特表 2025-500780 電気化学デバイスのモニタリング

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】

(43)【公表日】2025-01-15

(54)【発明の名称】電気化学デバイスのモニタリング

(51)【国際特許分類】

   G01R 33/032 20060101AFI20250107BHJP

   G01R 31/392 20190101ALI20250107BHJP

   G01R 33/12 20060101ALI20250107BHJP

   G01R 33/10 20060101ALI20250107BHJP

   G01R 33/02 20060101ALI20250107BHJP

   G01R 15/24 20060101ALI20250107BHJP

   G01N 27/72 20060101ALI20250107BHJP

   H01M 10/42 20060101ALI20250107BHJP

   H01M 8/04 20160101ALN20250107BHJP

   H01M 8/04537 20160101ALN20250107BHJP

【ＦＩ】

G01R33/032

G01R31/392

G01R33/12 Z

G01R33/10

G01R33/02 K

G01R15/24 D

G01N27/72

H01M10/42 P

H01M8/04 Z

H01M8/04537

【審査請求】未請求

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2024534086

(86)(22)【出願日】2022-12-07

(85)【翻訳文提出日】2024-08-05

(86)【国際出願番号】 GB2022053124

(87)【国際公開番号】W WO2023105223

(87)【国際公開日】2023-06-15

(31)【優先権主張番号】2117664.9

(32)【優先日】2021-12-07

(33)【優先権主張国・地域又は機関】GB

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【識別番号】514314897

【氏名又は名称】ユニヴァーシティ・オヴ・ニューカッスル・アポン・タイン

(74)【代理人】

【識別番号】100108453

【弁理士】

【氏名又は名称】村山 靖彦

(74)【代理人】

【識別番号】100110364

【弁理士】

【氏名又は名称】実広 信哉

(74)【代理人】

【識別番号】100133400

【弁理士】

【氏名又は名称】阿部 達彦

(72)【発明者】

【氏名】モハメド・マムルーク

(72)【発明者】

【氏名】キース・スコット

【テーマコード（参考）】

2G017

2G025

2G053

2G216

5H030

5H127

【Ｆターム（参考）】

2G017AA02

2G017AA08

2G017AD12

2G017AD15

2G017CB03

2G025AA04

2G025AB10

2G053AA11

2G053AA14

2G053AB13

2G053BA02

2G053CA09

2G053CB29

2G053DA01

2G216BA21

2G216BB09

5H030AA06

5H030AA10

5H030AS08

5H030FF41

5H127DB53

5H127DB64

5H127EE27

(57)【要約】

システムが開示される。このシステムは、磁場を発生させる電気化学デバイスと感知デバイスとを備え、この感知デバイスは、磁気光学媒体、この磁気光学媒体を通して偏光電磁放射を発するように構成された電磁放射源、および磁気光学媒体を通過した偏光電磁放射を受け取るように構成されたセンサを備える。感知デバイスは、電気化学デバイスの磁場が磁気光学媒体を通過するように、電気化学デバイスに対して配置される。

【特許請求の範囲】

【請求項1】

磁場を発生させる電気化学デバイスと、
感知デバイスであって、
磁気光学媒体、
前記磁気光学媒体を通して偏光電磁放射を発するように構成された電磁放射源、および
前記磁気光学媒体を通過した偏光電磁放射を受け取るように構成されたセンサ
を備える、感知デバイスと
を備え、
前記感知デバイスは、前記電気化学デバイスの前記磁場が前記磁気光学媒体を通過するように、前記電気化学デバイスに対して配置される、システム。

【請求項2】

前記磁気光学媒体は、前記電気化学デバイスの前記磁場が前記磁気光学媒体と相互作用することにより、前記電気化学デバイスの特徴に基づき前記偏光電磁放射の偏光面を回転させるように位置決めされる、請求項１に記載のシステム。

【請求項3】

前記電磁放射源は、前記発せられた偏光電磁放射が前記電気化学デバイスの前記発生された磁場に対して平行になるように、前記電気化学デバイスに対して配置される、請求項１または２に記載のシステム。

【請求項4】

前記磁気光学媒体は、前記電磁放射源と一体である、または
前記磁気光学媒体は、前記電気化学デバイスに対して結合された層である、請求項１から３のいずれか一項に記載のシステム。

【請求項5】

前記磁気光学媒体は、薄膜磁気光学結晶を備える、請求項１から４のいずれか一項に記載のシステム。

【請求項6】

前記感知デバイスは、前記薄膜磁気光学結晶を保護するための絶縁ポリマーもしくはガラスフィルムの保護層をさらに備える、または前記磁気光学結晶は、前記薄膜磁気光学結晶を保護するためのポリマーもしくはガラス繊維内に埋め込まれる、請求項５に記載のシステム。

【請求項7】

前記磁気光学結晶は、高いベルデ定数もしくは低い光吸収性を有する、または
前記磁気光学結晶は、バリウムヘキサフェライト、テルビウムガリウムガーネット、ビスマス置換希土類鉄ガーネット、Ｎａ_２Ｃｅ（ＭｏＯ_４）_２、またはＣｅＡｌＯ_３の中の少なくとも１つを含む、請求項１から６のいずれか一項に記載のシステム。

【請求項8】

磁場を発生させる前記電気化学デバイスは、複数のセルを備えるバッテリであり、
前記システムは、前記複数のセルの中の１つとそれぞれが関連づけられた複数の電磁放射源を備え、
前記システムは、前記複数のセルの中の１つとそれぞれが関連づけられた複数の磁気光学媒体をさらに備える、請求項１から７のいずれか一項に記載のシステム。

【請求項9】

前記システムは、前記複数の電磁放射源を順次動作させるように構成され、
前記センサは、前記電磁放射源のそれぞれから前記複数の磁気光学媒体の中の１つを通過した偏光電磁放射を受け取るように構成される、請求項８に記載のシステム。

【請求項10】

前記システムは、前記複数の電磁放射源に関連づけられた複数のセンサをさらに備える、請求項８に記載のシステム。

【請求項11】

前記システムは、制御モジュールを備え、前記制御モジュールは、
前記発せられた電磁放射の第１の偏光面を判定するか、または前記発せられた電磁放射の所定の偏光面を記憶し、
前記磁気光学媒体を通過した前記電磁放射の第２の偏光面を判定し、
前記第１の偏光面と前記第２の偏光面との間の回転角度を判定し、
前記判定された回転角度に基づき前記電気化学デバイスの磁場強度を判定し、
前記判定された磁場強度に基づき前記電気化学デバイスの電流分布を判定する
ように構成される、請求項１から１０のいずれか一項に記載のシステム。

【請求項12】

請求項１から１１のいずれか一項に記載の前記システムを用意するステップと、
前記電磁放射源から前記磁気光学媒体を通して偏光電磁放射を発するステップと、
前記磁気光学媒体を通過した前記偏光電磁放射を前記センサにより受け取るステップと
を含む、感知方法。

【請求項13】

反射された前記電磁放射の偏光面の回転角度を判定するステップ
をさらに含む、請求項１２に記載の方法。

【請求項14】

前記判定された回転角度に基づき電気化学デバイスの前記磁場強度を判定するステップと、
前記判定された磁場強度に基づき前記電気化学デバイスの電流分布を判定するステップと
をさらに含む、請求項１３に記載の方法。

【請求項15】

前記電気化学デバイスの前記電流分布を判定する前記ステップを周期的にまたは前記電気化学デバイス上の複数の位置に対して反復するステップと、前記電気化学デバイスの電流分布情報の時間的または空間的な変化を判定するステップとをさらに含む、請求項１４に記載の方法。

【請求項16】

前記磁気光学媒体に通して前記偏光電磁放射を発する前記ステップは、複数の光ファイバケーブルから前記電磁放射を発するステップを含む、請求項１５に記載の方法。

【請求項17】

前記電磁放射は、あるパターンでまたは順次に前記磁気光学媒体に対して入射するようにある期間にわたり前記複数の光ファイバケーブルから個別に発せられる、請求項１６に記載の方法。

【請求項18】

前記電磁放射は、前記複数の光ファイバケーブルから同時に発せられ、前記複数の光ファイバケーブルは、隣接する光ファイバケーブルとは異なる波長の電磁放射を発するように構成される、請求項１６に記載の方法。

【請求項19】

前記システムは、電流分布情報の前記変化を受け取るように構成された制御モジュールを備え、
前記制御モジュールは、電流分布情報の前記変化に基づき前記電気化学デバイスのパラメータを変更するように構成される、または
前記制御モジュールは、電流分布情報の前記変化に基づきアラームを発動するように構成される、請求項１５から１８のいずれか一項に記載の方法。

