JP2019053990A - ＳｏＨ監視による動作中のリチウム化 - Google Patents
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- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
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- 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
Abstract
【課題】セルスタック及びリチウムイオンバッテリ内の金属イオンのレベルが、それぞれのポーチ内のセルスタックの電極を用いてｉｎ ｓｉｔｕで調節されるシステム及び方法が提供される。【解決手段】金属イオンの調節は、電極に電気的に接続されたポーチ内の金属イオン源によって電気化学的に行うことができる。金属イオンの位置及び形状は、電極表面への均一な金属イオン移動及び好ましいＳＥＩ形成を生成するように最適化することができる。金属イオン源は、除去可能であってもよく、又はＳｏＨパラメータに従ってバッテリの動作中にアノード又はカソードをリチウム化するためのリチウム源を含んでもよい。金属イオンの調節は、形成前又は形成中にポーチ内のセルスタックを通じて金属イオンを含有する電解質を循環させることにより、別個の電解質リザーバ内の金属イオン源から行ってもよい。【選択図】図１
Description
[0001] 本発明は、リチウムイオンバッテリの分野に関し、より詳細には、金属イオン調節プロセスに関する。
[0002] より長いサイクル寿命、向上した安全性及びより高い充電率を有するリチウムイオンバッテリを開発するための継続的な取り組みが行われている。
[0003] 以下は、本発明の初期的な理解を提供する簡易的な概要である。本概要は、必ずしも重要な要素を特定するとは限らず、本発明の範囲を制限するものでもなく、単に以下の説明の導入としての役割を果たすだけである。
[0004] 本発明の１つの態様は、少なくとも１つの電極がリチウムイオンバッテリのポーチ内にあるときに、リチウムイオンバッテリ内の少なくとも１つの電極における金属イオンのレベルを調節することを含む方法を提供する。調節は、少なくともリチウムイオンバッテリの形成プロセスの前又は形成プロセス中に、少なくとも１つの電極と金属イオン源との間で電気化学的に行われる。
[0005] 本発明の１つの態様は、リチウムイオンバッテリの動作中にリチウムイオンバッテリの電極をリチウム化することを含む方法を提供する。リチウム化は、電極と、バッテリに埋め込まれたリチウム源との間で電気化学的に、かつリチウムイオンバッテリの劣化状態（SoH）に対して制御可能に行われる。
[0006] 本発明のこれらの、追加の、及び／又はその他の態様及び／又は利点は、以下の詳細説明において明らかにされ、おそらくは詳細説明から推察され、及び／又は本発明の実践によって習得可能である。
[0007] 本発明の実施形態のより良い理解のため、及び本発明の実施形態をどのようにして実行することができるかを示すために、これより、単に例として、添付の図面への参照がなされ、図面において、同様の数字は全体にわたって対応する要素又は部分を指定する。
[0020] 以下の説明において、本発明の様々な態様が記載される。説明の目的のため、特定の構成及び詳細が、本発明の徹底的な理解を提供するために明らかにされる。しかしながら、本発明が本明細書内に提示される特定の詳細なしでも実践され得ることもまた、当業者には明らかである。さらには、よく知られている特徴は、本発明を不明瞭にしないために省略又は単純化されている場合がある。図面に対する特定の参照では、示される事項は、例にすぎず、単に本発明の例示的議論の目的のためであり、本発明の原理及び概念的な態様の最も有用で容易に理解される説明であると考えられるものを提供するために提示されるということが強調される。これに関連して、本発明の基本的な理解のために必要以上に詳細に本発明の構造的詳細を示す意図はなく、図面と一緒の説明は、本発明のいくつかの形態がどのようにして実際に具現化され得るかを当業者に対して明らかにするものである。
[0021] 本発明の少なくとも１つの実施形態を詳細に説明する前に、本発明が、その適用において、以下の説明において明らかにされる又は図面において例示される構成要素の構築の詳細及び配置に制限されないことが理解される。本発明は、様々な方式で実践又は実行され得る他の実施形態、並びに開示された実施形態の組み合わせに適用可能である。また、本明細書内で用いられる表現及び専門用語は、説明の目的のためであり、制限するものとして見なされるべきではないことを理解されたい。
[0022] 特に別段の定めのない限り、以下の議論から明らかであるように、本明細書全体にわたって、「処理」、「コンピューティング」、「計算」、「決定」、「向上」、「導出」、「識別」、「監視」などの用語を利用した議論は、コンピューティングシステムのレジスタ及び／又はメモリ内の電気的な量などの物理的な量として表されるデータを操作し、及び／又はそれをコンピューティングシステムのメモリ、レジスタ又は他のそのような情報記憶、伝送、若しくは表示デバイス内の物理的な量として同様に表される他のデータに変換するコンピュータ若しくはコンピューティングシステム、又は同様の電子計算機のアクション及び／又はプロセスを指し得る。開示されるモジュール又はユニットの任意のものは、少なくとも部分的にコンピュータプロセッサによって実装され得る。
[0023] 本発明の実施形態は、リチウムイオンセルの電極（例えば、アノード及び／又はカソード）のリチウム化のための効率的で経済的な方法及びメカニズムを提供し、それによってリチウムイオンバッテリの技術分野に対する改善をもたらす。特に、事前リチウム化によって、リチウムを事前に与え、形成中にカソードから除去され、ＳＥＩ（固体電解質相関）において定着するリチウムを補うことができる。セルスタック及びリチウムイオンバッテリ内の金属イオンのレベルが、それぞれのポーチ内のセルスタックの電極を用いてｉｎ ｓｉｔｕで調節されるシステム及び方法が提供される。金属イオンの調節は、電極に電気的に接続されたポーチ内で金属イオン源によって電気化学的に行うことができる。金属イオン源の位置及び形状は、電極表面への均一な金属イオン移動及び好ましいＳＥＩ形成を生成するように最適化することができる。金属イオン源は、おそらくは、形成プロセス後の脱ガスフェーズ中に除去可能であってもよく、又は動作中にリチウムなどの追加の金属イオンをもたらすためにポーチ内に残されてもよい。金属イオンの調節は、形成前又は形成中にポーチ内のセルスタックを通じて金属イオンを含有する電解質を循環させることにより、別個の電解質リザーバ内の金属イオン源から行ってもよい。リチウムイオンバッテリの電極が、動作中、それぞれの電極と、バッテリに埋め込まれたリチウム源との間で電気化学的に、かつリチウムイオンバッテリの劣化状態（SoH）に対して制御可能にリチウム化されるシステム及び方法が提供される。
[0024] 図１は、本発明のいくつかの実施形態による、リチウムイオンバッテリ１０１のためのセルにおける金属イオン調節プロセス２１０の高レベルの概略図である。図２は、従来技術のリチウムイオンバッテリ９０のためのセルにおけるリチウム消費プロセスの高レベルの概略図である。図１及び図２はそれぞれ、本発明のいくつかの実施形態による、電解質１０５と共にポーチカバー１０２にパッケージングされた、アノード１１０（集電体１１２を有する）、セパレータ１１５及びカソード１２０（集電体１２２を有する）を含むリチウムイオンバッテリ１０１のためのセル、並びに電解質９６と共にポーチカバーにパッケージングされた、アノード９１（集電体９１Ａを有する）、セパレータ９５及びカソード９２（集電体９２Ａを有する）を含む従来技術のリチウムイオンバッテリ９０のための従来技術のセルの高レベルの概略図である。図１及び図２は、それぞれ、アノード１１０、９１（「Ａ」で表される）、セパレータ１１５、９５（「Ｓ」で表される）及びカソード１２０、９２（「Ｃ」で表される）に対し垂直な軸に沿った概略平面図を示す。説明を明確にするために、図面は非常に概略的であり、現実的な空間関係を反映することなくバッテリの要素のいくつかの順序付けにのみ関係することに留意されたい。図１及び図２は、単純性の理由から、電解質１０５、９６（「Ｅ」で表される）が、それぞれのセパレータ１１５、９５によって区切られた別個の区画内のそれぞれのアノード１１０、９１及びカソード１２０、９２と接触することを示さないことにさらに留意されたい。
