-
Informationen zur Priorität
-
Diese Anmeldung beansprucht den Vorteil und die Priorität der vorläufigen
US-Anmeldung Nr. 63/479,172 mit dem Titel „Electrical Methods for Structural Defect Detection in Battery Cells“ (Elektrische Verfahren zur Erkennung struktureller Defekte in Batteriezellen), die am 9. Januar 2023 eingereicht wurde und hiermit durch Bezugnahme in vollem Umfang aufgenommen wird, als ob sie hierin vollständig und umfassend dargelegt wäre.
-
Gebiet der Erfindung
-
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Herstellung und Defekterkennung von Batteriezellen.
-
Beschreibung des Standes der Technik
-
Ein typischer Arbeitsablauf bei der Herstellung von Batteriezellen umfasst die Herstellung, Formierung und Alterung der Zellen. Die Ausbeute bei der Herstellung von Batteriezellen liegt typischerweise unter 80 %, was auf die Variabilität der beteiligten elektrochemischen Prozesse zurückzuführen ist, und diese Ausbeute ist nur schwer zu verbessern. Außerdem sind Formation und Alterung zeitaufwändige Prozesse, die mehrere Tage in Anspruch nehmen. Zur Alterung gehören wiederholte Messungen der Zellen, um Defekte zu erkennen, die jedoch schwer zu entdecken sind und ein erhebliches Risiko für die Produktleistung und -sicherheit darstellen können. Die derzeitigen Implementierungen zur Lösung dieser Probleme sind in großem Maßstab unerschwinglich. In Batteriezellenfabriken werden Geräte und Infrastruktur eingesetzt, um eine riesige Anzahl von Zellen zu recyceln und zu altern, bei voller Kapazität möglicherweise Millionen. Dementsprechend sind Verbesserungen auf diesem Gebiet, insbesondere bei der Erkennung von Defekten in Batteriezellen, wünschenswert.
-
Zusammenfassung der Erfindung
-
Hierin werden verschiedene Ausführungsformen von Systemen, Verfahren und Geräten zur Charakterisierung eines Defekts eines zu testenden Geräts (DUT) vorgestellt. Das DUT kann eine Batteriezelle oder eine andere Art von DUT sein.
-
In einigen Ausführungsformen wird eine erste Messung einer ersten Größe am DUT durchgeführt, bevor eine erste Operation am DUT vorgenommen wird. Die Durchführung der ersten Messung liefert ein erstes Ergebnis.
-
In einigen Ausführungsformen wird die erste Operation am DUT durchgeführt.
-
In einigen Ausführungsformen wird nach der Durchführung der ersten Operation am DUT eine zweite Messung der ersten Größe am DUT durchgeführt. Die Durchführung der zweiten Messung erzeugt ein zweites Ergebnis.
-
In einigen Ausführungsformen wird eine Defektklasse für das DUT aus einer Vielzahl von Defektklassen zumindest teilweise auf der Grundlage einer Differenz zwischen dem ersten und dem zweiten Ergebnis bestimmt. Die mehreren Defektklassen können sich auf Defekte in verschiedenen Bereichen des DUTs beziehen.
-
Diese Zusammenfassung soll einen kurzen Überblick über einen Teil des in diesem Dokument beschriebenen Gegenstandes geben. Dementsprechend sind die oben beschriebenen Merkmale nur Beispiele und sollten nicht so ausgelegt werden, dass sie den Umfang oder den Geist des hier beschriebenen Gegenstandes in irgendeiner Weise einschränken. Weitere Merkmale, Aspekte und Vorteile des hierin beschriebenen Gegenstands werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung, den Abbildungen und den Ansprüchen ersichtlich.
-
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
-
Ein besseres Verständnis der vorliegenden Erfindung ergibt sich, wenn die folgende detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform in Verbindung mit den folgenden Zeichnungen betrachtet wird, in denen:
- 1 illustriert einen Produktionsablauf für Batteriezellen gemäß einigen Ausführungsformen;
- 2 zeigt ein Computersystem, das mit einem Steuergerät gekoppelt ist, gemäß einigen Ausführungsformen;
- 3 ist ein grundlegendes Blockdiagramm eines Computersystems gemäß einigen Ausführungsformen;
- 4 ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zur Charakterisierung einer Defektklasse für ein zu testendes Gerät (DUT) gemäß einigen Ausführungsformen illustriert;
- 5 ist eine schematische Darstellung eines Zellformationsaufbaus gemäß einigen Ausführungsformen;
- 6 ist ein Schaltkreisdiagramm, das einen Aufbau zur Charakterisierung einer Defektklasse eines DUT gemäß einigen Ausführungsformen illustriert;
- 7 zeigt ein Beispiel für den Aufbau einer Batteriezelle mit einer an einer Anodenfolie befestigten Laschenplatte, gemäß einigen Ausführungsformen;
- 8 veranschaulicht ein Beispiel für einen angezeigten elektrochemischen Prozessverteiler (EPM), gemäß einigen Ausführungsformen; und
- 9 zeigt zwei verschiedene EPMs, die vor und nach der Durchführung einer Operation an einem DUT konstruiert wurden, gemäß einigen Ausführungsformen.
-
Obwohl die Erfindung vielfältig abgeändert und in alternative Formen gebracht werden kann, sind in den Zeichnungen konkrete Ausführungsformen davon beispielhaft dargestellt und werden hierin ausführlich beschrieben. Es sollte jedoch verstanden werden, dass die Zeichnungen und die detaillierte Beschreibung nicht dazu gedacht sind, die Erfindung auf die besondere Form zu beschränken, die offenbart wurde, sondern im Gegenteil, die Absicht ist, alle Modifikationen, Äquivalente und Alternativen abzudecken, die in den Geist und den Umfang der vorliegenden Erfindung fallen, wie durch die beigefügten Ansprüche definiert.
-
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
-
Abkürzungen
-
Im Folgenden sind die in der vorliegenden Anmeldung verwendeten Abkürzungen aufgeführt:
- EPM
- Elektrochemischer Prozessverteiler
- DUT
- Zu testendes Gerät
- SUT
- Zu testendes System
- AC
- Wechselstrom
- IGBT
- Bipolarer Transistor mit isoliertem Gate
- ADC
- Analog-Digital-Wandler
- PLD
- Programmierbarer Logikbaustein
- FPGA
- Feldprogrammierbares Gatter-Array
- TX/RX
- Senden/Empfangen
- CLK
- Takt
- LED
- Licht-emittierende Diode
- BCI
- Batteriezellenschnittstelle
- BCF
- Batteriezellenbefestigung
- PDU
- Stromverteilungseinheit
-
Begriffe
-
Im Folgenden finden Sie ein Glossar der in der vorliegenden Anwendung verwendeten Begriffe:
-
Speichermedium - Eine der verschiedenen Arten von nicht transitorischen, für Computer zugänglichen Speichergeräten oder Speichervorrichtungen. Der Begriff „Speichermedium“ umfasst ein Installationsmedium, z. B. eine CD-ROM, Disketten 104 oder ein Bandgerät; einen Computersystemspeicher oder einen Speicher mit wahlfreiem Zugriff wie DRAM, DDR-RAM, SRAM, EDO-RAM, Rambus-RAM usw.; einen nicht transitorischen Speicher wie Flash, magnetische Medien, z. B. eine Festplatte oder einen optischen Speicher; Register oder andere ähnliche Arten von Speicherelementen usw. Das Speichermedium kann auch andere Arten von nicht transitorischen Speichern oder Kombinationen davon umfassen. Darüber hinaus kann sich das Speichermedium in einem ersten Computer befinden, in dem die Programme ausgeführt werden, oder in einem zweiten, anderen Computer, der über ein Netzwerk, z. B. das Internet, mit dem ersten Computer verbunden ist. Im letzteren Fall kann der zweite Computer dem ersten Computer Programmanweisungen zur Ausführung zur Verfügung stellen. Der Begriff „Speichermedium“ kann zwei oder mehr Speichermedien umfassen, die sich an verschiedenen Orten befinden können, z. B. in verschiedenen Computern, die über ein Netzwerk verbunden sind.
-
Trägermedium - ein Speichermedium, wie oben beschrieben, sowie ein physikalisches Übertragungsmedium, wie ein Bus, ein Netzwerk und/oder ein anderes physikalisches Übertragungsmedium, das Signale wie elektrische, elektromagnetische oder digitale Signale überträgt.
-
Programmierbares Hardware-Element - umfasst verschiedene Hardware-Geräte mit mehreren programmierbaren Funktionsblöcken, die über eine programmierbare Verbindung miteinander verbunden sind. Beispiele sind FPGAs (Field Programmable Gate Arrays), PLDs (Programmable Logic Devices), FPOAs (Field Programmable Object Arrays) und CPLDs (Complex PLDs). Die programmierbaren Funktionsblöcke können von feinkörnig (kombinatorische Logik oder Nachschlagetabellen) bis grobkörnig (arithmetische Logikeinheiten oder Prozessorkerne) reichen. Ein programmierbares Hardwareelement kann auch als „rekonfigurierbare Logik“ bezeichnet werden.
-
Verarbeitungselement - bezieht sich auf verschiedene Elemente oder Kombinationen von Elementen, die in der Lage sind, eine Funktion in einem Gerät auszuführen, z. B. in einem Benutzergerät oder einem Mobilfunknetzgerät. Zu den Verarbeitungselementen können beispielsweise gehören: Prozessoren und zugehörige Speicher, Teile oder Schaltungen einzelner Prozessorkerne, ganze Prozessorkerne, Prozessor-Arrays, Schaltungen wie ein ASIC (Application Specific Integrated Circuit), programmierbare Hardwareelemente wie ein FPGA (Field Programmable Gate Array) sowie verschiedene Kombinationen der oben genannten Elemente.
