CN107004913A - 具有传感器的电池 - Google Patents

Abstract

本发明涉及包括电极材料(102a)、电解质材料(104)、电池充电传感器(106、206、306)的电池(100)，电池充电传感器包括具有在电池(100、200、401)内的感测体积(110、210、310)并在使用电磁辐射来照射时根据电池(100、200、401)的充电状态展示局域表面等离子体共振条件的等离子体感测元件(108、208、308)。进一步提供了用于确定电池的充电状态的系统和方法。

Description

具有传感器的电池

发明领域

本发明涉及包括电池充电传感器的电池。进一步提供了用于确定电池的充电状态的系统和方法。

发明背景

用于提供电的电池具有范围从消费者产品到如电动汽车的车辆、到例如结合太阳能电的电的大规模存储的广泛的应用。随着清洁能源和能量的清洁器使用的发展，电池的需要和使用对于静止和移动应用不断地增加，且电池领域以激烈的研究与发展为特征。

电池概括说来具有可再充电电池和不可再充电电池的两种类型。特别地但不是排他地，对于前一种电池，充电状态是在使用、存储和充电期间的特别重要的特性。电池的充电过程的细节很重要，因为它们可影响电池的操作及其寿命。在电池的使用期间控制并知道电池的充电状态的需要显然非常大，电池的充电状态又确定可从电池提取多少剩余的电力。例子是关于电动车辆的剩余驾驶距离和在例如重症监护室中在电力故障期间提供备用电力的电池的剩余操作时间的信息。

例如，当电池被完全充电时，电动汽车配备有针对某个驾驶范围的电池。在驾驶期间，驾驶员需要知道剩余驾驶距离是多长以及汽车是否可到达最终目的地或下一充电站。在电池的充电期间，人们可能想要知道电池何时被足够充电到用于某个驾驶距离。例如，出于不同的目的，如最短可能的充电时间或可选地优化电池的寿命的较平缓的充电，充电过程可能被改变并被优化。

由于上述原因，能够确定充电状态和/或控制充电过程和/或确定电池的质量是高度合乎需要的。

通常从直接测量变量估计电池的充电状态。在所谓的离线技术(例如库仑计数)中，电池以不变的速率被充电和放电，这提供电池的充电状态的估计，但这种技术是拖延的、昂贵的，并中断电池性能。因此，作出努力来找到所谓的在线技术来用于测量电池的充电状态。通常，存在用于确定电池的充电状态的几种方法，其可例如使用基于化学、电压、电流或压力的技术。

对电池的另一忧虑是安全方面。如果在使用期间的电力输出或在充电期间的充电电流太高，则可导致在电池中的太高温度，这又对电池或在其它情况下对某些电池类型可能是破坏性的，甚至导致火灾或爆炸。这产生对电池的温度控制的需要。

US 2014/0230783 A1公开了一种系统，其利用布置在电化学能量设备的部分内或其上的光学传感器来测量操作参数，例如机械应变和/或在充电/再充电循环期间的温度。

US 2014/0092375 A1公开了包括布置在能量存储设备的部分内或其上的一个或多个光纤电缆的监控和管理系统MMS。每个光纤电缆包括多个光学传感器。至少一个光学传感器配置成感测能量存储设备的参数，其不同于由多个光学传感器中的至少另一光学传感器感测的能量存储设备的参数。MMS包括配置成将光提供到一个或多个光纤电缆的光源和配置成检测由光学传感器反射的光的检测器。检测器基于反射光来产生电信号。处理器耦合成接收电信号，以分析电信号并基于电信号的分析来确定能量存储设备的状态。

然而，存在对用于确定充电状态和/或电池的温度和/或老化的更有效和可靠的方法的需要。

发明概述

本发明的目的是提供具有允许电池的充电状态被确定的电池充电传感器的电池。

根据本发明的第一方面，提供了一种电池。电池包括电极材料、电解质材料、电池充电传感器，电池充电传感器包括等离子体感测元件，该等离子体感测元件具有在电池内的感测体积并在使用电磁辐射来照射时展示取决于电池的充电状态的局域表面等离子体共振条件。

通过提供具有电池充电传感器的电池，提供了用于确定电池的充电状态的可靠的和稳定的布置。而且电池充电传感器是紧凑的，并具有低成本和低复杂性。

措辞“等离子体感测元件”应被解释为其中等离子体激元可被激发的感测元件。等离子体激元应在这里被理解为与电荷密度的局部集体振荡相关的等离子体激元振荡的量子。电荷可例如由电子提供。

