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図面 (7)

課題

電気装置を提供する。

解決手段

第1のパルスを発生するパルス発生器220と、前記パルス発生器220から前記第1のパルスを受け取る第1の導電電極205と、前記第1の導電電極205に組み合わされる第2の導電電極210と、前記第1の導電電極205及び前記第2の導電電極210に組み合わされると共に、第2のパルスを提供する誘電セパレータ素子215と、を含む電池と、前記パルス発生器220及び前記誘電セパレータ素子215に接続し、前記第1のパルスを前記第2のパルスと比較するコントローラ225と、を備えて構成され、前記第2のパルスは、前記第1のパルスに基づくと共に、前記誘電セパレータ素子215の電気特性に基づくものである。

概要

背景

典型的なリチウムイオン電池は、イオン透過性セパレータ材料によって分離された炭素負極とリチウム遷移金属酸化物正極とを使用する。より高い電荷密度は、炭素の代わりに多孔質シリコン負極を使用することによって達成することができる。このようなタイプの電池は、現在、携帯電話カメラコンピュータ、及びその他の電子機器の分野における電池市場を支配している。特に、厳しい適用例において、このような電池にとって問題となる分野は、安全性、寿命、及びコストを含む。

リチウムイオン電池における故障発生源の1つは、電池内にデンドライトの形成を伴うことである。デンドライトは、セル内に形成される細長微細金属析出物である。デンドライト形成の既知の原因は、製造欠陥過充電、及び低温での急速充電を含む。デンドライト形成は、一般に負極で始まり、デンドライトがセパレータ材料を貫いて正極まで伸びると、内部短絡を引き起こす。過充電及び過度の急速充電は、リチウムイオンが反対側の電極に運ばれる前に電極付近電解質内に過剰な濃度のリチウムイオンを蓄積し、それにより、溶解度限度を超えた時にデンドライトが形成されると考えられている。デンドライトによって引き起こされる短絡は、破滅的な電池故障に至る可能性がある。最近のボーイング787の火災の原因はまだ特定されていないが、デンドライトによるものであったという推測がなされている。電池内のデンドライトの存在を確実に検知するための方法は、現在、全く存在しない。

概要

電気装置を提供する。第1のパルスを発生するパルス発生器220と、前記パルス発生器220から前記第1のパルスを受け取る第1の導電電極205と、前記第1の導電電極205に組み合わされる第2の導電電極210と、前記第1の導電電極205及び前記第2の導電電極210に組み合わされると共に、第2のパルスを提供する誘電セパレータ素子215と、を含む電池と、前記パルス発生器220及び前記誘電セパレータ素子215に接続し、前記第1のパルスを前記第2のパルスと比較するコントローラ225と、を備えて構成され、前記第2のパルスは、前記第1のパルスに基づくと共に、前記誘電セパレータ素子215の電気特性に基づくものである。

目的

いくつかの実施形態において、この方法は、正極と、負極と、それらの間に配置されたセパレータ材料とを有する電池を提供する

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

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請求項1

第1のパルスを発生するパルス発生器と、前記パルス発生器から前記第1のパルスを受け取る第1の導電電極と、前記第1の導電電極に組み合わされる第2の導電電極と、前記第1の導電電極及び前記第2の導電電極に組み合わされると共に、第2のパルスを提供する誘電セパレータ素子と、を含む電池と、前記パルス発生器及び前記誘電セパレータ素子に接続し、前記第1のパルスを前記第2のパルスと比較するコントローラと、を備えて構成され、前記第2のパルスは、前記第1のパルスに基づくと共に、前記誘電セパレータ素子の電気特性に基づくものである電気装置

請求項2

前記コントローラは、前記第1のパルスの形状、傾斜、又はエネルギ含有量を前記第2のパルスの形状、傾斜、又はエネルギ含有量と比較することにより、前記第1のパルスと前記第2のパルスを比較するように構成される請求項1記載の電気装置。

請求項3

前記パルス発生器と前記コントローラとの間に配置され、前記第1のパルスを受け取って第3のパルスを発生する遅延構成要素を更に含み、前記第3のパルスは、前記第1のパルスの遅延バージョンで、該第3のパルスにおける遅延が前記誘電セパレータ素子の時定数に基づくものであり、前記コントローラは、前記第3のパルスを前記第2のパルスと比較することにより、前記第1のパルスを前記第2のパルスと比較する構成とした請求項1記載の電気装置。

請求項4

前記誘電セパレータ素子は、圧電セパレータ素子で、前記第1の導電電極と前記第2の導電電極との間に配置されており、前記コントローラは、前記第1の導電電極及び前記第2の導電電極に接続され、前記第1の導電電極及び前記第2の導電電極を使用して前記第2のパルスを検出する請求項1記載の電気装置。

請求項5

前記電池は、前記第1の導電電極と前記第2の導電電極との間に配置された1つ以上のバルキング・セパレータ素子を更に含む請求項1記載の電気装置。

請求項6

前記誘電セパレータ素子が圧電セパレータ素子であり、該圧電セパレータ素子の前記電気特性が前記圧電セパレータ素子内のデンドライトの形成に依存する請求項1記載の電気装置。

請求項7

前記誘電セパレータ素子が圧電セパレータ素子であり、前記第1のパルスに応じて、前記圧電セパレータ素子が、電界感知して機械的に変形し、前記第1のパルスのエネルギを蓄えるように構成された請求項1記載の電気装置。

請求項8

前記誘電セパレータ素子が圧電セパレータ素子であり、前記第1のパルスの印加が終了すると、前記圧電セパレータ素子が、弛緩して前記第2のパルスを発生するように構成された請求項1記載の電気装置。

請求項9

前記第2のパルスの極性が前記第1のパルスの逆極性である、請求項1記載の電気装置。

請求項10

前記コントローラは、前記電池の共振周波数の一部分である測定サイクル中に前記第1のパルスをモニターすると共に、前記測定サイクル中に前記第2のパルスをモニターするように構成された請求項1記載の電気装置。

