适应性表面浓度电池充电制造技术

本发明专利技术的有些实施例提供了一种适应性地给电池充电的系统，其中电池是锂离子电池，该电池包括迁移限制电极、电解质分隔体和非迁移限制电极。为了给电池充电，该系统首先确定迁移限制电极和电解质分隔体之间的界面处的锂表面浓度。接下来，该系统使用所确定的锂表面浓度来控制电池的充电过程，使得充电过程将锂表面浓度维持在设置的限度内。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术总体上涉及用于给电池充电的技术。更具体而言，本专利技术涉及用于给锂离 子电池充电的方法和装置，其中该方法和装置适应性地控制锂表面浓度以维持在所设置的 限度内。
技术介绍
如今，可再充电的锂离子电池用于在广泛多种系统中提供电力，包括膝上型计算 机、无绳电动工具和电动车辆。图1例示了典型的锂离子电池单元，它包括多孔石墨电极、 浸有电解质的聚合物分隔体和多孔二氧化钴电极。锂和锂离子进出电极颗粒并通过它们之 间材料的迁移的细节是复杂的，但净效应是由用于以锂填充一个电极同时从另一个电极除 去锂的慢扩散过程支配的。应当指出，图1提供了用于典型锂离子电池单元布局的物理模型，其中还例示了 在充电过程中出现的氧化和还原过程。该物理模型示出了 集电器，该集电器继而又连接到 电池端子；聚合物分隔体；及正多孔电极和负多孔电极。应当指出，电解质渗透了多孔电极 和分隔体。负电极包括利用导电粘合剂(在实践当中，还可以有非导电的粘合剂)保持在一 起的石墨颗粒。围绕每个石墨粒子的是称为固体电解质界面膜(SEI)的薄钝化层，其中 SEI是在新电池单元第一次充电时从石墨中直接与电解质发生反应的锂原子形成的。这是 由于在电池单元充满电时锂原子在石墨中保持相对弱的趋势而发生的，但是在形成SEI之 后，SEI就充当阻止与电解质进一步反应的屏障。无论如何，尽管有某种程度的额外阻力， 但SEI仍然允许锂离子的迁移。与负电极类似，正电极包括利用粘合剂保持在一起的锂化二氧化钴颗粒。围绕这 些粒子的任何类SEI的层都有可能比在负电极中的重要性小得多，因为锂原子强烈趋于留 在这些粒子中，而不是离开并直接与电解质发生反应。负石墨电极(也称为“迁移限制电极”)中锂的迁移比正二氧化钴电极(也称为 “非迁移限制电极”)中的要慢，而且因此限制了充电的最大速度。在充电过程中，慢扩散造 成锂在石墨表面上的瞬时集结，其与充电电流和特征扩散时间成正比地变化。扩散时间一般是小时量级的，并且对温度和其它变量有很强的依赖性。例如，处于 15°C的电池单元可以具有比处于35°C的电池单元慢10倍的扩散时间。由于制造的变化性， 即使是在相同的环境条件下，扩散时间也可以在电池单元之间有显著变化。如果表面的锂浓度达到石墨中锂的饱和浓度，则更多的锂被阻止进入石墨电极， 直到浓度减小。传统电池充电技术的一个主要目的是避免锂表面饱和，同时保持充电时间 最小化。例如，一种传统技术以恒定的电流充电，直到达到固定的电压上限(例如，4.2V)， 然后通过保持电压恒定在这个上限地进行充电，直到电流逐渐缩小到某个下限。应当指出， 关于电池容量来表示所有电流是一种普通的实践。例如，对于容量为Qmax = 2500mA.hr的 电池单元来说，“1C”电流就是2500mA。在这些单元中，恒定电流充电通常以小于1C(例如，0. 3C)进行，而且恒定电压阶段在电流逐渐缩小到小于0. 05C的某个值时终止。图2例示了代表性的传统充电曲线。传统充电策略的问题是其很大程度上盲目 地操作；所使用的信息只有电池电压，而电池电压不直接与锂表面浓度相关联。因此，传统 的充电既丧失了在可能的时候使用更多电流的机会，又在锂迁移比期望的慢时进入饱和区 域。因此，需要一种不受这些现有技术缺陷困扰的用于给锂离子电池充电的方法和装置。
技术实现思路
