(57)【要約】  複数の充電可能な固体電池セルを備えるシステムが開示される。このシステムは、動力伝達装置に電力を供給するように構成することができ、巻かれた基板と、巻かれた基板の表面領域の上にある少なくとも１つの電気化学セルを備えることができる。この電気化学セルは、正極、固体層、負極及び導電性材料を備えることができる。
2020532840.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
動力伝達装置に電力を供給するように構成された複数の再充電可能な固体電池デバイスを含むシステムであって、
基板と、
前記基板の上にある少なくとも１つの電気化学セルであって、
遷移金属酸化物又は遷移金属リン酸塩を含む正極材料層、
充放電プロセス中にリチウムイオン又はマグネシウムイオンを伝導するように構成されたセラミック、ポリマー又はガラス質材料を含む固体層、及び、
前記充放電プロセス中のイオンの電気化学的挿入又はめっきのために構成された負極材料層、
を備える、電気化学セルと、
前記正極材料層と結合し、前記負極材料層と接触しない導電性材料と、
を備え、
前記少なくとも１つの電気化学セルを備えた基板が、巻かれて前記電池デバイスにパッケージングされる、システム。
【請求項２】
前記正極材料層及び負極材料層がそれぞれ、０．５メートルより大きい総表面積を有し、前記基板が、少なくともポリマー、金属、半導体又は絶縁体で作られる、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記電池デバイスが、前記固体層の表面積の１／１００未満の外部表面積を有する容器にパッケージングされる、請求項１又は２に記載のシステム。
【請求項４】
最長軸の長さを最短軸の長さで割ったとき、前記負極材料層のアスペクト比が、５００，０００より大きい、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】
前記電気化学セルの層が、電池当たり少なくとも３０回連続して巻かれ、又は、積み重ねられている、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】
前記電池デバイスが、電気化学セルの平方メートル当たり５０ワット時以下のエネルギー密度を有する、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】
前記基板が、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、二軸延伸ポリプロピレンフィルム（ＢＯＰＰ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、ポリイミド、ポリエステル、ポリプロピレン、アクリレート、及び、アリミド、又は、１０ミクロン未満の厚さの金属材料を含む、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】
前記電気化学セルが、固体電解質界面／相間（ＳＥＩ）層を含まない、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】
前記負極材料層が、摂氏１５０度より高い融点を有するリチウム金属合金を含む、請求項１から８の何れか一項に記載のシステム。
【請求項１０】
前記電池デバイスが、キログラム当たり少なくとも３００ワット時の比エネルギーを有する、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】
前記電池デバイスが、リットル当たり少なくとも７００ワット時のエネルギー密度を有する、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】
前記電池デバイスが、定格容量の８０％でサイクルしながら、少なくとも５０００サイクルを達成することができ、少なくとも２５０Ｗｈ／ｋｇの重量エネルギー密度を有する、請求項１から１１の何れか一項に記載のシステム。
【請求項１３】
マルチセルの再充電可能な固体電池パックをさらに備え、前記マルチセルの再充電可能な電池パックが、複数の再充電可能な固体セルを含み、前記セルの第１の部分が、直列関係で接続され、前記セルの第２の部分が、並列関係で接続されている、請求項１から１２の何れか一項に記載のシステム。
【請求項１４】
前記マルチセルの再充電可能な固体電池パックが、熱伝達システムと、摂氏６０度と摂氏２００度との間の動作温度範囲を維持するように構成された１つ以上の電子制御装置とによって構成される、請求項１３に記載のシステム。
【請求項１５】
前記再充電可能な固体電池パック内の再充電可能な固体セルの最も外側の部分が、互いに１ミリメートル未満で近接している、請求項１３又は１４に記載のシステム。
【請求項１６】
前記マルチセルの再充電可能な固体電池パックが、少なくとも０．４ｍ２＊Ｋ／（Ｗ＊ｉｎ）のＲ値を有する熱抵抗を有する１つ以上の材料によって絶縁される、請求項１３から１５の何れか一項に記載のシステム。
【請求項１７】
前記再充電可能な固体電池セルを有するマルチセルの再充電可能な固体電池パック、及び、
複数のキャパシタであって、少なくとも直列又は並列に構成され、前記再充電可能な固体電池セルと組み合わされることなく、前記複数のキャパシタ単独又は従来の微粒子電気化学セルよりも高い正味エネルギー密度を提供する複数のキャパシタ
をさらに備え、
