物質、イオン反応物質、複合物質、または物理的に多孔性の物質を含む。例えば多孔性の場合、イオン透過性導体層は少なくとも約０．２５の空隙率を有し得る。しかし一般に、空隙率は通常約０．９５を越えないであろう。さらに典型的には、イオン透過性導体層が多孔性である場合、空隙率は約０．２５～約０．８５の範囲内であり得る。例えばいくつかの実施形態ではイオン透過性導体層が多孔性である場合、空隙率は約０．３５～約０．６５の範囲内であり得る。

負極活物質層とセパレータとの間に配置されるため、負極電流コレクタ層４７は、電流を負極活物質層の表面を越えて負極電流コレクタから分散させることにより、より均一なキャリアイオン輸送を支援し得る。次に、これにより、キャリアイオンのより均一な挿入および抽出が支援され、サイクル中の負極活物質におけるストレスが低減されるであろう。負極電流コレクタ層４７は電流を、セパレータに対向する負極活物質層の表面に分散させるので、キャリアイオンに対する負極活物質層の反応性は、キャリアイオン濃度が最大である場所において、最大となるであろう。

補助負極電流コレクタ層４７Ａおよび４７Ｂは、負極電流コレクタ層４７との関連で前に特定した物質のいずれかを含み得る。補助負極電流コレクタ層４７Ａおよび４７Ｂは負極活物質層と正極活物質層との間に配置されないため、補助負極電流コレクタ層４７Ａおよび４７Ｂはキャリアイオンに対してイオン透過性を有する必要はない。したがって補助負極電流コレクタ層４７Ａおよび４７Ｂは、例えば炭素、コバルト、クロム、銅、ニッケル、チタン、またはこれらの１つまたは複数の合金などの負極のための電流コレクタ物質として従来使用される任意の金属または導体を含み得る。加えて１つの実施形態では、補助負極電流コレクタ層４７Ａおよび４７Ｂは独立的に、負極電流コレクタ層４７の電気伝導性を越える電気伝導性を有する。例えば１つの実施形態では、補助負極電流コレクタ層４７Ａおよび４７Ｂのうちの少なくとも１つは負極電流コレクタ層の電気伝導性の少なくとも２００％（例えば少なくとも１０００％）である電気伝導性を有する。

代替の実施形態では、負極電流コレクタ層４７Ａおよび４７Ｂのうちの一方または両方は負極群の各要素２１から省略される。例えば１つの係る実施形態では、負極群の各要素２１は負極電流コレクタ層４７および補助負極電流コレクタ層４７Ａを含むが、補助負極電流コレクタ層４７Ｂは含まない。さらなる例として１つの係る実施形態では、負極群の各要素２１は負極電流コレクタ層４７および補助負極電流コレクタ層４７Ｂを含むが補助負極電流コレクタ層４７Ａは含まない。さらなる例として１つの係る実施形態では、負極群の各要素２１は、負極電流コレクタ層４７を含むが、補助負極電流コレクタ層４７Ａも補助負極電流コレクタ層４７Ｂも含まない。

代替の実施形態では、負極電流コレクタ層４７および負極活物質層の位置は図３および図６に図示するそれぞれの位置に対して逆転される。換言するといくつかの実施形態では、負極電流コレクタ層４７は負極基幹部５１と負極活物質層４９との間に配置される。係る実施形態では、負極電流コレクタ層は、例えば炭素、コバルト、クロム、銅、ニッケル、チタン、またはこれらの１つもしくは複数の合金などの負極のための電流コレクタとして従来使用される任意の金属または他の導体を含み得る。唯一の電流コレクタとして。加えて係る代替の実施形態では、補助負極電流コレクタ層４７Ａおよび４７Ｂのうちの一方または両方が負極群の各要素２１から省略され得、負極基幹部５１が負極電流コレクタを構成する。

再び図２および図３を参照すると、ミクロ多孔性セパレータ層４３は負極群の各要素２１と正極群の各要素２２との間に配置される。ミクロ多孔性セパレータ層４３は、例えばミクロ多孔性ポリエチレン、ポリプロピレン、ＴｉＯ_２ポリマー複合材料、ＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３などを含む、２次電池セパレータとして従来使用される多孔性物質のうちのいずれかを含み得る（Ｐ．Ａｒｏｒａ ａｎｄ Ｊ．Ｚｈａｎｇ，“Ｂａｔｔｅｒｙ Ｓｅｐａｒａｔｏｒｓ”Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｒｅｖｉｅｗｓ ２００４，１０４，４４１９－４４６２）。係る物質は例えば、粒子状セパレータ物質の電気泳動堆積、粒子状セパレータ物質のスラリー堆積（スピンまたはスプレーコーティングを含む）、イオン伝導性粒子状セパレータ物質のスパッタコーティングにより、堆積され得る。ミクロ多孔性セパレータ層４３は例えば、約５～１００マイクロメートルの肉厚（負極群および正極群の隣接する要素を隔てる最短距離）と、約０．２５～約０．７５の空隙率と、を有し得る。

動作時、ミクロ多孔性セパレータ層４３は好適には、非水電解質２次電池に対して従来使用される任意の非水電解質を含む非水電解質で浸透される。典型的には、非水電解質は有機溶媒中に溶解されたリチウム塩を含む。代表的なリチウム塩は、ＬｉＣｌＯ_４、ＬｉＢＦ_４、ＬｉＰＦ_６、ＬｉＡｓＦ_６、ＬｉＣｌ、およびＬｉＢｒなどの無機リチウム塩と、ＬｉＢ（Ｃ_６Ｈ_５）_４、ＬｉＮ（ＳＯ_２ＣＦ_３）_２、ＬｉＮ（ＳＯ_２ＣＦ_３）_３、ＬｉＮＳＯ_２ＣＦ_３、ＬｉＮＳＯ_２ＣＦ_５、ＬｉＮＳＯ_２Ｃ_４Ｆ_９、ＬｉＮＳＯ_２Ｃ_５Ｆ_１１、ＬｉＮＳＯ_２Ｃ_６Ｆ_１３、およびＬｉＮＳＯ_２Ｃ_７Ｆ_１５などの有機リチウム塩と、を含む。リチウム塩を溶解するための代表的な有機溶媒としては環状エステル、鎖状エステル、環状エーテル、および鎖状エーテルが挙げられる。環状エステルの具体例としてはプロピレンカルボナート、ブチレンカルボナート、γ-ブチロラクトン、ビニレンカルボナート、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－バレロラクトンが挙げられる。鎖状エステルの具体例としてはジメチルカルボナート、ジエチルカルボナート、ジブチルカルボナート、ジプロピルカルボナート、メチルエチルカルボナート、メチルブチルカルボナート、メチルプロピルカルボナート、エチルブチルカルボナート、エチルプロピルカルボナート、ブチルプロピルカルボナート、アルキルプロピオナート、ジアルキルマロナート、およびアルキルアセテートが挙げられる。環状エーテルの具体例として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－ジオキソランが挙げられる。鎖状エーテルの具体例としては１，２－ジメトキシエタン、１，２－ジエトキシタン、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が挙げられる。

