具有用于电压监测的参比电极的电池制造技术

技术编号:12805159 阅读:149 留言:0更新日期:2016-02-03 18:51
披露了一种具有作为参比电极的第三电极的锂离子电池结构。该参比电极可以由锂金属、锂化的碳、或多种其他含锂电极材料制成。多孔集电器允许参考锂离子从该参比电极渗透到阴极或阳极,从而使得能够在锂离子电池的实际操作下进行电压监测。该参比电极因此并不需要在空间上处在电池阳极与阴极之间,由此避免屏蔽效应。该电池结构包括一个外部参考电路以动态地显示阳极和阴极电压。该电池结构可以引起改进的电池监测、增强的电池安全性、以及延长的电池寿命。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】具有用于电压监测的参比电极的电池优先权日本国际专利申请要求于2013年6月20日提交的美国专利申请号13/923,354的优先权,该专利申请特此通过引用以其全部内容结合在此。专利
本专利技术总体上涉及使得能够在系统操作下准确监测电极电势的电化学系统结构(诸如但不限于锂离子电池)。专利技术背景电化学系统是从化学反应获得电能或通过引入电能来促进化学反应的一种系统。电化学系统通常包括阴极、阳极、以及电解质,并且典型地与多个异构子系统结合,该多个异构子系统存在从纳米到米的多种尺度。这些系统的实例包括燃料电池、电池、以及电镀系统。车辆内的电池或燃料电池的在线表征是困难的,因为环境非常嘈杂。这类电化学系统的在线表征在许多应用中是希望的,这些应用包括卫星或航空飞行器上的机载电池的实时评价,以及电动车和混合动力车辆的牵引用电池的动态诊断。在许多电池供电系统中,可以通过电化学能量存储系统的智能管理来极大地提高电池的效率。只有在适当诊断电池状态的情况下可能进行管理。基于锂(Li)的电池(诸如锂离子电池)与其他商业电池相比因其高能量密度而具有吸引力。在计算机、移动电话、以及相关装置中商业地使用锂离子电池。电池寿命经常是市场上的关键因素,特别是对于商业的、军用的、以及航天应用。电池寿命经常是许多航天产品诸如卫星的限制因素。不幸的是,锂离子电池会引起汽车、计算机、移动装置、以及航空器着火。因此,对于动态监测电池状态存在安全需求。因此,在许多锂离子电池应用中,优选的是定期地或连续地监测电池中电极材料的电化学电势作为它们的充电状态或健康状态的量度。充电状态或健康状态的了解对于高充电率或高放电率应用诸如电动工具和部分或完全电气化的车辆而言可能是重要的。如果,例如,电池的电池单元放电过快或过充电经常导致锂镀在负电极的表面上,则电极材料的电化学电势可能改变且永久地消失。为了监测电极材料,已将一个参比电极放在电池的一个或多个电池单元中,其方式为便于监测电池单元的正电极和/或负电极中的至少一个或两者的充电状态。连接是从正电极或负电极汲取非常少的电流的高阻抗连接,但相对于参比测量电池电解质中的正电极和/或负电极的电势(电压)。电池中的这些电压值(参比电极对正电极和/或负电极)可以在电池单元充电或放电时获得,并且收集用于计算机分析和控制电池的放电率和充电率。常规参比电极经常插入在正电极与负电极之间,并且这些参比电极的面积通常保持较小以便于使正电极与负电极之间的电流路径失真的“屏蔽效应”最小化。然而,小的电极面积会导致大的极化电阻,这会潜在地给出不准确的电势读数。其他常规方法涉及将参比电极放在电池中正电极与负电极之间的直流路径外部周围。这些设计的缺点是系统测量电极边缘的电势,这些电势很少代表电极的真实电势。这种失真在高电流密度下进一步扩大。例如,周(Zhou)和诺顿(Notten),“用于基于锂的电池系统的长期原位研究的可靠的锂微型参比电极的开发(Developmentofreliablelithiummicroferenceelectrodesforlong-terminsitustudiesoflithium-basedbatterysystems)”,电化学学会期刊(J.Electrochem.Soc.)151(12)(2004)A2173-A2179报道了使用微米级线作为锂参比电极。微米尺寸线夹在正电极与负电极之间。这实现了到目标电极的非常短的距离以使IR降最小化,同时避免因屏蔽效应所致的电路路径的显著失真。