前記マルチセルの再充電可能な固体電池パックが、キログラムあたり少なくとも５００ワットのエネルギー密度によって特徴付けられる、請求項１から１２の何れか一項に記載のシステム。
【請求項１８】
前記システムが、前記システムによって少なくとも部分的に電力が供給される車両内に提供される、請求項１から１７の何れか一項に記載のシステム。
【請求項１９】
前記再充電可能な固体電池セルが、巻かれ、又は、積み重ねられた構造で構成され、リチウム又はマグネシウムを輸送イオンとして利用し、前記再充電可能な固体電池セルが、１アンペア時を超える形式で構成され、固体電解質界面層がないように構成され、前記再充電可能な固体電池セルが、１０００サイクル超で８０％を超える容量維持が可能である、請求項１から１８の何れか一項に記載のシステム。
【請求項２０】
前記基板が、金属箔リボンであり、前記リボンが、前記金属箔をダウンウェブ方向に貫通する穿孔パターンを含む、請求項１から１９の何れか一項に記載のシステム。
【請求項２１】
前記基板の上にある前記少なくとも１つの電気化学セルが、前記金属箔を貫通する前記穿孔パターンと位置合わせして前記リボン上に堆積される、請求項２０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、再充電可能な固体電池及び車両推進に関する。より具体的には、本発明は、再充電可能な全固体電池のための方法及びシステム、並びに、その電池によって駆動される車両推進システムを提供する。
【背景技術】
【０００２】
再充電可能な電気化学貯蔵システムは、乗用車、車両、電動自転車、電動スクーター、ロボット、車椅子、飛行機、水中車両、自律型ドローンなどの自動車及び輸送用途で長い間使用されてきた。液体又はゲル電解質を備えた再充電可能な電気化学貯蔵システムは、比較的高いイオン拡散特性を利用するために、これらの用途で一般的に使用されている。従来の鉛酸、ニッケルカドミウム（ＮｉＣｄ）、ニッケル水素（ＮｉＭＨ）、及び、リチウムイオン（Ｌｉイオン）に分類できる様々なアノード及びカソード半電池反応が展開されている。
【０００３】
例えば、従来の鉛酸蓄電池には、硫酸（Ｈ２ＳＯ４）の液体電解質に浸された元素の鉛（Ｐｂ）及び酸化鉛（ＰｂＯ２）の電極が含まれている。再充電可能なＮｉＭＨ電池は、通常、水酸化カリウムなどの液体アルカリ電解液に浸された電極で構成される。最も一般的なタイプの再充電可能なリチウムイオン電池は、通常、ＬｉＰＦ６、ＬｉＢＦ４又はＬｉＣｌＯ４などの溶解したリチウム塩を含む炭酸エチレン、炭酸ジメチル及び炭酸ジエチルなどの有機溶媒に浸された電極で構成される。リチウムイオンポリマー電池では、リチウム塩電解質は、有機溶媒ではなく、ポリエチレンオキシド又はポリアクリロニトリルなどの固体ポリマー複合材料に保持されている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
液体電解質は、一般に、再充電可能な電池セルの短絡を防ぐために非導電性セパレータを必要とする。リチウムイオンが、電極間のセパレータを通過することができるが、電子が伝導しないように、微小孔性のポリマーセパレータは通常、液体電解質と組み合わせて使用される。しかしながら、これらのセパレータは、比較的高価であり、欠陥の原因であり、多くの場合、最終製品のエネルギー密度を損なう。
【０００５】
電解質に有機溶媒を使用することに関する別の問題は、これらの溶媒が充電又は放電中に分解する可能性があることである。適切に測定すると、有機溶媒電解質は、初期充電で分解し、電気絶縁性でありながら十分なイオン伝導性を提供する固体電解質相間（ＳＥＩ）と呼ばれる固体層を形成する。
【０００６】
これらの液体又はポリマー電解質の再充電可能な電気化学貯蔵システムは、パックレベルで追加の電圧又は電流を利用できるように、直列又は並列に接続することができる。電動動力伝達装置システムは、２馬力から６００馬力の範囲の電力供給を必要とする場合があり、それらは、１０００Ｗ／ｋｇを超える電力需要を有して、車両のニーズに応じて１ｋＷｈから１００ｋＷｈの範囲のエネルギー貯蔵を必要とする場合がある。
【０００７】
十分な安全性を確保しながら、これらのエネルギー及び電力の要件を満たすために、既存の技術は、Ａ１２３  Ｓｙｓｔｅｍｓが販売しているＬｉＦｅＰＯ４ナノ材料などの、ナノスケールでもある、より小さいカソード粒子の製造を教示している。これらのより小さいナノ粒子は、特定のリチウムイオンが液体電解質からカソード粒子の最も内側のポイントに到達するために必要な移動距離を短縮し、電池の充放電中のカソード材料での熱及び応力の発生を低減する。従って、最小軸の厚さが１ミクロンを超えるカソードフィルムが実行可能な製品を作成することが、低放電レートのマイクロエレクトロニクス以外の用途向けに電池セルを製造する当業者にとっては予想外のことである。電気自動車及び携帯用電子機器用の再充電可能な電池セルの従来の製造業者は、一般に、湿ったスラリーに混合され、スロットダイから押し出されるか、ドクターブレードで薄化されるナノ及びマイクロスケールの粒子で構成される不均一な凝集体をカソードとして選択することを好み、その結果、その後の乾燥及び圧縮により、液体又はゲル電解質がその細孔に浸透して、活物質と密接に接触する連続気泡の多孔質構造が得られる。
【０００８】