【請求項20】

磁気光学媒体と、
前記磁気光学媒体を通して偏光電磁放射を発するように構成された電磁放射源と、
前記磁気光学媒体を通り前記電磁放射源から反射された偏光電磁放射を受け取るように構成されたセンサと
を備え、
前記電磁放射源は、第１の複数の光ファイバケーブルを備える、または前記センサは、第２の複数の光ファイバケーブルを備える、感知デバイス。

【請求項21】

反射層または保護媒体の少なくとも一方をさらに備える、請求項１８に記載の感知デバイス。

【請求項22】

前記第１の複数の光ファイバケーブルおよび前記第２の複数の光ファイバケーブルは、メッシュアレイ状または織成アレイ状に配置される、請求項１８に記載の感知デバイス。

【請求項23】

前記第１の複数の光ファイバケーブルまたは前記第２の複数の光ファイバケーブルの少なくとも一方が、前記電気化学デバイスの内部に埋設されるように構成される、請求項２０に記載の感知デバイス。

【請求項24】

前記第１の複数の光ファイバケーブルは、前記電磁放射があるパターンでまたは順次に前記磁気光学媒体に対して入射するようにある期間にわたり電磁放射を個別に発するように構成される、または
前記電磁放射は、前記第１の複数の光ファイバケーブルから同時に発せられ、前記第１の複数の光ファイバケーブルは、隣接する光ファイバケーブルとは異なる波長の電磁放射を発するように構成される、請求項２０または２１に記載の感知デバイス。

【請求項25】

偏光電磁放射を発するための第１の複数の光ファイバケーブルを備える電磁放射源と、
偏光電磁放射を受け取るように構成されたセンサであって、前記電磁放射源からの前記偏光電磁放射が通過するような磁気光学媒体を備えるセンサと
を備える、感知デバイス。

【請求項26】

前記センサは、第２の複数の光ファイバケーブルを備え、
前記第２の複数の光ファイバケーブルは、前記磁気光学媒体を含む、請求項２３に記載の感知デバイス。

【請求項27】

前記少なくとも１つの光ファイバケーブルが、反射層を備える、請求項２４に記載の感知デバイス。

【請求項28】

前記第１の複数の光ファイバケーブルおよび前記第２の複数の光ファイバケーブルは、メッシュアレイ状または織成アレイ状に配置される、請求項２３から２５のいずれか一項に記載の感知デバイス。

【請求項29】

前記第１の複数の光ファイバケーブルおよび前記第２の複数の光ファイバケーブルの少なくとも一方が、前記電気化学デバイスの内部に埋設されるように構成される、請求項２６に記載の感知デバイス。

【請求項30】

前記第１の複数の光ファイバケーブルは、ある期間にわたり電磁放射を個別に発するように構成される、または
前記電磁放射は、前記第１の複数の光ファイバケーブルから同時に発せられ、前記第１の複数の光ファイバケーブルは、隣接する光ファイバケーブルとは異なる波長の電磁放射を発するように構成される、請求項２５から２９のいずれか一項に記載の感知デバイス。

【請求項31】

電気化学デバイスにおける電流変化を判定するための請求項１８から３０のいずれか一項に記載の感知デバイスの使用。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、電気化学デバイスのモニタリングに関し、詳細には、限定するものではないが、ファラデー効果を利用して電気化学デバイスの特性をモニタリングすることに適したシステムに関する。本発明の態様は、システム、モニタリング方法、および様々なセンサ構成に関する。

【背景技術】

【0002】

電気化学デバイスにおける電流分布計測値は、それらのデバイスの動作および耐久性にとって極めて重要である。これらの計測値は、製造上の欠陥（例えば活性材料の不均質な混合もしくは堆積）または高電流密度での濃度勾配（例えば燃料電池のフラッディングもしくは酸素欠乏）から生じる場合がある。さらに、様々な業界で使用される一部の電気化学デバイスは、より高出力へと向かいつつあり、したがってより高い電流密度を必要とする。

【0003】

現行では、電力管理システムは、数百個のセルにわたり個々のセル電圧を計測することにより、燃料電池、バッテリ、または電解装置などの電気化学デバイスをモニタリングする。計測される電流（または反応速度）は、特に電極の小さな領域が電極の他の領域に比べて大幅に高い電流密度で動作し得る高電流レートにおいては、セル全体にわたって均一には分布していない。標準的な技術では、これらの変化を検出することができない。セルはスタックおよびモジュールに組み立てられているため、これらのセルの中の１つが故障すると、隣接するセルに対して、および場合によってはバッテリモジュール全体またはセルのスタック全体に対して影響を及ぼし支障をきたす可能性がある。さらに重要なことには、セルの中の１つが熱暴走し始めると、これが伝播することによってシステム全体に破局的な故障をもたらすおそれがある。アセンブリ内の各電気化学セル（例えばバッテリ）の厳格な品質管理および検査にもかかわらず、電気自動車では、故障した１つのバッテリを発端とする破局的な故障およびバッテリ火災が依然として生じる。

【0004】

電極アレイ内のセル内における電流分布を計測することが可能である。このためには、１つのセルを小セルのアレイに細分化し、電極アレイ内にわたり様々な位置における温度変化を記録することが必要となる。セル電極をより小さい電極アレイから構築すると、ユニットセルのサイズにより解像度が制限される。さらに、この方法は複雑であり多大な費用がかかる。さらに、この方法で電流分布をモニタリングすることにより、電極アレイ内で漏電および抵抗が生じる可能性が高まり、これにより電極の有効性が低下する可能性がある。また、通常ではバッテリおよびセルは温度が均一になるように冷却されるため、温度変化の利用にも実施上の制限がある。

【0005】

ＷＯ２０２１／０１９４０５Ａ１は、バッテリ液を抽出することによりバッテリを化学的にサンプリングし得る感知装置について説明している。この場合に、この抽出された流体は、バッテリの健康状態を判定するために既知の分光法を利用して分析される。これについては、Ｇｒｅｙ，Ｃ．およびＢａｕｍｂｅｒｇ，Ｊ．、「Ｉｎ－ｏｐｅｒａｎｄｏ ｂａｔｔｅｒｙ ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ．」、［ｏｎｌｉｎｅ］、Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｃａｍｂｒｉｄｇｅ Ｅｎｔｅｒｐｒｉｓｅ、［２０２１年１０月２７日検索］、〈ＵＲＬ： ｈｔｔｐｓ：／／ｗｗｗ．ｅｎｔｅｒｐｒｉｓｅ．ｃａｍ．ａｃ．ｕｋ／ｏｐｐｏｒｔｕｎｉｔｉｅｓ／ｃｏｍｍｅｒｃｉａｌ－ｏｐｐｏｒｔｕｎｉｔｙ－ｉｎ－ｏｐｅｒａｎｄｏ－ｂａｔｔｅｒｙ－ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ－ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ／〉でさらに論じられている。したがって、この方法では、バッテリの健康状態のモニタリングを行うために流体抽出が必要となる。非流体バッテリを含むあらゆる電気化学デバイスの健康状態を非侵襲的に判断する方法を提供することが有益である。かような非侵襲的方法は、バッテリの健康状態のリアルタイムモニタリングとしてオペレーティングシステムにおいて使用可能であるが、バッテリの製造後にスタック／モジュールの組立て前の品質管理検証に対して使用することも可能である。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】国際公開第２０２１／０１９４０５号

【非特許文献】

【0007】

【非特許文献1】Ｇｒｅｙ，Ｃ．およびＢａｕｍｂｅｒｇ，Ｊ．、「Ｉｎ－ｏｐｅｒａｎｄｏ ｂａｔｔｅｒｙ ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ．」、［ｏｎｌｉｎｅ］、Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｃａｍｂｒｉｄｇｅ Ｅｎｔｅｒｐｒｉｓｅ、［２０２１年１０月２７日検索］、〈ＵＲＬ： ｈｔｔｐｓ：／／ｗｗｗ．ｅｎｔｅｒｐｒｉｓｅ．ｃａｍ．ａｃ．ｕｋ／ｏｐｐｏｒｔｕｎｉｔｉｅｓ／ｃｏｍｍｅｒｃｉａｌ－ｏｐｐｏｒｔｕｎｉｔｙ－ｉｎ－ｏｐｅｒａｎｄｏ－ｂａｔｔｅｒｙ－ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ－ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ／〉

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

本発明のいくつかの実施例の１つの目的は、先行技術に関連する問題または欠点の中の少なくとも１つを少なくとも部分的に解決、緩和、または回避することである。いくつかの実施例は、以降において述べる利点の中の少なくとも１つを実現することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0009】

