三次元電池構造およびその製造方法
【解決手段】 ３次元電池構造デバイスは、非周期的またはランダムなスポンジネットワークを有する多孔質基体であって、電池の第１の電極の足場を形成するものである前記多孔質基体と、前記多孔質基体上に蒸着する第１のコーティングであって、当該第１のコーティングは電子絶縁イオン伝導性誘電体である前記第１のコーティングと、残りの自由体積上に蒸着する第２のコーティングであって、当該第２のコーティングは相互貫入導電体であり、前記電池の第２の電極を形成するものである前記第２のコーティングとを有するものである。３次元電池構造デバイスを製造する方法は、多孔質基体上に第１のコーティングを蒸着する工程であって、当該多孔質基体は非周期的またはランダムなスポンジネットワークを有し、当該第１のコーティングは前記電池の電解質を形成するものである前記蒸着する工程と、前記第１のコーティング上に第２のコーティングを蒸着する工程であって、当該第２のコーティングは相互貫入導電体であり、前記電池の第２の電極を形成するものである前記蒸着する工程とを有するものである。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本出願は、２００９年７月３０日の出願日を有する米国特許出願番号第６１／２２０，４３９号の出願であり、これに対して優先権を主張するものである。
【０００２】
この開示は、３つの全ての有効構成要素であるアノード、セパレータ／固体電解質、カソードの三相共連続（ｔｒｉｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ）を有するナノスケールの三次元電池構造を設計するプラットフォームとして使用される二相共連続細孔および固体ネットワークを有する超多孔質ナノ構造について説明する。
【背景技術】
【０００３】
多機能材料は電気化学的電源にとって欠くことのできないものであり、電気化学的電源が高性能であるために、この多機能材料は、電子伝導率と、イオン伝導率と、分子および溶媒和イオンの容易な物質移行との最適な組み合わせが示されなければならない。
【０００４】
様々な形態のエネルギー関連の機能性を生み出す素反応を独立して制御することは、集合体では困難である。将来に望まれるミッション性能を達成するのに必要な材質化学の飛躍的進歩はナノ科学を含み、ナノスケールの構成要素を集めて電源に固有の多機能構造を構築する能力が特に重要視される。
【０００５】
エネルギーを生成または貯蓄する基本的プロセスは、現在の構造ナノ科学の観点、すなわち「空所」（ボイドスペース）および意図的な無秩序設計の構成要素の使用を含む適切なナノスケールの構成要素から三次元（３Ｄ）導電性構造の設計および製作の観点から再考することが可能である。
【０００６】
エアロゲル（湿潤ゲルを本質的に細孔崩壊のないように乾燥することによって得られる）およびアンビゲル（湿潤ゲルを無極性の低表面張力間隙流体で処理することによって得られる）の細孔固体ナノ構造の特質は、ナノスケールでの電荷輸送に新しい側面を与える。
【０００７】
エアロゲルおよびアンビゲルは本質的に高表面積を混合しており、この高表面積は、連続相互貫入（ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｉｎｔｅｒｐｅｎｅｔｒａｔｉｎｇ）メソ多孔体ネットワークを有する、挿入酸化物ナノ粒子の樹状自動配線（ｓｅｌｆ−ｗｉｒｅｄ）共有結合ネットワークとして表され、反応物および生成物の急速な拡散フラックスを確実にする。
【０００８】
速度が重要な用途（検出、エネルギー貯蔵、エネルギー変換、触媒作用、合成）において、アンビゲルまたはエアロゲルとして表される多機能材料は、２Ｄまたは３Ｄの有孔性ナノ構造の反応より１０〜１０００倍反応が速い。配管（プラミング）の質（すなわち、三次元のメソ多孔体ネットワークの連続性）は、これらナノ構造の高速特性の達成および当該構造の内部での高質な化学修飾の制御において重要な要素となる。
【０００９】
随意に設計される電池は、それが電力を供給するデバイスより大きくまたは重くならないような大きさまたは重さである。微小電気機械システムを含むメゾスコピック構造およびデバイスを製作する最近の進歩は、オンボード電源にまで縮小することにおいてまだ匹敵する程の進歩が伴ってきていない。本明細書に記載の発明は、電力が供給されるデバイスのサイズの縮小を生かすため、標準電池の慣習的な構造を変形する新規の設計戦略を提供する。これらのデバイスは電源に高負荷を課さないため、電池は電力容量または電力密度において究極でないものを考案することができ、設計においてより自由度が高まる。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【００１０】
この開示は、３つの全ての有効構成要素であるアノード、セパレータ／固体電解質、カソードの三相共連続を有するナノスケールの三次元電池構造を設計するプラットフォームとして使用される二相共連続細孔および固体ネットワークを有する超多孔質ナノ構造について説明する。
【００１１】
最初の構造足場（ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒａｌ ｓｃａｆｆｏｌｄｉｎｇ）はゾル−ゲル由来であり、この湿潤の無秩序ゲル（ｄｉｓｏｒｄｅｒｅｄ ｇｅｌ）は低表面張力から最小表面張力の状態の下で処理されることによって間隙流体を崩壊せずに除去し、これによりメソ多孔体の細孔のサイズの範囲（２〜５０ｎｍ）を有する全体にわたって連続的な細孔ネットワークを保有する。
【００１２】
前記固体ネットワークは、約１０ｎｍのドメインの高表面積挿入酸化物（カソード）または炭素（アノード）を有し、この上に（セパレータとして機能する）約１０ｎｍの厚さのポリマー薄膜が蒸着される。
【００１３】
前記固体ネットワークはまた、超並列集電体として機能する電子伝導体である良導体を有し、この上に共形超薄（＜２ｎｍ）コーティングが蒸着され、高表面積挿入酸化物（カソード）または炭素／酸化物／硫化物／窒化物／リン酸塩（アノード）として機能し、この上に（セパレータとして機能する）約１０ｎｍの厚さのポリマー薄膜が蒸着される。
【００１４】
前記メソ多孔質の残りの体積は、低融点金属（アノード）または挿入酸化物／硫化物／窒化物/リン酸塩のための貯留層を提供し、前記電池の対電極として機能する（すなわち、元の固体ネットワークの組成によってアノードになるかカソードになるかが決定される）。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】図１は、共形ポリマー超薄セパレータ／電解質が電着された酸化物ネットワークを示すモノリシック酸化マンガンアンビゲルナノ構造を図示する。
【図２】図２は、共形自己抑制（ｃｏｎｆｏｒｍａｌ ｓｅｌｆ−ｌｉｍｉｔｉｎｇ）ポリマー超薄膜がアリールモノマーの電解酸化重合を介して超多孔質導電性ナノ構造の表面上に合成されるプロセスの略図である。
【図３】図３は、共形ポリマー超薄膜がフェノラートモノマー（ｐｈｅｎｏｌａｔｅ ｍｏｎｏｍｅｒｓ）の酸化を介して超薄導電性ナノ構造上に合成されるところの電子反応およびその結果として生じるポリマーの幾つかの特性を図示する。
