具有参比电极的电池电芯制造技术

公开了具有参比电极的电池电芯，各个电池电芯包括电解质、电解质中的第一工作电极和第二工作电极以及电解质中的第一参比电极和第二参比电极。第一参比电极和第二参比电极各自包括位于集流器上的活性材料。第一参比电极的活性材料不同于第二参比电极的活性材料。活性材料不同于第二参比电极的活性材料。活性材料不同于第二参比电极的活性材料。

【技术实现步骤摘要】
具有参比电极的电池电芯


[0001]本公开涉及电池电芯，并且具体地涉及具有参比电极的电池电芯，该参比电极可以允许监测诸如荷电状态和/或健康状态的电池参数。本公开在用于牵引应用(例如电动或混合电动车辆)的电池组的电池电芯中具有特定但非排他性的应用。

技术介绍

[0002]电动车辆和混合电动车辆(例如小汽车、公共汽车、货车和卡车)使用设计有高安培小时容量的电池组，以便在持续的时间段内提供电力。电池组由大量串联和并联连接的单个电化学电芯组成，以达到总电压和电流要求。通常，使用锂离子(Li
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ion)电池电芯，因为它们提供相对较好的循环寿命和能量密度。
[0003]电池组通常包含电池管理系统(BMS)，其负责监测和管理电池组中的电芯。在操作期间，电池管理系统可以估计电池的内部状态，例如荷电状态(SOC)和/或健康状态(SOH)。SOC提供有关电池中存储的当前能量的信息，因此可用于控制充电并作为可用范围的指标。SOH是指示电池劣化水平的品质因数(figure of merit)。了解电池的SOH可以允许电池故障诊断，帮助管理能量分配，并可用于组织维护和更换计划。
[0004]用于确定电池电芯的SOC和SOH的常规技术包括测量跨其端子的电压(电势差)。然而，老化效应可能会降低电芯电压作为SOC或SOH指标的可靠性。因此已经提出提供具有参比电极(reference electrode)的电池电芯。参比电极用于瞬时电势差测量，不参与电芯充电或放电。通过监测参比电极与各个工作电极之间的电势差，可以获得更准确的荷电状态估计。
[0005]然而，已经发现由参比电极提供的测量结果可能随时间漂移。因此，希望提供一种可以允许随时间稳定监测电池参数的电池电芯。还希望提供一种可以促进锂析出(lithium plating)检测和膨胀估计的电池电芯。