本発明の態様は、添付の特許請求の範囲において請求されるようなシステム、方法、およびセンサを提供する。

【0010】

本発明の一態様によれば、磁場を発生させる電気化学デバイスと感知デバイスとを備えるシステムが提供される。この感知デバイスは、磁気光学媒体と、磁気光学媒体を通して偏光電磁放射を発するように構成された電磁放射源と、磁気光学媒体を通過した偏光電磁放射を受け取るように構成されたセンサとを備える。感知デバイスは、電気化学デバイスの磁場が磁気光学媒体を通過するように、電気化学デバイスに対して配置される。

【0011】

このシステムは、磁気光学媒体を備えてもよく、この磁気光学媒体は、電気化学デバイスの磁場が磁気光学媒体と相互作用することにより、電気化学デバイスの特徴に基づき偏光電磁放射の偏光面を回転させるように位置決めされる。

【0012】

このシステムは、電磁放射源を備えてもよく、この電磁放射源は、発せられた偏光電磁放射が電気化学デバイスの発生された磁場に対して平行になるように、電気化学デバイスに対して配置される。

【0013】

このシステムは、電磁放射源と一体である磁気光学媒体を備えてもよい。

【0014】

このシステムは、電気化学デバイスに対して結合された層として前出の磁気光学媒体を備えてもよい。

【0015】

磁気光学媒体は、薄膜磁気光学結晶を備えてもよい。

【0016】

感知デバイスは、薄膜磁気光学結晶を保護するための絶縁ポリマーまたはガラスフィルムの保護層をさらに備えてもよい。磁気光学結晶は、薄膜磁気光学結晶を保護するためのポリマーまたはガラス繊維内に埋め込まれてもよい。

【0017】

磁気光学結晶は、高いベルデ定数もしくは低い光吸収性を有してもよい。

【0018】

磁気光学結晶は、バリウムヘキサフェライト、テルビウムガリウムガーネット、ビスマス置換希土類鉄ガーネット、Ｎａ_２Ｃｅ（ＭｏＯ_４）_２、またはＣｅＡｌＯ_３の中の少なくとも１つを含んでもよい。

【0019】

磁場を発生させる電気化学デバイスは、複数のセルを備えるバッテリであってもよく、システムは、複数のセルの中の１つとそれぞれが関連づけられた複数の電磁放射源を備えてもよい。システムは、複数のセルの中の１つとそれぞれが関連づけられた複数の磁気光学媒体をさらに備えてもよい。

【0020】

このシステムは、複数の電磁放射源を順次動作させるように構成されてもよい。

【0021】

センサは、電磁放射源のそれぞれから複数の磁気光学媒体の中の１つを通過した偏光電磁放射を受け取るように構成されてもよい。

【0022】

このシステムは、複数の電磁放射源に関連づけられた複数のセンサをさらに備えてもよい。

【0023】

システムは、制御モジュールを備えてもよく、この制御モジュールは、発せられた電磁放射の第１の偏光面を判定するか、または発せられた電磁放射の所定の偏光面を記憶し、磁気光学媒体を通過した電磁放射の第２の偏光面を判定し、第１の偏光面と第２の偏光面との間の回転角度を判定し、判定された回転角度に基づき電気化学デバイスの磁場強度を判定し、判定された磁場強度に基づき電気化学デバイスの電流分布を判定するように構成される。

【0024】

本発明の一態様によれば、感知方法が提供される。この感知方法は、上述のシステムを用意するステップと、電磁放射源から磁気光学媒体を通して偏光電磁放射を発するステップと、磁気光学媒体を通過した偏光電磁放射をセンサにより受け取るステップとを含む。

【0025】

この方法は、反射された電磁放射の偏光面の回転角度を判定するステップをさらに含んでもよい。

【0026】

この方法は、判定された回転角度に基づき電気化学デバイスの磁場強度を判定するステップと、判定された磁場強度に基づき電気化学デバイスの電流分布を判定するステップとをさらに含んでもよい。

【0027】

この方法は、電気化学デバイスの電流分布を判定するステップを周期的にまたは電気化学デバイス上の複数の位置に対して反復するステップと、電気化学デバイスの電流分布情報の時間的または空間的な変化を判定するステップとをさらに含んでもよい。

【0028】

磁気光学媒体を通して偏光電磁放射を発するステップは、複数の光ファイバケーブルから電磁放射を発するステップを含んでもよい。

【0029】

電磁放射は、あるパターンでまたは順次に磁気光学媒体に対して入射するようにある期間にわたり複数の光ファイバケーブルから個別に発せられてもよい。

【0030】

電磁放射は、複数の光ファイバケーブルから同時に発せられてもよく、複数の光ファイバケーブルは、隣接する光ファイバケーブルとは異なる波長の電磁放射を発するように構成されてもよい。

【0031】

システムは、電流分布情報の変化を受け取るように構成された制御モジュールを備えてもよく、制御モジュールは、電流分布情報の変化に基づき電気化学デバイスのパラメータを変更するように構成されてもよい。制御モジュールは、電流分布情報の変化に基づきアラームを発動するように構成されてもよい。

【0032】

本発明の一態様によれば、感知デバイスが提供される。この感知デバイスは、磁気光学媒体と、この磁気光学媒体を通して偏光電磁放射を発するように構成された電磁放射源と、磁気光学媒体を通り電磁放射源から反射された偏光電磁放射を受け取るように構成されたセンサとを備える。電磁放射源は、第１の複数の光ファイバケーブルを備える、またはセンサは、第２の複数の光ファイバケーブルを備える。

【0033】

感知デバイスは、反射層または保護媒体の少なくとも一方をさらに備えてもよい。

【0034】

第１の複数の光ファイバケーブルおよび第２の複数の光ファイバケーブルは、メッシュアレイ状または織成アレイ状に配置されてもよい。

【0035】

第１の複数の光ファイバケーブルまたは第２の複数の光ファイバケーブルの少なくとも一方が、電気化学デバイスの内部に埋設されるように構成されてもよい。

【0036】

第１の複数の光ファイバケーブルは、電磁放射があるパターンでまたは順次に磁気光学媒体に対して入射するようにある期間にわたり電磁放射を個別に発するように構成されてもよい。

【0037】

電磁放射は、第１の複数の光ファイバケーブルから同時に発せられ、第１の複数の光ファイバケーブルは、隣接する光ファイバケーブルとは異なる波長の電磁放射を発するように構成されてもよい。

【0038】

本発明の一態様によれば、感知デバイスが提供される。この感知デバイスは、偏光電磁放射を発するための第１の複数の光ファイバケーブルを備える電磁放射源と、偏光電磁放射を受け取るように構成されたセンサであって、電磁放射源からの偏光電磁放射が通過するような磁気光学媒体を備えるセンサとを備える。

【0039】

このセンサは、第２の複数の光ファイバケーブルを備えてもよい。これらの第２の複数の光ファイバケーブルは、磁気光学媒体を含んでもよい。

【0040】

少なくとも１つの光ファイバケーブルが、反射層を備えてもよい。

【0041】

第１の複数の光ファイバケーブルは、ある期間にわたり電磁放射を個別に発するように構成されてもよい。

【0042】

この電磁放射は、第１の複数の光ファイバケーブルから同時に発せられてもよく、第１の複数の光ファイバケーブルは、隣接する光ファイバケーブルとは異なる波長の電磁放射を発するように構成されてもよい。

【0043】

本発明の一態様によれば、電気化学デバイスにおける電流変化を判定するための感知デバイスの使用が提供される。

【0044】

以降では添付の図面を参照として本発明の例をさらに説明する。

【図面の簡単な説明】

【0045】

【図1】電気化学デバイスをモニタリングするための一例のシステムの概略図である。

【図2】電気化学デバイスをモニタリングするための別の例のシステムの概略図である。

【図3】光ファイバアレイの一例の概略図である。

【図4】光ファイバを用いて電気化学デバイスをモニタリングするための別の例のシステムの概略図である。

【図5】光ファイバを用いて電気化学デバイスをモニタリングするための別の例のシステムの概略図である。

【図6】光ファイバを用いて電気化学デバイスをモニタリングするためのさらに別の例のシステムの概略図である。

【図7】電気化学デバイスをモニタリングする一例の方法を示す図である。

【図8】回転角度の決定をさらに含む図７の方法を示す図である。

【図9】電気化学デバイスの電流分布の決定をさらに含む図８の方法を示す図である。

【図10A】２０００ｍＡｈリチウムパウチセルにおける電流の不均一性の結果例を示す図である。

【図10B】４０００ｍＡｈリチウムパウチセルにおける電流の不均一性の結果例を示す図である。

【図11A】図９の方法論を使用して判定された磁場マップの一例を示す図である。

【図11B】１０、３００、６００、および８００秒後の放電率２Ｃ（８Ａ）または同等である９９．７、９１．７、８３．３、および７７．８％の充電状態における４０００ｍＡｈリチウムイオンバッテリの２０．５ｍｍ×１５．５ｍｍの小セクションの最初の放電サイクルの最中の磁場マッピングの経時変化を示す図である。