【図４】図４は、ＩＴＯ支持ポリフェニレンオキシドＰＰＯ被覆酸化マンガンをＭｎＯ２||ＰＰＯ||Ｇａ−Ｉｎセルとして２点プローブ固体測定で測った測定の略図である。ＭｎＯ２へのリチウムイオン挿入（＋３Ｖ）およびＭｎＯ２からの脱挿入（＋０．７Ｖ）と一致する電位への歩み寄りに関する固体電流の時間応答が示されてる。
【図５】図５は、ＭｎＯ２||ＰＰＯ||ＲｕＯ２のナノ構造の暗視野走査型透過電子顕微鏡写真と、エネルギー分散分光分析による画像領域の元素分析と、（ＰＰＯからの）Ｃ、Ｍｎ、およびＲｕに関する個々の元素マップと、Ｃ、Ｍｎ、およびＲｕのオーバーレイ（上中央に図示）とを図示する。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
この開示は、３つの全ての有効構成要素であるアノード、セパレータ／固体電解質、カソードの三相共連続を有するナノスケールの三次元電池構造を設計するプラットフォームとして使用される二相共連続細孔および固体ネットワークを有する超多孔質ナノ構造について説明する。
【００１７】
最初の構造足場はゾル−ゲル由来であり、この湿潤の無秩序ゲルは低表面張力から最小限表面張力の状態の下で処理されることによって間隙流体を崩壊せずに除去し、これにより約２〜約５０ｎｍおよび５０ｎｍ〜５００ｎｍの範囲であるメソ多孔質から小さいマクロ多孔質のサイズの細孔を有する連続細孔ネットワークを保有する。
【００１８】
前記固体ネットワークは、約１０ｎｍのドメインの高表面積挿入酸化物（カソード）または炭素（アノード）を有し、この上に（セパレータとして機能する）約１０ｎｍの厚さのポリマー薄膜が蒸着される。
【００１９】
前記固体ネットワークはまた、超並列集電体として機能する電子伝導体である良導体を有し、この上に共形超薄（＜２ｎｍ）コーティングが蒸着され、高表面積挿入酸化物（カソード）または炭素／酸化物／硫化物／窒化物／リン酸塩（アノード）として機能し、この上に（パレータとして機能する）約１０ｎｍの厚さのポリマー薄膜が蒸着される。
【００２０】
前記メソ多孔質の残りの体積は、低融点金属（アノード）または挿入酸化物／硫化物／窒化物/リン酸塩のための貯留層を提供し、前記電池の対電極として機能する（すなわち、元の固体ネットワークの組成によってアノードになるかカソードになるかが決定される）。
【００２１】
図１に図示する構造において、多孔質基体は非周期的またはランダムな「スポンジ」ネットワークを有し、電池の挿入カソードとしてまたは、挿入アノードまたはカソードとして機能することができる材料である共形超薄コーティングが蒸着されて超並列３Ｄ集電体として機能する。
【００２２】
前記多孔質基体は、次に電子絶縁イオン伝導性誘電体（例えば、電解質）で被覆され、残りの自由体積には相互貫入（ｉｎｔｅｒｐｅｎｅｔｒａｔｉｎｇ）導電性材料が添加されて前記電池の第２の電極を形成する（当該第２の電極は、元の足場（ｓｃａｆｆｏｌｄ）または被覆された足場が前記電池のカソードとして機能する場合アノードであり、当該元の足場または被覆された足場が前記電池のアノードとして機能する場合カソードである）。
【００２３】
前記構造は同心円状の電極構成を表し、前記イオン伝導性誘電体が前記多孔質電極足場を覆う一方で、他の電極はメソ多孔体およびマクロ多孔体の間隙を満たし且つ前記イオン伝導性誘電体の周囲を取り囲む。
【００２４】
この配置により、前記多孔質３Ｄ基体（セルの第１の電極であり例えばカソード）と前記第２の導電性材料（セルの第２の電極であり例えばアノード）との間に短い輸送経路が提供される。
【００２５】
さらに、前記多孔質３Ｄ基体、前記イオン伝導性材料、および前記第２の導電性材料を含む電池の全ての構成要素は、前記スポンジ状構造の全体にわたって連続している。
【００２６】
また、本明細書は３Ｄ電荷挿入ナノ構造の製作手順について説明しており、この手順は、カソード、セパレータ、およびアノードの三相共連続合成物の高質なアセンブリを達成するための相互貫入メソ多孔質ネットワークの重要性について強調している。
【００２７】
３次元電荷貯留構造は、図１に示すように、メソ多孔質ナノ構造の限定空間内に適切な誘電性および／またはイオン伝導性コーティングを共形合成することによって作成することができる。
【００２８】
これらの内部修飾化プロセスが共形であり、且つこれらの成長が自己抑制される点は重要なことである。
【００２９】
前記高表面積ナノスケール固体の修飾は、全体にわたって連続的な多孔質ネットワークを塞がないように達成されなければならない。さもなければ、前記電池の挿入対電極の高質な間詰め（ｉｎｔｅｒｆｉｌｉｎｇ）が達成できない。
【００３０】
示している実施例は、ポリマーセパレータ／電解質がｉｎ ｓｉｔｕで電着されるＭｎＯｘアンビゲルの支持薄膜の形で、起伏の多いカチオン挿入酸化物プラットフォームとして二酸化マンガンを使用することを含む。
【００３１】
二酸化マンガンは、前記ナノ電池の挿入カソードとして機能する、前記エアロゲルネットワークのために選択した酸化物である。二酸化マンガン（ＩＶ）は、多数のゾル−ゲル調合液がこの酸化物のために文字通りその非晶形（ａ−ＭｎＯ２）およびその様々な結晶（および多孔性結晶）多形の両方において存在することができる、特に万能な組成物である。一般に、非晶質物は、これらの結晶形よりもより高い実際的な挿入能力を提供する。結晶子またはドメインサイズを単分散の方法で制御するのが困難であるほとんどの調製法と異なり、エアロゲルのドメインサイズは、焼結に対して耐性があり且つより小さいまたは大きなドメインサイズのいずれにおいても合成するのが困難である約１０ｎｍのサイズである。
【００３２】
ピンホールのないポリマー超薄膜バリアが前記ナノ構造の壁部一面に共形的に形成されて、前記電池の２つのナノスケールの電極の間で物理的および電子的バリアとして機能するようになった後、残りの自由体積は次にナノ材料が添加されて挿入対電極として機能する。
【００３３】
前記ナノ電池構想に要求される構成要素のナノスケールでの完全な３Ｄの具現化は、ポリマー被覆した多孔質酸化物ナノ構造内で無秩序無水ＲｕＯ２のナノ粒子を合成することによって実証されてきた。非伝統的な電池材料ではあるが、ナノスケールのＲｕＯ２は、酸化物がナノスケールで無秩序であるとき特に、可逆的にリチウムイオンを挿入することが示されてきた。
【００３４】
例としては、例えば電子絶縁リチウムイオン伝導性ポリマー超薄膜セパレータの作成である。
【００３５】
前記酸化マンガンナノ構造における配管（ｐｌｕｍｂｉｎｇ）の質（すなわち、三次元のメソ多孔体ネットワークの連続性）は、３Ｄナノ電池への途上で構成要素のアセンブリの制御を保持するために重要である。塩基性メタノールおよびアセトニトリルでのフェノールおよび２．６−ジメチルフェノールの電気酸化は、図２に示すように平坦電極で自己停止成長を介してＭｎＯｘアンビゲル薄膜で進行し、図３に示すように数十ナノメートルの厚さの高電子絶縁であり且つ集合体のような絶縁耐力を有するポリフェニレンオキシドをベースとする薄膜を生成する。
