發(fā)明領(lǐng)域

本發(fā)明涉及包括電池充電傳感器的電池。進(jìn)一步提供了用于確定電池的充電狀態(tài)的系統(tǒng)和方法。

發(fā)明背景

用于提供電的電池具有范圍從消費(fèi)者產(chǎn)品到如電動(dòng)汽車(chē)的車(chē)輛、到例如結(jié)合太陽(yáng)能電的電的大規(guī)模存儲(chǔ)的廣泛的應(yīng)用。隨著清潔能源和能量的清潔器使用的發(fā)展，電池的需要和使用對(duì)于靜止和移動(dòng)應(yīng)用不斷地增加，且電池領(lǐng)域以激烈的研究與發(fā)展為特征。

電池概括說(shuō)來(lái)具有可再充電電池和不可再充電電池的兩種類(lèi)型。特別地但不是排他地，對(duì)于前一種電池，充電狀態(tài)是在使用、存儲(chǔ)和充電期間的特別重要的特性。電池的充電過(guò)程的細(xì)節(jié)很重要，因?yàn)樗鼈兛捎绊戨姵氐牟僮骷捌鋲勖Ｔ陔姵氐氖褂闷陂g控制并知道電池的充電狀態(tài)的需要顯然非常大，電池的充電狀態(tài)又確定可從電池提取多少剩余的電力。例子是關(guān)于電動(dòng)車(chē)輛的剩余駕駛距離和在例如重癥監(jiān)護(hù)室中在電力故障期間提供備用電力的電池的剩余操作時(shí)間的信息。

例如，當(dāng)電池被完全充電時(shí)，電動(dòng)汽車(chē)配備有針對(duì)某個(gè)駕駛范圍的電池。在駕駛期間，駕駛員需要知道剩余駕駛距離是多長(zhǎng)以及汽車(chē)是否可到達(dá)最終目的地或下一充電站。在電池的充電期間，人們可能想要知道電池何時(shí)被足夠充電到用于某個(gè)駕駛距離。例如，出于不同的目的，如最短可能的充電時(shí)間或可選地優(yōu)化電池的壽命的較平緩的充電，充電過(guò)程可能被改變并被優(yōu)化。

由于上述原因，能夠確定充電狀態(tài)和/或控制充電過(guò)程和/或確定電池的質(zhì)量是高度合乎需要的。

通常從直接測(cè)量變量估計(jì)電池的充電狀態(tài)。在所謂的離線技術(shù)(例如庫(kù)侖計(jì)數(shù))中，電池以不變的速率被充電和放電，這提供電池的充電狀態(tài)的估計(jì)，但這種技術(shù)是拖延的、昂貴的，并中斷電池性能。因此，作出努力來(lái)找到所謂的在線技術(shù)來(lái)用于測(cè)量電池的充電狀態(tài)。通常，存在用于確定電池的充電狀態(tài)的幾種方法，其可例如使用基于化學(xué)、電壓、電流或壓力的技術(shù)。

對(duì)電池的另一憂慮是安全方面。如果在使用期間的電力輸出或在充電期間的充電電流太高，則可導(dǎo)致在電池中的太高溫度，這又對(duì)電池或在其它情況下對(duì)某些電池類(lèi)型可能是破壞性的，甚至導(dǎo)致火災(zāi)或爆炸。這產(chǎn)生對(duì)電池的溫度控制的需要。

us2014/0230783a1公開(kāi)了一種系統(tǒng)，其利用布置在電化學(xué)能量設(shè)備的部分內(nèi)或其上的光學(xué)傳感器來(lái)測(cè)量操作參數(shù)，例如機(jī)械應(yīng)變和/或在充電/再充電循環(huán)期間的溫度。

us2014/0092375a1公開(kāi)了包括布置在能量存儲(chǔ)設(shè)備的部分內(nèi)或其上的一個(gè)或多個(gè)光纖電纜的監(jiān)控和管理系統(tǒng)mms。每個(gè)光纖電纜包括多個(gè)光學(xué)傳感器。至少一個(gè)光學(xué)傳感器配置成感測(cè)能量存儲(chǔ)設(shè)備的參數(shù)，其不同于由多個(gè)光學(xué)傳感器中的至少另一光學(xué)傳感器感測(cè)的能量存儲(chǔ)設(shè)備的參數(shù)。mms包括配置成將光提供到一個(gè)或多個(gè)光纖電纜的光源和配置成檢測(cè)由光學(xué)傳感器反射的光的檢測(cè)器。檢測(cè)器基于反射光來(lái)產(chǎn)生電信號(hào)。處理器耦合成接收電信號(hào)，以分析電信號(hào)并基于電信號(hào)的分析來(lái)確定能量存儲(chǔ)設(shè)備的狀態(tài)。

然而，存在對(duì)用于確定充電狀態(tài)和/或電池的溫度和/或老化的更有效和可靠的方法的需要。

發(fā)明概述

本發(fā)明的目的是提供具有允許電池的充電狀態(tài)被確定的電池充電傳感器的電池。

根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供了一種電池。電池包括電極材料、電解質(zhì)材料、電池充電傳感器，電池充電傳感器包括等離子體感測(cè)元件，該等離子體感測(cè)元件具有在電池內(nèi)的感測(cè)體積并在使用電磁輻射來(lái)照射時(shí)展示取決于電池的充電狀態(tài)的局域表面等離子體共振條件。

通過(guò)提供具有電池充電傳感器的電池，提供了用于確定電池的充電狀態(tài)的可靠的和穩(wěn)定的布置。而且電池充電傳感器是緊湊的，并具有低成本和低復(fù)雜性。

措辭“等離子體感測(cè)元件”應(yīng)被解釋為其中等離子體激元可被激發(fā)的感測(cè)元件。等離子體激元應(yīng)在這里被理解為與電荷密度的局部集體振蕩相關(guān)的等離子體激元振蕩的量子。電荷可例如由電子提供。