【図11C】１０、３００、６００、および８００秒後の放電率２Ｃ（８Ａ）における４０００ｍＡｈリチウムイオンバッテリの２０．５ｍｍ×１５．５ｍｍの小セクションの４０回目の放電サイクルの最中の磁場マッピングの経時変化を示す図である。

【図11D】６０、１２０、および１８０秒後の放電率８Ａにおける４０００ｍＡｈリチウムイオンバッテリの２０．５ｍｍ×１５．５ｍｍの小セクションの１回目および４０回目の放電サイクルの磁場マップの比較を示す図である。

【図12】８Ａにおける４０００ｍＡｈリチウムイオンバッテリの１回目および４０回目の放電サイクルの比較を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0046】

同様の数字は同様の機能を示す。

【0047】

本発明の例は、ハードウェア、ソフトウェア、またはハードウェアおよびソフトウェアの組合せの形態で実現され得る点が理解されよう。かようなソフトウェアはいずれも、例えば消去可能もしくは書換え可能であるか否かに関わらず例えばＲＯＭのようなストレージデバイスなどの揮発性ストレージもしくは不揮発性ストレージの形態で、または例えばＲＡＭ、メモリチップ、デバイス、もしくは集積回路などのメモリの形態で、または例えばＣＤ、ＤＶＤ、磁気ディスク、もしくは磁気テープなどの光学的または磁気的に読み取り可能な媒体上に格納され得る。ストレージデバイスおよびストレージメディアは、実行された場合に本発明の例を実現する命令を含む１つまたは複数のプログラムを格納するのに適した機械可読ストレージの例である点が理解されよう。

【0048】

したがって、いくつかの例は、本明細書の特許請求の範囲の中のいずれか一項において特許請求される装置または方法を実現するためのコードを含むプログラムと、かかるプログラムを格納する機械可読ストレージとを提供する。さらに、かかるプログラムは、例えば有線または無線接続を介して伝送される通信信号などの任意の媒体を経由して電子的に伝達されてもよく、いくつかの例は、これらを適切に包含する。

【0049】

本明細書全体を通じて、電気化学デバイスを参照とする。電気化学デバイスは、化学反応から電気を発生させ得るまたは電気エネルギーを利用して化学反応を引き起こし得るあらゆるデバイスを包含するように意図される。これには、バッテリおよびそれらのセル、電解装置、センサ、燃料電池、水電解装置、等が含まれるが、これらに限定されない。

【0050】

本発明は、ファラデー効果（またはファラデー回転）を利用することにより電気化学デバイスの電流分布のマッピングを行う。電気化学デバイスは、電流の方向に対して垂直な平面内に磁場を有する。偏光電磁放射が材料を通過する場合に、偏光面は磁場強度に比例した角度だけ回転される。偏光の回転角度と材料内の磁場との間の関係は、次のベクレルの公式により表される：
等式１ β＝ＶＢｄ
βは回転角度（ラジアン）であり、Ｂは伝播方向における磁束密度（テスラ）であり、ｄは電磁放射および磁場が相互作用する経路の長さ（メートル）であり、Ｖは材料のベルデ定数である。この経験的比例定数（単位はラジアン／テスラ／メートル）は、波長および温度により変化し、様々な材料に関して一覧表にまとめられている。正のベルデ定数は、伝播方向が磁場に対して平行である場合にはＬ回転（反時計回り方向）に相当し、伝播方向が逆平行である場合にはＲ回転（時計回り方向）に相当する。したがって、電磁放射の光線が材料を通過しこの材料を経由して反射されると、回転は２倍になる。

【0051】

ベルデ定数が高い（正または負において）材料は、結果として回転角度が大きくなる。ベルデ定数は、反磁性材料の場合には正の値を、常磁性材料の場合には負の値を有する。本明細書全体を通じて、絶対値が使用される。高いベルデ定数を持つ材料の例としては、バリウムヘキサフェライト、テルビウムガリウムガーネット、およびビスマス置換希土類鉄ガーネットがある。例えば、テルビウムガリウムガーネット（ＴＧＧ）のベルデ定数は、６３２ｎｍの電磁放射に対して約－１３４ｒａｄ／（Ｔ＊ｍ）である。ＣｅＡｌＯ３のベルデ定数は、６３２ｎｍの電磁放射で２７０ｒａｄ／（Ｔ＊ｍ）となり、ＮａＣｅ（ＭｏＯ４）２のベルデ定数は、６３２ｎｍの電磁放射で２０４ｒａｄ／（Ｔ＊ｍ）となる。内部磁化を有する強磁性体材料またはフェリ磁性体材料では、距離ｌにわたりかかる材料を通過して移動する光波の合計ファラデー旋光度は、次の等式により表される：

【0052】

【数1】

【0053】

Ｍ_０ｚは材料内の既存の磁化であり、Ｍ_ｓは材料の飽和磁化である。

【0054】

ファラデー回転は、磁気光学層を磁化することになる周囲の磁場によって決定される。材料が磁化されてその飽和磁化に達すると、回転は最大になる。

【0055】

ファラデー比旋光度の絶対値Ｐ_Ｆは、１５５０ｎｍの電磁放射において、イットリウム鉄ガーネットでは２１６°／ｃｍであり、Ｙｂ_ｙＢｉ_ｘＹ_３－ｘ－ｙＦｅ_５Ｏ_１２では４０４°／ｃｍ（ｘ＝１．０３、ｙ＝１．１２）であり、ビスマスイットリウム鉄ガーネットでは１２５０°／ｃｍであり、セリウムイットリウム鉄ガーネットでは１３１０°／ｃｍである。さらに、ファラデー比旋光度の絶対値Ｐ_Ｆは、（Ｂｉ、Ｙ、Ｇｄ、Ｔｍ、Ｌｕ、Ｃａ）３（Ｆｅ、Ｓｉ）５Ｏ１２では７２５ｎｍの電磁放射において６５００°／ｃｍであり、（ＹＹｂＢｉ）３Ｆｅ５Ｏ１２では８００ｎｍの電磁放射において５０００°／ｃｍであり、ビスマスイットリウム鉄ガーネットでは５９０ｎｍの電磁放射において２０，０００°／ｃｍである。ビスマスイットリウム鉄ガーネットは、１５５０ｎｍの電磁放射において２．７ｄＢｃｍ^－１という最も低い吸収係数を有する。

【0056】

図１および図２は、ファラデー効果を利用して電気化学デバイスの電流分布をモニタリングするためのシステム１００、２００の概略的な例を示す。電流の方向は矢印１１２で示され、対応する磁場方向は矢印１１４で示される。このシステムは、電磁放射源１２０、センサ１２２、２２２、および磁気光学媒体１３０を備える。

【0057】

電磁放射源１２０は、偏光電磁放射１２４を磁気光学媒体１３０に通過させて送るように構成される。換言すれば、電磁放射源１２０は、偏光電磁放射１２４を磁気光学媒体１３０に向けて発する。図１に示す例では、電磁放射は、磁気光学媒体１３０を通過し、反射されて磁気光学媒体を通過しセンサ１２２へと戻る。したがって、システム１００は反射層１３２を備えてもよく、いくつかの例では電気化学デバイス１１０が反射性を有してもよく、または反射層１３２および電気化学デバイス１１０が一体であってもよい。反射層１３２は、例えばアルミニウムなどの任意の反射性材料から形成されてもよい。

【0058】

電磁放射１２４は、電気化学デバイス１１０により発生される磁場１１４の方向に対して平行な方向へと電磁放射源１２０から発せられ得る。電磁放射１２４は、発生される際に偏光されてもよい。いくつかの例では、電磁放射源１２０は、電磁放射１２４を偏光するための偏光フィルタ（図示せず）を備えてもよい。電磁放射１２４は、直線偏光化されてもよい。

【0059】

偏光電磁放射１２４は、磁気光学媒体１３０を通り進み、その偏光面が上述のようにファラデー効果により回転される。電気化学デバイス１１０の電流１１２の局所的な変化が、磁場１１４に比例的な変化を結果としてもたらす。したがって、磁場のこれらの変化は、磁気光学媒体１３０を通り進む電磁放射の偏光面の回転角度に対して影響を与える。

