JP7261179B2 - バッテリの寿命評価および容量の回復 - Google Patents

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Description

関連出願
本願は、２０１７年５月３０日に提出された米国仮特許出願第６５／５１２，６１６号および２０１８年２月２２日に提出された米国仮特許出願第６２／６３４，０９８号に対する優先権を主張する。この出願の両者とも、全体が参照により組み込まれる。
充電式電池にはいくつかの化学物質があり、最も優位を占めるものの１つがリチウムイオン電池システムである。リチウムイオン電池は、携帯式電子機器（携帯電話、ラップトップ、カメラなど）、電気自動車、また近年ではグリッドレベルのストレージおよびバックアップとして広く使用されている。リチウムイオン電池は、高い体積測定的および重量測定的エネルギー密度、高いレートの能力、低カレンダーエージング、熱安定性、およびコストの削減を備えている。
一実施形態では、リチウムイオン電池の物理的および化学的特性を測定するように構成される少なくとも１つの超音波または可聴周波数トランスデューサを含む、リチウムイオン電池の残容量（ＳｏＣ）および劣化状態（ＳｏＨ）を判定するための方法および装置が提供される。
別の実施形態では、少なくとも１つの加速度計、ひずみゲージ、および／または刺激に応じてリチウムイオン電池の運動を測定するように構成される電気光学センサを備える、リチウムイオン電池のＳｏＣおよびＳｏＨを判定するための方法および装置が提供される。
別の実施形態では、音響および／または振動センサを使用して音響刺激、送信された音響波、および／または反射された音響波に対する表面の応答を測定することを含む、リチウムイオン電池のＳｏＣおよびＳｏＨを判定する方法および装置が提供される。
別の実施形態では、少なくとも１つのシェーカと、シェーカによるリチウムイオン電池の運動を測定するように構成された少なくとも１つの加速度計とを含む、リチウムイオン電池のＳｏＣおよびＳｏＨを判定する方法および装置が提供される。
別の実施形態では、リチウムイオン電池の曲げモジュラスを測定することを含む、リチウムイオン電池のＳｏＣおよびＳｏＨを判定するための方法および装置が提供される。
別の実施形態では、リチウムイオン電池の圧縮モジュラスを測定することを含む、リチウムイオン電池のＳｏＣおよびＳｏＨを判定するための方法および装置が提供される。
別の実施形態では、リチウムイオン電池の厚さを測定することを含む、リチウムイオン電池のＳｏＣおよびＳｏＨを判定するための方法および装置が提供される。
別の実施形態では、デュロメータ測定装置でリチウムイオン電池の表面のくぼみを測定することを含む、リチウムイオン電池のＳｏＣおよびＳｏＨを判定するための方法およびデバイスが提供される。
別の実施形態では、リチウムイオン電池の有効密度を測定することを含む、リチウムイオン電池のＳｏＣおよびＳｏＨを判定するための方法および装置が提供される。
別の実施形態では、リチウムイオン電池に送信されたＸ線の吸収および透過スペクトルを測定することを含む、リチウムイオン電池のＳｏＣおよびＳｏＨを判定するための方法および装置が提供される。
別の実施形態では、共振周波数で少なくとも１つの超音波をリチウムイオン電池に送信してＳＳＥＩ層を破壊するように構成された少なくとも１つの超音波トランスデューサを含む、リチウムイオン電池のＳＳＥＩ層を破壊する方法および装置が提供される。少なくとも１つの超音波は、リチウムイオン電池のアノード／カソードまたはリチウムイオン電池のＳＳＥＩ層に送信され得る。
別の実施形態において、リチウムイオン電池のＳＳＥＩ層を破壊するための高強度超音波を導入してリチウムイオン電池にキャビテーションを誘発することを含む、リチウムイオン電池のＳＳＥＩ層を破壊するための方法および装置が提供される。
別の実施形態において、リチウムイオン電池の様々な共振構造を励起するために高強度超音波を導入して、アノード／カソードに強い機械的応答を引き起こしてＳＳＥＩ層を破壊するようにすることを含む、リチウムイオン電池のＳＳＥＩ層を破壊するための方法および装置が提供される。
別の実施形態では、超音波を送信してリチウムイオン電池に建設的に干渉してＳＳＥＩ層を破壊するように構成された少なくとも１つの超音波フェーズドアレイの超音波トランスデューサを含む、リチウムイオン電池のＳＳＥＩ層を破壊するための方法および装置が提供される。
別の実施形態では、ＳＳＥＩ層にＸ線を照射することを含み、この場合Ｘ線のエネルギーがＳＳＥＩの有機材料の結合に吸収される、リチウムイオン電池のＳＳＥＩ層を破壊するための方法および装置が提供される。
別の実施形態では、リチウムイオン電池に交流電流を供給してＳＳＥＩ層を破壊するように構成された交流電流供給源を含む、リチウムイオン電池のＳＳＥＩ層を破壊する方法および装置が提供される。
別の実施形態では、リチウムイオン電池を短絡制御してＳＳＥＩ層を破壊するのと同様の低インピーダンスの状態を作り出すように構成された回路を備える、リチウムイオン電池のＳＳＥＩ層を破壊する方法および装置が提供される。
別の実施形態では、スクイーズフィルムを生成してＳＳＥＩ層を破壊するために、ピボット点の周りでリチウムイオン電池を揺動させるように構成されたロッカを含む、リチウムイオン電池のＳＳＥＩ層を破壊する方法および装置が提供される。
別の実施形態では、ＳＳＥＩ層を破壊するために遠心分離誘導の表面せん断応力を生じることを含む、リチウムイオン電池のＳＳＥＩ層を破壊する方法および装置が提供される。
別の実施形態では、ＳＳＥＩ層を破壊するようにリチウムイオン電池のアノードとカソードとの間に高速音響ストリーミングを生成するよう構成された少なくとも１つの超音波トランスデューサを含む、リチウムイオン電池のＳＳＥＩ層を破壊するための方法および装置が提供される。
別の実施形態では、ＳＳＥＩ層の結合に影響を与えて破壊するために電池の環境を制御することを含む、リチウムイオン電池のＳＳＥＩ層を破壊する方法および装置が提供される。
別の実施形態では、ＳＳＥＩ層を破壊するために衝撃力（例えば、熱、機械、および／または電気）を利用することを含む、リチウムイオン電池のＳＳＥＩ層を破壊するための方法および装置が提供される。
別の実施形態では、リチウムイオン電池を処理することが、リチウムイオン電池のＳｏＣおよびＳｏＨを判定し、リチウムイオン電池のＳＳＥＩ層を破壊することを含む、リチウムイオン電池を処理する方法および装置が提供される。
リチウムイオン電池のＳｏＣおよびＳｏＨを判定するために超音波トランスデューサが利用されるシステムの実施形態を示している。 加速度計およびひずみゲージを利用して、電池の様々な運動を測定し、リチウムイオン電池のＳｏＣおよびＳｏＨを判定するシステムの実施形態を示している。 音響照射利用して、リチウムイオン電池のＳｏＣおよびＳｏＨを判定することができるシステムの実施形態を示す。 シェーカを利用して、リチウムイオン電池のＳｏＣおよびＳｏＨを判定することができるシステムの実施形態を示す。 曲げモジュラスを測定して、リチウムイオン電池のＳｏＣおよびＳｏＨを判定することができるシステムの実施形態を示す。 圧縮モジュラスを測定して、リチウムイオン電池のＳｏＣおよびＳｏＨを判定することができるシステムの実施形態を示している。 ＳｏＣおよびＳｏＨを判定するためにリチウムイオン電池の表面の静的モジュラスを測定できるシステムの実施形態を示している。 ＳｏＣおよびＳｏＨを判定するためにリチウムイオン電池の密度を測定できるシステムの実施形態を示している。 Ｘ線を利用して、リチウムイオン電池のＳｏＣおよびＳｏＨを判定することができるシステムの実施形態を示す。 高エネルギー超音波を利用してリチウムイオン電池のＳＳＥＩ層を破壊することができるシステムの実施形態を示している。 高エネルギー超音波を利用してリチウムイオン電池のＳＳＥＩ層を破壊するためにキャビテーションを引き起こすことができるシステムの実施形態を示している。 ＳＳＥＩ層を破壊するために、高エネルギー超音波がリチウムイオン電池の構造を標的とすることができるシステムを示している。 フェーズドアレイの超音波を利用してリチウムイオン電池のＳＳＥＩ層を破壊することができるシステムの実施形態を示している。 Ｘ線を利用してリチウムイオン電池のＳＳＥＩ層を破壊することができるシステムの実施形態を示している。 交流を利用してリチウムイオン電池のＳＳＥＩ層を破壊することができるシステムの実施形態を示している。 制御された短絡を利用してリチウムイオン電池のＳＳＥＩ層を破壊することができるシステムの実施形態を示している。 スクイーズフィルムを利用してリチウムイオン電池のＳＳＥＩ層を破壊することができるシステムの実施形態を示している。 遠心分離機によって誘発される表面のせん断回転を利用してリチウムイオン電池のＳＳＥＩ層を破壊することができるシステムの実施形態を示している。 リチウムイオン電池のＳＳＥＩ層を破壊するために高速音響ストリーミングを生じるために高エネルギー超音波を利用できるシステムの実施形態を示している。 リチウムイオン電池を処理するための例示的なプロセスのプロセスフローを示す。 超音波を使用してリチウムイオン電池を処理するためのアプローチが実施され得るシステムの実施形態を示す。 リチウムイオン電池を処理するためのシステムにおいて信号を受信および分析するためのコンピューティングデバイスの実施形態を示している。
デジタル技術や再生可能技術に対する需要が、炭素ベースの技術やアナログ／機械／手動の技術を凌ぐようになっており、電子エネルギーの貯蔵（固定および可搬式）に依存することが、現代世界の扱うべき最も重要なことになりつつある。過去８０年間、電子エネルギーの貯蔵はハイブリッドシステムにおいて利用されてきたが、過去１０年で、すべてのエネルギーの貯蔵の主要なシステムになるまでに進化した。この進化は、モバイルデバイス（携帯電話やラップトップなど）の急速な出現と採用によってもたらされ、現在、電子エネルギーの貯蔵は輸送および工業の産業において成長し続けている。技術的には、この移行は、構成要素の低コストとリチウムイオン電池の高エネルギー密度、特にＮＭＣ（ＬｉＮｉＭｎＣｏ）構造によって可能になった。輸送および工業での貯蔵業界は、高い体積測定的および重量測定的エネルギー密度、高速度能力、低カレンダーエージング、熱安定性、およびコスト削減の恩恵を受けるために再生可能システムに移行するにつれて、リチウムイオン電池への依存が不可欠になる。リチウムイオン電池にはいくつかの化学的性質があるが、主要な化学的な性質は、ＮＭＣアーキテクチャに基づいている。このアーキテクチャの利点には、主に通常の使用で容量が減少するコストが伴い、そのため、バッテリが消耗システムになる。すべてのリチウムイオン電池システムおよびすべてのバッテリシステムに固有のその他の問題は、実際の正確な残容量（ＳｏＣ、バッテリの現在の全容量の一部として保存される瞬時の充電量）および劣化状態（ＳｏＨ、元の容量サイクル寿命の一部としてのバッテリの現在の残りの容量。ＳｏＨは寿命末期評価に関連している）を判定するのに費用がかかり、困難が伴うことである。リチウムイオン電池システムのこれら２つの欠点は、エネルギーの貯蔵システムとしてのリチウムイオン電池の普遍的かつ大規模な採用を減速させている。リチウムイオン電池の動作には、次の制限がある。
ａ）通常の運用中にＳｏＨまたはＳｏＣを正確に評価する経済的かつ実行可能な手段がない場合がある
ｂ）寿命末期の容量を評価する現在の手段は、費用がかかり、扱いにくい場合がある
ｃ）従来のバッテリ管理システム（ＢＭＳ）が不正確であることにより、過充電および充電不足を防ぐためのバッテリ動作範囲の過度に保守的な制限が実施される場合があり、そのためバッテリの全容量の６０～７０％しか使用者が利用可能ではない場合がある
ｄ）大規模なバッテリファームでは、電圧と容量が一致しないユニットで構成されるシステム全体を均一にエージングするために、（モジュールレベルとセルレベルの両方で）高レベルの精度と制御が必要になる場合がある
バッテリシステムの日常的な動作には、充電範囲全体でのシステムの容量を最大化するために、ＳｏＣを正確でリアルタイムに知ることが必要である。現在のＢＭＳは不正確であり、クーロンカウントと呼ばれる経験的推定と、抵抗および温度測定の組み合わせを採用している。この不正確さ（約４％）により、現在のＢＭＳは、バッテリの動作範囲を、総容量のさらにわずかな部分、通常は実際の範囲の６０～７０％に制限する。この制限は、安全制限を回避するために、意図的に設計されている。それは、様々な点でバッテリの損傷を生じる可能性がある。
バッテリの残りの容量を判定する寿命の評価は、ＳｏＨによって定量化される。従来のＳｏＨ判定プロセスは費用がかかり（ハイエンドの電子機器）、非常に時間がかかる（８～１２時間）。したがって、多くのバッテリは、残りの経済的価値を得るために再利用されるのではなく、廃棄されてリサイクルされる。
リチウムイオン電池は、侵入型化合物と呼ばれる化合物でできている。電池のカソードは、遷移金属酸化物（例えば、ニッケルマンガンコバルト酸化物、リチウムマンガン酸化物、およびリチウム鉄リン酸塩）であり得るが、これらに限定されない。電池のアノードは、グラファイトの単層（グラフェン）であってもよいが、これに限定されない。
通常の動作条件では、リチウムイオン電池は、多くの動作サイクルを通じて異なる速度で劣化する場合がある。これは、とりわけ、環境的な条件、製造の不規則性、使用者のバッテリ利用のばらつきなどの条件が原因である可能性がある。したがって、２つのバッテリがまさに同様というわけではないため、バッテリの真の状態を正確に判断できることが難しい場合がある。現在のバッテリ管理システムは、これらの変動を考慮することができず、測定の不正確さと相まって、バッテリの状態を測定する際に誤りを累積し、さらに悪化させ続ける。
リチウムイオン電池の状態を正確に評価する能力は、バッテリのパフォーマンスと劣化を予測し、最終的にバッテリの寿命を延ばすために重要であり得る。バッテリのパフォーマンスは、残容量（ＳｏＣ）と劣化状態（ＳｏＨ）という２つのパフォーマンスメトリックで説明できる。
ＳｏＣは、現在のサイクルで使用可能な容量の合計に対する現在のバッテリサイクルで保存される瞬間的な電荷の比率として定義できる。例えば、放電サイクル中：
Figure 0007261179000001
式中、ｉ（ｔ）は経時的な瞬間放電電流であり、Ｃｎは電流サイクルの使用可能な容量の合計である。積分は、放電サイクルの開始から現在の時間まで取得することができる。あるいは、電流の容量が分からない場合があるため、代わりにバッテリの公称容量（工場出荷時の容量）をＣｎに使用することもできる。公称容量はメーカーによって指定され、バッテリに保存できる最大充電量を表す。したがって、バッテリのＳｏＨ（ｔ）は、時刻ｔでの電流の総容量（Ｑ（ｔ））と工場出荷時の公称容量Ｑｎとの比率として定義できる。
Figure 0007261179000002
また、バッテリのＳｏＨは、バッテリの電流のサイクルの合計使用可能容量とバッテリの初期サイクルの合計使用可能容量の比として定義することもできる。
従来、バッテリのＳｏＣとＳｏＨは、実験室ベースのセルのサイクリングを通じて確立された経験的な関係によって判定されている。これらの関係は、環境的な条件および／または使用特性を考慮していない場合がある。これらの経験的な関係は、ＢＭＳシステムの基礎である。それらは現実的な使用例の正確な予測ではない可能性があるため、ＢＭＳシステムは経時的に不正確になる傾向がある。例えば、ＳｏＨ測定の不確実性は４０％にも達することがある。一方、本明細書で説明する機械的、化学的、および／または物理的特性の測定は、ＳｏＣおよびＳｏＨと相関させることができるため、バッテリのＳｏＣおよびＳｏＨの迅速かつ正確な測定が可能となる。
従来のＳｏＣおよびＳｏＨ測定のこの不正確さと不正確さにより、電流のシステムは、バッテリの損傷を防ぐために、バッテリの使用に過度に保守的な制限を課している。これを行うために、従来の方法論ではバッテリが他の安全なレジームの外側エンベロープに対してどれだけ近接して動作しているかを判断するほど正確ではないが、バッテリが動作可能な範囲を、使用可能な範囲の極値を回避するよう制限することができる。バッテリのＳｏＣとＳｏＨを知ることは、２つのパラメータがシステム全体の動作範囲を定義するため、現在のすべてのバッテリ駆動の電子システムに不可欠である。本発明者らは、バッテリのＳｏＣとＳｏＨを正確に判定するための非侵入的アプローチの必要性を認識し、理解した。これにより、使用者はバッテリの全範囲と潜在能力を活用できるようになるため、バッテリの最適な使用が可能になり得る。
いくつかの実施形態では、少なくとも１つの超音波トランスデューサを使用して、バッテリを通る超音波信号（例えば、短パルス）の送信および／またはバッテリからのエネルギーの反射を測定することができる。これらの信号のプロパティには、バッテリの化学的および機械的状態の測定を可能にし得る情報が含まれており、それはバッテリのＳｏＣおよびＳｏＨを判定するために使用できる。特定の超音波周波数（例えば、１ＭＨｚ以下、ただし、任意の超音波周波数を利用できることを理解されたい）でバッテリへの信号を開始するため少なくとも第１の超音波トランスデューサを使用すること、および少なくとも第２のトランスデューサ（透過送信用のバッテリの反対側、またはバッテリ構造物および／またはその境界または表面の波から反射した波に対してバッテリの同じ側）、および第１のトランスデューサ（反射用）による受信信号を測定することは、４つの全体的なタイプのデータを提供することができる。（１）第１のトランスデューサと第２のトランスデューサの間、または第１のトランスデューサを離れてから第１のトランスデューサに戻る（反射信号に対して）までの間の信号の飛行時間（ＴＯＦ）；（２）超音波信号が進む様々な経路に沿った伝搬の結果としての振幅および／または信号の特性（波形の形状など）の変化；（３）元の送信信号に対する受信信号の位相の変化。これらの４つのデータ領域はそれぞれ、バッテリ内の化学的および／または機械的変化によるものであり得る。
