[发明专利]具有辅助电极的三维二次电池

说明书

发明领域

本发明涉及三维二次电池单元和二次电池以及制造含这些电池单元和电池的这些设备和系统的方法。

发明背景

二次电池是一类可充电电池，其中离子通过电解质在阳极和阴极之间移动。二次电池包括锂离子、钠离子、钾离子电池和锂电池，还有其它类型的电池。二次电池经常由聚集一起以形成电池的许多电池单元形成。二次电池的每个电池单元包含电解质以及至少一个阴极和至少一个阳极。当电池单元聚集在一起以形成电池时，各电池单元的阴极和阳极可电耦合以获得合需的电池容量。

在二次电池单元中，阳极和阴极均包括载体离子插入其中和从中析出的材料。载体离子移动进入阳极或阴极的过程被称为插入。载体离子移动到阳极或阴极之外的相反过程被称为析出。在电池单元放电过程中，载体离子从阳极析出并插入到阴极中。当对电池单元充电时，发生正好相反的过程：载体离子从阴极析出并插入到阳极中。

锂离子电池是一种常见类型的二次电池，其中载体离子是通过电解质在阴极和阳极之间移动的锂离子。锂离子电池单元的优点和难题是其它二次电池单元的优点和难题的范例；下面关于锂离子电池单元的实例是示例性而非限定性的。在锂离子电池单元中，锂离子在放电期间从阳极移动至阴极并在充电时从阴极移动至阳极。锂离子电池是非常合需的能量源，因为其高能量密度、大功率和长的储藏寿命。锂离子电池常见地用于消费电子产品并且是目前便携式电子产品的最常见形式电池的一种，因为锂离子电池具有高的能量-重量比、没有记忆效应并且不用时电荷丢失慢。由于这些优势，锂离子电池在包括汽车、军事和航空应用的很宽范围的场合下具有越来越高的人气。

图1是现有技术的的锂离子电池的横截面。电池15具有阴极集电器10，在阴极集电器10的顶部组装有阴极11。阴极11由分隔体12覆盖，在分隔体12上布置有阳极集电器13和阳极14的组件。分隔体12填充有电解质，该电解质能在阳极和阴极之间传输离子。集电器10、13用来聚集由电池单元15产生的电能并将其连接于其它电池单元和外部设备以使外部设备被供电，并在再充电过程中将电能携带至电池。

对于多数现有的二次电池，在第一次充电后会有总容量的显著下降。例如，在标准锂离子电池中，在第一次充电-放电周期后的总充电容量损失为大约5-15％。此外，多数现有的二次电池在之后的每次充电-放电循环都会损失一部分容量。例如，在标准锂离子电池中，在接下来的每次充电-放电循环后总充电容量损失为大约0.1％。

三维能量电池单元和电池能产生比传统的二维(或平面)装置更高的能量存储和每单位几何面积的回收。三维二次电池另外具有的决定性优势在于，借助例如最小化或减小阳极和阴极之间的电子和离子转移的传输距离而对于存储的特定量的能量提供比平面对应物更高的能量回收率。这些装置更适于小型化并适用于装置可用几何面积有限和能量密度需求高于可通过平面装置获得的场合。三维二次电池单元可以是这样一种电池，其中阳极、阴极和分隔体中的任何一个(或多个)本身是非平面的，且这种非平面组件的实际表面积大于其几何表面积的两倍。在一些情形下，在第三维度上的两高度平面之间的间距应当至少大于x-y平面内的周期数除以2的平方根。例如，对于1cm x 1cm的样本，几何表面积为1cm²。然而，如果样本不是平的而是在深度方向上有一条深度大于1除以2的平方根(或0.707cm)的凹陷，则其实际表面积可以大于2cm²。

美国专利No.5,304,433记载了在铅酸电池中使用参照电极以监视负电极的电压并估计充电状态。在该专利中，参照电极测量电池特定点处的电压并且该值可能并不代表整个电池。此外，电压信号用作充电状态的直接指示。当电池处于使用时，尤其对于高动态曲线，这种方法是成问题的，因为充电状态(SOC)和电压的关系不清楚。

美国专利No.7,373,264记载一种通过基于线性函数关系确定一组参数、系数和导数的初始值并通过最小二乘回归分析这些值而估计动态操作中电池的SOC和健康状态(SOH)的方法。替代地，US 7,321,220的方法可用于估计SOC和SOH。这些方法对于一些电池系统是有效的，但在其它情形下是成问题的。例如，如果电池单元电压对SOC的关系随时间改变，则这些方法无效。另外，当电池电压相对无关于充电状态，就像基于锂离子磷酸盐正极和石墨负极的电池的情形，这些方法表现不佳。

发明内容