JP2023533968A - エネルギー貯蔵デバイス用の貯蔵セルを提供するための方法及び装置 - Google Patents

Abstract

はんだリフロープロセスを使用してプリント回路基板上に実装するためのエネルギー貯蔵装置は、封止されたハウジング本体を含み、該ハウジング本体は、本体内に配置され、かつそれぞれの外部接点と電気的に連通する正の内部接点及び負の内部接点を含む。電気二重層キャパシタエネルギー貯蔵セルが本体内に配置される。製造方法が開示される。【選択図】図１

Description

関連出願の相互参照
本出願は、２０２０年７月７日に出願された米国特許出願第６３／０４８８７４号の利益を主張し、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。

本明細書に開示される発明は、エネルギー貯蔵デバイスに関し、特に、電気回路基板に取り付けられるように構成されたエネルギー貯蔵デバイスに関する。

膨大なデバイスが、回路基板上に配置された構成要素を有する電子機器を利用している。全ての電子機器と同様に、構成要素に電力を供給するための有効な電源が必要である。回路基板上に局所電力を提供するための１つの技術は、電池及びキャパシタなどのエネルギー貯蔵デバイスを使用することを伴う。

概して、従来のキャパシタが約３６０ジュール／キログラム未満の比エネルギーを提供するのに対し、従来のアルカリ型電池は、約５９０ｋＪ／ｋｇの密度を有している。ウルトラキャパシタ（「スーパーキャパシタ」とも称される）は、電池よりもはるかに速く電荷を受け入れ、供給することができ、充電式電池よりもはるかに多くの充電及び放電サイクルに耐えることができる。このため、電気技術者にとって、ウルトラキャパシタを実装することが魅力的な解決策となっている。

第１の設計上の障害は、典型的なウルトラキャパシタが、所与の電荷に対して従来の電池よりも実質的に大きくなり得ることである。電力密度が進歩しても、もう１つの問題はプロセス指向である。すなわち、電気回路の組み立てには、回路基板への構成要素のはんだ付けが必要となる。この「リフロープロセス」では、従来のウルトラキャパシタを劣化又は破壊させるのに実質的に十分な熱が生じる。したがって、ウルトラキャパシタを使用することは、回路基板上に取り付けられた電子機器に電力供給するための魅力的な解決策であり得るものの、この解決策は、高電力出力を必要とするコンパクトな設計には利用可能ではなかった。更に、既存のウルトラキャパシタ技術に関する更なる問題は、かかる構成要素の寿命が限られていることである。

回路基板上に配置された電気構成要素に電力を供給するのに有用なウルトラキャパシタが求められている。好ましくは、ウルトラキャパシタは、縮小し続ける構成要素のサイズに適したコンパクトな設計を提供し、リフロー処理に耐えることができ、有用な動作寿命を提供する。

一態様では、はんだリフロープロセスを使用してプリント回路基板上に実装するのに適したエネルギー貯蔵装置が開示される。一部の実施形態では、装置は、封止されたハウジング本体（例えば、蓋が取り付けられた下側本体）を含み、該ハウジング本体は、本体内に配置され、それぞれ、正の外部接点及び負の外部接点と電気的に連通している、正の内部接点及び負の内部接点（例えば、金属接点パッド）を含む。外部接点の各々は、本体の外部への電気的連通を提供し、本体の外部表面上に配置され得る。電気二重層キャパシタ（ＥＤＬＣ）（本明細書では「ウルトラキャパシタ」又は「スーパーキャパシタ」とも称される）エネルギー貯蔵セルは、交互の電極層及び電気絶縁セパレータ層のスタックを含む本体内の空洞内に配置される。電解質が空洞内に配置され、電極層を湿潤させる。正のリードは、電極層のうちの１つ以上の第１のグループを正の内部接点に電気的に接続し、負のリードは、電極層のうちの１つ以上の第２のグループを負の内部接点に電気的に接続する。

一部の実施形態では、電極層の各々は、結合剤を実質的に含まず、かつ炭素質材料から本質的になるエネルギー貯蔵媒体を含む。一部の実施形態では、エネルギー貯蔵媒体は、空隙を画定するカーボンナノチューブのネットワークと、空隙内に位置し、カーボンナノチューブのネットワークによって結合された炭素質材料（例えば、活性炭）とを含む。一部の実施形態では、少なくとも１つの電極層は、導電性集電体層の向かい合う表面上に配置されたエネルギー貯蔵媒体を有する両面電極層を含む。

一部の実施形態では、本体と物理的に接触するエネルギー貯蔵セルの表面は、電気絶縁材料（例えば、層セパレータ材料、又は一部の実施形態では、セルの周囲に配置される絶縁エンベロープ障壁）からなる。

一部の実施形態では、電極層の各々は、正のリード及び負のリードのいずれか１つに取り付けられた導電性タブを含む。例えば、正電極のグループは、例えば、超音波溶接又は他の好適な技術を使用して、正のリードに接続されるタブを含んでもよい（負の場合も同様である）。

種々の実施形態では、別様で動作中に電解質と接触し得る、装置の電気化学的に活性な部分を隔離することによって、腐食及び他の関連有害効果を防止することが望ましい場合がある。したがって、一部の実施形態は、１つ以上の腐食防止特徴部、例えば、内部接点のうちの１つの近位に位置し、動作中に当該内部接点と電解質との間の電気化学反応を制限するように構成された特徴を含む。一部の実施形態では、内部接点は、電解質に対して比較的高い電気化学活性を有する第１の材料を含み、腐食防止特徴部は、第１の材料よりも電解質に対して比較的低い電気化学活性を有する第２の材料の保護層を含み、当該保護層は、第１の材料と電解質との間の接触を防止するように配置される。一部の実施形態では、保護層は、例えば、本明細書に説明されるタイプの封止剤の層を含む。一部の実施形態では、保護層は、第１の材料の表面上に配置された金属層を含む。一部の実施形態では、保護層は、第１の材料の表面上に配置された金属層と、金属層上に配置された封止剤層とを含む。一部の実施形態では、金属層は、封止剤層によって（例えば、内部接点に）固定された又は部分的に固定された金属シムを含む。一部の実施形態では、本体の内面は、腐食防止特徴部の少なくとも一部を受容するように構成された陥凹部分を含む。一部の実施形態では、正又は負のリードの一部は、腐食防止特徴部を通して延在し、内部接点のうちの１つに接続される。一部の実施形態では、腐食防止特徴部は、アルミニウム金属層を含む。一部の実施形態では、腐食防止特徴部は、エポキシ封止剤を含む。

一部の実施形態は、電気絶縁エンベロープ障壁を含み、該電気絶縁エンベロープ障壁は、エネルギー貯蔵セル及び電解質を封入し、電解質及びエネルギー貯蔵セルと空洞の表面との接触を防止するように構成される。一部の実施形態では、リードは、障壁を通ってエネルギー貯蔵セルから内部接点まで延在する。一部の実施形態では、障壁は、障壁エンベロープ内からの電解質の漏れを防止するために、リードにヒートシールされる。

一部の実施形態では、本体は、プリント回路基板上に表面実装するように構成されたチップ（例えば、セラミックベースのマイクロチップパッケージ）であり、そのように実装された場合、チップは、プリント回路基板の主表面の上方に約５．０ｍｍ以下、４．０ｍｍ以下、３．５ｍｍ以下、３．０ｍｍ以下、又はそれ未満だけ延在する。

一部の実施形態では、装置は、少なくとも２．０Ｖ、２．１Ｖ、２．２Ｖ、２．３Ｖ、２．４Ｖ、２．５Ｖ、３．０Ｖ、又はそれ以上の動作電圧を有し得る。一部の実施形態では、装置は、少なくとも３００ｍＦ、４００ｍＦ、４５０ｍＦ、５００ｍＦ、又はそれ以上の静電容量を有し得る。一部の実施形態では、装置は、少なくとも４．０Ｊ／ｃｃ、４．５Ｊ／ｃｃ、５．０Ｊ／ｃｃ、５．１Ｊ／ｃｃ、又はそれ以上のエネルギー密度を有し得る。一部の実施形態では、装置は、少なくとも１５Ｗ／ｃｃ、少なくとも２０Ｗ／ｃｃ、少なくとも２２Ｗ／ｃｃ、又はそれ以上のピーク電力密度を有し得る。一部の実施形態では、装置は、５００ｍΩ以下の等価直列抵抗、４００ｍΩ以下の等価直列抵抗、３００ｍΩ以下の等価直列抵抗を有し得る。一部の実施形態では、装置は、少なくとも６５℃、７５℃、８５℃、１００℃、１２５℃、１５０℃、又はそれ以上の動作温度定格を有し得る。

一部の実施形態では、装置は、３０％未満の静電容量劣化及び１００％未満の等価直列抵抗増加を示しながら、少なくとも２．０Ｖ（又は少なくとも２．１Ｖ以上）の動作電圧及び少なくとも６５℃の動作温度で少なくとも２，０００時間の動作寿命を有し得る。一部の実施形態では、装置は、３０％未満の静電容量劣化及び１００％未満の等価直列抵抗増加を示しながら、少なくとも２．０Ｖ（又は少なくとも２．１Ｖ以上）の動作電圧及び少なくとも８５℃の動作温度で、少なくとも１，０００時間、少なくとも１，５００時間、少なくとも２，０００時間、少なくとも３，０００時間、又はそれ以上の動作寿命を有し得る。一部の実施形態では、装置は、３０％未満の静電容量劣化及び１００％未満の等価直列抵抗増加を示しながら、少なくとも２．０Ｖ（又は少なくとも２．１Ｖ以上）の動作電圧及び少なくとも１００℃の動作温度で、少なくとも１，０００時間、少なくとも１，５００時間、少なくとも２，０００時間、少なくとも３，０００時間、又はそれ以上の動作寿命を有し得る。一部の実施形態では、動作寿命は、少なくとも１００℃、２００℃、２５０℃、３００℃、又はそれ以上のピーク温度で、少なくとも３０秒、６０秒、１２０秒、１８０秒、２４０秒、３６０秒、又はそれ以上の少なくとも１回、２回、３回、４回、５回、６回、又はそれ以上の温度サイクルを有するリフロープロセスを使用して、装置がプリント回路基板にはんだ付けされた後に生じる。

一部の実施形態では、エネルギー貯蔵セルは、回路基板に取り付けられた少なくとも１つの追加の要素（例えば、固体メモリデバイス）に電力（例えば、バックアップ電力）を提供する。

一部の実施形態では、電解質は、一部の実施形態では、例えば、本明細書に説明されるタイプの塩及び／又は溶媒と混合され得る、イオン液体を含む。

一部の実施形態では、ハウジング本体は気密封止される。例えば、一部の実施形態では、本明細書で詳細に説明するように、ハウジング本体を形成するために金属製の蓋をセラミック要素に取り付ける（例えば、溶接する）ことができる。

一部の実施形態では、エネルギー貯蔵セルを収容するハウジング本体の空洞内で、ハロゲン化物イオンの総濃度は、約１，０００ｐｐｍ未満、５００ｐｐｍ未満、２００ｐｐｍ未満、１００ｐｐｍ未満、又はそれ未満に保たれる。一部の実施形態では、エネルギー貯蔵セルを収容するハウジング本体の空洞内で、金属種不純物は、約１，０００ｐｐｍ未満、５００ｐｐｍ未満、２００ｐｐｍ未満、１００ｐｐｍ未満、又はそれ未満に保たれる。一部の実施形態では、エネルギー貯蔵セルを収容するハウジング本体の空洞内で、ブロモエタン、クロロエタン、１－ブロモブタン、１－クロロブタン、１－メチルイミダゾール、酢酸エチル、及び塩化メチレンの不純物は、約１，０００ｐｐｍ未満、５００ｐｐｍ未満、２００ｐｐｍ未満、１００ｐｐｍ未満、又はそれ以下に保たれる。一部の実施形態では、エネルギー貯蔵セルを収容するハウジング本体の空洞内で、水分は、約１，０００ｐｐｍ、５００ｐｐｍ、２００ｐｐｍ、１００ｐｐｍ、５０ｐｐｍ、１０ｐｐｍ未満、又はそれ未満に保たれる。一部の実施形態では、エネルギー貯蔵セルを収容するハウジング本体の空洞内で、ハロゲン化物不純物は、約１，０００ｐｐｍ未満、５００ｐｐｍ未満、２００ｐｐｍ未満、１００ｐｐｍ未満、５０ｐｐｍ未満、１０ｐｐｍ未満、又はそれ未満に保たれる。

