CN105680067A - 锂空气蓄电池系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种具有密闭型结构的锂空气蓄电池系统，其不需要用额外的氧气充填。该系统包括锂空气蓄电池和储存参与锂-氧气反应的氧气的氧气罐。第一MFC调节从氧气罐供给到锂空气蓄电池单元的氧气的流量。鼓风机反复将流自第一MFC的氧气供给到锂空气蓄电池单元。在充电操作期间，压缩机将从锂空气蓄电池生成的且经过第二MFC的氧气压缩到高压状态，以用压缩后的氧气充填氧气罐。在充电操作期间，第二MFC调节从锂空气蓄电池单元生成的氧气被供给到压缩机时的流量。此外，外部电源向压缩机供给电力以充填氧气罐。

Description

锂空气蓄电池系统

技术领域

本公开涉及锂空气蓄电池系统，更具体地，涉及具有密闭型结构的锂空气蓄电池系统，其不需要用额外的氧气充填。

背景技术

锂空气蓄电池基本包括可以吸藏和放出锂离子的负极、氧化/还原空气中的氧气的正极、以及介于正极与负极之间的电解质。锂空气蓄电池使用锂作为负极，且不需要储存在蓄电池中作为正极活性物质的空气。因此，锂空气蓄电池具有优点，因为其可以实现高容量蓄电池。此外，每单位重量的理论能量密度很高，即3500Wh/kg或更大，且能量密度近似锂离子蓄电池的十倍高。

然而，由于现有技术的现有锂空气蓄电池使用外部储存罐或使用空气中所包含的氧气，因此现有锂空气蓄电池被制造成具有正极开放的结构。当现有锂空气蓄电池用额外的氧气进行充填时，由于从外面流入杂质，开放的结构可能导致蓄电池的寿命减少。此外，现有锂空气蓄电池保持安装有氧气罐(oxygenbombe)的形式，但是由于现有锂空气蓄电池不仅需要用电力来充电，还需要用氧气进行充填，这是不方便的。

在该背景部分中公开的上述信息仅仅是为了增强对本发明的背景的理解，因此它可能包含不构成对本领域技术人员已知的现有技术的信息。

发明内容

本发明提供具有密闭型结构的锂空气蓄电池系统，其使用可以由外部电源操作的压缩机，由此解决用额外的氧气充填锂空气蓄电池系统造成的不便。

在一个方面，本发明提供一种锂空气蓄电池系统，其可以包括：锂空气蓄电池；氧气罐，其被配置为储存参与锂-氧气反应的氧气；第一质量流量控制器(MFC)，其被配置为调节从氧气罐供给到锂空气蓄电池单元的氧气的流量；鼓风机，其被配置为反复将流自第一MFC的氧气供给到锂空气蓄电池单元中；压缩机，其被配置为在充电操作期间，将从锂空气蓄电池单元生成的且经过第二MFC的氧气压缩到高压状态，从而用压缩后的氧气充填氧气罐；其中在充电操作期间，第二MFC被配置为调节当从锂空气蓄电池单元生成的氧气被供给到压缩机时的流量；以及外部电源，其被配置为向压缩机供给电力，以充填氧气罐。

在示例性实施例中，可以在氧气罐的入口处安装有罐压力传感器，其被配置为监测氧气压力。锂空气蓄电池系统还可以包括调节器，其被配置为将从氧气罐流到第一MFC的氧气的高压降低到预定压力。此外，第一MFC可以被配置为在由控制器操作时，以满足负载当前所需的电流的水平，向锂空气蓄电池单元供给一定量的氧气。

此外，锂空气蓄电池系统还可以包括第一阀门，其在放电反应期间打开和关闭，以允许氧气从氧气罐流到调节器，并且在充电操作期间打开和关闭，以允许氧气从压缩机流到氧气罐。此外，锂空气蓄电池系统还可以包括第二阀门，其被配置为在放电反应期间阻止氧气流向第二MFC，从而使氧气自动循环，并且当充填氧气罐时，允许氧气流向第二MFC。

