JP2015524994A - 3次元電池のための電極構造体 - Google Patents
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Abstract
Description
(i)正極群の各要素は正極活物質層および正極電流導体層を含み、正極群の各要素は底部と、上部と、長さLPEと、幅WPEと、高さHPEと、を有し、長さLPEはそれぞれの係る正極の底部から上部まで測定され、幅WPEおよび高さHPEは、互いに対して垂直であり且つ長さLPEの測定方向に垂直な方向に測定され、LPEのWPEおよびHPEのそれぞれとの比はそれぞれ少なくとも5:1であり、HPEのWPEとの比はそれぞれ0.4:1〜1000:1の範囲であり、正極群の各要素の正極電流コレクタ層は、LPEと同一方向に測定された長さLPCを有し、長さLPCはLPEの少なくとも50%であり、
(ii)負極群の各要素は負極活物質層および負極電流導体層を含み、負極群の各要素は底部と、上部と、長さLNEと、幅WNEと、高さHNEと、を有し、長さLNEはそれぞれの係る負極の底部から上部まで測定され、幅WNEおよび高さHNEは、互いに対して垂直であり且つ長さLNEの測定方向に垂直な方向に測定され、LNEのWNEおよびHNEのそれぞれとの比はそれぞれ少なくとも5:1であり、HNEのWNEとの比はそれぞれ0.4:1〜1000:1の範囲であり、負極群の各要素の負極電流コレクタ層は、LNEと同一方向に測定された長さLNCを有し、長さLNCは少なくとも少なくともLNEである、
電極構造体である。
負極幾何学的占有面積=(N×LNE×(2×HNE+WNE))
「N」個の要素を有する正極群の幾何学的専有面積は、以下の方程式にしたがって決定され得る:
正極幾何学的占有面積=(N×LPE×(2×HPE+WPE))
ただし式中LNE、HNE、WNE、LPE、HPE、およびWPEは前述のように負極群要素および正極群要素の長さ、幅、および高さである。
櫛構造体の作製
200μm/3μm/675μmの層肉厚(デバイス層/絶縁層/バッキング層)を有するシリコン・オン・インシュレータ(SOI)ウェーハが試料として使用された。1000ÅのPdがデバイス層の上部にスパッタ堆積され、その後、2000Åのシリコンジオキサイドの硬質マスク層が堆積された。
分離されたペアの櫛状構造体(以後、アノード基幹部櫛と呼称する)がパラジウム導体を通して電気的に接続され、銅メッキ槽内で浸漬された。銅メッキ槽条件は、堆積が、パラジウムおよびシリコン層の両方の上で生じて櫛構造体が構成され、それによりアノード電流コレクタとして機能するCu層が形成されるよう、調節された。
次に、カソード基幹部櫛はパラジウム導体を通して電気的に接続され、金をパラジウムおよびシリコン層上にメッキし、それにより櫛構造体が構成されるよう、金電気メッキ槽内で浸漬された。カソード基幹部櫛を包囲するこのAu層はカソード電流コレクタとして機能した。
試料はスピンコーターに送られ、スピンコーターにおいて、ミクロ多孔性セパレータが電池上に加えられた。この場合におけるミクロ多孔性セパレータは、2体積パーセントのPVDF結合剤と、アセトン中に分散された微細ガラス粉末(2μm未満の直径)と、の組み合わせであった。このスラリーはダイ上にコーティングされ、過剰なスラリーは、セパレータ層を充填および平坦化するために、スピンオフされた。乾燥プロセスにより溶媒が蒸発し、微孔性セパレータ層が形成された。
引き続き、ダイの上側部は、UV剥離ダイシングテープの助けにより犠牲ガラス基板に結合された。この構成は、従来のウェーハラッピング技法を使用してバッキングシリコン層を機械的に除去するために使用された。このラッピングプロセスは、バッキングウェーハが除去されて中間酸化層が露出されるまで、実行された。UV剥離が、犠牲ガラス基板から能動ダイを除去するために使用された。それにより後続の電流収集および包装プロセスのためにダイの準備が整った。
