JP2014529848A - マルチセル薄膜マイクロバッテリー装置 - Google Patents

マルチセル薄膜マイクロバッテリー装置 Download PDF

Info

Publication number
JP2014529848A
JP2014529848A JP2014526213A JP2014526213A JP2014529848A JP 2014529848 A JP2014529848 A JP 2014529848A JP 2014526213 A JP2014526213 A JP 2014526213A JP 2014526213 A JP2014526213 A JP 2014526213A JP 2014529848 A JP2014529848 A JP 2014529848A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
micro battery
battery cell
voltage
microbattery
micro
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2014526213A
Other languages
English (en)
Inventor
ディー． マリン，ジェフリー
ディー． マリン，ジェフリー
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Integrated Power Solutions Inc
Original Assignee
Integrated Power Solutions Inc
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Integrated Power Solutions Inc filed Critical Integrated Power Solutions Inc
Publication of JP2014529848A publication Critical patent/JP2014529848A/ja
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/42—Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/04—Construction or manufacture in general
    • H01M10/0436—Small-sized flat cells or batteries for portable equipment
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/04—Construction or manufacture in general
    • H01M10/0445—Multimode batteries, e.g. containing auxiliary cells or electrodes switchable in parallel or series connections
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05—Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/052—Li-accumulators
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/42—Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
    • H01M10/46—Accumulators structurally combined with charging apparatus
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/42—Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
    • H01M10/48—Accumulators combined with arrangements for measuring, testing or indicating the condition of cells, e.g. the level or density of the electrolyte
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/0013—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries acting upon several batteries simultaneously or sequentially
    • H02J7/0014—Circuits for equalisation of charge between batteries
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/0029—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries with safety or protection devices or circuits
    • H02J7/00306—Overdischarge protection
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/0047—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries with monitoring or indicating devices or circuits
    • H02J7/0048—Detection of remaining charge capacity or state of charge [SOC]
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/02—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries for charging batteries from ac mains by converters
    • H02J7/04—Regulation of charging current or voltage
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R31/00—Arrangements for testing electric properties; Arrangements for locating electric faults; Arrangements for electrical testing characterised by what is being tested not provided for elsewhere
    • G01R31/36—Arrangements for testing, measuring or monitoring the electrical condition of accumulators or electric batteries, e.g. capacity or state of charge [SoC]
    • G01R31/382—Arrangements for monitoring battery or accumulator variables, e.g. SoC
    • G01R31/3835—Arrangements for monitoring battery or accumulator variables, e.g. SoC involving only voltage measurements
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R31/00—Arrangements for testing electric properties; Arrangements for locating electric faults; Arrangements for electrical testing characterised by what is being tested not provided for elsewhere
    • G01R31/36—Arrangements for testing, measuring or monitoring the electrical condition of accumulators or electric batteries, e.g. capacity or state of charge [SoC]
    • G01R31/396—Acquisition or processing of data for testing or for monitoring individual cells or groups of cells within a battery
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Secondary Cells (AREA)
  • Charge And Discharge Circuits For Batteries Or The Like (AREA)
  • Battery Mounting, Suspending (AREA)
  • Dc-Dc Converters (AREA)

Abstract

充電可能な薄膜マイクロバッテリーセル装置の少なくとも４つの薄膜マイクロバッテリーセルは、一緒に電気的に接続されている。上記装置の上記マイクロバッテリーセルは、電気的に並列に接続され、単一のバッテリー電源として電力を供給する。上記装置は、さらに、上記マイクロバッテリーセルのマイクロバッテリーセル電圧が、上記マイクロバッテリーセル装置全体の電圧から所定の乖離割合以上に大きいか、または、上記マイクロバッテリーセルの絶対電圧が所定の遮断閾値未満であるかを判定する検査ロジックと、上記マイクロバッテリーセルのマイクロバッテリーセル電圧が、上記マイクロバッテリーセル装置全体の電圧から所定の乖離割合以上に大きいか、または、上記マイクロバッテリーセルの絶対電圧が所定の遮断閾値未満である場合、任意のマイクロバッテリーセルを上記マイクロバッテリーセル装置から切断するロジックと、を含む。実施例はさらに、スイッチキャパシタＤＣ−ＤＣダウンコンバータ構成部を含み、該スイッチキャパシタＤＣ−ＤＣダウンコンバータ構成部は、上記電位を低下させ、上記集積回路の上に配置された一部または全ての機能を実行する。

