CN111226331A - 能量储存设备和使用能量储存设备的方法 - Google Patents

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Abstract

提供了一种能够在正常时间适当地控制硅材料的使用并实现长寿命的能量储存设备，以及一种使用该能量储存设备的方法。本发明的一个方面是一种能量储存设备，该能量储存设备包括能量储存装置和用于测量该能量储存装置的内部压力变化率的测量部分，该能量储存装置具有包含碳材料和硅材料的负电极。本发明的另一个方面是一种使用能量储存设备的方法，该方法包括：在测量能量储存装置的内部压力变化率的同时进行放电。

Description

能量储存设备和使用能量储存设备的方法
技术领域
本发明涉及能量储存设备和使用能量储存设备的方法。
背景技术
以锂离子二次电池为代表的非水电解质二次电池由于其能量密度高而经常用于例如个人计算机、电子装置(诸如通信终端)和载具中。非水电解质二次电池通常包括具有利用隔膜彼此电分离的一对电极的电极组件，并且包括插设在电极之间的非水电解质，并且非水电解质二次电池被配置为允许离子在两个电极之间转移以进行充放电。除了二次电池以外，电容器(诸如锂离子电容器和电双层电容器)也被广泛用作能量储存装置。
作为这样的能量储存装置中的一种，已经开发出了包括硅材料(诸如氧化硅)作为负电极的活性材料的能量储存装置(参见专利文件1至4)。硅材料具有几何容量比被广泛用作负极活性材料的碳材料的几何容量大的优点。
现有技术文件
专利文件
专利文件1：JP-A-2015-053152
专利文件2：JP-A-2014-120459
专利文件3：JP-A-2015-088462
专利文件4：WO 2012/169282
发明内容
本发明要解决的问题
然而，已知硅材料由于与重复的充放电相关联的膨胀和收缩而容易引起颗粒的破裂和隔离，并且循环寿命性能不足。因此，在包括碳材料和硅材料作为负极活性材料的能量储存装置中，在硅材料的使用受到限制的情况下，考虑主要使用碳材料。硅材料的这种受限使用被部分地认为基于使用硅材料和碳材料之间的放电开始电位差的电压进行。然而，难以基于电压适当地控制硅材料的使用，这是因为放电期间的电压由于下述变化而改变：该变化是由重复的充放电引起的正电极和负电极的劣化程度以及正电极和负电极之间的充电状态的平衡的变化。
在上述情况下做出了本发明，并且本发明的目的是提供一种能够在正常时间适当地控制硅材料的使用并实现长寿命的能量储存设备，以及使用该能量储存设备的方法。
解决问题的手段
已做出以解决问题的本发明的一个方面是一种能量储存设备，该能量储存设备包括能量储存装置和用于测量所述能量储存装置的内部压力变化率的测量部分，所述能量储存装置具有包含碳材料和硅材料的负电极。
本发明的另一个方面是一种使用能量储存设备的方法，该方法包括：在测量所述能量储存装置的所述内部压力变化率的同时进行放电。
本发明的优点
根据本发明，可以提供一种能够在正常时间适当地控制硅材料的使用并实现长寿命的能量储存设备，以及使用该能量储存设备的方法。
附图说明
图1是示出根据本发明的一个实施例的能量储存设备的示意图。
图2是示出根据本发明的另一个实施例的能量储存设备的一部分的示意图。
图3中的(a)是示出在包括石墨作为负极活性材料的能量储存装置中的充电和放电期间内部压力与充电和放电的量之间的关系的曲线图。图3中的(b)是示出在包括石墨与氧化硅(质量比为95∶5)的混合物作为负极活性材料的能量储存装置的充电和放电期间内部压力与充电和放电的量之间的关系的曲线图。图3中的(c)是示出在包括石墨与氧化硅(质量比为90∶10)的混合物作为负极活性材料的能量储存装置的充电和放电期间内部压力与充电和放电的量之间的关系的曲线图。