【００３６】
イオンは、次に無水リチウム電解質を使用する溶媒キャスト法またはイオン機能を有する共電気酸化（ｃｏ−ｅｌｅｃｔｒｏ−ｏｘｉｄｉｚｉｎｇ）置換フェノールのいずれかによって前記電着された薄膜内に組み込まれる。
【００３７】
ポリフェニレンオキシドをベースとするコーティングで同様に修飾されるＩＴＯ（インジウムをドープした酸化スズ、導電透明ガラス）で行われたＡＣインピーダンス測定によって、電着ポリフェニレンオキシドをベースとする薄膜は誘電の機能を果たすが、リチウムイオン移動を組み込んだ後イオン輸送のインピーダンス応答特性に変換することが検証される。図４に示すように、２点プローブＤＣ測定によって、リチウムイオンは電着ポリマー超薄膜を通って固体輸送を生じ、バーネス鉱型ＭｎＯｘナノ構造およびＧａ−Ｉｎ対電極の中に挿入／非挿入することが実証される。
【００３８】
前記ナノ構造は、電気化学的方法、物理的方法、構造的方法、および微視的方法によって各ステージ（電極足場；ポリマー被覆電極；カソード｜ポリマーセパレータ｜アノードの三相共連続アセンブリ）において特徴付けられる。この電池技術は、メソ多孔質からマクロ多孔質へのナノ構造として（または内で）合成されるとき、標準電池構成要素（挿入カソード、ポリマーセパレータ/電解質、および挿入アノード）の物理化学的特性を確立する。
【００３９】
完全な電池製作の実施例
ポリマー被覆ＭｎＯ２ナノ構造に、次に、極低温状態でヘキサンまたはペンタンのＲｕＯ４溶液からＲｕＯ２の自己触媒析出によって対電極を浸潤する。
【００４０】
透過電子顕微鏡法により、前記ポリマーおよびＲｕＯ２が前記メソ多孔質ＭｎＯ２マトリックス全体にわたって共形的に統合されていることが実証される。エネルギー分散Ｘ線分光法（ｅｎｅｒｇｙ−ｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅ Ｘ−ｒａｙ ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ：ＥＤＳ）を使用して、三相共連続構造（ＩＴＯ支持体が剥げて取れたＭｎＯ２｜ＰＰＯ｜ＲｕＯ２）の一部分に存在するマンガン、炭素、およびリチウムの元素マップが得られ、これは図５に示すような走査型透過電子顕微鏡法で得られる暗視野像に相当する。前記ＥＤＳ元素マップのオーバーレイは、前記ポリマーおよびＲｕＯ２が前記ＭｎＯ２上に分散されていることを明らかにし、且つ前記ポリマーおよびＲｕＯ２が前記ＭｎＯ２構造のメソ多孔質構造を貫通しているのを実証する。平面ＭｎＯ２｜ＰＰＯ｜ＲｕＯ２｜ＧａＩｎの固体測定は、対電極を電気的に短絡しないでＲｕＯ２の蒸着ができていることを示している。
【００４１】
この開示で説明した前記ＭｎＯ２｜ポリマー｜ＲｕＯ２ナノ構造は、一体となった三相共連続ナノ構造を示す三相共連続スポンジ形状であって、挿入アノードおよびカソードが互いにナノメートルの範囲内にあり且つ可塑化溶媒ではないリチウムイオン移動を含む固体ポリマーによって分離されている。
【００４２】
上述の閉じ込め状態で表面を修飾する成功手順によって、固体素子を製作する能力と、構成要素がナノスケールで統合され且つ改善されたパフォーマンスを有する電気化学システムをもたらす能力とが促進される。
【００４３】
ナノスケール（５〜３０ｎｍの厚さ）固体ポリマー電解質の直接的な利益は、電荷輸送が著しく改善された速度能力である。
【００４４】
少量のリチウム伝導体しか有しないポリマーであっても、たった数十ナノメートルの厚さがあれば最小限の抵抗を提供する。
【００４５】
電気的および電気化学的応用で対象の典型的なナノ結晶混合導電性酸化物は、結晶粒界の寄与を増幅し且つパフォーマンスを制限する大きな電荷輸送抵抗を作成する非結合ナノ粒子として使用される。混合導電性特性の非結合（非ネットワーク）ナノ粒子は、少量の電子伝導性がある材料であり複合電極を形成するため、電子伝導性粉末（例えば、炭素粉末、ナノチューブ、またはナノファイバー）およびポリマー接着剤の追加を必要とする。エアロゲルおよびアンビゲルの連続共有結合固体ネットワークはこれらの粒界を排除する、この結果これら材料は連続フラクタルネットワークとして電気的に応答する。この開示はエアロゲルをベースとするナノ構造に関するが、ゾル−ゲル由来若しくは由来でない他の全体にわたって多孔質な導電性構造にも適用されるものである。
【００４６】
この開示の代替として、典型的には１マイクロメータ若しくはそれ以上の長さスケールであることを特徴とする棒状の電極アレイを基にした他の３次元電極形状も含む。この様な場合、電極アレイは、電荷質および対電極相によって満たされた間隙空間と共にアノードまたはカソードのいずれかを有し、或いは電解質相によって分離されるカソード棒およびアノード棒の交互組み合わせアレイが完全な３Ｄ電池として機能する。この様な３Ｄ電池設計は、従来の２Ｄ薄膜電池をはるかに超える有意な利益を提供する。
【００４７】
上記の記載は、本発明の好ましい実施形態の説明である。上記の教示に照らして、様々な修正および変更が可能である。従って、本発明は特段の説明がない限り添付の特許請求の範囲の範囲内において実行されることは理解されるべきである。単数形で要素を主張するあらゆる言及（例えば冠詞の「a」、「an」、「the」、または「said」など）は、該要素を単数形に限定するものとして解釈されるものではない。
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本出願は、２００９年７月３０日の出願日を有する米国特許出願番号第６１／２２０，４３９号の出願であり、これに対して優先権を主張するものである。
【０００２】
この開示は、３つの全ての有効構成要素であるアノード、セパレータ／固体電解質、カソードの三相共連続（ｔｒｉｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ）を有するナノスケールの三次元電池構造を設計するプラットフォームとして使用される二相共連続細孔および固体ネットワークを有する超多孔質ナノ構造について説明する。
【背景技術】
【０００３】
多機能材料は電気化学的電源にとって欠くことのできないものであり、電気化学的電源が高性能であるために、この多機能材料は、電子伝導率と、イオン伝導率と、分子および溶媒和イオンの容易な物質移行との最適な組み合わせが示されなければならない。
【０００４】
様々な形態のエネルギー関連の機能性を生み出す素反応を独立して制御することは、集合体では困難である。将来に望まれるミッション性能を達成するのに必要な材質化学の飛躍的進歩はナノ科学を含み、ナノスケールの構成要素を集めて電源に固有の多機能構造を構築する能力が特に重要視される。
【０００５】
エネルギーを生成または貯蓄する基本的プロセスは、現在の構造ナノ科学の観点、すなわち「空所」（ボイドスペース）および意図的な無秩序設計の構成要素の使用を含む適切なナノスケールの構成要素から三次元（３Ｄ）導電性構造の設計および製作の観点から再考することが可能である。
【０００６】