此外，锂空气蓄电池系统还可以包括第一压力传感器和第二压力传感器，其被配置为分别测量氧气流入锂空气蓄电池单元的前端处的氧气的压力变化和测量从锂空气蓄电池单元排出氧气的后端处的氧气的压力变化，并将测量结果传送到控制器。

通过上述技术方案，本发明提供以下效果：

第一，可以在单个系统中进行用于将氧气罐中的氧气供给到锂空气蓄电池单元的排出流和用于将在锂空气蓄电池中已经完成反应的氧气的压缩在氧气罐中以进行充填的充填流，由此解决由于现有锂空气蓄电池需要使用外部空气单独地充填氧气而造成的不便。

第二，可以使用100％氧气进行放电操作和充电操作，由此去除了使用外部空气充填现有锂空气蓄电池时使用过滤和除湿过程，并且消除了充电操作期间随氧气流入的副产物。

第三，在现有技术中，即使氧气罐使用100％氧气，用电力对蓄电池进行充电的操作和用氧气充填氧气罐的操作也需要分开进行，但是在本发明中，可以使用可由外部电源操作的压缩机来向氧气罐充填氧气，由此消除了氧气罐需要单独充填氧气的不便。

第四，为了消除当使用锂空气蓄电池作为电源来操作压缩机时造成的低效率，在向氧气罐充填氧气时，可以使用外部电源来操作压缩机，使得可以更高效地使用锂空气蓄电池。

附图说明

现在将参考附图中所示的示例性实施例详细描述本发明的上述特征和其他特征，附图仅作为说明的方式给出，因此并不限制本发明，其中：

图1是示出根据本发明的示例性实施例的锂空气蓄电池系统的构成的构成图；

图2是示出当根据本发明的示例性实施例的锂空气蓄电池系统放电时的操作(消耗氧气)的构成图；以及

图3是示出当根据本发明的示例性实施例的锂空气蓄电池系统充电时的操作(生成氧气)的构成图。

附图中列出的参考标号包括对下面进一步讨论的以下元件的引用：

10：锂空气蓄电池

12：氧气罐

14：罐压力传感器

16：第一阀门

18：调节器

20：第一MFC

22：第一压力传感器

24：鼓风机

26：第二压力传感器

28：第二阀门

30：第二MFC

32：压缩机

34：外部电源

应当理解，附图未必按比例绘制，它们呈现本文所公开的本发明的各种示例性特征的某些简化表示。如本文公开的本发明的具体设计特征，包括例如具体尺寸、方向、位置和形状，将由特定用途和使用环境所确定。在附图中，相同的参考标号指代本发明的相同或者等同部件。

具体实施方式

应当理解，在此使用的术语“车辆”或“车辆的”或者其他类似的术语包括一般机动车辆，例如客运汽车(包括运动型多功能车辆(SUV))、公共汽车、卡车、各种商用车辆、水运工具(包括各种艇和船)、飞机等，并且包括混合动力车辆、电动车辆、插电式混合动力电动车辆、氢动力车辆和其他替代燃料车辆(例如，从石油以外的资源得到的燃料)。如在此提到的，混合动力车辆是具有两个或更多个动力源的车辆，例如，既有汽油动力又有电动力的车辆。

虽然示例性实施例被描述为使用多个单元来执行示例性过程，但是应当理解，示例性过程也可以由一个或复数个模块执行。此外，应当理解，术语控制器/控制单元是指包括存储器和处理器的硬件设备。存储器被配置为存储模块，并且处理器被具体配置为运行所述模块以执行下面进一步描述的一个或多个过程。

在此使用的术语只是出于描述特定实施例的目的，并非意图限制本发明。如在此使用的，单数形式“一”、“一个/一种”以及“该/所述”意在也包括复数形式，除非上下文清楚地指出。还应当理解，当在本说明书中使用时，术语“包括”和/或“包含”指明所叙述的特征、整数、步骤、操作、元素和/或部件的存在，但不排除存在或增加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元素、部件和/或其群组。如在此使用的，术语“和/或”包括所列出的相关项目中的一个或多个的任何组合以及全部组合。