具体实施方式
本发明的一个方面是一种能量储存设备，该能量储存设备包括能量储存装置和用于测量该能量储存装置的内部压力变化率的测量部分，该能量储存装置具有包含碳材料和硅材料的负电极。
在碳材料和硅材料之间，碳材料具有较高的放电电位。因此，充分充电并包含碳材料和硅材料的负电极允许在放电期间首先主要发生碳材料的放电反应，并且在碳材料的放电反应基本完成之后开始发生硅材料的放电反应。在此，能量储存装置的内部压力(内部的压力)随着充放电期间负极活性材料的体积变化而改变。此外，负极活性材料的体积变化通常大于正极活性材料的体积变化，从而极大地影响内部压力的变化。因此，具体地说，负极活性材料膨胀以在充电期间吸留例如锂离子。相应地，负电极在充满电时具有最高的内部压力，并且内部压力随着放电而降低。此外，硅材料具有的与充放电相关联的体积变化比碳材料的体积变化大。因此，在包括碳材料和硅材料作为负极活性材料的能量储存装置中，在放电反应主要发生在碳材料中的阶段，内部压力变化率低；并且，在充电率降低导致放电反应主要发生在硅材料中的阶段，内部压力变化率增加。术语“内部压力变化率”是指内部压力的变化量相对于充电量(能量储存装置中的残余电量)的变化量的比率。即，在充电量被设置为横轴并且内部压力被设置为纵轴的曲线图中，曲线的斜率表示内部压力变化率。
通过图3中的(a)至图3中的(c)的测量结果来详细描述内部压力变化率。图3中的(a)示出了产生几乎恒定的斜率的内部压力变化的曲线(虚线)，该曲线表示在包括石墨作为负极活性材料的能量储存装置的放电期间内部压力的变化。即，在图3中的(a)中，内部压力变化率的变化小。相反，图3中的(b)示出了在放电初始阶段(α)产生小的斜率并且在随后的阶段(β)产生较大的斜率的内部压力变化的曲线(虚线)，该曲线表示在包括石墨与氧化硅(质量比为95∶5)的混合物作为负极活性材料的能量储存装置的放电期间内部压力的变化。即，认为阶段(α)允许放电反应主要在作为碳材料的石墨中发生，阶段(β)允许放电反应主要在作为硅材料的氧化硅中发生。用于包括石墨与氧化硅(质量比为90∶10)的混合物作为负极活性材料的能量储存装置的图3中的(c)示出了与图3中的(b)相同的趋势。因此，包括包含碳材料和硅材料的负极的能量储存装置被理解为：在主反应从通过碳材料进行的放电反应转变为通过硅材料进行的放电反应时，内部压力变化率增加。发明人已经确认：即使重复进行充放电，内部压力变化率的变化也显示出相同的趋势。
因此，通过使用包括用于测量内部压力变化率的测量部分的能量储存设备，能够例如在内部压力变化率上升时完成对该设备的放电和充电，从而能够使用仅碳材料的反应来主要进行放电。如上所述，由于即使重复进行充放电，内部压力变化率的变化趋势也不变，所以能量储存设备能够始终适当地判定主要进行碳材料的放电反应的阶段的完成时刻。因此，能量储存设备能够在正常时间适当地控制硅材料的使用并实现长寿命。此外，能量储存设备在正常时间使用碳材料的放电反应并且例如在紧急情况下使用具有高容量的硅材料的放电反应，以实现能够在紧急情况下有效地利用硅材料以及防止硅材料劣化。
能量储存设备优选地还包括传输部分，该传输部分用于在由测量部分测量的内部压力变化率达到或超过规定阈值或者开始上升时传输信号。包括这样的传输部分的能量储存设备在正常时间允许用户在信号被传输时完成对该设备的放电和充电，从而使用相对不容易劣化的碳材料的充放电，使得该设备能够实现长寿命。
硅材料在碳材料和硅材料的总量中的比例按质量计优选为10％或以下。在这种情况下，可以在正常使用中确保足够的放电容量，并且准确地检测出放电的完成时间。
