JP2018516435A - 固体電池およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

固体電気化学電池構造は電解質層によって分離された対向する集積正極集電体構造を有する少なくとも１つの集積負極集電体構造を備える。集積負極集電体構造または集積正極集電体構造は、一般的に平面構造または平面層構造として製造され、平面構造または平面層構造は、その厚さよりも大きいかもっと大きく、それぞれ負極材料組成物または正極材料組成物を保持し、集電体層は包絡、混載、または封止された表面部分と、負極材料組成物または正極材料組成物がそれぞれ三次元メッシュ集電体の空隙量留分内に存在することで包絡、混載、または封止された三次元メッシュ多孔質集電体とを有する。集積負極集電体構造、正極集電体構造および電解質層は付加製造方法（例えば、３Ｄ印刷）により製造可能である。【選択図】図１

Description

本発明の様態は固体電気化学電池を製造する固体電気化学電池製造技術であり、電気化学電池は、（ｉ）集電体材料を内蔵し、囲みまたは封止する負極材料を含みまたその逆でもある負極集電体構造および／または（ｉｉ）集電体材料を内蔵し、囲みまたは封止する正極材料を含みまたその逆でもある正極集電体構造を有す、１つ以上の負極集電体構造および／または正極集電体構造の部分は選択的にまたはカスタマイズ可能な付加製造方法（例えば、３Ｄ印刷）により製造可能である。

現在のリチウムイオン電池セルの大多数は、巻かれるか折りたたまれた集電体シートまたは層からなる。集電体は電子導電材料（例えば、電子移動による高電気伝導性材料）であり、電池の電極端子と接続され、（ａ）酸化反応により電子を蓄積し、（ｂ）電池内で縮小反応により電子を供給する。より具体的には、第１集電体シートまたは層は負極材料あるいは粒子で被膜されるため、負極集電体シートまたは層を形成し、第２集電体シートまたは層は正極材料あるいは粒子で被膜されるため、正極集電体シートまたは層を形成する。負極集電体シートまたは層ならびに正極集電体シートまたは層それぞれにおいて、集電体シートまたは層自体は一般的に金属箔で形成される。

それぞれの電池において、２つの電極集電体層は一般的にポリマーにより形成される分離シートまたは層によって互いに分離される。分離シートを間に有する電極集電体の集合体層は一般的に円筒型または箱型構造を有する容器に挿入される。最後に、容器は有機液体電解質で満たされて封入される。

容器は液体電解質の漏液を防ぎ、さらに電極集電体層同士が密着させて電極材料と電極集電体が密接に接触するようにする。このような積層構造物は大量製造に最適であり、液体電解質に非常に適している。しかし、全体構造はエネルギー貯蔵に資さない材料がかなりの割合を占めており、残念なことに、必要とされるより電池がかなり大きくなってしまう。

液体電解質を用いた電池セルでは、電池の設計はほぼ液体電解質によって決定される。
さらに具体的には、電解質は液体であるので、保持のため一定の容器または格納システムに封入されなければならない。さらに、現在の電池セルにおける液体電解質は有機溶剤である。電池動作中に電池内にある金属リチウムが水と反応するとリチウム水酸化物と水素を生成する。有機溶剤と水素は非常に可燃性が高いので、容器あるいは格納システムは電池サイクル中に発生するガスを放出するための安全排気機構を具備しなければならない。

液体電解質は、同じく残念なことに、電池が生みだすことが可能な最大電圧を約３．５〜４ボルトに制限する。

上記欠点に対する液体電解質に関連する一般的な解決策は、５ボルト以上で安定する固体電解質の使用である。しかし、従来の固体電解質材料は一般的にセラミック材料であり、（ａ）液体電解質と比べて極めて低いイオン導電性を示し、（ｂ）堅くてもろい。よって、電池内で負極層と正極層を分離する固体電解質層は、電池における内部抵抗を低く維持するために非常に薄くかつ不具合がないようにしなければならない。さらに具体的には、固体電解質層は４０μｍ未満、理想的にはもっと薄くあるべきであり、かつリチウム金属の樹枝状結晶成長が電池を短絡させて電池を壊滅的に故障すること、ならびに短絡時に大幅な過熱を防止するために不具合がないようでなければならない。実際の従来型固体電解質はセラミック材料であるため、それは堅く圧迫に強いが、衝撃および曲げる圧力に脆弱である。特に数ミクロンの厚さしかない薄膜にあてはまる。このセラミック固体電解質材料の特徴こそが従来の電解質電池製造技術による固体電池の製造を事実上不可能にさせていた。

一般的に期待されて追及されてきた固体電池の製造方法は、（ａ）対応する負極集電体層に隣接した離散負極材料層で形成された負極電池構造と（ｂ）対応する正極集電体層に隣接した離散正極材料層で形成された正極電池構造とを固体電解質薄膜を挟んで向かい合うように配置して積層することである。積層されたすべての層間が密着して最大限接触する面積は、電池の内部抵抗を最小にするために重要であり、すべて離散層または離散シートであるため、層同士を密着させて圧迫させる圧着方法または構造の採用が必要である。残念なことに、この圧着構造は電池の固有のエネルギー容量にとって非常にマイナスな効果をもたらす。負極材料層と正極材料層間の密着は、同様に電解質膜による粘着効果による。しかし、電解質膜はセラミック電解質より樹枝状結晶成長に対してより影響を受けやすく、かつリチウム金属負極材料との互換性がない。

充電式電池の負極と正極材料、特に正極材料は電気伝導体として弱い傾向がある。よって、電池の内部抵抗を最小限にするため、電極材料と集電体間の経路を短くするか、可能な限り短い電子移動経路を設計することは非常に有益かつ不可欠である。残念なことに、現在の固体電池構造における電極材料と集電体間は不要なほど長い電子の移動経路を示す。

上記に加え、現在の固体電池構造において、電池の全容量のうち不要な構造または材料がイオンの充電容量に資さない材料なので、電池の電力容量を低減する。

固体電池構造に関連して前述の複数の欠点についていくつかの試みがなされた。例えば、固体電池構造の１つの型が次に示されている。（Ｙｏｕｎｇ Ｊｉｎ Ｎａｍ ｅｔ．ａｌ著、「Ｂｅｎｄａｂｌｅ ａｎｄ Ｔｈｉｎ Ｓｕｌｆｉｄｅ Ｓｏｌｉｄ Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ Ｆｉｌｍ： Ａ Ｎｅｗ Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ Ｏｐｐｏｒｔｕｎｉｔｙ ｆｏｒ Ｆｒｅｅ−Ｓｔａｎｄｉｎｇ ａｎｄ Ｓｔａｃｋａｂｌｅ Ｈｉｇｈ−Ｅｎｅｒｇｙ Ａｌｌ−Ｓｏｌｉｄ−Ｓｔａｔｅ Ｌｉｔｈｉｕｍ−Ｉｏｎ Ｂａｔｔｅｒｉｅｓ」 Ｎａｎｏ Ｌｅｔｔ．， ２０１５， １５（５）， ｐｐ ３３１７−３３２３）。この構造は、負極集電体として、ニッケル被膜されたナノワイヤが負極材料層の上面に全体にランダムに分散された非常に薄い負極材料層と、正極集電体として、ニッケルに被膜されたナノワイヤが正極材料層の下面に全体にランダムに分散された非常に薄い正極材料層と、負極材料層と正極材料層との間に配置された非常に薄い電解質膜層を有し、電解質膜層は構造補強のためランダムに混載したナノワイヤを含む。残念なことに、この設計は電解質膜の欠点により損なわれる。また、本構造のエネルギー密度は４４Ｗｈ／ｋｇであり、それは好ましくないほど低く、特に他の設計の電池と比べるとエネルギー密度は数倍さらには数桁違う。さらに、本タイプの電池構造で用いられるナノワイヤの種類は、高度にカスタマイズされた特異な電池構成を迅速に製造する方法により異なる電池構造を大量自動生産する大量自動生産方法にはあまり適していない。