【0060】

図１に示すシステム１００の例では、電磁放射１２４はセンサ１２２へと反射される。すなわち、センサ１２２は、磁気光学媒体１３０を通過した反射された電磁放射を受け取るため、その偏光面は回転されている。次いで、センサ１２２または制御システム（図示せず）は、磁気光学媒体１３０を通過した受け取られた電磁放射１２６に基づき電気化学デバイスの特性を判定することが可能となる。これについては、図７～図９に記載の方法を参照として以降においてさらに詳細に説明する。

【0061】

システム１００は、反射層１３２を含むことができる。いくつかの例では、磁気光学媒体１３０は反射層１３２を備えてもよく、反射面が電気化学デバイス１１０に対して他の方法で適用されてもよい。いくつかの例では、電気化学デバイス１１０は反射性を有してもよく、それにより反射層１３２を必要としなくてもよい。

【0062】

図２は、図１の代替的なレイアウトを有する一例のシステム２００を示す。この例では、システム２００は、磁気光学媒体１３０と電気化学デバイス１１０の間に位置決めされたセンサ２２２を有する。この例では、電磁放射１２４は、磁気光学媒体を通りセンサ２２２へ進む。すなわち、図２に示すシステムでは、電磁放射１２４は反射されない。

【0063】

図１および図２のシステム１００、２００において、磁気光学媒体１３０は、電気化学デバイス１１０の磁場１１４が磁気光学媒体１３０と相互作用することにより偏光電磁放射１２４の偏光面を回転させ得るように位置決めされる。例えば、磁気光学媒体と電気化学デバイス１１０との間の距離は、０．１μｍ～１０００μｍであってもよい。適切には、この距離は１μｍ～７５０μｍであり、より適切には５μｍ～５００μｍであってもよい。

【0064】

いくつかの例では、磁気光学媒体１３０は電気化学デバイス１１０に対して結合され得る。例えば、磁気光学媒体１３０は、電気化学デバイス１１０または反射層１３２の表面に対して接着された層であることが可能である。他の例では、磁気光学媒体１３０は、電気化学デバイスと一体化されてもよい。この例では、偏光電磁放射１２４は、磁気光学媒体１３０として機能する電気化学デバイス１１０の一部を通過し、その後センサ１２２にて受領される。

【0065】

電磁放射源１２０は、偏光電磁放射を発することが可能な任意のデバイスであってもよい。いくつかの例では、電磁放射源１２０は、外部ソースから電磁放射１２４を伝送する光ファイバケーブルであってもよい。いくつかの例では、これらの光ファイバケーブルは、偏光フィルタを備えてもよい。

【0066】

センサ１２２は、偏光電磁放射を受け取りそこから磁場１１４の特性を取得することのできる任意のデバイスであってもよい。例えば、センサ１２２はカメラデバイスであってもよい。他の例では、センサ１２２は、磁気光学媒体１３０を通過した例えば偏光電磁放射１２６などのデータを捕捉し、それを制御デバイス（図示せず）へと送出する送出デバイスであってもよい。例えば、光ファイバケーブル。

【0067】

センサ１２２は、電気化学デバイス１１０の特性を判定することが可能であってもよく、例えばセンサ１２２は、電気化学デバイス１１０にわたる電流分布を判定するために以降において説明される方法を実施することが可能であってもよい。これを目的として、センサ１２２は、受け取った偏光電磁放射１２６に基づき磁場データを取得し得る統合型制御デバイスを備えてもよい。

【0068】

磁気光学媒体１３０は、電磁放射を通過させて伝播し得る媒体である。例えば、磁気光学媒体１３０は透明な材料であってもよい。いくつかの例では、磁気光学媒体１３０は、電気化学デバイスに対して結合される層であってもよい。他の例では、磁気光学媒体１３０は、光ファイバケーブルの芯線の一部であってもよい。磁気光学媒体１３０は、０．０１μｍ～７５０μｍの間の厚さを有してもよい。適切には、磁気光学媒体１３０は、０．１μｍ～５００μｍの間の厚さであってもよく、より適切には０．６μｍ～１０μｍの間の厚さであってもよい。

【0069】

いくつかの例では、磁気光学媒体１３０は薄膜磁気光学結晶を備えてもよい。この磁気光学結晶は、例えばポリマーまたはガラス繊維などの透明な材料内に埋め込まれてもよい。これらの薄膜磁気光学結晶は、高いベルデ定数を有する結晶であってもよい。磁気光学媒体１３０が強磁性体材料またはフェリ磁性体材料である例では、磁気光学媒体１３０は、高い比旋光度および低い光吸収係数を、または前者対後者において１０を上回る高い性能指数比を有し得る。いくつかの例では、磁気光学結晶としては、バリウムヘキサフェライト、テルビウムガリウムガーネット、およびビスマス置換希土類鉄ガーネットの中の少なくとも１つが含まれる。さらなる代替材料としては、Ｎａ_２Ｃｅ（ＭｏＯ_４）_２またはＣｅＡｌＯ_３がある。鉄ガーネット材料は、他の既知の材料と比較して高い感度を有するため使用することができる。

【0070】

いくつかの例では、システム１００、２００は、図１に示す１つまたは複数の保護層１３４をさらに備えてもよい。この保護層１３４は、追加的な保護を与えるために磁気光学媒体１３０を覆うように構成され得る。したがって、保護層１３４は、電磁放射１２４に対する透過性を有してもよい。いくつかの例では、保護層１３４は、保護層１３４内における電磁放射１２４の偏光面の回転が無視し得る低さとなるような低いベルデ定数を有していてもよい。

【0071】

保護層１３４は、絶縁ポリマーまたはガラスフィルムであってもよい。磁気光学媒体が磁気光学結晶を含む例では、磁気光学結晶は、ポリマーまたはガラス繊維内に埋め込まれることが可能である。換言すれば、保護層１３４は磁気光学媒体１３０と一体であってもよい。

【0072】

電磁放射源１２０は、所定の波長の放射を発してもよい。この放射の波長は、使用される磁気光学媒体１３０に応じて決定され得る。適切には、電磁放射１２４は可視スペクトル内であってもよい。適切な波長の例としては、４００ｎｍ～８００ｎｍが含まれ、適切には５００ｎｍ～７００ｎｍが、より適切には５５０ｎｍ～６００ｎｍが含まれるが、これに限定するものではない。例えば、５９０ｎｍの電磁波長が使用されてもよい。

【0073】

さらに、いくつかの例では、電気化学デバイス１１０は、複数のセルを備えるバッテリであってもよい。複数のセルのそれぞれが、関連づけられた電磁放射源１２０および磁気光学媒体１３０を有してもよい。このようにすることで、システム１００、２００は、複数のセルおよび複数の磁気光学媒体の中の１つにそれぞれが関連づけられた複数の電磁放射源１２０であって、これらの複数の磁気光学媒体がこれらの複数のセルの中の１つにそれぞれが関連づけられた、複数の電磁放射源１２０を備えることができる。これらの例では、単一のセンサ１２２が、各電磁放射源１２０から複数の磁気光学媒体１３０の中の１つを通過した電磁放射１２４を受け取ることが可能であってもよい。あるいは、複数のセルのそれぞれが、関連づけられたセンサ１２２を有してもよい。システム１００、２００は、各セルが個別にモニタリングされるように複数の電磁放射源１２０を順次動作させて、バッテリ中にわたる電流分布の画像を構築してもよい。同様に、システム１００、２００は、関連づけられたセンサ１２２および磁気光学媒体１３０を有する複数のセルと、単一の電磁放射源とを備えてもよい。これらの構成物により、非常に短い期間で異なるセルをマッピングすることが可能となる。

【0074】

いくつかの例では、電磁放射源３２０またはセンサ３２２の一方または両方が、複数の光ファイバケーブル３４０、３４２であってもよい。光ファイバケーブル３４０、３４２の構成の一例を図３に示す。この例では、電磁放射源３２０は、第１の複数の光ファイバケーブル３４０であり、センサ３２２は、第２の複数の光ファイバケーブル３４２である。例えば、第１の複数の光ファイバケーブル３４０は、外部の電磁放射源に対して接続され、システムに対して偏光電磁放射を伝送するように構成され得る。同様に、第２の複数の光ファイバケーブル３４２は、磁気光学媒体３３０を通過した偏光電磁放射を外部センサへと伝送するように構成され得る。

【0075】

第１の複数の光ファイバケーブル３４０および第２の複数の光ファイバケーブル３４２は、メッシュアレイ状または織成アレイ状に配置されてもよい。光ファイバケーブル３４０、３４２は、磁気光学媒体３３０および電気化学デバイス３１０に隣接して位置決めすることが可能である。

