(57)【要約】  統合エネルギー貯蔵システムは、第１、第２、及び第３のエネルギー貯蔵ユニットと、コントローラとを含むことができる。第１のエネルギー貯蔵ユニットは、０℃を超える環境温度で１８０Ｗｈ／ｋｇを超える重量エネルギー密度及び４５０Ｗｈ／Ｌを超える体積エネルギー密度を有することができ、第２のエネルギー貯蔵ユニットは、０℃を超える環境温度で４５０Ｗ／ｋｇを超える重量エネルギー密度及び１０８０Ｗ／Ｌを超える体積エネルギー密度を有することができ、第３のエネルギー貯蔵ユニットは、−１００℃の低い環境温度で動作するように構成されることができる。コントローラは、電圧センサー、電流センサー、及び温度センサーから入力を受信し、アプリケーション負荷からの電力消費量及び環境温度に応じて第１、第２、又は第３のエネルギー貯蔵ユニットに電流又は電力を割り当てるようにプログラムすることができる。
2020533764.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
鉛酸電池、ニッケルカドミウム電池、ニッケル−金属水素化物電池、リチウムイオン電池、リチウムイオンポリマー電解質電池、リチウムイオンポリマーゲル電解質電池、リチウムイオン固体電池、リチウムイオン固体薄膜電池、金属空気電池、ナトリウムイオン電池、マグネシウムイオン電池、燃料電池、コンデンサー、及びスーパーコンデンサーの１つ又は複数を含む第１の複数のエネルギー貯蔵ユニットであって、０℃を超える環境温度で１８０Ｗｈ／ｋｇを超える重量エネルギー密度及び４５０Ｗｈ／Ｌを超える体積エネルギー密度を有する、第１の複数のエネルギー貯蔵ユニットと、
鉛酸電池、ニッケルカドミウム電池、ニッケル−金属水素化物電池、リチウムイオン電池、リチウムイオンポリマー電解質電池、リチウムイオンポリマーゲル電解質電池、リチウムイオン固体電池、リチウムイオン固体薄膜電池、金属空気電池、ナトリウムイオン電池、マグネシウムイオン電池、燃料電池、コンデンサー、及びスーパーコンデンサーの１つ又は複数を含む第２の複数のエネルギー貯蔵ユニットであって、０℃を超える環境温度で４５０Ｗ／ｋｇを超える重量電力密度及び１０８０Ｗ／Ｌを超える体積電力密度を有する、第２の複数のエネルギー貯蔵ユニットと、
鉛酸電池、ニッケルカドミウム電池、ニッケル−金属水素化物電池、リチウムイオン電池、リチウムイオンポリマー電解質電池、リチウムイオンポリマーゲル電解質電池、リチウムイオン固体電池、リチウムイオン固体薄膜電池、金属空気電池、燃料電池、コンデンサー、及びスーパーコンデンサーの１つ又は複数を含む第３の複数のエネルギー貯蔵ユニットであって、少なくとも−５０℃の低い環境温度で動作するように構成された、第３の複数のエネルギー貯蔵ユニットと、
１つ又は複数の電圧センサー、１つ又は複数の電流センサー、及び１つ又は複数の温度センサーから１つ又は複数の入力を受信し、アプリケーション負荷からの電力消費及び環境温度に応じて電流又は電力を前記第１の複数のエネルギー貯蔵ユニット、前記第２の複数のエネルギー貯蔵ユニット、及び前記第３の複数のエネルギー貯蔵ユニットの間で割り当てるようにプログラムされたコントローラと、
を含む、統合エネルギー貯蔵システム。
【請求項２】
前記コントローラは、前記アプリケーション負荷からの電力消費に応じて前記第２の複数のエネルギー貯蔵ユニットから電流又は電力を割り当てるようにプログラムされ、前記第１の複数のエネルギー貯蔵ユニットは、動作時間を延長するために電力を処理するように構成される、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記コントローラは、前記環境温度が設定値を下回るときに電流又は電力を前記第３の複数のエネルギー貯蔵ユニットに割り当てるようにプログラムされ、前記コントローラは、前記環境温度がそれらの動作温度下限を上回るときに電流又は電力を少なくとも前記第１の複数のエネルギー貯蔵ユニット又は前記第２の複数のエネルギー貯蔵ユニットに割り当てるように構成される、請求項１又は２に記載のシステム。
【請求項４】
前記第１の複数のエネルギー貯蔵ユニットは、０℃を超える環境温度で２００Ｗｈ／ｋｇを超える重量エネルギー密度及び５００Ｗｈ／Ｌを超える体積エネルギー密度を有する、請求項１から３の何れか一項に記載のシステム。
【請求項５】
前記第２の複数のエネルギー貯蔵ユニットは、５００Ｗ／ｋｇを超える重量電力密度及び１２００Ｗ／Ｌを超える体積電力密度を有する、請求項１から４の何れか一項に記載のシステム。
【請求項６】
前記第３の複数のエネルギー貯蔵ユニットは、−１００℃の低い環境温度で動作するように構成される、請求項１から５の何れか一項に記載のシステム。
【請求項７】
前記コントローラは、前記第３の複数のエネルギー貯蔵ユニットから少なくとも前記第１の複数のエネルギー貯蔵ユニット又は第２の複数のエネルギー貯蔵ユニットに電力を供給して、少なくとも前記第１の複数のエネルギー貯蔵ユニット又は前記第２の複数のエネルギー貯蔵ユニットを加熱するようにプログラムされる、請求項１から６の何れか一項に記載のシステム。
【請求項８】
前記コントローラは、１つ又は複数の電圧センサーからの検出電圧値、１つ又は複数の電流センサーからの検出電流値、及び１つ又は複数の温度センサーからの検出温度を使用して、少なくとも前記第１の複数のエネルギー貯蔵ユニット、前記第２の複数のエネルギー貯蔵ユニット、及び／又は前記第３の複数のエネルギー貯蔵ユニットの充電状態又は残存容量を決定するようにプログラムされる、請求項１から７の何れか一項に記載のシステム。
【請求項９】
前記コントローラは、少なくとも前記第１の複数のエネルギー貯蔵ユニット、前記第２の複数のエネルギー貯蔵ユニット、及び／又は前記第３の複数のエネルギー貯蔵ユニットの決定された充電状態又は残存容量を使用して、前記第１の複数のエネルギー貯蔵ユニット、前記第２の複数のエネルギー貯蔵ユニット、及び／又は前記第３の複数のエネルギー貯蔵ユニットからの電力供給のバランスをとるようにプログラムされる、請求項８に記載のシステム。
【請求項１０】
前記コントローラは、前記第１の複数のエネルギー貯蔵ユニット、前記第２の複数のエネルギー貯蔵ユニット、及び／又は前記第３の複数のエネルギー貯蔵ユニットを再充電できるようにエネルギー源と接続するように構成された充電管理システムを含む、請求項１から９の何れか一項に記載のシステム。
【請求項１１】
前記第１の複数のエネルギー貯蔵ユニット、前記第２の複数のエネルギー貯蔵ユニット、及び前記第３の複数のエネルギー貯蔵ユニットは、充電及び放電中にシステムの電圧を調整するために直列又は並列に接続されるように構成される、請求項１から１０の何れか一項に記載のシステム。
【請求項１２】
パルス電力でアプリケーション負荷にエネルギーを提供するように構成されたエネルギー貯蔵電池デバイスであって、
少なくとも２つの電気化学セルを含み、各電気化学セルは、少なくともアノード層、電解質層、カソード層、及び集電体層を含み、
前記電気化学セルの少なくとも１つは、パルス電力消費に対してエネルギーを供給するように構成されたより薄いカソード層を特徴とし、前記より薄いカソード層は、０．０１マイクロメートルから１２０マイクロメートルの範囲のカソードの厚さを有し、
前記電気化学セルの少なくとも１つは、パルス電力よりも低いベースライン電力消費に対してエネルギーを供給するように構成されたより厚いカソード層を特徴とし、前記より厚いカソード層は、０．０５マイクロメートルから３６０マイクロメートルの範囲のカソードの厚さを有し、
前記パルス電力はアプリケーション負荷によって消費されるベースライン電力よりも高く、持続時間は１分未満である、デバイス。
【請求項１３】
前記より薄いカソード層は、アモルファス、結晶、又は半結晶の形態である、Ｖ２Ｏ５、Ｖ（２＋ｙ）Ｏ（５＋ｚ）（−０．５＜ｙ＜０．５、−０．５＜ｚ＜０．５）、Ｖ３Ｏ８、ＬｉｘＶ２Ｏ５（０≦ｘ＜３）、ＬｉｘＶ（２＋ｙ）Ｏ（５＋ｚ）（０≦ｘ＜３、−０．５＜ｙ＜０．５、−０．５＜ｚ＜０．５）、ＬｉｘＶ３Ｏ８（０≦ｘ＜４）、Ｖ６Ｏ１３、Ｖ５Ｏ１５、ＶＯ２、Ｖ２Ｏ４、及びＡｇ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｚｎ、ＲｕＯ２、及びそれらの組み合わせでドープされたＬｉｘＶ（２＋ｙ）Ｏ（５＋ｚ）（０≦ｘ＜３、−０．５＜ｙ＜０．５、−０．５＜ｚ＜０．５）を含む酸化バナジウム及びそれらの変形物を含むカソード材料に対して、０．０１マイクロメートルから１００マイクロメートルの範囲の厚さを有し、前記より薄いカソード層は、アモルファス、結晶、又は半結晶の形態である、Ｍｎ２Ｏ４、ＬｉｘＭｎ２Ｏ４（０≦ｘ＜２）、ＬｉｘＭｎ２＋ｙＯ４＋ｚ（０≦ｘ＜２、−０．５＜ｙ＜０．５、−０．５＜ｚ＜０．５）、Ｍｎ２Ｏ３、ＬｉｘＭｎ２Ｏ３（０≦ｘ＜２）、及びＡｌ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｍｇ、Ｎｉ、Ｐｔ、及びそれらの組み合わせでドープされたＬｉｘＭｎ２＋ｙＯ４＋ｚ（０≦ｘ＜２、−０．５＜ｙ＜０．５、−０．５＜ｚ＜０．５）を含む酸化マンガン及びそれらの変形物を含むカソード材料に対して、０．０１マイクロメートルから１１０マイクロメートルの範囲の厚さを有し、前記より薄いカソード層は、アモルファス、結晶、又は半結晶の形態である、ＣｏＯ２、ＬｉＣｏＯ２、ＬｉｘＣｏ（１＋ｙ）Ｏ（２＋ｚ）（０≦ｘ＜１．１、−０．５＜ｙ＜０．５、−０．５＜ｚ＜０．５）、及びＡｌ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｍｇ、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｐｔ、Ｚｎ、及びそれらの組み合わせでドープされたＬｉｘＣｏ（１＋ｙ）Ｏ（２＋ｚ）（０≦ｘ＜１．１、−０．５＜ｙ＜０．５、−０．５＜ｚ＜０．５）を含む酸化コバルト及びそれらの変形物を含むカソード材料に対して、０．０１マイクロメートルから１２０マイクロメートルの範囲の厚さを有し、前記より薄いカソード層は、アモルファス、結晶、又は半結晶の形態である、Ｎｉ１／３Ｃｏ１／３Ｍｎ１／３Ｏ２、ＬｉＮｉ１／３Ｃｏ１／３Ｍｎ１／３Ｏ２、ＬｉｘＮｉ（１／３＋ｙ）Ｃｏ（１／３＋ｚ）Ｍｎ（１／３＋ｍ）Ｏ（２＋ｎ）（０≦ｘ＜１．１、−１／３≦ｙ≦２／３、−１／３≦ｚ≦２／３、−１／３≦ｍ≦２／３、−０．５＜ｎ＜０．５）、ＬｉｘＮｉ（１／３＋ｙ）Ｃｏ（１／３＋ｚ）Ｍｎ（１／３＋ｍ）Ｏ（２＋ｎ）（０≦ｘ＜１．１、−１／３≦ｙ≦２／３、−１／３≦ｚ≦２／３、−１／３≦ｍ≦２／３、−０．５＜ｎ＜０．５）、及びＡｌ、Ｆ、Ｆｅ、Ｍｇ、Ｓｉ、及びそれらの組み合わせでドープされたＬｉｘＮｉｙＣｏｚ（０≦ｘ＜１．１、１／３≦ｙ≦２／３、−１／３≦ｚ≦２／３）を含むリチウムマンガンコバルト酸化物及びそれらの変形物を含むカソード材料に対して、０．０１マイクロメートルから１１０マイクロメートルの範囲の厚さを有し、前記より薄いカソード層は、アモルファス、結晶、又は半結晶の形態である、ＦｅＰＯ４、ＬｉＦｅＰＯ４、ＭＰＯ４（Ｍ＝Ｖ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｎｉ、又はＦｅ）、ＬｉＭＰＯ４（Ｍ＝Ｖ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｎｉ、又はＦｅ）、ＬｉｘＭ（１＋ｙ）Ｐ（１＋ｚ）Ｏ（４＋ｍ）（Ｍ＝Ｖ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｎｉ、又はＦｅ、０≦ｘ＜１．１、−０．５＜ｙ＜０．５、−０．５＜ｚ＜０．５、−０．５＜ｍ＜０．５）、及びＡｇ、Ｃ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｍｇ、Ｍｎ、Ｔｉ、Ｚｎ、及びそれらの組み合わせでドープされたＬｉｘＭ（１＋ｙ）Ｐ（１＋ｚ）Ｏ（４＋ｍ）（Ｍ＝Ｖ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｎｉ、又はＦｅ、０≦ｘ＜１．１、−０．５＜ｙ＜０．５、−０．５＜ｚ＜０．５、−０．５＜ｍ＜０．５）を含むリン酸鉄及びそれらの変形物を含むカソード材料に対して、０．０１マイクロメートルから１００マイクロメートルの範囲の厚さを有し、前記より薄いカソード層は、アモルファス、結晶、又は半結晶の形態である、Ｓ８、Ｌｉ２Ｓ、Ｌｉ２Ｓ４、ＬｉｘＳｙ（０≦ｘ＜１６、１≦ｙ≦８）、及び炭素でドープされたＬｉｘＳｙ（０≦ｘ＜１６、１≦ｙ≦８）を含む硫黄、硫化リチウム、及びそれらの変形物を含むカソード材料に対して、０．０１マイクロメートルから１００マイクロメートルの範囲の厚さを有する、請求項１２に記載のデバイス。
【請求項１４】
前記より厚いカソード層は、アモルファス、結晶、又は半結晶の形態である、Ｖ２Ｏ５、Ｖ（２＋ｙ）Ｏ（５＋ｚ）（−０．５＜ｙ＜０．５、−０．５＜ｚ＜０．５）、Ｖ３Ｏ８、ＬｉｘＶ２Ｏ５（０≦ｘ＜３）、ＬｉｘＶ（２＋ｙ）Ｏ（５＋ｚ）（０≦ｘ＜３、−０．５＜ｙ＜０．５、−０．５＜ｚ＜０．５）、ＬｉｘＶ３Ｏ８（０≦ｘ＜４）、Ｖ６Ｏ１３、Ｖ５Ｏ１５、ＶＯ２、Ｖ２Ｏ４、及びＡｇ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｚｎ、ＲｕＯ２、及びそれらの組み合わせでドープされたＬｉｘＶ（２＋ｙ）Ｏ（５＋ｚ）（０≦ｘ＜３、−０．５＜ｙ＜０．５、−０．５＜ｚ＜０．５）を含む酸化バナジウム及びそれらの変形物を含むカソード材料に対して、０．０５マイクロメートルから３００マイクロメートルの範囲の厚さを有し、前記より厚いカソード層は、アモルファス、結晶、又は半結晶の形態である、Ｍｎ２Ｏ４、ＬｉｘＭｎ２Ｏ４（０≦ｘ＜２）、ＬｉｘＭｎ２＋ｙＯ４＋ｚ（０≦ｘ＜２、−０．５＜ｙ＜０．５、−０．５＜ｚ＜０．５）、Ｍｎ２Ｏ３、ＬｉｘＭｎ２Ｏ３（０≦ｘ＜２）、及びＡｌ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｍｇ、Ｎｉ、Ｐｔ、及びそれらの組み合わせでドープされたＬｉｘＭｎ２＋ｙＯ４＋ｚ（０≦ｘ＜２、−０．５＜ｙ＜０．５、−０．５＜ｚ＜０．５）を含む酸化マンガン及びそれらの変形物を含むカソード材料に対して、０．０５マイクロメートルから３３０マイクロメートルの範囲の厚さを有し、前記より厚いカソード層は、アモルファス、結晶、又は半結晶の形態である、ＣｏＯ２、ＬｉＣｏＯ２、ＬｉｘＣｏ（１＋ｙ）Ｏ（２＋ｚ）（０≦ｘ＜１．１、−０．５＜ｙ＜０．５、−０．５＜ｚ＜０．５）、及びＡｌ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｍｇ、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｐｔ、Ｚｎ、及びそれらの組み合わせでドープされたＬｉｘＣｏ（１＋ｙ）Ｏ（２＋ｚ）（０≦ｘ＜１．１、−０．５＜ｙ＜０．５、−０．５＜ｚ＜０．５）を含む酸化コバルト及びそれらの変形物を含むカソード材料に対して、０．０５マイクロメートルから３６０マイクロメートルの範囲の厚さを有し、前記より厚いカソード層は、アモルファス、結晶、又は半結晶の形態である、Ｎｉ１／３Ｃｏ１／３Ｍｎ１／３Ｏ２、ＬｉＮｉ１／３Ｃｏ１／３Ｍｎ１／３Ｏ２、ＬｉｘＮｉ（１／３＋ｙ）Ｃｏ（１／３＋ｚ）Ｍｎ（１／３＋ｍ）Ｏ（２＋ｎ）（０≦ｘ＜１．１、−１／３≦ｙ≦２／３、−１／３≦ｚ≦２／３、−１／３≦ｍ≦２／３、−０．５＜ｎ＜０．５）、ＬｉｘＮｉ（１／３＋ｙ）Ｃｏ（１／３＋ｚ）Ｍｎ（１／３＋ｍ）Ｏ（２＋ｎ）（０≦ｘ＜１．１、−１／３≦ｙ≦２／３、−１／３≦ｚ≦２／３、−１／３≦ｍ≦２／３、−０．５＜ｎ＜０．５）、及びＡｌ、Ｆ、Ｆｅ、Ｍｇ、Ｓｉ、及びそれらの組み合わせでドープされたＬｉｘＮｉｙＣｏｚ（０≦ｘ＜１．１、１／３≦ｙ≦２／３、−１／３≦ｚ≦２／３）を含むリチウムマンガンコバルト酸化物及びそれらの変形物を含むカソード材料に対して、０．０５マイクロメートルから３３０マイクロメートルの範囲の厚さを有し、前記より厚いカソード層は、アモルファス、結晶、又は半結晶の形態である、ＦｅＰＯ４、ＬｉＦｅＰＯ４、ＭＰＯ４（Ｍ＝Ｖ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｎｉ、又はＦｅ）、ＬｉＭＰＯ４（Ｍ＝Ｖ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｎｉ、又はＦｅ）、ＬｉｘＭ（１＋ｙ）Ｐ（１＋ｚ）Ｏ（４＋ｍ）（Ｍ＝Ｖ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｎｉ、又はＦｅ、０≦ｘ＜１．１、−０．５＜ｙ＜０．５、−０．５＜ｚ＜０．５、−０．５＜ｍ＜０．５）、及びＡｇ、Ｃ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｍｇ、Ｍｎ、Ｔｉ、Ｚｎ、及びそれらの組み合わせでドープされたＬｉｘＭ（１＋ｙ）Ｐ（１＋ｚ）Ｏ（４＋ｍ）（Ｍ＝Ｖ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｎｉ、又はＦｅ、０≦ｘ＜１．１、−０．５＜ｙ＜０．５、−０．５＜ｚ＜０．５、−０．５＜ｍ＜０．５）を含むリン酸鉄及びそれらの変形物を含むカソード材料に対して、０．０５マイクロメートルから３００マイクロメートルの範囲の厚さを有し、前記より厚いカソード層は、アモルファス、結晶、又は半結晶の形態である、Ｓ８、Ｌｉ２Ｓ、Ｌｉ２Ｓ４、ＬｉｘＳｙ（０≦ｘ＜１６、１≦ｙ≦８）、及び炭素でドープされたＬｉｘＳｙ（０≦ｘ＜１６、１≦ｙ≦８）を含む硫黄、硫化リチウム、及びそれらの変形物を含むカソード材料に対して、０．０５マイクロメートルから３００マイクロメートルの範囲の厚さを有する、請求項１２又は１３に記載のデバイス。
