特表 2025-501204 リチウム系二次バッテリのためのセル形成システム

(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】2025-01-17

(54)【発明の名称】リチウム系二次バッテリのためのセル形成システム

(51)【国際特許分類】

   H01M 10/058 20100101AFI20250109BHJP

【ＦＩ】

H01M10/058

【審査請求】未請求

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2024539400

(86)(22)【出願日】2022-12-29

(85)【翻訳文提出日】2024-06-27

(86)【国際出願番号】 US2022054228

(87)【国際公開番号】W WO2023129640

(87)【国際公開日】2023-07-06

(31)【優先権主張番号】63/266,202

(32)【優先日】2021-12-30

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(81)【指定国・地域】

(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】100112911

【弁理士】

【氏名又は名称】中野 晴夫

(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】ドゥヴォイリス，イリヤ

(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

5H029AK05

5H029AL01

5H029AL03

5H029AL04

5H029AL12

5H029AM12

5H029AM16

5H029CJ16

5H029CJ30

(57)【要約】

リチウム系二次バッテリのためのセル形成システムは、バッテリトレイ及び形成ベースを含む。バッテリトレイは、ベースと、第１の端子及び第２の端子がバッテリトレイのベースを通って延在する状態で、リチウム系二次バッテリを保持するように構成されているバッテリスロットの集団と、を含む。形成ベースは、バッテリトレイに取り付けるように構成されている。形成ベースは、コネクタグループ及び事前リチウム化モジュールを含む。各コネクタグループは、バッテリトレイ内のリチウム系二次バッテリのうちの異なる１つの第１の端子及び／又は第２の端子との電気接触を行うように構成されている。各事前リチウム化モジュールは、少なくとも１つのコネクタグループに電気的に接続され、各事前リチウム化モジュールは、コネクタグループに接続されたリチウム系二次バッテリの電極活性材料にリチウムを拡散させるように構成されている。

【特許請求の範囲】

【請求項1】

リチウム系二次バッテリのためのセル形成システムであって、各リチウム系二次バッテリは、二重層の集団と、電極バスバーと、対極バスバーと、前記二重層の集団、前記電極バスバー、及び前記対極バスバーを囲むエンクロージャと、前記電極バスバーに電気的に接続され、かつ前記エンクロージャから延在する第１の端子と、前記対極バスバーに電気的に接続され、かつ前記エンクロージャから延在する第２の端子と、を備え、前記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、を備え、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備え、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備え、前記セル形成システムは、
側面の集団、及び前記側面の集団に接続されたベースを有するバッテリトレイであって、前記バッテリトレイは、前記ベースの上側にバッテリスロットの集団を含み、前記バッテリスロットの集団の各バッテリスロットは、前記第１の端子及び前記第２の端子が前記バッテリトレイの前記ベースを通って前記バッテリトレイの前記ベースの下側からアクセス可能な位置まで延在する状態で、１つのリチウム系二次バッテリを保持するように構成されている、バッテリトレイと、
前記バッテリトレイの前記ベースの前記下側から前記バッテリトレイに取り付けるように構成された形成ベースであって、前記形成ベースは、コネクタグループの集団、及び事前リチウム化モジュールの集団を含み、前記コネクタグループの集団の各コネクタグループは、前記バッテリトレイ内の前記リチウム系二次バッテリのうちの異なる１つの前記第１の端子及び前記第２の端子のうちの少なくとも１つとの電気接触を行うように構成され、前記事前リチウム化モジュールの集団の各事前リチウム化モジュールは、少なくとも１つのコネクタグループに電気的に接続され、各事前リチウム化モジュールは、前記事前リチウム化モジュールが電気的に接続されている前記コネクタグループに接続された前記リチウム系二次バッテリの電極活性材料にリチウムを拡散させるように構成されている、形成ベースと、を備える、セル形成システム。

【請求項2】

前記形成ベースは、支持体の集団を備え、前記事前リチウム化モジュールの集団は、前記支持体の集団上に形成され、前記支持体の集団の各支持体は、少なくとも１つのコネクタグループに電気的に接続されている、請求項１に記載のセル形成システム。

【請求項3】

前記支持体の集団の各支持体は、２つ以上の事前リチウム化モジュールを含む、請求項２に記載のセル形成システム。

【請求項4】

前記支持体の集団の各支持体は、１つの事前リチウム化モジュールを含む、請求項２に記載のセル形成システム。

【請求項5】

各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を備える、請求項１に記載のセル形成システム。

【請求項6】

各事前リチウム化モジュールは、その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を含み、各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み、前記メモリは、前記スイッチトキャパシタ回路を動作させて、前記事前リチウム化モジュールが電気的に接続されている前記コネクタグループに接続された前記リチウム系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の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命令を記憶する、請求項５に記載のセル形成システム。

【請求項7】

前記形成ベースは、２つ以上の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を備え、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み、前記メモリは、前記スイッチトキャパシタ回路を動作させて、前記事前リチウム化モジュールが電気的に接続されている前記コネクタグループに接続された前記リチウム系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の電流を各々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命令を記憶する、請求項５に記載のセル形成システム。

【請求項8】

前記バッテリトレイは、第１のアセンブリコネクタを含み、前記形成ベースは、前記バッテリトレイを前記形成ベースに機械的に接続するように、前記第１のアセンブリコネクタと嵌合して係合するように構成された第２のアセンブリコネクタを含む、請求項１に記載のセル形成システム。

【請求項9】

前記第１のアセンブリコネクタは、前記バッテリトレイの前記ベース内に長方形スロットを備え、前記第２のアセンブリコネクタは、前記形成ベースから延在し、かつ前記バッテリトレイの前記ベース内の前記長方形スロットよりも小さい長方形寸法を有する、回転可能な長方形バーを備える、請求項８に記載のセル形成システム。

【請求項10】

前記バッテリトレイ内の前記リチウム系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を含む充電ステーションを更に備え、前記充電ステーションは、前記形成ベースが取り付けられていない前記バッテリトレイを受容するように構成され、前記充電ステーションは、前記充電モジュールに電気的に接続された充電コネクタグループの集団を含み、前記コネクタグループの集団の各充電コネクタグループは、前記バッテリトレイ内の前記リチウム系二次バッテリのうちの異なる１つの前記第１の端子及び前記第２の端子との電気接触を行うように構成されている、請求項１に記載のセル形成システム。

【請求項11】

前記バッテリトレイ内の前記リチウム系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の集団を含む充電ステーションを更に備え、前記充電ステーションは、前記形成ベースが取り付けられていない前記バッテリトレイを受容するように構成され、前記充電ステーションは、異なる充電モジュールに各々電気的に接続された充電コネクタグループの集団を含み、前記コネクタグループの集団の各充電コネクタグループは、前記バッテリトレイ内の前記リチウム系二次バッテリのうちの異なる１つの前記第１の端子及び前記第２の端子との電気接触を行うように構成されている、請求項１に記載のセル形成システム。

【請求項12】

前記バッテリスロットの集団は、１２０個のバッテリスロットからなる、請求項１に記載のセル形成システム。

【請求項13】

リチウム系二次バッテリのためのセル形成方法であって、各リチウム系二次バッテリは、二重層の集団と、電極バスバーと、対極バスバーと、前記二重層の集団、前記電極バスバー、及び前記対極バスバーを囲むエンクロージャと、前記電極バスバーに電気的に接続され、かつ前記エンクロージャから延在する第１の端子と、前記対極バスバーに電気的に接続され、かつ前記エンクロージャから延在する第２の端子と、を備え、前記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備え、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備え、前記方法は、
（ｉ）リチウム系二次バッテリの集団をバッテリトレイ中に装填することであって、前記バッテリトレイは、側面の集団と、前記側面の集団に接続されたベースと、を有し、前記バッテリトレイは、前記ベースの上側にバッテリスロットの集団を含み、前記バッテリスロットの集団の各バッテリスロットは、前記第１の端子及び前記第２の端子が前記バッテリトレイの前記ベースを通って前記バッテリトレイの前記ベースの下側からアクセス可能な位置まで延在する状態で、前記リチウム系二次バッテリの集団のうちの１つのリチウム系二次バッテリを保持するように構成されている、装填することと、
（ｉｉ）形成アセンブリを形成するように、前記バッテリトレイの前記ベースの前記下側から前記バッテリトレイに形成ベースを取り付けることであって、前記形成ベースは、コネクタグループの集団、及び事前リチウム化モジュールの集団を含み、前記コネクタグループの集団の各コネクタグループは、前記バッテリトレイ内の前記リチウム系二次バッテリのうちの異なる１つの前記第１の端子及び前記第２の端子のうちの少なくとも１つとの電気接触を行うように構成され、前記事前リチウム化モジュールの集団の各事前リチウム化モジュールは、少なくとも１つのコネクタグループに電気的に接続され、各事前リチウム化モジュールは、前記事前リチウム化モジュールが電気的に接続されている前記コネクタグループに接続された前記リチウム系二次バッテリの電極活性材料にリチウムを拡散させるように構成されている、取り付けることと、
（ｉｉｉ）前記形成アセンブリを形成ステーション内に位置付けることと、
（ｉｖ）前記事前リチウム化モジュールを使用して、前記形成アセンブリ内の前記リチウム系二次バッテリの集団を緩衝することと、
（ｖ）前記形成ベースを前記バッテリトレイから除去することと、
（ｖｉ）前記バッテリトレイ内の前記リチウム系二次バッテリの集団に対して追加のプロセスを実施することと、を含む、方法。

【請求項14】

（ｖｉｉ）リチウム系二次バッテリの追加の集団を追加のバッテリトレイ中に装填することと、
（ｖｉｉｉ）追加の形成アセンブリを形成するように、前記形成ベースを前記追加のバッテリトレイに取り付けることと、
（ｉｘ）前記追加の形成アセンブリを前記形成ステーション内に位置付けることと、
（ｘ）前記事前リチウム化モジュールを使用して、前記追加の形成アセンブリ内の前記リチウム系二次バッテリの集団を緩衝することと、
（ｘｉ）前記形成ベースを、前記追加のバッテリトレイから除去することと、を更に含む、請求項１３に記載の方法。

【請求項15】

（ｉ）の後、かつ（ｉｉ）の前に、
（ｉ’）前記バッテリトレイを充電ステーション内に位置付けることと、
（ｉ”）前記バッテリトレイ内の前記リチウム系二次バッテリの集団を充電することと、
（ｉ’’’）前記バッテリトレイを、前記充電ステーションから除去することと、を更に含む、請求項１３に記載の方法。

【請求項16】

（ｉ）前記リチウム系二次バッテリの集団を前記バッテリトレイ中に装填することは、１２０個のリチウム系二次バッテリを前記バッテリトレイ中に装填することを含む、請求項１３に記載の方法。

【請求項17】

前記バッテリトレイは、第１のアセンブリコネクタを含み、前記形成ベースは、前記バッテリトレイを前記形成ベースに機械的に接続するように、前記第１のアセンブリコネクタと嵌合して係合するように構成された第２のアセンブリコネクタを含み、（ｉｉ）前記形成アセンブリを形成するように、前記形成ベースを前記バッテリトレイの前記ベースの前記下側から前記バッテリトレイに取り付けることは、前記バッテリトレイを前記形成ベースの上部に位置付け、かつ前記第２のアセンブリコネクタを前記第１のアセンブリコネクタに係合するように、前記第２のアセンブリコネクタを作動させること、を含む、請求項１３に記載の方法。

