CN105518931A - 具有氧压管理的金属/氧电池 - Google Patents

Abstract

一种车辆电池系统包括由车辆支持的氧储存器；可操作地连接到氧储存器以及多级压缩机的车辆电池系统堆叠器，所述车辆电池系统堆叠器包括在放电期间消耗来自氧储存器的氧的活性材料；被配置成生成与氧储存器中的气压相关联的气压信号的至少一个传感器；存储器；以及可操作地连接到所述存储器和所述至少一个传感器的处理器，所述处理器被配置成执行被存储在存储器内的程序指令以获得气压信号，以及基于所获得的气压信号来控制车辆电池系统堆叠器的充电的状态。

Description

具有氧压管理的金属/氧电池

本申请根据35U.S.C.§119要求在2013年2月21日提交的美国临时申请号61/767,617的优先权，所述申请的公开内容通过引用以其整体并入本文中。

技术领域

本发明涉及电池，并且更特别地涉及基于金属/氧电池。

背景技术

可充电锂离子电池是用于便携式电子设备和电动车辆以及混合电动车辆的有吸引力的能量存储系统，这是因为它们的与其他电化学能量存储设备相比高的比能（specificenergy）。如以下更充分地讨论的那样，典型Li离子电池包含负极、正极以及在负极和正极之间的隔膜（separator）区域。两个电极都包含插入或与锂可逆地反应的活性材料。在某些情况下，负极可以包括锂金属，其可以被电化学地溶解并且可逆地沉积。隔膜包含具有锂阳离子的电解质，并且充当在电极之间的物理屏障，使得在电池内没有电极被电连接。

通常，在充电期间，在正极处存在电子的生成，在负极处存在等量的电子的消耗，并且经由外部电路转移这些电子。在理想的电池充电中，在正极处生成这些电子，这是因为经由锂离子的氧化而存在从正极的活性材料的提取，并且在负极处消耗电子，这是因为存在锂离子到负极的活性材料中的还原。在放电期间，发生完全相反的反应。

当在电池中使用诸如金属之类的高比容负极时，相比于常规系统的容量增加的最大益处在也使用高容量正极活性材料时实现。例如，常规的嵌锂氧化物（例如，LiCoO₂，LiNi_0.8Co_0.15Al_0.05O₂，Li_1.1Ni_0.3Co_0.3Mn_0.3O₂）通常限于～280mAh/g的理论容量（基于锂氧化物的质量）以及180到250mAh/g的实际容量，这相比于锂金属的比容3863mAh/g是相当低的。对于Li₂O，锂离子正极可达到的最高理论容量为1794mAh/g（基于锂化材料的质量）。其他高容量的材料包括BiF₃（303mAh/g，锂化）、FeF₃（712mAh/g，锂化）、Zn、Al、Si、Mg、Na、Fe、Ca等。另外，其他负极材料（诸如多金属的合金以及诸如金属氢化物的材料）在与氧反应时也具有高比能。这些配对（couple）中的许多还具有非常高的能量密度。

令人遗憾的是，所有这些材料以与常规的氧化物正极相比更低的电压与锂反应，从而限制了理论比能。尽管如此，理论比能仍然很高（>800Wh/kg，相比于具有锂负极和常规氧化物正极的电池的最大值～500Wh/kg，其可以使得电动车辆能够以单次充电而接近300英里或更远的范围。

图1描绘了示出使用不同比能的电池组的车辆可达到的范围对电池组的重量的图表10。在图表10中，比能针对整个电池，包括电池包装重量，假设50%的重量增加以用于从特定的电池集合形成电池组。美国能源部已经针对位于车辆内的电池组建立了200kg的重量限制。因此，只有具有约600Wh/kg或更大的电池组可以达到300英里的范围。