[0025] 従来技術の図２では、リチウム（Ｌｉ）は、カソード９２及び／又は電解質９６から消費され、アノード９１の形成工程中に（おそらくは、より小さな程度まで動作中にも）ＳＥＩを形成するが、本発明者らは、リチウムイオンバッテリにおける少なくとも１つの電極（例えば、アノード及び／又はカソード）における金属イオンレベルの調節を伴う以下の方式のうちの任意のものによってリチウム消費を軽減及び／又は補償することができることがわかった。これについては、図１において、いくつかの多様性を伴うステージ２１０として概略的に表され、以下でさらに詳細に提示される。
[0026] 例えば、形成工程には、アノード１１０の事前リチウム化工程２１０Ａが先行することができ、例えば、それぞれ図３Ａ〜図７Ｂ及び図８〜図１０において以下で説明されるように、（バッテリポーチ１０２に対して）外部源１３０Ｂ及び／又は内部源１３０Ａから更なるリチウムが送達される。対応する実施形態において、源１３０Ａ、１３０Ｂはいずれも、以下で源１３０として参照される。
[0027] いくつかの実施形態では、代替的に又は補完的に、形成工程中に、又はおそらくは形成工程後及び／又は動作中であっても、内部源１３０Ａからアノード１１０のリチウム化２１０Ａを行うことができる。
[0028] いくつかの実施形態では、代替的に又は補完的に、アノード１１０におけるＳＥＩの形成を、少なくとも部分的に金属イオン源１３０を用いて行い、ＳＥＩ形成に関与する、例えばＬｉ、Ｍｇ、Ｎａ、Ｌｉ＋、Ｍｇ＋＋、Ｎａ＋並びに／又は他の金属原子及び／若しくはイオンを与え（２１０Ｂ）、従来技術において形成プロセスにおいて消費されるリチウムの少なくともいくらかを節約することができる。例えば、本発明者らは、有利には、デンドライト形成のリスクを伴うことなくマグネシウムを用いてＳＥＩを形成することができ、バッテリの安全性を向上させ、さらには、コスト及び安全性の検討事項などの様々な運用上の利点を有することに着目している。Ｍｇ及びＬｉの混成源を、おそらくは、例えばＴＨＦ（テトラヒドロフラン）におけるＭｇ（ＢＨ４）２−ＬｉＢＨ４及び／又はＡＰＣ（ＰｈｘＭｇＣｌ２−ｘ及びＰｈｙＡｌＣｌ３−ｙを含む全フェニル錯体（all phenyl complex））−ＬｉＣｌなどの電解質塩と共に用いることもできる。印加される電圧２５０の適応（例えば、図３Ａを参照）及び他の運用上の適応は、Ｍｇ酸化還元電位がＬｉよりも約０．６７Ｖ高いことに関する。いくつかの実施形態では、Ｍｇの代わりに、又はＭｇに加えて、おそらくは、通常の電解質において用いられるＬｉＰＦ６及び／又はＬｉＣｌＯ４に有利には類似しているＮａＰＦ６及び／又はＮａＣｌＯ４などの電解質塩と共に、Ｎａを用いることができ、システムは、Ｎａ酸化還元電位がＬｉよりも約０．３３Ｖ高いことに従って適応される。
[0029] 金属イオン源１３０は、例えばそれぞれ図３Ａ〜図７Ｂ及び図８〜図１０において以下に示されるように、内部源及び／又は外部源（それぞれ１３０Ａ、１３０Ｂで表される）とすることができる。金属イオン源１３０は、おそらくは、事前に構成された量的割合及び時間的順序で、２つ以上のタイプの金属イオンを提供するように構成することができる。例えば、金属イオン源１３０は、形成工程の前及び／又は形成工程中に、ＳＥＩ形成のために主にＭｇ＋＋を提供し、形成工程中及び／又は形成工程後に、おそらくはバッテリ１０１の動作中にリチウムと置き換わるように主にＬｉ＋を提供するように構成することができる。
[0030] いくつかの実施形態では、例えば、図３Ｃ、図６、図７Ａ及び図７Ｂにおいて以下に示されるように、内部金属イオン源１３０Ａ（例えば、リチウム源）は、バッテリ１０１の動作中にバッテリポーチ１０２内に維持され、リチウムイオン２１０Ｃを提供して動作中のリチウムイオン消費を補償するように構成することができる。
[0031] いくつかの実施形態では、代替的に又は補完的に、例えば、図３Ｃ及び図７Ｂにおいて以下に示されるように、形成プロセス中、形成プロセス後、及び／又は動作中にカソード１２０をリチウム化することによって、外部金属イオン源１３０Ｂ及び／又は内部リチウム源１３０Ａ（例えばリチウム源）を用いてカソード１２０からのリチウムの減損を補償する（２１０Ｄ）ことができる。
[0032] 以下において、事前リチウム化２１０Ａ、形成中のアノードリチウム化２１０Ａ、ＳＥＩを形成するための金属イオンの提供２１０Ｂ、動作中のリチウムイオンの提供２１０Ｃ、及びカソードリチウム化２１０Ｄのうちの任意のものを、対応する動作手順の下で開示されるシステムによって行うことができ、これらは金属イオン調節工程２１０として共通して指定される。
[0033] 図３Ａ及び図３Ｂは、本発明のいくつかの実施形態による、ポーチカバー１０２にパッケージングされた、交流アノード１１０、セパレータ１１５及びカソード１２０を含むリチウムイオンバッテリ１１０のためのセルスタックの高レベルの概略図である。図３Ａは、アノード１１０（「Ａ」で表される）、セパレータ１１５（「Ｓ」で表される）及びカソード１２０（「Ｃ」で表される）に対し垂直な軸に沿った概略平面図を示し、図３Ｂは、アノード１１０、セパレータ１１５及びカソード１２０の側面図である。説明を明確にするために、図面は非常に概略的であり、現実的な空間関係を反映することなく、単にバッテリの要素のうちのいくつかの順序付けに関係することに留意されたい。電解質１０５（「Ｅ」で表される）は、セパレータ１１５によって区切られた別個の区画内のアノード１１０及びカソード１２０と接触する。これは図面に示されない特徴である。
[0034] 図３Ａ及び図３Ｂは、システム１００及びバッテリ１０１を示す。これらは、外部コンタクト１３１（例えば、金属タブなどの１つ又は複数の外部コンタクト１３１）を有する、ポーチカバー１０２内のリチウム金属源１３０Ａと、リチウムイオンバッテリの形成プロセス２８０の前に（例えば、アノード１１０の外部コンタクト１１１及びカソード１２０の外部コンタクト１２１を介して）、アノード１１０（例えば、電気接続及び電圧印加２５０として概略的に示される、その外部コンタクト１１１を介する）とポーチカバー１０２内の金属イオン源１３０Ａ（例えば、その外部コンタクト１３１を介する）との間に特定の電圧を印加することによって、アノード１１０を電気化学的に事前リチウム化する（２１０Ａ）（アノード１１０におけるSEI形成に関係して概略的に示される、図１を参照）ように構成された電気回路部１０６（概略的に示される）とを含む。形成２８０の後に、脱ガス２９０及びおそらくは金属イオン源１３０の除去を行うことができる。図３Ｂに概略的に示されているように、事前リチウム化２１０Ａの結果として、リチウム及び／又は他の金属イオンが、金属イオン源１３０からアノード１１０に動き、おそらくは、少なくとも部分的にＳＥＩ（２１０Ａ及び／又は２１０Ｂ）を形成し、かつ／又は対応する動作条件（金属イオン源、例えばリチウム源１３０をカソード１２０（図３Ｃを参照）に接続し、形成工程２８０中又は形成工程２８０後にカソード１２０内のリチウムが減損したときに電気回路部１０６を動作させる）の下で、形成及び／若しくは動作時のカソード２１０Ｄからのリチウム損失を防止又は低減する。矢印２２０は、金属イオン（例えば、リチウム）がアノード１１０に移動してＳＥＩを形成することを概略的に示した（図１１も参照）。
