TW201716794A - 電池感測器 - Google Patents

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Abstract

提供一種電池，其包含一電化學單元，其包含至少一電化學槽。此至少一電化學槽包含一槽陽極、一槽陰極，及與該槽陽極及槽陰極接觸之一電解質。此電化學單元進一步包含一第一接觸電極，其係安裝於此電化學單元之一表面上。此電池進一步包含一第二接觸電極，其係與此電化學單元相鄰而置放，藉此，此第一及第二接觸電極係彼此面對，以使第一接觸電極與第二接觸電極之間的一接觸電阻被測量。

Description

電池感測器
本發明係有關於用於測定一電池，特別是一鋰-硫(Li-S)電池之電量狀態(SOC)及/或健康狀態(SOH)之一種方法及裝置。
背景 電量狀態(SOC)/健康狀態(SOH)評估係正確電池使用及確保電池於其等之使用壽命期間安全使用之一基礎。有許多用以監測此等參數之方式，包括電池電壓測量及阻抗頻譜技術、庫侖計算方法、各種適合系統實行，或此等方法之組合。
US5567541A係有關於以電池組件之體積為基礎測量一電池的電量狀態之方法及裝置。特別地，US5567541A揭露使用應變計測定一電池之外圓周長度變化。
發明概要 依據本發明實施例之一方面，提供一種電池，其包含一電化學單元，此電化學單元包含至少一電化學槽(electrochemical cell)。此至少一電化學槽包含一槽陽極、一槽陰極，及與該槽陽極及槽陰極接觸之一電解質。電化學單元進一步包含一第一接觸電極，其係安裝於電化學單元之一表面上。電池進一步包含一第二接觸電極，其係與電化學單元相鄰而置放，藉此，第一及第二接觸電極彼此面對，以使第一接觸電極與第二接觸電極間之一接觸電阻被測量。
因此，一接觸電阻可於第一及第二接觸電極間測量，其係指示於電池充放電期間之電化學槽的收縮或膨脹。以此方式，電池之電量狀態及/或健康狀態可被測定。
第一及第二接觸電極可與電解質電隔離。第二接觸電極與第一接觸電極相鄰地置放。第二接觸電極可與第一接觸電極接觸。
第一接觸電極可設於電化學單元之一外表面上。第一及第二接觸電極可能不接觸電解質。
需瞭解術語接觸電阻意指二電極間由於其等物理接觸之電阻。接觸電阻係第一及第二接觸電極於其等接觸時之間的電阻。
於一範例，第一及第二接觸電極可具有一表面粗糙性。當其間之接觸壓力增加，第一及第二接觸電極係彼此更緊地壓抵，造成接觸表面積增加。當接觸面積增加，作為一組合電組件之第一及第二接觸電極之電阻會與施用壓力呈比例地減少。此係因為第一及第二接觸電極之導電部份間之距離減少。再者，電極間之電表面積由於在彼此間填充(或接觸)之導電顆粒數量較高而係較大。此有助於接觸電極間之較佳電路徑，因此，降低感測器電阻。
電化學單元可設於一囊袋內。囊袋可含有至少一電化學槽。因此，該槽陽極、槽陰極，及電解質係於囊袋內。第一接觸電極可設於囊袋之一表面上。第一接觸電極可設於囊袋之一外表面上。於一實施例，第二接觸電極可安裝於一電池外殼之一表面上，此電池外殼係組配成用以容納一或多個電化學單元。
另外或額外地，電池可進一步包含一第二電化學單元，其包含至少一電化學槽，此電化學槽包含一槽陽極、一槽陰極，及與該槽陽極及槽陰極接觸之一電解質。第二接觸電極可安裝於第二電化學單元之一表面上。第一及第二電化學單元可彼此相鄰地置放。
第二電化學單元可設於一第二囊袋內。因此，該槽陽極、槽陰極，及電解質係於第二囊袋內。第二接觸電極可設於第二囊袋之一表面上。第二接觸電極可設於第二囊袋之一外表面上。第一及第二囊袋可彼此相鄰地置放，藉此，第一及第二接觸電極彼此面對，以使第一接觸電極與第二接觸電極之一接觸電阻被測量。
電池可為一鋰硫電池，其中，該槽陽極可包含一鋰陽極，且該槽陰極包含一電活性硫材料與一導電性材料之混合物。鋰硫電池之例子係描述於，例如，WO 2014/155070及WO 2015/092384。
