CN101310410B - 混合电池 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种混合电池。该混合电池包括主电源和以并联的方式连接到主电源的辅助电源。辅助电源为包括活性碳电极的双电层电容器。

Description

混合电池
技术领域
本发明涉及一种能够以瞬态高电流脉冲放电的高功率混合电池，更具体地讲，本发明涉及一种高功率混合电池，该高功率混合电池通过以并联的方式将具有大面积的高功率双电层电容器与锂原电池混合而具有高电流脉冲放电和长寿命的特性。 
背景技术
近来，由于无线通信显著增长，所以移动装置和设备已从模拟型变化至数字型，且它们的功能已变得日益复杂。为了响应这种趋势，无线移动通信装置需要诸如功率高、重量轻、设计薄(slim design)和单位成本便宜的特性，具体地讲，瞬态高电流脉冲流入无线移动通信装置以无线地传输数据。全球移动通信系统(GSM)需要大约2A、大约500μs的高电流脉冲。 
除了移动装置之外，自动抄表(AMR)系统借助于无线通信通常需要瞬态高电流脉冲特性。当仪表(如水表)已变化为数字型时，AMR系统已能够无线地读取仪表。施加到AMR系统的电源应该具有与高电流脉冲对应的高功率和长寿命特性，这与无线移动通信装置是相同的。此外，与移动装置不同的是，AMR系统通常安装在室外，因而获得在大的温度范围下的特性非常重要。 
发明内容
[技术问题] 
在用作具有高电流脉冲特性的移动装置或AMR系统的电源的传统单电池系统中，由高电流放电导致的自电阻产生电压降，从而降低功率电压，而且由于高电流放电也导致寿命受到限制。这大大增加了更换电池的成本。 
由于这个原因，所以在使用电池作为主电源的同时，瞬态高功率的辅助电源引起了人们的关注。当将瞬态高功率的辅助电源与用作主电源的电池以并联的方式混合时，施加到电池的负载很小。因此，极大地提高了电池寿命 且实现了电池的小型化，并降低了单位成本。 
图1是根据相关技术1的混合电池的电路图。 
参照图1，混合电池1包括原电池2和卷绕式电容器3，其中，卷绕式电容器3以并联的方式连接到原电池2并用作辅助电源。卷绕式电容器3包括由金属板形成的电极结构，且相比较于包括活性碳电极的双电层电容器(EDLC)来说具有非常低的能量密度。 
这里，原电池2具有端电压V和自电阻Rb，卷绕式电容器3具有电容C3和自电阻R3。由于卷绕式电容器3的自电阻R3小于原电池2的自电阻Rb，所以对于高电流脉冲，混合电池1比仅使用原电池2更有利。然而，卷绕式电容器3的电容C3低于几百μF，因此对于脉冲时间为几十msec的AMR系统的使用受到限制。 
图2是根据相关技术2的混合电池的电路图。 
参照图2，混合电池4包括原电池2和硬币型双电层电容器5，其中，硬币型双电层电容器5用作辅助电源并以并联的方式连接到原电池2。 
硬币型双电层电容器5的电容C5为几百mF，比图1的卷绕式电容器3的电容大几百倍，因此对于脉冲来说是足够的。然而，硬币型双电层电容器5由于受到单元(cell)尺寸的限制而具有小的电极区域，在这种结构中大量电荷不能同时转移。因此，硬币型双电层电容器5具有非常大(几十Ω)的自电阻R5，这不利于高电流脉冲放电。 
图3是根据相关技术3的混合电池的电路图。 
参照图3，混合电池6包括原电池2和用作辅助电源的高功率二次电池7。 
高功率二次电池7的电容C7比硬币型双电层电容器5的电容C5大几百倍。此外，通过对电极进行薄膜设计，二次电池7的自电阻R7具有与几百mΩ对应的高功率特性。因此，相比较于图1中示出的混合电池1和图2中示出的混合电池4来说，混合电池6是改进的系统。然而，虽然二次电池在化学反应中具有极好的电容特性，但是在小于几百msec的微小时间内二次电池不能正常运行，因而二次电池的电容迅速降低。特别要指出的是，二次电池不能在-40℃下工作，其中，-40℃是用于使用安装在室外的AMR系统的温度条件，因此二次电池的应用受到限制。 
[技术方案] 
本方面的目的在于提供一种混合电池，该混合电池通过利用原电池作为主电源和利用高功率双电层电容器作为辅助电源，满足在包括-40℃的大的温度范围内的各种脉冲条件。
[技术效果] 
