用于电池应用的嵌入式芯片制造技术

提供了用于在热力学上评估电化学系统及其部件的方法、系统和装置，所述部件包括电化学电池，比如蓄电池。本系统和方法能够监测所选择的电化学电池状况，比如温度、开路电压和/或组成，并且能够进行测量许多电池参数，包括开路电压、时间和温度，具有大到足以允许精确确定与电化学电池中的电极和电解质的组成、相、蓄电状态、健康状态和安全状态以及电化学特性相关的热力学状态函数和材料特性的精确度。本发明专利技术的热力学测量系统非常通用，并且提供信息以用于预测几乎任何具有电极对的电化学系统的广泛的性能属性。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】相关申请的交叉引用本申请要求2012年4月27日提交的美国临时申请61/639,712的权益和优先权，其由此通过引用以其整体并入。背景在过去几十年内，电化学存储和转换装置已经取得显著的进展，扩展了这些系统在包括便携式电子装置、空间飞行器技术和生物医学装置多个领域中的能力。电化学存储和转换装置的当前技术状态倾向于具有特别为与不同范围的用户应用相兼容而选择的设计和性能属性。例如，当前的电化学存储系统涵盖了从提供可靠、长期运行的轻质、稳定的电池到能够提供极高的放电速率的高电容量电池。尽管有这些最新进展，高功率便携式电子产品的普遍发展和需求仍急需研究人员开发出适合用于多种这类应用的更高性能的电池。此外，电子消费品和仪器领域的小型化需求继续鼓励着去研究用于减少高性能电池的尺寸、重量和形式因素的新型设计和材料方案。在电化学存储和转换技术上的很多最新进展直接可归因于用于电池部件的新材料的发现和结合。例如，锂离子电池技术继续快速发展，其至少部分归因于用于这些系统的新型阴极和阳极材料的结合。从插入(intercalate)碳阳极材料的开创性发现和优化到最近的纳米结构过渡金属氧化物插入阴极材料和纳米磷酸盐阴极材料的发现，新材料的开发变革了一次和二次锂离子电池的设计和性能。例如，先进的电极材料已经显著地增强了由这些系统提供的能量容量、能量密度、放电电流速率和循环寿命，从而使锂离子电池定位成用于下一代高功率便携式电子系统、混合动力汽车(HEV)和电动车(EV)的优选技术。电极材料的进展还大有希望积极影响其他系统，包括电化学电容器、超级电容器和燃料电池，并且可能是这些技术实施用于各种装置应用的关键。因此，在开发新的和改进的电化学能量存储和转换系统上，对新型电极材料的鉴定和性能评估是当前研究优先考虑的事。电化学能量存储和转换装置使用两个电极：一个阳极和一个阴极，它们是由纯粹的离子导体—电解质分隔的电导体。放电期间产生的电流来自电极表面发生的化学反应和物理过程(例如运输，在该电极表面中，带正电或带负电的离子和电解质交换。这些过程进而产生或吸收电子，以便保持系统的电中性。电荷交换导致电极表面和本体结构特性的重要变化。特别地，电荷转移过程影响每个电极的电势和反应速率，该电势和反应速率设定电化学电力产生装置的能量和功率密度输出。例如，在可充电电池的情况下，在具体热力学和动力学运行条件下(例如温度、充电和放电电压极限、电流速率等等)，电极表面和本体结构中的变化机制和程度确定了循环寿命。在预测任何电化学存储和转换装置的性能和稳定性上，知道电极反应和物理变化的热力学是基本的。例如，重要的热力学状态函数至少部分地确定了自治的电化学电源的能量、功率和循环寿命。实际上，能量密度反映了可逆地交换的电荷总量，以及交换发生时的电势。另一方面，循环寿命涉及由充电和放电过程中的电极转换引起的态或相的稳定性。所有这些过程至少在某种程度上是受电极反应的热力学控制的。很多技术已经被开发，并且被应用于评估电极反应的热化学动力学，包括电分析法(例如，循环伏安法、电位分析法等)和光谱技术(例如，x射线衍射、NMR、LEED等)。然而，考虑到热力学在几乎所有电化学能量存储和转换系统中的重要性，本领域目前还需要用于测量比如熵变、焓变和吉布斯自由能的变化的关键热力学参数的系统和方法，且具有对预测和优化这些系统的性能属性和能力所需要的精确度。这种系统在鉴定用于下一代电化学能量存储和转换系统的新材料上将扮演重要角色，并且将大大有助于增进理解已确定的阴极和阳极材料的热化学动力学。新的热力学分析系统还有很大的潜力作为多用途的测试仪器，用于表征商业上制造的包括蓄电池和燃料电池在内的电极系统的材料特性和性能。