(57)【要約】  一例において、固体バッテリー装置が提供される。装置は、複数のバッテリーセルデバイスを有し、デバイスのそれぞれはアノードデバイスと、電解質デバイスと、カソードデバイスと、を有する。装置は複数のバッテリーセルデバイスを特徴づける１からＮまで符号を振られた等価回路（ＥＣ）、複数のバッテリーセルデバイスを特徴づける充電状態及び、抵抗器、キャパシタ、または等価回路に設けられるその他の電気的パラメータを有する。
2018510487.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
１からＮまで符号を振られた複数の固体バッテリーセルのそれぞれに関連付けられた１からＮまで符号を振られた等価回路であって、前記固体バッテリーセルのそれぞれが、
基板部材上の第１の電流集電体と、
前記第１の電流集電体上のカソードデバイスと、
前記カソード上の電解質デバイスと、
前記電解質デバイス上のアノードデバイスと、
前記アノードデバイス上の第２の電流集電体と、を含み、
前記複数の固体バッテリーセルのそれぞれが、下限と上限との間の充電状態で動作可能である、等価回路と、
１リットルあたり５０ワット時より大きく、前記複数の固体バッテリーセルを特徴づけるより大きなエネルギー密度と、
前記カソードデバイスのそれぞれを特徴づけ、それぞれがアモルファスカソード材料を含む複数のコリメートされた柱状構造と、を含む、多層固体バッテリーデバイス。
【請求項２】
前記充電状態の下限が０．５％から７５％の範囲であり、前記充電状態の上限が２５％から９９．５％の範囲である、請求項１に記載のデバイス。
【請求項３】
前記カソードデバイスがアモルファスまたは結晶構造によって特徴づけられる、請求項１に記載のデバイス。
【請求項４】
前記アノードデバイスが金属膜を含む、請求項１に記載のデバイス。
【請求項５】
前記カソードデバイスが０．０５から２００ミクロンの範囲の厚さを有し、前記アノードデバイスが０．０２から２００ミクロンの範囲の厚さを有する、請求項１に記載のデバイス。
【請求項６】
前記複数のバッテリーセルが巻回され、または積層された、請求項１に記載のデバイス。
【請求項７】
ガラス構造、伝導性構造、金属構造、セラミック構造、プラスチックもしくはポリマー構造、または半導体構造の少なくとも１つからなる基板をさらに含み、または１つまたは複数の活性層が基板層を含みうる、請求項１に記載のデバイス。
【請求項８】
前記カソードデバイスの領域が約０．０５から約２００ミクロンの範囲の厚さを含む、請求項１に記載のデバイス。
【請求項９】
前記領域が、性質が実質的にアモルファスである、請求項１に記載のデバイス。
【請求項１０】
自己終端された、または終端後のコネクタ構成を使用する、並列または直列構成に構成された終端部をさらに含む、請求項１に記載のデバイス。
【請求項１１】
前記カソードデバイスの領域を特徴づける局所伝導性及び前記カソードデバイスを特徴づけるバルク伝導性をさらに含む、請求項１に記載のデバイス。
【請求項１２】
前記カソードデバイスが、リチウム化された、またはリチウム化されていない遷移金属酸化物及びリチウム化された遷移金属リン酸塩から選択された材料からなり、前記金属が周期表の３族から１２族であり、リチウムマンガン酸化物、リチウムニッケル酸化物、リチウムコバルト酸化物、リチウムニッケル−コバルト−マンガン酸化物、リチウムニッケル−コバルト−アルミニウム酸化物、リチウム銅−マンガン酸化物、リチウム鉄−マンガン酸化物、リチウムニッケル−マンガン酸化物、リチウムコバルト−マンガン酸化物、リチウムニッケル−マンガン酸化物、リチウムアルミニウム−コバルト酸化物、リチウム鉄リン酸塩、リチウムマンガンリン酸塩、リチウムニッケルリン酸塩、リチウムコバルトリン酸塩、バナジウム酸化物、マンガン酸化物、ナトリウム酸化物、硫黄、マグネシウムドープリチウムニッケル酸化物、ランタンドープリチウムマンガン酸化物、ランタンドープリチウムコバルト酸化物などの金属（Ｍｇ、Ｌａ）ドープリチウム金属酸化物を含むがそれらに限定されない、請求項１に記載のデバイス。
【請求項１３】
前記アノードデバイスが、リチウムチタン酸化物を含むがこれらに限定されないリチウム化された、またはリチウム化されていない遷移金属酸化物、ゲルマニウム酸化物、グラファイト、リチウム、シリコン、アンチモン、ビスマス、インジウム、スズ窒化物またはリチウムマグネシウム合金、リチウムアルミニウム合金、リチウムスズ合金、リチウムスズアルミニウム合金を含むがこれらに限定されないリチウム合金から選択された材料からなる、請求項１に記載のデバイス。
【請求項１４】
前記電解質デバイスが、リチウム化酸窒化物リン酸塩（ＬＩＰＯＮ）、ポリ（酸化エチレン）（ＰＥＯ）、リチウムランタンジルコニウム酸化物、リチウムランタンチタン酸化物、リチウムナトリウムニオブ酸化物、リチウムアルミニウムシリコン酸化物、リン酸リチウム、チオリン酸リチウム、リン酸リチウムアルミニウムゲルマニウム、リン酸リチウムアルミニウムチタン、ＬＩＳＩＣＯＮ（リチウム超イオン伝導体、一般にＬｉｘＭ１−ｙＭ’ｙＯ４（Ｍ＝Ｓｉ、Ｇｅ、Ｍ’＝Ｐ、Ａｌ、Ｚｎ、Ｇａ、Ｓｂ）で表される）、チオＬＩＳＩＣＯＮ（リチウム超イオン伝導体、一般にＬｉｘＭ１−ｙＭ’ｙＳ４（Ｍ＝Ｓｉ、Ｇｅ、Ｍ’＝Ｐ、Ａｌ、Ｚｎ、Ｇａ、Ｓｂ）で表される）、イオン伝導性が１０−５から１０−１Ｓ／ｍの範囲であるリチウムイオン伝導アルジロダイト（Ｌｉ６ＰＳ５Ｘ（Ｘ＝Ｃｌ、Ｂｒ、Ｉ））から選択された、請求項１に記載のデバイス。
【請求項１５】
前記複数の固体バッテリーセルの各対が、その間に接合材料を含む、請求項１に記載のデバイス。
【請求項１６】
前記カソードデバイスが複数の柱状構造を含む材料によって特徴づけられ、そのそれぞれが厚さの方向に沿って、前記材料の厚さの平面及び表面領域に対して実質的に垂直に延在する、請求項１に記載のデバイス。
【請求項１７】
前記カソードデバイスが複数の柱状構造を含み、前記柱状構造のそれぞれが底部領域及び上部領域を有し、前記柱状構造のそれぞれが複数のより小さな粒子状構造を含み、前記より小さな粒子状構造が前記柱状構造のそれぞれの内部に配置された、請求項１に記載のデバイス。
【請求項１８】
前記カソードデバイスが複数の柱状構造を含み、前記柱状構造のそれぞれが底部領域及び上部領域を有し、前記柱状構造のそれぞれが複数の粒子状構造を含み、前記粒子状構造のそれぞれが前記柱状構造のそれぞれの内部に配置され、前記柱状構造の各対が、前記柱状構造の対の間に設けられた複数の不規則形状の多面体構造を有する、請求項１に記載のデバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、電気化学セルの製造に関する。より具体的には、本開示は固体バッテリーデバイスのための方法及びデバイスを含む技術を提供する。単に例示として、本発明は、リチウムに基づくバッテリーセルの使用を伴って提供されているが、亜鉛、銀、鉛、ニッケルなどの材料からなるその他のバッテリーセルも同じ方法で、または同様に動作可能であることは理解されよう。さらに、そのような電池は、携帯電子機器（携帯電話、パーソナルデジタルアシスタント、ラジオプレイヤー、音楽プレイヤー、ビデオカメラなど）、タブレット、ラップトップコンピュータ、軍事用途（通信、照明、画像取得、衛星など）のための電源、航空宇宙用途（航空機、衛星及び超小型航空機）のための電源、車両用途（ハイブリッド電気車両、プラグインハイブリッド電気車両、全電動車両、電気スクーター、水中乗用機器、ボート、船舶、電動庭園用トラクター、電動乗用庭園デバイス）のための電源、遠隔操作デバイス（無人航空ドローン、無人航空機、ＲＣ車両）のための電源、ロボット製品（ロボット玩具、ロボット真空掃除機、ロボット庭園用ツール、ロボット建築機器）のための電源、パワーツール（電動ドリル、電動芝刈り機、電動真空掃除機、電動金属用グラインダー、電動ヒートガン、電動圧延ツール、電動のこぎり、電動カッター、電動サンダー、電動ポリッシャー、電動剪断機、電動ニブラー、及びルーター）のための電源、個人用衛生デバイス（電動歯ブラシ、ハンドドライヤー及び電動ヘアドライヤー）のための電源、ヒーター、クーラー、冷凍機、ファン、加湿器、その他の用途（全地球測位システム（ＧＰＳ）デバイス、レーザー距離計、フラッシュライト、電気式街灯、待機用電源、無停電電源、及びその他の携帯用電子機器、固定電子機器）のための電源などの、様々な用途に使用可能である。そのようなバッテリーの動作のための方法及びシステムもまた、バッテリーがシステム内の唯一の電源ではなく、追加的な電力が燃料電池、その他のバッテリー、ＩＣエンジンまたはその他の燃焼デバイス、キャパシタ、太陽電池、それらの組み合わせなどによって提供されるような場合にも適用可能である。
【背景技術】
【０００２】
通常の電気化学セルは、液体電解質を使用することが多い。そのようなセルは、典型的には多くの従来の用途に使用されている。電気化学セルを製造するための代替的な技術は、固体セルを含む。そのような固体セルは、一般には実験的な段階にあり、製造が困難であり、大規模な製造には成功していない。将来を期待されているが、セル構造及び製造技術の制限のために、固体電池は未だ成功していない。これらの、及びその他の制限は、本明細書を通して、より具体的には以下に説明されている。
【０００３】
従って、固体電池の製造を改善するための技術が強く望まれていることが分かる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許第８１９０３８４号明細書
【特許文献２】米国特許出願公開第２０１２／００４０２３３号明細書
