[发明专利]具有用于健康状态监视的参考电极的锂可再充电电池

说明书

技术领域

本申请涉及监视充电状态和/或电池的健康状态。更具体地，本申请涉及电池、电池监视系统，以及通过监视充电状态和/或电池健康状态来提高电池性能的方法。

相关申请的交叉参考

本申请要求于2007年9月14日提交的美国专利申请第60/993,802号以及于2007年9月17日提交的美国专利申请第60/994,089号的申请日的利益，其全部内容通过引用结合于此。

背景技术

在许多电池应用中充电状态(SOC)监视是期望或是必要的，电池应用包括例如无线通信装置和膝上型计算机的便携式电子产品、电动工具、电动汽车(包括混合、插电式混合以及全电动汽车)、后备电源系统、例如太阳能或风能收集器或燃料电池或传统燃烧燃料电源的发电装置的能量存储等。电池或形成电池组的电池串可以在SOC的受限制的范围内或包括电池可用的整个容量的宽范围内使用。

准确了解电池的充电状态(SOC)和健康状态(SOH)对于很多应用都是重要的，特别是对于诸如混合式电动汽车(HEV)、插电式混合电力汽车(PHEV)以及电动汽车(EV)的长寿命、高充电或高放电率的应用更是如此。在混合式电动汽车中，因为运行通常不使用SOC的整个范围，而是通常使用以大约50％SOC为中心的SOC范围，例如，大约10-90％或40-60％的SOC，因此尤其希望监视电池的充电状态。如果电池电压随着SOC改变相对很小，或者如果电压在恒定SOC处随时间变化，或者如果发生电压的迟滞现象导致电池电压与充电/放电历史相关，则难以监视SOC和SOH。

存在其中期望相当准确地知道电化学电池中的每个电极的电势的多种情况。在电池中的任一电极处的电势在正常运行时可能承受一些偏移，其使得该电势接近可能导致损害或降低性能或寿命的电势。例如，在正电极处可能具有太高的电势，使得电解液劣化或过充电正活性材料。在锂离子电池的情况下，在负电极处的电势可能太低，导致锂金属电镀。

作为另一在实际电池中需要具体知道电极电势的特定示例，考虑锂离子电池承受高速充电。过高的充电速率或电池的劣化可能导致负电极上的电势降低至低于锂金属的电势，并导致负电极上的锂电镀，这降低了寿命并且可能产生安全问题。然而，如果准确知道负电极上的电势，则电池管理系统能够被设计为在发生显著的锂电镀之前停止电池的充电。

另一准确监视SOC的原因是提高电池的寿命或安全性。一些电池的化学组成在太高的充电电压时变得不安全，以及许多化学物质在非常高或非常低的SOC时劣化的更快。准确的SOC评估因此对于优化系统的安全性或长寿命方面是有用的。

因此，准确地知道每个电极处的电势可能是关键性的。然而，尽管可以容易地测量电池电压，但是电池电压给出的是电势差而不是绝对电势，且其包括各种极化因素，这些极化因素可能在幅度方面在正电极和负电极之间不同，从而使得确定电极电势很困难。诸如HEV的新的性能要求已经带来了更好的SOC/SOH监视的需求。由于不足的稳定性和寿命(例如参考电势的漂移)或不适合的参考电势，已有的诸如锂金属的参考电极可能不适于在上述要求的情况下使用的锂离子电池系统。

发明内容

提供了使用集成在电池中的参考电极的材料、电池设计以及方法，以提供在电池的寿命期上的改进的充电状态(SOC)和健康状态(SOH)监视。提供了具有参考电极的简化电池设计，而不需要电池罐中的额外端口或用于参考电极端子的罩盖。

参考电极通常被用于电化学研究，但是还没有被设计用于监视负电极电势以减少或防止在高速充电时的Li沉积，或者寿命期电池监视。根据一个或多个实施例的包括参考电极的电池和电池系统提供了有用的信息，在功率、充电/放电率、循环寿命和日历寿命方面，所述信息对于满足HEV、PHEV和EV系统具有的操作要求是有用的。

在一个方面，披露了一种电池，包括第一工作电极和第二工作电极，被至少一个隔离物分开，其中所述第一工作电极与第一端子电连接，以及所述第二工作电极与第二端子电连接，一个或多个参考电极，以及罐，其容纳所述工作电极和所述一个或多个参考电极，其中所述罐与所述第一端子和所述第二端子电隔离，以及电连接至所述一个或多个参考电极以提供用于所述一个或多个参考电极的端子。

在一个或多个实施例中，电池是锂离子电池以及工作电极包括能够吸收和释放锂的电活性材料。在一个或多个实施例中，电池包括具有卷绕结构的圆柱形电池。在一个或多个实施例中，电池包括具有卷绕或堆叠结构的棱柱形电池。