Description

〔関連出願の参照〕
本出願は、米国仮出願ＮＯ．６１／５２４、６５３（出願日：２０１１年８月１７日、発明の名称「マルチセル薄膜マイクロバッテリー装置」）の利益を主張するものであり、この出願は、参照により本願に完全に開示されているものとして、本願に含まれる。
本発明は、薄膜固体エネルギー貯蔵装置の分野に関し、より具体的には薄膜固体バッテリーの構成に関する。
エレクトロニクス（電子部品）は、コンピュータ、携帯電話、トラッキングシステム、スキャナなどの多くの携帯機器に取り入れられている。携帯機器の欠点のひとつとして、電源を備える必要がある点が挙げられる。通常、携帯機器はバッテリーを電源として使用している。バッテリーは、少なくとも装置が使用される間は該装置に電力を供給するのに十分な容量を有していなければならない。十分なバッテリー容量は、上記装置の電源以外の部分に比べて、極めて重く、および／もしくは、極めて大きな電源に帰結するかもしれない。したがって、十分なエネルギー貯蔵量を備えた、より小さく、より軽いバッテリー（つまり、電源）が望まれている。例えばスーパーキャパシタなどの他のエネルギー貯蔵装置と、例えば太陽光電池および燃料電池などのエネルギー変換装置とは、携帯型エレクトロニクスおよび非携帯型電気的アプリケーションにおける電源として用いるためのバッテリーの代わりとなるものである。
エネルギー貯蔵装置の１つとして、固体薄膜マイクロバッテリーがある。薄膜バッテリーの例は、米国特許番号５，３１４，７６５；５，３３８，６２５；５，４４５，９０６；５，５１２，１４７；５，５６１，００４；５，５６７，２１０；５，５６９，５２０；５，５９７，６６０；５，６１２，１５２；５，６５４，０８４；および、５，７０５，２９３に記載されている。米国特許番号５，３３８，６２５には、電気機器用の予備電源もしくは一次一体型電源として利用される、薄膜バッテリー、特に、薄膜マイクロバッテリーおよびその製造方法が記載されている。米国特許番号５，４４５，９０６には、薄膜バッテリー構造の製造方法および製造システムが記載されている。この薄膜バッテリー構造は、複数の積層ステーションを利用する方法によって形成される。網目状の基板が自動的に各積層ステーションを通過していくにつれ、薄型バッテリーを構成する各層が該基板上に順に形成される。
米国特許出願公開番号２００５／０１４７８７７には、リチウム、もしくはリチウム化合物を含み、電気回路に接続される薄膜バッテリーが記載されている。環境障壁が互層として積層されており、少なくとも、その中の一層は、平滑化、平坦化、および／もしくは、水平化を行う物理的形状調整機能を提供し、少なくとも、別の層は拡散障壁機能を提供する。
しかしながら、そのような貯蔵装置は、サイズが比較的小型であることを少なくとも一因として、該貯蔵装置を備える電子装置に十分な電力を供給できないことがある。当然、装置の電圧および電流の要求に応じて、複数のバッテリーを直列もしくは並列に接続し、バッテリーが１つしかない場合よりも電力出力を高めることはできる。しかし、そのような構成は、複数のバッテリーを必要とし、小型携帯機器におけるスペースが再び問題となる。したがって、小型装置に電源を備えさせることを容易にする装置および方法が必要とされ続けている。
米国特許第５，３１４，７６５号明細書 米国特許第５，３３８，６２５号明細書 米国特許第５，４４５，９０６号明細書 米国特許第５，５１２，１４７号明細書 米国特許第５，５６１，００４号明細書 米国特許第５，５６７，２１０号明細書 米国特許第５，５６９，５２０号明細書 米国特許第５，５９７，６６０号明細書 米国特許第５，６１２，１５２号明細書 米国特許第５，６５４，０８４号明細書 米国特許第５，７０５，２９３号明細書 米国特許出願公開第２００５／０１４７８７７号公報
充電可能な薄膜マイクロバッテリーは、歩留りを高くして、信頼性の高いベースで製造するのが特に困難である。製作公差が問題となるため、薄膜マイクロバッテリーの弱点または欠点は、マイクロバッテリーの初期形成時に現れ得る。例えば電界質層の被膜中の割れ目または間隙によって引き起こされる、例えば不連続性が、製造過程において生成されるかもしれない。あるいは、マイクロバッテリーを装置に配線する途中に、初充電中に、使用中に、または、マイクロバッテリーの存続試験もしくは該マイクロバッテリーを取り付けられた装置の存続試験中にさえ、マイクロバッテリーに問題が起こるかもしれない。特に、電界質層の何らかの不連続性は、電気短絡につながり、マイクロバッテリーの直接的な故障につながるだろう。さらに、マイクロバッテリーの故障は、日常的運用中、および充電／放電操作中に引き起こされるかもしれず、それによって、割れ目または樹状突起の形成が起こり得るのであり、それは、マイクロバッテリーの電気短絡の原因ともなる。時間の経過とともに、１つまたは２つの破損箇所が、マイクロバッテリーの所定のフットプリント領域に発生する傾向が高くなる。
マイクロバッテリーのフットプリントのサイズが大きくなるにつれ、動作するバッテリーについての許容できる歩留まりでの、バッテリーの製造および操作は増々困難になる。したがって、アノードの各内面からカソード電流コレクタまでの厚みが５０マイクロメートルのオーダーを有し、１３ｃｍ２のフットプリントを備えるマイクロバッテリーを、許容できる歩留まりで供給することは、現時点では不可能である。
薄膜バッテリーの使用の性質から、マイクロバッテリーの故障は、マイクロバッテリー自体の価値を大きく超える破滅的な効果を有する。コイン型またはボタン型のバッテリーなどの従来のバッテリーは、損害を受けた時に簡単に取り換えることができる。しかしながら、薄膜マイクロバッテリーは、ひじょうに小さな装置に用いられ、通常、例えば回路基板へと一体的に配線され、または、集積回路、電源、アンテナ、または多数の装置の組合せなどの１以上の装置との一体的な組合せにおいて一体的に配線される。薄膜マイクロバッテリーが故障した場合、マイクロバッテリーの取替は、通常、商業的に存続可能な選択肢ではない。マイクロバッテリーと装置との組合せ製品全体は、役に立たないとされ、マイクロバッテリー単体の経済的価値に比べてずっと大きな損失を意味する。
少なくとも２個の薄膜マイクロバッテリーセルが一緒に電気的に並列に接続され、単一のマイクロバッテリー電源として電力を供給する、充電可能な薄膜マイクロバッテリー装置は、従来の薄膜マイクロバッテリーと比較して、驚くべき便宜を提供する。本明細書に記載の装置は、さらに、上記マイクロバッテリーセルのマイクロバッテリー電圧が、上記マイクロバッテリーセル装置全体の電圧から所定の乖離割合以上に大きいか、または、上記マイクロバッテリーセルの絶対電圧が所定の遮断閾値未満であるかを判定する検査ロジックと、上記マイクロバッテリーセルのマイクロバッテリーセル電圧が上記マイクロバッテリーセル装置全体の電圧から所定の乖離割合以上に大きいか、または、上記マイクロバッテリーセルの絶対電圧が所定の遮断閾値未満である場合、任意のマイクロバッテリーセルを上記マイクロバッテリーセル装置から切断するロジックと、を含む。
望ましい実施形態において、マイクロバッテリーセルは、絶対電圧が約３ボルト未満の所定の遮断閾値未満である場合、上記マイクロバッテリーセル装置から切断される。
以下の理由から、単一のマイクロバッテリーセルを破壊する単独の故障は、本発明に係るマイクロバッテリーセル装置の機能を破壊しないことが判明している。すなわち、上記単独の故障は１つのセルにしか影響せず、複数のセルは動作を維持するからである。特定のマイクロバッテリーセルの切断は、上記マイクロバッテリーセル装置の残りの部分を深刻な放電から保護する機能を果たす。少なくとも２個の、望ましくは少なくとも４個の、セルを備える装置を提供することにより、電力供給の二重化のレベルが提供され得るので、故障が複数ある場合であっても、上記マイクロバッテリーセル構築物全体は、動作可能なレベルの電力を依然として生成することができる。とりわけ、そのような故障は、製造中に、製品操作中に、または上記マイクロバッテリーセル装置の使用中に、起こるかもしれない。したがって、本発明に係る装置は、誤り補正機能を提供し、それによって、製造途中およびサプライチェーン途中にセルの故障がある場合であっても、動作可能なマイクロバッテリーセル装置製品を、ほぼ１００％の歩留まりで、顧客に提供できる。この点は、信頼性が最も重要である用途において、ひじょうに有利である。さらに、本発明に係るマイクロバッテリーセル装置の信頼性は、供給当初においても、長期間の使用後においても、ひじょうに高い。