【請求項18】

リチウム系二次バッテリのためのセル形成システムであって、各リチウム系二次バッテリは、二重層の集団と、電極バスバーと、対極バスバーと、前記二重層の集団、前記電極バスバー、及び前記対極バスバーを囲むエンクロージャと、前記電極バスバーに電気的に接続され、かつ前記エンクロージャから延在する第１の端子と、前記対極バスバーに電気的に接続され、かつ前記エンクロージャから延在する第２の端子と、を備え、前記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、を備え、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備え、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備え、前記セル形成システムは、
側面の集団、及び前記側面の集団に接続されたベースを有するバッテリトレイであって、前記バッテリトレイは、前記ベースの上側にバッテリスロットの集団を含み、前記バッテリスロットの集団の各バッテリスロットは、前記第１の端子及び前記第２の端子が前記バッテリトレイの前記ベースを通って前記バッテリトレイの前記ベースの下側からアクセス可能な位置まで延在する状態で、１つのリチウム系二次バッテリを保持するように構成されている、バッテリトレイと、
前記バッテリトレイの前記ベースの前記下側から前記バッテリトレイに取り付けるように構成された形成ベースであって、前記形成ベースは、
コネクタグループの集団であって、前記コネクタグループの集団の各コネクタグループは、前記バッテリトレイ内の前記リチウム系二次バッテリのうちの異なる１つの前記第１の端子及び前記第２の端子のうちの少なくとも１つとの電気接触を行うように構成されている、コネクタグループの集団と、
形成クラスタの集団であって、各形成クラスタは、
前記コネクタグループのうちの１つに接続され、かつ前記コネクタグループに接続されたリチウム系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、
前記コネクタグループのうちの１つに接続され、かつ前記コネクタグループに接続されたリチウム系二次バッテリの電極活性材料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、
前記コネクタグループのうちの１つに接続され、かつ前記コネクタグループに接続されたリチウム系二次バッテリを放電させるように構成された放電モジュールと、を含む、形成クラスタの集団と、を含む、形成ベースと、を備える、セル形成システム。

【請求項19】

前記形成ベースは、支持体の集団を備え、前記集団形成クラスタは、前記支持体の集団上に形成され、前記支持体の集団の各支持体は、少なくとも１つのコネクタグループに電気的に接続されている、請求項１８に記載のセル形成システム。

【請求項20】

前記支持体の集団の各支持体は、形成クラスタよりも多く含む、請求項１９に記載のセル形成システム。

【請求項21】

前記支持体の集団の各支持体は、１つの形成クラスタを含む、請求項１９に記載のセル形成システム。

【請求項22】

各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を備える、請求項１８に記載のセル形成システム。

【請求項23】

各事前リチウム化モジュールは、その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を含み、各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み、前記メモリは、前記スイッチトキャパシタ回路を動作させて、前記事前リチウム化モジュールが電気的に接続されている前記コネクタグループに接続された前記リチウム系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の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命令を記憶する、請求項２２に記載のセル形成システム。

【請求項24】

前記形成ベースは、２つ以上の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を備え、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み、前記メモリは、前記スイッチトキャパシタ回路を動作させて、前記事前リチウム化モジュールが電気的に接続されている前記コネクタグループに接続された前記リチウム系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の電流を各々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命令を記憶する、請求項２２に記載のセル形成システム。

【請求項25】

前記バッテリトレイは、第１のアセンブリコネクタを含み、前記形成ベースは、前記バッテリトレイを前記形成ベースに機械的に接続するように、前記第１のアセンブリコネクタと嵌合して係合するように構成された第２のアセンブリコネクタを含む、請求項１８に記載のセル形成システム。

【請求項26】

前記第１のアセンブリコネクタは、前記バッテリトレイの前記ベース内に長方形スロットを備え、前記第２のアセンブリコネクタは、前記形成ベースから延在し、かつ前記バッテリトレイの前記ベース内の前記長方形スロットよりも小さい長方形寸法を有する、回転可能な長方形バーを備える、請求項２５に記載のセル形成システム。

【請求項27】

前記バッテリスロットの集団は、１２０個のバッテリスロットからなる、請求項１８に記載のセル形成システム。

【請求項28】

前記バッテリスロットの集団は、前記バッテリトレイ内に一体的に形成されている、請求項１８に記載のセル形成システム。

【請求項29】

前記バッテリスロットの集団は、前記バッテリトレイに取り外し可能に取り付けられている、請求項１８に記載のセル形成システム。

【請求項30】

リチウム系二次バッテリのためのセル形成方法であって、各リチウム系二次バッテリは、二重層の集団と、電極バスバーと、対極バスバーと、前記二重層の集団、前記電極バスバー、及び前記対極バスバーを囲むエンクロージャと、前記電極バスバーに電気的に接続され、かつ前記エンクロージャから延在する第１の端子と、前記対極バスバーに電気的に接続され、かつ前記エンクロージャから延在する第２の端子と、を備え、前記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、を備え、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備え、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備え、前記方法は、
（ｉ）第１の場所において、各々がリチウム系二次バッテリの集団を有するバッテリトレイの集団を装填することであって、各バッテリトレイは、前記第１の端子及び前記第２の端子が前記バッテリトレイを通って前記バッテリトレイの下側からアクセス可能な位置まで延在する状態で、リチウム系二次バッテリのその集団を保持するように構成されている、装填することと、
（ｉｉ）前記バッテリトレイの集団を、少なくとも１つの充電ステーションを有する第２の場所に輸送することと、
（ｉｉｉ）前記バッテリトレイを前記充電ステーション内に位置付けることと、
（ｉｖ）前記充電ステーションにおいて、前記バッテリトレイ内の前記リチウム系二次バッテリの集団を充電することと、
（ｖ）前記バッテリトレイを、前記充電ステーションから除去することと、
（ｖｉ）前記バッテリトレイに形成ベースの集団を取り付けることであって、各バッテリトレイは、それに取り付けられた異なる形成ベースを有し、各形成ベースは、コネクタグループの集団、及び事前リチウム化モジュールの集団を含み、前記コネクタグループの集団の各コネクタグループは、前記バッテリトレイ内の前記リチウム系二次バッテリのうちの異なる１つの前記第１の端子及び前記第２の端子のうちの少なくとも１つとの電気接触を行うように構成され、前記事前リチウム化モジュールの集団の各事前リチウム化モジュールは、少なくとも１つのコネクタグループに電気的に接続され、各事前リチウム化モジュールは、前記事前リチウム化モジュールが電気的に接続されている前記コネクタグループに接続された前記リチウム系二次バッテリの電極活性材料にリチウムを拡散させるように構成されている、取り付けることと、
（ｖｉｉ）前記取り付けられた形成ベースを有する前記バッテリトレイを、少なくとも１つの形成ステーションを有する第３の場所に輸送することと、
（ｖｉｉｉ）前記取り付けられた形成ベースを有する前記バッテリトレイを、前記形成ステーション内に位置付けることと、
（ｉｘ）前記形成ベース内の前記事前リチウム化モジュールを使用して、前記バッテリトレイ内の前記リチウム系二次バッテリの集団を緩衝することと、
（ｘ）前記取り付けられた形成ベースを有する前記バッテリトレイを、前記形成ステーションから除去することと、
（ｘｉ）前記形成ベースを前記バッテリトレイから除去することと、
（ｘｉｉ）前記バッテリトレイを第４の場所に輸送することと、
（ｘｉｉｉ）前記第４の場所において、前記バッテリトレイ内の前記リチウム系二次バッテリの集団に対して追加のプロセスを実施することと、を含む、方法。

【請求項31】

（ｘｉｖ）前記第１の場所において、各々が追加のリチウム系二次バッテリの集団を有する追加のバッテリトレイの集団を装填することと、
（ｘｖ）前記追加のバッテリトレイの集団を、前記第２の場所に輸送することと、
（ｘｖｉ）前記追加のバッテリトレイを、前記充電ステーション内に位置付けることと、
（ｘｖｉｉ）前記充電ステーションにおいて、前記追加のバッテリトレイ内の前記追加のリチウム系二次バッテリの集団を充電することと、
（ｘｖｉｉｉ）前記追加のバッテリトレイを、前記充電ステーションから除去することと、
（ｘｉｘ）前記形成ベースを、前記追加のバッテリトレイの集団に取り付けることと、
（ｘｖ）（ｖｉｉ）～（ｘ）を、前記取り付けられた形成ベースを有する前記追加のバッテリトレイについて繰り返すことと、を更に含む、請求項３０に記載の方法。

【請求項32】

前記バッテリスロットの集団は、前記バッテリトレイ内に一体的に形成されている、請求項１に記載のセル形成システム。

【請求項33】

前記バッテリスロットの集団は、前記バッテリトレイに取り外し可能に取り付けられている、請求項１に記載のセル形成システム。

【請求項34】

各リチウム系二次バッテリは、前記エンクロージャ内に補助極を更に備え、導電性タブが、前記補助極に電気的に接続され、かつ前記エンクロージャから、前記バッテリトレイの前記ベースを通って、前記バッテリトレイの前記ベースの前記下側からアクセス可能な位置まで延在しており、前記形成ベースの前記コネクタグループの集団の各コネクタグループは、前記導電性タブとの電気接触を行うように構成されている、請求項１に記載のセル形成システム。

【請求項35】

各リチウム系二次バッテリは、前記エンクロージャ内に囲まれた補助極を更に備え、導電性タブが、前記補助極に電気的に接続され、かつ前記エンクロージャから延在し、前記導電性タブは、前記バッテリトレイの前記ベースを通って、前記バッテリトレイの前記ベースの前記下側からアクセス可能な位置まで延在しており、前記形成ベースの前記コネクタグループの集団の各コネクタグループは、前記導電性タブとの電気接触を行うように構成されている、請求項１３に記載の方法。

【請求項36】

各リチウム系二次バッテリは、前記エンクロージャ内に補助極を更に備え、導電性タブが、前記補助極に電気的に接続され、かつ前記エンクロージャから、前記バッテリトレイの前記ベースを通って、前記バッテリトレイの前記ベースの前記下側からアクセス可能な位置まで延在しており、前記形成ベースの前記コネクタグループの集団の各コネクタグループは、前記導電性タブとの電気接触を行うように構成されている、請求項１８に記載のセル形成システム。

【請求項37】

各リチウム系二次バッテリは、前記エンクロージャ内に囲まれた補助極を更に備え、導電性タブが、前記補助極に電気的に接続され、かつ前記エンクロージャから延在し、前記導電性タブは、前記バッテリトレイを通って、前記バッテリトレイの前記下側からアクセス可能な位置まで延在しており、前記形成ベースの前記コネクタグループの集団の各コネクタグループは、前記導電性タブとの電気接触を行うように構成されている、請求項３０に記載の方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

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、リチウム系二次バッテリのためのセル形成システムに関する。

【背景技術】

【0002】

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。

【0003】

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％）に起因して、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と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。

【0004】

リチウム系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】

【0005】

本開示の一態様は、リチウム系二次バッテリのためのセル形成システムである。各リチウム系二次バッテリは、二重層の集団と、電極バスバーと、対極バスバーと、二重層の集団、電極バスバー、及び対極バスバーを囲むエンクロージャと、電極バスバーに電気的に接続され、かつエンクロージャから延在する第１の端子と、対極バスバーに電気的に接続され、かつエンクロージャから延在する第２の端子と、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。セル形成システムは、バッテリトレイと、形成ベースと、を含む。バッテリトレイは、側面の集団と、側面の集団に接続されたベースと、を有する。バッテリトレイは、ベースの上側にバッテリスロットの集団を含み、バッテリスロットの集団の各バッテリスロットは、第１の端子及び第２の端子がバッテリトレイのベースを通ってバッテリトレイのベースの下側からアクセス可能な位置まで延在する状態で、１つのリチウム系二次バッテリを保持するように構成されている。形成ベースは、バッテリトレイのベースの下側からバッテリトレイに取り付けるように構成されている。形成ベースは、コネクタグループの集団、及び事前リチウム化モジュールの集団を含み、コネクタグループの集団の各コネクタグループは、バッテリトレイ内のリチウム系二次バッテリのうちの異なる１つの第１の端子及び第２の端子のうちの少なくとも１つとの電気接触を行うように構成されている。事前リチウム化モジュールの集団の各事前リチウム化モジュールは、少なくとも１つのコネクタグループに電気的に接続され、各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が電気的に接続されているコネクタグループに接続されたリチウム系二次バッテリの電極活性材料にリチウムを拡散させるように構成されている。

