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(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】P2024080873
(43)【公開日】2024-06-17
(54)【発明の名称】蓄電デバイス
(51)【国際特許分類】
H01M 10/058 20100101AFI20240610BHJP
H01M 10/052 20100101ALI20240610BHJP
H01M 4/13 20100101ALI20240610BHJP
H01G 11/26 20130101ALI20240610BHJP
【ＦＩ】
H01M10/058
H01M10/052
H01M4/13
H01G11/26
【審査請求】未請求
【請求項の数】9
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2022194195
(22)【出願日】2022-12-05
(71)【出願人】
【識別番号】000003609
【氏名又は名称】株式会社豊田中央研究所
(74)【代理人】
【識別番号】110000017
【氏名又は名称】弁理士法人アイテック国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】宮本 開任
【テーマコード（参考）】
5E078
5H029
5H050
【Ｆターム（参考）】
5E078AA03
5E078AB01
5E078AB02
5E078AB03
5E078BA07
5H029AJ06
5H029AK01
5H029AK03
5H029AL03
5H029AL06
5H029AL07
5H029AL08
5H029AL11
5H029AL16
5H029HJ04
5H029HJ07
5H050AA12
5H050BA16
5H050BA17
5H050CA01
5H050CA08
5H050CA09
5H050CB03
5H050CB07
5H050CB08
5H050CB09
5H050CB11
5H050CB20
5H050HA04
5H050HA07
(57)【要約】
【課題】負極内でのキャリアイオンの局所的な濃化を抑制する。
【解決手段】蓄電デバイスは、正極活物質を含み、板状の正極基部の主面から複数の正極櫛歯が互いに間隔をあけて突出した櫛歯構造を有する正極と、負極活物質を含み、板状の負極基部の主面から複数の負極櫛歯が互いに間隔をあけて突出した櫛歯構造を有し、負極櫛歯が正極櫛歯と互い違いとなり、負極櫛歯の先端が正極基部の主面に対向し負極基部の主面が正極櫛歯の先端に対向するように配置された負極と、負極と正極との間に介在し、キャリアイオンを伝導するイオン伝導媒体と、を備え、櫛歯構造の櫛歯同士の間に存在する櫛溝の延在方向に垂直な断面において、主面に平行な方向の寸法を幅とすると、負極櫛歯の幅は、正極櫛歯の幅よりも大きいものである。
【選択図】図１
【解決手段】蓄電デバイスは、正極活物質を含み、板状の正極基部の主面から複数の正極櫛歯が互いに間隔をあけて突出した櫛歯構造を有する正極と、負極活物質を含み、板状の負極基部の主面から複数の負極櫛歯が互いに間隔をあけて突出した櫛歯構造を有し、負極櫛歯が正極櫛歯と互い違いとなり、負極櫛歯の先端が正極基部の主面に対向し負極基部の主面が正極櫛歯の先端に対向するように配置された負極と、負極と正極との間に介在し、キャリアイオンを伝導するイオン伝導媒体と、を備え、櫛歯構造の櫛歯同士の間に存在する櫛溝の延在方向に垂直な断面において、主面に平行な方向の寸法を幅とすると、負極櫛歯の幅は、正極櫛歯の幅よりも大きいものである。
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
正極活物質を含み、板状の正極基部の主面から複数の正極櫛歯が互いに間隔をあけて突出した櫛歯構造を有する正極と、
負極活物質を含み、板状の負極基部の主面から複数の負極櫛歯が互いに間隔をあけて突出した櫛歯構造を有し、前記負極櫛歯が前記正極櫛歯と互い違いとなり、前記負極櫛歯の先端が前記正極基部の主面に対向し前記負極基部の主面が前記正極櫛歯の先端に対向するように配置された負極と、
前記正極と前記負極との間に介在し、キャリアイオンを伝導するイオン伝導媒体と、を備え、
前記櫛歯構造の前記櫛歯同士の間に存在する櫛溝の延在方向に垂直な断面において、前記主面に平行な方向の寸法を幅とすると、前記負極櫛歯の幅は、前記正極櫛歯の幅よりも大きい、
蓄電デバイス。
負極活物質を含み、板状の負極基部の主面から複数の負極櫛歯が互いに間隔をあけて突出した櫛歯構造を有し、前記負極櫛歯が前記正極櫛歯と互い違いとなり、前記負極櫛歯の先端が前記正極基部の主面に対向し前記負極基部の主面が前記正極櫛歯の先端に対向するように配置された負極と、
前記正極と前記負極との間に介在し、キャリアイオンを伝導するイオン伝導媒体と、を備え、
前記櫛歯構造の前記櫛歯同士の間に存在する櫛溝の延在方向に垂直な断面において、前記主面に平行な方向の寸法を幅とすると、前記負極櫛歯の幅は、前記正極櫛歯の幅よりも大きい、
蓄電デバイス。
【請求項2】
前記負極櫛歯の幅は、前記正極櫛歯の幅の１．０５倍以上２．１倍以下である、請求項１に記載の蓄電デバイス。
【請求項3】
前記正極櫛歯の幅は、１００μｍ以上１９０μｍ以下であり、前記負極櫛歯の幅は、１５０μｍ以上２１０μｍ以下である、請求項１又は２に記載の蓄電デバイス。
【請求項4】
前記負極櫛歯の幅は、前記正極櫛歯の幅よりも１０μｍ以上３０μｍ以下大きい、請求項１又は２に記載の蓄電デバイス。
【請求項5】
前記断面において、前記主面に垂直な方向の寸法を厚みとすると、前記正極基部の厚みは、４０μｍ以上６０μｍ以下であり、前記負極基部の厚みは、４０μｍ以上６０μｍ以下である、請求項１又は２に記載の蓄電デバイス。
【請求項6】
前記正極櫛歯の幅は、１７０μｍ以上１９０μｍ以下であり、前記負極櫛歯の幅は、前記正極櫛歯の幅よりも１０μｍ以上３０μｍ以下大きい、請求項５に記載の蓄電デバイス。
【請求項7】
前記負極は、前記正極よりも体積が大きい、請求項１又は２に記載の蓄電デバイス。
【請求項8】
請求項１又は２に記載の蓄電デバイスであって、
前記正極に電気的に接続された正極集電体と、
前記負極に電気的に接続された負極集電体と、
を備えた、蓄電デバイス。
前記正極に電気的に接続された正極集電体と、
前記負極に電気的に接続された負極集電体と、
を備えた、蓄電デバイス。
【請求項9】
前記キャリアイオンは、リチウムイオンである、請求項１又は２に記載の蓄電デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、蓄電デバイスに関する。
【背景技術】
【0002】
従来、蓄電デバイスとしては、櫛歯構造を有する正極と、櫛歯構造を有し正極櫛歯と負極櫛歯とが互い違いとなるように配置された負極と、正極と負極との間に介在しキャリアイオンを伝導するイオン伝導媒体とを備えたものが提案されている（例えば、特許文献１及び非特許文献１，２参照）。特許文献１及び非特許文献１，２では、正極及び負極の櫛歯の形状を調整して、蓄電デバイスのエネルギー密度の向上などを図っている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】米国特許出願公開第２０２１／０１５９４７６号
【非特許文献】
【0004】
【非特許文献1】Miyamoto et al., Cell Rep. Phys. Sci., 2, 100504 (2021).
【非特許文献2】Miyamoto et al., J. Power Sources, 536, 231473 (2022).
