KR20160144999A - 감지기를 가진 배터리 - Google Patents

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KR20160144999A KR1020167027998A KR20167027998A KR20160144999A KR 20160144999 A KR20160144999 A KR 20160144999A KR 1020167027998 A KR1020167027998 A KR 1020167027998A KR 20167027998 A KR20167027998 A KR 20167027998A KR 20160144999 A KR20160144999 A KR 20160144999A
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벵트 허버트 카세모
크리스토프 랑함머
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인스플로리온 센서 시스템즈 에이비
크리스토프 랑함머
벵트 허버트 카세모
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Abstract

본 발명은 전극 재료(102a), 전해질 재료(104), 배터리(100, 200, 401) 내부에 감지 공간(sensing volume)(110, 210, 310)을 가지며 전자기 방사로 조광하면 배터리(100, 200, 401)의 충전 상태에 의존하는 국소 표면 플라즈몬 공명(localized surface plasmon resonance) 상황을 나타내는 플라즈몬 감지 요소(plasmonic sensing element)(108, 208, 308)를 포함하는 배터리 충전 감지기(106, 206, 306)를 포함하는 배터리(100)에 관한 것이다. 배터리의 충전 상태를 결정하기 위한 시스템 및 방법이 추가로 제공된다.

Description

감지기를 가진 배터리{BATTERY WITH SENSOR}
본 발명은 배터리 충전 감지기를 포함하는 배터리에 관한 것이다. 배터리의 충전 상태를 결정하기 위한 시스템 및 방법이 추가로 제공된다.
전기를 제공하기 위해 사용되는 배터리는 소비재로부터 전기차와 같은 차량에 이르기까지, 예를 들어 태양 전기와 관련하여 전기의 대규모 저장에 이르기까지, 광범위한 응용을 갖는다. 청정 에너지 공급원 및 더 청정한 에너지 용도의 개발에 따라 배터리의 필요성 및 사용은 고정식 및 이동식 응용 양자 모두에 있어서 지속적으로 증가하고 있으며, 배터리 분야는 치열한 R&D를 특징으로 한다.
배터리는 대체로 충전식 배터리 및 비-충전식 배터리의 2 종류이다. 특히, 그러나 배타적이지 않게, 전자의 종류의 배터리에 있어서, 충전 상태는 사용, 저장, 및 충전 중에 특히 중요한 특성이다. 배터리의 충전 과정의 상세사항은, 그들이 배터리의 작동 및 그의 수명에 영향을 줄 수 있기 때문에 중요하다. 배터리의 사용 중에 배터리의 충전 상태를 알고 제어할 필요성(이는 다시 얼마나 많은 잔류 전력을 배터리로부터 얻을 수 있는지를 결정함)은 확실히 매우 크다. 예로서 전기 차량의 잔류 운전 거리, 및 예를 들어 중환자실에서 정전 중에 예비 전력을 제공하는 배터리의 잔류 작동 시간에 대한 정보를 들 수 있다.
예를 들어, 전기차에는 배터리가 완전히 충전될 때 소정의 운전 범위를 위한 배터리가 장착된다. 운전 중에 운전자는 잔류 운전 거리가 얼마나 긴지, 그리고 차가 최종 목적지 또는 다음 충전소에 도달할 수 있는지 여부를 알 필요가 있다. 배터리의 충전 중에는 소정의 운전 거리에 충분하게 배터리가 충전되는 때를 알기 원한다. 예를 들어, 가능한 최단 충전 완료 시간(charge up time) 또는 대안적으로 배터리의 수명을 최적화하는 더 온건한 충전과 같은 상이한 목적을 위해, 충전 과정이 변동되고 최적화될 수 있다.
상기 이유로, 충전 상태를 결정하고/하거나 충전 과정을 제어하고/하거나 배터리의 품질을 결정할 수 있는 것이 매우 바람직하다.
배터리의 충전 상태는 통상적으로 직접 측정 변수로부터 평가된다. 쿨롱-계수(Coulomb-counting)와 같은 소위 오프라인 기술에서, 배터리는 일정한 속도로 충전되고 방전되며, 이는 배터리의 충전 상태의 평가를 제공하지만, 이 기술은 시간이 오래 걸리고, 비용이 많이 들며, 배터리 성능을 방해한다. 그러므로, 배터리의 충전 상태를 측정하기 위한 소위 온라인 기술을 탐색하기 위한 노력이 경주되고 있다. 일반적으로, 예를 들어 화학물질, 전압, 전류, 또는 압력 기반의 측정 기술을 사용할 수 있는, 배터리의 충전 상태를 결정하기 위한 몇몇 방법이 있다.
배터리에 관련된 다른 관심사는 안전성 측면이다. 사용 중의 전력 인출(power out take) 또는 충전 중의 충전 전류가 너무 높을 경우, 그것은 배터리 내의 너무 높은 온도를 유발할 수 있으며, 이는 다시 배터리에 해롭거나, 다른 경우에 소정의 배터리 유형에서는, 심지어 화재 또는 폭발을 유발할 수 있다. 이는 배터리의 온도 조절의 필요성 야기한다.
US 2014/0203783 A1에는, 충전/재충전 주기순환 중에 기계적 응력 및/또는 온도와 같은 작동 파라미터를 측정하기 위해 전기화학적 에너지 장치의 내부에, 또는 그의 일부 상에 배열된 광학 감지기를 이용하는 시스템이 개시되어 있다.
US 2014/0092375 A1에는, 에너지 저장 장치의 내부에, 또는 그의 일부 상에 배열된 하나 이상의 섬유 광학 케이블을 포함하는 감시 및 관리 시스템(monitoring and management system; MMS)이 개시되어 있다. 각각의 섬유 광학 케이블은 다중 광학 감지기를 포함한다. 광학 감지기 중 적어도 하나는 다중 광학 감지기 중 적어도 다른 광학 감지기에 의해 감지된 에너지 저장 장치의 파라미터와는 상이한 에너지 저장 장치의 파라미터를 감지하도록 구성된다. MMS는 하나 이상의 섬유 광학 케이블에 광을 제공하도록 구성된 광원 및 광학 감지기에 의해 반사되는 광을 검출하도록 구성된 검출기를 포함한다. 검출기는 반사광을 기반으로 전기 신호를 발생시킨다. 전기 신호를 수용하고, 전기 신호를 분석하고, 전기 신호의 분석을 기반으로 에너지 저장 장치의 상태를 결정하기 위해 프로세서가 커플링된다.
그러나, 충전 상태 및/또는 온도 및/또는 배터리의 노화를 결정하기 위한 더 효율적이고 신뢰할 수 있는 방법에 대한 필요성이 존재한다.
본 발명의 목적은 배터리의 충전 상태의 결정을 가능하게 하는, 배터리 충전 감지기를 가진 배터리를 제공하는 것이다.
본 발명의 제1 태양에 따라, 배터리가 제공된다. 배터리는 전극 재료, 전해질 재료, 배터리 내부에 감지 공간(sensing volume)을 가지며 전자기 방사로 조광하면 배터리의 충전 상태에 의존하는 국소 표면 플라즈몬 공명(localized surface plasmon resonance) 상황을 나타내는 플라즈몬 감지 요소(plasmonic sensing element)를 포함하는 배터리 충전 감지기를 포함한다.
배터리 충전 감지기를 가진 배터리를 제공함으로써, 배터리의 충전 상태를 결정하기 위한 신뢰할 수 있고 안정한 배열이 제공된다. 또한 배터리 충전 감지기는 소형이며 비용이 적게 들고 복잡도가 낮다.
용어 "플라즈몬 감지 요소"는 플라즈몬이 여기될 수 있는 감지 요소로서 해석되어야 한다. 여기에서 플라즈몬은 충전 밀도의 국소 집단 진동(local collective oscillation)과 연계된 플라즈마 진동의 양자로서 이해되어야 한다. 충전은, 예를 들어 전자에 의해 제공될 수 있다.