一鋰硫電池槽包含由，例如，鋰金屬或一鋰金屬合金形成之一鋰陽極，及由元素硫或其它電活性硫材料形成之一陰極。硫或其它電活性硫材料與諸如碳之一導電性材料混合，以改良其導電性。電活性硫材料及一導電性材料可被研磨，然後，與一溶劑及結合劑混合形成一漿料。此漿料可被施用於一電流收集器，例如，一金屬箔片(例如，銅或鋁)，然後，乾燥移除溶劑。形成之結構可被壓延形成一複合結構，其被切成所欲形狀形成一陰極。一隔片可置於陰極上，且鋰陽極係置於隔片上。電解質被引至槽內使陰極及隔片浸濕。
電活性硫材料可包含元素硫、以硫為主之有機化合物、以硫為主之無機化合物，及含硫之聚合物。較佳地，使用元素硫。
固體導電性材料可為任何適合之導電材料。較佳地，此固體導電性材料可由碳形成。例子包括碳黑、碳纖維、石墨烯，及碳奈米管。其它適合材料包括金屬(例如，片狀體、銼屑，及粉末)及導電性聚合物。較佳地，使用碳黑。
鋰硫電池槽可包含一電解質，其包含一鋰鹽及一有機溶劑。電解質係存在或置放於電極之間，使電荷於陽極與陰極之間轉移。用於電解質之適合有機溶劑係四氫呋喃、2-甲基四氫呋喃、碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、碳酸乙甲酯、碳酸甲丙酯、丙酸甲丙酯、丙酸乙丙酯、乙酸甲酯、二甲氧基乙烷、1,3-二氧雜環戊烷、二乙二醇二甲醚(2-甲氧基乙醚)、四乙二醇二甲醚、碳酸伸乙酯、碳酸伸丙酯、丁內酯、二氧雜環戊烷、六甲基磷醯胺、二甲基亞碸、磷酸三丁酯、磷酸三甲酯、N, N, N, N-四乙基磺醯胺，及碸與其等之混合物。較佳係碸類，例如，環丁碸。適合鋰鹽包括六氟磷酸鉀(LiPF6 )、六氟砷酸鋰(LiAsF6 )、過氯酸鋰(LiClO4 )、三氟甲烷磺醯亞胺鋰(LiN(CF3 SO2 )2 )，及三氟甲烷磺酸鋰(CF3 SO3 Li)。此等鋰鹽於電解質中提供電荷載負物種，使氧化還原反應於電極發生。
當一鋰硫電池槽放電時，硫或其它電活性硫材料被還原形成多硫化物物種，其溶解於電解質中。多硫化物物種可被進一步還原形成不可溶之硫化鋰。因此，於放電期間，陰極之組成改變，因而使得，當電池槽放電時，至少部份之陰極溶於電解質中。此典型上造成整體電池槽之體積改變，此可依據此處所述之實施例測量，以提供電池槽之電量狀態及/或健康狀態之指示。充電時，反應以反向發生，且硫化鋰被再次氧化形成硫。
每一電化學單元可藉由其上安裝接觸電極之一分割元素與一相鄰單元分隔。此分割元件可藉由囊袋之一壁提供。囊袋可為一密封外殼。分割元件可為一可撓性材料，例如，一可撓性聚合物材料。於某些實施例，分割元件可為具有一聚合物塗層之鋁箔。
分割元件可包含一金屬箔片。分割元件可進一步包含一絕緣層，藉此，使分割元件之一側與另一側隔離。
分割元件可包含一絕緣材料片。
每一接觸電極可自沉積於分割元件之一表面上的一導電體形成。
導電體可包含一導電材料。導電材料可具有大於0.5kOhm之電阻值。於某些實施例，導電性材料可為一導電性圖案。若使用一導電性圖案，其係二接觸導電性圖案間被測量之接觸電阻，且非每一圖案上或平面之電阻。導電性圖案可包含一金屬。於一特別實施例，導電性圖案可包含金屬片狀體及一聚合物。於另外實施例，導電性圖案可由碳或含碳之材料形成。
導電體可包含碳。適合例子包括碳黑、碳纖維、石墨烯，及/或碳奈米管。較佳地，使用碳黑。
接觸電極可以包含一導電體、一結合劑及一溶劑，及選擇性之一電阻材料(例如，塑膠材料、陶瓷/金屬之混合物)之一糊料或漿料施用。藉由使陶瓷添加至電阻材料中之金屬，可增加電阻材料之電阻。適合之結合劑包括PEO、PVDF、導電性聚合物。適合溶劑包括極性或非極性之溶劑(例如，水)。
於一實施例，接觸電極可以包含碳之一糊料或漿料施用。此一以碳為主之糊料或漿料塗層可包含1至70重量%之碳。於一範例，糊料或漿料塗層包含5至50，較佳係10至40重量%之碳。一旦施用，溶劑可實質上蒸發，留下可包含最高達100重量%之碳及結合劑之一塗層。
