CN101924381B - 用于电池系统的充电状态的标记物 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于电池系统的充电状态的标记物。具体地，示例性实施例包括电池单元电极，该电池单元电极包括具有第一电势对充电状态(SOC)关系的第一材料；具有第二电势对充电状态(SOC)关系的第二材料；其中该第二材料在所选择的SOC水平上变得活性以迁移离子，导致了从该第一至第二电势对SOC关系的测量电势中易于观察的变化。

Description

用于电池系统的充电状态的标记物
技术领域
本发明涉及的技术领域包括用于确定包括锂离子电池系统的电池系统的充电状态(SOC)的方法和电极。 
背景技术
锂离子电池是一种可重复充电的电池，其中锂离子在负电极和正电极之间运动。锂离子电池通常用于消费性电子器件。除用于消费性电子器件之外，锂离子电池由于它们的高能量密度而在国防、汽车、医药以及航天应用方面逐渐变得受欢迎。 
发明内容
一个示例性实施例包括电池单元电极，该电池单元电极包括具有第一电势对充电状态(SOC)关系的第一材料；具有第二电势对充电状态(SOC)关系的第二材料；其中该第二材料在所选择的SOC水平上变得活性以迁移离子，使得从第一至第二电势对SOC关系的测量电势可易于观察地变化。 
另一个实施例包括电池单元，该电池单元包括阳极电极和阴极电极；该阳极电极包括具有第一测量电势对充电状态(SOC)关系的第一材料；并且该阳极电极包括具有第二测量电势对充电状态(SOC)关系的第二材料；其中该第二材料在所选择的SOC水平变得活性以迁移离子，使得从第一至第二电势对SOC关系的测量电势可易于观察地变化。我们使用的术语阳极指的是负电极(在电池单元放电时的阳极)。类似的，阴极指的是正电极，其在放电时是阴极。 
另一个示例性实施例包括一种改善的确定包括阳极电极和阴极电极的电池单元的充电状态(SOC)的方法；提供包括具有第一测量电势对充电状态(SOC)关系的第一材料的阳极电极；提供包括具有第二测量电势对充电状态(SOC)关系的第二材料的阳极电极；其中选择该第二材料使其在所选择的SOC水平变得活性以迁移离子，使得从第一至第二电势对SOC关系的测量电势可易于观察地变化；并且使用从所述第一至所述第二电势对SOC关系的可易于观察的变化来调节充电状态(SOC)的未来估计。 
其他示例性实施例将从下面提供的详细描述中将更为显而易见。应该理解的是，虽然公开了示例性实施例，但详细描述和具体例子，只是为了阐述目的，而不是用于限制本发明的范围。 
本发明还提供如下方案： 
1、一种电池单元电极，包括： 
具有第一电势对充电状态(SOC)关系的第一材料； 
具有第二电势对充电状态(SOC)关系的第二材料； 
其中所述第二材料在所选择的SOC水平变得活性以迁移离子，导致了从所述第一至所述第二电势对SOC关系的测量电势中易于观察的变化。 
2、方案1中的电极，其中所述电极为阳极电极。 
3、方案1中的电极，其中所述测量电势中易于观察的变化包括电势的阶梯变化。 
4、方案1中的电极，其中所述电池单元包括锂离子电池单元。 
5、方案4中的电极，其中所述第一材料包括碳，其形式为硬(不可石墨化的)碳、软碳(加热可石墨化的)或石墨。 
6、方案4中的电极，其中所述第二材料包括钛酸锂。 
7、方案4中的电极，其中所述第二材料包括Li4+3zTi5O12。 
8、方案4中的电极，其中所述第二材料的含量使得所述选择的SOC水平在大约0.05SOC至大约0.95SOC之间。 
9、方案4中的电极，其中所述第二材料的含量使得所述选择的SOC水平在大约0.05SOC至大约0.5SOC之间。 
10、方案4中的电极，其中所述电极在电池单元中为阳极电极，其与包括磷酸铁的阴极电极互补。 
11、一种电池单元，包括： 
阳极电极和阴极电极； 
所述阳极电极包括具有第一测量电势对充电状态(SOC)关系的第一材料；并且 
所述阳极电极包括具有第二测量电势对充电状态(SOC)关系的第二材料； 
其中所述第二材料在所选择的SOC水平变得活性以迁移离子，导致了从所述第一至所述第二电势对SOC关系的测量电势中易于观察的变化。 
