混合電池系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】再充電的混合電池系統(tǒng)并入了高功率電池組件和高能量密度電池組件。高能量密度電池的電壓作為其充電狀態(tài)的函數(shù)而變化，但是在電池系統(tǒng)的整個(gè)運(yùn)行范圍保持比高功率電池的電壓更高。
【專利說明】混合電池系統(tǒng)
[0001]相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用
[0002]本申請(qǐng)要求于2011年12月15日提交的美國臨時(shí)申請(qǐng)61/570，920的優(yōu)先權(quán)，其公開內(nèi)容通過引用并入本文。
發(fā)明領(lǐng)域
[0003]本發(fā)明涉及再充電電池系統(tǒng)，以及更具體地涉及能夠發(fā)出高峰值功率和持續(xù)功率的再充電電池系統(tǒng)。特別是，本發(fā)明涉及混合電池系統(tǒng)，其包含高功率電池和高能量密度電池，高功率電池被優(yōu)化以發(fā)出高峰值功率水平，高能量密度電池被優(yōu)化以發(fā)出大量持續(xù)功率。
[0004]發(fā)明背景
[0005]對(duì)具有高能量密度并因此能夠儲(chǔ)存和發(fā)出每單位體積和/或重量大量電能，同時(shí)也能夠發(fā)出高水平峰值功率的再充電電池系統(tǒng)，存在需要。此類高能量高功率電池系統(tǒng)在許多應(yīng)用——包括軍事裝置、通訊裝置和機(jī)器人——中具有顯著效用。然而，再充電電池的能量密度和功率密度彼此以相反的方式相關(guān)，并且這使得此類再充電電池系統(tǒng)的設(shè)計(jì)復(fù)雜。
[0006]與高能量密度優(yōu)化的電池相比，高功率密度電池總是具有較低的能量密度。功率與電池釋放能量的能力相關(guān)。因此，在高功率電池中能量的釋放比在高能量密度電池中快。此高功率負(fù)荷產(chǎn)生了顯著的電阻加熱，其能夠引起安全問題和影響電池的循環(huán)壽命。因此，高功率電池的電池大小、電池的幾何形狀和化學(xué)必須被選擇以允許熱管理。因此，高功率電池不能夠儲(chǔ)存和發(fā)出與高能量密度電池同樣多的每單位體積和/或大小的能量。
[0007]另一方面，高能量密度電池被優(yōu)化以發(fā)出每單位體積和/或重量的最大能量并因此不能以和高功率電池相當(dāng)?shù)乃俣劝踩匕l(fā)出功率。因此，為了實(shí)現(xiàn)安全與可靠的操作，電池系統(tǒng)必須被最大化以低能量密度發(fā)出高水平功率，或者以便具有高能量密度和低峰值功率容量。
[0008]然而，如上所述，實(shí)際應(yīng)用常要求還能夠提供高水平峰值功率的緊湊的高能量密度功率源。幾種方法已經(jīng)在現(xiàn)有技術(shù)中實(shí)施，試圖滿足這些相沖突的目標(biāo)。在一種情況下，現(xiàn)有技術(shù)已經(jīng)在電池系統(tǒng)中包括電容器或超電容器儲(chǔ)存器件，以累積和快速發(fā)出高功率脈沖。此方法受到限制，因?yàn)殡娙萜飨到y(tǒng)在長時(shí)間期間發(fā)出的功率總量相對(duì)較小，這大大限制了此類系統(tǒng)的利用。此外，當(dāng)功率必須要維持長時(shí)間期間時(shí)，電容器系統(tǒng)的斜的電壓分布是不期望的。典型地，儲(chǔ)存在超電容器為基礎(chǔ)的系統(tǒng)中的僅25%的功率實(shí)際上是可用的。在另一種方法中，再充電高能量密度電池系統(tǒng)合并了輔助性不可再充電原電池。雖然此類系統(tǒng)能滿足特定的功率/能量分布圖的需要，但它們對(duì)持續(xù)操作來說是不實(shí)際，這是因?yàn)樵姵乇仨毝ㄆ诟鼡Q。在其它情況下，現(xiàn)有技術(shù)已經(jīng)制備了混合的再充電電池系統(tǒng)，其包括優(yōu)化以發(fā)出高功率的第一組電池連同優(yōu)化以具有高能量密度的第二組電池。