結合劑對碳之比例可最高達70:30。於某些實施例，碳對結合劑之比例可最高達50:50。於一較佳實施例，碳對結合劑之比例係最高達40:60。因此，一旦溶劑自漿料蒸發，接觸電極可包含40至70重量%之碳，例如，40至50重量%之碳。
接觸電極可施用(例如，以一糊料)至電池槽之一表面，例如，分割元件。接觸電極可被施用，使得其覆蓋電池槽表面之一大部份。因此，接觸電阻可於一大面積上測量。於一範例，分割元件可採用一囊袋型式，藉此，每一電化學單元被封閉於一絕緣囊袋或外罩內。接觸電極可施用至囊袋或外罩之一外表面。每一囊袋或外罩可彼此相鄰而置放，使得其等之個別接觸電極彼此面對。囊袋或外罩可被容納於一外殼內。外殼之一內表面可設有一接觸電極。囊袋或外罩可被置放，使得其接觸電極面對外殼上之接觸電極，使得囊袋上之接觸電極與外殼上之接觸電極間之接觸電阻可被測定。
接觸電極可設有接觸片，其等係組配成接觸用於測量面對之接觸電極間的接觸電阻之一裝置。電池可另外包含此一裝置。
電池可包含二個以上之電化學單元。
每一電化學單元可包含複數個電化學槽。
依據本發明實施例之另一方面，提供一種評估電池的電量狀態之方法。此方法包含接收一當前接觸電阻值；使當前接觸電阻值與相對應於此電池之一已知電量狀態的至少一先前接觸電阻值作比較；及至少部份以當前接觸電阻值與此至少一先前接觸電阻值之比較為基準評估此電池之電量狀態。
因此，電池之電量狀態係使用一接觸電阻值評估。接觸電阻值可指示此電池槽之一表面上的壓力。
此方法可進一步包含至少部份以當前接觸電阻值及電池之評估電量狀態為基準評估此電池之健康狀態。
因此，電池之健康狀態係以一接觸電阻值為基準評估。電池之健康狀態可另外以每一者係於一已知電量狀態之複數個先前接觸電阻值為基準評估。此等先前接觸電阻值可來自一另外電池。此另外電池可為一原型電池。
依據本發明一實施例之一方面，提供一種評估電池健康狀態之方法。此方法包含接收於一已知電量狀態之一當前接觸電阻值；使此當前接觸電阻值與複數個先前接觸電阻值作比較，每一者係相對應於電池之一已知電量狀態；及至少部份以使當前接觸電阻值與複數個先前接觸電阻值作比較為基準評估電池之健康狀態。
因此，電池之健康狀態可使用一當前接觸電阻值及複數個先前接觸電阻值測定，其中，相對應於每一接觸電阻值之電量狀態係已知。
此方法可進一步包含使電池之健康狀態與一可接受範圍作比較；及若健康狀態係於此可接受範圍外，測定此電池可能不安全。
因此，電池之安全性可使用此健康狀態評估方法測定。
依據本發明一實施例之另一方面，提供用於電池之一種電池管理系統。此電池管理系統包含一控制器，其係組配成接收一當前接觸電阻值；至少一處理器；及一記憶體，其包含當執行時造成此至少一處理器進行下述者之指令：使當前接觸電阻值與相對應於電池的一已知電量狀態之至少一先前接觸電阻值作比較；及至少部份以使當前接觸電阻值與此至少一先前接觸電阻值作比較為基準評估電池之電量狀態。
記憶體可進一步包含執行時造成此至少一處理器至少部份以當前接觸電阻值及電池之評估電量狀態為基準評估電池之健康狀態之指令。
依據本發明一實施例之另一方面，提供一種評估一鋰硫電池內之一電池槽的電量狀態之方法。此方法包含接收指示此電池槽的電量狀態之一當前電量狀態值；使此電量狀態值之一第一導數(first derivatie)與指示此電池的已知電量狀態之至少一先前電量狀態值之一第一導數作比較；及至少部份以使當前電量狀態值之第一導數與此至少一先前電量狀態值之第一導數作比較為基準評估此電池之一電量狀態。
電量狀態值可指示電池槽之膨脹或收縮之程度。
電量狀態值可為壓力感測器值。壓力感測器值可為電阻值。電阻值可為接觸電阻值。
詳細說明 雖然本發明會以有關於鋰硫電池作說明，但需瞭解此等係相等地應用於在充電或放電期間進行膨脹或收縮之所有電化學槽之電池。
