专利名称：使用断层摄影术来测定电池特征的方法
技术领域：
本发明涉及电池。
背景技术：
电池是通常使用的电能来源电池包含一般称作阳极的负极和一般称作阴极的正 极。阳极含有可被氧化的活性材料；阴极包含或消耗可被还原的活性材料。阳极活性材 料能够还原阴极活性材料。当在装置中使用电池作为电能来源时，与阳极和与阴极实现电接触，使电子流 过装置，发生各自的氧化和还原反应以提供电能。与阳极和阴极相接触的电解质包含流 过位于电极之间的分隔体的离子，以在放电过程中保持电池整体的电荷平衡。发明概述一般来讲，本发明涉及对电池进行断层摄影。断层摄影术通过层化或分层来成 像。断层摄影术的实例包括计算机断层摄影术(或X射线断层摄影术)、中子断层摄影 术、以及低温电子断层摄影术。断层摄影术提供用于获取关于电池的信息的非侵入性和 非破坏性技术。在一个方面，本发明提供测定具有内部的电池特征的方法。所述方法包括利用 断层摄影术来非侵入性地获取电池内部的数据并由所述数据来确定特征。在另一方面，本发明提供获取关于电池内部的数据的方法。所述方法包括在电 池内部隔离出组件和/或区域并利用断层摄影术非侵入性地获取电池内部的数据。在另一方面，本发明提供确定具有内部的电池特征的方法。所述方法包括在电 池未充电时利用断层摄影术非侵入性地获取电池内部的数据(例如，可获得电池内的第 一体积)，对电池进行放电，并且利用断层摄影术非侵入性地获取经放电的电池内部的数 据(例如，可获得经放电的电池内部的第二体积)。电池的放电行为可由第一体积和第二 体积确定。实施方案可包括下列一个或多个特征。所述特征可通过由数据产生内部的三维 示图来确定。所述特征可为占据的空间、未占据的空间、未占据的空间的体积、诸如电 池组件(例如阴极)的密度、氢气、电池中含氢分子和/或电池中水分。所述特征可涉 及电池的组件或一部分或整个电池。所述特征可在电池内部的多个位置处测定。例如， 电池可包括阴极并且所述特征可包括在电池内部的多个位置处测量的阴极密度。可测定 电池内部多个位置处的特征的改变。电池可包括组件并且所述特征可为电池内部组件的 分配。多个位置处的密度可包括堆叠边缘伪影，所述伪影能够通过将具有错开的起始位 置的多次电池扫描组合来减轻。例如，为了减轻伪影，可采用包括第一扫描和第二扫描 的两级扫描方法。第二扫描中电池的起始位置能够偏移堆叠高度的一半。每次扫描可 产生中心堆叠数据。与两次扫描相关联的中心堆叠数据的接合能够消除堆叠边缘伪影。 实施方案也可包括下列一个或多个特征。电池内部的组件和/或区域能够在利用断层摄 影术之前隔离或层化以非侵入性地获取电池内部的数据。电池的组件和/或区域能够通 过向完好电池施加力而被隔离开。电池的组件和/或区域能够利用例如重力、离心力(concentric force)、温度或磁力隔离开。空隙能够在电池端部隔离出。实施 方案也可包括下列一个或多个特征。在确定了内部特征之后，电池内部可 被物理访问并且可进行分析。分析可为化学分析。断层摄影术能够在电池放电之前、期 间和/或之后采用。电池能够重复放电并且断层摄影术能够重复利用以非侵入性地获取 放电电池内部的数据。电池的组件和/或区域能够通过在电池放电之前、期间和/或之 后且利用断层摄影术之前向电池施加力(例如重力或离心力)而被隔离开。实施方案也可包括下列一个或多个特征。断层摄影术可为显微计算机断层摄影 术。电池可在显微计算机断层摄影术设备内相对于电池的对称轴线(例如纵向轴线)旋 转。利用微断层摄影术可包括由X射线源向电池施加X射线光束。X射线光束可利用 滤光器过滤。滤光器可包括金属材料。金属材料可选自由下列组成的组铝、锌、铁、 铜、黄铜、青铜、镍、钛、以及它们的组合。滤光器可具有例如约0.01mm、0.02mm、 和/或至多例如约1.00mm的厚度。X射线光束的能线图可在向电池施加X射线光束之 前进行调整，例如通过调整滤光器的厚度、滤光器的组件、设备的电压和/或电流。可 将X射线光谱仪连接到X射线源上。断层摄影术也可为中子断层摄影术。断层摄影术 可在室温下进行。所述方法可用于一次电池或二次电池。一次电化学电池意味着仅放电(例如至 耗尽)一次，然后被废弃。不打算对一次电池进行再充电。一次电池描述于例如David Linden的HandbookofBatteries(McGraw-Hill，第2版，1995)中。二次电化学电池可被多 次再充电，例如超过五十次、超过一百次或更多次。