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本開示によれば、電気化学セルの製造に関する技術が提供される。より具体的には、本開示は固体バッテリーデバイスのための方法及びデバイスを含む技術を提供する。単に例示として、本発明は、リチウムに基づくバッテリーセルの使用を伴って提供され、亜鉛、銀、鉛、ニッケルなどの材料からなるその他のバッテリーセルも同じ方法で、または同様に動作可能であることは理解されよう。さらに、そのような電池は、携帯電子機器（携帯電話、パーソナルデジタルアシスタント、ラジオプレイヤー、音楽プレイヤー、ビデオカメラなど）、タブレット、ラップトップコンピュータ、軍事用途（通信、照明、画像取得、衛星など）のための電源、航空宇宙用途（航空機、衛星及び超小型航空機）のための電源、車両用途（ハイブリッド電気車両、プラグインハイブリッド電気車両、全電動車両、電気スクーター、水中乗用機器、ボート、船舶、電動庭園用トラクター、電動乗用庭園デバイス）のための電源、遠隔操作デバイス（無人航空ドローン、無人航空機、ＲＣ車両）のための電源、ロボット製品（ロボット玩具、ロボット真空掃除機、ロボット庭園用ツール、ロボット建築機器）のための電源、パワーツール（電動ドリル、電動芝刈り機、電動真空掃除機、電動金属用グラインダー、電動ヒートガン、電動圧延ツール、電動のこぎり、電動カッター、電動サンダー、電動ポリッシャー、電動剪断機、電動ニブラー、及びルーター）のための電源、個人用衛生デバイス（電動歯ブラシ、ハンドドライヤー及び電動ヘアドライヤー）のための電源、ヒーター、クーラー、冷凍機、ファン、加湿器、その他の用途（全地球測位システム（ＧＰＳ）デバイス、レーザー距離計、フラッシュライト、電気式街灯、待機用電源、無停電電源、及びその他の携帯用電子機器、固定電子機器）のための電源などの、様々な用途に使用可能である。そのようなバッテリーの動作のための方法及びシステムもまた、バッテリーがシステム内の唯一の電源ではなく、追加的な電力が燃料電池、その他のバッテリー、ＩＣエンジンまたはその他の燃焼デバイス、キャパシタ、太陽電池、それらの組み合わせなどによって提供されるような場合にも適用可能である。
【０００６】
一例において、カソード材料は観察可能な不連続性を作り出すように堆積させることができ、多分散生成された円錐の任意の組み合わせの形態をとり、これらは、基板に対する円錐表面の勾配の変化とともに、さまざまに、プレートレット、円錐、逆円錐または正円筒、亀裂、連続的または不連続的多面体要素、穴、裂け目、またはその他の欠陥、付着物、堆積された層、３次元の、不規則な、堆積された多面体構造と組み合わせた前述の任意の幾何形状などの外観を様々に呈する表面不連続性でありうる。もちろん、その他の変更、改良、および代替がありうる。
【０００７】
従来の技術に対する利点が達成される。特定の実施形態に応じて、これらの利点の１つまたは複数が達成されうる。好適な実施形態において、本開示はバリア領域を含む適切な固体バッテリー構造を提供する。好適には、カソード材料は電気化学セルのための改善された電力密度を提供するように構成される。このカソード材料は、従来の処理技術の技法を用いて製造されうる。もちろん、その他の変更、改良、および代替がありうる。
【０００８】
本開示は、周知の処理技術の点で、これらの利点及びその他の利点を達成する。しかし、本開示の本質及び利点のさらなる理解は、明細書の後述の部分及び添付された図面を参照して実現されうる。
【０００９】
以下の図面は単なる例示であり、本願の特許請求の範囲を不当に限定するべきではない。当業者であれば、数多くのその他の変更、改良および代替を理解するであろう。本明細書に説明された例及び実施形態は、単に例示を目的とするものであり、それらに照らして様々な改良や変化を当業者に示唆し、これらは本プロセス及び添付された特許請求の範囲の思想及び範囲に含まれるものとすることも理解される。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本開示の一例に従う任意の数の代表的な並列抵抗及びキャパシタを有する等価回路モデルセットアップの簡略化された図である。
【図２】本開示の一例に従う並列接続された複数セルスタックまたはセルを表す等価回路モデルセットアップの簡略化された図である。
【図３】本開示の一例に従う直列接続された複数セルを表す等価回路モデルセットアップの簡略化された図である。
【図４】本開示の一例に従う並列及び直列接続が混合して構成された代表的な複数セルの等価回路モデルセットアップの簡略化された図である。
【図５Ａ】本開示の一例に従う機能傾斜材料の概略図である。
【図５Ｂ】本開示の一例に従う機能傾斜材料の概略図である。
【図６Ａ】本開示の一例に従って提供されるバッテリーセルの概略図である。
【図６Ｂ】アノードに穴を残してガラス基板内に拡散されたリチウムの顕微鏡画像である。
【図６Ｃ】アノードに穴を残してガラス基板内に拡散されたリチウムの顕微鏡画像である。
【図７】図７Ａから７Ｄは、本開示の一例に従う蒸着された金属膜に形成されたピンホールの画像の一覧を含む。
【図８Ａ】本発明の一例に従うアノード腐食の図である。
【図８Ｂ】本発明の一例に従うアノード腐食の図である。
【図９Ａ】本発明の一例に従うリチウムアノードめっきの概略を示す。
【図９Ｂ】本発明の一例に従うリチウムアノードめっきの概略を示す。
【図９Ｃ】本発明の一例に従うリチウムアノードめっきの概略を示す。
【図１０Ａ】本発明の一例に従うリチウムアノードめっきの顕微鏡写真を示す。
【図１０Ｂ】本発明の一例に従うリチウムアノードめっきの顕微鏡写真を示す。
【図１１Ａ】本発明の一例に従う応力及び剥離を示す。
【図１１Ｂ】本発明の一例に従う応力及び剥離を示す。
【図１２】本開示の一例に従う、様々な低カットオフ電圧および高カットオフ電圧でＣ／１０において放電した場合の、セル設計の放電体積エネルギー密度（Ｗｈ／ｌ）を示す等高線プロットの簡略図である。
【図１３】本開示の一例に従う、様々な低カットオフ電圧及び高カットオフ電圧で、高電力用途のために設計されたセルの動作時間（分）を示す等高線プロットの簡略図である。
【図１４】本開示の一例に従う、様々な低カットオフ電圧および高カットオフ電圧で、高電力用途のために設計された、処理条件を調整することによって改善された材料特性を有するセルの動作時間（分）を示す等高線プロットの簡略図である。
【図１５】本開示の一例に従う、様々な低カットオフ電圧および高カットオフ電圧で、ウェアラブルデバイス用途のために設計されたセルの放電体積エネルギー密度（Ｗｈ／ｌ）を示す等高線プロットの簡略図である。
【図１６】本開示の一例に従う、様々な低カットオフ電圧および高カットオフ電圧で、ウェアラブルデバイス用途のために設計された、処理条件を調整することによって改善された材料特性を有するセルの放電体積エネルギー密度（Ｗｈ／ｌ）を示す等高線プロットの簡略図である。
【図１７Ａ】本開示の一例に従う例示的な試験手順である。
【図１７Ｂ】本開示の一例に従う、キャパシティと、サイクル１放電キャパシティに対するサイクル１充電キャパシティのキャパシティ比との関係の図である。
【図１７Ｃ】本開示の一例に従う、キャパシティと、サイクル１放電キャパシティに対するサイクル１充電キャパシティのキャパシティ比との関係の図である。
【図１８】本開示の一例に従う、１Ｃエネルギー密度比と、Ｃ／１０エネルギー密度比との関係の図である。
【図１９】本開示の一例に従う、実験的な放電曲線並びに、マルチフィジックスシミュレーション及び等価回路モデルからシミュレートされた曲線の図である。
【図２０】本開示の一例に従う、巻回による複数積層固体バッテリーの概略図である。
【図２１】本開示の一例に従う、巻回後に切断することにより、複数積層固体バッテリーを製造する手順の概略図である。
【図２２】本開示の一例に従う、ｚ型折り畳みによる複数積層固体バッテリーの概略図である。
【図２３】本開示の一例に従う、ｚ型折り畳み後に切断することにより、複数積層固体バッテリーを製造する手順の概略図である。
【図２４】本開示の一例に従う、切断及び積層により複数積層固体バッテリーを製造する手順の概略図である。
【図２５】本開示の一例に従う、連続堆積プロセスによる積層固体バッテリーの概略図である。
【図２６】本開示の一例に従う、固体バッテリーにより電力供給される真空掃除機のブロック図である。
【図２７】本開示の一例に従う、固体バッテリーにより電力供給されるロボット製品のブロック図である。
【図２８】本開示の一例に従う、固体バッテリーにより電力供給される電気スクーターのブロック図である。
【図２９】本開示の一例に従う、固体バッテリーにより電力供給される航空ドローンのブロック図である。
【図３０】本開示の一例に従う、固体バッテリーにより電力供給される庭園ツールのブロック図である。
【図３１】本開示の一例に従う、固体バッテリーにより電力供給される乗用庭園トラクターのブロック図である。
【図３２】本開示の一例に従う、固体バッテリーにより電力供給されるヘアドライヤーのブロック図である。
【図３３】本開示の一例に従う、固体バッテリーにより電力供給されるスマートフォンのブロック図である。
【図３４】本開示の一例に従う、固体バッテリーにより電力供給されるラップトップ／タブレットのブロック図である。
【図３５】本開示の一例に従う、固体バッテリーにより電力供給される自動車のブロック図である。
【図３６】本発明の一実施形態に従う、アモルファスカソード材料の図の、簡略化された断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
