堿性電池操作方法
【專利說明】
[0001] 發(fā)明人：Tal Sholklapper, Joshua Gallaway,Daniel Steingart,Nilesh Ingale， 和 Michael Nyce
[0002] 相關(guān)申請的交叉引用
[0003] 本申請要求2012年2月21日提交的美國臨時(shí)專利申請61/601，067的優(yōu)先權(quán)，該 美國臨時(shí)專利申請?jiān)诖送ㄟ^引用的方式被并入。
[0004] 政府支持聲明
[0005] 在此所描述和要求權(quán)利的本發(fā)明部分地利用了美國能源部合同號DE-AR0000150 提供的資金來完成。美國政府對本發(fā)明具有一定的權(quán)利。
技術(shù)領(lǐng)域
[0006] 本發(fā)明一般設(shè)及電池再充電的方法，并且更具體地，設(shè)及確定二次和一次堿性電 池兩者的最優(yōu)充放電條件的方法。
【背景技術(shù)】
[0007] 大多數(shù)商業(yè)堿性電池是一次使用的，該意味著單次放電后，他們被處理和更換。 眾多商業(yè)制造商W低成本大量生產(chǎn)一次堿性電池。不可再充電的或一次電池（如堿性和 碳-鋒型）構(gòu)成每年出售的干電池的80%。雖然一次電池最初可能花費(fèi)較少，但是與可再 充電的電池（其可使用數(shù)十至數(shù)百倍次數(shù)）相比需要更頻繁地更換它們，該一需求最終使 花費(fèi)更多。堿性電池包含二氧化鋪、石墨、鋼和鋒。由于回收非可再充電電池的成本超過了 可再生的材料的價(jià)值，因此必須收費(fèi)W使其回收在經(jīng)濟(jì)上可行。不幸的是，盡管社會(huì)和政府 努力，許多一次電池仍結(jié)束于垃圾填埋場。
[000引每年，在美國超過30億一次家用電池被購買。其中許多含有重金屬，如簡、鉛、裡、 隸、鑲、銀和鋒。如果處理不當(dāng)，掩埋于垃圾填埋場，或焚燒，該些電池能通過滲入到地表水 或地下水中或逸入空氣和±壤中而損害環(huán)境。
[0009] 基于電池技術(shù)公司炬atteiT Technologies Inc.)開發(fā)的技術(shù)（參見，例 如，美國專利號 US4957827、US5204195、US5281497、US5336571、US5340666、US5346783 和US5424145)，可再充電堿性電池近來進(jìn)入市場。該技術(shù)由純能量（Pure Engergy)、 Grandcell、化viroCell和Rayovac等商業(yè)化。然而，可再充電堿性電池的電池循環(huán)壽命是 有限的，該部分是由于商業(yè)應(yīng)用中采用的高深度放電而引起的，該高深度放電導(dǎo)致對電池 的電化學(xué)成分的不可逆變化。此外，制造商制造專有充電器W用于其可再充電堿性電池，想 要改善循環(huán)性能（參見，例如，美國專利號US4977364、US8153300和US7718305)，并僅W小 形狀因子提供。一般，消費(fèi)者可預(yù)期其可再充電堿性電池持續(xù)數(shù)十個(gè)至幾百個(gè)循環(huán)。該些 限制阻礙可再充電堿性電池獲得主流接納；家用電池市場仍然由一次電池支配。
[0010] 目前，由于酸泄漏、火災(zāi)和爆炸的危險(xiǎn)，制造商不推薦對一次電池進(jìn)行再充電。但 是，如果可W找到安全且便宜地對一次電池再充電的方法，其將可W反復(fù)使用，從而減少需 要回收的電池的數(shù)量。
[0011] 存在建立二次和一次堿性電池的達(dá)到最大循環(huán)壽命的最優(yōu)操作參數(shù)的長久需要。 除了充電條件之外，能夠控制電池操作放電條件也會(huì)是特別有用的，W便防止由過度放電 引起的不可逆的變化。
【附圖說明】
[0012] 當(dāng)結(jié)合附圖閱讀時(shí)，本領(lǐng)域技術(shù)人員從W下示例性實(shí)施例的描述中將容易理解W 上方面及其他方面。
[0013] 圖1是描述如何定義電池操作條件的框圖。
[0014] 圖2是示出示例中所討論的當(dāng)電池隨時(shí)間（小時(shí)）循環(huán)時(shí)的電池電位的圖。
[0015] 圖3是示出示例中討論的電池的作為循環(huán)數(shù)的函數(shù)的庫侖和能量效率的圖。
[0016] 圖4A是示出示例中討論的電池的作為循環(huán)數(shù)的函數(shù)的能量的圖。
[0017] 圖4B是示出示例中討論的電池的作為循環(huán)數(shù)的函數(shù)的EIS的圖。
[0018] 圖5A是描述糊式化-Mn〇2堿性電池的操作規(guī)程（protocol)的框圖。
[0019] 圖5B是示出示例中討論的電池的作為循環(huán)數(shù)的函數(shù)的充放電能量的圖。
[0020] 圖6A是描述具有流動(dòng)電解質(zhì)的化-Mn化堿性電池的操作規(guī)程的框圖。
