(57)【要約】      （修正有）【課題】電気化学トランジスタを用いて、エネルギー生成又は消費デバイスを通る局所電流の流れを制御するシステムを提供する。【解決手段】電流リミッタ１３１が、エネルギーデバイス１２０と集電体層１１１との間に配設される。電流リミッタは、エネルギーデバイスと集電体層との間の電流の流れを制御する。複数の電気化学トランジスタ（ＥＣＴ）１３１−１，２が、アレイ内に配置され、それにより、アレイ内の各ＥＣＴが、エネルギーデバイス用の局所化された電流制御を提供する。各ＥＣＴは、ゲート電極、ドレイン電極、ソース電極、及びドレイン電極とソース電極との間に配設されたチャネルを含む。電解質は、ゲート電極をチャネルに電気的に連結し、それにより、ゲート電極の電気信号が、チャネルの電気伝導性を制御する。集電体層は、ＥＣＴ用の共有されたドレイン又はソース電極である。【選択図】図１
2020060557.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
システムであって、
少なくとも１つの集電体層と、
電流を発生させる又は消費するように構成された活性領域を含むエネルギーデバイスと、
前記活性領域と前記集電体層との間に配設された複数の電気化学トランジスタを備える電流リミッタと、を備え、前記複数の電気化学トランジスタ（ＥＣＴ）が、前記アレイ内に配置され、それにより、前記アレイ内の各ＥＣＴが、前記電流提供又は消費デバイス用の局所化された電流制御を提供し、各ＥＣＴが、
ドレイン電極と、
ソース電極と、
前記ドレイン電極及び前記ソース電極間に配設されたチャネルと、
ゲート電極と、
前記ゲート電極を前記チャネルに電気的に連結し、それにより、前記ゲート電極の電気信号が前記チャネルの電気伝導性を制御する、電解質と、を含み、前記集電体層が、前記ＥＣＴ用の共有されたドレイン又はソース電極である、システム。
【請求項２】
前記ゲート電極が、前記集電体層上に直接配設されている、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記アレイが、隣接するＥＣＴの各ペアの間に配設された絶縁体を含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項４】
前記少なくとも１つの集電体層が、第２の集電体層を含み、
前記電流リミッタが、前記活性領域と前記第２の集電体層との間に配設された第２の複数のＥＣＴを含み、前記第２の複数のＥＣＴが、第２のアレイ内に配置され、それにより、前記第２のアレイ内の各ＥＣＴが、前記エネルギーデバイス用の局所化された電流制御を提供する、請求項１に記載のシステム。
【請求項５】
前記アレイの前記ＥＣＴの前記ソース電極又は前記ドレイン電極が、前記エネルギーデバイスのパターン化された電極に電気的に接続されている、請求項１に記載のシステム。
【請求項６】
前記ゲート電極が、前記エネルギーデバイスの前記パターン化された電極上に配設されている、請求項５に記載のシステム。
【請求項７】
各ＥＣＴが、前記電解質と前記ゲート電極との間に配設された所定の電気化学ポテンシャルを有する少なくとも１つのレドックス対を含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項８】
前記ゲート電極が、前記ドレイン又はソース電極に短絡されている、請求項１に記載のシステム。
【請求項９】
前記電流リミッタが、
前記ＥＣＴの１つ以上のゲート電極にそれぞれ連結された１つ以上の制御線と、
前記制御線に連結された制御回路と、を含み、前記制御回路が、前記制御線上に１つ以上のゲート制御信号を発生させるように構成されている、請求項１に記載のシステム。
【請求項１０】
前記制御回路によって発生した前記１つ以上のゲート制御信号が、前記ＥＣＴの場所に基づいて前記アレイの前記ＥＣＴを通る電流を制御する、請求項９に記載のシステム。
【請求項１１】
前記制御回路によって発生した前記１つ以上のゲート制御信号が、時間に基づいて前記アレイの前記ＥＣＴを通る電流を制御する、請求項９に記載のシステム。
【請求項１２】
前記電流リミッタが、１つ以上のセンサを含み、各センサが、前記エネルギーデバイスと関連付けられたパラメータを検知するように構成され、前記制御回路が、前記検知されたパラメータに基づいて前記１つ以上のゲート制御信号を発生させるように構成されている、請求項９に記載のシステム。
【請求項１３】
前記パラメータが、温度、化学物質の濃度、生体物質の濃度、ｐＨ、湿度、イオン濃度、電位、電流、抵抗、インピーダンス、静電容量、光強度、応力、歪み、及び圧力のうちの１つを含む、請求項１２に記載のシステム。
【請求項１４】
前記ＥＣＴが、前記ゲート電極と前記電解質との間にレドックス対を含み、前記レドックス対と関連付けられた電気化学ポテンシャルが、刺激に応答して変化する、請求項１に記載のシステム。
【請求項１５】
前記刺激が、温度、化学物質の濃度、生体物質の濃度、ｐＨ、湿度、イオン濃度、前記電流提供デバイスのアノード又はカソードの局所電位、及び圧力のうちの１つを含む、請求項１４に記載のシステム。
【請求項１６】
前記エネルギーデバイスが、電池セルである、請求項１に記載のシステム。
【請求項１７】
前記電流提供デバイスが、光電池である、請求項１に記載のシステム。
【請求項１８】
前記電流提供デバイスが、燃料電池である、請求項１に記載のシステム。
【請求項１９】
システムであって、
アノード電極とカソード電極との間に配設された第１の電解質を含む電池セルと、
少なくとも１つの集電体層と、
前記電池セルの前記アノード電極又は前記カソード電極と前記集電体層との間に配設された第１の複数の電気化学トランジスタと、を備え、前記第１の複数の電気化学トランジスタ（ＥＣＴ）が、第１のアレイ内に配置され、それにより、前記第１のアレイ内の各ＥＣＴが、電池用の局所化された電流制御を提供し、各ＥＣＴが、
ドレイン電極と、
ソース電極と、
前記ドレイン電極及び前記ソース電極間に配設されたチャネルと、
ゲート電極と、
前記ゲート電極を前記チャネルに電気的に連結し、それにより、前記ゲート電極の電気信号が前記チャネルの電気伝導性を制御する、第２の電解質と、を含み、前記集電体層が、前記ＥＣＴ用の共有されたドレイン又はソース電極であり、前記ゲート電極が、前記ドレイン及びソース電極のうちの一方に短絡されている、システム。
【請求項２０】
前記少なくとも１つの集電体層が、第２の集電体層を含み、
前記電池セルの前記カソード電極又は前記アノード電極と前記集電体層との間に配設された第２のアレイ内に配置された第２の複数のＥＣＴを含む、第２の電流リミッタと、を更に備える、請求項１９に記載のシステム。
【請求項２１】
方法であって、
第１のストライプパターンで集電体層上に第１の絶縁層を堆積させることと、
チャネル半導体層を、前記チャネル半導体層の複数の別個の領域が、前記集電体層の第１の非絶縁部分の上に配設されるように、パターンで堆積させることと、
固体状電解質層を、前記固体状電解質の各別個の領域が、前記チャネル半導体層の領域に接触するように、複数の別個の領域のパターンで堆積させることと、
導電性材料層を、前記導電性材料層の各別個の領域が、前記チャネル半導体層の別個の領域と接触するように、別個の領域で堆積させることと、
ゲート電極層を、前記ゲート電極層の各別個の領域が、前記固体状電解質層の別個の領域と、前記導電性材料層の別個の領域又は前記集電体層とに接触するように、別個の領域のパターンで堆積させることと、を含む、方法。
【請求項２２】
第２の導電性材料層を、前記チャネル半導体層から電気的に絶縁されている領域内に堆積させることを更に含み、
前記ゲート電極層を堆積させることが、前記ゲート電極層を、前記ゲート電極層の各別個の領域が、前記固体状電解質層の別個の領域と、前記導電性材料層若しくは前記第２の導電性材料層の別個の領域又は前記集電体層とに接触するように、堆積させることを含む、請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
第２の絶縁層を、前記チャネル半導体層の一部分が露出されたままであるように、前記固体状電解質層の上に第２のストライプパターンで堆積させることを更に含む、請求項２１に記載の方法。
【請求項２４】
有効電流発生又は消費デバイスを、前記導電性材料層が前記有効電流発生又は消費デバイスのアノード電極又はカソード電極を形成するように、前記導電性材料層上に形成することを更に含む、請求項２１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、概して、電気化学トランジスタを用いて、エネルギー生成又は消費デバイスを通る局所電流の流れを制御するシステム、及びそのようなシステムに関する方法に関する。
【０００２】
電気化学セル（例えば、電池）は、将来の電子及び輸送用途において不可欠になっている。電池容量及びエネルギー密度を増加させること、充電時間を短縮すること、並びに携帯電話、ラップトップ、及び電気自動車などの様々なモバイル用途のための電池寿命を向上させることに著しい関心が存在する。これらの電池特性を改善する主な課題の１つは、現在のホットスポット（電極構造内の不均一性に起因する）が望ましくない副反応又はフィラメント形成を加速する、制御されていない暴走反応の可能性である。更に、内部短絡を結果としてもたらす任意の製造欠陥が、電池容量全体が内部短絡を通して急速に放電することを可能にし、電池を急速に加熱させ、壊滅的に故障させ得る。この潜在的な安全問題の周囲を設計するために、いくつかの電池パックは、電池のコスト、質量、及び容積を増加させる高度な熱及び電気管理システムを含む。これらの洗練されたシステムであっても、電池パック設計者は、単一のセル内の電流の流れを制御することができず、電池パックレベルでそれらを過剰性能に強いる。
【０００３】
いくつかの実施形態は、電流によって提供される電気エネルギーを発生させる又は消費するように構成された活性領域を含むエネルギーデバイスを含むシステムを対象とする。電流リミッタが、エネルギーデバイスと集電体層との間に配設される。電流リミッタは、エネルギーデバイスと集電体層との間の電流の流れを制御する。電流リミッタは、アレイ内に配置された複数の電気化学トランジスタ（ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ  ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ、ＥＣＴ）を備え、それにより、アレイ内の各ＥＣＴが、エネルギーデバイス用の局所化された電流制御を提供する。各ＥＣＴは、ゲート電極、ドレイン電極、ソース電極、及びドレイン電極とソース電極との間に配設されたチャネルを含む。電解質は、ゲート電極をチャネルに電気的に連結し、それにより、ゲート電極の電気信号が、チャネルの電気伝導性を制御する。集電体層は、ＥＣＴ用の共有されたドレイン又はソース電極である。