-
Softwareprogramm - der Begriff „Softwareprogramm“ soll die volle Breite seiner gewöhnlichen Bedeutung haben und umfasst jede Art von Programmanweisungen, Code, Skript und/oder Daten oder Kombinationen davon, die in einem Speichermedium gespeichert und von einem Prozessor ausgeführt werden können. Beispiele für Softwareprogramme sind Programme, die in textbasierten Programmiersprachen wie C, C++, PASCAL, FORTRAN, COBOL, JAVA, Assembler usw. geschrieben sind, grafische Programme (in grafischen Programmiersprachen geschriebene Programme), Assemblerprogramme, Programme, die in Maschinensprache kompiliert wurden, Skripte und andere Arten von ausführbarer Software. Ein Softwareprogramm kann aus zwei oder mehr Softwareprogrammen bestehen, die in irgendeiner Weise zusammenwirken. Beachten Sie, dass verschiedene hier beschriebene Ausführungsformen durch einen Computer oder ein Softwareprogramm implementiert werden können. Ein Softwareprogramm kann als Programmanweisungen auf einem Speichermedium gespeichert sein.
-
Hardwarekonfigurationsprogramm - ein Programm, z. B. eine Netzliste oder eine Bitdatei, das zur Programmierung oder Konfiguration eines programmierbaren Hardwareelements verwendet werden kann.
-
Programm - der Begriff „Programm“ soll die volle Breite seiner gewöhnlichen Bedeutung haben. Der Begriff „Programm“ umfasst 1) ein Softwareprogramm, das in einem Speicher gespeichert werden kann und von einem Prozessor ausgeführt werden kann oder 2) ein Hardwarekonfigurationsprogramm, das zur Konfiguration eines programmierbaren Hardwareelements verwendet werden kann.
-
Computersystem - eine der verschiedenen Arten von Rechen- oder Verarbeitungssystemen, einschließlich eines Personalcomputersystems (PC), eines Großrechnersystems, einer Workstation, eines Netzwerkgeräts, eines Internetgeräts, eines persönlichen digitalen Assistenten (PDA), eines Fernsehsystems, eines Grid-Computersystems oder eines anderen Geräts oder einer Kombination von Geräten. Im Allgemeinen kann der Begriff „Computersystem“ so weit gefasst werden, dass er jedes Gerät (oder jede Kombination von Geräten) mit mindestens einem Prozessor umfasst, der Anweisungen von einem Speichermedium ausführt.
-
Messgerät - umfasst Instrumente, Datenerfassungsgeräte, intelligente Sensoren und verschiedene Arten von Geräten, die für die Erfassung und/oder Speicherung von Daten konfiguriert sind. Ein Messgerät kann auch optional weiter konfiguriert sein, um die erfassten oder gespeicherten Daten zu analysieren oder zu verarbeiten. Ein Messgerät kann optional auch als Signalgenerator konfiguriert werden, um Signale zu erzeugen, die an ein zu prüfendes Gerät weitergeleitet werden. Beispiele für ein Messgerät sind ein Instrument, wie ein herkömmliches eigenständiges „Kasten“-Instrument, ein computergestütztes Instrument (Instrument auf einer Karte) oder ein externes Instrument, eine Datenerfassungskarte, ein externes Gerät, das ähnlich wie eine Datenerfassungskarte funktioniert, ein intelligenter Sensor, eine oder mehrere DAQ- oder Messkarten oder -module in einem Gehäuse, ein Bilderfassungsgerät, wie eine Bilderfassungs-(oder Bildverarbeitungs-)karte (auch Video-Capture-Board genannt) oder eine intelligente Kamera, ein Bewegungssteuerungsgerät, ein Roboter mit Bildverarbeitung, ein Signalgenerator und andere ähnliche Gerätetypen. Beispiele für „eigenständige“ Instrumente sind Oszilloskope, Multimeter, Signalanalysatoren, Arbiträrsignalgeneratoren, Spektroskope und ähnliche Mess-, Prüf- oder Automatisierungsinstrumente.
-
Ein Messgerät kann ferner so konfiguriert sein, dass es Steuerfunktionen ausführt, z. B. als Reaktion auf die Analyse der erfassten oder gespeicherten Daten. So kann das Messgerät beispielsweise als Reaktion auf bestimmte Daten ein Steuersignal an ein externes System, wie etwa ein Bewegungssteuerungssystem oder einen Sensor, senden. Ein Messgerät kann auch so konfiguriert sein, dass es Automatisierungsfunktionen ausführt, d. h. es kann Daten empfangen und analysieren und als Reaktion darauf Automatisierungssteuersignale ausgeben.
-
Funktionseinheit (oder Verarbeitungselement) - bezieht sich auf verschiedene Elemente oder Kombinationen von Elementen. Zu den Verarbeitungselementen gehören beispielsweise Schaltungen wie ein ASIC (Application Specific Integrated Circuit), Teile oder Schaltungen einzelner Prozessorkerne, ganze Prozessorkerne, einzelne Prozessoren, programmierbare Hardware-Bausteine wie ein FPGA (Field Programmable Gate Array) und/oder größere Teile von Systemen, die mehrere Prozessoren enthalten, sowie beliebige Kombinationen davon.
-
Drahtlos - bezieht sich auf ein Kommunikations-, Überwachungs- oder Steuersystem, bei dem elektromagnetische oder akustische Wellen ein Signal durch den Raum und nicht über ein Kabel übertragen.
-
Ungefähr - bezieht sich auf einen Wert, der innerhalb einer bestimmten Toleranz oder einer akzeptablen Fehlerspanne oder Unsicherheit eines Zielwertes liegt, wobei die spezifische Toleranz oder Spanne im Allgemeinen von der Anwendung abhängt. So kann der Begriff „ungefähr“ in verschiedenen Anwendungen oder Ausführungsformen beispielsweise bedeuten: innerhalb von 0,1 % des Zielwerts, innerhalb von 0,2 % des Zielwerts, innerhalb von 0,5 % des Zielwerts, innerhalb von 1 %, 2 %, 5 % oder 10 % des Zielwerts und so weiter, wie es die jeweilige Anwendung der vorliegenden Techniken erfordert.
-
SUT-Schnittstelle - eine oder mehrere Antennensonden und möglicherweise unterstützende Teile, die die kollektiven Eigenschaften der Antennensonden und Teile gegenüber der elektromagnetischen Strahlung, die mit den drahtlosen Signalen verbunden ist, modifizieren und ihrer Baugruppe strukturelle Integrität verleihen, und die verwendet werden können, um die drahtlosen Signale zu messen, die von dem SUT erzeugt werden.
-
Abbildung 1 - Arbeitsablauf bei der Herstellung von Batteriezellen
-
ist ein Arbeitsablaufdiagramm, das ein Verfahren zur Herstellung von Batteriezellen gemäß einigen Ausführungsformen veranschaulicht. Bei 104 wird nach der physischen Konstruktion der Komponenten einer Batteriezelle das Gehäuse geschlossen, um die Batteriekomponenten aufzunehmen. In 106 wird die Qualität der Zelle vor dem Formierungsprozess geprüft. Bei 108 wird ein Zellbildungsprozess durchgeführt, bei dem die Zelle wiederholt geladen und entladen wird, um eine stabile Spannungsdifferenz zwischen Anode und Kathode herzustellen. In einigen Ausführungsformen werden während des Ladens und/oder Entladens Messungen und Operationen an der Zelle durchgeführt, um eine Defektklasse für die Zelle zu charakterisieren, die Zelldiagnose zu unterstützen und den Zellbildungsprozess zu verbessern.
-
Nachdem eine elektrochemische Zelle zusammengebaut wurde, wird ihre chemische Struktur verändert, um sie als Energiespeicherelement zu verwenden. Dies kann dadurch geschehen, dass ein elektrischer Strom von einer Elektrode zur anderen geleitet wird, wodurch sich an den Elektroden ein elektrisches Potenzial entwickelt. Während dieser Prozess im Allgemeinen mit einer positiven Nettoenergiezufuhr zur Zelle verbunden ist („Aufladen“), umfasst der Prozess im Allgemeinen auch Zeiträume, in denen die Nettoenergiezufuhr negativ ist („Entladen“). Nachdem eine programmierte Stromsequenz, die im Allgemeinen von der Zellspannung, der Temperatur, der gespeicherten oder abgeleiteten Energie und/oder der Zeit abhängt, an die Zelle angelegt wurde, gilt ihre Herstellung als abgeschlossen. Die Herstellung jeder Zelle nimmt in der Regel unterschiedlich viel Zeit in Anspruch, was vor allem auf Schwankungen im Herstellungsprozess der Zellkomponenten zurückzuführen ist.
-
Die Qualität der Zelle kann durch Prüfung nach Abschluss des Formierungsprozesses in Schritt 112 bestimmt werden. Die Rückweisungsrate nach Abschluss der Zellbildung kann bis zu 20 % betragen, wobei nur 80 % der gebildeten Zellen von ausreichend hoher Qualität sind, um mit der Alterung und dem Einsatz fortzufahren. Dies kann darauf zurückzuführen sein, dass während der Produktion eine beträchtliche Anzahl von Zellen Abweichungen z. B. bei der Temperatur, der Klemmenspannung oder einer anderen physikalischen Eigenschaft aufweisen. Übersteigt die Abweichung eine bestimmte Qualitätsschwelle, gilt die Produktion als gescheitert. Fehlerhafte Zellen werden vorzugsweise so früh wie möglich aus dem Produktionsprozess entfernt und durch eine andere Zelle ersetzt, um die Produktion wieder aufzunehmen. In der vorliegenden Ausführungsform wird eine Defektklasse für eine fehlerhafte Zelle dynamisch während des Zellbildungsprozesses ermittelt, um die Batterieausbeute zu verbessern.
-
Bei 114 werden die Zellen, die den Formierungsprozess abgeschlossen und die Qualitätsprüfung der Zellen bestanden haben, in einen Alterungsturm gebracht, um die chemische Zusammensetzung der Zellen zu stabilisieren. Dieselben Mess- und Steuerschaltkreise, die im Formierungsprozess verwendet werden, können in Schritt 116 zur regelmäßigen Prüfung der Zellqualität während des Alterungsprozesses eingesetzt werden, wodurch fehlerhafte Zellen identifiziert und behoben werden können, und die Zellhalterung für eine neue Zelle wiederverwendet werden kann. Schließlich wird in Schritt 118 ein End-of-line (EOL) Qualitätstest für die gealterten Zellen durchgeführt, bevor sie auf den Markt gebracht werden.