12、方案11中的电池单元，其中所述测量电势中易于观察的变化包括电势的阶梯变化。 
13、方案11中的电池单元，其中所述电池单元包括锂离子电池单元。 
14、方案11中的电池单元，其中所述第一材料包括碳，其形式为硬(不可石墨化的)碳、软碳(加热可石墨化的)或石墨。 
15、方案11中的电池单元，其中所述第二材料包括钛酸锂。 
16、方案11中的电池单元，其中所述第二材料包括Li4+3zTi5O12。 
17、方案11中的电池单元，其中所述第二材料的含量使得所述选择的SOC水平在大约0.05SOC至大约0.5SOC之间。 
18、方案11中的电池单元，其中所述阴极电极包括磷酸铁。 
19、一种确定电池单元的充电状态(SOC)的改善方法，包括： 
提供包括阳极电极和阴极电极的电池单元； 
提供包括具有第一测量电势对充电状态(SOC)关系的第一材料的所述阳极电极； 
提供包括具有第二测量电势对充电状态(SOC)关系的第二材料的所述阳极电极； 
其中选择所述第二材料使其在选择的SOC水平变得活性以迁移离子，导致了从所述第一至所述第二电势对SOC关系的测量电势中易于观察的变化；以及 
使用从所述第一至所述第二电势对SOC关系的所述测量电势中易于观察的变化来调节充电状态(SOC)的未来估计。 
20、方案19中的方法，其中所述第一阳极材料包括石墨，所述第二阳极材料包括钛酸锂，以及所述阴极材料包括磷酸铁。 
附图说明
通过详细的描述和附图将会更全面的理解本发明的示例性实施例，其中： 
图1A为根据现有技术的示例性的锂离子电池单元的示意图。 
图1B为常规的电池单元阳极/阴极对与根据本发明的示例性实施例的电池单元阳极/阴极对的示意图。 
图2A是示出了根据现有技术使用了石墨阳极和磷酸铁阴极的常用电池的电势对充电状态(SOC)关系的曲线图。 
图2B是示出了根据示例性实施例使用了具有钛酸锂添加剂SOC标记物的石墨阳极的常用电池的电势对充电状态(SOC)关系的曲线图。 
图3A和3B示出了示例性阳极的SOC标记物添加剂材料的示例性布置。 
图4示出了根据示例性实施例的示例性流程。 
具体实施方式
下述实施例(一个或多个)的描述本质上仅仅是示例性的(示意性的)，不作为本发明及其应用或使用的限制。 
在一个实施例中，可将材料添加剂添加至可产生电池单元电势(电压)测量值和基于电池单元的充电和/或放电的电池充电状态(SOC)之间希望关系的电池单元(系统)的阳极中。 
在一些实施例中，给阳极的材料添加剂(在此也指的是SOC标记物)可导致电势测量值对SOC的相对明显变化(例如，电势变化的一阶导或变化率)，并可容易地观察，例如相比于没有材料添加剂的阳极中的电势测量值对SOC电池单元的相对平的电势测量值相比，测量电势的阶梯变化。 
在一些实施例中，电池单元可以为锂离子电池单元。在一些实施例中，锂离子电池单元可包括液体电解液和或凝胶电解液。在一些实施例中，锂离子电池单元可为棱形锂离子电池单元。 
在一些实施例中，电池单元可为串联连接的电池单元堆中的多个电池单元中的一个。在其他实施例中，电池单元可为诸如用于在电动或混合动力车辆中提供功率的车辆电池系统的一部分。 
例如，参照图1A，它示出了具有固态阴极10A的示例性锂离子电池单元的示意图，阴极10A被电解液12A所包围并与被电解液12B(液体或凝胶体)包围的固态阳极10B用隔板14(例如，其可包括诸如聚乙烯或聚丙烯的聚合物)分隔开，并允许Li离子通过。阴极和阳极电导线(例如11A和11B)可延伸出容器(例如13)，且其可与其他电池单元串联连接以形成电池组。可以认识到的是，在一些实施例中，容器13可包括硬的或柔性的聚合物材料并可包括具有内部层叠金属箔的叠片。 
在一些实施例中，电势测量值可表达为测量电势对锂(Li)。在其他实施例中，附加的或可替换的，测量电势可以为电池单元的开路电势测量值。 
在一个实施例中，锂离子电池单元可包括磷酸铁阴极(例如，LixFePO4，其中分别在充电和放电状态之间0＜x＜1)，并可包括石墨阳极(例如LiyC6，其中分别在放电和充电状态之间0＜y＜1)。在一个实施例中，阴极可包括锂金属氧化物，例如但不限于，包含钴、镍、锰和/或其他元素的氧化锂。 
