特表 2024-527554 リチウム含有二次バッテリ用の分散型セル形成システム及び事前リチウム化モジュール

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】

(43)【公表日】2024-07-25

(54)【発明の名称】リチウム含有二次バッテリ用の分散型セル形成システム及び事前リチウム化モジュール

(51)【国際特許分類】

   H01M 10/052 20100101AFI20240718BHJP

   H01M 10/058 20100101ALI20240718BHJP

【ＦＩ】

H01M10/052

H01M10/058

【審査請求】未請求

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2023580727

(86)(22)【出願日】2022-06-29

(85)【翻訳文提出日】2024-02-27

(86)【国際出願番号】 US2022035471

(87)【国際公開番号】W WO2023278539

(87)【国際公開日】2023-01-05

(31)【優先権主張番号】63/202,934

(32)【優先日】2021-06-30

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(81)【指定国・地域】

【公序良俗違反の表示】

（特許庁注：以下のものは登録商標）

１．ＫＥＶＬＡＲ

(71)【出願人】

【識別番号】323006529

【氏名又は名称】エノビクス・コーポレイション

【氏名又は名称原語表記】Ｅｎｏｖｉｘ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ

(74)【代理人】

【識別番号】100145403

【弁理士】

【氏名又は名称】山尾 憲人

(74)【代理人】

【識別番号】100184343

【弁理士】

【氏名又は名称】川崎 茂雄

(74)【代理人】

【識別番号】100224627

【弁理士】

【氏名又は名称】井上 稔

(72)【発明者】

【氏名】フォスラー，ロス エム

【テーマコード（参考）】

5H029

【Ｆターム（参考）】

5H029AJ14

5H029AK01

5H029AK02

5H029AK03

5H029AK05

5H029AL01

5H029AL02

5H029AL03

5H029AL06

5H029AL07

5H029AL08

5H029AL11

5H029AM03

5H029AM04

5H029AM07

5H029AM12

5H029AM16

5H029BJ02

5H029BJ12

5H029CJ15

5H029CJ30

(57)【要約】

リチウム含有二次バッテリ用の事前リチウム化モジュールは、スイッチトキャパシタ回路と、スイッチトキャパシタ回路に接続された事前リチウム化モジュールコントローラと、リチウム含有二次バッテリの電極バスバー及び対極バスバーへの電気的接続のためのバッテリコネクタと、リチウム含有二次バッテリの補助極への電気的接続のための事前リチウム化コネクタと、を含む。事前リチウム化モジュールコントローラは、プロセッサ及びメモリを含む。事前リチウム化モジュールコントローラのメモリは、リチウム含有二次バッテリの電極活性材料層にリチウムを拡散させるために、補助極を通して電流を選択的に伝導させるようにスイッチトキャパシタ回路を動作させるように事前リチウム化モジュールコントローラをプログラムする命令を記憶する。

【特許請求の範囲】

【請求項1】

リチウム含有二次バッテリ用の事前リチウム化モジュールであって、前記リチウム含有二次バッテリは、二重層の集団と、電極バスバーと、対極バスバーと、リチウムを含有する補助極と、を含み、前記二重層の集団のうちの各二重層は、電極構造、セパレータ構造、及び対極構造を含み、前記二重層集団の各部材の前記電極構造は、電極電流コレクタ及び電極活性材料層を含み、前記二重層集団の各部材の前記対極構造は、対極電流コレクタ及び対極活性材料層を含み、前記事前リチウム化モジュールは、
スイッチトキャパシタ回路と、
前記スイッチトキャパシタ回路に接続された事前リチウム化モジュールコントローラであって、前記事前リチウム化モジュールコントローラは、プロセッサ及びメモリを含む、事前リチウム化モジュールコントローラと、
前記リチウム含有二次バッテリの前記電極バスバー及び前記対極バスバーへの電気的接続のためのバッテリコネクタと、
前記リチウム含有二次バッテリの前記補助極への電気的接続のための事前リチウム化コネクタであって、前記事前リチウム化モジュールコントローラの前記メモリは、前記リチウム含有二次バッテリの前記電極活性材料層にリチウムを拡散させるために、前記補助極を通して電流を選択的に伝導させるように前記スイッチトキャパシタ回路を動作させるように前記事前リチウム化モジュールコントローラをプログラムする命令を記憶する、事前リチウム化コネクタと、を備える、事前リチウム化モジュール。

【請求項2】

前記命令は、電荷のパルスを使用して、前記補助極を通して前記電流を選択的に伝導させるように、前記事前リチウム化モジュールコントローラをプログラムする、請求項１に記載の事前リチウム化モジュール。

【請求項3】

前記命令は、制御信号パルスを使用して、前記補助極を通して前記電流を選択的に伝導させるように、前記事前リチウム化モジュールコントローラをプログラムし、前記制御信号パルスは、固定パルス幅を有する、請求項２に記載の事前リチウム化モジュール。

【請求項4】

前記制御信号パルスの周波数は、前記事前リチウム化モジュールコントローラによって可変である、請求項３に記載の事前リチウム化モジュール。

【請求項5】

前記命令は、制御信号パルスを使用して、前記補助極を通して前記電流を選択的に伝導させるように、前記事前リチウム化モジュールコントローラをプログラムし、前記制御信号パルスは、可変パルス幅を有し、前記制御信号パルスの周波数は、固定されている、請求項２に記載の事前リチウム化モジュール。

【請求項6】

前記スイッチトキャパシタ回路は、第１のスイッチと、第２のスイッチと、蓄積キャパシタと、放電抵抗器と、を備える、請求項１～５のいずれか一項に記載の事前リチウム化モジュール。

【請求項7】

前記事前リチウム化モジュールコントローラは、前記第１のスイッチを閉じ、前記第２のスイッチを開いて、前記補助極を通して電流を伝導させ、前記蓄積キャパシタにエネルギーを蓄積するようにプログラムされている、請求項６に記載の事前リチウム化モジュール。

【請求項8】

前記事前リチウム化モジュールコントローラは、前記補助極を通して電流を伝導させた後、前記第１のスイッチを開き、前記第２のスイッチを閉じて、前記放電抵抗器を通して前記蓄積キャパシタに蓄積された前記エネルギーを放電するようにプログラムされている、請求項７に記載の事前リチウム化モジュール。

【請求項9】

前記事前リチウム化モジュールコントローラは、前記バッテリコネクタに接続された前記リチウム含有二次バッテリによって電力供給される、請求項１～８のいずれか一項に記載の事前リチウム化モジュール。

【請求項10】

前記事前リチウム化モジュールコントローラは、マイクロコントローラを含む、請求項１～９のいずれか一項に記載の事前リチウム化モジュール。

【請求項11】

前記事前リチウム化モジュールコントローラは、中央コントローラに通信可能に結合するための通信インターフェースを備える、請求項１～１０のいずれか一項に記載の事前リチウム化モジュール。

【請求項12】

前記事前リチウム化モジュールコントローラは、前記中央コントローラから受信した命令に応答して、前記リチウム含有二次バッテリの前記電極活性材料層にリチウムを拡散させるために、前記補助極を通して電流を選択的に伝導させるように前記スイッチトキャパシタ回路を動作させるようにプログラムされている、請求項１１に記載の事前リチウム化モジュール。

【請求項13】

前記事前リチウム化モジュールコントローラは、前記中央コントローラから、前記リチウム含有二次バッテリの前記電極活性材料層にリチウムを拡散させるために、前記補助極を通して電流を選択的に伝導させるように前記スイッチトキャパシタ回路を動作させるための命令を受信し、前記命令を前記事前リチウム化モジュールコントローラの前記メモリに記憶するようにプログラムされている、請求項１１又は１２に記載の事前リチウム化モジュール。

【請求項14】

リチウム含有二次バッテリ用の事前リチウム化モジュールであって、前記リチウム含有二次バッテリは、二重層の集団と、電極バスバーと、対極バスバーと、リチウムを含有する補助極と、を含み、前記二重層の集団のうちの各二重層は、電極構造、セパレータ構造、及び対極構造を含み、前記二重層集団の各部材の前記電極構造は、電極電流コレクタ及び電極活性材料層を含み、前記二重層集団の各部材の前記対極構造は、対極電流コレクタ及び対極活性材料層を含み、前記事前リチウム化モジュールは、
プロセッサと、メモリと、端子の集団と、を含む事前リチウム化モジュールコントローラと、
前記事前リチウム化モジュールコントローラ、前記リチウム含有二次バッテリの前記電極バスバー及び前記対極バスバー、並びに前記補助極に接続されたスイッチトキャパシタ回路と、を備え、前記スイッチトキャパシタ回路は、
前記電極バスバーから前記補助極への第１の電流経路であって、前記第１の電流経路は、電流が前記第１の電流経路を通って伝導されるときにエネルギーを蓄積するための蓄積キャパシタと、前記第１の電流経路を選択的に開閉するように動作可能な第１のスイッチと、を含む、第１の電流経路と、
前記蓄積キャパシタと、放電抵抗器と、前記第１の電流経路が開いているときに前記蓄積キャパシタから前記放電抵抗器に電流を伝導させるための第２のスイッチと、を含む第２の電流経路であって、前記第２のスイッチは、前記第２の電流経路を選択的に開閉するように動作可能である、第２の電流経路と、を含み、
前記第１のスイッチ及び前記第２のスイッチは、前記事前リチウム化モジュールコントローラの前記端子の集団のうちの１つ以上の端子に接続され、前記事前リチウム化モジュールコントローラの前記メモリは、前記リチウム含有二次バッテリの前記電極活性材料層にリチウムを拡散させるために、前記補助極を通して電流を選択的に伝導させるように前記第１のスイッチ及び前記第２のスイッチを制御するように前記事前リチウム化モジュールコントローラをプログラムする命令を記憶する、事前リチウム化モジュール。

【請求項15】

前記命令は、前記第１のスイッチ及び前記第２のスイッチを制御信号パルスで制御して、電荷のパルスを使用して、前記補助極を通して前記電流を選択的に伝導させるように、前記事前リチウム化モジュールコントローラをプログラムし、前記制御信号パルスは、固定パルス幅を有する、請求項１４に記載の事前リチウム化モジュール。

【請求項16】

前記命令は、制御信号パルスを使用して、前記第１のスイッチ及び前記第２のスイッチを制御するように前記事前リチウム化モジュールコントローラをプログラムする、請求項１４に記載の事前リチウム化モジュール。

【請求項17】

前記制御信号パルスは、固定パルス幅を有する、請求項１６に記載の事前リチウム化モジュール。

【請求項18】

前記制御信号パルスの周波数は、前記事前リチウム化モジュールコントローラによって可変である、請求項１５又は１６に記載の事前リチウム化モジュール。

【請求項19】

前記制御信号パルスは、可変パルス幅を有し、前記制御信号パルスの周波数は、固定されている、請求項１６に記載の事前リチウム化モジュール。

【請求項20】

前記事前リチウム化モジュールコントローラは、前記リチウム含有二次バッテリによって電力供給される、請求項１４～１９のいずれか一項に記載の事前リチウム化モジュール。

【請求項21】

前記事前リチウム化モジュールコントローラは、マイクロコントローラを含む、請求項１４～２０のいずれか一項に記載の事前リチウム化モジュール。

【請求項22】

前記事前リチウム化モジュールコントローラは、中央コントローラに通信可能に結合するための通信インターフェースを備える、請求項１４～２１のいずれか一項に記載の事前リチウム化モジュール。

【請求項23】

前記事前リチウム化モジュールコントローラは、前記中央コントローラから受信した命令に応答して、前記リチウム含有二次バッテリの前記電極活性材料層にリチウムを拡散させるために、前記補助極を通して電流を選択的に伝導させるように前記スイッチトキャパシタ回路を動作させるようにプログラムされている、請求項２２に記載の事前リチウム化モジュール。

【請求項24】

前記事前リチウム化モジュールコントローラは、前記中央コントローラから、前記リチウム含有二次バッテリの前記電極活性材料層にリチウムを拡散させるために、前記補助極を通して電流を選択的に伝導させるように前記スイッチトキャパシタ回路を動作させるための命令を受信し、前記命令を前記事前リチウム化モジュールコントローラの前記メモリに記憶するようにプログラムされている、請求項２２又は２３に記載の事前リチウム化モジュール。

【請求項25】

リチウム含有二次バッテリ用のセル形成システムにおける単一のリチウム含有二次バッテリへの接続のための形成クラスタであって、各リチウム含有二次バッテリは、二重層の集団と、電極バスバーと、対極バスバーと、リチウムを含有する補助極と、を含み、前記二重層の集団のうちの各二重層は、電極構造、セパレータ構造、及び対極構造を含み、前記二重層集団の各部材の前記電極構造は、電極電流コレクタ及び電極活性材料層を含み、前記二重層集団の各部材の前記対極構造は、対極電流コレクタ及び対極活性材料層を含み、前記形成クラスタは、
前記リチウム含有二次バッテリに接続するように構成されたバッテリコネクタと、
前記バッテリコネクタに接続され、前記バッテリコネクタに接続された前記リチウム含有二次バッテリを充電するように構成された充電モジュールと、
前記バッテリコネクタに接続され、前記バッテリコネクタに接続された前記リチウム含有二次バッテリを放電するように構成された放電モジュールと、
前記バッテリコネクタに接続され、前記バッテリコネクタに接続された前記リチウム含有二次バッテリの前記電極活性材料層にリチウムを拡散させるように構成された事前リチウム化モジュールと、を備え、前記事前リチウム化モジュールは、
スイッチトキャパシタ回路と、
前記スイッチトキャパシタ回路に接続された事前リチウム化モジュールコントローラであって、前記事前リチウム化モジュールコントローラは、プロセッサ及びメモリを含む、事前リチウム化モジュールコントローラと、
前記リチウム含有二次バッテリの前記補助極への電気的接続のための事前リチウム化コネクタであって、前記事前リチウム化モジュールコントローラの前記メモリは、前記リチウム含有二次バッテリの前記電極活性材料層にリチウムを拡散させるために、前記補助極を通して電流を選択的に伝導させるように前記スイッチトキャパシタ回路を動作させるように前記事前リチウム化モジュールコントローラをプログラムする命令を記憶する、事前リチウム化コネクタと、を備える、形成クラスタ。

【請求項26】

前記充電モジュールを使用して、前記バッテリコネクタに接続された前記リチウム含有二次バッテリを充電し、前記放電モジュールを使用して、前記リチウム含有二次バッテリを放電するようにプログラムされている、少なくとも１つのマイクロコントローラを更に備える、請求項２５に記載の形成クラスタ。

【請求項27】

前記形成クラスタを中央コントローラに通信可能に結合するための通信インターフェースを更に備える、請求項２６に記載の形成クラスタ。

【請求項28】

前記通信インターフェースは、有線通信ネットワークに接続するための有線通信インターフェースである、請求項２７に記載の形成クラスタ。

【請求項29】

前記通信インターフェースは、無線通信ネットワークに接続するための無線通信インターフェースである、請求項２７に記載の形成クラスタ。

【請求項30】

前記少なくとも１つのマイクロコントローラは、充電モジュールコントローラ及び放電モジュールコントローラを含む、請求項２６～２９のいずれか一項に記載の形成クラスタ。

【請求項31】

前記充電モジュールコントローラは、前記充電モジュールを制御するようにプログラムされ、前記放電モジュールコントローラは、前記放電モジュールを制御するようにプログラムされている、請求項３０に記載の形成クラスタ。

【請求項32】

前記形成クラスタ又は前記バッテリコネクタに接続された前記リチウム含有二次バッテリの状態を監視するための少なくとも１つのセンサを更に備える、請求項２５～３１のいずれか一項に記載の形成クラスタ。

【請求項33】

前記少なくとも１つのセンサは、温度センサを含む、請求項３２に記載の形成クラスタ。

【請求項34】

前記少なくとも１つのセンサは、電圧センサを含む、請求項３２又は３３に記載の形成クラスタ。

【請求項35】

前記少なくとも１つのセンサは、電流センサを含む、請求項３２～３４のいずれか一項に記載の形成クラスタ。

【請求項36】

電源への接続のために構成された電力コネクタを更に備え、前記電力接続部は、前記充電モジュール、前記事前リチウム化モジュール、及び前記放電モジュールに結合されている、請求項２５～３５のいずれか一項に記載の形成クラスタ。

【請求項37】

前記事前リチウム化モジュールコントローラの前記メモリ内の前記命令は、電荷のパルスを使用して、前記補助極を通して前記電流を選択的に伝導させるように、前記事前リチウム化モジュールコントローラをプログラムする、請求項２５～３６のいずれか一項に記載の形成クラスタ。

【請求項38】

前記事前リチウム化モジュールコントローラの前記メモリ内の前記命令は、制御信号パルスを使用して、前記補助極を通して前記電流を選択的に伝導させるように、前記事前リチウム化モジュールコントローラをプログラムし、前記制御信号パルスは、固定パルス幅を有する、請求項３７に記載の形成クラスタ。

【請求項39】

前記制御信号パルスの周波数は、前記事前リチウム化モジュールコントローラによって可変である、請求項３７又は３８に記載の形成クラスタ。

【請求項40】

前記制御信号パルスは、可変パルス幅を有し、前記制御信号パルスの周波数は、固定されている、請求項３７に記載の形成クラスタ。

【請求項41】

前記スイッチトキャパシタ回路は、第１のスイッチと、第２のスイッチと、蓄積キャパシタと、放電抵抗器と、を備える、請求項２５～４０のいずれか一項に記載の形成クラスタ。

【請求項42】

前記事前リチウム化モジュールコントローラは、前記第１のスイッチを閉じ、前記第２のスイッチを開いて、前記補助極を通して電流を伝導させ、前記蓄積キャパシタにエネルギーを蓄積するようにプログラムされている、請求項４１に記載の形成クラスタ。

【請求項43】

前記事前リチウム化モジュールコントローラは、前記補助極を通して電流を伝導させた後、前記第１のスイッチを開き、前記第２のスイッチを閉じて、前記放電抵抗器を通して前記蓄積キャパシタに蓄積された前記エネルギーを放電するようにプログラムされている、請求項４２に記載の形成クラスタ。

【請求項44】

前記事前リチウム化モジュールコントローラは、前記バッテリコネクタに接続された前記リチウム含有二次バッテリによって電力供給される、請求項２５～４３のいずれか一項に記載の形成クラスタ。

【請求項45】

前記事前リチウム化モジュールコントローラは、マイクロコントローラを含む、請求項２５～４４のいずれか一項に記載の形成クラスタ。

【請求項46】

前記事前リチウム化モジュールコントローラは、中央コントローラに通信可能に結合するための通信インターフェースを備える、請求項２５～４５のいずれか一項に記載の形成クラスタ。

【請求項47】

前記事前リチウム化モジュールコントローラは、前記中央コントローラから受信した命令に応答して、前記リチウム含有二次バッテリの前記電極活性材料層にリチウムを拡散させるために、前記補助極を通して電流を選択的に伝導させるように前記スイッチトキャパシタ回路を動作させるようにプログラムされている、請求項４６に記載の形成クラスタ。

【請求項48】

前記事前リチウム化モジュールコントローラは、前記中央コントローラから、前記リチウム含有二次バッテリの前記電極活性材料層にリチウムを拡散させるために、前記補助極を通して電流を選択的に伝導させるように前記スイッチトキャパシタ回路を動作させるための命令を受信し、前記命令を前記事前リチウム化モジュールコントローラの前記メモリに記憶するようにプログラムされている、請求項４６又は４７に記載の形成クラスタ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

関連出願の相互参照
本出願は、２０２１年６月３０日に出願された米国仮特許出願第６３／２０２，９３４号の優先権を主張し、その開示は、その全体が参照により組み込まれる。

【0002】

本開示の分野は、概して、二次バッテリの形成に関し、より具体的には、リチウム含有二次バッテリ用の分散型セル形成システム及び事前リチウム化モジュールに関する。

【背景技術】

【0003】

ロッキングチェア型バッテリセルでは、二次バッテリの正極及び負極の両方は、リチウムなどのキャリアイオンが挿入及び抽出される材料を含む。バッテリが放電されると、キャリアイオンが負極から抽出され、正極に挿入される。バッテリが充電されると、キャリアイオンが正極から抽出され、負極に挿入される。

【0004】

ケイ素は、その高い比容量のために、陽極として炭素質材料に代わる有望な候補となっている。例えば、ＬｉＣ_６から形成されたグラファイト陽極は、約３７０ミリアンペア時／グラム（ｍＡｈ／ｇ）の比容量を有し得るが、一方、Ｌｉ_１５Ｓｉ_４から形成された結晶ケイ素陽極は、約３６００ｍＡｈ／ｇの比容量を有することができ、グラファイト陽極よりも１０倍近く増加する。しかしながら、Ｌｉキャリアイオンがケイ素陽極に挿入された際のケイ素の大きい体積変化（例えば、３００％）のために、ケイ素陽極の使用は制限されてきた。この体積増加と、充電及び放電サイクルに関連するクラッキング及び微粉化とにより、ケイ素陽極の実際の使用は制限されてきた。加えて、ケイ素陽極を利用する二次バッテリの初期形成中の容量損失につながる、ケイ素陽極の不十分な初期クーロン効率（ＩＣＥ）に起因して、ケイ素陽極の使用は制限されてきた。

【0005】

リチウム含有二次バッテリが組み立てられた後、組み立てられたバッテリは、典型的には形成プロセスに供される。形成プロセス中、バッテリはゆっくりと１回以上充電及び放電される。少なくとも一部の既知の形成プロセスは、リチウムをバッテリに添加するための事前リチウム化プロセスを含む。これらの形成プロセスは、典型的には、大規模な集中型システムによって実施されている。かかるシステムは、形成プロセスを受ける全てのバッテリに接続された中央制御センターを含む。中央制御センターは、それが接続されている全てのバッテリの充電、放電、及び（適用可能な場合には）事前リチウム化を直接制御している。形成プロセスを制御し、電力を多数のバッテリに分配することを可能にするため、中央制御センターは、相当量の電力を使用し、相当量の空間を占有し、形成を受けているバッテリの全てに接続するために大量のワイヤを利用する、比較的大規模で高価なシステムである。

【発明の概要】

【0006】

一態様では、リチウム含有二次バッテリ用の事前リチウム化モジュールは、スイッチトキャパシタ回路と、スイッチトキャパシタ回路に接続された事前リチウム化モジュールコントローラと、を含む。リチウム含有二次バッテリは、二重層の集団と、電極バスバーと、対極バスバーと、リチウムを含有する補助極と、を含む。二重層の集団のうちの各二重層は、電極構造と、セパレータ構造と、対極構造と、を含む。二重層集団の各部材の電極構造は、電極電流コレクタ及び電極活性材料層を含み、二重層集団の各部材の対極構造は、対極電流コレクタ及び対極活性材料層を含む。事前リチウム化モジュールはまた、リチウム含有二次バッテリの電極バスバー及び対極バスバーへの電気的接続のためのバッテリコネクタと、リチウム含有二次バッテリの補助極への電気的接続のための事前リチウム化コネクタと、を含む。事前リチウム化モジュールコントローラは、プロセッサ及びメモリを含む。事前リチウム化モジュールコントローラのメモリは、リチウム含有二次バッテリの電極活性材料層にリチウムを拡散させるために、補助極を通して電流を選択的に伝導させるように、スイッチトキャパシタ回路を動作させるように事前リチウム化モジュールコントローラをプログラムする命令を記憶する。

【0007】

別の態様では、リチウム含有二次バッテリ用の事前リチウム化モジュールは、事前リチウム化モジュールコントローラ及びスイッチトキャパシタ回路を含む。リチウム含有二次バッテリは、二重層の集団と、電極バスバーと、対極バスバーと、リチウムを含有する補助極と、を含む。二重層の集団のうちの各二重層は、電極構造と、セパレータ構造と、対極構造と、を含む。二重層集団の各部材の電極構造は、電極電流コレクタ及び電極活性材料層を含み、二重層集団の各部材の対極構造は、対極電流コレクタ及び対極活性材料層を含む。事前リチウム化モジュールコントローラは、プロセッサと、メモリと、端子の集団と、を含む。スイッチトキャパシタ回路は、事前リチウム化モジュールコントローラ、リチウム含有二次バッテリの電極バスバー及び対極バスバー、並びに補助極に接続される。スイッチトキャパシタ回路は、電極バスバーから補助極への第１の電流経路を含む。第１の電流経路は、電流が第１の電流経路を通って伝導されるときにエネルギーを蓄積するための蓄積キャパシタと、第１の電流経路を選択的に開閉するように動作可能な第１のスイッチと、を含む。スイッチトキャパシタ回路はまた、蓄積キャパシタと、放電抵抗器と、第１の電流経路が開いているときに蓄積キャパシタから放電抵抗器に電流を伝導させるための第２のスイッチと、を含む第２の電流経路を含む。第２のスイッチは、第２の電流経路を選択的に開閉するように動作可能である。第１のスイッチ及び第２のスイッチは、事前リチウム化モジュールコントローラの端子の集団のうちの１つ以上の端子に接続され、事前リチウム化モジュールコントローラのメモリは、リチウム含有二次バッテリの電極活性材料層にリチウムを拡散させるために、補助極を通して電流を選択的に伝導させるように、第１のスイッチ及び第２のスイッチを制御するように事前リチウム化モジュールコントローラをプログラムする命令を記憶する。

【0008】

更に別の態様では、リチウム含有二次バッテリ用のセル形成システムにおける単一のリチウム含有二次バッテリに接続するための形成クラスタは、リチウム含有二次バッテリに接続するように構成されたバッテリコネクタと、バッテリコネクタに接続され、バッテリコネクタに接続されたリチウム含有二次バッテリを充電するように構成された充電モジュールと、バッテリコネクタに接続され、バッテリコネクタに接続されたリチウム含有二次バッテリを放電するように構成された放電モジュールと、を含む。各リチウム含有二次バッテリは、二重層の集団と、電極バスバーと、対極バスバーと、リチウムを含有する補助極と、を含む。二重層の集団のうちの各二重層は、電極構造と、セパレータ構造と、対極構造と、を含む。二重層集団の各部材の電極構造は、電極電流コレクタ及び電極活性材料層を含み、二重層集団の各部材の対極構造は、対極電流コレクタ及び対極活性材料層を含む。形成クラスタはまた、バッテリコネクタに接続され、バッテリコネクタに接続されたリチウム含有二次バッテリの電極活性材料層にリチウムを拡散させるように構成された事前リチウム化モジュールを含む。事前リチウム化モジュールは、スイッチトキャパシタ回路と、スイッチトキャパシタ回路に接続された事前リチウム化モジュールコントローラと、リチウム含有二次バッテリの補助極への電気的接続のための事前リチウム化コネクタと、を含む。事前リチウム化モジュールコントローラは、プロセッサ及びメモリを含む。事前リチウム化モジュールコントローラのメモリは、リチウム含有二次バッテリの電極活性材料層にリチウムを拡散させるために、補助極を通して電流を選択的に伝導させるように、スイッチトキャパシタ回路を動作させるように事前リチウム化モジュールコントローラをプログラムする命令を記憶する。

【0009】

上述の態様に関連して述べた特徴には、種々の改良が存在する。更なる特徴がまた、上述の態様に組み込まれてもよい。これらの改良及び追加の特徴は、個々に又は任意の組み合わせで存在し得る。例えば、例示される実施形態のいずれかに関連して以下で考察される種々の特徴は、単独で、又は任意の組み合わせで、前述の態様のいずれかに組み込まれてもよい。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】例示的な実施形態の二次バッテリの斜視図である。

