电池健康的光学监测的制作方法
【专利说明】电池健康的光学监测
[0001] 政府许可权利
[000引本发明是根据美国高级研究规划署能源部（ARPA-巧授予的合同 NO.DE-AR0000272在美国扣巧政府的支持下完成的。美国政府对本发明享有某些权利。
【背景技术】
[0003] 本发明总体上设及电池，更具体而言，设及用于在电池的工作过程中采用光信号 在单元级别上周期性地（如果不是连续地）监测二次或可再充电电池中的即将发生的故障 的发展的方法和设备，该电池应用于，例如，电动车辆和电网蓄电中。
【发明内容】
[0004] 在本申请的发明当中，光被用来检测电池单元中的即将发生的故障。光穿过或者 从电池单元的隔板透射，并通过一个或多个光探测器被接收。正常情况下穿过隔板透射的 光因隔板附近或者隔板内的即将发生的故障而受到散射、吸收、波长偏移或者W其他方式 发生崎变。所述的即将发生的故障可W是物理结构，例如，枝状晶体，或者可W是存在与隔 板、电解质、胶合剂或者电池单元的其他部件的劣化相关的化学物质，或者可能是与局部故 障相关的温度升高或电场变化。通过一个或多个光探测器测量所透射或散射的光的变化， 并对来自探测器的信号进行处理，W识别出即将发生的故障，从而能够生成适当的警告。
【附图说明】
[0005] 图1示意性地示出了根据本申请的教导的电池单元隔板，其具有集成到电池单元 内的用W监测电池单元的故障状态的光透射光纤和光接收光纤；
[0006] 图2示意性地示出了根据本申请的教导的电池单元隔板，其具有集成到电池单元 周围的多个位置上的用于监测电池单元的故障状态的光透射和/或光接收光纤；
[0007] 图3示意性地示出了根据本申请的教导的电池单元隔板，其具有集成到电池单元 的W监测电池单元的故障状态的光透射光纤和光接收光纤，其中，该隔板包括波导特性； [000引图4示意性地示出了根据本申请的教导的裡离子电池单元隔板，其具有集成到电 池单元的W监测电池单元的故障状态，并显示裡向隔板内生长的，光透射光纤和光接收光 纤；
[0009] 图5示意性地示出了通过将光纤对接禪合到膜上并射入可见的633nm的光而获得 的夹在两个玻璃载片之间的凝胶化聚合物膜的光导特性；
[0010] 图6示意性地示出了图5的膜的侧视图，其说明了如从膜的侧边发射的散射光所 示的穿过膜的光的透射；
[0011] 图7示意性地示出了在将光纤禪合至玻璃载片而不是图5和图6所示的膜时降低 的散射。
[0012] 图8A和8B示出了计算，该计算说明了就多个密集堆积的散射体而言，其散射损耗 小于在将对象视为孤立的散射体时预期的散射损耗；
[0013] 图9A和9B示出了在对象为金属时来自单散射体的显著散射；w及
[0014] 图10示意性地示出了用于改善高孔隙度隔板的波导性能的具有孔隙度降低的区 域的示例性隔板。
【具体实施方式】
[0015] 现有技术的二次或可再充电电池，尤其是那些基于裡化学的二次或可再充电电 池，提供了当前市面上可W得到的任何电能存储装置的某些最高能量密度。随着电池成分 和几何结构的改进，其能量可用周期不断增大和/或尺寸不断降低，因此它们的性能使得 其在移动电子装置和电动车辆中获得了广泛适用。尽管有该些优点，但是该些电池还是表 现出过灾难性故障，该些故障妨碍了某些发展，尤其是与电动车辆相关的发展。可再充电电 池的制造商已经采取了几种为其装置提供安全边际（safety margin)的方式，但是结果表 明在某些情况下该些对策是不够的。此外，由于要对该些电池的成分或构造进行修改W提 高安全性，因而其能量密度往往受到损失。实际上，一些专家认为市场上可购得的电池组可 能只表现出了理论上可实现的能量密度和性能的百分之二十（20% )，W提供具有高安全 边际的产品。
