特許 6978102 電解質の製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6978102

(24)【登録日】2021年11月15日

(45)【発行日】2021年12月8日

(54)【発明の名称】電解質の製造方法

(51)【国際特許分類】

   H01M 10/0565 20100101AFI20211125BHJP

   H01M 10/052 20100101ALI20211125BHJP

   H01M 4/139 20100101ALI20211125BHJP

   H01M 4/62 20060101ALI20211125BHJP

【ＦＩ】

   H01M10/0565

   H01M10/052

   H01M4/139

   H01M4/62 Z

【請求項の数】15

【全頁数】27

(21)【出願番号】特願2019-563252(P2019-563252)

(86)(22)【出願日】2018年5月15日

(65)【公表番号】特表2020-520540(P2020-520540A)

(43)【公表日】2020年7月9日

(86)【国際出願番号】US2018032812

(87)【国際公開番号】WO2018213339

(87)【国際公開日】20181122

【審査請求日】2019年12月23日

(31)【優先権主張番号】15/926,422

(32)【優先日】2018年3月20日

(33)【優先権主張国】US

(31)【優先権主張番号】62/506,332

(32)【優先日】2017年5月15日

(33)【優先権主張国】US

(73)【特許権者】

【識別番号】519401365

【氏名又は名称】ミリバット，インコーポレイテッド

【氏名又は名称原語表記】Ｍｉｌｌｉｂａｔｔ，Ｉｎｃ．

(74)【代理人】

【識別番号】110001302

【氏名又は名称】特許業務法人北青山インターナショナル

(72)【発明者】

【氏名】スミス，レランド

(72)【発明者】

【氏名】ホー，ジャネット

(72)【発明者】

【氏名】リム，チョルン

(72)【発明者】

【氏名】ソン，グアンギ

【審査官】 浅野 裕之

(56)【参考文献】

【文献】 韓国登録特許第１０−１５１９２７８（ＫＲ，Ｂ１）

【文献】 特開２００７−０４８７６１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第００／０７２３９９（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開２００４−０２７１９５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０９−０６７４０５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２０１４／１４２３１１（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開２００４−３５６０４４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１１−０５３６７０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１６−０４６２５１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２０１７−５０８２４９（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｍ １０／００〜１０／０５８７

Ｈ０１Ｍ ４／００〜 ４／６２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

電解質の製造方法において：
アノードを含む基板上に電解質材料を被覆させるステップであって、前記電解質材料が、第１体積の溶媒に混和性のモノマー、当該モノマーに半混和性であり前記第１体積の溶媒に混和性のポリマー、および光開始剤を含む、ステップと：
前記電解質材料を電磁放射に曝露して、前記光開始剤を、前記モノマーを架橋して、電解質構造から相分離した前記ポリマーを有する電解質構造を形成する反応性サブスピーシーに解離させるステップと；
第２体積の溶媒で前記電解質構造から前記ポリマーを溶出させて、前記電解質構造内にオープンセル細孔ネットワークを形成するステップと；
前記電解質構造を第３体積の溶媒とイオンに曝露して、前記オープンセル細孔ネットワークを溶媒和イオンで満たすステップと；
前記アノードに対向する前記電解質構造上にカソード材料を被覆させるステップであって、前記カソード材料がリチウム貯蔵材料を含むものであるステップと；
前記カソード材料を前記第３体積の溶媒で湿潤させて、
溶媒和リチウムイオンを前記カソード材料から、前記電解質構造内のオープンセル細孔ネットワーク内に引き込み、
前記オープンセル細孔ネットワークを溶媒和イオンで満たす、ステップと；
を具えることを特徴とする方法。

【請求項2】

請求項１に記載の方法において：
前記電解質材料を電磁放射に曝露するステップが、前記電解質材料を電磁放射に選択的に曝露して前記モノマーを架橋し、前記電解質構造から相分離して絡み合ったポリマーを有する電解質構造を形成し、前記モノマーの局所架橋を前記電解質材料全体にわたって阻害する懸濁液を形成するステップを具え；
前記電解質構造から前記ポリマーを溶出するステップが、前記電解質構造を前記第２体積の溶媒ですすぎ、前記懸濁液中のポリマーを前記電解質構造から溶出させて、前記電解質構造内に、断面寸法における上側の結合によって特徴づけられる、前記オープンセル細孔ネットワークを提供するステップを具え；
ここで、前記電解質構造上に前記カソード材料を被覆するステップが、前記電解質構造上に、前記カソード材料を被覆させるステップを具え、当該カソード材料が：
第１割合のリチウム貯蔵材料と；
前記第１割合より小さい第２割合の導電性粒子であって、前記電解質構造内のオープンセル細孔の断面寸法の上限のサイズより大きい下限のサイズを示す、導電性粒子と；
を具える：
ことを特徴とする方法。

【請求項3】

請求項１に記載の方法において：
当該方法がさらに、前記基板をエッチングしてセルセットを形成するステップであって、当該セルセット内の各セルが、連続壁に囲まれたベースと、ベースに垂直に延びるポストのセットとを具える、ステップを具え、
前記基板上に前記電解質材料を被覆させるステップが、前記電解質材料を、前記セルセット内および前記セルセット内の各セル内の各ポストの周りに被覆させるステップを具え；
前記電解質材料を電磁放射に曝露するステップが、薄い体積の前記電解質材料を、前記連続壁の垂直面および前記セルのセット内の各セルのポストセットの近傍で、電磁放射に選択的に曝露して、前記モノマーを、前記セルのセット内の各セルの連続壁とポストのセットの周りに適合する電解質構造内へ選択的に架橋させて、前記ポリマーを前記電解質構造から相分離させるステップを具え；
前記第２体積の溶媒で前記電解質構造からポリマーを溶出するステップが、前記電解質構造を前記第２体積の溶媒ですすぎ、前記電解質構造の周りから未架橋モノマーを除去し、前記電解質構造からポリマーを溶出するステップを具える；
ことを特徴とする方法。

【請求項4】

請求項３に記載の方法において、前記電解質材料を電磁放射に曝露するステップが：
前記セルセット内の各セル内のポストセット内の各ポストの位置にウィンドウを規定するフォトマスクを作成するステップであって、各ウィンドウが、ほぼ目標厚さの前記電解質構造だけ、対応するポストから外側にオフセットさせるステップと；
前記セルセット内の各セルを前記電解質材料で満たす、ステップと；。
セルのセット内の各セルの対応するポストに整列した第２のフォトマスク内の窓がある基板上に前記フォトマスクを配置する、ステップと；
前記フォトマスクを介して前記電解質材料を電磁放射に曝露して、前記光開始剤を、前記セルのセット内の各セルの垂直面の周囲の反応性サブスピーシーに選択的に解離するステップと；
を具えることを特徴とする方法。

【請求項5】

請求項１に記載の方法において：
前記基板上に前記電解質材料を被覆させるステップが、前記第１体積の溶媒に溶解させた第１割合のモノマーと第２割合のポリマーを含む電解質材料を被覆させるステップを具え；
前記電解質構造体から前記ポリマーを溶出するステップが、前記電解質構造体を前記第２体積の溶媒ですすいで、前記電解質構造内にほぼ第２割合のオープンセル体積を提供するステップを具える；
ことを特徴とする方法。

【請求項6】

請求項５に記載の方法において：
前記基板上に前記電解質材料を被覆するステップが：
５５体積％から６５体積％エポキシベースのネガ型フォトレジストを含むモノマーを含み；
有機化合物の合成ポリマーを含むポリマーを３５体積％か４５体積％含み；
有機環状ケトン溶媒を含む前記第１体積の溶媒に溶かした；
電解質材料を被覆するステップを具え、
前記電解質構造からポリマーを溶出させるステップが、前記電解質構造を有機環状ケトン溶媒ですすぎ、前記電解質構造からポリマーを溶出させるステップを具える、
ことを特徴とする方法。

【請求項7】

請求項１に記載の方法において：
前記基板上に前記電解質材料を被覆させるステップが、前記基板上に前記電解質材料をドクターブレードするステップを具え；
前記方法がさらに：
前記電解質材料を電磁放射に曝露する前に、前記電解質材料と前記基板とをソフトベークするステップと；
前記電解質材料を電磁放射に曝露した後に、前記電解質材料と前記基板を焼き付けて、電磁放射への選択的な曝露に反応した前記光開始剤を含む、局所体積中の前記電解質材料のモノマーを架橋するステップと；を具え、
前記第２体積の溶媒でポリマーを電解質構造から溶出させるステップが、前記第２体積の溶媒で前記電解質構造をすすぎ、当該電解質構造からポリマーを溶出し、前記電解質構造からの電磁放射に曝露されない電解質材料を溶出するステップと；
を具えることを特徴とする請求項１に記載の方法。

【請求項8】

請求項１に記載の方法がさらに、前記電解質材料を電磁放射に曝露する前に：
前記電解質材料と基板を第１の温度に加熱するステップと；
前記電解質材料と基板を、前記第１の温度で第１の時間、浸漬して、前記モノマーと前記ポリマーのクラスターから非リンクポリマーネットワークへの前記ポリマーの相分離を促進するステップと；
前記電解質材料と基板を冷却して、前記モノマー内の未結合ポリマーネットワークを凍結するステップと；
を具えることを特徴とする方法。

【請求項9】

電解質の製造方法において：
アノードを作製するステップと；
アノード上に電解質材料を被覆させるステップであって、前記電解質材料が、第１体積の溶媒に混和性であるモノマーと、当該モノマーに半混和性で前記第１体積の溶媒に混和性のポリマーと、光開始剤を含む、ステップと；
前記電解質材料を電磁放射に曝露して、前記光開始剤を、前記モノマーを架橋して前記アノード上に電解質構造から相分離させたポリマーを有する電解質構造を形成する反応性サブスピーシーに解離させるステップと；
第２体積の溶媒で前記電解質構造からポリマーを溶解させて、前記電解質構造内にオープンセル細孔ネットワークを提供するステップと；
前記アノードと反対側の電解質構造上にカソード材料を被覆させるステップであって、当該カソード材料がリチウム貯蔵材料を含む、ステップと；
第３体積の溶媒で前記カソード材料を湿潤させ、当該カソード材料から溶媒和リチウムイオンを前記電解質構造内のオープンセル細孔ネットワークに引き込むステップと；
を具えることを特徴とする方法。

【請求項10】

請求項９に記載の方法において：
前記電解質材料を電磁放射に曝露させるステップが、前記電解質材料を電磁放射に選択的に曝露させてモノマーを架橋し、前記電解質構造から相分離し、絡み合わせたポリマーを有する電解質材料を形成して、前記電解質構造全体に分布するオープンセル細孔ネットワークを規定するコロイド懸濁液を形成するステップと；
前記電解質構造からポリマーを溶出させるステップが、前記電解質構造を第２体積の溶媒ですすいで、コロイド懸濁液中のポリマーを前記電解質構造から溶出させ、前記電解質構造中に断面において上側が結合することによって特徴づけられる、オープンセル細孔ネットワークを提供するステップと；
前記電解質構造上にカソード材料を被覆するステップが、前記電解質構造上に：
第１割合のリチウム貯蔵材料と；
前記第１割合よりも小さい第２割合で、前記電解質構造内の連続オープンセル細孔の断面寸法の上限に近い下限サイズを示す導電性粒子と；
を含むカソード材料を被覆するステップと；
を具えることを特徴とする方法。