他の固体電池セル構造タイプは米国特許公開公報２０１３／０１９６２３５号明細書に示されており、それはミクロンレベルの三次元多孔質金属発泡樹脂を構造基礎として用いており、その上に非常に薄い負極材料の層を電気溶着させ、その上にさらに非常に薄い電解質の層を重合させる。正極材料は三次元多孔質金属発泡樹脂の空隙間に存在し、３Ｄ金属発泡樹脂から非常に薄い電解質膜および電気溶着された非常に薄い負極材料によって離される。この電池構造は、同様にエネルギー密度を不要に制限させ、かつ電解質膜の欠点に関連するようである。

米国特許公開公報２０１３／０１９６２３５号明細書 米国特許公開公報２０１５／０３１４５３０号明細書

Ｙｏｕｎｇ Ｊｉｎ Ｎａｍ ｅｔ．ａｌ著「Ｂｅｎｄａｂｌｅ ａｎｄ Ｔｈｉｎ Ｓｕｌｆｉｄｅ Ｓｏｌｉｄ Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ Ｆｉｌｍ： Ａ Ｎｅｗ Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ Ｏｐｐｏｒｔｕｎｉｔｙ ｆｏｒ Ｆｒｅｅ−Ｓｔａｎｄｉｎｇ ａｎｄ Ｓｔａｃｋａｂｌｅ Ｈｉｇｈ−Ｅｎｅｒｇｙ Ａｌｌ−Ｓｏｌｉｄ−Ｓｔａｔｅ Ｌｉｔｈｉｕｍ−Ｉｏｎ Ｂａｔｔｅｒｉｅｓ」Ｎａｎｏ Ｌｅｔｔ．， ２０１５， １５（５）， ｐｐ ３３１７−３３２３.

上述の既存の電気化学固体電池の製造技術およびそれにより製造される電気化学固体電池に関する欠点を解決する必要がある。

本発明における様々な実施形態は電気化学固体電池あるいは電池セルの製造技術または方法であり、集電体と電解質に委ねる電子化学電池等の部分であるイオン電荷容量に貢献しない電子化学電池構造によって占領されている電子化学電池の量を減少させるか大幅に減少（可能な限り少ないか最小限）させるのと同時に、電極材料と集電体間の経路が短い（可能な限り短いか最小限）電子移動経路の設計または構造の電気化学固体電池ならびに電池セルに関し、それにより内部電池抵抗を減少または大幅に減少させる。

本発明の実施形態における電気化学固体電池または電池セルの製造あるいは製造方法は、この方法によって製造された電子化学電池の異なる部分に複数の種類の材料を組み込むことを選択するか選択可能にする自由度を提供することで付加製造方法を含むかそのものである。本発明の様々な実施形態における電気化学固体電池または電池セルが製造される代表的な付加製造方法は、本明細書に参考文献として記載がある、米国特許公開公報２０１５／０３１４５３０号明細書に記載されている。製造された構造の異なる部分に複数の種類の材料を組み込むことを選択するか選択可能にする自由度を有する付加製造は、さらに上のレベルの自由度を充電式電池セルの設計にもたらし、体積効率および電気的効率が向上した電池セルの製造を可能にする。３Ｄ印刷等を用いて必要な箇所のみに材料を配置することで、負極材料組成物と材料および正極材料組成物と材料の電流集合または電流分離のための材料の量を減少させることができる。同時に、負極と正極材料組成物または材料は、電池内の電子抵抗およびイオン抵抗を減少させるように、電池内に選択するか選択可能に配置する。

いくつかの実施形態において、複数またはすべての電池セルの構成要素は層として形成されるか積層される。異なる層は異なる設計および／または構成要素で成り、次々に、電池セル動作の電池セル構成構造間に必要な構造関係を保持しながら、電池セルは実質的に意図されたまたは必要な設計に従って配置される複数の構成要素構造を含むことができる。その実施形態では、対応する電池セル構造設計のデジタル図面で決定されるか直接現像された印刷層の特定の模様が複数の明確な３Ｄ印刷手順を含む３Ｄ印刷方法等の付加製造方法によって異なった層が連続して積層される。

本発明における電池セル構造の実施形態のいくつかは、電極材料の層内に分配された微細ワイヤーネットワーク、メッシュ、グリッドとして積層された集電体に含む。この構造は、米国特許公開第２０１５／０３１４５３０号に記載がある多種３Ｄ印刷方法にて製造でき、電極材料は多数の連続した層上に積層され、少なくとも１つの複数電極層は、集電体がその一部を形成するか集電体となる、導電材料または電子導電材料の微細ワイヤーネットワークを保持、その中に内包する。微細ワイヤーネットワークは同じく多種３Ｄ印刷方法で作り出される。この実施形態では、同時に微細ワイヤーネットワークの大きさを減少させながら、電極材料内のあらゆる場所から微細ワイヤーネットワークの最も近い場所への平均距離を減少させるか最適化するように含有されて設計された微細ワイヤーネットワークは電極材料層より一般的に薄い。

電極材料の全量が多数３Ｄ印刷層として積層されたとき、各電極材料層は同一の微細ワイヤーネットワークまたは電子導電材料を欠いたいくつかの層（例えば、微細ワイヤーネットワーク）を積層することができる。さらに、または、電極材料内に占領した電子導電体の量と比較して、電気的に結合された電極材料から導電材料までの平均距離比率を減少させるか最適化するために、１つ以上の層は、主要な微細ワイヤーネットワークおよび補完的な微細ワイヤーネットワークを保持することができる。

本発明の電池セル構造の他の代表的な実施形態では、集電体は、空隙、通路、または溝を有する三次元メッシュの空間総量と比較して、三次元メッシュの空隙量留分または多孔質量留分を提供するか画定する三次元メッシュ多孔質電子導電材料を備えるか三次元メッシュ多孔質電子導電材料として形成される。（例えば、Ｘ、Ｙ、Ｚ軸の直線に沿って三次元メッシュの全体範囲により画定される）三次元メッシュは、３Ｄ印刷方法等の当業者には公知の方法を含めたいくつかの方法によって製造できる。電極材料を保持する流動性電極材料組成物は、硬直化させるか流動性を失わせて、かつ三次元メッシュの空隙、通路、溝を通してまたはその内側に電極材料を行き渡ることができるようにしたままで、内在している電極材料組成物が高密度に圧縮された後、三次元メッシュに導入されるか三次元メッシュの中に保持される。（例えば、圧縮された電極材料組成物はほぼ全てまたは本質的にすべての空隙または三次元メッシュの多孔質量留分を満たす）

本発明の実施形態において製造された様々な電気化学電池構造または電池セル構造はリチウムイオンタイプの化学に基づくことができる。しかしながら、当業者には容易に理解できるように、本発明の実施形態により製造方法および対応する製造された構造は他の化学にも応用可能である。