措辭“局域表面等離子體共振lspr”應(yīng)被理解為在等離子體感測(cè)元件內(nèi)的電荷載流子的激發(fā)態(tài)，電荷載流子可由光子或等效地由入射在等離子體感測(cè)元件上的光的電磁場(chǎng)激發(fā)。lspr條件是與電荷密度的集體振蕩相關(guān)的諧振條件和由于等離子體感測(cè)元件的有限尺寸產(chǎn)生的邊界條件。因此，電荷密度波被形成為具有由等離子體感測(cè)元件的材料的電子特性、其幾何形狀、尺寸和圍繞等離子體感測(cè)元件的環(huán)境的材料特性設(shè)定的頻率/波長(zhǎng)/能量。作為例子，如果等離子體感測(cè)元件是具有在50-100nm的范圍內(nèi)的直徑的金納米谷狀物，則lspr一般出現(xiàn)在電磁波長(zhǎng)光譜的可見(jiàn)光部分中。

應(yīng)進(jìn)一步理解，lspr出現(xiàn)在電磁輻射與等離子體感測(cè)元件交互作用時(shí)。因此，增強(qiáng)的局部電磁場(chǎng)在等離子體感測(cè)元件的附近區(qū)域中產(chǎn)生。增強(qiáng)的場(chǎng)的增強(qiáng)強(qiáng)度和空間廣度取決于多個(gè)參數(shù)，例如等離子體感測(cè)元件的材料、尺寸、形狀和環(huán)境。增強(qiáng)的電場(chǎng)是有益的，因?yàn)樗岣叩入x子體感測(cè)元件的靈敏度，以便提供電池的充電狀態(tài)的更有效感測(cè)。

措辭“感測(cè)體積”應(yīng)被理解為由來(lái)自激發(fā)的局域表面等離子體共振的電磁場(chǎng)的空間擴(kuò)展界定的體積。應(yīng)理解，與感測(cè)體積有關(guān)的電磁輻射提供關(guān)于電池的充電狀態(tài)的信息。因?yàn)樵撾姶艌?chǎng)的空間擴(kuò)展取決于等離子體感測(cè)元件的細(xì)節(jié)、取決于圍繞等離子體感測(cè)元件的材料的特性和取決于與等離子體感測(cè)元件的幾何形狀有關(guān)的入射電磁場(chǎng)的方向，感測(cè)體積的體積取決于所有這些參數(shù)。為此目的，與激發(fā)的lspr有關(guān)的電磁場(chǎng)遠(yuǎn)離等離子體感測(cè)元件逐漸地、常常近似指數(shù)地下落，使得感測(cè)體積一般具有在10-100nm的長(zhǎng)度規(guī)模上的擴(kuò)展。因此，等離子體感測(cè)元件提供在電池內(nèi)的局部探測(cè)體積。

措辭“充電狀態(tài)”應(yīng)被解釋為電池的容量。也被稱(chēng)為電荷的狀態(tài)soc的充電狀態(tài)被定義為有進(jìn)一步放電的余地的電池的全容量的百分比。充電狀態(tài)通常用于調(diào)節(jié)電池的充電和放電。

換句話說(shuō)，電池的充電狀態(tài)與從積分電流方面來(lái)說(shuō)可從電池提取的直到在電池中沒(méi)有剩余有用的電荷時(shí)的電荷的數(shù)量有關(guān)，積分電流是電流相對(duì)時(shí)間的積分。完全充電的電池具有最大容量和由可從電池提取直到?jīng)]有電荷留下時(shí)的電流對(duì)時(shí)間的積分表示的最大充電狀態(tài)。在后一情況下，電池被完全放電。方便的標(biāo)記是說(shuō)完全充電的電池具有完全或?qū)嵸|(zhì)上100％充電的充電狀態(tài)。同樣，方便的標(biāo)記是說(shuō)完全放電的電池具有完全放電或?qū)嵸|(zhì)上0％充電的充電狀態(tài)。當(dāng)有用電荷的最大數(shù)量的一半保留在電池中時(shí)，它的充電狀態(tài)實(shí)質(zhì)上是50％充電。

等離子體感測(cè)元件可布置在電極材料內(nèi)的預(yù)定深度處，以及其中等離子體感測(cè)元件的感測(cè)體積覆蓋電極材料的一部分。

這是有利的，因?yàn)檫@個(gè)布置提供電池的充電狀態(tài)的有效感測(cè)。這被實(shí)現(xiàn)，因?yàn)楫?dāng)電池被充電或放電時(shí)，電極材料的成分例如通過(guò)離子的插入或移除和/或通過(guò)將電極的材料從一個(gè)狀態(tài)或成分轉(zhuǎn)換成另一狀態(tài)或成分的反應(yīng)過(guò)程而改變。這樣的組成變化與在電池的充電狀態(tài)中的變化相關(guān)，并伴隨有在組成改變的電極材料的介電常數(shù)中的變化。通過(guò)將等離子體感測(cè)元件布置在電極材料內(nèi)的預(yù)定深度處使得感測(cè)體積完全或部分地與組成改變的電極材料重疊，電池的充電狀態(tài)可被確定。換句話說(shuō)，電池的充電狀態(tài)改變電極材料的成分，這與電極材料的介電常數(shù)中的變化相關(guān)。在電極材料的介電常數(shù)中的變化進(jìn)一步改變等離子體感測(cè)元件的局域等離子體共振條件。因此，可通過(guò)分析例如光譜峰值位置和/或與局域等離子體共振條件有關(guān)的消光峰值的振幅來(lái)確定電池的充電狀態(tài)。

等離子體感測(cè)元件可布置在電解質(zhì)材料內(nèi)，且其中等離子體感測(cè)元件的感測(cè)體積覆蓋電解質(zhì)材料的一部分。

這是有利的，因?yàn)楫?dāng)電池被充電或放電時(shí)，電池電解質(zhì)材料的成分一般通過(guò)在電解質(zhì)材料中的離子濃度的增加或減小來(lái)改變。這樣的電解質(zhì)成分改變，這與在電池的充電狀態(tài)中的變化有關(guān)，還伴隨有在電解質(zhì)的介電常數(shù)中的變化。通過(guò)將等離子體感測(cè)元件布置在電解質(zhì)材料內(nèi)使得等離子體感測(cè)元件的感測(cè)體積覆蓋電解質(zhì)材料的一部分，電池充電傳感器將感測(cè)組成改變的電解質(zhì)，即組成變化將引起在局域等離子體共振條件中的變化，例如光譜峰值位置或消光峰值的振幅。通過(guò)檢測(cè)局域表面等離子體共振條件或?qū)@個(gè)條件的變化，可確定電池的充電狀態(tài)。

