KR20170026533A - 다중-전극 전기화학 전지 및 이를 제조하는 방법 - Google Patents

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KR20170026533A
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gate electrode
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데이비드 제이. 이글샴
로버트 엘리스 도
크리스토퍼 씨. 피셔
크레이그 엠. 다우니
매튜 제이. 트라한
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펠리온 테크놀로지스 인크.
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Abstract

다중-전극 디바이스는 애노드 전극, 캐소드 전극 및 애노드와 캐소드 간에 위치되며 전해질을 갖는 게이트 전극을 포함한다. 다중-전극 디바이스는 2차(재충전가능한) 전기화학 전지일 수 있다. 게이트 전극은 애노드 및 캐소드 중 적어도 하나에서 산화환원 활성인 적어도 하나의 이동 종에 대해 투과성이다. 게이트 전극은 애노드에서 성장될 수 있는 전도성 불균일한 모폴로지컬 피처의 저항보다 낮은 저항을 갖는다. 게이트 전극은 이러한 불균일한 모폴로지컬 피처들을 방지하고, 이의 존재를 인지하고 제거할 수 있는 능력을 제공하며, 그러한 불균일한 모폴로지컬 피처를 제거하는 데 사용할 수 있는 전기 전극을 제공한다.

Description

다중-전극 전기화학 전지 및 이를 제조하는 방법{MULTI-ELECTRODE ELECTROCHEMICAL CELL AND METHOD OF MAKING THE SAME}
[0001] 이 출원은 2014년 7월 2일 출원된 공동 계류중인 미국 가특허출원 일련번호 제 62/020,337호에 대해 우선권 및 이익을 주장하고, 이 출원은 그 전체가 인용에 의해 본원에 통합된다.
[0002] 본 발명은 일반적으로 전기화학 전지들 및 구체적으로 3개 이상의 전극들을 가진 전기화학 전지에 관한 것이다.
[0003] 높은 정전용량 및 신뢰성 2차(재충전가능한) 전기화학 전지들 및 배터리들은 모바일 전자장치(electronics)를 개선하는 것에 중심을 두고 있고, 그리고 배터리들이 이들 분야들에서 더 중요한 역할을 수행함에 따라 운송 및 에너지 저장 애플리케이션들에 더 중요해지고 있다. 현재 상업용 2차 전지들의 핵심 케미스트리(chemistrie)들, 및 이들 전지들로 구성된 배터리들은 Li-이온, 납산(lead-acid)-(Pb-산), NIMH(nickel-metal-hydride)), 및 Zn-에어(air)를 포함한다.
[0004] 금속 기반이든 다른 전극 타입들이든 Mg 기반 2차 전지들은 현재 증가된 중량 및 볼륨 에너지-밀도에 대해 기존 전지 타입들에 비해 잠재적 개선으로서 부상하고 있다. Mg 전지들은 500 Wh/Kg 대 Li-이온의 250 Wh/Kg에 접근하는 것으로 예상된다. 유사하게; Mg 전지들은 1600 Wh/L 대 Li-이온의 800 Wh/L에 접근하는 것으로 예상된다. 게다가, 마그네슘은 지구상에서 8번째로 가장 풍부한 엘리먼트이고, 그리고 리튬보다 훨씬 덜 희귀하다. 동시에, 마그네슘은 다루기에 더 쉽고 더 안전하며 리튬을 사용하는 전지들과 동일하거나 유사한 제조 기술들을 사용하여 전지들에 통합될 수 있다. 이들 전지들 모두의 개선시 중요한 문제들의 부류는 충전-방전 사이클들 동안 발생하는 전지 모폴로지(morphology) 및 전위-분포의 상시 에볼루션(evolution)을 제어하는 것에 대한 무능으로부터 발생하고, 여기서 전기화학적으로 활성 종들은 전기화학 전지 전반에 걸쳐 재분배된다. 특히, 애노드들, 이를테면 Mg, Pb, Li, 및 Zn-에어 전지들에 이용되는 것들은 애노드의 전기화학 사이클링 동안 비균일한 모폴로지의 전개로부터 고통받을 수 있다. 덴드라이트(dendrite)들, 위스커(whisker)들, 돌기(asperity)들 등으로서 다양하게 지칭되는 비균일한 모폴로지들은, 그들이 전기화학 전지의 전극들 간에 전기 연결을 생성하기에 충분히 크게 성장하면, 즉각적으로 파괴적이고 위험한 내부 단락들(short circuits)을 생성할 수 있다. 이 문제는 특히 모든 금속-애노드 전지들의 사이클 수명을 위협하며, 금속 전극들의 잠재적 이익들에도 불구하고, 이들 문제들을 최소화하기 위해, 비록 비-금속 전극들이 이들 문제들을 완전히 없애지 못할지라도, 흔히 사용되는 많은 전지 타입들에 비-금속 전극들을 이용하도록 산업을 이끌었다. 불균일한 모폴로지들은 또한 2개의 관련된 프로세스들을 통해 더 장기간 정전용량을 서서히 사라지게 한다: 첫째, 전해질과 기생 반응, 또는 의도되지 않은 반응을 통해 "보통 "고체 전해질 인터페이스(interphase)"라 칭해지는 대량의 분해물들을 형성하는 전극과 전해질 간의 높은 표면적 인터페이스의 생성. Li 금속 애노드들의 경우에, 전해질의 이들 부반응(side reaction)들은 "모시(mossy) Li 증착물들"을 형성한다. 둘째, 전지의 스트립핑(stripping) 사이클은 미세하게 분할될 수 있지만, 전극들 간에 분배된 전기적으로-절연된 금속("Li-금속 기술 개선에서 "데드 리튬" 문제로서 알려짐)을 남길 수 있다. 게다가, 네거티브 전극의 활성 전극 재료의 양에 관련하여 포지티브 전극의 활성 전극 재료의 양의 불균형들은 또한 원하지 않는 금속 또는 금속 화합물들의 축적들을 증가시킬 수 있다. 결과적으로, 재충전가능한 배터리들은, 잘못된 전기 또는 열적 조건들에 영향을 받으면 열 폭주, 전지 파열, 착화(catching fire) 또는 심지어 폭발 같은 그런 불행한 이벤트들을 겪는다.
[0005] 오늘날 지배적인 접근법인 하나의 접근법은 단순히, 인터칼레이션 호스트(intercalation host)들로서 동작하는 전극들을 구성하거나, 또는 합금화, 변환, 및 불균등화 반응들에 의해, 모든 금속 전극들의 사용을 회피하는 것이다. 이 기술은 전지의 에너지 밀도를 희생하고 직접 금속 표면을 제거하는 것을 목적으로 한다. 그럼에도 불구하고, 인터칼레이션 호스트들, 또는 합금화, 변환, 및 불균등화 반응 재료들의 사용은 소정의 동작 조건들하에서 궁극적으로 전극 표면상에 여전히 금속을 증착할 수 있는 전지를 초래한다. 게다가, 금속 애노드들의 사용을 회피하는 것은 현재 Li-이온 배터리들을 뛰어 넘기 위하여 가장 촉망되는 차세대 케미스트리들 중 하나로서 널리 인식되는 Mg 전지들의 구현을 거의 못하게 할 것이다.
[0006] 금속성 전극들의 품질저하를 방지하는 것에 대한 다른 접근법은 이온적 전도성이지만, 전해질과 접촉하는 전극의 표면상에 세라믹 또는 폴리머 같은 전기적 절연 코팅을 제공하는 것이었다. 그러나, 이런 접근법은, 코팅에 아주 작은 결함들이 존재한다면 실패할 것이고, 그리고 전해질은 전극과 직접 접촉하게 될 수 있다. 게다가, 소정의 코팅들이 표면 도금을 막는 주장들이 문헌에 있지만, 아래에 제시된 실험실 측정들은, 이들 주장들이 재현 불가능하고, 그리고 불균일 모폴로지컬 피처(non-uniform morphological feature)들을 유도할 표면 도금이 코팅 상에 발생하여, 그 유용성을 제거하는 것을 표시한다.
[0007] 대다수의 전기화학 전지들은 단지 2개의 전극들만을 가진다: 캐소드 및 애노드. 그러나, 제 3 패시브 "기준" 전극은 필드에서 잘-알려져 있고 모니터링 목적들을 위하여 실험실 전지들 및 상업용 전지들 둘 모두에 널리 사용된다. 이들 기준 전극들은 전지 동작에 어떠한 효과도 가지지 않도록 관리될 필요가 있고, 전지의 성능을 유지하는데 어떠한 역할도 하지 않는다. 이 역할이 상당한 전류를 구동하기보다, 전지 전기화학을 모니터링하는 것이기 때문에, 이 기준 전극은 일반적으로 2개의 "작업 전극들"보다 훨씬 작고, 전지의 활성 영역의 작은 부분만을 커버한다. 작업 전극들에 의한 임의의 가능한 영향 또는 간섭을 제한하기 위하여, 전해질과 이온 접촉을 유지하면서, 기준 전극들은 자주 캐소드/분리기/애노드의 스택 외측에 놓인다. 유사하게, 작업 전극들과 상호작용 없이 전지 성능을 정확하게 측정하기 위하여, 기준 전극을 통해 통과되는 전류들은 통상적으로 작업 전극들을 통과하는 전류의 1-1000 ppm 범위에 놓인다.
[0008] 기준 전극들의 사용에 더하여, 전지의 제 3 전극들에 대해 몇 가지 제안들이 있었고, 이들 중 몇몇이 아래에 논의된다.
[0009] 1982년 9월 14일 등록된 Werth의 미국 특허 번호 제 4,349,614호(또한 1982년 9월 22일에 유럽 특허 출원 공개번호 EP0060642 호로서 공개됨)가 종래 기술에 공지되어 있는데, 그 미국 특허는, 배터리가 플로팅(float) 서비스에 이용될 때, 수소가 보조 전극 상에서 발달하고, 이에 의해 수소 발달과 동등한 기생 전류가 배터리의 포지티브 플레이트에 플로팅 전류를 증가시키도록, 납산 배터리의 전해질에 침지되고 배터리의 네거티브 플레이트에 연결되는 백금 또는 팔라듐의 보조 전극을 개시한다.
[0010] 1996년 12월 17일에 등록된 Morris의 미국 특허 번호 제 5,585,206호가 종래 기술에 또한 공지되어 있는데, 그 미국 특허는 노출된 부분들을 가진 전류 콜렉터들을 포함하는 배터리 전지의 전극 섹션들, 이를테면 애노드 및 캐소스 섹션들을 개시한다. 노출된 부분들은 탭들을 형성하는 슬릿들을 포함한다. 이러한 탭들은 전극 섹션들 간의 연결들을 형성하기 위해서 함께 스폿 용접될 수 있다.
[0011] 1997년 11월 18일에 등록된 Li 등의 미국 특허 번호 제 5,688,614호가 종래 기술에 또한 공지되어 있는데, 그 미국 특허는 제 1 및 제 2 전극들과 그들 사이에 배치된 고체 폴리머 전해질이 제공되는 전기화학 전지를 개시한다. 전극들은 동일하거나 상이한 재료들 중 어느 하나로 이루어질 수 있으며, 루테늄, 이리듐, 코발트, 텅스텐, 바나듐, 철, 몰리브덴, 하프늄, 니켈, 은, 아연 및 이들의 조합들로 제작될 수 있다. 고체 폴리머 전해질은 애노드 및 캐소드 둘 모두와 친밀한 접촉을 하고, 전해질 활성 종이 그 안에 분산되어 있는 폴리메릭(polymeric) 지지 구조로 제조된다. 폴리머 지지 구조는 바람직하게는 다중-층 지지 구조인데, 그 다중-층 지지 구조에서 적어도 제 1 층은 폴리벤즈이미다졸로 제작되고, 적어도 제 2 층은 예컨대 폴리 비닐 알코올로 제작된다.
[0012] 1999년 12월 14일에 등록된 Maloizel의 미국 특허 번호 제 6,002,239호가 종래 기술에 또한 공지되어 있는데, 그 미국 특허는 전지 충전 전압 어뎁터 회로, 및 전지 및 전지 스택 어셈블리 외부의 그러한 회로를 포함하는 배터리를 개시하고, 충전 회로는 연결 단자들 중 하나와 출력 단자들 중 하나 간의 레지스터의 단자들, 및 연결 단자들 간에 있으며 그 연결 단자들 간의 전압과 공칭 전압을 비교한 결과들에 따라 가변 레지스터를 제어하도록 적응되는 비교기를 포함한다.
[0013] 2002년 1월 1일에 등록된 Meissner의 미국 특허 번호 제 6,335,115호가 종래 기술에 또한 공지되어 있는데, 그 미국 특허는 적어도 하나의 리튬-삽입, 카본-함유 네거티브 전극, 비수성 리튬 이온-전도성 전해질 및 전이 금속의 리튬-함유 칼코겐 화합물을 포함하는 적어도 하나의 리튬-삽입 포지티브 전극을 포함하는 2차 리튬-이온 전지들을 개시하고, 전극들은 분리기들에 의해서 서로 분리된다. 리튬-함유 보조 전극이 2차 리튬-이온 전지에서의 비가역적인 정전용량 손실을 보상하기 위해서 전지 내에 배치된다.
[0014] 2002년 5월 7일에 등록된 Zhong의 미국 특허 번호 6,383,675호가 종래 기술에 또한 공지되어 있는데, 그 미국 특허는 적어도 하나의 금속 혼합물 및 란타넘 니켈 화합물의 층으로 코팅되는 지지 구조를 포함하는 금속-에어 트리셀에서 사용하기 위한 제 3 전극을 개시하고, 혼합물은 접착제를 사용하지 않고도 지지 구조에 접착된다. 다른 실시예에서, Zhong의 발명은, 에어 전극; 금속 전극; 및 제 3 전극을 포함하는 금속-에어 트리셀에 관한 것이고, 제 3 전극은 란타넘 니켈 화합물과 적어도 하나의 금속의 혼합물로 코팅되는 지지 구조를 포함하며, 혼합물은 접착제를 사용하지 않고도 지지 구조에 접착된다. 부가적으로, Zhong의 발명은 또한 금속-에어 트리셀에서 사용하기 위한 제 3 전극을 형성하는 방법에 관한 것이고, 그 방법은, (A) 코팅된 지지 구조를 산출하기 위해서 란타넘 니켈 화합물과 적어도 하나의 금속 산화물의 혼합물을 지지 구조에 적용하는 단계; 및 (B) 접착제가 없는 제 3 전극을 산출하기 위해서 란타넘 니켈 화합물/금속 산화물 혼합물에 존재하는 금속 산화물을 그의 대응하는 금속까지 감소시키고 혼합물을 지지 구조에 접착시키기 위해 코팅된 지지 구조를 가열하는 단계를 포함한다.
[0015] 2005년 3월 22일에 등록된 Slezak의 미국 특허 번호 제 6,869,727호가 종래 기술에 또한 공지되어 있는데, 그 미국 특허는 고 레이트 방전 정정용량을 개선하기 위해서 고 전극 계면 영역을 갖는 전기화학 배터리 전지를 개시하고, 전극들의 형상들은 대규모 생산을 위해 적합한 높은 속도들로 고품질 및 신뢰성의 전지들의 제조를 가능하게 한다. 고체 보디 전극들의 계면들은 계면 영역을 증가시키는 방사상으로 연장하는 로브들을 갖는다. 로브들은 샤프한 코너들을 갖지 않고, 로브들 간에 형성되는 오목한 영역들이 넓게 오픈되어, 분리기와 어느 한 전극 간에 공극들을 남기지 않으면서 분리기의 어셈블리 및 오목한 영역들로의 다른 전극의 삽입을 가능하게 한다.
[0016] 2007년 6월 21일에 공개된 Wang 등의 미국 특허 출원 공개 번호 제 2007/0141432 A1호가 종래 기술에 또한 공지되어 있는데, 그 미국 특허 출원은 연료 전지 또는 배터리에서 사용하기 위한 제 3 전극 프레임 구조가 제공되는 것을 개시한다. 제 3 전극 프레임 구조는 제 1 전극, 제 1 전극의 외주(outer perimeter) 상에 포지셔닝되는 분리기, 및 분리기에 커플링되는 프레임 제 3 전극을 포함할 수 있다. 분리기는 제 1 전극과 제 3 프레임 전극 간의 동일 평면에 포지셔닝될 수 있다.
[0017] 2010년 12월 7일에 등록된 Christensen 등의 미국 특허 번호 제 7,846,571호가 종래 기술에 또한 공지되어 있는데, 그 미국 특허는 활성 재료, 불활성 재료, 전해질 및 전류 콜렉터를 각각 포함하는 적어도 2개의 작업 전극들, 작업 전극들 중 어느 것도 전지 내에서 전기적으로 연결되지 않도록 적어도 2개의 작업 전극들을 분리하기 위해서 그 적어도 2개의 작업 전극들 간에 배열되는 제 1 분리기 지역, 리튬 저장소를 포함하는 보조 전극, 및 작업 전극들 중 어느 것도 전지 내에서 보조 전극에 전기적으로 연결되지 않도록 작업 전극들로부터 보조 전극을 분리하기 위해서 보조 전극과 적어도 2개의 작업 전극들 간에 배열되는 제 2 분리기 지역을 포함하는 리튬-이온 배터리 전지를 개시한다.
[0018] 2011년 9월 8일에 공개된 Roh 등의 미국 특허 출원 공개 번호 제 2011/0217588 A1호가 종래 기술에 또한 공지되어 있는데, 그 미국 특허 출원은 내부 스택킹된 전극들 및 그 내부 스택킹된 전극들의 적어도 한 단부 상에 포지셔닝되는 적어도 하나의 최외각 전극을 포함하는 전극 어셈블리; 및 전극 어셈블리를 하우징하도록 구성된 케이스를 포함하는 2차 배터리를 개시한다. 적어도 하나의 최외각 전극은 비활성 재료를 포함한다.
[0019] 전지 케미스트리를 모니터링하기 위해 부가적인 전극을 사용하기 위한 다양한 기술들이 종래 기술에 또한 공지되어 있다. 예컨대, 2011년 9월 13일에 등록된 Kaneta 등의 미국 특허 번호 제 8,017,260호는 신속한 충전/방전 시에 온도 상승(열 생성)이 정확히 측정될 수 있는 2차 배터리, 및 저 저항을 실현하면서 2차 배터리들을 쉽게 사용하여 구성될 수 있는 배터리를 개시한다. 플랫 라미네이트 막 2차 배터리의 포지티브 및 네거티브 전극 단자들로부터 개별적으로, 제 3 단자가 거기에 수직으로 고정된다. 제 3 단자는 2차 배터리(1)를 구성하는 전력 생성 엘리먼트 보디의 전극 전류 콜렉팅 부분들과 연결되고, 포지티브 및 네거티브 전극 단자들 중 어느 하나의 전위와 동일한 전위가 전달된다. 2차 배터리의 내부 온도는 제 3 단자의 온도를 측정함으로써 결정되고, 전지 밸런서 회로 등이 제 3 단자와 연결된다. 배터리는 포지티브 및 네거티브 전극 단자들을 직렬로 직접 연결함으로써 구성된다.
[0020] 2012년 2월 21일에 등록된 Ramasubramanian 등의 미국 특허 번호 제 8,119,269호가 종래 기술에 또한 공지되어 있는데, 그 미국 특허는 전해질, 캐소드, 애노드 및 보조 전극을 포함하는 3-차원 2차 배터리 전지들을 개시한다. 캐소드, 애노드, 및 보조 전극은 전해질과 접촉하는 표면을 갖는다. 애노드 및 캐소드는 전해질로 커플링된다. 보조 전극은 전해질로 커플링되고 애노드 또는 캐소드 중 적어도 하나에 전기적으로 커플링된다. Ramasubramanian에 따르면, 전기적으로 커플링된다는 표현은, 와이어들, 트레이스들 또는 다른 연결 엘리먼트들에 의해 직렬로 직접 또는 간접적으로 연결되는 것을 의미한다. 보조 전극의 표면과 커플링된 캐소드 또는 커플링된 애노드의 표면 사이의 평균 거리는 약 1 micron 내지 약 10,000 microns 이다. Ramasubramanian에 따르면, 평균 거리라는 표현은, 커플링된 캐소드 또는 애노드 상의 모든 각각의 포인트로부터 보조 전극까지의 이온 전달을 위한 최단 경로의 평균을 의미한다.
[0021] 2013년 8월 29일에 공개된 Roumi의 미국 특허출원 공개 번호 제 2013/0224632 A1호가 종래 기술에 또한 공지되어 있는데, 그 미국 특허출원은 전기화학 저장 및 변환을 포함하는 다양한 애플리케이션들에 유용한 전기적, 기계적 및 화학적 특성들을 제공하는 전기화학 시스템들을 위한 분리기 시스템들을 개시한다. 실시예들은 덴드라이트 형성을 관리 및 제어하기 위해, 그리고 실리콘 애노드 기반 배터리들, 에어(air) 캐소드 기반 배터리들, 레독스 흐름 배터리들, 고체 전해질 기반 시스템들, 연료 전지들, 흐름 배터리들 및 반고체 배터리들을 포함하는 전기화학 전지들의 사이클 수명 및 레이트 능력을 향상시키기 위해 유용한 구조적, 물리적 및 정전기적 속성들을 제공한다. 개시된 분리기들은, 뛰어난 이온 전달 특성들을 지지하거나, 덴드라이트 기원 기계적 고장, 단락 또는 열적 제어 불능을 방지하기 위해 배리어를 제공하거나, 개선된 전극 전도도 및 개선된 전기장 균일성을 제공하는 다층 다공성 지오메트리들을 포함한다. 개시된 분리기들은, 합성 고체 전해질들을 포함하는데, 지지 메쉬 또는 섬유 시스템들은 제조 핀홀들 또는 동작되게 생성된 크랙들 없이 얇은 고체 전해질들에 대해 요구되는 지지 메쉬 또는 섬유 질김 및 긴 수명과 함께 고체 전해질 경도 및 안정성을 제공한다.