請求項11

前記コントローラは、前記第1のパルスと前記第2のパルスを比較した結果を前記電池内のデンドライト形成と相関させ、前記第1のパルスの形状、傾斜、又はエネルギ含有量が前記第2のパルスの形状、傾斜、又はエネルギ含有量と異なる時に前記電池内の異常を検知するように更に構成されている請求項1記載の電気装置。

請求項12

前記コントローラは、少なくとも部分的に前記第1のパルスと前記第2のパルスとを比較した結果に基づいて前記電池の動作を調整するように更に構成されている請求項1記載の電気装置。

請求項13

前記電池は、リチウムイオン電池を含んで構成されている請求項1記載の電気装置。

請求項14

第1の電極と、第2の電極と、圧電リアクタンス・セパレータ素子とを含む電池を提供し、第1のパルスを前記第1の電極に印加し、前記第1のパルスに基づくと共に、前記圧電リアクタンス・セパレータ素子の電気特性に基づいて第2のパルスを発生させ、前記第2のパルスを検知し、前記第1のパルスを前記圧電リアクタンス・セパレータ素子からの前記第2のパルスと比較する、ことを含むデンドライト検知方法

請求項15

前記圧電リアクタンス・セパレータ素子の前記電気特性が前記圧電リアクタンス・セパレータ素子内のデンドライトの形成に依存する場合に、前記圧電リアクタンス・セパレータ素子内に電界を発生させ、前記圧電リアクタンス・セパレータ素子を機械的に変形させ、前記圧電リアクタンス・セパレータ素子を弛緩する、ことを更に含む請求項14記載のデンドライト検知方法。

請求項16

前記比較は、前記第1のパルスの形状、傾斜、又はエネルギ含有量を前記第2のパルスの形状、傾斜、又はエネルギ含有量と比較することを含む請求項14記載のデンドライト検知方法。

請求項17

前記第1のパルスの遅延バージョンであり、この遅延が前記圧電リアクタンス・セパレータ素子の時定数に基づくものである第3のパルスを発生することを更に含み、前記第1のパルスを前記第2のパルスと比較することが、前記第3のパルスを前記第2のパルスと比較することである請求項14記載のデンドライト検知方法。

請求項18

前記第1のパルスと前記第2のパルスを比較した結果を前記電池内のデンドライト形成と相関させることを更に含む請求項14記載のデンドライト検知方法。

請求項19

少なくとも部分的に前記第1のパルスと前記第2のパルスを比較した結果に基づいて前記電池の動作を調整することを更に含む請求項14記載のデンドライト検知方法。

請求項20

前記電池の共振周波数より小さい測定サイクル中に前記第1のパルスをモニターし、前記測定サイクル中に前記第2のパルスをモニターする、ことを更に含む請求項14記載のデンドライト検知方法。

技術分野

0001

本出願は、米国特許法第119条に基づき2013年8月26日に出願された米国仮特許出願第61/870133号の優先権を主張して2014年8月26日に出願された米国特許出願第14/469441号の一部継続出願であり、その全体が参考文献として本明細書に組み込まれる。

0002

本発明は、一般に、バッテリー(以下「電池」という)に関し、特に、電池内の金属デンドライトの存在を判断する電気装置及びデンドライト検知方法に関する。

背景技術

0003

典型的なリチウムイオン電池は、イオン透過性セパレータ材料によって分離された炭素負極とリチウム遷移金属酸化物正極とを使用する。より高い電荷密度は、炭素の代わりに多孔質シリコン負極を使用することによって達成することができる。このようなタイプの電池は、現在、携帯電話カメラコンピュータ、及びその他の電子機器の分野における電池市場を支配している。特に、厳しい適用例において、このような電池にとって問題となる分野は、安全性、寿命、及びコストを含む。

0004

リチウムイオン電池における故障発生源の1つは、電池内にデンドライトの形成を伴うことである。デンドライトは、セル内に形成される細長微細金属析出物である。デンドライト形成の既知の原因は、製造欠陥過充電、及び低温での急速充電を含む。デンドライト形成は、一般に負極で始まり、デンドライトがセパレータ材料を貫いて正極まで伸びると、内部短絡を引き起こす。過充電及び過度の急速充電は、リチウムイオンが反対側の電極に運ばれる前に電極付近電解質内に過剰な濃度のリチウムイオンを蓄積し、それにより、溶解度限度を超えた時にデンドライトが形成されると考えられている。デンドライトによって引き起こされる短絡は、破滅的な電池故障に至る可能性がある。最近のボーイング787の火災の原因はまだ特定されていないが、デンドライトによるものであったという推測がなされている。電池内のデンドライトの存在を確実に検知するための方法は、現在、全く存在しない。

発明が解決しようとする課題

0005

上記を鑑みて、デンドライト検知技術を取り入れた電池及びデンドライト検知方法は、当技術分野における実質的な進歩を表すことになるであろう。本発明は、このような必要性を満足し、関連する利点も提供するものである。

課題を解決するための手段

0006

いくつかの実施例において、本発明は、そのセパレータ材料内の電界を検出するように構成された電界センサを含んで構成された電池について説明している。いくつかの実施例では、この電池は、間にセパレータ材料を配置した正極及び負極と、セパレータ材料内の電界を検出するように構成された複数の電界センサとを含む。

0007

いくつかの実施例において、本発明は、電界検出を使用してデンドライトを検知し、その変化をモニターする方法について説明している。いくつかの実施形態において、この方法は、正極と、負極と、それらの間に配置されたセパレータ材料とを有する電池を提供すること、複数の電界センサをセパレータ材料と接触させること、及びこのような電界センサを使用して電池内の電界を測定することを含む。

0008

いくつかの実施例において、本発明は電気装置について説明している。この電気装置は、第1のパルスを発生するように構成されたパルス発生器を含む。また、この電気装置は電池も含む。この電池は、パルス発生器から第1のパルスを受け取るように構成された第1の導電電極と、第1の導電電極に組み合わされた第2の導電電極と、第1の導電電極及び第2の導電電極に組み合わされ、第2のパルスを提供するように構成された誘電性セパレータ素子とを含む。第2のパルスは、第1のパルスに基づくと共に、誘電性セパレータ素子の電気特性に基づくものである。また、この電気装置は、パルス発生器及び誘電性セパレータ素子に接続したコントローラも含む。コントローラは、第1のパルスを第2のパルスと比較するように構成されている。1つ以上の態様において、誘電性セパレータ素子は非導電性圧電セパレータ素子である。