本発明による電気化学電池構造は、少なくとも１つの電気化学電池を備え、それぞれの電気化学電池は複数の集積電極集電体構造を有し、それぞれの集積電極集電体構造は内に電極材料を保持し、複数の集積電極集電体構造は、第１電極材料を保持する第１集積電極集電体構造と、電気的または電子化学的に対向する異なる第２電極材料を内に保持する第２集積電極集電体構造とを備え、第１集積電極集電体構造および第２集積電極集電体構造は、（ａ）第１電極材料または第２電極材料をそれぞれ保持する電極材料組成物層であり、電極材料組成物層の厚さより大きい平面部分を有する電極材料組成物層と第１集積電極集電体構造または第２集積電極集電体構造をそれぞれ保持する集電体を備える集電体層と、電極組成物層の内側に配置されるか外側に囲まれた集電体層とを備える電極材料組成物層とを備える電極材料組成物層と、（ｂ）第１集積電極集電体構造または第２集積電極集電体構造をそれぞれ有する集電体を備える三次元集電体材料メッシュ構造であり、内に空隙を有する三次元集電体メッシュ構造は三次元集電体材料メッシュ構造の空隙量留分を提供し、第１電極材料または第２電極材料をそれぞれ三次元集電体材料メッシュ構造の空隙量留分に分配する三次元集電体材料メッシュ構造と第１集積電極集電体構造と対向する第２集積電極集電体構造を分離し、イオン電荷移動媒体を第１集積電極集電体構造と対向する第２集積電極集電体構造の間に提供する電解質膜であり第１集積電極集電体構造は集積負極集電体構造および集積正極集電体構造を含むかそれらの１つであり、第２集積電極集電体構造は集積負極集電体構造および集積正極集電体構造を含むかそれらの１つである。

電気化学電池構造は、例えば複数の３Ｄ印刷構造として、それぞれが隣接して積み重ねられた複数の電気化学電池を備える。第１電極材料は粉末状負極材料を備えるかそのものであり、第２電極材料は粉末状正極材料を備えるかそのものである。電解質層はセラミック材料を備えるかそのものであり、また厚さより大きい表面部分を有する平面層でもある。

複数の集積電極集電体構造は、厚さを有する負極材料組成物層および負極材料組成物層の厚さで内部および周囲に負極集電体層を備える負極材料組成物層と、厚さを有する正極材料組成物層および正極材料組成物層の厚さで内部および周囲に正極集電体層を備える正極材料組成物層とを備えることができる。少なくとも負極の集電体層または正極の集電体層のどちらか１つは、所定または選択可能なワイヤ素材パターンにおいてなされたワイヤ素材のネットワーク等の材料の平面層または準２Ｄ層を備えるかそのものである。

複数の集積電極集電体構造は積み重ねられた複数の電気化学電池を備えるかそのものであり、積み重ねされた中にある各電気化学電池は、第１空隙量留分を提供する内に空隙を有し、第１空隙量留分の中またはすべてに分配される負極材料を有する第１三次元集電体材料メッシュ構造を備える三次元メッシュ集積負極集電体構造と、第２空隙量留分を提供する内に空隙を有し、第２空隙量留分の中またはすべてに分配される正極材料を有する第２三次元集電体材料メッシュ構造を備える三次元メッシュ集積正極集電体構造とを有する。三次元メッシュ集積負極集電体構造は正極材料を除き、三次元メッシュ集積正極集電体構造は負極材料を除く。各三次元メッシュ集積負極集電体構造および三次元メッシュ集積正極集電体構造は焼結可能材料を含むかそのものである。

本発明の様態では、１組の電気化学電池の製造方法が開示され、各電気化学電池構造の製造方法は、第１付加製造方法によって、第１電極材料を内に保持する第１集積電極集電体構造を製作する工程と、第２付加製造方法によって第１集積電極集電体構造の露出した表面に配置された電解質層を製作する工程と、第３付加製造方法によって、電解質層の露出した表面に配置された特異な第２電極材料を内に積層する第２集積電極集電体構造を製作する工程であり、第１集積電極集電体構造および第２集積電極集電体構造は、（ａ）第１電極材料または第２電極材料をそれぞれ積層する電極材料組成物層であり、電極材料組成物層の厚さより大きい平面部分を有する電極材料組成物層と第１集積電極集電体構造または第２集積電極集電体構造をそれぞれ積層する集電体を備える集電体層と、電極組成物層の内側に配置されるか外側に囲まれた集電体層とを備える電極材料組成物層とを備える電極材料組成物層と、（ｂ）第１集積電極集電体構造または第２集積電極集電体構造をそれぞれ有する集電体を備える三次元集電体材料メッシュ構造であり、内に空隙を有する三次元集電体メッシュ構造は三次元集電体材料メッシュ構造の空隙量留分を提供し、第１電極材料または第２電極材料をそれぞれ三次元集電体材料メッシュ構造の空隙量留分に分配する三次元集電体材料メッシュ構造と第１集積電極集電体構造と対向する第２集積電極集電体構造を分離し、イオン電荷移動媒体を第１集積電極集電体構造と対向する第２集積電極集電体構造の間に提供する電解質膜であり、第１集積電極集電体構造は集積負極集電体構造および集積正極集電体構造を含むかそれらの１つであり、第２集積電極集電体構造は集積負極集電体構造および集積正極集電体構造を含むかそれらの１つである、第２集積電極集電体構造を製作する工程である。

第２付加製造方法は第１集積電極集電体構造の露出した表面上に電解質層を製作する工程を含み、電解質層はセラミック電解質材料を備える。第１付加製造方法、第２付加製造方法および第３付加製造方法はそれぞれ３Ｄ印刷方法を含むかそのものである。第１集積電極集電体構造、電解質層、第２集積電極集電体構造はそれぞれその厚さよりも大きな表面積を有する１組の平面層を含むかそのものである。

各電気化学電池構造の製造は、第１付加製造方法によって、厚さを有する負極材料組成物を備える集積負極集電体構造および負極材料組成物の厚さの内またはその周囲に配置される負極集電体層を製作する工程と、第３付加製造方法によって、対向する、厚さを有する正極材料組成物を備える集積正極集電体構造および正極材料組成物の厚さの内またはその周囲に配置される正極集電体層を製作する工程とを含む。

第１付加製造方法または第３付加製造方法の少なくとも１つは、集電体層を材料の準２Ｄ層として製作することを備え、例えば、集電体ワイヤ素材の準２Ｄネットワークは集電体ワイヤ素材パターンにしたがって所定または選択可能にすることができる。

各電気化学電池構造の製造は、第１付加製造方法によって、第１空隙量留分を提供する内にある空隙を有する第１集電体材料を備える第１三次元メッシュ構造を製作する工程と、三次元メッシュ集積負極集電体構造を形成する、三次元メッシュ構造の第１空隙量留分の内または全体に負極材料を分配する工程と、第３付加製造方法によって、第２空隙量留分を提供する内にある隙間を有する第２集電体材料を備える第２三次元メッシュ構造を製作する工程と、三次元メッシュ集積正極集電体構造を形成する、三次元メッシュ構造の第２空隙量留分の内または全体に正極材料を分配する工程とを含む。第１空隙量留分は第１三次元メッシュ構造の全体の空間量の５０％〜９９．８％であり、第２空隙量留分は第２三次元メッシュ構造の全体の空間量の５０％〜９９．８％である。三次元メッシュ集積負極集電体構造は、正極材料を除外し、三次元メッシュ集積正極集電体構造は、負極材料を除外する。三次元メッシュ集積負極集電体構造および三次元メッシュ集積正極集電体構造はそれぞれ焼結可能材料を含むかそのものである。

図１は、本発明の実施形態における電気化学電池製造方法によって製造された電気化学電池の一部の斜視断面図である。 図２Ａは本発明の特定の代表実施形態における三次元メッシュ状集電体構造を示す。 図２Ｂは本発明の特定の代表実施形態における三次元メッシュ状集電体構造を示す。 図２Ｃは本発明の特定の代表実施形態における三次元メッシュ状集電体構造を示す。 図２Ｄは、本発明の実施形態における多層三次元メッシュ状集電体に基づいた電気化学電池または電池セル構造を示す。 図３は、特定の電気化学電池または電池セル構造を製造する本発明の代表的な多種３Ｄ製造工程の様態を示すフローチャートである。