二次电池描述于例如以下中Falk & Salkind 的 “Alkaline Storage Batteries”，John Wiley & Sons，Inc. 1969 ；美国专利公开 345,124 ；以及法国专利公开164,681。所述方法可用于任何类型的电池，例如碱性电池、锂离子二硫化物电池、 锂-磷酸盐电池、锂-二氧化锰电池、锌-空气电池、锌-碳电池、镍金属氢化物电池、 锂离子电池、铅酸电池、以及银锌电池。所述方法可用于任何形状的电池，例如圆柱形电池(例如，AA、AAA、 AAAA、C和D电池)、棱柱电池(例如，PP3电池)、和纽扣电池(例如，手表电池)。所述方法可用于电池设计及建模中。本文提及的所有出版物、专利申请、专利和其他参考文献均全文以引用方式并 入本文。通过以下的发明详述和权利要求，本发明的其他特征和优点将显而易见。附图概述

图1为电池的示意图。图2为示例出确定电池内部特征的方法的流程图。图3A-3C为AA电池的三维显微计算机摄影图像的二维切片。各种附图中的相同的参考符号指示相同的元件。发明详述参见图1，电池10包括阴极12、阳极14、分隔体16和圆柱形外壳18。电池10 也包括集流体20、密封件22和用作电池负端子的负金属端帽24。起到电池正端子作用 的正极点26位于电池上的负端子的相反端。电解质溶液分散在整个电池10中。电池10可为碱性电池，例如AA、AAA、AAAA、C或D电池。阴极12包括一种或多种阴极活性材料。其可包括碳颗粒、粘合剂与其他添加 齐U。阴极活性材料的实例包括二氧化锰和羟基氧化镍。碳颗粒可为石墨颗粒。粘合剂 的实例包括聚乙烯、聚丙烯酸或氟碳树脂。电解质溶液可分散在阴极12中。电解质可 为诸如氢氧化钾或氢氧化钠的碱性氢氧化物的水溶液。阳极14可由阳极活性材料、胶凝剂和微量添加剂如放气抑制剂形成。此外， 上述电解质溶液中的一部分分散在整个阳极中。阳极活性材料的实例包括锌。胶凝剂 的实例可包括聚丙烯酸、接枝淀粉材料、聚丙烯酸盐、羧甲基纤维素、羧甲基纤维素盐 (例如羧甲基纤维素钠)或它们的组合。气体生成抑制剂可包括无机材料，例如铋、锡或 铟。可供选择地，气体生成抑制剂可包括有机化合物，例如磷酸酯、离子表面活性剂或 非离子表面活性剂。分隔体16可为常规的碱性电池分隔体。在其它实施方案中，分隔体16可包括 与非织造材料层结合的玻璃纸层。分隔体也可包括附加的非织造材料层。外壳18可为 通常用于主要碱性电池的常规外壳，例如镀镍冷轧钢。集流体20可由合适的金属例如黄 铜制成。密封件22可由例如尼龙制成。电池10包括未占据的空间，S卩，被气体或液体占据但未被电池的固体组分占据 的空间。例如，电池10的组件(例如阴极12和阳极14)包括孔或空隙作为未占据的空 间。因此，电池10中的组件占据比外壳18内的总体积较小的空间。未占据的空间为产 生的气体(例如氢气)提供贮存器并为电池使用期间阳极和阴极材料的膨胀提供空间。未 占据的空间可在电池10中有效地提供缓冲以调整内部压力。未占据的空间的体积控制可 有助于控制气体产生及电池性能。非侵入性多步方法可用于确定电池10的内部特征，例如未占据的空间。参见图 2，所述方法包括样本制备步骤36、数据收集步骤38、数据处理步骤40、以及分析步骤 42。如本文所用，非侵入性是指未完全打开电池。除了占据的空间之外，内部特征还可为例如体积、密度、孔隙率、以及电池10 中诸如阴极12或阳极14的各种组件的分配。在一些实施方案中，内部特征涉及整个电 池10。在一些实施方案中，内部特征涉及电池10的一部分，例如具体位置或区域。内 部特征可在放电过程之前、期间和/或之后评价。内部特征的测量及确定可有利于电池 的更佳设计并增强电池性能。在一些实施方案中，样本制备步骤36包括利用重力或离心力非侵入性地层化或 隔离电池10的组件或区域。例如，可通过摇晃或旋转将未占据的空间隔离到电池10的 一端，例如正端。在数据收集步骤38期间，电池10的数据或图像利用显微计算机断层摄影术 (mCT)收集。显微计算机断层摄影术采用其中数字几何处理用于由围绕单个旋转轴 线拍摄的大量系列二维X射线图像生成物体内部的三维图像的断层摄影术。