措辞“局域表面等离子体共振LSPR”应被理解为在等离子体感测元件内的电荷载流子的激发态，电荷载流子可由光子或等效地由入射在等离子体感测元件上的光的电磁场激发。LSPR条件是与电荷密度的集体振荡相关的谐振条件和由于等离子体感测元件的有限尺寸产生的边界条件。因此，电荷密度波被形成为具有由等离子体感测元件的材料的电子特性、其几何形状、尺寸和围绕等离子体感测元件的环境的材料特性设定的频率/波长/能量。作为例子，如果等离子体感测元件是具有在50-100nm的范围内的直径的金纳米谷状物，则LSPR一般出现在电磁波长光谱的可见光部分中。

应进一步理解，LSPR出现在电磁辐射与等离子体感测元件交互作用时。因此，增强的局部电磁场在等离子体感测元件的附近区域中产生。增强的场的增强强度和空间广度取决于多个参数，例如等离子体感测元件的材料、尺寸、形状和环境。增强的电场是有益的，因为它提高等离子体感测元件的灵敏度，以便提供电池的充电状态的更有效感测。

措辞“感测体积”应被理解为由来自激发的局域表面等离子体共振的电磁场的空间扩展界定的体积。应理解，与感测体积有关的电磁辐射提供关于电池的充电状态的信息。因为该电磁场的空间扩展取决于等离子体感测元件的细节、取决于围绕等离子体感测元件的材料的特性和取决于与等离子体感测元件的几何形状有关的入射电磁场的方向，感测体积的体积取决于所有这些参数。为此目的，与激发的LSPR有关的电磁场远离等离子体感测元件逐渐地、常常近似指数地下落，使得感测体积一般具有在10-100nm的长度规模上的扩展。因此，等离子体感测元件提供在电池内的局部探测体积。

措辞“充电状态”应被解释为电池的容量。也被称为电荷的状态SOC的充电状态被定义为有进一步放电的余地的电池的全容量的百分比。充电状态通常用于调节电池的充电和放电。

换句话说，电池的充电状态与从积分电流方面来说可从电池提取的直到在电池中没有剩余有用的电荷时的电荷的数量有关，积分电流是电流相对时间的积分。完全充电的电池具有最大容量和由可从电池提取直到没有电荷留下时的电流对时间的积分表示的最大充电状态。在后一情况下，电池被完全放电。方便的标记是说完全充电的电池具有完全或实质上100％充电的充电状态。同样，方便的标记是说完全放电的电池具有完全放电或实质上0％充电的充电状态。当有用电荷的最大数量的一半保留在电池中时，它的充电状态实质上是50％充电。

等离子体感测元件可布置在电极材料内的预定深度处，以及其中等离子体感测元件的感测体积覆盖电极材料的一部分。

这是有利的，因为这个布置提供电池的充电状态的有效感测。这被实现，因为当电池被充电或放电时，电极材料的成分例如通过离子的插入或移除和/或通过将电极的材料从一个状态或成分转换成另一状态或成分的反应过程而改变。这样的组成变化与在电池的充电状态中的变化相关，并伴随有在组成改变的电极材料的介电常数中的变化。通过将等离子体感测元件布置在电极材料内的预定深度处使得感测体积完全或部分地与组成改变的电极材料重叠，电池的充电状态可被确定。换句话说，电池的充电状态改变电极材料的成分，这与电极材料的介电常数中的变化相关。在电极材料的介电常数中的变化进一步改变等离子体感测元件的局域等离子体共振条件。因此，可通过分析例如光谱峰值位置和/或与局域等离子体共振条件有关的消光峰值的振幅来确定电池的充电状态。

等离子体感测元件可布置在电解质材料内，且其中等离子体感测元件的感测体积覆盖电解质材料的一部分。

这是有利的，因为当电池被充电或放电时，电池电解质材料的成分一般通过在电解质材料中的离子浓度的增加或减小来改变。这样的电解质成分改变，这与在电池的充电状态中的变化有关，还伴随有在电解质的介电常数中的变化。通过将等离子体感测元件布置在电解质材料内使得等离子体感测元件的感测体积覆盖电解质材料的一部分，电池充电传感器将感测组成改变的电解质，即组成变化将引起在局域等离子体共振条件中的变化，例如光谱峰值位置或消光峰值的振幅。通过检测局域表面等离子体共振条件或对这个条件的变化，可确定电池的充电状态。

应注意，上述实施方式允许通过在电解质材料中或在电极材料中进行感测来对电池的充电状态进行单独分析。

电池充电传感器还可包括布置在等离子体感测元件的外表面处的分离层。

分离层应被理解为是保护电池充电传感器的等离子体感测元件免于与围绕等离子体感测元件的材料直接接触的一层。分离层因此可防止等离子体感测元件与在电池充电传感器的环境中的材料起反应。分离层还可防止等离子体感测元件与存在于电池中的液体、气体和/或固体材料起反应或从其周围的事物进入电池内。因而可进一步减轻结构再成形和/或其它反应例如等离子体感测元件的氧化或腐蚀。这是有利的，因为已知对等离子体感测元件的形状和/或尺寸和/或化学成分的变化可改变等离子体感测元件的局部表面等离子体激元条件。