一些此類混合系統(tǒng)顯示在美國專利7, 399，554和7，635，541，以及美國專利申請(qǐng)公開2007/0212596中。迄今為止，傳統(tǒng)常識(shí)認(rèn)為在此類型的混合電池系統(tǒng)中，高能量和高功率電池組的電壓必須相同，以便保持系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。因此，現(xiàn)有技術(shù)的混合電池系統(tǒng)是利用它們的高功率和高能量段大致相同的電池化學(xué)制備。這種化學(xué)和電壓的匹配必要性限制了混合電池系統(tǒng)的設(shè)計(jì)選項(xiàng)，并且還需要包括充電/放電控制電路，所有這些都傷及這些混合系統(tǒng)的大小、重量和最終能量密度。在現(xiàn)有技術(shù)中，對(duì)功率和能量電極利用相似化學(xué)的約束限制了混合電池系統(tǒng)的選項(xiàng)，并且通過本發(fā)明克服。
[0009]如下文解釋，本發(fā)明突破了現(xiàn)有技術(shù)，因?yàn)樗峁┝撕喜⒕哂胁煌妷?、充?放電特征和化學(xué)的高功率電池和高能量密度電池的再充電混合電池系統(tǒng)。本發(fā)明的不同電池也可設(shè)計(jì)具有匹配阻抗并且因此本發(fā)明的系統(tǒng)對(duì)于充電和放電固有地自我調(diào)節(jié)并且減少或消除了充電控制器、開關(guān)等的使用。本發(fā)明的這些和其它優(yōu)點(diǎn)從下面的附圖、討論以及描述將顯而易見。
[0010]發(fā)明概述
[0011]公開了包括以并聯(lián)電關(guān)系連接的高功率電池和高能量密度電池的混合再充電電池系統(tǒng)。高能量密度電池的開路電壓比高功率電池的開路電壓高達(dá)至少8 O %的放電度(degree of discharge)。在具體情況下,高功率電池和高能量密度電池是鋰電池,并且高功率電池和高能量密度電池的陰極材料組成、電解質(zhì)組成和陽極材料組成的至少一種不同。
[0012]在特定情況下,高功率電池的開路電壓在O放電深度(depth of discharge)下在3.2-3.5的范圍之內(nèi)和在0.5放電深度下在3.1-3.5的范圍之內(nèi)。在某些實(shí)施方式中，高能量密度電池的能量密度至少為250WH/kg。在特定情況下，高能量密度電池的陰極包括鋰混合的金屬氧化物材料，其可包含至少鎳和鈷的氧化物。在某些情況下，高功率電池的陰極包含磷酸鐵鋰材料，其可包括納米磷酸鐵鋰材料。高能量密度電池的陽極可包括硅和/或錫，并且高功率電池的陽極可包括石墨碳。
[0013]在特定的實(shí)施中，電池系統(tǒng)的容量的至少90%由高能量密度電池提供。
[0014]在一些情況下，高功率電池的阻抗在高能量密度電池的阻抗的80-120 %范圍之內(nèi)，并且在某些特定的情況下，高功率電池的阻抗在高能量密度電池的阻抗的90-110 %的范圍之內(nèi)。
[0015]附圖簡(jiǎn)述
[0016]圖1顯示了本發(fā)明的電池系統(tǒng)的示意圖；
[0017]圖2是在本發(fā)明中使用的類型的高能量密度電池和高功率電池的開路電壓(OCV)與放電程度(DOD)繪制的圖；以及
[0018]圖3是本發(fā)明的高能量密度電池以及混合電池系統(tǒng)的以小時(shí)計(jì)的自放電時(shí)間對(duì)充電/放電周期數(shù)繪制的圖。
[0019]優(yōu)選實(shí)施方式詳述