[0035] 図３Ｃは、システム１００及びバッテリ１０１を示す。これらは、ポーチカバー１０２内にリチウム源１３０Ａを含み、リチウムイオンバッテリ１０１の形成プロセス２４０中及び／又は形成プロセス２４０の後に（例えば、アノード１１０の外部コンタクト１１１及びカソード１２０の外部コンタクト１２１を介して）、カソード１２０（例えば、その外部コンタクト１２１を介する）とポーチカバー１０２内のリチウム源１３０（例えば、リチウム源）（例えば、その外部コンタクト１３１を介する、例えば図３Ａを参照）との間に特定の電圧を印加することによって、電気化学的に、カソード１２０に追加のリチウム２１０Ｄを提供する（カソード１２０に関係して概略的に示される）ように構成される。カソード１２０におけるリチウム損失の補償２１０Ｄは、動作２１０Ｃ中に、アノード１１０の事前リチウム化及び／又はリチウム化２１０Ａ、金属イオン２１０Ｂを通じたＳＥＩ形成、及び／又はリチウム供給と独立して、又はこれらを補完して行うことができる。アノード１１０及びカソード１２０のうちの任意のものを、同じ又は異なる金属イオン源１３０（例えば、おそらくは追加の金属源を伴うリチウム源）から、電気回路部１０６の１つ又は複数の構成要素を用いて連続的に又は同時に、開示された構成のうちの任意のものにおいてリチウム化することができる。矢印２４０は、リチウムイオンがカソード１２０に移動して、カソードリチウムに置き換わり、ＳＥＩにおいて定着するか、又はそうでない場合失われることを概略的に示した（図１１も参照）。
[0036] 特定の実施形態は、図３Ａ〜図３Ｃに示される構成の組み合わせを含み、例えば、（例えば、図５Ａ、図５Ｂ、図９及び図１０に示されるように）外部から、及び／又は内部から（例えば、以下の図６〜図８を参照）、アノード１１０及びカソード１２０の双方を同じ又は異なる金属イオン源１３０からリチウム化することができる（かつ／又はこれらにアノード上のSEI形成のための金属イオン２１０Ｂを提供することができる）。
[0037] 様々な実施形態において、リチウム化２１０Ａ及び／又は金属イオンの提供２１０Ｂは、完全に、形成プロセス２８０の前に行われてもよく、リチウム化２１０Ａ及び／又は金属イオンの提供２１０Ｂは、部分的に、形成プロセス２８０の前に行われ、おそらくは形成プロセス２８０の第１、第２及び／又はそれ以降の周期中に継続してもよいことにさらに留意されたい。相対的タイミング、金属イオン選択、及び金属イオン源１３０の構成は、形成されるＳＥＩの構造を最適化し、バッテリ１０１の安定性を改善するように調整することができる。
[0038] 以下の実施形態を用いて、アノード１１０を事前リチウム化及び／若しくはリチウム化する（２１０Ａ）ことができ、かつ／又はカソード１２０をリチウム化する（２１０Ｄ）ことができることに留意されたい。アノード１１０に言及する実施形態は、カソード１２０に適用可能であるように再構成することができ、逆もまた同様である。開示される実施形態のうちの任意のものを、バッテリ１０１における任意の電極に適用することができる。
[0039] 図４Ａ〜図４Ｃは、本発明のいくつかの実施形態による、様々な金属イオン源１３０を有するシステム１００及びバッテリ構成１０１の高レベルの概略図である。様々な実施形態において、金属イオン源１３０（例えば、リチウム源）は、図６、図７Ａ〜図７Ｂ及び図８に示すパレット若しくはビーズとして、かつ／又は図３Ａ〜図３Ｂ及び図４Ａ〜図４Ｃに示すロッド、バー、シート若しくはワイヤとして構成することができる。例えば、図４Ａは、アノード１１０に沿って位置決めされた１つ又は複数の細長い金属イオン源１３０Ａ（例えば、リチウム源）を概略的に示し、図４Ｂは、アノード１１０に対し垂直に位置決めされた１つ又は複数の細長い金属イオン源１３０Ａを概略的に示す（おそらくは事前リチウム化２１０Ａからのリチウムイオン移動の結果としてのSEI形成２１５が、矢印によって概略的に示される）。アノード１１０について集電体１１２、及びカソード１２０について集電体１２２が示され、例えば、非限定的な例では、アノード集電体１１２は、銅から作製することができ、カソード集電体１１２は、アルミニウムから作製することができる。アノード１１０と金属イオン源１３０のコンタクト１３１との間に特定の電圧を印加することが、電気接続及び電圧印加２５０として概略的に示される。特定の実施形態において、金属イオン源１３０を、コンタクト及び外部電圧の印加なしで用いて、アノード１１０及び／又はカソード１２０との接触時に自発的化学反応により金属イオンを供給することができる。代替的に又は補完的に、コンタクト１３１（オプションであることを示すために破線で示される）を金属イオン源１３０に接続し、金属イオン源１３０とアノード１１０及び／又はカソード１２０との間に対応する電圧を印加することにより、制御可能な方式でアノード１１０及び／又はカソード１２０に電気化学的に金属イオンを提供してもよい。
[0040] 図４Ｃは、交流アノード１１０、セパレータ１１５及びカソード１２０のセルスタック１０４に対し垂直に位置決めされた１つ又は複数の細長い金属イオン源１３０Ａを概略的に示し、セルスタック１０４は、複数のセル１０３で構成され、各セル１０３は、アノード１１０、セパレータ１１５及びカソード１２０の１つの組を、それらの対応する集電体１１２、１２２、電解質１０５及び関連する構造と共に含む。
[0041] 様々な実施形態において、金属イオン源１３０Ａ（例えば、リチウム源）は、スタック１０４の１つ若しくは複数のアノード１１０及び／又は１つ若しくは複数のカソード１２０と空間的に関連付けることができ、そこからアノード１１０へのリチウムの移動を最適化するように位置決めすることができる。例えば、金属イオン源１３０Ａは、アノード１１０への距離を最小限にし、そこへの可能な限り均一な金属イオン（例えば、Ｌｉ＋、Ｍｇ＋＋、Ｎａ＋などのうちの任意のもの）の移動を提供し、かつ／又は形成されたＳＥＩの安定性を向上させることができる。
[0042] 特定の実施形態において、金属イオン源１３０を、コンタクト及び外部電圧の印加なしで用いて、アノード１１０及び／又はカソード１２０との接触時に自発的化学反応により金属イオンを供給することができる。代替的に又は補完的に、コンタクト１３１（オプションであることを示すために破線で示される）を金属イオン源１３０に接続し、金属イオン源１３０とアノード１１０及び／又はカソード１２０との間に対応する電圧を印加することにより、制御可能な方式でアノード１１０及び／又はカソード１２０に電気化学的に金属イオンを提供してもよい。
[0043] 図５Ａ及び図５Ｂは、本発明のいくつかの実施形態による、除去可能な金属イオン源１３０を有するシステム１００及びバッテリ構成１０１の高レベルの概略図である。特定の実施形態において、金属イオン源１３０は、形成プロセス２８０に続くバッテリ１０１の脱ガス２９０中にポーチカバー１０２から除去可能であるように構成することができる。例えば、金属イオン源１３０は、図５Ａ及び図５Ｂに概略的に示されるように、例えばテアライン１３５に沿って、ポーチ１０２の本体から切り離し可能であるポーチ１０２のタブ１０２Ａの一部とすることができる。様々な実施形態において、金属イオン源１３０の除去は、脱ガス２９０（例えば、脱ガス孔を通じたワイヤ形状の金属イオン源１３０の除去）中に行うことができ、追加の処理ステージを必要としない。図５Ａ及び図５Ｂは、例えば、ストラップ、ロッド又はバー（図５Ａ）、Ｔ字型、Ｌ字型及び三角形（図５Ｂにおいて代替形態として示され、すべてタブ１３１に取り付けられている）のうちの任意のものなどの、金属イオン源１３０の形状及び割合の様々な非限定的な構成をさらに示す。これらは様々な向き及びおそらくは複数のタブ１３１を有し、事前リチウム化プロセス、その動力学、及びアノードの結果として得られる表面の均質性のうちの任意のものを改善する。カソードリチウム化２１０Ｄは、類似の構成で行うことができ、リチウムが減損したカソードに対して形成中又は形成後に操作される。アノード１１０と金属イオン源１３０のコンタクト１３１との間に特定の電圧を印加することが、電気接続及び電圧印加２５０として概略的に示される。これは非限定的な例として示され、コンタクト１２１を介してカソード１２０をリチウム化することに変更してもよい。