根据本发明的布置可被描述为利用等离子体感测元件的间接感测。换句话说，电池充电传感器是间接的，因为等离子体感测元件与电池的周围环境分离。

应注意，分离层被制造得足够薄，使得LSPR的感测体积穿透分离层并感测在分离层外部的体积。

电池充电传感器的分离层可布置成使得等离子体感测元件的感测体积覆盖电极材料和/或电解质材料的一部分。

这是有利的，因为通过选择分离层的材料和/或尺寸，感测体积进入电极材料和/或电解质材料内的程度可被调节。

电池还可包括布置在屏蔽层内的额外等离子体感测元件，以及其中额外等离子体感测元件的感测体积在额外等离子体感测元件的屏蔽层内。

额外等离子体感测元件因而布置在受控和/或保护性环境内。

与分离层相反，屏蔽层应被理解为足够厚和/或具有材料特性的层，使得额外等离子体感测元件的感测体积在额外等离子体感测元件的屏蔽层内，即感测体积实质上不在屏蔽层之外延伸。局域等离子体共振条件于是只被等离子体感测元件其自身中的和/或屏蔽层中的、特别是它们的温度的变化但不是被电池的充电状态中的变化影响。这是有利的，因为使用屏蔽层，可以只测量温度。因此，可提供例如电池的温度的基准或校准，以便可提供更准确的电池充电传感器。

等离子体感测元件可以是圆盘、棒、线、椭圆形、多边形、三角形、球形、立方形、星形、在薄金属膜中的孔、纳米壳、核壳微粒、纳米谷状物或纳米环。

等离子体感测元件可包括半导体和/或金属。

应理解，半导体应包括多个自由电荷载流子，即电子和/或孔穴，使得半导体等离子体感测元件可提供LSPR条件。这可例如通过掺杂半导体来实现。

半导体材料可例如包括硅、锗、碳和/或III-V半导体材料。这些是在便于等离子体感测元件的制造的材料科学和半导体技术中的所有已知的材料，例如标准外延生长和处理技术可被使用。

金属可选自由Ag、Au、Cu、Al、Mg、Ni、Pd和Pt组成的组或包括从该组选择的至少一种金属的合金。

这些材料已知提供在电磁光谱的紫外-可见-近红外光UV-vis-NIR波长范围内的LSPR。因此，标准光学技术可用于激发并检测等离子体感测元件的LSPR。

可通过根据上面给出的等离子体感测元件的所公开的材料、形状和/或尺寸而变化来改变电池充电传感器的光学特性。因此，可调节LSPR条件，以便提供LSPR出现的、在期望波长范围内的特定的光波长。

分离层可包括选自包括金属氧化物、金属碳化物或金属氮化物、半导体氧化物或半导体氮化物或半导体碳化物、绝缘体和聚合物的材料的组的材料。这是有利的，因为可提供可保护等离子体感测元件的分离层。因此电池充电传感器的多用性增加了。

电池充电传感器还可包括可增加充电电池传感器的可靠性和精确度的多个等离子体感测元件。多个等离子体感测元件可被实现，因为很多类似的等离子体感测元件被放置在电池中的不同位置处，以便提供关于在这些不同位置处的充电状态和温度的信息，并因而给出电池充电状态或温度的更完整的描述。多个等离子体感测元件也可被实现为具有不同的感测特性的很多不同的等离子体感测元件，这些感测特性提供关于更详细的信息的优点和补偿或消除扰动信号的提高了的机会。

分离层可具有在0.5到150nm的范围内的厚度。这是有利的，因为因而提供了这样的分离层，其保护等离子体感测元件同时允许等离子体感测元件的感测体积覆盖在分离层外部的体积。等离子体感测元件可因而感测在分离层外部的位置处的电池的充电状态。

根据本发明的第二方面，提供了用于确定电池的充电状态的系统。系统包括：根据上述实施方式中的任一个所述的电池；电磁辐射源，其布置成照射电池充电传感器的等离子体感测元件，使得等离子体感测元件展示局域表面等离子体共振条件；以及检测器，其布置成检测与等离子体感测元件的局域表面等离子体共振条有关的电磁辐射；处理单元，其布置成分析所检测的电磁辐射以确定电池的充电状态。

