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TECHNISCHES GEBIET
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Die vorliegende Offenbarung bezieht sich im Allgemeinen auf das Gebiet von Lithium-Ionen-Batterien und Batteriemodulen. Genauer gesagt bezieht sich die vorliegende Offenbarung auf eine Referenzelektrode, die mit einem Basiselement integriert sein kann, wie beispielsweise, aber nicht beschränkt auf einen in einer Fahrzeugbatteriezelle verwendeten Separator sowie andere Energiespeicher-/ausgebende Anwendungen.
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HINTERGRUND
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Dieser Abschnitt soll den Leser in verschiedene Aspekte des Standes der Technik einführen, die sich auf verschiedene Aspekte der vorliegenden Offenbarung beziehen können, die nachfolgend beschrieben werden. Diese Erörterung ist vermutlich hilfreich, um dem Leser Hintergrundinformationen zum besseren Verständnis der verschiedenen Aspekte der vorliegenden Offenbarung zur Verfügung zu stellen. Dementsprechend sollte verstanden werden, dass diese Erklärungen vor diesem Hintergrund gelesen werden sollen und nicht als Zulassung des Standes der Technik.
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Ein Fahrzeug, das ein oder mehrere Batteriesysteme zum Bereitstellen aller oder eines Teils der Triebkraft für das Fahrzeug verwendet, kann als xEV bezeichnet werden, wobei der Begriff „xEV“ hierin definiert ist, um alle nachfolgenden Fahrzeuge oder beliebige Variationen oder Kombinationen davon einzuschließen, die elektrische Energie für alle oder einen Teil ihrer Fahrzeug-Triebkraft verwenden. So beinhalten beispielsweise xEVs Elektrofahrzeuge (EVs), die elektrische Energie für die gesamte Triebkraft nutzen. Wie Fachleute erkennen werden, kombinieren Hybrid-Elektrofahrzeuge (HEVs), die ebenfalls als xEVs betrachtet werden, ein Verbrennungsmotor-Antriebssystem und ein batteriebetriebenes elektrisches Antriebssystem, wie beispielsweise 48 Volt (V) oder 130 V-Systeme. Der Begriff HEV kann jede Variation eines Hybrid-Elektrofahrzeugs beinhalten. So können beispielsweise Vollhybridsysteme (FHEVs) dem Fahrzeug unter Verwendung eines oder mehrerer Elektromotoren, unter Verwendung nur eines Verbrennungsmotors oder unter Verwendung von beiden, mechanische und andere elektrische Energie bereitstellen. Im Gegensatz dazu deaktivieren Mildhybridsysteme (MHEVs) den Verbrennungsmotor, wenn das Fahrzeug im Leerlauf läuft und ein Batteriesystem verwendet, um die Klimaanlage, das Radio oder andere Elektronik weiter zu betreiben sowie den Motor neu zu starten, wenn der Antrieb gewünscht wird. Das Mildhybridsystem kann auch ein gewisses Maß an Leistungsunterstützung anwenden, beispielsweise während der Beschleunigung, um den Verbrennungsmotor zu ergänzen. Mildhybrids sind typischerweise 96V bis 130V und nutzen eine Rückgewinnung der Bremsenergie durch einen Riemen- oder Kurbel-integrierten Startergenerator. Für die Zwecke der vorliegenden Erläuterung ist anzumerken, dass mHEVs typischerweise technisch nicht elektrische Energie verwenden die direkt an der Kurbelwelle oder dem Getriebe für einen beliebigen Teil der Antriebskraft des Fahrzeugs vorgesehen ist, sondern ein mHEV kann noch als xEV betrachtet werden, da es elektrische Energie verwendet, um die erforderlichen Kräfte eines Fahrzeugs zu ergänzen, wenn sich das Fahrzeug mit Verbrennungsmotor im Leerlauf deaktiviert ist und die Bremsenergie durch einen integrierten Startergenerator zurückgewinnt. Zusätzlich ist ein Plug-in-Elektrofahrzeug (PEV) jedes Fahrzeug, das von einer externen Stromquelle, wie beispielsweise Steckdosen, aufgeladen werden kann und die in den wiederaufladbaren Akkupacks gespeicherte Energie trägt dazu bei, die Räder anzutreiben. PEVs sind eine Unterkategorie von EVs, die alle Elektro- oder batteriebetriebenen Elektrofahrzeugen (BEV), Plug-in-Hybrid-Elektrofahrzeuge (PHEVs) und Elektrofahrzeugumbauten von Hybrid-Elektrofahrzeugen und konventionellen Verbrennungsmotoren beinhalten.
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xEVs können, wie vorstehend beschrieben, eine Anzahl von Vorteilen im Vergleich zu herkömmlichen gasbetriebenen Fahrzeugen bereitstellen, die nur Verbrennungsmotoren und herkömmliche elektrische Systeme verwenden, die typischerweise 12V-Systeme sind, die durch eine Blei-Säure-Batterie angetrieben werden. So können beispielsweise xEVs weniger unerwünschte Emissionsprodukte produzieren und im Vergleich zu herkömmlichen Verbrennungsfahrzeugen eine höhere Kraftstoffeffizienz aufweisen, und in manchen Fällen können derartige xEVs die Verwendung von Benzin vollständig ausschließen, wie es bei bestimmten Arten von EVs oder PEVs der Fall ist.
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Da sich die xEV-Technologie weiterentwickelt, besteht die Notwendigkeit, für derartige Fahrzeuge verbesserte Stromquellen (z. B. Batteriesysteme oder Module) bereitzustellen. So ist es beispielsweise wünschenswert, die Entfernung, die diese Fahrzeuge ohne die Notwendigkeit, die Batterien aufzuladen zurücklegen können, zu erhöhen. Zusätzlich kann es auch wünschenswert sein, die Leistungsfähigkeit dieser Batterien zu optimieren und die mit den Batteriesystemen verbundenen Kosten zu reduzieren, indem der Ladezustand für die Batteriezellen überwacht wird. So wird zum Beispiel erkannt, dass es wünschenswert sein kann, eine Funktion bereitzustellen, die Teil des Batteriemoduls ist und in der Lage ist, den Status der Batteriezelle bereitzustellen, die den Ladezustand (SOC) einschließt, aber nicht darauf beschränkt ist.
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KURZDARSTELLUNG DER OFFENBARUNG
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Eine Zusammenfassung der hierin offenbarten Ausführungsformen ist nachfolgend beschrieben. Es versteht sich, dass diese Aspekte lediglich dazu dienen, dem Leser eine kurze Zusammenfassung dieser bestimmten Ausführungsformen darzulegen, und dass diese Aspekte den Umfang dieser Offenbarung nicht einschränken sollen. Tatsächlich kann diese Offenbarung eine Vielzahl von Aspekten umfassen, die nachstehend nicht dargelegt werden können.
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Eine Batteriezellen-Separatoranordnung stellt eine Basisschicht, einen ersten Kontakt, einen zweiten Kontakt und eine Referenzkomponente bereit. Die Basisschicht beinhaltet eine erste Seite und eine zweite Seite. Der erste Kontakt ist auf der ersten Seite der Basisschicht zwischen der Basisschicht und einer Anode befestigt. Der zweite Kontakt ist auf der zweiten Seite der Basisschicht befestigt. Auf dem zweiten Kontakt ist eine Referenzkomponente angeordnet. Die Batteriezellen-Separatoranordnung kann an einer Vielzahl von Stellen implementiert sein, wie beispielsweise, aber nicht beschränkt auf eine Fahrzeugbatterie für die Bordfahrzeugbenutzung sowie in einer Batteriezellenprüfvorrichtung.