【請求項１５】
前記電気化学セルは、エアロゾルデポジションプロセス、又は、熱的手段、電子ビーム加熱、抵抗加熱、誘導加熱、イオンビーム加熱、レーザーアブレーション、分子ビームエピタキシー、イオンビームアシストデポジション（ＩＢＡＤ）、密結合昇華、ガスクラスターイオンビーム、運動量移動による物理蒸着、ダイオードスパッタリング、マグネトロンスパッタリング、不均衡マグネトロンスパッタリング、高出力インパルスマグネトロンスパッタリング、ＲＦスパッタリング、ＤＣスパッタリング、ＭＦスパッタリング、円筒形スパッタリング、ホローカソードスパッタリング、スパッタ蒸発、イオンビームスパッタリング、スパッタイオンクラスター、バイアススパッタリング、カソーディックアーク、フィルタードカソーディックアーク、バックグラウンドガスによる反応性物理蒸着、イオンビームアシストデポジション（ＩＢＡＤ）、プラズマ活性化物理蒸着（ＰＶＤ）、エアロゾルデポジション、及びこれらの組み合わせによるＰＶＤを含むＰＶＤプロセスを使用して製造される、請求項１２から１４の何れか一項に記載のデバイス。
【請求項１６】
前記電気化学セルは、エアロゾルデポジションプロセスを使用して製造される、請求項１２から１４の何れか一項に記載のデバイス。
【請求項１７】
前記より薄いカソード層を有する電気化学セルは、５００Ｗ／ｋｇを超える重量電力密度及び１２００Ｗ／Ｌを超える体積電力密度を供給することができ、より薄いカソード層を有する電気化学セルは、−１００℃の低い環境温度で動作することができ、より厚いカソード層を有する電気化学セルは、２００Ｗｈ／ｋｇを超える重量エネルギー密度及び５００Ｗｈ／Ｌを超える体積エネルギー密度を供給することができ、より厚いカソード層を有する電気化学セルは、０℃を超える環境温度で、１８０Ｗｈ／ｋｇを超える重量エネルギー密度及び４５０Ｗｈ／Ｌを超える体積エネルギー密度を供給することができる、請求項１２から１６の何れか一項に記載のデバイス。
【請求項１８】
接続されたアプリケーション負荷からの電力消費レベルを検出し、かつ、高パルス電力が検出された場合には前記より薄いカソードの電気化学セルに、そして低いベースライン電力が検出された場合には前記より厚いカソードの電気化学セルに放電電流及び／又は電力の大部分又は全てを割り当てるように構成されたコントローラインターフェースをさらに含み、前記デバイスに結合された充電器であって、エネルギー源に接続して、定電流再充電プロファイル、定電流及び後続の定電圧の再充電プロファイル、又は定電圧再充電プロファイルの何れかで前記デバイスを再充電するように構成された充電器をさらに含む、請求項１２から１７の何れか一項に記載のデバイス。
【請求項１９】
複数のより薄いカソードの電池セル及びより厚いカソードの電池セルを含む電池モジュール、又は、各モジュールが複数のより薄いカソードの電池セル及びより厚いカソードの電池セルを含む複数の電池モジュールを含む電池パックをさらに含む、請求項１２から１８の何れか一項に記載のデバイス。
【請求項２０】
直列、並列、又はそれらの組み合わせで接続された複数の電池モジュールを含む電池パックをさらに含み、前記電池モジュールは、直列、並列、又はそれらの組み合わせで接続された複数の電池セルを含み、前記複数の電池セル間の直列及び／又は並列接続は、充電及び放電中に前記デバイスの電圧を調整するために動的に変更され、前記複数の電池モジュール間の直列及び／又は並列接続は、充電及び放電中に前記デバイスの電圧を調整するために動的に変更され、セル及び／又はモジュール間の直列及び／又は並列接続は、望ましい電池パック及び／又はモジュールの電圧範囲を実現するために、前記モジュール及び／又はセル間のバランスを実現するために、誤動作しているモジュール及び／又はセルをバイパスするために、及び前記モジュール及び／又はセルを再充電する準備をするために、異なる直列−並列接続構成間で動的に切り替えられ、
各電池セル及び／又はモジュールは、６つのオン／オフスイッチに関連付けられて繰り返し群を形成するように構成され、前記スイッチはトランジスタであり、前記スイッチは、金属−酸化物−半導体電界効果トランジスタを含む電界効果トランジスタであり、電池セル及び／又はモジュールに対する異なる直列−並列接続構成は、全てのオン／オフスイッチのオン及びオフ状態を構成することによって実現され、前記接続構成は、前記電池パック及び／又はモジュールの電圧が設定値を下回るか又は上回ると、動的に切り替えられる、請求項１２から１９の何れか一項に記載のデバイス。
【請求項２１】
消費者向け電子デバイス、車両、又は配電網からアプリケーション負荷にエネルギーを提供するように構成される、請求項１２から１９の何れか一項に記載のデバイス。
【請求項２２】
前記少なくとも２つの電気化学セルは、６ミクロン以下の厚さ、好ましくは２ミクロン以下の厚さの薄膜金属基板上に堆積される、請求項１２から２０の何れか一項に記載のデバイス。
【請求項２３】
薄膜金属基板は、長手方向の長さを有する金属箔のリボンであり、前記デバイスは、前記長手方向の長さに沿って堆積された複数の固体電気化学セルを含み、リボン基板上に堆積された隣接する電気化学セル間の距離は、前記基板の前記長手方向の長さの方向に増加する、請求項２２に記載のデバイス。
【請求項２４】
前記エネルギー貯蔵電池デバイスは固体デバイスであり、前記少なくとも２つの電気化学セルは固体セルである、請求項１２から２３の何れか一項に記載のデバイス。
【請求項２５】
低温始動中にアプリケーション負荷にエネルギーを提供するように構成されたエネルギー貯蔵電池デバイスであって、
少なくとも２つの固体電気化学セルを含み、各電気化学セルは、少なくともアノード層、電解質層、カソード層、集電体層を含み、
前記電気化学セルの少なくとも１つは、−１００℃から−５０℃から５０℃の範囲の設定値までの環境温度でエネルギーを供給するように構成されたより薄いカソード層を特徴とし、前記カソードの厚さは０．０１マイクロメートルから１２０マイクロメートルの範囲であり、
前記電気化学セルの少なくとも１つは、−５０℃から５０℃の範囲の設定値を超える環境温度でエネルギーを供給するように構成されたより厚いカソード層を特徴とし、前記カソードの厚さは０．０５マイクロメートルから３６０マイクロメートルの範囲である、デバイス。
【請求項２６】
前記より薄いカソード層は、アモルファス、結晶、又は半結晶の形態である、Ｖ２Ｏ５、Ｖ（２＋ｙ）Ｏ（５＋ｚ）（−０．５＜ｙ＜０．５、−０．５＜ｚ＜０．５）、Ｖ３Ｏ８、ＬｉｘＶ２Ｏ５（０≦ｘ＜３）、ＬｉｘＶ（２＋ｙ）Ｏ（５＋ｚ）（０≦ｘ＜３、−０．５＜ｙ＜０．５、−０．５＜ｚ＜０．５）、ＬｉｘＶ３Ｏ８（０≦ｘ＜４）、Ｖ６Ｏ１３、Ｖ５Ｏ１５、ＶＯ２、Ｖ２Ｏ４、及びＡｇ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｚｎ、ＲｕＯ２、及びそれらの組み合わせでドープされたＬｉｘＶ（２＋ｙ）Ｏ（５＋ｚ）（０≦ｘ＜３、−０．５＜ｙ＜０．５、−０．５＜ｚ＜０．５）を含む酸化バナジウム及びそれらの変形物を含むカソード材料に対して、０．０１マイクロメートルから１００マイクロメートルの範囲の厚さを有し、前記より薄いカソード層は、アモルファス、結晶、又は半結晶の形態である、Ｍｎ２Ｏ４、ＬｉｘＭｎ２Ｏ４（０≦ｘ＜２）、ＬｉｘＭｎ２＋ｙＯ４＋ｚ（０≦ｘ＜２、−０．５＜ｙ＜０．５、−０．５＜ｚ＜０．５）、Ｍｎ２Ｏ３、ＬｉｘＭｎ２Ｏ３（０≦ｘ＜２）、及びＡｌ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｍｇ、Ｎｉ、Ｐｔ、及びそれらの組み合わせでドープされたＬｉｘＭｎ２＋ｙＯ４＋ｚ（０≦ｘ＜２、−０．５＜ｙ＜０．５、−０．５＜ｚ＜０．５）を含む酸化マンガン及びそれらの変形物を含むカソード材料に対して、０．０１マイクロメートルから１１０マイクロメートルの範囲の厚さを有し、前記より薄いカソード層は、アモルファス、結晶、又は半結晶の形態である、ＣｏＯ２、ＬｉＣｏＯ２、ＬｉｘＣｏ（１＋ｙ）Ｏ（２＋ｚ）（０≦ｘ＜１．１、−０．５＜ｙ＜０．５、−０．５＜ｚ＜０．５）、及びＡｌ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｍｇ、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｐｔ、Ｚｎ、及びそれらの組み合わせでドープされたＬｉｘＣｏ（１＋ｙ）Ｏ（２＋ｚ）（０≦ｘ＜１．１、−０．５＜ｙ＜０．５、−０．５＜ｚ＜０．５）を含む酸化コバルト及びそれらの変形物を含むカソード材料に対して、０．０１マイクロメートルから１２０マイクロメートルの範囲の厚さを有し、前記より薄いカソード層は、アモルファス、結晶、又は半結晶の形態である、Ｎｉ１／３Ｃｏ１／３Ｍｎ１／３Ｏ２、ＬｉＮｉ１／３Ｃｏ１／３Ｍｎ１／３Ｏ２、ＬｉｘＮｉ（１／３＋ｙ）Ｃｏ（１／３＋ｚ）Ｍｎ（１／３＋ｍ）Ｏ（２＋ｎ）（０≦ｘ＜１．１、−１／３≦ｙ≦２／３、−１／３≦ｚ≦２／３、−１／３≦ｍ≦２／３、−０．５＜ｎ＜０．５）、ＬｉｘＮｉ（１／３＋ｙ）Ｃｏ（１／３＋ｚ）Ｍｎ（１／３＋ｍ）Ｏ（２＋ｎ）（０≦ｘ＜１．１、−１／３≦ｙ≦２／３、−１／３≦ｚ≦２／３、−１／３≦ｍ≦２／３、−０．５＜ｎ＜０．５）、及びＡｌ、Ｆ、Ｆｅ、Ｍｇ、Ｓｉ、及びそれらの組み合わせでドープされたＬｉｘＮｉｙＣｏｚ（０≦ｘ＜１．１、１／３≦ｙ≦２／３、−１／３≦ｚ≦２／３）を含むリチウムマンガンコバルト酸化物及びそれらの変形物を含むカソード材料に対して、０．０１マイクロメートルから１１０マイクロメートルの範囲の厚さを有し、前記より薄いカソード層は、アモルファス、結晶、又は半結晶の形態である、ＦｅＰＯ４、ＬｉＦｅＰＯ４、ＭＰＯ４（Ｍ＝Ｖ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｎｉ、又はＦｅ）、ＬｉＭＰＯ４（Ｍ＝Ｖ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｎｉ、又はＦｅ）、ＬｉｘＭ（１＋ｙ）Ｐ（１＋ｚ）Ｏ（４＋ｍ）（Ｍ＝Ｖ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｎｉ、又はＦｅ、０≦ｘ＜１．１、−０．５＜ｙ＜０．５、−０．５＜ｚ＜０．５、−０．５＜ｍ＜０．５）、及びＡｇ、Ｃ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｍｇ、Ｍｎ、Ｔｉ、Ｚｎ、及びそれらの組み合わせでドープされたＬｉｘＭ（１＋ｙ）Ｐ（１＋ｚ）Ｏ（４＋ｍ）（Ｍ＝Ｖ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｎｉ、又はＦｅ、０≦ｘ＜１．１、−０．５＜ｙ＜０．５、−０．５＜ｚ＜０．５、−０．５＜ｍ＜０．５）を含むリン酸鉄及びそれらの変形物を含むカソード材料に対して、０．０１マイクロメートルから１００マイクロメートルの範囲の厚さを有し、前記より薄いカソード層は、アモルファス、結晶、又は半結晶の形態である、Ｓ８、Ｌｉ２Ｓ、Ｌｉ２Ｓ４、ＬｉｘＳｙ（０≦ｘ＜１６、１≦ｙ≦８）、及び炭素でドープされたＬｉｘＳｙ（０≦ｘ＜１６、１≦ｙ≦８）を含む硫黄、硫化リチウム、及びそれらの変形物を含むカソード材料に対して、０．０１マイクロメートルから１００マイクロメートルの範囲の厚さを有する、請求項２５に記載のデバイス。
【請求項２７】
前記より厚いカソード層は、アモルファス、結晶、又は半結晶の形態である、Ｖ２Ｏ５、Ｖ（２＋ｙ）Ｏ（５＋ｚ）（−０．５＜ｙ＜０．５、−０．５＜ｚ＜０．５）、Ｖ３Ｏ８、ＬｉｘＶ２Ｏ５（０≦ｘ＜３）、ＬｉｘＶ（２＋ｙ）Ｏ（５＋ｚ）（０≦ｘ＜３、−０．５＜ｙ＜０．５、−０．５＜ｚ＜０．５）、ＬｉｘＶ３Ｏ８（０≦ｘ＜４）、Ｖ６Ｏ１３、Ｖ５Ｏ１５、ＶＯ２、Ｖ２Ｏ４、及びＡｇ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｚｎ、ＲｕＯ２、及びそれらの組み合わせでドープされたＬｉｘＶ（２＋ｙ）Ｏ（５＋ｚ）（０≦ｘ＜３、−０．５＜ｙ＜０．５、−０．５＜ｚ＜０．５）を含む酸化バナジウム及びそれらの変形物を含むカソード材料に対して、０．０５マイクロメートルから３００マイクロメートルの範囲の厚さを有し、前記より厚いカソード層は、アモルファス、結晶、又は半結晶の形態である、Ｍｎ２Ｏ４、ＬｉｘＭｎ２Ｏ４（０≦ｘ＜２）、ＬｉｘＭｎ２＋ｙＯ４＋ｚ（０≦ｘ＜２、−０．５＜ｙ＜０．５、−０．５＜ｚ＜０．５）、Ｍｎ２Ｏ３、ＬｉｘＭｎ２Ｏ３（０≦ｘ＜２）、及びＡｌ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｍｇ、Ｎｉ、Ｐｔ、及びそれらの組み合わせでドープされたＬｉｘＭｎ２＋ｙＯ４＋ｚ（０≦ｘ＜２、−０．５＜ｙ＜０．５、−０．５＜ｚ＜０．５）を含む酸化マンガン及びそれらの変形物を含むカソード材料に対して、０．０５マイクロメートルから３３０マイクロメートルの範囲の厚さを有し、前記より厚いカソード層は、アモルファス、結晶、又は半結晶の形態である、ＣｏＯ２、ＬｉＣｏＯ２、ＬｉｘＣｏ（１＋ｙ）Ｏ（２＋ｚ）（０≦ｘ＜１．１、−０．５＜ｙ＜０．５、−０．５＜ｚ＜０．５）、及びＡｌ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｍｇ、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｐｔ、Ｚｎ、及びそれらの組み合わせでドープされたＬｉｘＣｏ（１＋ｙ）Ｏ（２＋ｚ）（０≦ｘ＜１．１、−０．５＜ｙ＜０．５、−０．５＜ｚ＜０．５）を含む酸化コバルト及びそれらの変形物を含むカソード材料に対して、０．０５マイクロメートルから３６０マイクロメートルの範囲の厚さを有し、前記より厚いカソード層は、アモルファス、結晶、又は半結晶の形態である、Ｎｉ１／３Ｃｏ１／３Ｍｎ１／３Ｏ２、ＬｉＮｉ１／３Ｃｏ１／３Ｍｎ１／３Ｏ２、ＬｉｘＮｉ（１／３＋ｙ）Ｃｏ（１／３＋ｚ）Ｍｎ（１／３＋ｍ）Ｏ（２＋ｎ）（０≦ｘ＜１．１、−１／３≦ｙ≦２／３、−１／３≦ｚ≦２／３、−１／３≦ｍ≦２／３、−０．５＜ｎ＜０．５）、ＬｉｘＮｉ（１／３＋ｙ）Ｃｏ（１／３＋ｚ）Ｍｎ（１／３＋ｍ）Ｏ（２＋ｎ）（０≦ｘ＜１．１、−１／３≦ｙ≦２／３、−１／３≦ｚ≦２／３、−１／３≦ｍ≦２／３、−０．５＜ｎ＜０．５）、及びＡｌ、Ｆ、Ｆｅ、Ｍｇ、Ｓｉ、及びそれらの組み合わせでドープされたＬｉｘＮｉｙＣｏｚ（０≦ｘ＜１．１、１／３≦ｙ≦２／３、−１／３≦ｚ≦２／３）を含むリチウムマンガンコバルト酸化物及びそれらの変形物を含むカソード材料に対して、０．０５マイクロメートルから３３０マイクロメートルの範囲の厚さを有し、前記より厚いカソード層は、アモルファス、結晶、又は半結晶の形態である、ＦｅＰＯ４、ＬｉＦｅＰＯ４、ＭＰＯ４（Ｍ＝Ｖ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｎｉ、又はＦｅ）、ＬｉＭＰＯ４（Ｍ＝Ｖ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｎｉ、又はＦｅ）、ＬｉｘＭ（１＋ｙ）Ｐ（１＋ｚ）Ｏ（４＋ｍ）（Ｍ＝Ｖ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｎｉ、又はＦｅ、０≦ｘ＜１．１、−０．５＜ｙ＜０．５、−０．５＜ｚ＜０．５、−０．５＜ｍ＜０．５）、及びＡｇ、Ｃ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｍｇ、Ｍｎ、Ｔｉ、Ｚｎ、及びそれらの組み合わせでドープされたＬｉｘＭ（１＋ｙ）Ｐ（１＋ｚ）Ｏ（４＋ｍ）（Ｍ＝Ｖ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｎｉ、又はＦｅ、０≦ｘ＜１．１、−０．５＜ｙ＜０．５、−０．５＜ｚ＜０．５、−０．５＜ｍ＜０．５）を含むリン酸鉄及びそれらの変形物を含むカソード材料に対して、０．０５マイクロメートルから３００マイクロメートルの範囲の厚さを有し、前記より厚いカソード層は、アモルファス、結晶、又は半結晶の形態である、Ｓ８、Ｌｉ２Ｓ、Ｌｉ２Ｓ４、ＬｉｘＳｙ（０≦ｘ＜１６、１≦ｙ≦８）、及び炭素でドープされたＬｉｘＳｙ（０≦ｘ＜１６、１≦ｙ≦８）を含む硫黄、硫化リチウム、及びそれらの変形物を含むカソード材料に対して、０．０５マイクロメートルから３００マイクロメートルの範囲の厚さを有する、請求項２５又は２６に記載のデバイス。