本発明において、同じ要素の記載ならびに特定の図面または参照において特定の要素番号の考慮または使用は、対応する記述された素材は、他の図面またはそれに関連した明細書の記載中において、同様または類似の要素または要素番号の部分を指す。図面または明細書中に記載の「／」は、そうでないと明記されている場合を除いて、「および／または」を意味すると理解される。本明細書における特定の数値または数値の範囲は、近似の数値または数値の範囲を含むまたはそのものであると理解され、例えば、＋／−２０％、＋／−１５％、＋／−１０％、＋／−５％、＋／−２％、または＋ ／−０％の範囲内である。「本質的にすべて」という用語は、９０％以上の割合を示し、例えば、９５％、９８％、９９％、または１００％を示すことができる。

本明細書中で使用される用語の「１組」は、既知の数学的定義（例えば、Ｐｅｔｅｒ Ｊ． Ｅｃｃｌｅｓ著、「Ａｎ Ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｔｏ Ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌ Ｒｅａｓｏｎｉｎｇ： Ｎｕｍｂｅｒｓ， Ｓｅｔｓ， ａｎｄ Ｆｕｎｃｔｉｏｎｓ」の第１１章：Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ Ｆｉｎｉｔｅ Ｓｅｔｓ（例えば、Ｐ１４０に記載）Ｃａｍｂｒｉｄｇｅ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ Ｐｒｅｓｓ（１９９８年））に記載された様式）に基づいて、少なくとも１つの（すなわち本明細書で定義される１組とはユニット、一重項、シングル要素または複数組の要素に相当する）個数を数学的に提示する要素の空でない有限組成を定義に相当するか定義する。一般的には、１組の要素は、検討対象となる組のタイプによって、システム、装置、デバイス、構造、物体、方法、物理的なパラメーターまたは値を含むかそのものである。

本発明の実施形態は、（ａ）電気化学固体電池または電池セル（例えば、リチウムイオン電池セル）を作製、製造、生産する技術または方法、および（ｂ）その技術によって生産できる電気化学固体電池および／またはそれに対応する電池セル構造の様々な種類に関係する。本発明の電気化学固体電池または電池セル製造方法は、米国特許公開番号第２０１５／０３１４５３０および／または他のタイプの方法または手順に開示された、１つ以上の電極または電極要素は集積電極集電体構造として作製されることに関するかそれにより作製され、３Ｄ印刷等の１つ以上の付加的製造方法または手続きを含むことができるかそれに基づいている。

所定の集積電極集電体構造は電極材料組成物または電極材料材料を保持するか供給する電極組成物部分および集電体材料組成物または集電体材料材料を含むか提供する集電体部分を含む。実施形態の詳細によっては、電極組成物部分は集電体部分を保持し、封入し、包囲し、封止し、カプセル化するか、集電体部分は電極組成物部分を保持し、封入し、包囲し、封止し、カプセル化する。さらに具体的には、集積電極集電体構造は、電極材料組成物または集電体材料組成物または集電体材料素材を保持し、封入し、包囲し、封止し、カプセル化する電極材料素材または集電体材料組成物あるいは電極材料組成物または電極材料素材を保持し、封入し、包囲し、封止し、カプセル化する集電体材料組成物を含む。

本発明における固体電気化学電池の実施形態は、それぞれ集積負極集電体構造または集積正極集電体構造に形成された負極または負極素材ならびに正極または正極素材を含む。他の実施形態では、負極要素は集積負極集電体構造として形成されると、正極要素は従来の集積正極集電体構造として形成され、正極要素は集積正極集電体構造として形成されると、負極要素は従来の集積負極集電体構造として形成される。

さらに、前述の本発明において製造された固体電気化学電池構造は、（ｉ）負極組成物部分は集電体部分を保持し、封入し、包囲し、封止し、カプセル化する少なくとも１つの集積負極集電体構造とその逆の構造および／または（ｉｉ）正極組成物部分は集電体部分を保持し、封入し、包囲し、封止し、カプセル化する少なくとも１つの集積正極集電体構造とその逆の構造ならびに（ｉｉｉ）各負極集電体構造と対向する正極集電体構造（例えば、電気的／電気化学対向構造）間に配置された固体電極構造または固体電極組成物とを備える。

集積負極集電体構造の実施形態では、負極組成物部分は集電体部分を保持し、負極材料を保持するか提供する負極組成物部分は、パターン設計されたか、パターン設計されていない、非平面、平面、約平面、または全般的に平面として形成された負極組成物層構造を含むかそのものである。負極組成物層構造の厚さ内に配置された集電体部分は、パターン、ネットワーク、マトリックス、メッシュ、ファブリック、ラティス、ウェブ、スクリーン、グリッドまたはマットとして形成された集電体部分を含むかそのものである。例えば、このような実施形態では、負極組成物層構造は、第１負極構成層または下から支える負極構成層と、第１負極組成物層上に配置された集電体メッシュと、上記集電体メッシュおよび第１負極組成物層の上に配置される、第２負極構成層または上に重なる負極構成層とを含むことができる。各負極組成物層および／または集電体メッシュは、３Ｄ印刷方法等の付加製造方法または処置によって、作製または被膜される。

また、集積負極集電体の実施形態において、集電体部分の全体的な三次元空間寸法と比べて、大量の利用できる空隙空間または占領されていない内部量を提供する空隙、隙間、通路および／または溝を有する集電体部分は負極組成物部分を含み、集電体部分は、集電体材料を含み、提供し、またはそれによって形成された三次元メッシュ、格子状、細胞立体形状（例えば、金属発泡樹脂等のスポンジ状または泡状構造）、スケルトン、かご状、マトリックス、または格子状の構造として含むか、形成されるか、そのものであり、負極組成物部分は、集電体部分の空隙、隙間、通路または溝に、集電体部分のほぼ全てか実質的にすべての内部空隙空間（すなわち、組み立てられた集電体部分の空隙量留分として示される空隙、隙間、通路または溝によって提供される集電体部分の内部容積留分）を塞ぐか満たすように導入される、負極材料を保持するか提供する、流動性があり密集化可能または硬化可能な材料組成物を含むか、そのものである。そのような実施形態では、集電体部分は、３Ｄ印刷方法等の付加製造方法または処置、あるいは当業者がすぐに理解できる方法または処置によって製造できる。

上記に類似した方法では、集積正極集電体構造の実施形態では、正極組成物部分は集電体部分を保持し、正極材料を保持するか提供する正極組成物部分は、パターン設計されたか、パターン設計されていない、非平面、平面、約平面、または全般的に平面として形成された正極組成物層構造を含むかそのものである。正極組成物層構造の厚さ内に配置された集電体部分は、パターン、ネットワーク、マトリックス、メッシュ、ファブリック、ラティス、ウェブ、スクリーン、グリッドまたはマットとして形成された集電体部分を含むかそのものである。例えば、このような実施形態では、正極組成物層構造は、第１正極構成層または下から支える正極構成層と、第１正極組成物層上に配置された集電体メッシュと、上記集電体メッシュおよび第１正極組成物層の上に配置される、第２正極構成層または上に重なる正極構成層とを含むことができる。各正極組成物層および／または集電体メッシュは、３Ｄ印刷方法等の付加製造方法または処置によって、形成または被膜されます。

