KR20160024820A - 덴드라이트 검출 방법 및 배터리와 덴드라이트 센서용 장치 - Google Patents
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Abstract
전기 장치가 제공된다. 이 전기 장치는 제 1 펄스를 발생시키도록 구성되는 펄스 발생기를 포함한다. 이 전기 장치는 또한 배터리를 포함한다. 배터리는 펄스 발생기로부터 제 1 펄스를 수신하도록 구성되는 제 1 도전성 전극, 제 1 도전성 전극에 접속되는 제 2 도전성 전극, 및 제 1 도전성 전극 및 제 2 도전성 전극에 접속되고, 제 2 펄스를 제공하도록 구성되는 유전성 세퍼레이터 요소를 포함한다. 제 2 펄스는 제 1 펄스에 기초하고, 유전성 세퍼레이터 요소의 전기적 특성에 기초한다. 이 전기 장치는 또한 펄스 발생기 및 유전성 세퍼레이터 요소에 접속되는 제어기를 포함한다. 제어기는 제 1 펄스를 제 2 펄스와 비교하도록 구성된다.
Description
관련 출원의 상호 참조
본 출원은 2014년 8월 26일에 출원된 미국 특허출원 번호 14/469,441의 일부계속출원으로서, 35 U.S.C. § 119에 따라 2013년 8월 26일에 출원된 미국 가특허출원 번호 61/870,133로부터 우선권의 이익을 주장하며, 이들 각각은 그 전체가 참조에 의해 본 출원에 포함된다.
연방지원의 연구 또는 개발에 관한 진술
해당없음
분야
본 개시는 일반적으로 배터리, 더 구체적으로는 배터리 내의 금속 덴드라이트(dendrite)의 존재를 측정하는 시스템 및 방법에 관한 것이다.
전형적인 리튬-이온 배터리는 이온-투과성 세퍼레이터 재료에 의해 분리되는 탄소 애노드 및 리튬화 천이 금속 산화물 캐소드를 사용한다. 탄소 대신 다공질 실리콘 애노드를 사용함으로써 더 높은 전하 밀도가 얻어질 수 있다. 현재 이러한 유형의 배터리가 휴대 전화, 카메라, 컴퓨터, 및 다른 전자 장비의 영역의 배터리 시장을 지배하고 있다. 특히 거친 용도에서 이들 배터리의 문제적 부분은 안전성, 수명 및 비용을 포함한다.
리튬-이온 배터리의 하나의 고장의 원인은 배터리 내의 덴드라이트의 형성을 포함한다. 덴드라이트는 전지 내에 형성될 수 있는 세장형의 미시적 금속 침착물이다. 덴드라이트 형성의 공지된 원인은 제조 결함, 과충전, 및 한랭 온도에서의 급속 충전을 포함한다. 덴드라이트 형성은 일반적으로 애노드에서 개시되고, 일단 덴드라이트가 세퍼레이터 재료를 통해 캐소드까지 연장되면 내부 단락을 생성한다. 과충전 및 과도한 급속 충전은 리튬 이온이 대향 전극으로 운반될 수 있기 전에 전극의 부근의 전해질 내에 과도한 리튬 이온 농도를 축적하고, 그 결과 용해도 한계를 초과하여 덴드라이트를 형성하는 것으로 생각된다. 덴드라이트에 의해 초래되는 단락은 치명적인 배터리 고장을 일으킬 수 있다. 최근의 보잉 787의 화재의 원인은 아직 확정되지 않았으나, 덴드라이트의 결과라는 일부의 추측이 있다. 현재 배터리 내의 덴드라이트의 존재를 확실하게 검출하는 방법은 없다.
상기 설명을 감안하면, 덴드라이트 검출 기술 및 덴드라이트를 검출하기 위한 방법을 포함하는 배터리는 본 기술분야에서 상당한 진보를 의미하는 것이다. 본 개시는 이러한 요구를 만족시키고, 또한 관련된 장점을 제공한다.
일부의 구현형태에서, 본 개시는 배터리의 세퍼레이터 재료 내의 전기장을 검출하도록 구성되는 전기장 센서를 포함하는 배터리를 설명한다. 일부의 구현형태에서, 배터리는 캐소드 및 애노드, 이들 사이에 배치되는 세퍼레이터 재료, 세퍼레이터 재료 내의 전기장을 검출하도록 구성되는 복수의 전기장 센서를 포함한다.
일부의 구현형태에서, 본 개시는 전기장 검출을 이용하고, 그 변화를 모니터링함으로써 덴드라이트를 감지하기 위한 방법을 설명한다. 일부의 실시형태에서, 본 방법은 캐소드, 애노드 및 이들 사이에 배치되는 세퍼레이터 재료를 갖는 배터리를 제공하는 단계, 상기 세퍼레이터 재료와 복수의 전기장 센서를 접촉시키는 단계, 및 이와 같은 전기장 센서를 이용하여 배터리 내의 전기장을 측정하는 단계를 포함한다.
일부의 구현형태에서, 본 개시는 전기 장치를 설명한다. 이 전기 장치는 제 1 펄스를 발생시키도록 구성되는 펄스 발생기를 포함한다. 이 전기 장치는 또한 배터리를 포함한다. 배터리는 펄스 발생기로부터 제 1 펄스를 수신하도록 구성되는 제 1 도전성 전극, 제 1 도전성 전극에 접속되는 제 2 도전성 전극, 및 제 1 도전성 전극 및 제 2 도전성 전극에 접속되고, 제 2 펄스를 제공하도록 구성되는 유전성 세퍼레이터 요소를 포함한다. 제 2 펄스는 제 1 펄스에 기초하고, 유전성 세퍼레이터 요소의 전기적 특성에 기초한다. 이 전기 장치는 또한 펄스 발생기 및 유전성 세퍼레이터 요소에 접속되는 제어기를 포함한다. 제어기는 제 1 펄스를 제 2 펄스와 비교하도록 구성된다. 하나 이상의 양태에서, 유전성 세퍼레이터 요소는 비-도전성 압전 세퍼레이터 요소이다.
일부의 구현형태에서, 본 개시는 방법을 설명한다. 이 방법은 제 1 전극, 제 2 전극(53) 및 압전 리액턴스 세퍼레이터 요소를 포함하는 배터리를 제공하는 단계를 포함한다. 이 방법은 또한 제 1 펄스를 제 1 전극에 인가하는 단계를 포함한다. 이 방법은 또한 제 2 펄스를 발생시키는 단계를 포함하고, 여기서 제 2 펄스는 제 1 펄스에 기초하고, 압전 리액턴스 세퍼레이터 요소의 전기적 특성에 기초한다. 이 방법은 또한 제 2 펄스를 검출하는 단계를 포함한다. 이 방법은 또한 제 1 펄스를 압전 리액턴스 세퍼레이터 요소로부터의 제 2 펄스와 비교하는 단계를 포함한다. 하나 이상의 양태에서, 압전 리액턴스 세퍼레이터 요소는 비-도전성이다.
전술한 일반적인 설명 및 후술하는 상세한 설명의 양자 모두는 예시적 및 설명적인 것이고, 청구된 바와 같은 본 기술을 추가로 설명하기 위한 것임이 이해되어야 한다. 다른 양태가 활용될 수 있고, 본 기술의 범위로부터 벗어나지 않는 한도 내에서 변경이 실시될 수 있다는 것도 이해되어야 한다.
첨부한 도면은 더 깊은 이해를 제공하기 위해 포함된 것이고, 본 명세서 내에 포함되어 그 일부를 구성하는 것으로서, 개시된 실시형태를 예시한 것이고, 설명과 함께 개시된 실시형태의 원리를 설명하는 역할을 한다.
