固态储能装置
阅读：610发布：2021-04-10
专利汇可以提供固态储能装置专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且在一个 实施例 中， 固态 电池 装置被提供。该装置具有多个 蓄电池 设备，每个设备具有 阳极 设备， 电解 质设备和 阴极 设备。该器具具有等效 电路 (EC)， 荷电状态 ，和 电阻 器 ，电容器或被提供在等效电路中的其他电参数，该等效电路被编号从1到N描述多个蓄电池设备的特性，该荷电状态描述多个蓄电池设备的特性。，下面是固态储能装置专利的具体信息内容。
1.一种多层固态电池设备，包括：
等效电路，编号为1到N，分别与编号为1到N的多个固态蓄电池相关联，每个固态蓄电池包括：
第一集电器，其覆盖基底构件；
阴极器件，其覆盖第一集电器；
电解质器件，其覆盖阴极；
阳极器件，其覆盖电解质器件；以及
第二集电器，其覆盖阳极器件；
多个固态蓄电池的每个固态蓄电池可在下限到上限之间的荷电状态下操作；
多个固态蓄电池具有大于50瓦小时每升和更大的能量密度；以及
所述阴极器件的每个包括多个平行柱形物结构，所述多个平行柱形物结构的每个包括无定形的阴极材料。
2.根据权利要求1所述的设备，其中荷电状态下限在0.5％到75％的范围内，且荷电状态上限在25％到99.5％的范围内。
3.根据权利要求1所述的设备，其中所述阴极器件包括无定形或晶体结构。
4.根据权利要求1所述的设备，其中所述阳极器件包括金属膜。
5.根据权利要求1所述的设备，其中所述阴极器件具有从0.05到200微米范围的厚度，且所述阳极具有从0.02到200微米范围的厚度。
6.根据权利要求1所述的设备，其中多个蓄电池是缠绕或堆叠的。
7.根据权利要求1所述的设备，还包括基底，其由以下组中的至少一个制成：玻璃结构，传导结构，金属结构，陶瓷结构，塑料或聚合物结构或半导体结构，或一个或多个活性层可包括基底层。
8.根据权利要求1所述的设备，其中所述阴极器件的区域包括从约0.05到约200微米范围的厚度。
9.根据权利要求1所述的设备，其中所述区域是大体无定形的。
10.根据权利要求1所述的设备，还包括终端，该终端被配置为使用自终止或后终止连接器配置方式以并联布置或串联布置配置。
11.根据权利要求1所述的设备，还包括作为阴极器件的区域的特性的局部导电率和作为阴极器件的特性的体导电率。
12.根据权利要求1所述的设备，其中所述阴极器件由选自以下组的材料制成：锂化或非锂化的过渡金属氧化物和锂化的过渡金属磷酸盐，其中所述金属在周期表的组3至12中，包括但不限于锂锰氧化物，锂镍氧化物，锂钴氧化物，锂镍-钴-锰氧化物，锂镍-钴-铝氧化物，锂铜-锰氧化物，锂铁-锰氧化物，锂镍-锰氧化物，锂钴-锰氧化物，锂镍-锰氧化物，锂铝-钴氧化物，磷酸铁锂，磷酸锰锂，磷酸镍锂，磷酸钴锂，氧化钒，氧化镁，氧化钠，硫磺，金属(Mg，La)掺杂锂金属氧化物，比如镁掺杂锂镍氧化物，镧掺杂锂锰氧化物，镧掺杂锂钴氧化物。
13.根据权利要求1所述的设备，其中所述阳极器件由选自以下组的材料制成：锂化或非锂化的过渡金属氧化物，包括但不限制于锂钛氧化物，锗氧化物，或石墨，锂，硅，锑，铋，铟，氮化锡，或锂合金，包括但不限制于锂镁合金，锂铝合金，锂锡合金，锂锡铝合金。
14.根据权利要求1所述的设备，其中所述电解质器件选自以下组：锂磷氧氮(LIPON)，聚环氧乙烷(PEO)，锂镧锆氧化物，锂镧钛氧化物，锂钠铌氧化物，锂铝硅氧化物，磷酸锂，硫化磷酸锂，磷酸锂铝锗，磷酸锂铝钛，LISICON(锂超离子导体，通常通过LixM1-yM′yO4(M＝Si,Ge,and M′＝P,Al,Zn,Ga,Sb)描述),硫化-LISICON(锂超离子导体，通常通过LixM1-yM′yS4(M＝Si,Ge,and M′＝P,Al,Zn,Ga,Sb)描述)，锂离子传导硫银锗矿(Li6PS5X(X＝Cl,Br,I)),具有10-5至10-1s/m的离子电导率范围。
15.根据权利要求1所述的设备，其中多个固态蓄电池的每对固态蓄电池包括在其间的绑定材料。
16.根据权利要求1所述的设备，其中阴极器件包括材料，所述材料包括多个类似柱形物结构，每个类似柱形物结构沿厚度方向延伸且基本正交于表面区域和材料厚度的平面。
17.根据权利要求1所述的设备，其中阴极器件包括多个柱形物结构，每个柱形物结构具有基底区域和上部区域，每个柱形物结构包括多个较小的颗粒状结构，每个较小的颗粒状结构被配置在每个柱形物结构中。
18.根据权利要求1所述的设备，其中阴极器件包括多个柱形物结构，每个柱形物结构具有基底区域和上部区域，每个柱形物结构包括多个颗粒状结构，每个颗粒状结构被配置在每个柱形物结构中，每对柱形物结构具有设置在该对柱形物结构之间的多个不规则形状的多面体结构。
19.一种固态电池装置，包括：
多个蓄电池设备，每个设备具有阳极器件、电解质器件和阴极器件；
等效电路(EC)，编号为1到N，为所述多个蓄电池设备的特征；
荷电状态，为所述多个蓄电池设备的特征；以及
提供在等效电路中的电阻、电容或其它电参数特征。
20.根据权利要求1所述的装置，还包括联接到所述多个蓄电池的器具，其中所述器具为选自以下组中的一个或多个：至少智能手机，移动电话，个人数字助理，电台播放器，音乐播放器，摄像机，平板和便携式计算机，军事通讯，军事照明，军事影像，卫星，飞机，卫星，微型飞行器，混合动力车辆，插入混合动力车辆，完全电动车辆，电动滑板车，水下推进器，轮船，太空船，电动园艺牵引车和电动骑行园艺设备，无人航空无人机，无人飞机，遥控车辆，机器人玩具，机器人真空吸尘器，机器人园艺工具，机器人建筑设施，机器人警报系统，机器人老化护理单元，机器人儿童护理单元，电钻，电动割草机，电动真空吸尘器，电动金属加工研磨机，电热风器，电动压力扩张工具，电锯和刀具，电动砂光机和磨光器，电动剪刀和切片机，电木铣，电动牙刷，电动干发器，电动烘手机，全球定位系统(GPS)设备，激光测距仪，手电筒，电力街道照明，备用电源，不间断电源，和其他便携式和固定电子设备。
固态储能装置
[0001] 相关申请的交叉引用
