KR20180044374A - 배터리 센서 - Google Patents

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KR20180044374A
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루카스 카바치크
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옥시스 에너지 리미티드
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Abstract

적어도 하나의 전기화학 셀을 포함하는 전기화학 유닛을 포함하는 배터리가 제공된다. 상기 적어도 하나의 전기화학 셀은 셀 애노드, 셀 캐소드 및 상기 셀 애노드 및 상기 셀 캐소드와 접촉해 있는 전해질을 포함한다. 상기 전기화학 유닛은 상기 전기화학 유닛의 한 표면상에 장착된 제1 접촉 전극을 더 포함한다. 상기 배터리는 상기 전기화학 유닛에 인접하게 배치된 제2 접촉 전극을 더 포함하고, 그럼으로써 상기 제1 접촉 전극 및 상기 제2 접촉 전극이 서로 마주하게 위치되어 상기 제1 접촉 전극 및 상기 제2 접촉 전극 간의 접촉 저항이 측정되는 것을 허용한다.

Description

배터리 센서
본 발명은 배터리, 특히 리튬-황(lithium-sulphur; Li-S) 배터리의 충전 상태(State of Charge; SOC) 및/또는 건강 상태(State of Health; SOH)를 결정하는 방법 및 장치에 관한 것이다.
SOC(State Of Charge)/SOH(State of Health) 추정은 정확한 배터리 사용을 위한 그리고 배터리 수명 동안 배터리의 안전한 사용을 보장하기 위한 기본 매개변수이다. 배터리 전압 측정 및 임피던스 분광법, 쿨롱 카운팅(Coulomb counting) 방법, 그러한 방법들의 다양한 적응 시스템 도입 또는 조합을 포함하여 이러한 매개 변수를 모니터링하는 수법이 다수 존재한다.
US5567541A는 배터리 구성요소의 체적에 기초하여 배터리의 충전 상태를 측정하는 방법 및 장치와 관련이 있는 것이다. 특히, US5567541A에는 배터리의 외주(outside circumference)의 길이의 변화를 결정하기 위해 스트레인 게이지(strain-gauges)를 사용하는 것이 개시되어 있다.
본 발명의 일 실시 예의 실시형태에 의하면, 적어도 하나의 전기화학 셀을 포함하는 전기화학 유닛을 포함하는 배터리가 제공된다. 상기 적어도 하나의 전기화학 셀은 셀 애노드, 셀 캐소드, 및 상기 셀 애노드 및 상기 셀 캐소드와의 접촉을 이루게 하는 전해질을 포함한다. 상기 전기화학 유닛은 상기 전기화학 유닛의 한 표면상에 장착된 제1 접촉 전극을 더 포함한다. 상기 배터리는 상기 전기화학 유닛에 인접하게 배치된 제2 접촉 전극을 더 포함하고, 그럼으로써 상기 제1 접촉 전극 및 상기 제2 접촉 전극이 서로 마주하게 위치되어 상기 제1 접촉 전극 및 상기 제2 접촉 전극 간의 접촉 저항이 측정되는 것이 허용된다.
따라서, 제1 접촉 전극 및 제2 접촉 전극 간에, 상기 배터리의 충전 또는 방전 중에 상기 전기화학 셀의 수축 또는 팽창을 나타내는 접촉 저항이 측정될 수 있다. 이러한 방식으로, 상기 배터리의 충전 상태 및/또는 건강 상태가 결정될 수 있다.
상기 제1 및 접촉 전극 및 상기 제2 접촉 전극은 상기 전해질로부터 전기적으로 절연되어 있을 수 있다. 상기 제2 접촉 전극은 상기 제1 접촉 전극에 인접하게 배치될 수 있다. 상기 제2 접촉 전극은 상기 제1 접촉 전극과 접촉해 있을 수 있다.
상기 제1 접촉 전극은 상기 전기화학 유닛의 외부 표면상에 제공될 수 있다. 제1 접촉 전극 및 상기 제2 접촉 전극은 상기 전해질과 접촉해 있지 않을 수 있다.
통상의 기술자라면 이해하겠지만, "접촉 저항(contact resistance)"이란 용어는 2개의 전극의 물리적 접촉에 의한 2개의 전극 간의 저항을 의미한다. 상기 접촉 저항은 제1 접촉 전극 및 제2 접촉 전극이 접촉해 있을 때 제1 접촉 전극 및 제2 접촉 전극 간의 저항이다.
일 예에서, 상기 제1 접촉 전극 및 상기 제2 접촉 전극은 표면 거칠기(surface roughness)를 가질 수 있다. 상기 제1 접촉 전극 및 상기 제2 접촉 전극 간의 접촉 압력이 증가함에 따라, 상기 제1 접촉 전극 및 상기 제2 접촉 전극은 서로 더 견고하게 가압되고, 이로 인해 접촉 면의 표면적이 증가하게 된다. 접촉 면의 표면적이 증가함에 따라, 결합된 전기 구성요소로서의 상기 제1 접촉 전극 및 상기 제2 접촉 전극의 저항은 가해진 압력에 비례하여 감소하게 된다. 이는 상기 제1 접촉 전극 및 제2 접촉 전극의 도전 부분 간의 거리가 감소하기 때문이다. 또한, 상기 전극들 간의 전기적 표면적은 다수의 도전 입자가 서로 간에 패킹(packing)되어(또는 접촉해) 있기 때문에 더 커진다. 이는 상기 접촉 전극들 간의 더 나은 전기적 경로에 기여해서 센서 저항을 낮춘다.
전기화학 유닛은 파우치(pouch) 내에 제공될 수 있다. 상기 파우치는 적어도 하나의 전기화학 셀을 포함할 수 있다. 따라서, 상기 셀 애노드, 상기 셀 캐소드 및 상기 전해질은 상기 파우치 내에 있다. 상기 제1 접촉 전극은 상기 파우치의 한 표면상에 제공될 수 있다. 상기 제1 접촉 전극은 상기 파우치의 외부 표면상에 제공될 수 있다. 일 실시 예에서, 상기 제2 접촉 전극은 하나 이상의 전기화학 유닛을 격납(housing)하도록 구성된 배터리 케이스의 한 표면상에 장착될 수 있다.
선택적으로 또는 추가로, 상기 배터리는 셀 애노드, 셀 캐소드 및 상기 셀 애노드 및 상기 셀 캐소드와의 접촉을 이루게 하는 전해질을 포함하는 적어도 하나의 전기화학 셀을 포함하는 제2 전기화학 유닛을 더 포함할 수 있다. 상기 제2 접촉 전극은 상기 제2 전기화학 유닛의 한 표면상에 장착될 수 있다. 상기 제1 전기화학 유닛 및 상기 제2 전기화학 유닛은 서로 인접하게 배치될 수 있다.
상기 제2 전기화학 유닛은 제2 파우치 내에 제공될 수 있다. 따라서, 상기 셀 애노드, 상기 셀 캐소드 및 상기 전해질은 상기 제2 파우치 내에 있다. 상기 제2 접촉 전극은 상기 제2 파우치의 한 표면상에 제공될 수 있다. 상기 제2 접촉 전극은 제2 파우치의 외부 표면상에 제공될 수 있다. 상기 제1 파우치 및 상기 제2 파우치는 서로 인접하게 배치되고, 그럼으로써 상기 제1 접촉 전극 및 상기 제2 접촉 전극이 서로 마주하게 위치되어 상기 제1 접촉 전극 및 상기 제2 접촉 전극 간의 접촉 저항이 측정되는 것이 허용된다.
