(57)【要約】  装置は、負極電極材料を収容するように構成された複数の負極電極貯蔵部、正極電極材料を収容するように構成された複数の正極電極貯蔵部、及び、反応チャンバを有している。加熱システムは、前記複数の負極電極貯蔵部の選択された負極電極貯蔵部の負極電極材料を加熱し、及び、選択された正極電極貯蔵部の正極電極材料を加熱し、前記選択された貯蔵部の前記電極材料を流体状態に維持する一方、選択されなかった負極電極貯蔵部の負極電極材料、及び、選択されなかった正極電極貯蔵部の正極電極材料を、非流体状態に、維持するように構成されている。電極材料分配システムは、前記選択された正極電極貯蔵部と前記反応チャンバとの間で流体正極電極材料を循環するように構成され、及び、装置の放電状態の間に、前記選択された負極電極貯蔵部から前記反応チャンバに流体負極電極材料を移送するように構成される。【選択図】
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
負極電極材料を収容するように構成された複数の負極電極貯蔵部、
正極電極材料を収容するように構成された複数の正極電極貯蔵部、
前記複数の負極電極貯蔵部の選択された負極電極貯蔵部の負極電極材料を加熱し、前記選択された負極電極貯蔵部に収容された前記負極電極材料を流体状態に維持するように構成され、及び、選択された正極電極貯蔵部の正極電極材料を加熱し、前記選択された正極電極貯蔵部に含まれる前記正極電極材料を流体状態に維持する一方、選択されなかった負極電極貯蔵部の負極電極材料、及び、選択されなかった正極電極貯蔵部の正極電極材料を、非流体状態に、維持するように構成された加熱システム、
固体電解質を有し、前記固体電解質の第１の側に正極電極領域を形成し、及び、前記固体電解質の第２の側に負極電極領域を形成する反応チャンバであって、前記反応チャンバ内に前記固体電解質が配置される反応チャンバ、
前記選択された正極電極貯蔵部と前記正極電極領域との間で流体正極電極材料を循環するように構成され、及び、装置の放電状態の間に、前記選択された負極電極貯蔵部から前記負極電極領域に流体負極電極材料を移送するように構成された電極材料分配システム、
を有する装置。
【請求項２】
前記負極電極材料は、リチウム（Ｌｉ）を有し、前記正極電極材料は、硫黄（Ｓ）を有し、及び、前記固体電解質は、リチウム（Ｌｉ）を有する、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記固体電解質は、ヨウ化リチウム（ＬｉＩ）を有する、請求項２に記載の装置。
【請求項４】
前記電極材料分配システムは、さらに、
前記装置の充電状態の間に、前記負極電極領域から前記選択された負極電極貯蔵部に流体負極電極材料を移送するように構成される、請求項３に記載の装置。
【請求項５】
前記電極材料分配システムは、
複数の負極材料分配バルブを有する負極電極材料分配システムを有し、
各負極材料分配バルブは、
複数の電極材料貯蔵部の負極材料貯蔵部と前記負極電極領域との間に接続され、
前記負極材料分配バルブは、
開かれ、及び、閉じられて、前記選択された負極電極材料貯蔵部と前記負極電極領域との間に接続された選択された負極材料分配バルブが開かれるように構成される、請求項４に記載の装置。
【請求項６】
流体負極電極材料は、
装置の放電状態の間に、少なくとも部分的には重力によって、前記選択された負極貯蔵部から前記負極電極領域に流れる、請求項５に記載の装置。
【請求項７】
前記電極材料分配システムは、
前記正極電極領域に接続されるポンプ、
複数の正極電極材料貯蔵部のそれぞれに接続される正極材料分配バルブを有する複数の正極材料分配バルブ、
を有する正極電極材料分配システムを有する請求項５に記載の装置。
【請求項８】
前記電極材料分配システムは、
前記正極電極領域に接続される供給ポンプ、
前記正極電極領域に接続されるリターンポンプ、
前記複数の正極電極材料貯蔵部の各正極電極材料貯蔵部と前記供給ポンプとの間に接続される正極材料分配供給バルブを有する複数の正極材料分配供給バルブ、
前記複数の正極電極材料貯蔵部の各正極電極材料貯蔵部と前記リターンポンプとの間に接続される正極材料分配リターンバルブを有する複数の正極材料分配リターンバルブ、
を有し、
前記複数の正極材料分配供給バルブ、及び、前記複数の正極材料分配リターンバルブは、
前記選択された正極電極材料貯蔵部と前記供給ポンプとの間に接続される選択された正極材料分配供給バルブが開き、及び、前記選択された正極電極材料貯蔵部と前記リターンポンプとの間に接続される選択された正極材料分配リターンバルブが開くように構成される、請求項５に記載の装置。
【請求項９】
前記加熱システムに、待機負極電極材料貯蔵部を加熱させ、待機負極材料貯蔵部の負極材料を流体状態に維持させ、
前記待機負極電極材料貯蔵部と前記負極電極領域との間で、待機負極材料分配バルブを開き、
前記選択された負極材料分配バルブを閉じ、
前記加熱システムに、前記選択された負極電極材料貯蔵部を加熱することを停止させるように構成される制御部、
を、さらに、有する請求項８に記載の装置。
【請求項１０】
前記制御部は、
第１の負極放電閾値に応じて、前記加熱システムに、前記待機負極電極材料貯蔵部を加熱させ、
第２の負極放電閾値に応じて、前記待機負極材料分配バルブを開き、前記選択された負極材料分配バルブを閉じ、及び、前記加熱システムに、前記選択された負極電極材料貯蔵部を加熱することを停止させるように構成される、請求項９に記載の装置。
【請求項１１】
前記第１の負の放電閾値は、
前記選択された負の電極材料貯蔵部の負極電極材料の第１の体積に関連し、
前記第２の負極放電閾値は、
前記選択された負極電極材料貯蔵部の負極電極材料の第２の体積に関連する、請求項１０に記載の装置。
【請求項１２】
前記制御部に電流データを提供する少なくとも１つの電流センサ、
を、さらに、有し、
前記制御部は、
少なくとも部分的に前記電流データに基づいて、前記選択された負極電極材料貯蔵部の負極電極材料の体積を決定するように構成される、請求項１１に記載の装置。
【請求項１３】
前記制御装置は、
前記反応チャンバによって生成された電流レベルを時間積分し、前記反応チャンバを通って移送される総電荷を判定し、及び、前記負極電極材料貯蔵部から除去された負極電極材料の体積に移送された前記総電荷を相関させることによって、前記選択された負極電極材料貯蔵部の負極電極材料の体積を判定するように構成される、請求項１２に記載の装置。
【請求項１４】
前記制御装置は、さらに、
前記加熱システムに、待機正極電極材料貯蔵部を加熱させ、前記待機正極電極材料貯蔵部の正極電極材料を流体状態に維持させ、
待機正極電極材料貯蔵部と前記正極電極領域との間で、待機正極電極材料分配供給バルブを開き、
待機正極電極材料貯蔵部と前記正極電極領域との間で、待機正極電極材料分配リターンバルブを開き、
前記選択された正極電極材料分配供給バルブを閉じ、
前記選択された正極電極材料分配リターンバルブを閉じ、
前記加熱システムに、前記選択された正極電極材料貯蔵部の加熱を停止させる、
ように構成された請求項８に記載の装置。
【請求項１５】
前記制御部は、 
第１の正極放電閾値に応じて、前記加熱システムに、前記待機正極電極材料貯蔵部を加熱させ、及び、
第２の正極放電閾値に応じて、前記待機正極電極材料分配供給バルブを開き、前記待機正極材料分配リターンバルブを開き、前記選択された正極材料分配供給バルブを閉じ、前記選択された正極材料分配リターンバルブを閉じ、及び、前記加熱システムに、前記選択された正極電極材料貯蔵部の加熱を停止させる、
ように構成される、請求項１４に記載の装置。
【請求項１６】
前記第１の正極放電閾値は、
前記選択された正極電極材料貯蔵部の正極電極材料の第１の体積に関連し、
前記第２の正極放電閾値は、
前記選択された正極電極材料貯蔵部の正極電極材料の第２の体積に関連する、請求項１５に記載の装置。
【請求項１７】
前記制御部に電流データを提供する少なくとも１つの電流センサ、
を、さらに、有し、
前記制御部は、
少なくとも部分的に前記電流データに基づいて、前記選択された負極電極材料貯蔵部の前記正極電極材料の体積を判定するように構成される、請求項１６に記載の装置。
【請求項１８】
前記制御部は、
前記反応チャンバによって生成された電流レベルを時間積分し、前記反応チャンバを通って移送される総電荷を判定し、及び、前記負極電極材料貯蔵部から除去された正極電極材料の体積に移送された総電荷を相関させることによって、前記選択された正極電極材料貯蔵部の前記正極材料の体積を判定するように構成される、請求項１７の装置。
【請求項１９】
前記複数の負極電極材料貯蔵部を収容する負極電極材料貯蔵部ハウジング、
前記複数の正極電極材料貯蔵部を収容する正極電極材料貯蔵部ハウジング、及び、
前記反応チャンバを収容する反応チャンバハウジング、
を、さらに、有する請求項１に記載の装置。
【請求項２０】
前記負極電極材料貯蔵部ハウジング、前記正極電極材料貯蔵部ハウジング、及び、前記反応チャンバハウジングは、真空下の内部を有する、請求項１９に記載の装置。
【請求項２１】
前記負極電極材料貯蔵部ハウジング、前記正極電極材料貯蔵部ハウジング、及び、前記反応チャンバハウジングは、空気を有する内部を有する、請求項１９に記載の装置。
【請求項２２】
前記負極電極材料貯蔵部ハウジング、前記正極電極材料貯蔵部ハウジング、及び、前記反応チャンバハウジングは、アルゴンガスを有する内部を有する、請求項１９に記載の装置。
【請求項２３】
前記負極電極材料貯蔵部ハウジング、前記正極電極材料貯蔵部ハウジング、及び、前記反応チャンバハウジングを収容する主ハウジング、
を、さらに、有する請求項１９に記載の装置。
【請求項２４】
前記負極電極材料貯蔵部ハウジングの内面、前記正極電極材料貯蔵部ハウジングの内面、前記反応チャンバハウジングの内面、及び、前記主ハウジングの内面は、前記電極材料からの化学的攻撃から前記内面を保護するように構成された被覆材料で被覆されている、請求項２３に記載の装置。
【請求項２５】
前記固体電解質とともに、前記負極電極領域を形成する負極電極容器部分であって、前記負極電極容器部分を、前記負極電極材料による化学的攻撃から保護するように構成された負極電極被覆材料で被覆される内面を有する負極電極容器部分、及び、
前記固体電解質とともに、前記正極電極領域を形成する正極電極容器部分であって、前記正極電極容器部分を、前記正極電極材料による化学的攻撃から保護するように構成された正極電極被覆材料で被覆される内面を有する正極電極容器部分、
を有する反応チャンバ容器、
を、さらに、有する請求項１に記載の装置。 
【請求項２６】
前記負極電極被覆材料、及び、前記正極電極被覆材料は、非導電性である、請求項２５に記載の装置。
【請求項２７】
前記負極電極領域に配置される負極電極電流コレクタであって、前記負極電極材料からの化学的攻撃から、前記負極電極電流コレクタを保護するように構成された負極導電性被覆材料で被覆された表面を有する負極電極電流コレクタ、及び、
前記正極電極領域に配置される正極電極電流コレクタであって、前記正極電極材料からの化学的攻撃から、前記正極電極電流コレクタを保護するように構成された正極導電性被覆材料で被覆された表面を有する正極電極電流コレクタ、
を、さらに、有する請求項２６に記載の装置。
【請求項２８】
前記正極非導電性被覆材料は、前記負極非導電性被覆材料と同じである、請求項２７に記載の装置。
【請求項２９】
前記負極電極容器部分は、
導電性であり、及び、負極電極電流コレクタを形成し、
前記正極電極容器部分は、
導電性であり、及び、正極電極電流コレクタを形成し、及び、
前記負極電極被覆材料、及び、前記正極電極被覆材料は、
導電性である、
請求項２５に記載の装置。
【請求項３０】
総流体電極材料は、前記流体正極電極材料、及び、前記流体負極電極材料を有し、
前記装置は、さらに、
熱暴走トリガに応じて、少なくとも一部の総流体電極材料を冷却するように構成された熱暴走緩和システムを有する、請求項１に記載の装置。
【請求項３１】
前記熱暴走緩和システムは、
少なくとも一部の前記流体電極材料を前記少なくとも一部の前記流体電極材料の融点未満の温度まで冷却し、前記少なくとも一部の流体電極材料を固体状態に維持するように構成される、請求項３０に記載の装置。
【請求項３２】
前記熱暴走緩和システムは、
少なくとも一部の前記流体負極電極材料、及び、少なくとも一部の前記流体正極電極材料を冷却するように構成される、請求項３０に記載の装置。
【請求項３３】
前記熱暴走緩和システムは、
前記少なくとも一部の前記流体負極電極材料を、前記少なくとも一部の流体負極電極材料の前記融点未満の負極電極凍結温度まで冷却し、及び、前記少なくとも一部の流体正極電極材料を、前記少なくとも一部の流体正極材料の前記融点未満の正極電極凍結温度まで冷却するように構成される、請求項３２に記載の装置。
【請求項３４】
前記熱暴走緩和システムは、
冷却熱伝達流体を、前記冷却熱伝達流体が前記少なくとも一部の流体電極材料と熱伝導できるようにする領域に、方向付けるように構成される、請求項３０に記載の装置。
【請求項３５】
起動手順の間に、前記加熱システムに電力を供給するように構成された補助電源、
を、さらに、有し、
前記反応チャンバは、
加熱され、負極材料融点未満である負極電極初期温度から、前記負極材料融点を超える負極電極動作温度まで、前記負極電極領域内の負極流体電極材料をもっていき、及び、
前記反応チャンバは、
加熱され、正極材料融点未満である正極電極初期温度から、前記正極材料融点を超える正極電極動作温度まで、前記正極電極領域内の正極流体電極材料をもっていく、請求項１に記載の装置。
【請求項３６】
前記起動手順の間、
前記選択された負極貯蔵部は、
加熱され、前記負極材料融点未満である負極貯蔵部初期温度から、前記負極材料融点を超える負極貯蔵部動作温度まで、前記選択された負極電極貯蔵部内の負極流体電極材料をもっていき、及び、
前記選択された正極貯蔵部は、
加熱され、前記正極材料融点未満である正極貯蔵部初期温度から、前記正極材料融点を超える正極貯蔵部動作温度まで、前記選択された正極貯蔵部内の正極流体電極材料をもっていく、請求項３３に記載の装置。
【請求項３７】
前記固体電解質は、
複数のリチウムカチオン、複数のヨウ素アニオン、及び、複数の欠陥を有するヨウ化リチウム格子を有する、請求項１に記載の装置。
【請求項３８】
前記複数の欠陥は、
ヨウ化リチウムを形成するヨウ化リチウムへの複数のナノ粒子の導入に関連する複数の粒界欠陥を有する、請求項３７に記載の装置。
【請求項３９】
前記複数の粒界欠陥は、
前記複数のナノ粒子の粒界に生じる複数のナノ粒子粒界欠陥、及び、
前記複数のナノ粒子の前記導入の前に形成され、及び、前記複数のナノ粒子の前記導入の結果として、少なくとも部分的に、前記ヨウ化リチウム格子内に維持される複数の固定された粒界欠陥、の少なくとも１つを有する、請求項３８記載の装置。
【請求項４０】
負極電極材料を収容するように構成された複数の負極電極貯蔵部、
正極電極材料を収容するように構成された複数の正極電極貯蔵部、
前記複数の負極電極貯蔵部の複数の選択された負極電極貯蔵部の負極電極材料を加熱し、前記選択された複数の負極電極貯蔵部に収容される前記負極電極材料を、流体状態に、維持するように構成され、及び、複数の選択された正極電極貯蔵部の正極電極材料を加熱し、前記選択された正極電極貯蔵部に収容される前記正極電極材料を、流体状態に、維持する一方、選択されていない負極電極貯蔵部の負極電極材料、及び、選択されていない正極電極貯蔵部の正極電極材料を、非流体状態に、維持するように構成される加熱システム、
前記反応チャンバに配置され、前記固体電解質の第１の面に正極電極領域を形成し、及び、前記固体電解質の第２の面に負極電極領域を形成する固定電解質を、各反応チャンバが有する複数の反応チャンバ、
電極材料分配システムであって、
複数の選択された正極電極貯蔵部の第１の選択された正極電極貯蔵部と複数の反応チャンバの第１の反応チャンバの正極電極領域との間で流体正極電極材料を循環し、
装置の放電状態の間に、前記選択された負極電極貯蔵部の第１の選択された負極材料貯蔵部から、前記第１の反応チャンバの前記負極電極領域に、流体負極電極材料を移送し、
複数の選択された正極電極貯蔵部の第２の選択された正極電極貯蔵部と前記複数の反応チャンバの第２の反応チャンバの前記正極電極領域との間で流体正極電極材料を循環し、
前記装置の放電状態の間に、前記選択された負極電極貯蔵部の第２の負極電極材料から、前記第２の反応チャンバの前記負極電極領域に、流体負極電極材料を移送する、電極材料分配システム、
を有する溶解電極電池システム。
【請求項４１】
負極材料を収容するように構成された複数の負極貯蔵部、
正極材料を収容するように構成された複数の正極貯蔵部、
前記複数の負極電極貯蔵部の複数の選択された負極電極貯蔵部の負極電極材料を加熱し、前記選択された複数の負極電極貯蔵部に収容される前記負極電極材料を、流体状態に、維持するように構成され、及び、複数の選択された正極電極貯蔵部の正極電極材料を加熱し、前記選択された正極電極貯蔵部に収容される前記正極電極材料を、流体状態に、維持する一方、選択されていない負極電極貯蔵部の負極電極材料、及び、選択されていない正極電極貯蔵部の正極電極材料を、非流体状態に、維持するように構成される加熱システム、
複数の反応チャンバであって、各反応チャンバは、前記反応チャンバに配置される固定電解質を有し、前記固体電解質の第１の面に正極電極領域を形成し、及び、前記固体電解質の第２の面に負極電極領域を形成し、各反応チャンバは、前記複数の選択された負極電極貯蔵部の少なくとも一つ、及び、前記複数の選択された負極電極貯蔵部の少なくとも一つに接続されるもの、
前記複数の負極電極材料貯蔵部を有し、及び、真空下の内部を有する負極電極材料貯蔵部ハウジング、
前記複数の正極電極材料貯蔵部を有し、及び、真空下の内部を有する正極電極材料貯蔵部ハウジング、
前記反応チャンバを有し、及び、真空下の内部を有する反応チャンバハウジング、
を有するフロー電池システム。
【請求項４２】
前記負極電極材料貯蔵部ハウジング、前記正極電極材料貯蔵部ハウジング、及び、前記反応チャンバハウジングを有する主ハウジング、
を、さらに、有する請求項４１に記載の電池システム。
【請求項４３】
前記負極電極材料貯蔵部ハウジングの内面、前記正極電極材料貯蔵部ハウジングの内面、前記反応チャンバハウジングの内面、及び、前記主ハウジングの内面は、前記電極材料からの化学的攻撃から前記内面を保護するように構成された被覆材料で被覆されている、請求項４２に記載の電池システム。
【請求項４４】
負極材料を収容するように構成された複数の負極貯蔵部、
正極材料を収容するように構成された複数の正極貯蔵部、
前記複数の負極電極貯蔵部の複数の選択された負極電極貯蔵部の負極電極材料を加熱し、前記選択された負極電極貯蔵部に収容される前記負極電極材料を、流体状態に、維持するように構成され、及び、前記複数の正極電極貯蔵部の複数の選択された正極電極貯蔵部の正極電極材料を加熱し、前記選択された正極電極貯蔵部に収容される前記正極電極材料を、流体状態に、維持する一方、少なくとも１つの選択されていない負極電極貯蔵部の負極電極材料、及び、少なくとも１つの選択されていない正極電極貯蔵部の正極電極材料を、非流体状態に、維持するように構成される加熱システム、
複数の反応チャンバであって、各反応チャンバは、前記反応チャンバに配置される固定電解質を有し、前記固体電解質の第１の面に正極電極領域を形成し、及び、前記固体電解質の第２の面に負極電極領域を形成し、前記反応チャンバは、少なくとも１つの前記選択された負極電極貯蔵部から前記負極電極領域の流体負極電極材料を受け取り、及び、少なくとも１つの前記選択された正極電極貯蔵部から前記正極電極領域の流体正極電極材料を受け取るように構成されるもの、
を有する電池システム。
【請求項４５】
前記第２の面は、前記第１の面の反対側である、請求項４４に記載の電池システム。
【請求項４６】
前記負極電極材料は、リチウム（Ｌｉ）を有し、前記正極電極材料は、硫黄（Ｓ）を有し、及び、前記固体電解質は、リチウム（Ｌｉ）を有する、請求項４５に記載の電池システム。
【請求項４７】
前記固体電解質は、ヨウ化リチウム（ＬｉＩ）を有する、請求項４６に記載の電池システム。
【請求項４８】
前記正極電極材料は、リン（Ｐ）を有する、請求項４６記載の電池システム。
【請求項４９】
前記加熱システムは、
前記選択された正極電極貯蔵部を加熱し、前記選択された正極電極貯蔵部の前記正極電極材料の前記温度を、１１５℃〜４６９℃の間に維持し、及び、前記選択された負極電極貯蔵部を加熱し、前記選択された負極電極貯蔵部の前記負極電極材料の温度を、１１５℃〜４６９℃の間に維持するように構成される、請求項４４に記載の電池システム。
【請求項５０】
前記加熱システムは、
前記選択された正極電極貯蔵部を加熱し、前記選択された正極電極貯蔵部の前記正極電極材料の温度を、３６５℃〜４６９℃の間に維持し、及び、前記選択された負極電極貯蔵部を加熱し、前記選択された負極電極貯蔵部の負極電極材料の温度を、３６５℃〜４６９℃の間に維持するように構成される、請求項４９に記載の電池システム。
【請求項５１】
前記選択された正極電極貯蔵部を加熱し、前記選択された正極電極貯蔵部の前記正極電極材料の温度を、３６５℃〜４４４℃の間に維持し、及び、前記選択された負極電極貯蔵部を加熱し、前記選択された負極電極貯蔵部の負極電極材料の温度を、３６５℃〜４４４℃の間に維持するように構成される、請求項５０に記載の電池システム。
【請求項５２】
前記選択された正極電極貯蔵部を加熱し、前記選択された正極電極貯蔵部の前記正極電極材料の温度を、３７５℃〜４２５℃の間に維持し、及び、前記選択された負極電極貯蔵部を加熱し、前記選択された負極電極貯蔵部の負極電極材料の温度を、３７５℃〜４２５℃の間に維持するように構成される、請求項５１に記載の電池システム。
【請求項５３】
前記選択された正極電極貯蔵部を加熱し、前記選択された正極電極貯蔵部の前記正極電極材料の温度を、約４００℃に維持し、及び、前記選択された負極電極貯蔵部を加熱し、前記選択された負極電極貯蔵部の負極電極材料の温度を、約４００℃に維持するように構成される、請求項４６に記載の電池システム。
【請求項５４】
前記反応チャンバの総数は、少なくとも１４である、請求項４４に記載の電池システム。
【請求項５５】
前記負極電極材料貯蔵部の総数は、少なくとも２８０である、請求項５４に記載の電池システム。
【請求項５６】
前記正極電極材料貯蔵部の総数は、少なくとも１４０である、請求項５５に記載の電池システム。
【発明の詳細な説明】
【優先権主張】
【０００１】
本出願は、発明の名称：溶解流体電極装置管理のための装置、システム、及び方法、出願日２０１８年５月１７日、代理人整理番号ＶＢＣ０００６であり、及び、ここに、完全な形で、参照によって組み入れられる米国特許出願番号１５／９８２，４９７号に関する優先権の利益を主張する。
【技術分野】
【０００２】
本発明は、一般に、熱電池に関し、より詳細には、溶解流体電極を有する装置を管理するための方法、装置、及び、システムに関する。