[0022] 2011년 6월 16일에 공개된 일본 특허 출원 제 2009/281122호 내지 WO 2011/070712 A1호를 우선권으로 주장하며, 2014년 3월 17일에 등록된 Noguchi의 한국 특허 번호 제 1013754220000호가 종래 기술에 또한 공지되어 있는데, 그 미국 특허는 이하를 개시한다: 금속성 이질 재료의 포함에 의해 유발된 내부 단락들이 고감도로 조기에 검출될 수 있는 리튬-이온 배터리가 제공된다. 또한, 이를 생산하기 위한 방법이 제공된다. 포지티브 전극(16), 네거티브 전극(15) 및 전해질이 제공되는 리튬-이온 배터리에, 포지티브 전극과 네거티브 전극 사이에 위치되고 전기전도성 층(4)을 포함하는 전기 절연 층(3)이 추가로 제공된다. 포지티브 전극(16)과 전기전도성 층(4) 사이에 전압을 인가함으로써, 그리고 전류 및 포지티브 전극(16)과 전기전도성 층(4) 사이의 전위 차를 측정함으로써, 리튬-이온 배터리에서의 내부 단락의 발생 가능성이 고감도로 조기에 검출될 수 있는데, 그 이유는 포지티브 전극과 네거티브 전극 사이에서보다 포지티브 전극과 전기전도성 층 사이에서의 단락이 더 조기에 발생하기 때문이다.
[0023] (Cui 등의 WO 2014/179725 A1과 동시에) 2014년 11월 6일에 공개된 Cui 등의 미국 특허출원 공개 번호 제 2014/0329120 A1호가 종래 기술에 또한 공지되어 있는데, 그 미국 특허는: 1) 애노드; 2) 캐소드; 3)애노드와 캐소드 사이에 배치된 분리기 ―여기서, 분리기는 적어도 하나의 기능 층을 포함함―; 및 4) 배터리의 내부 상태를 모니터링하기 위해 적어도 하나의 기능 층에 연결된 센서를 포함하는 배터리를 개시한다.
[0024] 불균일한 모폴로지컬 피처의 존재 및 형성이 전기화학 전지들에서 가장 심각한 문제들 중 하나라는 많은 인식이 존재하며, 디바이스들, 예컨대, 모바일 폰들, 그리드-통신 시스템들, 분산형 원격 측정 시스템들, 태블릿 컴퓨터들, 랩톱 컴퓨터들, 백업-파워 시스템들, 카메라들, 항공 드론들, 알람 시스템들, 화재 감지 시스템들, 개인 피트니스 센서들, 파워 툴들, 전자 악기들, 악기들, 항공기, 자동차, 위성 및 유사한 조건들을 갖는 많은 다른 디바이스들에서 채용되는 콤팩트한 배터리들에서 특히 그러하다. 유감스럽게도, 이러한 전지들에 대한 불균일한 모폴로지컬 피처를 관리하는 데에는 별다른 진전이 없었다. 실제로, 삽입된 전극들의 채택을 위한 1차 구동기가 불균일한 모폴로지컬 피처들의 형성을 억제할 것이지만, 이러한 전극들의 채용은 에너지 밀도를 희생시킨다.
[0025] 게다가, 불균일한 모폴로지컬 피처들이, 삽입된 전극들을 이용하는 전지들에서 조차도 공통적인 고장 모드라는 것이 기술 분야에 잘 알려져 있다. 특히, (제한적이지는 않지만, 그라파이트, 실리콘 또는 주석을 포함하는 애노드들을 포함하여) 애노드가 Li 금속-도금 전위에 근접한 전위에 Li를 포함하는 Li-이온 전지에서, 불균일한 모폴로지컬 피처들이 저온 사이클링, 과충전(너무 높은 전위들 또는 너무 고속 중 하나) 또는 이들의 조합으로 인해 형성된다는 것이 알려져 있다(예를 들어, Adam Heller, The G. S. Yuasa-Boeing 787 Li-ion Battery: Test It at a Low Temperature and Keep It Warm in Flight, The Electrochemical Society Interface Summer 2013, page 35, Published online March 25, 2013 참조). 따라서, 불균일한 모폴로지컬 피처의 리스크는 표준 인터칼레이션-애노드 Li-이온 배터리들의 성능의 주요 리미터인 것으로 알려져 있으며, 구체적으로는 충전 프로파일들, 충전 레이트들 및 동작에 대한 온도 윈도우들을 제한한다.
[0026] 금속 또는 다른 재료의 증착의 유해한 영향들 중 일부의 더욱 일반적인 설명은, 애노드 전극 또는 캐소드 전극이, 배터리에 최초 제공되었던 전극의 치수로부터 형상이 왜곡 또는 변경된다는 것인데, 예를 들어, 전극의 불균일한 모폴로지컬 피처들 또는 디멘션들을 초래하는 거칠어짐 또는 다른 변화들이 배터리의 우수한 동작에 부정적으로 영향을 미칠 수 있다.
[0027] 전극들의 모폴로지컬 변화들의 바람직하지 않은 에볼루션을 제어할 수 있는 시스템들 및 방법들이 요구된다.
[0028] 전체적으로 볼 때, 본 개시내용은 오랫동안 추구했던 요구 및 상업적으로 유용한 목표: 불균일 전극 모폴로지의 에볼루션에 의한 손상 없이 충전-방전 사이클들의 증가된 수를 위해 계속 동작하는 콤팩트한 2차 전지들에서 비금속 또는 금속 작업 전극(또는 금속 전위에 근접하게 동작하는 전극) 중 하나를 사용하기 위한 능력에 대한 방안을 제시한다.
[0029] 일 양상에 따르면, 본 발명은, 캐소드 전기 단자를 갖는 캐소드 전극 ―캐소드 전극은 전해질과 전기화학적으로 연통함―; 애노드 전기 단자를 갖는 애노드 전극 ―애노드 전극은 전해질과 전기화학적으로 연통함―; 게이트 전극 전기 단자를 갖는 적어도 하나의 게이트 전극 ―적어도 하나의 게이트 전극은 전해질과 전기화학적으로 연통하며 애노드 전극 및 캐소드 전극 중 적어도 하나에서 산화환원-활성(redox-active)인 적어도 하나의 이동 종(mobile species)에 대해 투과성이 있고, 적어도 하나의 게이트 전극은 캐소드 전극과 애노드 전극 사이에 위치됨―; 및 디바이스의 동작 파라미터를 활성적으로 제어하도록 구성된 제어 회로를 포함하는 디바이스를 특징으로 한다.
[0030] 다른 양상에 따르면, 본 발명은 2차 전기화학 전지(secondary electrochemical cell)에 관한 것이며, 2차 전기화학 전지는, 캐소드 전기 단자를 갖는 캐소드 전극 및 애노드 전기 단자를 갖는 애노드 전극을 가지며, 캐소드 전극은 전해질과 전기화학적으로 연통하며 애노드 전극은 전해질과 전기화학적으로 연통하며; 개선안(improvement)은: 게이트 전극 전기 단자를 갖는 적어도 하나의 게이트 전극 ―적어도 하나의 게이트 전극은 전해질과 전기화학적으로 연통하며, 애노드 전극과 캐소드 전극 중 적어도 하나에서 산화환원-활성인, 전해질 내의 적어도 하나의 이동 종에 대해 투과성이 있고, 적어도 하나의 게이트 전극은 캐소드 전극과 애노드 전극 사이에 위치됨―; 및 디바이스의 동작 파라미터를 활성적으로 제어하도록 구성된 제어 회로를 포함한다.
[0031] 일 양상에 따르면, 본 발명은 디바이스를 특징으로 하며, 디바이스는, 캐소드 전기 단자를 갖는 캐소드 전극 ―캐소드 전극은 전해질과 전기화학적으로 연통함―; 애노드 전기 단자를 갖는 애노드 전극 ―애노드 전극은 전해질과 전기화학적으로 연통함―; 게이트 전극 전기 단자를 갖는 적어도 하나의 게이트 전극 ―적어도 하나의 게이트 전극은 전해질과 전기화학적으로 연통하며, 애노드 전극과 캐소드 전극 중 적어도 하나에서 산화환원-활성인 적어도 하나의 이동 종에 대해 투과성이 있고, 적어도 하나의 게이트 전극은 캐소드 전극과 애노드 전극 사이에 위치됨―; 디바이스의 동작 파라미터를 측정하고 전지 헬스 이벤트(cell health event)가 발생할 때를 결정하도록 구성된 회로; 및 전지 헬스 이벤트에 응답하도록 구성된 회로를 포함한다.
[0032] 다른 양상에 따르면, 본 발명은 2차 전기화학 전지에 관한 것이며, 2차 전기화학 전지는, 캐소드 전기 단자를 갖는 캐소드 전극 및 애노드 전기 단자를 갖는 애노드 전극을 가지며, 캐소드 전극은 전해질과 전기화학적으로 연통하며 애노드 전극은 전해질과 전기화학적으로 연통하며; 개선안은: 게이트 전극 전기 단자를 갖는 적어도 하나의 게이트 전극 ―적어도 하나의 게이트 전극은 전해질과 전기화학적으로 연통하며, 애노드 전극과 캐소드 전극 중 적어도 하나에서 산화환원-활성인, 전해질 내의 적어도 하나의 이동 종에 대해 투과성이 있고, 적어도 하나의 게이트 전극은 캐소드 전극과 애노드 전극 사이에 위치됨―; 디바이스의 동작 파라미터를 측정하고 전지 헬스 이벤트가 발생할 때를 결정하도록 구성된 회로; 및 전지 헬스 이벤트에 응답하도록 구성된 회로를 포함한다.
[0033] 일 실시예에서, 제어 회로는, 애노드 전극과 캐소드 전극 중 적어도 하나에 대한 적어도 하나의 게이트 전극의 전압을 미리결정된 전압 값으로 설정하도록 구성된다.
[0034] 다른 실시예에서, 미리결정된 전압 값은 적어도 하나의 이동 종으로부터 유도되는(derived) 도금된 금속을 스트립핑하기에 충분하다.
[0035] 또 다른 실시예에서, 미리결정된 전압 값은 불균일한 모폴로지컬 피처의 형성 전위(formation potential)이다.
[0036] 또 다른 실시예에서, 제어 회로는 적어도 하나의 게이트 전극과 애노드 전극 간의 전류를 임계치 전류 미만으로 제어하도록 구성된다.
[0037] 다른 실시예에서, 제어 회로는, 애노드 전극과 캐소드 전극 중 적어도 하나와 적어도 하나의 게이트 전극 간에 측정되는 전압, 임피던스 및 전류 중 적어도 하나에 기반하여, 디바이스를 통하는 전류의 흐름을 제어하도록 구성된다.
[0038] 일 실시예에서, 디바이스의 동작 파라미터를 측정하고 전지 헬스 이벤트가 발생할 때를 결정하도록 구성된 회로는, 애노드 전극과 캐소드 전극 중 적어도 하나와 적어도 하나의 게이트 전극 간에 흐르는 전류를 측정하고, 전류가 임계치 전류를 초과할 때 전지 헬스 이벤트가 발생하는 것으로 결정하도록 구성된다.
[0039] 다른 실시예에서, 디바이스의 동작 파라미터를 측정하고 전지 헬스 이벤트가 발생할 때를 결정하도록 구성된 회로는, 애노드 전극과 캐소드 전극 중 적어도 하나와 적어도 하나의 게이트 전극 간의 전압을 미리결정된 전압 값에 비교하고, 적어도 하나의 게이트 전극이 미리결정된 전압 값으로 더이상 유지될 수 없을 때 전지 헬스 이벤트가 발생하는 것으로 결정하도록 구성된다.
[0040] 또 다른 실시예에서, 동작 파라미터를 측정하도록 구성된 회로 및 전지 헬스 이벤트에 응답하도록 구성된 회로는 협력하여 동작하도록 구성된다.
[0041] 일 실시예에서, 미리결정된 전압 값은 불균일한 모폴로지컬 피처의 형성 전위이다.
[0042] 추가의 실시예에서, 디바이스는 2차 전기화학 전지이다.
[0043] 또 다른 추가의 실시예에서, 적어도 하나의 게이트 전극은 두께 디멘션(thickness dimension)에 의해 정의된 평면형 지오메트리(planar geometry) 및 두께 디멘션에 수직인 2차원 영역을 갖는다.
[0044] 부가적인 실시예에서, 적어도 하나의 게이트 전극은 두께 디멘션을 따라 이온적으로 전도성이며, 두께 디멘션에 수직으로는 전기적으로 전도성이다.
[0045] 추가의 일 실시예에서, 적어도 하나의 게이트 전극의 두께 디멘션에 수직인 2차원 영역 상의 임의의 2개의 포인트들 간의 1 Hertz 미만 주파수에서 측정되는 임피던스는 1 MegaOhm 미만이다.
[0046] 또 다른 추가의 실시예에서, 애노드 전극은 금속 애노드이다.
[0047] 일 실시예에서, 금속 애노드는 마그네슘 또는 마그네슘 함유 합금이다.
[0048] 다른 실시예에서, 금속 애노드는, 아연, 칼슘, 알루미늄, 리튬, 나트륨 및 납으로 이루어진 금속들의 그룹으로부터 선택되는, 금속 또는 금속 함유 합금을 포함한다.
[0049] 또 다른 실시예에서, 애노드 전극은, 컨버전 애노드(conversion anode), 인터칼레이션 호스트(intercalation host), 합금화 반응 애노드(alloying reaction anode) 및 불균등화 반응 애노드(disproportionation reaction anode)로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 애노드 전극이다.
[0050] 또 다른 실시예에서, 산화환원-활성 이온 종은 리튬이며, 애노드는 결정질 탄소, 비정질 탄소, Na, K, Rb, Cs, Be, Mg, Ca, Sr, Al, Si, Ge, Sb, Pb, In, Zn, Sn 및 바이너리 Me-X 화합물들로 이루어진 재료들의 그룹으로부터 선택된 재료를 포함하며, X는 황, 인, 질소 및 산소로 이루어진 그룹으로부터 선택되며, Me는 Mg, Ca, Sr, Ti, Zr, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Ag, Zn, Cd, B, Al, Si, Sn, Ge, Sb, Bi 및 이들의 조합으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 금속을 포함한다.
[0051] 추가의 실시예에서, 애노드 전극은 온도, 전압, 충전률(charging-rate) 또는 이들의 조합에 기반하여 도금 조건들(plating conditions) 하에서 동작하도록 구성된다.
[0052] 또 다른 추가의 실시예에서, 적어도 하나의 게이트 전극은, 프리스탠딩 형태(freestanding form)로서의 전자적 전도성 재료, 및 공극율(porosity) 및 굴곡율(tortuosity)을 가지며 그리고 전용 탭(dedicated tab)을 통해 외부 회로에 연결되는, 절연 기판 상에 증착되는 전자적 전도성 막 중 선택된 하나를 포함한다.
[0053] 부가적인 실시예에서, 적어도 하나의 게이트 전극은 적어도 하나의 이동 종에 대한 투과성의 효율성을 최대화시키기에 충분한 공극율을 갖는다.
[0054] 추가의 일 실시예에서, 적어도 하나의 게이트 전극은, 적어도 하나의 게이트 전극을 통해 돌출하는 불균일한 모폴로지컬 피처가 적어도 하나의 게이트 전극에 대한 전기적 접촉을 실패할 확률을 최소화시키기에 충분한 굴곡율을 갖는 공극율을 갖는다.
[0055] 또 다른 양상에 따르면, 본 발명은 전기화학 디바이스를 제조하는 방법에 관한 것이다. 이 방법은, 캐소드 전기 단자를 갖는 캐소드 전극을 제공하는 단계; 애노드 전기 단자를 갖는 애노드 전극을 제공하는 단계; 캐소드 전극 및 애노드 전극과 전기화학적으로 연통하는 전해질을 제공하는 단계; 게이트 전극 전기 단자를 갖는 적어도 하나의 게이트 전극을 제공하는 단계 ― 적어도 하나의 게이트 전극은 전해질과 전기화학적으로 연통하며 애노드 전극 및 캐소드 전극 중 적어도 하나에서 산화환원-활성인, 애노드 전극 내의 적어도 하나의 이동 종에 대해 투과성이 있고, 적어도 하나의 게이트 전극은 캐소드 전극과 애노드 전극 사이에 위치됨 ―; 및 디바이스의 동작 파라미터를 활성적으로 제어하도록 구성된 제어 회로를 제공하는 단계를 포함한다.
[0056] 또 다른 양상에 따르면, 본 발명은 전기화학 디바이스를 제조하는 방법에 관한 것이다. 이 방법은, 캐소드 전기 단자를 갖는 캐소드 전극을 제공하는 단계; 애노드 전기 단자를 갖는 애노드 전극을 제공하는 단계; 캐소드 전극 및 애노드 전극과 전기화학적으로 연통하는 전해질을 제공하는 단계; 게이트 전극 전기 단자를 갖는 적어도 하나의 게이트 전극을 제공하는 단계 ― 적어도 하나의 게이트 전극은 전해질과 전기화학적으로 연통하며 애노드 전극 및 캐소드 전극 중 적어도 하나에서 산화환원-활성인 적어도 하나의 이동 종에 대해 투과성이 있고, 적어도 하나의 게이트 전극은 캐소드 전극과 애노드 전극 사이에 위치됨 ―; 디바이스의 동작 파라미터를 측정하고 전지 헬스 이벤트가 발생할 때를 결정하도록 구성된 회로를 제공하는 단계; 및 전지 헬스 이벤트에 응답하도록 구성된 회로를 제공하는 단계를 포함한다.
[0057] 추가 양상에 따르면, 본 발명은 전기화학 디바이스를 동작시키는 방법에 관한 것이다. 이 방법은, 캐소드 전기 단자를 갖는 캐소드 전극을 제공하는 단계; 애노드 전기 단자를 갖는 애노드 전극을 제공하는 단계; 캐소드 전극 및 애노드 전극과 전기화학적으로 연통하는 전해질을 제공하는 단계; 게이트 전극 전기 단자를 갖는 적어도 하나의 게이트 전극을 제공하는 단계 ― 적어도 하나의 게이트 전극은 전해질과 전기화학적으로 연통하며 애노드 전극 및 캐소드 전극 중 적어도 하나에서 산화환원-활성인, 애노드 전극 내의 적어도 하나의 이동 종에 대해 투과성이 있고, 적어도 하나의 게이트 전극은 캐소드 전극과 애노드 전극 사이에 위치됨 ―; 디바이스의 동작 파라미터를 활성적으로 제어하도록 구성된 제어 회로를 제공하는 단계; 및 제어 회로가 정상 전지 헬스의 조건에서 전기화학 디바이스의 동작 파라미터를 유지하도록 전기화학 디바이스를 동작시키는 단계를 포함한다.
[0058] 추가 양상에 따르면, 본 발명은 전기화학 디바이스를 동작시키는 방법에 관한 것이다. 이 방법은, 캐소드 전기 단자를 갖는 캐소드 전극을 제공하는 단계; 애노드 전기 단자를 갖는 애노드 전극을 제공하는 단계; 캐소드 전극 및 애노드 전극과 전기화학적으로 연통하는 전해질을 제공하는 단계; 게이트 전극 전기 단자를 갖는 적어도 하나의 게이트 전극을 제공하는 단계 ― 적어도 하나의 게이트 전극은 전해질과 전기화학적으로 연통하며 애노드 전극 및 캐소드 전극 중 적어도 하나에서 산화환원-활성인 적어도 하나의 이동 종에 대해 투과성이 있고, 적어도 하나의 게이트 전극은 캐소드 전극과 애노드 전극 사이에 위치됨 ―; 디바이스의 동작 파라미터를 측정하고 전지 헬스 이벤트가 발생할 때를 결정하도록 구성된 회로를 제공하는 단계; 전지 헬스 이벤트에 응답하도록 구성된 회로를 제공하는 단계; 및 동작 파라미터를 측정하도록 구성된 회로가, 전지 헬스 이벤트가 발생했음을 결정할 때, 전지 헬스 이벤트에 응답하도록 구성된 회로가 정상 동작 헬스로 디바이스를 리턴시키게 동작하도록 전기화학 디바이스를 동작시키는 단계를 포함한다.
[0059] 한 양상에 따르면, 본 발명은, 캐소드 전기 단자를 갖는 캐소드 전극 ― 캐소드 전극은 전해질과 연통함―; 애노드 전기 단자를 갖는 애노드 전극 ― 애노드 전극은 전해질과 연통함―; 게이트 전극 전기 단자를 갖는 적어도 하나의 게이트 전극 ― 게이트 전극은 전해질과 연통하며 애노드 전극 및 캐소드 전극 중 적어도 하나에서 산화환원-활성인 적어도 하나의 이동 종에 대해 투과성이 있고, 게이트 전극은 캐소드 전극과 애노드 전극 사이에 위치됨―; 및 캐소드 전극과 애노드 전극 중 어느 하나에 전기적으로 연결되는 불균일한 모폴로지컬 피처를 스트립핑하기에 충분한 전류를 게이트 전극에 인가하도록 구성된 스트립핑 회로를 포함하는 디바이스를 특징으로 한다.
[0060] 일 실시예에서, 게이트 전극은 두께 디멘션에 의해 정의된 평면형 지오메트리 및 두께 디멘션에 수직인 2차원 영역을 갖는다.
[0061] 다른 실시예에서, 애노드는 금속 애노드이다.
[0062] 또 다른 실시예에서, 금속 애노드는 마그네슘 또는 마그네슘 함유 합금이다.
[0063] 또 다른 실시예에서, 금속 애노드는 아연, 칼슘, 알루미늄, 리튬, 나트륨 및 납으로 이루어진 금속들의 그룹으로부터 선택되는 금속 또는 금속 함유 합금을 포함한다.
[0064] 추가 실시예에서, 애노드는 불균일한 모폴로지컬 피처 형성 전위의 0.1V 내지 1.2V 내에 있는 반응 전압을 갖는다.
[0065] 또 추가 실시예에서, 애노드는 컨버전 애노드이다.
[0066] 부가적인 실시예에서, 애노드는 인터칼레이션 호스트이다.
[0067] 하나의 추가 실시예에서, 애노드는 합금화 반응 애노드이다.
[0068] 또 추가 실시예에서, 애노드는 불균등화 반응 애노드이다.
[0069] 일 실시예에서, 산화환원-활성 이온 종은 리튬이며, 애노드는 결정질 탄소, 비정질 탄소, Na, K, Rb, Cs, Be, Mg, Ca, Sr, Al, Si, Ge, Sb, Pb, In, Zn, Sn 및 바이너리 Me-X 화합물들로 이루어진 재료들의 그룹으로부터 선택된 재료를 포함하며, X는 황, 인, 질소 및 산소로 이루어진 그룹으로부터 선택되며, Me는 Mg, Ca, Sr, Ti, Zr, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Ag, Zn, Cd, B, Al, Si, Sn, Ge, Sb, Bi 및 이들의 조합으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 금속을 포함한다.