【請求項２８】
前記電気化学セルは、熱的手段、電子ビーム加熱、抵抗加熱、誘導加熱、イオンビーム加熱、レーザーアブレーション、分子ビームエピタキシー、イオンビームアシストデポジション（ＩＢＡＤ）、密結合昇華、ガスクラスターイオンビーム、運動量移動による物理蒸着、ダイオードスパッタリング、マグネトロンスパッタリング、不均衡マグネトロンスパッタリング、高出力インパルスマグネトロンスパッタリング、ＲＦスパッタリング、ＤＣスパッタリング、ＭＦスパッタリング、円筒形スパッタリング、ホローカソードスパッタリング、スパッタ蒸発、イオンビームスパッタリング、スパッタイオンクラスター、バイアススパッタリング、カソーディックアーク、フィルタードカソーディックアーク、バックグラウンドガスによる反応性物理蒸着、イオンビームアシストデポジション（ＩＢＡＤ）、プラズマ活性化物理蒸着（ＰＶＤ）、及びこれらの組み合わせによるＰＶＤを含むＰＶＤプロセスを使用して製造される、請求項２５から２７の何れか一項に記載のデバイス。
【請求項２９】
前記電気化学セルは、エアロゾルデポジションプロセスを使用して製造される、請求項２５から２７の何れか一項に記載のデバイス。
【請求項３０】
より薄いカソード層を有する電気化学セルは、５００Ｗ／ｋｇを超える重量電力密度及び１２００Ｗ／Ｌを超える体積電力密度を供給することができ、より薄いカソード層を有する電気化学セルは、−５０℃の低い環境温度で動作することができ、より厚いカソード層を有する電気化学セルは、２００Ｗｈ／ｋｇを超える重量エネルギー密度及び５００Ｗｈ／Ｌを超える体積エネルギー密度を供給することができ、より厚いカソード層を有する電気化学セルは、０℃を超える環境温度で、１８０Ｗｈ／ｋｇを超える重量エネルギー密度及び４５０Ｗｈ／Ｌを超える体積エネルギー密度を供給することができる、請求項２５から２９の何れか一項に記載のデバイス。
【請求項３１】
前記環境温度を検出し、かつ、設定値以下のより低い環境温度が検出された場合には前記より薄いカソードの電気化学セルに、そして設定値を超えるより高い環境温度が検出された場合には前記より厚いカソードの電気化学セルに放電電流及び／又は電力の大部分又は全てを割り当てることによって前記アプリケーション負荷にエネルギーを提供するように構成されたコントローラインターフェースをさらに含み、温度設定値は−５０℃から５０℃の範囲である、請求項２５から３０の何れか一項に記載のデバイス。
【請求項３２】
コントローラは、定電流再充電プロファイル、定電流及び後続の定電圧の再充電プロファイル、又は定電圧再充電プロファイルの何れかで前記デバイスを再充電できるようにエネルギー源と接続するように構成された充電管理システムを含む、請求項２５から３１の何れか一項に記載のデバイス。
【請求項３３】
前記より薄いカソードの電気化学セルは、前記環境温度が設定値を下回るときに電気エネルギーを提供して電気加熱を用いて前記より厚いカソードの電気化学セルを加熱するように構成され、温度設定値は−５０℃から５０℃の範囲である、請求項２５から３２の何れか一項に記載のデバイス。
【請求項３４】
複数のより薄いカソードの電池セル及びより厚いカソードの電池セルを含む電池モジュール、又は、各モジュールが複数のより薄いカソードの電池セル及びより厚いカソードの電池セルを含む複数の電池モジュールを含む電池パックをさらに含む、請求項２５から３３の何れか一項に記載のデバイス。
【請求項３５】
直列、並列、又はそれらの組み合わせで接続された複数の電池モジュールを含む電池パックをさらに含み、前記電池モジュールは、直列、並列、又はそれらの組み合わせで接続された複数の電池セルを含み、前記電池セル間の直列及び／又は並列接続は、充電及び放電中に前記デバイスの電圧を調整するために動的に変更され、
電池モジュール間の直列及び／又は並列接続は、充電及び放電中に前記デバイスの電圧を調整するために動的に変更され、セル及び／又はモジュール間の直列及び／又は並列接続は、望ましい電池パック及び／又はモジュールの電圧範囲を実現するために、前記モジュール及び／又はセル間のバランスを実現するために、誤動作しているモジュール及び／又はセルをバイパスするために、及び前記モジュール及び／又はセルを再充電する準備をするために、異なる直列−並列接続構成間で動的に切り替えられ、
電池セル及び／又はモジュールに対する異なる直列−並列接続構成は、全てのオン／オフスイッチのオン及びオフ状態を構成することによって実現され、各電池セル及び／又はモジュールは、６つのオン／オフスイッチに関連付けられて繰り返し群を形成するように構成され、前記スイッチはトランジスタであり、前記スイッチは、金属−酸化物−半導体電界効果トランジスタを含む電界効果トランジスタであり、前記接続構成は、前記電池パック及び／又はモジュールの電圧が設定値を下回るか又は上回ると、動的に切り替えられる、請求項２５から３４の何れか一項に記載のデバイス。
【請求項３６】
消費者向け電子デバイス、車両、又は配電網からアプリケーション負荷にエネルギーを提供するように構成される、請求項３５に記載のデバイス。
【請求項３７】
前記エネルギー貯蔵電池デバイスは固体デバイスであり、前記少なくとも２つの電気化学セルは固体セルである、請求項２５から３６の何れか一項に記載のデバイス。
【請求項３８】
パルス電力負荷及び低温始動用に設計された、より薄いカソードの電気化学セル及びより厚いカソードの電気化学セルを有するエネルギー貯蔵電池デバイスを制御するシステムであって、
前記電池デバイスの電圧を監視するように構成された電圧センサーと、
前記電池デバイスを通る電流を監視するように構成された電流センサーと、
前記電池の温度を監視するように構成された電池温度センサーと、
環境温度を監視するように構成された環境温度センサーと、
少なくとも、前記電圧センサー、前記電流センサー、及び前記温度センサーから１つ以上の入力を受信し、かつ、制御信号を送信して、電力負荷からの電力消費及び環境温度に応じて前記より薄いカソードの電気化学セルと前記より厚いカソードの電気化学セルとの間で放電電流及び／又は電力の大部分又は全てを割り当てるように構成されたコントローラと、
を含む、システム。
【請求項３９】
前記コントローラは、前記より薄いカソードの電気化学セルと前記より厚いカソードの電気化学セルとの間で放電電流及び／又は電力の大部分又は全てを割り当てるように構成され、
前記放電電流及び／又は電力の大部分又は全ては、
パルス電力中で電力消費がより高い場合、及び／又は環境温度が−５０℃から５０℃の範囲の設定値である場合により薄いカソードの電気化学セルに割り当てられ、
ベースライン電力中で電力消費がより低い場合、及び／又は環境温度が前記設定値を超える場合により厚いカソードの電気化学セルに割り当てられる、請求項３８に記載のシステム。
【請求項４０】
前記コントローラは、前記より薄いカソードの電気化学セルから供給されるエネルギー／電力を分配し、かつ、前記エネルギー／電力の一部を使用して、環境温度が前記設定値を下回る場合に前記より厚いカソードの電気化学セルを加熱するように構成される、請求項３９に記載のシステム。
【請求項４１】
前記コントローラは、充電及び放電中に前記デバイスの電圧を調整するために、固体エネルギー貯蔵電池デバイス内の電気化学セル及び／又はモジュール間の直列及び／又は並列接続を動的に変更するように構成され、セル及び／又はモジュール間の直列及び／又は並列接続は、望ましい電池パック及び／又はモジュールの電圧範囲を実現するために、前記モジュール及び／又はセル間のバランスを実現するために、誤動作しているモジュール及び／又はセルをバイパスするために、及び前記モジュール及び／又はセルを再充電する準備をするために、異なる直列−並列接続構成間で動的に切り替えられ、
電池セル及び／又はモジュールに対する異なる直列−並列接続構成は、全てのオン／オフスイッチのオン及びオフ状態を構成することによって実現され、各電池セル及び／又はモジュールは、６つのオン／オフスイッチに関連付けられて繰り返し群を形成するように構成され、前記スイッチはトランジスタであり、前記スイッチは、金属−酸化物−半導体電界効果トランジスタを含む電界効果トランジスタであり、前記接続構成は、前記電池パック及び／又はモジュールの電圧が設定値を下回るか又は上回ると、動的に切り替えられる、請求項３８から４０の何れか一項に記載のシステム。
【請求項４２】
前記コントローラは、前記電圧センサーからの検出電圧値、前記電流センサーからの検出電流値、及び前記温度センサーからの検出温度を使用して、前記より薄いカソードの電気化学セル及びより厚いカソードの電気化学セルの充電状態及び残存容量を決定するように構成され、前記コントローラは、電圧ルックアップ、クーロンカウンティング、カルマンフィルタリング、拡張カルマンフィルタリング、無香変換ベースの予測補正フィルタリングを使用して、前記電気化学セルの充電状態を決定するように構成され、前記コントローラは、フィジックスベースの電池モデル、等価回路電池モデル、及びその他の次数低減電池モデルをカルマンフィルタリング、拡張カルマンフィルタリング、無香変換ベースの予測補正フィルタリングとともに使用して、前記電気化学セルの充電状態を決定するように構成され、前記コントローラは、前記より薄い電気化学セル及び前記より厚い電気化学セルの決定された充電状態及び残存容量を使用して、電力負荷プロファイル及び環境温度に基づいてこれらのセルのバランスをとるように構成される、請求項３８から４１の何れか一項に記載のシステム。
【請求項４３】
前記コントローラは、定電流再充電プロファイル、定電流及び後続の定電圧の再充電プロファイル、又は定電圧再充電プロファイルで前記エネルギー貯蔵電池デバイスを再充電できるようにエネルギー源に接続するように構成された充電管理システムを含み、前記コントローラは、これらの各セルのそれぞれの公称容量及び充電状態に基づいて、前記より薄いカソードの電気化学セル及び前記より厚いカソードの電気化学セルに指定された量の充電電流を提供するように構成される、請求項３８から４２の何れか一項に記載のシステム。
【請求項４４】
前記より薄いカソード層は、アモルファス、結晶、又は半結晶の形態である、Ｖ２Ｏ５、Ｖ（２＋ｙ）Ｏ（５＋ｚ）（−０．５＜ｙ＜０．５、−０．５＜ｚ＜０．５）、Ｖ３Ｏ８、ＬｉｘＶ２Ｏ５（０≦ｘ＜３）、ＬｉｘＶ（２＋ｙ）Ｏ（５＋ｚ）（０≦ｘ＜３、−０．５＜ｙ＜０．５、−０．５＜ｚ＜０．５）、ＬｉｘＶ３Ｏ８（０≦ｘ＜４）、Ｖ６Ｏ１３、Ｖ５Ｏ１５、ＶＯ２、Ｖ２Ｏ４、及びＡｇ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｚｎ、ＲｕＯ２、及びそれらの組み合わせでドープされたＬｉｘＶ（２＋ｙ）Ｏ（５＋ｚ）（０≦ｘ＜３、−０．５＜ｙ＜０．５、−０．５＜ｚ＜０．５）を含む酸化バナジウム及びそれらの変形物を含むカソード材料に対して、０．０１マイクロメートルから１００マイクロメートルの範囲の厚さを有し、前記より薄いカソード層は、アモルファス、結晶、又は半結晶の形態である、Ｍｎ２Ｏ４、ＬｉｘＭｎ２Ｏ４（０≦ｘ＜２）、ＬｉｘＭｎ２＋ｙＯ４＋ｚ（０≦ｘ＜２、−０．５＜ｙ＜０．５、−０．５＜ｚ＜０．５）、Ｍｎ２Ｏ３、ＬｉｘＭｎ２Ｏ３（０≦ｘ＜２）、及びＡｌ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｍｇ、Ｎｉ、Ｐｔ、及びそれらの組み合わせでドープされたＬｉｘＭｎ２＋ｙＯ４＋ｚ（０≦ｘ＜２、−０．５＜ｙ＜０．５、−０．５＜ｚ＜０．５）を含む酸化マンガン及びそれらの変形物を含むカソード材料に対して、０．０１マイクロメートルから１１０マイクロメートルの範囲の厚さを有し、前記より薄いカソード層は、アモルファス、結晶、又は半結晶の形態である、ＣｏＯ２、ＬｉＣｏＯ２、ＬｉｘＣｏ（１＋ｙ）Ｏ（２＋ｚ）（０≦ｘ＜１．１、−０．５＜ｙ＜０．５、−０．５＜ｚ＜０．５）、及びＡｌ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｍｇ、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｐｔ、Ｚｎ、及びそれらの組み合わせでドープされたＬｉｘＣｏ（１＋ｙ）Ｏ（２＋ｚ）（０≦ｘ＜１．１、−０．５＜ｙ＜０．５、−０．５＜ｚ＜０．５）を含む酸化コバルト及びそれらの変形物を含むカソード材料に対して、０．０１マイクロメートルから１２０マイクロメートルの範囲の厚さを有し、前記より薄いカソード層は、アモルファス、結晶、又は半結晶の形態である、Ｎｉ１／３Ｃｏ１／３Ｍｎ１／３Ｏ２、ＬｉＮｉ１／３Ｃｏ１／３Ｍｎ１／３Ｏ２、ＬｉｘＮｉ（１／３＋ｙ）Ｃｏ（１／３＋ｚ）Ｍｎ（１／３＋ｍ）Ｏ（２＋ｎ）（０≦ｘ＜１．１、−１／３≦ｙ≦２／３、−１／３≦ｚ≦２／３、−１／３≦ｍ≦２／３、−０．５＜ｎ＜０．５）、ＬｉｘＮｉ（１／３＋ｙ）Ｃｏ（１／３＋ｚ）Ｍｎ（１／３＋ｍ）Ｏ（２＋ｎ）（０≦ｘ＜１．１、−１／３≦ｙ≦２／３、−１／３≦ｚ≦２／３、−１／３≦ｍ≦２／３、−０．５＜ｎ＜０．５）、及びＡｌ、Ｆ、Ｆｅ、Ｍｇ、Ｓｉ、及びそれらの組み合わせでドープされたＬｉｘＮｉｙＣｏｚ（０≦ｘ＜１．１、１／３≦ｙ≦２／３、−１／３≦ｚ≦２／３）を含むリチウムマンガンコバルト酸化物及びそれらの変形物を含むカソード材料に対して、０．０１マイクロメートルから１１０マイクロメートルの範囲の厚さを有し、前記より薄いカソード層は、アモルファス、結晶、又は半結晶の形態である、ＦｅＰＯ４、ＬｉＦｅＰＯ４、ＭＰＯ４（Ｍ＝Ｖ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｎｉ、又はＦｅ）、ＬｉＭＰＯ４（Ｍ＝Ｖ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｎｉ、又はＦｅ）、ＬｉｘＭ（１＋ｙ）Ｐ（１＋ｚ）Ｏ（４＋ｍ）（Ｍ＝Ｖ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｎｉ、又はＦｅ、０≦ｘ＜１．１、−０．５＜ｙ＜０．５、−０．５＜ｚ＜０．５、−０．５＜ｍ＜０．５）、及びＡｇ、Ｃ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｍｇ、Ｍｎ、Ｔｉ、Ｚｎ、及びそれらの組み合わせでドープされたＬｉｘＭ（１＋ｙ）Ｐ（１＋ｚ）Ｏ（４＋ｍ）（Ｍ＝Ｖ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｎｉ、又はＦｅ、０≦ｘ＜１．１、−０．５＜ｙ＜０．５、−０．５＜ｚ＜０．５、−０．５＜ｍ＜０．５）を含むリン酸鉄及びそれらの変形物を含むカソード材料に対して、０．０１マイクロメートルから１００マイクロメートルの範囲の厚さを有し、前記より薄いカソード層は、アモルファス、結晶、又は半結晶の形態である、Ｓ８、Ｌｉ２Ｓ、Ｌｉ２Ｓ４、ＬｉｘＳｙ（０≦ｘ＜１６、１≦ｙ≦８）、及び炭素でドープされたＬｉｘＳｙ（０≦ｘ＜１６、１≦ｙ≦８）を含む硫黄、硫化リチウム、及びそれらの変形物を含むカソード材料に対して、０．０１マイクロメートルから１００マイクロメートルの範囲の厚さを有する、請求項３８から４３の何れか一項に記載のシステム。