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Es ist auch ein Batteriezellensystem vorgesehen, das Folgendes beinhaltet: eine Anode, eine Kathode, einen aus einer Basisschicht gebildeten Separator, einen ersten und einen zweiten Kontakt und eine Referenzkomponente. Die Anode und die Kathode sind in einer Lithium-Ionen nichtwässrigen Lösung innerhalb eines Gehäuses angeordnet. Die Basisschicht des Separators beinhaltet eine erste Seite und eine zweite Seite. Die Basisschicht ist operativ konfiguriert, um die Anode und die Kathode innerhalb des Gehäuses zu trennen. Der erste Kontakt des Separators ist an der ersten Seite der Basisschicht zwischen der Basisschicht und einer Anode befestigt. Der zweite Kontakt ist an der zweiten Seite der Basisschicht mit der auf dem zweiten Kontakt angeordneten Referenzkomponente befestigt.
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Zusätzlich kann auch eine Batteriezellenprüfvorrichtung vorgesehen sein, die Folgendes beinhaltet: einen Ständer, ein Gehäuse, ein Messgerät und einen aus einer Basisschicht gebildeten Separator, einen ersten und einen zweiten Kontakt und eine Referenzkomponente. Das Gehäuse ist operativ konfiguriert, um eine Anode und eine Kathode in einer Lithium-Ionen-Lösung zu halten und auf dem Ständer angeordnet oder befestigt zu sein. Der Separator beinhaltet eine Basisschicht mit einer ersten Seite und einer zweiten Seite, die in der Lithium-Ionen-Lösung angeordnet ist. Die Basisschicht ist operativ konfiguriert, die Anode und die Kathode in der in einem Gehäuse angeordneten Lithium-Ionen-Lösung zu trennen. Der erste Kontakt kann an der ersten Seite der Basisschicht befestigt sein, sodass der erste Kontakt direkt zwischen der Basisschicht und der Anode positioniert ist. Der zweite Kontakt kann an der zweiten Seite der Basisschicht befestigt sein und als Basis für die Referenzkomponente verwendet werden. Ein Messgerät kann mit der Referenzkomponente über den zweiten Kontakt in Verbindung stehen, sodass das Messgerät die Spannungsdifferenz zwischen der Referenzkomponente und dem (1) Anodenstromsammler, der sich auf der Rückseite der Anode befindet, liest; und (2) der erste Kontakt ist auf der Vorderseite der Anode angeordnet.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Diese und andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Offenbarung werden aus der folgenden ausführlichen Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen und den besten Arten zum Ausführen der beschriebenen Offenbarungen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen und angehängten Patentansprüche ersichtlich, in denen:
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1 ist eine perspektivische Ansicht eines xEV mit einem Batteriesystem, das gemäß den Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung konfiguriert ist, um Leistung für verschiedene Komponenten des xEV bereitzustellen.
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2 ist eine schematische Schnittansicht einer Ausführungsform des xEV mit der Separatoranordnung und dem Batteriesystem von 1 und mit einer Lithium-Ionen-Batterie gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung.
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3A ist eine schematische Ansicht der zweiten Seite einer Basisschicht (Separator) mit der porösen Goldkontaktschicht und der porösen Referenzkomponente, die an der zweiten Seite der Basisschicht befestigt ist.
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3B ist eine schematische Ansicht der ersten Seite der Basisschicht (Separator) mit der porösen Kupferkontaktschicht, die an der ersten Seite der Basisschicht befestigt ist.
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4A ist eine schematische Querschnittsansicht eines Batteriezellensystems gemäß mehreren Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung.
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4B ist eine schematische Querschnittsansicht einer Ausführungsform der Batteriezellen-Testbefestigung der vorliegenden Offenbarung, die mit einer Testanode implementiert ist.
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4C ist eine schematische Querschnittsansicht einer Ausführungsform der Batteriezellen-Testbefestigung der vorliegenden Offenbarung, die mit einer Testkathode implementiert ist.
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5 ist eine vergrößerte, schematische Seitenansicht der Separatoranordnung der vorliegenden Offenbarung relativ zu einer Anode für eine Fahrzeugbatterie.
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6A ist eine vergrößerte Querschnittsansicht einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung, bei der die Referenzkomponente direkt an der Basisschicht oder dem Basiselement befestigt ist.
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6A ist eine vergrößerte Draufsicht einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung, bei der die Referenzkomponente direkt an der Basisschicht oder dem Basiselement befestigt ist.
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Gleiche Referenznummern bezeichnen gleiche Teile in der Beschreibung der verschiedenen Ansichten der Zeichnungen.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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Eine oder mehrere spezifische, exemplarische Ausführungsformen werden nachfolgend beschrieben. In dem Bemühen, eine kurze Beschreibung dieser Ausführungsformen bereitzustellen, sind nicht alle Merkmale einer tatsächlichen Implementierung in der Spezifikation beschrieben. Es ist zu beachten, dass bei der Entwicklung einer derartigen tatsächlichen Umsetzung, wie in jedem Engineering- oder Design-Projekt, zahlreiche umsetzungsspezifische Entscheidungen getroffen werden müssen, um die spezifischen Ziele der Entwickler zu erreichen, wie etwa die Einhaltung systembezogener und geschäftsbezogener Einschränkungen, die von einer Implementierung zur anderen variieren können. Darüber hinaus ist zu schätzen, dass ein derartiger Entwicklungsaufwand komplex und zeitaufwendig sein könnte, aber dennoch ein routinemäßiges Unternehmen der Gestaltung, Herstellung und Fertigung für die Durchschnittsfachkräfte, die diese Offenbarung nutzen, wäre.
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Die Begriffe „erste“, „zweite“ und dergleichen bezeichnen hier keine beliebige Reihenfolge, Menge oder Bedeutung, sondern dienen zur Unterscheidung eines Elements von anderen, während die Begriffe „eine“ und „einen“ hier keine Begrenzung der Menge bezeichnen, sondern das Vorhandensein mindestens einer der genannten Gegenstände.
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Die hierin beschriebenen Batteriesysteme können verwendet werden, um eine Anzahl von verschiedenen Arten von xEVs sowie andere Energiespeicheranwendungen (z. B. Stromnetz-Speichersysteme) mit Energie zu versorgen. Derartige Batteriesysteme können ein oder mehrere Batteriemodule beinhalten, wobei jedes Batteriemodul eine Anzahl von Batteriezellen (z. B. elektrochemische Lithium-Ionen-Zellen) aufweist, die angeordnet sind, um bestimmte Spannungen und/oder Ströme bereitzustellen, die zur Energieversorgung, beispielsweise einer oder mehrerer Komponenten eines xEV, nützlich sind. Im Allgemeinen beinhalten die Batteriezellen elektrochemische Materialien (z. B. Elektrolyte, aktive Elektrodenmaterialien), die für einen Großteil der elektrischen Aktivität der Batteriezelle verantwortlich sind. Die elektrochemischen Materialien sind innerhalb bestimmter mechanischer Merkmale der Zelle untergebracht und werden von diesen getragen, wie beispielsweise ein Gehäuse 6 der Batteriezelle, ein Stromabnehmer der Batteriezelle und so weiter.
