特開 2024-167860 キャビティを有する電極

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024167860

(43)【公開日】2024-12-04

(54)【発明の名称】キャビティを有する電極

(51)【国際特許分類】

   H01M 4/13 20100101AFI20241127BHJP

   H01M 4/02 20060101ALI20241127BHJP

   H01M 10/058 20100101ALI20241127BHJP

   H01M 10/052 20100101ALI20241127BHJP

   H01M 4/04 20060101ALI20241127BHJP

   H01M 4/139 20100101ALI20241127BHJP

   H01M 10/04 20060101ALI20241127BHJP

   H01M 4/86 20060101ALI20241127BHJP

   H01M 4/88 20060101ALI20241127BHJP

【ＦＩ】

H01M4/13

H01M4/02 Z

H01M10/058

H01M10/052

H01M4/04 A

H01M4/139

H01M10/04 Z

H01M4/86 M

H01M4/86 B

H01M4/88 K

【審査請求】未請求

【請求項の数】20

【出願形態】ＯＬ

【外国語出願】

(21)【出願番号】P 2023137703

(22)【出願日】2023-08-28

(31)【優先権主張番号】18/321,541

(32)【優先日】2023-05-22

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(71)【出願人】

【識別番号】519146787

【氏名又は名称】ツー－シックス デラウェア インコーポレイテッド

【氏名又は名称原語表記】ＩＩ－ＶＩ Ｄｅｌａｗａｒｅ，Ｉｎｃ．

(74)【代理人】

【識別番号】110001302

【氏名又は名称】弁理士法人北青山インターナショナル

(72)【発明者】

【氏名】ディ，ラン

(72)【発明者】

【氏名】シンユー，ルー

(72)【発明者】

【氏名】ザン，ギャオ

(72)【発明者】

【氏名】ウェン－チン，シュー

【テーマコード（参考）】

5H018

5H028

5H029

5H050

【Ｆターム（参考）】

5H018AA01

5H018BB00

5H018BB01

5H018BB08

5H018BB11

5H018HH02

5H018HH03

5H018HH04

5H028AA05

5H028CC07

5H028CC08

5H028HH01

5H028HH05

5H029AJ02

5H029AJ05

5H029AK05

5H029BJ12

5H029DJ14

5H029HJ03

5H029HJ07

5H029HJ12

5H050AA02

5H050AA07

5H050BA08

5H050BA17

5H050CA11

5H050CA12

5H050FA15

5H050GA04

5H050GA25

5H050HA03

5H050HA07

5H050HA12

(57)【要約】      （修正有）

【課題】エネルギー密度が向上し、充放電速度能力が向上し、サイクル安定性が向上した電池を提供する。
【解決手段】電極及び電極を有する電気化学デバイスにおいて、電極は、電気化学デバイス内の電気化学反応においてイオンと反応し得る活物質を含む本体を含む。本体１１２は、電気化学デバイスのセパレータ１０６の電解質１０８に当接し得る第１の表面１１８と、第１の表面から電極内へと深さ方向に延在する複数のキャビティ１２０を画定する第２の表面１１９とを有する。複数のキャビティは、電解質を受け入れる電極１０４への経路を画定する。経路は、電解質から、第１の表面よりも１つ以上の経路の近くに位置する活物質１１４の内側サブセット１２２へのイオン移動を向上させる。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

電極であって、
電気化学デバイス内の電気化学反応においてイオンと反応するように構成された活物質を含む本体であって、
前記電気化学デバイスのセパレータと接触するように構成された第１の表面と、
前記第１の表面から前記電極内へと深さ方向に延在する複数のキャビティを画定する第２の表面と、を含む前記本体を含み、
前記複数のキャビティが、前記セパレータの前記電解質を受け入れるように構成された前記電極への経路を画定し、
前記経路が、前記電解質から、前記第１の表面よりも１つ以上の経路の近くに位置する前記活物質の内側サブセットへのイオン移動を向上させるように構成される、
前記電極。