1.櫛構造体の製作
この実施例に対する櫛構造体は、実施例1で説明したように製作された。
分離されたペアの櫛状構造体(以後、アノード基幹部櫛と呼称する)がパラジウム導体を通して電気的に接続され、銅メッキ槽内で浸漬された。銅メッキ槽条件は、堆積が、パラジウムおよびシリコン層の両方の上で生じ、それにより櫛構造体が構成されるよう、調整された。このCu層はアノード電流コレクタとして機能した。
引き続き、カソード基幹部櫛層はパラジウム導体を通して電気的に接続され、金をパラジウムおよびシリコン層上にメッキし、それにより櫛構造体が構成されるよう、金メッキ槽内で浸漬された。カソード基幹部櫛を包囲するこのAu層はカソード電流コレクタとして機能した。
セパレータは実施例1で説明したように製作された。
構造的層は実施例1で説明したように除去された。
1.櫛構造体の製作
櫛構造体は、実施例1で説明したように準備された。
分離された櫛構造体(ここではカソード基幹部櫛と呼称される)の1つが電気泳動レジスト槽内に浸漬された。市販の電気泳動レジスト槽が使用され(Shipley EAGLE)、カソード基幹部櫛は、Pd導体を使用して50Vで120秒間にわたり電気泳動により堆積され、それによりレジストコーティングが形成された。ダイは120℃で30分間にわたり焼成され、それによりレジストが硬化された。
カソード電流コレクタおよびカソード電極は、実施例2で説明したように準備された。
セパレータは実施例2で説明したように準備された。
構造的層は実施例2で説明したように除去された。
1.単一ダイの準備
実施例1〜実施例3においてダイを処理するために使用された接点パッドは、ダイシングソーを使用するダイシングにより除去され、その一方で、アノードバスおよびカソードバスの接点は完全な状態のまま残された。ダイの縁部を覆いバス線に張り出すいかなるセパレータ物質も、電流コレクタ物質(アノードの場合にはCu、カソードの場合にはAu)を除去および露出するために、清掃された。
タブ伸張部分は、電流コレクタの露出の後、アノードバスおよびカソードバスに接続された。金バス線が、市販の炭素接着剤(DAG−T−502)を使用してアルミニウムタブに接続された。炭素の薄層がタブ伸張部分上にコーティングされ、金バスの側部上に接着された。ニッケルタブ伸張部分が、同じく市販の炭素接着剤を使用して銅電流コレクタに接着された。接着剤は120℃で1時間にわたり焼成されて硬化された。タブ伸張部分は、パッケージから出るタブも含んだ。このタブ伸張部分は、曲げられて水平方向に平坦化され、パッケージされる準備が整った。
2つのタブ伸張部分を有するダイが市販の電池ポーチパッケージ物質内に挿入された。ポーチ物質はタブを通してタブ側部上に密閉された。他の3つの側部のうちの1つは、電解質充填のためのポートを提供するために、開放状態で残された。真空が加えられ、1:1:3の比率のプロピレンカルボナート、エチレンカルボナート、およびエチルメチルカルボナートと、リチウムヘキサフルオロリン酸塩(1M)と、を含む従来の電解質が、グローブボックス内にある間にセルに加えられた。引き続き、ダイがグローブボックス内に入ったとき、ポーチの最後の側部も、湿気および酸素がポーチ内に侵入することと、図12に示す概略図に対応する組み立てられたパッケージの電池寿命が喪失することと、を防ぐために密閉された。次に電池は市販の電池サイクラーを使用して充放電された。
1.単一ダイの準備
ダイの準備は実施例4におけるように実施された。
タブ伸張部分は、電流コレクタの露出の後、アノードバスおよびカソードバスに接続された。アルミニウムタブ伸張部分(150μm肉厚)は、タブ伸張部分をバス線に良好に接着するために、バス線に沿って複数のスポットにおいてバス表面上に超音波溶接された。引き続き、200μmのニッケルタブ伸張部分が、抵抗溶接を使用して銅バス線に接続された。再び複数の接点が、タブ伸張部分をバス線に良好に接着するために、作られた。タブ伸張部分は、パッケージから出るタブも含んだ。このタブ伸張部分は、曲げられて水平方向に平坦化され(図12に図示するように)、パッケージされる準備が整った。