[0044] 図５Ｃ及び図５Ｄは、本発明のいくつかの実施形態による、動作中のリチウム化のためのシステム及びバッテリ構成の高レベルの概略図である。以下に説明されるように、図５Ｃは、動作中のバッテリのＳｏＨに対する動作中のリチウム化の効果を概略図に示し、図５Ｄは、動作中のリチウム化に対する制御パラメータを概略的に示す。
[0045] 本明細書において説明される形成プロセス２８０中の金属イオンレベルの調節２１０Ｂ及び／又は事前リチウム化２１０Ａ及び／又はリチウム化に対し代替的に又は補完的に、動作ステージ３４０中にリチウム化を行ってもよい。リチウム源１３０をバッテリ１０１のポーチ１０２に組み込むことによって、動作中にセル内に追加のリチウムを提供し、更なるＳＥＩ形成、電解質分解、アノード及び／又はカソードにおけるリチウム定着などによってリチウムが消費され得る充電及び／又は放電周期などの、動作３４０に関与する様々なプロセス中のセル内のリチウムの減損を補償することができる。コンタクト１３１は、アノード１１０のコンタクト１１１及び／又はカソード１２０のコンタクト１２１に対して動作し、追加のリチウムを事前にプログラムされた形式（例えば、特定の数の周期ごとに特定の量）で、かつ／又は特定の状況下、例えば、バッテリ１０１に関連付けられたバッテリ管理システム（BMS）１０８の、容量における特定の減少、抵抗の増大、又は任意の他の劣化状態（SoH）パラメータの指示などで、セル内に送達することができる。リチウム化３４５のパルスが図５Ｃに概略的に示され、適用されたリチウム化３４５に起因したバッテリの容量減少が低減することにより、寿命が増大し、動作３４０中のリチウム化パルス３４５なしでのバッテリ１０１の寿命に対して５０％、１００％又はさらに多くに達し得ることを概略的に示す。動作中３４０のリチウム化は、継続的に、要求に応じて、及び／又はパルスパターンで行うことができることに留意されたい。パルスパターンモードが図５Ｃに非限定的に示される。
[0046] システム１００は、ポーチカバー１０２にパッケージングされた交流アノード１１０、セパレータ１１５及びカソード１２０（アノード及びカソードはセルスタックの電極である）と、外部コンタクト１３１を有しアノード１１０と流体連通するポーチカバー１０２内のリチウム源１３０と、リチウムイオンバッテリ１０１の動作中に、その劣化状態（SoH）に関して制御可能に、アノード１１０とポーチカバー１０２内のリチウム源１３０との間に、リチウム源１３０のコンタクト１３１を介して特定の電圧を印加することによってアノード１１０を電気化学的にリチウム化するように構成された電気回路部１０６とを含むリチウムイオンバッテリ１０１のためのセルスタックを備えることができる。
[0047] 特定の実施形態において、システム１００は、ポーチカバー１０２にパッケージングされた交流アノード１１０、セパレータ１１５及びカソード１２０（アノード及びカソードはセルスタックの電極である）と、外部コンタクト１３１を有しカソード１２０と流体連通するポーチカバー１０２内のリチウム源１３０と、リチウムイオンバッテリ１０１の動作中に、その劣化状態（SoH）に関して制御可能に、カソード１２０とポーチカバー１０２内のリチウム源１３０との間に、リチウム源１３０のコンタクト１３１を介して特定の電圧を印加することによってカソード１２０を電気化学的にリチウム化するように構成された電気回路部１０６とを含むリチウムイオンバッテリ１０１のためのセルスタックを備えることができる。
[0048] 特定の実施形態において、システム１００は、バッテリ１０１のＳｏＨパラメータ（例えば、特定の電圧降下、特定の容量低下、特定の抵抗上昇、特定のエネルギースループットであり、それらのいずれも所定の閾値に対するものである）に従って、アノード１１０及び／又はカソード１２０を選択的にリチウム化するように構成することができる。
[0049] 図５Ｄに概略的に示すように、アノード１１０のコンタクト１１１、カソード１２０のコンタクト１２１、及びリチウム源１３０のコンタクト１３１を用いてバッテリ１０１を動作させ、アノード１１０及び／又はカソード１２０をリチウム化し（それぞれ、ステージ２１０Ａ、２１０Ｄとして表され、リチウム化パルス３４５を送達することによって行われる）、リチウム源１３０に対してアノード１１０及び／又はカソード１２０を監視する（それぞれステージ３４７Ａ、３４７Ｂとして示される）ことができる。電気回路部１０６又はＢＭＳ１０８のいずれか又は双方が、これらの機能のうちの任意のものを行うか又はこれらに関与することができる。特定の実施形態において、電気回路部１０６は、（例えば図５Ｄに示されるように）ＢＭＳ１０８の一部として実現することができる。特定の実施形態において、（例えば図５Ｃに示されるように）電気回路部１０６は、ＢＭＳ１０８から切り離され、ＢＭＳ１０８と通信してもよい。これらの構成のうちの任意のものは、上記で提示した実施形態のうちの任意のものにおいて適用可能であり得る。
[0050] 実施形態のうちの任意のものにおいて、システム１００は、リチウムイオンバッテリ１０１のＳｏＨを監視し、ＳｏＨにおける特定の減少の検出時にリチウム化を行うように電気回路部１０６を制御するように構成されたＢＭＳ１０８を備えることができる。例えば、ＢＭＳ１０８は、監視されたＳｏＨに基づいて、アノード１１０又はカソード１２０が、電極のうちの少なくとも１つとしてリチウム化されるか否かを識別し、それに応じて電気回路部１０６を制御するようにさらに構成することができる。ＢＭＳ１０８は、リチウム源１３０と充電後のアノード（矢印３４７Ａで概略的に示される）及び／又は放電後のカソード１２０（矢印３４７Ｂで概略的に示される）との間の電圧を測定し、それに応じて電気回路部１０６を制御するようにさらに構成することができる。
[0051] 特定の実施形態において、ＢＭＳ１０８は、任意の特定の判断基準に従って、充電又は放電の任意のステージにおいて、アノード１１０又はカソード１２０のうちの任意のものをリチウム化するように構成することができる。
[0052] 図５Ａ〜図５Ｄの任意ものにおいて示される金属イオン源１３０は、内部金属イオン源１３０Ａ及び／又は外部金属イオン源１３０Ｂと見なすことができることに留意されたい。
[0053] 図６は、本発明のいくつかの実施形態による、アノード１１０に隣接したビーズとして金属イオン源１３０Ａ（例えば、リチウム源）を有するバッテリ構成１０１の高レベルの概略図である。金属イオン源１３０Ａ（例えば、リチウム源）は、セル１０３及びスタック１０４内に位置決めされた任意の数のビーズを含むことができ、任意の形態を有することができる。例えば、金属イオン源１３０Ａは、アノード１１０に隣接して又はアノード１１０上に位置決めされたビーズを含むことができる。特定の実施形態において、金属イオン源ビーズ１３０Ａのうちの少なくともいくつか又はすべて（例えば、リチウム源ビーズ、又はおそらくは様々な金属の混合金属源ビーズ）を、動作中にバッテリ１０１内に残し、動作中に内部で消費されるリチウムを提供することによってサイクル寿命を増大させるように、追加のリチウム供給を提供することができる。特定の実施形態において、金属イオン源ビーズ１３０Ａのうちの少なくともいくつかを、（おそらくは金属のタイプに対し優先的に）例えば脱ガス２９０中に除去することができる。ポーチ１０２内のビーズ又は他の小さな要素としての金属イオン源の場合、外部電気回路の確立なしで（例えばタブ１３１なしで）アノード１１０の表面上で電気化学的に事前リチウム化を行うことができることに留意されたい。特定の実施形態において、金属イオン源１３０を、コンタクト及び外部電圧の印加なしで用いて、アノード１１０及び／又はカソード１２０との接触時に自発的な化学反応を介して金属イオンを供給することができる。代替的に又は補完的に、コンタクト１３１（オプションであることを示すために破線で示される）を金属イオン源１３０に接続し、金属イオン源１３０とアノード１１０及び／又はカソード１２０との間に対応する電圧を印加することにより、制御可能な方式でアノード１１０及び／又はカソード１２０に電気化学的に金属イオンを提供してもよい。