さらに、従来の技術では、Ａ１２３  Ｓｙｓｔｅｍｓ、Ｄｏｗ  Ｋｏｋａｍ、ＬＧＣｈｅｍ、ＥｎｅｒＤｅｌ、及び、その他のそれらの電気自動車電池パックで使用されるような長方形の角形セルが、セル間に発泡体又は他の圧縮性材料が含まれるパックに含まれる必要があることが示唆されている。従来の技術では、大型の自動車用電池パックの寿命にわたってこれらのセルが膨張することを教示しており、パックの寿命の開始時に十分な圧力を維持するために、発泡体又はその他の圧縮性材料は、これらの電池セル間のスペーサーとして使用する必要があり、セルが膨張すると、それが生成することを教示している。また、従来の技術は、セルが膨張したときに外部電池パックのケーシングが開かないようにするための圧縮バンド又は別の機械的機構を教示している。また、従来の技術は、電池セルの良好な接触、従って低い接触抵抗及び良好な導電性の維持のために、電池セルにかかる圧力が良好な性能を推定的に保証するために必要であることも教示している。
【０００９】
パックレベルでは、従来の技術は、電池セルのパックを管理するために、特に、温度極値で又は充電状態の最小又は最大範囲で液体又はセル電解質と組み合わせた活物質間の凝集粒子セルの副反応から生じる未知の寿命を管理するために、複雑な制御が必要であることを教示している。例えば、これらの制御アーキテクチャは通常、電圧監視とクーロンカウントメカニズムを組み合わせて、電池パックに含まれる個々のセルの現在の充電状態を推定するアルゴリズムを備えている。セルの寿命を維持し、熱暴走の可能性を減らすために、各セルは、最低の電圧及び電荷を有するように測定されたセルの電圧及び電流で動作する場合がある。本発明で名付けられた複数のセルから構築されるパックは、代替の製造技術からの粒子及びセルレベルでのより高い均一性のために、そのような複雑な制御アーキテクチャを必要としない場合がある。
【００１０】
既存の固体電池：
固体電池、例えば、ポリマー又は液体ではなく、固体の、しばしばセラミックの電解質を利用する、米国特許第４，８３９，０４９号明細書に記載されている固体電池が開発されている。しかしながら、これらの電解質の公的研究は、比較的低いイオン伝導度に苦しむことが広く知られていることを示している（Ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ  ａｎｄ  Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ  ｏｆ  Ａｍｏｒｐｈｏｕｓ  Ｌｉｔｈｉｕｍ  Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ  Ｔｈｉｎ  Ｆｉｌｍｓ  ａｎｄ  Ｒｅｃｈａｒｇｅａｂｌｅ  Ｔｈｉｎ−Ｆｉｌｍ  Ｂａｔｔｅｒｉｅｓ”，  Ｊ．Ｂ．  Ｂａｔｅｓ  ｅｔ  ａｌ．  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｐｏｗｅｒ  Ｓｏｕｒｃｅｓ，  ４３−４４  （１９９３）  １０３−１１）。本発明では、発明者らは、彼らが製造し、その文献にある材料の電解質、アノード及びカソード材料で測定されるイオン伝導率及び拡散特性を知って、最適な材料層の厚さと構成を決定するために発明した計算モデルを使用した。さらに、これらの固体電池は通常、アンペア時（Ａｈ）でセルの総容量を制限する、比較的小さな領域（１００平方センチメートル未満）で製造される。
【００１１】
例えば、Ｉｎｆｉｎｉｔｅ  Ｐｏｗｅｒ  Ｓｏｌｕｔｉｏｎｓが現在製造している固体電池製品のＴｈｉｎｅｒｇｙシリーズの最大の電池セルには、２５．４ｍｍ×５０．８ｍｍ×０．１７ｍｍの寸法及び４．１ボルトの公称電圧定格で１００ｍＡの最大電流のパッケージに２．５ｍＡｈの総容量が含まれていると記載されている。これらの固体電池セルの公称エネルギー密度はわずか４６．７３Ｗｈ／Ｌであり、同等のリチウムイオン液体電解質セルの業界標準である２００から４００Ｗｈ／Ｌをはるかに下回る。さらに、これらのセルの設計とバッチ生産プロセスの利用の選択から生じるこれらのセルの最小容量は、少なくとも１６ｋＷｈの正味の公称エネルギー貯蔵を備えたパックを達成するために、直列及び並列に接続された１，５００，０００を超えるこれらのセルを意味し、これは、シボレーボルトなどの一般的なレンジエクステンダー電気自動車（ＥＲＥＶ）のエネルギー貯蔵容量である。従って、既存の固体電池セルの設計及び製造プロセスは、電気自動車の動力伝達装置に含めるのは実用的ではない。
【００１２】
さらに、これらの小型固体電池は、活物質に対するパックの質量比が比較的大きいため、製品規模でのエネルギー密度が低いという問題がある。さらに、既存の固体電池は、スパッタリング及び化学蒸着（ＣＶＤ）などの高価で低速度の方法を使用して製造することがよくある。化学浴析出（ＣＢＤ）など、他のより高速なプロセスが仮定されているが、まだ実績が無い。これらのより速いプロセスは、運用業に耐えられるほど十分に低い欠陥率で均一な製品を生産することの困難を明らかにするかもしれない。
【００１３】