[0020]本發(fā)明可在多個(gè)實(shí)施方式中實(shí)施。本文中描述一些具體的實(shí)施方式，并且鑒于本文提出的教導(dǎo)，其它對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員是顯而易見的。現(xiàn)在參考圖1，顯示了本發(fā)明的基本混合電池系統(tǒng)10。如從圖中可見，該系統(tǒng)10包含與高能量密度電池14并聯(lián)電關(guān)系布置的高功率電池12。如進(jìn)一步顯示，電池的并聯(lián)線又連接到負(fù)載16。在電池系統(tǒng)正在再充電的那些情況下，負(fù)載16將由電源替換。在本公開的上下文中，該混合電池系統(tǒng)的兩個(gè)組件被稱為高功率電池和高能量密度電池。可以理解的是，這些組件的每個(gè)可包括單個(gè)電化學(xué)電池或以串聯(lián)和/或并聯(lián)電關(guān)系相連接的多個(gè)電學(xué)電池。在本公開的上下文中，用于這些組件的術(shù)語“電池”將被理解為包括單個(gè)電池和單獨(dú)電池的聚集體二者。
[0021]從圖1將注意到，高能量密度電池14的開路電壓是4.3伏并且因此比高功率電池12的開路電壓3.4伏高。此電壓關(guān)系是反傳統(tǒng)常識(shí)的，傳統(tǒng)常識(shí)認(rèn)為電壓在例如這里的電路中應(yīng)該匹配。
[0022]在此類型的典型系統(tǒng)中，由高能量密度電池14提供系統(tǒng)的能量容量的至少80%，其余的由高功率電池12提供。在特定的情況下，容量的至少90%。在具體的情況下，該系統(tǒng)被配置以使該電池系統(tǒng)的容量的大約95-96%由高能量密度電池14提供。
[0023]在本發(fā)明的一些實(shí)施方式中，高能量密度電池14和高功率電池12的阻抗將匹配，使得高功率電池的阻抗在高能量密度電池的阻抗的80-120%的范圍之內(nèi)。在特定的情況下，匹配是這樣的:高功率電池的阻抗在高能量密度電池的阻抗的90-110%的范圍之內(nèi)。
[0024]高能量密度電池14能夠儲(chǔ)存相對(duì)大量的每單位重量的電能以及在特定的情況下具有至少250WH/Kg的能量密度。每單位體積該電池的能量密度范圍將達(dá)到550WH/L。高能量密度電池的功率密度在從100%充電狀態(tài)的2V5s下將典型地比1KW/Kg低。該電池的典型陰極材料包含金屬氧化物，比如鎳/鈷氧化物，以及，如本領(lǐng)域已知的，可包含進(jìn)一步起作用以提高升溫安全性和機(jī)械損傷(abuse)耐受性的涂層。此類型電池的陽極材料將典型地包含高能量密度材料，比如硅和錫以及其合金和復(fù)合物。高能量密度電池的典型電解質(zhì)包含不易燃的添加劑和鋰鹽，比如LiPF6。這些添加劑通常以小于IM的濃度存在，并且用于當(dāng)放電速率高于IC的電池容量發(fā)生時(shí)關(guān)閉電池。除了 LiPF6之外的材料同樣可用于提高安全性。此類型電池中的進(jìn)一步安全性考慮包含耐熱屏障的使用，比如NCS，用于當(dāng)電池溫度升至大于100°C時(shí)防止低熔點(diǎn)聚丙烯隔片材料坍塌。因此，將理解，優(yōu)化高能量電池以可靠和安全的儲(chǔ)存以及發(fā)出大量的每單位重量/體積的電能。
[0025]高功率電池12相對(duì)較小并且可被優(yōu)化以發(fā)出優(yōu)越的脈沖功率同時(shí)是熱穩(wěn)定的以便承受非常高的漏電率(drain rate)，包含短路。高功率電池的典型能量密度的范圍從70ffh/kg和150Wh/L向上。高功率電池12的峰值功率密度在2V5s在100%充電狀態(tài)下將典型地比5KW/kg高。在高功率電池中使用的典型陰極材料包含鋰金屬磷酸鹽材料，比如磷酸鐵鋰材料。高功率電池12的陽極材料典型地將包括石墨碳或其它此類能夠在大放電度下產(chǎn)生平直電壓分布的材料。
[0026]現(xiàn)在參考圖2，顯示了可用于本發(fā)明的典型高能量密度電池和高功率電池的開路電壓(OCV)與放電程度(DOD)比較的圖。曲線18顯示本發(fā)明的第一高能量密度電池的開路電壓特征，其中其開路電壓在0%放電度(即100%充電度)下大約為4.1伏和在10%放電度下大約3.95伏。如可見的，此電池的開路電壓在80%放電度下大約為3.3伏。曲線20顯示了可用于本發(fā)明的另一個(gè)高能量密度電池的電壓特征，以及此電池具有在0%放電度下大約4.2伏的開路電壓。在10%放電度下，其開路電壓大約為4.05伏，以及在80%放電度下，其開路電壓大約為3.35伏。第三類型的高量密度電池的特點(diǎn)是曲線22，以及在完全充電狀態(tài)下，此電池具有大約4.3伏的開路電壓，在10%放電度下大約4.15伏的開路電壓，以及在80 %放電度下大約3.45伏的開路電壓。關(guān)于所有這些電池值得注意的是它們的放電電壓/放電度分布是極其傾斜的，使得這些電池的電壓作為它們充電/放電狀態(tài)的函數(shù)顯著降低。