已经研究了各种基于锂的化学过程，以供包括在车辆中的各种应用中的使用。图2描绘了标识各种基于锂的化学过程的比能和能量密度的图表20。在图表20中，仅包括电池单元的活性材料、集流体、粘合剂、隔膜和其他惰性材料的重量。未包括包装重量，诸如标签、电池罐（tank）等。如根据图表20显而易见的那样，即使虑及包装重量，锂/氧电池也能够提供>600Wh/kg的比能，并且因此具有使得能够以与典型锂离子电池类似的成本在不重新充电的情况下实现多于300英里的电动车辆的驾驶范围的潜力。虽然已经在受控的实验室环境中示范了锂/氧电池，但是在锂/氧电池的充分商业推广是可行的之前仍留有许多问题，如下文进一步讨论的那样。

在图3中描绘了典型的锂/氧电化学电池50。电池50包括负极52、正极54、多孔隔膜56和集流体58。负极52通常是金属锂。正极54包括可能涂覆在催化剂材料（诸如Au或Pt）中并且悬浮在多孔的导电性基体62中的电极粒子，诸如粒子60。包含溶解在诸如二甲醚或CH₃CN之类的有机溶剂中的、诸如LiPF₆之类的盐的电解质溶液64渗透多孔隔膜56和正极54二者。LiPF₆提供具有降低电池50的内部电阻以允许高功率的足够的导电性的电解质。

正极52的一部分被屏障66包围。图3中的屏障66被配置为允许来自外部源68的氧进入正极54而过滤不期望的成分，诸如气体和流体。正极54的润湿性防止电解液64泄漏出正极54。替代地，从氧的外部源移除污染物以及诸如挥发性电解质之类的电池成分的保留可以从单独电池单独地执行。在电池50放电时，来自外部源68的氧通过屏障66进入正极54，并且当电池50充电时，氧通过屏障66离开正极54。在操作中，随着电池50放电，认为氧与锂离子组合以根据以下的关系形成放电产物Li₂O₂或Li₂O：

（负极）

（正极）

（正极）。

典型的电池50中的正极54是具有大于80%的孔隙率以允许在阴极体积中形成和沉积/储存Li₂O₂的重量轻的导电材料。沉积Li₂O₂的能力直接地决定电池的最大容量。为了实现具有600Wh/kg或更大的比能的电池系统，具有厚度100μm的板必须具有约20mAh/cm²的容量。

提供所需的孔隙率的材料包括：炭黑、石墨、碳纤维、碳纳米管和其他非碳材料。有证据表明这些碳结构中的每个在电池的充电期间经历氧化过程，至少部分地由于电池中的严酷环境（纯氧、超氧和过氧化物离子、在阴极表面上的固体过氧化锂的形成以及>3V的电化学氧化电势（相对于Li/Li⁺））。

虽然对于包括氧作为正极并且包括金属、金属合金或其他材料作为负极的配对存在明显的好处，但是迄今为止，由于各种挑战，这些配对均未看到商业示范。已经如报告的那样进行了对与Li氧电池相关联的问题的许多研究，例如，由Beattie，S.,D.Manolescu和S.Blair的“High-CapacityLithium-AirCathodes”，JournaloftheElectrochemical Society，2009.156：p.A44；Kumar，B.等人的“ASolid-State,Rechargeable,LongCycleLifeLithium-AirBattery”，JournaloftheElectrochemicalSociety，2010.157：p.A50；Read，J.的“Characterizationofthelithium/oxygenorganicelectrolytebattery”，JournaloftheElectrochemicalSociety，2002.149：p.A1190；Read，J.等人的“Oxygentransportpropertiesoforganicelectrolytesandperformanceoflithium/oxygenbattery”，JournaloftheElectrochemicalSociety，2003.150：p.A1351；Yang，X.和Y.Xia的“Theeffectofoxygenpressuresontheelectrochemicalprofileoflithium/oxygenbattery”，JournalofSolidState Electrochemistry：p.1-6；以及Ogasawara，T.等人的“RechargeableLi₂O₂ElectrodeforLithiumBatteries”，JournaloftheAmericanChemicalSociety，2006.128（4）：p.1390-1393。

虽然已经研究了某些问题，但对于锂氧电池仍留有若干挑战要解决。这些挑战包括限制在锂金属表面处的枝晶形成、保护锂金属（或可能其他材料）免于空气的湿气和其他潜在的有害成分（如果从空气获得氧的话）、设计实现可接受的比能和比功率级的系统、降低充电和放电电压之间的滞后（其限制了来回行程（roundtrip）能量效率）以及改善系统可以被可逆地循环的循环数量。