【請求項４５】
前記より厚いカソード層の厚さは、アモルファス、結晶、又は半結晶の形態である、Ｖ２Ｏ５、Ｖ（２＋ｙ）Ｏ（５＋ｚ）（−０．５＜ｙ＜０．５、−０．５＜ｚ＜０．５）、Ｖ３Ｏ８、ＬｉｘＶ２Ｏ５（０≦ｘ＜３）、ＬｉｘＶ（２＋ｙ）Ｏ（５＋ｚ）（０≦ｘ＜３、−０．５＜ｙ＜０．５、−０．５＜ｚ＜０．５）、ＬｉｘＶ３Ｏ８（０≦ｘ＜４）、Ｖ６Ｏ１３、Ｖ５Ｏ１５、ＶＯ２、Ｖ２Ｏ４、及びＡｇ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｚｎ、ＲｕＯ２、及びそれらの組み合わせでドープされたＬｉｘＶ（２＋ｙ）Ｏ（５＋ｚ）（０≦ｘ＜３、−０．５＜ｙ＜０．５、−０．５＜ｚ＜０．５）を含む酸化バナジウム及びそれらの変形物を含むカソード材料に対して、０．０５マイクロメートルから３００マイクロメートルの範囲の厚さを有し、前記より厚いカソード層は、アモルファス、結晶、又は半結晶の形態である、Ｍｎ２Ｏ４、ＬｉｘＭｎ２Ｏ４（０≦ｘ＜２）、ＬｉｘＭｎ２＋ｙＯ４＋ｚ（０≦ｘ＜２、−０．５＜ｙ＜０．５、−０．５＜ｚ＜０．５）、Ｍｎ２Ｏ３、ＬｉｘＭｎ２Ｏ３（０≦ｘ＜２）、及びＡｌ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｍｇ、Ｎｉ、Ｐｔ、及びそれらの組み合わせでドープされたＬｉｘＭｎ２＋ｙＯ４＋ｚ（０≦ｘ＜２、−０．５＜ｙ＜０．５、−０．５＜ｚ＜０．５）を含む酸化マンガン及びそれらの変形物を含むカソード材料に対して、０．０５マイクロメートルから３３０マイクロメートルの範囲の厚さを有し、前記より厚いカソード層は、アモルファス、結晶、又は半結晶の形態である、ＣｏＯ２、ＬｉＣｏＯ２、ＬｉｘＣｏ（１＋ｙ）Ｏ（２＋ｚ）（０≦ｘ＜１．１、−０．５＜ｙ＜０．５、−０．５＜ｚ＜０．５）、及びＡｌ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｍｇ、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｐｔ、Ｚｎ、及びそれらの組み合わせでドープされたＬｉｘＣｏ（１＋ｙ）Ｏ（２＋ｚ）（０≦ｘ＜１．１、−０．５＜ｙ＜０．５、−０．５＜ｚ＜０．５）を含む酸化コバルト及びそれらの変形物を含むカソード材料に対して、０．０５マイクロメートルから３６０マイクロメートルの範囲の厚さを有し、前記より厚いカソード層は、アモルファス、結晶、又は半結晶の形態である、Ｎｉ１／３Ｃｏ１／３Ｍｎ１／３Ｏ２、ＬｉＮｉ１／３Ｃｏ１／３Ｍｎ１／３Ｏ２、ＬｉｘＮｉ（１／３＋ｙ）Ｃｏ（１／３＋ｚ）Ｍｎ（１／３＋ｍ）Ｏ（２＋ｎ）（０≦ｘ＜１．１、−１／３≦ｙ≦２／３、−１／３≦ｚ≦２／３、−１／３≦ｍ≦２／３、−０．５＜ｎ＜０．５）、ＬｉｘＮｉ（１／３＋ｙ）Ｃｏ（１／３＋ｚ）Ｍｎ（１／３＋ｍ）Ｏ（２＋ｎ）（０≦ｘ＜１．１、−１／３≦ｙ≦２／３、−１／３≦ｚ≦２／３、−１／３≦ｍ≦２／３、−０．５＜ｎ＜０．５）、及びＡｌ、Ｆ、Ｆｅ、Ｍｇ、Ｓｉ、及びそれらの組み合わせでドープされたＬｉｘＮｉｙＣｏｚ（０≦ｘ＜１．１、１／３≦ｙ≦２／３、−１／３≦ｚ≦２／３）を含むリチウムマンガンコバルト酸化物及びそれらの変形物を含むカソード材料に対して、０．０５マイクロメートルから３３０マイクロメートルの範囲の厚さを有し、前記より厚いカソード層は、アモルファス、結晶、又は半結晶の形態である、ＦｅＰＯ４、ＬｉＦｅＰＯ４、ＭＰＯ４（Ｍ＝Ｖ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｎｉ、又はＦｅ）、ＬｉＭＰＯ４（Ｍ＝Ｖ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｎｉ、又はＦｅ）、ＬｉｘＭ（１＋ｙ）Ｐ（１＋ｚ）Ｏ（４＋ｍ）（Ｍ＝Ｖ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｎｉ、又はＦｅ、０≦ｘ＜１．１、−０．５＜ｙ＜０．５、−０．５＜ｚ＜０．５、−０．５＜ｍ＜０．５）、及びＡｇ、Ｃ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｍｇ、Ｍｎ、Ｔｉ、Ｚｎ、及びそれらの組み合わせでドープされたＬｉｘＭ（１＋ｙ）Ｐ（１＋ｚ）Ｏ（４＋ｍ）（Ｍ＝Ｖ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｎｉ、又はＦｅ、０≦ｘ＜１．１、−０．５＜ｙ＜０．５、−０．５＜ｚ＜０．５、−０．５＜ｍ＜０．５）を含むリン酸鉄及びそれらの変形物を含むカソード材料に対して、０．０５マイクロメートルから３００マイクロメートルの範囲の厚さを有し、より厚いカソード層は、アモルファス、結晶、又は半結晶の形態である、Ｓ８、Ｌｉ２Ｓ、Ｌｉ２Ｓ４、ＬｉｘＳｙ（０≦ｘ＜１６、１≦ｙ≦８）、及び炭素でドープされたＬｉｘＳｙ（０≦ｘ＜１６、１≦ｙ≦８）を含む硫黄、硫化リチウム、及びそれらの変形物を含むカソード材料に対して、０．０５マイクロメートルから３００マイクロメートルの範囲の厚さを有する、請求項３８から４４の何れか一項に記載のシステム。
【請求項４６】
前記電気化学セルは、熱的手段、電子ビーム加熱、抵抗加熱、誘導加熱、イオンビーム加熱、レーザーアブレーション、分子ビームエピタキシー、イオンビームアシストデポジション（ＩＢＡＤ）、密結合昇華、ガスクラスターイオンビーム、運動量移動による物理蒸着、ダイオードスパッタリング、マグネトロンスパッタリング、不均衡マグネトロンスパッタリング、高出力インパルスマグネトロンスパッタリング、ＲＦスパッタリング、ＤＣスパッタリング、ＭＦスパッタリング、円筒形スパッタリング、ホローカソードスパッタリング、スパッタ蒸発、イオンビームスパッタリング、スパッタイオンクラスター、バイアススパッタリング、カソーディックアーク、フィルタードカソーディックアーク、バックグラウンドガスによる反応性物理蒸着、イオンビームアシストデポジション（ＩＢＡＤ）、プラズマ活性化物理蒸着（ＰＶＤ）、及びこれらの組み合わせによるＰＶＤを含むＰＶＤプロセスを使用して製造される、請求項３８から４５の何れか一項に記載のシステム。
【請求項４７】
前記電気化学セルは、エアロゾルデポジションプロセスを使用して製造される、請求項３８から４５の何れか一項に記載のシステム。
【請求項４８】
より薄いカソード層を有する電気化学セルは、５００Ｗ／ｋｇを超える重量電力密度及び１２００Ｗ／Ｌを超える体積電力密度を供給することができ、より薄いカソード層を有する電気化学セルは、−１００℃の低い環境温度で動作することができ、より厚いカソード層を有する電気化学セルは、２００Ｗｈ／ｋｇを超える重量エネルギー密度及び５００Ｗｈ／Ｌを超える体積エネルギー密度を供給することができ、より厚いカソード層を有する電気化学セルは、０℃を超える環境温度で、１８０Ｗｈ／ｋｇを超える重量エネルギー密度及び４５０Ｗｈ／Ｌを超える体積エネルギー密度を供給することができる、請求項３８から４７の何れか一項に記載のシステム。
【請求項４９】
前記エネルギー貯蔵電池デバイスは固体デバイスであり、前記少なくとも２つの電気化学セルは固体セルである、請求項３８から４８の何れか一項に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エネルギー貯蔵デバイスを製造するための技術に関する。より具体的には、本発明は、高いパルス電力を要求し、かつ／又は低い動作温度を必要とするアプリケーションデバイス及び／又はシステムに電源を供給する統合エネルギー貯蔵システムを提供する。
【背景技術】
【０００２】
エネルギー貯蔵デバイスは、消費者向け電子デバイス、車両、又は配電網などの様々なアプリケーションに使用でき、ここで、消費者向け電子デバイスには、これらに限定されないが、ＭＰ３プレーヤー、スマートフォン、タブレット、ラップトップコンピュータ、スマートウォッチ、アクティビティトラッカー、及びその他のウェアラブルデバイスが含まれ、車両には、これらに限定されないが、ハイブリッド電気バス、電気バス、ハイブリッド電気自動車、電気自動車、電動自転車、電動バイク、電動スクーター、電動ゴルフカート、電車、船、飛行機、電動飛行機、ヘリコプター、無人航空機、電気無人航空機、ドローン、その他の航空機、宇宙ステーション、スペースシャトル、宇宙飛行機、衛星、無人宇宙船、その他の宇宙船、及びその他の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、及び電気車両が含まれ、配電網には、これらに限定されないが、住宅、商業ビル、及びコミュニティのための独立型マイクログリッド、及び集中型配電網が含まれる。さらに、このようなエネルギー貯蔵デバイスは、通信システム、携帯電話とアンテナ塔、データセンター、及び無停電電源装置に使用できる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
アプリケーションは、電池などのエネルギー源からのより大きな電力と効率を必要とし続けるため、固体（ｓｏｌｉｄ−ｓｔａｔｅ）薄膜電池デバイスを改善するための技術が高く所望され続けている。本発明は、高パルス電力を要求し、かつ低温始動を必要とする様々なアプリケーションにエネルギーを提供するように構成された固体エネルギー貯蔵電池デバイスを含む。さらに、本発明は、高パルス電力を要求し、かつ／又は低い動作温度を必要とするアプリケーションデバイス及び／又はシステムに電源を供給するためのハイブリッド化された統合エネルギー貯蔵システムを含む。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
幾つかの実施形態では、統合エネルギー貯蔵システムは、鉛酸電池、ニッケルカドミウム電池、ニッケル−金属水素化物電池、リチウムイオン電池、リチウムイオンポリマー電解質電池、リチウムイオンポリマーゲル電解質電池、リチウムイオン固体電池、リチウムイオン固体薄膜電池、金属空気電池、燃料電池、コンデンサー、及びスーパーコンデンサーの１つ又は複数を含む第１の複数のエネルギー貯蔵ユニットであって、０℃を超える環境温度で１８０Ｗｈ／ｋｇを超える重量エネルギー密度及び４５０Ｗｈ／Ｌを超える体積エネルギー密度を有する、第１の複数のエネルギー貯蔵ユニットと、鉛酸電池、ニッケルカドミウム電池、ニッケル−金属水素化物電池、リチウムイオン電池、リチウムイオンポリマー電解質電池、リチウムイオンポリマーゲル電解質電池、リチウムイオン固体電池、リチウムイオン固体薄膜電池、金属空気電池、燃料電池、コンデンサー、及びスーパーコンデンサーの１つ又は複数を含む第２の複数のエネルギー貯蔵ユニットであって、０℃を超える環境温度で４５０Ｗ／ｋｇを超える重量電力密度及び１０８０Ｗ／Ｌを超える体積電力密度を有する、第２の複数のエネルギー貯蔵ユニットと、鉛酸電池、ニッケルカドミウム電池、ニッケル−金属水素化物電池、リチウムイオン電池、リチウムイオンポリマー電解質電池、リチウムイオンポリマーゲル電解質電池、リチウムイオン固体電池、リチウムイオン固体薄膜電池、金属空気電池、燃料電池、コンデンサー、及びスーパーコンデンサーの１つ又は複数を含む第３の複数のエネルギー貯蔵ユニットであって、−１００℃の低い環境温度で動作するように構成された、第３の複数のエネルギー貯蔵ユニットと、１つ又は複数の電圧センサー、１つ又は複数の電流センサー、及び１つ又は複数の温度センサーから１つ又は複数の入力を受信し、アプリケーション負荷からの電力消費及び環境温度に応じて電流又は電力を第１の複数のエネルギー貯蔵ユニット、第２の複数のエネルギー貯蔵ユニット、及び第３の複数のエネルギー貯蔵ユニットの間で割り当てるようにプログラムされたコントローラと、を含む。
【０００５】
幾つかの実施形態では、コントローラは、アプリケーション負荷からの電力消費に応じて第２の複数のエネルギー貯蔵ユニットから電流又は電力を割り当てるようにプログラムされ、第１の複数のエネルギー貯蔵ユニットは、動作時間を延長するために電力を処理するように構成される。幾つかの実施形態では、コントローラは、環境温度が設定値を下回るときに電流又は電力を第３の複数のエネルギー貯蔵ユニットに割り当てるようにプログラムされ、コントローラは、環境温度がそれらの動作温度下限を上回るときに電流又は電力を少なくとも第１の複数のエネルギー貯蔵ユニット又は第２の複数のエネルギー貯蔵ユニットに割り当てるように構成される。幾つかの実施形態では、第１の複数のエネルギー貯蔵ユニットは、０℃を超える環境温度で２００Ｗｈ／ｋｇを超える重量エネルギー密度及び５００Ｗｈ／Ｌを超える体積エネルギー密度を有する。幾つかの実施形態では、第２の複数のエネルギー貯蔵ユニットは、５００Ｗ／ｋｇを超える重量電力密度及び１２００Ｗ／Ｌを超える体積電力密度を有する。幾つかの実施形態では、第３の複数のエネルギー貯蔵ユニットは、−１００℃の低い環境温度で動作するように構成される。幾つかの実施形態では、コントローラは、第３の複数のエネルギー貯蔵ユニットから少なくとも第１の複数のエネルギー貯蔵ユニット又は第２の複数のエネルギー貯蔵ユニットに電力を供給して、抵抗加熱を使用して少なくとも第１の複数のエネルギー貯蔵ユニット又は第２の複数のエネルギー貯蔵ユニットを加熱するようにプログラムされる。
【０００６】
幾つかの実施形態では、コントローラは、１つ又は複数の電圧センサーからの検出電圧値、１つ又は複数の電流センサーからの検出電流値、及び１つ又は複数の温度センサーからの検出温度を使用して、少なくとも第１の複数のエネルギー貯蔵ユニット、第２の複数のエネルギー貯蔵ユニット、又は第３の複数のエネルギー貯蔵ユニットの充電状態又は残存容量を決定するようにプログラムされる。幾つかの実施形態では、コントローラは、少なくとも第１の複数のエネルギー貯蔵ユニット、第２の複数のエネルギー貯蔵ユニット、又は第３の複数のエネルギー貯蔵ユニットの決定された充電状態又は残存容量を使用して、第１の複数のエネルギー貯蔵ユニット、第２の複数のエネルギー貯蔵ユニット、及び第３の複数のエネルギー貯蔵ユニットからの電力供給のバランスをとるようにプログラムされる。幾つかの実施形態では、コントローラは、第１の複数のエネルギー貯蔵ユニット、第２の複数のエネルギー貯蔵ユニット、及び第３の複数のエネルギー貯蔵ユニットを再充電するためにエネルギー源と接続するように構成された充電器を含む。幾つかの実施形態では、第１の複数のエネルギー貯蔵ユニット、第２の複数のエネルギー貯蔵ユニット、及び第３の複数のエネルギー貯蔵ユニットは、充電及び放電中にシステムの電圧を調整するために直列又は並列に接続されるように構成される。
【０００７】
幾つかの実施形態では、本発明は、パルス電力でアプリケーション負荷に高い総エネルギーを提供するように構成されたエネルギー貯蔵電池デバイス、好ましくは固体エネルギー貯蔵電池デバイスを提供する。固体（ｓｏｌｉｄ−ｓｔａｔｅ）との用語は、セラミック、ガラス、ポリマー、又はポリマー様電解質を含むセルを含むことを意味する。デバイスは、少なくとも２つの固体電気化学セルを含むことができ、各電気化学セルは、少なくともアノード層、電解質層、カソード層、集電体層、及びバリア層を含む。固体電気化学セルの少なくとも１つは、パルス電力消費に対してエネルギーを供給するように構成されたより薄いカソード層を特徴とし、カソードの厚さは０．０１マイクロメートルから１２０マイクロメートルの範囲である。固体電気化学セルの少なくとも１つは、パルス電力よりも低いベースライン電力消費に対してエネルギーを供給するように構成されたより厚いカソード層を特徴とし、カソードの厚さは０．０５マイクロメートルから３６０マイクロメートルの範囲であり、パルス電力はアプリケーション負荷によって消費されるベースライン電力よりも高く、持続時間は１分未満である。
【０００８】
幾つかの実施形態では、より薄いカソード層の厚さ及びより厚いカソード層の厚さは、所与の質量及び／又は体積並びに所与のアプリケーション負荷電力消費プロファイルに対して最大エネルギーを供給するようにコンピュータ支援エンジニアリングによって決定される。アプリケーション負荷は、負荷からの電力消費レベルを検出し、かつ、高パルス電力が検出された場合にはより薄いカソードの電気化学セルに、そして低いベースライン電力が検出された場合にはより厚いカソードの電気化学セルに放電電流及び／又は電力の大部分又は全てを割り当てるように構成されたコントローラインターフェースを介してデバイスに結合することができる。