[0021] 圖6B是示出示例中討論的電池的作為循環(huán)數(shù)的函數(shù)的充放電容量的圖。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0022] 公開了一種新穎的、新的操作堿性電池的方法。該方法包括；測量電池的歐姆阻抗 R和非歐姆阻抗0，W及采用下式確定具有電壓最大值Vmay、電壓最小值Vmi。的初始電壓操 作窗口 ：
[002引 Vmaxopera"on=Vmax+I*R+0
[0024] Vm 化。peration= Vmin-I 大 R-0 ;
[0025] 其中R是歐姆阻抗，e是非歐姆阻抗，并且由：
[0026] Vmax= Vmax at rate-I 大 R-0
[0027] Vm化=Vm化 at rate+I 大 R+e 給出，并且 [002引在初始電壓操作窗口內(nèi)操作該電池。
[0029] 本發(fā)明的方法可W應(yīng)用的堿性電池的示例包括但不限于，商業(yè)一次電池、商業(yè)二 次電池、W及定制設(shè)計(jì)的一次電池或二次電池。
[0030] 在一個(gè)布置中，電池可W被操作進(jìn)行一系列循環(huán)而不調(diào)整初始電壓操作窗口。在 另一個(gè)布置中，電池劣化模型可用于在電池循環(huán)時(shí)周期性地修改電壓操作窗口。
[0031] 在另一個(gè)布置中，測量電池的歐姆阻抗R和非歐姆阻抗0，并W固定間隔完成確 定修改后的電壓操作窗口，并且在每次修改后電池在修改后的電壓操作窗口內(nèi)操作。
【具體實(shí)施方式】
[0032] 上述需求通過在此所述的本發(fā)明的實(shí)施例得W滿足。
[0033] 定交
[0034] 電池充電狀態(tài)（S0C)由；
[0035]
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種操作堿性電池的方法，包括以下步驟： a) 提供堿性電池； b) 測量電池的歐姆阻抗R和非歐姆阻抗0 ; c) 采用下式： V眶。peration= V.+I * R+0 Vminoperation= V--I * R-0 確定具有電壓最大值Vmax和電壓最小值V min的初始電壓操作窗口，其中R是歐姆阻抗， 0是非歐姆阻抗由下式給出： V = V -I 女 R- 3 max max at rate丄丄、 * R+0 ;并且 d) 在該初始電壓操作窗口內(nèi)操作該電池。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中在步驟a中，堿性電池選自由商業(yè)一次電池、商業(yè) 二次電池、以及定制設(shè)計(jì)的一次電池或二次電池構(gòu)成的組。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中在步驟b中，歐姆阻抗是采用EIS或電流中斷來測 量的。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中在步驟b中，非歐姆阻抗是采用EIS或電流中斷來 測量的。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中在步驟d中，電池被操作進(jìn)行一系列循環(huán)而不調(diào)整 初始電壓操作窗口。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，進(jìn)一步包括在步驟c和d之間的附加步驟c. 1，其中步 驟c. 1包括在電池循環(huán)時(shí)使用電池劣化模型來修改第一電壓操作窗口，以及在步驟d中，在 每個(gè)修改后的電壓操作窗口內(nèi)操作該電池。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，進(jìn)一步包括在電池循環(huán)時(shí)以一定間隔重復(fù)步驟b、c和 d以確定修改后的電壓操作窗口，以及，在步驟d中，在修改后的電壓操作窗口內(nèi)操作該電 池。
【專利摘要】公開了采用特定操作的充放電參數(shù)來延長堿性電池壽命的方法。該方法可用于任意商業(yè)一次或二次堿性電池、以及更新的堿性電池設(shè)計(jì)(包括具有流動(dòng)電解質(zhì)的電池)。該方法包括在窄操作電壓窗口內(nèi)以基于電池特性和環(huán)境條件設(shè)置的最小和最大截止電壓使電池循環(huán)。該窄電壓窗口降低了可用容量但允許電池循環(huán)數(shù)百或數(shù)千次。
【IPC分類】H01M10-48, H01M2-00
【公開號】CN104662730
【申請?zhí)枴緾N201380017303
【發(fā)明人】T·夏洛克拉培爾, J·蓋拉威, D·斯坦恩格塔, N·尹蓋勒, M·尼亞克厄
【申請人】紐約城市大學(xué)研究基金會(huì)
【公開日】2015年5月27日
【申請日】2013年2月21日
【公告號】CA2886256A1, EP2817847A1, US20150030891, WO2013126520A1