基板材料の選択は、発明者によって設計された製品の別の重要な差別化要因である。今日まで、固体電池の実務者は、焼きなまし可能であり、さらなるパッケージング段階でより堅牢になる可能性がある基板、例えば、セラミックプレート、シリコンウエハ、金属箔、及び、厚さが８から１０ミクロンで高い耐熱性を有するポリイミドなどのより厚いポリマー材料などの基板を選択している。現在使用されているこれらの材料はいずれも、厚さが５から１０ミクロン未満のゲージでは使用することができない。アニールすることができない１０ミクロン未満のより薄いポリマー基板を適切な材料として選択してもよい。逆に、基板は、金属箔をダウンウェブ方向に貫通する穿孔パターンを含む金属箔リボンであってもよい。この場合、金属基板に起因する重量及び寄生質量の欠点は、金属リボンに穿孔を作成することにより無効にされる。穿孔はまた、固体電気化学セルが堆積されると、基板のより容易な巻き取りを可能にし得る。これに関連して、基板を覆う電気化学セルは、金属箔を通る穿孔パターンと位置合わせしてリボン上に堆積され得る。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明は、充放電可能な全固体電池のための方法及びシステム、並びに、電池により電力供給される車両推進システムを提供する。単なる例として、本発明は、車両推進システムに適用されているが、他の様々な用途があり得る。
【００１５】
再充電可能な電気化学セルの形態で保存された電気によって少なくとも部分的に駆動される輸送システムであって、それらのセルは、
−少なくとも３００Ｗｈ／Ｌの特定の体積エネルギー密度を達成し、少なくとも１アンペア時の公称容量を有し、
−実質的なリチウム又はマグネシウムの挿入を達成することができるリン酸塩又は酸化物化合物で構成されるカソード材料を含み、
−炭素質、シリコン、スズ、リチウム金属、又は、リチウム若しくはマグネシウムをめっき又は挿入することができる他の材料からなるアノード材料を含み、
−リン酸塩又はセラミックからなる固体電解質を含み、
−ロールツーロール生産プロセスで生産される。
【００１６】
いくつかの実施形態では、これらのセルは、直列及び並列に組み合わされて、充電状態、電池寿命及び電池の調子を監視するアルゴリズムでプログラムされた充放電制御回路によって調整されるパックを形成する。
【００１７】
本発明は、フルハイブリッド、マイルドハイブリッド及びプラグインハイブリッドを含むハイブリッド車両動力伝達装置に組み込むことができる。本発明は、並列ハイブリッド、直列ハイブリッド、パワースプリット及び直列−並列ハイブリッドを含む、種々の動力伝達装置構造でも利用することができる。
【００１８】
上記の発明は車両に適用されているが、上記は、スマートフォン、タブレットコンピューター、モバイルコンピューター、ビデオゲームプレーヤー、ＭＰ３音楽プレーヤー、ボイスレコーダー、モーションディテクターを含むが、これらに限定されない、任意のモバイルコンピューティングデバイスにも適用することができる。電池、ＬＥＤ、その他の有機光源、ソーラーパネルを含む照明システムも適用することができる。さらに、スターターモーター、補助電源システム、衛星電源、マイクロセンサーデバイス、無人航空機用電源などの航空宇宙及び軍事用途に適用される場合がある。
【００１９】
セラミックセパレータ付き固体電池の潜在的な利点は、１０年以上にわたって議論されてきたが、今日までこの製品を真に商業化したものは殆どない。この製品の商業化を悩ませた１つの課題は、高レベルの性能を備えた製品設計パラメータの開発である。これまでに克服されていないもう１つの課題は、マイクロアンペアを超える電流を必要とする製品に電力を供給することができる形式で、より大きなフォーマットサイズ（１／１０アンペア時を超える）の固体電池を作成し、それを巻き上げてパッケージングするために必要なロールツーロール生産プロセスの開発である。
【００２０】
大規模に生産することができる固体電池セルの設計は、計算設計ツールがなく、試行錯誤のプロセスを経て最適化された設計に近づくために必要な高い資本支出により制限されている。
【００２１】
本発明者らは、物理学ベースのコード及び最適化アルゴリズムを利用して、多くの用途で使用するために特別に設計された固体電池の最適化された一連の設計に到達する計算設計ツールセットを完成させた。そのようなツールの例は、「ＣＯＭＰＵＴＡＴＩＯＮＡＬ  ＭＥＴＨＯＤ  ＦＯＲ  ＤＥＳＩＧＮ  ＡＮＤ  ＭＡＮＵＦＡＣＴＵＲＥ  ＯＦ  ＥＬＥＣＴＲＯＣＨＥＭＩＣＡＬ  ＳＹＳＴＥＭＳ」というタイトルで２００９年６月１５日に出願された米国特許出願第１２／４８４，９５９号に記載されている。
【００２２】
本発明の結果は、３００Ｗｈ／Ｌを超えるエネルギー密度を有する固体電池である。これは、液体又はゲル電解質を使用して設計された一部の電池システムを使用して達成されているが、このレベルのエネルギー密度を達成するセラミック電解質を備えた固体電池はない。さらに、セラミック電解質及び設計により、リチウム樹状突起の発生や、従来の巻かれたリチウムイオン電池の液体又はゲル電解質と電池材料との間で発生する他の望ましくない副反応が排除される。さらに、本発明で利用される固体セラミック電解質は、ポリマーセパレータを利用するリチウムイオン電池セルの主要な故障メカニズムである内部短絡の発生も排除する。
【００２３】
トヨタなどは最近、固体電池に取り組んでいると主張しているが、製品に必要な成熟度に達することができる設計に到達することは誰もできていない。例えば、トヨタが最近製造した電池は、従来の液体電解質リチウムイオン電池で１５年以上使用されてきたものと同じ材料を使用して、低速度スパッタリングプロセスを使用して製造された。日経エレクトロニクスによると、トヨタの設計は、活物質がコバルト酸リチウム及びグラファイトである、正及び負の電解質を備えた４インチ×４インチのセルであった。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
