特表 2022-532237 電極接合体、二次電池、及び製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】

(43)【公表日】2022-07-13

(54)【発明の名称】電極接合体、二次電池、及び製造方法

(51)【国際特許分類】

   H01M 10/0585 20100101AFI20220706BHJP

   H01M 10/052 20100101ALI20220706BHJP

   H01M 10/0525 20100101ALI20220706BHJP

   H01M 10/054 20100101ALI20220706BHJP

   H01M 10/0587 20100101ALI20220706BHJP

   H01M 10/0566 20100101ALI20220706BHJP

   H01M 50/474 20210101ALI20220706BHJP

   H01M 50/486 20210101ALI20220706BHJP

   H01M 4/13 20100101ALI20220706BHJP

   H01G 11/52 20130101ALI20220706BHJP

   H01G 11/70 20130101ALI20220706BHJP

   H01G 11/26 20130101ALI20220706BHJP

   H01G 11/84 20130101ALI20220706BHJP

【ＦＩ】

H01M10/0585

H01M10/052

H01M10/0525

H01M10/054

H01M10/0587

H01M10/0566

H01M50/474

H01M50/486

H01M4/13

H01G11/52

H01G11/70

H01G11/26

H01G11/84

【審査請求】未請求

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2021568250

(86)(22)【出願日】2020-05-15

(85)【翻訳文提出日】2021-12-24

(86)【国際出願番号】 US2020033038

(87)【国際公開番号】W WO2020232324

(87)【国際公開日】2020-11-19

(31)【優先権主張番号】62/849,071

(32)【優先日】2019-05-16

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【識別番号】514157766

【氏名又は名称】エノビクス・コーポレイション

【氏名又は名称原語表記】Ｅｎｏｖｉｘ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ

(74)【代理人】

【識別番号】100145403

【弁理士】

【氏名又は名称】山尾 憲人

(74)【代理人】

【識別番号】100135703

【弁理士】

【氏名又は名称】岡部 英隆

(72)【発明者】

【氏名】ダルトン，ジェレミー ジェイ

(72)【発明者】

【氏名】ブザッカ，ロバート エス

(72)【発明者】

【氏名】ラヒリ，アショク

(72)【発明者】

【氏名】ラマサブラマニアン，ムラリ

(72)【発明者】

【氏名】バルデス，ブルーノ エイ

(72)【発明者】

【氏名】リー，キム ハン

(72)【発明者】

【氏名】カルカテラ，アンソニー

(72)【発明者】

【氏名】カルドソ，ベンジャミン エル

【テーマコード（参考）】

5E078

5H021

5H029

5H050

【Ｆターム（参考）】

5E078AA05

5E078AA14

5E078BA12

5E078BA26

5E078CA06

5E078FA12

5H021AA06

5H021CC05

5H021EE04

5H021EE05

5H021EE06

5H021EE09

5H021EE10

5H021EE11

5H021EE29

5H021HH01

5H021HH04

5H021HH10

5H029AJ05

5H029AJ14

5H029AK01

5H029AK02

5H029AK03

5H029AK05

5H029AL02

5H029AL03

5H029AL06

5H029AL07

5H029AL11

5H029AM03

5H029AM04

5H029AM07

5H029AM12

5H029AM16

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5H029BJ12

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5H029DJ14

5H029EJ12

5H029HJ03

5H029HJ07

5H029HJ09

5H029HJ19

5H050AA07

5H050AA19

5H050BA15

5H050BA16

5H050BA17

5H050CA01

5H050CA02

5H050CA07

5H050CA08

5H050CA09

5H050CB02

5H050CB03

5H050CB07

5H050CB08

5H050CB11

5H050CB12

5H050CB20

5H050DA19

5H050FA02

5H050FA05

5H050FA15

5H050HA01

5H050HA07

5H050HA09

5H050HA12

(57)【要約】

二次電池及びその製造方法が提供される。二次電池は、電極活物質以外の材料を含むスペーサ構造体の集団を有する電極層を含むことができ、（ａ）スペーサ集団は電極層の容積Ｖ_Ｅの約０．１％から約３５％の範囲内の電極層内の総容積を占め、（ｂ）スペーサ集団の部材は、電極層の各副容積内に位置しており、電極層は、（ｉ）電極層の容積Ｖ_Ｅの少なくとも２５％を有し、（ｉｉ）（ａａ）電極集電体のユニットセル部分、（ｂｂ）セパレータ層、（ｃｃ）電極層の頂面、（ｄｄ）電極層の底面、（ｅｅ）電極層の第一端面、及び（ｆｆ）電極層の第二端面によってすべての側面に境界が接している。

【特許請求の範囲】

【請求項1】

充電状態と放電状態との間を繰り返す二次電池であって、
前記二次電池は電池筐体、電極接合体、キャリアイオン、前記電池筐体内の非水系電解液を含み、
前記電極接合体はユニットセルの集団を含み、各ユニットセルは積層連続体では、電極集電体層のユニットセル部分、電極活物質を含む電極層、セパレータ層、対電極層、及び対電極集電体層のユニットセル部分を含み、
前記ユニットセルは、前記電極集電体の前記ユニットセル部分から前記対電極集電体の前記ユニットセル部分まで前記積層連続体の積層方向において測定される幅Ｗ_ｕｃを有し、
前記電極層は、前記電極層に隣接する前記電極集電体の前記ユニットセル部分から前記電極層に隣接する前記セパレータ層まで前記積層連続体の前記積層方向において測定される幅Ｗ_Ｅ、前記積層方向に直交する第二方向において前記電極層の頂面から底面まで測定される高さＨ_Ｅ、ならびに前記積層方向及び前記高さ方向に直交する第三方向において第一表面から第二表面まで測定されるＬ_Ｅ、ならびに前記電極集電体の前記ユニットセル部分、前記セパレータ層、前記電極層の前記頂面、前記電極層の前記底面、前記電極層の第一端面、及び前記電極層の第二端面によって境界が定められる容積Ｖ_Ｅを有し、
前記電極層はスペーサ構造体の集団を含み、前記スペーサ構造体の集団は前記電極活物質以外の材料を含み、（ａ）前記スペーサ集団は前記電極層の前記容積Ｖ_Ｅの約０．１％から約３５％の範囲内の前記電極層内の総容積を占め、（ｂ）前記スペーサ集団の部材は、前記電極層の各副容積内に位置しており、
前記電極層は、（ｉ）前記電極層の前記容積Ｖ_Ｅの少なくとも２５％を有し、（ｉｉ）（ａａ）前記電極集電体の前記ユニットセル部分、（ｂｂ）前記セパレータ層、（ｃｃ）前記電極層の前記頂面、（ｄｄ）前記電極層の前記底面、（ｅｅ）前記電極層の前記第一端面、及び（ｆｆ）前記電極層の前記第二端面によってすべての側面に境界が接している、前記二次電池。

【請求項2】

前記二次電池が前記放電状態から前記充電状態まで充電されると、前記電極層は、１モルの電極活物質あたり１モル超のキャリアイオンを許容する容量を有する電極活物質層を含み、
前記充電状態は前記二次電池の定格容量の少なくとも７５％であり、前記放電状態は前記二次電池の前記定格容量の２５％未満である、請求項１に記載の二次電池。

【請求項3】

前記スペーサ構造体の集団は、スペーサ材料を含み、前記スペーサ材料は、前記二次電池が前記放電状態から前記充電状態まで充電されると、１モルのスペーサ材料あたり１モル未満のキャリアイオンというキャリアイオンを許容する容量を有し、
前記充電状態は前記二次電池の定格容量の少なくとも７５％であり、前記放電状態は前記二次電池の前記定格容量の２５％未満である、請求項１～２のいずれかに記載の二次電池。

【請求項4】

前記スペーサ構造体の集団は、ポリマー材料、電極活物質、電極集電体材料、対電極集電体材料、及びセパレータ材料のうちのいずれか１つ以上を含む、スペーサ材料を含む、請求項１～３のいずれかに記載の二次電池。

【請求項5】

前記スペーサ構造体の集団は、スペーサ材料を含み、
前記スペーサ材料は、フッ化ビニリデン、ヘキサフルオロプロピレン、テトラフルオロプロペンを含むモノマーに由来するフルオロポリマー、ポリオレフィン（ポリエチレン、ポリプロピレン、またはポリブテンなど）、エチレン－ジエン－プロペン三元共重合体、ポリスチレン、ポリメチルメタクリレート、ポリエチレングリコール、ポリ酢酸ビニル、ポリビニルブチラール、ポリアセタール、及びポリエチレングリコールジアクリレート、メチルセルロース、カルボキシメチルセルロース、スチレンゴム、ブタジエンゴム、スチレン－ブタジエンゴム、イソプレンゴム、ポリアクリルアミド、ポリビニルエーテル、ポリアクリル酸、ポリメタクリル酸、ポリアクリロニトリル、ポリフッ化ビニリデンポリアクリロニトリル、ポリエチレンオキシド、アクリレート類、スチレン類、エポキシ類、シリコン類、ポリビニリデンフルオリド－ｃｏ－ヘキサフルオロプロピレン、ポリビニリデンフルオリド－ｃｏ－トリクロロエチレン、ポリメチルメタクリレート、ポリアクリロニトリル、ポリビニルピロリドン、ポリ酢酸ビニル、ポリエチレン－ｃｏ－ビニルアセテート、ポリエチレンオキシド、酢酸セルロース、酢酸酪酸セルロース、酢酸プロピオン酸セルロース、シアノエチルプルラン、シアノエチルポリビニルアルコール、シアノエチルセルロース、シアノエチルスクロース、プルラン、カルボキシメチルセルロース、アクリロニトリル－スチレン－ブタジエン共重合体、ポリイミド、ポリビニリデンフルオリド－ヘキサフルオロプロピレン、ポリビニリデンフルオリド－トリクロロエチレン、ポリメチルメタクリレート、ポリアクリロニトリル、ポリビニルピロリドン、ポリ酢酸ビニル、エチレン酢酸ビニル共重合体、ポリエチレンオキシド、酢酸セルロース、酢酸酪酸セルロース、酢酸プロピオン酸セルロース、シアノエチルプルラン、シアノエチルポリビニルアルコール、シアノエチルセルロース、シアノエチルスクロース、プルラン、カルボキシメチルセルロース、アクリロニトリルスチレンブタジエン共重合体、ポリイミド、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリエステル、ポリアセタール、ポリアミド、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルスルホン、ポリフェニレンオキシド、ポリフェニレンスルフィド、ポリエチレンナフタレン、及び／またはそれらの共重合体の組み合わせのうちのいずれか１つ以上を含む、請求項４に記載の二次電池。

【請求項6】

前記スペーサ集団は、総容積の少なくとも０．１％、少なくとも０．２５％、少なくとも０．５％、及び／または少なくとも０．７５％、及び前記電極層の前記総容積Ｖｅの３５％未満、２５％未満、１０％未満及び／または５％未満を占める、請求項１～５のいずれかに記載の二次電池。

【請求項7】

前記スペーサ集団の部材は、前記電極層の各副容積内に位置しており、
前記電極層は、（ｉ）前記電極層の前記容積Ｖ_Ｅの少なくとも２０％、少なくとも１０％及び／または少なくとも５％を有し、（ｉｉ）（ａａ）前記電極集電体の前記ユニットセル部分、（ｂｂ）前記セパレータ層、（ｃｃ）前記電極層の前記頂面、（ｄｄ）前記電極層の前記底面、（ｅｅ）前記電極層の前記第一端面、及び（ｆｆ）前記電極層の前記第二端面によってすべての側面に境界が接している、請求項１～６のいずれかに記載の二次電池。

【請求項8】

前記二次電池は、前記電極層及び前記対電極層を有する一連の積層シートを含み、
前記積層方向は、第一方向にあり、前記電極層の前記高さＨ_Ｅは、前記積層方向に直交する第二方向において測定され、前記電極層の前記長さＬ_Ｅは、前記第二方向及び前記積層方向の両方に直交する第三方向において測定される、請求項１～７のいずれかに記載の二次電池。

【請求項9】

前記積層連続体の各ユニットセル内の前記スペーサ構造体の集団の部材は、前記積層方向における前記スペーサ構造体の集団の他の部材とアライメントされる、請求項８に記載の二次電池。

【請求項10】

前記二次電池は、少なくとも１つのユニットセルを含み、前記少なくとも１つのユニットセルは、前記ユニットセルの内側巻回部が前記ユニットセルの外側巻回部よりも小さい直径を有している状態で、内側領域の周りに連続して巻回され、前記内側領域からの半径が大きくなるにつれ前記ユニットセルの前記直径が大きくなる、請求項１～９のいずれかに記載の二次電池。

【請求項11】

前記積層連続体は、第一方向にあり、前記電極層の前記高さＨ_Ｅは、前記積層方向に直交する第二方向において測定され、前記電極層の前記長さＬ_Ｅは、前記二次電池の中央領域から前記二次電池の外側区間まで、前記電極層の巻回経路に対応する前記電極層の最長寸法に沿って測定される、請求項１０に記載の二次電池。

【請求項12】

前記ユニットセルの前記内側巻回部内に配置されるスペーサ構造体が前記ユニットセルの前記外側巻回部内のスペーサ構造体と前記積層方向においてアライメントされるように、前記スペーサ構造体の集団の部材はアライメントされる、請求項１０に記載の二次電池。

【請求項13】

前記電極層の前記最長寸法に沿って前記電極層内に配置されるスペーサ間の距離は、前記二次電池の前記内側領域から前記二次電池の前記外側領域までの半径が大きくなるにつれ大きくなる、請求項１２に記載の二次電池。

【請求項14】

前記スペーサ構造体の集団は、前記電極層の前記長さＬ_Ｅに沿って前記電極層内に配置される複数のスペーサ構造体を含む、請求項１～１３のいずれかに記載の二次電池。

【請求項15】

前記スペーサ構造体の集団は、前記電極層の周辺部に位置している単一のスペーサ構造体を含む、請求項１～１４のいずれかに記載の二次電池。

【請求項16】

前記スペーサ構造体の集団は、前記電極層の前記幅Ｗ_Ｅを通って前記電極集電体から前記セパレータ層まで延在する前記集団の１つ以上の部材を含む、請求項１～１５のいずれかに記載の二次電池。

【請求項17】

前記スペーサ構造体の集団が前記電極層の前記幅Ｗ_Ｅに沿って前記電極集電体層の第一表面から前記電極集電体層の前記第一表面に対向する前記セパレータ層の第一表面まで延在する範囲の中央値は、前記電極層の前記幅Ｗ_Ｅの６０％未満、５０％未満、４０％未満、及び／または２５％未満であり、前記電極層の前記幅Ｗ_Ｅの少なくとも２％、少なくとも３％及び／または少なくとも５％である、請求項１～１６のいずれかに記載の二次電池。

【請求項18】

第一隣接ユニットセル及び第二隣接ユニットセルを含み、前記第一隣接ユニットセル及び前記第二隣接ユニットセルはそれぞれ第一電極層及び第二電極層を含み、電極集電体を共有し、
前記第一隣接ユニットセル及び前記第二隣接ユニットセルの両方はそれらのそれぞれの前記第一電極層及び前記第二電極層内にスペーサ構造体の集団を含む、請求項１～１７のいずれかに記載の二次電池。

【請求項19】

前記第一隣接ユニットセル及び前記第二隣接ユニットセルは、前記共有された電極集電体を通って前記第一電極層及び前記第二電極層のそれぞれの中に延出する同じスペーサ構造体の集団を共有する、請求項１８に記載の二次電池。

【請求項20】

第一ユニットセル及び第二ユニットセルを含み、前記第一ユニットセル及び前記第二ユニットセルはそれぞれ第一電極層及び第二電極層を含み、それらのそれぞれの前記第一電極層及び前記第二電極層内にスペーサ構造体の第一集団、及びスペーサ構造体の第二集団を含み、
前記第一電極層内の前記スペーサ構造体の第一集団の位置は、前記第二電極層内の前記スペーサ構造体の第二集団の位置と積層方向においてアライメントされる、請求項１～１９のいずれかに記載の二次電池。

【請求項21】

前記スペーサ構造体の集団は、前記電極層と前記セパレータ層との間の界面に配置される、請求項１～２０のいずれかに記載の二次電池。

【請求項22】

前記スペーサ構造体の集団は、前記電極層と前記集電体層の前記表面との間の界面に配置される、請求項１～２１のいずれかに記載の二次電池。

【請求項23】

前記電極層は、７０％未満の空隙部、６０％未満の空隙部、２５％未満の空隙部、及び／または１０％以下の空隙部を、前記電極層の前記総容積Ｖ_Ｅのパーセンテージとして有する、請求項１～２２のいずれかに記載の二次電池。

【請求項24】

前記電極層内の前記電極活物質の導電性と前記電極層内の前記スペーサ集団のすべての部材の合計の導電性との比は、少なくとも２：１、少なくとも５：１、及び／または少なくとも５０：１である、請求項１～２３のいずれかに記載の二次電池。

【請求項25】

充電状態と放電状態との間を繰り返す二次電池のための電極接合体であって、
前記電極接合体はユニットセルの集団を含み、各ユニットセルは積層連続体では、電極集電体層のユニットセル部分、電極活物質を含む電極層、セパレータ層、対電極層、及び対電極集電体層のユニットセル部分を含み、
前記ユニットセルは、前記電極集電体の前記ユニットセル部分から前記対電極集電体の前記ユニットセル部分まで前記積層連続体の積層方向において測定される幅Ｗ_ｕｃを有し、
前記電極層は、前記電極層に隣接する前記電極集電体の前記ユニットセル部分から前記電極層に隣接する前記セパレータ層まで前記積層方向において測定される幅Ｗ_ｅ、前記積層方向に直交する第二方向において前記電極層の頂面から底面まで測定される高さＨｅ、ならびに前記積層方向及び前記高さ方向に直交する第三方向において、第一表面から第二表面まで測定される長さＬｅ、ならびに前記電極集電体の前記ユニットセル部分、前記セパレータ層、前記電極層の前記頂面、前記電極層の前記底面、前記電極層の第一端面、及び前記電極層の第二端面によって境界が定められる容積Ｖ_Ｅを有し、
前記電極層はスペーサ構造体の集団を含み、（ａ）前記スペーサ集団は前記電極層の前記容積Ｖ_Ｅの約０．１％から約３５％の範囲内の前記電極層内の総容積を占め、（ｂ）前記スペーサ集団の部材は、前記電極層の各副容積内に位置しており、
前記電極層は、（ｉ）前記電極層の前記容積Ｖ_Ｅの少なくとも２５％を有し、（ｉｉ）（ａａ）前記電極集電体の前記ユニットセル部分、（ｂｂ）前記セパレータ層、（ｃｃ）前記電極層の前記頂面、（ｄｄ）前記電極層の前記底面、（ｅｅ）前記電極層の前記第一端面、及び（ｆｆ）前記電極層の前記第二端面によってすべての側面に境界が接している、前記電極接合体。

【請求項26】

前記二次電池が前記放電状態から前記充電状態まで充電されると、前記電極層は、１モルの電極活物質あたり１モル超のキャリアイオンを許容する容量を有する電極活物質層を含み、
前記充電状態は前記二次電池の定格容量の少なくとも７５％であり、前記放電状態は前記二次電池の前記定格容量の２５％未満である、請求項２５に記載の電極接合体。

【請求項27】

前記スペーサ構造体の集団は、スペーサ材料を含み、前記スペーサ材料は、前記二次電池が前記放電状態から前記充電状態まで充電されると、１モルのスペーサ材料あたり１モル未満のキャリアイオンというキャリアイオンを許容する容量を有し、
前記充電状態は前記二次電池の定格容量の少なくとも７５％であり、前記放電状態は前記二次電池の前記定格容量の２５％未満である、請求項２５～２６のいずれかに記載の電極接合体。

【請求項28】

前記スペーサ構造体の集団は、スペーサ材料を含み、前記スペーサ材料は、ポリマー材料、電極活物質、電極集電体材料、対電極集電体材料、及びセパレータ材料のうちのいずれか１つ以上を含む、請求項２５～２７のいずれかに記載の電極接合体。

【請求項29】

前記スペーサ構造体の集団は、スペーサ材料を含み、
前記スペーサ材料は、フッ化ビニリデン、ヘキサフルオロプロピレン、テトラフルオロプロペンを含むモノマーに由来するフルオロポリマー、ポリオレフィン（ポリエチレン、ポリプロピレン、またはポリブテンなど）、エチレン－ジエン－プロペン三元共重合体、ポリスチレン、ポリメチルメタクリレート、ポリエチレングリコール、ポリ酢酸ビニル、ポリビニルブチラール、ポリアセタール、及びポリエチレングリコールジアクリレート、メチルセルロース、カルボキシメチルセルロース、スチレンゴム、ブタジエンゴム、スチレン－ブタジエンゴム、イソプレンゴム、ポリアクリルアミド、ポリビニルエーテル、ポリアクリル酸、ポリメタクリル酸、ポリアクリロニトリル、ポリフッ化ビニリデンポリアクリロニトリル、ポリエチレンオキシド、アクリレート類、スチレン類、エポキシ類、シリコン類、ポリビニリデンフルオリド－ｃｏ－ヘキサフルオロプロピレン、ポリビニリデンフルオリド－ｃｏ－トリクロロエチレン、ポリメチルメタクリレート、ポリアクリロニトリル、ポリビニルピロリドン、ポリ酢酸ビニル、ポリエチレン－ｃｏ－ビニルアセテート、ポリエチレンオキシド、酢酸セルロース、酢酸酪酸セルロース、酢酸プロピオン酸セルロース、シアノエチルプルラン、シアノエチルポリビニルアルコール、シアノエチルセルロース、シアノエチルスクロース、プルラン、カルボキシメチルセルロース、アクリロニトリル－スチレン－ブタジエン共重合体、ポリイミド、ポリビニリデンフルオリド－ヘキサフルオロプロピレン、ポリビニリデンフルオリド－トリクロロエチレン、ポリメチルメタクリレート、ポリアクリロニトリル、ポリビニルピロリドン、ポリ酢酸ビニル、エチレン酢酸ビニル共重合体、ポリエチレンオキシド、酢酸セルロース、酢酸酪酸セルロース、酢酸プロピオン酸セルロース、シアノエチルプルラン、シアノエチルポリビニルアルコール、シアノエチルセルロース、シアノエチルスクロース、プルラン、カルボキシメチルセルロース、アクリロニトリルスチレンブタジエン共重合体、ポリイミド、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリエステル、ポリアセタール、ポリアミド、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルスルホン、ポリフェニレンオキシド、ポリフェニレンスルフィド、ポリエチレンナフタレン、及び／またはそれらの共重合体の組み合わせのうちのいずれか１つ以上を含む、請求項２８に記載の電極接合体。

【請求項30】

前記スペーサ集団は、総容積の少なくとも０．１％、少なくとも０．２５％、少なくとも０．５％、及び／または少なくとも０．７５％、及び前記電極層の前記総容積Ｖｅの３５％未満、２５％未満、１０％未満及び／または５％未満を占める、請求項２５～２９のいずれかに記載の電極接合体。

【請求項31】

前記スペーサ集団の部材は、前記電極層の各副容積内に位置しており、
前記電極層は、（ｉ）前記電極層の前記容積Ｖ_Ｅの少なくとも２０％、少なくとも１０％及び／または少なくとも５％を有し、（ｉｉ）（ａａ）前記電極集電体の前記ユニットセル部分、（ｂｂ）前記セパレータ層、（ｃｃ）前記電極層の前記頂面、（ｄｄ）前記電極層の前記底面、（ｅｅ）前記電極層の前記第一端面、及び（ｆｆ）前記電極層の前記第二端面によってすべての側面に境界が接している、請求項２５～３０のいずれかに記載の電極接合体。

【請求項32】

前記電極接合体は、前記電極層及び前記対電極層を有する一連の積層シートを含み、
前記積層方向は、第一方向にあり、前記電極層の前記高さＨ_Ｅは、前記積層方向に直交する第二方向において測定され、前記電極層の前記長さＬ_Ｅは、前記第二方向及び前記積層方向の両方に直交する第三方向において測定される、請求項２５～３１のいずれかに記載の電極接合体。

【請求項33】

前記積層連続体の各ユニットセル内の前記スペーサ構造体の集団の部材は、前記積層方向における前記スペーサ構造体の集団の他の部材とアライメントされる、請求項３２に記載の電極接合体。

【請求項34】

前記電極接合体は、少なくとも１つのユニットセルを含み、前記少なくとも１つのユニットセルは、前記ユニットセルの内側巻回部が前記ユニットセルの外側巻回部よりも小さい直径を有している状態で、内側領域の周りに連続して巻回され、前記内側領域からの半径が大きくなるにつれ前記ユニットセルの前記直径が大きくなる、請求項２５～３３のいずれかに記載の電極接合体。

【請求項35】

前記積層連続体は、第一方向にあり、前記電極層の前記高さＨ_Ｅは、前記積層方向に直交する第二方向において測定され、前記電極層の前記長さＬ_Ｅは、前記電極接合体の中央領域から前記電極接合体の外側区間まで、前記電極層の巻回経路に対応する前記電極層の最長寸法に沿って測定される、請求項３４に記載の電極接合体。

【請求項36】

前記ユニットセルの前記内側巻回部内に配置されるスペーサ構造体が前記ユニットセルの前記外側巻回部内のスペーサ構造体と前記積層方向においてアライメントされるように、前記スペーサ構造体の集団の部材はアライメントされる、請求項３５に記載の電極接合体。

【請求項37】

前記電極層の前記最長寸法に沿って前記電極層内に配置されるスペーサ間の距離は、前記二次電池の前記内側領域から前記電極接合体の前記外側領域までの半径が大きくなるにつれて大きくなる、請求項３６に記載の電極接合体。

【請求項38】

前記スペーサ構造体の集団は、前記電極層の前記長さＬ_Ｅに沿って前記電極層内に配置される複数のスペーサ構造体を含む、請求項２５～３７のいずれかに記載の電極接合体。

【請求項39】

前記スペーサ構造体の集団は、前記電極層の周辺部に位置している単一のスペーサ構造体を含む、請求項２５～３８のいずれかに記載の電極接合体。

【請求項40】

前記スペーサ構造体の集団は、前記電極層の前記幅Ｗ_Ｅを通って前記電極集電体から前記セパレータ層まで延在する前記集団の１つ以上の部材を含む、請求項２５～３９のいずれかに記載の電極接合体。

【請求項41】

前記スペーサ構造体の集団が前記電極層の前記幅Ｗ_Ｅに沿って前記電極集電体層の第一表面から前記電極集電体層の前記第一表面に対向する前記セパレータ層の第一表面まで延在する範囲の中央値は、前記電極層の前記幅Ｗ_Ｅの６０％未満、５０％未満、４０％未満、及び／または２５％未満であり、前記電極層の前記幅Ｗ_Ｅの少なくとも２％、少なくとも３％及び／または少なくとも５％である、請求項２５～４０のいずれかに記載の電極接合体。

【請求項42】

第一隣接ユニットセル及び第二隣接ユニットセルを含み、前記第一隣接ユニットセル及び前記第二隣接ユニットセルはそれぞれ第一電極層及び第二電極層を含み、１つの電極集電体を共有し、
前記第一隣接ユニットセル及び前記第二隣接ユニットセルの両方はそれらのそれぞれの前記第一電極層及び前記第二電極層内にスペーサ構造体の集団を含む、請求項２５～４１のいずれかに記載の電極接合体。

【請求項43】

前記第一隣接ユニットセル及び前記第二隣接ユニットセルは、前記共有された電極集電体を通って前記第一電極層及び前記第二電極層のそれぞれの中に延出する同じスペーサ構造体の集団を共有する、請求項４２に記載の電極接合体。

【請求項44】

第一ユニットセル及び第二ユニットセルを含み、前記第一ユニットセル及び前記第二ユニットセルはそれぞれ第一電極層及び第二電極層を含み、それらのそれぞれの前記第一電極層及び前記第二電極層内にスペーサ構造体の第一集団、及びスペーサ構造体の第二集団を含み、
前記第一電極層内の前記スペーサ構造体の第一集団の位置は、前記第二電極層内の前記スペーサ構造体の第二集団の位置と積層方向においてアライメントされる、請求項２５～４３のいずれかに記載の電極接合体。

【請求項45】

前記スペーサ構造体の集団は、前記電極層と前記セパレータ層との間の界面に配置される、請求項２５～４４のいずれかに記載の電極接合体。

【請求項46】

前記スペーサ構造体の集団は、前記電極層と前記集電体層の前記表面との間の界面に配置される、請求項２５～４５のいずれかに記載の電極接合体。

【請求項47】

前記電極層は、少なくとも４０％の空隙部、少なくとも５０％の空隙部、少なくとも６０％の空隙部、少なくとも７５％の空隙部、及び／または少なくとも９０％の空隙部を、前記電極層の前記総容積Ｖ_Ｅのパーセンテージとして有する、請求項２５～４６のいずれかに記載の電極接合体。

【請求項48】

前記電極層内の前記電極活物質の導電性と前記電極層内の前記スペーサ集団のすべての部材の合計の導電性との比は、少なくとも２：１、少なくとも５：１、及び／または少なくとも５０：１である、請求項２５～４７のいずれかに記載の電極接合体。