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
しかしながら、特許文献１や非特許文献１，２の蓄電デバイスでは、エネルギー密度を高めることができるが、負極内で局所的にリチウムイオンが濃化して過充電状態となるおそれがあった。このため、キャリアイオンが負極内で局所的に濃化するのを抑制することが望まれていた。
【0006】
本開示はこのような課題を解決するためになされたものであり、負極内でのキャリアイオンの局所的な濃化をより抑制することを主目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0007】
上述した目的を達成するために鋭意研究したところ、本発明者らは、負極櫛歯の幅を正極櫛歯の幅よりも大きくすると、負極内でのキャリアイオンの局所的な濃化を抑制できることを見出し、本明細書で開示する発明を完成するに至った。
【0008】
即ち、本開示の蓄電デバイスは、
正極活物質を含み、板状の正極基部の主面から複数の正極櫛歯が互いに間隔をあけて突出した櫛歯構造を有する正極と、
負極活物質を含み、板状の負極基部の主面から複数の負極櫛歯が互いに間隔をあけて突出した櫛歯構造を有し、前記負極櫛歯が前記正極櫛歯と互い違いとなり、前記負極櫛歯の先端が前記正極基部の主面に対向し前記負極基部の主面が前記正極櫛歯の先端に対向するように配置された負極と、
前記負極と前記正極との間に介在し、キャリアイオンを伝導するイオン伝導媒体と、を備え、
前記櫛歯構造の前記櫛歯同士の間に存在する櫛溝の延在方向に垂直な断面において、前記主面に平行な方向の寸法を幅とすると、前記負極櫛歯の幅は、前記正極櫛歯の幅よりも大きいものである。
正極活物質を含み、板状の正極基部の主面から複数の正極櫛歯が互いに間隔をあけて突出した櫛歯構造を有する正極と、
負極活物質を含み、板状の負極基部の主面から複数の負極櫛歯が互いに間隔をあけて突出した櫛歯構造を有し、前記負極櫛歯が前記正極櫛歯と互い違いとなり、前記負極櫛歯の先端が前記正極基部の主面に対向し前記負極基部の主面が前記正極櫛歯の先端に対向するように配置された負極と、
前記負極と前記正極との間に介在し、キャリアイオンを伝導するイオン伝導媒体と、を備え、
前記櫛歯構造の前記櫛歯同士の間に存在する櫛溝の延在方向に垂直な断面において、前記主面に平行な方向の寸法を幅とすると、前記負極櫛歯の幅は、前記正極櫛歯の幅よりも大きいものである。
【発明の効果】
【0009】
この蓄電デバイスでは、負極内でのキャリアイオンの局所的な濃化をより抑制することができる。このような効果が得られる理由は、例えば、負極内の反応活性点が増加し、負極活物質／電解液界面の反応抵抗が低減することなどにより、負極へのキャリアイオンの挿入がより円滑に行われるためと推察される。
【図面の簡単な説明】
【0010】
【図1】蓄電デバイス１０の一例を示す説明図。
【図2】実験例１～９の蓄電デバイスの構成の概略を示す説明図。
【図3】実験例１０～１１の蓄電デバイスの構成の概略を示す説明図。
【図4】実験例１２～１４の蓄電デバイスの構成の概略を示す説明図。
【発明を実施するための形態】
【0011】
実施形態で説明する本開示の蓄電デバイスは、正極と、負極と、イオン伝導媒体とを備えている。この蓄電デバイスは、正極に電気的に接続された正極集電体を備えているものとしてもよいし、負極に電気的に接続された負極集電体とを備えているものとしてもよい。この蓄電デバイスは、例えば、電気二重層キャパシタやハイブリッドキャパシタ、疑似電気二重層キャパシタ、アルカリ金属二次電池、アルカリ金属イオン電池などとしてもよい。蓄電デバイスのキャリアイオンは、リチウムイオンやナトリウムイオン、カリウムイオンなどのアルカリ金属イオンやマグネシウムイオンやストロンチウムイオン、カルシウムイオンなどの第２族イオンなどが挙げられる。ここでは、説明の便宜のため、リチウムイオンをキャリアイオンとするとするリチウムイオン二次電池をその主たる一例として以下説明する。
【0012】
ここで、本実施形態で開示する蓄電デバイスについて図面を用いて説明する。図１は、蓄電デバイス１０の一例を示す説明図である。蓄電デバイス１０は、正極２０と、負極３０と、イオン伝導媒体４０と、正極集電体４２と、負極集電体４４とを備えている。なお、この蓄電デバイス１０では、図１の紙面に平行な面で切断したいずれの断面においても、図１の紙面手前に現れる断面と同じ形状で正極２０、負極３０、イオン伝導媒体４０、正極集電体４２及び負極集電体４４が現れるものとしてもよい。
【0013】
蓄電デバイス１０において、正極２０及び負極３０は櫛歯構造を有している。櫛歯構造は、櫛歯と櫛溝とが交互に存在する構造であり、櫛歯同士の間に櫛溝が存在する。具体的には、正極２０は、板状の正極基部２２の主面２３から複数の正極櫛歯２４が互いに間隔を開けて突出した櫛歯構造を有している。負極３０は、板状の負極基部３２の主面３３から複数の負極櫛歯３４が互いに間隔を開けて突出した櫛歯構造を有している。この負極３０は、負極櫛歯３４の先端が正極基部２２の主面２３に対向し、負極基部３２の主面３３が正極櫛歯２４の先端に対向するように配置されている。つまり、負極３０は、複数の負極櫛歯３４が複数の正極櫛歯２４とかみあうように正極２０と対向して配置されている。なお、正極２０の櫛歯構造は、隣合う正極櫛歯２４の互いに対向する側面と、両者をつなぐ正極基部２２の主面２３とによって形成された櫛溝２５を有し、この櫛溝２５に負極櫛歯３４が配置される。また、負極３０の櫛歯構造は、隣合う負極櫛歯３４の互いに対向する側面と、両者をつなぐ負極基部３２の主面３３とによって形成された櫛溝３５を有し、この櫛溝３５に正極櫛歯２４が配置される。本明細書では、上述した櫛歯構造の櫛溝２５，３５の延在方向に垂直な断面において、主面２３，３３に平行な方向、つまり図１の紙面上下方向の寸法を幅と称し、主面２３，３３に垂直な方向、つまり図１の紙面左右方向の寸法を厚みと称する。また、上述した櫛溝２５，３５の延在方向の寸法を奥行きと称する。なお、厚み方向の寸法を高さと称することもある。
【0014】
蓄電デバイス１０において、負極櫛歯３４の幅ｗｎは、正極櫛歯２４の幅ｗｐよりも大きい。負極櫛歯３４の幅ｗｎは、正極櫛歯２４の幅ｗｐの１．０５倍以上２．１倍以下であるものとしてもよい。つまり、正極櫛歯２４の幅ｗｐに対する負極櫛歯３４の幅ｗｎの比ｗｎ／ｗｐは１．０５以上２．１以下でもよい。この比ｗｎ／ｗｐは、負極３０内のキャリアイオンの局所的な濃化を抑制する観点や、蓄電デバイス１０の内部抵抗を低減する観点からは、大きい方が好ましく、例えば、１．１以上が好ましく、１．２以上がより好ましく、１．４以上がさらに好ましい。比ｗｎ／ｗｐは、蓄電デバイス１０の容量やエネルギー密度を高める観点からは、小さい方が好ましく、例えば、１．７以下が好ましく、１．４以下がより好ましく、１．２以下がさらに好ましい。
【0015】