圖1係例示顯示一鋰硫電池之週期壽命期間之一電池的電池槽厚度及電壓之圖。此圖顯示於此電池槽之大約120週期之充電接著放電期間於電池槽電壓之變化及於電池槽位移之變化。於鋰硫電池，可看出每一週期之峰值電池槽電壓僅些微減少，減少約0.02伏特。事實上，峰值電池槽電壓不會隨著重複之充電/放電週期而顯著減少係鋰硫電池的優點之一。相似地，每一週期之最小電池槽電壓亦實質上維持固定於約1.5伏特。於電池槽完全充電與完全放電之間係具有約0.95伏特的電壓變化。
圖1亦顯示於電池之重複充電與放電期間於電池槽位移之變化。可看出由於在電化學槽內之陽極及陰極發生之化學程度造成電池槽膨脹及收縮，充電及放電造成電池位移變化。電池槽位移係與電池之電量及健康狀態相關連。於鋰硫電池，放電期間之位移分佈因為電池槽膨脹而減少。但是，位移於電池槽充電時增加(電池槽收縮)。定期性之週期於電池槽壽命週期期間具有變化性位移，因為重複性充電及放電由於材料劣化及電池槽老化最終造成不可逆之電池槽膨脹。
特別地，電池槽位移變化顯示於膨脹及收縮量具有依週期數而定之變化。例如，第57週期顯示於約-1.65毫米之最大值與約-1.67毫米之最小值間變化之電池槽位移，此係約0.02毫米之總電池槽位移。比較地，於第114週期，電池槽位移係從約-1.565毫米之最大值至約-1.60毫米之最小值變化，此係0.035毫米之總電池槽位移變化，幾乎係於第57週期見到之雙倍。
除了每一週期之位移範圍變化以外，亦會瞭解每一週期之位移最大值及最小值於電池槽之壽命週期展現獨立變化。例如，最高達約第57週期，每一週期之最小位移值係隨著週期數從第一週期之約-1.575毫米減少至於第57週期之約-1.67毫米。超過第57週期，最小位移值再次增加，最高達約-1.59毫米。會瞭解若電池槽膨脹因數可於最大或最小電池槽位移值，或另一已知參考點對一電池作測定，電池之健康狀態可以已知展現實質上相同電池槽膨脹壽命週期之一相似電池之先前電池槽膨脹因數測量為基準作測定。於圖1，電池槽膨脹因數係電池槽位移。此係有用的，因為能計算一特定電池於此電池達到其有用壽命結束且需被替換之前剩下的充電週期數。於某些電池，此甚至可用於電池於先前週期未被完全充電及放電，且因此此電池之放電歷史與用以提供用以評估此電池之健康狀態的預期電池槽膨脹因數值之相似電池的放電歷史不相符時。
進一步會瞭解於某些情況，於此電池測得之電池槽膨脹因數會於預期之電池槽膨脹因數值觀察到之電池槽膨脹因數範圍以外。此可指示一有缺失之電池，此可為了安全性或為了效率而被替換。
圖2係例示顯示一鋰硫電池之一個別週期期間之一電池槽的電池厚度及電壓之圖。圖1之圖例示可用於測定一電池之健康狀態的數據，圖2之圖係例示可用於測定一電池之電量狀態的數據。需注意圖1及圖2表示二不同電池之數據。可看出電池槽電壓係以一非線性方式從完全充電時之約2.45伏特的最大起始電壓變化至完全放電時之約1.50伏特的最小電壓。從約75%充電(25%放電)至約25%充電(75%放電)具有一電壓平線區，其間，電壓係從於75%充電時之約2伏特緩慢上升至於約50%充電時之約2.05伏特，其後於25%充電時降至2.02伏特。此非線性之行為亦係不確定性。例如，約2.05伏特之電池槽電壓可能等於約80%或少於50%之電池充電量。因此，使用電池槽電壓評估一鋰硫電池之電量狀態係不實際且不可信賴。
位移亦係以一非線性方式從約-1.613毫米之起始最大值改變至約-1.635毫米之最小值。但是，不同於電池槽電壓，位移值型式之電池槽膨脹因數實質上係確定性。換言之，於電池之電量狀態與電池槽位移值間具有1:1之關係。一多項式函數可與數據擬合，以提供此電池之為電池槽位移值的函數之一電量狀態模式。