エアロゲル（湿潤ゲルを本質的に細孔崩壊のないように乾燥することによって得られる）およびアンビゲル（湿潤ゲルを無極性の低表面張力間隙流体で処理することによって得られる）の細孔固体ナノ構造の特質は、ナノスケールでの電荷輸送に新しい側面を与える。
【０００７】
エアロゲルおよびアンビゲルは本質的に高表面積を混合しており、この高表面積は、連続相互貫入（ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｉｎｔｅｒｐｅｎｅｔｒａｔｉｎｇ）メソ多孔体ネットワークを有する、挿入酸化物ナノ粒子の樹状自動配線（ｓｅｌｆ−ｗｉｒｅｄ）共有結合ネットワークとして表され、反応物および生成物の急速な拡散フラックスを確実にする。
【０００８】
速度が重要な用途（検出、エネルギー貯蔵、エネルギー変換、触媒作用、合成）において、アンビゲルまたはエアロゲルとして表される多機能材料は、２Ｄまたは３Ｄの有孔性ナノ構造の反応より１０〜１０００倍反応が速い。配管（プラミング）の質（すなわち、三次元のメソ多孔体ネットワークの連続性）は、これらナノ構造の高速特性の達成および当該構造の内部での高質な化学修飾の制御において重要な要素となる。
【０００９】
随意に設計される電池は、それが電力を供給するデバイスより大きくまたは重くならないような大きさまたは重さである。微小電気機械システムを含むメゾスコピック構造およびデバイスを製作する最近の進歩は、オンボード電源にまで縮小することにおいてまだ匹敵する程の進歩が伴ってきていない。本明細書に記載の発明は、電力が供給されるデバイスのサイズの縮小を生かすため、標準電池の慣習的な構造を変形する新規の設計戦略を提供する。これらのデバイスは電源に高負荷を課さないため、電池は電力容量または電力密度において究極でないものを考案することができ、設計においてより自由度が高まる。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【００１０】
この開示は、３つの全ての有効構成要素であるアノード、セパレータ／固体電解質、カソードの三相共連続を有するナノスケールの三次元電池構造を設計するプラットフォームとして使用される二相共連続細孔および固体ネットワークを有する超多孔質ナノ構造について説明する。
【００１１】
最初の構造足場（ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒａｌ ｓｃａｆｆｏｌｄｉｎｇ）はゾル−ゲル由来であり、この湿潤の無秩序ゲル（ｄｉｓｏｒｄｅｒｅｄ ｇｅｌ）は低表面張力から最小表面張力の状態の下で処理されることによって間隙流体を崩壊せずに除去し、これによりメソ多孔体の細孔のサイズの範囲（２〜５０ｎｍ）を有する全体にわたって連続的な細孔ネットワークを保有する。
【００１２】
前記固体ネットワークは、約１０ｎｍのドメインの高表面積挿入酸化物（カソード）または炭素（アノード）を有し、この上に（セパレータとして機能する）約１０ｎｍの厚さのポリマー薄膜が蒸着される。
【００１３】
前記固体ネットワークはまた、超並列集電体として機能する電子伝導体である良導体を有し、この上に共形超薄（＜２ｎｍ）コーティングが蒸着され、高表面積挿入酸化物（カソード）または炭素／酸化物／硫化物／窒化物／リン酸塩（アノード）として機能し、この上に（セパレータとして機能する）約１０ｎｍの厚さのポリマー薄膜が蒸着される。
【００１４】
前記メソ多孔質の残りの体積は、低融点金属（アノード）または挿入酸化物／硫化物／窒化物/リン酸塩のための貯留層を提供し、前記電池の対電極として機能する（すなわち、元の固体ネットワークの組成によってアノードになるかカソードになるかが決定される）。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】図１は、共形ポリマー超薄セパレータ／電解質が電着された酸化物ネットワークを示すモノリシック酸化マンガンアンビゲルナノ構造を図示する。
【図２】図２は、共形自己抑制（ｃｏｎｆｏｒｍａｌ ｓｅｌｆ−ｌｉｍｉｔｉｎｇ）ポリマー超薄膜がアリールモノマーの電解酸化重合を介して超多孔質導電性ナノ構造の表面上に合成されるプロセスの略図である。
【図３】図３は、共形ポリマー超薄膜がフェノラートモノマー（ｐｈｅｎｏｌａｔｅ ｍｏｎｏｍｅｒｓ）の酸化を介して超薄導電性ナノ構造上に合成されるところの電子反応およびその結果として生じるポリマーの幾つかの特性を図示する。
【図４】図４は、ＩＴＯ支持ポリフェニレンオキシドＰＰＯ被覆酸化マンガンをＭｎＯ２||ＰＰＯ||Ｇａ−Ｉｎセルとして２点プローブ固体測定で測った測定の略図である。ＭｎＯ２へのリチウムイオン挿入（＋３Ｖ）およびＭｎＯ２からの脱挿入（＋０．７Ｖ）と一致する電位への歩み寄りに関する固体電流の時間応答が示されてる。
【図５】図５は、ＭｎＯ２||ＰＰＯ||ＲｕＯ２のナノ構造の暗視野走査型透過電子顕微鏡写真と、エネルギー分散分光分析による画像領域の元素分析と、（ＰＰＯからの）Ｃ、Ｍｎ、およびＲｕに関する個々の元素マップと、Ｃ、Ｍｎ、およびＲｕのオーバーレイ（上中央に図示）とを図示する。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
この開示は、３つの全ての有効構成要素であるアノード、セパレータ／固体電解質、カソードの三相共連続を有するナノスケールの三次元電池構造を設計するプラットフォームとして使用される二相共連続細孔および固体ネットワークを有する超多孔質ナノ構造について説明する。
【００１７】
最初の構造足場はゾル−ゲル由来であり、この湿潤の無秩序ゲルは低表面張力から最小限表面張力の状態の下で処理されることによって間隙流体を崩壊せずに除去し、これにより約２〜約５０ｎｍおよび５０ｎｍ〜５００ｎｍの範囲であるメソ多孔質から小さいマクロ多孔質のサイズの細孔を有する連続細孔ネットワークを保有する。
【００１８】
前記固体ネットワークは、約１０ｎｍのドメインの高表面積挿入酸化物（カソード）または炭素（アノード）を有し、この上に（セパレータとして機能する）約１０ｎｍの厚さのポリマー薄膜が蒸着される。
【００１９】
前記固体ネットワークはまた、超並列集電体として機能する電子伝導体である良導体を有し、この上に共形超薄（＜２ｎｍ）コーティングが蒸着され、高表面積挿入酸化物（カソード）または炭素／酸化物／硫化物／窒化物／リン酸塩（アノード）として機能し、この上に（パレータとして機能する）約１０ｎｍの厚さのポリマー薄膜が蒸着される。
【００２０】
前記メソ多孔質の残りの体積は、低融点金属（アノード）または挿入酸化物／硫化物／窒化物/リン酸塩のための貯留層を提供し、前記電池の対電極として機能する（すなわち、元の固体ネットワークの組成によってアノードになるかカソードになるかが決定される）。
【００２１】
図１に図示する構造において、多孔質基体は非周期的またはランダムな「スポンジ」ネットワークを有し、電池の挿入カソードとしてまたは、挿入アノードまたはカソードとして機能することができる材料である共形超薄コーティングが蒸着されて超並列３Ｄ集電体として機能する。
【００２２】