由于如在图4中描绘的明显的电压滞后而发生来回行程效率的限制。在图4中，放电电压70（相对于Li/Li⁺约2.5至3V）远远低于充电电压72（相对于Li/Li⁺约4至4.5V）。锂/氧系统的平衡电压74（或开路电势）约为3V。因此，电压滞后不仅大，而且非常不对称。

充电期间的大的过电势可以归因于许多原因。例如，Li₂O₂与导电基体62之间的反应可以在两种材料之间形成绝缘膜。此外，在固体放电产物Li₂O₂或Li₂O与正极54的导电基体62之间可以存在不良接触。不良接触可以由于在充电期间直接地相邻于导电基体62的放电产物的氧化所引起，而在固体放电产物与基体52之间留下间隙。

导致固体放电产物和基体62之间的不良接触的另一机制是固体放电产物与导电基体62的完全断开。固体放电产物从导电基体62的完全断开可以由于在电池的充电/放电期间生成的机械应力造成的固体放电产物粒子的断裂、剥落或运动所引起。完全断开可以促成针对多数锂/氧电池观察到的容量衰减。以示例的方式，图5描绘了典型的Li/氧电池在充电/放电循环的周期内的放电容量。

引起电化学电池内的电压下降并且由此引起较低的能量效率和功率输出的其他物理过程包括高电流密度处的质量转移限制。水性电解质的传输性质通常优于非水电解质，但在每一种情况下，质量传输效应可以限制电池内的各区域的厚度，包括阴极。在各介质中还可以执行O₂与其他金属之间的反应。

在使用氧作为反应物的系统中，氧可以被携带在系统上（onboard）或者从大气获得。操作通过使用用于氧的罐或其他封装来以密闭的格式使气态氧反应的电池存在优点和缺点两者。一个优点是如果反应化学对于空气的任何其他成分（例如H₂O、CO₂）敏感，则仅可以向封装添加纯氧，使得不存在这样的污染物。其他优点是封装的使用可以虑及反应的场所处的以氧的高分压的操作（对于未压缩的大气空气，氧的气压（pressure）仅为0.21bar），可以防止任何挥发性物质（species）离开系统（即，防止“干掉”），以及其他优点。缺点包括需要时时携带氧、增加系统质量和体积、与高压氧相关联的潜在安全问题等。

此外，因为固定的体积内的固定摩尔数量的气体的气压与温度成比例（假设理想气体行为，其在高达350bar的气压处在氧气的真实行为的10%内），所以在环境温度方面经历显著改变的车辆中，气压可以显著改变。特别地，针对汽车的操作通常要求的环境温度的范围处于-40到+50℃的范围，其对于理想气体，对应于针对固定的摩尔数量和罐体积的约25%的气压差。对于在炎热的夏天、在黑色表面上的车辆，温度甚至可以升得更高，可能高至85℃，从而导致甚至更多的气压改变。甚至在更受限的温度范围之上，10%的气压变化是相当可能的。

在诸如质子交换膜燃料电池之类的某些高级车辆推进技术中，使用以气体填充的罐。在质子交换膜燃料电池中，气体被存储在罐中，所述罐可以被设计用于以各种气压操作。然而，在质子交换膜燃料电池的情况下，可以在由于罐的温度方面的上升而气压上升的情况下排出H₂罐的内容，这是因为罐系统被设计用于重新填充以H₂燃料（如以汽油或柴油填充标准汽车那样）。

不同于在质子交换膜燃料电池的情况下，对包括O₂作为与氧的反应物的电池周期性地加燃料是不期望的。相反地，氧气将被初始地添加到系统，并且然后将系统完全地与大气密封。然而，创建完全密闭的系统意味着排出是不可能的，使得罐必须被设计用于其可以无论何时可能达到的最大的气压。