但是，由於尺寸及結構限制，使一線性變數微分轉換器(LVDT)納入電池內並不實際。因此，需要另外解決方式。用於測量電池槽膨脹因數之一特別有利方法係使用薄膜壓力感測器。壓力感測器係置放於電池槽之一表面上且抵頂另一限定表面。以此方式，當發生於電池槽內之化學反應造成電池槽內之化合物的化學組成改變時，電池槽內之壓力變化會促使電池槽膨脹或收縮。電池槽藉由此限制表面被實質上避免膨脹，因此，於電池槽表面與限定表面之間產生壓力改變。如將瞭解般，此限定表面可為電池外殼，或可為另一電化學槽之電池槽壁。雖然任何接觸壓力感測器可用於測量電池槽壁上之接觸壓力，目前所述之實施例使用自一對金屬箔電極形成之一薄膜壓力感測器。此等感測器典型上係少於1mm厚，且可於未折衷電池內部結構而安裝置此等電池槽之間。
圖3係例示用於測量一電化學槽之收縮或膨脹的一接觸電阻感測器的圖。可看出壓力感測器包含一導電性圖案，其係呈一電阻圖案，安裝於一第一表面上，且形成一第一感測器電極；其係疊置於另一導電性圖案上，此另一導電性圖案係呈另一電阻圖案，安裝於形成一第二感測器電極之一第二表面上。接觸電阻係第一與第二感測器電極於接觸時之其間的電阻。第一及第二感測器電極具有一表面粗糙度。當接觸壓力增加，第一及第二感測器電極彼此更穩固地壓抵，造成接觸表面積增加。當接觸表面積增加，感測器(電極耦合)之電阻會與施加壓力呈比例地減少。此係因為第一與第二感測器電極之導電部份間的距離減少。再者，由於於彼此間充填(接觸)之導電顆粒數量較高，電極間之電表面積係較大。此有助於感測器電極間之較佳電路徑，因此，有助於較低感測器電阻。於一實施例，導電圖案電極係自一應變計形成。雖然應變計通當係設計成展現由於形成此應變計之平行導體線的取向方向的施加應力造成之電阻改變，但於本實施例，應變計係於與應變計表面呈正交之一表面交互作用，形成感應二應變計間之壓力變化的一壓力感測器。此等應變計可包含一以碳為主之墨水。會瞭解雖然應變計被描述為用以形成第一及第二感測器電極，但具有一電阻之任何導電性膜或墊材可被使用，於其間，由於表面粗糙度，與感測器電極表面呈正交之壓力增加造成接觸電阻減少。亦會瞭解多種擇術存在用於測量及擴大電阻改變。現在所述實施例使用一惠斯登(Wheatstone)電橋，其具有二分開之感測器電極，其等係形成第一及第二感測器電極之每一者，每一者具有一已知電阻R1，R2，R3，R4。
雖然呈接觸電阻感測器型式之壓力感測器可置放於另一限定表面間之電池槽表面上的實質上任何位置，但本實施例係使接觸電阻感測器置放於電池槽表面之實質上中央處。雖然本實施例僅描述單一接觸電阻感測器，但會瞭解複數個接觸電阻感測器可用於一電池內之複數個電化學槽之間。於某些實施例，複數個接觸電阻感測器可置放於電化學槽表面附近之不同位置。於某些實施例，壓力感測器係自施用於電化學槽之一漿料形成。此漿料會於下參考圖6作進一步說明。
圖4係例示裝配一接觸電阻感測器之單一電池槽於第二及第十週期之放電期間的接觸電阻值變化的圖。此圖顯示電池槽電壓與放電之關係於多個週期之間維持實質上不變，如由圖1所預期。相反地，於放電期間測得之電阻值係依週期數而改變。事實上，對於第十週期之電阻測量似乎指示當電池完全充電時，係比對於第一週期之電阻測量更高之電阻，且當電池完全放電時，係比第一週期更低之電阻。此指示與第十週期相比，電池槽壓力於第一週期係改變更大。如先前所探討，此係由於電池槽內化學反應不可逆性增加，此導致電池槽膨脹。
此圖進一步包含擬合每一週期之電阻測量的一多項式電阻趨勢線。電阻趨勢線可以一5次多項式表示。此顯示四個平線區(可能更多)及四個改變曲折點。此等係相對應於電量狀態(SOC)特性，其中，此等曲折點(第一優先標記)係出現在第一電壓平線區開始之約2.4V，第一電壓平線區結束之約2V，第二平線區之最高電壓點之約2.05V，及高電阻放電平線區前之約2V。重要的是一電阻特性上之所有此等讀數並不是線性，且對於相同電壓輸出(第一曲折點除外)值，係約200 Ohm – 600 Ohm之差異。電阻特性之敏感性可藉由更高取樣速率改良，此於當前情況係5分鐘之取樣間隔。
為了測定電阻特性之斜率變化，電池管理系統(BMS)可計算電阻第一導數dR/dt。導數之量及因此的變化認定係藉由電阻取樣速率測定。