【0006】

本開示の別の態様は、リチウム系二次バッテリのためのセル形成方法である。各リチウム系二次バッテリは、二重層の集団と、電極バスバーと、対極バスバーと、二重層の集団、電極バスバー、及び対極バスバーを囲むエンクロージャと、電極バスバーに電気的に接続され、かつエンクロージャから延在する第１の端子と、対極バスバーに電気的に接続され、かつエンクロージャから延在する第２の端子と、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。方法は、（ｉ）リチウム系二次バッテリの集団をバッテリトレイ中に装填することであって、バッテリトレイは、側面の集団と、側面の集団に接続されたベースと、を有し、バッテリトレイは、ベースの上側にバッテリスロットの集団を含み、バッテリスロットの集団の各バッテリスロットは、第１の端子及び第２の端子がバッテリトレイのベースを通ってバッテリトレイのベースの下側からアクセス可能な位置まで延在する状態で、リチウム系二次バッテリの集団のうちの１つのリチウム系二次バッテリを保持するように構成されている、装填することと、（ｉｉ）形成アセンブリを形成するように、バッテリトレイのベースの下側からバッテリトレイに形成ベースを取り付けることであって、形成ベースは、コネクタグループの集団、及び事前リチウム化モジュールの集団を含み、コネクタグループの集団の各コネクタグループは、バッテリトレイ内のリチウム系二次バッテリのうちの異なる１つの第１の端子及び第２の端子のうちの少なくとも１つとの電気接触を行うように構成され、事前リチウム化モジュールの集団の各事前リチウム化モジュールは、少なくとも１つのコネクタグループに電気的に接続され、各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が電気的に接続されているコネクタグループに接続されたリチウム系二次バッテリの電極活性材料にリチウムを拡散させるように構成されている、取り付けることと、（ｉｉｉ）形成アセンブリを形成ステーション内に位置付けることと、（ｉｖ）事前リチウム化モジュールを使用して、形成アセンブリ内のリチウム系二次バッテリの集団を緩衝することと、（ｖ）形成ベースをバッテリトレイから除去することと、（ｖｉ）バッテリトレイ内のリチウム系二次バッテリの集団に対して追加のプロセスを実施することと、を含む。

【0007】

本開示の別の態様は、リチウム系二次バッテリのためのセル形成システムである。各リチウム系二次バッテリは、二重層の集団と、電極バスバーと、対極バスバーと、二重層の集団、電極バスバー、及び対極バスバーを囲むエンクロージャと、電極バスバーに電気的に接続され、かつエンクロージャから延在する第１の端子と、対極バスバーに電気的に接続され、かつエンクロージャから延在する第２の端子と、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。セル形成システムは、バッテリトレイと、形成ベースと、を含む。バッテリトレイは、側面の集団と、側面の集団に接続されたベースと、を有する。バッテリトレイは、ベースの上側にバッテリスロットの集団を含み、バッテリスロットの集団の各バッテリスロットは、第１の端子及び第２の端子がバッテリトレイのベースを通ってバッテリトレイのベースの下側からアクセス可能な位置まで延在する状態で、１つのリチウム系二次バッテリを保持するように構成される。形成ベースは、バッテリトレイのベースの下側からバッテリトレイに取り付けるように構成されている。形成ベースは、コネクタグループの集団と、形成クラスタの集団と、を含む。コネクタグループの集団の各コネクタグループは、バッテリトレイ内のリチウム系二次バッテリのうちの異なる１つの第１の端子及び第２の端子のうちの少なくとも１つとの電気接触を行うように構成される。各形成クラスタは、コネクタグループのうちの１つに接続され、かつコネクタグループに接続されたリチウム系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、コネクタグループのうちの１つに接続され、かつコネクタグループに接続されたリチウム系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、コネクタグループのうちの１つに接続され、かつコネクタグループに接続されたリチウム系二次バッテリを放電させるように構成された放電モジュールと、を含む。

【0008】

更に別の態様は、リチウム系二次バッテリのためのセル形成システムの方法である。各リチウム系二次バッテリは、二重層の集団と、電極バスバーと、対極バスバーと、二重層の集団、電極バスバー、及び対極バスバーを囲むエンクロージャと、電極バスバーに電気的に接続され、かつエンクロージャから延在する第１の端子と、対極バスバーに電気的に接続され、かつエンクロージャから延在する第２の端子と、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。方法は、（ｉ）第１の場所において、各々がリチウム系二次バッテリの集団を有するバッテリトレイの集団を装填することであって、各バッテリトレイは、第１の端子及び第２の端子がバッテリトレイを通ってバッテリトレイの下側からアクセス可能な位置まで延在する状態で、リチウム系二次バッテリのその集団を保持するように構成されている、装填することと、（ｉｉ）バッテリトレイの集団を、少なくとも１つの充電ステーションを有する第２の場所に輸送することと、（ｉｉｉ）バッテリトレイを充電ステーション内に位置付けることと、（ｉｖ）充電ステーションにおいて、バッテリトレイ内のリチウム系二次バッテリの集団を充電することと、（ｖ）バッテリトレイを、充電ステーションから除去することと、（ｖｉ）バッテリトレイに形成ベースの集団を取り付けることであって、各バッテリトレイは、それに取り付けられた異なる形成ベースを有し、各形成ベースは、コネクタグループの集団、及び事前リチウム化モジュールの集団を含み、コネクタグループの集団の各コネクタグループは、バッテリトレイ内のリチウム系二次バッテリのうちの異なる１つの第１の端子及び第２の端子のうちの少なくとも１つとの電気接触を行うように構成され、事前リチウム化モジュールの集団の各事前リチウム化モジュールは、少なくとも１つのコネクタグループに電気的に接続され、各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が電気的に接続されているコネクタグループに接続されたリチウム系二次バッテリの電極活性材料にリチウムを拡散させるように構成されている、取り付けることと、（ｖｉｉ）取り付けられた形成ベースを有するバッテリトレイを、少なくとも１つの形成ステーションを有する第３の場所に輸送することと、（ｖｉｉｉ）取り付けられた形成ベースを有するバッテリトレイを、形成ステーション内に位置付けることと、（ｉｘ）形成ベース内の事前リチウム化モジュールを使用して、バッテリトレイ内のリチウム系二次バッテリの集団を緩衝することと、（ｘ）取り付けられた形成ベースを有するバッテリトレイを、形成ステーションから除去することと、（ｘｉ）形成ベースをバッテリトレイから除去することと、（ｘｉｉ）バッテリトレイを第４の場所に輸送することと、（ｘｉｉｉ）第４の場所において、バッテリトレイ内のリチウム系二次バッテリの集団に対して追加のプロセスを実施することと、を含む。

【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、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の二次バッテリアセンブリのユニットセルを描画する。

【図3】例示的な実施形態の図２のユニットセルのため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一段階における図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一段階における図５～図６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のための例示的なバッテリトレイの図である。

【図24】図２２のセル形成システムのための例示的な形成ベーストレイの図である。

【図26】図２４の形成ベースに取り付けて形成アセンブリを形成するように位置付けられている、図２３のバッテリトレイの側面図である。

【図27】アセンブリコネクタが位置合わせされた状態で、図２４の形成ベース上に位置付けられた図２３のバッテリトレイの部分図である。

【図28】図２４の形成ベースに下げられた図２３のバッテリトレイの部分図である。

【図29】アセンブリコネクタが係合された状態で、図２４の形成ベース上に下げられた図２３のバッテリトレイの部分図である。

【図30】リチウム系二次バッテリのための例示的なセル形成システムのブロック図である。

【図31】図３０のセル形成システムで使用するための例示的なセル形成クラスタのブロック図である。

【図32】図３１のセル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33】図３２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34A】時間の関数として、図３３のスイッチトキャパシタ回路のスイッチに印加された一連のＰＦＭ制御パルスのグラフである。

【図34B】時間の関数として、図３４Ａの制御パルスに応答して補助極を通る、結果として得られた電流のグラフである。

【図35】図３２の事前リチウム化モジュール内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態様の回路図である。

【図36A】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36B】例示的な事前リチウム化プロファイルについてのパルスの期間のグラフである。

【図36C】例示的な事前リチウム化プロファイルについてのパルス数のグラフである。

【図37A】図３６Ａ～図３６Ｃ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－陽極間電圧及び陰極－補助極間電圧のグラフである。

【図37B】図３６Ａ～図３６Ｃ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。

【発明を実施するための形態】

【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、文脈上他に明確に指示されない限り、複数の指示対象を指す。例えば、一例では、「電極（ａｎ ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ）」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「約」及び「およそ」は、記載された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。別段の指示がない限り、本明細書及び特許請求の範囲で使用される量（例えば、測定値など）などを表す全ての数は、全ての場合において「約」という用語によって修飾されるものとして理解されるべきである。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の数に照らして、通常の丸め技術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場合、「陽極材料」又は「陽極活性」とは、二次バッテリの負極として使用するのに適した材料を意味する。

【0015】

二次バッテリの文脈で本明細書で使用される場合の「陰極」とは、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場合、「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適した材料を意味する。

【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サイクルは、充電サイクルのように、放電状態から充電状態にバッテリを充電し、次いで、放電状態に放電して、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、次いで充電状態に充電してサイクルを完了することを含み得る。

【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「二次バッテリ電流コレクタ」は、文脈上明らかにそうでない場合を除き、電極の負又は正（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、その定格容量の少なくとも８０％、その定格容量の少なくとも９０％、更にはその定格容量の少なくとも９５％、例えばその定格容量の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、その定格容量の２０％未満、例えばその定格容量の１０％未満、更にはその定格容量の５％未満、例えばその定格容量の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「長手方向軸」、「横軸」、及び「縦軸」は、互いに垂直な軸を指す（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」、「横軸」、及び「縦軸」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に類似している。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場合、「事前リチウム化」又は「事前リチウム化する」という用語は、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系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。

【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型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、ケイ素ベースの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。電極サブユニット１０２の各々は、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、電極サブユニット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、他の金属若しくは金属合金、複合材料、ポリマー、セラミック（例えば、アルミナ（例えば、焼結若しくは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：Ａｐｔｉｖ１１０２）、炭素を含むＰＥＥＫ（例えば、Ｖｉｃｔｒｅｘ９０ＨＭＦ４０若しくはＸｙｃｏｍｐ１０００－０４）、炭素を含むポリフェニレン硫化物（ＰＰＳ）（例えば、Ｔｅｐｅｘ Ｄｙｎａｌｉｔｅ２０７）、３０％のポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）ガラス（例えば、Ｖｉｃｔｒｅｘ９０ＨＭＦ４０若しくは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、積層形成内に、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、陰極活性材料層の第２の層、セパレータ層、陽極活性材料層１０４の第１の層、陽極電流コレクタ２０２、陽極活性材料層の第２の層、及びセパレータ層を含む。

【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。ひとまとめにして、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る容量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、ここで、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も含む。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から選択される陰極活性材料を含み得、リチウム遷移金属窒化物は、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殻又はｆ殻を有する金属元素を含み得る。かかる金属元素の具体例として、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などを挙げることができる。追加のカソード活性材料としては、ＬｉＣｏＯ_２、ＬｉＮｉ_０．５Ｍｎ_１．５Ｏ_４、Ｌｉ（Ｎｉ_ｘＣｏ_ｙＡｌ_ｚ）Ｏ_２、ＬｉＦｅＰＯ_４、Ｌｉ_２ＭｎＯ_４、Ｖ_２Ｏ_５、オキシ硫化モリブデン、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はまた、二次バッテリ１００及びその意図される用途に応じて変化する。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、幅Ｗ_ＣＥよりも実質的に大きく、かつその高さ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のＷ_ＣＥに対する比は、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のＷ_ＣＥに対する比は、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の範囲内である。

【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たり、リチウムと合金を形成したり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。１つの例示的な実施形態では、アノード活性材料は、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の充電プロセス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）が陽極活性材料層内に組み込まれるか、又は陽極活性材料層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、又はメソ多孔質とマクロ多孔質と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た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い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、又は更には約０．５ｍｇ／ｃｍ^２～３ｍｇ／ｃｍ^２の充填量で、リチウム粒子状材料を陽極活性材料層上に噴霧、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の導電率よりも実質的に大きい導電率を有する。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、又は二次バッテリを放電するための印加負荷があるときに、陽極電流コレクタ２０２の導電率と陽極活性材料層１０４の導電率との比は、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、又は二次バッテリを放電するための印加負荷があるときに、陽極電流コレクタ２０２の導電率と陽極活性材料層１０４の導電率との比は、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、又は二次バッテリを放電するための印加負荷があるときに、陽極電流コレクタ２０２の導電率と陽極活性材料層１０４の導電率との比は、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、又は二次バッテリを放電するための印加負荷があるときに、陽極電流コレクタ２０２の導電率と陽極活性材料層１０４の導電率との比は、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、又は二次バッテリを放電するための印加負荷があるときに、陽極電流コレクタ２０２の導電率と陽極活性材料層１０４の導電率との比は、少なくとも１００００：１である。