マイクロバッテリーセルの試験は、膨大な量の製品のため、また、通常、適当に動作するかを判定するのにマイクロバッテリーセルの充電が必要であるため、難題である。同時に、マイクロバッテリーセルの故障のみが原因となって高い価値を有する組合せ製品全体の経済的損失につながるため、高歩留りでのマイクロバッテリーセル機能を規定する品質保証は、しばしば重要である。さらに悪いことに、医療用途または安全用途などの重要な用途の製品における製品機能は、マイクロバッテリーセルの故障のみを原因として失われ得る。したがって、各マイクロバッテリーセルを試験して、他の装置に接続させる前に機能を保証することが強く望まれる一方、該マイクロバッテリーセルの実現可能性に関するそのような試験を実行することには重大な危険性が含まれている。例えば、或るマイクロバッテリーセル構築物において、充電済みマイクロバッテリーセルは、処理中に、より損害を受けやすい。例えば、リチウム金属バッテリーなどの或るバッテリーは、熱処理中または溶接操作中に損害を受けやすい。
本発明に係るマイクロバッテリーセル装置は、該マイクロバッテリーセル装置の全てのセルが動作不能のレベルに故障する可能性が極めて低いので、複数の実施形態および用途において、他の装置に接続させる前に試験する必要がなくともよいことが確認された。さらに、本発明に係るマイクロバッテリーセル装置の製品機能を規定するには、先行技術に係る薄膜バッテリーにおいてしばしば必要とされているような全作動試験の代わりに、高速予測試験方法で十分であるかもしれない。
本発明に係る装置は検査ロジックを含むため、欠陥のあるセルは自動的に該装置から切断され、したがって、幾つかのセルが故障した場合にも、該マイクロバッテリーセル装置は必要とされる十分な電力を供給し続けることが保証される。
本明細書に含まれ、本願の一部を構成する添付の図面は、本発明の複数の態様を示し、実施形態の説明とともに、本発明の原理を説明する。この図面の簡単な説明は以下の通りである。
本発明の一実施形態に係る、マイクロバッテリーセル装置および検査ロジックを含むマイクロチップの平面図である。 本発明の一実施形態に係る、マイクロバッテリーセル装置および検査ロジックを含むマイクロチップの一部についての端視図である。 本発明の一実施形態に係る、マイクロバッテリーセル装置および検査ロジックを含むマイクロチップを示す図である。 基板層なしの２層構造で構成されるマイクロバッテリーセルの断面図である。 基板層なしの２層構造で構成される２個のマイクロバッテリーセルの断面図である。 本発明の一実施形態に係る回路図である。 本発明の他の実施形態に係る回路図である。 本発明の他の実施形態に係る回路図である。 本発明の一実施形態に係る回路図であって、該システムの検査および切替機能を備える構成要素に注目した回路図である。
本発明に係る装置および方法は、従来の部材の新規な構成を含むものであるが、それに限定されるものではなく、特に詳細に説明された構成のみを含むものではない、ということが理解されるべきである。したがって、従来の部材および回路の、構造、方法、機能、制御および配列の大部分を、容易に理解できるブロック図および回路図によって図示するが、これは当業者にとって容易に理解できるだろう構造の細部も含む本願が開示する内容が不明瞭にならないようにするためであり、本明細書における説明に資するためのものである。さらに、本発明は、例示をするための図に示された特定の実施形態に限定されるものではなく、請求項の記載に基づいて解釈されるものである。
本発明の目的のため、薄膜マイクロバッテリーセルは、最も長い寸法である６０ｍｍを超えないサイズの、より好ましくは２０ｍｍを超えないサイズの、マイクロバッテリーセルであって、アノードの各内面からカソード電流コレクタまでの厚みは、５０マイクロメートルを超えない。さらに、各々のマイクロバッテリーセルの有効容量は、約１００ｕＡＨ以下であり、より好ましくは約２５ｕＡＨ以下である。本明細書において“マイクロバッテリーセル”という語は、動作可能なマイクロバッテリーセルユニットを含み、さらに、未だ動作可能ではないが初充電後に動作可能となるマイクロバッテリーセルを含む。充電前の状態にあるマイクロバッテリーセルの一例は、動作可能な量の金属リチウムアノードを含んでいないが、十分に充電された場合には動作可能な金属リチウムアノードを含む、マイクロバッテリーセル構成部を備えるユニットである。したがって、本発明に係る薄膜マイクロバッテリーは、以下のような構成要素を備えるユニットであってもよい。すなわち、未だ充電されていない、または、不完全にしか充電されていなく、実用的なマイクロバッテリーとして動作するための十分な（すなわち、ＡＳＩＣなどの構成要素に、所望の運用サイクルのための電力を供給するために十分な）量の金属リチウムを含むように十分充電されていない構成要素を備えるユニットであってもよい。
本発明に係る個々のマイクロバッテリーセルはサイズが小さく、該マイクロバッテリーセルのサイズが小さいことは、小型装置に収める全てのマイクロバッテリーセル装置を提供するのにひじょうに有利である。望ましい個々のマイクロバッテリーセルは、一般に、矩形薄片状であって、すなわち、上記マイクロバッテリーセルに一般に平面状の外観を与えるＸ方向の辺とＹ方向の辺とを持ち、電子装置に好適なサイズおよび形状のマイクロバッテリーセル装置全体を提供するための小さなＺ方向の厚みを持つ。一般的には矩形状マイクロバッテリーセルが望ましく、本明細書においても矩形状マイクロバッテリーセルについて説明するが、マイクロバッテリーセルの他の形状もまた検討される。例えば、上記マイクロバッテリーセルは、矩形、三角形、五角形、円形または他の形状でもよいことが理解されるであろう。本発明に係る一実施形態において、上記マイクロバッテリーセル装置における各マイクロバッテリーセルは、各辺において最長の辺の長さは約２ｍｍから約２０ｍｍである。別の実施形態において、上記マイクロバッテリーセル装置における各マイクロバッテリーセルは、各辺の長さは約２ｍｍから２０ｍｍである。
薄膜マイクロバッテリーセルは、カソード電流コレクタと、カソードと、電解物と、アノードと、アノード電流コレクタとを含む。上記マイクロバッテリーセルは、通常、基板上に製造される。本発明の望ましい実施形態において、上記薄膜マイクロバッテリーセルは、最初はアノードなしで形成されるが、リチウムイオンのソースとして作用し得るカソード層は用いる。この薄膜マイクロバッテリーセルの実施形態に充電を行うと、電解物とアノード電流コレクタとの間に金属リチウムがめっきされ、アノードが形成される。あるいは、上記アノードは、アノード層の形成を受けやすい層にアノード物質をインカレーションすることによって、形成されてもよい。例えば、上記カソード層は、リチウムイオンのソースとして作用し得るＬｉＣｏＯ２などの物質であってもよい。同様に、上記薄膜マイクロバッテリーセルは、最初はカソード層なしで形成されてもよく、該カソード層はその後、充電中に形成される。薄膜バッテリーの例は、米国特許番号５，３１４，７６５；５，３３８，６２５；５，４４５，９０６；５，５１２，１４７；５，５６１，００４；５，５６７，２１０；５，５６９，５２０；５，５９７，６６０；５，６１２，１５２；５，６５４，０８４；５，７０５，２９３；６，９０６，４３６；６，９８６，９６５；７，９３１，９８９；７，７７６，４７８；および７，９３９，２０５に記載されており、さらに、米国特許出願公開第２００９／０２１４８９９および２００７／００１２２４４に記載されている。本明細書は、あらゆる目的のため、特に、上記マイクロバッテリーセルの構成要素および薄膜バッテリーを含む装置の実施例についての構成方法および材料の選択について、これらの内容を参照により含むものである。
本発明の目的のために、マイクロバッテリーセル装置は、少なくとも２個、望ましくは少なくとも４個の、上記薄膜マイクロバッテリーセルの集合であり、該薄膜マイクロバッテリーセルは共に並列に電気的に接続され、単一のマイクロバッテリー電源として電力を供給する。望ましい実施形態において、上記装置は、４個から６４個のマイクロバッテリーセルの装置である。別の望ましい実施形態において、上記装置は、１６個から３２個のマイクロバッテリーセルの装置である。別の望ましい実施形態において、上記装置は５０個から２５６個の、より好ましくは８０個から１２０個の、マイクロバッテリーセルの装置である。上記装置における上記マイクロバッテリーセルの数は、本明細書において説明するように、故障時におけるマイクロバッテリー容量の喪失の最小化と、上記装置中のマイクロバッテリーセルを分離する、必要な“ランド（land）”領域を最小化することによるフットプリント領域当たりの利用可能容量の最大化との有利な調和を与えることが確認された。