以下の図は、単なる例であり、本明細書で特許請求の範囲を過度に制限するものではない。当業者は、他の多くの変形、修正及び代替案を認識するであろう。また、本明細書に記載の実施例及び実施形態が、例示のみを目的とするものであり、その観点から様々な修正又は変更が当業者に提案され、このプロセス及び添付の特許請求の範囲の精神及び範囲内に含まれることも理解される。
【００２５】
【図１】現在の最新技術の固体電池セルの断面図である。
【図２】現在の最新技術の固体電池セルの上部図である。
【図３】現在の最新技術の微粒子電池セルの断面図である。
【図４】実際の巻かれた現在の最新技術のリチウムイオン電池の斜め断面図の写真である。
【図５】電動動力伝達装置及び関連する電気エネルギー貯蔵システムを含む車両の概略図である。
【図６Ａ】本発明の一実施形態に係る巻かれた固体電池セルの簡略図である。
【図６Ｂ】本発明の実施形態による、非円筒形容器形状因子に圧縮された、巻かれた固体電池セルの簡略図である。
【図７】固体電池セルの簡略断面図である。
【図８】本発明の実施形態によるシミュレーションされたエネルギー密度を示すラゴンプロットである。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
図１は、現在の最新技術の固体電池の側面図である。この図では、同様に堆積されたアノード集電体（１８）と接触しないように、マスキング技術を使用してカソード集電体（１６）が厚い基板（１２）上に堆積されている。カソード材料（２０）は、カソード集電体（１６）上に堆積される。イオン伝導性の電気絶縁体（２２）も堆積される。次いで、アノード材料（２４）は、アノード集電体（１８）と接触するように電解質の頂部に堆積される。電気化学セル層１０は、前述のこれらの要素を含む。セルは、静止した基板１２上に配置される。セルは、４０Ｗｈ／ｋｇ未満のエネルギー密度を有し、０．１Ａｈ未満の容量を有する。
【００２７】
図２は、図１に示された従来のセルに記載された同じセルの上面図である。図１の電気化学セル層１０の構成は、図２の上部から見ることができる。セル全体の大きさは、片側８インチ未満である。セルは、密閉される（３２）。正極タブ（１６）及び負極タブ（１８）は、パッケージングされたセルから突き出る。
【００２８】
図３は、自動車及び民生用電子機器の実質的に全ての商業用リチウムイオン製品で使用されている、現在の最新技術の粒子状電池材料積層アーキテクチャの断面図である。カソード粒子、燃え殻材料及び導電性コーティング（６、７、及び８）の凝集体が正極として凝集する。この凝集層の厚さは、５０ミクロンから３５０ミクロンである。厚さ１０ミクロンから５０ミクロンの範囲の多孔質セパレータ（４）は、アノード半反応とカソード半反応を分離する。カーボンなどの挿入材料は、負極（２）として使用される。固体電解質界面層（３）は、「形成」として知られるステップでのセルの製造後に、アノードに意図的に形成される。アルミニウム集電体（９）は、カソードから電子を収集し、銅集電体（１）は、アノードから電子を収集する。イオン及び電子が粒子状材料の外側にあると、混合物を、イオン及び電子を伝導する液体又はポリマー電解質溶媒（１０）に浸す。
【００２９】
図４は、現在の最新技術のリチウムイオン電池「ゼリーロール」セルの断面を示す写真である。このセルは、５０回未満巻かれている。
【００３０】
図５は、電動動力伝達装置１２、特にハイブリッド電動動力伝達装置を組み込む車両１０の概略図である。本発明の実施形態は、プラグイン型電動動力伝達装置を含む完全電動（ＥＶ）又は部分電動（ＨＥＶ）動力伝達装置を組み込む、実質的にあらゆる車両に適用される。車両１０は、本発明の実施形態の単一の可能な実施形態としてのみ図示及び説明されている。車両１０及び電動動力伝達装置１２の他の多くの構成が可能であることが理解される。例えば、以下で説明するエネルギー貯蔵モジュール４２及び４４は、同じ区画に設置されることに限定されない。それらは、エアコン、ＤＣモーターなどのターゲット電子デバイスにより簡単にアクセスできるように、異なる場所に配置することができる。
【００３１】
電動動力伝達装置１２は、可変速トランスミッション１５及びトラクションモーター１６に連結された内燃エンジン１４を含み、推進シャフト２０を介して車両１０の前輪１８を駆動する。トランスミッション１５及びトラクションモーター１６は、車両運転者がアクセス可能な加速器制御装置２４及びブレーキ制御装置２６からの入力に応答する制御装置２２に結合されている。上記は、特定の実施形態の完全な説明であるが、様々な修正、代替構成及び同等物が使用されてもよい。
【００３２】
図５は、トランスミッション１５に結合された単一のトラクションモーター１６を示しているが、複数のトラクションモーターが使用されてもよい。例えば、トラクションモーターを各車輪１８に関連付けることができる。図５に示すように、トラクションモーター２８は、推進シャフト３２を介して後輪３０を駆動するために提供されてもよく、トラクションモーター２８は、制御装置２２に連結される。電動動力伝達装置１２の代替構成は、トランスミッション１５及びトラクションモーター１６を介した後輪３０の一次駆動に対して、可変速トランスミッション及びトラクションモーターを介した前輪１８及び後輪３０の駆動、並びに、前輪１８及び／又は後輪３０を駆動する様々な組み合わせを提供し得る。
【００３３】