【0073】

図４は、例示的な実施形態の図２の陽極構造２０７を描画している。図４の各陽極構造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の長さＬ_Ｅは、二次バッテリ１００及びその意図される用途に応じて変化する。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の範囲の長さ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の長さ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の長さ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はまた、二次バッテリ１００及びその意図される用途に応じても変化する。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はまた、二次バッテリ１００及びその意図される用途に応じても変化する。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の電極部材についての異なる高さは、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、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のＷ_Ｅに対する比は、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のＷ_Ｅに対する比は、それぞれ少なくとも２０：１である。しかし、典型的には、Ｈ_ＥのＷ_Ｅに対する比は、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のＷ_Ｅに対する比は、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のＷ_Ｅに対する比は、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のＷ_Ｅに対する比は、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のＷ_Ｅに対する比は、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（複数可）１０８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、硫化スズリンリチウム（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２５００Åの範囲内にある。微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、微孔質セパレータ材料は、約３５～５５％の多孔率を有する。

【0087】

微孔質セパレータ材料用の結合剤は、広範囲の無機又はポリマー材料から選択することができる。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、種々の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、ポリ酢酸ビニル、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】

微孔質セパレータ材料に含まれる粒子状材料はまた、広範囲の材料から選択されてもよい。概して、かかる材料は、動作温度で比較的低い電子及びイオン伝導性を有し、微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、粒子状材料は、１×１０^－４Ｓ／ｃｍ未満のキャリアイオン（例えば、リチウム）に対する伝導率を有する。更なる例として、一実施形態では、粒子状材料は、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、粒子状材料は、１×１０^－６Ｓ／ｃｍ未満のキャリアイオンの導電率を有する。例示的な粒子状材料としては、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、粒子状材料は、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状材料は、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／又は溶媒混合物中に溶解されたリチウム塩及び／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、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などが挙げられる。リチウム塩を溶解する有機溶媒としては、環状エステル類、鎖状エステル類、環状エーテル類、及び鎖状エーテル類が挙げられる。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。鎖状エステルの具体例としては、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、ジブチルカーボネート、ジプロピルカーボネート、メチルエチルカーボネート、メチルブチルカーボネート、メチルプロピルカーボネート、エチルブチルカーボネート、エチルプロピルカーボネート、ブチルプロピルカーボネート、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。環状エーテル類の具体例としては、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。鎖状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
二次バッテリが組み立てられるときに、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が、その理由は、リチウムコバルト酸化物などの陰極活性材料が、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）ためである。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。都合のよいことに、負極２０９の過剰なクーロン容量は、陽極活性材料の供給源を提供して、サイクルの結果として負極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。

【0095】

前述のように、初期充電／放電サイクル中のＳＥＩの形成は、可逆的サイクル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、この緩衝システムは、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。複数の実施形態では、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）のため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のため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、以下でより詳細に説明される。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５０８－１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係る補助極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を参照すると、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。この実施形態におけるセパレータ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含んでもよい。

【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。この実施形態では、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】

この実施形態における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に描画す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間に露出されている導電層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軸方向に）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の間に露出している導電層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、製作プロセス内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の少なくとも一部に沿って、それ自体に接合される。図１０において、この段階での補助極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、セパレータ７０２の第２の表面８０３を含み、この表面は、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。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。一部の実施形態では、導電性タブ５０８－２は、延在してもよい（アセンブリ後の補助極５０２を描画する、図１１参照）。

【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、ポーチ内で第１のエンクロージャ層から離れて配設されている。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と接触させて位置付けるために、矢印１３０２の方向に回転され、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、二次バッテリの主面１２６、１２７の各々とキャリアイオン供給層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ている。

【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。特に、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、具体的には、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を更に例示している。

【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５０８－１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、及び補助極５０２（図１６では見えない）のキャリアイオン供給層７０６が電気化学的にともに結合された状態で、キャリアイオン緩衝プロセスが、二次バッテリ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の陽極及び／又は陰極に装填されるため、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与える。

【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、二次バッテリ１００の負極２０９は、再び充電され、今度は、キャリアイオンは、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に移動する。

【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与える。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、二次バッテリが使用中にサイクルされるときに、二次バッテリ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与え、これは、経時的な二次バッテリ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、二次バッテリの初期形成と同時に（例えば、二次バッテリの第１の充電中に）、かつ／又は初期形成後の二次バッテリ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から二次バッテリの負極２０９に移動する。時間的遅延若しく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、正極２０８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の正極から二次バッテリの負極２０９に移動させることによって、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にわたって印加されて、キャリアイオンを、二次バッテリの正極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、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にわたって印加されて、キャリアイオンを、補助極５０２から二次バッテリの正極２０８に駆動する。したがって、キャリアイオンが二次バッテリの正極から負極２０９に移動していると同時に、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に移動する。すなわち、キャリアイオンを二次バッテリの正極から負極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から正極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及び二次バッテリの正極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、二次バッテリの正極から負極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、二次バッテリの補助極５０２から正極へのキャリアイオンの移動速度以上であり、その結果、正極を介した二次バッテリの補助極から負極へのキャリアイオンの良好な移動速度全体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の全容量を上回らないように維持することができる。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に移動する（補助極から二次バッテリの負極に直接移動することとは対照的に）が、その理由は、正極が、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、二次バッテリの正極と負極との間のその移動においてより均一に関与することを可能にし得るためである。

【0134】

緩衝プロセスが、緩衝システム５００を利用して二次バッテリ１００に対して実施された後に、補助極５０２は、緩衝システムから除去されて、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から除去されていてもよい。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、二次バッテリ内の陰極構造２０６の集団）及び二次バッテリの負極２０９（例えば、図２に描画するように、二次バッテリ内の陽極構造２０７の集団）のうち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する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、そこでは、補助極５０２は、導電層７０４と、二次バッテリ１００の主面１２６、１２７に近接する導電層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８～図１１参照）。

【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、そこでは、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印加することによって、二次バッテリ１００の正極２０８から二次バッテリの負極２０９に移動して、二次バッテリ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に対するキャリアイオンの損失を補償し、かつ追加のキャリアイオンを更に提供してキャリアイオンが副反応によって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、キャリアイオンは、導電性タブ５０８、及び二次バッテリの電気端子１２４、１２５のうちの１つ以上にわたって電位電圧を印加することによって、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の正極２０８及び／又は負極２０９に移動する（図１６のステップ１８０８参照）。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／又は陽極に充填されるため、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与える。

【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与える。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、二次バッテリが使用中にサイクルされるときに、二次バッテリ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与え、これは、経時的な二次バッテリ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、二次バッテリの初期形成と同時に（例えば、二次バッテリの第１の充電中に）、かつ／又は初期形成後の二次バッテリ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から二次バッテリの負極２０９に移動する。時間的遅延若しく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、二次バッテリの電気端子１２４、１２５にわたって電位電圧を印加することによって、二次バッテリ１００の正極２０８から二次バッテリの負極２０９に再び移動し、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、二次バッテリを充電する（ステップ１８１０参照）。

【0144】

更に別の実施形態では、正極２０８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の正極２０８から二次バッテリの負極２０９に移動させることによって、キャリアイオンで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にわたって印加されて、キャリアイオンを、二次バッテリの正極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にわたって電圧を印加して、キャリアイオンを補助極５０２から二次バッテリの正極２０８に駆動する。したがって、キャリアイオンは、キャリアイオンが二次バッテリの正極２０８から負極２０９に移動しているのと同時に、補助極５０２から二次バッテリ１００の正極２０８に移動する。すなわち、キャリアイオンを二次バッテリの正極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、正極を介した二次バッテリの補助極５０２から負極２０９へのキャリアイオンの良好な移動速度全体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の全容量を上回らないように維持することができる。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に直接移動することとは対照的に）が、その理由は、正極が、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得、したがって、キャリアイオンが、二次バッテリの正極と負極との間のその移動において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）。他の実施形態では、補助極５０２は、エンクロージャ５０４から除去されない。

【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、電解質が、（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）ポーチに追加され、その後、エンクロージャ５０４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を封止線１６０２に沿ってともに封止することによって、形成される。

【0150】

一部の実施形態では、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の１つ以上のステップは、バッテリトレイ、及びバッテリトレイに取り外し可能に取り付け可能な形成ベースを使用して実施することができる。

【0151】

図２２は、二次バッテリ１００などのリチウム系二次バッテリのための例示的なセル形成システム２２００のブロック図である。システム２２００は、バッテリトレイ２２０２と、形成ベース２２０４と、装填ステーション２２０６と、充電ステーション２２０８と、形成ステーション２２１０と、を含む。バッテリトレイ２２０２及び形成ベース２２０４は、取り付けられたときに、形成アセンブリ２２０９を形成する。他の実施形態は、充電ステーション２２０８を含まず、セル形成システム２２００によって処理されるべきバッテリは、任意の好適な充電システムを使用して充電されてもよい。

【0152】

バッテリトレイ２２０２は、バッテリスロット２２１２及び第１のアセンブリコネクタ２２１３を含む。各バッテリスロット２２１２は、二次バッテリ１００を受容及び保持するように構成されている（例えば、サイズ及び形状設計されている）。例示的な実施形態では、各バッテリスロット２２１２は、１つの二次バッテリ１００のみを受容するように構成されているが、他の実施形態では、各バッテリスロットは、２つ以上のバッテリを受容するように構成されてもよい。１つの例示的な実施形態では、バッテリトレイ２２０２は、４０個のバッテリスロットの３列に配置された１２０個のバッテリスロット２２１２を含む。他の実施形態は、より多くの又はより少ない列に整列されたより多くの又はより少ないバッテリスロット２２１２を含む。開口部が、バッテリスロット２２１２に対応する場所でバッテリトレイ２２０２の下部に画定されて、二次バッテリ１００がバッテリスロット２２１２に位置付けられるときに、第１の端子１２４、第２の端子１２５、及び導電性タブ５０８－１がバッテリトレイの下部を通って延在することを可能にする。

【0153】

形成ベース２２０４は、バッテリトレイ２２０２と同様のサイズ及び形状設計され、バッテリトレイに取り外し可能に取り付けるように構成されている。形成ベース２２０４は、コネクタグループ２２１４、事前リチウム化モジュール２２１６、及び第２のアセンブリコネクタ２２１８を含む。各コネクタグループ２２１４は、内部に装填された二次バッテリを有するバッテリトレイ２２０２が形成ベースに取り付けられるときに、導電性タブ５０８－１、並びに異なる二次バッテリ１００の第１の端子１２４及び第２の端子１２５のうちの１つへの電気的接続を行うように構成されている。コネクタグループ２２１４が接続する異なる二次バッテリ１００の第１の端子１２４及び第２の端子１２５のうちの１つは、陰極端子である。他の実施形態では、各コネクタグループ２２１４は、二次バッテリが内部に装填されたバッテリトレイ２２０２が形成ベースに取り付けられたときに、導電性タブ５０８－１、異なる二次バッテリ１００の第１の端子１２４、及び第２の端子１２５への電気的接続を行うように構成されている。

【0154】

各事前リチウム化モジュール２２１６は、コネクタグループ２２１４のうちの異なるコネクタグループに電気的に接続され、事前リチウム化モジュールが電気的に接続されているコネクタグループに接続された二次バッテリ１００の電極活性材料にリチウムを拡散させるように構成されている。他の実施形態では、各事前リチウム化モジュール２２１６は、コネクタグループ２２１４のうちの２つ以上のコネクタグループに電気的に接続され、事前リチウム化モジュールが電気的に接続されている２つ以上のコネクタグループに接続された二次バッテリ１００の電極活性材料にリチウムを拡散させるように構成されている。一例では、事前リチウム化モジュール２２１６は、スイッチトキャパシタ回路である。別の例では、事前リチウム化モジュール２２１６は、導電性タブ５０８－１と、第１の端子１２４及び第２の端子１２５のうちの１つとの間に電気的に接続される抵抗器と、電圧が１．５Ｖに低下すると（緩衝プロセスの完了を示す）ときに接続を中断する回路と、を含む。他の実施形態は、任意の他の適切な事前リチウム化モジュールを含む。一部の実施形態では、各事前リチウム化モジュールは、他の各事前リチウム化モジュールとは別個である一方、他の実施形態では、２つ以上の事前リチウム化モジュールは、共通の回路内に統合されるか、又は共通の支持体（剛性回路基板、可撓性回路基板、又は他の適切な支持体など）上に搭載される。