然而,其在高倍率下的使用在屏蔽效应变得更为明显的情况下是有问题的。此外,实现微米尺寸的参比电极可能是不切实际的。在美国专利申请公开号2011/0250478中,蒂蒙斯(Timmons)和弗布吕格(Verbrugge)披露了使用参比电极材料的簇团或阵列来监测锂离子电池中的正电极和负电极的充电状态。含锂参比电极材料的阵列设置在常见衬底上。参比电极材料中的每一种可以是非常小的量。多种参比电极材料用于确定电势漂移。在美国专利号8,163,410中,富勒普(Fulop)等人披露了使用锂、锂钛氧化物和磷酸铁锂作为参比电极用于监测电池充电状态和健康状态。参比电极的位置包括在电池的壳(can)的表面或端盖上。线格式参比电极设置在电极堆边缘附近或夹在多个层之间。需要一种实际方法来改进用于当前现有技术电池(诸如锂离子电池)的电池诊断和电池管理系统。直接的益处包括改进电池监测、增强电池安全性、更好地理解电池老化诊断、以及延长电池寿命。电池电极电势的直接测量可以极大地提高电池安全性并且增强电池管理的准确性和可靠性。鉴于这些和其他缺点以及本领域的需求,改进的电池结构是需要的。电池健康/寿命信息以及电池安全性的了解在市场上从经济上来说是至关重要的。一种用于测量正电极和负电极的电势的改进的电池结构和参比电极设计是希望的,以便促进电池充电状态和健康状态监测。
技术实现思路
本专利技术解决了本领域中现将概括并在下文中进一步详细描述的前述需求。在一些变型中,本专利技术提供一种金属离子电池结构,该金属离子电池结构包括:(a)邻近一个第一集电器设置的一个第一电极,其中该第一电极供应或接受选定的电池金属离子;(b)邻近一个第二集电器设置的一个第二电极,该第二电极具有与该第一电极相反的极性,其中该第二电极供应或接受这些金属离子,并且其中该第二集电器是多孔的并且可透过这些金属离子;(c)邻近一个第三集电器设置的一个参比电极,其中该参比电极含有这些金属离子;(d)一个第一隔膜,该第一隔膜插入在该第一电极与该第二电极之间以使该第一电极与该第二电极电隔离;以及(e)一个第二隔膜,该第二隔膜插入在该第二集电器与该参比电极之间以使该第二电极与该参比电极电隔离。在一些实施例中,该参比电极在空间上并不设置在该第一电极与该第二电极之间。在一些实施例中,该参比电极具有为该第一电极的投影面积的至少10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%、或90%或更大的一个参比电极投影面积。在一些实施例中,该参比电极具有为该第二电极的投影面积的至少10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%、或90%或更大的一个参比电极投影面积。这些金属离子可以选自但不限于下组,该组由以下各项组成:锂离子、钠离子、钾离子、镁离子、钙离子、以及它们的组合。在某些实施例中,这些金属离子是锂离子,即,在该金属离子电池结构被配置用于一种锂离子电池的情况下。在电池是一种锂离子电池时,该参比电极可以由选自下组的一种或多种材料制成,该组由以下各项组成:锂金属、锂化的碳、锂-硅合金、锂-铝合金、锂-锡合金、锂-金属氧化物LiMO2(M=Co,Ni,Mn,或它们的组合)、锂-金属氧化物LiM2O4(M=Mn,Ti,或它们的组合)、锂-金属氧化物LiMxM′2–xO4(M,M′=Mn或Ni)、锂-金属磷酸盐LiMPO4(M=Fe,Mn,Co,或它们的组合)、以及它们的组合。在一些实施例中,该第二集电器是呈以下形式:网格、泡沫、栅格、网状物、织造纤维、蜂窝、金属箔上的图案化孔、金属箔上的穿孔、金属化塑料膜、延展的金属栅格、金属绒、微桁架、织造碳织物、织造碳网、非织造碳网、碳毡、或它们的组合。该第二集电器的特征可以在于从本文档来自技高网
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【技术保护点】