電気エネルギーは、制御装置２２を介してハイブリッドエネルギー貯蔵システム４０からトラクションモーター１６及びトラクションモーター２８（提供される場合）に供給される。本発明の実施形態によれば、ハイブリッドエネルギー貯蔵システム４０は、複数のエネルギー貯蔵モジュールを含み、２つが、エネルギー貯蔵モジュール４２及びエネルギー貯蔵モジュール４４として示される。ハイブリッドエネルギー貯蔵システム４０は、２を超えるエネルギー貯蔵モジュールを組み込むことができる。モジュールは、セル構成、セル化学、制御などの特定の特性を有するセルのセットであり得る。
【００３４】
電気エネルギーは、内燃エンジン１４により駆動される発電モードでトラクションモーター１６を作動させることにより、ハイブリッドエネルギー貯蔵システム４０に提供され得る。エネルギーはさらに、回生ブレーキモードでトラクションモーター１６及び／又はトラクションモーター２８を動作させることにより、車両のブレーキング中にハイブリッドエネルギー貯蔵システム４０に回収されて送達され得る。エネルギーは、プラグインインターフェース４１を介したプラグインオプションを介してハイブリッドエネルギー貯蔵システム４０に提供されてもよい。
【００３５】
いくつかの実施形態では、ハイブリッドエネルギー貯蔵システム４０は、第１のバッテリーシステム部分又はモジュール４２及び第２のバッテリーシステム又はモジュール４４を組み込むハイブリッドバッテリーシステムである。第１のモジュール４２は、第１の電池アーキテクチャを有してもよく、第２のモジュール４４は、第１の電池アーキテクチャとは異なる第２の電池アーキテクチャを有してもよい。異なる電池アーキテクチャとは、セル構成、セル化学、セル数、セルサイズ、セル結合、制御電子機器、及び、対応する１つの部分又は複数の部分に対して表示したときの同じパラメータとは異なり得る電池システムのその部分に関連するその他の設計パラメータの一部又は全てを指すことを意味する。特定の電子機器の近くに電池パックを配置することが望ましい場合がある。従って、エネルギー貯蔵モジュール４２及び４４は、ハイブリッドエネルギー貯蔵システム４０と同じ区画に必ずしも設置されなくてもよい。当業者は、他の変形、修正及び代替案を認識するであろう。
【００３６】
上述のシステムは、動力伝達装置に電力を供給するように構成された複数の再充電可能な固体電池セルを含む車両推進システムの実施形態であり得る。様々な実施形態において、システムは、表面領域、表面領域の上にある少なくとも１つの電気化学セル、及び、導電性材料を有する巻かれた基板を含むことができる。
【００３７】
巻かれた基板は、最短軸に沿って厚さが１０ミクロン未満であり得る。いくつかの実施形態では、基板は、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、二軸延伸ポリプロピレンフィルム（ＢＯＰＰ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、ポリイミド、ポリエステル、ポリプロピレン、アクリレート、及び、アリミド、又は、１０ミクロン未満の厚さの金属材料を含む。
【００３８】
電気化学セルは、正極、固体層及び負極を含むことができる。正極は、遷移金属酸化物又は遷移金属リン酸塩を含むことができる。正極は、０．５から５０ミクロンの厚さによって特徴づけられる。導電性材料は、負極材料を含まずに正極材料に結合することができる。固体層は、充放電プロセス中にリチウムイオン又はマグネシウムイオンを伝導するように構成されたセラミック、ポリマー又はガラス材料を含むことができる。固体層は、０．１から５ミクロンの厚さによって特徴付けることができる。負極材料は、充放電プロセス中の電気化学的挿入又はイオンめっきのために構成することができる。負極材料は、０．５から５０ミクロンの厚さによって特徴付けられる。勿論、他の変形、修正及び代替が存在する可能性がある。
【００３９】
また、正極材料及び負極材料の層はそれぞれ、０．５メートルを超える総表面積を有することができ、巻かれた基板は、少なくともポリマー、金属、半導体又は絶縁体で作られる。これらの層は、活物質層の表面積の１／１００未満の外部表面積を有する容器に巻くことができる。いくつかの実施形態では、電気化学的に活性な材料の層は、セルごとに少なくとも３０回連続して巻くか、積み重ねることができる。負極材料は、融点又は合金が摂氏１５０度を超えるように、リチウム金属合金の合金を含むことができる。
【００４０】
電池セルは、電気化学セルの平方メートルあたり５０ワット時以下のエネルギー密度を有することができ、又は、リットルあたり少なくとも７００ワット時のエネルギー密度を有することができる。電池セルはまた、キログラムあたり少なくとも３００ワット時の特定のエネルギーを有することができる。特定の実施形態において、電池セルは、定格容量の８０％でサイクルしながら、少なくとも５０００サイクルを達成することができ、少なくとも２５０Ｗｈ／ｋｇの重量エネルギー密度を有することができる。
【００４１】
様々な実施形態において、これらの電池セルは、少なくともスマートフォン、携帯電話、ラジオ、又は、他のポータブル通信デバイス、ラップトップコンピューター、タブレットコンピューター、ポータブルビデオゲームシステム、ＭＰ３プレーヤー、又は、その他の音楽プレーヤー、カメラ、カムコーダー、ＲＣカー、無人飛行機、ロボット、水中車両、衛星、ＧＰＳユニット、レーザー距離計、懐中電灯、電気街灯、その他の携帯用電子機器の１つ以上に適用することができる。また、これらの電池セルには、固体電解質界面／相間（ＳＥＩ）層がない場合がある。