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Eine ausführliche Ansicht des Batteriesystems 12 ist in 2 beschrieben. Wie dargestellt, kann das Fahrzeugantriebssystem 8 eine Energiespeicherkomponente 14 beinhalten, die mit einem Zündsystem 16, einem Wechselstromgenerator 18, einer Fahrzeugkonsole 20 und optional mit einem Elektromotor 22 verbunden ist. Im Allgemeinen kann die Energiespeicherkomponente 14 elektrische Energie erfassen/speichern, die im Fahrzeug 10 erzeugt wird, und gibt elektrische Energie aus, um elektrische Vorrichtungen im Fahrzeug 10 zu versorgen. Die Energiespeicherkomponente 14 kann ferner das Lithium-Ionen-Batteriezellensystem 28 der vorliegenden Offenbarung und eine Blei-Säure-Batterie 30 beinhalten.
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Mit anderen Worten kann das Fahrzeugantriebssystem 8 Komponenten an das elektrische System des Fahrzeugs liefern, die Kühlerlüfter, Klimaanlagen, elektrische Servolenksysteme, aktive Fahrwerkssysteme, Autoparksysteme, elektrische Ölpumpen, elektrische Super/Turbolader, elektrische Wasserpumpen, beheizte Windschutzscheiben/Entfroster, Fensterhebermotoren, Schminkspiegelbeleuchtung, Reifendrucküberwachungssysteme, Schiebedachmotoren, elektrisch verstellbare Sitze, Alarmsysteme, Infotainment-Systeme, Navigationsfunktionen, Spurhaltewarnsysteme, elektrische Feststellbremsen, Außenleuchten oder jede Kombination davon beinhalten können. So liefert beispielsweise die Energiespeicherkomponente 14 in der veranschaulichten Ausführungsform der Fahrzeugkonsole 20 und dem Zündsystem 16 Energie, die zum Starten (z. B. Kurbel) des Verbrennungsmotors 24 verwendet werden kann.
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Zusätzlich kann die Energiespeicherkomponente 14 elektrische Energie erfassen, die durch den Wechselstromgenerator 18 und/oder den Elektromotor 22 erzeugt wird. Bei einigen Ausführungsformen kann die Lichtmaschine 18 elektrische Energie erzeugen, während der Verbrennungsmotor 24 in Betrieb ist. Insbesondere kann die Lichtmaschine 18 die mechanische Energie umwandeln, die durch Drehen des Verbrennungsmotors 24 in elektrische Energie erzeugt wird. Zusätzlich oder alternativ kann der Elektromotor 22, wenn das Fahrzeug 10 einen Elektromotor 22 beinhaltet, elektrische Energie erzeugen, indem mechanische Energie umgewandelt wird, die durch die Bewegung des Fahrzeugs 10 (z. B. Drehung der Räder) in elektrische Energie erzeugt wird. Somit kann in einigen Ausführungsformen die Energiespeicherkomponente 14 elektrische Energie, die durch den Wechselstromgenerator 18 und/oder den Elektromotor 22 beim regenerativen Bremsen erzeugt wird, erfassen. Als solches werden der Wechselstromgenerator und/oder der Elektromotor 22 hierin im Allgemeinen als ein regeneratives Bremssystem bezeichnet.
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Um das Erfassen und Zuführen von elektrischer Energie zu erleichtern, kann die Energiespeicherkomponente 14 über einen Bus 26 mit dem elektrischen System des Fahrzeugs elektrisch verbunden sein. So kann beispielsweise der Bus 26 der Energiespeicherkomponente 14 ermöglichen, vom Wechselstromgenerator 18 und/oder dem Elektromotor 22 erzeugte elektrische Energie zu empfangen. Zusätzlich kann der Bus 26 der Energiespeicherkomponente 14 ermöglichen, elektrische Energie an das Zündsystem 16 und/oder die Fahrzeugkonsole 20 auszugeben. Dementsprechend kann, wenn ein 12 Volt-Batteriesystem 12 verwendet wird, der Bus 26 typischerweise elektrische Leistung zwischen 8–18 Volt führen.
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Zusätzlich kann, wie dargestellt, die Energiespeicherkomponente 14 mehrere Batteriemodule beinhalten. So beinhaltet beispielsweise die Energiespeicherkomponente 14 in der dargestellten Ausführungsform eine Lithium-Ionen-Batterie 28 und eine Blei-Säure-Batterie 30, die jeweils eine oder mehrere Batteriezellen beinhalten. In anderen Ausführungsformen kann die Energiespeicherkomponente 14 eine beliebige Anzahl von Batteriemodulen beinhalten. Zusätzlich können, obwohl das Lithium-Ionen-Batteriemodul 28 und das Blei-Säure-Batteriemodul 30 benachbart zueinander dargestellt sind, sie in verschiedenen Bereichen um das Fahrzeug herum positioniert sein. So kann beispielsweise das Blei-Säure-Batteriemodul in oder um das Innere des Fahrzeugs 10 positioniert sein, während das Lithium-Ionen-Batteriemodul 28 unter der Haube des Fahrzeugs 10 positioniert sein kann.
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Um das Steuern der Erfassung und Speicherung von elektrischer Energie zu erleichtern, kann das Antriebssystem 8 zusätzlich ein Steuermodul 32 beinhalten. Insbesondere kann das Steuermodul 32 Operationen von Komponenten im Batteriesystem 12, wie beispielsweise Relais (z. B. Schalter) innerhalb der Energiespeicherkomponente 14, des Wechselstromgenerators 18 und/oder des Elektromotors 22 steuern. So kann beispielsweise das Steuermodul 32 die Menge an elektrischer Energie, die von jedem Batteriemodul 28 oder 30 erfasst oder geliefert wird, regulieren, eine Lastverteilung zwischen den Batteriemodulen 28 und 30 durchführen, einen Ladezustand jedes Batteriemoduls 28 oder 30 bestimmen, die Temperatur jedes Batteriemoduls 28 oder 30, die von der Lichtmaschine 18 und/oder dem Elektromotor 22 ausgegebene Steuerspannung und dergleichen ausgegeben wird, bestimmen.
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In Übereinstimmung mit zumindest ausgewählten Ausführungsformen oder Objekten stellt ein Aspekt der vorliegenden Offenbarung einen Separator für eine Lithium-Ionen-Batterie bereit, wie beispielsweise eine Lithium-Ionen-Batterie (obwohl die Verwendung des Separators auch mit anderen Batterien in Betracht gezogen wird), wobei der Separator 36 einen porösen, durchlässigen oder halbdurchlässigen Verbundwerkstoff mit einem mikroporösen Substrat und einer auf mindestens einer Oberfläche des porösen Substrats gebildeten Beschichtungsschicht aufweist, worin die Oberflächenbeschichtung aus Teilchen und/oder einer Mischung von Teilchen (anorganische und/oder organische Teilchen) und einem wässrigen oder wasserbasierten polymeren Bindemittel gebildet ist.
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Die hierin beschriebene Separatoranordnung 36 kann aufgrund ihrer zusätzlichen Fähigkeit vorteilhaft sein, den Status einer Zelle einer Lithium-Ionen-Batterie bereitzustellen. Dieser verbesserte, optimierte, neue oder modifizierte Separator für eine Lithium-Ionen-Batterie beinhaltet eine Basisschicht 34. Die Basisschicht 34 kann mit einer Mischung aus einer oder mehreren Arten von Teilchen (z. B. anorganischen Teilchen, wie beispielsweise keramischen Teilchen und/oder organischen Teilchen, wie beispielsweise Hochtemperaturpolymerteilchen) und eine oder mehrere wässrige oder wasserbasierende polymere Bindemittel beschichtet sein, wobei ein wässriges oder wasserbasiertes polymeres Bindemittel ein oder mehrere typisch wasserunlösliche Polymere (wie PVDF und/oder verschiedene Copolymere davon) und in bestimmten Ausführungsformen ferner ein oder mehrere typisch wasserlösliche Polymere (wie z.B. beispielsweise Polyvinylalkohol oder Polyacrylsäure) beinhalten kann. Die Beschichtungsschicht kann verhindern, dass Oxidationsreaktionen an den Grenzflächen des beschichteten Separators und der Elektroden in der Batterie auftreten und/oder die Sicherheit und/oder die Gesamtleistung einer Lithium-Ionen-Batterie verbessern können.