能量储存设备优选地还包括第一显示部分，该第一显示部分用于在由测量部分测量的内部压力变化率达到或超过规定阈值或者开始上升时，基于来自传输部分的信号来显示能量储存装置的降低的充电率。包括这种第一显示部分的能量储存设备在正常时间允许用户在信息被显示时完成对该设备的放电和充电，从而使用相对不容易劣化的碳材料的充放电，使得该设备能够实现长寿命。
能量储存设备优选地还包括第二显示部分，该第二显示部分用于基于由测量部分测量的内部压力变化率或来自传输部分的信号在能量储存装置的放电期间显示关于放电主要是通过碳材料的放电反应进行还是通过硅材料的放电反应进行的信息。包括这样的第二显示部分的能量储存设备例如在正常时间允许用户重复使用相对不容易劣化的碳材料的充放电，从而使得该设备能够实现长寿命。
能量储存设备优选地还包括第三显示部分，该第三显示部分用于基于来自传输部分的信号显示由测量部分测量的内部压力变化率和从内部压力变化率得出的能量储存装置的充电率中的至少一者。包括这样的第三显示部分的能量储存设备允许用户确认内部压力变化率或充电率，因此例如在正常时间在相对不容易使该设备劣化的内部压力变化率或充电率的范围内使用能量储存设备，从而使得该设备能够实现长寿命。
本发明的另一个方面是一种使用能量储存设备的方法，该方法包括：在测量能量储存装置的内部压力变化率的同时进行放电。根据该使用方法，在测量内部压力变化率的同时进行放电，以使得用户能够例如在内部压力变化率上升时(即，在允许主要通过碳材料进行放电反应的阶段完成时)停止对设备的放电和充电。另外，即使重复进行充放电，内部压力变化率的变化趋势也不太可能变化，因此，即使在使用能量储存设备进行重复的充放电之后，也能够适当地判定允许主要通过碳材料进行放电反应的阶段何时完成。因此，该使用方法允许适当地控制对循环寿命性能不足的硅材料的使用，并实现能量储存设备的长寿命。
＜能量储存设备＞
图1中的能量储存设备10包括能量储存装置11、测量部分12、传输部分13和显示部分14。
(能量储存装置11)
能量储存装置11是包括正电极、负电极和非水电解质的非水电解质能量储存装置。在下文中，非水电解质二次电池被描述作为能量储存装置11的一个示例。正电极和负电极通常通过将正电极和负电极层叠或卷绕(其中，隔膜插设在正电极和负电极之间)而形成交替层叠的电极组件。该电极组件被容置在填充有非水电解质的壳体中。非水电解质插设在正电极和负电极之间。视情况，例如，可以使用通常用作二次电池的壳体的已知的金属壳体和树脂壳体。
(正电极)
正电极包括正极基板和正极活性材料层，该正极活性材料层直接设置在正极基板上，或者通过插设在正极活性材料层和正极基板之间的中间层设置在正极基板上。
正极基板具有导电性。用于基板的材料是金属，诸如铝、钛、钽和不锈钢或其合金。在这些材料中，为了实现电位电阻、导电性水平和成本之间的平衡，优选铝和铝合金。箔和沉积膜被列举为正极基板的形式；并且，就成本而言，优选箔。即，优选铝箔作为正极基板。铝和铝合金的示例包括JIS-H-4000(2014)中规定的A1085P和A3003P。
中间层是覆盖正极基板的表面的覆盖层，并且包括导电颗粒诸如碳颗粒，以减小正极基板与正极活性材料层之间的接触电阻。中间层的构成不受特别的限制，并且中间层可以由包含例如树脂粘合剂和导电颗粒的组合物形成。具有“导电性”是指具有根据JIS-H-0505(1975)测量的107Ω·cm或以下的体积电阻率，术语“非导电性”是指具有大于107Ω·cm的体积电阻率。
正极活性材料层由包含正极活性材料的所谓的正极复合材料形成。形成正极活性材料层的正极复合材料根据需要包含可选的成分，诸如导电剂、粘合剂(黏合剂)、增稠剂或填充剂。