驚くべきことに、以下のことが確認された。すなわち、本発明に係るマイクロバッテリーセル装置を生成することによって、演算装置などへの利用といった特定用途に好適な、極薄形状でひじょうに大きなバッテリーを提供できることが確認された。空間および重量が貴重な携帯演算装置などの用途は、特に、本願発明に係るマイクロバッテリーセル装置から利益を受ける。そのような用途に用いるマイクロバッテリーセル装置は、例えば、約１２ｃｍ２から約１０００ｃｍ２のフットプリント領域を備えてもよい。一実施形態において、そのような用途に用いる上記マイクロバッテリーセル装置は、例えば、約１２ｃｍ２から約５０ｃｍ２のフットプリント領域を備えてもよい。一実施形態において、いくぶんより小さなマイクロバッテリーセル装置が望ましい。そのような実施形態において、望ましくは、上記マイクロバッテリーセル装置は、約５０ｃｍ２以下のフットプリント領域を備える。
別の望ましい実施形態において、より小さなマイクロバッテリーセル装置が望ましい。そのような実施形態において、望ましくは、上記マイクロバッテリーセル装置は、約１３ｃｍ２以下のフットプリント領域を備える。別の実施形態において、上記マイクロバッテリーセル装置は、約１２ｃｍ２、１１ｃｍ２、１０ｃｍ２、９ｃｍ２、８ｃｍ２、７ｃｍ２、６ｃｍ２、５ｃｍ２、ｃｍ２、３ｃｍ２、２ｃｍ２、または１ｃｍ２以下のフットプリント領域を備える。一実施形態において、上記マイクロバッテリーセル装置は、約０．０２５ｃｍ２の最小フットプリントを備え、フットプリント領域は、約１３ｃｍ２、１２ｃｍ２、１１ｃｍ２、１０ｃｍ２、９ｃｍ２、８ｃｍ２、７ｃｍ２、６ｃｍ２、５ｃｍ２、ｃｍ２、３ｃｍ２、２ｃｍ２、１ｃｍ２以下である。
望ましくは、マイクロバッテリーセル装置全体の総厚みは、基板層および外部保護層（つまり、上記マイクロバッテリーセルに電気的に接続されない層）を含まずに、約２００マイクロメートル以下、より好ましくは１２０マイクロメートル以下、さらにより好ましくは１００マイクロメートル以下、そして最も望ましくは５０マイクロメートルである。
望ましくは、上記マイクロバッテリーセル装置は、全固体システムである。
本発明に係る上記マイクロバッテリーセルは、必要に応じて、単一の基板に、同時に、または逐次に、製造されてもよい。望ましくは、上記マイクロバッテリーセルは、同時に製造される。本発明に係る一実施形態において、上記各構成要素（例えば、カソード）は、最初は統一層として準備され、その後に、エッチングまたはレーザーアブレーションなどの分離工程によって、各セルに分離される。本発明に係る別の実施形態において、マイクロバッテリーセルの上記装置は、複数の基板上に製造され、その後、該複数の基板は単一のプラットフォーム上に取付けられる。上記マイクロバッテリーセルが単一の基板上にある上記構成は、製造の容易さと、サイズおよび空間の効率性とにおいて、特に有利である。
一実施形態において、上記電流コレクタの一方（すなわち、カソード電流コレクタ、またはアノード電流コレクタ）は、上記装置中の上記薄膜マイクロバッテリーセルの全てに対し共通の層である。他方の電流コレクタは分離ユニットであるため、上記装置の上記バッテリーは、（例えば、ＡＳＩＣに備えられる）検査ロジックへと並列に接続され、各セルを上記マイクロバッテリーセル装置全体から切断することができる。
望ましくは、上記装置は、約０．０５ｍＡＨから約１５００ｍＡＨの有効容量を提供する。本発明に係る一実施形態において、上記装置は、約２００ｍＡＨから約５００ｍＡＨの有効容量の装置を提供する。
望ましくは、上記マイクロバッテリーセル装置は、３カ月以上のリアルタイムクロック耐用期間を提供する。図１は、薄膜バッテリー１２を含むマイクロバッテリーセル装置１０を示しており、各薄膜バッテリー１２は４Ｘ４の配列で配置されている。個々のセル１２は各々ＡＳＩＣ１４に接続され、各セルは上記マイクロバッテリーセル装置全体から切断することができる。図示のように、上記配列は、略矩形状の装置に配置される。ここで、矩形、三角形、五角形、円形または他の形状を含む、他のマイクロバッテリーセル構造が、理解されるであろう。さらに、上記配列は、個々のマイクロバッテリーセルを上下に、または積層構造に、もしくは、マイクロバッテリーセルの水平方向の配列と上下方向の配列とを組合せて、配置されてもよい。積層されたバッテリーの配列は、“バッテリー装置、構築物および方法”という名称の米国特許出願公開番号２０１１／０１８３１８３に開示されており、本明細書は、この内容を参照により含む。上述の通り、上記装置の個々の上記バッテリーは、矩形以外の形状であってもよい。
図２は、マイクロバッテリーセル装置２４と、本発明に係る検査ロジックを含むＡＳＩＣ２６とを含む実施例２２の一部についての端視図である。マイクロバッテリーセル装置２４とＡＳＩＣ２６とは、互いに、および、電力が供給されるべき装置に、接続用半田バンプ２８によって接続される前に、分離検査のために配線されている。
上記マイクロバッテリーセルは、互いに、および／または、上記ＡＳＩＣまたは他の回路に、ワイヤボンド以外の電気接続技術を用いて電気的に接続されてもよいことが理解されるであろう。例えば、上記マイクロバッテリーセル、および／または、上記ＡＳＩＣまたは他の回路は、半田バンプ技術を含む“フリップチップ”方法を用いて、電気的に接続されてもよい。誘電性接着剤の利用などの他のそのような接続技術は、本発明の全ての実施形態について検討される。
図３は、本発明の一実施形態に係る、上記マイクロバッテリーセル装置３４と、本発明に係る検査ロジックを含むＡＳＩＣ３６との一実施形態を示す図である。マイクロバッテリーセル装置３４は基板３６を含み、基板３６は、アノード電流コレクタ３８と、アノード３９とを備える。アノード３９は、アノード電流コレクタ３８の直ぐ上にある。アノード３９は、リード３７によってＡＳＩＣ３６へと電気的に接続されている。電界質層４０は、アノード３９を、カソード４２、４４および４６から分離するために備えられる。カソード電流コレクタ４３、４５および４７は各々、カソード４２、４４および４６をＡＳＩＣ３６へと電気的に並列に接続しており、各セルを上記マイクロバッテリーセル装置全体から切断することが可能になる。必要に応じて、上記マイクロバッテリーセルは、上に説明した構造に対して“上下反対の”構造で準備されてもよく、すなわち、上記カソードおよびカソード電流コレクタ物質は、上記アノードおよびアノード電流コレクタに切り替えられる。
さらに、マイクロバッテリーセル装置１０は、同時係属米国特許番号８，２２８，０２３（これは、参照により本願に完全に開示されているものとして、本願に含まれる）に記載されているように、充電回路（図示しない）を含んでもよい。
図４は、基板層なしの２層構造に構築されるマイクロバッテリーセル５０の断面図である。カソード電流コレクタ５２は、カソード電流コレクタ５２の主たる面とカソード電流コレクタ５２の一辺との両方の周辺を包んでいるカソード５４を備える。電解物５６は、カソード電流コレクタ５２およびカソード５４を囲み、アノード５８からの分離をもたらす。アノード電流コレクタ６０は、アノード５８に隣接し、リード６２によってＡＳＩＣ（図示しない）に電気的に接続している。同様に、カソード電流コレクタ５２は、リード６４によってＡＳＩＣ（図示しない）に電気的に接続している。上記マイクロバッテリーセルは基板層を含まないため、この構造は、総材料含有量に対して電気物質の量を増加させたマイクロバッテリーセルを提供する。必要に応じて、上記マイクロバッテリーセルは、上に説明した構造に対して“上下反対の”構造で準備されてもよく、すなわち、上記カソードおよびカソード電流コレクタ物質は、上記アノードおよびアノード電流コレクタに切り替えられる。