一部の実施形態では、装置は、封止されたハウジング本体に収容された単一のエネルギー貯蔵セル、換言すれば、チップ当たり１つのエネルギー貯蔵セルを含む。他の実施形態では、各チップは、例えば、共通空洞内に一緒に配置された、又は別個の空洞内に配置された、又はそれらの組み合わせで配置された複数のエネルギー貯蔵セルを含み得る。

別の態様では、はんだリフロープロセスを使用して、プリント回路基板上に取り付けるために好適なエネルギー貯蔵装置を作製する方法が開示される。一部の実施形態では、方法は、交互電極層及び電気絶縁セパレータ層のスタックを含む、電気二重層キャパシタ（ＥＤＬＣ）エネルギー貯蔵セルを形成することと、エネルギー貯蔵セルをハウジング本体内に配置することであって、本体は、本体内に配置される正の内部接点及び負の内部接点を含む、配置することと、本体を電解質で少なくとも部分的に充填し、電極層を湿潤させることと、電極層のうちの１つ以上の第１のグループからの正のリードを正の内部接点に電気的に接続することと、電極層のうちの１つ以上の第２のグループからの負のリードを負の内部接点に電気的に接続することと、エネルギー貯蔵セルが空洞内に配置された状態でハウジング本体を封止することと、を含む。一部の実施形態では、ハウジング本体を封止することは、（例えば、本明細書に記載されるような低不純物条件を提供するために）ハウジング本体を気密封止することを含む。

別の態様では、プリント回路基板上に取り付けられたデバイスにエネルギーを提供する方法が開示される。一部の実施形態では、方法は、はんだリフロープロセスを使用して、本明細書に説明されるタイプの装置をプリント回路基板に取り付けることと、エネルギーをデバイスに提供するように、動作電圧及び動作温度において、装置を繰り返し充電及び放電することと、を含み得る。一部の実施形態では、動作電圧は、少なくとも２．０Ｖ、２．１Ｖ、２．２Ｖ、２．３Ｖ、２．４Ｖ、２．５Ｖ、２．７５Ｖ、３．０Ｖ、又はそれ以上である。一部の実施形態では、動作温度は、少なくとも６５℃、少なくとも８５℃、少なくとも１００℃、少なくとも１２５℃、少なくとも１５０℃、又はそれ以上である。一部の実施形態では、方法は、装置が３０％未満の静電容量劣化及び１００％未満の等価直列抵抗増加を示す間に、少なくとも２，０００時間にわたってデバイスにエネルギーを提供するように、動作電圧及び動作温度で装置を繰り返し充電及び放電することを含む。

種々の実施形態は、本明細書に記載される特徴及び要素のいずれかを、単独で又は任意の好適な組み合わせで含み得る。

本発明の特徴及び利点は、添付の図面と併せて以下の説明から明らかである。

例示的なエネルギー貯蔵デバイス（この例では、ウルトラキャパシタ）の態様を示す概略図である。 本明細書の教示によるチップキャップの一実施形態を示す等角図である。 図２のチップキャップの分解図である（反対側の角度から）。 本明細書ではまとめて図４と称され、図２のチップキャップの電極の図である。 図２のチップキャップのための貯蔵セル内で使用するためのエネルギー貯蔵媒体の実施形態の描写である。 図５Ａの実施形態から得られる貯蔵セルを示す等角図である。 図２のチップキャップのための貯蔵セル内で使用するためのエネルギー貯蔵媒体の別の実施形態の端面図である。 図５Ｂの実施形態から得られる貯蔵セルを示す等角図である。 図２のチップキャップの本体を示す等角図である。 図７の本体の底面図である。 図７の本体内に配置された図６の貯蔵セルを示す等角図である。 貯蔵セルの組み込みのための準備の状態にある図７の本体の断面の部分概略図である。 図９のアセンブリの上面図である。 図１１に示したアセンブリの断面図であり、この断面図は、「Ａ」と標記された軸線に沿って取ったものである。 図２のチップキャップのリフローの時間－温度プロファイルを示すグラフである。 チップキャップの実施形態の性能データの態様を示すグラフである。 チップキャップの実施形態の性能データの態様を示すグラフである。 チップキャップの実施形態の性能データの態様を示すグラフである。 図２のチップキャップを利用するシステムを示す概略図である。 図２のチップキャップを製造するためのプロセスフローを示す概略図である。 巻回型貯蔵セル及び巻回型貯蔵セルを製造するための巻回ツールの態様を示す。 巻回型貯蔵セルを有するマンドレル保持システムの別の構成の態様を示す。 引張システム（すなわち、テンショナ）を含む巻回ツールの実施形態の概略図である。 図２７の引張システムからのガイドプレートを含む巻回ツールの一部を示す斜視図のグラフ図である。 エネルギー貯蔵媒体が中に装填された状態の、図２８に示された配置の上から下への斜視図である。 側面から見た引張システムの態様を示す。 図５Ｂ及び図６Ｂの巻回型貯蔵セルを提供するために巻回ツールで使用するのに適した電極の態様を示す。

エネルギー貯蔵セルを製造するのに有用な装置が本明細書に開示される。一旦製造されると、エネルギー貯蔵セルはハウジング内に装填され、次にハウジングは電解質で充填されて封止される。次いで、封止されたデバイスは、エンドユーザによる使用のために利用可能となる。

本明細書で提供される例では、エネルギー貯蔵セルは、ウルトラキャパシタ用に設計されているが、電池などの他のタイプのエネルギー貯蔵デバイスも、本明細書で開示されるものから利益を得ることができる。本明細書で提供される例では、エネルギー貯蔵デバイスは「チップキャップ」である。チップキャップとは、回路基板にエネルギーを提供するのに有用なウルトラキャパシタ型エネルギー貯蔵デバイスである。有利には、チップキャップは、基板実装回路の製造及び組み立てに関連する要求に耐えることができ、その後、従来技術のエネルギー貯蔵デバイスよりも優れた性能を提供することができる。

エネルギー貯蔵デバイスを紹介する前に、本明細書の教示の文脈を確立するために、いくつかの用語を提供する。

エネルギー貯蔵デバイスの実施形態は、本明細書では「ウルトラキャパシタ」と称され、更に「チップキャップ」と称されることがある。「チップキャップ」という用語は、概して、プリント回路基板（ＰＣＢ）上への表面実装に適したウルトラキャパシタの実施形態を指す。概して、「チップキャップ」という用語は、回路基板（すなわち、チップ）に実装可能な従来のマイクロチップスタイルの構成要素、及びそこに含まれるウルトラキャパシタ技術を指す。

本明細書で使用されるように、「リフロー可能」という用語は、概して、回路基板への表面実装と関連付けられた製造プロセスに耐えるための本明細書に開示されるエネルギー貯蔵デバイスの能力を指す。製造プロセスは、はんだ付け（すなわち、リフロープロセス）を含むことができ、この場合、プロセス温度は、構成要素を、摂氏１５０度を超えて、場合によっては摂氏２００度まで、可能であれば摂氏２２０度まで、又はそれ以上に加熱する加熱サイクルを含む。かかる加熱サイクルは、３０、６０、９０、１２０、２４０、３６０秒以上の持続時間にわたって継続してもよい。したがって、本明細書で説明するように、「リフロー可能」な構成要素とは、将来の性能を実質的に低下させることなく、基板実装回路に構成要素を組み込むのに適した加熱サイクルに耐えることができる構成要素である。一部の実施形態では、本明細書に記載の構成要素は、複数回のかかるリフローサイクル、例えば、２回、３回、４回、５回、又はそれ以上のかかるサイクルに耐えることができる。

一部の実施形態では、リフロー可能な構成要素は、実際には劣化した性能を示すことがあるが、劣化は予想され、最終的な設置物（すなわち、組み立てられた、又は取り付けられた構成要素）は、許容可能であるとみなされる予測されたレベルの性能を示す場合がある。

チップキャップを導入する前に、電気化学二重層キャパシタ（ＥＤＬＣ）の一部の一般的な態様を、図１に関連して以下に説明する。本明細書で提示される例は、本技術を限定するものではなく、単に例示的なものであり、説明の目的で提供される。

図１は、「ウルトラキャパシタ」とも称される電気化学二重層キャパシタ（ＥＤＬＣ）１０の例示的な実施形態に関連する概念を示している。ウルトラキャパシタ１０は、２つの電極（負電極３及び正電極４）を含み、各電極３、４は、電解質界面に電荷の二重層を有する。一部の実施形態では、複数の電極が含まれる。しかしながら、説明及び例示のために、２つの電極３、４のみが図１に示されている。本明細書における慣例として、電極３、４の各々は、エネルギー貯蔵を提供するために、（本明細書において更に議論されるように）炭素系エネルギー貯蔵媒体１を使用する。

電極３、４の各々は、それぞれの集電体２を含む。ウルトラキャパシタ１０において、電極３、４はセパレータ５によって分離されている。概して、セパレータ５は、電極３、４を２つ以上の区画に分離するために使用される薄い構造材料（通常はシート）である。

少なくとも１つの形態の電解質６が含まれる。電解質６は、電極３、４とセパレータ５との間の空隙を充填する。概して、電解質６は、電荷を帯びたイオンに解離する化合物である。一部の実施形態では、化合物を溶解する溶媒が含まれてもよい。得られた電解質溶液は、イオン輸送によって電気を伝導する。

便宜上、電極３、４、セパレータ５及び電解質６の組み合わせを「貯蔵セル１２」と称し、「貯蔵要素」と称することもある。一部の実施形態では、「貯蔵セル」という用語は、単に、電解質６を含まない電極３、４及びセパレータ５を指す。

概して、例示的なウルトラキャパシタ１０は、本明細書で更に説明するように、ハウジング７（単に「ハウジング７」と称することがある）内にパッケージ化される。ハウジング７は気密封止されている。種々の例では、パッケージは、レーザ、超音波、及び／又は溶接技術を利用する技術によって気密封止される。ハウジング７（「ケース」又は「パッケージ」とも称される）は、少なくとも１つの端子８を含む。各端子８は、エネルギー貯蔵媒体１に貯蔵されたエネルギーへの電気的アクセスを提供する。

例示的なＥＤＬＣ１０では、エネルギー貯蔵媒体１は、活性炭、炭素繊維、レーヨン、グラフェン、エアロゲル、炭素布、及び／又はカーボンナノチューブによって提供され、それらを含み得る。活性炭電極は、例えば、炭素化合物を炭素化して得られた炭素材料に第１の活性化処理を施して炭素基材を作製し、この炭素基材に結合剤を添加して成形体を作製し、この成形体を炭素化し、最後に、炭素化された成形体に第２の活性化処理を施して活性炭電極を作製することにより製造することができる。

炭素繊維電極は、例えば、高表面積炭素繊維を有する紙又は布の予備成形物を使用することによって作製することができる。

１つの特定の例では、化学蒸着（ＣＶＤ）を使用して種々の基板上に多層カーボンナノチューブ（ＭＷＮＴ）が電極３、４で使用するために製造される。一実施形態では、低圧化学蒸着（ＬＰＣＶＤ）が使用される。製造プロセスには、アセチレン、アルゴン、及び水素のガス混合物と、電子ビーム蒸着及び／又はスパッタリング蒸着を使用して基板上に蒸着された鉄触媒とを使用してもよい。

一部の実施形態では、エネルギー貯蔵媒体１を形成するために使用される材料は、純炭素以外の材料を含み得る。例えば、結合剤を提供するための材料の種々の配合物が含まれてもよい。しかし、概して、エネルギー貯蔵媒体１は実質的に炭素から形成され、したがって「炭素質材料」と称される。