-
Abbildung 2 - Computersystem und Controller
-
ist ein Systemdiagramm, das ein Computersystem 82 veranschaulicht, das gemäß einigen Ausführungsformen mit einem Steuergerät 202 verbunden ist. Das Steuergerät kann über eine drahtgebundene oder drahtlose Verbindung mit einem Formationsturm und/oder einem Alterungsturm gekoppelt sein und kann so konfiguriert sein, dass es während eines Zellenherstellungsprozesses Informationen von den Formations- und/oder Alterungstürmen empfängt und Anweisungen zur Änderung von Parametern des Herstellungsprozesses liefert. Beispielsweise kann der Controller Informationen von Mess- und Steuerschaltkreisen empfangen, die eine bestimmte Batteriezelle innerhalb einer Batteriezellenhalterung während der Zellenbildung überwachen, und als Reaktion auf diese Informationen kann der Controller eine Defektklasse für eine defekte Zelle charakterisieren. Dies kann die Erstellung eines EPM, die Anzeige des EPM auf einem Display und/oder die Erteilung von Anweisungen zur Änderung des Formierungsprozesses für die betreffende Batteriezelle oder eine andere Batteriezelle umfassen. Zusätzlich oder alternativ kann das Steuergerät das EPM analysieren (z. B. Defekte in der Zelle charakterisieren) und die Analysen zusammen mit dem EPM auf einem Display anzeigen, wobei ein Benutzer anhand der angezeigten Informationen entscheiden kann, ob der Herstellungsprozess geändert werden soll. In einigen Ausführungsformen kann das Steuergerät vom Computersystem 82 ausgeführt werden (d. h. das Steuergerät kann Teil des Computersystems und nicht ein separates Gerät sein).
-
Vorteilhafterweise können die von der Steuerung während des Herstellungsprozesses bereitgestellten Informationen es dem Benutzer ermöglichen, dynamisch in den Herstellungsprozess einzugreifen, um die Gesamtausbeute und Effizienz zu verbessern. Beispielsweise können defekte Zellen zu einem früheren Zeitpunkt im Herstellungsprozess (z. B. während des Formierungsprozesses oder während des Alterungsprozesses) identifiziert werden, die defekten Zellen können zur Reparatur oder Entsorgung aus dem Herstellungsprozess entfernt werden, und die Batteriezellenhalterungen, in denen sich die defekten Zellen befinden, können für die Herstellung neuer Batteriezellen wiederverwendet werden.
-
Abbildung 3 - Blockdiagramm des Computersystems
-
In ist ein vereinfachtes Blockdiagramm des Computersystems 82 dargestellt. Wie dargestellt, kann das Computersystem 82 einen Prozessor 302 umfassen, der mit einem Direktzugriffsspeicher (RAM) 304 und einem nichtflüchtigen Speicher 306 verbunden ist, um die hier beschriebenen Ausführungsformen zu implementieren. Beispielsweise kann der Prozessor im nicht transitorischen Speicher gespeicherte Programmanweisungen ausführen, um Informationen von einem Zellenbildungs- und/oder Alterungsturm zu steuern und/oder zu empfangen. Das Computersystem 82 kann auch ein Eingabegerät 312 zur Aufnahme von Benutzereingaben (z. B. eine Tastatur, eine Maus, ein Touchpad usw.) und ein Anzeigegerät 310 zur Darstellung von Ausgaben auf einem Display umfassen. Der Computer 82 kann auch eine Eingabe-/Ausgabeschnittstelle (E/A) 308 umfassen, die mit dem Steuergerät 202 oder direkt mit einem Zellenturm verbunden ist, um Ausgaben/Anweisungen zur Steuerung der Zellenbildung zu liefern und Eingaben und/oder Informationen zu einzelnen Zellen zu empfangen.
-
Erkennung von Batteriezelldefekten
-
Die hierin beschriebenen Ausführungsformen befassen sich mit Problemen und Schwierigkeiten, die mit der Herstellung von Batteriezellen verbunden sind, die aus einer Vielzahl von Materialien wie Metallfolien, Polymeren, Flüssigkeiten und Gasen bestehen können. Insbesondere werden in einigen Ausführungsformen Batteriezellen während eines Herstellungsprozesses getestet und verschiedene Klassen und spezifische Arten von Strukturdefekten identifiziert, unterschieden und mit elektrischen Messungen und abgeleiteten Werten in Beziehung gesetzt.
-
In einigen Ausführungsformen werden Systeme und Verfahren beschrieben, die eine Beziehung zwischen dem elektrischen Bereich und dem strukturellen Bereich in Batteriezellen herstellen oder abbilden. Elektrische Stimuli und Reaktionen können auf die Batteriestruktur abgebildet werden, um strukturelle Defekte zu erkennen und zu diagnostizieren. In einigen Ausführungsformen werden verschiedene Methoden zur Diagnose spezifischer struktureller Defekte in Batterien unter Verwendung elektrischer Stimuli und Reaktionen vorgestellt. Diese Verfahren können mit elektrothermischen Verfahren kombiniert werden, die eine kontrollierte regionale Erwärmung in der Batteriezelle ermöglichen. Die elektrische Reaktion kann auf die Wärmereaktion in verschiedenen Bereichen der Zelle abgebildet werden, was die Erzeugung kontrollierter Wärmegradienten innerhalb von Grenzen ermöglicht. Die zugeführte Wärme kann auf die Ausdehnung und Kontraktion der mechanischen Strukturen in den verschiedenen Bereichen abgebildet werden. In einigen Ausführungsformen können die resultierenden Kraftvektoren, die auf bestimmte Bereiche der Zelle einwirken, dazu verwendet werden, bestimmte Defektarten (z.B. eine gerissene Lasche oder einen anderen Defekt) zu verschlimmern oder zu verbessern. Der Unterschied bei der Verschlimmerung oder Verbesserung kann dann gemessen werden, um die spezifische Defektart zu bewerten. Auf diese Weise können einzelne strukturelle Defekte unabhängig voneinander diagnostiziert werden.
-
In einigen Ausführungsformen werden Probleme im Zusammenhang mit elektrochemischen Prozessen in Batteriezellen und ihren Beziehungen zu physikalischen Bereichen wie elektrothermischen Prozessen, elektromechanischen Prozessen und elektrostrukturellen Prozessen behandelt. Vorteilhafterweise kann der Zellbildungsprozess u.a. durch die regionale Steuerung der Geschwindigkeit chemischer Prozesse in verschiedenen Bereichen der Zelle verbessert werden.
-
Zu den Defekttypen (d. h. Defektklassen), auf die die hierin beschriebenen Ausführungsformen abzielen, gehören u.a.: interne Kurzschlüsse, wie z. B. eine gerissene Lasche, ein gerissener Separator, ein gefalteter Separator, Dendriten oder interne Verunreinigungen, oder Schweißnähte, wie z. B. eine schlechte Laschenschweißung oder eine schlechte Sicherungsschweißung. Zu den Batteriebereichen, die bei den hierin beschriebenen Ausführungsformen diagnostiziert werden, können unter anderem gehören: dünne Metallfolien (Anode und Kathode), Graphitaufschlämmung, Polymerseparator, Vakuumsack, Flüssigelektrolyt, Tabs oder Gase.
-
Bei einigen Ausführungsformen wird zur Erkennung von Defekten eine kontrollierte regionale Erwärmung eingesetzt, während andere Ausführungsformen eine Defekterkennung ohne kontrollierte regionale Erwärmung durchführen.
-
Defekterkennung ohne kontrollierte Erwärmung
-
Bei Ausführungsformen, die keine kontrollierte regionale Erwärmung verwenden, können die gemessenen elektrischen Signale und die zugehörigen Analysewerte auf mehreren Stufen der Batterieherstellung verglichen werden. Dies kann u. a. die Schweißstation, die Verpackungsstation, die Elektrolytbefüllungsstation, die Vorentgasung nach der Formung, die Entgasungsstation nach der Formung und die Entgasungsstation nach der Alterung umfassen, ist aber nicht darauf beschränkt.
-
Bei jedem Fertigungsschritt und zwischen den Fertigungsschritten kann eine Datenerfassung und -analyse durchgeführt werden, um Klassen von Batteriestrukturfehlern und spezifische Strukturfehler zu erkennen. Beispiele für Analysewerte, die aus Messsignalen abgeleitet werden, sind unter anderem Impedanz (Z), Admittanz (Y), Induktivität unter Verwendung eines Serienäquivalenzschaltungsmodells (Ls), Kapazität unter Verwendung eines Serienäquivalenzschaltungsmodells (Cs), Widerstand unter Verwendung eines Serienäquivalenzschaltungsmodells (Rs), Induktivität unter Verwendung eines Paralleläquivalenzschaltungsmodells (Lp), Kapazität unter Verwendung eines Paralleläquivalenzschaltungsmodells (Cp), Widerstand unter Verwendung eines Paralleläquivalenzschaltungsmodells (Rp), ein Verlustfaktor (D), ein Qualitätsfaktor (Q), eine Gleichspannungsmessung (VDC), eine Gleichstrommessung (IDC), eine Wechselspannungsgröße und ein Phasenwinkel, und eine Wechselstromgröße und ein Phasenwinkel, neben anderen Möglichkeiten.
-
In einigen Ausführungsformen kann die Defektdiagnose auf der Grundlage von Regeln durchgeführt werden, die die erfassten Signale und abgeleiteten Analysewerte mit Defektklassen sowie spezifischen Defektmodi und dem Schweregrad der Defekte in Beziehung setzen. So können beispielsweise identifizierte elektromagnetische Reaktionen mit bestimmten strukturellen Defekten in Verbindung gebracht werden. Diese Beziehungen können aus logischen Kombinationen von Messwerten und abgeleiteten Werten abgeleitet werden, oder es können komplexere, auf maschinellem Lernen basierende Regeln zur Bestimmung von Klassen struktureller Defekte, spezifischer Defekte und zur Bewertung des Vertrauensniveaus für die Klassifizierungen verwendet werden.