【０００９】
幾つかの実施形態では、本発明は、低温始動中にアプリケーション負荷にエネルギーを提供するように構成された固体エネルギー貯蔵電池デバイスを提供することができる。デバイスは、少なくとも２つの固体電気化学セルを含むことができ、各電気化学セルは、少なくともアノード層、電解質層、カソード層、集電体層、及びバリア層を含む。固体電気化学セルの少なくとも１つは、−１００℃から−５０℃から５０℃の範囲の設定値までの環境温度でエネルギーを供給するように構成されたより薄いカソード層を特徴とし、カソードの厚さは０．０１マイクロメートルから１２０マイクロメートルの範囲である。固体電気化学セルの少なくとも１つは、−５０℃から５０℃の範囲の設定値を超える環境温度でエネルギーを供給するように構成されたより厚いカソード層を特徴とし、カソードの厚さは０．０５マイクロメートルから３６０マイクロメートルの範囲である。
【００１０】
幾つかの実施形態では、より薄いカソード層の厚さ及びより厚いカソード層の厚さは、所与の質量及び／又は体積並びに所与の環境温度に対して最大エネルギーを供給するようにコンピュータ支援エンジニアリングによって決定される。また、アプリケーション負荷は、環境温度を検出し、かつ、低い環境温度が検出された場合にはより薄いカソードの電気化学セルに、そしてより高い環境温度が検出された場合にはより厚いカソードの電気化学セルに放電電流及び／又は電力の大部分又は全てを割り当てるように構成されたコントローラインターフェースを介してデバイスに結合することができる。より薄いカソードの電気化学セルは、冷間始動中に環境温度が−５０℃から５０℃の範囲の設定値を下回るときに、電気エネルギーを提供して電気加熱を用いてより厚いカソードの電気化学セルを加熱するように構成される。
【００１１】
電気化学セル又は電池は、熱的手段、電子ビーム加熱、抵抗加熱、誘導加熱、イオンビーム加熱、レーザーアブレーション、分子ビームエピタキシー、イオンビームアシストデポジション（ＩＢＡＤ）、密結合昇華、ガスクラスターイオンビーム、運動量移動による物理蒸着、ダイオードスパッタリング、マグネトロンスパッタリング、不均衡マグネトロンスパッタリング、高出力インパルスマグネトロンスパッタリング、ＲＦスパッタリング、ＤＣスパッタリング、ＭＦスパッタリング、円筒形スパッタリング、ホローカソードスパッタリング、スパッタ蒸発、イオンビームスパッタリング、スパッタイオンクラスター、バイアススパッタリング、カソーディックアーク、フィルタードカソーディックアーク、バックグラウンドガスによる反応性物理蒸着、イオンビームアシストデポジション（ＩＢＡＤ）、プラズマ活性化物理蒸着（ＰＶＤ）、及びこれらの組み合わせによるＰＶＤを含む少なくともＰＶＤプロセスを使用して製造することができる。電気化学セル又は電池は、エアロゾルデポジション技術を用いて製造することができる。
【００１２】
デバイスは、デバイスに結合された充電器を含むことができ、充電器は、エネルギー源に接続して、定電流再充電プロファイル、定電流及び後続の定電圧の再充電プロファイル、又は定電圧充電プロファイルの何れかで前記デバイスを再充電するように構成される。また、デバイスは、消費者向け電子デバイス、車両、又は配電網からアプリケーション負荷にエネルギーを提供するように構成することができる。さらに、そのようなエネルギー貯蔵デバイスは、通信システム、携帯電話とアンテナ塔、データセンター、及び無停電電源装置に使用できる。
【００１３】
幾つかの実施形態では、本発明は、パルス電力負荷及び低温始動用に設計された、より薄いカソードの電気化学セル及びより厚いカソードの電気化学セルを有する固体エネルギー貯蔵電池デバイスを制御するシステムを提供する。システムは、少なくとも、電池デバイスの電圧を監視するように構成された電圧センサーであって、２つ以上の電圧プローブを含む、電圧センサーと、少なくとも、電池を通る電流を監視するように構成された電流センサーであって、２つ以上の電流プローブを含む、電流センサーと、少なくとも、電池の温度を監視するように構成された温度センサーであって、少なくとも１つの温度プローブを含む、温度センサーと、少なくとも、環境温度を監視するように構成された温度センサーであって、少なくとも１つの温度プローブを含む、温度センサーと、少なくとも、電圧センサー、電流センサー、及び温度センサーから１つ以上の入力を受信し、かつ、制御信号を送信して、電力負荷からの電力消費及び環境温度に応じてより薄いカソードの電気化学セルとより厚いカソードの電気化学セルとの間で放電電流又は電力の大部分又は全てを割り当てるように構成されたコントローラと、を含むことができる。
【００１４】
幾つかの実施形態では、コントローラは、より薄いカソードの電気化学セルとより厚いカソードの電気化学セルとの間に放電電流及び／又は電力の大部分又は全てを割り当てるように構成され、放電電流及び／又は電力の大部分又は全ては、パルス電力中で電力消費がより高い場合、及び／又は冷間始動中に環境温度が−５０℃から５０℃の範囲の設定値を下回る場合により薄いカソードの電気化学セルに割り当てられ、ベースライン電力中で電力消費がより低い場合、及び／又は環境温度が−５０℃から５０℃の範囲の設定値を上回る場合により厚いカソードの電気化学セルに割り当てられる。
【００１５】
幾つかの実施形態では、コントローラは、より薄いカソードの電気化学セルから供給されるエネルギー／電力を分配し、かつ、エネルギー／電力の一部を使用して、環境温度が設定値を下回るときに冷間始動中に抵抗加熱を使用してより厚いカソードの電気化学セルを加熱するように構成され、温度設定値は、−１０℃から１０℃又は−５０℃から５０℃の範囲である。
【００１６】
幾つかの実施形態では、コントローラはまた、充電及び放電中にデバイスの電圧を調整するために、固体エネルギー貯蔵電池デバイス内の電気化学セル及び／又はモジュール間の直列及び／又は並列接続を動的に変更するように構成され、セル及び／又はモジュール間の直列及び／又は並列接続は、望ましい電池パック及び／又はモジュールの電圧範囲を実現するために、モジュール及び／又はセル間のバランスを実現するために、誤動作しているモジュール及び／又はセルをバイパスするために、及びモジュール及び／又はセルを再充電する準備をするために、異なる直列−並列接続構成間で動的に切り替えられ、電池セル及び／又はモジュールに対する異なる直列−並列接続構成は、全てのオン／オフスイッチのオン及びオフ状態を構成することによって実現され、各電池セル及び／又はモジュールは、６つのオン／オフスイッチに関連付けられて繰り返し群を形成するように構成され、スイッチはトランジスタであり、スイッチは、金属−酸化物−半導体電界効果トランジスタを含む電界効果トランジスタであり、接続構成は、電池パック及び／又はモジュールの電圧が設定値を下回るか又は上回ると、動的に切り替えられる。
【００１７】
幾つかの実施形態では、コントローラは、電圧センサーからの検出電圧値、電流センサーからの検出電流値、及び温度センサーからの検出温度を使用して、より薄いカソードの電気化学セル及びより厚いカソードの電気化学セルの充電状態及び残存容量を決定するように構成され、コントローラは、電圧ルックアップ、クーロンカウンティング、カルマンフィルタリング、拡張カルマンフィルタリング、無香（ｕｎｓｃｅｎｔｅｄ）変換ベースの予測補正フィルタリングを使用して、電気化学セルの充電状態を決定するように構成され、コントローラは、フィジックスベースの電池モデル、等価回路電池モデル、及びその他の次数低減電池モデルをカルマンフィルタリング、拡張カルマンフィルタリング、無香変換ベースの予測補正フィルタリングとともに使用して、電気化学セルの充電状態を決定するように構成され、コントローラは、より薄い電気化学セル及びより厚い電気化学セルの決定された充電状態及び残存容量を使用して、電力負荷プロファイル及び環境温度に基づいてこれらのセルのバランスをとるように構成される。
【００１８】
幾つかの実施形態では、コントローラは、エネルギー源に接続して、定電流再充電プロファイル、定電流及び後続の定電圧の再充電プロファイル、又は定電圧再充電プロファイルで固体エネルギー貯蔵電池デバイスを再充電するように構成された充電器を含み、コントローラは、これらの各セルのそれぞれの公称容量に基づいて、より薄いカソードの電気化学セル及びより厚いカソードの電気化学セルに指定された量の充電電流を提供するように構成される。
【００１９】
本発明をより完全に理解するために、添付の図面を参照する。これらの図面は本発明の範囲における制限と見なされるべきではないことを理解し、現在説明されている実施形態及び現在理解されている本発明の最良の形態は、添付の図面の使用を通じてさらに詳細に説明される。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の実施形態による固体エネルギー貯蔵電池デバイスの電力プロファイルを示す簡略化されたグラフである。
【図２】本発明の実施形態による固体エネルギー貯蔵電池デバイスの放電プロファイルを示す簡略化されたグラフである。
【図３】本発明の実施形態による固体エネルギー貯蔵電池デバイスの断面図を示す簡略図である。
【図４】本発明の実施形態による固体エネルギー貯蔵用の薄い電池セルの放電プロファイルを示す簡略化されたグラフである。
【図５】本発明の実施形態による固体エネルギー貯蔵用の厚い電池セルの放電プロファイルを示す簡略化されたグラフである。
【図６】本発明の実施形態による薄い電池セル及び厚い電池セルの性能を示す簡略化されたグラフである。
【図７】本発明の実施形態による固体エネルギー貯蔵電池セルへの負荷接続のための等価回路を示す簡略化された回路図である。
【図８】本発明の実施形態による固体エネルギー貯蔵電池セルからシステム負荷への供給可能電力を示す簡略化されたグラフである。
【図９】本発明の実施形態による直列に接続された２つのセルを有する固体エネルギー貯蔵電池デバイスへの負荷接続のための等価回路を示す簡略化された回路図である。
【図１０】本発明の実施形態による直列に接続された２つのセルを有する固体エネルギー貯蔵電池デバイスからシステム負荷への供給可能電力を示す簡略化されたグラフである。
【図１１】本発明の実施形態による電気化学セルの断面図の簡略図である。
【図１２】本発明の実施形態による固体電池デバイスを制御するためのシステムの簡略化されたブロック図である。
【図１３】本発明の実施形態による様々な温度に対するＮｉ−Ｃｄ及びＬｉイオン電池の単位体積あたりの供給可能エネルギーを示す簡略化されたグラフである。
【図１４Ａ】本発明の様々な実施形態による、電池パックの放電による電池モジュールの直列−並列接続構成を示す簡略図である。
【図１４Ｂ】本発明の様々な実施形態による、電池パックの放電による電池モジュールの直列−並列接続構成を示す簡略図である。
【図１４Ｃ】本発明の様々な実施形態による、電池パックの放電による電池モジュールの直列−並列接続構成を示す簡略図である。
【図１４Ｄ】本発明の様々な実施形態による、電池パックの放電による電池モジュールの直列−並列接続構成を示す簡略図である。
【図１４Ｅ】本発明の様々な実施形態による、電池パックの放電による電池モジュールの直列−並列接続構成を示す簡略図である。
【図１５】図１５Ａから図１５Ｅは、本発明の様々な実施形態による、電池パックの放電を通じて望ましい電池モジュールの直列−並列接続構成を実現するためのオン／オフスイッチの状態を示す簡略図である。
【図１６Ａ】本発明の実施形態による、マルチフィジックスベースの無香変換予測補正フィルターを使用した、正弦波放電中の電圧応答を示す簡略化されたグラフである。
【図１６Ｂ】本発明の実施形態による、マルチフィジックスベースの無香変換予測補正フィルターを使用した、カソードと電解質の界面における推定濃度の収束を示す簡略化されたグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
従来の電池デバイスは、幾つかの主要な動作条件に対処するのに苦労している。これらの条件の一部には、冷間始動及びパルス電力の処理が含まれる。現在の技術は、電池パックの動作温度を維持するために、ヒーターを常に作動させ続けるような技術を教示している。このような方法は、エネルギー効率が非常に悪い。
【００２２】
本発明の実施形態は、ハイブリッド設計を使用して構成された電池デバイスを有することにより、これらの問題に対処する。このハイブリッド設計では、薄いカソードのセルと厚いカソードのセルとを使用する。薄いカソードのセルは、冷間始動を処理することができ、厚いカソードのセルの加熱にも使用され得る。薄いカソードのセルはまた、パルス電力も処理することができる。一方で、厚いカソードのセルは、ベースライン電力を処理することができる。これらのセルタイプを直列接続設計で提供することにより、出力電圧をブーストしながら、主要な動作条件に対処することができる。本発明の実施形態は、ハイブリッド化された統合設計を使用して構成されたエネルギー貯蔵システムを有することにより、これらの問題にさらに対処する。このシステムは、高エネルギーのエネルギー貯蔵ユニット、高電力エネルギー貯蔵ユニット、及び低温エネルギー貯蔵ユニットを使用して、高パルス電力を要求し、かつ／又は低い動作温度を必要とするアプリケーションデバイス及び／又はシステムに電源を供給する。
【００２３】
幾つかの実施形態では、より薄いカソード層の厚さは、所与の質量及び／又は体積並びに所与のアプリケーション負荷電力消費プロファイル及び／又は所与の環境温度に対して最大エネルギーを供給するようにコンピュータ支援エンジニアリングによって決定され、より薄いカソード層は、アモルファス、結晶、又は半結晶の形態である、Ｖ２Ｏ５、Ｖ（２＋ｙ）Ｏ（５＋ｚ）（−０．５＜ｙ＜０．５、−０．５＜ｚ＜０．５）、Ｖ３Ｏ８、ＬｉｘＶ２Ｏ５（０≦ｘ＜３）、ＬｉｘＶ（２＋ｙ）Ｏ（５＋ｚ）（０≦ｘ＜３、−０．５＜ｙ＜０．５、−０．５＜ｚ＜０．５）、ＬｉｘＶ３Ｏ８（０≦ｘ＜４）、Ｖ６Ｏ１３、Ｖ５Ｏ１５、ＶＯ２、Ｖ２Ｏ４、及びＡｇ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｚｎ、ＲｕＯ２、及びそれらの組み合わせでドープされたＬｉｘＶ（２＋ｙ）Ｏ（５＋ｚ）（０≦ｘ＜３、−０．５＜ｙ＜０．５、−０．５＜ｚ＜０．５）を含む酸化バナジウム及びそれらの変形物を含むカソード材料に対して、０．０１マイクロメートルから１００マイクロメートルの範囲の厚さを有し、より薄いカソード層は、アモルファス、結晶、又は半結晶の形態である、Ｍｎ２Ｏ４、ＬｉｘＭｎ２Ｏ４（０≦ｘ＜２）、ＬｉｘＭｎ２＋ｙＯ４＋ｚ（０≦ｘ＜２、−０．５＜ｙ＜０．５、−０．５＜ｚ＜０．５）、Ｍｎ２Ｏ３、ＬｉｘＭｎ２Ｏ３（０≦ｘ＜２）、及びＡｌ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｍｇ、Ｎｉ、Ｐｔ、及びそれらの組み合わせでドープされたＬｉｘＭｎ２＋ｙＯ４＋ｚ（０≦ｘ＜２、−０．５＜ｙ＜０．５、−０．５＜ｚ＜０．５）を含む酸化マンガン及びそれらの変形物を含むカソード材料に対して、０．０１マイクロメートルから１１０マイクロメートルの範囲の厚さを有し、より薄いカソード層は、アモルファス、結晶、又は半結晶の形態である、ＣｏＯ２、ＬｉＣｏＯ２、ＬｉｘＣｏ（１＋ｙ）Ｏ（２＋ｚ）（０≦ｘ＜１．１、−０．５＜ｙ＜０．５、−０．５＜ｚ＜０．５）、及びＡｌ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｍｇ、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｐｔ、Ｚｎ、及びそれらの組み合わせでドープされたＬｉｘＣｏ（１＋ｙ）Ｏ（２＋ｚ）（０≦ｘ＜１．１、−０．５＜ｙ＜０．５、−０．５＜ｚ＜０．５）を含む酸化コバルト及びそれらの変形物を含むカソード材料に対して、０．０１マイクロメートルから１２０マイクロメートルの範囲の厚さを有し、より薄いカソード層は、アモルファス、結晶、又は半結晶の形態である、Ｎｉ１／３Ｃｏ１／３Ｍｎ１／３Ｏ２、ＬｉＮｉ１／３Ｃｏ１／３Ｍｎ１／３Ｏ２、ＬｉｘＮｉ（１／３＋ｙ）Ｃｏ（１／３＋ｚ）Ｍｎ（１／３＋ｍ）Ｏ（２＋ｎ）（０≦ｘ＜１．