(57)【要約】  カソードファラデーエネルギー貯蔵材料を含む少なくとも１つの第１の電極、アノードファラデーエネルギー貯蔵材料を含む少なくとも１つの第２の電極及びカソード非ファラデーエネルギー貯蔵材料を含む少なくとも１つの第３の電極を含み、少なくとも１つの第１、第２及び第３の電極が明細書に定められるように隣接し、少なくとも１つの第２の電極が、電気的に結合された少なくとも１つの第１の電極と少なくとも１つの第３の電極から電気的に絶縁される、少なくとも３つの電極、電極の間のセパレータ及び電極の間の液体電解質を収めるハウジングを有する、リチウムイオンエネルギー／電力システム。開示されるリチウムイオンエネルギー／電力システムを作製及び使用する方法も開示される。
2018507513.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
リチウムイオンエネルギー／電力システムにおいて、
少なくとも３つの電極であって、
カソードファラデーエネルギー貯蔵材料を含む少なくとも１つの第１の電極、
アノードファラデーエネルギー貯蔵材料を含む少なくとも１つの第２の電極、及び
カソード非ファラデーエネルギー貯蔵材料を含む少なくとも１つの第３の電極、
を含み、
前記少なくとも１つの第１の電極が前記少なくとも１つの第２の電極に隣接し、前記少なくとも１つの第３の電極が前記少なくとも１つの第２の電極に隣接し、前記少なくとも１つの第２の電極が、電気的に結合された前記少なくとも１つの第１の電極と前記少なくとも１つの第３の電極から電気的に絶縁される、
少なくとも３つの電極、
隣接する電極の間に配置されたセパレータ、及び
隣接する電極の間の液体電解質、
を収める、
ハウジング、
を有することを特徴とするシステム。
【請求項２】
前記第１の電極内の前記カソードファラデーエネルギー貯蔵材料がリチウム−遷移金属錯化合物を含み、前記第２の電極内の前記アノードファラデーエネルギー貯蔵材料が１〜５００ｍ２/ｇの小表面積を有するインターカレート硬質炭素またはインターカレート黒鉛を含み、前記第３の電極内の前記カソード非ファラデーエネルギー貯蔵材料が８００〜３０００ｍ２/ｇの大表面積を有する炭素を含むことを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記カソードファラデーエネルギー貯蔵材料が、ＬｉＣｏＯ２、ＬｉＭｎ１.５Ｎｉ０.５Ｏ４、ＬｉＭｎ２Ｏ４、ＬｉＦｅＰＯ４、ＬｉＮｉＭｎＣｏＯ２、ＬｉＮｉＣｏＡｌＯ２またはこれらの混合物からなる群から選ばれるリチウム−遷移金属錯化合物であり、
前記アノードファラデーエネルギー貯蔵材料が、シリコンナノ粒子、多孔質シリコン、スズナノ粒子、グラフェン、酸化バナジウム由来化合物、カーボンナノチューブ、酸化チタン由来化合物、ゲルマニウム、アンチモン、黒鉛炭素、硬質炭素またはこれらの混合物からなる群から選ばれ、
前記カソード非ファラデーエネルギー貯蔵材料が、８００〜３０００ｍ２/ｇｍの表面積を有する活性炭、ここで前記活性炭は前記少なくとも１つの第３の電極内の総活性材料の内の５１〜１００重量％である、活性炭と黒鉛の混合物、活性炭と硬質炭素の混合物またはこれらの混合物からなる群から選ばれる、
ことを特徴とする請求項１または２に記載のシステム。
【請求項４】
前記カソードファラデーエネルギー貯蔵材料、前記カソード非ファラデーエネルギー貯蔵材料及び前記アノードファラデーエネルギー貯蔵材料が、「Ｃ」をファラデーカソード、「Ｃ’」を非ファラデーカソード、「/」を片面コーティング、「/Ｃ/」を両面コーティングファラデーカソード、「Ｓ」をセパレータ、「\Ａ\」を両面コーティングファラデーアノードとして、式（Ｉ）、（II）または（III）：
Ｃ/Ｓ\Ａ\Ｓ/Ｃ/Ｓ\Ａ\Ｓ/Ｃ/Ｓ\Ａ\Ｓ/Ｃ/Ｓ\Ａ\Ｓ/ＣＳＣ’/Ｓ\Ａ\Ｓ/Ｃ’    （Ｉ）；
Ｃ/Ｓ\Ａ\Ｓ/Ｃ/Ｓ\Ａ\Ｓ/ＣＳＣ’/Ｓ\Ａ\Ｓ/Ｃ’                    （II）；
Ｃ/Ｓ\Ａ\Ｓ/Ｃ/Ｓ\Ａ\Ｓ/Ｃ/Ｓ\Ａ\Ｓ/Ｃ/Ｓ\Ａ\Ｓ/
Ｃ/Ｓ\Ａ\Ｓ/Ｃ/Ｓ\Ａ\Ｓ/ＣＳＣ’/Ｓ\Ａ\Ｓ/Ｃ’      （III）；
の内の少なくとも１つで表される相対空間関係を有するコンポーネントを含むことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のシステム。
【請求項５】
前記少なくとも３つの電極の内の少なくとも２つが複数のカソードファラデーエネルギー貯蔵材料電極及び複数のカソード非ファラデーエネルギー貯蔵材料電極を含み、前記カソード非ファラデー電極の数に対する前記カソードファラデー電極の数の比が０.０１〜５０であることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【関連出願の説明】
【０００１】
本出願は２０１５年１月３０日に出願された米国特許出願第１４／６１０７０６号の米国特許法第１２０条の下の優先権の恩典を主張する。本明細書は上記特許出願の明細書の内容に依拠し、上記特許出願の明細書の内容はその全体が参照として本明細書に含められる。
【０００２】
本明細書に言及される刊公物または特許文書のそれぞれの全開示は本明細書に参照として含められる。
【技術分野】
【０００３】
本開示はエネルギー及び電力上の利点を提供するデバイスに関する。
【発明の概要】
【０００４】
実施形態において、本開示は、優れたエネルギー出力及び電力出力を提供する統合型デバイス及び統合型エネルギー／電力デバイス(ＩＥＰＤ)を作製及び使用する方法を提供する。
【図面の簡単な説明】
【０００５】
【図１】図１は、コンディショニング中の、実施例１、２及び３の３つの本発明のＩＰＥＤデバイスのエネルギー密度を示すグラフである。
【図２】図２は実施例１、２及び３のＩＰＥＤのそれぞれのレート性能を示すグラフである。
【図３】図３は実施例１、２及び３のＩＰＥＤのそれぞれのサイクル特性を示すグラフである。
【図４】図４は、銅箔（５３０）の一方の面上及び他方の面上にそれぞれコーティングされた硬質炭素（５１０）及び黒鉛（５２０）を有する、ファラデーアノード電極構造（５００）の断面の略図である。
【図５】図５は、銅箔（５３０）の両面上にコーティングされた硬質炭素（５１０）を有する、別のファラデーアノード電極構造（６００）の断面の略図である。
【図６】図６は、銅箔（５３０）の両面上にコーティングされた黒鉛（５２０）を有する、別のファラデーアノード電極構造（７００）の断面の略図である。
【図７】図７は、アルミニウム箔（８３０）の両面上にコーティングされた、リチウム−遷移金属錯化合物（８１０）のような、ファラデーカソード構造を有する、ファラデーカソード電極（９００）の断面の略図である。
【図８】図８は、アルミニウム箔（８３０）の両面上にコーティングされた、非ファラデー材料組成、例えば、活性炭（８２０）を有する、非ファラデーカソード電極（１０００）の断面の略図である。
【図９】図９は実施例１の一例のＩＥＰＤ構成（１３００）を示す。
【図１０】図１０は実施例２の一例のＩＥＰＤ構成（１４００）を示す。
【図１１】図１１は実施例３の一例のＩＥＰＤ構成（１５００）を示す。
【図１２Ａ】図１２Ａは一例のＩＥＰＤの略図を示す。
【図１２Ｂ】図１２Ｂは別の例のＩＥＰＤの略図を示す。
【発明を実施するための形態】
【０００６】
本開示の様々な実施形態を、もしあれば、図面を参照して詳細に説明する。様々な実施形態への言及は本発明の範囲を限定せず、本発明の範囲は本明細書に添付される特許請求の範囲によってのみ限定される。さらに、本明細書に述べられるいずれの例も限定ではなく、特許請求される本発明の多くの可能な実施形態の内のいくつかを述べるに過ぎない。
【０００７】
定義
「統合型」または同様の術語は、開示される統合型エネルギー／電力デバイス（ＩＥＰＤ）または同義的に開示されるエネルギー／電力デバイス（ＥＰＤ）の文脈において、エネルギー生成または貯蔵コンポーネントと電力生成または貯蔵コンポーネントの単一デバイスへの結合または物理的統合を指す。
【０００８】
「ファラデー（型）」または同様の術語は、系内に存在する化学種の酸化または還元によって電流がつくられる系を指す。
【０００９】
「非ファラデー（型）」または同様の術語は、化学種の酸化または還元によらず、吸着または脱離される静電荷によって電流がつくられる系を指す。
【００１０】
「カソードファラデーエネルギー貯蔵材料」または同様の術語は、カソード上に配置される、または配置され得る、充電プロセス中に正に荷電する材料を指す。
【００１１】
「アノードファラデーエネルギー貯蔵材料」または同様の術語は、アノード上に配置される、または配置され得る、充電プロセス中に負に荷電する材料を指す。
【００１２】
「カソード非ファラデーエネルギー貯蔵材料」または同様の術語は、電荷の静電的な吸着または脱離により電流を発生する材料を指す。
【００１３】
「活性化炭素」、「活性炭」または同様の術語は、初めに不活性雰囲気内で炭をつくり、続いて炭素を酸化剤、例えば水蒸気またはＣＯ２と反応させるか、あるいは、ＫＯＨ、ＮａＯＨのようなアルカリ化合物及び同様のアルカリ化合物またはリン酸のような酸で炭を処理することによって、合成または天然の有機源から得られる炭素を指す。アルカリ処理または酸処理は炭素を酸化し、大表面積を有する微細孔を形成する。処理された炭素は二重層貯蔵機構を有するエネルギー貯蔵材料を提供する。
【００１４】
「隣接する」または同様の用語は、例えば、介在セパレータ部材及び電解質コンポーネント、またはこれらの組合せを含むかまたは含まずに、０.０１〜１００ｍｍの距離で隔てられ、互いに面し、境界、壁または点を共有している、非常に近接した状態にあることを指す。
【００１５】
「単一電解質」または同様の術語は、例えば、１つ以上の電極の間で共有されるイオン伝導性組成物を指す。
【００１６】
「アノード」、「アノード電極」、「負電極」または同様の術語は、それを通って正電荷が分極した電気デバイスに流れ込み、電子が電極から外部回路に流れ出る、電極を指す。
【００１７】
「カソード」、「カソード電極」、「正電極」または同様の術語は、正電荷が分極した電気デバイスから流れ出る電極を指す。
【００１８】
「コーニング(Corning)カーボン」はコムギ粉前駆体から以下のように作製された活性炭を指す。６５０〜７００℃でコムギ粉を炭化した。ほぼ５μｍの粒径まで炭化炭素をすり砕いた。次いで、砕かれた炭化炭素を、２.２：１のＫＯＨ：炭素の重量比でＫＯＨ（アルカリ）により、７５０℃で２時間、活性化した。さらに、いかなる残留ＫＯＨも除去するため、炭素を水で洗った。次いで、いかなる極微量のＫＯＨも中性化するため、得られた活性炭をＨＣｌで処理し、次いで炭素をｐＨ７に中性化するために水で洗った。次いで、活性炭を窒素と水素のフォーミングガスの下に、９００℃で２時間、熱処理した。
【００１９】
「含む」または同様の用語は包含するが限定はしない、すなわち、包括的であるが排他的ではないことを意味する。
【００２０】
本開示の実施形態の説明に用いられる、例えば、組成内の成分の量、濃度、体積、プロセス温度、プロセス時間、収率、流量、圧力、粘度、及び同様の値、並びにこれらの範囲、あるいは、コンポーネントの寸法、及び同様の値、並びにこれらの範囲を修飾する「約」は、例えば、材料、組成物、複合物、濃縮物、コンポーネント部品、製造物または使用処方物の作製のための測定及びハンドリングの一般的な手順によるか、これらの手順における不作為な誤りによるか、方法を実行するために用いられる出発材料または成分の製造、原料源または純度の違いによるか、同様の要件により、おこり得る数量の変動を指す。用語「約」は、特定の初期濃度または混合比をもつ組成物または配合物の経年によって異なる量、及び特定の初期濃度または混合比をもつ組成物または配合物の混合または処理によって異なる量も包含する。