また、集積負極集電体の実施形態において、集電体部分の全体的な三次元空間寸法と比べて、大量の利用できる空隙空間または占領されていない内部量を提供する空隙、隙間、通路および／または溝を有する集電体部分は負極組成物部分を含み、集電体部分は、集電体材料を含み、提供し、またはそれによって形成された三次元メッシュ、格子状、細胞立体形状（例えば、金属発泡樹脂等のスポンジ状または泡状構造）、スケルトン、かご状、マトリックス、または格子状の構造として含むか、形成されるか、そのものであり、正極組成物部分は、集電体部分の空隙、隙間、通路または溝に、集電体部分のほぼ全てか実質的にすべての内部空隙空間（すなわち、組み立てられた集電体部分の空隙量留分として示される空隙、隙間、通路または溝によって提供される集電体部分の内部容積留分）を塞ぐか満たすように導入される、正極材料を保持するか提供する、流動性があり密集化可能または硬化可能な材料組成物を含むか、そのものである。

代表的な集積電極集電体構造
Ａ．電極組成物部分が集電体部分を保持する実施形態
図１は、各層が個別または完全な電気化学セルを形成するか構成する、第１層１０ａと第２層１０ｂを含む、本発明の実施形態における電気化学電池製造方法によって製造された多層電気化学電池または電池セル構造１の一部の斜視断面図である。図１の実施形態は１０ａおよび１０ｂといった２つの層を有するように示されているが、当業者は、例えば他の実施形態では、１層の層１０または２層以上の１０ａおよび１０ｂといった異なる数の層を有すると理解するだろう。層１０ａと層１０ｂは、各層１０ａの最大表面積部分（例えば、最大平面領域）が隣接層１０ｂの最大表面積部分（例えば、最大平面領域）となるように、連続して、直列に、並列に、または重ねられて配置される。

各層１０ａと層１０ｂは、電気化学電池構造が目的とする性能に見合う十分な電気導電性を自らは有しない電極材料を保持する。よって、各層１０ａと１０ｂは集積負極集電体構造１２および集積正極集電体構造１４を含む。様々な実施形態において、集積負極集電体１２および集積正極集電体１４は、集積負極集電体構造１２および集積正極集電体構造１４のそれぞれの厚さより大きいか大幅に大きい、約平面または平面領域を有する全般的に平面、本質的に平面、約平面、または平面層構造である。多くの実施例において、集積負極集電体構造１２および集積正極集電体構造１４はそれぞれ同一または本質的に同一の平面領域（例えば、Ｚ軸方向は垂直であると定義されるＸＹ平面上に対応する）を有する。

集積負極集電体構造１２は、負極組成物層または１組の負極組成物層２０（例えば、少なくとも約１つの平面または平面層構造に形成された）に形成された負極組成物部分に加えて、負極集電体部分２５を配置している。集積正極集電体構造１４は、正極組成物層または１組の正極組成物層３０（例えば、少なくとも約１つの平面または平面層構造に形成された）に形成された正極組成物部分に加えて、正極集電体部分３５を配置している。下記のように、負極組成物層２０は負極材料組成物または負極材料を保持し、正極組成物層３０は正極材料組成物または正極材料を保持する。下記のように、負極組成物層２０および負極組成物層３０は、目標とした、意図した、または所定の厚さを有する。

負極集電体部分または負極集電体２５ならびに正極集電体部分または正極集電体３５は、それぞれ負極組成物層２０および正極組成物層３０の厚さがある。（例えば、負極集電体２５と正極集電体３５は、それぞれ負極組成物層２０または正極組成物層３０によって、少なくともその厚さまたは内部において、最後には、一部を包囲し、封止し、カプセル化されることで積層される集電体素材の層または下層を形成することができる。）実施形態の詳細によっては、負極集電体２５および／または正極集電体３５はそれぞれ パターン設計されたか、パターン設計されていない、例えば、ワイヤ等の電子導電体材料の連続または非連続平面または準２Ｄシートまたは準２Ｄネットワーク、メッシュ、格子状、グリッド（以下、２Ｄメッシュとする）の集電体材料の全般的に平面、本質的に平面、または準２Ｄ層として形成される。いくつかの実施形態では、負極集電体２５と正極集電体３５は、図１に示すように準２Ｄワイヤーネットワークを含むかそのものである。（例えば、所定または選択可能なワイヤ材料配列またはパターンによる組織されたか画定されたワイヤ材料のネットワーク。）このような集電体資材の平面または準２Ｄ層は、（ａ）負極組成物層２０および負極集電体部分２５と（ｂ）正極組成物層３０および正極集電体部分３５との箇所や位置間の平均抵抗を減少させる、大幅に減少させるか、または限りなく最小限まで減少させる。他の実施形態では、負極集電体部分２５および／または正極集電体部分３５は、それぞれ負極組成物層２０および／または正極組成物層３０の容量の内または全体に分布する３Ｄ足場またはメッシュ構造または非常に薄いワイヤフィラメントの３Ｄネットワークを含むかそのものである。多くの実施形態において、各第１最大面積領域側と、負極集電体２５の反対側または対向する、負極組成物層２０の第２最大面積領域側との間の距離は同じであり、（例えば、負極集電体２５は負極組成物層の厚さの中間領域に適切に配置される）および／または
各第１最大面積領域側と、正極集電体３５の反対側または対向する、正極組成物層３０の第２最大面積領域側との間の距離は同じである。（例えば、負極集電体３５は負極組成物層の厚さの中間領域に適切に配置される）。

当業者はすぐに理解できるようなやり方で、負極層２０およびそれに隣接する正極層３５は完全な電気化学電池を構成するように、各負極層２０は、隣接または対向する正極層３５から、非常に薄い電解質材料の層を含むか形成される電解質部分または電解質層４０によって分離される。電解質層４０は、下記により記載される通り、目標とした、意図した、または所定の厚さを有し、様々な実施形態は、例えば電解質層４０が有するような厚さより大きいか大幅に大きい平面積のような平面またはほぼ平面層を含むかそのものである。

他の実施例（図示せず）において、電気化学電池構造または電池セル構造物１は、集積負極集電体構造２０または集積正極集電体構造３０を有する第１電極または電極構造を含み、弱い電子導電性を有する負極材料組成物または正極材料組成物はそれぞれ集電体部分２５と集電体部分３５に統合される、例えば、類似のやり方によれば、図１に示されたのと本質的に同一または同一である。同時に反対側にあるまたは対向する第２電極または電極構造は正極材料または負極材料をそれぞれ含み、十分に高いか高い電子導電性を有するので、電池の要求を満たすことができる。そのような実施形態では、第２電極構造は集電体部分２５と集電体部分３５を有する必要がないか要求しない。つまり、当業者はすぐに理解できるように、第２電極構造は、個別の集電体部分２５と集電体部分３５を省略することが可能であり、自身が十分に高い電子導電性を示すか提供する負極材料または正極材料を含む。例えば、このように十分に高いか非常に高い伝導性負極材料はリチウム金属を含むことができるかそのものであり、十分に高いか非常に高い伝導性正極材料は、カーボングラファイト等の導電相を装填した酸化リチウムコバルトを含むことができるかそのものである。

Ｂ．集電体部分は電極組成物部分を保持する実施形態
いくつかの実施形態において、集積電極集電構造の集電体部分は、集積電極集電体構造の電極組成物部分を保持する。さらに具体的には、集積電極集電体構造の集電体部分は 三次元網目状メッシュ、格子状、細胞立体形状、スケルトン、かご状、または集電体材料を保持するかそれにより成る類似の構造型を含むか、そのものであり、内部に分配される開口部、空隙、空間、ギャップ、通路、溝および／または空洞を有する。目的および所定の粘性を有し、電極材料（つまり、負極材料または正極材料）を保持する流動性材料組成物を、三次元メッシュ構造内の空隙空間に導入、内包または拡散させることができ、高密度化または硬化させて、三次元メッシュ構造の空隙量または網目状内に集積電極集電体構造の電極組成物部分を提供する。本発明の実施形態における集電体部分の使用に適した様々な三次元メッシュ構造は当業者にはすぐに理解できるような、３Ｄ印刷および／または他の方法によって製造できる。