図５は、基板層なしの２層構造に構築される２個のマイクロバッテリーセルの集合７０の断面図である。カソード電流コレクタ７２は、カソード電流コレクタ７２の主たる面とカソード電流コレクタ７２の一辺との両方の周辺を包んでいるカソード７４を備える。電解物７６は、カソード電流コレクタ７２およびカソード７４の直ぐ上にあり、アノード７８からの分離をもたらす。アノード電流コレクタ８０はアノード７８に隣接し、リード８２によってＡＳＩＣ（図示しない）に電気的に接続している。同様に、電解物７７は、カソード電流コレクタ７２およびカソード７４の直ぐ上にあり、アノード７９からの分離をもたらす。アノード電流コレクタ８１はアノード７９に隣接し、リード８３によってＡＳＩＣ（図示しない）に電気的に接続される。電解物７６と電解物７７とは、非導電層７３によって互いに分離される。カソード電流コレクタ７２は、リード８４によってＡＳＩＣ（図示しない）に電気的に接続される。上記マイクロバッテリーセルが基板層を含まないため、この構造は、総材料含有量に対して電気物質の量を増加させたマイクロバッテリーセルを提供する。この構造は、上記ＡＳＩＣに並列に接続される２個の別々のマイクロバッテリーセルを提供する。必要に応じて、上記マイクロバッテリーセルは、上に説明した構造に対して“上下反対の”構造で準備されてもよく、すなわち、上記カソードおよびカソード電流コレクタ物質は、上記アノードおよびアノード電流コレクタに切り替えられる。
既に説明したように、上記充電可能な薄膜マイクロバッテリーセル装置は、マイクロバッテリーセルのマイクロバッテリーセル電圧が上記マイクロバッテリーセル装置全体の電圧から所定の乖離割合以上に大きいか、または、上記マイクロバッテリーセルの絶対電圧が所定の遮断閾値未満であるかを判定する検査ロジックと、上記マイクロバッテリーセルのマイクロバッテリーセル電圧が上記マイクロバッテリーセル装置全体の電圧から所定の乖離割合以上に大きいか、または、上記マイクロバッテリーセルの絶対電圧が所定の遮断閾値未満である場合、任意のマイクロバッテリーセルを上記マイクロバッテリーセル装置から切断するロジックと、を含む。上記マイクロバッテリーセルの電圧は、Ａ／Ｄコンバータ、または、以下の図に示すように、コンパレータまたは他の適切なシステムと組み合わせたＤ／Ａコンバータの利用など、本発明の属する技術分野の当業者には今では明らかな従来の電圧測定技術を用いて測定されてもよい。上記マイクロバッテリーセル装置にとって適切な上記所定の乖離割合は、（上記マイクロバッテリーセルの基になった物質の特性などの）上記システムの全体的特徴、および上記マイクロバッテリーセル装置の予測使用条件に基づいて、規定され、上記マイクロバッテリーセル装置の適切な動作を全体として維持するために切断が必要である程度に任意の個々のマイクロバッテリーセルが故障したかを判定する。任意の所与のマイクロバッテリーセルの性能特性は、さらに、温度などの利用環境に依存するかもしれない。したがって、上記定義された電圧乖離割合は、望ましくは、基準温度、基準気圧、または上記マイクロバッテリーセル装置の利用環境に関係する他の基準条件の観点から、定義される。一実施形態において、上記所定の割合は２５℃において１０％または５％である。望ましい実施形態において、上記所定の割合は２５℃において２％である。望ましい実施形態において、上記所定の割合は２５℃において１％である。
本発明の実施形態において、上記マイクロバッテリーセル装置がより低温下で用いられると想定される場合、上記マイクロバッテリーセル装置全体の電圧から計測される、マイクロバッテリーセルのマイクロバッテリーセル電圧について、大きな変動が許容されるであろう。再度説明すれば、上記検査の一つの特徴は、マイクロバッテリーセルのマイクロバッテリーセル電圧が上記マイクロバッテリーセル装置全体の電圧から所定の乖離割合以上に大きいかを判定するためのロジックを含む。本発明の実施形態について、上記所定の割合は、０℃において１０％または５％である。同様に、本発明の実施形態において、上記マイクロバッテリーセル装置がより暖かな温度下で用いられると想定される場合、上記マイクロバッテリーセル装置全体の電圧から計測される、マイクロバッテリーセルのマイクロバッテリーセル電圧の変動について、より小さな変動が許されるであろう。したがって、本発明の実施形態について、上記所定の割合は、４０℃において１％である。
上記ロジックは、望ましくは、ＡＳＩＣ中に備えられる。図６には、ＡＳＩＣ１００を含むシステムの代表的な構成が示されている。ＡＳＩＣ１００は検査ロジック構成部１０１を備え、検査ロジック構成部１０１は、望ましくは、個々のマイクロバッテリーセル１０２、１０４および１０６の周期的電圧計測を実行し、上記装置中の各々のマイクロバッテリーセルの健全性を判定する。構成部１０１の特徴は、以下に、図９を用いてより詳細に説明する。この実施形態において、マイクロバッテリーセルのバッテリー電圧が、上記マイクロバッテリーセル装置全体の電圧から所定の乖離割合以上に大きいか、または、上記マイクロバッテリーセルの絶対電圧が所定の遮断閾値未満であるかを判定する上記検査ロジックと、上記マイクロバッテリーセルのマイクロバッテリーセル電圧が上記マイクロバッテリーセル装置全体の電圧から所定の乖離割合以上に大きいか、または、上記マイクロバッテリーセルの絶対電圧が所定の遮断閾値未満である場合、任意のマイクロバッテリーセルを上記マイクロバッテリーセル装置から切断する上記ロジックとは、構成部１０１中に配置される。
望ましい実施形態において、ＡＳＩＣ１００は、システムの健全性の報告を、Ｉ２Ｃおよび／またはＳＰＩバスを介し、接続状態機械１０８を通して、外部装置に供給する。
望ましくは、ＡＳＩＣ１００は、低電力ＲＴＣ、スリープタイマおよび／または環境発電電力変換回路などの機能を備える構成部１１０を含む。そのような回路の例は、太陽電池、圧電装置、熱活性化、振動活性化、動き活性化の高周波誘電、または任意の他の種類の外部電力変換器などの、１以上の外部電源からの電力を変換するのに好適な回路を含む。そのような回路は、電力スイッチ、またはコンバータ（ブースターコンバータまたは降圧コンバータを含む）を含んでもよい。望ましくは、ＡＳＩＣ１００は構成部１１２を含み、構成部１１２は、“エネルギーを意識した”報告を、つまり、利用可能な入力電力の計測値を、最大ピーク電力追跡環境発電（Maximum Peak Power Tracking energy harvesting）に、Ｉ２Ｃバス経由で供給する。望ましくは、全ての選択肢が、Ｉ２Ｃ／ＳＰＩバスを介して、設定可能である。電力は、構成部１１２を介して、構成部１１０に供給される。必要に応じて、構成部１１２に供給される電力は、スイッチキャパシタＤＣ―ＤＣダウンコンバータ構成部（図示せず。詳細は後述する）によって、変換されてもよい。スイッチキャパシタＤＣ―ＤＣダウンコンバータ構成部は、構成部１１２を介して構成部１１０中に、または、上記電源と構成部１１０との間の個々の構成部中に、配置される。
別の実施形態を図７に示す。図７において、ＡＳＩＣ２００は検査ロジック構成部２０１を備え、検査ロジック構成部２０１は、望ましくは、個々のマイクロバッテリーセル２０２、２０４および２０６の周期的電圧計測を実行し、上記装置中の各マイクロバッテリーセルの健全性を判定する。構成部２０１の特徴は、以下に図９を用いて詳細に説明する。この実施形態において、マイクロバッテリーセルのバッテリー電圧が上記マイクロバッテリーセル装置全体の電圧から所定の乖離割合以上に大きいか、または、上記マイクロバッテリーセルの絶対電圧が所定の遮断閾値未満であるかを判定する上記検査ロジックと、上記マイクロバッテリーセルのマイクロバッテリーセル電圧が上記マイクロバッテリーセル装置全体の電圧から所定の乖離割合以上に大きいか、または、上記マイクロバッテリーセルの絶対電圧が所定の遮断閾値未満である場合、任意のマイクロバッテリーセルを上記マイクロバッテリーセル装置から切断する上記ロジックとは、構成部２０１中に配置される。
望ましい実施形態において、ＡＳＩＣ２００は、システムの健全性の報告を、Ｉ２Ｃおよび／またはＳＰＩバスを介し、接続状態機械２０８を通して、外部装置に供給する。充電の必要な所与のマイクロバッテリーセルの状態は、接続状態機械２０８によって、スイッチドキャパシタＤＣ―ＤＣブースターコンバータ２１６へと連絡され、スイッチドキャパシタＤＣ―ＤＣブースターコンバータ２１６は、電圧を印加し、充電の必要な上記マイクロバッテリーセルを充電する。望ましくは、ＡＳＩＣ２００は構成部２１０を含み、構成部２１０は、低電力ＲＴＣ、スリーピングタイマ、および／または環境発電電力変換回路などの機能を含む。そのような回路の例は、太陽電池、圧電装置、熱活性化、振動活性化、動き活性化の高周波誘電、または任意の他の種類の外部の電力変換器などの、１以上の外部電源からの電力を変換するのに好適な回路を含む。そのような回路は、電力スイッチ、またはコンバータ（ブースターコンバータまたは降圧コンバータを含む）を含んでもよい。外部電力は、システム電力ＶＩＮ２１４を通して、スイッチドキャパシタＤＣ―ＤＣブースターコンバータ２１６へと供給される。スイッチドキャパシタＤＣ―ＤＣブースターコンバータ２１６は、電力を供給して上記のように充電の必要なマイクロバッテリーセルを充電し、さらに、電力を供給して構成部２１０を必要に応じて動作させる。外部電力の利用可能性はコンパレータ２１８によって決定され、コンパレータ２１８は、構成部２１０により供給されるＡＳＩＣの機能を動作させるのに、バッテリー電力が必要であるかを確認する。バッテリー電力が必要な場合、スイッチ２２０が駆動され、構成部２１０に電力を供給する。必要に応じて、構成部２１０へと供給される電力は、スイッチキャパシタＤＣ―ＤＣダウンコンバータ構成部（図示せず、詳細は後述する）によって変換されてもよく、スイッチキャパシタＤＣ―ＤＣダウンコンバータ構成部は、構成部２１０中に配置され、または、スイッチ２２０と構成部２１０との間の独立した構成部として配置されてもよい。