【００２１】
「必要に応じる」または「必要に応じて」は、続いて説明される事象または状況がおこり得るかまたはおこり得ないこと並びに、その事象または状況がおこる場合及びおこらない場合をその説明が含むことを意味する。
【００２２】
名詞は、本明細書に用いられるように、別途に指定されない限り、少なくとも１つまたは１つ以上の対象を指す。
【００２３】
当業者には周知の省略形（例えば、時間に対する「ｈ」または「ｈｒｓ」、グラムに対する「ｇ」または「ｇｍ」、ミリリットルに対する「ｍｌ」、及び室温に対する「ｒｔ」、ナノメータに対する「ｎｍ」、及び同様の省略形）が用いられることがあり得る。
【００２４】
コンポーネント、成分、添加物、寸法、条件、時間及び同様の態様に対して開示される特定の好ましい値、及びその範囲は、説明のためでしかなく、他の定められた値、または定められた範囲内の他の値を排除しない。本開示の組成物及び方法は、いかなる値または値のいかなる組合せ、特定の値、さらに特定の値、及び本明細書に説明される好ましい値を、明示的または暗示的な中間値及び範囲を含めて、含む。
【００２５】
実施形態において、本開示は、
少なくとも３つの電極であって、
カソードファラデーエネルギー貯蔵材料を含む少なくとも１つの第１の電極、
アノードファラデーエネルギー貯蔵材料を含む少なくとも１つの第２の電極、及び
カソード非ファラデーエネルギー貯蔵材料を含む少なくとも１つの第３の電極、
を含み、
少なくとも１つの第１の電極が少なくとも１つの第２の電極に隣接し、少なくとも１つの第３の電極が少なくとも１つの第２の電極に隣接し、少なくとも１つの第２の電極、すなわち、ファラデーアノードまたはアノードファラデーエネルギー貯蔵材料が、電気的に結合された少なくとも１つの第１の電極、すなわちファラデーカソードまたはカソードファラデーエネルギー貯蔵材料と少なくとも１つの第３の電極、すなわち非ファラデーカソードまたはカソード非ファラデーエネルギー貯蔵材料から電気的に絶縁される、
少なくとも３つの電極、
隣接電極間に配置されたセパレータ、及び
隣接電極間の液体電解質、
を収める、
ハウジング、
を有する、リチウムウインエネルギー／電力システムを提供する。
【００２６】
実施形態において、本開示は、
少なくとも３つの電極であって、
カソードファラデーエネルギー貯蔵材料を含む少なくとも１つの第１の電極、
アノードファラデーエネルギー貯蔵材料を含む少なくとも１つの第２の電極、及び
カソード非ファラデーエネルギー貯蔵材料を含む少なくとも１つの第３の電極、
を含み、
少なくとも１つの第１の電極が少なくとも１つの第２の電極に隣接し、少なくとも１つの第３の電極が少なくとも１つの第２の電極に隣接する、
少なくとも３つの電極、
電極間のセパレータ、及び
電極間の液体電解質、
収める、
ハウジング、
を有する、統合型エネルギー／電力製品、デバイスまたはシステムを提供する。
【００２７】
実施形態において、第１の電極内のカソードファラデーエネルギー貯蔵材料はリチウム−遷移金属錯化合物を含み、第２の電極内のアノードファラデーエネルギー貯蔵材料は１〜５００ｍ２/ｇの小表面積を有する炭素を含み、第３の電極内のカソード非ファラデーエネルギー貯蔵材料は８００〜３０００ｍ２/ｇの大表面積を有する炭素を含む。
【００２８】
実施形態において、
カソードファラデーエネルギー貯蔵材料は、例えば、ＬｉＣｏＯ２（酸化リチウムコバルト）、ＬｉＭｎ１.５Ｎｉ０.５Ｏ４（酸化リチウムマンガンニッケル）、ＬｉＭｎ２Ｏ４（酸化リチウムマンガン）、ＬｉＦｅＰＯ４（リン酸リチウム鉄）、ＬｉＮｉＭｎＣｏＯ２（酸化リチウムニッケルマンガンコバルト）、ＬｉＮｉＣｏＡｌＯ２（酸化リチウムニッケルコバルトアルミニウム）またはこれらの混合物からなる群から選ばれるリチウム含有化合物とすることができ、
アノードファラデーエネルギー貯蔵材料は、例えば、シリコンナノ粒子、多孔質シリコン、スズナノ粒子、グラフェン、酸化バナジウム由来化合物、カーボンナノチューブ、酸化チタン由来化合物、ゲルマニウム、アンチモン。黒鉛または硬質炭素、あるいはこれらの混合物からなる群から選ぶことができ、
カソード非ファラデーエネルギー貯蔵材料は、例えば、８００〜３０００ｍ２/ｇｍの表面積を有する活性炭、ここで活性炭は非ファラデーカソード内の総活性材料の内の４５〜１００重量％である、活性炭と黒鉛の混合物または結合体、活性炭と硬質炭素の混合物または結合体、またはこれらの混合物からなる群から選ぶことができる。一例は５０重量％の活性炭と５０重量％の硬質炭素を含む炭素混合物である。混合物は物理的に混ぜ合わされ、混合物は電流コレクタの同じ面にコーティングされる。
【００２９】
実施形態において、カソードファラデーエネルギー貯蔵材料、カソード非ファラデーエネルギー貯蔵材料、及びアノードファラデーエネルギー貯蔵材料は、式（Ｉ）、（II）または（III）：
Ｃ/Ｓ\Ａ\Ｓ/Ｃ/Ｓ\Ａ\Ｓ/Ｃ/Ｓ\Ａ\Ｓ/Ｃ/Ｓ\Ａ\Ｓ/ＣＳＣ’/Ｓ\Ａ\Ｓ/Ｃ’    （Ｉ）；
Ｃ/Ｓ\Ａ\Ｓ/Ｃ/Ｓ\Ａ\Ｓ/ＣＳＣ’/Ｓ\Ａ\Ｓ/Ｃ’                    （II）；
Ｃ/Ｓ\Ａ\Ｓ/Ｃ/Ｓ\Ａ\Ｓ/Ｃ/Ｓ\Ａ\Ｓ/Ｃ/Ｓ\Ａ\Ｓ/
Ｃ/Ｓ\Ａ\Ｓ/Ｃ/Ｓ\Ａ\Ｓ/ＣＳＣ’/Ｓ\Ａ\Ｓ/Ｃ’      （III）；
の内の少なくとも１つで表される相対空間関係を有するコンポーネントを含む。ここで、「Ｃ」はファラデーカソード、「Ｃ’」は非ファラデーカソード、「/」は片面コーティング、「/Ｃ/」は両面コーティングカソード、「\Ａ\」は両面コーティングアノードである。
【００３０】
実施形態において、少なくとも３つの電極は、例えば、２〜１０００の電極のような、複数のカソードファラデーエネルギー貯蔵材料電極、及び２〜２００の電極のような、複数のカソード非ファラデーエネルギー貯蔵材料電極を含むことができ、カソード非ファラデー電極数に対するカソードファラデー電極数の比は０.０１〜５０である。
【００３１】
実施形態において、デバイスはさらに、例えば、電極のそれぞれのための外部コネクタまたは２つ以上の同一電極からなる群のそれぞれのための外部コネクタを有することができる。
【００３２】
実施形態において、デバイスはさらに、例えば、それぞれの電極のためのそれぞれの外部コネクタに接続された外部スイッチを有することができる。
【００３３】
実施形態において、アノードファラデーエネルギー貯蔵材料は、例えば、銅箔電流コレクタの両面上にコーティングすることができ、カソはードファラデーエネルギー貯蔵材料及びカソード非ファラデーエネルギー貯蔵材料は、例えば、アルミニウム箔電流コレクタの一方の面上及び他方の面上のそれぞれに個別にコーティングすることができる。
【００３４】
実施形態において、電解質組成物は、例えば、非水性溶剤内のＬｉＰＦ６、オニウム塩及び非水性溶剤、またはこれらの組合せの内の少なくとも１つを含むことができる。
【００３５】
実施形態において、電解質組成物は、例えば、第四級アンモニウムカチオン及びテトラフルオロホウ酸アニオン、ハロゲン化物イオン、またはイオンの組合せを含むことができ、非水性溶剤は、ニトリル、エステル、スルホン、エーテル、またはこれらの混合物の内の少なくとも１つから選ぶことができる。
【００３６】
実施形態において、電解質は単一電解質または２つ以上の電解質の混合物とすることができる。
【００３７】
実施形態において、電解質は、電解質が隣接電極の間にあり、さらにまたは必要に応じて、電極スタック全体の周囲にあるように、電極スタックを収めているポーチ内に、ピペットから滴下するように、配分することができる。
【００３８】
実施形態において、少なくとも３つの電極は、例えば、
リチウム含有化合物を含む、少なくとも１つの第１の電極、
硬質炭素、黒鉛、またはこれらの混合物の内の少なくとも１つを含む、少なくとも１つの第２の電極、及び
０.２〜１.５ｃｍ３/ｇｍの高い多孔度及び８００〜３０００ｍ２/ｇの大表面積を有する活性炭を含む、少なくとも１つの第３の電極、
ここで、少なくとも１つの第１の電極は少なくとも１つの第２の電極に隣接し、少なくとも１つの第２の電極は第３の電極に隣接する、
を含むことができる。
【００３９】
実施形態において、デバイスは、リチウムイオン電池のエネルギー密度に匹敵する、２０〜５００Ｗｈ/ｌ（例えば、図３における３５０Ｗｈ/ｌ）のエネルギー密度を有し、またデバイスは、ＥＤＬＣキャパシタよりかなり大きい、２００〜２００００Ｗ/ｌ（例えば、図２における３０００Ｗ/ｌ）の電力を有する。従来技術のリチウムイオン電池のエネルギー密度は、例えば、１７５〜３５０Ｗｈ/ｌである。本開示の実験デバイスと同等の大きさを有する、従来技術のＥＤＬＣデバイス（例えば、１００Ｆデバイス）は１０００〜２５００Ｗ/ｌの電力レベルを有する。フルサイズまたは大寸のＥＤＬＣデバイス（例えば、３０００Ｆデバイス）は７０００〜９０００Ｗ/ｌの電力レベルを有することができる。本開示の実験デバイスは、ＥＤＬＣデバイスと同様に、比例性でスケーラブルな電力レベルを有すると考えられる。
【００４０】
実施形態において、本開示は、
少なくとも３つの電極であって、
リチウム−遷移金属化合物を含む少なくとも１つの第１の電極、すなわち、第１のカソード、
非活性化炭素を含む少なくとも１つの第２の電極、すなわち、第１のアノード、及び
活性炭を含む少なくとも１つの第３の電極（すなわち、第２のカソード）、
を含み、
少なくとも１つの第１の電極が少なくとも１つの第２の電極に隣接し、少なくとも１つの第３の電極が少なくとも１つの第２の電極に隣接し、非活性化炭素が、電気的に結合された少なくとも１つの第１の電極のリチウム−遷移金属化合物と少なくとも１つの第３の電極カソードの活性炭から電気的に絶縁される、
少なくとも３つの電極、
隣接電極間に配置されたセパレータ、及び
隣接電極間の単一電解質組成物、
を含む、
ハウジング、
を有する、リチウムウインエネルギー／電力システムの統合型エネルギー／電力コンポーネントを提供する。
【００４１】
実施形態において、少なくとも１つの第１の電極内のリチウム−遷移金属化合物は、例えば、リチウム−遷移金属塩錯化合物を含むことができ、少なくとも１つの第２の電極内の非活性化炭素は、例えば、１〜５００ｍ２/ｇの小表面積を有する炭素を含むことができ、少なくとも１つの第３の電極内の活性炭は、例えば、８００〜３０００ｍ２/ｇの大表面積を有する炭素を含むことができる。
【００４２】
実施形態において、単一電解質は、第四級アンモニウムテトラフルオロホウ酸化合物またはＬｉＰＦ６化合物から選ばれる塩及び、ニトリル、アルキルエステル、スルホン、エーテル、炭酸ジアルキル、炭酸ジアルキレン、フッ素化炭酸ジアルキレン、またはこれらの混合物の内の少なくとも１つから選ばれる非水性溶剤を含む。
【００４３】
実施形態において、統合型エネルギー／電力デバイスは、例えば、電力電極結合体及びエネルギー電極結合体内に配置された少なくとも３つの電極を有することができ、電力電極結合体は２.２〜３.８Ｖで動作し、エネルギー電極結合体は３.０〜４.２Ｖで動作する。
【００４４】
実施形態において、電力電極結合体は一次黒鉛または一次硬質炭素を含む少なくとも１つの電極と対にされた活性炭を含む少なくとも１つの電極を有し、エネルギー電極結合体はリチウム化合物を有する少なくとも１つの電極と対にされた、活性炭、一次黒鉛または一次硬質炭素を含む少なくとも１つの電極を有する。
【００４５】