【請求項11】

請求項９に記載の方法において：
前記電解質構造上にカソード材料を被覆するステップが、前記電解質構造上に、リチウム貯蔵材料、導電性粒子、および第４体積の溶媒に混合されたバインダーを含むカソード材料を被覆するステップを具え；
前記方法がさらに、前記カソード材料を乾燥させて、前記電解質構造上に多孔質カソードを形成するステップを具え；
前記カソード材料を第３体積の溶媒で湿潤させるステップが、前記第３体積の溶媒を前記多孔質カソード上に分配して多孔質カソードを湿潤させ、前記溶媒和リチウムイオンを前記多孔質カソードから前記電解質構造中の連続オープンセル気泡ネットワーク内に引き込むステップを具える；
ことを特徴とする方法。

【請求項12】

請求項９に記載の方法において：
前記アノードを製造するステップが、基板をエッチングしてセルセットを形成するステップであって、当該セルセット内の各セルが、連続壁に囲まれたベースと、当該ベースに垂直に延在するポストセットとを具える、ステップと；
前記アノード上に前記電解質材料を被覆させるステップが、前記電解質材料を前記セルセット内へ、および前記セルセット内の各セルの各ポストの周りに被覆させるステップを具え；
前記電解質材料を電磁放射に曝露させるステップが、前記連続壁の垂直面と前記セルセット内の各セルのポストセットとの近傍の、薄い体積の前記電解質材料を電磁放射に曝露させて、前記連続壁の周りおよび前記セルセット内の各セルのポストセットの周りに適合する電解質構造内に、前記モノマーを選択的に架橋させ、前記ポリマーを電解質構造から相分離する、ステップと；
前記第２体積の溶媒で前記電解質構造からポリマーを溶出させるステップが、前記電解質構造を前記第２体積の溶媒ですすぎ、前記電解質構造の周りから未架橋モノマーを除去し、前記電解質構造から前記ポリマーを溶出させるステップと；
を具えることを特徴とする方法。

【請求項13】

電解質の製造方法において：
基板上に電解質材料を被覆させるステップであって、前記電解質材料が、第１体積の溶媒に混和性のモノマー、当該モノマーに半混和性であり前記第１体積の溶媒に混和性のポリマー、および光開始剤を含む、ステップと：
前記電解質材料を電磁放射に曝露する前に、前記電解質材料と前記基板とをソフトベークするステップと；
前記電解質材料を電磁放射に曝露して、前記光開始剤を、前記モノマーを架橋して、電解質構造を形成する反応性サブスピーシーに解離させるステップであって、前記電解質構造が当該電解質構造から相分離した前記ポリマーを有するものであるステップと；
前記電解質材料を電磁放射に曝露した後に、前記電解質材料と前記基板を焼き付けて、電磁放射への選択的な曝露に反応した前記光開始剤を含む、局所体積中の前記電解質材料のモノマーを架橋するステップと；
第２体積の溶媒で前記電解質構造をすすぎ、当該電解質構造からポリマーを溶出し、前記電解質構造からの電磁放射に曝露されない電解質材料を溶出して、前記電解質構造内にオープンセル細孔ネットワークを提供するステップと；
前記電解質構造を第３体積の溶媒とイオンに曝露して、前記オープンセル細孔ネットワークを溶媒和イオンで満たすステップと；
を具えることを特徴とする方法。

【請求項14】

請求項１３に記載の方法において、
前記基板上に電解質材料を被覆させるステップが、アノードを含む基板上に前記電解質材料を被覆させるステップを具え；
前記方法がさらに、前記アノードに対向する前記電解質構造上にカソード材料を被覆させるステップを具え、当該カソード材料がリチウム貯蔵材料を含んでおり；
前記電解質構造を前記第３体積の溶媒とイオンに曝露するステップが、前記カソード材料を前記第３体積の溶媒で湿潤させ、溶媒和リチウムイオンを前記カソード材料から、前記電解質構造内のオープンセル細孔ネットワーク内に引き込むステップを具える；
ことを特徴とする方法。

【請求項15】

電解質の製造方法において：
基板上に電解質材料を被覆させるステップであって、前記電解質材料が、第１体積の溶媒に混和性のモノマー、当該モノマーに半混和性であり前記第１体積の溶媒に混和性のポリマー、および光開始剤を含む、ステップと：
前記電解質材料と基板を第１の温度に加熱するステップと；
前記電解質材料と基板を、前記第１の温度で第１の時間、浸漬して、前記モノマーと前記ポリマーのクラスターから非リンクポリマーネットワークへの前記ポリマーの相分離を促進するステップと；
前記電解質材料と基板を冷却して、前記モノマー内の未結合ポリマーネットワークを凍結するステップと；
前記電解質材料を電磁放射に曝露して、前記光開始剤を、前記モノマーを架橋して、電解質構造を形成する反応性サブスピーシーに解離させるステップであって、前記電解質構造が当該電解質構造から相分離した前記ポリマーを有するものであるステップと；
第２体積の溶媒で前記電解質構造から前記ポリマーを溶出させて、前記電解質構造内にオープンセル細孔ネットワークを形成するステップと；
前記電解質構造を第３体積の溶媒とイオンに曝露して、前記オープンセル細孔ネットワークを溶媒和イオンで満たすステップと；
を具えることを特徴とする方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

［関連出願のクロスリファレンス］
本出願は、２０１７年５月１５日に出願された米国仮出願第６２／５０６，３３２号の利益を主張する。この出願は全体が参照により本明細書に組み込まれている。

【0002】

本出願は、２０１８年３月２０日に出願された米国特許出願第１５／９２６，４２２号に関連する。この出願は、全体が参照により本明細書に組み込まれている。

【0003】

本発明は、一般的に、電池技術の分野に関し、より具体的には、電池技術の分野における新規かつ有用な電解質材料、電池アセンブリ、およびその製造方法に関する。

【図面の簡単な説明】

【0004】

【図1】図１は、方法、電解質材料、および電池アセンブリのフローチャート表示である。

【図2】図２は、方法、電解質材料、および電池アセンブリの一変形例を示すフローチャートである。

【図3】図３は、方法、電解質材料、および電池アセンブリの一変形例を示すフローチャートである。

【図4】図４は、方法、電解質材料、および電池アセンブリの一変形例を示すフローチャートである。

【図5】図５Ａ、５Ｂ、および５Ｃは、電解質材料と方法の一変形例を示す概略図である。

【図6】図６は、電解質材料の一変形例のグラフ表示である。

【図7】図７は、電解質材料の一変形例のグラフ表示である。

【図8】図８Ａおよび８Ｂは、電解質材料と方法の一変形例のグラフ表示である。

【図9】図９は、電解質材料の一変形例のグラフ表示である。

【図10】図１０は、電解質材料と電池アセンブリの一変形例の概略図である。

【図11】図１１は、電解質材料と電池アセンブリの一変形例の概略図である。

【図12】図１２は、電解質材料と電池アセンブリの一変形例の概略図である。

【発明を実施するための形態】

【0005】

本発明の実施形態の以下の説明は、本発明をこれらの実施形態に限定することを意図するものではなく、むしろ当業者が本発明を製造および使用できるようにすることを意図するものである。本明細書で説明されている変形、構成、実施形態、実装例、および実施例はオプションであり、本明細書で説明する変形、構成、実施形態、実装例、および実施例に限定されない。本明細書で説明する発明は、これらの変形、構成、実施形態、実装例、および実施例のあらゆる順列を含む。

【0006】

１．方法
図１、２、３、および４に示すように、電池を製造する方法Ｓ１００は：ブロックＳ１２０において、電解質材料１００であって、第１体積の溶媒に混和するモノマーと、このモノマー１１０に半混和性であり第１体積の溶媒に混和するポリマーと、光開始剤１３０とを含む電解質材料１００を基板２１０上に被覆させるステップと；ブロックＳ１２２において、電解質材料１００を電磁放射に曝露させて、モノマー１１０を架橋して、電解質構造１０２から相分離したポリマー１２０を有する電解質構造１０２を形成する反応性サブスピーシーに光開始剤１３０を解離させるステップと；ブロックＳ１３０において、第２体積の溶媒で電解質構造１０２からポリマー１２０を分離して、電解質構造１０２内にオープンセル細孔ネットワークを形成するステップと；ブロックＳ１４２において、電解質構造１０２を第３体積の溶媒とイオンに曝露させて、オープンセル細孔ネットワークを溶媒和イオンで満たすステップと；を具える。

【0007】

図１および図２に示すように、方法Ｓ１００の一変形例は：ブロックＳ１１０でアノードを作成するステップと；ブロックＳ１２０で、第１体積の溶媒に混和性のモノマーと、このモノマー１１０に半混和性で第１体積の溶媒に混和性のポリマーと、光開始剤１３０とを含む電解質材料１００をアノードの上に被覆するステップと；ブロック１２２で、電解質材料１００を電磁放射線に曝露させて、光開始剤１３０を、モノマー１１０を架橋する反応性サブスピーシーに解離して、アノード上に電解質構造１０２から相分離したポリマー１２０を有する電解質構造１０２を形成するステップと；ブロックＳ１３０において、ポリマー１２０を第２体積の溶媒で電解質構造１０２から分離して、電解質構造１０２内にオープンセル細孔ネットワークを形成するステップと；ブロックＳ１４０で、アノードに対向する電解質構造１０２上に、リチウム貯蔵材料を含むカソード材料２３０を被覆するステップと；ブロックＳ１４２で、カソード材料２３０を第３体積の溶媒で湿潤させ、溶媒和リチウムイオンをカソード材料２３０から電解質構造１０２のオープンセル細孔ネットワークに引き込むステップと；を具える。

【0008】

１．１ 電解質材料
図１、図７、図８Ａ、および図８Ｂに示すように、方法Ｓ１００は、第１の形態において、溶媒に混和性の第１割合のモノマー１１０と；モノマー１１０に半混和性であり、溶媒に混和性の第２割合のポリマー１２０と；電磁放射線への曝露に反応して反応性サブスピーシーに分離するように構成された光開始剤１３０と；を含む電解質材料１００を用いて実行することができる。第２の形態においては、電解質材料１００は：反応性サブスピーシーで架橋され、溶媒と混和しない電解質構造１０２を形成する第１割合のモノマー１１０と；溶媒に混和性であり、電解質構造１０２中の架橋モノマーから相分離した第２割合のポリマー１２０と；を含む。