【請求項2】

前記第１の表面と前記第２の表面の総面積が、前記第１の表面の周囲によって境界付けられる面積よりも少なくとも１０％広い、請求項１に記載の電極。

【請求項3】

前記複数のキャビティの総容積が、前記電極の総体積の３０％未満である、請求項１に記載の電極。

【請求項4】

前記深さが、前記電極の厚みより少なくとも３０％大きい、請求項１に記載の電極。

【請求項5】

前記電極が細孔を画定し、前記複数のキャビティのそれぞれのサイズが前記細孔の平均サイズよりも大きい、請求項１に記載の電極。

【請求項6】

前記複数のキャビティのそれぞれの前記サイズが、前記細孔のうちの最大の細孔のサイズよりも大きい、請求項５に記載の電極。

【請求項7】

前記複数のキャビティのそれぞれの前記サイズが、前記細孔の前記平均サイズの２倍から１５倍の間の大きさである、請求項５に記載の電極。

【請求項8】

前記複数のキャビティのそれぞれの前記サイズが、前記細孔の前記平均サイズの１５倍より大きい、請求項６に記載の電極。

【請求項9】

前記複数のキャビティが、円筒形、角錐形、円錐形、長方形、正方形、または多角形の形状を画定する、請求項１に記載の電極。

【請求項10】

前記電極がカソードである、請求項１に記載の電極。

【請求項11】

前記カソードが、酸素、硫黄、セレン、またはテルルのうちの少なくとも１つを含む、請求項１０に記載の電極。

【請求項12】

前記複数のキャビティが、規則的なマトリクスまたは不規則なマトリクスで配置される、請求項１に記載の電極。

【請求項13】

第１の電極と、
第２の電極であって、
電気化学デバイス内の電気化学反応においてイオンと反応するように構成された活物質を含む本体であって、
第１の表面と、
前記第１の表面から前記第２の電極へと深さ方向に延在する複数のキャビティと、を含む前記本体と、を含む、前記第２の電極と、
電解質を含むセパレータと、を含み、
前記セパレータが、前記第１の電極と前記第２の電極との間に配置され、前記第１の電極と前記第２の電極の間の直接の電気的接続を防止し、
前記第１の表面が前記電解質に当接し、
前記複数のキャビティが、前記電解質を受け入れる前記第２の電極への経路を画定し、
前記経路が、前記電解質から、前記第１の表面よりも１つ以上の前記経路の近くに位置する前記活物質の内側サブセットへのイオン移動を向上させるように構成される、
前記電気化学デバイス。

【請求項14】

前記経路内の前記電解質と前記第２の電極の前記内側サブセット内の前記活物質との間の平均距離が、前記第１の表面に当接する前記電解質と前記第２の電極の前記内側サブセット内の前記活物質との間の平均距離より少なくとも２０％短い、請求項１３に記載の電気化学デバイス。

【請求項15】

前記第２の電極が細孔を画定し、前記複数のキャビティのそれぞれのサイズが前記細孔の平均サイズよりも大きい、請求項１３に記載の電気化学デバイス。

【請求項16】

前記第２の電極がカソードである、請求項１３に記載の電気化学デバイス。

【請求項17】

前記第２の電極がアノードである、請求項１３に記載の電気化学デバイス。

【請求項18】

前記第１の電極がアノードであり、前記第２の電極がカソードであり、前記第１の電極が、前記電気化学デバイス内の電気化学反応において前記イオンと反応するように構成された活物質を含む本体であって、
第１の表面と、
前記第１の表面から前記第１の電極内へと深さ方向に延在する複数のキャビティと、を含む前記本体と、を含み、
前記第１の電極の前記第１の表面が前記電解質に当接し、
前記第１の電極の前記複数のキャビティが、前記電解質を受け入れる前記第１の電極への経路を画定し、
前記第１の電極の前記経路が、前記電解質から、前記第１の電極の前記第１の表面よりも前記第１の電極の１つ以上の前記経路の近くに位置する前記第１の電極の前記活物質の内側サブセットへのイオン移動を向上させるように構成される、請求項１３に記載の電気化学デバイス。

【請求項19】

電極を製造する方法であって、
電気化学デバイス内の電気化学反応においてイオンと反応するように構成された活物質を含む前記電極の本体を形成することであって、前記本体が細孔を含む、前記形成することと、
前記本体の第１の表面から深さ方向に延在する複数のキャビティを前記本体内に形成することであって、前記複数のキャビティのそれぞれのサイズが前記細孔の平均サイズよりも大きい、前記形成することと、
を含む、前記方法。