[0054] 図７Ａ及び図７Ｂは、本発明のいくつかの実施形態による、集電体１１２、１２２に組み込まれた金属イオン源１３０Ａを有するバッテリ構成１０１の高レベルの概略図である。特定の実施形態において、金属イオン源ビーズ１３０Ａは、アノード及び／又はカソードのうちの１つ又は複数においてそれぞれ集電体１１２、１２２に組み込むことができる。例えば、セルスタック１０４において、カソード集電体１２２は、隣接セル１０３のアノード１１０に隣接し、それによって、カソード集電体１２２に金属イオン源１３０Ａを組み込むことによって、隣接セル１０３内のアノード１１０に近いリチウム移動経路を提供することができることに留意されたい。特定の実施形態において、集電体１１２及び／又は１２２に金属イオン源１３０Ａを組み込むことは、アノード集電体１１２の場合リチウム銅混合物及び／若しくは合金、並びに／又はカソード集電体１２２の場合リチウムアルミニウム混合物及び／若しくは合金など、集電体材料においてリチウムを混合しかつ／又は合金にすることによって行うことができる。
[0055] 特定の実施形態において、金属イオン源１３０を、コンタクト及び外部電圧の印加なしで用いて、アノード１１０及び／又はカソード１２０との接触時に自発的な化学反応を介して金属イオンを供給することができる。代替的に又は補完的に、コンタクト１３１（オプションであることを示すために破線で示される）を金属イオン源１３０に接続し、金属イオン源１３０とアノード１１０及び／又はカソード１２０との間に対応する電圧を印加することにより、制御可能な方式でアノード１１０及び／又はカソード１２０に電気化学的に金属イオンを提供してもよい。
[0056] バッテリ１０１内の金属イオン源１３０Ａの様々な構成を組み合わせて追加の実施形態を形成することができることが強調される。また、本明細書に開示される実施形態のうちの任意のものを、セルスタック１０４の任意の構成について適用することができ、ほとんどの図は１つのアノード１１０及び１つのカソード１２０を有する単一のセル１０３を提示しているが、これは単に説明の目的で行われ、本発明の適用をセルスタック１０４全体及び対応するバッテリ１０１に限定するものではない。
[0057] 図８は、本発明のいくつかの実施形態による、１つ又は複数の電極における金属イオンレベルの流体流調節を有するシステム構成１００の高レベルの概略図であり、流れは流入１４０及び流出１４５として示される。特定の実施形態において、金属イオンレベルの調節は、形成プロセス２８０の前又は形成プロセス２８０中に連続的に電解質１０５を置き換えるのに用いることができる、リチウム及び／又はＭｇ、Ｎａ、Ｍｇ＋＋、Ｎａ＋などのうちの任意のものの流体提供１４０によって外部金属イオン源１３０Ｂ（概略的に示される）から行うことができる。特定の実施形態において、金属イオンレベルの調節は、アノード１１０の事前リチウム化２１０Ａ（図１を参照）及び／又はアノード１１０への金属イオン２１０Ｂの提供（図１を参照）を含むことができる。いずれの場合にも、提供されたＬｉ、Ｍｇ、Ｎａ、Ｌｉ＋、Ｍｇ＋＋及び／又はＮａ＋は、アノード１１０におけるＳＥＩの形成に寄与することができる。特定の実施形態において、金属イオンレベルの調節は、形成工程後又は形成工程中のカソード１２０のリチウム化２１０Ｄ（図１を参照）を含むことができる。
[0058] 図９及び図１０は、本発明のいくつかの実施形態による、１つ又は複数の電極における金属イオンレベルの流体流調節を有するシステム構成１００の高レベルの概略図であり、流れは流入１４０及び流出１４５として示される。システム１００は、リチウムイオンバッテリ１０１のための少なくとも１つのセルスタック１０４を含むことができ、各セルスタック１０４は、ポーチカバー１０２にパッケージングされた交流アノード１１０、セパレータ１１５及びカソード１２０と、それぞれのポーチカバー１０２内のセルスタック１０４に流体連通した、内部に（例えば電解質流体内などの流体１６５内に）金属イオン源を有する少なくとも１つの電解質リザーバ１６０と、ポーチカバー１０２内のセルスタック１０４と電解質リザーバ１６０との間の電解質１６５の循環流１４０、１４５を維持するように構成されたポンプ１５０と、バッテリ１０１の構成要素のうちの任意のものにおいて金属イオンのレベルを調節するためにセルスタック１０４のアノード１１０と電解質リザーバ１６０内の金属イオン源（Ｌｉ、Ｍｇ、Ｎａ、Ｌｉ＋、Ｍｇ＋＋、Ｎａ＋などのうちの任意のものを含む）との間に特定の電圧を印加するように構成された電気回路部１０６とを含む。特定の実施形態において、金属イオンレベルの調節は、アノード１１０の事前リチウム化２１０Ａ（図１を参照）及び／又はアノード１１０への金属イオン２１０Ｂの提供（図１を参照）を含むことができる。いずれの場合にも、提供されたＬｉ、Ｍｇ、Ｎａ、Ｌｉ＋、Ｍｇ＋＋及び／又はＮａ＋は、アノード１１０におけるＳＥＩの形成に寄与することができる。特定の実施形態において、金属イオンレベルの調節は、形成工程後又は形成工程中のカソード１２０のリチウム化２１０Ｄ（図１を参照）を含むことができる。アノード１１０と金属イオン源１３０Ｂのコンタクト１３１との間に特定の電圧を印加することが、電気接続及び電圧印加２５０として概略的に示される。これは非限定的な例として示され、コンタクト１２１を介してカソード１２０をリチウム化することに変更してもよい。
[0059] 特定の実施形態において、電解質リザーバ１６０は、少なくとも２つの電解質リザーバ１６０、１６２を含むことができ、それらのうち、少なくとも１つ（１６０）は、金属イオンレベルを調節し（２１０Ｂ）かつ／又はアノード１１０を事前リチウム化し（２１０Ａ）（かつ／又は金属イオンをアノード１１０に提供し）、そこにＳＥＩを形成するように構成することができ、少なくとも別の１つ（１６２）は、事前リチウム化２１０Ａ後、おそらくは形成２８０後にリチウムイオンバッテリ１０１の動作のために電解質１０５をポーチカバー１０２に装填するように構成することができる。形成プロセス２８０は、金属イオンが調節されている（２１０Ｂ）間、又はその後に、例えば事前リチウム化２１０Ａ中及び／又は事前リチウム化２１０Ａの完了後に行うことができる。異なる、おそらくは複数の電解質リザーバ１６０、１６２を用いて、おそらくは異なる事前リチウム化及び／又は形成工程において様々なタイプ及び／又は割合の金属イオンを提供することができる。
[0060] 特定の実施形態において、セルスタック１０４は、複数のバッテリ１０１内に複数のセルスタックを含むことができ、すべてのセルスタック１０４について同時にかつ共通で電解質リザーバ１６０、１６２を用いて、金属レベルの調節、及びおそらくは電解質の置き換えを行うことができる。
[0061] 図１１は、本発明のいくつかの実施形態による方法２００を示す高レベルのフローチャートである。本方法のステージは、任意選択により方法２００を実施するように構成することができる、上記で説明したシステム１００及びバッテリ１０１に対して行うことができる。方法２００は、以下のステージのうちの任意のものなどの、システム１００及びバッテリ１０１を生成、準備及び／又は使用するステージを、順序に無関係に含むことができる。特定の実施形態は、プログラムが実施され、方法２００の関連ステージを行うように構成されたコンピュータ可読プログラムを有するコンピュータ可読ストレージ媒体を備えるコンピュータプログラム製品を含む。方法２００は、以下のステージのうちの任意のものなどの、上記で説明したシステム１００及びバッテリ１０１を生成、準備、操作及び／又は使用するステージを、順序に無関係に含むことができる。
[0062] 方法２００は、少なくとも１つの電極がリチウムイオンバッテリのポーチ内にあるとき、リチウムイオンバッテリにおける少なくとも１つの電極（例えば、アノード及び／又はカソード）における金属イオンのレベルを調節することを含み（ステージ２１０）、金属イオンレベルの調節は、少なくとも１つの電極と、例えばＬｉ、Ｍｇ及び／又はＮａを含む内部及び／又は外部金属イオン源である金属イオン源との間で電気化学的に（ステージ２１２）、リチウムイオンバッテリの形成プロセスの前、及びおそらくは形成プロセス中に、並びにおそらくはバッテリの動作の前及び／又は動作中に（ステージ２１３）行われる。金属イオンレベルの調節は、バッテリポーチ内で、セルスタックのアノード及び／又はカソードにおいて連続的に又は同時に、ポーチの内部の金属イオン源からｉｎ ｓｉｔｕで行うことができる。形成プロセスが行われる前にアノードに金属イオンを提供する特定の実施形態は、事前金属化ステージと呼ぶことができる。Ｍｇ＋＋及びＮａ＋などの金属イオンは、おそらくはＬｉ＋に加えて、金属原子、例えばＬｉ、Ｍｇ、Ｎａと共に提供することができる。