概述本专利技术提供了用于精确表征电极和电化学能量存储和转换系统的热力学和材料特性的系统和方法。本专利技术的系统和方法能够同时收集一套表征多个相互关联的电化学和热力学参数的测量值，所述电化学和热力学参数与电极反应进行状态、电压和温度有关。由本方法和系统提供的增强的灵敏度，结合反映或接近于热力学稳定的电极状况的测量条件，允许非常精确地测量热力学参数，所述热力学参数包括比如电极/电化学电池反应的吉布斯自由能、焓和熵之类的状态函数，从而能够预测电极材料和电化学系统的重要性能属性，比如电化学电池的能量、功率密度、电流速率、健康状态、安全状态和循环寿命。本系统和方法还允许灵敏地表征对电化学系统中电极的设计和性能来说重要的组成、相和材料特性。本方法能够识别和表征电极材料中大大影响电极的电化学特性和电化学存储和转换系统的性能的相变(phase transition)、微晶尺寸、电极材料表面和本体缺陷以及晶体结构缺陷。例如，本系统和方法可以按能够识别主要的或小的相变的精确度来测量热力学状态函数，这通过比如x射线衍射(diffactometry)或简单的开路电池电势测量的常规方法来检测，即使可行，其也许是困难的。一些小转变可能是更加激烈的转变的开始或前兆，一旦在延长的循环的时候，其将影响电池的能量、功率和循环寿命性能。检测这种转变并且理解它们的起源对优化电极材料设计而言至关重要。本专利技术的系统和方法还可应用于表征一系列对设计、测试有用的热力学参数和应用于表征比如一次电池和二次电池的电化学电池以及电极材料，所述电极材料包括但不限于插入电极材料。然而，本系统和方法的能力延伸到电池以外，并且包括其他电化学装置/系统中的电极反应，所述其他电化学装置/系统包括燃料电池、EDLC、气体电极、催化、腐蚀、电沉积和电合成，其中热力学数据的获取也提供了对电极反应能量学和装置性能的重要理解。在一方面，提供了用于监测电化学电池的状况的装置。这方面的装置包括集成电路，所述集成电路包括用于测量电化学电池的多个开路电压的电压监测电路、用于测量电化学电池的多个温度的温度监测电路、用于测量电化学电池的充电电流或放电电流的电流监测电路、以及用于确定电化学电池的热力学参数的电路。在实施方案中，电化学电池的多个开路电压和多个温度的一个或多个在使电化学电池充电或放电时或者在使电化学电池停止充电或放电时产生。有用的热力学参数包括电化学电池的熵变(ΔS)、电化学电池的微分熵(dS)、电化学电池的焓变(ΔH)、电化学电池的微分焓(dH)和电化学电池的自由能变化(ΔG)中的一个或多个。在实施方案中，用于确定热力学参数的电路本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于监测电化学电池的状况的装置，所述装置包括集成电路，所述集成电路包括：电压监测电路，其用于测量所述电化学电池的多个开路电压，所述多个开路电压在使所述电化学电池充电或放电或者使所述电化学电池停止充电或放电时产生；温度监测电路，其用于测量所述电化学电池的多个温度，所述多个温度在使所述电化学电池充电或放电或者使所述电化学电池停止充电或放电时产生；电流监测电路，其用于测量所述电化学电池的充电电流或所述电化学电池的放电电流；以及用于确定所述电化学电池的热力学参数的电路，其中所述热力学参数是所述电化学电池的熵变、所述电化学电池的焓变和所述电化学电池的自由能变化中的一个或多个，用于确定热力学参数的所述电路被定位成与所述温度监测电路电连通或数据连通，以接收来自所述温度监测电路的温度测量值，用于确定热力学参数的所述电路被定位成与所述电压监测电路电连通或数据连通，以接收来自所述电压监测电路的开路电压测量值，并且用于确定热力学参数的所述电路被定位成与所述电流监测电路电连通或数据连通，以接收来自所述电流监测电路的电流测量值或者对所述电流监测电路提供热力学参数。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2012.04.27 US 61/639,7121.一种用于监测电化学电池的状况的装置，所述装置包括集成电路，
所述集成电路包括：
电压监测电路，其用于测量所述电化学电池的多个开路电压，所述多
个开路电压在使所述电化学电池充电或放电或者使所述电化学电池停止
