具有多個(gè)電阻位的可充電電池的制作方法
【專利說明】具有多個(gè)電阻位的可充電電池
[0001]相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用
[0002]本申請(qǐng)是于2014年2月25日提交的美國申請(qǐng)第14/189，517號(hào)的部分延續(xù)申請(qǐng)，本申請(qǐng)要求于2013年5月16日提交的美國臨時(shí)申請(qǐng)第61/824，211號(hào)的權(quán)益，在此將其兩者全部公開內(nèi)容通過弓I用并入本文。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003]本發(fā)明一般涉及可充電電池，并且更具體地，涉及配置有多于一個(gè)內(nèi)阻位的可充電電池。這樣的電池包括具有多于一個(gè)內(nèi)阻位的鋰離子電池。
【背景技術(shù)】
[0004]用于電子、交通和電網(wǎng)儲(chǔ)能的可充電電池通常受到低性能和極端溫度下的安全性的困擾。在低溫時(shí)，特別是冰點(diǎn)以下的溫度，可充電電池，特別是鋰離子電池，由于發(fā)生在電池電池單元內(nèi)部緩慢的電化學(xué)反應(yīng)和輸運(yùn)過程，表現(xiàn)出極低的功率性能和低能量。在高溫下，鋰離子電池成為安全隱患。在交通和電網(wǎng)儲(chǔ)能中，對(duì)在所有可能運(yùn)行溫度下魯棒和安全地使用這些電池有著強(qiáng)烈的需求。
[0005]進(jìn)一步希望提升低的環(huán)境溫度下電池電池單元內(nèi)部的快速內(nèi)加熱，以便控制電池性能的電化學(xué)和輸運(yùn)過程能隨著快速內(nèi)部溫度的上升而被大大改進(jìn)。還希望當(dāng)電池開始在超出正常溫度下操作，并在電池成為安全隱患(諸如當(dāng)電池進(jìn)入熱失控時(shí))之前，能夠檢測(cè)到電壓或電流中的顯著變化。通過設(shè)計(jì)電池使之具有兩個(gè)內(nèi)阻位，在本文中稱之為雙阻電池，能夠解決以上的兩個(gè)需求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本公開的優(yōu)勢(shì)是可充電電池，諸如鋰離子電池，具有多于一個(gè)的內(nèi)阻位。有利的是，這種電池能夠以一個(gè)內(nèi)阻位操作于一個(gè)溫度范圍，也能夠以其它的內(nèi)阻位操作于其它溫度或溫度范圍。各種電阻位之間的差別可以是2至50或更高的因子。在不同電阻位之間的切換能夠提升可充電電池的性能和安全性。
[0007]這些和其它的優(yōu)勢(shì)至少部分被可充電電池滿足，該可充電電池包含處于第一溫度(T1)與第二溫度(T2)之間電池溫度范圍內(nèi)的一個(gè)內(nèi)阻位(R1)，以及處于T1ST2之外的第二內(nèi)阻位(R2)，其中低于T1大約2°C時(shí)的R 2值至少是T財(cái)R i值的兩倍，或者高于T 2大約2°C時(shí)的&值至少是T 2時(shí)R:值的兩倍?？沙潆婋姵剡€可以有附加的電阻位，例如與第三溫度范圍(T3，T4)相關(guān)聯(lián)的第三電阻位等等。有利的是，在低于T1大約2°C時(shí)的R2值至少是T1時(shí)R1值的兩倍到五十倍，并且在高于T 2大約2°C時(shí)的R 2值至少是T 2時(shí)R:值的兩倍到五十倍。
[0008]公開的實(shí)施例包括具有兩個(gè)電阻位的可充電電池，例如，雙電阻位電池，具有處于R1操作該電池的至少兩個(gè)端子和處于1?2操作該電池的至少兩個(gè)端子。雙電阻電池可以進(jìn)一步包括由溫度傳感器或控制器驅(qū)動(dòng)的用于在處于&操作電池的端子與處于1?2操作電池的端子之間切換的開關(guān)。