도 1은 하나 이상의 구현형태에 따른 세퍼레이터 재료 상에 또는 내에 전기장 센서를 포함하는 배터리의 개략도를 도시한다.
도 2는 하나 이상의 구현형태에 따른 전기 장치의 개략도를 도시한다.
도 3은 하나 이상의 구현형태에 따른 공칭의 경우 및 비정상의 경우의 펄스를 더한 결과를 도시한다.
도 4는 하나 이상의 구현형태에 따른 도 2에 도시된 배터리를 모형화하기 위해 사용될 수 있는 탱크 회로를 도시한다.
도 5는 하나 이상의 구현형태에 따른 배터리의 일 실시예를 도시한다.
도 6은 본 기술의 다양한 양태에 따른 일 실시예의 공정을 설명하는 흐름도를 도시한다.
도 2는 하나 이상의 구현형태에 따른 전기 장치의 개략도를 도시한다.
도 3은 하나 이상의 구현형태에 따른 공칭의 경우 및 비정상의 경우의 펄스를 더한 결과를 도시한다.
도 4는 하나 이상의 구현형태에 따른 도 2에 도시된 배터리를 모형화하기 위해 사용될 수 있는 탱크 회로를 도시한다.
도 5는 하나 이상의 구현형태에 따른 배터리의 일 실시예를 도시한다.
도 6은 본 기술의 다양한 양태에 따른 일 실시예의 공정을 설명하는 흐름도를 도시한다.
이하에서 설명되는 상세한 설명은 본 기술의 다양한 구성을 설명하는 것을 목적으로 하고, 본 기술이 실시될 수 있는 구성만을 표현하는 것을 목적으로 하지 않는다. 첨부된 도면은 본 명세서에 포함되고, 상세한 설명의 일부를 구성한다. 상세한 설명은 본 기술의 철저한 이해를 제공하기 위한 특정의 세부를 포함한다. 그러나, 본 기술은 이러한 특정의 세부 없이 실시될 수 있다는 것이 본 기술 분야의 당업자에게 명백할 것이다. 경우에 따라, 주지의 구조 및 컴포넌트는 본 기술의 개념을 불명료화하는 것을 방지하기 위해 블록도의 형태로 도시된다.
부분적으로 본 개시는 배터리의 세퍼레이터 재료 내의 전기장 및 그것의 변화를 감지하도록 구성되는 배터리에 관한 것이다. 또한 부분적으로 본 개시는 시간의 경과에 따라 배터리 내의 전기장을 검출 및 모니터링함으로써 배터리 내의 덴드라이트의 형성을 감지하기 위한 방법에 관한 것이다.
배터리 내의 덴드라이트의 존재를 확인하기 위해 추구되고 있는 일부의 현재의 접근방법은 광학 센서와 광섬유, 외부의 스트레인 게이지, 박막 온도 감지, 기체 모니터링, 및 레이저 가이드식 초음파 조사를 포함한다. 그러나, 이러한 접근방법은 개발 단계 중에 있고, 구현하기가 복잡하다.
본 발명자들은 배터리 내의 전기장 및 그 변화를 모니터링하는 것은 리튬-이온 배터리의 건전성을 모니터링하기 위한 접근방법을 제공하기 위한 단순화되고 유리한 대안임을 인식하였다. 배터리 내의 금속 덴드라이트의 존재는 덴드라이트의 선단부의 부근에서 전기장의 세기를 증가시킨다. 본 발명자들은 리튬-이온 배터리 내의 전기장의 세기 및 그 변화를 측정함으로써 배터리 내의 덴드라이트의 성장 및 침입을 모니터링할 수 있다는 것을 인식하였다. 배터리 내에서 발생된 전기장을 모니터링하기 위한 기법은 금속 덴드라이트의 화학분석을 위한 기존의 기법에 비교하여 구현하기가 훨씬 간단할 수 있다.
특히, 본 발명자들은 배터리의 세퍼레이터 재료 내에서 또는 세퍼레이터 재료에 근접한 전기장 모니터링은 유익할 수 있다는 것을 인식하였다. 덴드라이트가 세퍼레이터 재료를 통해 절단될 때까지 덴드라이트는 내부 단락을 발생할 수 없다. 세퍼레이터 재료 내의 전기장을 모니터링함으로써, 덴드라이트가 세퍼레이터 재료를 관통했는지 또는 세퍼레이터 재료를 관통하기 직전이고, 유해성을 갖게 되었는지의 여부가 결정될 수 있다. 세퍼레이터 재료 내의 덴드라이트의 존재를 검출함으로써 배터리 관리 시스템은 덴드라이트가 캐소드에 도달하기 전에 전지를 정지시킬 수 있고, 그러므로 치명적인 내부 단락의 가능성을 방지할 수 있다. 이 접근 방법은 배터리의 안전성을 증가시키는 것에 더하여 또한 시간의 경과에 따라 전지 동작의 변화를 모니터링함으로써 배터리의 건전성의 상태에 관한 식견을 제공한다.
세퍼레이터 재료 내에서 또는 부근에서 전기장을 모니터링하기 위해 임의의 적절한 기법이 사용될 수 있으나, 커패시턴스 측정에 기초한 기법이 특히 유리하다. 이와 같은 기법은 기존의 배터리 설계 내에 용이하게 구성될 수 있고, 비교적 저가로 구현될 수 있다. 다수의 커패시턴스 측정 기법, 즉 대규모 커패시턴스에 기초한 것 뿐만 아니라 나노규모의 커패시턴스 측정 기법을 사용하는 것의 양자 모두가 본 개시의 실시형태에서의 사용에 적절할 수 있다.
일부의 실시형태에서, 본 명세서에서 설명되는 배터리는 캐소드 및 애노드, 이들 사이에 배치되는 세퍼레이터 재료, 세퍼레이터 재료 내의 전기장을 검출하도록 구성되는 복수의 전기장 센서를 포함한다.
일부의 실시형태에서, 전기장 센서는 세퍼레이터 재료와 접촉된다. 일부의 실시형태에서, 전기장 센서는 세퍼레이터 재료의 표면 상에 배치된다. 다른 실시형태에서, 전기장 센서는 세퍼레이터 재료 내에 배치된다.
일부의 실시형태에서, 본 개시의 배터리는 또한 배터리의 동작을 모니터링 및 조절하도록 구성되는 제어기를 포함할 수 있다. 일부의 실시형태에서, 제어기는 전기장 센서에 통신가능하게 접속될 수 있다. 통신 접속은 직접 유선 접속 또는 무선 접속일 수 있다. 전기장 센서에 통신가능하게 접속됨으로써, 제어기는 배터리 내에서 덴드라이트의 존재를 검출했을 때 배터리의 동작 상태를 변화시킬 수 있다.
도 1은 하나 이상의 구현형태에 따른 세퍼레이터 재료 내에서 전기장을 감지할 수 있는 배터리의 개략도를 도시한다. 도 1에 도시된 바와 같이, 캐소드(1) 및 애노드(3)는 세퍼레이터 재료(2)에 의해 분리된다. 세퍼레이터 재료(2)는 세퍼레이터 재료(2) 상에 또는 내에 배치되는 복수의 전기장 센서(4)를 포함한다. 비록 도 1은 분리된 개체로서 전기장 센서(4)를 도시하고 있으나, 이것은 또한 필요한 경우에 연속적 일체형 센서일 수 있다. 적절한 전기장 센서는 이것이 세퍼레이터 재료 상에 또는 내에 만족스럽게 배치될 수 있는 한 기능 또는 구조가 특별하게 제한되어야 한다고 생각되지 않는다. 배터리는 덴드라이트의 발생이 검출되는 경우에 배터리의 동작을 모니터링 및 조절하기 위한 제어기(5)를 포함할 수 있다.