因此，需要的是操作包括罐或其他封装的电池系统的经济的、有效率的并且安全的方法，所述罐或其他封装大体上与大气密闭，使得当罐或其他封装周围的环境温度显著上升时，罐或其他封装保持安全。减少已知罐的八（eight）、尺寸和费用同时维持环境温度的范围之上的安全的系统也被期望。

发明内容

一种车辆电池系统，其包括由车辆支持的氧储存器；可操作地连接到氧储存器以及多级压缩机的车辆电池系统堆叠器（stack），所述车辆电池系统堆叠器包括在放电期间消耗来自氧储存器的氧的活性材料；被配置成生成与氧储存器中的气压相关联的气压信号的至少一个传感器；存储器；以及可操作地连接到所述存储器和所述至少一个传感器的处理器，所述处理器被配置成执行被存储在存储器内的程序指令以获得气压信号，以及基于所获得的气压信号来控制车辆电池系统堆叠器的充电的状态。

根据另一实施例，一种操作车辆电池系统的方法包括：以车辆支持氧储存器；将车辆电池系统堆叠器可操作地连接到氧储存器和多级压缩机，所述车辆电池系统包括在放电期间消耗来自氧储存器的氧的活性材料；生成与氧储存器中的气压相关联的气压信号；以及利用处理器基于所获得的气压信号来控制车辆电池系统堆叠器的充电的状态。

附图说明

参考以下的详细描述和附图，上文描述的特征和优点以及其他对本领域普通技术人员来说应该变得更容易明显，其中：

图1描绘了示出针对各种比能的电池重量和车辆范围之间的关系的绘图；

图2描绘了各种基于锂的电池的比能和能量密度的图表；

图3描绘了包括两个电极、隔膜和电解质的现有技术锂氧（Li/氧）电池；

图4描绘了典型Li/氧电化学电池的放电和充电曲线；

图5描绘了示出经过多个循环的典型Li/氧电化学电池的放电容量衰减的绘图；

图6描绘了具有可操作地连接到被配置成与正极交换氧的储存器以用于与锂的可逆反应的绝热压缩机的车辆的示意图；

图7描绘了示出当从1bar的气压和298.15K的温度开始绝热地压缩气体时的温度方面的增加的图表，其中假设恒定的气体性质（即，gamma）；

图8描绘了示出根据气压的、针对理想气体（假设用于绝热的双原子和恒定的性质）的压缩功（compressionwork）的图表，其中初始气压为1bar；

图9描绘了用于电池控制系统如何使用氧存储罐的气压以控制氧存储罐的排出的过程；

图10描绘了示出电池控制系统如何使用氧封装的气压来控制充电期间或者休息或操作期间的电池系统的充电的状态的过程。

具体实施方式

出于促进对本公开的原理的理解的目的，现在将参照在图中图示和以下所写的说明书中所描述的实施例。应理解，并不由此意图限制本公开的范围。还应理解，本公开包括对所说明的实施例的任何变更和修改，并且包括本公开的原理的进一步的应用，如本公开所涉及的领域的技术人员将一般地想到的那样。

在图6中示出了车辆100的示意图。车辆100包括车辆电池系统堆叠器102和氧储存器104。在放电期间，气压调节器106管理对车辆电池系统堆叠器102的氧的供应，而在充电操作期间，使用多级氧压缩机108来使氧返回到氧储存器104。

车辆电池系统堆叠器102包括通过一个或多个多孔隔膜（未示出）与一个或多个正极（未示出）分离的一个或多个负极（未示出）。负极（未示出）可以由锂金属或锂插入的化合物（例如石墨、硅、锡、LiAl、LiMg、Li₄Ti₅O₁₂）形成，虽然Li金属与其他候选负极相比，在单元级上提供最高的比能。其他金属还可以被用于形成负极，诸如Zn、Mg、Na、Fe、Al、Ca、Si、以及可以可逆地且电化学地反应的其他材料。

在一个实施例中，正极（未示出）包括集流体（未示出）以及悬浮在多孔基体（未示出）中的、可选地覆盖在催化剂材料中的电极粒子（未示出）。多孔基体（未示出）是由诸如导电碳或泡沫镍之类的导电材料形成的导电基体，虽然可以使用各种替代的基体结构和材料。隔膜（未示出）防止负极（未示出）与正极（未示出）电连接。