상기 배터리는 리튬-황 배터리일 수 있으며, 리튬-황 배터리에서 상기 셀 애노드는 리튬 애노드를 포함하고, 상기 셀 캐소드는 전기활성 황 재료 및 도전성 재료의 혼합물을 포함한다. 리튬-황 배터리의 예들은 예를 들어 WO 2014/155070 및 WO 2015/092384에 기재되어 있다.
리튬-황 셀은 예를 들면 리튬 금속 또는 리튬 금속 합금으로 형성된 리튬 애노드, 및 원소 황 또는 다른 도전성 황 재료로 형성된 캐소드를 포함한다. 이러한 황 또는 다른 전기활성 황 재료는 상기 황 또는 다른 전기활성 황 재료의 도전성을 향상시키기 위해 탄소와 같은 도전성 재료와 혼합된다. 상기 전기활성 황 재료 및 도전성 재료는 분쇄된 다음에 용매 및 결합제와 혼합되어 슬러리를 형성하게 될 수 있다. 상기 슬러리는 전류 컬렉터(current collector), 예를 들면 금속 포일 시트(예컨대, 구리 또는 알루미늄)에 도포된 후에 건조되어 용매를 제거하게 될 수 있다. 결과적인 구조는 캐소드를 형성하도록 원하는 형상으로 절단된 복합 구조를 형성하기 위해 캘린더 처리(calendaring)될 수 있다. 세퍼레이터(separator)는 상기 캐소드 상에 배치될 수 있고 상기 리튬 애노드는 상기 세퍼레이터 상에 배치될 수 있다. 상기 캐소드 및 상기 세퍼레이터를 습윤(濕潤)시키기 위해 전해질이 상기 셀에 도입된다.
상기 전기활성 황 재료는 원소 황, 황 계열의 유기 화합물, 황 계열의 무기 화합물 및 황 함유 중합체를 포함할 수 있다. 바람직하게는, 원소 황이 사용된다.
고체 도전성 재료는 임의의 적합한 도전성 재료일 수 있다. 바람직하게는, 이러한 고체 도전성 재료는 탄소로 형성될 수 있다. 예로는 카본 블랙, 탄소 섬유, 그래핀 및 탄소 나노튜브가 있다. 다른 적절한 재료는 금속(예컨대, 플레이크(flake), 파일링(filing) 및 분말) 및 도전성 중합체를 포함한다. 바람직하게는, 카본 블랙이 채용된다.
상기 리튬-황 셀은 리튬 염 및 유기 용매를 포함하는 전해질을 포함할 수 있다. 상기 전해질은 상기 전극들 간에 존재하거나 배치되어, 상기 애노드 및 상기 캐소드 간에 전하가 전달되는 것이 허용된다. 상기 전해질에 사용하기 위한 적합한 유기 용매에는 테트라히드로푸란, 2-메틸테트라히드로푸란, 디메틸카보네이트, 디에틸카보네이트, 에틸메틸카보네이트, 메틸프로필카보네이트, 메틸프로필프로피오네이트, 에틸프로필프로피오네이트, 메틸 아세테이트, 디메톡시에탄, 1,3-디옥솔란, 디글림 (2-메톡시에틸 에테르), 테트라글림, 에틸렌 카보네이트, 프로필렌 카보네이트, 부티로 락톤, 디옥솔란, 헥사메틸포스포아미드, 피리딘, 디메틸 설폭시드, 트리부틸 포스페이트, 트리메틸 포스페이트, N, N, N, N-테트라에틸 설파미드, 및 설폰 및 이들의 혼합물이 있다. 설폰, 예를 들면 설포란이 선호된다. 적합한 리튬 염으로는 리튬 헥사플루오로포스페이트(LiPF6), 리튬 헥사플루오로아세네이트(LiAsF6), 과염소산 리튬(LiClO4), 리튬 트리플루오로메탄설폰이미드(LiN(CF3SO2) 2) 및 리튬 트리플루오로메탄설포네이트(CF3SO3Li)가 있다. 이러한 리튬 염은 전하 운반 종을 상기 전해질에 제공하여 상기 전극에서의 산화 환원 반응이 이루어지는 것을 허용한다.
리튬-황 셀이 방전될 때, 황 또는 다른 전기활성 황 재료는 환원되어 상기 전해질에 용해되는 폴리설파이드 종을 형성하게 된다. 상기 폴리설파이드 종은 더 환원되어 불용성 황화 리튬을 형성하게 될 수 있다. 따라서, 방전시, 상기 캐소드의 조성이 변화되고, 그럼으로써 상기 셀이 방전될 때 상기 캐소드의 적어도 일부가 상기 전해질로 용해된다. 이는 전형적으로 전체 셀의 충전 상태 및/또는 건강 상태에 대한 표시를 제공하기 위해 본원 명세서에 기재되어 있는 실시 예들에 따라 측정될 수 있는 전체 셀의 체적이 변화되는 결과를 초래한다. 충전될 때, 상기 반응은 황화 리튬이 재-산화되어 황을 형성하게 되면서 역으로 이루어진다.
각각의 전기화학 유닛은 상기 접촉 전극이 장착된 분리 부재에 의해 인접 유닛으로부터 분리될 수 있다. 상기 분리 부재는 상기 파우치의 벽에 의해 제공될 수 있다. 상기 파우치는 밀봉된 케이스일 수 있다. 상기 분리 부재는 가요성 재료, 예를 들면 가요성 중합체 재료일 수 있다. 일부 실시 예들에서, 상기 분리 부재는 중합체 코팅된 알루미늄 포일일 수 있다.
상기 분리 부재는 금속 포일 시트를 포함할 수 있다. 상기 분리 부재는 상기 분리 부재의 일 측을 타 측으로부터 절연시키는 절연 층을 더 포함할 수 있다.
상기 분리 부재는 절연 재료 시트를 포함할 수 있다.
각각의 접촉 전극은 상기 분리 부재의 한 표면상에 데포지트된 도전체(electrical conductor)로 형성될 수 있다.
상기 도전체는 도전성 재료를 포함할 수 있다. 상기 도전성 재료는 0.5kOhm보다 큰 저항값을 가질 수 있다. 일부 실시 예들에서, 상기 도전성 재료는 도전성 패턴일 수 있다. 도전성 패턴이 채용되는 경우, 2개의 접촉하는 도전성 패턴 간의 접촉 저항이 측정되며 각각의 패턴의 평면을 가로지르거나 각각의 패턴의 평면에 있는 저항이 아니다. 상기 도전성 패턴은 금속을 포함할 수 있다. 하나의 특정 실시 예에서, 상기 도전성 패턴은 금속 플레이크 및 중합체를 포함할 수 있다. 다른 하나의 실시 예에서, 상기 도전성 패턴은 탄소 또는 탄소 함유 재료로 형성될 수 있다.
상기 도전체에는 탄소가 포함될 수 있다. 적합한 예로는 카본 블랙, 탄소 섬유, 그래핀 및/또는 탄소 나노튜브가 있다. 바람직하게는, 카본 블랙이 채용된다.