電池のパッケージおよび電解質の充填は実施例4におけるように実施された。
1.単一ダイの準備
実施例1〜実施例3においてダイを処理するために使用された接点パッドは、ダイシングソーを使用するダイシングにより除去された。加えてカソードバス接点およびアノードバス接点もダイシングされ、アノード基幹部の端部およびカソード基幹部の端部が側部上で露出された状態で残された。
バス層への接続に代わってアノード基幹部およびカソード基幹部のそれぞれに直接的に接続されることを除き、タブ伸張部分は実施例4と同様に接続された。この場合、タブ伸張部分と、タブ伸張部分を接続するために使用された接着層と、は各電極に対するバシング層(bussing layer)としても機能した。
電池のパッケージおよび電解質の充填は実施例4におけるように実施された。
1.単一ダイの準備
単一ダイ準備プロセスは実施例6において説明したように実行された。
アルミニウムの50μm肉厚の層が、ダイの上部および底部をマスキングし、溶射層がダイの断面のみに沿うことを確保した後に、カソード端部の側部上に溶射された。この溶射層は、露出された個々のカソード基幹部および電流コレクタのそれぞれに接触し、それらをバス接続した。それによりカソードバスが作られた。同様のプロセスがニッケル溶射でアノード側部において使用され、溶射アノードバスが作られた。
接続が、溶射されたアノードバス層およびカソードバス層に対してなされたことを除き、タブ伸張部分は実施例4と同様に接続された。
電池のパッケージおよび電解質の充填は実施例4におけるように実施された。
1.単一ダイの準備
実施例6と同様の単一ダイ準備プロセスが実行された。
実施例7と同様のバス形成プロセスが実行された。
タブは溶射されたバス層(カソード上のAlおよびアノード上のNi)の上部に溶接された。タブは短い寸法の電池から直接的に出された。
電池のパッケージおよび電解質の充填は実施例4におけるように実施された。
1.単一ダイの準備
実施例7と同様の単一ダイ準備プロセスが、3つの異なるダイ上で別々に実行された点を除き、実行された。
アルミニウムバス層およびニッケルバス層をそれぞれカソード端部およびアノード端部に溶射堆積する以前に、ダイは互いの上部に垂直に積み重ねられた。溶射されたアルミニウムは、ダイの全部に対して単一カソードバスを作ることに加えて、ダイのそれぞれに対して電極バスを作った。同様に、溶射されたNiは全部のダイに対してアノードバスを作った。
タブは溶射されたバス層(カソード上のAlおよびアノード上のNi)の上部に溶接された。タブは短い寸法の電池から直接的に出された。
電池のパッケージおよび電解質の充填は実施例4におけるように実施された。
1.単一ダイの準備
単一ダイ準備プロセスが、3つの異なるダイ上で別々に実行された点を除き、実施例7におけるように実行された。
実施例7と同様の溶射によるバス形成が個々に全部のダイ上で行われた。
タブ伸張部分が実施例7と同様の伝導性接着剤を用いて接続された。しかしダイは、ダイ間を単一タブ伸張部分により接続されて、カソードバス接点が互いに当接する状態で並べられた。
電池のパッケージおよび電解質の充填は実施例4におけるように実施された。
Claims (22)
- 電極群、対電極群、および前記電極群の要素と前記対電極群の要素とを隔てるミクロ多孔性セパレータを含む、電極構造体であって、前記電極群および前記対電極群は、前記電極群の要素が前記対電極群の要素により互いから隔てられる交互シーケンスで配列され、前記交互シーケンスは第1方向に進行し、前記電極群の各要素は電極活物質層および電極電流導体層を含み、前記電極群の各要素は底部、上部、長さLE、幅WE、および高さHEを有し、前記長さLEはそれぞれの係る電極の前記底部から前記上部まで測定され、前記幅WEおよび前記高さHEは、互いに対して垂直であり且つ前記長さLEの測定方向に対して垂直である方向に測定され、LEの、WEおよびHEのそれぞれと、の比はそれぞれ少なくとも5:1であり、HEのWEとの比はそれぞれ0.4:1〜1000:1の範囲であり、前記電極群の各要素の前記電極電流コレクタ層は、前記長さLEと同一方向に測定された長さLE−Cを有し、前記長さLE−Cは前記長さLEの少なくとも50%である、電極構造体。