実施形態において、電力電極結合体は、例えば、中間の値または範囲を含む、１０〜３００ｍ２/ｇｍの表面積を有する一次黒鉛または一次硬質炭素を含む電極及び、中間の値または範囲を含む、５００〜２０００ｍ２/ｇｍの表面積を有する活性炭素を含む電極を有することができ、エネルギー電極結合体は、例えば、５００〜２０００ｍ２/ｇｍの表面積を有する活性炭素を含む電極、及び１０〜３００ｍ２/ｇｍの表面積を有する一次黒鉛または一次硬質炭素を含む電極及びＬｉＣｏＯ２化合物または同様の化合物を含むリチウム化合物を含む電極を有することができる。
【００４６】
実施形態において、本開示は、
少なくとも３つの電極、それぞれの電極は、異なるエネルギー貯蔵、異なるエネルギー放出特性、または異なる構造を有する、
隣接電極間に配置されたセパレータ、及び
隣接電極間の電解質組成物、
を含む、
ハウジング、
を有する統合型エネルギー／電力デバイスを提供する。
【００４７】
実施形態において、デバイスは３つの電極を有することができ、例えば、その内の２つの電極はファラデーエネルギー貯蔵特性を有し、１つの電極は二重層エネルギー貯蔵特性または非ファラデーエネルギー貯蔵特性を有することができる。
【００４８】
実施形態において、本開示は、実施例におけるように、本明細書に定められ、説明されるような、本開示の統合型エネルギー／電力デバイスの作製方法を提供する。
【００４９】
実施形態において、本開示は、実施例におけるように、本明細書に定められ、説明されるような、本開示の統合型エネルギー／電力デバイスの使用方法を提供する。
【００５０】
実施形態において、本開示は、
電池として、システムを充電、放電または充放電する工程、
キャパシタとして、システムを充電、放電または充放電する工程、
あるいは、これらの工程の、例えば、同時または順次の、組合せ、
を含む、本開示のＩＥＰＤデバイスまたはシステムの使用方法を提供する。
【００５１】
実施形態において、本開示のＩＥＰＤまたはＥＰＤデバイス、製品またはシステム及び使用方法はさらに本システムの、例えば、エネルギー、電力または両者の、貯蔵、供給または両者を必要とする別のシステム、例えば、輸送機関、民生用電子デバイス、家庭用電気製品、風力タービン、波力タービン、エネルギー系統または電力系統、あるいはこれらの組合せの内の少なくとも１つとの組合せての使用を含むことができる。輸送機関は、例えば、人、貨物あるいは、ドローンまたは無人航空システム（ＵＡＳ）におけるカメラまたは軍事武器のような、有目的積荷を輸送する、例えば、自走機とすることができる。輸送機関の他の例は、荷馬車、自転車、自動走行車（例えば、オートバイ、乗用車、トラック、バス、列車）、船舶（例えば、船、ボート）、宇宙船、航空機、またはこれらの組合せである。
【００５２】
本開示は、例えば、
特定用途向けに調製できる、
２つの個別デバイスの必要を排除する、
総体的なデバイスの大きさ、重量及び製造コストをかなり低減する、
総体的なデバイスのスペースをかなり低減し、コネクタ要件を軽減する、
様々なシステム及び用途への組込みを容易にする、及び
デバイスの広範な組込み及び使用を可能にするフォームファクターを有する、
統合型エネルギー／電力デバイスまたはシステムの提供を含む、いくつかの面において有益である。
【００５３】
本開示は、電力及びエネルギーのための従来技術の個別デバイスに対するものとしての単一パッケージにおける与えられた用途への高エネルギー出力及び大電力出力を可能にする、統合型エネルギー／電力デバイス（ＩＥＰＤ）と称されるエネルギー貯蔵デバイスまたはシステムを提供する。多くの、例えば軍用及び民生用の、用途は、高められたエネルギー密度及び電力密度を要求する。電池−キャパシタ併用は既知である。しかし、電池とキャパシタは２つの個別回路コンポーネントまたはユニットであり、単一パッケージデバイスではない（エス・ワイ・カン(S. Y. Kan)等、「太陽電池電力供給製品における電池−キャパシタ結合(Battery-Capacitor combinationｓ in photovoltaic powered products)、Journal ｏf Power Sources、２００６年、第１６２巻、ｐ.９７１〜９７４を参照されたい）。現行の関心は、Ｌｉイオン電池のエネルギー能力とウルトラキャパシタの電力能力を結合するエネルギー貯蔵デバイスを開発することである。報告されている１つの可能性があるシステム（Journal ｏf Power Sources、２００６年、第１６２巻、ｐ.９７１〜９７４を参照されたい）は、電池とウルトラキャパシタ（ＥＤＬＣ）並びに、個々のコンポーネント間のエネルギーフローを制御するための、独自に設計されたエレクトロニクスを備える、ハイブリッドシステムである。この解決策の主要な利点は、エネルギーまたは電力に対してそれぞれのコンポーネントを最適化できる能力である。電池−キャパシタ結合体は主として大電力パルス用途に用いられる。これらの結合体においては、キャパシタによる大電力密度の利点または大放電率を産むことができる能力が電池の高エネルギー密度と結合される。そのような従来技術の結合には、異なる電位で作動する２つの個別デバイスが必要であり、これは高コスト及びシステム統合の困難のような問題を生じる。
【００５４】
米国特許第５４３９７５６号（’７５６）明細書は、３つの異なる電極を有し、中央電極が、ファラデーカソードのように作用し、ファラデーアノードとして作用するカドミウム電極に隣接する、ニッケル電極である、デバイスに触れている。ニッケルとカドミウムはエネルギー貯蔵のためのニッケル−カドミウム電極結合体を形成する。電力貯蔵のため、同じニッケル電極が別の活性炭電極と共有される。ニッケル電極はファラデーカソードとして作用し、活性炭は非ファラデーアノードとして作用して、電力貯蔵のために結合される。’７５６明細書は、１つのカソードと２つのアノードを収めているデバイスを得る、１つのファラデーカソードと１つのファラデーアノード及び１つの非ファラデーアノードの使用にも触れている。この構成は本開示のＩＥＰＤとかなり異なる。本開示のＩＥＰＤは、少なくとも１つのファラデーアノード、少なくとも１つのファラデーカソード及び少なくとも１つの非ファラデーカソードを有し、その結果、少なくとも２つのカソードと少なくとも１つのアノードを収めるデバイスが得られる。
【００５５】
’７５６明細書において、全ての電極は０.８〜１.７Ｖの同じ電圧ウインドウの間で動作する。全ての電極に対する同様の電圧ウインドウにより、２つのアノードの間のカソードの共有が可能になる。対照的に、本開示のＩＥＰＤはエネルギー貯蔵コンポーネントまたは機能と電力貯蔵コンポーネントまたは機能のそれぞれに対して２つのかなり異なる電圧で動作する。エネルギー貯蔵コンポーネントまたは機能は、例えば、中間の値及び範囲を含む、約３.０〜４.２Ｖで動作することができ、電力貯蔵コンポーネントまたは機能は、中間の値及び範囲を含む、約２.２〜３.８Ｖで動作する。したがって、同じファラデーアノードをファラッド−カソードと非ファラデーカソードが共有することはできない（すなわち、ファラデーアノードはファラッド−カソードと非ファラデーカソードから電気的に絶縁されなければならない）。
【００５６】
リチウムイオン電池（ＬｉＢ）において、アノードは、リチウムがインターカレートしている、黒鉛、メソカーボンマイクロビーズ（ＭＣＭＢ）、硬質炭素または軟質炭素、あるいは、グラフェン、カーボンナノチューブのような別の形態の炭素、のような炭素、シリコンナノ粒子、スズナノ粒子のような別の材料、及び、グラフェン複合材、シリコンナノ粒子、酸化バナジウム由来化合物、カーボンナノチューブ、酸化チタン由来化合物、ゲルマニウム、アンチモン、及び同様の材料のような、触れられている材料のいずれかの金属間化合物または混合物のようなシリコンインターカレートのための技術上既知の他の材料を含むことができる。カソードは、遷移金属と錯化合物を形成しているリチウムでつくられた材料を含むことができる。リチウムイオン電池業界で用いたれるカソード材料のいくつかの例は、例えば、ＬｉＣｏＯ２、ＬｉＭｎ１.５Ｎｉ０.５Ｏ４、ＬｉＭｎ２Ｏ４、ＬｉＦｅＰＯ４，または同様の材料である。そのような材料は本開示のＩＥＰＤまたなＥＰＤにおいて有用であり得る。
【００５７】
リチウムイオン電池においては、充電プロセス中、リチウムイオンがカソードのバルクから脱インターカレートされ、イオン伝導機構により電解質を通ってアノードに移送されて、アノード（すなわち、負電極）のバルク内にインターカレートされる。充電プロセス中、電子はカソードからアノードに流れる。放電プロセス中は、充電プロセス全体が反転される。電子はアノードからカソードに移送される。リチウムイオンはアノードのバルクから脱インターカレートされ、イオン伝導機構により電解質を通ってカソードに移送される。移送されたリチウムイオンは次いでカソード電極のバルク内にインターカレートされる。リチウムイオン電池において、エネルギーはアノード及びカソード上のファラデー反応によって貯蔵される。電解質の電荷状態は常に中性であり、一定であって、これは電解質の濃度に有意な変化がないことを意味する。リチウムイオン電池においてエネルギー貯蔵を担当するリチウムイオンはカソード内の利用可能なリチウムイオンの数に依存する。リチウムイオン電池においては、関与するファラデー反応のため、大きな放電電流が高内部抵抗により熱を発生させ、これ、電池の不安定化及び故障を生じさせ得る。したがって、リチウムイオン電池において大電流サージの送出はできない。よって、電池は高エネルギー密度を有するが、電池により送り出される電力は小さい。多くの用途においては、例えば、自動車の始動のため、大電力、すなわち大電流サージが必要とされる。そのような場合、小率のエネルギーしか引き出すことができないから電池が不釣り合いに大きくつくられなければならないか、あるいは二重層キャパシタが電池と併用されなければならない。多くの用途において、連結された電池コンポーネントとキャパシタコンポーネントの、そのような物理的結合が用いられる。
【００５８】
対照的に、キャパシタは大電流パルスの送出に適している。電気化学的二重層キャパシタ（ＥＤＬＣ）またはリチウムイオンキャパシタ（ＬＩＣ）のようなウルトラキャパシタは大電流パルスを供給するために用いることができる。ＥＤＬＣは、例えば、アルミニウムのような金属箔上に積層された大表面積炭素でつくられた、正電極及び負電極からなり、金属箔は電流コレクタとして作用し、電極は本質的に非ファラデー型である。従来、炭素電極は、活性炭、カーボンブラックのような導電性炭素、及びＰＶＤＦまたはＰＴＦＥのような高分子結合剤の混合物からなり、結合剤は炭素電極の成分を電流コレクタに付着させる。２つの電極は、例えば、多孔質セルロースセパレータで隔てられる。多孔質セルロースセパレータは電気絶縁性であるがイオン伝導性であり、これにより電解質からのイオンの電極への移動及び電解質溶液への戻りが可能になる。ＥＤＬＣに用いられる従来の電解質は、例えば、カチオンとしての第四級アンモニウムイオン（Ｒ４Ｎ＋）及びアニオンとしてのテトラフルオロホウ酸イオン（ＢＦ４−）である。
【００５９】
リチウムイオンキャパシタ（ＬＩＣ）はＥＤＬＣとリチウムイオン電池の間のハイブリッドとして機能する。ＥＤＬＣは二重層機構に基づいて両電極上にエネルギーを貯蔵する。対照的に、ハイブリッドリチウムイオンキャパシタは（ＥＤＬＣのように）二重層機構によってカソード上にエネルギーを貯蔵するが、アノード上のエネルギー貯蔵は（リチウムイオン電池のように）ファラデー機構による。
【００６０】
