KR102230889B1 - 배터리 관리용 매몰형 광섬유 케이블들 - Google Patents

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Abstract

배터리는 매몰형 광섬유 케이블 및 센서를 가지는 접힌 바이셀 배터리 스택을 포함한다. 셀 케이스는 바이셀 스택을 밀폐하고 적어도 하나의 광섬유 케이블은 배터리 내에 매몰된다. 광섬유 케이블은 셀 케이스 내부에 배치되고 적어도 하나의 광센서가 배치되는 내측부를 포함한다. 광섬유 케이블 외측부는 케이스로부터 돌출된다. 밀봉 개스킷은 배터리 내부로의 광섬유 케이블 진입 지점에서 셀 밀봉 모서리들 사이 광섬유 케이블 주위에서 적어도 부분적으로 배치된다.

Description

배터리 관리용 매몰형 광섬유 케이블들{EMBEDDED FIBER OPTIC CABLES FOR BATTERY MANAGEMENT}
본원은 포괄적으로 광섬유 케이블이 매몰된 배터리 셀에 관한 것이다. 또한 본원은 이러한 배터리 셀과 관련된 구성요소들, 장치들, 시스템 및 방법에 관한 것이다.
충전-상태 (SOC) 및/또는 건강-상태 (SOH)를 결정하기 위하여 외부 셀 성능 인자들 (parameters), 예컨대 전압, 전류, 및 온도에 의존하는 배터리 관리 시스템은 수명에 따른 배터리 충전-상태 및 배터리 열화에 대한 불확실성을 관리하기 위하여 보수적 오버디자인을 초래한다. 이러한 배터리의 보수적 오버디자인에 대한 의존도는 널리 채용되고 있는 녹색 기술들 예컨대 전기 차량 및 전원 그리드 저장에 영향을 미친다. 배터리의 보수적 오버디자인은 부분적으로 배터리 상태가 외부 파라미터들만으로는 완전히 이해될 수 없기 때문에 연유한다.
배터리 셀의 SOC 및 SOH를 결정하기 위한 일부 외부적 방법들은 전기화학적 임피던스 분광학 (EIS), 중성자 영상법 및 광학현미경을 포함한다. 이들 방법은 EIS에 대한 비-평형 상태에서 적절한 작업 불가 및 중성자 영상법 및 광학현미경의 추가적 용적 및 고가 설비 필요성으로 대량 생산 및 확산에 효과적이지 않다. 또 다른 방법은 MEMS 온도 센서들을 리튬-이온 셀에 매몰하는 것이지만; 이들 방법은 전자파 장해 잡음 문제가 있고 각각의 셀에 전용 아날로그 와이어가 필요하다.
일부 실시태양들은 적어도 하나의 매몰형 광섬유 케이블 및 센서를 가지는 접힌 바이셀 배터리 스택을 포함하는 배터리에 관한 것이다. 셀 케이스는 바이셀 스택을 밀폐하고, 셀 밀봉 모서리들을 포함한다. 적어도 하나의 광섬유 케이블이 배터리 내부에 매몰된다. 광섬유 케이블은 셀 케이스 내부에 배치되고 적어도 하나의 광센서가 배치되는 내측부 및 케이스로부터 돌출되는 외측부를 포함한다. 개스킷은 적어도 부분적으로 광섬유 케이블 주위 및 배터리로의 광섬유 케이블 진입 지점에서 셀 밀봉 모서리들 사이에 배치된다.
일부 실시태양들은 음극, 양극, 및 분리판 층으로 구성되는 접힌 바이셀 배터리 스택을 포함한다. 셀 케이스는 접힌 바이셀 스택을 밀폐한다. 적어도 하나의 광섬유 케이블은 음극, 양극 및/또는 분리판 층에 연결된다.
일부 실시태양들은 배터리 제조 방법에 관한 것이다. 적어도 하나의 광섬유 센서를 가지는 광섬유 케이블 일부는 다중 층들로 구성되는 바이셀 배터리 구조체의 층에 배치된다. 층들은 접힌 바이셀 구조체로 접히고 광섬유 케이블 내측부는 바이셀 스택 내부 또는 스택에 접힌다. 접힌 바이셀 구조체는 셀 케이스 층들 사이에 놓이고 광섬유 케이블 외측부는 셀 케이스 층들로부터 연장되도록 셀 케이스 층들은 밀봉된다.
상기 요약은 본 발명의 개시된 각각의 실시태양 또는 모든 구현예를 설명할 의도는 아니다. 이하 특징부들 및 상세한 설명은 더욱 특정하게 도시된 실시태양들을 예시한다.