[0009]本公開另外的實(shí)施例包括可充電電池，該充電電池包括添加到電池的電池單元的一種或多種電極粘合劑中的允許電極的電導(dǎo)率被溫度調(diào)制的熱敏材料和/或電解質(zhì)中的將電解質(zhì)的粘度或離子電導(dǎo)率變?yōu)闇囟鹊暮瘮?shù)的一種或多種熱敏添加劑。這些特征能夠?qū)⒊潆婋姵氐膬?nèi)阻位變?yōu)闇囟鹊暮瘮?shù)。
[0010]本公開的另一方面是一種操作具有多個(gè)內(nèi)阻位的可充電電池的方法。該方法包括在某個(gè)溫度范圍內(nèi)例如，定義STjPT2范圍之內(nèi)，操作處于第一內(nèi)阻位的可充電電池，以及在其它溫度范圍之內(nèi)或在其它溫度范圍操作處于第二電阻位的電池，例如，當(dāng)電池在!\和/或T2之外時(shí)，電池處于R 2。
[0011]通過下面的詳細(xì)地說明，本發(fā)明其它的優(yōu)勢(shì)對(duì)本領(lǐng)域的技術(shù)人員變得更加顯而易見，其中，僅示出和描述了優(yōu)選實(shí)施例，簡(jiǎn)單圖示出實(shí)施本發(fā)明的最好模式設(shè)想。如以后將會(huì)認(rèn)識(shí)到的一樣，本發(fā)明使得其它的和不同的實(shí)施例成為可能，并且它的若干細(xì)節(jié)使得可以在不背離本發(fā)明的基礎(chǔ)上，對(duì)明顯的方面進(jìn)行修改。因此，附圖和描述被看作是對(duì)本質(zhì)的說明，而不被作為限制性的。
【附圖說明】
[0012]參照附圖，其中具有相同附圖標(biāo)記的要素在全文和圖中代表相似的要素:
[0013]圖1是示出根據(jù)本發(fā)明公開的實(shí)施例的理想化的可充電電池中作為溫度的函數(shù)的電阻的示意圖。
[0014]圖2根據(jù)本發(fā)明公開的實(shí)施例，圖示由兩個(gè)電極薄層夾隔離器組成的雙電阻電池單元構(gòu)造。
[0015]圖3A根據(jù)本發(fā)明公開的實(shí)施例，示出雙電阻電池創(chuàng)口的原理圖。
[0016]圖3B根據(jù)本發(fā)明公開的實(shí)施例，示出雙電阻電池創(chuàng)口的截面圖。
[0017]圖4圖示具有兩對(duì)端子的組裝雙電阻電池，其中根據(jù)本發(fā)明公開的實(shí)施例，一對(duì)端子用于低內(nèi)阻，而另外一對(duì)端子用于高電阻。
[0018]圖5A根據(jù)本發(fā)明公開的實(shí)施例，圖示操作在低阻位的雙電阻電池內(nèi)的電流流動(dòng)。
[0019]圖5B根據(jù)本發(fā)明公開的實(shí)施例，圖示操作在高阻位的雙電阻電池內(nèi)的電流流動(dòng)。
[0020]圖6是根據(jù)本發(fā)明公開的實(shí)施例，示出配置為控制雙電阻電池的電池管理系統(tǒng)的圖。
[0021]圖7A-7C根據(jù)本發(fā)明公開的實(shí)施例，示出一系列圖來進(jìn)一步圖示雙電阻電池的性能。圖7A示出原型40Ah雙電阻電池作為電池溫度函數(shù)的內(nèi)阻特性。圖7B示出傳統(tǒng)40Ah雙電阻電池的內(nèi)阻特性。圖7C是示出對(duì)于與圖7A和圖7B相關(guān)聯(lián)的電阻位和溫度的電阻隨溫度的變化的變化(dR/dT)的圖表。
[0022]圖8根據(jù)本發(fā)明公開的實(shí)施例，示出從_20°C環(huán)境開始，以IC的速率放電的圖7A的40Ah的雙電阻電池的電壓和溫度曲線。
[0023]圖9是連同傳統(tǒng)電池和雙電阻電池在25°C時(shí)的參考性能曲線一起，比較兩種電池從-20°C環(huán)境開始，以IC速率放電的放電曲線的圖表。
[0024]圖10是比較經(jīng)歷短路事件的傳統(tǒng)電池和雙電阻電池的電池單元電壓和溫度演進(jìn)的圖表。
