具有用于健康状态监视的参考电极的锂可再充电电池制造技术

电池管理系统包括电连接的一个或多个锂离子电池，每个所述电池包括：第一和第二工作电极以及一个或多个参考电极，每个参考电极与工作电极电绝缘，以及具有离开电池的分开的翼片或集电器以及提供用于电测量的额外端子；以及电池管理系统包括电池充电状态监视器，所述监视器可操作用于接收与工作电极的电势差和一个或多个工作电极相对于参考电极的电势有关的信息。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本申请涉及监视充电状态和/或电池的健康状态。更具体地，本申请涉及电池、电 池监视系统，以及通过监视充电状态和/或电池健康状态来提高电池性能的方法。相关申请的交叉参考本申请要求于2007年9月14日提交的美国专利申请第60/993，802号以及于2007 年9月17日提交的美国专利申请第60/994，089号的申请日的利益，其全部内容通过引用结合于此。
技术介绍
在许多电池应用中充电状态(S0C)监视是期望或是必要的，电池应用包括例如无 线通信装置和膝上型计算机的便携式电子产品、电动工具、电动汽车(包括混合、插电式混 合以及全电动汽车)、后备电源系统、例如太阳能或风能收集器或燃料电池或传统燃烧燃料 电源的发电装置的能量存储等。电池或形成电池组的电池串可以在S0C的受限制的范围内 或包括电池可用的整个容量的宽范围内使用。准确了解电池的充电状态(S0C)和健康状态(S0H)对于很多应用都是重要的，特 别是对于诸如混合式电动汽车(HEV)、插电式混合电力汽车(PHEV)以及电动汽车(EV)的 长寿命、高充电或高放电率的应用更是如此。在混合式电动汽车中，因为运行通常不使用 S0C的整个范围，而是通常使用以大约50% S0C为中心的S0C范围，例如，大约10-90%或 40-60 %的S0C，因此尤其希望监视电池的充电状态。如果电池电压随着S0C改变相对很小， 或者如果电压在恒定S0C处随时间变化，或者如果发生电压的迟滞现象导致电池电压与充 电/放电历史相关，则难以监视S0C和S0H。存在其中期望相当准确地知道电化学电池中的每个电极的电势的多种情况。在电 池中的任一电极处的电势在正常运行时可能承受一些偏移，其使得该电势接近可能导致损 害或降低性能或寿命的电势。例如，在正电极处可能具有太高的电势，使得电解液劣化或过 充电正活性材料。在锂离子电池的情况下，在负电极处的电势可能太低，导致锂金属电镀。作为另一在实际电池中需要具体知道电极电势的特定示例，考虑锂离子电池承受 高速充电。过高的充电速率或电池的劣化可能导致负电极上的电势降低至低于锂金属的 电势，并导致负电极上的锂电镀，这降低了寿命并且可能产生安全问题。然而，如果准确知 道负电极上的电势，则电池管理系统能够被设计为在发生显著的锂电镀之前停止电池的充^^ o另一准确监视S0C的原因是提高电池的寿命或安全性。一些电池的化学组成在太 高的充电电压时变得不安全，以及许多化学物质在非常高或非常低的S0C时劣化的更快。 准确的S0C评估因此对于优化系统的安全性或长寿命方面是有用的。因此，准确地知道每个电极处的电势可能是关键性的。然而，尽管可以容易地测量 电池电压，但是电池电压给出的是电势差而不是绝对电势，且其包括各种极化因素，这些极 化因素可能在幅度方面在正电极和负电极之间不同，从而使得确定电极电势很困难。诸如HEV的新的性能要求已经带来了更好的S0C/S0H监视的需求。由于不足的稳定性和寿命(例 如参考电势的漂移)或不适合的参考电势，已有的诸如锂金属的参考电极可能不适于在上 述要求的情况下使用的锂离子电池系统。
技术实现思路
提供了使用集成在电池中的参考电极的材料、电池设计以及方法，以提供在电池 的寿命期上的改进的充电状态(S0C)和健康状态(S0H)监视。提供了具有参考电极的简化 电池设计，而不需要电池罐中的额外端口或用于参考电极端子的罩盖。 参考电极通常被用于电化学研究，但是还没有被设计用于监视负电极电势以减少 或防止在高速充电时的Li沉积，或者寿命期电池监视。根据一个或多个实施例的包括参考 电极的电池和电池系统提供了有用的信息，在功率、充电/放电率、循环寿命和日历寿命方 面，所述信息对于满足HEV、PHEV和EV系统具有的操作要求是有用的。在一个方面，披露了一种电池，包括第一工作电极和第二工作电极，被至少一个隔 离物分开，其中所述第一工作电极与第一端子电连接，以及所述第二工作电极与第二端子 电连接，一个或多个参考电极，以及罐，其容纳所述工作电极和所述一个或多个参考电极， 其中所述罐与所述第一端子和所述第二端子电隔离，以及电连接至所述一个或多个参考电 极以提供用于所述一个或多个参考电极的端子。