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Wie angegeben, hilft die keramische Beschichtung, die Integrität der Basisschicht 34 des Separators aufrechtzuerhalten. Die Teilchen können aus einer Vielzahl von Formen bestehen, wie beispielsweise, aber nicht beschränkt auf rechteckige, sphärische, elliptische, zylindrische, ovale, knochenförmige oder formlose. Die „Teilchen” können auch faserförmig oder Fasern sein. Die Teilchen sind in einigen Ausführungsformen sehr klein und können daher eine große Oberfläche pro Gramm aufweisen, was die Absorptionsleistung des Beschichtungsmaterials und die Wechselwirkung der Teilchen mit der Polymermatrix verbessern kann. Weiterhin können in einigen Ausführungsformen die Teilchen, wie sie vom Teilchenhersteller erworben wurden, beispielsweise mit einem Material vorbeschichtet werden, um die Kompatibilität des Teilchens mit einer polymeren Matrix zu verbessern, um die Auflösung der Teilchen in einem Teil der Polymermatrix, die Dispergierbarkeit der Teilchen in der Polymermatrix, um eine Partikelagglomeration zu vermeiden, und/oder um die Teilchen in der Beschichtungsaufschlämmung zu stabilisieren.
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Es versteht sich, dass die Basisschicht, die Referenzkomponente, die Separatoranordnung 36, der erste Kontakt 38 und der optionale zweite Kontakt 40, die hierin beschrieben sind, in der gesamten vorliegenden Erfindung als durchlässig, halbdurchlässig oder porös bezeichnet werden können. Unabhängig von den verwendeten Begriffen – „durchlässig“, „halbdurchlässig“ oder „porös“ sollten alle dahingehend zu verstehen sein, dass die Ionen in einer Vielzahl von Graden in Abhängigkeit von der Art des verwendeten Materials (und dem Verfahren, das zum Herstellen/Zusammenbauen, wie beispielsweise Sputtern/Siebdruck/Lackieren usw.) der Basisschicht verwendet wird, Referenzkomponente, Separatoranordnung und/oder erste/zweite Kontakte bedeuten.
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Unter Bezugnahme auf 3A–3B, 4A und 5 kann eine Batteriezellen-Separatoranordnung 36 gemäß der vorliegenden Offenbarung eine Basisschicht 34, einen ersten Kontakt 38, einen optionalen zweiten Kontakt 40 und eine Referenzkomponente 42 beinhalten. Während die Basisschicht 34 in den 3A–3B als kreisförmig dargestellt ist, kann die Basisschicht 34 je nach Konfiguration der Batteriezelle jede beliebige Form, wie beispielsweise ein Quadrat oder ein Rechteck usw., annehmen. Der optionale zweite Kontakt 40 ist gestrichelt dargestellt, um anzuzeigen, dass der zweite Kontakt 40 nicht verwendet werden kann und die Referenzkomponente 42 kann daher direkt an der Basisschicht 34 befestigt werden – wie in 6 dargestellt. Die Basisschicht 34 kann eine erste Seite 44 und eine zweite Seite 46, wie dargestellt, aufweisen. Der erste Kontakt 38 kann, wenn auch nicht notwendigerweise, aus Kupfer gebildet sein, wenn er mit einer Anodenelektrode verwendet wird. Auch kann der erste Kontakt 38, aber nicht notwendigerweise aus Gold gebildet sein, wenn er mit der Kathodenelektrode verwendet wird. Der optionale zweite Kontakt 40 kann, jedoch nicht notwendigerweise, aus Gold oder einem anderen ähnlichen Material mit niedrigem Widerstand gebildet sein. Unter Bezugnahme auf 4A ist insbesondere ein optionaler mittlerer Separator 35 dargestellt, der verhindert, dass das Referenzmaterial 42 eine beliebige andere Struktur als die Basisschicht und/oder den optionalen zweiten Kontakt 40 berührt. Es versteht sich, dass anstelle der Verwendung eines optionalen mittleren Separators, wie in 4A dargestellt, das Referenzmaterial mit einem keramischen Material oder dergleichen pulverisiert oder beschichtet werden kann, um das Referenzmaterial vor Kurzschlüssen zu schützen, falls er andere Strukturen in der Batterie kontaktiert.
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Wie in den 3A–3B, 4A und 5 dargestellt, kann der erste Kontakt 38 auf der ersten Seite 44 der Basisschicht 34 so befestigt werden, dass der erste Kontakt 38 zwischen der Basisschicht 34 und einer Elektrode 48, die eine Anode oder eine Kathode sein kann, „sandwichartig“ ist. Bei dieser Anordnung befindet sich der erste Kontakt 38 nahe der oder benachbart zu der Elektrode 48, wie in 5 dargestellt. Der optionale zweite Kontakt 40 kann, wenn er implementiert ist, auf der zweiten Seite 46 der Basisschicht 34 angeordnet sein; und eine Referenzkomponente 42 kann auf dem zweiten Kontakt 40 angeordnet sein.
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Die Referenzkomponente 42 ist operativ so konfiguriert, dass sie porös ist und/oder die Lithium-Ionen 54 durch die Referenzkomponente 42 hindurchführen kann. Die poröse Konstruktion wird durch Aufspritzen oder Siebdruck (oder einem ähnlichen Verfahren) des Materials auf die Basisschicht 34 erreicht, die eine keramische Beschichtung aufweisen kann. Die resultierende Anordnung für die Referenzkomponente 42 ist in den 6A und 6B sichtbar. Die Referenzkomponente kann aus einem Material wie Eisenphosphat, Lithiumtitanat oder einem anderen ähnlichen Metalloxid gebildet sein. Es versteht sich, dass die Referenzkomponente 42 aus einem Material gebildet ist, das eine konstante Spannung aufweist (oder kaum variiert), unabhängig vom Ladezustand – mit Ausnahme eines sehr niedrigen oder sehr hohen Ladezustands. Durch eine konstante Spannung ermöglicht die Referenzkomponente 42 einem Benutzer/System, die feste Spannung mit anderen Punkten in einem System zu vergleichen. Darüber hinaus sollte die Reaktionskinetik des Materials der Referenzkomponente 42 leicht sein, damit die geringe Menge des durch das Messgerät 56 zugelassenen Stromflusses, um eine Messung der Spannungsdifferenzen 58, 60 zu erhalten, keine Polarisation der Referenzspannung selbst verursachen sollte.