【図2】図１の二次バッテリのユニットセルを描画する。

【図3】図２のユニットセルの陰極構造を描画する。

【図4】図２のユニットセルの陽極構造を描画する。

【図5】例示的な実施形態の緩衝システムの斜視図を描画する。

【図6】図５の緩衝システムの分解図を描画する。

【図7】例示的な実施形態の補助極の斜視図を描画する。

【図8】図７の補助極の分解図を描画する。

【図9】図７の補助極の組立プロセスの一段階における図７の補助極の斜視図である。

【図10】図７の補助極の組立プロセスの別の段階における図７の補助極の斜視図である。

【図11】図７の補助極に延在タブを追加する組立プロセスの更に別の段階における図７の補助極の斜視図である。

【図12】緩衝システムの組立プロセスの一段階における図５の緩衝システムの斜視図である。

【図13】緩衝システムの組立プロセスの別の段階における図５の緩衝システムの斜視図である。

【図14】緩衝システムの組立プロセスにおける更に別の段階における図５の緩衝システムの斜視図である。

【図15】図１４の緩衝システムの一部分の断面図である。

【図16】緩衝システムの組立プロセスの更に別の段階における図５の緩衝システムの斜視図である。

【図17】二次バッテリ上で緩衝プロセスを実施した後の図５の緩衝システムの斜視図である。

【図18】例示的な実施形態の補助極を使用して、キャリアイオンで二次バッテリを事前リチウム化する方法のフローチャートである。

【図19】図１８の方法の更なる詳細を描画するフローチャートである。

【図20】図１８の方法の更なる詳細を描画するフローチャートである。

【図21】図１８の方法の更なる詳細を描画するフローチャートである。

【図22】例示的なリチウム含有二次バッテリ用のセル形成システムのブロック図である。

【図23】図２２のセル形成システムで使用するための例示的な形成クラスタのブロック図である。

【図24】図２３の形成クラスタで使用するための例示的な事前リチウム化モジュールのブロック図である。

【図25】図２４の事前リチウム化モジュールで使用するためのスイッチトキャパシタ回路の例示的な実施形態の簡略化された回路図である。

【図26】時間の関数として図２５のスイッチトキャパシタ回路のスイッチに印加される一連のＰＦＭ制御パルスのグラフである。

【図27】時間の関数として図２６の制御パルスに応答して補助極を通る結果として生じる電流のグラフである。

【図28】図２４の事前リチウム化モジュールで使用するためのスイッチトキャパシタ回路の例示的な実装形態の回路図である。

【図29】例示的な事前リチウム化プロファイルの一部として使用するための緩衝電流のグラフである。

【図30】例示的な事前リチウム化プロファイルのパルスの期間のグラフである。

【図31】例示的な事前リチウム化プロファイルのパルス数のグラフである。

【図32】図２９～図３１の事前リチウム化プロファイルを使用して事前リチウム化するときの、時間の関数としての陰極－陽極電圧及び陰極－補助極電圧のグラフである。

【図33】図２９～図３１の事前リチウム化プロファイルを使用して事前リチウム化するときの、時間の関数としての緩衝電流のグラフである。

【0011】

定義
本明細書で使用される「Ａ」、「ａｎ」、及び「ｔｈｅ」（すなわち、単数形）は、文脈が明示的に別様に示さない限り、複数参照を指す。例えば、一例では、「電極」への言及は、単一の電極及び複数の同様の電極の両方を含む。

【0012】

本明細書で使用される場合、「約」及び「およそ」は、記載される値のプラス又はマイナス１０％、５％、又は１％を指す。例えば、一例では、約２５０マイクロメートル（μｍ）は、２２５μｍ～２７５μｍを含む。更なる例として、一例では、約１，０００μｍは、９００μｍ～１，１００μｍを含む。別途示されない限り、本明細書及び特許請求の範囲で使用される数量（例えば、測定値、及び同様のもの）などを表す全ての数字は、「約」という用語によって全ての場合において修飾されていると理解されたい。したがって、別途逆の意味が示されない限り、以下の明細書及び添付の特許請求の範囲に記載の数値パラメータは、近似値である。各数値パラメータは、少なくとも、報告された有効数字に照らして、及び通常の丸め技法を適用することによって解釈されるべきである。

【0013】

二次バッテリの文脈において本明細書で使用される「陽極」は、二次バッテリ中の負極を指す。

【0014】

本明細書で使用される「陽極材料」又は「陽極活性」は、二次バッテリの負極として使用するのに好適な材料を意味する。

【0015】

二次バッテリに関連して本明細書で使用される「陰極」は、二次バッテリにおける正極を指す。

【0016】

本明細書で使用される「陰極材料」又は「陰極活性」は、二次バッテリの正極として使用するのに好適な材料を意味する。

【0017】

「変換化学活性材料」又は「変換化学材料」は、二次バッテリの充放電サイクル中に化学反応を起こす材料を指す。

【0018】

本明細書で使用される場合、「対極」は、文脈上明らかにそうでない場合を除き、二次バッテリの負極又は正極（陽極又は陰極）を指し得る。

【0019】

本明細書で使用される場合、「対極電流コレクタ」は、文脈上明らかにそうでない場合を除き、二次バッテリの負極電流コネクタの反対側の負又は正（陽極又は陰極）電流コレクタを指し得る。

【0020】

充電状態と放電状態との間の二次バッテリのサイクルの文脈で、本明細書で使用される「サイクル」は、充電状態又は放電状態のいずれかである第１の状態から、第１の状態の反対である第２の状態（すなわち、第１の状態が放電された場合は充電状態、又は第１の状態が充電された場合は放電状態）へのサイクルでバッテリを移動させるためにバッテリを充電及び／又は放電し、次いで、バッテリを第１の状態に戻してサイクルを完了することを指す。例えば、充電状態と放電状態との間の二次バッテリの単一のサイクルは、充電サイクルのように、バッテリを放電状態から充電状態に充電し、次いで放電状態に戻して、サイクルを完了することを含んでもよい。単一サイクルはまた、放電サイクルのように、バッテリを充電状態から放電状態に放電し、次いで充電状態に戻して充電し、サイクルを完了することを含んでもよい。

【0021】

本明細書で使用される場合、「電気化学的活性材料」は、陽極活性材料又は陰極活性材料を意味する。

【0022】

本明細書で使用される場合、「電極」は、文脈上明らかにそうでない場合を除き、二次バッテリの負極又は正極（陽極又は陰極）を指し得る。

【0023】

本明細書で使用される「電極電流コレクタ」は、文脈上明らかにそうでない場合を除き、二次バッテリの負又は正（陽極又は陰極）電流コレクタを指し得る。

【0024】

本明細書で使用される場合、「電極材料」は、文脈上明らかにそうでない場合を除き、陽極材料又は陰極材料を指し得る。

【0025】

本明細書で使用される場合、「電極構造」は、文脈上明らかにそうでない場合を除き、バッテリで使用するために適合された陽極構造（例えば、負極構造）又は陰極構造（例えば、正極構造）を指し得る。

【0026】

「容量」又は「Ｃ」は、本明細書で使用される場合、文脈上明らかにそうでない場合を除き、バッテリ（又は二重層を形成する電極構造及び対極構造の１つ以上の対を含むバッテリの下位部分）が所定の電圧において送達することができる電荷の量を指す。

【0027】

本明細書で使用される「電解質」は、文脈上明らかにそうでない場合を除き、バッテリで使用するように適合されたイオンの移動によって電流が運ばれる非金属の液体、ゲル、又は固体材料を指す。

【0028】

二次バッテリの状態の文脈において本明細書で使用される「充電状態」は、文脈上明らかにそうでない場合を除き、二次バッテリがその規定容量の少なくとも７５％まで充電された状態を指す。例えば、バッテリは、その規定容量の少なくとも８０％、その規定容量の少なくとも９０％、更にはその規定容量の少なくとも９５％、例えばその規定容量の１００％まで充電されてもよい。

【0029】

負極に関連して本明細書で使用される「放電容量」は、文脈上明らかにそうでない場合を除き、所定の組のセル充電終了電圧限界とセル放電終了電圧限界との間のバッテリの放電動作中に、負極からの抽出及び正極への挿入に利用可能なキャリアイオンの量を意味する。

【0030】

二次バッテリの状態の文脈において本明細書で使用される「放電状態」は、文脈上明らかにそうでない場合を除き、二次バッテリがその規定容量の２５％未満まで放電される状態を指す。例えば、バッテリは、その規定容量の２０％未満、例えばその規定容量の１０％未満、更にはその規定容量の５％未満、例えばその規定容量の０％まで放電されてもよい。

【0031】

電極（すなわち、正極、負極、又は補助極）に関連して本明細書で使用される「可逆的クーロン容量」は、対極との可逆的交換に利用可能なキャリアイオンについての電極の総容量を意味する。

【0032】

本明細書で使用される場合、「長手方向軸」、「横方向軸」、及び「垂直軸」は、相互に垂直な軸を指す（すなわち、各々が互いに直交する）。例えば、本明細書で使用される「長手方向軸」、「横方向軸」、及び「垂直軸」は、三次元の態様又は配向を定義するために使用されるデカルト座標系と同種である。このように、本明細書で開示される主題の要素の説明は、要素の三次元配向を記述するために使用される特定の軸（複数可）に限定されない。代替的に述べると、軸は、開示の主題の三次元態様を参照するときに置き換え可能であり得る。

【0033】

本明細書で使用される「複合材料（ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｍａｔｅｒｉａｌ）」又は「複合材（ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ）」は、文脈上明らかにそうでない場合を除き、２つ以上の構成材料を含む材料を指す。

【0034】

本明細書で使用される場合、「空隙率」又は「孔隙率」又は「空隙体積分率」は、材料中の空隙（すなわち、空の）空間の測定値を指し、０～１、又は０％～１００％の百分率としての材料の全体積に対する空隙の体積の分率である。

【0035】

「ポリマー」は、本明細書で使用される場合、文脈上明らかにそうでない場合を除き、高分子の繰り返しサブユニットからなる物質又は材料を指し得る。

【0036】

本明細書で使用される場合、「微細構造」は、文脈上明らかにそうでない場合を除き、約２５倍を超える倍率の光学顕微鏡によって明らかにされた材料の表面の構造を指し得る。

【0037】

本明細書で使用される場合、「微多孔質」は、文脈上明らかにそうでない場合を除き、約２ナノメートル未満の直径を有する細孔を含有する材料を指し得る。

【0038】

本明細書で使用される場合、「マクロ多孔質」は、文脈上明らかにそうでない場合を除き、約５０ナノメートル超の直径を有する細孔を含有する材料を指し得る。

【0039】

本明細書で使用される「ナノスケール」又は「ナノスコピックスケール」は、約１ナノメートル～約１００ナノメートルの範囲の長さスケールを有する構造を指し得る。

【0040】

本明細書で使用される「事前リチウム化」又は「事前リチウム化する」は、活性リチウムの損失を補償するために、バッテリ動作前の形成プロセスの一部としてリチウム含有二次バッテリの活性リチウム含有量にリチウムを添加することを指し得る。

【発明を実施するための形態】

【0041】

本開示の実施形態は、現代の電子機器及び分散型組み込みネットワーク戦略が採用される、分散型形成プロセスを提供する。したがって、形成プロセスを受ける全てのバッテリへの専用の接続を必要とし、数百個又は数千個のバッテリの形成プロセスを制御する集中システムの代わりに、本開示の例示的な実施形態における形成プロセスは、より小さいクラスタ間に分散され、その各々は、それが接続されたバッテリの形成プロセスを直接処理する。これらの実施形態は、より強力でない中央コントローラ及びより少ない相互接続配線を必要とすることにより、形成システムの構築を単純化することができ、一方で、形成処理システムをより容易に拡大又は縮小させ、所望の場所に物理的に分散させることを可能にする。

【0042】

本開示の一部の実施形態は、初期バッテリ形成中及び／又はその後に追加のキャリアイオンを提供する二次バッテリと電気化学的に結合された補助陽極を利用する二次バッテリにおいて、ケイ素系陽極に関連する不十分なＩＣＥの軽減又は改善などの利点を提供することができる。補助陽極の使用により、初期形成中の二次バッテリ内のキャリアイオンの初期損失が軽減され、それによって、例えば、形成後の二次バッテリの容量を増加させるという技術的利点を提供する。更に、バッテリ形成後の追加のキャリアイオンの導入により、二次反応を通して典型的に失われるキャリアイオンのサイクルベースの減少が軽減され、それによって、二次バッテリにおけるサイクルごとの容量損失を減少させるという技術的利点を提供する。更になお、バッテリ形成後の追加のキャリアイオンの導入は、陽極が追加のキャリアイオンを含むため、放電時に二次バッテリの陽極をより低い電位電圧に維持することによって二次バッテリのサイクル性能を改善する。一部の実施形態では、補助陽極は、形成後、二次バッテリから除去され、それによって、バッテリのエネルギー密度を増加させる技術的利点を提供する。

【0043】

図１は、例示的な実施形態の二次バッテリ１００の斜視図であり、図２は、二次バッテリ１００のためのユニットセル２００を描画している。図１の二次バッテリ１００は、以下で更に説明するように、二次バッテリの内部構造の一部分を示す露出した部分を有する。

【0044】

図１に例示するように、二次バッテリ１００は、隣接する複数のサブユニット１０２を含む。各電極サブユニット１０２は、それぞれ、Ｘ軸、Ｙ軸、及びＺ軸の寸法を有する。Ｘ軸、Ｙ軸、及びＺ軸は、デカルト座標系と同様に、各々が互いに垂直である。本明細書で使用されるとき、Ｚ軸の各電極サブユニット１０２の寸法は「高さ」と称され得、Ｘ軸の寸法は「長さ」と称され得、Ｙ軸の寸法は「幅」と称され得る。電極サブユニット１０２は、１つ以上ユニットセル２００（図２参照）に組み合わせられてもよい。ユニットセル２００の各々は、少なくとも１つの陽極活性材料層１０４と、少なくとも１つの陰極活性材料層１０６と、を含む。陽極活性材料層１０４及び陰極活性材料層１０６は、セパレータ層１０８によって互いに電気的に絶縁されている。本開示の好適な実施形態では、二次バッテリ１００内の１～２００個以上の電極サブユニット１０２など、任意の数の電極サブユニット１０２が使用され得ることを理解されたい。

【0045】

図１を参照すると、二次バッテリ１００は、第１のバスバー１１０及び第２のバスバー１１２を含み、これらは、電極タブ１１４を介して、それぞれ、サブユニット１０２の各々の陽極活性材料層１０４及び陰極活性材料層１０６と電気的に接触している。電極タブ１１４は、図１の二次バッテリ１００の第１の側面１２０上にのみ見えているが、異なる組の電極タブ１１４が二次バッテリの第２の側面１２１上に存在する。二次バッテリ１００の第１の側面１２０上の電極タブ１１４は、陽極バスバーと称されることがある第１のバスバー１１０と電気的に結合される。二次バッテリ１００（図１では見えない）の第２の側面１２１上の電極タブ１１４は、陰極バスバーと称されることがある第２のバスバー１１２に電気的に結合される。この実施形態では、第１のバスバー１１０は、導電性である二次バッテリ１００の第１の電気端子１２４と電気的に結合される。第１のバスバー１１０が二次バッテリ１００のための陽極バスバーを含む場合、第１の電気端子１２４は、二次バッテリ１００のための負極端子を含む。更に、この実施形態では、第２のバスバー１１２は、導電性である二次バッテリ１００の第２の電気端子１２５と電気的に結合される。第２のバスバー１１２が二次バッテリ１００のための陰極バスバーを含む場合、第２の電気端子１２５は、二次バッテリ１００のための正極端子を含む。

【0046】

一実施形態では、制約部と称され得るケーシング１１６が、二次バッテリ１００のＸ－Ｙ表面の一方又は両方の上に適用され得る。図１に示される実施形態では、ケーシング１１６は、二次バッテリ１００が完全に組み立てられると電解質の分配又は流れを容易にするための複数の穿孔１１８を含む。一実施形態では、ケーシング１１６は、ＳＳ３０１、ＳＳ３１６、４４０Ｃ又は４４０Ｃ硬質などのステンレス鋼を含む。他の実施形態では、ケーシング１１６は、アルミニウム（例えば、アルミニウム７０７５－Ｔ６、ハードＨ１８など）、チタン（例えば、６Ａｌ－４Ｖ）、ベリリウム、ベリリウム銅（ハード）、銅（Ｏ_２フリー、ハード）、ニッケル、他の金属又は金属合金、複合材料、ポリマー、セラミック（例えば、アルミナ（例えば、焼結又はＣｏｏｒｓｔｅｋ ＡＤ９６）、ジルコニア（例えば、Ｃｏｏｒｓｔｅｋ ＹＺＴＰ）、イットリア安定化ジルコニア（例えば、ＥＮｒＧ Ｅ－Ｓｔｒａｔｅ（登録商標）））、ガラス、強化ガラス、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）（例えば、Ａｐｔｉｖ１１０２）、炭素を有するＰＥＥＫ（例えば、Ｖｉｃｔｒｅｘ９０ＨＭＦ４０又はＸｙｃｏｍｐ１０００－０４）、炭素を有するポリフェニレン硫化物（ＰＰＳ）（例えば、Ｔｅｐｅｘ Ｄｙｎａｌｉｔｅ２０７）、３０％のガラスを有するポリエテルケトン（ＰＥＥＫ）、（例えば、Ｖｉｃｔｒｅｘ ９０ＨＭＦ４０又はＸｙｃｏｍｐ１０００－０４）、ポリイミド（例えば、Ｋａｐｔｏｎ（登録商標））、Ｅ Ｇｌａｓｓ Ｓｔｄ Ｆａｂｒｉｃ／Ｅｐｏｘｙ、０度、Ｅ Ｇｌａｓｓ ＵＤ／Ｅｐｏｘｙ、０度、Ｋｅｖｌａｒ Ｓｔｄ Ｆａｂｒｉｃ／Ｅｐｏｘｙ、０度、Ｋｅｖｌａｒ ＵＤ／Ｅｐｏｘｙ、０度、Ｃａｒｂｏｎ Ｓｔｄ Ｆａｂｒｉｃ／Ｅｐｏｘｙ、０度、Ｃａｒｂｏｎ ＵＤ／Ｅｐｏｘｙ、０度、Ｔｏｙｏｂｏ Ｚｙｌｏｎ（登録商標）ＨＭ Ｆｉｂｅｒ／Ｅｐｏｘｙ、Ｋｅｖｌａｒ ４９ Ａｒａｍｉｄ Ｆｉｂｅｒ、Ｓ Ｇｌａｓｓ Ｆｉｂｅｒｓ、Ｃａｒｂｏｎ Ｆｉｂｅｒｓ、Ｖｅｃｔｒａｎ ＵＭ ＬＣＰ Ｆｉｂｅｒｓ、Ｄｙｎｅｅｍａ、Ｚｙｌｏｎ又は他の好適な材料を含む。

【0047】

一部の実施形態では、ケーシング１１６は、約１０～約１００マイクロメートル（μｍ）の範囲の厚さを有するシートを含む。一実施形態では、ケーシング１１６は、約３０μｍの厚さを有するステンレス鋼シート（例えば、ＳＳ３１６）を含む。別の実施形態では、ケーシング１１６は、約４０μｍの厚さを有するアルミニウムシート（例えば、７０７５－Ｔ６）を含む。別の実施形態では、ケーシング１１６は、約３０μｍの厚さを有するジルコニアシート（例えば、Ｃｏｏｒｓｔｅｋ ＹＺＴＰ）を含む。別の実施形態では、ケーシング１１６は、約７５μｍの厚さを有するＥガラスＵＤ／エポキシ０度シートを含む。別の実施形態では、ケーシング１１６は、＞５０％の充填密度で１２μｍの炭素繊維を含む。

【0048】

この実施形態では、二次バッテリ１００は、第１の主面１２６と、第１の主面１２６の反対側の第２の主面１２７と、を含む。二次バッテリ１００の主面１２６、１２７は、一部の実施形態では、実質的に平面であり得る。

【0049】

図１の切断線Ｄ－Ｄに沿って二次バッテリ１００を示す図２を参照すると、電極サブユニット１０２と同一又は類似であり得るユニットセル２００の個々の層が描画されている。ユニットセル２００の各々について、一部の実施形態では、セパレータ層１０８は、二次バッテリにおけるセパレータとしての使用に好適なイオン透過性の微多孔質ポリマー材料である。一実施形態では、セパレータ層１０８は、片側又は両側がセラミック粒子でコーティングされる。この実施形態では、ユニットセル２００は、中央に陽極電流コレクタ２０２を含み、これは、二次バッテリ１００（図１参照）の側面１２０、１２１のうちの１つ上の電極タブ１１４のうちの１つを含むか、又はそれと電気的に結合されてもよい。ユニットセル２００は、陽極活性材料層１０４と、セパレータ層１０８と、陰極活性材料層１０６と、陰極電流コレクタ２０４とを積層構造で更に含む。陰極電流コレクタ２０４は、陽極電流コレクタ２０２とは異なる、二次バッテリ１００の側面１２０、１２１のうちの１つ上の電極タブ１１４のうちの１つを含んでもよく、又はそれと電気的に結合されてもよい。

【0050】

代替の実施形態では、陰極活性材料層１０６及び陽極活性材料層１０４の配置は、陰極活性材料層が中心に向かっており、陽極活性材料層が陰極活性材料層に対して遠位にあるように交換されてもよい。一実施形態では、ユニットセル２００Ａは、左から右に、連続して積層された、陽極電流コレクタ２０２、陽極活性材料層１０４、セパレータ層１０８、陰極活性材料層１０６、及び陰極電流コレクタ２０４を含む。代替の実施形態では、ユニットセル２００Ｂは、左から右に連続して積層された、セパレータ層１０８、陰極活性材料層１０６の第１の層、陰極電流コレクタ２０４、陰極活性材料層１０６の第２の層、セパレータ層１０８、陽極活性材料層１０４の第１の層、陽極電流コレクタ２０２、陽極活性材料層１０４の第２の層、及びセパレータ層１０８を含む。

【0051】

図２では、陰極活性材料層１０６及び陰極電流コレクタ２０４を備える層状構造は、陰極構造２０６と称されることがあり、一方、陽極活性材料層１０４及び陽極電流コレクタ２０２を備える層状構造は、陽極構造２０７と称されることがある。集合的に、二次バッテリ１００のための陰極構造２０６の集団は、二次バッテリ１００の正極２０８と称されることがあり、二次バッテリ１００のための陽極構造２０７の集団（陽極構造２０７のうちの１つのみが図２に示されている）は、二次バッテリ１００の負極２０９と称されることがある。

【0052】

電圧差Ｖは、隣接する陰極構造２０６と陽極構造２０７との間に存在し、隣接する構造は、一部の実施形態では、二重層とみなされる。各二重層は、陰極構造２０６及び陽極構造２０７の構成及び構成によって決定された容量Ｃを有する。この実施形態では、各二重層は、約４．３５ボルトの電圧差を生じる。他の実施形態では、各二重層は、約０．５ボルト、約１．０ボルト、約１．５ボルト、約２．０ボルト、約２．５ボルト、約３．０ボルト、約３．５ボルト、約４．０ボルト、４．５ボルト、約５．０ボルト、４～５ボルト、又は任意の他の好適な電圧の電圧差を有する。充電状態と放電状態との間のサイクル中、電圧は、例えば、約２．５ボルトと約４．３５ボルトとの間で変動し得る。この実施形態における二重層の容量Ｃは、約３．５ミリアンペア時（ｍＡｈ）である。他の実施形態では、二重層の容量Ｃは、約２ｍＡｈ、５ｍＡｈ未満、又は任意の他の好適な容量である。一部の実施形態では、二重層の容量Ｃは、最大約１０ｍＡｈであり得る。

【0053】

陰極電流コレクタ２０４は、アルミニウム、ニッケル、コバルト、チタン、及びタングステン、若しくはそれらの合金、又は陰極電流コレクタ層として使用するのに好適な任意の他の材料を含み得る。概して、陰極電流コレクタ２０４は、少なくとも約１０^３シーメンス／ｃｍの導電率を有する。例えば、かかる一実施形態では、陰極電流コレクタ２０４は、少なくとも約１０^４シーメンス／ｃｍの導電率を有する。更なる例として、かかる一実施形態では、陰極電流コレクタ２０４は、少なくとも約１０^５シーメンス／ｃｍの導電率を有する。一般に、陰極電流コレクタ２０４は、アルミニウム、炭素、クロム、金、ニッケル、ＮｉＰ、パラジウム、白金、ロジウム、ルテニウム、ケイ素及びニッケルの合金、チタン、又はそれらの組み合わせなどの金属を含み得る（Ａ．Ｈ．Ｗｈｉｔｅｈｅａｄ及びＭ．Ｓｃｈｒｅｉｂｅｒによる「Ｃｕｒｒｅｎｔ ｃｏｌｌｅｃｔｏｒｓ ｆｏｒ ｐｏｓｉｔｉｖｅ ｅｌｅｃｔｒｏｄｅｓ ｏｆ ｌｉｔｈｉｕｍ－ｂａｓｅｄ ｂａｔｔｅｒｉｅｓ」、Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ ｔｈｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ Ｓｏｃｉｅｔｙ、１５２（１１）Ａ２１０５－Ａ２１１３（２００５）を参照されたい）。更なる例として、一実施形態では、陰極電流コレクタ２０４は、金又は金シリサイドなどのその合金を含む。更なる例として、一実施形態では、陰極電流コレクタ２０４は、ニッケル、又はニッケルシリサイドなどのその合金を含む。

【0054】

陰極活性材料層１０６は、インターカレーション型化学活性材料、変換化学活性材料、又はそれらの組み合わせであり得る。

【0055】

本開示で有用な例示的な変換化学材料としては、Ｓ（又はリチウム化状態のＬｉ_２Ｓ）、ＬｉＦ、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｎｉ、ＦｅＦ_２、ＦｅＯ_ｄＦ_３．２ｄ、ＦｅＦ_３、ＣｏＦ_３、ＣｏＦ_２、ＣｕＦ_２、ＮｉＦ_２などが挙げられるが、これらに限定されず、式中、０≦ｄ≦０．５及び同様のものである。

【0056】

例示的な陰極活性材料層１０６はまた、広範囲のインターカレーション型陰極活性材料のいずれかを含む。例えば、リチウムイオンバッテリの場合、陰極活性材料は、遷移金属酸化物、遷移金属硫化物、遷移金属窒化物、リチウム遷移金属酸化物、リチウム遷移金属硫化物、及びリチウム遷移金属窒化物から選択される陰極活性材料を含み得、選択的に使用され得る。これらの遷移金属酸化物、遷移金属硫化物、及び遷移金属窒化物の遷移金属元素は、ｄシェル又はｆシェルを有する金属元素を含むことができる。かかる金属元素の具体的な例は、Ｓｃ、Ｙ、ランタノイド、アクチノイド、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｍｎ、Ｔｃ、Ｒｅ、Ｆｅ、Ｒｕ、Ｏｓ、Ｃｏ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｎｉ、Ｐｂ、Ｐｔ、Ｃｕ、Ａｇ、及びＡｕである。追加の陰極活性材料としては、ＬｉＣｏＯ_２、ＬｉＮｉ_０．５Ｍｎ_１．５Ｏ_４、Ｌｉ（Ｎｉ_ｘＣｏ_ｙＡｌ_ｚ）Ｏ_２、ＬｉＦｅＰＯ_４、Ｌｉ_２ＭｎＯ_４、Ｖ_２Ｏ_５、モリブデンオキシスルフィド、リン酸塩、ケイ酸塩、バナジン酸塩、硫黄、硫黄化合物、酸素（空気）、Ｌｉ（Ｎｉ_ｘＭｎ_ｙＣｏ_ｚ）Ｏ_２、及びそれらの組み合わせが挙げられる。

【0057】

概して、陰極活性材料層１０６は、少なくとも約２０μｍの厚さを有する。例えば、一実施形態では、陰極活性材料層１０６は、少なくとも約４０μｍの厚さを有する。更なる例として、かかる一実施形態では、陰極活性材料層１０６は、少なくとも約６０μｍの厚さを有する。更なる例として、かかる一実施形態では、陰極活性材料層１０６は、少なくとも約１００μｍの厚さを有する。典型的には、陰極活性材料層１０６は、約９０μｍ未満又は約７０μｍ未満の厚さを有する。

【0058】

図３は、図２の陰極構造２０６のうちの１つを描画している。各陰極構造２０６は、長手方向軸（Ａ_ＣＥ）に沿って測定された長さ（Ｌ_ＣＥ）と、幅（Ｗ_ＣＥ）と、長さＬ_ＣＥ及び幅Ｗ_ＣＥの測定方向の各々に対して垂直である方向に測定された高さ（Ｈ_ＣＥ）と、を有する。

【0059】

陰極構造２０６の全長Ｌ_ＣＥは、二次バッテリ１００及びその意図される用途に依存して変化する。しかしながら、概して、各陰極構造２０６は、典型的には、約５ミリメートル（ｍｍ）～約５００ｍｍの範囲の長さＬ_ＣＥを有する。例えば、かかる一実施形態では、各陰極構造２０６は、約１０ｍｍ～約２５０ｍｍの長さＬ_ＣＥを有する。更なる例として、かかる一実施形態では、各陰極構造２０６は、約２５ｍｍ～約１００ｍｍの長さＬ_ＣＥを有する。一実施形態によれば、陰極構造２０６は、第１の長さを有する１つ以上の第１の電極部材と、第１の長さとは異なる第２の長さを有する１つ以上の第２の電極部材と、を含む。更に別の実施形態では、１つ以上の第１の電極部材及び１つ以上の第２の電極部材の異なる長さは、長手方向及び／又は横方向の軸のうちの１つ以上に沿って異なる長さを有する電極アセンブリ形状などの電極アセンブリの所定の形状に適合するように、かつ／又は二次バッテリ１００の所定の性能特性を提供するように選択され得る。

