JP6810510B2 - 電池管理のための埋め込み光ファイバケーブル - Google Patents

Description

本特許出願は、内部に光ファイバケーブルが埋め込まれた電池セルに関する。本特許出願はまた、そのような電池セルに関する要素、装置、システム及び方法に関する。

充電状態（ＳＯＣ）及び／又は健全状態（ＳＯＨ）を判定するために、電圧、電流及び温度などの外部電池性能パラメータをあてにした電池管理システムは、経年劣化による電池のＳＯＣにおける不確実性及び／又は電池の劣化を管理するために保守的で過剰に複雑な設計をもたらす。この電池の保守的で過剰に複雑な設計をあてにすることは、ＳＯＣ及びＳＯＨに関する精度の低い推定を提供することにより、電気自動車や電力グリッド貯蔵などのクリーン技術の普及に影響を与えている。電池状態を単独で外部パラメータから完全に理解することができないため、電池の保守的で過剰に複雑な設計は部分的に生じる。

電池セルのＳＯＣ及びＳＯＨを判定するためのいくつかの外部の方法は、電気化学的インピーダンス分光法（ＥＩＳ）、中性子ラジオグラフィ及び光学顕微鏡を含む。これらの方法は、ＥＩＳについて非平衡状態中においては適切に動作することができないこと並びに中性子ラジオグラフィ及び光学顕微鏡についての追加の大きくて高価な装置の必要性に起因して、大量生産と流通には効果がない。他の方法は、リチウムイオン電池にＭＥＭＳ温度センサを埋め込むことを含む。しかしながら、これらの方法は、電磁干渉ノイズの問題と、各セル内の専用アナログ配線の必要性とを被る。

いくつかの実施形態は、少なくとも１本の埋め込み光ファイバケーブル及びセンサを有する折り畳みバイセル電池スタックを含む電池を対象としている。セルケーシングは、バイセルスタックを包囲しており、セル封止エッジを備える。少なくとも１本の光ファイバケーブルは、電池内に埋め込まれている。光ファイバケーブルは、セルケーシング内に配置され且つそれに配置された少なくとも１つの光センサを有する内部部分と、ケーシングから突出した外側部分とを含む。ガスケットは、電池への光ファイバケーブルのエントリポイントにおいて光ファイバケーブルの周囲に且つセル封止エッジ間に少なくとも部分的に配置されている。

いくつかの実施形態は、アノード、カソード及びセパレータ層を備える折り畳みバイセル電池スタックを含む。セルケーシングは、折り畳みバイセルスタックを包囲する。少なくとも１つの光ファイバケーブルは、アノード、カソード及び／又はセパレータ層に接合される。

いくつかの実施形態は、電池の製造方法を対象としている。少なくとも１つの光ファイバセンサを有する光ファイバケーブルの一部は、複数層を含む折り畳みバイセル電池構造体層上に配置されている。層は、光ファイバケーブルの内側部分がバイセルスタック内又は上に折り畳まれるように折り畳みバイセル構造体に折り畳まれている。折り畳みバイセル構造体は、セルケーシング層間に配置されており、セルケーシング層は、光ファイバケーブルの外側部分がセルケーシング層から延在するように封止されている。