【背景技術】
【０００３】
電池は、一般に、正極（カソード）、負極（アノード）、及び、電解質を有する。電池は、典型的には、電池の端子に電気的な流れを方向付ける電流コレクタを、電極に、有している。電極材料を加熱することによって、電極の一方または両方が流体状態に維持される電極用の流体を使用する試みがなされてきた。これらの電池は、熱電池、又は、高温電池と呼ばれることがあり、及び、例えば、液体−金属電池、及び、再充電可能な液体−金属電池と呼ばれることがある装置を含んで切る。残念ながら、数十年の研究、及び、開発では、例えば、ナトリウム、及び、硫黄、又は、リチウム、及び、硫黄のような高重量エネルギー密度（ｋＷｈ／ｋｇ）の電気化学的結合を用いる安全で信頼性の高い熱電池は、製造されていない。
【図面の簡単な説明】
【０００４】
図面は、単に例示のためのものであり、添付の特許請求の範囲を限定するものではないことを理解すべきである。さらに、図面中の構成要素は、必ずしも縮尺どおりではない。図面において、同様の参照番号は、異なる図面全体を通して対応する部品を示す。
【０００５】
【図１】少なくとも反応チャンバ、複数の負極貯蔵部、複数の正極貯蔵部、電極材料分配システム、加熱システム、及び、制御部を有する流体電極装置のブロック図である。
【０００６】
【図２】硫黄電極材料を収容するための複数の正極材料貯蔵部に接続された単一の反応チャンバと、リチウム電極材料を収容するための複数の負極材料貯蔵部とを含む単セル電池システムの一例を示す図である
【０００７】
【図３】反応チャンバ、複数のリチウム電極材料貯蔵部、及び、複数の硫黄電極材料貯蔵部が垂直に積層された、平面的な四角柱である単一セル電池システムの正面図である。矩形プリズム
【０００８】
【図４】各反応チャンバが複数のリチウム電極材料貯蔵部、及び、複数の硫黄電極材料貯蔵部に接続される、複数の反応チャンバを有する複数セル電池システムの一例のブロック図である。
【０００９】
【図５】リチウム電極材料貯蔵部、反応チャンバ、及び、硫黄電極材料貯蔵部が平面的であり、及び、垂直に積層されている、２つの反応チャンバを有する複数セル電池システムの一例の正面図である。
【００１０】
【図６】リチウム電極材料貯蔵部、反応チャンバ、及び、硫黄電極材料貯蔵部が平面的であり、及び、垂直に積層されている、１４個の反応チャンバを有する複数セル電池システムの一例の斜視図である。
【００１１】
【図７Ａ】複数セル電池システムの反応チャンバ、リチウム電極材料貯蔵部、及び、硫黄電極材料貯蔵部の平面図である。
【００１２】
【図７Ｂ】１つの反応チャンバの一部の断面側面を示す図である。
【００１３】
【図７Ｃ】１つのリチウム電極材料貯蔵部の一部の断面側面を示す図である。
【００１４】
【図７Ｄ】１つの硫黄電極材料貯蔵部の一部の断面側面を示す図である。
【００１５】
【図８】複数セル電池システムを管理する方法の一例を示すフローチャートである。
【００１６】
【図９】電池起動手順を実行する方法の一例を示すフローチャートである。
【００１７】
【図１０】電池シャットダウン手順を実行する方法の一例を示すフローチャートである。
【００１８】
【図１１】電池システムの放電中に、電極材料の流れ、及び、加熱システムを管理する方法の一例を示すフローチャートである。
【００１９】
【図１２】電池システムの充電中に、電極材料の流れ、及び、加熱システムを管理する方法の一例を示すフローチャートである。
【００２０】
【図１３】電池システムにおけるポンプの管理方法の一例を示すフローチャートである。
【発明の詳細な説明】
【００２１】
【実施例１】
【００２２】
熱電池は、他の種類の電池よりもいくつかの利点を有している。熱電池（高温電池）の比較的低コスト、高エネルギー密度、及び、高出力密度によって、これらのタイプの電池は、いくつかの用途に対して非常に魅力的になる。残念ながら、これらのデバイスに対する安全性の問題は、強制的に広く取り上げられている。それらの高エネルギー化学のために、熱電池は、火災、及び、爆発という危険リスクに悩まされてきた。従来の熱電池設計は、第３の材料によって分離される流体（すなわち、溶解）材料の２つのプールを有している。第３の材料が、故障し、及び、溶解した材料が混合し、及び、反応することを許してしまった場合、大量の熱エネルギーが、短時間で放出される。これらの状態は、しばしば、危険な火災状態、又は、爆発をもたらす。この厳しい制限は、今日、依然として継続しているが、安全な熱電池の需要は、第２次世界大戦中の発端以来、存在し続けてきた。数十年の試みでは、この問題に対する適切な解決策はもたらされなかった。例えば、いくつかの試行には、重力フロー電池設計を使用することが含まれており、重力フロー電池設計では、溶解した活物質の１つは、反応チャンバの壁が固体電解質である、より小さな反応チャンバの上方に物理的に位置する大きな貯蔵部に含まれる。個体電解質の反対側には、他の溶解した活物質の大きな貯蔵部がある。固体電解質が故障し、及び、２つの溶解した活物質が混合を許される場合には、２つの溶解した活物質の混合の化学反応によって形成される固体生成物が、他の溶解した活物質の他の大きな貯蔵部とともに、物理的に上に位置する大きな貯蔵部からの活物質の流れを制限することが、期待される。重力フロー電池設計の試行が失敗するのは、上部の貯蔵部からの流れを遮断するように意図された固体反応生成物が、熱電池の動作温度において十分に急速に合体しないからである。したがって、２つの溶解した活物質の混合は、この設計によって鈍化されるだけであり、及び、熱暴走事象の防止には不十分である。他の試行には、溶解した活物質の化学を、固体電解質の故障が熱暴走事象を引き起こさないような金属ハロゲン化化学へ変更することが含まれる。残念ながら、この技術は、特定のエネルギー密度（ｋＷｈ／ｋｇ）、及び、体積エネルギー密度（ｋＷｈ／ｌ）を低減する全てのコストを、熱電池が多くの用途のための実行可能な解決策ではない点までもっていってしまう。
【００２３】
熱電池における研究は、高い危険性のために、断念されてきた。例えば、主要な自動車製造業者は、１９９３年に、熱ナトリウム−硫黄電池を使用した電気自動車のフリートを開発した。試験中に、２つの車両が、充電中に爆発し、炎に包まれた。これらの火災の結果、製造者は、その熱ナトリウム−硫黄電池プログラムを終了し、及び、米国エネルギー省は、熱電池研究の資金供給を停止した。これは、安全な熱電池が、他の産業と同様に、電気自動車産業に提供するであろう多大な利点にかかわらなかった。熱電池が相対的に軽量で、及び、低コストであることは、火災のリスクが軽減されるならば、明らかに、これらの装置を、電気自動車での使用のための最良の選択にする。
【００２４】
本明細書に記載された技術によれば、熱電池のための火災のリスクは、電池内の任意の１つの時間に存在する流体、又は、溶解した材料の量を制限することによって、最小化される。固体電極材料の一部のみが、流体状態に加熱される。残りの非流体、固体材料の部分は、電池内で構造的な故障が生じても、結合し、及び、反応するリスクがない。固体電解質中の割れ目による流体材料の反応から放出される熱エネルギーは、反応チャンバ内の流体材料の量を制限すると共に、電池内に存在する流体材料の量を制限することによって、最小化される。電池内の電極材料は、少なくとも１つの反応チャンバと複数の貯蔵部との間に分配される。加熱システムは、反応チャンバ、及び、貯蔵部に、選択的に、制御される一方、電極分配機構は、電池内で構成要素間の流体電極材料を管理する。以下に述べる実施例では、制御部は、パラメータを監視し、及び、加熱システム、電極材料分配システム、及び、熱暴走緩和システムを制御して、電池の安全な、及び、効率的な動作を管理する。
【００２５】
本明細書で検討されるように、材料が、十分に液化された濃度を有し、１つの領域から他の領域へと流れることが許容されるとき、材料は流体状態にある。言い換えると、流体材料の粘度は、材料が、方向付けられ、ポンピングされ、又は、他の点では、１つの領域から他の領域へ流れることができるようなものである。しかしながら、流体材料は、少なくとも部分的に固体である一方、他の部分は液相にあるいくつかの構成要素を有している。結果として、流体材料は、必ずしも、全て液相にある必要はない。本明細書で検討されるように、材料は、それが流れないように十分に固化されている非流体状態にある。換言すれば、非流体状態における材料の粘度は、材料が、方向付けられ、ポンピングされ、又は、他の点では、１つの領域から他の領域へ流れることができないようなものである。しかしながら、非流体材料は、固相にある他の構成要素と同様に、液相中にあるいくつかの構成要素を有してもよい。材料が流体状態にあるとき、それは流体であり、及び、材料が非流体状態にあるとき、それは非流体である。本明細書で説明する実施例では、電極材料は、加熱によって非流体状態から流体状態に移行し、及び、溶解した電極材料、及び、溶解した流体電極材料として参照され得る。
【００２６】
以下に説明する例では、電池は、固体電解質によって分離された流体電極を有し、電池に含まれる電極材料の選択された部分のみが、加熱され、流体状態の中にその電極材料の部分を配置し、及び、維持する反応チャンバを有する。電池内の総負極電極材料は、電池の、複数の負極電極材料貯蔵部と反応チャンバの負極電極領域との間に分布し、総正極電極材料は、複数の正極電極材料貯蔵部と反応チャンバの正極電極領域との間に分布している。制御部は、加熱システム、及び、電極材料分配システムを制御し、電池内の電極材料の温度、及び、流れを管理する。以下にさらに詳細に説明するように、各電極材料貯蔵部は、独立して制御され、選択された温度で、及び、適切な状態に、貯蔵部内の電極材料を維持する。電極材料分配システムは、制御部が反応チャンバ、及び、貯蔵部に、及び、から電極材料を方向付けることを可能にする、任意の数のポンプ、バルブ、及び、チャネルを有してもよい。いくつかの状況では、電極材料は、貯蔵部間で移送される。本明細書の例では、正極電極材料は、放電、又は、充電電流が閾値を超えている間に、反応チャンバの正極電極領域と１つ以上の正極電極材料貯蔵部との間で、連続的に、循環される。多くの状況では、放電、又は、充電電流が閾値を下回っているならば、正極電極材料を循環させる必要はない。負極電極材料は、電池の放電中に、１つ以上の選択された負極電極材料貯蔵部から反応チャンバの負極電極領域に送られ、及び、電池の充電中に、貯蔵部に戻される。加熱システムは、各貯蔵部を独立して加熱、及び、冷却され得るように構成される。加えて、熱回収、及び、熱再生技術を、効率のために、用いてもよい。 
【００２７】
図１は、反応チャンバ１０２、複数の負極電極貯蔵部１０４、１０６、１０８、複数の正極電極貯蔵部１１０、１１２、１１４、電極材料分配システム１１５、加熱システム１１６、及び、制御部１１７を少なくとも有する流体電極装置１００のブロック図である。装置１００は、電池セルを形成してもよく、電池の一部であってもよく、及び/又は、電池システムの一部であってもよい。例えば、装置１００に従って実装されたいくつかの構造体を接続して、マルチセル電池システムを形成できる。図１の図示は、例の一般的な原理を示しており、及び、必ずしも、表された構成要素の特定の形状、相対的な大きさ、距離、又は、他の構造的な細部を示すものではない。いくつかの状況では、２つ以上のブロックの構造は、単一の構成要素、又は、構造で実装されてもよい。さらに、図１の単一のブロックで実行されるように説明される機能は、分離構造で実施されてもよい。
【００２８】
加熱システム１１６は、少なくとも１つの負極電極貯蔵部、及び、少なくとも１つの正極電極貯蔵部を加熱して、これらの選択された貯蔵部１０４、１１０内に収容された材料を流体状態に配置し、及び、維持する。したがって、装置１００は、材料の一部が非流体状態にあり、及び、材料の一部が流体状態にある負極電極材料１１８を有している。本明細書で検討されるように、装置１００に含まれる総負極電極材料は、負極電極材料１１８として参照され、流れることができない非流体状態の総負極電極材料１１８の部分は、非流体負極材料１２０として参照され、及び、流れることができる流体状態の総負極材料１１８の部分は、流体負極電極材料１２４として参照される。装置１００は、また、材料１２６の一部が非流体状態にあり、及び、材料１２６の一部が動作中に流体状態にある正極電極材料１２６を有している。本明細書で論じるように、電池に含まれる総正極電極材料は、正極電極材料１２６として参照され、非流体状態にあり、及び、流れない正極電極材料１２６の部分は、非流体正極電極材料１２８として参照され、及び、流れることができる流体状態の正極電極材料１２６の部分は、流体正極電極材料１３０として参照される。
【００２９】
反応チャンバ１０２は、固体電解質１３６によって分離された負極電極領域１３２、及び、正極電極領域１３４を有している。複数の負極電極貯蔵部１０４、１０６、１０８は、負極電極材料が流体状態にあるときに、貯蔵部１０４、１０６、１０８に含まれる負極電極材料が貯蔵部と負極電極領域１３２との間を流れることができるように、負極電極領域１３２に接続されている。複数の正極電極貯蔵部１１０、１１２、１１４は、正極電極材料が流体状態にあるときに、貯蔵部１１０、１１２、１１４に含まれる正極電極材料が貯蔵部と正極電極領域１３２との間を流れることができるように、正極電極領域１３４に接続されている。電池１００の動作中、負極電極領域１３２は、流体負極電極材料１２４を含み、及び、正極電極領域１３４は、流体正極電極材料１３０を含んでいる。さらに詳細に後述するように、正極電極領域１３４は、装置１００の通常動作から生じるいくつかの反応生成物を含んでもよい。負極電極領域１３２内の流体負極電極材料１２４は、装置１００の流体負極電極１３８を形成する。正極電極領域１３４内の流体正極材料１３０は、装置１００の流体正極電極１４０を形成する。各電極１３８、１４０に適切に配置された電流コレクタ（図示せず）とともに、各電極１３８、１４０において、固体電解質１３６を介して流体負極電極１３８と流体正極電極１４０との間で、装置内で反応が生じ、及び、その電気化学反応から、電気エネルギーを利用できる。電気エネルギーを電流コレクタに印加して、装置１００を充電することによって、この反応を、逆転できる。したがって、図１の例における反応チャンバ１０２の動作は、 従来の熱電池、及び、流体電極を有する電池の動作と類似のものとなる。しかしながら、従来の熱電池を超える実施例の重要な利点は、流体状態にある電極材料の量を制限し、それによって構造的故障の間の火災の可能性を最小にすることを含んでいる。例えば、固体電解質中の割れ目が生じても、望ましくない化学反応に利用できる負極電極領域１３２内の流体負極電極材料の量、及び、正極電極領域１３４内の流体正極電極材料の量を制限するように、反応チャンバ１０２を構成できる。流体電極の直接的な化学反応によって生成される熱エネルギーの量は、反応チャンバ１０２内の各流体電極の材料量に、直接的に、比例し、及び、反応チャンバ１０２の各電極領域１３２、１３４の体積に、直接的に、比例する。したがって、１つの有利な設計の目的は、反応チャンバ１０２内の電極領域１３２、１３４の体積を最小化することによって、電極領域１３２、１３４内の流体電極材料の量を最小化することを含む。いくつかの状況では、化学反応における反応物質の１つを制限することが化学反応全体を制限するため、電極領域の１つのみを制限することによって、望ましくない化学反応に起因する熱エネルギーの量を最小化できる。
【００３０】
装置の安全性を高めるために、固体の脆弱でない電解質を使用できる。加えて、固体電解質は、固体電解質を介して安全性、及び、イオン移送特性を向上するための強化構造を含んでもよい。このような固体電解質の例は、参照により本明細書に明示的に組み込まれる米国特許出願番号１５／９８２，４８０、発明の名称「改善されたリチウムイオン移送特性を有する個体ヨウ化リチウム電解質を有する溶解流体電極装置」、代理人整理番号ＶＢＣ００３、出願日２０１８年５月１７日に開示されている。
【００３１】
加熱システム１１６は、選択された貯蔵部を選択的に加熱することを可能にするいくつかの部分を有している。例えば、加熱システム１１６は、複数の負極電極貯蔵部１０４、１０６、１０８の選択された貯蔵部のそれぞれを独立に加熱するように構成された複数の負極材料加熱システム部１４２、１４４、１４６、及び、複数の正極電極貯蔵部１１０、１１２、１１４の選択された貯蔵部のそれぞれを独立に加熱するように構成された複数の正極材料加熱システム部１４８、１５０、１５２、を有している。加熱システム１１６は、また、電極１３８、１４０が流体状態にある動作温度に反応チャンバ１０２を維持するように構成された反応チャンバ部１５４を有している。加熱システム１１６の負極分配加熱部１６０は、負極材料分配機構１５８を加熱し、及び、加熱システム１１６の正極分配加熱部１６２は、正極材料分配機構１５６を加熱する。図１の例では、加熱システム１１６は、加熱された熱伝導流体を、１つ以上の加熱器と加熱される装置内の構成要素との間で移動させる加熱コイル、又は、導管のネットワークを有している。非流体状態に電極材料を維持するために十分に低い温度に、選択されていない貯蔵部を維持する一方、選択された貯蔵部の加熱を促進し、加熱熱伝導流体を適切な位置に方向付けるために、バルブ、及び、ポンプを利用できる。しかしながら、他の加熱システムを利用できる。例えば、加熱システム１１６は、選択されていない貯蔵部を非流体状態に維持するのに十分に低い温度に維持しながら、選択された貯蔵部の加熱を促進にするいくつかの電気加熱素子を有する電気加熱システムであってもよい。いくつかの状況では、選択されていない貯蔵部は、周囲温度よりもかなり低い温度に維持される。このような技術は、周囲温度よりも低く電極材料を冷却するために必要とされる追加のエネルギーによる効率の低下のコストで安全性を高めてもよい。１つ以上の選択された貯蔵部は、活動貯蔵部が、反応チャンバに接続され、及び、電極材料が活動貯蔵部から反応チャンバに流れることが許容される貯蔵部である活動貯蔵部として構成され得る。したがって、本明細書で説明するように、選択された貯蔵部は、電極材料を流体状態に配置し、及び、維持するように加熱される貯蔵部であり、活動貯蔵部は、反応チャンバ１０２に動作可能に接続もされた選択された貯蔵部である。
【００３２】
図１に示す状況では、第１の負極電極貯蔵部１０４、及び、第１の正極電極貯蔵部１１０は、第１の負極材料加熱システム部１４２、及び、第１の正極材料加熱システム部１４８によって、それぞれ、加熱される。したがって、選択されている貯蔵部は、第１の負極電極貯蔵部１０４、及び、第１の正極電極貯蔵部１１０を含み、選択されていない貯蔵部は、第２の負極電極貯蔵部１０６、第３の負極電極貯蔵部１０８、及び、第２の正極電極貯蔵部１１２、第３の正極電極貯蔵部１１４を含む。図１では、 選択されていない負極電極貯蔵部１０６、１０８に関連する負極加熱システム部１４４、１４６は、クロスハッチで示される一方、選択されている負極電極貯蔵部１０４に関連する負極加熱システム部１４２は、明るい背景で示され、負極加熱システム部１４２が、選択された負極電極貯蔵部１０４を加熱していることを示す。同様に、選択されていない正極電極貯蔵部１５０、１５２に関連する正極加熱システム部１５０、１５２は、クロスハッチで示される一方、選択されている正極電極貯蔵部１１０に関連する正極加熱システム部１４８は、明るい背景で示され、正極加熱システム部１４８が、選択されている正極電極貯蔵部１１０を加熱していることを示す。２つの選択されている貯蔵部は、また、実施例における活動貯蔵部である。流体正極材料１３０は、正極電極貯蔵部１１０とチャンバ１０２の正極電極領域１３４との間を流れる。したがって、３つの負極電極貯蔵部のうちの１つだけ、及び、３つの正極電極貯蔵部のうちの１だけが、加熱されて、追加の流体電極材料が必要とされるまで、選択された貯蔵部内に、流体状態に、材料を配置し、及び、維持する。流体状態に電極材料を配置し、及び、維持するために加熱される貯蔵部の数が、特定の電極材料を含む貯蔵部の総数よりも少なければ、任意の数の貯蔵部を含んでもよく、及び、任意の数を加熱してもよい。一例では、以下に説明するように、２０個の負極電極材料貯蔵部、及び、１０個の正極電極材料貯蔵部が１つ反応チャンバを支持する。１つ正極電極材料貯蔵部、及び、１つの負極電極材料貯蔵部が加熱され、電極材料を流体状態に維持し、流体電極材料を反応チャンバに供給する。新しい貯蔵部を現在の活動貯蔵部の１つに切り替える遷移点が近づくと、電極材料の供給を中断することなく、新しい貯蔵部を切り替えできるように、新たな貯蔵部を加熱し、電極材料を流体状態に配置し、及び、維持する。いくつかの状況では、必要に応じて、追加の流体電極材料を反応チャンバに供給する準備のために、活動貯蔵部に加えて、バックアップの貯蔵部を継続的に加熱してもよい。しかしながら、このような実装は、安全性、及び、効率性に影響を与える可能性がある。
【００３３】
加熱される負極電極貯蔵部の数よりも、異なる数の正極婉曲貯蔵部を加熱してもよい。さらに、十分に加熱され、流体状態にこれらの貯蔵部に材料を配置し、及び、維持する選択された貯蔵部に加えて、他の貯蔵部を加熱するが、材料が溶解し、及び、流体になり始める温度よりも低い温度に維持してもよい。いくつかの状況では、十分に加熱され、流体状態にこれらの貯蔵部に材料を配置し、及び、維持する選択された貯蔵部に加えて、他の貯蔵部を加熱するが、材料が溶解し、流体になり始めるが、十分に冷えて、危険でない状態にできる温度、又は、それ以上の温度に維持してもよい。例えば、いくつかの待機リチウム電極材料貯蔵部を、華氏６００度（摂氏３１５度）付近の温度に維持してもよい。これらの温度における溶解リチウムは、空気中で安定であるという兆候がある。従って、華氏６００度、又は、以下のリチウム電極材料貯蔵部は、リチウムが溶融しているが、より高温のリチウム貯蔵部よりも安全である。その結果、従来のシステムよりも安全である溶解電極装置の一例は、装置内の総電極材料の一部を反応チャンバの動作温度より低い温度で流体状態に維持することを含む。装置１００を実装するために、多数の構成、サイズ、及び、温度スキームを利用できる。したがって、正極電極貯蔵部は、負極電極貯蔵部とは異なるサイズ、数、形状、及び、温度を有してもよい。さらに、各正極電極貯蔵部の大きさと形状は、他の正極電極貯蔵部と同じであってもよく、又は、異なっていてもよく、及び、負極電極貯蔵部の各々のサイズおよび形状は、他の負極電極貯蔵部と同じであってもよく、又は、異なっていてもよい。
【００３４】