【0155】

第２のアセンブリコネクタ２２１８は、第１のアセンブリコネクタ２２１３と嵌合係合して、バッテリトレイ２２０２を形成ベース２２０４に機械的に接続するように構成されている。１つの例示的な実施形態では、第１のアセンブリコネクタ２２１３は、バッテリトレイ２２０２の下部を通る長方形開口部であり、第２のアセンブリコネクタ２２１８は、形成ベース２２０４から延在する回転可能なＴ字形コネクタである。第１の配向では、第２のアセンブリコネクタ２２１８は、第１のアセンブリコネクタ２２１３の長方形開口部を通過して、バッテリトレイ２２０２が形成ベース２２０４上の所定の位置に配置されることを可能にし得る。第２のアセンブリコネクタ２２１８が第２の位置（例えば、第１の位置から９０度）に回転されるとき、第２のアセンブリコネクタは、第１のアセンブリコネクタ２２１３の長方形開口部を通過することができない。したがって、バッテリトレイ２２０２が形成ベース２２０４上の所定の位置に配置された後、第２のアセンブリコネクタ２２１８は、第２の位置に回転されて、バッテリトレイ及び形成ベースを形成アセンブリ２２０９内に一緒にロックする。他の実施形態は、第１及び第２のアセンブリコネクタとして他の接続システムを使用してもよい。

【0156】

装填ステーション２２０６、充電ステーション２２０８、及び形成ステーション２２１０は、それぞれ、バッテリ１００をバッテリトレイ２２０２中に装填し、バッテリトレイ内のバッテリを充電し、形成アセンブリ２２０９内のバッテリを緩衝するためのステーションである。装填ステーション２２０６において、二次バッテリ１００は、典型的には、ロボットローダ（図示せず）によってバッテリトレイ１００中に装填される。他の実施形態では、二次バッテリ１００は、人間のオペレータによってバッテリトレイ２２０２中に装填される。充電ステーション２２０８は、バッテリ１００を装填されたバッテリトレイ２２０２を受容し、装填されたバッテリトレイを保管し、バッテリトレイ内のバッテリ１００を充電するように構成されている。形成ステーション２２１０は、充電されたバッテリ１００を装填されたバッテリトレイ２２０２を含む形成アセンブリ２２０９を受容し、リチウムが事前リチウム化モジュール２２１６によってバッテリトレイ内の二次バッテリの電極活性材料に拡散される間、形成アセンブリを格納するように構成されている。一部の実施形態はまた、バッテリトレイ２２０２が形成ベース２２０４に搭載される搭載ステーション（図示せず）も含む。バッテリトレイ２２０２及び形成アセンブリ２２０９は、装填ステーション２２０６、充電ステーション２２０８、形成ステーション２２１０、及びコンベヤベルト又は任意の他の好適な搬送システム上の装填ステーションの間を移動することができる。

【0157】

充電ステーション２２０８は、バッテリトレイ２２０２を保管するためのラック又は棚システム、並びにバッテリトレイ内の二次バッテリ１００を充電するためにバッテリトレイに電力を供給するための電気的接続を含む。一部の実施形態では、充電ステーションは、バッテリ１００の充電を制御するための充電回路を含む一方、他の実施形態では、充電回路は、バッテリトレイ２２０２又は形成ベース２２０４内に含まれる。一部の実施形態では、充電ステーション２２０８はまた、１つ以上のリモートコンピューティングデバイスが充電ステーション２２０８において二次バッテリ１００の充電を制御及び／又は監視することを可能にする通信接続も含む。

【0158】

形成ステーション２２１０は、形成アセンブリ２２０９を格納するためのラック又は棚システム、並びに形成プロセスに電力を供給するための電気的接続を含む。一部の実施形態では、形成ステーション２２１０はまた、１つ以上のリモートコンピューティングデバイスが形成ステーション２２１０における形成プロセスを制御及び／又は監視することを可能にする通信接続も含む。

【0159】

図２３は、バッテリトレイ２２０２として使用され得る例示的なバッテリトレイの図である。このバッテリトレイは、ベース２３０２に接続され、かつそのベースの上方に延在する側面２３００を含む。例示的な実施形態では、バッテリトレイ２２０２は、ほぼ等しい長さ、高さ、及び厚さの４つの側面２３００を含む。他の実施形態では、バッテリトレイは、より多くの又はより少ない側面２３００を含んでもよく、かつ／又はそれらの側面は、それらの寸法のうちの１つ以上で変化してもよい。例示的なバッテリトレイ２２０２は、それぞれ４０個のスロットの３列２３０４に整列された１２０個のバッテリスロット２２１２を含む。他の実施形態は、より多くの又はより少ない行２３０４に整列されたより多くの又はより少ない総スロット２２１２を含み得る。少なくとも１つの開口部（図２３には示されておらず、図２８では、２８００として示されている）は、各スロット２２１２の場所でベース２３０２を通って画定され、導電性タブ５０８－１、第１の端子１２４、及び第２の端子１２５が、スロット２２１２からバッテリトレイ２２０２のベースを通って、バッテリトレイのベースの下側２３０６からアクセス可能な場所に延在することを可能にする。バッテリトレイ２２０２は、形成ベース２２０４の対応する６つの第２のアセンブリコネクタ２２１８と嵌合係合して、バッテリトレイ２２０２を形成ベース２２０４に機械的に接続するための６つの第１のアセンブリコネクタ２２１３（図２３には示されていない）を含む。他の実施形態は、より多くの又はより少ない第１のアセンブリコネクタ２２１３及び第２のアセンブリコネクタ２２１８を含み得る。

【0160】

図２４は、形成ベース２２０４として使用され得る例示的な形成ベースの図である。この形成ベースは、バッテリトレイ２２０２がバッテリスロット２２１２を有するのと同じ数のコネクタグループ２２１４を含む。３つのコネクタグループ２２１４が、図２５に示されている。例示的な形成ベース２２０４は、バッテリトレイ２２０２を形成ベース２２０４に機械的に接続するために、バッテリトレイ２２０２の第１のアセンブリコネクタ２２１３と嵌合係合するための６つの第２のアセンブリコネクタ２２１８（各側に３つ、図２４には一方のみが見える）を含む。

【0161】

図２６は、形成ベース２２０４に取り付けて形成アセンブリ２２０９を形成するように位置付けられているバッテリトレイ２２０２の側面図である。図２７～図２９は、形成ベース２２０４の第２のアセンブリコネクタ２２１８のうちの１つと、バッテリトレイ２２０２の第１のアセンブリコネクタ２２１３のうちの１つと、を係合させるプロセスを示している。形成ベース２２０４へのバッテリトレイ２２０２の接続中に、同じプロセスが、各第１のアセンブリコネクタ２２１３及び第２のアセンブリコネクタ２２１８について生じるであろう。図２７に見られるように、バッテリトレイ２２０２は、第１のアセンブリコネクタ２２１３が第２のアセンブリコネクタ２２１８上に位置合わせされた状態で、形成ベース２２０４上に位置付けられる。この実施形態では、第１のアセンブリコネクタ２２１３は、長方形開口部であり、第２のアセンブリコネクタ２２１８は、支柱２７０４によってベース２７０２の上方に支持された回転可能な長方形バー２７００を含む。この長方形バー２７００は、第１のアセンブリコネクタ２２１３の長方形開口部を通って適合するようにサイズ設計され、支柱２７０４は、バッテリトレイのベース２３０２の厚さとほぼ同じ高さ、又はベース２７０２の上方にわずかに大きい高さにサイズ設計されている。形成アセンブリ２２０９の組み立てを開始するとき、第２のアセンブリコネクタ２２１８は、バッテリトレイを下げる（又は形成ベースを上げる）ときに、第１のアセンブリコネクタ２２１３の長方形開口部を通過して、そのバッテリトレイ及び形成ベースを接続することを可能にすることになる、第１の配向に長方形バーとともに配向される。形成ベース２７０２はまた、バッテリトレイ２２０２内の位置合わせ穴２７０８に対応する位置合わせ支柱２７０６の集団（そのうちの１つのみが、図２７に示されている）も有する。バッテリトレイ２２０２が形成ベース２２０４上に位置付けられるとき、位置合わせ支柱２７０６は、位置合わせ穴の中に通過して、形成ベースとバッテリトレイとを位置合わせするのを助け、かつベース２７０２に平行な平面内の形成ベースに対するバッテリトレイの移動を制限する。

【0162】

図２８では、バッテリトレイ２２０２は、形成ベース２２０４上に下げられており、第２のアセンブリコネクタ２２１８の長方形バー２７００は、第１のアセンブリコネクタ２２１３の長方形開口部を通過している。長方形バー２７００は、この時点で依然として第１の配向にあり、バッテリトレイ２２０２は、持ち上げられ、形成ベース２２０４から取り外すことができる。図２９では、長方形バー２７００は、第２の配向に回転されている。第２の配向では、第２のアセンブリコネクタ２２１８の長方形バー２７００は、第１のアセンブリコネクタ２２１３の開口部を通過することができず、それによって、バッテリトレイ２２０２を形成ベース２２０４に固定する。第２の配向は、第１の配向から約９０度であるが、２つの配向は、第１の配向に第１のアセンブリコネクタ２２１３の開口部を通って長方形バー２７００の通過を可能にし、かつ第１のアセンブリコネクタ２２１３の開口部を通って長方形バー２７００の通過を防止するのに十分な任意の角度だけ異なることができる。他の実施形態は、第１のアセンブリコネクタ及び第２のアセンブリコネクタのための、任意の他の好適なタイプのコネクタを使用してもよい。

【0163】

セル形成システム２２００を使用するセル形成の１つの例示的な方法は、以下に説明される。セル形成システム２２００は、セル形成の他の方法にも使用され得ることを理解されたい。

【0164】

まず、リチウム系二次バッテリ１００の集団は、バッテリトレイ２２０２中に装填される。各バッテリ１００は、導電性タブ５０８－１と、第１の端子１２４と、バッテリトレイのベース２３０２を通ってバッテリトレイのベースの下側からアクセス可能な位置に延在する第２の端子１２５と、を有する、異なるバッテリスロット２２１２に装填される。次いで、バッテリトレイ２２０２は、充電ステーション２２０８に輸送され、そこでは、バッテリトレイ内のリチウム系二次バッテリ１００が充電される。バッテリトレイ２２０２は、充電ステーション２２０８から取り外され、形成ベース２２０４は、バッテリトレイのベース２３０２の下側からバッテリトレイに取り付けられて、形成アセンブリ２２０９を形成する。形成アセンブリ２２０９は、形成ステーション２２１０に輸送され、形成アセンブリ２２０９内のリチウム系二次バッテリ１００は、事前リチウム化モジュール２２１６を使用して事前リチウム化される。形成ベース２２０４は、事前リチウム化が完了した後、バッテリトレイ２２０２から取り外される。１つ以上の追加のプロセスが、バッテリトレイ２２０２内のリチウム系二次バッテリ１００上で実施されてもよい。形成ベース２２０４は、追加のプロセスが実施されている間、再利用のために戻される。したがって、リチウム系二次バッテリ１００の追加の集団は、追加のバッテリトレイ２２０２に装填することができ、上記のプロセスは、追加のバッテリトレイ２２０２及び形成ベース２２０４を伴って繰り返すことができる。

【0165】

一部の実施形態では、形成プロセスは、（セル形成システム２２００を含むことができる）分散型形成システムによって実施され、その分散型形成システムでは、各二次バッテリ１００は、別個の形成クラスタ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、その別個の形成クラスタに接続される。セル形成システム２２００を使用する実施形態では、各二次バッテリ１００のための別個の形成クラスタは、形成ベース２２０４に含まれてもよい。かかる実施形態では、充電及び放電は、形成ベース２２０４がバッテリトレイに取り付けられた状態で発生してもよく、又は形成ベース２２０４が取り付けられていない状態で、バッテリトレイ内で発生してもよい（例えば、充電モジュール及び放電モジュールは、バッテリトレイ内にあってもよく、事前リチウム化モジュールは、形成ベース内にあってもよい）。

【0166】

図３０は、二次バッテリ１００などのリチウム系二次バッテリのための例示的なセル形成システム３０００のブロック図である。セル形成システムは、形成クラスタ３００２の集団及び中央コントローラ３００４を含む。各形成クラスタ３００２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。

【0167】

形成クラスタ３００２は、ネットワーク３００６によって中央コントローラ３００４に通信可能に結合される。ネットワーク３００６は、形成クラスタ３００２と中央コントローラ３００４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３００６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３０では、同じネットワーク３００６に接続されて示されているが、形成クラスタ３００２及び中央コントローラ３００４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３００２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３００４に接続されてもよい。

