電池健康的光學監(jiān)測的制作方法
【專利說明】電池健康的光學監(jiān)測
[0001] 政府許可權(quán)利
[000引本發(fā)明是根據(jù)美國高級研究規(guī)劃署能源部（ARPA-巧授予的合同 NO.DE-AR0000272在美國扣巧政府的支持下完成的。美國政府對本發(fā)明享有某些權(quán)利。
【背景技術(shù)】
[0003] 本發(fā)明總體上設及電池，更具體而言，設及用于在電池的工作過程中采用光信號 在單元級別上周期性地（如果不是連續(xù)地）監(jiān)測二次或可再充電電池中的即將發(fā)生的故障 的發(fā)展的方法和設備，該電池應用于，例如，電動車輛和電網(wǎng)蓄電中。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 在本申請的發(fā)明當中，光被用來檢測電池單元中的即將發(fā)生的故障。光穿過或者 從電池單元的隔板透射，并通過一個或多個光探測器被接收。正常情況下穿過隔板透射的 光因隔板附近或者隔板內(nèi)的即將發(fā)生的故障而受到散射、吸收、波長偏移或者W其他方式 發(fā)生崎變。所述的即將發(fā)生的故障可W是物理結(jié)構(gòu)，例如，枝狀晶體，或者可W是存在與隔 板、電解質(zhì)、膠合劑或者電池單元的其他部件的劣化相關(guān)的化學物質(zhì)，或者可能是與局部故 障相關(guān)的溫度升高或電場變化。通過一個或多個光探測器測量所透射或散射的光的變化， 并對來自探測器的信號進行處理，W識別出即將發(fā)生的故障，從而能夠生成適當?shù)木妗?br>【附圖說明】
[0005] 圖1示意性地示出了根據(jù)本申請的教導的電池單元隔板，其具有集成到電池單元 內(nèi)的用W監(jiān)測電池單元的故障狀態(tài)的光透射光纖和光接收光纖；
[0006] 圖2示意性地示出了根據(jù)本申請的教導的電池單元隔板，其具有集成到電池單元 周圍的多個位置上的用于監(jiān)測電池單元的故障狀態(tài)的光透射和/或光接收光纖；
[0007] 圖3示意性地示出了根據(jù)本申請的教導的電池單元隔板，其具有集成到電池單元 的W監(jiān)測電池單元的故障狀態(tài)的光透射光纖和光接收光纖，其中，該隔板包括波導特性； [000引圖4示意性地示出了根據(jù)本申請的教導的裡離子電池單元隔板，其具有集成到電 池單元的W監(jiān)測電池單元的故障狀態(tài)，并顯示裡向隔板內(nèi)生長的，光透射光纖和光接收光 纖；
[0009] 圖5示意性地示出了通過將光纖對接禪合到膜上并射入可見的633nm的光而獲得 的夾在兩個玻璃載片之間的凝膠化聚合物膜的光導特性；
[0010] 圖6示意性地示出了圖5的膜的側(cè)視圖，其說明了如從膜的側(cè)邊發(fā)射的散射光所 示的穿過膜的光的透射；
[0011] 圖7示意性地示出了在將光纖禪合至玻璃載片而不是圖5和圖6所示的膜時降低 的散射。
[0012] 圖8A和8B示出了計算，該計算說明了就多個密集堆積的散射體而言，其散射損耗 小于在將對象視為孤立的散射體時預期的散射損耗；
[0013] 圖9A和9B示出了在對象為金屬時來自單散射體的顯著散射；w及
[0014] 圖10示意性地示出了用于改善高孔隙度隔板的波導性能的具有孔隙度降低的區(qū) 域的示例性隔板。
【具體實施方式】
[0015] 現(xiàn)有技術(shù)的二次或可再充電電池，尤其是那些基于裡化學的二次或可再充電電 池，提供了當前市面上可W得到的任何電能存儲裝置的某些最高能量密度。隨著電池成分 和幾何結(jié)構(gòu)的改進，其能量可用周期不斷增大和/或尺寸不斷降低，因此它們的性能使得 其在移動電子裝置和電動車輛中獲得了廣泛適用。盡管有該些優(yōu)點，但是該些電池還是表 現(xiàn)出過災難性故障，該些故障妨礙了某些發(fā)展，尤其是與電動車輛相關(guān)的發(fā)展?？稍俪潆婋?池的制造商已經(jīng)采取了幾種為其裝置提供安全邊際（safety margin)的方式，但是結(jié)果表 明在某些情況下該些對策是不夠的。此外，由于要對該些電池的成分或構(gòu)造進行修改W提 高安全性，因而其能量密度往往受到損失。實際上，一些專家認為市場上可購得的電池組可 能只表現(xiàn)出了理論上可實現(xiàn)的能量密度和性能的百分之二十（20% )，W提供具有高安全 邊際的產(chǎn)品。