용어 "국소 표면 플라즈몬 공명(LSPR)"은 플라즈몬 감지 요소 내부의 전하 운반체의 여기 상태로서 이해되어야 하며, 이는 광자에 의해, 또는 균등하게, 플라즈몬 감지 요소 상에 입사되는 광의 전자기장에 의해 여기될 수 있다. LSPR 상황은 충전 밀도의 집단 진동에, 그리고 플라즈몬 감지 요소의 한정된 크기로부터 생성되는 경계 상황에 연계된 공명 상황이다. 결과적으로, 플라즈몬 감지 요소의 재료의 전자적 특성, 그의 기하형태, 크기, 및 플라즈몬 감지 요소를 둘러싼 환경의 재료 특성에 의해 설정되는 주파수/파장/에너지를 가진 충전 밀도파가 형성된다. 예로서, 플라즈몬 감지 요소가 50-100 nm 범위의 직경을 갖는 금 나노입자인 경우, LSPR은 전형적으로 전자기 파장 스펙트럼의 가시광 부분에서 일어난다.
전자기 방사가 플라즈몬 감지 요소와 상호작용할 때 LSPR이 일어난다는 것을 추가로 이해해야 한다. 결과적으로 증강된 국소 전자기장이 플라즈몬 감지 요소의 인근에 생성된다. 증강의 강도 및 증강된 장의 공간적 연장은 플라즈몬 감지 요소의 재료, 크기, 형상, 및 환경과 같은 다수의 파라미터에 의존한다. 증강된 전기장이 유익하며, 이는 그것이 배터리의 충전 상태의 더 효율적인 감지가 제공되도록 플라즈몬 감지 요소의 감도를 개선하기 때문이다.
용어 "감지 공간"은 여기된 국소 표면 플라즈몬 공명으로부터의 전자기장의 공간적 연장에 의해 정의되는 부피로서 이해되어야 한다. 감지 공간과 관련된 전자기 방사는 배터리의 충전 상태에 대한 정보를 제공한다는 것이 이해되어야 한다. 이 전자기장의 공간적 연장은 플라즈몬 감지 요소의 상세 사항인 플라즈몬 감지 요소를 둘러싼 재료의 특성 및 플라즈몬 감지 요소의 기하형태에 관련된 입사 전자기장의 방향 양자 모두에 의존하므로, 감지 공간의 부피는 이들 파라미터 모두에 의존한다. 이 때문에, 여기 LSPR에 관련된 전자기장은 플라즈몬 감지 요소로부터 멀어지면서 점진적으로, 흔히 대략 기하급수적으로 하락하므로, 감지 공간은 전형적으로 10-100 nm의 길이 규모의 연장을 갖는다. 그러므로 플라즈몬 감지 요소는 배터리 내부에 국소 탐침 부피를 제공한다.
용어 "충전 상태"는 배터리의 용량으로서 해석되어야 한다. 충전 상태는 또한 충전의 상태(state of charge; SOC)라고 지칭되며, 추가의 방전에 이용 가능한 배터리의 전체 용량의 퍼센트로서 정의된다. 충전 상태는 배터리의 충전 및 방전을 조절하기 위해 통상적으로 사용된다.
다시 말해서, 배터리의 충전 상태는 적분된 전류로 환산하여 배터리로부터 얻을 수 있는 전하의 양에 관련되며, 이는 배터리 내에 가용 전하가 잔류하지 않을 때까지의 시간에 대한 전류의 적분이다. 완전히 충전된 배터리는 최대 용량 및 최대 충전 상태를 가지며, 이는 남은 전하가 없을 때까지 배터리로부터 얻을 수 있는 전류의 시간에 대한 적분에 의해 표현된다. 후자의 경우에 배터리는 완전히 방전된다. 편리한 표시는, 완전히 충전된 배터리는 완전히 또는 실질적으로 100% 충전된 충전 상태를 갖는다고 하는 것이다. 마찬가지로 편리한 표시는, 완전히 방전된 배터리는 완전히 방전되거나 실질적으로 0% 충전된 충전 상태를 갖는다고 하는 것이다. 가용 전하의 최대량의 절반이 배터리 내에 잔류하는 경우, 그의 충전 상태는 실질적으로 50% 충전이다.
플라즈몬 감지 요소는 전극 재료 내부에 소정의 깊이로 배열될 수 있으며, 여기에서 플라즈몬 감지 요소의 감지 공간은 전극 재료의 일부를 커버한다.
이 배열은 배터리의 충전 상태의 효율적인 감지를 제공하므로 유리하다. 배터리가 충전되거나 방전될 때, 예를 들어 이온의 삽입 또는 제거에 의해, 및/또는 전극의 재료를 하나의 상태 또는 조성으로부터 다른 것으로 전환하는 반응 과정에 의해, 전극 재료의 조성이 변화하므로 이것이 달성된다. 이러한 조성 변화는 배터리의 충전 상태의 변화와 연계되며, 조성이 변화된 전극 재료의 유전 상수의 변화를 수반한다. 조성이 변화된 전극 재료와 감지 공간이 완전히 또는 부분적으로 중첩되도록 플라즈몬 감지 요소를 전극 재료 내부에 소정의 깊이로 배열함으로써 배터리의 충전 상태를 결정할 수 있다. 다시 말해서, 배터리의 충전 상태는 전극 재료의 조성을 변화시키며, 이는 전극 재료의 유전 상수의 변화에 관련된다. 전극 재료의 유전 상수의 변화는 플라즈몬 감지 요소에 대한 국소 플라즈몬 공명 상황을 추가로 변화시킨다. 그러므로, 예를 들어 국소 플라즈몬 공명 상황에 관련된 소광 피크(extinction peak)의 스펙트럼 피크 위치 및/또는 진폭을 분석함으로써 배터리의 충전 상태를 결정할 수 있다.
플라즈몬 감지 요소는 전해질 재료 내부에 배열될 수 있으며, 여기에서 플라즈몬 감지 요소의 감지 공간은 전해질 재료의 일부를 커버한다.
배터리가 충전되거나 방전될 때, 전형적으로 전해질 재료 내의 이온 농도의 증가 또는 감소에 의해, 배터리 전해질 재료의 조성이 변화하므로 이는 유리하다. 배터리의 충전 상태의 변화에 관련된 이러한 전해질 조성 변화는 또한 전해질의 유전 상수의 변화를 수반한다. 플라즈몬 감지 요소의 감지 공간이 전해질 재료의 일부를 커버하도록 전해질 재료 내부에 플라즈몬 감지 요소를 배열함으로써, 배터리 충전 감지기가 조성이 변화된 전해질을 감지할 것이며, 즉, 조성 변화는 국소 플라즈몬 공명 상황, 예를 들어 소광 피크의 스펙트럼 피크 위치 또는 진폭에 변화를 야기할 것이다. 국소 표면 플라즈몬 공명 상황 또는 이 상황에 대한 변화를 검출함으로써 배터리의 충전 상태를 결정할 수 있다.
상기 실시양태는 전해질 재료 내에서, 또는 전극 재료 내에서 감지함으로써 배터리의 충전 상태의 분리된 분석을 가능하게 함에 유의해야 한다.
배터리 충전 감지기는 플라즈몬 감지 요소의 외측 표면에 배열된 분리 층을 추가로 포함할 수 있다.