[0070] 다른 실시예에서, 애노드는 온도, 전압, 충전률 또는 이들의 조합에 기반하여 도금 조건들 하에서 동작한다.
[0071] 또 다른 실시예에서, 게이트 전극은 두께 디멘션을 따라서는 이온적 전도성이며 두께 디멘션에 수직으로는 전기적 전도성이다.
[0072] 또 다른 실시예에서, 게이트 전극은 프리스탠딩 형태로서의 전자적 전도성 재료, 또는 충분한 공극율 및 굴곡율을 가지며 전용 탭을 통해 외부 회로에 연결되는, 절연 기판상에 증착되는 막을 포함한다.
[0073] 추가 실시예에서, 게이트 전극은 적어도 하나의 이동 종에 대한 투과성의 효율성을 최대화시키기에 충분한 공극율을 갖는다.
[0074] 또 추가 실시예에서, 게이트 전극은, 게이트 전극을 통해 돌출하는 불균일한 모폴로지컬 피처가 게이트 전극에 대한 전기적 접촉을 실패할 확률을 최소화시키기에 충분한 굴곡율을 갖는 공극율을 갖는다.
[0075] 부가적인 실시예에서, 디바이스는 캐소드 전극과 애노드 전극 중 선택된 전극과 게이트 전극 사이의 전기적 단락의 조건을 인지하도록 구성된 응답 회로; 및 전기 단락을 제거하기 위해 불균일한 모폴로지컬 피처를 스트립핑하기에 충분한 스트립핑 전류를 애노드 전극에 인가하도록 구성된 스트립핑 회로를 더 포함하며, 응답 회로와 스트립핑 회로는 협력하여 동작하도록 구성된다.
[0076] 하나의 추가적 실시예에서, 응답 회로 및 스트립핑 회로는 협력하여 동작하도록 구성된다.
[0077] 또한 추가의 실시예에서, 스트립핑 회로는 디바이스가 충전 또는 방전으로 동작되는 경우 금속 애노드 전극 및 캐소드 전극에서 전류의 0.01% 내지 10%의 범위에서 스트립핑 전류를 제공하도록 구성된다.
[0078] 일 실시예에서, 게이트 전극은 디바이스가 충전 또는 방전으로 동작되는 경우 금속 애노드 전극 및 캐소드 전극에서의 전류에 대해 순-중립적 전류 흐름으로 동작하도록 구성된다.
[0079] 다른 실시예에서, 스트립핑 회로는 애노드와 캐소드 사이에 적용된다.
[0080] 또 다른 실시예에서, 디바이스는 전지 충전 회로를 더 포함한다.
[0081] 또 다른 실시예에서, 전지 충전 회로는 불균일한 모폴로지컬 피처가 게이트 전극과 캐소드 전극 및 애노드 전극 중 어느 하나간에 저-임피던스 경로를 생성하는 경우 충전으로부터 방전으로 스위칭하도록 구성된다.
[0082] 추가의 실시예에서, 방전 이벤트는 게이트 전극에서 감지된 전압에 기반하여 제어되는 전류 및 듀레이션을 갖는다.
[0083] 또한 추가의 실시예에서, 디바이스는 다수의 게이트 전극들을 포함한다.
[0084] 다른 양상에 따르면, 본 발명은 3개 이상의 실질적으로 평행한 전극들을 갖는 다중-전극 전기화학 전지에 관한 것이고, 여기서 적어도 하나의 내부 전극은 이온 투과성 전류-콜렉터를 포함한다.
[0085] 또 다른 양상에 따르면, 본 발명은 캐소드 전기 단자를 갖는 캐소드 전극을 갖는 전기화학 전지에 관한 것이고, 캐소드 전극은 애노드 전기 단자를 갖는 애노드 전극 및 전해질과 연통하고, 애노드 전극은 전해질과 연통하고, 이러한 개선은 게이트 전극 전기 단자를 갖는 적어도 하나의 게이트 전극을 포함하고, 게이트 전극은 전해질과 연통하고 애노드 및 캐소드 중 적어도 하나에서 산화환원-활성인 적어도 하나의 이동 종에 투과성이고, 게이트 전극은 캐소드 전극과 애노드 전극 사이에 위치된다.
[0086] 또 다른 양상에 따르면, 본 발명은 전기화학 전지에 관한 것이고, 전기화학 전지는 캐소드 전기 단자를 갖는 캐소드 전극 ―캐소드 전극은 전해질과 연통함―; 애노드 전기 단자를 갖는 애노드 전극 ―애노드 전극은 전해질과 연통함―; 및 제 3 전기 단자를 갖는 구조를 포함하고, 이 구조는 전해질과 연통하고 애노드 및 캐소드 중 적어도 하나에서 산화환원-활성인 적어도 하나의 이동 종에 대해 투과성이고, 이 구조는, 불균일한 모폴로지컬 피처가 제어 없이 성장하도록 허용되면 캐소드 전극과 애노드 전극간에 전기적 단락을 제공하도록 캐소드 전극 및 애노드 전극 중 어느 하나로부터 성장하는 전기적으로 전도성인 불균일한 모폴로지컬 피처의 존재를 인지하도록 구성되고, 캐소드 전극 및 애노드 전극 중 어느 하나에 전기적으로 접속된 불균일한 모폴로지컬 피처를 스트립핑하기에 충분한 전류를 제 3 전기 단자에서 수신하도록 구성된다.
[0087] 추가의 양상에 따르면, 본 발명은 캐소드 전기 단자를 갖는 캐소드 전극 ―캐소드 전극은 전해질과 연통함― 및 애노드 전기 단자를 갖는 애노드 전극을 갖는 전기화학 전지에 관한 것이고, 애노드 전극은 전해질과 연통하고, 이러한 개선은 제 3 전기 단자를 갖는 구조를 포함하고, 이 구조는 전해질과 연통하고 애노드 및 캐소드 중 적어도 하나에서 산화환원-활성인 적어도 하나의 이동 종에 대해 투과성이고, 이 구조는, 불균일한 모폴로지컬 피처가 제어 없이 성장하도록 허용되면 캐소드 전극과 애노드 전극 간에 전기적 단락을 제공하도록 캐소드 전극 및 애노드 전극 중 어느 하나로부터 성장하는 전기적으로 전도성인 불균일한 모폴로지컬 피처의 존재를 인지하도록 구성되고, 캐소드 전극 및 애노드 전극 중 어느 하나에 전기적으로 접속된 불균일한 모폴로지컬 피처를 스트립핑하기에 충분한 전류를 제 3 전기 단자에서 수신하도록 구성된다.
[0088] 다른 양상에 따르면, 본 발명은 전기화학 전지와 관련되고, 전기화학 전지는, 전기 단자를 갖는 캐소드 전극 ―캐소드 전극은 캐소드 형상, 캐소드 길이, 캐소드 폭 및 캐소드 두께를 갖고, 캐소드 전극은 전해질과 연통함―; 전기 단자를 갖는 애노드 전극 ―애노드 전극은 애노드 형상, 애노드 길이, 애노드 폭 및 애노드 두께를 갖고, 애노드 전극은 전해질과 연통함―; 게이트 전극 전기 단자를 갖는 적어도 하나의 게이트 전극 ―게이트 전극은 전해질과 연통하고, 애노드 및 캐소드 중 적어도 하나에서 산화환원-활성인 적어도 하나의 이동 종에 대해 투과성이고, 게이트 전극은 캐소드 전극과 애노드 전극 사이에 위치됨―; 및 캐소드 전극 및 애노드 전극 중 적어도 하나와 전기적으로 연통하고, 전해질과 전기적으로 연통하는 제어 회로를 포함하고, 제어 회로는, 불균일한 모폴로지컬 피처가 제어 없이 성장하도록 허용되면 캐소드 전극과 애노드 전극간에 전기적 단락을 제공하도록 캐소드 전극 및 애노드 전극 중 어느 하나로부터 성장하는 전기적으로 전도성인 불균일한 모폴로지컬 피처의 존재를 인지 및 응답하도록 구성되고, 캐소드 전극 및 애노드 전극 중 어느 하나에 전기적으로 접속된 불균일한 모폴로지컬 피처를 스트립핑하기에 충분한 전류를 게이트 전극 전기 단자에 제공하도록 구성된다.
[0089] 일 실시예에서, 제어 회로는 캐소드 전극과 애노드 전극간의 전기적 단락을 방지하기 위해, 불균일한 모폴로지컬 피처의 성장을 제한하는 전기적 신호를 적용하도록 구성된다.
[0090] 다른 실시예에서, 제어 회로는 불균일한 모폴로지컬 피처의 성장을 반전시키는 전기적 신호를 적용하도록 구성된다.
[0091] 또 다른 실시예에서, 제어 회로는 캐소드 형상, 캐소드 길이, 캐소드 폭 및 캐소드 두께 중 적어도 하나에서의 변화를 방지하기 위해, 불균일한 모폴로지컬 피처의 성장을 제한하도록 구성된다.
[0092] 또 다른 실시예에서, 제어 회로는 애노드 형상, 애노드 길이, 애노드 폭 및 애노드 두께 중 적어도 하나에서의 변화를 방지하기 위해, 불균일한 모폴로지컬 피처의 성장을 제한하도록 구성된다.
[0093] 다른 양상에 따르면, 본 발명은 애노드, 캐소드, 게이트 전극, 전해질, 및 캐소드 전극 및 애노드 전극 중 적어도 하나와 전기적으로 연통하고 게이트 전극과 전기적으로 연통하는 제어 회로를 갖는 전기화학 전지를 동작시키는 방법에 관한 것이고, 이 방법은, 값을 유도하기 위해, 캐소드 전극, 애노드 전극 및 게이트 전극 중 적어도 2개의 각각의 쌍들간의 전류 및 전압 중 선택된 하나를 측정하는 단계; 값으로부터 전기화학 전지의 동작 상태를 결정하는 단계; 및 전기화학 전지의 동작 상태가 정상 상태이면, 미리 정의된 시간 길이를 대기하고, 그 다음 측정하는 단계를 반복하고, 전기화학 전지의 동작 상태가 단락이 발생할 것이 예상되는 것으로 표시하면, 성장하는 불균일한 모폴로지컬 피처를 분해하도록 구성된 전기적 신호를 적용하고, 그 다음 측정하는 단계를 반복하는 단계를 포함한다.
[0094] 또 다른 실시예에서, 스트립핑 회로 및 전지의 동작 조건들은 전지의 산화환원-활성 종들의 금속-도금 전위에 관련하여 0 V 내지 1.2 V 범위의 전압을 애노드에 제공하도록 구성된다. 일부 실시예들에서 금속-도금 전위의 0 V 내지 1.2 V 범위의 전압은 금속-도금 전위로부터 0.1V, 0.2V, 0.3V, 0.4V, 0.5V, 0.6V, 0.7V, 0.8V, 0.9V, 1.0V 또는 1.1V의 전압이다.
[0095] 추가의 실시예에서, 디바이스는 게이트 전극이 자신의 타겟 전위로 더 이상 유지될 수 없는 조건을 인지하도록 구성된 응답 회로; 및 그러한 조건이 감지될 때, 캐소드 전극과 애노드 전극 사이에 방전 전류를 트리거링하도록 구성된 충전 회로를 더 포함한다. 쇼트를 스트립핑하기 위한 규정된 방전 이벤트 다음에, 충전이 재개될 수 있다. 그러한 조건이 인지될 때 트리거링되는 방전 이벤트전지 성능 및 이력 및 방전 동안에 게이트 전극에서 측정되는 전압에 의존하여 레이트 및 듀레이션 둘 모두에 대해 최적화될 수 있다.
[0096] 또 다른 실시예에서, 디바이스는 전지에 걸쳐 불균일한 모폴로지컬 피처의 진보적인 성장에 응답하도록 구성된 복수의 게이트 전극들을 더 포함할 수 있다. 그러한 실시예에서, 복수의 게이트 전극들은 복수의 외부 게이트 전극 단자들을 가질 수 있거나, 대안적으로 단일 외부 게이트 전극 단자에 연결될 수 있다.
[0097] 또 다른 실시예에서, 게이트 전극은 단지 전지의 특정 구역들 내의 불균일한 모폴로지컬 피처들로부터 보호하도록 구성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 구역들은 탭들 또는 전극 둘레 구역들이다.
[0098] 본 발명의 특징들의 일 양상에 따라, 하나 또는 그 초과의 게이트 전극들(즉, 제 3 또는 후속 전극)을 갖는 전기화학 전지는 캐소드와 애노드 사이에 위치된다. 본 개시는 2 개의 작동하는 전극들 사이에 인터포즈된 하나 또는 그 초과의 부가된 "제어" 또는 "게이트" 전극들의 부가를 통해 미리 설명된 기본적인 문제들을 해결한다. 전극은 전계-효과 트랜지스터 내의 게이트 전극과 그의 밀접한 유사성으로 인해 "게이트"로 지칭된다. 이러한 게이트 전극은 (a) 정의된 전지 지오메트리 하에서 타겟 전지 화학 전위를 설정하고 (b) 적합한 전위의 인가를 통해 게이트로부터 증착된 재료의 스트립핑을 강제하고 (c) 게이트가 자신의 타겟 전위로 더 이상 유지될 수 없는 포인트를 검출함으로써 금속 도금 전위 근처에서 증착할 임의의 금속 또는 화합물의 도금 지오메트리의 제어를 허용한다. 이것은 금속-전극 또는 다른 전지들의 개선된 동작을 인에이블할 뿐만 아니라, 이것은 전위가 금속 도금 전위에 가깝게 놓이는 임의의 전지에서 더 빠른 사이클링을 인에이블하고, 특정 다중-전해질 전지들에서 다양한 신규한 전지 설계들을 인에이블한다.
[0099] 다른 양상에서, 게이트 전극은 전해질로 그리고 전기적으로 전도성 둘 모두이다. 일부 실시예들에서, 게이트 전극을 다공성으로 만듦으로써 전해질 전도도가 달성된다.
[00100] 다른 양상에서, 게이트 전극은, 불균일한 모폴로지컬 피처가 작동하는 (노드 또는 캐소드) 전극들 사이에 쇼트-회로를 생성하기 전에, 애노드로부터 캐소드를 향해 연장되는 불균일한 모폴로지컬 피처를 접촉하는 것의 높은 확률을 보장하기 위해 충분히 작은 특징적인 공극율을 갖는 다공성 기계적 배리어를 애노드와 캐소드 사이에 제공한다.
[00101] 다른 양상에서, 게이트 전극은 애노드 또는 캐소드 중 적어도 하나에 실질적으로 기하학적으로 평행하도록 구성된다. 다른 양상에서, 게이트 전극은 거의 100 % 효능으로 타겟 전위로부터의 편차들을 검출하기 위한 회로와 연통한다. 다른 양상에서, 전류는 게이트 전극에 쇼트된 불균일한 모폴로지컬 피처들을 스트립핑하고, 작동하는 전극들 사이의 돌발적인 단락 전에 전지를 재컨디셔닝하기 위해 게이트 전극에 인가될 수 있다.
[00102] 다른 양상에서, 모니터링 회로는 전지 쇼트-회로로 진행될 초기 결함들을 검출한다. 다른 양상에서, 재컨디셔닝 회로는 불균일한 모폴로지컬 피처들을 스트립핑하도록 기능하고 이로써 연속되는 안전한 사용을 위해 전지를 재컨디셔닝한다.
[00103] 일 실시예에서, 전기화학 전지는 2차 배터리이고, 작동하는 전극들은 적어도 하나의 애노드 및 적어도 하나의 캐소드를 포함한다.
[00104] 본 발명의 앞서 말한 그리고 다른 목적들, 양상들, 특징들 및 장점들은 다음의 설명 및 청구항드로부터 더 자명해질 것이다.
[00105] 본 발명의 목적들 및 특징들은 아래에 설명되는 도면들 및 청구항들을 참조하여 더 양호하게 이해될 수 있다. 도면들은 반드시 실척대로 도시되는 것은 아니고, 본 발명의 원리들을 예시할 때 일반적으로 배치되는 것 대신에 강조된다. 도면들에서, 동일한 번호들은 다양한 도면들 전체에 걸쳐 동일한 부분들을 표시하는데 사용된다.
[00106] 도 1(종래 기술)은 기본 전기화학 전지를 예시한다.
[00107] 도 2(종래 기술)는 적어도 2 개의 전기화학 전지들로부터 구성된 배터리를 예시한다.
[00108] 도 3(종래 기술)은 전지들에 영향을 주는 문제들, 즉, 불균일한 모폴로지컬 피처 형성 및 절연된 금속 복합물들(metal complexes)의 부착을 예시한다.
[00109] 도 4(종래 기술)는 Roh에 따른 비활성 외부 전극을 갖는 배터리를 예시한다.
[00110] 도 5(종래 기술)는 도 4의 배터리의 내부 구성을 예시한다.
[00111] 도 6(종래 기술)은 Meissner에 따른 제 3 전극을 갖는 액체 전해질 전지를 예시한다.
[00112] 도 7(종래 기술)은 Zhong에 따른 제 3 전극을 갖는 에어-전해질 전지를 예시한다.
[00113] 도 8(종래 기술)은 표면 영역을 증가시키기 위해 제 3 전극을 갖는 Slezak 에 따른 전지를 예시한다.
[00114] 도 9(종래 기술)는 Morris에 따른 전극의 외부적으로 노출된 연장부를 갖는 전지들을 예시한다.
[00115] 도 10(종래 기술)은 도 9의 전지를 사용하는 배터리의 구성을 예시한다.
[00116] 도 11(종래 기술)은 제 3 전극이 도 3의 메커니즘들에 의해 고갈된 금속 이온들을 보충하도록 구성된 비-참여 금속성 저장소인 3 전극 전지를 예시한다.
[00117] 도 12(종래 기술)는 Christensen에 따른 간헐적으로 연결된 리튬 저장소 전극을 갖는 전지를 예시한다.
[00118] 도 13(종래 기술)은 전극들 중 하나가 온도 또는 다른 측정들을 위해 전지에 비-간섭 액세스를 제공하기 위해 제 3 전극으로 연장되거나 전기적으로 연결되는 전지를 예시한다.
[00119] 도 14(종래 기술)는 감지를 위한 전극들을 사용하는 Kaneta에 따른 배터리를 예시한다.
[00120] 도 15a(종래 기술)는 리튬에 대한 저장소를 제공하는 제 3 보조 전극에 추가로, 애노드 및 캐소드의 3차원 구성을 갖는 Ramasubramanian에 따른 전지를 예시한다.
[00121] 도 15b(종래 기술)는 도 15a의 전지 및 연관된 감지 회로를 예시한다.
[00122] 도 16a(종래 기술)는 리튬 이온 2차 배터리의 선적 후에 사용되지 않는 전기적 전도성 층(4)을 도시하는 Noguchi(WO 2011/070712 A1)로부터의 도 8의 카피이다.
[00123] 도 16b(종래 기술)는 Cui(PCT/US2014/036631)의 종래 기술의 도 1a 및 도 1b의 카피이다.
[00124] 도 17은 코팅된 금속성 전극 표면을 예시한다.
[00125] 도 18은 코팅의 도금을 초래하는, 도 17의 전극 코팅의 고장을 예시한다.
[00126] 도 19는 게이트 전극을 포함하는 본 개시에 따른 전지를 예시한다.
[00127] 도 20은 고전도성 굵은 메시 및 전도성 미세 메시의 라미네이트로 구성된 게이트 전극의 구성을 예시한다.
[00128] 도 21은 얇은 금속 막으로 처리된 상업용 분리기를 도시한다.
[00129] 도 22는 두꺼운 금속 그리드와 결합된 얇은 금속 코팅된 분리기를 도시한다.
[00130] 도 23은 애노드 전극, 캐소드 전극, 및 분리기들을 갖는 게이트 구조를 포함하는 게이트 전극을 갖는 전지의 실시예를 예시한다.
[00131] 도 24는 전지 충전, 방전 및 스트립핑 사이클을 예시한다.
[00132] 도 25a는 초기 전지 단락을 검출하고, 이러한 검출에 대해 재컨디셔닝 단계로 응답하는 방법 및 제안된 게이트 전극에 대한 저항 요건 대 영향을받는 작업 전극을 예시한다.
[00133] 도 25b는 작용 전극들에 대하여 게이트에 대한 동작 전압들을 예시한다.
[00134] 도 26은 본 개시에 따라 보호되는 전지에 대한 동작 방법을 예시하는 흐름도이다.
[00135] 도 27은 본 개시에 따라 보호되는 전지에 대한 대안적인 동작 방법을 예시하는 흐름도이다.
[00136] 도 28은 본 개시에 따라 다중-전극 전기화학 전지를 동작시키는데 사용될 수 있는 종래 기술의 제어 회로의 개략도이다.
[00137] 도 29a는 재충전 가능한 Li 금속 2차 전지에 대한 시간의 함수로써 전지 전압(즉, 포지티브 및 네거티브 전지 단자들 간에 측정된 전압)의 그래프이며, 여기서 N/P 정전용량 비는 ≤1이다.
[00138] 도 29b는 재충전 가능한 Li 금속 2차 전지에 대한 시간의 함수로써 게이트 전압(즉, 이 경우에 게이트와 네거티브 전지 단자 간에 측정된 전압)을 도시하는 그래프이며, 여기서 N/P 정전용량 비는 ≤1이다.
[00139] 도 30은 게이팅된 재충전 가능한 Li 금속 2차 전지에 대한 사이클 수의 함수로써 캐소드 에너지 밀도를 도시하며, 여기서 N/P 정전용량 비는 ≤1이다.
[00140] 도 31은 게이팅된 재충전 가능한 Li 금속 2차 전지에 대한 사이클 수의 함수로써 평균 충전 및 방전 전압을 도시하며, 여기서 N/P 정전용량 비는 ≤1이다.
[00141] 도 32는 게이팅된 재충전 가능한 Li 금속 2차 전지에 대한 사이클 수의 함수로써 전지 전압 및 게이트 전압의 세그먼트를 도시하며, 여기서 활성 제어 하에서 N/P 정전용량 비는 ≤1이다.