车辆电池系统堆叠器102包括存在于正极（未示出）中并且在某些实施例中存在于隔膜（未示出）中的电解质溶液（未示出）。在某些实施例中，电解质溶液包括溶解于有机溶剂混合物中的盐、LiPF₆（六氟磷酸锂）。有机溶剂混合物可以是任何期望的溶剂。在某些实施例中，溶剂可以是二甲醚（DME）、乙腈（MeCN）、碳酸乙烯酯或碳酸二乙酯。

在金属是Li的情况下，车辆电池系统堆叠器102在负极中以锂金属放电，从而电离成Li⁺离子与自由电子e^-。Li⁺离子穿过隔膜朝向正极行进。通过气压调节器从氧存储罐104供应氧。自由电子e^-流入正极（未示出）中。

在电极粒子上的可选的催化剂材料的帮助下，正极内的氧原子和Li⁺离子在正极内部形成放电产物。如在以下的反应式中看出的那样，在放电过程期间，金属锂被电离，与氧和自由电子组合以形成可以涂覆碳粒子的表面的Li₂O₂或Li₂O放电产物。

（负极）

（正极）

（正极）。

车辆电池系统堆叠器102不使用空气作为氧的外部源。诸如大气之类的外部源包括不期望的气体和污染物。因此，虽然与金属/氧电池中的金属电化学地反应的氧可以来自空气，但空气中的CO₂和H₂O的存在使其成为针对在其中执行金属/氧反应的某些介质以及针对其形成的某些产物的不适合的源。例如，在其中形成Li₂O₂的Li与氧的反应中，H₂O和CO₂可以与Li₂O₂反应而形成LiOH和/或Li₂CO₃，其会不利地影响电池的性能和可重新充电性。作为另一示例，在基本的介质中，CO₂可以反应并形成从溶液中沉淀出来的碳酸盐并且导致电极堵塞。

在图6中，所有成分被存储在车辆100上。在图6的实施例中，氧存储储存器104与在其处发生反应的车辆电池系统堆叠器102分离，但是在其他实施例中，氧存储与堆叠器更紧密地集成（例如，被并入在电池之内）。在图6的实施例中，在与在其处执行反应的堆叠器或电池空间地分离的罐或其他封装中完成氧存储，使得车辆100需要最小量的高压外壳。

在放电期间（在其中消耗氧），通过使氧气经过气压调节器106来降低氧气的气压，以使得影响堆叠器的氧的气压接近于环境（即，少于约5bar）。在放电期间，压缩机108不操作。在充电期间，压缩机108操作以压缩在其处发生反应的堆叠器或电池之内生成的氧。

各种实施例中的压缩机108具有不同类型。在一个实施例中，适合于车辆应用并且针对车辆应用成熟的是多级旋转式压缩机，其中期望在具有紧凑尺寸的单元中使气体增压到多于100bar。当被实现为多级旋转式压缩机时，每个压缩步骤是几乎绝热的，这是因为它涉及压缩气体的活塞的快速动作。具有适当的尺寸的商业单元可以以合理的成本广泛地获得；它们被用于需要空气压缩的各种应用。

因为压缩机的每一级几乎绝热，所以如参照图7所解释的那样，除了气压方面的增加，还存在温度方面的增加。图7示出了假设恒定的气体性质的、在1bar的气压和298.15K的温度下开始的单个绝热压缩步骤的结束时的温度。所述图示出使用单个压缩步骤来实现例如350bar的气压是不实际的，这是因为输出温度将太高而不能注入到标准材料的罐内，所述罐继而被集成在可以具有热敏组件的车辆中。此外，图7中示出的最终气压是针对在压缩步骤的结束时的温度；因此在冷却后，气压将降低。重要的是，被释放到罐中的经压缩的气体的温度处于某个范围之内使得其可以与罐材料兼容，在不同的实施例中，取决于罐的类型，所述罐材料是诸如铝的金属或聚合物。