【0168】

各形成クラスタ３００２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３００８に接続される。形成クラスタ３２０２は、電源３００８からの電力を使用して、形成クラスタに電力を供給し、形成プロセスを実施する。図３０では、同じ電源３００８に接続されて例示されているが、セル形成システム３０００内の形成クラスタ３００２は、異なる電源に接続されてもよい。

【0169】

形成クラスタ３００２のグループは、ハウジング３０１０によって支持される。ハウジング３０１０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３００２が１つのハウジング３０１０内に示され、かつ単一の形成クラスタ３００２が別のハウジング内に示されているが、実際には、各ハウジング３０１０は、典型的には、１０、２５、５０、１００、２５０、又は１０００個の形成クラスタなどのより多数の形成クラスタを支持するであろう。特に、中央コントローラ３００４は、ハウジング３０１０及びそれらの形成クラスタ３００２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３０１０は、電源３００８及びネットワーク３００６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３０１０は、異なる数の形成クラスタ３００２を支持することができる。

【0170】

図３１は、例示的な形成クラスタ３００２のブロック図である。形成クラスタ３００２は、バッテリコネクタ３１００と、充電モジュール３１０２と、事前リチウム化モジュール３１０４（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３１０６と、通信インターフェース３１０８と、形成クラスタコントローラ３１１０と、電力接続部３１１２と、電源ユニット（ＰＳＵ）３１１３と、センサ３１１４と、を含む。

【0171】

バッテリコネクタ３１００は、形成クラスタ３００２を二次バッテリ１００に接続する。バッテリコネクタ３１００は、バッテリ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）、バッテリ及び形成クラスタ３００２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ってもよい。バッテリコネクタ３１００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３１００はまた、形成クラスタ３００２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３００２は、形成クラスタ３００２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３００２は、２つ以上のバッテリコネクタ３１００を含み、各バッテリコネクタは、形成クラスタのモジュールのうちの別個の１つに接続される。

【0172】

充電モジュール３１０２は、バッテリコネクタ３１００に接続され、バッテリコネクタ３１００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３１０４は、バッテリコネクタ３１００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（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ている。放電モジュール３１０６は、バッテリコネクタ３１００に接続され、二次バッテリ１００を放電するように構成されている。

【0173】

通信インターフェース３１０８は、形成クラスタ３００２を中央コントローラ３００４に接続する。通信インターフェース３１０８は、コントローラ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３００４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３１０８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３１０８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３１０８は、コントローラが、インターネット、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）、メッシュネットワーク、並びに／又は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の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。

【0174】

形成クラスタコントローラ３１１０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３００２の動作を制御する。形成クラスタは、プロセッサ３１１６及びメモリ３１１８を含む。プロセッサ３１１６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３１１８は、本明細書で説明されるように、形成クラスタ３００２の制御のためにプロセッサ３１１６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３１１８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３１１６及びメモリ３１１８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３１１６及びメモリ３１１８は、別個の構成要素である。

【0175】

例示的な実施形態では、形成クラスタコントローラ３１１０は、モジュール３１０２、３１０４、及び３１０６の各々を直接制御するように（メモリ３１１８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３１１０は、二次バッテリ１００を充電するための充電モジュールを制御し、二次バッテリ１００を事前リチウム化（緩衝とも称される）するための事前リチウム化モジュール３１０４を制御し、二次バッテリ１００を放電するための放電モジュール３１０６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３１１０はまた、どのモジュールをいつ使用するべきかなど、形成プロセス全体を制御するようにもプログラムされる。

【0176】

他の実施形態では、モジュール３１０２、３１０４、及び３１０６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３１１０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３１１０は、充電モジュール３１０２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、充電モジュールを制御して、二次バッテリ１００を充電することになる。

【0177】

更なる実施形態では、形成クラスタ３００２は、形成クラスタコントローラ３１１０を含まない。むしろ、モジュール３１０２、３１０４、及び３１０６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３００４は、形成プロセス全体を制御し、通信インターフェース３１０８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３００２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３１１０とみなすことができる。

【0178】

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３００４及び形成クラスタコントローラ３１１０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３００４は、単に、命令を形成クラスタ３００２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３１１０は、モジュール３１０２、３１０４、及び３１０６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３１１０は、モジュール３１０２、３１０４、及び３１０６に命令して、それらの機能を適切な時間に実施してもよい。他の実施形態では、中央コントローラ３００４は、形成クラスタ３００２に命令を送信して、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」）を実施し、形成クラスタコントローラ３１１０又はモジュールコントローラは、中央コントローラ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３００４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３００２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３１１０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）を実施する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べきかを形成クラスタ３００２に命令してもよい。

【0179】

一部の実施形態では、中央コントローラ３００４は、形成クラスタコントローラ３１１０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３００４は、制御アルゴリズムを形成クラスタ３００２に送信することができ、形成クラスタコントローラ３１１０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、中央コントローラは、変数の変更、タイミングの変更などの、形成クラスタ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３１１０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。

【0180】

形成クラスタコントローラ３１１０はまた、一部の実施形態では、情報を中央コントローラ３００４に返信する。中央コントローラ３００４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３１１４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。

【0181】

電力接続部３１１２は、形成クラスタ３００２を電源３００８に接続する。３１００は、電源３００８への接続のために好適な任意のコネクタとすることができ、そのコネクタには、電源の嵌合ソケットに挿入するように構成されたプラグ、電源にはんだ付け又は溶接されたワイヤ、電源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が含まれる。ＰＳＵ３１１３は、形成プロセスで使用するために、電源からの電力を形成クラスタ３００２の残りの部分に変換及び／又は分配する。ＰＳＵ３１１３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に分配するのに好適な任意の他のユニットであってもよい。一部の実施形態は、ＰＳＵを含まず、電源３００８からの電力を直接利用する。

【0182】

センサ３１１４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３１１４としては、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３００２の周囲の温度を監視するための周囲温度センサ、バッテリアセンブリ、又は形成クラスタの構成要素の温度を監視するための温度センサ、バッテリアセンブリの中に、そこから外へ、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３１１４を含む。更に、一部のセンサ３１１４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。

【0183】

セル形成システム３０００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３０００は、単により多くの形成モジュールを追加する（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３０００は、追加の形成モジュール３００２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３０００内のセル形成クラスタ３００２は、中央コントローラ３００４が各クラスタの構成を認識している限り、全て同じである必要はない。更に、中央コントローラ３００４又は形成クラスタコントローラ３１１０が、どの二次バッテリ１００が形成クラスタに接続されているかを認識している限り、システム３０００内のセル形成クラスタ３００２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。

【0184】

図３２は、セル形成クラスタ３００２で使用するための例示的な事前リチウム化モジュール３１０４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３１０４は、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ように構成されている。事前リチウム化モジュール３１０４は、スイッチトキャパシタ回路３２００と、事前リチウム化モジュールコントローラ３２０２と、バッテリコネクタ３２０４と、事前リチウム化コネクタ３２０６と、通信インターフェース３２０８と、を含む。

【0185】

スイッチトキャパシタ回路３２００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３２００は、図３３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、回路に電流を流してキャパシタネットワークを充電することが可能であり、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は、放電抵抗器を介して放電され、熱として放出される。事前リチウム化モジュール３１０４において、キャパシタネットワークを充電するために流れることが可能である電流は、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、補助極と、二次バッテリ１００の電極のうちの一方との間の電流である。

【0186】

事前リチウム化モジュールコントローラ３２０２は、事前リチウム化モジュール３１０４の動作を制御して、補助極５０２に選択的に電流を流してバッテリアセンブリの電極活性材料層にリチウムを拡散させることによって、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３２０２は、プロセッサ３２１０及びメモリ３２１２を含む。このメモリ３２１２は、プロセッサ３２１０によって実行されると、プロセッサに、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３２１０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３２１２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３２１０及びメモリ３２１２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。

【0187】

バッテリコネクタ３２０４は、事前リチウム化モジュール３１０４を二次バッテリ１００に接続する。バッテリコネクタ３２０４は、バッテリコネクタ３１００であってもよく、又は事前リチウム化モジュール３１０４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３２０４は、二次バッテリ１００への接続に好適な任意のコネクタであってもよく、そのコネクタには、バッテリ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）、バッテリ及び事前リチウム化モジュール３１０４にはんだ付け又は溶接されたワイヤなどが含まれる。バッテリコネクタ３２０４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。

【0188】

事前リチウム化コネクタ３２０６は、事前リチウム化モジュール３１０４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３２０４は、二次バッテリ１００への接続に好適な任意のコネクタであってもよく、そのコネクタには、バッテリ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）、バッテリ及び事前リチウム化モジュール３１０４にはんだ付け又は溶接されたワイヤなどが含まれる。一部の実施形態では、事前リチウム化コネクタ３２０６は、バッテリコネクタ３１００の一部である。

【0189】

通信インターフェース３２０８は、事前リチウム化モジュール３１０４を中央コントローラ３００４に接続する。通信インターフェース３２０８は、通信インターフェース３１０８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３２０８は、事前リチウム化モジュール３１０４が中央コントローラ３００４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３１０４が、例えば、形成クラスタコントローラ３１１０を介して、中央コントローラ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３２０８は、コントローラ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３００４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３２０８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３２０８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３１０８は、コントローラが、インターネット、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）、メッシュネットワーク、並びに／又は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の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。

【0190】

図３３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３２００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は、マイクロコントローラ３３００と、蓄積キャパシタ３３０２と、放電抵抗器３３０４と、第１のスイッチ３３０６と、第２のスイッチ３３０８と、を含む。

【0191】

マイクロコントローラ３３００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３３００は、事前リチウム化モジュールコントローラ３２０２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３２０２は、マイクロコントローラ３３００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、ＰＳＵ３１１３を介して電源３００８によって電力供給される。

【0192】

マイクロコントローラ３３００は、第１のスイッチ３３０６及び第２のスイッチ３３０８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３３０６は、ＮチャネルエンハンスメントモードＭＯＳＦＥＴであり、第２のスイッチ３３０８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３３０６を閉じ、かつ第２のスイッチ３３０４を開くことによって、マイクロコントローラ３３００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３３０６を通って補助極に至る第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３３０２を含む。第１の電流経路に電流が流れると、リチウムが、補助極５０２からバッテリアセンブリの電極活性材料層に拡散し、エネルギーが、蓄積キャパシタに蓄積される。次に、マイクロコントローラ３３００は、第２のスイッチ３３０８を閉じ、第１のスイッチ３３０６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３３０２、放電抵抗器、及び第２のスイッチ３３０８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３３０２に蓄積されたエネルギーは、放電抵抗器３３０４を介して放電され、熱として放出される。

【0193】

例示的な実施形態では、リチウムは、補助極５０２から正極の電極活性材料層に移動する。他の実施形態では、この拡散は、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３２００を接続することによって、負極の電極活性材料層に対するものである。更に他の実施形態では、スイッチトキャパシタ回路３２００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、二重化されてもよい。かかる実施形態は、単一の事前リチウム化モジュール３１０４が、二次バッテリ１００及び補助極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がなく、かつ２つの別個の事前リチウム化モジュールを使用する必要もなく、補助極５０２から二次バッテリ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。

【0194】

スイッチトキャパシタ回路３２００を使用する二次バッテリ１００の事前リチウム化は、概して、バッテリアセンブリの１つの小さなパケットから電荷を、高速で一度に引き出す。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。

【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。

【数2】

【0195】

スイッチトキャパシタ回路３２００を制御するために、マイクロコントローラ３３００は、第１のスイッチ３３０６及び第２のスイッチ３３０８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、各パルスがある固定された長さの時間にある）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。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）、補助極を通って伝導される電流は低くなる。補助極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３２００のＲＣ回路素子の整定時間によって決定される。したがって、スイッチ３３０６０及び３３０４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３３００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３３００は、第１のスイッチ３３０６及び第２のスイッチ３３０８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。

【0196】

図３４Ａは、時間の関数としてスイッチ３３０６及び３３０８に印加される一連のＰＦＭ制御パルスのグラフである。分かるように、一連のパルスの第１の部分３４００では、固定幅パルスは、一連のパルスの第２の部分３４０２よりも高い周波数で印加される。図３４Ｂは、時間の関数として、図３４Ａ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３４００の間に第１の最大電流３４０４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３４０２において低減されるとき、補助極５０２を通る電流は、第１の最大電流よりも低い第２の最大電流３４０６まで減少する。