[00142] 도 33은 게이트 전극을 통합한 본 개시에 따른 전지를 동작시키기 위한 테스트 장치의 이미지이다.
종래 기술에 관한 문제들의 논의
[00143] 도 1(종래 기술)은 캐소드(120), 전해질(130) 및 애노드(140)를 포함하는 "종래의" 2-전극 2차 전기화학 전지(110)를 도시한다. 전지는 캐소드(120)와 애노드(140)의 전극 전위들 간의 차이에 기반하여 특징적인 전압을 생성한다. 전해질(130)은 그것이 전극들 간의 분리기로서 기능하는 것을 가능케 하는 기계적 특성들을 가질 수 있다. 전극들은 금속성 또는 활성 또는 불활성 재료들의 조합일 수 있다. 충전 동안, 전자들은 캐소드(120)에서 생성되고, 애노드(140)에서 소비된다. 전자들은 외부 회로를 통해 전달된다. 통상적인 금속-이온 기반 전지의 충전 동안, 애노드(140)에서 금속-이온의 부착이 존재한다. 금속성 전극을 갖는 전지에서, 충전은 애노드(140)의 도금을 초래한다. 비-금속성 전극을 갖는 전지에서, 충전은 이상적으로, 전극으로의 금속 이온들의 인터칼레이션을 초래하지만, 인터칼레이션 전위가 금속 도금 전위에 너무 가까우면, 금속은 또한 이 경우에 도금될 수 있다.
[00144] 도 2(종래 기술)는 이러한 전지들(110)이 통상적으로 서로 스택킹되어 다수의 특성 전압을 제공하는 배터리(210)를 형성하는 것을 도시한다. 일부 전기화학 시스템들은 얇은 평면형 전극들 및 전해질들에 매우 적합하며, 작은 체적의 더 높은 전압 배터리들을 생성하도록 전지들의 간결한 평면형 스택의 구성에 대해 그 자체로 적합하다.
[00145] 도 3(종래 기술)은 2차 전지들에서 발생하는 2개의 심각한 문제들을 도시한다. 전지(310)는 종래의 캐소드(320), 전해질(330) 및 애노드(340)를 포함한다. 충전/방전 사이클 동안, 작용 전극들의 지오메트리가 전지의 손상으로 진화하는 것이 발생한다.
[00146] 특히, 금속의 불균일한 모폴로지컬 피처들(350)은 애노드(340)의 표면 상에 형성될 수 있다. 불균일한 모폴로지컬 피처들(350)이 캐소드(320)에 도달하기에 충분히 길게 성장하면, 전지가 단락될 것이다. 이 단락은 전지를 디스에이블하고, 돌발적 결과들을 갖는 파괴적인 발열 반응으로 이어질 수 있다. 종래의 전지들에 관한 다른 문제는, 전해질(330)의 부반응(side reaction)들이, 전지의 내부 체적 내에서 "모시(mossy)" 증착물이라 칭해지는 과도한 전해질 인터페이즈(360)의 형성으로 이어질 수 있으며, 이는 후속적으로 전지의 동작에 참여할 수 없는 금속의 격리된 증착물들을 생성한다. 어느 정도까지, 불균일한 모폴로지컬 피처들 및 모시 증착물들의 문제들은, 충전 및 방전 조건들을 제한함으로써 관리될 수 있지만, 이는 전지의 정전용량 및 활용성을 제한한다. 전극 재료들에 대한 재료 개선들은, 불균일한 모폴로지컬 피처들의 형성을 최소화할 수 있다고 또한 제안되었지만, 그러한 개선들은 여전히 전지를, 돌발적 이벤트 이전의 검출 수단이 없고 전지를 복구할 방법이 없음으로써 궁극적인 고장에 취약한 상태로 남겨둘 것이다. 정상 동작 동안 초기 고장들을 검출하기 위한 비-간섭 방법이 그러한 전지에 대해 이용 불가능하기 때문에, 덴드라이트 단락(dendritic shorting)으로 인해 고장난 전지를 결정하는 유일한 결정적인 방법은 검사(autopsy) 동안 전지의 파괴적인 분해이다.
[00147] 도 4(종래 기술)는 Roh에 따라 비활성 재료로 제조된 외부 전극을 갖는 배터리를 예시한다. 여기서, 전지의 활성 평면으로부터 연장되는 전지의 전극들 중 하나는 배터리 어셈블리로 전지들을 구성하기 위한 상호연결 포인트들을 제공하는데 사용된다. 연장된 전극들은 전지의 에너지 추출 또는 제어에 참여하지 않는다. 비활성 전극들은 불균일한 모폴로지컬 피처들 또는 모시 증착물들과 연관된 문제들을 해결하는데 사용할 수 없다.
[00148] 도 5(종래 기술)는 도 4의 배터리의 내부 구성을 도시한다. 활성 전극들과는 상이한 재료(55)가 전류 콜렉터로서의 사용되며, 전지 상호 접속 포인트들을 제공하도록 연장된다. Roh가 제 3 전극을 특징으로 하는 반면, 활성 재료(52), 콜렉터(51) 및 비활성 재료(55)를 갖는 어셈블리(50)는 단일 전극에 대해 전기적으로 등가이다. 기계적 장점들을 제공하는 반면, 이 어셈블리는, 문제들, 이를테면, 불균일한 모폴로지컬 피처들 또는 모시 증착물을 다루는데 사용될 수 없다.
[00149] 도 6(종래 기술)은 보조 전극(16)의 추가에 의해 변경된, Meissner에 의한 액체 전해질 전지를 도시한다. Christensen과 같이, 전해질(22) 내에 배치된 보조 전극은 금속 이온들을 전지에 추가하기 위한 리튬용 저장소를 제공한다. 보조 전극(16)은 전지의 액체 전해질과 간헐적으로만 접촉하고, 정상 충전 및 방전 사이클에는 참여하지 않는다. 전지는 보조 전극의 전해질과의 접촉을 제어하기 위해서 재배향되어야 한다. 보조 전극은 일부 감지 기능을 제공할 수 있다. 보조 전극은 작동 전극들 중 어느 것보다 실질적으로 더 작은 영역을 가지며, 애노드와 캐소드 간에 배리어를 생성하지 않는다. 이러한 특성들 때문에, Meissner의 보조 전극은 문제들, 이를테면, 불균일한 모폴로지컬 피처들 또는 모시 증착물을 다루는데 사용될 수 없다.
[00150] 도 7(종래 기술)은, 다른 예로서, 전지 타입이 에어 전극(102) 및 금속 전극(106)을 갖는 것을 도시한다. 이외에도, 이는, 카운터(제 3) 전극(104), Zhong에 따른 금속 에어 트리셀(100)을 포함한다. 제 3 전극은 또한, 에어 캐소드에 대한 이러한 소위 "트리셀" 구성에서 광범위하게 연구되었다. 이러한 전지들에서, 산소-발생 및 산소-소모 페이즈들(충전 및 방전) 동안 촉매에 대한 경쟁 요건들이 존재한다. 트리셀 구성은 상이한 촉매들; 예를 들어, 금속 촉매 및 산화물 촉매를 포함하는 2개의 캐소드들을 이용함으로써 이러한 상이한 요건들을 다룬다. 이러한 방식들의 목표는 하나의 전극으로부터 충전하고 다른 전극으로 방전하는 것이기 때문에, 전극들 중 하나의 순 전류는 항상 제로이다. 따라서, 카운터(제 3) 전극(104)은 감지 또는 리컨디셔닝 기능을 제공하지 않고, 따라서, 이러한 타입의 전극이 넌-에어(non-air) 타입 전지에 추가되지 않았더라도, 문제들, 이를테면, 불균일한 모폴로지컬 피처들 또는 모시 증착물들을 해결하는데 사용될 수 없다.
[00151] 도 8(종래 기술)은 표면적을 증가시키기 위해 제 3 전극을 갖는 Slezak에 따른 전지를 도시한다. 전극은 폴딩 형상을 가지며 내부 전극에 직접적으로 연결되고 따라서 내부 전극과 항상 동일한 전위에 있다. 이러한 의미에서, 제 3 전극은 독립적이지 않다. 증가된 표면적이 전지의 성능을 향상시키지만, 어떠한 활성 제어 또는 측정 능력도 제공하지 않고, 따라서, 불균일한 모폴로지컬 피처들 또는 모시 증착물들과 같은 문제들을 다루는데 사용될 수 없다.
[00152] 도 9(종래 기술)는 Morris에 따라 전극의 외부 노출 연장부를 갖는 전지들을 도시한다. Roh와 유사하게, 확장된 전극은 외부 상호접속부들을 제공하는 역할을 한다. Morris에서, 이들 전극들은 전지의 전체 평면을 덮지 않고, 따라서, 균일한 활성 표면을 제공할 수 없다. 확장된 전극은 문제들, 이를테면, 불균일한 모폴로지컬 피처들 또는 모시 증착물을 다루는데 사용될 수 없다. 그러나, 확장된 전극들은 배터리로 전지들의 콤팩트한 어셈블리를 가능하게 한다.
[00153] 도 10(종래 기술)은 도 9의 전지를 이용한 배터리의 구성을 도시한다. 연장된 전극들은 전류 콜렉터들로서 사용되고, 전지 스택의 높이를 증가시키지 않고 개별 전지들을 연결한다. Morris의 방식이 기계적 장점들을 제공하는 반면, 연장된 전극들은 작업 전극들에 대해 전기적으로 등가이며, 문제들, 이를테면, 그러한 불균일한 모폴로지컬 피처들 또는 모시 증착물들을 다루는데 사용될 수 없다.
[00154] 도 11(종래 기술)은, 전지 내 활성 Li를 "탑 업(top up)"할 능력을 제공하는, 충전 및 재충전 사이클 동안 손실된 금속을 대체하기 위해서 전해질(1130)과의 통신으로 금속의 저장소(1150)를 제공하는 제 3 전극을 포함하는, Christensen에 따른 전지(1110)를 도시한다. 정상 동작 동안, 저장소는 전지의 동작으로부터 전기적으로 분리된 상태로 남아있다. 저장소가 전지 성능의 저하가 검출되는 경우 활성화되고 전지의 동작을 리밸런싱하기 위해서 금속의 소스로서 사용된다. 저장소가 정상 전지 동작에 간섭하지 않도록 설계되었기 때문에, 전지의 측면에 대해 떨어져, 작업 전극들(애노드(1140) 및 캐소드(1120)) 사이에 형성된 평면을 벗어나 배치된다. 저장소 전극은 전지의 1차 전도 경로들의 외부에 그리고 이에 인접하지만 전해질과 접촉하게 배치된다. 저장소 전극은 나머지 스택과 동일 평면이 아니며, 바이어스는 (Li 금속과는 반대로) Li-ion 전지들의 사이클링 동안 손실된 Li를 보충하기 위해서 작업 전극들 중 하나 또는 둘 모두에 대하여 저장소 전극에 간헐적으로만 제공된다. 이 접근법은 작업 이온들의 유효 손실로 인해 "정전용량 페이드" 또는 "파워 페이드"로 식별되는 성능의 저하를 다룰 수 있지만, Christensen의 저장소는 여러 가지 원인들로 인해 불균일한 모폴로지컬 피처들 또는 모시 증착물들과 같은 문제점들을 다루기 위해 사용될 수 없다. 첫째, 저장소는 정상 충전 및 방전 사이클에 참여하지 않고, 따라서, 불균일한 모폴로지컬 피처들의 상태를 모니터링할 수 없다. 둘째, 저장소는 완전한 분리기를 형성하는 작동 전극들 사이에 위치되지 않으므로, 전지는 저장소가 제공되는 임의의 기계적 기능에 의해 전적으로 보호될 수 없다. Christensen은 또한 저장소 전극을 기준 또는 보조 전극으로서 사용함으로써 모니터링을 제공한다. 전지의 대부분의 사이클 수명 동안, 저장소 전극은 개방-회로에 있거나 또는 최소 전류에서 동작하는 감지/보조/기준 전극으로서 동작한다. 충전 또는 방전 동안만, 저장소 전극이 애노드(충전) 또는 음극(방전)에 대해 바이어싱되므로 사이클에 추가 Li를 도입시킨다. 기능을 위해서, 저장 전극들은 작업 전극들에 Li를 전달해야 한다, 즉 저장소 전극과 동작 전지 사이의 평균 전류는 포지티브이어야 한다; 마찬가지로, 저장소 전극의 동작 동안 전압 또한 포지티브이어야 한다.
[00155] 도 12(종래 기술)는 도 11의 전지, 및 리튬 양이온의 양의 보충 또는 감소가 요청될 경우 리튬 저장소 전극과 간헐적으로 연결될 수 있게 하는 제어 회로들을 도시한다. 리튬 저장소 전극은 전지의 전해질과 접촉하지만, 스위치들(613 또는 614) 중 하나가 그들의 정상적인 오픈 상태로부터 클로즈되지 않는다면, 리튬 저장소 전극은 전기적으로 절연된 상태로 남아 있게 된다. 스위치들 중 하나가 클로즈될 경우, 정확한 전압 인가된 리튬이 추가되거나 또는 전지의 활성 부분으로부터 제거될 수 있다. 이 리튬 관리 기능은 문제들, 이를테면, 이러한 불균일한 모폴로지컬 피처들 또는 모시 증착물을 다루지 않는다.
[00156] 도 13(종래 기술)은 Kaneta에 따른 전지(1310)를 도시하며, 여기서, 애노드(1340) 또는 캐소드(1320) 중 어느 하나는, 제 3 전극으로 고려될 수 있는 추가의 대용량의 전극 재료(1350)에 부착된다. 이러한 전지에서, 추가의 전극 재료는, 작업 전극들 중 하나에 기계적으로 및 직접 전기적으로 연결되지만, 작업 전극들의 평면 외부에 기계적으로 배치된다. 추가의 전극은 반드시 전해질(1330)과 직접 접촉할 필요는 없다. 따라서, 추가의 전극 재료는 측정 포인트로서, 이를테면, 예컨대 온도에 대해 용이하게 액세스가능하지만, 그것이 전기적으로 연결되는 작업 전극과 동일한 전위로 항상 동작하고 있다. 따라서, 추가의 전극 재료는, 작업 전극에 대한 연속적인 연결을 가정하지 않는 어떠한 목적에 대해서도 사용될 수 없다. 그것이 하나 또는 다른 작업 전극에 직접 전기적으로 연결되기 때문에, 추가의 전극은 작업 전극들과 전기적으로 별개이지 않으며, 문제들, 이를테면 그러한 불균일한 모폴로지컬 피처들 또는 모시 증착물들을 다루기 위해 사용되지 않을 수 있다.
[00157] 도 14(종래 기술)는, 각각의 전지의 평면으로부터 직접적으로 연장하는 감지를 위한 전극들을 이용하는 도 13의 Kaneta에 따른 배터리를 예시한다. Kaneta의 어레인지먼트는, 감지 프로브들을 삽입하거나 스택에 두께를 추가하는 필요성 없이 감지를 허용한다. 그러나, 감지 전극들은 배터리의 에너지 저장 또는 방출 케미스트리에 참여하지 않으며, 문제들, 이를테면 그러한 불균일한 모폴로지컬 피처들 또는 모시 증착물들을 다루기 위해 사용되지 않을 수 있다.
[00158] 도 15a(종래 기술)는 Ramasubramanian에 따른 3-차원 전지(1510)를 도시한다. 전지는, 전지의 용량을 증가시키기 위해 큰 표면 영역을 제공하는 비평면형 지오메트리를 갖는 작업 전극들의 애노드(1520) 및 캐소드(1530)를 갖는다. 이러한 전지의 보조 전극(1550)은, 작업 전극들 중 적어도 하나에 상대적으로 균일하게 근접하도록 배열되지만, 작업 전극들 간에 위치되지 않으며, 하지만 (예시되지 않은) 전해질과 접촉한다. 보조 전극은, 전지의 더 균일한 충전을 지원하기 위해 상당한 전류들을 전달할 수 있다. 전극들의 3차원 속성 때문에, 보조 전극과 관련 작동 전극 간의 거리는 실질적으로 변하며, 관련 작업 전극의 국부 지오메트리 에볼루션과 관계없는 기능들으로만 보조 전극의 유용성을 제한한다. 보조 전극은 작업 전극들 간에 위치되지 않는다. 따라서, 보조 전극은, 작업 전극들 간에 발생하는 국부적 현상들을 관리하기 위해 사용될 수 없으며, 불균일한 모폴로지컬 피처들에 관련된 현상을 관리하기 위해 사용될 수 없다. 오히려, Ramasubramanian이 충전을 최적화하는 것 및 또한, 리튬 저장소로서 보조 전극을 사용하는 것에 관련된다. Ramasubramanian의 3차원 전지는 문제들, 이를테면 그러한 불균일한 모폴로지컬 피처들 또는 모시 증착물들을 다루기 위해 사용될 수 없다.
[00159] 도 15b(종래 기술)는, 도 15a의 전지 및 연관된 감지 회로를 예시한다. 감지 및 제어 유닛(27)은, 그러한 불균일한 모폴로지컬 피처들 또는 모시 증착물들을 다루는 것이 아니라, 전지의 성능을 개선시키기 위해 보조 전극(24)의 원하는 전위를 유지하는데 사용된다.
Noguchi 종래 기술
[00160] Noguchi 특허는, (한국 특허청에 의해 제공된 번역문에서 인용된 바와 같이) 전기적 전도성 층(4)이 이온 빔 스퍼터링 증착 또는 대안적으로는 RF 또는 마그네트론 스퍼터링을 사용하여 18 μm의 두께의 폴리프로필렌 시트의 하나의 측면 상에 약 0.5 μm 두께의 Cu 층을 형성함으로써 제조된다는 것을 개시한다. 기계적 어셈블리 이후, 전해질이 2차 배터리에 추가되었다. 그 후, 그것은 충전되었다. 충전 이후, 전기전도성 층과 캐소드(16) 간의 전기 전위 및 전류가 측정될 수 있다.
[00161] Noguchi 특허는, (한국 특허청에 의해 제공된 번역문에서 인용된 바와 같이) 본 발명의 효과가 외부 금속 물질에 의해 야기되는 리튬 이온 2차 배터리들에서 내부 단락들을 고감도로 검출한다는 것을 개시한다.
[00162] 설명된 전기전도성 층은, 어떠한 전위도 전지의 동작 동안 인가되지 않는다는 점에서 패시브 디바이스이다. 사실, 전기전도성 층의 목적은 전지의 선적 이전에 제조 결함들의 검출을 보조한다는 것이다. 문헌은, 제조 프로세스 동안 도입된 금속 입자 불순물들의 존재에 의해 생성되는 단락들의 문제점을 상세하게 다룬다. 따라서, (선적 이후) 전지의 실제 동작에서, 어떠한 바이어스도 인가되지 않고 어떠한 전류도 감지되지 않는다. 또한, 본 발명은 내부 단락들을 검출하기 위한 수단으로서 전반에 걸쳐 설명되며, 검출은 고유하게 패시브이고, 결함 전지들의 배제에 대한 구동 결정들을 제외하고 디바이스 동작에 영향을 주지 않는다.
[00163] Noguchi 특허는, (한국 특허청에 의해 제공된 번역문에서 인용된 바와 같이) "또한 전기적 전도성 층(4)이 리튬 이온 2차 배터리의 선적 이후 특수하게 사용되지 않는다는 것을 개시한다. 따라서, 전기전도성 층에 연결된 단자(10)는, 선적 이전의 검사 이후 멤버에 대해 숨겨지거나, 전기전도성 층에 연결된 단자(10) 또는 도선 라인은 제거될 수 있다".
[00164] Noguchi 특허는, 작업 Li 2차 배터리 또는 임의의 2차 배터리로부터 덴드라이트들을 제거하기 위해 전기적 전도성 층(4)을 어떻게 사용할 수 있는지를 설명하지는 않는다. 오히려, Noguchi 특허는, 단락되고 그에 따라 결함있는 제조된 2차 배터리 디바이스들을 어떻게 검출할 수 있는지만을 교시한다.
[00165] 도 16a(종래 기술)는, 리튬 이온 2차 배터리의 선적 이후 사용되지 않는 전기적 전도성 층(4)을 도시하는 Noguchi(WO 2011/070712 A1)로부터의 도 8의 카피이다.
CUI 종래 기술
[00166] 도 16b(종래 기술)는 Cui(PCT/US2014/036631)의 종래 기술의 도 1a 및 도 1b의 카피이다.
[00167] 특히, Cui는 그의 도 1a 및 도 1b에서, 2차 Li 배터리에서 다양한 전극들 간의 전압들을 측정하기 위한 전압계들의 사용을 나타낸다. 전기 측정 분야에서 잘 알려진 바와 같이, 전압계는, 측정되는 회로의 로딩을 피하기 위해 높은 입력 임피던스를 가질 필요가 있다. 전자 증폭기들을 갖는 미터기들(모두 디지털 멀티미터기들 및 일부 아날로그 미터기들)은, 대부분의 회로들을 방해하지 않기에 충분히 높은 고정된 입력 임피던스를 갖는다. 이것은 종종 하나 또는 10개의 Megaohm들 중 어느 하나이며; 입력 저항의 표준화는, 전압 범위를 수만 볼트들까지 확장시키기 위한 입력 저항을 갖는 전압 분압기를 형성하는 외부의 고저항 프로브들의 사용을 허용한다. 하이-엔드 멀티미터기들은 일반적으로, 10V 미만 또는 그와 동일한 범위들에 대해 10기가옴 초과의 입력 임피던스를 제공한다. 일부 하이-엔드 멀티미터기들은, 10V 초과의 범위들에 대해 10기가옴 초과의 임피던스를 제공한다. 그러한 미터기들이 10볼트 아래, 그리고 종종 5볼트 미만의 동작 전압들을 갖는 전력 공급부들로부터 동작한다고 가정하면, (예컨대, 제로 볼트의 전압을 측정하여) 단락을 감지할 때 흐를 전류는, 10메가옴 입력 임피던스를 갖는 미터기를 이용하면 10-7 암페어 미만이고, 10기가옴 입력 임피던스를 갖는 미터기를 이용하면 10-10 암페어 미만일 것이며, 그 중 어느 하나도 2차 배터리에서 덴드라이트에 어떠한 영향을 주기에 불충분하다.