0009

いくつかの実施例において、本発明はデンドライト検知方法について説明している。この方法は、第1の電極と、第2の電極と、圧電リアクタンス・セパレータ素子とを含んで構成された電池を提供することを含む。また、この方法は、第1のパルスを第1の電極に印加することも含む。さらに、この方法は、第2のパルスを発生することも含み、第2のパルスは、第1のパルスに基づくと共に、圧電リアクタンス・セパレータ素子の電気特性に基づくものである。さらにまた、この方法は、第2のパルスを検出することも含む。そして、この方法は、第1のパルスを圧電リアクタンス・セパレータ素子からの第2のパルスと比較することも含む。1つ以上の態様において、圧電リアクタンス・セパレータ素子は非導電性である。

0010

上記の一般的な説明及び以下の詳細な説明は、いずれも例示的かつ説明的なものであり、請求項のような主題技術を更に説明することを意図したものであることを理解されたい。また、その他の態様を使用することができ、主題技術の範囲を逸脱せずに変更を行うことができることを理解されたい。

0011

更に理解するために含まれており、本明細書に取り入れられて、本明細書の一部を構成する添付図面は、開示されている各実施形態を例示すると共に、開示されている各実施形態の原理を説明する働きをするものである。

図面の簡単な説明

0012

1つ以上の実施例によるセパレータ材料上又はセパレータ材料内に電界センサを含む電池を示す概略図である。
1つ以上の実施例による電気装置を示す概略図である。
1つ以上の実施例による標準ケース(nominal case)及び異常ケース(anomalous case)に対するパルスの加算結果を示している。
1つ以上の実施例による、図2に示されている電池を形成するために使用されるタンク回路を示している。
1つ以上の実施例による電池の一例を示している。
主題技術の様々な態様によるプロセスの一例を示すフローチャートである。

実施例

0013

以下に明記されている詳細な説明は、主題技術の様々な構成の説明として意図されており、主題技術を実施可能な構成のみを表すものではない。添付図面は、本明細書に取り入れられ、詳細な説明の一部を構成する。詳細な説明は、主題技術を完全に理解するための具体的な細部を含む。しかし、主題技術がこのような具体的な細部なしに実施可能であることは、当業者にとって明白になるであろう。いくつかの事例では、主題技術の概念を曖昧にすることを回避するために、周知の構造及び構成要素がブロック図形式で示されている。

0014

本発明は、一つには、そのセパレータ材料における電界又はそれに対する変化を検知するために構成された電池を対象とする。また一つには、本発明は、その中の電界を経時的に検出し、モニターすることにより電池内のデンドライトの形成を検知する方法を対象とする。

0015

電池内のデンドライトの存在を確認するために追究された現在のいくつかの手法は、光センサ及び光ファイバ、外部ひずみ計薄膜温度検知ガスモニター、及びレーザ誘導超音波検査を含む。しかし、これらの手法は、依然として開発段階にあり、実現するには複雑なものである。

0016

本発明者らは、電池内の電界及びその変化をモニターすることは、リチウムイオン電池の正常性をモニターする現在の手法に対する簡単で有益な代替手段に相当すると認識している。電池内に金属デンドライトが存在すると、デンドライトの先端付近電界強度が増す。本発明者らは、リチウムイオン電池内の電界強度及びそれの変化を測定することにより、電池内のデンドライトの成長及び侵入をモニターできるというように認識している。電池内に発生した電界をモニターする技法は、金属デンドライトについて評価する既存の技法に比較して、実現するのがはるかに簡単である。

0017

具体的には、本発明者らは、電池のセパレータ材料内又はその付近で電界をモニターすることは有益であるということを認識している。デンドライトがセパレータ材料を突破するまで、デンドライトは内部短絡を発生させない。セパレータ材料内の電界をモニターすることにより、デンドライトがセパレータ材料に侵入したか、又は侵入して有害なものになろうとしているのかどうかを判断することができる。セパレータ材料内のデンドライトの存在を検知することは、デンドライトが正極に達する前に電池管理システムがセル(単電池)を遮断できるようにすることができ、従って、潜在的で破滅的な内部短絡を防止することができる。また、電池の安全性を増すことに加えて、この手法は、経時的にセル動作の変化をモニターすることにより、電池の正常状態に対する見通しを提供することもできる。

0018

セパレータ材料内又はその付近で電界をモニターするために任意の適切な技法を使用することができるが、静電容量測定に基づく技法は特に有利である。このような技法は、既存の電池設計の範囲内で容易に構成することができ、比較的安価に実現することができる。いくつかの静電容量測定技法のうち、バル静電容量に基づくものやナノスケール静電容量測定技法を使用するものはどちらも、本発明の各実施形態における使用に適している。

0019

いくつかの実施形態において、本明細書に記載されている電池は、間にセパレータ材料を配置して有する正極及び負極と、セパレータ材料内の電界を検出するように構成された複数の電界センサとを含む。

0020

いくつかの実施形態において、電界センサはセパレータ材料と接触している。いくつかの実施形態において、電界センサはセパレータ材料の表面上に配置されている。他の実施形態において、電界センサはセパレータ材料内に配置されている。

0021

また、いくつかの実施形態において、本発明の電池は、その動作をモニターし調整するように構成されたコントローラを含む。いくつかの実施形態において、このコントローラは電界センサに通信可能に接続されている。この通信接続は、直接有線接続又は無線接続にすることができる。電界センサに通信可能に接続することにより、コントローラは、電池の中にデンドライトの存在を検知すると電池の動作状態を変更することができる。