[0027]曲線24顯示了用于本發(fā)明的典型高功率電池的電壓分布。此高功率電池可以是以上描述的類型，典型地合并了納米磷酸鹽陰極。關(guān)于曲線24值得注意的是它是相對(duì)平的并且沒有顯示電壓作為充電狀態(tài)的函數(shù)的顯著變化。就這一點(diǎn)而言，電池的電壓在10%放電度下大約為3.35伏，而在80%放電度下電壓大約為3.25伏。
[0028]從上文可以理解，選擇構(gòu)成高能量密度電池和高功率電池的材料以使高能量密度電池的開路電壓作為其充電狀態(tài)的函數(shù)將顯著降低，但是在電池系統(tǒng)的整個(gè)操作范圍將仍然比高功率電池的開路電壓高。根據(jù)本發(fā)明，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，通過這樣選擇電池的特征和通過如上所述匹配它們的阻抗，本發(fā)明的混合電池系統(tǒng)將固有地是平衡的，而不需要任何充電控制電路或類似物。
[0029]本發(fā)明允許制作簡(jiǎn)單的和可靠的混合電池系統(tǒng)，其中電池電壓是在兩個(gè)電池組件之間以及在混合電池系統(tǒng)和負(fù)載或充電設(shè)備之間唯一的能量轉(zhuǎn)移機(jī)制。在該系統(tǒng)的操作中，高能量密度電池14將正常發(fā)出大部分功率至負(fù)載，除了經(jīng)歷非常高的吸引(draw)的那些情況，以及來自高功率電池12的貢獻(xiàn)將增加。隨著負(fù)載吸引的降低，高能量密度電池14將恢復(fù)到對(duì)負(fù)載提供大部分能量同時(shí)也對(duì)高功率電池12再充電。應(yīng)當(dāng)理解，在一些情況下，各種控制元件可并入本發(fā)明的混合電池系統(tǒng)。例如，電壓激活開關(guān)可并入該混合系統(tǒng)以控制該系統(tǒng)的充電/放電響應(yīng)。這些類型的開關(guān)將不產(chǎn)生任何顯著的功率損失，并且有別于現(xiàn)有技術(shù)混合電池系統(tǒng)所需的電壓轉(zhuǎn)換元件。
[0030]已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)高能量密度電池與高功率電池根據(jù)本發(fā)明的教導(dǎo)整合時(shí),兩種類型電池協(xié)同地相互作用，以使每個(gè)電池組件的優(yōu)點(diǎn)最大化同時(shí)使其負(fù)面特征最小化。高能量密度電池典型地包括由硅和/或錫或其復(fù)合材料制造的陽極材料。雖然這些陽極材料允許非常高的能量儲(chǔ)存密度，但是當(dāng)以高放電率操作時(shí)易于發(fā)生機(jī)械故障，并且此機(jī)械故障不利的影響這些電池的操作壽命。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在本發(fā)明的混合系統(tǒng)中，高功率電池的包含使得在硅陽極上的高放電率操作的副作用最小化。
[0031]圖3是采用硅陽極的傳統(tǒng)高能量電池和根據(jù)本發(fā)明的混合電池的循環(huán)壽命數(shù)據(jù)的圖。該圖顯示了電池的放電時(shí)間作為它經(jīng)歷的充/放電周期數(shù)的函數(shù)。如可見，在90個(gè)充/放電周期之后傳統(tǒng)電池的性能急劇下降而本發(fā)明的混合電池在性能上沒有顯示大的下降，可至并且可能超過180個(gè)周期。應(yīng)該注意的是，雖然本發(fā)明消除了對(duì)充電控制器、開關(guān)設(shè)備等的需要，但是在特定應(yīng)用的一些情況中，繼電器開關(guān)、二極管等可并入混合電池系統(tǒng)，以便將高能量密度電池和高功率電池切換至與彼此和/或負(fù)載連接和脫離。此類系統(tǒng)將典型的用于非常專門的應(yīng)用并且在本申請(qǐng)的范圍之內(nèi)。