[00168] Cui에서 설명된 디바이스는 패시브 디바이스이다. 디바이스는 전지의 동작 동안에 바이어스가 제 3 전극에 인가되게 하도록 구성되지 않는다. 이 전극에 인가되는 전류 또는 전압 소스 대신에, 디바이스는 전압-감지 디바이스, 이를테면, 전압계를 포함한다. 전압-감지 동작은 본질적으로 패시브이며; 감지되고 있는 회로의 동작에 대해 감지 디바이스의 간섭을 최소화하도록 전압계들의 임피던스는 높고, 전극들 전부의 전압은, 이들이 감지 디바이스의 부재시 있을 것과 동일한 전위로 머무를 것이다. 그것이 패시브이기 때문에, Noguchi 디바이스처럼 Cui 발명은 결함 전지들을 거부하는 역할을 할 수 있지만, 전지 동작에 대한 어떠한 개선도 제공하지 않는다.
[00169] 요약하면, 다양한 사용들에 대한 전기화학 전지들의 3개 이상의 전극들의 사용이 잘 알려져 있지만, 이들 종래 사용들 중 아무것도 불균일한 모폴로지컬 피처들을 스트립핑하거나 또는 작업 전극들의 헬스를 활성적으로 관리할 수 없다.
ROUMI 개시내용들
[00170] 2014년 11월 18일자로 출원되었으며 미국 특허출원 공개번호 2015/0171398 Al로서 2015년 6월 18일자로 공개된 Roumi 미국 일련번호 제 14/546,953호, 그리고 2014년 11월 18일자로 출원되었으며 미국 특허출원 공개번호 2015/018000 Al로서 2015년 6월 25일자로 공개된 Roumi 미국 일련번호 제 14/546,472호 둘 모두는, 2014년 7월 2일자로 출원된 미국 가특허출원 일련번호 제 62/020,337호의 출원일 이전에, 2013년 11월 18일자로 출원된 미국 가특허출원 일련번호 제 61/905,678호, 2014년 2월 12일자로 출원된 미국 가특허출원 일련번호 제 61/938,794호, 그리고 2014년 4월 28일자로 출원된 미국 가특허출원 일련번호 제 61/985,204호(총체적으로, "가장 초기의 세 개의 Roumi 가출원들")를 우선권으로 하여 그 혜택을 주장한다(이로부터, 본 출원은 우선권 및 그 혜택을 도출함). 두 개의 Roumi 출원들은 또한, 2014년 7월 14일자로 출원된 미국 가특허출원 일련번호 제 62/024,104호를 우선권으로 하여 그 혜택을 주장한다.
[00171] 현재의 선출원주의 법적 제도 하에서, 미국 가특허출원 일련번호들 제 61/905,678호, 제 61/938,794호, 및 제 61/985,204호 중 아무곳에서도 존재하지 않았던, 미국 특허 출원 일련번호 제 14/546,953호 또는 미국 특허 출원 일련번호 제 14/546,472호에 개시된 추가 자료 중 아무것도 2014년 7월 2일자로 출원된 미국 가특허출원 일련번호 제 62/020,337호에 대한 종래 기술을 표시하지 않으며, 이 출원의 우선권 및 그 혜택은 본원에서 청구된다.
[00172] 위에서 언급된 가특허 출원들에서, Roumi는 전지 동작 동안에 바이어스를 제 3 전극에 인가하기 위한 어떠한 장치도 설명하거나 또는 도시하지 않는다.
[00173] 2013년 11월 18일자로 출원된 미국 가특허출원 일련번호 제 61/905,678호는, 기계적으로 강건한 합성 분리기들 또는 전도성 및 절연성 재료들의 층들을 결합하는 엘라스토머릭 전류 콜렉터들을 사용함으로써, 물리적 방해물 또는 열 확산의 사용을 통해 단락들이 감지되어 잠재적으로 완화되는 것을 설명한다. 그러나, 그것은 별개의 제 3 전극을 포함하는 전지, 또는 전극들의 쌍들 간(즉, 포지티브 및 네거티브 전극들 간, 포지티브 및 게이트 전극들 간, 또는 네거티브 및 게이트 전극들 간)의 세 개의 별개의 전기 신호들이 인식되며 그리고 수정되거나 또는 제어될 수 있는 전지에 대한 어떠한 설명도 제공하지 않는다. 출원은, "제 2 활성 재료가 상기 전류 콜렉터에 직접적으로 물리적 연결될 필요가 없으며; 이 제 2 활성 재료가 상기 제 1 활성 재료와 항상 완전한 물리적 접촉을 할 필요가 없음을 주목하는 것이 중요하다"는 것을 진술한다. 그것은 전지 내에서, 또는 회로 보드에서, 또는 이들의 임의의 조합에서 3개 이상의 전극들을 활용하는 전지에 대한 제어를 설명하지 않는다. 전도성/절연성 층들은 단순히 분리기이다.
[00174] 2014년 2월 12일자로 출원된 미국 가특허출원 일련번호 제 61/938,794호는, 전기도금된 재료의 표면을 제어하기 위한 방법으로서 전도성 층이 "대향 전극들 간의 공간 안으로 통합"되는 것을 설명한다. 발명자는, "전도성 층이 대향 전극에 전자적으로 연결될 수 있거나 또는 연결되지 않을 수 있음"을 표시한다. 추가로, 전도성 층은 대향 전극에 물리적으로 연결될 수 있거나 또는 연결되지 않을 수 있으며, 따라서 전도성 층은 전지 내에서 절연되거나, 또는 포지티브 또는 네거티브 전극 상의 추가 전도성 층이 절연된다. 전도성 층의 이러한 정의는, 제조 프로세스 동안에 생성되는 유한 개수의 결함 전지들을 우연히 찾는 전도성 재료들의 타입들을 포함한다. 그 출원은 별개의 제 3 전극을 포함하는 전지, 또는 전극들의 쌍들 간(즉, 포지티브 및 네거티브 전극들 간, 포지티브 및 게이트 전극들 간, 또는 네거티브 및 게이트 전극들 간)의 세 개의 별개의 전기 신호들이 인식되며 그리고 수정되거나 또는 제어될 수 있는 전지에 대한 어떠한 설명도 하지 않는다. 2014년 4월 28일자로 출원된 미국 가특허출원 일련번호 제 61/985,204호는, "애노드, 캐소드, 전해질, 하나 또는 그 초과의 분리기 층(들) 및 전자적 전도성 층으로 구성된 전기화학 전지 ..."에서 물리적 방해물 또는 열 확산의 사용을 통해 단락들이 감지되어 잠재적으로 완화되는 것을 설명한다. 발명자들은, "전자적 전도성 층이 전극들 중 하나와의 전자적 연결들을 갖지 않을 수 있거나 또는 전극들 중 어떠한 전극과의 전자적 연결들도 갖지 않을 수 있음"을 청구한다. 그 출원은 별개의 제 3 전극을 포함하는 전지, 또는 전극들의 쌍들 간(즉, 포지티브 및 네거티브 전극들 간, 포지티브 및 게이트 전극들 간, 또는 네거티브 및 게이트 전극들 간)의 세 개의 별개의 전기 신호들이 인식되며 그리고 수정되거나 또는 제어될 수 있는 전지에 대한 어떠한 설명도 제공하지 않는다. 일 양상에서, 전도성/절연성 층들이 단순히, 2013년 11월 18일자로 출원된 미국 가특허출원 일련번호 제 61/905,678호에 의해 정의된 분리기인 반면에, 다른 양상에서, 전도성 층의 정의는, 2014년 2월 12일자로 출원된 미국 가특허출원 일련번호 제 61/938,794호에 의해 정의된 제조 프로세스 동안에 생성되는 유한 개수의 결함 전지들을 우연히 찾는 전도성 재료들의 타입들을 포함한다.
[00175] 2014년 7월 14일자로 출원된 미국 가특허출원 일련번호 제 62/024,104호는, 본 출원에서 설명되는 전자 전도도가 아니라 이온 전도도에 특정한 "저 저항 전도성 층"의 정의를 제시한다. 예컨대, 미국 가특허출원 일련번호 제 62/024,104호는 "분리기가 애노드에 대한 분리기-백 및 분리기 자체로 구성되는 전기화학 전지는 2개 이상의 층으로 구성될 수 있으며; 예컨대, 분리기-백은 전지의 나머지 및 캐소드를 향하며 애노드를 등지는 외면 상에서 전체 애노드 표면 및 저 저항 층(이를테면, 부직포 폴리올레핀들)을 커버하는 강력한 다공성 또는 천공된 층(이를테면, 40% 홀들을 갖는 마일러 필름이며, 홀 사이즈들은 나노미터 내지 밀리미터일 수 있음)으로 만들어질 수 있다"는 것에 대한 설명을 제공한다. 그 출원은 별개의 제 3 전극을 포함하는 전지, 또는 전극들의 쌍들 간(즉, 포지티브 및 네거티브 전극들 간, 포지티브 및 게이트 전극들 간, 또는 네거티브 및 게이트 전극들 간)의 세 개의 별개의 전기 신호들이 인식되며 그리고 수정되거나 또는 제어될 수 있는 전지에 대한 어떠한 설명도 제공하지 않는다.
[00176] 2014년 11월 18일에 출원되고 2015년 6월 18일에 미국 특허 출원 공개번호 제 2015/0171398 Al호로서 공개된 Roumi의 미국 특허 출원 일련번호 제 14/546,953호는 a) 전지의 내부 전기장을 변경하고, b) 손실된 활성 재료를 활성화하고, c) 전극에 대한 보조 전류 콜렉터를 제공하고 그리고/또는 d) 시스템 내의 전자적 쇼트의 형성 시 핫 스팟들 및/또는 열 폭주를 제한 또는 방지함으로써 전지의 성능을 변경할 수 있는 합성 분리기를 포함하는 전기화학 전지들을 개시한다고 한다. 예시적 합성 분리기는 적어도 하나의 전자적 전도성 층 및 적어도 하나의 전자적 절연 층을 포함한다. 또 다른 예시적 합성 분리기는 전자적 전도성 층 및 고체 이온 전도체를 포함한다. 전기화학 전지 내의 쇼트의 온셋을 검출 및 관리하고, 전기화학 전지를 충전하기 위한 방법들이 또한 개시된다.
[00177] 미국 특허 출원 일련번호 제 14/546,953호는 제 3 전극을 포함하는 전지, 또는 그 미국 특허가 우선권을 주장하는 모 출원들 중 임의의 것에서의 이러한 개시 내용의 결여에도 불구하고 3개의 별개의 전기 신호들이 감지될 수 있는 전지를 설명한다. 제 3 전극과 더 유사하게 그리고 앞서 설명된 합성 분리기와 덜 유사하게 "전도성 층"을 설명하여, 이 Roumi 출원은 2014년 11월 6일에 공개된 Cui 외의 미국 특허 출원 공개번호 제 2014/0329120 Al호(Cui 외의 WO 2014/179725 Al와 동시적임)와 유사한 설명을 공유한다는 것이 주목할 만하고, 그 출원은: 1) 애노드; 2) 캐소드; 3) 애노드와 캐소드 사이에 배치된 분리기 ― 그 분리기는 적어도 하나의 기능 층을 포함함 ― ; 및 4) 배터리의 내부 상태를 모니터링하기 위하여 적어도 하나의 기능 층에 연결된 센서를 포함하는 배터리를 개시한다고 한다.
[00178] 따라서, 미국 특허 출원 일련번호 제 14/546,953호에만 개시되고 최초 3개의 Roumi의 가출원들 중 임의의 것에는 개시되지 않은 새로운 재료는 본 출원에 대한 종래 기술이 아니다. 그러나, 완전성을 위하여, 그것은 특허 출원 공개번호 제 2014/0329120 Al호와 동일한 이유로 본원에 포함되는 개시내용과 구별된다.
[00179] 2015년 6월 25일에 공개된 Roumi의 미국 특허 출원 공개번호 제 2015/018000 Al호는 포지티브 또는 네거티브 전극의 적어도 일부분을 둘러싸는 분리기 인클로저를 포함하는 전기화학 전지들을 개시한다고 한다. 실시예에서, 분리기는 전지의 성능을 개선시킬 수있는 전극의 적어도 일부분 상에 접촉력 또는 압력을 생성한다. 본 개시내용은 또한 전기화학 전지를 충전하기 위한 방법들을 제공한다.
[00180] 2014년 11월 18일에 출원되고, 미국 특허 출원 공개번호 제 2015/018000 Al호로서 2015년 6월 25일에 공개된 미국 특허 출원 일련번호 제 14/546,472호는 또한 "외부 전압을 인가함으로써 전지의 성능을 수정"하도록 활성 제 3 전극의 사용을 설명한다. 출원은 2개의 이러한 사용들을 개시한다. 먼저, [단락 0060] “전압의 애플리케이션…은 전지를 "클린 업"하는데 사용될 수 있다". "예컨대, 매 50 사이클들"로 이 전극에 전압을 인가함으로써 제거될 수 있는 것을 포함하여, 특정 케미스트리들에서의 불순물들 및 부산물들의 특정 예들에 대한 예들이 제공된다. 추가로 [단락 0076]에서, 이온 손실을 보상하거나 또는 Li-이온 전지들을 비-리튬화 전극으로 만드는데 사용될 수 있는 "활성 이온들의 소스를 전자적 전도성 층이 제공한다". 이것은 Christensen Li의 "저장소"와 유사하게 나타나며, 동일한 이유로 본 발명과 구별된다.
[00181] 따라서, 미국 특허 출원 일련번호 제 14/546,472호에만 개시되고 최초 3개의 Roumi의 가출원들 중 임의의 것에는 개시되지 않은 새로운 재료는 본 출원에 대한 종래 기술이 아니다. 그러나, 완전성을 위하여, 그것은 특허 출원 공개번호 제 2014/0329120 Al호와 동일한 이유로 본원에 포함되는 개시내용과 구별된다.
본 발명에 의해 제공되는 이익들
[00182] 합성 또는 금속성 작용 전극들의 사용을 가능하게 하는 기술은 배터리들의 정전용량이 증가하는 것을 가능하게 할 것이다. 금속 전극들의 사용을 또한 허용한 기술은 제한없이, 마그네슘뿐만 아니라 Li-금속, Li-에어 및 Zn-에어를 포함하여 많은 "차세대" 케미스트리들의 성능 개선들을 위한 전위를 제공할 것이다. 또한, 쇼트-회로 전기 조건을 초래할 수 있는 한쪽 또는 양쪽 전극들의 모폴로지의 변화로 인한 고장-모드를 완화시킬 것인 기술은 흑연, 또는 합금화, 변환 및 불균등화 반응 전극들을 포함하는(그러나 이들에 제한되는 것은 아님) 종래의 인터칼레이션 호스트 전극들을 활용하여 전지들의 크게 향상된 성능을 허용할 것이다. 배터리들이 초기 고장 상태에서 수리되게 되어 주어진 배터리의 수명을 연장시키는 기술이 더 양호할 것이다. 본 출원은 이러한 바람직한 개선점들 모두를 처리하는 시스템들 및 방법들을 제공한다.
다중-전극 전기화학 전지의 설명
[00183] 본 개시물에 따라 구성되고 동작되는 전지는 게이트 전극의 전압 또는 전위의 활성 제어에 의해 불균일한 모폴로지컬 피처들의 형성을 활성적으로 방지할 수 있다. 추가로, 게이트 전극은 전지가 정상 동작으로 복원될 수 있고 전지의 수명이 연장될 수 있도록 불균일한 모폴로지컬 피처들을 스트립핑하기 위한 전류를 제공하는데 사용될 수 있다. 게이트 전극의 타겟 전압을 유지하는데 요구되는 전류는 또한, 전지 헬스를 모니터링하고, 그리고 이에 따라, 성능, 정전용량을 최적화하고 불균일한 모폴로지컬 피처들 및 "모시(mossy)" 증착물의 형성을 최소화하도록 전지의 충전 및 방전을 활성적으로 관리하기 위한 능력을 제공한다.
[00184] 도 19는 본 개시내용에 따른 전지(1910)를 도시한다. 이 전지는 캐소드(1920)와 애노드(1950) 간에 배치된 전해질(1930)과 접촉하는 다공성 게이트 전극(1940)을 포함한다. 게이트 전극(1940), 캐소드(1920) 및 애노드(1950)는 모두 각각이 로컬 스케일 상에서 실질적으로 서로 평행하도록 배열된다. 즉, 계층들이 전체 전지가 평면형인 것처럼 실질적으로 전지가 수행하기에 충분히 국부적으로 병렬인 동안, 전체 전지는 복합 곡선들을 포함할 수 있다. 게이트 전극(1940)은 애노드(1950)로부터 거리를 두고 위치되어, 애노드(1950)로부터 성장하는 불균일한 모폴로지컬 피처가 게이트 전극(1940)과 접촉할 확률이 매우 높다. 일 실시예에서, 정상 동작에서, 게이트 전극(1940)은 예컨대, 제어 회로에 의해 애노드(1950)에 상대적인 선택된 포지티브 전압에 있도록 세팅된다. 전압은, 그것이 도금된 금속, 예컨대, 애노드(1950) 및 캐소드(1920) 중 적어도 하나에서 레독스-활성인 적어도 하나의 이동 종들로부터 유도된 도금된 금속의 스트립핑을 개시하기에 충분한 국부적 화학 전위를 세팅하도록 선택된다. 이러한 스트립핑을 개시하는데 요구되는 전압(예컨대, 미리 결정된 스트립핑 전위)은 주어진 전기화학 시스템에 대해 잘-설정된다. 따라서, 정상 동작 동안, 게이트 전극은 전지의 국부적 화학 전위가 금속의 존재를 금지하는 "보장된 금속-프리" 구역을 제공한다. 애노드 상의 불균일한 모폴로지컬 피처가 게이트 전극을 터치하는 경우, 덴드라이트의 팁은 게이트 전위에 대해 쇼팅될 것이다. 그것의 스트립핑 전위에 금속이 현재 존재하기 때문에, 불균일한 모폴로지컬 피처가 스트립핑될 것이다. 이 결과를 달성하기 위하여 게이트 전극은 전류-소스에 연결되고, 게이트 전극과 불균일한 모폴로지컬 피처 간의 접촉이 존재하는 경우 짧은 기간 동안, 게이트 전극에 연결된 전류-소스는 이 스트립핑 동작을 수행하기에 충분한 크기의 전류를 공급할 필요가 있다. 다른 시간들에서, 전류-소스는 단지 금속-프리 전위에서 게이트 전극의 전압을 유지하기에 충분한 크기의 전류를 공급할 필요가 있다.
[00185] 전지 내의 무금속 영역을 유지하는 것에 부가하여, 게이트는, 전지의 단락에 대한 경향(propensity)의 지속적인 측정을 제공한다. 게이트 전압을 유지하는데 요구되는 전류는, 게이트가 방지하는 초기 이벤트들의 수 및 사이즈의 척도이다. 게이트를 무금속 전위로 유지하면서 그 전위를 유지하는데 요구되는 전류를 측정함으로써, 그에 따라, 게이트를 애노드 전위로 이동시킬 단락 이벤트가 발생할 가능성을 평가하는 것이 가능하다. 게이트가 애노드 전위로 시프팅하면, 보장된 무금속 영역이 더 이상 전지 내에 존재하지 않으며, 전지는 단락될 위험성이 있다. 따라서, 일부 예시들에서는, 게이트를 타겟 전위로 유지하는데 요구되는 전류가 어떤 타겟 임계치를 초과하는 포인트에서, 전지에 대한 추가적인 사이클링을 중단하고 전지를 서비스로부터 제거하는 것이 바람직할 수 있다. 이러한 임계치는, 전지의 사이즈, 애노드 및 게이트의 임피던스, 및 주어진 애플리케이션에서의 전지 고장의 비바람직성(undesirability)에 기반하여 선택될 수 있다.
[00186] 본 발명의 더 추가적인 구현에서, 게이트 전류의 변화들에 대한 응답으로 사용될 수 있는 스트립핑 회로가 포함될 수 있다. 모폴로지컬 피처가 게이트 전극(1940)에 접촉하는 이벤트에서, 게이트 전극(1940)을 스트립핑 전위로 유지하는데 요구되는 전류에서의 증가가 존재할 것이다. 이러한 전류의 증가는, 관측, 인지, 및 레코딩될 수 있다. 이때, 제어 회로는, 게이트 전극(1940) 및 애노드(1950)에 인가되는 전압을 적절한 시간 기간 동안 역전시킴으로써 불균일한 모폴로지컬 피처를 스트립핑 다운시킬 수 있다. 따라서, 전지(1910)는 치명적인 단락으로부터 보호된다.
[00187] 도 20은, 게이트 전극(1940)의 실시예를 도시한다. 적합하게 기능하기 위해, 게이트는, 자신의 두께를 가로지르는 전해질 전도를 허용해야 하고, 자신의 길이를 따라 전기 전도체여야 한다. 전해질 전도는, 게이트 전극(1940)이 전지의 작업 전극들 간에 배치되어야 하고 정상 동작 시에는 가능한 한 투과성이어야 하기 때문에 필요하다. 전해질 전도를 허용하기 위한 하나의 방법은, 전지에서 사용되고 있는 어떤 전해질에 대해서든 자유롭게 다공성이도록 게이트의 구조를 배열하는 것이다. 게이트 전극은, 유휴상태 모드에서 로컬 전압을 측정하는데 사용될 수 있고 그리고 스트립핑 모드에서 애노드에 전류를 전달하는데 사용될 수 있도록, 자신의 평면에서 전기적 전도성이어야 한다. 게이트의 구조는, 다공성이지만, 구조를 통과하는 불균일한 모폴로지컬 피처가 전기 접촉을 생성할 확률이 매우 높도록, 충분히 미세한 기공 구조를 가질 필요가 있다. 공극율을 제공하면서 여전히 불균일한 모폴로지컬 피처가 게이트 전극을 관통하지 못하게 하는 하나의 방법은, 다공성 채널들을, 다공성 채널이 게이트 전극의 일 측으로부터 다른 측으로 통과하는 경우에 지오메트리컬 정도를 굴곡지게(tortuous) 또는 비선형으로 만드는 것이다. 비-제한적인 예에서, 이들 목표들은, 적합한 스트립핑 전류를 전달하는 것이 가능한 고전도성 굵은 메시(2030)를, 불균일한 모폴로지컬 피처가 접촉이 없긴 하지만 통과하기에는 너무 작은 기공들을 갖는 전도성 미세 메시(2020)와 라미네이팅함으로써 달성될 수 있다. 라미네이팅된 게이트는, 양호한 기계적 속성들 및 전기적 속성들을 갖는 한편, 불균일한 모폴로지컬 피처 성장으로부터의 초기 결함들을 게이트가 방지할 수 있음을 보장하기 위한 공간적 미세도(fineness)를 제공한다. 특히, 도 24b에 도시된 바와 같이, 게이트 저항 Rgate는, 불균일한 피처가 스트립핑될 수 있도록, 불균일한 모폴로지컬 피처 Rnumf의 저항보다 더 작게 되어야 한다.