在下文中，将详细参考本发明的各种示例性实施例，本发明的示例在附图中示出且在下文中描述。尽管将结合示例性实施例描述本发明，但是应该理解，本说明书并不旨在将本发明限制到这些示例性实施例。相反，本发明旨在不仅涵盖示例性实施例，而且涵盖各种替换、修改、等同体和其他实施例，它们可以被包括在所附权利要求限定的本发明的精神和范围内。

在下文中，将参考附图详细描述本发明的示例性实施例。

图1是示出根据本发明的示例性实施例的锂空气蓄电池系统的构成的构成图。在图1中，参考标号10表示可以包括多个单元的锂空气蓄电池。特别地，锂空气蓄电池可以包括被配置为吸藏和放出锂离子的负极、被配置为氧化/还原空气中所包含的氧气的正极、以及介于正极和负极之间的电解质。

被配置为供给氧气的装置(例如，泵等)可以连接到锂空气蓄电池的正极。因此，被配置为储存参与锂-氧气反应的氧气的氧气罐12可以连接到锂空气蓄电池10。特别地，可以在氧气罐12的入口安装被配置为监测储存在氧气罐12中的氧气的压力的罐压力传感器14，并且控制器100可以被配置为从罐压力传感器14接收检测值。响应于确定出氧气压力等于或小于基准值，控制器可以被配置为执行控制逻辑以提供对该情况的警告。

可以在氧气罐12的出口处安装第一阀门16。当执行放电反应时，为了将氧气罐12中的氧气供给到锂空气蓄电池10，第一阀门16可以被打开，以允许氧气罐12中的氧气流向调节器18。此外，当用氧气充填氧气罐12时，第一阀门16可以被打开，以允许由压缩机压缩的氧气流向氧气罐12。因此，第一阀门16可以是三通阀，并且调节器18和压缩机32可以分别连接到第一阀门16的端口。

调节器18可以被配置为将从氧气罐12流到第一质量流量控制器(MFC)20的高压氧气的压力降低到预定压力。当将由调节器18调节了压力的氧气供给到锂空气蓄电池单元时，第一MFC20可以被配置为在由控制器操作的同时，以满足负载当前所需的电流的水平向锂空气蓄电池供给一定量的氧气。

特别地，基于施加到两端即第一MFC的入口和出口的压力差(在入口处压力更大)，第一MFC20可以被配置为测量并调节氧气的流量，并且将流量传送到控制器100。此外，基于装置负载(例如，电动机)所需的动力，控制器100可以被配置为计算当前所需的电流，并且将计算出的电流传送到第一MFC20，以调节氧气的流量，从而将所需量的氧气供给到锂空气蓄电池。此外，可以在第一MFC20和锂空气蓄电池10的氧气入口之间安装被配置为反复将流自第一MFC的氧气供给到锂空气蓄电池单元的鼓风机24。

此外，第二阀门28可以连接到锂空气蓄电池10的出口。当执行放电反应时，为了将氧气罐12中的氧气供给到锂空气蓄电池10，第二阀门28可以被关闭，以使氧气自动循环并阻止氧气流向第二MFC30。当充填氧气罐12时，第二阀门28也可以被打开，以允许氧气流向第二MFC30。当充填氧气罐12时，第二MFC30可以被配置为当由锂空气蓄电池单元生成的氧气被供给到压缩机时，调节氧气的流量。

根据本发明的示例性实施例，压缩机32可以被安装在第二MFC30的出口和第一阀门16之间，使得当用锂空气蓄电池10生成的氧气充填氧气罐12时，压缩机32可以被配置为将由锂空气蓄电池单元生成的且经过第二MFC30的氧气压缩到高压状态，并且用压缩后的氧气充填氧气罐12。压缩机32可以由外部电源34操作，而不使用本身的锂空气蓄电池10，从而使得针对所需的负载能够更高效地使用锂空气蓄电池10。