【請求項20】

前記複数のキャビティを形成することが、レーザー穴あけ加工、インデント加工、機械ミリング、電子ビーム加工、集束イオンビームミリング、放電ミリング、微細加工、反応性イオンエッチング、インプリンティング、または三次元印刷のうちの１つを含む、請求項１９に記載の方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、一般に、電気化学エネルギーの分野に関し、より具体的には、電気化学デバイスの性能を向上させるキャビティを有する電極に関する。

【背景技術】

【0002】

電池は、後で使用するためにエネルギーを保存する便利な手段を提供する。しかし、エネルギー密度が向上し、充放電速度能力が向上し、サイクル安定性が向上した電池が必要とされている。

【発明の概要】

【0003】

本発明者らは、電極にキャビティを追加すると、エネルギー密度が向上し、充放電速度能力が向上し、サイクル安定性が向上することを認識した。したがって、本開示の１つの態様は、電気化学装デバイス内の電気化学反応においてイオンと反応するように構成された活物質を有する本体を含む電極に関する。本体は、電気化学デバイスのセパレータと接触するように構成された第１の表面と、第１の表面から電極内へと深さ方向に延在する複数のキャビティを画定する第２の表面とを含み得る。複数のキャビティは、セパレータの電解質を受け入れるように構成された電極への経路を画定する。経路は、電解質から、第１の表面よりも１つ以上の経路の近くに位置する活物質を含む内側サブセットへのイオン移動を向上させるように構成される。

【0004】

実施態様は、次の特徴のうちの1つ以上を含み得る。第１の表面と第２の表面との総面積は、第１の表面の周囲によって境界付けられる面積より少なくとも１０％広い。複数のキャビティの総容積は、電極の総体積の３０％未満である。深さは少なくとも電極の厚みの３０％より大きい。電極は細孔を画定し、複数のキャビティのそれぞれのサイズは細孔の平均サイズよりも大きい。複数のキャビティのそれぞれのサイズは、細孔のうちの最大の細孔のサイズよりも大きい。複数のキャビティのそれぞれのサイズは、細孔の平均サイズの１５倍を超える大きさである。複数のキャビティのそれぞれのサイズは細孔の平均サイズの2倍から１５倍の間の大きさである。複数のキャビティは、円筒形、角錐形、円錐形、長方形、正方形、または多角形の形状を画定する。電極はカソードである。カソードは、酸素、硫黄、セレン、またはテルルのうちの少なくとも１つを含み得る。複数のキャビティは、規則的なマトリクスまたは不規則なマトリクスで配置される。

【0005】

本開示の別の一般的な態様は、第１の電極及び第２の電極を含む電気化学デバイスに関する。第２の電極は、電気化学デバイス内の電気化学反応においてイオンと反応するように構成された活物質を含む本体を含み得る。本体は、第１の表面と、第１の表面から第２の電極内へと深さ方向に延在する複数のキャビティとを含み得る。デバイスは、電解質を含み得るセパレータをさらに含む。セパレータは、第１の電極と第２の電極との間に配置され、第１の電極と第２の電極の間の直接の電気的接続を防止する。第１の表面は電解質に当接する。複数のキャビティは、電解質を受け入れる第２の電極への経路を画定する。経路は、電解質から、第１の表面よりも１つ以上の経路の近くに位置する活物質を含む内側サブセットへのイオン移動を向上させるように構成される。

【0006】

実施態様は、次の特徴のうちの1つ以上を含み得る。経路内の電解質と第２の電極の内側サブセット内の活物質との間の平均距離は、第１の表面に当接する電解質と第２の電極の内側サブセット内の活物質との間の平均距離より少なくとも２０％短い。第２の電極は細孔を画定し、複数のキャビティのそれぞれのサイズは細孔の平均サイズよりも大きい。第２の電極はカソードである。第２の電極はアノードである。第１の電極はアノードであり、第２の電極はカソードである。第１の電極は、電気化学デバイス内の電気化学反応においてイオンと反応するように構成された活物質を含む本体を含み得る。本体は、第１の表面と、第１の表面から第１の電極内へと深さ方向に延在する複数のキャビティとを含み得る。第１の電極の第１の表面は電解質に当接する。第１の電極の複数のキャビティは、電解質を受け入れる第１の電極への経路を画定する。第１の電極の経路は、電解質から、第１の電極の第１の表面よりも第１の電極の１つ以上の経路の近くに位置する第１の電極の活物質の内側サブセットへのイオン移動を向上させるように構成される。