【請求項49】

充電状態と放電状態との間を繰り返す二次電池の形成方法であって、
電極接合体、キャリアイオン、及び電池筐体内に非水系電解液を提供することであって、
前記電極接合体はユニットセルの集団を含み、各ユニットセルは積層連続体では、電極集電体層のユニットセル部分、電極活物質を含む電極層、セパレータ層、対電極層、及び対電極集電体層のユニットセル部分を含み、
前記ユニットセルは、前記電極集電体の前記ユニットセル部分から前記対電極集電体の前記ユニットセル部分まで前記積層連続体の積層方向において測定される幅Ｗ_ｕｃを有し、
前記電極層は前記電極層に隣接する前記電極集電体の前記ユニットセル部分から前記電極層に隣接する前記セパレータ層まで前記積層方向において測定される幅Ｗ_ｅ、前記積層方向に直交する方向において前記電極層の頂面から底面まで測定される高さＨ_Ｅ、ならびに前記積層方向及び前記高さ方向に直交する方向において第一表面から第二表面まで測定される長さＬｅ、ならびに前記電極集電体の前記ユニットセル部分、前記セパレータ層、前記電極層の前記頂面、前記電極層の前記底面、前記電極層の第一端面、及び前記電極層の第二端面によって境界が定められる容積Ｖｅを有し、
前記電極層はスペーサ構造体の集団を含み、（ａ）前記スペーサ集団は前記電極層の前記容積Ｖｅの約０．１％から約３５％の範囲内の前記電極層内の総容積を占め、（ｂ）前記スペーサ集団の部材は、前記電極層の各副容積内に位置しており、
前記電極層は、（ｉ）前記電極層の前記容積Ｖｅの少なくとも２５％を有し、（ｉｉ）（ａａ）前記電極集電体の前記ユニットセル部分、（ｂｂ）前記セパレータ層、（ｃｃ）前記電極層の前記頂面、（ｄｄ）前記電極層の前記底面、（ｅｅ）前記電極層の前記第一端面、及び（ｆｆ）前記電極層の前記第二端面によってすべての側面に境界が接している、
前記提供することと、
放電状態から充電状態まで前記二次電池を充電することを含む形成プロセスを実行することと、
を含む、前記方法。

【請求項50】

前記電極層は、前記形成プロセス前に固体電極活物質の第一容積、及び前記形成プロセス後に、前記第一容積より大きい固体電極活物質の第二容積を有し、
前記方法は、１％未満、０．５％未満、０．２５％未満及び／または０．１％未満である、前記形成プロセス前から前記形成プロセス後までの前記ユニットセルのＷ_ＵＣにおける変化に対して、前記電極層内の前記固体電極活物質の前記第一容積よりも少なくとも３％、少なくとも５％、少なくとも１０％、少なくとも２５％、少なくとも５０％、少なくとも７５％、及び／または少なくとも１００％大きい前記第二容積まで、前記電極層内の前記固体電極活物質の前記容積を増加させる前記形成プロセスを実行することを含む、請求項４９に記載の方法。

【請求項51】

前記形成プロセス中に、前記積層方向における前記電極接合体の成長を拘束する、及び／または前記電極接合体内の前記ユニットセルの集団のアライメントを維持する、電極拘束体セットを設けることをさらに含む、請求項４９～５０のいずれかに記載の方法。

【請求項52】

前記電極拘束体セットは前記積層方向における成長を拘束する、請求項５１に記載の方法。

【請求項53】

前記形成プロセスに次いで前記電極拘束体セットを除去することを含む、請求項５１～５２のいずれかに記載の方法。

【請求項54】

前記電極拘束体セットを前記二次電池の前記筐体内に設けることを含む、請求項５１～５３のいずれかに記載の方法。

【請求項55】

前記電極拘束体セットを前記二次電池の前記筐体の外側に設けることを含む、請求項５１～５４のいずれかに記載の方法。

【請求項56】

前記電極接合体は請求項２５～５０に記載のいずれかを含み、
前記二次電池は請求項１～２４に記載のいずれかを含む、請求項５１～５５のいずれかに記載の方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、一般に、エネルギー貯蔵装置で使用するための電極接合体を製造する方法、及び本明細書のそれらの方法に従って製造された電極接合体を含むエネルギー貯蔵装置に関する。

【背景技術】

【0002】

ロッキングチェア型またはインサーション型二次電池は、リチウム、ナトリウム、カリウム、カルシウム、またはマグネシウムのイオンなどのキャリアイオンが電解質を介して正極と負極との間を移動するエネルギー貯蔵装置のタイプである。二次電池は、単一の電池セル、または電気的に結合されて電池を形成する２つ以上の電池セルを含むことができ、各電池セルは、正極、負極、微多孔質セパレータ、及び電解質を含む。

【0003】

ロッキングチェア型電池セルでは、正極及び負極の両方は、キャリアイオンを挿入して抽出する材料を含む。セルが放電すると、キャリアイオンは負極から抽出され、正極内に挿入される。セルが充電されると、逆のプロセスが起こり、キャリアイオンは正極から抽出され、負極内に挿入される。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

キャリアイオンが電極間を移動する場合、永続的な課題の１つは、電池が繰り返し充電され放電すると、電極が膨張して収縮する傾向があるという事実にある。サイクル中の膨張及び収縮は、電極が膨張すると、電気的な短絡及び電池の不具合が発生することから、電池の信頼性及びサイクル寿命にとって問題となる傾向がある。発生する可能性のあるさらに別の問題は、例えば製造、使用、または輸送中の電池への物理的または機械的応力が原因で、電極アライメントが一致しなくなると、電池の短絡及び不具合となる可能性があることである。

【0005】

したがって、電池の信頼性及びサイクル寿命を向上させるために、電池サイクル中の電極の膨張及び収縮を制御する必要性が残っている。さらに、それらのような電池を製造するために、信頼できる効果的な手段の必要性が残っている。すなわち、電池のサイクル中に電極接合体の膨張が制御されている、電極接合体を含む電池を提供するための効率的な製造方法が必要である。

【課題を解決するための手段】

【0006】

したがって、簡単に言えば、本開示の一態様は、充電状態と放電状態との間を繰り返す二次電池に関する。この二次電池は、電池筐体、電極接合体、キャリアイオン、この電池筐体内の非水系電解液を含む。この二次電池では、電極接合体は、ユニットセルの集団を含み、各ユニットセルは積層連続体では、電極集電体層のユニットセル部分、電極活物質を含む電極層、セパレータ層、対電極層、及び対電極集電体層のユニットセル部分を含み、このユニットセルは、電極集電体のユニットセル部分から対電極集電体のユニットセル部分まで積層連続体の積層方向において測定される幅Ｗ_ｕｃを有し、電極層は、この電極層に隣接する電極集電体のユニットセル部分から電極層に隣接するセパレータ層まで積層連続体の積層方向において測定される幅Ｗ_Ｅ、積層方向に直交する第二方向において電極層の頂面から底面まで測定される高さＨ_Ｅ、ならびに積層方向及び高さ方向に直交する第三方向において第一表面から第二表面まで測定される長さＬ_Ｅ、ならびに電極集電体のユニットセル部分、セパレータ層、電極層の頂面、電極層の底面、電極層の第一端面、及び電極層の第二端面によって境界が定められる容積Ｖ_Ｅを有する。電極層は、電極活物質以外の材料を含むスペーサ構造体の集団を含み、（ａ）スペーサ集団は電極層の容積Ｖ_Ｅの約０．１％から約３５％の範囲内の電極層内の総容積を占め、（ｂ）スペーサ集団の部材は、電極層の各副容積内に位置しており、電極層は、（ｉ）電極層の容積Ｖ_Ｅの少なくとも２５％を有し、（ｉｉ）（ａａ）電極集電体のユニットセル部分、（ｂｂ）セパレータ層、（ｃｃ）電極層の頂面、（ｄｄ）電極層の底面、（ｅｅ）電極層の第一端面、及び（ｆｆ）電極層の第二端面によってすべての側面に境界が接している。

【0007】

本開示の別の態様は、充電状態と放電状態との間を繰り返す二次電池についての電極接合体に関する。この電極接合体は、ユニットセルの集団を含み、各ユニットセルは、積層連続体では、電極集電体層のユニットセル部分、電極活物質を含む電極層、セパレータ層、対電極層、及び対電極集電体層のユニットセル部分を含み、このユニットセルは、電極集電体のユニットセル部分から対電極集電体のユニットセル部分まで積層連続体の積層方向において測定される幅Ｗ_ｕｃを有し、電極層は、この電極層に隣接する電極集電体のユニットセル部分から電極層に隣接するセパレータ層まで積層方向において測定される幅Ｗ_ｅ、積層方向に直交する第二方向において電極層の頂面から底面まで測定される高さＨｅ、ならびに積層方向及び高さ方向に直交する第三方向において第一表面から第二表面まで測定される長さＬｅ、ならびに電極集電体のユニットセル部分、セパレータ層、電極層の頂面、電極層の底面、電極層の第一端面、及び電極層の第二端面によって境界が定められる容積Ｖ_Ｅを有する。電極層はスペーサ構造体の集団を含み、（ａ）スペーサ集団は電極層の容積Ｖ_Ｅの約０．１％から約３５％の範囲内の電極層内の総容積を占め、（ｂ）スペーサ集団の部材は、電極層の各副容積内に位置しており、電極層は、（ｉ）電極層の容積Ｖ_Ｅの少なくとも２５％を有し、（ｉｉ）（ａａ）電極集電体のユニットセル部分、（ｂｂ）セパレータ層、（ｃｃ）電極層の頂面、（ｄｄ）電極層の底面、（ｅｅ）電極層の第一端面、及び（ｆｆ）電極層の第二端面によってすべての側面に境界が接している。

【0008】

本開示のさらに別の態様は、充電状態と放電状態との間を繰り返す二次電池の形成方法に関する。この二次電池の形成方法は、電極接合体、キャリアイオン、及び電池筐体内の非水系電解液を提供することを含み、電極接合体はユニットセルの集団を含み、各ユニットセルは積層連続体では、電極集電体層のユニットセル部分、電極活物質を含む電極層、セパレータ層、対電極層、及び対電極集電体層のユニットセル部分を含み、このユニットセルは電極集電体のユニットセル部分から対電極集電体のユニットセル部分まで積層連続体の積層方向において測定される幅Ｗ_ｕｃを有し、電極層はこの電極層に隣接する電極集電体のユニットセル部分から電極層に隣接するセパレータ層まで積層方向において測定される幅Ｗ_ｅ、積層方向に直交する方向において電極層の頂面から底面まで測定される高さＨ_Ｅ、ならびに積層方向及び高さ方向に直交する方向において第一表面から第二表面まで測定される長さＬｅ、ならびに電極集電体のユニットセル部分、セパレータ層、電極層の頂面、電極層の底面、電極層の第一端面、及び電極層の第二端面によって境界が定められる容積Ｖｅを有する。電極層はスペーサ構造体の集団を含み、（ａ）スペーサ集団は電極層の容積Ｖｅの約０．１％から約３５％の範囲内の電極層内の総容積を占め、（ｂ）スペーサ集団の部材は、電極層の各副容積内に位置しており、電極層は、（ｉ）電極層の容積Ｖｅの少なくとも２５％を有し、（ｉｉ）（ａａ）電極集電体のユニットセル部分、（ｂｂ）セパレータ層、（ｃｃ）電極層の頂面、（ｄｄ）電極層の底面、（ｅｅ）電極層の第一端面、及び（ｆｆ）電極層の第二端面によってすべての側面に境界が接している。この方法は、二次電池を放電状態から充電状態まで充電することを含む形成プロセスを実行することをさらに含む。

【0009】

本開示の他の態様、特徴及び実施形態は、部分的には議論され、部分的には、以下の説明及び図面において明らかである。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1A】電極接合体を含む二次電池の一実施形態の斜視図である。

【図1B】電極接合体を含む二次電池の別の実施形態の斜視図である。

【図2A】電極接合体を含む二次電池のさらなる実施形態の斜視図及び断面図である。

【図2B】電極接合体を含む二次電池のさらなる実施形態の斜視図及び断面図である。

【図3A】電極接合体用の電極構造体、対電極構造体、及びセパレータ層を含む構造体の一実施形態の分解平面図である。

【図3B】図３Ａの電極接合体の構造体の実施形態の分解断面図である。

【図3C】積層構成での図３Ａ及び３Ｂの電極接合体の構造体の実施形態の断面図であり、さらに拘束体セットを含む。

【図4A】Ｙ－Ｘ平面で見た、電極接合体用の、電極集電体、電極層、セパレータ層及び対電極集電体を含む構造体の一実施形態の断面図である。

【図4B】Ｙ－Ｚ平面で見た、図４Ａの電極接合体の構造体の実施形態の断面図である。

【図4C】Ｙ－Ｚ平面で見た、電極接合体用の電極集電体、電極層、セパレータ層、及び対電極集電体を含み、電極層内にスペーサ構造体の集団を含む構造体の別の実施形態の断面図である。

【図5A】Ｙ－Ｘ平面で見た、電極接合体用の電極集電体、電極層、セパレータ層、及び対電極集電体を含み、電極層内にスペーサ構造体の集団を含む構造体の別の実施形態の断面図である。

【図5B】Ｙ－Ｘ平面で見た、図５Ａの電極接合体についての構造体の実施形態の断面図であり、電極層内の電極活物質の容積を増加させる形成プロセスに続く形成後の段階にある。

【図5C】Ｙ－Ｚ平面で見た、図５Ａの電極接合体についての構造体の実施形態の断面図である。

【図5D】Ｙ－Ｘ平面で見た、電極接合体用の電極集電体、電極層、セパレータ層、及び対電極集電体を含み、電極層内にスペーサ構造体の集団を含む構造体の別の実施形態の断面図である。

【図6】Ｙ－Ｘ平面で見た、電極接合体用の電極集電体、電極層、セパレータ層、及び対電極集電体を含み、電極層内にスペーサ構造体の集団を含む構造体の別の実施形態の断面図である。

【図7A】Ｙ－Ｘ平面で見た、第一及び第二ユニットセルの部分を含み、その第一及び第二電極層内にスペーサ構造体の集団を含む、電極接合体についての構造体の別の実施形態の断面図である。

【図7B】Ｙ－Ｘ平面で見た、第一及び第二ユニットセルの部分を含み、その第一及び第二電極層内にスペーサ構造体の集団を含む、電極接合体についての構造体の別の実施形態の断面図である。

【図7C】Ｙ－Ｘ平面で見た、第一及び第二ユニットセルの部分を含み、その第一及び第二電極層内にスペーサ構造体の集団を含み、共有された電極集電体を通過する、電極接合体についての構造体の別の実施形態の断面図である。

【図8A】電極接合体用の電極構造体及び／またはスペーサ層上に形成されるスペーサ構造体の各実施形態の平面図である。

【図8B】電極接合体用の電極構造体及び／またはスペーサ層上に形成されるスペーサ構造体の各実施形態の平面図である。

【図8C】電極接合体用の電極構造体及び／またはスペーサ層上に形成されるスペーサ構造体の各実施形態の平面図である。

【図8D】電極接合体用の電極構造体及び／またはスペーサ層上に形成されるスペーサ構造体の各実施形態の平面図である。

【図8E】電極接合体用の電極構造体及び／またはスペーサ層上に形成されるスペーサ構造体の各実施形態の平面図である。

【図8F】電極接合体用の電極構造体及び／またはスペーサ層上に形成されるスペーサ構造体の各実施形態の平面図である。

【図8G】電極接合体用の電極構造体及び／またはスペーサ層上に形成されるスペーサ構造体の各実施形態の平面図である。

【図8H】電極接合体用の電極構造体及び／またはスペーサ層上に形成されるスペーサ構造体の各実施形態の平面図である。

【図9】代表的な寸法及びその副容積を有する、電極層１１６の実施形態の概略図を示す。

【図10】代表的な寸法及びその副容積を有する、電極層１１６の実施形態の概略図を示す。

【図11A】巻回電極接合体の一実施形態の断面図（Ａ）であり、巻回電極接合体の第一及び第二ユニットセルの区間を示す、Ａの巻回電極接合体の拡大断面図である。

【図11B】巻回電極接合体の一実施形態の断面図（Ａ）であり、巻回電極接合体の第一及び第二ユニットセルの区間を示す、Ａの巻回電極接合体の拡大断面図である。

【図12】巻回電極接合体の別の実施形態の断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0011】

定義
本明細書で使用される場合、文脈上明らかに別段に示されない限り、「ａ」、「ａｎ」及び「ｔｈｅ」（すなわち、単数形）は、複数の指示対象を指す。例えば、一例では、「１つの電極（ａｎ ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ）」に対する指示対象は、単一の電極、及び複数の同様の電極の両方を含む。

【0012】

本明細書で使用される「約」及び「おおよそ」は、記載された値のプラスまたはマイナス１０％、５％、または１％を指す。例えば、一例では、約２５０μｍは、２２５μｍから２７５μｍを含む。さらなる例として、一例では、約１，０００μｍは、９００μｍから１，１００μｍを含む。別段に示されない限り、本明細書及び特許請求の範囲で使用される量（例えば、測定値など）などを表すすべての数値は、すべての場合において「約」という用語によって変更されるものとして理解されるべきである。したがって、それに反して指示されない限り、以下の明細書及び添付の特許請求の範囲に記載されている数値パラメータは近似値である。各数値パラメータは少なくとも、通常の丸め技術を適用することによって、報告される有効桁数を考慮して解釈されるべきである。

【0013】

二次電池の文脈で本明細書に使用される「アノード」は、二次電池の負極を指す。

【0014】

本明細書で使用される「アノード活性」は、二次電池のアノードでの使用に適した材料を意味する。

【0015】

二次電池の文脈で本明細書に使用される「カソード」は、二次電池の正極を指す。

【0016】

本明細書で使用される「カソード活性」は、二次電池のカソードでの使用に適した材料を意味する。

【0017】

二次電池の状態の文脈で本明細書に使用される「充電状態」は、二次電池がその定格容量の少なくとも７５％まで充電されている状態を指す。例えば、電池は、その定格容量の少なくとも８０％、その定格容量の少なくとも９０％、さらにはその定格容量の少なくとも９５％、例えばその定格容量の１００％まで充電されることができる。

【0018】

本明細書で使用される「Ｃレート」は、二次電池が充電される、または放電する速度の尺度を指し、電池がその公称定格容量を１時間で供給する、理論上の電流引き込みで放電電流が除算されたものとして定義される。例えば、１ＣのＣレートは、１時間で電池を放電させる放電電流を示し、２Ｃのレートは、１／２時間で電池を放電させる放電電流を示し、Ｃ／２のレートは、２時間で電池を放電させる放電電流を示すなど。

【0019】

二次電池の状態の文脈で本明細書に使用される「放電状態」は、二次電池がその定格容量の２５％未満まで放電している状態を指す。例えば、電池は、その定格容量の１０％未満など、その定格容量の２０％未満、さらにはその定格容量の０％など、その定格容量の５％未満まで放電することができる。

【0020】

充電状態と放電状態との間の二次電池のサイクルの文脈で本明細書に使用される「サイクル」は、電池を充電させて、及び／または放電させて、充電状態か放電状態かいずれかである第一状態から、第一状態の反対である第二状態（すなわち、第一状態が放電であった場合には充電状態、または第一状態が充電であった場合には放電状態）へのサイクルで電池を移行させてから、電池を第一状態に戻してサイクルを完了することを指す。例えば、充電状態と放電状態との間の二次電池の単一サイクルは、充電サイクル中にある場合、電池を放電状態から充電状態まで充電させてから、放電させて放電状態に戻し、サイクルを完了することを含むことができる。また、単一サイクルは、放電サイクル中にある場合、電池を充電状態から放電状態まで放電させてから、充電させて充電状態に戻し、サイクルを完了することを含むことができる。

【0021】

本明細書で使用される「Ｙ軸」、「Ｘ軸」、及び「Ｚ軸」は、相互に垂直な軸を指す（すなわち、それぞれが互いに直交している）。例えば、本明細書で使用される「Ｙ軸」、「Ｘ軸」、及び「Ｚ軸」は、三次元の態様または配向を規定するために使用されるデカルト座標系に類似している。そのようなものとして、本明細書における本発明の主題の要素の説明は、要素の三次元配向を説明するために使用される特定の一軸または複数の軸に限定されない。換言すれば、本発明の主題の三次元の態様を参照する場合、これらの軸は交換可能であることができる。

【0022】

本明細書で使用される「Ｙ方向」、「Ｘ方向」、及び「Ｚ方向」は、相互に垂直な方向を指す（すなわち、それぞれが互いに直交している）。例えば、本明細書で使用される「Ｙ方向」、「Ｘ方向」、及び「Ｚ方向」は、三次元の態様または配向を規定するために使用されるデカルト座標系のそれぞれＹ軸、Ｘ軸、及びＺ軸に概して平行であってもよい。

【0023】

二次電池の充電状態と放電状態との間のサイクルの文脈で本明細書に使用される「繰り返しサイクル」は、放電状態から充電状態まで、または充電状態から放電状態まで、１回より多いサイクルを繰り返すことを指す。例えば、充電状態と放電状態との間のサイクルを繰り返すことは、放電状態から充電状態まで充電させ、放電させて放電状態に戻し、再度、充電状態まで充電させ、最後に、放電させて放電状態に戻す際など、放電状態から充電状態まで少なくとも２回のサイクルを繰り返すことを含むことができる。さらに別の例として、充電状態と放電状態との間のサイクルを少なくとも２回繰り返すことは、充電状態から放電状態まで放電させ、充電させて充電状態まで戻し、再度、放電状態まで放電させ、最後に、充電させて充電状態まで戻すことを含むことができる。さらなる例として、充電状態と放電状態との間のサイクルを繰り返すことは、放電状態から充電状態まで、少なくとも５回のサイクル、さらには少なくとも１０回のサイクルを繰り返すことを含むことができる。さらなる例として、充電状態と放電状態との間のサイクルを繰り返すことは、放電状態から充電状態まで、少なくとも２５、５０、１００、３００、５００、さらには１０００回のサイクルを繰り返すことを含むことができる。

【0024】

二次電池の文脈で本明細書に使用される「定格容量」は、標準温度条件（２５℃）下で測定された、一定期間にわたって指定された電流を供給する二次電池の容量を指す。例えば、定格容量は、指定された時間に出力される電流を決定するか、指定された電流に、電流を出力することができる時間を決定するかいずれかによって、電流と時間の積をとる、アンペア時の単位で測定されることができる。例えば、定格２０アンペア時の電池の場合、定格電流が２アンペアに指定されると、電池は１０時間で電流が出力されるということを定めているものであることがわかることができ、反対に、定格の時間が１０時間に指定されると、電池は１０時間で２アンペアを出力するものであることがわかることができる。特に、二次電池の定格容量は、Ｃレートなどの指定された放電電流での定格容量として与えられることができ、Ｃレートは電池がその容量に対して放電する速度の尺度である。例えば、１ＣのＣレートは１時間で電池が放電する放電電流を示し、２Ｃは１／２時間で電池が放電する放電電流を示し、Ｃ／２は２時間で電池が放電する放電電流を示すなど。したがって、例えば、１ＣのＣレートで定格２０Ａｍｐ・ｈｒの電池は、１時間で２０Ａｍｐの放電電流を与えるが、２ＣのＣレートで定格２０Ａｍｐ・ｈｒの電池は、１／２時間で４０Ａｍｐの放電電流を与え、Ｃ／２のＣレートで定格２０Ａｍｐ・ｈｒの電池は、２時間で１０Ａｍｐの放電電流を与える。

【0025】

二次電池の電極接合体の文脈で本明細書に使用される「積層方向」は、電極接合体内の構造体が互いに対して積層される方向を指す。ある特定の実施形態によれば、積層方向は、電極接合体のユニットセル内の構造体間の最短距離に概して平行であってもよい。

【0026】

二次電池の電極接合体の文脈で本明細書に使用される「積層連続体」は、ユニットセル内のそれらの構造体（例えば、電極集電体のユニットセル部分、電極層、セパレータ層、対電極層、及び対電極層のユニットセル部分）、及び／または積層方向において電極接合体を横断する際に遭遇する、それらのような構造体の区間を指す。一実施形態によれば、角柱状電極接合体の場合、ユニットセルの積層連続体は、積層方向においてユニットセルの第一端部及びユニットセルの第二端部によって結合されるユニットセルの構造体を含む。別の実施形態によれば、巻回電極接合体の場合、ユニットセルの積層連続体は、積層方向においてユニットセルの第一端部及びユニットセルの第二端部によって結合されるユニットセルのそれらの区間に対応し、これらの区間は電極接合体の同じ巻回部内に位置している。

【0027】

本明細書で使用される「巻回電極接合体」は、電極及び対電極の構造体が電極接合体の内側領域の周りに巻回されることにより、電極接合体が複数の巻回部を含み、電極接合体の内側領域からの半径が大きくなるにつれて複数の巻回部のそれぞれの直径が大きくなる、電極接合体を指す。ある特定の実施形態によれば、巻回電極接合体は、巻回電極接合体の内側領域から外側領域までの半径Ｒに平行な方向に平行である積層方向を有し、巻回電極接合体内の１つ以上の電極層は、電極接合体の内側領域から電極接合体の外側領域まで、積層方向に平行な第一方向において測定される幅寸法Ｗ_Ｅ、積層方向に直交する第二方向において測定される高さ寸法Ｈ_Ｅ、ならびに積層方向及び第二方向に直交する第三方向において測定される長さ寸法Ｌ_Ｅを有する。一実施形態によれば、相互に直交する座標Ｒ（半径）、Ｚ（高さ）、及びＡ（方位角）を有する円筒座標で測定される場合、積層方向は半径Ｒに概して平行であり、第二方向はＺ方向（高さ方向）に概して平行であり、第三方向は電極接合体内の総巻回数についての角度方向Ａに沿って測定される。

【0028】

本明細書で使用される「円筒座標」は、基準軸として機能する、選択された原点からの高さ（Ｚ）、基準軸（Ｚ軸）からの距離Ｒ（半径）、及び角度位置または方位角Ａによって空間内での位置を指定する座標系を指し、Ｒ、Ｚ及びＡは相互に直交する座標である。

【0029】

本明細書で使用される「直交方向」は、選択された座標系において、互いに相互に垂直である方向を指す。例えば、デカルト座標系の場合、直交方向は、座標系のＸ、Ｙ及びＺ軸に平行な方向である。別の例として、円筒座標系の場合、直交方向は、相互に垂直なＲ（半径）、Ｚ（高さ）、及び方位角（Ａ）の座標に沿って規定される方向である。

【0030】

本明細書で使用される「角柱状電極接合体」は、積層方向に交互に積層された一連の層状シートを有する電極及び対電極の構造体を含む電極接合体を指す。ある特定の実施形態によれば、角柱状電極接合体は、Ｙ軸に平行な積層方向を有し、巻回電極接合体内の１つ以上の電極層は、積層方向に平行な第一方向において測定される幅寸法Ｗ_Ｅ、Ｚ軸に平行な第二方向において測定される高さ寸法Ｈ_Ｅ、及びＸ軸に平行な第三方向において測定される長さ寸法Ｌ_Ｅを有し、Ｘ、Ｙ及びＺは相互に直交するデカルト座標における軸を有する。

【0031】

巻回電極接合体に関して本明細書で使用される「巻回部」は、開始点から、円筒座標で方位角方向Ａに沿った開始点から３６０°回転する終了点まで延在するユニットセルのセグメントを含む。

【0032】

詳細な説明
一般に、本開示の態様は、例えば図１Ａに示されるように、充電状態と放電状態との間のサイクルを繰り返す、二次電池１０２などのエネルギー貯蔵装置１００、及びその製造方法を対象とする。二次電池１０２は、電池筐体１０４、電極接合体１０６、及びキャリアイオンを含み、そのうえ、電池筐体内に非水系電解液などの電解質を含むことができる。

【0033】

さらに、ある特定の実施形態では、本開示の態様は、電池、コンデンサ、燃料電池などのエネルギー貯蔵装置１００に組み込まれるときに特定の利点を提示することができる電極接合体１０６を提供する。一実施形態では、電極接合体１０６、及びこの電極接合体１０６を含む二次電池１０２は、電極接合体１０６を含む二次電池の充電及び／または放電中に本来であれば起こる可能性のある、電極の成長、膨潤、及び／または膨張のうちの少なくとも１つに対応するように選択される構成及び／または構造を有する。例えば、電極接合体１０６は、二次電池１０２が放電状態から充電状態まで最初に充電されると、初期形成段階中に起こる可能性のある電極の成長、膨潤、及び／または膨張に対応することができる。また、電極接合体１０６は、二次電池１０２のサイクル中に起こる可能性のある成長、膨潤及び／または膨張に対応するように構成されてもよい。

【0034】

ある特定の実施形態によれば、放電状態から充電状態に移行する際に、例えば、リチウム、ナトリウム、カリウム、カルシウム、及びマグネシウムのうちの１つ以上などのキャリアイオンは、電池の正極と負極との間を移動する。次に、キャリアイオンは、電極に達すると、電極材料内でインターカレートする、または合金化することで、その電極のサイズ及び容積が増加することがある。反対に、充電状態から放電状態に移行することを逆にすると、イオンがデインターカレートすることで、または脱合金化することで、電極が収縮することができる。この合金化及び／またはインターカレーション、及び脱合金化及び／またはデインターカレーションは、電極における著しい容積変化をもたらすことができる。さらに別の実施形態では、電極からのキャリアイオンの輸送は、例えば、残りの材料層（例えば、ＬＣＯ及びいくつかの他の材料を含む）の静電反発を増加させることによって、電極のサイズを増加させることができる。二次電池１０２内の膨潤を引き起こすことができる他の機構は、例えば、電極上でのＳＥＩの形成、電解質及び他の構成成分の分解、さらにはガスの形成を含むことができる。一実施形態では、二次電池が放電状態から充電状態まで充電されると、充電状態が二次電池の定格容量の少なくとも７５％であり、放電状態が二次電池の定格容量の２５％未満である場合、電極は、１モルの電極活物質あたり１モル超のキャリアイオンを許容する容量を有する電極活物質層を含むことができるため、電極及び／または電極接合体１０６の膨潤を引き起こす。したがって、充電及び放電時に電極が膨張及び収縮を繰り返すだけでなく、他の膨潤機構により、電極接合体１０６にひずみが生じることがあることで、性能が低下し、最終的には二次電池の不具合さえもたらす可能性がある。