應(yīng)注意，上述實(shí)施方式允許通過(guò)在電解質(zhì)材料中或在電極材料中進(jìn)行感測(cè)來(lái)對(duì)電池的充電狀態(tài)進(jìn)行單獨(dú)分析。

電池充電傳感器還可包括布置在等離子體感測(cè)元件的外表面處的分離層。

分離層應(yīng)被理解為是保護(hù)電池充電傳感器的等離子體感測(cè)元件免于與圍繞等離子體感測(cè)元件的材料直接接觸的一層。分離層因此可防止等離子體感測(cè)元件與在電池充電傳感器的環(huán)境中的材料起反應(yīng)。分離層還可防止等離子體感測(cè)元件與存在于電池中的液體、氣體和/或固體材料起反應(yīng)或從其周?chē)氖挛镞M(jìn)入電池內(nèi)。因而可進(jìn)一步減輕結(jié)構(gòu)再成形和/或其它反應(yīng)例如等離子體感測(cè)元件的氧化或腐蝕。這是有利的，因?yàn)橐阎獙?duì)等離子體感測(cè)元件的形狀和/或尺寸和/或化學(xué)成分的變化可改變等離子體感測(cè)元件的局部表面等離子體激元條件。

根據(jù)本發(fā)明的布置可被描述為利用等離子體感測(cè)元件的間接感測(cè)。換句話說(shuō)，電池充電傳感器是間接的，因?yàn)榈入x子體感測(cè)元件與電池的周?chē)h(huán)境分離。

應(yīng)注意，分離層被制造得足夠薄，使得lspr的感測(cè)體積穿透分離層并感測(cè)在分離層外部的體積。

電池充電傳感器的分離層可布置成使得等離子體感測(cè)元件的感測(cè)體積覆蓋電極材料和/或電解質(zhì)材料的一部分。

這是有利的，因?yàn)橥ㄟ^(guò)選擇分離層的材料和/或尺寸，感測(cè)體積進(jìn)入電極材料和/或電解質(zhì)材料內(nèi)的程度可被調(diào)節(jié)。

電池還可包括布置在屏蔽層內(nèi)的額外等離子體感測(cè)元件，以及其中額外等離子體感測(cè)元件的感測(cè)體積在額外等離子體感測(cè)元件的屏蔽層內(nèi)。

額外等離子體感測(cè)元件因而布置在受控和/或保護(hù)性環(huán)境內(nèi)。

與分離層相反，屏蔽層應(yīng)被理解為足夠厚和/或具有材料特性的層，使得額外等離子體感測(cè)元件的感測(cè)體積在額外等離子體感測(cè)元件的屏蔽層內(nèi)，即感測(cè)體積實(shí)質(zhì)上不在屏蔽層之外延伸。局域等離子體共振條件于是只被等離子體感測(cè)元件其自身中的和/或屏蔽層中的、特別是它們的溫度的變化但不是被電池的充電狀態(tài)中的變化影響。這是有利的，因?yàn)槭褂闷帘螌樱梢灾粶y(cè)量溫度。因此，可提供例如電池的溫度的基準(zhǔn)或校準(zhǔn)，以便可提供更準(zhǔn)確的電池充電傳感器。

等離子體感測(cè)元件可以是圓盤(pán)、棒、線、橢圓形、多邊形、三角形、球形、立方形、星形、在薄金屬膜中的孔、納米殼、核殼微粒、納米谷狀物或納米環(huán)。

等離子體感測(cè)元件可包括半導(dǎo)體和/或金屬。

應(yīng)理解，半導(dǎo)體應(yīng)包括多個(gè)自由電荷載流子，即電子和/或孔穴，使得半導(dǎo)體等離子體感測(cè)元件可提供lspr條件。這可例如通過(guò)摻雜半導(dǎo)體來(lái)實(shí)現(xiàn)。

半導(dǎo)體材料可例如包括硅、鍺、碳和/或iii-v半導(dǎo)體材料。這些是在便于等離子體感測(cè)元件的制造的材料科學(xué)和半導(dǎo)體技術(shù)中的所有已知的材料，例如標(biāo)準(zhǔn)外延生長(zhǎng)和處理技術(shù)可被使用。

金屬可選自由ag、au、cu、al、mg、ni、pd和pt組成的組或包括從該組選擇的至少一種金屬的合金。

這些材料已知提供在電磁光譜的紫外-可見(jiàn)-近紅外光uv-vis-nir波長(zhǎng)范圍內(nèi)的lspr。因此，標(biāo)準(zhǔn)光學(xué)技術(shù)可用于激發(fā)并檢測(cè)等離子體感測(cè)元件的lspr。

可通過(guò)根據(jù)上面給出的等離子體感測(cè)元件的所公開(kāi)的材料、形狀和/或尺寸而變化來(lái)改變電池充電傳感器的光學(xué)特性。因此，可調(diào)節(jié)lspr條件，以便提供lspr出現(xiàn)的、在期望波長(zhǎng)范圍內(nèi)的特定的光波長(zhǎng)。

分離層可包括選自包括金屬氧化物、金屬碳化物或金屬氮化物、半導(dǎo)體氧化物或半導(dǎo)體氮化物或半導(dǎo)體碳化物、絕緣體和聚合物的材料的組的材料。這是有利的，因?yàn)榭商峁┛杀Ｗo(hù)等離子體感測(cè)元件的分離層。因此電池充電傳感器的多用性增加了。