充电或放电时产生；
温度监测电路，其用于测量所述电化学电池的多个温度，所述多个温
度在使所述电化学电池充电或放电或者使所述电化学电池停止充电或放
电时产生；
电流监测电路，其用于测量所述电化学电池的充电电流或所述电化学
电池的放电电流；以及
用于确定所述电化学电池的热力学参数的电路，其中所述热力学参数
是所述电化学电池的熵变、所述电化学电池的焓变和所述电化学电池的自
由能变化中的一个或多个，用于确定热力学参数的所述电路被定位成与所
述温度监测电路电连通或数据连通，以接收来自所述温度监测电路的温度
测量值，用于确定热力学参数的所述电路被定位成与所述电压监测电路电
连通或数据连通，以接收来自所述电压监测电路的开路电压测量值，并且
用于确定热力学参数的所述电路被定位成与所述电流监测电路电连通或
数据连通，以接收来自所述电流监测电路的电流测量值或者对所述电流监
测电路提供热力学参数。
2.根据权利要求1所述的装置，其中所述装置被嵌入所述电化学电池
中、或者被附接至所述电化学电池的壳体、或者被包含在所述电化学电池
的壳体内。
3.根据权利要求1所述的装置，其中所述装置还包括所述电化学电
池。
4.根据权利要求1所述的装置，其中所述装置是包括所述装置和一个

\t或多个电化学电池的包装的部件。
5.根据权利要求1所述的装置，其中所述装置被定位成与一个或多个
电化学电池选择性地数据连通或选择性地电连通。
6.根据权利要求1所述的装置，其中所述装置被定位成与一个或多个
电化学电池可切换地数据连通或可切换地电连通。
7.根据权利要求1所述的装置，其中所述装置被定位在所述电化学电
池的壳体外部或在包括所述电化学电池的包装外部。
8.根据权利要求1所述的装置，还包括温度传感器，其定位成与所述
电化学电池热连通，所述温度传感器还定位成与所述温度监测电路电连通
或数据连通。
9.根据权利要求1所述的装置，其中所述装置不包括温度控制器或者
用于控制或确立所述电化学电池的温度的工具。
10.根据权利要求1所述的装置，其中当所述电化学电池充电或放电
时，所述温度监测电路确定或监测所述电化学电池的温度。
11.根据权利要求1所述的装置，其中当所述电化学电池不充电时或
者当所述电化学电池不放电时，所述温度监测电路确定或监测所述电化学
电池的温度。
12.根据权利要求1所述的装置，其中所述集成电路包括用于确定所
述电化学电池的开路状态的电路。
13.根据权利要求12所述的装置，其中所述集成电路包括电力切换电
路。
14.根据权利要求12所述的装置，其中用于确定开路状态的电路被配
置为提供指示给所述电压监测电路，以当所述电化学电池在开路电压状态
时测量所述电化学电池的开路电压。
15.根据权利要求12所述的装置，其中用于确定开路状态的所述电路
被配置为提供指示给所述电压监测电路、所述温度监测电路和所述电流监
测电路中的一个或多个，以在预选的时间段之后，停止测量所述电化学电

\t池的开路电压、温度或电流。
16.根据权利要求12所述的装置，其中用于确定开路状态的所述电路
被配置为提供指示给所述电压监测电路、所述温度监测电路和所述电流监
测电路中的一个或多个，以在预选的时间段之后，测量或再测量所述电化
学电池的开路电压、温度或电流。
17.根据权利要求1所述的装置，其中所述装置是汽车的部件；并且
其中当所述汽车空转、停止、停放、已断电、正在断电、已通电、正在通
电、加速或减速时，所述电压监测电路测量所述电化学电池的所述多个开
路电压；其中当所述汽车空转、停止、停放、已断电、正在断电、已通电、
正在通电、加速或减速时，所述温度监测电路测量所述电化学电池的所述
多个温度；或者其中当所述汽车空转、停止、停放、已断电、正在断电、
已通电、正在通电、加速或减速时，所述电压监测电路测量所述电化学电
池的所述多个开路电压并且所述温度监测电路测量所述电化学电池的所
述多个温度。
18.根据权利要求17所述的装置，其中所述电化学电池的开路电压的
变化发生，在所述汽车空转、停止、停放、已断电、正在断电、已通电、
正在通电、加速或减速时。
19.根据权利要求17所述的装置，其中，所述电化学电池的温度的变
化发生在所述汽车空转、停止、停放、已断电、正在断电、已通电或正在
通电、已通电、正在通电、加速或减速时。