正極２０は、正極活物質を含み、上述のとおり、板状の正極基部２２の主面２３から複数の正極櫛歯２４が互いに間隔をあけて突出した櫛歯構造を有する。複数の正極櫛歯２４のうち、端に配置された１つの隣（図１では下側）には、その正極櫛歯２４とは間隔を開けて正極端用櫛歯２６が１本配置されている。正極櫛歯２４の幅ｗｐは、例えば、１００μｍ以上１９０μｍ以下としてもよい。正極櫛歯２４の幅ｗｐは、負極３０内のキャリアイオンの局所的な濃化を抑制する観点や、蓄電デバイス１０の内部抵抗を低減する観点からは、小さい方が好ましく、例えば１７０μｍ以下が好ましく、１５０μｍ以下がより好ましく、１３０μｍ以下がさらに好ましく、１１０μｍ以下が一層好ましい。正極櫛歯２４の幅ｗｐは、蓄電デバイス１０の容量やエネルギー密度を高める観点からは、大きい方が好ましく、例えば、１１０μｍ以上が好ましく、１３０μｍ以上がより好ましく、１５０μｍ以上がさらに好ましく、１７０μｍ以上が一層好ましい。これらのバランスを考慮し、正極櫛歯２４の幅ｗｐは、１７０μｍ以上１９０μｍ以下としてもよく、１８０μｍとしてもよい。なお、正極櫛歯２４の幅は、正極櫛歯２４の奥行き（ここでは、後述する奥行きＤと同じ）よりも小さいものとしてもよく、奥行きの１／２以下としてもよく、１／５以下としてもよく、１／１０以下としてもよい。正極櫛歯２４の本数は、例えば、３本以上１００本以下としてもよく、５本以上２０本以下としてもよい。正極端用櫛歯２６は、正極櫛歯２４とは幅が異なる櫛歯である。正極端用櫛歯２６の幅ｗｘｐは、例えば、正極櫛歯２４の幅ｗｐよりも小さいものとしてもよく、正極櫛歯２４の幅ｗｐの半分かそれ以下としてもよい。正極櫛歯２４の幅ｗｐ及び正極端用櫛歯２６の幅ｗｘｐは、その基端から先端まで一定であるものとしてもよい。正極櫛歯２４及び正極端用櫛歯２６の高さｈｐは、例えば１００μｍ以上３００００μｍ以下としてもよく、２００μｍ以上８００μｍ以下としてもよく、４００μｍ以上６００μｍ以下としてもよい。正極基部２２の厚みｔｐは、例えば、１０μｍ以上１００μｍ以下としてもよく、３０μｍ以上７０μｍ以上としてもよく、４０μｍ以上６０μｍ以下としてもよく、４５μｍ以上５５μｍ以下としてもよく、５０μｍとしてもよい。正極基部２２の厚みｔｐは、エネルギー密度を高める観点からは薄い方が好ましく、例えば、５０μｍ以下としてもよい。
【0016】
正極２０は、正極活物質と、導電材と、結着材とを含むものとしてもよい。正極活物質は、リチウムイオンを吸蔵放出可能なものとしてもよく、例えば、リチウムと遷移金属とを有する化合物、例えば、リチウムと遷移金属元素とを含む酸化物や、リチウムと遷移金属元素とを含むリン酸化合物などが挙げられる。具体的には、基本組成式をＬｉ(1-x)ＭｎＯ2（０≦ｘ≦１など、以下同じ）やＬｉ(1-x)Ｍｎ2Ｏ4などとするリチウムマンガン複合酸化物、基本組成式をＬｉ(1-x)ＣｏＯ2などとするリチウムコバルト複合酸化物、基本組成式をＬｉ(1-x)ＮｉＯ2などとするリチウムニッケル複合酸化物、基本組成式をＬｉ(1-x)ＣｏaＮｉbＭｎcＯ2（ａ＞０、ｂ＞０、ｃ＞０、ａ＋ｂ＋ｃ＝１）、Ｌｉ(1-x)ＣｏaＮｉbＭｎcＯ4（０＜ａ＜１、０＜ｂ＜１、１≦ｃ＜２、ａ＋ｂ＋ｃ＝２）などとするリチウムコバルトニッケルマンガン複合酸化物、基本組成式をＬｉＶ2Ｏ3などとするリチウムバナジウム複合酸化物、基本組成式をＶ2Ｏ5などとする遷移金属酸化物などを用いることができる。また、基本組成式をＬｉＦｅＰＯ4とするリン酸鉄リチウム化合物などを正極活物質として用いることができる。これらのうち、リチウムとマンガンとを含む複合酸化物、例えば、スピネル型のＬｉＭｎ2Ｏ4などが好ましい。なお、「基本組成式」とは、他の元素、例えば、ＡｌやＭｇなどの成分を含んでもよい趣旨である。導電材は、電池性能に悪影響を及ぼさない電子伝導性材料であれば特に限定されず、例えば、天然黒鉛（鱗状黒鉛、鱗片状黒鉛）や人造黒鉛などの黒鉛、アセチレンブラック、カーボンブラック、ケッチェンブラック、カーボンウィスカ、ニードルコークス、炭素繊維、金属（銅、ニッケル、アルミニウム、銀、金など）などの１種又は２種以上を混合したものを用いることができる。結着材は、活物質粒子や導電材粒子を繋ぎ止めて所定の形状を保つ役割を果たすものであり、例えば、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ）、フッ素ゴム等の含フッ素樹脂、或いはポリプロピレン、ポリエチレン等の熱可塑性樹脂、エチレンプロピレンジエンモノマー（ＥＰＤＭ）ゴム、スルホン化ＥＰＤＭゴム、天然ブチルゴム（ＮＢＲ）等を単独で、あるいは２種以上の混合物として用いることができる。また、水系バインダーであるセルロース系やスチレンブタジエンゴム（ＳＢＲ）の水分散体等を用いることもできる。正極２０において、正極活物質の含有量は、より多いことが好ましく、正極２０の質量全体に対して６０質量％以上であることが好ましく、７０質量％以上であることがより好ましい。正極２０において、正極活物質の含有量は、９９質量％以下としてもよい。正極２０は、多孔体であるものとしてもよく、その空隙率は５０体積％以上７０体積％以下としてもよく、５５体積％以上６５体積％以下としてもよい。正極２０の空隙には、イオン伝導媒体４０に起因する非水電解液などが充填されていてもよい。
【0017】
負極３０は、負極活物質を含み、上述のとおり、板状の負極基部３２の主面３３から複数の負極櫛歯３４が互いに間隔をあけて突出した櫛歯構造を有している。複数の負極櫛歯３４のうち、端に配置された１つの隣（図１では上側）には、その負極櫛歯３４とは間隔を開けて負極端用櫛歯３６が１本配置されている。負極櫛歯３４の幅ｗｎは、正極櫛歯２４の幅ｗｐよりも大きければよいが、例えば、正極櫛歯の幅ｗｐよりも１０μｍ以上７０μｍ以下大きいものとしてもよい。負極櫛歯３４の幅ｗｎと正極櫛歯２４の幅ｗｐとの差Δｗは、負極３０内のキャリアイオンの局所的な濃化を抑制する観点や、蓄電デバイス１０の内部抵抗を低減する観点からは、大きい方が好ましく、例えば、３０μｍ以上が好ましく、５０μｍ以上がより好ましい。負極櫛歯３４の幅ｗｎと正極櫛歯２４の幅ｗｐとの差Δｗは、蓄電デバイス１０の容量やエネルギー密度を高める観点からは、小さい方が好ましく、５０μｍ以下が好ましく、３０μｍ以下がより好ましい。これらのバランスを考慮し、負極櫛歯３４の幅ｗｎと正極櫛歯２４の幅ｗｐとの差Δｗは、１０μｍ以上３０μｍ以下としてもよく、１５μｍ以上２５μｍ以下としてもよく、２０μｍとしてもよい。負極櫛歯３４の幅ｗｎは、例えば、１５０μｍ以上２１０μｍ以下としてもよい。負極櫛歯３４の幅ｗｎは、負極３０内のキャリアイオンの局所的な濃化を抑制する観点や、蓄電デバイス１０の内部抵抗を低減する観点からは、大きい方が好ましく、例えば、１７０μｍ以上が好ましく、１９０μｍ以上がより好ましい。負極櫛歯３４の幅ｗｎは、蓄電デバイス１０の容量を高める観点からは、小さい方が好ましく、１９０μｍ以下が好ましく、１７０μｍ以下がより好ましい。これらのバランスを考慮し、負極櫛歯３４の幅ｗｎは、１９０μｍ以上２１０μｍ以下としてもよく、２００μｍとしてもよい。なお、負極櫛歯３４の幅ｗｎは、負極櫛歯３４の奥行き（ここでは、後述する奥行きＤと同じ）よりも小さいものとしてもよく、奥行きの１／２以下としてもよく、１／５以下としてもよく、１／１０以下としてもよい。負極櫛歯３４の本数は、例えば、３本以上１００本以下としてもよく、５本以上２０本以下としてもよい。負極端用櫛歯３６は、負極櫛歯３４とは幅が異なる櫛歯である。負極端用櫛歯３６の幅ｗｘｎは、例えば、負極櫛歯３４の幅ｗｎよりも小さいものとしてもよく、負極櫛歯３４の幅ｗｎの半分かそれ以下としてもよい。負極櫛歯３４の幅ｗｎ及び負極端用櫛歯３６の幅ｗｘｎは、その基端から先端まで一定であるものとしてもよい。負極櫛歯３４及び負極端用櫛歯３６の高さｈｎは、例えば１００μｍ以上３００００μｍ以下としてもよく、２００μｍ以上８００μｍ以下としてもよく、４００μｍ以上６００μｍ以下としてもよい。負極基部３２の厚みｔｎは、例えば、１０μｍ以上１００μｍ以下としてもよく、３０μｍ以上７０μｍ以上としてもよく、４０μｍ以上６０μｍ以下としてもよく、４５μｍ以上５５μｍ以下としてもよく、５０μｍとしてもよい。負極基部３２の厚みｔｎは、正極基部２２の厚みｔｐと同じとしてもよい。