電池充電傳感器還可包括可增加充電電池傳感器的可靠性和精確度的多個(gè)等離子體感測(cè)元件。多個(gè)等離子體感測(cè)元件可被實(shí)現(xiàn)，因?yàn)楹芏囝?lèi)似的等離子體感測(cè)元件被放置在電池中的不同位置處，以便提供關(guān)于在這些不同位置處的充電狀態(tài)和溫度的信息，并因而給出電池充電狀態(tài)或溫度的更完整的描述。多個(gè)等離子體感測(cè)元件也可被實(shí)現(xiàn)為具有不同的感測(cè)特性的很多不同的等離子體感測(cè)元件，這些感測(cè)特性提供關(guān)于更詳細(xì)的信息的優(yōu)點(diǎn)和補(bǔ)償或消除擾動(dòng)信號(hào)的提高了的機(jī)會(huì)。

分離層可具有在0.5到150nm的范圍內(nèi)的厚度。這是有利的，因?yàn)橐蚨峁┝诉@樣的分離層，其保護(hù)等離子體感測(cè)元件同時(shí)允許等離子體感測(cè)元件的感測(cè)體積覆蓋在分離層外部的體積。等離子體感測(cè)元件可因而感測(cè)在分離層外部的位置處的電池的充電狀態(tài)。

根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供了用于確定電池的充電狀態(tài)的系統(tǒng)。系統(tǒng)包括：根據(jù)上述實(shí)施方式中的任一個(gè)所述的電池；電磁輻射源，其布置成照射電池充電傳感器的等離子體感測(cè)元件，使得等離子體感測(cè)元件展示局域表面等離子體共振條件；以及檢測(cè)器，其布置成檢測(cè)與等離子體感測(cè)元件的局域表面等離子體共振條有關(guān)的電磁輻射；處理單元，其布置成分析所檢測(cè)的電磁輻射以確定電池的充電狀態(tài)。

用于確定電池的充電狀態(tài)的系統(tǒng)因而可在感測(cè)電池的充電狀態(tài)時(shí)利用電池充電傳感器的可靠性和魯棒性。此外通過(guò)檢測(cè)與等離子體感測(cè)元件的局域表面等離子體共振條件有關(guān)的電磁輻射來(lái)提供用于監(jiān)控lspr和lspr的變化的有效系統(tǒng)。電池充電傳感器還可使用例如常規(guī)光學(xué)特征化技術(shù)例如透射和/或反射測(cè)量來(lái)提供電池的充電狀態(tài)的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)感測(cè)。

根據(jù)本發(fā)明的第三方面，提供了用于確定電池的充電狀態(tài)的方法。該方法包括提供根據(jù)上述實(shí)施方式中的任一個(gè)所述的電池，借助于電磁輻射源照射電池充電傳感器的等離子體感測(cè)元件，使得等離子體感測(cè)元件展示局域表面等離子體共振條件，借助于檢測(cè)器檢測(cè)與等離子體感測(cè)元件的局域表面等離子體共振條件有關(guān)的電磁輻射，借助于處理單元分析所檢測(cè)的電磁輻射來(lái)確定電池的充電狀態(tài)。

通常，本發(fā)明的第二方面和第三方面的特征提供了與本發(fā)明的第一方面有關(guān)的如上面討論的類(lèi)似優(yōu)點(diǎn)。

當(dāng)研究所附權(quán)利要求和下面的描述時(shí)，本發(fā)明的另外的特征和優(yōu)點(diǎn)將變得明顯。技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到，本發(fā)明的不同特征可組合以產(chǎn)生除了在下文中所述的實(shí)施方式以外的實(shí)施方式，而不偏離本發(fā)明的范圍。

附圖的簡(jiǎn)要說(shuō)明

現(xiàn)在將參考示出本發(fā)明的實(shí)施方式的附圖更詳細(xì)描述本發(fā)明的這個(gè)和其它方面。附圖不應(yīng)被考慮為將本發(fā)明限制到特定的實(shí)施方式；替代地，它們用于解釋并理解本發(fā)明。

圖1是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式的電池的示意頂視圖。

圖2是根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施方式的電池的示意頂視圖。

圖3是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式的用于確定電池的充電狀態(tài)的系統(tǒng)的示意圖。

圖4是示出根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式的用于確定電池的充電狀態(tài)的方法的示意流程圖。

詳細(xì)描述

下文現(xiàn)在將參考附圖更充分描述本發(fā)明，其中示出本發(fā)明的當(dāng)前優(yōu)選的實(shí)施方式。然而本發(fā)明可體現(xiàn)在很多不同的形式中，且不應(yīng)被解釋為被限制到本文闡述的實(shí)施方式；更確切地，這些實(shí)施方式是為了徹底性和完整性而被提供，且將本發(fā)明的范圍充分傳達(dá)給技術(shù)人員。

本發(fā)明的基本思想是提供具有電池充電傳感器的電池，使得電池的充電狀態(tài)可被確定。通過(guò)提供具有電池充電傳感器的電池，提供了用于確定電池的充電狀態(tài)的可靠的和穩(wěn)定的布置。電池充電傳感器此外是緊湊的并具有低成本和低復(fù)雜性。

接下來(lái)，將參考圖1描述根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的電池100。圖1示出電池100的頂視圖。電池100包括具有電極材料102a和102b的兩個(gè)電極、電解質(zhì)材料104和電池充電傳感器106。電池充電傳感器106包括等離子體感測(cè)元件108，其具有在電池100內(nèi)的感測(cè)體積110并在使用電磁輻射來(lái)照射時(shí)根據(jù)電池100的充電狀態(tài)展示局域表面等離子體共振條件。

作為例子，電池可以是鉛(鉛酸)電池。對(duì)于這樣的電池，當(dāng)它被較少充電或完全放電時(shí)，電極材料102a和102b比當(dāng)電池被較多充電或完全充電時(shí)包括硫酸鉛pbso4的更大部分。相應(yīng)地，對(duì)于較多充電或完全充電的電池，陽(yáng)極電極材料102a包括氧化鉛pbo2，且陰極電極材料102b比對(duì)于較少充電或完全放電的電池在更大程度上包括鉛pb。