【0060】

陰極構造２０６の幅Ｗ_ＣＥは、二次バッテリ１００及びその意図される用途に依存して変化する。しかしながら、概して、陰極構造２０６は、典型的には、約０．０１ｍｍ～２．５ｍｍの範囲内の幅Ｗ_ＣＥを有する。例えば、一実施形態では、各陰極構造２０６の幅Ｗ_ＣＥは、約０．０２５ｍｍ～約２ｍｍの範囲である。更なる例として、一実施形態では、各陰極構造２０６の幅Ｗ_ＣＥは、約０．０５ｍｍ～約１ｍｍの範囲である。一実施形態によれば、陰極構造２０６は、第１の幅を有する１つ以上の第１の電極部材と、第１の幅とは異なる第２の幅を有する１つ以上の第２の電極部材と、を含む。更に別の実施形態では、１つ以上の第１の電極部材及び１つ以上の第２の電極部材の異なる幅は、長手方向及び／又は横方向の軸のうちの１つ以上に沿って異なる幅を有するアセンブリなどの二次バッテリ１００の所定の形状に適合するように、かつ／又は二次バッテリ１００の所定の性能特性を提供するように選択され得る。

【0061】

陰極構造２０６の高さＨ_ＣＥは、二次バッテリ１００及びその意図される用途に依存して変化する。しかしながら、概して、陰極構造２０６は、典型的には、約０．０５ｍｍ～約２５ｍｍの範囲内の高さＨ_ＣＥを有する。例えば、一実施形態では、各陰極構造２０６の高さＨ_ＣＥは、約０．０５ｍｍ～約５ｍｍの範囲である。更なる例として、一実施形態では、各陰極構造２０６の高さＨ_ＣＥは、約０．１ｍｍ～約１ｍｍの範囲である。一実施形態によれば、陰極構造２０６は、第１の高さを有する１つ以上の第１の陰極部材と、第１の高さとは異なる第２の高さを有する１つ以上の第２の陰極部材と、を含む。更に別の実施形態では、１つ以上の第１の陰極部材及び１つ以上の第２の陰極部材の異なる高さは、長手方向及び／又は横方向の軸のうちの１つ以上に沿って異なる高さを有する形状などの二次バッテリ１００の所定の形状に適合するように、かつ／又は二次バッテリ１００の所定の性能特性を提供するように選択され得る。

【0062】

概して、各陰極構造２０６は、その幅Ｗ_ＣＥよりも実質的に大きく、その高さＨ_ＣＥよりも実質的に大きい長さＬ_ＣＥを有する。例えば、一実施形態では、各陰極構造２０６について、Ｌ_ＣＥとＷ_ＣＥ及びＨ_ＣＥの各々との比は、それぞれ少なくとも５：１である（すなわち、Ｌ_ＣＥとＷ_ＣＥとの比は、それぞれ少なくとも５：１であり、Ｌ_ＣＥとＨ_ＣＥとの比は、それぞれ少なくとも５：１である）。更なる例として、一実施形態では、Ｗ_ＣＥ及びＨ_ＣＥの各々に対するＬ_ＣＥの比は、各陰極構造２０６について少なくとも１０：１である。更なる例として、一実施形態では、Ｗ_ＣＥ及びＨ_ＣＥの各々に対するＬ_ＣＥの比は、各陰極構造２０６について少なくとも１５：１である。更なる例として、一実施形態では、Ｗ_ＣＥ及びＨ_ＣＥの各々に対するＬ_ＣＥの比は、各陰極構造２０６について少なくとも２０：１である。

【0063】

一実施形態では、陰極構造２０６の幅Ｗ_ＣＥに対する高さＨ_ＣＥの比は、それぞれ少なくとも０．４：１である。例えば、一実施形態では、Ｈ_ＣＥ対Ｗ_ＣＥの比は、各陰極構造２０６について、それぞれ少なくとも２：１である。更なる例として、一実施形態では、Ｈ_ＣＥ対Ｗ_ＣＥの比は、各陰極構造２０６について、それぞれ少なくとも１０：１である。更なる例として、一実施形態では、Ｈ_ＣＥ対Ｗ_ＣＥの比は、各陰極構造２０６について、それぞれ少なくとも２０：１である。しかしながら、典型的には、Ｈ_ＣＥ対Ｗ_ＣＥの比は、概して、各陰極構造２０６について、それぞれ１，０００：１未満である。例えば、一実施形態では、Ｈ_ＣＥ対Ｗ_ＣＥの比は、各陰極構造２０６について、それぞれ５００：１未満である。更なる例として、一実施形態では、Ｈ_ＣＥ対Ｗ_ＣＥの比は、それぞれ１００：１未満である。更なる例として、一実施形態では、Ｈ_ＣＥ対Ｗ_ＣＥの比は、それぞれ１０：１未満である。更なる例として、一実施形態では、Ｈ_ＣＥ対Ｗ_ＣＥの比は、各陰極構造２０６について、それぞれ約２：１～約１００：１の範囲である。

【0064】

陽極型構造及び材料
再び図２を参照すると、ユニットセル２００内の陽極電流コレクタ２０２は、銅、炭素、ニッケル、ステンレス鋼、コバルト、チタン、及びタングステン、並びにそれらの合金などの導電性材料、又は陽極電流コレクタ層として好適な任意の他の材料を含み得る。概して、陽極電流コレクタ２０２は、少なくとも約１０^３シーメンス／ｃｍの導電率を有する。例えば、かかる一実施形態では、陽極電流コレクタ２０２は、少なくとも約１０^４シーメンス／ｃｍの導電率を有する。更なる例として、かかる一実施形態では、陽極電流コレクタ２０２は、少なくとも約１０^５シーメンス／ｃｍの導電率を有する。

【0065】

概して、ユニットセル２００内の陽極活性材料層１０４は、（ａ）ケイ素（Ｓｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、スズ（Ｓｎ）、鉛（Ｐｂ）、アンチモン（Ｓｂ）、ビスマス（Ｂｉ）、亜鉛（Ｚｎ）、アルミニウム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）、ニッケル（Ｎｉ）、コバルト（Ｃｏ）、及びカドミウム（Ｃｄ）、（ｂ）Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｐｂ、Ｓｂ、Ｂｉ、Ｚｎ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｎｉ、Ｃｏ、又はＣｄと他の元素との合金又は金属間化合物、（ｃ）Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｐｂ、Ｓｂ、Ｂｉ、Ｚｎ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｖ、又はＣｄの酸化物、炭化物、窒化物、硫化物、リン化物、セレン化物、及びテルル化物、並びにそれらの混合物、複合物、又はリチウム含有複合物、（ｄ）Ｓｎの塩及び水酸化物、（ｅ）チタン酸リチウム、マンガン酸リチウム、アルミン酸リチウム、リチウム含有酸化チタン、リチウム遷移金属酸化物、ＺｎＣｏ２Ｏ４、（ｆ）グラファイト及び炭素の粒子、（ｇ）リチウム金属、及び（ｈ）それらの組み合わせからなる群から選択され得る。

【0066】

例示的な陽極活性材料層１０４としては、グラファイト及び軟質又は硬質炭素、又はグラフェン（例えば、単層又は多層カーボンナノチューブ）などの炭素材料、若しくは、リチウムをインターカレートし、若しくはリチウムと合金を形成することができる金属、半金属、合金、酸化物、窒化物、及び化合物の範囲のいずれかが挙げられる。陽極材料を構成することができる金属又は半金属の具体的な例としては、グラファイト、スズ、鉛、マグネシウム、アルミニウム、ホウ素、ガリウム、ケイ素、Ｓｉ／Ｃ複合材料、Ｓｉ／グラファイトブレンド、酸化ケイ素（ＳｉＯｘ）、多孔質Ｓｉ、金属間Ｓｉ合金、インジウム、ジルコニウム、ゲルマニウム、ビスマス、カドミウム、アンチモン、銀、亜鉛、ヒ素、ハフニウム、イットリウム、リチウム、ナトリウム、グラファイト、炭素、チタン酸リチウム、パラジウム、及びそれらの混合物が挙げられる。例示的な一実施形態では、陽極活性材料は、アルミニウム、スズ、若しくはケイ素、又はその酸化物、その窒化物、そのフッ化物、若しくはその他の合金を含む。別の例示的な実施形態では、陽極活性材料層１０４は、ケイ素又はその合金若しくは酸化物を含む。

【0067】

一実施形態では、陽極活性材料層１０４は、二次バッテリ１００の充電及び放電プロセス中にリチウムイオン（又は他のキャリアイオン）が陽極活性材料層１０４内に組み込まれるか、又は陽極活性材料層１０４から出るときの体積膨張及び収縮に対応するために、著しい空隙体積分率を提供するように微細構造化される。概して、陽極活性材料層１０４（の各々）の空隙体積分率は、少なくとも０．１である。しかしながら、典型的には、陽極活性材料層１０４（の各々）の空隙体積分率は、０．８以下である。例えば、一実施形態では、陽極活性材料層１０４（の各々）の空隙体積分率は、約０．１５～約０．７５である。更なる例として、一実施形態では、陽極活性材料層１０４（の各々）の空隙体積分率は、約０．２～約０．７である。更なる例として、一実施形態では、陽極活性材料層１０４（の各々）の空隙体積分率は、約０．２５～約０．６である。

【0068】

微細構造化陽極活性材料層１０４の組成及びそれらの形成方法に応じて、微細構造化陽極活性材料層１０４は、マクロ多孔質、微多孔質、若しくはメソ多孔質材料層、又は微多孔質とメソ多孔質の組み合わせ、若しくはメソ多孔質とマクロ多孔質の組み合わせなどのそれらの組み合わせを含み得る。微多孔質材料は、典型的には、１０ナノメートル（ｎｍ）未満の細孔寸法、１０ｎｍ未満の壁寸法、１μｍ～５０μｍの細孔深さ、及び「スポンジ状」で不規則な外観、滑らかでない壁、及び分岐した細孔によって概して特徴付けられる細孔形態によって特徴付けられる。メソ多孔質材料は、典型的には、１０ｎｍ～５０ｎｍの細孔寸法、１０ｎｍ～５０ｎｍの壁寸法、１μｍ～１００μｍの細孔深さ、及び幾分明確に画定される分岐細孔又は樹枝状細孔によって概して特徴付けられる細孔形態によって特徴付けられる。マクロ多孔質材料は、典型的には、５０ｎｍ超の細孔寸法、５０ｎｍ超の壁寸法、１μｍ～５００μｍの細孔深さ、及び種々の、直線状、分岐状、又は樹枝状、及び平滑又は粗壁であり得る細孔形態によって特徴付けられる。加えて、空隙体積は、開いた空隙又は閉じた空隙、若しくはそれらの組み合わせを含み得る。一実施形態では、空隙体積は、開いた空隙を含み、すなわち、陽極活性材料層１０４は、陽極活性材料層の側面に、リチウムイオン（又は他のキャリアイオン）が出入りすることができる開口部を有する空隙を含む。例えば、リチウムイオンは、陰極活性材料層１０６を離れた後、空隙開口部を通って陽極活性材料層１０４に入ることができる。別の実施形態では、空隙体積は閉じた空隙を含み、すなわち、陽極活性材料層１０４は、囲まれている空隙を含む。概して、開いた空隙は、キャリアイオンに対してより大きな界面表面積を提供することができ、一方、閉じた空隙は、ＳＥＩ形成の影響を受けにくい傾向があり、各々がキャリアイオンの進入時に陽極活性材料層１０４の膨張のための余地を提供する。したがって、特定の実施形態では、陽極活性材料層１０４は、開いた空隙と閉じた空隙との組み合わせを含むことが好ましい。

【0069】

一実施形態では、陽極活性材料層１０４は、多孔質アルミニウム、スズ、若しくはケイ素、又はそれらの合金、酸化物、若しくは窒化物を含む。多孔質ケイ素層は、例えば、陽極酸化によって、エッチングによって（例えば、金、白金、銀、又は金／パラジウムなどの貴金属を単結晶ケイ素の表面に堆積させ、表面をフッ化水素酸及び過酸化水素の混合物でエッチングすることによって）、又はパターン化された化学エッチングなどの当技術分野で既知の他の方法によって形成され得る。加えて、多孔質陽極活性材料層１０４は、概して、少なくとも約０．１であるが０．８未満の多孔率を有し、約１μｍ～約１００μｍの厚さを有する。例えば、一実施形態では、陽極活性材料層１０４は、多孔質ケイ素を含み、約５μｍ～約１００μｍの厚さを有し、約０．１５～約０．７５の多孔率を有する。更なる例として、一実施形態では、陽極活性材料層１０４は、多孔質ケイ素を含み、約１０μｍ～約８０μｍの厚さを有し、約０．１５～約０．７の多孔率を有する。更なる例として、かかる一実施形態では、陽極活性材料層１０４は、多孔質ケイ素を含み、約２０μｍ～約５０μｍの厚さを有し、約０．２５～約０．６の多孔率を有する。更なる例として、一実施形態では、陽極活性材料層１０４は、多孔質ケイ素合金（ニッケルシリサイドなど）を含み、約５μｍ～約１００μｍの厚さを有し、約０．１５～約０．７５の多孔率を有する。

【0070】

別の実施形態では、陽極活性材料層１０４は、アルミニウム、スズ、若しくはケイ素、又はそれらの合金の繊維を含む。個々の繊維は、約５ｎｍ～約１０，０００ｎｍの直径（厚さ寸法）と、陽極活性材料層１０４の厚さに概ね対応する長さとを有し得る。ケイ素の繊維（ナノワイヤ）は、例えば、化学気相堆積又は気相液体固体（ＶＬＳ）成長及び固体液体固体（ＳＬＳ）成長などの当技術分野で既知の他の技法によって形成され得る。加えて、陽極活性材料層１０４は、概して、少なくとも約０．１であるが０．８未満の多孔率を有し、約１μｍ～約２００μｍの厚さを有する。例えば、一実施形態では、陽極活性材料層１０４は、ケイ素ナノワイヤを含み、約５μｍ～約１００μｍの厚さ、及び約０．１５～約０．７５の多孔率を有する。更なる例として、一実施形態では、陽極活性材料層１０４は、ケイ素ナノワイヤを含み、約１０μｍ～約８０μｍの厚さ、及び約０．１５～約０．７の多孔率を有する。更なる例として、かかる一実施形態では、陽極活性材料層１０４は、ケイ素ナノワイヤを含み、約２０μｍ～約５０μｍの厚さ、及び約０．２５～約０．６の多孔率を有する。更なる例として、一実施形態では、陽極活性材料層１０４は、ケイ素合金（ニッケルシリサイドなど）のナノワイヤを含み、約５μｍ～約１００μｍの厚さ、及び約０．１５～約０．７５の多孔率を有する。

【0071】

更に他の実施形態では、陽極活性材料層１０４は、安定化リチウム金属粒子、例えば、炭酸リチウム安定化リチウム金属粉末、ケイ酸リチウム安定化リチウム金属粉末、又は安定化リチウム金属粉末若しくはインクの他の供給源からなる群から選択される粒子状リチウム材料でコーティングされる。粒子状リチウム材料は、約０．０５ｍｇ／ｃｍ^２～５ｍｇ／ｃｍ^２、例えば、約０．１ｍｇ／ｃｍ^２～４ｍｇ／ｃｍ^２、又は更に約０．５ｍｇ／ｃｍ^２～３ｍｇ／ｃｍ^２の充填量で、リチウム粒子材料を陽極活性材料層１０４上に噴霧、充填、又は別様に配設することによって、陽極活性材料層１０４上に適用されてもよい。リチウム粒子状材料の平均粒径（Ｄ_５０）は、５μｍ～２００μｍ、例えば、約１０μｍ～１００μｍ、２０μｍ～８０μｍ、又は更には約３０μｍ～５０μｍであり得る。平均粒径（Ｄ_５０）は、累積体積ベースの粒径分布曲線での５０％に対応する粒径として定義され得る。平均粒径（Ｄ_５０）は、例えば、レーザ回折法を使用して測定され得る。

【0072】

一実施形態では、陽極電流コレクタ２０２は、その関連する陽極活性材料層１０４の電気コンダクタンスよりも実質的に大きい電気コンダクタンスを有する。例えば、一実施形態では、二次バッテリ１００にエネルギーを蓄積するための印加電流、又は二次バッテリ１００を放電するための印加負荷があるとき、陽極電流コレクタ２０２の電気コンダクタンスと陽極活性材料層１０４の電気コンダクタンスとの比は、少なくとも１００：１である。更なる例として、一部の実施形態では、二次バッテリ１００内にエネルギーを蓄積するための印加電流、又は二次バッテリ１００を放電するための印加負荷があるとき、陽極電流コレクタ２０２の電気コンダクタンスと陽極活性材料層１０４の電気コンダクタンスとの比は、少なくとも５００：１である。更なる例として、一部の実施形態では、二次バッテリ１００内にエネルギーを蓄積するための印加電流、又は二次バッテリ１００を放電するための印加負荷があるとき、陽極電流コレクタ２０２の電気コンダクタンスと陽極活性材料層１０４の電気コンダクタンスとの比は、少なくとも１０００：１である。更なる例として、一部の実施形態では、二次バッテリ１００内にエネルギーを蓄積するための印加電流、又は二次バッテリ１００を放電するための印加負荷があるとき、陽極電流コレクタ２０２の電気コンダクタンスと陽極活性材料層１０４の電気コンダクタンスとの比は、少なくとも５０００：１である。更なる例として、一部の実施形態では、二次バッテリ１００内にエネルギーを蓄積するための印加電流、又は二次バッテリ１００を放電するための印加負荷があるとき、陽極電流コレクタ２０２の電気コンダクタンスと陽極活性材料層１０４の電気コンダクタンスとの比は、少なくとも１０，０００：１である。

【0073】

図４は、例示的な実施形態の図２の陽極構造２０７のうちの１つを描画している。各陽極構造２０７は、電極の長手方向軸（Ａ_Ｅ）に沿って測定された長さ（Ｌ_Ｅ）と、幅（Ｗ_Ｅ）と、長さＬ_Ｅ及び幅Ｗ_Ｅの測定方向の各々に直交する方向に測定された高さ（Ｈ_Ｅ）と、を有する。

【0074】

陽極構造２０７の全長Ｌ_Ｅは、二次バッテリ１００及びその意図される用途に依存して変化する。しかしながら、概して、陽極構造２０７は、典型的には、約５ミリメートル（ｍｍ）～約５００ｍｍの範囲の全長Ｌ_Ｅを有する。例えば、かかる一実施形態では、陽極構造２０７は、約１０ｍｍ～約２５０ｍｍの全長Ｌ_Ｅを有する。更なる例として、かかる一実施形態では、陽極構造２０７は、約２５ｍｍ～約１００ｍｍの全長Ｌ_Ｅを有する。一実施形態によれば、陽極構造２０７は、第１の長さを有する１つ以上の第１の電極部材と、第１の長さとは異なる第２の長さを有する１つ以上の第２の電極部材と、を含む。更に別の実施形態では、１つ以上の第１の電極部材及び１つ以上の第２の電極部材の異なる長さは、長手方向及び／又は横方向の軸のうちの１つ以上に沿って異なる長さを有する形状などの二次バッテリ１００の所定の形状に適合するように、かつ／又は二次バッテリ１００の所定の性能特性を提供するように選択され得る。

【0075】

陽極構造２０７の幅Ｗ_Ｅは、二次バッテリ１００及びその意図される用途に依存して変化する。しかしながら、概して、各陽極構造２０７は、典型的には、約０．０１ｍｍ～２．５ｍｍの範囲内の幅Ｗ_Ｅを有する。例えば、一実施形態では、各陽極構造２０７の幅Ｗ_Ｅは、約０．０２５ｍｍ～約２ｍｍの範囲である。更なる例として、一実施形態では、各陽極構造２０７の幅Ｗ_Ｅは、約０．０５ｍｍ～約１ｍｍの範囲である。一実施形態によれば、陽極構造２０７は、第１の幅を有する１つ以上の第１の電極部材と、第１の幅とは異なる第２の幅を有する１つ以上の第２の電極部材と、を含む。更に別の実施形態では、１つ以上の第１の電極部材及び１つ以上の第２の電極部材の異なる幅は、長手方向及び／又は横方向の軸のうちの１つ以上に沿って異なる幅を有する形状などの二次バッテリ１００の所定の形状に適合するように、かつ／又は二次バッテリ１００の所定の性能特性を提供するように選択され得る。

【0076】

陽極構造２０７の高さＨ_Ｅは、二次バッテリ１００及びその意図される用途に依存して変化する。しかしながら、概して、陽極構造２０７は、典型的には、約０．０５ｍｍ～約２５ｍｍの範囲内の高さＨ_Ｅを有する。例えば、一実施形態では、各陽極構造２０７の高さＨ_Ｅは、約０．０５ｍｍ～約５ｍｍの範囲である。更なる例として、一実施形態では、各陽極構造２０７の高さＨ_Ｅは、約０．１ｍｍ～約１ｍｍの範囲である。一実施形態によれば、陽極構造２０７は、第１の高さを有する１つ以上の第１の電極部材と、第１の高さとは異なる第２の高さを有する１つ以上の第２の電極部材と、を含む。更に別の実施形態では、１つ以上の第１の電極部材及び１つ以上の第２の電極部材の異なる高さは、長手方向及び／又は横方向の軸のうちの１つ以上に沿って異なる高さを有する形状などの二次バッテリ１００の所定の形状に適合するように、かつ／又は二次バッテリ１００の所定の性能特性を提供するように選択され得る。

【0077】

概して、陽極構造２０７は、各々、その幅Ｗ_Ｅ及びその高さＨ_Ｅの各々よりも実質的に大きい長さＬ_Ｅを有する。例えば、一実施形態では、各陽極構造２０７について、Ｌ_ＥとＷ_Ｅ及びＨ_Ｅの各々との比は、それぞれ少なくとも５：１である（すなわち、Ｌ_ＥとＷ_Ｅとの比は、それぞれ少なくとも５：１であり、Ｌ_ＥとＨ_Ｅとの比は、それぞれ少なくとも５：１である）。更なる例として、一実施形態では、Ｗ_Ｅ及びＨ_Ｅの各々に対するＬ_Ｅの比は、少なくとも１０：１である。更なる例として、一実施形態では、Ｗ_Ｅ及びＨ_Ｅの各々に対するＬ_Ｅの比は、少なくとも１５：１である。更なる例として、一実施形態では、Ｗ_Ｅ及びＨ_Ｅの各々に対するＬ_Ｅの比は、各陽極構造２０７について少なくとも２０：１である。

【0078】

一実施形態では、陽極構造２０７の幅Ｗ_Ｅに対する高さＨ_Ｅの比は、それぞれ少なくとも０．４：１である。例えば、一実施形態では、Ｈ_Ｅ対Ｗ_Ｅの比は、各陽極構造２０７について、それぞれ少なくとも２：１である。更なる例として、一実施形態では、Ｈ_Ｅ対Ｗ_Ｅの比は、それぞれ少なくとも１０：１である。更なる例として、一実施形態では、Ｈ_Ｅ対Ｗ_Ｅの比は、それぞれ少なくとも２０：１である。しかしながら、典型的には、Ｈ_Ｅ対Ｗ_Ｅの比は、概して、それぞれ１，０００：１未満である。例えば、一実施形態では、Ｈ_Ｅ対Ｗ_Ｅの比は、それぞれ５００：１未満である。更なる例として、一実施形態では、Ｈ_Ｅ対Ｗ_Ｅの比は、それぞれ１００：１未満である。更なる例として、一実施形態では、Ｈ_Ｅ対Ｗ_Ｅの比は、それぞれ１０：１未満である。更なる例として、一実施形態では、Ｈ_Ｅ対Ｗ_Ｅの比は、各陽極構造２０７について、それぞれ約２：１～約１００：１の範囲である。

【0079】

セパレータ構造、セパレータ材料、及び電解質
再び図２を参照すると、セパレータ層１０８（複数可）は、陰極構造２０６を陽極構造２０７から分離する。セパレータ層１０８は、電気絶縁性であるがイオン透過性のセパレータ材料から作製される。セパレータ層１０８は、複数の陰極構造２０６の各部材を複数の陽極構造２０７の各部材から電気的に絶縁するように適合される。各セパレータ層１０８は、典型的には、非水性電解質を浸透させることができる微多孔質セパレータ材料を含むことになり、例えば、一実施形態では、微多孔質セパレータ材料は、少なくとも５０オングストローム（Å）、より典型的には約２，５００Åの範囲の直径、及び約２５％～約７５％の範囲内、より典型的には約３５～５５％の範囲内の多孔率を有する細孔を含む。

【0080】

概して、セパレータ層１０８は各々少なくとも約４μｍの厚さを有する。例えば、一実施形態では、セパレータ層１０８は、少なくとも約８μｍの厚さを有する。更なる例として、かかる一実施形態では、セパレータ層１０８は、少なくとも約１２μｍの厚さを有する。更なる例として、かかる一実施形態では、セパレータ層１０８は、少なくとも約１５μｍの厚さを有する。一部の実施形態では、セパレータ層１０８は、最大２５μｍ、最大５０μｍの厚さ、又は任意の他の好適な厚さを有する。しかしながら、典型的には、セパレータ層１０８は、約１２μｍ未満又は約１０μｍ未満の厚さを有する。

【0081】

概して、セパレータ層１０８の材料は、ユニットセル２００の陽極活性材料層１０４と陰極活性材料層１０６との間でキャリアイオンを伝導させる能力を有する広範囲の材料から選択することができる。例えば、セパレータ層１０８は、液体非水性電解質を浸透させることができる微多孔質セパレータ材料を含み得る。代替的に、セパレータ層１０８は、ユニットセル２００の陽極活性材料層１０４と陰極活性材料層１０６との間でキャリアイオンを伝導させることができるゲル又は固体電解質を含み得る。

【0082】

一実施形態では、セパレータ層１０８は、ポリマー系電解質を含み得る。例示的なポリマー電解質としては、ＰＥＯ系ポリマー電解質、ポリマーセラミック複合電解質、ポリマーセラミック複合電解質、及びポリマーセラミック複合電解質が挙げられる。

【0083】

別の実施形態では、セパレータ層１０８は、酸化物系電解質を含み得る。例示的な酸化物系電解質としては、チタン酸ランタンリチウム（Ｌｉ_０．３４Ｌａ_０．５６ＴｉＯ_３）、Ａｌドープランタンジルコン酸リチウム（Ｌｉ_６．２４Ｌａ_３Ｚｒ_２Ａｌ_０．２４Ｏ_{１１．９８}）、Ｔａドープランタンジルコン酸リチウム（Ｌｉ_６．４Ｌａ_３Ｚｒ_１．４Ｔａ_０．６Ｏ_１２）、及びリン酸アルミニウムチタンリチウム（Ｌｉ_１．４Ａｌ_０．４Ｔｉ_１．６（ＰＯ_４）_３）が挙げられる。

【0084】

別の実施形態では、セパレータ層１０８は、固体電解質を含み得る。例示的な固体電解質としては、硫化スズリチウム（Ｌｉ_１０ＳｎＰ_２Ｓ_１２）、硫化リンリチウム（β－Ｌｉ_３ＰＳ_４）及びヨウ化塩化リン硫黄リチウム（Ｌｉ_６ＰＳ_５Ｃｌ_０．９Ｉ_０．１）などの硫化物系電解質が挙げられる。

【0085】

一部の実施形態では、セパレータ層１０８は、リチウム充填ガーネットなどの固体リチウムイオン伝導性セラミックを含み得る。

【0086】

一実施形態では、セパレータ層１０８は、粒子状材料及び結合剤を含む微多孔質セパレータ材料を含み、微多孔質セパレータ材料は、少なくとも約２０体積％の気孔率（空隙率）を有する。微多孔質セパレータ材料の細孔は、少なくとも５０Åの直径を有し、典型的には約２５０Å～約２，５００Åの範囲内にある。微多孔質セパレータ材料は、典型的には、約７５％未満の多孔率を有する。一実施形態では、微多孔質セパレータ材料は、少なくとも約２５体積％の多孔率（空隙率）を有する。一実施形態では、微多孔質セパレータ材料は、約３５～５５％の多孔率を有する。

【0087】

微多孔質セパレータ材料のための結合剤は、広範囲の無機材料又はポリマー材料から選択され得る。例えば、一実施形態では、結合剤は、ケイ酸塩、リン酸塩、アルミニウム酸塩、アルミノケイ酸塩、及び水酸化マグネシウム、水酸化カルシウムなどの水酸化物からなる群から選択される有機材料である。例えば、一実施形態では、結合剤は、フッ化ビニリデン、ヘキサフルオロプロピレン、テトラフルオロプロペンなどを含有するモノマーから誘導されるフルオロポリマーである。別の実施形態では、結合剤は、様々な分子量及び密度の範囲のいずれかを有する、ポリエチレン、ポリプロピレン、又はポリブテンなどのポリオレフィンである。別の実施形態では、結合剤は、エチレン－ジエンプロペンターポリマー、ポリスチレン、ポリメチルメタクリレート、ポリエチレングリコール、ポリビニルアセテート、ポリビニルブチラール、ポリアセタール、及びポリエチレングリコールジアクリレートからなる群から選択される。別の実施形態では、結合剤は、メチルセルロース、カルボキシメチルセルロース、スチレンゴム、ブタジエンゴム、スチレンブタジエンゴム、イソプレンゴム、ポリアクリルアミド、ポリビニルエーテル、ポリアクリル酸、ポリメタクリル酸、及びポリエチレンオキシドからなる群から選択される。別の実施形態では、結合剤は、アクリレート、スチレン、エポキシ、及びシリコーンからなる群から選択される。別の実施形態では、結合剤は、前述のポリマーのうちの２つ以上のコポリマー又はブレンドである。