关于显微 计算机断层摄影术的详细信息还提供在DufreOTe等人的“ Microcomputed Tomography and Its Applications”，Encyclopedia of Biomaterials and Biomedical Engineering, Marcel DekkerInc., 2004 ； Ruegsegger 等人的 A microtomographic system for the non-destructive evaluation of bone architecture, Calcif.Tiss.Int.58，24-29(1996)；以及 Ulrich 等人的 “Thequality of trabecular bone evaluated withmicro-computed tomography, FEA and mechanical testing”， Bone Researchin Biomechanics， IOS Press Amsterdam, 97-112, 1997 中。在一些实施方案中，源于X射线源的X射线在被施用于电池10之前进行过滤。 例如，将由例如铝或锌制成的滤光器施加在X射线源和电池10之间。滤光器可具有约 0.01mm至约Imm的厚度。在一些实施方案中，利用一个以上的滤光器。在一些实施方案中，将X射线光谱仪连接到过滤后的X射线源上并与显微计算 机断层摄影术设备联合使用。光谱仪能够测量过滤后的X射线源的诸如能线图的性质， 并且有利于优化并控制X射线源的过滤。将电池10置于显微计算机断层摄影术设备(例如，SkyScan 1172)的辐射管内， 其中电池10的纵向轴线与旋转轴线对齐。电池10内受关注的区域可为例如阳极14的一 部分。在一些实施方案中，在将电池置于辐射管内以对电池进行显微计算机断层摄影术 之前，将辐射管加热例如至少8分钟或者至少30分钟。来自不同视角的X射线图像代表电池10的二维剖视图像。这些图像能够在数据 加工步骤40中被加工并利用诸如MatLab和Amira的软件产品以及使用者限定的编码重建 以形成基于电池10中组件的X射线吸收中的对比度的三维微观结构图像。也可利用其 他图像加工和/或分析平台。此类平台的实例包括Analyze, (AnalyzeDirect，Overland Park, KS)、TVK (Kitware, Clifton Park, YN)、ImagePro Plus (MedicalCybernetics, Bethesda, MD)、WWmageJ^g(OpenSc)Urce, NIH)。最后，在分析步骤42中对重建的三维微观结构图像进行分析以量化电池10的内 部特征。利用显微计算机断层摄影术的非侵入性多步方法能够高精度地表征电池10的多 个组件的特征，例如精确至微尺度。由于所述方法的非侵入性特性，对于密封的电池内 部获得的信息在电池的设计、制造及质量保证方面颇有价值。在一些实施方案中，中子断层摄影术可用于数据收集。中子用于有效地探测诸 如氢、锂6、硼1(|、钙和钆的元素，即使当这些元素包封在金属外壳内时。因此，具有这 些元素的密集浓度的物质(例如，包含这些元素的液体或固体)顺应中子断层摄影术。例 如，包含氢元素的物质包括水、过氧化氢、以及包含氢的有机化合物及混合物。因此， 中子断层摄影术使得电池10内电解质和电极(在电极由锂制成时)的分配既在空间上也 在动态上成像。类似于上述显微计算机断层摄影术，能够形成并加工电池10的二维图像 以重建电池10内部的三维示图。中子断层摄影术的讨论还提供在Ridgway等人的Tnms. in Porous Media 63, 503-525(2006)中。在一些实施方案中，上述多步方法能够用于理解动态进化，例如电池10中一个 或多个组件的放电行为。在此类实施方案中，诸多三维图像在电池10放电之前、期间和 之后形成。例如，在样本制备之后，将显微计算机断层摄影术应用于未放电的电池10并 通过分析形成电池的第一个三维图像。随后对电池10放电并再次采用微断层摄影术以形 成电池10的第二个三维微观结构图像。放电过程及数据收集和加工步骤可重复采用以产 生放电电池10的更多个三维图像。以时间顺序分析三维图像以描述放电过程期间的动态进化(例如，阴极或阳极 活性材料的膨胀)、不同组件的分配及密度变化、以及电池的变形。在一些实施方案中，重点观察受关注的组件或区域以便能够追踪具体组件或区域的动力学。所期望的信息可 通过控制例如放电过程的持续时间及次数获得。在一些实施方案中，在获得电池10的三维图像之后，对电池10进行侵入性化学 分析。在此类实施方案中，打开电池10并分析活性材料的占据空间(例如，分配)。对 相同电池的组合的非侵入性多步方法与侵入性化学分析的应用使得源于例如电池的三维 图像的物理特性与相同电池的化学特性相关联。