【0007】

本開示の別の一般的な態様は、電極を製造する方法を含み得る。製造方法は、電気化学デバイス内の電気化学反応においてイオンと反応するように構成された活物質を含む、電極の本体を形成することを含む。本体は細孔を含み得る。製造方法は、本体の第１の表面から深さ方向に延在する複数のキャビティを本体内に形成することをさらに含む。複数のキャビティのそれぞれのサイズは、細孔の平均サイズよりも大きい。

【0008】

実施態様は、次の特徴のうちの１つ以上を含み得る。複数のキャビティを形成する方法は、レーザー穴あけ加工、インデント加工、機械ミリング、電子ビーム加工、集束イオンビームミリング、放電ミリング、微細加工、反応性イオンエッチング、インプリンティング、または三次元印刷のうちの１つを含み得る。

【0009】

本発明の様々な追加の特徴及び利点は、添付の図面と併せて以下の例示的な実施形態の詳細な説明を検討すれば、当業者には明らかになるであろう。

【0010】

以下の詳細な説明は、添付の図面と併せて閲読されることにより、より良好に理解される。説明する目的のために例が図示されるが、本主題は、開示される特定の要素及び手段に限定されない。以下の図面を説明する。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】図１は、電気化学デバイスの概略断面図を示す。

【図2】図２は、図１の領域Ａ内での電気化学デバイスの拡大した概略斜視図を示す。

【図3】図３は、キャビティを有する電極の拡大図を示す。

【図4】図４は、複数のキャビティを有する別の電極の拡大図を示す。

【図5】図５は、複数のキャビティを有する別の電極の概略上面図を示す。

【図6】図６は、複数のキャビティを有する別の電極の概略断面図を示す。

【図7】図７は、電極の製造工程を示す。

【図8】図８は、サイクルの関数としての比容量電気化学デバイス試験データのグラフを示す。

【図9】図９は、サイクルの関数としての比容量電気化学デバイス試験データの別のグラフを示す。

【図10】図１０は、サイクルの関数としての比容量電気化学デバイス試験データのさらに別のグラフを示す。

【図11】図１１は、充放電曲線試験データのグラフを示す。

【図12】図１２は、充放電曲線試験データの別のグラフを示す。

【図13】図１３は、放電中の拡散係数試験データのグラフを示す。

【図14】図１４は、充電中の拡散係数試験データのグラフを示す。

【発明を実施するための形態】

【0012】

本開示の態様は、複数のキャビティを有する電極に関する。キャビティは、電極への電解質の浸透を向上させることができる動脈系を形成し得る。キャビティは、電極の活物質と電解質との間の接触面または界面を増大させ得る。キャビティは、電極の活物質と電解質との間の距離を短縮し得る。これにより、電極におけるイオン拡散の経路を短縮し得る。キャビティは、例えば、電極面積当たりの比容量を増大させることにより、セルレベルのエネルギー密度を増大させ得る。キャビティは、定格容量を増大させ、サイクル安定性を向上させ得る。本発明のこれら及び他の態様は、図１から図１４に関して以下に説明される。

【0013】

図１は、本開示の態様による電気化学デバイス１００の概略断面図を示す。図２は、図１の領域Ａ内での電気化学デバイス１００の拡大した概略斜視図を示す。実施形態では、電気化学デバイス１００は、他の可能なものの中でも、電池、燃料電池等であり得る。電気化学デバイス１００は、第１の電極１０２と、第２の電極１０４と、第１の電極１０２と第２の電極１０４を電気的に絶縁するセパレータ１０６とを含み得る。セパレータ１０６は、第１の電極１０２と第２の電極１０４との間のイオン１１０（例えば、リチウムイオン）の移動を促進し得る電解質１０８を含み得る。電解質１０８は、第１の電極１０２と第２の電極１０４との間の電子の移動を防止または抑制し得る。いくつかの実施形態では、第１の電極１０２はアノードであり得、第２の電極１０４はカソードであり得る。いくつかの代替的な実施形態では、第１の電極１０２はカソードであり得、第２の電極１０４はアノードであり得る。