對(duì)于較少充電或完全放電的電池，電解質(zhì)材料104基本上轉(zhuǎn)換成水，而對(duì)于較多充電或完全充電的電池，電解質(zhì)材料104基本上轉(zhuǎn)變成硫酸h2so4。因?yàn)殡姌O材料102a和102b以及還有電解質(zhì)材料104都在成分上和它們的各自介電常數(shù)根據(jù)電池的充電狀態(tài)而改變，本發(fā)明允許通過(guò)利用等離子體感測(cè)元件探測(cè)電極和電解質(zhì)材料來(lái)確定電池的充電狀態(tài)。

應(yīng)注意，探測(cè)電極材料和電解質(zhì)材料是有利的，因?yàn)椴煌牟牧峡蓴y帶關(guān)于電池的充電狀態(tài)的局部信息，該局部信息可以是補(bǔ)充的。

本發(fā)明不限于上面公開(kāi)的電池類(lèi)型，且電池可以例如是鋰離子電池或金屬氫化物電池。對(duì)于鋰離子電池，充電和放電由鋰離子到陽(yáng)極電極材料和陰極電極材料內(nèi)的插入或從陽(yáng)極電極材料和陰極電極材料的提取來(lái)表示，其中伴隨有電解質(zhì)材料的變化。

在上面給出的例子中，等離子體感測(cè)元件是金圓盤(pán)。圓盤(pán)可具有在范圍5-500nm的范圍內(nèi)的圓盤(pán)直徑。等離子體感測(cè)元件的高度也可在5-100nm的范圍內(nèi)變化。

根據(jù)其它實(shí)施方式，等離子體感測(cè)元件108可具有不同的形狀和尺寸。

而且，進(jìn)一步提供了由緊湊的二氧化硅sio2構(gòu)成的分離層112，見(jiàn)圖1。選擇上面給出的這些材料，以便提供包括等離子體感測(cè)元件108的有效的電池充電傳感器106，等離子體感測(cè)元件108具有l(wèi)spr條件，使得它們的諧振出現(xiàn)在電磁光譜的可見(jiàn)光或近可見(jiàn)光區(qū)中。將在下文中例示本發(fā)明的其它實(shí)施方式。

可通過(guò)在納米技術(shù)中的很多不同的公認(rèn)方法來(lái)制造等離子體感測(cè)元件。用于制造等離子體感測(cè)元件的方法的例子是電子束光刻法、沖壓、壓印、膠體光刻法和被稱(chēng)為孔掩模光刻法的特殊版本。方法的選擇取決于例如等離子體感測(cè)元件的尺寸、形狀、材料以及等離子體感測(cè)元件是否例如沉積在襯底上。方法的選擇還取決于成本方面。

應(yīng)注意，感測(cè)體積110是由來(lái)自激發(fā)的局域表面等離子體共振lspr的電磁場(chǎng)的空間擴(kuò)展界定的體積。應(yīng)理解，與感測(cè)體積110有關(guān)的電磁輻射提供關(guān)于電池100的充電狀態(tài)的信息。因?yàn)殡姶艌?chǎng)的空間擴(kuò)展取決于等離子體感測(cè)元件106的細(xì)節(jié)、取決于圍繞等離子體感測(cè)元件的材料的特性和取決于與等離子體感測(cè)元件106的幾何形狀有關(guān)的入射電磁場(chǎng)的方向，感測(cè)體積110的體積取決于所有這些參數(shù)。為此目的，與激發(fā)的lspr有關(guān)的電磁場(chǎng)遠(yuǎn)離等離子體感測(cè)元件106逐漸地、常常近似指數(shù)地下落，使得感測(cè)體積一般具有在10-100nm的長(zhǎng)度規(guī)模上的擴(kuò)展。因此，等離子體感測(cè)元件106提供在電池100內(nèi)的局部探測(cè)體積。

分離層112是同時(shí)分離感測(cè)元件與外部化學(xué)品或材料并防止等離子體感測(cè)元件與這樣的材料和氣體起反應(yīng)或被這樣的材料和氣體修改的一層。分離層足夠薄，使得來(lái)自lspr激發(fā)的電磁場(chǎng)在分離層外部延伸并感測(cè)在分離層112外部的介質(zhì)變化。換句話說(shuō)，感測(cè)體積110在分離層112外部延伸。

分離層112可以是滿足上面給出的要求的任何介質(zhì)材料，例如金屬氧化物、氮化物或碳化物或聚合物或其它材料。通過(guò)各種薄膜沉積方法例如物理氣相沉積方法pvd、化學(xué)氣相沉積cvd方法、電化學(xué)方法例如電沉積或陽(yáng)極氧化方法或旋涂方法來(lái)沉積分離層112。存在也可被使用的用于薄膜沉積或?qū)映练e的多種其它的或?qū)Ｓ玫姆椒?，例如原子層沉積ald和原子層外延ale。

根據(jù)其它實(shí)施方式，等離子體感測(cè)元件可相對(duì)于電極和電解質(zhì)布置在不同的位置處，以便得到關(guān)于電池的電荷狀態(tài)的補(bǔ)充信息。例如，等離子體感測(cè)元件可放置在電極材料的表面上并設(shè)置有分離等離子體感測(cè)元件與電極材料的第一分離層。而且，比第一分離層厚的第二分離層可布置在與電極材料的表面相對(duì)地布置的等離子體感測(cè)元件的表面上。通過(guò)這個(gè)布置，等離子體感測(cè)元件的感測(cè)體積可布置成使得它與電極材料重疊，但不與電解質(zhì)材料重疊。這導(dǎo)致等離子體感測(cè)元件可感測(cè)并檢測(cè)例如電極材料的材料成分或材料成分中的變化例如介電常數(shù)的變化，但不是在電解質(zhì)材料的成分或成分中的變化。

根據(jù)另一實(shí)施方式，等離子體感測(cè)元件可布置成使得較厚的第二分離層布置在感測(cè)元件和電極材料之間，而較薄的分離層布置在等離子體感測(cè)元件和電解質(zhì)材料之間。這個(gè)布置允許感測(cè)電解質(zhì)材料的材料成分和/或材料成分中的變化。