상기 접촉 전극은 도전체, 결합제및 용매를 포함하는 페이스트 또는 슬러리, 및 옵션으로 저항 재료(예컨대, 플라스틱 재료, 세라믹/금속 혼합물)로 도포될 수 있다. 상기 저항 재료에서 금속에 세라믹을 첨가함으로써, 상기 저항 재료의 저항이 증가될 수 있다. 적합한 결합제로는 PEO, PVDF, 도전성 중합체가 있다. 적합한 용매로는 극성 또는 비극성 용매(예를 들면, 물)가 있다.
일 실시 예에서, 상기 접촉 전극은 탄소를 포함하는 페이스트 또는 슬러리로 도포된다. 이러한 탄소 계열, 페이스트 또는 슬러리 코팅에는 1 내지 70 중량%의 탄소가 포함될 수 있다. 일 예에서, 상기 페이스트 또는 슬러리 코팅에는 5 내지 50 중량%의 탄소, 바람직하게는 10 내지 40 중량%의 탄소가 포함된다. 일단 도포되면, 상기 용매는 실질적으로 증발되어 최대 100 중량%의 탄소 및 결합제가 포함될 수 있는 코팅을 남기게 될 수 있다.
결합제 대 탄소의 비는 최대 70:30 일 수 있다. 일부 실시 예들에서, 탄소 대 결합제의 비는 최대 50:50 일 수 있다. 선호되는 실시 예에서, 탄소 대 결합제의 비는 최대 40:60 이다. 따라서, 일단 상기 슬러리로부터 용매가 증발되면, 상기 접촉 전극에는 40 내지 70 중량%의 탄소, 예를 들면, 40 내지 50 중량%의 탄소가 포함될 수 있다.
상기 접촉 전극은 상기 셀의 표면, 예를 들면 분리 부재에 (예컨대, 페이스트로) 도포될 수 있다. 상기 접촉 전극은 상기 접촉 전극이 상기 셀의 표면의 상당한 부분을 덮도록 도포될 수 있다. 따라서, 접촉 저항은 상당한 면적에 걸쳐 측정될 수 있다. 일 예에서, 상기 분리 부재는 파우치의 형태를 취할 수 있으며, 그럼으로써 각각의 전기화학 유닛은 절연성 파우치 또는 하우징 내에 봉입(封入)된다. 상기 접촉 전극은 상기 파우치 또는 하우징의 외부 표면에 도포될 수 있다. 각각의 파우치 또는 하우징은 각각의 파우치 또는 하우징의 대응하는 접촉 전극이 서로 마주하게 위치되도록 서로 인접하게 배치될 수 있다. 상기 파우치들 또는 하우징들은 외부 케이스 내에 포함될 수 있다. 상기 외부 케이스의 내부 표면에는 접촉 전극이 구비될 수 있다. 파우치 또는 하우징은 상기 파우치 또는 하우징의 접촉 전극이 상기 외부 케이스의 상기 접촉 전극과 마주하게 위치되도록 배치되고, 그럼으로써 상기 파우치상의 접촉 전극 및 상기 외부 케이스상의 접촉 전극 간의 접촉 저항이 결정될 수 있다.
상기 접촉 전극에는 마주하게 위치된 접촉 전극들 간의 상기 접촉 저항을 측정하기 위한 장치와 접촉하도록 구성된 접촉 탭들이 구비될 수 있다. 상기 배터리에는 이러한 장치가 추가로 포함될 수 있다.
상기 배터리에는 3개 이상의 전기화학 유닛이 포함될 수 있다.
각각의 전기화학 유닛에는 복수의 전기화학 셀들이 포함될 수 있다.
본 발명의 한 실시 예의 다른 한 실시형태에 의하면, 상기 배터리의 충전 상태를 추정하는 방법이 제공된다. 상기 방법은 현재의 접촉 저항값을 수신하는 단계; 상기 현재의 접촉 저항값을 상기 배터리의 알려진 충전 상태에 상응하는 적어도 하나의 이전 접촉 저항값과 비교하는 단계; 및 상기 현재의 접촉 저항값을 상기 적어도 하나의 이전 접촉 저항값과 비교하는 단계에 적어도 부분적으로 기초하여 상기 배터리의 충전 상태를 추정하는 단계를 포함하는 한다.
따라서, 상기 배터리의 충전 상태는 접촉 저항값을 이용하여 추정된다. 상기 접촉 저항값은 상기 셀의 표면상의 압력을 나타낼 수 있다.
상기 방법은 상기 배터리의 추정된 충전 상태 및 상기 현재 접촉 저항값에 적어도 부분적으로 기초하여 상기 배터리의 건강 상태를 추정하는 단계를 더 포함할 수 있다.
따라서, 상기 배터리의 건강 상태는 접촉 저항값에 기초하여 추정된다. 상기 배터리의 건강 상태는 각각의 이전 접촉 저항값이 알려진 충전 상태에서 수신된 복수의 이전 접촉 저항값들에 추가로 기초하여 추정될 수 있다. 상기 이전 접촉 저항값은 추가 배터리로부터 얻어질 수 있다. 추가 배터리는 프로토 타입(prototype battery) 배터리일 수 있다.
본 발명의 한 실시 예의 한 실시형태에 의하면, 상기 배터리의 건강 상태를 추정하는 방법이 제공된다. 상기 방법은 알려진 충전 상태에서 현재의 접촉 저항값을 수신하는 단계; 상기 현재의 접촉 저항값을 각각의 이전 접촉 저항값이 상기 배터리의 알려진 충전 상태에 상응하는 복수의 이전 접촉 저항값들과 비교하는 단계; 및 상기 현재의 접촉 저항값을 상기 복수의 이전 접촉 저항값들과 비교하는 단계에 적어도 부분적으로 기초하여 상기 배터리의 건전 상태를 추정하는 단계를 포함한다.
따라서, 상기 배터리의 건강 상태는 각각의 접촉 저항값에 상응하는 충전 상태가 알려진 경우 복수의 이전 접촉 저항값들 및 현재의 접촉 저항값을 이용하여 결정될 수 있다.
상기 방법은 상기 배터리의 건강 상태를 허용 가능한 범위에 비교하는 단계 및 상기 건강 상태가 상기 허용 가능한 범위를 벗어나는 경우 상기 배터리가 잠재적으로 안전하지 않은 것으로 결정하는 단계를 더 포함할 수 있다.
따라서, 상기 배터리의 안전성은 상기 건강 상태 추정 방법을 사용하여 결정될 수 있다.
본 발명의 한 실시 예의 또 다른 한 실시형태에 의하면, 상기 배터리용 배터리 관리 시스템이 제공된다. 상기 배터리 관리 시스템은 현재의 접촉 저항값을 수신하도록 구성된 제어기; 적어도 하나의 프로세서; 및 실행될 때, 상기 적어도 하나의 프로세서로 하여금 상기 현재의 접촉 저항값을 상기 배터리의 알려진 충전 상태에 상응하는 적어도 하나의 이전 접촉 저항값과 비교하게 하고 그리고 상기 현재의 접촉 저항값을 상기 적어도 하나의 이전 접촉 저항값과 비교하는 것에 적어도 부분적으로 기초하여 상기 배터리의 충전 상태를 추정하게 하는 명령어들을 포함하는 메모리를 포함한다.