【0014】

第２の電極１０４は、電気化学デバイス１００内の電気化学反応においてイオン１１０と反応することができる活物質１１４を有し得る本体１１２を含み得る。例えば、第２の電極１０４がカソードであるいくつかの実施形態では、活物質１１４は、外部回路１１６を介して第１の電極１０２、すなわちアノードから電子を取得することができ、活物質１１４は電気化学反応で還元され得る。活物質は、他の可能なものの中でも、例えば、酸素、硫黄、セレン、テルル等のうちの１つ以上を含み得る。いくつかの実施形態では、本体１１２は、例えば６８μｍと７５μｍを含む６０μｍから８０μｍの間の厚みを有し得るが、他の厚さも可能である。第２の電極１０４がアノードであるいくつかの実施形態では、活物質１１４は外部回路１１６に電子を放出することができ、活物質１１４は電気化学反応で酸化され得る。

【0015】

第２の電極１０４の本体１１２は、第１の表面１１８を含み得る。第１の表面１１８は、セパレータ１０６に当接し得る。第２の電極１０４の本体１１２は、第１の表面１１８から第２の電極１０４内へと深さを延在させることができるキャビティ１２０を画定する第２の表面１１９を含み得る。いくつかの実施形態では、第２の電極１０４のみがキャビティ１２０を含む。いくつかの代替的な実施形態では、第１の電極１０２及び第２の電極１０４がそれぞれキャビティ１２０を含み得る。いくつかの例示的な実施形態では、キャビティ１２０は、５μｍから１５μｍの間のサイズ（他の可能なものの中でも、例えば、円形のキャビティの直径、不規則な形状のキャビティにおける最大距離など）を有することができるが、他のサイズも可能である。キャビティ１２０の説明を含む、第２の電極１０４の本体１１２の幾何学的形状の実施形態の本明細書における任意の説明は、第１の電極１０２にも同様に適用し得る。すなわち、いくつかの実施形態では、第１の電極１０２は、第２の電極１０４の本体１１２及びキャビティ１２０の特徴及び関係のいずれかを有することができるキャビティを有する本体を含み得る。しかし、そのような実施形態では、第１の電極１０２の活物質は、第２の電極１０４の活物質と異なり得る。

【0016】

いくつかの実施形態では、キャビティ１２０のそれぞれは、他のキャビティ１２０のそれぞれと同じサイズ及び形状であり得る。あるいは、１つ以上のキャビティ１２０は、１つ以上の他のキャビティ１２０とは異なるサイズ及び／または形状を有し得る。したがって、複数のキャビティ１２０のサイズ及び／または形状に関するその後の説明は、複数のキャビティ１２０の全てまたは一部に適用し得る。

【0017】

キャビティ１２０は、第２の電極１０４への経路を画定してもよく、経路はセパレータ１０６の電解質１０８を受け入れてもよい。例えば、図２は、電解質１０８で満たされたキャビティ１２０を示す。イオン１１０は、活物質１１４内よりも電解質１０８内でより自由に移動できる。したがって、電解質１０８のための第２の電極１０４内への経路を提供することによって、キャビティ１２０は、第１の表面１１８よりも１つ以上の経路の近くに位置する第２の電極１０４内の活物質１１４を含む内側サブセット１２２へのイオン１１０の移動を向上させ得る。すなわち、キャビティ１２０は、内側サブセット１２２と第１の表面１１８との間の距離と比べて、イオン１１０を運ぶことができる電解質１０８を、活物質１１４の内側サブセット１２２にさらに近づけることで、活物質１１４の内側サブセット１２２へのイオン１１０の移動を向上させ得る。キャビティ１２０は、電解質１０８と接触する第２の電極１０４の表面積を広くすることができ、それによって活物質１１４へのイオン１１０の移動を向上させ得る。内側サブセット１２２内の活物質１１４へのイオン１１０の移動を向上させることによって、キャビティ１２０は、電気化学デバイス１００の全体的なエネルギー密度を高めることができ、電気化学デバイス１００の充放電速度能力を高めることができ、さらに、電気化学デバイス１００のサイクル安定性を高めることができる。例えば、いくつかの実施形態では、キャビティ１２０を有しない電気化学デバイスと比較して、キャビティ１２０は、電気化学デバイス１００の拡散係数を３％以上、６％以上、９％以上、または１２％以上向上させ得る。いくつかの実施形態では、キャビティ１２０を有しない電気化学デバイスと比較して、キャビティ１２０は、電気化学デバイス１００の比容量を、以下のＣレート、すなわち０．０５、０．１、０．２５、０．５、１、１．５、２、または最大２０のＣレートのいずれかにおいて、５％以上、１０％以上、１５％以上、または２０％以上向上させ得る。