분리 층은 배터리 충전 감지기의 플라즈몬 감지 요소가 플라즈몬 감지 요소를 둘러싼 재료와 직접 접촉되지 않도록 보호하는 층인 것으로 이해되어야 한다. 그러므로 분리 층은 플라즈몬 감지 요소가 배터리 충전 감지기의 환경 내의 재료와 반응하는 것을 방지할 수 있다. 분리 층은 플라즈몬 감지 요소가 배터리 내에 존재하거나 그의 주변 환경으로부터 배터리 내로 들어가는 액체, 기체, 및/또는 고체 재료와 반응하는 것을 추가로 방지할 수 있다. 구조적 변형 및/또는 다른 반응, 예를 들어 플라즈몬 감지 요소의 산화 또는 부식이 이에 의해 추가로 경감될 수 있다. 플라즈몬 감지 요소의 형상 및/또는 크기 및/또는 화학적 조성에 대한 변화가 플라즈몬 감지 요소의 국소 표면 플라즈몬 상황을 변화시킬 수 있는 것으로 공지되어 있으므로 이는 유리하다.
본 발명에 따른 배열은 플라즈몬 감지 요소를 이용하는 간접 감지로서 기재될 수 있다. 다시 말해서, 플라즈몬 감지 요소가 배터리의 주변 환경으로부터 분리되므로 배터리 충전 감지기는 간접적이다.
LSPR의 감지 공간이 분리 층을 관통하여 분리 층 외부의 부피를 감지하도록 분리 층은 충분히 얇게 제조됨에 유의해야 한다.
배터리 충전 감지기의 분리 층은 플라즈몬 감지 요소의 감지 공간이 전극 재료 및/또는 전해질 재료의 일부를 커버하도록 배열될 수 있다.
분리 층의 재료 및/또는 치수를 선택함으로써 감지 공간이 전극 재료 및/또는 전해질 재료 내로 진입하는 정도를 조정할 수 있으므로 이는 유리하다.
배터리는 차폐 층 내부에 배열된 부가적인 플라즈몬 감지 요소를 추가로 포함할 수 있으며, 여기에서 부가적인 플라즈몬 감지 요소의 감지 공간은 부가적인 플라즈몬 감지 요소의 차폐 층 내부에 있다.
부가적인 플라즈몬 감지 요소는 이에 의해 제어된 환경 및/또는 보호 환경 내에 배열된다.
차폐 층은, 분리 층과는 대조적으로, 충분히 두껍고/두껍거나 부가적인 플라즈몬 감지 요소의 감지 공간이 부가적인 플라즈몬 감지 요소의 차폐 층 내부에 있도록 하는, 즉, 감지 공간이 차폐 층 외부로 실질적으로 연장되지 않도록 하는 재료 특성을 갖는 층으로서 해석되어야 한다. 그러면 국소 플라즈몬 공명 상황은, 배터리의 충전 상태의 변화에 의해서가 아니라, 플라즈몬 감지 요소 그 자체 내의 변화 및/또는 차폐 층 내의 변화(구체적으로 그들의 온도)에 의해서만 영향을 받는다. 차폐 층이 있으면 온도 하나만 측정할 수 있으므로 이는 유리하다. 그러므로, 더 정확한 배터리 충전 감지기가 제공될 수 있도록, 예를 들어 배터리의 온도의 참조 또는 보정이 제공될 수 있다.
플라즈몬 감지 요소는 원판, 막대, 와이어, 타원, 다각형, 삼각형, 구형, 정육면체, 별, 금속 박막 내의 구멍, 나노쉘, 코어-쉘(core-shell) 입자, 나노라이스(nanorice), 또는 나노링(nanoring)일 수 있다.
플라즈몬 감지 요소는 반도체 및/또는 금속을 포함할 수 있다.
반도체 플라즈몬 감지 요소가 LSPR 상황을 제공할 수 있도록, 반도체는 복수의 자유 전하 운반체, 즉, 전자 및/또는 정공을 포함해야 한다는 것이 이해된다. 이는, 예를 들어 반도체를 도핑함으로써 달성될 수 있다.
반도체 재료는, 예를 들어 규소, 게르마늄, 탄소, 및/또는 III-V 반도체 재료를 포함할 수 있다. 이들은 모두 재료 과학 및 반도체 기술에서 공지된 재료이며, 예를 들어 표준 에피택셜 성장 및 가공 기술을 사용할 수 있으므로 이는 플라즈몬 감지 요소의 제작을 용이하게 한다.
금속은 Ag, Au, Cu, Al, Mg, Ni, Pd, 및 Pt로 구성된 그룹, 또는 이 그룹 중에서 선택되는 적어도 하나의 금속을 포함하는 합금 중에서 선택될 수 있다.
이들 재료는 전자기 스펙트럼의 자외광-가시광-근적외광(UV-vis-NIR) 파장 범위에서 LSPR을 제공하는 것으로 공지되어 있다. 그러므로, 표준 광학 기술을 사용하여 플라즈몬 감지 요소의 LSPR을 여기시키고 검출할 수 있다.
상기 주어진 플라즈몬 감지 요소의 형상 및/또는 치수를, 개시된 재료에 따라 변동시킴으로써 배터리 충전 감지기의 광학 특성이 변화될 수 있다. 그러므로, LSPR이 일어나는 특이적 광학 파장이 목적하는 파장 범위 내에 제공되도록 LSPR 상황을 조정할 수 있다.
분리 층은 금속 산화물, 금속 탄화물, 또는 금속 질화물; 반도체 산화물 또는 반도체 질화물 또는 반도체 탄화물; 절연체, 및 중합체를 포함하는 재료의 그룹 중에서 선택되는 재료를 포함할 수 있다. 플라즈몬 감지 요소를 보호할 수 있는 분리 층이 제공될 수 있으므로 이는 유리하다. 그러므로 배터리 충전 감지기의 다목적성이 증가된다.
배터리 충전 감지기는 복수의 플라즈몬 감지 요소를 추가로 포함할 수 있으며, 이는 충전 배터리 감지기의 신뢰성 및 정밀도를 증가시킬 수 있다. 배터리 내의 상이한 위치에 놓인 유사한 플라스몬 감지 요소로서 복수의 플라즈몬 감지 요소가 구현되어, 이들 상이한 위치에서의 충전 상태 및 온도에 대한 정보를 제공하고 이에 의해 배터리 충전 상태 또는 온도의 더 완전한 상황을 제공할 수 있다. 복수의 플라즈몬 감지 요소는 또한, 상이한 감지 특성을 가진 다수의 상이한 플라즈몬 감지 요소로서 구현될 수 있으며, 이는 더 상세한 정보 및 신호 교란을 제거하거나 보상하기 위한 개선된 기회에 대한 이점을 제공한다.
분리 층의 두께는 0.5 내지 150 nm의 범위일 수 있다. 분리 층 외부의 부피를 커버하기 위한 플라즈몬 감지 요소의 감지 공간을 가능하게 하면서 플라즈몬 감지 요소를 보호하는 분리 층이 이에 의해 제공되므로 이는 유리하다. 플라즈몬 감지 요소는 이에 의해 분리 층 외부의 위치에서 배터리의 충전 상태를 감지할 수 있다.
본 발명의 제2 태양에 따라, 배터리의 충전 상태를 결정하기 위한 시스템이 제공된다. 시스템은 상기 실시양태 중 어느 하나에 따른 배터리, 플라즈몬 감지 요소가 국소 표면 플라즈몬 공명 상황을 나타내도록 배터리 충전 감지기의 플라즈몬 감지 요소를 조광하기 위해 배열된 전자기 방사의 공급원; 및 플라즈몬 감지 요소의 국소 표면 플라즈몬 공명 상황과 관련된 전자기 방사를 검출하기 위해 배열된 검출기, 검출된 전자기 방사를 분석하여 배터리의 충전 상태를 결정하기 위해 배열된 처리 유닛을 포함한다.
이에 의해 배터리의 충전 상태를 결정하기 위한 시스템은 배터리의 충전 상태를 감지할 때 배터리 충전 감지기의 신뢰성 및 견고성을 이용할 수 있다. 플라즈몬 감지 요소의 국소 표면 플라즈몬 공명 상황과 관련된 전자기 방사를 검출함으로써 LSPR 및 LSPR에 대한 변화를 감시하기 위한 효율적인 시스템이 추가로 제공된다. 예를 들어 투과 및/또는 반사 측정과 같은 관용적인 광학 특성화 기술을 사용하여, 배터리 충전 감지기는 배터리의 충전 상태의 원격 실시간 감지를 추가로 제공할 수 있다.