図２Ａ〜図２Ｃは、本発明の特定の代表的な実施形態における集電体部分三次元メッシュ構造または三次元集電体１００ａ〜１００ｃを示す図である。さらに具体的には、図２Ａは、フレーム部材１０２は、電子導電素材を保持するか形成された立方格子を画定するフレーム部材またはワイヤ１０２の（ｘ、ｙ、ｚ）グリッドとして形成された第１フレーム構造１００ａを示す。フレーム部材１０２は、お互いに電気的に接続しており、フレーム部材１０２はさらに、当業者にはすぐに理解できる方法で、電池セル端末と電気的に接続できる。フレーム部材１０２のような組成は、フレーム構造１００ａ内に複数の内部部品または電池１０４を確立する。電池１０４はそれぞれ個別に空隙空間を有し、電池１０４は空隙空間同士を流動的に連結する構成をしている。流動性があり、高密度で、硬化可能な負極材料組成物または正極材料組成物は、内部電池１０４に導入、内包または拡散させることができる。高密度化後または硬化後、負極材料組成物または負極材料組成物は、第１フレーム構造１００ａにおけるほぼ全ての本質的にすべての空隙量留分を満たして電池１０４内に残存し、集積負極集電体構造または集積正極集電体構造の負極組成物部分または正極組成物部分をそれぞれ提供する。図２Ａに示された三次元メッシュ集電体構造物１００ａが通常の立方構造を有するので、当業者は、本発明の三次元メッシュ集電体構造１００は他のタイプの多面体形状に相当するか示すと明確に理解する。当業者はまた、三次元メッシュ集電体構造１００の電池１０４は、長方形ではない断面領域（例えば、六角形または八角形断面領域）を示すことができる事も理解する。

図２Ｂは、所定の軸方向に沿って伸長したワイヤ１１２のネットワークまたは列ならびにネットワーク内のワイヤ１１２が支持グリッド１１０の反対側に伸長するように、この軸方向に対して横断するか垂直に形成された少なくとも１本のグリッド１１０を有する第２フレーム構造１００ｂを示す。ワイヤ１１２および典型的な支持グリッド１１０は電子導電性材料を保持するか形成され、ワイヤおよび典型的な支持グリッド１１０はお互いが電気的に接続されている。ワイヤ１１２および支持グリッド１１０さえも、さらに当業者にはすぐに理解できる方法で電池セル端末に電気的に接続できる。境界線、空間、または溝１１４は、流動性があり密集化可能または硬化可能な負極材料組成物または正極材料組成物をギャップ１１４に導入、内包または拡散させることができるように、ワイヤー間に存在する。高密度化後または硬化後に、負極材料組成物または正極材料組成物はギャップ内に残存する。高密度化後または硬化後、負極材料組成物または負極材料組成物は、第１フレーム構造１００ａにおけるほぼ全ての本質的にすべての空隙量留分を満たして溝１１４内に残存し、集積負極集電体構造または集積正極集電体構造の負極組成物部分または正極組成物部分をそれぞれ提供する。

図２Ｃは、当業者にはすぐに理解できる方法で、三次元メッシュ、格子状、泡状またはスポンジ状構造のような撚り線分間に空隙がある電子導電性材料相互接続された薄い撚り線分の通常不規則、または不規則なネットワークを含む三次元網目状メッシュ構造１００ｃを示す。撚り線分は電子導電性材料を保持するか形成され、三次元網目状メッシュ構造内においてお互いが電気的に接続され、さらに当業者にはすぐに理解できる方法で電池セル端末に電気的に接続されている。流動性があり、高密度で、硬化可能な負極材料組成物または正極材料組成物は、三次元網目状メッシュ構造１００ｃの空隙に導入、内包または拡散させることができる。高密度化後または硬化後、負極材料組成物または負極材料組成物は、ほぼすべてまたは本質的にすべての三次元網目状メッシュ構造１００ｃの空隙量留分を満たして空隙内に残存し、集積負極集電体構造または集積正極集電体構造の負極組成物部分または正極組成物部分をそれぞれ提供する。

図２Ｄは、それぞれ 個別または完全な電気化学セルを成形するか構成する第１層２１０ａ、第２層２１０ｂおよび第３層２１０ｃを含む、代表的な多層三次元網目状メッシュ集電体による本発明の実施形態における電気化学電池または電池セル２を示す。他方では、図２に示された実施形態は２１０ａ〜２１０ｃの３層を有するように図示し、当業者にはすぐに理解できるように、他の実施形態では、例えば、実施形態の詳細によるが、１層の層２１０、２層の２１０ａと２１０ｂ、または３層以上の２１０ａ〜２１０ｃとして異なる数の層として形成できる。

層２１０ａと層２１０ｂはそれぞれ、三次元メッシュ集積負極集電体構造２１２および三次元メッシュ集積正極集電体構造２１４を含み、三次元メッシュ集積負極集電体構造２１２は、負極材料を内に保持するか内包する（三次元集電体メッシュ構造１００の全体に空隙量留分に分配される）第１三次元集電体メッシュ構造１００（例えば、図２Ａ〜図２Ｃに示された方法により）を含むか形成される。三次元メッシュ集積正極集電体構造２１４は、正極材料を内に保持するか内包する（三次元集電体メッシュ構造１００の全体に空隙量留分に分配される）第２三次元集電体メッシュ構造１００（例えば、図２Ａ〜図２Ｃに示された方法により）を含むか形成される。

Ｃ．更なる実施形態
本発明におけるいくつかの電気化学的または電池セル構造の実施形態は、負極部分１２または正極部分１４はそれぞれ負極集電体部分２５および正極集電体部分３５を保持する、図１に示す方法で形成された１つ以上の集積電極集電体構造（例えば、第１集積電極集電体構造）を含むことができる。三次元メッシュ集電体部分１００は負極材料または正極材料を保持する、図２Ａ〜図２Ｃに示す方法で形成された１つ以上の集積電極集電体構造（例えば、第２集積電極集電体構造）含むことができる。電気化学電池または電池セル構造の負極部分と正極部分は、当業者にはすぐに理解できる方法で、１組の電解質層４０によって分離または隔離される。

代表的な集積電極集電体の製造方法
本発明の実施形における電気化学固体電池または固体電池セルの部分は、例えば、米国特許公開番号第２０１５／０３１４５３０に開示された複数の材料付加による製造方法および／または他のタイプの製造方法または製造工程といった、１つ以上の製造方法または製造工程によって製造できる。例えば、米国特許公開番号第２０１５／０３１４５３０に記載の方法では、図１に示される電気化学固体電池構造１は、連続、順次または選択的に粉末を分配および積層するやり方で製造可能であり、粉末は、（ａ）１種類以上の負極材料および１種類以上の電子導電材料により形成された１組の負極集電体部分１２と、（ｂ）１種類以上の電解質材料により形成された１組の電解質層４０と、（ｃ）１種類以上の正極材料および１種類以上の電子導電材料により形成された、電池の１組の正極集電体部分１４とを保持する。そのような粉末は、例えば連続シートまたはパターン化されたシートが、指定または所定の電気化学電池または電池セルの設計またはデザイン（例えば、デジタル３Ｄ電気化学電池または電池セル構造モデル）に基づいて電気化学電池または電池セル構造１を製造できるように、プログラム可能に指定されたパターンに従って、二次元領域全体に分配される。所定の粉末の層は作られたプレート上に分配され、非結合粉末が除去された後に、結合剤は選択的に塗布されて層特定の部分同士を維持する。結合剤材料は、硬化方法または硬化工程を経て、対象の層同士の結合力を上げる。図３は、本発明における特定の電気化学的電池または電池セル構造を製造できる代表的な複数材料３Ｄ製造方法の様態を示すフローチャートである。