圖5係例示可被應用於電阻第一導數之複數個功率因數的六個圖。此乘法處理可藉由BMS實施。使dR/dt樣品升至一功率因數可使電阻特性之變化“放大”，且使局部最大值被遞送作為預估值。此等值可由BMS使用評估電阻特性改變(曲折點及平線區)及最終之電池SOC。
小功率因數(n =0.5、1、2)(power factor)係對電池槽放電開始有利，且較高因數係對放電中間及結束有利。BMS可藉由同時尋求結果中之峰值的不同功率因素實施第一導數處理。最高達101 Ohmn /h之第一“峰值”結果會建議電阻曲線上之第二曲折點，約102 Ohmn /h者係第三曲折點，且約103 Ohmn /h者係第四曲折點。與放電電壓測量一起，BMS可準確地評估電池槽/電池於放電期間之SOC。圖5中之圖已以標籤註釋，其等係顯示表示數據之第1、2、3及4曲折點之特別部份。如所見，當dR/dt上升至0.5功率時，第1及2曲折點之dR/dt值於數據中係最顯著。當dR/dt上升至1功率時，第3曲折點之dR/dt值於數據中係最顯著。當dR/dt上升至5功率時，第4曲折點之dR/dt值係最顯著，且亦以2、3及4之功率特別強調。
雖然圖5係有關於電阻測量之第一導數，但會瞭解相似技術可應用於計算任何其它電池槽膨脹因數之第一導數。
雖然圖2及4顯示之圖表示電池使用一負載主動放電之情況，但亦重要的是準確地計算一電池於此電池接受無連接負載之一休息期造成電池自行放電時之電量狀態。於用以產生圖2及4之圖的一鋰硫電池之一實施例，電池之總電容被發現係1.65 Ah。當電池於完全放電前接受50小時自行放電休息期，剩餘電容被發現係1.35Ah。於此特別電池，發現大多數之自行放電於前10-20小時發生，於此時，藉由接觸電阻感測器測得電阻被安定化。安定化之電阻指示電池槽不膨脹亦不收縮，此暗示電池自行放電係可忽略。
圖6係例示依據本發明一實施例之複數個電池槽之一總成。一第一電池槽A係於一第一側上設有一第一感測器電極A，及於與第一側相反之一第二側上設有一第二感測器電極B。一第二電池槽B係實質上相似於第一電池槽A，具有一第一及第二感測器電極A，B。第二電池槽B係與第一電池槽A相鄰而設置，使得第一電池槽A之第二感測器電極B與第二電池槽B之第一感測器電極A係彼此面對地設置，形成呈一接觸電阻感測器C型式之一壓力感測器。當第一電池槽A或第二電池槽B之任一者內之壓力增加，增加接觸電阻感測器上之壓力，接觸電阻感測器C展現一降低電阻。雖然目前所述之實施例係以二個電池槽為特徵，但會瞭解更多電池槽可被設置，且每一電池槽具有一第一感測器電極A及一第二感測器電極B，於相鄰電池槽間形成一接觸電阻感測器。於某些實施例，複數個電池槽可設置於一或更多之電化學單元內。每一電化學單元係藉由呈一囊袋型式之一分割元件與相鄰之電化學單元分開。以此方式，第一感測器電極A可安裝於含有一第一電化學單元之一第一囊袋上，且第二感測器電極B可安裝於含有一第二電化學單元之一第二囊袋上。分割元件典型上係不與電化學槽之電解質接觸。
第一感測器電極A與第二感測器電極B可藉由於製造電池槽期間形成之一活性電池槽表面形成。會瞭解一活性電池槽表面係電化學槽之能作為用於測定電量狀態值之一感測器的任何表面，典型上係呈用於測定膨脹或收縮因數之一感測器型式。以此方式，感測器係已建構於電池槽本身內，而非一分開組件。於此實施例，活性電池槽表面係藉由以一導電性碳漆底塗電池槽表面區域(一囊袋之一外表面)及丛感測器接觸與其附接而形成。於導電性碳漆上，施用自一以碳為基之漿料形成之一感測器電極。數種施用底漆及漿料之方法係現今已知，諸如，印刷、噴灑，或刀片塗抹。
於此實施例，一硫陰極漿料被用以產生活性電池槽表面。一般，漿料摻合物包含：一導體(高表面積碳，例如，碳黑)；一絕緣體(例如，元素硫、聚合物等)；一結合劑(例如，PEO)；及一溶劑。於一實施例，漿料摻合物包含10%碳黑，70%硫，及20% PEO(重量)。會瞭解於使此漿料摻合物施用至電池槽表面區域後，漿料摻合物可具有一不同摻合物。例如，漿料摻合物中之溶劑於使漿料摻合物施用於電池槽表面區域期間可實質上蒸發。