0022

図1は、1つ以上の実施例により、セパレータ材料内の電界を検知できる電池を示す概略図である。図1に示されているように、正極1と負極3は、セパレータ材料2によって分離されている。セパレータ材料2は、セパレータ材料2上又はセパレータ材料2内に配置された複数の電界センサ4を含んでいる。図1では別個実体として複数の電界センサ4を表しているが、1つの連続的なモノリシックセンサであってもよい。好適な電界センサは、セパレータ材料上又はセパレータ材料内にきちん配備できる限り、機能又は構造において特に限定されるものではない。また、電池は、デンドライトの発生が検知された場合には、電池の動作をモニターし、調整するコントローラ5を含んでもよい。

0023

いくつかの実施形態において、電池はリチウムイオン電池である。この電池は、従来からリチウムイオン電池で使用されているような、リチウム塩電解質及び非水溶媒を含むことができる。好適なリチウム塩としては、例えば、LiClO4、LiBF4、LiAsF6、LiPF6、LiCF3SO3、Li(CF3SO2)2N、Li(CF3SO2)3C、LiN(SO2C2F5)2、リチウムアルキルフルオロリン酸塩、リチウム・ビスオキサラト)・ホウ酸塩(LiBOB)、及びこれらの任意の組み合わせを含むことができる。また、その他のリチウム塩電解質も本発明の電池に使用することができ、当業者にとってよく知られていることであろう。

0024

電池の非水電解質で使用される有機溶剤は、一般に、高い誘電率を有する非プロトン性有機溶剤である。非水電解質で使用できる例示的な有機溶剤としては、アルキルカーボネート(例えば、炭酸プロピレン炭酸エチレン炭酸ブチレン炭酸ジメチル炭酸ジエチル炭酸ジプロピル炭酸メチルエチル、炭酸メチルブチル、炭酸メチルプロピル炭酸エチルプロピル、炭酸ブチルプロピル、1,2−ブチレンカーボネート、2,3−ブチレンカーボネート、1,2−ペンテンカーボネート、及び2,3−ペンテンカーボネート)、ニトリル(例えば、アセトニトリルアクリロニトリルプロピオニトリルブチロニトリル、及びベンゾニトリル)、スルホキシド(例えば、ジメチルスルホキシドジエチルスルホキシド、エチルメチルスルホキシド、及びベンジルメチルスルホキシド)、アミド(例えば、ホルムアミドメチルホルムアミド、及びジメチルホルムアミド)、ピロリドン(例えば、N−メチルピロリドン)、ラクトン(例えば、γ−ブチロラクトン、γ−バレロラクトン、2−メチル−γ−ブチロラクトン、及びアセチル−γ−ブチロラクトン)、リン酸トリエステルニトロメタンエーテル(例えば、1,2−ジメトキシエタン;1,2−ジエトキシエタン;1,2−メトキシエトキシエタン;1,2−又は1,3−ジメトキシプロパン;1,2−又は1,3−ジエトキシプロパン;1,2−又は1,3−エトキシメトキシプロパン;1,2−ジブトキシエタン;テトラヒドロフラン;2−メチルテトラヒドロフラン及び他のアルキル、ジアルキルアルコキシ、又はジアルコキシテトラヒドロフラン;1,4−ジオキサン;1,3−ジオキソラン;1,4−ジオキソラン;2−メチル−1,3−ジオキソラン;4−メチル−1,3−ジオキソラン;スルホラン;3−メチルスルホランメチルエーテルエチルエーテル;プロピルエーテル;ジエチレングリコールジアルキルエーテルトリエチレングリコールジアルキルエーテルエチレングリコールジアルキルエーテル;及びテトラエチレングリコールジアルキルエーテル)、エステル(例えば、プロピオン酸メチル又はプロピオン酸エチルなどのアルキルプロピオネートマロン酸ジエチルなどのジアルキルマロネート酢酸メチル及び酢酸エチルなどのアルキルアセテート、及びギ酸メチル及びギ酸エチルなどのアルキルホルメート);及び無水マレイン酸を無制限に含む。

0025

セパレータ材料は、特に限定されず、電池が充電又は放電している時に正極と負極との間のイオン移動度を促進するために十分な多孔性を有する任意の多孔質誘電体材料で形成することができる。セパレータ材料の選択は、セパレータ材料内の電界をモニターするために選択された技法によって、ある程度、影響されるかもしれない。いくつかの実施形態において、セパレータ材料は、ポリエチレンプロプピレンポリエステル、及びポリアクリロニトリルなどのポリマーを含むことができる。いくつかの実施形態において、セパレータ材料は、多孔質ポリ(フッ化ビニリデン)−ヘキサフルオロプロパンコ・ポリマーフィルム多孔質セルロースフィルムクラフト紙、レーヨン織物などであってもよい。様々な実施形態において、セパレータ材料の厚みは、約100μm以下にすることができる。電界センサは、セパレータ材料の形成中にセパレータ材料内に又は電池の製作中にセパレータ材料上に配備することができる。

0026

上記したように、金属デンドライトを検知する方法は、電池内の電界及びその経時的変化を測定することを含む。いくつかの実施形態において、電池内の電界及びその変化を測定することは、電池のセパレータ材料の付近又はセパレータ材料内部で静電容量を測定することを含む。いくつかの技法は、以下に述べるように、電池内の静電容量をモニターするのに好適である。

0027

いくつかの実施形態において、本発明による方法は、正極と、負極と、それらの間に配置されたセパレータ材料とを有する電池を提供し、複数の電界センサをセパレータ材料と接触させ、電界センサを使用して電池内の電界を測定することを含む。様々な実施形態において、電界は、セパレータ材料内で測定される。より詳細な実施形態において、電池内の電界測定は、(セパレータ材料で)電池内の静電容量の測定を含む。

0028

様々な実施形態において、電界測定は、電界の変化を時間の関数として決定することを含む。時間の関数としての電界の変化は、セパレータ材料内への1つ以上の金属デンドライトの侵入に相関させることができる。いくつかの実施形態において、セパレータ材料内への金属デンドライトの侵入を判断するために、電界を連続的にモニターすることができる。他の実施形態において、デンドライトの成長が概してゆっくりであり、経時的に発生するので、電界を不連続的にモニターすることができる。不連続モニターの場合に、電界の測定間の期間は、約10分ごとから約24時間ごとまでの範囲にすることができる。好適なモニター期間は、電池が使用される用途並びにその充電及び放電の速度及び頻度に依存する。