前記多孔質基体は、次に電子絶縁イオン伝導性誘電体（例えば、電解質）で被覆され、残りの自由体積には相互貫入（ｉｎｔｅｒｐｅｎｅｔｒａｔｉｎｇ）導電性材料が添加されて前記電池の第２の電極を形成する（当該第２の電極は、元の足場（ｓｃａｆｆｏｌｄ）または被覆された足場が前記電池のカソードとして機能する場合アノードであり、当該元の足場または被覆された足場が前記電池のアノードとして機能する場合カソードである）。
【００２３】
前記構造は同心円状の電極構成を表し、前記イオン伝導性誘電体が前記多孔質電極足場を覆う一方で、他の電極はメソ多孔体およびマクロ多孔体の間隙を満たし且つ前記イオン伝導性誘電体の周囲を取り囲む。
【００２４】
この配置により、前記多孔質３Ｄ基体（セルの第１の電極であり例えばカソード）と前記第２の導電性材料（セルの第２の電極であり例えばアノード）との間に短い輸送経路が提供される。
【００２５】
さらに、前記多孔質３Ｄ基体、前記イオン伝導性材料、および前記第２の導電性材料を含む電池の全ての構成要素は、前記スポンジ状構造の全体にわたって連続している。
【００２６】
また、本明細書は３Ｄ電荷挿入ナノ構造の製作手順について説明しており、この手順は、カソード、セパレータ、およびアノードの三相共連続合成物の高質なアセンブリを達成するための相互貫入メソ多孔質ネットワークの重要性について強調している。
【００２７】
３次元電荷貯留構造は、図１に示すように、メソ多孔質ナノ構造の限定空間内に適切な誘電性および／またはイオン伝導性コーティングを共形合成することによって作成することができる。
【００２８】
これらの内部修飾化プロセスが共形であり、且つこれらの成長が自己抑制される点は重要なことである。
【００２９】
前記高表面積ナノスケール固体の修飾は、全体にわたって連続的な多孔質ネットワークを塞がないように達成されなければならない。さもなければ、前記電池の挿入対電極の高質な間詰め（ｉｎｔｅｒｆｉｌｉｎｇ）が達成できない。
【００３０】
示している実施例は、ポリマーセパレータ／電解質がｉｎ ｓｉｔｕで電着されるＭｎＯｘアンビゲルの支持薄膜の形で、起伏の多いカチオン挿入酸化物プラットフォームとして二酸化マンガンを使用することを含む。
【００３１】
二酸化マンガンは、前記ナノ電池の挿入カソードとして機能する、前記エアロゲルネットワークのために選択した酸化物である。二酸化マンガン（ＩＶ）は、多数のゾル−ゲル調合液がこの酸化物のために文字通りその非晶形（ａ−ＭｎＯ２）およびその様々な結晶（および多孔性結晶）多形の両方において存在することができる、特に万能な組成物である。一般に、非晶質物は、これらの結晶形よりもより高い実際的な挿入能力を提供する。結晶子またはドメインサイズを単分散の方法で制御するのが困難であるほとんどの調製法と異なり、エアロゲルのドメインサイズは、焼結に対して耐性があり且つより小さいまたは大きなドメインサイズのいずれにおいても合成するのが困難である約１０ｎｍのサイズである。
【００３２】
ピンホールのないポリマー超薄膜バリアが前記ナノ構造の壁部一面に共形的に形成されて、前記電池の２つのナノスケールの電極の間で物理的および電子的バリアとして機能するようになった後、残りの自由体積は次にナノ材料が添加されて挿入対電極として機能する。
【００３３】
前記ナノ電池構想に要求される構成要素のナノスケールでの完全な３Ｄの具現化は、ポリマー被覆した多孔質酸化物ナノ構造内で無秩序無水ＲｕＯ２のナノ粒子を合成することによって実証されてきた。非伝統的な電池材料ではあるが、ナノスケールのＲｕＯ２は、酸化物がナノスケールで無秩序であるとき特に、可逆的にリチウムイオンを挿入することが示されてきた。
【００３４】
例としては、例えば電子絶縁リチウムイオン伝導性ポリマー超薄膜セパレータの作成である。
【００３５】
前記酸化マンガンナノ構造における配管（ｐｌｕｍｂｉｎｇ）の質（すなわち、三次元のメソ多孔体ネットワークの連続性）は、３Ｄナノ電池への途上で構成要素のアセンブリの制御を保持するために重要である。塩基性メタノールおよびアセトニトリルでのフェノールおよび２．６−ジメチルフェノールの電気酸化は、図２に示すように平坦電極で自己停止成長を介してＭｎＯｘアンビゲル薄膜で進行し、図３に示すように数十ナノメートルの厚さの高電子絶縁であり且つ集合体のような絶縁耐力を有するポリフェニレンオキシドをベースとする薄膜を生成する。
【００３６】
イオンは、次に無水リチウム電解質を使用する溶媒キャスト法またはイオン機能を有する共電気酸化（ｃｏ−ｅｌｅｃｔｒｏ−ｏｘｉｄｉｚｉｎｇ）置換フェノールのいずれかによって前記電着された薄膜内に組み込まれる。
【００３７】
ポリフェニレンオキシドをベースとするコーティングで同様に修飾されるＩＴＯ（インジウムをドープした酸化スズ、導電透明ガラス）で行われたＡＣインピーダンス測定によって、電着ポリフェニレンオキシドをベースとする薄膜は誘電の機能を果たすが、リチウムイオン移動を組み込んだ後イオン輸送のインピーダンス応答特性に変換することが検証される。図４に示すように、２点プローブＤＣ測定によって、リチウムイオンは電着ポリマー超薄膜を通って固体輸送を生じ、バーネス鉱型ＭｎＯｘナノ構造およびＧａ−Ｉｎ対電極の中に挿入／非挿入することが実証される。
【００３８】
前記ナノ構造は、電気化学的方法、物理的方法、構造的方法、および微視的方法によって各ステージ（電極足場；ポリマー被覆電極；カソード｜ポリマーセパレータ｜アノードの三相共連続アセンブリ）において特徴付けられる。この電池技術は、メソ多孔質からマクロ多孔質へのナノ構造として（または内で）合成されるとき、標準電池構成要素（挿入カソード、ポリマーセパレータ/電解質、および挿入アノード）の物理化学的特性を確立する。
【００３９】
完全な電池製作の実施例
ポリマー被覆ＭｎＯ２ナノ構造に、次に、極低温状態でヘキサンまたはペンタンのＲｕＯ４溶液からＲｕＯ２の自己触媒析出によって対電極を浸潤する。
【００４０】
透過電子顕微鏡法により、前記ポリマーおよびＲｕＯ２が前記メソ多孔質ＭｎＯ２マトリックス全体にわたって共形的に統合されていることが実証される。エネルギー分散Ｘ線分光法（ｅｎｅｒｇｙ−ｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅ Ｘ−ｒａｙ ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ：ＥＤＳ）を使用して、三相共連続構造（ＩＴＯ支持体が剥げて取れたＭｎＯ２｜ＰＰＯ｜ＲｕＯ２）の一部分に存在するマンガン、炭素、およびリチウムの元素マップが得られ、これは図５に示すような走査型透過電子顕微鏡法で得られる暗視野像に相当する。前記ＥＤＳ元素マップのオーバーレイは、前記ポリマーおよびＲｕＯ２が前記ＭｎＯ２上に分散されていることを明らかにし、且つ前記ポリマーおよびＲｕＯ２が前記ＭｎＯ２構造のメソ多孔質構造を貫通しているのを実証する。平面ＭｎＯ２｜ＰＰＯ｜ＲｕＯ２｜ＧａＩｎの固体測定は、対電極を電気的に短絡しないでＲｕＯ２の蒸着ができていることを示している。
【００４１】