根據(jù)又一實(shí)施方式，多個(gè)等離子體感測(cè)元件被提供并布置成使得電解質(zhì)材料和電極材料的材料成分和/或材料成分中的變化被感測(cè)到。因此，可在電池中的不同位置處提供關(guān)于電池的充電狀態(tài)的信息。

再次參考圖1，電池100還包括布置在屏蔽層116內(nèi)的額外等離子體感測(cè)元件114。屏蔽層116布置成使得額外等離子體感測(cè)元件114的感測(cè)體積118在額外等離子體感測(cè)元件114的屏蔽層116內(nèi)。

屏蔽層的作用是將感測(cè)體積限制為位于在屏蔽層內(nèi)部的體積內(nèi)。因此，來(lái)自lspr的電磁場(chǎng)不到達(dá)屏蔽層外部，且因此在屏蔽層外部的介質(zhì)材料的材料成分或材料成分中的變化不被感測(cè)到。這允許例如僅測(cè)量溫度而沒(méi)有來(lái)自其它變化的干擾，因?yàn)榈入x子體感測(cè)元件的lspr條件可通過(guò)溫度中的變化而改變。屏蔽層可以是實(shí)現(xiàn)與分離層相同的功能的任何材料，因?yàn)樗乐乖谥車(chē)挛锖皖~外等離子體感測(cè)元件之間的任何交互作用或反應(yīng)，但此外足夠厚，使得在屏蔽層外部的變化未被感測(cè)到。因此，然后經(jīng)由溫度對(duì)lspr條件的影響來(lái)感測(cè)與感測(cè)層本身的溫度和屏蔽層的溫度有關(guān)的變化。如果屏蔽層的介電常數(shù)被選擇為使得它的介電常數(shù)高度取決于溫度，溫度敏感度可增強(qiáng)。

當(dāng)經(jīng)由電極材料變化和/或經(jīng)由電解質(zhì)變化而感測(cè)電池充電狀態(tài)變化時(shí)以及此外還當(dāng)感測(cè)電池溫度時(shí)，電池充電傳感器因而可利用電池傳感器的可靠性和魯棒性。此外通過(guò)檢測(cè)由電池充電傳感器散射和/或反射和/或通過(guò)電池充電傳感器透射的電磁輻射，來(lái)提供用于監(jiān)控lspr和lspr的變化的有效系統(tǒng)。電池充電傳感器還可使用例如常規(guī)光學(xué)特征化技術(shù)例如透射和/或反射測(cè)量來(lái)提供遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)電池感測(cè)。當(dāng)電池充電狀態(tài)經(jīng)由電極材料變化和/或經(jīng)由電解質(zhì)變化而改變時(shí)以及此外感測(cè)電池溫度時(shí)，電池充電傳感器因而可利用等離子體感測(cè)元件的可靠性和魯棒性。

根據(jù)另一實(shí)施方式，電池充電傳感器還可包括可增加電池充電傳感器的可靠性和精確度的多個(gè)等離子體感測(cè)元件。包括多個(gè)等離子體感測(cè)元件的電池充電傳感器可被稱(chēng)為復(fù)用電池充電傳感器。

為了這個(gè)目的，復(fù)用在這里應(yīng)被理解為多個(gè)等離子體感測(cè)元件，其中每個(gè)等離子體感測(cè)元件可在它對(duì)它意欲測(cè)量的充電狀態(tài)的響應(yīng)方面稍微不同?？衫缤ㄟ^(guò)將很多不同的等離子體感測(cè)元件放置在電池充電傳感器中來(lái)實(shí)現(xiàn)復(fù)用，其中每個(gè)等離子體感測(cè)元件經(jīng)由例如在電池內(nèi)的材料(例如電極材料和電解質(zhì)材料)的材料成分中的變化而具有對(duì)在電池的充電狀態(tài)中的變化的不同響應(yīng)。

根據(jù)另一實(shí)施方式，電池充電傳感器可包括額外的感測(cè)元件，其具有屏蔽層和具有在電極材料和相應(yīng)的感測(cè)元件之間的分離層的等離子體感測(cè)元件。在這樣的布置中，額外的等離子體感測(cè)元件可以只測(cè)量溫度，而等離子體感測(cè)元件可測(cè)量溫度和電池充電狀態(tài)的組合效應(yīng)。通過(guò)使用來(lái)自只測(cè)量溫度的額外感測(cè)元件的信息，也許可能對(duì)溫度效應(yīng)補(bǔ)償來(lái)自等離子體感測(cè)元件的信號(hào)，使得電池的充電狀態(tài)可以以更好的準(zhǔn)確度來(lái)得到。這個(gè)原理可進(jìn)一步擴(kuò)展到包括多個(gè)不同的感測(cè)元件，其中每個(gè)測(cè)量一個(gè)或幾個(gè)特性以及其中來(lái)自多個(gè)傳感器元件的至少一部分的組合信息可用于通過(guò)該復(fù)用方法來(lái)提取關(guān)于電池的充電狀態(tài)的特定的期望信息。

對(duì)復(fù)用的一個(gè)原因是測(cè)量很多不同的量，其一起給出關(guān)于電池充電狀態(tài)的更精確信息。例如，如果電池充電傳感器具有感測(cè)體積擴(kuò)展到電池的不同部分的很多不同的等離子體感測(cè)元件，則如一個(gè)等離子體感測(cè)元件只感測(cè)電解質(zhì)材料，一個(gè)只感測(cè)電極材料，而一個(gè)額外的等離子體感測(cè)元件不感測(cè)這些材料中的任一個(gè)但通過(guò)屏蔽層的使用而只感測(cè)溫度，這是三聯(lián)法的例子。