装置１００の動作中、制御部１１７は、電極材料分配システム１１５、加熱システム１１６、及び、センサ、及び、他のソースから受信されたデータに基づくその他のメカニズムを管理する。制御部１１７は、装置の全体的な機能性の促進と同様に、本明細書に記載された機能を管理する任意の制御部、プロセッサ、電気回路、論理回路、処理回路、電子機器、又は、プロセッサ構成である。制御部１１７は、電極材料分配システム１１５に制御信号を供給し、貯蔵部と反応チャンバとの間の流体電極材料の流れを管理する。制御部１１７は、例えば、流体電極分配システム１１５のバルブ、モータ、及び、ポンプなどの構成要素に制御信号を送信し、装置１００の放電、及び、充電サイクル中に活動貯蔵部を選択し、及び、切り替えてもよい。制御部１１７は、選択された貯蔵部を加熱する時、適切な加熱された貯蔵部を反応チャンバに接続し、流体電極材料の流れを管理する時を決定する。言い換えると、制御部１１７は、加熱システム１１６、及び、流体電極材料分配システム１１５を制御し、選択された貯蔵部を加熱し、及び、反応チャンバへの活動貯蔵部の接続を管理する。 
【００３５】
流体電極材料分配システム１１５は、流体正極材料を管理する正極材料分配機構１５６、及び、流体負極材料を管理する負極材料分配機構１５８を有している。本明細書の例では、正極材料分配機構は、正極電極領域１３４と活動正極電極貯蔵部１１０との間で、流体正極材料を循環させる。反応生成物の濃度が、第１の正極放電閾値に達すると、制御部１１７は、他の（第２の）正極電極貯蔵部１１２を加熱する。他の技術を使用してもよいが、制御部１１７は、活動貯蔵部１１０の正極電極材料の体積に基づいて第１の正極放電閾値に達したか否かを判断する。いくつかの状況では、体積は、直接的に検出される一方、他の状況では、体積は、１つ以上のパラメータに基づいて計算される。装置が放電されると、負極電極領域１３２内の負極電極材料は、固体電解質を通って移動し、流体正極電極と反応し、及び、反応生成物を生成する。したがって、循環される流体正極材料の体積は、装置が放電されるにしたがって、増加する。体積が特定の値に達したと判断することによって、制御部１１７は、第１の正極閾値に達したと判断する。制御装置１１７は、正極電極材料機構１１５を制御し、制御装置が第２の正極放電閾値に達したと判定したときに、新たな加熱された正極電極材料貯蔵部を接続（スイッチイン）し、活動正極電極貯蔵部を切断（スイッチアウト）する。一例では、第２の正極放電閾値は、循環される流体正極電極材料の特定の反応生成物の濃度に、少なくとも部分的には、基づいている。大部分の状況における特定の反応生成物濃度は、完全に放電された正極電極材料に関連する反応生成物であり、及び、装置に関して確立された最大値である。例えば、特定の反応生成物の濃度は、かなりの量の固体反応生成物を含む濃度よりも低い濃度であってもよい。
【００３６】
少なくとも一部の実施例では、制御部１１７は、循環される流体正極電極材料の体積に基づいて、第２の正極放電閾値に達したか否かを判定する。正極電極貯蔵部のセンサを使用して、流体正極電極材料の体積を判定できる。例えば、貯蔵部を横切る静電容量を測定、又は、少なくともその電荷を検出するセンサを、各貯蔵部内に、１つ以上の選択されたレベルに配置できる。静電容量は、電極材料が存在しない場合と比較して、正極電極材料が配置されている場合、２つのセンサ間で異なるため、貯蔵部内の正極電極材料が、そのレベルにおける正極電極材料の存在を示す静電容量に基づいて、少なくとも特定のレベルにあると判定できる。他の種類のセンサを用いて、体積を判定できる。一例には、容積を、閉鎖システムの圧力から決定できるため、圧力センサの使用が含まれる。他の例では、制御部は、電流センサから測定された電流を積分し、貯蔵器が活動された時点から移送される総電荷を計算し、流体正極電極材料の特定の体積増加に相当する流体正極電極材料の平均反応生成物を判定する。流体負極電極材料の平均反応生成物の判定を用いて、トリガ閾値が満たされたか否かを判定できる。さらに別の例では、セル電圧と平均反応生成物との間に既知の関係があるため、反応チャンバを横切る電圧を用いて、流体負極電極材料における平均反応生成物を判定する。したがって、反応チャンバを横切る電圧は、トリガ閾値が満たされたか否かを判定するために利用される。
【００３７】
ここでの実施例では、負極材料分配機構１５８は、装置の放電中に、必要に応じて、負極電極領域１３２に流体負極電極材料を供給する。装置が放電されると、流体負極電極材料は、固体電解質１３６を通って移動する。消費された流体負極電極材料は、活動負極材料貯蔵部１０４からの流体負極電極材料で補充される。活動負極電極材料貯蔵部１０４の負極電極材料の体積が第１の負極放電閾値に達すると、制御部１１７は、加熱システム１１６を制御し、新しい負極材料貯蔵部を加熱する。制御部１１７は、負極材料機構１５８を制御し、制御部１１７が、第２の負極閾値に達したと判断したときに、新たに加熱された負極電極材料貯蔵部１０６を接続（スイッチイン）し、及び、現在の活動負極電極貯蔵部１０４を切断（スイッチアウト）する。いくつかの状況では、活動貯蔵部、及び、新しい貯蔵部の両方を、切り替え期間中に、反応チャンバの負極電極領域に接続してもよい。制御部１１７は、加熱システム１１６を制御し、反応チャンバ１０２から切り離された貯蔵部の加熱を停止する。センサを利用し、負極電極材料貯蔵部の負極電極材料のレベルを判定できる。一例には、負極電極材料が特定のレベルで存在するときに、より高い導電率が測定される、貯蔵部内のそのレベルで２点間の導電率を測定することが含まれる。他の技術も利用ができる。上述のように、圧力、電流、移送された総電荷、静電容量に関連するパラメータを利用できる。
【００３８】
装置は、電流コレクタに電圧を印加し、及び、電力を供給することにより、充電される。充電手順の間、電流コレクタを横切る電位によって、結果として、反応チャンバの正極電極領域内の正極電極材料から負極電極材料イオンが放出される。負極電極材料イオンは、固体電解質を通って、反応チャンバの負極電極領域に移動する。負極電極材料は、負極電極材料貯蔵部に方向付けられ、貯蔵部を補充する。負極電極材料貯蔵部が容量まで充填されると、空であるか、又は、少なくとも利用可能な容量を有する待機中の負極電極材料貯蔵部が接続され、及び、充填された貯蔵部が、切断される。負極電極材料が正極電極材料から放出されると、正極電極材料内の負極電極材料の濃度が低下する。例えば、リチウムと硫黄との電気化学的な結合を使用する装置において、２Ｌｉ２Ｓ２は、２個のＬｉイオンが移動させられると、Ｌｉ２Ｓ４になることができる。正極電極材料は、反応チャンバの正極電極領域と正極電極材料貯蔵部との間で循環しているので、正極電極材料内の負極電極材料の濃度も、充電工程の間、活動正極電極材料貯蔵部で減少していく。濃度レベルが、許容可能な閾値に達すると、電極材料分配システムは、待機正極電極材料貯蔵部を接続し、及び、今や、正極電極材料中の負極電極材料の濃度が低くなった現在の活動正極電極材料貯蔵部を切り離す。正極電極材料中の負極電極材料に関して相対的に高い濃度を有する待機正極電極材料貯蔵部は、新しい活動正極電極材料貯蔵部になる。充電プロセスは、全ての負極電極材料貯蔵部が充填され、及び、全ての正極電極材料貯蔵部が、閾値を下回る正極電極材料内の負極電極材料の濃度を有するまで継続する。
【００３９】
溶解流体電極装置１００は、異なる材料、及び、電気化学結合を用いて実施されてもよい。図２を参照して後述する例では、負極電極は、リチウム（Ｌｉ）を含み、及び、正極電極は硫黄（Ｓ）を含む。他の例では、ナトリウム−硫黄（Ｎａ−Ｓ）電池は、ナトリウム（Ｎａ）を有する流体負極電極、及び、硫黄（Ｓ）を有する流体正極電極を有する。さらに、他の材料を電極に利用してもよい。さらに、電極材料は、いくつかの状況では、複数の元素を含む混合物、又は、化合物を有してもよい。例えば、 溶解リチウム負極電極を有するいくつかの電池では、硫黄とリンとの溶融混合物を、流体正極電極として利用できる。
【００４０】
貯蔵部、負極電極領域、正極電極領域、及び、流体電極材料分配システムの動作温度、又は、温度範囲を、例えば、負極電極材料の融点、正極電極材料の融点、負極電極材料の沸点、及び、正極電極材料の沸点、正極電極材料と結果としての化学種との共晶点、及び、固体電解質の融点を含むいくつかの要因に基づいて、選択できる。本明細書で説明する実施例では、加熱システム１１６は、選択され、及び、活動している貯蔵部、反応チャンバ１０２、及び、流体電極材料分配システム１１５を同じ温度に維持する。いくつかの状況では、しかしながら、選択された貯蔵部、反応チャンバ、及び、流体電極材料分配システムは、異なる温度に維持されてもよい。例えば、選択された負極貯蔵部は、負極電極材料の融点よりも高いが、ほとんど同じ温度に維持されてもよく、選択された正極貯蔵部は、正極材料の融点、及び、反応チャンバの温度よりも高いが、ほとんど同じ温度に維持されてもよく、及び、流体電極材料分配システムは、両方の電極材料の融点よりも高い温度に維持されてもよい。典型的には、正極電極領域１３４の温度は、固体電解質１３６を横切る温度勾配を避けるために、負極電極領域１３２と同じ温度に維持される。いくつかの状況では、しかしながら、温度は異なっていてもよい。
【００４１】
図２は、硫黄正極電極材料を収容するための複数の正極電極材料貯蔵部１１０、１１２、１１４、及び、リチウム負極電極材料を収容するための複数の負極電極材料貯蔵部１０４、１０６、１０８に接続される１つの反応チャンバ１０２を含む単一セル電池システム２００を示す図である。本明細書で検討されるように、硫黄正極電極材料は、硫黄を有し、及び、各反応生成物の濃度が、硫黄正極電極材料貯蔵部に接続される電池の充放、及び、放電段階中に変化する他の反応生成物を有してもよい。硫黄正極電極材料は、また、いくつかの状況では、他の材料を有してもよい。リチウム負極電極材料は、リチウムを含み、及び、他の材料を有してもよい。図２の例では、 単一セル電池システム２００は、図１を参照して説明した装置１００に係る構成を有する。したがって、単一セル電池システム２００は、流体電極装置１００の一例である。図４、図５、及び、図６を参照してさらに詳細に説明するように、複数の単一セル電池システム２００を直列、又は、並列に接続し、複数セル電池システムを形成してもよい。図２は、本実施例の一般原理を示し、及び、表されている構成要素の特定の形状、相対的な大きさ、距離、又は、他の構造的な詳細を、必ずしも表すものではない。図２は、システム２００のいくつかの構造的な、寸法的な、配向的な、及び、位置的な態様を反映しているが、図は、必ずしも縮尺どおりではなく、及び、必ずしも単一セル電池システム２００の全ての特徴を表すものではない。いくつかの状況では、２つ以上のブロックの構造は、１つの構成要素、又は、構造で実装されてもよい。さらに、図２の１つのブロックで実行されるように説明された機能は、いくつかの状況では、離れた構造で実施されてもよい。
【００４２】
異なる固体電解質材料、及び、構造を利用できるが、固体電解質は、図２の例のためのヨウ化リチウム（ＬｉＩ）を有し、及び、強化構造を有している。ヨウ化リチウム固体電解質のための適切な技術、及び、構造の例は、上記で参照された米国特許出願番号ＸＸ／ＸＸＸ，ＸＸＸ、発明の名称「改善されたリチウムイオン輸送特性を有する個体ヨウ化リチウム電解質を有する溶解流体電子装置」に開示されている。参照された特許出願に記載されているように、固体電解質は、複数のリチウムカチオン、複数のヨウ化アニオン、及び、複数の欠陥を有するヨウ化リチウム格子を有することができる。
【００４３】
欠陥は、固体電解質とナノ粒子との界面に結晶粒界欠陥を形成する、固体電解質へ複数のナノ粒子を導入することにより、固体電解質の複数のナノ粒子の存在によって維持され、又は、固定される固体電解質合成プロセスにより、又は、固体電解質に異原子価のイオンを導入することにより、結果として、生ずる可能性がある。
【００４４】
図２の例は、単一セル電池システム２００を形成するいくつかの構成要素を含み、そこでは、全ての構成要素は、真空密閉された主ハウジング２０２に封入され、及び、いくつかの構成要素は、真空密閉された個々のハウジング２０４〜２１１にも封入される。反応チャンバ１０２は、反応チャンバハウジング２０４に封入される。各正極電極材料貯蔵部１１０、１１２、１１４は、正極貯蔵部ハウジング２０５〜２０７に封入され、及び、各負極電極材料貯蔵部１０４、１０６、１０８は、正極貯蔵部ハウジング２０８〜２１０に収容される。以下に説明するように、いくつかのハウジンを、いくつかの状況において、省略できる。ハウジングは、真空下の内部を有するが、ハウジングを、いくつかの状況では、アルゴンのような不活動ガスで満たすことができる。また、他の状況では、内部を空気で満たしてもよい。一般に、ハウジングの内部圧力は、互いに異なっていてもよく、及び、周囲圧力と異なっていてもよい。
【００４５】
本実施例では、負極電極材料１１８は、リチウム（Ｌｉ）を含み、正極電極材料１２６は、硫黄（Ｓ）を含み、及び、固体電解質１３６は、ヨウ化リチウム（ＬｉＩ）を含む。したがって、図２の例では、反応チャンバ１０２は、リチウム−硫黄（ＬｉＩ）セル、又は、ＬｉＳ反応チャンバとしてされ、及び、流体負極電極１３８は流体リチウムを含み、及び、流体正極電極１４０は動作中に流体硫黄を含む、図１を参照して説明した反応チャンバ１０２の一例である。いくつかの状況では、他の材料が、流体電極内に存在してもよい。流体正極電極１４０は、例えば、リチウム−硫黄反応生成物を含んでもよい。
【００４６】
ＬｉＳ単一セル電池システム２００の動作は、図１の装置１００を参照して説明した動作に従う。第１の電流コレクタ２１２を、流体負極電極１３８に配置し、及び、第２の電流コレクタ２１４を、流体正極電極１４０に配置する。各電極１３８、１４０に適切に配置された電流コレクタ２１２、２１４によって、固体電解質１３６を介して、流体負極電極１３８と流体正極電極１４０との間のセル内で発生する電気化学反応から、電気エネルギーを利用できる。導電体２１６、２１８は、単一セル電池システム２００を有する主ハウジング２０２内で、電流コレクタ２１４、２１２をセル構成ネットワーク２２０へ接続する。 
単一セル電池システム２００が、複数セル電池システム２００の一部であるセル構成ネットワーク２２０は、また、主ハウジング２０２内で、他の単一セル電池システムからの導電体に接続される。セル構成ネットワーク２２０は、導電体２１６、２１８、及び、複数セル電池システムを形成する他の単一セル電池システムの導電体の間の接続を管理する。セル構成ネットワーク２２０は、（図２に示されていない）複数セル電池システムのセルのイン、及び、アウトを切り替える電子機器を有し、複数セル電池システムのパフォーマンス、及び、安全性を最大化する。例えば、セル構成ネットワーク２２０は、セルが不十分なパフォーマンス、低電圧、又は、他の問題のある症状を示す複数セル電池システムから、セルを切り離してもよい。セル構成ネットワーク２２０は、主ハウジング２０２の外部に配置される電池構成ネットワーク２２２に接続される。電池構成ネットワーク２２２は、２つ以上の複数セル電池システムからの電池出力を接続し、及び、結合された出力を負荷に供給する。単一セル電池システム２００が他の単一セル電池システムに接続されていない場合には、セル構成ネットワーク２２０を省略できる。いくつかの状況では、電池構成ネットワーク２２２を省略できる。電池構成ネットワーク２２２は、典型的には、セル構成ネットワーク２２０よりも大きな電流を扱う。その結果、電池構成ネットワーク２２２内の電気的スイッチング素子、及び、関連する電気的相互接続は、より大きな電流、及び、関連する放熱を扱うように設計されなければならない。したがって、電池構成ネットワーク２２２の適切な位置は、真空ハウジング２０２の外側である。
【００４７】
制御部１１７を含む他の電子機器２２４は、主ハウジング２０２内に実装される。電子機器２２４は、単一セル電池システム２００の動作を管理し、及び、加熱システム１１６、及び、電極材料分配システム１１５の構成要素に、（図２に示されない）センサと同様に、接続される。明確化の点で、図２は、電子機器２２４と他の構成要素との間の相互接続を示しておらず、及び、加熱システム１１６の部分を示していない。電子機器２２４が、１つの電池システム、及び／又は、複数の電池システムの複数のセルを管理する場合、いくつかの状況では、少なくともいくつかの他の電子機器を、ハウジング２０２の外部に配置してもよい。このような技術は、ハウジング内の追加の配線、及び、真空フィードスルーを含むコストの点で、電子部品を効率的に使用するという利点を有する。
【００４８】
単一セル電池システム２００は、いくつかの状況では、（図２に示されない）熱暴走緩和システム、又は、いくつかの他の冷却システムを有している。好適な熱暴走緩和システムの例は、参照により本明細書に明示的に組み込まれる米国特許出願番号１５／９８２，４９４、発明の名称「溶解流体電極装置の熱暴走状況を緩和する装置、システム、及び、方法」、代理人整理番号ＶＢＣ００５、出願日２０１８年５月１７日で論じられている。制御部１１７に接続され、及び、制御部１１７によって制御される熱暴走緩和システムは、単一セル電池システム２００内の熱暴走を防止し、又は、緩和する機構を提供する。熱暴走緩和システムは、複数セル電池システムにおける熱暴走を防止し、又は、緩和するより大きな熱暴走緩和システムの一部であってもよい。
【００４９】
図２の例では、電子機器は、また、補助電源２２６を有する。補助電源２２６は、単一セル電池システム２００、複数セル電池システム、又は、外部電源によって再充電できる電池であってもよい。また、補助電源２２６を、外部電源によって提供してもよい。補助電源２２６は、電子機器２２４に電力を供給し、電力が電池システムから利用できない場合に、制御部１１７がセルシステムを管理できるようにする。このような状況は、例えば、熱暴走を回避するため、または他の安全上の理由で、利用できないことを理由に、電池システムがシャットダウンされた場合、発生する可能性がある。例えば、補助電源２２６は、また、セルを始動させるためのエネルギーを提供する。電池セルが冷却し、及び、電力が電池によって生成されていないとき、補助電源２２６は、エネルギーを供給し、動作温度まで、少なくとも危険な構成要素を加熱する。例えば、セルが十分なエネルギーを生成し、加熱システム１１６に十分に電力を供給するまで、反応チャンバ、及び、少なくとも１つのリチウム負極電極材料貯蔵部、及び、少なくとも１つの硫黄正極電極材料貯蔵部を、加熱するために、補助電源２２６を利用してもよい。 
【００５０】
負極電極貯蔵部１０４、１０６、１０８は、リチウムを含む負極電極材料を有し、そこでは、活動リチウム貯蔵部１０４を加熱し、反応チャンバ１０２の負極電極領域１３２に流入できる流体状態に、リチウム電極材料２２８を配置し、及び、維持する。他の、選択されていない、活動していない負極電極貯蔵部１０６、１０８のリチウム電極材料２３０、２３２は、非流体状態に維持され、及び、新しい貯蔵部が必要とされるまで、チャンバ１０２に流れない。第１の負極閾値に達すると、（第２のリチウム貯蔵部１０６のような）他の負極貯蔵部を加熱し、その結果、新しい貯蔵部１０６に収容されたリチウム電極材料２３０は、流体になり、及び、第２の負極閾値に達したときに、反応チャンバ１０２に流れるように準備が整う。正極電極貯蔵部１１０、１１２、１１４は、硫黄を含む正極電極材料を有し、そこでは、少なくとも１つの貯蔵部１１０が加熱され、反応チャンバ１０２の正極電極領域１３４に流入できる流体状態に、硫黄電極材料２３４を配置し、及び、維持する。他の、選択されていない、活動していない負極電極貯蔵部１１２、１１４の硫黄電極材料２３６、２３８は、非流体状態に維持され、及び、新しい正極貯蔵部が必要とされるまで、チャンバ１０２に流れない。第１の正極閾値に達すると、（第２の正極貯蔵部１１２のような）他の正極貯蔵部を加熱し、その結果、新しい正極貯蔵部１１２に収容された硫黄電極材料２３６は、流体になり、及び、第２の正極放電閾値に達したときに、反応チャンバ１０２に流れるように準備が整う。
【００５１】
単一セル電池システム２００の動作の間、反応は、結果として、形成される他の化合物、又は、生成物を生ずる。例えば、正極電極領域が硫黄を含むことに加えて、その領域は、ジリチウムポリサルファイド種（nが２以上のＬｉ２Ｓｎ）、及び、ジ−硫化リチウム（Ｌｉ２Ｓ）を含んでもよい。典型的には、電解質１３６を介する反応は、結果として、ｍが１以上の整数であるＬｉ２Ｓｍのような、いくつかの異なる化学種をもたらす。任意の数の化学種は、いくつかの状況におけるその他と同様に、例えば、Ｌｉ２Ｓ、Ｌｉ２Ｓ２、Ｌｉ２Ｓ４、及び、Ｌｉ２Ｓ６を、結果として生じ、及び、含んでもよい。
【００５２】
図２の例では、正極材料分配システム１５６は、各硫黄電極材料貯蔵部１１０、１１２、１１４の入力バルブ２４５〜２４７、及び、出力バルブ２４８〜２５０と同様に、正極電極材料チャネル２４０、２４１、供給ポンプ２４２、及び、リターンポンプ２４４からなるネットワークを有している。各入力バルブ２４５〜２４７は、リターンチャネル２４０と硫黄電極材料貯蔵部１１０、１１２、１１４との間に接続され、及び、各出力バルブ２４８〜２５０は、硫黄電極材料貯蔵部１１０、１１２、１１４と供給チャネル２４１との間に接続される。入力バルブ２４５、及び、出力バルブ２４８は、活動硫黄電極材料貯蔵部１１０に対して開いている。供給ポンプ２４２は、活動硫黄電極材料貯蔵部１１０から供給チャネル２４１を介して反応チャンバ１０２の正極電極領域１３４に硫黄電極材料を圧送する。例えば、１つモータ２５２が、供給ポンプ２４２、及び、リターンポンプ２４４を駆動する。各ポンプ２４２、２４４のインペラ機構は、磁気的に、モータ２５２に結合される。流体硫黄電極材料２３４は、正極電極領域１３４から活動硫黄電極材料貯蔵部１１０に圧送される。したがって、流体硫黄電極材料２３４を、セルの放電中に、反応チャンバ１０２と活動硫黄電極材料貯蔵部１１０との間で循環させる。セルが放電し続けると、硫黄電極材料２３４のジリチウムポリサルファイド種の濃度が、増加する。その結果、循環する硫黄電極材料２３４の体積も、増加する。以下に説明するように、第１の正極放電閾値、及び、第２の正極放電閾値は、パラメータが活動貯蔵部内の硫黄電極材料の体積に関連する貯蔵部のセンサによって提供されるパラメータに基づくことができる。パラメータは、閾値が満たされたか否かを判定する制御部１１７に提供される。一例では、センサは、活動貯蔵部内の２つのレベルで貯蔵部の内部にわたる静電容量を測定し、硫黄電極材料の体積が、２つの特定のレベルに達したか否かを判定する。硫黄電極材料がそのレベルに達したときに、各レベルにおける２点間の静電容量が増加するので、制御部１１７は、体積レベルが満たされたか否かを判定できる。本明細書の例では、２点間の材料は、アルゴンガス、硫黄、ジリチウムポリサルファイド反応生成物、ジリチウムポリサルファイド反応生成物の組合せ、又は、これらの正極材料のいくつかの組み合わせのいずれかである。正極電極材料の比誘電率（εｒ）は、アルゴンガスの比誘電率よりも大きいため、正極電極材料が、２点間に存在する場合、静電容量はより大きくなる。第１のレベルに達すると、第１の正極閾値に達したと判定され、制御部は、待機中の硫黄電極材料貯蔵部１１２を加熱し始める。第１のレベルは、硫黄電極材料２３６が反応チャンバ１０２に必要とされる前に、適切な温度に硫黄電極材料２３６を加熱するために十分な時間が存在するように選択される。第２のレベルに達すると、制御部１１７は、第２の正極放電閾値が満たされたと判定し、及び、活動硫黄電極材料貯蔵部の入力、及び、出力バルブ、及び、待機硫黄電極材料貯蔵部を制御し、現在の活動貯蔵部を切断し、及び、新しい硫黄電極材料貯蔵部を接続し、新しい活動硫黄電極材料貯蔵部を選択する。制御部は、第１の硫黄電極材料貯蔵部���バルブを閉じ、及び、第２の硫黄電極材料貯蔵部のバルブを開く。いくつかの状況では、両方の貯蔵部のバルブは、変更中、開かれてもよい。