別の実施形態を図８に示す。図８において、ＡＳＩＣ３００は検査ロジック構成部３０１を備え、検査ロジック構成部３０１は、望ましくは、各マイクロバッテリーセル３０２、３０４および３０６の周期的電圧計測を実行し、上記装置中の各々のマイクロバッテリーセルの健全性を判定する。構成部３０１の特徴は、以下に図９を用いて詳細に説明する。この実施形態において、マイクロバッテリーセルのバッテリー電圧が上記マイクロバッテリーセル装置全体の電圧から所定の乖離割合以上に大きいか、または、上記マイクロバッテリーセルの絶対電圧が所定の遮断閾値未満であるかを判定する上記検査ロジックと、上記マイクロバッテリーセルのマイクロバッテリーセル電圧が上記マイクロバッテリーセル装置全体の電圧から所定の乖離割合以上に大きいか、または、上記マイクロバッテリーセルの絶対電圧が所定の遮断閾値未満である場合、任意のマイクロバッテリーセルを上記マイクロバッテリーセル装置から切断する上記ロジックとは、構成部３０１中に配置される。
望ましい実施形態において、ＡＳＩＣ３００は、システムの健全性の報告を、Ｉ２Ｃおよび／またはＳＰＩバスを介し、接続状態機械３０８を通して、外部装置に供給する。
外部電力は、システム電力ＶＩＮ３１４を通して、スイッチドキャパシタＤＣ―ＤＣダウンコンバータ構成部３４０へと供給される。スイッチドキャパシタＤＣ―ＤＣダウンコンバータ構成部３４０は、別の回路（図示しない）上で回路機能を動作させる電力を供給する。ダウンコンバータ３４０は、熱生成抵抗構成部を通して電力を低下させる線形低ドロップアウトシステムよりはむしろキャパシタ切替要素を用いて、高電圧から低電圧へと供給される電力を優位に変換する。必要に応じて、ダウンコンバータ３４０による電力変換のレベルは、接続状態機械３０８を介した制御による、ユーザ選択であってもよい。
外部電力は、システム電力ＶＩＮ３１４を通して、スイッチドキャパシタＤＣ―ＤＣブースターコンバータ３１６へと供給される。スイッチドキャパシタＤＣ―ＤＣブースターコンバータ３１６は、上記のように、充電の必要なマイクロバッテリーセルを充電する電力を供給する。外部電力の利用可能性はコンパレータ３１８によって決定され、コンパレータ３１８は、上述したＡＳＩＣの機能を動作させるのにバッテリー電力が必要かを確認する。バッテリー電力が必要な場合、スイッチ３２０が駆動され、ダウンコンバータ３４０に電力を供給する。
図９は、本発明に係るシステムを示す図であって、該システムの検査および切替機能の要素の構成に注目した図である。ＡＳＩＣ４００は検査ロジック構成部４０１を備え、検査ロジック構成部４０１は、周期的に、上記装置中の個々のマイクロバッテリーセル４０２、４０４および４０６をそれぞれ切断する。この周期的な切断は、上記マイクロバッテリーセルをオフラインにし、上記マイクロバッテリーセルの電圧を検査することによって行う。したがって、検査ロジック構成部４０１は周期的電圧計測を実行し、上記装置中の各々のマイクロバッテリーセルの健全性を判定する。一実施形態において、各マイクロバッテリーセルの上記電圧は、選択可能な閾値電圧コンパレータ４２８によって評価される。比較情報は、電圧レベルシフタ４３０へと供給され、閾下状態機械ロジック４３２を用いて評価され、マイクロバッテリーセルのマイクロバッテリーセル電圧が上記マイクロバッテリーセル装置全体の電圧から所定の乖離割合以上に大きいか、または、上記マイクロバッテリーセルの絶対電圧が所定の遮断閾値未満であるかが判定される。情報が、閾下状態機械ロジック４３２から電圧レベルシフタ４３０へと供給される。閾下状態機械ロジック４３２は入出力回路を駆動させ、該入出力回路は順番に動作し、バッテリーを、対応する分離トランジスタ装置４２２、４２４、または４２６によって上記システムから分離する。上記分離トランジスタ装置は、望ましくは、２つのゲートスイッチを含み、該２つのゲートスイッチは、上記マイクロバッテリーセルの分離を選択的に維持し、ゼロ漏洩電流を維持するように機能する。一実施形態において、上記分離トランジスタ装置は、少なくとも２つの直列トランジスタを含む。ゼロ漏洩電流を維持するよう動作する回路構造は、米国特許出願８，２２８，０２３に開示されており、本明細書は、米国特許出願８，２２８，０２３の内容を参照により含む。
さらに、閾下状態機械ロジック４３２は、必要に応じて、状態機械の状態および制御４３４を報告する出力端子へと情報を供給し、上記マイクロバッテリーセル装置の状態は、監視コンピュータなどの外部装置へと伝達され得る。
本発明の特に独自の特徴において、上記ＡＳＩＣ４００は、スイッチキャパシタＤＣ―ＤＣダウンコンバータ構成部４４０を用いて、閾下電力レベルにおいて動作する。したがって、閾下状態機械ロジック４３２は、閾下電力を、（閾下発振器４３３を経由して）ダウンコンバータ４４０から供給される。一実施形態において、上記閾下発振器４３３は、１０Ｈｚで発振する。
ダウンコンバータ４４０は、熱生成抵抗構成部を通して電力を低下させる線形低ドロップアウトシステムよりはむしろキャパシタ切替要素を用いて、高電圧から低電圧へと供給される電力を優位に変換する。スイッチキャパシタシステムを利用することにより、エネルギーがより効率的な方法で変換され、全ての構成部は上記ＡＳＩＣ上で統合されてもよく、効率性のより低い電力変換システムの生成する熱に高感度の電子的構成部がさらされることがないため、上記システム全体はより堅固になる。さらに、上記スイッチキャパシタＤＣ―ＤＣダウンコンバータ構成部を含む上記ＡＳＩＣは、低下された電圧で動作させられる時の優れた性能のため、信頼性がより高く、より長時間（より長い推定耐用期間）にわたって動作可能である。望ましくは、上記ＡＳＩＣは、閾下電圧（すなわち、トランジスタが動作する閾値電位未満）で動作するよう構成される。望ましい実施形態において、上記スイッチキャパシタＤＣ―ＤＣダウンコンバータ構成部は、上記電位を１０ミリボルトから１０００ミリボルトの間へと低下させる。別の望ましい実施形態において、上記スイッチキャパシタＤＣ―ＤＣダウンコンバータ構成部は、上記電位を１００ミリボルトから５００ミリボルトの間へと低下させる。
上記ＡＳＩＣの機能をひじょうに低い電圧で動作させることは、上記ＡＳＩＣの信頼性を高める。上記電子的構成部への物理的要求がより少なく、耐用年数を向上させる電圧で、上記回路が動作するからである。望ましい実施形態において、上記ＡＳＩＣは電圧降下部を備え、該電圧降下部は、ＤＣ―ＤＣキャパシタダウンコンバータを含み、線形レギュレータを含まない。
上述までの実施形態の様々な構造が、ここで正当に評価されるだろう。例えば、望ましい実施形態において上記システムは、スイッチキャパシタＤＣ―ＤＣダウンコンバータ構成部を含み、該スイッチキャパシタＤＣ―ＤＣダウンコンバータ構成部は、上記電位を低下させ、上記単一の集積回路上に配置された全ての機能を動作させる。別の実施形態において、上記スイッチキャパシタＤＣ―ＤＣダウンコンバータ構成部は、上記電位を低下させ、上記単一の集積回路上に配置されたマイクロバッテリーセルの検査および分離機能を動作させる。
本明細書において用いられる全てのパーセントおよび割合は、特に他の記載がなければ重量パーセントおよび重量比を指す。本明細書で引用される全ての特許、特許出願（仮出願も含む）、および刊行物は、それぞれが本明細書の全ての目的について引用されるように、参照として含まれる。本書類によって説明される発明についての多くの特徴および有利な点を、上記の説明で記載してきた。しかしながら、本発明の特定の形態または実施形態が説明されてきた一方、形状の変更、パーツの構成などを含めた様々な変更が、本発明の精神および範囲から逸脱しない程度に行われてもよいということを理解しなくてはならない。

