【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
一般而言，本专利技术涉及硫基电池的循环方法。本专利技术还涉及对硫基电池进行充电和/或放电的方法。
技术介绍
1、硫的理论比容量为约1,675mah/g(s)，在电化学反应过程中这涉及每个s8分子转移16个电子。每个电子提供的容量为约104.69mah/g(s)。在使用占主导地位的醚基电解质的锂硫(li-s)电池的充电和放电过程中产生许多电活性物质。存在如li2s8、li2s6和li2s4(高阶多硫化物(higher-order polysulfide))的电解质可溶性物质，以及如li2s2和li2s(低阶多硫化物(lower-order polysulfide))的不可溶性物质。
2、整个反应可概括为3相反应：
3、ⅰ.固液相反应2个电子
4、ⅱ.液固相反应6个电子
5、ⅲ.固固相反应8个电子
6、在放电过程中，电化学反应导致硫以多硫化物的形式溶解在电解质中。普遍接受总理论容量的50％(即837.5mah/g(s))来自固固相反应(iii-li2s2转化为li2s)。与前面的两相反应(i和ii)相比，这种氧化还原反应在动力学上较慢。而且，li2s在电极上的形成可能导致不可逆的容量损失和电池阻抗的增加。li2s在负极上形成/沉积促进多硫化物穿梭(polysulfide shuttling，ps)，这降低了库仑效率，导致过度充电和电池劣化。在正极上，在充电期间，例如在高电流倍率(current rate)运行(较低的电导性和离子导电性等)下，li2s向li2s2的转化在动力
7、为了避免li2s的形成，li-s电池可以在仅形成高阶多硫化物的相(相反应i和ii)中运行，这可以降低多硫化物穿梭的风险，但将容量限制为理论值的仅50％(837.5mah/g(s)，假设硫利用率为100％)。有多种技术采用正极、隔膜和电解质改性以避免多硫化物穿梭。然而，迄今为止，没有一个能够成功地将li-s电池的循环寿命特性提高至达到商业标准。商用锂硫电池提供的循环寿命仅为60-100次循环。
8、期望克服或改善上述问题中的至少一个。
技术实现思路
1、本专利技术提供了一种运行碱金属和碱土金属/合金-硫电池的方法。该方法不依赖于电芯配置，例如对正极、负极、隔膜和/或电解质的改变(modification)。该方法可以通过使用比容量和电压作为对电池进行充电/放电的限制因素来控制中间多硫化物物质(species)的形成，从而改善电池的循环寿命并防止电池过度充电。
2、本专利技术提供了一种对硫基电池进行充电和/或放电的方法，其包括：
3、a)基于以下条件限制电池的充电比容量和/或放电比容量：
4、
5、其中所述总比容量是源自完全充电和/或完全放电的电池的比容量；和n是在硫和/或它的化学物质(chemical species)之间的氧化还原反应中转移的电子数；以及
6、b)基于电压相对于电池的电参数的变化率来限制电池的充电电压和/或放电电压，其中所述变化率表示硫和/或它的化学物质的氧化还原反应之间的转变(transition)。
7、早期的工作涉及对电池欠充电(under-charging)或欠放电(under-discharging)，以延长电池寿命。这通常通过将电池保持在固定的85-25％的充电状态(state of charge，soc)来实现，即充电至85％，放电(dod)至25％。这种方法将循环寿命延长至2000次循环，但仅提供60％的额定能量密度(rated energy density)。这种方法在由插层化学物(intercalation chemistries)控制的电池系统中很容易发挥作用，但在如li-s或硅负极基电池的转换化学物(conversion chemistries)中则不然。相反，本专利技术提供了一种方法，其中使用容量和电压两者作为使用本文所公开的方案计算的极限(limit)来终止电池的充电和/或放电。该方案使用电池的伽伐尼(galvanic)充电-放电特性来计算电池在实时运行期间的极限。这种方法可以并入电池组的电池管理系统(bms)中，以在运行期间持续地监测电池并控制电池。将这种方法并入bms中为其提供了一定程度的智能，从而允许制造商通过改善电池组的健康状态(state of health，soh)来延长电池组的循环寿命或使用寿命。
8、在一些实施方案中，对电池的充电比容量和/或放电比容量的限制可基于在硫和/或它的化学物质之间的氧化还原反应中转移的电子数来逐步调整。
9、在一些实施方案中，对电池的充电比容量和/或放电比容量的限制在电池的运行期间可实时调整。
10、在一些实施方案中，总比容量来源于硫的理论比容量，其为1675mah/g(s)。
11、在一些实施方案中，n是偶数。
12、在一些实施方案中，当总比容量为约1,675mah/g(s)时，每个电子转移的特征在于约104mah/g(s)的比容量。