-
In einigen Ausführungsformen kann eine mechanische Manipulation (z.B. über einen Aktuator oder eine Vorrichtung) in Kombination mit der Erfassung von Signalen und abgeleiteten Analysewerten verwendet werden, um die Klassifizierung von Defekten zu erleichtern. So können beispielsweise Verfahren, die keine kontrollierten regionalen Erwärmungseffekte nutzen, dennoch mit mechanischer Betätigung (z.B. der regionalen Anwendung von Kräften oder der Bewegung von Strukturelementen wie den Batterielaschen) kombiniert werden, um verschiedene Defekte und Defektarten zu untersuchen.
-
Defektdetektion mit kontrollierter Erwärmung
-
In einigen Ausführungsformen wird während des Defekterkennungsprozesses eine kontrollierte regionale Erwärmung eingesetzt. Dies kann verschiedene Verfahren zur räumlichzeitlich kontrollierten Induktion von Wärmegradienten, elektromechanischen Spannungs- und Dehnungsgradienten und elektrochemischen Prozessreaktionsratengradienten in einer gemischten Medienstruktur wie einer Batteriezelle umfassen.
-
Die kontrollierte regionale Erwärmung kann dazu verwendet werden, die nichtlinearen Beziehungen zwischen den elektromagnetischen, elektrothermischen, elektromechanischen, elektrostrukturellen und elektrochemischen Prozessverzweigungen und ihren komplexen Beziehungen in einer Batteriezelle zu entschlüsseln. Eine kontrollierte regionale Erwärmung kann eine Abtastung des Zustandsraums ermöglichen, um einen umfangreichen Datensatz zu sammeln, der mehrere Bereiche umfasst, in denen Energie auf konservative Weise umgewandelt wird. Vorteilhafterweise kann dies die Verfolgung von Energieflüssen für elektrische Energie, magnetische Energie, thermische Energie, mechanische Kräfte, Spannungen, Dehnungen, Lage und Bewegung von Strukturen, chemische Prozesse und/oder Gaserzeugung, neben anderen Möglichkeiten, erleichtern.
-
Die Induktion regionaler Erwärmung kann dazu verwendet werden, Spannungs- und Dehnungsvektoren gerichtet und regional zu erzeugen, um bestimmte Klassen und Arten von Strukturdefekten zu verschlimmern oder zu verringern und/oder die Geschwindigkeit chemischer Reaktionen durch den Einsatz von Wärmegradienten in einer Vielzahl von Achsen und in unterschiedlichem Ausmaß auf der Grundlage von Materialeigenschaften, Skineffekten, Hysterese und Wirbelstromverlustverteilungen zu steuern. Dies kann stehende Wellen und fortschrittlichere, auf maschinellem Lernen basierende räumlich-zeitliche Verteilungen der chemischen Aktivierungsraten umfassen. Beispielsweise kann die Steuerung der regionalen und/oder räumlichzeitlichen Verteilung der Erwärmung in einer Batteriezelle zu regionalen Unterschieden in der mechanischen Ausdehnung und Kontraktion der verschiedenen in den Batteriezellen enthaltenen Materialien führen, einschließlich, aber nicht beschränkt auf die dünnen Metallfolien, Graphitschlammbeschichtungen, Polymerseparatoren, Flüssigelektrolyte, Vakuumsackmaterialien, dickere Metallstreifen usw. Die sich daraus ergebenden Spannungen und Dehnungen können so ausgerichtet sein, dass sie mechanische Kräfte zwischen diesen Komponenten ausüben und dadurch absichtlich einen oder mehrere interessierende Defektmodi mit Unterscheidung verstärken.
-
In einigen Ausführungsformen kann die inkompressible Natur von Flüssigkeiten, Metallen und anderen Materialien (im Gegensatz zum elastischen Verhalten von Gasen) in der Batteriezelle genutzt werden, um beispielsweise den Grad der Benetzung der Graphitschichten zu bestimmen.
-
In einigen Ausführungsformen wird die bereichsspezifische Erwärmung einer Zelle genutzt, um die Rate der elektrochemischen Aktivität während der Zellbildung räumlich und regional innerhalb der Zelle zu steuern. Vorteilhafterweise kann die Geschwindigkeit der chemischen Reaktionen in der Zelle im Verhältnis zur Umgebungsgeschwindigkeit der chemischen Reaktionen in der Zelle mit räumlicher Präzision gesteuert werden. Da es sich bei der Zellbildung um einen mehrstufigen Prozess handelt, kann dies genutzt werden, um die Gleichmäßigkeit des Fortschritts der mehrstufigen chemischen Prozesse in der Zelle zu erhöhen, indem die Regionen, die hinter dem mittleren Prozessschritt zurückbleiben, beschleunigt werden, wodurch ein räumlich und zeitlich gleichmäßiger verteilter Ansatz für die Zellbildung ermöglicht wird, mit Vorteilen im Hinblick auf eine geringere Bildungszeit und eine bessere Prozessausbeute.
-
Abbildung 4 - Flussdiagramm für die Konstruktion eines elektrochemischen Prozessverteilers mit kontrolliertem Strom
-
ist ein Flussdiagramm zur Veranschaulichung eines Verfahrens zur Charakterisierung eines Defekts in einem zu testenden Gerät (DUT) gemäß einigen Ausführungsformen. Das in gezeigte Verfahren kann in Verbindung mit jedem der in den obigen Abbildungen gezeigten Computersysteme, Batteriezellen, Speichermedien oder Geräte sowie mit anderen Geräten verwendet werden.
-
In einigen Ausführungsformen kann das beschriebene Verfahren während eines Zellbildungsprozesses einer Batteriezelle durchgeführt werden. Die Zelle kann aus einer Vielzahl von Batteriezellentypen bestehen und kann aus Materialien zusammengesetzt sein, einschließlich, aber nicht beschränkt auf Lithium, Natriumionen, Lithium-Schwefel, Lithium-Luft, Lithium-Sauerstoff, Lithium-Metall, Metall-Fluorid, Kohlenstoff-Nanoröhren, Kohlenstoff-Nanodrähte, Nickel-Cadmium (NiCd), Nickel-Metallhydrid (NiMH), Bleisäure, Lithium-Kobalt-Oxid (LiCoO2), Lithium-Eisen-Phosphat (LiFePO4), Lithium-Nickel-Mangan-Kobalt-Oxid (LiNiMnCoO2), Lithium-Mangan-Oxid (LiMn2O4), Lithium-Titanat (Li2TiO3) oder eine organische Verbindung.
-
In einigen Ausführungsformen kann ein Computersystem einen Prozessor und einen Speicher umfassen, und der Speicher kann Programmanweisungen speichern, die vom Prozessor ausgeführt werden können, um die unter Bezugnahme auf 4 beschriebenen Verfahrenselemente durchzuführen. In verschiedenen Ausführungsformen kann der Prozessor ein paralleles Multiprozessorsystem, ein Field Programmable Gate Array (FPGA) oder eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC) sein. In verschiedenen Ausführungsformen können die beschriebenen Verfahrensschritte von einer Kombination aus dem Steuergerät-Prozessor (z.B. dem Steuergerät 202 in ), das die Schnittstelle zum DUT bildet, und einem oder mehreren Prozessoren des Computersystems 82 (z.B. dem Prozessor 302), der das Steuergerät steuert, gesteuert werden. In verschiedenen Ausführungsformen können einige der gezeigten Verfahrenselemente gleichzeitig oder in einer anderen Reihenfolge als gezeigt ausgeführt werden, oder sie können weggelassen werden. Zusätzliche Verfahrenselemente können ebenfalls wie gewünscht ausgeführt werden. Wie dargestellt, kann dieses Verfahren wie folgt ablaufen.
-
Bei 402 wird eine erste Messung einer ersten Größe am DUT durchgeführt, um ein erstes Ergebnis zu erhalten. Die erste Messung kann vor der Durchführung einer ersten Operation am DUT durchgeführt werden. Die erste Messung kann eine beliebige funktionale Eigenschaft des Prüflings messen, z.B. seine reaktive Impedanz, seinen Widerstand, seine Induktivität, seine Spannung, seinen Strom, sein Temperaturverhalten usw. Die erste Messung kann durchgeführt werden, während eine oszillierende oder konstante Spannung an das DUT angelegt wird. Die Spannung kann bei einer bestimmten Frequenz, für einen Frequenzbereichsdurchlauf oder mit einer komplexeren Wellenform in verschiedenen Ausführungsformen angelegt werden. In einigen Ausführungsformen wird das erste Ergebnis analysiert, um eine erste Leistungskennzahl des DUTs zu bestimmen. Zum Beispiel kann die erste Leistungsmetrik auf der Grundlage einer Differenz zwischen dem ersten Ergebnis und einem idealen oder Modell-Ergebnis für das DUT bestimmt werden.
-
Bei 404 wird die erste Operation am DUT durchgeführt. In verschiedenen Ausführungsformen kann der erste Vorgang ein Herstellungsschritt des DUTs, eine kontrollierte regionale Erwärmung des DUTS, eine physikalische Betätigung des DUTs und/oder eine elektrische Betätigung des DUTs sein, neben anderen Möglichkeiten.
-
Der erste Vorgang kann beispielsweise eine mechanische Belastung sein, die auf das DUT einwirkt, möglicherweise in einer bestimmten Richtung und/oder an einer oder mehreren bestimmten Stellen des DUTs. Die mechanische Belastung kann einen oder mehrere Defektmodi des DUTs prüfen, z.B. um das Vorhandensein einer gerissenen oder abgenutzten Lasche festzustellen.