要するに、エネルギー貯蔵媒体１は、主に炭素から形成されるが、エネルギー貯蔵媒体１として所望の機能を提供するために、適切であるか又は許容可能であるとみなされる任意の形態の炭素、及び任意の添加剤又は不純物を含み得る。

電解質６は、複数のカチオン９及びアニオン１１の対を含み、一部の実施形態では、溶媒を含み得る。それぞれの種々の組み合わせを使用することができる。例示的なＥＤＬＣ１０において、カチオン１１は、１－（３－シアノプロピル）－３－メチルイミダゾリウム、１，２－ジメチル－３－プロピルイミダゾリウム、１，３－ビス（３－シアノプロピル）イミダゾリウ、１，３－ジエトキシイミダゾリウム、１－ブチル－１－メチルピペリジニウム、１－ブチル－２，３－ジメチルイミダゾリウム、１－ブチル－３－メチルイミダゾリウム、１－ブチル－４－メチルピリジニウム、１－ブチルピリジニウム、１－デシル－３－メチルイミダゾリウム、１－エチル－３－メチルイミダゾリウム、３－メチル－１－プロピルピリジニウム、１－ブチル－１－メチルピロリジニウムビス（トリフルオロメチルスルホニル）イミド、及びそれらの組み合わせ、並びに適切と思われる他の等価物を含み得る。

例示的なＥＤＬＣ１０において、アニオン９は、ビス（トリフルオロメタンスルホナート）イミド、トリス（トリフルオロメタンスルホネート）メチド、ジシアナミド、テトラフルオロボレート、ヘキサフルオロホスフェート、トリフルオロメタンスルホネート、ビス（ペンタフルオロエタンスルホナート）イミド、チオシアネート、トリフルオロ（トリフルオロメチル）ボレート、スピロ－（１，１’）－ビピロリジニウムテトラフルオロボレート塩を含むことができ、別の潜在的な塩は、テトラエチルアンモニウムテトラフルオロボレート及びそれらの組み合わせ、並びに適切であるとみなされる他の等価物である。

溶媒は、アセトニトリル、アミド、ベンゾニトリル、ブチロラクトン、環状エーテル、炭酸ジブチル、炭酸ジエチル、ジエチルエーテル、ジメトキシエタン、炭酸ジメチル、ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホン、ジオキサン、ジオキソラン、ギ酸エチル、炭酸エチレン、炭酸エチルメチル、ラクトン、直鎖エーテル、ギ酸メチル、プロピオン酸メチル、メチルテトラヒドロフラン、ニトリル、ニトロベンゼン、ニトロメタン、ｎ－メチルピロリドン、炭酸プロピレン、スルホラン、スルホン、テトラヒドロフラン、テトラメチレンスルホン、チオフェン、エチレングリコール、ジエチレングリコール、トリエチレングリコール、ポリエチレングリコール、炭酸エステル、γ－ブチロラクトン、ニトリル、トリシアノヘキサン、ブチロニトリル、炭酸エチレン、二塩化メチレン、それらの任意の組み合わせ、又は適切な性能特性を示す他の材料を含み得る。

セパレータ５は、不織ガラスから製造することができる。セパレータ５はまた、ガラス繊維、フルオロポリマー、Ｔｅｌｆｏｎ（登録商標）（ＰＴＦＥ）、及びセラミックから製造することができる。例えば、セパレータ５は、ガラス不織布を用いて、主繊維と、主繊維の各々よりも繊維径が小さく、主繊維同士を結着させる結合剤繊維とを含んでいてもよい。

上述のように、本明細書で提示される実施形態は、概してウルトラキャパシタに関する。これらの技術は、電池に有用な貯蔵セルの組み立てにも等しく有用であり得る。
ＥＤＬＣ／電池の定義／区別。

ウルトラキャパシタ１０に関連する概念の前述の説明は、本明細書で開示され、以下で論じられるチップキャップの文脈を提供する。

図２及び図３の例示では、チップキャップ１００は、本体１０１と、それに取り付けられた蓋１０２とを含む。本体１０１及び蓋１０２内に配置されているのは、電解質１２６に浸漬されるか又は電解質１２６で湿潤されたチップキャップ貯蔵セル１０５を含む容積１０３である。本体１０１はまた、ハウジング７の一部、又は「容器」若しくは「パッケージ」、及び他の同様の用語で称されてもよい。概して、チップキャップ貯蔵セル１０５は、ウルトラキャパシタ貯蔵セル１２に関して上述した原理によって動作する。チップキャップ貯蔵セル１０５（以下、「貯蔵セル１０５」と称する）の更なる態様を以下に記載する。

一部の実施形態では、本体１０１及びそれに取り付けられた蓋１０２は、マイクロエレクトロニクス用途に適するように選択された寸法を有し得る。例えば、一部の実施形態では、本体１０１及びそれに取り付けられた蓋は、プリント回路基板上に表面実装するように構成され、そのように実装されたとき、本体１０１及び蓋１０２は、プリント回路基板の主表面の上方に約５．０ｍｍ、４．０ｍｍ、３．５ｍｍ、３．０ｍｍ以下、又はそれ未満だけ延在する。一部の実施形態では、本体１０１は、約５．０ｃｍ、４．０ｃｍ、３．０ｃｍ、２．０ｃｍ、１．０ｃｍ、０．５ｃｍ、０．２５ｃｍ未満又はそれ以下の最大横寸法を有する。一部の実施形態では、本体１０
１は、２５．０ｃｍ＾２未満、１６．０ｃｍ＾２未満、９．０ｃｍ＾２未満、１．０ｃｍ＾２未満、０．２５ｃｍ＾２未満、０．１ｃｍ＾２未満、０．０７５ｃｍ＾２未満、０．０５ｃｍ＾２未満、又はそれ未満の横方向表面積を占める。

一部の実施形態では、本体１０１の内部に面する蓋１０２の側面は、蓋と貯蔵セル１０５との間の望ましくない物理的接触又は電気的接触を防止するために、（例えば、ＰＴＦＥ又はポリイミドなどのポリマー又はプラスチック材料の）保護コーティング又は層を含み得る。

チップキャップ１００を構築するプロセスは、貯蔵セル１０５の製造及び本体１０１の準備から始まる。

貯蔵セル１０５を構築する第１のステップは、電極の準備を含む。両面電極６００の例を図４Ａに示している。概して、図４Ａに示すように、各両面電極６００は、エネルギー貯蔵媒体１が両側に配置された集電体２を含む。

電極の一部の実施形態は、５つの主要な構成要素を含む。構成要素は、アルミニウム集電体２と、エネルギー貯蔵媒体１（「活物質」とも称される）の接着を促進するために設けられるポリマープライマー層と、３成分活物質とを含む。活物質は、例えば、活性炭（静電容量を高めるため）、カーボンブラック（高い導電性を提供し、等価直列抵抗（ＥＳＲ）を低減するため）、及びポリマー結合剤（粉末を一緒に保持するため）を含んでもよい。

一部の実施形態では、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）が、接着剤及び粘着性マトリックスを提供するための代替材料として使用される。すなわち、プライマーの代わりにＣＮＴ接着層（ＡＬ）を使用することができ、活物質用ポリマー結合剤の代わりにＣＮＴを使用することもできる。ＣＮＴはまた、導電助剤としてのカーボンブラックを減少させるか、又は置き換えることができる。得られた電極（すなわち、ポリマー又は他の接着材料を含まない電極）は、「結合剤を含まない（ｂｉｎｄｅｒ－ｆｒｅｅ）」。かかる結合剤を含まない電極は、有利には、結合剤と周囲材料（例えば、電解質）との間の電気化学反応による劣化を伴わずに、極限条件（例えば、高電圧及び／又は温度）で動作することができる。理論に束縛されるものではないが、一部の実施形態では、結合剤を含まない電極中の炭素間の静電引力（例えば、ファンデルワールス結合）が、過酷な条件下であっても電極の完全性を維持するのに十分な接着及び凝集を提供することが理解される。例えば、一部の実施形態では、結合剤を含まない電極は、（本明細書に詳述されるような）リフロープロセスに供されたとき、又は６５℃、８５℃、１００℃、１２５℃、１５０℃、若しくはそれを上回る動作温度において少なくとも２．０Ｖ、若しくは少なくとも２．１Ｖ、若しくはそれを上回る動作電圧に供されたときでも、有害な層間剥離をほとんど又は全く呈しない場合がある。

結合剤を含まない電極の一部の実施形態では、活性媒体は、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）のマトリックスによって互いに結合された活性炭（又は他のタイプの炭素質材料）を含み、活性層は、他のいかなる充填剤も含まないカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）のマトリックスである。有利には、（例えば、製造コストを低減するために）一部の実施形態では、活性層中のＣＮＴの重量濃度は、電極の所望の性能特性に応じて、比較的低く、例えば、５０％、４０％、３０％、２０％、１０％、７．５％、５．０％、２．５％未満、又はそれ以下であってもよい。

一部の実施形態では、マトリックスは、活性炭粉末及び／又はカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）を含む粉末を、超音波処理及びカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）を互いに分離するのに十分なエネルギーを使用して、イソプロピルアルコール中に分散させることによって達成される。正常な分散体は、材料分離及び外観によって特徴付けることができる。例えば、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）材料が溶媒から分離するか否か、及び乾燥したときに滑らかな膜が現れるか否かによって特徴付けることができる。

活性媒体及び活性層のそれぞれの凝集力及び接着力は、両方とも、それらのスラリー中のカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）の分散品質（並びにカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）の特性、乾燥時間、層の厚さ、基板材料、基板の質感など）によって影響を受ける。カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）の分散は、溶媒（及びカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）の特性；濃度；材料の純度；界面活性剤の使用；バッチサイズ；分散設定、例えば、超音波処理器の振幅、デューティサイクル、温度、プローブの深さ、撹拌の質など）の選択によって影響を受ける。

集電体２への活性媒体の接着は、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）の接着層（ＡＬ）を集電体２に追加することによって改善することができる。これは、ステンレス鋼（ＳＳ）プレート上に活性媒体の層をキャストして乾燥させ、ロールツーロール機を使用して、垂直配向されたカーボンナノチューブを有する異なるプレートを炭化アルミニウムでコーティングされた集電体２に対して圧縮してカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）を転写し、次いで、活性媒体を有するプレートを集電体２／カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）層に対してプレスして電極を形成することによって行うことができる。

一部の実施形態では、電極の作製は、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）スラリーの薄層を集電体２上に直接キャストし、薄層を乾燥させ、次いで活性媒体スラリーを上部にキャストすることによって達成される。

活性媒体の全ての層を電極上に配置するために、複数の技術を用いることができる。カレンダー加工を含む一実施形態では、ステンレス鋼（ＳＳ）プレート上の活性媒体の層のキャスト及び乾燥が行われ、次いで、垂直配向カーボンナノチューブ（ＶＡＣＮＴ）を有する異なるプレートを、炭化アルミニウムでコーティングされた集電体２に対して圧縮して、垂直配向カーボンナノチューブ（ＶＡＣＮＴ）を転写し、次いで、活性媒体を有するプレートを、垂直配向カーボンナノチューブ（ＶＡＣＮＴ）層をホストする炭化アルミニウムでコーティングされた集電体２に対してプレスして、電極を形成する。別の実施形態では、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）の薄層がスラリーとして集電体２上に直接キャストされ、乾燥され、次いで活性媒体がスラリーとしてカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）の薄層の上にキャストされる。