固体バッテリーは、実験室での構成において、液体電解質を用いる従来のバッテリーに対していくつかの利点を有することが証明されている。安全はその最大のものである。固体バッテリーは、不要な反応、その結果の熱暴走及び最悪の場合には爆発を引き起こす液体を含まないため、本質的に液体電解質セルよりも安定である。固体バッテリーは、従来のバッテリーと比較して、同じ体積で３０％以上多いエネルギー、または同じ質量で５０％以上多いエネルギーを蓄積することができる。１００００サイクルを超える良好なサイクル性能及び良好な高温安定性も報告されている。
【００１２】
バッテリーに関して、いくつかの用途では、現在のバッテリーの状態を表すが、直接測定できない場合がある、特定の放電深度（ＤＯＤ）の範囲及び充電深度（ＤＯＣ）の範囲を制限できることが望ましい。バッテリーシステム、特に、バッテリー寿命を損なうことなく、可能な限り積極的に長期間及びサイクルの動作を行う必要のあるシステム、例えばハイブリッド電動車両のバッテリー、ラップトップコンピュータのバッテリー、携帯ツールのバッテリーなどにおけるシステムに関して、さらにバッテリーの電力／エネルギー出力を制御することができ、バッテリーを充電する必要があるかどうかを判断し、バッテリーの健全性を判断することが可能となるように、充電状態に関する情報は正確かつ高速であることが望ましい。
【００１３】
一例として、バッテリーセルに関するパラメータの推測の使用が、Ｚｈａｎｇらにより出願され、ミシガン州アンナーバーのＳａｋｔｉ３，Ｉｎｃに譲渡された特許文献１に説明されており、これは参照によりその全体が本明細書に組み込まれている。この充電状態の範囲を制御された手法は、セル／バッテリーのエネルギー密度を犠牲にすることなく、固体バッテリーのサイクル能力を向上させる。非常に成功しているが、この手法はさらに改善可能である。本開示のさらなる詳細が、本明細書を通して、以下により具体的に示されている。
【００１４】
Ｉ．バッテリーセルは、等価回路モデル（ＥＣＭ）を用いて、任意の精度で表すことが可能である（例えば、ＥＣ−ｎ、ＥＣ−ｎ，ｍ）。
図１は、任意の数の代表的な並列の抵抗及びキャパシタを有する等価回路バッテリーセルモデルセットアップを示している。等価回路モデルは、少なくとも理想的なＤＣ電源と、内部抵抗と、任意の数の代表的な並列の抵抗及びキャパシタと、を含み、任意の数は、任意の正の整数及びゼロ並びに／または直列構成のそのようなデバイスの組み合わせを含む。一例として、図１の１４として示されるＥＣ−０は、ＤＣ電源Ｅと、内部抵抗Ｒ０と、０個の代表的な並列の抵抗及びキャパシタと、を含む回路モデルを意味する。別の例として、図１の１５として示されるＥＣ−２は、ＤＣ電源Ｅと、内部抵抗Ｒ０と、Ｃ１及びＲ１、並びにＣ２及びＲ２の対を含む、２つの代表的な並列の抵抗及びキャパシタと、を含む回路モデルを意味する。代替的に、図１の１６で示されるＥＣ−ｎは、ＤＣ電源Ｅと、内部抵抗Ｒ０と、Ｃ１及びＲ１、Ｃ２及びＲ２、…Ｃｎ及びＲｎのｎ個の対を含む、ｎ個の代表的な並列の抵抗及びキャパシタと、を含む回路モデルを意味する。等価回路モデルＥＣ−ｎについて、出力電圧は
【００１５】
【数１】
2018510487.tif 000003
【００１６】
であり、Ｅはバッテリーセルの開回路電圧であり、ｓｏｃはバッテリーセルの充電状態であり、ｉＬはバッテリーセルの用途に関して印加される負荷電流であり、ｉｉは抵抗Ｒｉを通る電流である。ｉｉは、
【００１７】
【数２】
2018510487.tif 000004
【００１８】
によって、電流バランス
【００１９】
【数３】
2018510487.tif 000005
【００２０】
を介して定式化された差分方程式の解として計算され、
【００２１】
【数４】
2018510487.tif 000006
【００２２】
及びｔは時間である。
【００２３】
並列に接続された複数のセルスタックからなる固体バッテリーセルに関して、各セルスタックはＥＣＭモデルで表すことができ、これは、図２にＥＣ−ｎ，１として示されている。ｍ個のセルスタックからなる固体バッテリーセルに関しては、図２に示されるように、ＥＣ−ｎ，１、ＥＣ−ｎ，２からＥＣ−ｎ，ｍまで符号が付与されたｍ個のＥＣ−ｎユニットで表すことができる。
【００２４】
並列に接続された複数のセルからなる固体バッテリーパックに関して、各セルは、ＥＣＭモデルによって表すことができ、図２のＥＣ−ｎ，ｍとして表される。ｍ個のセルからなる固体バッテリーパックに関して、図２に示されるように，ＥＣ−ｎ，１、ＥＣ−ｎ，２からＥＣ−ｎ，ｍまで符号が付与されたｍ個のＥＣ−ｎユニットで表すことができる。
【００２５】
直列に接続された複数のセルからなる固体バッテリーパックに関して、各セルはＥＣＭモデルで表すことができ、図３のＥＣ−ｎ，ｍとして表される。ｍ個のセルからなる固体バッテリーパックに関して、図３に示されるように，ＥＣ−ｎ，１、ＥＣ−ｎ，２からＥＣ−ｎ，ｍまで符号が付与されたｍ個のＥＣ−ｎユニットで表すことができる。
【００２６】
直列および並列接続が混合して構成された複数のセルからなる固体バッテリーパックに関して、各セルはＥＣＭモデルで表すことができ、図４のＥＣ−ｎ，ｍとして表される。図４に示されるようなこの特定の例において、ＥＣ−ｎ，２及びＥＣ−ｎ，３は最初に並列に接続され、２つのセルのこのグループは次いでＥＣ−ｎ，１と直列に接続される。別の実施形態において、複数のバッテリーグループが直列に接続され、各グループは並列に接続された複数のセルを有し、各セルはＥＣ−ｎモデルで表される。
【００２７】
ＩＩ．物理的観点から見たＳＯＣ制御における予期しない利点
ＩＩ．Ｉ  容量保持及び機能傾斜材料
一例において、本開示は、機能傾斜特性を有する固体バッテリーのカソードにおける充電状態を制御することの予期しない利点について説明する。機能傾斜材料（ＦＧＭ）は、体積に渡って次第に組成及び構成を変化させ、材料の特性に対応する変化をもたらすことによって特徴づけることができる。図５Ａ及び５Ｂの例として、カソードは、堆積中にプロセス圧力を制御することによって、堆積が進行することにつれて質量密度が減少するように作られる（図５Ａ）。そのようなバッテリーにおいて、電解質に近接するカソードの上部における低密度材料は、リチウムイオン拡散率がより高く、そのため高出力用途に対して良好に機能する。集電体に近接する領域において拡散率が低いと、リチウムがカソードを通って集電体まで拡散することを防止する。電解質に近接する高拡散率領域及び集電体に隣接する底部における低拡散率領域を含むこの機能傾斜カソード材料（図５Ｂ）は、高出力性能及び容量保持の両方に関して特徴的な組合せを提供する。一例において、低拡散率領域は、１×１０−１９ｍ２／ｓから１×１０−５ｍ２／ｓの範囲の拡散率を有し、高拡散率は、１×１０−１７ｍ２／ｓから１×１０−５ｍ２／ｓの範囲の拡散率の値を有する。一例において、機能傾斜特性はまた、電気伝導性σ（ｘ，ｙ，ｚ）、誘電率ε（ｘ，ｙ，ｚ）、質量密度ρ（ｘ，ｙ，ｚ）、ヤング率Ｅ（ｘ，ｙ，ｚ）、熱伝導率κ（ｘ，ｙ，ｚ）、熱膨張定数α（ｘ，ｙ，ｚ）、比熱Ｃｐ（ｘ，ｙ，ｚ）、濃度膨張率αｃ（ｘ，ｙ，ｚ）、反応定数κ０（ｘ，ｙ，ｚ）、及び電位Ｅ（ｘ，ｙ，ｚ）を含むことができる。一例において、ＦＧＭカソードの拡散率は、一方向（ｚ方向）にのみ変化し、ｘ及びｙ方向には一定である。他の例において、カソードの拡散率は、ｘ−ｚ、ｙ−ｚ及びｘ−ｙ平面において変動する。本開示は、電圧範囲及び放電深度を画定し、制御することによって、カソード及び固体バッテリーのこれらの利点を利用する方法を提供する。
【００２８】
基板内に入るリチウム（具体的実施形態：ガラス）
特定の実施形態において、本開示は、固体バッテリー内の不活性層内へのリチウムイオンの喪失を防ぐ方法を提供する。固体バッテリーにおいて、カソードが約１００μｍまたはそれ以上の厚い金属箔で覆われ、圧着された粒子ベースのバッテリーとは異なり、集電体の厚さが数ミクロン又はそれ未満のオーダーであるため、リチウムイオンがカソード、集電体を通して拡散し、基板まで到達しうる。リチウムイオンが基板に到達すると、イオンはガラス基板のバルク内に拡散し、またはポリマー材料と反応して、不可逆的反応を生じうる。図６Ａは、本開示の例に従って提供されたバッテリーセルの概略図である。研究実験室で開発された固体バッテリーでは、金や白金などの貴金属材料が、基板と集電体との間の障壁層として使用されるが、これらの材料の使用は、材料が極めて高価であるためにバッテリーには実用的でない。図６Ｃは、基板の背面から光源で照射された固体バッテリー内の２つの集電体間の領域を示しており、リチウム層内に形成された多数のピンホールが見られる。図６Ｂは、同じ領域の断面ＳＥＭ画像であり、ガラス基板内にリチウムイオンが喪失することによって形成されたピンホールを特定している。本開示は、リチウムが、カソード内を、集電体から離れて電解質の近傍まで到達しうる領域を制限し、本質的に基板内のリチウムの喪失を防ぐ。集電体に近接する領域において拡散率が低いと、リチウムがカソードを介して集電体まで拡散することを防ぐ。電解質に近い高拡散率領域及び集電体に隣接する底部における低拡散率領域を含むこの機能傾斜カソード材料は、高電力性能及び容量保持の両方に関して特徴的な組合せを提供する。すなわち、リチウムはカソードの特定の空間領域内を移動し、そのような空間領域内で閉じ込められ、その一方、その領域から離れてとどまり、これは、バルク基板またはその他の領域への拡散を引き起こす可能性がある。一例として、リチウムイオンのうち９５％が電解質−カソード界面からカソード集電体の方へ、カソード厚さの９５％内へ閉じ込められる。もちろん、その他の変更、改良及び代替がありうる。
【００２９】
集電体内のピンホール