正极活性材料的示例包括以LixMOy(M表示至少一种过渡金属)(诸如具有α-NaFeO2层状晶体结构的LixCoO2、LixNiO2、LixMnO3、LixNiαCo(1-α)O2和LixNiαMnβCo(1-α-β)O2以及具有尖晶石晶体结构的LixMn2O4和LixNiαMn(2-α)O4)为代表的复合氧化物以及以LiwMex(XOy)z(Me表示至少一种过渡金属，X表示例如P、Si、B或V)(诸如LiFePO4、LiMnPO4、LiNiPO4、LiCoPO4、Li3V2(PO4)3、Li2MnSiO4和Li2CoPO4F)为代表的聚阴离子化合物。这些化合物中的元素或聚阴离子可以部分地被另一种元素或阴离子种类取代。对于正极活性材料层，这些化合物可以单独使用或者通过将这些化合物中的两种或更多种化合物混合来使用。
导电剂不受特别的限制，只要它不会不利地影响能量储存装置的性能的导电材料即可。这种导电剂的示例包括：天然或人造石墨；炭黑，诸如炉黑、乙炔黑和科琴黑；金属；以及导电陶瓷。导电剂的形式是例如粉末或纤维。
粘合剂(黏合剂)的示例包括：热塑性树脂，诸如氟树脂(例如，聚四氟乙烯(PTFE)和聚偏二氟乙烯(PVDF))、聚乙烯、聚丙烯、聚丙烯酸和聚酰亚胺；弹性体，诸如乙烯-丙烯-二烯橡胶(EPDM)、磺化的EPDM、丁苯橡胶(SBR)和氟橡胶；无机盐，诸如碱金属硅酸盐和磷酸盐；以及多糖聚合物。
增稠剂的示例包括多糖聚合物，诸如羧甲基纤维素(CMC)和甲基纤维素。当增稠剂具有可与锂反应的官能团时，优选通过例如预先甲基化使官能团失活。
填充剂不受特别的限制，只要它不会对电池性能产生不利影响即可。填充剂的主要成分的示例包括聚烯烃，诸如聚丙烯和聚乙烯、二氧化硅、氧化铝、沸石、玻璃和碳。
(负电极)
负电极包括负极基板和负极活性材料层，该负极活性材料层直接设置在负极基板上，或者通过插设在负极活性材料层和负极基板之间的中间层设置在负极基板上。该中间层的结构可以与正电极中的中间层的结构相同。
负极基板的结构可以与正极基板的结构相同。然而，用于负极基板的材料是金属，诸如铜、镍、不锈钢和镀镍钢或其合金，并且优选铜或铜合金。即，优选铜箔作为负极基板。铜箔的示例包括压延铜箔和电解铜箔。
负极活性材料层由包含负极活性材料的所谓的负极复合材料形成。形成负极活性材料层的负极复合材料根据需要包含可选的成分，诸如导电剂、粘合剂(黏合剂)、增稠剂或填充剂。关于可选的成分诸如导电剂、黏合剂、增稠剂或填充剂，可以使用与正极活性材料层中相同的成分。
负极活性材料包含碳材料和硅材料。即，负极活性材料是碳材料与硅材料的混合物。通常，将颗粒状碳材料和颗粒状硅材料混合使用。
碳材料的示例包括石墨和非石墨碳。非石墨碳的示例包括不可石墨化碳和可石墨化碳。优选石墨作为碳材料。“石墨”是指晶格面(002)之间的平均距离(d002)小于0.340nm的碳材料，该晶格面通过广角的X射线衍射来确定。“非石墨碳”是指晶格面(002)之间的平均距离(d002)为0.340nm或以上的碳材料，该晶格面通过广角的X射线衍射来确定。
硅材料是元素物质或包含硅作为构成元素的化合物，诸如元素硅、氧化硅或硅合金。氧化硅通常是以SiOx(0＜x＜2)为代表的硅的氧化物。对于氧化硅，还可以使用例如包含活性原子硅的颗粒、包含氧化硅的颗粒以及覆盖氧化硅和预先掺杂有锂的氧化硅的碳材料。硅合金的示例包括硅与过渡金属的合金，诸如Ni-Si和Co-Si以及Si-C合金。优选氧化硅作为硅材料。