[0002] 本申请要求2015年2月2日提交的美国申请号：14/576055的权益，其全部内容通过引用并入于此。
背景技术
[0003] 本公开涉及一种电化学电池的制造。更特别地，本公开提供了技术，包括用于固态电池装置的方法和设备。仅通过举例的方式，本发明已被提供使用锂基电池，但应认为由材料(比如锌，银和铅，镍)制造的其他电池可以以相同或相似的形式操作。此外，这样的电池可被用于各种应用(比如便携式电子设备(移动电话，电子记事簿，电台播放器，音乐播放器，摄像机以及诸如此类))，平板电脑和便携式计算机，用于军事用途(通讯，照明，成像，卫星以及诸如此类)的电源，用于航天应用(飞机，卫星和微型飞行器)的电源，用于车辆应用(混合动力车辆，插入式混合动力车辆，完全电动车辆，电动滑板车，水下推进器，轮船，舰，电动园艺牵引车和电动骑行园艺设备)的电源，用于遥控装置设备(无人操纵的航空无人机，无人操纵的飞机以及遥控车辆)的电源，用于机器人应用(机器人玩具，机器人真空吸尘器，机器人园艺工具，机器人建筑设施)的电源，用于电动工具(电钻，电动割草机，电动真空吸尘器，电动金属加工研磨机，电热风器，电动压力扩张工具，电锯和刀具，电动砂光机和磨光器，电动剪刀和切片机，以及雕刻机)的电源，用于个人卫生设备(电动牙刷，烘手机和电动干发器)，加热器，冷却器，冷却装置，风扇，加湿器的电源，用于其他应用(全球定位系统(GPS)设备，激光测距仪，手电筒，电力街道照明，备用电源，不间断电源，和其他便携式和固定的电子设备)的电源。用于这样的电池的操作的方法和系统同样可适用于电池不是系统中唯一的电源的情况,且其他的电源通过燃料电池，其他电池，内燃机或其他燃烧设备，电容器，太阳能电池，它们的组合和其他方式提供。
[0004] 普通的电化学电池常常使用液体电解质。这样的电池通常被用在许多传统应用中。制造电化学电池的替代技术包括固态电池。这样的固态电池大体在试验状态，难以被制造且不能顺利地大规模生产。虽然有希望，由于电池结构和生产技术的限制，固态电池不能被实现。这些和其他限制将贯穿本说明书被描述且在下文中更详细地描述。
[0005] 综上所述，可以看出改善固态电池的制造的技术被高度地期待。
发明内容
[0006] 根据本公开，有关电化电池的制造的技术被提供。尤其，本公开提供了技术，包括用于固态电池装置的方法和设备。仅通过举例的方式，本发明已被提供为使用锂基电池，但将认识到由材料(比如锌，银和铅，镍)制造的其他电池将以相同或相似的形式被操作。此外，这样的电池可被用于各种应用(比如便携式电子设备(移动电话，个人数字助理，电台播放器，音乐播放器，摄像机以及诸如此类))，平板电脑和便携式计算机，用于军事用途(通讯，照明，影像，卫星以及诸如此类)的电源供应，用于航天应用(飞机，卫星和微型飞行器)的电源供应，用于车辆应用(混合动力车辆，插入混合动力车辆，完全电动车辆，电动滑板车，水下推进器，轮船，太空船，电动园艺牵引车和电动骑行园艺设备)的电源供应，用于遥控装置设备(无人航空无人机，无人飞机以及遥控车辆)的电源供应，用于机器人应用(机器人玩具，机器人真空吸尘器，机器人园艺工具，机器人建筑设施)的电源供应，用于电动工具(电钻，电动割草机，电动真空吸尘器，电动金属加工研磨机，电热风器，电动压力扩张工具，电锯和刀具，电动砂光机，和磨光器，电动剪刀和切片机以及雕刻机)的电源供应，用于个人卫生设备(电动牙刷，烘手机和电动干发器)加热器，冷却器，冷却装置，风扇，加湿器的电源供应，用于其他应用(全球定位系统(GPS)设备，激光测距仪，手电筒，电动街道照明，备用电源，不间断电源，和其他便携式和固定的电子设备)的电源供应。用于这样的电池的操作的方法和系统同样可适用于电池不是系统中唯一的电源的情况,且其他的电源通过燃料电池，其他电池，内燃机或其他燃烧设备，电容器，太阳能电池，它们的组合和其他方式提供。
[0007] 在一个实施例中，阴极材料可被沉积以便产生显著地不连续，采取多分散广义锥体的任何组合的形式，其中锥形面相对于基底的倾斜度的变化，为薄片，锥体，倒锥形垂体或直圆柱体，表面不连续，不同地表现为裂纹，连续的或不连续的多面元素，孔，裂缝，或其他缺陷，添加物，沉积层，上述提及的几何体中的任一个，与三维不规则沉积多面结构等的组合。当然，其可有其他变化，修改和替代。
[0008] 在传统技术之上的改进可被实现。依靠特定实施例，这些改进的一个或多个可被实现。在优选实施例中，本公开提供了合适的固态电池结构，包含障碍物区域。优选地，阴极材料被配置为提供被改进的功率密度用于电化电池。该阴极材料可使用传统加工工艺技术被制造。当然，其可有其他变化，修改和替代。
附图说明
[0010] 下列图示仅用于示例，其不应该不适当地限制本文权利要求的范围。本领域普通技术人员将认识到许多其他的变化，修改和替代。还应理解本文中描述的示例和实施例仅仅是为了更好地说明目的，且那些基于此的各种修改或变化将被显示给本领域技术人员，且其被包含在该工艺的精神和范围内和所附权利要求的范围内。
[0012] 图2是用于表示依照本公开的示例的并联连接的电池或多个电池堆叠的等效电路模型设置的简化图示。
[0013] 图3是用于表示依照本公开的示例的串联连接的多个电池的等效电路模型设置的简化图示。
[0014] 图4是用于表示依照本公开的示例的配置为并联和串联连接混合的多个电池的等效电路模型设置的简化图示。
[0015] 图5A和5B是依照本公开的示例的功能梯度材料的示意性图示。
[0019] 图8A和8B是依照本公开的示例的阳极腐蚀的图示。
[0021] 图10A和10B示出了依照本发明的示例的锂阳极镀层的微观照片。
[0022] 图11A和11B示出了依照本发明的示例的应力和剥离。
[0024] 图13是示出了依照本公开的示例在不同的较低和较高截止电压下为较高功率应用而设计的电池的操作时间(分钟)的轮廓图的简化图示。
[0025] 图14是示出了依照本公开的示例在不同的较低和较高截止电压下为较高功率应用而设计的电池的操作时间(分钟)的轮廓图的简化图示,其中具有通过调整工艺条件而改善的材料特性。
[0026] 图15是示出了依照本公开的示例在不同的较低和较高截止电压下为耐用型设备应用而设计的电池的放电体积能量密度(WH/l)的轮廓图的简化图示。