【0088】

微多孔質セパレータ材料によって構成される微粒子材料は、幅広い材料から選択され得る。概して、かかる材料は、動作温度において比較的低い電子導電率及びイオン導電率を有し、微多孔質セパレータ材料に接触するバッテリ電極又は電流コレクタの動作電圧下で腐食しない。例えば、一実施形態では、粒子材料は、１×１０^－４シーメンス／ｃｍ（Ｓ／ｃｍ）未満のキャリアイオン（例えば、リチウム）の導電率を有する。更なる例として、一実施形態では、粒子材料は、１×１０^－５Ｓ／ｃｍ未満のキャリアイオンの導電率を有する。更なる例として、一実施形態では、粒子材料は、１×１０^－６Ｓ／ｃｍ未満のキャリアイオンの導電率を有する。例示的な粒子材料としては、粒子状ポリエチレン、ポリプロピレン、ＴｉＯ_２－ポリマー複合体、シリカエアロゲル、フュームドシリカ、シリカゲル、シリカヒドロゲル、シリカセロゲル、シリカソル、コロイド状シリカ、アルミナ、チタン、マグネシア、カオリン、タルク、珪藻土、ケイ酸カルシウム、ケイ酸アルミニウム、炭酸カルシウム、炭酸マグネシウム、又はそれらの組み合わせが挙げられる。例えば、一実施形態では、粒子材料は、ＴｉＯ_２、ＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、ＧｅＯ_２、Ｂ_２Ｏ_３、Ｂｉ_２Ｏ_３、ＢａＯ、ＺｎＯ、ＺｒＯ_２、ＢＮ、Ｓｉ_３Ｎ_４、及びＧｅ３Ｎ４などの粒子酸化物又は窒化物を含む。例えば、Ｐ．Ａｒｏｒａ ａｎｄ Ｊ．Ｚｈａｎｇ，“Ｂａｔｔｅｒｙ Ｓｅｐａｒａｔｏｒｓ”Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｒｅｖｉｅｗｓ ２００４，１０４，４４１９－４４６２を参照されたい。一実施形態では、粒子状材料は、約２０ｎｍ～２μｍ、より典型的には２００ｎｍ～１．５μｍの平均粒径を有する。一実施形態では、粒子状材料は、約５００ｎｍ～１μｍの平均粒径を有する。

【0089】

代替の実施形態では、微多孔質セパレータ材料によって構成される粒子材料は、バッテリの機能のためのイオン導電率を提供するために電解質の浸入に望ましい空隙率を維持しながら、焼結、結合、硬化などの技法によって結合され得る。

【0090】

二次バッテリ１００（図１参照）において、セパレータ層１０８の微多孔質セパレータ材料には、二次バッテリ電解質として使用するのに好適な非水性電解質が浸透している。典型的には、非水性電解質は、有機溶媒及び／又は溶媒混合物に溶解したリチウム塩及び／又は塩の混合物を含む。例示的なリチウム塩としては、ＬｉＣｌＯ_４、ＬｉＢＦ_４、ＬｉＰＦ_６、ＬｉＡｓＦ_６、ＬｉＣｌ、及びＬｉＢｒなどの無機リチウム塩、並びにＬｉＢ（Ｃ_６Ｈ_５）_４、ＬｉＮ（ＳＯ_２ＣＦ_３）_２、ＬｉＮ（ＳＯ_２ＣＦ_３）_３、ＬｉＮＳＯ_２ＣＦ_３、ＬｉＮＳＯ_２ＣＦ_５、ＬｉＮＳＯ_２Ｃ_４Ｆ_９、ＬｉＮＳＯ_２Ｃ_５Ｆ_１１、ＬｉＮＳＯ_２Ｃ_６Ｆ_１３、及びＬｉＮＳＯ_２Ｃ_７Ｆ_１５などの有機リチウム塩が挙げられる。リチウム塩を溶解するための例示的な有機溶媒としては、環状エステル、鎖エステル、環状エーテル、及び鎖エーテルが挙げられる。環状エステルの具体例としては、プロピレンカーボネート、ブチレンカーボネート、γ－ブチロラクトン、ビニレンカーボネート、２－メチル－γ－ブチロラクトン、アセチル－γ－ブチロラクトン、及びγ－ベレロラクトンが挙げられる。鎖エステルの具体例としては、炭酸ジメチル、炭酸ジエチル、炭酸ジブチル、炭酸ジプロピル、炭酸メチルエチル、炭酸メチルブチル、炭酸メチルプロピル、炭酸エチルブチル、炭酸エチルプロピル、炭酸ブチルプロピル、プロピオン酸アルキル、マロン酸ジアルキル、及び酢酸アルキルが挙げられる。環状エーテルの具体例としては、テトラヒドロフラン、アルキルテトラヒドロフラン、ジアルキルテトラヒドロフラン、アルコキシテトラヒドロフラン、ジアルコキシテトラヒドロフラン、１，３－ジオキソラン、アルキル－１，３－ジオキソラン、及び１，４－ジオキソランが挙げられる。鎖エーテルの具体例としては、１，２－ジメトキシエタン、１，２－ジエトキシエタン、ジエチルエーテル、エチレングリコールジアルキルエーテル、ジエチレングリコールジアルキルエーテル、トリエチレングリコールジアルキルエーテル、及びテトラエチレングリコールジアルキルエーテルが挙げられる。

【0091】

本開示の追加の実施形態
リチウムコバルト酸化物などの陰極活性材料は、リチウム化グラファイトなどのリチウム化陽極材料と比較して、周囲空気中で比較的安定である（例えば、それらは酸化に耐える）ため、二次バッテリが組み立てられるとき、陽極と陰極との間の循環に利用可能なキャリアイオンの量は、多くの場合、最初に陰極に提供される。二次バッテリが初めて充電されるとき、キャリアイオンは陰極から抽出され、陽極に導入される。その結果、陽極電位は著しく（キャリアイオンの電位に向かって）低下し、陰極電位は上昇する（更に正になるために）。これらの電位の変化は、陰極と陽極の両方に寄生反応を生じさせることがあるが、時には陽極により深刻な寄生反応を生じさせることがある。例えば、固体電解質界面（ＳＥＩ）として知られる、リチウム（又は他のキャリアイオン）及び電解質成分を含む分解生成物は、炭素陽極の表面上に容易に形成され得る。これらの表面又は被覆層は、キャリアイオン伝導体であり、陽極と電解質との間のイオン結合を確立し、反応がそれ以上進行するのを防止する。

【0092】

ＳＥＩ層の形成は、陽極及び電解質を含むハーフセルシステムの安定性のために望ましいが、陰極を介してセルに導入されるキャリアイオンの一部分は、不可逆的に結合されるため、サイクル動作から、すなわち、ユーザに利用可能な容量から除去される。結果として、初期放電中に、初期充電動作中に陰極によって最初に提供されたよりも少ないキャリアイオンが陽極から陰極に戻され、不可逆的な容量損失をもたらす。各後続の充電及び放電サイクル中、陽極及び／又は陰極への機械的及び／又は電気的劣化から生じる容量損失は、サイクルごとにはるかに少なくなる傾向があるが、サイクルごとの比較的小さいキャリアイオン損失でさえ、バッテリが経年劣化するにつれて、エネルギー密度及びサイクル寿命の減少に有意に寄与する。加えて、化学的及び電気化学的劣化もまた、電極上で発生し、容量損失を引き起こす可能性がある。ＳＥＩ（又は負極の機械的及び／又は電気的劣化などの別のキャリアイオン消費機構）の形成を補償するために、バッテリの形成後に補助極から追加の又は補足のキャリアイオンを供給することができる。

【0093】

概して、二次バッテリ１００の正極２０８（例えば、二次バッテリ１００内の陰極構造２０６の集団）は、好ましくは、負極２０９（例えば、二次バッテリ１００内の陽極構造２０７の集団）の放電容量と一致する可逆的クーロン容量を有することが好ましい。別の言い方をすれば、二次バッテリ１００の正極２０８は、負極２０９の放電容量に対応する可逆的クーロン容量を有するようにサイズ決定され、これは負極２０９の放電終止電圧の関数である。

【0094】

一部の実施形態では、二次バッテリ１００の負極２０９（例えば、二次バッテリ１００内の陽極構造２０７の集合的集団）は、正極２０８の可逆的クーロン容量を超える可逆的クーロン容量を有するように設計される。例えば、一実施形態では、負極２０９の可逆的クーロン容量の正極２０８の可逆的クーロン容量に対する比は、それぞれ少なくとも１．２：１である。更なる例として、一実施形態では、負極２０９の可逆的クーロン容量の正極２０８の可逆的クーロン容量に対する比は、それぞれ少なくとも１．３：１である。更なる例として、一実施形態では、負極２０９の可逆的クーロン容量の正極２０８の可逆的クーロン容量に対する比は、それぞれ少なくとも２：１である。更なる例として、一実施形態では、負極２０９の可逆的クーロン容量の正極２０８の可逆的クーロン容量に対する比は、それぞれ少なくとも３：１である。更なる例として、負極２０９の可逆的クーロン容量の正極２０８の可逆的クーロン容量に対する比は、それぞれ少なくとも４：１である。更なる例として、負極２０９の可逆的クーロン容量の正極２０８の可逆的クーロン容量に対する比は、それぞれ少なくとも５：１である。有利には、負極２０９の過剰なクーロン容量は、サイクルの結果として負極２０９のサイクル寿命を減少させる負極２０９上の結晶相（キャリアイオンを組み込む）の形成を抑制する特定の電圧内で二次バッテリ１００が可逆的に動作することを可能にする陽極活性材料の供給源を提供する。

【0095】

前述のように、初期充電／放電サイクル中のＳＥＩの形成は、可逆的サイクリングに利用可能なキャリアイオンの量を減少させる。二次バッテリ１００のサイクル中の負極２０９の機械的及び／又は電気的劣化は、可逆的サイクルに利用可能なキャリアイオンの量を更に減少させ得る。したがって、ＳＥＩの形成（又は負極の機械的及び／又は電気的劣化などの別のキャリアイオン消費機構）を補償するために、二次バッテリ１００の形成後に補助極から追加又は補足のキャリアイオンを供給することができる。本開示の実施形態では、補助極は、形成中及び／又は形成後に、追加のキャリアイオンを二次バッテリ１００の正極２０８及び／又は負極２０９に電気化学的に移動させるために使用される。一実施形態では、補助極は、最終形態の二次バッテリのエネルギー密度を向上させるために、追加のキャリアイオンを二次バッテリ１００に移動させた後に除去される。

【0096】

図５は、例示的な実施形態の緩衝システム５００の斜視図であり、図６は、緩衝システム５００の分解図である。概して、緩衝システム５００は、二次バッテリ１００の初期の形成中又は形成後に一時的に組み立てることができ、緩衝システム５００は、補助極５０２（図６参照）を使用して二次バッテリ１００の正極２０８及び／又は負極２０９に追加のキャリアイオンを導入するために使用される。この実施形態では、緩衝システム５００は、補助極５０２（図６参照）及び二次バッテリ１００をエンクロージャ５０４の外周５０６内に封入するエンクロージャ５０４を含む。図５において、二次バッテリ１００の電気端子１２４、１２５及び導電性タブ５０８－１のセグメントは、エンクロージャ５０４の外周５０６から延在し、補助極５０２及び二次バッテリ１００への電気的接続を提供する。この実施形態では、エンクロージャ５０４は、互いに接合されてエンクロージャ５０４を形成する第１のエンクロージャ層５１０及び第２のエンクロージャ層５１１を含む。

【0097】

図６を参照すると、第１のエンクロージャ層５１０は外周５１２を有し、第２のエンクロージャ層５１１は外周５１３を有する。エンクロージャ層５１０、５１１の各々は、アルミニウム、ポリマー、薄膜可撓性金属などの可撓性又は半可撓性材料を含み得る。一実施形態では、エンクロージャ層５１０、５１１のうちの１つ以上は、多層アルミニウムポリマー材料、プラスチックなどを含む。別の実施形態では、エンクロージャ層５１０、５１１のうちの１つ以上は、アルミニウムなどの金属基板上に積層されたポリマー材料を含む。一実施形態では、第１のエンクロージャ層５１０は、二次バッテリ１００の外面サイズ及び形状に一致するようにサイズ決定及び成形される、ポーチ５１４（例えば、くぼみ）を含む。

【0098】

補助極５０２は、緩衝システム５００内の二次バッテリ１００を部分的に取り囲み、形成後の二次バッテリ１００の失われたエネルギー能力を補充する（すなわち、ＳＥＩの形成時のキャリアイオンの損失及び二次バッテリ１００の第１の充電及び／又は放電サイクルにおける他のキャリアイオン損失を補償する）ためのキャリアイオンの供給源を含む。実施形態では、補助極５０２は、金属形態のキャリアイオンのフォイル（例えば、リチウム、マグネシウム、又はアルミニウムのフォイル）、あるいはキャリアイオン含有形態の陰極活性材料層１０６及び／又は陽極活性材料層１０４（図２参照）に使用される前述の材料のうちのいずれかを含み得る。例えば、補助極５０２は、リチウム化ケイ素又はリチウム化ケイ素合金を含み得る。緩衝システム５００が組み立てられると、補助サブアセンブリ５１６（図６参照）と称され得る補助極５０２と二次バッテリ１００との組み合わせがポーチ５１４に挿入され、エンクロージャ層５１０、５１１が互いに封止されて、図５に描画するような緩衝システム５００が形成される。緩衝システム５００の組立プロセスの具体的な詳細、及び二次バッテリ１００へのキャリアイオン移動プロセス中に緩衝システム５００がどのように使用されるかについては、以下でより詳細に考察する。この実施形態における補助極５０２は、導電性タブ５０８を含み、これは、例えば、製造を容易にするために、図５に描画するように、エンクロージャ５０４によって覆われる導電性タブ５０８－２と、エンクロージャによって部分的に露出される導電性タブ５０８－１と、にセグメント化することができる。

【0099】

図７は、本発明の一実施形態にかかる補助極５０２の斜視図であり、図８は、補助極の分解斜視図である。図７を参照すれば、補助極５０２は、導電層７０４及びキャリアイオン供給層７０６を覆うセパレータ７０２を備える。補助極５０２が図６に描画する形状に形成されると、キャリアイオン供給層７０６は、二次バッテリ１００の主面１２６、１２７（図１参照）に近接して配置され、セパレータ７０２は、二次バッテリ１００のケーシング１１６を導電層７０４及びキャリアイオン供給層７０６から絶縁する。セパレータ７０２は電解質を含み、この電解質は緩衝プロセス時にキャリアイオン供給層７０６から二次バッテリ１００へのキャリアイオンの移動を容易にする。

【0100】

図８を参照すると、補助極５０２は、図８の下から上へ、セパレータ７０２、導電層７０４、及びキャリアイオン供給層７０６の集団を含む。この実施形態における補助極５０２は、導電性タブ５０８－２を更に含み、導電性タブ５０８－２は、導電性であり、導電層７０４と電気的に結合される。導電性タブ５０８－２は、補助極５０２との電気的接続を提供する。概して、補助極５０２は、二次バッテリ１００の形成中又は形成後に、キャリアイオンをキャリアイオン供給層７０６から二次バッテリ１００の正極２０８及び／又は負極２０９に移動させるための緩衝プロセス中に使用される。

【0101】

セパレータ７０２は、二次バッテリ１００のセパレータ層１０８に関して前述した材料のいずれかを含み得る。セパレータ７０２には、キャリアイオン供給層７０６から二次バッテリ１００の正極２０８及び／又は二次バッテリの負極２０９にキャリアイオンを伝導させるための媒体となる電解質が浸透されていてもよい。電解質は、二次バッテリ１００に関して前述した材料のいずれかを含み得る。

【0102】

この実施形態におけるセパレータ７０２は、第１の表面８０２と、第１の表面８０２の反対側の第２の表面８０３と、を含む。セパレータ７０２の表面８０２、８０３は、セパレータ７０２の主面を形成し、図８のＸ－Ｙ平面内に配設される。この実施形態におけるセパレータ７０２は、Ｙ軸の方向に延在する幅８０４を有する。この実施形態のセパレータ７０２は、幅８０４において、第１の部分８０５と、第２の部分８０６と、にセグメント化される。一部の実施形態では、セパレータ７０２は、第１の部分８０５に対応する拳のセパレータ層７０２－１と、第２の部分８０６に対応する第２のセパレータ層７０２－２と、を備えることができる。

【0103】

一実施形態では、セパレータ７０２の幅８０４は約３４ｍｍである。他の実施形態では、セパレータの幅８０４は約３０ｍｍ、約３５ｍｍ、又は別の好適な値である。一部の実施形態では、セパレータ７０２の幅８０４は、約１０ｍｍ～約２００ｍｍの値の範囲内、又はセパレータ７０２が本明細書で説明されるように機能することを可能にする何らかの他の好適な範囲内にある。

【0104】

セパレータ７０２は、一実施形態では、Ｘ軸の方向に延在する長さ８０８を有する。一実施形態では、セパレータ７０２の長さ８０８は、約７２ｍｍである。他の実施形態では、セパレータ７０２の長さ８０８は、約６５ｍｍ、約７０ｍｍ、約７５ｍｍ、又はセパレータ７０２が本明細書で説明されるように機能することを可能にする何らかの他の好適な値である。一部の実施形態では、セパレータ７０２の長さ８０８は、約３０ｍｍ～約２００ｍｍの値の範囲内、又はセパレータ７０２が本明細書で説明されるように機能することを可能にする値の何らかの他の好適な範囲内にある。

【0105】

一実施形態では、セパレータ７０２は、Ｚ軸の方向に延在する厚さ８１０を有する。概して、厚さ８１０は、セパレータ７０２の第１の表面８０２からセパレータの第２の表面８０３まで（及び第２の表面を含む）の距離である。一実施形態では、セパレータ７０２の厚さ８１０は、約０．０２５ｍｍである。他の実施形態では、セパレータ７０２の厚さ８１０は、約０．０１５ｍｍ、約０．０２ｍｍ、約０．０３ｍｍ、約０．０３５ｍｍ、又は何らかの他の好適な値である。一部の実施形態では、セパレータ７０２の厚さ８１０は、約０．０１ｍｍ～約１．０ｍｍの値の範囲内、又はセパレータ７０２が本明細書で説明されるように機能することを可能にする値の何らかの他の好適な範囲内にある。

【0106】

導電層７０４は導電性であり、金属、金属化フィルム、導電性材料が適用された絶縁ベース材料、又は他の何らかのタイプの導電性材料を含み得る。一部の実施形態では、導電層７０４は銅を含む。他の実施形態では、導電層７０４は、アルミニウム又は別の金属を含む。この実施形態では、導電層７０４は、同様に導電性である導電性タブ５０８－２と電気的に結合される。導電性タブ５０８－２は、導電層７０４に近接して配設された第１の端部８１２と、第１の端部８１２の反対側の導電層７０４の遠位に配設された第２の端部８１３と、を有する。導電性タブ５０８－２の第１の端部８１２は、導電層７０４に電気的に結合される。一部の実施形態では、導電性タブ５０８－２の第１の端部８１２は、導電層７０４にスポット溶接される。他の実施形態では、導電性タブ５０８－２の第１の端部８１２は、導電層７０４にはんだ付けされる。概して、導電性タブ５０８－２は、導電層への機械的接続及び電気的接続を確実にする任意の好適な手段を使用して、第１の端部８１２において導電層７０４に固着され得る。導電性タブ５０８－２は、必要に応じて任意のタイプの導電性材料を含み得る。一実施形態では、導電性タブ５０８－２は金属を含む。これらの実施形態では、導電性タブ５０８－２は、ニッケル、銅、アルミニウム、又は導電性タブ５０８－２が本明細書で説明されるように機能することを可能にする他の好適な金属若しくは金属合金を備えてもよい。

【0107】

この実施形態における導電層７０４は、第１の表面８１４と、第１の表面８１４の反対側の第２の表面８１５と、を含む。導電層７０４の表面８１４、８１５は、導電層７０４の主面を形成し、図８のＸ－Ｙ平面内に配設される。この実施形態における導電層７０４は、Ｙ軸の方向に延在する幅８１６を有する。一実施形態では、導電層７０４の幅８１６は、約１５ｍｍである。他の実施形態では、導電層７０４の幅８１６は、約１０ｍｍ、約２０ｍｍ、又は導電層７０４が本明細書で説明されるように機能することを可能にする何らかの他の好適な値である。

【0108】

一部の実施形態では、導電層７０４の幅８１６は、約５ｍｍ～約１００ｍｍの値の範囲内、又は導電層７０４が本明細書で説明されるように機能することを可能にする値の何らかの他の好適な範囲内にある。この実施形態における導電層７０４の第１の表面８１４は、導電層７０４の第１の端部８２０に近接して配設された第１の領域８１８－１と、導電層７０４の第２の端部８２１に近接して配設された第２の領域８１８－２と、第１の領域８１８－１と第２の領域８１８－２との間に配設された第３の領域８１８－３と、にセグメント化される。

【0109】

導電層７０４は、Ｘ軸の方向に延在する長さ８２２を有する。一実施形態では、導電層７０４の長さ８２２は、約７０ｍｍである。他の実施形態では、導電層７０４の長さ８２２は、約６０ｍｍ、約６５ｍｍ、約７５ｍｍ、又は導電層７０４が本明細書で説明されるように機能することを可能にする何らかの他の好適な値である。一部の実施形態では、導電層７０４の長さ８２２は、約３０ｍｍ～約２００ｍｍの値の範囲内、又は導電層７０４が本明細書で説明されるように機能することを可能にする値の何らかの他の好適な範囲内にある。

【0110】

導電層７０４は、Ｚ軸の方向に延在する厚さ８２４を有する。概して、厚さ８２４は、導電層７０４の第１の表面８１４から導電層７０４の第２の表面８１５まで（及び第２の表面を含む）の距離である。一実施形態では、導電層７０４の厚さ８２４は約０．１ｍｍである。他の実施形態では、導電層７０４の厚さ８２４は約０．００５ｍｍ、約０．１５ｍｍ、又は約０．２ｍｍである。一部の実施形態では、導電層７０４の厚さ８２４は、約０．０１ｍｍ～約１．０ｍｍの値の範囲内、又は導電層７０４が本明細書で記載されるように機能することを可能にする厚さの任意の他の好適な範囲内にある。

【0111】

一実施形態ではキャリアイオン供給層７０６の集団を含むキャリアイオン供給層７０６は、二次バッテリ１００の正極２０８及び／又は負極２０９にキャリアイオンを供給するために利用され得る、前述の任意のキャリアイオン含有材料を含む。キャリアイオン供給層７０６は、リチウムイオン、ナトリウムイオン、カリウムイオン、カルシウムイオン、マグネシウムイオン、及びアルミニウムイオンのうちの１つ以上の供給源を含み得る。本実施形態では、キャリアイオン供給層７０６は、導電層７０４の第１の領域８１８－１及び第２の領域８１８－２内に配設される。一部の実施形態では、キャリアイオン供給層７０６は、導電層７０４の第３の領域８１８－３にも配設される。

【0112】

本実施形態のキャリアイオン供給層７０６は、第１の表面８２６と、第１の表面８２６の反対側の第２の表面８２７と、を有する。キャリアイオン供給層７０６の表面８２６、８２７は、キャリアイオン供給層７０６の主面を形成し、図８のＸ－Ｙ平面に配設される。この実施形態におけるキャリアイオン供給層７０６は、Ｙ軸の方向に延在する幅８２８を有する。一実施形態では、キャリアイオン供給層７０６の幅８２８は約１５ｍｍである。他の実施形態では、キャリアイオン供給層７０６の幅８２８は、約１０ｍｍ、約２０ｍｍ、又はキャリアイオン供給層７０６が本明細書で記載されるように機能することを可能にする何らかの他の好適な値である。一部の実施形態では、キャリアイオン供給層７０６の幅８２８は、約５ｍｍ～約１００ｍｍの値の範囲内、又はキャリアイオン供給層７０６が本明細書で説明されるように機能することを可能にする値の何らかの他の好適な範囲内にある。

【0113】

キャリアイオン供給層７０６は、一実施形態では、Ｘ軸の方向に延在する長さ８３０を有する。一実施形態では、キャリアイオン供給層７０６の長さ８３０は、約２３ｍｍである。他の実施形態では、キャリアイオン供給層７０６の長さ８３０は、約１５ｍｍ、約２０ｍｍ、約２５ｍｍ、又はキャリアイオン供給層７０６が本明細書で説明されるように機能することを可能にする何らかの他の好適な長さである。一部の実施形態では、キャリアイオン供給層７０６の長さ８３０は、約１０ｍｍ～約１００ｍｍの値の範囲内、又はキャリアイオン供給層７０６が本明細書で説明されるように機能することを可能にする値の何らかの他の好適な範囲内にある。

【0114】

キャリアイオン供給層７０６は、Ｚ軸の方向に延在する厚さ８３２を有する。概して、厚さ８３２は、キャリアイオン供給層７０６の第１の表面８２６とキャリアイオン供給層７０６の第２の表面８２７との間の距離である。一実施形態では、キャリアイオン供給層７０６の厚さ８３２は、約０．１３ｍｍである。他の実施形態では、キャリアイオン供給層７０６の厚さ８３２は、約０．００５ｍｍ、約０．１５ｍｍ、又は約０．２ｍｍである。一部の実施形態では、キャリアイオン供給層７０６の厚さ８３２は、約０．０１ｍｍ～約１．０ｍｍの値の範囲内、又はキャリアイオン供給層７０６が本明細書で説明されるように機能することを可能にする厚さ８３２の値の任意の他の好適な範囲内にある。

【0115】

この実施形態では、キャリアイオン供給層７０６は、第３の領域８１８－３に対応する距離８３４だけ互いに分離される。一実施形態では、距離８３４は、約２３ｍｍである。他の実施形態では、距離８３４は、約１５ｍｍ、約２０ｍｍ、約２５ｍｍ、又は約３０ｍｍである。一部の実施形態では、距離８３４は、約１０ｍｍ～約５０ｍｍの値の範囲内、又はキャリアイオン供給層７０６が本明細書で説明されるように機能することを可能にする値の任意の他の好適な範囲内にある。

【0116】

一実施形態では、キャリアイオン供給層７０６は、二次バッテリ１００の正極２０８の可逆的クーロン容量の少なくとも１５％を提供することができるようにサイズ決定される。例えば、かかる一実施形態では、キャリアイオン供給層７０６は、二次バッテリ１００の正極２０８の可逆的クーロン容量の少なくとも３０％を提供するのに十分なキャリアイオン（例えば、リチウム、マグネシウム、又はアルミニウムイオン）を含有するようにサイズ決定される。更なる例として、かかる一実施形態では、キャリアイオン供給層７０６は、二次バッテリ１００の正極２０８の可逆的クーロン容量の少なくとも１００％を提供するのに十分なキャリアイオンを含むようにサイズ決定される。更なる例として、かかる一実施形態では、キャリアイオン供給層７０６は、二次バッテリ１００の正極２０８の可逆的クーロン容量の少なくとも２００％を提供するのに十分なキャリアイオンを含むようにサイズ決定される。更なる例として、かかる一実施形態では、キャリアイオン供給層７０６は、二次バッテリ１００の正極２０８の可逆的クーロン容量の少なくとも３００％を提供するのに十分なキャリアイオンを含むようにサイズ決定される。更なる例として、かかる一実施形態では、キャリアイオン供給層７０６は、二次バッテリ１００の正極２０８の可逆的クーロン容量の約１００％～約２００％を提供するのに十分なキャリアイオンを含むようにサイズ決定される。

【0117】

補助極５０２の組立プロセス中に、セパレータ７０２は、図８に示されるような幅８０４及び長さ８０８を達成するように、ストック材料から切断されてもよく、又は予め製作されてもよい。導電層７０４は、図８に示される幅８１６及び長さ８２２を達成するために、ストック材料から切断されてもよく、又は予め製作されてもよい。一部の実施形態では、導電層７０４は、図８に描画するように、導電層７０４に機械的かつ電気的に固着された第１の端部８１２を有する導電性タブ５０８－２を含むように予め製作される。他の実施形態では、導電性タブ５０８－２は、ストック材料から切断され、（例えば、第１の端部８１２を導電層７０４にスポット溶接又ははんだ付けすることによって）導電層７０４と機械的かつ電気的に結合される。一部の実施形態では、キャリアイオン供給層７０６は、ストック材料から所定のサイズに切断され、キャリアイオン供給層７０６の第２の表面８２７が導電層７０４の第１の表面８１４と接触した状態で、図８に描画される配向を達成するように、（例えば、キャリアイオン供給層７０６を導電層７０４上に冷間溶接することによって）導電層７０４に接合されるか、又は別様に積層される。例えば、キャリアイオン供給層７０６を形成するために使用される材料（例えば、リチウム）は、所定のサイズに切断されたリチウムシートのロールとしてストック形態で存在してもよい。