20.根据权利要求17所述的装置，其中，所述电化学电池的所述多个
温度是在空转所述汽车、停止所述汽车、停放所述汽车、使所述汽车断电、
使所述汽车通电、使所述汽车加速和使所述汽车减速的一项或更多项进行
期间或之后被测量的。
21.根据权利要求17所述的装置，其中所述电化学电池的所述多个开
路电压是在空转所述汽车、停止所述汽车、停放所述汽车、使所述汽车断
电、使所述汽车通电、使所述汽车加速和使所述汽车减速的一项或更多项
进行期间或之后被测量的。
22.根据权利要求1所述的装置，其中所述装置是便携式电子装置的
部件；并且其中当所述便携式电子装置处于空闲、已断电、正在断电、已
通电或正在通电时，所述电压监测电路测量所述电化学电池的所述多个开
路电压；其中当所述便携式电子装置处于空闲、已断电、正在断电、已通
电或正在通电时，所述温度监测电路测量所述电化学电池的所述多个温
度；或者其中当所述便携式电子装置处于空闲、已断电、正在断电、已通
电或正在通电时，所述电压监测电路测量所述电化学电池的所述多个开路
电压并且所述温度监测电路测量所述电化学电池的所述多个温度。
23.根据权利要求22所述的装置，其中所述电化学电池的开路电压的
变化发生在所述便携式电子装置处于空闲、已断电、正在断电、已通电或
正在通电的时候。
24.根据权利要求22所述的装置，其中所述电化学电池的温度的变化
发生在所述便携式电子装置处于空闲、已断电、正在断电、已通电或正在
通电的时候。
25.根据权利要求22所述的装置，其中在使所述便携式电子装置处于
空闲、使所述便携式电子装置断电、使所述便携式电子装置通电的一项或
更多项进行期间或之后，测量所述电化学电池的所述多个温度。
26.根据权利要求22所述的装置，其中在使所述便携式电子装置处于
空闲、使所述便携式电子装置断电、使所述便携式电子装置通电的一项或
更多项进行期间或之后，测量所述电化学电池的所述多个开路电压。
27.根据权利要求1所述的装置，其中使用所述电化学电池的所述多
个开路电压和所述电化学电池的所述多个温度中的一个或多个来确定所
述电化学电池的所述热力学参数。
28.根据权利要求1所述的装置，其中使用所述电化学电池的第一开
路电压和与所述电化学电池的所述第一开路电压不同的所述电化学电池
的第二开路电压来确定所述电化学电池的所述热力学参数。
29.根据权利要求1所述的装置，其中在所述电化学电池充电或放电
之后，使用所述电化学电池的第一开路电压和所述电化学电池的第二开路

\t电压来确定所述电化学电池的所述热力学参数。
30.根据权利要求1所述的装置，其中使用所述电化学电池的第一温
度和与所述电化学电池的所述第一温度不同的所述电化学电池的第二温
度来确定所述电化学电池的所述热力学参数。
31.根据权利要求1所述的装置，其中在所述电化学电池从第一温度
冷却之后，使用所述电化学电池的所述第一温度和所述电化学电池的第二
温度来确定所述电化学电池的所述热力学参数。
32.根据权利要求1所述的装置，其中在通过充电或放电使所述电化
学电池加热之后，使用所述电化学电池的第一温度和所述电化学电池的第
二温度来确定所述电化学电池的所述热力学参数。
33.根据权利要求1所述的装置，其中通过测量所述电化学电池的开
路电压来确定所述自由能的变化。
34.根据权利要求1所述的装置，其中通过在多个温度下测量所述电
化学电池的开路电压来确定所述焓变。
35.根据权利要求1所述的装置，其中通过计算开路电压测量值对温
度测量值的线性回归的截距来确定所述焓变。
36.根据权利要求1所述的装置，其中通过在多个温度下测量所述电
化学电池的开路电压来确定所述熵变。
37.根据权利要求1所述的装置，其中通过计算开路电压测量值对温
度测量值的线性回归的斜率来确定所述熵变。
38.根据权利要求1所述的装置，其中所述集成电路包括用于确定所
述电化学电池的蓄电状态的蓄电状态计算电路，所述蓄电状态计算电路接
收来自所述电流监测电路的电流测量值并从用于确定热力学参数的所述
电路接收所述电化学电池的热力学参数。
39.根据权利要求38所述的装置，其中所述蓄电状态指第一值对第二
值的比率；其中所述第一值是保留在所述电化学电池中的净电荷量，并且
所述第二值是所述电化学电池的额定电荷容量或所述电化学电池的理论

\t电荷容量，或者其中所述第一值是将所述电化学电池充电到所述电化学电