[0027] 图16是示出了依照本公开的示例在不同的较低和较高截止电压下为耐用型设备应用而设计的电池的放电体积能量密度(WH/l)的轮廓图的简化图示,其中具有通过调整工艺条件而改善的材料特性。
[0028] 图17A是依照本公开的示例的图示试验过程。
[0029] 图17B是依照本公开的示例循环1充电容量对循环1放电容量的容量VS容量比的图示。
[0030] 图17C是依照本公开的示例循环1充电容量对循环1放电容量的容量VS容量比的图示。
[0031] 图18是依照本公开的示例的1C能量密度比VS C/10能量密度比的图示。
[0032] 图19是依照本公开的示例的自多物理量模拟和等效电路模型的试验放电曲线和模拟曲线的图示。
[0033] 图20是依照本公开的示例通过缠绕形成的多堆叠固态电池的示意性图示。
[0034] 图21是依照本公开的示例缠绕之后切割的构造多堆叠固态电池的过程的示意性图示。
[0035] 图22是依照本公开的示例通过z折叠形成的多堆叠固态电池的示意性图示。
[0036] 图23是依照本公开的示例通过在z折叠之后切割构造多堆叠固态电池的过程的示意性图示。
[0037] 图24是依照本公开的示例通过切割和堆叠构造多堆叠固态电池的过程的示意性图示。
[0038] 图25是依照本公开的示例的通过连续沉积过程形成堆叠的固态电池的示意性图示。
[0039] 图26是依照本公开的示例的固态电池供电的真空吸尘器的方框图。
[0040] 图27是依照本公开的示例的固态电池供电的机器人器具的方框图。
[0041] 图28是依照本公开的示例的固态电池供电的电动滑板车的方框图。
[0042] 图29是依照本公开的示例的固态电池供电的航空无人机的方框图。
[0043] 图30是依照本公开的示例的固态电池供电的园艺工具的方框图。
[0044] 图31是依照本公开的示例的固态电池供电的骑行园艺牵引车的方框图。
[0045] 图32是依照本公开的示例的固态电池供电的干发器的方框图。
[0046] 图33是依照本公开的示例的固态电池供电的智能手机的方框图。
[0047] 图34是依照本公开的示例的固态电池供电的便携式/平板电脑的方框图。
[0049] 图36是依照本发明的实施例的无定形阴极材料的图示的简化横截面视图。
具体实施方式
[0050] 在实验室设施中固态电池已证明比较与使用液体电解质的传统电池具有数个优势。安全性是最重要的一个优势。固态电池比液体电解质电池本质上更稳定，因为它不含有引起不期望反应导致热失控且在最坏情况下爆炸的液体。固态电池可比传统电池存储多30％以上的能量(相同体积下)或多50％以上的能力(相同质量下)。良好的循环性能(多于
10000循环)和良好的高温稳定性能也被报道。
10000循环)和良好的高温稳定性能也被报道。
[0051] 在电池的背景下，在一些应用中期望能够限制某一放电深度(DOD)范围和充电深度(DOC)范围，这些是当前电池情况的描述，但可能没有被直接测量。在电池系统的背景下，特别是那些需要操作长时段和循环的系统，在不损害电池寿命的情况下尽可能激进，例如在混合电动车辆电池，便携式计算机电池，便携式工具电池等中，期望关于荷电状态的信息是精确且迅速的，因为用户可进一步控制电池的功率/能量输出，确定它是否需要充电电池，和确定电池的健康。
[0052] 作为一个示例，用于蓄电池的参数估计的使用已被描述在(Zhang et al.U.S.Pat.No.8,190,384 B2)，且被转让给Sakti3,Inc.of Ann Arbor,Mich.，其在此通过引用而全部被合并入本文。这个荷电状态范围控制方法在不牺牲电池/蓄电池的能量密度的情况下提高固态电池的循环能力。尽管高度成功，该方式仍然可被改进。本公开的其它细节可被发现贯穿本说明书且在下文中更详细地描述。
[0053] I.蓄电池可使用等效电路模型(“ECM”(举例来说EC-n，EC-n，m))以任意精度表示。
[0054] 图1示出了等效电路蓄电池模型设置，具有任意数量的典型并联电阻和电容。该等效电路模型至少包括理想的直流电源，内电阻和任意数量的典型并联电阻和电容，其中该任意数量包括任何正整数和零和/或在一系列配置中这样的设备的组合。作为示例，EC-0(图1中的14)意味着电路模型包括直流电源E，内电阻Ro和零个典型并联电阻和电容。作为另一示例，EC-2(图1中的15)意味着电路模型包括直流电源E，内电阻Ro和两个典型并联电阻和电容中(包括C1和R1的对以及C2和R2的对)。替代地，EC-n(图1中的16)意味着电路模型包括直流电源E，内电阻Ro和n个典型并联电阻和电容(包括C1和R1的对，C2和R2的对，等等直到Cn和Rn的对)。对于等效电路模型EC-n，输出电压：
[0055]
[0056] 其中E是蓄电池的开路电压，soc是蓄电池的荷电状态，iL是与蓄电池的应用相关联的施加的负载电流，ii穿过电阻Ri的电流，ii计算方式为：
[0057]
[0058] 作为通过电流平衡构造的差分方程的解答：
[0059]
[0060] 其中τi＝RiCi以及t为时间。
[0061] 对于由并联连接的多电池堆叠制成的固态蓄电池，每个电池堆叠可通过ECM模型来表示，其在图2中示出为EC-n，1。对于由m个电池堆叠制成的固态蓄电池，它可由m EC-n单位表示，编号从EC-n，1，EC-n，2，至EC-n，m，如图2中所示。
[0062] 对于由并联连接的多个电池制成的固态蓄电池组，每个电池可通过ECM模型表示，其在图2中示出为EC-n，m。对于由m个电池制成的固态蓄电池组，它可由m EC-n单位表示，编号从EC-n，1，EC-n，2，至EC-n，m，如图2中所示。
[0063] 对于由串联连接的多个电池制成的固态蓄电池组，每个电池可通过ECM模型表示，其在图3中示出为EC-n，m。对于由m个电池组成的固态蓄电池组，它可由m EC-n单位表示，编号从EC-n，1，EC-n，2，至EC-n，m，如图3中所示。