在一个或多个实施例中，电池是锂离子电池以及工作电极包括能够吸收和释放锂 的电活性材料。在一个或多个实施例中，电池包括具有卷绕结构的圆柱形电池。在一个或 多个实施例中，电池包括具有卷绕或堆叠结构的棱柱形电池。在锂离子电池的一个或多个实施例中，一个或多个参考电极由电活性材料构成， 所述电活性材料能够多相存在以提供相对于Li/Li+的在大约IV和大约4V之间的基本恒 定的电压。在锂离子电池的其他实施例中，该一个或多个参考电极能够与电池管理系统接 口用于为电池充电和监视充电状态。在锂离子电池的又一实施例中，该一个或多个参考电 极具有小至大约0. 001%和高达大约20%的工作电极的库仑容量。在另一实施例中，所述 一个或多个参考电极选自如下的组，所述组包括锂钛氧化物、锂过渡金属磷酸盐、锂锰尖晶 石、具有或不具有替代成分，以及锂与诸如锡、铝和锑的金属的合金。在其他实施例中，该一 个或多个参考电极包括锂钛氧化物。在一些实施例中，该一个或多个参考电极包括锂铁磷 酸盐。在其他实施例中，所述电池是构成电池组的多个电池之一。在其他实施例中，所述一 个或多个参考电极布置在所述电池中在充电过程中最易受锂电镀影响的位置上。在其他实 施例中，该一个或多个参考电极位于工作电极之间。在其他实施例中，该一个或多个参考电 极基本上邻近负电极的边缘，以及通过多孔的电绝缘层防止与负电极接触。以及在一些实 施例中，用于该一个或多个参考电极的活性材料涂覆在电池罐的至少一部分壁上。在一些实施例中，所述罐由选自包括铝、铜、不锈钢以及钛的组的金属构成，以及 所述罐提供了所述参考电极和所述参考电极端子。在一些实施例中，使用无孔的电绝缘涂 层涂覆罐的暴露的金属表面。在其他实施例中，第一和第二端子分别位于上下盖板中。在一些实施例中，第一和第二端子通过衬垫与罐电隔离。在其他实施例中，一个或 多个参考电极被包在电化学惰性的多孔电绝缘材料中。在这些实施例中的部分实施例中， 多孔的电绝缘材料被电池电解质润湿。7在锂离子电池的一些实施例中，该一个或多个参考电极在经过反复的电压测量的 过程期间，通过补偿电压测量期间通过的电流来保持在其两相化学计量内。另一方面是提供功率的方法，该方法包括安装上述的锂离子电池。在一些实施例 中，该方法还包括将一个或多个参考电极与电池管理系统接口，为电池充电，以及监视充电 状态。在锂离子电池的一些实施例中，通过交替在参考电极至负电极和正电极至参考电 极之间的测量来进行补偿。在其他实施例中，通过周期地切换一个或多个参考电极和一个 或多个工作电极之间的电压引线的连接来进行补偿。在其他实施例中，通过周期地在所述 一个或多个参考电极和所述正电极或负电极之间通过电流来进行所述补偿，通过在电压测 量期间通过的电流量确定电流的方向和数量。在其他实施例中，供电的方法还包括在经过反复的电压测量的过程期间维持该一 个或多个参考电极在其两相化学计量内，其中通过补偿电压测量期间通过的电流进行所述 维持。在该方法的一些实施例中，通过本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种电池，包括：第一工作电极和第二工作电极，被至少一个隔离物分离，所述第一工作电极与第一端子电连接，以及所述第二工作电极与第二端子电连接；一个或多个参考电极；以及罐，容纳所述工作电极和所述一个或多个参考电极，其中所述罐与所述第一端子和所述第二端子电隔离，以及电连接至所述一个或多个参考电极以提供用于所述一个或多个参考电极的端子。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】US 2007-9-14 60/993,802;US 2007-9-17 60/994,089一种电池，包括第一工作电极和第二工作电极，被至少一个隔离物分离，所述第一工作电极与第一端子电连接，以及所述第二工作电极与第二端子电连接；一个或多个参考电极；以及罐，容纳所述工作电极和所述一个或多个参考电极，其中所述罐与所述第一端子和所述第二端子电隔离，以及电连接至所述一个或多个参考电极以提供用于所述一个或多个参考电极的端子。2.根据权利要求1所述的电池，其中所述电池是锂离子电池，以及所述工作电极包括 能够吸收和释放锂的电活性材料。3.根据权利要求1所述的电池，其中所述电池包括卷绕结构的圆柱形电池。4.根据权利要求1所述的电池，其中所述电池包括卷绕或堆叠结构的棱柱形电池。5.