根据本发明的混合电池包括作为主电源的原电池和作为辅助电源的高功率双电层电容器，该混合电池可用于诸如全球移动通信系统和自动抄表系统的各种无线通信设备。这里，由于可大大降低电流消耗并可输出额定电压，所以该混合电池可长时间稳定地提供功率，并可在大的温度范围内使用。 
附图说明
图1是根据相关技术1的混合电池的电路图； 
图2是根据相关技术2的混合电池的电路图； 
图3是根据相关技术3的混合电池的电路图； 
图4是根据本发明实施例的混合电池的电路图； 
图5是示出了应用于本发明实施例的堆叠式双电层电容器的结构的视图； 
图6是示出了应用于本发明实施例的卷绕式双电层电容器的结构的视图； 
图7是示出了实验1中的对比例1-3和实施例1的电压降特性的曲线图，用于示出本发明的效果； 
图8是示出了实验1中的对比例1-3和实施例1的原电池的电流消耗的曲线图，用于示出本发明的效果； 
图9是示出了实验2中的对比例4-6和实施例2的电压降特性的曲线图，用于示出本发明的效果； 
图10是示出了实验2中的对比例4-6和实施例2的原电池的电流消耗的曲线图，用于示出本发明的效果； 
图11是示出了实验3中的对比例7-9和实施例3的电压降特性的曲线图，用于示出本发明的效果； 
图12是示出了实验3中的对比例7-9和实施例3的原电池的电流消耗的曲线图，用于示出本发明的效果； 
图13是示出了实验4中的对比例10-12和实施例4的电压降特性的曲线图，用于示出本发明的效果； 
图14是示出了实验4中的对比例10-12和实施例4的原电池的电流消耗的曲线图，用于示出本发明的效果。 
具体实施方式
为了实现上述目的和优点，提供了一种混合电池，该混合电池包括主电源和以并联的方式连接到主电源的辅助电源，该混合电池包括作为辅助电源的包括活性碳电极的双电层电容器。 
主电源可为作为原电池的锂亚硫酰氯电池。 
活性碳电极可包括具有10-40μm的厚度的活性材料层。 
基于整个固体含量，活性碳电极可包括按重量计为25％-50％的导电材料。 
双电层电容器可为堆叠式或卷绕式。 
辅助电源可为相互连接的多个双电层电容器。 
现在，将参照附图详细地描述本发明的优选实施例。 
图4是根据本发明实施例的混合电池的电路图，图5是示出了图4中的双电层电容器的结构的视图。 
参照图4，混合电池10包括原电池11和双电层电容器12，其中，双电层电容器12以并联的方式连接到原电池11并用作辅助电源。 
通常使用的原电池可用作原电池11，但是，优选地使用圆柱式(bobbintype)锂亚硫酰氯电池，其中，该锂亚硫酰氯电池包括具有高能量密度的锂金属、形成为圆柱式的碳电极和亚硫酰氯(SOCl2)无机电解质(inorganicelectrolyte)。 
由于圆柱式锂亚硫酰氯电池具有高能量密度和极好的低温性能，所以可长时间地在大的温度范围内提供电流，因而圆柱式锂亚硫酰氯电池适合于用于产生脉冲的主电源。另一方面，由于圆柱式锂亚硫酰氯电池的功率特性不好，所以在高电流放电情况下其能量密度大大降低。然而，这种不足可以通过双电层电容器12来弥补。 
同样，双电层电容器12可为一个双电层电容器，或者可为以串连或并联的方式连接且等价表现的多个双电层电容器。 
优选地，双电层电容器12为具有大量电荷可同时转移的大区域电极结构的卷绕式或堆叠式，以具有大电容C12和低自电阻(selfresistance)R12。 
图5是示出了堆叠式双电层电容器的结构的视图。参照图5，在其上形成有金属集流体23的两个活性碳电极21和22与分隔件24交替地堆叠，浸渍在电解液(electrolyte)中，并被密封在壳中。 
图6是示出了卷绕式双电层电容器的结构的视图。参照图6，连接有金属集流体的活性碳电极33和34与置于活性碳电极33和34之间的分隔件31和32被交替地设置，卷绕成圆筒形状(roll shape)，浸渍在电解液中，并被密封在壳中。 