상기 메모리는, 실행될 때, 상기 적어도 하나의 프로세서로 하여금 상기 배터리의 추정된 충전 상태 및 상기 현재 접촉 저항값에 적어도 부분적으로 기초하여 상기 배터리의 건강 상태를 추정하게 하는 명령어를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 한 실시 예의 또 다른 한 실시형태에 의하면, 리튬-황 배터리에서 셀의 충전 상태를 추정하는 방법이 제공된다. 상기 방법은 상기 셀의 충전 상태를 나타내는 현재의 충전 상태 값을 수신하는 단계; 상기 충전 상태 값의 1차 도함수를 상기 배터리의 알려진 충전 상태를 나타내는 적어도 하나의 이전 충전 상태 값의 1차 도함수와 비교하는 단계; 및 상기 현재의 충전 상태 값의 1차 도함수를 상기 적어도 하나의 이전 충전 상태 값의 1차 도함수와 비교하는 단계에 적어도 부분적으로 기초하여 상기 배터리의 충전 상태를 추정하는 단계를 포함한다.
상기 충전 상태 값은 상기 셀의 팽창 또는 수축의 정도를 나타낼 수 있다.
상기 충전 상태 값은 압력 센서 값일 수 있다. 상기 압력 센서 값은 저항값일 수 있다. 상기 저항값은 접촉 저항값일 수 있다.
본 발명의 실시 예들은 첨부도면들을 참조하여 이하에서 부연 설명된다.
도 1은 리튬-황 배터리의 사이클 수명 동안 셀의 셀 두께 및 전압을 나타내는 그래프를 예시한 도면이다.
도 2는 도 1에서 보인 사이클들의 개별 사이클 동안 셀의 셀 두께 및 전압을 나타내는 그래프를 예시한 도면이다.
도 3은 전기화학 셀의 수축 또는 팽창을 측정하기 위해 사용되는 접촉 저항 센서를 예시한 도면이다.
도 4는 2개의 서로 다른 사이클에 대해 방전하는 동안 단일 셀에 대한 접촉 저항값의 변화를 보여주는 그래프를 예시한 도면이다.
도 5(도 5a 내지 도 5b을 포함함)는 저항의 1차 도함수에 적용될 수 있는 복수의 역률(power factor)들을 보여주는 6개의 그래프를 예시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 한 실시 예에 따른 복수의 셀들의 어셈블리를 예시한 도면이다.
본 발명이 리튬-황 배터리들과 관련하여 설명되겠지만, 이러한 리튬-황 배터리들은 충전 또는 방전 중에 팽창 또는 수축하는 모든 전기화학 배터리들에 마찬가지로 적용되는 것으로 이해될 것이다.
도 1은 리튬-황 배터리의 사이클 수명 동안 셀의 셀 두께 및 전압을 나타내는 그래프를 예시한 도면이다. 상기 그래프는 약 120 사이클의 충전 다음에 상기 셀의 방전이 이어지는 동안 셀 전압의 변화 및 상기 셀의 변위 변화 양자 모두를 보여준다. 리튬-황 배터리들에서, 각각의 사이클에 대한 피크 셀 전압은 약 0.02 볼트만큼 약간만 감소한다는 것을 알 수 있다. 실제로, 이는 반복적인 충전/방전 사이클링으로 피크 셀 전압이 상당히 감소하지 않는 리튬-황 배터리들의 이점들 중 하나이다. 마찬가지로, 각각의 사이클에 대한 최소 셀 전압은 약 1.5V에서 실질적으로 일정하게 유지된다. 완전히 충전되고 완전히 방전된 셀 간에는 약 0.95 볼트의 전압 변화가 있다.
도 1은 또한 상기 배터리의 반복적인 충전 및 방전 동안 셀 변위의 변화를 보여준다. 충전 및 방전은 상기 전기화학 셀 내 애노드 및 캐소드에서 이루어지는 화학 공정들로 인한 셀 팽창 및 수축의 결과로서 셀 변위의 변화를 야기함을 알 수 있다. 상기 셀의 변위는 상기 셀의 충전 상태 및 건강 상태와 관련되어 있다. 리튬-황 배터리들에서 상기 셀이 팽창하기 때문에 방전시 변위 프로파일이 감소한다. 그러나 상기 셀이 충전되는(셀이 수축되는) 동안 변위는 증가한다. 주기 사이클은 반복적인 충전 및 방전으로 인해 결국 재료 열화 및 셀 노화로 인해 비-가역적인 셀 팽창이 발생하기 때문에 셀 수명 사이클에 걸쳐 가변적인 변위들을 갖는다.
특히, 셀 변위 변화는 사이클 횟수에 따라 팽창 및 수축 양에 변화가 있음을 보여준다. 예를 들면, 57번째 사이클은 최대 약 -1.65 밀리미터와 최소 -1.67 밀리미터 사이로 변하는 셀 변위를 보여주며, 이는 대략 0.02 밀리미터의 전체 셀 변위 변화이다. 비교적으로, 114번째 사이클에서, 셀 변위는 최대 약 -1.565 밀리미터로부터 최소 약 -1.6 밀리미터로 변화하는데, 이는 대략 0.035 밀리미터의 전체 셀 변위 변화로서, 57번째 사이클에서 보인 변화의 거의 2배이다.
각각의 사이클에 대한 변위 범위의 변화 외에, 각각의 사이클에 대한 최소 및 최대 변위 값이 상기 셀의 수명 사이클에 걸쳐 독립적인 변화를 나타낸다는 것도 이해될 것이다. 예를 들면, 약 57번째 사이클에 이르기까지, 각각의 사이클에 대한 최소 변위 값은 제1 사이클에서의 약 -1.575 밀리미터로부터 상기 57번째 사이클에서의 약 -1.67 밀리미터로 사이클 수에 따라 감소한다. 상기 57번째 사이클을 넘어서면 최소 변위 값이 다시 약 -1.59 밀리미터에 이르기까지 증가한다. 셀 팽창 계수가 최대 또는 최소 셀 변위 값 또는 다른 알려진 기준 포인트에서 배터리에 대해 결정될 수 있는 경우, 배터리의 건강 상태가 실질적으로 동일한 셀 팽창 수명 사이클을 나타내는 것으로 알려진 유사한 배터리를 통한 셀 팽창 계수의 이전 측정들에 기초하여 결정될 수 있다는 것이 이해될 것이다. 도 1에서, 셀 팽창 계수는 셀 변위이다. 이는 소정의 배터리가 자신의 유용한 수명을 다해서 교체되어야 하기 전에 소정의 배터리에 대해 남아 있는 충전 사이클의 수를 계산할 수 있게 해주므로 유용하다. 일부 배터리들에서, 이는 이전 사이클들에서 상기 배터리가 완전히 충전 및 방전되지 않는 경우에도 사용 가능하므로 상기 배터리의 방전 이력이 상기 배터리의 건강 상태를 추정하는데 사용된 상기 셀 팽창 계수의 예상 값들을 제공하는 데 사용되는 유사한 배터리의 방전 이력과 매치(match) 되지 않는다.
일부 상황에서는, 상기 배터리에서 측정된 셀 팽창 계수가 상기 셀 팽창 계수의 예상 값들에서 관측되는 셀 팽창 계수의 범위를 벗어날 것임이 추가로 이해될 것이다. 이는 안전성을 위해서나 또는 효율을 위해 교체 가능한 결함이 있는 배터리를 나타낼 수 있다.