【０００４】
いくつかの実施形態は、ＥＣＴのアレイを備える電流リミッタを作製する方法を含む。チャネル半導体層は、チャネル半導体層の複数の別個の領域が集電体層に接触するように、パターンで堆積される。固体状電解質層は、固体状電解質層の各別個の領域が、チャネル半導体層の別個の領域にそれぞれ接触するように、複数の別個の領域のパターンで堆積される。導電性材料層は、導電性材料層の各別個の領域が、チャネル半導体層の別個の領域にそれぞれ接触するように、別個の領域のパターンで堆積される。ゲート電極層は、ゲート電極層の各別個の領域が、固体状電解質層の別個の領域にそれぞれ接触するように、別個の領域のパターンで堆積される。ゲート電極層の各別個の領域は、導電性材料層の別個の領域、集電体層に接触してもよく、又はセンサ若しくは他の制御回路に電気的に接続されてもよい。
【図面の簡単な説明】
【０００５】
【図１】いくつかの実施形態による、電流リミッタを組み込むシステムの側面図を示す。
【図２】第１及び第２の電流リミッタを組み込むシステムの別の実施形態を示す。
【図３】エネルギーデバイスが電池セルである、図１に説明されるシステムを示す。
【図４】いくつかの実施形態による、図１〜図３に示される電流リミッタのＥＣＴに使用され得るＥＣＴの概略図を提供する。
【図５Ａ】いくつかの実施形態による、１００μｍ×１０μｍのチャネル寸法を有するＥＣＴの出力曲線を示す。
【図５Ｂ】いくつかの実施形態による、１００μｍ×１０μｍのチャネル寸法を有するＥＣＴの出力曲線を示す。
【図５Ｃ】図５Ａ及び図５Ｂと同じデバイスのチャネル電流及びゲート電圧の関数としてのＥＣＴの微分抵抗（ｄＶＤ／ｄＩＤ）を示す。
【図６Ａ】いくつかの実施形態による、電流リミッタの上面図及び側面図をそれぞれ例示する。
【図６Ｂ】いくつかの実施形態による、電流リミッタの上面図及び側面図をそれぞれ例示する。
【図６Ｃ】いくつかの実施形態による電流リミッタの側面図を例示する。
【図７Ａ】様々な実施形態による、１つ又は２つの電流リミッタを含むシステムのいくつかの考えられる構成を示す。
【図７Ｂ】様々な実施形態による、１つ又は２つの電流リミッタを含むシステムのいくつかの考えられる構成を示す。
【図７Ｃ】様々な実施形態による、１つ又は２つの電流リミッタを含むシステムのいくつかの考えられる構成を示す。
【図７Ｄ】様々な実施形態による、１つ又は２つの電流リミッタを含むシステムのいくつかの考えられる構成を示す。
【図８】７つのサブセル又は領域を備える従来の電池の分散型モデルを提供する。
【図９】いくつかの実施形態による、電池並びに第１及び第２の電流リミッタを備えるシステムの分散型モデルである。
【図１０Ａ】モデル化に使用された電流リミッタと集電体との間に配設された電池の３つのサブセル（領域）を備えるシステムの分散型等価回路を示す。
【図１０Ｂ】図１０Ａの電池回路のモデル化から得られた内部及び外部短絡回路を通る電流をプロットしている。
【図１０Ｃ】図１０Ａに示される電池回路のモデル化から得られた内部又は外部短絡を導入した後のセル温度をプロットしている。
【図１１】集電体と複数の別個のコンタクトパッドとの間で動作可能に接続されているＥＣＴのアレイを含むシステムを例示する。
【図１２】いくつかの実施形態による、分散型制御回路を利用する電流リミッタを例示する。
【図１３】いくつかの実施形態による、分散型制御回路を利用する電流リミッタを例示する。
【図１４】いくつかの実施形態による、中央コントローラによって制御されるＥＣＴのアレイを備える電流リミッタを例示する。
【図１５】本明細書に論じられる電流リミッタで使用され得る別のＥＣＴ構造を例示する。
【図１６】本明細書に論じられる電流リミッタで使用され得る別のＥＣＴ構造を例示する。
【図１７】一実施形態による、３つの異なるタイプのレドックス対でゲートされた３つのＰＥＤＯＴ：ＰＳＳベースＯＥＣＴの伝達関数及び閾値電圧を示す。
【図１８】一実施形態による、レドックス対Ｆｅ（ＣＮ）６３−／４−の温度の関数としてのδＥＧを示す。
【図１９】いくつかの実施形態による、ＥＣＴのアレイを備える電流リミッタを形成するプロセスを例示するフロー図である。
【図２０Ａ】いくつかの実施形態による、電流リミッタを調製するための方法の中間工程の上面図及び側面図をそれぞれ例示する。
【図２０Ｂ】いくつかの実施形態による、電流リミッタを調製するための方法の中間工程の上面図及び側面図をそれぞれ例示する。
【図２１Ａ】いくつかの実施形態による、電流リミッタを調製するための方法の中間工程の上面図及び側面図をそれぞれ例示する。
【図２１Ｂ】いくつかの実施形態による、電流リミッタを調製するための方法の中間工程の上面図及び側面図をそれぞれ例示する。
【図２２Ａ】いくつかの実施形態による、電流リミッタを調製するための方法の中間工程の上面図及び側面図をそれぞれ例示する。
【図２２Ｂ】いくつかの実施形態による、電流リミッタを調製するための方法の中間工程の上面図及び側面図をそれぞれ例示する。
【図２３Ａ】いくつかの実施形態による、電流リミッタを調製するための方法の中間工程の上面図及び側面図をそれぞれ例示する。
【図２３Ｂ】いくつかの実施形態による、電流リミッタを調製するための方法の中間工程の上面図及び側面図をそれぞれ例示する。
【図２４】いくつかの実施形態で用いられ得る電流ミラー回路を概略的に図示する。
【図２５】いくつかの実施形態による、２つの直列接続されたＥＣＴの概略図を例示する。
【発明を実施するための形態】
【０００６】
本明細書の実施形態は、エネルギーを生成又は消費するエネルギーデバイス内の電流分布を制御するためのシステムに関する。エネルギーデバイスを通って流れる電流は、デバイスにエネルギーを提供するか、又はデバイスによって発生したエネルギーを外部負荷に提供するかのいずれかである。本明細書で論じられる様々な実施形態では、エネルギーデバイスの表面にわたる電流分布は、受動的又は能動的制御下で動作する電気化学トランジスタ（ＥＣＴ）のアレイを備える電流リミッタによって制御される。いくつかの実施形態では、デバイスは、電流リミッタによって制御された出力電流を発生させるエネルギー生成デバイスである。エネルギー生成デバイスの例としては、放電中の電池セル、燃料電池、及び光電池が挙げられる。いくつかの実施形態では、デバイスは、デバイスを流れる電流がデバイスにエネルギーを提供するエネルギー消費デバイスである。エネルギー吸収デバイスの例としては、充電中の電池セル、電気めっき及び電気エッチングセル、並びに／又は他のタイプの電気化学若しくは光電気化学セルが挙げられる。簡略化のために、エネルギー吸収デバイス及びエネルギー生成デバイスの両方が、本明細書では「エネルギーデバイス」と称される。
【０００７】
図１は、いくつかの実施形態による、電流リミッタ１３１を組み込むシステム１００の図を示す。システム１００は、少なくとも１つの集電体電極１１１と、電流を生成又は消費するように構成された活性領域１２５を含むデバイス１２０と、を含む。デバイス１２０は、活性領域１２５を含むデバイス１２０の一部分に電気的に連結されている第１の導電層１２１及び第２の導電層１２２を含み得る。第１の導電層１２１は、パターン化され、電流リミッタ１３１に電気的に接続される。活性領域１２５の各別個の領域１２５−１、１２５−２は、パターン化された導電層１２１のパターン化された領域１２１−１、１２１−２のうちの１つと関連付けられる。第１及び第２の導電層１２１、１２２のうちの一方又は両方が、パターン化され得る。
【０００８】
複数のＥＣＴ１３１−１、１３１−２を備える電流リミッタ１３１は、エネルギーデバイス１２０の活性領域１２５と集電体電極１１１との間に電気的に接続されている。複数のＥＣＴ１３１−１、１３１−２は、アレイ内に配置され、それにより、アレイ内の各ＥＣＴ１３１−１、１３１−２が、デバイス１２０用の局所化された電流制御を提供する。電流リミッタ１３１内のＥＣＴ１３１−１、１３１−２のアレイ、及びパターン化された領域１２１−１、１２１−２への第１の導電性層１２１のパターン化は、図１に示されるように、ｘ及びｙ軸の両方に沿って延在する、２次元とすることができる。ＥＣＴ１３１−１、１３１−２は、ｐ型空乏モードの電気化学スイッチとして動作し得、制御電極の電圧が閾値電圧値を上回ったときに、カットオフモード（無視できる電流がＥＣＴを流れる）で動作し、制御電極の電圧が閾値電圧値を下回ったときに、飽和モード（電流がＥＣＴを流れる）で動作する。ＥＣＴ１３１−１、１３１−２は、これに代えて、ｎ型であってもよく、この場合、カットオフモードの符号は、上記のものから反転されることになる。いくつかの実施形態では、ＥＣＴ１３１−１、１３１−２は、局所化された可変電流制御を提供するために、線形モードで動作するようにバイアスされ得る。
【０００９】
以下でより詳細に論じられるように、アレイ内の各ＥＣＴ１３１−１、１３１−２は、ドレイン電極及びソース電極間に配設されたチャネルを有するドレイン及びソース電極を有する電気化学トランジスタとして動作する。電解質は、ゲート電極をチャネルに電気的に連結し、それにより、ゲート電極の電気信号が、チャネルの電気伝導性を制御する。集電体電極１１１は、ＥＣＴ用の共有されたドレイン又はソース電極として機能する。
【００１０】
図２は、第１の電流リミッタ１３１及び第２の電流リミッタ１３２を組み込むシステム２００の別の実施形態を示す。この実施形態では、第１の電流リミッタ１３１は、活性領域１２５及び第１の集電体１１１を含むデバイス１２０の部分間に電気的に接続された第１のＥＣＴ１３１−１、１３１−２のアレイを含む。第２の電流リミッタ１３２は、活性領域１２５及び第２の集電体１１２を含むデバイス１２０の部分間に電気的に接続された第２のＥＣＴ１３２−１、１３２−２のアレイを含む。図２に示される実施形態では、第１の集電体電極１１１は、第１のＥＣＴ１３１−２、１３１−２用の共有されたドレイン又はソース電極であり、第２の集電体電極１１２は、第２のＥＣＴ１３２−１、１３２−２用の共有されたドレイン又はソース電極である。
【００１１】
デバイス１２０は、活性領域１２５に電気的に連結されている第１の導電層１２１及び第２の導電層２２２を含む。図２に例示された実施形態では、第１及び第２の導電層１２１、２２２は、活性領域１２５の各別個の領域１２５−１、１２５−２が、パターン化された導電層１２１、２２２の別個の領域１２１−１、１２１−２、２２２−１、２２２−２のうちの１つと関連付けられるようにパターン化される。図２に示されるように、第１の電流リミッタ１３１は、第１の集電体層１１１と第１の導電層１２１の離間された領域との間に配設される。第２の電流リミッタ１３２は、第２の集電体層１１２と第２の導電層２２２の離間された領域との間に配設される。