相对于碳材料和硅材料的总含量，硅材料的含量的下限例如按质量计优选为1％，按质量计更优选为3％，按质量计进一步优选为5％。通过使硅材料的含量为下限以上，可以充分增加能量储存装置11的充放电容量。此外，通过用于例如紧急情况的硅材料的放电反应，还可以确保足够的放电容量。另一方面，硅材料的含量的上限按质量计优选为30％，按质量计更优选为20％，按质量计进一步优选为10％。通过使硅材料的含量为上限以下，可以增加碳材料的含量，并且因此确保用于正常使用的足够的放电容量。此外，由于负极中的主放电反应从通过碳材料进行切换为通过硅材料进行时的时间是剩余容量低的时间，所以能够准确地检测出放电的完成时间。
图3中的(b)与图3中的(c)的比较结果表明：当氧化硅的含量按质量计为10％时(图3中的(c))，基于石墨的放电容量约占50％，而当氧化硅的含量按质量计为5％时(图3中的(b))，基于石墨的放电容量约占70％。在此，通常允许例如电动载具消耗额定容量的仅约70％的电量，并且当电量低于约30％时给载具供电。同样在电子装置诸如通信终端的情况下，通常也在电量低于约30％时预先对电子装置进行充电。因此，基于用于在正常时间使用的碳材料的放电容量可以为约70％。考虑到这种情况，相对于碳材料和硅材料的总含量，硅材料的含量的上限可以按质量计为8％或6％。
负极活性材料层还可以包含除了碳材料和硅材料以外的负极活性材料。负极活性材料中的碳材料和硅材料的总含量的下限按质量计优选为90％，按质量计更优选为99％。负极活性材料可以基本上仅由碳材料和硅材料形成。通过降低其他负极活性材料的含量比率，可以准确地检测出内部压力变化率的变化的时刻。
负极复合材料(负极活性材料层)还可以包含：典型的非金属元素，诸如B、N、P、F、Cl、Br或I；典型的金属元素，诸如Li、Na、Mg、Al、K、Ca、Zn、Ga或Ge；或者过渡金属元素，诸如Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Mo、Zr、Ta、Hf、Nb或W。
(隔膜)
用于隔膜的材料是例如织造织物、非织造织物和多孔树脂膜。在这些材料中，从强度的观点出发，优选多孔树脂膜；并且，从对非水电解质的液体保持特性的观点出发，优选非织造织物。从强度的观点出发，隔膜的主要成分优选为聚烯烃，诸如聚乙烯或聚丙烯；并且，从耐氧化分解的观点出发，隔膜的主要成分优选为例如聚酰亚胺或芳族聚酰胺。替代性地，可以将这些树脂制成复合材料。同时，也可以使用层叠有树脂制的基板和基板的表面上的无机层的隔膜。
(非水电解质)
非水电解质包含非水溶剂和溶解在非水溶剂中的电解质盐。非水电解质还可以包含另一种添加剂。
作为非水溶剂，可以使用通常用于能量储存装置的一般非水电解质的非水溶剂的公知的非水溶剂。非水溶剂的示例包括：环状碳酸酯、链状碳酸酯、酯、醚、酰胺、砜、内酯和腈。
环状碳酸酯的示例包括：碳酸亚乙酯(EC)、碳酸亚丙酯(PC)、碳酸亚丁酯(BC)、碳酸亚乙烯酯(VC)、碳酸乙烯基亚乙酯(VEC)、碳酸氯亚乙酯、碳酸氟亚乙酯(FEC)、碳酸二氟亚乙酯(DFEC)、碳酸苯乙烯、碳酸邻苯二酚、碳酸1-苯基亚乙烯基酯、以及碳酸1，2-二苯基亚乙烯基酯。
碳酸链的示例包括碳酸二乙酯(DEC)、碳酸二甲酯(DMC)、碳酸乙基甲基酯(EMC)和碳酸二苯酯。
作为电解质盐，可以使用通常用于能量储存装置的一般非水电解质的电解质盐的公知的电解质盐。电解质盐的示例包括：锂盐、钠盐、钾盐、镁盐和鎓盐。优选锂盐。
锂盐的示例包括：无机锂盐，诸如LiPF6、LiPO2F2、LiBF4、LiClO4和LiN(SO2F)2；以及具有氟代烃基的锂盐，诸如LiSO3CF3、LiN(SO2CF3)2、LiN(SO2C2F5)2、LiN(SO2CF3)(SO2C4F9)、LiC(SO2CF3)3和LiC(SO2C2F5)3。