[0064] 对于由串联和并联连接混合配置的多个电池组成的固态蓄电池组，每个电池可通过ECM模型表示，其在图4中示出为EC-n，m。在图4中所示的这个特定实施例中，EC-n，2和EC-n，3首先被并联连接，且这组两个电池然后与EC-n，1串联连接。在另一实施例中，多个电池的组被串联连接，且每组具有并联连接的多个电池，其中每个电池通过EC-n模型表示。
[0065] II.从物理角度，控制SOC的出乎预期的益处
[0066] II.1，电容保持和功能梯度材料
[0067] 在一个实施例中，本公开描述了利用功能梯度材料控制固态蓄电池阴极的荷电状态的出乎预期的益处。功能梯度材料(FGM)可具有成分和结构随着体积的逐渐变化，导致材料特性相应的变化。作为图5A和5B中的示例，阴极被制造以致质量密度通过在沉积期间控制处理压力而随着沉积发展(图5A)减少。在这样的蓄电池中，阴极接近电解质的顶部上的较不致密材料具有较高锂离子扩散率，由此产品更好地用于大功率应用。在接近集电器的区域处的较低扩散率防止锂扩散穿过阴极下到集电器。这个功能梯度阴极材料(图5B)包含接近于电解质的较高扩散率区域和在邻近于集电器的底部处的较低扩散率区域，其提供了-独特的组合用于大功率性能和容量保持。在一实施例中，该较低扩散率区域具有从1×10
19m2/s至1×10-5m2/s范围的扩散率，且该较高扩散率区域具有从1×10-17m2/s至1×10-5m2/s范围的扩散率。在一个实施例中，功能梯度性能还可包括导电率σ(x,y,z)，介电常数ε(x,y,z)，质量密度ρ(x,y,z)，模量E(x,y,z)，导热系数κ(x,y,z)，热膨胀系数α(x,y,z)，热容量Cp(x,y,z)，浓度膨胀αc(x,y,z)，反应速度常数κ0(x,y,z)和电势E(x,y,z)。在一个示例中，FGM阴极扩散率仅沿一个维度(z-方向)变化，且在x-和y-方向不变。在另一示例中，阴极扩散率在x-z，y-z和x-y平面中变化。本公开提供了一种通过限定和控制电压范围和放电深度而利用阴极和固态电池的这些优势的方法。
19m2/s至1×10-5m2/s范围的扩散率，且该较高扩散率区域具有从1×10-17m2/s至1×10-5m2/s范围的扩散率。在一个实施例中，功能梯度性能还可包括导电率σ(x,y,z)，介电常数ε(x,y,z)，质量密度ρ(x,y,z)，模量E(x,y,z)，导热系数κ(x,y,z)，热膨胀系数α(x,y,z)，热容量Cp(x,y,z)，浓度膨胀αc(x,y,z)，反应速度常数κ0(x,y,z)和电势E(x,y,z)。在一个示例中，FGM阴极扩散率仅沿一个维度(z-方向)变化，且在x-和y-方向不变。在另一示例中，阴极扩散率在x-z，y-z和x-y平面中变化。本公开提供了一种通过限定和控制电压范围和放电深度而利用阴极和固态电池的这些优势的方法。
[0068] 锂逸入基底(特定实施例，玻璃)
[0069] 在一个实施例中，本公开提供了一种防止锂离子损失进入固态电池中的非活性层的方法。在固态电池中，锂离子可扩散穿过阴极，集电器且达到基底，因为集电器的厚度为微米量级或更小，不像基于微粒的电池(其中阴极被涂覆且被压在约100μm或更厚的厚金属箔处上)。当锂离子达到基底时，该离子可扩散入大量的玻璃基底块中，或与聚合物材料反应，形成不可逆的反应。图6A是依照本公开的示例的提供的蓄电池的示意性图示。在研究室研究出的固态电池中，昂贵材料(比如金或铂)被使用为基底和集电器之间的阻挡层，但这些材料的使用在电池中是不实际的，因为材料的过高的价格。图6C示出了固态电池中的两个集电器之间的区域，具有从基底的后部照明的光源，揭示了锂层内形成的许多针孔。图6B是相同区域的横截面SEM图像，标识出由锂损耗进入玻璃基底形成的针孔。本公开限制锂可在阴极内达到的区域到远离集电器的电解质附近，本质上防止锂在基底中的损耗。在接近集电器的区域处的较低扩散率防止锂扩散穿过阴极到集电器。这个功能梯度阴极材料包含接近于电解质的较高扩散率区域和在邻近于集电器的底部处的较低扩散率区域，其提供了独特的组合用于高功率性能和容量保持。也就是说，锂在阴极的特定空间区域内移动，且被限制在这个特定空间内，同时远离可导致到基底或其他区域块中的扩散的区域。作为一个示例，锂离子的95％将被限制在从电解质阴极截面朝向阴极集电器的阴极厚度的95％内。当然，其可有其他变化，修改和替代。
[0070] 集电器中的针孔
[0071] 在特定实施例中，本公开提供了一种防止锂扩散穿过集电器中的针孔的方法，其否则会导致固态电池中的初始能量损耗和容量衰减。该方法提供了受调节的循环范围，特别地限制充电状态(其确定每个化学当量阴极的锂元素的数量)。该电池可在下限和上限之间的荷电状态下操作。作为示例，荷电状态下限在从0.5％至75％范围，且荷电状态上限从在25％至99.5％范围。一旦放电，锂元素移动进入阴极且开始与集电器接触。在某一厚度(例如对于铝薄膜为25微米)之下由高速率蒸发制造的集电器可包含一些针孔，如图7A-7D所示，且达到集电器和它的针孔的锂离子可扩散入基底且由于不可逆的反应而损耗。
[0072] 本公开限制锂可在阴极内达到的区域，到远离集电器的电解质附近，本质上防止锂在基底中的损耗。在接近集电器的区域处的较低扩散率防止锂扩散穿过阴极到集电器。这个功能梯度阴极材料包含接近于电解质的较高扩散率区域和在邻近于集电器的底部处的较低扩散率区域，其提供了独特的组合用于高功率性能和容量保持。也就是说，锂在阴极的特定空间区域内移动，且被限制在这个特定空间内，同时远离可导致进入基底块或其他区域的扩散的区域。作为一个示例，锂离子的95％将被限制在从电解质阴极界面朝向阴极集电器的阴极厚度的95％内。
[0073] 阳极腐蚀
[0074] 在特定实施例中，本公开提供了一种用于防止固态电池在阳极层内锂腐蚀的方法。该方法包括调节放电的深度，特别地调节循环电压的下限，且防止固态电池的完全地放电。一旦放电，锂阳极层的一部分穿过电解质与阴极交换，留下锂层的一些部分在原始区域中以保持用于下一个循环的传导和扩散路径。如果固态电池完全地或甚至过度地放电，其驱动阳极内的锂的大部分进入阴极，阳极内的剩余锂可变得非常薄且易受锂的腐蚀化学物(比如氧气，氮气和水)的影响。氧化锂，氮化物和氢氧化锂的形成是不可逆的且这些反应中消耗的锂不可恢复用于其它循环(图8A和8B)。由此，本发明提供了一种通过防止设备内的活性锂的损耗而保持固态电池的初始或规定容量的方法。