【００１２】
本明細書に開示されるエネルギーデバイスと共に使用される電流リミッタを組み込むシステムの動作が、図３を参照して例示される。図３は、エネルギーデバイスが電池セル３２０である、図１に説明されるシステム３００を示す。電池セル３２０は、一次又は二次（再充電可能）タイプを含む、任意のタイプの電池セルとすることができる。例えば、電池セル３２０は、リチウムイオン電池セル、ニッケル金属水素化物電池セル、又は臭化亜鉛電池セルとすることができる。
【００１３】
電池３２０は、正極（放電中のカソード）３２３、負極（放電中のアノード）３２４、及び正極３２３と負極３２４との間に配設された電解質３２５を含む。パターン化された導電層３２１は、正極３２３に電気的に連結されている。導電層３２２は、負極３２４に電気的に連結されている。いくつかの実施形態では、正極３２３及び／又は負極３２４は、より小さい層の領域に実質的に物理的に分離せずに、実質的に連続的な層であり得る。電池３２０は、実質的に連続的な正極３２３及び／又は負極３２４の層の幅Ｗが、電池３２０の厚さＴよりも実質的に大きいように、比較的大きい集電エリアを有し得る。大きい集電エリアは、矢印によって示されるように、負極３２４と正極３２３との間に局所化された電流Ｃ１、Ｃ２が流れる電池３２０の別個の領域Ｒ１、Ｒ２にわたる制御を容易にする。この例では、局所化された電流Ｃ１が発生して領域Ｒ１内に流れ、局所化された電流Ｃ２が発生して領域Ｒ２内に流れ、電流Ｃ１の大きさは、電流Ｃ２の大きさに等しくてもよく、又は等しくなくてもよい。この例では、矢印は、正電荷の正味の流れの方向を示し、電荷キャリアは、電解質３２５中に溶解した電子又はイオンであり得ることが理解されることに留意されたい。
【００１４】
図３に例示されるように、電池３２０の第１の導電層３２１は、電池３２０の正極３２３に電気的に接続される、離間されたコンタクトパッド３２１−１、３２１−２を含み、それにより、各コンタクトパッド３２１−１、３２１−２を電池３２０の関連付けられた領域Ｒ１、Ｒ２に連結する。示されるように、領域Ｒ１からの局所化された電流Ｃ１の実質的に全て、例えば、７５％超、８５％超、又は更には９５％超が、コンタクトパッド３２１−１を通って流れ、領域Ｒ２からの局所化された電流Ｃ２の実質的に全て、例えば、７５％超、８５％超、又は更には９５％超が、コンタクトパッド３２１−２を通って流れる。
【００１５】
別個のコンタクトパッド３２１−１、３２１−２が、正極３２３に電気的に連結されているように図３に示されているが、他の実施形態では、別個のコンタクトパッドが、負極に電気的に連結され、正極に連結されていなくてもよく、又は別個のコンタクトパッドの第１の組が正極に連結され、別個のコンタクトパッドの第２の組が負極に連結されてもよい（例えば、図２参照）。
【００１６】
システム３００は、それぞれＥＣＴ１３１−１〜１３１−２の動作状態に起因して、別個の電池領域Ｒ１〜Ｒ２で発生した局所化された電池電流に対する分散型制御を容易にする。コンタクトパッド３２１−１を通って流れる電流Ｃ１は、別個の電池領域Ｒ１から主として又は排他的に誘導され、電流Ｃ１にわたる局所化された制御は、ＥＣＴ１３１−１の動作状態を制御することによって達成される。例えば、電池領域Ｒ１内の局所化された電流Ｃ１の大きさは、トランジスタ１３１−１を介して電流Ｃ１を制御することによって効果的に減少又は増大される。電流Ｃ１は、ＥＣＴ１３１−１の制御電圧Ｖｃ１を調整することによって減少又は増大され得る。同様に、コンタクトパッド３２１−２を通って流れる電流Ｃ２は、別個の電池領域Ｒ２から主として又は排他的に誘導される。電流Ｃ２にわたる局所化された制御は、ＥＣＴ１３１−２の動作状態を制御することによって達成される。例えば、電流Ｃ２は、ＥＣＴ１３１−２の制御電圧Ｖｃ２を調整することによって減少又は増大され得る。
【００１７】
図４は、例えば、図１〜図３に示される電流リミッタ１３１のＥＣＴ１３１−１、１３１−２及び／又は図２に示される電流リミッタ１３２のＥＣＴ１３２−１、１３２−２に使用され得るＥＣＴ４００、例えば、有機ＥＣＴ（ＯＥＣＴ）の概略図を提供する。ＥＣＴ４００は、ゲート電極４０２、半導体フィルム（例えば、共役ポリマーフィルム）を典型的に含み得るチャネル４０４、ソース電極４０６、ドレイン電極４０８、及び電解質４１０を含む。ソース電極４０６及びドレイン電極４０８は、チャネル４０４への電気的接触を確立することができ、一方、ゲート電極４０２は、電解質４１０への電気的接触を確立する。電解質４１０は、液体、ゲル、又は固体であり得る。図４に示されるように、最も一般的なバイアス構成では、電圧（ドレイン電圧ＶＤ）は、ソースに対してドレインに印加される。これは、チャネル４０４内に存在する電子電荷（通常、ホール）に起因して、電流（ドレイン電流）が流れることを引き起こし得る。電圧がゲートに印加されたとき（ゲート電圧ＶＧ）、電荷キャリアは、チャネル内に注入され得るか、又はチャネルから除去され得、電荷補償イオンが、電解質に又は電解質から移送され得、電子電荷密度の変化、したがってドレイン電流の変化をもたらす。ゲート電圧が除去され、ゲートがソースに短絡されたとき、注入された電荷キャリアは、ゲートに戻り、電荷補償イオンは、電解質に戻り、ドレイン電流は、その元の値に戻る。「ドレイン」及び「ソース」という用語は、正又は負のキャリアの流れの任意の特定の方向を暗示することを意味するものではない。キャリアの流れの方向は、デバイスが異なるモード、例えば、充電又は放電で動作するときに異なり得る。本明細書で使用されるとき、「ドレイン電極」又は「ソース電極」という用語は、トランジスタの特徴を説明する際に便宜上用いられる恣意的な符号である。
【００１８】
ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ（ポリ（３，４−エチレンジオキシチオフェン）ポリスチレンスルホン酸）は、その商業的利用可能性並びに高い電子及びイオン伝導性に起因して、チャネル材料として使用され得る。ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳは、２つのイオノマーのポリマー混合物である。この混合物中の１つの成分は、スルホン化ポリスチレン（又はＰＳＳ）である、ポリスチレンスルホン酸で構成される。スルホン酸基の一部は、脱プロトン化され、負電荷を担持する。他方の成分、ＰＥＤＯＴは、共役ポリマーであり、正電荷を担持する。有機半導体ＰＥＤＯＴが、ＰＳＳ（ドーパント）のスルホン酸アニオンによってｐ型にドープされているため、ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳは高い（ホール）伝導性を呈し得る。したがって、ゲート電圧の不在時、ドレイン電流が高くなり、トランジスタがオン状態になる。正電圧がゲートに印加されると、ＰＥＤＯＴは、電気化学的に低減され、電解質からのイオン（例えば、水中のＮａＣｌ）は、スルホン酸アニオンの電荷を補償する。これは、ＰＥＤＯＴの脱ドープにつながり、トランジスタは、そのオフ状態に達する。
【００１９】
図５Ａは、１００μｍ×１０μｍのチャネル寸法を有するＥＣＴの出力曲線を示し、ＶＤ＝−０．６ＶでＶＧが−０．２Ｖ〜０．６Ｖまで変化する際に、ドレイン電流ＩＤの大きさが、ＶＧ＝−０．２Ｖで約８ｍＡから、ＶＧ＝０．６Ｖで約ゼロまで減少することを例示する。図５Ｂは、これらのＥＣＴデバイスの電流制限挙動を強調するために、交換された軸及び異なるスケールで同じトランジスタの出力曲線を示す。図５Ｃは、図５Ａ及び図５Ｂと同じデバイスのチャネル電流及びゲート電圧の関数としてのＥＣＴの微分抵抗（ｄＶＤ／ｄＩＤ）を示す。カットオフ電流（抵抗が急激に増加するときの電流）は、デバイスの寸法及びゲート電圧を変化させることによって調整され得る。
【００２０】
いくつかの実施形態によると、電流リミッタは、電流担持金属箔上に印刷又は別様に堆積されたＥＣＴのアレイを備える。図６Ａ、図６Ｂ、及び図６Ｃは、いくつかの実施形態による、電流リミッタ６３１の上面図、側面図、及び側面図をそれぞれ例示する。図６Ａは、エネルギーデバイスのパターン化された導電層６２１と共に、電流リミッタ６３１の上面図を示す。例えば、導電層６２１は、図１及び図２の要素１２１、図２の要素２２２、又は図３の要素３２１に対応し得る。図６Ａ、図６Ｂ、又は図６Ｃに示されていないが、エネルギーデバイスの活性材料（例えば、図１及び図２の要素１２５並びに図３の要素３２３〜３２５）は、パターン化された導電層上に堆積されることになり、電流リミッタ６３１は、エネルギーデバイスの活性材料を通る電流を制限することになる。
【００２１】
図６Ｂで最もよくわかるように、電流リミッタ６３１は、チャネル６３２−１、６３２−２と接触する共通集電体層６１１を共有するＥＣＴ６３１−１、６３１−２を含む。例えば、集電体層６１１は、ＥＣＴ６３１−１、６３１−２のドレインとして機能し得る。集電体層６１１は、エネルギーデバイスから電流を収集するように機能する、電流担持金属箔とすることができる。ＥＣＴチャネル（例えば、ＥＣＴのソース電極）と接触する他の電極は、別個の離間された領域を形成する導電性パッド６２１−１、６２１−２を備えるパターン化された層である。パッド６２１−１、６２１−２は、絶縁体６３５上に配設され得、それにより、各パッド６２１−１、６２１−２は、他のパッド６２１−２、６２１−１から電気的に絶縁される。したがって、いくつかの構成では、各ＥＣＴ６３１−１、６３１−２のチャネル６３２−１、６３２−２は、チャネル６３２−１、６３２−２の一端でそれぞれのコンタクトパッド６２１−１、６２１−２に、かつチャネル６３２−１、６３２−２の他端で共通集電体層６１１に電気的に連結される。ＥＣＴ６３１−１、６３１−２のゲート電極６３３−１、６３３−２は、チャネル６３２−１、６３２−１のいずれかの端、例えば、共通集電体層６１１（ドレイン）又はパッド６２１−１、６２１−２（ソース）に短絡され得る。ドレイン又はソース電極のいずれかに短絡されたゲート電極を含む実施形態では、ゲートが短絡される電極が、電流が制限される方向を規定する。ＥＣＴ６３１−１、６３１−２のゲート６３３−１、６３３−２は、ゲート６３３−１、６３３−２の電圧がチャネル６３２−１、６３２−２内のドーピングレベル、したがって上述のようにＥＣＴ６３１−１、６３１−２を通る電流の流れを制御するように、電解質６３４−１、６３４−２に電気的に連結される。
【００２２】