(测量部分12)
测量部分12包括压力传感器15、电流传感器16和计算部分17。压力传感器15和电流传感器16连接到计算部分17。
压力传感器15例如根据与充放电相关联的负电极的膨胀和收缩以及内部压力的变化量来检测内部压力(从能量储存装置11的内部向外施加的压力)。压力传感器15以及能量储存装置11被设置在一对约束板18a和18b之间。一对约束板18a和18b约束能量储存装置11，以防止能量储存装置11沿着能量储存装置11的厚度(图1中的水平线)膨胀。即，约束板18a和18b之间的间隔被固定处于一定距离，以便不会变宽。压力传感器15被夹在能量储存装置11与这一对约束板中的一个约束板(本实施例中为约束板18b)之间。
关于压力传感器15，可以使用例如公知的传感器，该公知的传感器通过膜片(例如，不锈钢膜片和硅膜片)通过压敏装置测量压力，将压力转换成电信号，并输出该信号。所检测到的压力信号被传输到计算部分17。
电流传感器16连接在能量储存装置11的输出端子与能量储存装置的负载(未示出)之间。电流传感器16能够测量能量储存装置11的充电电流量和放电电流量。
计算部分17从压力传感器15接收涉及能量储存装置11的内部压力的量的信号，并且从电流传感器16接收涉及能量储存装置11的充电电流的量和放电电流的量的信号。计算部分17根据充电电流的量和放电电流的量计算例如能量储存装置11的充电量(剩余电量)。计算部分17记录例如随时间变化的内部压力的值和充电量，并根据内部压力的值和充电量的变化量计算内部压力变化率。此外，计算部分17还能够基于例如内部压力变化率来计算能量储存装置11的充电率。充电率的计算还可以考虑例如充电量以及内部压力变化率来计算。计算部分17将计算出的内部压力变化率和充电率输出，该计算出的内部压力变化率和充电率被传输到传输部分13。因此，测量部分12能够测量内部压力变化率。
此外，计算部分17能够在放电期间基于计算出的内部压力变化率来确定放电主要是通过碳材料进行还是通过硅材料进行。具体地，当内部压力变化率处于或低于规定阈值时，计算部分能够确定放电主要是通过碳材料的放电反应进行，并且当内部压力变化率高于或等于规定阈值时，计算部分能够确定放电主要是通过硅材料的放电反应进行。该阈值将作为用于确定放电是通过碳材料还是通过硅材料的放电反应进行的基准，并且该阈值受例如碳材料和硅材料的类型以及它们之间的混合比率的影响，并且可以预先根据例如能量储存装置11的类型来设置。
例如，在图3中的(b)中，阶段(α)中的内部压力变化率为0.12MPa/100mAh，阶段(α)允许碳材料(石墨)主要进行其放电反应，并且阶段(β)中的内部压力变化率为0.25MPa/100mAh，阶段(β)允许硅材料(氧化硅)主要进行其放电反应。在图3中的(c)中，阶段(α)中的内部压力变化率为0.14MPa/100mAh，并且阶段(β)中的内部压力变化率为0.40MPa/100mAh。因此，当使用这种能量储存装置时，可以将阈值设置为例如0.2MPa/100mAh。将作为确定基准的阈值可以被适当地改变，并且可以考虑参数诸如温度而是可变的。替代性地，计算部分可以被设置为确定内部压力变化率从满充电的值升高规定值或以上的点，作为主放电被切换到通过硅材料进行的点。计算部分17输出该确定结果，该确定结果被传输到传输部分13。