【0018】

図２に示すように、本体１１２は、キャビティ１２０によって画定される経路のいずれかよりも第１の表面１１８の近くに配置される、活物質１１４を含む外側サブセット１２４を含み得る。外側サブセット１２４に移送されたイオン１１０の大部分は、第１の表面１１８において電解質１０８から移動し得る。これは、活物質１１４を有する外側サブセット１２４が、キャビティ１２０によって画定される経路のいずれよりも、第１の表面１１８の近くに配置されるためである。反対に、内側サブセット１２２が、第１の表面１１８よりもキャビティ１２０によって画定される経路のうちの少なくとも１つの経路の近くに配置されているため、内側サブセット１２２に移送されるイオン１１０の大部分が、電解質１０８から、キャビティ１２０によって画定される経路のうちの最も近い経路内に移動し得る。言い換えれば、活物質１１４を有する外側サブセット１２４は、キャビティ１２０を画定する第２の表面１１９のいずれかよりも第１の表面１１８の近くに位置する第２の電極１０２の活物質１１４によって画定され得る。外側サブセット１２４は、外側サブセット１２４の細孔を通る通常の拡散を通じて、イオン１１０を電解質１０８の間で移動させ得る。活物質の内側サブセット１２２は、第１の表面１１８よりも第２の表面１１９のいずれかの近くに位置する第２の電極の活物質１１４によって画定され得る。キャビティ１２０内の電解質１０８が第１の表面１０８の電解質１０８よりも近いため、内側サブセット１２２は、複数のキャビティ１２０内の電解質１０８間でイオン１１０を移動させ得る。

【0019】

本発明者らは、内側サブセット１２２の活物質と電解質１０８との間の距離を短縮する利益は、キャビティ１２０を形成するために活物質を除去することによる影響とバランスを保つことができ、第２の電極１０４に電解質１０８が浸透することによる影響とのバランスも保つことができることを認識した（以下、「距離短縮効果と利益のバランス」）。発明者らは、経路内の電解質１０８と内側サブセット１２２内の活物質との間の平均距離が、第１の表面１１８に当接する電解質１０８と内側サブセット１２２内の活物質との間の平均距離よりも、他の範囲も同様に効果的であり得るが、２０％から５４％の間で下回るようにキャビティ１２０を形成することによって、距離短縮効果と利益の望ましいバランスが達成できることを発見した。この平均（ｍｅａｎ）距離は、それぞれのサブセット及びそれぞれの電解質１０８内の活物質のすべての点の平均（ａｖｅｒａｇｅ）距離を指す。例えば、いくつかの実施形態では、経路内の電解質１０８と内側サブセット１２２内の活物質との間の平均距離は、第１の表面１１８に当接する電解質１０８と内側サブセット１２２内の活物質との間の平均距離よりも、少なくとも２０％短縮され得る。いくつかの実施形態では、経路内の電解質１０８と内側サブセット１２２内の活物質との間の平均距離は、第１の表面１１８に当接する電解質１０８と内側サブセット１２２内の活物質との間の平均距離より、少なくとも２５％短縮され得る。いくつかの実施形態では、経路内の電解質１０８と内側サブセット１２２内の活物質との間の平均距離は、第１の表面１１８に当接する電解質１０８と内側サブセット１２２内の活物質との間の平均距離より、少なくとも３０％短縮され得る。いくつかの実施形態では、経路内の電解質１０８と内側サブセット１２２内の活物質との間の平均距離は、第１の表面１１８に当接する電解質１０８と内側サブセット１２２内の活物質との間の平均距離より、少なくとも３５％短縮され得る。