特定の実施形態において、本開示は、固体バッテリー内の初期エネルギー損失及び容量喪失につながる集電体内のピンホールを通るリチウムの拡散を防ぐ方法を提供する。本方法は、化学量論的カソードに対するリチウム元素の数を決定する、充電状態を特に制限する、安定化されたサイクル範囲を提供する。セルは、下限と上限との間の充電状態で動作可能である。一例として、下限の充電状態は０．５％から７５％の範囲であり、上限の充電状態は２５％から９９．５％である。放電時、リチウムはカソード内に移動し、集電体と接触を開始する。特定の厚さ、例えばアルミニウム膜では２５ミクロン未満の、高速蒸着で形成された集電体は、図７Ａから７Ｄに示すように複数のピンホールを含む可能性があり、集電体及びそのピンホールに到達したリチウムイオンは、基板内に拡散し、不可逆反応で失われる可能性がある。
【００３０】
本開示は、リチウムがカソード内で集電体から離れて電解質の近傍に到達することができる領域を制限し、基板内のリチウムの喪失を本質的に防ぐ。集電体近傍の領域で拡散率が低いと、リチウムがカソードを介して集電体まで拡散することを防ぐ。この、電解質近傍の高拡散率領域及び集電体に隣接する底部における低拡散率領域を含む機能傾斜カソード材料は、高電力性能及び容量保持の両方に関して特徴的な組合せを提供する。すなわち、リチウムはカソードの特定の空間領域内を移動し、そのような空間領域内で閉じ込められ、領域から離れてとどまり、これはバルク基板またはその他の領域内への拡散を引き起こす可能性がある。一例として、９５％のリチウムイオンが電解質−カソード界面からカソード集電体の方へ、９５％のカソード厚さの中に閉じ込められることとなる。
【００３１】
アノード腐食
特定の実施形態において、本開示は、固体バッテリーデバイスがアノード層内でリチウム腐食を生じることを防ぐ方法を提供する。本方法は、放電深度、具体的にはサイクル電圧の下限の安定化及び固体バッテリーの完全放電の防止を含む。放電において、リチウムアノード層の一部は、電解質を介してカソード内に挿入され、元の領域のリチウム層のある程度の部分はその後のサイクルについて伝導及び拡散経路が維持されたままになる。固体バッテリーが完全に放電され、または過放電されると、これはアノード内のリチウムの顕著な部分をカソードに移動させることとなるが、アノード内に残ったリチウムが非常に薄くなり、酸素、窒素及び水などのリチウムを腐食させる化学種の影響を受けやすくなりうる。リチウム酸化物、窒化物、及びリチウム水酸化物の形成は不可逆的であり、これらの反応で消費されるリチウムは、さらなるサイクルのために回収することができない（図８Ａ及び８Ｂ）。そのため、本発明は、デバイス内の活性なリチウムの喪失を防止することにより、固体バッテリー内の初期または特定の容量を保持する方法を提供する。
【００３２】
反応性リチウムを保護する仕組みは、過放電の制限によってリチウムを腐食から保護することである。発明者は、過放電がカソード集電体及びその他の不活性層に関して基板内へのリチウムの拡散をもたらすことを特定した。発明者はさらに、過放電が、リチウムをアノードの空間領域内へ取り込むように設計された障壁またはその他の層内へのリチウムの拡散をもたらすことを発見した。一例として、そのような層はミシガン州アンナーバーのＳａｋｔｉ３，Ｉｎｃへ譲渡されたＫｉｍらの特許文献２に説明されており、その全体が参照により本明細書に組み込まれている。
【００３３】
リチウムアノードめっき
特定の実施形態において、本開示は、優先リチウムめっき及びその結果もたらされる固体バッテリーデバイスのエネルギー損失に対する防止技術を提供する。優先リチウムめっきとは、充電時における電解質とアノードとの界面に渡る不均一なリチウムの拡散、または局所めっきを指している。この現象は、図９Ａから９Ｃ並びに図１０Ａ及び１０Ｂに示されるように、アノード層内のある領域において、アクセス可能なリチウムの喪失に起因する、その後の放電サイクルにおける容量の低下につながる。図９Ａから９Ｃは、再充電時における不均一なリチウムアノードめっきの概略を示している。これは、不均一な電流分布及び過剰に局所化された電流分布につながる。図１０Ａ及び１０Ｂは、本発明の例に従うリチウムアノードめっきの顕微鏡写真を示している。
【００３４】
リチウムめっきに関する他の論点は、リチウムイオン及び電子のための拡散及び伝導経路を提供するアノードに渡る不連続性に起因するインピーダンスの増加である。そのような不連続性は、アノード空間領域内にリチウムの不均質な分布を生じさせ、これは均質に分布した材料にわたって全充電密度を減少させることにつながる可能性がある。いくつかの場合には、この不均質性は、ｘ−ｙ平面におけるドメインに渡る伝導パスが存在しないように、アノード領域を浸透されない、すなわち十分に分散されず接続されない状態にするのに十分でありうる。
【００３５】
応力及び剥離層
特定の実施形態において、本開示は、個別の膜及び多層内の応力を抑制する方法を提供する。前述の固体バッテリーのサイクル動作は、リチウムをカソードとアノード層との間で輸送することによって、顕著な挿入により誘導された応力を生じる。これは、特に、リチウムの腐食並びに／または集電体及び基板内への望ましくないリチウムの拡散と組み合わせて、膜のひび割れ及び剥離を生じうる。高い膜応力に起因するセル層における破砕またはひび割れは、不連続性、回路短絡及び電流漏洩を生じさせ、これは低いエネルギー密度及び短いサイクル寿命につながる。応力誘導される膜のひび割れ及び層間破砕の例は、図１１Ａ及び１１Ｂに示されている。
【００３６】
本開示は、サイクル動作間の挿入誘導される歪み及び応力を低減し、そのため固体バッテリー層内のバッテリーのひび割れ及び剥離を防ぐために、充電状態を安定化する方法を提供する。充電状態の安定化は、充電状態がバッテリーセル内の挿入応力の状態を決定するため、応力の状態を支配する。一例において、過放電は、アノード空間領域内に材料が残らないこととなり、電解質とアノード空間領域との間に応力がゼロの境界を生じることとなる。これは、アノード層の存在がセルの動作中に電解質に密着力を生じるため、今度は電解質にひび割れまたはその他の損傷を引き起こす可能性がある。別の例において、セルの過放電は、カソード空間領域内の１つまたは複数のリチウムの多い層の形成を引き起こす可能性があり、これは、カソード空間領域の境界の応力の変化をもたらす。別の例において、カソード集電体内のアノード材料の集中を引き起こす過放電は、不可逆的なひび割れまたは剥離を含むその他の損傷につながるカソード表面上の集電体の応力を変化させる可能性がある。これらの、例えば電極もしくは電解質への損傷または任意の層の間の電気的接触の喪失などの現象のいずれも、セルのエネルギー密度の現象をもたらす。
【００３７】
固体バッテリーセルのサイクル動作中に充電状態（ＳＯＣ）を制御することは予期しない利点を有する。これらの利点はさらに、以下に説明される基礎的な物理メカニズムによって説明される。
【００３８】
ＩＩＩ．ＳＯＣを制御することによって設計されるエネルギー密度、等高線プロット
固体バッテリーは従来のバッテリーよりもずっと高いエネルギー密度を有するため、これらのバッテリーは制限されたＳＯＣ（完全なＳＯＣ範囲でない）でサイクル動作しても、非常に高いエネルギー密度をもたらすことが可能である。図１２は、様々な高カットオフ及び低カットオフ電圧においてＣ／１０で放電した場合の例示的なセル設計の放電体積エネルギー密度（Ｗｈ／ｌ）を示している。７００Ｗｈ／ｌ（または８００Ｗｈ／ｌ、９００Ｗｈ／ｌ、もしくは１０００Ｗｈ／ｌ）より大きいエネルギー密度をもたらしうる非常に幅広い選択肢が存在することが示されている。
【００３９】
ＩＶ．高電力のための、ＳＯＣを制御することによる高電力用途のために設計された動作時間
固体バッテリーは従来のバッテリーよりずっと高いエネルギー密度を有するため、これらのバッテリーは、制限されたＳＯＣ（完全なＳＯＣ範囲でない）でサイクル動作しても、非常に高いエネルギー密度をもたらすことが可能である。そのようなバッテリーを使用する特定の高出力用途に関して、応用デバイスは、そのようなバッテリーを使用してより長い時間動作することが可能である。図１３は、様々な高カットオフ及び低カットオフ電圧において、２５Ｗの非常に高い電力で放電した場合の例示的なセル設計の動作時間（分）を示している。
【００４０】
バッテリー材料の特性は、バックグラウンドガスの種類、バックグラウンドガスの分圧及び基板温度などの処理パラメータを変更することによっても調整可能である。一例として、ガス圧力を増加させると、質量密度の低下及び拡散率の増加をもたらす。別の例として、ガスの種類を変更すると、膜組成の様々な化学種の濃度を変化させることができる。図１４は、様々な高カットオフ及び低カットオフ電圧における、２５Ｗの非常に高い電力で放電した場合の改善された材料特性を有する例示的なセル設計の動作時間（分）を示している。このセル設計において、セルは、薄く柔軟な基板の上に堆積される。
【００４１】
Ｖ．ウェアラブルデバイス用途を目標とするセルのために設計されたエネルギー密度
固体バッテリーは従来のバッテリーよりずっと高いエネルギー密度を有するため、これらのバッテリーは、制限されたＳＯＣ（完全なＳＯＣ範囲でない）でサイクル動作しても、非常に高いエネルギー密度をもたらすことができる。そのようなバッテリーを使用する特定のウェアラブルデバイス用途について、図１５は、様々な高カットオフ及び低カットオフ電圧において、６７ｍＡで放電した場合の例示的なセル設計の実現可能なエネルギー密度を示している。
【００４２】
バッテリー材料の特性は、処理パラメータを変更することによって調整することもできる。図１６は、様々な高カットオフ及び低カットオフ電圧において、６７ｍＡで放電した場合の、改善した材料特性を有する例示的なセル設計の実現可能なエネルギー密度を示している。このセル設計では、セルは薄く柔軟な基板上に堆積される。
【００４３】
１．容量喪失