도 2는 리튬-황 배터리에 대한 개별 사이클 동안 셀의 셀 두께 및 전압을 나타내는 그래프를 예시한 도면이다. 도 1의 그래프에는 배터리의 건강 상태를 결정하는데 유용한 데이터가 예시되어 있지만, 도 2의 그래프에는 배터리의 충전 상태를 결정하는데 유용한 데이터가 예시되어 있다. 여기서 유념해야 할 점은 도 1 및 도 2에는 2개의 서로 다른 배터리의 데이터가 나타나 있다는 점이다. 셀 전압은 완전히 충전될 때의 약 2.45 볼트의 최대 초기 전압으로부터 완전히 방전될 때의 약 1.50 볼트의 최소 전압으로 비선형 방식으로 변화하는 것을 알 수 있다. 약 75% 충전(25% 방전)에서부터 약 25% 충전(75% 방전)에 이르기까지는 전압 플래토(voltage plateau)가 존재하며, 이 경우에 전압은 25% 충전시의 2.02 볼트로 강하하기 전에 75% 충전시의 약 2볼트로부터 약 50% 충전시 약 2.05 볼트로 천천히 상승한다. 이러한 비선형 거동은 또한 비결정적(non-deterministic)이다. 예를 들면, 약 2.05 볼트의 셀 전압은 약 80퍼센트 또는 50퍼센트 미만의 배터리 충전 레벨과 동일할 수 있을 것이다. 그러므로 리튬-황 배터리의 충전 상태를 추정하기 위해 셀 전압을 사용하는 것은 비실용적이며 신뢰할 수 없다.
상기 변위는 또한 초기 최대 약 -1.613 밀리미터로부터 최소 약 -1.635 밀리미터로 비선형 방식으로 변화한다. 그러나 셀 전압과는 달리, 변위 값의 형태인 셀 팽창 계수는 실질적으로 결정적(deterministic)이다. 달리 말하면, 상기 배터리의 충전 상태 및 상기 셀 변위 값 간에는 1:1 관계가 존재한다. 상기 셀 변위 값의 함수로서 상기 배터리의 충전 상태에 대한 모델을 제공하기 위한 데이터로 다항식 함수가 적합할 수 있다.
그러나 크기 및 구조의 제한들로 인해 선형 가변 차등 변압기(linear variable differential transformer; LVDT)를 상기 배터리에 장착하는 것은 실용적이지 않다. 따라서 대체 해결수법이 필요하다. 셀 팽창 계수를 측정하기 위한 특히 유리한 방법은 박막 압력 센서를 사용하는 것이다. 상기 압력 센서는 상기 셀의 한 표면 상에 그리고 다른 한 한정된 표면에 대하여 배치된다. 이리하여, 상기 셀 내에서 발생하는 화학 반응들에 의해 상기 셀 내의 화합물들의 화학적 조성이 변경될 때 상기 셀 내의 압력 변화는 상기 셀이 팽창하거나 수축하도록 촉구하게 된다. 상기 셀은 상기 한정된 표면에 의해 팽창하는 것이 실질적으로 방지되고, 그럼으로써 상기 셀 표면과 상기 한정된 표면 간의 압력 변화를 생성하게 된다. 이해되겠지만, 상기 한정된 표면은 배터리 케이싱일 수도 있고, 추가의 전기화학 셀의 셀 벽일 수도 있다. 임의의 접촉 압력 센서가 상기 셀의 벽 상에서 접촉 압력을 측정하는데 사용될 수 있지만, 본 실시 예는 한 쌍의 금속 포일 전극으로 형성된 박막 압력 센서를 사용한다. 상기 센서들은 두께가 1mm 미만인 것이 전형적이며 배터리 내부 구조를 손상시키지 않으면서 상기 셀들 간에 설치 가능하다.
도 3은 전기화학 셀의 수축 또는 팽창을 측정하는데 사용되는 접촉 저항 센서를 예시하는 도면이다. 상기 압력 센서는 도체 패턴을 포함하며, 상기 도체 패턴은 제1 표면상에 저항 패턴의 형태로 장착되어 제1 센서 전극을 형성하며, 추가의 도체 패턴 상에 배치되고 제2 표면상에 추가의 저항 패턴의 형태로 장착되어 제2 전극을 형성한다. 상기 접촉 저항은 제1 센서 전극 및 제2 센서 전극이 접촉하게 될 때 제1 센서 전극 및 제2 센서 전극 간의 저항이다. 상기 제1 및 제2 센서 전극은 표면 거칠기를 갖는다. 상기 접촉 압력이 증가함에 따라, 상기 제1 및 제2 센서 전극은 서로 견고하게 가압되어 접촉 면의 표면적이 증가하게 된다. 접촉 면의 표면적이 증가함에 따라, 상기 센서(전극 쌍)의 저항은 가압된 압력에 비례하여 감소하게 된다. 이는 상기 제1 및 제2 센서 전극의 도전 부분들 간의 거리가 감소하게 되기 때문이다. 또한, 상기 전극들 간의 전기적 표면적은 서로 간에 패킹(packing)되는(또는 접촉하게 되는) 도전 입자의 수가 많아지기 때문에 더 커진다. 이는 센서 전극들 간의 더 나은 전기적 경로에 기여해서 센서 저항을 낮춘다. 일 실시 예에서, 상기 도체 패턴 전극은 스트레인 게이지(strain gauge)로 형성된다. 스트레인 게이지는 통상적으로 스트레인 게이지를 형성하는 평행한 도체 라인들의 배향 방향으로 가해지는 스트레스에 기인하여 저항의 변화를 나타내도록 설계되어 있지만, 본 실시 예에서는 스트레인 게이지들이 스트레인 게이지의 표면에 수직인 면에서 상호 작용하여, 2개의 스트레인 게이지 간의 압력 변화에 민감한 압력 센서를 형성한다. 상기 스트레인 게이지들은 탄소 계열 잉크를 포함할 수 있다. 스트레인 게이지들이 상기 제1 및 제2 센서 전극을 형성하는 데 사용되는 것으로 기술되었지만, 표면 거칠기로 인해 상기 센서 전극의 면에 수직인 압력의 증가가 상기 접촉 저항을 감소시키는 결과를 초래하는 경우에 저항을 지니는 임의의 도체 필름 또는 패드가 사용될 수 있다. 또한, 저항의 변화를 측정하고 증폭하기 위한 기법이 다수 존재함을 이해할 것이다. 본 실시 예는 상기 제1 및 제2 센서 전극 각각이 알려진 저항 R1, R2, R3, R4를 지니는 상기 제1 및 제2 센서 전극 각각을 형성하는 2개의 개별 센서 전극을 갖는 휘트스톤 브리지를 사용한다.
상기 접촉 저항 센서의 형태인 압력 센서가 추가의 한정된 표면 간의 셀 표면상이면 실질적으로 어디든지 배치될 수 있지만, 본 실시 예는 실질적으로 상기 셀 표면의 중심에 상기 접촉 저항 센서를 배치한다. 비록 본 실시 예에서는 단지 단일 접촉 저항 센서만이 설명되어 있지만, 복수의 접촉 저항 센서들이 배터리 내의 복수의 전기화학 셀들 간에 사용될 수 있음을 이해할 것이다. 일부 실시 예들에서, 복수의 접촉 저항 센서들은 상기 전기화학 셀의 표면 주위의 상이한 위치들에 배치될 수 있다. 일 실시 예에서, 상기 압력 센서는 상기 전기화학 셀에 도포된 슬러리로 형성된다. 상기 슬러리는 하기 도 6을 참조하여 부연 설명될 것이다.