在一个实施例中，给阳极的材料添加剂可为钛酸锂。在另一个实施例中，钛酸锂可为Li4+3zTi5O12，其中0＜z＜1。 
对于薄膜电池的典型设计和电流分布及温度分布问题。因为电流在接线片(tab)附近最高，因此i^2R(欧姆)损失，并且温度此时最高。因此，在一个实施例中，基本上只在电池单元的顶部通过接线片可布置非常耐用的钛酸锂。 
例如，参照图1B，其示出了没有将材料添加剂包含在石墨电极中的石墨阳极12B和磷酸锂阴极12A的电池单元与具有如Li4+3zTi5O12的材料添加剂15的电池单元石墨阳极14B和阴极14A相比较的能量容量(充电状态(SOC))的示意图。如图所示，任一个电池单元的阳极相对于阴极可包括大约10％的过量能量容量(SOC)(例如-0.05至1.05)。 
在一个实施例中，在操作时，基于阳极14B的放电，石墨阳极中的Li可在选择的放电水平耗尽，此时，该阳极材料添加剂(例如，钛酸锂)可变得活性(例如参与Li离子迁移)从而导致与SOC值相关的电池单元系统的测量电势易于观察的变化(例如，阶梯变化)。 
可以理解的是，阳极放电水平或电池系统(其中SOC标记物变得活性)的测量电势发生变化的SOC的水平可取决于添加剂材料的类型以及材料添加剂的相对量和/或包含在(复合)阳极和材料添加剂中的锂的相对量。在一个实施例中，添加剂量的范围为大约2至大约30的阳极组分重量百分比。阳极可包括添加材料，例如但不限于，碳，例如以硬碳(不可石墨化的)、软碳(加热可石墨化的)和/或石墨的形式。 
在一些实施例中，可将测量电势中的易于观察的变化选择为发生在大约0.05至大约0.95之间的SOC水平，在其他的实施例中，在大约0.05至大约0.5之间的SOC水平，在另一实施例中，在大约0.1至大约0.3之间的SOC水平。 
在一个实施例中，参照图2A和2B，其示出了在阳极中不具有(图2A)电 势变化材料添加剂(SOC标记物)和在阳极具有(图2B)如Li4+3zTi5O12的电势变化材料添加剂的石墨/磷酸铁(阳极/阴极)电池单元的测量电势对SOC。 
在图2A中，其示出了常规的充电/放电周期，例如在0.25mA或C/5(例如，全充电或放电5小时)，用于在阳极中不具有电势变化材料添加剂(SOC标记物)的石墨/磷酸铁(阳极/阴极)电池单元。可以看出，测量电势对SOC的的变化率在0.05SOC至0.95SOC之间相对平坦。将认识到的是，这种平坦电势对SOC可使得SOC估计量操作(状态估计量)较不精确，如本领域所已知的。 
参照图2B，作为对比，根据实施例，当把钛酸锂(例如，Li4+3zTi5O12)添加至石墨阳极时，测量电势对SOC的明显变化在所选择的SOC水平发生，例如，导致了测量电势对SOC的阶梯变化。如所示实施例中，电势(SOC标记物的操作)中的阶梯变化基于放电(其中LiyC6中的y＝0)发生在大约15％(0.15)SOC处(85％(0.85)的放电深度)以及基于充电发生在大约10％(0.1)SOC处。因此，根据实施例，相对不平坦的电势对SOC关系(例如，包括阶梯变化)可被选择性地建立以改善来自SOC估计量的未来SOC估计精度，该SOC估计量可基于电势测量值来估计SOC，如本领域已知的。 
在图2B所示实施例中，钛酸锂具有大约0.25mAh的容量，石墨具有大约0.95mAh的容量，而磷酸铁具有大约1.1mAh的容量，因此使得复合阳极的能量容量有大约10％的过量。 
参照图3A，在一个实施例中，阳极电极14B的电势变化材料添加剂15可布置成为分离层或与第一阳极材料一起的材料分离层。 
参照图3B，在其他的实施例中，阳极电极14B的电势变化材料添加剂15可布置成为第二相，例如，作为在第一阳极材料中的晶粒或离散粒子，其中晶粒或粒子可以或可以不互相连接。 
在其他实施例中，可将阳极电极的电势变化材料添加剂布置成物理上接近根据对应于阳极材料的任何几何图形。 
