CN103390764A

CN103390764A - 容量可恢复锂离子电池

Info

Publication number: CN103390764A
Application number: CN2013103343437A
Authority: CN
Inventors: 韩雪冰; 欧阳明高; 卢兰光; 李建秋
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University
Priority date: 2013-08-02
Filing date: 2013-08-02
Publication date: 2013-11-13

Abstract

本发明提出了一种容量可恢复锂电池，包括：正极、负极，其特征在于，还包括：第三电极，第三电极存储有锂离子，其中，锂离子电池通过正极和负极进行常规充放电；在锂离子电池容量衰减后，通过将第三电极与正极或负极相连，使第三电极中的锂离子补充到所述正极或负极中，以恢复电池的容量。本发明的锂离子电池的第三极不仅可以用来存储备用锂离子，以便在电池容量衰减后，及时地恢复电池容量，也可以作为一个参考电极，有效地监测正负极的电势，从而获得正负极的工作情况，利于电池管理系统更加有效地管理电池。

Description

容量可恢复锂离子电池

技术领域

本发明属于锂电池技术领域，具体涉及一种容量可恢复锂离子电池。

背景技术

由于能源危机和环境问题日益严重，电动车发展迅速。而电动车最关键的元件之一即为车用动力电池。目前最主要和为公众所看好的车用动力电池即为锂离子电池。对于车用动力电池而言，其耐久性其最重要的性能参数之一。电池耐久性越好，意味着电池寿命越长，相应地，电动车整车的寿命，使用体验等都会有相应提升。

电池的寿命往往通过其容量，内阻等参数的变化情况来定义。通常，当电池容量衰减到其初始容量的80%时，即可认为其寿命达到终点。目前一般锂离子电池的循环寿命大约从几百次到数千次不等，与正负极和电解液材料、制造工艺、循环工况、使用方法等均有关。随着电池的使用，其容量基本上单调减少，进而导致整车续驶里程和可用功率的降低。

电池的容量减少，主要由于正极和负极的活性材料损失或者可用循环锂离子损失等造成的。目前研究表明，对于磷酸铁锂电池，其衰减主要是由于可用锂离子的损失导致的，而实际电池正负极材料基本没有变化。对于其他类型的锂电池，可用锂离子损失也是导致电池容量衰减最主要的原因之一。亟需设计一种电池，能够在可用锂离子损失之后，及时地将新的可用锂离子补充进来，即可恢复电池的容量，延长电池的寿命。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决上述技术问题之一或至少提供一种有用的商业选择。为此，本发明的一个目的在于提出一种容量可恢复而且能够更加有效地监管自身电池管理系统的电池。

为实现上述目的，本发明提出一种容量可恢复锂离子电池，包括：正极、负极，其特征在于，还包括：第三电极，所述第三电极存储有锂离子，其中，所述锂电池通过所述正极和负极进行常规充放电；在所述电池容量衰减后，通过将所述第三电极与所述正极或负极相连，使所述第三电极中的锂离子补充到所述正极或负极中，以恢复电池的容量。

根据本发明的容量可恢复锂离子电池，所述第三电极的材料为：金属锂、锂合金、磷酸铁锂、锰酸锂、钛酸锂、钴酸锂或三元锂化物。

根据本发明的容量可恢复锂离子电池，所述第三电极中锂离子含量为所述正极和负极的初始状态下锂离子含量之和的20%-40%。

根据本发明的容量可恢复锂离子电池，当所述第三电极与所述正极材料不同时，对所述正极与所述第三电极施加从所述正极到所述第三电极的电流，使所述第三电极中的锂离子补充到所述正极中，以恢复电池的容量。

进一步地，根据本发明的容量可恢复锂离子电池，所述电池的容量恢复过程，是在所述电池某次充电操作完毕后进行的。

根据本发明的容量可恢复锂离子电池，当所述第三电极与所述正极材料相同时，对所述负极与所述第三电极施加从所述负极到所述第三电极的电流，使所述第三电极中的锂离子补充到所述负极中，以恢复电池的容量。

进一步地，根据本发明的容量可恢复锂离子电池，所述电池的容量恢复过程，是在所述电池某次放电操作完毕后进行的。

本发明实施例的锂离子电池的第三极不仅可以用来存储备用锂离子，以便在电池容量衰减后，及时地恢复电池容量，也可以作为一个参考电极，有效地监测正负极的电势，从而获得正负极的工作情况，利于电池管理系统更加有效地管理电池。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是本发明实施例容量可恢复锂离子电池的结构示意图；

图2是锂离子电池常规充电时的外部电流方向和锂离子迁移方向的示意图；

图3是锂离子电池常规放电时的外部电流方向和锂离子迁移方向的示意图；

图4是锂离子电池恢复容量维护时，向正极补充锂离子情况下的外部电流方向和锂离子迁移方向的示意图；和

图5是锂离子电池恢复容量维护时，向负极补充锂离子情况下的外部电流方向和锂离子迁移方向的示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面参考附图具体描述根据本发明实施例的容量可恢复的锂离子电池。