【0018】
負極３０は、正極２０よりも体積が大きいものとしてもよい。正極２０と負極３０との全体に対する負極３０の体積割合は、５０％超過６０％以下としてもよい。この体積割合は、負極３０内のキャリアイオンの局所的な濃化を抑制する観点や、蓄電デバイス１０の内部抵抗を低減する観点からは、大きい方が好ましく、例えば、５３％以上が好ましく、５５％以上がより好ましく、５７％以上がさらに好ましい。この体積割合は、蓄電デバイス１０の容量やエネルギー密度を高める観点からは、小さい方が好ましく、例えば、５７％以下が好ましく、５５％以下がより好ましく、５３％以下がさらに好ましい。
【0019】
負極３０は、負極活物質と、結着材とを含むものとしてもよく、必要に応じて導電材を含むものとしてもよい。負極活物質は、リチウムイオンを吸蔵放出可能なものとしてもよく、スズ化合物などの無機化合物、リチウムイオンを吸蔵・放出可能な炭素質材料、複数の元素を含む複合酸化物、導電性ポリマーなどが挙げられる。炭素質材料は、例えば、コークス類、ガラス状炭素類、グラファイト類、難黒鉛化性炭素類、熱分解炭素類、炭素繊維などが挙げられる。このうち、人造黒鉛、天然黒鉛などのグラファイト類が、金属リチウムに近い作動電位を有し、高い作動電圧での充放電が可能であり支持塩としてリチウム塩を使用した場合に自己放電を抑え、且つ充電時における不可逆容量を少なくできるため、好ましい。複合酸化物としては、例えば、リチウムチタン複合酸化物やリチウムバナジウム複合酸化物などが挙げられる。負極活物質としては、このうち、炭素質材料が安全性の面から見て好ましい。負極３０に用いられる導電材、結着材などは、それぞれ正極２０で例示したものを用いることができる。負極３０において、負極活物質の含有量はより多いことが好ましく、負極３０の質量全体に対して６０質量％以上であることが好ましく、７０質量％以上であることがより好ましい。負極３０において、負極活物質の含有量は、９９質量％以下としてもよい。負極３０は、多孔体であるものとしてもよく、その空隙率は４５体積％以上６５体積％以下としてもよく、５０体積％以上６０体積％以下としてもよい。負極３０の空隙には、イオン伝導媒体４０に起因する非水電解液などが充填されていてもよい。
【0020】
イオン伝導媒体４０は、正極２０と負極３０との間に介在する。より詳しくは、イオン伝導媒体４０は、正極基部２２の主面２３と、正極櫛歯２４の側面及び先端面と、正極端用櫛歯２６の側面及び先端面とからなる正極表面と、負極基部３２の主面３３と、負極櫛歯３４の側面及び先端面と、負極端用櫛歯３６の側面及び先端面とからなる負極表面と、の間に介在する。イオン伝導媒体４０は、この正極表面と負極表面との間隔を埋めるように配置されており、この間隔に対応するイオン伝導媒体４０の厚みｔｓは、例えば、１μｍ以上３０μｍ以下としてもよく、５μｍ以上２５μｍ以下としてもよく、１０μｍ以上２０μｍ以下としてもよい。
【0021】
イオン伝導媒体４０は、キャリアイオンであるリチウムイオンを伝導する。イオン伝導媒体は、例えば、支持塩（支持電解質）と有機溶媒とを含む非水系電解液としてもよい。支持塩としては、例えば、正極のキャリアをリチウムイオンとした場合、公知のリチウム塩を含むものとしてもよい。このリチウム塩としては、例えば、ＬｉＰＦ6や、ＬｉＢＦ4、ＬｉＣｌＯ4，ＬｉＡｓＦ6，Ｌｉ（ＣＦ3ＳＯ2）2Ｎ，ＬｉＮ（Ｃ2Ｆ5ＳＯ2）2などが挙げられ、このうちＬｉＰＦ6や、ＬｉＢＦ4が好ましい。この支持塩は、非水電解液中の濃度が０．１ｍｏｌ／Ｌ以上５ｍｏｌ／Ｌ以下であることが好ましく、０．５ｍｏｌ／Ｌ以上２ｍｏｌ／Ｌ以下であることがより好ましい。支持塩を溶解する濃度が０．１ｍｏｌ／Ｌ以上では、十分な電流密度を得ることができ、５ｍｏｌ／Ｌ以下では、電解液をより安定させることができる。また、この非水電解液には、リン系、ハロゲン系などの難燃剤を添加してもよい。有機溶媒としては、例えば、非プロトン性の有機溶媒を用いることができる。このような有機溶媒としては、例えば環状カーボネート、鎖状カーボネート、環状エステル、環状エーテル、鎖状エーテル等が挙げられる。環状カーボネートとしては、例えばエチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ブチレンカーボネート、ビニレンカーボネート等がある。鎖状カーボネートとしては、例えばジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、メチルエチルカーボネート等がある。環状エステルカーボネートとしては、例えばガンマブチロラクトン、ガンマバレロラクトン等がある。環状エーテルとしては、例えばテトラヒドロフラン、２－メチルテトラヒドロフラン等がある。鎖状エーテルとしては、例えばジメトキシエタン、エチレングリコールジメチルエーテル等がある。これらは単独で用いてもよいし、複数を混合して用いてもよい。また、非水系電解液としては、そのほかにアセトニトリル、プロピルニトリルなどのニトリル系溶媒やイオン液体などを用いてもよい。また、非水系電解液に代えて水溶液系電解液を用いてもよい。
【0022】
イオン伝導媒体４０は、樹脂と上述した電解液とを含むイオン伝導膜としてもよい。樹脂としては、例えば、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ）や、ＰＶｄＦとヘキサフルオロプロピレンとの共重合体（ＰＶｄＦ－ＨＦＰ）、ポリメタクリル酸メチル（ＰＭＭＡ）、及びＰＭＭＡとアクリルポリマーとの共重合体などが挙げられる。例えば、ＰＶｄＦとＨＦＰとの共重合体では、非水電解液の一部がこの膜を膨潤ゲル化し、イオン伝導膜となる。
【0023】
正極集電体４２は、正極２０と電気的に接続されている。ここでは、正極集電体４２は、正極基部２２のうち正極櫛歯２４とは反対側の面２７の全面に形成されている。なお、正極集電体４２の配置は、これに限定されるものではなく、例えば、面２７のうちの一部の面に形成されていてもよいし、正極２０のうち、櫛溝２５の延在方向に垂直な端面、すなわち、図１における前面や背面の、全面又は一部の面に形成されていてもよい。正極集電体４２は、正極活物質などに対して化学的、電気的に安定なものであれば特に限定されず、アルミニウム、チタン、ステンレス鋼、ニッケル、鉄、焼成炭素、導電性高分子、導電性ガラスなどのほか、接着性、導電性及び耐酸化性向上の目的で、アルミニウムや銅などの表面をカーボン、ニッケル、チタンや銀などで処理したものを用いることができる。これらのうち、アルミニウムが好ましい。正極集電体として使用される電位領域ではリチウムイオンがドープされにくいこと、耐食性が高いことなどにより、リチウム二次電池の正極に特に適しているからである。正極集電体４２の形状は、シート状、ネット状、パンチ又はエキスパンドされたもの、ラス体などとすることができる。シート状には、箔状やフィルム状などが含まれる。正極集電体４２の厚さは、例えば１０μｍ以上２０μｍ以下が好ましく、１２μｍ以上１７μｍ以下がより好ましい。正極集電体４２の厚さを１０μｍ以上とすれば、正極集電体４２の機械的強度をより高めることができる。また、正極集電体４２の厚さを２０μｍ以下とすれば、蓄電デバイス１０において正極集電体４２の体積分率をより少なくして正極２０等の体積分率をより高めることができるため、蓄電デバイス１０のエネルギー密度をより高めることができる。