１、−１／３≦ｙ≦２／３、−１／３≦ｚ≦２／３、−１／３≦ｍ≦２／３、−０．５＜ｎ＜０．５）、ＬｉｘＮｉ（１／３＋ｙ）Ｃｏ（１／３＋ｚ）Ｍｎ（１／３＋ｍ）Ｏ（２＋ｎ）（０≦ｘ＜１．１、−１／３≦ｙ≦２／３、−１／３≦ｚ≦２／３、−１／３≦ｍ≦２／３、−０．５＜ｎ＜０．５）、及びＡｌ、Ｆ、Ｆｅ、Ｍｇ、Ｓｉ、及びそれらの組み合わせでドープされたＬｉｘＮｉｙＣｏｚ（０≦ｘ＜１．１、１／３≦ｙ≦２／３、−１／３≦ｚ≦２／３）を含むリチウムマンガンコバルト酸化物及びそれらの変形物を含むカソード材料に対して、０．０１マイクロメートルから１１０マイクロメートルの範囲の厚さを有し、より薄いカソード層は、アモルファス、結晶、又は半結晶の形態である、ＦｅＰＯ４、ＬｉＦｅＰＯ４、ＭＰＯ４（Ｍ＝Ｖ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｎｉ、又はＦｅ）、ＬｉＭＰＯ４（Ｍ＝Ｖ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｎｉ、又はＦｅ）、ＬｉｘＭ（１＋ｙ）Ｐ（１＋ｚ）Ｏ（４＋ｍ）（Ｍ＝Ｖ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｎｉ、又はＦｅ、０≦ｘ＜１．１、−０．５＜ｙ＜０．５、−０．５＜ｚ＜０．５、−０．５＜ｍ＜０．５）、及びＡｇ、Ｃ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｍｇ、Ｍｎ、Ｔｉ、Ｚｎ、及びそれらの組み合わせでドープされたＬｉｘＭ（１＋ｙ）Ｐ（１＋ｚ）Ｏ（４＋ｍ）（Ｍ＝Ｖ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｎｉ、又はＦｅ、０≦ｘ＜１．１、−０．５＜ｙ＜０．５、−０．５＜ｚ＜０．５、−０．５＜ｍ＜０．５）を含むリン酸鉄及びそれらの変形物を含むカソード材料に対して、０．０１マイクロメートルから１００マイクロメートルの範囲の厚さを有し、より薄いカソード層は、アモルファス、結晶、又は半結晶の形態である、Ｓ８、Ｌｉ２Ｓ、Ｌｉ２Ｓ４、ＬｉｘＳｙ（０≦ｘ＜１６、１≦ｙ≦８）、及び炭素でドープされたＬｉｘＳｙ（０≦ｘ＜１６、１≦ｙ≦８）を含む硫黄、硫化リチウム、及びそれらの変形物を含むカソード材料に対して、０．０１マイクロメートルから１００マイクロメートルの範囲の厚さを有する。
【００２４】
幾つかの実施形態では、より厚いカソード層の厚さは、所与の質量及び／又は体積並びに所与のアプリケーション負荷電力消費プロファイル及び／又は所与の環境温度に対して最大エネルギーを供給するようにコンピュータ支援エンジニアリングによって決定され、より厚いカソード層は、アモルファス、結晶、又は半結晶の形態である、Ｖ２Ｏ５、Ｖ（２＋ｙ）Ｏ（５＋ｚ）（−０．５＜ｙ＜０．５、−０．５＜ｚ＜０．５）、Ｖ３Ｏ８、ＬｉｘＶ２Ｏ５（０≦ｘ＜３）、ＬｉｘＶ（２＋ｙ）Ｏ（５＋ｚ）（０≦ｘ＜３、−０．５＜ｙ＜０．５、−０．５＜ｚ＜０．５）、ＬｉｘＶ３Ｏ８（０≦ｘ＜４）、Ｖ６Ｏ１３、Ｖ５Ｏ１５、ＶＯ２、Ｖ２Ｏ４、及びＡｇ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｚｎ、ＲｕＯ２、及びそれらの組み合わせでドープされたＬｉｘＶ（２＋ｙ）Ｏ（５＋ｚ）（０≦ｘ＜３、−０．５＜ｙ＜０．５、−０．５＜ｚ＜０．５）を含む酸化バナジウム及びそれらの変形物を含むカソード材料に対して、０．０５マイクロメートルから３００マイクロメートルの範囲の厚さを有し、より厚いカソード層は、アモルファス、結晶、又は半結晶の形態である、Ｍｎ２Ｏ４、ＬｉｘＭｎ２Ｏ４（０≦ｘ＜２）、ＬｉｘＭｎ２＋ｙＯ４＋ｚ（０≦ｘ＜２、−０．５＜ｙ＜０．５、−０．５＜ｚ＜０．５）、Ｍｎ２Ｏ３、ＬｉｘＭｎ２Ｏ３（０≦ｘ＜２）、及びＡｌ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｍｇ、Ｎｉ、Ｐｔ、及びそれらの組み合わせでドープされたＬｉｘＭｎ２＋ｙＯ４＋ｚ（０≦ｘ＜２、−０．５＜ｙ＜０．５、−０．５＜ｚ＜０．５）を含む酸化マンガン及びそれらの変形物を含むカソード材料に対して、０．０５マイクロメートルから３３０マイクロメートルの範囲の厚さを有し、より厚いカソード層は、アモルファス、結晶、又は半結晶の形態である、ＣｏＯ２、ＬｉＣｏＯ２、ＬｉｘＣｏ（１＋ｙ）Ｏ（２＋ｚ）（０≦ｘ＜１．１、−０．５＜ｙ＜０．５、−０．５＜ｚ＜０．５）、及びＡｌ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｍｇ、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｐｔ、Ｚｎ、及びそれらの組み合わせでドープされたＬｉｘＣｏ（１＋ｙ）Ｏ（２＋ｚ）（０≦ｘ＜１．１、−０．５＜ｙ＜０．５、−０．５＜ｚ＜０．５）を含む酸化コバルト及びそれらの変形物を含むカソード材料に対して、０．０５マイクロメートルから３６０マイクロメートルの範囲の厚さを有し、より厚いカソード層は、アモルファス、結晶、又は半結晶の形態である、Ｎｉ１／３Ｃｏ１／３Ｍｎ１／３Ｏ２、ＬｉＮｉ１／３Ｃｏ１／３Ｍｎ１／３Ｏ２、ＬｉｘＮｉ（１／３＋ｙ）Ｃｏ（１／３＋ｚ）Ｍｎ（１／３＋ｍ）Ｏ（２＋ｎ）（０≦ｘ＜１．１、−１／３≦ｙ≦２／３、−１／３≦ｚ≦２／３、−１／３≦ｍ≦２／３、−０．５＜ｎ＜０．５）、ＬｉｘＮｉ（１／３＋ｙ）Ｃｏ（１／３＋ｚ）Ｍｎ（１／３＋ｍ）Ｏ（２＋ｎ）（０≦ｘ＜１．１、−１／３≦ｙ≦２／３、−１／３≦ｚ≦２／３、−１／３≦ｍ≦２／３、−０．５＜ｎ＜０．５）、及びＡｌ、Ｆ、Ｆｅ、Ｍｇ、Ｓｉ、及びそれらの組み合わせでドープされたＬｉｘＮｉｙＣｏｚ（０≦ｘ＜１．１、１／３≦ｙ≦２／３、−１／３≦ｚ≦２／３）を含むリチウムマンガンコバルト酸化物及びそれらの変形物を含むカソード材料に対して、０．０５マイクロメートルから３３０マイクロメートルの範囲の厚さを有し、より厚いカソード層は、アモルファス、結晶、又は半結晶の形態である、ＦｅＰＯ４、ＬｉＦｅＰＯ４、ＭＰＯ４（Ｍ＝Ｖ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｎｉ、又はＦｅ）、ＬｉＭＰＯ４（Ｍ＝Ｖ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｎｉ、又はＦｅ）、ＬｉｘＭ（１＋ｙ）Ｐ（１＋ｚ）Ｏ（４＋ｍ）（Ｍ＝Ｖ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｎｉ、又はＦｅ、０≦ｘ＜１．１、−０．５＜ｙ＜０．５、−０．５＜ｚ＜０．５、−０．５＜ｍ＜０．５）、及びＡｇ、Ｃ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｍｇ、Ｍｎ、Ｔｉ、Ｚｎ、及びそれらの組み合わせでドープされたＬｉｘＭ（１＋ｙ）Ｐ（１＋ｚ）Ｏ（４＋ｍ）（Ｍ＝Ｖ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｎｉ、又はＦｅ、０≦ｘ＜１．１、−０．５＜ｙ＜０．５、−０．５＜ｚ＜０．５、−０．５＜ｍ＜０．５）を含むリン酸鉄及びそれらの変形物を含むカソード材料に対して、０．０５マイクロメートルから３００マイクロメートルの範囲の厚さを有し、より厚いカソード層は、アモルファス、結晶、又は半結晶の形態である、Ｓ８、Ｌｉ２Ｓ、Ｌｉ２Ｓ４、ＬｉｘＳｙ（０≦ｘ＜１６、１≦ｙ≦８）、及び炭素でドープされたＬｉｘＳｙ（０≦ｘ＜１６、１≦ｙ≦８）を含む硫黄、硫化リチウム、及びそれらの変形物を含むカソード材料に対して、０．０５マイクロメートルから３００マイクロメートルの範囲の厚さを有する。
【００２５】
幾つかの実施形態では、より薄いカソード層を有する電気化学セルは、５００Ｗ／ｋｇを超える重量電力密度及び１２００Ｗ／Ｌを超える体積電力密度を供給することができ、より薄いカソード層を有する電気化学セルは、−１００℃の低い環境温度で動作することができ、より厚いカソード層を有する電気化学セルは、２００Ｗｈ／ｋｇを超える重量エネルギー密度及び５００Ｗｈ／Ｌを超える体積エネルギー密度を供給することができ、より厚いカソード層を有する電気化学セルは、０℃を超える環境温度で、１８０Ｗｈ／ｋｇを超える重量エネルギー密度及び４５０Ｗｈ／Ｌを超える体積エネルギー密度を供給することができる。
【００２６】
幾つかの実施形態では、固体エネルギー貯蔵デバイスは、接続されたアプリケーション負荷からの電力消費レベルを検出し、かつ、高パルス電力が検出された場合にはより薄いカソードの電気化学セルに、そして低いベースライン電力が検出された場合にはより厚いカソードの電気化学セルに放電電流及び／又は電力の大部分又は全てを割り当てるように構成されたコントローラインターフェースをさらに含み、デバイスに結合された充電器であって、エネルギー源に接続して、定電流再充電プロファイル、定電流及び後続の定電圧の再充電プロファイル、又は定電圧再充電プロファイルの何れかで前記デバイスを再充電するように構成された充電器をさらに含む。
【００２７】
幾つかの実施形態では、固体エネルギー貯蔵デバイスは、消費者向け電子デバイス、車両、又は配電網からアプリケーション負荷にエネルギーを提供するように構成され、消費者向け電子デバイスには、これらに限定されないが、ＭＰ３プレーヤー、スマートフォン、タブレット、ラップトップコンピュータ、スマートウォッチ、アクティビティトラッカー、及びその他のウェアラブルデバイスが含まれ、車両には、これらに限定されないが、ハイブリッド電気バス、電気バス、ハイブリッド電気自動車、電気自動車、電動自転車、電動バイク、電動スクーター、電動ゴルフカート、電車、船、飛行機、電動飛行機、ヘリコプター、無人航空機、電気無人航空機、ドローン、その他の航空機、宇宙ステーション、スペースシャトル、宇宙飛行機、衛星、無人宇宙船、その他の宇宙船、及びその他の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、及び電気車両が含まれ、配電網には、これらに限定されないが、住宅、商業ビル、及びコミュニティのための独立型マイクログリッド、及び集中型配電網が含まれ、固体エネルギー貯蔵デバイスは、通信システム、携帯電話とアンテナ塔、データセンター、及び無停電電源装置のためのアプリケーション負荷にエネルギーを提供するように構成される。
【００２８】
第１の例では、本発明は、パルス電力要件を満たすように薄いカソードのセルと厚いカソードのセルのハイブリッド設計を有する固体エネルギー貯蔵電池デバイスを提供することができる。特定の実施形態では、電池デバイスの寸法は、長さ７．２ｃｍ×幅３．２ｃｍ×厚さ０．５ｃｍとして指定される。特定の用途に応じて、他の寸法を使用することができる。
【００２９】
図１は、本発明の実施形態による固体エネルギー貯蔵電池デバイスの電力プロファイルを示す簡略化されたグラフである。このプロファイルは、第１の例の前述の電池デバイスを表すことができる。このグラフに示すように、ベースライン電力は１．０６Ｗであり、ベースライン電力を除くパルス電力は１０．６−１．０６＝９．５４Ｗである。１０．６Ｗのパルス電力は３０００秒（ｔ１と示される）ごとに発生し、２０秒（ｔ２と示される）しか持続しない。
【００３０】
図２は、本発明の実施形態による固体エネルギー貯蔵電池デバイスの放電プロファイルを示す簡略化されたグラフである。特定の実施形態において、このグラフは、前の図からの所与の電力需要にさらされた厚いカソードの電池設計の放電プロファイルを表す。１．０μｍのカソード及び０．４μｍの電解質を有する電気化学セルを含む電池が、図１に示すプロファイルに対して電力を供給するために使用される場合、電池は、図２に示すように、電池が１．５Ｖの放電カットオフ電圧に到達する前に、４．２時間しか持続できない。
【００３１】
しかしながら、電池のハイブリッド設計が薄いカソードのセルと厚いカソードのセルの両方を含む場合、ベースライン電力を厚いカソードの電気化学セルによって提供することができ、パルス電力を薄いカソードの電気化学セルによって提供することができる。電池に利用可能な指定された合計体積は、それぞれ薄いカソードのセルと厚いカソードのセルの２つのスロットに分配され得る。特定の実施形態において、薄いカソードのセルは、７．２ｃｍ×３．２ｃｍ×０．１ｃｍの分配された体積で割り当てられ、厚いカソードのセルは、７．２ｃｍ×３．２ｃｍ×０．４ｃｍの体積で割り当てられ、これは図３に示される。
【００３２】
図３は、本発明の実施形態による固体エネルギー貯蔵電池デバイスの断面図を示す簡略図である。この図は、前述のように薄いカソードのセルと厚いカソードのセルとを有するハイブリッド設計の実施形態を示すことができる。換言すれば、利用可能な合計体積の８０％は厚いカソードのセルに割り当てられ、１．０６Ｗのベースライン電力を常に提供し、利用可能な合計体積の２０％は薄いカソードのセルに割り当てられ、９．５４Ｗの（１．０６Ｗのベースライン電力を除く）パルス電力を提供する。特定の実施形態では、薄いカソードのセルにおけるカソードの厚さは０．２μｍであり、厚いカソードのセルにおけるカソードの厚さは１．０μｍである。薄いセルと厚いセルの両方に対する電解質の厚さは、０．４μｍである。
【００３３】
図４は、本発明の実施形態による固体エネルギー貯蔵用の薄い電池セルの放電プロファイルを示す簡略化されたグラフである。図１のプロファイルによる電力を提供するために薄いカソードのセルと厚いカソードのセルのハイブリッド設計を使用する電池を使用する場合、図４に示すように、電圧が２Ｖに達する前に、薄いカソードのセルが１０時間高パルス電力を供給する。これは依然として、１．５Ｖのカットオフ電圧を超えている。
【００３４】
図５は、本発明の実施形態による固体エネルギー貯蔵用の厚い電池セルの放電プロファイルを示す簡略化されたグラフである。図５に示すように、厚いカソードのセルは、電圧が１．６Ｖに達する前に、８．９時間ベースライン電力を供給する。これは依然として、１．５Ｖのカットオフ電圧を超えている。薄いカソードのセルと厚いカソードのセルのハイブリッド電池設計は、所定の電力需要に対して８．９時間以上持続するが、単一の厚いカソードのセルの電池設計は、同じ所定の電力需要に対して４．２時間しか持続しない。薄いカソードのセルと厚いカソードのセルのハイブリッド設計は、パルス電力需要に明確な利点をもたらす。この性能の改善は、本発明の実施形態によって達成することができる利点の１つである。
【００３５】
第２の例では、本発明は、コンピュータシミュレーションで予測された最適化された高出力セルのカソードの厚さを使用して、固体エネルギー貯蔵電池デバイスを提供することができる。この例では、薄いカソードのセルと厚いカソードのセルの体積分配比は、薄いカソードのセルと厚いカソードのセルの両方の放電終了時間が可能な限り厳密に一致するように特定されている。これは、０．１μｍ、０．２μｍ、及び０．３μｍを含む幾つかの異なる薄いカソードの厚さに対して行われる。
【００３６】
【表１】
2020533764.tif 000003
【００３７】
表１に示すように、薄いカソードの厚さが０．１μｍを使用し、高パルス電力を供給する場合、薄いカソードの高電力セルに割り当てられる最適な体積は１９．２％である。結果として生じる動作時間は、高出力セル（薄いカソードのセル）では９．２３時間であり、結果として生じる動作時間は、高エネルギーセル（厚いカソードのセル）では９．３７時間である。この表は、０．２μｍの薄いカソードの厚さで１７．５％の体積が割り当てられている場合、上記と比較して３つの異なる薄いカソードの厚さの設計の中で、９．６１時間の最長の組み合わせられた動作時間になることを示している。
【００３８】
第３の例では、本発明は、異なる温度での薄いカソードの電気化学セル及び厚いカソードの電気化学セルのコンピュータシミュレーションで予測された重量エネルギー密度を使用して、固体エネルギー貯蔵電池デバイスを提供することができる。この例は、冷間始動中の薄いカソードのセルの利点を示している。この場合、薄いカソードの厚さは０．３μｍであり、厚いカソードの厚さは１．０μｍである。両方のセルは、様々な環境温度下で、Ｃ／２で放電される。
【００３９】