본 발명의 제3 태양에 따라, 배터리의 충전 상태를 결정하기 위한 방법이 제공된다. 본 방법은 상기 실시양태 중 어느 하나에 따른 배터리를 제공하는 단계, 플라즈몬 감지 요소가 국소 표면 플라즈몬 공명 상황을 나타내도록 전자기 방사의 공급원에 의해 배터리 충전 감지기의 플라즈몬 감지 요소를 조광하는 단계, 검출기에 의해 플라즈몬 감지 요소의 국소 표면 플라즈몬 공명 상황과 관련된 전자기 방사를 검출하는 단계, 검출된 전자기 방사를 처리 단위로 분석하여 배터리의 충전 상태를 결정하는 단계를 포함한다.
일반적으로, 본 발명의 제2 및 제3 태양의 특징부는 본 발명의 제1 태양에 관련하여 상기 논의된 바와 유사한 이점을 제공한다.
본 발명의 추가의 특징부 및 이점은 첨부된 청구범위 및 하기 발명의 상세한 설명을 고찰할 때 자명해질 것이다. 당업자는 본 발명의 범위로부터 이탈하지 않으면서 본 발명의 상이한 특징부를 조합하여 하기에 기재된 것들 이외의 실시양태를 생성시킬 수 있다는 것을 인식할 것이다.
본 발명의 실시양태를 나타내는 첨부된 도면을 참조하여, 이제 본 발명의 이 태양 및 다른 태양을 더 상세하게 기재할 것이다. 도면이 본 발명을 특이적 실시양태로 제한하는 것으로 간주되어서는 안되며; 대신에 그들은 본 발명의 설명 및 이해를 위해 사용된다.
도 1은 본 발명의 일 실시양태에 따른 배터리의 개략적 상면도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시양태에 따른 배터리의 개략적 상면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시양태에 따른 배터리의 충전 상태를 결정하기 위한 시스템의 개략도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시양태에 따른 배터리의 충전 상태를 결정하기 위한 방법을 나타내는 개략적 흐름도이다
본 발명의 현재 바람직한 실시양태를 나타내는 첨부된 도면을 참조하여, 이제 본 발명을 이하 더 완전하게 기재할 것이다. 그러나 본 발명은 다수의 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 본 명세서에 기술된 실시양태로 제한되는 것으로 해석되어서는 안 되고, 오히려 이들 실시양태는 완전성 및 완성도를 위해 제공되며, 당업자에게 본 발명의 범위를 완전하게 전달한다.
본 발명의 기본 아이디어는 배터리의 충전 상태를 결정할 수 있도록 배터리 충전 감지기를 가진 배터리를 제공하는 것이다. 배터리 충전 감지기를 가진 배터리를 제공함으로써 배터리의 충전 상태를 결정하기 위한 신뢰할 수 있고 안정한 배열이 제공된다. 또한 배터리 충전 감지기는 소형이며 비용이 적게 들고 복잡도가 낮다.
그 다음에, 본 발명의 실시양태에 따른 배터리(100)가 도 1을 참조하여 기재될 것이다. 도 1은 배터리(100)의 상면도를 나타낸다. 배터리(100)는 전극 재료(102a 및 102b)를 가진 2개의 전극, 전해질 재료(104), 및 배터리 충전 감지기(106)를 포함한다. 배터리 충전 감지기(106)는 배터리(100) 내부에 감지 공간(110)을 가지며 전자기 방사로 조광하면 배터리(100)의 충전 상태에 의존하는 국소 표면 플라즈몬 공명 상황을 나타내는 플라즈몬 감지 요소(108)를 포함한다.
예를 들어, 배터리는 납(납 - 산) 배터리일 수 있다. 이러한 배터리의 경우, 그것이 덜 충전되거나 완전히 방전될 때, 전극 재료(102a 및 102b)는 배터리가 더 충전되거나 완전히 충전될 때보다 더 많은 부분의 황산납(PbSO4)을 포함한다. 이에 상응하여, 더 충전되거나 완전히 충전된 배터리의 경우, 덜 충전되거나 완전히 방전된 배터리의 경우보다 더 큰 정도로 애노드(anode) 전극 재료(102a)는 산화납( PbO2)을 포함하고 캐소드(cathode) 전극 재료(102b)는 납(Pb)을 포함한다.
덜 충전되거나 완전히 방전된 배터리의 경우에 전해질 재료(104)는 본질적으로 물로 변환되는 반면에, 더 충전되거나 완전히 충전된 배터리의 경우에 전해질 재료는 본질적으로 황산(H2SO4)으로 변한다. 전극 재료(102a 및 102b) 양자 모두 및 또한 전해질 재료(104)의 조성 및 그들 각각의 유전 상수가 배터리의 충전 상태에 의존하여 변화하므로, 본 발명은 플라즈몬 감지 요소를 이용하여 전극 및 전해질 재료를 조사함으로써 배터리의 충전 상태의 결정을 가능하게 한다.
상이한 재료는 배터리의 충전 상태에 대해 상보적일 수 있는 국소 정보를 지닐 수 있으므로, 전극 재료 및 전해질 재료를 조사하는 것이 유리하다는 것에 유의해야 한다.
본 발명은 상기 개시된 배터리 유형으로 제한되지 않으며, 배터리는 예를 들어 리튬 이온 배터리 또는 금속 수소화물 배터리일 수 있다. 리튬 이온 배터리의 경우, 전해질 재료의 수반되는 변화와 함께, 애노드 전극 재료 및 캐소드 전극 재료 내로/밖으로의 리튬 이온의 삽입 또는 회수에 의해 충전 및 방전이 표현된다.
상기 주어진 예에서, 플라즈몬 감지 요소는 금 원판이다. 원판은 5-500 nm 범위의 원판 직경을 가질 수 있다. 플라즈몬 감지 요소의 높이 또한 5-100 nm의 범위로 변동될 수 있다.
다른 실시양태에 따라 플라즈몬 감지 요소(108)는 상이한 형상 및 크기를 가질 수 있다.
또한, 치밀한 이산화규소(SiO2)로 제조된 분리 층(112)이 추가로 제공된다(도 1 참조). 상기 주어진 이들 재료는 전자기 스펙트럼의 가시광 또는 근가시광 영역 내에서 그들의 공명이 일어나도록 하는 LSPR 상황을 갖는 플라즈몬 감지 요소(108)를 포함하는 효율적인 배터리 충전 감지기(106)를 제공하기 위해 선택된다. 본 발명의 다른 실시양태를 하기에 예시할 것이다.
플라즈몬 감지 요소는 나노기술에서 다수의 상이한 확립된 방법에 의해 제작될 수 있다. 플라즈몬 감지 요소의 제작 방법의 예는 전자 빔 리소그래피, 스탬핑, 임프린팅, 콜로이드 리소그래피, 및 홀 마스크(hole mask) 리소그래피라고 불리는 특수한 버전이다. 방법의 선택은, 예를 들어 플라즈몬 감지 요소의 크기, 형상, 재료, 및 플라즈몬 감지 요소가 예를 들어 기판 상에 침착되는지 여부에 의존한다. 방법의 선택은 비용 측면에도 의존한다.