0029

いくつかの実施形態において、本発明による方法は、セパレータ材料内に1以上の金属デンドライトが侵入した時に、電池の動作状態を調整することを更に含む。電池の動作状態の調整は、上記のコントローラを使用して行うことができる。いくつかの実施形態において、電池の動作状態の調整は、電界の変化が検知されると、電池を含む回路を遮断すること、電界の変化が検知されると、電池の充電又は放電を停止すること、電界の変化が検知されると、充電又は放電の速度を変更すること、或いはこれらの任意の組み合わせを含む。

0030

図2は、1以上の実施例による電気装置200を示す概略図である。電気装置200は、電池を含み、その電池は、第1の電極205と、第2の電極210と、第1の電極205と第2の電極210との間に配置された圧電セパレータ素子215とを含む。第1の電極205を負極にし、第2の電極210を正極にすることができ、逆の場合も可能である。

0031

また、電気装置200は、パルス発生器220とコントローラ225をも含む。パルス発生器220は、入力パルスを発生するように構成されている。電池の第1の電極205及び第2の電極210とコントローラ225において受け取った(例えば、それらに印加された)パルスは、入力パルスに基づくものであるか又は入力パルスである。コントローラ225は、パルス発生器220に結合されている。また、コントローラ225は、(以下により詳細に説明するように)電池の第1の電極205及び第2の電極210を介して圧電セパレータ素子215にも結合されている。コントローラ225は、入力パルスを圧電セパレータ素子215によって提供される出力パルスと比較するように構成されている。

0032

1以上の実施例において、パルスを圧電セパレータ素子215の第1の軸に導入し、圧電セパレータ素子215の第2の軸において圧電セパレータ素子から取り出すことができる。いくつかの態様において、圧電セパレータ素子215は、電池の第1の電極205及び第2の電極210の一方又は両方と接触している。いくつかの態様において、圧電セパレータ素子215は圧電材料の層であってもよい。例えば、ポリ(フッ化ビニリデン)は、圧電特性を発揮するような方法で製造することができる。他の態様において、圧電セパレータ素子215は、ポリエチレン、多孔質セルロースフィルムなどの材料の中に織られた圧電スレッド(糸)を含む材料にすることができる。例えば、織物の他のすべてのスレッドは圧電スレッドにすることができる。いくつかの態様において、1つの電池に2つ以上の圧電セパレータ素子を含むことができる。

0033

1以上の実施例において、圧電セパレータ素子215は圧電変圧器を含む。圧電変圧器は、テスト・パルスの導入及びテスト結果の抽出を可能にする4線式装置である。例えば、圧電変圧器は立方体形状の圧電結晶にすることができる。この立方体は6つの面を有し、それにより、入力フィールド用の第1の軸と、出力フィールド用の第2の軸と、応力フィールド機械式記憶装置用の第3の軸という3つの軸を提供する。

0034

圧電セパレータ素子215として他の構造も可能であり、性能の考慮事項、コストの考慮事項などに基づいて選択/構築することができる。圧電セパレータ素子215の追加の例及びその性質については、K.Ramadan他による「A review of piezoelectric polymers as functional materials for electromechanical transducers」(2014年1月発行のSmart Mater. Truct.,第23巻、1〜26ページ)に記載されており、同文献は参照により全体として本明細書に取り入れられる。

0035

コントローラ225は、パルス比器回路230と発光ダイオードLED)235とを含む。パルス比較器回路230は、パルス同士を比較する(例えば、入力パルスを出力パルスと比較する)。パルス比較器回路230は、パルス同士の差を検出して、例えば、パルス同士が互いに打ち消し合うかどうか及び/又はどの程度までパルス同士が互いに打ち消し合わないか(例えば、パルス同士が異なるか)を判断する。LED235は、入力パルスを出力パルスと比較した結果に関する視覚表示を(例えば、電池のユーザに)提供するように構成されている。1つ以上の実施例において、LED235は、別のタイプの出力装置(例えば、視覚出力装置、音響出力装置、又はそれらの組み合わせ)にしてもよい。いくつかの態様において、パルス比較器回路230及びLED235の両方として単一LEDが使用されてもよい。例えば、パルス同士の差が単一LEDの閾値電圧より大きいとき、LEDは電池内で異常が検知されたという視覚表示(例えば、点灯)を行うことができる。

0036

1つ以上の実施例において、パルス比較器回路230は、加算器回路又は重ね合わせ回路を含んで構成されている。1つ以上の実施例において、パルス比較器回路230は、比較の結果を相関させ、電池の動作を調整するための他の処理回路を含んで構成されている。1つ以上の実施例において、パルス比較器回路230の構成要素は、ハードウェアソフトウェア、又はその両方の組み合わせで実現することができる。

0037

いくつかの態様において、電気装置200は、遅延構成要素240を含むことができる。遅延構成要素240は、圧電セパレータ素子215の時定数によって決定される、入力パルスと出力パルスとの間の時間遅延補償するために使用することができる。遅延構成要素240は、遅延線を含んでも又は遅延線であってもよい。或いは、又はさらに、遅延構成要素240は、パルス発生器220からの入力パルスのコピーを保存することができ、入力パルスのコピーをコントローラ225に提供して、コントローラ225により入力パルスのコピーと出力パルスとの比較を可能にすることができる。

0038

パルス発生器220及びコントローラ225はテスト装置と呼んでもよい。このテスト装置は、電池の寿命の間中、電池に接続することができる。電池の第1の電極205及び第2の電極210は、テスト測定を行うための入力線及び出力線として使用することができる。