-
In einigen Ausführungsformen umfasst der erste Vorgang eine kontrollierte regionale Erwärmung des DUTs. Die kontrollierte regionale Erwärmung kann verwendet werden, um die gezielte Ausdehnung und/oder Kontraktion bestimmter Bereiche des DUTs zu prüfen. Zusätzlich oder alternativ kann die kontrollierte regionale Erwärmung verwendet werden, um eine regionale Kontrolle über die Raten der elektrochemischen Prozesse auszuüben, die in dem DUT stattfinden. So können beispielsweise bestimmte Bereiche des DUTs durch kontrollierte regionale Erwärmung in ihrem Aktivierungsgrad für einen elektrochemischen Prozess separat erhöht und/oder verringert werden. Dies kann zur Verbesserung der Zellbildungsprozesse verwendet werden, indem die regionale Rate modifiziert wird, um den Bildungsprozess zu beschleunigen.
-
In einigen Ausführungsformen umfasst die erste Operation das Induzieren eines Stroms durch das DUT, der Gleichstrom (DC) oder Wechselstrom (AC) sein kann und eine sinusförmige Zeitabhängigkeit oder eine komplexere Funktion der Zeit haben kann.
-
In einigen Ausführungsformen umfasst der erste Vorgang eine Begasungs- und Entgasungsprozedur, die an dem DUT durchgeführt wird. Die Begasung und/oder Entgasung kann verwendet werden, um die Gaswanderung durch die Zelle zu beobachten, und die Reaktion des DUTs kann beobachtet werden, wenn sich das DUT entspannt, nachdem der Druck des Gases reduziert wurde. Dies kann Aufschluss über mechanische Defekte geben, da die vor und nach der Entgasung verursachte Bewegung mit den Bereichen zusammenhängen kann, in denen sich das Gas sammelt, und diese sind oft regional mit mechanischen Merkmalen korreliert.
-
Strukturelle Defekte, die mit der Entgasung einhergehen, stehen in engem Zusammenhang mit dem Druckaufbau und -abbau sowie der Schnittstelle zwischen dem Beutel selbst und den Elektroden und Separatoren. Dazu gehören viskose Reibungseffekte neben anderen relevanten mechanischen Strukturphänomenen.
-
Bei 406 wird nach der Durchführung der ersten Operation am DUT eine zweite Messung der ersten Größe am DUT durchgeführt. Die Durchführung der zweiten Messung führt zu einem zweiten Ergebnis. Die zweite Messung kann durchgeführt werden, während eine oszillierende oder konstante Spannung an das DUT angelegt wird. Die Spannung kann bei einer bestimmten Frequenz, für einen Frequenzbereichsdurchlauf oder mit einer komplexeren Wellenform in verschiedenen Ausführungsformen angelegt werden. Die zweite Messung kann vom gleichen Typ wie die erste Messung sein, so dass eine Differenz zwischen den beiden Messungen berechnet werden kann.
-
Ein Beispiel: Der erste Vorgang kann das Schweißen einer Batteriezunge sein. Die erste Messung kann beispielsweise erfolgen, nachdem die Folien komprimiert wurden, aber bevor sie verschweißt werden, und die zweite Messung kann erfolgen, nachdem die Folien verschweißt wurden, aber bevor der Kompressionsdruck aufgehoben wird. In diesem Beispiel können die erste und die zweite Messung zum Beispiel die reaktive Impedanz der Batterie messen. Die Änderung der Reaktanzimpedanz vor und nach dem Schweißen kann dann allein oder in Kombination mit anderen erfassten Signalen oder abgeleiteten Analysewerten verwendet werden, um festzustellen, ob die Laschen auf eine Beschädigung wie einen Riss hinweisen. Vorteilhafterweise kann die Verwendung des Unterschieds in der reaktiven Impedanz vor und nach dem Schweißen verhindern, dass normale Abweichungen zwischen der nominalen reaktiven Impedanz verschiedener Prüflinge die Prüfergebnisse beeinflussen.
-
In einigen Ausführungsformen können die erste und die zweite Messung mit demselben analog-digitalen Messgerät, derselben Analyse-Hardware und -Software durchgeführt werden und dieselbe Verkabelung und Befestigung über einen relativ kurzen Zeitraum verwenden. Dies hat den Vorteil, dass Diskrepanzen in der Temperatur des analog-digitalen Instruments und der Kabelführung zwischen den beiden Messungen reduziert werden können. Die Auswirkungen von Fehlern, die durch die Verkabelung, die Befestigung und Temperaturschwankungen des analog-digitalen Messgeräts verursacht werden, können dadurch verringert werden. In einigen Ausführungsformen wird das zweite Ergebnis analysiert, um eine zweite Leistungskennzahl des DUTs zu bestimmen.
-
In einigen Ausführungsformen werden die erste und die zweite Messung zumindest teilweise auf der Grundlage einer Struktur des DUTs bestimmt. Zum Beispiel kann ein Frequenzbereich, der für einen Sweep der angelegten Spannung bei der Durchführung der Messungen verwendet wird, auf der Grundlage eines dokumentierten Frequenzgangs für ein DUT mit einer bestimmten Struktur ausgewählt werden.
-
Bei 408 wird eine erste Defektklasse für das DUT zumindest teilweise auf der Grundlage einer Differenz zwischen den ersten und zweiten Ergebnissen charakterisiert. Die erste Defektklasse kann aus einer Vielzahl von Defektklassen bestimmt werden. Die Vielzahl von Defektklassen kann Defekten in verschiedenen Bereichen des DUTs entsprechen. Die verschiedenen Defektklassen können unter anderem einen Schweißfehler, eine schlechte Laschenschweißung, eine zerrissene Lasche, einen gefalteten Separator, einen Dendriten, einen internen Kurzschluss, eine interne Kontamination und eine Benetzung umfassen.
-
In einigen Ausführungsformen kann die erste Defektklasse einen Defekt in einem bestimmten Bereich des DUTs anzeigen, und die ersten und zweiten Messungen sind möglicherweise nicht spezifisch für den bestimmten Bereich. Beispielsweise können die erste und die zweite Messung die gesamte reaktive Impedanz des DUTs während einer frequenzgesteuerten angelegten Spannung messen, und die erste Defektklasse kann einen Defekt in einem bestimmten Bereich anzeigen, z.B. in einem Batterieanschluss, einem Separator oder einem bestimmten Bereich. Dies kann erreicht werden, weil der Unterschied zwischen dem ersten und dem zweiten Ergebnis Signaturen bestimmter Defektmodi enthalten kann. Wenn es sich bei dem DUT beispielsweise um eine Batterie mit leitenden Platten handelt, kann, wie weiter unten näher erläutert, ein Abfall der Differenz zwischen den reaktiven Impedanzen der Batterie vor und nach der Belastung der Batterie zur Identifizierung der Dicke der leitenden Platten verwendet werden. Eine abnormale Dicke kann dann verwendet werden, um eine Defektklasse zu identifizieren. Ein weiteres Beispiel: Die Steigung der Differenz der reaktiven Impedanzen der Batterie vor und nach der Belastung der Batterie kann dazu verwendet werden, das Vorhandensein einer gerissenen Lasche in der Batterie festzustellen. Ein weiteres Beispiel: Eine schlechte Schweißnaht kann erkannt werden, wenn das Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) der reaktiven Impedanz mit steigender Frequenz der Ansteuerspannung zunimmt. Vorteilhafterweise kann jede dieser Defektklassen identifiziert werden, ohne dass Messungen spezifisch für den Bereich des DUTs durchgeführt werden, in dem der Defekt auftritt (z.B. werden die Messungen der reaktiven Impedanz am DUT als Ganzes durchgeführt).
-
In einigen Ausführungsformen wird die Größe des ersten Defekts zumindest teilweise auf der Grundlage der Differenz zwischen den ersten und zweiten Ergebnissen charakterisiert. Beispielsweise kann die Größe der Differenz zwischen dem ersten und dem zweiten Ergebnis proportional zur Größe des ersten Defekts sein, oder es kann eine komplexere (z.B. nichtlineare) Beziehung zwischen der Differenz zwischen den beiden Ergebnissen und der Größe des ersten Defekts bestehen.
-
In einigen Ausführungsformen kann die erste Messung durchgeführt werden, wenn das Schweißen der Laschen abgeschlossen ist, und die zweite Messung kann durchgeführt werden, wenn das DUT an der Verpackungsstation eintrifft. Dementsprechend kann in diesem Beispiel der erste Vorgang der Transport des DUTs zur Verpackungsstation sein, und es kann festgestellt werden, ob zwischen den beiden Fertigungsschritten eine Beschädigung aufgetreten ist, indem auf der Grundlage der Differenz zwischen den beiden Messungen Kriterien für das Bestehen/Nichtbestehen festgelegt werden.
-
In einigen Ausführungsformen wird ein bestimmter Bereich des DUTs vor der Durchführung der ersten Messung, des ersten Vorgangs und der zweiten Messung erwärmt oder abgekühlt. In diesen Fällen kann die Defektklasse auf der Grundlage der Erwärmung oder Abkühlung des betreffenden Bereichs weiter charakterisiert werden. Die Erwärmung oder Abkühlung kann verwendet werden, um einen bestimmten Bereich des DUTs auszudehnen oder zusammenzuziehen oder um einen elektrochemischen Prozess in einem bestimmten Bereich des DUTs zu beschleunigen oder zu verlangsamen. Diese kontrollierte regionale Erwärmung kann beispielsweise dazu verwendet werden, Defekte in bestimmten Bereichen des DUTs zu untersuchen.
-
In einigen Ausführungsformen wird bei der Charakterisierung der ersten Defektklasse für das DUT ein Algorithmus des maschinellen Lernens verwendet, um den Unterschied zwischen den ersten und zweiten Ergebnissen verschiedenen Defektklassen zuzuordnen. In einigen Ausführungsformen wird beispielsweise ein maschinelles Lernmodell trainiert, um die Verteilung der Wirbelströme zu lernen, die bei einem bestimmten Stimulussignal zu einem gesunden DUT führen würde. In diesen Ausführungsformen können die ersten und zweiten Messungen Wirbelströme im DUT vor und nach dem Anlegen des Stimulussignals messen, und eine Abweichung der gemessenen Wirbelströme von dem durch das Modell vorhergesagten Verhalten kann zur Identifizierung einer Defektklasse verwendet werden. In diesem Beispiel kann der erste Vorgang das Ansteuern der Wirbelströme umfassen.