【0035】

さらに、二次電池を放電状態から充電状態まで充電させる初期充電プロセスによって、二次電池を最初に形成するために実行される初期形成プロセスでは、同様の機構により、例えば形成プロセス中に電極活物質が成長する、及び／または膨潤することなどが原因で、電極接合体が膨潤することができることで、電極接合体内にひずみが生じることがある。すなわち、電極接合体１０６を含む二次電池１０２の製造中に、二次電池１０２の少なくとも１回の初期充電サイクルを含む初期形成プロセスを実行することができ、このプロセスを、電流、温度及び持続時間のうちの１つ以上を含む注意深く制御された条件下で実行し、二次電池１０２の構成要素間の所望の構造及び接触の形成を促進することができる。初期形成プロセスは、特定の電池構造及び組成に応じて、単一の初期充電サイクルのみを含んでもよい、または複数の充電サイクル（例えば、１回以上のサイクルでの二次電池の充電及び放電）を含んでもよい。一実施形態では、初期形成プロセスは、一連の部分充電及び／または放電サイクルを含むことができる。これら一連の部分充電及び／または放電サイクルは、例えば、二次電池を少なくとも部分的に充電させる（例えば、全容量の１０％まで充電させる）充電プロセスなどであり、その充電プロセス後、形成される二次電池の特性に応じて、二次電池を少なくとも部分的に放電させる（例えば、全容量の５％まで放電させる）後続の放電プロセスが続き、その後、二次電池を少なくとも部分的に、さらには完全に充電させるさらなる充電プロセス、及び／またはさらなる充電及び／または放電プロセスが続くことができる。一実施形態によれば、初期形成プロセスは、二次電池１０２をそのフルパワー及び／または全容量にする製造中の最終段階として実行されることができる。

【0036】

図３Ａ～３Ｃを参照すると、ある特定の実施形態によれば、スペーサ構造体４００の集団は、形成プロセス中に起こる可能性のある電極の成長に少なくとも部分的に対応するために、電極接合体１０６の一部として設けられることができる。ある特定の実施形態によれば、スペーサ構造体４００の集団は、電極活物質と、隣接するセパレータ層１３０などの隣接する構造体との間の空隙及び／または空間を画定するように、電極活物質層１２５内、及び／または電極活物質層１２５の周りなど、電極層１１６内の膨張する電極活物質に対して位置決めされることができる。一実施形態では、空隙及び／または空間は、形成段階中などに電極活物質が成長することができる容積を提供することができることにより、電極接合体１０６に過度のひずみを生じることなく、電極活物質の膨張を可能にする。その結果、ある特定の実施形態では、電極接合体１０６内にスペーサ構造体４００の集団を設けることによって、形成プロセス中、及び／または二次電池１０２の充電状態と放電状態との間のサイクルの繰り返し中に発生することがある、電極活物質の膨張による、その中の構造体のひずみ及び／または変形が少なくなることを示す、二次電池１０２が形成されることができる。

【0037】

再び図１Ａ及び１Ｂ、ならびに図３Ｂを参照すると、一実施形態では、電極接合体１０６は、電極構造体１１０の集団、対電極構造体１１２の集団、及び対電極構造体１１２から電極構造体１１０を電気的に絶縁する電気絶縁用セパレータ１３０を含む。これらの図中に示されるように、電極構造体１１０、対電極構造体１１２、及び電気絶縁用セパレータ１３０は、交互配置の一連の積層された層を含むことができる。一実施形態では、電極構造体１１０の集団は、電極集電体１１４の集団、及び電極活物質を含むことができる電極層１１６の集団を含むことができる。電極層１１６の集団は、例えば、電極集電体１１４の対向する側面に配置される第一及び第二電極層１１６ａ、１１６ｂを含むことができる。対電極構造体１１２の集団は、対電極集電体１１８の集団、及び対電極活物質を含むことができる対電極層１２０の集団を含むことができる。対電極層１２０の集団は、例えば、対電極集電体１１８の対向する側面に配置される第一及び第二対電極層１２０ａ、１２０ｂを含むことができる。

【0038】

ある特定の実施形態によれば、電極接合体１０６は、複数の異なるサイズ、形状、及び構成を含むことができる。例えば、図１Ａ及び１Ｂを参照すると、一実施形態では、電極接合体は、第一方向（例えば、Ｙ軸に平行な）内にある積層方向に積層される一連の積層シートを含む一連の電極及び対電極の構造体１１０、１１２を含む。図１Ａに示されるような実施形態では、電極層１１６を含む電極構造体１１０は、積層方向に直交する（例えば、Ｚ軸に平行な）第二方向において測定される高さ寸法Ｈ_Ｅ、ならびに積層方向及び第二方向に直交する（例えば、Ｘ軸に平行な）第三方向において測定される長さ寸法Ｌ_Ｅ、ならびに積層方向（例えば、Ｙ軸に平行な）に沿って測定される幅寸法Ｗ_Ｅを有する（例えば、図３Ｂを参照する）。図１Ｂに示されるような実施形態では、電極層１１６を含む電極構造体１１０は、図１Ａのその高さの半分である高さ寸法Ｈ_Ｅを有する。

【0039】

図２Ａ、２Ｂ及び１１Ａ～１１Ｂを参照すると、電極接合体１０６の一実施形態が示され、電極及び対電極構造体１１０、１１２は、複数の巻回部またはターン２０５を有する巻回電極接合体１０６内に構成され、この巻回電極接合体１０６では、電極及び対電極のシート１１０、１１２は、電極接合体１０６の内側領域２００から電極接合体１０６の外側領域２０２まで渦巻形状に巻回される。巻回電極接合体の各巻回部２０５は、開始点２０７ａから、方位角方向Ａ（例えば、円筒座標での）に沿った開始点から３６０°回転する終了点２０７ｂまで延在するユニットセルのセグメントを含む。この実施形態によれば、電極構造体１１０は、電極層１１６を含み、これらの電極層１１６は、Ｚ軸に平行な測定される高さ寸法Ｈ_Ｅ、積層方向において測定される幅寸法Ｗ_Ｅを有し、この幅寸法は、巻回構成の場合、電極接合体１０６の内側領域２００から電極接合体１０６の外側領域２０２までの半径Ｒに概ね平行な方向に対応し、この半径Ｒに沿って一連の巻回部２０５ａ、２０５ｂが遭遇する。さらに、示される実施形態では、電極接合体のＲに沿った積層方向は、Ｚ軸に直交する方向にある。すなわち、一実施形態によれば、積層連続体８００は、積層方向Ｒ内に積層され、電極層１１６の高さＨｅは、積層方向Ｒに直交する第二方向（例えば、Ｚ方向）内で測定される。一実施形態によれば、巻回電極層１１６の長さ寸法Ｌ_Ｅは、積層方向及び第二方向に直交する第三方向において測定され、この第三方向は、電極接合体の内側領域から電極接合体の外側領域までの、電極接合体内の総巻回数について角度及び／または方位角方向Ａ（例えば、円筒座標では）に沿って測定される。一実施形態では、巻回電極層の長さＬ_Ｅは、内側領域２００から外側領域２０２までの巻回電極の渦巻状経路２０８に沿った電極層１１６の全長であり、この渦巻状経路の方向Ｔは、渦巻状経路２０８に沿った各点でＺ軸及び積層方向Ｒに直交している。図２Ａに示される実施形態では、電極接合体１０６は、Ｚ軸に沿って卵円型の形状を有するように見える断面を有する。図２Ｂに示される実施形態では、電極接合体１０６は、Ｚ軸に沿って円形型の形状を有するように見える断面を有する。

【0040】

図１Ａ～１Ｂ及び図３Ａ～３Ｂを参照すると、一実施形態によれば、電極接合体１０６は、ユニットセル５００の集団を含み、各ユニットセル５００は、積層連続体８００では、電極集電体層１１４のユニットセル部分、電極層１１６、セパレータ層１３０、対電極層１２０、及び対電極集電体層１１８のユニットセル部分を含む。図３Ａ～３Ｃを参照すると、一実施形態では、ユニットセル５００は、電極集電体層１１４のユニットセル部分及び対電極集電体層１１８のユニットセル部分、電極集電体層１１４の１つの側面に配置される電極構造体１１０の第一電極層１１６ａ、ならびに電極集電体層１１４に対向する対電極集電体層１１８の１つの側面に配置される対電極構造体１１２の第一対電極層１２０ａを含む。ユニットセル内の電極及び対電極層は、電極層がセパレータ１３０の第一側面１３３ａに近接し、第一対電極材料層がセパレータ１３０の対向する第二側面１３３ｂに近接するように配置されてもよい。ある特定の実施形態によれば、セパレータ１３０は、電極層１１６をユニットセル５００内の対電極層１２０から電気的に絶縁することができ、ユニットセルを含む電極接合体が電池の充電状態と放電状態との間のサイクルの繰り返し中に、二次電池の一部として使用される場合には、キャリアイオンは、ユニットセル内で電極層１１６と対電極層１２０との間のセパレータ１３０を介して主に交換されることができる。

【0041】

さらに、ある特定の実施形態によれば、電極集電体層及び／または対電極集電体層のユニットセル部分は、それらの間に電流を供給して電極集電体層及び／または対電極集電体層のユニットセル部分間の電子の移動を促進するなどの際に、ユニットセル内の電気化学反応に関与するその部分である。例えば、図１Ａを参照すると、第一ユニットセル５００ａは、ユニットセル５００ａ内の電気化学反応に関与する電極集電体１１４のユニットセル部分を含むが、隣接する第二ユニットセル５００ｂは、第二ユニットセル５００ｂ内の電気化学反応に関与する共有電極集電体１１４のそのユニットセル部分を含む。例えば、集電体のユニットセル部分は、図４Ａに示されるような実施形態では、Ｙ方向におけるＸＺ平面に沿って分割される集電体の半分であってもよい、または電極接合体１０６の構成及び他の特性に応じて異なる構成を有してもよい。

【0042】

ユニットセル５００内の積層連続体８００は、ユニットセル５００内のそれらの構造体（例えば、電極集電体のユニットセル部分、電極層、セパレータ層、対電極層、及び対電極層のユニットセル部分）、及び／または積層方向において電極接合体を横断する際に遭遇する、それらのような構造体の区間を含む。積層方向は、電極接合体内の構造体が互いに対して積層される方向である。ある特定の実施形態によれば、積層方向は、電極接合体のユニットセル内の構造体間の最短距離に概して平行であってもよい。例えば、図１Ａ及び１Ｂの角柱状電極接合体の場合、積層方向は、電極層１１６が互いに対して積層される方向である軸Ｙに平行であり、積層連続体８００は、軸Ｙに沿って移動するときに遭遇するユニットセルのそれらの部材、すなわち、電極集電体１１４のユニットセル部分、電極層１１６、セパレータ層１３０、対電極層１２０、及び対電極集電体１１８のユニットセル部分を含む。したがって、この実施形態でのユニットセル５００の積層連続体８００は、Ｙ方向における電極集電体１１４のユニットセル部分及び対電極集電体のユニットセル部分によって境界が定められる。図２Ａ及び２Ｂの巻回電極接合体の実施形態では、図１１Ａ～１１Ｂにも示されるように、積層方向は、電極接合体１０６の内側領域２００から電極接合体１０６の外側領域２０２までの方向Ｒに平行であり、各外側巻回部２０５ｂがより内側の巻回部２０５の頂部上に積層される方向である。その結果、この実施形態の電極接合体１０６の積層連続体８００は、方向Ｒに沿って移動するときに遭遇するユニットセルのそれらの部材、すなわち、電極集電体１１４のユニットセル部分、電極層１１６、セパレータ層１３０、対電極層１２０、及び対電極集電体１１８のユニットセル部分を含む。したがって、この実施形態での個別のユニットセル５００のそれぞれの積層連続体８００は、電極接合体の同じ巻回部２０５内の方向Ｒに沿う、電極集電体１１４のユニットセル部分の区間、及び対電極集電体のユニットセル部分の区間によって境界が定められる。

【0043】

一実施形態によれば、ユニットセル５００は、角柱状電極接合体内のユニットセル５００の実施形態を示す、例えば図３Ｂ、及び図４～６に示されるような、電極集電体１１４のユニットセル部分から対電極集電体１１８のユニットセル部分まで、積層連続体８００の積層方向において測定される幅Ｗ_ＵＣを有する。さらに、渦巻状巻回電池の場合、図１１Ａ～１１Ｂに示されるように、電極接合体の巻回経路２０８に沿ったユニットセル５００の任意の巻回部２０５で測定される幅Ｗ_ＵＣは、積層方向における最も近い電極集電体及び対電極集電体の隣接区間５０２（例えば、巻回経路２０８の積層方向Ｒに沿った同じ巻回部２０５内のそれらの区間５０２）を含むユニットセル内の積層連続体について測定される、電極集電体１１４のユニットセル部分から対電極集電体１１８のユニットセル部分まで積層方向Ｒに沿った幅に対応する。

【0044】

さらに別の実施形態によれば、電極層１１６は、電極層１１６に隣接する電極集電体１１４のユニットセル部分から電極層１１６に隣接するセパレータ層１３０まで、積層方向において測定される幅Ｗ_ｅを有する。図３Ｂ及び図４～６に示される実施形態を参照すると、角柱状電極接合体の場合、幅Ｗ_Ｅは、積層方向における、電極集電体層１１４の第一表面１１５ａとセパレータ層１３０の対向する第一表面１３１ａとの間で測定されたものである。同様に、渦巻状巻回電池の場合、図１１Ａ～１１Ｂに示されるように、電極接合体の巻回経路２０８に沿ったいずれかの巻回部２０５について測定される幅Ｗ_Ｅは、積層方向における最も近い電極集電体及びセパレータの隣接区間（例えば、電極接合体の巻回経路２０８の同じ巻回部２０５内のそれらの区間５０２）を含む積層連続体について測定される、電極集電体１１４のユニットセル部分から電極層１１６に隣接するセパレータ層１３０まで積層方向Ｒに沿った幅に対応する。

【0045】

実施形態によれば、電極層１１６は、積層方向に直交する方向において、電極層１１６の頂面１１９ａから底面１１９ｂまで測定される高さＨｅをさらに含む。角柱状電極接合体の実施形態を示す図１Ａ及び１Ｂを参照すると、高さＨ_Ｅは、電極層１１６の頂面１１９ａから底面まで、Ｙ内の積層方向に直交するＺ方向に対して平行に測定される寸法であってもよい。図１Ａ及び１Ｂに示されるように、高さＨ_Ｅは、Ｘ方向に沿って測定される長さ方向Ｌ_Ｅにさらに直交しており、図１Ｂに示される実施形態では、長さＬ_Ｅは、電極層１１６の最長寸法に沿って測定される。図２Ａ～２Ｂに示されるような、渦巻状巻回電極接合体の実施形態を参照すると、高さＨ_Ｅは、Ｒ内の積層方向に直交するＺ方向に対して平行に測定される寸法であってもよい。

【0046】

ある特定の実施形態によれば、電極層１１６の頂面１１９ａ及び底面１１９ｂは、積層方向に直交する方向における電極層の端部にある、電極構造体の幅Ｗ_Ｅ内の任意の物理的構造体の表面と同一の広がりをもつ。例えば、形成後の電極接合体の一実施形態では、頂面及び底面１１９ａ、１１９ｂは、図１Ａ及び１Ｂに示されるように、電極層１１６内の電極活物質層１２５の端面を含むことができる。別の例として、一実施形態では、スペーサ構造体が電極層１１６の周辺部の周りに配置され、電極活物質層１２５が周辺のスペーサ構造体（複数可）の内部に配置される（例えば、図５Ｃに示されるような）場合などには、頂面及び底面１１９ａ、１１９ｂは、スペーサ構造体の頂面及び底面を含み、これらスペーサ構造体の頂面及び底面は、電極層１１６のそれぞれ頂端部及び底端部に配置されることができる。さらに別の例として、形成前の電極接合体では、例えば図４Ｂに示されるように、空隙部１２６は電極活物質層１２５とセパレータとの間に存在してもよく、頂面及び底面１１９ａ、１１９ｂは、電極層１１６内の電極活物質層１２５の端面と同一の広がりをもつ。したがって、高さＨ_Ｅは、それらの頂面１１９ａと底面１１９ｂとの間で測定される寸法である（例えば、図４Ｂに示されるように）。同様に、一実施形態では、スペーサ構造体が電極層１１６の周辺部の周りに配置され、電極活物質層１２５及び空隙部１２６が周辺のスペーサ構造体（複数可）の内部に配置される（例えば、図５Ａ及び５Ｃに示されるような）場合などには、頂面及び底面１１９ａ、１１９ｂは、電極層１１６のそれぞれ頂端部及び底端部に配置されるスペーサ構造体４００の頂面及び底面と同一の広がりをもつ。

【0047】

本明細書の実施形態によれば、電極層１１６は、積層方向及び高さ方向に直交する方向において、第一端面１２１ａから第二端面１２１ｂまで測定される長さＬｅをさらに有する。角柱状電極接合体の一実施形態を示す図１Ａを参照すると、長さＬ_Ｅは、電極層１１６の第一端面１２１ａから第二端面１２１ｂまで、Ｙ内の積層方向及び高さ方向Ｚに直交するＸ方向に対して平行に測定される寸法であってもよい。角柱状電極接合体の別の実施形態を示す図１Ｂを参照すると、長さＬ_Ｅは、電極層１１６の第一端面１２１ａから第二端面１２１ｂまで、Ｙ内の積層方向及びＸ方向に直交する、示されるようなＺ方向に対して平行に測定される寸法であってもよい。図２Ａ～２Ｂに示されるような巻回電極接合体の実施形態を参照すると、長さＬ_Ｅは、電極接合体１０６の内側領域２００での第一端面１２１ａから外側領域２０２での第二端面１２１ｂまでの巻回電極の渦巻状経路２０８に沿って測定される、電極層１１６の全範囲であってもよく、この渦巻状経路の方向Ｔは、渦巻状経路に沿った各点でＺ軸及び積層方向Ｒに直交している。すなわち、ある特定の実施形態による巻回電極層１１６の長さＬ_Ｅは、Ｚ軸及び積層方向に直交する方向Ｔ内の巻回経路内のすべての点に沿って測定される電極層１１６の全範囲であることができる。

【0048】

一実施形態によれば、長さＬ_Ｅは、電極層１１６の最長寸法、例えば、図１ＢのＸ軸に平行である寸法Ｌ_Ｅに対応することができ、これは、図示されるように、寸法Ｗ_ＥまたはＨ_Ｅよりも大きな範囲を有するため、「最長」の寸法である。例えば図１Ａに示されるようなものなど、別の実施形態では、電極層の２つの寸法が等しい場合、長さＬ_Ｅは、Ｘ方向に沿った寸法であるように選択されることができ、高さＨ_ＥはＺ方向に沿って測定されるが、電極層１１６の側面のサイズが等しい場合、そのような実施形態では、Ｘ及びＺ方向が交換可能であってもよいことが図１Ａからわかることができる。最後に、図２Ａ～２Ｂに示されるような巻回の実施形態では、最長寸法は、渦巻状経路に沿って方向Ｔ内に巻回される寸法に等しい。例えば、図２Ａ～２Ｂに示されるような巻回電極１１６が図１Ａ～Ｂに示されるような平坦化された実施形態に巻き出された場合、方向Ｔ内の渦巻状経路に沿った寸法は、Ｘ方向に平行な方向において測定される高さ寸法Ｈ_Ｅ、またはＹ軸に平行な方向において（例えば、巻回構成の場合には方向Ｒ内で）測定される電極層の幅寸法Ｗ_Ｅよりも大きい。したがって、ある特定の実施形態における巻回電極１１６の長さＬ_Ｅは、巻回電極接合体１０６を形成するまで巻回される電極層の寸法に対応する電極の最長寸法を有してもよい。

【0049】

一実施形態によれば、電極層１１６の第一及び第二端面１２１ａ、１２１ｂは、これらを使用して電極層１１６の長さＬ_Ｅを規定することができるため、長さ方向Ｌｅ内の電極層の両方の端部にある電極構造体の幅Ｗ_Ｅ内の任意の物理的構造体の表面と同一の広がりをもつ。例えば、形成後の電極接合体では、第一及び第二端面１２１ａ、１２１ｂは、電極層１１６内の電極活物質層１２５の端面を含むことができる。別の例として、一実施形態では、スペーサ構造体が電極層１１６の周辺部の周りに配置され、電極活物質層１２５が周辺のスペーサ構造体（複数可）の内部に配置される（例えば、図５Ｂに示されるような）場合などには、第一及び第二端面１２１ａ、ｂは、スペーサ構造体の端面を含み、これらスペーサ構造体の端面は電極層１１６のそれぞれ第一及び第二端部に配置されることができる。さらに別の例として、形成前の電極接合体では、例えば図４Ａに示されるように、空隙部１２６は電極活物質層１２５とセパレータとの間に存在してもよく、第一及び第二端面１２１ａ、１２１ｂは、電極層１１６内の電極活物質層１２５の端面と同一の広がりをもつ。同様に、一実施形態では、スペーサ構造体が電極層１１６の周辺部の周りに配置され、電極活物質層１２５及び空隙部１２６が周辺のスペーサ構造体（複数可）の内部に配置される（例えば、図５Ａに示されるような）場合などには、第一及び第二端面１２１ａ、１２１ｂは、電極層１１６のそれぞれ第一及び第二端部に配置されるスペーサ構造体の端面と同一の広がりをもつ。

【0050】

さらに別の実施形態によれば、電極集電体１１４及び／またはセパレータ層１３０の間に不規則な、または鋸歯状の界面を有する電極層１１６についての電極層１１６の幅Ｗ_Ｅを決定することができる。そのような不規則な界面は、例えば、セパレータ材料及び／または電極集電体材料の部分が電極層１１６内に延出する場合、例えば図４Ｃまたは他の構成などに示されるような、セパレータ材料及び／または電極集電体材料の一部分がスペーサ構造体４００として機能する場合などに、存在することができる。鋸歯状の、または不規則な界面が存在する、そのような実施形態では、幅Ｗ_Ｅは、電極層１１６に隣接する電極集電体１１４のユニットセル部分と、電極集電体のユニットセル部分から電極層の対向する側面の電極層１１６に隣接するセパレータ層との間で、電極集電体及び／またはセパレータの表面１１５ａ、１３１ａのうちの１つ以上を特定する第一及び第二境界面１２３ａ及び１２３ｂのうちの１つ以上を設置することによって測定されることができる。すなわち、電極集電体１１４の第一表面１１５ａ、及びセパレータ層１３０の第一表面１３１ａのうちの１つ以上は、電極集電体層１１４及び／またはセパレータ層１１３と電極層１１６との間の界面を特定する境界面１２３ａ、１２３ｂに応じて画定されることができる（例えば、図３Ｂのように）。例えば、一実施形態によれば、電極集電体層１１４のユニットセル部分の第一表面１１５ａとして設置される第一境界面１２３ａは、（ｉ）第一境界面と、ユニットセルの積層連続体内の第一境界面に平行であり、セパレータ層１３０から離れる方向における第一境界面の第二側面にある任意の他の平面との内の領域の少なくとも８０％が電極集電体材料を含み、（ｉｉ）ユニットセルの積層連続体内のセパレータに向けて第一境界面の第一側面の第一境界面に平行な任意の他の平面の領域が電極集電体材料の８０％未満を含む、平面として画定されてもよい。すなわち、電極集電体の境界面（第一表面）は、セパレータから電極集電体まで移動する際に、ユニットセル内の積層方向に沿ったその位置に対応するように設置されてもよく、その位置では、平面内で遭遇する材料の少なくとも８０％は、積層方向に直交する方向では、集電体材料である。理解されることができるように、さらなる実施形態では、境界面（第一表面）は、要件（ｉ）では少なくとも９０％の領域（複数可）が集電体材料である、及び／または少なくとも９５％の領域（複数可）が集電体材料である、及び／または少なくとも９８％の領域（複数可）が集電体材料である場合に設置されることができる。したがって、集電体層１１４と電極層１１６との間の界面が比較的平らである、及び／または滑らかである場合、第一表面１１５ａが境界面に等しいことがわかることが可能であってもよく、この境界面内の１００％の材料が電極集電体であるが、セパレータ層に向かう境界面の第一側面のいかなる平面も境界面内に電極集電体をほとんど、またはまったく含まない。すなわち、本明細書の実施形態によれば、本明細書で画定される境界面は、電極集電体と電極層１１６との間の界面が比較的鋸歯状である、及び／または不均一である構造体だけでなく、界面がより明確に画定される構造体に対して設置されることができる。

【0051】

同様に、セパレータ１３０の第一表面１３１ａとして設置される第二境界面１２３ｂは、平面であってもよく、その場合（ｉ）第二境界面と、ユニットセルの積層連続体内の第二境界面に平行であり、ユニットセル内の電極集電体１１４から離れる方向における第二境界面の第一側面にある任意の他の平面との内の少なくとも８０％の領域はセパレータ材料を含み、（ｉｉ）ユニットセルの積層連続体内の電極集電体１１４に向かう第二境界面の第二側面の第二境界面に平行な任意の他の平面の領域は８０％未満のセパレータ材料を含む、すなわち、セパレータ層の境界面（第一表面）は、電極集電体からセパレータまで移動する際に、ユニットセル内の積層方向に沿ったその位置に対応するように設置されてもよく、その位置では、積層方向に直交する方向に沿ってその平面内で遭遇する材料の少なくとも８０％はセパレータ材料である。理解されることができるように、さらなる実施形態では、境界面（第一表面）は、要件（ｉ）では少なくとも９０％の領域（複数可）がセパレータ材料である、及び／または少なくとも９５％の領域（複数可）が電流セパレータ材料である、及び／または少なくとも９８％の領域（複数可）がセパレータ材料である場合に設置されることができる。したがって、セパレータ層１３０と電極層１１６との間の界面が比較的平らである、及び／または滑らかである場合、第一表面１３１ａが境界面に等しいことがわかることが可能であってもよく、この境界面内の１００％の材料がセパレータ材料であるが、電極集電体層に向かう境界面の第二側面のいかなる平面も境界面内にセパレータ材料をほとんど、またはまったく含まない。すなわち、本明細書の実施形態によれば、本明細書で画定される境界面は、セパレータ層１３０と電極層１１６との間の界面が比較的鋸歯状である、及び／または不均一である構造体だけでなく、界面がより明確に画定される構造体に対して設置されることができる。

【0052】

さらに、ある特定の実施形態によれば、図３Ｂに示される第一及び第二境界面１２３ａ、１２３ｂはデカルト座標（Ｘ、Ｙ及びＺ）に沿った寸法を有する平面であるが、積層方向に沿ったユニットセル内の表面間の界面を描く境界面１２３ａ、１２３ｂが湾曲した境界面、または他の形状を有する境界面をも含んでもよいことが理解されることができる。例えば、図２Ａ及び２Ｂ、ならびに図１１Ａ及１１Ｂの巻回電極接合体を参照すると、第一及び第二境界面は、電極層１１６の渦巻状巻回部に概して対応する湾曲した形状を有してもよい。ある特定の実施形態によれば、電極層１１６の幅Ｗ_Ｅは、電極集電体のユニットセル部分の第一及び第二境界面１２３ａ、ｂと、積層連続体内のセパレータ層１３０との間の距離として測定されることができる。さらに別の実施形態によれば、電極集電体１１４及びセパレータの第一及び第二表面１１５ａ、１３１ａが比較的滑らかである、及び／または容易に特定可能である場合、この幅Ｗ_Ｅは、表面１１５ａと表面１３１ａとの間の距離に単純に等しくてもよい。さらに別の実施形態によれば、幅Ｗ_Ｅは、比較的不規則な形状を有する電極集電体及び／またはセパレータに設置される第一及び／または第二境界面のうちの１つ以上と、比較的滑らかである、及び／または容易に特定可能である電極集電体及び／またはセパレータのうちのその他のものの表面との間の幅であってもよい。すなわち、幅Ｗ_Ｅは、電極集電体の表面と、セパレータの表面との間の寸法の範囲であることが理解されることができ、これらの表面は、構造体間の容易に特定可能な界面の表面、及び／またはその表面に対応するように設置される境界面のいずれかとして設置され、上記の基準を満たす。

【0053】

一実施形態によれば、電極層１１６は容積Ｖｅを有し、この容積Ｖｅは、電極集電体１１４のユニットセル部分、セパレータ層１３０、電極層１１６の頂面１１９ａ、電極層１１６の底面１１９ｂ、電極層１１６の第一端面１２１ａ、及び電極層１２１ａの第二表面１２１ａによって境界が定められる。例えば、図３Ａ及び３Ｂを参照すると、容積Ｖｅは、第一及び第二端面１２１ａ、１２１ｂの間で測定される電極層Ｌ_Ｅの長さに、頂面１１９ａと底面１１９ｂとの間で測定される電極層１１６の高さＨ_Ｅを乗算し、電極集電体層１１４のユニットセル部分の第一表面１１５ａとセパレータ層１３０の第一表面１３１ａとの間で測定される幅Ｗ_Ｅを乗算するものとして計算される。また、幅Ｗ_Ｅは、第一境界面１２３ａと第二境界面１２３ｂとの間の距離を決定することによって測定されてもよく、これら第一境界面１２３ａ及び第二境界面１２３ｂは、本明細書で論じられるように、電極集電体層１１２４のユニットセル部分の第一表面１１５ａ、及びセパレータ層の第一表面１３１ａとして設置される。