【0009】

１．２ バッテリーアセンブリ
図１、２、３、および４に示すように、方法Ｓ１００を実行して、アノードと；アノードの第１面上に配置された電解質であって、光開始剤１３０で架橋されて電解質構造１０２を形成するモノマーと、モノマー１１０から相分離して電解質構造１０２全体にオープンセル細孔ネットワークを形成するポリマーを含み、オープンセル細孔ネットワークを占める溶媒和リチウムイオンで湿潤させた電解質と；アノードの反対側の電解質上に配置され、活性リチウム貯蔵材料と、モノマー中のオープンセル細孔の寸法上界に近い寸法下界を示す導電性粒子と、リチウム塩と、バインダーと、電解質中の連続オープンセル細孔ネットワークを介して、カソードとアノードの間でリチウムイオンを輸送するように構成された溶媒とを含むカソードと；を具える電池アセンブリ２００を作成することができる。

【0010】

図２、１１、および１２に示すように、電池アセンブリ２００の一変形例は：セルセット２１２であって、各セルが、第１方向に延在し、連続壁２１６に囲まれているセルセットを画定するシリコンベースの基板２１０と；各セルの底部、各ポストの側面と上部、および各壁２１６の側面をコーティングする電解質であって、各セルのポストの周囲に適合し、光開始剤１３０により架橋した電解質構造１０２を形成するモノマーを含み、モノマー１１０から相分離して、電解質構造１０２全体にわたってオープンセル細孔ネットワークを形成し、オープンセル細孔ネットワークを占める溶媒和リチウムイオンで湿潤したポリマーを含む、電解質と；電解質上の各セルを満たし、活性リチウム貯蔵材料、バインダー、リチウム塩、および電解質のオープンセル細孔ネットワークを通してカソードと電極の間でリチウムイオンを輸送するように構成された溶媒を含むカソード２３０と；を具える。

【0011】

２．アプリケーション
方法Ｓ１００を実行して、アノードとカソード間に比較的密度の高い連続した空隙（または「オープンセル細孔」または「チャネル」）を示し、アノードとカソード間を流れる高導電性イオンを示す電解質１０４を含む二次元（「２Ｄ」）または三次元（「３Ｄ」）電池であって、図５Ｂ、５Ｃ、および１１に示すようにこれらのチャネルが溶媒和イオンで満たされている電池を製造することができる。特に、方法Ｓ１００を実行して、剛性のある多孔質電解質を含むバッテリーであって、高電気抵抗を示し；分布が制御された断面開口領域を有するとともに、アノードとカソード間の溶媒和イオン（例えば、リチウムイオン）の輸送に対して低い抵抗を示すが、電解質を介してカソード中のその他の粒子のアノードへの移行、またはその逆を防ぐ、高密度の細孔ネットワークを規定する；剛性のある多孔質電解質を含むバッテリーを製造できる。２Ｄまたは３Ｄバッテリーに組み込むと、この電解質は：バッテリー内のイオンの流れに対して低い内部抵抗を示し、それによってバッテリーの電力密度が高くなり；一方で高い内部電気抵抗を示し、自己放電率を低減するとともにバッテリーの電荷保持を向上させることができる。

【0012】

電解質材料１００は：電磁放射線（例えば、紫外線）の存在下で「活性化」（例えば、モノマーを架橋（又は「重合」）する反応性サブスピーシー内に解離する）するように構成された光開始剤１３０と；第１の溶媒１４０に混和性であり、活性化された光開始剤の存在下で架橋（例えば、「重合」）して、弾性のある電気絶縁構造を形成するように構成されたモノマーと；第１の溶媒１４０に混和性であり、このモノマーに半混和性であり、モノマー１１０が架橋する際にモノマー１１０から相分離するように構成されたポリマーと；を含む。したがって、ある体積の電解質材料１００が電磁放射にさらされると、この量の電解質材料１００中の光開始剤１３０は、モノマーを架橋する反応性サブスピーシーに解離し；ポリマー１２０は、架橋したモノマーから相分離して、モノマー全体にわたって実質的に均一な密度のポリマー鎖のネットワーク（例えば、コロイド懸濁液）を形成し；第１の溶媒がこの量の電解質材料１００から蒸発するにつれてポリマー１２０とモノマー１１０との間の相分離ドメインのサイズが大きくなり；この量の電解質材料１００中のモノマー１１０が、反応性サブスピーシーの存在下で、相分離したポリマー１２０の周りで架橋する。

【0013】

したがって、結果として生じる電解質構造１０２は、第１の溶媒１４０に不混和性であり、剛性構造全体に分布するポリマー鎖のネットワークを含む架橋モノマーの剛性構造（例えば、固体構造または高粘度液体構造）を画定する。ポリマー１２０は、光開始剤１３０によるモノマー１１０の架橋（例えば、「重合」）に対して不活性であるため、ポリマー１２０は、第１の溶媒１４０および第２の溶媒１５０中で混和性のままである。したがって、ポリマー１２０を第２の溶媒１５０ですすぐ、または洗浄して、電解質構造１０２から溶出させ、それにより、電解質構造１０２全体に分布するオープンセル細孔ネットワークが提供される。次いで、電解質構造１０２を、イオン貯蔵材料およびリチウム塩の存在下で第３の溶媒１６０で湿潤させて、この電解質構造１０２のオープンセル細孔ネットワークに、溶媒と溶媒和イオンを引き込む。電解質構造１０２、溶媒、および溶媒和イオンは、オープンセル細孔ネットワークを介して、一方の側のアノードと反対側のカソードの間でイオンを輸送できる剛性電解質を形成できる。

【0014】

したがって、モノマー１１０およびポリマーは両方共、第１の溶媒１４０に混和性であり、表面上を流れる均質な低粘度混合物（例えば、２Ｄまたは３Ｄアノード）を形成できる。例えば、電解質材料１００は最初に５０重量％の第１の溶媒１４０を含み、電解質材料１１０を基板２１０へ被覆した後に（例えば、１００℃で）ソフトベークして、電解質材料１００中の第１の溶媒１４０の割合を１０％未満まで減らし、それにより、電磁放射に選択的曝露する前に、モノマー全体にわたって相分離したポリマードメインのサイズを大きくすることができる。一緒に混合すると、第１の溶媒１４０、モノマー、およびポリマー１２０は、光開始剤１３０を解離する電磁放射（例えば、Ｘ線、電子ビーム、または３５０〜４００ナノメートルの「活性化波長」の紫外線）の波長に対して実質的に透明な「透明」電解質材料１００を形成できる。さらに、モノマー１１０およびポリマー１２０は両方とも、同様の屈折率を示し得る。ポリマー１２０も、モノマーから相分離して、平均して光開始剤１３０の活性化波長よりも小さいサイズ（例えば、任意の原子対間の最大距離を示す）のポリマードメインをつくって、電解質材料１００が、活性化波長での入射電磁放射の光散乱を最小にすることができる。電解質材料１００は透明であり、活性化波長での入射電磁放射の光散乱が最小であるため、ある体積の電解質材料１００は、比較的高い深さ（例えば、数百ミクロン）までの高い体積選択性で光パターン化できる。したがって、電解質材料１００は、固相３Ｄアノード上に被覆され、選択的に光パターン化されて、３Ｄアノード上に薄く剛性の共形３Ｄ電解質構造１０２を形成することができる。しかしながら、ポリマー１２０は溶媒には混和性であるがモノマーには半混和性であるだけなので、ソフトベークサイクルの後などにポリマー１２０がモノマー１１０から相分離して、ある体積の被覆電解質材料１００の全体にわたって実質的に均一な密度の非結合ナノ構造ネットワーク（例えば、コロイド懸濁液）を形成できる。次いで、入射電磁放射線に応答する光開始剤１３０によって生成された反応性サブスピーシーが、モノマー１１０を架橋させ、この非結合ポリマーナノ構造の周りに電解質構造１０２を形成することができる。このように、光パターニングと第２の焼成サイクルの後に電解質構造１０２に残ったポリマー１２０は、電解質構造１０２を第２の溶媒１５０で洗浄することによって除去することができ、それによって、電解質１０４を完成させるための溶媒和イオンの導入準備中に、この共形電解質構造１０２に空孔ができる。

【0015】

したがって、モノマー、ポリマー、第１の溶媒１４０、および光開始剤１３０は、光パターン化および後処理を行って剛性の共形２Ｄまたは３Ｄ電解質を生成できる電解質材料１００として機能する。さらに、この剛性の共形電解質は、比較的高い多孔性（例えば、より大きな自由体積、より大きなオープン細孔体積）を示し、隣接するアノードと隣接するカソード間の溶媒和イオンに対する内部抵抗を低くすることができる。電解質材料１００中のポリマー１２０のドメインサイズ（例えば、平均幅）は、隣接するアノードおよび隣接するカソード中の導電性粒子のサイズより小さいかまたはこれより実質的に大きくないため、この剛性の共形電解質も電解質を横切る隣接するアノードおよび隣接するカソードからのその他の導電性粒子の輸送に対して高い抵抗を示し、それによりアノードとカソード間の電気的短絡（例えば、アノードから電解質への樹枝状結晶成長による）を抑制する。

【0016】

特に、図５Ａに示すように、ネイティブフォトポリマーの電磁放射への曝露から生じるフォトポリマー構造の自然な多孔性に依存するのではなく、この電解質材料１００は：ネイティブフォトポリマー（すなわち、モノマー１１０および光開始剤１３０）と；ネイティブフォトポリマーから相分離して、電磁放射線への曝露時に架橋したある体積のネイティブフォトポリマーの全体にわたって制御された寸法のボイドの連続ネットワークを作る添加剤（すなわち、ポリマー１２０）と；の両方を含んでいてもよいは。この添加剤がネイティブフォトポリマー構造から溶解すると、図５Ｂおよび５Ｃに示すように、結果として得られる連続解放気泡のネットワークは大きな断面寸法を示し、したがって、電解質を通る溶媒和イオンのより大きなフラックスを支持しながら、カソードからアノードに向かうその他の導電性粒子の伝導、およびその逆も防止することができる。

【0017】

図７、８Ａ、および８Ｂに示す一例では、第１の溶媒１４０はシクロペンタノンまたはガンマブチロラクトンを含み；モノマー１１０は、ビスフェノールノボラックエポキシ（例えば、「ＳＵ−８」）などのエポキシベースのネガ型フォトレジストを含み；光開始剤１３０は、トリアリールスルホニウム／ヘキサフルオロアンチモネート塩などの光酸発生剤を含み；ポリマー１２０は、ポリ（メチルメタクリレート）を含み；第２の溶媒１５０は、シクロペンタノンまたはプロピレングリコールモノメチルエーテルアセテートを含む。本例では、電解質材料１００をシリコンベースのアノード上に被覆して、後処理を行って、アノードの上に直接、剛性の共形電解質構造１０２を形成することができ；カソード材料２３０（例えば、活性リチウム貯蔵材料、炭素（例えば、グラファイトカーボンまたはカーボンブラック）、および炭酸プロピレンを伴う溶液中のリチウム塩を含む）を、電解質構造１０２上に直接被覆して、剛性の共形カソードを形成するとともに、電解質構造１０２を溶媒和イオンで満たしてバッテリーセルをつくることができる。