-
In einigen Ausführungsformen ist das DUT eine Batterie. In einigen Ausführungsformen besteht die Batterie aus einer Vielzahl von leitenden Platten. Bei diesen Ausführungsformen können die erste und die zweite Messung das Anlegen einer Wechselspannung mit einem Frequenzdurchlauf an das Messobjekt und die Messung einer ersten bzw. zweiten reaktiven Impedanz des Messobjekts umfassen. In diesen Ausführungsformen beschreiben die ersten und zweiten Ergebnisse die reaktive Impedanz des DUTs als Funktion der Frequenz vor und nach der Durchführung der ersten Operation. In diesen Ausführungsformen wird die Differenz zwischen der ersten und der zweiten reaktiven Impedanz des DUTs in Abhängigkeit von der Frequenz zur Bestimmung der Defektklasse verwendet.
-
In einigen Ausführungsformen, die einen Unterschied in der reaktiven Impedanz als eine Funktion der Frequenz bestimmen, kann die Charakterisierung der ersten Defektklasse für das DUT die Identifizierung einer ersten Frequenz, die einen Einbruch in der Differenz zwischen der ersten und der zweiten reaktiven Impedanz des DUTs verursacht, die Bestimmung einer Dicke der leitenden Platten zumindest teilweise auf der Grundlage der ersten Frequenz und die Bestimmung der ersten Defektklasse zumindest teilweise auf der Grundlage der Dicke der leitenden Platten umfassen. Beispielsweise kann eine ermittelte Dicke, die kleiner als ein erster Schwellenwert oder größer als ein zweiter Schwellenwert ist, auf einen Defekt in den leitenden Platten hinweisen.
-
In einigen Ausführungsformen, die eine Differenz in den reaktiven Impedanzen als Funktion der Frequenz bestimmen, beinhaltet die Charakterisierung der ersten Defektklasse für den Prüfling die Identifizierung einer Steigung der Differenz in den ersten und zweiten reaktiven Impedanzen als Funktion der Frequenz vor und nach der Durchführung der ersten Operation. Die erste Defektklasse kann zumindest teilweise auf der Grundlage der Steigung als Riss in der Batterie bestimmt werden. Beispielsweise kann eine Steigung dieser Differenz, die größer als ein vorbestimmter Schwellenwert ist, auf einen gerissenen Streifen der Batterie hinweisen.
-
Das Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) ist ein Maß für die Stärke eines Signals im Verhältnis zum Hintergrundrauschen in einem System. Im Zusammenhang mit einem Verfahren, das die Wiederholbarkeit maximiert, ist ein hohes SNR wünschenswert, da es bedeutet, dass das gemessene Signal stark und deutlich ist und weniger wahrscheinlich durch Rauschen oder andere Fehlerquellen beeinflusst wird.
-
In einigen Ausführungsformen hat das SNR für die erste und zweite Messung eine Frequenzabhängigkeit, die eine Funktion des Defektmodus ist. Diese Tatsache kann ausgenutzt werden, indem die Analyse bei einer einzigen Frequenz (oder einer Vielzahl von Frequenzen) durchgeführt wird, die das SNR für eine bestimmte Art von Defekt maximiert. Im Falle einer fehlerhaften Schweißnaht steigt beispielsweise das SNR für die gemessene reaktive Impedanz im Allgemeinen mit der Anregungsfrequenz. In der Praxis kann die optimale Frequenz für die verschiedenen Signale und abgeleiteten Werte unterschiedlich sein, und die Reaktanzimpedanz ist nur ein Beispiel dafür.
-
In einigen Ausführungsformen beinhaltet die Charakterisierung der ersten Defektklasse für das DUT die Bestimmung, dass ein Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) für die reaktive Impedanz des DUTs mit der Anregungsfrequenz zunimmt, und die Bestimmung, dass eine schlechte Laschenschweißung am DUT aufgetreten ist, basierend auf der Bestimmung, dass das SNR für die reaktive Impedanz mit der Anregungsfrequenz zunimmt. In einigen Ausführungsformen kann diese Bestimmung auf der Grundlage entweder des ersten oder des zweiten Ergebnisses erfolgen, das ein SNR für die reaktive Impedanz aufweist, das mit der Frequenz zunimmt. Alternativ kann in einigen Ausführungsformen die Bestimmung auf der Grundlage eines Anstiegs der Differenz des SNR für die reaktive Impedanz mit der Frequenz vor und nach der Anwendung der ersten Operation auf das DUT erfolgen, wobei die erste Operation unter anderem ein Herstellungsschritt des DUTs, eine kontrollierte regionale Erwärmung des DUTs, eine physikalische Betätigung des DUTs und/oder eine elektrische Betätigung des DUTs sein kann.
-
Zusätzliche technische Beschreibung
-
In den folgenden nummerierten Abschnitten werden zusätzliche Aspekte der beschriebenen Ausführungsformen beschrieben.
-
Abbildung 5 - Aufbau der Zellenbildung
-
ist ein Schaltplan, der ein Beispiel für einen Aufbau zur Zellbildung zeigt. Der dargestellte Aufbau kann z.B. bei der Charakterisierung einer Defektklasse für die Zelle gemäß den hier beschriebenen Ausführungsformen verwendet werden.
-
Abbildung 6 - Schaltplan für die Charakterisierung der Defektklasse
-
ist ein Schaltplan, der einen Aufbau zur Charakterisierung einer Defektklasse eines DUTs gemäß einigen Ausführungsformen zeigt. Die dargestellte Schaltung kann beispielsweise zur Durchführung der ersten und zweiten Messung am DUT und/oder zur Durchführung der ersten Operation am DUT verwendet werden. Je nach Wunsch können auch andere Schaltungen für die Verbindung mit dem DUT verwendet werden.
-
Abbildung 7 - Architektur der Batteriezelle
-
veranschaulicht eine Beispielarchitektur für einen Teil einer Batteriezelle gemäß einigen Ausführungsformen. Der dargestellte Ausschnitt der Batteriezelle zeigt Strukturbereiche in der Nähe des Endes einer Pouch-Zelle. Wie dargestellt, ist eine Laschenplatte 702 an einem Stapel von Aluminiumanodenfolien 704 befestigt. Die Laschenplatte und die Anodenfolienblätter werden zusammengepresst und verschweißt. Die Folienblätter fächern sich dann in einem Winkel auf, bevor sie sich in einer geraden Linie entlang der Länge der Pouch-Zelle fortsetzen. In sind nur die Aluminium-Elektrodenbleche dargestellt. In den hier beschriebenen Ausführungsformen werden Verfahren und Vorrichtungen beschrieben, mit denen das Vorhandensein einer fehlerhaften Schweißnaht zwischen der Lasche und den Anodenfolien festgestellt werden kann.
-
Elektrochemischer Prozessverteiler für die Bildung von Batteriezellen
-
In einigen Ausführungsformen wird ein elektrochemischer Prozessverteiler (EPM) für einen elektrochemischen Prozess und ein elektrochemisches System (wie z.B. eine Batteriezelle) während des Zellbildungsprozesses konstruiert. Das EPM ist ein detailliertes Konstrukt, das eine Zustandsraumabbildung für eine Vielzahl von Variablen enthält, die mit der Zelle verbunden sind, wie Strom, Spannung, Temperatur und/oder Druck. Ein Beispiel für die Anzeige eines EPM ist in dargestellt, wobei das abgebildete EPM drei Achsen für Spannung, Ladung und Strom für die Batteriezelle aufweist.
-
Wie hierin verwendet, bezieht sich „Mannigfaltigkeit“ auf das mathematische Konstrukt eines n-dimensionalen topologischen Raums, wobei jede der n Dimensionen einer Zustandsvariablen der Zelle entspricht (z.B. Strom, Spannung, Temperatur usw.). Ein EPM kodiert dann relationale Informationen über die Zustandsgeschichte einer Zelle in Bezug auf die relevanten Variablen. Das EPM beschreibt beispielsweise einen topologischen Raum, dessen Punkte die Zustandsgeschichte der aufgezeichneten Variablen der Zelle beschreiben. Vorteilhafterweise können die mathematischen Eigenschaften von Mannigfaltigkeiten genutzt werden, um die Analyse der EPM zu erleichtern und den Gesundheitszustand einer Zelle zu diagnostizieren. Beispielsweise kann das EPM diagnostisch eingesetzt werden, um fehlerhafte Zellen zu einem früheren Zeitpunkt im Entstehungsprozess zu identifizieren, und es kann auch dazu verwendet werden, die Zellbildung dynamisch zu verändern, um die Ausbeute zu verbessern. Verschiedene Eigenschaften der EPM (z. B. Krümmung, Fläche, metrische Größen usw.) können quantifiziert werden, um Aspekte der Zelle zu diagnostizieren. Zum Beispiel kann die Abweichung einer oder mehrerer Eigenschaften von denen einer EPM einer gesunden Referenzzelle gemessen und quantifiziert werden, um den Gesundheitszustand einer Zelle zu diagnostizieren.
-
In verschiedenen Ausführungsformen kann entweder der Strom direkt gesteuert werden (und die Spannung wird periodisch gemessen), oder die Spannung kann direkt gesteuert werden (und der Strom wird periodisch gemessen). In einigen Ausführungsformen können im „Stromregelungsmodus“ zusätzlich zur Stromregelung auch Temperatur und Druck geregelt werden, so dass die Spannung die abhängige Variable ist. In ähnlicher Weise können bei einigen Ausführungsformen im „Spannungsregelungsmodus“ neben der Spannung auch die Temperatur und der Druck geregelt werden, so dass der Strom die abhängige Variable ist. In einigen Ausführungsformen können jedoch mit weniger Aufwand zufriedenstellende, aber weniger informationsreiche EPMs erhalten werden, wenn Temperatur und Druck nicht kontrolliert und/oder nicht gemessen werden. In einigen Ausführungsformen werden Temperatur und Druck so geregelt, dass sie bei Stromregelung mit der gleichen Frequenz wie der Strom und bei Spannungsregelung mit der gleichen Frequenz wie die Spannung schwingen. Dies hat den Vorteil, dass sich die Phasenbeziehung zwischen den Variablen leichter berechnen lässt, was mehr Informationen über die elektrochemischen Prozesse liefert.