【００５３】
体積閾値は、いくつかの要因に基づくことができる。一例として、閾値体積レベルは、少なくとも部分的に、硫黄電極材料２３４のジリチウムポリサルファイド種の濃度に基づいている。ジリチウム二硫化物（Ｌｉ２Ｓ２）の濃度が高く、及び、二硫化リチウム（Ｌｉ２Ｓ）が相対的に低くなるように、閾値体積を選択する。例えば、体積閾値を選択して、硫黄電極材料貯蔵部を切り替えるときに、硫黄電極材料２３４で、Ｌｉ２Ｓ２の濃度が高く、及びＬｉ２Ｓが存在しないか、又は、Ｌｉ２Ｓの濃度がわずかにしか存在しないようにしてもよい。言い換えれば、多量の固体Ｌｉ２Ｓが生成される前に、硫黄電極材料貯蔵部をアウトに切り替える。他の例では、固体生成物フィルタは、硫化リチウム（Ｌｉ２Ｓ）生成物を除去し、及び、体積閾値を、固体Ｌｉ２Ｓの除去された貯蔵部内の硫黄電極材料２３４の残りに基づいて設定する。
【００５４】
固体生成物フィルタが使用される状況では、２つの体積依存正極放電閾値が存在する。まず、電池の深放電中に、Ｌｉ２Ｓの体積が増加する。これにより、Ｌｉ２Ｓの体積に対する閾値を、確立し、及び、トリガとして利用できる。もう一つの閾値を、溶解Ｌｉ２Ｓ２により多くのリチウムを添加することで、溶解Ｌｉ２Ｓ２が固体Ｌｉ２Ｓになるような電池の深放電中に、Ｌｉ２Ｓ２の体積が減少するので、Ｌｉ２Ｓ２の体積を監視することによって確立できる。反応チャンバを横切る電圧に基づく閾値は、深放電プロセスのこの段階の間、その電圧が比較的一定に維持されるため、正極材料中に高濃度のＬｉ２Ｓ２が存在し、及び、Ｌｉ２Ｓが形成され、及び、Ｌｉ２Ｓが正極から取り除かれる深放電のシナリオでは、役立たないかもしれない。上記技術に係る技術を、いくつかの状況では、他の電気化学的セルに適用してもよい。例えば、他の電気化学的化学現象は、放電プロセス中のある時点で溶融相から固相へ転移する類似の化学種を有し、したがって、正極から取り除くことができる。その結果、硫化ナトリウムのような他の電気化学的化学現象は、類似した閾値を有する。固体生成物フィルタの例は、参照により本明細書に明示的に組み込まれる米国特許出願番号１５／９８２，４９１、発明の名称「溶解流体電極装置の個体生成物を分離する装置、システム、及び、方法」、代理人整理番号ＶＢＣ００４、出願日２０１８年５月１７日で論じられている。
【００５５】
他の種類のセンサ、及び、データを用いて、正極放電閾値に達するときを判定できる。いくつかの例には、硫黄電極材料貯蔵部を動作した時点から反応チャンバによって移送された総電荷を監視することが含まれる。一例では、完全に充電された硫黄材料貯蔵部が切り替えられた時点からの電流を、反応チャンバ内で積分し、移送された総電荷を判定することが含まれる移送された全電荷から、溶解した硫黄電極材料に移送されたリチウムの量を知って、その結果、開始するための貯蔵部内の硫黄の総量を与えられるように、電極生成物を推定できる。この技術では、移送される全電荷、及び、硫黄の総量に基づく閾値を、確立し、正極の所望のリチウム多硫化物（Ｌｉ２Ｓｎ）に関連付けることができる。他の例では、固体硫化リチウム（Ｌｉ２Ｓ）を除去しない場合、反応チャンバを横切る電圧は、その電圧が正極材料の化学種に依存するので、硫黄電極材料貯蔵部を切り替えるための有用な閾値になる。例えば、反応チャンバ内に硫黄のみが存在する場合の電圧は、二硫化リチウム（Ｌｉ２Ｓ２）のみが、反応チャンバ内にある場合の電圧とは異なる。先に述べたように、深放電プロセスのこの段階の間、電圧は比較的一定に保たれるため、正極生成物がＬｉ２Ｓ２に達し、及び、Ｌｉ２Ｓが生成され、及び、正極から除去される深放電の間は、電圧閾値は、有用ではない。さらに他の技術では、硫黄電極材料中の１つ以上の生成物種の特定の濃度に関して、負極材料の体積が、正極材料の量に関連付けられる場合、閾値は、相関する総電荷を生成するために必要とされる負極材料の量に、少なくとも部分的に、基づいている。例えば、圧力測定、又は、電気伝導、又は、インピーダンス測定を用いて、負極材料の量を追跡できる。そして、正極材料に転送された負極材料の量を利用して、正極の化学種を判定できる。したがって、閾値を、確立し、Ｌｉ２Ｓ２、又は、Ｌｉ２Ｓ２、及び、低濃度のＬｉ２Ｓの結合のような正極中の所望の化学種、又は、種群に関連付けることができる。
【００５６】
循環された硫黄電極材料の体積は、セルの放電の間、増加するため、各硫黄電極材料貯蔵部の体積を、貯蔵部の硫黄電極材料の元の体積以上を収容するために十分に大きくなるように、選択する。各硫黄電極材料貯蔵部１１０、１１２、１１４の貯蔵空間２５２〜２５４によって、体積の増加が許容される。図２は、循環された硫黄電極材料２３４の体積が、セルの放電の間に、増加した状態を示しているため、活動していない硫黄電極材料貯蔵部１１２、１１４の貯蔵空間２５３、２５４よりも少ない動作中の硫黄電極材料貯蔵部１１０の貯蔵空間２５２を示している。
【００５７】
図２の例では、負極材料分配システムは、各リチウム電極材料貯蔵部１０４、１０６、１０８の負極材料供給チャネル２５６、及び、バルブ２５８〜２６０を含んでいる。各バルブ２５８〜２６０は、リチウム電極材料貯蔵部１０４、１０６、１０８の１つと負極材料供給チャネル２５６との間に接続される。バルブ２５８は、動作中のリチウム貯蔵部１０４に対して開放している。例えば、リチウム電極材料２２８は、必要に応じて、反応チャンバの負極電極領域１３２に、動作中の負極貯蔵部１０４から、引き出される。リチウム電極材料は、反応チャンバ１０２の電気化学反応によって消費されると、負極供給チャネル２５６を介して動作中の貯蔵部１０４から、補充される。負極材料貯蔵部１０４、１０６、１０８、及び、反応チャンバ１０２の定位、及び、相対的な位置を選択し、流体リチウム電極材料を、重力によって補助されるように流すことができる。他の状況では、ポンプを利用できる。リチウムの性質に起因して、リチウムを通過する電流、及び、磁界が、電流、及び、磁界ベクトル（例えば、Ｆ＝∫Ｉｄｌ×Ｂ磁力）によって形成される平面に垂直な方向に、リチウム電極材料を進ませる電磁ポンプを利用できる。結果的な電磁力は、流体リチウム電極材料を移動させる。例えば、比較的少量のアルゴンガスを、貯蔵部の製造中に、各リチウム貯蔵部に導入する。アルゴンガスは、リチウム電極材料が貯蔵部から引き出されるように生成される真空を減少させる。ガスの量を選択し、貯蔵部からのリチウム電極材料の流れを、ひどく妨げる真空を回避するのに十分な量であるが、任意の時点で必要とされるものよりも、反応チャンバにより多くのリチウム電極材料を強制し、又は、反応チャンバを損傷する、貯蔵部の圧力の結果の量が存在する。
【００５８】
したがって、流体リチウム電極材料は、材料が貯蔵部１０４から使い尽くされるまで、セルの放電の間、活動リチウム貯蔵部１０４から供給される。図２の例では、第１の負極放電閾値、及び、第２の負極放電閾値は、パラメータが活動貯蔵部のリチウム電極材料の体積に関連付けられている貯蔵部の１つ以上のセンサによって提供されるパラメータに基づいている。パラメータは、閾値が満たされたか否かを判定する制御部１１７に提供される。一例では、センサは、活動貯蔵部内の２つのレベルで活動貯蔵部の内部にわたる導電性（又は、抵抗）を測定し、リチウム電極材料の体積が２つの特定のレベルに達するときを判定する。各レベルにおける２点間の導電性は、リチウム電極材料がそのレベル未満に低下したときに、減少するため、制御部１１７は、閾値体積レベルが満たされたときを判定できる。第１のレベルが満たされると、第１の負閾値が満たされたと判定され、及び、制御部１１７は、（第２の貯蔵部１０６のような）準備中のリチウム貯蔵部を加熱し始める。第１のレベルは、現在の活動貯蔵部１０４が使い尽くされ、及び、追加のリチウムが反応チャンバ１０２に必要とされる前に、リチウム電極材料２３０を適切な温度に加熱するために十分な時間があるように選択される。第２のレベルが満たされると、制御部１１７は、第２の負極放電閾値が満たされたと判定し、現在の活動リチウム貯蔵器１０４、及び、準備中のリチウム貯蔵部１０６のバルブ２５８、２５９を制御し、現在の活動リチウム貯蔵部１０４を切断し、及び、新しいリチウム貯蔵部１０６を接続し、それによって、新しい活動リチウム貯蔵部を選択する。制御装置１１７は、第１のリチウム貯蔵部１０４のバルブ２５８を閉じ、及び、第２のリチウム貯蔵部１０６のバルブ２５９を開く。いくつかの状況では、両方の貯蔵部１０４、１０６のバルブ２５８、２５９を、移行中に、開いてもよい。
【００５９】
他のタイプのセンサ、及び、データを用いて、負極放電閾値が満たされたときを判定できる。いくつかの実施例は、リチウム電極材料貯蔵部が活動化された時点から、反応チャンバによって生成された総電荷を監視することを含んでいる。総電荷に基づいて、リチウム電極材料が、どれくらいの量、活動貯蔵部内に残っているかを判定できる。
【００６０】
硫黄電極材料貯蔵部の数、及び、リチウム電極材料貯蔵部の数は、典型的には、単一セル電池システム２００の実相、及び、目的に依存する。貯蔵部の数を少なくとも部分的には判定できるいくつかの要因の例は、貯蔵部のコスト、重大な危険を示さない溶解リチウムの量、重大な危険を示さない溶解硫黄、及び、電池のエネルギー、電力、空間、及び、有効要件を含んでいる。貯蔵部の数を少なくとも部分的に判定してもよい他の要因の例は、各貯蔵部の体積、及び、形状要因、動作中の流体状態における電極材料の選択される最大量、選択されたハウジングの数、及び、単一セル電池システムが統合されてもよい電池システムの全体的な形状要因が含まれる。本明細書に記載の実施例の少なくともいくつかについて、単一セル電池２００は、１０個の硫黄電極材料貯蔵部、及び、２０個のリチウム貯蔵部を有している。この例では、硫黄貯蔵部の数（すなわち、１０個）より多くのリチウム貯蔵部の数（すなわち、２０個）であり、及び、リチウムが固体電解質を通って移動し、及び、正極電極領域の硫黄と反応した後に、硫黄電極材料貯蔵部は、正極材料を収容するのに十分な大きさでなければならないため、リチウム電極材料貯蔵部は、硫黄電極材料貯蔵部よりも小さい。
【００６１】
加熱システム１１６は、選択された貯蔵部１０４、１１０を加熱し、リチウム、及び、硫黄を流体状態に配置し、及び、維持する一方、選択されていない非選択貯蔵部１０６、１０８、１１２、１１４内のリチウム、及び、硫黄を非流体状態に維持する。加熱システム１１６は、電極材料分配システム１１５、及び、反応チャンバ１０２を適当な温度に維持し、電極材料の流れ、及び、ヨウ化リチウムを有する固体電解質を介して硫黄とリチウムとの間の所望の反応を促進するために、電極材料分配システム１１５加熱システム部、及び、反応チャンバ加熱システム部１５４を有している。図２の例では、選択された負極貯蔵部１０４、及び、選択された正極貯蔵部１１０の温度は、摂氏約４００度（℃）の温度に維持される。上述のように、動作温度は、電極、及び、固体電解質の材料の特性を含むいくつかの要因に基づいてもよい。図２の例では、考えられるいくつかの特性は、ヨウ化リチウムの融点、４６９℃、リチウムの融点、１８０．５℃、硫黄の融点、１１５．２１℃、硫黄の沸点と、４４４．６℃、及び、リチウムポリサルファイド生成物（ＬｉｎＳｍ）共晶融点、３６５℃を含んでいる。リチウムポリサルファイド生成物の共晶融点以上であるが、ＬｉＩの融点より低い温度範囲は、いくつかの状況で利用できる３６５℃〜４６９℃の温度範囲を提供する。硫黄の沸点以下に温度を維持することを利用し、それによって、他の状況で利用できる３６５℃〜４４４℃の範囲を提供してもよい。しかしながら、適切な温度範囲は、３７５℃〜４２５℃の間の温度を含んでいる。１１５．２１℃〜４６９℃のより広い温度範囲を、さらに他の状況で、利用することもできる。ここでの実施例では、選択された負極貯蔵部１０４、選択された正極貯蔵部１１０、電極材料分配システム１１５、負極電極領域１３２、及び、正極電極領域１３４の温度は、ほぼ同じ温度に維持される。他の利点の中で、このようなスキームは、固体電解質を横切る温度勾配を回避する。しかしながら、いくつかの状況では、その温度は、異なる選択された貯蔵部と電極領域との間で、異なっていてもよい。電極材料の選択された部分が、反応チャンバに流れることができる限り、他の温度範囲、及び、スキームを利用できる。その結果、選択された正極貯蔵部１１０、及び、正極電極領域１３４は、硫黄の融点、１１５．２１℃より高く、及び、選択された負極貯蔵部１０４、及び、負極電極領域１３２は、リチウムの融点、１８０．５℃より高くあるべきである。
【００６２】
いくつかの状況では、追加の材料を、正極電極材料、及び／又は、負極電極材料に添加してもよい。例えば、リンを正極電極材料に含ませて、その結果、流体リン−硫黄正極電極を形成できる。したがって、流体電極装置１００の他の例は、リチウムリン−硫黄（ＬｉＰＳ）電池を含んでいる。したがって、一例では、正極電極材料は硫黄を含んでおり、及び、別の例では、正極電極材料は硫黄、及び、リンを含んでいる。ＬｉＰＳ電池用の貯蔵部、及び、反応チャンバの適切な温度範囲の例は、上述したように、図２のＬｉＳ単一セル電池システム２００を参照して上述した範囲を含んでいる。上述したように、ナトリウム、及び、硫黄などの他の電池の電気化学的結合を利用できる。動作温度の選択は、特定の電気化学的結合に応じて変化してもよい。
【００６３】
いくつかの状況では、安全のために、追加のバルブを反応チャンバに含めることができる。例えば、リチウム電極材料貯蔵部２０８〜２１０のバルブ２５８に加えて、バルブを、反応チャンバ１０２のチャネル２５６の他端に含めることができる。同様に、追加のバルブを、供給チャネル２４１、及び、リターンチャネル２４０の反応チャンバ１２０の正極電極領域１３４に、入力ポート２６２、及び、出力ポート２６４に、含めることができる。このような構成を用いて、反応チャンバ内の流体電極材料を、他の電池、及び、熱暴走事象、又は、他の故障の場合の環境から、さらに隔離する能力を提供してもよい。
【００６４】
単一セル電池システム２００は、電流コレクタに、電圧を印加し、及び、電力を供給することによって充電される。充電手順中、電流コレクタの両端の電位は、結果として、反応チャンバの正極電極領域の硫黄正極材料から放出されるリチウム負極電極材料イオンを生じる。リチウムイオンは、固体電解質を通って、反応チャンバの負極電極領域に移動する。リチウムは、リチウム負極材料貯蔵部に方向付けられ、貯蔵部を補充する。リチウム負極材料貯蔵部が容量まで満たされると、空であるか、または少なくとも利用可能な容量を有する待機リチウム負極材料貯蔵部が接続され、及び、満たされたリチウム負極材料貯蔵部は、切断される。硫黄正極電極材料からリチウムが放出されると、正極電極材料内の負極電極材料の濃度が低下する。例えば、２Ｌｉ２Ｓ２は、２Ｌｉイオンが除去されるとＬｉ２Ｓ４になるか、又は、２Ｌｉ２Ｓ４は、２Ｌｉイオンが除去されると、Ｌｉ２Ｓ８となるか、又は、Ｌｉ２Ｓ８は、２Ｌｉイオンが除去されると、Ｓ８になることができる。これにより、単一セル電池システム２００が充電される際に、循環される硫黄正極電極材料において、正極電極材料内の負極電極材料（すなわち、リチウム）の濃度が減少する。硫黄正極電極材料は、反応チャンバの正極電極領域と硫黄正極材料貯留部との間で循環されているため、正極電極材料内の負極電極材料の濃度も、充電工程の間、活動硫黄正極材料貯蔵部内で減少する。濃度レベルが、許容可能な閾値に達したとき、電極材料分配システムは、待機硫黄正極材料貯蔵部を接続し、及び、今や、正極電極材料内の負極電極材料のより低い濃度を有する現在の活動硫黄正極材料貯蔵部を切り離す。正極電極材料内の負極電極材料の相対的に高い濃度を有する待機硫黄正極材料貯蔵部は、新しい活動硫黄正極材料貯蔵部となる。全てのリチウム負極材料貯蔵部が満たされ、及び、全ての硫黄正極材料貯蔵部が閾値未満の正極電極材料内の負極電極材料の濃度を有するまで、充電工程は、継続する。
【００６５】
図３は、反応チャンバ３０２、複数のリチウム電極材料貯蔵部３０４、及び、複数の硫黄電極材料貯蔵部３０６が垂直に積層され、平面的な矩形状の直方体である単一セル電池システム３００の正面図を示している。したがって、図３の単一セル電池システム３００は、図２の単一セル電池システム２００の一例である。図３は、本実施例の一般原理を示し、及び、表されている構成要素の特定の形状、相対的な大きさ、距離、又は、他の構造的な詳細を、必ずしも表すものではない。図３は、単一セル電池システム３００のいくつかの構造的な、寸法的な、配向的な、及び、位置的な態様を反映しているが、図は、必ずしも縮尺どおりではなく、及び、必ずしも単一セル電池システム３００の全ての特徴を表すものではない。いくつかの状況では、２つ以上のブロックの構造は、１つの構成要素、又は、構造で実装されてもよい。さらに、図３の１つのブロックで実行されるように説明された機能は、いくつかの状況では、離れた構造で実施されてもよい。
【００６６】
単一セル電池システム３００は、上述した装置１００、及び、単一セル電池システム２００の動作に応じて動作する。図３の例では、複数のリチウム電極材料貯蔵部３０４は、複数の硫黄電極材料貯蔵部３０６の真上に位置する反応チャンバ３０２の真上に配置されている。 貯蔵部３０４、３０６、及び、反応チャンバ３０２は、丸められた角を有する長方形の角柱（立方体）である。反応チャンバ３０２、及び、貯蔵部３０４、３０６は、比較的に薄く、及び、長さ、及び、幅に比べて、比較的に短い高さを有している。以下に説明する１つの複数セルシステムの例では、貯蔵部、及び、反応チャンバは、数十センチメートルの幅（例えば、５０ｃｍ）、及び、数十センチメートルの長さ（例えば、５０ｃｍ）のオーダーであり、及び、１００分の１センチメートル（すなわち、数十マイクロメートル（μｍ））のオーダー）の高さを有している。したがって、反応チャンバ３０２は、反応チャンバが、薄く、及び、平面的、立方体形状を有する反応チャンバ１０２の一例である。
【００６７】
リチウム電極材料貯蔵部３０４は、リチウム貯蔵部ハウジング３０８に封入され、反応チャンバ３０２は、反応チャンバハウジング３１０に封入され、及び、硫黄電極材料貯蔵部３０６は、硫黄電極材料貯蔵部ハウジング３１２に封入されている。したがって、単一セル電池システム３００の貯蔵部３０４、３０６は、図２の単一セル電池システム２００に記載されているように、離れたハウジング内に、個別に、封入されない。
【００６８】
上記の説明によれば、モータ２５２は、ポンプ２４２、２４４を駆動して、硫黄電極材料貯蔵部と反応チャンバの正極電極領域との間で、硫黄電極材料を循環させる。図３の例では、歯車機構のような回転機構３１４、３１６は、単一のモータ２５２を使用し、ポンプ２４２、２４４を駆動できるようにする。回転機構３１４、３１６は、ポンプ２４２、２４４のインペラに、磁気的に、結合される。状況によっては、回転機構３１４、３１６を省略することができ、及び、２つのモータを使用できる。ポンプの好適な実施形態の一例には、正極電極材料チャネル２４０、２４１に取り付けられたインペラを使用することが含まれる。
【００６９】
リチウム電極材料貯蔵部から反応チャンバの負極電極領域へのリチウム電極材料の流れは、重力によって補助される。本明細書で説明される実施例では、単一セル電池システム３００は、２０個のリチウム電極材料貯蔵部３０４、及び、１０個の硫黄電極材料貯蔵部３０６を有している。単一セル電池システム３００は、互いに関連する構成要素の位置を維持する固定機構（図示せず）を有している。いくつかの技術のいずれを用いても、空間に構成要素を固定できるが、 固定機構は、構成要素を、互いに、電気的、及び、熱的に絶縁する一方、システム３００の構造を維持しなければならない。１つの好適な例には、構成要素の容器同士の間に、及び、ハウジング同士の間に、非導電性支持体を配置することが含まれる。
【００７０】
図３に示されていない追加の構成要素、及び、特徴が、含まれていてもよい。例えば、他の例を参照して説明した熱暴走緩和構成要素、加熱要素、センサ、及び、電子機器が含まれてもよい。上述のように、いくつかの状況では、反応チャンバに、追加のバルブを含めることができる。
【００７１】
本明細書に記載されたいくつかの実施例について、電極材料分配システムは、貯蔵部のセットから選択された貯蔵部を、反応チャンバに接続し、そこでは、その貯蔵部のセットのみを特定の反応チャンバに接続できる。電極材料分配システムを、任意の１つの貯蔵部を任意の１つの反応チャンバに接続するように構成してもよい。後述するように、例えば、電極材料分配システムは、故障した反応チャンバに関連する貯蔵部のセットから冗長な反応チャンバに、貯蔵部を接続してもよい。多くの状況では、電極分配システムの複雑さは、反応チャンバに接続する貯蔵部の汎用性、及び、柔軟性のレベルと共に増加する。
【００７２】
図４は、複数の反応チャンバ４０２を有する複数セル電池システム４００のブロック図を示し、そこでは、各反応チャンバが、複数のリチウム電極材料貯蔵部４０４、及び、複数の硫黄電極材料貯蔵部４０６に接続される。図４の例では、したがって、複数の反応チャンバ４０２のそれぞれは、複数のリチウム電極材料貯蔵部４０４の２つ以上のリチウム電極材料貯蔵部、及び、複数の硫黄電極材料貯蔵部４０６の２つ以上の硫黄電極材料貯蔵部に接続される。単一の反応チャンバ、及び、複数の貯蔵部を有する構成要素のグループのそれぞれは、上述した装置１００、又は、単一セル電池システム２００、３００のような単一セル電池システムを形成する。任意の数の反応チャンバ４０２、及び、貯蔵部４０４、４０６を使用でき、そこでは、選択される数は、複数セル電池システム４００の意図される目的、及び、他の要因に依拠してもよい。図６を参照して以下に説明する例では、複数セル電池システムは、１４個の反応チャンバ、２８０個のリチウム電極材料貯蔵部、及び、１４０個の硫黄電極材料チャンバを有し、そこでは、各単一セル電池システムは、１個の反応チャンバ、２０個のリチウム電極材料貯蔵部、及び、１０個の硫黄電極材料貯蔵部を有している。図４の例は、リチウムを有する負極電極材料、及び、硫黄を有する正極電極材料を有しているが、図４を参照して説明した技術は、他の電気化学的結合を伴う複数の溶解電極セルに適用され得る。その技術は、例えば、ナトリウム（Ｎａ）を有する負極電極材料、及び、硫黄を含む正極電極材料を有する複数セル電池システムに使用され得る。上述したように、正極電極材料は、いくつかの状況では、リンのような追加の材料を有してもよい。
【００７３】