図６Ｂは、第１のＥＣＴ６３１−１のゲートが共通集電体層６１１に電気的に接続され、第２のＥＣＴ６３１−２のゲートがコンタクトパッド６２１−２に電気的に接続されているシナリオを例示する。図６Ｂは、電流リミッタの考えられる構成を表すが、代替構成では、アレイ内の各ＥＣＴのゲートは、共通集電体層に電気的に接続されてもよく、又はアレイ内の各ＥＣＴのゲートは、それぞれのコンタクトパッドに接続されてもよいことが理解されるであろう。更に、図６Ｃに示されるように、電流リミッタ６３１、６５１は、共通集電体層６１１の両側に存在し得ることが理解されるであろう。電流リミッタ６３１、６５１の各々は、上記の様式で機能し、要素６５１−１、６５１−２は、要素６３１−１、６３１−２に対応し、要素６４１−１、６４１−２は、要素６２１−１、６２１−２に対応し、要素６５２−１、６５２−２は、要素６３２−１、６３２−２に対応し、要素６５３−１、６５３−２は、要素６３３−１、６３３−２に対応し、要素６５４−１、６５４−２は、要素６３４−１、６３４−２に対応する。
【００２３】
いくつかの実施形態では、システムは、電池又は他のエネルギーデバイスの負極（放電中のアノード）に導電層を介して電気的に接続されたＥＣＴアレイを備える１つの電流リミッタのみを含んでもよい。いくつかの実施形態では、システムは、エネルギーデバイスの正極（カソード）に導電層を介して電気的に接続された１つの電流リミッタのみを含んでもよい。いくつかの実施形態では、システムは、導電層を介してエネルギーデバイスの負極に電気的に接続された第１の電流リミッタと、導電層を介してエネルギーデバイスの正極に電気的に接続された第２の電流リミッタとを含み得る。図７Ａ〜図７Ｄは、様々な実施形態による、１つ又は２つの電流リミッタを含むシステムの構成を例示する。
【００２４】
図７Ａ〜図７Ｄで示されるように、本明細書で論じられる電流リミッタは、いくつかの考えられる構成で既存の電池製造プロセスラインと共に直接使用され得る。ＥＣＴは、エネルギーデバイスの負極（例えば、アノード）、エネルギーデバイスの正極（例えば、カソード）、又は負極及び正極の両方に堆積され得る。ゲート電極は、ＥＣＴキャリアタイプ（ｎ型又はｐ型）及び電流が制限される方向に応じて、共通集電体層又は電池電極と接触している導電性パッドのいずれかに短絡され得る。図７Ａ〜図７Ｄは、１つ又は２つの電流リミッタを含むシステムのいくつかの考えられる構成を示すが、追加の変更が可能である。例えば、図７Ａ及び図７Ｂは、それぞれ、放電（図７Ａ）及び充電電流（図７Ｂ）を制限するためにエネルギーデバイスの負極に電流リミッタを含むシステム７０１、７０２を図示する。リチウムイオン電池の負極を通って流れる放電電流を制限することによって、内部短絡中の自己放電速度が低下し得る。一方で、リチウムイオン電池の負極を通る充電電流を制限することによって、リチウムめっき及びリチウムデンドライトの形成が抑制され得、これは、内部短絡の可能性を低下させる。
【００２５】
増強された設計柔軟性は、図７Ｃ及び図７Ｄに図示されるシステム７０３、７０４に示されるように、エネルギーデバイスの正極の電流リミッタを代替的に又は追加的に組み込むことによって達成され得る。例えば、図７Ｃは、正及び負極の両方を通る放電電流が制限され、内部短絡中の自己放電速度を更に低下させるシステム７０３を図示する。代替的に、制限する電流方向は、図７Ｄのシステム７０４に示されるように互いに対向し得、そのため、負極が充電電流を制限し、一方で正極が放電電流を制限する。ＥＣＴに基づく電流リミッタの多数の他の変更及び組み合わせが可能である。
【００２６】
図７Ａ〜図７Ｄは、１つ又は２つの電流リミッタ７３１、７３２、７３３と、電池として例示されるエネルギーデバイス７２０と、を含むシステム７０１、７０２、７０３、７０４を示す。各電流リミッタ７３１、７３２、７３３は、７３１−１及び７３１−２又は７３２−１及び７３２−２として示されるＥＣＴのアレイを含み、これらは、この実施形態ではｐ型であるが、代替的にｎ型であってもよい。電池７２０は、負極（アノード）７２３と正極（カソード）７２４との間に配設された電解質７２５を備える。図７Ａ及び図７Ｂでは、実質的に連続的な導電層７２２が電池７２０の正極７２４上に配設され、導電性パッド７２１−１、７２１−２のアレイを備える層７２１が負極７２３上に配設されている。図７Ｃ及び図７Ｄでは、導電性パッド７２２−１、７２２−２のアレイを備える層７２２が電池の正極７２４上に配設され、導電性パッド７２１−１、７２１−２のアレイを備える導電層７２１が負極７２３上に配設されている。
【００２７】
図７Ａは、ＥＣＴ７３１−１、７３１−２を備える電流リミッタ７３１を含むシステム７０１を示す。図７Ａのシステム７０１では、電流リミッタ７３１は、共通集電体７１１から電池７２０の負極７２３（アノード）に流れる放電電流を制御する。ＥＣＴ７３１−１、７３１−２は、第１の電極７３１−１ｄ、７３１−２ｄ（例えば、ドレイン電極）、第２の電極７３１−１ｓ、７３１−２ｓ（例えば、ソース電極）、及び制御電極７３１−１ｇ、７３１−２ｇ（例えば、ゲート電極）を含む。各ＥＣＴ７３１−１、７３１−２の第１の電極７３１−１ｄ、７３１−２ｄは、共通集電体層７１１に電気的に連結されている。各ＥＣＴ７３１−１、７３１−２の第２の電極７３１−１ｓ、７３１−２ｓは、それぞれ、電池７２０（又は他のエネルギーデバイス）の対応するコンタクトパッド７２１−１、７２１−２に連結される。コンタクトパッド７２１−１、７２１−２は、各ＥＣＴ７３１−１、７３１−２の第２の電極７３１−１ｓ、７３１−２ｓを電池７２０（又は他のエネルギーデバイス）の負極７２３（アノード）に電気的に接続する。ゲート電極７３１−１ｇ、７３１−２ｇは、本実施形態では、第１の電極７３１−１ｄ、７３１−２ｄに電気的に接続されている。
【００２８】
この構成によると、ＥＣＴ７３１−１は、ゲート７３１−１ｇがドレイン７３１−１ｄに電気的に接続されているときにオン状態になるように設計される。集電プレート７１１からコンタクトパッド７２１−１に通過する電池７２０からの局所化された電流Ｃ１の大きさが小さい場合、ＥＣＴ７３１−１は、線形レジームで動作し、低抵抗抵抗器として作用する。しかしながら、ホットスポット又は他の望ましくない電流スパイクが生じ、Ｃ１が設計値を上回って増大される場合、ＥＣＴ７３１−１は、飽和モードに入ることになり、その微分抵抗は、劇的に増加することになる（例えば、図５Ｃ参照）。これは、次に、局所化された電流Ｃ１が許容値に戻るように減少することを引き起こす。
【００２９】
同様に、ＥＣＴ７３１−２は、ゲート７３１−２ｇがドレイン７３１−２ｄに電気的に接続されているときにオン状態になるように設計される。集電プレート７１１からコンタクトパッド７２１−２に通過する電池７２０からの局所化された電流Ｃ２の大きさが小さい場合、ＥＣＴ７３１−２は、線形レジームで動作し、低抵抗抵抗器として作用する。しかしながら、ホットスポット又は他の望ましくない電流スパイクが生じ、Ｃ２が設計値を上回って増大される場合、ＥＣＴ７３１−２は、飽和モードに入ることになり、その微分抵抗は、劇的に増加することになる（例えば、図５Ｃ参照）。これは、次に、局所化された電流Ｃ２が許容値に戻るように減少することを引き起こす。
【００３０】
集電体７１１は、金属含有フィルム又は他の導電性材料、例えば、アルミニウム、炭素／グラファイト、銅、金、銀、インジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）又は他の導電性酸化物などによって実装され得、局所化された電流Ｃ１及びＣ２の組み合わせを容易にし、それにより、これらの電流の合計が、電流Ｃ放電を形成する。
【００３１】
図７Ｂは、ＥＣＴ７３１−１、７３１−２を備える電流リミッタ７３２を含むシステム７０２を示す。図７Ｂのシステム７０２では、電流リミッタ７３２は、電池７２０の負極７２３（アノード）から共通集電体７１１への充電電流を制御する。ＥＣＴ７３１−１、７３１−２は、第１の電極７３１−１ｄ、７３１−２ｄ（例えば、ドレイン電極）、第２の電極７３１−１ｓ、７３１−２ｓ（例えば、ソース電極）、及びゲート電極７３１−１ｇ、７３１−２ｇを含む。電流リミッタ７３２では、各ＥＣＴ７３１−１、７３１−２の第２の電極７３１−１ｓ、７３１−２ｓは、共通集電体電極７１１に電気的に連結されている。各ＥＣＴ７３１−１、７３１−２の第１の電極７３１−１ｄ、７３１−２ｄは、それぞれ、電池７２０（又は他のエネルギーデバイス）の対応するコンタクトパッド７２１−１、７２１−２に連結される。ゲート電極７３１−１ｇ、７３１−２ｇは、第１の電極７３１−１ｄ、７３１−２ｄに電気的に接続されている。
【００３２】
集電体７１１は、局所化された電流Ｃ１及びＣ２の組み合わせを容易にし、それにより、これらの電流の合計が電流Ｃ充電を形成する。
【００３３】
図７Ｃは、図７Ａのような電流リミッタ７３１、及び電流リミッタ７３３を含むシステム７０３を示す。システム７０３は、エネルギーデバイス７２０が第１の電流リミッタ７３１と第２の電流リミッタ７３３との間に配設され、かつそれらに電気的に接続されるように配置される。システム７０３では、第１の電流リミッタ７３１は、共通集電体７１１から電池の負極７２３（アノード）への放電電流を制御する。第２の電流リミッタ７３３は、電池７２０の正極７２４（アノード）から共通集電体７１２への放電電流を制御する。
【００３４】
第２の電流リミッタ７３３は、ＥＣＴ７３２−１、７３２−２を備える。ＥＣＴ７３２−１、７３２−２は、第１の電極７３２−１ｄ、７３２−２ｄ（例えば、ドレイン電極）、第２の電極７３２−１ｓ、７３２−２ｓ（例えば、ソース電極）、及びゲート電極７３２−１ｇ、７３２−２ｇを含む。第２の電流リミッタ７３３の各ＥＣＴ７３２−１、７３２−２の第２の電極７３２−１ｓ、７３２−２ｓは、共通集電体電極７１２に電気的に接続されている。第２の電流リミッタ７３３の各ＥＣＴ７３２−１、７３２−２の第１の電極７３２−１ｄ、７３２−２ｄは、それぞれ、電池７２０（又は他のエネルギーデバイス）の対応するコンタクトパッド７２２−１、７２２−２に連結される。第２の電流リミッタ７３３のＥＣＴ７３２−１、７３２−２の各ゲート電極７３２−１ｇ、７３２−２ｇは、それぞれ、第２の電流リミッタ７３３のＥＣＴ７３２−１、７３２−２の第１の電極７３２−１ｄ、７３２−２ｄに電気的に接続されている。
【００３５】
図７Ｄに示されるシステム７０４は、図７Ｂのような電流リミッタ７３２及び図７Ｃのような電流リミッタ７３３を含む。システム７０４では、第１及び第２のＥＣＴアレイ７３２、７３３の電流制限方向は、互いに対向する。システム７０４は、エネルギーデバイス７２０が電流リミッタ７３２と電流リミッタ７３３との間に配設され、かつそれらに電気的に接続されるように配置される。システム７０４では、第１の電流リミッタ７３２は、電池７２０の負極７２３（アノード）から共通集電体７１１への充電電流を制御する。第２の電流リミッタ７３３は、電池７２０の負極７２４（アノード）から共通集電体７１２への放電電流を制御する。
【００３６】