【0054】

図９を参照すると、一実施形態によれば、電極層１１６の容積Ｖｅは、電極層が幅寸法Ｗｅに直交する寸法内の不規則または不均一な形状を有する場合でさえ計算されることができる。例えば、図９に示されるように、電極層１１６は、積層方向Ｙに沿って見えるように、Ｘ－Ｚ平面内に見え、寸法Ｈ_Ｅは、電極層１１６の長さＬ_Ｅに沿って変化することがわかることができる。同様に、他の実施形態では、寸法Ｌ_Ｅは、電極層１１６の高さＨ_Ｅに沿って変化することができ、他の両方の寸法Ｌ_Ｅ及び／またはＨ_Ｅは、互いの関数として、及び／または幅Ｗｅの関数として変化してもよい。したがって、ある特定の実施形態では、容積を決定するために、電極層１１６の容積の積分を計算して、容積Ｖｅを決定することができる。電極層１１６の容積の積分は、当業者によって理解されるような適切な数学的方法に従って計算されることができる。そのような容積の積分の計算の一例として、幅Ｗ_Ｅは、電極集電体のユニットセル部分及びユニットセル内のセパレータの第一及び第二境界面１２３ａ、１２３ｂを決定する（例えば、これらの構造体の表面で）ことによって設定されることができ、次に、第一端面と第二端面との間の距離（長さＬ_Ｅ）、及び頂面と底面との間の距離（高さＨ_Ｅ）を使用して、次式に従って電極層の容積を計算することができる。

【0055】

容積＝∫Ｈ_Ｅ（ｌ）×Ｗ_Ｅ（ｌ）×ｄｌ（Ｌ＝０からＬ＝Ｌ_Ｅにわたって積分する）

【0056】

電極集電体のユニットセル部分、セパレータ層、電極層の頂面、電極層の底面、電極層の第一表面、及び電極層の第二表面によって境界が定められる、電極層１１６の容積を決定する他の手段も使用することができる。例えば、一実施形態では、Ｘ、Ｙ及びＺに沿ったさまざまな異なる点での複数の断面を、Ｘ－Ｙ、Ｙ－Ｚ及びＸ－Ｚの平面に沿ってとることができ、これらの平面を使用して三次元モデルを構築することができ、この三次元モデルは、電極層の総容積Ｖ_Ｅを計算する計算技術を使用して、電極層の３Ｄ構造を厳密に近似する。

【0057】

実施形態では、図３Ａ～３Ｃ及び図４～６に示されるように、電極層１１６は、その中に配置されるスペーサ構造体４００の集団を含む。一実施形態では、スペーサ構造体４００の集団は、二次電池を形成するために実行される形成プロセスの前に、電極材料をセパレータ層１３０から物理的に離隔する、電極層１１６の一部として設けられてもよい。したがって、スペーサ４００の集団は、層１１６内の電極材料とセパレータ１３０との間に空隙部の存在を可能にし、電極材料などの電極接合体１０６の構成要素の膨張をもたらす可能性がある形成プロセス中に生じる可能性がある、あらゆる応力を低下させることができる。例えば、図５Ａに描かれる実施形態に示されるように、電極層１１６は、電極層１１６の幅Ｗ_Ｅに少なくとも部分的に沿って延在する電極活物質層１２５、及び電極層１１６の残りを占める空隙部１２６を含むことができる。例えば、空隙部１２６は、電極接合体１０６が、電極接合体１０６を含む二次電池を充電させる、及び／または形成するための形成プロセスを実行する前の、形成前の段階である場合に設けられてもよい。別の実施形態では、図５Ｂに示されるように、形成プロセスを実行した後の形成後の段階では、電極接合体１０６は、形成段階中に膨張して電極層１１６の幅Ｗ_Ｅに沿ってさらに拡張し、さらにはセパレータ層１３０との界面まで及ぶ可能性がある電極活物質層１２５を含む。

【0058】

一実施形態では、スペーサ構造体の集団は、複数のスペーサ構造体を含み、これら複数のスペーサ構造体は、電極層１１６内で、積層方向に直交する電極層の方向に沿って配置される。例えば、図３Ｃに示される実施形態では、複数のスペーサ構造体は、ある特定の実施形態では電極層１１６の最長寸法であってもよい、電極層１１６の長さＬ_Ｅに対応する方向（例えば、Ｘ方向）に沿って配置される。さらに別の例として、図１１Ａに描かれる実施形態に示されるように、スペーサ構造体４００の集団は、ある特定の実施形態では電極層の最長寸法に対応してもよい、巻回電極１１６の渦巻状経路の方向Ｔに沿ったさまざまな点に配置されてもよい。さらに別の実施形態によれば、電極層１１６内のスペーサ構造体４００の集団は、例えば図８Ｂに描かれる実施形態に示されるように、電極層の周辺部４０４に少なくとも部分的に沿って延在する単一のスペーサ構造体などの単一のスペーサ構造体４００のみを含むことができる。スペーサ構造体の集団は、図６に描かれる実施形態に示されるように、電極層１１６とセパレータ層１３０との界面で、及び／またはその界面に隣接して、例えば、セパレータ層１３０の表面１３１ａで、及び／またはその表面に隣接して、電極層１１６に沿って配置されることができる。図６に示される実施形態では、スペーサ構造体４００の集団の部材は、電極層の幅Ｗ_Ｅを部分的にのみ通って電極活物質層１２５まで延在する。さらに別の実施形態によれば、スペーサ構造体の集団は、電極層１１６と電極集電体１１４のユニットセル部分との界面で、及び／またはその界面に隣接して、例えば、電極集電体１１４のユニットセル部分の表面１１５ａで、及び／またはその表面に隣接して、電極層１１６に沿って配置されることができる、及び／または図５Ａに描かれる実施形態に示されるように、電極層１１６と電極集電体１１４のユニットセル部分との界面と、セパレータ層１３０との間の電極層１１６の幅Ｗ_Ｅに沿って延在することができる。

【0059】

さらに別の実施形態によれば、スペーサ構造体４００の集団の部材は、セパレータ層１３０の表面１３１ａから電極集電体のユニットセル部分の表面１１５ａまで（例えば、電極層１１６の幅Ｗ_Ｅを実質的に横切って）延在するその第一部分４１０ａ、及び電極集電体１１４のユニットセル部分に隣接して配置される電極活物質層１２６の表面１２７と同一平面にある位置まで、電極層１１６の幅Ｗ_Ｅを部分的にのみ横切って延在するその第二部分４１０ｂを有する（図５Ｄなどを参照する）部材を含むことができる。すなわち、同じスペーサ構造体の部材は、電極層１１６の幅Ｗ_Ｅに沿った異なる点で終端する、ＸまたはＺ方向に沿った異なる部分などの異なる部分４１０ａ、４１０ｂを有してもよい。さらに別の実施形態によれば、スペーサ構造体の集団の１つ以上の部材は、第一及び第二スペーサ材料を任意選択で有する、第一及び第二セグメント４１０ｃ、４１０ｄを含んでもよい。例えば、図５Ｄを再度参照すると、一実施形態では、１つ以上のスペーサ構造体４００は、集電体の表面１１５ａから、電極活物質層の表面１２７と同一平面上にある電極層のＷ_Ｅに沿った位置まで延在する構造体の区間内に第一セグメント４１０ｃ、及び電極活物質層の表面１２７と同一平面上にある電極層のＷ_Ｅに沿った位置から、セパレータ層１３０の表面１３１ａまで延在する第二セグメント４１０ｄを含むことができる。第一及び第二セグメント４１０ｃ、４１０ｄは、例えば、別々に製造されるが、同じスペーサ材料を含むスペーサ構造体４００の異なるセグメントであってもよい、及び／または第一及び第二スペーサ材料を各含む第一及び第二セグメントを含んでもよく、これら第一及び第二スペーサ材料はそれぞれ互いに異なる。さらに別の実施形態によれば、スペーサ構造体４００は、第一及び第二部分４１０ａ、ｂ、ならびに第一及び第二セグメント４１０ｃ、ｄの組み合わせを含むことができる。

【0060】

ある特定の実施形態では、電極活物質層１２５は、形成段階中に膨張して、形成前の段階に残された空隙部１２６を実質的に完全に充填することができる。他の実施形態では、形成プロセス中に、電極活物質層１２５は空隙部を部分的にのみ充填するように膨張することにより、形成後に、少なくともいくらかの残りの空隙部１２６は電極層１１６に残ったままになる。そのような部分的な充填は、例えば、電極活物質、または電極接合体を含む二次電池のサイクル中に発生することができる他の物質のさらなるあらゆる膨張に対応するのに有利であることができる。ある特定の実施形態によれば、形成前及び／または形成後のいずれかの電極活物質層１２５は、多孔質層をさらに含むことができることにより、二次電池１０２の形成前及び／または形成後のいずれかに、電極活物質層１２５自体は、スペーサ４００があることで与えられるあらゆる空隙部から独立した空隙部を含むことができる。例えば、一実施形態では、電極活物質層１２５（形成前または形成後の段階では）は、電極活物質層１２５の容積あたりの空隙部の容積のパーセントとして測定される、少なくとも１０％、少なくとも２５％、及び／または少なくとも５０％の空隙部を含むことができ、通常、電極活物質層の容積の約１０％から７０％の範囲内の空隙部など、７０％未満の空隙部、例えば、６０％未満の空隙部、５０％未満の空隙部、及び／または２５％未満の空隙部などを含んでもよい。したがって、電極活物質層１２５自体に含まれる任意の空隙部を含むことにより、一実施形態では、形成後の段階中の電極層１１６は、電極層の総容積Ｖ_Ｅのパーセンテージとして６０％未満の空隙部、例えば、５０％未満の空隙部、４０％未満、３０％未満、２０％未満、及び／またはさらには約１０％以下の空隙部などを電極層１１６の総容積Ｖ_Ｅのパーセンテージとして含む。別の実施形態では、形成前の段階中の電極層は、少なくとも４０％の空隙部を電極層の総容積のパーセンテージとして、例えば、少なくとも５０％の空隙部、少なくとも６０％の空隙部、少なくとも７５％の空隙部、及び／または少なくとも９０％の空隙部を電極層の総容積のパーセンテージとして含む。すなわち、形成前の段階では、電極層の空隙部は最大９０％であってもよく、または９０％に等しくてもよく、形成後の段階では、わずか１０％ほどまで低下してもよい。

【0061】

一実施形態では、スペーサ構造体４００の集団は、電極活物質層１２５内の電極活物質以外の材料を含む。例えば、一実施形態では、スペーサ構造体４００の集団は、二次電池を形成するために実行される形成プロセス中、及び／または二次電池の充電サイクル中に容積が実質的に増加しない材料を含むことができる。別の例として、スペーサ構造体の集団は、スペーサ材料を含むことができ、このスペーサ材料の容積は、形成及び／または充電サイクル中に増加するが、二次電池の形成プロセス中に、及び／または二次電池のサイクル中に発生する電極活物質の１モルあたりの容積のあらゆる増加よりもスペーサ材料の１モルあたりの量が少なくなることによって増加する。例えば、一実施形態では、スペーサ構造体の集団は、スペーサ材料を含むことができ、このスペーサ材料は、電極接合体１０６を含む二次電池１０２を放電状態から充電状態まで充電させると、１モルのスペーサ材料あたり１モル未満のキャリアイオンというキャリアイオンを許容する容量を有することができる。したがって、スペーサ材料は、例えば、二次電池を放電状態から充電状態まで充電させると、１モルの電極活物質あたり１モル超のキャリアイオンを許容する容量を電極活物質の層が有する場合などには、電極層で使用される電極活物質よりも少ない膨張を示すことができる。二次電池の充電状態は二次電池の定格容量の少なくとも７５％であり、放電状態は二次電池の定格容量の２５％未満である。一実施形態では、スペーサ構造体４００の集団は、セパレータ層内で使用するのに適している材料、及び／または本明細書の他の箇所に記載されているいずれかのような、電極及び／または対電極の材料として使用するのに適している材料のうちのいずれか１つ以上を含む。別の実施形態によれば、スペーサ構造体４００の集団は、本明細書の他の箇所に記載されている任意の電極活物質などの電極活物質を含むことができる。一実施形態によれば、スペーサ構造体の集団は、二次電池１０２内で起こる電気化学反応における不活性及び／または非反応性など、電池環境中の動作及び貯蔵における相対的に不活性及び／または非反応性である材料を含む。例えば、一実施形態では、スペーサ構造体の集団は、セパレータ層１３０に適している、本明細書の他の箇所に記載されているポリマー材料のいずれかなどのポリマー材料を含むことができる。一実施形態では、スペーサ構造体４００の集団は、非多孔質スペーサ材料を含むことができる。別の実施形態では、スペーサ構造体４００の集団は、多孔質スペーサ材料を含むことができ、例えば、スペーサ構造体４００の集団は、少なくとも１０％、少なくとも２５％、少なくとも５０％、少なくとも７５％、さらには少なくとも９０％の構造体に対する空隙率を与える多孔質スペーサ材料を含むことができる。一実施形態では、スペーサ構造体４００の集団は、二次電池１０２の形成プロセス中に、及び／または二次電池１０２のサイクルを繰り返している間に、所定のサイズ及び形状を実質的に維持している際など、二次電池の形成プロセス中に、及び／または二次電池のサイクルを繰り返している間に、加えられる可能性のある圧力に耐えるのに十分な力学的強度を与えることができるスペーサ材料を含む。

【0062】

さらに別の実施形態によれば、スペーサ構造体４００の集団は、導電率が比較的低いスペーサ材料を含むことができることにより、電極層内のスペーサ構造体４００のすべての全体的な導電性は、電極集電体層及び対電極集電体のいずれかの、及び／または両方のその導電性よりも低く、さらには電極層１１６内の電極活物質の合計の導電性よりも低くてもよい。例えば、一実施形態によれば、電極層内の電極活物質の導電性と、電極層内のスペーサ集団のすべての部材の合計の導電性との比は、少なくとも２：１、少なくとも５：１、及び／または少なくとも５０：１である。

【0063】

一実施形態では、スペーサ構造体の集団は、セパレータ層１３０の材料と同じ材料であるスペーサ材料を含むことができる。例えば、一実施形態では、電極層の幅に画定されるＷ_Ｅに少なくとも部分的に沿って、セパレータ層１３０から（例えば、セパレータ層に画定される第二境界面１２３ｂから）延出する１つ以上のスペーサ構造体が設けられることができる。さらに別の実施形態では、スペーサ構造体の集団は、電極集電体層の材料と同じ材料であるスペーサ材料を含むことができる。例えば、一実施形態では、電極層１１６の幅に画定されるＷ_Ｅに少なくとも部分的に沿って、集電体層１１４のユニットセル部分から（例えば、集電体層のユニットセル部分に画定される第一境界面１２３ａから）延出するスペーサ構造体が設けられることができる。一実施形態では、セパレータ材料を含むスペーサ構造体は、セパレータ層とのユニット単位の部品として製造されることができる、またはセパレータ構造体は、セパレータ層とは別に形成され、電極層１１６内に設けられてもよい。さらに別の実施形態では、スペーサ構造体の集団は、電極活物質のものと同じスペーサ材料を含むことができる。さらに別の実施形態によれば、スペーサ構造体の集団は、それが電極活物質層１２５の電極活物質と同じでなくても、電極活物質として作用する容量（例えば、キャリアイオンを許容する容量）を有するスペーサ材料を含むことができる。一実施形態では、スペーサ材料は、リチウムスペーサ構造体の（例えば、リチウムシート電極を含むリチウム二次電池用の）酸化チタンリチウム、グラフェン、スズ、ゲルマニウム、及び遷移金属の酸化物類だけでなく、それらの硫化物類、リン化物類、及び窒化物類のうちの１つ以上を含む、本明細書の他の箇所に記載されている、いずれかの電極活物質を含むことができる。

【0064】

ある特定の実施形態によれば、スペーサ構造体４００の集団が電極層１１６の容積Ｖ_Ｅの約０．１％から約３５％の範囲内にある電極層１１６内の総容積を占めるような構成及び分布で、スペーサ構造体４００の集団は電極層１１６内に設けられる。すなわち、ある特定の実施形態によれば、スペーサ構造体４００の集団は、形成前の電極接合体内に空隙部１２６を与えるのに十分な総容積を電極層１１６内に含む。さらに、ある特定の実施形態によれば、スペーサ構造体４００の集団は、形成後のいかなるスペーサ構造体の存在も二次電池の充電状態と放電状態との間のサイクルに著しく悪影響を及ぼさないように十分に小さい総容積を電極層１１６内に含む。したがって、一実施形態では、スペーサ構造体の集団は、電極層の容積Ｖ_Ｅの少なくとも０．１％、例えば、少なくとも０．２５％、少なくとも０．５％、少なくとも０．７５％、及び／または少なくとも１％などである総容積を電極層内で占める。別の実施形態では、スペーサ構造体の集団は、電極層の容積Ｖ_Ｅの３５％未満、例えば、２５％未満、１０％未満、５％未満、及び／または２％未満などである総容積を電極層１１６内で占める。例えば、スペーサ構造体の集団は、電極層の容積Ｖ_Ｅの０．２５％から２５％の範囲、例えば、電極層の容積Ｖ_Ｅの０．５％から１０％の範囲などの内にある総容積を電極層１１６内で占めることができる。

【0065】

別の実施形態によれば、電極層１１６の総容積Ｖ_Ｅのパーセントとしての固体電極活物質層１２５の容積は、電極活物質層の成長及び／または膨張のために、形成プロセスに次いで増加する。一実施形態によれば、電極層１１６は、形成プロセス前の第一容積の固体電極活物質、及び第一容積よりも大きい形成プロセス後の第二容積の固体電極活物質を含む。すなわち、ある特定の実施形態によれば、形成プロセスを実行して、電極層内の固体電極活物質の容積を、電極層内の固体電極活物質の第一容積よりも少なくとも３％、少なくとも５％、少なくとも１０％、少なくとも２５％、少なくとも５０％、少なくとも７５％、及び／または少なくとも１００％大きい第二容積まで増加させることができる。さらに、固体電極活物質の容積における増加は起こることができるが、形成前のユニットセルの幅Ｗ_ＵＣと比較した、形成後に示されるユニットセルの幅Ｗ_ＵＣにおける変化が、いくつかの実施形態では、１％未満、０．５％未満、０．２５％未満、及び／または０．１％未満であり得る、及び／または形成前及び形成後の両方のユニットセルの幅Ｗ_ＵＣが実質的に同じであり得るため、ユニットセル５００の幅は形成プロセス中に実質的に変化しない。

【0066】

さらに別の実施形態によれば、スペーサ構造体４００の集団は電極層１１６内に分布する、及び／または設けられることにより、この集団の少なくとも１つの部材は、（ｉ）電極層１１６の容積Ｖ_Ｅの少なくとも２５％を有し、（ｉｉ）（ａａ）集電体１１４のユニットセル部分、（ｂｂ）セパレータ層１３０、（ｃｃ）電極層の頂面、（ｄｄ）電極層の底面、（ｅｅ）電極層の第一端面、及び（ｆｆ）電極層の第二端面によってすべての側面に境界が接している、電極層１１６の各副容積内に位置している。電極層１１６の総容積Ｖ_Ｅにおける副容積ＳＶ_Ｅは、当業者によって理解されるように、適切な数学的方法によって計算されることができる。図１０を参照すると、一例によれば、副容積ＳＶ_Ｅは、以下の式に従って、電極層１１６の長さＬ_Ｅに沿った任意の２点間で計算されることができる。

【0067】

副容積ＳＶ_Ｅ＝∫Ｈ_Ｅ（ｌ）×Ｗ_Ｅ（ｌ）×ｄｌ
（Ｌ＝Ｌ_１からＬ＝Ｌ_２にわたって積分する）

【0068】

したがって、電極層１１６の総容積Ｖ_Ｅの１０％以上に相当する上記で規定された任意の副容積について、電極層１１６内に分布するスペーサ構造体の集団は、この集団の少なくとも１つの部材が副容積内に位置しているようにある。一実施形態によれば、スペーサ構造体は、積層方向（幅方向Ｗ_Ｅ）内の電極接合体内のユニットセル構造体に十分な支持をもたらす分布で、電極層１１６内に分布することにより、電極接合体内のユニットセル構造体の完全性は維持されることができる。一実施形態によれば、スペーサ構造体は、電極接合体の積層連続体内のユニットセルの崩壊または不具合につながる可能性がある、過度に大きなギャップまたは空隙部にならないように、十分な構造上の支持を提供するように分布する。一実施形態では、スペーサ構造体の集団は、少なくとも１つの部材が電極層の容積Ｖ_Ｅの少なくとも２０％を有する電極接合体の各副容積内に、さらには電極層の容積Ｖ_Ｅの少なくとも１０％を有する電極接合体の各副容積内に、例えば、電極層の容積Ｖ_Ｅの少なくとも５％を有する電極接合体の各副容積内などに位置しているように分布する。

【0069】

図４Ａ～７Ｃを参照すると、スペーサ層の集団を含む、電極接合体のユニットセル５００のさまざまな実施形態が示される。図４Ａを参照すると、ユニットセル５００の断面は、図３Ｂ～３Ｃの実施形態に示されるような、電極接合体のユニットセル５００のＸ－Ｙ平面に沿って取られたものとして示される。この実施形態では、ユニットセルは、積層方向（Ｙ軸に平行な）内の電極集電体１１４のユニットセル部分と対電極集電体１１８のユニットセル部分との間で測定される幅Ｗ_ＵＣを有する。電極層１１６は、電極集電体に隣接して配置される電極活物質層１２５、及び電極活物質層１２５とセパレータの表面との間の空隙部１２６を含み、示されるように、そして本明細書の他の箇所に議論されるように、電極層の幅Ｗ_Ｅが電極集電体１１４とセパレータとの間に画定され、電極活物質層１２５及び空隙部１２６の両方は、電極層１１６の幅Ｗ_Ｅ内に含まれる。一実施形態によれば、ユニットセル５００は、ユニットセル５００を含む二次電池を完全に形成する形成プロセスを実行する前の形成前の段階にあってもよいが、形成後の段階の同じユニットセル５００は、空隙部１２６のかなり大きな部分、さらには実質的にすべてを充填する電極活物質層１２５を含むことができる。さらに、示されるように、断面は、スペーサが存在しないＺ内の位置でＸ－Ｙ平面に対して取られるが、三次元の完全なユニットセルは、Ｚに沿った他の平面内にスペーサ構造体を含む。電極層１１６は、電極活物質層１２５の端部を有する、第一及び第二端面１２１ａ、１２１ｂを含む。

【0070】

図４Ｂを参照すると、ユニットセル５００の断面は、図３Ｂ～３Ｃに示されるような実施形態など、電極接合体１０６のユニットセル５００のＹ－Ｚ平面に沿って取られたものとして示される。この実施形態では、ユニットセルは、積層方向（Ｙ軸に平行な）内の電極集電体１１４のユニットセル部分と対電極集電体１１８のユニットセル部分との間で測定される幅Ｗ_ＵＣを有する。電極層１１６は、電極集電体に隣接して配置される電極活物質層１２５、及び電極活物質層１２５とセパレータの表面との間の空隙部１２６を含み、示されるように、そして本明細書の他の箇所に議論されるように、電極層の幅Ｗ_Ｅが電極集電体１１４とセパレータとの間に画定され、電極活物質層１２５及び空隙部１２６の両方は、電極層１１６の幅Ｗ_Ｅ内に含まれる。一実施形態によれば、ユニットセル５００は、ユニットセル５００を含む二次電池を完全に形成する形成プロセスを実行する前の形成前の段階にあってもよいが、形成後の段階の同じユニットセル５００は、空隙部１２６のかなり大きな部分、さらには空隙部１２６の実質的にすべてを充填する電極活物質層１２５を含むことができる。さらに、示されるように、断面は、スペーサが存在しないＸ内の位置でＹ－Ｚ平面に対して取られるが、三次元の完全なユニットセルは、Ｚに沿った他の平面内にスペーサ構造体を含むことができる。電極層１１６は、電極活物質層１２５の端部を有する、頂面及び底面１１９ａ、１１９ｂを含む。

【0071】

図５Ａを参照すると、ユニットセル５００の別の実施形態の断面は、スペーサ構造体４００を見ることができるＺ内の位置で、Ｙ－Ｚ平面に沿って取られたものとして示される。この実施形態では、ユニットセルは、積層方向（Ｙ軸に平行な）内の電極集電体１１４のユニットセル部分と対電極集電体１１８のユニットセル部分との間で測定される幅Ｗ_ＵＣを有する。電極層１１６の断面は、電極集電体に隣接して配置される電極活物質層１２５、電極活物質層１２５のいずれかの側面のスペーサ構造体４００、及び電極活物質層１２５とセパレータ１３０の表面１３１ａとの間の空隙部１２６を含む。電極層の幅Ｗ_Ｅは、示されるように、そして本明細書の他の箇所に議論されるように、電極集電体１１４とセパレータ１３０との間に画定されることができ、電極活物質層１２５、スペーサ構造体４００、及び空隙部１２６は、電極層１１６の幅Ｗ_Ｅ内に含まれる。一実施形態によれば、ユニットセル５００は、ユニットセル５００を含む二次電池を完全に形成する形成プロセスを実行する前の形成前の段階にあってもよいが、形成後の段階の同じユニットセル５００は、空隙部１２６のかなり大きな部分、さらには空隙部１２６の実質的に全部を充填する電極活物質層１２５を含むことができる。２つのスペーサ構造体４００は、電極活物質層１２５のいずれかの端部に配置され、電極集電体のユニットセル部分から幅Ｗ_Ｅに沿ってセパレータ１３０まで延在する。さらに、示されるように、断面は、スペーサが存在するＺ内の位置でＹ－Ｘ平面に対して取られ、三次元の完全なユニットセルは、所望の間隔特性に従って、Ｚに沿った他の平面内にさらなるスペーサ構造体を含むことができる。電極層１１６は、第一及び第二端面１２１ａ、１２１ｂを含み、これら第一及び第二端面１２１ａ、１２１ｂは、示されるような実施形態では、長さ寸法内のそれぞれのスペーサ構造体のそれぞれの端部を含み、電極層１１６の長さ寸法Ｌ_Ｅを画定する。図５Ｂは、電極活物質層１２５が少なくとも部分的に、さらには実質的に完全に空隙部１２６を充填するまで膨張した形成プロセスに続く、形成後の段階にある、図５Ａのユニットセルを示す一実施形態である。

【0072】

図５Ｃは、Ｙ－Ｚ平面で取られた断面内で、スペーサ構造体４００を見ることができるＸ内の位置にある、図５Ａのユニットセルを示す。この実施形態では、ユニットセルは、積層方向（Ｙ軸に平行な）内の電極集電体１１４のユニットセル部分と対電極集電体１１８のユニットセル部分との間で測定される幅Ｗ_ＵＣを有する。電極層１１６の断面は、スペーサ構造体４００を含み、示されるように、そして本明細書の他の箇所に議論されるように、電極層の幅Ｗ_Ｅが電極集電体１１４とセパレータとの間に画定され、このスペーサ構造体４００は、電極層１１６の幅Ｗ_Ｅ内に含まれる。電極層１１６は、頂面及び底面１１９ａ、１１９ｂを含み、これらは、示される実施形態では、高さ寸法（Ｚ軸に平行な）のスペーサ構造体４００のそれぞれの頂端部及び底端部を含み、電極層１１６の高さＨ_Ｅを画定する。さらなる実施形態によれば、スペーサ構造体４００の集団は、例えば、図８Ａ、８Ｃ及び図８Ｅ～８Ｈに描かれる実施形態に示されるように、長さＬ_Ｅ及び／または高さＨ_Ｅに沿って配置される複数の構造体４００を含むことができる、及び／または電極層１１６の長さＬ_Ｅ及び／または高さＨ_Ｅを実質的に横切って延在する１つ以上のスペーサ構造体４００を含むことができる。

【0073】

図６は、Ｙ－Ｘ平面で取られた断面中で、Ｚ内の位置でのスペーサ構造体４００を含むユニットセルのさらに別の実施形態を示し、Ｚ内の位置では、スペーサ構造体４００が見え、長さ方向における電極層１１６の周辺部に位置しており、電極活物質層１２５の内面１２７から延出することができる。この実施形態では、ユニットセルは、積層方向（Ｙ軸に平行な）内の電極集電体１１４のユニットセル部分と対電極集電体１１８のユニットセル部分との間で測定される幅Ｗ_ＵＣを有する。電極層１１６の断面は、スペーサ構造体４００を電極活物質層１２５のいずれかの側面に含み、示されるように、そして本明細書の他の箇所に議論されるように、電極層の幅Ｗ_Ｅが電極集電体１１４とセパレータとの間に画定され、電極層１１６の幅Ｗ_Ｅ内には、電極活物質層１２５、空隙部１２６及びスペーサ構造体４００が含まれる。電極層１１６は、第一及び第二端面１２１ａ、１２１ｂを含み、これら第一及び第二端面１２１ａ、１２１ｂは、示される実施形態では、電極活物質層１２５の端面、及び長さ寸法で（Ｘ軸に沿って）隣接するスペーサ構造体４００の端面を含み、スペーサ構造体４００及び電極活物質層１１６を含む電極層１１６の長さＬ_Ｅを画定する。図５Ａに示される実施形態と比較して、図６に示されるようなスペーサ構造体４００は、セパレータとの界面から、電極層の幅Ｗ_Ｅの途中までしか延出しない。一実施形態によれば、形成前の段階では、スペーサ構造体４００は、電極活物質層１２５の表面１２７からセパレータ層１３０の表面１３１まで延在する。形成後の段階では、電極活物質が膨張して形成前の空隙部１２６を少なくとも部分的に充填する一実施形態では、スペーサ構造体は、幅寸法Ｗ_Ｅに沿った電極活物質層を少なくとも部分的に通ってセパレータ層１３０の表面１３１ａから延出してもよい。さらに別の実施形態によれば、スペーサ構造体４００は、電極集電体１１４の表面１１５ａから、幅寸法Ｗ_Ｅに沿って電極活物質層を少なくとも部分的に通って延出してもよい。一実施形態によれば、スペーサ構造体の集団の部材は、電極集電体及びセパレータ層の対向する表面間の、電極層の幅寸法Ｗ_Ｅ全体（幅Ｗ_Ｅの１００％）にわたって、または電極層の幅Ｗ_Ｅの少なくとも７５％、少なくとも８５％、及び／または少なくとも９０％にわたってさえ延在する。別の実施形態によれば、電極層１１６内のスペーサ構造体４００の中央値の範囲は、例えば、セパレータ層１３０から電極集電体１１４に向かって、またはその逆に測定されるような、電極層１１６の幅Ｗ_Ｅの６０％未満、５０％未満、４０％未満、２５％未満、及び／または１５％未満であってもよい。一実施形態では、電極層１１６内のスペーサ構造体の集団の部材の中央値の範囲は、例えば、セパレータ層１３０から電極集電体１１４に向かって、またはその逆に測定されるような、電極層の幅Ｗ_Ｅの少なくとも２％、少なくとも３％、及び／または少なくとも５％であってもよい。別の実施形態によれば、スペーサ構造体の集団は、電極層１１６の幅寸法Ｗ_Ｅに部分的にのみ沿って延在するスペーサ構造体と、幅寸法Ｗ_Ｅに完全に沿って延在するスペーサ構造体の組み合わせ（例えば、図５Ａ及び６に示されるスペーサ構造体の組み合わせ）を含むことができる。他の適切なスペーサ構造体の構成及び配置もまた提供されることができる。