- 前記電極群はN個の要素を有し、前記対電極群はN+1個の要素を有し、Nは少なくとも5である、請求項1に記載の電極構造体。
- 前記電極構造体は電極基板をさらに含み、前記電極群の各要素の前記底部は前記電極基板に直接的に取り付けられる、請求項1〜請求項2のうちのいずれか1つに記載の電極構造体。
- LEは約10mm〜約250mmの範囲内の値を有する、請求項1〜請求項3のうちのいずれか1つに記載の電極構造体。
- WEおよびHEのそれぞれは約0.01mm〜約5mmの範囲内の値を有する、請求項1〜請求項4のうちのいずれか1つに記載の電極構造体。
- 前記電極群の各要素に対してLEの、WEおよびHEのそれぞれと、の比はそれぞれ少なくとも10:1である、請求項1〜請求項5のうちのいずれか1つに記載の電極構造体。
- LE−CはLEの少なくとも80%である、請求項1〜請求項6のうちのいずれか1つに記載の電極構造体。
- 前記電極構造体は電極基板をさらに含み、前記電極群の各要素の前記底部は前記電極基板に対して直接的に取り付けられ、前記電極基板は、前記電極群の各要素からの電流を蓄えるための電極バスを含み、前記電極バスは長さLE−B、幅WE−B、および高さHE−Bを有し、前記長さLE−Bは前記第1方向に測定され、前記幅WE−Bおよび前記高さHE−Bは、互いに対して垂直であり且つ前記第1方向に対して垂直な方向に測定され、LE−Bの、WE−BおよびHE−Bのそれぞれと、の比は少なくとも5:1である、請求項1〜請求項7のうちのいずれか1つに記載の電極構造体。
- 前記対電極群の各要素は対電極活物質層および対電極電流導体層を含み、前記対電極群の各要素は、底部、上部、長さLCE、幅WCE、および高さHCEを有し、前記長さLCEはそれぞれの係る対電極の前記底部から前記上部まで測定され、前記幅WCEおよび前記高さHCEは、互いに対して垂直であり且つ前記長さLCEの測定方向に対して垂直な方向に測定され、LCEの、WCEおよびHCEのそれぞれと、の比はそれぞれ少なくとも5:1であり、HCEのWCEとの比はそれぞれ0.4:1〜1000:1の範囲であり、前記対電極群の各要素の前記対電極電流コレクタ層は、前記長さLCEと同一方向に測定された長さLCE−Cを有し、前記長さLCE−Cは前記長さLCEの少なくとも50%である、請求項1〜請求項8のうちのいずれか1つに記載の電極構造体。
- 前記電極群の各要素は電極基幹部をさらに含む、請求項1〜請求項9のうちのいずれか1つに記載の電極構造体。
- 前記電極群の各要素の前記電極基幹部は10ジーメンス/cm未満の電気伝導性を有する、請求項10に記載の電極構造体。
- 前記電極群の各要素に対して、前記電極電流コレクタ層は前記電極活物質と前記電極基幹部との間に挟まれ、前記電極活物質は前記ミクロ多孔性セパレータと前記電極電流コレクタ層との間に挟まれる、請求項10または請求項11に記載の電極構造体。
- 前記電極群の各要素に対して、前記電極電流コレクタ層はイオン透過性伝導性物質を含み、前記電極活物質と前記ミクロ多孔性セパレータとの間に挟まれ、前記電極活物質は前記電極電流コレクタ層と前記電極基幹部との間に挟まれる、請求項10または請求項11に記載の電極構造体。
- 前記電極電流コレクタ層および前記電極活物質層は電気伝導性を有し、前記電極群の各要素に対して、前記電極電流コレクタ層の前記電気伝導性の前記電極活物質層の前記電気伝導性との比はそれぞれ少なくとも100:1である、請求項1〜請求項13のうちのいずれか1つに記載の電極構造体。