ＬＩＣは、カソード（正電極）上に、一般に５００ｍ２/ｇより大きい、大表面積活性炭を、またアノード上にインターカレート硬質炭素（硬質炭素は一般に合成源または天然源から不活性雰囲気内で熱して炭にすることで得られる）を用いることができる。この炭素は酸化されていない。一般に、活性炭は３００ｍ２/ｇより小さいような小表面積を有する。しかし、硬質炭素は、炭素源が鋳型、例えばシリカ鋳型材料上に堆積され、不活性雰囲気内で熱せられて炭にされる、文献に知られる鋳型法によって作製することもできる。鋳型法は、例えば３００〜５００ｍ２/ｇの大表面積、メソ（すなわち、細孔径が２〜５００ｎｍの範囲にある）細孔性、及びマイクロ（すなわち、細孔径が０.１〜２ｎｍの範囲にある）細孔性を有する硬質炭素を提供することができる。この細孔性はアノード上の、低細孔性及び、一般に３００ｍ２/ｇより小さい、小表面積を有する活性炭に対して酸化プロセスで形成することはできず、この性質がリチウムイオンの高速インターカレート及び脱インターカレートを支援する。充電及び放電中、リチウムのインターカレート及び脱インターカレートはアノード（すなわち、負電極）のバルク内でおこり、一方、アニオンの吸着及び脱離はカソード電極上でおこる。カソード（すなわち、正電極）上の吸着及び脱離は、アノード上のリチウムイオンのインターカレート及び脱インターカレートより比較的高速の、非ファラデー反応である。
【００６１】
ＥＤＬＣまたはＬＩＣのいずれについても、大電流パルスを供給することができ、いずれも電力送出用途に用いられ得ることがわかっている。ＬＩＣにおいて、リチウム材料を（インターカレート及び脱インターカレートがおこる）負電極にあらかじめドープしておくことができる。リチウムイオンキャパシタの前ドーピングの結果、電圧を約３.８Ｖまで高めることができる。ＥＤＬＣ及びＬＩＣのそれぞれの完全非ファラデー型または半非ファラデー型の性質により、ＥＤＬＣまたはＬＩＣは、リチウムイオン電池よりかなり高速に充電し、放電させることができて、大電流パルスを与えることができる。
【００６２】
キャパシタにおける大電流を送出するというこの特徴は電気モーターの始動のような製品用途に用いることができる。キャパシタを電池と対にすることにより、電池の重放電サイクルが防止され、キャパシタから電流を引き出すことができる。そのような電池−キャパシタ結合の結果、より高い信頼性及びより長い電池寿命が得られる。しかし、この利点は、貯蔵システムの増大する重量、増大する体積、肥大するパッケージ、及び２つの異なるデバイスの作製に付随する増大するコストを代償にして、生じる。
【００６３】
単一パッケージに収められた電池−キャパシタ様の特性の組合せを有する高信頼性二重層キャパシタ（Ｃａｐａｔｔｅｒｙ（登録商標））がＥｖａｎｓ Ｃａｐａｃｉｔｏｒ Ｃｏ．から市販されている（evanscap.com/the_capattery.htmを参照されたい）。
【００６４】
上述した問題を回避するため、本開示は、異なる電極のそれぞれが全く異なる材料組成を有している少なくとも３つの異なる電極を収める単一デバイスパッケージを特徴とする、統合型エネルギー／電力デバイス（ＩＥＰＤ）を提供する。本開示の構成は、材料が異なる２つの電極しか有していない、標準の電気化学デバイスとは異なる。本開示の構成においては、少なくとも３つの異なる電極の全てが作用電極である。実施形態において、電極の内の少なくとも１つは二重層機構（すなわち、非ファラデー機構）によってエネルギーを貯蔵し、他の電極の内の少なくとも２つはファラデー機構によってエネルギーを貯蔵する。パッケージ内の３つのタイプの電極の全てが同じ電解質を共有することができる。与えられた用途に対し、貯蔵機構のタイプが異なる電極の比及びそれぞれの数は同じデバイスにおいて所望のエネルギー及び所望の電力を与えるように調節することができる。貯蔵機構のタイプが異なる電極の様々な比の例が実施例１、２及び３に説明される。
【００６５】
本開示のＩＥＰＤは、エネルギー／電力要求に対処する単一デバイスのコストが、個別のデバイスが作製されて同じ手段内に収容されなければならない、２つの個別デバイスに比較してかなり低いから、適用の観点から非常に魅力的であり得る。性能面から、ＩＥＰＤデバイスは、パッケージに肝要な不活性材料のかなり体積による電力及びエネルギーにおける損失に関する全ての非効率が基本的に半分に減じられから、非常に魅力的である。
【００６６】
実施形態において、本開示は、電池及びキャパシタの電力及びエネルギーの能力の両者を統合し、統合型エネルギー／電力デバイス（ＩＥＰＤ）と称される、再充電可能なデバイスを提供する。
【００６７】
実施形態において、本開示のデバイスは少なくとも３つの異なるタイプの作用電極を有することができる。
【００６８】
実施形態において、理論にはこだわらずに、少なくとも３つの異なるタイプの電極はそれぞれが異なるエネルギー貯蔵機構を有することができる。
【００６９】
実施形態において、理論にはこだわらずに、少なくとも３つの電極の内の２つはファラデー機構を有することができ、第３の電極は二重層機構を有することができる。
【００７０】
実施形態において、電極の全てが同じ電解質を共有することができる。
【００７１】
実施形態において、１つの電極は、例えば、中間の値及び範囲を含む、０.２〜１.５ｃｍ３/ｇｍの高い多孔度及び、中間の値及び範囲を含む、８００ｍ２/ｇｍより大きく、３０００ｍ２/ｇまでのような、大表面積を有する活性炭を含むことができ、活性炭は電極内の総活性材料の、例えば、５１〜１００重量％である。いくつかの場合、活性炭と黒鉛またはその他の硬質炭素との組合せが有用であり得る。他の２つの電極はファラデーエネルギー貯蔵機構を有することができるが、それぞれの材料組成は作為的に異なる。例えば、２つのファラデー電極の一方はリチウム無機組成とすることができ、他方のファラデー電極は黒鉛または硬質炭素組成電極とすることができる。この例において、リチウム無機組成または化合物を含む電極はファラデーカソードであり、活性炭電極は非ファラデーカソードである。硬質炭素または黒鉛の電極はファラデーアノードとすることができる。
【００７２】
実施形態において、ファラデーカソードに用いられ得る様々なリチウム化合物が知られている。ファラデーカソードに選ばれ得るリチウム化合物には、例えば、酸化リチウムコバルト、酸化リチウムマンガン、酸化リチウムマンガンニッケル、リン酸リチウム鉄、酸化リチウムニッケルマンガンコバルト、酸化リチウムニッケルコバルトアルミニウムまたは同様の化合物、及びこれらの組合せのような、リチウム金属−遷移金属錯化合物を含めることができる。
【００７３】
実施形態において、ファラデーアノード電極は、例えば、シリコンナノ粒子、スズナの粒子、グラフェン、酸化バナジウムベース化合物、カーボンナノチューブ、酸化チタン由来化合物、ゲルマニウム、アンチモン、黒鉛、硬質炭素、またはこれらの材料及び同様の材料の複合混合物を含むことができる。
【００７４】
実施形態において、本開示は、同じデバイスにおいて、リチウムイオン電池のエネルギー密度と同様のエネルギー密度、及びリチウムイオンキャパシタの電力発生と同様であるかまたはそれよりもかなり大きい電力発生を提供することができる、ＩＥＰＤを提供する。
【００７５】
作用電極には、例えば、１つの活性炭電極、１つの硬質炭素電極または黒鉛電極及び、ＬｉＣｏＯ２のような、リチウム金属−遷移金属錯化合物を含むことができる１つの電極を含めることができる。黒鉛電極または硬質炭素電極はアノードとして機能することができ、他の２つの電極はカソードとして機能することができる。連接する電極のそれぞれは、原料がセルロースまたはポリマーのセパレータのような、セパレータで隔てられる。電解質は、例えば、炭酸塩ベース電解質とすることができる。しかし、電解質は炭酸塩に限定されず、電解質溶剤として、ニトリル、エステル、スルホン、エーテル及び同様の化合物のような、またはこれらの混合物、並びに、塩として、例えば、リチウム、カリウム、ナトリウム、セシウム、アンモニウム及び同様のカチオンを含む塩、またはこれらの混合物のような、様々な溶剤と塩の組合せを含むことができる。リチウム塩の例は、ＬｉＰＦ６、ＬｉＢＦ４、ＬｉＳｂＦ６、ＬｉＡｓＦ５、ＬｉＣｌＯ４、ＣＦ３ＳＯ３、またはこれらの混合物である。好ましい電解質は、炭酸エチレン、炭酸ジメチル及びプロピオン酸メチルの体積比が２０：２０：６０の混合液内の１〜１.５Ｍ ＬｉＰＦ６の溶液に、さらに５重量％の炭酸フルオロエチレンを重畳した溶液である。
【００７６】
図面を参照すれば、図１は、コンディショニングサイクル中の、実施例１、２及び３の、本発明の３つのＩＥＰＤデバイスのエネルギー密度を示すグラフである。
【００７７】
図２は実施例１、２及び３のＩＥＰＤデバイスのそれぞれのレート性能を示すグラフである。図２は実施例１、２及び３のＩＥＰＤデバイスのレート性能を示す体積測定ラゴーン(Ragone)プロットである。プロットは、デバイスのそれぞれのエネルギー密度が非常に高く、リチウムイオン電池の範囲内にあり、また電力も非常に大きく、ＥＤＬＣキャパシタよりかなり大きいことを示す。
【００７８】
図３は実施例１、２及び３のＩＥＰＤデバイスのそれぞれのサイクル性能を示すグラフである。図３は、電池として、１Ｃレートの、すなわち、１時間充電して１時間放電する、サイクルにかけた実施例１、２及び３のＩＥＰＤデバイスについてのサイクルデータ比較を示す。
【００７９】
様々なタイプの電極が、図４、５、６、７及び８に示され、以下に詳述される。
【００８０】
実施形態において、ＩＥＰＤは、例えば、円筒ケース、角柱ケース、ポーチまたは同様のケースに拡張することができる。ＩＥＰＤ内の電極は、例えば、（ジェリーロールとしても知られる）ロール巻き構成またはスタック構成を有することができる。エネルギー用電極の総面積に対する電力用電極の総面積は、電力及びエネルギーに対する要件に依存して、可能な様々な構成によって制御することができる。例えば、図８に示される非ファラデーカソードは図５に示されるファラデーアノードと、セパレータで隔てて、結合させることができ、図７に示されるファラデーカソードは図６に示されるファラデーアノードと、セパレータで隔てて、結合させることができる。ファラデーアノード：非ファラデーカソードの面積比及びファラデーアノード：ファラデーカソードの面積比は、ＩＥＰＤデバイスのエネルギー及び電力の要件に依存して、制御することができる。
【００８１】
図４、５及び６に示される電極はＩＥＰＤにおいてアノードとして用いることができる。
【００８２】
図４は、ファラデー材料として、銅箔電流コレクタの一方の面上に硬質炭素材料を有し、反対側の面上に黒鉛材料を有するファラデーアノード電極を示す。図４は、銅箔（５３０）のそれぞれの面の上にコーティングされた硬質炭素（５１０）及び黒鉛（５２０）を有するファラデーアノード電極構成（５００）の断面の略図である。
【００８３】
図５は銅箔電流コレクタの両面の上に硬質炭素材料を有するファラデーアノード電極を示す。図５は銅箔（５３０）の両面の上にコーティングされた硬質炭素（５１０）を有するファラデーアノード電極構成（６００）の断面の略図である。
【００８４】
図６は銅箔電流コレクタの両面の上に黒鉛材料を有するファラデーアノード電極を示す。図６は銅箔（５３０）の両面の上にコーティングされた黒鉛（５２０）を有するファラデーアノード電極構成（７００）の断面の略図である。
【００８５】
図７はアルミニウム箔電流コレクタの両面の上にリチウム−遷移金属錯化合物を有するファラデーカソード電極を示す。アルミニウム箔電流コレクタの両面上のリチウム−遷移金属錯化合物は、例えば、同じ材料、２つの異なるリチウム−遷移金属錯化合物材料、あるいは両面上の２つの異なるリチウム−遷移金属錯化合物材料の混合物とすることができる。図７はアルミニウム箔（８３０）の両面の上にコーティングされた、リチウム−遷移金属錯化合物（８１０）のような、ファラデーカソード組成物を有するファラデーカソード電極（９００）の断面の略図である。
【００８６】