用于确定电池的充电状态的系统因而可在感测电池的充电状态时利用电池充电传感器的可靠性和鲁棒性。此外通过检测与等离子体感测元件的局域表面等离子体共振条件有关的电磁辐射来提供用于监控LSPR和LSPR的变化的有效系统。电池充电传感器还可使用例如常规光学特征化技术例如透射和/或反射测量来提供电池的充电状态的远程实时感测。

根据本发明的第三方面，提供了用于确定电池的充电状态的方法。该方法包括提供根据上述实施方式中的任一个所述的电池，借助于电磁辐射源照射电池充电传感器的等离子体感测元件，使得等离子体感测元件展示局域表面等离子体共振条件，借助于检测器检测与等离子体感测元件的局域表面等离子体共振条件有关的电磁辐射，借助于处理单元分析所检测的电磁辐射来确定电池的充电状态。

通常，本发明的第二方面和第三方面的特征提供了与本发明的第一方面有关的如上面讨论的类似优点。

当研究所附权利要求和下面的描述时，本发明的另外的特征和优点将变得明显。技术人员将认识到，本发明的不同特征可组合以产生除了在下文中所述的实施方式以外的实施方式，而不偏离本发明的范围。

附图的简要说明

现在将参考示出本发明的实施方式的附图更详细描述本发明的这个和其它方面。附图不应被考虑为将本发明限制到特定的实施方式；替代地，它们用于解释并理解本发明。

图1是根据本发明的一个实施方式的电池的示意顶视图。

图2是根据本发明的另一实施方式的电池的示意顶视图。

图3是根据本发明的一个实施方式的用于确定电池的充电状态的系统的示意图。

图4是示出根据本发明的一个实施方式的用于确定电池的充电状态的方法的示意流程图。

详细描述

下文现在将参考附图更充分描述本发明，其中示出本发明的当前优选的实施方式。然而本发明可体现在很多不同的形式中，且不应被解释为被限制到本文阐述的实施方式；更确切地，这些实施方式是为了彻底性和完整性而被提供，且将本发明的范围充分传达给技术人员。

本发明的基本思想是提供具有电池充电传感器的电池，使得电池的充电状态可被确定。通过提供具有电池充电传感器的电池，提供了用于确定电池的充电状态的可靠的和稳定的布置。电池充电传感器此外是紧凑的并具有低成本和低复杂性。

接下来，将参考图1描述根据本发明的实施方式的电池100。图1示出电池100的顶视图。电池100包括具有电极材料102a和102b的两个电极、电解质材料104和电池充电传感器106。电池充电传感器106包括等离子体感测元件108，其具有在电池100内的感测体积110并在使用电磁辐射来照射时根据电池100的充电状态展示局域表面等离子体共振条件。

作为例子，电池可以是铅(铅酸)电池。对于这样的电池，当它被较少充电或完全放电时，电极材料102a和102b比当电池被较多充电或完全充电时包括硫酸铅PbSO4的更大部分。相应地，对于较多充电或完全充电的电池，阳极电极材料102a包括氧化铅PbO2，且阴极电极材料102b比对于较少充电或完全放电的电池在更大程度上包括铅Pb。

对于较少充电或完全放电的电池，电解质材料104基本上转换成水，而对于较多充电或完全充电的电池，电解质材料104基本上转变成硫酸H2SO4。因为电极材料102a和102b以及还有电解质材料104都在成分上和它们的各自介电常数根据电池的充电状态而改变，本发明允许通过利用等离子体感测元件探测电极和电解质材料来确定电池的充电状态。

应注意，探测电极材料和电解质材料是有利的，因为不同的材料可携带关于电池的充电状态的局部信息，该局部信息可以是补充的。

本发明不限于上面公开的电池类型，且电池可以例如是锂离子电池或金属氢化物电池。对于锂离子电池，充电和放电由锂离子到阳极电极材料和阴极电极材料内的插入或从阳极电极材料和阴极电极材料的提取来表示，其中伴随有电解质材料的变化。

在上面给出的例子中，等离子体感测元件是金圆盘。圆盘可具有在范围5-500nm的范围内的圆盘直径。等离子体感测元件的高度也可在5-100nm的范围内变化。

根据其它实施方式，等离子体感测元件108可具有不同的形状和尺寸。

而且，进一步提供了由紧凑的二氧化硅SiO2构成的分离层112，见图1。选择上面给出的这些材料，以便提供包括等离子体感测元件108的有效的电池充电传感器106，等离子体感测元件108具有LSPR条件，使得它们的谐振出现在电磁光谱的可见光或近可见光区中。将在下文中例示本发明的其它实施方式。