【0118】

他の実施形態では、導電層７０４は、図８に描画される配向に配置されたキャリアイオン供給層７０６を含むように予め製作される。この実施形態では、導電層７０４は、Ｘ軸の方向にセパレータ７０２の第１の部分８０５内に配設され、導電層７０４の第２の表面８１５は、セパレータ７０２の第１の表面８０２に接触する。

【0119】

図９は、補助極の製作プロセスの中間段階における補助極５０２の斜視図である。この段階で、導電層７０４は、セパレータ７０２の第１の部分８０５上に配設され、導電性タブ５０８－２は、導電層７０４に固着された第１の端部８１２から、セパレータ７０２及び導電層７０４から離れて第２の端部８１３に向かって、図９の左（Ｙ軸方向）に延在する。セパレータ７０２の第１の表面８０２は、セパレータ７０２の第１の部分８０５内で導電層７０４によって覆われる一方、セパレータの第１の表面８０２は、セパレータ７０２の第２の部分８０６内では覆われないままである。

【0120】

補助極５０２の製作プロセスを継続するために、一実施形態では、セパレータ７０２の第２の部分８０６は、セパレータ７０２の第２の部分８０６内の第１の表面８０２が、キャリアイオン供給層７０６の第１の表面８２６と、キャリアイオン供給層７０６間に露出された導電層７０４の第１の表面８１４とに接触するように、図９の左に向かう矢印９０２の方向に（Ｘ軸に平行な軸の周りに）折り畳まれる。セパレータ７０２が第１のセパレータ層７０２－１及び第２のセパレータ層７０２－２を含む場合、第２のセパレータ層は、第２のセパレータ層の第１の表面８０２がキャリアイオン供給層７０６の第１の表面８２６及びキャリアイオン供給層７０６の間に露出した導電層７０４の第１の表面８１４に接触するように配置されてもよい。

【0121】

図１０は、上述のようにセパレータ７０２の第２の部分８０６を折り畳んだ後の、製作プロセスの別の中間段階における補助極５０２の斜視図である。この段階で、セパレータ７０２は、導電層７０４及びキャリアイオン供給層７０６を封入し、導電性タブ５０８－２の第１の端部８１２と導電性タブ５０８－２の第２の端部８１３との間の一部分をセパレータ７０２によって覆われないままにしている。次いで、セパレータ７０２は、セパレータの外周１００２の少なくとも一部分に沿ってそれ自体に接合されて、セパレータの第１の表面８０２（図１０では見えない）に沿ってセパレータの第１の部分８０５及びセパレータの第２の部分８０６内に導電層７０４を封入することができる。

【0122】

一実施形態では、セパレータ７０２は、ホットメルトプロセス、溶接プロセス、接合プロセスなどを使用して、セパレータの外周１００２の少なくとも一部分に沿って、それ自体に接合される。図１０において、この段階の補助極５０２は、第１の側面１００４と、第１の側面１００４の反対側の第２の側面１００５と、を含む。第１の側面１００４は、導電層７０４の第１の端部８２０（図１０では見えない）に近接する第１の領域８１８－１及び導電層７０４の第２の端部８２１（この図では見えない）に近接する第２の領域８１８－２においてキャリアイオン供給層７０６を覆う、セパレータ７０２の第２の表面８０３を含む。図１０において、第１の領域８１８－１は、導電性タブ５０８－２の第１の端部８１２に近接しており、第２の領域８１８－２は、導電性タブ５０８－２の第１の端部８１２から離れて配設されている。導電性タブ５０８－２の第１の端部８１２は、導電層７０４の第３の領域８１８－３内の導電層７０４に電気的に結合される。一部の実施形態では、導電性タブ５０８は、（例えば、組立後の補助極５０２を描写する、図１１に描画されるように、導電性タブ５０８－１とともに）延在していてもよい。

【0123】

補助極５０２の製作に応答して、緩衝システム５００（図６及び図７参照）のための製作プロセスを実施することは、以下のように続く。図１２～図１６は、製作プロセスの種々の段階における緩衝システム５００の斜視図である。図１２を参照すると、補助極５０２の第２の領域８１８－２は、第１のエンクロージャ層５１０のポーチ５１４内に挿入され、補助極の第２の側面１００５は、ポーチ５１４内で第１のエンクロージャ層５１０に向かって配設され、補助極の第１の側面１００４は、ポーチ５１４内で第１のエンクロージャ層５１０から離れて配設される。補助極５０２の第３の領域８１８－３及び第１の領域８１８－１は、Ｙ軸方向に沿ってポーチ５１４から遠ざかる方向に延在する。

【0124】

図１２に描画するように、補助極５０２がポーチ５１４内で配向された状態で、二次バッテリ１００は、補助極５０２の第２の領域８１８－２に対応するポーチ５１４内の補助極５０２上に配置される（図１３参照）。この実施形態では、二次バッテリ１００の第１の主面１２６（図１参照、図１３では見えない）は、ポーチ５１４内の補助極５０２に接触し、二次バッテリの第２の主面１２７は、補助極５０２から離れて配設される。二次バッテリ１００の電気端子１２４、１２５は、図１３のＹ軸方向にポーチ５１４から離れて延在し、第１のエンクロージャ層５１０の外周５１２の外側に電気端子を配置する。緩衝システム５００の製作プロセスのこの段階で、一実施形態では、電解質がポーチ５１４に追加される。別の実施形態では、補助極５０２のセパレータ７０２は、電解質で予め含浸される。

【0125】

二次バッテリ１００がポーチ５１４内の補助極５０２の第２の領域８１８－２上に装填された状態で、補助極５０２は、補助極５０２の第１の領域８１８－１の第１の側面１００４を二次バッテリ１００の第２の主面１２７と接触させて配置するために、矢印１３０２の方向に折り畳まれ、その結果が図１４に描画されている。この構成では、二次バッテリ１００（図１参照）の両方の主面１２６、１２７は、セパレータ７０２（図７～図１１参照）と、二次バッテリ１００の主面１２６、１２７の各々とキャリアイオン供給層７０６との間に配設された電解質とを使用して、補助極５０２のキャリアイオン供給層７０６と電気化学的に結合される。

【0126】

図１５は、図１４の切断線Ａ－Ａに沿った緩衝システム５００の断面図である。この図では、第１のエンクロージャ層５１０のポーチ５１４における緩衝システム５００の層が見えている。詳細には、図１５は、ポーチ５１４内の二次バッテリ１００及び補助極５０２の配置を例示しており、詳細には、上から下へ順に、セパレータ７０２、導電層７０４、キャリアイオン供給層７０６の１つ、セパレータ７０２、及びケーシング１１６における二次バッテリ１００の第２の主面１２７が積層されている。図１５は、下から上に順に積層された、第１のエンクロージャ層５１０、セパレータ７０２、導電層７０４、キャリアイオン供給層７０６のうちの１つ、セパレータ７０２、及びケーシング１１６における二次バッテリ１００の第１の主面１２６を例示している。

【0127】

図１５に例示されるように、二次バッテリ１００がポーチ５１４内で補助極５０２によって挟まれた状態で、第２のエンクロージャ層５１１は、図１６に描画されるように、第１のエンクロージャ層５１０に整列される。第２のエンクロージャ層５１１を第１のエンクロージャ層５１０に対して適切に配置した後、エンクロージャ層５１０、５１１は、封止線１６０２（図１６に破線で示される）に沿って封止され、エンクロージャ５０４を形成する。エンクロージャ層５１０、５１１は、溶接、ヒートシール、接着剤、それらの組み合わせなどによって、封止線１６０２に沿って封止されてもよい。別の実施形態では、エンクロージャ層５１０、５１１は、封止線１６０２の３つの側面に沿って封止され、その中にポケットを形成することができる。この実施形態では、二次バッテリ１００をポケット内に配置することができ、その後、封止線１６０２の最終縁部が封止される。一実施形態では、封止線１６０２は、制御された温度及び圧力を封止線１６０２に加えて、エンクロージャ層５１０、５１１を封止線１６０２に沿って互いに接着又は融着させるホットプレスを使用して封止される。別の実施形態では、封止プロセス中に二次バッテリ１００に真空を適用して、空気又は他のガスによって占められたあらゆる過剰な体積を排気する。封止線１６０２がホットプレスを受ける時間は、制御されてもよく、エンクロージャ層５１０、５１１のために選択される材料に依存する。二次バッテリ１００を覆って封止されると、封止されたエンクロージャ層５１０、５１１は、緩衝システム５００を形成する。封止すると、緩衝システム５００は、所望の用途に応じて、液密及び／又は気密になる。二次バッテリ１００の電気端子１２４及び１２５並びに導電性タブ５０８－１は、露出されたままであり、エンクロージャ層５１０、５１１によって覆われず、後続の緩衝プロセスが二次バッテリ１００に適用されることを可能にする。

【0128】

緩衝システム５００のエンクロージャ５０４内で二次バッテリ１００と補助極５０２（図１６では見えない）のキャリアイオン供給層７０６とが電気化学的に結合された状態で、二次バッテリ１００の初期形成中又は初期形成後に、二次バッテリ１００に対してキャリアイオン緩衝プロセスが実施される。概して、このキャリアイオン緩衝プロセスは、キャリアイオンを、補助極５０２のキャリアイオン供給層７０６から、二次バッテリ１００の第１の主面１２６及び二次バッテリ１００の第２の主面１２７の各々に移動させる（図１５参照）。概して、図１５に描画するように、二次バッテリ１００の両方の主面１２６、１２７から二次バッテリ１００にキャリアイオンを移動させることは、より多くのキャリアイオンが二次バッテリ１００の陽極及び／又は陰極にロードされるため、陽極及び／又は陰極の膨張によって発生する力を二次バッテリ１００のケーシング１１６にわたってより均等に分散させるという技術的利点を提供する。

【0129】

二次バッテリ１００を緩衝システム５００に挿入する前又は後のいずれかに、二次バッテリの陰極構造２０６から二次バッテリの陽極構造２０７にキャリアイオンを移動させることによって、二次バッテリ１００が（例えば、電気端子１２４、１２５を介して）充電される。充電は、二次バッテリ１００の正極２０８がその充電終了設計電圧に達したときに中断され得る。初期充電サイクル中、ＳＥＩは、二次バッテリ１００の陽極構造２０７の表面上に形成され得る。ＳＥＩへのキャリアイオンの損失を補償し、追加のキャリアイオンを更に提供して、副反応によりキャリアイオンが失われるサイクリング中の長期二次反応を軽減するために、二次バッテリ１００の正極２０８及び／又は負極２０９は、補助極５０２と陰極構造２０６及び／又は陽極構造２０７とにわたって（例えば、補助極５０２の導電性タブ５０８－１及び電気端子１２４、１２５のうちの１つを介して）電圧を加えることによって補充されて、補助極５０２のキャリアイオン供給層７０６から二次バッテリ１００の陰極構造２０６及び／又は陽極構造２０７にキャリアイオンを駆動することができる。補助極５０２から二次バッテリ１００へのキャリアイオンの移動が完了すると、今度は二次バッテリ１００の陰極構造２０６から二次バッテリの陽極構造２０７に移動したキャリアイオンによって、二次バッテリ１００の負極２０９が再び充電される。

【0130】

一実施形態では、緩衝プロセス中に補助極５０２から二次バッテリ１００に移動するキャリアイオンの量は、二次バッテリ１００の正極２０８の可逆的クーロン容量の約５０％である。他の実施形態では、緩衝プロセス中に補助極５０２から二次バッテリ１００に移動するキャリアイオンの量は、二次バッテリ１００の正極２０８の可逆的クーロン容量の約５５％、約６０％、約６５％、約７０％、約７５％、約８０％、約８５％、約９０％、約９５％、又は約１００％である。一部の実施形態では、補助極５０２から二次バッテリ１００に移動するキャリアイオンの量は、二次バッテリ１００の正極２０８の可逆的クーロン容量の約１％～約１００％の値の範囲内にある。１つの特定の実施形態では、二次バッテリ１００の負極２０９は、二次バッテリ１００が充電されるときにキャリアイオンとして蓄積される二次バッテリ１００の正極２０８の可逆的クーロン容量の約１７０％を有し、二次バッテリ１００が放電されるときにキャリアイオンとして蓄積される二次バッテリ１００の正極２０８の可逆的クーロン容量の約７０％を有する。緩衝プロセス中に提供される二次バッテリ１００の負極２０９における過剰なキャリアイオンは、初期形成時のＳＥＩによる二次バッテリ１００におけるキャリアイオンの損失を軽減するという技術的利点を提供する。更に、緩衝プロセス中に提供される二次バッテリ１００の負極２０９における過剰なキャリアイオンは、二次バッテリ１００が使用中にサイクルされるときに二次バッテリ１００内のキャリアイオンを枯渇させる副反応に起因する二次バッテリ１００におけるキャリアイオンの損失を軽減するという技術的利点を提供し、これは、経時的な二次バッテリ１００の容量損失を低減する。

【0131】

一部の実施形態では、補助極５０２から二次バッテリ１００へのキャリアイオンの移動は、二次バッテリ１００の初期形成と同時に（例えば、二次バッテリ１００の第１の充電中に）、及び／又は初期形成後の二次バッテリ１００のその後の充電中に行われてもよい。これらの実施形態では、キャリアイオンは、二次バッテリ１００の正極２０８から二次バッテリ１００の負極２０９に移動される。時間的遅延又は時間パターンと同時に、又はそれに基づいて、キャリアイオンは、補助極５０２から二次バッテリ１００の正極２０８及び／又は負極２０９に移動する。

【0132】

更に別の実施形態では、キャリアイオンを補助極５０２から二次バッテリ１００の正極２０８に移動させると同時に、キャリアイオンを二次バッテリ１００の正極２０８から二次バッテリ１００の負極２０９に移動させることによって、正極２０８にキャリアイオンを補充することができる。図６を参照すると、電圧が、二次バッテリ１００の電気端子１２４、１２５にわたって加えられ、キャリアイオンを二次バッテリ１００の正極２０８から負極２０９に駆動する。キャリアイオンが正極２０８から負極２０９に移動している間、補助極５０２の導電性タブ５０８－１及び二次バッテリ１００の正極２０８にわたって電圧を加えて、キャリアイオンを補助極５０２から二次バッテリ１００の正極２０８に駆動する。これにより、二次バッテリ１００の正極２０８から負極２０９にキャリアイオンが移動するのと同時に、補助極５０２から二次バッテリ１００の正極２０８にキャリアイオンが移動する。すなわち、キャリアイオンを二次バッテリ１００の正極２０８から負極２０９に駆動するのに十分である電圧が二次バッテリ１００の正極２０８及び負極２０９にわたって維持され、同時に、キャリアイオンを補助極５０２から正極２０８に駆動するのに十分である電圧が補助極５０２の導電性タブ５０８－１及び二次バッテリ１００の正極２０８にわたって維持される。別の実施形態では、補助極５０２から二次バッテリ１００の正極２０８へのキャリアイオンの移動の開始は、二次バッテリ１００の正極２０８から負極２０９へのキャリアイオンの移動の開始と同時に始まってもよい。一実施形態では、二次バッテリ１００の正極２０８から負極２０９へのキャリアイオンの移動速度は、二次バッテリ１００の補助極５０２から正極２０８へのキャリアイオンの移動速度以上であり、その結果、正極２０８を介した二次バッテリ１００の補助極５０２から負極２０９へのキャリアイオンの良好な全体的な移動速度を維持することができる。すなわち、二次バッテリ１００の正極２０８と負極２０９との間、及び補助極５０２と正極２０８との間の移動の相対速度は、追加のキャリアイオンに対する正極２０８の全容量を超えないように維持され得る。これにより、正極２０８は、補助極５０２から新たなキャリアイオンを受け入れ可能な状態に維持され得、その後の二次バッテリ１００の負極２０９へのキャリアイオンの移動が可能となり得る。

【0133】

一実施形態では、任意の特定の理論によって限定されるものではないが、キャリアイオンは、二次バッテリ１００の負極２０９の補充の一部として、補助極５０２から二次バッテリ１００の正極２０８に移動される（補助極５０２から二次バッテリの負極２０９に直接移動することとは対照的に）が、その理由は、正極２０８が、その表面にわたってキャリアイオンをより均一に受け入れることが可能であり、したがって、キャリアイオンが、二次バッテリ１００の正極２０８と負極２０９との間のその移動により均一に関与することを可能にし得るためである。

【0134】

緩衝システム５００を利用して二次バッテリ１００に対して緩衝プロセスが実施された後、最終的な形態の二次バッテリ１００のエネルギー密度を改善するために、緩衝システム５００から補助極５０２を除去することができる。例えば、緩衝プロセスの後、キャリアイオン供給層７０６（図７を参照）は、二次バッテリ１００に電気化学的に移動されている導電層７０４から除去されてもよい。したがって、補助極５０２は、この時点では不要であり得る。緩衝プロセスが行われた後にエンクロージャ５０４から補助極５０２を除去するために、エンクロージャのエンクロージャ層５１０、５１１は、図１７に実線として例示される切断線１７０２に沿って切断されてもよく、エンクロージャ層５１０、５１１が補助極５０２に近接して剥離されることを可能にする。補助極５０２は緩衝システム５００のエンクロージャ５０４から除去され、二次バッテリ１００はポーチ５１４内に残される（図１２参照）。次いで、エンクロージャ層５１０、５１１は、破線として例示される最終封止線１７０４に沿って再封止されて、二次バッテリ１００を使用する前にその最終形態のエンクロージャ５０４を形成することができる。この再封止は、第１のエンクロージャ層５１０及び第２のエンクロージャ層５１１を一緒に封止するための前述のプロセスのいずれかを使用して実施されてもよい。

【0135】

図１８は、例示的な実施形態の補助極を使用してキャリアイオンで二次バッテリを事前リチウム化する方法１８００のフローチャートであり、図１９～図２１は、方法１８００の更なる詳細を描画するフローチャートである。方法１８００は、図１～図１７の二次バッテリ１００、緩衝システム５００、及び補助極５０２に関して説明されるが、方法１８００は、示されていない他のシステムに適用されてもよい。方法１８００のステップは、全てを含むものではなく、方法１８００は、示されていない他のステップを含んでもよい。更に、方法１８００のステップは、代替の順序で実施されてもよい。

【0136】

この実施形態では、二次バッテリ１００（図１参照）は、互いに反対側にある主面１２６、１２７と、電気端子１２４、１２５と、を有する。電気端子１２４、１２５は、二次バッテリ１００の正極２０８（例えば、図２に描画するように、二次バッテリ１００内の陰極構造２０６の集団）及び二次バッテリ１００の負極２０９（例えば、図２に描画するように、二次バッテリ１００内の陽極構造２０７の集団）の一方に結合される。二次バッテリ１００は、負極２０９と正極２０８との間に、負極２０９及び正極２０８とイオン接触する電解質が浸透した微多孔質セパレータ層１０８（図２参照）を含む。負極２０９は、キャリアイオンに対してクーロン容量を有する、ケイ素又はその合金などの陽極活性材料１０４を含む。正極２０８は、キャリアイオンのクーロン容量を有する陰極活性材料１０６を含み、負極２０９のクーロン容量は正極２０８のクーロン容量を超える。

【0137】

補助極５０２（図６参照）は、二次バッテリ１００の主面１２６、１２７と接触して配置されて補助サブアセンブリ５１６を形成し、補助極５０２は、導電層７０４と、二次バッテリ１００の主面１２６、１２７に近接して導電層７０４上に配設されたキャリアイオン供給層７０６と、キャリアイオン供給層７０６と二次バッテリの主面１２６、１２７との間に配設されたセパレータ７０２と、導電層７０４に結合された導電性タブ５０８と、を含む（図１８のステップ１８０２及び図１２～図１５参照）。

【0138】

補助サブアセンブリ５１６は、エンクロージャ５０４内に設置され、二次バッテリ１００の電気端子１２４、１２５及び補助極５０２の導電性タブ５０８は、エンクロージャ５０４の外周５０６から電気的に延在する（ステップ１８０４及び図１６参照）。

【0139】

キャリアイオンは、電気端子１２４、１２５にわたって電位電圧を加えることによって、二次バッテリ１００の正極２０８から二次バッテリ１００の負極２０９に移動され、二次バッテリ１００を少なくとも部分的に充電する（ステップ１８０６参照）。充電は、二次バッテリ１００の正極２０８がその充電終了設計電圧に達したときに中断され得る。初期充電サイクル中、ＳＥＩは、二次バッテリ１００の負極２０９の内部構造表面上に形成され得る。

【0140】

ＳＥＩへのキャリアイオンの損失を補償し、副反応によってキャリアイオンが失われるサイクリング中の長期二次反応を軽減するために追加のキャリアイオンを更に提供するために、補助極５０２の導電性タブ５０８及び二次バッテリ１００の電気端子１２４、１２５のうちの１つ以上にわたって電位電圧を加えることによって、キャリアイオンが補助極５０２のキャリアイオン供給層７０６から二次バッテリ１００の正極２０８及び／又は負極２０９に移動される（図１６のステップ１８０８を参照）。概して、このキャリアイオン緩衝プロセスは、キャリアイオンを、補助極５０２のキャリアイオン供給層７０６から、二次バッテリ１００の第１の主面１２６及び二次バッテリ１００の第２の主面１２７の各々に移動させる（図１５参照）。概して、図１５に描画するように、二次バッテリ１００の主面１２６、１２７の両方から二次バッテリ１００にキャリアイオンを移動させることは、より多くのキャリアイオンが二次バッテリ１００の陰極及び／又は陽極にロードされるため、陽極及び／又は陰極の膨張によって発生する力を二次バッテリ１００のケーシング１１６にわたってより均等に分散させるという技術的利点を提供する。

【0141】

一実施形態では、補助極５０２から二次バッテリ１００に移動するキャリアイオンの量は、二次バッテリ１００の正極２０８の可逆的クーロン容量の約５０％である。他の実施形態では、補助極５０２から二次バッテリ１００に移動するキャリアイオンの量は、二次バッテリ１００の正極２０８の可逆的クーロン容量の約５５％、約６０％、約６５％、約７０％、約７５％、約８０％、約８５％、約９０％、約９５％、又は約１００％である。一部の実施形態では、補助極５０２から二次バッテリ１００に移動するキャリアイオンの量は、二次バッテリ１００の正極２０８の可逆的クーロン容量の約１％～約１００％の値の範囲内にある。１つの特定の実施形態では、二次バッテリ１００の負極２０９は、二次バッテリ１００が充電されるときにキャリアイオンとして蓄積される二次バッテリ１００の正極２０８の可逆的クーロン容量の約１７０％を有し、二次バッテリ１００が放電されるときにキャリアイオンとして蓄積される二次バッテリ１００の正極２０８の可逆的クーロン容量の約７０％を有する。緩衝プロセス中に提供される二次バッテリ１００の負極２０９における過剰なキャリアイオンは、初期形成時のＳＥＩによる二次バッテリ１００におけるキャリアイオンの損失を軽減するという技術的利点を提供する。更に、緩衝プロセス中に提供される二次バッテリ１００の負極２０９における過剰なキャリアイオンは、二次バッテリ１００が使用中にサイクルされるときに二次バッテリ１００内のキャリアイオンを枯渇させる副反応に起因する二次バッテリ１００におけるキャリアイオンの損失を軽減するという技術的利点を提供し、これは、経時的な二次バッテリ１００の容量損失を低減する。

【0142】

一部の実施形態では、補助極５０２から二次バッテリ１００へのキャリアイオンの移動は、二次バッテリ１００の初期形成と同時に（例えば、二次バッテリ１００の第１の充電中に）、及び／又は初期形成後の二次バッテリ１００のその後の充電中に行われてもよい。これらの実施形態では、キャリアイオンは、二次バッテリ１００の正極２０８から二次バッテリ１００の負極２０９に移動される。時間的遅延又は時間パターンと同時に、又はそれに基づいて、キャリアイオンは、補助極５０２から二次バッテリ１００の正極２０８及び／又は負極２０９に移動する。

【0143】

キャリアイオンは、二次バッテリ１００の電気端子１２４、１２５にわたって電位電圧を加えることによって、二次バッテリ１００の正極２０８から二次バッテリ１００の負極２０９に再び移動され、負極２０９がキャリアイオンとして蓄積された正極２０８のクーロン容量の１００％を超えるまで、二次バッテリ１００を充電する（ステップ１８１０参照）。

【0144】

更に別の実施形態では、キャリアイオンを補助極５０２から二次バッテリ１００の正極２０８に移動させると同時に、キャリアイオンを二次バッテリ１００の正極２０８から二次バッテリ１００の負極２０９に移動させることによって、正極２０８にキャリアイオンを補充することができる。図６を参照すると、電圧が、二次バッテリ１００の電気端子１２４、１２５にわたって加えられ、キャリアイオンを二次バッテリ１００の正極２０８から負極２０９に駆動する。キャリアイオンが正極２０８から負極２０９に移動している間、補助極５０２の導電性タブ５０８－１及び二次バッテリ１００の正極２０８にわたって電圧を加えて、キャリアイオンを補助極５０２から二次バッテリ１００の正極２０８に駆動する。これにより、二次バッテリ１００の正極２０８から負極２０９にキャリアイオンが移動するのと同時に、補助極５０２から二次バッテリ１００の正極２０８にキャリアイオンが移動する。すなわち、キャリアイオンを二次バッテリ１００の正極２０８から負極２０９に駆動するのに十分である電圧が二次バッテリ１００の正極２０８及び負極２０９にわたって維持され、同時に、キャリアイオンを補助極５０２から正極２０８に駆動するのに十分である電圧が補助極５０２の導電性タブ５０８－１及び二次バッテリ１００の正極２０８にわたって維持される。別の実施形態では、補助極５０２から二次バッテリ１００の正極２０８へのキャリアイオンの移動の開始は、二次バッテリ１００の正極２０８から負極２０９へのキャリアイオンの移動の開始と同時に始まってもよい。一実施形態では、二次バッテリ１００の正極２０８から負極２０９へのキャリアイオンの移動速度は、二次バッテリ１００の補助極５０２から正極２０８へのキャリアイオンの移動速度以上であり、その結果、正極２０８を介した二次バッテリ１００の補助極５０２から負極２０９へのキャリアイオンの良好な全体的な移動速度を維持することができる。すなわち、二次バッテリ１００の正極２０８と負極２０９との間、及び補助極５０２と正極２０８との間の移動の相対速度は、追加のキャリアイオンに対する正極２０８の全容量を超えないように維持され得る。これにより、正極２０８は、補助極５０２から新たなキャリアイオンを受け入れ可能な状態に維持され得、その後の二次バッテリ１００の負極２０９へのキャリアイオンの移動が可能となり得る。

【0145】

一実施形態では、任意の特定の理論によって限定されるものではないが、キャリアイオンは、二次バッテリ１００の負極２０９の補充の一部として、補助極５０２から二次バッテリ１００の正極２０８に移動される（補助極５０２から二次バッテリの負極２０９に直接移動することとは対照的に）が、その理由は、正極２０８が、その表面にわたってキャリアイオンをより均一に受け入れることが可能であり、したがって、キャリアイオンが、二次バッテリ１００の正極２０８と負極２０９との間のその移動により均一に関与することを可能にし得るためである。

【0146】

方法１８００の一部の実施形態では、エンクロージャ５０４が開かれ（図１９のステップ１９０２参照）、補助極５０２は、エンクロージャ５０４から除去される（ステップ１９０４参照）。エンクロージャ５０４から補助極５０２を除去することに応答して、エンクロージャは、使用のために二次バッテリ１００を封入するように、その最終形態に再封止される（ステップ１９０６参照）。

【0147】

上で詳述されたステップ１８０４に関して以前に説明されたように、１つの特定の実施形態は、補助サブアセンブリ５１６をエンクロージャ５０４内に設置するが、補助サブアセンブリ５１６を第１のエンクロージャ層５１０上に設置することを含む（図２０のステップ２００２参照）。第２のエンクロージャ層５１１は、第１のエンクロージャ層５１０上に設置され（ステップ２００４を参照）、第１のエンクロージャ層５１０及び第２のエンクロージャ層５１１は、封止線１６０２に沿って一緒に封止されて、エンクロージャ５０４を形成する（ステップ２００６を参照）。