活性炭の選択には、静電容量対寿命を評価することが含まれる。すなわち、最も高い静電容量の材料と最も長い寿命の材料との間にしばしばトレードオフが存在することが見出されている。概して、活性炭の品質は経験的に決定されるべきであることが見出されている。活物質カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）粉末の選択に関して、より長いカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）はより強いマトリックスをもたらし、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）のより低い壁数は密度効率の点でより良好であり、高純度のカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）は反応性内容物を回避し、細孔は酸化してカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）の内部表面を露出させ得るが、不純物の添加をもたらし得ることが見出されている。接着層粉末の選択に関して、長さについては、長すぎるカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）は自己接着しすぎて集電体２から剥離するので、凝集力対接着力を評価すべきであり、ＣＮＴのより薄い層は集電体２から剥離するリスクを軽減することが見出されている。カレンダー加工技術に関して、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）マトリックスは、圧力で「活性化」されてもよく、ＣＮＴが互いに付着した後に粉末が少なくなり、より高い圧力はより良好な密度を得るが、その分、収量も少なくなる。カレンダー加工プロセスを低い圧力で開始し、追加のパスで後処理することは、場合によっては層を接着するのに役立つと思われる。過剰な作業は層間剥離をもたらし得るので、過剰な作業を回避するように注意すべきである。より多くのカレンダー加工パスは、密度を若干増加させることができるが、過剰加工又は集電体２にシワが入るリスクが増加する。

接着層は、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）、カーボンナノファイバ、金属ナノワイヤ、及びセラミックナノファイバを含み得る。活物質の凝集のために、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）、並びにカーボンナノファイバ、金属ナノワイヤ、及び／又はセラミックナノファイバを使用することができる。活物質エネルギー貯蔵のために、活性炭、及び／又はカーボンブラック、追加のカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）、すす、ジェットブラック、バッキーボール、フラーレン、グラファイト、グラフェン、ナノホーン、ナノオニオン、並びに他の形態の炭素を使用することができる。使用されるカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）は、任意の長さ、直径、純度、結晶化度、又は適切とみなされる他の態様の、単層、二層、多層であり得る。

種々の実施形態において、電極の寸法は、約２０μｍ～約３５０μｍの範囲である。種々の実施形態では、集電体の厚さは、約１０μｍ～約５０μｍの範囲である。種々の実施形態では、接着層の厚さは、約２μｍ～約１０μｍ以上である。接着層上に配置された活物質の厚さは、約５μｍ～約１５０μｍ以上であり得る。一部の実施形態では、接着層に使用されるカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）は、直径が１ｎｍ～約２００ｎｍであり、長さが約１μｍ～約１０００μｍであり、約１～１００の壁数を有する。一部の実施形態では、活物質に使用されるカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）は、直径が１ｎｍ～約２００ｎｍ、長さが約１μｍ～約１０００μｍであり、壁数が約１～１００である。一部の実施形態では、活物質は、約２μｍ～約３０μｍの直径を示すほぼ球状の粒子を含む。

一部の実施形態では、エネルギー貯蔵媒体の圧縮は、乾燥後に適用される。概して、これは、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）を所定の位置に固定するのに役立つ。ロールプレス、油圧プレス、又は他のタイプのプレスを使用することができる。集電体の損傷を回避するように注意すべきである。

種々の実施形態では、電極層は、２０１８年６月７日に公開された国際特許公開第２０１８／１０２６５２号に説明される技術のうちのいずれかを使用して形成されてもよく、その全内容は、参照することによって本明細書に組み込まれる。

正電極グループ及び負電極グループからの集電を提供するために、複数の左手系（図４Ｂ）及び右手系（図４Ｃ）の両面電極６００が作製される。概して、左手系又は右手系の両面電極６００の各々は、その両側に配置されたエネルギー貯蔵媒体１を含み、エネルギー貯蔵媒体１を実質的に含まない導電性タブ６０２を含む。

電極は、好適なプレスを使用して材料のシートから打ち抜くことができる。材料シートから打ち抜かれた電極は、貯蔵セル１０５で使用するのに適した寸法を示す。寸法電極が切断されると、電極を準備することができる。寸法電極の準備は、例えば、エネルギー貯蔵媒体１の保持を確実にするために各電極をカレンダー加工することと、縁部をトリミングすることと、あらゆる不純物の移動及び低減を促進するために熱処理することとを含み得る。準備後、電極は、組み立てに備えて好適な環境に移されてもよい。

製造され、使用に適した状態になると、両面電極６００は、スタックアセンブリに含まれる。スタックの組み立てを進めるために、適切なセパレータ５が設けられる。セパレータ５は、セパレータ材料から製造されてもよい。

一部の実施形態では、セパレータ５は、一実施形態ではポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）の供給物であるセパレータ材料の供給物から切断される。ＰＴＦＥは、テトラフルオロエチレンの合成フルオロポリマーである（概してＴＥＦＬＯＮ（登録商標）と称され、Ｃｈｅｍｏｕｒｓ ｏｆ Ｄｅｌａｗａｒｅから入手可能である）。ＰＴＦＥは、完全に炭素及びフッ素からなる高分子量化合物であるので、フルオロカーボン固体である。例示的な実施形態では、セパレータ５の厚さは２５μｍである。単一のセパレータ５を有する活性スタックアセンブリの例が、図５Ａ及び図５Ｂに示されている。

図５Ａは、エネルギー貯蔵媒体１の「ｚ折り」構成の概念的態様を示している。ｚ折りの実施形態では、セパレータ５の層は、Ｚ折り方式で折られたセパレータ材料の単一片から形成される。ｚ折りセパレータ５は、向かい合う正電極４及び負電極３と、その中に折られた関連する集電体２とを含む。概して、本明細書で言及されるように、電極、集電体、及びセパレータの複数の層のアセンブリは、「スタック２０１」と称され、「活性スタック」及び他の類似用語によっても称され得る。

ｚ折りスタック２０１を製造するために、セパレータ５が切断されると、両面電極６００のうちの第１の電極が、セパレータ５の端部上に配置される。次いで、セパレータ５が折られ、向かい合う両面電極６００がセパレータ５上に配置される。このプロセスは、完成したスタック２０１が提供されるまで続く。一実施形態では、完成したスタック２０１は、１５個の両面電極６００を含む。この例では、完成したスタック２０１は、負の側に８層の電極を有し、正の側に７層の電極を有する。この実施形態では、各両面電極６００は、約６ｍｍ×８ｍｍのエネルギー貯蔵材料１の面積を有する。一体型タブとして機能する集電体２の露出部分は、約１．５ｍｍ×８ｍｍの寸法を有する。

概して、スタック２０１は、所望のレベルの電気的性能を提供するように構成される。スタック２０１がｚ折り構成で提供されることは、必要でもなく、必須でもない。一部の実施形態では、スタック２０１の各層は、個々のセパレータ５によって分離される。一部の実施形態では、スタック２０１の各層は、セパレータ材料のエンベロープ内に含まれてもよい（すなわち、それによって包囲されてもよい）。

同様に、貯蔵セル１０５全体が、セパレータ材料又は他の好適な保護障壁（例えば、電気絶縁性の熱可塑性材料又は他の好適な材料）のエンベロープ内に設けられてもよい。一部の実施形態では、このエンベロープは、スタック２０１を湿潤させる電解質を含有し、電解質が障壁の外部の要素と接触することを防止することができる。一部のかかる実施形態では、導電性タブ６０２は、エンベロープを通して外に延在し、スタック２０１とリード（１２３，１２４）との間の電気的連通を提供することができる。代替として、一部の実施形態では、リード（１２３，１２４）は、タブ６０２への接続のためにエンベロープを通して延在し得る。概して、エンベロープは、エンベロープからの電解質の漏れを防止するために、かかる電気接続部の周りで封止（例えば、ヒートシール）されてもよい。

種々の実施形態では、貯蔵セル１０５は、２０１５年１１月２６日に公開された国際特許公開第２０１５１０２７１６Ａ８号、又は３０１６年６月３０日に公開された国際特許公開第２０１６０５７９８３Ａ３号に説明される技術のいずれかを使用して構築されてもよく、それぞれの全内容は、参照することによって本明細書に組み込まれる。

一部の実施形態では、スタック２０１は、電極材料のシートから電極層を切断する（例えば、ブレード又は切断レーザを使用して）、又は打ち抜くことによって構築される。電極材料は、エネルギー貯蔵材料１が両側に配置された集電体２として使用するのに適した材料のシートを含み得る。スタック２０１内の交互層は、負電極及び正電極を構成する。セパレータ材料が各層の間に挟み込まれ、最終アセンブリの周りに巻き付けられて、完成したスタック２０１を形成する。

スタック２０１は複数の電極層を含むので、複数の導電性タブ６０２が存在する。複数の導電性タブ６０２は、エネルギー貯蔵媒体１を越えて延在し、電気的接触を提供する。スタック２０１において、導電性タブ６０２は、極性に従ってグループ化され、単一の負のリード１２３及び単一の正のリード１２４に形成される。集合的に、負のリード１２３及び正のリード１２４を有するスタック２０１の集合体は、貯蔵セル１０５を提供する。組み立てられた形態の貯蔵セル１０５の図が図６Ａに提供されている。図６Ａに示す実施形態は、図５Ａに関して説明したｚ折り技術を利用している。

図５Ｂは、貯蔵セル１０５で使用するためのエネルギー貯蔵媒体１を配置するための別の実施形態を示している。この「正方形巻回」又は「ゼリーロール」実施形態では、両面電極６００の連続ストリップがロール形態に巻回され、セパレータ５によって分離される。正方形状の巻回型貯蔵セルの一実施形態の物理的態様を以下の表１に示している。

一部の実施形態では、貯蔵セル１０５は、組み立てられると、少なくとも部分的に圧縮されてもよい。圧縮は、例えば、貯蔵セル１０５が、それが配置されるハウジング又はパッケージの寸法要件に適合することを保証するために使用され得る。

ゼリーロールの実施形態を巻回する例示的な態様が、本明細書で更に提示される。図２１～図２５を参照されたい。

一部の実施形態では、導電性タブ６０２を単一の負のリード１２３及び単一の正のリード１２４のそれぞれにグループ化することは、貯蔵セル１０５を組み立てる前に導電性リードを予め屈曲させることによって行われる。貯蔵セル１０５が本体１０１内に配置されると、導電性タブ６０２のグループは、それぞれのパッド１１０（図７）に溶接されるため、単一のリード（１２３，１２４）を形成する。溶接は、例えば、超音波溶接又はレーザ溶接によって達成され得る。

図７は、本体１０１の態様を示している。チップキャップ１００の本体１０１は、種々の形態のセラミック材料などの誘電体材料から製造することができる。本体１０１内に含まれるのは、電気パッド１１０であり、電気パッド１１０がその中に配置されることで、貯蔵セル１０５から電流が伝導する。電気パッド１１０はまた、チップキャップ１００を再充電するために、貯蔵セル１０５に電流を伝導することができる。

図７の例示では、本体１０１は、概して、底部１１１と、底部１１１の周囲に延びる４つの壁１１２とを含む。したがって、本体１０１は、貯蔵セル１０５を配置することができる容器を提供する。本体１０１のこの例の下側を図８に示している。

図８に示すように、本体１０１の底部１１１の下側は、誘電体材料１２０によって分離された電気接点１２１を含む。接点１２１の少なくとも一部は、電気パッド１１０と電気的に連通しており、チップキャップ貯蔵セル１０５からチップキャップ１００を取り付けることができる回路基板へのエネルギーの伝達を可能にする。概して、エネルギーは、導電体又はビア（図示せず）を介して、電気パッド１１０から接点１２１に伝達され、該導電体又はビアは、本体１０１内に含まれ、誘電体材料１２１によって囲まれている。例えば、一部の実施形態では、本体は、電気パッド１１０と接点１２１との間の電気的連通を確立する、１つ以上の導電性スラブ（例えば、本体１０１の底部１１０内に埋め込まれる）を含んでもよい。これらのスラブは、例えば、タングステン又は他の好適な導電性材料から作製されてもよい。

したがって、両面電極６００の各々について、導電性経路が、集電体２から、導電性タブ６０２を通り、それぞれのリード（１２３，１２４）を通ってそれぞれの電気パッド１１０に、次いで電気パッド１１０から本体１０１内の導電性ビアを通って本体１０１の底面上の１つ以上の接点１２１に形成される。