[0063] 特定の実施形態において、調節２１０は、以下、すなわち、形成プロセスの前に（金属イオン源としての）少なくとも１つのリチウム源から（電極としての）アノード（アノードは、ポリマーコーティングされる場合があるＳｉ、Ｇｅ及びＳｎのうちの少なくとも１つのアノード物質粒子を含むことができる）を事前リチウム化すること（ステージ２２０）、形成プロセス中に少なくとも１つのリチウム源からアノードをリチウム化すること（ステージ２２５）、及びおそらくは、動作中にポーチ内に残された少なくとも１つのリチウム源の少なくとも原基から、動作中にもアノードをリチウム化すること（ステージ２２７）、少なくとも形成プロセスの前に、（金属イオン源としての）少なくとも１つのマグネシウム及び／又はナトリウム源（おそらくはリチウムと組み合わされる）からのマグネシウム及び／又はナトリウムから、アノードにおいてＳＥＩの少なくとも一部を形成すること（ステージ２３０）、並びに／又は、形成プロセス中及び／若しくは形成プロセス後の、カソードからのリチウムの減損時に（金属イオン源としての）少なくとも１つのリチウム源から（電極としての）カソードをリチウム化すること（ステージ２４０）、のうちの任意のものを含むことができる。
[0064] 方法２００は、電極を電気的に金属イオン源に接続し、それらの間に電圧を印加すること（ステージ２５０）を含むことができる。アノードを事前リチウム化及び／又はリチウム化することは、アノードを金属イオン源に電気的に接続し、それらの間に電圧を印加することによって行うことができる。カソードをリチウム化することは、少なくとも１つのカソードを（そのカソードが減損状態にあり、元のリチウム含有物の一部を有するときに）金属イオン源に電気的に接続し、それらの間に電圧を印加することによって行うことができる。
[0065] アノードの事前リチウム化２２０及び／又はリチウム化２２５は、事前リチウム化、事前金属化（例えば、Ｍｇ及び／又はＮａイオンを単独で、又はＬｉイオンに追加して提供することを指す）中、及び／又は形成プロセス中に、金属イオン源を利用して、アノード上にＳＥＩを制御可能に少なくとも部分的に形成する（ステージ２６０）ように構成することができる。特定の実施形態において、リチウム化２２５は、例えば、リチウム源から形成プロセス中にカソード２４０にリチウムを加えることによって、例えばカソードからの、形成プロセス中のリチウム消費を補償するように構成することができる。
[0066] 方法２００は、セルスタック及び電解質を含むポーチ内に金属リチウムを組み込み（ステージ２７０）、少なくとも部分的に内部リチウム源を用いてステージ２１０〜２４０のうちの任意のものを行うことをさらに含むことができる。これに対応して、方法２００は、セルスタックのアノードを、ポーチに組み込まれた金属リチウム（及び／又はＭｇ、Ｎａなど）に電気的に接続することにより、このセルスタックのアノードを電気化学的に事前リチウム化し（ステージ２７２）、かつ／又はセルスタックのカソードを、ポーチに組み込まれた金属リチウム（及び／又はＭｇ、Ｎａなど）に電気的に接続することにより、このセルスタックのカソードを電気化学的にリチウム化する（ステージ２７４）ことを含むことができる。
[0067] 方法２００は、セル電極としてアノード及びカソードを用いて形成プロセスを実行すること（ステージ２８０）をさらに含むことができる。方法２００は、形成プロセスに続いてポーチを脱ガスすること（ステージ２９０）をさらに含むことができる。方法２００は、形成プロセス２４０に続いて、事前リチウム化２１０後の脱ガスステージ２５０中に、金属イオン源を除去すること（ステージ２９２）をさらに含むことができる。特定の実施形態において、方法２００は、脱ガスフェーズ中に残りのリチウムを除去すること（ステージ２９４）、及びおそらくは、除去された残りの金属リチウムを再使用すること（ステージ２９６）を含むことができる。
[0068] アノード事前リチウム化２２０は、形成プロセス２８０の前に行うことができ（ステージ３０２）、かつ／又は、アノードリチウム化２２５は、形成プロセス２８０中に行うことができる（ステージ３０４）。形成プロセス中のリチウム化は、形成プロセス前に適用される事前リチウム化を拡張することができることに留意されたい。形成プロセス中の追加のリチウム化は、形成プロセス中の、例えばカソードからのリチウム消費を補うように構成することができる。
[0069] 方法２００は、ポーチ内の金属イオン源の形状及び／又は位置を最適化し（ステージ３１０）、おそらくは、例えば、ステージ２２５〜２４０のうちの任意のものの事前リチウム化２２０、並びに／又は金属イオン調節及び／若しくはリチウム化に対する、金属イオン移動の効率性に従って、スタック内の金属イオン源の位置を最適化する（ステージ３１５）ことをさらに含むことができる。
[0070] 方法２００は、少なくとも部分的に、金属イオン及び／又はリチウム源を、スタック内のアノードと関連付けること（ステージ３２０）及び／又はスタック内のカソードと関連付けること（ステージ３２２）を含むことができる。特定の実施形態において、方法２００は、リチウム源としての金属リチウム、及び／又は例えばＭｇ、Ｎａ、Ｌｉの他の金属の金属混合物若しくは合金を、少なくとも１つの集電体に組み込み（ステージ３３０）、例えば、少なくとも１つのアノード集電体に、及び／又は少なくとも１つのカソード集電体に、例えば前者の場合は銅との混合物で及び／若しくは銅合金として、かつ／又は後者の場合はアルミニウムとの混合物で及び／若しくはアルミニウム合金として組み込むことを含むことができる。
[0071] 方法２００は、少量の金属リチウムを、ポーチから除去することなくポーチに組み込むこと（ステージ３３５）を含むことができる。このため、組み込まれたリチウムは、バッテリの動作中のリチウムの損失を少なくとも部分的に補償するために用いることができる。方法２００は、リチウムイオンバッテリを動作させること（ステージ３４０）を含むことができる。方法２００は、金属リチウムをワイヤ形式でポーチに組み込み、動作中にリチウム化を行って（ステージ３４２）、リチウムが更なるＳＥＩ形成、電解質分解、アノード及び／又はカソードにおけるリチウム定着などによって消費され得る充電及び／又は放電周期などの、動作に関与する様々なプロセス中のセル内のリチウムの減損を補償することを含むことができる。リチウム化３４２は、連続していても断続的であってもよく、おそらくは、バッテリのＳｏＨパラメータに関することができる（ステージ３４５）。
[0072] 方法２００は、例えば、容量の低減、抵抗の上昇、最大電圧の低下などのＳｏＨパラメータを用いて、リチウムイオンバッテリのＳｏＨを監視し、ＳｏＨにおける特定の減少の検出時にリチウム化を行うこと（ステージ３４７）をさらに含むことができる。特定の実施形態において、監視３４７は、例えば、リチウム源に対しアノード及び／又はカソードを測定すること（ステージ３４８）によって、リチウム源自体に対しアノードを監視すること及びカソードを監視することのいずれか又は双方を含むことができる（例えば、図５Ｄを参照）。方法２００は、セルの充電後のアノード及び／若しくは放電後のカソードをリチウム化すること（ステージ３４９）、又はおそらくはそれぞれ部分的充電中及び／若しくは部分的放電中にリチウム化することをさらに含むことができる。例えば、リチウム化のためのアノード及び／又はカソードの選択は、充電後のアノードとリチウム源との間の電圧レベル、及び／又は放電後のカソードとリチウム源との間の電圧レベルに従って行うことができる。