図８はアルミニウム箔電流コレクタの両面の上に活性炭を有する非ファラデーカソード電極を示す。図７及び８に表される電極は例示ＩＥＰＤにおいてカソードとして選ぶことができる。図８は、アルミニウム箔（８３０）の両面上にコーティングされた非ファラデー材料組成物、例えば、活性炭（８２０）を有する非ファラデーカソード電極（１０００）の断面の略図である。
【００８７】
実施形態において、電極は、電力電極結合体または電力電極対、あるいはエネルギー電極結合体またはエネルギー電力対と称することができる。１つの電力電極結合体または対は、例えば、活性炭電極と、黒鉛電極または硬質炭素電極とすることができる。１つのエネルギー電極結合体または対は、例えば、黒鉛電極または硬質炭素電極と、ＬｉＣｏＯ２電極とすることができる。
【００８８】
次いで、電力電極結合体及びエネルギー電極結合体を一緒に配置することができる。それぞれのタイプの電極結合体の数は与えられた用途に所望のエネルギー及び電力の量によって決定することができる。例えば、所望に応じて、全ての電力電極結合体を一緒に配置することができ、全てのエネルギー電極結合体を一緒に配置することができる。例えば、図９、１０及び１１にＩＥＰＤの様々な構成が示される。電極はセパレータによって電気的に隔てられるが、それでもイオンがセパレータを通って伝導性することができる。例えば、図９において、ＩＥＰＤは３つの異なるタイプの作用電極を含む。電極の内の２つはファラデー型とみなすことができ、電極の内の１つは非ファラデー型とみなすことができる。黒鉛または硬質炭素でつくられた電極はファラデーアノード電極としてはたらくことができる。活性炭でつくられた電極は非ファラデーカソードとしてはたらくことができる。リチウム−遷移金属錯化合物でつくられた電極はファラデーカソードとしてはたらくことができる。一般に、ファラデーアノードの材料は、例えば銅の上に、コーティングすることができ、ファラデーカソード及び非ファラデーカソードの材料は、例えばアルミニウムの上に、コーティングすることができる。電極対の数はデバイスのネルギー及び電力の要件に応じて調節することができる。電極対は、例えば、Ｌｉ−遷移金属錯化合物を有するファラデーカソードと対にされた黒鉛材料または硬質炭素材料を有するファラデーアノードを含む第１の対、及び非ファラデーカソード黒鉛、例えば活性炭と対にされた、黒鉛または硬質炭素のような、ファラデーアノードを含む第２の対とすることができる。しかし、同じファラデーアノードをファラデーカソードと非ファラデーカソードで共有することはできない。
【００８９】
同じ組成を有する電極は全て、同じ外部リードまたは外部コネクタに接続することができる。ＩＥＰＤまたはＥＰＤからは原理的に３本のリードが出てきている。３本のリードの全てに、電力及びエネルギーに対する外部システムの要求または要件に応じて任意のスイッチを接続することができる。電極構成において最適であるかまたは好ましいリード組合せを提供するため、スイッチを用いることができる。
【００９０】
図９は実施例１に用いられた一例のＩＥＰＤ構成（１３００）を示す。実施例１は５つの両面コーティングファラデーアノード（５１０/５３０/５１０）（すなわち、銅箔（５３０）上の硬質炭素（５１０）に基づく電極６００）を有する。実施例１は３つの、アルミニウム箔（８３０）上のリチウム−遷移金属錯化合物（８１０）（すなわち、酸化リチウムコバルト）に基づく、両面コーティング（すなわち、両面がコーティングされた）ファラデーカソード（８１０/８３０/８１０）（すなわち、電極９００）及び、２つの、アルミニウム箔（８３０）上のリチウム−遷移金属錯化合物（８１０）（すなわち、酸化リチウムコバルト）に基づく、片面コーティング（すなわち、一方の面がコーティングされた）ファラデーカソード（８３０/８１０及び８１０/８３０）を有する。実施例１は、２つの、アルミニウム箔（８３０）上の活性炭（８２０）に基づく、片面コーティング非ファラデーカソード（８３０/８２０及び８２０/８３０）を有する。
【００９１】
図１０のＩＥＰＤ構成（１４００）は、３つの、銅箔（５３０）上の硬質炭素（５１０）に基づく、両面コーティングファラデーアノード（すなわち、電極６００）、１つの、リチウム−遷移金属錯化合物（８１０）（すなわち、酸化リチウムコバルト）に基づく、両面コーティングファラデーカソード（８１０/８３０/８１０）（すなわち、電極９００）及び２つの、アルミニウム箔（８３０）上のリチウム−遷移金属錯化合物（８１０）（すなわち、酸化リチウムコバルト）に基づく、片面コーティングファラデーカソード（８３０/８１０及び８１０/８３０）を有する。実施例２は、２つの、アルミニウム箔（８３０）上の活性炭（８２０）に基づく、片面コーティング非ファラデーカソード（８３０/８２０及び８２０/８３０）を有する。
【００９２】
図１１の、実施例３に用いられた、ＩＥＰＤ構成（１５００）は、１つの、銅箔（５３０）上の硬質炭素（５１０）に基づく、両面コーティングファラデーアノード（５１０/５３０/５１０）（すなわち、電極６００）及び、６つの、銅箔（５３０）上の黒鉛（５２０）に基づく、両面コーティングファラデーアノード（５２０/５３０/５２０）（すなわち、電極７００）を有していた。実施例３は、５つの、アルミニウム箔（８３０）上のリチウム−遷移金属錯化合物（８１０）（すなわち、酸化リチウムコバルト）に基づく、両面コーティングファラデーカソード（８１０/８３０/８１０）（すなわち、電極９００）及び、２つの、アルミニウム箔（８３０）上のリチウム−遷移金属錯化合物（８１０）（すなわち、酸化リチウムコバルト）に基づく、片面コーティングファラデーカソード（８３０/８１０及び８１０/８３０）を有していた。実施例３は、ブラケット電極６００である、２つの、アルミニウム箔（８３０）上の活性炭（８２０）に基づく、片面コーティング非ファラデーカソード（８３０/８２０及び８２０/８３０）を有していた。
【００９３】
図１２Ａは、アルミニウム箔の両面上にコーティングされた非ファラデーカソード（１１０）組成物、銅箔の両面上にコーティングされた２つのファラデーアノード（１２０）組成物、及びアルミニウム箔の両面上にコーティングされたファラデーカソード（１３０）組成物を含む、３つの異なる作用電極を有する一例のＩＥＰＤデバイスの略図を示す。デバイスはさらに、ハウジングまたはポーチケース（１０５）、作用電極のそれぞれの間に配置されたセパレータ部材（１４０）、作用電極のそれぞれの間及び周囲の電解質領域（１５０）、及び外部コネクタ（１１０ａ、１２０ａ、１２０ｂ、１３０ａ）を有する。
【００９４】
図１２Ｂは、外部コネクタ（１１０ａ）、外部コネクタ（１２０ａ）、外部コネクタ（１２０ｂ）及び外部コネクタ（１３０ａ）が集合外部コネクタ（１２５ａ）に接続されていることを除いて、図１２Ａのデバイスと全く同様の、一例のＩＥＰＤデバイス（２００）の略図を示す。２本のリード（１２５及び１２６）が外部コネクタ（１２５ａ）に接続され、エネルギー貯蔵動作モードと電力貯蔵動作モードの間の切換えに役立つ。
【実施例】
【００９５】
以下の実施例は、本開示のＩＥＰＤの作製、使用及び解析、並びに上記の一般的手順にしたがう方法を実証する。
【００９６】
実施例１
硬質炭素電極材料及び作製：
ファラデーアノードは、９０重量％の（既に、１２００℃で炭化させ、ＨＣｌで処理し、１２００℃で再焼成してある）ヤシ殻炭、５重量％のＴｉｍｃａｌ Ｓｕｐｅｒ Ｃ-４５導電性炭素、及び５重量％のＫＹＮＡＲ７６１ ＰＶＤＦ結合剤からなる。アノードは次のようにして作製した。３.６ｇのヤシ殻炭と０.２ｇの導電性炭素をＲｅｔｓｃｈ ＰＭ-１００ボールミル内において３５０ｒｐｍで１０分間粉砕した。ボールミル粉砕混合物に０.２ｇのＰＶＤＦを加え、３５０ｒｐｍでさらに１０分間ボールミル粉砕した。ボールミル粉砕混合物に５ｍＬのＮ-メチルピロリジノン（ＮＭＰ）を加えてスラリーを形成した。次いでスラリーを、銅箔（製品番号−Ｏａｋ Ｍｉｔｓｕｉ ＴＬＢ-ＤＳ）上に５０Ｇロッドを用いてコーティングした（ロッドコーティング法）。コーティングした電極を真空下６０℃で乾燥させた。乾燥電極をポーチ型セル電極の寸法に打ち抜いた。打抜き電極を真空下１２０℃で乾燥させた。実施例１は５つの、箔のそれぞれの面が硬質炭素混合物でコーティングされている、銅箔上の両面コーティングファラデーアノード電極を有していた。
【００９７】
５つの電極の内の１つに、例えば、７９.６重量％の金属リチウム粉末、１７.８重量％のＬｉＰＦ６、０.５重量％のスチレンブタジエンゴム、及び２.１８重量％の鉱油のＴＨＦ溶液でつくられたリチウム複合粉末（ＬＣＰ）混合物をスプレーコーティングした。スプレーコーティング電極を真空下１２０℃で乾燥させた。スプレーコーティングアノード電極の厚さの測定値は約１２〜１４ミリインチ（３０４.８〜３５５.６μｍ）であった。他の４つの電極では炭素の表面上にＬＣＰはない。スプレーコーティングアノードは箔のそれぞれの面が硬質炭素混合物でコーティングされていて、それぞれの面の硬質炭素混合物の表面がリチウム複合粉末混合物でコーティングされていた。
【００９８】
リチウム複合粉末（ＬＣＰ）は、リチウム、リチウム金属合金またはこれらの組合せの内の少なくとも１つからなるコア、及びリチウム塩からなる殻、及びオイルを含むカプセル封入リチウム粒子であり、殻はコアを封入し、粒子は１〜５００μｍの直径を有する（共通に譲渡されて所有される、２０１２年９月９日に出願された、名称を「リチウム複合粒子(LITHIUM COMPOSITE PARTICLES)」とする、米国特許出願第１３／６７３０１９号の明細書及び、２０１４年９月２３日に出願された、名称を「カプセル封入リチウム粒子及びその作製と使用の方法(ENCAPSUILATED LITHIUM PARTICLES AND METHODS OF MAKING AND USE THEREOF)」を参照されたい）。ＬＣＰはアノードの前ドーピングに用いられる。
【００９９】
活性炭電極材料及び電極作製：
非ファラデーカソード材料は、９２.５重量％のアルカリ活性化コムギ粉炭（すなわち、上述したコーニングカーボン）、２.５重量％のＴｉｍｃａｌ Ｓｕｐｅｒ Ｃ-４５導電性炭素、及び５重量％のＫＹＮＡＲ ＨＳＶ ９００ ＰＶＤＦからなる。非ファラデーカソードは次のようにして作製した。３.７ｇの炭素と０.１ｇの導電性炭素をＲｅｔｓｃｈ ＰＭ-１００ボールミル内において３５０ｒｐｍで１０分間粉砕し、次いで、混合物に０.２ｇのＰＶＤＦを加え、得られた混合物を３５０ｒｐｍで１０分間ボールミル粉砕した。ボールミル粉砕混合物に５ｍＬのＮ-メチルピロリジノン（ＮＭＰ）を加えてスラリーを形成した。Ｔｏｙｏ Ａｌｕｍｉｎｕｍ Ｋ．Ｋ．から入手できる、厚さが約２２μｍのＴＯＹＡＬ ＣＡＲＢＯ（登録商標）アルミニウム電流コレクタ上に、電流コレクタの表面を、Ｆｌｕｏｒｏｅｔｃｈ（登録商標）（グリコールエーテル内ナトリウムナフタレニド）をＴＨＦでさらに希釈して作製したＴＨＦ内５重量％Ｆｌｕｏｒｏｅｔｃｈ溶液でエッチングしてから、スラリーをコーティングした。コーティングした電極を真空下１２０℃で乾燥させた。乾燥電極をポーチ型セル電極の寸法に打ち抜き、次いで真空下１２０℃で乾燥させた。実施例１のためのカソードは、それぞれが活性炭で片面コーティングされた、２つの非ファラデーカソードを有していた。実施例１のためのカソードは図９の左側に見え、左から右に、以下の式の記号表記構造：
Ｃ’/Ｓ\Ａ\Ｓ/Ｃ’
を含む。この記号表記構造は、８３０、８２０、１４０、５１０、５３０、５１０、１４０、８２０、８３０として挙げられる順序にある特定のコンポーネントに対応し、「Ｃ’」は非ファラデーカソード、「Ｃ’/」は片面が非ファラデーカソード材料（８２０）でコーティングされたアルミニウム箔（８３０）、\Ａ\は両面がファラデーアノード材料（５１０）でコーティングされた銅箔（５３０）（すなわち、５１０、５３０、５１０）を含むコーティングされたアノード、「/Ｃ’」は８２０、８３０、「Ｓ」はセパレータ１４０である。