可通过在纳米技术中的很多不同的公认方法来制造等离子体感测元件。用于制造等离子体感测元件的方法的例子是电子束光刻法、冲压、压印、胶体光刻法和被称为孔掩模光刻法的特殊版本。方法的选择取决于例如等离子体感测元件的尺寸、形状、材料以及等离子体感测元件是否例如沉积在衬底上。方法的选择还取决于成本方面。

应注意，感测体积110是由来自激发的局域表面等离子体共振LSPR的电磁场的空间扩展界定的体积。应理解，与感测体积110有关的电磁辐射提供关于电池100的充电状态的信息。因为电磁场的空间扩展取决于等离子体感测元件106的细节、取决于围绕等离子体感测元件的材料的特性和取决于与等离子体感测元件106的几何形状有关的入射电磁场的方向，感测体积110的体积取决于所有这些参数。为此目的，与激发的LSPR有关的电磁场远离等离子体感测元件106逐渐地、常常近似指数地下落，使得感测体积一般具有在10-100nm的长度规模上的扩展。因此，等离子体感测元件106提供在电池100内的局部探测体积。

分离层112是同时分离感测元件与外部化学品或材料并防止等离子体感测元件与这样的材料和气体起反应或被这样的材料和气体修改的一层。分离层足够薄，使得来自LSPR激发的电磁场在分离层外部延伸并感测在分离层112外部的介质变化。换句话说，感测体积110在分离层112外部延伸。

分离层112可以是满足上面给出的要求的任何介质材料，例如金属氧化物、氮化物或碳化物或聚合物或其它材料。通过各种薄膜沉积方法例如物理气相沉积方法PVD、化学气相沉积CVD方法、电化学方法例如电沉积或阳极氧化方法或旋涂方法来沉积分离层112。存在也可被使用的用于薄膜沉积或层沉积的多种其它的或专用的方法，例如原子层沉积ALD和原子层外延ALE。

根据其它实施方式，等离子体感测元件可相对于电极和电解质布置在不同的位置处，以便得到关于电池的电荷状态的补充信息。例如，等离子体感测元件可放置在电极材料的表面上并设置有分离等离子体感测元件与电极材料的第一分离层。而且，比第一分离层厚的第二分离层可布置在与电极材料的表面相对地布置的等离子体感测元件的表面上。通过这个布置，等离子体感测元件的感测体积可布置成使得它与电极材料重叠，但不与电解质材料重叠。这导致等离子体感测元件可感测并检测例如电极材料的材料成分或材料成分中的变化例如介电常数的变化，但不是在电解质材料的成分或成分中的变化。

根据另一实施方式，等离子体感测元件可布置成使得较厚的第二分离层布置在感测元件和电极材料之间，而较薄的分离层布置在等离子体感测元件和电解质材料之间。这个布置允许感测电解质材料的材料成分和/或材料成分中的变化。

根据又一实施方式，多个等离子体感测元件被提供并布置成使得电解质材料和电极材料的材料成分和/或材料成分中的变化被感测到。因此，可在电池中的不同位置处提供关于电池的充电状态的信息。

再次参考图1，电池100还包括布置在屏蔽层116内的额外等离子体感测元件114。屏蔽层116布置成使得额外等离子体感测元件114的感测体积118在额外等离子体感测元件114的屏蔽层116内。

屏蔽层的作用是将感测体积限制为位于在屏蔽层内部的体积内。因此，来自LSPR的电磁场不到达屏蔽层外部，且因此在屏蔽层外部的介质材料的材料成分或材料成分中的变化不被感测到。这允许例如仅测量温度而没有来自其它变化的干扰，因为等离子体感测元件的LSPR条件可通过温度中的变化而改变。屏蔽层可以是实现与分离层相同的功能的任何材料，因为它防止在周围事物和额外等离子体感测元件之间的任何交互作用或反应，但此外足够厚，使得在屏蔽层外部的变化未被感测到。因此，然后经由温度对LSPR条件的影响来感测与感测层本身的温度和屏蔽层的温度有关的变化。如果屏蔽层的介电常数被选择为使得它的介电常数高度取决于温度，温度敏感度可增强。

当经由电极材料变化和/或经由电解质变化而感测电池充电状态变化时以及此外还当感测电池温度时，电池充电传感器因而可利用电池传感器的可靠性和鲁棒性。此外通过检测由电池充电传感器散射和/或反射和/或通过电池充电传感器透射的电磁辐射，来提供用于监控LSPR和LSPR的变化的有效系统。电池充电传感器还可使用例如常规光学特征化技术例如透射和/或反射测量来提供远程实时电池感测。当电池充电状态经由电极材料变化和/或经由电解质变化而改变时以及此外感测电池温度时，电池充电传感器因而可利用等离子体感测元件的可靠性和鲁棒性。