これらの測定値は、個別にまたは組み合わせて、イオンのアノードへの輸送に関連する化学変化など、バッテリの状態の変化を判定するために必要な情報を提供できる。この場合これらの量は、例えば密度、バルク、せん断、および関連するモジュラス、および／または超音波または音波（可聴周波数）という波の速度の関数であり得る。これらの量は、トランスデューサに加えられる温度と圧力の関数であり得る。これらの測定により、バッテリのＳｏＣおよびＳｏＨを迅速に判定できる場合がある。単一または複数のトランスデューサと周波数は、トーンバーストまたはより広帯域の信号、例えばチャープの形で使用できる。経時的に、いくつかのバッテリまたは同じバッテリでこれらの量を繰り返し測定し、参照データセットを作成したり、これらの測定値とＳｏＣおよびＳｏＨの間の定量的分析での関数の相関を確立したりするために、使用することができる。参照データセットおよび／または定量的分析での関数の相関を使用して、将来の測定からＳｏＣおよびＳｏＨを導出することができる。
送信された超音波パルスに十分なエネルギーがある場合、送信された信号と反射された信号に加えて、より高次の信号（つまり、バウンス）を取得できる。例えば、バッテリの両側にある２つのトランスデューサを使用する場合、「第１の」バウンスは、バッテリを越えるように第１のトランスデューサから送信され、第２のトランスデューサからバッテリを越えるように第１のトランスデューサに反射し返され、第１のトランスデューサから反射し返されて、第２のトランスデューサにより受け取られる信号からなる。この信号は、バッテリを３回通過する。高次のバウンスは、両方の超音波トランスデューサで認められる。これらの信号は、バッテリを複数回通過し、これらの通過によって、直接の信号によるよりも強く変更させることができ、バッテリの状態に関するより多くの情報を含むことができる。
例えば、図１は、リチウムイオン電池のＳｏＣおよびＳｏＨを判定するために超音波トランスデューサが利用されるシステム１００の実施形態を示している。システム１００は、少なくともバッテリ１１０、送信トランスデューサ１２０、および受信トランスデューサ１３０を含むことができる。送信トランスデューサ１２０は、少なくとも１つの超音波、例えば直接送信波１４０をバッテリ１１０に送信するように構成され得る。受信トランスデューサ１３０は、直接送信波１４０を受信および測定するように構成され得る。バッテリは、送信トランスデューサ１２０によって送信された超音波を反射し得る。反射波は、例えば、第１の反射波１４１であってもよく、送信トランスデューサ１２０は、第１の反射波１４１を受信および測定するように構成され得る。超音波はバッテリを通過し、バッテリによって反射され続け、送信波での最低限の第１のバウンス１４２、反射波での第１のバウンス１４３、および送信波での第２のバウンス１４４、ならびにさらなるバウンスがあり得る。送信トランスデューサ１２０および受信トランスデューサ１３０は、これらの波を受信および測定するように構成され得る。説明したように、様々な波（例えば、直接送信波１４０、第１の反射波１４１、送信波での第１のバウンス１４２、反射波での第１のバウンス１４３、送信波での第２のバウンス１４４）は、バッテリを様々な回数通過させることによって、独自に変更されている可能性がある。これらの波を測定することにより、バッテリ１１０のＳｏＣおよびＳｏＨが判定され得る。
別の実施形態では、少なくとも１つの加速度計および／または少なくとも１つのひずみゲージを使用して、バッテリのＳｏＣおよびＳｏＨを判定するために、外部の機械の供給源によって引き起こされる振動、加速度、およびその他いずれかの運動を測定することができる。加速度計は、様々な条件で動作し、非常に低い加速度（例えば、ナノＧのもの）から非常に高い加速度（例えば、５０ＫＧ）までの幅広い範囲の加速度を測定するように設計できる。そのような実施形態では、少なくとも１つの干渉計的加速度計および／または少なくとも１つのひずみゲージまたは電気光学センサ（例えば、レーザードップラー速度計または光ファイバ干渉計）を使用して、計装ハンマなどの、バッテリへの較正される力の入力に対する振動の応答を測定することができる。
バッテリの機械的特性を処理して、バッテリのＳｏＣおよびＳｏＨに関する情報を提供できる。これらの機械的特性は、少なくとも１つの加速度計、少なくとも１つのひずみゲージ、および／または少なくとも１つの電気光学センサで、既知の機械的励起に対する振動の応答を測定することによって調べることができる。励起デバイスは、電磁シェーカ、計装ハンマ、較正されたバネ式衝撃プローブ（電気機械式トリガーを含み得る）、バッテリ周辺の環境条件（携帯電話で生成される音響または超音波の調子など）、音響もしくは超音波トランスデューサ、またはその他いずれかの励起手段によって生成される周囲のノイズなどの、いくつかの手段の１つであり得る。励起が発生する周波数は、約１０Ｈｚから数ＭＨｚまでの範囲であり得る。励起信号は狭帯域または広帯域のいずれかであり、その波形は所定の処理方法を最適化するように整形できる。励起デバイス、少なくとも１つの加速度計、少なくとも１つのひずみゲージ、および／または少なくとも１つの電気光学センサは、同時にまたは連続してバッテリの１つまたは複数の位置に配置することができる。少なくとも１つの加速度計、少なくとも１つのひずみゲージ、および／または少なくとも１つの電気光学センサからの少なくとも１つの出力を組み合わせて、バッテリまたはその表面の内部の特定の深さを探知する指向性ビームを形成するために処理できるグループを形成することができる。初期の既知の力を適用することにより、少なくとも１つの加速度計、少なくとも１つのひずみゲージ、および／または少なくとも１つの電気光学センサからの少なくとも１つの出力を測定して、バッテリの機械的および／または物理的特性を判定することができる。次いでこれらの特性は、バッテリのＳｏＣおよびＳｏＨに関連付けることができる。具体的には、少なくとも１つの加速度計および少なくとも１つのひずみゲージからの少なくとも１つの出力を分析する３つの方法があり得る。
第１に、励起源から１つ以上の加速度計、１つ以上のひずみゲージ、および／または少なくとも１つの電気光学センサまでの飛行時間が測定され得る。さらに、異なる加速度計、ひずみゲージ、および／または電気光学センサ間の励起信号の到着時間の差を測定することができる。これらの時間は、バッテリ内の音速と、有効な機械的モジュラスと密度の微細な測定値を提供でき、それはバッテリのＳｏＣとＳｏＨの微細な測定値を提供できる。これらの時間は、波形の特徴（ピークなど）の到着時間の測定、相互相関技術、少なくとも１つの加速度計への様々な周波数成分の到着時間を識別するウェーブレット分析、少なくとも１つのひずみゲージ、および／または少なくとも１つの電気光学センサおよび高／低信号対雑音比の下で特定の既知の信号形状を識別できるレプリカ処理など、様々な方法で計算できる。高周波超音波法でより一般的に達成され得るように、信号が時間的に隔てられたままであるように十分に短命である必要はない可能性がある。
第二に、信号の形状の進化を測定することができる。少なくとも１つの振動検出デバイスによって取得された信号は、信号がバッテリを伝播するために変形する場合がある。その結果、信号の振幅、形状、および位相が異なる場合がある。バッテリのＳｏＣとＳｏＨの関数である信号のこれらの変化は、相互相関、ウェーブレット分析、および／またはレプリカ処理で定量化できる。
第三に、加速度を測定することができる。加速度は、既知の力入力またはそのフーリエ変換と測定された加速度（またはそのフーリエ変換）の比として定義される。この比率は、励起点に近接した少なくとも１つの加速度計で測定でき、バッテリの表面の入力インピーダンス、およびその他の表面と内部特性の測定値であり得る。
例えば、図２は、リチウムイオン電池のＳｏＣおよびＳｏＨを判定するために、加速度計、ひずみゲージ、および／または少なくとも１つの電気光学センサを利用して電池の様々な誘導運動を測定するシステム２００の実施形態を示す。システム２００は、少なくともバッテリ２１０、少なくとも１つの加速度計、ひずみゲージ、および／または電気光学センサ２２０、ベース２３０、シェーカ２４０、および計装ハンマ２５０を含むことができる。バッテリ２１０は、ベース２３０に取り付けられるように構成されてもよい。いくつかの実施形態では、シェーカ２４０は、バッテリ２１０を振盪するように構成されてもよく、計装ハンマ２５０は、バッテリ２１０を打つように構成されてもよい。少なくとも１つの加速度計またはひずみゲージ２２０は、シェーカ２４０によって振盪され、および／または計装ハンマ２５０によって打たれたことに応答して、バッテリ２１０の運動を測定するように構成され得る。運動のこれらの測定値は、バッテリ２１０のＳｏＣおよびＳｏＨの関数であり得、したがって、バッテリ２１０のＳｏＣおよびＳｏＨが判定され得る。
別の実施形態では、音響照射は、リチウムイオン電池の励起力として利用され得る。音響照射は、任意の入射角でリチウムイオン電池の励起力として利用できる。この測定は、空気中のバッテリ、または適切な音響特性（水など）を備える別の媒体にバッテリを浸した状態で行うことができる。そのような実施形態では、電池の表面での運動は、電池の内部構成要素（例えば、アノードおよびカソード）のモジュラスおよび配置に従って応答し得る。入射面またはその他の機械的特徴の応答（例えば、バッテリの反対側の振動の応答）は、少なくとも１つの加速度計、レーザー振動計、分極ＰＶＤＦ（フッ化ポリフッ化ビニル）ひずみゲージまたは加速度計、厚さゲージ、従来のひずみゲージ、および／またはバッテリの１つ以上の位置にある電気光学センサで測定できる。音響刺激には、連続波信号、トーンバースト、チャープ、ブロードバンドノイズ、および／または少なくとも１つのスピーカ、または少なくとも１つのトランスデューサ、またはバッテリの表面に音響波または超音波を送信できる１つの振動計（シェーカ）によって「ブロードキャスト」されるインパルスが含まれ得る。振動の応答は、バッテリの前面、バッテリ内の構造物、およびバッテリの背面から反射される波で構成されてもよい。適切に短いパルスを使用すると、これらの構成要素は異なる時間に受信器に到達でき、バッテリの様々な構造に関する情報を提供できる。周波数の範囲は、約１０Ｈｚから数ＭＨｚまでであってよい。
バッテリによって反射され、および／または周囲の音響媒体（例えば、空気または水）に送信され、入射側および／またはバッテリの反対側で受信される音波は、バッテリおよびそのＳｏＣとＳｏＨの機械的特性に関する情報を提供するように、マイクロフォンまたは操縦可能なマイクのアレイ、または水中の場合はハイドロフォンによって測定することもできる。
適切な範囲の時間の入射信号の場合、測定された振動、および／またはバッテリから反射および透過される波は定常状態条件に達することができ、すべての構成要素（バッテリの前面、バッテリ内の構造、およびバッテリの背面）が、測定信号に継続的に寄与（反射、およびバッテリの境界とバッターの内部層の両方を通過することによる）する。一時的な応答と定常応答の両方が、各構成要素の相対的な振幅と位相の影響を受けやすい場合がある。各構成要素は、その構成部分の動的モジュラスとバッテリ内の厚さと位置の関数であることがあり、バッテリのＳｏＣとＳｏＨに関連し得る情報を含む場合がある。センサを個別に使用するか、操縦可能なアレイに形成して、バッテリ内の様々な深さからの応答を分離することができる。
例えば、図３は、音響照射がリチウムイオン電池のＳｏＣおよびＳｏＨを測定するために利用され得るシステム３００の実施形態を図示する。システム３００は、少なくともバッテリ３１０、第１のトランスデューサ３２０（例えば、超音波トランスデューサ）、第２のトランスデューサ３３０、第１の加速度計または振動センサ３５０、および第２の加速度計または振動センサ３６０を含み得る。第１のトランスデューサ３２０または外部スピーカは、音響波３４１としてバッテリ３１０から部分的に反射することがある入射音響波３４０をバッテリに送信し、送信された音響波３４２としてバッテリ３１０を介して部分的に送信することができる。第１のトランスデューサ３２０は、反射された音響波３４１を受信するように構成され得、第２のトランスデューサ３３０は、送信された音響波３４２を受信するように構成され得る。説明したように、バッテリ３１０の表面は、音波の励起に反応する場合がある。第１の加速度計または振動センサ３５０は、第１のトランスデューサ３２０と同じ側のバッテリ３１０の表面の、音波による動きを測定するように構成されてもよい。第２の加速度計または振動センサ３６０は、音波による、第２のトランスデューサ３３０と同じ側のバッテリ３１０の表面の動きを測定するように構成されてもよい。そうすることで、バッテリ３１０のＳｏＣおよびＳｏＨが判定され得る。
別の実施形態では、バッテリは、振動する台（例えば、シェーカ）の片側の上部に取り付けられ、バッテリの振動の応答が測定される。この方法では、バッテリの両側の加速度の比率を測定できる。これにより、バッテリのＳｏＣおよびＳｏＨの関数であり得る動的圧縮モジュラスの測定値が得られる場合がある。一実施形態では、少なくとも１つの追加の質量を、シェーカとは反対のバッテリの側に取り付けることができる。様々な適切に選択された質量が、シェーカの反対側のバッテリの側に配置でき、「バネ質量」共振を生成でき、それが、バッテリの剛性と質量により判定される共振周波数（可聴周波の範囲で発生する可能性がある）でピーク応答を生成できる。これにより、周波数の関数としてバッテリの動的圧縮モジュラスと損失係数が得られる。モジュラスに関連する著しい損失がある場合、これらの周波数は温度の関数である可能性がある。この方法では、温度の範囲にわたって測定を行うことができ、バッテリの状態に関する追加情報を提供できる。バッテリの運動は、加速度計、ひずみゲージ、レーザー速度計、または他の適切な手段で測定できる。
例えば、図４は、振動計またはシェーカを利用して、リチウムイオン電池のＳｏＣおよびＳｏＨを測定することができるシステム４００の実施形態を示している。システム４００は、少なくともバッテリ４１０、振動計またはシェーカ４２０、シェーカ４２０またはシェーカ４２０の隣のバッテリ４１０上の第１の加速度計または他の振動センサ４３０、および第２の加速度計またはバッテリ４１０または上部質量４５０の上部にある他の振動センサ４４０を含むことができる。バッテリ４１０は、バッテリ４１０の第１の側（第１の加速度計４３０により近い側）により、シェーカ４２０に取り付けられてもよい。シェーカ４２０は、バッテリ４１０を振盪するように構成されてもよい。第１の加速度計または振動センサ４３０は、振盪によるバッテリ４１０の第１の側での振動を測定するように構成されてもよい。第２の加速度計または振動センサ４４０は、振盪によるバッテリ４１０の第２の側（第２の加速度計４４０に近い側）で振動を測定するように構成されてもよい。いくつかの実施形態では、上部質量４５０は、バッテリ４１０の第２の側に結合されてもよい。説明したように、振盪によるバッテリ４１０の動きを測定することは、バッテリ４１０のＳｏＣおよびＳｏＨを判定するのに役立ち得る。
送信振動共振情報を使用してバッテリのＳｏＣおよびＳｏＨを判定する前述の各方法は、個別にまたは任意の組み合わせで使用できる。いくつかの実施形態では、外部圧力、外部温度、湿度、および／または大気の条件は、測定の精度を高めるために変更されてもよい。これらの外部要因は、バッテリの静的および動的モジュラスに影響を与える可能性がある。これらの外部要因を変化させながら測定を行うと、幅広い参照データセットが確立でき、ＳｏＣおよびＳｏＣの判定の精度を向上できる。
別の実施形態では、バッテリのＳｏＣおよびＳｏＨは、バッテリの曲げ剛性を測定することにより判定され得る。バッテリがＳｏＣおよびＳｏＨの変化として受ける可能性のある最も顕著な機械的変化の１つは、その剛性である。これは、バッテリの曲げモジュラスの明白な変化として現れ得る。バッテリの剛性は、バッテリの内部温度と圧力によっても影響を受ける場合がある。バッテリの曲げモジュラスは、バッテリの両端でバッテリを取り付け、バッテリの平面に垂直な方向の既知の力の質に応じて取り付け点間の撓みを測定することで測定できる。この測定は、静的（例えば一定の力を加えることによる）または動的（例えば調和的な力を加えることによる）であり得る。静的および動的な撓みは、ＬＶＤＴ（線形可変差動変圧器）変位センサ、ひずみゲージ、加速度計、電気光学センサ、またはその他の適切な手段など、多数の機器で測定できる。バッテリの撓みを測定し、バッテリの曲げモジュラスを判定する際に、バッテリのＳｏＣとＳｏＨを判定できる。
例えば、図５は、リチウムイオン電池のＳｏＣおよびＳｏＨを判定するために曲げモジュラスを測定できるシステム５００の実施形態を示している。システム５００は、少なくともバッテリ５１０、取り付け部５２０ａおよび５２０ｂ、ならびに外力５３０を含み得る。バッテリ５１０は、その端部が取り付け部５２０ａおよび５２０ｂに取り付けられてもよい。外力５３０は、バッテリ５１０の平面に垂直な方向に加えられ、バッテリ５１０の平面に垂直な方向にバッテリを撓ませることができる。この撓みは、バッテリ５１０の曲げモジュラスを計算するために、したがってバッテリ５１０のＳｏＣおよびＳｏＨを判定するために測定され得る。
別の実施形態において、バッテリのＳｏＣおよびＳｏＨは、バッテリの圧縮性を測定することにより判定され得る。前述のように、バッテリの曲げモジュラスは、バッテリの寿命を通じて変化し得る。同様に影響を受ける可能性のある別のモジュラスは、バッテリの圧縮モジュラスである。バッテリの圧縮率は、バッテリの内部温度と圧力によっても影響を受ける場合がある。いくつかの実施形態では、機器（例えば、インストロン）は、所定の量の圧縮力についてバッテリの圧縮を測定し得る。撓みから、バッテリの圧縮モジュラスが導出でき、バッテリのＳｏＣとＳｏＨが判定され得る。