[0016] 已经有几种技术（例如，电化学阻抗光谱测定巧IS))被开发了出来，用W测量裡 离子W及其他可再充电电池的劣化。该些技术提供了对电池组的各个单元的状况的深入了 解，并且经常用于研究工作。令人遗憾的是，该些技术中的大多数无法就地（in situ)应用 于电池，且肯定也不适合在电池的整个工作周期和寿命期间对电池故障的发展进行周期性 (如果不是连续）的监测。实际上，必须中断电池的工作才能采用该些诊断技术，且该些技 术过于繁琐、成本高昂，因此难W被考虑用到每一现场电池组上。
[0017] 根据本申请的教导，采取一种全然不同的基于光学测量技术的方案来进行电池故 障监测。基本地，电池及其相关负载的电性能或者充电供应不与光信号存在冲突。而且，光 学部件不与电池的工作发生冲突，从而使得有可能贯穿电池充电和放电的所有阶段来进行 连续的感测。采用在物理尺寸上与电池的部件类似的光学部件允许将监测结构构建到电池 单元设计内或者与之集成，而不会显著地影响电池单元的几何形状。本申请的教导适用于 单个单元电池和多个单元电池，并且可W用到应用于便携式电子装置、离网应用、电动车辆 W及电网蓄电的电池中，其中，后面的两种应用可能具有几百或几千个单元。本申请的教导 是一般性的，将适用于各种各样的电池化学性质和类型。
[0018] 图1示出了根据本申请的教导得到的电池单元100的第一实施例，其中，示出了电 池单元100的边缘。电池单元100包括电池单元隔板102,其具有放置于电池单元的电极 (阳极和阴极）之间的电解质（该电解质是标准部件）。具有电解质的隔板102具有光透 射特性，该光透射特性随着电池单元100的即将发生的故障的状态而变化。光从禪合至第 一光纤104的光源106经由第一光纤104传送到隔板102内。根据本申请的教导，可W有 一个或多个光源，例如发光二极管、半导体二极管、激光器、灯等。在图1的实施例中，光通 过隔板102传送，并经由第二光纤108被禪合至第二光纤108的光探测器110接收。光探 测器110对目标波长敏感，该波长取决于电池单元的具体结构和化学性质。
[0019] 探测器110可W是任何常规光探测器，例如，光电二极管、光敏晶体管或者当前的 或者W后将变得可用的更加奇特的探测器。由于具有电解质的隔板102的光透射特性是电 池单元100的故障状态的特性，因而能够通过处理电路111来确定电池单元100的故障状 态，该处理电路111对来自探测器110的输出信号进行处理，W估计电池单元100中是否存 在隐患（incipient fault)。处理电路111还可W对来自探测器110的输出进行处理，W确 定沿着电池单元100的温度分布图、沿着电池单元100的化学物类W及电池单元100的内 部压力等。
[0020] 电池单元隔板的厚度往往是数十微米，且理想地光纤具有类似或略小的直径。如 上文参考图1所述，能够从一条光纤（例如第一光纤104)发送光，并由另一条光纤（例如， 第二光纤108)接收光。或者，在采用光探测器替代光源106的情况下，光纤104、108中的 一个或两者可W感测在隔板102内生成的光发射。此外，可W将多条光纤布置到电池单元 的周围，如图2所示，从而优化参数检测，并且甚至得到单元内的局部化故障的检测。在图 2中，将电池单元200的一面示为具有光纤1到n，该光纤1到n在电池单元200的周围的 不同位置处禪合至电池单元200的隔板202。对于给定监测应用，可W根据需要将光源和光 探测器禪合至光纤1到n。
[0021] 可W采用分层隔板302(诸如图3所示的）来改善电池单元300的光学特性。就 像光纤本身一样，隔板302的外层306与隔板302的内巧类似，但是具有比隔板302的巧的 折射率更低的折射率。有几种已知的方法促成该较低的折射率，例如，采用略微不同的聚 合物成分、内巧或外层的官能化（化nctionalization)或面化、聚合物处理中的变化及其 他。如图3所示，可W通过在隔板302的外面表面（outer化ce surface)304之上形成材 料层306而改善隔板302的光学性能。可W在禪合至隔板302的光纤308、310之上形成外 层306。该样的隔板可W通过将材