圖2示出根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施方式的電池200。電池200包括兩個(gè)電極材料102a和102b、電解質(zhì)材料104和兩個(gè)電池充電傳感器206和306。電池充電傳感器206包括布置在電極材料102a內(nèi)的預(yù)定深度處的等離子體感測(cè)元件208，以及其中等離子體感測(cè)元件208的感測(cè)體積210覆蓋電極材料102a的一部分。電池充電傳感器206還包括分離層112。

本領(lǐng)域中的技術(shù)人員應(yīng)認(rèn)識(shí)到，電極材料102a和102b可以是相同的材料或不同的材料，取決于電池的類(lèi)型。

電池電極是電池的基本結(jié)構(gòu)基石。當(dāng)電池的充電狀態(tài)改變時(shí)，電池電極的成分和介電常數(shù)也改變。因此，排他地測(cè)量電池電極的變化的lspr測(cè)量是有價(jià)值的，且在很多情況下足以得到期望充電狀態(tài)信息。

當(dāng)電池未完全充電且未完全放電時(shí)，電池電極在它的成分上不是同質(zhì)的。如果電池電極的局部成分在很多不同的位置處例如在電池電極內(nèi)的不同預(yù)定深度處被測(cè)量，則其因此可能是有利的，且其提供關(guān)于電池充電狀態(tài)的更精確信息，。這可以用很多不同的方式實(shí)現(xiàn)。一種方式是將等離子體感測(cè)元件插在電池電極內(nèi)的不同預(yù)定深度處。另一方式是用電極材料的楔形涂層涂覆等離子體感測(cè)元件，使得感測(cè)元件的每個(gè)位置具有在等離子體感測(cè)元件和電解質(zhì)材料之間的電極材料的不同電極厚度。光學(xué)照明和檢測(cè)系統(tǒng)然后布置成使得得到關(guān)于不同的楔厚度的局部/空間信息。

電池200還包括等離子體感測(cè)元件308，其布置在電解質(zhì)材料104內(nèi)，以及其中等離子體感測(cè)元件308的感測(cè)體積310覆蓋電解質(zhì)材料104的一部分。這是有利的，因?yàn)殡姵氐某潆姞顟B(tài)取決于電解質(zhì)成分。例如，在鉛酸電池中，當(dāng)電池從完全充電轉(zhuǎn)變到完全放電的過(guò)程中，成分從基本上硫酸改變成基本上水。如果等離子體感測(cè)元件放置成使得它的感測(cè)體積與電解質(zhì)重疊，則電解質(zhì)的這個(gè)成分變化伴隨有可由lspr測(cè)量的介質(zhì)變化。只對(duì)電解質(zhì)的測(cè)量因此可提供關(guān)于電池的充電狀態(tài)的足夠信息。

應(yīng)注意，根據(jù)其它實(shí)施方式，電池充電傳感器可以不包括分離層。這簡(jiǎn)化了電池充電傳感器的制造。

根據(jù)另一實(shí)施方式，電池充電傳感器包括等離子體感測(cè)元件的布置，使得它們測(cè)量在一個(gè)或幾個(gè)電極上的很多不同位置處的充電狀態(tài)。這代表優(yōu)點(diǎn)，因?yàn)槌潆姞顟B(tài)可在電池電極上的不同位置處和在不同的電極之間改變。

等離子體感測(cè)元件可根據(jù)其它實(shí)施方式被成形為棒、線、橢圓形、多邊形、三角形、球形、立方形、星形、在薄金屬膜中的孔、納米殼、核殼微粒、納米谷狀物或納米環(huán)。

應(yīng)注意，額外等離子體感測(cè)元件可包括與上面關(guān)于等離子體感測(cè)元件公開(kāi)的相同的材料并具有相同的形狀。

等離子體感測(cè)元件可包括半導(dǎo)體和/或金屬。應(yīng)理解，半導(dǎo)體包括多個(gè)自由電荷載流子，即電子和/或孔，使得基于半導(dǎo)體的等離子體感測(cè)元件可提供lspr條件。這可例如通過(guò)半導(dǎo)體的摻雜來(lái)實(shí)現(xiàn)。半導(dǎo)體材料可例如包括硅、碳和/或iii-v半導(dǎo)體材料。這些是在便于電池充電傳感器的制造的材料科學(xué)和半導(dǎo)體技術(shù)中的所有已知的材料，例如標(biāo)準(zhǔn)外延生長(zhǎng)和處理技術(shù)可被使用。

金屬還可選自包括ag、au、cu、al、mg、ni、pd和pt的組或包括從該組選擇的至少一種金屬的合金。這些材料已知提供在電磁光譜的紫外-可見(jiàn)-近紅外光uv-vis-nir波長(zhǎng)范圍內(nèi)的lspr。因此，標(biāo)準(zhǔn)光學(xué)技術(shù)可用于激發(fā)并檢測(cè)等離子體感測(cè)元件的lspr，這簡(jiǎn)化了在lspr條件中的變化的檢測(cè)。

本領(lǐng)域中的技術(shù)人員應(yīng)理解，也可使用提供lspr的其它金屬。

本領(lǐng)域中的技術(shù)人員還認(rèn)識(shí)到，可通過(guò)根據(jù)所公開(kāi)的材料改變上面給出的等離子體感測(cè)元件的形狀和/或尺寸來(lái)改變電池充電傳感器的電磁特性。因此，可調(diào)節(jié)lspr條件，以便提供出現(xiàn)lspr的、在期望波長(zhǎng)范圍的特定的光波長(zhǎng)。

為此目的，電池充電傳感器可包括不同材料的并具有不同的形狀和/或尺寸的多個(gè)等離子體感測(cè)元件。相應(yīng)地，不同等離子體感測(cè)元件的lspr可以是不同的，這簡(jiǎn)化了不同等離子體感測(cè)元件的識(shí)別和分析。

圖3示出根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式的用于確定電池100的充電狀態(tài)的系統(tǒng)400。系統(tǒng)包括：電池100；電磁輻射源402，其布置成照射電池充電傳感器106的等離子體感測(cè)元件108，使得等離子體感測(cè)元件108展示局域表面等離子體共振條件。系統(tǒng)400還包括：檢測(cè)器404，其布置成檢測(cè)與等離子體感測(cè)元件108的局域表面等離子體共振條件有關(guān)的電磁輻射；以及處理單元406，其布置成分析所檢測(cè)的電磁輻射以確定電池100的充電狀態(tài)。