例えば、図６は、リチウムイオン電池のＳｏＣおよびＳｏＨを判定するために圧縮モジュラスを測定できるシステム６００の実施形態を示している。システム６００は、少なくともバッテリ６１０と加えられる力６２０を含むことができる。加えられる力６２０は、バッテリ６１０を圧縮するために、バッテリ６１０の両側に加えられてもよい。別の実施形態では、バッテリ６１０は、その反対側に圧縮力が加えられた剛性の表面に配置されてもよい。バッテリ６１０は、加えられる力６２０により、バッテリ６１０の通常の厚さ（加えられる力がないときのバッテリ６１０の厚さ）よりも薄い厚さまで圧縮され得る。圧縮された厚さを測定し、バッテリ６１０の圧縮モジュラスを計算することができる。したがって、バッテリ６１０のＳｏＣおよびＳｏＨが判定され得る。
別の実施形態では、バッテリのＳｏＣおよびＳｏＨは、バッテリの厚さを測定することにより判定され得る。リチウムイオンがバッテリのアノードの結晶構造に挿入されるため、結晶の格子定数に大きな変化が見られる場合がある。これにより、結晶構造内のリチウムイオンの存在と密度に応じて、結晶の著しい膨張および／または収縮が生じる場合がある。この効果は、バッテリの厚さの変化として現れる場合があり、効果の振幅は、例えば、バッテリのパッケージングによるバッテリの制約の程度によって制限される場合がある。異なる既知のＳｏＣおよびＳｏＨでのバッテリの厚さの変化を測定および特性評価することにより、参照データセットが確立でき、バッテリの厚さの変化を測定することによりＳｏＣおよびＳｏＨの正確な将来の判定を可能にし得る。バッテリの厚さの変化を判定するために、少なくとも１つのひずみゲージ（例えば、ＬＶＤＴセンサ、ＰＶＤＦひずみゲージ、ＰＺＴ（圧電セラミック）ひずみゲージ、または光ファイバひずみゲージ）が実装され得るが、本発明は制限されていない。少なくとも１つのひずみゲージは、バッテリパックの外側のパッケージまたは個々のセルに配置できる。光ファイバひずみゲージが実装される実施形態では、光ファイバひずみゲージは、バッテリまたはそのセルの外側境界に取り付けられたファイバを備えてもよく、ひずみは干渉計で測定されてもよい。
別の実施形態において、デュロメータ計器は、その表面でバッテリの静的モジュラスを測定するために実装され得る。そのような実施形態では、デュロメータ計器は、バッテリの表面にくぼみを生じさせるためにバッテリに押し込むことができる尖った圧子と、くぼみの深さを測定するゲージからなることができる。くぼみの深さは、バッテリの表面の静的モジュラスの関数であり得、バッテリ内の機械的、化学的、および／または物理的変化により変化する場合がある。異なる既知のＳｏＣおよびＳｏＨでバッテリの表面へのくぼみの深さを測定することにより、参照データセットが確立でき、バッテリの表面へのくぼみの深さを測定することにより、ＳｏＣおよびＳｏＨの正確な将来の判定を可能にし得る。
例えば、図７は、そのＳｏＣおよびＳｏＨを判定するためにバッテリの静的モジュラスがバッテリの表面の変形に関して測定されるシステム７００の実施形態を示している。システム７００は、バッテリ７１０と、デュロメータ計器７２０とを含み得、この機器はバネ７２０ａ、圧子７２０ｂ、および圧力負荷７２０ｃを備え得る。デュロメータ計器７２０は、バッテリ７１０の表面を刻むように構成されてもよい。デュロメータ計器７２０は、バッテリ７１０の表面へのくぼみの深さを測定するようにさらに構成されてもよい。説明したように、くぼみは、バッテリ７１０のＳｏＣとＳｏＨに対応し得る。したがって、くぼみの深さを測定することにより、バッテリ７１０のＳｏＣおよびＳｏＨを判定することができる。
別の実施形態では、バッテリは、既知の体積、質量、および密度の流体内に配置されてもよく、変位した流体の量を測定してもよい。リチウムイオン電池のＳｏＣとＳｏＨが変わると、バッテリの寸法と密度も変わる可能性がある。バッテリを流体に入れると、移動する流体の量はバッテリの密度に比例する場合がある。この密度の測定は、バッテリのＳｏＣおよびＳｏＨを正確に判定するために使用できる。
例えば、図８は、ＳｏＣおよびＳｏＨを判定するためにリチウムイオン電池の密度を測定できるシステム８００の実施形態を示している。システム８００は、少なくともバッテリ８１０、流体８２０、およびスケール８３０を含み得る。スケール８３０は、バッテリ８１０の水中重量、したがって平均密度を測定するように構成されてもよい。バッテリ８１０は、流体８２０内に配置されてもよく、バッテリ８１０によって移動された流体８２０の量が測定されてもよい。したがって、バッテリ８１０の質量および体積を測定すると、バッテリ８１０の密度が判定され得る。したがって、バッテリのＳｏＣとＳｏＨを判定できる。
別の実施形態では、Ｘ線を使用して、バッテリ内の材料の密度およびそれらの結晶構造を特徴付けることができる。異なるＳｏＣおよびＳｏＨでバッテリ内の密度の変化を測定することにより、参照データセットを確立できる。これにより、Ｘ線を使用してバッテリ内の密度の変化を測定することにより、ＳｏＣおよびＳｏＨの将来の正確な判定が可能になり得る。Ｘ線は、透過モード、吸収モード、および／または後方散乱モードで、別々に、または互いに、また他の技術と同様に組み合わせて、使用することができる。
例えば、図９は、バッテリのＳｏＣおよびＳｏＨを判定するためにＸ線が利用され得るシステム９００の実施形態を示す。システム９００は、バッテリ９１０、複数のＸ線源９２０、少なくとも１つの第１の検出器９５０、および少なくとも１つの第２の検出器９７０を含み得る。複数のＸ線源９２０は、例えば入射Ｘ線９３０などのＸ線を放出するように構成されてもよい。放出されたＸ線は、例えば透過Ｘ線９６０でバッテリ９１０を部分的に通過でき、また例えば後方散乱Ｘ線９４０でバッテリ９１０から部分的に反射することができる。少なくとも１つの第１の検出器９７０は、透過Ｘ線９６０を受信および測定するように構成され得る。少なくとも１つの第２の検出器９５０は、後方散乱Ｘ線９４０を受信および測定するように構成されてもよい。放出されたＸ線のスペクトルは、バッテリ９１０で反射および透過することにより修正することができ、したがって、後方散乱Ｘ線６４０および透過Ｘ線９６０のスペクトルは変化し得る。後方散乱Ｘ線６４０および透過Ｘ線９６０のスペクトルを測定することにより、バッテリ９１０のＳｏＣおよびＳｏＨが判定され得る。
本明細書では、リチウムイオン電池のＳｏＣとＳｏＨを判定する様々な方法について説明する。バッテリのＳｏＣおよびＳｏＨを正確に判定するために、これらの各方法を個別に、または任意の組み合わせで使用できることを理解されたい。
ＳｏＣおよびＳｏＨに加えて、バッテリの状態のもう１つの測定値はＳｏＥ（Ｓｔａｔｅ ｏｆ Ｅｎｅｒｇｙ、エネルギーの状態）である。これは、バッテリに保存されている総エネルギーの測定値である。ＳｏＥは、充放電する電流と瞬時の電圧との積の積分で計算され、バッテリから抽出できる仕事の直接的な尺度である。これは、例えば、バッテリを使用して自動車で走行できるマイル数と、バッテリが所定の残容量にある場合に、より密接に関連している可能性がある。本明細書に記載の実施形態は、バッテリのＳｏＣおよびＳｏＨの測定に関するが、記載の実施形態のいずれかを使用してバッテリのＳｏＥも測定できることを理解されたい。
リチウムイオン電池は多くの理由で故障するが、寿命の終わりの最も優位を占める理由は容量の劇的な減少である可能性がある。容量フェードとも知られるこの容量の減少は、すべてのリチウムイオン電池の化学的性質に固有のものである。容量のフェードと容量の損失の主な原因は、１９９０年代の後半に、バッテリに二次固体電解質界面（ＳＳＥＩ）層が蓄積することとして発見された。リチウムイオン電池の通常の動作サイクル中、ＳＳＥＩ層は通常の固体電解質界面（ＳＥＩ）層の上部と、組み立て中の電解質の解離と不純物のためにアノード粒子に形成される。バッテリサイクルと熱の変動が発生すると、ＳＳＥＩ層に新しい分子が形成される場合がある。バッテリのイオン輸送の特性により、新しい分子が移動し、バッテリの電極に徐々に不浸透性の層を形成していく可能性がある。この劣化は、バッテリのＳｏＨの低下によって測定される場合がある。
ＳＳＥＩ層の連続的な形成、およびアノードとカソードの結晶構造内でのリチウムイオンのインターカレーションとデインターカレーションにより、バッテリの機械的、化学的、物理的特性が変化する場合がある。これらの変化のいずれかまたはすべてを測定および定量化することにより、バッテリのＳｏＨを含むパフォーマンスのメトリックを推定できる。
ＳＳＥＩ層は、通常のバッテリの使用により形成される。厚さは１０オングストロームから１．５マイクロメートルの範囲であってよく、バッテリの電極上に形成でき、バッテリのライフサイクル全体で徐々に成長し得る。温度などの外部要因と組み合わされたバッテリの使用プロファイルにより、ＳＳＥＩ層の形成速度が判定できる。高温と、ＳＳＥＩ層のより高度の成長を伴うバッテリの高いＣレートの使用との間に、直接的な相関関係がある場合がある（Ｃレートは、バッテリの総容量に対する充電／放電中に流れる電流の比率を示す）。ＳＳＥＩ層の厚さが増すと、リチウムイオンが活性物質の部位を横断する（つまり、アノードまたはカソードに出入りする）能力の効率の水準が低下し得、必要な電気化学反応が完了して、さらにバッテリを完全に充電／放電するのを妨げることがある。
ＳＳＥＩ層は、複雑な長鎖炭化水素と、Ｌｉ２ＣＯ３（炭酸リチウム）、Ｌｉ２Ｏ（酸化リチウム）、ＬｉＦ（フッ化リチウム）、ＬｉＯＣＯ２ＣＨ３（リチウムメチルカーボネート）、ＬｉＯＣＯ２Ｃ２Ｈ５（リチウムエチルカーボネート）、（ＣＨ２ＯＣＯ２Ｌｉ）２（ジリチウムエチレンジカーボネート）、および（－ＣＨ２－ＣＨ２－Ｏ－）ｎ（ポリエチレンオキシド）などの無機塩で構成され得る。これらの化合物は弱極性なので、化合物内に双極子モーメントが存在する場合がある。
ＳＳＥＩ層には、Ｋｅｅｓｏｍ力、Ｄｅｂｙｅ力、ロンドン分散力の３つの一般的な分子間力が存在する場合がある。３つのそれぞれは、ＳＳＥＩ層の分子構造に依存する可能性のある、関連する異なる強度を有する場合がある。次式は、ＳＳＥＩ層内のＫｅｅｓｏｍ力の寄与がどのように計算され得るかを説明できる。
Figure 0007261179000003
この方程式では、Ｅは２つの粒子間の分子間結合のエネルギー、μ１とμ２は２つの粒子の双極子モーメント、κはボルツマン定数、Ｔは温度、εは誘電率、ｒは２つの粒子間の距離である。
次の式は、ＳＳＥＩ層内のＤｅｂｙｅ力の寄与がどのように計算され得るかを説明できる。
Figure 0007261179000004
この方程式では、Ｅは２つの粒子間の分子間結合のエネルギー、μ１とμ２は２つの粒子の双極子モーメント、αは分極率、εは誘電率、ｒは２つの粒子間の距離である。
次の式は、ＳＳＥＩ層内のロンドン分散力の寄与がどのように計算され得るかを説明できる。
Figure 0007261179000005
この式で、Ｅは２つの粒子間の分子間結合のエネルギー、ｖはイオン化ポテンシャル、ｈはプランク定数、αは分極率、εは誘電率、ｒは２つの粒子間の距離である。
ＳＳＥＩ層内の粒子間の結合のエネルギーを計算することにより、ＳＳＥＩ層を破壊するためにＳＳＥＩ層の結合に誘導されなければならない総エネルギーが判定され得る。
バッテリのＳｏＣとＳｏＨを判定することにより、ＳＳＥＩ層の厚さとバッテリ内のイオンの位置を判定できる。バッテリのＳｏＣおよびＳｏＨとＳＳＥＩ層の厚さとの間には直接的な相関関係がある場合がある。前述のように、ＳＳＥＩ層は、電極内の粒子内の結晶構造内外へのリチウムイオンの移動を抑制し、結晶構造内にイオンを本質的に閉じ込めるか、イオンが結晶構造にアクセスするのを防ぎ得る。これにより、バッテリの歪みが増加し得、バッテリのアノードからイオンを抽出するまたは押し出すのに必要なエネルギーが増加する場合がある。ＳＳＥＩ層を除去すると、イオンが自由に移動し、バッテリの容量を回復させる可能性がある。
リチウムイオン電池は、容量が初期容量の８０％である場合、故障していると見なされる場合がある。リチウムイオン電池のＳＳＥＩ層を除去するための非侵入型アプローチにより、バッテリの容量が初期容量の９７％に回復する場合がある。さらに、ＳＳＥＩ層の重量は、バッテリに存在するバルク電解質の１％未満である場合がある。したがって、破壊されたＳＳＥＩ層はバルク電解質内に分散され、破壊されたＳＳＥＩ層が電極に再付着しないことを保証することができる。
ＳＳＥＩ層を処理し、バッテリの容量を改善するために、理論的には多くの方法が開発されている。しかし、そのような現在の方法はすべて侵襲的であり、バッテリの活性物質を環境にさらす必要がある。これにより、活性物質がすぐに酸化および蒸発し、バッテリで再利用できなくなる。
本発明者らは、リチウムイオン電池のＳＳＥＩ層を除去するための非侵入的アプローチの必要性を認識し、理解した。これらの手順は、重要なＳＳＥＩ層の成長を妨げるように定期的に適用し得るか、そのような層を形成して除去する。本明細書では、リチウムイオン電池のＳＳＥＩ層を除去してその容量の一部または大部分を回復するための様々なアプローチの実施形態を説明する。
ＳＳＥＩ層の破壊は、熱アブレーション、キャビテーション、機械的共振、Ｘ線、および／または電子的介入を利用することで達成できる。熱アブレーションでは、ＳＳＥＩ層に集束させた超音波エネルギーを適用することにより、ＳＳＥＩ層に局所的な熱応力が誘発される場合がある。局所的な熱応力により、ＳＳＥＩ層で結合が解離し得る。キャビテーションでは、供給されたエネルギーがＳＳＥＩ層と電解質の界面で破壊的なマイクロバブルの形成を引き起こす可能性がある。入射エネルギーを制御することにより、マイクロバブルが内破して衝撃波を放出する場合がある。これにより、ＳＳＥＩ層の結合に激しい機械的応力が誘発され、破壊が生じる可能性がある。共振の方法では、超音波について選択された周波数は、ＳＳＥＩ層の異なる構造または分子の共振周波数と一致する場合がある。共振周波数は、本体の固有振動周波数である。この周波数が一致し、一定の振幅が供給されると、本体の振動の振幅は、破壊するまで増加し続ける場合がある。この方法では、ＳＳＥＩ層に存在するすべての構造と分子の共振周波数の特性評価が必要になる場合がある。Ｘ線を使用して、ＳＳＥＩ材料を一緒にアノードに保持する化学結合を直接破壊することができる。電子的介入には、構成要素とＳＳＥＩ層に大きな破壊の力を誘発するために、バッテリ全体に適切に制御された低電子インピーダンス条件を作成することが含まれ得る。
一実施形態では、高エネルギー超音波を利用して、バッテリのＳＳＥＩ層を破壊することができる。１つ以上の周波数で少なくとも１つのトランスデューサによって生成され、バッテリに送信される高レベルの超音波は、ＳＳＥＩ層を適所に保持する比較的弱い結合を破壊する可能性がある。このことが、機械的または熱加熱プロセスのいずれかにより、材料を除去する場合がある。超音波または連続波励起のパルス（狭帯域または広帯域）を使用できる。
別の関連する実施形態では、特定の周波数の高エネルギー超音波を利用して、バッテリのＳＳＥＩ層を破壊することができる。ＳＳＥＩ層の結合は、共振周波数のエネルギーにさらされると、大きな運動を引き起こす可能性のある様々な機械的共振を有する場合がある。結合の共振周波数は、結合内の元素の電気陰性度、結合の強度、結合の長さ、結合角など、多数のパラメータに依存する場合がある。これらの共振周波数で高振幅超音波（パルスまたは連続波）を照射すると、結合が高振幅の運動で応答し、機械的な力または熱の衝撃によって結合を破壊する場合がある。バッテリの他の構造は異なる共振周波数を備えている可能性があるため、それらは影響を受けない場合がある。
ＳＳＥＩ層の結合の共振周波数は、サンプルのＳＳＥＩ材料を超音波の周波数の範囲にさらし、運動の振幅を監視することで判定できる。この監視は、レーザー干渉計またはその他の適切な手段で実行できる。ピークの応答は、結合の共振周波数で発生する場合がある。ＳＳＥＩ層のサンプルは、バッテリから抽出するか、この検査の目的で作成することができる。
例えば、図１０は、高エネルギー超音波を利用してリチウムイオン電池のＳＳＥＩ層を破壊することができるシステム１０００の実施形態を示している。システム１０００は、少なくともバッテリ１０１０（カソード１０１０ａ、アノード１０１０ｂ、電解質１０１０ｃ、およびＳＳＥＩ層１０１０ｄを含む）、および複数の超音波トランスデューサ１０２０を含み得る。複数の超音波トランスデューサ１０２０は、高エネルギー超音波をバッテリ１０１０に送信するように構成され得る。説明したように、超音波の周波数は、ＳＳＥＩ層１０１０ｄの結合の共振周波数であってもよい。このようにして、ＳＳＥＩ層１０１０ｄは、バッテリ１０１０の他の構成要素（例えば、カソード１０１０ａ、アノード１０１０ｂ、および電解質１０１０ｃ）に不利な影響を与えることなく破壊され得る。
別の実施形態では、バッテリのＳＳＥＩ層にキャビテーションを引き起こすために、高エネルギー超音波を利用することができる。前述のように、キャビテーションは、高強度の超音波によって生成される負圧によって、流体内に小さなボイド（気泡）が生成されることである。その後のボイドの崩壊は、非常に激しく、局所的に破壊的である可能性がある。慎重に制御された条件下では、ＳＳＥＩ層の表面にキャビテーションボイドが生成されることがあり、ＳＳＥＩ層が除去または破壊される可能性がある。
例えば、図１１は、高エネルギー超音波を利用してリチウムイオン電池のＳＳＥＩ層を破壊するためにキャビテーションを引き起こすことができるシステム１１００の実施形態を示している。システム１１００は、少なくともバッテリ１１１０（カソード１１１０ａ、アノード１１１０ｂ、電解質１１１０ｃ、およびＳＳＥＩ層１１１０ｄを含む）、および複数の超音波トランスデューサ１１２０を含むことができる。複数の超音波トランスデューサ１１２０は、ＳＳＥＩ層の表面またはその内部でキャビテーションを引き起こすために、超音波をバッテリ１１１０に送信するように構成され得る。これにより、ＳＳＥＩ層１１１０ｄに大きな応力および／またはボイドが生じ、ＳＳＥＩ層１１１０ｄが崩壊および／または分散し、そのためＳＳＥＩ層１１１０ｄが破壊される可能性がある。