명세서 전반에 걸쳐 첨부 도면들이 참조된다:
도 1A-1B는 본원에 개시된 방법에 따라 배터리 셀에 매몰된 하나 이상의 광센서들을 포함하는 광섬유 (FO) 케이블을 보인다;
도 2A-2C는 일부 실시태양들에 따라 바이셀 스택의 접힌 층들 사이에 배치되는 광섬유 케이블이 다른 구성들을 가지는 배터리 셀의 길이방향 단면도이다;
도 3A-3B, 4A-4B, 및 5A-5B는 다양한 상이한 위치들 및 진입 지점들을 가지는 광섬유 케이블을 포함하는 배터리 셀을 도시한 것이다;
도 6A는 센서들이 배치된 하나 이상의 광섬유 케이블을 포함하는 배터리 셀 제조 방법을 보이는 흐름도이다;
도 6B는 매몰형 광섬유 케이블을 가지는 바이셀 스택 층들 확대도이다;
도 7A - 7C는 일부 실시태양들에 의한 광섬유 케이블에 대한 다양한 연결 구성들을 보인다;
도 8은 접힌 바이셀 스택 내부에 접힌 광섬유 케이블을 가지는 접힌 바이셀 스택으로 바이셀 층들을 접는 과정을 보인다;
도 9A는 광섬유 케이블 진입 지점에서의 배터리 셀 일부 단면도이다;
도 9B는 도 9A의 접힌 바이셀 스택 및 셀 케이스 일부의 사시도이다;
도 10A는 광섬유 케이블 개스킷 부재에서 케이스 밀봉이 수행된 경우 형성된 공극을 보이는 광섬유 케이블 단면의 주사전자현미경 (SEM) 사진이다;
도 10B는 다양한 실시태양들에 따라 광섬유 케이블 개스킷이 사용될 때 공극이 감소되는 것을 보이는 광섬유 케이블 단면의 주사전자현미경 (SEM) 사진이다;
도 11은 매몰형 광섬유 케이블 존재 및 부재에서 밀봉 Li-이온 전해질-충전 파우치에 대한 가속 수분 침투 시험에 이어 절단 개방하고 적정하여 셀 케이스 내부에서 검출되는 HF 함량을 보인다;
도 12A 및 12B는 제안된 방법으로 조립된 광섬유 매몰 셀 (도 12A) 및 매몰형 광섬유들이 부재하는 유사한 배터리 셀 (도 12B)과 대비한 전하 보유 성능을 보인다;
도 13은 내부 및 외부 광섬유 센서 신호들을 비교한 것이다.
도면들은 반드시 척도를 따르지 않는다. 도면들에서 사용되는 동일 도면부호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다. 그러나 주어진 도면에서 구성요소를 지칭하기 위하여 도면부호를 사용하는 것은 동일 도면부호로 표기되는 다른 도면에서의 구성요소를 제한할 의도는 아니라는 것을 이해하여야 한다.
본원에 개시된 실시태양들은 현장, 실시간 배터리 인자들 감시를 위하여 광섬유 센서들을 배터리에 매몰하는 방법을 포함한다. 다양한 내부 배터리 인자들 예컨대 내부 온도, 응력, 변형, 음향 방출, 이온 농도, 화학, 가스 존재 및/또는 농도, 및/또는 기타 배터리 내부 인자들을 검출하기 위하여 광학적 감지가 사용된다.
도 1A-1B는 배터리 셀 (100)에 매몰되는 하나 이상의 광센서들 (150)을 포함한 광섬유 (FO) 케이블 (140)을 도시한 것이다. 도 1A는 배터리 셀 (100) 내부 측 단면도이다. 도 1B는 라인 A - A’에서 취한 배터리 셀의 측방 단면도이다. FO 케이블 (140)에 배치되는 센서(들) (150)은 임의 유형의 (또는 다중 유형의) 광센서를 포함할 수 있고, 광섬유 브래그 격자 (FBG) 센서들 및/또는 에탈론 또는 파브리-페로 (FP) 센서들을 포함한다. 센서(들)은 셀 케이스 내부에서 광섬유 케이블 길이를 따라 끝 또는 임의 지점에라도 배치될 수 있다.
광원에서 (도 1A -1B에서 미도시) 입력광은 FO 케이블 (140)을 통해 센서(들) (150)로 이동되고, 여기에서 입력광은 센서(들) (150)과 상호작용한다. 센서 (150)는 입력광 일부를 반사 또는 흡수하고 감지된 인자 변화에 응답하여 변하는 출력광을 방출한다.
광섬유 브래그 격자 (FBG) 센서들은 예를들면 FO 케이블 코어의 한정된 길이 (전형적으로 수 mm)를 따라 주기적 굴절률 조정 (modulation)으로 형성된다. 이러한 패턴은 센서의 굴절률 주기성으로 결정되는 브래그 파장으로 칭하는 파장을 반사한다. 실제로, 센서는 전형적으로 브래그 파장에 중심을 둔 좁은 파장 밴드를 반사한다. 외부 자극의 특유 (characteristic) 또는 기본 (base) 값에서 브래그 파장은 λ로 표기되고, 파장 λ (및 λ 주위 좁은 파장 밴드)를 가지는 빛은 기본 조건에 있을 때 센서에서 반사된다. 센서가 외부 자극, 예컨대 온도, 변형, 또는 기타 이러한 자극에 노출되면, 자극은 격자 주기성 및 FBG 굴절률을 변경시키고, 기본 파장, λ과 상이한 파장, λs을 가지도록 반사광을 변경시킨다. 형성되는 파장 이동, Δλ/λ = (λ - λs)/λ 이 자극의 직접 측정치이다.
단일 FO 케이블에 다중 감지 요소들 통합으로 광학 감지가 가능하다. 다중화를 통하여 하나의 FO 케이블이 다중 센서들의 출력광을 전달하는 것이 가능하다. 시간 영역 및/또는 파장 영역 다중화/역다중화를 통하여 센서들은 개별적으로 질의된다.
배터리 셀 (100)은 원통형, 버튼, 각기둥, 파우치 또는 다른 유형의 셀일 수 있다. 배터리 셀 (100)은 배터리 셀 (100) 내의 구성요소들을 둘러싸고 밀폐하는 셀 케이스 (130)를 포함한다. 예를들면, 배터리 셀 (100)은 음극 (105a), 양극 (105b), 및 분리판 층 (120)을 포함한다. 음극 및 양극 (105a, 105b)은 셀 케이스 (130)를 관통하여 돌출되는 외부 연결부들, 음극 및 양극 커넥터 탭들 (110a, 110b)을 포함한다. 접힌 바이셀 배터리 스택 (160)은 분리판 층 (120)에 의해 분리되는 음극 층들 (음극 집전체 층 및 음극 전극 층), 양극 층들 (양극 집전체 층 및 양극 전극 층)로 구성되는 바이셀 층들의 접히거나 말리는 스택이다.