ここで図３および図７を参照すると、正極基幹部５２は、負極（単数または複数）に対向する正極基幹部５２の横方向表面上に配置された正極活物質層５０と、正極電流コレクタ層４８と、に対して機械的安定性を提供する。典型的には、正極基幹部５２は少なくとも１マイクロメートルの肉厚（正極の幅Ｗ_ＰＥと同一方向に測定された場合）を有するであろう。正極基幹部５２は、大幅により大きい肉厚を有し得るが、通常は１００マイクロメートルを越える肉厚を有することはないであろう。例えば１つの実施形態では、正極基幹部５２は約１～約５０マイクロメートルの肉厚を有するであろう。一般に、正極基幹部５２は少なくとも約５０マイクロメートルの、さらに典型的には少なくとも約１００マイクロメートルの高さＨ_ＰＥ（負極の高さＨ_ＮＥと同一方向に測定された場合）を有するであろう。しかし一般に、正極基幹部５２は典型的には約１０，０００マイクロメートルを越えない高さを、さらに典型的には約５，０００マイクロメートルを越えない高さを、有するであろう。例として１つの実施形態では、正極基幹部５２は約５～約５０マイクロメートルの肉厚と、約５０～約５，０００マイクロメートルの高さと、を有するであろう。さらなる例として１つの実施形態では、正極基幹部５２は約５～約２０マイクロメートルの肉厚と、約１００～約１，０００マイクロメートルの高さと、を有するであろう。さらなる例として１つの実施形態では、正極基幹部５２は約５～約２０マイクロメートルの肉厚と、約１００～約２，０００マイクロメートルの高さと、を有するであろう。

用途に応じて、正極基幹部５２は導電性または電気絶縁性を有し得る。例えば１つの実施形態では、正極基幹部５２は導電性を有し、正極活物質層５０に対する電流コレクタを含み得る。１つの係る実施形態では正極基幹部は少なくとも約１０^３ジーメンス／ｃｍの伝導性を有する電流コレクタを含む。さらなる例として１つの係る実施形態では、正極基幹部は少なくとも約１０^４ジーメンス／ｃｍの伝導性を有する電流コレクタを含む。さらなる例として１つの係る実施形態では、正極基幹部は少なくとも約１０^５ジーメンス／ｃｍの伝導性を有する電流コレクタを含む。他の実施形態では正極基幹部アノード基幹部５２は比較的非伝導性である。例えば１つの実施形態では、正極基幹部５２は１０ジーメンス／ｃｍ未満の電気伝導性を有する。さらなる例として１つの実施形態では、正極基幹部５２は１ジーメンス／ｃｍ未満の電気伝導性を有する。さらなる例として１つの実施形態では、正極基幹部５２は１０^－１ジーメンス／ｃｍ未満の電気伝導性を有する。

正極基幹部５２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され得る任意の物質を含み得る。現在、好適には、物質は、シリコンおよびゲルマニウムなどの半導体物質を含む。しかし代替的には、炭素ベースの有機物質または金属（例えばアルミニウム、銅、ニッケル、コバルト、チタン、およびタングステンなど）も正極基幹部に組み込まれ得る。１つの代表的な実施形態では正極基幹部５２はシリコンを含む。例えばシリコンは単結晶シリコン、多結晶シリコン、非晶質シリコン、またはこれらの組み合わせであり得る。

正極活物質層５０は、カソード活物質の混合物を含む、多様なカソード活物質のいずれかを含み得る。例えばリチウムイオン電池に対して、正極活物質層５０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されるカソード物質を含み得る。これらの遷移金属酸化物、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殻またはｆ殻を有する金属元素を含み得る。係る金属元素の具体例としては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が挙げられる。追加的なカソード活物質としてはＬｉＣｏＯ_２、ＬｉＮｉ_０．５Ｍｎ_１．５Ｏ_４、Ｌｉ（Ｎｉ_ｘＣｏ_ｙＡｌ_２）Ｏ_２、ＬｉＦｅＰＯ_４、Ｌｉ_２ＭｎＯ_４、Ｖ_２Ｏ_５、モリブデンオキシ硫化物、およびこれらの組み合わせが挙げられる。正極活物質層を、例えば電気泳動堆積、電気溶着、共析出、またはスラリー堆積を含む一定範囲の技法のいずれかにより、堆積させ、正極構造体が形成され得る。１つの代表的な実施形態では、粒子形態における前述の正極活物質のうちの１つ、またはこれらの組み合わせは、電気泳動により堆積される。他の代表的な実施形態では、Ｖ_２Ｏ_５などの正極活物質が電着される。他の代表的な実施形態では、前述の正極活物質のうちの１つ、またはこれらの組み合わせは、粒子形態で、ポリアニリンなどの導電性マトリックスにおいて共堆積される。他の代表的な実施形態では、粒子形態における前述の正極活物質のうちの１つ、またはこれらの組み合わせは、スラリー堆積される。

正極群の各要素２２は正極電流コレクタ層４８をさらに含み、この正極電流コレクタ層４８は図３に図示する実施形態では、正極基幹部５２上に覆い被さる（すなわち正極基幹部５２と正極活物質層５０との間に配置される）。正極電流コレクタ４８は、負極電流コレクタに対して前に特定した金属のいずれかを含み得る。例えば１つの実施形態では、正極電流コレクタ４８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、シリコンおよびニッケルの合金、チタン、またはこれらの組み合わせを含む（Ａ．Ｈ．ＷｈｉｔｅｈｅａｄおよびＭ．Ｓｃｈｒｅｉｂｅｒによる“Ｃｕｒｒｅｎｔ ｃｏｌｌｅｃｔｏｒｓ ｆｏｒ ｐｏｓｉｔｉｖｅ ｅｌｅｃｔｒｏｄｅｓ ｏｆ ｌｉｔｈｉｕｍ－ｂａｓｅｄ ｂａｔｔｅｒｉｅｓ”， Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ ｔｈｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ Ｓｏｃｉｅｔｙ，１５２（１１） Ａ２１０５－Ａ２１１３ （２００５）参照）。さらなる例として１つの実施形態では、正極電流コレクタ４８は金、または金の合金（例えば金シリサイドなど）を含む。さらなる例として１つの実施形態では、正極電流コレクタ４８はニッケル、またはニッケルの合金（例えばニッケルシリサイドなど）を含む。

補助負極電流コレクタ層４８Ａおよび４８Ｂは、正極電流コレクタ層４８との関連で前に特定した物質のいずれかを含み得る。加えて１つの実施形態では、補助正極電流コレクタ層４８Ａおよび４８Ｂのうちの少なくとも１つは、正極電流コレクタ層４８の電気伝導性を越える電気伝導性を有する。例えば１つの実施形態では、補助正極電流コレクタ層４８Ａおよび４８Ｂのうちの少なくとも１つは、正極電流コレクタ層の電気伝導性の少なくとも２００～１，０００％である電気伝導性を有する。

代替の実施形態では、正極電流コレクタ層４８Ａおよび４８Ｂのうちの一方または両方は正極群の各要素２２から省略される。例えば１つの係る実施形態では、正極群の各要素２２は正極電流コレクタ層４８および補助正極電流コレクタ層４８Ａを含むが、補助正極電流コレクタ層４８Ｂは含まない。さらなる例として１つの係る実施形態では、正極群の各要素２２は正極電流コレクタ層４８および補助正極電流コレクタ層４８Ｂを含むが、補助正極電流コレクタ層４８Ａは含まない。さらなる例として１つの係る実施形態では、正極群の各要素２２は正極電流コレクタ層４８を含むが、補助正極電流コレクタ層４８Ａも補助正極電流コレクタ層４８Ｂも含まない。