Claims (19)

  1. 少なくとも２個の薄膜マイクロバッテリーセルが一緒に電気的に接続されている、充電可能な薄膜マイクロバッテリーセル装置であって、
    上記装置中の上記マイクロバッテリーセルは、電気的に並列に接続され、単一のバッテリー電源として電力を供給し、
    上記装置は、さらに、
    上記マイクロバッテリーセルのマイクロバッテリーセル電圧が上記マイクロバッテリーセル装置全体の電圧から所定の乖離割合以上に大きいか、または、上記マイクロバッテリーセルの絶対電圧が所定の遮断閾値未満であるかを判定する検査ロジックと、
    上記マイクロバッテリーセルのマイクロバッテリーセル電圧が上記マイクロバッテリーセル装置全体の電圧から所定の乖離割合以上に大きいか、または、上記マイクロバッテリーセルの絶対電圧が所定の遮断閾値未満である場合、任意のマイクロバッテリーセルを上記マイクロバッテリーセル装置から切断するロジックと
    を含むことを特徴とする装置。
  2. 上記装置は、４個から６４個のマイクロバッテリーセルを含む装置である
    ことを特徴とする請求項１に記載の装置。
  3. 上記装置は、１６個から３２個のマイクロバッテリーセルを含む装置である
    ことを特徴とする請求項１に記載の装置。
  4. 上記装置は、５０個から２５６個のマイクロバッテリーセルを含む装置である
    ことを特徴とする請求項１に記載の装置。
  5. 上記装置は、８０個から１２０個のマイクロバッテリーセルを含む装置である
    ことを特徴とする請求項１に記載の装置。
  6. 上記検査ロジックは、個々の上記マイクロバッテリーセルの周期的電圧計測を実行する
    ことを特徴とする請求項１に記載の装置。
  7. マイクロバッテリーセルを含む上記装置は、単一の基板上に製造される
    ことを特徴とする請求項１に記載の装置。
  8. マイクロバッテリーセルを含む上記装置は、全ての上記薄膜マイクロバッテリーセルに共通のアノード電流コレクタを含む
    ことを特徴とする請求項７に記載の装置。
  9. マイクロバッテリーセルを含む上記装置は、単一のプラットフォームに取付けられる複数の基板上に製造される
    ことを特徴とする請求項１に記載の装置。
  10. 上記装置は、約０．０５ｍＡＨから約１５００ｍＡＨの有効容量を備える
    ことを特徴とする請求項１に記載の装置。
  11. 上記装置は、約５０ｃｍ２以下のフットプリント領域を占有する
    ことを特徴とする請求項１に記載の装置。
  12. 上記所定の割合は、２５℃において、２％であることを特徴とする請求項１に記載の装置。
  13. 上記マイクロバッテリーセルのマイクロバッテリーセル電圧が上記マイクロバッテリーセル装置全体の電圧から所定の乖離割合以上に大きいか、または、上記マイクロバッテリーセルの絶対電圧が所定の遮断閾値未満であるかを判定する検査ロジックと、
    上記マイクロバッテリーセルのマイクロバッテリーセル電圧が上記マイクロバッテリーセル装置全体の電圧から所定の乖離割合以上に大きいか、または、上記マイクロバッテリーセルの絶対電圧が所定の遮断閾値未満である場合、任意のマイクロバッテリーセルを上記マイクロバッテリーセル装置から切断するロジックと
    は、単一の集積回路チップに配置されることを特徴とする請求項１に記載の装置。
  14. 単一の集積回路チップは、さらに、スイッチキャパシタＤＣ―ＤＣダウンコンバータ構成部を含むことを特徴とする請求項１３に記載の装置。
  15. 上記スイッチキャパシタＤＣ―ＤＣダウンコンバータ構成部は、上記電位を１０ミリボルトから１０００ミリボルトの間へと低下させる
    ことを特徴とする請求項１４に記載の装置。
  16. 上記スイッチキャパシタＤＣ―ＤＣダウンコンバータ構成部は、上記電位を１００ミリボルトから５００ミリボルトの間へと低下させる
    ことを特徴とする請求項１４に記載の装置。
  17. 単一の集積回路チップは、線形レギュレータを含まない
    ことを特徴とする請求項１３に記載の装置。
  18. 上記スイッチキャパシタＤＣ―ＤＣダウンコンバータ構成部は、上記電位を低下させ、上記単一の集積回路に配置される全ての機能を動作させる
    ことを特徴とする請求項１４に記載の装置。
  19. 上記スイッチキャパシタＤＣ―ＤＣダウンコンバータ構成部は、上記電位を低下させ、上記単一の集積回路に配置されるマイクロバッテリーセルの検査および分離機能を動作させる
    ことを特徴とする請求項１４に記載の装置。
JP2014526213A 2011-08-17 2012-08-16 マルチセル薄膜マイクロバッテリー装置 Pending JP2014529848A (ja)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US201161524653P 2011-08-17 2011-08-17
US61/524,653 2011-08-17