電流が電池から引き出されるか又は電池に送り込まれるとき、電流は、集電体上の各点と電池の縁との間の抵抗に応じて各電極にわたって分布する。時折、製造欠陥又は他の不均一性は、集電体上の特定のスポットでの電流の流れに対する抵抗を低下させ、電流ホットスポットにつながる場合がある。最良には、この電流ホットスポットは、電池が電流ホットスポット付近で劣化するため、セル容量の減少につながり得る。最悪には、電流ホットスポットは、フィラメント形成及び熱暴走につながり得る。短絡が何らかの理由で電池内に形成する場合、電池容量全体が短絡を介して急速に放電され、過熱及び発火につながる場合がある。本明細書に開示される電流リミッタを備えた電池セルでは、電流ホットスポットは、ＥＣＴの電流制限性質によって抑制される。更に、壊滅的な内部短絡の場合には、ＥＣＴは、短絡を介して自己放電速度を遅らせ、グレースフルな電池のシャットダウンを可能にする。
【００３７】
図８は、７つのサブセル又は領域を備える従来の電池の分散型モデルである。各電池サブセルは、電圧源８０１、直列抵抗８０２、シャント抵抗８０３（理想的なサブセルについて非常に高い）、及び電極抵抗８０４によってモデル化される。図８は、サブセル４のシャント抵抗が非常に低いような、サブセル４の短絡を図示する。経路８９１は、短絡を通るサブセル４からの電流の流れを示す。経路８９２は、短絡に起因して、隣接するサブセル３からサブセル４を通る電流の流れを示す。従来の電池では、図８に例示されるように、内部短絡は、電池容量が短絡を介して急速に放電することを可能にし得る。
【００３８】
図９は、いくつかの実施形態による、電池並びに第１及び第２の電流リミッタを備えるシステムの分散型モデルである。電池の６つのサブセルが図９に図示される。各電池サブセルは、電圧源９０１、直列抵抗９０２、シャント抵抗９０３（理想的なサブセルについて非常に高い）、及び電極抵抗９３５によってモデル化される。ＥＣＴ９３３、９３４及び抵抗器９３５によって表される集電体を備える電流リミッタ９３１、９３２は、電池の対向する電極に配設される。図９は、サブセル３のシャント抵抗が非常に低いような、サブセル３の短絡を図示する。経路９９２は、サブセル２から短絡を通る電流の流れを示し、隣接するサブセル２からサブセル３を通る電流の流れが、サブセル２及び３のＥＣＴ９３３、９３４によって制御されることを示す。集電体の任意の特定の領域を通る電流の流れを制限するためにＥＣＴを追加することによって、ＥＣＴを通って移動する他のサブセルからの電流が制限され、グレースフルな電池のシャットダウンが可能である。
【００３９】
図１０Ａに示される電流リミッタ１０３１及び電池１０２０を備えるシステム１０００の等価回路モデルを使用してＳＰＩＣＥシミュレーションを実施した。シミュレーションは、短絡又は低抵抗電池サブセルの場合に、ＥＣＴを備える電流リミッタが、隣接するサブセルからの電流の流れを阻止し得ることを示す。図１０Ｂは、電流リミッタなし（プロット１０７１）、内部短絡下の電流リミッタ（プロット１０７２）を有する、及び外部短絡下の電流リミッタ（プロット１０７３）を有する、電池に対する時間の関数として短絡を通って流れるシミュレートされた電流を例示する。図１０Ｃは、電流リミッタなし（プロット１０８１）、内部短絡下の電流リミッタ（プロット１０８２）を有する、及び外部短絡下の電流リミッタ（プロット１０８３）を有する、電池に対する時間の関数としてシミュレートされた温度を例示する。短絡を通る電流及び最大電池温度の両方は、１つ以上のＥＣＴが、隣接するサブセルから短絡を通る電流の流れを制限するために存在する場合、大幅に低減されている。
【００４０】
図１０Ａは、電流リミッタ１０３１と集電体１０１１との間に配設された電池１０２０の３つのサブセル１００１、１００２、１００３（領域）を備えるシステム１０００の分散型等価回路の一部分を示す。完全分散型等価回路モデルは、１００個のサブセルからなり、サブセル１００１、１００２、及び１００３は、それぞれ、４９番目、５０番目、及び５１番目のサブセルである。各サブセルは、幅１ｍｍ及び長さ１ｃｍの電池領域を表し、そのため、シミュレートされた電池の総面積は、１０ｃｍ２である。電池の各サブセルを、可変電圧源１００４及び１３０Ωの直列抵抗１００５としてモデル化した。隣接するサブセルを、１２Ωの抵抗１００６で接続した。可変電圧源１００４は、４．２Ｖの出力電圧で開始し、電荷が通過するにつれて電圧が低下する。一旦１Ｃの電荷が各電圧源１００４を通過すると、要素の電圧出力は、０Ｖに降下する。この挙動は、放電されるにつれて低電圧を出力する電池の挙動を模倣する。直列抵抗１００５は、電池放電中のイオン及び運動の損失を表し、抵抗１００６は、正極材料に沿った伝導を表す。サブセル１００１、１００２、１００３は、０．３ｍΩの抵抗器１００７によって表される、共通集電体１０１１に電気的に接続される。電流リミッタ１０３１は、電池サブセル１００１と関連付けられた第１のＥＣＴ１０３１−１ａ／ｂ対と、電池サブセル１００２と関連付けられた第２のＥＣＴ１０３１−２ａ／ｂ対と、電池サブセル１００３と関連付けられた第３のＥＣＴ１０３１−３ａ／ｂ対と、からなる。各ＥＣＴ対は、直列に接続され（例えば、図２５参照）、本明細書に説明されたように機能する。電流リミッタ１０３１は、電池１０２０と、０．３ｍΩの抵抗器１００８によって表される共通集電体１０１２との間に配設される。１０ｍΩの抵抗器１００９は、デンドライト、製造欠陥、機械的損傷などによって形成され得る短絡を表す。配線１０１０が接続されたとき、短絡は、外部短絡であり、一方、配線１０１０の不在時、短絡は、内部短絡である。分散型回路全体を通る電流を、ＳＰＩＣＥシミュレーションを用いて時間の関数としてシミュレートし、各回路要素の放熱を、ＣＯＭＳＯＬ熱モデルに供給して、最大セル温度を時間の関数として推定した。この一組のシミュレーションを、内部短絡（配線１０１０が欠落している）、外部短絡（配線１０１０が存在する）、及び電流リミッタが存在しない短絡（各ＥＣＴ１０３１−１ａ／ｂ、１０３１−２ａ／ｂ、１０３１−３ａ／ｂが配線で置換される）を用いて実施した。
【００４１】
モデル化の結果は、短絡１００９を通過するシミュレートされた電流及びシミュレートされた最大電池温度を、それぞれ、時間の関数としてプロットする、図１０Ｂ及び図１０Ｃで表される。シミュレートされた、短絡中の電流リミッタの不在下で短絡１００９を通過する電流及び短絡中の電流リミッタの不在下の最大電池温度は、それぞれ、図１０Ｂ及び図１０Ｃの実線１０７１、１０８１として表される。シミュレートされた、内部短絡中の電流リミッタの存在下で短絡１００９を通過する電流及び内部短絡中の電流リミッタの存在下の最大電池温度は、それぞれ、図１０Ｂ及び図１０Ｃの点線１０７２、１０８２として表される。シミュレートされた、外部短絡中の電流リミッタの存在下で短絡１００９を通過する電流及び外部短絡中の電流リミッタの存在下の最大電池温度は、それぞれ、図１０Ｂ及び図１０Ｃの破線１０７３、１０８３として表される。
【００４２】
図１０Ｂのグラフから、ＥＣＴ１０３１−１ａ／ｂ、１０３１−２ａ／ｂ、１０３１−３ａ／ｂの存在は、短絡１００９を通って流れる電流を著しく減少させることが認められるであろう。図１０Ｃのグラフから、ＥＣＴ１０３１−１ａ／ｂ、１０３１−２ａ／ｂ、１０３１−３ａ／ｂの存在は、内部及び外部短絡条件の両方で得られる最大セル温度を著しく低下させることも認められるであろう。更に、短絡１００９の不在下での適度の電流負荷下での電池の出力電圧は、電流リミッタ１０３１の存在による無視できる影響を受ける（＜２０ｍＶの減少）。
【００４３】
いくつかの実施形態では、本明細書で論じられる電流リミッタで使用されるＥＣＴは、受動的に制御され得る（例えば、図７Ａ〜図７Ｄに例示される）。いくつかの実施形態では、電流リミッタで使用されるＥＣＴは、図１１〜図１４に例示されるように能動的に制御されてもよい。図１１は、集電体１１１１とコンタクトパッド１１２１−１、１１２１−２との間にそれぞれ動作可能に接続されているＥＣＴ１１３１−１、１１３１−２のアレイを含むシステム１１００を例示する。具体的には、ＥＣＴ１１３１−１は、集電体１１１１に接続された第１の電極１１３１−１ｄ（例えば、ドレイン電極）と、関連付けられたコンタクトパッド１１２１−１に接続された第２の電極１１３１−１ｓ（例えば、ソース電極）と、関連付けられた制御信号Ｖｃ１を受信する制御電極１１３１−１ｇ（例えば、ゲート電極）と、を有する。この配置によると、ＥＣＴ１１３１−１は、制御電圧Ｖｃ１によって、オン、オフに切り換えられ得るか、又は中間の部分的オン状態に設定され得る。例えば、制御電圧Ｖｃ１がｐ型空乏モードＥＣＴ１１３１−１の閾値電圧未満であるとき、エネルギーデバイス１１２０からの局所化された電流Ｃ１は、コンタクトパッド１１２１−１から集電プレート１１１１に通過し、電流Ｃ１は、制御電圧Ｖｃ１によって決定される。例えば、いくつかの実施形態では、Ｃ１は、Ｖｃ１に比例し得る。
【００４４】
同様に、ＥＣＴ１１３１−２は、集電体１１１１に接続された第１の電極１１３１−２ｄ（例えば、ドレイン電極）と、関連付けられたコンタクトパッド１１２１−２に接続された第２の電極１１３１−２ｓ（例えば、ソース電極）と、関連付けられた制御信号Ｖｃ２を受信する制御電極１１３１−２ｇ（例えば、ゲート電極）と、を有する。この配置によると、ＥＣＴ１１３１−２は、制御電圧Ｖｃ２によって、オン、オフに切り換えられ得るか、又は中間の部分的オン状態に設定され得る。例えば、制御電圧Ｖｃ２がｐ型空乏モードＥＣＴ１１３１−２の閾値電圧未満であるとき、エネルギーデバイス１１２０からの局所化された電流Ｃ２は、コンタクトパッド１１２１−２から集電プレート１１１１に通過し、電流Ｃ２は、制御電圧Ｖｃ２によって決定される。例えば、いくつかの実施形態では、Ｃ２は、Ｖｃ２に比例し得る。
【００４５】
集電体は、局所化された電流Ｃ１〜Ｃ２の組み合わせを容易にする金属若しくは金属含有フィルム又は他の導電性材料によって実装され得、それにより、これらの電流の合計は、負荷電流Ｃ負荷を形成する。
【００４６】
いくつかの実施形態では、電流リミッタ１１３１は、ＥＣＴ１１３１−１、１１３１−２の制御電極１１３１−１ｇ、１１３１−２ｇでの電圧Ｖｃ１、Ｖｃ２を制御する１つ以上の構成要素１１３５−１、１１３５−２を含み得る。図１１は、制御サブシステム１１３５−１及び１１３５−２を使用して実装される分散型制御システムを備える電流リミッタを例示する。いくつかの実装では、サブシステム１１３５−１、１１３５−２は、別個のバッテリ領域Ｒ１、Ｒ２内の局所化された電池動作パラメータを測定するように構成された、電流センサ及び／又は温度センサなどの１つ以上のセンサであってもよく、又はそれらを含んでもよい。
【００４７】