代替の実施形態では、正極電流コレクタ層および正極活物質層の位置は図３および図６に図示するそれぞれの位置に対して逆転される。換言するといくつかの実施形態では、正極電流コレクタ層はセパレータ層と正極活物質層との間に配置される。係る実施形態では、直接的に隣接する正極活物質層に対する正極電流コレクタは、負極電流コレクタ層に関連して説明した組成および構造を有するイオン透過性導体を含む。すなわち正極電流コレクタ層は、イオン伝導性および導電性の両方を有するイオン透過性の伝導性物質の層を含む。この実施形態では、正極電流コレクタ層は、電気化学的スタックにおいて正極電流コレクタ層の一方の側部に接する直接的に隣接する正極活物質層と、正極電流コレクタ層の他方の側部に接する直接的に隣接するセパレータ層と、の間のキャリアイオンの移動を支援する、肉厚と、電気伝導性と、キャリアイオンに対するイオン伝導性と、を有する。相対的に、この実施形態では、正極電流コレクタ層は、電流が印加されてデバイスにエネルギーが貯蔵されるとき、または負荷が印加されてデバイスが放電されるとき、そのイオン伝導性よりも大きい電気伝導性を有する。例えば、電流が印加されてデバイスにエネルギーが貯蔵されるとき、または負荷が印加されてデバイスが放電されるとき、正極電流コレクタ層の電気伝導性のイオン伝導性（キャリアイオンに対する）との比は通常、それぞれ少なくとも１，０００：１となるであろう。さらなる例として１つの係る実施形態では、電流が印加されてデバイスにエネルギーが貯蔵されるとき、または負荷が印加されてデバイスが放電されるとき、正極電流コレクタ層の電気伝導性のイオン伝導性（キャリアイオンに対する）との比は、それぞれ少なくとも５，０００：１である。さらなる例として１つの係る実施形態では、電流が印加されてデバイスにエネルギーが貯蔵されるとき、または負荷が印加されてデバイスが放電されるとき、正極電流コレクタ層の電気伝導性のイオン伝導性（キャリアイオンに対する）との比は、それぞれ少なくとも１０，０００：１である。さらなる例として１つの係る実施形態では、電流が印加されてデバイスにエネルギーが貯蔵されるとき、または負荷が印加されてデバイスが放電されるとき、正極電流コレクタ層の電気伝導性のイオン伝導性（キャリアイオンに対する）との比は、それぞれ少なくとも５０，０００：１である。さらなる例として１つの係る実施形態では、電流が印加されてデバイスにエネルギーが貯蔵されるとき、または負荷が印加されてデバイスが放電されるとき、正極電流コレクタ層の電気伝導性のイオン伝導性（キャリアイオンに対する）との比は、それぞれ少なくとも１００，０００：１である。

再び図２および図４を参照すると、負極バス２３および正極バス２４は、広範な導電性物質からなり得る。例えば負極バス２３および正極バス２４は、負極群および正極群の要素をそれぞれ負極導電性経路２５および正極導電性経路２６に電気的に接続するために、導電性セラミック、ガラス、ポリマー、半導体、または金属を独立的に含み得る。さらなる例として１つの実施形態では、負極バス２３および正極バス２４のそれぞれは、シリコン、炭素、炭素複合材、金属シリサイドなどの導電性物質を独立的に含む。正極バスのための代表的な物質としては、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、シリコンならびにニッケルの合金、チタン、これらのうちの１つまたは複数の合金、およびこれらの組み合わせが挙げられる。負極バスのための代表的な物質としては、銅、ニッケル、クロム、チタン、タングステン、コバルト、炭素、これらのうちの１つまたは複数の合金、およびこれらの組み合わせが挙げられる。正極バスおよび負極バスのための物質は、蒸着、スパッタリング、無電解メッキ、浸漬メッキ、電気メッキなどの、一定範囲の周知の金属堆積処理のいずれかにより、堆積され得る。ある特定の実施形態では、正極バスおよび負極バスの伝導性部分は同一物質を含み得る。他の実施形態では、正極バスおよび負極バスの伝導性部分は組成的に異なる物質を含み得る。ある特定の実施形態では、正極バスおよび／または負極バスは、伝導性物質殻により部分的にまたは完全に覆われた非伝導性コア部を含む。加えて、正極バスおよび負極バスが伝導性物質殻により部分的にまたは完全に覆われた非伝導性コア部を含む係る実施形態では、正極バスおよび負極バスの非伝導性コア部は、伝導性殻が組成的に異なる一方で、同一組成を有し得る。

負極タブ４１および負極タブ伸張部分２５と、正極タブ４２および正極タブ伸張部分４２と、は広範な導電性物質のいずれかを含み得る。例えば１つの実施形態では、負極タブ４１、負極タブ伸張部分２５、正極タブ４２、および正極タブ伸張部分４２は、シリコン、炭素、炭素複合材、金属シリサイドなどの導電性物質を独立的に含む。正極タブおよび正極タブ伸張部分のための代表的な物質としては、正極バスに対して特定されたものと同一の物質が挙げられ、負極タブおよび負極タブ伸張部分のための代表的な物質としては、負極バスに対して特定されたものと同一の物質が挙げられる。

多様な技法により、負極タブ４１および負極タブ伸張部分２５は負極バス２３に取り付けられ得、正極タブ４２および正極タブ伸張部分２６は正極バス２４に取り付けられ得る。タブ、タブ伸張部分、およびバスの取り付け方法は、接着、はんだ付け、接合、焼結、圧着接続、ブレージング、溶射接合、圧締め、またはこれらの組み合わせを含み得る。接着は、伝導性エポキシ、伝導性エラストマー、伝導性金属で充填された絶縁性有機接着剤（例えばニッケルで充填されたエポキシ、炭素で充填されたエポキシ、その他）の混合物などの伝導性物質を用いて物質を接合することを含み得る。伝導性ペーストが、物質を一緒に接合するために使用され得、接合強度は、温度（焼結）、光（ＵＶ硬化、架橋）、化学硬化（触媒ベースの架橋）により調節され得る。接合処理はワイヤ接合、リボン接合、超音波接合を含み得る。溶接処理は超音波溶接、抵抗溶接、レーザビーム溶接、電子ビーム溶接、誘導溶接、および冷間溶接を含み得る。これらの物質を接合することとは、物質を一緒に接合するために、熱溶射コーティング（例えばプラズマ溶射、フレーム溶射、アーク溶射）などのコーティング処理を使用して実行され得る。例としてニッケルまたは銅メッシュが、接着剤としてニッケルの溶射を使用してニッケルバス上に接合され得る。

図２および図３を再び参照して、負極基幹部５１および正極基幹部５２は、３次元構造体を製作するための当該技術分野で周知の任意の方法で製作され得る。例えば正極（カソード）のためのシリコン基幹部、および負極（アノード）のためのシリコン基幹部は、一時的、永久多的、または半永久的接合により基部に接合されたウェーハを使用することにより同時に製造され得る。基部をウェーハに接合する非網羅的な方法としては、無機接着祭または有機接着剤を使用する接着、アノード酸化接合、圧着、熱接合など挙げられる。シリコン・オン・インシュレータ・ウェーハ、アノードガラス接合されたウェーハ、一時的キャリアが取り付けられたウェーハが、活基板上に接合された基部の例である。次いでウェーハはパターン形成され、シリコンは、不要な部分において除去され、それにより、電極のための基幹部として機能し得る構造体が残される。いくつかの実施形態では基幹部は、レーザ加工、放電加工、高精度加工、アブレーション、および穿孔により、不要なエリアにおいて平坦な基板から物質を除去することにより、消極的な様式で製造され得る。他の実施形態では、各基幹部は、焼結、マイクロ形成、電鋳法、その他を用いてまたは用いることなく、３Ｄ印刷、ステンシル印刷および積層化、グラビア印刷、射出成形、プレス成形および焼結、ゲルキャストおよび焼結、スラリーキャスト、テープキャストなどの方法を使用して層を構築することにより、個別的にまたは別個に、積極的な様式で作られ得る。基幹部を作るために使用され得る他の代表的プロセスは、マスクを通してのスパッタリング、蒸着などの真空ベースの堆積処理を使用して、支柱、棒状体、波形、その他を成長することを含み得る。さらなる代表的な製造方法は、バターン形成された基部材料上でのナノワイヤ成長またはナノ構造成長の使用を含む。