【００４２】
いくつかの実施形態では、このシステムは、マルチセルの充放電可能な電池パックをさらに含むことができる。マルチセルの再充電可能な電池パックは、複数の再充電可能な固体セルを含むことができる。これらのセルの第１の部分は、直列関係で接続することができ、前記セルの第２の部分は、並列関係で接続することができる。また、このマルチセルの再充電可能な電池パックには、熱伝導システムと、摂氏６０度から摂氏２００度の動作温度範囲を維持するように構成された１つ以上の電子制御装置を含めることができる。複数の再充電可能なセルは、複数の再充電可能なセルのそれぞれの最も外側の部分を含むことができる。これらの最も外側の部分の各々は、互いに１ミリメートル未満で近接することができる。さらに、マルチセルの再充電可能な固体電池パックは、Ｒ値が少なくとも０．４ｍ２＊Ｋ／（Ｗ＊ｉｎ）の熱抵抗を有する１つ以上の材料で絶縁することができる。
【００４３】
いくつかの実施形態では、充放電可能な固体電池セルを有するマルチセルの充放電可能な固体電池パックを備えたシステムは、少なくとも直列又は並列に構成され、再充電可能な固体電池セルと組み合わされることなく、複数のキャパシタ単独又は従来の微粒子電気化学セルよりも高い正味エネルギー密度を提供する複数のキャパシタをさらに備え、マルチセルの再充電可能な固体電池パックは、キログラムあたり少なくとも５００ワットのエネルギー密度によって特徴付けられる。再充電可能な固体電池セルは、再充電可能な固体電池セルが、巻かれ、又は、積み重ねられた構造で構成され、リチウム又はマグネシウムを輸送イオンとして利用し、再充電可能な固体電池セルは、１アンペア時を超える形式で構成され、固体電解質界面層がないように構成され、再充電可能な固体電池セルは、１０００サイクル超で８０％を超える容量維持が可能である。本発明の実施形態によるそのようなシステム及び同様のシステムの他の実施形態は、これらのシステムによって少なくとも部分的に電力が供給される車両内に提供することができる。
【００４４】
図６Ａは、描かれている、巻かれた充放電可能な全固体電池セルの簡略図である。いくつかの巻線が作られていますが、本発明は、セルあたり５０を超える巻線を含む再充電可能な固体電池セルを要求している。本発明の固体セルはまた、ｚ折り、積み重ね又はめっき技術を使用して包装されてもよい。
【００４５】
図６Ｂは、非円筒形状因子に適合するように巻かれた後に圧縮される、巻かれた再充電可能な固体電池の簡略図である。本発明では、再充電可能な固体電池フィルムの圧縮は、基板又は堆積フィルムの亀裂、剥離又は他の欠陥なしで行われる。
【００４６】
図７は、本発明の一実施形態による活物質層の断面の簡略図である。金属集電体（７２）は、薄い基板（７１）の長いストリップに堆積される。正極材料（７３）は、この集電体（７２）に堆積され、固体イオン伝導性電解質（７４）によって金属アノード材料（７５）から分離される。電池を切断、巻き取り又は積み重ねる前に、金属製の集電体ストリップもアノードに取り付けられる。
【００４７】
このデバイスは、０．５ワット時を超える定格エネルギーをデバイスに供給する必要がある用途で、少なくとも２５０Ｗｈ／ｋｇを達成できる。このエネルギー密度の能力は、より大きなデバイスでは、非活性材料の相対質量百分率の減少に対して、より大きい。
【００４８】
本発明は、フィルムの表面の平方メートル当たりのＷｈが平方メートル当たり５０Ｗｈ未満であり、自動車及び携帯用電子機器の用途で現在使用されているリチウムイオン電池の平方メートル当たりのＷｈの半分未満であるという点で、現在の教示とは異なる。これには、同じエネルギー密度を達成し、欠陥のないフィルムを維持するために遥かに高い精度でセルをさらに回転させる必要がある。本発明はまた、液体電解質に浸される粒子の圧縮ではなく、セラミックセパレータに物理的に接合された単一の均一なカソード材料のストライプを利用する。
【００４９】
図８は、有限要素解析及びマルチフィジックスコードの態様を含む発明者によって開発された計算コードを使用して、以下の実施例１で説明される３つの異なる固体電池システム設計のシミュレーションされたラゴンである。各デザインは、層の厚さとカソード材料の異なる組み合わせを表している。この電池セルは、１キログラムあたり３００Ｗｈを超えるエネルギー密度を有するようにシミュレーションされており、発明者によって開発された独自の製造技術を使用して製造されている。
【００５０】
実施例１：
この特定の実施形態では、セルは、厚さが５ミクロン未満の巻かれたポリマー基板に作製される。０．２ミクロン未満の厚さの金属集電体がこの基板上に堆積され、その上に１０ミクロン未満の厚さの遷移金属酸化物カソード材料が堆積される。次に、２ミクロン未満の厚さのセラミック電解質層を堆積し、この電解質に少なくとも５０％のリチウム金属を含む金属アノードを堆積する。基板の寸法は、少なくとも１ｃｍ×１００ｃｍであり、構造全体の厚さは、５０ミクロン未満である。
【００５１】
一例では、本装置及び方法は、変わる可能性があり得るが、最大で１，０００，０００個の層を含むことができる。例では、本デバイスは、次のパラメータを有することができる：
カソード：０．００５μｍから１００μｍ；
アノード：０．００５μｍから１００μｍ；
電解質：０．００１μｍから１００μｍ。
【００５２】
一例では、基板は、変わる可能性があるが、生産中に実質的に曲がらない任意の静止又は移動ガラス、又は、他の静止又は移動材料であり得る。