この開示で説明した前記ＭｎＯ２｜ポリマー｜ＲｕＯ２ナノ構造は、一体となった三相共連続ナノ構造を示す三相共連続スポンジ形状であって、挿入アノードおよびカソードが互いにナノメートルの範囲内にあり且つ可塑化溶媒ではないリチウムイオン移動を含む固体ポリマーによって分離されている。
【００４２】
上述の閉じ込め状態で表面を修飾する成功手順によって、固体素子を製作する能力と、構成要素がナノスケールで統合され且つ改善されたパフォーマンスを有する電気化学システムをもたらす能力とが促進される。
【００４３】
ナノスケール（５〜３０ｎｍの厚さ）固体ポリマー電解質の直接的な利益は、電荷輸送が著しく改善された速度能力である。
【００４４】
少量のリチウム伝導体しか有しないポリマーであっても、たった数十ナノメートルの厚さがあれば最小限の抵抗を提供する。
【００４５】
電気的および電気化学的応用で対象の典型的なナノ結晶混合導電性酸化物は、結晶粒界の寄与を増幅し且つパフォーマンスを制限する大きな電荷輸送抵抗を作成する非結合ナノ粒子として使用される。混合導電性特性の非結合（非ネットワーク）ナノ粒子は、少量の電子伝導性がある材料であり複合電極を形成するため、電子伝導性粉末（例えば、炭素粉末、ナノチューブ、またはナノファイバー）およびポリマー接着剤の追加を必要とする。エアロゲルおよびアンビゲルの連続共有結合固体ネットワークはこれらの粒界を排除する、この結果これら材料は連続フラクタルネットワークとして電気的に応答する。この開示はエアロゲルをベースとするナノ構造に関するが、ゾル−ゲル由来若しくは由来でない他の全体にわたって多孔質な導電性構造にも適用されるものである。
【００４６】
この開示の代替として、典型的には１マイクロメータ若しくはそれ以上の長さスケールであることを特徴とする棒状の電極アレイを基にした他の３次元電極形状も含む。この様な場合、電極アレイは、電荷質および対電極相によって満たされた間隙空間と共にアノードまたはカソードのいずれかを有し、或いは電解質相によって分離されるカソード棒およびアノード棒の交互組み合わせアレイが完全な３Ｄ電池として機能する。この様な３Ｄ電池設計は、従来の２Ｄ薄膜電池をはるかに超える有意な利益を提供する。
【００４７】
上記の記載は、本発明の好ましい実施形態の説明である。上記の教示に照らして、様々な修正および変更が可能である。従って、本発明は特段の説明がない限り添付の特許請求の範囲の範囲内において実行されることは理解されるべきである。単数形で要素を主張するあらゆる言及（例えば冠詞の「a」、「an」、「the」、または「said」など）は、該要素を単数形に限定するものとして解釈されるものではない。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
三次元電池構造デバイスであって、
非周期的またはランダムなスポンジネットワークを有する多孔質基体であって、電池の第１の電極を形成するものである、前記多孔質基体と、
前記多孔質基体上に蒸着するコーティングであって、当該コーティングは電子絶縁イオン伝導性誘電体であり、前記電池の電解質を形成するものである、前記コーティングと、
残りの自由体積上に蒸着する更なるコーティングであって、当該コーティングは相互貫入導電体（ｉｎｔｅｒｐｅｎｅｔｒａｔｉｎｇ ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｙ ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ ｍａｔｅｒｉａｌ）であり、前記電池の第２の対電極を形成するものである、前記更なるコーティングと
を有する三次元電池構造デバイス。
【請求項２】
請求項１記載の三次元電池構造デバイスにおいて、前記細孔は、約２〜約５０ｎｍである三次元電池構造デバイス。
【請求項３】
請求項１記載の三次元電池構造デバイスにおいて、前記デバイスは、ゾル−ゲル由来である三次元電池構造デバイス。
【請求項４】
請求項２記載の三次元電池構造デバイスにおいて、前記ネットワークは、約１０ｎｍのドメインの挿入酸化物材料（ｉｎｔｅｒｃａｌａｔｉｎｇ ｏｘｉｄｅ ｍａｔｅｒｉａｌ）である三次元電池構造デバイス。
【請求項５】
請求項４記載の三次元電池構造デバイスにおいて、前記多孔質基体上に蒸着する前記第１のコーティングは、約１０ｎｍの厚さを有する電子絶縁イオン伝導性誘電性ポリマーである三次元電池構造デバイス。
【請求項６】
請求項５記載の三次元電池構造デバイスにおいて、前記残りの自由体積に蒸着する前記更なるコーティングは低融点金属であり、前記電池のアノードを形成するものである三次元電池構造デバイス。
【請求項７】
三次元電池構造デバイスであって、
非周期的またはランダムなスポンジネットワークを有するナノスケール多孔質基体によって形成されるカソードと、
前記多孔質基体上に蒸着する第１のコーティングによって形成される固体電解質であって、当該第１のコーティングは電子絶縁イオン伝導性誘電体である、前記固体電解質と、
前記第１のコーティングに蒸着する第２のコーティングによって形成されるアノードであって、当該第２のコーティングは相互貫入導電体である、前記アノードと
を有し、
前記アノード、前記固体電解質、および前記カソードは、三相共連続（ｔｒｉｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ）である
三次元電池構造デバイス。
【請求項８】
請求項７記載の三次元電池構造デバイスにおいて、前記非周期的またはランダムなスポンジネットワークを有する多孔質基体によって定義される前記カソードは、エアロゲル、アンビゲル、およびナノフォームから成る群から選択されるうちの１つである三次元電池構造デバイス。
【請求項９】
請求項８記載の三次元電池構造デバイスにおいて、前記非周期的またはランダムなスポンジネットワークを有する前記多孔質基体によって定義される前記カソードは、約２〜約５０ｎｍの細孔を有するものである三次元電池構造デバイス。
【請求項１０】
請求項９記載の三次元電池構造デバイスにおいて、前記デバイスは、ゾル−ゲル由来である三次元電池構造デバイス。
【請求項１１】
請求項１０記載の三次元電池構造デバイスにおいて、前記ネットワークは、約１０ｎｍ領域の挿入酸化物材料である三次元電池構造デバイス。
【請求項１２】
請求項１１記載の三次元電池構造デバイスにおいて、前記多孔質基体上に蒸着する前記第１のコーティングは、約１０ｎｍの厚さを有する電子絶縁イオン伝導性誘電性ポリマーである三次元電池構造デバイス。
【請求項１３】
請求項１２記載の三次元電池構造デバイスにおいて、残りの自由体積に蒸着する第２のコーティングは、前記電池のアノードを形成する低融点金属またはコロイド挿入酸化物／硫化物／窒化物／リン酸塩のいずれかである三次元電池構造デバイス。
【請求項１４】
三次元電池構造デバイスであって
非周期的またはランダムなスポンジネットワークを有するナノスケール多孔質基体によって形成される超並列３Ｄ電子伝導性足場（ｓｃａｆｆｏｌｄ）（集電体）と、
前記３Ｄ超多孔質集電体の壁部に蒸着する約１０〜２０ｎｍの厚さの共形超薄コーティングであって、前記三相共連続３Ｄ電池の第１の電極（カソードまたはアノードのうちのいずれか）として機能するものである、前記コーティングと、