図２および図３を再び参照して、負極電流コレクタ４７および正極電流コレクタ４８は、電気溶着、無電解堆積、浸漬堆積、物理気相成長、化学気相成長などの処理により製作され得る。正極（カソード）および負極（アノード）電流コレクタは、周知のパターン形成および金属堆積の技法を使用して、同時に堆積されてもよく、または逐次的に製作されてもよい。

補助負極電流コレクタ層４７Ａおよび４７Ｂおよび／または補助正極電流コレクタ層４８Ａおよび４８Ｂは、ある特定の実施形態において改善された速度特性（ｒａｔｅ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ）を提供し得る。補助正極電流コレクタおよび／または負極電流コレクタは、正極電流コレクタおよび負極電流コレクタの形成に関連して説明したものと同様の方法を使用して、電極構造体上に形成され得る。マスキングおよびパターン形成の周知の方法が、補助電流コレクタを所望の部分に選択的に堆積するために、基幹部を準備するために使用され得る。いくつかの事例では、電流コレクタの堆積は、イオン透過性電流収集方式を提供するために、活電極が堆積された後に行われるであろう。

図３を参照すると、負極物質層４９は、電気溶着、電気泳動堆積、蒸着、蒸気－液体－固体堆積などの触媒ベースの成長、ゲルキャスト、テープキャスト、パターン形成およびスラリー堆積の後に、焼結、結合などの方法による高密度化などの方法を使用して、形成または別様に組み立てられ得る。いくつかの実施形態では、負極物質層および負極基幹部は、シリコン、アルミニウム、およびスズなどの同一物質を含み得、負極物質層および負極基幹部は同時に製作され得る。同様に正極物質層５０も、電気溶着、電気泳動堆積、蒸着、蒸気－液体－固体堆積などの触媒ベースの成長、ゲルキャスト、テープキャスト、パターン形成およびスラリー堆積の後に、焼結、結合などの方法による高密度化などの方法を使用して、組み立てられ得る。

依然として図３を参照して、ミクロ多孔性セパレータ層４３は多様な従来の方法のいずれかにより形成され得る。代表的な方法としては、電気泳動堆積、蒸着、浸漬コーティング、ゲルキャスト、テープキャスト、パターン形成およびスラリー堆積の後に、圧縮、焼結、結合、硬化などの方法による高密度化が挙げられる。

ここで図１１を参照すると１つの実施形態では、本発明に係る３次元電池７０は、電池筐体７２、電極スタック７４、電極スタック７４を外部のエネルギー供給または消費者（図示せず）に電気的に接続するための負極タブ４１、および正極タブ４２を含む。電極スタック７４は、各電極構造体２０内で互いに入り込んだ電極のシリーズの進行方向に対して垂直な方向に積まれた６つの電極構造体２０（図２参照）を含む。再び図２を参照すると、この実施形態における６つの電極構造体の積む方向は、図２に図示するＸ－Ｙ－Ｚ座標系に対する「Ｚ」方向であり、方向Ｄに対して垂直である。電極スタック７４内の電極構造体の個数は決定的ではなく、例えば１～５０の範囲内であり得る。２個～２０個の電極構造体が通常、電極スタック内に存在する。電池筐体を非水電解質で充填した後、電池筐体７２は、蓋部７２Ａをヒンジ７２Ｂにおいて折り曲げて蓋部７２Ａを上方表面７２Ｃに接着することにより、密閉され得る。

有利に、負極タブ伸張部分２５は、スタック７４内の各電極構造体２０の負極バス２３に電気的に接続され（例えば導電性接着剤を使用して）、正極バス２６は、スタック７４内の各電極構造体２０の正極バス２４に電気的に接続される（例えば導電性接着剤を使用して）。図示のように、負極タブ伸張部分２５は６つの電極構造体２０の負極バス２３に電気的に接続され、正極タブ伸張部分２６は正極バス２４に電気的に接続される。他の実施形態では、負極タブ伸張部分２５および正極タブ伸張部分２６は、電極スタック７４内のより少数のまたはより多数の負極タブ伸張部分および正極タブ伸張部分に接続され得、例えば１～５０個の範囲であり得、通常は２～２０個であり得る。１つの代替の実施形態では、スタック内の電極構造体の個数に対して独立的に、スタック７４は、２つ以上の負極タブ伸張部分２５と、２つ以上の正極タブ伸張部分２６と、を含み得る。

タブ４１は例えば導電性接着剤を使用して負極タブ伸張部分２５に電気的に接続され得、タブ４２は例えば導電性接着剤を使用して正極タブ伸張部分２６に電気的に接続され得る。代替的にタブ４１および４２は、それぞれ負極タブ伸張部分２５および正極タブ伸張部分２６の折り曲げられた端部であり得る。

ここで図１２を参照すると、電池筐体７２は非水電解質（図示せず）で充填され、蓋部７２Ａは上方表面（図１１参照）上に折り曲げられ、上方表面に密閉され、それにより電極スタック７４が封入される。エネルギー供給または消費者（図示せず）に対する接続を可能にするために、タブ４１および４２は、密閉された筐体から、電極スタック７４内の個々の電極構造体２０のスタックの方向に対して垂直であり且つ電極スタック７４内の各電極構造体２０内の互いに入り込んだ電極のシリーズの進行方向に対して平行な方向に延長する。

ある特定の実施形態では、電池筐体は、互いに対して垂直に、水平または垂直に、水平にスタックされた、２つ以上の電極構造体（ダイと呼称されることもある）を含み得、タブ伸張部分は、電池外部の環境に対する電気接続を提供するために、電極のそれぞれに対して接続される。ダイが垂直にスタックされる場合、異なる電極構造体（または負極バス、いずれにせよ存在するバス）における負極群の底部は、互いに対して垂直に配置され、異なる電極構造体（または正極バス、いずれにせよ存在するバス）における正極群の底部は、互いに対して垂直に配置される。ある特定の実施形態では、スタック内の各電極構造体は、図２に図示するようにセパレータ物質の上部および底部コーティングを有する。しかし他の実施形態では、セパレータ物質の上部、底部または上部、および底部コーティングは省略され得、自立型のセパレータ層が、電気的絶縁を提供するために、電極構造体（ダイ）間に挿入され得る。市販の電池セパレータが所望のサイズに切断され、この目的のために使用され得る。ダイがスタックされると、いくつかの実施形態では、電極構造体内の正極群および負極群のタブ伸張部分（単数または複数）は、接着、プラズマ溶射、溶接、その他により、電極バス（存在する場合）の端部に、またはそれぞれの群の電極端部に、電気的に接続される。意図される用途に応じて、各タブ伸張部分は電極スタック内の個々の電極構造体（ダイ）に接続され得る。代替的に、単一のタブ伸張部分がスタック内の２つ以上の電極構造体（ダイ）に電気的に接続され得る。１つの係る実施形態では、タブ伸張部分は、スタックの高さ（例えば図１１における２６）にわたって延長し、スタック内の全電極構造体（ダイ）に対して電気的に接続する。