別の実施形態では、高エネルギー超音波を利用して、バッテリの様々な構造を励起することができる。例えば、アノード／カソードの共振周波数での超音波がバッテリに送信される場合がある。これにより、アノード／カソードの強い機械的応答（例えば表面波やその他の強い振動）が発生することがあり、それがＳＳＥＩ層を破壊する可能性がある。連続波、トーンバースト、インパルス、および／またはチャープを使用できる。バッテリの構造の共振周波数は、超音波の周波数と振幅の範囲を代表的な材料のサンプルに適用し、機械的および電子的インピーダンス応答を測定することにより判定できる。
例えば、図１２は、ＳＳＥＩ層を破壊するために、高エネルギー超音波がリチウムイオン電池の共振構造を標的とすることができるシステム１２００を示している。システム１２００は、少なくともバッテリ１２１０（アノード１２１０ａおよびカソード１２１０ｂを含む）、および振動１２２０を含み得る。振動１２２０の周波数は、アノード１２１０ａまたはカソード１２１０ｂの共振周波数であり得る。図１２に示す例では、振動１２２０は、アノード１２１０ａの共振周波数でアノード１２１０ａに加えられる。これにより、アノード１２１０ａに強い機械的応答が生じることができ、それによりアノード１２１０ａのＳＳＥＩ層が破壊される可能性がある。
別の実施形態では、フェーズドアレイ超音波を利用して、バッテリのＳＳＥＩ層を破壊することができる。フェーズドアレイ超音波は、特定の場所で高い超音波レベルを生成できる場合がある。この方法では、複数のトランスデューサが必要になる場合がある。トランスデューサは、バッテリの周囲に配置して向きを合わせることができる。これらのトランスデューサをアレイに編成し、生成された超音波をビームで（建設的／破壊的に干渉するように）、バッテリ内にある１つ以上の所望の量の空間または平面に高エネルギー超音波を供給することができる。この方法は、複数の比較的低強度のビームを組み合わせて高音響エネルギーの局所ボリュームを作成するため、対象ボリュームの外側の箇所は大きな超音波にさらされず、影響を受けない可能性がある。高エネルギー超音波は熱として現れる場合があり、ＳＳＥＩ層は主に有機炭化水素で構成され得るため、熱はＳＳＥＩ層の結合を破壊できる可能性がある。そのような実施形態では、超音波は、約５００ｋＨｚから約１ＴＨｚの範囲の周波数を有し得る。
複数のビームを単一箇所に収束させることは、超音波トランスデューサ間に所定の位相シフトを設定することにより達成できる。これにより、ビームフォーカシングとビームステアリングの両方が可能になる。したがって、各超音波トランスデューサは、超音波トランスデューサから放出された複数の波形が所定の位置で建設的に干渉するように配置することができる。これにより、制御された建設的および破壊的な干渉が可能になり、超音波トランスデューサがリチウムイオン電池内の特定の領域に高いエネルギーを加え、またリチウムイオン電池の他の領域を変更しないままにすることができる。また、これにより、超音波トランスデューサは、例えば、単一の高エネルギービームではなく、複数の低エネルギービームを利用することもできる。
次の式は、各波形が移動するために必要な経路の長さを判定するために、建設的な干渉をどのようにモデル化できるかを説明できる。
Ｒ１－Ｒ２＝ｎλ
この式では、Ｒ１とＲ２は２つの異なる波形の経路の長さを表し、λは波形の波長を表し、ｎは整数である。２つの経路の長さの差が波形の波長の整数倍である場合、２つの波形は建設的に干渉する。
次の式は、各波形が移動するために必要な経路の長さを判定するために、破壊的な干渉をどのようにモデル化できるかを説明できる。
Ｒ１－Ｒ２＝λ／２＋ｎλ
この式では、Ｒ１とＲ２は２つの異なる波形の経路の長さを表し、λは波形の波長を表し、ｎは整数である。２つの経路の長さの差が、波長の半分よりも、波長の整数倍さらに大きくなったものである場合、２つの波形は破壊的に干渉し、それによって低音響強度の位置が生成される。
複数の低エネルギービームを使用して特定の領域に焦点を合わせると、意図した焦点領域以外の領域に誘導される応力（熱的または機械的）を最小限に抑えることができる。これにより、目的の焦点領域に入射する超音波放射の強度を高めることもできる。目的の焦点領域に供給される総エネルギーは、超音波放射の強度と露出時間の関数であり得る。リチウムイオン電池のＳＳＥＩ層を破壊するために必要な総エネルギーは、ＳＳＥＩ層内の分子間および／または分子内結合の結合エネルギー以上であり得る。
例えば、図１３は、フェーズドアレイ超音波を利用してリチウムイオン電池のＳＳＥＩ層を破壊することができるシステム１３００の実施形態を示している。システム１３００は、少なくともバッテリ１３１０（カソード１３１０ａ、アノード１３１０ｂ、電解質１３１０ｃ、およびＳＳＥＩ層１３１０ｄを含む）、および複数の超音波トランスデューサ１３２０を含み得る。複数の超音波トランスデューサ１３２０は、ＳＳＥＩ層１３１０ｄを破壊するために、超音波をバッテリ１３１０に送信するように構成され得る。前述のように、複数の超音波トランスデューサ１３２０は、少なくとも１つの超音波トランスデューサ１３２０から送信される超音波が建設的に干渉してＳＳＥＩ層１３１０ｄの位置でのみ最強の強度を生成するように構成され得る。そうすることで、バッテリの他の構成要素（例えば、カソード１３１０ａ、アノード１３１０ｂ、および電解質１３１０ｃ）は影響を受けない場合があり、ＳＳＥＩ層１３１０ｄは破壊され得る。
他の実施形態では、超音波トランスデューサは、音響レンズ（例えば、ポリスチレン、エポキシ）または凹面トランスデューサを使用して超音波エネルギーを集束させてもよい。
別の実施形態では、ＳＳＥＩ層を破壊するためにＸ線を実施することができる。Ｘ線は、ＳＳＥＩ層の結合を破壊できる可能性のある、高エネルギーの光子のビームである。これは、Ｘ線ビームのエネルギーがＳＳＥＩ層の結合を破壊するのに必要なエネルギーレベルよりも高い場合に可能である。
ＳＳＥＩ層の結合の吸収特性をターゲットにするために、Ｘ線の特定の波長を選択することもできる。例えば、結合がＸ線のエネルギーを吸収する傾向がある特定の波長または波長のセットがあり得る。結合がエネルギーを吸収すると、結合が弱くなり、最終的に壊れて、それによりＳＳＥＩ分子が脱落する可能性がある。これらの特定の波長を利用することにより、バッテリ内の他の材料の損傷を避けることができる。
フラッディングと過剰な放射線の使用を避けるために、このアプローチは、表面プラズモン共振（ＳＰＲ）波を使用して、Ｘ線をバッテリの目的の領域、例えばアノードとカソードの間、ＳＳＥＩ層の表面に導くことにより最適化できる。ＳＰＲは、入射電磁エネルギーによって刺激される負と正の誘電率材料間の界面での伝導要素の共振の振動である。ＳＰＲは、物質の界面に平行な方向に伝播する非放射性の電磁表面波である。さらに、ＳＰＲにより、プラズモンエネルギー周波数を調整してＳＳＥＩ材料の吸収スペクトルと一致させ、入射Ｘ線の波長間の整合を最適化し、それによってその吸収と有効性を最適化して、ＳＳＥＩ層を破壊することができる。Ｘ線エネルギーの入射角の操作はまた、吸収を最適化する手段を提供することもある。
いくつかの実施形態では、Ｘ線吸収分光法（ＸＡＳ）を利用してＸ線のシステムを設計し、リチウムイオン電池の他の構造物（例えば、アノード、カソード、セパレータ、電解質、パウチ、集電体など）の統合を維持しながら、リチウムイオン電池のＳＳＥＩ層を選択的に除去できる。ＸＡＳは、Ｘ線吸収スペクトルを判定するための強力な分析ツールとして、ＳＳＥＩ層による吸収が最大となる波長を識別できるため、Ｘ線システムをこれらの波長に調整できる。Ｘ線が吸収される可能性は、
μ・ｘ＝ｌｎ（Ｉ０／Ｉ）
というベールの法則に従うことが可能である。
このような場合、μは吸収係数、ｘは材料の厚さ、Ｉ０は材料に入射するＸ線の強度、Ｉは材料を透過したＸ線の強度であり得る。
一般に、Ｘ線放射への曝露は、質量損失の形で材料に損傷を与え、および／または材料の化学構造を変化させ得る。芳香族基を含む有機材料は、無機材料よりも質量損失に対する耐性が低い場合がある。リチウムイオン電池では、バッテリの重要な構成要素の多くは無機物であり、そのため、Ｘ線による放射線の損傷が最小限に抑えられる。逆に、ＳＳＥＩ層は有機物である可能性があり、そのため、Ｘ線放射による大きな質量損失が発生する可能性がある。このように、リチウムイオン電池の容量は、Ｘ線放射でＳＳＥＩ層を除去することで回復できる。
バッテリのＳｏＣおよびＳｏＨを判定し、例えば図９に関連してバッテリのＳＳＥＩ層を破壊するために、ＳＰＲの有無にかかわらずＸ線を実装できる。図１４は、ＳＰＲの概念が採用されるシステム１４００の実施形態を示す。システム１４００は、アノードおよびカソード１４２０からなる平面を形成する電極（アノードおよびカソード）を含むバッテリ１４１０を含み得る。システム１４００は、Ｘ線１４４０を生成するように構成された少なくとも１つの管状のＸ線源１４３０も含むことができる。少なくとも１つの管状のＸ線源１４３０は、バッテリ１４１０の端でＸ線１４４０を生成するように構成されてもよく、Ｘ線１４４０は電極１４２０の間でバッテリ１４１０に入り、ＳＰＲ定在波１４７０を生成する。電極１４２０間のＸ線１４４０およびＳＰＲ定在波１４７０の吸収は、バッテリ１４１０のＳＳＥＩ層を破壊および除去できる。システム１４００は、少なくとも１つの検出器１４６０をさらに含むことができ、検出器１４６０は、バッテリ１４１０を通過する透過Ｘ線１４５０を受信および測定するように構成でき、プロセスの監視を補助できる。
別の実施形態では、交流を利用して、電池のＳＳＥＩ層を破壊することができる。アノードが強い共振の機械的応答を示す周波数でリチウムイオン電池に交流電流を印加すると、ＳＳＥＩ層を破壊できる表面波（または他の高振幅振動）を発生させる場合がある。また、ＳＳＥＩ層を破壊するのに十分な熱が発生する場合がある。交流電流の望ましい周波数は、ある範囲の周波数と電流の振幅をバッテリまたは代表的な材料サンプルに適用し、機械的および電子的インピーダンス応答を測定することにより、判定できる。
例えば、図１５は、交流を利用してリチウムイオン電池のＳＳＥＩ層を破壊することができるシステム１５００の実施形態を示している。システム１５００は、バッテリ（少なくともアノード１５１０ａおよびカソード１５１０ｂを含む）、および交流電流供給源１５２０を含み得る。交流電流供給源１５２０は、バッテリ１５１０のアノード１５１０ａおよびカソード１５１０ｂに接続され、バッテリ１５１０を通して交流電流を駆動することができる。交流電流供給源１５２０によって生じる交流電流の周波数は、アノード１５１０ａおよびカソード１５１０ｂの特性（例えば、組成）に応じて選択され得る。これにより、バッテリ１５１０に機械的応答および／または熱が生じることがあり、それによりバッテリ１５１０のＳＳＥＩ層が破壊される可能性がある。
別の実施形態では、「制御された短絡」を使用して、バッテリのＳＳＥＩ層を破壊することができる。説明したように、バッテリの通常の動作では、リチウムイオンは充放電中にアノードとカソードの結晶構造に出入りしようとする。このプロセスが発生する速度は、バッテリを流れる電流によって判定できる。バッテリに大電流を流すことにより、リチウムイオンは、エネルギーを与えられ、そのため迅速におよび／または強制的に移動して、アノード／カソードの結晶構造に出入りできる。これにより、アノードおよびＳＳＥＩ層に強い破壊的な機械的応力が発生し、電極または別の構成要素の内圧が上昇し、および／または非常に高温になり、そのいずれかによりＳＳＥＩ層が破壊される可能性がある。一実施形態では、このタイプの大電流は、一時的または定期的にバッテリの端子間に比較的低いインピーダンス負荷をかけることにより生成され得る。負荷は、抵抗、静電容量、インダクタンスの最適な組み合わせ、および適用の周波数と持続時間を選択することにより最適化できる。そのような実施形態では、これはバッテリ内で大量の熱を生成する可能性があり、バッテリはプロセス中に冷却する必要がある場合がある。
例えば、図１６は、「制御された短絡」を利用してリチウムイオン電池のＳＳＥＩ層を破壊することができるシステム１６００の実施形態を示している。システム１６００は、少なくともバッテリ１６１０（少なくともアノード１６１０ａおよびカソード１６１０ｂを含む）と、制御された方法でバッテリ１６１０の「短絡」に類似した状態を作り出すように構成された回路１６２０とを含み得る。回路１６２０は、バッテリ１６１０のアノード１６１０ａおよびカソード１６１０ｂに接続されてもよく、短絡を注意深く近似するように構成されてもよい。回路１６２０は、アノード１６１０ａとカソード１６１０ｂの間に比較的低いインピーダンスを配置し、バッテリ１６１０に大電流を流すことにより、バッテリを「短絡」させることができる。これにより、バッテリ１６１０内の内部圧力、温度、および／または応力の場が増加する可能性があり、したがって、バッテリ１６１０のＳＳＥＩ層が破壊される可能性がある。
別の実施形態では、バッテリのＳＳＥＩ層を破壊するために、スクイーズフィルムが利用されてもよい。スクイーズフィルムは、表面に非常に高いせん断応力を作成する、薄い流体チャネルの境界をなす表面に平行な高振動流体の速度を生成するものである。アノード、電解質、およびカソードによって形成されたチャネル内にスクイーズフィルムを作成することができる。これらの表面の機械的振動（例えば、アノードの幾何学的中心に近いピボット点の周りの揺動運動）を保存する体積は、プレートに平行な振動速度を駆動する電解液に対する強い力を生み出し、それがひいては表面の境界層（ＳＳＥＩ層）で高いせん断を作出する可能性がある。生成された表面に平行な速度は、表面間のギャップに対する移動する表面のサイズの比率の係数によって、移動する表面の垂直運動の速度にわたって増幅され得る。例えば、幅ａの流体のギャップを超える長さｄの揺動プレートの場合、表面に平行な速度は、揺動運動の速度よりもｄ／ａ倍大きい係数になり得る。アノードの表面の高せん断により、ＳＳＥＩ層が除去される場合がある。
例えば、図１７は、スクイーズフィルムを利用してリチウムイオン電池のＳＳＥＩ層を破壊することができるシステム１７００の実施形態を示している。システム１７００は、少なくともバッテリ１７１０（少なくともアノード１７１０ａ、カソード１７１０ｂ、およびＳＳＥＩ層１７１０ｃを含む）、およびプレート状の外部ロッカ１７２０を含み得る。外部ロッカ１７２０は、ピボット点１７３０を通る軸の周りの揺動運動（軸はページ内に向けられる）により、バッテリ１７１０の内部電解質を大きな調和する水平運動に、調和するよう駆動するように構成され得る。これらの水平運動の速度は、（ｄ／ａ）ｖ０であり得る。式中ｄはロッカの長さ、ａはチャネルの厚さ、ｖ０はロッカの端での垂直運動の速度である。これにより、バッテリ１７１０のアノード１７１０ａとカソード１７１０ｂの間のチャネルにスクイーズフィルムが生成でき、アノード１７１０ａとカソード１７１０ｂの表面に非常に高いせん断応力が生じる可能性がある。せん断応力は、バッテリ１７１０のＳＳＥＩ層１７１０ｃを破壊するのに十分な場合がある。
別の実施形態では、遠心分離機によって誘導される表面せん断回転を利用して、バッテリのＳＳＥＩ層を破壊することができる。連続（回転）または振動のいずれかである、バッテリの平面に垂直な軸を中心としたフラットバッテリの遠心誘導表面のせん断回転は、アノードとカソードの表面に平行な電解質に流体の流れを生成できる。これらの流体の流れは、ＳＳＥＩ層を破壊する可能性のある表面で高いせん断速度を生じる場合がある。流体の流れは、円周方向と半径方向の両方にすることができる。放射状の流体の流れは、破壊されたＳＳＥＩ層の破片をバッテリの外縁に向かって流す傾向がある。
例えば、図１８は、遠心分離機によって誘発される表面のせん断を利用してリチウムイオン電池のＳＳＥＩ層を破壊することができるシステム１８００の実施形態を示している。システム１８００は、少なくともバッテリ１８１０（少なくともアノード１８１０ａ、カソード１８１０ｂ、およびＳＳＥＩ層１８１０ｃを含む）を含み得る。システム１８００は、バッテリ１８１０が軸１８２０を中心に回転するように構成されてもよい。軸１８２０は、バッテリ１８１０の平面に垂直に向けられてもよく、バッテリ１８１０を通過してもよく、回転は連続的または振動的であってもよい。そうすることで、遠心誘導の表面せん断力が、アノード１８１０ａおよびカソード１８１０ｂの表面上の電解質に生成でき、バッテリ１８１０のＳＳＥＩ層１８１０ｃを破壊するのに十分強い可能性がある。
別の実施形態では、高エネルギー超音波を利用して、表面に平行な高速音響ストリーミングを生成することができる。高い（非線形）超音波の場が存在する場合、電解質は安定した運動をすることがある。これは通常、超音波トランスデューサから離れる方向にあり得る。狭いチャネル（例えば、バッテリのアノード、電解質、およびカソードによって形成されるチャネル）で高速が生じる可能性があり、ＳＳＥＩ層を破壊するのに十分な表面せん断を生じ得る。
例えば、図１９は、リチウムイオン電池のＳＳＥＩ層を破壊するために高速音響ストリーミングを生じるために高エネルギー超音波を利用できるシステム１９００の実施形態を示している。システム１９００は、少なくともバッテリ１９１０（少なくともアノード１９１０ａ、カソード１９１０ｂ、電解質１９１０ｃ、およびＳＳＥＩ層１９１０ｄを含む）、および高強度超音波トランスデューサ１９２０を含み得る。高強度超音波トランスデューサ１９２０は、アノード１９１０ａおよびカソード１９１０ｂの表面に平行に高エネルギー超音波を送信するように構成されてもよい。高エネルギー超音波トランスデューサ１９２０によって送信される超音波は、バッテリ１９１０のＳＳＥＩ層１９１０ｄを破壊する可能性がある高い表面せん断を生じるのに十分高い速度で電解質内に流れを誘発できる。複数のこのような超音波トランスデューサを使用して、アノード表面全体にこれらの速度を均一に生じることができる。