【0074】

図７Ａ～７Ｃは、二次電池１０２の電極接合体１０６とともに使用するのに適したスペーサ構造体４００のさらなる実施形態を示す。図７Ａに示される実施形態では、共通の電極集電体１１４を共有する２つの隣接するユニットセル５００ａ、５００ｂの部分が示される。示される実施形態では、電極集電体１１４は、電極集電体（第一ユニットセル５００ａ内の）の第一側面に配置される第一電極層１１６ａ、及び電極集電体（第二ユニットセル５００ｂ内の）の対向する第二側面に第二電極層１１６ｂを備える。第一電極層１１６は、第一ユニットセル５００ａについて、電極活物質層の第一層１２５ａ、及び電極活物質の第一層１２５ａとセパレータ１３０との間の第一空隙部１２６ａを含み、スペーサ構造体４００は、電極集電体１１４の第一ユニットセル部分から、積層方向におけるセパレータに向かって、そして第一電極活物質層１２５ａの周辺部の周りに延出する。第二電極層１１６ｂは、第二ユニットセル５００ｂについて、電極活物質層の第二層１２５ｂ、及び電極活物質の第二層１２５ｂとセパレータ１３０との間の第二空隙部１２６ｂを含み、スペーサ構造体４００は、電極集電体１１４の第二ユニットセル部分から、積層方向におけるセパレータに向かって、そして第二電極活物質層１２５ｂの周辺部の周りに延出する。示される実施形態は、形成前の電極接合体１０６が空隙部１２６ａ、１２６ｂを有することを示すが、形成後の電極接合体の実施形態では、電極活物質は、セパレータに向かって膨張することができ、空隙部を実質的に充填することができる。

【0075】

同様に、図７Ｂは、隣接するユニットセル５００ａ、５００ｂが共通の電極集電体１１４を共有し、スペーサ構造体４００が隣接するユニットセル５００ａ、５００ｂの第一及び第二電極層１１６ａ、１１６ｂ内に設けられている、一実施形態を示す。第一電極層１１６ａは、第一ユニットセル５００ａについて、電極活物質層の第一層１２５ａ、及び電極活物質の第一層１２５ａとセパレータ１３０との間の第一空隙部１２６ａを含む。スペーサ構造体４００は、第一電極活物質層１２５の第一内面１２７ａから積層方向におけるセパレータに向かって延出し、第一内面の周縁部に位置している。第二電極層１１６ｂは、第二ユニットセル５００ｂについて、電極活物質層の第二層１２５ｂ、及び電極活物質の第二層１２５ｂとセパレータ１３０との間の第二空隙部１２６ｂを含む。スペーサ構造体４００は、第二電極活物質層１２５ｂの第二内面１２７ｂから積層方向におけるセパレータ１３０に向かって延出し、第二内面１２７ｂの周縁部に位置している。示される実施形態によれば、スペーサ構造体４００は、セパレータ１３０から電極集電体１１４のユニットセル部分まで、電極層１１６の幅Ｗ_Ｅに部分的にのみ沿って延在する。

【0076】

図７Ａ及び７Ｂに示される実施形態によれば、隣接する第一及び第二ユニットセル５００ａ、５００ｂは、その第一及び第二電極層１１６ａ、１１６ｂ内に、例えば、電極集電体１１４を共有する隣接するユニットセルなどの内に配置されるスペーサ構造体４００を含むことができる。同様に、図２Ａ及び２Ｂに示されるような巻回構造体では、スペーサ構造体４００は、積層方向Ｒ内の電極構造体の隣接する巻回部内に設けられてもよい。ただし、他の実施形態では、スペーサ構造体４００は、電極接合体の積層方向に沿った積層連続体の交互ユニットセル（例えば、すべての他のユニットセル）内に、または複数のある特定のユニットセル及び／または１つのある特定のユニットセルのみの内に設けられてもよい。さらに別の実施形態では、スペーサ構造体４００は、それらが積層方向において互いにアライメントされるように配置されてもよい。例えば、図７Ａに示される実施形態では、第一ユニットセル５００ａの第一電極層１１６ａ内のスペーサが第二ユニットセル５００ｂの第二電極層１１６ｂ内のスペーサと積層方向（Ｙ方向）内でアライメントされるように、スペーサ構造体４００はアライメントされる。そのような間隔は、例えば、積層方向に沿ったユニットセル内に実質的に均一な空隙部を設けるのに有利であることができる。同様に、図１１Ａを参照すると、スペーサの位置は、スペーサの少なくともいくつかが積層方向Ｒに沿って互いにアライメントされるように配列されてもよい。また、図７Ａ及び７Ｂでは、スペーサ４００が電極層１１６の周辺部に向けて位置しているように示されるが、スペーサが電極層１１６内のより中央に配置されてもよい、及び／または電極層１１６の周辺部で内側領域に沿って位置していてもよい。

【0077】

図７Ｃは、隣接する第一及び第二ユニットセル５００ａ、５００ｂのさらに別の実施形態を示し、これらは、その電極層１１６内に配置されるスペーサ構造体４００を含む。図７Ｃの実施形態は、第一及び第二電極層１１６ａ、１１６ｂがそれぞれ、スペーサ構造体４００が周辺に位置している電極活物質層１２５ａ、１２５ｂを含み、隣接する第一及び第二ユニットセル５００が電極集電体４００を共有するという点で、図７Ａの実施形態と同様である。ただし、図７Ｃに示される実施形態では、スペーサ構造体４００は、両方のユニットセル５００ａ、５００ｂによって共有される電極集電体１１４内に形成されるアパーチャを通って延在することにより、スペーサ構造体４００の同じ集団は、第一及び第二ユニットセル５００ａ、５００ｂの両方の内に延在する。

【0078】

さらに別の実施形態によれば、スペーサ構造体４００の集団を１つ以上の電極層１１６内だけでなく、１つ以上の対電極層１１８内にも設けることなどによって、スペーサ構造体４００の集団を、電極構造体１１０と対電極構造体１１２の両方の一部として電極接合体１０６内に設けてもよい。例えば、スペーサ構造体４００の第一集団は、電極接合体内の電極層１１６内に設けられることができ、スペーサ構造体４００の第二集団は、電極接合体の対電極層１２０内に設けられることができ、それらのような層は、電極接合体内の同じユニットセルのもの、及び／または異なるユニットセル内のものである。ある特定の実施形態によれば、１つ以上の対電極層１２０内に設けられるスペーサ構造体４００の集団は、例えば、図３Ａ～３Ｃ、図４Ａ～４Ｃ、図５Ａ～５Ｄ、図６、図７Ａ～７Ｃ、図８Ａ～８Ｈ、図９～１０及び図１１Ａ～１１Ｂのいずれかなどに、電極層１１６に関して本明細書の他の箇所に記載される任意のものに対応する、構成及び／または配置で設けられることができる。すなわち、電極層１１６内のスペーサ構造体４００の集団について本明細書の他の箇所で説明される配置及び／または構成は、ある特定の実施形態では、対電極層内のスペーサ構造体の集団に適していてもよく、対電極層１２０、対電極活物質、及び／または対電極集電体１１８は、本明細書のその他の箇所に記載される電極層１１６、電極活物質、及び／または電極集電体１１４の代わりに用いられる。

【0079】

一実施形態では、電極層及び対電極層の両方の内にスペーサ構造体の第一及び第二集団を設けることは、例えば、形成プロセス中に、及び／または電極及び対電極の活物質を含む二次電池の充電状態と放電状態との間のサイクル中などに、電極活物質及び対電極活物質の両方が膨張及び／または収縮を受ける場合には、有利であることがある。一実施形態によれば、スペーサ構造体の集団は、二次電池の充電中に膨張する電極活物質、及び二次電池の放電中に膨張する対電極活物質を含む構成に設けられてもよい、及び／または電極活物質及び対電極活物質の両方は二次電池の充電時に膨張してもよい、及び／または両方は二次電池の放電時に膨張してもよい。さらに別の実施形態によれば、そのうえ、電極活物質及び／または対電極活物質のうちの１つ以上は、二次電池の充電及び／または放電時に収縮してもよい。一実施形態では、電極活物質及び対電極活物質（同じまたは異なる大きさの膨張を有する）の両方は、充電プロセス及び／または放電プロセス中に、互いに膨張し、収縮してもよい。一実施形態では、スペーサ構造体の集団は、電極層とセパレータ層との間の界面に設けられることができ、スペーサ構造体の別の集団は、同じユニットセル及び／または異なるユニットセルのいずれかの内の対電極層とセパレータ層との間の界面に設けられることができることで、形成プロセス中に、及び／または二次電池の充電状態と放電状態との間のサイクル中に、電極活物質及び対電極活物質内で起こる可能性がある膨張（及び場合によっては収縮）に対応することができる。

【0080】

図８Ａ～８Ｈは、電極層１１６内に配置されるスペーサ構造体４００の集団のさらなる実施形態を示す。示されるように、スペーサ構造体４００は、突出部４０２を含むことができ、これらの突出部は、電極集電体１１４及び／または電極活物質層１２５の表面などの電極構造体の表面上に形成されてもよく、さまざまな形状及び形態を取ってもよい。さらに別の実施形態によれば、図８Ａ～８Ｈに示される構成のいずれかなどで、スペーサ構造体４００を、セパレータ層１３０及び電極集電体層１１４のうちの１つ以上の表面上に形成して、接合し、電極接合体の組み立て中に電極層を含むユニットセル５００を形成することができる。一実施形態では、図８Ａに示されるように、スペーサ構造体は、電極層１１６の周辺部４０４の周りに位置決めされる一連の一段高い隆起部を含む。周辺部４００の周りに突出部及び／または隆起部を設けることによって、ある特定の実施形態では、構造体は空隙部の周りの層を安定化させることができるため、セパレータ層及び電極層１１６は、例えば実質的にこれらの層が空隙部内に曲がる、または変形することなく、互いに離隔されたままである。図８Ｂに示される実施形態では、スペーサ構造体の集団は、電極層１１６の周辺部４００の周りに一段高い単一の隆起部を含む。

【0081】

さらなる一実施形態では、図８Ｃに示されるように、スペーサ構造体４００の集団は、電極層１１６の表面上の異なる点にわたって分布する複数のカラムまたは他の隆起した特徴を含んでもよい。突出部を表面全体に分布させることにより、これらの突出部を有する層１１６の曲げ及び／または変形が抑制され、突出部が隣接する層（すなわち、セパレータ層１３０）に接触することができる場合には、積層連続体内に配置されるときの電極層の積層の圧力下でさえ、これらの層間の分離を維持することができる。

【0082】

さらなる実施形態は、図８Ｄ及び８Ｅに示され、これら図８Ｄ及び８Ｅは、層の表面上に形成され、層の高さ及び長さにわたってなど、層の１つ以上の寸法にわたって斜めに延在する一連の隆起部（図８Ｄ）、ならびに電極層１１６の周辺部４０４の周りに形成される一連の十字形の突出部を含むスペーサ構造体の集団を示す。さらに、図８Ｆは、電極層１１６の周辺部４０４の周りに分布し、具体的には、高さ方向（Ｚ寸法）内で電極層のエッジに位置している一連の突出部をスペーサ構造体４００の集団が含む、一実施形態を示す。図８Ｇ及び８Ｈは、複数のスペーサ構造体の分布及び構成のさらなる実施形態を示し、その中の１つは、スペーサ構造体間の間隔が電極層１１６の高さ方向（Ｚ寸法）に沿って減少し（図８Ｈ）、その中の１つは、スペーサ構造体間の間隔が高さ方向（Ｚ寸法）に沿って均一である（図８Ｇ）。

【0083】

ある特定の実施形態によれば、スペーサ構造体間の距離は、電極層１１６の１つ以上の寸法に沿って増加してもよい、及び／または減少してもよい、及び／または巻回電極内のユニットセル及び／または巻回部間で増加してもよい、及び／または減少してもよい。例えば、図１１Ａ及び１１Ｂに示される渦巻状巻回電池の実施形態を参照すると、一実施形態では、スペーサ構造体間の間隔は、電極接合体の内側領域から外側領域までの電極の長さＬ_Ｅに沿って増加することにより、電極接合体の隣接する巻回部内のスペーサ構造体が積層方向Ｒ内で互いにアライメントされることができる。すなわち、積層方向Ｒ内で互いにアライメントされるスペーサ構造体を設ける、スペーサ構造体間の間隔は、増加するＲの関数として増加することができる。一実施形態では、ユニットセルの内側巻回部２０５ａ内に配置されるスペーサ構造体４００がユニットセルの外側巻回部２０５ｂ内にあるスペーサ構造体４００と積層方向においてアライメントされるように、スペーサ構造体４００の集団の部材はアライメントされる。図１１Ｃは、巻回電極接合体１０６のさらに別の実施形態を示し、その中では、巻回部２０５は、電極層１１６の巻回経路２０８に沿った直線状のエッジを含む。

【0084】

一実施形態によれば、電極層１１６内にスペーサ４００の集団を含む電極接合体１０６は、充電状態と放電状態との間のサイクルを繰り返す二次電池での使用に適しているものである。ある特定の実施形態によれば、スペーサの集団を含む電極接合体は、本明細書の他の箇所で論じられるように、形成プロセスを実行する前の形成前の段階にあってもよい。すなわち、電極接合体１０６は、二次電池などの貯蔵装置への組み込みに適しており、形成プロセスを経るものであってもよい。また、本明細書の実施形態は、形成プロセスを経た二次電池または他の貯蔵装置の一部を電極接合体が形成する場合など、形成後の段階にある電極接合体１０６を企図してもよい。

【0085】

一実施形態によれば、充電状態と放電状態との間のサイクルを繰り返す二次電池の形成方法は、電極接合体、キャリアイオン、及び電池筐体内に非水系電解液を提供すること、ならびに放電状態から充電状態まで二次電池を充電させることを伴う形成プロセスを実行することを含む。一実施形態では、形成プロセスを実行して、電極層内の固体電極活物質の容積を増加させることができることにより、形成後の容積は、電極層内の固体電極活物質の第一容積よりも少なくとも３％、少なくとも５％、少なくとも１０％、少なくとも２５％、少なくとも５０％、少なくとも７５％、及び／または少なくとも１００％大きい。さらに、固体電極活物質の容積における増加は起こることができるが、形成前のユニットセルの幅Ｗ_ＵＣと比較した、形成後に示されるユニットセルの幅Ｗ_ＵＣにおける変化が、いくつかの実施形態では、１％未満、０．５％未満、０．２５％未満、及び／または０．１％未満である、及び／または形成前及び形成後の両方のユニットセルの幅Ｗ_ＵＣが実質的に同じであり得るため、ユニットセル５００の幅は形成プロセス中に実質的に変化しない。

【0086】

ある特定の実施形態によれば、形成プロセスは、二次電池１０２の少なくとも１回の初期充電サイクルを含むことができ、このサイクルを、電流、温度及び持続時間のうちの１つ以上を含む注意深く制御された条件下で実行し、二次電池１０２の構成要素間の所望の構造及び接触、例えばユニットセル５００内の構造体間の所望の構造及び接触などの形成を促進することができる。概して、形成プロセスは、二次電池をその定格容量まで充電することができるように、内部構造及び形態を再配列する、及び／または最適化する条件下で実行される１回以上の初期充電ステップを含んでもよい。形成プロセスは、特定の電池の構造及び組成に従って、本明細書の他の箇所で説明されるように、単一の初期充電サイクルのみを含んでもよく、または複数の充電サイクルを含んでもよく、二次電池１０２をそのフルパワー及び／または全容量にするために、二次電池製造中の最終段階として実行されることができる。

【0087】

一実施形態では、図３Ｃを参照すると、電極拘束体セット６０２により、形成プロセス中に、電極接合体の積層方向においての成長を拘束すること、及び／または電極接合体内のユニットセルの集団のアライメントを維持することがもたらされる。例えば、電極拘束体セット６０２は、第一及び第二拘束部材６００ａ、６００ｂを含むことができ、これらの拘束部材は、積層方向（図３ＣのＹ方向）に沿って離隔され、形成プロセス中に、また任意選択で形成後に、積層方向における電極接合体内の構造体のアライメントを維持することができる。一実施形態では、電極層１１６内の電極活物質の成長及び／または膨潤は、積層方向に圧力をかけることができる、及び／またはユニットセル５００を互いにアライメントから外させることができる。それを受けて、電極拘束体セット６０２を設けることにより、ユニットセル内の空隙部１２６が、その中で電極活物質を膨張させることを可能にするために効果的に利用されることができるように、各ユニットセル内の構造体のアライメントは維持されることができる。

【0088】

一実施形態では、電極拘束体セット６０２は、図３Ｃに示されるように、積層方向に沿って互いに離隔される第一及び第二拘束部材６００ａ、６００ｂを含む。別の実施形態では、電極拘束体セットは、第一及び第二拘束部材６００ａ、６００ｂを含み、これら第一及び第二拘束部材６００ａ、６００ｂは、積層方向に直交する別の方向に沿って、例えば、Ｘ方向またはＺ方向のうちの１つ以上に沿って、互いに離隔され、Ｘ方向及びＺ方向のうちの１つ以上の内で拘束する、及び／または積層方向に直交する方向に沿って拘束する１つ以上の拘束体に加えて、積層方向に沿って拘束する拘束体の組み合わせもまた提供されてもよい。角柱状電極接合体の一実施形態によれば、第一及び第二拘束部材は、図３Ｃに示されるように、積層方向に対応するＹ方向に沿って離隔されてもよい。巻回電極接合体の別の実施形態によれば、拘束体セット６０２は、例えば、巻回電極接合体の外周部の周りに延在する、円筒形拘束部材、及び／または円筒形拘束体の１つ以上のセグメントを設けることによってなど、積層方向Ｒに沿って拘束するように構成されてもよい。例えば、巻回電極接合体の拘束体セットは、電極接合体のための缶または他の筐体１０４であってもよい。

【0089】

一実施形態では、電極拘束体セットは、電池筐体１０４（図示せず）内に設けられる。別の実施形態では、電極拘束体セット６０２は、電池筐体（図３Ｃに示される）の外側に設けられる。電池筐体１０４は、その中の二次電池で使用される電解質を封止する封止筐体であってもよい。さらなる一実施形態では、電極拘束体セット６０２は、形成プロセス前に、及び／またはその間に設けられ、形成後に電極接合体１０６から除去されることができる。さらに別の実施形態によれば、例えば二次電池の通常サイクル中の電極活物質の成長及び／または膨潤に抵抗するなどのために、電極拘束体セット６０２を、形成プロセス前に、及び／またはその間に設けることができ、形成後に二次電池の一部として保持する。それに限定されないが、形成プロセスの前、その最中、及び／またはその後に、電極接合体１０６を拘束するために設けられることができる適切な電極拘束体の実施形態は、例えば、２０１９年５月７日に発行されたＢｕｓａｃｃａ ｅｔ ａｌ．の米国特許第１０，２８３，８０７号、及び２０１９年１月８日に発行されたＢｕｓａｃｃａ ｅｔ ａｌ．の米国特許第１０，１７７，４００号に記載されており、これら両方は、参照によりそれらの全体が本明細書に援用されている。

【0090】

一実施形態によれば、スペーサ構造体４００の集団の少なくとも一部、さらには完全にすべては、例えば、形成後の段階中にスペーサ構造体４００を電極活物質内に配合することができる場合、形成プロセス後に存在しなくなることができる。さらに、ある特定の実施形態によれば、例えば、電極活物質層１２５が形成後の電極層の実質的に全容積を占めるように、形成後の段階中にスペーサ構造体の集団を電極活物質層１２５内に混合することができる。例えば、形成前の段階中にリチウム電極を含む二次電池に使用される、リチウムスペーサ構造体をスペーサ構造体が含む場合、形成プロセスにより、リチウム含有電極活物質が成長するため、形成後の段階中に、リチウムスペーサ構造体と電極層の残りの部分との間の界面は識別できないことがある。さらに別の実施形態によれば、スペーサの集団は、形成前に電解質を電極接合体内に充填した後、化学反応することができるため、スペーサの集団の少なくとも一部及び／またはすべては、形成後に識別することができなくなる。さらに別の実施形態によれば、電極接合体１０６の組み立て後（例えば、ユニットセル５００の積層後）、及び形成プロセス前、形成プロセス中、または形成プロセス後のいずれかに、例えばユニットセル５００内の空隙部１２６を維持する別の方法が提供される場合に、スペーサの集団の少なくとも一部及び／またはすべてが除去されてもよい。

【0091】

さまざまな実施形態によれば、スペーサ構造体４００は、さまざまな異なる方法によって形成されてもよい。例えば、一実施形態では、スペーサ構造体４００は、スペーサ材料を電極構造体１１０（例えば、電極集電体及び／または電極活物質層）及び／またはセパレータ層上に印刷することによって、例えば、スクリーン印刷、ステンシル印刷、インクジェット印刷、重量印刷、及びその他の方法によって形成されることができる。さらに別の実施形態によれば、スペーサ構造体は、シャドウマスクを使用する蒸着法によって製造されることができる。さらに別の実施形態によれば、スペーサ構造体は、スペーサ材料を含むピンを電極構造体１１０及び／またはセパレータ層１３０内に機械的にしまりばめで嵌合することによって製造されることができる。さらに別の実施形態によれば、スペーサ構造体は、セパレータ層１３０及び／または電極構造体１１０の１つ以上の部分と共成形することによって製造されることができる。さらに別の実施形態によれば、スペーサ構造体は、ユニットセル５００の組み立て中に電極構造体１１０とセパレータ１３０との間にオープンメッシュを渡設することによって製造されることができる。さらに別の実施形態によれば、スペーサ構造体は、グルーを用いて電極構造体１１０の頂部上にワイヤを敷設して電極構造体より上の所望の高さまで押圧することによって製造されることができる。ある特定の実施形態によれば、スペーサ構造体４００の集団は、電極活物質層１２５の電極活物質と同時に析出する、またはその他の方法で形成されることができる。例えば、電極活物質が電極集電体１１４の表面上に析出する、またはその他の方法で形成される場合、スペーサ材料の集団は、この電極活物質層の形成プロセスの一部として同様に析出してもよい、またはその他の方法で形成されてもよい。さらに別の実施形態によれば、スペーサ構造体の集団は、電極活物質が電極集電体１１４上に析出する、またはその他の方法で形成される前に、及び／またはその上にすでに析出した、またはその他の方法で形成された後に析出することができる。さらに別の実施形態によれば、スペーサ構造体の集団は、電極活物質層の析出／形成プロセス中に、少なくとも部分的に析出する、及び／または形成されることができ、電極活物質層の形成が完了した後に完成することができる。別の実施形態によれば、スペーサ構造体の集団は、電極活物質層が形成される前に、及び／またはその後に、添加または削除プロセスとして形成されることができる。スペーサ構造体を製造する他の方法、及び／またはそれらの製造方法の組み合わせもまた提供されてもよい。

【0092】

さらに、本明細書で使用される場合、「電極構造体」または「電極活物質」などの「電極」という用語を使用して材料または構造を説明する実施形態ごとに、そのような構造及び／または材料が、ある特定の実施形態では、「負極構造体」または「負極活物質」などの「負極」のものに対応することができることを理解されたい。同様に、本明細書で使用される場合、「対電極構造体」または「対電極活物質」などの「対電極」という用語を使用して材料または構造を説明する実施形態ごとに、そのような構造及び／または材料が、ある特定の実施形態では、「正極構造体」または「正極活物質」などの「正極」のものに対応することができることを理解されたい。すなわち、適切な場合、電極及び／または対電極について記載された任意の実施形態は、電極及び／または対電極がそれぞれ、それらの対応する構造及び材料を含む、具体的には負極及び／または正極である、同じ実施形態に対応してもよい。

【0093】

その他の電池コンポーネント
電極１１０及び対電極１１２の集団の部材は、リチウム、ナトリウム、カリウム、カルシウム、マグネシウムまたはアルミニウムのイオンなどのキャリアイオンを吸収して放出することができる電気活性材料を含む。いくつかの実施形態では、電極構造体１１０の集団の部材は、アノード活性電気活性材料（負極と称されることもある）を含み、対電極構造体１１２の集団の部材は、カソード活性電気活性材料（正極と称されることもある）を含む。他の実施形態では、電極構造体１１０の集団の部材はカソード活性電気活性材料を含み、対電極構造体１１２の集団の部材はアノード活性電気活性材料を含む。例えば、負極活物質は、例えば、粒子凝集電極、粒子状材料のスラリーを形成して層形状に鋳造することなどによって粒子状材料から形成される電極活物質、またはモノリシック電極であってもよい。

【0094】

例示的なアノード活性電気活性材料は、グラファイト及びソフトもしくはハードカーボンなどの炭素材料、またはリチウムと合金を形成することができる範囲の金属、半金属、合金、酸化物及び化合物のいずれかを含む。アノード材料を構成することができる金属または半金属の具体的な例は、グラファイト、スズ、鉛、マグネシウム、アルミニウム、ホウ素、ガリウム、シリコン、Ｓｉ／Ｃ複合材料、Ｓｉ／グラファイト配合物、ＳｉＯｘ、多孔質Ｓｉ、金属間Ｓｉ合金、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、リチウム、ナトリウム、グラファイト、炭素、チタン酸リチウム、パラジウム、及びそれらの混合物を含む。例示的な一実施形態では、アノード活物質は、アルミニウム、スズ、もしくはシリコン、またはそれらの酸化物、それらの窒化物、それらのフッ化物、もしくはそれらの他の合金を含む。別の例示的な実施形態では、アノード活物質は、ケイ素、酸化ケイ素、またはそれらの合金を含む。

【0095】

さらに別の実施形態では、アノード活物質は、リチウム金属、リチウム合金、炭素、石油コークス、活性炭、グラファイト、シリコン化合物、スズ化合物、及びそれらの合金を含むことができる。一実施形態では、アノード活物質は、難黒鉛化炭素、グラファイト系炭素などの炭素；Ｌｉ_ｘＦｅ_２Ｏ_３（０≦ｘ≦１）、Ｌｉ_ｘＷＯ_２（０≦ｘ≦１）、Ｓｎ_ｘＭｅ_１－ｘＭｅ’_ｙＯ_ｚ（Ｍｅ：Ｍｎ、Ｆｅ、Ｐｂ、Ｇｅ；Ｍｅ’：Ａｌ、Ｂ、Ｐ、Ｓｉ、周期表の第１族、第２族及び第３族にある元素、ハロゲン；０＜ｘ≦１；１≦ｙ≦３；１≦ｚ≦８）などの金属錯体酸化物；リチウム金属；リチウム合金；シリコン系合金；スズ系合金；ＳｎＯ、ＳｎＯ_２、ＰｂＯ、ＰｂＯ_２、Ｐｂ_２Ｏ_３、Ｐｂ_３Ｏ_４、Ｓｂ_２Ｏ_３、Ｓｂ_２Ｏ_４、Ｓｂ_２Ｏ_５、ＧｅＯ、ＧｅＯ_２、Ｂｉ_２Ｏ_３、Ｂｉ_２Ｏ_４、Ｂｉ_２Ｏ_５などの金属酸化物；ポリアセチレンなどの導電性ポリマー；Ｌｉ－Ｃｏ－Ｎｉ系材料などを含む。一実施形態では、アノード活物質は、天然グラファイト、合成グラファイトなどの結晶グラファイト、及びソフトカーボン、ハードカーボンなどのアモルファスカーボンを含む炭素系活物質を含むことができる。アノード活物質に適した炭素材料の他の例は、グラファイト、キッシュグラファイト、熱分解炭素、メソフェーズピッチ系炭素繊維、メソカーボンマイクロビーズ、メソフェーズピッチ、黒鉛化炭素繊維、及び石油またはコールタールピッチ由来のコークスなどの高温焼結炭素を含むことができる。一実施形態では、負極活物質は、酸化スズ、硝酸チタン、及びシリコンを含んでもよい。別の実施形態では、負極は、リチウム金属膜などのリチウム金属、またはリチウムと、Ｎａ、Ｋ、Ｒｂ、Ｃｓ、Ｆｒ、Ｂｅ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｒａ、Ａｌ及びＳｎからなる群から選択される１種類以上の金属との合金などのリチウム合金を含むことができる。さらに別の実施形態では、アノード活物質は、Ｓｉ、Ａｌ、Ｃ、Ｐｔ、Ｓｎ、Ｐｂ、Ｉｒ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｔｉ、Ｎａ、Ｋ、Ｒｂ、Ｃｓ、Ｆｒ、Ｂｅ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｓｂ、Ｂａ、Ｒａ、Ｇｅ、Ｚｎ、Ｂｉ、Ｉｎ、Ｍｇ、Ｇａ、Ｃｄ、Ｓｉ合金、Ｓｎ合金、Ａｌ合金など、リチウムと合金化する、及び／またはインターカレートすることができる金属化合物；ＳｉＯ_ｖ（０＜ｖ＜２）、ＳｎＯ_２、バナジウム酸化物またはリチウムバナジウム酸化物など、リチウムイオンをドープ及び脱ドープすることができる金属酸化物；ならびにＳｉ－Ｃ複合材料またはＳｎ－Ｃ複合材料などの金属化合物及び炭素材料を含む複合材料を含むことができる。例えば、一実施形態では、リチウムと合金化する／インターカレートすることができる材料は、リチウム、インジウム、スズ、アルミニウム、もしくはシリコンなどの金属、またはそれらの合金；Ｌｉ_４／３Ｔｉ_５／３Ｏ_４またはＳｎＯなどの遷移金属酸化物；及び人造黒鉛、黒鉛炭素繊維、樹脂焼成炭素、熱分解気相成長炭素、コークス、メソカーボンマイクロビーズ（「ＭＣＭＢ」）、フルフリルアルコール樹脂焼成炭素、ポリアセン、ピッチ系炭素繊維、気相成長炭素繊維、または天然黒鉛などの炭素質材料であってもよい。さらに別の実施形態では、負極活物質は、ナトリウムまたはマグネシウムなどのキャリアイオンに適した組成物を含むことができる。例えば、一実施形態では、負極活物質は、層状炭素質材料、及び層状炭素質材料の層間に析出した化学式、Ｎａ_ｘＳｎ_ｙ－ｚＭ_ｚの組成物を含むことができ、式中、ＭはＴｉ、Ｋ、Ｇｅ、Ｐ、またはそれらの組み合わせであり、０＜ｘ≦１５、１≦ｙ≦５、及び０≦ｚ≦１である。