在图5和图6中示出的双电层电容器中，在电解液中浸渍的两个电极之间仅可传导离子，多孔分隔件设置在两个电极之间用于绝缘和防止短路。此外，当施加电压时，在电极和电解液之间的界面周围分布的正电荷和负电荷形成双电层。这里，由于大量电荷以最大化的表面积聚集在活性碳电极处，所以混合电池10的电容C12为几百mF，与卷绕式电容器3相比较来说，这个值非常大。此外，双电层电容器12具有几十mΩ的自电阻R12，与二次电池7不同的是，电荷被吸收在电极表面上并从电极表面脱离，以在双电层电容器12中执行充电和放电。因此，双电层电容器12具有高反应速率，因而适合用作用于产生需要高充电/放电速率的脉冲的电源，并满足在包括-40℃的大的温度范围内的各种脉冲条件。 
在根据相关技术2的硬币型双电层电容器5的电极处形成具有几百μm厚度的活性材料层，而在双电层电容器12的电极处形成具有10-40μm的小厚度的活性材料层。双电层电容器的电极厚度与电荷在充电/放电中的移动距离密切相关。为了获得高功率特性，应该将电荷的运动距离最小化，以提高充电/放电速率。当活性材料层的厚度大于40μm时，电阻值增大。另一方面，当活性材料层的厚度小于10μm时，电极之间的距离变得太小，从而形成在电极界面上的电荷会脱离。 
此外，优选地，基于双电层电容器12的电极的固体含量，双电层电容器12包括按重量计为25％-50％的导电材料。与包括25％或小于25％的导电材料的双电层电容器相比，包括按重量计为25％-50％的导电材料的电极可具有高功率特性。此外，随着活性碳的相对含量的降低，电极的微孔结构变得更小，由于反复的充电/放电而导致的微孔结构的变形被最小化，从而大大提高了电极的循环特性。然而，当导电材料的含量超过50％时，电容特性降低太多以至于不能与脉冲特性对应。因此，导电材料的含量优选地在25％至50 ％的范围内。 
下面的表1示出了在室温25℃下，图1的混合电池1(在下文中，称作对比例1)、图2的混合电池4(在下文中，称作对比例2)、图3的混合电池6(在下文中，称作对比例3)和图4的混合电池10(在下文中，称作实施例)的规格。在对比例1、对比例2、对比例3和实施例中用作主电源的原电池为具有高能量密度的锂亚硫酰氯电池，该锂亚硫酰氯电池是本申请人的产品SB-D02。 
表1 
Figure DEST_PATH_RE-G20662355150138000D000031
下面的表2示出了通过恒电流放电而得到的辅助电源的瞬态特性，其中，恒电流放电的条件是：电流，40mA；温度，室温25℃和低温-40℃；时间，1秒。 
表2 
Figure DEST_PATH_G20662355150138000D000032
Figure DEST_PATH_G20662355150138000D000041
参照表1和表2，用作对比例2的辅助电源的硬币型EDLC和用作对比例3的辅助电源的锂二次电池在表1的规格特性和表2的瞬态特性之间具有非常大的差别。这是因为与其它的辅助电源相比，硬币型EDLC和锂二次电池的功率特性不好。 
下面的表3示出了对比例和实施例根据脉冲特性和温度变化的性能。图7至图14是用于比较对比例和实施例的这些性能的曲线图。 
表3 
Figure DEST_PATH_G20662355150138000D000051
实验1的实施条件为：电流，0.1A；温度，25℃；时间，50msec。实验2的实施条件为：电流，1A；温度，25℃；时间，50msec。实验3的实施条件为：电流，0.1A；温度，-40℃；时间，50msec。实验4的实施条件为：电流，1A；温度，-40℃；时间，50msec。 
图7和图8示出了实验1的结果，图9和图10示出了实验2的结果，图11和图12示出了实验3的结果，图13和图14示出了实验4的结果。 
参照表3，不论电流大小和温度变化如何，本发明实施例的电压降和电流消耗都非常小。在表3中，NG表示：当在开路混合电池中将端电压设为3.67V，且在提供脉冲功率中发生0.67V或大于0.67V的电压降时，混合电池不能用作电源。 

Claims (2)

1.一种混合电池，包括主电源和以并联的方式连接到主电源的辅助电源，所述混合电池包括作为辅助电源的包括活性碳电极的双电层电容器，
其中，活性碳电极包括具有10-40μm的小厚度的活性材料层。
2.如权利要求1所述的混合电池，其中，辅助电源为相互连接的多个双电层电容器。
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