別の実施形態において、電池の環境は、ＳＳＥＩ層の結合に影響を及ぼすように制御され得る。高温または低温の状態、または熱衝撃の結果として、ＳＳＥＩ層の結合が破壊される場合がある。バッテリに熱を慎重に加えたり除去したりすると、ＳＳＥＩ層の結合が破壊される場合がある。バッテリの環境を制御することは、バッテリのＳＳＥＩ層を破壊する他の記載された方法のいずれかと組み合わせて、有利に用いることができる。
別の実施形態では、衝撃力を利用して、バッテリのＳＳＥＩ層を破壊することができる。例えば、ＳＳＥＩ層を破壊するために、熱、機械、および／または電子衝撃がバッテリに加えられる場合がある。これらは、例えば、バッテリを急速に加熱または冷却し、バッテリに機械的に衝撃を与え（例えば、ハンマで叩く）、および／またはバッテリに電気的な衝撃を加えることにより生じさせることができる。
本明細書では、リチウムイオン電池のＳＳＥＩ層を破壊する様々な方法について説明する。リチウムイオン電池のＳＳＥＩ層を破壊するために、これらの方法のそれぞれを個別に、または任意の組み合わせで使用できることを理解されたい。
リチウムイオン電池のＳｏＣおよびＳｏＨを判定するための各方法、およびリチウムイオン電池のＳＳＥＩ層を破壊するための各方法は、リチウムイオン電池を処理するためのより大きなプロセスの一部であり得ることをさらに理解されたい。リチウムイオン電池を処理するプロセスは、リチウムイオン電池のＳｏＣおよびＳｏＨを判定するための本明細書に記載の方法の少なくとも１つまたは組み合わせ、およびリチウムイオン電池のＳＳＥＩ層を破壊するための本明細書に記載の方法の少なくとも１つまたは組み合わせを含み得る。
例えば、図２０は、リチウムイオン電池を処理するための例示的なプロセスのプロセスフロー２０００を示している。プロセスフロー２０００の一実施形態では、少なくとも１つの超音波トランスデューサ（または、代わりに音波（可聴範囲）トランスデューサ）を使用して、バッテリのＳｏＣおよびＳｏＨを判定するとともに、バッテリのＳＳＥＩ層を破壊する。しかし、リチウムイオン電池のＳｏＣおよびＳｏＨを判定するための本明細書に記載の方法のいずれか、およびバッテリのＳＳＥＩ層を破壊するための方法のいずれかを利用できることを理解されたい。
プロセスフロー２０００が始まる前に、リチウムイオン電池をパッケージから取り出して処置の準備をすることができる。これは、結合効率を改善し、少なくとも１つの超音波トランスデューサとリチウムイオン電池の外側のポリマーパッケージとの間の減衰損失を減らすために行われ得る。プロセスフロー２０００は、リチウムイオン電池が１回の充電／放電サイクルを通して循環され、現在のＳｏＣおよびＳｏＨが判定され得るステップ２０１０を含み得る。プロセスフロー２０００は、その後、ＳＳＥＩの厚さがＳＯＣおよびＳｏＨの値に基づいて推定され得るステップ２０２０を含み得る。これは、様々なＳｏＣおよびＳｏＨの値に対応するＳＳＥＩの厚さが保存されているデータベースにアクセスすることで実行できる。
次いで、プロセスフロー２０００は、第１のモードで動作する少なくとも１つの超音波トランスデューサを使用して、リチウムイオン電池の電極のＳＳＥＩ層のエネルギーおよびトポグラフィを特徴付けるステップ２０３０を含み得る。これは、様々な入射角と周波数の音波を使用して、リチウムイオン電池の複数の層を分離、隔離、および視覚化することで実行できる。現在のバッテリのこれらのスキャンは、ＳＳＥＩ層の厚さと位置に相関する異なる電荷として、スキャンされたバッテリのデータベースと比較できる。この情報は、後のリチウムイオン電池の処理で使用するためにデータベースに保存され得る。
プロセスフロー２０００は、ＳＳＥＩ層を破壊する処理の準備において、特定の電池の化学的性質に応じて、リチウムイオン電池が放電／充電されるステップ２０４０を含み得る。例えば、放電中に、リチウムイオンがバッテリのアノードからバッテリのカソードに移動する場合がある。リチウムイオン電池を放電すると、すべてのイオンがカソードに配置され、ＳＳＥＩ処理中にエネルギーが印加されることから自発的で潜在的に有害な反応を引き起こし得ることを妨げられる。プロセスフロー２０００は次いで、イオン移動度およびリチウム励起を制限し、ＳＳＥＩ破壊中の望ましくない反応の可能性をさらに防止するために、リチウムイオン電池の温度をおそらく約２７６Ｋまで徐々に下げるステップ２０５０を含むことができる。このステップはまた、高度にリチウム化された電解質と脱リチウム化された電解質の両方の燃焼のリスクを減らし得る。いくつかの実施形態では、プロセスフロー２０００は、ステップ２０４０に戻って、リチウムイオンのすべてが電池のカソードに移動したことを確認することができる。
次いで、プロセスフロー２０００は、ステップ２０５０で、上記の技術のうちの１つまたは複数を使用してＳＳＥＩの破壊を実行することができる。そのときプロセスフロー２０００は、温度が２９８Ｋに戻されるステップ２０６０を含むことができる。プロセスフロー２０００は、バッテリ容量が再び測定され、リチウムイオン電池のＳｏＣおよびＳｏＨがやはり判定されるステップ２０７０を含むことができる。バッテリのＳｏＣおよびＳｏＨが十分である場合、プロセスフロー２０００は、リチウムイオン電池がそのパッケージに戻され、プロセスフロー２０００が完了するステップ２０８０を含み得る。
プロセスフロー２０００が終了した後、リチウムイオン電池は初期容量のかなりの部分まで回復している可能性がある。いくつかの実施形態では、リチウムイオン電池は、その初期容量の約９７％まで回復している可能性がある。その時点で、バッテリの容量の劣化速度（つまり、ＳＳＥＩ層の形成速度）は、その初期劣化速度と同じままである場合がある。バッテリの容量の劣化速度は、ＳＳＥＩ処理後、バッテリが作成されたときと同じになることがある。これは、劣化速度がＳＳＥＩ層の状態に依存しない可能性があるためである。
図２１は、超音波を使用してリチウムイオン電池を処理するためのアプローチが実施され得るシステム２１００の実施形態を示す。システム２１００では、少なくとも１つの超音波トランスデューサを利用して、バッテリのＳｏＣおよびＳｏＨを判定するとともに、バッテリのＳＳＥＩ層を破壊する。しかし、リチウムイオン電池のＳｏＣおよびＳｏＨを判定するための本明細書に記載の方法のいずれか、およびバッテリのＳＳＥＩ層を破壊するための方法のいずれかをシステム２１００で利用できることを理解されたい。
いくつかの実施形態では、超音波システム２１２０は、少なくとも１つの超音波トランスデューサ２１３０を含むことができる。少なくとも１つの超音波トランスデューサ２１３０は、リチウムイオン電池２１１０のＳＳＥＩ層を処理するために超音波２１４０を生成してもよい。いくつかの実施形態では、少なくとも１つの超音波トランスデューサ２１３０は、リチウムイオン電池２１１０をスキャンし、リチウムイオン電池２１１０のＳｏＣおよびＳｏＨを判定するために、第１のモードで動作し得る。第１のモードでは、少なくとも１つの超音波トランスデューサ２１３０は、比較的低いエネルギーの超音波２１４０を生成し得る。少なくとも１つの超音波トランスデューサ２１３０は、超音波２１４０の反射を検出し得る。超音波システム２１２０は、少なくとも１つの超音波トランスデューサ２１３０によって検出された反射超音波に基づいてリチウムイオン電池２１１０のＳｏＣおよびＳｏＨを判定するために、コンピューティングデバイス２１５０と通信し得る。コンピューティングデバイス２１５０は、リチウムイオン電池２１１０のＳｏＣおよびＳｏＨを反射超音波に相関させる情報を含む、リチウムイオン電池２１１０に関する情報を格納するデータベース２１６０と通信し得る。データベース２１６０は、リチウムイオン電池２１１０に関する製造情報も含むことができる。例えば、特定のリチウムイオン電池２１１０の場合、データベース２１６０には、バッテリのシリアル番号とバッテリ内の様々な構成要素の位置が含まれ得る。このようにすると、システムは、リチウムイオン電池２１１０のＳＳＥＩ層を容易に見つけて特徴付けることができる場合がある。コンピューティングデバイス２１５０とデータベース２１６０の間には双方向接続があり得る。
いくつかの実施形態では、少なくとも１つの超音波トランスデューサ２１３０は、リチウムイオン電池２１１０のＳＳＥＩ層を破壊するために第２のモードで動作し得る。第２のモードでは、少なくとも１つの超音波トランスデューサ２１３０は、第１のモードよりも高いエネルギーの超音波２１４０を生成し得る。少なくとも１つの超音波トランスデューサ２１３０は、第１のモードで特徴付けられたＳＳＥＩ層を標的とするために、超音波２１４０を生成し得る。これを行うために、少なくとも１つの超音波トランスデューサ２１３０は、ＳＳＥＩ層内の位置で建設的干渉を含むボリュームを形成する超音波のパターンを生成することができる。
図２１に示すシステムでは、少なくとも１つのリチウムイオン電池２１１０、超音波システム２１２０内の少なくとも１つの超音波トランスデューサ２１３０、少なくとも１つのコンピューティングデバイス２１５０、および少なくとも１つのデータベース２１６０がある。このシステムは単なる例示であり、超音波を使用してリチウムイオンセル／モジュール／パックのＳＳＥＩ層を破壊するシステムの他のアレンジが可能であることを理解されたい。例えば、超音波システム２１２０は、複数のリチウムイオン電池２１１０を一度に処理することができる場合がある。超音波システム２１２０には複数の超音波トランスデューサ２１３０があってもよく、１つまたは複数のリチウムイオン電池２１１０を効果的に処理するためにアレンジされてもよい。そのような実施形態では、超音波トランスデューサ２１３０は、並行して動作し、一度にいくつかのリチウムイオン電池を処理することができ得る。超音波トランスデューサ２１３０は、少なくとも１つの超音波トランスデューサ２１３０が第１のモードで動作しながら、少なくとも１つの超音波トランスデューサ２１３０が第２のモードで動作するように動作することができる。
図２１に示すシステムでは、コンピューティングデバイス２１５０は外部コンピューティングデバイスとして示されている。そのような実施形態では、超音波システム２１２０はコンピューティングデバイス２１５０に接続することができ、ＳＳＥＩ層を特徴付けて識別するためにリチウムイオン電池２１１０に関する情報を二者が通信および交換できるようにする。超音波システム２１２０は、有線、無線、双方向バス、または他の任意の適切な接続により、コンピューティングデバイス２１５０に接続されてもよい。さらに、複数のコンピューティングデバイス２１５０があってもよく、（１または複数の）コンピューティングデバイス２１５０を超音波システム２１２０に組み込んでもよい。データベース２１６０は、コンピューティングデバイス２１５０の外部のデータベースとして示されているが、データベース２１６０をコンピューティングデバイス２１５０に組み込むこともできることを理解されたい。
図２２は、リチウムイオン電池を処理するためのシステムにおいて信号を受信および分析するためのコンピューティングデバイスの実施形態を示している。一実施形態では、コンピューティングデバイス２２００は、少なくとも１つのプロセッサ２２０２および少なくとも１つのネットワークアダプタ２２０４を含み得る。コンピューティングデバイスは、位置合わせ支援機能モジュール２２０８、現在の位置合わせモジュール２２１０、正しい位置合わせモジュール２２１２、センサモジュールの位置２２１４、および調整ツールモジュールの影響２２１６を含み得るコンピュータ可読記憶媒体２２０６も含み得る。コンピューティングデバイス２２００は、本明細書に記載されるリチウムイオン電池のＳｏＣおよびＳｏＨを判定する方法を利用するシステム（例えば、超音波システム）から信号を受信および分析し、リチウムイオン電池のＳＳＥＩ層を特徴付け、識別するように設計され得る。
本明細書で説明される原理に従って動作する技術は、任意の適切な方法で実装され得る。上記の説明には、リチウムイオン電池のＳｏＣとＳｏＨを判定し、リチウムイオン電池のＳＳＥＩ層を破壊する様々なプロセスのステップと動作を示す一連のフローチャートが含まれている。上記のフローチャートの処理および決定ブロックは、これらの様々なプロセスを実行するアルゴリズムに含まれる可能性のあるステップと動作を表している。これらのプロセスから派生したアルゴリズムは、１つまたは複数の単一または多目的のプロセッサと統合され、その動作を指示するソフトウェアとして実装でき、デジタル信号処理（ＤＳＰ）回路または特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）などの機能的に等価な回路として実装でき、または他の任意の適切な方法で実装できる。本明細書に含まれるフローチャートは、いずれかの特定の回路またはいずれかの特定のプログラミング言語の構文または動作またはプログラミング言語の種類を示していないことを理解されたい。むしろ、フローチャートは、本明細書に記載のタイプの技術を実行する特定の装置の処理を実行するための回路の製造またはコンピュータソフトウェアアルゴリズムの実装に当業者が使用できる機能情報を示している。また、本明細書で特に明記しない限り、各フローチャートに記載されているステップおよび／または行為の特定のシーケンスは、実装可能なアルゴリズムの単なる例示であり、本明細書に記載の原理の実装および実施形態で変更できることも理解されたい。
したがって、いくつかの実施形態では、本明細書で説明する技法は、アプリケーションソフトウェア、システムソフトウェア、ファームウェア、ミドルウェア、埋め込みコード、または他の任意の適切なタイプのコンピュータコードを含むソフトウェアとして実装されるコンピュータ実行可能命令で具現化され得る。そのようなコンピュータ実行可能命令は、いくつかの適切なプログラミング言語および／またはプログラミングツールまたはスクリプトツールのいずれかを使用して記述でき、フレームワークまたは仮想マシンで実行される実行可能なマシン言語コードまたは中間コードとしてコンパイルすることもできる。
本明細書で説明する技法がコンピュータ実行可能命令として具体化される場合、これらのコンピュータ実行可能命令は、それぞれがこれらの技法に従って動作するアルゴリズムの実行を完了するための１つまたは複数の動作を提供するいくつかの機能的能力として含む、任意の適切な方法で実装され得る。インスタンス化されているが、「機能的能力」は、１つまたは複数のコンピュータと統合されて実行されるとき、１つまたは複数のコンピュータに特定の操作上の役割を実行させるコンピュータシステムの構造的な構成要素である。機能的能力は、ソフトウェア要素の一部または全体であり得る。例えば、機能的能力は、プロセスの機能として、または個別のプロセスとして、または他のいずれの適切な処理ユニットとして実装されてもよい。本明細書で説明される技術が複数の機能的能力として実装される場合、各機能的能力は独自の方法で実装されてもよい。すべて同じ方法で実装する必要はない。さらに、これらの機能的能力は、必要に応じて並列および／または直列で実行でき、実行しているコンピュータの共有メモリを用いてか、メッセージパッシングプロトコルを用いてか、他のいずれかの適切な方法を用いて互いの間で情報を渡すことができる。
一般的に、機能的な機能には、特定のタスクを実行したり、特定の抽象データ型を実装したりするルーチン、プログラム、オブジェクト、構成要素、データ構造などが含まれる。通常、機能的能力の機能性は、作動しているシステムで必要に応じて組み合わせたり、分散したりできる。いくつかの実装形態では、本明細書の技法を実行する１つまたは複数の機能的能力が一緒になって完全なソフトウェアパッケージを形成してもよい。これらの機能的能力は、代替実施形態では、ソフトウェアプログラムアプリケーションを実装するために、他の無関係な機能的能力および／またはプロセスと相互作用するように適合されてもよい。他の実装では、機能的能力は、ワシントン州レドモンドのＭｉｃｒｏｓｏｆｔ（登録商標）Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎから入手可能なＷｉｎｄｏｗｓ（登録商標）オペレーティングシステムを含むオペレーティングシステムを形成するような方法で他の機能的能力と相互作用するように適合されてもよい。言い換えれば、いくつかの実装では、機能的機能は、オペレーティングシステムの一部または外部として代替的に実装されてもよい。
本明細書では、１つまたは複数のタスクを実行するためのいくつかの例示的な機能的能力について説明した。ただし、説明する機能的能力およびタスクの分割は、本明細書で説明する例示的な技術を実装できる機能的能力のタイプの単なる例示であり、諸実施形態は、いずれかの特定の数、分割、または機能的能力のタイプを実装することに限定されないということを理解されたい。実装によっては、すべての機能が単一の機能的能力で実装される場合がある。また、いくつかの実装では、本明細書で説明する機能的能力の一部は、他と一緒に、または他とは別個に（つまり、単一のユニットまたは個別のユニットとして）実装できること、またはこれらの機能的能力の一部は実装されなくてもよいことも理解されたい。
本明細書に記載の技術を実装するコンピュータ実行可能命令（１つまたは複数の機能的能力として、または他のいずれかの方法で実装される場合）は、いくつかの実施形態では、媒体に機能を付与するために１つまたは複数のコンピュータ可読媒体にエンコードされてもよい。コンピュータ可読媒体には、ハードディスクドライブなどの磁気媒体、コンパクトディスク（ＣＤ）またはデジタル多用途ディスク（ＤＶＤ）などの光学媒体、永続的または非永続的なソリッドステートメモリ（例えば、フラッシュメモリ、磁気ＲＡＭなど）、または他のいずれかの適切な記憶媒体が含まれる。そのようなコンピュータ可読媒体は、上記の図２２のコンピュータ可読記憶媒体２２０６として（すなわち、コンピューティングデバイス２２００の一部として）、またはスタンドアロンの別個の記憶媒体としてなど、任意の適切な方法で実装され得る。本明細書で使用される場合、「コンピュータ可読媒体」（「コンピュータ可読記憶媒体」とも呼ばれる）は、有形の記憶媒体を指す。有形の記憶媒体は一時的ではなく、少なくとも１つの物理的、構造的構成要素を備えている。本明細書で使用される場合、「コンピュータ可読媒体」では、少なくとも１つの物理的・構造的構成要素は、埋め込まれた情報を含む媒体を作成するプロセス、それに情報を記録するプロセス、または情報を含む媒体をエンコードするその他のプロセス中に何らかの方法で変更され得る少なくとも１つの物理的特性を有する。例えば、コンピュータ可読媒体の物理的構造の一部の磁化状態は、記録プロセス中に変更される場合がある。