一実施形態では、本発明は、低温始動中にアプリケーション負荷にエネルギーを提供するように構成された固体エネルギー貯蔵電池デバイスを提供し、このデバイスは、少なくとも２つの固体電気化学セルを含み、各電気化学セルは、少なくともアノード層、電解質層、カソード層、集電体層、及びバリア層を含み、固体電気化学セルの少なくとも１つは、−１００℃から−５０℃から５０℃の範囲の設定値までの環境温度でエネルギーを供給するように構成されたより薄いカソード層を特徴とし、カソードの厚さは０．０１マイクロメートルから１２０マイクロメートルの範囲であり、固体電気化学セルの少なくとも１つは、−５０℃から５０℃の範囲の設定値を超える環境温度でエネルギーを供給するように構成されたより厚いカソード層を特徴とし、カソードの厚さは０．０５マイクロメートルから３６０マイクロメートルの範囲である。
【００４０】
幾つかの実施形態では、固体エネルギー貯蔵デバイスは、複数のより薄いカソードの電池セル及びより厚いカソードの電池セル、又は、各モジュールが複数のより薄いカソードの電池セル及びより厚いカソードの電池セルを含む複数の電池モジュールを含む電池パックをさらに含む。
【００４１】
幾つかの実施形態では、固体エネルギー貯蔵デバイスは、直列、並列、又はそれらの組み合わせで接続された複数の電池モジュールをさらに含み、電池モジュールは、直列、並列、又はそれらの組み合わせで接続された複数の電池セルを含み、デバイスはさらに、直列、並列、又はそれらの組み合わせで接続された複数の電池セルを含み、電池セル間の直列及び／又は並列接続は、充電及び放電中にデバイスの電圧を調整するために動的に変更され、デバイスはさらに、直列、並列、又はそれらの組み合わせで接続された複数の電池モジュールを含み、電池モジュール間の直列及び／又は並列接続は、充電及び放電中にデバイスの電圧を調整するために動的に変更され、セル及び／又はモジュール間の直列及び／又は並列接続は、望ましい電池パック及び／又はモジュールの電圧範囲を実現するために、モジュール及び／又はセル間のバランスを実現するために、誤動作しているモジュール及び／又はセルをバイパスするために、及びモジュール及び／又はセルを再充電する準備をするために、異なる直列−並列接続構成間で動的に切り替えられ、電池セル及び／又はモジュールに対する異なる直列−並列接続構成は、全てのオン／オフスイッチのオン及びオフ状態を構成することによって実現され、各電池セル及び／又はモジュールは、６つのオン／オフスイッチに関連付けられて繰り返し群を形成するように構成され、スイッチはトランジスタであり、スイッチは、金属−酸化物−半導体電界効果トランジスタを含む電界効果トランジスタであり、接続構成は、電池パック及び／又はモジュールの電圧が設定値を下回るか又は上回ると、動的に切り替えられる。
【００４２】
図６は、本発明の実施形態による薄い電池セル及び厚い電池セルの性能を示す簡略化されたグラフである。具体的には、この図は、第３の例の条件による薄い電池セル及び厚い電池セルの性能を示している。図６は、重量エネルギー密度（単位質量あたりのエネルギー、Ｗｈ／ｋｇ）によって測定される達成可能なエネルギーが、温度及びカソードの厚さに強く依存することを示している。低温の環境温度（０℃以下）で許容可能なエネルギーを供給するには、薄いカソードのセルを使用する必要がある。従って、薄いカソードのセルと厚いカソードのセルのハイブリッド電池設計では、冷間始動中に必要なエネルギー／電力を、薄いカソードのセルのみが提供する必要なエネルギー／電力で供給することができる。
【００４３】
第４の例では、本発明は、直列に接続された２つのセルを使用して必要な電力を供給する固体エネルギー貯蔵電池デバイスを提供することができる。パルス電力を供給する別のアプローチは、電池の出力電圧を増大させるために電池セルを直列に接続することである。安全回路、コネクタ、及びその他の回路基板による、必要とされる高い放電電流及び電池とアプリケーションとの間の既存の電力経路抵抗が原因で、単一の電池で必要な電力を供給することさえできない場合がある。
【００４４】
図７は、本発明の実施形態による固体エネルギー貯蔵電池セルへの負荷接続のための等価回路を示す簡略化された回路図である。特定の実施形態では、本発明は、電池と電力消費点との間の電力経路抵抗器が１５０ｍΩであると仮定すると、６ｃｍ×１２．３ｃｍ×０．４９ｃｍの指定された体積を有する電池デバイスを含むことができ、電池は、１０Ｗのパルス電力を負荷に供給する必要がある。図７に示すように、回路図は、電池、電力経路抵抗器、及びシステム負荷を示している。
【００４５】
図８は、本発明の実施形態による固体エネルギー貯蔵電池セルからシステム負荷への供給可能電力を示す簡略化されたグラフである。図８は、電池の内部抵抗が電力経路抵抗と比較して無視できると仮定した場合の、単一の電池の異なる開回路電圧（Ｅ０）に対する供給可能電力対放電電流密度（単位面積あたりの電流）を示している。開回路電圧２．５Ｖ、３．０Ｖ、及び３．５Ｖの場合、適切に調整された放電電流密度で、電池が１０Ｗのパルス電力を負荷に依然として供給できることが示されている。しかしながら、放電電流密度によって想定される値に関係なく、電池の開回路電圧が（このケースでは電池の放電カットオフである１．５Ｖを依然として上回っている）２．０Ｖに低下すると、１０Ｗのパルス電力を負荷に供給することはできない。
【００４６】
幾つかの実施形態では、高パルス電力を供給するために、２つの電池セルを直列に接続することができ、各電池は、アプリケーションにおいて電池デバイスに割り当てられた合計体積の半分を占める。直列に接続された２つのセルの出力電圧はより高くなり、同じ電力を供給するために必要な電流はより小さくなる。その結果、電力経路抵抗器での電力損失はより小さくなる。従って、より多くの電力をアプリケーションシステムの負荷に直接供給することができる。
【００４７】
図９は、本発明の実施形態による直列に接続された２つのセルを有する固体エネルギー貯蔵電池デバイスへの負荷接続のための等価回路を示す簡略化された回路図である。この図は、前述の対応する直列に接続された電池セルを、電力経路抵抗器及びシステム負荷とともに示している。
【００４８】
図１０は、本発明の実施形態による直列に接続された２つのセルを有する固体エネルギー貯蔵電池デバイスからシステム負荷への供給可能電力を示す簡略化されたグラフである。図１０に示すように、直列に接続された２つのセルは、開回路電圧が１．５Ｖのカットオフ値に低下した場合でも、適切に選択された放電電流密度値で１０Ｗよりも高い電力を供給することができる。
【００４９】
第５の例では、本発明は、所与の電力消費プロファイルに対してより多くのエネルギーを供給するために、コンピュータシミュレーションで得られたカソードの厚さの最適化を使用して、固体エネルギー貯蔵電池デバイスを提供することができる。特定の実施形態では、２つのセルが直列に接続されて、出力電圧をブーストし、かつ必要な電力を満たす。これらの２つのセルは同一であり、各セルは合計電池体積の半分を占める。所定の電力需要プロファイルに対して、セルのカソードの厚さは、２つの電池セルを含む電池が最大エネルギーを供給するように最適化される。
【００５０】
【表２】
2020533764.tif 000004
【００５１】
上記の表２に示すように、カソードの厚さは、設計された電池のエネルギー出力に影響を及ぼし、所与の電力プロファイルに対する最適なカソードの厚さは０．７μｍである。コンピュータシミュレーションを使用する同じ方法を使用して、任意の所与の電力プロファイルに対して、最適なカソードの厚さ、又は別の電気化学セル層の厚さを決定することができる。
【００５２】
第６の例では、本発明は、１つの市販の電池の性能に対するコンピュータシミュレーションで予測された電池性能を使用して、固体エネルギー貯蔵電池デバイスを提供することができる。
【００５３】
【表３】
2020533764.tif 000005
【００５４】
この例では、最適なカソードの厚さは、異なる電力需要のケースに対して僅かに異なり、その結果、異なる電池出力エネルギーが生じる。これを上記の表３に示す。パッケージ化された電池に対するベアセルの体積比が８５％であると仮定すると、パッケージ化された電池の合計エネルギーは、２つの設計に対してそれぞれ２２．５Ｗｈ及び２４．９Ｗｈである。これらのケースはともに、表に示されている１４．８Ｗｈのエネルギーを有する競合他社の電池などの従来の電池デバイスよりも大幅に改善されている。
【００５５】
図１１は、本発明の実施形態による電気化学セルの断面図の簡略図である。一実施形態では、薄膜固体リチウム電池の最小単位は、図１１に示すように、順次、基板２０１、カソードバリア２０２、カソード集電体２０３、カソード２０４、電解質２０５、アノード２０６、アノード集電体２０７、アノードバリア層２０８で構成される。カソードバリア層２０２、カソード集電体２０３、カソード２０４、電解質２０５、アノード２０６、アノード集電体２０７、及びアノードバリア２０８は、物理蒸着技術を使用することによって基板層２０１の上部に堆積される。
【００５６】
物理蒸着（ＰＶＤ）プロセスは、しばしば薄膜プロセスと呼ばれ、材料が原子又は分子の形態である固体又は液体の原料物質から気化され、蒸気の形態で真空又は低圧ガスプラズマチャンバーから基板へと輸送され、そこで凝縮されてフィルム層物質を形成する、原子堆積プロセスである。ここで、「薄膜」との用語は、数マイクロメートル以下のオーダーの厚さを有する層に適用される。ＰＶＤプロセスは、反応性堆積プロセスを使用して、元素及び合金並びに化合物のフィルムを堆積するために求めることができる。結果として得られるフィルムは、単結晶からアモルファス、完全緻密から完全緻密未満、純粋から純粋でない、そして薄いものから厚いものに及ぶことができる。特定の実施形態において電池デバイスのエネルギー密度を最大にするために、これを容易にするように数学的モデルが使用される。
【００５７】
薄膜固体電気化学セルの基板層２０１は、後続の層に対して機械的支持を提供する。従って、後続の堆積層に起因する誘導された重量及び応力に耐えるための剛性を有する必要がある。従って、典型的な基板は厚くて硬い材料になる。基板は、６ミクロン以下の厚さ、好ましくは２ミクロン以下の厚さの薄膜金属基板であってもよい。薄膜金属基板は、長手方向の長さを有する金属箔のリボンであり得、電池デバイスは、長手方向の長さに沿って堆積された複数の固体電気化学セルを含み、リボン基板上に堆積された隣接する固体電気化学セル間の距離は、基板の長手方向の長さの方向に増加する。逆に、薄いポリマー、特にポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）を基板として使用することができ、基板の厚さは１０ミクロン未満である。ＰＥＴを使用して電池デバイスの寄生質量を減少させることができるが、望ましくない物質がポリマー基板に出入りする可能性がある。ＰＥＴ基板から酸素及び水分がカソード及びカソード集電体に拡散するのを防ぐために、ＰＥＴの上に非常に薄い銅の層を被覆したメタライズドＰＥＴを使用することができる。これにより電池デバイスの質量が増加するが、カソードの不純物を減少させ、その寿命を延ばすことができる。ＰＥＴ上のメタライズド金属の厚さは、オングストロームメートルのオーダーである。
【００５８】
特定の実施形態におけるデバイスの基板とカソード集電体との間のカソードバリア層２０２は、リチウムと基板内部の水分との反応を抑制するために使用される。この機能には有機材料を使用することができる。この層には、金属の酸化物、窒化物、又はリン酸塩が好ましい。金属は、周期表の第４、１０、１１、１３、及び１４族に由来する。これらの金属酸化物、金属窒化物、又は金属リン酸塩は、蒸発及び堆積が容易である。特定の実施形態では、この層の厚さは、０．１ミクロン以下のオーダーである。有望な候補の１つは、リン酸リチウム（ＬｉｘＰＯｙ、ここでｘ＋ｙ＜＝７）である。
【００５９】
このデバイスにおけるカソード集電体２０３及びアノード集電体２０７は、カソードから外部負荷に向かって電子電流を収集及び輸送するために必要である。従って、１０７Ｓ／ｍ以上のオーダーである高い導電率を有する必要がある。カソード集電体及びアノード集電体は、動作する電圧で化学的に安定している必要がある。カソード集電体は、リチウムに対して１．５から５Ｖの範囲で安定している必要があり、アノード集電体は、リチウムに対して０から１Ｖの範囲で安定している必要がある。集電体は、電子を輸送するために電気化学セルにおいて必要であるが、セルの電子エネルギーに寄与しない。従って、体積及び質量を減少させるために薄くする必要があるが、薄すぎてはいけない。フィルムを通る電位降下は、以下の数１のようにフィルムの厚さに依存する。
【００６０】
【数１】
2020533764.tif 000006
【００６１】
数１において、Ｌはフィルムの長さであり、Ｈはフィルムの厚さであり、σはフィルムの導電率である。従って、フィルム全体の電位降下を最小化するために、厚さを特定の値よりも低くすることはできない。特定の実施形態では、集電体の厚さは、約０．１から約２ミクロンの間である。
【００６２】
このデバイスにおいて、カソード電極材料２０４は、アモルファス又は結晶質のリチウム化遷移金属酸化物及びリチウム化遷移金属リン酸塩から構成され、金属は周期表の第３から１２族に由来し、好ましくは、１０−６から１０−２Ｓ／ｍ（好ましくは１０−３Ｓ／ｍ以上）の範囲の導電率及び１×１０−１６から１×１０−１４ｍ２／ｓの範囲のイオン拡散率を有するアモルファスのリチウム化バナジウムベースの酸化物である。バナジウムベースの酸化物は導電層の上にあり、カソード電極材料は、約０．２から約２マイクロメートルの層厚を特徴とする。特定の実施形態では、導電率はプロセス条件によって調整することができる。
【００６３】
このデバイスの固体ガラス状電解質２０５は、１０−５から１０−３Ｓ／ｍの範囲のイオン伝導率を有するアモルファスのリチウム化オキシ窒化リンを含む。ガラス状電解質のイオン伝導率は、窒素濃度及び蒸発プロセス条件によって調整することができる。このガラス状電解質材料は、カソード電極材料の上の電解質として構成され、ガラス状電解質材料は、充電プロセス及び放電プロセス中にリチウムイオンを往復させることができ、ガラス状電解質材料は、約０．１から約１マイクロメートルの層厚を特徴とする。
【００６４】
このデバイスにおいてアノード２０６として構成された負極材料の固体層は、充電プロセス及び放電プロセス中にリチウムをホスト格子に電気化学的に挿入するか、又はＬｉイオンのメッキすることができる。この固体アノード層は、約０．２から約３マイクロメートルの層厚を有し、それは、電解質を通してカソードとアノードとの間を往復するのに十分なリチウム濃度を確保できるように、カソード容量の約数倍である必要がある。
【００６５】
アノードバリア層２０８は、このデバイスにおいてアノード集電体の上にあり、リチウムと湿気のある外気との反応を抑制するために使用される。この機能には、有機材料を使用することができる。この層には、金属の酸化物、窒化物、又はリン酸塩が好ましい。金属は、周期表の第４、１０、１１、１３、及び１４族に由来する。これらの金属酸化物、金属窒化物、又は金属リン酸塩は、蒸発及び堆積が容易である。一実施形態では、この層の厚さは、０．１ミクロン以下のオーダーである。有望な候補の１つは、リン酸リチウム（ＬｉｘＰＯｙ、ここでｘ＋ｙ＜＝７）である。
【００６６】
特定の実施形態では、電気化学セルは、バリア−カソード集電体−カソード−電解質−アノード−アノード集電体−アノードバリアの順序で１００回以上３０００回未満繰り返して、また、基板の層数を減少させて固体リチウム電池の体積エネルギー密度を増大させるために、カソード集電体−カソード−電解質−アノード−アノード集電体−アノード−電解質−カソード−カソード集電体の順序で基板層の上部にこの順序で２回以上繰り返して、物理蒸着技術によって形成される。当業者は、他の変形、修正、及び代替を認識するであろう。
【００６７】
