CN112097873A - 用于同时确定复合片材的重量的装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种测量装置(100)，该测量装置包括β射线计量器(110)，该β射线计量器用于从包括片材材料(180a)的复合片材(180)生成第一传感器响应信号，该片材材料具有在其上的包括高z材料的涂层(180b)，或者该片材材料具有嵌入在片材材料中的包括高z材料的颗粒(180c)。作为x射线或红外(IR)传感器的第二传感器(120)从复合片材提供第二传感器响应信号。计算设备(150)被耦接以接收第一传感器响应信号和第二传感器响应信号，该计算设备包括用于实现算法的具有相关联存储器(152)的处理器(151)，该算法使用第一传感器响应信号和第二传感器响应信号来同时计算两个或更多个重量测量，该重量测量选自(i)高z材料的每单位面积的重量，(ii)片材材料的每单位面积的重量，以及(iii)复合片材的每单位面积的总重量。
Description
技术领域
公开的实施方案涉及用于测量涂覆片材材料的重量的装置。
背景技术
陶瓷涂覆的聚乙烯(PE)或聚丙烯(PP)分隔体膜是用于锂离子电池(LiBs)的性能的重要成分。分隔体膜提供阴极和阳极之间的离子可渗透屏障。这些膜是多孔的，并且如果未涂覆的话，则通常在约120℃的温度下开始降解，从而导致LiB短路并因此失效。已知在膜上施加的陶瓷涂层(例如，Al2O3)有助于将分隔体的温度稳定性提高到多达约200℃。在高温下，涂覆分隔体变得不可渗透，这妨碍了其操作，但这也防止了热失控事件。
发明内容
提供本发明内容以介绍简化形式的公开概念的简要选择，其在下文包括附图的具体实施方式中被进一步描述。该发明内容不旨在限制所要求保护的主题的范围。
公开的实施方案认识到工业(诸如LiB工业)需要一种成本有效的解决方案以便同时确定高z材料的重量和分隔体膜的重量，使得可以独立地控制这些参数。公开的方面包括用于同时确定两个或更多个重量测量的测量装置，这些重量测量包括(i)高z材料的每单位面积的重量，该高z材料可以是以片材材料上的涂层和/或嵌入在片材材料中的高z颗粒的形式，(ii)片材材料的每单位面积的重量，以及(iii)复合片材的每单位面积的总重量。一种特定的布置方式是在其上具有高z涂层的LiB分隔体膜。
公开的方面包括一种测量装置，该测量装置包括β射线计量器，该β射线计量器用于从包括片材材料的复合片材生成第一传感器响应信号，该片材材料具有在其上的包括高z材料的涂层，或者该片材材料具有嵌入在片材材料中的包括高z材料的颗粒。包括x射线传感器或红外(IR)传感器的第二传感器用于从复合片材材料提供第二传感器响应信号。计算设备被耦接以接收第一传感器响应信号和第二传感器响应信号，该计算设备包括用于实现算法的具有相关联存储器的处理器，该算法使用第一传感器响应信号和第二传感器响应信号来同时计算两个或更多个重量测量。重量测量选自(i)高z材料的每单位面积的重量，(ii)片材材料的每单位面积的重量，以及(iii)复合片材的每单位面积的总重量。
附图说明
图1描述了用于同时确定两个或更多个重量测量的示例性测量装置，这些重量测量包括(i)高z材料的每单位面积的重量，(ii)片材材料的每单位面积的重量，以及(iii)复合片材的每单位面积的总重量。
图2描述了用于同时确定两个或更多个重量测量的另一个示例性测量装置，这些重量测量包括(i)高z材料的每单位面积的重量，(ii)片材材料的每单位面积的重量，以及(iii)复合片材的每单位面积的总重量。
具体实施方式
参考附图描述了公开的实施方案，其中在所有附图中使用相同的附图标号来表示类似或等同元件。附图未按比例绘制，并且其仅提供用于说明某些公开的方面。下面参考用于说明的示例性应用来描述若干公开的方面。应当理解，阐述了许多具体细节、关系和方法以提供对所公开实施方案的完全理解。