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Es versteht sich, dass das für die Referenzkomponente 42 verwendete Metalloxid mit einem Kohlenwasserstoffbindemittel und einem Lösungsmittel gemischt werden kann, sodass eine Aufschlämmung gebildet wird. Die Referenzkomponente 42 kann dann auf den zweiten Kontakt 40 gespritzt, siebgedruckt oder herausgezogen werden, um die Referenzkomponente 42 porös zu machen, damit die Lithium-Ionen 54 durch die Referenzkomponente 42 selbst hindurchtreten können. Darüber hinaus kann die Basisschicht 34 auch aus Füllstoffmaterial gebildet sein, das eine anisotrope elektrische und/oder thermische Leitung ermöglicht oder bewirkt. So kann beispielsweise die Basisschicht 34 Nanomaterialien, wie beispielsweise metallische, halbmetallische oder kohlenstoffbasierte Nanopartikel, Nanoröhrchen, Nanofasern, Platten- oder Graphenschichten oder dergleichen beinhalten. Ferner können bestimmte Füllstoffe verwendet werden, um verbesserte strukturelle Eigenschaften bereitzustellen. Zusätzlich zu oder anstelle von leitfähigen Füllstoffen können strukturelle Füllstoffe, wie beispielsweise Fasern, Perlen, Granulate oder dergleichen, aus einem keramischen Material, einem derartigen Silikat oder Borosilikatglas oder einem beliebigen anderen geeigneten Material verwendet werden. Die Basisschicht 34 kann auch poröses Material wie Polyolefin (z. B. Polyethylen, Polypropylen), ein Polyaren (z. B. Polystyrol, Polyphenylensulfid) oder dergleichen beinhalten, die ferner ermöglichen, dass Lithium-Ionen 54 durch die Basisschicht 34 hindurchtreten.
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Unter erneuter Bezugnahme auf die 4A und 5 kann die Batteriezellen-Separatoranordnung 36 auch ein Messgerät 56 beinhalten, das operativ konfiguriert ist, um eine erste Spannung 58 zwischen dem ersten Kontakt 38 und dem zweiten Kontakt 40 (und der Referenzkomponente 42) über eine erste Schaltung 62 oder eine elektrische Kommunikation dazwischen zu lesen. Es versteht sich, dass das gleiche Messgerät 56 oder ein anderes Messgerät implementiert werden kann, das eine zweite Spannung 60 zwischen dem zweiten Kontakt 40 (und der Referenzkomponente 42) und einem Anoden-Stromabnehmer 80 über eine zweite Schaltung 64 oder eine elektrische Kommunikation zwischen ihnen liest.
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In Bezug auf alle Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung kann die zweite Spannung 60 (von der Rückseite der Anode/Kathode) mit der ersten Spannung 58 gelesen werden (von der Vorderseite 66 der Anode/Kathode), um zu bestimmen, um den Zustand der Elektrode 48 (Anode/Kathode), die Stabilität der Elektrode 48 sowie die SOC der Elektrode 48 unter anderen Faktoren zu bestimmen. Alle diese Daten können in verschiedenen Einstellungen verwendet werden. In einer Produktentwicklung oder Laboreinstellung könnten die Daten verwendet werden, um ein mathematisches Modell für eine bestimmte Batterie zu entwickeln, sodass das mathematische Modell auf derartigen Batterien implementiert werden könnte, wenn es auf Produktionsebene, Betriebsfahrzeugen umgesetzt wird. Das mathematische Modell würde (anstelle eines verdrahteten Voltmeters und zugehöriger Schaltungen in der Batterie) implementiert werden, um eine Echtzeit-Batterierückmeldung an einen Fahrzeugbenutzer oder an einen entfernten Standort, der die Batterie überwachen oder verwalten kann, bereitzustellen. Alternativ zur Verwendung der ersten und zweiten Spannungen und anderer Batteriedaten, um ein mathematisches Modell zu entwickeln, können die Daten einfach von den Schaltungen und dem Voltmeter 56 zu einem Steuermodul geführt werden, das dann die Daten- und/oder Batteriebedingungen an den Fahrzeugbenutzer (wobei die Separatoranordnung 36 auf einem Arbeitsfahrzeug verwendet wird) oder an einen entfernten Standort oder Benutzer kommuniziert. Ein nicht einschränkendes Beispiel, bei dem eine entfernte Batterieüberwachung nützlich sein kann, ist in einem elektrischen Flottenfahrzeug, wobei Batterieladungen und Batteriezustand ferngesteuert werden können. Dementsprechend können die resultierenden Daten und/oder das Modell verwendet werden, um den SOC genau zu identifizieren und die Batterie zu schützen (z. B. Identifizieren der Lithiumplattierung an der Anode; oder Daten können Benutzern benachrichtigen, wenn Batteriegrenzen erreicht oder nahe an den Grenzwerten liegen, um die Lithium-Ionen-Batterie zu schützen.
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Es versteht sich, dass die Referenzkomponente 42 in einer Vielzahl von Umgebungen verwendet werden kann, in denen es wünschenswert ist, eine unauffällige Referenzelektrode zu haben, die an jedem Basiselement befestigt werden könnte. Dementsprechend beinhaltet die Referenzelektrode der vorliegenden Offenbarung eine poröse Referenzkomponente 42, wobei die Basisschicht 34 ein beliebiges Basiselement 34 sein kann (nicht notwendigerweise ein Separator oder eine Basisschicht 34 für einen Separator in einer Batterieumgebung). Ähnlich wie bei der Batterieumgebung kann die Referenzkomponente 42 jedoch direkt oder über einen optionalen Kontakt 40 mit einem Basiselement 34 gekoppelt sein, wobei die Referenzkomponente 42 porös oder halbdurchlässig sein kann, indem sie eine Vielzahl von Ionen ermöglicht, durch die Referenzkomponente zu treten. Dementsprechend kann eine Referenzstruktur 43 aus der Referenzkomponente 42 gebildet werden, wie sie zusammen mit einem Basiselement 34 beschrieben ist, worin die Referenzkomponente 42 in elektrischer Verbindung mit mindestens einem Elektrodenstromabnehmer 80 oder einem ersten Kontakt 38 stehen kann. Wie angegeben, ist die Referenzkomponente 42 aus einem Material gebildet, wie beispielsweise, aber nicht beschränkt auf Eisenphosphat, das mit der Basisschicht und/oder einem optionalen Kontakt über ein Siebdruckverfahren, ein Spritzlackierungsverfahren oder dergleichen gekoppelt werden kann, um die poröse und/oder halbdurchlässige Struktur für die Referenzkomponente 42 zu erreichen. In dem Maße, in dem ein Kontakt 40 verwendet wird, kann der optionale Kontakt 40 aber nicht notwendigerweise auf das Basiselement 34 gesputtert werden, sodass ionisches Material auch durch den optionalen zweiten Kontakt hindurchtreten kann.