도 1A 및 1B는 밀봉된 유연성 셀 케이스 (130)를 가지는 파우치 타입 셀을 도시한 것이다. 셀 케이스 (130)는 제1 밀봉 모서리 (131a)를 가지는 제1 셀 케이스 층 (131) 및 제2 밀봉 모서리 (132a)를 가지는 제2 셀 케이스 층 (132)을 포함한다. 제1 셀 케이스 층 (131) 및 제2 셀 케이스 층 (132)는 제1 및 제2 밀봉 모서리들 (131a, 132a)에서 함께 밀봉 차단된다. 도 1A 및 1B에 도시된 바와 같이, 적어도 하나의 광섬유 케이블 (140)이 진입 지점 (145)에서 음극 및 양극 연결 탭들 (110a, 110b) 사이 영역으로 셀 케이스 (130)로 진입한다. 광섬유 케이블 (140)은 셀 케이스 (130) 내부에 배치되는 내측부 및 진입 지점 (145)에서 셀 케이스로부터 돌출되는 외측부를 가진다. 도시된 실시태양에서, 진입 지점 (145)은 음극 및 양극 탭들 (110a, 110b) 사이 거의 가운데 위치하지만, 음극 또는 양극 탭들 (110a, 110b) 어느 한쪽에 더욱 가까이 또는 셀 케이스를 따라 임의 위치에 놓일 수 있다. 도시된 실시태양에서, 광섬유 케이블 (140)은 진입 지점 (145)에서 셀 케이스 모서리들에 수직 각도로 셀 케이스에 진입한다. 일부 실시태양들에서, 광섬유 케이블은 케이스 모서리들에 유각으로 셀 케이스에 진입한다.
일부 실시태양들에서, 배터리 셀 내부에 다중 광섬유 케이블들이 매몰된다. 도 1B는 다중 광섬유 케이블들이 매몰된 배터리 셀의 라인 A - A’에서 절취한 측방 단면도이다. 광섬유 케이블들은 바이셀 층들 (160), 분리판 층들 (120) 사이, 셀 케이스 (130) 및 바이셀 스택 사이, 또는 기타 지점들에서 위치할 수 있다. 도 1B의 광섬유 케이블 (140)은 제1 바이셀 및 제2 바이셀 사이, 제2 바이셀 및 제3 바이셀 사이, 및 제5 바이셀 및 셀 케이스 사이에 위치한다. 광섬유 케이블 (140)은 이들 실시예 지점들 중 하나 또는 몇 곳, 이들 실시예 지점들 모두에 또는 도시되지 않은 다른 지점들에 추가로 놓일 수 있다. 광섬유 케이블 (140)은 광섬유 센서들 (150)에 의해 감지된 인자들에 대한 응답 신호를 놓일 수 있는 전략적 지점에 놓일 수 있다. 다중 FO 케이블들이 사용되는 실시태양들에서, 케이블들은 셀 케이스 (130)에 있는 동일한 진입 지점을 통해 배터리 셀 (100)로 진입할 수 있다. 달리, 다중 광섬유 케이블들의 적어도 일부는 별도의 진입 지점들을 통해 셀 케이스 (130)로 진입한다.
밀봉 모서리들 영역에서 FO 케이블이 상당히 굽혀지면 특히 배터리 조립 및 활성화에서 전형적인 내부 셀 압력에서 케이블에 손상을 초래한다. 광섬유 케이블에서 상당한 굽힘은 셀 활성화 공정에서 광섬유 케이블 (140)이 절단될 가능성을 높인다. FO 케이블들에 대한 손상은 밀봉 모서리에서 또는 근처에서 굽힘이 감소 또는 최소화되도록 FO 케이블을 배향시킴으로써 피할 수 있다. 배터리 내부에서, 조립 과정 중 케이블에 대한 응력이 약하므로 상당한 굽힘으로 인한 높은 절단 가능성 없이도 광섬유 케이블은 배터리 셀 내부에서 심지어 루프 형태로 배열될 수 있다.
도 2A-2C는 바이셀 스택의 접힌 층들 사이에 놓이는 상이한 배열의 광섬유 케이블 (211, 212, 213)을 가지는 배터리 셀 (201, 202, 203)의 길이방향 단면도 (예를들면, 도 1A에서 라인 B - B’에서 절취)이다. 각각의 광섬유 케이블 (211, 212, 213)은 배터리 셀 (201, 202, 203) 내부에 배치되는 내측부 (211a, 212a, 213a) 및 배터리 셀 (201, 202, 203)에서 돌출되는 외측부 (211b, 212b, 213b)를 가진다. 케이블 (211, 212, 213) 내측부 (211a, 212a, 213a)는 광섬유 케이블 (211, 212, 213)이 셀 케이스 (231, 232, 233) 밀봉 모서리들 (231a, 231b, 232a, 232b, 233a, 233b) 사이로 셀 케이스 (231, 232, 233)로 들어오는 광섬유 케이블 (211, 212, 213)의 배터리 셀 (201, 202, 203) 내부로의 진입 지점 (245, 246, 247)에서 전이부 (211c, 212c, 213c)를 가진다. 제1 내측부 (211a, 212a, 213a)는 바이셀 스택의 접힌 층들 사이에 배치된다.
배터리 셀 (201, 202)의 셀 케이스 (231, 232)는 실질적으로 평탄한 베이스 층 (251, 252) 및 베이스 층 (251, 252)에 밀봉되는 커버층 (241, 242)을 가진다. 배터리 셀 (203)의 셀 케이스 (233)는 상대적으로 대칭적 베이스 층 (243) 및 커버층 (253)을 가진다. 광섬유 케이블 (211, 212, 213)의 전이부 (211c, 212c, 213c)는 적어도 하나의 굽힘, 예를들면, S 굽힘을 포함하고, S 굽힘에서 각각의 굽힘은 약 90 도 미만, 또는 미만 약 60 도 또는 약 45 도 미만의 반경을 가진다. 예를들면, 일부 실시태양들에서, S-굽힘에서 각각의 굽힘은 0 도 보다 크고 약 90 도 미만, 또는 약 60 도 미만, 또는 약 45 도 미만이다. 일부 실시태양들에서, 제1 내측부 (211a, 212a, 213a)는 진입 지점 (245, 246, 247)으로부터 약 1 mm 내지 약 50 mm 벗어난다 (offset).