図１７Ａは、共通試験手順を示している。Ｃ／１０におけるサイクル０充電は、確実に各セルが初期の３．７Ｖを有するように使用される。次に、Ｃ／１０でサイクル１放電及びサイクル１充電を行う。試験は、サイクル数を増やして行う。図１７Ｂは、容量比に対する規格化した容量を示している。容量の値は、セルの寸法及び材料の特性を含む実際のセルの仕様で、マルチフィジックスシミュレーションを用いたシミュレーション容量で規格化されている。図１７Ｂは、規格化された容量と、サイクル１の放電容量に対するサイクル１の充電容量の容量比との関係を示す。図１７Ｃは、規格化された容量と、サイクル１の充電容量に対するサイクル２の放電容量の容量比との関係を示す。データ群は、図１７Ｂではより分散しており、図１７Ｃでは比１においてより多くのデータが集まっている。この結果は、容量の損耗が、サイクル１の放電ステップにおいて最も多く発生していることを示している。
【００４４】
機能傾斜材料
図１８は、１Ｃエネルギー密度比とＣ／１０エネルギー密度比との関係を示す。比は、セル寸法および材料特性を含む実際のセルの仕様でマルチフィジックスシミュレーションを用いたシミュレーションエネルギー密度の結果によって規格化された実験結果によって計算される。この図は、１Ｃにおけるセル性能のほとんどがシミュレーションの結果よりも優れているのに対し、Ｃ／１０におけるセル性能のほとんどがシミュレーションの結果よりも悪いことを示している。図は、均一な材料特性の仮定でのマルチフィジックスシミュレーションが同時に２つの異なる放電率における結果と整合できないように、機能傾斜材料のような不均一な材料を作ることが可能であることを示している。
【００４５】
放電曲線の比較
図１９は、実験で得られた放電曲線、マルチフィジックスシミュレーションで得られた放電、及び結果にフィットさせた等価回路モデルを示している。マルチフィジックスシミュレーションは、３Ｄ有限要素シミュレーションに基づいている。図１に１７として示されたＥＣ−１モデルタイプが、等価回路モデルとして使用される。セルの寸法および材料特性を含む実際のセルの仕様でのマルチフィジックスシミュレーションは、実験で得られた放電曲線とよく整合する。Ｒ１＝２００Ω、Ｒ０＝１００Ω及びＣ１＝０．０００５Ｆのフィッティングパラメータでの等価回路モデルも、実験結果に近い整合した放電曲線を示す。
【００４６】
例１：巻回による複数積層固体バッテリーの構築：一例として、本発明は、固体バッテリーのための基板として０．１から１００μｍの範囲の厚さを有する柔軟な材料を用いる方法を提供する。柔軟な材料は、ＰＥＴ、ＰＥＮなどのポリマー膜、または銅、アルミニウムなどの金属箔から選択可能である。柔軟な基板上に固体バッテリーを含む堆積された層は、円筒形に巻回され、または巻回された後に角柱形状に圧縮可能である。図２０は、本発明の一例として巻回されたセル２０００の図を示す。巻回されたセル２０００はさらに、図２１に示されるようにエネルギー密度を最大化させるために、丸角を切断することによって処理可能である（２１００）。
【００４７】
例２：ｚ型折り畳みによる複数積層固体バッテリーの構築：一例として、本発明は、固体バッテリーの一部となり得る柔軟な基板を用いる方法を提供する。図２２に示されるように、柔軟な基板２２００上の固体バッテリーの堆積された層は、ｚ型に積層可能である。ｚ型に折り畳まれたセル２２００はさらに、図２３に示されるように、エネルギー密度を最大化するために、セル（２３００）の２つの側面を切断しこれらを終端することによって処理されうる。プロセスシーケンスを入れ替えることにより、複数積層バッテリーの別の構成が、個別の層２４０１を切断し、次いで図２４に示されるようにそれらを積層する（２４０２）ことにより製造されうる。
【００４８】
例３：反復堆積プロセスによる複数積層固体バッテリーの構築：一例として、本発明は、複数の堆積プロセスの間に基板を移動することにより、複数積層固体バッテリーを構築する方法を提供する。プロセスのシーケンスをＮ回繰り返すことにより、固体バッテリーデバイス２５００は、図２５の概略図に示されるように、Ｎ回の積層を有する。
【００４９】
例４：真空掃除機：図２６は、電動真空掃除機１００の制御手段及びそのようなデバイスの電源手段を概略的に示す。マイクロコントローラ１０１の形態の制御手段は、吸引センサ１０３、塵センサ１０４及びバッグが一杯になったことを検出するセンサ１０６等の様々なセンサから受け取った信号を処理し、適切に真空ポンプ１０７を駆動するために情報をマイクロコントローラ１０１に戻すために、アプリケーションデリバリーコントローラ１０２を通して適切な制御回路及び処理機能を含む。そのようなデバイスの電源は、固体バッテリー／パック１０９から電源を供給される。本発明の特定の実施形態は、バッテリー管理システム１１０に実装され、これは、動作の間必要な電力を達成し、固体バッテリー／パックのサイクル寿命を延長させるために、固体バッテリー／パックの充電状態を制御し、監視する。外部電源は、固体バッテリー／パックを再充電するために、電源ユニット１１２を通して、ＡＣ／ＤＣ変換器１１１を通して接続可能である。
【００５０】
例５：ロボット製品：図２７は、電気ロボット製品２００の制御手段及びそのようなデバイスの電源手段を概略的に示す。この例において、３軸制御動作アームが、特定のタスクを実行するために動作するように、同様の製品がどのようにロボット技術を使うかを示す例として使用される。そのようにして、あらゆる製品が、所望のタスクを完了するように動作可能であるように、ロボット技術を有する電力補助されたデバイスの様々な手段がある。マイクロコントローラ２０１の形態のこのロボット製品の制御手段は、命令入力ユニット２０３を通して、または障害センサ２０４、アーム位置センサ２０９及びプログラム受信センサ２０２等の様々なセンサからの、そして情報をマイクロコントローラ２０１に戻し、適切にモーター２０７を駆動し、案内ホイール２０６及び駆動ホイール２０５に電源を供給し、所望の構成に３軸制御動作アーム２０８を位置させる、適切な制御回路及び処理機能を含む。そのようなデバイスの電源は、固体バッテリー／パック２１２によって電力を供給される。本発明の特定の実施形態は、バッテリー管理システム２１０に実装され、これは動作中に必要な電力を達成し、固体バッテリー／パックのサイクル寿命を延長するために固体バッテリー／パックの充電状態を制御し、監視する。外部電源は、固体バッテリー／パックを再充電するために、電源ユニット２１４を通して、ＡＣ／ＤＣ変換器２１３を通して接続可能である。
【００５１】
例６：電気スクーター：図２８は、電気スクーター３００の制御手段及びそのような車両の電源手段を概略的に示す。マイクロコントローラ３０１の形態の制御手段は、スロットル３０４、リアライトアセンブリ３１２、フロントライトアセンブリ３１３及びブレーキアセンブリ３０２から受信した信号を処理するために、マイクロコントローラ３０１を介した適切な制御回路及び処理機能を含む。電気スクーターでは、主なフィードバック制御は、乗員自身によって提供される。従って、制御アルゴリズムはあまり洗練されていない。電気スクーターのための電源は、固体バッテリー／パック３０８によって電源を供給される。本発明の特定の実施形態は、バッテリー管理システム３０７に実装され、これは動作の間に必要な電力を達成し、固体バッテリー／パックのサイクル寿命を延長するために、固体バッテリー／パックの充電状態を制御し、監視する。外部電源は、固体バッテリー／パックを再充電するために、電源ユニット３１０を通して、ＡＣ／ＤＣ変換器３０９を通して接続されうる。
【００５２】
例７：航空ドローン：図２９は、電動航空ドローン４００の制御手段及びそのような車両の電源手段を概略的に示す。この種類の無線制御フィーチャーのために、これらの種類のデバイスは、２つの部品、すなわち地上局及び航空ドローン自体を含む。マイクロコントローラ４０１の形態の航空ドローンのための制御手段は、適切な制御回路、航空ドローンの位置を特定し、慣性測定ユニット４０３、全地球測位システム受信器４０４及び３軸磁力計４０５を用いて航空ドローンの飛行状態を制御し、これらのデータをマイクロコントローラ４０１に供給して、推進アセンブリ４１３を駆動するためにサーボモーター４１０を制御するためのデータ取得モジュール４０２を含む。地上局は、遠隔制御送信器４１９を通して航空ドローンを制御することができ、航空ドローンは、測量画像またはデータを、地上局遠隔制御受信器４２０とともに無線制御ユニット４０８を通して地上局に戻すことができる。地上局コンピュータユニット４１８は、遠隔制御送信器及び受信器を制御する。航空ドローンのための電源は、固体バッテリー／パック４１５によって電源を供給される。本発明の特定の実施形態は、バッテリー管理システム４１４に実装され、これは、動作の間に必要な電力を達成し、固体バッテリー／パックのサイクル寿命を延長させるために固体バッテリー／パックの充電状態を制御及び監視する。外部電源は、固体バッテリー／パックを再充電するために、電源ユニット４１７を通して、ＡＣ／ＤＣ変換器４１６を通して接続可能である。
【００５３】
例８：庭園用ツール：図３０は、電動庭園用ツール５００の制御手段及びそのようなデバイスの電源供給手段を概略的に示す。これは、固体電源携帯電源ツールを使用する例としてのものであるが、そのような製品のみに限定されるものではない。マイクロコントローラ５０１の形態の制御手段は、位置センサ５０３及びスロットルスイッチ５０２を通して、適切な制御回路及び処理機能を含む。マイクロコントローラは、ＭＯＳＦＥＴチップを制御し、ブラシレスＤＣモーターを駆動し、この例の場合のように、チェリーピッカーアームまたはチェーンソー５０４などの製品ユニットに出力を供給するためのブラシモーターを駆動することができる。電気スクーターのための電源は、固体バッテリー／パック５１３によって電力を供給される。本発明の特定の実施形態は、マイクロコントローラ５０１に実装され、これは、動作の間に必要な電力を達成し、固体バッテリー／パックのサイクル寿命を延長するために、固体バッテリー／パックの充電状態を制御し、監視する。ＤＣ／ＤＣ変換器５１２は、モーターを駆動するために使用する。固体バッテリーは、別個に充電されるために、デバイスから取り外すことができる。