複数セル電池システム４００の動作中に、反応チャンバ４０２、及び、選択された貯蔵部の全てを、加熱システム４０８によって加熱し、選択された貯蔵部の電極材料を流体状態に配置し、及び、維持する。負極電極材料分配システム４１２、及び、正極電極材料分配システム４１４も加熱し、分配される電極材料が、確実に、流体状態を維持するようにする。いくつかの状況では、複数セル電池システム４００に、性能不良、又は、故障した反応チャンバに置換できる１つ以上の冗長な反応チャンバを含めてもよい。冗長な反応チャンバを、必要とされるまで加熱しなくてもよく、又は、動作温度、又は、動作温度より低い温度に加熱してもよい。加熱システム４０８は、反応チャンバを加熱するための加熱反応チャンバ部分、電極材料分配システムを加熱するための加熱電極材料分配システム部分、及び、選択された貯蔵部を選択的に加熱することを可能にするいくつかの部分を含む。したがって、加熱システム４０８は、複数セル電池システム４００では、複数の単一セル電池システムについて上述した加熱システム１１６の機能を実行する。例えば、加熱システム４０８は、複数のリチウム材料電極貯蔵部４０４の選択された貯蔵部の各々を、独立して、及び、選択的に、加熱するように構成された複数の負極材料加熱システム部分、及び、複数の硫黄電極材料貯蔵部４０６の選択された貯蔵部の各々を、独立に、加熱するように構成された複数の正極材料加熱システム部分を有している。
【００７４】
いくつかの状況では、加熱システム４０８は、再生、又は、回復加熱技術を採用し、効率を改善してもよい。例えば、充電プロセス中に、活動負極材料貯蔵部は、再充填され、及び、活動正極材料貯蔵部は、正極電極材料がない、又は、低濃度である満充電状態に戻るように転移される。 一旦、負極電極材料貯蔵部が完全に満たされるか、又は、正極電極材料貯蔵部が完全に充電されると、制御部４１６は、バルブ、又は、バルブ群を閉じることによって、関連付けられた電極材料分配システムから、活動負極、又は、正極電極材料貯蔵部を取り除き、及び、活動電極材料貯蔵部を、非動作状態に移行させる。非動作状態になると、この非動作の電極材料貯蔵部に関連する熱エネルギーを使用して、様々な方法を用いて、電池の他のより冷えている部分を加熱できる。一例では、熱伝導流体を、非動作の電極材料貯蔵部の周りに循環させ、次いで、電池内の別のより冷えている構成要素の周りに循環させ、このより冷えている構成要素に、熱エネルギーを伝達できる。この循環は、熱平衡が確立されるまで継続する。次いで、電極材料貯蔵部の残りの熱エネルギーは、同じ技術を用いて、異なるより冷えている部品に移送される。このプロセスは、電極材料貯蔵部の残りの熱エネルギーが、電池の他のより冷えている部品を加熱するのに、もはや、有益でなくなるまで継続する。加熱されている電池のより冷えている構成要素は、電極材料貯蔵部、反応チャンバ、電極分配システム、又は、熱質量にできる。放電プロセス中、活動負極伝導材料貯蔵部を空にし、空になると、この貯蔵部から、熱エネルギーをほとんど伝達できない。一方、放電プロセスにおける活動正極電極材料貯蔵部は、正極種が放電状態に移行するにつれて、体積を増加していく。活動正極貯蔵部が完全に放電された状態に達すると、制御部４１６は、バルブを閉じることによって、活動正極材料貯蔵部を、正極材料分配システムから除去し、活動正極貯蔵部を非動作状態に移行する。非動作状態になると、熱伝達は、先に述べたのと同じ方法に従う。他の技術を使用して、電池システムのエネルギーを効率的に再利用できる。電極材料分配システム４１０は、制御部４１６の方向付け、及び、制御で、複数セル電池システム４００の各単一セル電池システムに関するリチウム電極材料、及び、硫黄電極材料の流れを方向付け、及び、制御する負極材料分配システム４１２、及び、正極材料分配システム４１４を有している。したがって、負極材料分配システム４１２は、単一セル電池システム２００、３００、及び、装置１００で参照した上述の負極材料分配システム１５８のようないくつかの単一セル負極材料分配システムを有するか、又は、少なくとも、その機能を実行する。同様に、正極材料分配システム４１４は、単一セル電池システム２００、３００、及び、装置１００で参照した上述の正極材料分配システム１５６のようないくつかの単一セル正極材料分配システムを有するか、又は、少なくとも、その機能を実行する。いくつかの状況では、電極材料分配システム４１０は、各反応チャンバのための独立した単一セル電極材料分配システムを有している。他の状況では、単一セル電極材料分配システムは、互いに完全に独立していなくてもよく��及び、共通の構成要素を共有してもよい。１つの構成では、例えば、単一のモータを使用し、複数の反応チャンバのためのポンプのインペラを駆動してもよい。
【００７５】
複数のセンサ４１８、４２０、４２２は、制御部４１６が、加熱システム４０８、熱暴走緩和システム４２４、電極材料分配システム４１０、及び、セル構成ネットワーク２２０を制御するために利用できる情報を提供する。複数のセンサ４１８、４２０、４２２は、反応チャンバセンサ４１８、リチウム貯蔵部センサ４２０、及、硫黄貯蔵部センサ４２２を有している。センサ４１８、４２０、４２２は、温度、電流、電圧、容量、電気伝導性、圧力、体積、重量、加速度、湿度、湿度、及び、それらの組み合わせに関連するデータを提供することができるいくつかの異なる種類のセンサを有してもよい。例えば、硫黄貯蔵部センサ４２２は、硫黄電極材料貯蔵部４０６の複数の体積レベルにおける容量を測定するセンサを有してもよく、及び、リチウム貯蔵部センサ４２０は、リチウム電極材料貯蔵部４０４の様々なレベルの導電率を測定するセンサを有してもよく、及び、反応チャンバセンサ４１８は、各反応チャンバから出力される電流、又は、電圧を測定するセンサを有してもよい。いくつかの状況では、一部のセンサを省略してもよい。複数のセンサは、他の構成要素に関連付けられたパラメータを測定する、システム４００の他のセンサを有志亭もよい。例えば、センサを、各ハウジングに配置し、ハウジングの破損を検出するために、湿度、又は、圧力を測定してもよい。
【００７６】
電池システム４００のセンサによって提供される測定値、及び、パラメータに加えて、他のパラメータ４２６が、電池システム４００の外部のいくつかの任意の供給源から提供されてもよい。例えば、 加速、又は、減速と見做すデータが、電池システムによって動力が供給される車両を有する車両システムによって提供されてもよい。このような情報は、交通事故が発生したこと、及び、電池システム４００を安全モードに置くことの判定に有益であろう。安全モードは、熱暴走状況を、防止し、又は、軽減することを含んでもよい。
【００７７】
図４の実施例に関して、複数セル電池システム４００は、熱暴走緩和システム４２４を有している。熱暴走緩和システム４２４は、少なくとも一部を冷却し、熱暴走事象を、回避し、又は、逆転する。好適な技術の例は、参照された発明の名称「溶解流体電極装置の熱暴走を緩和する装置、システム、及び、方法」の特許出願に記載されている。いくつかの状況では、電極材料の一方、又は、両方を冷却して、材料を固体、非流体状態に置く。１つ以上のパラメータに基づいて、制御部４１６は、少なくとも選択された貯蔵部のための加熱システム４０８をオフにし、及び、冷却している熱伝達流体を、電池システム４００の少なくとも一部を冷却するように方向付ける。電池システム４００のセンサによって提供されるセンサ情報に基づくパラメータに加えて、パラメータは、電池システム４００の外部から提供される外部パラメータ４２６を有してもよい。上述したように、車両は、電池システム４００を安全モードに置くために使用される情報を提供してもよい。安全モードは、熱暴走緩和システム４２４を動作させることを含んでもよい。
【００７８】
制御部４１６は、複数セル電池システム４００の全体的な機能を促進するとともに、ここに記載された機能を管理する任意の制御部、プロセッサ、電気回路、論理回路、処理回路、電子回路、又は、プロセッサ構成である。制御部は、電極材料分配システムに制御信号を提供し、貯蔵部と反応チャンバとの間の流体電極材料の流れを管理する。制御部４１６は、例えば、流体電極分配システム４１０バルブやポンプなどの構成要素に制御信号を送信し、システム４００の放電、及び、充電サイクル中に、活動貯蔵部を選択し、及び、切り替えてもよい。制御部４１６は、選択された貯蔵部をいつ加熱するか、及び、反応チャンバに貯蔵部をいつ接続し始めるのかを判定し、流体電極材料の流れを管理する。言い換えると、制御部４１６は、加熱システム、及び、流体電極材料分配システムを制御し、選択された貯蔵部を加熱し、及び、反応チャンバへの活動貯蔵部の接続を管理する。上述したように、制御部４１６は、また、熱暴走緩和システム４２４の構成要素を制御し、電池システム４００の安全性を高め、及び、火災の可能性を最小化する。制御部４１６は、また、セル構成ネットワーク２２０を管理し、反応チャンバを接続し、及び、切断してもよい。したがって、制御部４１６は、他の機能に加えて、上述した制御部１１７の機能を実行してもよい。
【００７９】
図４の実施例では、反応チャンバ４２０からの複数の導管４２８が、電池システム出力を提供するセル構成ネットワーク２２０に提供される。電池システム出力を、他の電池システムの出力に結合し、選択された電流、又は、電圧を有する結合された出力を生成してもよい。一例では、例えば、各々が１４個の反応チャンバを有する５つの電池システム４００を並列に結合し、３０ボルト、２００ｋＷｈ、１５０ｋＷの電池システムを形成する。他の例では、各々が１４個の反応チャンバを含む５つの電池システム４００を直列に結合し、１５０ボルト、２００ｋＷｈ、１５０ｋＷの電池システムを形成する。非常に高い電池システムの可用性が要求されるならば、１つ以上の冗長な電池システム４００をその電池システムに追加できる。冗長な電池システムをともなうか、又は、ともなわない直列、及び、並列の電気回路の様々な組み合わせを構成し、様々な電池システムの要件を満たすことができる。
【００８０】
複数セル電池システム４００は、セルが、電池システム４００の動作を維持、及び／又は、管理するために十分なエネルギーを発生しないとき、システムに電力を供給するための補助電源４２８）を有している。例えば、電池が制御部によって、シャットダウン（電源オフ）され、又は、熱暴走緩和システム４２４によって、非活動化されたとき、補助電源４２８は、制御部、及び、他の電気機器に電力を供給し、電池システム４００を管理する。補助電源４２８は、また、電池起動手順中に、電力を供給する。補助電源４２８を用いて、少なくとも選択された反応チャンバ、及び、貯蔵部を、直接的に、又は、間接的に、加熱する。電池システム４００が、十分なエネルギーを生成し、制御部、加熱システム、及び、他の危険な電子機器をサポートするときは、もはや補助電源４２８を用いずとも、これらの構成要素をサポートする。補助電源４２８は、加熱システム４０８、熱暴走緩和システム４２４、及び、制御部４１６に接続され、図４の破線で示され、特定の状況の間にのみ電力を供給することを示している。補助電源４２８は、再充電可能な電池システムであってもよい。いくつかの状況では、補助電源４２８は、他のシステムによって提供される外部電池システムであってもよい。例えば、電池システム４００が電気自動車で使用される場合、車両は、追加の電池システムを有してもよい。補助電源４２８は、また、家庭、オフィスビル、又は、充電ステーションにおける交流電源（ＡＣ）によって、少なくとも部分的に、提供されてもよい。補助電源４２８は、変圧器、及び、レギュレータのような他の電子機器を有してもよい。
【００８１】
図５は、リチウム電極材料貯蔵部５０６〜５１３、反応チャンバ５０２、５０４、及び、硫黄電極材料貯蔵部５１４〜５１７が平面に、及び、垂直に積層された２つ反応チャンバ５０２、５０４を有する複数セル電池システム５００の一例の正面図である。一例として、第１の反応チャンバ５０２は、４つのリチウム電極材料貯蔵部５０６、５０８、５１０、５１２、及び、２つの硫黄材料電極材料貯蔵部５１４、５１６に接続され、及び、第２の反応チャンバ５０４は、４つのリチウム電極材料貯蔵部５０７、５０９、５１１、５１３、及び、２つの硫黄材料電極材料貯蔵部５１５、５１７に接続される。したがって、複数セル電池システム５００は、各セル池電池システムが図３の単一セル電池システム３００の一例である２つの単一セル電池システムを有している。図５は、本実施例の一般原理を示し、及び、表されている構成要素の特定の形状、相対的な大きさ、距離、又は、他の構造的な詳細を、必ずしも表すものではない。図５は、複数セル電池システム５００のいくつかの構造的な、寸法的な、配向的な、及び、位置的な態様を反映しているが、図は、必ずしも縮尺どおりではなく、及び、必ずしも複数セル電池システム５００の全ての特徴を表すものではない。いくつかの状況では、２つ以上のブロックの構造は、１つの構成要素、又は、構造で実装されてもよい。さらに、図５の１つのブロックで実行されるように説明された機能は、いくつかの状況では、離れた構造で実施されてもよい。
【００８２】
各単一セル電池システムは、上述した装置１００、単一セル電池システム２００、及び、単一セル電池システム３００の動作に順じて動作する。図５の実施例では、複数のリチウム電極材料貯蔵部５０６〜５１３は、複数の硫黄電極材料貯蔵部５１４〜５１７の真上に位置する反応チャンバ５０、５０４の真上に配置される。貯蔵部５０６〜５１７、及び、反応チャンバ５０２、５０４は、丸い角を有する長方形の直方体（立方体）である。反応チャンバ、及び、貯蔵部は、比較的に薄く、及び、長さ、及び、幅に比べて比較的に短い高さを有する。このような構造は、電極と固体電解質との間の界面の面積を最大化し、より高い電流の流れを促進する。以下に説明される１つの複数セル例では、貯蔵部、及び、反応チャンバは、十センチメートル程度の幅、及び、長さであり、及び、センチメートルの１００分の１程度の高さを有している。しかしながら、反応チャンバ、及び、貯蔵部の寸法を選択する際には、他の要因も考慮してもよい。正電極領域の供給チャネルと戻りチャネルとの間の距離は、例えば、反応チャンバの最大電流に少なくとも部分的に影響を与えるだろう。その結果、反応チャンバの形状は長方形であってよく、及び、チャネル間の距離が長方形の他の２辺の間の距離よりも小さい寸法を有してもよい。
【００８３】
リチウム電極材料貯蔵部５０６〜５１３は、リチウム貯蔵部ハウジング５１８に封入され、反応チャンバ５０２、５０４は、反応チャンバハウジング５２０に封入され、及び、硫黄電極材料貯蔵部５１４〜５１７は、硫黄電極材料貯蔵部ハウジング５２２に封入されている。したがって、図５の例では、両方の単一セル電池システムのリチウム電極材料貯蔵部は、同じリチウムハウジング内に含まれ、両方の反応チャンバ５０２、５０４は、同じ反応チャンバハウジングに含まれ、及び、両方の単一セル電池システムの硫黄電極材料貯蔵部は、同じ硫黄貯蔵部ハウジング内に含まれる。電池ハウジング５２４は、他の構成要素と同様に、３つのハウジング５１８、５２０、５２２を封入する。
【００８４】
複数セル電池システム５００の電極材料分配システム５２８は、リチウム電極材料分配システム５３０、及び、硫黄電極材料分配システム５３２を有している。リチウム電極材料分配システム５３０は、第１の反応チャンバ部分５３４、及び、第２の反応チャンバ部分５３６を有している。リチウム電極材料分配システム５３０の第１の反応チャンバ部分５３４は、第１の反応チャンバ５２０に接続される各リチウム電極材料貯蔵部５０６、５０８、５１０、５１２に接続される負極チャネル、及び、バルブを有している。リチウム電極材料分配システム５３０の第２の反応チャンバ部分５３６は、第２の反応チャンバ５０４に接続される各リチウム電極材料貯蔵部５０７、５０９、５１１、５１３に接続される負極チャネル、及び、バルブを有している。したがって、各部分５３４、５３６は、単一セル負極材料分配システムに関して上述した負極材料分配システム１５８の一例である。
【００８５】
硫黄電極材料分配システム５３２は、それぞれが、正極材料チャネルのネットワーク、供給ポンプ、リターンポンプ、入力バルブ、及び、出力バルブを有する第１の反応チャンバ部分５３８、及び、第２の反応チャンバ部分５４０を有している。したがって、硫黄電極材料分配システム５３２の第１の反応チャンバ部分５３８は、第１の反応チャンバ５０２に接続される各硫黄電極材料貯蔵部５１４、５１６に、正極チャネル５５０、５５２、供給ポンプ５５４、リターンポンプ５５６、入力バルブ、及び、出力バルブを有している。硫黄電極材料分配システム５３２の第２の反応チャンバ部分５４０は、第２の反応チャンバ５０４に接続される各硫黄電極材料貯蔵部５１５、５１７に、正極チャネル５４２、５４４、供給ポンプ５４６、リターンポンプ５４８、入力バルブ、及び、出力バルブを有している。したがって、各部分５３８、５４０は、単一セル負極材料分配システムに関して上述した正極材料分配システム１５６の一例である。
【００８６】
電極材料分配システム５２８の第１の反応チャンバ部分５３４、５３８、及び、第２の反チャンバ部分５３６、５４０の動作は、上述した単一セル電極材料分配システム１１５、負極材料分配機構１５８、及び、正極材料分配機構１５６の動作の通りである。図５の例では、１つモータ２５２が、両方の反応チャンバ５０２、５０４のポンプを駆動する。
【００８７】
モータ２５２によって駆動される各一対のポンプ５４６、５４８（５５４、５５６）は、硫黄電極材料貯蔵部と各反応チャンバ５０２、５０４の正極電極領域との間に硫黄電極材料を循環させる。したがって、この実施例では、モータ２５２は、回転機構３１６を介して、硫黄電極材料分配システム５３２に関して、第１の反応チャンバ部分５３８の供給ポンプ５５４、及び、第２の反応チャンバ部分５４０の供給ポンプ５４６を駆動する。モータ２５２）は、また、他の回転機構３１４を介して、硫黄電極材料分配システム５３２に関して、第１の反応チャンバ部分５３８のリターンポンプ５５６、及び、第２の反応チャンバ部分５４０のリターンポンプ５４８を駆動する。
【００８８】
複数セル電池システム５００は、互いに対する構成要素の位置を維持する固定機構（図示せず）を有している。いくつかの技術のいずれかを用いて、構成要素を適所に固定ができるが、固定機構は、構成要素を、互いに、電気的に、及び、熱的に、絶縁する一方、システム５００の構造を維持しなければならない。１つの好適な例は、部品の容器間に、非導電性支持体を配置することを含んでいる。
【００８９】
２つ反応チャンバ５０２、５０４により形成される２つの単一セル電池システムは、実施例では、同時に動作する。各単一セル電池システムによって生成される電気エネルギーをセル構成ネットワーク２２０によって直接に結合し、単一セル電池システムの出力電圧の２倍の複数セル電池システムの出力電圧を提供できる。さらに、各単一セル電池システムによって生成される電気エネルギーを、セル構成ネットワーク２２０によって、並列に結合し、単一セル電池システムの電流の２倍の複数セル電池システムの出力電流を提供できる。図５の実施例は、２つの反応チャンバを示しているが、本明細書に記載の技術は、任意の数の反応チャンバ、及び、貯蔵部に適用できる。図６を参照して後述するように、例えば１４個の反応チャンバを直列に結合し、リチウム−硫黄化学反応のために約３０Ｖの電圧を提供できる。
【００９０】
図５に示されていない追加の構成要素、及び、特徴を有してもよい。例えば、他の実施例を参照して説明された熱暴走緩和構成要素、加熱要素、センサ、及び、電子機器を有してもよい。上述したように、安全性の観点から、反応チャンバに、追加のバルブを含めることができる。
【００９１】
図６は、リチウム電極材料貯蔵部６０２、反応チャンバ６０４、及び、硫黄電極材料貯蔵部６０６が平坦に、及び、垂直に、積層された１４個の反応チャンバを有する複数セル電池システム６００の一例の斜視図である。この例では、１４個の反応チャンバの各々は、２０個のリチウム電極材料貯蔵部、及び、１０個の硫黄材料電極材料貯蔵部に接続されている。 したがって、複数セル電池システム６００は、各単一セル電池システムが図３の単一セル電池システム３００の一例である１４個の単一セル電池システムを有している。また、複数セル電池システム６００は、１４個の反応チャンバ、２８０個のリチウム電極材料貯蔵部、及び、１４０個の硫黄電極材料貯蔵部を有する複数セル電池システム５００の一例である。図６は、本実施例の一般原理を示し、及び、表されている構成要素の特定の形状、相対的な大きさ、距離、又は、他の構造的な詳細を、必ずしも表すものではない。図６は、システム６００のいくつかの構造的な、寸法的な、配向的な、及び、位置的な態様を反映しているが、図は、必ずしも縮尺どおりではなく、及び、必ずしも複数セル電池システム６００の全ての特徴を表すものではない。
【００９２】
各単一セル電池システムは、上述した装置１００、単一セル電池システム２００、及び、単一セル電池システム３００の動作の通りに動作し、及び、複数セル電池システム６００は、上述した複数セル電池システム４００、５００の通りに動作する。図６の実施例では、複数のリチウム電極材料貯蔵部６０２が、複数の硫黄電極材料貯蔵部６０６の真上に位置する１４個の反応チャンバ６０４の真上に配置されている。貯蔵部６０２、６０６、及び、反応チャンバ６０４は、丸い角を有する長方形の直方体（立方体）である。反応チャンバ、及び、貯蔵部は、比較的薄く、及び、長さ、及び、幅に比べて比較的に短い高さを有している。図６の実施例では、各反応チャンバの外幅、及び、長さは４４．７２１ｃｍであり、高さは、７０３．２μｍである。
【００９３】
リチウム電極材料貯蔵部６０２は、リチウム貯蔵部ハウジング５１８に封入され、反応チャンバ６０４は、反応チャンバハウジング５２０に封入され、及び、硫黄電極材料貯蔵部６０６は、硫黄電極材料貯蔵部ハウジング５２２に封入される。したがって、図６の実施例では、全てのリチウム電極材料貯蔵部は、同じリチウムハウジングに封入され、全ての反応チャンバ６０４は、同じ反応チャンバハウジングに封入され、及び、全ての硫黄電極材料貯蔵部は、同じ硫黄貯蔵部ハウジングに封入される。電池ハウジング５２４は、３つのハウジング５１８、５２０、５２２、及び、他の構成要素を封入する。
【００９４】
複数セル電池システム６００の電極材料分配システム５２８は、リチウム電極材料分配システム５３０、及び、硫黄電極材料分配システム５２２を有している。リチウム電極材料分配システム５３０は、図５を参照して説明した通りに動作する。しかしながら、図６の実施例のリチウム電極材料分配システム５３０は、各部分が反応チャンバ、及び、２０個のリチウム電極材料貯蔵部に接続されるような１４個の部分を有している。上述したように、リチウム電極材料分配システム５３０の各部分は、負極チャネル、各リチウム電極材料貯蔵部のバルブ、及び、潜在的には、ポンプを有している。リチウム電極材料分配システム５３０は、複数セル電池システム６００の前面６０８に沿って配置される。
【００９５】