【0096】

一実施形態では、負極活物質は、導電性材料及び／または導電助剤（例えば、炭素系材料、カーボンブラック、グラファイト、グラフェン、活性炭素、炭素繊維、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、チャンネルブラック、ファーネスブラック、ランプブラック、サーマルブラックなどのカーボンブラックなど）、導電性繊維（例えば、炭素繊維、金属繊維など）、導電性チューブ（例えば、カーボンナノチューブなど）、金属粉末（例えば、フッ化炭素粉末、アルミニウム粉末、ニッケル粉末など）、導電性ウィスカ（例えば、酸化亜鉛、チタン酸カリウムなど）、導電性金属酸化物（例えば、酸化チタンなど）、または導電性材料（例えば、ポリフェニレン誘導体など）をさらに含むことができる。さらにそのうえ、金属メッシュなどの金属繊維；銅、銀、ニッケル及びアルミニウムなどの金属粉末；またはポリフェニレン誘導体などの有機導電性材料を使用してもよい。さらに別の実施形態では、例えば、ポリエチレン、ポリエチレンオキシド、ポリプロピレン、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、フッ化ポリビニリデン（ＰＶＤＦ）、スチレン－ブタジエンゴム、テトラフルオロエチレン－パーフルオロアルキルビニルエーテルコポリマー、フッ化ビニリデン－ヘキサフルオロプロピレンコポリマー、フッ化ビニリデン－クロロトリフルオロエチレンコポリマー、エチレン－テトラフルオロエチレンコポリマー、ポリクロロトリフルオロエチレン、フッ化ビニリデン－ペンタフルオロプロピレンコポリマー、プロピレン－テトラフルオロエチレンコポリマー、エチレン－クロロトリフルオロエチレンコポリマー、フッ化ビニリデン－ヘキサフルオロプロピレン－テトラフルオロエチレンコポリマー、フッ化ビニリデン－パーフルオロメチルビニルエーテル－テトラフルオロエチレンコポリマー、エチレン－アクリル酸コポリマーなどのうちの１つ以上などのバインダが提供されてもよく、単独で、または混合物としてかいずれかで使用されてもよい。

【0097】

例示的なカソード活物質は、広範囲のカソード活物質のいずれかを含む。例えば、リチウムイオン電池の場合、カソード活物質は、遷移金属酸化物、遷移金属硫化物、遷移金属窒化物、リチウム遷移金属酸化物、リチウム遷移金属硫化物、及びリチウム遷移金属窒化物から選択されるカソード材料を含んでもよく、これらは、選択的に使用されてもよい。これらの遷移金属酸化物、遷移金属硫化物、及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むことができる。そのような金属元素の具体例は、Ｓｃ、Ｙ、ランタノイド類、アクチノイド類、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｍｎ、Ｔｃ、Ｒｅ、Ｆｅ、Ｒｕ、Ｏｓ、Ｃｏ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｎｉ、Ｐｂ、Ｐｔ、Ｃｕ、Ａｇ、及びＡｕである。追加のカソード活物質は、ＬｉＣｏＯ_２、ＬｉＮｉ_０．５Ｍｎ_１．５Ｏ_４、Ｌｉ（Ｎｉ_ｘＣｏ_ｙＡｌ_ｚ）Ｏ_２、ＬｉＦｅＰＯ_４、Ｌｉ_２ＭｎＯ_４、Ｖ_２Ｏ_５、硫化オキシモリブデン類、リン酸塩類、ケイ酸塩類、バナジン酸塩類、硫黄、硫黄化合物類、酸素（空気）、Ｌｉ（Ｎｉ_ｘＭｎ_ｙＣｏ_ｚ）Ｏ_２、及びそれらの組み合わせを含む。さらに、カソード活物質層の化合物は、リチウム含有化合物を含むことができ、これらのリチウム含有化合物は、リチウム、コバルト及び酸素を含む化合物（例えば、ＬｉＣｏＯ_２）、リチウム、マンガン及び酸素を含む化合物（例えば、ＬｉＭｎ_２Ｏ_４）、ならびにリン酸鉄リチウムを含む化合物（例えば、ＬｉＦｅＰＯ）などの金属酸化物または金属リン酸塩をさらに含むことができる。一実施形態では、カソード活物質は、リチウムマンガン酸化物、リチウムコバルト酸化物、リチウムニッケル酸化物、リン酸鉄リチウム、または前述の酸化物の組み合わせから形成された複合酸化物のうちの少なくとも１つを含む。別の実施形態では、カソード活物質は、リチウムコバルト酸化物（ＬｉＣｏＯ_２）、リチウムニッケル酸化物（ＬｉＮｉＯ_２）など、または１つ以上の遷移金属との置換化合物；Ｌｉ_１＋ｘＭｎ_２－ｘＯ_４（式中、ｘは０～０．３３）、ＬｉＭｎＯ_３、ＬｉＭｎ_２Ｏ_３、ＬｉＭｎＯ_２などのリチウムマンガン酸化物；リチウム銅酸化物（Ｌｉ_２ＣｕＯ_２）；ＬｉＶ_３Ｏ_８、ＬｉＦｅ_３Ｏ_４、Ｖ_２Ｏ_５、Ｃｕ_２Ｖ_２Ｏ_７などのバナジウム酸化物；ＬｉＮｉ_１－ｘＭ_ｘＯ_２の化学式で表されるＮｉサイト型リチウムニッケル酸化物（式中、Ｍ＝Ｃｏ、Ｍｎ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｍｇ、ＢまたはＧａ、及びｘ＝０．０１～０．３）；ＬｉＭｎ_２－ｘＭ_ｘＯ_２（式中、Ｍ＝Ｃｏ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｃｒ、ＺｎまたはＴａ、及びｘ＝０．０１～０．１）またはＬｉ_２Ｍｎ_３ＭＯ_８（式中、Ｍ＝Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、ＣｕまたはＺｎ）の化学式で表されるリチウムマンガン複合酸化物；Ｌｉの一部がアルカリ土類金属イオンで置換されるＬｉＭｎ_２Ｏ_４；ジスルフィド化合物；Ｆｅ_２（ＭｏＯ_４）_３などのうちの１つ以上を含むことができる。一実施形態では、カソード活物質は、式２：Ｌｉ_１＋ａＦｅ_１－ｘＭ’_ｘ（ＰＯ_４－ｂ）Ｘ_ｂのオリビン結晶構造を有するリチウム金属リン酸塩を含むことができ、式中、Ｍ’はＡｌ、Ｍｇ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｍｎ、Ｔｉ、Ｇａ、Ｃｕ、Ｖ、Ｎｂ、Ｚｒ、Ｃｅ、Ｉｎ、Ｚｎ、及びＹから選択される少なくとも１つであり、ＸはＦ、Ｓ、及びＮから選択される少なくとも１つであり、－０．５≦ａ≦＋０．５、０≦ｘ≦０．５、及び０≦ｂ≦０．１、例えば、ＬｉＦｅＰＯ_４、Ｌｉ（Ｆｅ，Ｍｎ）ＰＯ_４、Ｌｉ（Ｆｅ，Ｃｏ）ＰＯ_４、Ｌｉ（Ｆｅ，Ｎｉ）ＰＯ_４などのうちの少なくとも１つである。一実施形態では、カソード活物質は、ＬｉＣｏＯ_２ 、ＬｉＮｉＯ_２、ＬｉＭｎＯ_２、ＬｉＭｎ_２Ｏ_４、ＬｉＮｉ_１－ｙＣｏ_ｙＯ_２、ＬｉＣｏ_１－ｙＭｎ_ｙＯ_２、ＬｉＮｉ_１－ｙＭｎ_ｙＯ_２（０≦ｙ≦１）、Ｌｉ（Ｎｉ_ａＣｏ_ｂＭｎ_ｃ）Ｏ_４（０＜ａ＜２、０＜ｂ＜２、０＜ｃ＜２、及びａ＋ｂ＋ｃ＝２）、ＬｉＭｎ_２－ｚＮｉ_ｚＯ_４、ＬｉＭｎ_２－ｚＣｏ_ｚＯ_４（０＜ｚ＜２）、ＬｉＣｏＰＯ_４及びＬｉＦｅＰＯ_４、またはそれらの２つ以上の混合物のうちの少なくとも１つを含む。

【0098】

さらに別の実施形態では、カソード活物質は、元素硫黄（Ｓ８）、硫黄系列化合物またはそれらの混合物を含むことができる。硫黄系列化合物は、具体的には、Ｌｉ_２Ｓ_ｎ（ｎ≧１）、有機硫黄化合物、炭素－硫黄ポリマー（（Ｃ_２Ｓ_ｘ）_ｎ：ｘ＝２．５から５０、ｎ≧２）などであってもよい。さらに別の実施形態では、カソード活物質は、リチウム及びジルコニウムの酸化物を含むことができる。

【0099】

さらに別の実施形態では、カソード活物質は、コバルト、マンガン、ニッケル、またはそれらの組み合わせなどのリチウム及び金属の少なくとも１つの複合酸化物を含むことができ、これらが使用されてもよく、それらの例は、Ｌｉ_ａＡ_１－ｂＭ_ｂＤ_２（式中、０．９０≦ａ≦１、及び０≦ｂ≦０．５）；Ｌｉ_ａＥ_１－ｂＭ_ｂＯ_２－ｃＤ_ｃ（式中、０．９０≦ａ≦１、０≦ｂ≦０．５、及び０≦ｃ≦０．０５）；ＬｉＥ_２－ｂＭ_ｂＯ_４－ｃＤ_ｃ（式中、０≦ｂ≦０．５、及び０≦ｃ≦０．０５）；Ｌｉ_ａＮｉ_{１－ｂ－ｃ}Ｃｏ_ｂＭ_ｃＤ_ａ（式中、０．９０≦ａ≦１、０≦ｂ≦０．５、０≦ｃ≦０．０５、及び０＜ａ≦２）；Ｌｉ_ａＮｉ_{１－ｂ－ｃ}Ｃｏ_ｂＭ_ｃＯ_２－ａＸ_ａ（式中、０．９０≦ａ≦１、０≦ｂ≦０．５、０≦ｃ≦０．０５、及び０＜ａ＜２）；Ｌｉ_ａＮｉ_{１－ｂ－ｃ}Ｃｏ_ｂＭ_ｃＯ_２－ａＸ_２（式中、０．９０≦ａ≦１、０≦ｂ≦０．５、０≦ｃ≦０．０５、及び０＜ａ＜２）；Ｌｉ_ａＮｉ_{１－ｂ－ｃ}Ｍｎ_ｂＭ_ｃＤ_ａ（式中、０．９０≦ａ≦１、０≦ｂ≦０．５、０≦ｃ≦０．０５、及び０＜ａ≦２）；Ｌｉ_ａＮｉ_{１－ｂ－ｃ}Ｍｎ_ｂＭ_ｃＯ_２－ａＸ_ａ（式中、０．９０≦ａ≦１、０≦ｂ≦０．５、０≦ｃ≦０．０５、及び０＜ａ＜２）；Ｌｉ_ａＮｉ_{１－ｂ－ｃ}Ｍｎ_ｂＭ_ｃＯ_２－ａＸ_２（式中、０．９０≦ａ≦１、０≦ｂ≦０．５、０≦ｃ≦０．０５、及び０＜ａ＜２）；Ｌｉ_ａＮｉ_ｂＥ_ｃＧ_ｄＯ_２（式中、０．９０≦ａ≦１、０≦ｂ≦０．９、０≦ｃ≦０．５、及び０．００１≦ｄ≦０．１）；Ｌｉ_ａＮｉ_ｂＣｏ_ｃＭｎ_ｄＧｅＯ_２（式中、０．９０≦ａ≦１、０≦ｂ≦０．９、０≦ｃ≦０．５、０≦ｄ≦０．５、及び０．００１≦ｅ≦０．１）；Ｌｉ_ａＮｉＧ_ｂＯ_２（式中、０．９０≦ａ≦１及び０．００１≦ｂ≦０．１）；Ｌｉ_ａＣｏＧ_ｂＯ_２（式中、０．９０≦ａ≦１及び０．００１≦ｂ≦０．１）；Ｌｉ_ａＭｎＧ_ｂＯ_２（式中、０．９０≦ａ≦１及び０．００１≦ｂ≦０．１）；Ｌｉ_ａＭｎ_２Ｇ_ｂＯ_４（式中、０．９０≦ａ≦１及び０．００１≦ｂ≦０．１）；ＱＯ_２；ＱＳ_２；ＬｉＱＳ_２；Ｖ_２Ｏ_５；ＬｉＶ_２Ｏ_５；ＬｉＸ’Ｏ_２；ＬｉＮｉＶＯ_４；Ｌｉ_{（３－ｆ）}Ｊ_２（ＰＯ_４）_３（０≦ｆ≦２）；Ｌｉ_{（３－ｆ）}Ｆｅ_２（ＰＯ_４）_３（０≦ｆ≦２）；及びＬｉＦｅＰＯ_４である。上記の式では、ＡはＮｉ、Ｃｏ、Ｍｎ、またはそれらの組み合わせであり、ＭはＡｌ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｍｇ、Ｓｒ、Ｖ、希土類元素、またはそれらの組み合わせであり、ＤはＯ、Ｆ、Ｓ、Ｐ、またはそれらの組み合わせであり、ＥはＣｏ、Ｍｎ、またはそれらの組み合わせであり、ＸはＦ、Ｓ、Ｐ、またはそれらの組み合わせであり、ＧはＡｌ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｍｇ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｓｒ、Ｖ、またはそれらの組み合わせであり、ＱはＴｉ、Ｍｏ、Ｍｎ、またはそれらの組み合わせであり、Ｘ’はＣｒ、Ｖ、Ｆｅ、Ｓｃ、Ｙ、またはそれらの組み合わせであり、ＪはＶ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、またはそれらの組み合わせである。例えば、ＬｉＣｏＯ_２、ＬｉＭｎ_ｘＯ_２ｘ（ｘ＝１または２）、ＬｉＮｉ_１－ｘＭｎ_ｘＯ_２ｘ（０＜ｘ＜１）、ＬｉＮｉ_{１－ｘ－ｙ}Ｃｏ_ｘＭｎ_ｙＯ_２（０≦ｘ≦０．５、０≦ｙ≦０．５）、またはＦｅＰＯ_４を使用することができる。一実施形態では、カソード活物質は、リチウムコバルト酸化物、リチウムニッケル酸化物、リチウムニッケルコバルト酸化物、リチウムニッケルコバルトアルミニウム酸化物、リチウムニッケルコバルトマンガン酸化物、リチウムマンガン酸化物、もしくはリン酸鉄リチウムなどのリチウム化合物；ニッケル硫化物；銅硫化物；硫黄；鉄酸化物；またはバナジウム酸化物のうちの少なくとも１つを含む。

【0100】

一実施形態では、カソード活物質は、ナトリウム含有材料、例えば、ＮａＦｅＯ_２、ＮａＭｎＯ_２、ＮａＮｉＯ_２、もしくはＮａＣｏＯ_２などの式ＮａＭ^１ _ａＯ_２の酸化物；または式ＮａＭｎ_１－ａＭ^１ _ａＯ_２で表される酸化物のうちの少なくとも１つなどを含むことができ、式中、Ｍ^１は少なくとも１つの遷移金属元素であり、０≦ａ＜１である。代表的な正極活物質は、Ｎａ［Ｎｉ_１／２Ｍｎ_１／２］Ｏ_２、Ｎａ_２／３［Ｆｅ_１／２Ｍｎ_１／２］Ｏ_２など；Ｎａ_０．４４Ｍｎ_１－ａＭ^１ _ａＯ_２で表される酸化物、Ｎａ_０．７Ｍｎ_１－ａＭ^１ _ａＯ_２．０５ａｎで表される酸化物（式中、Ｍ^１は少なくとも１つの遷移金属元素であり、０≦ａ＜１である）；Ｎａ_ｂＭ^２ _ｃＳｉ_１２Ｏ_３０によってＮａ_６Ｆｅ_２Ｓｉ_１２Ｏ_３０またはＮａ_２Ｆｅ_５Ｓｉ_１２Ｏとして表される酸化物（式中、Ｍ^２は少なくとも１つの遷移金属元素であり、２≦ｂ≦６、及び２≦ｃ≦５）；Ｎａ_２Ｆｅ_２Ｓｉ_６Ｏ_１８またはＮａ_２ＭｎＦｅＳｉ_６Ｏ_１８などのＮａ_ｄＭ^３ _ｅＳｉ_６Ｏ_１８で表される酸化物（式中、Ｍ^３は少なくとも１つの遷移金属元素であり、３≦ｄ≦６、及び１≦ｅ≦２）；Ｎａ_２ＦｅＳｉＯ_６などのＮａ_ｆＭ^４ _ｇＳｉ_２Ｏ_６で表される酸化物（式中、Ｍ^４は遷移金属元素、マグネシウム（Ｍｇ）及びアルミニウム（Ａｌ）から選択される少なくとも１つの元素であり、１≦ｆ≦２及び１≦ｇ≦２）；ＮａＦｅＰＯ_４、Ｎａ_３Ｆｅ_２（ＰＯ_４）_３、Ｎａ_３Ｖ_２（ＰＯ_４）_３、Ｎａ_４Ｃｏ_３（ＰＯ_４）_２Ｐ_２Ｏ_７などのリン酸塩；ＮａＦｅＢＯ_４またはＮａ_３Ｆｅ_２（ＢＯ_４）_３などのホウ酸塩；Ｎａ_３ＦｅＦ_６またはＮａ_２ＭｎＦ_６などのＮａ_ｈＭ^５Ｆ_６で表されるフッ化物（式中、Ｍ^５は少なくとも１つの遷移金属元素であり、２≦ｈ≦３）、Ｎａ_３Ｖ_２（ＰＯ_４）_２Ｆ_３、Ｎａ_３Ｖ_２（ＰＯ_４）_２ＦＯ_２などのフルオロリン酸塩を含む。正極活物質は、前述のものに限定されず、当該技術で使用される任意の適切な正極活物質が使用されることができる。一実施形態では、正極活物質は、好ましくは、ＮａＭｎＯ_２、Ｎａ［Ｎｉ_１／２Ｍｎ_１／２］Ｏ_２及びＮａ_２／３［Ｆｅ_１／２Ｍｎｓ_１／２］Ｏ_２などの層状型酸化物カソード材料、Ｎａ_３Ｖ_２（ＰＯ_４）_３及びＮａ_４Ｃｏ_３（ＰＯ_４）_２Ｐ_２Ｏ_７などのリン酸塩カソード、またはＮａ_３Ｖ_２（ＰＯ_４）_２Ｆ_３及びＮａ_３Ｖ_２（ＰＯ_４）_２ＦＯ_２などのフルオロリン酸塩カソードを含む。

【0101】

さらに別の実施形態では、カソード活物質は、導電助剤及び／またはバインダのうちの１つ以上をさらに含むことができ、これは、例えば、本明細書のアノード活物質について記載された導電助剤及び／またはバインダのいずれかであってもよい。

【0102】

一実施形態では、電極集電体１１４は、金属材料などの適切な導電性材料を含むことができる。電極集電体１１４は、本明細書の実施形態による、負極集電体であることができる、及び／または正極集電体であってもよい。一実施形態によれば、電極集電体は、負極集電体である。一実施形態では、電極集電体は、銅、ニッケル、アルミニウム、ステンレス鋼、チタン、パラジウム、焼成炭素、か焼炭素、インジウム、鉄、マグネシウム、コバルト、ゲルマニウム、リチウム、銅またはステンレス鋼の表面処理材料（炭素、ニッケル、チタン、銀を含む）、アルミニウム－カドミウム合金、及び／またはそれらの他の合金のうちの少なくとも１つを含むことができる。別の例として、一実施形態では、電極集電体は、銅、ステンレス鋼、アルミニウム、ニッケル、チタン、焼成炭素、銅またはステンレス鋼の表面処理材料（炭素、ニッケル、チタン、銀を含む）、アルミニウム－カドミウム合金、及び／またはそれらの他の合金のうちの少なくとも１つを含む。一実施形態では、電極集電体は、銅及びステンレス鋼のうちの少なくとも１つを含む。

【0103】

一実施形態では、対電極集電体１１８は、金属材料などの適切な導電性材料を含むことができる。対電極集電体１１８は、本明細書の実施形態による、負極集電体であることができる、及び／または正極集電体であってもよい。一実施形態によれば、対電極集電体は、正極集電体である。一実施形態では、対電極集電体は、ステンレス鋼、アルミニウム、ニッケル、チタン、焼成炭素、焼結炭素、アルミニウムまたはステンレス鋼の表面処理材料（炭素、ニッケル、チタン、銀を含む）、及び／またはそれらの合金のうちの少なくとも１つを含む。一実施形態では、対電極集電体はアルミニウムを含む。

【0104】

一実施形態では、リチウムイオン（または他のキャリアイオン）が充電及び放電プロセス中にアノード活物質に取り込まれる、またはアノード活物質を脱離するときに、アノード活物質は、体積の膨張及び収縮に対応するために有意な空隙体積分率を提供するように微細構造化される。一般に、アノード活物質の空隙体積分率は少なくとも０．１である。ただし、通常、アノード活物質の空隙体積分率は０．８以下である。例えば、一実施形態では、負極活物質の空隙体積分率は、約０．１５から約０．７５である。さらなる例として、一実施形態では、アノード活物質の空隙体積分率は、約０．２から約０．７である。さらなる例として、一実施形態では、アノード活物質の空隙体積分率は、約０．２５から約０．６である。

【0105】

一実施形態では、アノード活物質は、例えば、多孔質アノード活物質を含む電極活性層１２５の形態のような、多孔質のアルミニウム、スズもしくはシリコン、またはそれらの合金を含む。多孔質シリコン層は、例えば、アノード酸化によって、エッチング（例えば、単結晶シリコンの表面上に金、白金、銀または金／パラジウムなどの貴金属を析出させ、その表面をフッ化水素酸と過酸化水素の混合物でエッチングすることによる）によって、またはパターン化された化学エッチングなどの当該技術で知られている他の方法によって形成されてもよい。さらに、多孔質アノード活物質は、一般に、少なくとも約０．１、ただし０．８未満の多孔度を有し、約１から約１００マイクロメータの厚さを有する。例えば、一実施形態では、電極活物質層１２５は、多孔質シリコンを含むアノード活物質を含み、約５から約１００マイクロメータの厚さ（Ｗ_Ｅ）を有し、約０．１５から約０．７５の多孔度を有する。さらなる例として、一実施形態では、電極活物質層１２５は、多孔質シリコンを含むアノード活物質を含み、約１０から約８０マイクロメータの厚さ（Ｗ_Ｅ）を有し、約０．１５から約０．７の多孔度を有する。さらなる例として、そのような一実施形態では、電極活物質層１２５は、多孔質シリコンを含み、約２０から約５０マイクロメータの厚さ（Ｗ_Ｅ）を有し、約０．２５から約０．６の多孔度を有する。さらなる例として、一実施形態では、電極活物質層１２５は、多孔質シリコン合金（ケイ化ニッケルなど）を含み、約５から約１００マイクロメータの厚さ（Ｗ_Ｅ）を有し、約０．１５から約０．７５の多孔度を有する。

【0106】

電極層１１６の集団の部材の長さ（Ｌ_Ｅ）は、エネルギー貯蔵装置及びその使用目的に応じて変化する。ただし、一実施形態では、集団の部材は、約５ｍｍから約５００ｍｍの範囲内の長さ（Ｌ_Ｅ）を有することができる。例えば、そのような一実施形態では、電極層の集団の部材は、約１０ｍｍから約２５０ｍｍの長さ（Ｌ_Ｅ）を有する。さらなる例として、そのような一実施形態では、集団の部材は、約２５ｍｍから約１００ｍｍの長さ（Ｌ_Ｅ）を有する。さらなる例として、巻回電極接合体に対応する一実施形態では、集団の部材は、少なくとも５０ｃｍ、例えば、少なくとも７５ｃｍ、さらには少なくとも９０ｃｍの長さ（Ｌ_Ｅ）を有し、少なくとも約１０メートル、さらには少なくとも１００メートルの長ささえも有することができる。したがって、例として、巻回電極接合体の一実施形態では、集団の部材は、約５０ｃｍから約８００メートル、例えば、７５ｃｍから約５００メートル、さらには約７５ｃｍから約１メートルの範囲内の長さＬ_Ｅを有してもよい。

【0107】

電極層１１６の集団の幅（Ｗ_Ｅ）もまた、エネルギー貯蔵装置及びその使用目的に応じて変化する。一実施形態では、電極層１１６の集団の各部材は、約０．０１ｍｍから２．５ｍｍの範囲内の幅（Ｗ_Ｅ）を有することができる。例えば、一実施形態では、集団の各部材の幅（Ｗ_Ｅ）は、約０．０２５ｍｍから約２ｍｍの範囲内にある。さらなる例として、一実施形態では、集団の各部材の幅（Ｗ_Ｅ）は、約０．０５ｍｍから約１ｍｍの範囲内にある。

【0108】

電極層１１６の集団の高さ（Ｈ_Ｅ）もまた、エネルギー貯蔵装置及びその使用目的に応じて変化する。ただし、一実施形態では、電極層１１６の集団の部材は、約０．０５ｍｍから約１０ｍｍの範囲内の高さ（Ｈ_Ｅ）を有することができる。例えば、一実施形態では、集団の各部材の高さ（Ｈ_Ｅ）は、約０．０５ｍｍから約５ｍｍの範囲内にある。さらなる例として、一実施形態では、集団の各部材の高さ（Ｈ_Ｅ）は、約０．１ｍｍから約１ｍｍの範囲内にある。さらなる例として、巻回電極接合体の一実施形態では、集団の各部材の高さ（ＨＥ）は、約１０ｍｍから約５００ｍｍの範囲内、例えば、３０ｍｍから９０ｍｍの範囲を含む約２５ｍｍから約１００ｍｍの範囲内、さらには１００ｍｍから４００ｍｍの範囲内などの５０ｍｍから５００ｍｍの範囲内にある。

【0109】

一実施形態では、電極層１１６の集団の部材は、その幅（Ｗ_Ｅ）及びその高さ（Ｈ_Ｅ）のそれぞれよりも実質的に大きい長さ（Ｌ_Ｅ）を有する。例えば、一実施形態では、Ｌ_ＥとＷ_Ｅ及びＨ_Ｅのそれぞれとの比は、電極層１１６の集団の部材ごとに、それぞれ少なくとも５：１である（すなわち、Ｌ_ＥとＷ_Ｅとの比はそれぞれ少なくとも５：１であり、Ｌ_ＥとＨ_Ｅ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、一実施形態では、Ｌ_ＥとＷ_Ｅ及びＨ_Ｅ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、一実施形態では、Ｌ_ＥとＷ_Ｅ及びＨ_Ｅ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、一実施形態では、集団の部材ごとに、Ｌ_ＥとＷ_Ｅ及びＨ_Ｅのそれぞれとの比は少なくとも２０：１である。