13、在一些实施方案中，基于硫和/或它的化学物质之间的2、4、5、6、7、8、9、10、12、14或15个电子的氧化还原反应来限制比容量。
14、在一些实施方案中，该方法还包括将充电比容量和/或放电比容量的下限限制为比容量(限制)的百分比。
15、在一些实施方案中，硫和/或它的化学物质之间的6个电子的氧化还原反应选自：
16、
17、
18、在一些实施方案中，当电池被限制为6个电子的氧化还原反应时，比容量被限制为约628mah/g(s)。
19、在一些实施方案中，硫和/或它的化学物质之间的8个电子的氧化还原反应选自：
20、
21、
22、在一些实施方案中，当电池被限制为8个电子的氧化还原反应时，比容量被限制为约837.5mah/g(s)。
23、在一些实施方案中，硫和/或它的化学物质之间的10个电子的氧化还原反应选自：
24、
25、在一些实施方案中，当电池被限制为10个电子的氧化还原反应时，比容量被限制为约1,046.9mah/g(s)。
26、在一些实施方案中，硫和/或它的化学物质之间的12个电子的氧化还原反应选自：
27、
28、在一些实施方案中，当电池被限制为12个电子的氧化还原反应时，比容量被限制为约1,256.25mah/g(s)。
29、在一些实施方案中，对电池的充电电压和/或放电电压的限制可基于硫和/或它的化学物质之间的氧化还原反应的类型来逐步调整。
30、在一些实施方案中，对电池的充电电压和/或放电电压的限制在电池的运行期间可实时调整。
31、在一些实施方案中，基于电荷(charge)相对于电压的变化率来限制电压。
32、在一些实施方案中，电荷相对于电压的变化本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种对硫基电池进行充电和/或放电的方法，其包括：
2.根据权利要求1所述的方法，其中，对所述电池的充电比容量和/或放电比容量的限制可基于在硫和/或它的化学物质之间的氧化还原反应中转移的电子数来逐步调整。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，对所述电池的充电比容量和/或放电比容量的限制在所述电池的运行期间可实时调整。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中n是偶数。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中，当总比容量为约1,675mAh/g(s)时，每个电子转移的特征在于约104mAh/g(s)的比容量。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其中，硫和/或它的化学物质之间的6个电子的氧化还原反应选自：
7.根据权利要求6所述的方法，其中，当所述电池被限制为6个电子的氧化还原反应时，所述比容量被限制为约628mAh/g(s)。
8.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其中硫和/或它的化学物质之间的8个电子的氧化还原反应选自：
9.根据权利要求1至5中任一项所
10.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其中硫和/或它的化学物质之间的12个电子的氧化还原反应选自：
11.根据权利要求1至10中任一项所述的方法，其中对所述电池的充电电压和/或放电电压的限制可基于硫和/或它的化学物质之间的氧化还原反应的类型逐步调整。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的方法，其中对所述电池的充电电压和/或放电电压的限制在所述电池的运行期间可实时调整。
13.根据权利要求1至12中任一项所述的方法，其中基于电荷相对于电压的变化率来限制所述电压。
14.根据权利要求13所述的方法，其中所述电荷相对于电压的变化率是电流-电压函数的一阶导数，其中基于电流-电压函数的一阶导数中的负峰来限制所述电压。
15.根据权利要求13或14所述的方法，其中所述电流-电压函数由循环伏安测量获得。
16.根据权利要求13所述的方法，其中所述电荷相对于电压的变化率是容量-电压函数的二阶导数，其中，基于容量-电压函数的二阶导数中的负峰来限制所述电压。
17.根据权利要求16所述的方法，其中基于在容量-电压函数的拐点或转折点的外推切线的相交来限制所述电压。
18.根据权利要求16或17所述的方法，其中所述容量-电压函数由伽伐尼充电(GChg)图获得。
19.根据权利要求1至7和11至18中任一项所述的方法，其中当电池被限制为6个电子的氧化还原反应时，充电电压被限制为约2.3V至约2.5V或优选约2.33V或约2.42V。