因此，活性電池槽表面需遞送所欲性質及約0.5 kOhm至10 kOhm之高變化性電阻。對於壓力感測器之電阻特性有利地係對於線性壓力增加具有非線性電阻變化。此係因為非線性行為會描述平線區及梯度變化，此可使用先前所述之導數方法識別，且與電池之電量狀態有關。
會瞭解感測器電極係不與電化學槽之電解質接觸。感測器電極典型上係設於電化學槽外側。
會瞭解雖然本揭露提及電池槽膨脹因數，但數種不同電池槽膨脹因數可被使用，其等係以因為由於充電或放電程序於電化學槽內之陽極及/或陰極處之化學反應造成電池槽內之壓力或體積改變為基準而展現變化。例如，感測器可設於此電池槽以測量此電池槽一側之長度變化。另外，感測器可設於此電池槽以測量圍繞此電池槽外殼之一電池外殼上由此電池槽外殼施加之壓力的變化。以此方式，指示電化學槽內之壓力變化的感測器值可仍稱為一電池槽膨脹因數，即使於電化學槽內之壓力增加時電化學槽實質上保持相同體積。換言之，若電化學槽內之壓力保持固定，電化學槽會需改變體積。
於本說明書之說明及申請專利範圍各處，“包含”及“含有”之用字及其等之變體係意指“不受限地包括”，且其等並不打算(且不)排除其它部份、添加劑、組件、整數，或步驟。於本說明書之說明及申請專利範圍各處，除非文中其它需要，單數係包含複數。特別地，若使用不定冠詞，說明書被瞭解係考量到複數及單數，除非文中有其它需要。
連同本發明之一特別方面、實施例，或範例作說明之特徵、整數、特徵、化合物、化學部份或基團需瞭解係可應用於此處所述之其它任何方面、實施例，或範例，除非與其不相容。此說明書(包括任何所附申請專利範圍、摘要，及圖式)中所揭露之所有特徵，及/或所揭露之任何方法或程序之所有步驟可以任何組合而組合，其中至少一些此等特徵及/或步驟係相互排它之組合係除外。本發明不限於任何前述實施例之細節。本發明係擴大至本說明書(包括任何所附申請專利範圍、摘要，及圖式)中所揭露之特徵的任何新穎者或任何新穎組合，或揭露之任何方法或程序之步驟的任何新穎者或任何新穎組合。
讀者之注意力係有關於與本申請案有關的與本說明書同時或之前申請且與本說明書公開大眾檢閱之所有文件及文獻，且所有此等文件及文獻之內容在此被併入以供參考。
R1‧‧‧電阻
R2‧‧‧電阻
R3‧‧‧電阻
R4‧‧‧電阻
A‧‧‧第一感測器電極
B‧‧‧第二感測器電極
A‧‧‧第一電池槽
B‧‧‧第二電池槽
圖式簡要說明 本發明之實施例可於以下參考所附圖式作進一步說明，其中： 圖1係例示顯示一鋰硫電池之週期壽命期間之一電池的電池槽厚度及電壓之圖； 圖2係例示顯示圖1所示週期之一個別週期期間之一電池之電池槽厚度及電壓之圖； 圖3係例示用以測量一電化學槽之收縮或膨脹之一接觸電阻感測器之圖； 圖4係例示顯示二不同週期之放電期間的一單一電池槽之接觸電阻值的變化之圖； 圖5係例示顯示可應用於電阻第一導數之複數個功率因數之六個圖；及 圖6係例示依據本發明一實施例之複數個電池槽之一總成。
A‧‧‧第一感測器電極
B‧‧‧第二感測器電極
A‧‧‧第一電池
B‧‧‧第二電池

Claims (25)

  1. 一種電池，其包含： a)一電化學單元，其包含i)至少一電化學槽，其包含一槽陽極、一槽陰極，及與該槽陽極及該槽陰極接觸之一電解質，及ii)一第一接觸電極，其係安裝於該電化學單元之一表面上， 以及 b)一第二接觸電極，其係與該電化學單元相鄰而置放，藉此，該第一接觸電極及該第二接觸電極係彼此面對，以使介於該第一接觸電極與該第二接觸電極之間的一接觸電阻被測量。
  2. 如請求項第1項之電池，其中，該第二接觸電極係安裝於一電池外殼之一表面上，該電池外殼係經組配以容納該電化學單元。
  3. 如請求項第1項之電池，其中，該電池進一步包含： 一第二電化學單元，其包含至少一電化學槽，其包含一槽陽極、一槽陰極，及與該槽陽極及該槽陰極接觸之一電解質， 其中，該第二接觸電極係安裝於該第二電化學單元之一表面上。