表面積：０．００１μｍ２から１００ｍ２。
【００５３】
一例では、本発明は、固体処理の利点を提供し、ほぼ任意の薄い電極を作成できることであり、これにより、電力密度、低動作温度及び急速充電能力を大幅に改善すると同時に、現在の積層電池で妥当なエネルギー密度を維持する。液体又はゲル電解質の使用には、固体設計で可能な厚さを超える最小厚さが必要である。さらに、多くの用途は、高出力電池セルを作成するために固体技術の使用から特に恩恵を受け、これには、高放電率での利用を可能にするために非常に薄いカソードが必要である。具体的には、掃除機、ヘアドライヤー、電動工具などの高電力消費財は全て、有人又は無人のドローン、航空機又はハイブリッド電気自動車用の電池と同様に、高電力システムの恩恵を受ける。さらに、０．０１μｍ２から１００ｍ２の設置面積を有する電池セルは、貯蔵を必要とするシステムに電力を供給する能力がある。小型システムには、バイオシステム、ＲＦＩＤ、スマートカード、データストレージ、監視やその他の用途向けの超薄型ウェアラブルテクノロジーが含まれる。より大規模なシステムには、静止若しくは宇宙船若しくは宇宙設備のいずれかのソーラーアレイ、又は、地上若しくは航空機を含む移動システムが含まれる。固体処理により、非常に小さいものから非常に大きいものまで、あらゆる種類の基板上での電池製造の独自の統合が可能になる。
【００５４】
一例では、本デバイスは、ドローン、ハンドヘルド装置、掃除機、ファン、ヘアドライヤー、カーラー、フラットナー、歯ブラシ、その他のパーソナルケア製品、電動工具、海洋用途、グリッド電源システム、携帯電話塔、又は地上で使用するその他の民生用若しくは軍事用貯蔵システム、資金の転送又は商品やサービスの支払いに部分的又は排他的に使用される電子機器、ポータブルテレビ、ポンプ、ファン、ヒーター，又は、空気やその他の作動ガスを利用して熱伝達を実現し、ガスや蒸気を適用してスチームクリーナーのように材料の特定の変更を達成したり、汚染物質やその他のガスを濾過したりする他のデバイスを含む、携帯型空気処理システム、デバイスの内部又は外部の携帯用光源、芝刈り機、土工機、溝掘り機、植栽機又は資材運搬機を含む芝生の手入れ又は園芸工具、フロアケア、盗難の検出又は監視を含む、単一又は複数の機能を備えたロボットデバイス、環境の監視、人間又は動物の支援、組み立て又は他の機械化された作業、教育、移動、及び、輸送、３Ｄプリンター、おもちゃ、機械化された人形、アクションフィギュア、飛行機、ボート、スクーター、スケートボード、及び、子供と交流し、子供を楽しませ、又は子供に教えるために設計された他のデバイスなどの多様な用途に使用することができる。上記の任意の組み合わせ、及び他の用途が考えられる。
【００５５】
上記が特定の実施形態の完全な説明であるが、様々な修正、代替構成及び同等物が使用されてもよい。一例として、方法を含む本出願は、参照により本明細書に組み込まれる、「ＭＥＴＨＯＤ  ＦＯＲ  ＨＩＧＨ  ＶＯＬＵＭＥ  ＭＡＮＵＦＡＣＴＵＲＥ  ＯＦ  ＥＬＥＣＴＲＯＣＨＥＭＩＣＡＬ  ＣＥＬＬＳ  ＵＳＩＮＧ  ＰＨＹＳＩＣＡＬ  ＶＡＰＯＲ  ＤＥＰＯＳＩＴＩＯＮ」というタイトルが付けられた、２００９年６月１５日に出願された米国特許出願番号１２／４８４，９６６号の１つ以上の要素と共に使用され得る。本方法及び装置はまた、参照により本明細書に組み込まれる米国特許第７，９４５，３４４号明細書に記載された技術と共に使用されてもよい。従って、上記の説明及び図は、添付の特許請求の範囲によって定義される本発明の範囲を限定するものとして解釈されるべきではない。
【符号の説明】
【００５６】
１  銅集電体
２  負極
３  固体電解質界面層
４  多孔質セパレータ
６  カソード粒子
７  燃え殻材料
８  導電性コーティング
９  アルミニウム集電体
１０  電気化学セル、車両
１２  基板
１４  内燃エンジン
１５  トランスミッション
１６  カソード集電体、正極タブ、トラクションモーター
１８  アノード集電体、負極タブ、前輪
２０  カソード材料、推進シャフト
２２  電気絶縁体、制御装置
２４  アノード材料、加速器制御装置
２６  ブレーキ制御装置
２８  トラクションモーター
３０  後輪
３２  推進シャフト
４０  ハイブリッドエネルギー貯蔵システム
４１  プラグインインターフェース
４２  エネルギー貯蔵モジュール
４４  エネルギー貯蔵モジュール
７１  基板
７２  金属集電体
７３  正極材料
７４  固体イオン伝導性電解質
７５  金属アノード材料
【図１】
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【図２】
2020532840.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６Ａ】
2020532840.tif 000008
【図６Ｂ】
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【図７】
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【図８】
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【国際調査報告】
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