접힌 배터리 셀의 일부 실시태양들에서, 광섬유 케이블 내측부는 바이셀 접힌 층들 사이 공간에 배치되되 광섬유 케이블 진입 지점 평면으로부터 제4 및 제5 바이셀 접힌 층들 사이 공간 이상 더욱 멀어지지 않는다.
도 2A는 진입 지점 (245)을 포함한 x-y 평면에 인접한 제1 (281) 및 제2 (282) 바이셀 접힌 층들 사이 공간 (291)에 놓이는 광섬유 케이블 (211) 제1 내측부 (211a)를 도시한 것이다. 이러한 구성은 전이부 (211c)에서 광섬유 케이블 (211)의 작은 굽힘의 S-굽힘부를 형성할 뿐이고 광섬유 케이블 (211)은 실질적으로 선형 배향으로 배터리 셀 내부에 진입한다. 작은 굽힘은 밀봉 공정 과정에서 더욱 안정된 구성을 제공하고 광섬유 케이블 (211) 절단 위험성을 감소시킨다.
도 2B는 진입 지점 (246)을 포함한 x-y 평면에서 상당히 떨어져 있는 제5 및 제6바이셀 접힌 층들 (285, 286) 사이 공간(291)에 놓이는 제1 내측부 (212a)를 가지는 배터리 셀 내부로 연장되는 광섬유 케이블 (212)을 도시한 것이다. 이러한 구성은 전이부 (212c)에서 광섬유 케이블 (212)의 상당한 S-굽힘을 형성한다. 광섬유 케이블 (212)의 이러한 상당한 굽힘은 밀봉 공정 과정에서 광섬유 절단 위험성을 높인다.
도 2C는 실질적으로 대칭적인 제1 및 제2 커버층들 (243, 253)을 가지는 배터리 케이스를 도시한다. 본 실시태양에서, 광섬유 케이블 (213) 제1 내측부 (213a)는 진입 지점 (247)을 포함한 x-y 평면 아래 제1 (281) 및 제2 (282) 바이셀 접힌 층들 사이 공간(291)에 위치한다. 이러한 구성은 전이부 (213c)에서 광섬유 케이블 (213)의 작은 굽힘의 S-굽힘부를 형성할 뿐이고 광섬유 케이블 (213)은 실질적으로 선형 배향으로 배터리 셀 내부에 진입한다. 작은 굽힘은 밀봉 공정 과정에서 더욱 안정된 구성을 제공하고 광섬유 케이블 (213) 절단 위험성을 감소시킨다.
일부 실시태양들에서, 접힌 바이셀 스택은 n= -M 내지 N의 접힌 층들, fn을 포함하고, 식 중 n은 정수이고 셀 케이스의 베이스 층에 대한 접힌 층의 위치를 나타낸다. 접힌 층 f0 은 베이스 층에 가장 인접한다. 광섬유 케이블은 f+/-x 및 f+/-(x+1) 층들 사이에 배치되고, 식 중 |x| 는 3 이하이다.
도 3A-3B, 4A-4B, 및 5A-5B는 다양한 상이한 배치들 및 진입 지점들의 광섬유 케이블을 포함하는 배터리 셀을 도시한 것이다. 이들 광섬유 케이블 배치는 다른 또는 예를들면, 도 1A-1B에서 전극 탭들 사이 진입 지점을 보이는 선행 실시태양들과 조합될 수 있다.
도 3A 및 3B는 광섬유 케이블 (311)이 바이셀 스택 (390) 내부에 배치되고 분리판 층 (320)의 접힌 표면 사이 곡면에 있는 배터리 셀 (300)의 내부 단면도이다. 도 3B는 도 3A에서 라인 A - A’을 따라 절취된 배터리 셀의 단면도이다. 광섬유 케이블 (311)은 (도 3A 및 3B에 도시된 바와 같이) 음극 탭 (310a)에 더욱 가까운 배터리 셀의 측면에 배치되거나 또는 양극 탭 (310b)에 더욱 가까운 반대 측에 배치될 수 있다. 일부 실시태양들에서, 광섬유 케이블 (311)은 배터리 셀의 셀 케이스 (330) 내부에, 바이셀 스택 (390)의 접힘부 내부에 및 실질적으로 스택의 접힌 라인에 평행하게 (실질적으로 도 3A 및 3B의 축을 따라) 배치된다. 일부 실시태양들에서, 광섬유 케이블 (311)은 바이셀 스택에 유각으로 셀 케이스에 진입하고 접힘 라인에 유각으로 접힘부들 사이에 배열될 수 있다. 하나 이상의 광센서들이 광섬유 케이블 (311)을 따라 위치할 수 있다.
도 4A는 분리판 층 (420) 표면 및 셀 케이스 (430) 내면 사이 바이셀 스택 (490) 외부에 배치되는 광섬유 케이블 (411)을 도시한 것이다. 도 4B는 라인 A - A’를 따라 절취된 도 4A의 배터리 셀 단면도이다. 도 4A는 바이셀 스택 (490) 최상부 및 바닥 사이 중간 주위에서 광섬유 케이블 (411) 상의 광센서 (499)를 도시한 것이다. 일부 실시태양들에서, 배터리 셀 (400) 바닥에서 바이셀 스택 (490) 최상부까지의 거리, d1은 약 7-8 mm이고, 광섬유 센서 (499)는 배터리 셀 (400) 바닥에서 거리, d2, 약 3 cm에 놓인다. 광센서에 대한 다른 지점들도 또한 가능하다.