【0110】

一実施形態では、電極層１１６の集団の部材の高さ（Ｈ_Ｅ）と幅（Ｗ_Ｅ）との比は、それぞれ少なくとも０．４：１である。例えば、一実施形態では、Ｈ_ＥとＷ_Ｅとの比は、集団の部材ごとに、それぞれ少なくとも２：１である。さらなる例として、一実施形態では、Ｈ_ＥとＷ_Ｅとの比はそれぞれ少なくとも１０：１である。さらなる例として、一実施形態では、Ｈ_ＥとＷ_Ｅとの比はそれぞれ少なくとも２０：１である。一実施形態では、Ｈ_ＥとＷ_Ｅとの比は、それぞれ概して１，０００：１未満である。例えば、一実施形態では、Ｈ_ＥとＷ_Ｅとの比はそれぞれ５００：１未満である。さらなる例として、一実施形態では、Ｈ_ＥとＷ_Ｅとの比はそれぞれ１００：１未満である。さらなる例として、一実施形態では、Ｈ_ＥとＷ_Ｅとの比はそれぞれ１０：１未満である。さらなる例として、一実施形態では、Ｈ_ＥとＷ_Ｅとの比は、集団の部材ごとに、それぞれ約２：１から約１００：１の範囲内である。

【0111】

対電極層１２０の集団の部材の幅（Ｗ_ＣＥ）もまた、エネルギー貯蔵装置及びその使用目的に応じて変化する。一実施形態では、対電極層の集団の部材は、約０．０１ｍｍから２．５ｍｍの範囲内の幅（Ｗ_ＣＥ）を有することができる。例えば、一実施形態では、集団の各部材の幅（Ｗ_ＣＥ）は、約０．０２５ｍｍから約２ｍｍの範囲内にある。さらなる例として、一実施形態では、集団の各部材の幅（Ｗ_ＣＥ）は、約０．０５ｍｍから約１ｍｍの範囲内にある。

【0112】

対電極層１２０の集団の部材の高さ（Ｈ_ＣＥ）もまた、エネルギー貯蔵装置及びその使用目的に応じて変化する。一実施形態では、対電極層１２０の集団の部材は、約０．０５ｍｍから約１０ｍｍの範囲内の高さ（Ｈ_ＣＥ）を有することができる。例えば、一実施形態では、集団の各部材の高さ（Ｈ_ＣＥ）は、約０．０５ｍｍから約５ｍｍの範囲内にある。さらなる例として、一実施形態では、集団の各部材の高さ（Ｈ_ＣＥ）は、約０．１ｍｍから約１ｍｍの範囲内にある。

【0113】

一実施形態では、対電極層１２０の集団の各部材は、幅（Ｗ_ＣＥ）よりも実質的に大きく、その高さ（Ｈ_ＣＥ）よりも実質的に大きい長さ（Ｌ_ＣＥ）を有する。例えば、一実施形態では、Ｌ_ＣＥとＷ_ＣＥ及びＨ_ＣＥのそれぞれとの比は、集団の部材ごとに、それぞれ少なくとも５：１である（すなわち、Ｌ_ＣＥとＷ_ＣＥとの比はそれぞれ少なくとも５：１であり、Ｌ_ＣＥとＨ_ＣＥ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、一実施形態では、Ｌ_ＣＥとＷ_ＣＥ及びＨ_ＣＥのそれぞれとの比は、集団の部材ごとに少なくとも１０：１である。さらなる例として、一実施形態では、Ｌ_ＣＥとＷ_ＣＥ及びＨ_ＣＥのそれぞれとの比は、集団の部材ごとに少なくとも１５：１である。さらなる例として、一実施形態では、Ｌ_ＣＥとＷ_ＣＥ及びＨ_ＣＥのそれぞれとの比は、集団の部材ごとに少なくとも２０：１である。

【0114】

一実施形態では、対電極層１２０の集団の部材の高さ（Ｈ_ＣＥ）と幅（Ｗ_ＣＥ）との比は、それぞれ少なくとも０．４：１である。例えば、一実施形態では、Ｈ_ＣＥとＷ_ＣＥとの比は、対電極層１２０の集団の部材ごとに、それぞれ少なくとも２：１である。さらなる例として、一実施形態では、Ｈ_ＣＥとＷ_ＣＥとの比は、集団の部材ごとに、それぞれ少なくとも１０：１である。さらなる例として、一実施形態では、Ｈ_ＣＥとＷ_ＣＥとの比は、集団の部材ごとに、それぞれ少なくとも２０：１である。一実施形態では、Ｈ_ＣＥとＷ_ＣＥとの比は、集団の部材ごとに、それぞれ概して１，０００：１未満である。例えば、一実施形態では、Ｈ_ＣＥとＷ_ＣＥとの比は、集団の部材ごとに、それぞれ５００：１未満である。さらなる例として、一実施形態では、Ｈ_ＣＥとＷ_ＣＥとの比はそれぞれ１００：１未満である。さらなる例として、一実施形態では、Ｈ_ＣＥとＷ_ＣＥとの比はそれぞれ１０：１未満である。さらなる例として、一実施形態では、Ｈ_ＣＥとＷ_ＣＥとの比は、集団の部材ごとに、それぞれ約２：１から約１００：１の範囲内にある。

【0115】

一実施形態によれば、電極集電体及び対電極集電体のうちの１つ以上は、アルミニウム、炭素、銅、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、シリコン及びニッケルの合金、チタン、またはそれらの組み合わせなどの金属を含んでもよい（Ａ．Ｈ．Ｗｈｉｔｅｈｅａｄ及びＭ．Ｓｃｈｒｅｉｂｅｒによる「Ｃｕｒｒｅｎｔ ｃｏｌｌｅｃｔｏｒｓ ｆｏｒ ｐｏｓｉｔｉｖｅ ｅｌｅｃｔｒｏｄｅｓ ｏｆ ｌｉｔｈｉｕｍ－ｂａｓｅｄ ｂａｔｔｅｒｉｅｓ」、Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ ｔｈｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ Ｓｏｃｉｅｔｙ，１５２（１１）Ａ２１０５－Ａ２１１３（２００５）を参照）。さらなる例として、一実施形態では、電極集電体はゴールドアルミニウムを含む。さらなる例として、一実施形態では、対電極集電体は銅またはその合金を含む。

【0116】

電気絶縁セパレータ層１３０は、電極構造体１１０の集団の各部材を、対電極構造体１１２の集団の各部材から電気的に絶縁してもよい。電気絶縁セパレータ層１３０は、非水系電解質を浸透させることができる微多孔質セパレータ材料を含むことができる。例えば、一実施形態では、この微多孔質セパレータ材料は、少なくとも５０Å、より典型的には約２，５００Åの範囲内の直径、及び約２５％から約７５％の範囲内の、より典型的には約３５～５５％の範囲内の空隙率を有する細孔を含む。さらに、微多孔質セパレータ材料に非水系電解質を浸透させて、電極及び対電極の集団の隣接する部材間のキャリアイオンの伝導を可能にすることができる。ある特定の実施形態では、例えば、微多孔質セパレータ材料の多孔度を無視して、充電または放電サイクル中のイオン交換のために、電極構造体１１０の集団の部材と対電極構造体１１２の集団の最も近い部材（複数可）（すなわち、同じユニットセル５００の「隣接する対」及び／または部材）との間の少なくとも７０ｖｏｌ％の電気絶縁セパレータ材料は、微多孔質セパレータ材料である。換言すれば、一実施形態では、微多孔質セパレータ材料は、電極構造体１１０の集団の部材と対電極構造体１１２の集団の最も近い部材との間に、少なくとも７０ｖｏｌ％、少なくとも８０ｖｏｌ％、少なくとも８５ｖｏｌ％、少なくとも９０ｖｏｌ％、少なくとも９５ｖｏｌ％、及び／または少なくとも９９ｖｏｌ％の電気絶縁材料を含む。

【0117】

一実施形態では、微多孔質セパレータ材料は、粒子状材料及びバインダを含み、少なくとも約２０ｖｏｌ．％の空隙率（多孔度）を有する。微多孔質セパレータ材料の細孔は、少なくとも５０Åの直径を有し、通常、約２５０～２，５００Åの範囲内にある。微多孔質セパレータ材料は、通常、約７５％未満の空隙率を有する。一実施形態では、微多孔質セパレータ材料は、少なくとも約２５ｖｏｌ％の空隙率（多孔度）を有する。一実施形態では、微多孔質セパレータ材料は、約３５～５５％の空隙率を有する。

【0118】

微多孔質セパレータ材料用のバインダは、広範囲の無機またはポリマー材料から選択されてもよい。例えば、一実施形態では、バインダは、ケイ酸塩、リン酸塩、アルミン酸塩、アルミノケイ酸塩、及び水酸化マグネシウム、水酸化カルシウムなどの水酸化物からなる群から選択される有機材料である。例えば、一実施形態では、バインダは、フッ化ビニリデン、ヘキサフルオロプロピレン、テトラフルオロプロペンなどを含むモノマーに由来するフルオロポリマーである。別の実施形態では、バインダは、さまざまな分子量及び密度の範囲のいずれかを有する、ポリエチレン、ポリプロピレン、またはポリブテンなどのポリオレフィンである。別の実施形態では、バインダは、エチレン－ジエン－プロペン三元共重合体、ポリスチレン、ポリメチルメタクリレート、ポリエチレングリコール、ポリ酢酸ビニル、ポリビニルブチラール、ポリアセタール、及びポリエチレングリコールジアクリレートからなる群から選択される。別の実施形態では、バインダは、メチルセルロース、カルボキシメチルセルロース、スチレンゴム、ブタジエンゴム、スチレン－ブタジエンゴム、イソプレンゴム、ポリアクリルアミド、ポリビニルエーテル、ポリアクリル酸、ポリメタクリル酸、ポリアクリロニトリル、ポリフッ化ビニリデンポリアクリロニトリル、及びポリエチレンオキシドからなる群から選択される。別の実施形態では、バインダは、アクリレート、スチレン、エポキシ、及びシリコンからなる群から選択される。他の適切なバインダは、ポリビニリデンフルオリド－ｃｏ－ヘキサフルオロプロピレン、ポリビニリデンフルオリド－ｃｏ－トリクロロエチレン、ポリメチルメタクリレート、ポリアクリロニトリル、ポリビニルピロリドン、ポリ酢酸ビニル、ポリエチレン－ｃｏ－ビニルアセテート、ポリエチレンオキシド、酢酸セルロース、酢酸酪酸セルロース、酢酸プロピオン酸セルロース、シアノエチルプルラン、シアノエチルポリビニルアルコール、シアノエチルセルロース、シアノエチルスクロース、プルラン、カルボキシメチルセルロース、アクリロニトリル－スチレン－ブタジエン共重合体、ポリイミドまたはそれらの混合物から選択されてもよい。さらに別の実施形態では、バインダは、ポリフッ化ビニリデン－ヘキサフルオロプロピレン、ポリフッ化ビニリデン－トリクロロエチレン、ポリメチルメタクリレート、ポリアクリロニトリル、ポリビニルピロリドン、ポリ酢酸ビニル、エチレン酢酸ビニル共重合体、ポリエチレンオキシド、酢酸セルロース、酢酸酪酸セルロース、酢酸プロピオン酸セルロース、シアノエチルプルラン、シアノエチルポリビニルアルコール、シアノエチルセルロース、シアノエチルスクロース、プルラン、カルボキシルメチルセルロース、アクリロニトリルスチレンブタジエン共重合体、ポリイミド、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリエステル、ポリアセタール、ポリアミド、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルスルホン、ポリフェニレンオキシド、ポリフェニレンスルフィド、ポリエチレンナフタレン、及び／またはそれらの組み合わせのいずれかから選択されてもよい。別の実施形態では、バインダは、２つ以上の前述のポリマーのコポリマーまたは配合物である。

【0119】

微多孔質セパレータ材料が含む粒子状材料もまた、広範囲の材料から選択されてもよい。一般に、それらのような材料は、動作温度での導電率及びイオン伝導度が比較的低く、微多孔質セパレータ材料に接触する電池の電極または集電体の動作電圧下では腐食しない。例えば、一実施形態では、粒子状材料は、１×１０^－４Ｓ／ｃｍ未満のキャリアイオン（例えば、リチウム）の伝導度を有する。さらなる例として、一実施形態では、粒子状材料は、１×１０^－５Ｓ／ｃｍ未満のキャリアイオンに対する伝導度を有する。さらなる例として、一実施形態では、粒子状材料は、１×１０^－６Ｓ／ｃｍ未満のキャリアイオンに対する伝導度を有する。例示的な粒子状材料は、粒子状ポリエチレン、ポリプロピレン、ＴｉＯ_２－ポリマー複合体、シリカエアロゲル、ヒュームドシリカ、シリカゲル、シリカヒドロゲル、シリカキセロゲル、シリカゾル、コロイド状シリカ、アルミナ、チタニア、苦土、カオリン、タルク、珪藻土、ケイ酸カルシウム、ケイ酸アルミニウム、炭酸カルシウム、炭酸マグネシウム、またはそれらの組み合わせを含む。例えば、一実施形態では、粒子状材料は、ＴｉＯ_２、ＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、ＧｅＯ_２、Ｂ_２Ｏ_３、Ｂｉ_２Ｏ_３、ＢａＯ、ＺｎＯ、ＺｒＯ_２、ＢＮ、Ｓｉ_３Ｎ_４、Ｇｅ_３Ｎ_４などの粒子状酸化物または窒化物を含む。例えば、Ｐ．Ａｒｏｒａ及びＪ．Ｚｈａｎｇ、「Ｂａｔｔｅｒｙ Ｓｅｐａｒａｔｏｒｓ」Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｒｅｖｉｅｗｓ ２００４，１０４，４４１９－４４６２を参照する。他の適切な粒子は、ＢａＴｉＯ_３、Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ_３（ＰＺＴ）、Ｐｂ_１－ｘＬａ_ｘＺｒ_１－ｙＴｉ_ｙＯ_３（ＰＬＺＴ）、ＰＢ（Ｍｇ_３Ｎｂ_２／３）Ｏ_３－ＰｂＴｉＯ_３（ＰＭＮ－ＰＴ）、ハフニア（ＨｆＯ_２）、ＳｒＴｉＯ_３、ＳｎＯ_２、ＣｅＯ_２、ＭｇＯ、ＮｉＯ、ＣａＯ、ＺｎＯ、ＺｒＯ_２、Ｙ_２Ｏ_３、Ａｌ_２Ｏ_３、ＴｉＯ_２、ＳｉＣまたはそれらの混合物を含むことができる。一実施形態では、粒子状材料は、約２０ｎｍから２マイクロメータ、より典型的には２００ｎｍから１．５マイクロメータの平均粒径を有する。一実施形態では、粒子状材料は、約５００ｎｍから１マイクロメータの平均粒径を有する。

【0120】

代替の実施形態では、微多孔質セパレータ材料が含む粒子状材料は、電池の機能のためのイオン伝導度をもたらすために、電解質の侵入に望ましい多孔度を維持しながら、焼結、結合、硬化などの技術によって結合されてもよい。

【0121】

微多孔質セパレータ材料は、例えば、静電引力またはファンデルワールス力などの表面エネルギーによって粒子が合一される粒子状セパレータ材料の電気泳動析出、粒子状セパレータ材料のスラリー堆積（スピンまたはスプレーコーティングを含む）、スクリーン印刷、ディップコーティング、及び静電スプレー堆積によって堆積してもよい。バインダは析出プロセスに含まれてもよく、例えば、粒子状材料は、溶媒蒸発時に沈殿するバインダが溶解してスラリー状に堆積すること、溶解したバインダ材料の存在下で電気泳動して析出すること、またはバインダ及び絶縁粒子などと共電気泳動して析出することができる。あるいは、またはさらに、バインダは、粒子が電極構造体の中または上に析出した後に加えられてもよく、例えば、粒子状材料が有機バインダ溶液内に分散し、ディップコーティングまたはスプレーコーティングした後、バインダ材料を乾燥、融解、または架橋結合することで、接着強度がもたらされてもよい。

【0122】

組み立てられた二次電池１０２では、微多孔質セパレータ材料に、二次電池電解質として使用するのに適した非水系電解質を浸透させてもよい。典型的には、非水系電解質は、有機溶媒及び／または溶媒混合物に溶解したリチウム塩及び／または塩類の混合物を含む。例示的なリチウム塩類は、ＬｉＣｌＯ_４、ＬｉＢＦ_４、ＬｉＰＦ_６、ＬｉＡｓＦ_６、ＬｉＣｌ、及びＬｉＢｒなどの無機リチウム塩類、ならびに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、及びＬｉＮＳＯ_２Ｃ_７Ｆ_１５などの有機リチウム塩類を含む。さらに別の例として、電解質は、例えば、ＮａＣｌＯ_４、ＮａＰＦ_６、ＮａＢＦ_４、ＮａＣＦ_３ＳＯ_３、ＮａＮ（ＣＦ_３ＳＯ_２）_２、ＮａＮ（Ｃ_２Ｆ_５ＳＯ_２）_２、及びＮａＣ（ＣＦ_３ＳＯ_２）_３のうちのいずれか１つ以上など、その電解質中に溶解したナトリウムイオンを含むことができる。同様に、マグネシウム及び／またはカリウムの塩類が与えられることができる。例えば、塩化マグネシウム（ＭｇＣｌ_２）、臭化マグネシウム（ＭｇＢｒ_２）、またはヨウ化マグネシウム（ＭｇＩ_２）などのマグネシウム塩類、及び／または、それらだけでなく過塩素酸マグネシウム（Ｍｇ（ＣｌＯ_４）_２）、硝酸マグネシウム（Ｍｇ（ＮＯ_３）_２）、硫酸マグネシウム（ＭｇＳＯ_４）、テトラフルオロホウ酸マグネシウム（Ｍｇ（ＢＦ_４）_２）、テトラフェニルホウ酸マグネシウム（Ｍｇ（Ｂ（Ｃ_６Ｈ_５）_４）_２、ヘキサフルオロリン酸マグネシウム（Ｍｇ（ＰＦ_６）_２）、ヘキサフルオロヒ酸マグネシウム（Ｍｇ（ＡｓＦ_６）_２）、パーフルオロアルキルスルホン酸マグネシウム（（Ｍｇ（Ｒ_ｆ１ＳＯ_３）_２）、式中、Ｒ_ｆ１はパーフルオロアルキル基である）、マグネシウムパーフルオロアルキルスルホニルイミド（（Ｍｇ（（Ｒ_ｆ２ＳＯ_２）_２Ｎ）_２、式中、Ｒ_ｆ２はパーフルオロアルキル基である）、及びマグネシウムヘキサアルキルジシラジド（（Ｍｇ（ＨＲＤＳ）_２）、式中、Ｒはアルキル基である）からなる群から選択される少なくとも１つであってもよいマグネシウム塩が与えられてもよい。リチウム塩を溶解させるための例示的な有機溶媒は、環状エステル、鎖状エステル、環状エーテル、及び鎖状エーテルを含む。環状エステルの具体例は、炭酸プロピレン、炭酸エチレン、炭酸ブチレン、γ－ブチロラクトン、炭酸ビニレン、２－メチル－γ－ブチロラクトン、アセチル－γ－ブチロラクトン、及びγ－バレロラクトンを含む。鎖状エステルの具体例は、炭酸ジメチル、炭酸ジエチル、炭酸ジブチル、炭酸ジプロピル、メチルエチルカーボネート、メチルブチルカーボネート、メチルプロピルカーボネート、エチルブチルカーボネート、エチルプロピルカーボネート、ブチルプロピルカーボネート、アルキルプロピオネート類、ジアルキルマロネート類、及びアルキルアセテート類を含む。環状エーテルの具体例は、テトラヒドロフラン、アルキルテトラヒドロフラン類、ジアルキルテトラヒドロフラン類、アルコキシテトラヒドロフラン類、ジアルコキシテトラヒドロフラン類、１，３－ジオキソラン、アルキル－１，３－ジオキソラン類、及び１，４－ジオキソランを含む。鎖状エーテルの具体例は、１，２－ジメトキシエタン、１，２－ジエトキシタン、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類、ジエチレングリコールジアルキルエーテル類、トリエチレングリコールジアルキルエーテル類、及びテトラエチレングリコールジアルキルエーテル類を含む。

【0123】

さらに別の実施形態では、二次電池１０２は、有機電解液、無機電解液、固体ポリマー電解質、ゲルポリマー電解質、無機固体電解質、溶融型無機電解質などのうちのいずれかであってもよい電解質を含むことができる。電解質が固体電解質である、さらに別の実施形態では、この固体電解質自体が、電極間の絶縁、及びそこを介したキャリアイオンの通過をもたらすことができることにより、別個のセパレータ層が必要とされないことができる。すなわち、ある特定の実施形態では、固体電解質は、本明細書の実施形態に記載されるセパレータ１３０の代わりになることができる。一実施形態では、固体ポリマー電解質は、ポリエチレンオキシド（ＰＥＯ）系、ポリ酢酸ビニル（ＰＶＡ）系、ポリエチレンイミン（ＰＥＩ）系、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）系、ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）系、ＬｉＰＯＮ、及びポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）系のポリマー類またはそれらのコポリマー類から形成されるポリマーのいずれかを含むことができる。別の実施形態では、硫化物系固体電解質が提供されてもよく、例えば、硫化物系固体電解質は、Ｌｉ_２Ｓ及びＰ_２Ｓ_５のうちの少なくとも１つなど、リチウム及び／またはリンのうちの少なくとも１つ、及び／またはＳｉＳ_２、ＧｅＳ_２、Ｌｉ_３ＰＳ_４、Ｌｉ_４Ｐ_２Ｓ_７、Ｌｉ_４ＳｉＳ_４、Ｌｉ_２Ｓ－Ｐ_２Ｓ_５、及び５０Ｌｉ_４ＳｉＯ_４．５０Ｌｉ_３ＢＯ_３、及び／またはＢ_２Ｓ_３などの他の硫化物類を含んでもよい。固体電解質のさらに他の実施形態は、リチウム（Ｌｉ）の窒化物、ハロゲン化物、及び硫酸塩、例えば、Ｌｉ_３Ｎ、ＬｉＩ、Ｌｉ_５ＮＩ_２、Ｌｉ_３Ｎ－ＬｉＩ－ＬｉＯＨ、ＬｉＳｉＯ_４、ＬｉＳｉＯ_４－ＬｉＩ－ＬｉＯＨ、Ｌｉ_２ＳｉＳ_３、Ｌｉ_４ＳｉＯ_４、Ｌｉ_４ＳｉＯ_４－ＬｉＩ－ＬｉＯＨ、及びＬｉ_３ＰＯ_４－Ｌｉ_２Ｓ－ＳｉＳ_２を含むことができる。

【0124】

本開示は、以下の列挙された実施形態をさらに含む。

【0125】

実施形態１．充電状態と放電状態との間を繰り返す二次電池であって、
前記二次電池は電池筐体、電極接合体、キャリアイオン、前記電池筐体内に非水系電解液を含み、
前記電極接合体はユニットセルの集団を含み、各ユニットセルは積層連続体では、電極集電体層のユニットセル部分、電極活物質を含む電極層、セパレータ層、対電極層、及び対電極集電体層のユニットセル部分を含み、
前記ユニットセルは、前記電極集電体の前記ユニットセル部分から前記対電極集電体の前記ユニットセル部分まで前記積層連続体の積層方向において測定される幅Ｗ_ｕｃを有し、
前記電極層は、前記電極層に隣接する前記電極集電体の前記ユニットセル部分から前記電極層に隣接する前記セパレータ層まで前記積層連続体の前記積層方向において測定される幅Ｗ_Ｅ、前記積層方向に直交する第二方向において前記電極層の頂面から底面まで測定される高さＨ_Ｅ、ならびに前記積層方向及び前記高さ方向に直交する第三方向において第一表面から第二表面まで測定される長さＬ_Ｅ、ならびに前記電極集電体の前記ユニットセル部分、前記セパレータ層、前記電極層の前記頂面、前記電極層の前記底面、前記電極層の第一端面、及び電極層の前記第二端面によって境界が定められる容積Ｖ_Ｅを有し、
前記電極層は前記電極活物質以外の材料を含むスペーサ構造体の集団を含み、前記スペーサ集団は前記電極層の前記容積Ｖ_Ｅの約０．１％から約３５％の範囲内の前記電極層内の総容積を占める、前記二次電池。

【0126】

実施形態２．前記スペーサ集団の部材は、前記電極層の各副容積内に位置しており、
前記電極層は、（ｉ）前記電極層の前記容積Ｖ_Ｅの少なくとも５０％を含み、（ｉｉ）（ａａ）前記電極集電体の前記ユニットセル部分、（ｂｂ）前記セパレータ層、（ｃｃ）前記電極層の前記頂面、（ｄｄ）前記電極層の前記底面、（ｅｅ）前記電極層の前記第一端面、及び（ｆｆ）前記電極層の前記第二端面によって境界が定められる、列挙された実施形態１に記載の二次電池。

【0127】

実施形態３．前記スペーサ集団の部材は、前記電極層の各副容積内に位置しており、
前記電極層は、（ｉ）前記電極層の前記容積Ｖ_Ｅの少なくとも４０％を含み、（ｉｉ）（ａａ）前記電極集電体の前記ユニットセル部分、（ｂｂ）前記セパレータ層、（ｃｃ）前記電極層の前記頂面、（ｄｄ）前記電極層の前記底面、（ｅｅ）前記電極層の前記第一端面、及び（ｆｆ）前記電極層の前記第二端面によって境界が定められる、列挙された先行実施形態のいずれかに記載の二次電池。

【0128】

実施形態４．前記スペーサ集団の部材は、前記電極層の各副容積内に位置しており、
前記電極層は、（ｉ）前記電極層の前記容積Ｖ_Ｅの少なくとも３０％を含み、（ｉｉ）（ａａ）前記電極集電体の前記ユニットセル部分、（ｂｂ）前記セパレータ層、（ｃｃ）前記電極層の前記頂面、（ｄｄ）前記電極層の前記底面、（ｅｅ）前記電極層の前記第一端面、及び（ｆｆ）前記電極層の前記第二端面によって境界が定められる、列挙された先行実施形態のいずれかに記載の二次電池。

【0129】

実施形態５．前記スペーサ集団の部材は、前記電極層の各副容積内に位置しており、
前記電極層は、（ｉ）前記電極層の前記容積Ｖ_Ｅの少なくとも２５％を含み、（ｉｉ）（ａａ）前記電極集電体の前記ユニットセル部分、（ｂｂ）前記セパレータ層、（ｃｃ）前記電極層の前記頂面、（ｄｄ）前記電極層の前記底面、（ｅｅ）前記電極層の前記第一端面、及び（ｆｆ）前記電極層の前記第二端面によって境界が定められる、列挙された先行実施形態のいずれかに記載の二次電池。

【0130】

実施形態６．前記二次電池が前記放電状態から前記充電状態まで充電されると、前記電極層は、１モルの電極活物質あたり１モル超のキャリアイオンを許容する容量を有する電極活物質層を含み、
前記充電状態は前記二次電池の定格容量の少なくとも７５％であり、前記放電状態は前記二次電池の前記定格容量の２５％未満である、列挙された先行実施形態のいずれかに記載の二次電池。

【0131】

実施形態７．前記スペーサ構造体の集団は、スペーサ材料を含み、前記スペーサ材料は、前記二次電池が前記放電状態から前記充電状態まで充電されると、１モルのスペーサ材料あたり１モル未満のキャリアイオンというキャリアイオンを許容する容量を有し、
前記充電状態は前記二次電池の定格容量の少なくとも７５％であり、前記放電状態は前記二次電池の前記定格容量の２５％未満である、列挙された先行実施形態のいずれかに記載の二次電池。

【0132】

実施形態８．前記スペーサ構造体の集団は、ポリマー材料、電極活物質、電極集電体材料、対電極集電体材料、及びセパレータ材料のうちのいずれか１つ以上を有する、スペーサ材料を含む、列挙された先行実施形態のいずれかに記載の二次電池。

【0133】

実施形態９．前記スペーサ構造体の集団は、スペーサ材料を含み、
前記スペーサ材料は、フッ化ビニリデン、ヘキサフルオロプロピレン、テトラフルオロプロペンを含むモノマーに由来するフルオロポリマー、ポリオレフィン（ポリエチレン、ポリプロピレン、またはポリブテンなど）、エチレン－ジエン－プロペン三元共重合体、ポリスチレン、ポリメチルメタクリレート、ポリエチレングリコール、ポリ酢酸ビニル、ポリビニルブチラール、ポリアセタール、及びポリエチレングリコールジアクリレート、メチルセルロース、カルボキシメチルセルロース、スチレンゴム、ブタジエンゴム、スチレン－ブタジエンゴム、イソプレンゴム、ポリアクリルアミド、ポリビニルエーテル、ポリアクリル酸、ポリメタクリル酸、ポリアクリロニトリル、ポリフッ化ビニリデンポリアクリロニトリル、ポリエチレンオキシド、アクリレート類、スチレン類、エポキシ類、シリコン類、ポリビニリデンフルオリド－ｃｏ－ヘキサフルオロプロピレン、ポリビニリデンフルオリド－ｃｏ－トリクロロエチレン、ポリメチルメタクリレート、ポリアクリロニトリル、ポリビニルピロリドン、ポリ酢酸ビニル、ポリエチレン－ｃｏ－ビニルアセテート、ポリエチレンオキシド、酢酸セルロース、酢酸酪酸セルロース、酢酸プロピオン酸セルロース、シアノエチルプルラン、シアノエチルポリビニルアルコール、シアノエチルセルロース、シアノエチルスクロース、プルラン、カルボキシメチルセルロース、アクリロニトリル－スチレン－ブタジエン共重合体、ポリイミド、ポリビニリデンフルオリド－ヘキサフルオロプロピレン、ポリビニリデンフルオリド－トリクロロエチレン、ポリメチルメタクリレート、ポリアクリロニトリル、ポリビニルピロリドン、ポリ酢酸ビニル、エチレン酢酸ビニル共重合体、ポリエチレンオキシド、酢酸セルロース、酢酸酪酸セルロース、酢酸プロピオン酸セルロース、シアノエチルプルラン、シアノエチルポリビニルアルコール、シアノエチルセルロース、シアノエチルスクロース、プルラン、カルボキシメチルセルロース、アクリロニトリルスチレンブタジエン共重合体、ポリイミド、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリエステル、ポリアセタール、ポリアミド、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルスルホン、ポリフェニレンオキシド、ポリフェニレンスルフィド、ポリエチレンナフタレン、及び／またはそれらの共重合体の組み合わせのうちのいずれか１つ以上を含む、列挙された先行実施形態のいずれかに記載の二次電池。