감지 공간(110)은 여기된 국소 표면 플라즈몬 공명(LSPR)으로부터의 전자기장의 공간적 연장에 의해 정의되는 부피임에 유의해야 한다. 감지 공간(110)과 관련된 전자기 방사가 배터리(100)의 충전 상태에 대한 정보를 제공한다는 것을 이해해야 한다. 이 전자기장의 공간적 연장은 플라즈몬 감지 요소(106)의 상세 사항인 플라즈몬 감지 요소를 둘러싼 재료의 특성 및 플라즈몬 감지 요소(106)의 기하형태에 관련된 입사 전자기장의 방향 양자 모두에 의존하므로, 감지 공간(110)의 부피는 이들 파라미터 모두에 의존한다. 이 때문에, 여기 LSPR에 관련된 전자기장은 플라즈몬 감지 요소(106)로부터 멀어지면서 점진적으로, 흔히 대략 기하급수적으로 하락하므로, 감지 공간은 전형적으로 10-100 nm의 길이 규모의 연장을 갖는다. 그러므로 플라즈몬 감지 요소(106)는 배터리(100) 내부에 국소 탐침 부피를 제공한다.
분리 층(112)은 감지 요소를 외부 화학물질 또는 재료로부터 분리함과 동시에 플라즈몬 감지 요소가 이러한 재료 및 기체와 반응하거나 이들에 의해 개질되는 것을 방지하는 층이다. 분리 층은 LSPR 여기로부터의 전자기장이 분리 층 외부로 연장되고 분리 층(112) 외부의 유전체 변화를 감지하기에 충분하게 얇다. 다시 말해서, 감지 공간(110)은 분리 층(112) 외부로 연장된다.
분리 층(112)은 상기 주어진 요건을 완수하는 임의의 유전체 재료, 예를 들어 금속 산화물, 질화물, 또는 탄화물, 또는 중합체, 또는 다른 재료일 수 있다. 분리 층(112)은 다양한 필름 침착 방법, 예를 들어 물리 증착(PVD) 방법, 화학 증착(CVD) 방법, 전기화학적 방법, 예를 들어 전기-침착 또는 애노드 산화 방법, 또는 스핀 코팅 방법에 의해 침착될 수 있다. 원자층 침착(ALD) 및 원자층 에피택시(ALE)와 같이, 또한 사용될 수 있는 필름 침착 또는 층 침착을 위한 다수의 다른 방법 또는 특수 방법이 존재한다.
다른 실시양태에 따라, 배터리의 충전 상태에 대한 상보적인 정보를 얻기 위하여, 전극 및 전해질에 대해 상이한 위치에 플라즈몬 감지 요소를 배열할 수 있다. 예를 들어, 플라즈몬 감지 요소를 전극 재료의 표면 상에 위치시키고 플라즈몬 감지 요소를 전극 재료로부터 분리하는 제1 분리 층을 제공할 수 있다. 또한 전극 재료의 표면에 대향하여 배열된 플라즈몬 감지 요소의 표면 상에 제1 분리 층보다 더 두꺼운 제2 분리층을 배열할 수 있다. 이 배열에 의해 플라즈몬 감지 요소의 감지 공간을, 그것이 전극 재료와 중첩되지만 전해질 재료와는 중첩되지 않도록 배열할 수 있다. 그 결과, 플라즈몬 감지 요소는 전극 재료의 재료 조성 또는 재료 조성의 변화, 예를 들어 유전 상수의 변화를 감지하고 검출할 수 있지만, 전해질 재료의 조성 또는 조성의 변화는 감지하고 검출할 수 없다.
다른 실시양태에 따라, 감지 요소와 전극 재료 사이에 더 두꺼운 제2 분리 층이 배열되고 플라즈몬 감지 요소와 전해질 재료 사이에 더 얇은 분리 층이 배열되도록 플라즈몬 감지 요소를 배열할 수 있다. 이 배열은 전해질 재료의 재료 조성 및/또는 재료 조성의 변화의 감지를 가능하게 한다.
또 다른 실시양태에 따라, 전해질 재료 및 전극 재료의 재료 조성 및/또는 재료 조성의 변화가 감지되도록 복수의 플라즈몬 감지 요소가 제공되고 배열된다. 그러므로 배터리 내의 상이한 위치에서 배터리의 충전 상태에 대한 정보가 제공될 수 있다.
다시 도 1을 참조하면, 배터리(100)는 차폐 층(116) 내부에 배열된 부가적인 플라즈몬 감지 요소(114)를 추가로 포함한다. 부가적인 플라즈몬 감지 요소(114)의 감지 공간(118)이 부가적인 플라즈몬 감지 요소(114)의 차폐 층(116) 내부에 있도록 차폐 층(116)이 배열된다.
차폐 층의 역할은 감지 공간을 차폐 층 내부의 부피 내에 있도록 격리하는 것이다. 그러므로 LSPR로부터의 전자기장이 차폐 층 외부에는 도달하지 않으므로 차폐 층 외부의 유전체 재료의 재료 조성, 또는 재료 조성의 변화는 감지되지 않는다. 이는 예를 들어, 플라즈몬 감지 요소의 LSPR 상황이 온도 변화에 의해 변화될 수 있으므로, 다른 변화로부터의 간섭 없이 온도 하나만을 측정하는 것을 가능하게 한다. 차폐 층은 주변 환경과 부가적인 플라즈몬 감지 요소 사이의 임의의 상호작용 또는 반응을 방지하지만, 부가적으로 차폐 층 외부의 변화는 감지되지 않기에 충분하게 두껍다는 점에서, 차폐 층은 분리 층과 동일한 작용을 완수하는 임의의 재료로 제조될 수 있다. 그러므로, 감지 층 그 자체의 온도 및 차폐 층의 온도에 관련된 변화가 LSPR 상황에 대한 온도의 영향을 통해 감지된다. 차폐 층의 유전 상수를, 그의 유전 상수가 온도에 고도로 의존적이도록 선택한다면 온도 감도를 증강시킬 수 있다
이에 의해 배터리 충전 감지기는, 전극 재료 변화를 통해, 및/또는 전해질 변화를 통해 배터리 충전 상태 변화를 감지할 때, 그리고 부가적으로 또한 배터리 온도를 감지할 때, 배터리 감지기의 신뢰성 및 견고성을 이용할 수 있다. 배터리 충전 감지기에 의해 산란되고/되거나 반사되고/되거나 이를 통해 투과되는 전자기 방사를 검출함으로써 LSPR 및 LSPR에 대한 변화를 감시하기 위한 효율적인 시스템이 추가로 제공된다. 배터리 충전 감지기는, 예를 들어 투과 및/또는 반사 측정과 같은 관용적인 광학 특성화 기술을 사용하는 원격 실시간 배터리 감지를 추가로 제공할 수 있다. 이에 의해 배터리 충전 감지기는, 전극 재료 변화를 통해, 및/또는 전해질 변화를 통해 배터리 충전 상태가 변화할 때, 그리고 배터리 온도의 감지에 부가하여, 플라즈몬 감지 요소(들)의 신뢰성 및 견고성을 이용할 수 있다.
다른 실시양태에 따라, 배터리 충전 감지기는 복수의 플라즈몬 감지 요소를 추가로 포함할 수 있으며, 이는 배터리 충전 감지기의 신뢰성 및 정밀도를 증가시킬 수 있다. 복수의 플라즈몬 감지 요소를 포함하는 배터리 충전 감지기는 다중화(multiplexing) 배터리 충전 감지기라고 지칭될 수 있다.
이 때문에, 여기에서 다중화는 플라즈몬 감지 요소의 다중성으로서 이해될 수 있으며, 여기에서 각각의 플라즈몬 감지 요소는 그것이 측정하고자 하는 충전 상태에 대한 그의 반응에 있어서 다소 상이할 수 있다. 다중화는, 예를 들어, 다수의 상이한 플라즈몬 감지 요소를 배터리 충전 감지기 내에 위치시킴으로써 구현될 수 있으며, 여기에서 각각의 플라즈몬 감지 요소는 예를 들어 전극 재료 및 전해질 재료와 같은 배터리 내부의 재료의 재료 조성의 변화를 통해 배터리의 충전 상태의 변화에 대해 상이한 반응을 나타낸다.