- 前記電極群は負極群であり、前記対電極群は正極群であり、前記電極活物質層は負極活物質層であり、前記電極電流導体層は負極電流導体層であり、前記負極活物質層は炭素、アルミニウム、スズ、シリコン、またはこれらの合金を含む、請求項1〜請求項14のうちのいずれか1つに記載の電極構造体。
- 前記負極活物質層はシリコンもしくはシリコンの合金のナノワイヤ、または多孔性シリコンもしくは多孔性シリコンの合金を含む、請求項15に記載の電極構造体。
- 前記電極群は負極群であり、前記対電極群は正極群であり、前記負極群の各要素は負極活物質層および負極電流導体層を含み、前記負極群の各要素は、底部、上部、長さLNE、幅WNE、および高さHNEを有し、前記長さLNEはそれぞれの係る負極の前記底部から前記上部まで測定され、前記幅WNEおよび前記高さHNEは、互いに対して垂直であり且つ前記長さLNEの測定方向に対して垂直な方向に測定され、LNEの、WNEおよびHNEのそれぞれと、の比は、それぞれ少なくとも5:1であり、HNEのWNEとの比は0.4:1〜1000:1の範囲であり、前記群の各要素の前記負極電流コレクタ層は、LNEと同一方向に測定された長さLNCを有し、前記長さLNCはLNEの少なくとも50%である、請求項1に記載の電極構造体。
- 前記電極群は正極群であり、前記対電極群は負極群であり、
(i)前記正極群の各要素は正極活物質層および正極電流導体層を含み、前記正極群の各要素は底部と、上部と、長さLPEと、幅WPEと、高さHPEと、を有し、前記長さLPEはそれぞれの係る正極の前記底部から前記上部まで測定され、前記幅WPEおよび前記高さHPEは、互いに対して垂直であり且つ前記長さLPEの測定方向に垂直な方向に測定され、LPEのWPEおよびHPEのそれぞれとの比はそれぞれ少なくとも5:1であり、HPEのWPEとの比はそれぞれ0.4:1〜1000:1の範囲であり、前記正極群の各要素の前記正極電流コレクタ層は、LPEと同一方向に測定された長さLPCを有し、前記長さLPCはLPEの少なくとも50%であり、
(ii)前記負極群の各要素は負極活物質層および負極電流導体層を含み、前記負極群の各要素は底部と、上部と、長さLNEと、幅WNEと、高さHNEと、を有し、前記長さLNEはそれぞれの係る負極の前記底部から前記上部まで測定され、前記幅WNEおよび前記高さHNEは、互いに対して垂直であり且つ前記長さLNEの測定方向に垂直な方向に測定され、LNEのWNEおよびHNEのそれぞれとの比はそれぞれ少なくとも5:1であり、HNEのWNEとの比はそれぞれ0.4:1〜1000:1の範囲であり、前記負極群の各要素の前記負極電流コレクタ層は、LNEと同一方向に測定された長さLNCを有し、前記長さLNCはLNEの少なくとも50%である、
請求項1に記載の電極構造体。 - 少なくとも2つの電極構造体を含む電極スタックであって、前記電極構造体のそれぞれは請求項1〜請求項18のうちのいずれか1つに記載の電極構造体を含む、電極スタック。
- 前記電極構造体は垂直に積み重ねらされ、それにより、前記電極スタック内の第1電極構造体により含まれる前記正極群および前記負極群は、前記電極スタック内の第2電極構造体により含まれる前記正極群および前記負極群と異なる平面に存在する、請求項19に記載の電極スタック。
- 前記電極構造体は水平に配列され、それにより、前記電極スタック内の第1電極構造体により含まれる前記正極群および前記負極群は、前記電極スタック内の第2電極構造体により含まれる前記正極群および前記負極群と実質的に同一の平面に存在する、請求項19に記載の電極スタック。
- 電池筐体と、非水電解質と、請求項1〜請求項18のうちのいずれか1つに記載の電極構造体または請求項19〜請求項21のうちのいずれか1つに記載の電極スタックと、を含む2次電池。
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