図１２及び図１３は、分散型制御回路を利用する電流リミッタを例示する。図１２は、複数のセンサＳ１、Ｓ２を備える分散型制御回路１２３５を有する電流リミッタ１２３１を例示する。電流リミッタ１２３１は、共通集電体１２１１に直接又は間接的に電気的に連結された１つの電極を有するＥＣＴ１２３１−１、１２３１−２のアレイを備える。ＥＣＴ１２３１−１、１２３１−２のうちの１つ以上は、センサによって制御される。例示された実施形態では、センサＳ１の出力は、第１のＥＣＴ１２３１−１の制御電圧Ｖｃ１を提供し、センサＳ２の出力は、第２のＥＣＴ１２３１−２の制御電圧Ｖｃ２を提供する。センサＳ１及び／又はＳ２は、電流、電圧、温度、歪み、化学現象、又はエネルギーデバイスの動作に関連する任意の他のパラメータを検知するように構成され得る。
【００４８】
図１３は、分散型制御回路１３３５を含む別の電流リミッタ１３３１を例示する。電流リミッタ１３３１は、共通集電体１３１１に直接又は間接的に電気的に連結された１つの電極を有するＥＣＴ１３３１−１、１３３１−２のアレイを備える。制御回路１３３５は、Ｖｃ１を制御することによってＥＣＴ１３３１−１の動作状態を制御する第１の回路１３３５−１と、Ｖｃ２を制御することによってＥＣＴ１３３１−２の動作状態を制御する第２の回路１３３５−２と、を備える。回路１３３５−１、１３３５−２は、ＥＣＴ１３３１−１、１３３１−２の動作状態を制御するために、局所コントローラＬＣ１、ＬＣ２に連結された１つ以上のセンサＳ１１、Ｓ１２、Ｓ２１、Ｓ２２を備え得る。局所コントローラＬＣ１、ＬＣ２は、様々な情報に基づいて制御電圧Ｖｃ１、Ｖｃ２を発生させ得る。いくつかの実施形態では、局所コントローラＬＣ１、ＬＣ２は、１つ又は複数のセンサＳ１１、Ｓ１２、Ｓ２１、Ｓ２２からの局所化されたセンサ情報に少なくとも部分的に基づいて、制御電圧Ｖｃ１、Ｖｃ２を発生させる。局所センサ情報は、いくつかの実施形態では、エネルギーデバイスの動作パラメータを示し得る。例えば、センサ情報は、温度、化学物質の濃度、生体物質の濃度、ｐＨ、湿度、イオン濃度、電位、電流、抵抗、インピーダンス、静電容量、光強度、応力、歪み、圧力などのうちの１つ以上を含み得る。センサは、例えば、光学、抵抗又は容量センサであってもよく、コンタクトパッド上、及び／又は電池若しくはエネルギーデバイスの内部内に装着されてもよい。
【００４９】
一例の構成では、Ｓ１１及びＳ２１は、電流センサである。Ｓ１１は、ＥＣＴ１３３１−１を通る電流を測定し、Ｓ２１は、ＥＣＴ１３３１−２を通る電流を測定する。局所コントローラＬＣ１は、検知された電流値をＳ１１から受信し、検知された電流値を記憶された電流値と比較する。検知された電流値が、記憶された電流値を超える場合、ＬＣ１は、ＥＣＴ１３３１−１を通る電流が減少するように、Ｖｃ１を調整する。同様に、局所コントローラＬＣ２は、検知された電流値をＳ２１から受信し、検知された電流値を記憶された電流値と比較する。検知された電流値が、記憶された電流値を超える場合、ＬＣ２は、ＥＣＴ１３３１−２を通る電流が減少するように、Ｖｃ２を調整する。
【００５０】
いくつかの実施形態では、局所コントローラＬＣ１、ＬＣ２は、電圧Ｖｃ１、Ｖｃ２を発生させるために、電池に関する追加的に測定又は計算された情報、例えば、電池の経過年数、充電及び放電サイクルの数、及び／又は電池の充電状態を使用し得る。
【００５１】
いくつかの実施形態では、電流リミッタの複数のＥＣＴ、例えば、全てのＥＣＴは、図１４に示されるように、中央コントローラによって制御される。図１４は、ＥＣＴ１４３１−１及び１４３１−２によって表されるＥＣＴのアレイを備える電流リミッタ１４３１を例示する。ＥＣＴ１４３１−１の動作は、ＥＣＴ１４３１−１の制御電極でＶｃ１によって制御され、ＥＣＴ１４３１−２の動作は、ＥＣＴ１４３１−２の制御電極でＶｃ２によって制御される。ＥＣＴ１４３１−１及び１４３１−２の制御電極は、電圧Ｖｃ１及びＶｃ２を生成する中央コントローラに連結される。中央コントローラは、図１４に例示されるように、１つ以上のセンサＳ１、Ｓ２から検知された情報を受信し得る。検知された情報は、エネルギーデバイスの動作パラメータ、例えば、電流、電圧、温度、応力、歪み、湿度、化学物質又は気体の存在などを示し得る。
【００５２】
一例の構成では、Ｓ１及びＳ２は、エネルギーデバイスの局所化された領域と熱接触する温度センサである。Ｓ１は、領域Ｒ１から温度を測定し、Ｓ２は、領域Ｒ２から温度を測定する。中央コントローラは、検知された温度値をＳ１から受信し、検知された温度値を記憶された温度値と比較する。検知された温度値が、記憶された温度値を超える場合、中央コントローラは、ＥＣＴ１４３１−１を通る電流が減少するように、Ｖｃ１を調整する。同様に、中央コントローラは、検知された温度値をＳ２から受信し、検知された温度値を記憶された温度値と比較する。検知された温度値が、記憶された温度値を超える場合、中央コントローラは、ＥＣＴ１４３１−２を通る電流が減少するように、Ｖｃ２を調整する。
【００５３】
いくつかの実施形態では、中央又は局所コントローラは、制御電圧Ｖｃ１、Ｖｃ２を発生させるために、電池に関する追加的に測定又は計算された情報、例えば、電池の経過年数、充電及び放電サイクルの数、及び／又は電池の充電状態を使用し得る。例えば、充電／放電サイクルの数が少ない場合、局所又は中央コントローラは、より多くの電流が電池の局所領域を通って流れることを可能にし得る。充電／放電サイクルの数が増加するにつれて、局所又は中央コントローラは、電池の局所領域を流れる電流を減少させ得る。いくつかの実施形態では、中央又は局所コントローラは、電池又はエネルギーデバイスに関する追加の測定又は計算された情報を、単独で、又は検知された電池又はエネルギーデバイスの動作パラメータと併せて使用し得る。
【００５４】
局所コントローラ及び／又は中央コントローラは、別個の回路又は集積回路を使用して実装され得る。いくつかの実施形態では、局所コントローラ及び／又は中央コントローラの各々は、プログラマブルロジックアレイを使用して実装される。いくつかの実施形態では、局所コントローラ及び／又は中央コントローラの各々は、ファームウェア又はソフトウェアに記憶されたプログラムステップを実装するマイクロプロセッサを備える。
【００５５】
図１５及び図１６は、本明細書に論じられる電流リミッタで使用され得る別のＥＣＴ構造を例示する。ＥＣＴ１５００は、集電体１５０２、チャネル１５０４、ソース電極１５０６、ドレイン電極１５０８、電解質層１５１０、レドックス対層１５１２、及び任意選択の膜層１５１４を含み得る。集電体１５０２は、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｔ、Ｃ、Ａｌなどの導電性であるが不活性な材料で作製され得る。チャネル１５０４は、ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳなどの、高いキャリア移動度を有する導電性ポリマーで作製され得る。ソース電極１５０６及びドレイン電極１５０８は、例えば、それぞれ、図４に例示されたＥＣＴ４００に使用されるソース及びドレイン電極と同様であり得る。
【００５６】
電解質層１５１０は、溶解塩（例えば、ＮａＣｌ）を含む水、溶解塩を含む有機溶媒、イオン性液体、溶解塩を含むポリマー、単イオン伝導性ポリマー、結晶質電解質などの様々なタイプの電解質を含み得る。代替的に、電解質層１５１０は、ゲル又は固体形態の電解質を含み得る。
【００５７】
レドックス対層１５１２は、１つ以上のレドックス対を含み得る。レドックス対は、還元種（例えば、Ｆｅ２＋）及びその対応する酸化形態（例えば、Ｆｅ３＋）を含み得る。レドックス対層１５１２に含められるレドックス対の例としては、以下が挙げられ得るが、これらに限定されるものではない。フェリシアン化物／フェロシアン化物（Ｆｅ（ＣＮ）６３−／４−）、ヨウ化物／三ヨウ化物（Ｉ−／Ｉ３−）、ビオロゲン及びその誘導体、インジゴ及びその誘導体、Ａｇ／ＡｇＣｌ、紺青、ポリアニリン、ＰＥＤＯＴ、Ｃｕ／Ｃｕ２＋、フェロセン及びその誘導体など。いくつかの実施形態では、少なくとも２つのレドックス対がレドックス対層１５１２に含められ得る。例えば、レドックス対層１５１２は、非常に異なる見掛け電位を有する２つのレドックス対を含んでもよく、したがって、電荷がゲートに注入されるときに閾値電圧の急激な変化を可能にする。レドックス対層１５１２は、液体形態（例えば、電解質に溶解されたレドックス対）又は固体形態であり得る。レドックス対層１５１２が液体を含む場合（例えば、レドックス対が電解質に溶解されるとき）、膜層１５１４は、レドックス対をチャネル１５０４から分離し、したがって、レドックス対がチャネル材料と反応することを防止するために使用され得る。より具体的には、膜は、電解質層１５１０とレドックス対層１５１２との間のキャリア移動を可能にするが、一方でレドックス対種が電解質層１５１０に入ることを防止するべきである。膜層１５１４は、多孔質ガラスフリット、イオン選択性膜、イオン伝導性ガラス、ポリマー膜、イオン伝導性膜などを含み得る。レドックス対層１５１２が、固体状レドックス対を含むとき、膜層１５１４は、任意選択であり得る。固体状レドックス対の例としては、限定されるものではないが、電気化学的に活性なポリマー、不溶性の有機及び無機レドックス対、並びに層間材料が挙げられ得る。
【００５８】
チャネル１５０４の電気化学ポテンシャルは、チャネル１５０４のドーピングレベルの関数であり得る。上述されたように、チャネル１５０４は、ｐ型ドープされ得、ＶＧ＝０Ｖでのチャネル１５０４のドーピングレベルは、チャネル１５０４で生じるレドックスプロセスとレドックス対層１５１２で生じるレドックスプロセスとの間の電気化学ポテンシャルの差に依存する。特定のチャネル材料に関して、チャネル１５０４のドーピングレベルは、次いで、レドックス対層１５１２の電気化学ポテンシャルを調整することによって調整され得る。そのようにするための１つの手法は、１つ以上の適切なレドックス対を選択することである。
【００５９】
図１６は、一実施形態による、３つの異なるレドックス対がゲート材料として使用されるときのチャネルのエネルギーレベルに対するゲートのエネルギーレベルを図示するエネルギー線図を提示する。図１６では、図の左側は、３つの異なるレドックス対がゲート材料として使用されるときのゲートの電気化学ポテンシャルを示し、レドックス対１は、最低ポテンシャルを提供するが、一方でレドックス対３は、最高を提供する。図の右側は、チャネルドーピングレベルの関数であり得る、チャネルの電気化学ポテンシャルを示す。陰影は、「オン」及び「オフ」ステージを含む、トランジスタの動作中に到達したポテンシャルの範囲を示す。任意のドーピングレベルρで、チャネル内の電気化学ポテンシャル（ＥＣ）は、ＥＣ＝ＥＣ（ρ）として表現され得、式中、ρは、実線によって示されるドーピングレベルである。チャネル内の電気化学ポテンシャルは、方程式ＥＣ＝ＥＧ＋ＶＧによるゲート内の電気化学ポテンシャル（ＥＧ）及びゲート電圧（ＶＧ）に関連する。