다른 실시양태에 따라, 배터리 충전 감지기는 전극 재료와 각각의 감지 요소 사이에 분리 층을 갖는 플라즈몬 감지 요소 및 차폐 층을 갖는 부가적인 감지 요소를 포함할 수 있다. 이러한 배열에서 플라즈몬 감지 요소는 온도 및 배터리 충전 상태의 조합된 효과를 측정할 수 있는 반면에 부가적인 플라즈몬 감지 요소는 온도만을 측정할 수 있다. 온도만을 측정하는 부가적인 감지 요소로부터의 정보를 사용함으로써, 배터리의 충전 상태를 더 양호한 정확도로 얻을 수 있도록 플라즈몬 감지 요소로부터의 신호를 온도 효과에 대해 보상하는 것이 가능할 수 있다. 이 원리를 추가로 연장하여 복수의 상이한 감지 요소를 포함할 수 있으며, 이들 각각은 하나 또는 몇몇 특성을 측정하고, 여기에서 복수의 감지기 요소의 적어도 일부로부터 조합된 정보를 사용하여 이 다중화 접근법에 의해 배터리의 충전 상태에 대한 특이적인 목적하는 정보를 얻을 수 있다.
다중화의 한가지 이유는 다수의 상이한 양을 측정하기 위한 것이며, 이들은 함께 배터리 충전 상태에 대한 더 정밀한 정보를 제공한다. 예를 들어, 배터리 충전 감지기가 다수의 상이한 플라즈몬 감지 요소를 가지며, 그의 감지 공간이 배터리의 상이한 부분으로 연장된다면, 예를 들어 하나의 플라즈몬 감지 요소는 전해질 재료만 감지하고, 하나는 전극 재료만 감지하며, 하나의 부가적인 플라즈몬 감지 요소는 이들 재료 중 어느 것도 감지하지 않지만 차폐 층을 사용함으로써 온도만 감지한다면, 이는 삼중화의 예이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시양태에 따른 배터리(200)를 예시한다. 배터리(200)는 2개의 전극 재료(102a 및 102b), 전해질 재료(104), 및 2개의 배터리 충전 감지기(206 및 306)를 포함한다. 배터리 충전 감지기(206)는 전극 재료(102a) 내부에 소정의 깊이로 배열된 플라즈몬 감지 요소(208)를 포함하며, 여기에서 플라즈몬 감지 요소(208)의 감지 공간(210)은 전극 재료(102a)의 일부를 커버한다. 배터리 충전 감지기(206)는 분리 층(112)을 추가로 포함한다.
당업자는 전극 재료(102a 및 102b)가 동일한 재료이거나 배터리의 유형에 따라 상이할 수 있음을 인식해야 한다.
배터리 전극은 배터리의 핵심적인 구성 요소이다. 배터리의 충전 상태가 변화함에 따라, 배터리 전극의 조성 및 유전 상수 또한 변화한다. 그러므로 배터리 전극의 변화를 전용으로 측정하는 LSPR 측정은 가치가 크며 다수의 상황에서 목적하는 충전 상태 정보를 얻기에 충분하다.
배터리가 완전히 충전되지 않고 완전히 방전되지 않을 때 배터리 전극은 그의 조성이 균질하지 않다. 그러므로 배터리 전극의 국소 조성을 다수의 상이한 위치, 예를 들어 배터리 전극 내로 상이한 소정의 깊이에서 측정한다면, 그것은 유리할 수 있고, 그것은 배터리 충전 상태에 대한 더 정밀한 정보를 제공한다. 이는 다수의 상이한 방식으로 구현될 수 있다. 한가지 방식은 플라즈몬 감지 요소를 몇몇 소정의 깊이에서 배터리 전극 내로 삽입하는 것이다. 다른 하나는 플라즈몬 감지 요소와 전해질 재료 사이에서 감지 요소의 각각의 위치가 상이한 전극 두께의 전극 재료를 갖도록, 플라즈몬 감지 요소를 전극 재료의 쐐기형 코팅으로 코팅하는 것이다. 이어서, 상이한 쐐기 두께에 대해 국소/공간적 정보가 얻어지도록 광학 조광 및 검출 시스템을 배열한다.
배터리(200)는 전해질 재료(104) 내부에 배열된 플라즈몬 감지 요소(308)를 추가로 포함하며, 여기에서 플라즈몬 감지 요소(308)의 감지 공간(310)은 전해질 재료(104)의 일부를 커버한다. 배터리의 충전 상태가 전해질 조성에 의존하므로 이는 유리하다. 예를 들어, 납산 배터리에서 배터리가 완전 충전으로부터 완전 방전으로 이행함에 따라 조성은 본질적으로 황산으로부터 본질적으로 물로 변화한다. 이 전해질의 조성 변화는 유전체 변화를 수반하며, 플라즈몬 감지 요소가 그의 감지 공간이 전해질과 중첩되도록 위치된다면 이는 LSPR에 의해 측정될 수 있다. 그러므로 전해질 하나만의 측정으로 배터리의 충전 상태에 대한 충분한 정보를 제공할 수 있다.
배터리 충전 감지기가 다른 실시양태에 따라 분리 층을 포함하지 않을 수 있음에 유의해야 한다. 이는 배터리 충전 감지기의 제작을 단순화한다.
다른 실시양태에 따라, 배터리 충전 감지기는 플라즈몬 감지 요소가 하나 또는 몇몇 전극 상의 다수의 상이한 위치에서 충전 상태를 측정하도록 플라즈몬 감지 요소의 배열을 포함한다. 배터리 전극 상의 상이한 위치에서, 그리고 상이한 전극 사이에서 충전 상태가 변동될 수 있으므로, 이는 이점을 나타낸다.
플라즈몬 감지 요소는 다른 실시양태에 따라 막대, 와이어, 타원, 다각형, 삼각형, 구형, 정육면체, 별, 금속 박막 내의 구멍, 나노쉘, 코어-쉘 입자, 나노라이스, 또는 나노링으로서 형상화될 수 있다.
부가적인 플라즈몬 감지 요소는 플라즈몬 감지 요소에 관련하여 상기 개시된 바와 동일한 재료를 포함하고 동일한 형상을 가질 수 있음에 유의해야 한다.
플라즈몬 감지 요소는 반도체 및/또는 금속을 포함할 수 있다. 반도체 기반의 플라즈몬 감지 요소가 LSPR 상황을 제공할 수 있도록 반도체는 복수의 자유 전하 운반체, 즉, 전자 및/또는 정공을 포함한다는 것이 이해된다. 이는, 예를 들어반도체의 도핑에 의해 달성될 수 있다. 반도체 재료는, 예를 들어 규소, 탄소, 및/또는 III-V 반도체 재료를 포함할 수 있다. 이들은 모두 재료 과학 및 반도체 기술에서 공지된 재료이며, 예를 들어 표준 에피택셜 성장 및 가공 기술을 사용할 수 있으므로 이는 배터리 충전 감지기의 제작을 용이하게 한다.
금속은 Ag, Cu, Al, Mg, Ni, Pd, 및 Pt로 구성된 그룹, 또는 이 그룹 중에서 선택되는 적어도 하나의 금속을 포함하는 합금 중에서 추가로 선택될 수 있다. 이들 재료는 전자기 스펙트럼의 자외광-가시광-근적외광(UV-vis-NIR) 파장 범위에서 LSPR을 제공하는 것으로 공지되어 있다. 그러므로 표준 광학 기술을 사용하여 플라즈몬 감지 요소의 LSPR을 여기시키고 검출할 수 있으며, 이는 LSPR 상황의 변화의 검출을 단순화한다.
LSPR을 제공하는 다른 금속 또한 사용할 수 있다는 것을 당업자는 이해해야 한다.