일부의 실시형태에서, 배터리는 리튬-이온 배터리일 수 있다. 배터리는 리튬-이온 배터리에서 전통적으로 사용되는 바와 같은 리튬 염 전해질 및 비-수성 용매를 포함할 수 있다. 적절한 리튬 염은, 예를 들면, LiClO4, LiBF4, LiAsF6, LiPF6, LiCF3SO3, Li(CF3SO2)2N, Li(CF3SO2)3C, LiN(SO2C2F5)2, 리튬 알킬 플루오로인산염, 리튬 비스(옥살라토)붕산염(LiBOB), 및 이들의 임의의 조합을 포함할 수 있다. 다른 리튬 염 전해질도 또한 본 개시의 배터리에서 사용하기 위해 적절할 수 있고, 본 기술분야의 당업자에게 잘 알려져 있다.
배터리의 비-수성 전해질에서 사용되는 유기 용매는 높은 유전 상수를 갖는 일반적으로 비프로톤성(aprotic)의 유기 용매일 수 있다. 비수성 전해질에서 사용될 수 있는 예시적인 유기 용매는 알킬 탄산염(예를 들면, 프로필렌 탄산염, 에틸렌 탄산염, 부틸렌 탄산염, 디메틸 탄산염, 디에틸 탄산염, 디프로필 탄산염, 메틸 에틸 탄산염, 메틸 부틸 탄산염, 메틸 프로필 탄산염, 에틸 프로필 탄산염, 부틸 프로필 탄산염, 1,2-부틸렌 탄산염, 2,3-부틸렌 탄산염, 1,2-펜텐 탄산염, 및 2,3-펜텐 탄산염), 니트릴(예를 들면, 아세토니트릴, 아크릴로니트릴, 프로피오니트릴, 부티로니트릴 및 벤조니트릴), 술폭시드(예를 들면, 디메틸 술폭시드, 디에틸 술폭시드, 에틸 메틸 술폭시드, 및 벤질메틸 술폭시드), 아미드(예를 들면, 포름아미드, 메틸포름아미드, 및 디메틸포름아미드), 피롤리돈(예를 들면, N-메틸피롤리돈), 락톤(예를 들면, 부티로락톤, 발레로락톤, 2-메틸-부티로락톤, 및 아세틸-부티로락톤), 인산염 트리에스테르, 니트로메탄, 에테르(예를 들면, 1,2-디메톡시에탄; 1,2-디에톡시에탄; 1,2-메톡시에톡시에탄; 1,2- 또는 1,3-디메톡시프로판; 1,2- 또는 1,3-디에톡시프로판; 1,2- 또는 1,3-에톡시메톡시프로판; 1,2-디부톡시에탄; 테트라하이드로퓨란; 2-메틸테트라하이드로퓨란 및 다른 알킬, 디알킬, 알콕시 또는 디알콕시 테트라하이드로퓨란; 1,4-디옥산; 1,3-디옥솔란; 1,4-디옥솔란; 2-메틸-1,3-디옥솔란; 4-메틸-1,3-디옥솔란; 술포란; 3-메틸술포란; 메틸 에테르; 에틸 에테르; 프로필 에테르; 디에틸렌 글리콜 디알킬 에테르; 트리에틸렌 글리콜 디알킬 에테르; 에틸렌 글리콜 디알킬 에테르; 및 테트라에틸렌 글리콜 디알킬 에테르), 에스테르(예를 들면, 메틸 또는 에틸 프로피오네이트와 같은 알킬 프로피오네이트, 디에틸 말로네이트와 같은 디알킬 말로네이트, 메틸 아세테이트 및 에틸 아세테이트와 같은 알킬 아세테이트, 및 메틸 포름산염 및 에틸 포름산염과 같은 알킬 포름산염); 및 무수 말레인산을 포함하고, 이것에 한정되지 않는다.
세퍼레이터 재료는 특별히 제한되는 것으로 생각되지 않고, 배터리가 충전 또는 방전될 때 캐소드와 애노드 사이에서 이온 이동도를 촉진시키기 위한 충분한 기공율을 갖는 임의의 다공질 유전성 재료로 형성될 수 있다. 세퍼레이터 재료의 선택은 세퍼레이터 재료 내의 전기장을 모니터링하기 위한 선택된 기법에 의해 어느 정도까지 영향을 받을 수 있다. 일부의 실시형태에서, 세퍼레이터 재료는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리에스터, 및 폴리아크릴로니트릴과 같은 폴리머를 포함할 수 있다. 일부의 실시형태에서, 세퍼레이터 재료는 다공질 폴리(비닐리덴 불화물)-헥사플루오로프로판 코폴리머 막, 다공질 셀룰로오스 막, 크라프트지(kraft paper), 레이온 직물 등일 수 있다. 다양한 실시형태에서, 세퍼레이터 재료의 두께는 약 100 마이크론 이하일 수 있다. 전기장 센서는 그 형성 중에 세퍼레이터 재료 내에 배치되거나 배터리의 제조 중에 세퍼레이터 재료 상에 배치될 수 있다.
위에서 표시된 바와 같이, 금속 덴드라이트를 감지하기 위한 방법은 배터리 내의 전기장 및 시간의 경과에 따른 그 변화를 측정하는 단계를 포함한다. 일부의 실시형태에서, 배터리 내의 전기장 및 그 변화를 측정하는 단계는 배터리의 세퍼레이터 재료의 근접부나 내부의 커패시턴스를 측정하는 단계를 포함할 수 있다. 이하에서 논의되는 바와 같이 배터리 내의 커패시턴스를 모니터링하기 위해 수의 기법이 적절할 수 있다.
일부의 실시형태에서, 본 명세서에서 설명되는 방법은 캐소드, 애노드 및 이들 사이에 배치되는 세퍼레이터 재료를 갖는 배터리를 제공하는 단계, 세퍼레이터 재료와 복수의 전기장 센서를 접촉시키는 단계, 및 전기장 센서를 이용하여 배터리 내의 전기장을 측정하는 단계를 포함한다. 다양한 실시형태에서, 전기장은 세퍼레이터 재료 내에서 측정된다. 더 특별한 실시형태에서, 배터리 내의 전기장을 측정하는 단계는 배터리 내의 (세퍼레이터 재료에서) 커패시턴스를 측정하는 단계를 포함할 수 있다.
다양한 실시형태에서, 전기장을 측정하는 단계는 시간의 함수로서 전기장의 변화를 측정하는 단계를 포함할 수 있다. 시간의 함수로서의 전기장의 변화는 세퍼레이터 재료 내로 하나 이상의 금속 덴드라이트의 침입과 관련될 수 있다. 일부의 실시형태에서, 전기장은 세퍼레이터 재료 내로 금속 덴드라이트의 침입을 결정하기 위해 지속적으로 모니터링될 수 있다. 다른 실시형태에서, 덴드라이트의 성장이 통상적으로 느리고, 시간의 경과에 따라 발생하므로 전기장은 비연속적으로 모니터링될 수 있다. 비연속적 모니터링을 위한 전기장의 측정들 사이의 기간은 약 매 10 분 내지 약 매 24 시간의 범위일 수 있다. 적절한 모니터링 기간은 배터리가 사용되는 용도 및 충전 및 방전의 속도 및 주기에 의존할 수 있다.