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Dementsprechend kann unter Bezugnahme auf 4A auch ein Lithium-Ionen-Batteriezellensystem 28 gemäß verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung bereitgestellt werden. Das vorgenannte Batteriezellensystem kann auf einem Fahrzeug installiert sein, das einem Benutzer Informationen über den Ladezustand und den Batteriezustand zur Verfügung stellt. Das Batteriezellensystem 28 kann eine Anode 50 und eine Kathode 52 beinhalten, die in einer lithiumionen-nicht-wässrigen Lösung 74 innerhalb eines hermetisch abgedichteten Gehäuses 6 zusätzlich zu einem Separator 36 angeordnet ist, der aus einer Basisschicht 34, einem ersten Kontakt 38, einem optionalen zweiten Kontakt 40 und einer Referenzkomponente 42 besteht, die alle in den Separator integriert sind. Die Basisschicht 34 kann eine keramische Beschichtung aufweisen und beinhaltet eine erste Seite 44 und eine zweite Seite 46. Die Basisschicht 34 ist operativ konfiguriert, um die Anode und die Kathode in der wässrigen Lithium-Ionen-Lösung 74 zu trennen. Der erste Kontakt 38 ist auf der ersten Seite 44 der Basisschicht 34 zwischen der Basisschicht 34 und einer Anode befestigt. Der optionale zweite Kontakt 40 ist an der zweiten Seite 46 der Basisschicht 34 mit der auf dem zweiten Kontakt 40 angeordneten Referenzkomponente 42 befestigt. Sowohl der erste als auch der zweite Kontakt weisen eine poröse Zusammensetzung auf, die es ermöglicht, dass Lithiumionen 54 durch die Kontakte hindurchtreten. Diese poröse Zusammensetzung wird durch die Durchführung eines Verfahrens, wie beispielsweise Sputtern, erreicht, wobei das Kontaktmaterial auf die Basisschicht 34 Atom für Atom aufgebracht wird. Die Referenzkomponente 42 für jede Elektrode (als Anode 50 und Kathode 52 dargestellt) weist ebenfalls eine poröse Zusammensetzung auf, die es ermöglicht, dass Lithiumionen 54 durch die Referenzkomponente 42 hindurchtreten. Es versteht sich, dass die Referenzkomponente 42 ein Metalloxid sein kann, das mit einem Kohlenwasserstoffbindemittel und einem Lösungsmittel gemischt wird, sodass eine Aufschlämmung gebildet wird. Die Referenzkomponente 42 kann auf die Basisschicht 34 (oder auf den zweiten Kontakt 40, wenn implementiert) über ein Verfahren wie Siebdruck, Sprühen oder dergleichen aufgebracht werden. Dementsprechend sind die Referenzkomponente 42 sowie die Basisschicht 34 und die Kontakte ausreichend porös, um es den Lithium-Ionen 54 zu ermöglichen, durch die Referenzkomponente 42 und die Basisschicht 34 hindurchzutreten. Die Referenzkomponente 42/erste und zweite Kontakte im Batteriezellensystem sind ähnlich zu denen in der Separatoranordnung 36, da die Referenzkomponente 42 aus einem Material wie Eisenphosphat hergestellt sein kann, während der erste Kontakt 38 aus einem Material wie Kupfer und der optionale zweite Kontakt 40 aus einem Material mit niedrigem Widerstand wie Gold gebildet sein kann.
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Darüber hinaus kann die Basisschicht 34 auch aus Füllstoffmaterial gebildet sein, das eine anisotrope elektrische und/oder thermische Leitung ermöglicht oder bewirkt. So kann beispielsweise die Basisschicht 34 Nanomaterialien, wie beispielsweise metallische, halbmetallische oder kohlenstoffbasierte Nanopartikel, Nanoröhrchen, Nanofasern, Platten- oder Graphenschichten oder dergleichen beinhalten. Ferner können bestimmte Füllstoffe verwendet werden, um verbesserte strukturelle Eigenschaften bereitzustellen. Zusätzlich zu oder anstelle von leitfähigen Füllstoffen können strukturelle Füllstoffe, wie beispielsweise Fasern, Perlen, Granulate oder dergleichen, aus einem keramischen Material, einem derartigen Silikat oder Borosilikatglas oder einem beliebigen anderen geeigneten Material verwendet werden. Die Basisschicht 34 kann auch poröses Material, aber nicht beschränkt auf Polyolefin (z. B. Polyethylen, Polypropylen), ein Polyaren (z. B. Polystyrol, Polyphenylensulfid) oder dergleichen beinhalten, die ferner ermöglichen, dass Lithiumionen 54 durch die Basisschicht 34 hindurchtreten. Das Batteriesystem kann auch ein Messgerät 56 beinhalten, das operativ konfiguriert ist, um eine erste Spannung 58 zwischen dem ersten Kontakt 38 und dem zweiten Kontakt 40 über eine erste elektrische Kommunikation dazwischen zu lesen.
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Es versteht sich, dass das Batteriezellensystem 28 mit einem Messgerät 56 an einem betrieblichen Elektrofahrzeug angeordnet sein kann, um es einem Fahrzeugbenutzer zu ermöglichen, den Zustand der Batterie in Echtzeit über das Messgerät 56 selbst oder über ein mit der Batterie kommunizierendes Fahrzeugsteuermodul zu bestimmen. Es versteht sich auch, dass das Batteriesystem der vorliegenden Offenbarung in Fernkommunikation mit einer Basiseinheit eingreifen kann, sodass eine Basiseinheit den Zustand des Batteriesystems der vorliegenden Offenbarung fernüberwachen kann.
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Dementsprechend kann der erste Kontakt 38 im Batteriesystem 28 der vorliegenden Offenbarung, um den Ladezustand einer Fahrzeugbatteriezelle unter anderen Objekten zu überwachen, an der ersten Seite 44 der Basisschicht 34 befestigt sein, wie in 5 dargestellt. Diese Stelle in unmittelbarer Nähe des ersten Kontaktes 38, der an die Vorderseite 66 der Anode angrenzt, bietet den Vorteil, dass die Spannung an der Vorderseite der Elektrode 48 (anstelle der Rückseite der Elektrode 48) erhalten wird. Die Spannung an der Vorderseite 66 der Elektrode 48 ist eher für einige Aspekte der Zellensteuerung oder der Zustands- und SOC-(Ladezustands)-Schätzungen relevant. Darüber hinaus werden, da der erste Kontakt 38, der optionale zweite Kontakt 40, die Basisschicht 34 und das Referenzmaterial alle aus porösem Material über Prozesse, wie beispielsweise Sputtern, Spritzlackieren oder ähnliche Verfahren, wie hierin erläutert, gebildet. Daher sind die vorgenannten Komponenten alle wirksam konfiguriert, um zu ermöglichen, dass Lithiumionen 54 durch die Separatoranordnung 36 hindurchtreten und die getrennte integrierte Referenzelektrode 48 den Betrieb der Batteriezelle nicht beeinträchtigt.
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Dementsprechend stellt die vorliegende Offenbarung, da die erste Spannung 58 an der Vorderseite 66 der Elektrode 48 erhalten werden kann, während sie einen Lithium-Ionen-Durchgang ermöglicht, eine genauere Datenrückkopplung für die Elektrode 48 bereit. Darüber hinaus ist das Messgerät 56, wie es über die vorliegende Offenbarung bereitgestellt wird, wirksam konfiguriert, um eine erste Spannung 58 zwischen dem ersten Kontakt 38 (nahe der Vorderseite 66 der Elektrode 48) und dem optionalen zweiten Kontakt 40 (welcher der Referenzkomponente 42 zugeordnet ist) über eine Schaltung dazwischen zu lesen. Das Messgerät 56 kann auch wirksam konfiguriert sein, um eine zweite Spannung 60 zwischen einem Elektrodenkollektor 80 (angrenzend an die Rückseite 68 der Elektrode 48) und dem optionalen zweiten Kontakt 40 (welcher der Referenzkomponente 42 zugeordnet ist) zu lesen. Die ersten und zweiten Spannungen von der Vorder- und Rückseite 66, 68 der Elektrode 48 stellen dem Benutzer genaue Spannungsdaten für die Elektrode 48 bereit.