内部電気パッド１１０は、本体１０１内の容積１０３（本明細書では「空洞」とも称される）に露出される。蓋１０２は、セラミック又は金属材料などの適合性材料を含み得る。チップキャップ１００の組み立て中、蓋１０２は、シールリング１１４に封止されることによって、本体１０１に気密封止される。得られた気密封止は、チップキャップ１００への環境からの侵入、並びにチップキャップ１００からの電解質の漏れを防止することによって、環境保全性を示す。気密封止には、チップキャップ１００を実質的に気密にして（電解質、空気、酸素、又は他のガス状形態の材料の通過を排除する）、意図されたサービス間隔に対して十分な性能を保証する任意のタイプの封止が含まれる。

本体１０１として使用するのに適したデバイスの例として、日本の名古屋のＮＴＫ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓから市販されている表面実装デバイス（ＳＭＤ）製品ラインのデバイスが挙げられる。他の例は、Ｓｃｈｏｔｔ ＡＧ（Ｌａｎｄｓｈｕｔ，Ｇｅｒｍａｎｙ）及びＡｄｔｅｃｈ Ｃｅｒａｍｉｃｓ Ｃｏｍｐａｎｙ（Ｃｈａｔｔａｎｏｏｇａ，Ｔｅｎｎｅｓｓｅｅ）から入手可能である。

一部の実施形態では、本体１０１は高温同時焼成セラミックデバイスである。概して、同時焼成セラミックデバイスは、モノリシックなセラミックマイクロ電子デバイスであり、セラミック支持構造全体と、任意の導電性材料、抵抗性材料、及び誘電性材料とが、キルン内で同時に焼成される。

典型的には、同時焼成セラミックデバイスは、複数の層を独立して処理し、最終ステップとしてそれらをデバイスに組み立てることによって作製される。同時焼成は、低温（ＬＴＣＣ）用途と高温（ＨＴＣＣ）用途とに分けることができ、低温デバイスは、摂氏１，０００度（華氏１，８３０度）未満の焼結温度で製造され、高温は、摂氏約１，６００度（華氏２，９１０度）である。ＬＴＣＣと比較して、ＨＴＣＣはより高い抵抗の導電層を有する。

ＨＴＣＣパッケージは、概して、タングステン（Ｗ）及びモリブデンマンガン（ＭｏＭｎ）金属化を有する酸化アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）の複数の層を含む。ＨＴＣＣの利点としては、機械的剛性及び気密性が挙げられ、これらは両方とも、高信頼性及び環境的にストレスの多い用途において重要である。ＨＴＣＣ技術の別の利点は、放熱能力である。

典型的なセラミックパッケージは、アルミナセラミック（Ａｌ_２０_３）を使用しており、異なる用途に対応するために、その純度及び組成は様々である。典型的なセラミックパッケージは、９０～９４パーセントのアルミナから構成され、残りの部分は、粒径を制御し、アルミナを互いに結合するために、アルカリ土類ケイ酸塩、又はマグネシア（ＭｇＯ）若しくはシリカ（Ｓｉ０２）などの他の結合材料から構成され得る。

本体１０１は、貯蔵セル１０５から外部接点１２１まで電力を運ぶ金属化層を有する多層セラミックパッケージとして提供することができる。この金属化層は、高温同時焼成セラミック（ＨＴＣＣ）の場合にはタングステン（Ｗ）若しくはモリブデンマンガン（ＭｏＭｎ）から、又は低温同時焼成セラミック（ＬＴＣＣ）の場合には金（Ａｕ）若しくは銅（Ｃｕ）から作製することができる。

典型的には、金属化層を酸化から保護するために、金属化層の上にめっきプロセスが実行される。ＬＴＣＣで使用される金（Ａｕ）の金属化プロセスなどの金属化プロセスが用いられる場合、追加のめっきは不要である。概して、めっき層は、ベースとしてニッケル（Ｎｉ）を含み、その後に酸化保護のための金（Ａｕ）の薄い（約０．３μｍ）層が続く。代替のめっき金属としては、チタン（Ｔｉ）及びパラジウム（Ｐｄ）が挙げられる。選択されるめっき金属の組み合わせは、強力で信頼性のあるワイヤボンドを形成することに関するものであってもよい。

特に、貯蔵セル１０５が本体１０１（図９）内に配置されるとき、スタック２０１の要素（すなわち、集電体２及びエネルギー貯蔵媒体１）は、セパレータ材料の層によって本体１０１（及び／又は蓋１０２）から分離されてもよい。「隔離されたスタック」と称されるこの実施形態は、貯蔵セル１０５の短絡による潜在的な故障からの実質的な保護をもたらす。一部の実施形態では、隔離されたスタックは、セパレータ材料から製造されるエンベロープなどの電気絶縁エンベロープ内に貯蔵セル１０５を提供することによって達成される。貯蔵セル１０５は、製造されると、本体１０１内へのその後の設置のために保管されてもよい。

本体１０１は、所望の仕様（寸法、電気設計、環境資格など）に従って製造することができる。電気パッド１１０を囲む領域に封止剤を閉じ込めるために、少なくとも１つのポケット又はウェルが追加されてもよい。

図１０に示すように、一部の実施形態では、電気パッド１１０は、それぞれのウェル２０５内に配置される。ウェル２０５の各々は、底部１１１の上面内の窪みを表す。概して、各ウェル２０５によって提供される空間は、それぞれのリード（１２３，１２４）の一部を折り畳むために使用されるため、スタック２０１のために利用可能な容積を最大限にすることができる。「ウェル」という用語は、「陥凹部分」、「陥凹」、「ポケット」、及び他の類似用語などの他の用語と交換可能に使用され得ることに留意されたい。

各電気パッド１１０は、均質な材料であり得る。例えば、電気パッド１１０は、タングステン（Ｗ）、アルミニウム（Ａｌ）、金（Ａｕ）、又は別の導電性材料のうちの１つであってよい。一部の実施形態では、電気パッド１１０は、任意選択のめっき材料でめっきされる。めっき層、又は単にめっき１３１は、例えば、金（Ａｕ）、ニッケル（Ｎｉ）、又は銅（Ｃｕ）を含み得る。一部の更なる実施形態では、電気パッド１１０は層状である。例えば、電気パッド１１０は、ニッケル（Ｎｉ）の上層を有するタングステン（Ｗ）の下層を含み得る。ニッケル（Ｎｉ）の上層は、金（Ａｕ）めっき１３１を有する。

概して、電気パッド１１０及び任意のめっき１３１に使用される材料は、選択された電解質１２６との導電性及び低リアクタンスの平衡状態として選択される。電解質の相互作用を制限することは、本体１０１の好適な準備及びリード（１２３，１２４）の接合によって更に達成される。準備及び接合の一部として、少なくとも１つの封止剤を使用することができる。

金（Ａｕ）、ニッケル（Ｎｉ）、及びタングステン（Ｗ）は、一般的な電解質の存在下で、特に電圧電位下にあるときに、腐食を受ける可能性がある。めっき層又は金属化層で生じる腐食は、電解質の早期劣化及び溶接接合部の劣化を引き起こし、チップキャップ１００の性能を低下させる。そのため、非反応性封止剤を使用して、めっき／金属化層と電解質との間の接触を防止する場合がある。本明細書中で説明される場合、用語「非反応性」とは、概して、相対的な性能改善を提供するとみなされる反応性のレベルを示す物質を指す。

電気パッド１１０の各々について、導電性リーダ２１０を電気パッド１１０に接合することができる。接合は、例えば、溶接によるものであってよい。溶接は、レーザ溶接、超音波溶接、又は抵抗溶接であってもよい。一部の他の実施形態では、導電性エポキシを使用して、導電性タブ２１０を電気パッド１１０と接合することができる。一部の実施形態では、導電性リーダ２１０は、アルミニウム（Ａｌ）から形成される。導電性リーダ２１０の構成は、例えば、それぞれの電極の位置及び本体１０１の構造に応じて変動し得る。

一実施形態では、導電性リーダ２１０は、電極スタック２０１のリード（１２３，１２４）のうちの１つである。これらの実施形態では、電極スタック２０１を本体１０１に接合するために溶接のみが要求されるようなものであり得る。別の実施形態では、導電性リーダ２１０は、それぞれのリード（１２３，１２４）及び電気パッド１１０から最初は分離されている中間材料である。導電性リーダ２１０は、次に、封止剤が塗布された後にそれぞれのリード（１２３，１２４）に接合される。

導電性タブ２１０が電気パッド１１０に接合されると、パッド１１０を取り囲む領域及び導電性タブ２１０の周りの領域に封止剤を流し込むことができる。次に、封止剤を硬化させる。硬化方法として、熱、紫外線放射、水／酸素、蒸発の使用、又は適切な封止剤材料を硬化させるためのその他の技術が挙げられる。

種々の実施形態では、他の封止剤技術が使用されてもよい。例えば、一部の実施形態では、封止剤の共形層（ｃｏｎｆｏｒｍａｌ ｌａｙｅｒ）がパッケージの所望の部分上に堆積されてもよい。概して、共形層には、任意の欠陥に対処し、その透過性を制限するために、本体１０１の輪郭に「適合（ｃｏｎｆｏｒｍ）」する薄膜が含まれる。共形層は、容易に流動する高粘度成分として提供されてもよい。

概して、内部電気パッド１１０を不動態化するために使用される任意の共形コーティング方法に関して、共形コーティングが外部特徴部、シールリング、及び他の特徴部も覆わないように適宜注意が払われる。一部の実施形態では、共形コーティングのために選択される材料は、接合プロセス（溶接など）に干渉しない。

一実施形態では、共形コーティングは、高温熱可塑性ポリイミドを含む。高温熱可塑性ポリイミドは、シリンジを通して分配可能な材料として提供され、水よりもわずかに高い粘度を示し得る。得られる材料の絶縁層は、約３～２０μｍの厚さであり、セラミック、アルミニウム、金、シリコーン及び他の材料との強力な結合を示し得る。一部の実施形態では、高温熱可塑性ポリイミドは、材料を導電性にするために銀又は他の金属フレークを含み得る。一実施形態では、高温熱可塑性ポリイミドは、摂氏約マイナス４０度で保管され、周囲温度で加工され、摂氏約１５０度で約１０分の硬化サイクルに供される。硬化サイクルは、高温熱可塑性ポリイミドを結晶化させ、過剰な材料（ＮＭＰ及びＨ_２０）の大部分を気体形態で放出させる。約２分及び摂氏約２５０度の追加の加熱サイクルを行って、過剰な材料を除去することができる。このプロセスにより、高い絶縁特性及び非常に低い熱膨張を有する共形コーティングが得られる。

好適な材料の一例は、ニューヨーク州バッファローのＭＡＴＥＲＩＯＮから入手可能であり、ＢＯＮＤＦＬＯＷとして販売されている。ＢＯＮＤＦＬＯＷは、ＲＭ１－メチル－２－ピロリドン（ＣＡＳ８７２－５０－４）を含む。

スタック２０１が本体１０１内に配置され、電気パッド１１０に電気的に接続されると、本体１０１内の残りの容積１０３に電解質１２６が追加される。

一部の実施形態では、電解質１２６は、イオン液体、イオン塩、及び溶媒の組み合わせである。概して、イオン液体及び溶媒は、混合物を得るために一緒に混合される。混合物は、溶媒を含まない完全なイオン液体であってもよい。一部の実施形態では、電解質は、（体積で）約２０パーセントのイオン液体及び８０パーセントの溶媒である。部分的な範囲内の混合物を使用してもよい。

概して、イオン塩は、イオン貯蔵の追加の供給源としてイオン液体に添加されてもよく、効率を増加させるために、電極によって提供される表面積を考慮して異なるカチオン及びアニオンのサイズが提供される。イオン塩は、約０Ｍ～２Ｍ（モル、又はモル塩／リットル溶液）の範囲で混合物に添加されてもよい。

その後、本体１０１及びその中に設置された貯蔵セル１０５を計量し、次いで、適切な量の電解質で充填することができる。充填は、例えば、マイクロピペットの使用によって行うことができる。充填されると、本体１０１／貯蔵セル１０５の組み合わせは、低圧環境（すなわち、真空下）に配置することができる。低圧により、貯蔵セル１０５内への電解質１２６の移動が促進される。その後、アセンブリは、電解質１２６の十分な供給を確実にするために再び計量され得る。本体１０１、貯蔵セル１０５及び電解質の複合アセンブリが所望のパラメータ内にある場合、アセンブリは蓋１０２の溶接のために送られる。次に、蓋１０２を本体１０１に溶接することができる。溶接は、例えば、シーム溶接機を使用して不活性環境内で達成することができる。