为了防止温度升得过高，需要在每个绝热压缩步骤的结束时冷却气体。这使用在图6中示出的散热器110来实现。在某些实施例中，散热器110是与被用于冷却电池系统堆叠器的散热器相同的散热器；在这样的实施例中，热交换回路还延伸到电池系统的其他组件中，诸如车辆电池系统堆叠器102和电池系统氧存储区104。通常，流体经过氧压缩机108，在每个压缩步骤之后从氧移除热，并且将温度带向散热器流体的温度。流体经过散热器110，在所述散热器110处与大气交换热。压缩机还是绝缘的以防止车辆100或电池系统的其他部分暴露于高温。

在每个压缩步骤之后，氧的冷却允许系统与在图8中示出的等温压缩功线更接近地操作。特别地，图8示出了单级绝热压缩所需要的功（假设双原子气体和恒定的性质）与等温压缩所需要的压缩功相比的差。如图所示，绝热压缩比等温压缩需要显著得多的功。对于在各级之间具有冷却的多级绝热压缩过程，所需要的功的量处于纯等温和单级绝热线之间。因此，通过使用在每个压缩的结束时具有气体的冷却的多个压缩级，相比于绝热压缩，可以降低压缩所需要的功的量。

相比于反应能，压缩能量的量值还取决于与氧反应的负极材料。例如，如果在放电时，氧与Li反应而形成Li₂O₂，则反应能是159Wh/摩尔O₂。因此，如果充电过程以85%效率发生，则将需要约24Wh/摩尔O₂用于反应的冷却，假设压缩所需要的冷却的量应该比冷却堆叠器或电池所需要的冷却的量小。

在图6的实施例中，与电池系统的操作相关联的所有过程由电池控制系统112控制。电池控制系统112控制经过散热器110和氧压缩机108以及可能地车辆100上的其他组件的流体的流速。电池控制系统112包括在其中存储程序指令的存储器（未示出）以及执行程序指令来控制被压缩到存储系统104中的氧的温度的处理器（未示出）。处理器可操作地连接到车辆电池系统堆叠器102、氧存储罐104、散热器110中的温度传感器（未示出）、环境温度传感器（未示出）以及压缩机108中的各级处的温度传感器（未示出），以便更精确地控制系统。在某些实施例中，包括更多或更少的温度传感器。在氧存储罐104中还提供可操作地连接到处理器的气压传感器。电池控制系统112还控制安全排气口114，所述安全排气口114连同重新填充端口116一起被提供在氧存储罐104上。

当系统被完全充电时，氧存储罐104中的氧的气压处于其最高值处。作为针对在经压缩的氧的温度显著上升的情况下的罐的破裂的最终保护，将氧从系统通过安全排气口114排出到大气。如在图9中描绘的那样，电池控制系统112从氧存储罐104中的气压传感器持续地读输入，并且如果气压等于或超过针对氧存储罐104的安全所指定的最大气压，则激活气压安全阀114并且将氧释放到大气。在其中主动地控制气压的实施例中，关闭排气口114时的气压可以显著地低于安全气压或者等于安全气压。在后一种情况下，如果温度继续上升，则可以进行多个释放。在某些实施例中使用被动气压释放阀，但是在最期望的实施例中，气压释放阀114的激活不导致氧封装对大气的持久开放，所述持久开放使得氧封装之内的气压和气体组成最终达到环境空气的气压和气体组成。替代地，优选的是，无论气压释放阀114是经由电池控制系统112还是经由被动机制触发，阀114都将仅释放将使系统返回到安全状态的指定量的氧并且然后关闭。

如果触发气压释放阀114并且从氧存储罐104释放某些氧，则可以补充氧。这通常将在诸如车辆经销商之类的特殊位置中完成，所述特殊位置具有对高度纯化的氧的访问。氧的补充可以在电池系统的充电的任何状态处完成，但是当系统完全地或部分地放电时，电池系统中的氧的量将低于当系统完全地充电时的量，并且因此，优选地，在充电的较低状态处补充氧。电池控制系统112被配置成以任何期望的方式决定车辆电池系统堆叠器102的充电的目前的状态。此外，电池的规范被存储在存储器内（例如，电池容量，以Ah为单位），以使得可以向系统添加正确量的氧。通过知晓充电的状态以及电池的容量，可以计算被排出的氧的量，并且决定期望的替换量。