[0073] 方法２００は、バッテリのセルスタックに沿って及び／又はセルスタックに対し垂直に金属イオン源を位置決めすること（ステージ３５０）を含むことができる。特定の実施形態において、方法２００は、ポーチの除去可能な部分に金属イオン源を位置決めすること（ステージ３５２）を含むことができる。特定の実施形態において、方法２００は、脱ガスのために、金属イオン源を開口部と空間的に関連付けること（ステージ３５５）を含むことができる。
[0074] 方法２００は、内部に金属イオン源を有する電解質リザーバを、ポーチカバー内のセルスタックと流体連通させ（ステージ３６０）、流体連通を介して金属イオン調節ステージのうちの任意のものを行うことを含むことができる。特定の実施形態において、方法２００は、おそらくは、事前リチウム化、ＳＥＩ形成、その結果としてのリチウム化、動作周期のための有効な電解質の充填などのための１つ又は複数の電解質組成などの様々な電解質組成を提供する様々な電解質リザーバを用いて、リザーバとポーチ内のセルスタックとの間に電解質をポンピングすること（ステージ３６５）を含むことができる。例えば、方法２００は、ポーチカバー内のセルスタックと、電解質リザーバとの間の電解質の循環流を維持すること（ステージ３７０）を含むことができる。例えば、図９及び図１０における流れ１４０、１４５を参照されたい。
[0075] 方法２００は、アノードと電解質リザーバ内の金属イオン源との間に特定の電圧を印加することをさらに含むことができる（ステージ３８０）。方法２００は、事前リチウム化を提供するように少なくとも１つの電解質リザーバを構成し、リチウムイオンバッテリの動作のための電解質をポーチカバーに装填するように少なくとも別の電解質リザーバを構成すること（ステージ３９０）をさらに含むことができる。方法２００は、金属イオン調節（例えば、事前リチウム化及び／又はリチウム化）を複数のセルスタックに同時に適用することを含むことができ、電解質リザーバは、すべてのセルスタックについて共通に用いられる（ステージ４００）。
[0076] 様々な実施形態において、金属イオンレベル２１０の調節は、定電流（CC）、定電圧（CV）、及び／又は定電流、定電圧（CCCV）モードのうちの任意のものにおいて、並びにダイナミック電流（dI/dt≠0）及び／又はダイナミック電圧（dV/dt≠0）モードにおいて、単独で又は組み合わせで行うことができる。電流は、１０μＡ〜１０ｍＡの範囲をとることができ、電圧は、４００ｍＶ〜２０ｍＶで変動することができる。事前リチウム化時間は、数時間から数週間のスケールとすることができる。温度は、２５℃〜７０℃で変動することができる。
[0077] 特定の実施形態において、アノード１１０は、水性溶媒又は有機溶媒に混合された、アノード活物質粒子、並びに結合剤（例えば、ポリフッ化ビニリデン（PVDF）、スチレンブタジエンゴム（SBR）又は任意の他の結合剤）、可塑剤及び／又は導電性充填剤などの添加物を含むことができる。アノードスラリーは、乾燥させ、固化し、集電体１１２と接触して位置決めすることができる。アノード活物質粒子は、グラファイト、グラフェン、ケイ素、ゲルマニウム、及び／若しくはスズなどの半金属のうちの任意のものの粒子、並びに／又は、おそらくは、アルミニウム、鉛、及び／若しくは亜鉛の粒子を含むことができる。アノード活物質粒子は、アノード１１０に機械的損傷を与えることなく、多数の周期にわたって可逆的に、充電中にリチウムを受け取り、放電中にリチウムを放出するように構成することができる。アノード活物質粒子は、例えば、コーティングされた粒子、シェルコア粒子などの複合物質とすることができる。アノード活物質粒子は、導電性ポリマー、リチウムポリマー、おそらくはホウ酸塩及び／又はリン酸塩（アノード活物質粒子の表面上に、例えばＢ２Ｏ３、Ｐ２Ｏ５などを形成する）、電解質１０５と相互作用することができる結合分子（及び／又はそれらに対するイオン液体添加物）、及び／又はボールミル加工などのアノード準備プロセスにおいてアノード物質粒子に付着させることができる様々なナノ粒子（例えば、Ｂ４Ｃ、ＷＣ、ＶＣ、ＴｉＮ）などのコーティングを含むことができる。アノード活物質粒子のサイズ範囲は、１００ｎｍのオーダーの大きさとすることができ、かつ／又はおそらくは１０ｎｍ又は１μのオーダーの大きさとすることができる。アノード活物質粒子に付着したナノ粒子のサイズ範囲は、アノード物質粒子よりも小さいオーダーの大きさとすることができ、例えば１０ｎｍ、及び／又はおそらくは１００ｎｍである（後者はより大きなアノード物質粒子の場合である）。
[0078] 特定の実施形態において、カソード１２０は、層状の尖晶石及び／又はカンラン石フレームワークに基づいた物質を含み得、ＬＣＯ配合物（ＬｉＣｏＯ２に基づく）、ＮＭＣ配合物（リチウムニッケル−マンガン−コバルトに基づく）、ＮＣＡ配合物（リチウムニッケルコバルトアルミニウム酸化物に基づく）、ＬＭＯ配合物（ＬｉＭｎ２Ｏ４に基づく）、ＬＭＮ配合物（リチウムマンガン−ニッケル酸化物に基づく）、ＬＦＰ配合物（ＬｉＦｅＰＯ４に基づく）、リチウム豊富なカソード、及び／又はそれらの組み合わせなど、様々な組成物を含み得る。セパレータ１１５は、ポリエチレン（PE）、ポリプロピレン（PP）、又は他の適切な物質などの様々な物質を含み得る。
[0079] 電解質１０５の例は、エチレンカーボネート（EC）、ジエチルカーボネート（DEC）、プロピレンカーボネート（PC）、フルオロエチレンカーボネート（FEC）、エチルメチルカーボネート（EMC）、ジメチルカーボネート（DMC）、ビニレンカーボネート（VC）、おそらくはテトラヒドロフラン（THF）、及び／若しくはその派生物、及びそれらの組み合わせなどの液体電解質、並びに／又は、ポリエチレンオキシド、フッ素含有ポリマー及びコポリマー（例えば、ポリテトラフルオロエチレン）、及びそれらの組み合わせなどの、高分子電解質などの固体電解質を含み得る。電解質１０５は、ＬｉＰＦ６、ＬｉＢＦ４、リチウムビス（オキサラト）ボレート、ＬｉＮ（ＣＦ３ＳＯ２）２、ＬｉＮ（Ｃ２Ｆ５ＳＯ２）２、ＬｉＡｓＦ６、ＬｉＣ（ＣＦ３ＳＯ２）３、ＬｉＣｌＯ４、ＬｉＴＦＳＩ、ＬｉＢ（Ｃ２Ｏ４）２、ＬｉＢＦ２（Ｃ２Ｏ４）、トリス（トリメチルシリル）ホスフェート（TMSP）、及びそれらの組み合わせなどの、リチウム電解質塩を含み得る。イオン液体添加物が、電解質１０５に添加され得る。
[0080] 図１２は、本発明のいくつかの実施形態による、システム１００及び／又は方法２００から結果として得られるバッテリ１０１の改善した動作を示す結果の例を与える。図１２は、充電曲線（実線）と、第１の周期の、従来技術の完全なセルについての放電曲線（点線で表される）及び事前リチウム化されたアノードを用いた完全なセル１０１についての放電曲線（破線）を概略的に示す。提示される例において、ＮＣＡカソードに正規化された半金属システムに関して、容量損失（全周期等価（full cycle equivalent）、FCE）が、従来技術の完全なセル（点線）における約２８％（約７２％の容量を残す）から、事前リチウム化されたアノードを用いた完全なセル１０１（点線）における約１１％（約８９％の容量を残す）に改善されている。
[0081] 特定の実施形態は、コンピュータ可読プログラムが実施され、システム１００及びバッテリ１０１を監視、制御及び／又は操作して、上記で説明した、形成中の事前リチウム化、リチウム化、及び／又は動作中のリチウム化などの金属イオンの調節及び／又はリチウム化の工程を、おそらくは、形成プロセスの実行及び／又はバッテリ１０１の操作と併せて提供するように構成されたコンピュータ可読ストレージ媒体を含むコンピュータプログラム製品を含む。特定の実施形態は、上記で開示された方法ステージのうちの任意のものを動作させるように構成されたコンピュータ可読プログラムを含むバッテリ管理システムを含む。
[0082] 本発明の態様は、本発明の実施形態による方法、装置（システム）及びコンピュータプログラム製品のフローチャート図及び／又は部分図を参照して上記で説明される。フローチャート図及び／又は部分図の各部分、並びにフローチャート図及び／又は部分図内の部分の組み合わせは、コンピュータプログラム命令によって実施され得ることが理解される。これらのコンピュータプログラム命令は、マシンを生成するために汎用コンピュータ、専用コンピュータ、又は他のプログラム可能データ処理装置のプロセッサに提供され得、その結果、コンピュータ又は他のプログラム可能なデータ処理装置のプロセッサを介して実行する命令が、フローチャート及び／若しくは部分図又はそれらの部分に特定の機能／作用を実行するための手段を作成する。