도 4는 두 번째 및 열 번째 사이클에 대해 방전하는 동안 접촉 저항 센서가 장착된 단일 셀에 대한 접촉저항값의 변화들을 나타내는 그래프를 예시하는 도면이다. 상기 그래프는 방전과의 셀 전압 관계가 도 1에서 예상한 바와 같이 여러 사이클 간에 실질적으로 변하지 않았음을 보여준다. 이와는 반대로, 방전 중에 측정된 저항값은 사이클 수에 따라 다르게 된다. 실제로, 열 번째 사이클에 대한 저항 측정은 배터리가 완전히 충전될 때의 첫 번째 사이클에 대한 저항 측정보다 높은 저항을 나타내는 것으로 보이며, 배터리가 완전히 방전될 때의 첫 번째 사이클에 비해 낮은 저항을 나타내는 것으로 보인다. 이는 열 번째 사이클에 비해 첫 번째 사이클에서 셀 압력 변화가 더 큼을 나타낸다. 이전에 논의한 바와 같이, 이는 셀 팽창을 유도하는 셀 내의 화학 반응에서의 비가역성의 증가로 인한 것이다.
상기 그래프는 각각의 사이클에 대한 저항 측정에 적합한 다항식 저항 추세 라인을 더 포함한다. 상기 저항 추세 라인은 5차 다항식으로 표기될 수 있다. 이는 4개의 플래토(더 많은 것도 가능함)와 4개의 무릎(knee) 변경을 나타낸다. 이들은 충전 상태(SOC) 특성에 해당하는 것이며 여기서 무릎(1차 우선 마크(first priority mark))들이 2.4V 부근에서 첫 번째 전압 플래토의 시작 부분에, 약 2V에서 첫 번째 전압 플래토의 끝 부분에, 약 2.05V에서 두 번째 플래토의 가장 높은 전압 포인트에서 그리고 약 2V에서 고 저항 방전 플래토 전에 나타난다. 저항 특성에 대한 그러한 판독값 모두가 선형이 아니며 동일한 전압 출력(첫 번째 무릎 제외) 값들이 약 200 Ohm-600 Ohm 차이인 것이 중요하다. 저항 특성의 감도는 현재의 경우 샘플 간격이 5분인 높은 샘플링 속도에 의해 개선될 수 있다.
저항 특성에 대한 기울기의 변화를 결정하기 위해, 배터리 관리 시스템(BMS)이 저항의 1차 도함수 dR/dt를 계산할 수 있다. 도함수들의 품질 결과적으로는 변화들의 인식이 저항 샘플링 속도에 의해 결정된다.
도 5는 저항의 1차 도함수에 적용될 수 있는 복수의 역률들을 나타내는 6개의 그래프를 예시하는 도면이다. 곱셈 프로세스는 BMS에 의해 수행될 수 있다. dR/dt 샘플들을 역률로 올리면 저항 특성의 변화를 "확대"하여 로컬 최대치를 분별력 있는 값들로 제공할 수 있다. 이러한 값들은 BMS에 의해 저항 특성(무릎 및 플래토)의 변화, 결과적으로는 배터리의 SOC의 변화를 예측하는 데 사용 가능하다.
작은 역률(n = 0.5, 1, 2)들은 셀 방전 시작에 대해 양호하며 더 높은 역률들은 방전 중간 및 종료에 대해 양호하다. 상기 BMS는 결과치들의 피크들를 동시에 찾는 다양한 역률에 의한 1차 도함수의 조작을 수행할 수 있다. 101 Ohmn/h에 이르기까지의 첫 번째 "피크" 결과치들은 저항 곡선 상에서 두 번째 무릎을 제시하게 되고, 약 102 Ohmn/h의 결과치들은 세 번째 무름을 제시하게 되며 그리고 약 103 Ohmn/h의 결과치들은 네 번째 무릎을 제시하게 된다. 방전 전압 측정과 함께 상기 BMS는 방전 중에 셀/배터리의 SOC를 정확하게 추정할 수 있다. 도 5의 그래프들에는 첫 번째, 두 번째, 세 번째, 네 번째 무릎을 나타내는 데이터의 특정 부분들을 보여주는 레이블로 주석이 달려져 있다. 보인 바와 같이, 첫 번째 및 두 번째 무릎에 대한 dR/dt의 값들은 dR/dt가 0.5의 역률로 상승하게 될 때 데이터에서 가장 현저하게 된다. 세 번째 무릎에 대한 dR/dt의 값은 dR/dt가 1의 역률로 증가하게 될 때 데이터에서 가장 현저하게 된다. 네 번째 무릎에 대한 dR/dt의 값은 dR/dt가 5의 역률로 상승하게 될 때 데이터에서 가장 현저하게 되지만, 2, 3 및 4의 역률들에 의해서도 특히 강조된다.
도 5는 저항 측정의 제1 도함수에 관한 것이지만, 임의의 다른 셀 팽창 계수의 1차 도함수를 계산하기 위해 유사한 기법이 적용될 수 있다는 것을 이해할 것이다.
도 2 및 도 4에 도시된 그래프들이 배터리가 부하를 사용하여 능동적으로 방전되는 상황을 나타내고 있지만, 부하가 연결되지 않아 배터리가 자체 방전하는 휴지 기간에 배터리가 있게 될 때 배터리의 충전 상태를 정확하게 계산하는 것도 중요하다. 도 2 및 도 4의 그래프들을 생성하는데 사용된 리튬-황 배터리의 일 실시 예에서, 상기 배터리의 총 용량은 1.65Ah 인 것으로 밝혀졌다. 배터리가 완전히 방전되기 전에 50시간 자체 방전 휴지 기간에 있게 되면, 잔존 용량은 1.35Ah 인 것으로 밝혀졌다. 이러한 특정 배터리에서, 자체 방전 대부분은 접촉 저항 센서에 의해 측정된 저항이 안정화되는 처음 10-20 시간 내에 발생하는 것으로 밝혀졌다. 안정화된 저항은 상기 셀이 팽창하지도 수축하지 않음을 나타내는데, 이는 상기 배터리의 자체 방전이 무시할 수 있음을 시사한다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 복수의 셀들의 어셈블리를 예시하는 도면이다. 제1 셀 A에는 제1 측면에 제1 센서 전극(A)이 그리고 상기 제1 측면과는 반대편에 있는 제2 측면에 제2 센서 전극(B)이 제공된다. 제2 셀 B는 제1 및 제2 센서 전극(A, B)를 갖는 상기 제1 셀 A와 실질적으로 유사하다. 상기 제2 셀 B는 상기 제1 셀 A에 인접하게 제공되고, 그럼으로써 상기 제1 셀 A의 제2 센서 전극(B) 및 상기 제2 셀 B의 제2 센서 전극(A)은 서로 마주하게 제공되어 접촉 저항 센서(C)의 형태로 압력 센서를 형성하게 된다. 상기 접촉 저항 센서(C)는 상기 제1 셀 A 내의 압력 또는 상기 제2 셀 B 내의 압력이 증가하여 상기 접촉 저항 센서의 압력이 증가함에 따른 감소 된 저항을 나타낸다. 본 실시 예가 2개의 셀을 특징으로 하고 있지만, 각각의 셀이 인접 셀들 간에 접촉 저항 센서를 형성하는 제1 센서 전극(A) 및 제2 센서 전극(B)을 갖는 더 많은 셀이 제공될 수 있음을 알 것이다. 일부 실시 예들에서, 다수의 셀이 하나 이상의 전기화학 유닛으로 제공될 수 있다. 각각의 전기화학 유닛은 파우치의 형태로 분리 부재에 의해 인접한 전기화학 유닛들로부터 분리된다. 이러한 방식으로, 상기 제1 센서 전극(A)은 제1 전기화학 유닛을 포함하는 제1 파우치 상에 장착될 수 있고, 상기 제2 센서 전극(B)은 제2 전기화학 유닛을 포함하는 제2 파우치 상에 장착될 수 있다. 상기 분리 부재는 상기 전기화학 셀의 전해질과 접촉해 있지 않은 것이 전형적이다.