[0075] 用于保留反应的锂的机理是通过对过度放电的限制保护锂不被腐蚀。我们确定过度放电导致锂扩散入阴极集电器且进入用于其他惰性层的基底。我们还发现过度充电导致锂扩散入阻挡层或其他层(设计为将锂带进入阳极的空间区域)。作为示例，这样的层已被描述在(Kim et al.U.S.Pat.App.No.20120040233)中，且被转让给Sakti3,Inc.of Ann Arbor,Mich.，其由此通过引用在此全部并入本文。
[0076] 锂阳极镀层
[0077] 在特定实施例中，本公开提供了对固态电池设备的优先锂镀层(preferential lithium plating)以及导致的能量损失的防止技术。优先锂镀层涉及当充电时跨电解质和阳极的界面的非均匀锂扩散或局部镀层。这个现象导致在随后的放电循环时容量下降，因为在阳极层内一些区域内的可接近的锂的损失，如图9A-9C和10A和10B所示。图9A-9C描述了在再充电期间非均匀锂阳极镀层图示。这个导致非均匀电流分布和过大局部电流分布。图10A和10B示出了依照本发明的示例的锂阳极镀层的微观照片。
[0078] 锂镀层的另一个问题是增加阻抗，因为跨过阳极(其提供用于锂离子和电子的扩散和传导路径)的不连续。这样的不连续产生锂在阳极空间区域内的不均匀的分布，其可导致相对于均匀扩散材料之的减少的整体电荷密度。在一些情况下，这个不均匀可能足以引起阳极区域不浸透，也就是充分的分散和不连接以致在x-y平面没有横跨整个区域的传导路径。
[0079] 压力和剥离层
[0080] 在特定实施例中，本公开提供了抑制各个膜和多层内的应力的方法。固态电池的上述循环通过在阴极和阳极层之间输送锂物质引起显著的夹层诱发应力。这可导致膜破裂或剥离，特别与锂腐蚀和/或不良的进入集电器和基底的锂扩散相结合时。由于高膜应力，电池的层的断裂或破裂导致不连续，短路和漏电，其导致较低能量密度和较短循环寿命。应力诱发膜破裂和夹层断裂的示例被示出在图11A和11B中。
[0081] 本公开提供了一种调节荷电状态以减少循环期间的夹层诱发应变和应力的方法，且由此防止固态电池层之间的电池的破裂和剥离。荷电状态调节控制应力状态，因为荷电状态决定蓄电池中的夹层应力状态。在一个实施例中，过度放电将导致没有材料保持在阳极空间区域内，导致电解质和阳极空间区域之间的零应力边界。这进而导致电解质的破裂或其他损坏，因为阳极层的存在在电池的操作期间提供了电解质上的结合力。在另一示例中，电池的过度放电能够导致阴极空间区域中一个或多个富锂层的形成，其导致阴极空间区域的范围上的应力的改变。在另一示例中，过度放电导致阴极集电器中的阳极材料的浓度能够改变阴极的表面上的集电器的应力，导致不可逆的破裂或其他损坏(包括剥离)。这些现象的任一个(例如，损坏电极或电解质，或任何层之间的电气接触的损失)将导致电池能量密度的减少。
[0082] 循环固态蓄电池同时控制荷电状态(SOC)具有出乎预期的益处。这些益处通过基础物理机制进一步解释，如下文解释的。
[0083] III.通过控制SOC实现的设计能量密度，轮廓图
[0084] 由于固态电池具有比传统电池高许多的能量密度，这些电池能够输送非常高的能量密度，即使在有限的SOC(不是完全SOC范围)下循环也是如此。图12示出了当在C/10处在不同的较高和较低截止电压处放电时示例电池设计的放电体积能量密度(WH/l)。已表明存在非常宽范围的选择，其可递送能量密度大于700WH/l(或800WH/l或900WH/l或1000WH/l)。
[0085] IV通过控制SOC实现的用于大功率应用的设计操作时间，用于大功率。
[0086] 由于固态电池具有比传统电池高许多的能量密度，这些电池能够递送非常高的能量密度，即使在有限的SOC(不是完全SOC范围)下循环也是如此。对于使用这样的电池的特定大功率应用，该应用设备可使用这样的电池操作较长时间。图13示出了当在25W的大功率处在不同的较高和较低截止电压处放电时示例电池设计的操作时间(分钟)。
[0087] 电池材料性能还可通过调整工艺参数(比如背景气体类型，背景气体局部压力，和基底温度)而被调整。作为示例，增加气体压力将导致质量密度减少且增加扩散率。作为另一示例，通过改变气体类型，我们可改变膜构成中的不同物质的浓度。图14示出了当在25W的大功率处在不同的较高和较低截止电压处放电时具有改善的材料性能的示例电池设计的操作时间(分钟)。在这个电池设计中，电池被沉积在薄的柔性基底上。
[0088] V.用于电池目标耐用设备应用的设计能量密度
[0089] 由于固态电池具有比传统电池高许多的能量密度，这些电池能够递送非常高的能量密度，甚至在有限的SOC(不是完全SOC范围)循环也是如此。对于使用这样的电池的特定耐用设备应用，图15示出了当在67mA处在较高和较低截止电压处放电时示例电池设计的可递送能量密度。
[0090] 电池材料性能还可通过调整工艺参数而调整。图16示出了当在67mA处在不同的较高和较低截止电压处放电时具有改善的材料性能的示例电池设计的可递送能量密度。在这个电池设计中，电池被沉积在薄的柔性基底上。
[0091] 1、容量损失
[0092] 图17A描述了通用测试方案。在C/10处循环0充电被用于确保每个电池具有初始3.7V。且它跟随有在C/10下的循环1放电和循环1充电。该测试继续增加循环数量。图17B示出了标准化容量VS容量比。该容量值通过使用利用真实电池规格(包含电池尺寸和材料性能)的多物理量量模拟来模拟容量而被标准化。图17B示出了循环1的标准化容量VS循环1充电容量对循环1放电容量的容量比。图17C示出了标准化容量VS循环2放电容量对循环1充电容量的容量比。数据组在图17B中更加分散同时更多数据集合在图17C中的比率1处。该结果示出容量衰减大部分发生在循环1的放电步骤中。
[0093] 2、功能梯度材料