さらに、本発明における実施形態の三次元メッシュ集電体構造１００は、米国特許公開番号第２０１５／０３１４５３０号に開示されている複数材料３Ｄ製造方法によって製造できる。さらに具体的には、空隙は層の部分内に、三次元メッシュ集電体構造は５０％〜９９．８％の空隙量留分を有するように、選択的に次の工程部分の層（例えば、加熱／焼結工程部分）から除去できる、離脱材料または犠牲材料を内に組み込むか分配するによって形成できる。さらに、空隙の実際の大きさに応じて一定の粘度を有する、選択されて意図したまたは所定のチキソトロピックレオロジーを提供するモノマーとオリゴマーを含む流動性有機伝達手段、媒体または材料は、分配された１つ以上の負極材料および１つ以上の正極材料を保持するために用いられる。シルクスクリーン、孔版印刷、ドクターブレード等の１つ以上の方法により、負極材料または正極材料を三次元網目状メッシュ集電体構造１００に押出することができる。また、負極材料または正極材料は、真空補助拡散の方法で三次元網目状メッシュ集電体構造１００に組み込まれることができる。空隙空間内または全体に分配された負極粉末または正極粉末を有する三次元メッシュ集電体構造１００は、有機媒体材料を分解して揮発し、無機材料を焼結して固体集積構造にする、単一熱処理方法または工程で高密度化される。

他には、負極材料または正極材料は、流動性が高い粉末に配合され、粉末床３Ｄ印刷に対応するかそれに基づいた粉末分配／圧縮システムにて三次元網目状メッシュ集電体構造１００に分配され、その粉末は、コンピュータ管理された結合剤噴射システムにより、所定の箇所に固定される。

本発明におけるいくつかの実施形態は、セラミック同時焼成方法により製造することができる。さらに具体的には、図１に示す電気化学電池または電池セル構造１は、有機伝達手段または媒体を浮遊させるセラミック粉末のシートを作り、テープキャスト方法または工程により薄い層に広げて、乾燥させることにより製造できる。所定のシートは、革またはゴムの粘稠度を有し、さらに、意図または所望の形状に切り込む加工が可能であり、シートの主要面または主要側面から 反対側の主要面または主要側面へ特定の箇所に内にバイアを形成する。バイアは導電材料によって塞がれて、シートの主要表面間に電気接続を提供する。さらに、導電材料のパターンは、複数または全ての導電性バイアはお互い電気的に接続されて電気導電性パターンを提供するために、選択されたシートの主要表面の１面または両面に塗布可能である。

シートは、所定の組の負極組成物層２０および所定の組の負極組成物層３０に対応して作製でき、そのシートはそれぞれ１種類以上のセラミック負極材料または正極材料粉末を内部に含む。各シートは、最終デザイン条件によって、意図または所望した厚さを有する。集積負極集電体構造１２は、テープ成形負極材料の２つのシートを含むことができる。第１シートは、（例えば、選択可能または所定のパターンに基づいた）シルクスクリーン方法等で第１表面に塗布された、負極集電体部分２５を含む。これらのシートは、負極集電体部分２５は、集積負極集電体構造１２の２つの主要表面のほぼ中間の内部に保持するように共に積層される。同様に、集積正極集電体構造１４は、テープ成形正極材料の２つのシートを含むことができる。第１シートは、（例えば、選択可能または所定のパターンに基づいた）シルクスクリーン方法等で第１表面に塗布された、正極集電体部分３５を含む。これらのシートは、正極集電体部分３５は、集積正極集電体構造１４の２つの主要表面のほぼ中間の内部に保持するように共に積層される。

１組の電解質層またはシート４０は、革またはゴム様の粘稠度のシートを形成するためテープキャスト方法により鋳造できる。

前駆構造は、負極集電体構造１２と集積正極集電体構造１４を積み重ねて、その間に電解質シート４０を配置することで組み立てられる。そのような前駆構造は、それぞれ電解質シート４０により分離された、例えば１〜１０００個の代替された負極集電体構造１２および集積正極集電体構造１４を含むことができる。

前駆構造は、固体塊としての前駆構造が、炉で約４００℃〜約１５００℃にて約１０分〜約５０時間加熱される加熱工程を行った後、前駆構造スタックに圧力および熱を加えることを含む積層方法により固体塊に組み立てられるか製造できる。

代表的な規模および材料の選択
実施形態の詳細によっては、集積電極集電体構造１２、１４、２１２、２１４の厚さは、約２μｍ〜約１ｍｍの範囲である。電解質層４０の厚さは約２μｍ〜約５００μｍの範囲である。内部に配置された負極集電体部分２５または正極集電体部分３５を内包する集積電極集電体構造１２、１４にとって、集電体部分２５、３５の厚さは、約２００ｎｍ〜約５０ｎｍの範囲をとり、ワイヤ素材等の個別のパターン化された電子導電体材料の幅は、約５００ｎｍから、電池の全体領域すべてのほぼ連続層の範囲である。集積電極集電体構造２１２、２１４は三次元メッシュ集電体構造１００に基づく実施形態では、三次元メッシュ集電体構造１００の厚さは、一般的には層厚の少なくとも３０％等の対応する層またはそれの留分の限度いっぱいの厚さであり得る。三次元メッシュ構造１００内のセル１０４、溝１１４、空隙は、約５μｍ〜約５００μｍの断面の寸法または直径を有し得る。

実施形態の詳細によっては、本発明の特定の実施形態において使用するのに適した負極材料粉末は、カーボン、グラファイトおよび／またはリチウム水酸化物を含む。ある実施形態では、そのような負極粉末は、グラフェン、カーボンナノチューブ、フラーレン等のカーボンを基にしたナノ材料またはナノ構造を含むか保持することができる。本発明の特定の実施形態において使用するのに適した正極材料粉末は、酸化リチウムコバルトまたは酸化リチウムマグネシウムを含む。適切な集電体材料は、銅、ニッケル、銀、金、パラジウムまたはそれらの合金を含む。適切な電解質材料粉末は、酸化リチウム・ランタン・ジルコニウムを含む。適切な有機媒体は当技術分野で周知である。

本発明の実施形態における電気化学電池または電池セル構造は、約３００Ｗｈ／ｋｇ〜約６００Ｗｈ／ｋｇのエネルギー密度を示すと見込まれ、柔軟で高度にカスタマイズされた方法で迅速に特異なセル構成を製造できる、異なるセル構造による大量自動生産を含めた大量自動化生産方法による製造に最適である。

本明細書の記載は、本発明の代表的な実施形態を明らかにするために提供された。本明細書において、本発明または特許請求の要旨を逸脱しない範囲で様々な変更がなされる事は明白である。

Claims (23)