【0024】
負極集電体４４は、負極３０と電気的に接続されている。ここでは、負極集電体４４は、負極基部３２のうち負極櫛歯３４とは反対側の面３７の全面に形成されている。なお、負極集電体４４の配置は、これに限定されるものではなく、例えば、面３７のうちの一部の面に形成されていてもよいし、負極３０のうち、櫛溝３５の延在方向に垂直な端面、すなわち、図１における前面や背面の、全面又は一部の面に形成されていてもよい。負極集電体４４は、負極活物質などに対して化学的、電気的に安定なものであれば特に限定されず、銅、ニッケル、ステンレス鋼、チタン、アルミニウム、焼成炭素、導電性高分子、導電性ガラス、Ａｌ－Ｃｄ合金などのほか、接着性、導電性及び耐還元性向上の目的で、例えば銅などの表面をカーボン、ニッケル、チタンや銀などで処理したものも用いることができる。これらのうち、銅が好ましい。負極集電体４４として使用される電位領域でリチウムイオンがドープされにくいこと、耐食性が高いことなどにより、リチウム二次電池の負極に特に適しているからである。負極集電体４４の形状は、シート状、ネット状、パンチ又はエキスパンドされたもの、ラス体などとすることができる。シート状には、箔状、フィルム状などが含まれる。負極集電体４４の厚さは、例えば５μｍ以上１５μｍ以下が好ましく、８μｍ以上１２μｍ以下がより好ましい。負極集電体４４の厚さを５μｍ以上とすれば、負極集電体４２の機械的強度をより高めることができる。また、負極集電体４４の厚さを１５μｍ以下とすれば、蓄電デバイス１０において負極集電体４４の体積分率をより少なくして負極３０等の体積分率をより高めることができるため、蓄電デバイス１０のエネルギー密度をより高めることができる。
【0025】
この蓄電デバイス１０の厚みＴは、例えば、１００μｍ以上３００００μｍ以下としてもよく、３００μｍ以上１０００μｍ以下としてもよく、５００μｍ以上７００μｍとしてもよく、６００μｍとしてもよい。但し、厚みＴは、正極集電体４２及び負極集電体４４を除くものとする。この蓄電デバイス１０の幅Ｗは、例えば、５００μｍ以上３００００μｍ以下としてもよく、１０００μｍ以上７０００μｍ以下としてもよく、２０００μｍ以上５０００μｍ以下としてもよく、３０００μｍとしてもよい。この蓄電デバイス１０の奥行きＤは、例えば、１００μｍ以上３００００μｍ以下としてもよく、１０００μｍ以上７０００μｍ以下としてもよく、２０００μｍ以上５０００μｍ以下としてもよく、３０００μｍとしてもよい。このような寸法の蓄電デバイス１０は、ＩｏＴ（Internet of Things）デバイスの電源等に用いられるマイクロバッテリーとして、好適に用いることができる。
【0026】
この蓄電デバイス１０は、例えば、３Ｄプリント技術を用いて形成してもよい。３Ｄプリント技術を用いて蓄電デバイス１０を製造する場合、例えば、Sun et al., Adv. Mater., 25, 4539 (2013)のように、まず、高粘度の電極インクを塗布して３Ｄ構造を製造し、次に、この３Ｄ構造を加熱して液体やポリマーなどを飛ばし、その後、電解液を注入してパッケージングしてもよい。その際に用いる正極用や負極用の電極インクは、例えば、活物質の含有量が４５質量％以上６５質量％以下であるものとしてもよく、５０質量％以上６０質量％以下であるものとしてもよい。また、この蓄電デバイス１０は、例えば、Ning et al., 112, 6573 (2015)のように、リソグラフィー技術を用いて形成してもよい。
【0027】
以上説明した実施形態の蓄電デバイス１０では、負極３０内でのキャリアイオンの局所的な濃化を抑制することができる。こうした効果が得られる理由は、例えば、負極櫛歯３４の幅を正極櫛歯３２の幅よりも大きくすることで、負極３０内の反応活性点が増加し、負極活物質／電解液界面の反応抵抗が低減することなどにより、負極へのリチウム挿入がより円滑に行われるためと推察される。
【0028】
特に、蓄電デバイス１０において、正極櫛歯２４の幅ｗｐを１００μｍ以上１９０μｍ以下とし、負極櫛歯３４の幅ｗｎを１５０μｍ以上２１０μｍ以下とし、負極櫛歯３４の幅ｗｎを正極櫛歯２４の幅ｗｐよりも１０μｍ以上３０μｍ以下大きいものとすると、過充電状態（例えば、充電時に負極／電解液界面で生じるデンドライト成長）を抑制しつつ、高いエネルギー密度を達成できる。こうした効果が得られる理由は、以下のように推察される。例えば、櫛歯状の電極を持つリチウムイオン電池において、負極櫛歯３４の幅ｗｎを正極櫛歯２４の幅ｗｐよりも大きくすることで、正極２０と負極３０の全体における負極３０の体積割合が増えるため、負極３０内の反応活性点が増加し、充電時のデンドライト成長が抑制されると推察される。また、リチウムイオン電池における内部抵抗の主要因の１つが、負極／電解液界面に生じる被膜抵抗であると考えられるが、負極３０の体積割合を増やすことで反応表面が増加し、被膜抵抗が低減すると推察される。その結果として、電池の初期容量が減少しても、高いエネルギー密度を達成できると推察される。なお、上述のデンドライト成長に関し、負極３０内のリチウム濃度の偏りによって一部の負極活物質にリチウムイオンが集中すると、活物質に吸蔵されなかった（活物質の吸蔵量を超えた）リチウムが負極表面で析出するデンドライト成長が起こることがあるが、反応活性点を増やすことで、このリチウムイオンの集中を緩和できると推察される。また、上述のエネルギー密度に関し、電池のエネルギー密度は、初期容量と内部抵抗のバランスによって決まり、初期容量の低下はエネルギー密度の低下につながり、内部抵抗の増加もエネルギー密度の低下につながると考えられる。蓄電デバイス１０において、負極３０の体積割合を増やすと、初期容量が正極の容量に規制されるため初期容量は減少するが、負極／電解液界面の面積が増加するため、内部抵抗の主成分の１つである負極／電解液界面の被膜抵抗は低減する。この両者のバランスを適切にとることにより電池のエネルギー密度が向上すると考えられる。
【0029】
なお、本開示は上述した実施形態に何ら限定されることはなく、本開示の技術的範囲に属する限り種々の態様で実施し得ることはいうまでもない。
【0030】
例えば、上述した実施形態では、正極櫛歯２４と負極櫛歯３４の本数は同じとしたが、正極櫛歯２４の本数を多くしてもよいし、負極櫛歯３４の本数を多くしてもよい。また、正極端用櫛歯２６を１本と、負極端用櫛歯３６を１本備えるものとしたが、その一方又は両方を省略してもよい。また、正極２０は、正極端用櫛歯２６を２本備え、その間に複数の正極櫛歯２４が配置されているものとしてもよい。その場合、負極３０は、負極端用櫛歯３６を有さず、正極櫛歯２４よりも１本多く負極櫛歯３４を有するものとすればよい。あるいは、負極３０は、負極端用櫛歯３６を２本備え、その間に複数の負極櫛歯３４が配置されているものとしてもよい。その場合、正極２０は、正極端用櫛歯２６を有さず、負極櫛歯３４よりも１本多く正極櫛歯２４を有するものとすればよい。