池的额定电荷容量或到所述电化学电池的理论电荷容量所需要的净电荷
量，并且所述第二值是所述电化学电池的所述额定电荷容量或所述电化学
电池的所述理论电荷容量。
40.根据权利要求38所述的装置，其中所述蓄电状态计算电路包括所
述电流监测电路。
41.根据权利要求38所述的装置，其中所述蓄电状态计算电路基于接
收到的电流测量值确定所述电化学电池的库仑蓄电状态。
42.根据权利要求38所述的装置，其中所述蓄电状态计算电路基于接
收到的热力学参数确定所述电化学电池的真实蓄电状态。
43.根据权利要求42所述的装置，其中所述蓄电状态计算电路基于接
收到的热力学参数使用查找表确定所述电化学电池的真实蓄电状态。
44.根据权利要求38所述的装置，其中当所述电化学电池在受控条件
下充电时，所述集成电路监测所述电化学电池，并且当所述电化学电池在
受控条件下充电时，所述集成电路更新查找表中的条目，所述查找表包括
所述电化学电池的蓄电状态、所述电化学电池的开路电压和所述电化学电
池的热力学参数的条目。
45.根据权利要求1所述的装置，其中当所述电化学电池不充电时或
当所述电化学电池不放电时，所述电压监测电路确定所述电化学电池的开
路电压。
46.根据权利要求1所述的装置，其中在所述电化学电池充电或放电
停止之后，所述电压监测电路确定所述电化学电池的开路电压。
47.根据权利要求1所述的装置，其中所述电压监测电路确定所述电
化学电池热化学上稳定条件下的所述电化学电池的开路电压。
48.根据权利要求1所述的装置，其中所述电压监测电路确定所述电
化学电池非热化学上稳定条件下的所述电化学电池的开路电压。
49.根据权利要求48所述的装置，其中所述电压监测电路基于所述电

\t化学电池的所述非热化学稳定条件下的所述电化学电池的所述开路电压
来确定或估计所述电化学电池热化学稳定条件下的所述电化学电池的开
路电压。
50.根据权利要求1所述的装置，其中所述集成电路被配置为监测一
个或多个电化学电池的状况，其中所述状况是热力学参数、健康状态、安
全状态和循环数中的一项或多项。
51.根据权利要求1所述的装置，其中用于确定所述电化学电池的热
力学参数的所述电路还确定所述电化学电池的健康状态、所述电化学电池
的安全状态和所述电化学电池的循环数中的一项或多项。
52.根据权利要求1所述的装置，其中所述集成电路还包括用于确定
所述电化学电池的健康状态、所述电化学电池的安全状态和所述电化学电
池的循环数中的一项或多项的电路。
53.根据权利要求1所述的装置，其中所述电化学电池的所述状况是
所述电化学电池的热力学参数、所述电化学电池的蓄电状态、所述电化学
电池的健康状态、所述电化学电池的安全状态和所述电化学电池的循环数
中的一项或多项。
54.根据权利要求53所述的装置，其中所述健康状态指所述电化学电
池在第一蓄电状态下的逐渐减少的峰值功率对所述电化学电池刚被制造
出来后所述电化学电池在所述第一蓄电状态下的逐渐减少的参考峰值功
率的比率。
55.根据权利要求53所述的装置，其中所述安全状态指所述电化学电
池将经历热散逸的可能性。
56.根据权利要求53所述的装置，其中所述循环数指所述电化学电池
已经经历的充电循环或放电循环的数目。
57.根据权利要求1所述的装置，其中所述装置确定所述电化学电池
的熵、熵变或微分熵，并且把所述电化学电池的所述熵、熵变或微分熵与
参考熵、参考熵变或参考微分熵相比较，并且当所确定的熵、熵变或微分
熵与所述参考熵、参考熵变或参考微分熵不同时，禁止所述电化学电池充

\t电或放电。
58.根据权利要求57所述的装置，其中所述装置确定所述电化学电池
的温度，并且把已确定的温度与参考温度相比较，并且当所述已确定的温
度大于所述参考温度时，禁止所述电化学电池充电或放电。
59.根据权利要求1所述的装置，其中用于确定所述电化学电池的热
力学参数的所述电路包括现场可编程门阵列。
60.根据权利要求1所述的装置，其中用于确定所述电化学电池的热
力学参数的所述电路包括专用集成电路。
61.根据权利要求1所述的装置，其中所述集成电路包括现场可编程
门阵列。
62.根据...

【专利技术属性】
技术研发人员：R·亚兹密，陈哲铭，
申请(专利权)人：加州理工学院，国家科学研究中心，南洋理工大学，
类型：发明
国别省市：美国;US