传输部分13例如在由测量部分12测量到的内部压力变化率达到或超过规定阈值时传输信号。该信号是指示内部压力变化率已经达到或超过规定阈值(换句话说，能量储存装置11的充电率降低)的信号。该信号被传输到显示部分14。阈值可以与作为计算部分17的确定基准的阈值相同。阈值可以根据例如能量储存装置11的类型被预先设置，可以适当地改变，并且可以考虑参数诸如温度而是可变的。传输部分13可以被设计为当内部压力变化率开始上升时传输信号。该信号是指示内部压力变化率已经开始上升(换句话说，能量储存装置11的充电率降低)的信号。然而，例如，在图3中的(b)和图3中的(c)的阶段(α)中，内部压力变化率有些变化。因此，例如，可以将内部压力变化率从初始值上升规定值或以上的点设置为内部压力变化率开始上升的点。
传输部分13传输涉及由测量部分12测量到的内部压力变化率和充电率的值的信号，以及涉及由计算部分17确定并指示放电主要通过碳材料还是硅材料进行的确定结果的信号。这些信号也被传输到显示部分14。
计算部分17和传输部分13可以被配置为包括计算机和计算机程序。计算部分17和传输部分13可以被配置为包括处理器，该处理器的一部分或全部由半导体芯片形成。计算部分17和传输部分13可以是集成部件或分开的不同部件。
(显示部分14)
显示部分14基于来自传输部分13的信号显示例如降低的充电率。具体地，显示部分14能够显示关于内部压力变化率、充电率、主要放电反应是通过碳材料还是硅材料的放电反应进行、以及已经由计算部分17计算出的降低的充电率的信息。
内部压力变化率和充电率的显示可以是数值本身的数字显示或模拟显示。替代性地，可以仅显示指示内部压力变化率已经达到或超过规定值或者充电率已经降低到或变得低于规定值的信息。
例如，可以通过提供用于“碳材料”和“硅材料”的灯并使进行主要放电反应的任一材料的灯闪烁的显示方法来显示关于主要放电是通过碳材料还是硅材料的放电反应进行的信息。例如，还可以通过当充电率降低时使灯闪烁的显示方法来显示关于降低的充电率的信息。
显示部分14可以被配置为显示除了这些信息段之外的信息段。例如，显示部分可以被配置为在能量储存装置11的内部压力达到或超过规定值时显示警告。显示部分14可以应用传统上已知的显示装置。能量储存设备还可以被配置为包括与每个显示器一起或者代替显示部分14的警报，该警报通过声音或语音通知用户信息。
＜使用方法＞
在下文中，根据本发明的一个实施例的使用能量储存设备的方法被描述为使用图1中的能量储存设备10的方法。
使用根据本发明的一个实施例的能量储存设备10的方法包括：在测量能量储存装置11的内部压力变化率的同时进行放电。此外，使用方法还可以包括：当内部压力变化率达到或超过规定值时对设备进行充电。
能量储存装置11的内部压力变化率由测量部分12自动测量。当内部压力变化率随着放电的进行而达到或超过规定值或开始上升时，显示部分14基于来自传输部分13的信号显示能量储存装置11的降低的充电率。此外，当内部压力变化率达到或超过规定值或开始上升时，显示部分14对指示放电主要通过硅材料的放电反应进行的信息进行显示。此外，显示部分14还能够显示内部压力变化率和充电率。
基于显示在显示部分14上的这些信息段，用户能够停止对设备的放电和充电。例如，当在内部压力变化率达到或超过规定值并且显示器指示放电主要通过硅材料的放电反应进行的时刻对能量储存设备进行充电时，可以使用基本上使用仅碳材料的放电反应的能量储存设备11。这种方式约束了在正常时间使用硅材料，并且能够实现能量储存设备的长寿命。另一方面，当内部压力变化率达到或超过规定值但仍然需要放电时，可以使用硅材料的放电来继续放电。例如，对于包括能量储存设备10作为其电源的电动载具，当内部压力变化率达到或超过规定值但在附近没有发现充电站时，可以使用硅材料的放电反应来持续驱动该载具。因此，在正常时间仅主要重复使用碳材料的放电反应，并且仅在例如紧急时刻或紧急情况下才使用硅材料的放电反应，以防止硅材料的劣化，并且因此实现能量储存设备的长寿命。即使当硅材料的含量相对低于碳材料的含量时，具有每体积和质量大容量的硅材料也能够在紧急情况下具有足够的放电量。