[00188] 도 21은, 얇은 금속 막으로 처리된 상업적 분리기를 포함하는 게이트 전극의 잠재적 구현을 도시한다. 상업적 분리기는, 전기적으로 절연성이고 작업 전극들 간의 전해질 흐름을 허용하는 미세 기공들을 갖는 폴리머 기반 층이다. 이들 기공들은, 불균일한 모폴로지컬 피처가 재료와의 물리적 접촉을 이룸이 없이 메시를 통과할 개연성이 매우 낮도록, 충분히 작다. 광범위하게 다양한 그러한 재료들이 당업계에 잘 알려져 있고, 대다수의 상업적 전지들에서 사용된다. 상업적 분리기는 게이트 전극에 대한 시작 포인트이고, 작업 전극들 간에 배치되어 작업 전극들에 평행하게 전지에 부가됨으로써, 작업 전극들을 완전히 분리시킬 수 있다. 그러나, 제공되는 바와 같은 상업적 분리기 재료는 이전에 언급된 고장 및 열화 모드들로부터 전지를 보호하는데 유용하지 않은데, 이는, 분리기의 임피던스가 효과적으로 무한함으로써, 불균일한 모폴로지컬 피처가 그러한 게이트에 접촉하는 이벤트에서, 로컬 게이트 전위는 도금 전위로 이동할 것이고, 불균일한 모폴로지컬 피처가 계속 성장할 것이기 때문이다. 따라서, 얇은 금속성 도금이 메시에 적용된다. 이러한 처리 이후, 분리기 메시는, 전류-공급 회로에 부착될 수 있으며, 불균일한 모폴로지컬 피처의 침해가 방지될 수 있다. 그러한 처리된 분리기는 충분할 수 있다. 그러나, 일부 비-제한적인 실시예들에서, 이러한 금속화된 메시는, 메시가 충분히 전도성이 아니기 때문에, 본 개시내용의 목표들을 달성하기에 불충분한 전도도를 갖는다.
[00189] 도 22는, 얇은 금속 코팅 분리기가 견고한 금속 그리드와 결합된 대안적인 실시예를 도시한다. 금속 그리드는, 고전도성이고, 작업 전극으로부터 원하지 않은 불균일한 모폴로지컬 피처들을 스트립핑하기에 충분한 전류 전달 정전용량을 갖는다. 일부 비-제한적인 실시예들에서, 그리드의 필라멘트들은, 불균일한 모폴로지컬 피처가 그리드를 통과하면서 그리드와 접촉하게 될 것을 보장하기에는 너무 멀리 떨어져 있다. 결과적으로, 그리드 단독으로는 본 개시내용의 목표들을 달성하기에 불충분할 수 있다. 도 21의 금속화된 메시를 두꺼운 금속 그리드와 라미네이팅함으로써, 우수한 속성들을 갖는 합성 구조가 생성된다.
[00190] 균질로 제조되든 또는 합성으로 제조되든 간에, 위에서 설명된 실시예들에서와 같이, 전지의 주어진 작업 조건들에 대해, 1) 이온적 전도성이고, 2) 작업 전극으로부터 전지의 중심을 향해 성장하는 불균일한 모폴로지컬 피처와의 접촉을 보장하기에 충분히 작은 기공 사이즈를 갖고, 3) 라미네이팅된 구조에서 에너지가 소산되지 않게 하기 위한 고전도성이고, 그리고 4) 높은 전류 전달 정전용량을 갖는 임의의 구조는, 리컨디셔닝 동작들을 지원하기에 충분할 수 있다.
전지의 동작
[00191] 게이트 전극을 포함하는 디바이스를 위한 배터리 관리 시스템에 대한 전위 동작 모드들을 범위를 설명한다. 다양한 실시예들에서, 매우 광범위한 동작 모드들이 존재할 수 있는데, 이는, 안전성 및 전력 소비에 대해 매우 상이한 요건들을 갖는 매우 광범위한 배터리 애플리케이션들 때문이다.
[00192] BMS(battery management system)는, 배터리 전압이 충전 및 방전 상태들 간에 사이클링하는 경우에 배터리 전압을 제어하는 전자 또는 소프트웨어 제어 시스템을 포함한다. BMS는, 전압들 및 전류들을 관측하여, 시스템을 원하는 동작 상태로 유도하게 하는 선택된 전극들 간의 적합한 전위 차이들의 인가를 야기하는 수동 오퍼레이터를 포함할 수 있다. BMS의 가장 단순한 구현에서, BMS는 어떠한 내부 전자기기도 포함하지 않을 수 있는데, 배터리에 걸쳐 인가된 전압이 충분히 높은 경우 전류가 흐름으로써 배터리를 충전시키고, 전압이 강하되는 경우(즉, 로드가 가해짐)에는 배터리가 방전된다. 그러나, 대다수의 현재의 상업적 배터리들에서, 일부 부가적인 전자 회로가 존재한다. 이러한 전자 회로의 목적은, 예컨대, 충전 동안 전압이 얼마나 급속하게 증가하는지를 능동적으로 제어하거나 또는 대기 또는 개방-회로 동작 동안의 누설을 제한하기 위한 것일 수 있다. 소형 상업적 Li-이온 전지에 대한 예시적인 BMS 제어 회로의 부분이 미국 특허 제 6,002,239호로부터 아래에 도시되지만, 광범위한, 유사하고 관련된 디바이스들이 사용될 수 있다. 미국 특허 제 6,002,239호의 "전압 비교기" 모드의 목적은, 과전압 조건에서의 금속 도금 및 그에 따른 불균일한 모폴로지컬 피처들을 회피하는 것이다. 모바일 폰들 또는 다른 휴대가능 전자 디바이스들과 같은 더 복잡한 시스템들에서, BMS는, 전류-감지 및 전압-감지 컴포넌트들을 이용하여 소프트웨어(예컨대, 기계-판독가능 매체 상에 레코딩된 명령들의 세트)의 제어 하에서 동작하는 PMIC(power management integrated circuit)와 같은 컴퓨터-기반 구현을 포함할 수 있다. 그러한 실시예들에서, 전류들 및 전압들을 "관측"하는 것에서의 오퍼레이터의 역할은, 소프트웨어 또는 펌웨어로서 제공되는 적절한 명령에 의해 달성될 수 있다.
본 발명에 따른 디바이스들을 위한 동작 모드들
[00193] 본 발명자들은 스위치들로 수동 실현을 사용하는 실시예를 설명하였고, 전자 또는 소프트웨어 제어들을 사용하여 자동화된 동작으로 확장하는 것을 간략하게 설명한다.
[00194] 충전 동안, 불균일 모폴로지컬 피처들로 인한 디바이스 단락의 위험이 최대이므로, 게이트 전류가 단락들에 대해 면밀히 모니터링된다. 캐소드와 게이트 전극 사이의 전류가 미리결정된 임계치를 초과하는 이벤트에서, "전지 헬스" 이벤트가 트리거될 수 있다. 추가의 구현에서, 게이트 전압은 타겟팅된 전위로부터의 시프트에 대해 모니터링될 수 있다. 또한 추가의 구현에서, 게이트 전극과 애노드 사이의 감지 전압 신호에 대한 전압 응답이 증가되는 경우(즉, 저항이 감소됨), "전지 헬스" 이벤트가 트리거될 수 있다. 트리거 전압, 전류 또는 저항은 게이트 전극의 자연적 개방-회로 전압에 기반하여 결정될 수 있다. 개방 회로 전압은 전해질의 전기화학 전위와 게이트 전극 재료들의 함수이다. 부가적으로, 트리거 이벤트는 충전 전류 및 애노드의 충전-상태 및 특정 전기화학 재료 시스템의 통상의 불균일 모폴로지컬 피처의 저항의 함수일 수 있다. 임계 전압, 전류 또는 저항의 선택은 불균일 모폴로지컬 피처 거동의 이론적 프로젝션들에 기반할 수 있거나, 또는 경험에 기반할 수 있다. 또 다른 구현에서, "전지 헬스" 이벤트에 대한 "트리거링 전류"는, 선택된 전지에서의 또는 통계적 분석이 충분히 높은 신뢰 레벨(즉, 90%, 95%, 99%, 99.9%, 또는 그보다 더 높음)을 산출하는 충분한 수의 유사한 디바이스들에서의 실제 전지 고장 이벤트들과 게이트를 게이트의 타겟 전위로 유지하기 위해 요구되는 전류 사이의 상관의 경험적 연구에 기반할 수 있다. 또한 추가의 구현에서, "전지 헬스"는 이러한 트리거링 전류에 대응하는 임피던스 또는 전압 측정에 기반하여 액세스될 수 있다.
[00195] "전지 헬스" 이벤트가 검출되는 이벤트에서, 오퍼레이터는 몇몇 가능한 교정 단계(remedial step)들 중 하나를 트리거할 수 있다. 가장 간단한 교정 단계는 알람을 트리거하고, 전지 충전 프로세스를 종결시키고, 배터리를 폐기하는 것이다. 이는, 일단 게이트를 게이트의 타겟 전위로 유지하기 위해 요구되는 전류가 임계치를 초과하면, 배터리가 추가로 충전되는 것을 방지할 것인데, 즉, "전지 헬스"가 수용불가한 레벨로 악화된 것으로 간주된다. 일부 실시예들에서, 기계-판독가능 매체에 기록된 명령들의 세트 하에 동작하는 범용 프로그램가능 컴퓨터를 포함하는 제어기 또는 대안적으로 전용 제어 회로가 인간 오퍼레이터 대신에 사용될 수 있다.
[00196] 대안적으로, 전지 헬스 이벤트의 인지는 몇몇 가능한 "디쇼팅(deshorting)" 단계들 중 하나를 트리거할 수 있다. 하나의 옵션은, 금속의 스트립핑 전위를 초과하여 게이트 전극을 이동시키는 애노드와 게이트 전극 사이에 전압 차동을 인가하는 것일 수 있다. 전위 및 전위가 인가되는 지속기간 둘 모두는 조정될 수 있다. 다른 옵션은 충전을 중단하고 전지를 방전 모드로 스위칭하는 것일 수 있다. 이 방전 단계는 전지 에너지를 소산시키기 위해 밸러스트 로드 디바이스를 사용할 수 있다. 대안적으로, 방전 단계는 단락된 전지의 방전을 사용하여 복수의 전지들을 포함하는 배터리 팩의 다른 전지를 충전할 수 있다. 인가되는 디쇼팅 전압 또는 전류는, "최악의-경우의" 불균일 모폴로지컬 피처가 존재하더라도 게이트 전극을 요구되는 전압으로 이끌도록 미리결정될 수 있다. 다른 구현에서, 디쇼팅 절차는, 애노드 및 캐소드 둘 모두와 게이트 전극 사이에서 타겟팅된(거의-제로) 전류를 달성하기 위해 요구되는 전압(또는 전류 또는 펄스 지속기간)을 발견함으로써 결정될 수 있다. 또 다른 구현에서, 디쇼팅 절차는, 캐소드 또는 애노드와 게이트 전극 사이에서 타겟팅된 전압을 달성하기 위해 요구되는 펄스 지속기간(또는 전압 또는 전류)을 식별함으로써 결정될 수 있다(이 타겟팅된 전압은 다른 전극에 대해 게이트 전극 재료에 대한 개방-회로 전압에 가까움). 또한 추가의 구현에서, 단락의 검출은 사이클링 전압의 변화를 트리거할 수 있어서, 전지 사이클을 계속하지만 수정된 전압 윈도우를 갖는다. 일단 불균일 모폴로지컬 피처가 스트립핑되면, 게이트 전극을 타겟 전압으로 유지하기 위해 요구되는 전류는 거의-제로로 저하될 것이지만; 게이트 전극 상에 금속을 도금하는 단락 이벤트 후에, 게이트 전극 전압이 그것의 개방-회로 전위에 도달할 때까지 방전 전압을 전극과 캐소드 사이에 계속 인가하는 것이 종종 바람직할 것이다. 복수의 게이트 전극들을 수반하는 실시예에서, 디쇼팅(deshorting) 절차는 단락 프로세스에서 게이트 전극들 중 하나 또는 그 초과를 애노드로서 사용하여서, 스트립핑된 금속이 상기 애노드 상에 희생적으로 증착될 수 있다.
[00197] 개방-회로 동작 동안, 불균일 모폴로지컬 피처 단락의 위험이 낮춰져야 하지만, 전압을 유지하기 위해 요구되는 전류를 모니터링하면서 게이트 전극에서 전압을 유지하는 것이 여전히 유리할 수 있다. 단락이 검출되는 이벤트에서의 교정 액션들에 대한 옵션들은 일반적으로, 충전 동안의 단락의 이벤트에서 취해지는 것들과 유사할 것이다(그렇지만, 외부 전력 공급부가 연결될 필요가 없기 때문에 회로 구현은 상이할 수 있음).
[00198] 방전 동작 동안, 단락의 위험은 또한 충전 동안보다 더 낮지만, 전위를 유지하기 위해 요구되는 전류를 통해 전지 헬스를 모니터링하면서 게이트 전극을 타겟 전압으로 유지하는 것이 또한 유리할 수 있다.
[00199] 다수의 전지들을 활용하는 배터리 팩들의 경우, 게이트의 동작은 거의 변화되지 않고 유지된다. 그러나, 팩의 다른 전지들에 대한 전압 또는 전류의 측정에 의해 전지 헬스를 모니터링하는 추가의 옵션이 가능하다. 예컨대, 게이트 전극에서의 전압 또는 전류는 동일한 스트링의 또는 병렬로 연결된 스트링의 인접한 게이트 전극들과 비교될 수 있다. 그 후에, 전지 헬스 이벤트는 다른 유사한 게이트 전극들 중 상이한 게이트 전극들 사이의 불일치에 의해 트리거될 수 있다. 유사하게, 교정(remediation)은, 위에서 논의된 모든 단일-전지 교정 접근법들에 부가하여, 알람을 울리고 전체 팩을 폐기하거나, 알람을 울리고 멀티-스트링 팩의 단일 스트링을 격리하거나, 또는 이웃 스트링들을 충전함으로써 팩의 단일 스트링을 방전하는 것을 포함할 수 있다.
[00200] 이들 동작 모드들의 구현은 본원에서 논의된 수동 프로세스를 통해 이루어질 수 있다. 대안적으로, 수동 개입 없이 동일한 목표들(전압들, 전류들, 및 저항들을 비교하고, 회로 내의 전압들, 로드들 및 전류들을 스위칭함으로써 응답함)을 달성하기 위해 다양한 회로 엘리먼트들이 사용될 수 있다. 이러한 구현과 관련하여 회로 엘리먼트들은 당해 기술분야에 잘 알려져 있다. 단락 이벤트를 트리거하기 위한 임계치들(전류들, 전압들 또는 저항 중 어느 것으로 측정되든)은 이러한 경우에서, 기계-판독가능 매체에 기록된 물리적 기준들 또는 기준 값들과 같은 적절한 전압, 전류 또는 저항 기준들과의 비교를 통해, 또는 전압 또는 전압 차이에 대한 응답으로 능동 회로를 트리거함으로써, 또는 이들의 일부 조합을 통해 구현될 수 있다. 대안적으로, 동작 모드는 종래의 BMS 또는 PMIC(이들 대부분은 본원에서 논의된 인지 및 응답 또는 제어 기능을 허용하기 위해 충분한 물리-계층 제어들을 이미 포함하고 있음) 상에서 동작하는 기계-판독가능 매체(즉, 소프트웨어) 상에 기록된 명령들의 세트를 통해 구현될 수 있다. 바람직한 실시예에서, (전류들, 전압들 또는 저항 중 어느 것으로 측정되든) 단락 이벤트를 트리거하기 위한 임계치들은 반도체 메모리에 홀딩되는 룩-업-테이블에 저장될 수 있다.
[00201] 도 23은 애노드 전극(2340), 캐소드 전극(2330), 및 분리기들(2360 및 2370)과 전해질을 갖는 게이트 구조를 포함하는 게이트 전극(2305)을 갖는 전지의 실시예를 예시한다.
[00202] 이제 도 23에 예시된 전지에 대한 통상적인 동작 조건들을 설명한다. 구체적으로, 게이트(2305)는, 어떠한 도금에도 관여하지 않도록 정상 동작에서 높게 유지된다. 전지 상의 전하 레이트는, 고성능을 보장하고, 그리고 애노드(2340)의 조건을 보존하도록 제한된다. 유지보수 모드에서, 게이트 전극으로부터의 작은 휴지 트리클-충전(small resting trickle-charge)은 게이트 전극을 애노드 전극보다 거의 0.1V 높게 유지함으로써 제공될 수 있다. 방전 동안, 게이트 전극(2305)은, 이 게이트 전극이 방전시에 관여하지 않도록, 애노드의 거의 0.1V 아래로 유지된다.
[00203] 도 24는, 게이트 전극이 전지 상태들을 측정하는데 어떻게 사용되는지 그리고 게이트 전극이 작용 전극들의 돌발적 단락 이전에 불균일한 모폴로지컬 피처 형성을 후속하여 정정하는데 어떻게 제어되는지 도시한다. 특히, 정상 충전 페이즈 동안, 애노드는 거의 -0.5V에서 동작하는 반면(곡선 세그먼트(2410) 참조), 게이트 전극은 "유휴" 상태에서 약 1.5V에서 유지된다(곡선 세그먼트(2420) 참조). 불균일한 모폴로지컬 피처가 게이트 전극에 접촉하면, 애노드에 대한 단락은 전압을 애노드 전압에 더 가깝게 강하시킨다(곡선 세그먼트(2430) 참조). (단락된 게이트 전극에서 측정된 실제 전압은 불균일한 모폴로지컬 피처의 저항 및 게이트 전극 그 자체의 저항에 의존한다). 그러나, 이는 전체 전지가 아닌 게이트 전극만을 단락시키고, 그래서 게이트 전극에 네거티브 전압을 인가하여 불균일한 모폴로지컬 피처를 "스트립핑(strip)"할 기회가 존재한다(곡선 세그먼트(2440) 참조). 이것이 행해지면, 전지의 정상 충전은 계속될 수 있다(곡선 세그먼트(2450) 참조). 이러한 프로세스는 전지의 수명을 연장시키고 그리고 전지를 안전하게 동작시키기 위해 수회 반복될 수 있다(곡선 세그먼트(2460) 참조).
[00204] 도 25a는, 초기 전지 단락을 인식하고, 그리고 이러한 검출에 대해 재컨디셔닝 단계를 통해 응답하는 방법, 및 영향을 받은 작용 전극에 대한 제안된 게이트 전극의 저항 요건들을 예시한다. 도 25a에서, 이온 전도성인 지지체(2510) 및 그 지지체 상에 제공되는 전기적으로 전도성인 층(2520)을 포함하는, 전해질로 그리고 전기적으로 모두 전도성인 모두 게이트 전극인 게이트 전극(2505)을 갖는 전기화학 전지(2500)가 도시된다. 게이트(2505)는 전지의 외부로부터 액세스될 수 있는 게이트 전극 전기 단자(2507)를 갖는다. 도 25a에서 전지(2500)는 게이트 전극(2505)에 의해 분리된 캐소드(2530) 및 애노드(2540)를 갖는다. 전해질(2550', 2550'')은 캐소드(2530)와 애노드(2540) 사이에 제공된다. 게이트(2505)는 전해질에 침지된다. 불균일한 모폴로지컬 피처(2560)가 예시된다.
[00205] 도 25b는 게이트 전극 저항(Rgate)과 불균일한 모폴로지컬 피처의 저항(Rnumf)을 개략적으로 예시한다. 불균일한 모폴로지컬 피처들을 효율적으로 스트립핑하기 위해서, 게이트 전극의 저항은 바람직하게 불균일한 모폴로지컬 피처의 저항보다 더 낮아야만 한다. 전원은 I2R, 또는 V2/R에 의해 제공되며, 여기서 I는 전류이고, V는 전압이며 R은 저항이다. 일반적인 스트립핑 전류는 게이트 전극 및 불균일한 모폴로지컬 피처를 통해 흐르게 될 것이다. Rnumf가 Rgate보다 더 크면, 불균일한 모폴로지컬 피처를 스트립핑하는데 필수적인 전원이 불균일한 모폴로지컬 피처 내에서 소모되며, 게이트 자체 내에서는 훨씬 더 적은 전원이 소모된다. 바람직한 실시예에서, Rgate는 1kOhm 저항 미만이다.
[00206] 도 26은 본 개시내용에 따라 보호되는 MEE(multi-electrode electrochemical) 전지에 대한 동작 방법을 예시하는 흐름도이다. 일반적으로, 다중-전극 전기화학 전지 내에 N개의 전극들이 존재하면(여기서, N은 3과 동일하거나 그보다 큰 정수임), N개의 전극들 사이에서 전류와 전압 관계들을 활성적으로 제어하기 위해 N-1개의 제어 회로들이 채용될 수 있다. 프로세스는 단계(2610)에서 시작한다. 단계(2612)에서, 활성 제어 회로는, 전지가 유휴상태에 있는지 또는 유휴상태에 있지 않은지(예컨대, 전지가 전지를 전류원 또는 전압원 또는 싱크로서 사용하는 동작 장치로부터 연결해제되어, 시간이 경과함에 따라 변하지 않는 적합한 전기 파라미터들을 나타내는지) 보기 위해 체크한다. 전지가 유휴상태에 있다면, 프로세스는 대기 사이클(2614)을 수행하고 다시 단계(2612)로 진행한다. 전지가 유휴상태에 있지 않다고(즉, 전지가 동작하고 있거나, 또는 전지 전기 파라미터들이 시간이 경과함에 따라 변한다고) 제어기가 결정한다면, 프로세스는 단계(2620)로 진행하고, 활성 제어 회로는 N개의 전극들 사이에 존재하는 N-1개의 전류/전압 관계들을 측정한다.