根据另一实施方式，电池充电传感器还可包括可增加电池充电传感器的可靠性和精确度的多个等离子体感测元件。包括多个等离子体感测元件的电池充电传感器可被称为复用电池充电传感器。

为了这个目的，复用在这里应被理解为多个等离子体感测元件，其中每个等离子体感测元件可在它对它意欲测量的充电状态的响应方面稍微不同。可例如通过将很多不同的等离子体感测元件放置在电池充电传感器中来实现复用，其中每个等离子体感测元件经由例如在电池内的材料(例如电极材料和电解质材料)的材料成分中的变化而具有对在电池的充电状态中的变化的不同响应。

根据另一实施方式，电池充电传感器可包括额外的感测元件，其具有屏蔽层和具有在电极材料和相应的感测元件之间的分离层的等离子体感测元件。在这样的布置中，额外的等离子体感测元件可以只测量温度，而等离子体感测元件可测量温度和电池充电状态的组合效应。通过使用来自只测量温度的额外感测元件的信息，也许可能对温度效应补偿来自等离子体感测元件的信号，使得电池的充电状态可以以更好的准确度来得到。这个原理可进一步扩展到包括多个不同的感测元件，其中每个测量一个或几个特性以及其中来自多个传感器元件的至少一部分的组合信息可用于通过该复用方法来提取关于电池的充电状态的特定的期望信息。

对复用的一个原因是测量很多不同的量，其一起给出关于电池充电状态的更精确信息。例如，如果电池充电传感器具有感测体积扩展到电池的不同部分的很多不同的等离子体感测元件，则如一个等离子体感测元件只感测电解质材料，一个只感测电极材料，而一个额外的等离子体感测元件不感测这些材料中的任一个但通过屏蔽层的使用而只感测温度，这是三联法的例子。

图2示出根据本发明的另一实施方式的电池200。电池200包括两个电极材料102a和102b、电解质材料104和两个电池充电传感器206和306。电池充电传感器206包括布置在电极材料102a内的预定深度处的等离子体感测元件208，以及其中等离子体感测元件208的感测体积210覆盖电极材料102a的一部分。电池充电传感器206还包括分离层112。

本领域中的技术人员应认识到，电极材料102a和102b可以是相同的材料或不同的材料，取决于电池的类型。

电池电极是电池的基本结构基石。当电池的充电状态改变时，电池电极的成分和介电常数也改变。因此，排他地测量电池电极的变化的LSPR测量是有价值的，且在很多情况下足以得到期望充电状态信息。

当电池未完全充电且未完全放电时，电池电极在它的成分上不是同质的。如果电池电极的局部成分在很多不同的位置处例如在电池电极内的不同预定深度处被测量，则其因此可能是有利的，且其提供关于电池充电状态的更精确信息，。这可以用很多不同的方式实现。一种方式是将等离子体感测元件插在电池电极内的不同预定深度处。另一方式是用电极材料的楔形涂层涂覆等离子体感测元件，使得感测元件的每个位置具有在等离子体感测元件和电解质材料之间的电极材料的不同电极厚度。光学照明和检测系统然后布置成使得得到关于不同的楔厚度的局部/空间信息。

电池200还包括等离子体感测元件308，其布置在电解质材料104内，以及其中等离子体感测元件308的感测体积310覆盖电解质材料104的一部分。这是有利的，因为电池的充电状态取决于电解质成分。例如，在铅酸电池中，当电池从完全充电转变到完全放电的过程中，成分从基本上硫酸改变成基本上水。如果等离子体感测元件放置成使得它的感测体积与电解质重叠，则电解质的这个成分变化伴随有可由LSPR测量的介质变化。只对电解质的测量因此可提供关于电池的充电状态的足够信息。

应注意，根据其它实施方式，电池充电传感器可以不包括分离层。这简化了电池充电传感器的制造。

根据另一实施方式，电池充电传感器包括等离子体感测元件的布置，使得它们测量在一个或几个电极上的很多不同位置处的充电状态。这代表优点，因为充电状态可在电池电极上的不同位置处和在不同的电极之间改变。

等离子体感测元件可根据其它实施方式被成形为棒、线、椭圆形、多边形、三角形、球形、立方形、星形、在薄金属膜中的孔、纳米壳、核壳微粒、纳米谷状物或纳米环。

应注意，额外等离子体感测元件可包括与上面关于等离子体感测元件公开的相同的材料并具有相同的形状。

等离子体感测元件可包括半导体和/或金属。应理解，半导体包括多个自由电荷载流子，即电子和/或孔，使得基于半导体的等离子体感测元件可提供LSPR条件。这可例如通过半导体的掺杂来实现。半导体材料可例如包括硅、碳和/或III-V半导体材料。这些是在便于电池充电传感器的制造的材料科学和半导体技术中的所有已知的材料，例如标准外延生长和处理技术可被使用。