【0031】
本開示は、以下の［１］～［９］のいずれかに示すものとしてもよい。
［１］ 正極活物質を含み、板状の正極基部の主面から複数の正極櫛歯が互いに間隔をあけて突出した櫛歯構造を有する正極と、
負極活物質を含み、板状の負極基部の主面から複数の負極櫛歯が互いに間隔をあけて突出した櫛歯構造を有し、前記負極櫛歯が前記正極櫛歯と互い違いとなり、前記負極櫛歯の先端が前記正極基部の主面に対向し前記負極基部の主面が前記正極櫛歯の先端に対向するように配置された負極と、
前記正極と前記負極との間に介在し、キャリアイオンを伝導するイオン伝導媒体と、を備え、
前記櫛歯構造の前記櫛歯同士の間に存在する櫛溝の延在方向に垂直な断面において、前記主面に平行な方向の寸法を幅とすると、前記負極櫛歯の幅は、前記正極櫛歯の幅よりも大きい、
蓄電デバイス。
［２］ 前記負極櫛歯の幅は、前記正極櫛歯の幅の１．０５倍以上２．１倍以下である、［１］に記載の蓄電デバイス。
［３］ 前記正極櫛歯の幅は、１００μｍ以上１９０μｍ以下であり、前記負極櫛歯の幅は、１５０μｍ以上２１０μｍ以下である、［１］又は［２］に記載の蓄電デバイス。
［４］ 前記負極櫛歯の幅は、前記正極櫛歯の幅よりも１０μｍ以上３０μｍ以下大きい、［１］～［３］のいずれか１つに記載の蓄電デバイス。
［５］ 前記断面において、前記主面に垂直な方向の寸法を厚みとすると、前記正極基部の厚みは、４０μｍ以上６０μｍ以下であり、前記負極基部の厚みは、４０μｍ以上６０μｍ以下である、［１］～［４］のいずれか１つに記載の蓄電デバイス。
［６］ 前記正極櫛歯の幅は、１７０μｍ以上１９０μｍ以下であり、前記負極櫛歯の幅は、前記正極櫛歯の幅よりも１０μｍ以上３０μｍ以下大きい、［１］～［５］に記載の蓄電デバイス。
［７］ 前記負極は、前記正極よりも体積が大きい、［１］～［６］のいずれか１つに記載の蓄電デバイス。
［８］ ［１］～［７］のいずれか１つに記載の蓄電デバイスであって、
前記正極に電気的に接続された正極集電体と、
前記負極に電気的に接続された負極集電体と、
を備えた、蓄電デバイス。
［９］ 前記キャリアイオンは、リチウムイオンである、［１］～［８］のいずれか１つに記載の蓄電デバイス。
［１］ 正極活物質を含み、板状の正極基部の主面から複数の正極櫛歯が互いに間隔をあけて突出した櫛歯構造を有する正極と、
負極活物質を含み、板状の負極基部の主面から複数の負極櫛歯が互いに間隔をあけて突出した櫛歯構造を有し、前記負極櫛歯が前記正極櫛歯と互い違いとなり、前記負極櫛歯の先端が前記正極基部の主面に対向し前記負極基部の主面が前記正極櫛歯の先端に対向するように配置された負極と、
前記正極と前記負極との間に介在し、キャリアイオンを伝導するイオン伝導媒体と、を備え、
前記櫛歯構造の前記櫛歯同士の間に存在する櫛溝の延在方向に垂直な断面において、前記主面に平行な方向の寸法を幅とすると、前記負極櫛歯の幅は、前記正極櫛歯の幅よりも大きい、
蓄電デバイス。
［２］ 前記負極櫛歯の幅は、前記正極櫛歯の幅の１．０５倍以上２．１倍以下である、［１］に記載の蓄電デバイス。
［３］ 前記正極櫛歯の幅は、１００μｍ以上１９０μｍ以下であり、前記負極櫛歯の幅は、１５０μｍ以上２１０μｍ以下である、［１］又は［２］に記載の蓄電デバイス。
［４］ 前記負極櫛歯の幅は、前記正極櫛歯の幅よりも１０μｍ以上３０μｍ以下大きい、［１］～［３］のいずれか１つに記載の蓄電デバイス。
［５］ 前記断面において、前記主面に垂直な方向の寸法を厚みとすると、前記正極基部の厚みは、４０μｍ以上６０μｍ以下であり、前記負極基部の厚みは、４０μｍ以上６０μｍ以下である、［１］～［４］のいずれか１つに記載の蓄電デバイス。
［６］ 前記正極櫛歯の幅は、１７０μｍ以上１９０μｍ以下であり、前記負極櫛歯の幅は、前記正極櫛歯の幅よりも１０μｍ以上３０μｍ以下大きい、［１］～［５］に記載の蓄電デバイス。
［７］ 前記負極は、前記正極よりも体積が大きい、［１］～［６］のいずれか１つに記載の蓄電デバイス。
［８］ ［１］～［７］のいずれか１つに記載の蓄電デバイスであって、
前記正極に電気的に接続された正極集電体と、
前記負極に電気的に接続された負極集電体と、
を備えた、蓄電デバイス。
［９］ 前記キャリアイオンは、リチウムイオンである、［１］～［８］のいずれか１つに記載の蓄電デバイス。
【実施例0032】
以下には、本開示の蓄電デバイスを具体的に検討した例を、実施例として説明する。なお、実験例１～９が実施例に相当し、実験例１０～１４が比較例に相当する。
【0033】
［蓄電デバイス］
実験例１～１４では、図２Ａ～２Ｉ，３Ａ～３Ｂ，４Ａ～４Ｃの蓄電デバイスを検討した。なお、図２Ａ～２Ｉ，３Ａ～３Ｂ，４Ａ～４Ｃは、図１の正面図に対応する。実験例１～１４の蓄電デバイスは、いずれも、厚みＴ（集電体を除く厚み）は６００μｍ、奥行きＤは３０００μｍとした。また、セパレータの厚みは２０μｍとした。実験例１～１４において、正極活物質は、スピネル型のリチウムマンガン複合酸化物（ＬＭＯ）とした。負極活物質は、黒鉛（大阪ガス製、ＭＣＭＢ２５－１０）とした。イオン伝導媒体（イオン伝導膜）は、エチレンカーボネート（ＥＣ）とジメチルカーボネート（ＤＭＣ）とをＥＣ：ＤＭＣ＝１：２の体積比で混合した混合液に１．０ＭのＬｉＰＦ6を加えた電解液と、ポリフッ化ビニリデンとヘキサフルオロプロピレンとの共重合体（ＰＶｄＦ－ＨＦＰ）とで構成されたゲル電解質とした。正極活物質の含有量は、正極２０の質量全体に対して９０質量％とし、負極活物質の含有量は負極３０の質量全体に対して９５質量％とした。正極２０は、多孔体であり、その空隙率は６３体積％とした。負極３０は、多孔体であり、その空隙率は５０体積％とした。以下に、実験例１～１４の具体的な寸法等を説明する。
実験例１～１４では、図２Ａ～２Ｉ，３Ａ～３Ｂ，４Ａ～４Ｃの蓄電デバイスを検討した。なお、図２Ａ～２Ｉ，３Ａ～３Ｂ，４Ａ～４Ｃは、図１の正面図に対応する。実験例１～１４の蓄電デバイスは、いずれも、厚みＴ（集電体を除く厚み）は６００μｍ、奥行きＤは３０００μｍとした。また、セパレータの厚みは２０μｍとした。実験例１～１４において、正極活物質は、スピネル型のリチウムマンガン複合酸化物（ＬＭＯ）とした。負極活物質は、黒鉛（大阪ガス製、ＭＣＭＢ２５－１０）とした。イオン伝導媒体（イオン伝導膜）は、エチレンカーボネート（ＥＣ）とジメチルカーボネート（ＤＭＣ）とをＥＣ：ＤＭＣ＝１：２の体積比で混合した混合液に１．０ＭのＬｉＰＦ6を加えた電解液と、ポリフッ化ビニリデンとヘキサフルオロプロピレンとの共重合体（ＰＶｄＦ－ＨＦＰ）とで構成されたゲル電解質とした。正極活物質の含有量は、正極２０の質量全体に対して９０質量％とし、負極活物質の含有量は負極３０の質量全体に対して９５質量％とした。正極２０は、多孔体であり、その空隙率は６３体積％とした。負極３０は、多孔体であり、その空隙率は５０体積％とした。以下に、実験例１～１４の具体的な寸法等を説明する。