上記概要は、本開示の各開示された実施形態又は全ての実装を説明するようには意図していない。図面及び詳細な説明は、以下により具体的に例示的な実施形態を例示する。

明細書をとおして、以下の添付図面が参照される。

図１Ａは、本願明細書に説明されたアプローチにかかる電池セル内に埋め込まれた１つ以上の光センサを含む光ファイバ（ＦＯ）ケーブルを示している。 図１Ｂは、本願明細書に説明されたアプローチにかかる電池セル内に埋め込まれた１つ以上の光センサを含む光ファイバ（ＦＯ）ケーブルを示している。 図２Ａは、いくつかの実施形態にかかるバイセルスタックの折り畳み層間に配置された光ファイバケーブルの異なる配置を有する電池セルの長手方向断面を図示している。 図２Ｂは、いくつかの実施形態にかかるバイセルスタックの折り畳み層間に配置された光ファイバケーブルの異なる配置を有する電池セルの長手方向断面を図示している。 図２Ｃは、いくつかの実施形態にかかるバイセルスタックの折り畳み層間に配置された光ファイバケーブルの異なる配置を有する電池セルの長手方向断面を図示している。 図３Ａは、様々な異なる配置及びエントリポイントを有する光ファイバケーブルを含む電池を図示している。 図３Ｂは、様々な異なる配置及びエントリポイントを有する光ファイバケーブルを含む電池を図示している。 図４Ａは、様々な異なる配置及びエントリポイントを有する光ファイバケーブルを含む電池を図示している。 図４Ｂは、様々な異なる配置及びエントリポイントを有する光ファイバケーブルを含む電池を図示している。 図５Ａは、様々な異なる配置及びエントリポイントを有する光ファイバケーブルを含む電池を図示している。 図５Ｂは、様々な異なる配置及びエントリポイントを有する光ファイバケーブルを含む電池を図示している。 図６Ａは、その上にセンサが配置された１本以上の光ファイバケーブルを含む電池セルの製造プロセスを図示するフロー図である。 図６Ｂは、埋め込まれた光ファイバケーブルを有するバイセルスタックの層の拡大図である。 図７Ａは、いくつかの実施形態にかかる光ファイバケーブル用の様々な接合構成を示している。 図７Ｂは、いくつかの実施形態にかかる光ファイバケーブル用の様々な接合構成を示している。 図７Ｃは、いくつかの実施形態にかかる光ファイバケーブル用の様々な接合構成を示している。 図８は、折り畳みバイセルスタック内に折り畳まれた光ファイバケーブルを有する折り畳みバイセルスタックにバイセル層を折り畳むプロセスを図示している。 図９Ａは、光ファイバケーブルのエントリポイントにおける電池セルの一部の断面図である。 図９Ｂは、図９Ａの折り畳みバイセルスタック及びセルケーシングの一部の斜視図を示している。 図１０Ａは、光ファイバケーブルガスケットなしでケース封止が行われる場合に形成するボイドを図示する断面において示された光ファイバケーブルの走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）画像である。 図１０Ｂは、光ファイバケーブルガスケットが様々な実施形態にしたがって使用される場合にボイドが低減したことを図示する断面において示された光ファイバケーブルの走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）画像である。 図１１は、埋め込まれた光ファイバケーブルを有する及び有しない封止されたリチウムイオン電解質が充填されたパウチについて加速湿気侵入テストに続いてそれらを切開して滴定を行った後にセルケーシング内で検出されたＨＦの量を示している。 図１２Ａは、埋め込み光ファイバなしの同様の電池セル（図１２Ｂ）と比較した提案手法を使用して製造された光ファイバ埋め込みセルの電荷保持性能を示している。 図１２Ｂは、埋め込み光ファイバなしの電池セルの電荷保持性能を示している。 図１３は、内部及び外部の光ファイバセンサ信号の比較を図示している。

図面は、必ずしも縮尺どおりではない。図面に使用される同様の符号は、同様の要素を指す。しかしながら、所定の図面における要素を指す符号の使用は、同じ符号によってラベル付けされた他の図面中の要素を限定するものではないことが理解されるであろう。

本願明細書に開示された実施形態は、その場でリアルタイムに電池パラメータを監視するために電池に光ファイバセンサを埋め込むためのアプローチを含む。光検出は、電池の内部温度、応力、歪み、音響放射、イオン濃度、化学、気体の存在及び／又は濃度、及び／又は、他の内部パラメータなどの様々な内部電池パラメータを検出するために使用されることができる。

図１Ａ−図１Ｂは、電池セル１００に埋め込まれた１つ以上の光センサ１５０を含む光ファイバ（ＦＯ）ケーブル１４０を示している。図１Ａは、電池セル１００の内部の側断面図を示している。図１Ｂは、線Ａ−Ａ’を通ってとられた電池セルの横方向断面図を示している。ＦＯケーブル１４０上に配置されたセンサ１５０は、ファイバブラッググレーティング（ＦＢＧ）センサ及び／又はエタロン若しくはファブリペロー（ＦＰ）センサを含む任意の種類（又は複数の種類）の光センサを備えることができる。センサは、セルケーシング内において光ファイバケーブルの長さに沿って先端に又は任意の場所に配置されてもよい。

（図１Ａ−図１Ｂには示されていない）光源からの入射光は、センサ１５０にＦＯケーブル１４０を通り、入射光はセンサ１５０と相互作用する。センサ１５０は、入射光の一部を反射又は吸収することができ、検出されたパラメータの変化に応じて変化する出射光を発する。

ファイバブラッググレーティング（ＦＢＧ）光センサは、例えば、ＦＯケーブルのコアの有限長（典型的には数ｍｍ）に沿った屈折率の周期的変調によって形成されることができる。このパターンは、センサの屈折率分布の周期性によって決定されるブラッグ波長と称される波長を反射する。実際には、センサは、典型的には、ブラッグ波長を中心とする波長の狭帯域を反射する。外部刺激の特性や基本値においてブラッグ波長がλで示され、波長λ（及びλ近傍の波長の狭帯域）を有する光は、センサが基本条件におけるときに反射される。センサが温度、歪み又は他のそのような刺激などの外部刺激を受けると、刺激は、回折格子の周期とＦＢＧの屈折率を変化させ、それにより、基本波長λとは異なる波長λｓに対して反射波長を変化させる。得られた波長シフトΔλ／λ＝（λ−λｓ）／λは、刺激の直接の尺度である。

光検出は、単一のＦＯケーブル上に複数の検出素子を組み込むことを可能とする。合波を通じて、１つのＦＯケーブルが複数のセンサの出射光を伝搬することが可能である。センサは、時間領域及び／又は波長領域合波／分波を介して個々に調べることができる。

電池セル１００は、円筒、ボタン、プリズム、パウチ又は他の種類のセルとすることができる。電池セル１００は、電池セル１００内の要素を囲んで包囲するセルケーシング１３０を含む。例えば、電池セル１００は、アノード１０５ａと、カソード１０５ｂと、セパレータ層１２０とを含むことができる。アノード及びカソード１０５ａ、１０５ｂは、セルケーシング１３０を通って延在し且つそこから突出した外部接続、アノード及びカソードコネクタタブ１１０ａ、１１０ｂを有する。折り畳みバイセル電池スタック１６０は、アノード層（アノード集電層及びアノード電極層）と、セパレータ層１２０によって分離されたカソード層（カソード集電層及びカソード電極層）とを備える、折り畳まれた又は丸められたバイセル層のスタックである。