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Unter Bezugnahme auf die 4B und 4C kann die Batteriezellen-Separatoranordnung 36 der vorliegenden Offenbarung auch als Teil einer Prüfvorrichtung 70 implementiert sein, wie sie durch die vorliegende Offenbarung bereitgestellt wird. Dementsprechend kann eine Batteriezellenprüfvorrichtung 70 vorgesehen sein, wobei die Batteriezellenprüfvorrichtung 70 einen Ständer 72, eine in einer Lithium-Ionen-Lösung 74 angeordnete Basisschicht 34, einen ersten Kontakt 38, einen optionalen zweiten Kontakt 40, eine Referenzkomponente 42 und ein Messgerät 56 beinhaltet. Der Ständer 72 der Batteriezellenprüfvorrichtung 70 ist wirksam konfiguriert, um eine Anode 50 und eine Kathode 52 in einer Lithium-Ionen-Lösung 74 zu halten. Die Anode 50, die Kathode 52 und die Lithium-Ionen-Lösung 74 können in einem hermetisch abgedichteten Gehäuse 6 angeordnet sein, das dann am Ständer 72 angeordnet oder befestigt ist. Es versteht sich auch, dass eine Basisschicht 34, die als Separator fungiert, auch in der Lithium-Ionen-Lösung 74 angeordnet sein kann, um die Anode 50 und die Kathode 52 zu trennen.
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Die Basisschicht 34 kann auch aus Füllstoffmaterial gebildet sein, das eine anisotrope elektrische und/oder thermische Leitung ermöglicht und mit einem keramischen Material beschichtet werden kann, um die Integrität des Füllstoffmaterials aufrechtzuerhalten/zu schützen. So kann beispielsweise die Basisschicht 34 Nanomaterialien, wie beispielsweise metallische, halbmetallische oder kohlenstoffbasierte Nanopartikel, Nanoröhrchen, Nanofasern, Platten- oder Graphenschichten oder dergleichen beinhalten. Ferner können bestimmte Füllstoffe verwendet werden, um verbesserte strukturelle Eigenschaften bereitzustellen. Zusätzlich zu oder anstelle von leitfähigen Füllstoffen können strukturelle Füllstoffe, wie beispielsweise Fasern, Perlen, Granulate oder dergleichen, aus einem keramischen Material, einem derartigen Silikat oder Borosilikatglas oder einem beliebigen anderen geeigneten Material verwendet werden. Die Basisschicht 34 kann auch polymeres Material wie Polyolefin (z. B. Polyethylen, Polypropylen), ein Polyaren (z. B. Polystyrol, Polyphenylensulfid) oder dergleichen beinhalten, die ferner ermöglichen, dass Lithium-Ionen 54 durch die Basisschicht 34 hindurchtreten. Wie bereits erwähnt, kann die Basisschicht 34 der Separatoranordnung 36 auch eine Keramikbeschichtung beinhalten, um die Integrität der Basisschicht 34 des Separators und die Trennung der Anode und der Kathode aufrechtzuerhalten. Die Basisschicht 34 mit einer ersten Seite 44 und einer zweiten Seite 46 kann in der Lithium-Ionen-Lösung 74 einer Testbatteriezelle angeordnet sein.
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Die Basisschicht 34 bildet zusammen mit dem ersten Kontakt 38, dem optionalen zweiten Kontakt 40 und der Referenzkomponente 42 eine Separatoranordnung 36. Der erste Kontakt 38 kann an der ersten Seite 44 der Basisschicht 34 zwischen der Basisschicht 34 und der Anode befestigt sein, um Daten oder die Spannung an der Vorderseite 66 der Elektrode 48 (als Anode 50 in 4C oder Kathode 52 in 4B dargestellt) bereitzustellen. Die Batteriezellenprüfvorrichtung 70 stellt eine elektrische Verbindung zwischen dem ersten Kontakt 38 und dem optionalen zweiten Kontakt 40 bereit, wobei das Messgerät 56 eine erste Spannung 58 zwischen dem ersten und dem zweiten Kontakt erhalten kann. Es versteht sich, dass der erste Kontakt 38 aus Kupfer oder einem anderen ähnlichen leitfähigen Material gebildet sein kann, das auf die erste Seite 44 der Basisschicht 34 aufgesputtert wird, sodass der erste Kontakt 38 auch porös ist und ermöglicht, dass Lithium-Ionen 54 durch den Separator zur Anode gelangen. Es versteht sich auch, dass der optionale zweite Kontakt 40, aber nicht notwendigerweise, aus Gold oder einem anderen ähnlichen Material gebildet sein kann. Ähnlich wie beim ersten Kontakt 38 kann der optionale zweite Kontakt 40 auch auf die zweite Seite 46 der Basisschicht 34 aufgesputtert werden, sodass der optionale zweite Kontakt 40 auch porös ist und ermöglicht, dass Lithium-Ionen 54 durch den Separator hindurchtreten.
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Wie in 5 dargestellt, kann der optionale zweite Kontakt 40 als eine elektrische Leitung zum Messgerät 56 für die Referenzkomponente 42 mit ansonsten hoher Widerstandsfähigkeit des Separators dienen. Dementsprechend kann der optionale zweite Kontakt 40 als Mittel zur Spannungsmessung (über das Messgerät 56) zwischen der Referenzkomponente 42 und anderen Abschnitten der Batteriezelle, wie beispielsweise dem Anodenkollektor 80, zu erhalten, der auf der Rückseite 68 der Anode, wie dargestellt, angeordnet sein kann, und der erste Kontakt 38, der nahe der Vorderseite 66 der Anode angeordnet sein kann, wie dargestellt.
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Ähnlich der Referenzkomponente 42 der zuvor beschriebenen Separatoranordnung 36 kann die Referenzkomponente 42 der Batteriezellenprüfvorrichtung 70 auch auf den zweiten Kontakt 40 (wo verwendet) auf der zweiten Seite 46 der Basisschicht 34 gesprüht, aufgedruckt (oder gleichartig) werden, um eine poröse Referenzkomponente 42 bereitzustellen, die es ermöglicht, dass die Lithium-Ionen 54 durch die Referenzkomponente 42, den optionalen zweiten Kontakt 40 und die Basisschicht 34 hindurchtreten. Wenn der optionale zweite Kontakt 40 nicht verwendet wird, wird die Referenzkomponente 42 direkt auf die beschichtete Basisschicht 34 der Separatoranordnung 36 gesprüht/gedruckt/usw. Ähnlich den vorherigen Komponenten in der Separatoranordnung 36 und dem Batteriezellensystem kann der optionale zweite Kontakt 40 aus Kupfer oder einem anderen ähnlichen Material gebildet sein, das ebenfalls porös ist und die Lithium-Ionen 54 durchlaufen kann. Um eine poröse Struktur im zweiten Kontakt 40 zu erhalten, kann der zweite Kontakt 40, aber nicht notwendigerweise, auf die zweite Seite 46 der Basisschicht 34 aufgesputtert werden.
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Die Batteriezellenprüfvorrichtung 70 kann ferner ein Messgerät 56 beinhalten, das wirksam konfiguriert ist, um eine erste Spannung 58 zwischen dem ersten Kontakt 38 und der Referenzkomponente 42 (wahlweise durch einen zweiten Kontakt 40) über eine erste Schaltung 62 dazwischen zu lesen. Die erste Spannung 58 ist besonders nützlich, da sich diese Spannung auf die Vorderseite 66 der Elektrode 48 bezieht und mit der zweiten Spannung 60 von der Rückseite 68 der Elektrode 48 verglichen werden kann, um viele Betriebsbedingungen für die getestete Batteriezelle zu bestimmen. Es versteht sich, dass die erste Spannung 58 von der Vorderseite 66 der Elektrode 48 im Allgemeinen aufgrund früherer Bedenken hinsichtlich der Überwachung der Ausrüstung, die den Durchgang von Lithiumionen 54 behindert, nicht verfügbar war. Das gleiche Messgerät 56 zum Lesen der ersten Spannung 58 kann aber auch nicht zwangsläufig verwendet werden, um auch eine zweite Spannung 60 zwischen der Referenzkomponente 42 (direkt oder über einen optionalen zweiten Kontakt 40) und einem Stromabnehmer 80 (an der Rückseite 68 der Elektrode 48) über eine zweite Schaltung 64 dazwischen zu lesen. Dementsprechend ermöglicht die poröse Beschaffenheit der ersten und zweiten Kontakte, die an der Basisschicht 34 befestigt sind sowie die poröse Beschaffenheit der Referenzkomponente 42, dass die Batteriezellenprüfvorrichtung eine Spannungsmessung an der Vorderseite der Elektrode 48 erhält, wodurch umfassendere Daten für die Elektrode 48 bereitgestellt werden.