硫黄電極材料分配システム５３２は、図５を参照して説明した硫黄電極材料分配システム５３２の通りに動作する。しかしながら、図６の実施例の硫黄電極材料分配システム５３２は、各部分が、反応チャンバ、及び、１０個の硫黄電極材料貯蔵部に接続されるような１４個の部分を有している。上述のように、硫黄電極材料分配システム５３２の各部分は、各硫黄電極材料貯蔵部の入力バルブ、及び、出力バルブと同様に、正電極チャネル、供給ポンプ、及び、リターンポンプを有している。図６の実施例では、１４の部分の供給ポンプ、及び、供給正極チャネルは、第１の側面６１０に配置され、及び、１４の部分のリターンポンプ、及び、リターン正極チャネルは、第１の側面６１０に対向する反対側の第２の側面６１２に配置される。したがって、リチウム電極材料分配システム５３０は、硫黄電極材料分配システム５２に使用される２つの側面以外の側面に沿って配置される。いくつかの状況では、他の構成要素を、第４の側面（前面に対向する背面）に配置できる。例えば、電子機器を、背面付近のハウジングの内面に取り付けてもよく、又は、センサを、電池システム６００の背面に配置してもよい。加えて、構成要素を、上面６１４、又は、底面６１６に沿って、又は、近くに配置してもよい。実施例では、モータ２５２、及び、ギアのような関連する機械機構を、底面６１６に沿って、又は、近くに、電池ハウジング５２４内に配置してもよい。
【００９６】
複数セル電池システム６００は、互いに関連する構成要素の位置を維持する固定機構を有している。いくつかの技術のいずれかを用いて、構成要素を適所に固定できるが、固定機構は、構成要素を、互いに、電気的に、及び、熱的に、絶縁する一方、複数セル電池システム６００の構造を維持しなければならない。１つの好適な例は、部品の容器間に、非導電性支持体を配置することを含んでいる。
【００９７】
図７Ａ、図７Ｂ、図７Ｃ、及び、図７Ｄは、複数セル電池システム６００の一部の構成を示す図である。図７Ａは、複数セル電池システム６００の反応チャンバ、リチウム電極材料貯蔵部、及び、硫黄電極材料貯蔵部の平面図を示している。図６、及び、図７Ａを参照して説明される実施例では、反応チャンバ６０４、リチウム電極材料貯蔵部６０２、及び、硫黄電極材料貯蔵部６０６は、同じ長さ、及び、幅を有している。実施例では、外部長さ（Ｌ）７０２、及び、幅（Ｗ）７０４は、両方とも、４４．７２１ｃｍに等しい。図７Ｂ、図７Ｃ、及び、図７Ｄを参照して、以下において、構成要素の高さを説明する。
【００９８】
複数セル電池システム６００は、上部から、正方形の断面を有しているが、他の形状を用いることもできる。電池システムの同じ電力容量を維持するために、形状の面積は、同じであるべきである。上述のように、反応チャンバの形状は、正電極領域の供給チャネルとリターンチャネルとの間の距離は、比較的短く、及び、反応チャンバの他の長さは、比較的長い長方形とし、一定の面積を維持し、及び、セルによって生成される最大電流を増加してもよい。供給チャネルとリターンチャネルとの間の距離を減少させることにより、反応器を通って流れている流体正極材料は、完全な放電状態に、急速には、変換されない。例えば、反応チャンバの供給チャネルとリターンチャネルとの間の距離が、所与の流体正極材料の流量、及び、放電電流に対して大きすぎる場合、流体正極材料は、反応チャンバの終端に達する前に、固体状態に、完全に放電され得り、及び、反応チャンバを通る流体正極材料の流れを妨げる可能性がある。この潜在的な問題を解決し、セルによって生成される電流を最大にするために、供給チャネルとリターンチャネルとの間の距離を最小にでき、及び、正極材料の流量を最大にできる。このアプローチによって、供給チャネルとリターンチャネルとの間の距離が他の長方形寸法よりも短い長方形の幾何学的形状が導かれるだろう。
【００９９】
図７は、１つの反応チャンバ６０４の一部の断面側面図を示す。実施例では、反応チャンバの容器７０６は、電池に必要な温度で動作できる延性を有する鋳鉄、又は、他の比較的低コストの金属、又は、金属合金である。一例では、電流コレクタは、反応チャンバ壁から離れており、及び、比較的低コストの金属、又は、金属合金の反応チャンバ壁は、不活性被膜によって、化学的攻撃から保護され、及び、電流コレクタは、導電性不活性被膜によって保護される。反応チャンバの負極電極領域で使用するための好適な非導電性被膜の例としては、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、窒化ホウ素（ＢＮ）、酸化カルシウム（ＣａＯ）、タンタル（III）酸化物（Ｔａ２Ｏ３）、サマリウム（III）酸化物（Ｓａ２Ｏ３）、酸化リチウム（Ｌｉ２Ｏ）、酸化ベリリウム（ＢｅＯ）、テルビウム（III）酸化物（Ｔｂ２Ｏ３）、ジスプロシウム（III）酸化物（Ｄｙ２Ｏ３）、二酸化トリウム（ＴｈＯ２）、ガドリニウム（III）酸化物（Ｇｄ２Ｏ３）、エルビウム（III）酸化物（Ｅｒ２Ｏ３） イットリウム（III）酸化物（Ｙ２Ｏ３）、塩化リチウム（ＬｉＣｌ）、ホルミウム（III）酸化物（Ｈｏ２Ｏ３）、ネオジム（III）酸化物（Ｎｄ２Ｏ３）、イッテルビウム（III）酸化物（Ｙｂ２Ｏ３）、ランタン（III）酸化物（Ｌａ２Ｏ３）、プラセオジム（III）酸化物（Ｐｒ２Ｏ３）、フッ化リチウム（ＬｉＦ）、ルテチウム（III）酸化物（Ｌｕ２Ｏ３）、スカンジウム（III）酸化物（Ｓｃ２Ｏ３）、ツリウム（III）酸化物（Ｔｍ２Ｏ３）、サマリウム（III）酸化物（Ｓｍ２Ｏ３）、セリウム（III）酸化物（Ｃｅ２Ｏ３）、及び、メンデレビウム（III）酸化物（Ｍｄ２Ｏ３）。好適な他の潜在的な不活性被膜は、酸化バリウム（ＢａＯ）、酸化ストロンチウム（ＳｒＯ）、フッ化マグネシウム（ＭｇＦ２）、セリウム（IV）酸化物（ＣｅＯ２）、ウラン（IV）酸化物（ＵＯ２）、ユーロピウム（II）酸化物（ＥｕＯ）、二酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）、フッ化ナトリウム（ＮａＦ）、ユーロピウム（III）酸化物（Ｅｕ２Ｏ３）、クリソベリル（ＢｅＡｌ２Ｏ４）、ケイ酸カルシウム（Ｃａ２ＳｉＯ４）、ハフニウム（IV）酸化物（ＨｆＯ２）、チタン酸カルシウム（ＣａＴｉＯ３）、Ｃａ２Ａｌ２ＳＯ７、アルミン酸マグネシウム（ＭｇＡｌ２ｏ４）、カシライト（ＫＡｌＳｉＯ４）、メタケイ酸マグネシウム（ＭｇＳｉＯ３）、ＣａＭｇ（ＳｉＯ４）２、Ｃａ３ＭｇＳｉ２Ｏ７、メルウィナイト（Ｃａ３Ｍｇ（Ｓｉ０４）２）、ケイ酸カルシウム（ＣａＳｉＯ３）を含む。反応チャンバの負極電極領域で使用するための適切な導電性被膜の例は、バナジウム、Ｖ−３Ｔｉ−１Ｓｉ、Ｖ−１５Ｃｒ−５Ｔｉ、Ｖ−９Ｃｒ−３Ｆｅ−１Ｚｒのようなバナジウム合金、モリブデン、Ｍｏ−０．５Ｔｉ−０．０８Ｚｒ（ＴＺＭ）のようなモリブデン合金、ニオビウム、及び、タンタルを含む。適切な他の潜在的な不活動導電性被膜は、タングステン、クロム、ジルコニウム、チタン、及び、ステンレス鋼３０４（５９３℃以下で動作する場合）を含む。反応チャンバの正電極領域で使用するための好適な非導電性被膜の例としては、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、酸化チタン（ＴｉＯ２）、窒化ホウ素（ＢＮ）、酸化カルシウム（ＣａＯ）、タンタル（III）酸化物（Ｔａ２Ｏ３）、サマリウム（III）酸化物（Ｓａ２Ｏ３）、酸化リチウム（Ｌｉ２Ｏ）、酸化ベリリウム（ＢｅＯ）、テルビウム（III）酸化物（Ｔｂ２Ｏ３）、ジスプロシウム（III）酸化物（Ｄｙ２Ｏ３）、二酸化トリウム（ＴｈＯ２）、ガドリニウム（III）酸化物（Ｇｄ２Ｏ３）、エルビウム（III）酸化物（Ｅｒ２Ｏ３） イットリウム（III）酸化物（Ｙ２Ｏ３）、塩化リチウム（ＬｉＣｌ）、ホルミウム（III）酸化物（Ｈｏ２Ｏ３）、ネオジム（III）酸化物（Ｎｄ２Ｏ３）、イッテルビウム（III）酸化物（Ｙｂ２Ｏ３）、ランタン（III）酸化物（Ｌａ２Ｏ３）、プラセオジム（III）酸化物（Ｐｒ２Ｏ３）、フッ化リチウム（ＬｉＦ）、ルテチウム（III）酸化物（Ｌｕ２Ｏ３）、スカンジウム（III）酸化物（Ｓｃ２Ｏ３）、ツリウム（III）酸化物（Ｔｍ２Ｏ３）、サマリウム（III）酸化物（Ｓｍ２Ｏ３）、セリウム（III）酸化物（Ｃｅ２Ｏ３）、及び、メンデレビウム（III）酸化物（Ｍｄ２Ｏ３）。好適な他の潜在的な不活性被膜は、酸化バリウム（ＢａＯ）、酸化ストロンチウム（ＳｒＯ）、フッ化マグネシウム（ＭｇＦ２）、セリウム（IV）酸化物（ＣｅＯ２）、ウラン（IV）酸化物（ＵＯ２）、ユーロピウム（II）酸化物（ＥｕＯ）、二酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）、フッ化ナトリウム（ＮａＦ）、ユーロピウム（III）酸化物（Ｅｕ２Ｏ３）、クリソベリル（ＢｅＡｌ２Ｏ４）、ケイ酸カルシウム（Ｃａ２ＳｉＯ４）、ハフニウム（IV）酸化物（ＨｆＯ２）、チタン酸カルシウム（ＣａＴｉＯ３）、Ｃａ２Ａｌ２ＳＯ７、アルミン酸マグネシウム（ＭｇＡｌ２ｏ４）、カシライト（ＫＡｌＳｉＯ４）、メタケイ酸マグネシウム（ＭｇＳｉＯ３）、ＣａＭｇ（ＳｉＯ４）２、Ｃａ３ＭｇＳｉ２Ｏ７、メルウィナイト（Ｃａ３Ｍｇ（Ｓｉ０４）２）、ケイ酸カルシウム（ＣａＳｉＯ３）を含む。さらに、適切な他の潜在的な不活性非導電性被膜は、アルミナ（ＡＩ２Ｏ３）、シリカ（ＳｉＯ２）、酸化カリウム（Ｋ２Ｏ）、及び、三酸化ホウ素（Ｂ２Ｏ３）のような種々の金属酸化物、コーニング社のマコール（ｍａｃｏｒ）製品のような独自の材料を含む。さらに、適切な他の潜在的な不活性導電性被膜は、モリブデン、Ｍｏ−０．５Ｔｉ−０．０８Ｚｒ（ＴＺＭ）のようなモリブデン合金を含む。非導電性被膜のいくつかは、電池の動作温度において導電性になってもよいことに留意すべきである。安価な金属、又は、金属合金の壁厚（ｔ）７０６は、１００μｍであり、不活性被膜の厚さは、約５００ｎｍである。不活性被膜の厚さは、不活性被膜材料に依存する。固体電解質１３は、５００μｍの高さ（ＨＳＥ）７１０を有している。正極電極領域１３４は、１．１μｍの高さ（ＨＳ）７１２を有しており、及び、負極電極領域１３２は、２．１μｍの高さ（ＨＬ）７１４を有している。
【０１００】
電流コレクタは、導電性材料から形成される。好適なコレクタ材料の一例は銅を含んでいる。いくつかの状況では、真鍮を用いることができ、及び、銅よりもいくらかのコスト削減を提供してもよい。電流コレクタ２１２、２１４は、不活動導電性被膜で被覆されている。負極コレクタ２１２の好適な被覆材料の一例は、バナジウム、不活動導電性被膜である。負極コレクタ２１２に適した他の被膜としては、バナジウム、Ｖ−３Ｔｉ−１Ｓｉ、Ｖ−１５Ｃｒ−５Ｔｉ、Ｖ−９Ｃｒ−３Ｆｅ−１Ｚｒのようなバナジウム合金、モリブデン、Ｍｏ−０．５Ｔｉ−０．０８Ｚｒ（ＴＺＭ）のようなモリブデン合金、ニオビウム、及び、タンタルを含む。適切な他の潜在的な不活性導電性被膜は、タングステン、クロム、ジルコニウム、チタン、及び、ステンレス鋼３０４（５９３℃以下で動作する場合）を含む。
【０１０１】
正極コレクタを、ルチル相で、不活動で導電性の被膜であるタングステン添加酸化チタンを用いて被覆してもよい。正極コレクタ２１４に適した他の被膜は、ニオブ添加酸化チタン、タンタル添加酸化チタン、インジウムスズ酸化物、モリブデン、及び、Ｒがランタン（Ｌａ）、プラセオジム（Ｐｒ）、ネオジム（Ｎｄ）、サマリウム（Ｓｍ）、ユーロピウム（Ｅｕ）、及び、ガドリニウム（Ｇｄ）であるＲＣｏＯ３を含む。
【０１０２】
他の例では、コレクタ２１２、２１４を、反応チャンバの壁に組み込む。反応チャンバの金属、又は、金属合金の壁は、導電性被膜で被覆され、電流が被膜、及び、チャンバの壁を通って流れることを可能にする。反応チャンバの壁に組み込まれたときの負極コレクタ２１２は、比較的低コストの金属、又は、金属合金の壁に関連する１００μｍの厚さ、及び、バナジウム、安価な金属、又は、金属合金の壁の不活動、導電性被膜に関連する２．５μｍの厚さを有する。不活動被膜は、負極材料との反応から、コレクタ２１２を保護する。負極コレクタ２１２に適した他の被膜は、バナジウム、Ｖ−３Ｔｉ−１Ｓｉ、Ｖ−１５Ｃｒ−５Ｔｉ、Ｖ−９Ｃｒ−３Ｆｅ−１Ｚｒのようなバナジウム合金、モリブデン、Ｍｏ−０．５Ｔｉ−０．０８Ｚｒ（ＴＺＭ）のようなモリブデン合金、ニオビウム、及び、タンタルを含む。適切な他の潜在的な不活性導電性被膜は、タングステン、クロム、ジルコニウム、チタン、及び、ステンレス鋼３０４（５９３℃以下で動作する場合）を含む。
【０１０３】
反応チャンバの壁に組み込まれたときの正極コレクタ２１４は、安価な金属、又は、金属合金の壁に関連する１００μｍの厚さ、及び、ルチル相のタングステン添加酸化チタン、金属、又は、金属合金の壁の不活動、導電性被膜に関連する５００ｎｍの厚さを有する。不活動被膜は、正極材料との反応から、コレクタ２１４を保護する。正極コレクタ２１４に適した他の被膜は、ニオブ添加酸化チタン、タンタル添加酸化チタン、インジウムスズ酸化物、モリブデン、及び、Ｒがランタン（Ｌａ）、プラセオジム（Ｐｒ）、ネオジム（Ｎｄ）、サマリウム（Ｓｍ）、ユーロピウム（Ｅｕ）、及び、ガドリニウム（Ｇｄ）であるＲＣｏＯ３を含む。
【０１０４】
電流コレクタが反応チャンバ壁と一体化されている場合、反応チャンバ構造の各部分は、互いに電気的に絶縁されている。すなわち、反応チャンバの負極電極領域を囲む反応チャンバの壁は、反応チャンバの正極電極領域を囲む反応チャンバの壁とは、電気的に、絶縁されている。
【０１０５】
電流コレクタが反応チャンバの壁と一体化されている場合、追加の電気絶縁を使用して、各セルを他から分離してもよい。これは、冗長な反応チャンバを、電池システムに組み込み、故障した反応チャンバを交換できる場合に、特に有用である。いくつかの状況では、電池システムは、反応チャンバが物理的に積み重ねられ、及び、互いに電気的に接触するように、実装されてもよい。 例えば、いくつかの反応チャンバを含む電池システムは、下方の反応チャンバの負極反応チャンバ部分が、その下方の反応チャンバの上方の反応チャンバの正極反応チャンバ部分に接触する構造を有してもよい。したがって、そのような実装においては、反応チャンバを、直列の組み合わせで接続する。故障した反応チャンバを交換するために、動作中に、電池システムを容易に再構成できないため、このような構造の利用は、電池セルの故障間隔時間（ＭＴＢＦ）、及び、要求される性能に、少なくとも部分的に依存してもよい。
【０１０６】
図７Ｃは、１つのリチウム電極材料貯蔵部６０２の部分の断面側面図７１５を示している。実施例では、リチウム電極材料貯蔵部６０２の容器７１６は、電池に要求される温度で動作できる、不活性被膜で被覆されたダクタイル鋳鉄  又は、比較的低コストの金属、又は、金属合金であり、１００μｍの壁厚さ（ｔＬＲ）７１８、及び、５００ｎｍの不活動被覆厚さを有している。リチウム電極材料貯蔵部の内部高さ（ＨＬＲ）７２０は、実施例では、１８７μｍである。不活性被膜は、リチウム電極材料貯蔵部６０２を、負極材料との反応から保護する。適切な不活性被膜の例は、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、窒化ホウ素（ＢＮ）、酸化カルシウム（ＣａＯ）、タンタル（III）酸化物（Ｔａ２Ｏ３）、サマリウム（III）酸化物（Ｓａ２Ｏ３）、酸化リチウム（Ｌｉ２Ｏ）、酸化ベリリウム（ＢｅＯ）、テルビウム（III）酸化物（Ｔｂ２Ｏ３）、ジスプロシウム（III）酸化物（Ｄｙ２Ｏ３）、二酸化トリウム（ＴｈＯ２）、ガドリニウム（III）酸化物（Ｇｄ２Ｏ３）、エルビウム（III）酸化物（Ｅｒ２Ｏ３） イットリウム（III）酸化物（Ｙ２Ｏ３）、塩化リチウム（ＬｉＣｌ）、ホルミウム（III）酸化物（Ｈｏ２Ｏ３）、ネオジム（III）酸化物（Ｎｄ２Ｏ３）、イッテルビウム（III）酸化物（Ｙｂ２Ｏ３）、ランタン（III）酸化物（Ｌａ２Ｏ３）、プラセオジム（III）酸化物（Ｐｒ２Ｏ３）、フッ化リチウム（ＬｉＦ）、ルテチウム（III）酸化物（Ｌｕ２Ｏ３）、スカンジウム（III）酸化物（Ｓｃ２Ｏ３）、ツリウム（III）酸化物（Ｔｍ２Ｏ３）、サマリウム（III）酸化物（Ｓｍ２Ｏ３）、セリウム（III）酸化物（Ｃｅ２Ｏ３）、及び、メンデレビウム（III）酸化物（Ｍｄ２Ｏ３）。好適な他の潜在的な不活性被膜は、酸化バリウム（ＢａＯ）、酸化ストロンチウム（ＳｒＯ）、フッ化マグネシウム（ＭｇＦ２）、セリウム（IV）酸化物（ＣｅＯ２）、ウラン（IV）酸化物（ＵＯ２）、ユーロピウム（II）酸化物（ＥｕＯ）、二酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）、フッ化ナトリウム（ＮａＦ）、ユーロピウム（III）酸化物（Ｅｕ２Ｏ３）、クリソベリル（ＢｅＡｌ２Ｏ４）、ケイ酸カルシウム（Ｃａ２ＳｉＯ４）、ハフニウム（IV）酸化物（ＨｆＯ２）、チタン酸カルシウム（ＣａＴｉＯ３）、Ｃａ２Ａｌ２ＳＯ７、アルミン酸マグネシウム（ＭｇＡｌ２ｏ４）、カシライト（ＫＡｌＳｉＯ４）、メタケイ酸マグネシウム（ＭｇＳｉＯ３）、ＣａＭｇ（ＳｉＯ４）２、Ｃａ３ＭｇＳｉ２Ｏ７、メルウィナイト（Ｃａ３Ｍｇ（Ｓｉ０４）２）、ケイ酸カルシウム（ＣａＳｉＯ３）を含む。反応チャンバの負極電極領域で使用するための適切な導電性被膜の例としては、バナジウム、Ｖ−３Ｔｉ−１Ｓｉ、Ｖ−１５Ｃｒ−５Ｔｉ、Ｖ−９Ｃｒ−３Ｆｅ−１Ｚｒのようなバナジウム合金、モリブデン、Ｍｏ−０．５Ｔｉ−０．０８Ｚｒ（ＴＺＭ）のようなモリブデン合金、ニオビウム、及び、タンタルを含む。好適であろうその他の潜在的な不活性被膜は、タングステン、クロム、ジルコニウム、チタン、及び、ステンレス鋼３０４（５９３℃以下で動作する場合）を含む。異なる被覆厚さが、様々な被膜材料に要求されるであろうことに留意されたい。例えば、同レベルの腐食保護を提供するために、５００ｎｍの酸化マグネシウム（ＭｇＯ）のみが要求される場合に、長期間の腐食からリチウム貯蔵部を保護するために、２．５μｍのバナジウム被膜が要求される。
【０１０７】
図７Ｄは、１つの硫黄電極材料貯蔵部６０６の部分の断面側面図７２１を示している。実施例では、硫黄電極材料貯蔵部６０６の容器７２２は、電池に要求される温度で動作できるダクタイル鋳鉄  又は、比較的低コストの金属、又は、金属合金であり、及び、不活性被膜で被覆されている。硫黄電極材料貯蔵部６０６は、１００μｍの壁厚さ（ｔＳＲ）７２４、及び、５００ｎｍの不活動被覆厚さを有している。硫黄電極材料貯蔵部の内部高さ（ＨＳＲ）７２６は、実施例では、６４４．６５μｍである。不活性被膜は、硫黄電極材料貯蔵部６０６を、正極材料との反応から保護する。好適な不活性被膜の例は、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、酸化チタン（ＴｉＯ２）、窒化ホウ素（ＢＮ）、酸化カルシウム（ＣａＯ）、タンタル（III）酸化物（Ｔａ２Ｏ３）、サマリウム（III）酸化物（Ｓａ２Ｏ３）、酸化リチウム（Ｌｉ２Ｏ）、酸化ベリリウム（ＢｅＯ）、テルビウム（III）酸化物（Ｔｂ２Ｏ３）、ジスプロシウム（III）酸化物（Ｄｙ２Ｏ３）、二酸化トリウム（ＴｈＯ２）、ガドリニウム（III）酸化物（Ｇｄ２Ｏ３）、エルビウム（III）酸化物（Ｅｒ２Ｏ３） イットリウム（III）酸化物（Ｙ２Ｏ３）、塩化リチウム（ＬｉＣｌ）、ホルミウム（III）酸化物（Ｈｏ２Ｏ３）、ネオジム（III）酸化物（Ｎｄ２Ｏ３）、イッテルビウム（III）酸化物（Ｙｂ２Ｏ３）、ランタン（III）酸化物（Ｌａ２Ｏ３）、プラセオジム（III）酸化物（Ｐｒ２Ｏ３）、フッ化リチウム（ＬｉＦ）、ルテチウム（III）酸化物（Ｌｕ２Ｏ３）、スカンジウム（III）酸化物（Ｓｃ２Ｏ３）、ツリウム（III）酸化物（Ｔｍ２Ｏ３）、サマリウム（III）酸化物（Ｓｍ２Ｏ３）、セリウム（III）酸化物（Ｃｅ２Ｏ３）、及び、メンデレビウム（III）酸化物（Ｍｄ２Ｏ３）。好適な他の潜在的な不活性被膜は、酸化バリウム（ＢａＯ）、酸化ストロンチウム（ＳｒＯ）、フッ化マグネシウム（ＭｇＦ２）、セリウム（IV）酸化物（ＣｅＯ２）、ウラン（IV）酸化物（ＵＯ２）、ユーロピウム（II）酸化物（ＥｕＯ）、二酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）、フッ化ナトリウム（ＮａＦ）、ユーロピウム（III）酸化物（Ｅｕ２Ｏ３）、クリソベリル（ＢｅＡｌ２Ｏ４）、ケイ酸カルシウム（Ｃａ２ＳｉＯ４）、ハフニウム（IV）酸化物（ＨｆＯ２）、チタン酸カルシウム（ＣａＴｉＯ３）、Ｃａ２Ａｌ２ＳＯ７、アルミン酸マグネシウム（ＭｇＡｌ２Ｏ４）、カシライト（ＫＡｌＳｉＯ４）、メタケイ酸マグネシウム（ＭｇＳｉＯ３）、ＣａＭｇ（ＳｉＯ４）２、Ｃａ３ＭｇＳｉ２Ｏ７、メルウィナイト（Ｃａ３Ｍｇ（Ｓｉ０４）２）、ケイ酸カルシウム（ＣａＳｉＯ３）を含む。さらに、適切な他の潜在的な不活性非導電性被膜は、モリブデン、Ｍｏ−０．５Ｔｉ−０．０８Ｚｒ（ＴＺＭ）のようなモリブデン合金、アルミナ（ＡＩ２Ｏ３）、シリカ（ＳｉＯ２）、酸化カリウム（Ｋ２Ｏ）、及び、三酸化ホウ素（Ｂ２Ｏ３）のような種々の金属酸化物、コーニング社のマコール（Ｍａｃｏｒ）製品のような独自の材料を含む。異なる被覆厚さが、様々な被膜材料に要求されるであろうことに留意されたい。例えば、同レベルの腐食保護を提供するために、５００ｎｍの酸化マグネシウム（ＭｇＯ）のみが要求される場合に、長期間の腐食から硫黄電極材料貯蔵部を保護するために、１μｍのモリブデン被膜が要求される。
【０１０８】
リチウム電極材料貯蔵部のハウジング５１８、反応チャンバのハウジング５２０、硫黄電極材料貯蔵部のハウジング５２２、及び、電池ハウジング５２４に関連する安全性の改善は、これらのハウジングの内部部分への、保護被膜の追加によって可能となる。
【０１０９】
例えば、リチウム電極材料貯蔵部のハウジング５１８の内部部分を、リチウム電極材料貯蔵部のハウジング５１８を、１つのリチウム貯蔵部、又は、１つのリチウム電極材料分配構成要素の破損形態とすべき負極材料との反応から保護する不活性被膜で被覆できる。好適な被膜材料は、リチウム電極材料貯蔵部６０２について先に詳述した被膜材料を含む。
【０１１０】