金属还可选自包括Ag、Au、Cu、Al、Mg、Ni、Pd和Pt的组或包括从该组选择的至少一种金属的合金。这些材料已知提供在电磁光谱的紫外-可见-近红外光UV-vis-NIR波长范围内的LSPR。因此，标准光学技术可用于激发并检测等离子体感测元件的LSPR，这简化了在LSPR条件中的变化的检测。

本领域中的技术人员应理解，也可使用提供LSPR的其它金属。

本领域中的技术人员还认识到，可通过根据所公开的材料改变上面给出的等离子体感测元件的形状和/或尺寸来改变电池充电传感器的电磁特性。因此，可调节LSPR条件，以便提供出现LSPR的、在期望波长范围的特定的光波长。

为此目的，电池充电传感器可包括不同材料的并具有不同的形状和/或尺寸的多个等离子体感测元件。相应地，不同等离子体感测元件的LSPR可以是不同的，这简化了不同等离子体感测元件的识别和分析。

图3示出根据本发明的一个实施方式的用于确定电池100的充电状态的系统400。系统包括：电池100；电磁辐射源402，其布置成照射电池充电传感器106的等离子体感测元件108，使得等离子体感测元件108展示局域表面等离子体共振条件。系统400还包括：检测器404，其布置成检测与等离子体感测元件108的局域表面等离子体共振条件有关的电磁辐射；以及处理单元406，其布置成分析所检测的电磁辐射以确定电池100的充电状态。

处理单元406可相应地用于确定与等离子体感测元件的LSPR条件有关的散射和/或反射和/或透射光。用于确定电池的充电状态的系统400因而可在确定电池100的充电状态时利用电池充电传感器的可靠性和鲁棒性。此外通过检测由电池充电传感器散射和/或反射和/或通过电池充电传感器透射的电磁辐射来提供用于监控LSPR和LSPR的变化的有效系统

应注意，用于确定电池的充电状态的系统可布置成通过使用在空间上和/或在光谱上解析的光谱和/或成像技术来监控等离子体感测元件和/或多个等离子体感测元件的至少一个LSPR。

用于照射电池充电传感器106的电磁辐射源402可以是宽带照明源，例如包括在紫外到红外波长范围内的电磁辐射的白光。这样的照明源提供对电池充电传感器106的等离子体感测元件的LSPR的有效的激发和光谱分析。电磁辐射源402进一步使使用常规光学部件(例如透镜和反射镜)变得可能，并允许简单和较不昂贵的仪器。作为例子，标准硅检测器可用于检测LSPR和LSPR的变化。

使用用于确定电池100的充电状态的系统400，由电池充电传感器106反射和/或通过电池充电传感器106透射的光由检测器404获取。通过使用处理单元406和常规方法来得到与等离子体感测元件108的LSPR的激发有关的消光光谱(未示出)，以例如标准化来自电磁辐射源402的光。

消光光谱具有从对等离子体感测元件108、在电池401中使用的材料和电池401的充电状态的选择产生的典型特征。消光光谱可通过参数(例如光谱的中心波长和峰值强度以及半高宽)来描述。半高宽例如与等离子体感测元件108的LSPR的减弱有关。可通过分析消光光谱由处理单元406确定参数，且从这些中可确定电池的充电状态。可根据一个实施方式使用电池的至少一个已知的充电状态来校准系统。

本领域中的技术人员将认识到，其它类型的光学过程，例如散射和吸收，可替代地被监控，以便检测LSPR条件，使得电池的充电状态可被确定。

应注意，在其它实施方式中，可从下列项中的至少一个来确定充电状态：谐振频率的特殊位置、光学横截面的振幅和LSPR条件的减弱或对这些中的任一个的变化。电磁辐射源402也可提供单色光，其可通过使用宽带源和光纤或单色仪或窄带发光二极管或激光器来得到。

电磁辐射源402此外可布置成照射电池充电传感器的额外等离子体感测元件，使得额外等离子体感测元件展示局域表面等离子体共振条件。

图4是示出用于确定根据本发明的一个实施方式的电池的充电状态的方法500的示意流程图。该方法包括提供502根据上述实施方式中的任一个的电池，借助于电磁辐射源照射504电池充电传感器的等离子体感测元件，使得等离子体感测元件展示局域表面等离子体共振条件，借助于检测器检测506与等离子体感测元件的局域表面等离子体共振条件有关的电磁辐射，借助于处理单元分析508所检测的电磁辐射以确定电池的充电状态。