【0034】
（実験例１） 図２Ａの蓄電デバイスを検討した。正極基部の厚みｔｐは５０μｍ、正極櫛歯の幅ｗｐは１００μｍ、本数は８本、正極端用櫛歯の幅ｗｘｐは５０μｍ、本数は１本とした。負極基部の厚みｔｎは５０μｍ、負極櫛歯の幅ｗｎは１６０μｍ、本数は８本、負極端用櫛歯の幅ｗｘｎは５０μｍ、本数は１本とした。この蓄電デバイスの幅Ｗは、２５２０μｍである。
（実験例２） 図２Ｂの蓄電デバイスを検討した。正極用櫛歯の幅ｗｐを１２０μｍとした以外は、実験例１と同様である。この蓄電デバイスの幅Ｗは、２６８０μｍである。
（実験例３） 図２Ｃの蓄電デバイスを検討した。正極用櫛歯の幅ｗｐを１４０μｍとした以外は、実験例１と同様である。この蓄電デバイスの幅Ｗは、２８４０μｍである。
（実験例４） 図２Ｄの蓄電デバイスを検討した。負極用櫛歯の幅ｗｎを１８０μｍとし、正極用櫛歯の幅ｗｐを１２０μｍとした以外は、実験例１と同様である。この蓄電デバイスの幅Ｗは、２８４０μｍである。
（実験例５） 図２Ｅの蓄電デバイスを検討した。正極用櫛歯の幅ｗｐを１４０μｍとした以外は、実験例４と同様である。この蓄電デバイスの幅Ｗは、３０００μｍである。
（実験例６） 図２Ｆの蓄電デバイスを検討した。正極用櫛歯の幅ｗｐを１６０μｍとした以外は、実験例４と同様である。この蓄電デバイスの幅Ｗは、３１６０μｍである。
（実験例７） 図２Ｇの蓄電デバイスを検討した。負極用櫛歯の幅ｗｎを２００μｍとし、正極用櫛歯の幅ｗｐを１４０μｍとした以外は、実験例１と同様である。この蓄電デバイスの幅Ｗは、３１６０μｍである。
（実験例８） 図２Ｈの蓄電デバイスを検討した。正極用櫛歯の幅ｗｐを１６０μｍとした以外は、実験例７と同様である。この蓄電デバイスの幅Ｗは、３３２０μｍである。
（実験例９） 図２Ｉの蓄電デバイスを検討した。正極用櫛歯の幅ｗｐを１８０μｍとした以外は、実験例７と同様である。この蓄電デバイスの幅Ｗは、３４８０μｍである。
（実験例２） 図２Ｂの蓄電デバイスを検討した。正極用櫛歯の幅ｗｐを１２０μｍとした以外は、実験例１と同様である。この蓄電デバイスの幅Ｗは、２６８０μｍである。
（実験例３） 図２Ｃの蓄電デバイスを検討した。正極用櫛歯の幅ｗｐを１４０μｍとした以外は、実験例１と同様である。この蓄電デバイスの幅Ｗは、２８４０μｍである。
（実験例４） 図２Ｄの蓄電デバイスを検討した。負極用櫛歯の幅ｗｎを１８０μｍとし、正極用櫛歯の幅ｗｐを１２０μｍとした以外は、実験例１と同様である。この蓄電デバイスの幅Ｗは、２８４０μｍである。
（実験例５） 図２Ｅの蓄電デバイスを検討した。正極用櫛歯の幅ｗｐを１４０μｍとした以外は、実験例４と同様である。この蓄電デバイスの幅Ｗは、３０００μｍである。
（実験例６） 図２Ｆの蓄電デバイスを検討した。正極用櫛歯の幅ｗｐを１６０μｍとした以外は、実験例４と同様である。この蓄電デバイスの幅Ｗは、３１６０μｍである。
（実験例７） 図２Ｇの蓄電デバイスを検討した。負極用櫛歯の幅ｗｎを２００μｍとし、正極用櫛歯の幅ｗｐを１４０μｍとした以外は、実験例１と同様である。この蓄電デバイスの幅Ｗは、３１６０μｍである。
（実験例８） 図２Ｈの蓄電デバイスを検討した。正極用櫛歯の幅ｗｐを１６０μｍとした以外は、実験例７と同様である。この蓄電デバイスの幅Ｗは、３３２０μｍである。
（実験例９） 図２Ｉの蓄電デバイスを検討した。正極用櫛歯の幅ｗｐを１８０μｍとした以外は、実験例７と同様である。この蓄電デバイスの幅Ｗは、３４８０μｍである。
【0035】
（実験例１０） 図３Ａの蓄電デバイスを検討した。この蓄電デバイスは、正負極の櫛歯の先端側が基端側よりも細いものとした。正極基部の厚みｔｐは５０μｍ、正極櫛歯の基端側の幅は１６０μｍ、先端側の幅は１００μｍ、本数は１０本、正極端用櫛歯はなしとした。負極基部の厚みｔｎは５０μｍ、負極櫛歯の基端側の幅は１６０μｍ、先端側の幅は１００μｍ、本数は１０本、負極端用櫛歯の幅ｗｘｎは５０μｍ、本数は１本とした。この蓄電デバイスの幅Ｗは３０００μｍである。なお、実験例１０の構造は、非特許文献２において、Monte Carlo Tree Search (MCTS)で最適化された構造であり、非特許文献２の図３Ｃ（ａ）に対応する。
（実験例１１） 図３Ｂの蓄電デバイスを検討した。この蓄電デバイスは、負極櫛歯が正極櫛歯よりも細いものとした。正極基部の厚みｔｐは５０μｍ、正極櫛歯の幅ｗｐは１６０μｍ、本数は１０本、正極端用櫛歯はなしとした。負極基部の厚みｔｎは５０μｍ、負極櫛歯の幅ｗｎは１００μｍ、本数は９本、負極端用櫛歯の幅ｗｘｎは５０μｍ、本数は２本とした。この蓄電デバイスの幅Ｗは、３０００μｍである。なお、実験例１１の構造は、非特許文献１及び非特許文献２において、ランダムサーチとMonte Carlo Tree Search (MCTS)で最適化された構造であり、非特許文献１の５Ｅ（ａ）及び非特許文献２の図４Ｃ（ａ）に対応する。
（実験例１１） 図３Ｂの蓄電デバイスを検討した。この蓄電デバイスは、負極櫛歯が正極櫛歯よりも細いものとした。正極基部の厚みｔｐは５０μｍ、正極櫛歯の幅ｗｐは１６０μｍ、本数は１０本、正極端用櫛歯はなしとした。負極基部の厚みｔｎは５０μｍ、負極櫛歯の幅ｗｎは１００μｍ、本数は９本、負極端用櫛歯の幅ｗｘｎは５０μｍ、本数は２本とした。この蓄電デバイスの幅Ｗは、３０００μｍである。なお、実験例１１の構造は、非特許文献１及び非特許文献２において、ランダムサーチとMonte Carlo Tree Search (MCTS)で最適化された構造であり、非特許文献１の５Ｅ（ａ）及び非特許文献２の図４Ｃ（ａ）に対応する。
【0036】
（実験例１２） 図４Ａの蓄電デバイスを検討した。この蓄電デバイスは、櫛歯構造ではなく平板構造の正極及び負極を備えるものとし、正極の厚みは１１０μｍ、負極の厚みは４７０μｍとした。また、この蓄電デバイスの幅Ｗは３０００μｍとした。
（実験例１３） 図４Ｂの蓄電デバイスを検討した。この蓄電デバイスは、櫛歯構造ではなく平板構造の正極及び負極を備えるものとし、正極の厚みは１７０μｍ、負極の厚みは４１０μｍとした。また、この蓄電デバイスの幅Ｗは３０００μｍとした。
（実験例１４） 図４Ｃの蓄電デバイスを検討した。この蓄電デバイスは、櫛歯構造ではなく平板構造の正極及び負極を備えるものとし、正極の厚みは２３０μｍ、負極の厚みは３５０μｍとした。また、この蓄電デバイスの幅Ｗは３０００μｍとした。
（実験例１３） 図４Ｂの蓄電デバイスを検討した。この蓄電デバイスは、櫛歯構造ではなく平板構造の正極及び負極を備えるものとし、正極の厚みは１７０μｍ、負極の厚みは４１０μｍとした。また、この蓄電デバイスの幅Ｗは３０００μｍとした。
（実験例１４） 図４Ｃの蓄電デバイスを検討した。この蓄電デバイスは、櫛歯構造ではなく平板構造の正極及び負極を備えるものとし、正極の厚みは２３０μｍ、負極の厚みは３５０μｍとした。また、この蓄電デバイスの幅Ｗは３０００μｍとした。
【0037】
［評価］
体積あたりの電池容量は、初期容量を電池セル全体の体積で割ることによって評価した。正極容量によって規制される実験例１～９の初期容量は、正極活物質ＬＭＯの容量を用いた。実験例１０，１１の初期容量は非特許文献２の値を用いた。
抵抗率は、伝送線モデルを利用した3D porous electrode modelを使って評価した。