【０１００】
ＬｉＣｏＯ２電極材料及び電極作製：
ファラデーカソードは、９０重量％のＬｉＣｏＯ２、５重量％のＴｉｍｃａｌ Ｓｕｐｅｒ Ｃ-４５導電性炭素、及び５重量％のＫＹＮＡＲ７６１ ＰＶＤＦ結合剤からなる。７.２ｇのＬｉＣｏＯ２と０.４ｇの導電性炭素をＲｅｔｓｃｈ ＰＭ-１００ボールミル内において３５０ｒｐｍで１０分間粉砕し、次いで混合物に０.４ｇのＰＶＤＦを加え、３５０ｒｐｍでさらに１０分間ボールミル粉砕した。次に、混合物に４ｍＬのＮ-メチルピロリジノン（ＮＭＰ）を加えてスラリーを形成した。無インクアルミニウム電流コレクタ上にスラリーをコーティングした。アルミニウム電流コレクタはＣＳＩから入手し、表面を１ｍＬのＮＭＰで処理して、アルミニウムの表面からインクを掻き取ることでインクを除去した。コーティングした電極を真空下１２０℃で乾燥させた。乾燥電極をポーチ型セル電極の寸法に打ち抜いた。次いで打抜き電極を真空下１２０℃で乾燥させた。実施例１は、Ｃ/ /Ｃ/ /Ｃ/ /Ｃ/ /Ｃで表される、２つの片面コーティングファラデーカソード及び３つの両面コーティングカソードを有していた。ここで、「Ｃ」はファラデーカソードであり、「/」はコーティングを表し、例えば、「/Ｃ」または「Ｃ/」は片面がコーティングされたファラデーカソードを表し、「/Ｃ/」は両面がコーティングされたカソードを表す。実施例１は２つの、「Ｃ’/」及び「/Ｃ’」で表される片面コーティング非ファラデーカソードも有していた。ここで、「Ｃ’」は非ファラデーカソードであり、「/」はコーティングであって、例えば、「/Ｃ’」または「Ｃ’/」は片面がコーティングされた非ファラデーカソードを表し、（この実施例には示されていない）「/Ｃ’/」は両面がコーティングされた非ファラデーカソードである。カソード電極とアノード電極はそれぞれ、隣接する他のいずれの電極ともセパレータ（Ｓ）及びアノード（Ａ）電極で隔てられる。デバイスまたは集成されたセルコンポーネントの相対空間関係または配置は式（Ｉ）：
Ｃ/Ｓ\Ａ\Ｓ/Ｃ/Ｓ\Ａ\Ｓ/Ｃ/Ｓ\Ａ\Ｓ/Ｃ/Ｓ\Ａ\Ｓ/ＣＳＣ’/Ｓ\Ａ\Ｓ/Ｃ’    （Ｉ）
で表すことができる。ここで「\Ａ\」は両面がコーティングされたアノードである。
【０１０１】
上述した作用電極を適するハウジング内に、隣接する作用電極のそれぞれの間に挿入された適するセパレータを含めて、式（Ｉ）の順序及び数で、図９に示されるように、配置した。電解質を電極構成間に加え、セルを密封した。例えば、ファラデーアノード電極はセパレータで隔てられたファラデーカソード電極と対をなし（Ｃ/Ｓ\Ａ\Ｓ/Ｃ）、ファラデーアノード電極はセパレータで隔てられた非ファラデーカソード電極と対をなす（Ｃ’/Ｓ\Ａ\Ｓ/Ｃ’）。
【０１０２】
セパレータ：
選ばれたセパレータはＮｉｐｐｏｎ Ｋｏｄｏｓｈｉ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ（ニッポン高度紙工業株式会社）からのＮＫＫ ＴＦ-４４２５である。
【０１０３】
電解質：
用いた電解質は、体積で炭酸エチレン：炭酸ジメチル：プロピオン酸メチルが２０：２０：６０の混合液内の１.２５Ｍ ＬｉＰＦ６溶液に５重量％の炭酸フルオロエチレンをさらに重畳したものである。
【０１０４】
次いで電極を上述した電力電極結合体及びエネルギー電極結合体に集成して、デバイス特性を測定した。
【０１０５】
電力デバイスとしてのＩＥＰＤ性能：
実施例１のＩＥＰＤは、コンディショニング中、２.２Ｖと３.８Ｖの間のＣ/２充電／放電レートにおける１０サイクル後に、６４.４１３ｍＡｈ/ｇｍの放電容量を有していた。実施例１のＩＥＰＤは、２.２Ｖと３.８Ｖの間の約１００Ｃレートにおいて、１５.９５Ｗｈ/ｌ及び２０１９.５９Ｗｈ/ｌのエネルギー密度を有していた。実施例１のＩＥＰＤは、２.２Ｖと３.８Ｖの間の約１Ｃレートにおいて２１.２８Ｗｈ/ｌのエネルギー密度を有していた。しかし、電極材料組成の選択に依存して、ＩＥＰＤの動作電圧は変わり得る。例えば、活性炭（例えば、非ファラデーカソード）のタイプに依存して、電圧は２.２Ｖから４.２Ｖに広げることができる。説明される実施例において、活性炭の酸素含有量を２.５重量％から０.１重量％まで低下させた場合のように、活性炭の純度が高くなると、活性炭は電気化学的に一層安定になり、したがってさらに広い、電圧の範囲を決定することができる、電圧ウインドウを有する。
【０１０６】
エネルギー貯蔵電池デバイスとしてのＩＥＰＤ性能：
実施例１のＩＥＰＤは、５サイクルのコンディショニング後、３１４.４０５Ｗｈ/ｌの放電エネルギーを有していた。コンディショニングプロファイルは、３Ｖと４.２Ｖの間の充電−放電の、初めに約Ｃ/１５での２サイクル、次に約Ｃ/１０での２サイクル及び約Ｃ/５での最終サイクルを含む。実施例１のＩＥＰＤは、３Ｖと４.２Ｖの間の、１Ｃでの第１の放電サイクルにおいて３００.７０２Ｗｈ/ｌ、１Ｃレートでの３０サイクル後に２８７.４９０Ｗｈ/ｌのエネルギー密度を有していた。実施例１のＩＥＰＤは３０サイクル後に９５.６％のエネルギー密度保持率を有していた。しかし、電極材料組成の選択に依存して、ＩＥＰＤの動作電圧は変わり得る。例えば、ファラデーカソードとしての酸化リチウムマンガンニッケルの使用により、動作電圧を３Ｖから４.７Ｖに広げることができる。
【０１０７】
実施例２
硬質炭素アノード電極材料及び作製：
ファラデーアノードは、９０重量％の（１０００℃で炭化させ、ＨＣｌで処理し、１０００℃で再焼成してある）１０００℃ヤシ殻炭、５重量％のＴｉｍｃａｌ Ｓｕｐｅｒ Ｃ-４５導電性炭素、及び５重量％のＫＹＮＡＲ７６１ ＰＶＤＦからなる。アノードは次のようにして作製した。３.６ｇのヤシ殻炭と０.２ｇの導電性炭素をＲｅｔｓｃｈ ＰＭ-１００ボールミル内において３５０ｒｐｍで１０分間粉砕した。次に混合物に０.２ｇのＰＶＤＦを加え、３５０ｒｐｍでさらに１０分間ボールミル粉砕した。２回ボールミル粉砕された混合物に５ｍＬのＮ-メチルピロリジノン（ＮＭＰ）を加えてスラリーを形成した。次いでスラリーを、銅箔（製品番号−Ｏａｋ Ｍｉｔｓｕｉ ＴＬＢ-ＤＳ）上に５０ ロッドを用いてコーティングした（ロッドコーティング法）。コーティングした電極を真空下６０℃で乾燥させ、ポーチ型セル電極の寸法に打ち抜いた。
【０１０８】
３つのファラデー作用電極は、上述した、７９.６重量％の金属リチウム粉末、１７.８重量％のＬｉＰＦ６、０.５重量％のスチレンブタジエンゴム、及び２.１８重量％の鉱油のＴＨＦ内混合液でつくられたリチウム複合粉末（ＬＣＰ）をスプレーコーティングした。スプレーコーティング電極を真空下１２０℃で乾燥させた。スプレーコーティングアノード電極の厚さは約１５ミリインチ（３８１.０μｍ）であった。スプレーコーティングアノード電極はそれぞれ、箔のそれぞれの面が硬質炭素混合物でコーティングされていて、それぞれの面で硬質炭素混合物の表面がリチウム複合粉末混合物でコーティングされている。
【０１０９】
活性炭非ファラデーカソード電極作製：
非ファラデーカソードは、９２.５重量％のアルカリ活性化コムギ粉炭（コーニングカーボン）、２.５重量％のＴｉｍｃａｌ Ｓｕｐｅｒ Ｃ-４５導電性炭素、及び５重量％のＫＹＮＡＲ ＨＳＶ ９００ ＰＶＤＦ結合剤からなる。３.７ｇの炭素と０.１ｇの導電性炭素をＲｅｔｓｃｈ ＰＭ-１００ボールミル内において３５０ｒｐｍで１０分間粉砕し、次いで、混合物に０.２ｇのＰＶＤＦを加えて、３５０ｒｐｍでさらに１０分間ボールミル粉砕した。混合物に５ｍＬのＮ-メチルピロリジノン（ＮＭＰ）を加えてスラリーを形成し、上述した「ＴＯＹＡＬ ＣＡＲＢＯ」アルミニウム電流コレクタ上に、電流コレクタの表面を、「Ｆｌｕｏｒｏｅｔｃｈ」含有混合液（すなわち、グリコールエーテル内ナトリウムナフタレニドをさらにＴＨＦで希釈して作製したＴＨＦ内５重量％Ｆｌｕｏｒｏｅｔｃｈ溶液）でエッチングしてから、スラリーをコーティングした。コーティングした非ファラデーカソード電極を真空下１２０℃で乾燥させた。乾燥電極をポーチ型セル電極の寸法に打ち抜いた。打抜き電極を次いで真空下１２０℃で乾燥させた。実施例２のためのカソードは、それぞれが上述した活性炭組成物で片面コーティングされた、２つのカソードからなる。
【０１１０】
ＬｉＣｏＯ２電極：
ファラデーカソードは、９０重量％のＬｉＣｏＯ２、５重量％のＴｉｍｃａｌ Ｓｕｐｅｒ Ｃ-４５導電性炭素、及び５重量％のＫＹＮＡＲ７６１ ＰＶＤＦ結合剤からなる。７.２ｇのＬｉＣｏＯ２と０.４ｇの導電性炭素をＲｅｔｓｃｈ ＰＭ-１００ボールミル内において３５０ｒｐｍで１０分間粉砕した。混合物に０.４ｇのＰＶＤＦを加え、３５０ｒｐｍでさらに１０分間ボールミル粉砕した。混合物に４ｍＬのＮ-メチルピロリジノン（ＮＭＰ）を加えてスラリーを形成し、実施例１で述べたような無インクアルミニウム電流コレクタ上にスラリーをコーティングした。コーティングした電極を真空下１２０℃で乾燥させた。乾燥電極をポーチ型セル電極の寸法に打ち抜き、次いで打抜き電極を真空下１２０℃で乾燥させた。
【０１１１】
実施例２のカソードは、Ｃ/ /Ｃ/ /Ｃで総括的に表される、２つの片面コーティングファラデーカソード及び１つの両面コーティングファラデーカソードからなる。ここで、「Ｃ」、「/Ｃ」、「Ｃ/」、「/Ｃ/」、「Ｓ」、「/Ｃ’」、「Ｃ’/」及び「\Ａ\」は上で定義したとおりである。カソード電極は他のいずれのカソードともセパレータ及びアノード電極で隔てられる。デバイスまたは集成されたセルコンポーネントの相対空間関係または配置は式（II）：
Ｃ/Ｓ\Ａ\Ｓ/Ｃ/Ｓ\Ａ\Ｓ/ＣＳＣ’/Ｓ\Ａ\Ｓ/Ｃ’                    （II）
で表すことができる。
【０１１２】
上述したファラデーアノード、活性炭非ファラデーカソード及びＬｉＣｏＯ２ファラデーカソード作用電極を、隣接する作用電極のそれぞれの間に挿入された適するセパレータを含めて、式（II）の順序及び数で、図１０に示されるように、適するハウジング内に配置した。電解質を電極間に加え、セルを密封した。例えば、ファラデーアノード電極はセパレータで隔てられたファラデーカソード電極と対をなし（Ｃ/Ｓ\Ａ\Ｓ/Ｃ）、ファラデーアノード電極はセパレータで隔てられた非ファラデーカソード電極と対をなす（Ｃ’/Ｓ\Ａ\Ｓ/Ｃ’）。
【０１１３】
セパレータ：
セパレータは、実施例１と同じく、ＮＫＫ ＴＦ-４４２５である。
【０１１４】
電解質：
用いた電解質は実施例１と同じである。電極をこの実施例で説明した電力電極結合体及びエネルギー電極結合体に集成して、デバイス特性を測定した。
【０１１５】
電力デバイスとしてのＩＥＰＤ性能：
実施例２のＩＥＰＤは、コンディショニング中、２.２Ｖと３.８Ｖの間のＣ/２充電／放電レートにおける１０サイクル後に、６４.６８９ｍＡｈ/ｇｍの放電容量を有していた。実施例２のＩＥＰＤは、２.２Ｖと３.８Ｖの間の約１００Ｃレートにおいて、１１.１２Ｗｈ/ｌ及び１９２９.５５Ｗｈ/ｌのエネルギー密度を有していた。実施例２のＩＥＰＤは、２.２Ｖと３.８Ｖの間の約１Ｃレートにおいて、２０.７６Ｗｈ/ｌのエネルギー密度を有していた。しかし、電極材料組成の選択に依存して、ＩＥＰＤの動作電圧は変わり得る。例えば、活性炭（例えば、非ファラデーカソード）のタイプに依存して、電圧は２.２Ｖから４.２Ｖに広げることができる。説明される実施例において、活性炭の酸素含有量を２.５重量％から０.１重量％まで低下させた場合のように、活性炭の純度が高くなると、活性炭は電気化学的に一層安定になり、したがってさらに広い、電圧の範囲を決定することができる、電圧ウインドウを有する。