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Es versteht sich, dass die Basisschicht 34 der Separatoranordnung 36, die in allen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung verwendet wird, eine geeignete Dicke aufweisen muss, worin die Basisschicht 34 aus einer einzigen Materialschicht oder die Basisschicht 34 aus mehreren Materialschichten bestehen kann. In Bezug auf die Dicke kann, wenn die Basisschicht 34 der Separatoranordnung 36 zu dünn ist, eine unzureichende elektrische Isolierung auftreten. Wenn andererseits die Basisschicht 34 des Separators zu dick ist, kann eine unzureichende thermische Übertragung auftreten. Auch in Situationen, in denen thermische Gradienten vom Standpunkt des Separators 52 nicht wesentlich sind, kann, wenn die Basisschicht 34 zu dick ist, auch ein unzureichender Raum innerhalb des Gehäuses 6 vorhanden sein, um alle Batteriezellen mit einem ziemlich dicken Batteriezellenseparator 52 zu befestigen. Als nicht einschränkendes Beispiel kann die Basisschicht 34, jedoch nicht notwendigerweise, eine akzeptable Dicke zwischen etwa 0,025 mm und etwa 0,05 mm aufweisen.
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In einer weiteren Ausführungsform für die Batteriezellen-Prüfvorrichtung 70 der vorliegenden Offenbarung kann die Prüfvorrichtung eine Benutzerschnittstelle 86 und eine Separatoranordnung 36 in Kommunikation mit der Benutzerschnittstelle beinhalten. Die Separatoranordnung 36 kann wirksam konfiguriert sein, um mit einer Vielzahl von Testbatterien 90 nacheinander verwendet zu werden, wenn jede Testbatterie über einen Zeitraum ausgewertet wird. Die Separatoranordnung 36 beinhaltet eine integrierte Referenzelektrode, die aus mindestens einer durchlässigen Referenzkomponente 42 gebildet ist, die an der Basisschicht 34 über ein Siebdruckverfahren oder dergleichen befestigt ist. Es versteht sich, dass die durchlässige Referenzkomponente 42 in Abhängigkeit des Porositätsgrades der Referenzkomponente oder der Art des in der Referenzkomponente verwendeten Materials oder des Verfahrens, das zur Befestigung der Referenzkomponente an der Basisschicht 34 verwendet wird – Lackierung, Druck oder dergleichen, halbdurchlässig oder vollständig durchlässig sein kann. Die Separatoranordnung 36 ist wirksam konfiguriert, um mit einem Stromabnehmer einer der Vielzahl an Testbatterien 90, einem Messgerät 56 und der Benutzerschnittstelle 86 zu kommunizieren.
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Die Batteriezellenprüfvorrichtung 70 kann, jedoch nicht notwendigerweise, einen Ständer 72 beinhalten, der mit mindestens einer der Benutzerschnittstelle 86, einer Testbatterie 90 oder einer Separatoranordnung 36 gekoppelt ist. Es versteht sich, dass die Separatoranordnung 36 eine Basisschicht mit einer ersten Seite und einer zweiten Seite 44, 46 beinhaltet, wobei die halbdurchlässige Referenzkomponente 42 mit der zweiten Seite 46 der Basisschicht 34 gekoppelt ist. Die durchlässige Referenzkomponente 42 kann wirksam konfiguriert sein, um zu ermöglichen, dass Ionen 54, die durch die Referenzelektrode (welche die Referenzkomponente 42, gegebenenfalls den ersten Kontakt 38 und den zweiten Kontakt 40 beinhalten) hindurchtreten können. Es versteht sich, dass die Separatoranordnung 36 wirksam konfiguriert ist, um die Anode 50 und die Kathode 52 in jeder der Vielzahl von Testbatterien 90, die mit der Testvorrichtung verwendet werden, zu trennen. Ähnlich wie bei früheren Ausführungsformen kann der durchlässige erste Kontakt 38 an einer ersten Seite 44 der Basisschicht über ein Sputterverfahren oder dergleichen befestigt sein, sodass der erste Kontakt auch für Ionen durchlässig ist. Der erste Kontakt 38 kann mit der Referenzkomponente 42 über eine erste Schaltung kommunizieren.
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Wie in den 4B und 4C dargestellt, ist der erste Kontakt wirksam konfiguriert, um benachbart zu einer Elektrode (entweder die Anode 50 oder die Kathode 52 oder beide) in einer der Vielzahl von Testbatterien zu sein. Es versteht sich auch, dass ein optionaler zweiter Kontakt 40 an der Referenzkomponente 42 und der zweiten Seite 46 der Basisschicht befestigt werden kann. Der optionale zweite Kontakt kann über eine zweite Schaltung mit einem Stromabnehmer einer Testbatterie in Verbindung stehen. Wie der erste Kontakt 38 kann auch der optionale zweite Kontakt 40 eine durchlässige Struktur aufweisen und ist über ein Sputterverfahren oder dergleichen an der Basisschicht 34 befestigt, um die durchlässige Struktur zu erreichen. Es versteht sich, dass die Benutzerschnittstelle 86 ein Modul 88 beinhaltet, das mit den ersten und zweiten Schaltungen 62, 64 in Verbindung steht, sodass das Modul 88 den Status der Testzelle über ein Modell oder dergleichen bestimmen kann. Das Modul gibt dann über die Benutzerschnittstelle 86 den Status der Testzelle (wie z. B. den Ladezustand oder den Zustand der Testzelle relativ zu den Zellengrenzen) an einen Benutzer aus.
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Die vorstehend beschriebenen spezifischen Ausführungsformen sind exemplarisch dargestellt, und es sollte verstanden werden, dass diese Ausführungsformen anfällig für verschiedene Modifikationen und alternative Formen sein können. Es versteht sich ferner, dass die Ansprüche nicht auf die offenbarten besonderen Formen beschränkt sein sollen, sondern alle Modifikationen, Äquivalente und Alternativen, die in den Geist und Umfang dieser Offenbarung fallen, abdecken sollen.
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Während mindestens eine exemplarische Ausführungsform in der vorstehenden ausführlichen Beschreibung dargestellt wurde, versteht es sich, dass es eine große Anzahl an Varianten gibt. Es versteht sich weiterhin, dass die exemplarische Ausführungsform oder die
exemplarischen Ausführungsformen lediglich Beispiele sind und den Umfang, die Anwendbarkeit oder die Konfiguration dieser Offenbarung in keiner Weise einschränken sollen. Vielmehr stellen die vorstehenden ausführlichen Beschreibungen den Fachleuten auf
dem Gebiet einen zweckmäßigen Plan zur Implementierung der exemplarischen Ausführungsform oder exemplarischen Ausführungsformen zur Verfügung. Es versteht sich,
dass verschiedene Veränderungen an der Funktion und der Anordnung von Elementen
vorgenommen werden können, ohne vom Umfang der Offenbarung, wie er in den beigefügten Ansprüchen und deren rechtlichen Entsprechungen aufgeführt ist, abzuweichen.