【0020】

いくつかの実施形態では、距離短縮効果と利益の望ましいバランスは、第１の表面１１８の周囲によって境界付けられた面積（すなわち、複数のキャビティ１２０が形成される前の第１の表面１１８の面積）に対して、第１の表面１１８と第２の表面１１９との総面積をサイジングすることによって達成され得る。第２の電極１０４の任意の表面の面積は、以下でさらに説明するように、第２の電極１０４の任意の細孔の面積を含み得る。例えば、いくつかの実施形態では、第１の表面１１８と第２の表面１１９との総面積は、第１の表面１１８の周囲によって境界付けられる面積よりも１０％から７０％広い面積であり得るが、他の範囲も同様に効果的であり得る。いくつかの実施形態では、第１の表面１１８と第２の表面１１９との総面積は、第１の表面１１８の周囲によって境界付けられる面積より少なくとも１０％広い面積であり得る。いくつかの実施形態では、第１の表面１１８と第２の表面１１９との総面積は、第１の表面１１８の周囲によって境界付けられる面積より少なくとも３０％広い面積であり得る。いくつかの実施形態では、第１の表面１１８と第２の表面１１９との総面積は、第１の表面１１８の周囲によって境界付けられる面積より少なくとも５０％広い面積であり得る。いくつかの実施形態では、第１の表面１１８と第２の表面１１９との総面積は、第１の表面１１８の周囲によって境界付けられる面積より少なくとも７０％広い面積であり得る。

【0021】

いくつかの実施形態では、距離短縮効果と利益の望ましいバランスは、第２の電極１０４の総体積に対して複数のキャビティ１２０の総容積をサイジングすることによって達成され得る。第２の電極１０４の総体積は、以下にさらに説明するように、第２の電極１０４の任意の細孔の容積を含み得る。例えば、いくつかの実施形態では、複数のキャビティ１２０の総容積は、第２の電極１０４の総体積の１５％から３０％であり得るが、他の範囲も同様に効果的であり得る。いくつかの実施形態では、複数のキャビティ１２０の総容積は、第２の電極１０４の総体積の３０％未満であり得る。いくつかの実施形態では、複数のキャビティ１２０の総容積は、第２の電極１０４の総体積の２５％未満であり得る。いくつかの実施形態では、複数のキャビティ１２０の総容積は、第２の電極１０４の総体積の２０％未満であり得る。いくつかの実施形態では、複数のキャビティ１２０の総容積は、第２の電極１０４の総体積の１５％未満であり得る。

【0022】

いくつかの実施形態では、距離短縮効果と利益の望ましいバランスは、第２の電極１０４の総厚みＴに対して複数のキャビティ１２０の深さをサイジングすることによって達成され得る。例えば、いくつかの実施形態では、複数のキャビティ１２０の深さは、第２の電極１０４の厚みＴの３０％から１００％の間であり得るが、他の範囲も同様に効果的であり得る。いくつかの実施形態では、複数のキャビティ１２０の深さは、第２の電極１０４の厚みＴの少なくとも３０％より大きくてもよい。いくつかの実施形態では、複数のキャビティ１２０の深さは、第２の電極１０４の厚みＴの少なくとも５０％より大きくてもよい。いくつかの実施形態では、複数のキャビティ１２０の深さは、第２の電極１０４の厚みＴの少なくとも７０％より大きくてもよい。いくつかの実施形態では、複数のキャビティ１２０の深さは、第２の電極１０４の厚みＴの少なくとも９０％より大きくてもよい。

【0023】

図２及び図３はそれぞれ、本開示の態様による別の第２の電極２０４、３０４の拡大図を示す。第２の電極２０４、３０４はそれぞれ、第２の電極１０４の構造、特徴、及び関係のいずれかを含むことができ、またその逆も同様である。例えば、第２の電極２０４はキャビティ２２０を含んでもよく、第２の電極３０４は複数のキャビティ３２０を含んでもよい。

【0024】

図２及び図３に示すように、第２の電極２０４、３０４はそれぞれ、キャビティ２２０、３２０とは区別可能な細孔２２６、３２６を含み得る。細孔２２６、３２６は、電極内部の材料のサイズが異なるために製造中に形成されることができ、キャビティ２２０、３２０は、電極の製造中または製造後に設計及び作製することができる。例えば、細孔２２６、３２６は、第２の電極２０４、３０４全体に均一またはランダムに分布させることができ、一方、キャビティ２２０、３２０は規則的または不規則なマトリクスで意図的に配置することができる。図２及び図３に示すように、キャビティ２２０、３２０のそれぞれのサイズは、細孔２２６、３２６のそれぞれの平均サイズより大きくてもよい。いくつかの実施形態では、キャビティ２２０、３２０のそれぞれのサイズは、細孔２２６、３２６のそれぞれの平均サイズよりも２倍から１５倍大きくてもよいが、他の範囲も同様に効果的であり得る。いくつかの実施形態では、キャビティ２２０、３２０のそれぞれのサイズは、図２及び図３に示されるように、第２の電極２０４、３０４のそれぞれの最大細孔２２６、３２６のサイズより大きくてもよい。