参照图4，其示出了根据实施例的工艺流程图。在步骤401中，电池单元中的阳极可具有第一电势(电压)对SOC关系的第一材料。在步骤403中，阳极可具有第二不同的电势(电压)对SOC关系的第二材料。在步骤405中，该第一材料可被放电至所选择的SOC水平以激活第二材料从而迁移离子。在步骤407中，阳极的电势(电压)可被测量从而描绘第二电势(电压)对SOC关系的 特征。在步骤409中，可基于所述第二电势(电压)对SOC关系调节SOC的未来估计。 
本发明实施例的上述描述本质上仅仅是示例性的，并且因此它们的变形也不被认为是脱离了本发明的精神和范围的。 

Claims (20)

1.一种电池单元电极，包括：
构造和布置成被充电和放电并且具有第一电势对充电状态(SOC)关系的第一材料；
具有第二电势对充电状态(SOC)关系的第二材料；
其中所述第二材料构造和布置成在所选择的充电状态水平变得活生以迁移离子，产生了从所述第一至所述第二电势对充电状态关系的测量电势中可观察的变化，并且其中第二材料量的范围为大约2至大约30的电池单元电极重量百分比。
2.如权利要求1中的电极，其中所述电极为阳极电极。
3.如权利要求1中的电极，其中所述测量电势中可观察的变化包括电势的阶梯变化。
4.如权利要求1中的电极，其中所述第一材料包括碳，其形式为不可石墨化的硬碳、加热可石墨化的软碳或石墨。
5.如权利要求1中的电极，其中所述第二材料包括钛酸锂。
6.如权利要求1中的电极，其中所述第二材料包括Li4+3zTi5Ｏ12。
7.如权利要求1中的电极，其中所述第二材料的含量使得所述选择的充电状态水平在大约0.05充电状态至大约0.95充电状态之间。
8.如权利要求1中的电极，其中所述第二材料的含量使得所述选择的充电状态水平在大约0.05充电状态至大约0.5充电状态之间。
9.如权利要求1中的电极，其中所述电极在电池单元中为阳极电极，其与包括磷酸铁的阴极电极互补。
10.如权利要求9中的电极，其中所述阴极电极包括LixFePＯ4，其中0＜x＜1。
11.一种电池单元，包括：
阳极电极和阴极电极；
所述阳极电极包括构造和布置成被充电和放电并且具有第一测量电势对充电状态(SOC)关系的第一材料；并且
所述阳极电极包括具有第二测量电势对充电状态(SOC)关系的第二材料；
其中所述第二材料构造和布置成在所选择的SOC充电状态水平变得活生以迁移离子，产生了从所述第一至所述第二电势对SOC关系的测量电势中可观察的变化，并且其中第二材料量的范围为大约2至大约30的电池单元电极重量百分比。
12.如权利要求11中的电池单元，其中所述测量电势中易于观察的变化包括电势的阶梯变化。
13.如权利要求11中的电池单元，其中所述阴极电极包括LixFePＯ4，其中0＜x＜1。
14.如权利要求11中的电池单元，其中所述第一材料包括碳，其形式为不可石墨化的硬碳、加热可石墨化的软碳或石墨。
15.如权利要求11中的电池单元，其中所述第二材料包括钛酸锂。
16.如权利要求11中的电池单元，其中所述第二材料包括Li4+3zTi5Ｏ12，其中0＜z＜1。
17.如权利要求11中的电池单元，其中所述第二材料的含量使得所述选择的SOC水平在大约0.05SOC至大约0.5SOC之间。
18.如权利要求11中的电池单元，其中所述阴极电极包括磷酸铁。
19.一种确定电池单元的充电状态(SOC)的改善方法，包括：
提供包括阳极电极和阴极电极的电池单元；
提供包括构造和布置成被充电和放电并且具有第一测量电势对充电状态(SOC)关系的第一材料的所述阳极电极；
提供包括具有第二测量电势对充电状态(SOC)关系的第二材料的所述阳极电极；
其中选择所述第二材料使其构造和布置成在选择的SOC充电状态水平变得活性以迁移离子，产生了从所述第一至所述第二电势对SOC关系的测量电势中可观察的变化，并且其中第二材料量的范围为大约2至大约30的电池单元电极重量百分比；以及
使用从所述第一至所述第二电势对SOC关系的所述测量电势中易于观察的变化来调节充电状态(SOC)的未来估计。
20.如权利要求19中的方法，其中所述第一阳极材料包括石墨，所述第二阳极材料包括钛酸锂，以及所述阴极材料包括磷酸铁。
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