【0148】

エンクロージャ層５１０、５１１は、溶接、ヒートシール、接着剤、それらの組み合わせなどによって、封止線１６０２（図１６参照）に沿って封止されてもよい。別の実施形態では、エンクロージャ層５１０、５１１は、封止線１６０２の３つの側面に沿って封止され、その中にポケットを形成することができる。この実施形態では、二次バッテリ１００をポケット内に配置することができ、その後、封止線１６０２の最終縁部が封止される。一実施形態では、封止線１６０２は、制御された温度及び圧力を封止線１６０２に加えて、エンクロージャ層５１０、５１１を封止線１６０２に沿って互いに接着又は融着させるホットプレスを使用して封止される。別の実施形態では、封止プロセス中に二次バッテリ１００に真空を適用して、空気又は他のガスによって占められたあらゆる過剰な体積を排気する。封止線１６０２がホットプレスを受ける時間は、制御されてもよく、エンクロージャ層５１０、５１１のために選択される材料に依存する。二次バッテリ１００を覆って封止されると、封止されたエンクロージャ層５１０、５１１は、緩衝システム５００を形成する。封止すると、緩衝システム５００は、所望の用途に応じて、液密及び／又は気密である。二次バッテリ１００の電気端子１２４、１２５及び導電性タブ５０８は、露出されたままであり、エンクロージャ層５１０、５１１によって覆われていない。

【0149】

第１のエンクロージャ層５１０がポーチ５１４を含む実施形態では、エンクロージャ５０４内に補助サブアセンブリ５１６を設置することは、最初に、ポーチ５１４内に補助サブアセンブリ５１６を配置することを含む（図２１のステップ２１０２参照）。一部の実施形態では、（例えば、ポーチ５１４内に補助サブアセンブリ５１６を設置する前又は後のいずれかに）電解質がポーチ５１４に追加され、その後、第１のエンクロージャ層５１０及び第２のエンクロージャ層５１１を封止線１６０２に沿ってともに封止することによって、エンクロージャ５０４が形成される。

【0150】

上で考察された二次バッテリ１００上で実施される形成プロセスは、形成プロセスを実施するための任意の好適な１つ以上のシステムを使用して実施することができる。一部の実施形態では、形成プロセスは、分散型形成システムによって実施され、各二次バッテリ１００は、それが接続される二次バッテリ１００のための形成プロセスを実施する別個の形成クラスタに接続される。

【0151】

図２２は、二次バッテリ１００などの例示的なリチウム含有二次バッテリ用のセル形成システム２２００のブロック図である。セル形成システムは、形成クラスタ２２０２の集団及び中央コントローラ２２０４を含む。各形成クラスタ２２０２は、二次バッテリ１００に接続され、接続された二次バッテリ１００に対して形成プロセスを実施する。

【0152】

形成クラスタ２２０２は、ネットワーク２２０６によって中央コントローラ２２０４に通信可能に結合される。ネットワーク２２０６は、形成クラスタ２２０２と中央コントローラ２２０４との間の通信に好適な任意のタイプの有線又は無線ネットワークであり得る。例えば、ネットワーク２２０６は、集積回路間（Ｉ２Ｃ）ネットワーク、コントローラエリアネットワーク（ＣＡＮ）、ローカルエリアネットワーク（ＬＡＮ）、ワイドエリアネットワーク（ＷＡＮ）などであってもよい。図２２では同じネットワーク２２０６に接続されて示されているが、形成クラスタ２２０２及び中央コントローラ２２０４は、異なるネットワーク、又は同じ及び異なるネットワークの組み合わせに接続されてもよい。例えば、形成クラスタ２２０２のうちの一部は、第１のＬＡＮに接続されてもよく、形成クラスタのうちの一部は、第２のＬＡＮに接続されてもよく、第１及び第２のＬＡＮは、第１のＬＡＮ及び第２のＬＡＮの両方に接続されるＷＡＮを通して、中央コントローラ２２０４に接続されてもよい。

【0153】

各形成クラスタ２２０２は、配電網、発電機、太陽光発電システム、バッテリなどの電源２２０８に接続される。形成クラスタ２２０２は、電源２２０８からの電力を使用して、形成クラスタ２２０２に電力を供給し、形成プロセスを実施する。図２２では、同じ電源２２０８に接続されて例示されているが、セル形成システム２２００内の形成クラスタ２２０２は、異なる電源２２０８に接続されてもよい。

【0154】

形成クラスタ２２０２のグループは、ハウジング２２１０によって支持される。ハウジング２２１０は、キャビネットなどのエンクロージャ、又はラックなどの開放支持体とすることができる。簡潔にするために、２つの形成クラスタ２２０２が１つのハウジング２２１０内に示され、単一の形成クラスタ２２０２が別のハウジング２２１０内に示されるが、実際には、各ハウジング２２１０は、典型的には、１０、２５、５０、１００、２５０、又は１０００個の形成クラスタ２２０２などのより多数の形成クラスタ２２０２を支持する。特に、中央コントローラ２２０４は、ハウジング２２１０及びそれらの形成クラスタ２２０２とは別個である（及びそれらから遠隔に配置されてもよい）。更に、ハウジング２２１０は、電源２２０８及びネットワーク２２０６へのアクセスを有する任意の場所に配置される限り、互いに異なる位置に配置されてもよい。更に、各ハウジング２２１０は、異なる数の形成クラスタ２２０２を支持することができる。

【0155】

図２３は、例示的な形成クラスタ２２０２のブロック図である。形成クラスタ２２０２は、バッテリコネクタ２３００と、充電モジュール２３０２と、事前リチウム化モジュール２３０４（緩衝モジュールと称されることもある）と、放電モジュール２３０６と、通信インターフェース２３０８と、形成クラスタコントローラ２３１０と、電力接続部２３１２と、電源ユニット（ＰＳＵ）２３１３と、センサ２３１４と、を含む。

【0156】

バッテリコネクタ２３００は、形成クラスタ２２０２を二次バッテリ１００に接続する。バッテリコネクタ２３００は、バッテリ１００上の同様のコネクタと嵌合するように構成されたコネクタ、クランプコネクタ（ワニ口クリップなど）、バッテリ１００及び形成クラスタ２２０２にはんだ付け又は溶接されたワイヤなどを含む、二次バッテリ１００への接続に好適な任意のコネクタであり得る。バッテリコネクタ２３００は、二次バッテリ１００の陽極及び陰極に接続するように構成される。一部の実施形態では、バッテリコネクタ２３００はまた、形成クラスタ２２０２を補助極５０２に電気的に接続する。他の実施形態では、形成クラスタ２２０２は、形成クラスタ２２０２を補助極５０２に電気的に接続する、事前リチウム化コネクタと称される別個のコネクタを含む。一部の実施形態では、形成クラスタ２２０２は、２つ以上のバッテリコネクタ２３００を含み、各バッテリコネクタ２３００は、形成クラスタ２２０２のモジュール（例えば、充電モジュール２３０２、事前リチウム化モジュール２３０４、及び放電モジュール２３０６）のうちの別個の１つに接続される。

【0157】

充電モジュール２３０２は、バッテリコネクタ２３００に接続され、バッテリコネクタ２３００に接続された二次バッテリ１００を充電するように構成される。事前リチウム化モジュール２３０４は、バッテリコネクタ２３００に接続され、リチウムキャリアイオンを二次バッテリ１００の電極活性材料層（例えば、陰極活性材料層１０６及び／又は陽極活性材料層１０４）に拡散させるように構成される。放電モジュール２３０６は、バッテリコネクタ２３００に接続され、二次バッテリ１００を放電するように構成される。

【0158】

通信インターフェース２３０８は、形成クラスタ２２０２を中央コントローラ２２０４に接続する。通信インターフェース２３０８は、コントローラ２３１０が直接又はネットワークを介して中央コントローラ２２０４と通信することを可能にする任意の有線又は無線通信インターフェースであってもよい。無線通信インターフェース２３０８は、無線周波数（ＲＦ）トランシーバ、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）アダプタ、Ｗｉ－Ｆｉトランシーバ、ＺｉｇＢｅｅ（登録商標）トランシーバ、赤外線（ＩＲ）トランシーバ、並びに／又は無線通信のための任意の他のデバイス及び通信プロトコル接続を含み得る。（Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈは、ワシントン州カークランドのＢｌｕｅｔｏｏｔｈ Ｓｐｅｃｉａｌ Ｉｎｔｅｒｅｓｔ Ｇｒｏｕｐの登録商標であり、ＺｉｇＢｅｅは、カリフォルニア州サンラモンのＺｉｇＢｅｅ Ａｌｌｉａｎｃｅの登録商標である。）有線通信インターフェース２３０８は、ＵＳＢ、ＲＳ２３２、Ｉ２Ｃ、ＳＰＩ、アナログ、及び独自のＩ／Ｏプロトコルを含むがこれらに限定されない、直接通信のための任意の好適な有線通信プロトコルを使用することができる。一部の実施形態では、有線通信インターフェース２３０８は、コントローラ２３１０が、ネットワークを介して遠隔デバイス及びシステムと通信するために、インターネット、ローカルエリアネットワーク（ＬＡＮ）、広域通信網（ＷＡＮ）、メッシュネットワーク、及び／又は任意の他のネットワークなどのネットワークに結合されることを可能にする、有線ネットワークアダプタを含む。

【0159】

形成クラスタコントローラ２３１０は、本明細書に記載されるように動作するように形成クラスタ２２０２の動作を制御する。形成クラスタコントローラ２３１０は、プロセッサ２３１６及びメモリ２３１８を含む。プロセッサ２３１６は、マイクロコントローラ、マイクロコンピュータ、マイクロプロセッサ、縮小命令セット回路（ＲＩＳＣ）、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、プログラマブル論理回路（ＰＬＣ）、及び本明細書で説明する機能を実行することが可能な任意の他の回路又はプロセッサを含む、任意のプログラマブルシステムである。メモリ２３１８は、本明細書で説明されるように、形成クラスタ２２０２の制御のためにプロセッサ２３１６によって実行可能なコンピュータ可読命令を記憶する。メモリ２３１８は、限定はしないが、ダイナミックＲＡＭ（ＤＲＡＭ）又はスタティックＲＡＭ（ＳＲＡＭ）などのランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、消去可能プログラマブル読み出し専用メモリ（ＥＰＲＯＭ）、電気的消去可能プログラマブル読み出し専用メモリ（ＥＥＰＲＯＭ）、及び不揮発性ＲＡＭ（ＮＶＲＡＭ）を含む、任意の好適なタイプのメモリであり得る。一部の実施形態では、プロセッサ２３１６及びメモリ２３１８は両方とも、マイクロコントローラ内に具現化される一方、他の実施形態では、プロセッサ２３１６及びメモリ２３１８は、別個の構成要素である。

【0160】

例示的な実施形態では、形成クラスタコントローラ２３１０は、モジュール２３０２、２３０４、及び２３０６の各々を直接制御するように（メモリ２３１８に記憶された命令によって）プログラムされる。すなわち、形成クラスタコントローラ２３１０は、二次バッテリ１００を充電するように充電モジュール２３０２を制御し、二次バッテリ１００を事前リチウム化（緩衝とも称される）するように事前リチウム化モジュール２３０４を制御し、二次バッテリ１００を放電するように放電モジュール２３０６を制御するようにプログラムされる。形成クラスタコントローラ２３１０はまた、モジュール２３０２、２３０４、及び２３０６の各々をいつ使用するかなど、形成プロセス全体を制御するようにプログラムされる。

【0161】

他の実施形態では、モジュール２３０２、２３０４、及び２３０６のうちの１つ以上は、それ自体のモジュールコントローラ（プロセッサ及びメモリを有する）を含む。かかる実施形態では、形成クラスタコントローラ２３１０は、形成プロセス全体を制御するが、モジュールコントローラは、それらのモジュールの特定のタスクを制御する。例えば、形成クラスタコントローラ２３１０は、充電モジュール２３０２に二次バッテリ１００を充電するように命令してもよく、次いで、充電モジュール２３０２内のモジュールコントローラは、充電モジュールのモジュールコントローラのメモリ内に記憶された命令に従って、充電モジュール２３０２を制御し、二次バッテリ１００を充電する。

【0162】

更なる実施形態では、形成クラスタ２２０２は、形成クラスタコントローラ２３１０を含まない。むしろ、モジュール２３０２、２３０４、及び２３０６の各々は、それ自体のモジュールコントローラを含む。かかる実施形態では、中央コントローラ２２０４は、形成プロセス全体を制御し、通信インターフェース２３０８を通してモジュールコントローラに命令を送信する。かかる実施形態では、形成クラスタ２２０２内の複数のモジュールコントローラは、分散型形成クラスタコントローラ２３１０とみなすことができる。

【0163】

種々のレベルの相互作用及び制御が、異なる実施形態では、中央コントローラ２２０４及び形成クラスタコントローラ２３１０によって実施され得る。例えば、一部の実施形態では、中央コントローラ２２０４は、単に、命令を形成クラスタ２２０２に送信し、形成プロセスを開始する。次いで、命令に応答して、形成クラスタコントローラ２３１０は、モジュール２３０２、２３０４、及び２３０６を制御して、形成プロセスを実施する。代替的に、命令に応答して、形成クラスタコントローラ２３１０は、モジュール２３０２、２３０４、及び２３０６に、それらのそれぞれの機能を適切な時間に実施するように命令してもよい。他の実施形態では、中央コントローラ２２０４は、形成プロセスの個々の部分（例えば、「ここでバッテリを充電する」）を実施するように、形成クラスタ２２０２に命令を送信し、形成クラスタコントローラ２３１０又はモジュールコントローラは、中央コントローラ２２０４によって命令されたタスクを実施する。一部の実施形態では、中央コントローラ２２０４は、制御アルゴリズムを送信することを含む、形成タスクのうちの１つ以上をどのように実施するかについての命令を形成クラスタ２２０２に送信することができる。一部の実施形態では、形成クラスタコントローラ２３１０又はモジュールコントローラは、同じタスク（例えば、急速充電、低速充電、休止期間を伴う充電など）を行う複数の方式のための命令を記憶してもよく、中央コントローラの命令は、どの方法を使用するかを形成クラスタ２２０２に命令してもよい。

【0164】

一部の実施形態では、中央コントローラ２２０４は、形成クラスタコントローラ２３１０又はモジュールコントローラのプログラミングをプログラム又は更新することができる。例えば、中央コントローラ２２０４は、制御アルゴリズムを形成クラスタ２２０２に送信することができ、形成クラスタコントローラ２３１０及び／又はモジュールコントローラは、制御アルゴリズムをそれぞれのメモリに記憶することができる。他の実施形態では、中央コントローラ２２０４は、変数の変更、タイミングの変更などの、形成クラスタ２２０２に既に記憶されている制御アルゴリズムの修正を送信することができる。次いで、形成クラスタコントローラ２３１０又はコントローラモジュールは、形成プロセスで使用するための修正をメモリ内に記憶する。

【0165】

形成クラスタコントローラ２３１０はまた、一部の実施形態では、情報を中央コントローラ２２０４に返信する。中央コントローラ２２０４に送信される情報は、命令が受信されたという確認、命令されたプロセスが開始したという確認、実施されている動作の状態、センサ２３１４から収集されたデータ、又は任意の他の好適な情報を含み得る。

【0166】

電力接続部２３１２は、形成クラスタ２２０２を電源２２０８に接続する。電力接続部２３１２は、電源２２０８の嵌合ソケットに挿入するように構成されたプラグ、電源２２０８にはんだ付け又は溶接されたワイヤ、電源２２０８の端子又はワイヤにクランプするためのクランプコネクタなどを含む、電源２２０８への接続に好適な任意のコネクタとすることができる。ＰＳＵ２３１３は、形成プロセスで使用するために、電源２２０８からの電力を形成クラスタ２２０２の残りの部分に変換及び／又は分配する。ＰＳＵ２３１３は、ＡＣ／ＤＣ電力変換器、ＤＣ／ＤＣ電力変換器、インバータ、又は電力を変換し、かつ／若しくは電力を形成クラスタ２２０２に分配するのに好適な任意の他のユニットであり得る。一部の実施形態は、ＰＳＵを含まず、電源２２０８からの電力を直接利用する。

【0167】

センサ２３１４は、形成プロセスにとって重要な変数を監視することができる任意のセンサである。例えば、センサ２３１４は、二次バッテリ１００の電圧を監視するための電圧センサ、形成クラスタ２２０２の周囲の温度を監視するための周囲温度センサ、バッテリ１００又は形成クラスタ２２０２の構成要素の温度を監視するための温度センサ、バッテリ１００の中に、そこから、又はそれを通して流動する電流を監視するための電流センサなどであってもよい。一部の実施形態は、前述のセンサの組み合わせを含む、２つ以上のセンサ２３１４を含む。更に、一部のセンサ２３１４は、上述の監視タスクのうちの２つ以上を実施することができる。

【0168】

セル形成システム２２００のモジュール式及び分散型の性質は、システムが所望に応じて容易に拡張又は収縮されることを可能にする。設定された数のバッテリを一度に形成するように構成された従来の集中型システムとは異なり、システム２２００は、単により多くの形成クラスタ２２０２を追加する（わずか１つの追加のバッテリだけバッテリの数を増加させることを含む）ことによって、任意の数のバッテリに拡張することができる。従来の集中型システムでは、形成されるバッテリの数の増加は、追加のシステムの取得と、（取得される集中型システムのサイズ及び構成によって決定される）ある設定された数のバッテリの増加とを必要としている。更に、集中型システムは、典型的には、制御された電力及び通信を追加のバッテリに提供するために、各追加のバッテリに対してかなりの追加の配線を走らせることを必要としている。対照的に、セル形成システム２２００は、追加の形成クラスタ２２０２を電源及び既存の通信ネットワークに接続することのみを必要とする。システム２２００内の形成クラスタ２２０２は、中央コントローラ２２０４が各形成クラスタ２２０２の構成を知っている限り、全て同じである必要はない。更に、中央コントローラ２２０４又は形成クラスタコントローラ２３１０が、どの二次バッテリ１００が形成クラスタ２２０２に接続されているかを知っている限り、システム２２００内の形成クラスタ２２０２を使用して、異なる時間に又は同時に、異なるバッテリを形成することができる。

【0169】

図２４は、形成クラスタ２２０２で使用するための例示的な事前リチウム化モジュール２３０４のブロック図である。上述したように、事前リチウム化モジュール２３０４は、リチウムを二次バッテリ１００の電極活性材料層（例えば、陰極活性材料層１０６及び／又は陽極活性材料層１０４）に拡散させるように構成される。事前リチウム化モジュール２３０４は、スイッチトキャパシタ回路２４００と、事前リチウム化モジュールコントローラ２４０２と、バッテリコネクタ２４０４と、事前リチウム化コネクタ２４０６と、通信インターフェース２４０８と、を含む。

【0170】

スイッチトキャパシタ回路２４００は、スイッチト抵抗器－キャパシタネットワークである。スイッチトキャパシタ回路２４００は、図２５を参照して以下でより詳細に説明される。概して、第１の段階では、回路２４００に電流を流してキャパシタネットワークを充電し、次いで、第２の段階では、キャパシタネットワークに蓄積されたエネルギーを、放電抵抗器を介して放電し、熱として放出する。事前リチウム化モジュール２３０４において、キャパシタネットワークを充電するために流される電流は、補助極５０２から二次バッテリ１００の電極活性材料層にリチウムを拡散させるための、補助極５０２と二次バッテリ１００の一方の極との間の電流である。

【0171】

事前リチウム化モジュールコントローラ２４０２は、事前リチウム化モジュール２３０４の動作を制御して、補助極５０２に選択的に電流を流して二次バッテリ１００の電極活性材料層にリチウムを拡散させることにより、二次バッテリ１００を事前リチウム化する。事前リチウム化モジュールコントローラ２４０２は、プロセッサ２４１０及びメモリ２４１２を含む。メモリ２４１２は、プロセッサ２４１０によって実行されると、プロセッサ２４１０に本明細書に記載されるような事前リチウム化を実施させる命令を記憶する。プロセッサ２４１０は、マイクロコントローラ、マイクロコンピュータ、マイクロプロセッサ、縮小命令セット回路（ＲＩＳＣ）、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、プログラマブル論理回路（ＰＬＣ）、及び本明細書で説明する機能を実行することが可能な任意の他の回路又はプロセッサを含む、任意のプログラマブルシステムである。メモリ２４１２は、限定はしないが、ダイナミックＲＡＭ（ＤＲＡＭ）又はスタティックＲＡＭ（ＳＲＡＭ）などのランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、消去可能プログラマブル読み出し専用メモリ（ＥＰＲＯＭ）、電気的消去可能プログラマブル読み出し専用メモリ（ＥＥＰＲＯＭ）、及び不揮発性ＲＡＭ（ＮＶＲＡＭ）など、任意の好適なタイプのメモリであり得る。一部の実施形態では、プロセッサ２４１０及びメモリ２４１２は、両方とも、マイクロコントローラ内に具現化される一方、他の実施形態では、プロセッサ及びメモリは、別個の構成要素である。

【0172】

バッテリコネクタ２４０４は、事前リチウム化モジュール２３０４を二次バッテリ１００に接続する。バッテリコネクタ２４０４は、バッテリコネクタ２３００であってもよく、又は事前リチウム化モジュール２３０４のみに接続された別個のバッテリコネクタであってもよい。バッテリコネクタ２４０４は、バッテリ１００上の同様のコネクタと嵌合するように構成されたコネクタ、クランプコネクタ（ワニ口クリップなど）、バッテリ１００及び事前リチウム化モジュール２３０４にはんだ付け又は溶接されたワイヤなどを含む、二次バッテリ１００への接続に好適な任意のコネクタであり得る。バッテリコネクタ２４０４は、二次バッテリ１００の陽極及び陰極に接続するように構成される。

【0173】

事前リチウム化コネクタ２４０６は、事前リチウム化モジュール２３０４を二次バッテリ１００の補助極５０２に接続する。事前リチウム化コネクタ２４０４は、バッテリ１００上の同様のコネクタと嵌合するように構成されたコネクタ、クランプコネクタ（ワニ口クリップなど）、バッテリ１００及び事前リチウム化モジュール２３０４にはんだ付け又は溶接されたワイヤなどを含む、二次バッテリ１００への接続に好適な任意のコネクタであり得る。一部の実施形態では、事前リチウム化コネクタ２４０６は、バッテリコネクタ２３００の一部である。

【0174】

通信インターフェース２４０８は、事前リチウム化モジュール２３０４を中央コントローラ２２０４に接続する。通信インターフェース２４０８は、通信インターフェース２３０８であってもよく、又は別個の通信インターフェースであってもよい。通信インターフェース２４０８は、事前リチウム化モジュール２３０４が中央コントローラ２２０４と直接通信することを可能にし得るか、又は事前リチウム化モジュール２３０４が、例えば、形成クラスタコントローラ２３１０を介して、中央コントローラ２２０４と間接的に通信することを可能にし得る。通信インターフェース２４０８は、コントローラ２４０２が直接又はネットワークを介して通信中央コントローラ２２０４と通信することを可能にする任意の有線又は無線通信インターフェースであってもよい。無線通信インターフェース２４０８は、無線周波数（ＲＦ）トランシーバ、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）アダプタ、Ｗｉ－Ｆｉトランシーバ、ＺｉｇＢｅｅ（登録商標）トランシーバ、赤外線（ＩＲ）トランシーバ、並びに／又は無線通信のための任意の他のデバイス及び通信プロトコル接続を含み得る。（Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈは、ワシントン州カークランドのＢｌｕｅｔｏｏｔｈ Ｓｐｅｃｉａｌ Ｉｎｔｅｒｅｓｔ Ｇｒｏｕｐの登録商標であり、ＺｉｇＢｅｅは、カリフォルニア州サンラモンのＺｉｇＢｅｅ Ａｌｌｉａｎｃｅの登録商標である。）有線通信インターフェース２４０８は、ＵＳＢ、ＲＳ２３２、Ｉ２Ｃ、ＳＰＩ、アナログ、及び独自のＩ／Ｏプロトコルを含むがこれらに限定されない、直接通信のための任意の好適な有線通信プロトコルを使用することができる。一部の実施形態では、有線通信インターフェース２３０８は、コントローラ２４０２が、ネットワークを介して遠隔デバイス及びシステムと通信するために、インターネット、ローカルエリアネットワーク（ＬＡＮ）、広域通信網（ＷＡＮ）、メッシュネットワーク、及び／又は任意の他のネットワークなどのネットワークに結合されることを可能にする、有線ネットワークアダプタを含む。

【0175】

図２５は、二次バッテリ１００に接続されたスイッチトキャパシタ回路２４００の例示的な実施形態の簡略化された回路図である。スイッチトキャパシタ回路２４００は、マイクロコントローラ２５００と、蓄積キャパシタ２５０２と、放電抵抗器２５０４と、第１のスイッチ２５０６と、第２のスイッチ２５０８と、を含む。

【0176】

マイクロコントローラ２５００は、そのメモリに記憶された制御アルゴリズムに従ってスイッチトキャパシタ回路２４００を制御する。例示的な実施形態では、マイクロコントローラ２５００は、事前リチウム化モジュールコントローラ２４０２でもある。他の実施形態では、事前リチウム化モジュールコントローラ２４０２は、マイクロコントローラ２５００とは別個である。例示的な実施形態では、マイクロコントローラは、米国アリゾナ州チャンドラーのＭｉｃｒｏｃｈｉｐ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｉｎｃ．のＰＩＣ １６Ｆ１５３２３マイクロコントローラである。他の実施形態では、任意の他の好適なマイクロコントローラが使用されてもよい。この実施形態では、マイクロコントローラ５０２は、ＰＳＵ２３１３を介して電源２２０８によって電力供給される。

【0177】

マイクロコントローラ２５００は、第１のスイッチ２５０６及び第２のスイッチ２５０８を制御することによって、補助極５０２を通して電流を選択的に伝導させることによって、二次バッテリ１００の事前リチウム化を制御する。第１のスイッチ２５０６は、Ｎチャネルエンハンスメントモード金属酸化物半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）であり、第２のスイッチ２５０８は、ＰチャネルエンハンスメントモードＭＯＳＦＥＴである。他の実施形態は、任意の他の好適なスイッチを使用してもよい。第１のスイッチ２５０６を閉じ、第２のスイッチ２５０４を開くことによって、マイクロコントローラ２５００は、二次バッテリ１００の陰極バスバー１１２から第１のスイッチ２５０６を通って補助極５０２に至る第１の電流経路を形成する。第１の電流経路は、蓄積キャパシタ２５０２を含む。第１の電流経路に電流が流れると、補助極５０２から二次バッター１００の電極活性材料層にリチウムが拡散し、蓄積キャパシタ２５０２にエネルギーが蓄積される。次に、マイクロコントローラ２５００は、第２のスイッチ２５０８を閉じ、第１のスイッチ２５０６を開いて、第２の電流経路を確立する。第２の電流経路は、蓄積キャパシタ２５０２、放電抵抗器２５０４、及び第２のスイッチ２５０８を含む。電流が第２の電流経路を通って流れると、キャパシタ２５０２に蓄積されたエネルギーは、放電抵抗器２５０４を介して放電され、熱として放出される。

【0178】

本実施形態では、リチウムは、補助極５０２から二次バッテリ１００の正極の活性材料層に移動する。他の実施形態では、第１の電流ループが陰極バスバー１１２の代わりに陽極バスバー１１０を含むようにスイッチトキャパシタ回路２４００を接続することによって、拡散は、二次バッテリ１００の負極の活性材料層に対するものである。なおも他の実施形態では、スイッチトキャパシタ回路２４００は、一方が陽極バスバー１１０を含み、他方が陰極バスバー１１２を含む２つの第１の電流ループが存在するように複製されてもよい。かかる実施形態は、二次バッテリ１００及び補助極５０２への接続を再構成するために形成プロセスを停止する必要なく、かつ２つの別個の事前リチウム化モジュール２３０４を使用する必要なく、単一の事前リチウム化モジュール２３０４が補助極５０２から二次バッテリ１００の正極及び負極の活性材料層にリチウムを移動させることを可能にする。

【0179】

スイッチトキャパシタ回路２４００を使用する二次バッテリ１００の事前リチウム化は、概して、高速で一度に二次バッテリ１００の小さいパケットから電荷を引き出す。したがって、平均電流は、以下によって示されるように、パケット充電／放電の周波数にクーロン単位のパケットサイズを掛けたものに等しい。

【0180】

【数1】

移動する総電荷は、全ての電荷パケットの和であり、以下の式で与えられる。

【0181】

【数2】

【0182】

スイッチトキャパシタ回路２４００を制御するために、マイクロコントローラ２５００は、第１のスイッチ２５０６及び第２のスイッチ２５０８へのパルス周波数変調（ＰＦＭ）制御信号を使用する。ＰＦＭは、固定された幅を有するパルス（すなわち、各パルスが

【0183】

ある時間固定長中オンである）であって、パルス間の時間が可変であるパルスにより記述される。パルス間の時間は、電荷移動のための異なる周波数をもたらすように変更される。