-
In einigen Ausführungsformen wird der Phasenwinkel der Spannung relativ zum Phasenwinkel des geregelten Stroms und anderer Variablen berechnet. Jeder im Zeitbereich abgetastete Wert (d. h. Spannung, Temperatur, Druck) kann anhand seiner Amplitude und auch seines Phasenwinkels relativ zu den anderen Variablen beschrieben werden, und diese Phasenwinkelbeziehung liefert wertvolle Informationen über den elektrochemischen Prozess und hilft daher bei der Erstellung eines informationsreicheren EPM. Ein Beispiel: Eine oszillierende Temperaturänderung erzeugt eine oszillierende Spannungsantwort, und die Art der Spannungsantwort enthält Informationen über die laufenden elektrochemischen Prozesse. Um die Berechnung des Phasenwinkels zu vereinfachen, kann die Zellentemperatur mit der gleichen Frequenz wie die elektrische Steuervariable (Strom im Falle einer Stromsteuerung oder Spannung im Falle einer Spannungssteuerung) variiert werden. Zur Berechnung der relativen Phasenwinkel und zur Steuerung des Temperaturphasenwinkels können verschiedene Methoden verwendet werden. Um die Phaseninformation in eine kompakte numerische Form zu bringen, kann jede transformierte Variable als Vektor ausgedrückt werden, z. B. als komplexe Zahl oder als höherdimensionaler Vektor im EPM-Unterraum (d. h. für jeden Ort auf dem EPM-Netzgitter wird jeweils die zur Temperatur parallele Spannungskomponente, die zur Temperatur orthogonale Spannungskomponente, die zum Strom parallele Spannungskomponente, die zum Strom orthogonale Spannungskomponente usw. berechnet). Mathematisch gesehen werden die Zeitbereichsdaten auf die elektrochemische Prozessverzweigung abgebildet, da Verzweigungen gut definierte mathematische Eigenschaften haben, die die Interpretation und Analyse erleichtern.
-
In verschiedenen Ausführungsformen werden verschiedene Prozesse implementiert, um die Zeitreihendatenpunkte (d. h. die Abfolge von Datenpunkten, die jeweils einen Zeitstempel, einen Stromwert, einen Spannungswert, einen Strom-Stunden-Wert, einen Spannungs-Stunden-Wert usw. enthalten) auf das EPM abzubilden. In einigen Ausführungsformen wird beispielsweise ein herkömmliches Verfahren angewandt, bei dem für jeden im Zeitbereich abgetasteten Datensatz („Satz“ bezieht sich hier auf gleichzeitig abgetastete Spannung, Spannungsstunden, Strom, Stromstunden usw.) der nächstgelegene Gitterpunkt auf dem N-dimensionalen EPM-Netzgitter identifiziert und eine Datenaggregation durchgeführt wird, um den Netzgitterwert an diesem Ort mit dem Mittelwert aller Abtastwerte zu aktualisieren, die dem Netzgitterort im N-dimensionalen Raum am nächsten sind. Dies ist eine Koordinatentransformation in eine diskrete Mannigfaltigkeit mit Mittelwertbildung der Zeitbereichsdaten. Dies ist eine Form der Datenkomprimierung, da die Werte für jeden Ort in der diskreten Mannigfaltigkeit der Durchschnitt aller Zeitbereichsabtastungen innerhalb des Bereichs sind. So haben wir die Möglichkeit, die Zeitreihendaten zu verwerfen und nur die dichten Verteilerwerte zu speichern. Ein idealer EPM-Scanner-Algorithmus stellt sicher, dass für jeden Ort im EPM-Maschengitter mindestens S Stichproben gesammelt werden, wobei . S ≥ 1.
-
In anderen Ausführungsformen kann ein maschinelles Lernverfahren verwendet werden, um die Zeitreihendatenpunkte dem EPM zuzuordnen. Auf der Grundlage des Vorwissens über viele EPM-Maschengitter für vollständige elektrochemische Prozesse kann das wahrscheinlichste Maschengitter identifiziert werden, das einen oder mehrere Datensätze erklärt, die im Zeitbereich abgetastet wurden, gegebenenfalls bei unvollständigen Zeitreihendaten. Dies hat die wünschenswerten Eigenschaften der konventionellen Methode wie Koordinatentransformation und Datenkompression, bietet aber zusätzlich wichtige Vorteile wie 1) die Fähigkeit, intelligente nichtlineare Interpolation zwischen nicht abgetasteten Datenpunkten im EPM-Maschengitter durchzuführen, wenn a priori viele EPMs bekannt sind, und 2) die Fähigkeit, das EPM für einen gesamten elektrochemischen Prozess vorherzusagen, bevor dieser Prozess abgeschlossen ist. In diesem Fall nimmt das Vertrauen in die EPM-Vorhersage mit der Zeit zu und erreicht bei Abschluss des elektrochemischen Prozesses 100 Prozent.
-
EPMs können die direkte Modellierung elektrochemischer Prozesse für verschiedene Variablen in Abhängigkeit von der Zeit ermöglichen. EPMs können auch modellieren, wie elektrochemische Prozesse in Abhängigkeit vom Vorhandensein bestimmter Defektarten ablaufen können. Die zeitliche Entwicklung von Defekten in der Batteriezelle kann dann vorhergesagt werden. Es kann dann festgestellt werden, ob die Defekte zunehmen, was zu einer gefährlichen oder zerstörerischen Situation für Batterien führen kann, wie z. B. eine Feuerexplosion, ein thermisches Durchgehen usw.
-
In ähnlicher Weise kann ein EPM verwendet werden, um zu prognostizieren, ob das Defektphänomen im Laufe der Zeit auf stabile Weise abklingt. In diesem Fall kann sich der Defekt auflösen oder zumindest nicht zu einem unkontrollierten Ausfall führen.
-
Vorteilhafterweise können diese Methoden die Identifizierung von Defekten ermöglichen, die eine ernsthafte Bedrohung für die zukünftige strukturelle Sicherheit der Zelle darstellen, wie z.B. solche, die zu einem thermischen Durchgehen führen könnten, im Gegensatz zu anderen Effekten, die weniger schädlich sind, wie z.B. ein Effekt, der lediglich die Leistung der Zelle verschlechtert und sie vielleicht von einer Klasse-A-Zelle zu einer Klasse-B-Zelle macht.
-
In einigen Ausführungsformen kann ein EPM für eine Zelle sowohl vor als auch nach der Durchführung eines Vorgangs an der Zelle berechnet werden (z.B. Anwendung einer mechanischen Belastung, einer elektrochemischen Aktivierung, Erwärmung oder Abkühlung, neben anderen Möglichkeiten). Ein Beispiel hierfür ist in zu sehen, in der die links dargestellte EPM vor der Durchführung eines Vorgangs berechnet wird, während die rechts dargestellte EPM nach der Durchführung des Vorgangs berechnet wird. Die Diskrepanz zwischen den beiden EPMs kann dazu verwendet werden, eine Defektklasse für die Zelle zu diagnostizieren, je nach der spezifischen durchgeführten Operation und der Art der Diskrepanz zwischen den beiden EPMs.
-
Unterscheidung zwischen inaktiver und aktiver Materialreaktion
-
In einigen Ausführungsformen kann der Anteil der gemessenen elektrischen Effekte, der von aktivem Material der Batteriezelle herrührt, von den Effekten unterschieden werden, die von inaktiven elektrischen Leitern wie den Elektroden herrühren, die typischerweise aus Aluminium- und Kupferblechen oder -folien bestehen. Auf diese Weise können die beschriebenen Ausführungsformen in der Lage sein, den Unterschied zwischen den elektrischen Reizen, die mit dem aktiven Material verbunden sind, und den elektrischen Reizen, die mit den metallischen Leitern, Blechen, Folien, Laschen und anderen hochleitenden Elementen verbunden sind, zu erkennen.
-
Diese hochleitfähigen metallischen Elemente können durch ihre magnetischen und elektrischen Reaktionen in Form ihrer elektrischen Leitfähigkeit und ihrer magnetischen Permeabilität im Vergleich zum freien Raum gekennzeichnet sein.
-
Diese Materialien können strukturelle Eigenschaften aufweisen, die bei bestimmten Frequenzen und/oder in bestimmten Frequenzbereichen auftreten. Anhand dieser Frequenzen lässt sich die Reaktion des aktiven Materials im Vergleich zur Reaktion des inaktiven Materials in der Batteriezelle erkennen. Beispielsweise können die inaktiven leitfähigen Metalle vor allem bei höheren Frequenzen reagieren, während die mit dem aktiven Material verbundenen elektrischen Ansprechmerkmale je nach Art der Zelle in niedrigeren Frequenzbereichen wie 0 bis 20 kHz, 0 bis 50 kHz oder 0 bis 100 kHz auftreten können.
-
Wenn wir daran interessiert sind, die strukturellen Defekte im Zusammenhang mit den metallisch leitenden Bereichen der Zelle zu untersuchen, können Frequenzen oberhalb der dominanten Ansprechfrequenzen des aktiven Materials untersucht werden. Die Effekte im unteren Frequenzbereich, einschließlich Gleichstrom, werden in hohem Maße von den Energiespeichereffekten der Lithiumionen beeinflusst, die sich räumlich innerhalb der Struktur bewegen können, sowie von den Elektronen, die am besten in Bezug auf ihre elektromagnetischen Felder verstanden werden.