[00207] 단계(2630)에서, N-1개의 측정된 전류/전압 관계들이 표의 엔트리들과 비교된다(또는 하드 유선 전류 또는 전압 레퍼런스들과 비교되거나, 또는 이러한 비교들의 일부 조합이 수행된다).
[00208] 단계(2632)에서, 활성 제어 회로는 전지 상태를 결정하며, 이 상태는, (박스 2640로 표시된) 충전을 통한 정상 동작, (박스 2650로 표시된) 방전을 통한 정상 동작, 및 불균일한 모폴로지컬 피처들의 스트립핑이 적합한 (박스 2660로 표시된) 상태 중 임의의 하나일 수 있다.
[00209] 박스(2640)에서, 제어기는 애노드와 캐소드 사이에 전류를 통과시킴으로써, 또는 대안적으로, 애노드와 캐소드 사이에 전압을 인가함으로써 MEE 전지가 충전되게 한다.
[00210] 박스(2650)에서, 제어기는 애노드와 캐소드 사이에서 흐르는 전류를 제어함으로써(또는 제한함으로써), 또는 대안적으로, 애노드와 캐소드 사이에서 전압을 제어함으로써(또는 제한함으로써) MEE 전지가 방전되도록 허용한다.
[00211] 박스(2660)에서, 제어기는 불균일한 모폴로지컬 피처가 "스트립핑되도록" 또는 "분해되도록" 하기 위해 애노드와 캐소드 중 하나와 게이트 전극 사이에 전류 또는 전압을 인가한다.
[00212] 박스들(2640, 2650, 및 2660)로 표시된 프로세스들 각각은, MEE 전지의 상태에 의존할 수 있거나, 또는 사전정의된 양의 전하가 특정 전극의 단자를 통과하기에 충분한 디폴트 시간 인터벌(예컨대, 펄스 지속기간 또는 주기 함수의 사이클들의 수)일 수 있는 미리결정된 인터벌 동안 유지될 수 있다.
[00213] 때때로, 제어 회로는 경로(2670)를 통해 단계(2612)로 리턴하고, 그후 다중-전극 전기화학 전지의 전류 상태가 다시 평가된다. 프로세스는, 원하는 횟수만큼, 또는 MEE 전지를 원하는 상태로 유지시키기에 유용할 수 있는 만큼 반복될 수 있다.
[00214] 도 26에서 구현되는 방법은, 수동으로 구현될 수 있거나, 또는 이하 설명된 제어기의 사용과 같은 다른 잘 알려진 방법들에 의해 구현될 수 있다.
[00215] 도 29a는, 재충전가능한 Li 금속 2차 전지에 대한 시간의 함수로서의 전지 전압(즉, 포지티브 전지 단자와 네거티브 전지 단자 사이에서 측정된 전압)의 그래프이다(여기서, N/P 정전용량 비≤1임).
[00216] 도 29b는, 재충전가능한 Li 금속 2차 전지에 대한 시간의 함수로서의 게이트 전압(즉, 게이트 단자와 네거티브 전지 단자 사이에서 측정된 전압)을 도시하는 그래프이다(여기서, N/P 정전용량 비≤1임). 여기 도시된 게이팅된 전지(gated cell)은 활성 제어하에 있으며, 여기서 바이어스는 약 0.5V에 설정된다는 점에 유의한다.
[00217] 공칭 값으로부터의 게이트 전압의 편차는 전압 "스파이크(spike)들"로서 표현된다. 이 편차는 네거티브 전극으로부터 Li의 공핍으로 인한 방전의 종료시의 애노드 전위의 증가에 대응한다. 제어 회로는, 게이트 전위의 응답을 인식하고, 원하는 동작 조건들 및 대응하는 헬스 상태를 유지하기 위해 게이트 전위 대 네거티브 전극을 정정하는데 필요한 산화 전류를 구동시킴으로써 응답한다.
[00218] 활성 제어 실시예의 다른 비-제한적 예에서, 도 30은, N/P 정전용량 비≤1 인 게이팅된 재충전가능한 Li 금속 2차 전지에 대한 사이클 수의 함수로써 캐소드 에너지 밀도를 도시한다. 본원에서 도시되는 게이팅된 전지들은 활성 제어 하에 있고, 여기서 게이트 바이어스가 0.5V, 2.5V, 또는 3.5V에 설정된다는 점이 주목된다. 게이트 전위는 이러한 예에서 네거티브 전극에 대해 제어되므로, 게이트 전극은 원하는 게이트 전위 설정 포인트를 유지하기 위해 산화 또는 환원 전류를 부과할 수 있다. 이러한 데이터는 에너지 밀도 및 정전용량 페이드와 같은 전지의 주요 성능 기준이 게이트의 활성 제어의 방법에 의해 직접적으로 영향을 받는다는 것을 나타낸다.
[00219] 도 31은, 도 30에 도시된 N/P 정전용량 비≤1 인 게이팅된 재충전가능한 Li 금속 2차 전지에 대한 사이클 수의 함수로써 평균 충전 및 방전 전압을 도시한다. 본원에서 도시되는 게이팅된 전지들은 활성 제어 하에 있고, 여기서 바이어스가 0.5V, 2.5V, 또는 3.5V에 설정된다는 점이 주목된다. 도 31에 도시된 데이터는, 게이트 전위의 활성 제어가 전지들의 평균 충전 및 방전 전위에 직접적으로 영향을 준다는 것을 나타낸다. 결과적으로, 도 30 및 도 31에 도시된 설계 및 전지 케미스트리의 경우, 게이트의 활성 제어 설정 포인트를 네거티브 전극에 대해 0.5V에 적용하는 것은, 게이트 전위를 2.5V 또는 3.5V로 설정할 때보다 더 많은 사이클들에 대해 유리한 평균 전지 전위를 유지한다.
[00220] 활성 제어의 또 다른 실시예에서, 도 32는, N/P 정전용량 비≤1 인 게이팅된 재충전가능한 Li 금속 2차 전지에 대한 사이클 수의 함수로써 충전 및 방전 전압을 도시한다. 본원에 도시된 게이팅된 전지들은 활성 제어 하에 있고, 여기서 네거티브 전극에 대해 -2.6V로 변화하는 게이트 전위는 네거티브 전극로부터의 활성 재료의 최적 공핍을 의미한다는 점이 주목된다. 이러한 이벤트의 인식 시에, 제어 회로가 반응하여 전지 방전의 종료를 트리거링한다. 그런 다음 전지는 동작 시퀀스의 다음 단계로 진행한다; 이 경우에는 충전을 시작한다. 이러한 예에서, 게이트 전위는 네거티브 전극에 대해 제어된다.
[00221] 도 33은, 게이트 전극을 통합한, 본 개시내용에 따라 전지를 동작시키기 위한 테스트 장치(3300)의 이미지이다. 도 33에서 보이는 바와 같이, 전지(3305)는 네거티브 단자(3310)를 구비한 네거티브 전극, 포지티브 단자(3315)를 구비한 포지티브 전극, 제한 레지스터에 연결된 게이트 단자(3320)를 갖고, 게이트 단자는, 네거티브 전극 및 포지티브 전극 중 하나에 대해 게이트 전극의 전압을 설정하는 데에 사용되는 외부 전압 서플라이(3330) 및 테스트 충전기(3325)를 포함하는 테스트 장치와 전기적으로 통신한다. 게이트 자체는, 초음파 용접을 통해 탭에 연결된 다공성 폴리올레핀 분리기 상으로 스퍼터링된 약 100nm의 금-팔라듐 합금을 포함한다는 점을 주목한다.
주기적 덴드라이트 용해의 방법
[00222] 도 27은, 제어기를 사용하여 본 개시내용에 따라 보호되는 전지를 위한 대안적인 동작 방법을 예시하는 흐름도이다. 도 27에 도시된 프로세스에서, 전지는 애노드 전극 또는 캐소드 전극 중 하나로부터 성장하기 시작했을 수 있는 덴드라이트들을 용해시키도록 계산된 방식으로 주기적으로 동작하며, 심지어 초기 단락이 검출되기 전에 적용될 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 이러한 방법은, 예컨대, 기계가 동작 중지되도록 스케줄링된(예컨대, 집의 차고에 밤새 주차되어 놓인 자동차, 공항에 밤새 주차된 항공기, 등) 시간과 같은, 특정 애플리케이션에서 배터리를 사용할 필요가 없을 것으로 예상되는 기간 동안 배터리에 적용될 수 있다.
[00223] 프로세스는 단계(2710)에서 시작한다. 충전 모드에서 전지가 제 1 턴 온될 때 타이머가 제어기에서 활성화되고 충전의 누적 듀레이션이 측정된다. 제어기는 게이트를 목표 전위에 유지하는 데 필요한 전류와 함께 제 1 턴 온부터의 충전의 누적 듀레이션을 기록한다.
[00224] 2차 배터리의 주어진 모델의 경우, 그러한 모델의 개별 2차 배터리들이 기록되는 임계 전지-헬스 조건에 도달하는데 필요한 충전 인터벌을 포함하는, 시간에 걸친 데이터베이스를 구축할 수 있다. 시간에 걸쳐서, 충전 시간(T1)(그러한 충전 시간 이후에 단락 이벤트가 발생할 가능성이 높음)을 수치적 신뢰도 레벨로 결정할 수 있다.
[00225] 예컨대, T0 시간들의 충전 듀레이션이, 2차 배터리에 걸친 단락의 존재를 초래할 것이라는 것을 95% 신뢰도로 결정할 수 있다. 그런 다음, 단락 조건이 발생할 수 있는 가능성을 피하기 위해 방전 단계 또는 스트립핑 단계가 합리적으로 시작될 수 있는 듀레이션으로 듀레이션(T1 = 0.9 x T0)을 설정할 수 있다. 원칙적으로, 단락 발생의 결과가 더 심각할 경우 더 짧은 듀레이션이 설정될 수 있으며, 단락 발생의 결과가 덜 심각할 경우 더 긴 듀레이션이 설정될 수 있다.
[00226] 단계(2712)에서, 제어는 T0의 기록된 값에 대해 제 1 턴 온부터의 충전의 누적 듀레이션을 비교하고 듀레이션(T1)이 경과했는지 여부를 결정한다. 듀레이션(T1)이 경과되지 않았으면, 제어기는 제어를 단계(2714)로 넘긴다. 듀레이션(T1)이 경과되었으면, 제어기는 화살표(2730)를 통해 제어를 단계(2740)로 넘긴다.
[00227] 단계(2714)에서, 제어기는 대기하고 대기 기간 후에 다시 검사하며, 대기 기간은 바람직하게는 T1의 값과 비교하여 짧은 인터벌이다. 그런 다음 프로세스는 화살표(2716)를 따라 다시 단계(2712)로 이동한다.
[00228] 단계(2740)에서, 제어기는, 동작 중지된 모니터링된 2차 배터리를 취하는 것이 문제가 없을 것이라는 점을 확인한 후, 스트립핑 또는 방전 단계를 시작한다. 스트립핑 또는 방전 단계는 덴드라이트들을 분해하도록 계산된 듀레이션 동안 동작될 수 있다.
[00229] 단계(2740)의 완료 시에, 제어기는 화살표(2750)를 통해 프로세스를 단계(2760)로 이동시킨다.
[00230] 단계(2760)에서, 제어기는 T0의 기록된 값을 제로로 재설정한다.
[00231] 단계(2760)의 완료 시에, 제어기는 화살표(2770)를 통해 프로세스를 단계(2712)로 이동시킨다.
[00232] 그런 다음에, 그러한 2차 배터리를 위해 프로세스가 반복될 수 있다. 어레이의 각각의 2차 배터리에 대해 프로세스가 수행될 수 있으므로, 2차 배터리가 단락 상태에 도달할 합리적인 가능성이 없다. 프로세스가 통계적이기 때문에, 단락 조건과 관련하여 2차 배터리의 상태의 측정이 수행될 필요가 없다.
[00233] 전지들을 관리하기 위한 동일한 원칙들이, 하나 또는 그 초과의 전지들로 구성된 배터리들로 확장될 수 있다.
제어기에 대한 설명
[00234] 미국 특허 제 6,002,239호는, 재충전가능한 배터리의 애노드와 캐소드 간에 인가되는 전압을 제어할 수 있는 회로들의 여러 가지 실시예들을 설명한다. 미국 특허 제 6,002,239호는, 캐소드 및 애노드에 부가하여 게이트 전극을 갖는 배터리를 설명하지 않는다. 미국 특허 제 6,002,239호는, 캐소드 및 애노드에 부가하여 게이트 전극을 갖는 배터리에서 캐소드와 게이트 전극 간의 각각의 상대 전압 또는 애노드와 게이트 전극 간의 상대 전압을 제어하는 회로를 설명하지 않는다.
[00235] 본 출원에서, 각각의 전극들의 쌍 간의, 예컨대, 애노드와 게이트 전극 간, 캐소드와 게이트 전극 간, 및 캐소드와 애노드 간의 전류-전압 관계를 제어하는 회로를 필요로 한다. 일부 실시예들에서, 3개의 전류-전압 관계들 중 2개를 세팅하는 것으로 충분한데, 이후 세 번째 관계가 결정될 것이기 때문이다.
[00236] 도 28은, 본 개시내용에 따른 다중-전극 전기화학 전지를 동작시키는데 사용될 수 있는 (미국 특허 제 6,002,239호에서 상기 특허의 도 2로서 제시되고 상기 특허에서 상세히 설명된) 하나의 종래 기술 제어 회로의 개략도이다. 일부 실시예들에서, 도 28에 예시된 2개의 제어 회로들은, 각각의 회로의 단자 2를 다중-전극 전기화학 전지의 애노드, 캐소드, 및 게이트 전극으로부터 선택된 단일 전극에 연결시키고, 일 제어 회로의 단자 3을 다중-전극 전기화학 전지의 애노드, 캐소드, 및 게이트 전극 중 다른 전극에 연결시키고, 그리고 다른 제어 회로의 단자 3을 다중-전극 전기화학 전지의 애노드, 캐소드, 및 게이트 전극 중 나머지 전극에 연결시킴으로써 사용될 수 있다. 부가적인(즉, 2개 초과의) 게이트 전극들이 다중-전극 전기화학 전지 내에 제공되는 환경에서, 각각의 그러한 부가적인 게이트 전극은, 도 28에 도시된 바와 같은 부가적인 제어 회로에 의해 독립적으로 제어될 수 있다. 다른 실시예들에서, 미국 특허 제 6,002,239호의 도 1 및 도 3에 도시된 바와 같은 제어 회로들이 또한 이용될 수 있다.
[00237] 도 28은 하드-와이어드 구현에 의존하는 실시예를 도시하지만, 도 28에 도시된 것과 같은 회로를 수정하여 오퍼레이터에 의한 수동 동작을 허용할 수 있으며, 이는, 단계(2620)에서 결정되는 측정된 전류-전압 관계들 중 일부 또는 전부를 표현하는 정보를 오퍼레이터에게 제공하기 위한 디스플레이 또는 신호표시기(annunciator)를 요구할 수 있다. 다른 대안적인 실시예에서, 제어기는, 기계-판독가능 매체 상에 레코딩된 명령들의 제어 하에서 동작하는 범용 프로그램가능 컴퓨터를 포함할 수 있다.
정의들
[00238] 본 출원에서 사용되는 바와 같이, 용어 "전지 헬스"는, 정상 동작 파라미터들을 갖는 전지를 설명하기 위한, 전지의 물리 조건, 이를테면 "정상 전지 헬스"에 대한 설명자로서 이해될 것이다.
[00239] 본 출원에서 사용되는 바와 같이, 용어 "전지 헬스 이벤트"는, 본 발명의 전지가 "정상 전지 헬스"를 갖는 전지로부터 벗어나게 하는 조건을 나타내는 것으로 이해될 것이다. 예들은, 게이트 전극을 미리결정된 전위로 유지하기 위해 요구되는 정상 전류보다 높은 전류를 나타내는 전지, 임계 전압보다 낮은, 애노드 전극 또는 캐소드 전극 중 어느 하나와 게이트 전극 간의 전압을 나타내는 전지, 또는 임계값보다 낮은, 애노드 전극 또는 캐소드 전극 중 어느 하나와 게이트 전극 간의 저항을 나타내는 전지를 포함한다.
[00240] 본 출원에서 사용되는 바와 같이, 용어 "불균일한 모폴로지"는, 단수 형태로 사용되든지 또는 복수의 형태로 사용되든지, 덴드라이트, 위스커들, 표면의 러프니스(roughness), 표면의 불균일부, 돌출부를 형성하는 오브젝트, 표면의 뒤틀림(warping), 표면의 팽윤(swelling) 등을 지칭하는 것으로 이해될 것이다. 이들 인용된 예들은 배타적인 것이 아니라, 용어 "불균일한 모폴로지"가, 배터리가 동작되는 경우 또는 배터리가 오래된 경우 발생할 수 있는 전극 표면 형상의 불규칙성에 대한 많은 상이한 타입들에 관련된다는 이해를 전달하기 위한 것이다.
[00241] 본 출원에서 사용되는 바와 같이, 용어 "활성 전극"은, 제조 이후의 정상 동작에서, 전력 공급부 또는 제어기와 같은 외부 디바이스에 의해 작동될 수 있어서, 전극이, 전력 공급부 및/또는 제어기에 의해 전극에 대해 부과된 전류 및/또는 전압 조건을 가정하는 것을 강요받는 전극인 것으로 이해될 것이다. 대조적으로, 용어 "패시브 전극"은, 전류 및/또는 전압 조건을, 시간의 함수에 따른 전기화학 전지의 제조 이후의 정상 동작의 결과로 가정하고, 이러한 전류 및/또는 전압 조건이 전력 공급부 및/또는 제어기에 의해 전극에 대해 부과되지 않는 전극인 것으로 이해될 것이다. 추가로, 특정 전극이 어떤 시간들에서는 "활성 전극"으로 그리고 다른 시간들에서는 "패시브 전극"으로 고려될 수 있지만, 제조 이후의 정상 동작에서의 임의의 시간에 "활성 전극"인 것으로 설명 또는 이해되는 임의의 전극은 "활성 전극"으로 분류된다는 것이 이해될 것이다. 다시 말해서, "활성 전극"은 항상 제어되지는 않을 수 있지만, "패시브 전극"은 제조 이후의 정상 동작에서 결코 제어되지 않는다.
[00242] 본 출원에서 사용되는 바와 같이, 용어 "Mg 전지" 또는 "Mg 배터리"는, 전해질 내의 레독스-활성 종이, 금속, 이온, 염, 킬레이트(chelate), 및 화합물과 같이 어떠한 형태로든 마그네슘(Mg)을 포함하는 전기화학 전지를 지칭하는 것으로 이해될 것이다.
[00243] 본원에서 달리 명시적으로 언급되지 않으면, 전자 신호 또는 전자기 신호(또는 이들의 등가물들)에 대한 임의의 참조는, 비-휘발성 전자 신호 또는 비-휘발성 전자기 신호를 지칭하는 것으로 이해될 것이다.
[00244] 예컨대, 특정 주파수 또는 파장에서의 결과들을 레코딩하는 것과 같은, 동작 또는 데이터 포착으로부터의 결과들을 레코딩하는 것은, 출력 데이터를 비-일시적 방식으로 저장 엘리먼트에, 기계-판독가능 저장 매체에, 또는 저장 디바이스에 기입하는 것을 의미하도록 이해되고 본원에 정의된다. 본 발명에서 사용될 수 있는 비-일시적인 기계-판독가능 저장 매체는, 전자, 자기 및/또는 광학 저장 매체, 이를테면 자기 플로피 디스크들 및 하드 디스크들; 일부 실시예들에서, DVD 디스크들, CD-ROM 디스크들(즉, 판독-전용 광학 저장 디스크들), CD-R 디스크들(즉, 한 번 기입가능, 다수 회 판독 가능한 광학 저장 디스크들), 및 CD-RW 디스크들(즉, 재기입가능 광학 저장 디스크들) 중 임의의 것을 이용할 수 있는 DVD 드라이브, CD 드라이브; 및 전자 저장 매체, 이를테면 RAM, ROM, EPROM, 콤팩트 플래시 카드들, PCMCIA 카드들, 또는 대안적으로는 SD 또는 SDIO 메모리; 및 저장 매체를 수용하고, 저장 매체로부터 판독하고 그리고/또는 저장 매체에 기입하는 전자 컴포넌트들(예컨대, 플로피 디스크 드라이브, DVD 드라이브, CD/CD-R/CD-RW 드라이브, 또는 콤팩트 플래시/PCMCIA/SD 어댑터)을 포함한다. 달리 명시적으로 언급되지 않으면, "레코딩하다" 또는 "레코딩"에 대한 본원에서의 임의의 참조는, 비-일시적 레코딩을 하는 것 또는 비-일시적 레코딩을 지칭하는 것으로 이해된다.
[00245] 기계-판독가능 저장 매체 기술분야의 당업자들에게 알려져 있는 바와 같이, 데이터 저장을 위한 새로운 매체 및 포맷들이 계속해서 고안되고 있으며, 향후에 이용가능하게 될 수 있는 상업적으로 입수가능한 저장 매체 및 대응하는 판독/기입 디바이스는, 특히, 더 큰 저장 용량, 더 높은 액세스 속도, 더 작은 사이즈, 및 저장된 정보 비트 당 더 낮은 비용을 제공하는 경우에 사용하기에 적절할 가능성이 있다. 천공 페이퍼(punched paper) 테이프 또는 카드들, 테이프 또는 와이어를 통한 자기 레코딩, 인쇄된 문자들(예컨대, OCR 및 자기적으로 인코딩된 심볼들)의 광학 또는 자기 판독, 및 1차원 및 2차원 바코드들과 같은 기계-판독가능 심볼들과 같은 잘 알려진 구형 기계-판독가능 매체가 또한 특정 조건들 하에서의 사용에 대해 이용가능하다. 이후의 사용을 위한 이미지 데이터의 레코딩(예컨대, 메모리 또는 디지털 메모리에 이미지를 기입하는 것)이 수행되어, 출력으로서, 사용자에 대한 디스플레이를 위한 데이터로서, 또는 이후의 사용에 대해 이용가능하게될 데이터로서, 레코딩된 정보를 사용하는 것을 가능하게 한다. 그러한 디지털 메모리 엘리먼트들 또는 칩들은 독립형 메모리 디바이스들일 수 있거나 또는 관심있는 디바이스 내에 통합될 수 있다. "출력 데이터를 기입하는 것" 또는 "이미지를 메모리에 기입하는 것"은, 변환된 데이터를 마이크로컴퓨터 내의 레지스터들에 기입하는 것을 포함하는 것으로 본원에서 정의된다.