【0184】

パケットが速く移動するほど（すなわち、固定幅パルスの周波数が短く高いほど）、補助極５０２を通って伝導される電流は高くなる。逆に、パルスの周波数が低いほど（すなわち、パルス間の時間が長いほど）、補助極５０２を通って伝導される電流は低くなる。補助極５０２を通して伝導される電流の上限は、スイッチトキャパシタ回路２４００のＲＣ回路要素の整定時間によって決定される。したがって、スイッチ２５０６及び２５０８への制御パルスの周波数を変動させることによって、マイクロコントローラ２５００は、補助極５０２を通して流動する電流を制御することができる。他の実施形態では、マイクロコントローラ２５００は、第１のスイッチ２５０６及び第２のスイッチ２５０８へのパルス幅変調（ＰＷＭ）制御信号を使用する。ＰＷＭ制御では、パルスは固定周波数で発生するが、各パルスの長さを変化させて移動する電荷の量を制御し、電流の量を制御することができる。

【0185】

図２６は、時間の関数としてスイッチ２５０６及び２５０８に印加される一連のＰＦＭ制御パルスのグラフである。図から分かるように、一連のパルスの第１の部分２６００では、固定幅パルスは、一連のパルスの第２の部分２６０２よりも高い周波数で印加される。図２７は、時間の関数として、図２６に示される制御パルスに応答して、補助極５０２を通る結果として生じる電流のグラフである。電流は、第１の部分２６００の間に第１の最大電流２６０４まで鋸歯状パターンで増加する。パルスの周波数が第２の部分２６０２において低減されるとき、補助極５０２を通る電流は、第１の最大電流２６０４よりも低い第２の最大電流２６０６まで減少する。

【0186】

図２８は、二次バッテリ１００に接続されたスイッチトキャパシタ回路２４００の例示的な実装形態の回路図である。同様の構成要素は、図２５の対応する構成要素と参照番号を共有する。この実施形態では、マイクロコントローラ２５００は、ＰＳＵ２３１３ではなく、二次バッテリ１００によって電力供給される。マイクロコントローラ２５００は、アクティブであるときを除くほとんどの状況において、概して５０ｎＡ～１００ｎＡの範囲の小さい漏れを二次バッテリ１００上に提示する。

【0187】

事前リチウム化プロセス中、マイクロコントローラ２５００は、二次バッテリ１００の陰極の電圧Ｖ_ｃ及び補助極５０２における電圧Ｖ_Ｌを監視する。陰極電圧Ｖ_ｃを測定するために、マイクロコントローラ２５００のピンＲＣ３は、この回路の基準点とみなされる二次バッテリ１００の陽極に対してローに駆動される。これにより分圧器が形成され、電圧Ｖ_ｙがマイクロコントローラ２５００のピンＲＡ０で読み出される。次いで、陰極電圧Ｖ_ｃは、マイクロコントローラ２５００によって以下のように計算される。

【0188】

【数3】

補助極ノードにおける電圧Ｖ_Ｌを測定することは、ノードが、マイクロコントローラ２５００のための負の基準である陽極に対して負であり得るため、少し問題が生じる。したがって、マイクロコントローラ２５００のピンＲＣ３は、陰極に対してハイに結合され、この状況における分圧器は、電圧をより高く、理想的には陽極基準よりも高く引き上げる。電圧Ｖ_ｙ及びＶ_ｘは、それぞれピンＲＡ０及びＲＣ２によって読み出される。補助極ノードにおける電圧Ｖ_Ｌは、次のように計算される。

【0189】

【数4】

抵抗器Ｒ１～Ｒ４が全て同じ抵抗値を有する場合、これは以下の極めて簡略化された関係をもたらす。

【0190】

【数5】

及び

【0191】

【数6】

測定していないとき、ピンＲＣ３はＨｉＺ（フローティング）に保たれ、抵抗分割器を通る電流はない。

【0192】

電圧を測定するとき、マイクロコントローラ２５００は、測定の安定性を高めるためにフィルタリングを使用してもよい。例えば、マイクロコントローラ２５００は、測定安定性を向上させるために、デシメーション、非線形ＩＩＲフィルタリング、又はかかる信号処理の一部の組み合わせを使用してもよい。フィルタリングは、データがマイクロコントローラ２５００の管理機能によって消費される前に、分解能を改善し、ノイズを低減することができる。これは、別様で測定に影響を及ぼし得る任意の外部工場ノイズにかかわらず、比較的クリーンな意思決定を提供する。事前リチウム化は、比較的遅いプロセス（しばしば、数十時間を必要とする）であるため、かなり重要な信号処理が、時間に関して多くの懸念なしに使用され得る。

【0193】

図２９～図３１は、二次バッテリ１００の事前リチウム化を実施するためにマイクロコントローラ２５００によって使用される例示的な事前リチウム化プロファイルのグラフである。図２９は、緩衝電流（すなわち、補助極５０２を通る電流）を、二次バッテリ１００の陰極と補助極５０２との間の電圧差（ミリボルト（ｍＶ））の関数として示すグラフである。図３０は、二次バッテリ１００の陰極と補助極５０２との間の電圧差（ｍＶ）の関数としてのパルスの周期を示すグラフである。図３１は、二次バッテリ１００の陰極と補助極５０２との間の電圧差（ｍＶ）の関数としてのパルス数を示すグラフである。当然ながら、容量及び／又は充電上限電圧が異なる二次バッテリ１００に対して、異なるプロファイルを使用してもよい。

【0194】

図２９～図３１に示される事前リチウム化プロファイルは、二次バッテリ１００を事前リチウム化するために、図２５に示されるスイッチトキャパシタ回路２４００の実装形態とともに使用された。このプロセスの結果を図３２及び３３に示している。図３２は、時間の関数としての陰極－陽極間電圧２９００及び陰極－補助極間電圧２９０２のグラフである。図３３は、時間の関数としての緩衝電流のグラフである。

【0195】

本開示の実施形態は、補助極を利用して、二次バッテリの初期形成中又は初期形成後に、キャリアイオンを二次バッテリに移動させるか又は緩衝する。キャリアイオンを二次バッテリに移動させること（事前リチウム化又は緩衝とも称される）は、例えばＳＥＩによる形成中のキャリアイオン損失を軽減し、それによって二次バッテリの容量を改善するという技術的利点を提供する。更に、キャリアイオンを二次バッテリに移動することは、二次バッテリの負極に、二次バッテリの正極クーロン容量を超える追加のキャリアイオンを提供し、それによって、二次バッテリのサイクル寿命にわたって追加のキャリアイオンのリザーバを提供し、キャリアイオンをサイクル中の利用可能性から除去する副反応によるサイクル中のキャリアイオン損失を更に軽減する。負極における追加のキャリアイオンの結果は、１つの放電－充電サイクルから次のサイクルへの二次バッテリにおける容量損失の量を減少させ、それによってサイクル寿命中の二次バッテリの全体的な容量を向上させるという更なる技術的利点を提供する。

【0196】

以下の実施形態は、本開示の種々の態様を例示するために提供される。以下の実施形態は、限定することを意図するものではなく、したがって、本開示は、以下に具体的に提供されない他の態様及び／又は実施形態を更にサポートする。

【0197】

実施形態１．リチウム含有二次バッテリ用の事前リチウム化モジュール。各リチウム含有二次バッテリは、二重層の集団、電極バスバー、対極バスバー、及びリチウムを含有する補助極を含み、二重層の集団の各二重層は、電極構造、セパレータ構造、及び対極構造を含み、二重層集団の各メンバーの電極構造は、電極電流コレクタ及び電極活性材料層を含み、二重層集団の各メンバーの対極構造は、対極電流コレクタ及び対極活性材料層を含む。事前リチウム化モジュールは、スイッチトキャパシタ回路と、スイッチトキャパシタ回路に接続された事前リチウム化モジュールコントローラと、リチウム含有二次バッテリの電極バスバー及び対極バスバーへの電気的接続のためのバッテリコネクタと、リチウム含有二次バッテリの補助極への電気的接続のための事前リチウム化コネクタと、を含む。事前リチウム化モジュールコントローラは、プロセッサ及びメモリを含む。事前リチウム化モジュールコントローラのメモリは、リチウム含有二次バッテリの電極活性材料層にリチウムを拡散させるために、補助極を通して電流を選択的に伝導させるようにスイッチトキャパシタ回路を動作させるように事前リチウム化モジュールコントローラをプログラムする命令を記憶する。

【0198】

実施形態２．命令は、電荷のパルスを使用して、補助極を通して電流を選択的に伝導させるように、事前リチウム化モジュールコントローラをプログラムする、実施形態１に記載の事前リチウム化モジュール。

【0199】

実施形態３．命令は、制御信号パルスを使用して、補助極を通して電流を選択的に伝導させるように、事前リチウム化モジュールコントローラをプログラムし、制御信号パルスは、固定パルス幅を有する、実施形態２に記載の事前リチウム化モジュール。

【0200】

実施形態４．制御信号パルスの周波数は、事前リチウム化モジュールコントローラによって可変である、実施形態３に記載の事前リチウム化モジュール。

【0201】

実施形態５．命令は、制御信号パルスを使用して、補助極を通して電流を選択的に伝導させるように、事前リチウム化モジュールコントローラをプログラムし、制御信号パルスは、可変パルス幅を有し、制御信号パルスの周波数は、固定されている、実施形態２に記載の事前リチウム化モジュール。

【0202】

実施形態６．スイッチトキャパシタ回路は、第１のスイッチと、第２のスイッチと、蓄積キャパシタと、放電抵抗器と、を備える、実施形態１～５のいずれか１つに記載の事前リチウム化モジュール。

【0203】

実施形態７．事前リチウム化モジュールコントローラは、第１のスイッチを閉じ、第２のスイッチを開いて、補助極を通して電流を伝導させ、蓄積キャパシタにエネルギーを蓄積するようにプログラムされている、実施形態６に記載の事前リチウム化モジュール。

【0204】

実施形態８．事前リチウム化モジュールコントローラは、補助極を通して電流を伝導させた後、第１のスイッチを開き、第２のスイッチを閉じて、放電抵抗器を通して蓄積キャパシタに蓄積されたエネルギーを放電するようにプログラムされている、実施形態７に記載の事前リチウム化モジュール。

【0205】

実施形態９．事前リチウム化モジュールコントローラは、バッテリコネクタに接続されたリチウム含有二次バッテリによって電力供給される、実施形態１～８のいずれか１つに記載の事前リチウム化モジュール。

【0206】

実施形態１０．事前リチウム化モジュールコントローラは、マイクロコントローラを含む、実施形態１～９のいずれか１つに記載の事前リチウム化モジュール。

【0207】

実施形態１１．事前リチウム化モジュールコントローラは、中央コントローラに通信可能に結合するための通信インターフェースを備える、実施形態１～１０のいずれか１つに記載の事前リチウム化モジュール。

【0208】

実施形態１２．事前リチウム化モジュールコントローラは、中央コントローラから受信した命令に応答して、リチウム含有二次バッテリの電極活性材料層にリチウムを拡散させるために、補助極を通して電流を選択的に伝導させるようにスイッチトキャパシタ回路を動作させるようにプログラムされている、実施形態１１に記載の事前リチウム化モジュール。

【0209】

実施形態１３．事前リチウム化モジュールコントローラは、中央コントローラから、リチウム含有二次バッテリの電極活性材料層にリチウムを拡散させるために、補助極を通して電流を選択的に伝導させるようにスイッチトキャパシタ回路を動作させるための命令を受信し、命令を事前リチウム化モジュールコントローラのメモリに記憶するようにプログラムされている、実施形態１１又は１２に記載の事前リチウム化モジュール。

【0210】

実施形態１４．リチウム含有二次バッテリ用の事前リチウム化モジュール。各リチウム含有二次バッテリは、二重層の集団、電極バスバー、対極バスバー、及びリチウムを含有する補助極を含み、二重層の集団の各二重層は、電極構造、セパレータ構造、及び対極構造を含み、二重層集団の各メンバーの電極構造は、電極電流コレクタ及び電極活性材料層を含み、二重層集団の各メンバーの対極構造は、対極電流コレクタ及び対極活性材料層を含む。事前リチウム化モジュールは、プロセッサ、メモリ、及び端子の集団を含む事前リチウム化モジュールコントローラと、事前リチウム化モジュールコントローラ、リチウム含有二次バッテリの電極バスバー及び対極バスバー、並びに補助極に接続されたスイッチトキャパシタ回路と、を含む。スイッチトキャパシタ回路は、電極バスバーから補助極への第１の電流経路であって、第１の電流経路は、電流が第１の電流経路を通って伝導されるときにエネルギーを蓄積するための蓄積キャパシタと、第１の電流経路を選択的に開閉するように動作可能な第１のスイッチと、を含む、第１の電流経路と、蓄積キャパシタと、放電抵抗器と、第１の電流経路が開いているときに蓄積キャパシタから放電抵抗器に電流を伝導させるための第２のスイッチと、を含む第２の電流経路であって、第２のスイッチは、第２の電流経路を選択的に開閉するように動作可能である、第２の電流経路と、を含む。第１のスイッチ及び第２のスイッチは、事前リチウム化モジュールコントローラの端子の集団のうちの１つ以上の端子に接続され、事前リチウム化モジュールコントローラのメモリは、リチウム含有二次バッテリの電極活性材料層にリチウムを拡散させるために、補助極を通して電流を選択的に伝導させるように、第１のスイッチ及び第２のスイッチを制御するように事前リチウム化モジュールコントローラをプログラムする命令を記憶する。

【0211】

実施形態１５．命令は、第１のスイッチ及び第２のスイッチを制御信号パルスで制御して、電荷のパルスを使用して、補助極を通して電流を選択的に伝導させるように、事前リチウム化モジュールコントローラをプログラムし、制御信号パルスは、固定パルス幅を有する、実施形態１４に記載の事前リチウム化モジュール。

【0212】

実施形態１６．命令は、制御信号パルスを使用して、第１のスイッチ及び第２のスイッチを制御するように事前リチウム化モジュールコントローラをプログラムする、実施形態１４に記載の事前リチウム化モジュール。

【0213】

実施形態１７．制御信号パルスは、固定パルス幅を有する、実施形態１６に記載の事前リチウム化モジュール。

【0214】

実施形態１８．制御信号パルスの周波数は、事前リチウム化モジュールコントローラによって可変である、実施形態１５又は１６に記載の事前リチウム化モジュール。

【0215】

実施形態１９．制御信号パルスは、可変パルス幅を有し、制御信号パルスの周波数は、固定されている、実施形態１６に記載の事前リチウム化モジュール。

【0216】

実施形態２０．事前リチウム化モジュールコントローラは、リチウム含有二次バッテリによって電力供給される、実施形態１４～１９のいずれか１つに記載の事前リチウム化モジュール。

【0217】

実施形態２１．事前リチウム化モジュールコントローラは、マイクロコントローラを含む、実施形態１４～２０のいずれか１つに記載の事前リチウム化モジュール。

【0218】

実施形態２２．事前リチウム化モジュールコントローラは、中央コントローラに通信可能に結合するための通信インターフェースを備える、実施形態１４～２１のいずれか１つに記載の事前リチウム化モジュール。

【0219】

実施形態２３．事前リチウム化モジュールコントローラは、中央コントローラから受信した命令に応答して、リチウム含有二次バッテリの電極活性材料層にリチウムを拡散させるために、補助極を通して電流を選択的に伝導させるように、スイッチトキャパシタ回路を動作させるようにプログラムされている、実施形態２２に記載の事前リチウム化モジュール。

【0220】

実施形態２４．事前リチウム化モジュールコントローラは、中央コントローラから、リチウム含有二次バッテリの電極活性材料層にリチウムを拡散させるために、補助極を通して電流を選択的に伝導させるようにスイッチトキャパシタ回路を動作させるための命令を受信し、命令を事前リチウム化モジュールコントローラのメモリに記憶するようにプログラムされている、実施形態２２又は２３に記載の事前リチウム化モジュール。

【0221】

実施形態２５．補助極は、イオン透過性材料を含む第１のセパレータ層と、導電性材料を含む導電層であって、第１のセパレータ層に接触する第１の表面と、第１の表面の反対側の第２の表面と、を有する、導電層と、導電層の第２の表面上に配設されたキャリアイオン供給層の集団であって、各キャリアイオン供給層は、リチウム含有二次バッテリの電極活性材料層にリチウムイオンを供給する材料を含む、キャリアイオン供給層の集団と、イオン透過性材料を含み、キャリアイオン供給層と接触している第２のセパレータ層と、を含む、前述の実施形態のいずれか１つに記載の事前リチウム化モジュール。

【0222】

実施形態２６．導電層の第２の表面は、導電層の第１の端部に配設された第１の領域と、第１の端部の反対側の導電層の第２の端部に配設された第２の領域と、第１の領域と第２の領域との間に配設された第３の領域と、を含み、キャリアイオン供給層の１つは、第１の領域内に配設され、キャリアイオン供給層の別の１つは、第２の領域内に配設されている、実施形態２５に記載の事前リチウム化モジュール。

【0223】

実施形態２７．第２のセパレータ層は、導電層の第２の表面の第３の領域と接触している、実施形態２６に記載の事前リチウム化モジュール。

【0224】

実施形態２８．第１の領域、第２の領域、及び第３の領域は、導電層の長さにわたって配設されている、実施形態２６又は２７に記載の事前リチウム化モジュール。

【0225】

実施形態２９．第１のセパレータ層及び第２のセパレータ層は、第１のセパレータ層及び第２のセパレータ層の周囲の少なくとも一部分の周りで一緒に機械的に接合されている、実施形態２５～２８のいずれか１つに記載の事前リチウム化モジュール。

【0226】

実施形態３０．第１のセパレータ層及び第２のセパレータ層は、連続セパレータ材料から形成され、第１のセパレータ層は、連続セパレータ材料の第１の部分を含み、第２のセパレータ層は、連続セパレータ材料の第２の部分を含み、第２の部分は、キャリアイオン供給層の表面に接触するように第１の部分の上に折り畳まれる、実施形態２５～２９のいずれか１つに記載の事前リチウム化モジュール。

【0227】

実施形態３１．連続セパレータ材料は、約０．０１ミリメートル～約１ミリメートルの範囲の厚さを有する、実施形態３０に記載の事前リチウム化モジュール。

【0228】

実施形態３２．連続セパレータ材料の厚さは、約０．０２５ミリメートルである、実施形態３１に記載の事前リチウム化モジュール。

【0229】

実施形態３３．第１のセパレータ層及び第２のセパレータ層は、約０．０１ミリメートル～約１ミリメートルの値の範囲内の厚さを有する、実施形態２５～３２のいずれか１つに記載の事前リチウム化モジュール。

【0230】

実施形態３４．第２のセパレータ層の厚さは、約０．０２５ミリメートルである、実施形態２５～３３のいずれか１つに記載の事前リチウム化モジュール。

【0231】

実施形態３５．導電層は、銅及びアルミニウム、又は銅及びアルミニウムの合金のうちの１つを含む、実施形態２５～３４のいずれか１つに記載の事前リチウム化モジュール。

【0232】

実施形態３６．導電層は、銅を含む、実施形態２５～３５のいずれか１つに記載の事前リチウム化モジュール。

【0233】

実施形態３７．導電層は、約０．０１ミリメートル～約１ミリメートルの値の範囲内の厚さを有する、実施形態２５～３６のいずれか１つに記載の事前リチウム化モジュール。

【0234】

実施形態３８．導電層は、約０．１ミリメートルの厚さを有する、実施形態２５～３７のいずれか１つに記載の事前リチウム化モジュール。

【0235】

実施形態３９．キャリアイオン供給層は、約０．０５ミリメートル～約１ミリメートルの値の範囲内の厚さを有する、実施形態２５～３８のいずれか１つに記載の事前リチウム化モジュール。

【0236】

実施形態４０．キャリアイオン供給層は、約０．１５ミリメートルの厚さを有する、実施形態２５～３９のいずれか１つに記載の事前リチウム化モジュール。

【0237】

実施形態４１．キャリアイオン供給層は、リチウムイオンの供給源を提供する、実施形態２５～４０のいずれか１つに記載の事前リチウム化モジュール。

【0238】

実施形態４２．キャリアイオン供給層は、導電層の第２の表面に冷間溶接される、実施形態２５～４１のいずれか１つに記載の事前リチウム化モジュール。

【0239】

実施形態４３．補助極は、導電性材料を含み、導電層の第２の表面に結合された導電性タブを含む、実施形態２５～４２のいずれか１つに記載の事前リチウム化モジュール。

【0240】

実施形態４４．導電性タブは、導電層に結合された第１の端部と、導電層から離れて突出する、第１の端部に対して遠位の第２の端部と、を含む、実施形態４３に記載の事前リチウム化モジュール。

【0241】

実施形態４５．導電性タブは、ニッケル、銅、及びアルミニウム、又は銅、ニッケル、及びアルミニウムの合金のうちの１つを含む、実施形態４３又は４４に記載の事前リチウム化モジュール。

【0242】

実施形態４６．導電性タブは、ニッケルを含む、実施形態４３又は４４の事前リチウム化モジュール。

【0243】

実施形態４７．電極構造は、正極及び負極のうちの一方であり、対極構造が、正極及び負極のうちの他方であり、正極は、正極クーロン容量を有し、負極は、正極クーロン容量を超える負極クーロン容量を有する、前述の実施形態のいずれか１つに記載の事前リチウム化モジュール。

【0244】

実施形態４８．負極クーロン容量の正極クーロン容量に対する比は、少なくとも１．２：１である、実施形態４７に記載の事前リチウム化モジュール。

【0245】

実施形態４９．負極クーロン容量の正極クーロン容量に対する比は、少なくとも１．３：１である、実施形態４７に記載の事前リチウム化モジュール。

【0246】

実施形態５０．負極クーロン容量の正極クーロン容量に対する比は、少なくとも１．５：１である、実施形態４７に記載の事前リチウム化モジュール。

【0247】

実施形態５１．負極クーロン容量の正極クーロン容量に対する比は、少なくとも２：１である、実施形態４７に記載の事前リチウム化モジュール。

【0248】

実施形態５２．負極クーロン容量の正極クーロン容量に対する比は、少なくとも３：１である、実施形態４７に記載の事前リチウム化モジュール。

【0249】

実施形態５３．負極クーロン容量の正極クーロン容量に対する比は、少なくとも４：１である、実施形態４７に記載の事前リチウム化モジュール。

【0250】

実施形態５４．負極クーロン容量の正極クーロン容量に対する比は、少なくとも５：１である、実施形態４７に記載の事前リチウム化モジュール。

【0251】

実施形態５５．補助極のクーロン容量の正極クーロン容量に対する比は、少なくとも２：１である、実施形態４７～５４のいずれか１つに記載の事前リチウム化モジュール。

【0252】

実施形態５６．補助極のクーロン容量の正極クーロン容量に対する比は、少なくとも３：１である、実施形態４７～５４のいずれか１つに記載の事前リチウム化モジュール。

【0253】

実施形態５７．補助極のクーロン容量の正極クーロン容量に対する比は、少なくとも４：１である、実施形態４７～５４のいずれか１つに記載の事前リチウム化モジュール。

【0254】

実施形態５８．補助極のクーロン容量の正極クーロン容量に対する比は、少なくとも５：１である、実施形態４７～５４のいずれか１つに記載の事前リチウム化モジュール。

【0255】

実施形態５９．リチウム含有二次バッテリの電極活性材料層又は対極活性材料層は、陽極活性ケイ素又はその合金を含む、前述の実施形態のいずれか１つに記載の事前リチウム化モジュール。

【0256】

実施形態６０．リチウム含有二次バッテリの電極活性材料層又は対極活性材料層は、ケイ素を含む陽極活性材料を含み、リチウム含有二次バッテリの充電及び放電サイクル中にリチウムイオンが電極活性材料層又は対極活性材料層に組み込まれるか又は電極活性材料層又は対極活性材料層から離れるときの体積膨張及び収縮に適応するための空隙体積分率を含有する、前述の実施形態のいずれか１つに記載の事前リチウム化モジュール。

【0257】

実施形態６１．陽極活性材料の空隙体積分率は、少なくとも０．１である、実施形態６０に記載の事前リチウム化モジュール。

【0258】

実施形態６２．陽極活性材料の空隙体積分率は、０．８以下である、実施形態６０に記載の事前リチウム化モジュール。

【0259】

実施形態６３．陽極活性材料の空隙体積分率は、約０．１５～約０．７５である、実施形態６０に記載の事前リチウム化モジュール。

【0260】

実施形態６４．陽極活性材料の空隙体積分率は、約０．２～約０．７である、実施形態６０に記載の事前リチウム化モジュール。

【0261】

実施形態６５．陽極活性材料の空隙体積分率は、約０．２５～約０．６である、実施形態６０に記載の事前リチウム化モジュール。

【0262】

実施形態６６．陽極活性材料は、マクロ多孔質、微多孔質、若しくはメソ多孔質の材料層、又はそれらの組み合わせを含む、実施形態６０に記載の事前リチウム化モジュール。

【0263】

実施形態６７．セパレータ構造は、電極構造と対極構造との間に、電解質が浸透した微多孔質セパレータを含む、前述の実施形態のいずれか１つに記載の事前リチウム化モジュール。

【0264】

実施形態６８．セパレータ又は電解質は、ＰＥＯ系ポリマー電解質、ポリマー－セラミック複合電解質、ポリマー－セラミック複合電解質、及びポリマー－セラミック複合電解質の１つ以上から選択されるポリマー系電解質を含む、実施形態６７に記載の事前リチウム化モジュール。

【0265】

実施形態６９．セパレータ又は電解質は、チタン酸ランタンリチウム（Ｌｉ_０．３４Ｌａ_０．５６ＴｉＯ_３）、Ａｌドープランタンジルコン酸リチウム（Ｌｉ_６．２４Ｌａ_３Ｚｒ_２Ａｌ_０．２４Ｏ_{１１．９８}）、Ｔａドープランタンジルコン酸リチウム（Ｌｉ_６．４Ｌａ_３Ｚｒ_１．４Ｔａ_０．６Ｏ_１２）、及びリン酸アルミニウムチタンリチウム（Ｌｉ_１．４Ａｌ_０．４Ｔｉ_１．６（ＰＯ_４）_３）のうちの１つ以上から選択される酸化物系電解質を含む、実施形態６７又は６８に記載の事前リチウム化モジュール。

【0266】

実施形態７０．セパレータ又は電解質は、スズリン硫化リチウム（Ｌｉ_１０ＳｎＰ_２Ｓ_１２）、硫化リチウムリン（β－Ｌｉ_３ＰＳ_４）、及び塩化硫化リチウム（Ｌｉ_６ＰＳ_５Ｃｌ_０．９Ｉ_０．１）のうちの１つ以上から選択される固体電解質を含む、実施形態６７～６９のいずれか１つに記載の事前リチウム化モジュール。

【0267】

実施形態７１．セパレータ又は電解質は、固体リチウムイオン伝導性セラミックを含む、実施形態６７～７０のいずれか１つに記載の事前リチウム化モジュール。

【0268】

実施形態７２．セパレータ又は電解質は、ＬｉＣｌＯ_４、ＬｉＢＦ_４、ＬｉＰＦ_６、ＬｉＡｓＦ_６、ＬｉＣｌ、及びＬｉＢｒ、並びにＬｉＢ（Ｃ_６Ｈ_５）_４、ＬｉＮ（ＳＯ_２ＣＦ_３）_２、ＬｉＮ（ＳＯ_２ＣＦ_３）_３、ＬｉＮＳＯ_２ＣＦ_３、ＬｉＮＳＯ_２ＣＦ_５、ＬｉＮＳＯ_２Ｃ_４Ｆ_９、ＬｉＮＳＯ_２Ｃ_５Ｆ_１１、ＬｉＮＳＯ_２Ｃ_６Ｆ_１３、及びＬｉＮＳＯ_２Ｃ_７Ｆ_１５などの有機リチウム塩のうちの１つ以上から選択される非水性電解質を含む、実施形態６７～７１のいずれか１つに記載の事前リチウム化モジュール。

【0269】

実施形態７３．リチウム含有二次バッテリの電極活性材料層又は対極活性材料層は、負極は、（ａ）ケイ素（Ｓｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、スズ（Ｓｎ）、鉛（Ｐｂ）、アンチモン（Ｓｂ）、ビスマス（Ｂｉ）、亜鉛（Ｚｎ）、アルミニウム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）、ニッケル（Ｎｉ）、コバルト（Ｃｏ）、及びカドミウム（Ｃｄ）、（ｂ）Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｐｂ、Ｓｂ、Ｂｉ、Ｚｎ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｎｉ、Ｃｏ、又はＣｄと他の元素との合金又は金属間化合物、（ｃ）Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｐｂ、Ｓｂ、Ｂｉ、Ｚｎ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｖ、又はＣｄの酸化物、炭化物、窒化物、硫化物、リン化物、セレン化物、及びテルル化物、並びにそれらの混合物、複合物、又はリチウム含有複合物、（ｄ）Ｓｎの塩及び水酸化物、（ｅ）チタン酸リチウム、マンガン酸リチウム、アルミン酸リチウム、リチウム含有酸化チタン、リチウム遷移金属酸化物、ＺｎＣｏ２Ｏ４、（ｆ）グラファイト及び炭素の粒子、（ｇ）リチウム金属、及び（ｈ）それらの組み合わせから選択される陽極活性材料を含む、前述の実施形態のいずれか１つに記載の事前リチウム化モジュール。