【０１１６】
エネルギー貯蔵電池デバイスとしてのＩＥＰＤ性能：
実施例２のＩＥＰＤは、５サイクルのコンディショニング後、１４４.９８０Ｗｈ/ｌの放電エネルギーを有していた。コンディショニングプロファイルは、３Ｖと４.２Ｖの間の充電−放電の、初めに約Ｃ/２０での２サイクル、次に約Ｃ/１０での２サイクル及び約Ｃ/５での最終サイクルを含む。実施例２のＩＥＰＤは、３Ｖと４.２Ｖの間の、１Ｃでの最初の放電サイクルにおいて１４３.９２７Ｗｈ/ｌ及び１Ｃレートでの３０サイクル後に１３５.４２９Ｗｈ/ｌのエネルギー密度を有していた。実施例２のＩＥＰＤは３０サイクル後に９４.０９５％のエネルギー密度保持率を有していた。しかし、電極材料組成の選択に依存して、ＩＥＰＤの動作電圧は変わり得る。例えば、ファラデーカソードとしての酸化リチウムマンガンニッケルの使用により、動作電圧を３Ｖから４.７Ｖに広げることができる。
【０１１７】
実施例３
硬質炭素アノード電極材料及び作製：
ファラデーアノードは、炭化炭素及び黒鉛からなる２つの異なる活性材料を有する２つの異なるタイプの電極からなる。一方の電極は、（１２００℃で炭化させ、ＨＣｌで処理し、１６００℃で再焼成してある）ヤシ殻炭でつくられた、１つの両面コーティング電極からなる。他方の電極は、Ｔｉｍｃａｌ ＴＢ-１７黒鉛粉末でつくられた、６つの両面コーティング電極からなる。
【０１１８】
ヤシ殻炭電極は、９０重量％の（１２００℃で炭化させ、ＨＣｌで処理し、１６００℃で再焼成してある）１６００℃ヤシ殻炭、５重量％のＴｉｍｃａｌ Ｓｕｐｅｒ Ｃ-４５導電性炭素、及び５重量％のＫＹＮＡＲ７６１ ＰＶＤＦからなる。アノードは次のようにして作製した。３.６ｇのヤシ殻炭と０.２ｇの導電性炭素をＲｅｔｓｃｈ ＰＭ-１００ボールミル内において３５０ｒｐｍで１０分間粉砕した。次に混合物に０.２ｇのＰＶＤＦを加え、３５０ｒｐｍでさらに１０分間ボールミル粉砕した。２回ボールミル粉砕された混合物に５ｍＬのＮ-メチルピロリジノン（ＮＭＰ）を加えてスラリーを形成し、次いでスラリーを、銅箔（製品番号−Ｏａｋ Ｍｉｔｓｕｉ ＴＬＢ-ＤＳ）上に５０Ｇロッドを用いてコーティングした（ロッドコーティング法）。コーティングした電極を真空下６０℃で乾燥させた。乾燥電極をポーチ型セル電極の寸法に打ち抜き、真空下６０℃で乾燥させた。
【０１１９】
ヤシ殻炭電極を、上述した、７９.６重量％の金属リチウム粉末、１７.８重量％のＬｉＰＦ６、０.５重量％のスチレンブタジエンゴム（ＳＢＲ）及び２.１８重量％の鉱油のＴＨＦ内混合物からのリチウム複合粉末（ＬＣＰ）でスプレーコーティングした。スプレーコーティングした電極を真空下１２０℃で乾燥させた。スプレーコーティングしたアノード電極の厚さは約１０〜１２ミリインチ（２５４.０〜３０４.８μｍ）であった。スプレーコーティングしたヤシ殻炭アノード電極は、箔のそれぞれの面が硬質炭素混合物でコーティングされ、箔のそれぞれの面で硬質炭素混合物の表面がリチウム複合粉末混合物でコーティングされた、銅箔からなる。
【０１２０】
Ｔｉｍｃal黒鉛（ＴＢ-１７）を、ヤシ殻炭の代わりにＴｉｍｃａｌ ＴＢ-１７黒鉛炭素を用いたことを除いて、ヤシ殻炭電極と同じ仕方で作製した。Ｔｉｍｃａｌ ＴＢ-１７黒鉛粉末ベース電極はＬＣＰコーティング無しで用いた。Ｔｉｍｃａｌ ＴＢ-１７黒鉛粉末ベース電極は、箔のそれぞれの面がＴＢ-１７黒鉛粉末でコーティングされている銅箔からなる。
【０１２１】
活性炭非ファラデーカソード電極作製：
非ファラデーカソードは、９２.５重量％のアルカリ活性化コムギ粉炭（すなわち、コーニングカーボン）、２.５重量％のＴｉｍｃａｌ Ｓｕｐｅｒ Ｃ-４５導電性炭素、及び５重量％のＫＹＮＡＲ ＨＳＶ ９００ ＰＶＤＦ結合剤からなる。非ファラデーカソードは次のようにして作製した。３.７ｇの炭素と０.１ｇの導電性炭素をＲｅｔｓｃｈ ＰＭ-１００ボールミル内において３５０ｒｐｍで１０分間粉砕し、次いで、混合物に０.２ｇのＰＶＤＦを加えて、３５０ｒｐｍでさらに１０分間ボールミル粉砕した。混合物に５ｍＬのＮ-メチルピロリジノン（ＮＭＰ）を加えてスラリーを形成し、上述した「ＴＯＹＡＬ ＣＡＲＢＯ」アルミニウム電流コレクタ上に、コレクタの表面を「Ｆｌｕｏｒｏｅｔｃｈ」含有混合物（すなわち、グリコールエーテル内ナトリウムナフタレニドをＴＨＦでさらに希釈して作製したＴＨＦ内５％Ｆｌｕｏｒｏｅｔｃｈ溶液）でエッチングしてから、スラリーをコーティングした。コーティングした非ファラデーカソード電極を真空下１２０℃で乾燥させ、ポーチ型セル電極の寸法に打ち抜いた。打抜き電極を次いで真空下１２０℃で乾燥させた。実施例３のためのカソードは、それぞれが活性炭で片面コーティングされた、２つのカソードからなる。
【０１２２】
ＬｉＣｏＯ２ファラデーカソード電極：
ファラデーカソードは、９０重量％のＬｉＣｏＯ２、５重量％のＴｉｍｃａｌ Ｓｕｐｅｒ Ｃ-４５導電性炭素及び５重量％のＫＹＮＡＲ７６１ ＰＶＤＦ結合剤からなる。ファラデーカソードは次のようにして作製した。７.２ｇのＬｉＣｏＯ２と０.４ｇの導電性炭素をＲｅｔｓｃｈ ＰＭ-１００ボールミル内において３５０ｒｐｍで１０分間粉砕した。混合物に０.４ｇのＰＶＤＦを加え、３５０ｒｐｍでさらに１０分間ボールミルで粉砕した。混合物に４ｍＬのＮ-メチルピロリジノン（ＮＭＰ）を加えてスラリーを形成し、実施例１で述べたような、無インクアルミニウム電流コレクタ上にスラリーをコーティングした。コーティングした電極を真空下１２０℃で乾燥させ、ポーチ型セル電極の寸法に打ち抜いた。次いで打抜き電極を真空下１２０℃で乾燥させた。実施例３のファラデーカソードは、Ｃ/ /Ｃ/ /Ｃ/ /Ｃ/ /Ｃ/ /Ｃ/ /Ｃで表すことができる。ここで、記号表記は実施例１で定義した通りである。集成されたセルまたはデバイスのコンポーネントの相対空間関係または配置は式（III）：
Ｃ/Ｓ\Ａ\Ｓ/Ｃ/Ｓ\Ａ\Ｓ/Ｃ/Ｓ\Ａ\Ｓ/Ｃ/Ｓ\Ａ\Ｓ/
Ｃ/Ｓ\Ａ\Ｓ/Ｃ/Ｓ\Ａ\Ｓ/ＣＳＣ’/Ｓ\Ａ\Ｓ/Ｃ’      （III）
で表すことができる。
【０１２３】
上述したファラデーアノード、活性炭非ファラデーカソード及びＬｉＣｏＯ２ファラデーカソード作用電極を、隣接する作用電極のそれぞれの間に挿入された適するセパレータを含めて、式（III）の順序及び数で、図１１に示されるように、適するハウジング内に配置した。電解質を電極間に加え、セルを密封した。例えば、ファラデーアノード電極はセパレータで隔てられたファラデーカソード電極と対をなし（Ｃ/Ｓ\Ａ\Ｓ/Ｃ）、ファラデーアノード電極はセパレータで隔てられた非ファラデーカソード電極と対をなす（Ｃ’/Ｓ\Ａ\Ｓ/Ｃ’）。
【０１２４】
セパレータ：
セパレータは、実施例１と同じく、ＮＫＫ ＴＦ-４４２５である。
【０１２５】
電解質：
用いた電解質は実施例１と同じである。
【０１２６】
電極を上述したように電力電極結合体及びエネルギー電極結合体に集成して、デバイス特性を測定した。
【０１２７】
ファラデーアノード、非ファラデーカソード及びＬｉＣｏＯ２含有ファラデーカソードの数を変えて別の構成を提供することができる。
【０１２８】
電力デバイスとしてのＩＥＰＤ電力性能：
実施例３のＩＥＰＤは、コンディショニング中、２.２Ｖと３.８Ｖの間のＣ/２充電／放電レートにおける１０サイクル後に、７３.９８２ｍＡｈ/ｇｍの放電容量を有していた。実施例３のＩＥＰＤは、２.２Ｖと３.８Ｖの間の約１００Ｃレートにおいて、１８.８３Ｗｈ/ｌ及び２４５２.７１２Ｗｈ/ｌのエネルギー密度を有していた。実施例３のＩＥＰＤは、２.２Ｖと３.８Ｖの間の１Ｃレートにおいて、２５.５５Ｗｈ/ｌのエネルギー密度を有していた。しかし、電極材料組成の選択に依存して、ＩＥＰＤの動作電圧は制御可能な態様で変わり得る。例えば、活性炭の純度が電圧の範囲を決定することができるから、活性炭（例えば、非ファラデーカソード）のタイプに依存して、電圧を２.２Ｖから４.２Ｖに広げることができる。
【０１２９】
エネルギー貯蔵電池デバイスとしてのＩＥＰＤ性能：
実施例３のＩＥＰＤは、５サイクルのコンディショニング後、３８３.１５５Ｗｈ/ｌの放電エネルギーを有していた。コンディショニングプロファイルは、３Ｖと４.２Ｖの間の充電−放電の、初めに約Ｃ/２０での２サイクル、次に約Ｃ/１０での２サイクル及び約Ｃ/５での最終サイクルを含む。実施例３のＩＥＰＤは、３Ｖと４.２Ｖの間の、１Ｃでの最初の放電サイクルにおいて３５６.５３８Ｗｈ/ｌ及び１Ｃレートでの３０サイクル後に３４０.１２３Ｗｈ/ｌのエネルギー密度を有していた。実施例３のＩＥＰＤは３０サイクル後に９５.３９０％のエネルギー密度保持率を有していた。しかし、電極材料組成の選択に依存して、ＩＥＰＤの動作電圧は制御可能な態様で変わり得る。例えば、ファラデーカソード材料は異なる電圧ウインドウを規定することができるから、ファラデーカソードにおける酸化リチウムマンガンニッケルの使用により、動作電圧を３Ｖから４.７Ｖに広げることができる。
【０１３０】
本開示のＩＥＰＤ実施例はそれぞれ、高い放電エネルギー密度及び高い電力密度を実証する。本開示のスタンドアロンＩＥＰＤは個別の電池と個別のキャパシタの結合を置き換えることができる。アノード及びカソードに対して異なる材料を選ぶことができ、アノード数とカソード数の比を所望の性能特性にしたがって調節することができる。
【０１３１】
実施形態において、ＩＥＰＤ電力電極結合体は、例えば、活性炭電極（すなわち、非ファラデーカソード）、及び一次黒鉛または硬質炭素の電極（すなわち、ファラデーアノード）を含むことができる。
【０１３２】
実施形態において、ＩＥＰＤエネルギー電極結合体は、例えば、黒鉛または硬質炭素、すなわち、一次黒鉛または硬質炭素と同じ黒鉛または硬質炭素あるいは異なる黒鉛または硬質炭素、及びＬｉＣｏＯ２電極（すなわち、ファラデーカソード）を含むことができる。ファラデーアノードとファラデーカソードは交互に配置してセパレータで隔てることができ、同じかまたは異なるファラデーアノードと非ファラデーカソードを交互に配置してセパレータで隔てることができる。ファラデーカソードと対にされたファラデーアノードの対の数及び非ファラデーカソードと対にされたファラデーアノードの対の数はデバイスの用途に応じて調節することができる。
【０１３３】
実施例は本開示の統合型エネルギー／電力デバイスの実現可能性及び運用性を実証し、このデバイスはその構成中に、所望のエネルギー用途または電力用途、あるいはエネルギー／電力用途に対して、構造上または寸法上、調節することができる。
【０１３４】
様々な特定の実施形態及び技法を参照して本開示を説明した。しかし、本開示の範囲内にとどまりながら。多くの変形及び改変が可能であることは理解されるはずである。
【０１３５】
以下、本発明の好ましい実施形態を項分け記載する。
【０１３６】
実施形態１  
リチウムイオンエネルギー／電力システムにおいて、
少なくとも３つの電極であって、
カソードファラデーエネルギー貯蔵材料を含む少なくとも１つの第１の電極、
アノードファラデーエネルギー貯蔵材料を含む少なくとも１つの第２の電極、及び
カソード非ファラデーエネルギー貯蔵材料を含む少なくとも１つの第３の電極、
を含み、
前記少なくとも１つの第１の電極が前記少なくとも１つの第２の電極に隣接し、前記少なくとも１つの第３の電極が前記少なくとも１つの第２の電極に隣接し、前記少なくとも１つの第２の電極が、電気的に結合された前記少なくとも１つの第１の電極と前記少なくとも１つの第３の電極から電気的に絶縁される、
少なくとも３つの電極、
隣接する電極の間に配置されたセパレータ、及び
隣接する電極の間の液体電解質、
を収める、
ハウジング、
を有する、システム。
【０１３７】
実施形態２  