【0018】

方法Ｓ１００は、図１、３、および４に示すように：電解質材料１００を剛性の３Ｄアノード上に光パターン化し；電解質材料１００を後処理して、多孔質で剛性の共形３Ｄ電解質を生成し；インサイチューで３Ｄ電解質上に多孔質で剛性の３Ｄカソードを製造すると、以下に説明されている。しかしながら、方法Ｓ１００は、同様に、２Ｄ電解質を生成し、カソード上に直接電解質を生成し、および／または個別に分散した電解質構造１０２またはアノードおよびカソードを有するサブシーケンスアセンブリ用の電解質を生成して電池を形成するように実装できる。

【0019】

３．用語
上述のように、電解質材料１００は、電磁放射線に曝露されると光開始剤１３０により生成される反応性サブスピーシーの存在下で架橋（例えば、重合）するモノマーを含む。したがって、モノマー１１０は、電解質材料１００内ではネイティブな非架橋形態（以下、モノマー）で存在し、電解質構造１０２内では架橋形態（以下、「架橋モノマー」という）で存在できる。天然の非架橋形態のモノマー１１０と架橋形態のモノマー１１０（すなわち「ポリマー」）は両方共、以下において「モノマー１１０」という。

【0020】

ネイティブな非架橋形態のモノマー１１０と、ポリマーと、反応性サブスピーシーに解離する前の光開始剤１３０との組み合わせは、ここでは電解質材料１００と呼ばれる。電解質材料１００は、第１の溶媒１４０を含んでいてもよい。

【0021】

モノマー１１０は、電磁放射線への曝露に続いて光開始剤１３０により生成される反応性サブスピーシーの存在下で架橋し、最初に架橋モノマーから相分離したポリマー１２０の非結合ナノ構造ネットワークを含む電解質構造１０２を形成する。電解質構造１０２は、可視光に対して実質的に透明であり、剛性の固体構造または高粘度の液体構造を規定することができる。電解質構造１０２は、その後、溶媒で洗浄またはすすいで、電解質構造１０２からポリマー１２０を除去し、それにより電解質構造１０２内にオープンセル細孔ネットワークができる。電解質構造１０２は、その体積全体にわたってほぼ均一な密度でオープンセル細孔ネットワークを画定することができ、これらのオープンセル細孔は、電解質構造１０２の一方の表面から電解質構造１０２の反対側の表面まで延在している。

【0022】

ポリマー１２０が電解質構造１０２から除去されると、多孔質電解質構造１０２を溶媒和イオンで湿潤させて電解質１０４を形成することができる。例えば、リチウムイオン導電性溶液（例えば、プロピレンカーボネートおよびＬｉＰＦ_６）を電解質構造１０２に導入して、電解質構造１０２のオープンセル細孔を溶媒和リチウムイオンで満たし、リチウムイオン電池用のリチウムイオン担持電解質を形成することができる。別の例では、水素イオン伝導水溶液を電解質構造１０２に導入して、電解質構造１０２のオープンセル細孔を溶媒和水素イオンで満たし、水素燃料電池用の水素イオン担持電解質を形成することができる。さらに別の例では、水酸化カリウム水溶液を電解質構造１０２に導入して、電解質構造１０２のオープンセル細孔を溶媒和イオンで満たし、ニッケル金属水素化物電池用のイオン担持電解質を形成することができる。

【0023】

４．バッテリーの製造
２Ｄまたは３Ｄの単一セルまたはマルチセル電池アセンブリ２００の製造中に方法Ｓ１００を実行して、硬質電解質を製造することができる。例えば、バルクマイクロマシニングおよびフォトリソグラフィプロセスを実装して：ブロックＳ１１０でシリコンウェーハ上にアノードを作成し；ブロックＳ１２０、Ｓ１２２、およびＳ１３０において、アノード上に電解質材料１００を被覆し処理して、硬質多孔質電解質構造１０２を形成し；ブロックＳ１４０およびＳ１４２において、この電解質上にカソードを形成して、バッテリーアセンブリ２００を製造することができる。次いで、ダイスとパッケージにウェハ処理手順を実装して、バッテリーアセンブリ２００を、数の個別セル、単一セルまたはマルチセルの２Ｄまたは３Ｄバッテリーユニット２０２にダイシングおよびパッケージ化することができる。この例では、方法Ｓ１００にしたがって既存のバルクマイクロマシニングおよびフォトリソグラフィ技術を実施して、１枚のシリコンウェハを、多数の（例えば、数百の）個別の密閉された単一セル電池を含むバッテリーアセンブリ２００に変換し；次いで図２および３に示すように、これらの単一セル電池を既存のウェーハ処理技術を用いて電池アセンブリ２００から分離して、数多くの電池ユニット２０２を形成することができる。

【0024】

このようにシリコンウエハ上（すなわち、アノード全体）に作ったイオン伝導性が高く、電気抵抗特性が高い電解質は、これらの単一の各セルバッテリにおいて、比較的高い電力密度、低い自己放電率、および強化された電荷保持率を提供する。シリコンウェーハ上に作製しこの多孔電解質構造１０２は、さらに、第３の溶媒１６０に溶解したリチウムイオンで湿潤され、ブロックＳ１４２で電解質が完成する。この第３の溶媒１６０（例えば、Ｎ−メチル−２−ピロリドン、ジメチルスルホキシド、プロピレンカーボネート、２，５，８，１１，１４−ペンタオキサペンタデカン）は、高沸点（例えば、プロピレンカーボネートでは２４２℃以上）と低燃焼性を示し、バッテリアセンブリ２００から分離した単一セル電池を高温で後処理することができる。

【0025】

したがって、例えば、単一セル電池または分散単一セル電池アセンブリ（電池アセンブリ２００から分離している）は、ＳＭＴに、あるいはスルーホールパッケージに入れて、プリント回路基板に直接設置するように構成されたバッテリーユニット２０２を形成することができる。たとえば、このＳＭＴまたはスルーホールバッテリーユニット２０２は、その他の回路部品とともにはんだペーストでＰＣＢに接着でき、その後、このＰＣＢアセンブリをリフローオーブンに通して、回路部品とバッテリーユニットの両方をＰＣＢに同時に固定することができ、ＰＣＢアセンブリを単一のピックアンドプレースおよびリフローサイクルができる。

【0026】

５．アノード
図１、２、３、および４に示す方法Ｓ１００の一変形例は、アノードの製造について記載したブロックＳ１１０を具える。一般的に、この変形例では、電解質材料１００は、２Ｄまたは３Ｄアノードを規定する基板２１０の上に直接被覆されている。

【0027】

一実施形態では、電池アセンブリ２００は、セルセット２１２を画定するドープされたシリコンベース基板２１０を含む３Ｄ電池を画定し、各セルは、図１及び２に示すように、第１方向に延在し、連続壁に囲まれた平行ポストセットを具える。したがって、基板２１０は、それぞれが複数のアノードポストを有する複数のセルを直接エッチングするアノード材料を画定できる。この実施例において、各セルは、共通のアノード電流コレクタから延在し、すべての側面が壁２１６によって境界付けられた複数のアノードポストを具えており、それらのすべてが単一基板２１０（例えば、単結晶シリコンウェーハ）から製造される。このように基板２１０上に製造された各セルは、以下に説明するように、電解質材料１００で被覆して電解質１０４を形成できる。次に、この電解質をカソード材料２３０で被覆して、以下に説明するように、より大きなバッテリーアセンブリ２００内に多くのバッテリーセルを形成することができる。

【0028】

図１、２、および３に示すように、基板２１０は、直径４インチ、６インチ、または８インチのシリコンウエハといった、シリコンウエハを具えており、このウエハを処理して、連続壁２１６により分離され、アノードポストを具える複数の個別のセルを基板２１０の一方の側に直接形成することができる。例えば、深層反応性イオンエッチング（例えば、「ＤＲＩＥ」）プロセスを実施して、エッチングレジストでマスクされていない基板２１０から材料を除去し、シリコンウエハに複数のセルを形成することができる。各セルはすべての側面が壁２１６によって境界付けられており、隣接する壁２１６の上まで延在する複数の平行なオフセットポストを具える。

【0029】

別の変形例では、電池アセンブリ２００は２Ｄ電池を画定しており、アノードは、ｐ型またはｎ型のドープシリコンウエハなどの平面基板２１０を具えている。しかしながら、アノード（または基板２１０）は、その他の材料のものでもよく、米国特許出願第１５／９２６，４２２号に記載されているように、その他の方法で作成してもよい。

【0030】

６．電解質材料
図７に示す第１の形態（例えば、「非架橋状態」）では、電解質材料１００は：第１の溶媒１４０と；第１の溶媒１４０に混和性のモノマーと；第１の溶媒１４０に混和性であり、モノマー１１０に半混和性のポリマーと；電磁放射線に曝露すると反応性サブスピーシーに解離して、モノマー１１０を架橋させる光開始剤１３０と；を具える。この第１の形態では、電解質材料１００は、以下に説明するように、電池アセンブリ２００の製造中に電解質材料１００が基板２１０上を流れる（例えば、スピンコート、またはドクターブレードによりセルを充填し、３Ｄアノードのポストの周りを流れる）のに十分に低い粘度を示す。第１の形態では、モノマー１１０とポリマー１２０を第１の溶媒１４０（例えば、５０重量％の第１の溶媒１４０）に混合して、光開始剤１３０を活性化するスペクトル内の電磁放射に対して実質的に透明な均質混合物を形成することもできる。

【0031】

次いで、電解質材料１００をソフトベークして、第１の溶媒１４０を蒸発させて電解質材料１００中の第１の溶媒の割合を１０重量％未満に減らし、ポリマー１２０を非架橋モノマーから相分離させる。

【0032】

図１、図８Ａ、および図８Ｂに示す第２の形態（例えば、「未処理電解質構造１０２」として）では、次いで光開始剤１３０が、電磁放射への曝露によって活性化される。活性化されると、光開始剤１３０がモノマー１１０を架橋し、相分離ポリマー１２０の周りに硬質電解質構造１０２を形成する。この構造はモノマー１１０と活性化した光開始剤１３０ 間の反応に対して不活性である。例えば、ポリマ１２０は、モノマー１１０から相分離され、絡み合って、電解質構造１０２全体にコロイド懸濁液を形成する。第２の形態では、モノマーは、このコロイド懸濁液の周りで反応性サブスピーシーによって架橋される。