【００５４】
例９：庭園用トラクター：図３１は、庭園用トラクター６００の電動車両のための制御手段及びそのような車両のための電源手段を概略的に示す。制御コマンドは、乗員によって提供される。庭園用トラクターの電動車両のための電源は、固体バッテリー／パック６１３によって電力を供給される。本発明の特定の実施形態は、バッテリー管理システム６１２に実装され、これは動作の間に必要な電力を達成し、固体バッテリー／パックのサイクル寿命を延長させるために、固体バッテリー／パックの充電状態を制御し、監視する。外部電源は、固体バッテリー／パックを再充電するために、電源ユニット６１５を通して、ＡＣ／ＤＣ変換器６１４を通して接続可能である。固体バッテリーは、スタートストップスイッチ６０９、ブレーキスイッチ６１９、方向制御器６０６、速度制御器６０７、ＤＣモーター６０５及びブレーキ６０８に電力を供給し、これらは駆動ホイール６０２及び案内ホイール６０４を制御する。
【００５５】
例１０：ヘアドライヤー：図３２は、電動ヘアドライヤー７００の制御手段及びそのような電気製品の電源供給手段を概略的に示す。これは、固体電源個人用衛生製品の使用の一例としてのものであるが、そのような製品のみに限定されない。オンまたはオフを切り替える形態の制御手段である。この電気製品がオンにされると、固体バッテリー７０２は、ヒーターとしての抵抗器７１２及び、抵抗器７１２から髪へ熱を吹き付けるためにファンブレード７０７を駆動するＤＣモーター７０６に電力を供給することができる。本発明の特定の実施形態は、バッテリー管理システム７０１に実装され、これは動作の間に必要な電力を達成し、固体バッテリー／パックのサイクル寿命を延長させるために、固体バッテリー／パック７０２の充電状態を制御し、監視する。外部電源は、固体バッテリー／パックを再充電するために、電源ユニット７０４を通して、ＡＣ／ＤＣ変換器７０３を通して接続されうる。
【００５６】
例１１：スマートフォン：図３３は、スマートフォン８００の制御手段及びそのような電気製品の電源手段を概略的に示す。これは、固体電源個人通信デバイスを使用する例としてのものであるが、そのようなスマートフォンのみに限定されるものではない。マイクロコントローラ８０１の形態の制御手段は、フラッシュカード８０６、ブルートゥース制御８０７、モバイルＤＲＡＭ８０８、ＣＭＯＳ画像センサ８０９、タッチスクリーン制御８１０、セキュリティソリューション８１１、ベースバンドプロセッサ８１２、複数のカメラ製品８１５、Ｗｉｆｉ制御８１６、マルチメディアコントローラ８１７及びオーディオＣＯＤＥＣ８１８などのその他の制御ユニットを通して、適切な制御回路及び処理機能を含む。スマートフォンのための電源は、固体バッテリー／パック８０３によって電源を供給される。本発明の特定の実施形態は、バッテリー管理システム８０２に実装され、これは、動作の間に必要な電力を達成し、固体バッテリー／パックのサイクル寿命を延長させるために、固体バッテリー／パックの充電状態を制御し、監視する。外部電源は、固体バッテリー／パックを再充電するために、電源ユニット８０５を通して、ＡＣ／ＤＣ変換器８０４を通して接続可能である。
【００５７】
例１３：ラップトップ／タブレット：図３４は、ラップトップまたはタブレット９００の制御手段及びそのような電気製品の電源手段を概略的に示す。これは、固体電源個人コンピューティングデバイスの使用の例としてのものであるが、ラップトップまたはタブレットのみに限定されるものではない。マイクロコントローラ９０１の形態の制御手段は、フラッシュカード制御９０６、ブルートゥース制御９０７、モバイルＤＲＡＭ９０８、ＣＭＯＳ画像センサ９０９、タッチスクリーン制御９１０、セキュリティソリューション９１１、キーボード制御９１２、イーサネット制御９１５、Ｗｉｆｉ制御９１６、マルチメディアコントローラ９１７、オーディオＣＯＤＥＣ９１８及びＵＳＢ制御９１９などのその他の制御ユニットを通して、適切な制御回路及び処理機能を含む。スマートフォンのための電源は、固体バッテリー／パック９０３によって電源を供給される。本発明の特定の実施形態は、バッテリー管理システム９０２に実装され、これは、動作の間に必要な電力を達成し、固体バッテリー／パックのサイクル寿命を延長させるために、固体バッテリー／パックの充電状態を制御し、監視する。外部電源は、固体バッテリー／パックを再充電するために、電源ユニット９０５を通して、ＡＣ／ＤＣ変換器９０４を通して接続されうる。
【００５８】
例１３：電動車両：図３５は、電動車両１０００の制御手段及びそのような車両の電源手段を概略的に示している。これは、固体電力輸送車両を使用する例としてのものであるが、電動車両のみに限定されるものではない。マイクロコントローラ１００１の形態の制御手段は、フットスイッチ１００４、リアライトアセンブリ１０１２、フロントライトアセンブリ１０１３、及びブレーキアセンブリ１００２から受け取った信号を処理するためのマイクロコントローラ１００１を通して、適切な制御回路及び処理機能を含む。電動車両において、主なフィードバック制御は、乗員自身によって提供される。そのため、制御アルゴリズムはあまり洗練されていない。電気スクーターのための電源は、固体バッテリー／パック１０１０によって電源を供給される。本発明の特定の実施形態は、バッテリー管理システム１００９に実装され、これは、動作の間に必要な電力を達成し、固体バッテリー／パックのサイクル寿命を延長させるために、固体バッテリー／パックの充電状態を制御し、監視する。外部電源は、固体バッテリー／パックを再充電するために、電源ユニット１０１２を通して、ＡＣ／ＤＣ変換器１０１１を通して接続されうる。
【００５９】
１つの特定の実施形態において、本発明のカソード材料は、アモルファスまたは結晶の、リチウム化した、またはリチウム化していない遷移金属酸化物及びリチウム化した遷移金属リン酸塩を含み、金属は周期表の３族から１２族であり、リチウムマンガン酸化物、リチウムニッケル酸化物、リチウムコバルト酸化物、リチウムニッケル−コバルト−マンガン酸化物、リチウムニッケル−コバルト−アルミニウム酸化物、リチウム銅−マンガン酸化物、リチウム鉄−マンガン酸化物、リチウムニッケル−マンガン酸化物、リチウムコバルト−マンガン酸化物、リチウムニッケル−マンガン酸化物、リチウムアルミニウム−コバルト酸化物、リチウム鉄リン酸塩、リチウムマンガンリン酸塩、リチウムニッケルリン酸塩、リチウムコバルトリン酸塩、バナジウム酸化物、マグネシウム酸化物、ナトリウム酸化物、硫黄、マグネシウムドープされたリチウムニッケル酸化物、ランタンドープされたリチウムマンガン酸化物、ランタンドープされたリチウムコバルト酸化物などの金属（Ｍｇ、Ｌａ）ドープされたリチウム金属酸化物を含むがこれらに限定されない。本発明の電解質材料は、リチウム化リン酸酸窒化物（ＬＩＰＯＮ）、ポリ（酸化エチレン）（ＰＥＯ）、リチウムランタンジルコニウム酸化物、リチウムランタンチタン酸化物、リチウムナトリウムニオブ酸化物、リチウムアルミニウムシリコン酸化物、リン酸リチウム、チオリン酸リチウム、リン酸リチウムアルミニウムゲルマニウム、リン酸リチウムアルミニウムチタン、ＬＩＳＩＣＯＮ（リチウム超イオン伝導体、一般にＬｉｘＭ１−ｙＭ’ｙＯ４（Ｍ＝Ｓｉ、Ｇｅ、Ｍ’＝Ｐ、Ａｌ、Ｚｎ、Ｇａ、Ｓｂ）で表される）、チオ−ＬＩＳＩＣＯＮ（リチウム超イオン伝導体、一般にＬｉｘＭ１−ｙＭ’ｙＳ４（Ｍ＝Ｓｉ、Ｇｅ、Ｍ’＝Ｐ、Ａｌ、Ｚｎ、Ｇａ、Ｓｂ）で表される）、イオン伝導率が１０−５から１０−１Ｓ／ｍの範囲である、リチウムイオン伝導アルジロダイト（Ｌｉ６ＰＳ５Ｘ（Ｘ＝Ｃｌ、Ｂｒ、Ｉ））を含むがこれらに限定されない。本発明のアノード材料は、リチウムチタン酸化物を含むがこれらに限定されないアモルファスまたは結晶のリチウム化した、またはリチウム化していない遷移金属酸化物、ゲルマニウム酸化物、グラファイト、リチウム、シリコン、アンチモン、ビスマス、インジウム、窒化スズ、リチウムマグネシウム合金、リチウムアルミニウム合金、リチウムスズ合金、リチウムスズアルミニウム合金を含むがこれらに限定されないリチウム合金を含む。本発明の基板材料は、ポリマー材料、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ＰＥＮ、ガラス、アルミナ、シリコン、絶縁被覆された金属、陽極酸化された金属、またはマイカを含む。本発明の第１のバリア層材料は、少なくとも周期表の４族、１０族、１１族、１３族及び１４族の金属の酸化物、窒化物、及びリン酸塩を含み、バリア層材料は、ＬｉｘＰＯｙを含み、ｘ＋ｙ＜７である。本発明の第２のバリア層は、アクリル、アクリルエステル及びその他のポリマーを含む。
【００６０】
図３６は、本発明の実施形態に従うアモルファスカソード材料１１０２の例の簡略化された断面図である。図示されるように、第２の厚さのカソード材料１１１０上のアモルファスカソード材料１１２２の第１の厚さは、粗く不規則なプロファイルを有する。
【００６１】
１つの実施形態において、本発明は、多層固体バッテリーデバイスを提供し、多層固体バッテリーデバイスは、１からＮまで符号を付された複数の固体バッテリーセルのそれぞれに関連した１からＮまで符号を付された等価回路を含み、固体バッテリーセルのそれぞれが、基板部材上の第１の電流集電体と、第１の電流集電体上のカソードデバイスと、カソード上の電解質デバイスと、電解質デバイス上のアノードデバイスと、アノードデバイス上の第２の電流集電体と、を含み、複数の固体バッテリーセルのそれぞれは、下限から上限の間の充電状態で動作可能であり、１リットル当たり５０ワット時より大きいエネルギー密度を有し、複数の固体バッテリーセルを特徴づけ、複数のコリメートされた柱状構造はカソードデバイスのそれぞれを特徴づけ、複数のコリメートされた柱状構造のそれぞれは、アモルファスカソード材料を含む。