尽管上述非侵入性方法及相关分析应用于碱性电池10，但是它们也可用于其他 电池，例如，锂-二硫化铁电池、锂-磷酸盐电池、锂-二氧化锰电池、锌-空气电池、 锌-碳电池、镍金属氢化物电池、或锂离子电池。上述非侵入性方法及相关分析可用于 电池设计及建模中。 实施例实施例1在该示例性实施例中，非侵入性地测量和计算AA电池的阴极体积。提供商业化AA电池并将其置于显微计算机断层摄影术系统中用于扫描。以约 0.9度/180度的步长旋转电池。每一步生成一个X射线投射数据文件。进行1800次投 射并利用标准锥束算法加工并重建相应的1800个数据文件以产生一堆图像切片，其构成 三维的AA研究电池。利用阈值及相关的组件标记，在每个切片中识别阴极区域。计算 每个切片中阴极区域的范围，并且阴极体积为所有切片阴极范围的总和。实施例2在该示例性实施例中，利用显微计算机断层摄影术非侵入性地测量和计算AA电 池的空隙体积。提供商业化AA电池并由图3A所示的显微计算机断层摄影术扫描重建三维结 构。使AA电池沿其长度向着其支托(例如，支托26)垂直下落约25次。源于另一次显 微计算机断层摄影术扫描的三维结构绘制于图3B中。利用Amira(Visage Imaging，Inc., CA)的分割编辑器计算出电池中非织造组件的体积为约0.197mL。接下来，使AA电池沿其长度向着端帽(例如，端帽24)垂直下落约50次。源 于另一次显微计算机断层摄影术扫描的三维结构绘制于图3C中。再次利用Amira(Visage Imaging, Inc., CA)的分割编辑器计算出电池中非织造组件与空隙的体积为约0.560mL。 随后确定电池内部的空隙体积为约0.363mL。其他实施方案也在以下权利要求书的范围内。
权利要求
1.一种测定电池特征的方法，所述电池具有内部，所述方法包括(a)利用显微计算机断层摄影术非侵入性地获取所述电池内部的数据；和 (B)由所述数据来确定所述电池内部的体积或密度。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述体积为占据的空间或者所述体积为空隙体积。
3.如权利要求1所述的方法，所述方法包括确定所述电池内部多个位置中的每一处的也/又。
4.如权利要求3所述的方法，其中所述多个位置处的密度包括堆叠边缘伪影，所述伪 影通过将具有错开起始位置的所述电池的多次扫描组合来减轻。
5.如权利要求1所述的方法，其中所述电池包括阴极并且所述密度为阴极密度。
6.如权利要求1所述的方法，其中所述密度或所述体积涉及所述电池的组件。
7.如权利要求1所述的方法，所述方法还包括在步骤(a)之前层化或隔离所述电池内 部的组件和/或区域。
8.如权利要求10所述的方法，所述方法包括利用重力、利用离心力、利用温度或利 用磁力来隔离所述电池的组件和/或区域。
9.如权利要求1所述的方法，所述方法包括对未放电的电池执行步骤(a)和(b)，接 着对所述电池放电，并接着对经放电的电池重复步骤(a)和(b)。
10.如权利要求1所述的方法，其中利用显微计算机断层摄影术包括对所述电池施加 来自X射线源的X射线光束。
11.一种获取电池内部的数据的方法，所述方法包括(a)隔离所述电池内部的组件和/或区域；和(b)利用断层摄影术非侵入性地获取所述电池内部的数据。
12.如权利要求11所述的方法，其中所述断层摄影术为显微计算机断层摄影术或者所 述断层摄影术为中子断层摄影术。
13.—种确定电池特征的方法，所述电池具有内部，所述方法包括(a)利用断层摄影术非侵入性地获取所述电池内部的数据以确定所述电池内部的第一 体积，所述电池是未放电的；(b)对所述电池进行放电；和(c)利用断层摄影术非侵入性地获取经放电的电池内部的数据以确定经放电的电池内 部的第二体积。
14.如权利要求13所述的方法，其中所述断层摄影术为显微计算机断层摄影术或者所 述断层摄影术为中子断层摄影术。
15.如权利要求13所述的方法，所述方法包括在所述电池放电之前、期间和/或之后 利用断层摄影术。
全文摘要
本发明公开了一种包括断层摄影术的非侵入性多步方法，所述方法被应用以确定电池特征。
文档编号G01R31/36GK102027355SQ200980117727
公开日2011年4月20日 申请日期2009年5月14日 优先权日2008年5月16日
发明者C·A·巴克兰, D·P·特罗克汉, E·L·巴拉德, J·A·德雷克, J·H·纳雷, J·谢, P·D·特雷纳, P·J·格雷厄姆, R·E·德科特, T·E·迪弗雷纳, 曹阳 申请人:吉列公司