本专利技术的一些实施例提供了适应性地给电池充电的系统，其中电池是锂离子电 池，该锂离子电池包括迁移限制电极、电解质分隔体和非迁移限制电极。为了给电池充电， 系统首先确定迁移限制电极和电解质分隔体之间的界面处的锂表面浓度。接下来，系统使 用所确定的锂表面浓度来控制电池的充电过程，使得充电过程将锂表面浓度维持在设置的 限度内。在有些实施例中，确定锂表面浓度包括确定迁移限制电极关于已知基准的电势， 其中该电势与锂表面浓度相关联。在这些实施例中，使用所确定的锂表面浓度来控制充 电过程包括在控制循环中使用所确定的迁移限制电极的电势，来调整充电电压或者充电电 流，以便将迁移限制电极的电势维持在使锂表面浓度保持在所设置的限度内的水平处。在有些实施例中，维持迁移限制电极的电势包括维持最小电势或者最大电势，该 最小电势或者最大电势使锂表面浓度维持在设置的限度内。例如，对于负电极，锂表面浓度 可以维持在饱和水平以下，而对于正电极，锂表面浓度可以维持在耗尽值以上。(应当指出， 在本说明书和所附权利要求中所使用的“所设置的限度”是指一个或多个所设置的限度)。在有些实施例中，确定迁移限制电极的电势包括直接测量迁移限制电极的电势。在有些实施例中，确定迁移限制电极的电势包括确定电池的充电状态；以及根 据所确定的充电状态和与电池相关的其它参数来确定迁移限制电极的电势。在有些实施例中，确定迁移限制电极的电势包括监视电池的温度；监视通过电 池的电流；监视电池的总电池电压；以及基于所监视的温度、电流和总电池电压来确定迁 移限制电极的电势。在有些实施例中，迁移限制电极是负电极，而非迁移限制电极是正电极。在有些实施例中，负电极由石墨和/或TK2组成；电解质分隔体是由LiPF6、LiBF4 和/或LiClO4和有机溶剂组成的液态电解质；而正电极由LiCo02、LiMnO2, LiFePO4和/或 Li2FePO4F 组成。在有些实施例中，确定锂表面浓度包括测量迁移限制电极中锂的扩散时间τ ； 以及基于扩散时间τ、电池的电池容量Qmax和电池的测得的充电电流I来估计τ测量结果 之间的锂表面浓度。在有些实施例中，测量扩散时间τ包括定期执行一序列操作，包括(1)以固定电 流给电池充电达固定时间段；⑵进入充电电流被设置为零的零电流状态；⑶在零电流状 态期间，在开路电压朝向稳态弛豫时，在两个时间测量开路电压；及(4)基于所测得的开路 电压计算扩散时间τ。本专利技术的有些实施例提供了一种适应性地给电池充电的系统，其中电池是锂离子 电池，其包括迁移限制电极、电解质分隔体和非迁移限制电极。为了给电池充电，该系统监 视通过电池的电流、电池的电压和电池的温度。然后，该系统使用所监视的电流、电压和温 度来控制电池的充电过程，使得充电过程将迁移限制电极和电解质分隔体之间的界面处的 锂表面浓度维持在所设置的限度内。本专利技术的一个实施例提供了 一种具有适应性充电机制的电池。该电池包括迁移限 制电极、电解质分隔体和非迁移限制电极。它还包括用以测量电池的充电电流的电流传感 器和用以测量电池两端的电压的电压传感器。该电池另外还包括配置成向电池施加充电电 流或充电电压的充电源。这种充电源在控制器的控制下操作，其中控制器从电流传感器和 电压传感器接收输入并将控制信号发送到充电源。在充电过程期间，控制器控制充电源，以 将迁移限制电极和电解质分隔体之间的界面处的锂表面浓度维持在所设置的限度内。附图说明图1例示了根据本专利技术实施例的锂离子电池。图2例示了用于锂离子电池的传统充电曲线。图3例示了锂离子电池单元的集总表示。图4例示了针对锂离子电池单元的弛豫开路电压对充电状态的图。图5提供了用于典型锂离子电池单元的Cole-Cole阻抗图的示意性表示。图6例示了捕捉图5的阻抗图中大部分特征的等效电路。图7例示了锂浓度分布。图8例示了响应于恒定电流而通过石墨的锂浓度。图9例示了根据本专利技术本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于适应性地给电池充电的方法，其中电池是锂离子电池，该方法包括：　　确定电池中电极和电解质分隔体之间的界面处的锂表面浓度；及　　使用所确定的锂表面浓度来控制电池的充电过程，使得充电过程将锂表面浓度维持在设置的限度内。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：T·C·格林尼格，
申请(专利权)人：苹果公司，
类型：发明
国别省市：US