種々の実施形態では、貯蔵セル１０５を収容する容積１０３内の望ましくない不純物を回避するように注意が払われる。一部の実施形態では、エネルギー貯蔵セルを収容するハウジング本体の空洞内で、ハロゲン化物イオンの総濃度は、約１，０００ｐｐｍ未満、５００ｐｐｍ未満、２００ｐｐｍ未満、１００ｐｐｍ未満、又はそれ未満に保たれる。一部の実施形態では、エネルギー貯蔵セルを収容するハウジング本体の空洞内で、金属種不純物は、約１，０００ｐｐｍ未満、５００ｐｐｍ未満、２００ｐｐｍ未満、１００ｐｐｍ未満、又はそれ未満に保たれる。一部の実施形態では、エネルギー貯蔵セルを収容するハウジング本体の空洞内で、ブロモエタン、クロロエタン、１－ブロモブタン、１－クロロブタン、１－メチルイミダゾール、酢酸エチル、及び塩化メチレンの不純物は、約１，０００ｐｐｍ未満、５００ｐｐｍ未満、２００ｐｐｍ未満、１００ｐｐｍ未満、又はそれ以下に保たれる。一部の実施形態では、エネルギー貯蔵セルを収容するハウジング本体の空洞内で、水分は、約１，０００ｐｐｍ、５００ｐｐｍ、２００ｐｐｍ、１００ｐｐｍ、５０ｐｐｍ、１０ｐｐｍ未満又はそれ未満に保たれる。一部の実施形態では、エネルギー貯蔵セルを収容するハウジング本体の空洞内で、ハロゲン化物不純物は、約１，０００ｐｐｍ未満、５００ｐｐｍ未満、２００ｐｐｍ未満、１００ｐｐｍ未満、５０ｐｐｍ未満、１０ｐｐｍ未満、又はそれ未満に保たれる。

種々の実施形態では、電解質は、２０１５年１１月２６日に公開された国際特許公開第２０１５１０２７１６Ａ８号、及び２０１６年１２月２２日に公開された国際特許公開第２０１６２０４８２０Ａ２号に説明されるタイプのいずれかであってもよく、各々の全内容は、参照することによって本明細書に組み込まれる。例えば、一部の実施形態では、電解質は、前述の参考文献に説明されるタイプのゲル又は固体状態電解質を含んでもよい。

図１１は、図９のアセンブリの上面図を提供する。図１１では、貯蔵セル１０５及び本体１０１は、仮想軸Ａによって二分されている。図１２は、貯蔵セル１０５及び本体１０１の破断図である。

図１２に示すように、貯蔵セル１０５は、複数の層を含む。複数の層から出現しているのは、複数の導電性タブ６０２である。この断面において、複数の導電性タブ６０２は、集合的に正のリード１２３を提供するように集められる。組み立て中、負のリード１２３は、適切な形状に形成され、電気パッド１１０のそれぞれに接合され、同じプロセスが、正のリード１２４（この断面図には図示せず）に対して行われる。その後、本体１０１は、チップキャップ１００に適した電解質１２６の実施形態で充填される。電解質１２６は、リード（１２３，１２４）及び貯蔵セル１０５の内容物を湿潤させる。

一部の実施形態では、エネルギー貯蔵セル１０５は、対称的なＥＤＬＣであり、等しい質量の活物質が、キャパシタの正電極及び負電極上に提供されてもよい。しかしながら、等しい電極質量では、電極及び電解質が完全に利用されない場合があるため、電解質中のアニオン及びカチオンのサイズが異なると、ＥＤＬＣが最大可能比静電容量を有することを妨げる場合がある。一部の実施形態では、この問題は、例えば、ＥＤＬＣの比静電容量を増加させるために、イオンのサイズに従って電極質量を調整することによる質量平衡によって解決することができる。一部の実施形態では、スタック２０１は、質量平衡を改善するために、等しくない数の正電極層及び負電極層を含んでもよい。

得られたチップキャップ１００は、典型的に競合するデバイスを破壊する製造プロセスに対して堅牢である。かかる製造プロセスの一例は、「リフロー」プロセスである。リフロープロセスでは、構成要素は、はんだの流れを引き起こすのに十分な温度まで加熱される。概して、電子構成要素の効率的な大量生産では、リフロープロセスを使用する必要がある。更に、コンパクトな設計では、構成要素によって使用される空間を制限するために表面実装デバイスを利用することが多く、同様にリフロー処理に依存することになる。

一実施形態では、チップキャップ１００は、推奨はんだリフロープロファイルに従ってプリント回路基板上に実装される。時間対温度のグラフ描写が図１３に提供されている。図１３の例では、温度は、予熱段階（「ソーク」と称される）まで３℃／秒で上昇する。予熱段階では、チップキャップ１００は、摂氏約１５０度～摂氏約１６０度の温度で約１００秒間維持される。次に、温度を３℃／秒でリフロー温度（「リフロー」と称される）まで上昇させる。リフロー温度は、約２６０℃に達し得る。概して、２００℃を超える時間は、約６０秒未満とすべきであり、その後、実装されたチップキャップ１００は、約６℃以下の速度で冷却される。

一部の実施形態では、チップキャップ１００は、１回、２回、３回、４回、又はそれ以上のリフローサイクルプロセスに応答して、１０％未満、５％、２．５％、又はそれ以下の静電容量劣化を示すことができる。一部の実施形態では、チップキャップ１００は、１回、２回、３回、４回又はそれ以上のリフローサイクルプロセスに応答して、１０％未満、５％未満、２．５％未満又はそれ以下のＥＳＲ増加を示すことができる。一部の実施形態では、リフロープロセスは、更に有利には、チップキャップの静電容量を増加させ、かつ／又はＥＳＲを減少させることができ、本質的にデバイスのシーズニングプロセスとして機能する。

チップキャップ１００の評価は、優れた性能を実証した。評価のための一部の文脈を提供するために、一部の用語が導入される。

電気回路理論では、理想的な抵抗器、キャパシタ、及びインダクタが取り扱われ、それぞれが抵抗、静電容量、又はインダクタンスのみを回路に与えると仮定される。しかしながら、全ての構成要素は、これらのパラメータの各々の非ゼロ値を有している。特に、全ての物理的デバイスは、有限の電気抵抗を有する材料から構築されているため、物理的構成要素は、それらの他の特性に加えて、ある程度の抵抗を有する。ＥＳＲの物理的な起源は、対象となるデバイスに依存する。

固体電解質を有する無電解キャパシタ及び電解キャパシタでは、リード及び電極の金属抵抗並びに誘電体中の損失がＥＳＲを引き起こす。セラミックキャパシタのＥＳＲの典型的な引用値は、０．０１～０．１オームである。無電解キャパシタのＥＳＲは、経時的にかなり安定している傾向があり、ほとんどの場合、実際の無電解キャパシタは、理想的な構成要素として扱うことができる。

非固体電解質を有するアルミニウム及びタンタル電解キャパシタのＥＳＲ値は非常に高く、最大で数オームである。静電容量が大きい先行技術の電解キャパシタは、ＥＳＲが低い。ＥＳＲは、キャパシタの自己共振周波数まで周波数とともに減少する。特にアルミニウム電解に関する深刻な問題は、使用に伴いＥＳＲが時間とともに増加することである。ＥＳＲは、測定された静電容量が許容範囲内に留まっている場合でも、回路の誤動作及び更には構成要素の損傷を引き起こすのに十分に増加する可能性がある。これは通常のエージングで起こるが、高温及び大きなリップル電流によって問題は悪化する。大きなリップル電流を有する回路では、ＥＳＲの増加は放熱を増加させるため、エージングを加速してしまう。

高温動作定格であり、基本的な消費者グレードの構成要素よりも高品質の電解キャパシタでは、ＥＳＲの増加により早期に使用できなくなる可能性が低くなる。安価な電解キャパシタの定格寿命は、８５℃で１０００時間未満であり得る。より高グレードの構成要素の定格寿命は通常、最大定格温度で数千時間である。ＥＳＲが重要である場合、別様で必要とされるよりも高い温度定格、「低ＥＳＲ」、又はより大きい静電容量を有する構成要素の仕様が有利であり得る。

本明細書のタイプのチップキャップは、厳しい条件下で優れた性能を実証した。一部の実施形態では、チップキャップは、少なくとも２．０Ｖ、２．１，Ｖ、２．２．Ｖ、２．３Ｖ、２．４Ｖ、２．５Ｖ、３．０Ｖ、又はそれ以上の動作電圧を有し得る。一部の実施形態では、チップキャップは、少なくとも３００ｍＦ、４００ｍＦ、４５０ｍＦ、５００ｍＦ以上の静電容量を有し得る。一部の実施形態では、チップキャップは、少なくとも４．０Ｊ／ｃｃ、４．５Ｊ／ｃｃ、５．０Ｊ／ｃｃ、５．１Ｊ／ｃｃ、又はそれ以上のエネルギー密度を有し得る。一部の実施形態では、チップキャップは、少なくとも１５Ｗ／ｃｃ、少なくとも２０Ｗ／ｃｃ、少なくとも２２Ｗ／ｃｃ、又はそれ以上のピーク電力密度を有し得る。一部の実施形態では、装置は、５００ｍΩ以下の等価直列抵抗、４００ｍΩ以下の等価直列抵抗、３００ｍΩ以下の等価直列抵抗を有し得る。一部の実施形態では、装置は、少なくとも６５℃、７５℃、８５℃、１００℃、１２５℃、１５０℃、又はそれ以上の動作温度定格を有し得る。概して、前述の性能パラメータは、単一のエネルギー貯蔵セルを含むチップキャップを使用して達成することができる。拡張された性能（例えば、より高い電圧動作）は、複数のチップキャップ、及び／又は複数のエネルギー貯蔵セルを組み込むチップキャップを使用することによって達成され得る。

酷使試験において、本明細書に記載されるタイプのチップキャップは、３０％未満の静電容量劣化及び１００％未満の等価直列抵抗増加を示しながら、少なくとも２．０Ｖ又は２．１Ｖ以上（例えば、２．５Ｖ、３．０Ｖ以上）の動作電圧及び少なくとも６５℃、８５℃、１００℃以上の動作温度で、少なくとも１，０００時間、少なくとも１，５００時間、又は少なくとも２，０００時間以上の動作寿命を実証することができる。一部の実施形態では、前述の動作寿命は、少なくとも１００℃、２００℃、３００℃、又はそれ以上のピーク温度で、少なくとも３０秒、６０秒、１２０秒、１８０秒、２４０秒、３６０秒、又はそれ以上の少なくとも１回、２回、３回、４回、５回、６回、又はそれ以上の温度サイクルを有するリフロープロセスを使用して、装置がプリント回路基板にはんだ付けされた後に実証され得る。有利には、前述のレベルの酷使試験性能は、非酷使条件下で２，０００時間をはるかに超える動作寿命に対応することが予想される。例えば、一部の典型的な用途（例えば、企業のコンピューティング環境におけるソリッドステートドライブのためのホールドアップ電力を提供すること）では、チップキャップは、数千、数万、数十万、数百万もの充放電サイクルを必要とする条件下であっても、５，０００時間、７，５００時間、１０，０００時間、１２，５００時間、又はそれ以上の動作寿命を有し得る。

図１４～図１６は、チップキャップ１００の実施形態の性能の態様を示している。図１４は、８５℃で動作するサンプルチップキャップのＥＳＲ性能データを示している。グラフに示すように、当該温度で３８００時間の間、チップキャップ性能のＥＳＲ劣化は９８パーセントである。比較データが図１５に提供されており、これは、従来技術のデバイスが実質的により大きくＥＳＲ劣化することを示している。チップキャップの追加の性能データを図１６に示している。図１６において、８５℃での静電容量劣化データは、３８００時間の試験後、初期セル性能の７２％に過ぎない。