도 3A, 3B, 4A, 및 4B는 대략 y 축을 따라 연장되고 실질적으로 바이셀 스택 (390, 490)의 접힌 라인과 평행한 광섬유 케이블 (311, 411)을 보인다. 도 5A 및 5B는 배터리 셀 (500) 내부에 배치되고 x 축을 따라 측방으로 연장되고 접힌 라인에 실질적으로 수직인 광섬유 케이블 (511)을 도시한다. 도 5B는 라인 A - A’을 따라 절취된 도 5A 배터리 셀의 단면도이다. 도 5A는 바이셀 스택 (590) 좌측 및 우측 중간 주위에 광섬유 케이블 (511) 상의 광센서 (599)를 보인다. 도시된 실시예에서, 배터리 셀 (500) 우측에서 바이셀 스택 반대측 모서리까지의 거리, d3은 약 3 cm이고 광섬유 센서 (599)는 배터리 셀 (400) 우측에서 거리, d4, 약 1 cm에 위치한다. 광센서에 대한 다른 지점들도 또한 가능하다.
도 6A는 센서들이 배치되는 하나 이상의 매몰형 광섬유 케이블을 포함하는 배터리 셀 제작 공정의 흐름도이다. 광섬유 케이블 일부를 바이셀 층에 배치한다 (610). 광센서 (681)가 배치되는 광섬유 케이블 (680)을 도 6B에 도시된 바와 같이 임의의 바이셀 층들 (691 - 695), 예컨대 음극 집전체 층 (691), 음극 전극 층 (692), 양극 집전체 층 (693), 양극 전극 층 (694), 및 분리판 층 (695)에 배치한다. 임의선택적으로, 바이셀 층들을 접기 (630) 또는 말아서 바이셀 스택을 형성하기 전에 광섬유 케이블을 바이셀 층에 부착한다 (610). 접기 또는 롤링 후, 바이셀 스택을 셀 케이스 층들 내부에 배열한다 (640). 셀 케이스의 밀봉 모서리들에서, 하나 이상의 개스킷 층들이 적어도 부분적으로 광섬유 케이블 주위에 배치되고 (650) 이후 셀 케이스는 밀봉 모서리들에서 밀봉된다 (660).
일부 실시태양들에서, 광섬유 케이블을 음극 전극 층에 놓이고 여기에 결합한다. 예를들면, 광섬유 케이블을 음극 전극 층과 연결하는 것은 스티렌-부타디엔-고무, 또는 다른 적합한 결합제를 광섬유 케이블에 인가하는 것을 포함한다.
도 7A 및 7B에 도시된 바와 같이, 결합부 면적(들) (791, 792)의 조합 길이 LbT 는 바이셀 층 (781, 782) 대부분의 길이, L 및/또는 광섬유 케이블 (711, 712) 길이 보다 짧다. 도 7C에 도시된 바와 같이, 일부 실시태양들에서, 결합부 면적 (들) (793)은 조합 길이 LbT 를 가지므로 결합부 (793)는 바이셀 층 (783) 및/또는 광섬유 케이블 (713)의 L의 대부분 (적어도 50%) 또는 실질적으로 대부분 (75% 이상)을 따라 연장된다. 결합부 (791, 792, 793)는 광섬유 케이블 (711, 712, 713)에 배열된 광섬유 센서(들)을 방해하지 않도록 위치한다. 일부 실시태양들에서, 센서는 결합부 면적들 사이에 배치될 수 있다.
결합된 후, 바이셀 층들은 접히고, 말리고 또는 달리 바이셀 스택으로 형성된다. 도 8은 음극 (810) 및 양극 (820) 전극 물질이 교대하고 접힌 후 음극 및 양극 전극들을 분리하는 분리판 층 (830)을 가지는 바이셀 층들의 접힘 일 예시를 보인다. 본 실시예에서, 광섬유 케이블 (840)은 양극 전극 층 (820)에 인접하게 놓인다.
일부 구현예들에서, 광섬유 케이블 주위로 셀 케이스로부터 유체누설 가능성을 줄이기 위하여, 진입 지점 근처에서 개스킷이 적어도 부분적으로 광섬유 케이블 주위로 배치된 후 셀 케이스가 밀봉된다. 도 9A는 광섬유 진입 지점에서 배터리 셀 일부의 단면도이고 도 9B는 접힌 바이셀 스택 (970) 및 셀 케이스 (930) 일부의 사시도이다. 광섬유 개스킷 (910)은 광섬유 케이블 (920) 주위에 부분적으로 배치되는 제1 광섬유 밀봉 층 (911) 및 광섬유 케이블 (920) 주위에 부분적으로 배치되는 제2 광섬유 밀봉 층 (912)을 포함한다. 셀 케이스 (930)는 제1 및 제2 케이스 밀봉 모서리들 931, 932. 셀 케이스 (930)는 케이스 밀봉 모서리들에 배치되는 제1 및 제2 케이스 밀봉 층들 (941, 942)을 이용하여 밀봉된다. (도 9B에는 셀 케이스 절반 및 케이스 밀봉 층 절반 (942) 만이 도시된다)
도 9B에 도시된 바와 같이, 일부 구성들에서, 전극 탭들 (951, 952) 또한 배터리 케이스 (930) 내외로 유체 누설을 방지하기 위하여 개스킷들 (961, 962)을 포함한다. 일부 구현예들에서, 케이스 밀봉 층들 (941, 942), 전극 개스킷 층들 (961, 962), 및/또는 광섬유 개스킷 층들 (911, 912)은 동일한 재료이거나 이를 포함한다. 예를들면, 하나 이상의 케이스 밀봉 층들 (941, 942), 전극 개스킷 층들 (961, 962), 및/또는 광섬유 개스킷 층들 (911, 912)은 열 밀봉 필름이거나 이를 포함한다. 적합한 재료들은 내화학성 재료들 예컨대 폴리에틸렌계 고분자, 폴리프로필렌 또는 폴리에틸렌 재료, 예를들면, 염소화 폴리프로필렌, 에틸렌-프로필렌 공중합체, 폴리에틸렌-아크릴산 공중합체, 및/또는 폴리프로필렌-아크릴산 공중합체를 포함한다. 광섬유 케이블이 전극 근처에서 배터리 케이스로부터 연장되는 실시태양들에서, 두 종의 연속 밀봉 층들, 즉, 광섬유 및 전극의 어느 일 측에 배치된 연속 밀봉 층은, 광섬유 및 전극 양쪽을 위한 개스킷을 형성할 수 있다.