另一方面，可以在第一MFC20和鼓风机24之间安装第一压力传感器22，第一压力传感器22被配置为测量流向锂空气蓄电池单元前端的氧气的压力并将测得的压力传送到控制器100，并且可以在锂空气蓄电池单元的后端安装第二压力传感器28，第二压力传感器28被配置为测量所排出的氧气的压力变化并将测量结果传送到控制器100。

特别地，控制器100可以被配置为从第一压力传感器22和第二压力传感器28接收信号，确定当前是否需要将氧气供给到锂空气蓄电池单元中，基于在放电操作期间消耗的氧气的速率操作各MFC以增加氧气的流量，并且基于由于在充电操作期间生成的氧气而导致的压力变化调节各MFC的流量。

特别地，下面将描述包括上述构成的本发明的锂空气蓄电池系统的操作流程。

放电操作

在电流不流动的状态下，即，当在锂空气蓄电池中不进行产生电能的反应时，在锂空气蓄电池单元的流路、管道等中可能包含预定压力的氧气。因此，当外部负载(例如，电动机)需要电流并且锂空气蓄电池单元进行放电反应时，锂空气蓄电池单元可以使用在锂空气蓄电池单元的流路和管道中所包含的氧气来产生电能。

特别地，第一压力传感器22和第二压力传感器26可以被配置为测量锂空气蓄电池单元中的当前压力，并且当该压力降低到预定压力或更小时，控制器100可以被配置为确定安装在氧气罐12的出口处的罐压力传感器14的检测值，并确定氧气罐12中的氧气是否足够。当氧气罐12中的氧气压力足够时，控制器100可以被配置为操作第一阀门16，使其朝着调节器18打开(例如，第一阀门16在放电反应期可以总是朝着调节器打开)。

接下来，调节器18可以被配置为将经过第一阀门16的氧气的压力调节到预定压力，将高氧气压力降低到适合操作第一MFC20的预定压力。接着，第一MFC20可以被配置为以基于当前用于负载的电流量、锂空气蓄电池单元的前端和后端的氧气压力而计算出的流量，将氧气供给到锂空气蓄电池。

特别地，当锂空气蓄电池单元的前端和后端的氧气压力到达预定值或更大时，第一MFC20可以被配置为减小或阻止氧气流量。例如，当氧气的流量超过预定水平或更高时，即使在锂空气蓄电池单元的空气电极处存在相同的氧气压力，也可以进行均匀的电极反应。

此外，鼓风机24可以被配置为产生人为的氧气流并将氧气供给到锂空气蓄电池单元，以最小化由于锂空气蓄电池单元的空气电极处的氧气的消耗而导致的局部压力变化，由此最小化在第一压力传感器、第二压力传感器、鼓风机、各阀门等处或经过它们的氧气的压力差，以及锂空气蓄电池单元内部的氧气的压力差。

此外，为了均匀地提供氧气，可以基于锂空气蓄电池单元的前端和后端之间的压力差调节鼓风机的速率。特别地，考虑到由锂空气蓄电池单元中的空气流路引起的背压，鼓风机的速率可以被调节为使得前端的压力大于预定水平。

如上所述，锂空气蓄电池可以被配置为使用从鼓风机24提供的氧气来产生负载(例如，电动机)所需的电能，并且可以被配置为向用户提供警告，以了解当放电操作结束时在氧气罐12中剩余的氧气压力。

充电操作

根据本发明的充电操作模式，在锂空气蓄电池单元中的反应结束之后，可以压缩在各流路和管道中剩余的氧气，并用氧气充填氧气罐。因此，可以从外部电源34将电力供给到压缩机32，并且可以由控制器100操作第一阀门16使其打开，以允许由压缩机32压缩的氧气流到氧气罐12，并且可以由控制器100操作第二阀门28使其打开，以允许氧气从锂空气蓄电池10流到第二MFC30。

