Die unteren Zellen mit Differenzverstärker zu bestücken macht eigentlich nicht viel Sinn, musst mal ausrechnen, wo der Fehler mit Differenzverstärker kleiner wird als mit reinem Spannungsteiler. Was die Genauigkeit angeht bleibt Dir nun wohl nur noch, genauere Widerstände zu kaufen, bei den OPV musst Du auch auf die Offsetspannung achten, und vor allem geanaue Referenzen für den ADC. Und da Du 13 bit für 10mV bräuchtest, sollte der Wandler 14 bit fehlerfrei bei der geforderten Geschwindigkeit leisten. Wenn Du an jeder Zelle einzeln misst, brauchst Du für 1mV einen 12 bit ADC, für 10mV 9 bit. Die Anforderungen an die Referenz sinken auch, ich würde zwischen Messstelle und Wandlereingang aber auf jeden Fall noch einen Schutzwiderstand oder Spannungsteiler (wenn zB die A/D-Referenz 2,5V hat!) schalten, bei vielen Wandlern wird dann noch ein OP fällig, weil die Eingangsimpedanz ein bisschen unmöglich ist und 12 bit dann sicher nicht mehr drin sind. Dort für 1mV auch wieder: geringer Offset! OP07 oder so hat max 75uV. Dann musst Du Dir nur noch Gedanken machen, wie Du das Ganze abschaltest, oder ist das Akkupack dauerhaft belastet oder am Ladegerät, so dass die Schaltung ruhig immer dran bleiben darf? Wenn nein kämen MOSFETs o.ä. zum Zu- und Wegschalten der Messschaltungen hinzu. Unter Kosten- und Realisierbarkeitsgesichtspunkten ist Dein aufwändiger Vorschlag am Ende vielleicht der Einfachste, wenn man für 9 bit mit den 10 bit ADCs im ATmega auskäme mit Sicherheit sogar, aber das solltest Du genau prüfen. Andererseits gibt es von Maxim und evtl TI 12-,14- und 16-bit-ADCs im SOT23-6 Gehäuse, die zumindest bei 1000er Abnahme im 2-Euro-Bereich liegen dürften.