公开的测量装置包括用于同时测量两个或更多个重量测量的两个传感器，该公开的测量装置包括β射线计量器和第二传感器，该第二传感器包括透射x射线或基于透射或反射的IR传感器。重量测量选自(i)高z材料的每单位面积的重量，(ii)片材材料的每单位面积的重量，以及(iii)复合片材的每单位面积的总重量。图1描述了示例性公开测量装置100，其中示为180的复合片材被示为包括片材材料180a上的涂层180b(包括高z材料)，并且高z材料也被示为片材材料180a中的嵌入颗粒180c。片材材料180a可以包括由为至少5％的孔隙率限定的多孔片材材料，该孔隙率是空隙空间的百分比除以片材材料的总体积，其中片材材料的孔隙率通常为40％至70％。
测量装置100被配置为同时测量复合片材180的多个重量。如上所述，这些重量是(i)高z材料的每单位面积的重量，(ii)片材材料的每单位面积的重量，以及(iii)复合片材180的每单位面积的总重量。涂层180b中的高z材料在本文中被限定为具有至少一种原子种类，其原子序数至少是原子序数为13的铝的原子序数。扫描器头160包括顶部扫描头160a和底部扫描头160b，该扫描器头在其中具有两个传感器，这些传感器中的一个是β射线计量器110以及包括x射线传感器或IR传感器的第二传感器120。在涂层180b已经被施加到片材材料180a之后，扫描器头160用于扫描复合片材180上方的传感器110、120。β射线计量器110提供针对复合片材180的总重量的几乎成分不敏感的测量，该复合片材大体为平坦(平面)片材。
本领域中已知的β射线计量器是用于基于材料对β射线的吸收来测量材料的厚度或重量的设备，β射线是由某些放射性材料的放射性衰变发出的快速移动电子。β射线计量器包括β射线辐射源(诸如Kr-85、Sr-90、Pm-147)，并且是具有与β射线源相对定位的辐射检测器(或接收器)的基于透射的传感器，其可以测量各种材料(诸如塑料、纸和金属及相关联复合材料)的厚度或重量。
第二传感器120提取用于确定涂层180b和/或片材材料中的嵌入颗粒180c的重量的信息。在第二传感器120包括x射线传感器的情况下，x射线传感器用于测量透射x射线，其中x射线吸收与原子序数(Z)成比例并且因此对高Z材料最敏感。该第二传感器120测量提供了对涂层180b的重量最敏感的测量，该涂层可以是陶瓷涂层。具体地，在x射线传感器的情况下，x射线测量对于涂层180b的重量的敏感度通常比对于片材材料180a的重量的敏感度高约10倍，该片材材料对于LiB通常是塑料膜。
如上所述，第二传感器120也可以是IR传感器，该第二传感器可以包括图1所示的基于透射的传感器或图2所示的基于反射的传感器。可以选择IR传感器内的光谱滤光器，使得它们覆盖片材材料180a的吸收带。以此方式，IR传感器对于片材材料180a的重量(也称为基部层重量)最敏感。
如上所述可以是X射线传感器或IR传感器的第二传感器120都被示为透射传感器，并且因此具有分别示为发射器(Tx)120a和接收器(Rx)120b的上半部和下半部。IR传感器可以替代地是图2所示的反射传感器，但x射线传感器总是通常为透射传感器。
复合片材180可以包括平坦聚合物片材上的高z材料涂层180b，并且高z材料也可以被设置为片材材料180a中的嵌入颗粒180c。高z材料颗粒可以是陶瓷，诸如Al2O3、SiO2或ZrO2。包括高z材料的涂层(尽管陶瓷颗粒本身不是多孔的)当涂层的成分可以再次是多孔的时，其中具有高z材料颗粒的涂层在本文中被限定为其空隙空间除以具有开孔结构的涂层的总体积的百分比是至少5％，使得离子可以流过涂层和下面基底(例如，膜)的厚度。
片材材料180a可以包括聚合物或聚合物层(例如，聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP))。涂层180b通常不只包括高z陶瓷颗粒；而且通常还包括粘结剂材料。这些粘结剂材料可能对于辅助传感器测量技术具有交叉敏感性(例如，对于IR传感器，它们可能具有某种重叠的IR特征)。在计算每单位面积的相应重量时，通常应考虑这些交叉敏感性的影响。尽管当前陶瓷颗粒(嵌入粘结剂中)作为单面或双面涂层进行施加(如上所述)，但本公开还包括对涂覆片材材料的重量测量，这些涂覆片材材料包括陶瓷颗粒作为片材材料180a本身内的嵌入颗粒180c。