【0134】

実施形態１０．前記スペーサ集団は、総容積の少なくとも０．１％、少なくとも０．２５％、少なくとも０．５％、及び／または少なくとも０．７５％、及び前記電極層の前記総容積Ｖｅの３５％未満、２５％未満、１０％未満及び／または５％未満を占める、列挙された先行実施形態のいずれかに記載の二次電池。

【0135】

実施形態１１．前記スペーサ集団の部材は、前記電極層の各副容積内に位置しており、
前記電極層は、（ｉ）前記電極層の前記容積Ｖ_Ｅの少なくとも２０％、少なくとも１０％及び／または少なくとも５％を有し、（ｉｉ）（ａａ）前記電極集電体の前記ユニットセル部分、（ｂｂ）前記セパレータ層、（ｃｃ）前記電極層の前記頂面、（ｄｄ）前記電極層の前記底面、（ｅｅ）前記電極層の前記第一端面、及び（ｆｆ）前記電極層の前記第二端面によって境界が定められる、列挙された先行実施形態のいずれかに記載の二次電池。

【0136】

実施形態１２．前記二次電池は、前記電極層及び前記対電極層を有する一連の積層シートを含み、前記積層方向は、第一方向にあり、前記電極層の前記高さＨ_Ｅは、前記積層方向に直交する第二方向において測定され、前記電極層の前記長さＬ_Ｅは、前記第二方向及び前記積層方向の両方に直交する第三方向において測定される、列挙された先行実施形態のいずれかに記載の二次電池。

【0137】

実施形態１３．前記積層連続体の各ユニットセル内の前記スペーサ構造体の集団の部材は、前記積層方向における前記スペーサ構造体の集団の他の部材とアライメントされる、列挙された先行実施形態のいずれかに記載の二次電池。

【0138】

実施形態１４．前記二次電池は、少なくとも１つのユニットセルを含み、前記少なくとも１つのユニットセルは、前記ユニットセルの内側巻回部が前記ユニットセルの外側巻回部よりも小さい直径を有している状態で、内側領域の周りに連続して巻回され、前記内側領域からの半径が大きくなるにつれ前記ユニットセルの前記直径が大きくなる、列挙された先行実施形態のいずれかに記載の二次電池。

【0139】

実施形態１５．前記積層連続体は、第一方向にあり、前記電極層の前記高さＨ_Ｅは、前記積層方向に直交する第二方向において測定され、前記電極層の前記長さＬ_Ｅは、前記二次電池の中央領域から前記二次電池の外側区間まで、前記電極層の巻回経路に対応する前記電極層の最長寸法に沿って測定される、列挙された先行実施形態１４に記載の二次電池。

【0140】

実施形態１６．前記ユニットセルの内側巻回部内に配置されるスペーサ構造体が前記ユニットセルの外側巻回部内のスペーサ構造体と前記積層方向においてアライメントされるように、前記スペーサ構造体の集団の部材はアライメントされる、列挙された先行実施形態１４に記載の二次電池。

【0141】

実施形態１７．前記電極層の前記最長寸法に沿って前記電極層内に配置されるスペーサ間の距離は、前記二次電池の前記内側領域から前記二次電池の前記外側領域までの半径が大きくなるにつれ大きくなる、列挙された先行実施形態１６に記載の二次電池。

【0142】

実施形態１８．前記スペーサ構造体の集団は、前記電極層の前記長さＬ_Ｅに沿って前記電極層内に配置される複数のスペーサ構造体を含む、列挙された先行実施形態のいずれかに記載の二次電池。

【0143】

実施形態１９．前記スペーサ構造体の集団は、前記電極層の周辺部に位置している単一のスペーサ構造体を含む、列挙された先行実施形態のいずれかに記載の二次電池。

【0144】

実施形態２０．前記スペーサ構造体の集団は、前記電極層の前記幅Ｗ_Ｅを通って前記電極集電体から前記セパレータ層まで延在する前記集団の１つ以上の部材を含む、列挙された先行実施形態のいずれかに記載の二次電池。

【0145】

実施形態２１．前記スペーサ構造体の集団が前記電極層の前記幅Ｗ_Ｅに沿って前記電極集電体層の第一表面から前記電極集電体層の前記第一表面に対向する前記セパレータ層の第一表面まで延在する範囲の中央値は、前記電極層の前記幅Ｗ_Ｅの６０％未満、５０％未満、４０％未満及び／または２５％未満であり、前記電極層の前記幅Ｗ_Ｅの少なくとも２％、少なくとも３％及び／または少なくとも５％である、列挙された先行実施形態のいずれかに記載の二次電池。

【0146】

実施形態２２．第一隣接ユニットセル及び第二隣接ユニットセルを含み、前記第一隣接ユニットセル及び前記第二隣接ユニットセルはそれぞれ第一電極層及び第二電極層を含み、電極集電体を共有し、
前記第一隣接ユニットセル及び前記第二隣接ユニットセルの両方はそれらのそれぞれの前記第一電極層及び前記第二電極層内にスペーサ構造体の集団を含む、列挙された先行実施形態のいずれかに記載の二次電池。

【0147】

実施形態２３．前記第一隣接ユニットセル及び前記第二隣接ユニットセルは、前記共有された電極集電体を通って前記第一電極層及び前記第二電極層のそれぞれの中に延出する同じスペーサ構造体の集団を共有する、列挙された先行実施形態２２に記載の二次電池。

【0148】

実施形態２４．第一ユニットセル及び第二ユニットセルを含み、前記第一ユニットセル及び前記第二ユニットセルはそれぞれ第一電極層及び第二電極層を含み、それらのそれぞれの前記第一電極層及び前記第二電極層内にスペーサ構造体の第一集団、及びスペーサ構造体の第二集団を含み、
前記第一電極層内の前記スペーサ構造体の第一集団の位置は、前記第二電極層内の前記スペーサ構造体の第二集団の位置と積層方向においてアライメントされる、列挙された先行実施形態のいずれかに記載の二次電池。

【0149】

実施形態２５．前記スペーサ構造体の集団は、前記電極層と前記セパレータ層との間の界面に配置される、列挙された先行実施形態のいずれかに記載の二次電池。

【0150】

実施形態２６．前記スペーサ構造体の集団は、前記電極層と前記集電体層の前記表面との間の界面に配置される、列挙された先行実施形態のいずれかに記載の二次電池。

【0151】

実施形態２７．前記電極層は、７０％未満の空隙部、６０％未満の空隙部、２５％未満の空隙部、及び／または１０％以下の空隙部を、前記電極層の前記総容積Ｖ_Ｅのパーセンテージとして有する、列挙された先行実施形態のいずれかに記載の二次電池。

【0152】

実施形態２８．前記電極層内の前記電極活物質の前記導電性と前記電極層内の前記スペーサ集団のすべての部材の合計の導電性との比は、少なくとも２：１、少なくとも５：１、及び／または少なくとも５０：１である、列挙された先行実施形態のいずれかに記載の二次電池。

【0153】

実施形態２９．充電状態と放電状態との間を繰り返す二次電池のための電極接合体であって、
前記電極接合体はユニットセルの集団を含み、各ユニットセルは積層連続体では、電極集電体層のユニットセル部分、電極活物質を含む電極層、セパレータ層、対電極層、及び対電極集電体層のユニットセル部分を含み、
前記ユニットセルは、前記電極集電体の前記ユニットセル部分から前記対電極集電体の前記ユニットセル部分まで前記積層連続体の積層方向において測定される幅Ｗ_ｕｃを有し、
前記電極層は、前記電極層に隣接する前記電極集電体の前記ユニットセル部分から前記電極層に隣接する前記セパレータ層まで前記積層方向において測定される幅Ｗ_ｅ、前記積層方向に直交する第二方向において前記電極層の頂面から底面まで測定される高さＨｅ、ならびに前記積層方向及び前記高さ方向に直交する第三方向において、第一表面から第二表面まで測定される長さＬｅ、ならびに前記電極集電体の前記ユニットセル部分、前記セパレータ層、前記電極層の前記頂面、前記電極層の前記底面、前記電極層の第一端面、及び電極層の前記第二端面によって境界が定められる容積Ｖ_Ｅを有し、
前記電極層はスペーサ構造体の集団を含み、前記スペーサ集団は前記電極層の前記容積Ｖ_Ｅの約０．１％から約３５％の範囲内の前記電極層内の総容積を占める、前記電極接合体。

【0154】

実施形態３０．前記スペーサ集団の部材は、前記電極層の各副容積内に位置しており、
前記電極層は、（ｉ）前記電極層の前記容積Ｖ_Ｅの少なくとも５０％を有し、（ｉｉ）（ａａ）前記電極集電体の前記ユニットセル部分、（ｂｂ）前記セパレータ層、（ｃｃ）前記電極層の前記頂面、（ｄｄ）前記電極層の前記底面、（ｅｅ）前記電極層の前記第一端面、及び（ｆｆ）前記電極層の前記第二端面によって境界が定められる、列挙された先行実施形態２９に記載の電極接合体。

【0155】

実施形態３１．前記スペーサ集団の部材は、前記電極層の各副容積内に位置しており、
前記電極層は、（ｉ）前記電極層の前記容積Ｖ_Ｅの少なくとも４０％を有し、（ｉｉ）（ａａ）前記電極集電体の前記ユニットセル部分、（ｂｂ）前記セパレータ層、（ｃｃ）前記電極層の前記頂面、（ｄｄ）前記電極層の前記底面、（ｅｅ）前記電極層の前記第一端面、及び（ｆｆ）前記電極層の前記第二端面によって境界が定められる、列挙された先行実施形態２９～３０のいずれかに記載の電極接合体。

【0156】

実施形態３２．前記スペーサ集団の部材は、前記電極層の各副容積内に位置しており、
前記電極層は、（ｉ）前記電極層の前記容積Ｖ_Ｅの少なくとも３０％を有し、（ｉｉ）（ａａ）前記電極集電体の前記ユニットセル部分、（ｂｂ）前記セパレータ層、（ｃｃ）前記電極層の前記頂面、（ｄｄ）前記電極層の前記底面、（ｅｅ）前記電極層の前記第一端面、及び（ｆｆ）前記電極層の前記第二端面によって境界が定められる、列挙された先行実施形態２９～３１のいずれかに記載の電極接合体。

【0157】

実施形態３３．前記スペーサ集団の部材は、前記電極層の各副容積内に位置しており、
前記電極層は、（ｉ）前記電極層の前記容積Ｖ_Ｅの少なくとも２５％を有し、（ｉｉ）（ａａ）前記電極集電体の前記ユニットセル部分、（ｂｂ）前記セパレータ層、（ｃｃ）前記電極層の前記頂面、（ｄｄ）前記電極層の前記底面、（ｅｅ）前記電極層の前記第一端面、及び（ｆｆ）前記電極層の前記第二端面によって境界が定められる、列挙された先行実施形態２９～３２のいずれかに記載の電極接合体。

【0158】

実施形態３４．前記二次電池が前記放電状態から前記充電状態まで充電されると、前記電極層は、１モルの電極活物質あたり１モル超のキャリアイオンを許容する容量を有する電極活物質層を含み、
前記充電状態は前記二次電池の定格容量の少なくとも７５％であり、前記放電状態は前記二次電池の前記定格容量の２５％未満である、列挙された先行実施形態２９～３３のいずれかに記載の電極接合体。

【0159】

実施形態３５．前記スペーサ構造体の集団は、スペーサ材料を含み、前記スペーサ材料は、前記二次電池が前記放電状態から前記充電状態まで充電されると、１モルのスペーサ材料あたり１モル未満のキャリアイオンというキャリアイオンを許容する容量を有し、
前記充電状態は前記二次電池の定格容量の少なくとも７５％であり、前記放電状態は前記二次電池の前記定格容量の２５％未満である、列挙された先行実施形態２９～３４のいずれかに記載の電極接合体。

【0160】

実施形態３６．前記スペーサ構造体の集団は、スペーサ材料を含み、前記スペーサ材料は、ポリマー材料、電極活物質、電極集電体材料、対電極集電体材料、及びセパレータ材料のうちのいずれか１つ以上を有する、列挙された先行実施形態２９～３５のいずれかに記載の電極接合体。

【0161】

実施形態３７．前記スペーサ構造体の集団は、スペーサ材料を含み、
前記スペーサ材料は、フッ化ビニリデン、ヘキサフルオロプロピレン、テトラフルオロプロペンを含むモノマーに由来するフルオロポリマー、ポリオレフィン（ポリエチレン、ポリプロピレン、またはポリブテンなど）、エチレン－ジエン－プロペン三元共重合体、ポリスチレン、ポリメチルメタクリレート、ポリエチレングリコール、ポリ酢酸ビニル、ポリビニルブチラール、ポリアセタール、及びポリエチレングリコールジアクリレート、メチルセルロース、カルボキシメチルセルロース、スチレンゴム、ブタジエンゴム、スチレン－ブタジエンゴム、イソプレンゴム、ポリアクリルアミド、ポリビニルエーテル、ポリアクリル酸、ポリメタクリル酸、ポリアクリロニトリル、ポリフッ化ビニリデンポリアクリロニトリル、ポリエチレンオキシド、アクリレート類、スチレン類、エポキシ類、シリコン類、ポリビニリデンフルオリド－ｃｏ－ヘキサフルオロプロピレン、ポリビニリデンフルオリド－ｃｏ－トリクロロエチレン、ポリメチルメタクリレート、ポリアクリロニトリル、ポリビニルピロリドン、ポリ酢酸ビニル、ポリエチレン－ｃｏ－ビニルアセテート、ポリエチレンオキシド、酢酸セルロース、酢酸酪酸セルロース、酢酸プロピオン酸セルロース、シアノエチルプルラン、シアノエチルポリビニルアルコール、シアノエチルセルロース、シアノエチルスクロース、プルラン、カルボキシメチルセルロース、アクリロニトリル－スチレン－ブタジエン共重合体、ポリイミド、ポリビニリデンフルオリド－ヘキサフルオロプロピレン、ポリビニリデンフルオリド－トリクロロエチレン、ポリメチルメタクリレート、ポリアクリロニトリル、ポリビニルピロリドン、ポリ酢酸ビニル、エチレン酢酸ビニル共重合体、ポリエチレンオキシド、酢酸セルロース、酢酸酪酸セルロース、酢酸プロピオン酸セルロース、シアノエチルプルラン、シアノエチルポリビニルアルコール、シアノエチルセルロース、シアノエチルスクロース、プルラン、カルボキシメチルセルロース、アクリロニトリルスチレンブタジエン共重合体、ポリイミド、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリエステル、ポリアセタール、ポリアミド、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルスルホン、ポリフェニレンオキシド、ポリフェニレンスルフィド、ポリエチレンナフタレン、及び／またはそれらの共重合体の組み合わせのうちのいずれか１つ以上を含む、列挙された先行実施形態３６に記載の電極接合体。

【0162】

実施形態３８．前記スペーサ集団は、総容積の少なくとも０．１％、少なくとも０．２５％、少なくとも０．５％及び／または少なくとも０．７５％、及び前記電極層の前記総容積Ｖ_Ｅの３５％未満、２５％未満、１０％未満及び／または５％未満を占める、列挙された先行実施形態２９～３７のいずれかに記載の電極接合体。

【0163】

実施形態３９．前記スペーサ集団の部材は、前記電極層の各副容積内に位置しており、
前記電極層は、（ｉ）前記電極層の前記容積Ｖ_Ｅの少なくとも２０％、少なくとも１０％及び／または少なくとも５％を有し、（ｉｉ）（ａａ）前記電極集電体の前記ユニットセル部分、（ｂｂ）前記セパレータ層、（ｃｃ）前記電極層の前記頂面、（ｄｄ）前記電極層の前記底面、（ｅｅ）前記電極層の前記第一端面、及び（ｆｆ）前記電極層の前記第二端面によって境界が定められる、列挙された先行実施形態２９～３８のいずれかに記載の電極接合体。

【0164】

実施形態４０．前記電極接合体は、前記電極層及び前記対電極層を有する一連の積層シートを含み、前記積層方向は、第一方向にあり、前記電極層の前記高さＨ_Ｅは、前記積層方向に直交する第二方向において測定され、前記電極層の前記長さＬ_Ｅは、前記第二方向及び前記積層方向の両方に直交する第三方向において測定される、列挙された先行実施形態２９～３９のいずれかに記載の電極接合体。

【0165】

実施形態４１．前記積層連続体の各ユニットセル内の前記スペーサ構造体の集団の部材は、前記積層方向における前記スペーサ構造体の集団の他の部材とアライメントされる、列挙された先行実施形態４０に記載の電極接合体。

【0166】

実施形態４２．前記電極接合体は、少なくとも１つのユニットセルを含み、前記少なくとも１つのユニットセルは、前記ユニットセルの内側巻回部が前記ユニットセルの外側巻回部よりも小さい直径を有している状態で、内側領域の周りに連続して巻回され、前記内側領域からの半径が大きくなるにつれ前記ユニットセルの前記直径が大きくなる、列挙された先行実施形態２９～４１のいずれかに記載の電極接合体。

【0167】

実施形態４３．前記積層連続体は、第一方向にあり、前記電極層の前記高さＨ_Ｅは、前記積層方向に直交する第二方向において測定され、前記電極層の前記長さＬ_Ｅは、前記電極接合体の前記中央領域から前記電極接合体の前記外側区間まで、前記電極層の巻回経路に対応する前記電極層の最長寸法に沿って測定される、列挙された先行実施形態４２に記載の電極接合体。

【0168】

実施形態４４．前記ユニットセルの内側巻回部内に配置されるスペーサ構造体が前記ユニットセルの外側巻回部内のスペーサ構造体と前記積層方向においてアライメントされるように、前記スペーサ構造体の集団の部材はアライメントされる、列挙された先行実施形態４３に記載の電極接合体。

【0169】

実施形態４５．前記電極層の前記最長寸法に沿って前記電極層内に配置されるスペーサ間の距離は、前記二次電池の前記内側領域から前記電極接合体の前記外側領域までの半径が大きくなるにつれて大きくなる、列挙された先行実施形態４４に記載の電極接合体。

【0170】

実施形態４６．前記スペーサ構造体の集団は、前記電極層の前記長さＬ_Ｅに沿って前記電極層内に配置される複数のスペーサ構造体を含む、列挙された先行実施形態２９～４５のいずれかに記載の電極接合体。

【0171】

実施形態４７．前記スペーサ構造体の集団は、前記電極層の周辺部に位置している単一のスペーサ構造体を含む、列挙された先行実施形態２９～４６のいずれかに記載の電極接合体。

【0172】

実施形態４８．前記スペーサ構造体の集団は、前記電極層の前記幅Ｗ_Ｅを通って前記電極集電体から前記セパレータ層まで延在する前記集団の１つ以上の部材を含む、列挙された先行実施形態２９～４７のいずれかに記載の電極接合体。

【0173】

実施形態４９．前記スペーサ構造体の集団が前記電極層の前記幅Ｗ_Ｅに沿って前記電極集電体層の第一表面から前記電極集電体層の前記第一表面に対向する前記セパレータ層の第一表面まで延在する範囲の中央値は、前記電極層の前記幅Ｗ_Ｅの６０％未満、５０％未満、４０％未満及び／または２５％未満であり、前記電極層の前記幅Ｗ_Ｅの少なくとも２％、少なくとも３％及び／または少なくとも５％である、列挙された先行実施形態２９～４８のいずれかに記載の電極接合体。

【0174】

実施形態５０．第一隣接ユニットセル及び第二隣接ユニットセルを含み、前記第一隣接ユニットセル及び前記第二隣接ユニットセルはそれぞれ第一電極層及び第二電極層を含み、電極集電体を共有し、
前記第一隣接ユニットセル及び前記第二隣接ユニットセルの両方はそれらのそれぞれの前記第一電極層及び前記第二電極層内にスペーサ構造体の集団を含む、列挙された先行実施形態２９～４９のいずれかに記載の電極接合体。

【0175】

実施形態５１．前記第一隣接ユニットセル及び前記第二隣接ユニットセルは、前記共有された電極集電体を通って前記第一電極層及び前記第二電極層のそれぞれの中に延出する同じスペーサ構造体の集団を共有する、列挙された先行実施形態５０に記載の電極接合体。

【0176】

実施形態５２．第一ユニットセル及び第二ユニットセルを含み、前記第一ユニットセル及び前記第二ユニットセルはそれぞれ第一電極層及び第二電極層を含み、それらのそれぞれの前記第一電極層及び前記第二電極層内にスペーサ構造体の第一集団、及びスペーサ構造体の第二集団を含み、
前記第一電極層内の前記スペーサ構造体の第一集団の位置は、前記第二電極層内の前記スペーサ構造体の第二集団の位置と積層方向においてアライメントされる、列挙された先行実施形態２９～５１のいずれかに記載の電極接合体。

【0177】

実施形態５３．前記スペーサ構造体の集団は、前記電極層と前記セパレータ層との間の界面に配置される、列挙された先行実施形態２９～５２のいずれかに記載の電極接合体。

【0178】

実施形態５４．前記スペーサ構造体の集団は、前記電極層と前記集電体層の前記表面との間の界面に配置される、列挙された先行実施形態２９～５３のいずれかに記載の電極接合体。

【0179】

実施形態５５．前記電極層は、少なくとも４０％の空隙部、少なくとも５０％の空隙部、少なくとも６０％の空隙部、少なくとも７５％の空隙部、及び／または少なくとも９０％の空隙部を、前記電極層の前記総容積Ｖ_Ｅのパーセンテージとして有する、列挙された先行実施形態２９～５４のいずれかに記載の電極接合体。

【0180】

実施形態５６．前記電極層内の前記電極活物質の前記導電性と前記電極層内の前記スペーサ集団のすべての部材の合計の導電性との比は、少なくとも２：１、少なくとも５：１、及び／または少なくとも５０：１である、列挙された先行実施形態２９～５５のいずれかに記載の電極接合体。

【0181】

実施形態５７．充電状態と放電状態との間を繰り返す二次電池の形成方法であって、
電極接合体、キャリアイオン、及び電池筐体内に非水系電解液を提供することであって、
前記電極接合体はユニットセルの集団を含み、各ユニットセルは積層連続体では、電極集電体層のユニットセル部分、電極活物質を含む電極層、セパレータ層、対電極層、及び対電極集電体層のユニットセル部分を含み、
前記ユニットセルは前記電極集電体の前記ユニットセル部分から前記対電極集電体の前記ユニットセル部分まで前記積層連続体の積層方向において測定される幅Ｗ_ｕｃを有し、前記電極層は前記電極層に隣接する前記電極集電体の前記ユニットセル部分から前記電極層に隣接する前記セパレータ層まで前記積層方向において測定される幅Ｗ_ｅ、前記積層方向に直交する方向において前記電極層の頂面から底面まで測定される高さＨ_Ｅ、ならびに前記積層方向及び前記高さ方向に直交する方向において、第一表面から第二表面まで測定される長さＬｅ、ならびに前記電極集電体の前記ユニットセル部分、前記セパレータ層、前記電極層の前記頂面、前記電極層の前記底面、前記電極層の第一端面、及び前記電極層の第二端面によって境界が定められる容積Ｖｅを有し、
前記電極層はスペーサ構造体の集団を含み、前記スペーサ集団は前記電極層の前記容積Ｖｅの約０．１％から約３５％の範囲内の前記電極層内の総容積を占める、
前記提供することと、
放電状態から充電状態まで前記二次電池を充電することを含む形成プロセスを実行することと、
を含む、前記方法。

【0182】

実施形態５８．前記スペーサ集団の部材は、前記電極層の各副容積内に位置しており、
前記電極層は、（ｉ）前記電極層の前記容積Ｖｅの少なくとも５０％を有し、（ｉｉ）（ａａ）前記電極集電体の前記ユニットセル部分、（ｂｂ）前記セパレータ層、（ｃｃ）前記電極層の前記頂面、（ｄｄ）前記電極層の前記底面、（ｅｅ）前記電極層の前記第一端面、及び（ｆｆ）前記電極層の前記第二端面によって境界が定められる、列挙された先行実施形態５７に記載の方法。

【0183】

実施形態５９．前記スペーサ集団の部材は、前記電極層の各副容積内に位置しており、
前記電極層は、（ｉ）前記電極層の前記容積Ｖｅの少なくとも４０％を有し、（ｉｉ）（ａａ）前記電極集電体の前記ユニットセル部分、（ｂｂ）前記セパレータ層、（ｃｃ）前記電極層の前記頂面、（ｄｄ）前記電極層の前記底面、（ｅｅ）前記電極層の前記第一端面、及び（ｆｆ）前記電極層の前記第二端面によって境界が定められる、列挙された先行実施形態５７～５８のいずれかに記載の方法。

【0184】

実施形態６０．前記スペーサ集団の部材は、前記電極層の各副容積内に位置しており、
前記電極層は、（ｉ）前記電極層の前記容積Ｖｅの少なくとも３０％を有し、（ｉｉ）（ａａ）前記電極集電体の前記ユニットセル部分、（ｂｂ）前記セパレータ層、（ｃｃ）前記電極層の前記頂面、（ｄｄ）前記電極層の前記底面、（ｅｅ）前記電極層の前記第一端面、及び（ｆｆ）前記電極層の前記第二端面によって境界が定められる、列挙された先行実施形態５７～５９のいずれかに記載の方法。

【0185】

実施形態６１．前記スペーサ集団の部材は、前記電極層の各副容積内に位置しており、
前記電極層は、（ｉ）前記電極層の前記容積Ｖ_Ｅの少なくとも２５％を有し、（ｉｉ）（ａａ）前記電極集電体の前記ユニットセル部分、（ｂｂ）前記セパレータ層、（ｃｃ）前記電極層の前記頂面、（ｄｄ）前記電極層の前記底面、（ｅｅ）前記電極層の前記第一端面、及び（ｆｆ）前記電極層の前記第二端面によって境界が定められる、列挙された先行実施形態５７～６０のいずれかに記載の方法。

【0186】

実施形態６２．前記電極層は、前記形成プロセス前に固体電極活物質の第一容積、及び前記第一容積より大きい前記形成プロセス後の固体電極活物質の第二容積を有し、
前記方法は、１％未満、０．５％未満、０．２５％未満及び／または０．１％未満である、前記形成プロセス前から前記形成プロセス後までの前記ユニットセルのＷ_ＵＣにおける変化に対して、前記電極層内の前記固体電極活物質の前記第一容積よりも少なくとも３％、少なくとも５％、少なくとも１０％、少なくとも２５％、少なくとも５０％、少なくとも７５％、及び／または少なくとも１００％大きい前記第二容積まで、前記電極層内の前記固体電極活物質の前記容積を増加させる前記形成プロセスを実行することを含む、列挙された先行実施形態５７～６１のいずれかに記載の方法。

【0187】

実施形態６３．前記形成プロセス中に、前記積層方向における前記電極接合体の成長を拘束する、及び／または前記電極接合体内の前記ユニットセルの集団のアライメントを維持する、電極拘束体セットを設けることをさらに含む、列挙された先行実施形態５７～６２のいずれかに記載の方法。

【0188】

実施形態６４．前記電極拘束体セットは前記積層方向における成長を拘束する、列挙された先行実施形態６３に記載の方法。

【0189】

実施形態６５．前記形成プロセスに次いで前記電極拘束体セットを除去することを含む、列挙された先行実施形態６３～６４のいずれかに記載の方法。

【0190】

実施形態６６．前記電極拘束体セットを前記二次電池の前記筐体内に設けることを含む、列挙された先行実施形態６３～６５のいずれかに記載の方法。

【0191】

実施形態６７．前記電極拘束体セットを前記二次電池の前記筐体の外側に設けることを含む、列挙された先行実施形態６３～６６のいずれかに記載の方法。

【0192】

実施形態６８．前記電極接合体は列挙された先行実施形態２９～５６のいずれかを含み、前記二次電池は列挙された実施形態１～２８のいずれかを含む、列挙された先行実施形態６３～６７のいずれかに記載の方法。

【0193】

参照による援用
本明細書で述べられるすべての刊行物及び特許は、それぞれ個々の刊行物または特許が参照により具体的かつ個々に援用されたかのように、すべての目的のために参照によりそれら全体が本明細書に援用されている。矛盾する場合は、本明細書におけるいかなる定義をも含む本出願が優先する。

【0194】

均等物
特定の実施形態が論じられたが、上記明細書は例証的であって制限的ではない。多くの変形形態は、本明細書を考慮すれば当業者に明らかとなるであろう。本実施形態の全範囲は、特許請求の範囲を、それらの均等物の全範囲とともに、及び本明細書をそのような変形形態とともに参照することによって決定されたい。

【0195】

別段に示されない限り、本明細書及び特許請求の範囲で使用される、成分量、反応条件などを表すすべての数値は、すべての場合において「約」という用語によって変更されるものとして理解されるべきである。したがって、それに反して指示されない限り、本明細書及び添付の特許請求の範囲に記載されている数値パラメータは、取得しようとする所望の特性に応じて変化することができる近似値である。

【図1A】

【図1B】

【図2A】

【図2B】

【図3A】

【図3B】

【図3C】

【図4A】

【図4B】

【図4C】

【図5A】

【図5B】

【図5C】

【図5D】

【図6】

【図7A】

【図7B】

【図7C】

【図8A】

【図8B】

【図8C】

【図8D】

【図8E】

【図8F】

【図8G】

【図8H】

【図9】

【図10】

【図11A】

【図11B】

【図12】

【国際調査報告】