図１Ａ及び図１Ｂは、封止された可撓性セルケーシング１３０を有するパウチタイプのセルを図示している。セルケーシング１３０は、第１の封止エッジ１３１ａを有する第１のセルケーシング層１３１と、第２の封止エッジ１３２ａを有する第２のセルケーシング層１３２とを含む。第１のセルケーシング層１３１及び第２のセルケーシング層１３２は、第１及び第２の封止エッジ１３１ａ、１３２ａにおいて一体に密封されている。図１Ａ及び図１Ｂに示されるように、少なくとも１本の光ファイバケーブル１４０は、エントリポイント１４５においてアノード及びカソード接続タブ１１０ａ、１１０ｂの間の領域においてセルケーシング１３０に入る。光ファイバケーブル１４０は、セルケーシング１３０内に配置された内側部分と、エントリポイント１４５においてセルケーシングから突出した外側部分とを有する。図示された実施形態において、エントリポイント１４５は、アノード及びカソードタブ１１０ａ、１１０ｂの間においてほぼ途中に配置されているが、セルケーシングに沿ってアノード若しくはカソードタブ１１０ａ、１１０ｂのうちの一方に又は他の場所に近く配置されることができた。図示された実施形態において、光ファイバケーブル１４０は、セルケーシングのエッジに垂直な角度でエントリポイント１４５においてセルケーシングに入る。いくつかの実施形態において、光ファイバケーブルは、ケーシングのエッジに対して所定角度でセルケーシングに入ることができる。

いくつかの実施形態において、電池セル内に埋め込まれた複数の光ファイバケーブルがあってもよい。図１Ｂは、複数の光ファイバケーブルが埋め込まれた電池セルの線Ａ−Ａ’を通る横方向断面を示している。光ファイバケーブルは、バイセル層１６０間、セパレータ層１２０、セルケーシング１３０とバイセルスタックとの間又は他の位置に配置することができる。図１Ｂにおける光ファイバケーブル１４０は、第１のバイセルと第２のバイセルとの間、第２のバイセルと第３のバイセルとの間、及び、第５のバイセルとセルケーシングとの間に配置されている。光ファイバケーブル１４０は、これらの例示位置の３つ全て又は現在示されていない他の位置に加えて、１つ又は数個のこれらの例示位置に配置されてもよい。光ファイバケーブル１４０は、光ファイバセンサ１５０によって検出されたパラメータに応答して信号を増強するために戦略的な位置に配置されることができる。複数のＦＯケーブルが使用される実施形態において、ケーブルは、セルケーシング１３０内の同じエントリポイントを介して電池セル１００に入ることができる。あるいは、複数の光ファイバケーブルのうちの少なくとも一部は、別個のエントリポイントを介してセルケーシング１３０に入ることができる。

封止エッジの領域におけるＦＯケーブルの大幅な屈曲は、特に電池製造及び活性化における典型的な内部セル圧力においてケーブルに損傷を与えることがある。光ファイバケーブルの大幅な屈曲は、光ファイバケーブル１４０がセル活性化プロセス中に破壊する可能性を増加させる。ＦＯケーブルに対する損傷は、屈曲が封止エッジにおいて又はその近くにおいて低減又は最小化されるようにＦＯケーブルを向けることによって回避することができる。電池の内部において、製造中のケーブルの応力は、大幅な屈曲に起因した高い断線の可能性なしで光ファイバケーブルが電池セル内のループ内にさらに配置されることができるようにインパクトを小さくすることができる。

図２Ａ−図２Ｃは、バイセルスタックの折り畳み層間に配置された光ファイバケーブル２１１、２１２、２１３の異なる配置を有する電池セル２０１、２０２、２０３の（例えば、図１Ａに示される線Ｂ−Ｂ’を通る）長手方向断面図を図示している。光ファイバケーブル２１１、２１２、２１３のそれぞれは、電池セル２０１、２０２、２０３内に配置された内側部分２１１ａ、２１２ａ、２１３ａと、電池セル２０１、２０２、２０３から突出した外部部分２１１ｂ、２１２ｂ、２１３ｂとを有する。ケーブル２１１、２１２、２１３の内側部分２１１ａ、２１２ａ、２１３ａは、電池セル２０１、２０２、２０３の内部への光ファイバケーブル２１１、２１２、２１３のエントリポイント２４５、２４６、２４７の近くの移行部分２１１ｃ、２１２ｃ、２１３ｃを有する。光ファイバケーブル２１１、２１２、２１３は、セルケーシング２３１、２３２、２３３の封止エッジ２３１ａ、２３１ｂ、２３２ａ、２３２ｂ、２３３ａ、２３３ｂ間においてセルケーシング２３１、２３２、２３３に入る。第１の内側部分２１１ａ、２１２ａ、２１３ａは、バイセルスタックの折り畳み層間に配置されている。