[0094] 图18示出了1C能量密度比VS C/10能量密度比。该比率通过使用利用真实电池规格(包含电池尺寸和材料性能)的多物理量模拟得到的模拟能量密度结果标准化的实验结果来计算。这个图示出了在1C处的电池性能的大部分胜过模拟结果，而在C/10处的电池性能的大部分坏于模拟结果。该图意味着不均匀的材料(比如功能梯度材料)可被制造，以致具有均匀材料性能的多物理量模拟设想不能在相同时间以两个不同放电速率匹配结果。
[0095] 3、放电曲线对比
[0096] 图19示出了试验放电曲线，多物理量模拟放电和等效电路模型匹配结果。多物理量模拟基于3D有限元模拟。EC-1模型类型(如图1中17所示)被用于等效电路模型。利用真实电池规格(包括电池尺寸和材料性能)的多物理量模拟充分地匹配试验放电曲线。具有拟合参数R1＝200ΩR0＝100Ω且C1＝0.0005F的等效电路模型也表明匹配的放电曲线接近于试验结果。
[0097] 例子1：通过缠绕建立多堆叠固态电池：作为示例，本发明提供了一种使用柔性材料的方法，该柔性材料具有0.1和100μm之间范围的厚度作为用于固态电池的基底。该柔性材料可从聚合物膜(比如PET,PEN)或金属箔(比如铜，铝)中选出。包括柔性基底上的固态电池的沉积层于是可绕成圆柱形形状或缠绕然后压为棱柱形状。图20示出了缠绕电池2000，如本发明的示例所示。该缠绕电池2000可还可通过切割圆角(2100)处理以最大化能量密度，如图21中所示。
[0098] 例子2：通过z折叠建立多堆叠固态电池：作为示例，本发明提供了一种使用柔性基底的方法，该柔性基底可为固态电池的一部分。如图22所示，柔性基底2200上的固态电池的沉积层可通过z折叠被堆叠。该z折叠电池2200可还可通过切割电池(2300)的两个侧部且终止它们来处理以最大化能量密度，如图23中所示。通过变更工艺步骤，多堆叠电池的另一配置可通过切断单层2401且然后堆叠它们(2402)而被制造，如图24所示。
[0099] 例子3：通过反复沉积过程建立多堆叠固态电池：作为示例，本发明提供了一种通过移动基底通过一些沉积过程而建立多堆叠固态电池的方法。通过重复一系列过程N次，该固态电池设备2500具有N个堆叠，如图25中的示意图中所示。
[0100] 例子4:真空吸尘器，图26示意性地示出了电动真空吸尘器100的控制器件，和这样的设备的电源器件。控制期间是微控制器101的形式，包括合适的控制电路和处理功能，其通过应用输送控制器102以处理接收自它的各种传感器(抽吸传感器103,脏物传感器104和袋满传感器106)接收的信息，且传递信息回到微控制器101，以适当的方式驱动真空泵107。这样的设备的电源由固态电池/电池组109供电。本发明的特定实施例被实施为电池管理系统110，其控制且监控固态电池/电池组的荷电状态，以在操作期间实现所需功率，且延长固态电池/电池组循环寿命。外部电源可通过电源单元112，通过AC/DC变换器111连接以再充电固态电池/电池组。
[0101] 例子5:机器人器具，图27示意性地示出了电动机器人器具200的控制器件，和这样的设备的电源器件。在这个示例中，三轴控制操作臂被作为示例，显示相似器具如何使用机器人技术以在周围操纵完成特定任务。电功率辅助设备的其他器件具有机器人技术以便整个器具相应地移动从而完成要求的任务。该机器人器具的控制器件为微控制器201的形式，其包括合适的控制电路和处理功能，其通过指令输入单元203或从它的各种传感器(比如障碍物传感器204，臂部位置传感器209和程序接收传感器202)接收，且传递信息回到微控制器201以适当的方式驱动电机207以为导向轮206，传动轮205提供动力，且定位三轴控制操作臂208到它的期望的配置。这样的设备的电源由固态电池/电池组212供电。本发明的特定实施例被实施为电池管理系统210，其控制且监控固态电池/电池组的荷电状态，以在操作期间实现所需功率，且延长固态电池/电池组循环寿命。外部电源可通过电源单元214，通过AC/DC变换器213连接以再充电固态电池/电池组。
[0102] 例子6:电动滑板车，图28示意性地示出了电动滑板车300的控制器件，和这样的车辆的电源器件。控制器件为微控制器301的形式，其包括合适的控制电路和处理功能，其通过微控制器301处理从节流阀304，后灯组件312，前灯组件313和制动系统302接收的信号。在电动滑板车中，主反馈控制由骑手自己提供，由此控制方法不那么复杂的。用于电动滑板车的电源由固态电池/电池组308供电。本发明的特定实施例被实施为电池管理系统307，其控制且监控固态电池/电池组的荷电状态，以在操作期间实现所需功率，且延长固态电池/电池组循环寿命。外部电源可通过电源单元310，通过AC/DC变换器309连接以再充电固态电池/电池组。
[0103] 例子7:航空无人机，图29示意性地示出了电动航空无人机400的控制器件，和这样的交通装置的电源器件。由于这个类型无线控制特征，这些类型的设备包括两个部分：地面站和航空无人机本身。用于航空无人机的控制器件为微控制器401的形式，其包括合适的控制电路，数据采集模块402(以识别航空无人机的位置且使用惯性测量单元403控制航空无人机的飞行状态)，全球位置系统接收器404和三轴磁力计405，然后将那些数据供给到微控制器401以控制伺服电机410以为推进器组件413提供动力。该地面站可通过遥控发射器419控制航空无人机，且该航空无人机可通过无线电控制单元408与地面站遥控接收器420提交测量照片或数据回到地面站。地面站计算机单元418控制遥控发射器和接收器。用于航空无人机的电源由固态电池/电池组415供电。本发明的特定实施例被实施为电池管理系统414，其控制且监控固态电池/电池组的荷电状态，以在操作期间实现所需功率，且延长固态电池/电池组循环寿命。外部电源可通过电源单元417，通过AC/DC变换器416连接以再充电固态电池/电池组。
[0104] 例子8:园艺工具，图30示意性地示出了电动园艺工具500的控制器件，和这样的设备的电源器件。这是作为使用固态供电便携式电动工具的示例，但它不仅仅限制于这样的器具。控制器件是微控制器501的形式，其包括合适的控制电路和通过位置传感器503和节流阀开关502的处理功能。该微控制器可控制MOSFET芯片，且驱动无刷直流电机，和有刷电机以为应用单元提供动力(比如，如本实施例中的车载吊车臂或链条锯504)。用于电动滑板车的电源由固态电池/电池组513供电。本发明的特定实施例被实施为微控制器501，其控制且监控固态电池/电池组的荷电状态，以在操作期间实现所需功率，且延长固态电池/电池组循环寿命。AC/DC变换器512用于为电机供电。该固态电池可从设备拔下以独立地充电。