ここで図１３～図１５を参照すると、タブ４１および４２に対する代替の構成が図示される。図１３では、タブ４１および４２は、それぞれ負極タブ伸張部分２５および正極タブ伸張部分２６の折り曲げられた端部であり、４５度の角度で折り曲げられる。この実施形態では、タブ４１および４２は、密閉された筐体から、電極スタック７４内の個々の電極構造体２０のスタックの方向に対して垂直であり且つ電極スタック７４内の各電極構造体２０内の互いに入り込んだ電極のシリーズの進行方向に対して平行な方向に延長する。図１４では、負極タブ伸張部分２５および正極タブ伸張部分２６は、電極構造体のスタックの上部上に折り曲げられ、タブ４１および４２は負極タブ伸張部分２５の１つの端部から、および正極タブ伸張部分２６の１つの端部から延長する。この実施形態では、タブ４１および４２は、密閉された筐体から、電極スタック７４内の個々の電極構造体２０のスタックの方向に対して垂直であり且つ電極スタック７４内の各電極構造体２０内の互いに入り込んだ電極のシリーズの進行方向に対して平行な方向に延長する。図１５では、タブ４１および４２は、負極タブ伸張部分２５の端部のうちの１つおよび正極タブ伸張部分２６の端部のうちの１つには配置されず、むしろ２つの端部の中間点から延長する。この実施形態では、タブ４１および４２は、密閉された筐体から、電極スタック７４内の個々の電極構造体２０のスタックの方向に対して垂直であり且つ電極スタック７４内の各電極構造体２０内の互いに入り込んだ電極のシリーズの進行方向に対して垂直な方向に延長する。

ダイを積み上げて垂直にスタックすることに代わり、１つの実施形態ではダイは、Ｘ平面において隣同士に並べられ得る。並べることは、１つの軸に沿ってのみ（例えばＸ軸のみ）、または両方の軸に沿って、生じ得る。１つの係る実施形態では、各ダイ上の電極バスの極性は、１つのダイからのカソードバスが次のダイからのカソードバスに隣接し、１つのダイのアノードバスが次のダイのアノードバスに隣接するよう、交替して反転される。このようにして、共通のタブが、２つの隣接するダイに接続するために使用され得、これにより重量および体積が節約されることとなる。ＸＹ平面において並べる際、複数のアノードタブおよび／またはカソードタブが、一緒に接続されて、単一のアノード接点および単一のカソード接点を形成することが必要となり得る。これは、電池筐体内部で、または電池筐体外部で、達成され得る。ある特定の実施形態では、複数のアノードタブおよび／または複数のカソードタブは、未接続状態に保持され、電池筐体から出てき得る。代替的に、単一のアノードおよびカソード接点が、電池筐体から引き出され得る。この実施形態では、カソードタブは最初、Ｔ字構成で成形される。Ｔの上部は２つの隣接するカソードバスに接続される。Ｔの底部は９０度で折り曲げられ、並べられたダイの底部に沿って延長する。複数のカソードタブの底部分は、並べられたダイの底部に沿って、重ねられる。次に、これらの複数のタブは、抵抗溶接、レーザ溶接、スポット溶接により一緒に接続されてもよく、または伝導性接着剤を用いて接続されてもよい。次に、これらのカソードタブのうちのただ１つが、電池筐体の外部に引き出される。同様に、複数のアノードタブは最初、Ｔ字構成で成形される。Ｔの上部は２つの隣接するアノードバスに接続される。Ｔの底部は９０度で折り曲げられ、並べられたダイの底部に沿って延長する。複数のアノードタブの底部分は、傾斜されたダイの底部に沿って、重ねられる。次に、これらの複数のタブは、抵抗溶接、レーザ溶接、スポット溶接により一緒に接続されてもよく、または伝導性接着剤を用いて接続されてもよい。次に、これらのアノードタブのうちのただ１つが、電池筐体の外部に引き出される。ＸＹ平面において並べることは、Ｚ平面においてダイを積むことと組み合わされ得る。このようにして、それぞれの個々のダイよりも遥かに大きい電池が製造され得る。

携帯電話およびコンピュータなどの携帯型電子機器のためのリチウムイオン電池に対して、例えばポーチまたは他の従来の電池筐体が、電池筐体７２に対して代用され得る。

図７および図８に図示する長方形の断面形状に代わって、負極群および正極群の要素は、多様な代替の断面プロファイルを独立的に有し得る。負極群および正極群の例えば要素２１および要素２２は、多角形の断面形状（例えば三角形、四辺形、五角形、または六角形の断面）もしくは滑らかに湾曲した断面（例えば楕円形または円形）またはこれらの組み合わせを有し得る。したがって一般に、負極群および正極群の要素は、一定範囲の多面体、円錐形、または円筒形（例えば長円状円筒、放物線状円筒形、または双曲線状円筒形）の形状を独立的に有し得る。図１８Ａ～図１８Ｅはいくつかの係る代替の断面形状を図示する。

以下の非限定的な実施例は、本発明をさらに示すために提供されるものである。

実施例１:３Ｄ単一セルの製作
櫛構造体の作製
２００μｍ／３μｍ／６７５μｍの層肉厚（デバイス層／絶縁層／バッキング層）を有するシリコン・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）ウェーハが試料として使用された。１０００ÅのＰｄがデバイス層の上部にスパッタ堆積され、その後、２０００Åのシリコンジオキサイドの硬質マスク層が堆積された。

次に、このウェーハは、５μｍのレジストでスピンコーティングされ、マスクを用いてパターン形成され、それにより、２つの互いに入り込んだ櫛が互いから分離され、それぞれが電気接点を作るのに好適なランディングパッドで終端する状態の、櫛形状の構造体が獲得された。次にこのパターンにおけるフォトレジストは、イオンミリングによりシリコンジオキサイドおよびパラジウムを除去するためのフォトマスクとして使用された。

シリコンジオキサイド、フォトレジスト、およびＰｄの組み合わせが、フッ化物プラズマにおける深堀り反応性イオンエッチング（ＤＲＩＥ）を使用してシリコンを除去するためのマスクとして使用された。ＤＲＩＥは、マスク間隙におけるデバイス層を構成するシリコンが完全に除去され、オキサイド層上で停止するまで、実行された。使用されたオーバーエッチング時間は、トレンチフロアのシリコンのアイランドを除去するためにＤＲＩＥ時間全体の１０％であった。あらゆる上部フォトレジストが、アセトンにおいてストリップすることにより除去され、それによりＤＲＩＥにより互いから電気的に絶縁された２つの櫛が残された。

引き続き、上部マスキングオキサイド層が、希釈（５：１）緩衝酸化物エッチング（ＢＯＥ）溶液中で試料を１分間浸漬することにより、除去された。なお溶解時間は、トレンチの底部における絶縁オキサイド層がエッチングで完全に除去されないよう、調節された。

分離されたアノード櫛およびカソード櫛を有する櫛構造体は、電流コレクタおよび電極の製作のための基部構造として基部構造体として使用された。

２．アノード電流コレクタおよびアノード電極の製作
分離されたペアの櫛状構造体（以後、アノード基幹部櫛と呼称する）がパラジウム導体を通して電気的に接続され、銅メッキ槽内で浸漬された。銅メッキ槽条件は、堆積が、パラジウムおよびシリコン層の両方の上で生じて櫛構造体が構成され、それによりアノード電流コレクタとして機能するＣｕ層が形成されるよう、調節された。

他の櫛構造体（ここではカソード基幹部櫛と呼称される）が引き続き電気泳動レジスト槽内に浸漬された。市販の電気泳動レジスト槽が使用され（Ｓｈｉｐｌｅｙ ＥＡＧＬＥ）、櫛は、Ｐｄ導体を使用して５０Ｖで１２０秒間にわたり電気泳動により堆積され、それによりレジストコーティングが形成された。ダイは１２０℃で３０分間にわたり焼成され、それによりレジストが硬化された。

次に、シリコン試料が蒸着チャンバ内に挿入され、２０ÅのＡｕが試料表面上に堆積された。このＡｕ堆積プロセスにより、ハニカム状構造の上部、その側壁部、および底部オキサイド層上に、Ａｕが生成された。カソード基幹部櫛上に存在するフォトレジストにより、Ａｕはアノード基幹部櫛構造体上の銅のみと接触した。シリコンバッキング層はこの時、接着テープマスクにより保護され、試料は１５分にわたりアセトン内で浸漬され、それにより、電気泳動レジストと、電気泳動レジストの上部上に蒸着されたＡｕと、が除去された。これにより、Ａｕナノクラスタはアノード基幹部櫛のみに対して分離された。