電池セル２０１、２０２のセルケーシング２３１、２３２は、略平坦なベース層２５１、２５２と、ベース層２５１、２５２に対して封止されたカバー層２４１、２４２とを有する。電池セル２０３のセルケーシング２３３は、比較的対称なベース２４３及びカバー２５３層を有する。光ファイバケーブル２１１、２１２、２１３の移行部分２１１ｃ、２１２ｃ、２１３ｃは、少なくとも１つの屈曲、例えばＳ屈曲を含み、Ｓ屈曲における各屈曲は、約９０°未満、又は約６０°未満又はさらに約４５°未満の半径を有する。例えば、いくつかの実施形態において、Ｓ屈曲における各屈曲は、０°よりも大きく且つ約９０°未満又は約６０°未満又はさらに約４５°未満である。いくつかの実施形態において、第１の内側部分２１１ａ、２１２ａ、２１３ａは、約１ｍｍから約５０ｍｍだけエントリポイント２４５、２４６、２４７からオフセットされている。

折り畳まれた電池セルのいくつかの実施形態において、光ファイバケーブルの内側部分は、光ファイバケーブルのエントリポイントの平面から第４及び第５のバイセル折り畳み層間の空間よりもさらに離れていないバイセル折り畳み層間の空間に配置されることができる。

図２Ａは、エントリポイント２４５を含むｘ−ｙ平面に近い第１及び第２のバイセル折り畳み層２８１及び２８２の間の空間２９１に位置する光ファイバケーブル２１１の第１の内側部分２１１ａを示している。この構成は、移行部分２１１ｃにおける光ファイバケーブル２１１において小さなＳ屈曲のみを形成し、光ファイバケーブル２１１は、略直線の向きで電池セルの内部に入る。小さな屈曲は、封止プロセス中により安定した構成を提供し、光ファイバケーブル２１１の破壊の危険性を低減する。

図２Ｂは、エントリポイント２４６を含むｘ−ｙ平面から十分な距離である第５及び第６のバイセル折り畳み層２８５、２８６の間の空間２９１に配置された第１の内側部分２１２ａを有する電池セルの内部に延在する光ファイバケーブル２１２を示している。この構成は、移行部分２１２ｃにおいて光ファイバケーブル２１２における十分なＳ屈曲を形成する。この光ファイバケーブル２１２の十分な屈曲は、封止プロセス中にファイバの破壊の危険性を増大させる。

図２Ｃは、略対称である第１及び第２のカバー層２４３、２５３を有する電池ケーシングを図示している。この実施形態において、光ファイバケーブル２１３の第１の内側部分２１３ａは、エントリポイント２４７を含むｘ−ｙ平面下方の第１及び第２のバイセル折り畳み層２８１及び２８２の間の空間２９１に位置する。この構成は、移行部分２１３ｃにおける光ファイバケーブル２１３において小さいＳ屈曲のみを形成し、光ファイバケーブル２１３は、略直線の向きで電池セルの内部に入る。小さな屈曲は、封止プロセス中により安定した構成を提供し、光ファイバケーブル２１３の破壊の危険性を低減する。

いくつかの実施形態において、折り畳みバイセルスタックは、ｎ＝−ＭからＮを範囲とする折り畳み層ｆ_ｎを含み、ｎは、セルケーシングのベース層に対する折り畳み層の位置を示す整数インデックスである。折り畳み層ｆ_０は、ベース層に最も近い。そして、光ファイバケーブルは、層ｆ_＋／−ｘ及びｆ_{＋／−（ｘ＋１）}の間に配置されている。ここで、｜ｘ｜は、３以下である。

図３Ａ−図３Ｂ、図４Ａ−図４Ｂ及び図５Ａ−図５Ｂは、様々な異なる配置及びエントリポイントを有する光ファイバケーブルを含む電池セルを図示している。これらの光ファイバケーブルの配置は、互いの組み合わせ、又は、例えば図１Ａ−図１Ｂの電極タブ間のエントリポイントを示す前の実施形態との組み合わせとすることができる。

図３Ａ及び図３Ｂは、バイセルスタック３９０内に配置され且つセパレータ層３２０の折り畳まれた表面間の曲線状の光ファイバケーブル３１１を有する電池セル３００の断面内部図である。図３Ｂは、線Ａ−Ａ’に沿ってとられた図３Ａに示される電池セルの断面図を示している。光ファイバケーブル３１１は、（図３Ａ及び図３Ｂに示されるように）アノードタブ３１０ａに対して近い電池セルの側に位置してもよく、又は、カソードタブ３１０ｂに対して近い反対側に位置してもよい。いくつかの実施形態において、光ファイバケーブル３１１は、バイセルスタック３９０の折り畳み内において且つスタックの折り畳み線に略平行に（図３Ａ及び図３Ｂのｙ軸に実質的に沿って）、電池セルのセルケーシング３３０内に配置されている。いくつかの実施形態において、光ファイバケーブル３１１は、バイセルスタックに対して所定角度でセルケーシングに入り、折り畳み線に対して所定角度で折り目の間に配置されることができる。１つ以上の光センサは、光ファイバケーブル３１１に沿って配置されることができる。