【0033】

図１、５Ｂ、および５Ｃに示す第３の形態（例えば、「多孔質電解質構造１０２」として）では、電解質構造１０２を形成する電解質材料１００を焼成し、次いで溶媒ですすぐまたは洗浄してポリマー１２０を電解質構造１０２から溶出させ、それにより電解質構造１０２全体にオープンセル細孔ネットワークをつくる。特に、第３の形態では、電解質構造体１０２の懸濁液中のポリマー１２０が、電解質構造体１０２から溶出し、電解質構造体１０２中のオープンセル細孔ネットワークを形成する。例えば、第１の形態では、電解質材料１００はモノマー１１０（例えば、エポキシ系ネガ型フォトレジスト）の５５〜６５容量％、およびポリマー１２０（例えば、有機化合物の合成ポリマー）の３５〜４５容量％であり；第３の形態では、ポリマー１２０は溶媒（例えば、有機環状ケトン）によって電解質構造１０２から溶出され、電解質構造１０２中に３５〜４５容量％のオープンセル細孔体積を提供できる。さらに、ポリマー１２０の分子量は、ポリマー１２０の除去後に第３の形態で電解質構造１０２内に残されたオープンセル細孔ネットワークが溶媒和イオンの幅よりも大きい平均断面幅によって特徴付けられるようなサイズにできる。

【0034】

図１および図１０に示す第４の形態（例えば、「電解質１０４」）では、電解質構造１０２内のオープンセル細孔ネットワークは、ある量の溶媒和イオンおよび溶媒で満たされて、電解質を形成している。したがって、この完成した電解質１０４は隣接するアノードと隣接するカソードとの間に溶媒和イオンを導くことができ、それにより、図１１に示すように、アノードとカソード間で外部電気回路にエネルギーを送達できる化学反応を促進している。

【0035】

（追加でまたは代替的に、電解質構造１０２はアノードとカソードの間のバッファまたは電極セパレータとして機能し、電池ユニット２０２内のアノードとカソード間の電子の流れを防ぐ（すなわち、電気的短絡を防ぐ）ことができる）。

【0036】

６．１ モノマー、光開始剤、および第１の溶媒
図７に示す一実施形態では：モノマー１１０は、高分子エポキシ樹脂（例えば、ＳＵ−８）を含み；光開始剤１３０は、（例えば、トリアリリウム−スルホニウム塩のファミリーからの）光酸発生剤を含む。電解質材料１００の第１の形態では、モノマー１１０および光開始剤１３０を第１の溶媒１４０と組み合わせて、十分に低い粘度を示し電解質材料１００を表面全体にスピンコートまたはドクターブレードできるようにした均質な混合物を形成することもできる。例えば、第１の溶媒１４０はシクロペンタノンまたはγ−ブチロラクトンを含んでいてもよく、電解質材料１００は、基板上に被覆したときに約５０質量％のシクロペンタノンを含み、ソフトベークを行って電磁放射に選択的に曝露する前は１０％未満のシクロペンタノンを含む。

【0037】

電磁放射線（例えば、ＵＶ光）に曝露されると、光開始剤１３０が光酸などの反応性サブスピーシー内に解離する。次いで、電解質材料１００を加熱して（例えば、露光後のベークサイクル中にガラス転移温度以上に）、モノマー末端の光酸とエポキシド環との間の反応を促進し、それにより体積がより大きい被覆した電解質材料１００全体に光酸が拡散する前に、これらのモノマーを局所的に架橋（すなわち、重合、または硬化」）させて、モノマーの架橋を高度に選択的なものにすることができる。

【0038】

特に、光開始剤１３０は、電磁放射線に曝露された場合にのみ、（実質的に）反応性サブスピーシー中に選択的に解離できる。ある体積の被覆した電解質材料１００の各モノマー分子中のエポキシ基は、光開始剤１３０が反応性サブスピーシー内に解離する（すなわち、電解質材料１００が電磁放射線に曝露され、反応サブスピーシーが存在する）電解質材料１００中の同じモノマー分子または他のモノマー分子中のエポキシ基と反応して共有結合するが、反応性サブスピーシーが存在しない場合（すなわち、電解質材料１００が、電磁放射線に曝露されていない場合）は、共有結合しない。したがって、電解質材料１００中の架橋モノマー分子は、密度の高いポリマーネットワークを形成でき：このネットワークは、第１、第２、および／または第３の溶媒１４０、１５０、１６０と非混和性であり；電気的に絶縁されている。

【0039】

このようにして架橋モノマー分子により形成された高密度ポリマーネットワーク（すなわち電解質構造１０２）は、図５Ａに示すように、ある程度の多孔性を自然に示し、その厚さを通るイオンの伝播を支援する。しかし、電解質構造１０２全体にわたるより大きなイオン束を支援し、したがって電解質材料１００で作成された電解質１０４を含むバッテリにより低い内部抵抗と高電力密度を達成するには、図５Ｂ、５Ｃ、および６に示すように、電解質材料１００は添加剤（すなわちポリマー１２０）を含んでいてもよく、この添加剤は：第１の溶媒１４０と混和性であり；モノマー１１０から相分離して基板へ被覆した後、第１の溶媒１４０が電解質材料１００から蒸発するときに、モノマー１１０に相分離ドメインを形成し；電解質材料１００が選択的に電磁放射に曝露され、添加剤が電解質構造１０２から溶出すると、電解質構造１０２内の制御可能な経路を通じてより大きな多孔性、より均一な多孔性、および／またはより大きな孔径となる。

【0040】

６．２ ポリマー
一般に、ポリマー１２０は：電解質材料１００の第１の形態では、第１の溶媒１４０、モノマー、および光開始剤１３０と混合して均質な混合物を形成し；電解質材料１００の第２の形態では、図１、５Ａおよび５Ｂに示すように、活性化光開始剤１３０の存在下でモノマー１１０が架橋すると、モノマー１１０全体にほぼ均一に分散したままでモノマー１１０から相分離するよう、機能する。特に、第２の形態では、ポリマー１２０は、架橋モノマーによって形成された電解質構造１０２全体にわたって実質的に均一な空隙ネットワークを形成することができる。

【0041】

また、ポリマー１２０は、活性化した光開始剤１３０によりモノマー１１０を架橋させた後、第１および第２の溶媒１４０、１５０と混和性のままであり；ブロックＳ１３０で電解質構造１０２を第２の溶媒１５０ですすぐと、第２の溶媒１５０が電解質構造１０２からポリマー１２０を溶出させて、それによってほぼ均一な密度と断面のオープンセル細孔ネットワークが電解質構造１０２全体に生じる。次いで、ブロックＳ１４２でこれらの空隙に溶媒和リチウムイオンを充填して、電極を完成させることができる。

【0042】

６．２．１ 第１の溶媒に混和性でありモノマーに半混和性であるポリマー
ポリマー１２０は、第１の溶媒１４０（例えば、シクロペンタノン、ガンマブチロラクトン）に混和性であり：第１の形態では電解質材料１００の第１の溶媒１４０中に均質な混合物を形成し；第２の形態では電解質材料１００の第２の溶媒１５０によって電解質構造１０２から溶出される。

【0043】

また、ポリマー１２０は、モノマー１１０に半混和性（例えば半溶解性）であり、ポリマー１２０とモノマー１１０が第１の形態の電解質材料１００の第１の溶媒１４０中に均質な混合物を形成することができる。しかしながら、ポリマー１２０は、以下に述べるように、特定の温度、圧力、組成、および濃度条件下といった、小さいスケール（例えば、１０ナノメートル）でモノマー１１０から相分離して、モノマー１１０が電解質構造１０２に架橋する際に、モノマー１１０全体に非結合ポリマー鎖の別個のネットワークを形成することもできる。例えば、ポリマー分子は、モノマー１１０およびクラスター（例えば、絡み合い、凝集、または「塊」）から相分離して、モノマー全体に非結合ナノ構造ネットワーク（例えば、コロイド懸濁液または浸透ネットワーク）を形成することができる。

【0044】

一例においては、モノマー１１０は、エポキシ系ネガ型フォトレジストのモノマーを含み；ポリマー１２０は、モノマーの分子量と同じ分子量のポリ（メチルメタクリレート）（または「ＰＭＭＡ」）分子を含む。これは、電解質材料１００中に２０ナノメートルのオーダーで小さな制御された相分離ドメインを生成し、モノマー１１０が架橋するにつれて電解質材料１００の体積全体に実質的に均一にポリマーを分布させ、したがって、結果として生じる電解質構造１０２の全体積に実質的に均一な密度のオープンセル細孔ネットワークを生成する。

【0045】

６．２．２ 光学特性
ポリマー１２０およびモノマー１１０は溶媒と混合して、光開始剤１３０による波長以外の活性化波長で最小の光散乱および最小の電磁放射吸収を示す混合物を形成し、電解質材料１００を比較的大きな深さまたは膜厚（例えば、５００ミクロン以上）にして、電解質材料を高い体積選択性で光パターン化することができる。特に、ポリマー、モノマー、および第１の溶媒１４０は、光開始剤１３０の活性化波長では電磁放射に対して光学的にほぼ透明（例えば、９５％以上の光透過性）である。例えば、電解質材料１００による光開始剤１３０の活性化波長での電磁放射の吸収および散乱を制限するために、ポリマー１２０はモノマーから相分離して、平均して、光開始剤１３０の活性化波長よりも小さいサイズのポリマードメインを生成することができる。ポリマー１２０とモノマー１１０は、活性化波長で同様の屈折率を示すことで、電解質材料１００による活性化波長での電磁放射の光散乱を制限することもできる。

【0046】

本例において：光開始剤１３０は、活性化波長（例えば、３５０から４００ナノメートル）での入射電磁放射線に応答して反応性サブスピーシーに局所的に解離し；電解質材料１００である第１の形態でのモノマー１１０は、第１のモル質量、および活性化波長における第１の屈折率で特徴付けられ；電解質材料１００である第１および第２の形態でのポリマー１２０は、第１のモル質量に近い第２の平均モル質量と、第１の屈折率に近い活性化波長での第２の屈折率とで特徴づけることができる。

【0047】

このように、光開始剤１３０による波長以外の活性化波長での電磁放射の最小散乱と最小吸収を示すことにより、基板２１０上に被覆した電解質材料１００の層は、この電解質材料１００の層の全厚を通して電磁放射が活性化波長で伝播するようにして、これによってこの電磁放射が光開始剤１３０を活性化し、この電解質材料１００の層の全厚までモノマー１１０を架橋することが可能になる。さらに、光開始剤１３０による波長以外の活性化波長で最小の散乱を示すことにより、電解質材料１００のこの層に投影される電磁放射のパターンは、この電解質材料１００の層の厚さ全体にわたって高解像度で保存され、それによってこの電解質材料１００の層を高い体積選択性で光パターン化することができる。

【0048】

６．２．３ モノマーの架橋に対するポリマーの不活性
ポリマー１２０は、電解質材料１００中でモノマー分子を架橋（例えば、重合）する反応に関与せず（すなわち、「不活性」）、さもなければ活性化した光開始剤１３０の存在下でモノマー１１０が架橋する際に、電解質材料１００内の空間を占める。また、ポリマー１２０は、活性化した光開始剤１３０によって１１０モノマー１１０を架橋した後は、第１及び第２の溶媒１５０、１４０において混和性のままである。特に、ポリマーは：モノマーの架橋にほんのわずかに影響するかまたは全く影響せず； 光開始剤１３０、反応性サブスピーシー、またはモノマーの存在下ではそれ自体が架橋またはさらなる架橋を行わず、第２の溶媒１５０によってポリマー１２０が電解質構造１０２から溶出して、電解質の厚さ全体にわたってオープンセル細孔ネットワークを提供することができる。