虽然将总是需要确保在另一系统中存在故障的情况下的氧封装的安全的气压安全阀114，但是处理氧封装的气压方面的上升的优选的方法不是排出氧气，而是调整电池系统的充电的状态。特别地，当电池被完全充电时，电池系统中的全部氧应该被包含在氧存储罐104中，并且因此，氧存储罐104的气压应该处于其最高值处。氧存储罐104（例如，其壁厚度）必须被设计用于最大气压。如先前讨论的那样，虽然罐的最大气压基本上不随温度而变化，但是由固定体积内的给定摩尔数的气体施加（exert）的气压取决于温度。

不是针对预期遭遇的最大温度来设计电池系统并且特别是氧存储罐104，而是针对诸如35℃或者甚至低得多的值之类的预期频繁地遭遇的最大温度来设计氧存储罐104，并且然后电池控制系统112基于氧存储罐104内的气压而限制充电。在图10中示出了该情况的示意。

参考图10，在充电期间，不是仅使用来自电压和温度的输入来决定是否可以进行充电，在本文中，气压也被电池控制系统112使用。因此，在较低的温度处对电池系统充电时，一旦充电终止，充电的最大状态可能高于更高温度处的充电。图10还示出的是，在休息或操作期间如果温度上升（例如，如果车辆100在晚上充电并且然后在热并且晴朗的天被留在黑色表面上），则电池控制系统112可以发起放电来消耗被存储在氧存储罐104中的某些氧，并且由此降低气压。可以通过将电池系统连接到负载来对电池系统放电，所述负载诸如车辆100的冷却系统、被配置成冷却氧储存器的冷却系统或者被特别地设计用于该目的的负载。与环境温度方面的上升相关联的气压方面的缓慢上升意味着小的负载（<5kW）将足以确保气压留在固定的限制之内。因此，不发生排气，并且不存在补充氧的需要。

车辆电池系统堆叠器102因此利用被存储在电池单元内或者被存储在电池之外的罐或其他体积中的氧（其可以是纯的，或者包含附加的成分）。氧与金属（其可以包括Li、Zn、Mg、Na、Fe、Al、Ca、Si等）电化学地反应以在放电时产生能量，并且，在充电时金属被重新生成并且氧气（以及可能其他物质，诸如H₂O）被放出。

有利地，车辆100中的电池系统因此是完全密闭的系统，并且排除了可能对电池操作有害的、存在于环境空气中的物质（例如，H₂O、CO₂等）。电池系统提供在充电时的氧的电化学压缩以及在放电时的经压缩的氧的使用，以减少与机械氧压缩（其通常被绝热地执行，包括在多级绝热过程中）相关联的能量损失并且减少机械压缩机的成本和复杂度。电池系统的组件被配置成处理经压缩的氧的气压，所述组件包括流场、双极板、电极、隔膜和高压氧线。

某些实施例中的电池系统包括高压密封、电极、气体扩散层以及流场设计，其提供足够的机械支持以防止将对电池性能和寿命有害的气压导致的断裂或弯曲（包括有气压循环），并且包括不透氧的隔膜（即便在高压下，包括高达350bar或以上）。在某些实施例中，将最小气压选择成消除电池组件彼此的分层。在某些实施例中，将最小气压选择成减少质量转移限制并且由此增加限制电流。

上文描述的系统提供了多个优点。例如，该系统提供了重量轻的、较小的并且较不昂贵的罐，这是因为其可以被设计用于较低的最大气压。此外，该系统提供了针对给定的罐尺寸和质量具有更长的驾驶范围的车辆，这是因为在完全的系统充电期间可以向罐添加更多的氧气，原因在于如果温度上升，则存在适当的系统以防止安全问题。

虽然已经在图和前述描述中详细图示并描述了本公开，但是如所预料的，所述图和前述描述应该被视为说明性的而不是限制性的。仅呈现了优选的实施例，并且期望保护落入本公开的精神之内的所有改变、修改和进一步的应用。