在一定程度上，即使在正常时间也可以重复使用硅材料的放电反应。因此，硅材料的放电反应部分地用于正常放电，以增加在正常时间可以使用的电量。通过约束在正常使用中容易劣化的硅材料的使用范围，防止了整个硅材料的劣化。例如，通过重复使用基本上所有的碳材料和一部分硅材料，可以增加放电容量并实现能量储存设备的长寿命。当使用在硅材料之间在充放电期间具有大的膨胀和收缩的元素硅时，这种使用方法更有效地起作用。
在能量储存设备10中，压力传感器15还测量能量储存装置11本身的内部压力。因此，当由于例如生产气体或热量引起内部压力异常上升时，可以检测内部压力的上升。因此，能量储存设备10也能够提高安全性。在能量储存设备10中，也可以在充电期间测量内部压力变化率等。
＜其他实施方式＞
本发明不限于上述实施例，并且不仅可以通过上述方面，而且可以通过具有各种变化和改进的方面来实施本发明。例如，在以上实施方式中能量储存装置主要被描述为非水电解质二次电池。然而，可以应用另一种能量储存装置。其他能量储存装置的示例包括电容器(双电层电容器或锂离子电容器)和包括水作为电解质的能量储存装置。
在图1的能量储存装置10中，压力传感器15被设置在能量储存装置11外部。然而，如图2所示，压力传感器23可以被设置在能量储存装置22内部。能量储存设备22内部的压力传感器23的设置地点不受特别的限制，但优选在中心部分中。压力传感器23被设置在能量储存装置22内部的中心部分中，以在能够有效地检测压力变化的同时抑制对充放电的影响。中心部分的示例包括在卷绕电极组件的中心轴线上的壳体与电极组件之间的间隙以及电极组件中的中心部分。压力传感器23可以被设置成覆盖电极组件的整个表面。如图1和图2所示，为每个能量储存装置设置压力传感器能够以高精度监测每个能量储存装置的状态。
在图1的能量储存设备10中，显示部分14显示关于内部压力变化率、充电率、主要放电反应是通过碳材料还是氧化硅的放电反应进行、以及降低的充电率的信息。然而，显示部分可以仅显示这些信息段中的一部分。计算部分17不必计算所有这些信息段，并且传输部分13也不必传输涉及这些信息段的所有信号。能量储存设备可以被设计为根据例如使用目的适当选择仅必要信息进行计算和显示。
工业实用性
本发明适用于用作例如电子装置和载具的电源的能量储存设备以及使用该能量储存设备的方法。特别地，本发明可以被适当地用于载具诸如电动载具(EV)、混合动力载具(HEV)、插电式混合动力载具(PHEV)的电源以及该电源的方法。
附图标记说明
10：能量储存设备
11、22：能量储存装置
12：测量部分
13：传输部分
14：显示部分
15、23：压力传感器
16：电流传感器
17：计算部分
18a、18b：约束板。

Claims (4)

1.一种能量储存设备，包括：
能量储存装置，其包括负电极，所述负电极包含碳材料和硅材料；以及
测量部分，其用于测量所述能量储存装置的内部压力变化率。
2.根据权利要求1所述的能量储存设备，还包括：传输部分，其用于当由所述测量部分测量到的所述内部压力变化率达到或超过规定阈值或开始上升时传输信号。
3.根据权利要求1或2所述的能量储存设备，其中，
在所述碳材料和所述硅材料的总量中，所述硅材料的比例按质量计为10％或以下。
4.一种使用根据权利要求1至3中任一项所述的能量储存设备的方法，所述方法包括：在测量所述能量储存装置的内部压力变化率的同时进行放电。
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