前記電極コーティング多孔質基体に蒸着する更なるコーティングによって定義される固体電解質であって、当該更なるコーティングは電子絶縁イオン伝導性誘電体である、前記固体電解質と、
前記電解質／セパレータコーティングに蒸着する追加のコーティングによって形成される第２の対電極（それぞれカソードまたはアノードのうちのいずれか）であって、前記追加のコーティングは相互貫入導電体である、前記第２の対電極と
を有し、
前記アノード、前記固体電解質、前記カソード、および前記最初の３Ｄ集電足場は三相共連続である
三次元電池構造デバイス。
【請求項１５】
請求項１４記載の三次元電池構造デバイスにおいて、前記非周期的またはランダムなスポンジネットワークを有するナノスケール多孔質基体によって形成される前記超並列３Ｄ電子伝導性足場は、エアロゲル、アンビゲル、またはナノフォームであり、前記前記非周期的またはランダムなスポンジネットワークを有するナノスケール多孔質基体によって形成される前記超並列３Ｄ電子伝導性足場は、約２０ｎｍ〜約５００ｎｍの細孔を有するものである三次元電池構造デバイス。
【請求項１６】
請求項１５記載の三次元電池構造デバイスにおいて、前記デバイスは、ゾル−ゲル由来である三次元電池構造デバイス。
【請求項１７】
請求項１６記載の三次元電池構造デバイスにおいて、前記ネットワークは、約１０ｎｍ〜約２０ｎｍのドメインの挿入材料で共形的に被覆されて、有効な前記カソード材料として機能するものである三次元電池構造デバイス。
【請求項１８】
請求項１７記載の三次元電池構造デバイスにおいて、さらに、
前記多孔質基体上に蒸着する更なるコーティングを含み、当該更なるコーティングは約１０ｎｍ〜約５０ｎｍの厚さを有する電子絶縁イオン伝導性誘電性ポリマーを有するものである三次元電池構造デバイス。
【請求項１９】
請求項１８記載の三次元電池構造デバイスにおいて、残りの自由体積に蒸着する追加のコーティングは、前記電池のアノードを形成する低融点金属またはコロイド挿入酸化物／硫化物／窒化物／リン酸塩のいずれかであり、前記電池のアノードを形成するものである三次元電池構造デバイス。
【請求項２０】
三次元電池構造デバイスを製造する方法であって、
多孔質基体上に第１のコーティングを蒸着する工程であって、当該多孔質基体は非周期的またはランダムなスポンジネットワークを有して、電池のカソードを形成するものであり、さらに当該第１のコーティングは電子絶縁イオン伝導性誘電体であり、前記電池の電解質を形成するものである、前記蒸着する工程と、
前記第１のコーティングおよび残りの自由体積に第２のコーティングを蒸着する工程であって、当該第２のコーティングは相互貫入導電体であり、前記電池のアノード形成するものである、前記蒸着する工程と
を有する三次元電池構造デバイスを製造する方法。
【請求項２１】
請求項２０記載の三次元電池構造デバイスを製造する方法において、前記非周期的またはランダムなスポンジネットワークを有するナノスケール多孔質基体によって形成される前記カソードは、エアロゲル、アンビゲル、またはナノフォームであり、前記非周期的またはランダムなスポンジネットワークを有するナノスケール多孔質基体によって形成される前記カソードは、約２〜約５０ｎｍの細孔を有するものである三次元電池構造デバイスを製造する方法。
【請求項２２】
請求項２１記載の三次元電池構造デバイスを製造する方法において、前記デバイスは、ゾル−ゲル由来である三次元電池構造デバイスを製造する方法。
【請求項２３】
請求項２２記載の三次元電池構造デバイスを製造する方法において、前記ネットワークは約１０ｎｍの領域の挿入酸化物材料であり、前記多孔質基体に蒸着する前記第１のコーティングは、約１０ｎｍの厚さを有する電子絶縁イオン伝導性誘電性ポリマーであり、前記残りの自由体積に蒸着する前記第２のコーティングは、低融点金属またはコロイド挿入酸化物／硫化物／窒化物／リン酸塩のいずれかであって、前記電池のアノードを形成するものである三次元電池構造デバイスを製造する方法。
【請求項１】
三次元電池構造デバイスであって、
非周期的またはランダムなスポンジネットワークを有する多孔質基体であって、電池の第１の電極を形成するものである、前記多孔質基体と、
前記多孔質基体上に蒸着するコーティングであって、当該コーティングは電子絶縁イオン伝導性誘電体であり、前記電池の電解質を形成するものである、前記コーティングと、
残りの自由体積上に蒸着する更なるコーティングであって、当該コーティングは相互貫入導電体（ｉｎｔｅｒｐｅｎｅｔｒａｔｉｎｇ ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｙ ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ ｍａｔｅｒｉａｌ）であり、前記電池の第２の対電極を形成するものである、前記更なるコーティングと
を有する三次元電池構造デバイス。
【請求項２】
請求項１記載の三次元電池構造デバイスにおいて、前記細孔は、約２〜約５０ｎｍである三次元電池構造デバイス。
【請求項３】
請求項１記載の三次元電池構造デバイスにおいて、前記デバイスは、ゾル−ゲル由来である三次元電池構造デバイス。
【請求項４】
請求項２記載の三次元電池構造デバイスにおいて、前記ネットワークは、約１０ｎｍのドメインの挿入酸化物材料（ｉｎｔｅｒｃａｌａｔｉｎｇ ｏｘｉｄｅ ｍａｔｅｒｉａｌ）である三次元電池構造デバイス。
【請求項５】
請求項４記載の三次元電池構造デバイスにおいて、前記多孔質基体上に蒸着する前記第１のコーティングは、約１０ｎｍの厚さを有する電子絶縁イオン伝導性誘電性ポリマーである三次元電池構造デバイス。
【請求項６】
請求項５記載の三次元電池構造デバイスにおいて、前記残りの自由体積に蒸着する前記更なるコーティングは低融点金属であり、前記電池のアノードを形成するものである三次元電池構造デバイス。
【請求項７】
三次元電池構造デバイスであって、
非周期的またはランダムなスポンジネットワークを有するナノスケール多孔質基体によって形成されるカソードと、
前記多孔質基体上に蒸着する第１のコーティングによって形成される固体電解質であって、当該第１のコーティングは電子絶縁イオン伝導性誘電体である、前記固体電解質と、
前記第１のコーティングに蒸着する第２のコーティングによって形成されるアノードであって、当該第２のコーティングは相互貫入導電体である、前記アノードと
を有し、
前記アノード、前記固体電解質、および前記カソードは、三相共連続（ｔｒｉｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ）である
三次元電池構造デバイス。
【請求項８】
請求項７記載の三次元電池構造デバイスにおいて、前記非周期的またはランダムなスポンジネットワークを有する多孔質基体によって定義される前記カソードは、エアロゲル、アンビゲル、およびナノフォームから成る群から選択されるうちの１つである三次元電池構造デバイス。
【請求項９】