일부의 실시형태에서, 본 명세서에서 설명되는 방법은 세퍼레이터 재료 내로 하나 이상의 금속 덴드라이트의 침입 시에 배터리의 동작 상태를 조절하는 단계를 더 포함할 수 있다. 배터리의 동작 상태의 조절은 위에서 설명된 제어기를 사용하여 실행될 수 있다. 일부의 실시형태에서, 배터리의 동작 상태의 조절은 전기장의 변화의 검출 시에 배터리를 포함하는 회로를 차단하는 단계, 전기장의 변화의 검출 시에 배터리의 충전 또는 방전을 중단시키는 단계, 전기장의 변화의 검출시에 충전 또는 방전의 속도를 변화시키는 단계, 또는 이들의 임의의 조합을 포함할 수 있다.
도 2는 하나 이상의 구현형태에 따른 전기 장치(200)의 개략도를 도시한다. 전기 장치(200)는 배터리를 포함하고, 여기서 배터리는 제 1 전극(205), 제 2 전극(210), 및 제 1 전극(205)과 제 2 전극(210) 사이에 배치되는 압전 세퍼레이터 요소(215)를 포함한다. 제 1 전극(205)은 애노드일 수 있고, 제 2 전극(210)은 캐소드일 수 있고, 또는 반대일 수 있다.
전기 장치(200)는 또한 펄스 발생기(220) 및 제어기(225)를 포함한다. 펄스 발생기(220)는 입력 펄스를 발생시키도록 구성된다. 배터리 전극(205, 210) 및 제어기(225)에서 수신되는 (예를 들면, 배터리 전극(205, 210) 및 제어기(225)에 인가되는) 펄스는 입력 펄스에 기초한 것이거나 입력 펄스이다. 제어기(225)는 펄스 발생기(220)에 접속된다. 제어기(225)는 또한 배터리 전극(205, 210)을 통해 압전 세퍼레이터 요소(215)에 접속된다(이하에서 더 상세히 설명됨). 제어기(225)는 입력 펄스를 압전 세퍼레이터 요소(215)에 의해 제공되는 출력 펄스와 비교하도록 구성된다.
하나 이상의 구현형태에서, 펄스는 압전 세퍼레이터 요소(215)의 제 1 축선으로 입력될 수 있고, 압전 세퍼레이터 요소(215)의 제 2 축선으로 압전 세퍼레이터 요소로부터 출력될 수 있다. 일부의 양태에서, 압전 세퍼레이터 요소(215)는 배터리 전극(205, 210)의 하나 또는 양자 모두와 접촉될 수 있다. 일부의 양태에서, 압전 세퍼레이터 요소(215)는 압전 재료의 층일 수 있다. 예를 들면, 폴리(비닐리덴 불화물)은 압전 특성을 발휘하도록 제조될 수 있다. 다른 양태에서, 압전 세퍼레이터 요소(215)는 폴리에틸렌, 다공질 셀룰로오스 막 등과 같은 재료 내에 직조되는 압전사(piezoelectric thread)를 포함하는 재료일 수 있다. 예를 들면, 모든 다른 직조된 재료의 사(thread)는 압전사일 수 있다. 일부의 양태에서, 하나를 초과하는 압전 세퍼레이터 요소가 배터리 내에 포함될 수 있다.
하나 이상의 구현형태에서, 압전 세퍼레이터 요소(215)는 압전 변압기를 포함할 수 있다. 압전 변압기는 시험 펄스의 입력 및 시험 결과의 출력을 허용하는 4 선식 장치이다. 예를 들면, 압전 변압기는 입방정계의 형상의 압전 결정일 수 있다. 입방체는 3 개의 축선, 즉 입력장을 위한 제 1 축선, 출력장을 위한 제 2 축선, 및 응력장의 기계적 저장을 위한 제 3 축선을 제공하는 6 개의 면을 갖는다.
압전 세퍼레이터 요소(215)를 위한 다른 구조가 가능하고, 성능, 비용 등과 같은 고려사항에 기초하여 선택/구성될 수 있다. 압전 세퍼레이터 요소(215) 및 그 특성의 추가의 예는 K. 라마단(Ramadan) 등에 의해 "자기계식 트랜스듀서용의 기능 재료로서의 압전 폴리머의 검토"(Smart Mater. Struct., Vol. 23, January 2014, pp. 1-26)에서 설명되고, 이것은 그 전체가 참조에 의해 본원에 포함된다.
제어기(225)는 펄스 비교기 회로(230) 및 발광 다이오드(LED)(235)를 포함한다. 펄스 비교기 회로(230)는 펄스들을 비교할 수 있다(예를 들면, 입력 펄스를 출력 펄스와 비교할 수 있다). 펄스 비교기 회로(230)는, 예를 들면, 펄스들이 상쇄되는지의 여부 및/또는 어느 정도까지 펄스들이 상쇄되지 않는지(예를 들면, 펄스가 다른지)를 결정하기 위해 펄스들 사이의 차이를 검출할 수 있다. LED(235)는 (예를 들면, 배터리의 사용자에게) 입력 펄스를 출력 펄스와 비교한 결과에 관한 시각적 표시를 제공하도록 구성될 수 있다. 하나 이상의 구현형태에서, LED(235)는 다른 유형의 출력 장치(예를 들면, 시각적 출력 장치, 음향 출력 장치, 또는 조합)일 수 있다. 일부의 양태에서, 단일의 LED는 펄스 비교기 회로(230) 및 LED(235)의 양자 모두로서 사용될 수 있다. 예를 들면, 단일의 LED의 문턱 전압보다 큰 펄스들 사이의 차이에 의해 LED는 배터리 내에서 비정상이 검출되었다는 시각적 표시(예를 들면, 점등)를 제공할 수 있다.
하나 이상의 구현형태에서, 비교기 회로(230)는 가산기 회로 또는 중첩 회로를 포함할 수 있다. 하나 이상의 구현형태에서, 비교기 회로(230)는 비교의 결과를 관련시키고, 배터리의 동작을 조절하는 다른 처리 회로를 포함한다. 하나 이상의 구현형태에서, 비교기 회로(230)의 컴포넌트는 하드웨어, 소프트웨어, 또는 양자의 조합으로 구현될 수 있다.
일부의 양태에서, 전기 장치(200)는 지연 컴포넌트(240)를 포함할 수 있다. 지연 컴포넌트(240)는 압전 세퍼레이터 요소(215)의 시상수(time constant)에 의해 결정되는 입력 펄스와 출력 펄스 사이의 시간 지연을 설명하기 위해 사용될 수 있다. 지연 컴포넌트(240)는 지연 라인을 포함할 수 있거나, 지연 라인일 수 있다. 대안적으로 또는 추가로, 지연 컴포넌트(240)는 펄스 발생기(220)로부터의 입력 펄스의 카피(copy)를 저장할 수 있고, 이 입력 펄스의 카피를 상기 제어기(225)에 의해 출력 펄스와 비교할 수 있도록 제어기(225)에 제공할 수 있다.
펄스 발생기(220) 및 제어기(225)는 시험 장치라고 지칭될 수 있다. 시험 장치는 배터리의 수명의 전체를 통해 배터리에 접속될 수 있다. 배터리 전극(205, 210)은 시험 측정을 실시하기 위한 입력 라인 및 출력 라인으로서 사용될 수 있다.