0039

いくつかの態様において、テスト装置は、数時間ごと、1日おきなど、定期的に通電/操作することができる。テスト装置を通電/操作する頻度は、用途に依存する可能性がある。コントローラ225は、電池に関連するデータ(例えば、入力パルスと出力パルスとの差)を、コントローラ225内にあるか又はそれ以外にコントローラ225にとってアクセス可能記憶装置(図示せず)に保存してもよい。入力パルスと出力パルスとの差は、経時的により明白に(例えば、より大きく)なり、電池を交換する必要があることを示す。いくつかの態様において、電池の閾値電圧又は電力レベルは、閾値レベルに達したか又はそれを超えた時にコントローラ225が自動的に電池の動作を停止するように、コントローラ225によって設定することができる。LED235は、電池をそれ以上使用することが安全ではないという視覚表示を(例えば、電池のユーザに)提供するために使用することができる。

0040

パルス発生器220は、電池の第1の電極205及び第2の電極210の間にパルスを印加するように構成することができる。1つ以上の実施例において、パルス発生器220はオンオフのスイッチであってもよい。1つ以上の実施例において、パルスは急峻な立ち上がり超短パルスであるとよい。パルスは、電池の第1の電極205及び第2の電極210の極性に抗して印加する(例えば、反対の極性化という意味で印加する)とよい。パルスの印加により圧電セパレータ素子215に反対の電界がかかり、圧電セパレータ素子215はかけられた電界に応じて機械的に変形する。この機械的変形(例えば、形状及び/又はサイズの変化)によって、パルスのエネルギが蓄えられる。このようなパルスは充電パルスと呼ぶことができる。パルスの印加が終了すると、圧電セパレータ素子215は弛緩し、電池の第1の電極205及び第2の電極210を通って順方向に伝わると共に、結果として、電池の電極205及び210又は電池のワイヤで検出可能な逆極性のパルスを発生する。圧電セパレータ素子215によって発生したパルスは放電パルスと呼ぶことができ、コントローラ225に提供される。いくつかの態様において、デンドライトの検知は、充電パルスと放電パルスとを比較し、2つのパルス間の差を検知することに基づいて行われる。例えば、上記比較は、2つのパルスを減算又は加算することにより、2つのパルスの形状、傾斜、及び/又はエネルギ含有量を比較することを含む。1つ以上の態様において、入力パルスは充電パルスにすることができる。1つ以上の態様において、出力パルスは放電パルスにすることができる。

0041

1つ以上の実施例において、電池の第1の電極205及び第2の電極210に印加される充電パルスは短パルスにすることができる。この短パルスは、マイクロ秒パルス又はナノ秒パルス(例えば、ギガヘルツ・パルス)にすることができる。充電パルスは、電池の負荷上に急峻なスパイク電流として現れるので、より高速でより高い周波数のパルスであるより短いパルスは、直流(DC)からより遠くに離れており、負荷及び電池によって形成されるDC回路の動作に対する充電パルスの影響が低減される。

0042

1つ以上の実施例において、圧電セパレータ素子215の共振周波数は、電池のAC動作のために電池のDC動作の影響を減らすべく高くなる(例えば、DCから離れる)ように選択するとよい。AC動作は、充電パルス及び放電パルスに関連する測定を含む。圧電セパレータ素子215の共振周波数は、圧電セパレータ素子215の寸法の関数である。いくつかの態様において、圧電セパレータ素子215は、何らかの材料の層であってもよく、圧電セパレータ素子215の共振周波数は、圧電セパレータ素子215の厚みの関数である。より薄い材料は、圧電セパレータ素子215のより高い共振周波数に関連付けられる。また、圧電セパレータ素子215の共振周波数は、圧電セパレータ素子215の圧電率の関数でもある。

0043

それにより電池のDC動作に対する影響を減らすための他の方法も可能である。例えば、充電パルス及び放電パルスに関連する測定による電池のDC動作に対する影響は、電池の極性に逆らうパルスを印加することによって低減することができ、それにより電解質の誘電率を増加することができる。他の例として、電池のDC動作に対する影響は、電池がコンデンサとみなされるとき、電池の固有周波数(例えば、共振周波数)のわずかな範囲内に測定サイクルを保持する単一パルスを印加することによって低減することができる。コントローラ225は、測定サイクル中の入力パルスをモニターすると共に、その測定サイクル中の出力パルスをモニターするように構成することができ、その測定サイクルは電池の共振周波数の一部分(又は共振周波数より小さいもの)である。

0044

1つ以上の実施例において、電気装置200はデンドライトの検知に使用される。いくつかの態様において、デンドライトが電池内に形成されているかどうか及びどの程度までデンドライトが形成されているかを判断することは、充電パルス及び放電パルスに関連する測定に基づいて行うことができる。デンドライトが成長するにつれて、電池の第1の電極205及び第2の電極210の静電容量が変化する。また、デンドライトは、圧電セパレータ素子215が応力エネルギを蓄えられる程度を機械的に制限し、圧電セパレータ素子215の機械リアクタンスを変化させる。静電容量及び機械リアクタンスの変化により、電池の電極及び圧電セパレータ素子215によって形成された電池の共振周波数は、デンドライトなしの電池の共振周波数に対してシフトする。静電容量及び機械リアクタンスの変化は、電池の共振周波数のシフトに関して付加的な影響を及ぼす可能性がある。

0045

上記したように、共振周波数のシフトは、入力パルスを出力パルスと比較すること、例えば、入力パルス(又は入力パルスの遅延バージョン)を出力パルスと重ね合わせて、入力パルスと出力パルスとの差を検出することによって、判断することができる。いくつかの態様において、入力パルスの形状、傾斜、又はエネルギ含有量を出力パルスの形状、傾斜、又はエネルギ含有量と比較してもよい。いくつかの態様において、この差は、入力パルスと出力パルスの総エネルギの差に基づいてもよい。いくつかの態様において、入力パルスと出力パルスの振幅の差及び/又は2つのパルス同士の傾斜(振幅の変化率)の差を使用して、電池の残りの寿命を推定することができる。