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2014529848A true JP2014529848A (ja) 2014-11-13

Family

ID=47712135

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2014526213A Pending JP2014529848A (ja) 2011-08-17 2012-08-16 マルチセル薄膜マイクロバッテリー装置

Country Status (5)

Country Link
US (1) US9331501B2 (ja)
EP (1) EP2745347B1 (ja)
JP (1) JP2014529848A (ja)
KR (1) KR20140064781A (ja)
WO (1) WO2013025919A1 (ja)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2016092889A1 (ja) * 2014-12-09 2016-06-16 日本碍子株式会社 電池搭載デバイス

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2014062676A1 (en) 2012-10-15 2014-04-24 Cymbet Corporation Thin film batteries comprising a glass or ceramic substrate
CN107546834A (zh) * 2016-06-27 2018-01-05 深圳市华思旭科技有限公司 供电组件和方法

Family Cites Families (29)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5312152A (en) 1991-10-23 1994-05-17 Martin Marietta Corporation Shape memory metal actuated separation device
US5338625A (en) 1992-07-29 1994-08-16 Martin Marietta Energy Systems, Inc. Thin film battery and method for making same
US5314765A (en) 1993-10-14 1994-05-24 Martin Marietta Energy Systems, Inc. Protective lithium ion conducting ceramic coating for lithium metal anodes and associate method
US5569520A (en) 1994-01-12 1996-10-29 Martin Marietta Energy Systems, Inc. Rechargeable lithium battery for use in applications requiring a low to high power output
US5561004A (en) 1994-02-25 1996-10-01 Bates; John B. Packaging material for thin film lithium batteries
US6408402B1 (en) 1994-03-22 2002-06-18 Hyperchip Inc. Efficient direct replacement cell fault tolerant architecture
US5654084A (en) 1994-07-22 1997-08-05 Martin Marietta Energy Systems, Inc. Protective coatings for sensitive materials
US5445906A (en) 1994-08-03 1995-08-29 Martin Marietta Energy Systems, Inc. Method and system for constructing a rechargeable battery and battery structures formed with the method
US5705293A (en) 1997-01-09 1998-01-06 Lockheed Martin Energy Research Corporation Solid state thin film battery having a high temperature lithium alloy anode
US5952815A (en) 1997-07-25 1999-09-14 Minnesota Mining & Manufacturing Co. Equalizer system and method for series connected energy storing devices
US6146778A (en) 1997-07-25 2000-11-14 3M Innovative Properties Company Solid-state energy storage module employing integrated interconnect board
US6046514A (en) 1997-07-25 2000-04-04 3M Innovative Properties Company Bypass apparatus and method for series connected energy storage devices
AU5095601A (en) 2000-03-24 2001-10-08 Cymbet Corp Thin-film battery having ultra-thin electrolyte and associated method
US6517968B2 (en) 2001-06-11 2003-02-11 Excellatron Solid State, Llc Thin lithium film battery
US6906436B2 (en) 2003-01-02 2005-06-14 Cymbet Corporation Solid state activity-activated battery device and method
KR20070024473A (ko) 2004-01-06 2007-03-02 사임베트 코퍼레이션 층상 배리어구조와 그 형성방법
WO2006060391A2 (en) * 2004-11-30 2006-06-08 Gentcorp Ltd. High-energy battery power source with low internal self-discharge for implantable medical use
DE102005011081A1 (de) * 2005-03-08 2006-09-14 Axel Muntermann Akkumulator und Verfahren zu dessen Betrieb
US20070012244A1 (en) 2005-07-15 2007-01-18 Cymbet Corporation Apparatus and method for making thin-film batteries with soft and hard electrolyte layers
WO2007011898A2 (en) 2005-07-15 2007-01-25 Cymbet Corporation Apparatus and method for making thin-film batteries with soft and hard electrolyte layers
US7776478B2 (en) 2005-07-15 2010-08-17 Cymbet Corporation Thin-film batteries with polymer and LiPON electrolyte layers and method
EP2038990A1 (en) * 2006-06-07 2009-03-25 Nxp B.V. Charge pump dc-dc converter comprising solid state batteries
WO2008059409A1 (en) * 2006-11-13 2008-05-22 Koninklijke Philips Electronics N.V. Electrochemical energy source and electronic device provided with such an electrochemical energy source
WO2008100441A2 (en) 2007-02-09 2008-08-21 Cymbet Corporation Charging systems and methods
JP4717856B2 (ja) 2007-05-01 2011-07-06 日本電信電話株式会社 電池システム、電池システム制御方法、電池システム制御プログラムおよびプログラム記録媒体
US20090010462A1 (en) * 2007-07-02 2009-01-08 Front Edge Technology, Inc. Compact rechargeable thin film battery system for hearing aid
US8420252B2 (en) 2008-02-27 2013-04-16 Cymbet Corporation Battery layout incorporating full metal edge seal
US20100261049A1 (en) 2009-04-13 2010-10-14 Applied Materials, Inc. high power, high energy and large area energy storage devices
WO2011094286A2 (en) 2010-01-26 2011-08-04 Cymbet Corporation Battery arrays, constructions and method

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2016092889A1 (ja) * 2014-12-09 2016-06-16 日本碍子株式会社 電池搭載デバイス
WO2016092888A1 (ja) * 2014-12-09 2016-06-16 日本碍子株式会社 折り曲げ可能な電池モジュール
JPWO2016092888A1 (ja) * 2014-12-09 2017-04-27 日本碍子株式会社 折り曲げ可能な電池モジュール
JPWO2016092889A1 (ja) * 2014-12-09 2017-09-21 日本碍子株式会社 電池搭載デバイス
US10581114B2 (en) 2014-12-09 2020-03-03 Ngk Insulators, Ltd. Battery-equipped device

Also Published As

Publication number Publication date
US20130043731A1 (en) 2013-02-21
EP2745347A1 (en) 2014-06-25
WO2013025919A1 (en) 2013-02-21
US9331501B2 (en) 2016-05-03
EP2745347A4 (en) 2015-10-28
KR20140064781A (ko) 2014-05-28
EP2745347B1 (en) 2018-03-21

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US11855250B2 (en) Systems and methods for series battery charging
US8228023B2 (en) Charging systems and methods for thin-film lithium-ion battery
KR101102116B1 (ko) 디지탈 전지
TWI596825B (zh) 用於可充電電池之受約束陽極纖維
US9793573B2 (en) Lithium ion secondary battery containing a non-polar active material
CN102687306B (zh) 高容量电池组
US20140152100A1 (en) Power storage system and driving method thereof
US20210159535A1 (en) Secondary battery and method for manufacturing the same
JP2014170741A (ja) 電気化学デバイスの駆動方法
JP2014529848A (ja) マルチセル薄膜マイクロバッテリー装置
JP2010086862A (ja) 組電池パック及び組電池パックの製造方法
KR101266810B1 (ko) 태양전지 결합형 박막전지 패키지
JP2009151977A (ja) コイン形二次電池
KR101067158B1 (ko) 칩형 전기이중층 커패시터와 칩형 전기이중층 커패시터의 제조방법
CN220400419U (zh) 一种集成的电能存储系统
KR102669890B1 (ko) 돌출형 전극리드를 포함하는 전기 에너지 저장 장치
US20210345481A1 (en) Integral super-capacitor for low power applications
JP2011142048A (ja) 電解液、マグネシウムイオン２次電池、および電力システム
KR20170027429A (ko) 고전압 전원 장치
KR101823200B1 (ko) 전원 장치
US20110286148A1 (en) Electrochemical device and method for manufacturing the same
JP2023158279A (ja) 発電用窓及び蓄電システム
KR20170071437A (ko) 파우치형 이차전지용 전극 리드 및 이를 포함하는 파우치형 이차전지
JP2017050166A (ja) 蓄電モジュール