反応チャンバのハウジング５２０の内部部分は、反応チャンバのハウジング５２０を、１つの反応チャンバ、又は、１つのリチウム、又は、硫黄電極材料分配構成要素の破損形態とすべき負極材料、及び、正極材料との反応から保護する不活性被膜で被覆できる。好適な不活性被膜の例は、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、窒化ホウ素（ＢＮ）、酸化カルシウム（ＣａＯ）、タンタル（III）酸化物（Ｔａ２Ｏ３）、サマリウム（III）酸化物（Ｓａ２Ｏ３）、酸化リチウム（Ｌｉ２Ｏ）、酸化ベリリウム（ＢｅＯ）、テルビウム（III）酸化物（Ｔｂ２Ｏ３）、ジスプロシウム（III）酸化物（Ｄｙ２Ｏ３）、二酸化トリウム（ＴｈＯ２）、ガドリニウム（III）酸化物（Ｇｄ２Ｏ３）、エルビウム（III）酸化物（Ｅｒ２Ｏ３） イットリウム（III）酸化物（Ｙ２Ｏ３）、塩化リチウム（ＬｉＣｌ）、ホルミウム（III）酸化物（Ｈｏ２Ｏ３）、ネオジム（III）酸化物（Ｎｄ２Ｏ３）、イッテルビウム（III）酸化物（Ｙｂ２Ｏ３）、ランタン（III）酸化物（Ｌａ２Ｏ３）、プラセオジム（III）酸化物（Ｐｒ２Ｏ３）、フッ化リチウム（ＬｉＦ）、ルテチウム（III）酸化物（Ｌｕ２Ｏ３）、スカンジウム（III）酸化物（Ｓｃ２Ｏ３）、ツリウム（III）酸化物（Ｔｍ２Ｏ３）、サマリウム（III）酸化物（Ｓｍ２Ｏ３）、セリウム（III）酸化物（Ｃｅ２Ｏ３）、及び、メンデレビウム（III）酸化物（Ｍｄ２Ｏ３）。好適な他の潜在的な不活性被膜は、酸化バリウム（ＢａＯ）、酸化ストロンチウム（ＳｒＯ）、フッ化マグネシウム（ＭｇＦ２）、セリウム（IV）酸化物（ＣｅＯ２）、ウラン（IV）酸化物（ＵＯ２）、ユーロピウム（II）酸化物（ＥｕＯ）、二酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）、フッ化ナトリウム（ＮａＦ）、ユーロピウム（III）酸化物（Ｅｕ２Ｏ３）、クリソベリル（ＢｅＡｌ２Ｏ４）、ケイ酸カルシウム（Ｃａ２ＳｉＯ４）、ハフニウム（IV）酸化物（ＨｆＯ２）、チタン酸カルシウム（ＣａＴｉＯ３）、Ｃａ２Ａｌ２ＳＯ７、アルミン酸マグネシウム（ＭｇＡｌ２ｏ４）、カシライト（ＫＡｌＳｉＯ４）、メタケイ酸マグネシウム（ＭｇＳｉＯ３）、ＣａＭｇ（ＳｉＯ４）２、Ｃａ３ＭｇＳｉ２Ｏ７、メルウィナイト（Ｃａ３Ｍｇ（Ｓｉ０４）２）、ケイ酸カルシウム（ＣａＳｉＯ３）を含む。ささらに、適切な他の潜在的な不活性導電性被膜は、モリブデン、Ｍｏ−０．５Ｔｉ−０．０８Ｚｒ（ＴＺＭ）のようなモリブデン合金を含む。
【０１１１】
硫黄電極材料貯蔵部のハウジング５２２の内部部分を、硫黄電極材料貯蔵部のハウジング５２２を、１つの硫黄貯蔵部、又は、１つの硫黄電極材料分配構成要素の破損形態とすべき正極材料との反応から、保護する不活性被膜で被覆できる。好適な被膜材料は、硫黄電極材料貯蔵部６０６について先に詳述した被膜材料を含む。
【０１１２】
電池のハウジング５２４の内部部分を、電池のハウジング５２４を、１つのリチウム、又は、硫黄電極材料分配構成要素の破損形態、又は、電池のハウジング５２４に配置される構成要素の他の破損形態とすべき負極、及び、正極材料との反応から、保護する不活性被膜で被覆できる。好適な被覆材料は、反応チャンバのハウジング５２０について先に詳述した被膜材料を含む。
【０１１３】
例えば、リチウム電極材料貯蔵部のハウジング５１８、反応チャンバのハウジング５２０、硫黄電極材料貯蔵部のハウジング５２２、及び、電池ハウジング５２４の壁は、被膜材料に応じて５００ｎｍから２．５μｍの範囲の被膜厚さを有する５００μｍのアルミニウムである。他の貯蔵部、及び、反応チャンバの寸法、及び、厚さを使用できる。他の被膜、及び、被膜の組合せも、また、特定の状況に応じて、使用できる。
【０１１４】
図８は、複数セル電池システムを管理する方法の一例のフローチャートである。本方法を、他の電池システムで実施できるが、図８の例は、図４、図５、図６、及び、図７Ａ〜Ｄを参照して説明される複数セル電池システムのような溶解流体電極を有する熱電池を有する複数セル電池システムにおいて、実施される。図８のステップを、図示されたものとは異なる順序で実行でき、また、いくつかのステップを、１つのステップに組み合わせできる。追加のステップを実行してもよく、また、いくつかのステップを省略してもよい。さらに、いくつかの状況では、２つ以上のステップを同時に実行できる。例えば、充電、及び、放電ステップは、典型的には、それぞれの状態において、電池システムを管理するためのステップと、連続的に、及び、同時に、実施される。
【０１１５】
ステップ８０２において、電池起動手順が実行される。電池起動手順は、適切な状態に構成要素を配置し、動作のための電池システムを準備する。
【０１１６】
ステップ８０３において、ポンプが管理される。本明細書の例では、正極材料分配システムのポンプの速度は、変更でき、及び、条件に基づいて調整でき得る。可変速ポンプの使用は、電池システムの効率を改善するだろう。
【０１１７】
ステップ８０４において、熱暴走状態が存在するか否かが、判定される。制御部は、内部センサ、外部センサ、及び、データ同様に計算されたパラメータからの情報を任意に組み合わせることによって提供される情報、又は他のシステムから提供される信号を監視して、バッテリシステムが熱暴走事象にあるか、又は、状態が、熱暴走事象が可能であることを示しているか、を判定する。熱暴走状態が存在しない場合、方法は、ステップ８０６に続く。そうでない場合、方法は、熱暴走緩和手順が実行されるステップ８０８に続く。熱暴走手順は、電池の少なくとも一部を冷却し、電池システムの溶解流体電極材料の少なくとも一部を凍結する。ステップ８０４、８０８を実行するための方法の好適な例は、参照された米国特許出願、発明の名称「溶解流体電極装置における熱暴走状態を緩和する装置、システム、及び、方法」に記載されている。
【０１１８】
ステップ８０６において、いずれかの反応チャンバが性能不良を示しているか否か、及び、交換されるべきか否かが判定される。制御部は、１つ以上のパラメータを監視し、いずれかの反応チャンバの性能が閾値を下回るかを判定する。一例では、制御部は、電圧を監視し、及び、電圧が最小電圧閾値を下回るかどうかを判定する。電池の再構成手順が必要であるか否かを判定するために監視され得る他のパラメータの例は、温度、電気インピーダンス、及び、反応チャンバを通る溶解電極の流れを含んで切る。交換が必要でない場合、方法は、ステップ８１０続く。そうでない場合には、バッテリ再構成手順が、ステップ８１２で実行される。
【０１１９】
ステップ８１２において、電池システムは、再構成され、性能が悪い、又は、故障した反応チャンバを交換する。いくつかの状況では、冗長な反応チャンバは、電池の動作中に、継続的に加熱され、それにより、他の反応チャンバを、直ちに、交換できる。他の状況では、冗長な反応チャンバは、現在の動作中の反応チャンバが、故障した、故障する可能性が高い、又は、交換される必要がある可能性が高いと判定されたときに、加熱される。冗長な反応チャンバが動作温度にあるとき、制御部は、交換される活動チャンバを切り離し、及び、冗長な反応チャンバを接続する。一例では、貯蔵部は、冗長な反応チャンバが電池システムに電気的に接続される前に、まず、交換される活動反応チャンバから切り離され、及び、冗長な反応チャンバに接続される。別の例では、冗長な反応チャンバは、貯蔵部の冗長なセットに接続され、及び、置換される反応チャンバによって使用される貯蔵部から電極材料を転送する必要なしに、電池に電気的に接続される。
【０１２０】
ステップ８１０において、電池システムが放電状態、充電状態、又は、準備状態にあるか否かが判定される。一例では、制御部は、電池システムを通る電流のレベル、及び、方向に基づいて、電池の状態を判定する。いくつかの状況では、準備状態において、バッテリシステムからの小さな電流消費があってもよい このような状況は、電池システムが電池システム内の電子機器に電力を供給するために使用されるか、又は、電子機器によって使用される電源を充電するために使用されるが、外部負荷は存在しない場合に起こり得る。電流が電池システムに負荷があることを示す場合、電流が閾値を下回るか否かが判定される。閾値を下回る電流消費が存在する場合、電池は、準備状態、又は、モードにあると判定される。電池システムが充電、又は、放電していない場合、加熱システムは、ステップ８１４において、待機状態に管理される。電池システムが放電していれば、方法は、ステップ８１６に続く。電池システムが充電していると判定されれば、方法は、ステップ８１８に続く。例えば、制御部は、電池システムの充電レベルに基づいて充電状態、又は、放電状態から準備モードに電池システムを置いてもよい。電池が、放電しており、及び、完全放電状態に近づいている、又は、達したときに、制御部は、電池システムが準備状態にあるべきであると判定し、及び、電池システムを負荷から切り離してもよい。以下に説明するように、電池システムは、また、電池システムが完全に放電され、及び、充電されていないときにも、シャットダウンされる。制御部は、また、充電しているとき、及び、完全に充電されたときに、電池を準備状態に置いてもよい。
【０１２１】
ステップ８１６において、加熱システムは、放電状態に管理される。制御部は、加熱システムの各部を制御し、反応チャンバ、及び、電極材料分配システムを適切な動作温度に維持し、及び、選択された貯蔵部を加熱する。リチウム電極材料貯蔵部は、十分な量の流体リチウム電極材料が反応チャンバに利用できることを確実にしながら、最小量のリチウム電極材料が流体状態にあるように加熱される。硫黄電極材料貯蔵部は、十分に低い濃度の、正極材料内の負極材料を伴う十分な量の硫黄電極材料が、反応チャンバに利用できることを確実にしながら、最小量の硫黄電極材料が流体状態にあるように加熱される。
【０１２２】
ステップ８２０において、電極材料の流れが、放電状態において管理される。制御部は、電極材料分配システムを制御し、流体電極材料を適切な貯蔵部から反応チャンバに方向付ける。制御部は、センサによって提供される情報に少なくとも部分的に基づいて、バルブを開閉する。新しいリチウム電極材料貯蔵部は、反応チャンバに接続され、及び、リチウム電極材料が、現在の活動リチウム電極材料貯蔵部から使い尽くされると、現在の活動リチウム電極材料貯蔵部は、反応チャンバから切り離される。新しい硫黄電極材料貯蔵部は、反応チャンバに接続され、及び、現在の活動硫黄電極材料貯蔵部の硫黄電極材料が、溶解二硫化リチウム（Ｌｉ２Ｓ２）のような所望の正極材料反応生成組成物に到達するか、又は、溶融二硫化リチウム（Ｌｉ２Ｓ２）と固体硫化リチウム（Ｌｉ２Ｓ）とのいくつかの比率に達するとき、現在の活動硫黄電極材料貯蔵部は、反応チャンバから切り離される。図１１を参照して以下に説明するように、ステップ８１６、及び、８２０は、本明細書の実施例に関して、同時に、実行される。
【０１２３】
ステップ８２２において、電池システムは、放電を継続する。上述したように、放電ステップは、典型的には、放電状態中に、方法の他のステップと同時に実行していく。
【０１２４】
ステップ８２４では、電池システムがシャットダウン（すなわち、ターンオフ）されるべきか否かが判定される。制御部は、オン・オフインジケータが、電池システムがオン、又は、オフされるべきであることを示すか否かを判定する。このようなインジケータは、例えば、オン・オフスイッチの状態、又は、電池システムによって電源が供給されるシステムによって提供される信号であってもよい。シャットダウン判定は、また、電池が完全に放電されているか否かにも基づく。この実施例では、制御部は、バッテリが完全に放電されているとき、電池システムは、シャットダウンされるべきであると、及び、オン・オフインジケータが、「オン」に設定されているときでも、充電していないと、判定する。電池システムが充電状態にあり、及び、完全に充電されていれば、例えば、制御部は、オン・オフインジケータがオフに設定されている場合にのみ、電池システムは、シャットダウンされるべきと決定する。 しかし、いくつかの状況では、制御部は、他の条件を評価して、バッテリシステムが完全に充電されているかを判定してもよい。例えば、電池が完全に充電され、及び、放電していないため、電池が準備状態に達したならば、制御部は、電池を予め定められた最大時間期間の間、準備中とした後、電池をシャットダウンしてもよい。シャットダウンの判定は、他の要因に基づいてもよい。電池システムはターンオフされるべきであると判定された場合、方法は、ステップ８２６に続く。そうでない場合には、方法は、電池システムの監視、及び、管理を継続するステップ８０３に戻る。
【０１２５】
ステップ８２６において、電池システムのシャットダウン手順が実行される。制御部は、加熱システム、及び、電極材料分配システムを管理し、貯蔵部、及び、反応チャンバを系統的に冷却し、電池システムをオフ状態とする。本明細書の例では、制御部は、オフ状態のオン・オフインジケータを監視し、電池システムがオンにされるべきか否かを判定する。補助電源は、オフ状態で制御部に電力を供給してもよい。いくつかの状況では、電池システムは、オン・オフインジケータを監視せず、及び、バッテリ始動手順は、オン・オフインジケータの変化によって開始される。
【０１２６】
ステップ８１０において、電池システムが準備中モードにあると判定された場合、ステップ８１４において、加熱システムは、準備中状態に管理される。ステップ８１４において、反応チャンバ、電極材料分配システム、及び、選択された貯蔵部は、電池システムの動作温度に維持される。この実施例では、電極材料分配は、準備中モードでは、不活動である。本方法は、ステップ８２４に進む。
【０１２７】
ステップ８１０において、電池システムが充電状態にあると判定された場合、ステップ８１８において、加熱システムは、充電状態に管理される。ステップ８１８において、制御部は、加熱システムの部分を制御し、反応チャンバ、及び、電極材料分配システムを適切な動作温度に維持し、及び、選択された貯蔵部を加熱する。リチウム電極材料貯蔵部は加熱されるので、充電サイクル中に反応チャンバの負極電極領域にリチウムが生成されるように、流体リチウム電極材料を反応チャンバから加熱された貯蔵部に方向付けできる。リチウム電極材料貯蔵部が、ほぼ満容量になると、準備中のリチウム貯蔵部が加熱され、リチウム電極材料を受け入れるよう準備される。準備中のリチウム貯蔵部は、空であるか、又は、少なくとも、追加のリチウム電極材料を受け入れるために利用できる容量を有している。現在の活動硫黄電極材料貯蔵部の硫黄電極材料が、溶解硫黄（Ｓ８、Ｓ６、又は、他の硫黄種）、又は、ジ-リチウムポリサルファイド（Ｌｉ２Ｓｍ）種に対する溶融硫黄（Ｓ８、Ｓ６、又は、他の硫黄種）のある比率のような要求される正極材料反応生成組成物に到達したときに、準備中の硫黄電極材料貯蔵部が動作温度に加熱されるように、硫黄電極材料貯蔵部は、加熱される。
【０１２８】
ステップ８２８において、電極材料の流れは、充電状態で管理される。制御部は、電極材料分配システムを制御し、流体電極材料を適切な貯蔵部から反応チャンバに方向付ける。制御部は、センサによって提供される情報に、少なくとも部分的に基づいて、バルブを開閉する。準備中のリチウム電極材料貯蔵部は、反応チャンバに接続され、及び、現在の活動リチウム電極材料貯蔵部のリチウム電極材料の体積が、十分に高いレベルに達したときに、現在の活動リチウム電極材料貯蔵部は、反応チャンバから切り離される。準備中のリチウム電極材料貯蔵部は、空であるか、又は、少なくともリチウム電極材料を受け入れる容量を有している。現在の活動硫黄電極材料貯蔵部の硫黄電極材料が、溶解硫黄（Ｓ８、Ｓ６、又は、他の硫黄種）、又は、ジリチウムポリサルファイド（Ｌｉ２Ｓｍ）種に対する溶融硫黄（Ｓ８、Ｓ６、又は、他の硫黄種）のある比率のような要求される正極材料反応生成組成物に到達したときに、準備中の硫黄電極材料貯蔵部は、反応チャンバに接続され、及び、現在の活動硫黄電極材料貯蔵部は、反応チャンバから遮断される。本方法は、ステップ８２４に続く。
【０１２９】
したがって、本明細書で説明されるように、放電状態の間の準備中のリチウム電極材料貯蔵部は、反応チャンバに方向付けられるであろうリチウム電極材料を有するが、まだ活動リチウム電極材料貯蔵部ではないリチウム電極材料貯蔵部である。しかし、充電状態の間の準備中のリチウム電極材料貯蔵部は、空であるか、又は、少なくとも、反応チャンバからリチウム電極材料を受け入れる容量を有しているリチウム電極材料貯蔵部である。放電状態の間の準備中の硫黄電極材料貯蔵部は、正極材料内の負極材料の濃度が十分に低く、及び、比較的低い体積で、硫黄電極材料を含む硫黄電極材料貯蔵部である。充電状態の間の準備中の硫黄電極材料貯蔵部は、放電状態の間に使用されるため、正極材料内の負極材料の濃度がより高く、予備、比較的高い体積で、硫黄電極材料を含む硫黄電極材料貯蔵部である 
【０１３０】
図９は、電池起動手順を実行する方法の一例を示すフローチャートである。したがって、図９の方法は、図８のステップ８０２を実行する方法の一例である。
【０１３１】
ステップ９０２において、オン・オフインジケータが「オン」に設定されているか否かが、判定される。いくつかの状況では、オン・オフインジケータは、スイッチの設定であってもよい。例えば、使用者は、選択した外部スイッチを、「オフ」設定を示すために、開き、又は、「オン」設定を示すために閉じてもよい。他の状況では、オン・オフインジケータは、外部システムによって提供される信号であってもよい。例えば、電池システムが電気自動車に設置されている場合、車両システムは、電池システムがオン、又は、オフにされるべきか否かを示すインジケータ信号を提供できる。インジケータが「オン」設定を示さないと判定された場合、方法は、ステップ９０２に続き、インジケータの監視を継続する。設定が「オン」である場合、方法は、一次反応チャンバが動作温度に加熱されるステップ９０４に続く。制御部は、加熱システムに適切な信号を送信し、一次反応チャンバを加熱する。電池システムが冗長な反応チャンバを有する場合、実施例では、ステップ９０４において、一次反応チャンバのみが、加熱される。上述したように、リチウムを有する負極、及び、硫黄を有する正極を有する電池システムの適切な動作温度の例は、４００℃である。
【０１３２】
ステップ９０５において、電極材料分配システムは、動作温度に加熱される。制御部は、加熱システムに制御信号を提供し、選択された加熱システムの部分、又は、要素を動作させる。
【０１３３】
ステップ９０６において、一次貯蔵部が、加熱される。一次活動リチウム電極材料貯蔵部、及び、一次活動硫黄電極材料貯蔵部は、動作温度まで加熱される。制御部は、加熱システムに制御信号を提供し、選択された加熱システムの部分、又は、要素を動作させる。
【０１３４】
ステップ９０８において、冗長な反応チャンバが、動作温度に加熱される。冗長な反応チャンバを有するシステムでは、一次反応チャンバ、及び、一次貯蔵部が加熱された後に、冗長な反応チャンバが加熱される。制御部は、加熱システムに制御信号を提供し、選択された加熱システムの部分、又は、要素を動作させる。
【０１３５】
ステップ９１０において、冗長な貯蔵部が、動作温度まで加熱される。冗長な貯蔵部を有するシステムにおいて、冗長な貯蔵部は、一次反応チャンバ、一次貯蔵部、及び、冗長な反応チャンバが加熱された後に、加熱される。制御部は、加熱システムに制御信号を提供し、選択された加熱システムの部分、又は、要素を動作させる。冗長な反応チャンバ、又は、貯蔵部を有さない電池システム、又は、一次反応チャンバに故障、又は、想定された故障が発生したときに、冗長な反応チャンバ、又は、貯蔵部を加熱するだけの電池システムにおいては、ステップ９０８、及び、９１０を省略できる。
【０１３６】
図１０は、電池シャットダウン手順を実行する方法の一例を示すフローチャートである。したがって、図１０の方法は、図８のステップ８２６を実行する方法の一例である。
【０１３７】
ステップ１００４において、冗長な貯蔵部が、冷却される。一例では、冗長な貯蔵部は、加熱されなくなり、及び、周囲温度まで冷却される。いくつかの状況では、エネルギーが、周囲温度以下まで冗長な貯蔵部を冷却するために使用されるので、効率性を犠牲にして、安全性の増加させるために、冗長な貯蔵部は、周囲温度より低い温度まで冷却される。冗長な貯蔵部を有するシステムでは、冗長な貯蔵部は、一次反応チャンバ、一次貯蔵部、及び、冗長な反応チャンバが冷却される前に、冷却される。制御部は、加熱システムに制御信号を提供し、選択された加熱システムの部分、又は、構成要素を不活動化し、冗長な貯蔵部を冷却できるようにする。冗長な貯蔵部が周囲温度未満に冷却される場合、制御部は、導管、又は、チャネルのような冷却要素を、冷却された伝熱流体で冷却することを管理し、貯蔵部を冷却してもよい。
【０１３８】
ステップ１００６において、冗長な反応チャンバは、周囲温度まで冷却される。冗長な反応チャンバを有するシステムでは、冗長な反応チャンバは、一次反応チャンバの前に冷却され、及び、一次貯蔵部は、シャットダウン手順例の間に冷却される。制御部は、加熱システムに制御信号を提供し、選択された加熱システムの部分、又は、構成要素を不活動化し、任意の冗長な反応チャンバを冷却する。冗長な反応チャンバ、又は、貯蔵部を有さない電池システム、又は、一次反応チャンバ内の故障又はah化故障が発生したときに、冗長な反応チャンバ又は貯蔵部を加熱するだけのバッテリシステムにおいて、ステップ（1004）、（1006）を省略することができる 
【０１３９】
ステップ１００８において、活動貯蔵部は、周囲温度まで冷却される。制御部は、適切な信号を加熱システムに送り、貯蔵部の加熱の部分を不活動化し、貯蔵部を冷却させる。状況によっては、活動貯蔵部を周囲温度未満の温度まで冷却できる。
【０１４０】
ステップ１００９において、電極材料分配システムは、周囲温度まで冷却される。制御部は、適切な信号を加熱システムに送り、電極材料分配システムの加熱の部分を不活動化し、電極材料分配システムを冷却させる。いくつかの状況では、電極材料分配システムを周囲温度未満の温度まで冷却できる。
【０１４１】
ステップ１０１０において、一次反応チャンバは、周囲温度まで冷却される。冗長な反応チャンバ、及び、冗長な貯蔵部を有する鵜システムでは、一次反応チャンバは、冗長な反応チャンバ、冗長な貯蔵部、及び、一次貯蔵部が冷却された後に、冷却される。制御部は、加熱システムに制御信号を供給して、選択された加熱システムの部分又は、要素を不活動化し、反応チャンバを冷却させる。いくつかの状況では、一次反応チャンバを周囲温度未満の温度まで冷却できる。
【０１４２】
図１１は、電池システムの放電中に加熱システム、及び、電極材料分配システムを管理する方法の一例を示すフローチャートである。したがって、図１１の方法は、図８のステップ８１６、及び、ステップ８２０を実行する方法の一例である。
【０１４３】
ステップ１１０２において、反応チャンバの動作温度が、維持される。制御部は、加熱システムに信号を提供し、加熱システムの反応チャンバの部分を管理し、反応チャンバを動作温度に維持する。
【０１４４】
ステップ１１０３において、電極材料分配システムの動作温度が、維持される。制御部は、加熱システムに信号を提供し、加熱システムの電極材料分配システムの部分を管理し、電極材料分配システムを動作温度に維持する。
【０１４５】
ステップ１１０４において、活動リチウム電極材料貯蔵部、及び、活動硫黄電極材料貯蔵部は、動作温度に維持される。制御部は、活動貯蔵部に関する加熱システムの貯蔵部の部分を制御し、その貯蔵部を加熱する。
【０１４６】
ステップ１１０６において、第１の正極放電閾値、又は、第１の負極放電閾値が満たされたか否かが、判定される。実施例では、制御部は、活動硫黄電極材料貯蔵部の電極材料のレベル、及び、活動リチウム電極材料貯蔵部のリチウム電極材料のレベルを示す、各貯蔵部に関する少なくとも１つのパラメータを監視する。上述のように、静電容量を示すセンサ用いて、硫黄電極材料貯蔵部のレベルを判定でき、及び、抵抗、又は、導電性を示すセンサを用いて、リチウム電極材料貯蔵部のレベルを判定できる。他のセンサ、パラメータ、及び、技術を用いて、第１の閾値が満たされるかを判定できる。第１の正極放電閾値が第１の硫黄電極材料貯蔵部のいずれかについて満たされている場合、方法は、ステップ１１０８に続く。第１の負極放電閾値が第１のリチウム電極材料貯蔵部のいずれかについて満たされた場合、方法は、ステップ１１１０に続く。第１の正極放電閾値、及び、第１の負極放電閾値のいずれも満たされない場合、方法は、図８を参照して説明した方法に従ってシステムを監視し、及び、管理し続け、そして、方法は、ステップ８２２に戻る。