如图1所示，在本发明的容量可恢复锂离子电池的一个实施例中，锂离子电池包括电池正极101，电池负极102，电池第三极103。电池正极101目前常用的材料有磷酸铁锂，锰酸锂，钴酸锂，三元或者其他的正极材料。电池负极102目前常用的材料是石墨负极，钛酸锂或者其他可能的负极材料。相比较目前常用的电池，增加的电池第三极103可以是金属锂电极，也可以是其他的可以作为电池电极的材料，如锂合金、磷酸铁锂、锰酸锂、钛酸锂、钴酸锂或三元锂化物，或者其他任何可以作为锂离子电池电极材料的材料。特别的，可以使用与电池正极101材料相同的电极材料。

除此之外，锂离子电池还包括：电解液104，电池隔膜105，电池外壳106。

电解液104是锂离子电池中离子迁移的载体，通常为锂盐和有机溶剂组成。

电池隔膜105是一种经特殊成型的高分子薄膜，薄膜有微孔结构，可以让锂离子自由通过，而电子不能通过。

正极101、负极102和电池第三极103之间应该被电池隔膜105隔开，以防止出现短路。

电池外壳106分为钢壳、铝壳、镀镍铁壳、铝塑膜（软包装）等。

下面结合图2至图5，详细介绍本发明的容量可恢复锂离子电池的工作原理。

在本发明的一个示例中，结合图2、图3，锂离子电池的常规充放电过程如下：

充电时，外部电流方向从电池负极流向电池正极，电池内部锂离子从电池正极迁移到电池负极。

放电时，外部电流方向从电池正极流向电池负极，而电池内部锂离子从电池负极迁移到电池正极。

事实上，电池的容量大小，不仅取决于电池正负极材料，也取决于可以循环的锂离子的多少。电池容量的衰减可能是由电池正负极活性材料的损失导致的，也可能是由可用锂离子的损失导致的。目前有研究表明，随着充放电循环次数增加，可用锂离子的量会远远小于正负极活性材料的量，从而导致电池容量损失。利用电池第三电极，将电池第三电极中的锂离子补充到电池正极或负极材料中，弥补其由于充放电循环导致的可用锂离子损失，即可以有效地恢复电池容量。

在对锂离子电池进行维护时，即通过电池管理系统，对电池的正极（负极）和电池的第三极之间施加电流，则电池内部第三极的锂离子即会补充到电池的正极（负极）中，从而电池容量得到恢复。一般来讲，所施加的电流比较小，而且一般电池的正极电势较高，而如果使用锂金属作为第三极，其电势往往比较低，则此时往往只需要通过一个电阻串联在电池正极（负极）和第三极之间即可达到恢复电池容量的效果。

特别的，在电池某次充电操作完毕后，进行电池的容量恢复过程中，即当电池第三极的材料和电池正极材料不同时，如图4所示，外部电流方向从电池正极流向电池第三电极，锂离子从电池第三电极向电池正极迁移，以补充电池正极锂离子的损耗，达到恢复锂离子电池容量的效果。

在电池某次放电操作完毕后，进行电池的容量恢复过程中，即当电池第三极的材料和电池正极材料相同时，如图5所示，外部电流方向从电池负极流向电池第三电极，锂离子从电池第三电极向电池负极迁移，以补充电池负极锂离子的损耗，达到恢复锂离子电池容量的效果。

具体地，电池第三极的容量大小需要根据整个锂离子电池的正负极材料寿命以及对循环寿命的需求等来决定。第三电极中锂离子含量为正极和负极的初始状态下锂离子含量之和的20%-40%。例如，选择电池第三极容量大小为锂离子电池总容量的20%，则可以延长电池寿命一倍。

在本发明一个示例中，增加的电池第三极不仅可以用来存储备用锂离子，以便电池容量衰减后，及时地恢复电池容量，也可以作为一个参考电极，有效地监测正负极的电势，从而获得锂离子电池正负极的工作情况，利于电池管理系统更加有效地管理电池

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims

1.一种容量可恢复锂电池，包括：正极、负极，其特征在于，还包括：

第三电极，所述第三电极存储有锂离子，其中，

所述锂电池通过所述正极和负极进行常规充放电；

在所述电池容量衰减后，通过将所述第三电极与所述正极或负极相连，使所述第三电极中的锂离子补充到所述正极或负极中，以恢复电池的容量。

2.如权利要求1所述的容量可恢复锂电池，其特征在于，所述第三电极的材料为：金属锂、锂合金、磷酸铁锂、锰酸锂、钛酸锂、钴酸锂或三元锂化物。

3.如权利要求1所述的容量可恢复锂电池，其特征在于，所述第三电极中锂离子含量为所述正极和负极的初始状态下锂离子含量之和的20%-40%。

4.如权利要求1-3任一项所述的容量可恢复锂电池，其特征在于，当所述第三电极与所述正极材料不同时，对所述正极与所述第三电极施加从所述正极到所述第三电极的电流，使所述第三电极中的锂离子补充到所述正极中，以恢复电池的容量。

5.如权利要求4所述的容量可恢复锂电池，其特征在于，所述电池的容量恢复过程，是在所述电池某次充电操作完毕后进行的。

6.如权利要求1-3任一项所述的容量可恢复锂电池，其特征在于，当所述第三电极与所述正极材料相同时，对所述负极与所述第三电极施加从所述负极到所述第三电极的电流，使所述第三电极中的锂离子补充到所述负极中，以恢复电池的容量。

7.如权利要求6所述的容量可恢复锂电池，其特征在于，所述电池的容量恢复过程，是在所述电池某次放电操作完毕后进行的。