図４Ａは、セパレータ層４２０の表面とセルケーシング４３０の内面との間においてバイセルスタック４９０の外部に配置された光ファイバケーブル４１１を図示している。図４Ｂは、線Ａ−Ａ’に沿ってとられた図４Ａに示される電池セルの断面図を示している。図４Ａは、バイセルスタック４９０の上部と底部との間のほぼ途中の光ファイバケーブル４１１における光センサ４９９を示している。いくつかの実施形態において、電池セル４００の底部からバイセルスタック４９０の上部までの距離ｄ_１は、約７−８ｍｍであり、光ファイバセンサ４９９は、電池セル４００の底部から約３ｃｍである距離ｄ_２に配置されている。光センサについての他の配置位置もまた可能である。

図３Ａ、図３Ｂ、図４Ａ及び図４Ｂは、一般にｙ軸に沿って延在し且つバイセルスタック３９０、４９０の折り目に略平行な光ファイバケーブル３１１、４１１を図示している。図５Ａ及び図５Ｂは、電池セル５００内に配置され且つｘ軸に沿って横方向に延在し且つ折り目に略垂直な光ファイバケーブル５１１を図示している。図５Ｂは、線Ａ−Ａ’に沿ってとられた図５Ａに示される電池セルの断面図を示している。図５Ａは、バイセルスタック５９０の左右側間のほぼ途中の光ファイバケーブル５１１の光センサ５９９を示している。図示された例において、電池セル５００の右側からバイセルスタックの反対のエッジまでの距離ｄ_３は約３ｃｍであり、光ファイバセンサ５９９は、電池セル４００の右側から約１ｃｍとすることができる距離ｄ_４に配置されている。光センサについての他の配置位置もまた可能である。

図６Ａは、センサがその上に配置された１本以上の埋め込み光ファイバケーブルを含む電池セルの製造プロセスを図示するフロー図である。光ファイバケーブルの一部は、バイセルの層上に位置している６１０。光センサ６８１がその上に配置された光ファイバケーブル６８０は、図６Ｂに示されるように、アノード集電層６９１、アノード電極層６９２、カソード集電層６９３、カソード電極層６９４及びセパレータ層６９５などのバイセル層６９１−６９５のいずれかに配置されることができる。必要に応じて、光ファイバケーブルは、バイセルスタックを形成するようにバイセル層が折り畳まれる６３０か又は丸められる前にバイセル層に対して取り付けられる６１０。折り畳み又は丸め後に、バイセルスタックは、セルケーシング層内に配置される６４０。セルケーシングの封止エッジにおいて、セルケーシングが封止エッジにおいて封止される６６０前に、光ファイバケーブルの周囲において少なくとも部分的に１つ以上のガスケット層が配置される６５０。

いくつかの実施形態において、光ファイバケーブルは、アノード電極層上に配置されて接合される。例えば、アノード電極層に対する光ファイバケーブルの接合は、光ファイバケーブルにスチレン−ブタジエン−ゴム又は他の適切な接着剤を塗布することを備えてもよい。

図７Ａ及び図７Ｂに図示されるように、接合領域７９１、７９２の組み合わせ長Ｌ_ｂＴは、バイセル層７８１、７８２の長さ及び／又は光ファイバケーブル７１１、７１２の長さＬの大部分未満とすることができる。図７Ｃに示されるように、いくつかの実施形態において、接合７９３領域は、接合７９３がバイセル層７８３及び／又は光ファイバケーブル７１３の長さＬの大部分（少なくとも５０％）又は略大部分（７５％超）に沿って延在するように、組み合わせ長Ｌ_ｂＴを有することができる。接合７９１、７９２、７９３が光ファイバケーブル７１１、７１２、７１３に配置された光ファイバセンサと干渉しないように、接合７９１、７９２、７９３が位置してもよい。いくつかの実施形態において、センサは、接合領域間に配置されてもよい。

接合後、バイセル層は、折り畳まれ、丸められ又は他の方法でバイセルスタックに形成される。図８は、折り畳み後に、アノード及びカソード電極を分離するセパレータ層８３０によるアノード８１０及びカソード８２０の電極材料の交互領域を有する折り畳みバイセル層の一例を図示している。この例において、光ファイバケーブル８４０は、カソード電極層８２０に隣接して配置されている。

いくつかの実装において、光ファイバケーブルの周りにセルケーシングから流体が漏れる可能性を低減するために、ガスケットは、セルケーシングが封止される前にエントリポイントの近くの光ファイバケーブルの周りに少なくとも部分的に配置されている。図９Ａは、光ファイバのエントリポイントにおける電池セルの一部の断面図を示しており、図９Ｂは、折り畳みバイセルスタック９７０及びセルケーシング９３０の一部の斜視図を示している。光ファイバガスケット９１０は、光ファイバケーブル９２０の周囲において部分的に配置された第１の光ファイバ封止層９１１と、光ファイバケーブル９２０の周囲において部分的に配置された第２の光ファイバ封止層９１２とを備える。セルケーシング９３０は、第１及び第２のケース封止エッジ９３１、９３２を含む。セルケーシング９３０は、ケース封止エッジに配置された第１及び第２のケース封止層９４１、９４２を使用して封止されることができる。（図９Ｂには、セルケーシングの半分のみ及び１つのケース封止層９４２のみが示されている）。