因此，当压缩机32可以由外部电源34操作时，压缩机前端的压力会降低，且压缩机后端的压力会增加。特别地，当通过来自外部电源34的电流对蓄电池进行充电时，在锂空气蓄电池单元的电极中会生成氧气，从而氧气压力增加。

当连接到锂空气蓄电池单元10的前端和后端的第一压力传感器22和第二压力传感器26检测到的氧气压力达到预定压力或更大时，如上面所述，第二阀门28可以朝着第二MFC30打开，并且第二MFC30可以被配置为基于第一压力传感器22和第二压力传感器26的信息来确定流量。换句话说，第二MFC30可以被配置为在调节氧气的流量以保持锂空气蓄电池单元中的预定压力的同时，将氧气供给到压缩机32。

因此，压缩机32可以被配置为将氧气压缩到高压，以用氧气充填氧气罐12。接着，当压缩机32的压力达到预定压力或更大时，如上面所述，可以打开第一阀门16，使由压缩机32压缩的氧气通过第一阀门16，接着可以用氧气充填氧气罐12。

另一方面，基于氧气罐12的压力和锂空气蓄电池单元的电压，可以确定充电操作结束的时间点。如上面所述，与现有技术中用电力对蓄电池进行充电的操作和用氧气充填氧气罐的操作是分开进行的情形不同，在本发明中，可以使用由外部电源操作的压缩机，向氧气罐充填氧气，由此消除了需要单独向氧气罐充填氧气的不便。

已经参考示例性实施例详细描述了本发明。然而，本领域技术人员应当理解，在不偏离本发明的原理和精神的情况下，可以对这些示例性实施例进行修改，本发明的范围由随附权利要求书及其等同体限定。

Claims (7)

1.一种锂空气蓄电池系统，包括：

锂空气蓄电池；

氧气罐，其被配置为储存参与锂-氧气反应的氧气；

第一质量流量控制器(MFC)，其被配置为调节从所述氧气罐供给到锂空气蓄电池单元的氧气的流量；

鼓风机，其被配置为反复将流自所述第一MFC的氧气供给到所述锂空气蓄电池单元中；

压缩机，其被配置为在充电操作期间，将从所述锂空气蓄电池单元生成的且经过第二MFC的氧气压缩到高压状态，从而用压缩后的氧气充填所述氧气罐，其中所述第二MFC被配置为在所述充电操作期间，调节从所述锂空气蓄电池单元生成的氧气被供给到所述压缩机时的流量；以及

外部电源，其被配置为向所述压缩机提供电力，以充填所述氧气罐。

2.如权利要求1所述的锂空气蓄电池系统，其中在所述氧气罐的入口处安装有罐压力传感器，所述罐压力传感器被配置为监测氧气压力。

3.如权利要求1所述的锂空气蓄电池系统，还包括：

调节器，其被配置为将从所述氧气罐流到所述第一MFC的氧气的高压力减小到预定压力。

4.如权利要求1所述的锂空气蓄电池系统，其中所述第一MFC被配置为在由控制器操作时，以满足负载当前所需的电流的水平将一定量的氧气供给到所述锂空气蓄电池单元。

5.如权利要求1所述的锂空气蓄电池系统，还包括：

第一阀门，所述第一阀门在放电反应期间打开和关闭，以允许氧气从所述氧气罐流到调节器，并且在充电操作期间打开和关闭，以允许氧气从所述压缩机流到所述氧气罐。

6.如权利要求1所述的锂空气蓄电池系统，还包括：

第二阀门，其被配置为在放电反应期间阻止氧气流向所述第二MFC，以使氧气自动循环，并且在充填所述氧气罐时，允许氧气流向所述第二MFC。

7.如权利要求1所述的锂空气蓄电池系统，还包括：

第一压力传感器和第二压力传感器，其被配置为分别测量氧气流入所述锂空气蓄电池单元的前端处的氧气的压力变化和测量从所述锂空气蓄电池单元排出氧气的后端处的氧气的压力变化，并将测量结果传送到控制器。