【0197】

図３５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３２００の例示的な実施態様の回路図である。同様の構成要素は、図３３のそれらの対応する構成要素を伴う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３３００は、ＰＳＵ３１１３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３３００は、活性状態であるときを除くほとんどの状況において、概ね５０ｎＡ～１００ｎＡの範囲の小さな漏れをバッテリアセンブリ上に提示する。

【0198】

事前リチウム化プロセス中に、マイクロコントローラ３３００は、二次バッテリ１００の陰極の電圧、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３３００のピンＲＣ３は、この回路の基準点とみなされるバッテリアセンブリ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３３００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３３００によって以下のように計算される。

【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３３００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３３００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Ｖｙ及びＶｘは、ピンＲＡ０及びＲＣ２によって読み取られる。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。

【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。

及び

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。

【0199】

電圧を測定するとき、マイクロコントローラ３３００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３３００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３３００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。

【0200】

図３６Ａ～図３６Ｃは、二次バッテリ１００の事前リチウム化を実施するための、マイクロコントローラ３３００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３６Ａ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の陰極と補助極との間のミリボルト（ｍＶ）単位の電圧差の関数として示すグラフである。図３６Ｂは、二次バッテリ１００の陰極と補助極との間のｍＶ単位の電圧差の関数としてのパルスの周期を示すグラフである。図３６Ｃは、二次バッテリ１００の陰極と補助極との間のｍＶ単位の電圧差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、異なる容量及び／又は異なる充電電圧上限を有するバッテリアセンブリ１００に対して、異なるプロファイルを使用してもよい。

【0201】

図３６Ａ～図３６Ｃ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３３に示されるスイッチトキャパシタ回路３２００の実施態様とともに使用された。このプロセスの結果は、図３７Ａ及び図３７Ｂに示されている。図３７Ａは、時間の関数としての陰極－陽極間電圧３７００及び陰極－補助極間電圧３７０２のグラフである。図３７Ｂは、時間の関数としての緩衝電流のグラフである。

【0202】

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又は緩衝することは、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。

【0203】

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。

【0204】

実施形態１．リチウム系二次バッテリのためのセル形成システムであって、各リチウム系二次バッテリは、二重層の集団と、電極バスバーと、対極バスバーと、補助極と、二重層の集団、電極バスバー、対極バスバー、及び補助極を囲むエンクロージャと、電極バスバーに電気的に接続され、かつエンクロージャから延在する第１の端子と、対極バスバーに電気的に接続され、かつエンクロージャから延在する第２の端子と、補助極に電気的に接続され、かつエンクロージャから延在する導電性タブと、を備え、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、を備え、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備え、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備え、セル形成システムは、側面の集団、及び側面の集団に接続されたベースを有するバッテリトレイであって、バッテリトレイは、ベースの上側にバッテリスロットの集団を含み、バッテリスロットの集団の各バッテリスロットは、第１の端子、第２の端子、及び導電性タブがバッテリトレイのベースを通ってバッテリトレイのベースの下側からアクセス可能な位置まで延在する状態で、１つのリチウム系二次バッテリを保持するように構成されている、バッテリトレイと、バッテリトレイのベースの下側からバッテリトレイに取り付けるように構成された形成ベースであって、形成ベースは、コネクタグループの集団、及び事前リチウム化モジュールの集団を含み、コネクタグループの集団の各コネクタグループは、導電性タブ、並びにバッテリトレイ内のリチウム系二次バッテリのうちの異なる１つの第１の端子及び第２の端子のうちの少なくとも１つとの電気接触を行うように構成され、事前リチウム化モジュールの集団の各事前リチウム化モジュールは、少なくとも１つのコネクタグループに電気的に接続され、各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が電気的に接続されているコネクタグループに接続されたリチウム系二次バッテリの電極活性材料にリチウムを拡散させるように構成されている、形成ベースと、を備える、セル形成システム。

【0205】

実施形態２．形成ベースは、支持体の集団を備え、事前リチウム化モジュールの集団は、支持体の集団上に形成され、支持体の集団の各支持体は、少なくとも１つのコネクタグループに電気的に接続されている、実施形態１に記載のセル形成システム。

【0206】

実施形態３．支持体の集団の各支持体は、２つ以上の事前リチウム化モジュールを含む、実施形態２に記載のセル形成システム。

【0207】

実施形態４．支持体の集団の各支持体は、１つの事前リチウム化モジュールを含む、実施形態２に記載のセル形成システム。

【0208】

実施形態５．各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を備える、実施形態１～４のいずれか１つに記載のセル形成システム。

【0209】

実施形態６．各事前リチウム化モジュールは、その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を含み、各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み、メモリは、スイッチトキャパシタ回路を動作させて、事前リチウム化モジュールが電気的に接続されているコネクタグループに接続されたリチウム系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の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命令を記憶する、実施形態５に記載のセル形成システム。

【0210】

実施形態７．形成ベースは、２つ以上の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を備え、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み、メモリは、スイッチトキャパシタ回路を動作させて、事前リチウム化モジュールが電気的に接続されているコネクタグループに接続されたリチウム系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の電流を各々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命令を記憶する、実施形態５に記載のセル形成システム。

【0211】

実施形態８．バッテリトレイは、第１のアセンブリコネクタを含み、形成ベースは、バッテリトレイを形成ベースに機械的に接続するように、第１のアセンブリコネクタと嵌合して係合するように構成された第２のアセンブリコネクタを含む、実施形態１～７のいずれか１つに記載のセル形成システム。

【0212】

実施形態９．第１のアセンブリコネクタは、バッテリトレイのベース内に長方形スロットを備え、第２のアセンブリコネクタは、形成ベースから延在し、かつバッテリトレイのベース内の長方形スロットよりも小さい長方形寸法を有する、回転可能な長方形バーを備える、実施形態８に記載のセル形成システム。

【0213】

実施形態１０．バッテリトレイ内のリチウム系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を含む充電ステーションを更に備え、充電ステーションは、形成ベースが取り付けられていないバッテリトレイを受容するように構成され、充電ステーションは、充電モジュールに電気的に接続された充電コネクタグループの集団を含み、コネクタグループの集団の各充電コネクタグループは、バッテリトレイ内のリチウム系二次バッテリのうちの異なる１つの第１の端子及び第２の端子との電気接触を行うように構成されている、実施形態１～９のいずれか１つに記載のセル形成システム。

【0214】

実施形態１１．バッテリトレイ内のリチウム系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の集団を含む充電ステーションを更に備え、充電ステーションは、形成ベースが取り付けられていないバッテリトレイを受容するように構成され、充電ステーションは、異なる充電モジュールに各々電気的に接続された充電コネクタグループの集団を含み、コネクタグループの集団の各充電コネクタグループは、バッテリトレイ内のリチウム系二次バッテリのうちの異なる１つの第１の端子及び第２の端子との電気接触を行うように構成されている、実施形態１～９のいずれか１つに記載のセル形成システム。

【0215】

実施形態１２．バッテリスロットの集団は、１２０個のバッテリスロットからなる、実施形態１～１１のいずれか１つに記載のセル形成システム。

【0216】

実施形態１３．リチウム系二次バッテリのためのセル形成システムの方法であって、各リチウム系二次バッテリは、二重層の集団と、電極バスバーと、対極バスバーと、補助極と、二重層の集団、電極バスバー、対極バスバー、及び補助極を囲むエンクロージャと、電極バスバーに電気的に接続され、かつエンクロージャから延在する第１の端子と、対極バスバーに電気的に接続され、かつエンクロージャから延在する第２の端子と、補助極に電気的に接続され、かつエンクロージャから延在する導電性タブと、を備え、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、を備え、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備え、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備え、方法は、（ｉ）リチウム系二次バッテリの集団をバッテリトレイ中に装填することであって、バッテリトレイは、側面の集団と、側面の集団に接続されたベースと、を有し、バッテリトレイは、ベースの上側にバッテリスロットの集団を含み、バッテリスロットの集団の各バッテリスロットは、第１の端子、第２の端子、及び導電性タブがバッテリトレイのベースを通ってバッテリトレイのベースの下側からアクセス可能な位置まで延在する状態で、リチウム系二次バッテリの集団のうちの１つのリチウム系二次バッテリを保持するように構成されている、装填することと、（ｉｉ）形成アセンブリを形成するように、バッテリトレイのベースの下側からバッテリトレイに形成ベースを取り付けることであって、形成ベースは、コネクタグループの集団、及び事前リチウム化モジュールの集団を含み、コネクタグループの集団の各コネクタグループは、導電性タブ、並びにバッテリトレイ内のリチウム系二次バッテリのうちの異なる１つの第１の端子及び第２の端子のうちの少なくとも１つとの電気接触を行うように構成され、事前リチウム化モジュールの集団の各事前リチウム化モジュールは、少なくとも１つのコネクタグループに電気的に接続され、各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が電気的に接続されているコネクタグループに接続されたリチウム系二次バッテリの電極活性材料にリチウムを拡散させるように構成されている、取り付けることと、（ｉｉｉ）形成アセンブリを形成ステーション内に位置付けることと、（ｉｖ）事前リチウム化モジュールを使用して、形成アセンブリ内のリチウム系二次バッテリの集団を緩衝することと、（ｖ）形成ベースをバッテリトレイから除去することと、（ｖｉ）バッテリトレイ内のリチウム系二次バッテリの集団に対して追加のプロセスを実施することと、を含む、方法。

【0217】

実施形態１４．（ｖｉｉ）リチウム系二次バッテリの追加の集団を追加のバッテリトレイ中に装填することと、（ｖｉｉｉ）追加の形成アセンブリを形成するように、形成ベースを追加のバッテリトレイに取り付けることと、（ｉｘ）追加の形成アセンブリを形成ステーション内に位置付けることと、（ｘ）事前リチウム化モジュールを使用して、追加の形成アセンブリ内のリチウム系二次バッテリの集団を緩衝することと、（ｘｉ）形成ベースを、追加のバッテリトレイから除去することと、を更に含む、実施形態１に記載の方法。

【0218】

実施形態１５．（ｉ）の後、かつ（ｉｉ）の前に、（ｉ’）バッテリトレイを充電ステーション内に位置付けることと、（ｉ”）バッテリトレイ内のリチウム系二次バッテリの集団を充電することと、（ｉ’’’）バッテリトレイを、充電ステーションから除去することと、を更に含む、実施形態１３又は実施形態１４に記載の方法。

【0219】

実施形態１６．（ｉ）リチウム系二次バッテリの集団をバッテリトレイ中に装填することは、１２０個のリチウム系二次バッテリをバッテリトレイ中に装填することを含む、実施形態１３～１５のいずれか１つに記載の方法。

【0220】

実施形態１７．バッテリトレイは、第１のアセンブリコネクタを含み、形成ベースは、バッテリトレイを形成ベースに機械的に接続するように、第１のアセンブリコネクタと嵌合して係合するように構成された第２のアセンブリコネクタを含み、（ｉｉ）形成アセンブリを形成するように、形成ベースをバッテリトレイのベースの下側からバッテリトレイに取り付けることは、バッテリトレイを形成ベースの上部に位置付け、かつ第２のアセンブリコネクタを第１のアセンブリコネクタに係合するように、第２のアセンブリコネクタを作動させること、を含む、実施形態１３～１６のいずれか１つに記載の方法。

【0221】

実施形態１８．リチウム系二次バッテリのためのセル形成システムであって、各リチウム系二次バッテリは、二重層の集団と、電極バスバーと、対極バスバーと、補助極と、二重層の集団、電極バスバー、対極バスバー、及び補助極を囲むエンクロージャと、電極バスバーに電気的に接続され、かつエンクロージャから延在する第１の端子と、対極バスバーに電気的に接続され、かつエンクロージャから延在する第２の端子と、補助極に電気的に接続され、かつエンクロージャから延在する導電性タブと、を備え、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、を備え、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備え、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備え、セル形成システムは、側面の集団、及び側面の集団に接続されたベースを有するバッテリトレイであって、バッテリトレイは、ベースの上側にバッテリスロットの集団を含み、バッテリスロットの集団の各バッテリスロットは、第１の端子、第２の端子、及び導電性タブがバッテリトレイのベースを通ってバッテリトレイのベースの下側からアクセス可能な位置まで延在する状態で、１つのリチウム系二次バッテリを保持するように構成されている、バッテリトレイと、バッテリトレイのベースの下側からバッテリトレイに取り付けるように構成された形成ベースであって、形成ベースは、コネクタグループの集団であって、コネクタグループの集団の各コネクタグループは、導電性タブ、並びにバッテリトレイ内のリチウム系二次バッテリのうちの異なる１つの第１の端子及び第２の端子のうちの少なくとも１つとの電気接触を行うように構成されている、コネクタグループの集団と、形成クラスタの集団であって、各形成クラスタは、コネクタグループのうちの１つに接続され、かつコネクタグループに接続されたリチウム系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、コネクタグループのうちの１つに接続され、かつコネクタグループに接続されたリチウム系二次バッテリの電極活性材料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、コネクタグループのうちの１つに接続され、かつコネクタグループに接続されたリチウム系二次バッテリを放電させるように構成された放電モジュールと、を含む、形成クラスタの集団と、を含む、形成ベースと、を備える、セル形成システム。