次に、シリコンナノワイヤが、化学気相成長（ＣＶＤ）によりアノード基幹部櫛構造体の上部上に成長された。試料はＣＶＤチャンバ内に挿入され、５５０℃に加熱された。シランガスがチャンバ内に導入され、反応器圧力は１０トールに保持された。堆積速度は毎時４μｍであった。堆積は、２０μｍの目的ナノワイヤ肉厚までなされた。アノード基幹部櫛の上部上のこれらのナノワイヤは、リチウムイオン電池に対するアノードとして機能した。

３．カソード電流コレクタおよびカソード電極の製作
次に、カソード基幹部櫛はパラジウム導体を通して電気的に接続され、金をパラジウムおよびシリコン層上にメッキし、それにより櫛構造体が構成されるよう、金電気メッキ槽内で浸漬された。カソード基幹部櫛を包囲するこのＡｕ層はカソード電流コレクタとして機能した。

カソード基幹部櫛はリチウムイオン電池のカソード物質で電気泳動により堆積された。電気泳動堆積溶液はアセトンの溶液中にカソード物質（ＬｉＣｏＯ_２）、１５重量％のカーボンブラック、１５０ｐｐｍのヨウ素を含んだ。溶液混合物は、粒子を均一に分散させるために、終夜攪拌された。Ｐｄ接点パッドがカソード堆積のための電気接続部のための端子として使用された。Ｐｔ対電極が使用された。試料は３分間にわたり１００Ｖの電圧で堆積され、それにより４０μｍ肉厚のカソード構造体が堆積された。

４．セパレータの製作
試料はスピンコーターに送られ、スピンコーターにおいて、ミクロ多孔性セパレータが電池上に加えられた。この場合におけるミクロ多孔性セパレータは、２体積パーセントのＰＶＤＦ結合剤と、アセトン中に分散された微細ガラス粉末（２μｍ未満の直径）と、の組み合わせであった。このスラリーはダイ上にコーティングされ、過剰なスラリーは、セパレータ層を充填および平坦化するために、スピンオフされた。乾燥プロセスにより溶媒が蒸発し、微孔性セパレータ層が形成された。

５．構造的層の除去
引き続き、ダイの上側部は、ＵＶ剥離ダイシングテープの助けにより犠牲ガラス基板に結合された。この構成は、従来のウェーハラッピング技法を使用してバッキングシリコン層を機械的に除去するために使用された。このラッピングプロセスは、バッキングウェーハが除去されて中間酸化層が露出されるまで、実行された。ＵＶ剥離が、犠牲ガラス基板から能動ダイを除去するために使用された。それにより後続の電流収集および包装プロセスのためにダイの準備が整った。

実施例２:３Ｄ単一セルの製作
１．櫛構造体の製作
この実施例に対する櫛構造体は、実施例１で説明したように製作された。

２．アノード電流コレクタおよびアノード電極の製作
分離されたペアの櫛状構造体（以後、アノード基幹部櫛と呼称する）がパラジウム導体を通して電気的に接続され、銅メッキ槽内で浸漬された。銅メッキ槽条件は、堆積が、パラジウムおよびシリコン層の両方の上で生じ、それにより櫛構造体が構成されるよう、調整された。このＣｕ層はアノード電流コレクタとして機能した。

アノード基幹部櫛は非水性電気泳動体積スラリーを使用して電気泳動により黒鉛粒子を櫛表面上に堆積するために使用された。堆積スラリーは、黒鉛粒子（メソカーボンマイクロビーズ、９５重量％）と、電荷剤として２５ｐｐｍのヨウ素とともにアセトン中に分散されたカーボンブラック（５重量％）と、からなった。電気泳動堆積は６０μｍの平均薄膜肉厚を堆積するために１００Ｖで１８０秒にわたって白金対向電極を用いてなされた。

３．カソード電流コレクタおよびカソード電極の製作
引き続き、カソード基幹部櫛層はパラジウム導体を通して電気的に接続され、金をパラジウムおよびシリコン層上にメッキし、それにより櫛構造体が構成されるよう、金メッキ槽内で浸漬された。カソード基幹部櫛を包囲するこのＡｕ層はカソード電流コレクタとして機能した。

アノード基幹部櫛はアノード電極とともに電気泳動レジスト槽内に浸漬された。市販の電気泳動レジスト槽が使用され（Ｓｈｉｐｌｅｙ ＥＡＧＬＥ）、櫛は、Ｐｄ／Ｃｕ導体を使用して７５Ｖで１８０秒間にわたり電気泳動により堆積され、それによりレジストコーティングが形成された。ダイは１２０℃で３０分間にわたり焼成され、それによりレジストが硬化された。

引き続き、ダイは以下の組成のリチウムイオンカソード物質のスラリーでコーティングされた。リチウムコバルト酸化物８０ｇ、黒鉛５ｇ、カーボンブラック５ｇ、およびＰＤＶＦ１０ｇの全部が、１：２の体積比のＮ－メチルピロリドンおよび速乾溶媒としてのアセトン中で混合された。スラリーは乾燥され、溶媒は蒸発されて、伝導性カソード物質が残された。次に、この物質は、アノード櫛上に電気泳動により堆積されたレジストを露出するために、櫛表面にラッピングされた。このレジストは、セパレータ充填のための空隙を残すために、ＰＧＭＥＡ内でストリッピングすることにより、除去された。

４．セパレータの製作
セパレータは実施例１で説明したように製作された。

５．構造的層の除去
構造的層は実施例１で説明したように除去された。

実施例３:３Ｄ単一セルの製作
１．櫛構造体の製作
櫛構造体は、実施例１で説明したように準備された。

２．アノード電流コレクタおよびアノード電極の製作
分離された櫛構造体（ここではカソード基幹部櫛と呼称される）の１つが電気泳動レジスト槽内に浸漬された。市販の電気泳動レジスト槽が使用され（Ｓｈｉｐｌｅｙ ＥＡＧＬＥ）、カソード基幹部櫛は、Ｐｄ導体を使用して５０Ｖで１２０秒間にわたり電気泳動により堆積され、それによりレジストコーティングが形成された。ダイは１２０℃で３０分間にわたり焼成され、それによりレジストが硬化された。

次に、シリコン試料が蒸着チャンバ内に挿入され、１００ÅのＡｕが試料表面上に堆積された。このＡｕ堆積プロセスにより、櫛の上部、その側壁部、および底部オキサイド層上に、Ａｕが生成された。しかし櫛上に存在するフォトレジストにより、Ａｕは２つの櫛構造体のうちのただ１つの上のシリコンと接触した。シリコンバッキング層もこの時、接着テープマスクにより保護された。引き続きこの試料は、フッ化水素酸（４９％）および過酸化水素（３０％）の体積比で１：１の溶液中に３０℃で浸漬され、それにより多孔性シリコン層が形成された。多孔性シリコンの深さはエッチング時間を変化させることにより調整された。多孔性シリコンの形成速度はおよそ７５０～１０００ｎｍ／分であった。当該部分は除去され、３０μｍの目的細孔深さが到達されたとき、乾燥された。

多孔性シリコンは、電気泳動レジストがその上部にパターン形成されなかった櫛セット上にのみ形成された。多孔性シリコンセットは、リチウムイオン電池内のアノードとしての使用に好適であった。引き続き、電気泳動レジストは１５分にわたりアセトン中で除去された。