さらに、上記のいくつかの技法は、これらの技法による使用のために特定の方法で情報（例えば、データおよび／または命令）を格納する行為を含む。これらの手法の一部の実装－技法がコンピュータ実行可能命令として実装される実装など－では、情報はコンピュータ読み取り可能な記憶媒体にエンコードされ得る。本明細書において特定の構造がその情報を保存するための有利なフォーマットとして説明されている場合、これらの構造を使用して、記憶媒体にてエンコードされたときに情報の物理的編成を与えることができる。これらの有利な構造は、情報と対話する１つ以上のプロセッサの動作に影響を与えることにより、記憶媒体に機能を提供する。例えば、プロセッサが実行するコンピュータ操作の効率を上げることによる。
技法をコンピュータ実行可能命令として具体化できる、いくつかの、ただしすべてではない実装では、これらの命令は、図２２の例示的なコンピュータシステムを含む任意の適切なコンピュータシステムで動作する１つまたは複数の適切なコンピューティングデバイスで実行でき、あるいは、コンピュータ実行可能命令を実行するように、１つまたは複数のコンピューティングデバイス（または１つまたは複数のコンピューティングデバイスの１つまたは複数のプロセッサ）をプログラムすることができる。コンピューティングデバイスまたはプロセッサは、データストアなどのコンピューティングデバイスまたはプロセッサにアクセス可能な方法で命令が格納されたときに命令を実行するようにプログラムすることができる（例えば、オンチップキャッシュまたは命令レジスタ、バスを介してアクセス可能なコンピュータ可読記憶媒体、１つまたは複数のネットワークを介してアクセス可能なコンピュータ読み取り可能な記憶媒体、およびデバイス／プロセッサなどによってアクセス可能な媒体）。これらのコンピュータ実行可能命令を含む機能的能力は、単一の多目的プログラマブルデジタルコンピューティングデバイス、処理能力を共有し、本明細書で説明する技術を共同で実行する２つ以上の多目的コンピューティングデバイスの協調システム、本明細書で説明する技術の実行専用の単一のコンピューティングデバイスまたはコンピューティングデバイスの協調システム（コロケートまたは地理的に分散）、本明細書で説明する技術を実行するための１つまたは複数のフィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）、またはその他の適切なシステムと統合され、その動作を指示することができる。
図２２は、本明細書に記載の技術を実装するシステムで使用され得るコンピューティングデバイス２２００の形態のコンピューティングデバイスの１つの例示的な実装を示すが、他のものも可能である。図２２は、本明細書に記載の原理に従ってリチウムイオン電池のＳｏＣおよびＳｏＨを判定するためのシステムからの信号を受信および分析する手段として動作するコンピューティングデバイスに必要な構成要素の描写でも、包括的な描写でもないことを理解されたい。
コンピューティングデバイス２２００は、少なくとも１つのプロセッサ２２０２、ネットワークアダプタ２２０４、およびコンピュータ可読記憶媒体２２０６を備えてもよい。コンピューティングデバイス２２００は、例えば、デスクトップまたはラップトップパーソナルコンピュータ、携帯情報端末（ＰＤＡ）、スマート携帯電話、サーバー、無線アクセスポイントまたは他のネットワーク要素、または他のいずれかの適切なコンピューティングデバイスであり得る。ネットワークアダプタ２２０４は、コンピューティングデバイス２２００が任意の適切なコンピューティングネットワークを介して任意の他の適切なコンピューティングデバイスと有線および／または無線で通信できるようにする任意の適切なハードウェアおよび／またはソフトウェアであり得る。コンピューティングネットワークには、無線アクセスポイント、スイッチ、ルーター、ゲートウェイ、および／または他のネットワーク機器、およびインターネットを含む２つ以上のコンピュータ間でデータを交換するためのいずれかの適切な有線および／または無線通信媒体が含まれ得る。コンピュータ可読記憶媒体２２０６は、処理されるデータおよび／またはプロセッサ２２０２によって実行される命令を記憶するように適合され得る。プロセッサ２２０２は、データの処理と命令の実行を可能にする。データおよび命令は、コンピュータ可読記憶媒体２２０６に格納されてもよく、例えば、コンピューティングデバイス２２００の構成要素間の通信を可能にしてもよい。
コンピュータ可読記憶媒体２２０６に格納されたデータおよび命令は、本明細書で説明される原理に従って動作する技術を実装するコンピュータ実行可能命令を備えてもよい。図２２の例では、コンピュータ可読記憶媒体２２０６は、上述のように様々な機能を実装し様々な情報を記憶するコンピュータ実行可能命令を記憶する。コンピュータ可読記憶媒体２２０６は、リチウムイオン電池のＳｏＣおよびＳｏＨを判定し、画面に結果を表示するためのシステムからの信号を受信および処理するためのコンピュータ実行可能命令を格納することができる。
図２２には示されていないが、コンピューティングデバイスはさらに、入力デバイスおよび出力デバイスを含む１つまたは複数の構成要素および周辺機器を有し得る。これらのデバイスは、特にユーザインターフェイスを提供するために使用できる。ユーザインターフェイスを提供するために使用できる出力デバイスの例には、出力を視覚的に表示するためのプリンタまたはディスプレイ画面、および出力を音声で表示するためのスピーカまたはその他のサウンド生成デバイスが含まれる。ユーザインターフェイスに使用できる入力デバイスの例には、キーボード、マウス、タッチパッド、デジタル化タブレットなどのポインティングデバイスが含まれる。別の例として、コンピューティングデバイスは、音声認識または他の可聴形式で入力情報を受信する場合がある。
技術が回路および／またはコンピュータ実行可能命令で実装される実施形態が説明された。いくつかの実施形態は、少なくとも１つの例が提供された方法の形態であってもよいことを理解されたい。方法の一部として実行される行為は、任意の適切な方法で命令できる。したがって、実施形態は、例示の実施形態では連続的な動作として示されているが、いくつかの動作を同時に実行することを含み得る、動作が図示とは異なる順序で実行されるように構築され得る。
上述の実施形態の様々な態様は、単独で、組み合わせて、または前述の実施形態で具体的に説明されていない様々な配置で使用することができ、したがって、その適用は、前述の本明細書に記載または図面に示されている構成要素の詳細および配置に限定されない。例えば、一実施形態で説明される態様は、他の実施形態で説明される態様と任意の方法で組み合わせることができる。
また、本明細書で使用される語法および用語は、説明を目的とするものであり、限定と見なされるべきではない。本明細書における「ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ（含む）」、「ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ（含む）」、「ｈａｖｉｎｇ（有する）」、「ｃｏｎｔａｉｎｉｎｇ（含む）」、「ｉｎｖｏｌｖｉｎｇ（関与する）」、およびそれらの変形の使用は、その後に列挙される品目およびその同等物ならびに追加の品目を包含することを意味する。
「例示的」という言葉は、本明細書では、例、事例、または例示としての役割を果たすことを意図するために使用される。したがって、例示として本明細書で説明される任意の実施形態、実装、プロセス、特徴などは、例示的な例であると理解されるべきであり、特に明記しない限り、好ましいまたは有利な例であると理解されるべきではない。
このように少なくとも１つの実施形態のいくつかの態様を説明してきたが、当業者には様々な変更、修正、および改善が容易に思い浮かぶことを理解されたい。そのような変更、修正、および改善は、本開示の一部であることが意図されており、本明細書で説明される原理の精神および範囲内にあることが意図されている。したがって、前述の説明および図面は、例示のみである。
リチウムイオン電池の残容量（ＳｏＣ）および劣化状態（ＳｏＨ）を測定するための装置は、異なる構成で具体化されてもよい。構成例には、以下で説明する構成（１）から（２２）および（１２３）の任意の組み合わせが含まれ得る。
（１）リチウムイオン電池の残容量（ＳｏＣ）および／または劣化状態（ＳｏＨ）を測定するための装置であって、リチウムイオン電池の物理的および／または化学的特性を測定するように構成された少なくとも１つのデバイスであって、リチウムイオン電池のＳｏＣおよびＳｏＨは、測定された物理的および／または化学的特性から判定される少なくとも１つのデバイスを含む装置。
（２）少なくとも１つのデバイスが少なくとも１つの超音波トランスデューサを含む、構成（１）に記載の装置。
（３）少なくとも１つの超音波トランスデューサが、リチウムイオン電池の片側に配置されるように構成された少なくとも１つの送信超音波トランスデューサ、および少なくとも１つの送信超音波トランスデューサの反対側のリチウムイオン電池の側に配置されるように構成された少なくとも１つの受信超音波トランスデューサを含む、構成（２）に記載の装置。
（４）少なくとも１つの送信超音波トランスデューサが、少なくとも１つの超音波をリチウムイオン電池に送信するように構成され、少なくとも１つの受信超音波トランスデューサは、少なくとも１つの超音波を受信および測定するように構成され、リチウムイオン電池のＳｏＣおよび／またはＳｏＨが、少なくとも１つの超音波から判定される、構成（１）～（３）に記載の装置。
（５）少なくとも１つの送信超音波トランスデューサは、リチウムイオン電池の外側境界またはリチウムイオン電池内の内部構造から反射された少なくとも１つの超音波の一部を受信および測定するように構成され、リチウムイオン電池のＳｏＣおよび／またはＳｏＨは、少なくとも１つの超音波の部分から判定される、構成（１）～（４）に記載の装置。
（６）少なくとも１つの送信超音波トランスデューサおよび少なくとも１つの受信超音波トランスデューサは、リチウムイオン電池内で複数回反射された少なくとも１つの超音波の一部を受信および測定するように構成され、リチウムイオン電池のＳｏＣおよび／またはＳｏＨは、少なくとも１つの超音波の部分から判定される、構成（１）～（５）に記載の装置。
（７）少なくとも１つのデバイスは、リチウムイオン電池のＳｏＣおよび／またはＳｏＨを判定するため外部振動励起または較正された力に応答して、リチウムイオン電池の振動および／または加速度を測定するように構成された少なくとも１つのひずみゲージおよび／または少なくとも１つの加速度計を備える、構成（１）～（６）に記載の装置。
（８）少なくとも１つのデバイスは、リチウムイオン電池の振動励起または較正された力の入力に対する振動の応答を測定するように構成された少なくとも１つの電気光学センサを含む、構成（１）～（７）に記載の装置。
（９）リチウムイオン電池に対する励起または較正された力の入力は、電磁シェーカ、計装ハンマ、較正されたバネ式衝撃プローブ、リチウムイオン電池周辺の環境条件によって生成された周囲のノイズ、振動計、および／または音響もしくは超音波トランスデューサからのものである、構成（１）～（８）に記載の装置。
（１０）リチウムイオン電池を振盪するように構成されたシェーカをさらに備え、少なくとも１つのひずみゲージおよび／または少なくとも１つの加速度計は、シェーカがリチウムイオン電池を振盪するのに応じてリチウムイオン電池の運動を測定するように構成され、リチウムイオン電池のＳｏＣおよび／またはＳｏＨは、測定された運動から判定できる、構成（１）～（９）に記載の装置。
（１１）少なくとも１つのデバイスは、第１および第２の音響トランスデューサを含み、第１の音響トランスデューサは、少なくとも１つの音響波をリチウムイオン電池に送信し、リチウムイオン電池から反射された少なくとも１つの音響波の第１の部分を受信および測定するように構成され、第２の音響トランスデューサは、リチウムイオン電池を透過した少なくとも１つの音響波の第２の部分を受信および測定するように構成される、構成（１）～（１０）に記載の装置。
（１２）少なくとも１つの音響波からのリチウムイオン電池の励起を測定するように構成された少なくとも１つの加速度計をさらに備える、構成（１）～（１１）に記載の装置。
（１３）リチウムイオン電池のＳｏＣおよび／またはＳｏＨは、少なくとも１つの音響波の少なくとも第１の部分、少なくとも１つの音響波の第２の部分、およびリチウムイオン電池の励起から判定される、構成（１）～（１２）に記載の装置。
（１４）少なくとも１つのデバイスが、リチウムイオン電池に静的または動的な力を加えるためのデバイスであって、リチウムイオン電池の平面に垂直な方向に隙間を空けてその端部に取り付けられたリチウムイオン電池に力を加えるデバイス、および力に応じてリチウムイオン電池の撓みを測定するためのデバイスを備え、リチウムイオン電池のＳｏＣおよび／またはＳｏＨが撓みから判定される、構成（１）～（１３）に記載の装置。
（１５）少なくとも１つのデバイスが、リチウムイオン電池に少なくとも１つの力を加えるためのデバイスであって、リチウムイオン電池の平面に垂直な第１の方向へのリチウムイオン電池への第１の力、および第２の方向へのリチウムイオン電池への第２の力であって、第２の方向が第１の方向と反対であるか、剛性のあるバッキングによる反力である第２の力をかけるデバイス、ならびに力に応じたリチウムイオン電池の厚さの変化を測定するためのデバイスであって、リチウムイオン電池のＳｏＣおよび／またはＳｏＨは、厚さの変化から判定されるデバイスを備える、構成（１）～（１４）に記載の装置。
（１６）少なくとも１つのデバイスは、リチウムイオン電池の表面にくぼみを作ること、およびリチウムイオン電池の表面のくぼみの深さを測定することであって、リチウムイオン電池のＳｏＣおよび／またはＳｏＨは、くぼみの深さから判定される、測定することを行うよう構成されるデュロメータを備える、構成（１）～（１５）に記載の装置。
（１７）少なくとも１つのデバイスは、リチウムイオン電池の重量を測定するように構成されたスケールを備え、リチウムイオン電池のＳｏＣおよび／またはＳｏＨは、リチウムイオン電池の測定された重量から判定される、構成（１）～（１６）に記載の装置。
（１８）スケールは、リチウムイオン電池を流体に沈めるように構成され、リチウムイオン電池が流体に浸漬されている間、スケールがリチウムイオン電池の重量を測定するように構成される、構成（１）～（１７）に記載の装置。
（１９）流体に沈められている間にリチウムイオン電池によって移動された流体の量を測定するためのデバイスをさらに備え、リチウムイオン電池のＳｏＣおよび／またはＳｏＨがリチウムイオン電池によって移動された流体の測定された量から判定される、構成要素（１）～（１８）に記載の装置。
（２０）少なくとも１つのデバイスが、少なくとも１つのＸ線デバイスを含む、構成（１）～（１９）に記載の装置。
（２１）少なくとも１つのＸ線デバイスが、リチウムイオン電池の片側に配置されるように構成された第１のＸ線エミッタ、第１のＸ線エミッタとは反対側のリチウムイオン電池の側に配置されるように構成される第１のＸ線検出器、および第１のＸ線エミッタと同じ側に配置されるように構成される第２のＸ線エミッタを備える、構成（１）～（２０）に記載の装置。
（２２）第１のＸ線エミッタは、少なくとも１つのＸ線のパッケージをリチウムイオン電池に送信するように構成され、第１のＸ線検出器は、リチウムイオン電池を透過したＸ線の少なくとも１つのパッケージの第１の部分を受信して測定するように構成され、第２のＸ線検出器は、リチウムイオン電池から後方散乱された少なくとも１つのＸ線のパッケージの第２の部分を受信して測定するように構成され、リチウムイオン電池のＳｏＣおよび／またはＳｏＨは、少なくとも１つのＸ線のパッケージの第１の部分と第２の部分から少なくとも判定される、構成（１）～（２１）に記載の装置。
リチウムイオン電池の残容量（ＳｏＣ）および／または劣化状態（ＳｏＨ）を判定するシステムは、異なる構成で具体化できる。例示的な構成は、以下で説明するように、構成（２３）から（４４）および（１２４）の任意の組み合わせを含んでもよい。
（２３）リチウムイオン電池のＳｏＣおよびＳｏＨを判定するためのシステムであって、リチウムイオン電池の物理的および／または化学的特性を測定するように構成された少なくとも１つのデバイスを含む装置、ならびにリチウムイオン電池のＳｏＣおよびＳｏＨを判定するように装置からの少なくとも１つの信号を受信および分析するよう構成された少なくとも１つのコンピューティングデバイスを備える、システム。
（２４）少なくとも１つのデバイスが少なくとも１つの超音波トランスデューサを備える、構成（２３）に記載のシステム。
（２５）少なくとも１つの超音波トランスデューサが、リチウムイオン電池の片側に配置されるように構成された少なくとも１つの送信超音波トランスデューサ、および少なくとも１つの送信超音波トランスデューサの反対側のリチウムイオン電池の側に配置されるように構成された少なくとも１つの受信超音波トランスデューサを含む、構成（２３）～（２４）に記載のシステム。
（２６）少なくとも１つの送信超音波トランスデューサが、少なくとも１つの超音波をリチウムイオン電池に送信するように構成され、少なくとも１つの受信超音波トランスデューサは、少なくとも１つの超音波を受信および測定するように構成され、リチウムイオン電池のＳｏＣおよび／またはＳｏＨが、少なくとも１つの超音波から判定される、構成（２３）～（２５）に記載のシステム。