處理單元406可相應(yīng)地用于確定與等離子體感測(cè)元件的lspr條件有關(guān)的散射和/或反射和/或透射光。用于確定電池的充電狀態(tài)的系統(tǒng)400因而可在確定電池100的充電狀態(tài)時(shí)利用電池充電傳感器的可靠性和魯棒性。此外通過(guò)檢測(cè)由電池充電傳感器散射和/或反射和/或通過(guò)電池充電傳感器透射的電磁輻射來(lái)提供用于監(jiān)控lspr和lspr的變化的有效系統(tǒng)

應(yīng)注意，用于確定電池的充電狀態(tài)的系統(tǒng)可布置成通過(guò)使用在空間上和/或在光譜上解析的光譜和/或成像技術(shù)來(lái)監(jiān)控等離子體感測(cè)元件和/或多個(gè)等離子體感測(cè)元件的至少一個(gè)lspr。

用于照射電池充電傳感器106的電磁輻射源402可以是寬帶照明源，例如包括在紫外到紅外波長(zhǎng)范圍內(nèi)的電磁輻射的白光。這樣的照明源提供對(duì)電池充電傳感器106的等離子體感測(cè)元件的lspr的有效的激發(fā)和光譜分析。電磁輻射源402進(jìn)一步使使用常規(guī)光學(xué)部件(例如透鏡和反射鏡)變得可能，并允許簡(jiǎn)單和較不昂貴的儀器。作為例子，標(biāo)準(zhǔn)硅檢測(cè)器可用于檢測(cè)lspr和lspr的變化。

使用用于確定電池100的充電狀態(tài)的系統(tǒng)400，由電池充電傳感器106反射和/或通過(guò)電池充電傳感器106透射的光由檢測(cè)器404獲取。通過(guò)使用處理單元406和常規(guī)方法來(lái)得到與等離子體感測(cè)元件108的lspr的激發(fā)有關(guān)的消光光譜(未示出)，以例如標(biāo)準(zhǔn)化來(lái)自電磁輻射源402的光。

消光光譜具有從對(duì)等離子體感測(cè)元件108、在電池401中使用的材料和電池401的充電狀態(tài)的選擇產(chǎn)生的典型特征。消光光譜可通過(guò)參數(shù)(例如光譜的中心波長(zhǎng)和峰值強(qiáng)度以及半高寬)來(lái)描述。半高寬例如與等離子體感測(cè)元件108的lspr的減弱有關(guān)。可通過(guò)分析消光光譜由處理單元406確定參數(shù)，且從這些中可確定電池的充電狀態(tài)?？筛鶕?jù)一個(gè)實(shí)施方式使用電池的至少一個(gè)已知的充電狀態(tài)來(lái)校準(zhǔn)系統(tǒng)。

本領(lǐng)域中的技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到，其它類(lèi)型的光學(xué)過(guò)程，例如散射和吸收，可替代地被監(jiān)控，以便檢測(cè)lspr條件，使得電池的充電狀態(tài)可被確定。

應(yīng)注意，在其它實(shí)施方式中，可從下列項(xiàng)中的至少一個(gè)來(lái)確定充電狀態(tài)：諧振頻率的特殊位置、光學(xué)橫截面的振幅和lspr條件的減弱或?qū)@些中的任一個(gè)的變化。電磁輻射源402也可提供單色光，其可通過(guò)使用寬帶源和光纖或單色儀或窄帶發(fā)光二極管或激光器來(lái)得到。

電磁輻射源402此外可布置成照射電池充電傳感器的額外等離子體感測(cè)元件，使得額外等離子體感測(cè)元件展示局域表面等離子體共振條件。

圖4是示出用于確定根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式的電池的充電狀態(tài)的方法500的示意流程圖。該方法包括提供502根據(jù)上述實(shí)施方式中的任一個(gè)的電池，借助于電磁輻射源照射504電池充電傳感器的等離子體感測(cè)元件，使得等離子體感測(cè)元件展示局域表面等離子體共振條件，借助于檢測(cè)器檢測(cè)506與等離子體感測(cè)元件的局域表面等離子體共振條件有關(guān)的電磁輻射，借助于處理單元分析508所檢測(cè)的電磁輻射以確定電池的充電狀態(tài)。

該方法還包括下列步驟：借助于電磁輻射源照射電池充電傳感器的額外等離子體感測(cè)元件，使得額外等離子體感測(cè)元件展示局域表面等離子體共振條件，以及借助于檢測(cè)器檢測(cè)與額外等離子體感測(cè)元件的局域表面等離子體共振條件有關(guān)的電磁輻射。

通常，根據(jù)本發(fā)明的方法的特征，提供與上面關(guān)于包括電池充電傳感器的電池和上述用于確定電池的充電狀態(tài)的系統(tǒng)所討論的類(lèi)似的優(yōu)點(diǎn)。

本領(lǐng)域中的技術(shù)人員認(rèn)識(shí)到，本發(fā)明決不限于上面所述的優(yōu)選實(shí)施方式。相反，很多修改和變化可能在所申請(qǐng)的權(quán)利要求的范圍內(nèi)。

此外，從附圖、本公開(kāi)和所附權(quán)利要求的學(xué)習(xí)，對(duì)所公開(kāi)的實(shí)施方式的變化可由技術(shù)人員在實(shí)施所主張的發(fā)明時(shí)理解和實(shí)現(xiàn)。而且，在附圖和說(shuō)明書(shū)中，公開(kāi)了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式和例子，且雖然使用特定的術(shù)語(yǔ)，但是它們僅在一般和描述性意義上被使用，而不是為了限制的目的，本發(fā)明的范圍在下面的權(quán)利要求中被闡述。在權(quán)利要求中，詞“包括”并不排除其它元素或步驟，以及不定冠詞“a”或“an”并不排除多個(gè)。