[0083] これらのコンピュータプログラム命令はまた、コンピュータ、他のプログラム可能データ処理装置、又は他のデバイスに特定の様式で機能するように命令することができるコンピュータ可読媒体内に格納され得、その結果、コンピュータ可読媒体内に格納された命令は、フローチャート及び／若しくは部分図又はそれらの部分に特定の機能／作用を実施する命令を含む製品を生成する。
[0084] コンピュータプログラム命令はまた、コンピュータ、他のプログラム可能データ処理装置、又は他のデバイス上に読み込まれて、コンピュータ実施プロセスを生成するためにコンピュータ、他のプログラム可能装置、又は他のデバイス上で一連の動作工程が実施されるようにし得、その結果、コンピュータ又は他のプログラム可能装置上で実行する命令が、フローチャート及び／若しくは部分図又はそれらの部分に特定の機能／作用を実施するためのプロセスを提供する。
[0085] 前述のフローチャート及び図は、本発明の様々な実施形態に従うシステム、方法、及びコンピュータプログラム製品の可能性のある実装形態の構造、機能性、及び動作を例示する。この点について、フローチャート又は部分図における各部分は、特定の論理機能を実施するための１つ又は複数の実行可能な命令を含むモジュール、セグメント、又はコードの部分を表し得る。いくつかの代替的な実装形態において、部分に記される機能は、図に記される順から外れて発生し得るということにも留意されたい。例えば、連続して示される２つの部分は、実際には、実質的に同時に実行され得るか、この部分は、時には、関連する機能性に応じて、逆の順序で実行され得る。部分図及び／又はフローチャート図の各部分、並びに部分図及び／又はフローチャート図内の部分の組み合わせは、特定の機能若しくは作用を実施する専用ハードウェアベースのシステム、又は専用ハードウェア及びコンピュータ命令の組み合わせによって実施され得ることにも留意されたい。
[0086] 上の説明において、実施形態は、本発明の例又は実装形態である。「一実施形態」、「実施形態」、「特定の実施形態」、又は「いくつかの実施形態」の様々な表現は、必ずしもすべてが同じ実施形態を指すとは限らない。本発明の様々な特徴は、単一の実施形態の文脈において説明され得るが、この特徴はまた、別個に、又は任意の好適な組み合わせで提供され得る。反対に、本発明は、明確性のために別個の実施形態の文脈において本明細書内で説明され得るが、本発明はまた、単一の実施形態において実施され得る。本発明の特定の実施形態は、上に開示された異なる実施形態からの特徴を含み得、特定の実施形態は、上に開示された他の実施形態からの要素を組み込み得る。特定の実施形態の文脈における本発明の要素の開示は、特定の実施形態のみにそれらの使用を限定するものと見なされるべきではない。さらに、本発明は、様々な方式で実行又は実践され得ること、及び本発明は、上の説明で概説されるもの以外の特定の実施形態において実施され得ることが理解される。
[0087] 本発明は、それらの図又は対応する説明に限定されない。例えば、フローは、例示された各ボックス又は状態を進む必要もなければ、例示又は説明されるものと全く同じ順序で進む必要もない。本明細書内で使用される技術的及び科学的用語の意味は、別途規定のない限り、本発明に属する当業者によって共通して理解されるものとする。本発明は限られた数の実施形態に対して説明されているが、これらは、本発明の範囲に対する制限として解釈されるべきではなく、むしろ好ましい実施形態のうちのいくつかの例証として解釈されるべきである。他の可能性のある変形形態、修正形態、用途も本発明の範囲内である。したがって、本発明の範囲は、ここまで説明されてきたものによって制限されるべきではなく、添付の請求項及びそれらの法的等価物によって制限されるべきである。
Claims (18)
- 動作中にリチウムイオンバッテリの電極をリチウム化することを含み、前記リチウム化は、前記電極と、前記バッテリに埋め込まれたリチウム源との間で電気化学的に、かつ前記リチウムイオンバッテリの劣化状態（SoH）に対して制御可能に行われる、方法。
- 電気コンタクトが接続された前記リチウム源を前記リチウムイオンバッテリのポーチ内に組み込むことをさらに含む、請求項１に記載の方法。
- 前記リチウム源を、前記ポーチに関連付けられ、前記アノードと流体連通するリチウム含有ワイヤとして構成することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
- 前記リチウムイオンバッテリの形成プロセスの前及び／又は形成プロセス中に前記アノードにおける金属イオンのレベルを調節することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
- 前記電極は、前記リチウムイオンバッテリのアノード及び／又はカソードを含む、請求項１に記載の方法。
- 前記リチウムイオンバッテリの前記ＳｏＨを監視し、前記ＳｏＨにおける特定の減少の検出時に前記リチウム化を行うことをさらに含む、請求項５に記載の方法。
- 前記バッテリＳｏＨの前記監視は、前記リチウム源を用いてアノード及び／又はカソードのリチウム化を測定することを含む、請求項６に記載の方法。
- 前記リチウム化は、前記バッテリの充電後に前記アノードをリチウム化することを含む、請求項５に記載の方法。
- 前記リチウム化は、前記充電後の前記アノードと前記リチウム源との間の電圧レベルに従って行われる、請求項８に記載の方法。
- 前記リチウム化は、前記バッテリの放電後に前記カソードをリチウム化することを含む、請求項５に記載の方法。
- 前記リチウム化は、前記放電の後に前記カソードと前記リチウム源との間の電圧レベルに従って行われる、請求項８に記載の方法。
- ポーチカバーにパッケージングされた交流アノード、セパレータ及びカソードを含むリチウムイオンバッテリのためのセルスタックであって、前記アノード及び前記カソードが当該セルスタックの電極である、セルスタックと、
前記ポーチカバー内のリチウム源であって、外部コンタクトを有し、前記電極のうちの少なくとも１つと流体連通する、リチウム源と、
前記リチウムイオンバッテリの動作中に、前記リチウムイオンバッテリの劣化状態（SoH）に対して制御可能に、前記電極のうちの前記少なくとも１つと、前記ポーチカバー内の前記リチウム源との間に、前記リチウム源のコンタクトを介して特定の電圧を印加することによって、前記電極のうちの前記少なくとも１つを電気化学的にリチウム化するように構成された電気回路部と、
を備える、システム。 - 前記電極のうちの前記少なくとも１つは前記アノードを含む、請求項１２に記載のシステム。
- 前記電極のうちの前記少なくとも１つは前記カソードを含む、請求項１２に記載のシステム。
- 前記リチウムイオンバッテリの前記ＳｏＨを監視し、前記ＳｏＨにおける特定の減少の検出時に前記リチウム化を行うように前記電気回路部を制御するように構成されたバッテリ監視システム（BMS）をさらに備える、請求項１２に記載のシステム。
- 前記ＢＭＳは、前記監視されたＳｏＨに基づいて、前記電極のうちのいずれがリチウム化されるかを検出し、それに応じて前記電気回路部を制御するようにさらに構成される、請求項１５に記載のシステム。
- 前記ＢＭＳは、前記監視されたＳｏＨに基づいて、アノード又はカソードが、前記電極のうちの前記少なくとも１つとしてリチウム化されるか否かを識別し、それに応じて前記電気回路部を制御するようにさらに構成される、請求項１６に記載のシステム。
- 前記ＢＭＳは、前記リチウム源と充電後の前記アノード及び／又は放電後の前記カソードとの間の電圧を測定し、それに応じて前記電気回路部を制御するようにさらに構成される、請求項１６に記載のシステム。
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