引き続き、アノード基幹部櫛はパラジウム導体を通して電気的に接続され、非常に希薄な（１０ｍＭ）硫酸銅および硫酸を含む銅メッキ槽内で浸漬された。銅メッキ槽条件は、堆積が、パラジウムおよび多孔性シリコンの両方の上で生じるよう、調整された。銅濃度は、銅堆積物が多孔性シリコンの外側層に沿って輸送制限（ｔｒａｎｓｐｏｒｔ ｌｉｍｉｔｅｄ）され多孔性となるよう、低い値に保持された。このＣｕ層は、その多孔性のためにイオン透過性も有するアノード電流コレクタとして機能し得る。しかしＰｄ層上の銅は、アノードに対する２次的バシングコレクタ（ｂｕｓｓｉｎｇ ｃｏｌｌｅｃｔｏｒ）として機能するために、肉厚がより大きく非多孔性であった。

３．カソード電流コレクタおよびカソード電極の製作
カソード電流コレクタおよびカソード電極は、実施例２で説明したように準備された。

４．セパレータの製作
セパレータは実施例２で説明したように準備された。

５．構造的層の除去
構造的層は実施例２で説明したように除去された。

実施例４:３Ｄ単一電池の製作
１．単一ダイの準備
実施例１～実施例３においてダイを処理するために使用された接点パッドは、ダイシングソーを使用するダイシングにより除去され、その一方で、アノードバスおよびカソードバスの接点は完全な状態のまま残された。ダイの縁部を覆いバス線に張り出すいかなるセパレータ物質も、電流コレクタ物質（アノードの場合にはＣｕ、カソードの場合にはＡｕ）を除去および露出するために、清掃された。

２．タブ伸張体の接続：
タブ伸張部分は、電流コレクタの露出の後、アノードバスおよびカソードバスに接続された。金バス線が、市販の炭素接着剤（ＤＡＧ－Ｔ－５０２）を使用してアルミニウムタブに接続された。炭素の薄層がタブ伸張部分上にコーティングされ、金バスの側部上に接着された。ニッケルタブ伸張部分が、同じく市販の炭素接着剤を使用して銅電流コレクタに接着された。接着剤は１２０℃で１時間にわたり焼成されて硬化された。タブ伸張部分は、パッケージから出るタブも含んだ。このタブ伸張部分は、曲げられて水平方向に平坦化され、パッケージされる準備が整った。

電池のパッケージおよび電解質の充填：
２つのタブ伸張部分を有するダイが市販の電池ポーチパッケージ物質内に挿入された。ポーチ物質はタブを通してタブ側部上に密閉された。他の３つの側部のうちの１つは、電解質充填のためのポートを提供するために、開放状態で残された。真空が加えられ、１：１：３の比率のプロピレンカルボナート、エチレンカルボナート、およびエチルメチルカルボナートと、リチウムヘキサフルオロリン酸塩（１Ｍ）と、を含む従来の電解質が、グローブボックス内にある間にセルに加えられた。引き続き、ダイがグローブボックス内に入ったとき、ポーチの最後の側部も、湿気および酸素がポーチ内に侵入することと、図１２に示す概略図に対応する組み立てられたパッケージの電池寿命が喪失することと、を防ぐために密閉された。次に電池は市販の電池サイクラーを使用して充放電された。

実施例５:３Ｄ単一電池の製作
１．単一ダイの準備
ダイの準備は実施例４におけるように実施された。

２．タブ伸張体の接続：
タブ伸張部分は、電流コレクタの露出の後、アノードバスおよびカソードバスに接続された。アルミニウムタブ伸張部分（１５０μｍ肉厚）は、タブ伸張部分をバス線に良好に接着するために、バス線に沿って複数のスポットにおいてバス表面上に超音波溶接された。引き続き、２００μｍのニッケルタブ伸張部分が、抵抗溶接を使用して銅バス線に接続された。再び複数の接点が、タブ伸張部分をバス線に良好に接着するために、作られた。タブ伸張部分は、パッケージから出るタブも含んだ。このタブ伸張部分は、曲げられて水平方向に平坦化され（図１２に図示するように）、パッケージされる準備が整った。

３．電池のパッケージおよび電解質の充填
電池のパッケージおよび電解質の充填は実施例４におけるように実施された。

実施例６:３Ｄ単一電池の製作
１．単一ダイの準備
実施例１～実施例３においてダイを処理するために使用された接点パッドは、ダイシングソーを使用するダイシングにより除去された。加えてカソードバス接点およびアノードバス接点もダイシングされ、アノード基幹部の端部およびカソード基幹部の端部が側部上で露出された状態で残された。

２．タブ伸張体の接続：
バス層への接続に代わってアノード基幹部およびカソード基幹部のそれぞれに直接的に接続されることを除き、タブ伸張部分は実施例４と同様に接続された。この場合、タブ伸張部分と、タブ伸張部分を接続するために使用された接着層と、は各電極に対するバシング層（ｂｕｓｓｉｎｇ ｌａｙｅｒ）としても機能した。

３．電池のパッケージおよび電解質の充填
電池のパッケージおよび電解質の充填は実施例４におけるように実施された。

実施例７:３Ｄ単一電池の製作
１．単一ダイの準備
単一ダイ準備プロセスは実施例６において説明したように実行された。

２．バスの形成
アルミニウムの５０μｍ肉厚の層が、ダイの上部および底部をマスキングし、溶射層がダイの断面のみに沿うことを確保した後に、カソード端部の側部上に溶射された。この溶射層は、露出された個々のカソード基幹部および電流コレクタのそれぞれに接触し、それらをバス接続した。それによりカソードバスが作られた。同様のプロセスがニッケル溶射でアノード側部において使用され、溶射アノードバスが作られた。

３．タブ伸張体の接続：
接続が、溶射されたアノードバス層およびカソードバス層に対してなされたことを除き、タブ伸張部分は実施例４と同様に接続された。

４．電池のパッケージおよび電解質の充填
電池のパッケージおよび電解質の充填は実施例４におけるように実施された。

実施例８:３Ｄ単一電池の製作
１．単一ダイの準備
実施例６と同様の単一ダイ準備プロセスが実行された。

２．バスの形成：
実施例７と同様のバス形成プロセスが実行された。

３．タブの接続：
タブは溶射されたバス層（カソード上のＡｌおよびアノード上のＮｉ）の上部に溶接された。タブは短い寸法の電池から直接的に出された。

４．電池のパッケージおよび電解質の充填
電池のパッケージおよび電解質の充填は実施例４におけるように実施された。

実施例９:３Ｄ積層電池の製作
１．単一ダイの準備
実施例７と同様の単一ダイ準備プロセスが、３つの異なるダイ上で別々に実行された点を除き、実行された。

２．バスの形成：
アルミニウムバス層およびニッケルバス層をそれぞれカソード端部およびアノード端部に溶射堆積する以前に、ダイは互いの上部に垂直に積み重ねられた。溶射されたアルミニウムは、ダイの全部に対して単一カソードバスを作ることに加えて、ダイのそれぞれに対して電極バスを作った。同様に、溶射されたＮｉは全部のダイに対してアノードバスを作った。

３．タブの接続：
タブは溶射されたバス層（カソード上のＡｌおよびアノード上のＮｉ）の上部に溶接された。タブは短い寸法の電池から直接的に出された。

４．電池のパッケージおよび電解質の充填
電池のパッケージおよび電解質の充填は実施例４におけるように実施された。

実施例１０:３Ｄの並べられた電池の製作
１．単一ダイの準備
単一ダイ準備プロセスが、３つの異なるダイ上で別々に実行された点を除き、実施例７におけるように実行された。