20.根据权利要求1至5、8和11至18中任一项所述的方法，其中当电池被限制为8个电子的氧化还原反应时，充电电压被限制为约2.3V至约2.4V或优选约2.33V或约2.37V。
21.根据权利要求1至5、9和11至18中任一项所述的方法，其中当电池被限制为10个电子的氧化还原反应时，充电电压被限制为约2.3V至约2.4V或优选约2.37V。
22.根据权利要求1至21中任一项所述的方法，其中所述硫基电池是碱金属-硫电池、碱土金属-硫电池、合金-硫电池或金属-硫电池，其中所述金属选自铝、钒、钛、钼、铁、铌或钨。
23.根据权利要求22所述的方法，其中所述碱金属选自Li、Na、K或它们的组合。
24.根据权利要求22所述的方法，其中所述碱土金属选自Mg、Ca、Sr、Ba或它们的组合。
25.根据权利要求22所述的方法，其中所述合金选自Li-Sn、Li-Mg、Li-B、Fe-Co、Li-Si、Li-Hg、Li-Al、钠合金、铝合金、钾合金和镁合金。
26.一种电池管理系统，其中所述电池管理系统被配置为：
27.根据权利要求26所述的电池管理系统，其中，对电池的充电比容量和/或放电比容量的限制可基于在硫和/或它的化学物质之间的氧化还原反应中转移的电子数来逐步调整。
28.根据权利要求26或27所述的电池管理系统，其中，对电池的充电电压和/或放电电压的限制可基于硫和/或它的化学物质之间的氧化还原反应的类型来逐步调整。
29.根据权利要求26至28中任一项所述的电池管理系统，其中，对所述比容量和/或电压的限制可通过控制装置进行调整。
30.根据权利要求26至29中任一项所述的电池管理系统，其中，对所述比容量和/或电压的限制可通...
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】
1.一种对硫基电池进行充电和/或放电的方法，其包括：
2.根据权利要求1所述的方法，其中，对所述电池的充电比容量和/或放电比容量的限制可基于在硫和/或它的化学物质之间的氧化还原反应中转移的电子数来逐步调整。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，对所述电池的充电比容量和/或放电比容量的限制在所述电池的运行期间可实时调整。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中n是偶数。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中，当总比容量为约1,675mah/g(s)时，每个电子转移的特征在于约104mah/g(s)的比容量。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其中，硫和/或它的化学物质之间的6个电子的氧化还原反应选自：
7.根据权利要求6所述的方法，其中，当所述电池被限制为6个电子的氧化还原反应时，所述比容量被限制为约628mah/g(s)。
8.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其中硫和/或它的化学物质之间的8个电子的氧化还原反应选自：
9.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其中硫和/或它的化学物质之间的10个电子的氧化还原反应选自：
10.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其中硫和/或它的化学物质之间的12个电子的氧化还原反应选自：
11.根据权利要求1至10中任一项所述的方法，其中对所述电池的充电电压和/或放电电压的限制可基于硫和/或它的化学物质之间的氧化还原反应的类型逐步调整。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的方法，其中对所述电池的充电电压和/或放电电压的限制在所述电池的运行期间可实时调整。
13.根据权利要求1至12中任一项所述的方法，其中基于电荷相对于电压的变化率来限制所述电压。
14.根据权利要求13所述的方法，其中所述电荷相对于电压的变化率是电流-电压函数的一阶导数，其中基于电流-电压函数的一阶导数中的负峰来限制所述电压。
15.根据权利要求13或14所述的方法，其中所述电流-电压函数由循环伏安测量获得。
16.根据权利要求13所述的方法，其中所述电荷相对于电压的变化率是容量-电压函数的二阶导数，其中，基于容量-电压函数的二阶导数中的负峰来限制所述电...
【专利技术属性】
技术研发人员：塞尔吉奥·格拉涅罗·埃切弗里加雷，维韦克·奈尔，安东尼奥·埃利奥·卡斯特罗·内托，
申请(专利权)人：新加坡国立大学，
类型：发明
国别省市：
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