【００６０】
図１６はまた、チャネルが任意のドーピングレベルに到達するために、異なるゲート電圧が、３つの異なるゲート材料に必要とされることも示す。より具体的には、それぞれ、ＶＧ１は、レドックス対１に必要とされ、ＶＧ２は、レドックス対２に必要とされ、ＶＧ３は、レドックス対３に必要とされる。図１６から、２つの異なるゲート材料に関して、同じドーピングレベルに達するために必要とされるゲート電圧（δＶＧ）の差は、２つのゲート電圧の電気化学ポテンシャル（δＥＧ）の差に依存し得ることも見ることができる。換言すると、ＶＧ２−ＶＧ１＝ＥＧ１−ＥＧ２である。例えば、参考としてレドックス対Ａｇ／ＡｇＡｌを使用すると、レドックス対ビオロゲン（Ｖｉｏｌ２＋／１＋）のδＥＧは、−０．６Ｖであり得、レドックス対フェリシアン化物／フェロシアン化物（Ｆｅ（ＣＮ）６３−／４−）のδＥＧは、０．２１Ｖであり得る。
【００６１】
図１７は、一実施形態による、３つの異なるタイプのレドックス対でゲートされた３つのＰＥＤＯＴ：ＰＳＳベースＯＥＣＴの伝達関数及び閾値電圧を示す。図の左側は、Ａｇ／ＡｇＣｌ、フェリシアン化物／フェロシアン化物、及びビオロゲンでゲートされたＯＥＣＴの伝達曲線を示す。図から、伝達曲線は、異なるゲート材料が使用されるとき、横方向に大幅にシフトすることを見ることができる。より具体的には、Ａｇ／ＡｇＣｌ（中心曲線）によってゲートされたＯＥＣＴの伝達曲線と比較して、ビオロゲンによってゲートされたＯＥＣＴの伝達曲線は、左にシフトし（おおよそ０．６Ｖ）、フェロシアン化物によってゲートされたＯＥＣＴの伝達曲線は、右にシフトする（おおよそ０．２１Ｖ）。伝達曲線によると、ゲートがバイアスされていないとき（即ち、ＶＧ＝０）、Ａｇ／ＡｇＣｌによってゲートされるＯＥＣＴは、完全にオンでも完全にオフでもない。しかしながら、正のδＥＧ（例えば、フェロシアン化物）を有するレドックス対を選択することによって、ＯＥＣＴは、ゼロゲートバイアスでよりオンに切り換えられ得る。同様に、負のδＥＧ（例えば、ビオロゲン）を有するレドックス対を選択することによって、ＯＥＣＴは、ゼロゲートバイアスでオフに切り換えられ得る。トランジスタをゼロバイアスでオフにする能力は、ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳに基づいて蓄積モードＯＥＣＴトランジスタを作製することを可能にする。蓄積モードでのＯＥＣＴの動作は、高いオン／オフ比を有する低消費電力デバイスを可能にする。蓄積モードＯＥＣＴトランジスタを構築するためのこの手法は、ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳの処理の容易さ及び高いキャリア移動度を保持し得るが、一方でより低い回路電力消費及び回路設計でのより優れた柔軟性を可能にする。
【００６２】
図１７の右側は、Ａｇ／ＡｇＣｌを参考として使用する、異なるレドックス対でゲートされたＯＥＣＴの閾値電圧を、δＥＧの関数として示す。曲線の勾配は、おおよそ１であるように示されており、これは、閾値電圧が、δＥＧを調整することによって１対１の比で調整され得ることを意味する。例えば、０．６ＶのδＥＧを得るためにゲート材料を選択することによって、閾値電圧（ＶＴ）を０．６Ｖだけ移動させることができる。限定されるものではないが、Ｆｅ（ＣＮ）６３−／４−、Ｉ−／Ｉ３−、ビオロゲン及びその誘導体、インジゴ及びその誘導体、Ａｇ／ＡｇＣｌ、紺青、ポリアニリン、ＰＥＤＯＴ、Ｃｕ／Ｃｕ２＋、フェロセン及びその誘導体などを含む、選択する広範囲のレドックス対が存在するため、閾値電圧の広範囲のシフトが存在し得る。更に、δＥＧ、したがって、ＶＴを微調整するために、特定のレドックス対中の組成比を変えることもできる。例えば、参考としてＡｇ／ＡｇＣｌを使用すると、レドックス対Ｆｅ（ＣＮ）６３−／４−のδＥＧは、レドックス対層が同じ量のＦｅ（ＣＮ）６３−及びＦｅ（ＣＮ）６４−を含む場合、おおよそ０．２Ｖであり得る。Ｆｅ（ＣＮ）６３−及びＦｅ（ＣＮ）６４−が水溶液中に共存し得ることに留意されたい。一方、Ｆｅ（ＣＮ）６４−量を１０倍だけ増加させた場合、δＥＧは、６０ｍＶだけ減少し得る。同様に、δＥＧは、ＦＥ（ＣＮ）６３−の量が１０倍だけ増加した場合、６０ｍＶだけ増加し得る。Ｆｅ（ＣＮ）６３−とＦｅ（ＣＮ）６４−との間の他の比は、異なる量のδＥＧの調整を結果としてもたらし得る。同様のδＥＧの微調整は、他のタイプのレドックス対についても同様に達成され得る。このようにして、ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ  ＯＥＣＴ又は他のチャネル材料で調製されたＥＣＴのＶＴを微調整することができる。
【００６３】
異なるゲート材料を選択することによってＯＥＣＴの閾値電圧を調整することに加えて、いくつかの実施形態では、ＯＥＣＴの閾値電圧は、動的に調整され得る。より具体的には、動的に調整可能なＶＴを有するＯＥＣＴは、特定の条件下で変化し得る電気化学ポテンシャルを有するレドックス対を用いてゲート化され得る。いくつかのレドックス対は、温度、熱流、圧力、湿度などの刺激に応答して変化し得る電気化学ポテンシャルを有し得る。例えば、Ｆｅ（ＣＮ）６３−／４−のレドックスポテンシャルは、電子移送時の高いエントロピー変化に起因して、強い温度依存性を有し得る。これは、熱ガルバニック効果としても知られている。いくつかのレドックス対は、環境内の分析物濃度（例えば、ｐＨレベル、イオン、生体分子、気体など）の変化に応答して変化する電気化学ポテンシャルを有し得る。例えば、Ｃｕ／Ｃｕ２＋のレドックスポテンシャルは、溶液中のＣｕ２＋イオンの濃度に敏感であり得る。
【００６４】
図１８は、一実施形態による、レドックス対Ｆｅ（ＣＮ）６３−／４−の温度の関数としてのδＥＧを示す。温度がおおよそ１５℃上昇したときに、δＥＧが約２５ｍＶだけ変化し得ることを見ることができる。他のタイプの感温性レドックス対（例えば、モリブデン及びタングステン）もまた、同様の効果を有し得る。熱ガルバニック効果は、局所温度検知に基づいて局所電流制御を可能にする。したがって、いくつかの実施形態では、ＥＣＴ自体は、外部センサを必要とせずに、ＥＣＴを通る電流の局所制御のための検知を組み込み得る。例えば、いくつかの実施形態による電流リミッタは、局所温度、局所イオン濃度、又は局所電極電位などの検知されたパラメータの関数としてカットオフ電流を変化させる刺激応答ゲートを有するＥＣＴを組み込み得る。
【００６５】
本明細書で論じられるように、ＥＣＴのアレイを備える電流リミッタを形成することが、図１９のフロー図を使用して例示される。チャネル半導体層は、チャネル半導体層の複数の別個の領域が共通集電体層に接触するように、パターンで堆積される（１９２０）。固体状電解質層は、固体状電解質層の各別個の領域が、第１の場所でチャネル半導体層の別個の領域にそれぞれ接触するように、複数の別個の領域のパターンで堆積される（１９３０）。導電性材料層は、導電性材料層の各別個の領域が、第２の場所でチャネル半導体層の別個の領域にそれぞれ接触するように、別個の領域のパターンで堆積される（１９４０）。チャネルは、半導体層の各別個の領域の第１及び第２の場所間に形成され得る。ゲート電極層は、ゲート電極層の各別個の領域が、固体状電解質層の別個の領域にそれぞれ接触するように、別個の領域のパターンで堆積される（１９５０）。ゲート電極層の各別個の領域は、それぞれ、導電性材料層の別個の領域、集電体層に接触してもよく、又はセンサ若しくは他の制御回路に電気的に接続されてもよい。例えば、いくつかの実施形態では、ゲート電極は、ゲート電極と他の構成要素との間に電気的接続を形成するリード又はトレースに電気的に接続され得る。
【００６６】
任意選択的に、第２の導電性材料層が、チャネル半導体層から電気的に絶縁されている領域内に堆積される。この実施形態では、ゲート電極層は、ゲート電極層の各別個の領域が、固体状電解質層の別個の領域と、導電性材料層若しくは第２の導電性材料層の別個の領域又は集電体層とに接触するように、堆積され得る。第２の導電性材料層は、例えば、ゲート電極層にセンサ入力を提供するために使用され得る。
【００６７】
図２０Ａ〜図２３Ａ及び図２０Ｂ〜図２３Ｂは、それぞれ、スケーラブルな費用効率の良いプロセスで集電体層上に配設されたＥＣＴのアレイを備える電流リミッタを調製するための方法の上面図及び側面図を例示する。いくつかの実施形態では、これらの技術は、フォトリソグラフィ及び／又はエッチング工程なしの、低コストの印刷及び／又はコーティング技術によって達成され得る。図２０Ａ及び図２０Ｂは、それぞれ、集電体層２０１０のストリップを露出させたまま、集電体層２０１０の表面上にストライプパターンで第１の絶縁層２０２０を堆積させた後の上面図及び側面図を示す。図２１Ａ及び図２１Ｂは、それぞれ、半導体層２１３０、ゲート電極層２１４０、及び固体状電解質層２１５０の堆積後の上面図及び側面図を示す。半導体チャネル層２１３０は、半導体チャネル層２１３０の各別個の領域が集電体層２０１０と接触するように、別個の領域のパターンで堆積される。ゲート電極層２１４０−ａは、ゲート電極層２１４０−ａの各別個の領域が、集電体層２０１０と接触するように、別個の領域のパターンで堆積される。代替的に、ゲート電極層２１４０−ｂは、ゲート電極層２１４０−ｂの各別個の領域が、集電体層２０１０から電気的に絶縁されるように、別個の領域のパターンで堆積されてもよい。固体状電解質層２１５０は、固体状電解質層の各別個の領域が、ゲート電極層２１４０の別個の領域及び半導体チャネル層２１３０の別個の領域にそれぞれ接触するように、別個の領域のパターンで堆積される。第２の絶縁層２２６０は、半導体チャネル層２１３０の部分２１３１が露出したままであるように、第１の絶縁層２０２０からオフセットされるストライプパターンで堆積される。ゲート電極２１４０−ｂが堆積された場合、次いで、第２の絶縁層２２６０が、ゲート電極２１４０−ｂの部分２１３２も露出したままのパターンで堆積される。図２２Ａ及び図２２Ｂは、それぞれ、第２の絶縁層２２６０の堆積後の上面図及び側面図を示す。無電解めっき触媒２３７０が、任意選択的に、半導体チャネル層２１３０の露出された領域２１３１上、半導体チャネル層２１３０の露出された領域２１３１に近接する第２の絶縁層２２６０上、及び（適用可能であれば）ゲート電極２１４０−ｂの露出された領域２１３２上に堆積される。サブアセンブリが、無電解銅又はニッケルめっき浴に露出されて、別個の領域にパターン化された導電性材料２３８０の層を形成し、導電性材料接点２３８０の各別個の領域が、半導体チャネル層２１３０の別個の領域及びゲート電極層２１４０−ｂの別個の領域にそれぞれ電気的に連結される。代替的に、導電性材料２３８０は、半導体チャネル層２１３０の露出された領域２１３１上に、半導体チャネル層２１３０の露出された領域２１３１に近接する第２の絶縁層２２６０上に、及び（適用可能であれば）ゲート電極２１４０−ｂの露出された領域２１３２上に、印刷、積層、蒸着、又はスパッタリングされ得る。図２３Ａ及び図２３Ｂは、それぞれ、導電性材料のパターン化された層２３８０が形成された後の上面図及び側面図を示す。エネルギーを発生させる又は消費する活性領域を有するエネルギーデバイスは、導電性材料のパターン化された層２３８０がエネルギーデバイスのアノード又はカソードを形成するように、導電性材料のパターン化された層２３８０上に形成され得る。