【0270】

実施形態７４．リチウム含有二次バッテリの電極活性材料層又は対極活性材料層は、グラファイト、ソフトカーボン、ハードカーボン、グラフェン、又はリチウムをインターカレートするか若しくはリチウムと合金を形成することができる一連の金属、半金属、合金、酸化物、窒化物、及び化合物のいずれかから選択される陽極活性材料を含む、前述の実施形態のいずれか１つに記載の事前リチウム化モジュール。

【0271】

実施形態７５．リチウム含有二次バッテリの電極活性材料層又は対極活性材料層は、スズ、鉛、マグネシウム、アルミニウム、ホウ素、ガリウム、ケイ素、Ｓｉ／Ｃ複合材料、Ｓｉ／グラファイトブレンド、酸化ケイ素（ＳｉＯｘ）、多孔質Ｓｉ、金属間Ｓｉ合金、インジウム、ジルコニウム、ゲルマニウム、ビスマス、カドミウム、アンチモン、銀、亜鉛、ヒ素、ハフニウム、イットリウム、リチウム、ナトリウム、グラファイト、炭素、チタン酸リチウム、パラジウム、及びそれらの混合物から選択される陽極活性材料を含む、前述の実施形態のいずれか１つに記載の事前リチウム化モジュール。

【0272】

実施形態７６．リチウム含有二次バッテリの電極活性材料層又は対極活性材料層は、アルミニウム、スズ、若しくはケイ素、又はそれらの酸化物、それらの窒化物、それらのフッ化物、若しくはそれらの他の合金から選択される陽極活性材料を含む、前述の実施形態のいずれか１つに記載の事前リチウム化モジュール。

【0273】

実施形態７７．リチウム含有二次バッテリの電極活性材料層又は対極活性材料層は、アルミニウム、スズ、若しくはケイ素、又はそれらの合金の繊維から選択される陽極活性材料を含む、前述の実施形態のいずれか１つに記載の事前リチウム化モジュール。

【0274】

実施形態７８．リチウム含有二次バッテリの電極活性材料層又は対極活性材料層は、安定化されたリチウムメタル粒子から選択される粒子状リチウム材料でコーティングされた陽極活性材料を含む、前述の実施形態のいずれか１つに記載の事前リチウム化モジュール。

【0275】

実施形態７９．リチウム含有二次バッテリの電極活性材料層又は対極活性材料層は、インターカレーション型化学活性材料、変換化学活性材料、又はそれらの組み合わせを含む陰極活性材料を含む、前述の実施形態のいずれか１つに記載の事前リチウム化モジュール。

【0276】

実施形態８０．リチウム含有二次バッテリの電極活性材料層又は対極活性材料層は、Ｓ、ＬｉＦ、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｎｉ、ＦｅＦ_２、ＦｅＯ_ｄＦ_３．２ｄ、ＦｅＦ_３、ＣｏＦ_３、ＣｏＦ_２、ＣｕＦ_２、ＮｉＦ_２のうちの１つ以上から選択される変換化学物質を含む陰極活性材料を含み、式中、０≦ｄ≦０．５である、前述の実施形態のいずれか１つに記載の事前リチウム化モジュール。

【0277】

実施形態８１．リチウム含有二次バッテリの電極活性材料層又は対極活性材料層は、転移金属酸化物、転移金属硫化物、転移金属窒化物、リチウム－転移金属酸化物、リチウム－転移金属硫化物、及びリチウム－転移金属窒化物の１つ以上を含む陰極活性材料を含む、前述の実施形態のいずれか１つに記載の事前リチウム化モジュール。

【0278】

実施形態８２．リチウム含有二次バッテリ用のセル形成システムにおける単一のリチウム含有二次バッテリへの接続のための形成クラスタ。各リチウム含有二次バッテリは、二重層の集団、電極バスバー、対極バスバー、及びリチウムを含有する補助極を含み、二重層の集団の各二重層は、電極構造、セパレータ構造、及び対極構造を含み、二重層集団の各メンバーの電極構造は、電極電流コレクタ及び電極活性材料層を含み、二重層集団の各メンバーの対極構造は、対極電流コレクタ及び対極活性材料層を含む。形成クラスタは、リチウム含有二次バッテリに接続するように構成されたバッテリコネクタと、バッテリコネクタに接続され、バッテリコネクタに接続されたリチウム含有二次バッテリを充電するように構成された充電モジュールと、バッテリコネクタに接続され、バッテリコネクタに接続されたリチウム含有二次バッテリを放電するように構成された放電モジュールと、バッテリコネクタに接続され、バッテリコネクタに接続されたリチウム含有二次バッテリの電極活性材料層にリチウムを拡散させるように構成された事前リチウム化モジュールと、を含む。事前リチウム化モジュールは、スイッチトキャパシタ回路と、スイッチトキャパシタ回路に接続された事前リチウム化モジュールコントローラであって、事前リチウム化モジュールコントローラは、プロセッサ及びメモリを含む、事前リチウム化モジュールコントローラと、リチウム含有二次バッテリの補助極への電気的接続のための事前リチウム化コネクタと、を含む。事前リチウム化モジュールコントローラのメモリは、リチウム含有二次バッテリの電極活性材料層にリチウムを拡散させるために、補助極を通して電流を選択的に伝導させるようにスイッチトキャパシタ回路を動作させるように事前リチウム化モジュールコントローラをプログラムする命令を記憶する。

【0279】

実施形態８３．充電モジュールを使用して、バッテリコネクタに接続されたリチウム含有二次バッテリを充電し、放電モジュールを使用して、リチウム含有二次バッテリを放電するようにプログラムされている、少なくとも１つのマイクロコントローラを更に備える、実施形態８２に記載の形成クラスタ。

【0280】

実施形態８４．形成クラスタを中央コントローラに通信可能に結合するための通信インターフェースを更に備える、実施形態８３に記載の形成クラスタ。

【0281】

実施形態８５．通信インターフェースは、有線通信ネットワークに接続するための有線通信インターフェースである、実施形態８４に記載の形成クラスタ。

【0282】

実施形態８６．通信インターフェースは、無線通信ネットワークに接続するための無線通信インターフェースである、実施形態８４に記載の形成クラスタ。

【0283】

実施形態８７．少なくとも１つのマイクロコントローラは、充電モジュールコントローラ及び放電モジュールコントローラを含む、実施形態８３～８６のいずれか１つに記載の形成クラスタ。

【0284】

実施形態８８．充電モジュールコントローラは、充電モジュールを制御するようにプログラムされ、放電モジュールコントローラは、放電モジュールを制御するようにプログラムされている、実施形態８７に記載の形成クラスタ。

【0285】

実施形態８９．形成クラスタ又はバッテリコネクタに接続されたリチウム含有二次バッテリの状態を監視するための少なくとも１つのセンサを更に備える、実施形態８２～８８のいずれか１つに記載の形成クラスタ。

【0286】

実施形態９０．少なくとも１つのセンサは、温度センサを含む、実施形態８９に記載の形成クラスタ。

【0287】

実施形態９１．少なくとも１つのセンサは、電圧センサを含む、実施形態８９又は９０に記載の形成クラスタ。

【0288】

実施形態９２．少なくとも１つのセンサは、電流センサを含む、実施形態８９～９１のいずれか１つに記載の形成クラスタ。

【0289】

実施形態９３．電源への接続のために構成された電力コネクタを更に備え、電力接続部は、充電モジュール、事前リチウム化モジュール、及び放電モジュールに結合されている、実施形態８２～９２のいずれか１つに記載の形成クラスタ。

【0290】

実施形態９４．事前リチウム化モジュールコントローラのメモリ内の命令は、電荷のパルスを使用して、補助極を通して電流を選択的に伝導させるように、事前リチウム化モジュールコントローラをプログラムする、実施形態８２～９３のいずれか１つに記載の形成クラスタ。

【0291】

実施形態９５．事前リチウム化モジュールコントローラのメモリ内の命令は、制御信号パルスを使用して、補助極を通して電流を選択的に伝導させるように、事前リチウム化モジュールコントローラをプログラムし、制御信号パルスは、固定パルス幅を有する、実施形態９４に記載の形成クラスタ。

【0292】

実施形態９６．制御信号パルスの周波数は、事前リチウム化モジュールコントローラによって可変である、実施形態９４又は９５に記載の形成クラスタ。

【0293】

実施形態９７．制御信号パルスは、可変パルス幅を有し、制御信号パルスの周波数は、固定されている、実施形態９４に記載の形成クラスタ。

【0294】

実施形態９８．スイッチトキャパシタ回路は、第１のスイッチと、第２のスイッチと、蓄積キャパシタと、放電抵抗器と、を備える、実施形態８２～９７のいずれか１つに記載の形成クラスタ。

【0295】

実施形態９９．事前リチウム化モジュールコントローラは、第１のスイッチを閉じ、第２のスイッチを開いて、補助極を通して電流を伝導させ、蓄積キャパシタにエネルギーを蓄積するようにプログラムされている、実施形態９８に記載の形成クラスタ。

【0296】

実施形態１００．事前リチウム化モジュールコントローラは、補助極を通して電流を伝導させた後、第１のスイッチを開き、第２のスイッチを閉じて、放電抵抗器を通して蓄積キャパシタに蓄積されたエネルギーを放電するようにプログラムされている、実施形態９９に記載の形成クラスタ。

【0297】

実施形態１０１．事前リチウム化モジュールコントローラは、バッテリコネクタに接続されたリチウム含有二次バッテリによって電力供給される、実施形態８２～１００のいずれか１つに記載の形成クラスタ。

【0298】

実施形態１０２．事前リチウム化モジュールコントローラは、マイクロコントローラを含む、実施形態８２～１０１のいずれか１つに記載の形成クラスタ。

【0299】

実施形態１０３．事前リチウム化モジュールコントローラは、中央コントローラに通信可能に結合するための通信インターフェースを備える、実施形態８２～１０２のいずれか１つに記載の形成クラスタ。

【0300】

実施形態１０４．事前リチウム化モジュールコントローラは、中央コントローラから受信した命令に応答して、リチウム含有二次バッテリの電極活性材料層にリチウムを拡散させるために、補助極を通して電流を選択的に伝導させるようにスイッチトキャパシタ回路を動作させるようにプログラムされている、実施形態１０３に記載の形成クラスタ。

【0301】

実施形態１０５．事前リチウム化モジュールコントローラは、中央コントローラから、リチウム含有二次バッテリの電極活性材料層にリチウムを拡散させるために、補助極を通して電流を選択的に伝導させるようにスイッチトキャパシタ回路を動作させるための命令を受信し、命令を事前リチウム化モジュールコントローラのメモリに記憶するようにプログラムされている、実施形態１０３又は１０４に記載の形成クラスタ。

【0302】

実施形態１０６．補助極は、イオン透過性材料を含む第１のセパレータ層と、導電性材料を含む導電層であって、第１のセパレータ層に接触する第１の表面と、第１の表面の反対側の第２の表面と、を有する、導電層と、導電層の第２の表面上に配設されたキャリアイオン供給層の集団であって、各キャリアイオン供給層は、リチウム含有二次バッテリの電極活性材料層にリチウムイオンを供給する材料を含む、キャリアイオン供給層の集団と、イオン透過性材料を含み、キャリアイオン供給層と接触している第２のセパレータ層と、を含む、実施形態８２～１０５のいずれか１つに記載の形成クラスタ。

【0303】

実施形態１０７．導電層の第２の表面は、導電層の第１の端部に配設された第１の領域と、第１の端部の反対側の導電層の第２の端部に配設された第２の領域と、第１の領域と第２の領域との間に配設された第３の領域と、を含み、キャリアイオン供給層の１つは、第１の領域内に配設され、キャリアイオン供給層の別の１つは、第２の領域内に配設されている、実施形態１０６に記載の形成クラスタ。

【0304】

実施形態１０８．第２のセパレータ層は、導電層の第２の表面の第３の領域と接触している、実施形態１０７に記載の形成クラスタ。

【0305】

実施形態１０９．第１の領域、第２の領域、及び第３の領域は、導電層の長さにわたって配設されている、実施形態１０７又は１０８に記載の形成クラスタ。

【0306】

実施形態１１０．第１のセパレータ層及び第２のセパレータ層は、第１のセパレータ層及び第２のセパレータ層の周囲の少なくとも一部分の周りで一緒に機械的に接合されている、実施形態１０６～１０９のいずれか１つに記載の形成クラスタ。

【0307】

実施形態１１１．第１のセパレータ層及び第２のセパレータ層は、連続セパレータ材料から形成され、第１のセパレータ層は、連続セパレータ材料の第１の部分を含み、第２のセパレータ層は、連続セパレータ材料の第２の部分を含み、第２の部分は、キャリアイオン供給層の表面に接触するように第１の部分の上に折り畳まれる、実施形態１０６～１１０のいずれか１つに記載の形成クラスタ。

【0308】

実施形態１１２．連続セパレータ材料は、約０．０１ミリメートル～約１ミリメートルの範囲の厚さを有する、実施形態１１１に記載の形成クラスタ。

【0309】

実施形態１１３．連続セパレータ材料の厚さは、約０．０２５ミリメートルである、実施形態１１２に記載の形成クラスタ。

【0310】

実施形態１１４．第１のセパレータ層及び第２のセパレータ層は、約０．０１ミリメートル～約１ミリメートルの値の範囲内の厚さを有する、実施形態１０６～１１３のいずれか１つに記載の形成クラスタ。

【0311】

実施形態１１５．第２のセパレータ層の厚さは、約０．０２５ミリメートルである、実施形態１０６～１１４のいずれか１つに記載の形成クラスタ。

【0312】

実施形態１１６．導電層は、銅及びアルミニウム、又は銅及びアルミニウムの合金のうちの１つを含む、実施形態１０６～１１５のいずれか１つに記載の形成クラスタ。

【0313】

実施形態１１７．導電層は、銅を含む、実施形態１０６～１１６のいずれか１つに記載の形成クラスタ。

【0314】

実施形態１１８．導電層は、約０．０１ミリメートル～約１ミリメートルの値の範囲内の厚さを有する、実施形態１０６～１１７のいずれか１つに記載の形成クラスタ。

【0315】

実施形態１１９．導電層は、約０．１ミリメートルの厚さを有する、実施形態１０６～１１８のいずれか１つに記載の形成クラスタ。

【0316】

実施形態１２０．キャリアイオン供給層は、約０．０５ミリメートル～約１ミリメートルの値の範囲内の厚さを有する、実施形態１０６～１１９のいずれか１つに記載の形成クラスタ。

【0317】

実施形態１２１．キャリアイオン供給層は、約０．１５ミリメートルの厚さを有する、実施形態１０６～１２０のいずれか１つに記載の形成クラスタ。

【0318】

実施形態１２２．キャリアイオン供給層は、リチウムイオンの供給源を提供する、実施形態１０６～１２１のいずれか１つに記載の形成クラスタ。

【0319】

実施形態１２３．キャリアイオン供給層は、導電層の第２の表面に冷間溶接される、実施形態１０６～１２２のいずれか１つに記載の形成クラスタ。

【0320】

実施形態１２４．補助極は、導電性材料を含み、導電層の第２の表面に結合された導電性タブを含む、実施形態１０６～１２３のいずれか１つに記載の形成クラスタ。

【0321】

実施形態１２５．導電性タブは、導電層に結合された第１の端部と、導電層から離れて突出する、第１の端部に対して遠位の第２の端部と、を含む、実施形態１２４に記載の形成クラスタ。

【0322】

実施形態１２６．導電性タブは、ニッケル、銅、及びアルミニウム、又は銅、ニッケル、及びアルミニウムの合金のうちの１つを含む、実施形態１２４又は１２５に記載の形成クラスタ。

【0323】

実施形態１２７．導電性タブは、ニッケルを含む、実施形態１２４又は１２５の形成クラスタ。

【0324】

実施形態１２８．電極構造は、正極及び負極のうちの一方であり、対極構造が、正極及び負極のうちの他方であり、正極は、正極クーロン容量を有し、負極は、正極クーロン容量を超える負極クーロン容量を有する、実施形態８２～１２７のいずれか１つに記載の形成クラスタ。

【0325】

実施形態１２９．負極クーロン容量の正極クーロン容量に対する比は、少なくとも１．２：１である、実施形態１２８に記載の形成クラスタ。

【0326】

実施形態１３０．負極クーロン容量の正極クーロン容量に対する比は、少なくとも１．３：１である、実施形態１２８に記載の形成クラスタ。

【0327】

実施形態１３１．負極クーロン容量の正極クーロン容量に対する比は、少なくとも１．５：１である、実施形態１２８に記載の形成クラスタ。

【0328】

実施形態１３２．負極クーロン容量の正極クーロン容量に対する比は、少なくとも２：１である、実施形態１２８に記載の形成クラスタ。

【0329】

実施形態１３３．負極クーロン容量の正極クーロン容量に対する比は、少なくとも３：１である、実施形態１２８に記載の形成クラスタ。

【0330】

実施形態１３４．負極クーロン容量の正極クーロン容量に対する比は、少なくとも４：１である、実施形態１２８に記載の形成クラスタ。

【0331】

実施形態１３５．負極クーロン容量の正極クーロン容量に対する比は、少なくとも５：１である、実施形態１２８に記載の形成クラスタ。

【0332】

実施形態１３６．補助極のクーロン容量の正極クーロン容量に対する比は、少なくとも２：１である、実施形態１２８～１３５のいずれか１つに記載の形成クラスタ。

【0333】

実施形態１３７．補助極のクーロン容量の正極クーロン容量に対する比は、少なくとも３：１である、実施形態１２８～１３５のいずれか１つに記載の形成クラスタ。

【0334】

実施形態１３８．補助極のクーロン容量の正極クーロン容量に対する比は、少なくとも４：１である、実施形態１２８～１３５のいずれか１つに記載の形成クラスタ。

【0335】

実施形態１３９．補助極のクーロン容量の正極クーロン容量に対する比は、少なくとも５：１である、実施形態１２８～１３５のいずれか１つに記載の形成クラスタ。

【0336】

実施形態１４０．リチウム含有二次バッテリの電極活性材料層又は対極活性材料層は、陽極活性ケイ素又はその合金を含む、実施形態８２～１３９のいずれか１つに記載の形成クラスタ。

【0337】

実施形態１４１．リチウム含有二次バッテリの電極活性材料層又は対極活性材料層は、ケイ素を含む陽極活性材料を含み、リチウム含有二次バッテリの充電及び放電サイクル中にリチウムイオンが電極活性材料層又は対極活性材料層に組み込まれるか又は電極活性材料層又は対極活性材料層から離れるときの体積膨張及び収縮に適応するための空隙体積分率を含有する、実施形態８２～１４０のいずれか１つに記載の形成クラスタ。

【0338】

実施形態１４２．陽極活性材料の空隙体積分率は、少なくとも０．１である、実施形態１４１に記載の形成クラスタ。

【0339】

実施形態１４３．陽極活性材料の空隙体積分率は、０．８以下である、実施形態１４１に記載の形成クラスタ。

【0340】

実施形態１４４．陽極活性材料の空隙体積分率は、約０．１５～約０．７５である、実施形態１４１に記載の形成クラスタ。

【0341】

実施形態１４５．陽極活性材料の空隙体積分率は、約０．２～約０．７である、実施形態１４１に記載の形成クラスタ。

【0342】

実施形態１４６．陽極活性材料の空隙体積分率は、約０．２５～約０．６である、実施形態１４１に記載の形成クラスタ。

【0343】

実施形態１４７．陽極活性材料は、マクロ多孔質、微多孔質、若しくはメソ多孔質の材料層、又はそれらの組み合わせを含む、実施形態１４１に記載の形成クラスタ。

【0344】

実施形態１４８．セパレータ構造は、電極構造と対極構造との間に、電解質が浸透した微多孔質セパレータを含む、実施形態８２～１４７のいずれか１つに記載の形成クラスタ。

【0345】

実施形態１４９．セパレータ又は電解質は、ＰＥＯ系ポリマー電解質、ポリマー－セラミック複合電解質、ポリマー－セラミック複合電解質、及びポリマー－セラミック複合電解質の１つ以上から選択されるポリマー系電解質を含む、実施形態１４８に記載の形成クラスタ。

【0346】

実施形態１５０．セパレータ又は電解質は、チタン酸ランタンリチウム（Ｌｉ_０．３４Ｌａ_０．５６ＴｉＯ_３）、Ａｌドープランタンジルコン酸リチウム（Ｌｉ_６．２４Ｌａ_３Ｚｒ_２Ａｌ_０．２４Ｏ_{１１．９８}）、Ｔａドープランタンジルコン酸リチウム（Ｌｉ_６．４Ｌａ_３Ｚｒ_１．４Ｔａ_０．６Ｏ_１２）、及びリン酸アルミニウムチタンリチウム（Ｌｉ_１．４Ａｌ_０．４Ｔｉ_１．６（ＰＯ_４）_３）のうちの１つ以上から選択される酸化物系電解質を含む、実施形態１４８又は１４９に記載の形成クラスタ。

【0347】

実施形態１５１．セパレータ又は電解質は、スズリン硫化リチウム（Ｌｉ_１０ＳｎＰ_２Ｓ_１２）、硫化リチウムリン（β－Ｌｉ_３ＰＳ_４）、及び塩化硫化リチウム（Ｌｉ_６ＰＳ_５Ｃｌ_０．９Ｉ_０．１）のうちの１つ以上から選択される固体電解質を含む、実施形態１４８～１５０のいずれか１つに記載の形成クラスタ。

【0348】

実施形態１５２．セパレータ又は電解質は、固体リチウムイオン伝導性セラミックを含む、実施形態１４８～１５１のいずれか１つに記載の形成クラスタ。

【0349】

実施形態１５３．セパレータ又は電解質は、ＬｉＣｌＯ_４、ＬｉＢＦ_４、ＬｉＰＦ_６、ＬｉＡｓＦ_６、ＬｉＣｌ、及びＬｉＢｒ、並びにＬｉＢ（Ｃ_６Ｈ_５）_４、ＬｉＮ（ＳＯ_２ＣＦ_３）_２、ＬｉＮ（ＳＯ_２ＣＦ_３）_３、ＬｉＮＳＯ_２ＣＦ_３、ＬｉＮＳＯ_２ＣＦ_５、ＬｉＮＳＯ_２Ｃ_４Ｆ_９、ＬｉＮＳＯ_２Ｃ_５Ｆ_１１、ＬｉＮＳＯ_２Ｃ_６Ｆ_１３、及びＬｉＮＳＯ_２Ｃ_７Ｆ_１５などの有機リチウム塩のうちの１つ以上から選択される非水性電解質を含む、実施形態１４８～１５２のいずれか１つに記載の形成クラスタ。

【0350】

実施形態１５４．リチウム含有二次バッテリの電極活性材料層又は対極活性材料層は、負極は、（ａ）ケイ素（Ｓｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、スズ（Ｓｎ）、鉛（Ｐｂ）、アンチモン（Ｓｂ）、ビスマス（Ｂｉ）、亜鉛（Ｚｎ）、アルミニウム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）、ニッケル（Ｎｉ）、コバルト（Ｃｏ）、及びカドミウム（Ｃｄ）、（ｂ）Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｐｂ、Ｓｂ、Ｂｉ、Ｚｎ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｎｉ、Ｃｏ、又はＣｄと他の元素との合金又は金属間化合物、（ｃ）Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｐｂ、Ｓｂ、Ｂｉ、Ｚｎ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｖ、又はＣｄの酸化物、炭化物、窒化物、硫化物、リン化物、セレン化物、及びテルル化物、並びにそれらの混合物、複合物、又はリチウム含有複合物、（ｄ）Ｓｎの塩及び水酸化物、（ｅ）チタン酸リチウム、マンガン酸リチウム、アルミン酸リチウム、リチウム含有酸化チタン、リチウム遷移金属酸化物、ＺｎＣｏ２Ｏ４、（ｆ）グラファイト及び炭素の粒子、（ｇ）リチウム金属、及び（ｈ）それらの組み合わせから選択される陽極活性材料を含む、実施形態８２～１５３のいずれか１つに記載の形成クラスタ。

【0351】

実施形態１５５．リチウム含有二次バッテリの電極活性材料層又は対極活性材料層は、グラファイト、ソフトカーボン、ハードカーボン、グラフェン、又はリチウムをインターカレートするか若しくはリチウムと合金を形成することができる一連の金属、半金属、合金、酸化物、窒化物、及び化合物のいずれかから選択される陽極活性材料を含む、実施形態８２～１５４のいずれか１つに記載の形成クラスタ。

【0352】

実施形態１５６．リチウム含有二次バッテリの電極活性材料層又は対極活性材料層は、スズ、鉛、マグネシウム、アルミニウム、ホウ素、ガリウム、ケイ素、Ｓｉ／Ｃ複合材料、Ｓｉ／グラファイトブレンド、酸化ケイ素（ＳｉＯｘ）、多孔質Ｓｉ、金属間Ｓｉ合金、インジウム、ジルコニウム、ゲルマニウム、ビスマス、カドミウム、アンチモン、銀、亜鉛、ヒ素、ハフニウム、イットリウム、リチウム、ナトリウム、グラファイト、炭素、チタン酸リチウム、パラジウム、及びそれらの混合物から選択される陽極活性材料を含む、実施形態８２～１５５のいずれか１つに記載の形成クラスタ。

【0353】

実施形態１５７．リチウム含有二次バッテリの電極活性材料層又は対極活性材料層は、アルミニウム、スズ、若しくはケイ素、又はそれらの酸化物、それらの窒化物、それらのフッ化物、若しくはそれらの他の合金から選択される陽極活性材料を含む、実施形態８２～１５６のいずれか１つに記載の形成クラスタ。

【0354】

実施形態１５８．リチウム含有二次バッテリの電極活性材料層又は対極活性材料層は、アルミニウム、スズ、若しくはケイ素、又はそれらの合金の繊維から選択される陽極活性材料を含む、実施形態８２～１５７のいずれか１つに記載の形成クラスタ。

【0355】

実施形態１５９．リチウム含有二次バッテリの電極活性材料層又は対極活性材料層は、安定化されたリチウムメタル粒子から選択される粒子状リチウム材料でコーティングされた陽極活性材料を含む、実施形態８２～１５８のいずれか１つに記載の形成クラスタ。

【0356】

実施形態１６０．リチウム含有二次バッテリの電極活性材料層又は対極活性材料層は、インターカレーション型化学活性材料、変換化学活性材料、又はそれらの組み合わせを含む陰極活性材料を含む、実施形態８２～１５９のいずれか１つに記載の形成クラスタ。

【0357】

実施形態１６１．リチウム含有二次バッテリの電極活性材料層又は対極活性材料層は、Ｓ、ＬｉＦ、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｎｉ、ＦｅＦ_２、ＦｅＯ_ｄＦ_３．２ｄ、ＦｅＦ_３、ＣｏＦ_３、ＣｏＦ_２、ＣｕＦ_２、ＮｉＦ_２のうちの１つ以上から選択される変換化学物質を含む陰極活性材料を含み、式中、０≦ｄ≦０．５である、実施形態８２～１６０のいずれか１つに記載の形成クラスタ。

【0358】

実施形態１６２．リチウム含有二次バッテリの電極活性材料層又は対極活性材料層は、転移金属酸化物、転移金属硫化物、転移金属窒化物、リチウム－転移金属酸化物、リチウム－転移金属硫化物、及びリチウム－転移金属窒化物の１つ以上を含む陰極活性材料を含む、実施形態８２～１６１のいずれか１つに記載の形成クラスタ。

【0359】

この書面による明細書は、例を使用して、最良の態様を含む発明を開示し、かつ当業者が、任意のデバイス又はシステムの作製及び使用並びに任意の組み込まれた方法の実施を含む、本発明を実践することを可能にする。本発明の特許可能な範囲は、特許請求の範囲によって定義され、また、当業者に着想される他の例を含み得る。かかる他の例は、それらが特許請求の範囲の文字通りの言葉と異ならない構造要素を有する場合、又はそれらが特許請求の範囲の文字通りの言葉とは実質的に異ならない差を伴う均等な構造要素を含む場合、特許請求の範囲の範囲内であることが意図されている。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】

【図20】

【図21】

【図22】

【図23】

【図24】

【図25】

【図26】

【図27】

【図28】

【図29】

【図30】

【図31】

【図32】

【図33】

【国際調査報告】