【0049】

６．２．４ ポリマーサイズ
ポリマー１２０のサイズは、モノマー１１０中に、ポリマー分子が溶媒和イオンの平均断面寸法よりわずかに大きい（例えば、５０％から１０００％）相分離ドメインを形成するように選択することができる。このようにしてブロックＳ１３０でポリマー１２０が電解質構造１０２ から除去されると、電解質構造１０２にできたオープンセル細孔が：図５Ｂ、図５Ｃ、図６、および図１０に示すように、この電解質を含む電池ユニット２０２の内部イオン伝導性を増加させる可能性がある、完全に溶媒和したイオンが電解質構造１０２の厚さを通過する（例えば、片側のアノードと反対側のカソードの間）のに十分であり；アノードおよびカソードからの導電性粒子が電解質を通って移動するのを防ぐのに十分に小さく、このバッテリーユニット２０２内部の電気的短絡を防ぐ；ようなジオメトリを規定することができる。

【0050】

図１、５Ｂ、および５Ｃに示すように、モノマー１１０は反応性サブスピーシーの存在下で架橋するため、形成されたポリマー分子の非連結ネットワークが、モノマー分子の局所的な架橋を物理的に妨害することがある。したがって、電磁放射線にさらされるある量の電解質材料１００は、第２の形態においてこの量の電解質材料１００のポリマー分子の非結合ネットワークの周りで架橋し、これにより、これらの空隙にポリマー分子が閉じ込められた架橋モノマーの高密度ポリマーネットワーク中にオープンセルネットワーク（または「細孔」）が生じる。次いで、これらのポリマー分子は、後述するようにブロックＳ１３０の第２溶媒１５０での洗浄またはすすぎなどにより、第２溶媒１５０によって電解質構造１０２のこのオープンセル孔ネットワークから取り除かれ、第３の形態の電解質材料１００である多孔質で空の電解質構造１０２を形成できる。

【0051】

例えば、ポリマー１２０のサイズは、電解質構造１０２から溶出したときに、電解質構造１０２にオープンセル細孔を生じる相分離ドメインを生成するように選択することができる。この電解質構造は、溶媒和イオンの最大サイズより大きい短幅；およびカソード内の導電性粒子の最小サイズよりも小さい（または最小でもそれよりも大きい）長幅を示す。本例では、電解質構造１０２のオープンセル細孔は、１０ナノメートルの平均幅（例えば、８ナノメートルの平均短幅と１２ナノメートルの平均長幅）を示しており、これにより約１ナノメートルのサイズの完全に溶媒和されたリチウムイオンが電解質を通って自由に流れ、２０ナノメートルほどのサイズのカーボンブラック粒子がカソードから電解質に流れるのを防ぐことができる。本例では、電解質構造１０２は、シリコンベースのアノード上で１ミクロンの最小厚さを規定している。したがって、電解質構造１０２全体の平均幅（または直径）約１０ナノメートルの細孔の場合、電解質構造１０２は、最小厚さ対細孔サイズが約１００：１のアスペクト比を規定して、アノードから電解質構造１０２へのシリコンの伝播に抵抗して、電解質構造１０２を含むバッテリユニット２０２内のシリコン樹状突起の形成によって生じる電気的短絡を防止することができる。

【0052】

６．２．５ 機械的完全性
一般的に、電解質材料１００中のポリマーの割合が大きいほど、電解質構造１０２内により大きな多孔率とより緻密なオープンセル細孔ネットワークが生じ、結果として生じる電解質を通るイオンの流れに対する抵抗を減らすことができる。しかしながら、電解質構造１０２の多孔度が大きいと、電解質構造１０２の機械的強度が低下し、機械的故障が生じる可能性が高くなる。例えば、電解質材料１００をアノード上に被覆させて処理することができ、得られた電解質上にカソードを製造して、カソード集電体２５０をカソード材料２３０上に押し込んで、電解質に応力を誘発できる。したがって、電解質材料１００は、得られた電解質構造１０２における最大の多孔率と少なくとも最小の強度をもたらす比率のポリマーを閾値までを含みうる。

【0053】

例えば、電解質材料１００は、４０重量％（または体積％）のポリマー、５５重量％（または体積％）のモノマー、および５重量％（または体積％）の光開始剤１３０を含む。第１の形態の電解質材料１００は第１の溶媒１４０と混合して、電解質材料１００をアノード上に被覆する前に、二液型電解液材料１００対一液型溶媒の比などにすることができる。このある体積の電解質材料１００中のモノマー分子が、電解質材料１００への曝露後に活性化光開始剤１３０により架橋され、ポリマー１２０が得られた電解質構造１０２から溶出すると、電解質構造１０２は約４０体積％のオープンセル細孔を示し、続くバッテリーユニット２０２の組み立て中に加えられる力に耐えるのに十分な機械的強度が得られる。

【0054】

６．３ 電解質材料の例
図７、８Ａ、８Ｂ、および９に示す例では、電解質材料１００は：ＳＵ−８のモノマーなど約５５重量％のモノマーと；ＰＭＭＡなどの約４０重量％のポリマーと；トリアリールスルホニウム／ヘキサフルオロアンチモネート塩などの約５重量％の光開始剤１３０を含む。第１の溶媒１４０はシクロペンタノンを含み、ＳＵ−８モノマー分子とＰＭＭＡポリマー分子は、両方共シクロペンタノンと混和性である。さらに、ＰＭＭＡポリマーは、ＳＵ−８モノマーと化学的に類似しており、したがって、ＳＵ−８モノマーに半混和性である。

【0055】

一般的に、ＰＭＭＡは、１モル当たり約５００グラム（すなわち、５つの繰り返しメチルメタクリレート単位を有する短いポリマー）から１モル当たり約３５０００グラム（例えば、３５０の繰り返しメチルメタクリレート単位を含むより長いポリマー）までといった分子量の範囲で入手可能である。ポリマー１２０は、モノマーとのより大きな混和性、光開始剤１３０の活性化波長での電磁放射に対するより大きな透明性、およびＳＵ−８モノマーの屈折率と同様の屈折率を示し、電解質構造１０２中により断面積の小さい細孔を生じさせる低分子量ＰＭＭＡを含んでいてもよい。代替的に、電解質材料１００は、モノマー１１０との混和性が低く、モノマー１１０と混合したときに活性化波長での電磁放射への透明性が低いが、電解質構造体１０２により大きな断面積の細孔を生じさせる高分子量ＰＭＭＡを含んでいてもよい。

【0056】

電解質材料１００はまた、ある割合の分子量のＰＭＭＡポリマーを含むものでもよい。すなわち、１）ＰＭＭＡポリマーが、断面積がアノードとカソード間の短絡を防ぐためのターゲット幅の範囲を超える（たとえば、カソード中の最小導電性粒子よりも大幅に大きい）チャネルを有する非結合ポリマーナノ構造（例えば、コロイド懸濁液または浸透ネットワーク）に凝集するのを防ぐのに十分低く；２）電解質の上下の境界で終端するのではなく、電解質の全厚にまたがる非結合ナノ構造ネットワークへのＰＭＭＡポリマーの相分離とクラスター化を支援して、架橋したＳＵ−８内へのＰＭＭＡポリマーの閉じ込め（すなわち、ＰＭＭＡポリマーの分離されたサブボリューム）を防止して、第２の溶媒１５０が電解質構造１０２のこれらの空隙に到達し、溶出し、ＰＭＭＡポリマーを除去できるようにする；分子量のＰＭＭＡポリマーを含むものでもよい。

【0057】

例えば、電解質材料１００は、モル当たり１５０００グラムを中心とする狭い帯域の分子量のＰＭＭＡを含んでいてもよく（例えば、モル当たり＋／−１，０００グラム）、これは：ある体積の電解質材料１００全体にわたってポリマー１２０をほぼ均一に分散させる十分な混和性と；電磁放射が最大深さ５００ミクロンまで電解質材料１００へ浸透可能になる十分な透明性と；得られた電解質構造１０２内に５ナノメートルから２０ナノメートルの目標幅範囲内の細孔；を提供する。

【0058】

代替的に、第１の形態では、ポリマー１２０の第２割合が、第１の狭帯域の低分子量ＰＭＭＡ分子と第２の狭帯域の高分子量ＰＭＭＡ分子といった、異なる分子量のＰＭＭＡ分子のブレンドを含んでいてもよい。例えば、電解質材料１００は、分子量５，０００グラム／モル（例えば、＋／−５００グラム／モル）のＰＭＭＡを７０％と、分子量３，０００グラム／モル（例えば、＋／−１０００グラム／モル）のＰＭＭＡを３０％といった分子量の組み合わせまたは範囲のＰＭＭＡを含んでいてもよい。このように、２つの別個の分子量のポリマーを組み込むことにより、電解質材料１００などで形成された電解質構造１０２の多孔度を調整することができる。より具体的には、より高い分子量のポリマーは、より大きな相分離ドメインを形成し、したがって、電解質構造１０２内により大きな細孔が生じ、逆もまた同様であり；このように２つの分子量のポリマーを組み込むことにより、これらのポリマーは、１０〜５０ナノメートルの細孔の集まりなど、電解質構造１０２に階層的な多孔度を形成することができる。

【0059】

しかしながら、電解質材料１００は、一またはそれ以上のその他の範囲の分子量のＰＭＭＡをその他の割合で含んでいてもよく、電解質材料１００は、その他の組成および／またはタイプのモノマー、ポリマー、および光開始剤１３０を含み、その他のタイプの第１溶媒１４０と混合してもよい。例えば、ポリマー１２０は、ポリ（エチルメタクリレート）；ポリ（メタクリル酸ベンジル）；ポリカーボネート；ポリスルホン；および／または様々なコポリマー、を含んでいてもよい。

【0060】

７． 電解質の製造
図１、２、３、および４に示すように、ブロックＳ１１０でアノードが形成されると、ブロックＳ１２０で電解質材料１００がアノードの第１の側に被覆され、ブロックＳ１２２で選択的に電磁放射に曝露されて、モノマー１１０が、電解質構造１０２から相分離し、絡み合って、電解質構造１０２または架橋モノマー全体に分布した空隙ネットワークを規定するコロイド懸濁液を形成するポリマー１２０と架橋する。

【0061】

上述した一変形例では、ブロックＳ１１０で基板２１０をエッチングしてセル２１２のセットを形成する。セル２１２のセット内の各セルは、連続壁２１６と、ベースに垂直に延在するポスト２１４のセットで囲まれたベースを具える。ブロックＳ１２０では、電解質材料１００をセル２１２のセット内およびセル２１２のセット内の各セル内の各ポストの周りに被覆して、基板２１０を完全に覆う。連続壁２１６とセルのセット２１２の各セルのポスト２１４の近傍にある薄い体積の電解質材料１００は、したがって、ブロックＳ１２２で電磁放射に選択的に曝露されて、連続壁２１６とセルセット２１２内の各セル内のポストセット２１４の連続壁の周りに適合する電解質構造１０２にモノマー１１０を選択的に架橋することができ；このプロセスの間に、ポリマー１２０は、電解質構造１０２中の架橋モノマーから相分離することができる。次いで、電解質構造１０２を第２の溶媒１５０ですすぎ、または洗浄して、電解質構造１０２の周囲から未架橋モノマーを除去するとともに、ブロックＳ１３０において、電解質構造１０２からポリマー１２０を溶出させることができる。