케이스 밀봉 층은 셀 케이스 밀봉 모서리들에 배치되고 광섬유 내측부는 셀 층에 놓이고 결합된다. 광섬유 개스킷 층들은 케이스 밀봉 모서리들에서 광섬유 케이블 및/또는 전극 주위에 놓이고; 개스킷 층들 및 셀 케이스는 동시에 예를들면, 열 융합에 의해 밀봉된다.
광섬유 케이블용 개스킷 부재에서 배터리 케이스가 밀봉되면 공극이 형성된다. 도 10A는 광섬유 코어 및 클래딩 (1001) 및 코팅부 (1002)로 구성되고 개스킷 부재에서 수행되는 케이스 밀봉으로 인해 형성되는 공극 (void, 1003)을 가지는 광섬유 케이블 단면의 주사전자현미경 (SEM) 사진이다. 도 10B는 밀봉 필름을 포함하는 개스킷이 사용될 때 공극 감소를 보이는 SEM 사진이다.
도 11에 도시된 바와 같이, 광섬유 개스킷이 사용되었을 때, 내부 매몰형 광섬유 케이블 부재 배터리와 유사하게 배터리 밀봉을 수행하였다. 도 11 그래프는 1) 광섬유 (1101) 부재에서; 2) 매몰형 125 μm 광섬유 (1102); 및 3) 매몰형 254 μm 광섬유 (1103) 존재에서 가속 수분 침투 시험에서 Li 이온 전해질을 가지는 밀봉 파우치의 셀 케이스 내부에서 검출되는 플루오르화 수소 (HF) 가스 함량을 보인다.
도 12A 및 12B는 제안된 방법으로 제작된 광섬유 매몰형 셀 (도 12A) 및 매몰형 광섬유들 부재의 유사 배터리 셀 (도 12B)의 전하 보유 성능을 비교한 것이다. 도 12A 및 12B에 도시된 바와 같이, 광섬유 매몰형 셀은 광섬유들 부재의 셀보다 약간 더 큰 변동을 보이지만, 시험 대상 셀의 용량은 상이한 셀 배치들에서 관찰되는 변동 내에 있다.
도 13은 내부 및 외부 광섬유 센서 신호들을 이용한 감지를 비교한 것이다. 상부 그래프는 배터리 셀의 전압 (1310) 및 전류 (1320) 변화를 보인다. 그래프 (1303)는 후보 구성을 이용하여 내부에서 가장 외측 스택 전극에 결합된 센서의 상응하는 파장 이동을 보인다. 그래프 (1304)는 외부 셀 표면에 결합된 센서의 파장 이동을 보인다. 여기에서 확인할 수 있는 바와 같이, 셀 표면 일 측의 두 센서들의 상대적 인접성에도 불구하고, 전극에 부착된 내부 센서는 실질적으로 더욱 강한 변형 신호를 보이고, 셀 내부에 내부 FO 센서들을 매몰하는 이점이 강조된다.
외부 성능 인자들 예컨대 전압, 전류, 및 온도 감시에 의존하는 현재의 배터리 관리 시스템 (BMS) 실무들은 감시 해결책의 차선책이다. 정확한 충전 상태 (SOC) 추정 및 발생될 문제점들에 대한 조기 지시를 제공하여, BMS를 위한 더욱 개선된 건강 상태 (SOH) 추정을 가능하게 하는 더욱 정보를 제공할 수 있는 특히 내부 상태 감시를 위한 매몰형 센서들이 바람직하다. 배터리 SOH 추정에 대한 하나의 통상적인 방법은 전기화학적 임피던스 분광학 (EIS)이다. 그러나, 본 방법은 “건강” 조건에서 상당한 사전 보정을 필요로 한다. 또한 배터리는 전기화학적 평형이어야 하고 따라서 실행 중 감시에는 적합하지 않다. 배터리 개발자가 취할 수 있는 또 다른 방법은 기준 전극 매몰이다. 그러나, 이러한 기술은 정상적인 배터리 작동에 대한 성능 문제를 야기하고 셀 내부 전압 필드에서의 단일 추가 데이터 포인트의 이점을 보이지 않는다. 전기 측정에서, 또한 필드 배치 (field deployment)에 대한 전자파 장해 (EMI)의 추가적 문제에 직면한다.
실험실 차원에서 모델 유효성에 대한 내부 셀 상태 특정화를 위한 다른 방법은 석영 관찰창이 있는 특별 설계된 셀에서 중성자 영상법 및 광학 현미경을 포함한다. 이러한 방법은 충전/방전 과정에서 전극 변형 변화 및 동적 셀 특성이라는 점에서Li-이온 셀 내부의 복잡한 내부 메카니즘에 대한 흥미로운 관찰을 가능하게 하였다. 이러한 방법들은 재차 유효한 BMS를 위한 내부 감지가 필요하다. 그러나, 용적이 크고, 고가 설비이고 수동적 영상 해석이 필요하므로 매몰형 필드 배치들에 대하여 확장되지 않는다.