0046

図3は、1つ以上の実施例により、標準ケース及び異常ケースに対するパルスの加算結果を示している。標準ケースでは、入力パルスと出力パルスが互いに打ち消し合い、それにより電池内にデンドライトが全く形成されていないことを示す。異常ケースでは、入力パルスと出力パルスが互いに打ち消されていない。この場合、入力パルスと出力パルスとの違いの程度によって電池内でのデンドライトの成長の度合いに関する表示を提供することができる。例えば、パルス比較器回路(例えば、図2の230)がLEDである場合には、パルス比較器回路は(例えば、LEDの閾値電圧に基づく)カットオフ・エネルギを有している。したがって、それを使用して異常ケースの検知のトリガとすることができる。標準ケース又は異常ケースの検知のトリガとするために、他の閾値を使用することもできる。

0047

図4は、1つ以上の実施例による、図2に示されている電池を形成するために使用されるタンク回路を示している。タンク回路は、電池の第1の電極205及び第2の電極210からの容量性リアクタンスと、圧電セパレータ素子215からの機械リアクタンスとを含む。電池の第1の電極205及び第2の電極210は、タンク回路におけるコンデンサの極板を形成してもよい。入力パルスは、電池の第1の電極205及び第2の電極210に印加され、出力パルスは圧電セパレータ素子215から抽出される。タンク回路の共振周波数は、以下の式によって提供することができる。




ここで、Cは容量性リアクタンスであり、Lは機械リアクタンスである。

0048

共振周波数におけるタンク回路の動作は以下のように提供される。電気エネルギは、タンク回路のコンデンサ内に流れ込み、コンデンサ間の電界として蓄えられる。満充電のエネルギが蓄えられると、電界はそのエネルギを圧電セパレータ素子215内に放電し、圧電セパレータ素子215はそのエネルギを機械エネルギ(例えば、機械的ひずみ)として蓄える。すべての機械エネルギがこのように蓄えられた後、圧電セパレータ素子215は弛緩し、メカニカルチャージを放電してコンデンサに戻す。いかなる損失も発生しないと仮定すると、タンク回路内のエネルギは電界及び機械的ひずみを使用して絶えずやり取りすることができる。

0049

1つ以上の態様において、電池の第1の電極205及び第2の電極210は、タンク回路内のコンデンサの極板並びに圧電セパレータ素子215の電極の両方として機能する。加えて、第1の電極205及び第2の電極210は、測定システムのための入力線及び出力線(例えば、パルス発生器220に接続された入力線及びコントローラ225に接続された出力線)として機能してもよい。

0050

タンク回路は、電池の電極によって形成された容量性リアクタンスと圧電セパレータ素子の機械リアクタンスの小さな変化を測定するために使用することができ、その圧電セパレータ素子は、電極間で成長する1つ以上のデンドライトの存在によって発生する電極間の平均間隔の変化を検知するために、デンドライトの存在下ではエネルギ貯蔵能力が小さくなっている。従って、デンドライトが成長すると、タンク回路として動作する時の影響を増幅するように容量性リアクタンスと機械リアクタンスとのバランスが変化する。

0051

LC回路は、しばしばフィルタとして使用される。L/C比は、選択性尺度である回路の品質係数Qを決定する要因の1つである。所定の抵抗を有する直列共振回路の場合、インダクタンスが高く、静電容量が低いほど、フィルタの帯域幅が狭くなる。並列共振回路の場合、その反対が該当する。タンク回路周辺の正のフィードバック(regeneration)も選択性を増すことができる。回路の選択性が高いほど、(共振周波数の変化を引き起こす)デンドライトの存在に対する共振周波数の感度が高くなる。圧電装置の回路の誘導部分を変更すると、Qを大幅に高めることができ、従って、デンドライトによる容量性変化に対する感度を大幅に高めることができる。1つ以上の実施例において、単一デンドライトの発生及び成長が共振周波数の認識可能なシフトによって直ちに明らかになるように、非常に高く無限に近いQが望ましい。

0052

図5は、1つ以上の実施例による電池500の一例を示している。電池500は、図2に示されている電気装置200で使用することができる。電池500は、第1の電極505と、第2の電極510と、圧電セパレータ素子515と、1つ以上のバルキング・セパレータ素子(bulking separator element)520とを含む。バルキング材料を含むことは、任意選択であり、容量性リアクタンスの電極間の分離距離を圧電(例えば、機械)リアクタンスの厚さとは別々に最適化することができる。圧電セパレータ素子515及び1つ以上のバルキング・セパレータ素子520は、第1の電極505と第2の電極510との間に配置される。第1の電極505と第2の電極510との分離が電池内で固有の短絡を引き起こさないために十分なものになるように、1つ以上のバルキング・セパレータ素子520を使用することができる。各バルキング・セパレータ素子520は、圧電セパレータ素子515の上又は下に配置することができる。いくつかの態様(図示せず)において、いくつかのバルキング・セパレータ素子520が圧電セパレータ素子515の上に配置され、いくつかのバルキング・セパレータ素子520が圧電セパレータ素子515の下に配置されるように、バルキング・セパレータ素子520を散在させることができる。

0053

図6は、主題技術の様々な態様によるプロセス600の一例を示すフローチャートである。プロセス600の各ブロックは、示されている順番に実行する必要はない。描写されている順番は1つ以上の手法を例示したものであり、提示されている特定の順番又は階層に限定されるものではないことは言うまでもない。これらのブロックは再編成でき及び/又はこれらのブロックのうちの2つ以上を同時に実行することができる。

0054

ブロック605では、第1の電極(例えば、図2の205)と第2の電極(例えば、210)と圧電セパレータ素子(例えば、215)とを含む電池が提供される。ブロック610では、第1のパルスが第1の電極に印加される。第1のパルスはパルス発生器(例えば、220)によって発生させることができる。ブロック615では、第2のパルスが発生する。第2のパルスは、第1のパルス及び圧電セパレータ素子の電気特性に基づくものである。ブロック620では、第2のパルスが検出される。第2のパルスは、弛緩し、蓄えられた機械エネルギを放電する圧電セパレータ素子によって発生させることができる。ブロック625では、第1のパルスが圧電セパレータからの第2のパルスと比較される。比較の結果は、デンドライトが電池内に形成されているかどうかを判断すると共に、どの程度までデンドライトが電池内に形成されているかを判断する際に使用することができる。