（２７）少なくとも１つの送信超音波トランスデューサは、リチウムイオン電池の境界またはリチウムイオン電池内の内部構造から反射された少なくとも１つの超音波の一部を受信および測定するように構成され、リチウムイオン電池のＳｏＣおよび／またはＳｏＨは、少なくとも１つの超音波の部分から判定される、構成（２３）～（２６）に記載のシステム。
（２８）少なくとも１つの送信超音波トランスデューサおよび少なくとも１つの受信超音波トランスデューサは、リチウムイオン電池内で複数回反射された少なくとも１つの超音波の一部を受信および測定するように構成され、リチウムイオン電池のＳｏＣおよび／またはＳｏＨは、少なくとも１つの超音波の部分から判定される、構成（２３）～（２７）に記載のシステム。
（２９）少なくとも１つのデバイスは、リチウムイオン電池のＳｏＣおよび／またはＳｏＨを判定するため外部刺激または較正された力に応答して、リチウムイオン電池の振動および／または加速度を測定するように構成された少なくとも１つのひずみゲージおよび／または少なくとも１つの加速度計を備える、構成（２３）～（２８）に記載のシステム。
（３０）少なくとも１つのデバイスは、リチウムイオン電池の外部刺激または較正された力の入力に対する振動の応答を測定するように構成された少なくとも１つの電気光学センサを含む、構成（２３）～（２９）に記載のシステム。
（３１）リチウムイオン電池に対する較正された力の入力または外部刺激は、電磁シェーカ、計装ハンマ、較正されたバネ式衝撃プローブ、リチウムイオン電池周辺の環境条件によって生成された周囲のノイズ、振動計、および／または音響もしくは超音波トランスデューサからのものである、構成（２３）～（３０）に記載のシステム。
（３２）リチウムイオン電池を振盪するように構成されたシェーカをさらに備え、少なくとも１つのひずみゲージおよび／または少なくとも１つの加速度計は、シェーカがリチウムイオン電池を振盪するのに応じてリチウムイオン電池の運動を測定するように構成され、リチウムイオン電池のＳｏＣおよび／またはＳｏＨは、測定された運動から判定できる、構成（２３）～（３１）に記載のシステム。
（３３）少なくとも１つのデバイスは、第１および第２の音響（可聴周波数）トランスデューサを含み、第１の音響トランスデューサは、少なくとも１つの音響波をリチウムイオン電池に送信し、リチウムイオン電池から反射された少なくとも１つの音響波の第１の部分を受信および測定するように構成され、第２の音響トランスデューサは、リチウムイオン電池を透過した少なくとも１つの音響波の第２の部分を受信および測定するように構成される、構成（２３）～（３２）に記載のシステム。
（３４）少なくとも１つの音響波からのリチウムイオン電池の励起を測定するように構成された少なくとも１つの加速度計をさらに備える、構成（２３）～（３３）に記載のシステム。
（３５）リチウムイオン電池のＳｏＣおよび／またはＳｏＨは、少なくとも１つの音響波の少なくとも第１の部分、少なくとも１つの音響波の第２の部分、およびリチウムイオン電池の励起から判定される、構成（２３）～（３４）に記載のシステム。
（３６）少なくとも１つのデバイスが、リチウムイオン電池に静的または動的な力を加えるためのデバイスであって、リチウムイオン電池の平面に垂直な方向に隙間を空けてその端部により吊り下げられたリチウムイオン電池に力を加えるデバイス、および力に応じてリチウムイオン電池の撓みを測定するためのデバイスを備え、リチウムイオン電池のＳｏＣおよび／またはＳｏＨが撓みから判定される、構成（２３）～（３５）に記載のシステム。
（３７）少なくとも１つのデバイスが、リチウムイオン電池に少なくとも１つの力を加えるためのデバイスであって、リチウムイオン電池の平面に垂直な第１の方向へのリチウムイオン電池への第１の力、および第２の方向へのリチウムイオン電池への第２の力であって、第２の方向が第１の方向と反対であるか、剛性のあるバッキングによる反力である第２の力をかけるデバイス、ならびに力に応じたリチウムイオン電池の厚さの変化を測定するためのデバイスであって、リチウムイオン電池のＳｏＣおよび／またはＳｏＨは、厚さの変化から判定されるデバイスを備える、構成（２３）～（３６）に記載のシステム。
（３８）少なくとも１つのデバイスは、リチウムイオン電池の表面にくぼみを作ること、およびリチウムイオン電池の表面のくぼみの深さを測定することであって、リチウムイオン電池のＳｏＣおよび／またはＳｏＨは、くぼみの深さから判定される、測定することを行うよう構成されるデュロメータを備える、構成（２３）～（３７）に記載のシステム。
（３９）少なくとも１つのデバイスは、リチウムイオン電池の重量を測定するように構成されたスケールを備え、リチウムイオン電池のＳｏＣおよび／またはＳｏＨは、リチウムイオン電池の測定された重量から判定される、構成（２３）～（３８）に記載のシステム。
（４０）スケールは、リチウムイオン電池を流体に沈めるように構成され、リチウムイオン電池が流体に浸漬されている間、スケールがリチウムイオン電池の重量を測定するように構成される、構成（２３）～（３９）に記載のシステム。
（４１）流体に沈められている間にリチウムイオン電池によって移動された流体の量を測定するためのデバイスをさらに備え、リチウムイオン電池のＳｏＣおよびＳｏＨがリチウムイオン電池によって移動された流体の測定された量から判定される、構成（２３）～（４０）に記載のシステム。
（４２）少なくとも１つのデバイスが、少なくとも１つのＸ線デバイスを含む、構成（２３）～（４１）に記載のシステム。
（４３）少なくとも１つのＸ線デバイスが、リチウムイオン電池の片側に配置されるように構成された第１のＸ線エミッタ、第１のＸ線エミッタとは反対側のリチウムイオン電池の側に配置されるように構成される第１のＸ線検出器、およびＸ線エミッタと同じ側に配置されるように構成される第２のＸ線検出器を備える、構成（２３）～（４２）に記載のシステム。
（４４）第１のＸ線エミッタは、少なくとも１つのＸ線のパッケージをリチウムイオン電池に送信するように構成され、第１のＸ線検出器は、リチウムイオン電池を透過したＸ線の少なくとも１つのパッケージの第１の部分を受信して測定するように構成され、第２のＸ線受信器は、リチウムイオン電池から後方散乱された少なくとも１つのＸ線のパッケージの第２の部分を受信して測定するように構成され、リチウムイオン電池のＳｏＣおよび／またはＳｏＨは、Ｘ線の少なくとも１つのパッケージの第１の部分と第２の部分から少なくとも判定される、構成（２３）～（４３）に記載のシステム。
リチウムイオン電池のＳＳＥＩ層を破壊するための装置が、異なる構成で具体化できる。例示的な構成は、以下で説明するように、構成（４５）から（７２）および（１２５）の任意の組み合わせを含んでもよい。
（４５）リチウムイオン電池の二次固体電解質界面（ＳＳＥＩ）層を破壊する装置であって、リチウムイオン電池のＳＳＥＩ層を破壊するように構成された少なくとも１つのデバイスを備える装置。
（４６）少なくとも１つのデバイスが、複数の超音波トランスデューサを備える、構成（４５）に記載の装置。
（４７）複数の超音波トランスデューサは、高エネルギー超音波をリチウムイオン電池に送信して、ＳＳＥＩ層を破壊するように構成されている、構成（４５）～（４６）に記載の装置。
（４８）高エネルギー超音波の周波数は、ＳＳＥＩ層の分子結合の共振周波数に等しい、構成（４５）～（４７）に記載の装置。
（４９）高エネルギー超音波は、ＳＳＥＩ層にキャビテーションを引き起こすように設計されている、構成（４５）～（４８）に記載の装置。
（５０）高エネルギー超音波は、リチウムイオン電池のアノードおよび／またはカソードにおける１つ以上の構造の共振を励起するように設計されている、構成（４５）～（４９）に記載の装置。
（５１）高エネルギー超音波が、連続波、トーンバースト、インパルス、および／またはチャープを含む、構成（４５）～（５０）に記載の装置。
（５２）複数の超音波トランスデューサは、フェーズドアレイ超音波を利用する、構成（４５）～（５１）に記載の装置。
（５３）複数の超音波トランスデューサは、超音波が所望の位置で建設的に干渉するように、リチウムイオン電池に超音波を送信するように構成される、構成（４５）～（５２）に記載の装置。
（５４）超音波は、ＳＳＥＩ層で建設的に干渉して、ＳＳＥＩ層を破壊する、構成（４５）～（５３）に記載の装置。
（５５）複数の超音波トランスデューサの超音波トランスデューサ間に所定の位相シフトを設定することにより、所望の位置で超音波が建設的に干渉する、構成（４５）～（５４）に記載の装置。
（５６）少なくとも１つのデバイスが少なくとも１つのＸ線エミッタを備える、構成（４５）～（５５）に記載の装置。
（５７）少なくとも１つのＸ線エミッタは、Ｘ線をリチウムイオン電池に透過させてＳＳＥＩ層を破壊するように構成される、構成（４５）～（５６）に記載の装置。
（５８）透過Ｘ線のエネルギーは、ＳＳＥＩ層の吸収特性によって判定される、構成（４５）～（５７）に記載の装置。
（５９）少なくとも１つのＸ線エミッタは、リチウムイオン電池の平面に平行な方向にリチウムイオン電池にＸ線を透過させて、リチウムイオン電池にプラズモン共振を導入するように構成される、構成（４５）～（５８）に記載の装置。
（６０）少なくとも１つのデバイスが少なくとも１つの電流供給源を備え、少なくとも１つの電流供給源が、ＳＳＥＩ層を破壊する強い共振構造応答を誘発する周波数でリチウムイオン電池に交流電流を駆動するように構成される、構成（４５）～（５９）に記載の装置。
（６１）少なくとも１つの電流供給源が、リチウムイオン電池のアノードおよびカソードに接続されている、構成（４５）～（６０）に記載の装置。
（６２）少なくとも１つのデバイスが、短絡に類似したエネルギー状態を生じさせて、リチウムイオン電池内に強い電子の力を生じさせてＳＳＥＩ層を破壊するように構成された回路を備える、構成（４５）～（６１）に記載の装置。
（６３）回路は、リチウムイオン電池のアノードとカソードに低インピーダンスを配置し、リチウムイオン電池に大電流を流すことにより、リチウムイオン電池内の短絡と同様のエネルギー条件を生じるように構成される、構成（４５）～（６２）に記載の装置。
（６４）少なくとも１つのデバイスは、リチウムイオン電池の電解質を調和する水平運動に駆動してＳＳＥＩ層を破壊するように構成された外部ロッカを含む、構成（４５）～（６３）に記載の装置。
（６５）外部ロッカは、リチウムイオン電池の平面に垂直な軸の周りで外部ロッカを揺動させることにより、リチウムイオン電池の電解質を調和する水平運動に駆動するよう構成される、構成（４５）～（６４）に記載の装置。
（６６）外部ロッカが、リチウムイオン電池の電解質を調和する水平運動に駆動して、リチウムイオン電池のアノードおよびカソードの表面にせん断応力を発生させ、ＳＳＥＩ層を破壊するように構成される、構成（４５）～（６５）に記載の装置。
（６７）少なくとも１つのデバイスは、リチウムイオン電池を回転させてＳＳＥＩ層を破壊するように構成された回転デバイスを備える、構成（４５）～（６６）に記載の装置。
（６８）回転デバイスは、リチウムイオン電池の平面に垂直な軸の周りでリチウムイオン電池を回転させるように構成されている、構成（４５）～（６７）に記載の装置。
（６９）回転デバイスは、リチウムイオン電池の電解質内に流れを誘導し、ＳＳＥＩ層に高せん断を誘導してＳＳＥＩ層を破壊するように、連続回転または振動性回転でリチウムイオン電池を回転させるように構成される、構成（４５）～（６８）に記載の装置。
（７０）少なくとも１つのデバイスが、リチウムイオン電池のアノードおよびカソードの表面に平行な高エネルギー超音波を送信して、リチウムイオン電池の電解質の流れを生じさせて、高いせん断力を生じさせてＳＳＥＩ層を破壊するように構成された少なくとも１つの高エネルギー超音波トランスデューサを含む、構成（４５）～（６９）に記載の装置。
（７１）少なくとも１つのデバイスは、リチウムイオン電池の環境を制御して、ＳＳＥＩ層を破壊するデバイスを含む、構成（４５）～（７０）に記載の装置。
（７２）リチウムイオン電池の環境を制御するためのデバイスは、リチウムイオン電池に熱を加えるか、リチウムイオン電池から熱を除去するように構成される、構成（４５）～（７１）に記載の装置。
リチウムイオン電池のＳｏＣおよびＳｏＨを判定する方法には、様々なプロセスが含まれ得る。例示的な方法は、以下で説明するように、プロセス（７３）から（９４）および（１２６）の任意の組み合わせを含むことができる。
（７３）リチウムイオン電池の残容量（ＳｏＣ）および／または劣化状態（ＳｏＨ）を判定するための方法であって、リチウムイオン電池の物理的および／または化学的特性を少なくとも１つのデバイスで測定すること、ならびにリチウムイオン電池のＳｏＣおよびＳｏＨを、測定された物理的および／または化学的特性から判定することを含む方法。
（７４）少なくとも１つのデバイスが少なくとも１つの超音波トランスデューサを備える、構成（７３）に記載の方法。
（７５）少なくとも１つの超音波トランスデューサが、リチウムイオン電池の片側に配置されるように構成された少なくとも１つの送信超音波トランスデューサ、および少なくとも１つの送信超音波トランスデューサの反対側のリチウムイオン電池の側に配置されるように構成された少なくとも１つの受信超音波トランスデューサを備える、構成（７３）～（７４）に記載の方法。
（７６）少なくとも１つの送信超音波トランスデューサが、少なくとも１つの超音波をリチウムイオン電池に送信するように構成され、少なくとも１つの受信超音波トランスデューサは、少なくとも１つの超音波を受信および測定するように構成され、リチウムイオン電池のＳｏＣおよび／またはＳｏＨが、少なくとも１つの超音波から判定される、構成（７３）～（７５）に記載の方法。
（７７）少なくとも１つの送信超音波トランスデューサは、リチウムイオン電池の外側境界またはリチウムイオン電池内の内部構造から反射された少なくとも１つの超音波の一部を受信および測定するように構成され、リチウムイオン電池のＳｏＣおよび／またはＳｏＨは、少なくとも１つの超音波の部分から判定される、構成（７３）～（７６）に記載の方法。
（７８）少なくとも１つの送信超音波トランスデューサおよび少なくとも１つの受信超音波トランスデューサは、リチウムイオン電池内で複数回反射された少なくとも１つの超音波の一部を受信および測定するように構成され、リチウムイオン電池のＳｏＣおよび／またはＳｏＨは、少なくとも１つの超音波の部分から判定される、構成（７３）～（７７）に記載の方法。
（７９）少なくとも１つのデバイスは、リチウムイオン電池のＳｏＣおよび／またはＳｏＨを判定するため外部振動刺激または較正された力に応答して、リチウムイオン電池の振動および／または加速度を測定するように構成された少なくとも１つのひずみゲージおよび／または少なくとも１つの加速度計を備える、構成（７３）～（７８）に記載の方法。
（８０）少なくとも１つのデバイスは、リチウムイオン電池の外部振動刺激または較正された力の入力に対する振動応答を測定するように構成された少なくとも１つの電気光学センサを備える、構成（７３）～（７９）に記載の方法。
（８１）リチウムイオン電池に対する較正された力の入力または外部刺激は、電磁シェーカもしくは振動計、計装ハンマ、較正されたバネ式衝撃プローブ、リチウムイオン電池周辺の環境条件によって生成された周囲のノイズ、および／または音響もしくは超音波トランスデューサからのものである、構成（７３）～（８０）に記載の方法。
（８２）リチウムイオン電池を振盪するように構成されたシェーカをさらに備え、少なくとも１つのひずみゲージ少なくとも１つの加速度計、および／または少なくとも１つの電気・光センサは、シェーカがリチウムイオン電池を振盪するのに応じてリチウムイオン電池の運動を測定するように構成され、リチウムイオン電池のＳｏＣおよび／またはＳｏＨは、測定された運動から判定できる、構成（７３）～（８１）に記載の方法。
（８３）少なくとも１つのデバイスは、第１および第２の音響トランスデューサを含み、第１の音響トランスデューサは、少なくとも１つの音響波をリチウムイオン電池に送信し、リチウムイオン電池から反射された少なくとも１つの音響波の第１の部分を受信および測定するように構成され、第２の音響トランスデューサは、リチウムイオン電池を透過した少なくとも１つの音響波の第２の部分を受信および測定するように構成される、構成（７３）～（８２）に記載の方法。
（８４）少なくとも１つの音響波からのリチウムイオン電池の励起を測定するように構成された少なくとも１つの加速度計をさらに備える、構成（７３）～（８３）に記載の方法。
（８５）リチウムイオン電池のＳｏＣおよび／またはＳｏＨは、少なくとも１つの音響波の少なくとも第１の部分、少なくとも１つの音響波の第２の部分、およびリチウムイオン電池の励起から判定される、構成（７３）～（８４）に記載の方法。
（８６）少なくとも１つのデバイスが、リチウムイオン電池に静的または動的な力を加えるためのデバイスであって、リチウムイオン電池の平面に垂直な方向に隙間を空けてその端部に取り付けられたリチウムイオン電池に力を加えるデバイス、および力に応じてリチウムイオン電池の撓みを測定するためのデバイスを備え、リチウムイオン電池のＳｏＣおよび／またはＳｏＨが撓みから判定される、構成（７３）～（８５）に記載の方法。
（８７）少なくとも１つのデバイスが、リチウムイオン電池に少なくとも１つの力を加えるためのデバイスであって、リチウムイオン電池の平面に垂直な第１の方向へのリチウムイオン電池への第１の力、および第２の方向へのリチウムイオン電池への第２の力であって、第２の方向が第１の方向と反対であるか、剛性のあるバッキングによる反力である第２の力をかけるデバイス、ならびに力に応じたリチウムイオン電池の厚さの変化を測定するためのデバイスであって、リチウムイオン電池のＳｏＣおよび／またはＳｏＨは、厚さの変化から判定されるデバイスを備える、構成（７３）～（８６）に記載の方法。