【００６８】
本明細書に開示される実施形態は、電池又は他の活性エネルギー生成若しくは消費デバイス内の局所電流リミッタとして使用される電気化学トランジスタの１つ以上のアレイを伴う。これらの電流リミッタは、受動的又は能動的に制御され得る。電気化学トランジスタアレイは、例えば、集電体と活性材料との間の電流の流れを制御するために、電池内の集電体として既に使用されている金属箔上に印刷又は別様にパターン化され得る。印刷された電界効果トランジスタと比較して、電気化学トランジスタによって担持される電流は、大幅に高く、本明細書で論じられる電流制限用途でのそれらの使用を可能にする。低電流でのこれらのデバイスの微分抵抗は、非常に低い場合がある（電池又はエネルギーデバイスの内部インピーダンスに有意に寄与しないことを意味する）が、より高い電流では、微分抵抗は、急激に上昇する。更に、抵抗の急激な上昇が生じる電流は、異なるゲート電圧を印加することによって調整され得る。これらのゲート電圧が能動的に印加され得るか、又は同様の効果が、異なる電気化学ポテンシャルのゲートを用いて０Ｖゲート電圧を使用することによって達成され得る（本開示の図１５〜図１８を参照して説明されたよう）。
【００６９】
電流リミッタの一実施形態は、電池用の集電体を形成する電流担持金属箔上に印刷又は別様に堆積されたＥＣＴのアレイを伴う。ＥＣＴは、全て、電池用の集電体である共通電極を共有する。ＥＣＴチャネルと接触する他の電極は、他のＥＣＴから電気的に絶縁されている導電性パッドである。ゲート電極は、チャネル電極のいずれかの端に短絡され得、電流が制限される方向を指示する。代替的に、ゲート線は、アレイの縁に伸びてもよく、ゲート電圧（例えば、ゲートと下層の集電体との間の電圧）は、電流カットオフを時間又は場所の関数として変化させるように能動的に制御されてもよい。
【００７０】
これらの電流リミッタは、いくつかの考えられる構成で既存の電池製造プロセスラインと共に直接使用され得る。電気化学トランジスタは、負極、正極、又はその両方に堆積され得る。更に、ゲート電極は、電流が制限される方向に応じて、共通集電体層又は電池電解質と接触している導電性パッドのいずれかに短絡され得る。更に、複数のＥＣＴが、電流の流れを両方向に制限するように直列に配置されてもよい。リチウムイオン電池の負又は正の集電体を通って流れる放電電流を制限することによって、内部短絡中の自己放電速度が低下し得る。一方で、負極を通る充電電流を制限することによって、リチウムめっき及びリチウムデンドライトの形成が抑制され得、これは、内部短絡の可能性を低下させる。追加の設計柔軟性が、電池の両方の電極上に電流リミッタを組み込むことによっても達成され得る。
【００７１】
実施形態は、正及び負極の両方を通る放電電流が制限される構成を含み、これは、内部短絡中の自己放電速度を更に低下させることになる。代替的に、制限する電流方向は、図７Ｄのシステム７０４に示されるように互いに対向し得、そのため、負極が充電電流を制限し、一方で正極が放電電流を制限する。ＥＣＴを組み込む電流リミッタの多数の他の変更及び組み合わせが可能である。
【００７２】
本明細書に論じられる電流リミッタは、電流ホットスポットにつながる、集電体上の特定のスポットでの電流の流れに対する抵抗を低下させ得る、電池内の製造欠陥又は他の不均一性の影響を低減させる。上述されたように、ホットスポットは、電池が電流ホットスポット付近で劣化するため、セル容量の減少につながり得る。極端なシナリオでは、ホットスポットは、フィラメント形成及び熱暴走につながり得る。短絡が電池内に形成するとき、電池容量は、短絡を介して急速に放電し得、これは、過熱及び発火につながる。本明細書で論じられるような電流制限能力を備えた電池セルでは、電流ホットスポットが抑制され、短絡を介した自己放電速度が遅くなる。
【００７３】
電流リミッタは、既存の電池、光電池、及び燃料電池製造プロセスに容易に組み込まれることができる、ＥＣＴ及び任意選択の制御回路を組み込む。ＥＣＴのオン電流及び直列抵抗は、電池制御要件に適合させることができる。本明細書に論じられる電流リミッタの技術は、安価であり、微細なレベルの空間制御粒度を与え、これは、他の電池及びセパレータ、電池管理システム、より安価及び／又はより小さい熱管理システムなどの電池パック構成要素の改善を可能にする。本明細書に論じられる電流リミッタは、充電速度を増加させるために、及び／又は電池寿命を延ばすために、及び／又はフィードバックのための均一性要件を緩和するために使用され得る。サーマルシャットダウン機構とは対照的に、ＥＣＴを含む電流リミッタは、急速な温度上昇につながる前に破壊的な電流の流れを停止することができる。
【００７４】
いくつかの実施形態では、ＥＣＴは、刺激応答ゲートを組み込んで、温度、局所イオン濃度、又は局所電極電位（充電状態）などのいくつかの検知された量の関数として、カットオフ電流を変化させる。
【００７５】
いくつかの実施形態では、複数のＥＣＴは、両方向への電流の流れを制限するために直列に接続され得る。電流ミラー接続などの制御構造が、様々なセルを通る電流を均等化するために使用され得る。より複雑なプリンテッドエレクトロニクスもまた、各電気化学トランジスタを独立して制御して、空間及び／又は時間で変化するより複雑な充電及び放電挙動をもたらすために使用され得る。
【００７６】
図２４は、いくつかの実施形態による、電流リミッタ構造に使用され得る電流ミラー接続を概略的に図示する。第１の制御ＥＣＴ２４３１は、ＥＣＴ２４３１を通る電流Ｉ０を維持するトレース２４９９で電圧＋Ｖを発生させる。電圧＋Ｖは、次いで、他のＥＣＴ２４３２、２４３３、２４３４を通る電流を調整して、Ｉ０を整合又はコピーする。このようにして、所与の電流又は制御電流が複製され得る。ＥＣＴ２４３１〜２４３４がそれぞれ複数のエネルギーデバイスに接続されている場合（図２４には示されていない）、複数のエネルギーデバイスを通る電流は、図２４に図示された電流ミラー構造を介して共通値に制御及び／又は均等化され得る。共通値は、特定のサブセル又は特別な制御回路であり得る。ＥＣＴ特性が一致する限り、サブセルの各々を通る電流は、制御デバイスを通る電流と一致することになる。
【００７７】
図２５は、２つのＥＣＴ２５３１、２５３２が直列に接続されている、いくつかの実施形態による電流リミッタ２５００を例示する。直列の２つのＥＣＴ２５３１、２５３２は、共通集電体２５１１とコンタクトパッド２５２１との間に配設される。ＥＣＴ２５３１の電極２５３１−ｓは、絶縁されたコンタクトパッドと接触し、ＥＣＴ２５３１の電極２５３１−ｄは、ＥＣＴ２５３２の電極２５３２−ｓと接触し、ＥＣＴ２５３２の電極２５３２−ｄは、共通集電体２５１１と接触している。ＥＣＴ２５３１のゲート２５３１−ｇは、電極２５３１−ｓ、２５３１−ｄ、又は２５１１若しくは２５３１−ｄに対して印加される外部制御電圧に接続され得る。ＥＣＴ２５３２のゲート２５３２−ｇは、電極２５３２−ｓ、２５３２−ｄ、又は２５１１若しくは２５３２−ｓに対して印加される外部制御電圧に接続され得る。
【００７８】
ＥＣＴ２５３１、２５３２（及び本明細書に説明される他のＥＣＴ）は、ｎ型、ｐ型、蓄積モード、空乏モード、及びこれらのタイプの任意の組み合わせとすることができる。例えば、ＥＣＴ２５３１及び２５３２が両方、ｐ型空乏モードのＥＣＴである場合、ゲート２５３１−ｇは、２５３１−ｄに短絡され得、ゲート２５３２−ｇは、２５３２−ｓに短絡されて、両方向の電流制限を達成し得る。代替的に、同様の効果は、ゲート２５３１−ｇ〜２５３１−ｓ及びゲート２５３２−ｇ〜２５３２−ｄを短絡させることによって得られ得る。更に、ＥＣＴ２５３１、２５３２のうちの１つが受動的電流リミッタとして使用されてもよく、一方で他のＥＣＴが能動的に制御されてもよい。ＥＣＴの様々な変更及び組み合わせが、当業者には明らかとなるであろう。
【００７９】
本明細書で論じられた電流リミッタは、電池、並びに燃料電池、光電池、電気めっき及び電気エッチングセル、及び他の光電気化学セル又は電気化学セルの電流の流れを制御するために有用である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図７Ｃ】
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【図７Ｄ】
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【図８】
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【図９】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１０Ｃ】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０Ａ】
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【図２０Ｂ】
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【図２１Ａ】
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【図２１Ｂ】
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【図２２Ａ】
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【図２２Ｂ】
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【図２３Ａ】
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【図２３Ｂ】
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【図２４】
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【図２５】
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