２．バスの形成：
実施例７と同様の溶射によるバス形成が個々に全部のダイ上で行われた。

３．タブ伸張体の接続：
タブ伸張部分が実施例７と同様の伝導性接着剤を用いて接続された。しかしダイは、ダイ間を単一タブ伸張部分により接続されて、カソードバス接点が互いに当接する状態で並べられた。

４．電池のパッケージおよび電解質の充填
電池のパッケージおよび電解質の充填は実施例４におけるように実施された。

上記を鑑みて、本発明のいくつかの目的が達成され、他の有利な結果が獲得されることが見られるであろう。

本発明の、または本発明の好適な実施形態（単数または複数）の要素を導入するとき、冠詞「ａ」、「ａｎ」、「ｔｈｅ」、および「ｓａｉｄ」（前記）は１つまたは複数の当該要素の存在を意味することを意図する。「～を含む」、「～を包含する」、および「～を有する」という用語は、包含的であることを意図し、列挙された要素の他に追加的な要素が存在し得ることを意味するものである。

本発明の範囲から逸脱することなく様々な変更が上述の項目、組成、および方法においてなされることが可能であるため、上記の説明に含まれ、添付の図面で図示される全部の事項は例示として解釈されるべきであり、限定的な意味で解釈されるべきでないことが本明細書の意図するところである。

Claims (10)

1. 密閉された電池筐体と、非水電解液と、電極構造体と、負電極タブ伸張部分を含む負電極タブと、正電極タブ伸張部分を含む正電極タブとを含む二次電池であって、
   前記電極構造体は、
   負電極群、負電極バス、正電極群、正電極バス、および前記負電極群の要素と前記正電極群の要素とを隔てるミクロ多孔性セパレータを含み、前記負電極群および前記正電極群は、前記負電極群の要素が前記正電極群の要素により互いから隔てられる交互シーケンスで配列され、前記交互シーケンスは第１方向に進行し、前記負電極群の各要素は、負電極活物質層および横方向表面を有する負電極電流コレクタ層を含み、前記負電極群の各要素は底部、上部、長さＬ_Ｅ、幅Ｗ_Ｅ、および高さＨ_Ｅを有し、前記長さＬ_Ｅはそれぞれの係る電極の前記底部から前記上部まで測定され、前記幅Ｗ_Ｅおよび前記高さＨ_Ｅは、互いに対して垂直であり且つ前記長さＬ_Ｅの測定方向に対して垂直である方向に測定され、Ｌ_Ｅの、Ｗ_ＥおよびＨ_Ｅのそれぞれと、の比はそれぞれ少なくとも５：１であり、Ｈ_ＥのＷ_Ｅとの比はそれぞれ０．４：１～１０００：１の範囲であり、
   （ｉ）前記負電極活物質層は、前記負電極群の中の前記負電極電流コレクタ層の、各横方向表面の上に配置され、
   （ｉｉ）前記負電極群の各要素の前記負電極電流コレクタ層は、前記長さＬ_Ｅと同一方向に測定された長さＬ_Ｅ－Ｃを有し、前記長さＬ_Ｅ－Ｃは前記長さＬ_Ｅの少なくとも５０％であり、
   （ｉｉｉ）前記負電極群の各要素の負電極電流コレクタ層は、前記負電極バスに電気的に接続し、続いて前記負電極タブ伸張部分に電気的に接続され、前記負電極群の要素のすべてからの電流を蓄積し、前記負電極群の個々と前記負電極タブとの間に導電性の経路を形成し、
   （ｉｖ）前記負電極バスは、長さＬ_Ｅ－Ｂ、幅Ｗ_Ｅ－Ｂおよび高さＨ_Ｅ－Ｂを有する導電性ポリマーであり、前記長さＬ_Ｅ－Ｂは第１方向に測定され、幅Ｗ_Ｅ－Ｂおよび高さＨ_Ｅ－Ｂは、互いに対して垂直であり且つ前記第１方向に対して垂直な方向に測定され、Ｌ_Ｅ－Ｂの、Ｗ_Ｅ－ＢおよびＨ_Ｅ－Ｂのそれぞれと、の比は少なくとも５：１であり、
   （ｖ）前記負電極群はＮの要素を有し、前記正電極群はＮ＋１の要素を有し、Ｎは少なくとも１０であり、
   （ａ）前記負電極タブは、密閉された前記筐体の内側から外側に向かって延在し、電極構造と外部エネルギー供給との間に電気的な接続を提供し、前記負電極バスに取り付けられた前記負電極タブ伸張部分を前記密閉された筐体内に含み、
   （ｂ）前記正電極タブは、密閉された前記筐体の内側から外側に向かって延在し、電極構造と外部エネルギー供給との間に電気的な接続を提供し、前記正電極バスに取り付けられた前記正電極タブ伸張部分を前記密閉された筐体内に含む、二次電池。
2. 前記負電極群はＮ個の要素を有し、前記正電極群はＮ＋１個の要素を有し、Ｎは少なくとも２５である、請求項１に記載の二次電池。
3. Ｌ_Ｅは約１０ｍｍ～約２５０ｍｍの範囲内の値を有する、請求項１または請求項２に記載の二次電池。
4. Ｗ_ＥおよびＨ_Ｅのそれぞれは約０．０１ｍｍ～約５ｍｍの範囲内の値を有する、請求項１～請求項３のうちのいずれか１つに記載の二次電池。
5. 前記負電極群の各要素に対してＬ_Ｅの、Ｗ_ＥおよびＨ_Ｅのそれぞれと、の比はそれぞれ少なくとも１０：１である、請求項１～請求項４のうちのいずれか１つに記載の二次電池。
6. 前記負電極群の各要素の前記負電極電流コレクタ層は、前記長さＬ_Ｅと同一方向に測定された長さＬ_Ｅ－Ｃを有し、前記長さＬ_Ｅ－Ｃは前記長さＬ_Ｅの少なくとも８０％である、請求項１～請求項５のうちのいずれか１つに記載の二次電池。
7. 前記正電極群の各要素は正電極活物質層および正電極電流コレクタ層を含み、前記正電極群の各要素は、底部、上部、長さＬ_ＣＥ、幅Ｗ_ＣＥ、および高さＨ_ＣＥを有し、前記長さＬ_ＣＥはそれぞれの係る正電極の前記底部から前記上部まで測定され、前記幅Ｗ_ＣＥおよび前記高さＨ_ＣＥは、互いに対して垂直であり且つ前記長さＬ_ＣＥの測定方向に対して垂直な方向に測定され、Ｌ_ＣＥの、Ｗ_ＣＥおよびＨ_ＣＥのそれぞれと、の比はそれぞれ少なくとも５：１であり、Ｈ_ＣＥのＷ_ＣＥとの比はそれぞれ０．４：１～１０００：１の範囲であり、前記正電極群の各要素の前記正電極電流コレクタ層は、前記長さＬ_ＣＥと同一方向に測定された長さＬ_ＣＥ－Ｃを有し、前記長さＬ_ＣＥ－Ｃは前記長さＬ_ＣＥの少なくとも５０％である、請求項１～請求項６のうちのいずれか１つに記載の二次電池。
8. 前記負電極電流コレクタ層および前記負電極活物質層は電気伝導性を有し、前記負電極群の各要素に対して、前記負電極電流コレクタ層の前記電気伝導性の前記負電極活物質層の前記電気伝導性との比はそれぞれ少なくとも１００：１である、請求項１～請求項７のうちのいずれか１つに記載の二次電池。
9. 前記負電極活物質層は炭素、アルミニウム、スズ、シリコン、またはこれらの合金を含む、請求項１～請求項８のうちのいずれか１つに記載の二次電池。
10. 前記負電極活物質層はシリコンもしくはシリコンの合金のナノワイヤ、または多孔性シリコンもしくは多孔性シリコンの合金を含む、請求項９に記載の二次電池。

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