[0016] 已經(jīng)有幾種技術(shù)（例如，電化學阻抗光譜測定巧IS))被開發(fā)了出來，用W測量裡 離子W及其他可再充電電池的劣化。該些技術(shù)提供了對電池組的各個單元的狀況的深入了 解，并且經(jīng)常用于研究工作。令人遺憾的是，該些技術(shù)中的大多數(shù)無法就地（in situ)應用 于電池，且肯定也不適合在電池的整個工作周期和壽命期間對電池故障的發(fā)展進行周期性 (如果不是連續(xù)）的監(jiān)測。實際上，必須中斷電池的工作才能采用該些診斷技術(shù)，且該些技 術(shù)過于繁瑣、成本高昂，因此難W被考慮用到每一現(xiàn)場電池組上。
[0017] 根據(jù)本申請的教導，采取一種全然不同的基于光學測量技術(shù)的方案來進行電池故 障監(jiān)測。基本地，電池及其相關(guān)負載的電性能或者充電供應不與光信號存在沖突。而且，光 學部件不與電池的工作發(fā)生沖突，從而使得有可能貫穿電池充電和放電的所有階段來進行 連續(xù)的感測。采用在物理尺寸上與電池的部件類似的光學部件允許將監(jiān)測結(jié)構(gòu)構(gòu)建到電池 單元設計內(nèi)或者與之集成，而不會顯著地影響電池單元的幾何形狀。本申請的教導適用于 單個單元電池和多個單元電池，并且可W用到應用于便攜式電子裝置、離網(wǎng)應用、電動車輛 W及電網(wǎng)蓄電的電池中，其中，后面的兩種應用可能具有幾百或幾千個單元。本申請的教導 是一般性的，將適用于各種各樣的電池化學性質(zhì)和類型。
[0018] 圖1示出了根據(jù)本申請的教導得到的電池單元100的第一實施例，其中，示出了電 池單元100的邊緣。電池單元100包括電池單元隔板102,其具有放置于電池單元的電極 (陽極和陰極）之間的電解質(zhì)（該電解質(zhì)是標準部件）。具有電解質(zhì)的隔板102具有光透 射特性，該光透射特性隨著電池單元100的即將發(fā)生的故障的狀態(tài)而變化。光從禪合至第 一光纖104的光源106經(jīng)由第一光纖104傳送到隔板102內(nèi)。根據(jù)本申請的教導，可W有 一個或多個光源，例如發(fā)光二極管、半導體二極管、激光器、燈等。在圖1的實施例中，光通 過隔板102傳送，并經(jīng)由第二光纖108被禪合至第二光纖108的光探測器110接收。光探 測器110對目標波長敏感，該波長取決于電池單元的具體結(jié)構(gòu)和化學性質(zhì)。
[0019] 探測器110可W是任何常規(guī)光探測器，例如，光電二極管、光敏晶體管或者當前的 或者W后將變得可用的更加奇特的探測器。由于具有電解質(zhì)的隔板102的光透射特性是電 池單元100的故障狀態(tài)的特性，因而能夠通過處理電路111來確定電池單元100的故障狀 態(tài)，該處理電路111對來自探測器110的輸出信號進行處理，W估計電池單元100中是否存 在隱患（incipient fault)。處理電路111還可W對來自探測器110的輸出進行處理，W確 定沿著電池單元100的溫度分布圖、沿著電池單元100的化學物類W及電池單元100的內(nèi) 部壓力等。
[0020] 電池單元隔板的厚度往往是數(shù)十微米，且理想地光纖具有類似或略小的直徑。如 上文參考圖1所述，能夠從一條光纖（例如第一光纖104)發(fā)送光，并由另一條光纖（例如， 第二光纖108)接收光?；蛘撸诓捎霉馓綔y器替代光源106的情況下，光纖104、108中的 一個或兩者可W感測在隔板102內(nèi)生成的光發(fā)射。此外，可W將多條光纖布置到電池單元 的周圍，如圖2所示，從而優(yōu)化參數(shù)檢測，并且甚至得到單元內(nèi)的局部化故障的檢測。在圖 2中，將電池單元200的一面示為具有光纖1到n，該光纖1到n在電池單元200的周圍的 不同位置處禪合至電池單元200的隔板202。對于給定監(jiān)測應用，可W根據(jù)需要將光源和光 探測器禪合至光纖1到n。
[0021] 可W采用分層隔板302(諸如圖3所示的）來改善電池單元300的光學特性。就 像光纖本身一樣，隔板302的外層306與隔板302的內(nèi)巧類似，但是具有比隔板302的巧的 折射率更低的折射率。有幾種已知的方法促成該較低的折射率，例如，采用略微不同的聚 合物成分、內(nèi)巧或外層的官能化（化nctionalization)或面化、聚合物處理中的變化及其 他。如圖3所示，可W通過在隔板302的外面表面（outer化ce surface)304之上形成材 料層306而改善隔板302的光學性能?？蒞在禪合至隔板302的光纖308、310之上形成外 層306。該樣的隔板可W通過將材