技术实现思路

[0006]根据本公开的一个方面，提供了一种电池电芯，所述电池电芯包括：
[0007]电解质；
[0008]所述电解质中的第一工作电极和第二工作电极；以及
[0009]所述电解质中的第一参比电极和第二参比电极；
[0010]其中，所述第一参比电极和所述第二参比电极各自包括位于集流器上的活性材料，并且
[0011]所述第一参比电极的活性材料与所述第二参比电极的活性材料不同。
[0012]本公开可以提供的优点是，通过提供具有不同活性材料的第一参比电极和第二参比电极，与使用单一活性材料的情况相比，可以随时间更准确地监测诸如SOC和SOH的电池参数。此外，使用不同的活性材料可以允许为了校准目的对参比电极进行充电/放电。因此，使用具有不同活性材料的第一参比电极和第二参比电极可以帮助解决否则可能发生的老
化漂移效应。此外，在参比电极上使用不同的活性材料可以有助于监测其他参数，例如锂析出的开始和电池膨胀。
[0013]在一些示例中，第一工作电极和第二工作电极各自包括位于集流器上的活性材料，并且第一工作电极的活性材料不同于第二工作电极的活性材料。例如，在一个实施方式中，电池电芯是包括阳极和阴极作为工作电极的锂离子电池电芯。在这种情况下，阴极的活性材料可包含锂金属氧化物或磷酸盐，而阳极的活性材料可包含碳(石墨)。然而，其他类型的电池和材料也是可能的。
[0014]在一些示例中，第一参比电极和第二参比电极的活性材料不同于第一工作电极和第二工作电极的活性材料。这可以允许获得第一参比电极与各个工作电极之间的电压(电势差)以及第二参比电极与各个工作电极之间的电势差。这可以有助于提高电池参数监测的准确性。
[0015]在一些示例中，第一参比电极和第二参比电极的活性材料被选择为与各个工作电极具有非零电势差(例如，至少0.1V或0.2V的电势差)。这可以帮助确保能够进行参比电极与活动电极之间的参比测量。
[0016]在一些示例中，第一参比电极和第二参比电极的活性材料选自：锂(Li)金属、铋(Bi)金属或锡(Sn)金属；能够经历锂化和脱锂过程的其他类型的金属；以及能够以相对稳定的电化学势坪(electrochemical potential plateau)经历锂化和脱锂过程的任何其他材料。在一些示例中，活性材料被选择为在锂化和脱锂过程期间(在电池的操作期间)具有宽的电压坪(voltage plateau)(例如，基本恒定的电压)。这可以有助于确保测量的稳定性。例如，活性材料可以是锂金属氧化物，或者基于另一种金属，例如锡(Sn)或铋(Bi)。在一个非限制性实施方式中，第一参比电极和第二参比电极的活性材料可以选自：锂离子锰氧化物(LMO)；锂镍锰钴氧化物(NCM)；钛酸锂(LTO)；磷酸铁锂(LFP)；以及它们的组合，尽管也可以使用其他材料代替。
[0017]在一些示例中，电池电芯包括容纳工作电极、参比电极和电解质的容器。在这种情况下，第一工作电极和第二工作电极中的各个工作电极以及第一参比电极和第二参比电极中的各个参比电极可以包括延伸出容器的端子。这可以促进各种电极的电压的感测。容器可以是例如软包(pouch)、棱柱形电芯(prismatic cell)容器或圆柱形电芯(cylindrical cell)容器，或任何其他合适类型的容器。
[0018]在一个实施方式中，第一参比电极和第二参比电极中的各个参比电极的集流器基本上是平面的。活性材料可以仅设置在集流器的一侧，也可以设置在集流器的两侧。在这种情况下，参比电极可以基本上是平面的。这可以允许参比电极被夹在多个工作电极之间，例如，在软包电芯(pouch cell)或棱柱形电芯中。另选地，参比电极可以基本上是圆柱形的，这可以允许它们被设置在例如圆柱形电芯的中央。应当理解，其他形状的参比电极和其他类型的电芯也是可能的。
[0019]第一参比电极和第二参比电极可以小于或类似于第一工作电极和第二工作电极的尺寸。例如，参比电极的宽度和/或高度可以小于或等于工作电极的宽度和/或高度，例如在1％至95％之间。在一个实施方式中，第一参比电极和第二参比电极具有与第一工作电极和第二工作电极相似的尺寸和/或形状。这可以有助于最大化参比电极与电解质之间的接触面积，这可以有助于提高电压测量的准确性。例如，在参比电极基本上是平面的情况下，
它们可以在垂直于电极平面的方向上具有与工作电极的宽度和/或高度基本上相同的宽度和/或高度。例如，参比电极的宽度和/或高度可以是工作电极的宽度和/或高度的至少50％、60％、70％、80％或90％。
[0020]在参比电极是圆柱形的情况下，它们在平行于它们的纵轴的方向上的高度可以小于或等于工作电极的高度。例如，参比电极的高度可以介于工作电极的高度的1％至95％之间，或者是工作电极的高度的至少50％、60％、70％、80％或90％。
[0021]在一个实施方式中，第一参比电极和第二参比电极中的至少一个参比电极的集流器包括网状物并且活性材料被压入网状物中。例如，可以利用在垂直于集流器平面的方向上施加的高压将活性材料本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种电池电芯，所述电池电芯包括：电解质；所述电解质中的第一工作电极和第二工作电极；以及所述电解质中的第一参比电极和第二参比电极；其中，所述第一参比电极和所述第二参比电极各自包括位于集流器上的活性材料，并且所述第一参比电极的活性材料不同于所述第二参比电极的活性材料。2.根据权利要求1所述的电池电芯，其中，所述第一工作电极和所述第二工作电极各自包括位于集流器上的活性材料，并且所述第一工作电极的活性材料不同于所述第二工作电极的活性材料。3.根据权利要求2所述的电池电芯，其中，所述第一参比电极的活性材料和所述第二参比电极的活性材料不同于所述第一工作电极的活性材料和所述第二工作电极的活性材料。4.根据权利要求1所述的电池电芯，其中，所述第一参比电极的活性材料和所述第二参比电极的活性材料选自：锂金属；锡金属；铋金属；能够经历锂化和脱锂过程的其他类型的金属；以及能够以稳定的电化学势坪经历锂化和脱锂过程的任何材料。5.根据权利要求1所述的电池电芯，所述电池电芯包括容纳所述工作电极、所述参比电极和所述电解质的容器，其中，所述第一工作电极和所述第二工作电极中的每一者以及所述第一参比电极和所述第二参比电极中的每一者包括延伸出所述容器的端子。6.根据权利要求1所述的电池电芯，其中，所述第一参比电极和所述第二参比电极中的每一者的集流器基本上是平面的，并且所述活性材料设在所述集流器的任一侧上。7.根据权利要求1所述的电池电芯，其中，所述第一参比电极和所述第二参比电极与所述第一工作电极和所述第二工作电极具有基本相同的尺寸和/或形状。8.根据权利要求1所述的电池电芯，其中，所述第一参比电极和所述第二参比电极中的至少一者的集流器包括网状物，并且所述活性材料被压入所述网状物中。9.根据权利要求1所述的电池电芯，所述电池电芯还包括位于所述第一参比电极与第二参比电极之间的隔板。10.根据权利要求9所述的电池电芯，其中，所述第一参比电极和所述第二参比电极以及所述隔板形成参比电极单元。11.根据权利要求10所述的电池电芯，其中，所述参比电极单元基本上是平面的，并且设在软包电芯或棱柱形电芯中的多个平面工作电极之间。12.根据权利要求...

【专利技术属性】
技术研发人员：王玉君，张瑞刚，尹彦利，C，
申请(专利权)人：康明斯公司，
类型：发明
国别省市：