エネルギー密度と負極内リチウム濃度は、COSMOL Multiphysics Software packageを使い、連続体シミュレーションによって評価した。連続体シミュレーションでは、Doyle, et al., J. Electrochem. Soc., 143, 1890 (1996). に記載の電池モデル（porous electrode theory と concentrated solution theory を組み合わせたモデル）を使用した。なお、電流密度は、蓄電デバイスの幅Ｗと奥行きＤ（例えば実験例１では２５２０μｍ×３０００μｍ）で構成される面で定義されるものとした。電流密度はＸＣ＝Ｘ×３．１６ｍＡ／ｃｍ2で表される。つまり、１Ｃ＝３．１６ｍＡ／ｃｍ2であり、６Ｃ＝１８．９６ｍＡ／ｃｍ2であるものとした。また、エネルギー密度は、蓄電デバイスの幅Ｗと厚みＴ（例えば実験例１では２５２０μｍ×６００μｍ）で構成される面で定義されるものとした。負極内リチウム濃度は、１．５７ｍＡ／ｃｍ2で約７３００秒充電後に負極３０の活物質表面リチウム濃度分布を評価し、その最小値及び最大値を求めた。なお、電流密度は、蓄電デバイスの幅Ｗと奥行きＤ（例えば実験例１では２５２０μｍ×３０００μｍ）で構成される面で定義されるものとした。
なお、上記の点以外は、上述した非特許文献１（Miyamoto et al., Cell Rep. Phys. Sci., 2, 100504 (2021)）に記載された方法に従った。
体積あたりの電池容量は、初期容量を電池セル全体の体積で割ることによって評価した。正極容量によって規制される実験例１～９の初期容量は、正極活物質ＬＭＯの容量を用いた。実験例１０，１１の初期容量は非特許文献２の値を用いた。
抵抗率は、伝送線モデルを利用した3D porous electrode modelを使って評価した。
エネルギー密度と負極内リチウム濃度は、COSMOL Multiphysics Software packageを使い、連続体シミュレーションによって評価した。連続体シミュレーションでは、Doyle, et al., J. Electrochem. Soc., 143, 1890 (1996). に記載の電池モデル（porous electrode theory と concentrated solution theory を組み合わせたモデル）を使用した。なお、電流密度は、蓄電デバイスの幅Ｗと奥行きＤ（例えば実験例１では２５２０μｍ×３０００μｍ）で構成される面で定義されるものとした。電流密度はＸＣ＝Ｘ×３．１６ｍＡ／ｃｍ2で表される。つまり、１Ｃ＝３．１６ｍＡ／ｃｍ2であり、６Ｃ＝１８．９６ｍＡ／ｃｍ2であるものとした。また、エネルギー密度は、蓄電デバイスの幅Ｗと厚みＴ（例えば実験例１では２５２０μｍ×６００μｍ）で構成される面で定義されるものとした。負極内リチウム濃度は、１．５７ｍＡ／ｃｍ2で約７３００秒充電後に負極３０の活物質表面リチウム濃度分布を評価し、その最小値及び最大値を求めた。なお、電流密度は、蓄電デバイスの幅Ｗと奥行きＤ（例えば実験例１では２５２０μｍ×３０００μｍ）で構成される面で定義されるものとした。
なお、上記の点以外は、上述した非特許文献１（Miyamoto et al., Cell Rep. Phys. Sci., 2, 100504 (2021)）に記載された方法に従った。
【0038】
［結果と考察］
表１に、実験例１～１１の蓄電デバイスの体積あたりの電池容量ｑ［Ｃ／ｃｍ3］、抵抗率ρ［Ωｃｍ］、及び充電時の負極内リチウム濃度［ｍｏｌ／ｍ3］を示した。また、表２に、実験例１～１４の蓄電デバイスのエネルギー密度を示した。
表１に、実験例１～１１の蓄電デバイスの体積あたりの電池容量ｑ［Ｃ／ｃｍ3］、抵抗率ρ［Ωｃｍ］、及び充電時の負極内リチウム濃度［ｍｏｌ／ｍ3］を示した。また、表２に、実験例１～１４の蓄電デバイスのエネルギー密度を示した。
【0039】
体積あたりの電池容量を比較したところ、実験例１～９では、実験例１０～１１よりも低い値を示した。また、実験例１～９においては、正極櫛歯の幅が大きいほど、負極櫛歯の幅が小さいほど、負極櫛歯の幅と正極櫛歯の幅との差が小さいほど、容量が向上する傾向が確認された。
【0040】
抵抗率を比較したところ、実験例１～９では実験例１０～１１よりも低い値を示した。抵抗率が高いと、例えばハイレート充放電時の容量が小さくなるおそれがあるが、実験例１～９では、抵抗率が低く、ハイレート特性の低下が抑制されると推察された。実験例１～９においては、正極櫛歯の幅が小さいほど、負極櫛歯の幅が大きいほど、負極櫛歯の幅と正極櫛歯の幅との差が大きい程、抵抗率が低減する傾向が確認された。
【0041】
負極内リチウム濃度の最大値（ｍａｘ）を比較したところ、実験例１～９では、実験例１０～１１よりも低く、例えば、実験例３，６，９では、実験例１０に対して約７％低く、実験例１１に対して２０％以上低かった。負極内のリチウム濃度が局所的に高くなると、当該箇所でリチウムのデンドライト成長が生じるおそれがあるが、実験例１～９では負極内のリチウム濃度が比較的低く、デンドライト成長が抑制されると推察された。実験例１～９においては、正極櫛歯の幅が小さいほど、負極櫛歯の幅が大きいほど、負極櫛歯の幅と正極櫛歯の幅との差が大きいほど、負極内のリチウムの局所的な高濃度化が生じにくい傾向が確認された。
【0042】
エネルギー密度を比較したところ、実験例１～９では、実験例１２～１４よりも高い値を示した。実験例１～９においては、正極櫛歯の幅が大きいほど、負極櫛歯の幅と正極櫛歯の幅との差が小さいほど、エネルギー密度が向上する傾向が確認された。実験例１～９は、５Ｃ以下ではいずれも実験例１０，１１よりも低い値であったが、６Ｃでは実験例９が、６．８Ｃでは実験例３，６，９が実験例１０，１１よりも高い値を示した。なお、実験例３，６，９では、５Ｃ以下でも、実験例１０の９０％以上のエネルギー密度を維持していた。また、実験例３，６，９では、高電流時（６Ｃ）において、実験例１１の２倍近いエネルギー密度が得られることがわかった。エネルギー密度は、電池容量と抵抗率とのトレードオフによって決まると考えられ、実験例３，６，９は、電池容量と抵抗率とのバランスがエネルギー密度の向上に特に適していると推察された。なお、実験例３，６，９は、実験例１，２，４，５，７，８に比べて負極内リチウム濃度の最大値は大きいものの、負極内リチウム濃度の最大値（ｍａｘ）と最小値（ｍｉｎ）との差は小さいため、反応の不均一が生じにくく、好ましいと推察された。
【0043】
【表1】
【0044】
【表2】
【産業上の利用可能性】
【0045】
本開示は、蓄電デバイスの分野に利用可能である。
【符号の説明】
【0046】
１０ 蓄電デバイス、２０ 正極、２２ 正極基部、２３ 主面、２４ 正極櫛歯、２５ 櫛溝、２６ 正極端用櫛歯、２７ 面、３０ 負極、３２ 負極基部 ３３ 主面、３４ 負極櫛歯、３５ 櫛溝、３６ 負極端用櫛歯、３７ 面、４０ 分離膜、４２ 正極集電体、４４ 負極集電体、Ｗ，ｗｐ，ｗｘｐ，ｗｎ，ｗｘｎ 幅、Ｔ，ｔｐ，ｔｎ，ｔｓ 厚み、ｈｐ，ｈｎ 高さ、Ｄ 奥行き。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】