  4. 如請求項1-3中任一項之電池，其係一鋰硫電池，其中： 該槽陽極包含一鋰陽極，以及 該槽陰極包含一電活性硫材料與一導電性材料之一混合物。
  5. 如請求項第3項或第4項之電池，其中，每一電化學單元係藉由一分割元件與一相鄰電化學單元分開，該接觸電極係安裝於該分割元件上。
  6. 如請求項第5項之電池，其中，該分割元件包含一金屬箔片。
  7. 如請求項第5項或第6項之電池，其中，該分割元件包含一絕緣材料片。
  8. 如請求項第5-7項中任一項之電池，其中，每一接觸電極係自沉積於該分割元件之一表面上的一導電體形成。
  9. 如請求項第8項之電池，其中，該導電體包含一導電圖案。
  10. 如請求項第8項之電池，其中，該導電體包含碳黑。
  11. 如請求項第8項或第10項之電池，其中，該接觸電極係以包含一導電體及一結合劑之一糊料施用。
  12. 如請求項1-11中任一項之電池，其中，該接觸電極係設有接觸片，該等接觸片係經建構以接觸用於測量相面對的接觸電極間之接觸電阻之一裝置。
  13. 如請求項第12項之電池，其另外包含該裝置。
  14. 如請求項1-13中任一項之電池，其包含二個以上之電化學單元。
  15. 如請求項第14項之電池，其中，每一單元包含複數個電化學槽。
  16. 一種評估如請求項1-15中任一項之電池的電量狀態之方法，該方法包含： 接收一當前接觸電阻值； 使該當前接觸電阻值與相對應於該電池的一已知電量狀態之至少一先前接觸電阻值作比較；以及 至少部份地以該當前接觸電阻值與該至少一先前接觸電阻值之比較為基準來評估該電池之該電量狀態。
  17. 如請求項第16項之方法，其中，該方法進一步包含至少部份地以該當前接觸電阻值及該電池之該評估電量狀態為基準，評估該電池之健康狀態。
  18. 一種評估電池的健康狀態之方法，包含： 接收於一已知電量狀態之一當前接觸電阻值； 以該當前接觸電阻值與複數個先前接觸電阻值作比較，每一者係相對應於該電池之一已知電量狀態；以及 至少部份地以該當前接觸電阻值與該等複數個先前接觸電阻值作比較為基準，評估該電池之該健康狀態。
  19. 如請求項第18項之方法，其中，該方法進一步包含： 以該電池之該健康狀態與一可接受範圍作比較；以及 若該健康狀態係於該可接受範圍外，測定該電池係可能不安全。
  20. 一種電池管理系統，其係用於如請求項1-19中任一項之電池，該電池管理系統包含： 一控制器，其係經組配以接收一當前接觸電阻值； 至少一處理器； 一記憶體，其包含當執行時造成該至少一處理器進行下述之指令： 以該當前接觸電阻值與相對應於該電池的一已知電量狀態之至少一先前接觸電阻值作比較；以及 至少部份地以該當前接觸電阻值與該至少一先前接觸電阻值作比較為基準，評估該電池之一電量狀態。
  21. 如請求項第20項之電池管理系統，其中，該記憶體進一步包含當執行時造成該至少一處理器至少部份地以該當前接觸電阻值及該電池之該評估電量狀態為基準，評估該電池之健康狀態之指令。
  22. 一種評估鋰硫電池中之一電池槽的電量狀態之方法，該方法包含： 接收指示該電池槽的該電量狀態之一當前電量狀態值； 以該電量狀態值之一第一導數(first derivative)與指示該電池的一已知電量狀態之至少一先前電量狀態值之一第一導數作比較；以及 至少部份地以該當前電量狀態值之該第一導數與該至少一先前電量狀態值之該第一導數作比較為基準，評估該電池之一電量狀態， 該電量狀態值係壓力感測器值。
  23. 如請求項第22項之方法，其中，該電量狀態值係指示該電池槽之膨脹或收縮的程度。
  24. 如請求項第22項或第23項之方法，其中，該壓力感測器值係電阻值。
  25. 如請求項第24項之方法，其中，該電阻值係接觸電阻值。
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