일부의 양태에서, 시험 장치는 수 시간 마다, 하루 건너 마다 등으로 주기적으로 통전/작동될 수 있다. 시험 장치를 통전/작동시키는 주기는 용도에 의존할 수 있다. 제어기(225)는 이 제어기(225) 내의 또는 아니면 이 제어기(225)에 액세스가능한 메모리 장치(도시되지 않음) 상의 배터리와 관련되는 데이터(예를 들면, 입력 펄스와 출력 펄스 사이의 차이)를 기록할 수 있다. 입력 펄스와 출력 펄스 사이의 차이는 시간의 경과에 따라 더 분명해질 수 있고(예를 들면, 더 커짐), 이것은 배터리가 교체될 것을 필요로 할 수 있다는 것을 나타낸다. 일부의 양태에서, 배터리의 문턱 전압 또는 전력 수준은 일단 이 문턱 수준에 도달하거나 이 문턱 수준을 초과하면 제어기(225)가 배터리의 동작을 자동으로 오프시킬 수 있도록 제어기(225)에 의해 설정될 수 있다. LED(235)는 배터리를 더 사용하는 것은 안전하지 않을 수 있다는 시각적 표시를 (예를 들면, 배터리의 사용자에게) 제공하기 위해 사용될 수 있다.
펄스 발생기(220)는 배터리 전극(205, 210)의 전체에 걸쳐 펄스를 인가하도록 구성될 수 있다. 하나 이상의 구현형태에서, 펄스 발생기(220)는 온/오프 스위치일 수 있다. 하나 이상의 구현형태에서, 펄스는 급격한 구배(sudden steep)의 초단 펄스일 수 있다. 이 펄스는 배터리 전극(205, 210)의 극성에 반대로 인가될 수 있다(예를 들면, 역의 극성으로 가해질 수 있다). 펄스를 인가하면 부여된 전기장에 응답하여 기계적으로 변형되는 압전 세퍼레이터 요소(215) 상에 반대의 전기장이 부여된다. 기계적 변형(예를 들면, 형상 및/또는 크기의 변화)는 펄스의 에너지를 저장한다. 이와 같은 펄스는 충전 펄스로서 지칭될 수 있다. 펄스가 종료된 경우, 압전 세퍼레이터 요소(215)는 이완되어 반대 극성의 펄스를 발생시키고, 이 펄스는 순방향으로 배터리 전극(205, 210)을 통해 전파되어 배터리 전극(205, 210) 또는 배터리 전선에서 검출될 수 있다. 압전 세퍼레이터 요소(215)에 의해 발생되는 펄스는 방전 펄스라고 지칭될 수 있고, 제어기(225)에 제공될 수 있다. 일부의 양태에서, 덴드라이트의 검출은 충전 펄스와 방전 펄스를 비교하여 이 2 개의 펄스 사이의 차이를 검출하는 것에 기초할 수 있다. 예를 들면, 비교는 2 개의 펄스를 뺄셈 또는 덧셈함으로써 2 개의 펄스의 형상, 구배, 및/또는 에너지 함량을 비교하는 단계를 포함할 수 있다. 하나 이상의 양태에서, 입력 펄스는 충전 펄스일 수 있다. 하나 이상의 양태에서, 출력 펄스는 방전 펄스일 수 있다.
하나 이상의 구현형태에서, 배터리 전극(205, 210)에 가해지는 충전 펄스는 단(short) 펄스일 수 있다. 이 단 펄스는 마이크로초 펄스 또는 나노초 펄스(예를 들면, 기가헤르츠 펄스)일 수 있다. 충전 펄스는 배터리의 부하 상에 급격한 전류의 스파이크로서 나타날 수 있으므로, 더 빠르고 더 높은 주파수인 더 짧은 펄스는 직류 전류(DC)로부터 더 멀리 떨어져 있고, 부하 및 배터리에 의해 형성되는 DC 회로의 동작에 미치는 충전 펄스의 효과를 감소시킨다.
하나 이상의 구현형태에서, 압전 세퍼레이터 요소(215)의 공진 주파수는 배터리의 AC 활동도에 기인되어 배터리의 DC 동작의 효과를 감소시키도록(예를 들면, DC로부터 멀리 떨어지도록) 높게 선택될 수 있다. AC 활동도는 충전 펄스 및 방전 펄스와 관련된 측정치를 포함할 수 있다. 압전 세퍼레이터 요소(215)의 공진 주파수는 압전 세퍼레이터 요소(215)의 치수의 함수이다. 일부의 양태에서, 압전 세퍼레이터 요소(215)는 재료의 층일 수 있고, 압전 세퍼레이터 요소(215)의 공진 주파수는 압전 세퍼레이터 요소(215)의 두께의 함수이다. 더 얇은 재료는 압전 세퍼레이터 요소(215)의 높은 공진 주파수와 관련된다. 압전 세퍼레이터 요소(215)의 공진 주파수는 또한 압전 세퍼레이터 요소(215)의 압전율의 함수이다.
배터리의 DC 동작에 미치는 효과를 감소시키는 다른 방법도 가능하다. 예를 들면, 충전 펄스 및 방전 펄스와 관련되는 측정에 기인되는 배터리의 DC 동작에 미치는 효과는 배터리의 극성의 반대의 펄스를 인가함으로써 감소될 수 있고, 이것은 전해질의 유전율을 증가시킬 수 있다. 다른 실시예로서, 배터리의 DC 동작에 미치는 효과는 커패시터로서 간주되는 경우 배터리의 일부의 고유 진동수(예를 들면, 공진 주파수) 내에 측정 사이클을 유지하는 단일의 펄스를 인가함으로써 감소될 수 있다. 제어기(225)는 측정 사이클 중에 입력 펄스를 모니터링하도록, 그리고 측정 사이클 중에 출력 펄스를 모니터링하도록 구성될 수 있고, 여기서 측정 사이클은 배터리의 공진 주파수의 일부 (또는 공진 주파수의 미만)이다.
하나 이상의 구현형태에서, 전기 장치(200)는 덴드라이트의 검출을 위해 사용될 수 있다. 일부의 양태에서, 배터리 내에 덴드라이트가 형성되었는지와 어느 정도로 덴드라이트가 형성되었는지를 결정하는 단계는 충전 펄스 및 방전 펄스와 관련되는 측정에 기초할 수 있다. 덴드라이트가 성장함에 따라, 배터리 전극(205, 210)의 커패시턴스는 변화된다. 덴드라이트는 또한 압전 세퍼레이터 요소(215)가 응력 에너지를 저장할 수 있는 범위를 기계적으로 제한하고, 압전 세퍼레이터 요소(215)의 기계적 리액턴스를 변화시킨다. 커패시턴스 및 기계적 리액턴스의 변화에 기인되어, 배터리 전극 및 압전 세퍼레이터 요소(215)에 의해 형성되는 배터리의 공진 주파수는 덴드라이트를 포함하지 않는 배터리의 공진 주파수에 상대적으로 천이된다. 커패시턴스와 기계적 리액턴스 변화는 배터리의 공진 주파수의 천이에 관하여 상가 효과(additive effect)를 가질 수 있다.
위에서 표시된 바와 같이, 공진 주파수의 천이는 입력 펄스를 출력 펄스와 비교함으로써, 예를 들면, 입력 펄스(또는 지연된 버전의 입력 펄스)를 출력 펄스와 중첩시키고, 입력 펄스와 출력 펄스 사이의 임의의 차이를 검출함으로써 결정될 수 있다. 일부의 양태에서, 입력 펄스의 형상, 구배, 또는 에너지 함량은 출력 펄스의 형상, 구배, 또는 에너지 함량과 비교될 수 있다. 일부의 양태에서, 이 차이는 입력 펄스와 출력 펄스의 총 에너지 사이의 사이에 기초할 수 있다. 일부의 양태에서, 입력 펄스와 출력 펄스 사이의 크기 차이 및/또는 2 개의 펄스 사이의 구배(크기의 변화율)의 차이는 배터리의 잔존 수명을 추정하기 위해 사용될 수 있다.