【０１４７】
ステップ１１０８において、活動硫黄電極材料貯蔵部が第１の正極閾値を満たしている場合、準備中の硫黄電極材料貯蔵部は、反応チャンバごとに加熱される。制御部は、加熱システムに制御信号を提供し、準備中の硫黄電極材料貯蔵部を動作温度まで加熱する。
【０１４８】
ステップ１１１０において、活動リチウム電極材料貯蔵部が第１の負極閾値を満たしている場合、準備中のリチウム電極材料貯蔵部は、反応チャンバごとに加熱される。制御部は、加熱システムに制御信号を提供し、準備中のリチウム電極材料貯蔵部を動作温度まで加熱する。
【０１４９】
ステップ１１０８、又は、ステップ１１１０が実行された後、方法は、第２の正極放電閾値、又は、第２の負極放電閾値が満たされているか否かが判定されるステップ１１１２に続く。実施例では、制御部は、上述したように、活動硫黄電極材料貯蔵部の電極材料のレベル、及び、リチウム電極材料貯蔵部のリチウム電極材料のレベルを示す、各貯蔵部に関する少なくとも１つのパラメータを監視する。静電容量を示すセンサを用いて、硫黄電極材料貯蔵部のレベルを判定でき、及び、抵抗、又は、導電性を示すセンサを用いて、リチウム電極材料貯蔵部のレベルを判定できる。他のセンサ、パラメータ、及び、技術を用いて、第２の閾値が満たされるかを判定できる。どちらの第２の放電閾値も満たされていない場合、方法は、ステップ８２２に戻り、おして、図８を参照して説明した方法に従って、電池システムの管理を継続する。第２の正極放電閾値が、いずれかの活動硫黄電極材料貯蔵部について満たされている場合、方法は、ステップ１１１４に続く。第２の負極放電閾値が、いずれかの活動リチウム電極材料貯蔵部について満たされた場合、方法は、ステップ１１２２に続く。
【０１５０】
ステップ１１１２において、少なくとも１つの反応チャンバに関して第２の正極放電閾値が満たされたと判定された後、方法は、ステップ１１１４に続く。ステップ１１１４において、活動硫黄電極材料貯蔵部に関して第２の負極放電閾値に達した場合、各反応チャンバのための準備中の硫黄電極材料貯蔵部上で、供給バルブ、及び、リターンバルブを開く。制御部は、バルブに制御信号を提供し、バルブを開く。
【０１５１】
ステップ１１１６において、活動硫黄電極材料貯蔵部に関して第２の負極放電閾値に達した場合、各反応チャンバのための活動硫黄電極材料貯蔵部上で、供給バルブ、及び、リターンバルブが、閉じられる。制御部は、バルブに制御信号を提供し、バルブを閉じる。
【０１５２】
ステップ１１１８において、第２の正極放電閾値が満たされた場合、活動硫黄電極材料貯蔵部は、活動硫黄電極材料貯蔵部毎に、もはや加熱されない。制御部は、加熱システムに制御信号を提供し、第２の正極放電閾値が満たされる活動硫黄電極材料貯蔵部に関する貯蔵部の部分を不活動にする。
【０１５３】
ステップ１１２０において、待機硫黄電極材料貯蔵部は、第２の正極放電閾値が満たされた活動硫黄電極材料貯蔵部毎の活動硫黄電極材料として定義され、及び、活動硫黄電極材料貯蔵部は、反応チャンバから切り離される。したがって、元の活動硫黄電極材料貯蔵部が、もはや加熱されなくなった後、関連する反応チャンバに関して待機硫黄電極材料貯蔵部が、新しい活動硫黄電極材料貯蔵部となる。次に、方法は、ステップ８２２に続き、電池システムの放電、及び、管理を継続する。いくつかの状況では、ステップ１１１４、１１１６は、同時に実行される。他の状況では、ステップ１１１６は、ステップ１１１４の直後に実行される。さらに他の状況では、ステップ１１１４、及び、１１１６との間に遅延を適用して、活動硫黄電極材料貯蔵部、及び、待機硫黄電極材料貯蔵部の両方のバルブを、一定時間、開いたままにできる。このような技術によって、硫黄電極材料貯蔵部間での移送中に、硫黄電極材料の流れが中断される可能性が、最小化される。
【０１５４】
ステップ１１２２において、活動リチウム電極材料貯蔵部毎に第２の負極放電閾値に到達した場合、待機リチウム電極材料貯蔵部のバルブは、反応チャンバ毎に開かれる。活動リチウム電極材料貯蔵部のリチウム電極材料のレベルが第２の負極放電閾値に到達した場合、制御部は、制御信号を適切なバルブに提供し、各選択されたバルブを開き、リチウム電極材料を反応チャンバに流す。
【０１５５】
ステップ１１２４において、活動リチウム電極材料貯蔵部毎に第２の負極放電閾値に到達した場合、活動リチウム電極材料貯蔵部のバルブは、反応チャンバ毎に閉じられる。活動リチウム電極材料貯蔵部のリチウム電極材料のレベルが第２の負極放電閾値に到達した場合、制御部は、制御信号を適切なバルブに供給し、各選択されたバルブを閉じ、リチウム電極材料が、反応チャンバに流れることを停止させる。いくつかの状況では、ステップ１１２２、及び、１１２４は、同時に実行される。他の状況では、ステップ１１２４は、ステップ１１２２の直後に実行される。さらに他の状況では、ステップ１１２２、及び、１１２４との間に遅延を適用して、活動リチウム電極材料貯蔵部、及び、待機リチウム電極材料貯蔵部の両方のバルブを、一定時間、開いたままにできる。このような技術によって、リチウム電極材料貯蔵部間での移送中に、リチウム電極材料の流れが中断される可能性が、最小化される。
【０１５６】
ステップ１１２６において、第２の負極放電閾値が満たされた場合、活動リチウム電極材料貯蔵部は、もはや、活動リチウム電極材料貯蔵部毎に加熱されない。第２の正極放電閾値が満たされた場合、制御部は、制御信号を加熱システムに提供し、活動リチウム電極材料貯蔵部に関する貯蔵部の部分を不活動にする。
【０１５７】
ステップ１１２８において、第２の負極放電閾値が満たされた場合、待機リチウム電極材料貯蔵部は、活動リチウム電極材料貯蔵部毎に活動リチウム電極材料として定義される。したがって、現在の活動リチウム電極材料貯蔵部が、もはや、加熱されなくなった後、反応チャンバに関連付けられる待機リチウム電極材料貯蔵部が、新しい活動リチウム電極材料貯蔵部になる。そして、方法は、電池システムが放電を継続し、及び、図８を参照して説明した方法に従って管理されるステップ８２２に続く。
【０１５８】
図１２は、電池システムの充電中に加熱システム、及び、電極材料分配システムを管理する方法の一例を示すフローチャートである。したがって、図１２の方法は、図８のステップ８１８、及び、ステップ８２８を実行する方法の一例である。
【０１５９】
ステップ１２０２において、反応チャンバの動作温度が、維持される。制御部は、加熱システムに制御信号を提供し、加熱システムの反応チャンバの部分を管理し、反応チャンバを動作温度に維持する。
【０１６０】
ステップ１２０３において、電極材料分配システムの動作温度が、維持される。制御部は、加熱システムに制御信号を提供し、加熱システムの電極材料分配システムの部分を管理し、電極材料分配システムを動作温度に維持する。
【０１６１】
ステップ１２０４において、活動リチウム電極材料貯蔵部、及び、活動硫黄電極材料貯蔵部の動作温度が、維持される。制御部は、活動貯蔵部に関する加熱システムの貯蔵部の部分を制御し、貯蔵部を加熱する。
【０１６２】
ステップ１２０６において、第１の正極充電閾値、又は、第１の負極充電閾値が満たされたか否かが、判定される。実施例では、制御部は、活動硫黄電極材料貯蔵部の電極材料のレベル、及び、活動リチウム電極材料貯蔵部のリチウム電極材料のレベルを示す、各貯蔵部に関する少なくとも１つのパラメータを監視する。充電サイクル中、活動リチウム電極貯蔵部は、反応チャンバからリチウム電極材料を受け取り、及び、再充填されている貯蔵部である。したがって、第１の負極充電閾値は、活動リチウム電極材料貯蔵部の材料の体積に関連する。充電サイクル中、活動硫黄電極貯蔵部は、反応チャンバを通して硫黄電極材料を循環させる貯蔵部である。正極材料が反応チャンバを循環するとき、正極材料は、リチウムカチオンが固体電解質を通って反応チャンバの負極電極領域まで通過するときに、リチウムを使い果たす。したがって、第１の正極充電閾値は、活動硫黄電極材料貯蔵部の材料の体積に関連する。上述したように、静電容量を示すセンサを用いて、硫黄電極材料貯蔵部のレベルを判定でき、及び、抵抗、又は、導電性を示すセンサを用いて、リチウム電極材料貯蔵部のレベルを判定できる。他のセンサ、パラメータ、及び、技術を用いて、第１の閾値が満たされるかを判定できる。第１の正極充電閾値、及び、第１の負極充電閾値のいずれも満たされない場合、方法は、図８を参照して説明した方法に従ってシステムを監視し、及び、管理し続け、そして、方法は、ステップ８３０に戻る。第１の正極充電閾値が、いずれかの活動硫黄電極材料貯蔵部について満たされる場合、方法は、ステップ１２０８に続く。第１の負極充電閾値が、いずれかの活動リチウム電極材料貯蔵部について満たされる場合、方法は、ステップ１２１０に続く。
【０１６３】
ステップ１２０８において、活動硫黄電極材料貯蔵部が第１の正極充電閾値を満たしている場合、待機硫黄電極材料貯蔵部は、反応チャンバ毎に加熱される。制御部は、加熱システムに制御信号を提供し、待機硫黄電極材料貯蔵部を動作温度に加熱する。本明細書で検討されるように、充電状態の間の待機硫黄電極材料貯蔵部は、放電サイクル中に生成される追加の硫化リチウム生成物によって体積が増加した硫黄電極材料貯蔵部である。
【０１６４】
ステップ１２１０において、活動リチウム電極材料貯蔵部が第１の負極充電閾値を満たしている場合、待機いているリチウム電極材料貯蔵部は、反応チャンバ毎に加熱される。制御部は、加熱システムに制御信号を提供し、待機リチウム電極材料貯蔵部を動作温度に加熱する。充電プロセスにおける待機リチウム電極材料貯蔵部は、空であるか、または少なくとも、追加のリチウム電極材料を受け入れる容量を有するリチウム電極材料貯蔵部である。
【０１６５】
ステップ１２０８、又は、ステップ１２１０が実行された後、方法は、第２の正極充電閾値、又は、第２の負極充電閾値が満たされているか否かが判定されるステップ１２１２に続く。実施例では、制御部は、活動硫黄電極材料貯蔵部の電極材料のレベル、及び、活動リチウム電極材料貯蔵部のリチウム電極材料のレベルを示す、各貯蔵部に関する少なくとも１つのパラメータを監視する。上述のように、静電容量を示すセンサを用いて、硫黄電極材料貯蔵部のレベルを判定でき、及び、抵抗、又は、導電性を示すセンサを用いて、リチウム電極材料貯蔵部のレベルを判定できる。他のセンサ、パラメータ、及び、技術を用いて、第２の閾値が満たされるかを判定できる。第２の充電閾値が満たされていない場合、方法は、図８を参照して説明した方法に従って電池システムの管理、及び、監視が継続するステップ８３０に戻る。第２の正極充電閾値がいずれかの活動硫黄電極材料貯蔵部について満たされている場合、方法は、ステップ１２１４に続く。第２の負極充電閾値がいずれかの活動リチウム電極材料貯蔵部について満たされている場合、方法は、ステップ１２２２に続く。
【０１６６】
ステップ１２１４において、活動硫黄電極材料貯蔵部に関して第２の負極充電閾値に到達した場合、反応チャンバ毎に、待機硫黄電極材料貯蔵部上で、供給バルブ、及び、リターンバルブが、開かれる。制御部は、バルブに制御信号を提供し、バルブを開く。
【０１６７】
ステップ１２１６において、活動硫黄電極材料貯蔵部に関して第２の負極充電閾値に到達した場合、反応チャンバ毎に、活動硫黄電極材料貯蔵部上で、供給バルブ、及び、リターンバルブは、閉じられる。制御部は、バルブに制御信号を提供し、バルブを閉じる。
【０１６８】
ステップ１２１４、及び、１２１６は、いくつかの状況では、同時に実行され得る。他の状況では、ステップ１２１６は、ステップ１２１４の直後に実行される。さらに他の状況では、ステップ１１２４、及び、１１２６との間に遅延を適用して、活動硫黄電極材料貯蔵部、及び、待機硫黄電極材料貯蔵部の両方のバルブを、一定時間、開いたままにできる。このような技術によって、硫黄電極材料貯蔵部間の移送中の硫黄電極材料の流れが中断される可能性が、最小化される。
【０１６９】
ステップ１２１８において、第２の正極充電閾値が満たされた場合、活動硫黄電極材料貯蔵部は、もはや、活動硫黄電極材料貯蔵部毎に加熱されない。第２の正極充電閾値が満たされた場合、制御部は、制御信号を加熱システムに提供し、活動硫黄電極材料貯蔵部に関する貯蔵部の部分を不活動にする。
【０１７０】
ステップ１２２０において、第２の正極充電閾値が満たされた場合、待機硫黄電極材料貯蔵部は、活動硫黄電極材料貯蔵部毎に活動硫黄電極材料として定義される。したがって、現在の活動硫黄電極材料貯蔵部が、もはや、加熱されなくなった後、反応チャンバに関連付けられる待機硫黄電極材料貯蔵部が、新しい活動硫黄電極材料貯蔵部になる。そして、方法は、電池システムが、図８を参照して説明した方法に従って、放電され、監視され、及び、管理されるステップ８３０に戻る。
【０１７１】
ステップ１２２２において、活動リチウム電極材料貯蔵部について第２の負極充電閾値に到達した場合、待機リチウム電極材料貯蔵部のバルブは、反応チャンバ毎に開かれる。活動リチウム電極材料貯蔵部のリチウム電極材料のレベルが第２の負極充電閾値に到達した場合、制御部は、制御信号を適切なバルブに提供し、各選択されたバルブを開き、リチウム電極材料を反応チャンバに流す。充電中、第２の負極充電閾値は、リチウム電極材料貯蔵部が充電サイクル中に充填されているので、第１の負極充電閾値よりもリチウム電極材料貯蔵部内のより高い体積のリチウム電極材料と関連付けられる 
【０１７２】
ステップ１２２４において、活動リチウム電極材料貯蔵部毎に第２の負極充電閾値に到達した場合、活動リチウム電極材料貯蔵部のバルブは、反応チャンバ毎に閉じられる。活動リチウム電極材料貯蔵部のリチウム電極材料のレベルが第２の負極充電閾値に到達した場合、制御部は、制御信号を適切なバルブに供給し、各選択されたバルブを閉じ、リチウム電極材料が、反応チャンバから活動リチウム電極材料貯蔵部に流れることを停止させる。いくつかの状況では、ステップ１２２２、及び、１２２４は、同時に実行される。他の状況では、ステップ１２２４は、ステップ１２２２の直後に実行される。さらに他の状況では、ステップ１２２２、及び、１２２４との間に遅延を適用して、活動リチウム電極材料貯蔵部、及び、待機リチウム電極材料貯蔵部の両方のバルブを、一定時間、開いたままにできる。このような技術によって、リチウム電極材料貯蔵部間での移送中に、リチウム電極材料の流れが中断される可能性が、最小化される。
【０１７３】
ステップ１２２６において、第２の負極充電閾値が満たされた場合、活動リチウム電極材料貯蔵部は、もはや、活動リチウム電極材料貯蔵部毎に加熱されない。第２の正極充電閾値が満たされた場合、制御部は、制御信号を加熱システムに提供し、活動リチウム電極材料貯蔵部に関する貯蔵部の部分を不活動にする。
【０１７４】
ステップ１２２８において、第２の負極充電閾値が満たされた場合、待機リチウム電極材料貯蔵部は、活動リチウム電極材料貯蔵部毎に活動リチウム電極材料として定義される。したがって、現在の活動リチウム電極材料貯蔵部が、もはや、加熱されなくなった後、反応チャンバに関連付けられる待機リチウム電極材料貯蔵部が、新しい活動リチウム電極材料貯蔵部になる。
【０１７５】
次に、方法は、図８を参照して説明された方法に従って、電池システムが、充電され、監視され、及び、管理されるステップ８３０に戻る。
【０１７６】
図１３は、電極材料分配システム内でポンプを管理する方法の一例を示すフローチャートである。したがって、図１３の方法は、図８のステップ８０３を実行する方法の一例である。
【０１７７】
ステップ１３０２において、電池システムの電流が下限電流閾値よりも大きいか否かが、判定される。制御部は、電流を示すセンサを監視し、及び、電流を下限閾値と比較する。電流が下限閾値を下回る場合、方法は、ステップ１３０４に進む。電流が下限閾値よりも下回らない場合、方法は、ステップ１３０６に続く。
【０１７８】
ステップ１３０６において、電池システムの電流が上限電流閾値よりも大きいか否かが、判定される。制御部は、電流を示すセンサを監視し、及び、電流を上限閾値と比較する。電流が上限閾値を上回る場合、方法は、ステップ１３０８に進む。電流が上限閾値よりも上回らない場合、方法は、ステップ１３１０に続く。
【０１７９】
ステップ１３０４において、正極材料分配システムのポンプは、オフにされる。制御部は、制御信号を提供し、供給ポンプ、及び、リターンポンプを駆動するモータをオフにし、ポンプを動作しなくする。
【０１８０】
ステップ１３０８において、正極材料分配システムのポンプは、最大速度に設定される。制御部は、制御信号を提供し、供給ポンプ、及び、リターンポンプを駆動するモータの速度を制御し、ポンプの速度を「高速」に設定する。
【０１８１】
ステップ１３１０において、正極材料分配システムのポンプは、中間速度に設定される。制御部は、制御信号を提供し、供給ポンプ、及び、リターンポンプを駆動するモータの速度を制御し、ポンプの速度を「中速」に設定する。
【０１８２】
したがって、放電中に放電電流が下限閾値を下回ると、固体硫化リチウム物生成物（Ｌｉ２Ｓ）の生成速度が十分に低くなり、ポンプをオフできる。固体Ｌｉ２Ｓの生成は、反応チャンバでの反応を抑制し、及び、電池システム性能を低下させる可能性はない。しかし、放電電流が上限閾値を上回ると、固体硫化リチウム生成物（Ｌｉ２Ｓ）の生成率は十分に高く、ポンプを最大速度に設定することを保証する。放電電流が高いときの固体Ｌｉ２Ｓの増加した生成物は、流体電極材料を凍結し、反応室を通る正極材料の流れを抑制し、反応チャンバの反応を抑制し、及び、電池システム性能を低下させる可能性がより高い。その結果、ポンプを高速に設定することによって、硫化リチウム生成物（Ｌｉ２Ｓ）の濃度を低下させ、及び、電池システムの性能を高めながら、追加の硫黄電極材料は、反応チャンバを通って移動させられる。電池システムからの放電電流が、下限電流閾値と上限電流閾値との間にある場合、中速設定は、不必要にポンプを高速に設定することなく、反応チャンバを通る硫黄電極材料の適切な流れを提供する。閾値は、電池システムのエネルギー生産の効率の最大化を、ポンプへの電力供給の効率の最大化に釣り合わせるように設定される。
【０１８３】
充電中に充電電流が下限閾値を下回ると、より高レベルの多硫化リチウム生成物（Ｌｉ２Ｓｎ＋ｍ、ｍは正の整数）、又は、硫黄種（即ち、Ｓ８、Ｓ６等）に対する多硫化リチウム生成物（Ｌｉ２Ｓｎ）の分解率は十分に低く、ポンプをオフにできる。しかしながら、充電電流が上限閾値よりも高いとき、多硫化リチウム生成物（Ｌｉ２Ｓｎ）からのリチウムカチオンの放出率は十分に高く、反応チャンバに、より高濃度の多硫化リチウム生成物（Ｌｉ２Ｓｎ）をともなう電極材料を導入するために、ポンプを最大速度に設定することを保証する。より多くの多硫化リチウム生成物（Ｌｉ２Ｓｎ）が、高電流条件下で、導入されない場合、多硫化リチウム生成物（Ｌｉ２Ｓｎ）は、電池性能の問題を引き起こす反応チャンバの出力ポート２６４に到達する前に、硫黄種（即ち、Ｓ８、Ｓ６、Ｓ４等）に移行できる。その結果、ポンプを梗塞に設定することによって、「完全に充電された」硫黄種（即ち、Ｓ８、Ｓ６等）の濃度を低下させ、及び、充電サイクル中の電池システムの性能を向上させながら、追加の多硫化リチウム生成物（Ｌｉ２Ｓｎ）電極材料は、反応チャンバを通って移動させられる。電池システムからの充電電流が、下限電流閾値と上限電流閾値との間にある場合、中速設定は、不必要にポンプを高速に設定することなく、反応チャンバを通る多硫化リチウム生成物（Ｌｉ２Ｓｎ）電極材料の適切な流れを提供する。閾値は、電池システムのエネルギー貯蔵の効率の最大化を、ポンプへの電力供給の効率の最大化に釣り合わせるように設定される。
【０１８４】
閾値は、電池システム電流に加えて、他のパラメータに基づいてもよい。例えば、閾値は、硫黄電極材料貯蔵部の硫黄電極材料のレベルに基づいてもよい。図１３の例は、３つのポンプ速度（即ち、「オフ」、「中速」、及び、「高速」）を有するが、他のポンプ速度を用いてもよい。いくつかの状況では、ポンプを、「オン」、又は、「オフ」のいずれかに設定してもよい。他の状況では、３つ以上のポンプ速度設定を用いることができる。さらに、ポンプ速度は、ポンプ速度が可変であるように、多数の電位設定を有してもよい。例えば、ポンプ速度は、いくつかの状況では、電池システム電流の関数にできる。さらに、可変ポンプは、複数のパラメータ、及び、要因に基づいて出力されるアルゴリズムに基づいてもよい。一例では、ポンプの可変速は、電池システム電流、貯蔵部の硫黄正極材料に移送された総電荷、及び、硫黄電極材料貯蔵部の硫黄電極材料のレベルに基づく計算によって制御される。
【０１８５】
実施例に応じて、本明細書に記載されたいずれかの方法の特定の行為、又は、事象は、異なる順序で実行でき、追加され、統合され、又は、完全に取り除かれてもよい（例えば、方法の実施に関して、記載された全ての行為、又は、事象が必要でない）ことを理解すべきである。また、 ある実施例では、動作、又は、事象は、逐次的であり、又は、反転されるよりも、同時に、実行されてもよい。さらに、本開示の特定の態様は、明確性のために、単一のモジュール、又は、構成要素によって実行されるものとして、説明されているが、本開示に記載された機能は、構成要素の任意の適切な組み合わせによって実行されてもよいことを理解すべきである。
【０１８６】
明らかに、本発明の他の実施形態、及び、改変は、これらの教示に鑑みて、当業者に容易に行われるであろう。以上の説明は例示であり、及び、限定的なものではない。本発明は、上記明細書、及び、添付図面と合わせて見たときに、そのような実施形態、及び、改変を全て含む、以下の特許請求の範囲によってのみ限定されるものである。したがって、本発明の範囲は、上記の説明を参照して決定されるべきではなく、その代わりに、均等物の完全な範囲に加えて添付の特許請求の範囲を参照して決定されるべきである。
【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５】
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【図６】
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【図７Ａ】
2021526287.tif 000009
【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１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【国際調査報告】
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