【0076】

光ファイバケーブル３４０、３４２は、磁気光学媒体３３０が電磁放射源３２０（第１の複数の光ファイバケーブル３４０）とセンサ３２２（第２の複数の光ファイバケーブル３４２）との間に挟まれるように配置されてもよい。代替的には、電磁放射源３２０（第１の複数の光ファイバケーブル３４０）およびセンサ３２２（第２の複数の光ファイバケーブル３４２）は、織り混ぜられるメッシュアレイまたは織成アレイであってもよい。いくつかの例では、第１の複数の光ファイバケーブル３４０または第２の複数の光ファイバケーブル３４２の一方または両方が、電気化学デバイス３１０の内部に埋設されることが可能である。

【0077】

いくつかの例では、光ファイバケーブル３４０、３４２は、反射層で部分的にまたは完全に被覆されてもよく、これは、環境への電磁放射損失を最小限に抑えるのに有効であり、これにより捕捉された電磁放射のほとんどが光ファイバに沿って外部センサへ進み戻ることが確保される。

【0078】

さらに他の例の構成では、磁気光学媒体３３０に磁気光学結晶を備えてもよい。この例では、光ファイバケーブル３４０、３４２および磁気光学結晶が、電気化学セルセパレータまたは固体電解質内に埋設され得る。また、磁気光学媒体３３０は、センサ３２２の光ファイバケーブル内に収容することもできる（図５および図６を参照）。

【0079】

電磁放射源３２０が複数の光ファイバケーブル３４０である例では、磁気光学媒体３３０（および電気化学デバイス３１０）は、順次照射されてもよい。例えば電磁放射源３２０は、複数の光ファイバ３４０ａ～３４０ｈであってもよい。センサ３２２は、電磁放射源３２０を形成する複数の光ファイバ３４０ａ～３４０ｈに対して垂直に配置された複数の光ファイバ３４２ａ～３４２ｆであってもよい。これらの光ファイバケーブル３４０ａ～３４０ｈ、３４２ａ～３４２ｆは、磁気光学媒体３３０を覆う。次いで電磁放射源３２０は、第１の光ファイバケーブル３４０ａから電磁放射を発し、次いで第２の光ファイバケーブル３４０ｂから電磁放射を発し、等々となり得る。このようにすることで、磁気光学媒体３３０の一部分が、表面全体にわたって順次照射される。次いで、センサ３２２は電磁放射を受け取り、電気化学デバイス上の電流分布がマッピングされ得る。

【0080】

この逐次的な照射は任意の順序であってもよく、例えば複数のケーブルが同時に放射を行っても、または単一のケーブルのみが放射を行ってもよい。放射順序を制御することのできるコントローラ（図示せず）が、システムに備えられてもよい。

【0081】

別の例では、磁気光学媒体３３０（および電気化学デバイス３１０）は、光ファイバケーブル３４０ａ～３４０ｈにより照射されてもよく、この場合に光ファイバケーブル３４０ａ～３４０ｈのうちの１つまたは複数が、異なる波長の電磁放射を発するように構成される。例えば、電磁放射源３２０は、第１の光ファイバケーブル３４０ａからある波長で電磁放射を発し、同時に第２の光ファイバケーブル３４０ｂから異なる波長で電磁放射を発してもよい。したがって、これらの異なる波長により電流分布の位置マッピングを改善することが可能となり得る。

【0082】

いくつかの例では、光ファイバケーブル３４０ａ～３４０ｈのグループが、それぞれ異なる波長で順次照射されてもよい。例えば、５本の隣接し合う光ファイバケーブル３４０ａ～３４０ｈがそれぞれ異なる波長で同時に照射され、次いで照射が停止され、次いで次の５本が、再度それぞれ異なる波長で照射される、等々となり得る。

【0083】

複数の光ファイバケーブル３４０、３４２は、１μｍ～１００μｍの直径を有してもよく、適切には３μｍ～７５μｍの直径を、より適切には５μｍ～５０μｍの直径を有し得る。複数の光ファイバケーブル３４０、３４２は、１ｃｍの磁気光学媒体の表面積中に１～１０，０００本の光ファイバケーブル３４０、３４２が含まれるように配置されてもよく、適切には１ｃｍの磁気光学媒体の表面積中に１０～１０００本の光ファイバケーブル３４０、３４２が含まれるように配置されてもよい。例えば、１０μｍの光学解像度が必要とされる場合には、１０μｍの直径を有する１０００本のファイバが、１ｃｍの磁気光学媒体の表面積中に配置される。

【0084】

電磁放射源３２０またはセンサ３２２の一方または両方に対して光ファイバケーブルを使用することにより、磁場の詳細なマップを、およびしたがって電気化学デバイス３１０の電流分布の詳細なマップを構築することが可能である。さらに、システムが電池セルまたは電解槽スタックなどの複数の電気化学デバイス３１０から構成される例では、光ファイバケーブルを使用することにより、デバイス全体のサイズを大幅に増大させることなくモニタリングシステムを設置することが可能となる。

【0085】

次に図４～図６を参照すると、光ファイバケーブルを備えるシステム４００、５００、６００の例示的な構成が概略的に示される。これらの図は、明瞭化のために単一の光ファイバケーブル４４２、５４２、６４２を図示するが、図示されている各実施形態に対して複数の光ファイバケーブルが使用されることも可能である点を理解されたい。

【0086】

図４に示す例では、システム４００は、上述したように電磁放射源または光ファイバケーブルアレイであってもよい電磁放射源４２０を備える。電磁放射源４２０は、磁気光学媒体４３０に向けて偏光電磁放射４２４を発するように構成される。この場合に、磁気光学媒体４３０は、電気化学デバイス４１０に隣接し、この電気化学デバイス４１０は、電流４１２がデバイス４１０にわたり流れ、したがって垂直方向磁場４１４を生成する。図４の例では、磁気光学媒体４３０は電気化学デバイス４１０に結合さる。反射層４３２は、磁気光学媒体４３０と電気化学デバイス４１０との間に挟まれる。反射層４３２は、偏光電磁放射４２４が磁気光学媒体４３０を２度通過するように、磁気光学媒体４３０を通して偏光電磁放射４２４を反射させて戻す。反射された偏光電磁放射４２６は、光ファイバケーブル４４２であるセンサ４２２によって受領される。

【0087】

図５に示す例では、システム５００は、図４と同様の構成を備える。しかしこの例では、センサ４２２は、磁気光学媒体５３０を備える光ファイバケーブル５４２である。この例では、電磁放射源４２０は、電気化学デバイス４１０に対して結合された反射層４３２へと偏光電磁放射４２４を発する。反射された偏光電磁放射４２６は、光ファイバケーブル５４２内の磁気光学媒体５３０を通過する。すなわち、偏光電磁放射４２４は、（反射後に）１度だけ磁気光学媒体５３０を通過する。

【0088】

図６に示す例では、センサ４２２は、図５の場合と同様に磁気光学媒体６３０を備える光ファイバケーブル６４２である。追加的に、光ファイバケーブル６４２は、光ファイバケーブル６４２を部分的に覆い得る反射層６３２を備える。この例では、電磁放射源４２０は、光ファイバケーブル６４２を部分的に覆う反射層４３２へ偏光電磁放射４２４を発する。

【0089】

反射された偏光電磁放射４２６は、光ファイバケーブル６４２内の磁気光学媒体６３０を通過する。このようにすることで、光ファイバケーブル６４２は、電気化学デバイス４１０の付近に配置されることだけが必要となる。すなわち、光ファイバケーブル６４２は、磁気光学媒体６３０が磁場４１４と相互作用することにより偏光電磁放射４２４の偏光面が回転され得るように、電気化学デバイス４１０に対して十分な近くに位置決めされなければならない。反射層４３２は、磁気光学媒体６３０の上に位置決めされてもよい。このようにすることで、電磁放射は、磁気光学媒体６３０を２度通過し、１度目は入射ビームとして、２度目は反射ビームとして通過する。

【0090】

反射層４３２は、光ファイバケーブル６４２の外側部を反射コーティングでコーティングすることによりこのファイバ上に備えられてもよい。これにより、電磁放射がセンサ４２２へと戻る効率が改善され、他の場所に放射される電磁放射量が減少する。換言すれば、電気化学デバイス４１０に対面する光ファイバケーブル６４２のセクションは、反射コーティングを有さず、電気化学デバイス４１０から離れる方向を向くセクションは、反射層４３２を有する。