図１７Ａ～図１７Ｂは、チップキャップ１００の実施形態の性能の態様を示している。図１７Ａは、８５℃、２．１Ｖの電圧で動作するサンプルチップキャップのＥＳＲ性能データを示している。グラフに示すように、２，５００時間の温度及び電圧では、チップキャップ性能のＥＳＲ劣化は４０％未満である。チップキャップの追加の性能データを図１７Ｂに示している。図１７Ｂでは、８５℃、２．１Ｖの電圧での静電容量劣化データは、２，５００時間の試験後、初期セル性能の１４％未満である。なお、試験は、チップキャップをはんだリフロー処理した後に行った。

図１８Ａ～図１８Ｂは、チップキャップ１００の実施形態の性能の態様を示している。図１８Ａは、１００℃、２．１Ｖの電圧で動作するサンプルチップキャップのＥＳＲ性能データを示している。グラフに示すように、１，５００時間の温度及び電圧では、チップキャップ性能のＥＳＲ劣化は６５％未満である。チップキャップの追加の性能データを図１８Ｂに示している。図１８Ｂでは、１００℃、２．１Ｖの電圧での静電容量劣化データは、１，５００時間の試験後、初期セル性能の１４％未満である。なお、試験は、チップキャップをはんだリフロー処理した後に行った。

図１９を参照すると、チップキャップ１００を利用し得るコンピューティングデバイス５００の例が示されている。コンピューティングデバイス５００は、パーソナルコンピュータ（ＰＣ）５０１、ラップトップ５０２、タブレット５０３、モバイルデバイス（スマートフォンなど）、及びサーバ５０５のうちのいずれか１つであり得る。他のタイプのコンピューティングデバイスが含まれてもよい。例としては、自動車システム並びに産業システム、住宅システム（電化製品、家庭用電子機器など）のためのコントローラが挙げられる。要するに、チップキャップ１００を利用するコンピューティングデバイスは、ボードレベルの電力が所望されるほぼ任意の電子デバイス（例えば、企業のコンピューティングで使用されるソリッドステートドライブ）を含み得る。一部の実施形態では、例えば、チップが１００℃、１２５℃、１５０℃、又はそれ以上の動作温度定格を有する場合、チップキャップは、石油及びガスの探査及び生産の分野で既知の極端なダウンホール条件で使用することができる。

図示の例では、チップキャップ１００は、コンピュータメモリ５０１に電力を供給するために使用される。メモリ５１０は、任意のタイプのメモリであり得る。チップキャップ１００からの電力を変換するのに適した電力変換器及びコントローラは図示していないが、かかるデバイスは当技術分野で既知である。

図２０を参照すると、本明細書に開示されたタイプのチップキャップを組み立てるためのプロセスフローが示されている。ステップ２００１では、電極ロールが提供される。電極ロールは、金属箔集電体の両面に炭素質エネルギー貯蔵媒体を有する両面電極ロールであり得る。ステップ２００２では、炭素質エネルギー貯蔵媒体の一部が、（例えば、切削によって）除去され、集電体のストリップが露出される。ステップ２００３では、右手系及び左手系の電極層がロールから打ち抜かれ、又は切断され、導電性タブがロールの露出部分から形成される。ステップ２００４では、打ち抜かれた電極層は、セパレータと組み立てられ、本明細書に詳細に説明されるタイプのスタックを形成する。ステップ２００５では、余分なセパレータが切断され、導電性タブがスタックから延在するようにスタックが固定される。ステップ２００６では、電極スタックを真空乾燥して水分を除去する。ステップ２００７において、スタックは、それぞれのパッケージの開放された本体内に移送される。ステップ２００８では、電気的接続が、本明細書に詳述されるように、スタックからパッケージ内の接触パッドに作製される。ステップ２００９では、スタックがパッケージ内に位置決めされる。ステップ２０１０では、電解質が、スタックの電極層を湿潤させるように分注される。ステップ２０１１において、蓋がパッケージ上に配置される。ステップ２０１２では、蓋がパッケージに溶接されて気密封止を形成する。ステップ２０１３において、完成したチップキャップは、外観検査及び電気的試験に供される。ステップ２０１４において、チップキャップは、例えば、当技術分野で周知のピックアンドプレース実装技術に適したフォーマットでパッケージをテーピングし、リールに巻き付けることによってパッケージ化される。

ゼリーロールを巻回するためのツール及び装置の態様は、図２１～図２５に関して提示される。

図２１～図２４を参照すると、例示的な巻回ツール２１００の態様が示されている。この例では、巻回ツール２１００は、ベッド２１１０を含む。概して、ベッド２１１０は、組み立てに備えて両面電極６００のための載置場所を提供する。ベッド２１１０は、ベース２１９０に取り付けられた後壁２１１５に取り付けられ得る。ベッドは、後壁２１１５上のヒンジ上に取り付けられ得る。後壁２１１５に対して直角に配向された対向する支持体２１８５は、そこに取り付けられた軸受アセンブリ２１３０（又は「軸受」）のための支持を提供する。軸受２１３０の各々は、分割車軸２１２０の一部を受容する。慣例として、巻回ツール２１００の「近位側」の支持体２１８５は、駆動部２１４０を含む。駆動部２１４０を駆動することにより、駆動シャフト２１５０がトランスミッション２１６０を駆動し、次に車軸２１２０を回転させる。

片側又は両側（この場合、近位側として示される）の支持体２１８５は、キャリッジ２１７０上に取り付けられ得る。概して、図２１の方向矢印によって示すように、キャリッジ２１７０により、車軸２１２０の近位側は、車軸２１２０の対向部分（又は「遠位側」）に向かう、及びそこから離れるように関節運動する。係止部２１８０が、必要に応じて側方関節運動を制限するために含まれてもよい。

車軸２１２０の各部分は、マンドレル２３００を受容するための構成で終端する。この例では、終端部は、図２４に最もよく示されているように、クランプ２３２０を含む。対向するクランプ２３２０は、応力又は付勢を最小限にするために、相互からオフセットされ得る。図２４では、オフセットは１８０度である。クランプ２３２０の別の構成を図２６に示している。

巻回型貯蔵セルを製造するとき、一実施形態では、分割車軸２１２０の近位側は、車軸２１２０の遠位側から離れるように移動する。次いで、ある長さのセパレータ５がベッド２１１０上に配置される。該長さの約半分はベッド２１１０上に配置され、該長さの残りの半分はマンドレル２３００を越えて延在する。次に、マンドレル２３００を遠位側の緩く設定されたクランプ２３２０に挿入し、セパレータ５の上に配置することができる。次に、両面電極６００のうちの第１の電極が、セパレータ５の上かつマンドレル２３００の下に配置される。マンドレル２３００と接触するベッド２１１０の部分は、後壁２１１５上のヒンジの作用によって下向きに関節接合され得る。両面電極６００の第１の電極及びセパレータ５がベッド上でマンドレル２３００の下に位置合わせされると、第２のバー２５０２が持ち上げられ、セパレータ５の残りの長さが第１のバー２５０１と第２のバー２５０２との間に通され、ベッド２１１０上にある両面電極６００の第１の電極の上に戻される。したがって、両面電極６００の第１の電極は、単一のセパレータ５の層の間に配置される。

次いで、車軸２１２０の近位側は、クランプ２３２０がマンドレル２３００の反対側の端部を受容するように、キャリッジ２１７０の使用によって遠位側に向かって関節運動する。クランプ２３２０がマンドレル２３００を受容すると、クランプ２３２０がクランプされ、マンドレル２３００が固定される。任意の係止部２１８０は、横方向の力を制限するために係止されてもよい。

次いで、車軸２１２０を約１３０°～１７０°（又はその程度）回転させ、第２の両面電極６００をセパレータ５の上に配置し、セパレータ材料の間に挟まれる点まで前方に押す。したがって、第２の両面電極６００は、セパレータ５の上、次に第１の両面電極６００の上に重なる。次に、車軸２１２０が回転し、その結果、セパレータ５によって分離された第１の両面電極６００と第２の両面電極６００との組み合わせが巻回される。

巻回が完了すると、クランプ２３２０が解放され、マンドレル２３００とその上に巻回された貯蔵セル１０５との組み合わせが巻回ツール２１００から取り外される。次に、マンドレル２３００の２つのバーは、貯蔵セル１０５を形成するために使用される巻回体から引き出される。次いで、巻回体は、セパレータ材料のトリミング及び適切であるとみなされる任意の更なるステップ（巻回体の平坦化など）で仕上げ処理することができる。

図２６に示すように、クランプ２３２０は、車軸２１２０の同じ回転位置（すなわち、側部）から固定することができる。この構成では、対向するクランプ２３２０（すなわち、左クランプ２３２０及び右クランプ２３２０）は単一の停止部で（すなわち、車軸２１２０の追加の回転を必要とすることなく）アクセスされ得る。

図２３に示すように、電極６００は、単一の負のリード１２３を含み得る。同様に、第２の電極は、単一の正のリード１２４を含み得る。一部の実施形態では、各極性（１２３，１２４）に対して複数のリードが含まれる。得られた貯蔵セル１０５の一例を図６Ｂに示している。

図２７～図３１は、本明細書では「テンショナ」２８００とも称される引張システムの態様を示している。概して、テンショナ２８００は、巻回体がエネルギー貯蔵セル１０５の中に巻回されるにつれて、巻回体２４００の中への電極材料の均一供給を確実にする。

この例では、テンショナ２８００はリール２７３０を含む。リール２７３０は、ベッド２１１０と被覆ガイドプレート２７１０との間の取り入れ口に電極材料を一貫して供給するように位置する。ガイドプレート２７１０は、電極材料が巻回体２４００に供給されるときに平坦なままであることによって、電極材料が円滑に供給されることを確実にする。均一な送りは、ばね２７４０によって引き起こされる張力の印加によって更に促進される。この張力により、電極材料がベッド２１１０を出て巻回体２４００に入るときに電極材料に生じ得るようなシワが確実に解消される。

図２８に示すように、ガイドプレート２７１０は、複数の止めねじ２７４０などの締結具で取り付けられてもよい。他の締結具、例えば迅速な接続及び解放のために適合されるものが使用されてもよい。ガイドプレート２７１０及びベッド２１１０は、エネルギー貯蔵媒体１の通過をガイドするためのそれぞれの溝又は少なくとも１つのスロット２７０５を含み得る。少なくとも１つのスロット２７０５の組み込み一部の実施形態では、引張システムは、圧力バー２７２０を更に含み得る。圧力バー２７２０は、ガイドプレート２７１０上の圧力を改善し、それによってガイドプレート２７１０の性能を調整するのに有用であり得る。この図では、ガイドプレート２７１０は、アクリル又はポリカーボネートなどの実質的に透明な材料から製造される。図２９は、テンショナ２８００の一部の上面図である。この図では、テンショナ２８００は窓２７０８を含む。これらの実施形態の両方は、外観検査を可能にし、オペレータがエネルギー貯蔵媒体１の円滑な流れを確実にすることを可能にする。図３０は、図２９に示したテンショナ２８００の斜視図である。

図３１に示すように、集電体２（その上に配置されるエネルギー貯蔵媒体１を伴う）は、複数の導電性タブ６０２を含み得る。導電性タブ６０２は、オフセット（Ｏ）だけ横方向に離間されている。オフセット（Ｏ）は、巻回プロセスにおける半径の増加を考慮して、徐々に増加する。これは、導電性タブ６０２の整列をもたらし、その結果、巻回型貯蔵セル１０５（図１２参照）において、導電性タブ６０２は、集合的に、それぞれのパッド１１０と整列するリーダをもたらす。

巻回型貯蔵セルのその他の実施形態を有することができる。例えば、巻回型貯蔵セルは、単一の連続したセパレータの代わりに２つのセパレータを含み得る。巻回型貯蔵セルは、連続長の電極及びセパレータ材料を使用して、各巻回が完了するにつれて要素の周期的セグメント化を伴って加工されてもよい。したがって、本明細書に開示された技術は、巻回型貯蔵セルを提供する方法の単なる例示である。