상기 제1 센서 전극(A) 및 상기 제2 센서 전극(B)은 상기 셀의 제조 중에 형성된 활성 셀 표면에 의해 형성될 수 있다. 활성 셀 표면은 전형적으로 팽창 또는 수축 계수를 결정하기 위한 센서의 형태로 충전 상태 값을 결정하기 위한 센서로서 작용할 수 있는 전기화학 셀의 임의의 표면이라는 것을 이해할 것이다. 이러한 방식으로, 상기 센서는 별도의 구성요소인 것보다는 오히려 셀 자체에 이미 내장되어 있다. 이러한 실시 예에서, 상기 활성 셀 표면은 도전성 카본 페인트로 셀 표면적(파우치의 외부 표면)을 프라이밍(priming)하여 거기에 센서 접촉부들을 부착함으로써 형성된다. 도전성 카본 페인트 상에, 탄소 계열 슬러리로 형성된 센서 전극이 도포된다. 프린팅, 스프레이 또는 블레이드 스프레딩과 같은 프라이머 및 슬러리 도포 방법이 현재 여러 가지 알려져 있다.
이러한 실시 예에서, 활성 셀 표면들을 생성시키기 위해 황 캐소드 슬러리가 사용되었다. 일반적으로 슬러리 블렌드는 도체(고 표면적 탄소, 예컨대, 카본 블랙); 절연체(예컨대, 원소 황, 중합체 등등); 결합제(예컨대, PEO); 및 용매를 포함한다. 일 실시 예에서, 상기 슬러리 블렌드는 10% 바본 블랙, 70% 황 및 20% PEO(중량당)를 포함한다. 상기 슬러리 블렌드가 셀 표면적에 슬러리 블렌드를 도포한 후에 상이한 블렌드를 가질 수 있다는 것이 이해될 것이다. 예를 들면, 슬러리 블렌드 중의 용매는 셀 표면적에 슬러리 블렌드를 도포하는 동안 실질적으로 증발할 수 있다.
따라서, 활성 셀 표면은 바람직한 특성 및 약 0.5 kOhm 내지 10 kOhm의 높은 가변 저항을 제공해야 한다. 상기 압력 센서의 저항 특성에 대하여는 선형 압력 충전에 대한 비선형 저항 변화를 지니는 것이 유리하다. 이는 비선형 거동이 앞서 설명한 도함수 방법을 사용하여 식별 가능하고 배터리의 충전 상태와 관련이 있는 플래토 및 기울기 변화들을 특징으로 하기 때문이다.
상기 센서 전극들은 전기화학 셀의 전해질과 접촉해 있지 않는다는 것이 이해될 것이다. 상기 센서 전극들은 전기화학 셀 외부에 제공되는 것이 전형적이다.
본 개시내용이 셀 팽창 계수를 언급하고 있지만, 충전 또는 방전 프로세스의 결과로서 상기 전기화학 셀 내 애노드 및/또는 캐소드에서 이루어지는 화학 반응의 결과로서 상기 셀 내의 압력 또는 체적의 변화에 기초한 변화를 나타내는 여러 다른 셀 팽창 계수가 사용될 수 있다는 것이 이해될 것이다. 예를 들면, 센서들은 상기 셀의 측면의 길이의 변화를 측정하기 위해 셀에 장착될 수 있다. 대안으로, 셀 케이싱을 둘러싸는 배터리 케이싱 상에 상기 셀 케이싱에 의해 가해지는 압력의 변화를 측정하기 위해 상기 셀에 센서들이 장착될 수 있다. 이러한 방식으로, 전기화학 셀 내의 압력 변화를 나타내는 센서 값은 전기화학 셀이 전기화학 셀 내의 압력이 증가하는 실질적으로 동일한 체적으로 유지하는 경우에도 여전히 셀 팽창 계수로 지칭될 수 있다. 다시 말하면, 전기화학 셀 내의 압력이 일정하게 유지되면, 전기화학 셀은 체적을 변화시켜야 할 것이다.
본 명세서의 설명 및 청구범위를 통해, "(--을) 포함한다" 및 "(--을) 수용한다"라는 단어들 및 그들의 변형들은 "(--을) 포함하지만 (--)에 국한되지 않음"을 의미하며, 다른 부분, 첨가물, 구성요소, 정수 또는 단계를 배제하는 것으로(그리고 배제하지 않는 것으로) 의도된 것이 아니다. 본 명세서의 설명 및 청구범위 전반에 걸쳐, 단수는 문맥상 달리 요구되지 않는 한 복수를 포함한다. 특히, 부정사가 사용되는 경우, 문맥상 달리 요구하지 않는 한, 본 명세 내용은 복수형 및 단수형을 고려하는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명의 특정 실시형태, 실시 예 또는 예와 연관지어 설명된 특징, 정수, 특성, 화합물, 화학적 잔기 또는 그룹은 이들과 양립할 수 없다면 본원 명세서에 기재된 임의의 다른 실시형태, 실시 예 또는 예에 적용 가능한 것으로 이해되어야 한다. (첨부된 청구범위, 요약 및 도면을 포함하여) 본원 명세서에 개시된 모든 특징들 모두 및/또는 그와 같이 개시된 임의의 방법 또는 프로세스의 단계들 모두는 임의의 조합으로 조합될 수 있지만, 그러한 특징들 및/또는 단계들 중 적어도 일부는 상호 배타적인 경우의 조합은 예외로 한다. 본 발명은 임의의 전술한 실시 예들의 세부사항에 제한되지 않는다. 본 발명은 (임의의 첨부된 청구범위, 요약 및 도면을 포함하여) 본원 명세서에 개시된 특징들 중, 임의의 신규한 특징, 또는 임의의 신규한 조합에 이르기까지, 또는 그와 같이 개시된 임의의 방법 또는 프로세스의 단계들 중 임의의 신규한 단계, 또는 임의의 신규한 조합에 이르기까지 확장된다.
독자의 주의는 본원 출원과 관련하여 본원 명세서와 동시에 또는 본원 명세서 이전에 제출되고 본원 명세서의 공개 점검에 공개된 모든 논문 및 문헌에 대한 것이고, 그러한 모든 논문 및 문헌의 내용은 본원 명세서에 인용에 의해 보완된다.