[0105] 例子9:园艺牵引车，图31示意性地示出了电动骑行园艺牵引车600的控制器件，和这样的工具的电源器件。控制命令由骑手提供。用于电动骑行园艺牵引车的电源由固态电池/电池组613供电。本发明的特定实施例被实施为电池管理系统612，其控制且监控固态电池/电池组的荷电状态，以在操作期间实现所需功率，且延长固态电池/电池组循环寿命。外部电源可被连接通过电源单元615，通过AC/DC变换器614以再充电固态电池/电池组。该固态电池将为启动和停止开关609，制动开关610，方向控制器606，速度控制器607，直流电机605和制动器608供电，以便它们将控制传动轮602和导向轮603。
[0106] 例子10:干发器，图32示意性地示出了电动干发器700的控制器件，和这样的电气器具的电源器件。这是作为使用固态电源的个人护理器具的示例，但它不仅仅限制于这样的器具。控制器件是启动或关闭的形式。一旦这个电气器具被启动，该固态电池702可供电电阻器712作为加热器，供电直流电机706以启动风扇叶片707以将自电阻器712的热量吹到头发。本发明的特定实施例被实施为电池管理系统701，其控制且监控固态电池/电池组702的荷电状态，以在操作期间实现所需功率，且延长固态电池/电池组循环寿命。外部电源可通过电源单元704，通过AC/DC变换器703连接以再充电固态电池/电池组。
[0107] 例子11:智能手机，图33示意性地示出了智能手机800的控制器件，和这样的电子器具的电源器件。这是作为使用固态电源的个人通讯设备的示例，但它不仅仅限制于这样的智能手机。控制器件是微控制器801的形式，其包括合适的控制电路和处理功能，其通过其他控制单元(比如记忆卡806，蓝牙控制器807，移动DRAM 808，CMOS图像传感器809，触屏控制器810，安全解决方案811，基带处理器812，多摄像头产品815，Wifi控制器816，多媒体控制器817和音频编解码器818)实现。用于智能手机的电源由固态电池/电池组803供电。本发明的特定实施例被实施为电池管理系统802，其控制且监控固态电池/电池组的荷电状态，以在操作期间实现所需功率，且延长固态电池/电池组循环寿命。外部电源可通过电源单元805，通过AC/DC变换器804连接以再充电固态电池/电池组。
[0108] 例子13:便携式/平板电脑，图34示意性地示出了便携式或平板电脑900的控制器件，和这样的电动器具的电源器件。这个是作为使用固态电源个人计算机设备的示例，但它不仅仅限制于便携式或平板电脑。控制器件是微控制器901的形式，其包括合适的控制电路和处理功能，其通过其他控制单元(比如记忆卡控制器906，蓝牙技术控制器907，移动DRAM908，CMOS图像传感器909，触屏控制器910，安全解决方案911，键盘控制器912，以太网控制915，Wifi控制器916，多媒体控制器917，音频编解码器918和USB控制器919)实现。用于智能手机的电源由固态电池/电池组903供电。本发明的特定实施例被实施为电池管理系统902，其控制且监控固态电池/电池组的荷电状态，以在操作期间实现所需功率，且延长固态电池/电池组循环寿命。外部电源可通过电源单元905，通过AC/DC变换器904连接以再充电固态电池/电池组。
[0109] 例子13:动力车辆，图35示意性地示出了动力车辆1000的控制器件，和这样的工具的电源器件。这是作为使用固态电源的运输设备的示例，但它不仅仅限制于电动车辆。控制器件为微控制器1001的形式，其包括合适的控制电路和处理功能，其通过微控制器1001处理从脚踏开关1004，后灯组件1012，前灯组件1013和制动系统1002接收的信号而实现。在电动车辆中，主反馈控制由驾驶员自己提供，由此控制方法不那么复杂的。用于电动滑板车的电源由固态电池/电池组1010供电。本发明的特定实施例被实施为电池管理系统1009，其控制且监控固态电池/电池组的荷电状态，以在操作期间实现所需功率，且延长固态电池/电池组循环寿命。外部电源可通过电源单元1012，通过AC/DC变换器1011连接以再充电固态电池/电池组。
[0110] 在一个特定实施例中，本发明的阴极材料包括无定形的或结晶的锂化或非锂化的过渡金属氧化物和锂化过渡金属磷酸盐，其中该金属在周期表中是在组3至12中，包括但不限于锂锰氧化物，锂镍氧化物，锂钴氧化物，锂镍-钴-锰氧化物，锂镍-钴-铝氧化物，锂铜-锰氧化物，锂铁-锰氧化物，锂镍-锰氧化物，锂钴-锰氧化物，锂镍-锰氧化物，锂铝-钴氧化物，磷酸铁锂，磷酸锰锂，磷酸镍锂，磷酸钴锂，氧化钒，氧化镁，氧化钠，硫磺，金属(Mg，La)掺杂锂金属氧化物，比如镁掺杂锂镍氧化物，镧掺杂锂锰氧化物，镧掺杂锂钴氧化物。本发明中的电解质材料包括不限于锂磷氧氮(lithiatedoxynitride phosphorus，LIPON)，聚酯(环氧乙烷)(PEO)，锂镧锆氧化物，锂镧钛氧化物，锂钠铌氧化物，锂铝硅氧化物，磷酸锂，硫化磷酸锂，磷酸锂铝锗，磷酸锂铝钛，LISICON(锂超离子导体，通常通过LixM1-yM′yO4(M＝Si,Ge,and M′＝P,Al,Zn,Ga,Sb)描述),硫化-LISICON(锂超离子导体，通常通过LixM1-yM′yS4(M＝Si,Ge,and M′＝P,Al,Zn,Ga,Sb)描述)，锂离子传导硫银锗矿(lithium ion conducting argyrodites(Li6PS5X(X＝Cl,Br,I))),具有从10-5至10-1S/m的离子传导率范围。本发明的阳极材料包括无定形的或结晶的锂化或非锂化过渡金属氧化物，包括但不限制于锂钛氧化物，锗氧化物，或石墨，锂，硅，锑，铋，铟，氮化锡，或锂合金，但不限制于锂镁合金，锂铝合金，锂锡合金，锂锡铝合金。本发明的基底材料包括聚合物材料，聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET),PEN，玻璃，氧化铝，硅，绝缘涂覆金属，阳极氧化金属或云母。本发明的第一阻挡层材料至少包括周期表的组4,10,11,13和14中的金属的氧化物，氮化物和磷酸盐，且其中阻挡层材料包括LixPOy其中x+y<＝7。本发明的第二阻挡层包括丙烯酸盐，丙烯酸酯和其他聚合物。