図９Ｂに示されるように、いくつかの構成において、電極タブ９５１、９５２はまた、電池ケース９３０内外への流体の漏れを防止するガスケット９６１、９６２を含むことができる。いくつかの実装において、ケース封止層９４１、９４２、電極ガスケット層９６１、９６２及び／又は光ファイバガスケット層９１１、９１２は、同一の材料であるか又はそれを含んでもよい。例えば、ケース封止層９４１、９４２、電極ガスケット層９６１、９６２及び／又は光ファイバガスケット層９１１、９１２のうちの１つ以上は、熱封止フィルムであるか又はを含んでもよい。好適な材料としては、ポリオレフィン系ポリマ、ポリプロピレン若しくはポリエチレン材料、例えば、塩素化ポリプロピレン、エチレン−プロピレン共重合体、ポリエチレン−アクリル酸共重合体及び／又はポリプロピレン−アクリル酸共重合体などの耐薬品性の材料を含む。光ファイバケーブルが電極近くの電池ケースから延在する実施形態において、２つの連続封止層、すなわち、光ファイバ及び電極の両側に配置された１つの連続封止層は、光ファイバ及び電極の双方にガスケットを形成してもよい。

ケース封止層は、セルケース封止エッジ上に配置されており、光ファイバの内側部分は、セル層上に配置されて接合されている。光ファイバガスケット層は、光ファイバケーブル及び／又はケース封止エッジにおける電極の周りに配置されており、ガスケット層及びセルケースは、例えば熱融着によって同時に封止されている。

電池ケースが光ファイバケーブルについてガスケットなしで封止されているときにボイドを形成してもよい。図１０Ａは、光ファイバコア及びクラッド１００１と、ガスケットなしで行われるケース封止に起因して形成されるボイド１００３を有するコーティング１００２とを備える光ファイバケーブルの走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）画像の断面を示している。図１０Ｂは、封止シールフィルムを備えるガスケットが使用されるときにボイドが低減することを図示するＳＥＭ画像である。

光ファイバガスケットが使用された場合、図１１によって図示されるように、電池の封止は、内部に埋め込まれた光ファイバケーブルを有しない電池と同様に行われる。図１１のグラフは、１）光ファイバ１１０１なしで、２）埋め込まれた１２５μｍの光ファイバ１１０２により、及び、３）埋め込まれた２５４μｍの光ファイバ１１０３により、加速湿気侵入テストにおいてＬｉイオン電解質によって封止されたパウチについてセルケーシング内部で検出されたフッ化水素（ＨＦ）ガスの量を示している。

図１２Ａ及び図１２Ｂは、埋め込み光ファイバなしの同様の電池セル（図１２Ｂ）と比較した提案手法を使用して製造された光ファイバ埋め込みセル（図１２Ａ）の電荷保持性能を示している。図１２Ａ及び図１２Ｂによって図示されたように、埋め込まれた光ファイバセルは、光ファイバがないセルよりも僅かに多い変動を呈するが、テストされたセルの容量は、異なるセルバッチにわたって観察された変動範囲内である。

図１３は、内部及び外部の光ファイバセンサ信号を使用した検出を比較している。上のグラフは、電池セルの電圧１３１０及び電流１３２０の変化を示している。グラフ１３０３は、候補設定を使用した内部の最も外側のスタック電極に接合されたセンサの対応する波長シフトを示している。グラフ１３０４は、外部のセルスキンに接合されたグラフの波長シフトを示している。そこにみられるように、セルスキンの両側における２つのセンサの相対的な近接性にもかかわらず、電極に取り付けられた内部センサは、実質的により強い歪み信号を示しており、セル内に内部ＦＯセンサを埋め込むことの利点を強調している。

電圧、電流及び温度などの外部性能パラメータを監視することをあてにしている現代のバッテリ管理システム（ＢＭＳ）の実務は、次善の監視解決策である。より有益な埋め込みセンサが望ましく、特に内部状態監視のために、充電状態（ＳＯＣ）推定及び初期の問題の早期徴候の正確な状態を提供することができ、はるかに改善されたＢＭＳについての健全状態（ＳＯＨ）推定を可能とする。電池のＳＯＨ推定のための１つの従来のアプローチは、電気化学的インピーダンス分光法（ＥＩＳ）である。しかしながら、この方法は、「健全」状態における広範囲の前較正を必要とする。また、バッテリが電気化学的平衡状態となるのを必要とし、したがって、ランタイム監視には適していない。電池の開発者の想像力を魅了してきた他のアプローチは、基準電極を埋め込むことである。しかしながら、この技術は、通常の電池動作についての性能問題を引き起こす可能性があり、セル内部電圧場上の単一の追加データポイントのその利点を正当化することはできない。電気測定の場合、それはまた、場の展開についての電磁干渉（ＥＭＩ）の新たな課題に直面している。