Claims (16)

1.一种车辆电池系统，其包括：

由车辆支持的氧储存器；

可操作地连接到氧储存器以及多级压缩机的车辆电池系统堆叠器，所述车辆电池系统堆叠器包括在放电期间消耗来自氧储存器的氧的活性材料；

被配置成生成与氧储存器中的气压相关联的气压信号的至少一个传感器；

存储器；以及

可操作地连接到所述存储器和所述至少一个传感器的处理器，所述处理器被配置成执行被存储在存储器内的程序指令以

获得气压信号，以及

基于所获得的气压信号来控制车辆电池系统堆叠器的充电的状态。

2.如权利要求1所述的车辆电池系统，其中所述处理器被配置成通过以下操作基于所获得的气压信号来控制车辆电池系统堆叠器的充电的状态：

控制排气口，所述排气口可操作地连接到第一位置和第二位置之间的氧储存器，在所述第一位置处氧储存器内的氧不被允许经过所述排气口，在所述第二位置处氧储存器内的氧被允许经过所述排气口。

3.如权利要求1所述的车辆电池系统，其中所述处理器被配置成通过以下操作基于所获得的气压信号来控制车辆电池系统堆叠器的充电的状态：

将电负载连接到车辆电池系统堆叠器。

4.如权利要求3所述的车辆电池系统，其中电负载包括车辆冷却系统。

5.如权利要求3所述的车辆电池系统，其中电负载包括被配置成冷却氧储存器的冷却系统。

6.如权利要求1所述的车辆电池系统，其中所述处理器被进一步配置成：

获得与车辆电池系统堆叠器的电压相关联的电压信号；以及

基于所获得的电压信号来控制车辆电池系统堆叠器的充电的状态。

7.如权利要求6所述的车辆电池系统，其中所述处理器被进一步配置成：

获得与车辆电池系统堆叠器的温度相关联的温度信号；以及

基于所获得的温度信号来控制车辆电池系统堆叠器的充电的状态。

8.如权利要求7所述的车辆电池系统，其中所述处理器被进一步配置成：

通过终止车辆电池系统堆叠器的充电来控制车辆电池系统堆叠器的充电的状态。

9.一种操作车辆电池系统的方法，其包括：

以车辆支持氧储存器；

将车辆电池系统堆叠器可操作地连接到氧储存器和多级压缩机，所述车辆电池系统包括在放电期间消耗来自氧储存器的氧的活性材料；

生成与氧储存器中的气压相关联的气压信号；以及

利用处理器基于所获得的气压信号来控制车辆电池系统堆叠器的充电的状态。

10.如权利要求9所述的方法，其中控制充电的状态包括：

利用处理器控制排气口，所述排气口可操作地连接到第一位置和第二位置之间的氧储存器，在所述第一位置处氧储存器内的氧不被允许经过所述排气口，在所述第二位置处氧储存器内的氧被允许经过所述排气口。

11.如权利要求9所述的方法，其中控制充电的状态包括：

使用处理器来将电负载连接到车辆电池系统堆叠器。

12.如权利要求11所述的方法，其中连接电负载包括：

使用处理器来将车辆冷却系统连接到车辆电池系统堆叠器。

13.如权利要求11所述的方法，其中连接电负载包括：

使用处理器来将被配置成冷却氧储存器的冷却系统连接到车辆电池系统堆叠器。

14.如权利要求9所述的方法，进一步包括：

利用处理器获得与车辆电池系统堆叠器的电压相关联的电压信号；以及

利用处理器基于所获得的电压信号来控制车辆电池系统堆叠器的充电的状态。

15.如权利要求14所述的方法，进一步包括：

利用处理器获得与车辆电池系统堆叠器的温度相关联的温度信号；以及

利用处理器基于所获得的温度信号来控制车辆电池系统堆叠器的充电的状态。

16.如权利要求15所述的方法，其中控制车辆电池系统堆叠器的充电的状态包括：

终止车辆电池系统堆叠器的充电。