도 3은 하나 이상의 구현형태에 따른 공칭의 경우 및 비정상의 경우의 펄스를 더한 결과를 도시한다. 공칭의 경우, 입력 펄스와 출력 펄스는 상쇄되고, 이것은 배터리 내에 덴드라이트가 형성되지 않았음을 나타낼 수 있다. 비정상의 경우, 입력 펄스와 출력 펄스는 상쇄되지 않고, 입력 펄스와 출력 펄스 사이의 차이의 정도는 배터리 내의 덴드라이트 성장의 정도에 관한 지표를 제공할 수 있다. 예를 들면, 펄스 비교기 회로(예를 들면,도 2의 230)가 LED인 경우, 펄스 비교기 회로는 (예를 들면, LED의 문턱 전압에 기초하는) 컷오프 에너지를 갖고, 이것은 비정상의 경우의 검출을 촉발하기 위해 사용될 수 있다. 공칭의 경우 또는 비정상의 경우의 검출을 촉발하기 위한 다른 문턱값이 사용될 수 있다.
도 4는 하나 이상의 구현형태에 따른 도 2에 도시된 배터리를 모형화하기 위해 사용될 수 있는 탱크 회로를 도시한다. 탱크 회로는 배터리 전극(205, 210)으로부터의 용량형 리액턴스 및 압전 세퍼레이터 요소(215)로부터의 기계적 리액턴스를 포함한다. 배터리 전극(205, 210)은 탱크 회로 내의 커패시터의 플레이트를 형성할 수 있다. 입력 펄스는 배터리 전극(205, 210)에 인가되고, 출력 펄스는 압전 세퍼레이터 요소(215)로부터 출력된다. 탱크 회로의 공진 주파수는 다음에 의해 제공될 수 있다.
여기서 C는 용량형 리액턴스이고, L은 기계적 리액턴스이다.
공진 주파수에서의 탱크 회로의 동작은 다음과 같이 제공된다. 전기 에너지는 탱크 회로의 커패시턴스 내로 유입되고, 커패시턴스 사이의 전기장 내에 저장된다. 에너지의 만충전이 저장된 경우, 전기장은 그것의 에너지를 압전 세퍼레이터 요소(215) 내로 방전시키고, 이것은 기계적 에너지(예를 들면, 기계적 스트레인)로서 에너지를 저장한다. 따라서, 모든 기계적 에너지가 저장된 후, 압전 세퍼레이터 요소(215)는 이완되고, 기계적 충전은 커패시터로 역방향으로 방전된다. 손실이 없다고 가정했을 때, 탱크 회로 내의 에너지는 전기장 및 기계적 스트레인을 이용하여 전후로 지속적으로 왕복한다.
하나 이상의 양태에서, 배터리의 전극(205, 210)은 탱크 회로 내의 커패시터의 플레이트 및 압전 세퍼레이터 요소(215)의 전극의 양자 모두의 역할을 한다. 또한, 전극(205, 210)은 측정 시스템을 위한 입력 라인 및 출력 라인(예를 들면,펄스 발생기(220)에 접속되는 입력 라인 및 제어기(225)에 접속되는 출력 라인)의 역할을 할 수 있다.
탱크 회로는, 전극들 사이에서 성장 중인 하나 이상의 덴드라이트의 존재로부터 유발될 수 있는 전극들 사이의 평균 간격의 변화를 검출하기 위해, 배터리의 전극에 의해 형성되는 용량형 리액턴스의 작은 변화 및 덴드라이트의 존재 하에서 더 적은 에너지 저장 능력을 갖는 압전 세퍼레이터 요소의 기계적 리액턴스의 작은 변화를 측정하기 위해 사용될 수 있다. 따라서, 덴드라이트 성장은 탱크 회로로서 동작될 경우에 효과를 증폭시키기 위해 용량형 리액턴스와 기계적 리액턴스 사이의 균형을 변화시킨다.
LC 회로는 종종 필터로서 사용된다. L/C 비율은 선택도의 크기인 회로의 품질 인자(Q)를 결정하는 인자 중 하나이다. 소정의 저항을 갖는 직렬 공진 회로의 경우, 인덕턴스가 높으면 높을 수록, 그리고 커패시턴스가 낮으면 낮을 수록 필터 대역폭은 더 좁아진다. 병렬 공진 회로의 경우에는 반대이다. 동조 회로 주위의 양성 피드백("재생")은 또한 선택도를 증가시킬 수 있다. 회로의 선택도가 높으면 높을 수록 덴드라이트의 존재에 대한 공진 주파수의 민감도가 더 커진다(이것은 공진 주파수의 변화를 유발한다). 압전 장치를 위한 회로의 유도 부분을 교환하면 Q 및, 이에 따라 덴드라이트에 기인되는 용량형 변화의 민감도를 크게 향상시킬 수 있다. 하나 이상의 구현형태에서, 단일의 덴드라이트의 발생 및 성장이 공진 주파수의 지각할 수 있을 정도의 천이에 의해 즉각적으로 명확해질 수 있도록 매우 높은, 거의 무한의 Q가 요구된다.
도 5는 하나 이상의 구현형태에 따른 배터리(500)의 일 실시예를 도시한다. 이 배터리(500)는 도 2에 도시된 전기 장치(200)에서 사용될 수 있다. 배터리(500)는 제 1 전극(505), 제 2 전극(510), 압전 세퍼레이터 요소(515), 및 하나 이상의 벌킹(bulking) 세퍼레이터 요소(520)를 포함한다. 벌킹 재료의 개재는 선택적인 것이고, 용량형 리액턴스의 전극들 사이의 분리 거리가 압전(예를 들면, 기계적) 리액턴스의 두께와 별개로 최적화될 수 있도록 한다. 압전 세퍼레이터 요소(515) 및 하나 이상의 벌킹 세퍼레이터 요소(520)는 제 1 전극(505)과 제 2 전극(510) 사이에 배치된다. 제 1 전극(505)과 제 2 전극(510) 사이가 배터리의 고유의 단락을 생성시키기 않도록 충분히 분리되도록 하나 이상의 벌킹 세퍼레이터 요소(520)가 사용될 수 있다. 벌킹 세퍼레이터 요소(520)의 각각은 압전 세퍼레이터 요소(215)의 상측 또는 하측에 배치될 수 있다. 일부의 양태(도시되지 않음)에서, 일부의 벌킹 세퍼레이터 요소(520)는 압전 세퍼레이터 요소(215)의 상측에 배치되고, 일부는 압전 세퍼레이터 요소(215)의 하측에 배치되도록 벌킹 세퍼레이터 요소(520)는 산재될 수 있다.
도 6은 본 기술의 다양한 양태에 따른 일 실시예의 공정(600)을 설명하는 흐름도를 도시한다. 이 공정(600)의 블록은 도시된 순서로 수행될 필요는 없다. 도시된 순서는 하나 이상의 실시예의 접근방법의 예시이고, 제공된 특정의 순서 또는 계층구조에 제한되는 것을 의미하지 않는다는 것이 이해된다. 블록은 재배열될 수 있고, 및/또는 2 개 이상의 블록이 동시에 수행될 수 있다.