根据权利要求2所述的电池，其中所述一个或多个参考电极由电活性材料构成，所 述电活性材料能够多相存在以提供相对于Li/Li+的在大约IV和大约4V之间的基本恒定 的电压。6.根据权利要求2所述的电池，其中所述一个或多个参考电极能够与电池管理系统接 口，用于为所述电池充电和监视充电状态。7.根据权利要求2所述的电池，其中所述一个或多个参考电极具有小至大约0.001% 和高达大约20%的工作电极的库仑容量。8.根据权利要求2所述的电池，其中所述一个或多个参考电极选自如下的组，所述组 包括锂钛氧化物、锂过渡金属磷酸盐、锂锰尖晶石、具有或不具有替代成分，以及锂与诸如 锡、铝和锑的金属的合金。9.根据权利要求2所述的电池，其中所述一个或多个参考电极包括锂钛氧化物。10.根据权利要求2所述的电池，其中所述一个或多个参考电极包括锂铁磷酸盐。11.根据权利要求2所述的电池，其中所述电池是构成电池组的多个电池之一。12.根据权利要求2所述的电池，其中所述一个或多个参考电极布置在所述电池中在 充电过程中最易受锂电镀影响的位置上。13.根据权利要求2所述的电池，其中所述一个或多个参考电极位于所述工作电极之间。14.根据权利要求2所述的电池，其中所述一个或多个参考电极基本上邻近负电极的 边缘，以及通过多孔的电绝缘层防止与所述负电极接触。15.根据权利要求2所述的电池，其中用于所述一个或多个参考电极的所述活性材料 涂覆在所述罐的壁的至少一部分上。16.根据权利要求15所述的锂离子电池，其中所述罐由选自包括铝、铜、不锈钢以及钛 的组的金属构成，以及所述罐提供了所述参考电极和所述参考电极端子。17.根据权利要求15所述的锂离子电池，其中所述罐的暴露的金属表面涂覆有无孔的 电绝缘涂层。18.根据权利要求2所述的电池，其中所述第一端子和所述第二端子分别位于上盖板 和下盖板中。19.根据权利要求18所述的锂离子电池，其中所述第一端子和所述第二端子通过衬垫与所述罐电隔离。20.根据权利要求2所述的电池，其中所述一个或多个参考电极被包在电化学惰性的 多孔电绝缘材料中。21.根据权利要求20所述的锂离子电池，其中所述多孔电绝缘材料被所述电池电解液润湿。22.一种供电方法，所述方法包括安装如权利要求2所述的锂离子电池。23.根据权利要求22所述的方法，进一步包括将所述一个或多个参考电极与电池管理系统接口；为所述电池充电；以及监视所述充电状态。24.根据权利要求22所述的方法，进一步包括在重复电压测量的过程中，保持所述一个或多个参考电极在其两相化学计量内，其中通过补偿在电压测量过程中通过的电流来进行所述保持。25.根据权利要求24所述的方法，其中通过交替在所述参考电极至负电极和正电极至 参考电极之间的测量来进行所述补偿。26.根据权利要求24所述的方法，其中通过周期地切换在所述一个或多个参考电极和 所述一个或多个工作电极之间的电压引线的连接来进行所述补偿。27.根据权利要求24所述的方法，其中通过周期地在所述一个或多个参考电极和所述 正电极或负电极之间通过电流来进行所述补偿，通过在电压测量期间通过的电流量确定电 流的方向和数量。28.根据权利要求2所述的电池，其中所述正电极和/或所述负电极由具有大于lmV的 固有迟滞的材料构成。29.一种锂离子电池系统，包括(a)一个或多个电连接的锂离子电池，每个所述电池包括被隔离膜分离的第一和第二工作电极，所述工作电极能够吸收和释放锂离子，所述第 一工作电极包括第一集电器上的第一电活性层，以及所述第二工作电极包括第二集电器上 的第二电活性层；以及一个或多个参考电极，每个所述参考电极与所述工作电极电绝缘，以及具有引出所述 电池的单独的翼片或集电器，以及提供用于电测量的额外端子；以及(b)电池管理系统，包括电池充电状态监视器，所述监视器操作地用于接收与所述工作电极的电势差相关以及 与所述一个或多个工作电极相对于所述一个或多个参考电极的电势相关的信息。30.根据权利要求29所述的电池系统，其中所述一个或多个参考电极由电活性材料构 成，所述电活性材料能够多相存在以提供关于Li/Li+的在大约IV和大约4V之间的基本恒 定的电压。31.根据权利要求30所述的电池系统，其中所述一个或多个参考电极选自如下的组， 所述组包括锂钛氧化物、锂过渡金属磷酸盐、锂锰尖晶石、以及锂与诸如锡、铝和锑的金属...

【专利技术属性】
技术研发人员：R富洛朴，YM蒋，KE托马斯阿利亚，WH加德纳，
申请(专利权)人：A一二三系统公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]