図１２は、本発明の実施形態による固体電池デバイスを制御するためのシステムの簡略化されたブロック図である。この図は、固体エネルギー貯蔵電池デバイスを制御するシステムの構成例を示している。示されるように、電池デバイスは、より薄いカソードの電気化学セル及びより厚いカソードの電気化学セルを有する。デバイスは、アプリケーション負荷又は電力負荷、複数のセンサー（電圧、電流、及び温度）、及び充電器に接続されたコントローラに接続されている。複数の電池デバイスをコントローラに接続することができ、複数の電池デバイスをモジュール又はパックとして構成することができる。
【００６８】
第７の例では、低温動作のためにＮｉ−Ｃｄ電池が使用され、冷間始動中にリチウムイオン電池を加熱する。図１３は、様々な温度での２つの異なる電気化学システムのエネルギー密度を示す。Ｌｉイオン電池はエネルギー密度がはるかに高いという利点を有するが、それらはより高い動作温度によって制限される。Ｎｉ−Ｃｄ電池は、はるかに低いエネルギー密度を有するが、それらは、特に低温で極めて広い動作温度範囲を有する。電気車両用途に対する電池システムを設計するために、電池パックの合計体積及び重量の制約下での最大エネルギー出力と、低い環境温度下での電気車両の冷間始動機能とを考慮する必要がある。
【００６９】
この例では、最悪のシナリオは、電池パックが−４０℃で正常に動作する必要があると推測されている。従って、ハイブリッドエネルギー貯蔵システムの解決策は、Ｌｉイオン電池の高いエネルギー密度及びＮｉ−Ｃｄ電池の広い動作範囲を利用するように設計されている。表４は、２つの電池の有効な材料特性を示している。エネルギーは−４０から０℃の間でＮｉ−Ｃｄ電池から供給され、電池パック全体を加熱する。電池パックが０℃まで温められると、Ｎｉ−Ｃｄ電池とＬｉイオン電池の両方が放電され、電気モーターにエネルギーと電力が供給されて車両を駆動する。体積比２９％のＮｉ−Ｃｄと体積比７１％のＬｉイオンのハイブリッド電池設計は、Ｎｉ−Ｃｄ電池のエネルギーのみを使用してパック全体を−４０から０℃に加熱した後、最大エネルギー出力を達成できることが示されている。
【００７０】
【表４】
2020533764.tif 000007
【００７１】
第８の例では、６つのオン／オフスイッチが１０個の電池モジュールのそれぞれに接続され、動的に切り替えられ、３００Ｖを超える電池パックの出力電圧を維持するように構成される。この例では、電池パックは１０個の電池モジュールを有し、各モジュールは、２３個のより薄いカソードの電気化学セル及び２３個のより厚いカソードの電気化学セルを含む。各電池モジュール内で、最初に１つのより薄いカソードの電気化学セルと１つのより厚いカソードの電気化学セルを並列に接続して、基本的な電池群を形成する。電池モジュールを形成するために直列に接続された２３個のそのような電池群が存在する。１０個の電池モジュール間の直列−並列接続構成は、放電過程中に動的に切り替えられ、出力電圧が３００Ｖを超えるように電池パックの出力電圧を調整する。直列−並列接続構成の切り替えは、１つの電池モジュールに接続された６つのオン／オフスイッチをオン／オフすることによって実現される。
【００７２】
放電中に直列−並列接続構成がどのように変化するかを示すために、並列に接続された１つのより薄いカソードのセルと１つのより厚いカソードのセルとからなる電池群の電圧が、以下の数２に示すように、時間とともに、そして放電電流とともに変化すると推測される。
【００７３】
【数２】
2020533764.tif 000008
【００７４】
数２において、Ｖｇｒｏｕｐは電池群の出力電圧（ボルト）、Ｉは電池群の放電電流（アンペア）、ｔは時間（時）である。
【００７５】
図１４Ａから１４Ｅは、本発明の実施形態による、電池パックの放電による電池モジュールの直列−並列接続構成を示す簡略図である。これらの直列−並列構成は、上記の第８の例で説明した電池パックの例であり得る。また図１５は、本発明の実施形態による、電池パックの放電を通じて望ましい電池モジュールの直列−並列接続構成を実現するためのオン／オフスイッチの状態を示す簡略図である。これらは、第８の例のように、電池パックの出力電圧を調整するために使用される動的スイッチである。
【００７６】
放電の開始時に、直列−並列接続構成、構成１は、図１４Ａの１４０１として設定され、この構成は、スイッチのオン／オフ状態を図１５Ａの１５０１として設定することにより実現される。この構成では、モジュール１、２及び３は並列に接続され、モジュール４、５及び６は並列に接続され、モジュール７及び８は並列に接続され、モジュール９及び１０は並列に接続され、これらの並列に接続されたモジュール群は、さらに直列に接続されている。構成１は−３−３−２−２−で指定される。ｔ＝０時間では、電池パックの電圧は３３７Ｖである。電池パックは５０Ａの電流で放電される。直列−並列接続構成１の放電フェーズ１は、パック電圧が３００Ｖに達する際にｔ＝０．６２時間で終了する。ｔ＝０．６２時間で、モジュール間の接続構成は、図１４Ｂの１４０２のような構成２に切り替えられ、この構成は、スイッチのオン／オフ状態を図１５Ｂの１５０２として設定することにより実現される。構成２は−２−２−２−２−２−で指定される。モジュールの新しい直列−並列接続構成では、電池パックの電圧は３７６Ｖである。電池パックは、電池パックの電圧が３００Ｖに達するｔ＝１．４７時間まで、５０Ａで継続的に放電される。これは、０．６２時間から１．４７時間までの放電フェーズ２である。電池パックは、図１４Ｃの１４０３（ノード「Ｃ」は構成の２つの部分を接続する）及び図１５Ｃの１５０３に示すような構成３のフェーズ３で、図１４Ｄの１４０４（ノード「Ｄ」は構成の２つの部分を接続する）及び図１５Ｄの１５０４に示すような構成４のフェーズ４で、また、図１４Ｅの１４０５（ノード「Ｅ」は構成の２つの部分を接続する）及び図１５Ｅの１５０５に示すような構成５のフェーズ５で、引き続き放電される。各放電フェーズに対応する時間及び電圧を表５に詳細に列挙する。モジュールの直列−並列接続構成を動的に切り替えることにより、パックの出力電圧が目標値の３００Ｖを上回っていることが示されている。
【００７７】
【表５】
2020533764.tif 000009
【００７８】
マルチフィジックスベースのカルマンフィルタリング、マルチフィジックスベースの拡張カルマンフィルタリング、及びマルチフィジックスベースの無香変換予測補正フィルタリングは、等価回路モデルベースのカルマンフィルタリング、等価回路モデルベースの拡張カルマンフィルタリング、及び等価回路モデルベースの無香変換予測補正フィルタリングよりも良い状態変数及びモデルパラメータの推測を提供するが、なぜなら、マルチフィジックスベースのモデルは、等価回路モデル及び他の低次モデルよりも、充電／放電中の電池セルのダイナミクスをより良く捕捉することができるからである。電池セルに対する複数の物理プロセスを記述する偏微分方程式（ＰＤＥ）は、本質的に無限次元であり、カルマンフィルター、拡張カルマンフィルター、及び無香変換予測補正フィルターには適していない。これらのＰＤＥは、カルマンフィルター、拡張カルマンフィルター、及び無香変換予測補正フィルターでそれらを使用できるようにする前に、離散化して状態空間形式に変換する必要がある。
【００７９】
この考えを説明するために、一次元拡散方程式に基づく簡略化された電池モデルが第９の例で使用される。拡散方程式は以下の数３であり、ここで、境界条件は以下の数４であり、初期状態はｔ＝０，ｃ（ｘ）＝０である。
【００８０】
【数３】
2020533764.tif 000010
【００８１】
【数４】
2020533764.tif 000011
【００８２】
拡散流束が以下の数５のように放電電流密度と相関しており、電圧は以下の数６の濃度依存の開回路電圧テーブルに基づいて検索されると推測する。
【００８３】
【数５】
2020533764.tif 000012
【００８４】
【数６】
2020533764.tif 000013
【００８５】
上記のこのモデルは、イオンの拡散のみを考慮した簡略化された電池モデルである。実際の電池には、これよりも多くの物理学と動力学が含まれる。しかしながら、この簡略化されたモデルは、ＰＤＥを状態空間表現に変換する方法を示すために使用される。
【００８６】
拡散方程式は、時間微分（ｔｅｍｐｏｒａｌ  ｄｅｒｉｖａｔｉｖｅ）に陰的オイラーを伴う空間微分（ｓｐａｃｉａｌ  ｄｅｒｉｖａｔｉｖｅ）に対して二次有限差分を使用して離散化することができる。結果の差分方程式は以下の数７であり、数７の式中、数８を満たす。
【００８７】
【数７】
2020533764.tif 000014
【００８８】
【数８】
2020533764.tif 000015
【００８９】
状態空間表現は以下の数９であり、数９において、入力はｊ又はｉ（ｊ＝ｉ／Ｆ、ここでＦはファラデー定数）であり、出力はＶであり、状態変数はベクトルｃである。濃度が決定されると、電池セルの充電状態は、濃度を平均化して最大インターカレーション濃度で正規化することによって、簡単に計算することができる。
【００９０】
【数９】
2020533764.tif 000016
【００９１】
結果の状態空間表現は非線形である。従って、拡張カルマンフィルター又は無香変換ベースの予測補正フィルターの何れかで非線形性を処理する必要がある。拡張カルマンフィルターは、確率変数の期待値の関数として確率変数の関数の期待値を近似し、導関数（ヤコビ行列）の計算を必要とする；これは、マルチフィジックス電池モデルに結合された支配方程式を実装するときに厄介である。無香変換ベースの予測補正フィルターは、２Ｎ＋１シグマポイント（Ｎは状態変数の次元である）の統計を使用して期待値を概算し、導関数（ヤコビ行列）の計算を必要とせず、マルチフィジックス電池モデルを実行可能な制御で実装させる。無香変換ベースの予測補正フィルターの説明は、参照により本明細書に組み込まれる、Ｘｉａｎｇｃｈｕｎ  Ｚｈａｎｇ、Ｙｅｎ−Ｈｕｎｇ  Ｃｈｅｎ、Ｃｈｉａ−Ｗｅｉ  Ｗａｎｇ、及びＡｎｎ  Ｍａｒｉｅ  Ｓａｓｔｒｙの名でＳａｋｔｉ３社に譲渡された米国特許第８，１９０，３８４号に記載されており、そこでは、無香変換ベースの予測補正フィルター又は予測補正フィルターは、等価回路の電池モデルで使用される。記載されたフィルターは、電池モデルのＰＤＥが一次元拡散方程式について記載されたように状態空間表現に変換されると、本発明によって提供されるように、マルチフィジックスベースの電池モデルで使用することができる。
【００９２】
上記の一次元の拡散ベースの簡略化された電池モデルでは、Ｄ＝１［ｍ２／ｓ］である場合、０＜ｔ＜１［ｓ］、Ｖ＞３．４［Ｖ］、ｊ＝１［ｍｏｌ／（ｍ２−ｓ）］、及びＬ＝１［ｍ］が使用される。無香変換ベースの予測補正フィルターは、状態ベクトルｃを非常に良好に推定する。ｃの推定された最初の要素の二乗平均平方根誤差は、０．５＜ｔ＜１に対して約０．２８％であり、ｃの推定された最後の要素の二乗平均平方根誤差は、０．５＜ｔ＜１に対して約０．１８％である。
【００９３】
マルチフィジックスベースの電池モデルは、アノードにおける伝導及び拡散、バトラー−ボルマー速度論、電解質における伝導及び拡散、カソードにおける拡散及び伝導を含む複数のＰＤＥを有する。これらの方程式は、同様に状態空間表現に変換することができ、無香変換ベースの予測補正フィルターで実装することができる。
【００９４】
第１０の例では、マルチフィジックス電池モデルを無香変換ベースの予測補正フィルターとともに使用して、カソード中のＬｉイオンの濃度を推定し、これをさらに使用して、電池セルの充電状態を直接計算することができる。図１６Ａ及び１６Ｂは、マルチフィジックスベースの無香変換予測補正フィルターを使用した、正弦波放電中の電圧応答１６０１（図１６Ａ）、及び、カソードと電解質の界面における推定濃度１６０２の収束（図１６Ｂ）を示す簡略化されたグラフである。１６０２は、推定濃度が約６の時間ステップ内に真の濃度に急速に収束することを示している。カソード中の推定濃度は、二乗平均平方根誤差が約０．００２％未満の優れた精度を有する。
【００９５】
マルチフィジックスベースの電池モデルに対するモデルパラメータは、演繹的に決定することができ、又は状態変数と一緒に推定することもできる。
【００９６】
幾つかの実施形態では、デバイスは、複数のより薄いカソードの電池セル及びより厚いカソードの電池セルを含む電池モジュール、又は、各モジュールが複数のより薄いカソードの電池セル及びより厚いカソードの電池セルを含む複数の電池モジュールを含む電池パックを含むことができる。特定の実施形態では、電池パックは、直列、並列、又はそれらの組み合わせで接続された複数の電池モジュールを含むことができ、電池モジュールは、直列、並列、又はそれらの組み合わせで接続された複数の電池セルを含み、複数の電池セル間の直列及び／又は並列接続は、充電及び放電中にデバイスの電圧を調整するために動的に変更され、複数の電池モジュール間の直列及び／又は並列接続は、充電及び放電中にデバイスの電圧を調整するために動的に変更され、セル及び／又はモジュール間の直列及び／又は並列接続は、望ましい電池パック及び／又はモジュールの電圧範囲を実現するために、モジュール及び／又はセル間のバランスを実現するために、誤動作しているモジュール及び／又はセルをバイパスするために、及びモジュール及び／又はセルを再充電する準備をするために、異なる直列−並列接続構成間で動的に切り替えられる。
【００９７】
一実施形態では、各電池セル及び／又はモジュールは、６つのオン／オフスイッチに関連付けられて繰り返し群を形成するように構成され、スイッチはトランジスタであり、スイッチは、金属−酸化物−半導体電界効果トランジスタを含む電界効果トランジスタであり、電池セル及び／又はモジュールに対する異なる直列−並列接続構成は、全てのオン／オフスイッチのオン及びオフ状態を構成することによって実現され、接続構成は、電池パック及び／又はモジュールの電圧が設定値を下回るか又は上回ると、動的に切り替えられる。
【００９８】
一実施形態では、デバイスは、デバイスに結合された充電器を含むことができ、充電器は、エネルギー源に接続して、定電流再充電プロファイル、定電流及び後続の定電圧の再充電プロファイル、又は定電圧充電プロファイルの何れかで前記デバイスを再充電するように構成される。特定の実施形態では、より薄いカソードの電気化学セルは、環境温度が設定値を下回るときに電気エネルギーを提供して電気加熱を用いてより厚いカソードの電気化学セルを加熱するように構成され、温度設定値は−５０℃から５０℃の範囲である。
【００９９】
本明細書に記載される例及び実施形態は、例示のみを目的としており、その観点からの様々な修正又は変更が当業者に示唆され、本出願の趣旨及び範囲、並びに添付の特許請求の範囲内に含まれることも理解される。
【符号の説明】
【０１００】
２０１    基板
２０２    カソードバリア
２０３    カソード集電体
２０４    カソード
２０５    電解質
２０６    アノード
２０７    アノード集電体
２０８    アノードバリア
【図１】
2020533764.tif 000017
【図２】
2020533764.tif 000018
【図３】
2020533764.tif 000019
【図４】
2020533764.tif 000020
【図５】
2020533764.tif 000021
【図６】
2020533764.tif 000022
【図７】
2020533764.tif 000023
【図８】
2020533764.tif 000024
【図９】
2020533764.tif 000025
【図１０】
2020533764.tif 000026
【図１１】
2020533764.tif 000027
【図１２】
2020533764.tif 000028
【図１３】
2020533764.tif 000029
【図１４Ａ】
2020533764.tif 000030
【図１４Ｂ】
2020533764.tif 000031
【図１４Ｃ】
2020533764.tif 000032
【図１４Ｄ】
2020533764.tif 000033
【図１４Ｅ】
2020533764.tif 000034
【図１５】
2020533764.tif 000035
【図１６Ａ】
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【図１６Ｂ】
2020533764.tif 000037
【国際調査報告】
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