【0091】

図７を参照すると、上述のシステムを利用する一例の方法が示される。第１のステップＳ７５０は、電磁放射源から磁気光学媒体を通して偏光電磁放射を発することを含む。この磁気光学媒体は、電流が流れている電気化学デバイスに対して、この電流により発生した磁場が磁気光学媒体と相互作用するように位置決めされる。この磁気光学媒体により、電磁放射の偏光面がファラデー効果によって回転されることになる。この回転は、電気化学デバイスの磁場強度に比例する。次いで、ステップＳ７５２にて、センサが、磁気光学媒体を通過した（したがって回転された）偏光電磁放射を受け取る。偏光電磁放射の回転量は、電気化学デバイスにわたる電流分布の変化に応じて変化することになる。この方法は、電気化学デバイスの複数の位置にて同時に実施されることが可能であり、いくつかの場合ではこの方法は、電気化学デバイスの複数の位置にて繰り返されてもよい。

【0092】

次いで、図８に示すように、ステップＳ７５４では電磁放射の偏光面の回転角度が判定され得る。偏光面の回転角度は、受け取られた電磁放射の偏光面を発せられた既知の偏光面と比較することによって判定され得る。また、この回転角度は、電磁放射が磁気光学媒体を通過する回数によっても左右され得る。例えば、センサへの反射を利用するシステムでは、磁気光学媒体が偏光面を２倍回転させ得る。したがって、回転角度の計算はシステムの構成により異なることになる。いくつかの例では、システムは、これらの計算を実施するためのコントローラを備えてもよい。

【0093】

したがって図９に示すように、ステップＳ７５６では、磁場の強度が偏光面の回転角度に基づき判定され得る。この磁場は、ベクレルの公式を使用して判定され得る。したがって、磁場の変化は、回転角度の違いによって示されることになる。これにより、０ｍＴ～１０ｍＴの感度を有する、適切には０ｍＴ～５ｍＴの感度を有する、および最も適切には０ｍＴ～２．５ｍＴの感度を有するシステムが可能になる。この磁場の変化は、電気化学デバイスにわたって位置的にマッピングされ得る。有利には、これにより、図１０Ａ～１１Ｄに示すように電気化学デバイスの磁束密度マップを生成することが可能となる。

【0094】

次いでステップＳ７５８では、マッピングされた領域内の対応する局所電流が、判定された磁場強度に基づき計算され得る。次いで、これは電流密度分布マップに変換され得る。この変換は、バッテリ全体の記録された平均磁場磁束に対する放電（または充電電流）の比率で磁束密度マップをスケーリングすることによって実施されることが可能である。図１１Ｂおよび１１Ｃの例では、これは４０倍（４Ａ／０．１ｍＴ）となる。この例における平均磁束密度は、バッテリ全体ではなくバッテリの小セクションを分析する（従来の方法を利用して）ことにより取得され得る。

【0095】

代替的には、より正確な変換が、空気／アルミニウムの約１０^－６Ｈ／ｍの材料透磁率を利用して磁束密度を磁場強度に変換することによって実現され得る。０．１ｍＴの磁束密度は１００Ａ／ｍに変換できる。センサの磁気光学層からバッテリ電極までの距離が例えば２２０μｍであると判明した場合には、２２ｍＡの等価電流が、磁束密度が検出されたマッピング領域において電極電流コレクタに流れ込んでいるということができる。電流をその電流が検出された面積で除算することにより、電流密度が算出され得る。

【0096】

これらの電流分布マップは、経時的に生成することが可能であり、例えば図１１Ａおよび図１１Ｂはそれぞれ、異なる期間における４つの電流分布マップを示す。図１１Ａは１回目の放電における電気化学デバイスを示し、図１１Ｂは４０回目の放電における電気化学デバイスを示す。これらの図から分かるように、電流分布マップは、バッテリが古くなりサイクルが進むにつれて変化する。これは、１回目のサイクルの最高データと４０回目のサイクル後の最低データとを比較することにより、電流密度の不均一性と経年による電気化学デバイスとの直接的な相関関係を示す。これにより、例えば図１１Ｄに示すような電流ホットスポット１１６０の特定が可能となる。ホットスポット１１６０は、周囲と比較して例えば平均値の３０％を上回るなど非常に高い局所磁束を有する領域と見なされてもよい。ホットスポット形成およびデンドライト形成は、特に長期間にわたり同一領域において継続的に検出される場合には熱暴走リスクを示唆する。また、これらの形成は、バッテリ製造の欠陥を示唆する場合があり、品質管理評価のために利用することが可能である。

【0097】

したがって、電流密度のこの変化をモニタリングすることにより、デバイス製造の品質管理の評価、経年劣化の検出、耐用寿命の推定、故障モードの予測、またはシステム制御を介した是正措置の実施を行うことが可能となる。例えば、この方法は、局所電流密度の変化とバッテリの経年劣化との間に直接的な相関関係が見られる場合には、燃料電池のフラッディングまたはバッテリの経年劣化を検出することが可能である。さらに、この方法は、差し迫った故障と相関関係がある場合のある電流密度が非常に高いまたは低い領域を強調表示することが可能である。この情報は、制御システムへとフィードバックされ、それにより例えばバッテリの充電率もしくは放電率の低さなどにおいて緩和措置をとるまたはサービスアラームを発動することが可能となる。また、この情報は、セルの大型パックから故障セルを位置特定しさらにセル自体内の領域を位置特定するために、または製造後におけるバッテリの品質管理評価のためにも利用できる。

【0098】

実施例
２つのＬｉ－ｉｏｎパウチ型および角柱型セルを試験した。２０００ｍＡｈおよび４０００ｍＡｈの容量を有するセルを試験した。２０００ｍＡｈセルは、４０×５５×５．８ｍｍ（高さ、幅、厚さ）の外寸を有し、電極の総面積は、４４０ｃｍ^２（８０×５．５ｃｍ、ラップ済み）であった。図１０Ａに示すように、磁束密度マップを２Ｃ（４Ａ）から検出することができた。これは４／４４０＝９０ｍＡｃｍ^－２の電流密度と言い換えることができる。同様に、図１０Ｂの４０００ｍＡｈバッテリの場合には、磁場マッピングは、４Ａ以上の電流から、すなわち１Ｃの放電率または４／８７０＝４６ｍＡｃｍ^－２相当の電流密度から視認可能であった。セルは、５０×１００×５ｍｍ（高さ、幅、厚さ）の寸法を有し、電極の総面積は８７０ｃｍ^２（８７×１００ｃｍ、ラップ済み）であった。

【0099】

角柱型セルの外部絶縁体の厚さは２２０μｍであった。７０μｍの合計厚さを有するグラフェンのアノード活性層が、５０μｍの銅フォイルの両側に隔てられた。４５μｍの合計厚さを有するニッケル－マンガン－コバルト酸化物層のカソード活性層が、２５μｍのアルミニウムフォイルの両側に被覆された。バッテリは、１－４Ｃのレートで充電および放電された。

【0100】

４０００ｍＡｈバッテリの一部を、２０．５ｍｍ×１５．５ｍｍのセンサ上に平置し、このセンサは、薄い磁気光学コーティング（保護ポリマー表面を有する５μｍのアルミニウム反射層が頂部に載置されたＰＦ＞１°／μｍ（すなわち５９０ｎｍの電磁放射にて１０，０００°／ｃｍ）のファラデー比旋光度を有する１～１０μｍのビスマス置換希土類鉄ガーネット単結晶フィルム層）で被覆されたガラス基板から構成される。置換鉄ガーネットフィルムは、可視化装置として使用されるあらゆる磁気光学材料の中で最高の磁気分解能を有し、下は１０Ａ／ｍまでの磁場または０．０１ｍＴの磁場磁束が検出され得る（Ｍ．Ｒ．ＫｏｂｌｉｓｃｈｋａおよびＲ．Ｊ．Ｗｉｊｎｇａａｒｄｅｎ、「Ｍａｇｎｅｔｏ－ｏｐｔｉｃａｌ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎｓ ｏｆ ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｏｒｓ」、Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄ． Ｓｃｉ． Ｔｅｃｈｎｏｌ．、８：１９９、１９９５年）。センサの飽和範囲は、０．０５～２．０ｍＴの動作範囲を有する約１０^－６Ｈ／ｍの透磁率（空気、銅、アルミニウムの場合）を考慮した場合、２ｍＴの磁束密度または２ｋＡ／ｍの磁場強度の付近であった。