상기 주어진 플라즈몬 감지 요소의 형상 및/또는 치수를, 개시된 재료에 따라 변동시킴으로써 배터리 충전 감지기의 전자기적 특성이 변화될 수 있다는 것을 당업자는 추가로 인식한다. 그러므로, LSPR이 일어나는 특이적 광학 파장이 적합한 파장 범위에서 제공되도록 LSPR 상황을 조정할 수 있다.
이 때문에 배터리 충전 감지기는 상이한 형상 및/또는 치수를 갖는 상이한 재료의 복수의 플라즈몬 감지 요소를 포함할 수 있다. 따라서, 상이한 플라즈몬 감지 요소의 LSPR은 상이할 수 있으며, 이는 상이한 플라즈몬 감지 요소의 동정 및 분석을 단순화한다.
도 3은 본 발명의 일 실시양태에 따라 배터리(100)의 충전 상태를 결정하기 위한 시스템(400)을 예시한다. 시스템은 배터리(100), 플라즈몬 감지 요소(108)가 국소 표면 플라즈몬 공명 상황을 나타내도록 배터리 충전 감지기(106)의 플라즈몬 감지 요소(108)를 조광하기 위해 배열된 전자기 방사의 공급원(402)을 포함한다. 시스템(400)은 플라즈몬 감지 요소(108)의 국소 표면 플라즈몬 공명 상황과 관련된 전자기 방사를 검출하기 위해 배열된 검출기(404) 및 검출된 전자기 방사를 분석하여 배터리(100)의 충전 상태를 결정하기 위해 배열된 처리 유닛(406)을 추가로 포함한다.
따라서 처리 유닛(406)을 사용하여 플라즈몬 감지 요소의 LSPR 상황과 관련된 산란광 및/또는 반사광 및/또는 투과광을 결정할 수 있다. 배터리의 충전 상태를 결정하기 위한 시스템(400)은 이에 의해, 배터리(100)의 충전 상태를 결정할 때, 배터리 충전 감지기의 신뢰성 및 견고성을 이용할 수 있다. 배터리 충전 감지기에 의해 산란되고/되거나 반사되고/되거나 이를 통해 투과되는 전자기 방사를 검출함으로써 LSPR 및/또는 LSPR에 대한 변화를 감시하기 위한 효율적인 시스템이 추가로 제공된다.
배터리의 충전 상태를 결정하기 위한 시스템은, 공간적으로 및/또는 스펙트럼적으로 해상되는 분광학적 기술 및/또는 영상화 기술을 사용함으로써 플라즈몬 감지 요소 및/또는 복수의 플라즈몬 감지 요소의 적어도 하나의 LSPR을 감시하도록 배열될 수 있음에 유의해야 한다.
배터리 충전 감지기(106)를 조광하기 위한 전자기 방사의 공급원(402)은 자외광 내지 적외광 파장 범위의 전자기 방사를 포함하는 백색광과 같은 광대역 조광 공급원일 수 있다. 이러한 조광 공급원은 배터리 충전 감지기(106)의 플라즈몬 감지 요소의 LSPR의 효율적인 여기 및 분광학적 분석을 제공한다. 전자기 방사의 공급원(402)은 렌즈 및 거울과 같은 관용적인 광학 구성요소를 사용하는 것을 추가로 가능하게 만들며, 단순하고 비용이 덜 드는 기기 장치를 가능하게 한다. 예를 들어, 표준 규소 검출기를 사용하여 LSPR 및 LSPR에 대한 변화를 검출할 수 있다.
배터리(100)의 충전 상태를 결정하기 위한 시스템(400)을 사용하여, 배터리 충전 감지기(106)에 의해 반사되고/되거나 이를 통해 투과되는 광을 검출기(404)에 의해 획득한다. 예를 들어, 전자기 방사의 공급원(402)으로부터의 광을 정규화하는 관용적인 방법 및 처리 유닛(406)의 사용에 의해 플라즈몬 감지 요소(108)의 LSPR의 여기에 관련된 소광 스펙트럼(나타내지 않음)을 얻는다.
소광 스펙트럼은 플라즈몬 감지 요소(108), 배터리(401)에 사용되는 재료, 및 배터리(401)의 충전 상태의 선택으로부터 생성되는 특색을 나타낸다. 소광 스펙트럼은 중심 파장 및 피크 강도, 및 스펙트럼의 절반 최대에서의 전체 너비와 같은 파라미터에 의해 기재될 수 있다. 절반 최대에서의 전체 너비는, 예를 들어 플라즈몬 감지 요소(108)의 LSPR의 감쇠에 관련된다. 소광 스펙트럼을 분석함으로써 처리 유닛(406)으로 파라미터를 결정할 수 있으며 이들로부터 배터리의 충전 상태를 결정할 수 있다. 일 실시양태에 따라 적어도 하나의 공지된 배터리의 충전 상태를 사용하여 시스템을 보정할 수 있다.
배터리의 충전 상태를 결정할 수 있도록 LSPR 상황을 검출하기 위하여 산란 및 흡수와 같은 다른 유형의 광학 과정을 대신 감시할 수 있다는 것을 당업자는 인식한다.
다른 실시양태에서는 공명 주파수의 스펙트럼 위치, 광학 단면의 진폭, 및 LSPR 상황의 감쇠 또는 이들 중 어느 하나에 대한 변화 중 적어도 하나로부터 충전 상태를 결정할 수 있음에 유의해야 한다. 전자기 방사의 공급원(402)은 단색광 또한 제공할 수 있으며, 이는 광대역 공급원 및 광학 필터 또는 단색광기, 또는 협대역 발광 다이오드 또는 레이저를 사용함으로써 얻을 수 있다.
전자기 방사의 공급원(402)은 부가적인 플라즈몬 감지 요소가 국소 표면 플라즈몬 공명 상황을 나타내도록 배터리 충전 감지기의 부가적인 플라즈몬 감지 요소를 조광하기 위해 추가로 배열될 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시양태에 따른 배터리의 충전 상태를 결정하기 위한 방법(500)을 나타내는 개략적 흐름도이다. 본 방법은 상기 실시양태 중 어느 하나에 따른 배터리를 제공하는 단계(502), 플라즈몬 감지 요소가 국소 표면 플라즈몬 공명 상황을 나타내도록 전자기 방사의 공급원에 의해 배터리 충전 감지기의 플라즈몬 감지 요소를 조광하는 단계(504), 검출기에 의해 플라즈몬 감지 요소의 국소 표면 플라즈몬 공명 상황과 관련된 전자기 방사를 검출하는 단계(506), 검출된 전자기 방사를 처리 단위로 분석하여 배터리의 충전 상태를 결정하는 단계(508)를 포함한다.
본 방법은 부가적인 플라즈몬 감지 요소가 국소 표면 플라즈몬 공명 상황을 나타내도록 배터리 충전 감지기의 부가적인 플라즈몬 감지 요소를 전자기 방사의 공급원에 의해 조광하는 단계, 및 부가적인 플라즈몬 감지 요소의 국소 표면 플라즈몬 공명 상황과 관련된 전자기 방사를 검출기에 의해 검출하는 단계를 추가로 포함할 수 있다.
일반적으로 본 발명에 따른 방법의 특징부는 배터리 충전 감지기를 포함하는 배터리 및 상기 기재된 배터리의 충전 상태를 결정하기 위한 시스템에 관련하여 상기 논의된 바와 유사한 이점을 제공한다.
본 발명은 상기 기재된 바람직한 실시양태로 절대 제한되지 않음을 당업자는 인식한다. 반대로, 출원된 청구범위의 범위 내에서 다수의 개질 및 변형이 가능하다.