1. 電気化学電池構造は、
   少なくとも１つの電気化学電池を備え、
   それぞれの電気化学電池は複数の集積電極集電体構造を有し、それぞれの集積電極集電体構造は内に電極材料を保持し、複数の集積電極集電体構造は、第１電極材料を保持する第１集積電極集電体構造と、電気的または電子化学的に対向する特異な第２電極材料を内に保持する第２集積電極集電体構造とを備える第１集積電極集電体構造および第２集積電極集電体構造は、
   （ａ）第１電極材料または第２電極材料をそれぞれ保持する電極材料組成物層であり、電極材料組成物層の厚さより大きい平面部分を有する電極材料組成物層と第１集積電極集電体構造または第２集積電極集電体構造をそれぞれ保持する集電体を備える集電体層と、電極組成物層の内側に配置されるか外側に囲まれた集電体層とを備える電極材料組成物層と、
   （ｂ）第１集積電極集電体構造または第２集積電極集電体構造をそれぞれ有する集電体を備える三次元集電体材料メッシュ構造であり、内に空隙を有する三次元集電体メッシュ構造は三次元集電体材料メッシュ構造の空隙量留分を提供し、第１電極材料または第２電極材料をそれぞれ三次元集電体材料メッシュ構造の空隙量留分に分配する三次元集電体材料メッシュ構造と、
   第１集積電極集電体構造と対向する第２集積電極集電体構造を分離し、イオン電荷移動媒体を第１集積電極集電体構造と対向する第２集積電極集電体構造の間に提供する電解質膜であり、第１集積電極集電体構造は集積負極集電体構造および集積正極集電体構造の１つを備え、第２集積電極集電体構造は集積負極集電体構造および集積正極集電体構造の１つを備える
   電気化学電池構造。
2. 電気化学電池構造はお互い隣接して積み重ねられた複数の電気化学セルを備える請求項１に記載の電気化学電池構造。
3. 第１集積電極集電体構造、第２集積電極集電体構造および電解質層はそれぞれ３Ｄ印刷構造を備える請求項２に記載の電気化学電池構造。
4. 電解質層はセラミック電解質材料を備える請求項１に記載の電気化学電池構造。
5. 第１電極材料は粉末形状の負極材料および第２電極材料は粉末形状の正極材料を備える請求項１に記載の電気化学電池構造。
6. 電解質層の厚さは、電解質層の厚さより大きい平面表面領域を有することを備える請求項１に記載の電気化学電池構造。
7. 複数の集積電極集電集電体構造であり、
   厚さを有する負極材料組成物層および負極材料組成物層の厚さで内部および周囲に負極集電体層を備える集積負極集電体構造と、
   対向する、厚さを有する正極材料組成物層および正極材料組成物層の厚さで内部および周囲に正極集電体層を備える集積正極集電体構造とを
   備える請求項１に記載の電気化学電池構造。
8. 少なくとも負極集電体層または正極集電体層のどちらか１つは、材料の平面層または準２Ｄ層を備える請求項７に記載の電気化学電池構造。
9. 所定または選択可能なワイヤ素材パターンにおいてなされたワイヤ素材のネットワーク等の材料の平面層または準２Ｄ層を備える請求項８に記載の電気化学電池構造。
10. 複数の集積電極集電体構造は積み重ねられた複数の電気化学電池を備え、積み重ねされた中にある各電気化学電池は、
    第１空隙量留分を提供する内に空隙を有し、第１空隙量留分の中またはすべてに分配される負極材料を有する第１三次元集電体材料メッシュ構造を備える三次元メッシュ集積負極集電体構造と、
    第２空隙量留分を提供する内に空隙を有し、第２空隙量留分の中またはすべてに分配される正極材料を有する第２三次元集電体材料メッシュ構造を備える三次元メッシュ集積正極集電体構造とを
    備える請求項１に記載の電気化学電池構造。
11. 三次元メッシュ集積負極集電体構造は正極材料を除き、三次元メッシュ集積正極集電体構造は負極材料を除く請求項１０に記載の電気化学電池構造。
12. 各三次元メッシュ集積負極集電体構造および三次元メッシュ集積正極集電体構造は焼結可能材料を備える請求項１０に記載の電気化学電池構造。
13. １組の電気化学電池の製造方法であり、各電気化学電池構造の製造方法は、
    第１付加製造方法によって、第１電極材料を内に保持する第１集積電極集電体構造を製作する工程と、
    第２付加製造方法によって第１集積電極集電体構造の露出した表面に配置された電解質層を製作する工程と、
    第３付加製造方法によって、電解質層の露出した表面に配置された特異な第２電極材料を内に保持する第２集積電極集電体構造を製作する工程であり、
    第１集積電極集電体構造および第２集積電極集電体構造は、
    （ａ）第１電極材料または第２電極材料をそれぞれ保持する電極材料組成物層であり、電極材料組成物層の厚さより大きい平面部分を有する電極材料組成物層と第１集積電極集電体構造または
    第２集積電極集電体構造をそれぞれ保持する集電体を備える集電体層と、
    電極組成物層の内側に配置されるか外側に囲まれた集電体層とを備える
    電極材料組成物層と、
    （ｂ）第１集積電極集電体構造または第２集積電極集電体構造をそれぞれ有する集電体を備える三次元集電体材料メッシュ構造であり、
    内に空隙を有する三次元集電体メッシュ構造は三次元集電体材料メッシュ構造の空隙量留分を提供し、第１電極材料または第２電極材料をそれぞれ三次元集電体材料メッシュ構造の空隙量留分に分配する三次元集電体材料メッシュ構造と第１集積電極集電体構造と対向する第２集積電極集電体構造を分離し、イオン電荷移動媒体を第１集積電極集電体構造と対向する第２集積電極集電体構造の間に提供する電解質膜である
    １組の電気化学電池の製造方法
14. 第２付加製造方法は
    第１集積電極集電体構造の露出した表面上に電解質層を製作する工程を備え、電解質層はセラミック電解質材料を備える請求項１３に記載の方法。
15. 第１付加製造方法、第２付加製造方法および第３付加製造方法はそれぞれ３Ｄ印刷方法を備える請求項１３に記載の方法。
16. 第１集積電極集電体構造、電解質層、第２集積電極集電体構造はそれぞれその厚さよりも大きな表面積を有する１組の平面層を備える請求項１３に記載の方法。
17. 各電気化学電池構造の製造は、
    第１付加製造方法によって、厚さを有する負極材料組成物を備える集積負極集電体構造および負極材料組成物の厚さの内またはその周囲に配置される負極集電体層を製作する工程と、
    第３付加製造方法によって、対向する、厚さを有する正極材料組成物を備える集積正極集電体構造および正極材料組成物の厚さの内またはその周囲に配置される正極集電体層を製作する工程と
    を備える請求項１３に記載の方法。
18. 第１付加製造方法または第３付加製造方法の少なくとも１つは、集電体層を材料の準２Ｄ層として製作することを備える請求項１７に記載の方法。
19. 第１付加製造方法または第３付加製造方法の少なくとも１つは、所定または選択可能な集電体ワイヤ素材パターンにしたがって、集電体層を材料の準２Ｄ層として製造することを備える請求項１７に記載の方法。
20. 各電気化学電池構造の製造は、
    第１付加製造方法によって、第１空隙量留分を提供する内にある隙間を有する第１集電体材料を備える第１三次元メッシュ構造を製作する工程と、
    三次元メッシュ集積負極集電体構造を形成する、三次元メッシュ構造の第１空隙量留分の内または全体に負極材料を分配する工程と、
    第３付加製造方法によって、第２空隙量留分を提供する内にある隙間を有する第２集電体材料を備える第２三次元メッシュ構造を製作する工程と、
    三次元メッシュ集積正極集電体構造を形成する、三次元メッシュ構造の第２空隙量留分の内または全体に正極材料を分配する工程と
    を備える請求項１６に記載の方法。
21. 第１空隙量留分は第１三次元メッシュ構造の全体の空間量の５０％〜９９．８％であり、第２空隙量留分は第２三次元メッシュ構造の全体の空間量の５０％〜９９．８％である請求項２０に記載の方法。
22. 三次元メッシュ集積負極集電体構造は、負極材料を除外し、三次元メッシュ集積正極集電体構造は、正極材料を除外する請求項２０に記載の方法。
23. 三次元メッシュ集積負極集電体構造および三次元メッシュ集積正極集電体構造はそれぞれ焼結可能材料を備える請求項２０に記載の方法。