【0062】

７．１ フォトマスク
電池アセンブリ２００が３Ｄ電池を規定している上述の変形例では、各セルの底部、各ポストの側面および上面、およびアノードによって画定される各壁２１６の側面が、実質的に均一な厚さの電解質材料１００でコーティングされている。一実施形態では、基板２１０を均一な厚さの電解質材料１００でコーティングする準備として、ブロックＳ１２２は、各セル内のポスト２１４セット内の各ポスト位置であり、セル２１２セット内の各セルを取り囲む各壁２１６の位置に窓を画定するフォトマスクを作成するステップを具え、各窓は対応するポストまたは壁２１６から外側に向けて、電解質構造１０２のほぼ目標の厚さだけオフセットしている。特に、フォトマスクは、図１、３、および４に示すように、各ポストの指定された位置および各壁２１６の指定された位置に窓（または「開口」）を規定できる。

【0063】

例えば、フォトマスクは、各指定されたセル領域にわたって延在するが指定されたポストおよび壁領域からは除外されているクロム金属吸収膜で覆われた透明な溶融シリカブランクを具えている。本例では、クロム金属吸収フィルムは：各々が対応するポストの位置と同軸であり、対応するポストのフットプリントから外側に電解質の目標厚さ（例えば１０、ミクロンなど）だけオフセットしている窓セットと；図４に示すように、各々が対応する壁の位置と同軸であり、対応する壁２１６のフットプリントから外側に電解質の目標厚さだけオフセットしている直線窓セットと；を規定できる。

【0064】

７．２ 電解質の被覆
次いで、ブロックＳ１２０で、電解質材料１００がアノードの第１の側面にわたって被覆され、それによって各セルを、アノードの第１の側面にわたってパターン化された壁２１６の上面の均一で平坦な表面オフセットまで電解質材料１００で満たす。例えば、電解質材料１００の過剰分をアノードの第１の側に分配し、次いでドクターブレードをアノードの第１の側部の上に均一な高さでアノードを通し、図１に示すように電解質材料１００をアノードの上の均一な目標厚さまで切り落とすことができる。代替的に、電解質材料１００をアノード上にスピンコーティングしてもよい。

【0065】

７．３ 相分離とソフトベーク
電解質材料１００を電磁放射に曝露する前に、ブロックＳ１２２において、電解質材料１００および基板２１０をソフトベークすることができる。一実施形態では、電解質材料１００がアノード上に被覆されると、ソフトベークサイクル中にアノードと電解質材料１００が加熱されて、露出用の非架橋モノマーが調製される。

【0066】

ソフトベークサイクルの時間および温度パラメータは、モノマーからのポリマー１２０の相分離を制御するように設定できる。例えば、ソフトベークサイクル中に、アノードと電解質材料１００は：高温（例えば９５℃）に加熱され；電解質材料１００の厚さおよび／または電解質材料１００中の第１の溶媒１４０の割合に比例する時間、高温で保持して、第１の溶媒１４０を電解質材料１００から蒸発させ（例えば、第１の溶媒１４０によって約５０重量％から１０重量％未満に）；次いで、露出温度までゆっくり冷却して、モノマー１１０からのポリマー１２０の相分離を進め、粗くすることができる。特に、電解質材料１００から第１の溶媒１４０を除去すると、ポリマー１２０がモノマー１１０により近接するため、モノマー１１０からポリマー１２０の相分離が始まる。高温への曝露、長時間の浸漬、および長い冷却期間は、ポリマー１２０がモノマー１１０を通ってより大きく移動することにより、モノマー１１０からのポリマー１２０の相分離をより大きくすることができる。これが、モノマーの架橋の前に、モノマー１１０内のより厚い非結合ナノ構造ネットワークへのポリマー分子のより完全なクラスター化をもたらす。

【0067】

図１に示す別の例では、アノードと電解質材料１００は、ソフトベークサイクル中に：アノードと電解質材料１００を目標温度に加熱する；アノードと電解質材料１００をプリセット期間、目標温度で浸漬させて、モノマー１１０からのポリマー分子の相分離およびポリマー分子の非連結ナノ構造ネットワークへのクラスター化を可能にする；次いで、アノードおよび電解質材料１００の温度を急速に低下させて、モノマーの架橋前に、モノマー１１０中の非結合ポリマーナノ構造を凍らせる；ことにより、ソフトベークサイクル中に急冷することができる。これらの例では、ソフトベークサイクルでの加熱、浸漬、冷却の期間と温度を、目標の相分離とクラスター化を達成するように設定して、ポリマー１２０目標密度と厚さを達成することができ、電池アセンブリ２００が完成すると、電解質の目標多孔度および細孔サイズが完成する。

【0068】

しかしながら、電解質材料１００は、その他の時間または温度のソフトベークサイクル中に処理することができる。

【0069】

７．４ 曝露
次に、ブロックＳ１２２において：セルセット２１２内の各セル内の対応するポストに整列させたフォトマスク内の窓を有する基板２１０上にフォトマスクを配置し；電解質材料１００を、フォトマスクを通して電磁放射に露出させ、光開始剤１３０をセルセット２１２の各セルの垂直面の周りの反応性サブスピーシーに選択的に解離させる。

【0070】

特に、ブロックＳ１２２では、フォトマスクを基板２１０の上に配置し、基板２１０に整列させ；次いで、電解質材料１００をフォトマスクを通して放射線に曝露させて、電解質をポストおよび壁２１６の上部およびポストと壁２１６の垂直面上で選択的に硬化させ、隣接するポスト間およびほぼ架橋されていない壁２１６とポストの間に電解質材料１００を残す。フォトマスクは、目標厚さ（または処理装置の光学倍率で補正された同様のジオメトリ）の電解質によって、ポストおよび壁２１６の垂直面を超えてオフセットされているウィンドウ（開口部）を規定しているため、フォトマスクは電解質材料１００に向けて放射線を通過させて、ブロックＳ１２２において、基板２１０の各セルのポストおよび壁２１６の上部および垂直表面にわたって、目標厚さの局所体積の電解質材料１００中で光開始剤１３０を活性化できる。さらに、セル内のこれらの表面からさらにオフセットした電解質材料１００への光の到達をブロックすることにより、フォトマスクはその他の局所体積の電解質材料１００を放射線曝露から保護し、これによって光開始剤１３０がこれらのその他の局所体積の電解質材料１００中の反応性サブスピーシーに解離するのを防ぐことができ、したがってブロックＳ１２２におけるこれらのその他の局所体積内でのモノマー１１０の局所架橋を防止できる。

【0071】

７．５ 曝露後の焼成と展開
電解質材料１００を電磁放射に曝露させた後、電解質材料１００と基板２１０を、ブロックＳ１２２で焼成して、反応性サブスピーシーを含む局所体積の電解質材料１００のモノマーを架橋することができる。一実施形態では、選択された体積の電解質材料１００が電磁放射に曝露されると、図１に示すように、露光後のベークサイクル中にアノードと電解質材料１００が加熱され、電解質材料１００のこれらの曝露された体積中の、ポリマー１２０のネットワークの周りのモノマーがさらに架橋される。

【0072】

７．６ ポリマー除去
次いで、ブロックＳ１３０では、ポリマー１２０がある量の溶媒で電解質構造１０２から溶出して、電解質構造１０２内にオープンセル細孔ネットワークを形成することができる。一般に、ブロックＳ１３０では、電解質構造１０２および架橋した電解質材料１００を溶媒で洗浄またはすすぎ、電解質構造１０２からポリマー１２０を溶出させ、図１および２に示すように、電解質構造１０２から残りの電解質材料１００（電磁放射に曝されていない）を溶出させることができる。

【0073】

ポリマー１２０がＰＭＭＡを含む上記の実施態様では、電解質構造１０２を、第２の溶媒１５０（例えば、シクロペンタノンまたはプロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート）または、電解質構造１０２を完全に膨潤させる別の有機溶媒（例えば、ジメトキシエタンとＮ−メチル−２−ピロリドンの混合物）で洗浄して、電解質構造１０２の細孔からポリマー１２０を溶出させ、電解質構造１０２を通るイオン輸送用の開チャネルを形成し、電解質構造１０２を通して輸送用イオンを溶媒和させる。例えば、電解質構造１０２およびアノードを含む電池アセンブリ２００を、加熱した第２の溶媒１５０バスに浸漬させ、一定時間攪拌して、バスから取り出し、乾燥させて、電解質構造１０２上にカソードを作製する前に電解質構造１０２からポリマー１２０を除去する。

【0074】

さらに、バッテリアセンブリ２００（またはバッテリアセンブリ２００から分離されたバッテリユニット２０２）は、パッケージ化してＰＣＢ上のはんだペーストに配置し、次いで、その他の表面に装着したまたはスルーマウントさせた電気部品とともにリフローオーブンで処理して、前述したように、バッテリーアセンブリ２００（またはユニット）をＰＣＢに固定される。しかしながら、リフロー温度はＳＵ−８のガラス転移温度を超えてもよく、これにより、特に追加の光開始剤１３０または反応性サブスピーシーの存在下で、ＳＵ−８モノマー分子間のさらなる架橋が引き起こされる。モノマー１１０にボイドをつくるＰＭＭＡ分子は、電解質材料１００が架橋し、バッテリアッセンブリ２００が完成すると、第３の溶媒１６０と（主に）溶媒和イオンに置き換えられるため、電解質材料１００の空隙を横切る未架橋ＳＵ−８モノマー分子のさらなる架橋が、これらの空隙を狭めるかまたは完全に閉じることがあり、それによって電池の内部伝導率を低下させ、したがって電池アセンブリ２００性能を低下させる。したがって、電池アセンブリ２００製造後のそのような架橋を防ぐために、電解質構造１０２の材料は、ブロックＳ１３０で光開始剤１３０を溶出さる溶媒中で完全に洗浄して、電解質構造１０２に残っている光開始剤１３０を除去することができる。

【0075】

７．７ 溶媒和イオンの紹介
ブロックＳ１４２では、多孔質電解質構造１０２を溶媒およびイオンに曝露して、電解質構造１０２のオープンセル細孔ネットワークを溶媒和イオンで満たし、それによって電解質を完成させる。一般的に、ブロックＳ１４２では、図１および１０に示すように、溶媒和イオンが電解質構造１０２に導入されてオープンセル細孔ネットワークを埋め、したがってこの電解質構造１０２がイオン搬送（例えば、リチウムイオン搬送）電解質として機能する。