【００６２】
特定の実施形態において、充電状態の下限は０．５％から７５％の範囲であり、充電状態の上限は２５％から９９．５％の範囲である。カソードデバイスは、アモルファスまたは結晶構造によって特徴づけることができる。カソードデバイスは、０．０５から２００ミクロの範囲の厚さを有することができ、アノードデバイスは、０．０２から２００ミクロンの範囲の厚さを有する。カソードデバイスの領域は、約０．０５から約２００ミクロンの範囲の厚さを含むことができる。領域は、性質が実質的にアモルファスでありうる。アノードデバイスは、金属膜を含むことができる。複数のバッテリーセルは、巻回され、または積層されうる。
【００６３】
特定の実施形態において、固体バッテリーデバイスは、ガラス構造、導電体構造、金属構造、セラミック構造、プラスチックもしくはポリマー構造、または半導体構造の少なくとも１つからなる基板を含むことができ、または１つまたは複数の活性層は基板層を含みうる。デバイスは、自己終端した、または終端後のコネクタ構成を用いる並列または直列配置に構成された終端部を含むことができる。デバイスは、カソードデバイスの領域を特徴づける局所的伝導性及びカソードデバイスを特徴づけるバルク伝導性を含むことができる。
【００６４】
特定の実施形態において、カソードデバイスは、リチウム化した、またはリチウム化されていない遷移金属酸化物及びリチウム化した遷移金属リン酸塩から選択された材料からなり、金属は周期表の３族から１２族であり、リチウムマンガン酸化物、リチウムニッケル酸化物、リチウムコバルト酸化物、リチウムニッケル−コバルト−マンガン酸化物、リチウムニッケル−コバルト−アルミニウム酸化物、リチウム銅−マンガン酸化物、リチウム鉄−マンガン酸化物、リチウムニッケル−マンガン酸化物、リチウムコバルト−マンガン酸化物、リチウムニッケル−マンガン酸化物、リチウムアルミニウム−コバルト酸化物、リチウム鉄リン酸塩、リチウムマンガンリン酸塩、リチウムニッケルリン酸塩、リチウムコバルトリン酸塩、バナジウム酸化物、マグネシウム酸化物、ナトリウム酸化物、硫黄、マグネシウムドープされたリチウムニッケル酸化物、ランタンドープされたリチウムマンガン酸化物、ランタンドープされたリチウムコバルト酸化物などの金属（Ｍｇ、Ｌａ）ドープされたリチウム金属酸化物を含むがこれらに限定されない。
【００６５】
特定の実施形態において、アノードデバイスは、リチウムチタン酸化物を含むがこれらに限定されないリチウム化された、またはリチウム化されていない遷移金属酸化物、ゲルマニウム酸化物、グラファイト、リチウム、シリコン、アンチモン、ビスマス、インジウム、窒化スズ、またはリチウムマグネシウム合金、リチウムアルミニウム合金、リチウムスズ合金、リチウムスズアルミニウム合金を含むがこれらに限定されないリチウム合金から選択された材料からなる。
【００６６】
特定の実施形態において、電解質デバイスは、リチウム化酸窒化リン酸塩（ＬＩＰＯＮ）、ポリ（酸化エチレン）（ＰＥＯ）、リチウムランタンジルコニウム酸化物、リチウムランタンチタン酸化物、リチウムナトリウムニオブ酸化物、リチウムアルミニウムシリコン酸化物、リン酸リチウム、チオリン酸リチウム、リン酸リチウムアルミニウムゲルマニウム、リン酸リチウムアルミニウムチタン、ＬＩＳＩＣＯＮ（リチウム超イオン伝導体、一般的にＬｉｘＭ１−ｙＭ’ｙＯ４（Ｍ＝Ｓｉ、Ｇｅ、Ｍ’＝Ｐ、Ａｌ、Ｚｎ、Ｇａ、Ｓｂ）と表される）、チオＬＩＳＩＣＯＮ（リチウム超イオン伝導体、一般的にＬｉｘＭ１−ｙＭ’ｙＳ４（Ｍ＝Ｓｉ、Ｇｅ、Ｍ’＝Ｐ、Ａｌ、Ｚｎ、Ｇａ、Ｓｂ）と表される）、１０−５から１０−１Ｓ／ｍの範囲のイオン伝導性を有するリチウムイオン伝導アルジロダイト（Ｌｉ６ＰＳ５Ｘ（Ｘ＝Ｃｌ、Ｂｒ、Ｉ））から選択される。
【００６７】
特定の実施形態において、複数の固体バッテリーセルの各対は、その間に接合材料を含む。カソードデバイスは、複数の柱状構造を含む材料を特徴とすることができ、そのそれぞれは、厚さ方向に延在し、材料の厚さの平面及び表面領域に対して実質的に垂直である。カソードデバイスは、複数の柱状構造を含むことができ、柱状構造のそれぞれは、底部領域及び上部領域を有し、柱状構造のそれぞれは、複数のより小さな粒子状構造を含み、より小さな粒子状構造のそれぞれは、柱状構造のそれぞれの内部に構成される。カソードデバイスは複数の柱状構造を含むことができ、柱状構造のそれぞれは、底部領域及び上部領域を有し、柱状構造のそれぞれは、複数の粒子状構造を有し、粒子状構造のそれぞれは、柱状構造のそれぞれの内部に構成され、柱状構造の各対は、柱状構造の対の間に設けられた複数の不規則形状の多面体構造を有する。
【００６８】
１つの実施形態において、本発明は、固体バッテリー装置を提供し、固体バッテリー装置は、複数のバッテリーセルデバイスであって、そのそれぞれがアノードデバイス、電解質デバイス及びカソードデバイスを有する、複数のバッテリーセルデバイスと、複数のバッテリーセルデバイスを特徴づける１からＮまで符号を振られた等価回路（ＥＣ）と、複数のバッテリーセルデバイスを特徴づける充電状態と、等価回路内に設けられた抵抗体、キャパシタ、またはその他の電気的パラメータと、を含む。
【００６９】
特定の実施形態において、装置は、複数のバッテリーセルに結合された製品を含むことができ、製品は、少なくともスマートフォン、携帯電話、個人用デジタルアシスタント、ラジオプレイヤー、音楽プレイヤー、ビデオカメラ、タブレット及びラップトップコンピュータ、軍事通信、軍事照明、軍事イメージング、人工衛星、航空機、人工衛星、小型航空機、ハイブリッド電動車両、プラグインハイブリッド電動車両、全電動車両、電動スクーター、水中ビークル、ボート、船舶、電動庭園用トラクター、庭園用デバイスの電動車両、無人航空ドローン、無人航空機、ＲＣカー、ロボット玩具、ロボット真空掃除機、ロボット庭園用ツール、ロボット建築ユーティリティ、ロボット警報システム、ロボットエージングケアユニット、ロボット保育ユニット、電動ドリル、電動芝刈り機、電動真空掃除機、電動金属加工研削機、電動ヒートガン、電動圧延ツール、電動のこぎり及びカッター、電動サンダー及び研磨機、電動剪断機及びニブラー、電動ルーター、電動歯ブラシ、電動ヘアドライヤー、電動ハンドドライヤー、全地球測位システム（ＧＰＳ）デバイス、レーザー測距儀、フラッシュライト、電気街灯、待機用電源、無停電電源、並びにその他の携帯用及び固定用電子デバイスの少なくとも１つ以上から選択される。
【００７０】
上記は特定の実施形態の全説明であるが、様々な改良、代替構成及び等価物が使用されうる。従って、上記の説明及び図は、添付した特許請求の範囲によって画定される本開示の範囲を限定するものとして捉えるべきではない。
【符号の説明】
【００７１】
１４  回路モデル
１５  回路モデル
１６  回路モデル
１００  電動真空掃除機
１０１  マイクロコントローラ
１０２  アプリケーションデリバリーコントローラ
１０３  吸引センサ
１０４  塵センサ
１０６  バッグが一杯になったことを検出するセンサ
１０９  固体バッテリー／パック
１１０  バッテリー管理システム
１１１  ＡＣ／ＤＣ変換器
１１２  電源ユニット
２００  電気ロボット製品
２０１  マイクロコントローラ
２０２  プログラム受信センサ
２０３  命令入力ユニット
２０４  障害センサ
２０５  駆動ホイール
２０６  案内ホイール
２０７  モーター
２０８  ３軸制御動作アーム
２０９  アーム位置センサ
２１０  バッテリー管理システム
２１２  固体バッテリー／パック
２１３  ＡＣ／ＤＣ変換器
２１４  電源ユニット
３００  電気スクーター
３０１  マイクロコントローラ
３０２  ブレーキアセンブリ
３０４  スロットル
３０７  バッテリー管理システム
３０８  固体バッテリー／パック
３０９  ＡＣ／ＤＣ変換器
３１０  電源ユニット
３１２  リアライトアセンブリ
３１３  フロントライトアセンブリ
４００  航空ドローン
４０１  マイクロコントローラ
４０２  データ取得モジュール
４０３  慣性測定ユニット
４０４  全地球測位システム受信器
４０５  ３軸磁力計
４０８  無線制御ユニット
４１０  サーボモーター
４１３  推進アセンブリ
４１４  バッテリー管理すステム
４１５  固体バッテリー／パック
４１６  ＡＣ／ＤＣ変換器
４１７  電源ユニット
４１８  地上局コンピュータユニット
４１９  遠隔制御送信器
５００  庭園用ツール
５０１  マイクロコントローラ
５０２  スロットルスイッチ
５０３  位置センサ
５０４  チェーンソー
５１２  ＤＣ／ＤＣ変換器
５１３  固体バッテリー／パック
６００  庭園用トラクター
６０２  駆動ホイール
６０４  案内ホイール
６０５  ＤＣモーター
６０６  方向制御器
６０７  速度制御器
６０８  ブレーキ
６０９  スタートストップスイッチ
６１２  バッテリー管理システム
６１３  固体バッテリー／パック
６１４  ＡＣ／ＤＣ変換器
６１５  電源ユニット
６１９  ブレーキスイッチ
７００  電気ヘアドライヤー
７０１  バッテリー管理システム
７０２  固体バッテリー
７０３  ＡＣ／ＤＣ変換器
７０４  電源ユニット
７０６  ＤＣモーター
７０７  ファンブレード
７１２  抵抗器
８００  スマートフォン
８０１  マイクロコントローラ
８０２  バッテリー管理システム