블록 605에서, 제 1 전극(예를 들면, 도 2의 205), 제 2 전극(예를 들면, 210), 및 압전 세퍼레이터 요소(예를 들면, 215)를 포함하는 배터리가 제공된다. 블록 610에서, 제 1 펄스가 제 1 전극에 인가된다. 제 1 펄스는 펄스 발생기(예를 들면, 220)에 의해 발생될 수 있다. 블록 615에서, 제 2 펄스가 발생된다. 제 2 펄스는 제 1 펄스에 기초하고, 압전 세퍼레이터 요소의 전기적 특성에 기초한다. 블록 620에서, 제 2 펄스가 검출된다. 제 2 펄스는 저장된 기계적 에너지를 이완 및 방출하는 압전 세퍼레이터 요소에 의해 발생될 수 있다. 블록 625에서, 제 1 펄스는 압전 세퍼레이터로부터의 제 2 펄스와 비교된다. 비교의 결과는 배터리 내에 덴드라이트가 형성되었는지의 여부를 결정하고, 배터리 내에 덴드라이트가 어느 정도까지 형성되었는지를 결정하는데 사용될 수 있다.
본 기술의 설명은 본 기술분야의 당업자가 본 명세서에 설명된 다양한 양태를 실시할 수 있도록 하기 위해 제공된 것이다. 본 기술은 다양한 도면 및 양태를 참조하여 구체적으로 설명되었으나, 이것은 설명을 위한 것에 불과하고, 본 기술의 범위를 제한하는 것으로서 해석되어서는 안된다.
본 기술을 구현하는 많은 다른 방법이 있을 수 있다. 본 명세서에서 설명되는 다양한 기능 및 요소는 본 기술의 범위로부터 벗어나지 않는 한 설명된 것과 다르게 분할될 수 있다. 이러한 양태의 다양한 개변은 본 기술분야의 당업자가 용이하게 이해할 수 있고, 본 명세서에서 한정되는 일반적 원리는 다른 양태에 적용될 수 있다. 따라서, 본 기술의 범위로부터 벗어나지 않는 한 본 기술분야의 당업자는 본 기술에 대해 많은 변화 및 개변을 실시할 수 있다.
개시된 공정의 특정의 순서 또는 계층구조는 예시적인 접근방법의 하나의 예시임이 이해된다. 특공정의 단계의 특정의 순서 및 계층구조는 설계의 기호에 기초하여 재배열될 수 있다는 것이 이해된다. 단계 중 일부는 동시에 수행될 수 있다.
위에서 제공되는 치수적 양태는 실시예이고, 하나 이상의 구현형태에 따라 치수의 다른 값이 사용될 수 있다는 것에 주의한다. 더욱이, 위에서 제공되는 치수적 양태는 일반적으로 공칭값이다. 본 기술분야의 당업자가 이해할 수 있는 바와 같이, 각각의 치수적 양태는 이 치수적 양태와 관련된 허용오차를 갖는다. 유사하게, 특징부들 사이의 거리에 관련되는 양태도 또한 관련되는 허용오차를 갖는다.
본 명세서에서 사용될 때, 항목을 분리하기 위한 "및" 또는 "또는"이라는 용어를 갖는 일련의 항목 앞의 "적어도 하나의"라는 어구는 그 목록의 각각의 요소가 아닌 그 목록의 전체를 수식하는 것이다. "적어도 하나"라는 어구는 목록의 각 항목의 적어도 하나를 선택할 것을 요구하지 않고, 오히려 이 어구는 항목 중 임의의 하나의 적어도 하나, 및/또는 항목 중 임의의 조합의 적어도 하나, 및/또는 항목 중 각각의 적어도 하나를 포함하는 것을 의미할 수 있다. 예로서, "A, B, 및 C 중 적어도 하나" 또는 "A, B, 또는 C 중 적어도 하나"라는 어구는 각각 오로지 A, 오로지 B, 또는 오로지 C; A, B, 및 C의 임의의 조합; 및/또는 A, B, 및 C의 각각의 적어도 하나를 지칭한다.
단수형으로 언급된 요소는 특별히 언급되어 있지 않는 한 "유일"을 의미하기 위한 것이 아니고, 오히려 "하나 이상"을 의미하는 것이다. "일부"라는 용어는 하나 이상을 지칭한다. 밑줄친 및/또는 이탤릭체의 표제 및 부제는 편의를 위해 사용된 것에 불과하고, 본 기술을 제한하지 않고, 본 기술의 설명의 해석에 관련하여 언급된 것이 아니다.
양태, 그 양태, 다른 양태, 일부의 양태, 하나 이상의 양태, 구현형태, 그 구현형태, 다른 구현형태, 일부의 구현형태, 하나 이상의 구현형태, 실시형태, 그 실시형태, 다른 실시형태, 일부의 실시형태, 하나 이상의 실시형태, 구성, 그 구성, 다른 구성, 일부의 구성, 하나 이상의 구성, 본 기술, 개시, 본 개시, 이들의 기타의 변형어 등과 같은 어구는 편의를 위한 것이고, 이와 같은 어구(들)에 관련되는 개시가 본 기술에 필수적이라는 것과, 이와 같은 개시가 본 기술의 모든 구성에 적용된다는 것을 의미하지 않는다. 이와 같은 어구(들)에 관련된 개시는 모든 구성 또는 하나 이상의 구성에 적용될 수 있다. 이와 같은 어구(들)에 관련된 개시는 하나 이상의 실시예를 제공할 수 있다. 양태 또는 일부의 양태와 같은 어구는 하나 이상의 양태를 지칭할 수 있고, 그 반대로 동일하고, 유사하게 이것은 이전의 다른 어구에 적용된다.
본 명세서에서 "예시적"이라는 용어는 "하나의 실시예 또는 예시의 역할을 하는"이라는 의미로 사용된다. 본 명세서에서 "예시적"으로 설명되는 임의의 양태 또는 설계는 다른 양태 또는 설계에 비해 반드시 바람직하거나 유리한 것으로 해석되지 않는다.
공지되어 있거나 또는 본 기술분야의 당업자에게 추후에 공지될 본 개시의 전체를 통해 설명되는 다양한 양태의 요소에 대한 구조적 등가 및 기능적 등가는 참조에 의해 본 명세서에 명시적으로 포함되고, 청구항에 포함되도록 의도된다. 더욱이, 본 명세서에 개시되지 않은 것은 청구항에 명시적으로 열거되어 있는지의 여부에 무관하게 일반에 전용되는 것으로 의도된다. 청구항의 요소가 "하기 위한 수단"이라는 어구를 사용하여 명시적으로 열거되거나, 또는 방법 청구항의 경우에는 이 요소가 "하기 위한 단계"라는 어구를 사용하여 열거되지 않는 한 35 U.S.C. § 112의 6번째 문단의 규정에 의거하여 청구항의 요소는 해석되지 않는다. 더욱이, 상세한 설명이나 청구항에서 "포함하다", "갖다" 등의 용어가 사용되는 한 이와 같은 용어는 청구항에서 천이형 용어(transitional word)로서 해석되는 "포함하다"와 유사하게 포괄적인 것으로 의도된다.
비록 본 발명은 개시된 실시형태를 참조하여 설명되었으나, 본 기술분야의 당업자는 이것은 단지 본 발명의 예시에 불과하다는 것을 쉽게 이해할 수 있을 것이다. 이것은 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 개변이 실시될 수 있다는 것을 이해해야 한다. 본 발명은 이상에서 설명되지 않았으나 본 발명이 사상 및 범위에 일치하는 임의의 수의 변경, 변화, 치환 또는 등가의 배열을 포함하도록 개변될 수 있다. 또한, 본 발명의 다양한 실시형태가 설명되었으나, 본 발명의 양태는 설명된 실시형태의 일부만을 포함할 수도 있다는 것을 이해해야 한다. 따라서, 본 발명은 이상의 설명에 제한되는 것으로 간주되어서는 안 된다.