通常对β射线计量器进行校准以测量复合片材180的总重量。由于对片材材料180a的敏感性，通常不对x射线计量器进行校准以独立地测量涂层180b。类似地，由于对粘结剂和涂层180b的存在的敏感性，通常不对IR计量器进行校准以独立地测量片材材料180a。通常使用多维算法将x射线计量器信号与β射线计量器信号组合以提供对涂层180b的准确测量。类似地，将IR计量器信号与β射线计量器信号组合以提供对片材材料重量180a的准确测量。
使用不同片材材料180a重量和高z涂层材料重量180b的组合的样本，可以记录输入实验室重量和输出传感器信号的数据集。然后可以利用统计或机器学习算法来将具有多个输入的校准函数拟合为两个输出。该算法可以包括偏最小二乘回归、多元线性回归、主成分分析(PCA)或其他适当的技术及其相关的衍生技术。因此，可以通过对具有已知成分重量的一组客户样本执行两预测因子(核和x射线或IR)的偏最小二乘回归(或类似的统计方法)来校准整个公开的重量测量。
在一些情况下，传感器110、120的校准可以独立进行。例如，在x射线传感器是第二传感器120的情况下，可以针对高z材料重量对其进行校准，或者当第二传感器120包括IR传感器时，可以针对片材材料(例如，PE)重量对其进行校准。可以针对复合片材180的总重量对β射线计量器110进行校准。
IR测量可以使用现有技术(高达约7微米的波长)，以通过将光谱滤光器应用于IR信号来检查塑料分隔体膜特有的某些光谱区域。一个或多个光谱滤光器(对于PE，处于约3.4微米和/或6.7微米)通常覆盖非常明显的塑料吸收峰值。一个或多个光谱滤光器覆盖吸收峰值附近的参考区域。根据这些可以计算无背景的吸收信号。该IR信号可以与β射线计量器信号结合使用以确定片材材料180a(例如，塑料片材)的每单位面积的重量。测量装置100包括图1所示的扫描器头160，其包括顶部扫描器头160a和底部扫描器头160b，以用于安装β射线计量器110以及包括x射线传感器或IR传感器的第二传感器120。扫描器头160的位置的控制是众所周知的。扫描器头160可以在复合片材180的部分宽度或整个宽度上方扫描。
在扫描头160a、160b内部，相应传感器110、120沿着可以平行于纵向(MD)或沿横向(CD)的线安装。扫描器头160a、160b可以在整个幅材上扫描以显示在扫描头160a、160b之间移动的复合片材180的表示。如本领域中已知的，来自RX 110b、120b的信号由包括滤波器、模数转换器(ADC)和放大器的电子设备(未示出)处理，然后将其传送到包括处理器151的计算设备150，该处理器具有图1所示的相关联存储器152。同样未示出，在处理器151与TX110a、120a之间通常存在电子设备，其通常至少包括数模转换器(DAC)。
处理器151采用所接收的测量值并且使用算法或数字逻辑来计算高z涂层重量。应当注意，这种处理中的一些可以在传感器本身内进行。可以存在处理器151的其他输入，诸如扫描头160a、160b的头位置或纵向位置。
X射线传感器(例如，4kV至5kV)提供了一种测量，由于更高的密度和更高的原子序数，该测量对于涂层材料重量的敏感度比对于片材材料180a的重量的敏感度高约10倍，该片材材料在LiB的情况下通常是塑料膜。另选地，当第二传感器包括IR传感器时，IR传感器将提供一种测量，该测量对于片材材料180a重量(例如，包括PE)最敏感并且通常对于涂层材料的重量不敏感。所公开的β射线计量器与x射线或IR测量的组合使得能够在单个测量装置100上并排确定涂层材料180b的重量、片材材料180a的重量和复合片材180的总重量。
本领域的普通技术人员将会知道并理解，所公开的面积重量测量值可以被转换为厚度测量值，只要测量或假定了材料浓度或至少复合材料的相对浓度即可。如果假定或测量了片材或层厚度，则还可以导出材料浓度。
图2描绘了根据示例性实施方案的用于同时确定涂层或嵌入颗粒的重量以及片材材料本身的重量的另一个示例性测量装置200，该示例性测量装置包括β射线计量器110和被配置为基于反射的传感器的IR传感器220。在这种布置方式中，IR传感器220包括均位于顶部扫描头160a中的发射器220a和接收器220b。