[0032]鑒于本文提出的本發(fā)明的概念教導(dǎo)，對(duì)本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說許多的修改和其改變將是顯而易見的。上文的圖、討論以及描述是本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】的示例，但是并不意味著是對(duì)其實(shí)踐的限制。是所附權(quán)利要求限定本發(fā)明的范圍，包括所有的等同物。
【權(quán)利要求】
1.混合再充電電池系統(tǒng)，包括: 以并聯(lián)電關(guān)系相連接的高功率電池和高能量密度電池，其中所述高能量密度電池的開路電壓比所述高功率電池的開路電壓高達(dá)至少80%放電度。
2.權(quán)利要求1所述的電池系統(tǒng)，其中所述高功率電池和所述高能量密度電池為鋰電池,并且所述高功率電池和所述高能量密度電池的陰極材料組成、電解質(zhì)組成和陽極材料組成的至少一種不同。
3.權(quán)利要求1所述的電池系統(tǒng)，其中所述高能量密度電池的所述開路電壓與所述高能量密度電池的放電度相比具有傾斜分布，其中所述開路電壓在O放電度下在4.0-4.4的范圍以及在0.8的放電度下在3.0-3.5的范圍。
4.權(quán)利要求1所述的電池系統(tǒng)，其中所述高功率電池的所述開路電壓在O放電度下在3.2-3.5的范圍以及在0.5的放電度下在3.1-3.5的范圍。
5.權(quán)利要求1所述的電池系統(tǒng)，其中所述高能量密度電池的能量密度為至少250WH/kg ο
6.權(quán)利要求1所述的電池系統(tǒng)，其中當(dāng)所述高功率電池被從完全充電狀態(tài)5秒內(nèi)放電到2伏時(shí)測(cè)量，所述高功率電池的峰值功率密度為至少5KW/kg。
7.權(quán)利要求1所述的電池系統(tǒng)，其中所述高能量密度電池的陰極包括鋰混合的金屬氧化物材料。
8.權(quán)利要求7所述的電池系統(tǒng)，其中所述鋰混合的金屬氧化物材料包含至少鎳和鈷的氧化物。
9.權(quán)利要求1所述的電池系統(tǒng)，其中所述高功率電池的陰極包含磷酸鐵鋰材料。
10.權(quán)利要求9所述的電池系統(tǒng)，其中所述磷酸鐵鋰材料是納米磷酸鐵鋰材料。
11.權(quán)利要求1所述的電池系統(tǒng)，其中所述高能量密度電池的陽極包括硅和/或錫。
12.權(quán)利要求1所述的電池系統(tǒng)，其中所述高功率電池的陽極包括石墨碳。
13.權(quán)利要求1所述的電池系統(tǒng)，其中所述電池系統(tǒng)的容量的至少90%由所述高能量密度電池提供。
14.權(quán)利要求1所述的電池系統(tǒng)，還包含控制器，其用于控制在所述高能量電池和所述高功率電池之間電流的流動(dòng)。
15.權(quán)利要求1所述的電池系統(tǒng)，還包含電池充電器和控制器，其中所述控制器用于控制在所述電池充電器與所述高功率電池和所述高能量密度電池的至少一種之間的電流流動(dòng)。
16.權(quán)利要求1所述的電池系統(tǒng)，其中所述高功率電池的阻抗在所述高能量密度電池的阻抗的80-120%的范圍內(nèi)。
17.權(quán)利要求1所述的電池系統(tǒng)，其中所述高功率電池的阻抗在所述高能量密度電池的阻抗的90-110%的范圍內(nèi)。
【文檔編號(hào)】H02J7/04GK104350662SQ201280069835
【公開日】2015年2月11日 申請(qǐng)日期:2012年12月5日 優(yōu)先權(quán)日:2011年12月15日
【發(fā)明者】V·烏, M·R·威克瑟姆 申請(qǐng)人:A123系統(tǒng)公司