【0076】

一実施形態では、ブロックＳ１３０に続いて電解質構造１０２を乾燥させると、電解質構造１０２は、ブロックＳ１４２において、メータに軽量された体積の第３の溶媒１６０（例えば、炭酸プロピレンおよび／またはその他の溶媒）を、溶媒和リチウムイオンを上述の３Ｄアノードの各セルに分配するなどして、第３の溶媒中に溶出したリチウムイオンで直接再湿潤される。第３の溶媒１６０および溶媒和リチウムイオンは、次いで、多孔質電解質構造１０２に吸い上げられ、電解質が完成する。

【0077】

以下に説明する別の実施形態では、ブロックＳ１３０に続いて電解質構造１０２を乾燥させて、リチウム貯蔵材料、導電性粒子、および多量の溶媒と混合したバインダーを含むカソード材料２３０が、ブロックＳ１４０で３Ｄアノードの各セルといった電解質構造１０２上に被覆される。次いで、カソード材料２３０を乾燥させて、電解質構造１０２上に多孔質カソードを形成する。最後に、ブロックＳ１４２で、その体積の溶媒を多孔質カソードに（例えば、各セルに）分配して、多孔質カソードを濡らし、溶媒和リチウムイオンを、多孔性カソードから隣接する電解質構造１０２のオープンセル細孔ネットワークに引き入れることができる。

【0078】

８．カソード
図１、２、３、および４に示す方法Ｓ１００の一変形例は、リチウム貯蔵材料を含むカソード材料２３０をアノードの反対側の電解質構造１０２上に被覆させるステップを記載したブロックＳ１４０を具える。この変形例では、ブロックＳ１４０は、上述したように、カソード材料２３０をある量の溶媒で濡らして、溶媒和リチウムイオンをカソード材料２３０から電解質構造１０２のオープンセル細孔ネットワークに引き込むステップを具えている。

【0079】

一実施形態では、カソード材料２３０は：活性リチウム貯蔵材料；導電性のカーボン（例えば、グラファイトカーボンまたはカーボンブラック）；バインダー；及び、第３の溶媒１６０に溶解し、電解質を通るリチウムイオンの輸送を支援するリチウム塩；を含む。カソード材料２３０は、第３の溶媒１６０に可溶であるリチウム塩を含んでいてもよい。したがって、第３の溶媒１６０は、カソード材料２３０に含まれるリチウムイオンを溶出して、これらのリチウムイオンを電解質に導くように機能し；したがって、カソード材料２３０中のリチウム塩と組み合わされると、第３の溶媒１６０が二次電解質相として機能できる。

【0080】

例えば、活性リチウム貯蔵材料は：第３の溶媒１６０（例えば、Ｎ−メチル−２−ピロリドン、ジメチルスルホキシド、等）に分散したＬｉＮｉ_１／_３ Ｍｎ_１／_３ ＣＯ_１／_３ Ｏ_２；およびＬｉＰｆ_６および／またはＬｉＢＦ_４（すなわち、リチウム塩）；を含む。本例では、カソード材料２３０は：約９０％の活性リチウム貯蔵材料と；約１０％の導電性粒子（カーボンブラックなど）と；約１％のバインダー；を含む。カソード材料２３０を溶媒（例えば、Ｎ−メチル−２−ピロリドン、ジメチルスルホキシド）に分散させて、電解質構造１０２上にカソード材料２３０を流すのに十分な低粘度を実現し、乾燥時に細孔率約４０％といった、ある程度の多孔性を自然に達成することができる。

【0081】

電解質構造１０２上に被覆されると、カソード材料２３０からのカソード処理溶媒を乾燥させることにより、カソード材料２３０を固め（または「硬化」）させ、それによりバインダーを固化させて、セル内のポストの側面と上部にわたり、セルのベース、セルの壁２１６から電解液によって分離されている可撓性カソードを形成する。

【0082】

一実施形態では、ある量のカソード材料２３０が第３の溶媒１６０に分散され、その後、基板２１０上の各セルに予め作製された電解質構造１０２上に分配される。例えば、カソード材料２３０は、カソード材料２３０が自動ドロッパーまたはディスペンサーで各セルに流れ込み、リチウム塩をイオンに溶かすのに十分な第３の溶媒１６０の割合（例えば、７０〜８０％）で分散される。次いで、このバッテリーアセンブリ２００を攪拌し、真空チャンバーおよび／または圧力チャンバーに入れて、第３の溶媒１６０および溶媒和イオンを電解質構造１０２のオープンセル孔に押し込み、カソード材料２３０内および電解質構造１０２の内側に閉じ込められたガスを除去することができる。

【0083】

さらに、カソード材料２３０がターゲット期間にセル内に被覆されると、アセンブリを加熱して、カソード材料２３０から第３の溶媒１６０を例えばカソード中の５質量％まで蒸発させ、カソード材料２３０を「硬化」させて、目標の電池アセンブリ２００の組成を達成することができる。カソード硬化サイクルの終わりにカソード材料２３０中の第３の溶媒１６０の最小割合を維持することにより、カソード材料２３０は：流動性および／または柔軟性を維持し、したがって、再湿潤を必要とすることなくカソード上に設置された電流コレクタに対してより容易に変形して、これによって、カソード材料２３０と電流コレクタとの間の機械的および電気的結合が改善される。硬化したカソードに残る第３の溶媒１６０は、カソード中のリチウムイオンを溶媒和し、電解質の空隙を介してこれらの溶媒和リチウムイオンをアノードとカソードとの間で輸送する機能も果たす。

【0084】

代替的に、カソード材料２３０が電解質構造１０２上に被覆されると、カソード材料２３０および電解質構造１０２を完全に乾燥させ；次いで、既知の体積の溶媒を各セルのカソード材料２３０に被覆させて、これらの体積のカソード材料２３０にリチウム塩を溶解させ、溶媒和リチウムイオンを電池アセンブリ２００の隣接する電解質構造１０２内に引き込むことができる。

【0085】

しかしながら、カソードは、ブロックＳ１４０においてその他の方法で形成することができ、電解質構造１０２は、ブロックＳ１４２においてその他の方法で、溶媒和イオンを満たすことができる。

【0086】

したがって、完成した電解質は、電池アセンブリ２０２から切り離された電池ユニット２０２を充電する際に、カソードからアノードへと溶媒和イオンが伝わり、電池ユニット２０２が放電されると、カソードをアノードから電気的に絶縁する。

【0087】

８．４ ポリマーの勾配
図１０に示す一変形例では、上述の活性リチウム貯蔵材料、導電性粒子、およびリチウム塩に加えて、カソード材料２３０は、第２体積のポリマーも含む。カソード材料２３０は、電解質構造１０２上への被覆時に、ある体積の第３の溶媒１６０と混合することができる。この体積の第３の溶媒１６０は、電解質構造１０２に吸い上げられ、ポリマー１２０を溶解させ、次いでポリマー１２０を電解質構造１０２からカソードに向かって引き出して、これによって電解質からカソードへのポリマー１２０の密度がなだらかに変化する。これにより、電解質構造１０２の細孔からポリマー１２０を除去しながら電池の性能を改善して、少ない数の生産ステップでカソードからの溶媒和イオンのスペースを作ることができる。

【0088】

特に、カソードが電解質上に作製されるときに電解質構造１０２の空隙にポリマーを残して、カソード材料２３０と混合した第３の溶媒１６０は電解質構造１０２を完全に湿潤させ、電解質構造１０２に残るポリマー分子を溶かすことができる。これらの溶解したポリマー分子は、電解質構造１０２からカソード（ポリマー１２０も含むことがある）に経時的に移動して、それによって溶媒和イオン用の電解質構造１０２内のオープンセル細孔ネットワークがきれいになり、同時に、電解質とカソードの境界にわたってポリマーの密度に比較的滑らかな勾配が生じ、これにより、バッテリー性能とバッテリー寿命が改善される。

【0089】

この変形例では、カソード内のポリマーは、カソードを一緒に結合するコロイドまたはゲル化剤としても機能する。

【0090】

９．処理
ブロックＳ１４０に続いて、電池アセンブリ２００は、このように、電解質構造体１０２材料で被覆され、硬化したカソード材料で満たされたセルセット２１２を規定する基盤２１０を具えている。したがって、電流コレクタは、カソード上に取り付けて密封することができ、バッテリーアセンブリ２００は、個々のセルまたはセルのグループにダイシングすることができ、図２および１２に示すように、これらの個々のセルまたはセルのグループは、パッケージ化して複数の個別のバッテリーを形成できる。例えば、セルセット２１２は、ＳＭＴまたはスルーホールバッテリーに入れて、ＰＣＢに直接インストールすることができる。次いで、各ＳＭＴまたはスルーホールパッケージは、その他の回路部品とともに、はんだペーストでＰＣＢに取り付けて、約２２５℃の温度でリフローオーブンに通してはんだペーストをリフローさせ、これによって、各回路構成部品とバッテリの両方を同時にＰＣＢに固定し、１回のピックアンドプレースとリフローサイクルでＰＣＢを完成させることができる。この実施例では、上述したとおり、第３の溶媒１６０は、高沸点（例えば、２４２℃）および低可燃性の炭酸プロピレンを含んでいてもよい。第３の溶媒１６０の沸点ははんだペーストのリフロー温度よりも高いため、溶媒はＳＭＴまたはスルーホール電池内では液相のままであり、電池内の圧力を十分に低く保って断裂または破裂を防ぐことができる。第３の溶媒１６０の低い可燃性が、リフローオーブンを通過するときでも、ＳＭＴまたはスルーホールバッテリーの火災または爆発のリスクを下げることができる。

【0091】

１０．その他の電解質用途
方法Ｓ１００は、一般に、シリコンウェーハ上に３Ｄ電池を製造するという状況で順応性のある硬質電解質を製造するステップが記載されている。しかしながら、平面アノードに均一な厚さの電解質フィルムを作成し、電解質フィルム上に平面カソードを被覆または組み立てることによるなどして、２Ｄバッテリー内で適合性のある硬質電解質を生成する同様の方法と手法を実装することができる。同様に、これらの方法、技術、および材料を実装して、燃料電池を通る水素イオン伝導の改善を可能にする比較的大きな細孔の制御された密度と分布を定義する電解質膜を含む、２Ｄまたは３Ｄ水素燃料電池を製造できる。さらに、これらの方法、技術、および材料を実装して、ニッケル金属−水素化物バッテリーを通る水素イオン伝導を改善できる比較的大きな細孔の制御された密度と分布を定義する電解質膜を含む、２Ｄまたは３Ｄニッケル金属水素化物電池を製造できる。

【0092】

しかしながら、電解質材料１００は、他の任意の方法で適用し、処理して、適合性のある硬質電解質を形成することができる。同様に、方法Ｓ１００はその他の方法で実装して、電極上に直接または電極とは別に、順応性のある硬質電解質を製造することができる。

【0093】

当業者は前述の詳細な説明および図面および特許請求の範囲から認識するように、添付の特許請求の範囲で定義される本発明の範囲から逸脱することなく、本発明の実施形態に修正および変更を加えることができる。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】