Claims (25)

  1. 배터리로서,
    a) i)셀 애노드, 셀 캐소드 및 상기 셀 애노드 및 셀 캐소드와 접촉해 있는 전해질을 포함하는 적어도 하나의 전기화학 셀, 및 ii) 전기화학 유닛의 표면상에 장착된 제1 접촉 전극을 포함하는 전기화학 유닛; 및
    b) 상기 전기화학 유닛에 인접하게 배치된 제2 접촉 전극;
    을 포함하여, 상기 제1 및 제2 접촉 전극이 서로 마주하게 위치되어 상기 제1 접촉 전극과 상기 제2 접촉 전극 간의 접촉 저항이 측정되는 것을 허용하는, 배터리.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제2 접촉 전극은 상기 전기화학적 유닛을 격납하도록 구성된 배터리 케이스의 표면 상에 장착되는, 배터리.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 배터리는,
    셀 애노드, 셀 캐소드 및 상기 셀 애노드 및 상기 셀 캐소드와 접촉해 있는 전해질을 포함하는 적어도 하나의 전기화학 셀을 포함하는 제2 전기화학 유닛;
    을 더 포함하며,
    상기 제2 접촉 전극은 상기 제2 전기화학 유닛의 표면상에 장착되는, 배터리.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 배터리는 리튬-황 배터리이고,
    상기 셀 애노드는 리튬 애노드를 포함하며,
    상기 셀 캐소드는 전기활성 황 재료 및 도전성 재료의 혼합물을 포함하는, 배터리.
  5. 제3항 또는 제4항에 있어서,
    각각의 전기화학 유닛은 접촉 전극이 장착된 분리 부재에 의해 인접한 전기화학 유닛으로부터 분리되는, 배터리.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 분리 부재는 금속 포일 시트를 포함하는, 배터리.
  7. 제5항 또는 제6항에 있어서, 상기 분리 부재는 절연 시트 재료를 포함하는, 배터리.
  8. 제5항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 접촉 전극은 상기 분리 부재의 표면상에 데포지트된 도전체로 형성되는, 배터리.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 도전체는 도체 패턴을 포함하는, 배터리.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 도전체는 카본 블랙을 포함하는, 배터리.
  11. 제8항 또는 제10항에 있어서,
    상기 접촉 전극은 도전체 및 결합제를 포함하는 페이스트로서 도포되는, 배터리.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 접촉 전극에는 마주하게 위치된 접촉 전극들 간의 접촉 저항을 측정하는 장치와 접촉하도록 구성된 접촉 탭들이 제공되는, 배터리.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 배터리는 상기 장치를 추가로 포함하는, 배터리.
  14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
    2개보다 많은 전기화학 유닛을 포함하는, 배터리.
  15. 제14항에 있어서,
    각각의 유닛은 복수의 전기화학 셀들을 포함하는, 배터리.
  16. 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항의 배터리의 충전 상태를 추정하는 방법에 있어서, 상기 방법은,
    현재의 접촉 저항값을 수신하는 단계;
    상기 현재의 접촉 저항값을 상기 배터리의 알려진 충전 상태에 상응하는 적어도 하나의 이전 접촉 저항값과 비교하는 단계; 및
    상기 현재의 접촉 저항값을 상기 적어도 하나의 이전 접촉 저항값과 비교하는 단계에 적어도 부분적으로 기초하여 상기 배터리의 충전 상태를 추정하는 단계;
    를 포함하는, 배터리의 충전 상태 추정 방법.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 방법은,
    상기 현재의 접촉 저항값 및 상기 배터리의 추정된 충전 상태에 적어도 부분적으로 기초하여 상기 배터리의 건강 상태를 추정하는 단계;
    를 더 포함하는, 배터리의 충전 상태 추정 방법.
  18. 배터리의 건강 상태를 추정하는 방법에 있어서,
    상기 방법은,
    알려진 충전 상태에서 현재의 접촉 저항값을 수신하는 단계;
    상기 현재의 접촉 저항값을 각각의 이전 접촉 저항값이 상기 배터리의 알려진 충전 상태에 상응하는 복수의 이전 접촉 저항값들과 비교하는 단계; 및
    상기 현재의 접촉 저항값을 상기 복수의 이전 접촉 저항값들과 비교하는 단계에 적어도 부분적으로 기초하여 상기 배터리의 건강 상태를 추정하는 단계;
    를 포함하는, 배터리의 건강 상태 추정 방법.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 방법은,
    상기 배터리의 건강 상태를 허용 가능한 범위에 비교하는 단계; 및
    상기 건강 상태가 상기 허용 가능한 범위를 벗어나면 배터리가 잠재적으로 안전하지 못하다고 결정하는 단계;
    를 더 포함하는, 배터리의 건강 상태 추정 방법.
  20. 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항의 배터리를 위한 배터리 관리 시스템에 있어서,
    상기 배터리 관리 시스템은,
    현재의 접촉 저항값을 수신하도록 구성된 제어기;
    적어도 하나의 프로세서;
    실행될 때 상기 적어도 하나의 프로세서로 하여금,
    상기 현재의 접촉 저항값을 상기 배터리의 알려진 충전 상태에 상응하는 적어도 하나의 이전 접촉 저항값과 비교하는 단계; 및
    상기 현재의 접촉 저항값을 상기 적어도 하나의 이전 접촉 저항값과 비교하는 단계에 적어도 부분적으로 기초하여 상기 배터리의 충전 상태를 추정하는 단계를 수행하게 하는 명령어들을 포함하는 메모리;
    를 포함하는, 배터리 충전 시스템.
  21. 제20항에 있어서,
    상기 메모리는 실행될 때 상기 적어도 하나의 프로세서로 하여금 상기 현재의 접촉 저항값 및 상기 배터리의 추정된 충전 상태에 적어도 부분적으로 기초하여 상기 배터리의 건강 상태를 추정하는 단계를 수행하게 하는 명령어들을 더 포함하는, 배터리 충전 시스템.
  22. 리튬-황 배터리 내의 셀의 충전 상태를 추정하는 방법에 있어서,
    상기 방법은,
    상기 셀의 충전 상태를 나타내는 현재의 충전 상태 값을 수신하는 단계;
    상기 충전 상태 값의 1차 도함수를 상기 배터리의 알려진 충전 상태를 나타내는 적어도 하나의 이전 충전 상태 값의 1차 도함수와 비교하는 단계; 및
    상기 현재의 충전 상태 값의 1차 도함수를 상기 적어도 하나의 이전 충전 상태 값의 1차 도함수와 비교하는 단계에 적어도 부분적으로 기초하여 상기 배터리의 충전 상태를 추정하는 단계;
    를 포함하며,
    상기 충전 상태 값들은 압력 센서 값들인, 셀의 충전 상태 추정 방법.
  23. 제22항에 있어서,
    상기 충전 상태 값은 상기 셀의 팽창 또는 수축 정도를 나타내는, 셀의 충전 상태 추정 방법.
  24. 제22항 또는 제23항에 있어서,
    상기 압력 센서 값들은 저항값들인, 셀의 충전 상태 추정 방법.
  25. 제24항에 있어서,
    상기 저항값들은 접촉 저항값들인, 셀의 충전 상태 추정 방법.
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