Claims (20)
- 전기 장치로서,
제 1 펄스를 생성하도록 구성되는 펄스 발생기;
배터리 － 상기 배터리는 상기 펄스 발생기로부터 상기 제 1 펄스를 수신하도록 구성되는 제 1 도전성 전극, 상기 제 1 도전성 전극에 접속되는 제 2 도전성 전극, 및 상기 제 1 도전성 전극 및 상기 제 2 도전성 전극에 접속되고, 상기 제 1 펄스 및 유전성 세퍼레이터 요소의 전기적 특성에 기초하는 제 2 펄스를 제공하도록 구성되는 상기 유전성 세퍼레이터 요소를 포함함 －; 및
상기 펄스 발생기 및 상기 유전성 세퍼레이터 요소에 접속되고, 상기 제 1 펄스와 상기 제 2 펄스를 비교하도록 구성되는 제어기를 포함하는, 전기 장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 제어기는 상기 제 1 펄스의 형상, 구배, 또는 에너지 함량과 상기 제 2 펄스의 형상, 구배, 또는 에너지 함량을 비교함으로써 상기 제 1 펄스와 상기 제 2 펄스를 비교하도록 구성되는, 전기 장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 전기 장치는 지연 컴포넌트를 더 포함하고, 상기 지연 컴포넌트는 상기 펄스 발생기와 상기 제어기 사이에 배치되고, 상기 제 1 펄스를 수신하여, 제 3 펄스를 발생시키도록 구성되고,
상기 제 3 펄스는 상기 제 1 펄스의 지연된 버전(version)이고,
상기 제 3 펄스에서의 지연은 상기 유전성 세퍼레이터 요소의 시상수(time constant)에 기초하고,
상기 제어기는 상기 제 3 펄스를 상기 제 2 펄스와 비교함으로써 상기 제 1 펄스를 상기 제 2 펄스와 비교하도록 구성되는, 전기 장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 유전성 세퍼레이터 요소는 압전 세퍼레이터 요소이고,
상기 압전 세퍼레이터 요소는 상기 제 1 도전성 전극과 상기 제 2 도전성 전극 사이에 배치되고,
상기 제어기는 상기 제 1 도전성 전극과 상기 제 2 도전성 전극에 접속되고,
상기 제어기는 상기 제 1 도전성 전극과 상기 제 2 도전성 전극을 이용하여 상기 제 2 펄스를 검출하도록 구성되는, 전기 장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 배터리는 상기 제 1 도전성 전극과 상기 제 2 도전성 전극 사이에 배치되는 하나 이상의 벌킹(bulking) 세퍼레이터 요소를 더 포함하는, 전기 장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 유전성 세퍼레이터 요소는 압전 세퍼레이터 요소이고,
상기 압전 세퍼레이터 요소의 전기적 특성은 상기 압전 세퍼레이터 요소 내의 덴드라이트의 형성에 의존하는, 전기 장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 유전성 세퍼레이터 요소는 압전 세퍼레이터 요소이고,
상기 제 1 펄스에 응답하여, 상기 압전 세퍼레이터 요소는 전기장을 경험하고, 기계적으로 변형되고, 상기 제 1 펄스의 에너지를 저장하도록 구성되는, 전기 장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 유전성 세퍼레이터 요소는 압전 세퍼레이터 요소이고,
상기 제 1 펄스가 종료되는 경우에, 상기 압전 세퍼레이터 요소는 이완되고, 상기 제 2 펄스를 발생시키도록 구성되는, 전기 장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 2 펄스의 극성은 상기 제 1 펄스의 극성의 반대인, 전기 장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 제어기는 측정 사이클 중에 상기 제 1 펄스를 모니터링하고, 상기 측정 사이클 중에 제 2 펄스를 모니터링하도록 구성되고, 상기 측정 사이클은 상기 배터리의 공진 주파수의 일부인, 전기 장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 제어기는 상기 제 1 펄스와 상기 제 2 펄스를 비교한 결과를 상기 배터리 내의 덴드라이트 형성과 관련시키고, 상기 제 1 펄스의 형상, 구배, 또는 에너지 함량이 상기 제 2 펄스의 형상, 구배, 또는 에너지 함량과 상이한 경우, 상기 배터리 내의 비정상을 검출하는, 전기 장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 제어기는 상기 제 1 펄스와 상기 제 2 펄스를 비교한 결과에 적어도 부분적으로 기초하여 상기 배터리의 동작을 조절하도록 더 구성되는, 전기 장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 배터리는 리튬-이온 배터리를 포함하는, 전기 장치. - 제 1 전극, 제 2 전극, 및 압전 리액턴스 세퍼레이터 요소를 포함하는 배터리를 제공하는 단계;
상기 제 1 전극에 제 1 펄스를 인가하는 단계;
상기 제 1 펄스 및 상기 압전 리액턴스 세퍼레이터 요소의 전기적 특성에 기초하는 제 2 펄스를 발생시키는 단계;
상기 제 2 펄스를 검출하는 단계; 및
상기 제 1 펄스와 상기 압전 리액턴스 세퍼레이터 요소로부터의 상기 제 2 펄스를 비교하는 단계를 포함하는, 방법. - 제 14 항에 있어서,
상기 압전 리액턴스 세퍼레이터 요소의 전기적 특성은 상기 압전 리액턴스 세퍼레이터 요소 내의 덴드라이트의 형성에 의존하고,
상기 방법은,
상기 압전 리액턴스 세퍼레이터 요소 내에서 전기장을 발생시키는 단계;
상기 압전 리액턴스 세퍼레이터 요소를 기계적으로 변형시키는 단계; 및
상기 압전 리액턴스 세퍼레이터 요소를 이완시키는 단계를 더 포함하는, 방법. - 제 14 항에 있어서,
상기 비교하는 단계는 상기 제 1 펄스의 형상, 구배, 또는 에너지 함량과 상기 제 2 펄스의 형상, 구배, 또는 에너지 함량을 비교하는 단계를 포함하는, 방법. - 제 14 항에 있어서,
상기 방법은 제 3 펄스를 발생시키는 단계를 더 포함하고, 상기 제 3 펄스는 상기 제 1 펄스의 지연된 버전이고, 상기 제 3 펄스에서의 지연은 상기 압전 리액턴스 세퍼레이터 요소의 시상수(time constant)에 기초하고,
상기 제 1 펄스를 상기 제 2 펄스와 비교하는 단계는 상기 제 3 펄스를 상기 제 2 펄스와 비교하는 단계를 포함하는, 방법. - 제 14 항에 있어서,
상기 방법은 상기 제 1 펄스와 상기 제 2 펄스를 비교한 결과를 상기 배터리 내의 덴드라이트 형성과 관련시키는 단계를 더 포함하는, 방법. - 제 14 항에 있어서,
상기 방법은 상기 제 1 펄스와 상기 제 2 펄스를 비교한 결과에 적어도 부분적으로 기초하여 상기 배터리의 동작을 조절하는 단계를 더 포함하는, 방법. - 제 14 항에 있어서,
상기 방법은 측정 사이클 중에 상이 제 1 펄스를 모니터링하는 단계; 및
상기 측정 사이클 중에 상기 제 2 펄스를 모니터링하는 단계를 더 포함하고,
상기 측정 사이클은 상기 배터리의 공진 주파수 미만인, 방법.
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