【具體實(shí)施方式】
[0025]本公開涉及具有兩個(gè)或更多內(nèi)阻位的可充電電池。用于本文的術(shù)語電池被用來代表包含一個(gè)或多個(gè)電化學(xué)電池單元的任何可充電電化學(xué)儲(chǔ)能裝置。本公開的電池配置能被應(yīng)用于多種電池，例如，但不限于，鋰離子電池、鋰聚合物電池、鎳金屬氫化物電池、鎳錳鈷電池、鋰硫電池和鋰空氣電池。此類電池可用于運(yùn)輸、航空航天、軍事和固定儲(chǔ)能應(yīng)用。本公開的可充電電池的優(yōu)勢(shì)是電池的內(nèi)阻可以根據(jù)電池的溫度以漸進(jìn)地方式改變。
[0026]例如，在正常操作條件期間，諸如在正?；蜃罴训牟僮鳒囟绕陂g，根據(jù)本發(fā)明公開的實(shí)施例，可充電電池的內(nèi)阻可以是低的，例如可以與傳統(tǒng)電池一樣低。但是當(dāng)電池經(jīng)歷這個(gè)正?；蜃顑?yōu)范圍之外的溫度時(shí)，電池可以被設(shè)置為在不同的電阻位操作，例如在更高位電阻操作。在本發(fā)明公開的一個(gè)方面中，可充電電池可以有多個(gè)根據(jù)特定溫度或溫度范圍改變的內(nèi)部電阻位。即，本發(fā)明公開中的可充電電池能夠具有與第一溫度范圍(TpT2)相關(guān)聯(lián)的第一電阻位(R1),與第二溫度范圍(τ3，τ4)相關(guān)聯(lián)的第二電阻位(R2)，與第三溫度范圍(T5, T6)相關(guān)聯(lián)的第三電阻位(R3)等等。與任意特定溫度范圍相關(guān)聯(lián)的電阻位優(yōu)選突然地改變，諸如與階躍函數(shù)或平方函數(shù)相關(guān)聯(lián)的改變。即，在溫度范圍之間和溫度范圍之內(nèi)，電阻位會(huì)有相對(duì)突然的改變。
[0027]在本發(fā)明公開的實(shí)施例中，可充電電池可以至少具有兩個(gè)依賴電池溫度的內(nèi)部電阻(雙電阻電池)。本文使用的電池溫度可以是內(nèi)部溫度或外部表面溫度。當(dāng)電池的內(nèi)部溫度低于最優(yōu)溫度從而加熱電池和提升電池性能的時(shí)候，本實(shí)施例的雙電阻電池可以被配置成在更高的電阻位操作。例如，當(dāng)電池的內(nèi)部溫度在正常范圍以下，例如低于正常操作溫度諸如低于大約5°C或處于冰點(diǎn)以下的環(huán)境(溫度低于大約0°C，例如低于大約-10°C或-20°C )，雙電阻電池的內(nèi)部電阻比電池操作在正常溫度范圍時(shí)大好幾倍(例如從大約40 Ω cm2到大約200 Ω cm2的范圍)。結(jié)果是，電池存在很多強(qiáng)化的內(nèi)部加熱(因?yàn)殡姵氐臒崃慨a(chǎn)生與它的內(nèi)阻成比例)，這會(huì)導(dǎo)致電池的內(nèi)部溫度快速上升。當(dāng)電池操作于冰點(diǎn)以下的環(huán)境，這會(huì)相應(yīng)地快速提升電池的功率與能量輸出。
[0028]這樣的雙電阻電池也可以被配置成一旦電池的內(nèi)部溫度超過正常操作范圍的上限(例如高于大約45°C，諸如高于大約50°C、60°C和70°C)，會(huì)切換到高內(nèi)阻。這樣更高的溫度可能發(fā)生在濫用或故障事件過程中。高內(nèi)部電阻造成電池單元過充時(shí)的電池單元電壓過沖過大，這會(huì)極大方便早期的檢測(cè)以及在電池進(jìn)入熱失控條件之前外部充電系統(tǒng)的切斷。例如，在短路的情況下，更高的內(nèi)部電阻將以更慢和可控的速率釋放電池能量，從而減慢電池溫度上升的速率和保護(hù)電池，防止其熱失控。在正常溫度范圍的上限的高內(nèi)部電阻特征確保電池的固有安全性。
[0029]在本發(fā)明公開的實(shí)施例中