[00246] "마이크로컴퓨터"는 마이크로프로세서, 마이크로제어기 및 DSP(digital signal processor)와 동의어로서 본원에서 정의된다. 예컨대 "펌웨어"로서 코딩된 데이터 프로세싱을 위한 명령들을 포함하는, 마이크로컴퓨터에 의해 사용되는 메모리가 물리적으로 마이크로컴퓨터 칩 내에 있는 메모리로 또는 마이크로컴퓨터 외부에 있는 메모리로 또는 내부 및 외부 메모리의 조합으로 상주할 수 있다는 것이 이해된다. 유사하게, 아날로그 신호들은 스탠드얼론 ADC(analog to digital converter) 또는 하나 또는 그 초과의 ADC들에 의해 디지털화될 수 있거나 또는 멀티플렉싱된 ADC 채널들은 마이크로컴퓨터 패키지내에 상주할 수 있다. FPGA(field programmable array) 칩들 또는 ASIC(application specific integrated circuit) 칩들이 하드웨어 로직, 마이크로컴퓨터의 소프트웨어 에뮬레이션 또는 이 둘의 조합으로 마이크로컴퓨터 기능들을 수행할 수 있다는 것이 또한 이해된다. 본원에서 설명된 진보적인 특징들 중 임의의 특징을 가진 장치는 하나의 마이크로컴퓨터상에서 전체적으로 동작할 수 있거나 또는 1개 초과의 마이크로컴퓨터를 포함할 수 있다.
[00247] 본 설명에 따라 기기 장치를 제어하고, 신호들을 레코딩하며 신호들 또는 데이터를 분석하는데 유용한 범용 프로그램가능 컴퓨터들은 PC(personal computer), 마이크로프로세서 기반 컴퓨터, 휴대용 컴퓨터 또는 다른 타입의 프로세싱 디바이스 중 임의의 것일 수 있다. 범용 프로그램가능 컴퓨터는 전형적으로 중앙 프로세싱 유닛, 기계-판독가능 저장 매체를 사용하여 정보 및 프로그램들을 레코딩 및 판독할 수 있는 저장 또는 메모리 유닛, 유선 통신 유닛 또는 무선 통신 디바이스와 같은 통신 단말, 디스플레이 단말과 같은 출력 디바이스, 및 키보드와 같은 입력 디바이스를 포함한다. 디스플레이 단말은 터치 스크린 디스플레이일 수 있으며, 이 경우에 디스플레이 단말은 디스플레이 디바이스 및 입력 디바이스 둘다로서 기능을 할 수 있다. 포인팅 디바이스, 이를테면 마우스 또는 조이스틱과 같은 상이한 그리고/또는 추가적인 입력 디바이스들이 제시될 수 있으며, 발화자, 예컨대 스피커, 제 2 디스플레이 또는 프린터와 같은 상이한 또는 추가적인 출력 디바이스들이 제시될 수 있다. 컴퓨터는 예컨대 여러 버전들의 Windows, 또는 MacOS 또는 UNIX 또는 Linux 중 어느 하나와 같은, 다양한 운영 체제들 중 어느 하나를 실행할 수 있다. 범용 컴퓨터의 동작에서 획득된 계산 결과들은 추후 사용을 위해 저장될 수 있으며 그리고/또는 사용자에게 디스플레이될 수 있다. 적어도, 각각의 마이크로프로세서-기반 범용 컴퓨터는 각각의 계산 단계의 결과들을 마이크로프로세서내에 저장하는 레지스터들을 가지며 - 결과들 중 어떤 결과들은 이후 보통 추후 사용을 위해 캐시 메모리에 저장됨 -, 따라서 결과는 디스플레이되거나 비-휘발성 메모리에 레코딩되거나 또는 추가 데이터 프로세싱 또는 분석에 사용될 수 있다.
[00248] 전기 및 전자 장치의 많은 기능들은 하드웨어(예컨대, 하드-와이어 로직)로, 소프트웨어(예컨대, 범용 프로세서상에 동작하는 프로그램으로 인코딩된 로직)로 그리고 펌웨어(예컨대, 필요에 따라 프로세서상에서 동작하기 위하여 인보크되는 비-휘발성 메모리에 인코딩되는 로직)로 구현될 수 있다. 본 발명은 하드웨어, 펌웨어 및 소프트웨어 중 상이한 하나를 사용하여 하드웨어, 펌웨어 및 소프트웨어의 일 구현을 등가 기능성의 다른 구현으로 대체하는 것을 고려한다. 구현이 전달 함수에 의해 수학적으로 표현될 수 있는 정도까지, 즉 전달 함수를 나타내는 "블랙 박스"의 입력 단자에 적용되는 특정 여기에 대한 특정 응답이 출력 단자에서 생성되는 정도까지, 전달 함수의 부분들 또는 세그먼트들의 하드웨어, 펌웨어 및 소프트웨어 구현들의 임의의 조합을 포함하는, 전달 함수의 임의의 구현은 구현 중 적어도 일부분이 하드웨어로 수행되는 한 본원에서 고려된다.
이론적 논의
[00249] 비록 본원에서 주어진 이론적 설명이 정확한 것으로 고려될지라도, 본원에서 설명되고 청구된 디바이스들의 동작은 이론적 설명의 정확성 또는 타당성에 의존하지 않는다. 즉, 본원에서 제시된 이론과 다른 원리로 관찰된 결과들을 설명할 수 있는 추후 이론적 발전들은 본원에서 설명된 발명들로부터 벗어나지 않을 것이다.
[00250] 이에 의해, 임의의 특허, 특허 출원, 특허 출원 공보, 논문, 책, 출판물, 또는 명세서에서 식별되는 다른 공개적으로 이용가능한 자료는 그 전체가 인용에 의해 본원에 통합된다. 인용에 의해 본원에 통합되는 것으로 일컬어지지만 기존의 정의들, 진술들 또는 본원에서 명시적으로 제시된 다른 개시내용 자료와 충돌하는 임의의 자료 또는 이의 일부분은 그 통합된 자료와 본 개시내용 자료 간에 충돌이 발생하지 않은 정도까지만 통합된다. 충돌이 발생하는 경우에, 충돌은 바람직한 개시내용으로서 본 개시내용에 도움이 되도록 해결되어야 한다.
[00251] 본 발명이 특히 도면에 예시된 바람직한 모드를 참조로 하여 도시되고 설명되었지만, 청구범위에 의해 정의된 본 발명의 사상 및 범위로부터 벗어나지 않고 세부사항에 있어서 다양한 변형들이 본원에서 이루어질 수 있다는 것이 당업자에 의해 이해될 것이다.

Claims (30)

  1. 디바이스로서,
    캐소드 전기 단자를 갖는 캐소드 전극 ―상기 캐소드 전극은 전해질과 전기화학적으로 연통함―;
    애노드 전기 단자를 갖는 애노드 전극 ―상기 애노드 전극은 상기 전해질과 전기화학적으로 연통함―;
    게이트 전극 전기 단자를 갖는 적어도 하나의 게이트 전극 ―상기 적어도 하나의 게이트 전극은 상기 전해질과 전기화학적으로 연통하며 상기 애노드 전극 및 상기 캐소드 전극 중 적어도 하나에서 산화환원-활성(redox-active)인 적어도 하나의 이동 종(mobile species)에 대해 투과성(permeable)이 있고, 상기 적어도 하나의 게이트 전극은 상기 캐소드 전극과 상기 애노드 전극 사이에 위치됨―; 및
    상기 디바이스의 동작 파라미터를 활성적으로 제어하도록 구성된 제어 회로
    를 포함하는, 디바이스.
  2. 2차 전기화학 전지(secondary electrochemical cell)로서,
    캐소드 전기 단자를 갖는 캐소드 전극 및 애노드 전기 단자를 갖는 애노드 전극을 포함하며, 상기 캐소드 전극은 전해질과 전기화학적으로 연통하며 상기 애노드 전극은 상기 전해질과 전기화학적으로 연통하며;
    개선안(improvement)은:
    게이트 전극 전기 단자를 갖는 적어도 하나의 게이트 전극 ―상기 적어도 하나의 게이트 전극은 상기 전해질과 전기화학적으로 연통하며 상기 애노드 전극 및 상기 캐소드 전극 중 적어도 하나에서 산화환원-활성인, 상기 전해질 내의 적어도 하나의 이동 종에 대해 투과성이 있고, 상기 적어도 하나의 게이트 전극은 상기 캐소드 전극과 상기 애노드 전극 사이에 위치됨―; 및
    디바이스의 동작 파라미터를 활성적으로 제어하도록 구성된 제어 회로
    를 포함하는, 2차 전기화학 전지.
  3. 디바이스로서,
    캐소드 전기 단자를 갖는 캐소드 전극 ―상기 캐소드 전극은 전해질과 전기화학적으로 연통함―;
    애노드 전기 단자를 갖는 애노드 전극 ―상기 애노드 전극은 상기 전해질과 전기화학적으로 연통함―;
    게이트 전극 전기 단자를 갖는 적어도 하나의 게이트 전극 ―상기 적어도 하나의 게이트 전극은 상기 전해질과 전기화학적으로 연통하며 상기 애노드 전극 및 상기 캐소드 전극 중 적어도 하나에서 산화환원-활성인 적어도 하나의 이동 종에 대해 투과성이 있고, 상기 적어도 하나의 게이트 전극은 상기 캐소드 전극과 상기 애노드 전극 사이에 위치됨―;
    상기 디바이스의 동작 파라미터를 측정하고 전지 헬스 이벤트(cell health event)가 발생할 때를 결정하도록 구성된 회로; 및
    상기 전지 헬스 이벤트에 응답하도록 구성된 회로
    를 포함하는, 디바이스.
  4. 디바이스로서,
    캐소드 전기 단자를 갖는 캐소드 전극 및 애노드 전기 단자를 갖는 애노드 전극을 포함하며, 상기 캐소드 전극은 전해질과 전기화학적으로 연통하며 상기 애노드 전극은 상기 전해질과 전기화학적으로 연통하며;
    개선안은:
    게이트 전극 전기 단자를 갖는 적어도 하나의 게이트 전극 ―상기 적어도 하나의 게이트 전극은 상기 전해질과 전기화학적으로 연통하며 상기 애노드 전극 및 상기 캐소드 전극 중 적어도 하나에서 산화환원-활성인, 상기 전해질 내의 적어도 하나의 이동 종에 대해 투과성이 있고, 상기 적어도 하나의 게이트 전극은 상기 캐소드 전극과 상기 애노드 전극 사이에 위치됨―;
    상기 디바이스의 동작 파라미터를 측정하고 전지 헬스 이벤트가 발생할 때를 결정하도록 구성된 회로; 및
    상기 전지 헬스 이벤트에 응답하도록 구성된 회로
    를 포함하는, 디바이스.
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 제어 회로는 상기 애노드 전극 및 상기 캐소드 전극 중 적어도 하나에 대한 상기 적어도 하나의 게이트 전극의 전압을 미리결정된 전압 값으로 설정하도록 구성되는, 디바이스.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 미리결정된 전압 값은 상기 적어도 하나의 이동 종으로부터 유도되는(derived) 도금된 금속을 스트립핑하기에 충분한, 디바이스.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 미리결정된 전압 값은 불균일한 모폴로지컬 피처(non-uniform morphological feature)의 형성 전위(formation potential)인, 디바이스.
  8. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 제어 회로는 상기 적어도 하나의 게이트 전극과 상기 애노드 전극 간의 전류를 임계치 전류 미만으로 유지하도록 구성되는, 디바이스.
  9. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 제어 회로는 상기 애노드 전극 및 상기 캐소드 전극 중 적어도 하나와 상기 적어도 하나의 게이트 전극 간에 측정된 전압, 임피던스 및 전류 중 적어도 하나에 기반하여 상기 디바이스를 통하는 전류의 흐름을 제어하도록 구성되는, 디바이스.
  10. 제 3 항 또는 제 4 항에 있어서,
    상기 디바이스의 동작 파라미터를 측정하고 전지 헬스 이벤트가 발생할 때를 결정하도록 구성된 회로는, 상기 애노드 전극 및 상기 캐소드 전극 중 적어도 하나와 상기 적어도 하나의 게이트 전극 간에 흐르는 전류를 측정하고 상기 전류가 임계치 전류를 초과할 때 전지 헬스 이벤트가 발생하는 것으로 결정하도록 구성되는, 디바이스.
  11. 제 3 항 또는 제 4 항에 있어서,
    상기 디바이스의 동작 파라미터를 측정하고 전지 헬스 이벤트가 발생할 때를 결정하도록 구성된 회로는, 상기 애노드 전극 및 상기 캐소드 전극 중 적어도 하나와 상기 적어도 하나의 게이트 전극 간의 전압을 미리결정된 전압 값에 비교하고 상기 적어도 하나의 게이트 전극이 상기 미리결정된 전압 값으로 더이상 유지될 수 없을 때 전지 헬스 이벤트가 발생하는 것으로 결정하도록 구성되는, 디바이스.
  12. 제 3 항 또는 제 4 항에 있어서,
    상기 동작 파라미터를 측정하도록 구성된 회로 및 상기 전지 헬스 이벤트에 응답하도록 구성된 회로는 협력하여 동작하도록 구성되는, 디바이스.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 미리결정된 전압 값은 불균일한 모폴로지컬 피처의 형성 전위인, 디바이스.
  14. 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 디바이스는 2차 전기화학 전지인, 디바이스.
  15. 제 1 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 게이트 전극은 두께 디멘션(thickness dimension)에 의해 정의된 평면형 지오메트리(planar geometry) 및 상기 두께 디멘션에 수직인 2차원 영역을 갖는, 디바이스.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 게이트 전극은 상기 두께 디멘션을 따라서는 이온적 전도성이며 상기 두께 디멘션에 수직으로는 전기적 전도성인, 디바이스.
  17. 제 1 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 게이트 전극의 상기 두께 디멘션에 수직인 2차원 영역 상의 임의의 2개의 포인트들 간에 1 Hertz 미만 주파수에서 측정되는 임피던스는 1 MegaOhm 미만인, 디바이스.
  18. 제 1 항 내지 제 17 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 애노드 전극은 금속 애노드인, 디바이스.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 금속 애노드는 마그네슘 또는 마그네슘 함유 합금인, 디바이스.
  20. 제 18 항에 있어서,
    상기 금속 애노드는 아연, 칼슘, 알루미늄, 리튬, 나트륨 및 납으로 이루어진 금속들의 그룹으로부터 선택되는 금속 또는 금속 함유 합금을 포함하는, 디바이스.
  21. 제 1 항 내지 제 20 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 애노드 전극은 컨버전 애노드(conversion anode), 인터칼레이션 호스트(intercalation host), 합금화 반응 애노드(alloying reaction anode) 및 불균등화 반응 애노드(disproportionation reaction anode)로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 애노드 전극인, 디바이스.
  22. 제 1 항 내지 제 21 항 중 어느 한 항에 있어서,
    산화환원-활성 이온 종은 리튬이며, 상기 애노드는 결정질 탄소, 비정질 탄소, Na, K, Rb, Cs, Be, Mg, Ca, Sr, Al, Si, Ge, Sb, Pb, In, Zn, Sn 및 바이너리 Me-X 화합물들로 이루어진 재료들의 그룹으로부터 선택된 재료를 포함하며, X는 황, 인, 질소 및 산소로 이루어진 그룹으로부터 선택되며, Me는 Mg, Ca, Sr, Ti, Zr, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Ag, Zn, Cd, B, Al, Si, Sn, Ge, Sb, Bi 및 이들의 조합으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 금속을 포함하는, 디바이스.
  23. 제 1 항 내지 제 22 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 애노드 전극은 온도, 전압, 충전률(charging-rate) 또는 이들의 조합에 기반하여 도금 조건들(plating conditions) 하에서 동작하도록 구성되는, 디바이스.
  24. 제 1 항 내지 제 23 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 게이트 전극은 프리스탠딩 형태(freestanding form)로서의 전자적 전도성 재료, 및 공극율(porosity) 및 굴곡율(tortuosity)을 가지며 전용 탭(dedicated tab)을 통해 외부 회로에 연결되는, 절연 기판상에 증착되는 전자적 전도성 막 중 선택된 하나를 포함하는, 디바이스.
  25. 제 1 항 내지 제 24 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 게이트 전극은 상기 적어도 하나의 이동 종에 대한 상기 투과성의 효율성을 최대화시키기에 충분한 공극율을 갖는, 디바이스.
  26. 제 1 항 내지 제 25 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 게이트 전극은, 상기 적어도 하나의 게이트 전극을 통해 돌출하는 불균일한 모폴로지컬 피처가 상기 적어도 하나의 게이트 전극에 대한 전기적 접촉을 실패할 확률을 최소화시키기에 충분한 굴곡율을 갖는 공극율을 갖는, 디바이스.
  27. 전기화학 디바이스를 제조하는 방법으로서,
    캐소드 전기 단자를 갖는 캐소드 전극을 제공하는 단계;
    애노드 전기 단자를 갖는 애노드 전극을 제공하는 단계;
    상기 캐소드 전극 및 상기 애노드 전극과 전기화학적으로 연통하는 전해질을 제공하는 단계;
    게이트 전극 전기 단자를 갖는 적어도 하나의 게이트 전극을 제공하는 단계 ―상기 적어도 하나의 게이트 전극은 상기 전해질과 전기화학적으로 연통하며 상기 애노드 전극 및 상기 캐소드 전극 중 적어도 하나에서 산화환원-활성인, 상기 애노드 전극 내의 적어도 하나의 이동 종에 대해 투과성이 있고, 상기 적어도 하나의 게이트 전극은 상기 캐소드 전극과 상기 애노드 전극 사이에 위치됨―; 및
    상기 디바이스의 동작 파라미터를 활성적으로 제어하도록 구성된 제어 회로를 제공하는 단계
    를 포함하는, 전기화학 디바이스를 제조하는 방법.
  28. 전기화학 디바이스를 제조하는 방법으로서,
    캐소드 전기 단자를 갖는 캐소드 전극을 제공하는 단계;
    애노드 전기 단자를 갖는 애노드 전극을 제공하는 단계;
    상기 캐소드 전극 및 상기 애노드 전극과 전기화학적으로 연통하는 전해질을 제공하는 단계;
    게이트 전극 전기 단자를 갖는 적어도 하나의 게이트 전극을 제공하는 단계 ―상기 적어도 하나의 게이트 전극은 상기 전해질과 전기화학적으로 연통하며 상기 애노드 전극 및 상기 캐소드 전극 중 적어도 하나에서 산화환원-활성인 적어도 하나의 이동 종에 대해 투과성이 있고, 상기 적어도 하나의 게이트 전극은 상기 캐소드 전극과 상기 애노드 전극 사이에 위치됨―;
    상기 디바이스의 동작 파라미터를 측정하고 전지 헬스 이벤트가 발생할 때를 결정하도록 구성된 회로를 제공하는 단계; 및
    상기 전지 헬스 이벤트에 응답하도록 구성된 회로를 제공하는 단계
    를 포함하는, 전기화학 디바이스를 제조하는 방법.
  29. 전기화학 디바이스를 동작시키는 방법으로서,
    캐소드 전기 단자를 갖는 캐소드 전극을 제공하는 단계;
    애노드 전기 단자를 갖는 애노드 전극을 제공하는 단계;
    상기 캐소드 전극 및 상기 애노드 전극과 전기화학적으로 연통하는 전해질을 제공하는 단계;
    게이트 전극 전기 단자를 갖는 적어도 하나의 게이트 전극을 제공하는 단계 ―상기 적어도 하나의 게이트 전극은 상기 전해질과 전기화학적으로 연통하며 상기 애노드 전극 및 상기 캐소드 전극 중 적어도 하나에서 산화환원-활성인, 상기 애노드 전극 내의 적어도 하나 이동 종에 대해 투과성이 있고, 상기 적어도 하나의 게이트 전극은 상기 캐소드 전극과 상기 애노드 전극 사이에 위치됨―;
    상기 디바이스의 동작 파라미터를 활성적으로 제어하도록 구성된 제어 회로를 제공하는 단계; 및
    상기 제어 회로가 정상 전지 헬스의 조건에서 상기 전기화학 디바이스의 상기 동작 파라미터를 유지하도록 상기 전기화학 디바이스를 동작시키는 단계
    를 포함하는, 전기화학 디바이스를 동작시키는 방법.
  30. 전기화학 디바이스를 동작시키는 방법으로서,
    캐소드 전기 단자를 갖는 캐소드 전극을 제공하는 단계;
    애노드 전기 단자를 갖는 애노드 전극을 제공하는 단계;
    상기 캐소드 전극 및 상기 애노드 전극과 전기화학적으로 연통하는 전해질을 제공하는 단계;
    게이트 전극 전기 단자를 갖는 적어도 하나의 게이트 전극을 제공하는 단계 ―상기 적어도 하나의 게이트 전극은 상기 전해질과 전기화학적으로 연통하며 상기 애노드 전극 및 상기 캐소드 전극 중 적어도 하나에서 산화환원-활성인 적어도 하나의 이동 종에 대해 투과성이 있고, 상기 적어도 하나의 게이트 전극은 상기 캐소드 전극과 상기 애노드 전극 사이에 위치됨―;
    상기 디바이스의 동작 파라미터를 측정하고 전지 헬스 이벤트가 발생할 때를 결정하도록 구성된 회로를 제공하는 단계;
    상기 전지 헬스 이벤트에 응답하도록 구성된 회로를 제공하는 단계; 및
    상기 동작 파라미터를 측정하도록 구성된 회로가, 전지 헬스 이벤트가 발생했음을 결정할 때, 상기 전지 헬스 이벤트에 응답하도록 구성된 회로가 정상 동작 헬스로 상기 디바이스를 리턴시키게 동작하도록 상기 전기화학 디바이스를 동작시키는 단계
    를 포함하는, 전기화학 디바이스를 동작시키는 방법.
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