일반적으로, 광범위한, 매몰형 감지 시스템의 다양한 구성요소들의 통합과 연관된 비용 변수 및 문제점들은 감시용 통상 센서 네트워크의 광범위한 배치/매몰에서 주요 제한 변수이다. 배터리의 부식성, 점화-감수성, 전기적 잡음 환경은 가용적 선택들을 추가로 제한한다. 최근에, Li-이온 셀에 매몰된 초소형 미세공정 시스템 (MEMS) 온도 센서들은 가혹한 환경에서 잔존하였다. 그러나, 이러한 센서들은 전자파 장해 (EMI) 잡음 문제 및 각각의 셀에서 전용 아날로그 와이어 필요성의 문제점이 있고 이는 100 개 셀 패킹의 문제점을 유발시킨다.
이러한 관점에서, 적합한 요소들로 제조되는 FO 센서들은 다양한 부식 환경들에 견딜 수 있다. 얇은 FO 케이블들 (직경 100-500 μm)로 인하여 개스킷으로 적절한 밀봉이 가능하여 이들 케이블은 센서 요소들로서 통합되어도 시스템 성능을 악화시키지 않는다. 전해질 밀도에 민감한 매몰된 U-형상의 광섬유 굽힘 요소들이 Pb-산 배터리에서 조사되어 바람직한 결과를 얻었다. 연장 기간 동안 Pb-산 배터리의 가혹 환경들에서 플라스틱 광섬유들의 생존성이 가속화 주기 시험 (20-30oC에서 추정 연한 13-25 년)으로 확인되었다. 그러나, 사용된 전송 감쇄-기반 광 감지 요소는 단지 밀도에 민감하고 그 자체가 다중화에 적합하지 않다.
광섬유 센서들을 이용하면 매몰형 내부 감지 및 리튬-이온 배터리에서 양호한 제어가 가능하다. 셀의 밀봉 일체성, 셀 내부에서의 전극 스택, 또는 광섬유 케이블 자체 손상에 대한 상당한 타협 없이도 광섬유들을 매몰하는 방법은 본원에 기재된 실시태양들에 의해 처리된다. 광섬유 케이블은 셀 밀봉에 사용되는 프레스 기계의 높은 동적 압력 및 활성화 사이클 과정에서 높은 내부 가스 압력에 견딜 수 있어야 한다. 본원의 방법은 광섬유 배치 및 FO 케이블 또는 셀 재료들에 손상을 완화시킬 수 있는 매몰화 공정 양태들을 포함한다. 일부 실시태양들에서, 광섬유는 제1 바이셀 (분리판 층들에 의해 분리되는3 전극들 스택) 및 분리판 사이에 배치된다. FO 케이블에 대한 응력으로 밀봉 공정에서FO 손상을 피하기 위하여, 굽힘은 특정 굽힘 각도 이하로 유지된다. 밀봉 지점 수준 및 매몰 수준 간의 거리는 매몰형 광섬유에 대한 응력이 감소될 수 있는 정도로 미미하게 유지된다. 광섬유의 과도한 굽힘은 밀봉 공정에서 섬유 절단 위험성을 높인다. 반대로, 굽혀지지 않거나 또는 약간 굽혀진 광섬유는 밀봉 공정에서 더욱 강건하고 더욱 안정하다.
셀 내부로FO 배치 외에도, 매몰화 및 밀봉 공정 그 자체도 본원에서 논의된 방법의 양태들이다. FO 케이블은 이러한 매몰화 또는 밀봉 공정에서 손상을 받지 않아야 한다. 도 8에 도시된 접는 과정에서 FO 케이블은 배터리 셀 내부로 매몰된다. 일부 구현예들에서, 광섬유는 바이셀 층 및 분리판 층 사이에 배치된다. 이후 공정에서 보다는 접힘 공정에서 광섬유를 매몰화 함으로써 FO 자체 및/또는 셀 재료들이 손상될 가능성을 줄인다. 밀봉 지점에서 FO 손상을 방지하도록 셀 밀봉을 위한 특정 온도 및 압력 예를들면, 약 200°C까지 (전형적으로는 약 90°C) 및 약 1.0 MPa까지 적용된다.
본원에 개시된 밀봉 방법은 셀 내부로의 FO 진입 지점 근처에서 설이 누출될 가능성을 줄인다. 누출 셀은 조기 고장 및 안정성 문제가 발생한다. 이러한 목적으로, 보호성 열 밀봉 필름 예컨대 폴리프로필렌 또는 폴리에틸렌이 파우치 표면들 사이에 적어도 부분적으로 FO 케이블 주위에 감긴다. 이러한 열 밀봉 필름은 셀의 전극 연결 탭들 주위에 배치되는 열 밀봉 필름으로 사용되는 것과 동일한 재료이거나 이를 포함한다. 이러한 방법은 FO 케이블 주위의 갭이 열 밀봉 재료으로 채워지고 공극을 방지한다는 것을 보장한다. 또한, FO는 밀봉 지점에서 셀 케이스에 고정되므로 FO는 안정하다.
셀 전극 층, 집전체 층 및/또는 분리판으로의 광섬유 결합으로 접촉이 개선되어 측정 신호, 예를들면, 변형율 신호가 증가한다. 내부 셀 환경과 양립될 수 있는 연결제로 실현된다. 일부 가능한 연결 구성들은 도 7A - 7C에 도시된다. 단일 연결 영역이 적용될 때, 단일 연결 영역 (예를들면, 도 7A)은 광섬유 센서 또는 모서리에 근접한다. 변형 응답을 개선하기 위하여 FO를 두 지점들에 결합하는 것 (예를들면, 도 7B) 또는 실질적으로 전체 FO에 연결하는 것 (예를들면, 도 7C)이 가능하다.