【0101】

波長５９０ｎｍの偏光を使用した場合のファラデー回転は、室温にてセンサを通過する反射光が１度の通過する場合に１．５°／ｍＴ、または２度通過する場合には（実質的に２倍の移動距離または層厚さ）３°／ｍＴに相当する。使用されるセンサの検出下限の磁束密度が０．０５ｍＴの場合に、０．１５°の偏光の回転が検出されることになる。５９０ｎｍの波長を有する偏光が、ガラス基板の裏側表面に、すなわちバッテリが配置された面の反対側表面に入射した。この光は、ガラスおよび磁気光学層を通過し、次いでアルミニウムミラー層によって反射されて、局所磁束密度に応じて異なる回転角度で磁気光学層およびガラスを二度通過する。次いで、この反射光は、アナライザ－偏光フィルタモジュールを経由し、次いで５ＭＰ ＣＣＤカメラへ進んで、２５μｍの光学解像度でバッテリの磁場分布マップを表示する強度コントラスト画像を生成する。時間および充放電サイクル（１および４０）による磁束密度マップの漸進的変化が、図１１Ｂおよび図１１Ｃにおいて分かる。２Ｃの適度な電流密度および充電率にもかかわらず、バッテリ電極における電流分布の大きな変化を反映した磁束密度マップの良好な検出を得ることができたことが分かる。

【0102】

電気自動車の場合には、急速充電による４～１０Ｃというはるかに高い充電率が望ましい。マップを分析すると、経時的に磁束密度の低い領域（平均の２０％未満）と、経時的に磁束密度の高い領域（平均の２０％超）とを識別することができる。また、この分析により、所与のサイクルにおける電極の放電または充電の不均一性が示され、すなわちこのサイクルの最中に経時的に最も活性の高い領域が最初に放電（または充電）を開始して、バッテリ電圧の低下（または上昇）につれて時間と共に最初により活性の低い領域へと移動する様式が示される。非常に高い局所磁束（平均値の５０％超）を有する小領域が、長期間にわたり同一領域において継続的に検出される場合には、この領域は、熱暴走リスクを伴うホットスポット形成およびデンドライト形成を示唆する可能性がある。例えば図１１Ｄでは、ホットスポット１１６０の領域が６０秒（４０回目の放電）にて検出される。この高い活性は、それ以前となる放電開始から１０秒の時点（図１１Ｃ）またはその後となる１２０秒の時点（図１１Ｄ）では検出されなかった。したがって、この高活性は、バッテリが放電開始状態にあることを前提した場合にここで予期されるデンドライト形成リスクとは見なされない。

【0103】

他方において、充電サイクルの終了に向かって１００秒間にわたりホットスポットが長期的に検出される場合には、これは、デンドライト形成または差し迫った重大バッテリ故障を連続的に示唆するものとなり得る。例えばマップ内の磁束密度の最小値／最大値および平均値などキャプチャされたマップ／データに対して、様々な分析を行うことが可能である。これは、Ｘ軸またはＹ軸におけるある特定の領域または線を選択することによって行い得る。ｘ軸方向に磁束密度の変化を示すｙ軸の中間に位置する線を選択することによる簡単な分析の一例が示される。図１１Ｃおよび１１Ｄに示す簡単な分析から、バッテリの経年劣化に伴う磁場磁束密度の標準偏差の増大が明らかである。マッピング領域全体をさらに複雑に分析するほど、さらに有用なものになる。例えば、図１１Ｂ～図１１Ｄによれば、経年劣化により電極全体にわたる磁場分布が不均一になり、電極のモニタリングされた領域の上側および左上側に向かって密度がより高くなることが明らかである。図１２では、１回目のサイクルと４０回目のサイクルとの間において８Ａの放電率にて３４００ｍＡｈから２２００ｍＡｈへの大幅な容量損失が生じることが明確に理解できる。

【0104】

本明細書では複数のシステム構成を説明したが、ファラデー効果を利用して電気化学デバイスの電流分布を計測することのできるあらゆる構成が、本特許請求の範囲に含まれることが予期される。さらに、単一の例のみに関連して説明される特徴は、別様の指定がない限り他の例に含まれてもよい。

【0105】

図面全体を通じて、電流が左から右に流れることにより結果として上方向磁場（ページにおいて見た場合）が生じるものとして示されるが、この電流の方向は任意の方向であることが可能であり、したがって結果的に得られる磁場は任意の垂直方向であることが可能である点を理解されたい。

【0106】

上述のセンサは、電気化学デバイスに対して後から装着されてもよく、または電気化学デバイスと共に使用されるように別個に用意されてもよい。

【0107】

有利には、上述のシステム、センサ、および方法は、電気化学デバイスに対して非侵襲的である改良されたモニタリング方法を提供する。さらに、上述のシステム、センサ、および方法は、電気化学デバイスの変化を検出することが可能であり、したがって電気化学デバイスが非均質性を有する場合であっても他の場合であれば未検出のままとなり得る問題が明らかになる。

【0108】

本明細書全体を通じて、「備える」および「含む」という語ならびにその変形語は、「含むがそれらに限定されない」を意味し、他の構成要素、完全体、またはステップを排除するように意図されるものではない（および排除しない）。本明細書全体を通じて、単数形は、文脈上において別段の必要性がない限り複数形を包含する。特に不定冠詞が使用されている場合には、文脈上において別段の必要性がない限り、本明細書は複数形のみならず単数形も想定するものとして理解されたい。本明細書全体を通じて、「約」という語は、所与の数値が端点を「若干上回り」得るまたは「若干下回り」得ることを提示することによって範囲の端点に自由度を与えるために使用される。この用語の自由度は、その特定の変数により決定され得るものであり、経験および本明細書における関連説明に基づき決定され得る。

【0109】

本発明のある特定の態様または例との組合せにおいて説明される特徴、完全体、または特性は、矛盾のない限り、本明細書において説明される任意の他の態様または例に対して適用可能である点を理解されたい。本明細書において開示されるすべての特徴、および／または本明細書において開示される任意の方法もしくはプロセスのすべてのステップは、かかる特徴および／またはステップの少なくともいくつかが相互に排他的である組合せを除いては、任意の組合せで組み合わされてもよい。本発明は、いかなる前出の例の詳細にも限定されない。本発明は、本明細書において開示される任意の新規の特徴または特徴の組合せにまで及ぶ。また、本明細書全体を通じて、「ＹのためのＸ」（ここでＹは何らかの行為、活動、またはステップであり、Ｘはかかる行為、活動、またはステップを実施するための何らかの手段である）という一般的な形式の表現は、特にしかし限定するものではないがＹを行うために適合化または構成された手段Ｘを包含する点を理解されたい。

【0110】

本明細書において開示される各特徴は、別様のことが明示されない限り、同一、同等、または同様の目的を果たす代替的な特徴に置き換えられてもよい。したがって、別様のことが明示されない限り、開示される各特徴は、一般的な一連の同等または同様の特徴の中の１つの例にすぎない。

【0111】

読者の注意は、本願に関連して本明細書と同時にまたはそれ以前に出願され、本明細書と共に公開されているすべての論文および文献に対して向けられ、かかるすべての論文および文献の内容は、参照により本明細書に組み込まれる。

【符号の説明】

【0112】

１００ システム
１１０ 電気化学デバイス
１１２ 電流、電流の方向
１１４ 磁場、磁場方向
１２０ 電磁放射源
１２２ センサ
１２４ 偏光電磁放射
１２６ 受け取った偏光電磁放射
１３０ 磁気光学媒体
１３２ 反射層
１３４ 保護層
２００ システム
２２２ センサ
３１０ 電気化学デバイス
３２０ 電磁放射源
３２２ センサ
３３０ 磁気光学媒体
３４０ 第１の複数の光ファイバケーブル
３４２ 第２の複数の光ファイバケーブル
４００ システム
４１０ 電気化学デバイス
４１２ 電流
４１４ 垂直方向磁場
４２０ 電磁放射源
４２２ センサ
４２４ 偏光電磁放射
４２６ 偏光電磁放射
４３０ 磁気光学媒体
４３２ 反射層
４４２ 光ファイバケーブル
５００ システム
５３０ 磁気光学媒体
５４２ 光ファイバケーブル
６３０ 磁気光学媒体
６３２ 反射層
６４２ 光ファイバケーブル
１１６０ 電流ホットスポット
３４０ａ 光ファイバ、光ファイバケーブル
３４０ｂ 光ファイバ、光ファイバケーブル
３４０ｃ 光ファイバ、光ファイバケーブル
３４０ｄ 光ファイバ、光ファイバケーブル
３４０ｅ 光ファイバ、光ファイバケーブル
３４０ｆ 光ファイバ、光ファイバケーブル
３４０ｇ 光ファイバ、光ファイバケーブル
３４０ｈ 光ファイバ、光ファイバケーブル

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10A】

【図10B】

【図11A-1】

【図11A-2】

【図11B-1】

【図11B-2】

【図11C-1】

【図11C-2】

【図11D】

【図12】

【国際調査報告】