モデル検証のための内部セル状態の実験室レベルでの特徴付けについての他のアプローチは、石英視認窓付きの特別に設計されたセルに中性子ラジオグラフィ及び光学顕微鏡法を含んでいる。そのようなアプローチは、充電／放電中における電極歪みの変動及び結果として生じる動的なセル特性の観点からリチウムイオンセル内における複雑な内部機構に興味深い洞察を提供している。これらのアプローチは、効果的なＢＭＳのための内部検出の必要性を改めて表明する。しかしながら、それらは、大きくて高価な装置及び手動の読影を使用することから、埋め込まれた場展開のためには拡張性がない。

一般に、分布した埋め込み検出システムの様々な要素を組み込むことに関連したコストの要因及び課題は、監視のための従来のセンサネットワークの広範囲な展開／埋め込みの主要な制約要因となっている。電池の腐食、スパークに敏感な電気的ノイズの多い環境は、さらに利用可能な選択肢を制限する。近年、リチウムイオンセルに埋め込まれた微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）の温度センサは、それらの過酷な環境を生き延びている。しかしながら、これらのセンサは、電磁干渉（ＥＭＩ）ノイズの問題や各セルにおける専用アナログ配線の必要性に苦しみ、１００個のセルのパックの課題を形成している。

その点で、適切な要素からなるＦＯセンサは、様々な腐食環境に耐えることができる。これらのケーブルがセンサ素子としてのそれらの組み込みを介してシステムの性能を低下させるべきではないように、薄いサイズ（１００−５００μｍの直径）のＦＯケーブルは、ガスケットとの適切な封止を可能とする。電解質濃度に感度がある埋め込みＵ字型ファイバ曲げ要素は、有望な結果を有する鉛酸電池で検討されている。長期間の鉛酸電池の過酷な環境でのプラスチック光ファイバの生存率は、加速ライフサイクルテストによって検証されている（２０−３０℃以上で１３−２５年の推定寿命）。しかしながら、使用される伝送減衰ベースの光検出素子は、濃度のみに感度があり、合波には向いていない。

光ファイバセンサの使用は、リチウムイオン電池における埋め込み内部検出及びより良好な制御を可能とすることができる。セルの封止の完全性、セル内の電極スタック又は光ファイバケーブル自体の損傷を有意に損なうことのない埋め込み光ファイバのアプローチは、本願明細書に記載された実施形態によって対処される。光ファイバケーブルは、作動サイクル中にセルを封止するために使用されるプレス機械の高い動圧と高い内部ガス圧に耐えることができる必要がある。本願明細書で説明されるアプローチは、光ファイバの位置決めと、ＦＯケーブル又はセル材料のいずれかへの損傷を軽減する埋め込みプロセス自体の態様を含む。いくつかの実施形態において、光ファイバは、第１のバイセル（セパレータ層によって分離された３電極のスタック）とセパレータとの間に配置される。ＦＯケーブルの応力による封止プロセス中のＦＯの損傷を回避するために、屈曲は、指定された屈曲角度未満に維持される。封止点のレベルと埋め込みレベルとの間の距離は、埋め込まれた光ファイバの応力を低減するために限界に維持される。光ファイバの過度の屈曲は、封止プロセス中にファイバが壊れる危険性を増大させる。逆に、屈曲していないか又は僅かに屈曲したファイバは、封止プロセス中により強固で且つより安定している。

セル内部のＦＯの位置に加え、埋め込み及び封止プロセス自体は、本願明細書に記載されたアプローチの態様である。ＦＯケーブルは、この埋め込み又は封止プロセス中に損傷を受けるべきではない。ＦＯケーブルは、図８に示された折り畳み中の電池セルに埋め込まれてもよい。いくつかの実装形態において、光ファイバは、バイセル層とセパレータ層との間に配置される。折り畳みプロセス中にファイバを埋め込むことにより、代わりに、その後、ＦＯ自体及び／又はセル材料が損傷される可能性を低減する。セルを封止するための特定の温度及び圧力は、例えば約２００℃まで（通常は約９０℃）且つ約１．０ＭＰａまで封止点においてのＦＯへの損傷を防止するために使用されることができる。

本願明細書に記載された封止アプローチは、セルがセル内のＦＯエントリポイント近くの漏れを成長させる可能性を軽減する。漏出セルは、初期故障及び安全性の問題につながることがある。この目的のために、ポリプロピレンやポリエチレンなどの保護熱封止フィルムは、パウチのスキン表面間のＦＯケーブルの周りにおいて少なくとも部分的に包まれている。この熱封止フィルムは、セルの電極接続タブの周りに配置された熱封止フィルムのために使用されるものと同じ材料であるか又はそれを含むことができる。この方法は、ＦＯケーブルの周りの間隙が熱封止材によって充填され、ボイドを防止するのを確実にする傾向がある。さらにまた、ＦＯは封止点で電池ケースに固定されていることから、ＦＯの位置は安定する。

セル電極層、集電層及び／又はセパレータのいずれかに対するファイバの接合は、改善された接触に起因して、測定信号、例えば歪み信号を増加させるのに使用されることができる。これは、内部セル環境に互換性のある接着剤によって実現されることができた。いくつかの可能な接合構成は、図７Ａ−図７Ｃに示されている。単一の接合領域が使用される場合、単一の接合領域（例えば、図７Ａ）は、光ファイバセンサ近く又はエッジにすることができる。歪み応答を改善するために、２つの点（例えば、図７Ｂ）においてＦＯを接合するか又は実質的にＦＯ全体（例えば、図７Ｃ）を接合することができる。