부가적으로, 도면, 개시, 및 첨부된 청구범위의 고찰로부터, 개시된 실시양태에 대한 변형이, 청구된 발명을 실시하는 당업자에 의해 이해되고 이루어질 수 있다. 또한 도면 및 명세서에는 본 발명의 바람직한 실시양태 및 실시예가 개시되어 있으며, 특이적 용어가 채택되지만, 그들은 포괄적이고 기술적인 의미로만 사용되고 제한의 목적을 위한 것이 아니며, 본 발명의 범위는 하기의 청구범위에 기술된다. 청구범위에서, 용어 "포함하는"은 다른 요소 또는 단계를 배제하지 않으며, 부정관사("a" 또는 "an")는 복수를 배제하지 않는다.

Claims (13)

  1. 전극 재료(102a),
    전해질 재료(104), 및
    배터리(100, 200, 401) 내부에 감지 공간(sensing volume)(110, 210, 310)을 가지며 전자기 방사로 조광하면 배터리(100, 200, 401)의 충전 상태에 의존하는 국소 표면 플라즈몬 공명(localized surface plasmon resonance) 상황을 나타내는 플라즈몬 감지 요소(plasmonic sensing element)(108, 208, 308)를 포함하는 배터리 충전 감지기(106, 206, 306)
    를 포함하는 배터리(100, 200, 401).
  2. 제1항에 있어서,
    플라즈몬 감지 요소(208)가 전극 재료(102a) 내부에 소정의 깊이로 배열되고, 플라즈몬 감지 요소(208)의 감지 공간(210)이 전극 재료(102a)의 일부를 커버하는 배터리.
  3. 제1항에 있어서,
    플라즈몬 감지 요소(308)가 전해질 재료(104) 내부에 배열되고 플라즈몬 감지 요소(308)의 감지 공간(310)이 전해질 재료(104)의 일부를 커버하는 배터리.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    배터리 충전 감지기(106, 206, 306)가 플라즈몬 감지 요소(108, 208, 308)의 외측 표면에 배열된 분리 층(112)을 추가로 포함하는 배터리.
  5. 제4항에 있어서,
    플라즈몬 감지 요소(108, 208, 308)의 감지 공간(110, 210, 310)이 전극 재료(102a) 및/또는 전해질 재료(104)의 일부를 커버하도록, 배터리 충전 감지기(106, 206, 306)의 분리 층(112)이 배열되는 배터리.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    차폐 층(116) 내부에 배열된 부가적인 플라즈몬 감지 요소(114)를 추가로 포함하며, 여기에서 부가적인 플라즈몬 감지 요소(114)의 감지 공간(118)이 부가적인 플라즈몬 감지 요소(114)의 차폐 층(116) 내부에 있는 배터리.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    플라즈몬 감지 요소(108, 208, 308)가 원판, 막대, 와이어, 타원, 다각형, 삼각형, 구형, 정육면체, 별, 금속 박막 내의 구멍, 나노쉘, 코어-쉘(core-shell) 입자, 나노라이스(nanorice), 또는 나노링(nanoring)인 배터리.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    플라즈몬 감지 요소(108, 208, 308)가 반도체 및/또는 금속을 포함하는 배터리.
  9. 제8항에 있어서,
    금속이 Ag, Au, Cu, Al, Mg, Ni, Pd, 및 Pt로 구성된 그룹, 또는 이 그룹 중에서 선택되는 적어도 하나의 금속을 포함하는 합금 중에서 선택되는 배터리.
  10. 제4항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    분리 층(112)이 금속 산화물, 금속 탄화물, 또는 금속 질화물; 반도체 산화물 또는 반도체 질화물 또는 반도체 탄화물; 절연체, 및 중합체를 포함하는 재료의 그룹 중에서 선택되는 재료를 포함하는 배터리.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    분리 층(112)의 두께가 0.5 내지 150 nm의 범위인 배터리.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 따른 배터리(100);
    플라즈몬 감지 요소(108)가 국소 표면 플라즈몬 공명 상황을 나타내도록 배터리 충전 감지기(106)의 플라즈몬 감지 요소(108)를 조광하기 위해 배열된 전자기 방사의 공급원(402);
    플라즈몬 감지 요소(108)의 국소 표면 플라즈몬 공명 상황과 관련된 전자기 방사를 검출하기 위해 배열된 검출기(404), 및
    상기 검출된 전자기 방사를 분석하여 배터리(401)의 충전 상태를 결정하기 위해 배열된 처리 유닛(406)
    을 포함하는, 배터리의 충전 상태를 결정하기 위한 시스템(401).
  13. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 청구된 배터리를 제공하는 단계(502),
    플라즈몬 감지 요소가 국소 표면 플라즈몬 공명 상황을 나타내도록 전자기 방사의 공급원에 의해 배터리 충전 감지기의 플라즈몬 감지 요소를 조광하는 단계(504);
    검출기에 의해 플라즈몬 감지 요소의 국소 표면 플라즈몬 공명 상황과 관련된 전자기 방사를 검출하는 단계(506), 및
    검출된 전자기 방사를 처리 단위로 분석하여 배터리의 충전 상태를 결정하는 단계(508)
    를 포함하는, 배터리의 충전 상태를 결정하기 위한 방법(500).
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102204432B1 (ko) 2020-08-20 2021-01-18 주식회사 엠디엠 배터리 감지기 및 이를 활용한 배터리 감지 시스템

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108593735B (zh) * 2018-04-12 2019-12-24 暨南大学 储能设备充电状态光纤在线监测系统及方法

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002350314A (ja) * 2001-05-29 2002-12-04 Suzuki Motor Corp バッテリモニタ
US20050117158A1 (en) * 2003-11-27 2005-06-02 Aisin Seiki Kabushiki Kaisha Surface plasmon resonance sensor
JP2007071615A (ja) * 2005-09-06 2007-03-22 Tohoku Univ 表面プラズモン共鳴角スペクトル測定装置
JP2012132875A (ja) * 2010-12-24 2012-07-12 Seiko Epson Corp センサーチップ、センサーチップの製造方法、検出装置
CN102608041A (zh) * 2012-04-05 2012-07-25 清华大学深圳研究生院 一种钒电池充电状态的检测方法及其装置

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7271883B2 (en) 2004-07-13 2007-09-18 Newell Benjamin E Refractive index sensor using internally reflective light beams
CN101794990B (zh) * 2009-02-03 2013-02-06 北京北方微电子基地设备工艺研究中心有限责任公司 一种补偿直流自偏压的系统和方法
CN102621078B (zh) * 2012-04-05 2014-03-05 清华大学深圳研究生院 一种钒电池充电状态的检测方法及其装置
JP2013221883A (ja) * 2012-04-18 2013-10-28 Seiko Epson Corp 試料分析素子および検出装置
JP2013234941A (ja) * 2012-05-10 2013-11-21 Seiko Epson Corp センサーチップ並びにセンサーカートリッジおよび検出装置
US9209494B2 (en) 2012-09-28 2015-12-08 Palo Alto Research Center Incorporated Monitoring/managing electrochemical energy device using detected intercalation stage changes
US9203122B2 (en) 2012-09-28 2015-12-01 Palo Alto Research Center Incorporated Monitoring and management for energy storage devices

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002350314A (ja) * 2001-05-29 2002-12-04 Suzuki Motor Corp バッテリモニタ
US20050117158A1 (en) * 2003-11-27 2005-06-02 Aisin Seiki Kabushiki Kaisha Surface plasmon resonance sensor
JP2007071615A (ja) * 2005-09-06 2007-03-22 Tohoku Univ 表面プラズモン共鳴角スペクトル測定装置
JP2012132875A (ja) * 2010-12-24 2012-07-12 Seiko Epson Corp センサーチップ、センサーチップの製造方法、検出装置
CN102608041A (zh) * 2012-04-05 2012-07-25 清华大学深圳研究生院 一种钒电池充电状态的检测方法及其装置

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102204432B1 (ko) 2020-08-20 2021-01-18 주식회사 엠디엠 배터리 감지기 및 이를 활용한 배터리 감지 시스템

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