（８８）少なくとも１つのデバイスは、リチウムイオン電池の表面にくぼみを作ること、ならびにリチウムイオン電池の表面のくぼみの深さを測定することであって、リチウムイオン電池のＳｏＣおよび／またはＳｏＨは、くぼみの深さから判定される、測定することを行うよう構成されるデュロメータを備える、構成（７３）～（８７）に記載の方法。
（８９）少なくとも１つのデバイスは、リチウムイオン電池の重量を測定するように構成されたスケールを備え、リチウムイオン電池のＳｏＣおよび／またはＳｏＨは、リチウムイオン電池の測定された重量から判定される、構成（７３）～（８８）に記載の方法。
（９０）スケールは、リチウムイオン電池を流体に沈めるように構成され、リチウムイオン電池が流体に浸漬されている間、スケールがリチウムイオン電池の重量を測定するように構成される、構成（７３）～（８９）に記載の方法。
（９１）流体に沈められている間にリチウムイオン電池によって移動された流の量を測定するためのデバイスをさらに備え、リチウムイオン電池のＳｏＣおよび／またはＳｏＨがリチウムイオン電池によって移動された流体の測定された量から判定される、構成（７３）～（９０）に記載の方法。
（９２）少なくとも１つのデバイスが、少なくとも１つのＸ線デバイスを備える、構成（７３）～（９１）に記載の方法。
（９３）少なくとも１つのＸ線デバイスが、リチウムイオン電池の片側に配置されるように構成された第１のＸ線エミッタ、第１のＸ線エミッタとは反対側のリチウムイオン電池の側に配置されるように構成される第１のＸ線検出器、およびリチウムイオン電池の第１のＸ線エミッタと同じ側に配置されるように構成される第２のＸ線検出器を備える、構成（７３）～（９２）に記載の方法。
（９４）第１のＸ線エミッタは、少なくとも１つのＸ線のパッケージをリチウムイオン電池に送信するように構成され、第１のＸ線検出器は、リチウムイオン電池を透過したＸ線の少なくとも１つのパッケージの第１の部分を受信して測定するように構成され、第２のＸ線検出器は、リチウムイオン電池から後方散乱された少なくとも１つのＸ線のパッケージの第２の部分を受信して測定するように構成され、リチウムイオン電池のＳｏＣおよび／またはＳｏＨは、Ｘ線の少なくとも１つのパッケージの第１の部分と第２の部分から少なくとも判定される、構成（７３）～（９３）に記載の方法。
リチウムイオン電池の再生方法には、様々なプロセスが含まれ得る。例示的な方法は、以下で説明するように、プロセス（９５）から（１２２）および（１２７）の任意の組み合わせを含み得る。
（９５）リチウムイオン電池の再生方法であって、少なくとも１つのデバイスでリチウムイオン電池の二次固体電解質界面（ＳＳＥＩ）層を破壊することを含む方法。
（９６）少なくとも１つのデバイスが、複数の超音波トランスデューサを備える、構成（９５）に記載の方法。
（９７）複数の超音波トランスデューサは、高エネルギー超音波をリチウムイオン電池に送信して、ＳＳＥＩ層を破壊するように構成されている、構成（９５）～（９６）に記載の方法。
（９８）高エネルギー超音波の周波数は、ＳＳＥＩ層の分子結合の共振周波数に等しい、構成（９５）～（９７）に記載の方法。
（９９）高エネルギー超音波は、ＳＳＥＩ層にキャビテーションを引き起こすように設計されている、構成（９５）～（９８）に記載の方法。
（１００）高エネルギー超音波は、リチウムイオン電池のアノードおよび／またはカソードにおける１つ以上の構造の共振を励起するように設計されている、構成（９５）～（９９）に記載の方法。
（１０１）高エネルギー超音波が、連続波、トーンバースト、インパルス、および／またはチャープを含む、構成（９５）～（１００）に記載の方法。
（１０２）複数の超音波トランスデューサは、フェーズドアレイ超音波を利用する、構成（９５）～（１０１）に記載の方法。
（１０３）複数の超音波トランスデューサは、超音波が所望の位置で建設的に干渉するように、リチウムイオン電池に超音波を送信するように構成される、構成（９５）～（１０２）に記載の方法。
（１０４）超音波は、ＳＳＥＩ層で建設的に干渉して、ＳＳＥＩ層を破壊する、構成（９５）～（１０３）に記載の方法。
（１０５）複数の超音波トランスデューサの超音波トランスデューサ間に所定の位相シフトを設定することにより、所望の位置で超音波が建設的に干渉する、構成（９５）～（１０４）に記載の方法。
（１０６）少なくとも１つのデバイスが、少なくとも１つのＸ線エミッタを備える、構成（９５）～（１０５）に記載の方法。
（１０７）少なくとも１つのＸ線エミッタは、Ｘ線をリチウムイオン電池に透過させてＳＳＥＩ層を破壊するように構成される、構成（９５）～（１０６）に記載の方法。
（１０８）透過Ｘ線のエネルギーは、ＳＳＥＩ層の吸収特性によって判定される、構成（９５）～（１０７）に記載の方法。
（１０９）少なくとも１つのＸ線エミッタは、リチウムイオン電池の平面に平行な方向にリチウムイオン電池にＸ線を透過させて、電池にプラズモン共振を誘発するように構成される、構成（９５）～（１０８）に記載の方法。
（１１０）少なくとも１つのデバイスが少なくとも１つの電流供給源を備え、少なくとも１つの電流供給源が、ＳＳＥＩ層を破壊する構造の共振の周波数でリチウムイオン電池に交流電流を駆動するように構成される、構成（９５）～（１０９）に記載の方法。
（１１１）少なくとも１つの電流供給源が、リチウムイオン電池のアノードおよびカソードに接続されている、構成（９５）～（１１０）に記載の方法。
（１１２）少なくとも１つのデバイスが、短絡に類似したエネルギー状態を生じさせて、リチウムイオン電池内に強い電子の力を生じさせてＳＳＥＩ層を破壊するように構成された回路を備える、構成（９５）～（１１１）に記載の方法。
（１１３）回路は、リチウムイオン電池のアノードとカソードに低インピーダンスを配置し、リチウムイオン電池に大電流を流すことにより、リチウムイオン電池ショート内に強い電子の力を生成する短絡と同様のエネルギー条件を生じるように構成される、構成（９５）～（１１２）に記載の方法。
（１１４）少なくとも１つのデバイスは、リチウムイオン電池の電解質を調和する水平運動に駆動してＳＳＥＩ層を破壊するように構成された外部ロッカを備える、構成（９５）～（１１３）に記載の方法。
（１１５）外部ロッカは、リチウムイオン電池の平面に垂直な軸の周りで外部ロッカを揺動させることにより、リチウムイオン電池の電解質を調和する水平運動に駆動するよう構成される、構成（９５）～（１１４）に記載の方法。
（１１６）外部ロッカが、リチウムイオン電池の電解質を調和する水平運動に駆動して、リチウムイオン電池のアノードおよびカソードの表面にせん断応力を発生させ、ＳＳＥＩ層を破壊するように構成される、構成（９５）～（１１５）に記載の方法。
（１１７）少なくとも１つのデバイスは、リチウムイオン電池を回転させてＳＳＥＩ層を破壊するように構成された回転デバイスを備える、構成（９５）～（１１６）に記載の方法。
（１１８）回転デバイスは、リチウムイオン電池の平面に垂直な軸の周りでリチウムイオン電池を回転させるように構成されている、構成（９５）～（１１７）に記載の方法。
（１１９）回転デバイスは、リチウムイオン電池の電解質内に流れを誘導し、ＳＳＥＩ層に高せん断を誘導してＳＳＥＩ層を破壊するように、連続回転または振動性回転でリチウムイオン電池を回転させるように構成される、構成（９５）～（１１８）に記載の方法。
（１２０）少なくとも１つのデバイスが、リチウムイオン電池のアノードおよびカソードの表面に平行な高エネルギー超音波を送信して、リチウムイオン電池の電解質の流れを生じさせて、高いせん断力を生じさせてＳＳＥＩ層を破壊するように構成された少なくとも１つの高エネルギー超音波トランスデューサを備える、構成（９５）～（１１９）に記載の方法。
（１２１）少なくとも１つのデバイスは、リチウムイオン電池の環境を制御して、ＳＳＥＩ層を破壊するデバイスを備える、構成（９５）～（１２０）に記載の方法。
（１２２）リチウムイオン電池の環境を制御するためのデバイスは、リチウムイオン電池に熱を加えるか、リチウムイオン電池から熱を除去するように構成される、構成（９５）～（１２１）に記載の方法。
（１２３）リチウムイオン電池のＳＳＥＩ層の厚さが、リチウムイオン電池のＳｏＣおよび／またはＳｏＨから判定される、構成（１）～（２２）に記載の装置。
（１２４）リチウムイオン電池のＳＳＥＩ層の厚さが、リチウムイオン電池のＳｏＣおよび／またはＳｏＨから判定される、構成（２３）～（４４）に記載のシステム。
（１２５）リチウムイオン電池のＳｏＣおよび／またはＳｏＨからリチウムイオン電池のＳＳＥＩ層の厚さを判定することをさらに含む、構成（７３）～（９４）に記載の方法。
（１２６）リチウムイオン電池への潜在的な付随的損傷を最小限に抑えるべくリチウムイオン電池の温度を下げるように構成されたデバイスであって、リチウムイオン電池の温度を下げるように構成されたデバイスが、ＳＳＥＩ層を破壊する上記の方法の１つ以上の間にリチウムイオン電池の温度を下げるように構成され得るデバイスをさらに含む、構成（４５）～（７２）に記載の装置。
（１２７）リチウムイオン電池への潜在的な付随的損傷を最小限に抑えるべくリチウムイオン電池の温度を下げることであって、リチウムイオン電池の温度を下げるステップが、ＳＳＥＩ層を破壊する上記の方法の１つ以上の前、間、または後に生じ得る、リチウムイオン電池の温度を下げることをさらに含む、構成（９５）～（１２２）に記載の方法。

Claims (25)

  1. リチウムイオン電池に容量を復活させる装置であって、
    該リチウムイオン電池の一端に関連して設けられた少なくとも１つの超音波トランスデューサであって、該リチウムイオン電池のアノード及びカソードの表面に平行な第１の超音波を送信して、該アノードと該カソードとの間におけるチャネルに該少なくとも１つの超音波トランスデューサから離れるように電解質の流れを生じさせる、ように構成された少なくとも１つの超音波トランスデューサを具備し、
    前記電解質の流れが、前記リチウムイオン電池の少なくとも１つの２次固体電解質界面（ＳＳＥＩ）層を破壊する表面せん断を発生させる、ことを特徴とする装置。
  2. 前記少なくとも１つの超音波トランスデューサに結合されたコントローラをさらに具備し、
    該コントローラは、前記リチウムイオン電池が充電及び放電をしていない間において、前記第１の超音波を送信するように前記少なくとも１つの超音波トランスデューサを制御するように構成される、請求項１に記載の装置。
  3. 前記第１の超音波の少なくとも１つの周波数が前記少なくとも１つのＳＳＥＩ層の分子結合の共振周波数に等しい、請求項１に記載の装置。
  4. 前記第１の超音波が、前記リチウムイオン電池の前記電解質にキャビテーションを生じさせるように設計される、請求項１に記載の装置。
  5. 前記第１の超音波が、前記リチウムイオン電池の少なくとも１つの電極に１又はそれ以上の構造上の共振を励起するように設計される、請求項１に記載の装置。
  6. 前記少なくとも１つの超音波トランスデューサが、該少なくとも１つの超音波トランスデューサからの超音波を集束させるように構成された音響レンズを含むか、又は、
    前記少なくとも１つの超音波トランスデューサが、少なくとも１つの凹面超音波トランスデューサを含む、請求項１に記載の装置。
  7. 前記リチウムイオン電池に反射した又は該リチウムイオン電池を介して送信された第２の超音波を受信及び測定するように構成された少なくとも１つの受信超音波トランスデューサと、
    前記少なくとも１つの超音波トランスデューサ及び前記少なくとも１つの受信超音波トランスデューサに結合されたコントローラと、
    をさらに具備し、
    該コントローラが、
    測定された前記第２の超音波に基づいて、前記リチウムイオン電池の残容量及び劣化状態に対する値を決定し、
    決定された前記残容量及び前記劣化状態に対する前記値に基づいて、前記少なくとも１つのＳＳＥＩ層の厚みを決定する、
    ように構成される、請求項１に記載の装置。
  8. 前期コントローラは、さらに、前記少なくとも１つの受信超音波トランスデューサが前記第２の超音波を受信する前に、１つの充電／放電サイクルを通して前記リチウムイオン電池を循環させるように構成される、請求項７に記載の装置。
  9. 前記少なくとも１つの超音波トランスデューサが、
    第１の動作モードにおいて、前記少なくとも１つのＳＳＥＩ層を破壊する前記表面せん断を発生させる前記電解質の前記流れを生じさせる、第１のエネルギーを有する前記第１の超音波を、発生させ、
    第２の動作モードにおいて、前記第１のエネルギーより小さい第２のエネルギーを有する第２の超音波を発生させ、前記リチウムイオン電池から該第２の超音波の反射を検出する、
    ように構成され、
    当該装置が、さらに、
    前記第２の動作モードの間、前記少なくとも１つの超音波トランスデューサにより検出された前記第２の超音波に基づいて、前記リチウムイオン電池の残容量及び劣化状態に対する値を決定し、
    決定された前記残容量及び前記劣化状態に対する前記値に基づいて、前記ＳＳＥＩ層の厚みを決定する、
    ように構成されたコントローラを含む、請求項１に記載の装置。
  10. 前記コントローラが、さらに、前記第２の超音波を発生させる前に、１つの充電／放電サイクルを通して前記リチウムイオン電池を循環させるように構成される、請求項９に記載の装置。
  11. 前記少なくとも１つの超音波トランスデューサが、前記リチウムイオン電池の内部に高速音響ストリーミングを発生させるよう前記第１の超音波を送信する、ように構成される、請求項１に記載の装置。
  12. 前記ＳＳＥＩ層が、前記アノードの前記表面の上方に、固体電解質界面（ＳＥＩ）層の上に、又は、電解質の解離若しくは不純物に起因する前記リチウムイオン電池の内部のアノード粒子の上に、形成される、請求項１に記載の装置。
  13. リチウムイオン電池に容量を復活させる方法であって、
    該リチウムイオン電池の一端に関連して設けられた少なくとも１つの超音波トランスデューサを介して、該リチウムイオン電池のアノード及びカソードの表面に平行な第１の超音波を送信して、該アノードと該カソードとの間におけるチャネルに該少なくとも１つの超音波トランスデューサから離れるように電解質の流れを生じさせること、を含み、
    前記電解質の流れが、前記リチウムイオン電池の少なくとも１つの２次固体電解質界面（ＳＳＥＩ）層を破壊する表面せん断を発生させる、ことを特徴とする方法。
  14. 前記第１の超音波を送信することは、前記リチウムイオン電池が充電及び放電をしていない間に行われる、請求項１３に記載の方法。
  15. 前記第１の超音波の少なくとも１つの周波数が、前記少なくとも１つのＳＳＥＩ層の少なくとも１つの分子結合の共振周波数を励起することによって、該少なくとも１つの分子結合が前記励起によって破壊される、請求項１３に記載の方法。
  16. 前記第１の超音波が、前記リチウムイオン電池の前記電解質にキャビテーションを生じさせる、請求項１３に記載の方法。
  17. 前記第１の超音波の少なくとも１つの周波数が、前記リチウムイオン電池の少なくとも１つの電極の１又はそれ以上の構造上の共振を励起する、請求項１３に記載の方法。
  18. 前記少なくとも１つの超音波トランスデューサが、該少なくとも１つの超音波トランスデューサからの超音波を集束させるように構成された音響レンズを含むか、又は、
    前記少なくとも１つの超音波トランスデューサが、少なくとも１つの凹面超音波トランスデューサを含む、請求項１３に記載の方法。
  19. 前記第１の超音波を送信することの前に、
    少なくとも１つの受信超音波トランスデューサを介して、前記リチウムイオン電池に反射した又は該リチウムイオン電池を介して送信された第２の超音波を測定すること、
    測定された前記第２の超音波に基づいて、前記リチウムイオン電池の残容量及び劣化状態に対する値を決定すること、並びに、
    決定された前記残容量及び前記劣化状態に対する前記値に基づいて、前記少なくとも１つのＳＳＥＩ層の厚みを決定すること、
    をさらに含む、請求項１３に記載の方法。
  20. 第２の超音波を測定することの前に、１つの充電／放電サイクルを通して前記リチウムイオン電池を循環させること、をさらに含む、請求項１９に記載の方法。
  21. 前記第１の超音波を送信することの前に、
    前記少なくとも１つの超音波トランスデューサを介して、第２のエネルギーを有する第２の超音波を発生させること、
    前記少なくとも１つの超音波トランスデューサを介して、前記リチウムイオン電池からの前記第２の超音波の反射を検出すること、
    検出された前記第２の超音波に基づいて、前記リチウムイオン電池の残容量及び劣化状態に対する値を決定すること、並びに、
    決定された前記残容量及び前記劣化状態に対する前記値に基づいて、前記少なくとも１つのＳＳＥＩ層の厚みを決定すること、
    をさらに含み、
    前記第２のエネルギーが、前記第１の超音波を送信する間における該第１の超音波の第１のエネルギーより小さい、請求項１３に記載の方法。
  22. 前記第２の超音波を発生させることの前に、１つの充電／放電サイクルを通して前記リチウムイオン電池を循環させること、をさらに含む、請求項２１に記載の方法。
  23. 前記第１の超音波を送信することが、前記リチウムイオン電池の内部に高速音響ストリーミングを発生させる、請求項１３に記載の方法。
  24. 前記少なくとも１つのＳＳＥＩ層が、固体電解質界面（ＳＥＩ）層の上に、又は、電解質の解離若しくは不純物に起因する前記リチウムイオン電池の内部のアノード粒子の上に、形成される、請求項１３に記載の方法。
  25. 前記ＳＳＥＩ層が、前記アノードの前記表面の上方に形成される、請求項１３に記載の方法。
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