-
Induzieren von Wirbelströmen zur Charakterisierung von Defekten
-
In einigen Ausführungsformen wird ein eintöniger sinusförmiger Strom an die Batteriezelle angelegt, um Wechselströme und Wirbelströme in einer kontrollierten Tiefe in der Achse senkrecht zu den Elektrodenfolien der Anode und Kathode zu induzieren. Dadurch können die Folien in Bezug auf die Strukturtiefe selektiv abgetastet werden. Durch Anlegen eines Wechselstroms an die Batteriezelle können Wechselströme und Wirbelströme induziert werden, die zum Abtasten der Elektroden in Bezug auf die Strukturtiefe verwendet werden können. Der Wechselstrom dringt bis zu einer bestimmten Tiefe in die Elektroden ein, abhängig von der Frequenz des Stroms und den Eigenschaften der Elektroden.
-
In einigen Ausführungsformen können verschiedene Frequenzen verwendet werden, um selektiv verschiedene Tiefen in den Elektroden abzutasten. Dies kann nützlich sein, um die Struktur der Elektroden zu untersuchen und eventuell vorhandene Defekte oder Unregelmäßigkeiten zu erkennen.
-
Die Eindringtiefe des Wechselstroms kann von der elektrischen Leitfähigkeit und der magnetischen Permeabilität der Elektroden sowie von der Frequenz des Stroms abhängen. Mit Hilfe der Gleichungen für die Skin-Tiefe und die Wirbelstromverluste kann die erwartete Eindringtiefe für eine gegebene Reihe von Bedingungen berechnet werden.
-
Korrelierte und unkorrelierte Fehlerquellen
-
Korrelierte Fehlerquellen beziehen sich auf Fehler, die in irgendeiner Weise miteinander verbunden oder verknüpft sind. Dies bedeutet, dass korrelierte Fehler in der Regel systematisch oder vorhersehbar auftreten und nicht zufällig oder unabhängig voneinander sind. Korrelierte Fehler können unter anderem durch Faktoren wie systematische Verzerrungen im Messprozess, nicht korrekt kalibrierte Geräte oder Umgebungsbedingungen, die die Messungen beeinflussen, verursacht werden.
-
Unkorrelierte Fehlerquellen hingegen beziehen sich auf Fehler, die nicht miteinander in Verbindung stehen und zufällig oder unabhängig sind. Diese Fehler sind nicht systematisch oder vorhersehbar und können durch Faktoren wie zufällige Schwankungen im Messprozess, Messrauschen oder Stichprobenfehler verursacht werden.
-
Korrelierte Fehler sind im Allgemeinen besser vorhersehbar und leichter zu erkennen als unkorrelierte Fehler, da sie in der Regel systematisch auftreten. Unkorrelierte Fehler hingegen sind eher zufällig und schwerer vorherzusagen. Außerdem können sich korrelierte Fehler stärker auf die Genauigkeit der Messungen auswirken als unkorrelierte Fehler, da sie in der Regel konsistenter sind und mehrere Messungen in gleicher Weise beeinflussen können. Unkorrelierte Fehler hingegen sind eher zufällig und beeinträchtigen die Genauigkeit der Messungen wahrscheinlich weniger stark. Korrelierte Fehler können oft wirksamer korrigiert werden als unkorrelierte, da sie besser vorhersehbar sind und leichter erkannt und ausgeglichen werden können. Unkorrelierte Fehler sind schwieriger zu korrigieren, da sie eher zufällig auftreten und schwerer vorherzusagen sind.
-
Unterscheiden von Wirbelstrom- und Hystereseverlusten
-
In einigen Ausführungsformen können die Eigenschaften von Wirbelstromverlusten genutzt werden, um sie von anderen Arten von Verlusten, wie z.B. Hystereseverlusten, zu unterscheiden. Insbesondere neigen Wirbelstromverluste dazu, proportional zum Quadrat der Frequenz des angelegten Stroms zuzunehmen, während Hystereseverluste dazu neigen, als lineare Funktion der Frequenz zuzunehmen. Dieser Unterschied in der Frequenzabhängigkeit kann zur Unterscheidung zwischen diesen beiden Arten von Verlusten genutzt werden. Ebenso treten einige Defektarten als lineare Funktion der Frequenz auf, wie z. B. die strukturelle Größe von Laschenrissen. Zungenrisse können zu Luftspalten mit einer Durchlässigkeit ähnlich dem freien Raum führen. Die strukturellen Defekte, die diese Arten von Verlusten verursachen, hängen eher mit der Geometrie des leitenden Materials als mit seinen elektrischen Eigenschaften zusammen. Im Gegensatz dazu skaliert die Verteilung der Verluste in der Ebene der Anoden- und Kathodenfolien mit dem Quadrat der Frequenz, ebenso wie die Amplitude der mit Wirbelströmen verbundenen Wärmeverluste. Dies liegt daran, dass die Wirbelstromverluste mit der elektrischen Leitfähigkeit und dem spezifischen Widerstand des Materials zusammenhängen, die tendenziell eine quadratische Frequenzabhängigkeit aufweisen.
-
Unterscheidenvon gerissenen Laschen, schlechten Laschenschweißungen und Dendriten
-
Mechanisch gesehen kann bei einem Riss in einem Bauteil einer Batteriezelle eine Kraft eingeleitet werden, die in die Richtung der größten Hebelwirkung ausgerichtet ist, um den Riss zu vergrößern oder zu verkleinern. Dementsprechend kann eine Messung (z.B. der Impedanz oder einer anderen Größe) vor und nach dem Aufbringen der Kraft durchgeführt werden, und die Differenz zwischen den beiden Messungen kann verwendet werden, um festzustellen, ob ein Riss wahrscheinlich vorhanden ist (z.B. kann eine Differenz, die größer als ein vorbestimmter Schwellenwert ist, auf eine gerissene Lasche hinweisen).
-
Abgerissene Laschen sind ein Beispiel für einen spezifischen Defekt, der unterschiedlich verstärkt werden kann, um ihn von einem anderen Defektmodus zu unterscheiden, wie z. B. dem Vorhandensein eines Dendriten, der in das Separatorpolymer hineinragt.
-
Ein Dendrit ist eine verzweigte, baumartige Kristallstruktur, die sich mit der Zeit in einer Batteriezelle bilden kann. Dendriten bestehen in der Regel aus demselben Material wie die Elektroden in der Batteriezelle und können von einer Elektrode zur anderen wachsen, was einen Kurzschluss verursacht und möglicherweise zum Ausfall der Batteriezelle führt.
-
In Lithium-Ionen-Batterien können sich während der Lade- und Entladezyklen Dendriten auf der Oberfläche der Lithium-Metall-Anode bilden. Diese Dendriten können wachsen und sich durch den Separator erstrecken, der die Anoden- und Kathodenelektroden voneinander trennen soll, und schließlich die Kathode erreichen und einen Kurzschluss verursachen. Die Bildung von Dendriten ist einer der Hauptfaktoren, die die Lebensdauer und Leistung von Lithium-Ionen-Batterien einschränken können.
-
Dendriten bestehen in der Regel aus Lithium und können eine nadelförmige oder baumartige Struktur aufweisen. Sie sind in der Regel sehr dünn, mit Durchmessern von nur wenigen Mikrometern, und können sehr schnell wachsen und manchmal innerhalb weniger Lade- und Entladezyklen eine Länge von mehreren Zentimetern erreichen.
-
Die strukturelle Beschaffenheit von Dendriten hängt in hohem Maße von dem Material ab, aus dem sie bestehen, von den Bedingungen in der Batteriezelle und von den Lade- und Entladezyklen, denen die Batteriezelle ausgesetzt ist.
-
Bei einigen Ausführungsformen wird festgestellt, ob eine schlecht ausgeführte Schweißnaht vorliegt, bei der eine Ultraschall- oder Laserschweißung nicht korrekt ausgeführt wurde und die beiden Materialien daher nicht wie gewünscht vollständig miteinander verschweißt sind. Auf einen bestimmten Bereich kann eine mechanische Spannung oder Belastung ausgeübt werden. Dabei wird eine mechanische Belastung ausgeübt, die eine schlechte Schweißnaht verschlimmern würde, während gleichzeitig die erforderlichen Messungen und Analysen durchgeführt werden, um den Schweregrad des Defekts oder das Vertrauensniveau in diesem Bereich des Defekts zu bewerten.
-
In einigen Ausführungsformen können die beschriebenen Verfahren von einem Standard-Computerprozessor durchgeführt werden, der mit einem Speicher verbunden ist. Alternativ kann in einigen Ausführungsformen ein programmierbares Hardware-Element verwendet werden, um die beschriebenen Methoden durchzuführen. Ein programmierbares Hardware-Element kann verschiedene Hardware-Geräte umfassen, die mehrere programmierbare Funktionsblöcke umfassen, die über eine programmierbare Verbindung miteinander verbunden sind. Beispiele sind FPGAs (Field Programmable Gate Arrays), PLDs (Programmable Logic Devices), FPOAs (Field Programmable Object Arrays) und CPLDs (Complex PLDs). Die programmierbaren Funktionsblöcke können von feinkörnig (kombinatorische Logik oder Nachschlagetabellen) bis grobkörnig (arithmetische Logikeinheiten, Grafikverarbeitungseinheiten (GPUs) oder Prozessorkerne) reichen. Ein programmierbares Hardwareelement kann auch als „rekonfigurierbare Logik“ bezeichnet werden. Als weitere Option kann ein integrierter Schaltkreis mit speziellen Hardwarekomponenten, wie z.B. ein anwendungsspezifischer integrierter Schaltkreis (ASIC), verwendet werden, um die beschriebenen Verfahrensschritte durchzuführen. Obwohl die obigen Ausführungsformen sehr detailliert beschrieben wurden, werden zahlreiche Variationen und Modifikationen für den Fachmann offensichtlich, sobald die obige Offenbarung vollständig verstanden ist. Es ist beabsichtigt, dass die folgenden Ansprüche so ausgelegt werden, dass sie alle derartigen Variationen und Modifikationen umfassen.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-