前記第１の電極内の前記カソードファラデーエネルギー貯蔵材料がリチウム−遷移金属錯化合物を含み、前記第２の電極内の前記アノードファラデーエネルギー貯蔵材料が１〜５００ｍ２/ｇの小表面積を有するインターカレート硬質炭素またはインターカレート黒鉛を含み、前記第３の電極内の前記カソード非ファラデーエネルギー貯蔵材料が８００〜３０００ｍ２/ｇの大表面積を有する炭素を含む、実施形態１に記載のシステム。
【０１３８】
実施形態３  
前記カソードファラデーエネルギー貯蔵材料が、ＬｉＣｏＯ２、ＬｉＭｎ１.５Ｎｉ０.５Ｏ４、ＬｉＭｎ２Ｏ４、ＬｉＦｅＰＯ４、ＬｉＮｉＭｎＣｏＯ２、ＬｉＮｉＣｏＡｌＯ２またはこれらの混合物からなる群から選ばれるリチウム−遷移金属錯化合物であり、
前記アノードファラデーエネルギー貯蔵材料が、シリコンナノ粒子、多孔質シリコン、スズナノ粒子、グラフェン、酸化バナジウム由来化合物、カーボンナノチューブ、酸化チタン由来化合物、ゲルマニウム、アンチモン、黒鉛炭素、硬質炭素またはこれらの混合物からなる群から選ばれ、
前記カソード非ファラデーエネルギー貯蔵材料が、８００〜３０００ｍ２/ｇｍの表面積を有する活性炭、ここで前記活性炭は前記少なくとも１つの第３の電極内の総活性材料の内の５１〜１００重量％である、活性炭と黒鉛の混合物、活性炭と硬質炭素の混合物、またはこれらの混合物からなる群から選ばれる、
実施形態１または２に記載のシステム。
【０１３９】
実施形態４  
前記カソードファラデーエネルギー貯蔵材料、前記カソード非ファラデーエネルギー貯蔵材料及び前記アノードファラデーエネルギー貯蔵材料が、「Ｃ」をファラデーカソード、「Ｃ’」を非ファラデーカソード、「/」を片面コーティング、「/Ｃ/」を両面コーティングファラデーカソード、「Ｓ」をセパレータ、「\Ａ\」を両面コーティングファラデーアノードとして、式（Ｉ）、（II）または（III）：
Ｃ/Ｓ\Ａ\Ｓ/Ｃ/Ｓ\Ａ\Ｓ/Ｃ/Ｓ\Ａ\Ｓ/Ｃ/Ｓ\Ａ\Ｓ/ＣＳＣ’/Ｓ\Ａ\Ｓ/Ｃ’    （Ｉ）；
Ｃ/Ｓ\Ａ\Ｓ/Ｃ/Ｓ\Ａ\Ｓ/ＣＳＣ’/Ｓ\Ａ\Ｓ/Ｃ’                    （II）；
Ｃ/Ｓ\Ａ\Ｓ/Ｃ/Ｓ\Ａ\Ｓ/Ｃ/Ｓ\Ａ\Ｓ/Ｃ/Ｓ\Ａ\Ｓ/
Ｃ/Ｓ\Ａ\Ｓ/Ｃ/Ｓ\Ａ\Ｓ/ＣＳＣ’/Ｓ\Ａ\Ｓ/Ｃ’      （III）；
の内の少なくとも１つで表される相対空間関係を有するコンポーネントを含む、実施形態１から３のいずれかに記載のシステム。
【０１４０】
実施形態５  
前記少なくとも３つの電極の内の少なくとも２つが複数のカソードファラデーエネルギー貯蔵材料電極及び複数のカソード非ファラデーエネルギー貯蔵材料電極を含み、前記カソード非ファラデー電極の数に対する前記カソードファラデー電極の数の比が０.０１〜５０である、実施形態１から４のいずれかに記載のシステム。
【０１４１】
実施形態６  
電極のそれぞれに対する外部コネクタ、または２つ以上の同一の電極からなる群のそれぞれに対する外部コネクタをさらに有する、実施形態１から５のいずれかに記載のシステム。
【０１４２】
実施形態７  
電極のそれぞれに対する、または２つ以上の同一の電極からなる群のそれぞれに対する、それぞれの外部コネクタに接続された外部スイッチをさらに有する、実施形態６に記載のシステム。
【０１４３】
実施形態８  
前記アノードファラデーエネルギー貯蔵材料が銅箔電流コレクタ上にコーティングされ、前記カソードファラデーエネルギー貯蔵材料及び前記カソード非ファラデーエネルギー貯蔵材料がそれぞれ個別にアルミ箔電流コレクタ上にコーティングされる、実施形態１から７のいずれかに記載のシステム。
【０１４４】
実施形態９  
前記電解質が、非水性溶剤内のＬｉＰＦ６、オニウム塩及び非水性溶剤、またはこれらの組合せの内の少なくとも１つから選ばれる、実施形態１から８のいずれかに記載のシステム。
【０１４５】
実施形態１０  
前記電解質が第四級アンモニアカチオン及びテトラフルオロホウ酸アニオンを含み、前記非水性溶剤が、ニトリル、アルキルエステル、スルホン、エーテル、炭酸ジアルキル、炭酸ジアルキレン、フッ素化炭酸ジアルキレンまたはこれらの混合物の内の少なくとも１つから選ばれる、実施形態１から９のいずれかに記載のシステム。
【０１４６】
実施形態１１  
前記少なくとも３つの電極が、
リチウム含有化合物を含む前記少なくとも１つの第１の電極、
硬質炭素、黒鉛またはこれらの混合物の内の少なくとも１つを含む前記少なくとも１つの第２の電極、及び
０.２〜１.５ｃｍ３/ｇｍの高い多孔度及び８００〜３０００ｍ２/ｇの大表面積を有する活性炭を含む前記少なくとも１つの第３の電極、
を含み、
前記少なくとも１つの第１の電極が前記少なくとも１つの第２の電極に隣接し、前記少なくとも１つの第２の電極が前記第３の電極に隣接する、
実施形態１から１０のいずれかに記載のシステム。
【０１４７】
実施形態１２  
前記システムが、２０Ｗｈ/ｌ〜５００Ｗｈ/ｌのエネルギー密度を有し、システム電力が２００Ｗ/ｌ〜２００００Ｗ/ｌである、実施形態１から１１のいずれかに記載のシステム。
【０１４８】
実施形態１３  
統合型エネルギー／電力コンポーネントを有するエネルギーシステムにおいて、
少なくとも３つの電極であって、
リチウム−遷移金属化合物を含む少なくとも１つの第１の電極、
非活性化炭素を含む少なくとも１つの第２の電極、及び
活性炭を含む少なくとも１つの第３の電極、
を含み、
前記少なくとも１つの第１の電極が前記少なくとも１つの第２の電極に隣接し、前記少なくとも１つの第３の電極が前記少なくとも１つの第２の電極に隣接し、前記非活性化炭素が、電気的に結合された前記少なくとも１つの第１の電極のリチウム−遷移金属化合物と前記少なくとも１つの第３の電極カソードの前記活性炭から電気的に絶縁される、
少なくとも３つの電極、
前記電極間に配置されたセパレータ、及び
前記電極間の単一電解質組成物、
を収める、
単一ハウジング、
を有するシステム。
【０１４９】
実施形態１４  
前記少なくとも１つの第１の電極内の前記リチウム−遷移金属化合物がリチウム−遷移金属塩錯化合物を含み、前記少なくとも１つの第２の電極内の前記非活性化炭素が１〜５００ｍ２/ｇの小表面積を有する炭素を含み、前記少なくとも１つの第３の電極内の前記活性炭が８００〜３０００ｍ２/ｇの大表面積を有する活性炭を含む、実施形態１３に記載のシステム。
【０１５０】
実施形態１５  
前記単一電解質が、第四級アンモニウムテトラフルオロホウ酸化合物またはＬｉＰＦ６化合物から選ばれる塩及び、ニトリル、アルキルエステル、スルホン、エーテル、炭酸ジアルキル、炭酸ジアルキレン、フッ素化炭酸ジアルキレン、またはこれらの混合物の内の少なくとも１つから選ばれる非水性溶剤を含む、実施形態１３または１４に記載のシステム。
【０１５１】
実施形態１６  
統合型エネルギー／電力デバイスにおいて、
電力電極結合体及びエネルギー電極結合体内に配置された少なくとも３つの電極を有し、前記電力電極結合体が２.２〜３.８Ｖで動作し、前記エネルギー電極結合体が３.０〜４.２Ｖで動作する、デバイス。
【０１５２】
実施形態１７  
前記電力電極結合体が一次黒鉛または一次硬質炭素を含む少なくとも１つの電極と対にされた活性炭を含む少なくとも１つの電極を含み、
前記エネルギー電極結合体がリチウム化合物を有する少なくとも１つの電極と対にされた、活性炭、一次黒鉛または一次硬質炭素を含む少なくとも１つの電極を含む、
実施形態１６に記載のデバイス。
【０１５３】
実施形態１８  
前記電力電極結合体において、前記一次黒鉛または前記一次硬質炭素を含む電極が１０〜３００ｍ２/ｇｍの表面積を有し、前記活性炭を含む電極が５００〜２０００ｍ２/ｇｍの表面積を有する、及び
前記エネルギー電極結合体において、前記活性炭を含む電極が５００〜２０００ｍ２/ｇｍの表面積を有し、前記一次黒鉛または前記一次硬質炭素を含む電極が１０〜３００ｍ２/ｇｍの表面積を有し、前記リチウム化合物を含む電極がＬｉＣｏＯ２化合物を含む、
実施形態１７に記載のデバイス。
【０１５４】
実施形態１９  
実施形態１に記載の前記システムを使用する方法において、
電池として、前記システムを充電、放電または充放電する工程、
キャパシタとして、前記システムを充電、放電または充放電する工程、
あるいは、これらの工程の組合せ、
を含む、方法。
【０１５５】
実施形態２０  
前記システムを、輸送機関、家庭用電気製品、民生用電子デバイス、風力タービン、波力タービン、電力系統のコンポーネント、またはこれらの組合せの内の少なくとも１つと組み合わせて使用する工程をさらに含む、実施形態１９の方法。
【符号の説明】
【０１５６】
１００．２００  ＩＥＰＤデバイス
１０５    ハウジングまたはポーチケース
１１０    非ファラデーカソード
１１０ａ，１２０ａ，１２０ｂ，１３０ａ  外部コネクタ
１２０    ファラデーアノード
１２５．１２６    リード
１２５ａ    集合（外部）コネクタ
１３０    ファラデーカソード
１４０    セパレータ部材
１５０    電解質領域
５００，６００，７００    ファラデーアノード電極構成
５１０    硬質炭素
５２０    黒鉛
５３０    銅箔
８１０    リチウム−遷移金属錯化合物
８２０    活性炭
８３０    アルミニウム箔
９００    ファラデーカソード電極
１０００    非ファラデーカソード電極
１３００，１４００，１５００    ＩＥＰＤ構成
【図１】
2018507513.tif 000003
【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７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
2018507513.tif 000012
【図１１】
2018507513.tif 000013
【図１２Ａ】
2018507513.tif 000014
【図１２Ｂ】
2018507513.tif 000015
【手続補正書】
【提出日】平成29年10月16日(2017.10.16)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００７５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００７５】
作用電極には、例えば、１つの活性炭電極、１つの硬質炭素電極または黒鉛電極及び、ＬｉＣｏＯ２のような、リチウム金属−遷移金属錯化合物を含むことができる１つの電極を含めることができる。黒鉛電極または硬質炭素電極はアノードとして機能することができ、他の２つの電極はカソードとして機能することができる。連接する電極のそれぞれは、原料がセルロースまたはポリマーのセパレータのような、セパレータで隔てられる。電解質は、例えば、炭酸塩ベース電解質とすることができる。しかし、電解質は炭酸塩に限定されず、電解質溶剤として、ニトリル、エステル、スルホン、エーテル及び同様の化合物のような、またはこれらの混合物、並びに、塩として、例えば、リチウム、カリウム、ナトリウム、セシウム、アンモニウム及び同様のカチオンを含む塩、またはこれらの混合物のような、様々な溶剤と塩の組合せを含むことができる。リチウム塩の例は、ＬｉＰＦ６、ＬｉＢＦ４、ＬｉＳｂＦ６、ＬｉＡｓＦ6、ＬｉＣｌＯ４、ＬｉＣＦ３ＳＯ３、またはこれらの混合物である。好ましい電解質は、炭酸エチレン、炭酸ジメチル及びプロピオン酸メチルの体積比が２０：２０：６０の混合液内の１〜１.５Ｍ ＬｉＰＦ６の溶液に、さらに５重量％の炭酸フルオロエチレンを重畳した溶液である。
【国際調査報告】
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