請求項８記載の三次元電池構造デバイスにおいて、前記非周期的またはランダムなスポンジネットワークを有する前記多孔質基体によって定義される前記カソードは、約２〜約５０ｎｍの細孔を有するものである三次元電池構造デバイス。
【請求項１０】
請求項９記載の三次元電池構造デバイスにおいて、前記デバイスは、ゾル−ゲル由来である三次元電池構造デバイス。
【請求項１１】
請求項１０記載の三次元電池構造デバイスにおいて、前記ネットワークは、約１０ｎｍ領域の挿入酸化物材料である三次元電池構造デバイス。
【請求項１２】
請求項１１記載の三次元電池構造デバイスにおいて、前記多孔質基体上に蒸着する前記第１のコーティングは、約１０ｎｍの厚さを有する電子絶縁イオン伝導性誘電性ポリマーである三次元電池構造デバイス。
【請求項１３】
請求項１２記載の三次元電池構造デバイスにおいて、残りの自由体積に蒸着する第２のコーティングは、前記電池のアノードを形成する低融点金属またはコロイド挿入酸化物／硫化物／窒化物／リン酸塩のいずれかである三次元電池構造デバイス。
【請求項１４】
三次元電池構造デバイスであって
非周期的またはランダムなスポンジネットワークを有するナノスケール多孔質基体によって形成される超並列３Ｄ電子伝導性足場（ｓｃａｆｆｏｌｄ）（集電体）と、
前記３Ｄ超多孔質集電体の壁部に蒸着する約１０〜２０ｎｍの厚さの共形超薄コーティングであって、前記三相共連続３Ｄ電池の第１の電極（カソードまたはアノードのうちのいずれか）として機能するものである、前記コーティングと、
前記電極コーティング多孔質基体に蒸着する更なるコーティングによって定義される固体電解質であって、当該更なるコーティングは電子絶縁イオン伝導性誘電体である、前記固体電解質と、
前記電解質／セパレータコーティングに蒸着する追加のコーティングによって形成される第２の対電極（それぞれカソードまたはアノードのうちのいずれか）であって、前記追加のコーティングは相互貫入導電体である、前記第２の対電極と
を有し、
前記アノード、前記固体電解質、前記カソード、および前記最初の３Ｄ集電足場は三相共連続である
三次元電池構造デバイス。
【請求項１５】
請求項１４記載の三次元電池構造デバイスにおいて、前記非周期的またはランダムなスポンジネットワークを有するナノスケール多孔質基体によって形成される前記超並列３Ｄ電子伝導性足場は、エアロゲル、アンビゲル、またはナノフォームであり、前記前記非周期的またはランダムなスポンジネットワークを有するナノスケール多孔質基体によって形成される前記超並列３Ｄ電子伝導性足場は、約２０ｎｍ〜約５００ｎｍの細孔を有するものである三次元電池構造デバイス。
【請求項１６】
請求項１５記載の三次元電池構造デバイスにおいて、前記デバイスは、ゾル−ゲル由来である三次元電池構造デバイス。
【請求項１７】
請求項１６記載の三次元電池構造デバイスにおいて、前記ネットワークは、約１０ｎｍ〜約２０ｎｍのドメインの挿入材料で共形的に被覆されて、有効な前記カソード材料として機能するものである三次元電池構造デバイス。
【請求項１８】
請求項１７記載の三次元電池構造デバイスにおいて、さらに、
前記多孔質基体上に蒸着する更なるコーティングを含み、当該更なるコーティングは約１０ｎｍ〜約５０ｎｍの厚さを有する電子絶縁イオン伝導性誘電性ポリマーを有するものである三次元電池構造デバイス。
【請求項１９】
請求項１８記載の三次元電池構造デバイスにおいて、残りの自由体積に蒸着する追加のコーティングは、前記電池のアノードを形成する低融点金属またはコロイド挿入酸化物／硫化物／窒化物／リン酸塩のいずれかであり、前記電池のアノードを形成するものである三次元電池構造デバイス。
【請求項２０】
三次元電池構造デバイスを製造する方法であって、
多孔質基体上に第１のコーティングを蒸着する工程であって、当該多孔質基体は非周期的またはランダムなスポンジネットワークを有して、電池のカソードを形成するものであり、さらに当該第１のコーティングは電子絶縁イオン伝導性誘電体であり、前記電池の電解質を形成するものである、前記蒸着する工程と、
前記第１のコーティングおよび残りの自由体積に第２のコーティングを蒸着する工程であって、当該第２のコーティングは相互貫入導電体であり、前記電池のアノード形成するものである、前記蒸着する工程と
を有する三次元電池構造デバイスを製造する方法。
【請求項２１】
請求項２０記載の三次元電池構造デバイスを製造する方法において、前記非周期的またはランダムなスポンジネットワークを有するナノスケール多孔質基体によって形成される前記カソードは、エアロゲル、アンビゲル、またはナノフォームであり、前記非周期的またはランダムなスポンジネットワークを有するナノスケール多孔質基体によって形成される前記カソードは、約２〜約５０ｎｍの細孔を有するものである三次元電池構造デバイスを製造する方法。
【請求項２２】
請求項２１記載の三次元電池構造デバイスを製造する方法において、前記デバイスは、ゾル−ゲル由来である三次元電池構造デバイスを製造する方法。
【請求項２３】
請求項２２記載の三次元電池構造デバイスを製造する方法において、前記ネットワークは約１０ｎｍの領域の挿入酸化物材料であり、前記多孔質基体に蒸着する前記第１のコーティングは、約１０ｎｍの厚さを有する電子絶縁イオン伝導性誘電性ポリマーであり、前記残りの自由体積に蒸着する前記第２のコーティングは、低融点金属またはコロイド挿入酸化物／硫化物／窒化物／リン酸塩のいずれかであって、前記電池のアノードを形成するものである三次元電池構造デバイスを製造する方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公表番号】特表２０１３−５０５５２１（Ｐ２０１３−５０５５２１Ａ）
【公表日】平成２５年２月１４日（２０１３．２．１４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−５２２８３９（Ｐ２０１２−５２２８３９）
【出願日】平成２２年６月２１日（２０１０．６．２１）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２０１０／０３９３６０
【国際公開番号】ＷＯ２０１１／０１４３１２
【国際公開日】平成２３年２月３日（２０１１．２．３）
【出願人】（５００２３８７９０）アメリカ合衆国 (13)
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２５年２月１４日（２０１３．２．１４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年６月２１日（２０１０．６．２１）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２０１０／０３９３６０
【国際公開番号】ＷＯ２０１１／０１４３１２
【国際公開日】平成２３年２月３日（２０１１．２．３）
【出願人】（５００２３８７９０）アメリカ合衆国 (13)
【Ｆターム（参考）】
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