本開示は、電池性能に悪影響を及ぼさず且つ電池管理能力を強化したエネルギ貯蔵セルに光ファイバ（ＦＯ）ケーブルを埋め込む方法を提供する。いくつかのアプローチは、複数のＦＯケーブルを代わりに使用することができるものの、多重化されたセンサを有する単一のＦＯケーブルを想定している。熱封止フィルムの使用は、エントリポイントの近くのＦＯケーブルの周りの漏れを防止する。スタック内に埋め込まれたＦＯケーブルの配置は、内部セルパラメータを監視しながら、ＦＯケーブル又は電極スタック機能への損傷を回避する。波長及び／又は時分割合波は、ＦＯケーブルの多数のセンサ素子を調べるのを可能とする。ＦＯケーブルとスタックとの間の接着剤の選択的使用は、歪み又は歪み及び温度の組み合わせに対するＦＯセンサの感度を高めることができる。

エントリポイントにおけるＦＯケーブルとセルスキンとの間の熱封止フィルム又は他の適切な封止剤の使用は、ボイドのない良好なセル封止を提供することである。ＦＯケーブルの適切な配置は、ケーブルの損傷を回避するためにＦＯケーブルの曲率を低減する。ＦＯケーブルは、１つ以上の点において電極スタックにＦＯケーブルを取り付けるために接着剤を用いて又は用いずに配置されることができる。ＦＯケーブルは、それに一体化され且つ電池管理に使用される１つ以上の検出要素を有することができる。

特に明記しない限り、明細書及び特許請求の範囲において使用される特徴のサイズ、量及び物理的特性を表す全ての数は、用語「約」によって全ての例において変更されるものとして理解されるべきである。したがって、逆を明記しない限り、上述した明細書及び添付された特許請求の範囲に記載された数値パラメータは、本願明細書に開示された教示を利用する当業者によって得ることが求められる所望の特性に応じて変更することができる近似値である。エンドポイントによる数値範囲の使用は、その範囲内の全ての数（例えば、１から５は、１．５、２、２．７５、３、３．８０、４及び５を含む）及びその範囲内の任意の範囲を含む。

Claims (14)

1. アノード及びカソード層を含むバイセル電池構造体の層において少なくとも１つの光ファイバセンサを有する光ファイバケーブルの一部を位置決めすることと、
   内部セル環境に互換性のある接着剤で、前記光ファイバケーブルを前記アノード及びカソード層の１つ又はそれより多数の活材料に接合することと、
   前記光ファイバケーブルの内側部分が折り畳み層間に配置されるように前記バイセル構造体の前記層を折り畳むことと、
   セルケーシング層間に前記折り畳みバイセル構造体を配置することと、
   前記光ファイバケーブルの外側部分が前記セルケーシング層から外側に延在するように前記セルケーシング層を封止することとを備える方法。
2. 前記接合することが、スチレン−ブタジエン−ゴムを前記光ファイバケーブルに塗布することを含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記光ファイバケーブルが前記バイセル電池構造体の層の長さに沿って配置され、前記接合の長さが前記層の長さの大部分より小さい、請求項１に記載の方法。
4. 前記光ファイバケーブルが前記バイセル電池構造体の層の長さに沿って配置され、前記光ファイバケーブルが前記長さに沿って複数の位置で接合される、請求項１に記載の方法。
5. さらに、封止することに先立ち、前記セルケーシングのエントリポイントにおいて前記光ファイバケーブルの周囲に少なくとも部分的にガスケットを配置することを備える、請求項１に記載の方法。
6. 前記ガスケットが、前記光ファイバケーブルの反対側に配置された少なくとも２つのフィルム層を含み、前記少なくとも２つのフィルム層が接続されている、請求項５に記載の方法。
7. 前記ガスケットが熱封止フィルムを含む、請求項５に記載の方法。
8. 前記セルケーシング層が追加の熱封止フィルムを用いて封止される、請求項７に記載の方法。
9. 前記少なくとも１つの光ファイバセンサが接合領域の間に配置される、請求項１に記載の方法。
10. さらに、前記セルケーシングにより形成されたエントリポイントの近傍に前記光ファイバケーブルを配置することを備え、前記光ファイバケーブルを配置することが前記光ファイバケーブルにＳ屈曲を形成することを含む、請求項１に記載の方法。
11. 前記Ｓ屈曲における各屈曲が９０°未満の半径を有する、請求項１０に記載の方法。
12. 前記Ｓ屈曲を形成することが、前記Ｓ屈曲における各屈曲を４５°未満の半径を有するよう形成することを含む、請求項１０に記載の方法。
13. 前記エントリポイントの近傍に前記光ファイバケーブルを配置することが、前記エントリポイントから１〜５０ｍｍオフセットさせて前記光ファイバケーブルを配置することを含む、請求項１０に記載の方法。
14. 前記少なくとも１つの光ファイバセンサが、前記バイセル電池構造体における電極歪みの変動を検出するよう構成される、請求項１に記載の方法。

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