该方法还包括下列步骤：借助于电磁辐射源照射电池充电传感器的额外等离子体感测元件，使得额外等离子体感测元件展示局域表面等离子体共振条件，以及借助于检测器检测与额外等离子体感测元件的局域表面等离子体共振条件有关的电磁辐射。

通常，根据本发明的方法的特征，提供与上面关于包括电池充电传感器的电池和上述用于确定电池的充电状态的系统所讨论的类似的优点。

本领域中的技术人员认识到，本发明决不限于上面所述的优选实施方式。相反，很多修改和变化可能在所申请的权利要求的范围内。

此外，从附图、本公开和所附权利要求的学习，对所公开的实施方式的变化可由技术人员在实施所主张的发明时理解和实现。而且，在附图和说明书中，公开了本发明的优选实施方式和例子，且虽然使用特定的术语，但是它们仅在一般和描述性意义上被使用，而不是为了限制的目的，本发明的范围在下面的权利要求中被阐述。在权利要求中，词“包括”并不排除其它元素或步骤，以及不定冠词“a”或“an”并不排除多个。

Claims (13)

1.一种电池(100、200、401)，包括：

电极材料(102a)，

电解质材料(104)，

电池充电传感器(106、206、306)，其包括等离子体感测元件(108、

208、308)，所述等离子体感测元件(108、208、308)具有在所述电池(100、

200、401)内的感测体积(110、210、310)并在使用电磁辐射来照射时展示取决于所述电池(100、200、401)的充电状态的局域表面等离子体共振条件。

2.如权利要求1所述的电池，其中所述等离子体感测元件(208)布置在所述电极材料(102a)内的预定深度处，以及其中所述等离子体感测元件(208)的所述感测体积(210)覆盖所述电极材料(102a)的一部分。

3.如权利要求1所述的电池，其中所述等离子体感测元件(308)布置在所述电解质材料(104)内，以及其中所述等离子体感测元件(308)的所述感测体积(310)覆盖所述电解质材料(104)的一部分。

4.如权利要求1到3中的任一项所述的电池，其中所述电池充电传感器(106、206、306)还包括布置在所述等离子体感测元件(108、208、308)的外表面处的分离层(112)。

5.如权利要求4所述的电池，其中所述电池充电传感器(106、206、306)的所述分离层(112)布置成使得所述等离子体感测元件(108、208、308)的所述感测体积(110、210、310)覆盖所述电极材料(102a)和/或所述电解质材料(104)的一部分。

6.如权利要求1到5中的任一项所述的电池，还包括布置在屏蔽层(116)内的额外等离子体感测元件(114)，以及其中所述额外等离子体感测元件(114)的感测体积(118)在所述额外等离子体感测元件(114)的所述屏蔽层(116)内。

7.如权利要求1到6中的任一项所述的电池，其中所述等离子体感测元件(108、208、308)是圆盘、棒、线、椭圆形、多边形、三角形、球形、立方形、星形、在薄金属膜中的孔、纳米壳、核壳微粒、纳米谷状物或纳米环。

8.如权利要求1到7中的任一项所述的电池，其中所述等离子体感测元件(108、208、308)包括半导体和/或金属。

9.如权利要求8所述的电池，其中所述金属选自包括Ag、Au、Cu、Al、Mg、Ni、Pd和Pt的组或包括从所述组选择的至少一种金属的合金。

10.如权利要求4到9中的任一项所述的电池，其中所述分离层(112)包括选自包括下列项的材料的组中的材料：金属氧化物、金属碳化物或金属氮化物、半导体氧化物或半导体氮化物或半导体碳化物、绝缘体和聚合物。

11.如权利要求1到10中的任一项所述的电池，其中所述分离层(112)具有在0.5到150nm的范围内的厚度。

12.一种用于确定电池的充电状态的系统(401)，包括：

根据权利要求1到11中的任一项所述的电池(100)；

电磁辐射源(402)，其布置成照射所述电池充电传感器(106)的等离子体感测元件(108)，使得所述等离子体感测元件(108)展示局域表面等离子体共振条件；以及

检测器(404)，其布置成检测与所述等离子体感测元件(108)的所述局域表面等离子体共振条件有关的电磁辐射；

处理单元(406)，其布置成分析所检测的电磁辐射以确定所述电池(401)的充电状态。

13.一种用于确定电池的充电状态的方法，所述方法(500)包括：

提供(502)如权利要求1到11中的任一项所述的电池，

借助于电磁辐射源照射(504)电池充电传感器的等离子体感测元件，使得所述等离子体感测元件展示局域表面等离子体共振条件，

借助于检测器检测(506)与所述等离子体感测元件的所述局域表面等离子体共振条件有关的电磁辐射，

借助于处理单元分析(508)所检测的电磁辐射以确定所述电池的充电状态。