[0111] 图36是依照本发明的实施例的无定形阴极材料1102的示例的简化横截面视图。如所示，覆盖阴极材料1110的第二厚度的无定形的阴极材料1122的第一厚度具有粗略和不规则的轮廓。
[0112] 在一个实施例中，本发明提供了多层固态电池设备，包括：等效电路(编号从1到N)分别与编号从1到N的多个固态电池组关联，固态电池组的每个包括覆盖基底构件的第一集电器，覆盖第一集电器的阴极设备，覆盖阴极的电解质设备，覆盖电解质设备的阳极设备，且第二集电器覆盖阳极设备，多个固态电池组的每个可在下限至上限之间的荷电状态处操作，能量密度大于50瓦时每升，且更多的描述了多个固态电池组的特性，且每个阴极设备包括多个平行柱形物结构，多个平行柱形物结构的每个包括无定形的阴极材料。
[0113] 在特定实施例中，荷电状态下限在从0.5％至75％范围，其中荷电状态上限在从25％至99.5％范围。该阴极设备可由无定形的或晶体结构为特征。该阴极设备可具有范围从0.05至200微米的厚度，且该阳极设备具有范围从0.02至200微米的厚度。阴极设备的区域可包括从约0.05至约200微米的厚度范围。该区域可为大体无定形的特征。阳极设备可包括金属膜。多个蓄电池可缠绕或堆叠。
[0114] 在特定实施例中，该固态电池设备可包括基底，该基底由玻璃结构，传导结构，金属结构，陶瓷结构，塑料或聚合物结构，或半导体结构中的至少一个制成，或一个或多个活性层可包括基底层。该设备可包括终端(termination)，该终端被配置为使用自终止或后终止连接器配置的并联或串联布置。该设备可包括局部导电性(描述阴极设备的区域的特性)和体积导电性(描述阴极设备的特性)。
[0115] 在特定实施例中，阴极设备由从锂化的或非锂化的过渡金属氧化物和锂化的过渡金属磷酸盐选择出的材料制造，其中该金属在周期表中是在组3至12中，包括但不限制于锂锰氧化物，锂镍氧化物，锂钴氧化物，锂镍-钴-锰氧化物，锂镍-钴-铝氧化物，锂铜-锰氧化物，锂铁-锰氧化物，锂镍-锰氧化物，锂钴-锰氧化物，锂镍-锰氧化物，锂铝-钴氧化物，磷酸铁锂磷酸锰锂，磷酸镍锂，磷酸钴锂，氧化钒，氧化镁，氧化钠，硫磺，金属(Mg，La)掺杂锂金属氧化物，镁掺杂锂镍氧化物，镧掺杂锂锰氧化物，镧掺杂锂钴氧化物。
[0116] 在特定实施例中，本发明的阳极设备由从锂化或非锂化的过渡金属氧化物选择出的材料制造，包括但不限于锂钛氧化物，锗氧化物，或石墨，锂，硅，锑，铋，铟，氮化锡，或锂合金，但不限制于锂镁合金，锂铝合金，锂锡合金，锂锡铝合金。
[0117] 在特定实施例中，电解质设备从锂磷氧氮(lithiatedoxynitride phosphorus，LIPON)，聚环氧乙烷(PEO)，锂镧锆氧化物，锂镧钛氧化物，锂钠铌氧化物，锂铝硅氧化物，磷酸锂，硫化磷酸锂，磷酸锂铝锗，磷酸锂铝钛，LISICON(锂超离子导体，通常通过LixM1-yM′yO4(M＝Si,Ge,and M′＝P,Al,Zn,Ga,Sb)描述),硫化-LISICON(锂超离子导体，通常通过LixM1-yM′yS4(M＝Si,Ge,and M′＝P,Al,Zn,Ga,Sb)描述)，锂离子传导硫银锗矿(lithium ion conducting argyrodites(Li6PS5X(X＝Cl,Br,I))),具有从10-5至10-1S/m的离子传导率范围。
[0118] 在特定实施例中，多个固态蓄电池的每对包括绑定材料在其间。该阴极设备可以由包括多个柱形物结构的材料为特征，该柱形物的每个沿厚度的方向延伸，且大体垂直于材料的厚度和表面区域的平面。该阴极设备可包括多个柱形物结构，该柱形物结构的每个具有基底区域和上部区域，该柱形物结构的每个包括多个较小的颗粒状结构，该较小的颗粒状结构的每个被配置在柱形物结构的每个内。该阴极设备可包括多个柱形物结构，该柱形物结构的每个具有基底区域和上部区域，该柱形物结构的每个包括多个颗粒状结构，该颗粒状结构的每个被配置在柱形物结构的每个内，柱形物结构的每对具有多个不规则形状的多面体结构，其被提供在该对柱形物结构之间。
[0119] 在一个实施例中，本发明提供了固态电池装置，其包括：多个蓄电池设备，等效电路(EC)，荷电状态和电阻器，电容器或其他电参数，蓄电池设备的每个具有阳极设备，电解质设备和阴极设备，该等效电路被编号从1到N，描述多个蓄电池设备的特性，荷电状态描述多个蓄电池设备的特性，电阻器，电容器或其他电参数被提供在等效电路中。
[0120] 在特定实施例中，该器具可包括联接到多个蓄电池的器具，因此该应用为选自以下组的至少一个或多个：智能手机，移动电话，电子记事薄，电台播放器，音乐播放器，摄像机，平板和便携式计算机，军事通讯，军事照明，军事影像，卫星，飞机，卫星，微型飞行器，混合动力车辆，插入混合动力车辆，完全电动车辆电动滑板车，水下推进器，轮船，太空船，电动园艺牵引车和电动背靠园艺设备，无人航空无人机，无人飞机，遥控车辆，机器人玩具，机器人真空吸尘器，机器人园艺工具，机器人建筑设施，机器人警报系统，机器人老化护理单元，机器人儿童护理单元，电钻，电动割草机，电动真空吸尘器，电动金属加工研磨机，电热风器，电动压力扩张工具，电锯和刀具，电动砂光机和磨光器，电动剪刀和切片机，电木铣，电动牙刷，电动干发器，电动烘手机，全球定位系统(GPS)设备，激光测距仪，手电筒，电动街道照明，备用电源，不间断电源，和其他便携式和固定电子设备。
[0121] 同时，上文是对特定实施例的完全描述，各种修改，替代结构和等同物可被使用。由此，上述描述和示出将不被作为对本公开的附属权利要求所限定的范围的限制。
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