概して、本明細書で使用される「メモリ」という用語は、コンピュータ内で即時使用するための情報を記憶するコンピュータハードウェア集積回路を指し、「一次ストレージ」という用語と同義である。コンピュータメモリ、例えばランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）は、アクセスが遅い情報を提供するが、より高い容量を提供するストレージとは異なり、高速で動作する。

「メモリ」、「一次ストレージ」、「メインメモリ」、「システムメモリ」という用語、及び他の同様の用語は、多くの場合、アドレス指定可能な半導体メモリ、すなわち、例えば、一次ストレージとして使用されるが、コンピュータ及び他のデジタル電子デバイスにおける他の目的でも使用される、シリコンベースのトランジスタを含む集積回路と関連付けられる。半導体メモリには、揮発性と不揮発性の２つの主要な種類がある。不揮発性メモリの例は、フラッシュメモリ（二次メモリとして使用される）及びＲＯＭ、ＰＲＯＭ、ＥＰＲＯＭ及びＥＥＰＲＯＭメモリ（ＢＩＯＳのようなファームウェアを記憶するために使用される）である。揮発性メモリの例は、典型的にはダイナミックランダムアクセスメモリ（ＤＲＡＭ）である一次ストレージ、及び典型的には高速であるがエネルギーを消費し、ＤＲＡＭよりも低いメモリ面密度を提供するスタティックランダムアクセスメモリ（ＳＲＡＭ）である高速ＣＰＵキャッシュメモリである。

揮発性メモリは、記憶された情報を維持するために電力を必要とするコンピュータメモリである。最新の半導体揮発性メモリは、スタティックＲＡＭ（ＳＲＡＭ）又はダイナミックＲＡＭ（ＤＲＡＭ）のいずれかである。ＳＲＡＭは、電源が接続されている限りその内容を保持する。ダイナミックＲＡＭは、インターフェース及び制御がより複雑であり、その内容を失わないようにするために定期的なリフレッシュサイクルを必要とする。

不揮発性メモリは、電力が供給されていないときでも記憶された情報を保持することができるコンピュータメモリである。不揮発性メモリの例としては、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ参照）、フラッシュメモリ、ほとんどのタイプの磁気コンピュータストレージデバイス（例えば、ハードディスクドライブ、フロッピーディスク、及び磁気テープ）、光ディスク、並びに紙テープ及びパンチカードなどの初期のコンピュータ記憶方法が挙げられる。今後の不揮発性メモリ技術としては、ＦｅＲＡＭ、ＣＢＲＡＭ、ＰＲＡＭ、ＳＴＴ－ＲＡＭ、ＳＯＮＯＳ、ＲＲＡＭ、レーストラックメモリ、ＮＲＡＭ、３Ｄ ＸＰｏｉｎｔ、及びミリピード（ｍｉｌｌｉｐｅｄｅ）メモリが挙げられる。

メモリの第３のカテゴリは「半揮発性」である。「半揮発性」という用語は、概して、電力が除去された後にいくらかの限られた不揮発性持続時間を有するが、次いでデータが最終的に失われるメモリを表す。半揮発性メモリを使用するときの典型的な目標は、真の不揮発性メモリの一部の利点を提供しながら、揮発性メモリに関連する高い性能／耐久性などを提供することである。

ソリッドステートドライブ（ＳＳＤ）は、データを永続的に記憶するためのメモリとして集積回路アセンブリを使用するソリッドステート記憶デバイスである。ＳＳＤは、可動機械構成要素を有さない。これは、回転ディスク及び可動読取り／書き込みヘッドを含むハードディスクドライブ（ＨＤＤ）又はフロッピーディスクなどの従来の電気機械式ドライブとは異なる。電気機械式ドライブと比較して、ＳＳＤは、典型的には、物理的衝撃に対してより耐性があり、静かに動作し、より迅速なアクセス時間及びより低い待機時間を有する。

２０１７年現在、ほとんどのＳＳＤは、電力が失われたときにデータを保持する不揮発性メモリの一種であるＮＡＮＤベースのフラッシュメモリを使用している。高速アクセスを必要とするが、電力損失後のデータ持続性を必ずしも必要としない用途では、ＳＳＤは、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）から構築されてもよい。かかるデバイスは、外部電力が失われた後、ある時間量の間、データを保持するために、統合された電源として電池を採用することができる。

しかしながら、全てのＳＳＤは、依然として電荷にデータを記憶しており、これは、電力なしで放置された場合、時間とともにゆっくりとリークする。これにより、（耐久定格を超えた）摩耗したドライブは、典型的にはストレージ内のある時間の後にデータを失い始める。したがって、現在のＳＳＤは、アーカイブ目的には適していない。

したがって、ＳＳＤの性能は、改善された電源の追加によって実質的に改善することができる。多くのＳＳＤは、ＤＲＡＭモジュールにバックアップ電力を提供して揮発性メモリを不揮発性メモリに書き込むためにキャパシタを使用している。残念ながら、利用可能となっているキャパシタは大型であり、性能が低い。

要するに、ＳＳＤ環境は、ウルトラキャパシタ技術だけでなく、全ての容量性エネルギー貯蔵に対して固有の課題を提示している。容量性貯蔵は、揮発性メモリ（ＳＲＡＭ／ＤＲＡＭ）に記憶されたデータを不揮発性メモリ（ＮＡＮＤ、ＦＬＡＳＨ）に転送するためのオンボード電気エネルギーバックアップとして使用される。この動作は、停電の場合にデータが失われないことを保証するために重要である。コンピューティングストレージがほぼ全てのビジネスセクタにとって更に重要になるにつれて、超信頼性メモリバックアップソリューションの必要性が優先事項となる。

電気回路に電力供給するためのエネルギー貯蔵デバイスの実施形態をこのように紹介したが、一部の追加の態様がここで提示される。

種々の他の構成要素が、本明細書の教示の態様を提供するために含まれ、参照され得る。例えば、追加の材料、材料の組み合わせ、及び／又は材料の省略を使用して、本明細書の教示の範囲内にある追加の実施形態を提供することができる。

本明細書の教示の種々の修正を実現することができる。概して、修正は、ユーザ、設計者、製造業者、又は他の同様の利害関係者の必要性に従って設計されてもよい。修正は、その当事者によって重要であるとみなされる性能の特定の基準を満たすように意図され得る。

添付の特許請求の範囲又は請求項の要素は、「ための手段」又は「ためのステップ」という単語が特定の請求項において明示的に使用されない限り、米国特許法第１１２条（ｆ）を行使するものと解釈されるべきではない。

本発明又はその実施形態の要素を導入するとき、冠詞「ａ」、「ａｎ」、及び「ｔｈｅ」は、１つ以上の要素が存在することを意味することが意図される。同様に、形容詞「別の（ａｎｏｔｈｅｒ）」は、要素を導入するために使用されるとき、１つ以上の要素を意味することが意図される。「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」及び「有する（ｈａｖｉｎｇ）」という用語は、列挙された要素以外の追加の要素が存在し得るように包括的であることが意図される。本明細書で使用される場合、「例示的」という用語は、優れた例を暗示することを意図するものではない。むしろ、「例示的」は、多くの可能な実施形態のうちの１つである実施形態の例を指す。

例示的な実施形態を参照して本発明を説明してきたが、本発明の範囲から逸脱することなく、種々の変更を行うことができ、その要素を等価物で置き換えることができることが当業者には理解されるであろう。更に、当業者であれば、本発明の本質的な範囲から逸脱することなく、特定の器具、状況又は材料を本発明の教示に適合させるための多くの修正が理解されるであろう。したがって、本発明は、本発明を実施するために企図された最良のモードとして開示された特定の実施形態に限定されるものではなく、本発明は、添付の特許請求の範囲内に入る全ての実施形態を含むことが意図される。

Claims (22)

1. エネルギー貯蔵デバイスであって、
   エネルギー貯蔵セルを備え、前記エネルギー貯蔵セルは、
   電解質と、
   複数の両面電極と、
   単一のセパレータと、を備え、前記複数の両面電極及び前記単一のセパレータは、前記電解質に浸漬され、前記複数の電極のうちの第１の電極は、前記単一のセパレータの一端に配置され、前記複数の電極のうちの第２の電極は、同じ単一のセパレータの反対端に配置されている、エネルギー貯蔵デバイス。
2. 前記エネルギー貯蔵セルは、蓋が装着された本体内に配置され、前記本体及び前記蓋は、プリント回路基板上に表面実装されるように構成されている、請求項１に記載のエネルギー貯蔵デバイス。
3. 前記蓋の内部及び前記本体の内部は、保護層によって保護されている、請求項１に記載のエネルギー貯蔵デバイス。
4. 前記保護層は、ポリテトラフルオロエチレン又はポリイミドを含む、請求項３に記載のエネルギー貯蔵デバイス。
5. 前記複数の両面電極のうちの両面電極は、集電体を備え、前記集電体の両側にエネルギー貯蔵媒体が配置されている、請求項１に記載のエネルギー貯蔵デバイス。
6. 前記集電体は、アルミニウムを含み、前記エネルギー貯蔵媒体は、活物質を含む、請求項５に記載のエネルギー貯蔵デバイス。
7. 前記活物質は、結合剤を介さずに前記集電体上に配置されている、請求項６に記載のエネルギー貯蔵デバイス。
8. 活物質は、カーボンナノチューブのマトリックスによって互いに結合された活性炭を含む、請求項６に記載のエネルギー貯蔵デバイス。
9. 前記活物質は、垂直配向されたカーボンナノチューブを含む、請求項６に記載のエネルギー貯蔵デバイス。
10. 前記複数の両面電極は、複数の左手系両面電極と、複数の右手系両面電極と、を備える、請求項１に記載のエネルギー貯蔵デバイス。
11. 前記単一のセパレータは、ポリテトラフルオロエチレンを含む、請求項１に記載のエネルギー貯蔵デバイス。
12. 前記単一のセパレータは、ｚ折り構成を含む、請求項１に記載のエネルギー貯蔵デバイス。
13. 前記ｚ折り構成は、前記ｚ折り構成に包まれた、反対側にある正電極及び負電極と、前記正電極及び前記負電極のそれぞれの関連する集電体と、を備える、請求項１２に記載のエネルギー貯蔵デバイス。
14. 前記第２の電極は、前記第１の電極の反対側に配置されている、請求項１に記載のエネルギー貯蔵デバイス。
15. 前記エネルギー貯蔵セルは、ロール状に巻回されている、請求項１に記載のエネルギー貯蔵デバイス。
16. 前記第１の電極の各々及び前記第２の電極の各々は、前記エネルギー貯蔵セルを越えて延在する複数の導電性タブに接触している、請求項１５に記載のエネルギー貯蔵デバイス。
17. 前記導電性タブの各々は、前記ロールにおける前記エネルギー貯蔵セルの増加する半径に適応するように、相互から横方向にオフセットされている、請求項１６に記載のエネルギー貯蔵デバイス。
18. 方法であって、
    本体の本体空洞内に、
    エネルギー貯蔵セルを配置することであって、前記エネルギー貯蔵セルは、
    電解質と、
    複数の両面電極と、
    単一のセパレータと、を備え、前記複数の両面電極及び前記単一のセパレータは、前記電解質に浸漬され、前記複数の電極のうちの第１の電極は、前記単一のセパレータの一端に配置され、前記複数の電極のうちの第２の電極は、同じ単一のセパレータの反対端に配置される、配置することと、
    前記本体空洞に蓋を配置することと、を含む、方法。
19. 前記本体又は前記蓋にプリント回路基板を配置することを更に含む、請求項１８に記載の方法。
20. 前記エネルギー貯蔵セルをロール状に巻くことを更に含む、請求項１８に記載の方法。
21. 前記第１の電極の各々及び前記第２の電極の各々を、前記エネルギー貯蔵セルを越えて延在する複数の導電性タブと接触させることを更に含む、請求項２０に記載の方法。
22. 前記ロールにおける前記エネルギー貯蔵セルの増加する半径に適応するように、前記導電性タブを相互から横方向にオフセットすることを更に含む、請求項２１に記載の方法。