0055

上記の主題技術の説明は、当業者が本明細書に記載されている様々な態様を実践できるようにするために提供されたものである。主題技術は様々な図及び態様に関連して詳細に記載されているが、これらは例示目的のみのものであり、主題技術の範囲を制限するものと解釈してはならない。

0056

主題技術を実現するために多くの他の方法が存在する可能性がある。本明細書に記載されている様々な機能及び要素は、主題技術の範囲を逸脱せずに、示されているものとは異なる区分にすることができる。これらの態様に対する様々な変更は当業者にとって容易に明らかになり、本明細書に定義されている包括的原理は他の態様に適用することができる。従って、主題技術の範囲を逸脱せずに、当業者により、主題技術に対して多くの変更及び修正を行うことができる。

0057

開示されているプロセスにおける各ステップの特定の順番又は階層は手法を例証する例示であることは言うまでもない。設計上の好みに基づいて、プロセスにおける各ステップの特定の順番又は階層を再編成できることは言うまでもない。各ステップのうちのいくつかは同時に実行することができる。

0058

上記で提供されている寸法の態様は例であり、1つ以上の実施例によりその寸法について他の値を使用できることは注目に値する。更に、上記で提供されている寸法の態様は一般に公称値である。当業者によって認識されるように、それぞれの寸法の態様はその寸法の態様に関連する許容差を有する。同様に、特徴間の距離に関連する態様も関連の許容差を有する。

0059

本明細書で使用するように、一連項目の前にあって、それらの項目のいずれかを分離するために「及び」又は「又は」という用語が付いている「のうちの少なくとも1つ」という語句は、そのリストのそれぞれの構成要素(即ち、それぞれの項目)ではなく、全体としてそのリストを修飾するものである。「のうちの少なくとも1つ」という語句は、リストされているそれぞれの項目のうちの少なくとも1つの選択を要求するものではなく、むしろ、この語句は、それらの項目のうちのいずれか1つのうちの少なくとも1つ、及び/又はそれらの項目の任意の組み合わせのうちの少なくとも1つ、及び/又はそれらの項目のそれぞれのうちの少なくとも1つを含むという意味を可能にするものである。一例として、「A、B、及びCのうちの少なくとも1つ」又は「A、B、又はCのうちの少なくとも1つ」はいずれも、Aのみ、Bのみ、又はCのみ、A、B、及びCの任意の組み合わせ、及び/又はA、B、及びCのそれぞれのうちの少なくとも1つを指す。

0060

単数形の要素に対する言及は、特にそのように指定されない限り、「唯一のもの」を意味するものではなく、むしろ「1つ以上」を意味するものである。「いくつかの」という用語は1つ又は複数を指している。下線付き及び/又はイタリック体の見出し及び小見出しは、便宜上使用されているだけであり、主題技術を限定するものではなく、主題技術の説明の解釈に関連して参照されるものではない。

0061

一態様、この態様、他の態様、いくつかの態様、1つ又は複数の態様、一実施例、この実施例、他の実施例、いくつかの実施例、1つ以上の実施例、一実施形態、この実施形態、他の実施形態、いくつかの実施形態、1つ以上の実施形態、一構成、この構成、他の構成、いくつかの構成、1つ以上の構成、主題技術、開示内容、本発明などの語句、並びにこれらの他の変形例などは、便宜上のものであり、このような語句(複数も可)に関連する開示内容が主題技術にとって不可欠なものであること又はこのような開示内容が主題技術のすべての構成に適用されることを意味するものではない。このような語句(複数も可)に関連する開示内容は、すべての構成或いは1つ又は複数の構成に適用することができる。このような語句(複数も可)に関連する開示内容は、1つ以上の例を提供することができる。一態様又はいくつかの態様などの語句は1つ以上の態様を指すことができ、逆の場合も可能であり、これは上記のその他の語句についても同様に適用される。

0062

「例示的」という単語は、「一例又は例示として機能すること」を意味するために本明細書で使用されている。「例示的」として本明細書に記載されている態様又は設計は必ずしも他の態様又は設計より好ましいか又は有利であると解釈すべきではない。

0063

発明全体を通して記載されている様々な態様の諸要素と構造上及び機能上同等であって、当業者にとって既知であるか又は後で既知のものになるものはいずれも、参照により明確に本明細書に取り入れられ、特許請求の範囲によって包含されるものである。その上、本明細書に開示されているものはいずれも、このような開示が特許請求の範囲に明示的に列挙されているかどうかにかかわらず、世間一般に提供されたものではない。いかなる請求要素も、その要素が「ための手段」という語句を使用して明確に列挙されていないか又は方法の請求項の場合にその要素が「ためのステップ」という語句を使用して列挙されていない限り、米国特許法第112条第6項の規定に基づいて解釈されるべきではない。更に、「含む」という用語は請求項内で過渡的単語として使用される時に解釈されるので、「含む」、「有する」などの用語は、説明又は特許請求の範囲において使用される範囲で、「含んで構成される」と同様に包括的なものである。

0064

開示されている各実施形態に関連して本発明について説明してきたが、当業者であれば、これらが本発明の例証に過ぎないことを容易に認識するであろう。本発明の精神を逸脱せずに様々な変更が可能であることを理解されたい。本発明は、これまでに記載されていないが、本発明の精神及び範囲に見合った任意の数の変形、変更、代用、又は同等の配置を取り入れるように変更することができる。更に、本発明の様々な実施形態について説明してきたが、本発明の各態様は記載されている各実施形態のうちのいくつかのみを含むことができることを理解されたい。従って、本発明は、上記の説明によって制限されるものと見なすべきではない。

0065

200電気装置
205 第1の電極(第1の導電電極)
210 第2の電極(第2の導電電極)
215圧電セパレータ素子(誘電セパレータ素子)
220パルス発生器
225コントローラ
240遅延構成要素

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