β射线计量器110(诸如β射线计量器)与包括x射线或IR传感器的另一个传感器的组合实现了单扫描器解决方案。对于客户而言，公开的布置通常将是成本高效的，诸如用于在LiB生产期间的重量测量。本公开也适用于生产平坦片材材料的其他行业(具有含陶瓷涂层和/或其他高z添加剂(例如，金属氧化物涂层和金属添加剂)的低原子序数)。
可以应用所公开的实施方案来大体确定片材材料上的任何涂层材料的重量，例如聚合物基底中或其上的陶瓷涂层。如上所述，涂层材料和片材材料都可以是多孔的。片材材料可以包括多层的不同聚合物，例如PE/PP/PE、PP/PE/PP、PE/PP/PE/PP/PE。如上所述，在高z材料被施加到具有孔的片材材料时，可以将其部分或全部地嵌入在片材材料的孔中。例如，高z材料可以作为夹杂物嵌入在多孔片材材料膜的孔中，其中一些高z材料包括在片材材料的孔中，并且一些高z材料被设置为片材材料的顶部上的涂层。另选地，所有的高z材料(例如，陶瓷材料)都可以在片材材料的孔中，并且因此不存在涂层。
虽然上面已经描述了各种所公开的实施方案，但是应当理解，它们仅以示例而非限制的方式呈现。在不脱离本公开的实质或范围的情况下，可根据本公开对本文公开的主题进行许多改变。此外，虽然可使用仅关于若干实施方式中的一者来公开特定特征，但是此类特征可与其他实施方式的一个或多个其他特征组合，如对于任何给定或特定应用可能期望或有利的那样。
Claims (10)
1.一种测量装置(100)，包括：
β射线计量器(110)，所述β射线计量器用于从包括片材材料(180a)的复合片材(180)生成第一传感器响应信号，所述片材材料包括在其上的包含高z材料的涂层(180b)，或者所述片材材料具有嵌入在所述片材材料中的包括所述高z材料的颗粒(180c)；
第二传感器(120)，所述第二传感器包括x射线传感器或红外(IR)传感器以用于从所述复合片材提供第二传感器响应信号，和
计算设备(150)，所述计算设备被耦接以接收所述第一传感器响应信号和所述第二传感器响应信号，包括用于实现算法的具有相关联存储器(152)的处理器(151)，所述算法使用所述第一传感器响应信号和所述第二传感器响应信号来同时计算两个或更多个重量测量，所述重量测量选自(i)所述高z材料的每单位面积的重量，(ii)所述片材材料的每单位面积的重量，以及(iii)所述复合片材的每单位面积的总重量。
2.根据权利要求1所述的测量装置，其中所述第二传感器包括所述x射线传感器，所述x射线传感器包括x射线源和x射线检测器，所述x射线检测器用于提供所述第一传感器响应信号作为x射线透射信号。
3.根据权利要求1所述的测量装置，其中所述第二传感器包括所述IR传感器(220)。
4.根据权利要求1所述的测量装置，其中所述β射线计量器和所述第二传感器位于相同扫描器头(160)内，所述相同扫描器头被配置用于在所述复合片材上方进行扫描。
5.根据权利要求1所述的测量装置，其中所述β射线计量器包括Kr-85、Sr-90或Pm-147源。
6.一种方法，包括：
使用β射线计量器(110)从包括片材材料(180a)的复合片材(180)确定第一传感器响应信号，所述片材材料包括在其上的包括高z材料的涂层(180b)，或者所述片材材料具有嵌入在所述片材材料中的包括所述高z材料的颗粒(180c)；
使用包括x射线传感器或红外(IR)传感器的第二传感器从所述复合片材确定第二传感器(120)响应信号，以及
从所述第一传感器响应信号和所述第二传感器响应信号同时计算两个或更多个重量测量，所述重量测量选自(i)所述高z材料的每单位面积的重量，(ii)所述片材材料的每单位面积的重量，以及(iii)所述复合片材的每单位面积的总重量。
7.根据权利要求6所述的方法，其中所述同时计算包括利用通过多维最小二乘拟合来获得的校准。
8.根据权利要求6所述的方法，其中所述片材材料包括聚合物。
9.根据权利要求8所述的方法，其中所述复合片材包括被配置用于锂离子电池(LiB)的分隔体膜。
10.根据权利要求6所述的方法，其中所述重量测量包括(i)所述高z材料的每单位面积的重量，(ii)所述片材材料的每单位面积的重量，和(iii)所述复合片材的每单位面积的总重量。
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