본 발명은 셀 성능에 악영향을 주지 않고 배터리 관리 성능을 개선시킬 수 있도록 광섬유 (FO) 케이블들을 에너지 저장 셀에 매몰하는 방법들을 제공한다. 일부 방법은 다중화 센서들을 가지는 단일 FO 케이블을 상정하지만, 달리 다중 FO 케이블들이 사용될 수 있다. 열 밀봉 필름을 사용하면 진입 지점 근처에서 FO 케이블 주위로 누설되는 것이 방지된다. 스택 내부에 매몰형 FO 케이블을 배치하면 FO 케이블 또는 전극 스택 기능성 손상을 방지하면서도 또한 내부 셀 인자들을 감시할 수 있다. 파장 및/또는 시간 분할 광 다중화로 FO 케이블 상의 다중 센서 요소들이 질의될 수 있다. FO 케이블 및 스택 사이 연결제를 선택적으로 이용하여 변형 또는 변형 및 온도 조합에 대한 FO 센서 감수성을 개선시킨다.
진입 지점 근처 FO 케이블 및 셀 표면 사이에서 열 밀봉 필름 또는 기타 적합한 밀봉제를 이용하면 공극 없이 양호한 셀 밀봉이 가능하다. FO 케이블들을 적합한 위치에 배치하면 FO 케이블들 만곡을 줄여 케이블 손상을 피할 수 있다. FO 케이블은 연결제 부재 또는 존재에서 배치되어 FO 케이블은 하나 이상의 지점들에서 전극 스택에 부착될 수 있다. FO 케이블은 하나 이상의 감지 요소들이 일체화되고 배터리 관리에 사용된다.
달리 표시되는 않는 한, 명세서 및 청구범위에서 형상 크기, 함량 및 물성을 표시하는 모든 수치는 용어 "약"으로 모든 경우들에서 변경될 수 있다는 것을 이해하여야 한다. 따라서, 반대로 표기되지 않는 한, 명세서 및 청구범위에 제시된 수치적 인자들은 근사치이고 본원에 개시된 교시들을 활용하여 당업자들이 추구하고자 하는 원하는 특성들에 따라 달라질 것이다. 끝점들에 의한 수치 범위들은 범위 내의 모든 수치들 (예를들면 1 내지 5는 1, 1.5, 2, 2.75, 3, 3.80, 4, 및 5를 포함) 및 상기 범위 내의 임의의 범위를 포함하는 것이다.

Claims (15)

  1. 방법에 있어서,
    적어도 하나의 광섬유 센서를 가지는 광섬유 케이블의 일부를, 음극 및 양극 층들을 포함하는 바이셀 배터리 구조체의 층에 배치하는 단계;
    상기 광섬유 케이블을 내부 셀 환경과 양립될 수 있는 연결제로 상기 음극 및 양극 층들 중 하나 이상의 활성 재료(active material)에 결합하는 단계;
    상기 광섬유 케이블의 내측부가 접히는 층들 사이에 배치되도록 상기 바이셀 구조체의 층들을 접는 단계;
    상기 접힌 바이셀 구조체를 셀 케이스 층들 사이에 배치하는 단계; 및
    상기 광섬유 케이블의 외측부가 상기 셀 케이스 층들로부터 외부로 연장되도록 상기 셀 케이스 층들을 밀봉하는 단계를 포함하는, 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 결합하는 단계는 스티렌-부타디엔-고무(styrene-butadiene-rubber)를 상기 광섬유 케이블에 적용하는 단계를 포함하는, 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 광섬유 케이블은 상기 층의 길이를 따라 배치되고, 상기 결합의 길이는 상기 층의 길이의 50%보다 작은, 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 광섬유 케이블은 상기 층의 길이를 따라 배치되고, 상기 광섬유 케이블은 상기 길이를 따라 다중의 위치들에서 결합되는, 방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 광섬유 케이블은 상기 층의 길이를 따라 배치되고, 상기 결합의 길이는 상기 층의 길이의 50%보다 큰, 방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 밀봉에 앞서 상기 셀 케이스의 진입 지점에서 적어도 부분적으로 상기 광섬유 케이블 주위에 개스킷을 배치하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  7. 제6항에 있어서, 상기 개스킷은 상기 광섬유 케이블의 반대 측들에 배치된 적어도 두 개의 필름 층들을 포함하고, 상기 적어도 두 개의 필름 층들은 접속되는, 방법.
  8. 제6항에 있어서, 상기 개스킷은 열 밀봉 필름을 포함하는, 방법.
  9. 제8항에 있어서, 상기 케이스 층들은 추가의 열 밀봉 필름을 사용하여 밀봉되는, 방법.
  10. 제1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 광섬유 센서는 결합 영역들 사이에 배치되는, 방법.
  11. 제1항에 있어서, 상기 셀 케이스 층들에 의해 형성된 진입 지점에 근접하여 상기 광섬유 케이블을 배치하는 단계를 더 포함하며,
    상기 광섬유 케이블을 배치하는 단계는 상기 광섬유 케이블에 S-굽힘부를 형성하는 단계를 포함하는, 방법.
  12. 제11항에 있어서, 상기 S-굽힘부를 형성하는 단계는 45도 미만의 반경으로 S-굽힘부에서 각각의 굽힘을 형성하는 단계를 포함하는, 방법.
  13. 제11항에 있어서, 진입 지점에 근접하여 상기 광섬유 케이블을 배치하는 단계는 상기 적어도 하나의 광섬유 센서를 상기 진입 지점으로부터 1 내지 50 mm만큼 벗어나게 배치하는 단계를 포함하는, 방법.
  14. 제1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 광섬유 센서는 상기 바이셀 배터리 구조체에서 전극 변형 변화를 감지하도록 구성되는, 방법.
  15. 제11항에 있어서, 상기 S-굽힘부에서의 각각의 굽힘은 90도 미만의 반경을 갖는, 방법.
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