一种金属离子电池结构,包括:(a)邻近一个第一集电器设置的一个第一电极,其中所述第一电极供应或接受选定的电池金属离子;(b)邻近一个第二集电器设置的一个第二电极,该第二电极具有与所述第一电极相反的极性,其中所述第二电极供应或接受所述金属离子,并且其中所述第二集电器是多孔的并且可透过所述金属离子;(c)邻近一个第三集电器设置的一个参比电极,其中所述参比电极含有所述金属离子;(d)一个第一隔膜,该第一隔膜插入在所述第一电极与所述第二电极之间以使所述第一电极与所述第二电极电隔离;以及(e)一个第二隔膜,该第二隔膜插入在所述第二集电器与所述参比电极之间以使所述第二电极与所述参比电极电隔离。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2013.06.20 US 13/923,3541.一种金属离子电池结构,包括:(a)邻近一个第一集电器设置的一个第一电极,其中所述第一电极供应或接受选定的电池金属离子;(b)邻近一个第二集电器设置的一个第二电极,该第二电极具有与所述第一电极相反的极性,其中所述第二电极供应或接受所述金属离子,其中所述第二集电器是多孔的并且可透过所述金属离子,并且其中所述第二集电器是通过从1nm至10μm的平均孔径来表征;(c)邻近一个第三集电器设置的一个参比电极,其中所述参比电极含有所述金属离子,所述第三集电器是无孔的;(d)一个第一隔膜,该第一隔膜插入在所述第一电极与所述第二电极之间以使所述第一电极与所述第二电极电隔离;以及(e)一个第二隔膜,该第二隔膜插入在所述第二集电器与所述参比电极之间以使所述第二电极与所述参比电极电隔离。2.如权利要求1所述的电池结构,其中所述参比电极在空间上并不设置在所述第一电极与所述第二电极之间。3.如权利要求1所述的电池结构,其中所述参比电极具有为所述第一电极的投影面积的至少10%的一个参比电极投影面积。4.如权利要求3所述的电池结构,其中所述参比电极具有为所述第一电极的投影面积的至少50%的一个参比电极投影面积。5.如权利要求4所述的电池结构,其中所述参比电极具有为所述第一电极的投影面积的至少90%的一个参比电极投影面积。6.如权利要求1所述的电池结构,其中所述参比电极具有为所述第二电极的投影面积的至少10%的一个参比电极投影面积。7.如权利要求6所述的电池结构,其中所述参比电极具有为所述第二电极的投影面积的至少50%的一个参比电极投影面积。8.如权利要求7所述的电池结构,其中所述参比电极具有为所述第二电极的投影面积的至少90%的一个参比电极投影面积。9.如权利要求1所述的电池结构,其中所述金属离子选自下组,该组由以下各项组成:锂离子、钠离子、钾离子、镁离子、钙离子、以及它们的组合。10.如权利要求9所述的电池结构,其中所述金属离子是锂离子。11.如权利要求10所述的电池结构,其中所述参比电极由选自下组的一种或多种材料制成,该组由以下各项组成:锂金属、锂化的碳、锂-硅合金、锂-铝合金、锂-锡合金、锂-金属氧化物LiMO2、锂-金属氧化物LiM2O4、锂-金属氧化物LiMxM′2–xO4、锂-金属磷酸盐LiMPO4、以及它们的组合,其中锂-金属氧化物LiMO2中的M是Co、Ni、Mn、或它们的组合,锂-金属氧化物LiM2O4中的M是Mn、Ti、或它们的组合,锂-金属氧化物LiMxM′2–xO4中的M和M′分别是Mn或Ni,锂-金属磷酸盐LiMPO4中的M是Fe、Mn、Co、或它们的组合。12.如权利要求1所述的电池结构,其中所述第二集电器是呈以下形式:网状物、金属绒、或它们的组合。13.如权利要求1所述的电池结构,其中所述第二集电器是呈以下形式:网格、泡沫、栅格、织造纤维、金属箔上的图案化孔、金属化塑料膜、织造的碳织物、碳毡、或它们的组合。14.如权利要求1所述的电池结构,其中所述第二集电器是呈以下形式:蜂窝、金属箔上的穿孔、延展的金属栅格、微桁架、织造碳网、非织造碳网、或它们的组合。15.如权利要求1所述的电池结构,其中所述第二集电器是通过从0.1%至99.9%的平均孔对面比或孔隙度来表征。16.如权利要求15所述的电池结构,其中所述平均孔对面比或孔隙度是至少10%。17.如权利要求1所述的电池结构,其中所述第二电极是多孔的。18.如权利...

【专利技术属性】
技术研发人员:约翰·王刘平埃琳娜·谢尔曼索仁·索基亚齐安马克·维尔布鲁格
申请(专利权)人:HRL实验室有限责任公司
类型:发明
国别省市:美国;US

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