【0025】

図５及び図６はそれぞれ、別の第２の電極４０４、５０４の概略上面図及び概略断面図を示す。第２の電極４０４、５０４はそれぞれ、第２の電極１０４、２０４、３０４の構造、特徴、及び関係のいずれかを含んでもよく、またその逆も同様である。例えば、第２の電極４０４、５０４は、それぞれ複数のキャビティ４２０、５２０を含み得る。図５及び図６に示すように、複数のキャビティ４２０、５２０は、電極４０４、５０４のそれぞれの上部及び／または電極４０４、５０４のそれぞれの深さに任意の数の形状を画定し得る。形状は、他の可能なものの中でも、例えば、円筒形、角錐形、円錐形、長方形、正方形、多角形、ジグザグ形などを含み得る。形状は均一であっても不均一であってもよい。

【0026】

図７は、本開示の態様による電極を製造するプロセス７００を示す。プロセス７００は、前述した第１及び第２の電極１０２、１０４、２０４、３０４、４０４、５０４のいずれかを製造するために使用され得る。

【0027】

プロセス７００は、ステップ７０１において、電極の本体を形成することを含み得る。電極は、前述したように、電気化学デバイス内の電気化学反応においてイオンと反応するように構成された活物質を含み得る。本体は細孔を含み得る。前述したとおりである。電極は、例えばコーティングなどを含む、任意の数の既知の技術を使用して形成され得る。

【0028】

プロセス７００は、ステップ７０２において、前述したように、本体の第１の表面からの深さに延在する複数のキャビティを本体内に形成することを含み得る。複数のキャビティのそれぞれのサイズは、前述したように、細孔の平均サイズよりも大きくてもよく、または最大の細孔よりも大きくてもよい。キャビティは、他の可能なものの中でも、例えば、レーザー穴あけ加工、インデント加工、機械ミリング、電子ビーム加工、集束イオンビームミリング、放電ミリング、微細加工、反応性イオンエッチング、インプリンティング、三次元印刷等を使用して形成され得る。

【0029】

図８から図１４は、複数のキャビティ（「穴」と図示）を含めることによる電気化学デバイス性能の向上例を実証する試験データを示す。前述したように、試験される電池のカソード（すなわち、第２の電極１０４）のキャビティは、キャビティ内の電解質１０８と内側サブセット１２２内の活物質との間で、第１の表面１１８に当接する電解質１０８と内側サブセット１２２内の活物質との間の平均距離よりも２０％から５４％小さい平均距離を有してもよく、第１の表面１１８と第２の表面１１９との総面積は、第１の表面１１８の周囲によって境界付けられる面積よりも１０％から７０％大きくてもよく、複数のキャビティ１２０の総容積は、第２の電極１０４の総体積の１５％から３０％の間でもよく、及び／または複数のキャビティ１２０の深さは、第２の電極１０４の厚みＴの３０％から１００％の間であってもよい。図８から図１０は、サイクル数の関数として、さまざまなバッテリーのキャビティすなわち穴によってもたらされる比容量の向上を示す。図１１及び図１２は、別の電池のキャビティすなわち穴によってもたらされる充放電の向上を示す。図１３及び１４は、別の電池のキャビティすなわち穴によってもたらされる拡散係数の向上を示す。

【0030】

前述の説明は本発明の例を提供するものであることが理解される。しかしながら、本発明の他の実施態様は、前述の例とは詳細において異なる場合があることが考えられる。本発明またはその実施例へのすべての言及は、その時点で論じられている特定の実施例を参照することを意図しており、より一般的な本発明の範囲に関していかなる制限も示唆することを意図していない。特定の特徴に関する差別及び軽視の全ての言語は、これらの特徴のための好適性の欠如を示すことが意図されているが、別段の指示がないかぎり、これらを発明の範囲から完全に排除することは意図されていない。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【外国語明細書】