８０３  固体バッテリー／パック
８０４  ＡＣ／ＤＣ変換器
８０５  電源ユニット
８０６  フラッシュカード
８０７  ブルートゥース制御
８０８  モバイルＤＲＡＭ
８０９  ＣＭＯＳ画像センサ
８１０  タッチスクリーン制御
８１１  セキュリティソリューション
８１２  ベースバンドプロセッサ
８１５  カメラ製品
８１６  Ｗｉｆｉ制御
８１７  マルチメディアコントローラ
８１８  オーディオＣＯＤＥＣ
９００  ラップトップまたはタブレット
９０１  マイクロコントローラ
９０２  バッテリー管理システム
９０３  固体バッテリー／パック
９０４  ＡＣ／ＤＣ変換器
９０５  電源ユニット
９０６  フラッシュカード制御
９０７  ブルートゥース制御
９０８  モバイルＤＲＡＭ
９０９  ＣＭＯＳ画像センサ
９１０  タッチスクリーン制御
９１１  セキュリティソリューション
９１２  キーボード制御
９１５  イーサネット制御
９１６  Ｗｉｆｉ制御
９１７  マルチメディアコントローラ
９１８  オーディオＣＯＤＥＣ
９１９  ＵＳＢ制御
１０００  電気車両
１００１  マイクロコントローラ
１００２  ブレーキアセンブリ
１００４  フットスイッチ
１００９  バッテリー管理システム１００９
１０１０  固体バッテリー／パック
１０１１  ＡＣ／ＤＣ変換器
１０１２  電源ユニット
１０１３  フロントライトアセンブリ
２０００  セル
２２００  基板
２３００  セル
２５００  固体バッテリーデバイス
【図１】
2018510487.tif 000007
【図２】
2018510487.tif 000008
【図３】
2018510487.tif 000009
【図４】
2018510487.tif 000010
【図５Ａ】
2018510487.tif 000011
【図５Ｂ】
2018510487.tif 000012
【図６Ａ】
2018510487.tif 000013
【図６Ｂ】
2018510487.tif 000014
【図６Ｃ】
2018510487.tif 000015
【図７】
2018510487.tif 000016
【図８Ａ】
2018510487.tif 000017
【図８Ｂ】
2018510487.tif 000018
【図９Ａ】
2018510487.tif 000019
【図９Ｂ】
2018510487.tif 000020
【図９Ｃ】
2018510487.tif 000021
【図１０Ａ】
2018510487.tif 000022
【図１０Ｂ】
2018510487.tif 000023
【図１１Ａ】
2018510487.tif 000024
【図１１Ｂ】
2018510487.tif 000025
【図１２】
2018510487.tif 000026
【図１３】
2018510487.tif 000027
【図１４】
2018510487.tif 000028
【図１５】
2018510487.tif 000029
【図１６】
2018510487.tif 000030
【図１７Ａ】
2018510487.tif 000031
【図１７Ｂ】
2018510487.tif 000032
【図１７Ｃ】
2018510487.tif 000033
【図１８】
2018510487.tif 000034
【図１９】
2018510487.tif 000035
【図２０】
2018510487.tif 000036
【図２１】
2018510487.tif 000037
【図２２】
2018510487.tif 000038
【図２３】
2018510487.tif 000039
【図２４】
2018510487.tif 000040
【図２５】
2018510487.tif 000041
【図２６】
2018510487.tif 000042
【図２７】
2018510487.tif 000043
【図２８】
2018510487.tif 000044
【図２９】
2018510487.tif 000045
【図３０】
2018510487.tif 000046
【図３１】
2018510487.tif 000047
【図３２】
2018510487.tif 000048
【図３３】
2018510487.tif 000049
【図３４】
2018510487.tif 000050
【図３５】
2018510487.tif 000051
【図３６】
2018510487.tif 000052
【手続補正書】
【提出日】平成29年9月26日(2017.9.26)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の固体バッテリーセルを含む等価回路であって、前記固体バッテリーセルのそれぞれが、
基板上の第１の電流集電体と、
前記第１の電流集電体上のカソードと、
前記カソード上の電解質であって、前記カソードが、アモルファスカソード材料を含む複数のコリメートされた柱状構造を含む、電解質と、
前記電解質上のアノードと、
前記アノード上の第２の電流集電体と、を含み、
前記複数の固体バッテリーセルの各固体バッテリーセルが、１リットル当たり５０ワット時よりも大きなエネルギー密度を有し、下限と上限との間の充電状態で動作するように構成された、
等価回路を含む、多層固体バッテリーデバイス。
【請求項２】
前記充電状態の下限が０．５％から７５％の間であり、前記充電状態の上限が２５％から９９．５％の間である、請求項１に記載のデバイス。
【請求項３】
前記カソードがアモルファスまたは結晶構造を含む、請求項１に記載のデバイス。
【請求項４】
前記アノードが金属膜を含む、請求項１に記載のデバイス。
【請求項５】
前記カソードが０．０５から２００ミクロンの間の厚さを有し、前記アノードが０．０２から２００ミクロンの間の厚さを有する、請求項１に記載のデバイス。
【請求項６】
前記複数の固体バッテリーセルが巻回され、または積層された、請求項１に記載のデバイス。
【請求項７】
ガラス構造、伝導性構造、金属構造、セラミック構造、プラスチックもしくはポリマー構造、及び半導体構造のうち少なくとも１つからなる基板を含む、請求項１に記載のデバイス。
【請求項８】
前記カソードの領域が０．０５から２００ミクロンの間の厚さを有する、請求項１に記載のデバイス。
【請求項９】
前記カソードの領域がアモルファスである、請求項１に記載のデバイス。
【請求項１０】
自己終端された構成、または終端後のコネクタ構成を使用する、並列構成または直列構成に構成された終端部をさらに含む、請求項１に記載のデバイス。
【請求項１１】
前記カソードの領域が局所伝導性を有し、前記カソードがバルク伝導性を有する、請求項１に記載のデバイス。
【請求項１２】
前記カソードが、周期表の３族から１２族から選択された金属を含み、材料が、リチウムマンガン酸化物、リチウムニッケル酸化物、リチウムコバルト酸化物、リチウムニッケル−コバルト−マンガン酸化物、リチウムニッケル−コバルト−アルミニウム酸化物、リチウム銅−マンガン酸化物、リチウム鉄−マンガン酸化物、リチウムニッケル−マンガン酸化物、リチウムコバルト−マンガン酸化物、リチウムニッケル−マンガン酸化物、リチウムアルミニウム−コバルト酸化物、リチウム鉄リン酸塩、リチウムマンガンリン酸塩、リチウムニッケルリン酸塩、リチウムコバルトリン酸塩、バナジウム酸化物、マンガン酸化物、ナトリウム酸化物、硫黄、金属（Ｍｇ、Ｌａ）ドープリチウム金属酸化物を含む、リチウム化された、またはリチウム化されていない遷移金属酸化物及びリチウム化された遷移金属リン酸塩から選択された、請求項１に記載のデバイス。
【請求項１３】
前記アノードが、リチウムチタン酸化物を含むがこれらに限定されないリチウム化された、またはリチウム化されていない遷移金属酸化物、ゲルマニウム酸化物、グラファイト、リチウム、シリコン、アンチモン、ビスマス、インジウム、スズ窒化物またはリチウムマグネシウム合金、リチウムアルミニウム合金、リチウムスズ合金、リチウムスズアルミニウム合金を含むリチウム合金から選択された材料を含む、請求項１に記載のデバイス。
【請求項１４】
前記電解質が、リチウム化酸窒化物リン酸塩（ＬＩＰＯＮ）、ポリ（酸化エチレン）（ＰＥＯ）、リチウムランタンジルコニウム酸化物、リチウムランタンチタン酸化物、リチウムナトリウムニオブ酸化物、リチウムアルミニウムシリコン酸化物、リン酸リチウム、チオリン酸リチウム、リン酸リチウムアルミニウムゲルマニウム、リン酸リチウムアルミニウムチタン、ＬＩＳＩＣＯＮ（リチウム超イオン伝導体、ＬｉｘＭ１−ｙＭ’ｙＯ４（Ｍ＝Ｓｉ、Ｇｅ、Ｍ’＝Ｐ、Ａｌ、Ｚｎ、Ｇａ、Ｓｂ）で表される）、チオＬＩＳＩＣＯＮ（リチウム超イオン伝導体、ＬｉｘＭ１−ｙＭ’ｙＳ４（Ｍ＝Ｓｉ、Ｇｅ、Ｍ’＝Ｐ、Ａｌ、Ｚｎ、Ｇａ、Ｓｂ）で表される）、イオン伝導性が１０−５から１０−１Ｓ／ｍの範囲であるリチウムイオン伝導アルジロダイト（Ｌｉ６ＰＳ５Ｘ（Ｘ＝Ｃｌ、Ｂｒ、Ｉ））のうち１つ以上を含む、請求項１に記載のデバイス。
【請求項１５】
前記複数の固体バッテリーセルの固体バッテリーセルの各対が、固体バッテリーセルの各対の各固体バッテリーセルの間に接合材料を含む、請求項１に記載のデバイス。
【請求項１６】
前記複数のコリメートされた柱状構造の各コリメートされた柱状構造が、前記カソードの厚さの方向に沿って延在する、請求項１に記載のデバイス。
【請求項１７】
前記複数のコリメートされた柱状構造の各コリメートされた柱状構造が、複数のより小さな粒子状構造を含む、請求項１に記載のデバイス。
【請求項１８】
前記コリメートされた柱状構造の各対が、前記コリメートされた柱状構造の各対の各コリメートされた柱状構造の間に複数の不規則形状の多面体構造を含む、請求項１に記載のデバイス。
【国際調査報告】
2018510487.tif 000053