【0222】

実施形態１９．形成ベースは、支持体の集団を備え、集団形成クラスタは、支持体の集団上に形成され、支持体の集団の各支持体は、少なくとも１つのコネクタグループに電気的に接続されている、実施形態１８に記載のセル形成システム。

【0223】

実施形態２０．支持体の集団の各支持体は、形成クラスタよりも多く含む、実施形態１９に記載のセル形成システム。

【0224】

実施形態２１．支持体の集団の各支持体は、１つの形成クラスタを含む、実施形態１９に記載のセル形成システム。

【0225】

実施形態２２．各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を備える、実施形態１８～２１のいずれか１つに記載のセル形成システム。

【0226】

実施形態２３．各事前リチウム化モジュールは、その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を含み、各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み、メモリは、スイッチトキャパシタ回路を動作させて、事前リチウム化モジュールが電気的に接続されているコネクタグループに接続されたリチウム系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の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命令を記憶する、実施形態２２に記載のセル形成システム。

【0227】

実施形態２４．形成ベースは、２つ以上の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を備え、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み、メモリは、スイッチトキャパシタ回路を動作させて、事前リチウム化モジュールが電気的に接続されているコネクタグループに接続されたリチウム系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の電流を各々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命令を記憶する、実施形態２２に記載のセル形成システム。

【0228】

実施形態２５．バッテリトレイは、第１のアセンブリコネクタを含み、形成ベースは、バッテリトレイを形成ベースに機械的に接続するように、第１のアセンブリコネクタと嵌合して係合するように構成された第２のアセンブリコネクタを含む、実施形態１８～２４のいずれか１つに記載のセル形成システム。

【0229】

実施形態２６．第１のアセンブリコネクタは、バッテリトレイのベース内に長方形スロットを備え、第２のアセンブリコネクタは、形成ベースから延在し、かつバッテリトレイのベース内の長方形スロットよりも小さい長方形寸法を有する、回転可能な長方形バーを備える、実施形態２５に記載のセル形成システム。

【0230】

実施形態２７．バッテリスロットの集団は、１２０個のバッテリスロットからなる、実施形態１８～２６のいずれか１つに記載のセル形成システム。

【0231】

実施形態２８．バッテリスロットの集団は、バッテリトレイ内に一体的に形成されている、実施形態１８～２７のいずれか１つに記載のセル形成システム。

【0232】

実施形態２９．バッテリスロットの集団は、バッテリトレイに取り外し可能に取り付けられている、実施形態１８～２７のいずれか１つに記載のセル形成システム。

【0233】

実施形態３０．リチウム系二次バッテリのためのセル形成システムの方法であって、各リチウム系二次バッテリは、二重層の集団と、電極バスバーと、対極バスバーと、補助極と、二重層の集団、電極バスバー、対極バスバー、及び補助極を囲むエンクロージャと、電極バスバーに電気的に接続され、かつエンクロージャから延在する第１の端子と、対極バスバーに電気的に接続され、かつエンクロージャから延在する第２の端子と、補助極に電気的に接続され、かつエンクロージャから延在する導電性タブと、を備え、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、を備え、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備え、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備え、方法は、（ｉ）第１の場所において、各々がリチウム系二次バッテリの集団を有するバッテリトレイの集団を装填することであって、各バッテリトレイは、第１の端子、第２の端子、及び導電性タブがバッテリトレイを通ってバッテリトレイの下側からアクセス可能な位置まで延在する状態で、リチウム系二次バッテリのその集団を保持するように構成されている、装填することと、（ｉｉ）バッテリトレイの集団を、少なくとも１つの充電ステーションを有する第２の場所に輸送することと、（ｉｉｉ）バッテリトレイを充電ステーション内に位置付けることと、（ｉｖ）充電ステーションにおいて、バッテリトレイ内のリチウム系二次バッテリの集団を充電することと、（ｖ）バッテリトレイを充電ステーションから除去することと、（ｖｉ）バッテリトレイに形成ベースの集団を取り付けることであって、各バッテリトレイは、それに取り付けられた異なる形成ベースを有し、各形成ベースは、コネクタグループの集団及び事前リチウム化モジュールの集団を含み、コネクタグループの集団の各コネクタグループは、導電性タブ、並びにバッテリトレイ内のリチウム系二次バッテリのうちの異なる１つの第１の端子及び第２の端子のうちの少なくとも１つとの電気接触を行うように構成され、事前リチウム化モジュールの集団の各事前リチウム化モジュールは、少なくとも１つのコネクタグループに電気的に接続され、各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が電気的に接続されているコネクタグループに接続されたリチウム系二次バッテリの電極活性材料にリチウムを拡散させるように構成されている、取り付けることと、（ｖｉｉ）取り付けられた形成ベースを有するバッテリトレイを、少なくとも１つの形成ステーションを有する第３の場所に輸送することと、（ｖｉｉｉ）取り付けられた形成ベースを有するバッテリトレイを、形成ステーション内に位置付けることと、（ｉｘ）形成ベース内の事前リチウム化モジュールを使用して、バッテリトレイ内のリチウム系二次バッテリの集団を緩衝することと、（ｘ）取り付けられた形成ベースを有するバッテリトレイを、形成ステーションから除去することと、（ｘｉ）形成ベースをバッテリトレイから除去することと、（ｘｉｉ）バッテリトレイを第４の場所に輸送することと、（ｘｉｉｉ）第４の場所において、バッテリトレイ内のリチウム系二次バッテリの集団に対して追加のプロセスを実施することと、を含む、方法。

【0234】

実施形態３１．（ｘｉｖ）第１の場所において、各々追加のリチウム系二次バッテリの集団を有する追加のバッテリトレイの集団を装填することと、（ｘｖ）追加のバッテリトレイの集団を、第２の場所に輸送することと、（ｘｖｉ）追加のバッテリトレイを、充電ステーション内に位置付けることと、（ｘｖｉｉ）充電ステーションにおいて、追加のバッテリトレイ内の追加のリチウム系二次バッテリの集団を充電することと、（ｘｖｉｉｉ）追加のバッテリトレイを、充電ステーションから除去することと、（ｘｉｘ）形成ベースを、追加のバッテリトレイの集団に取り付けることと、（ｘｖ）（ｖｉｉ）～（ｘ）を、取り付けられた形成ベースを有する追加のバッテリトレイについて繰り返すことと、を更に含む、実施形態３０に記載の方法。

【0235】

実施形態３２．バッテリスロットの集団は、バッテリトレイ内に一体的に形成されている、実施形態１～１２のいずれか１つに記載のセル形成システム。

【0236】

実施形態３３．バッテリスロットの集団は、バッテリトレイに取り外し可能に取り付けられている、実施形態１～１２のいずれか１つに記載のセル形成システム。

【0237】

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】

【図34A】

【図34B】

【図35】

【図36A】

【図36B】

【図36C】

【図37A】

【図37B】

【手続補正書】

【提出日】2024-07-02

【手続補正1】

【補正対象書類名】特許請求の範囲

【補正対象項目名】全文

【補正方法】変更

【補正の内容】

【特許請求の範囲】

【請求項1】

リチウム系二次バッテリのためのセル形成システムであって、各リチウム系二次バッテリは、二重層の集団と、電極バスバーと、対極バスバーと、前記二重層の集団、前記電極バスバー、及び前記対極バスバーを囲むエンクロージャと、前記電極バスバーに電気的に接続され、かつ前記エンクロージャから延在する第１の端子と、前記対極バスバーに電気的に接続され、かつ前記エンクロージャから延在する第２の端子と、を備え、前記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、を備え、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備え、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備え、前記セル形成システムは、
側面の集団、及び前記側面の集団に接続されたベースを有するバッテリトレイであって、前記バッテリトレイは、前記ベースの上側にバッテリスロットの集団を含み、前記バッテリスロットの集団の各バッテリスロットは、前記第１の端子及び前記第２の端子が前記バッテリトレイの前記ベースを通って前記バッテリトレイの前記ベースの下側からアクセス可能な位置まで延在する状態で、１つのリチウム系二次バッテリを保持するように構成されている、バッテリトレイと、
前記バッテリトレイの前記ベースの前記下側から前記バッテリトレイに取り付けるように構成された形成ベースであって、前記形成ベースは、コネクタグループの集団、及び事前リチウム化モジュールの集団を含み、前記コネクタグループの集団の各コネクタグループは、前記バッテリトレイ内の前記リチウム系二次バッテリのうちの異なる１つの前記第１の端子及び前記第２の端子のうちの少なくとも１つとの電気接触を行うように構成され、前記事前リチウム化モジュールの集団の各事前リチウム化モジュールは、少なくとも１つのコネクタグループに電気的に接続され、各事前リチウム化モジュールは、前記事前リチウム化モジュールが電気的に接続されている前記コネクタグループに接続された前記リチウム系二次バッテリの電極活性材料にリチウムを拡散させるように構成されている、形成ベースと、を備える、セル形成システム。

【請求項2】

前記形成ベースは、支持体の集団を備え、前記事前リチウム化モジュールの集団は、前記支持体の集団上に形成され、前記支持体の集団の各支持体は、少なくとも１つのコネクタグループに電気的に接続されている、請求項１に記載のセル形成システム。

【請求項3】

前記支持体の集団の各支持体は、２つ以上の事前リチウム化モジュールを含む、請求項２に記載のセル形成システム。

【請求項4】

前記支持体の集団の各支持体は、１つの事前リチウム化モジュールを含む、請求項２に記載のセル形成システム。

【請求項5】

各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を備える、請求項１に記載のセル形成システム。

【請求項6】

各事前リチウム化モジュールは、その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を含み、各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み、前記メモリは、前記スイッチトキャパシタ回路を動作させて、前記事前リチウム化モジュールが電気的に接続されている前記コネクタグループに接続された前記リチウム系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の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命令を記憶する、請求項５に記載のセル形成システム。

【請求項7】

前記形成ベースは、２つ以上の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を備え、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み、前記メモリは、前記スイッチトキャパシタ回路を動作させて、前記事前リチウム化モジュールが電気的に接続されている前記コネクタグループに接続された前記リチウム系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の電流を各々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命令を記憶する、請求項５に記載のセル形成システム。

【請求項8】

前記バッテリトレイは、第１のアセンブリコネクタを含み、前記形成ベースは、前記バッテリトレイを前記形成ベースに機械的に接続するように、前記第１のアセンブリコネクタと嵌合して係合するように構成された第２のアセンブリコネクタを含む、請求項１に記載のセル形成システム。

【請求項9】

前記第１のアセンブリコネクタは、前記バッテリトレイの前記ベース内に長方形スロットを備え、前記第２のアセンブリコネクタは、前記形成ベースから延在し、かつ前記バッテリトレイの前記ベース内の前記長方形スロットよりも小さい長方形寸法を有する、回転可能な長方形バーを備える、請求項８に記載のセル形成システム。

【請求項10】

前記バッテリトレイ内の前記リチウム系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を含む充電ステーションを更に備え、前記充電ステーションは、前記形成ベースが取り付けられていない前記バッテリトレイを受容するように構成され、前記充電ステーションは、前記充電モジュールに電気的に接続された充電コネクタグループの集団を含み、前記コネクタグループの集団の各充電コネクタグループは、前記バッテリトレイ内の前記リチウム系二次バッテリのうちの異なる１つの前記第１の端子及び前記第２の端子との電気接触を行うように構成されている、請求項１に記載のセル形成システム。

【国際調査報告】