[发明专利]电源

说明书

技术领域

本发明涉及包括原电池(primary cell)的电源，其被配置为在极长的持续时间中输送连续的原电池电流。本发明进一步旨在提供具有发明的电源的自主(autonomous)设备。

背景技术

需要连续且很低电平的电功率的自主设备通常提供有诸如电池的内部电功率源，以供应需要的功率。有时选择电池的存储和放电属性以适于该设备，这样的电池在变耗尽之前并不会总是提供期望的电流或功率量。这使得难以保证功率源的可靠持续时间。有时可能超额地指定(over-specified)电池以尝试缓解这种情况，这样的解决方案不够理想，并且不能总是解决该问题。

本发明的一个目标是改进可靠性和/或增加这类电源的持续时间，以减少以此来供电的自主设备所需要的干预。

发明内容

根据各方面中的一个，本发明提供了一种电源，其包括适于提供原电池电流的原电池。该原电池包括与电解质接触的活性金属阳极和阴极集流器，由此，作为阳极和电解质之间的化学反应的结果，在阳极的表面上形成钝化层。为了保证钝化层在原电池的寿命内基本上保持不受影响，所述电源还包括限流器，该限流器被配置为防止原电池电流的幅值超过原电流阈值。该阈值对应于最大原电流密度，其低于钝化层开始分解(break down)的电流密度。如这里所使用，术语“原电流密度”将被理解为在阳极的每单位表面积上的原电池电流。

在根据本发明的电源的一个例子中，原电池是液体阴极锂电池，例如具有锂阳极、碳阴极集流器和电解质的锂亚硫酰氯电池，该电解质包括亚硫酰氯中的四氯铝酸锂的溶液。典型地，电池还将包括多孔隔离器，例如，无纺玻璃纤维材料层，其将锂阳极从碳阴极物理和电隔离开，但它允许离子经电解质迁移。在制造过程中，所述电池被充满电解质溶液，并且在接触时，锂阳极与电解质发生反应，并且在阳极上形成氯化铝的钝化层。没有该钝化层，这类锂电池不能用作能量存储设备，因为锂将自放电、并很快降级(degrade)。因此，钝化层允许电池具有很低的自放电率和很长的搁置寿命(shelf life)。

当电池被置于电路中并汲取电流时，电池放电。在非常低的放电率下，例如，在电流密度为5-10μA/cm²时，钝化层保持基本上不受影响，由此通过锂离子经钝化层向阴极的迁移来使能电池操作。随着放电率的增加，钝化层的孔隙率(porosity)也增加，允许更大的离子流和更高的功率输出。汲取的电流越高，电流密度也变得越高，直到原子力变得如此大以致于钝化层的部分被撕裂。这被认为发生在电流密度大于100μA/cm²的时候。如果电流密度然后降低到较低的电平，钝化层开始重建，但钝化层的重建需要能量，并且发生时会损失电池容量。发明人相信，即使是超过原电流阈值的电流尖峰(spike)也能将钝化层损坏到如下程度，即在损害被修复时引起电池容量损失的程度。

此外，如所提到，钝化层使自放电最小化。已经发现，在钝化层缺失或部分缺失时自放电率增加，即使是在从电池汲取连续的低电流的时候。

因此，根据本发明的电源中的限流器被配置为将原电池电流保持在原电流阈值以下，该原电流阈值对应于使钝化层保持不被损害的最大电流密度。术语“不被损害”将被理解为在如下含义，即在发明的电源的使用期间不发生钝化层的去钝化。

优选地，原电池电流被限制为对应的10μA/cm²或更小的原电流密度。更为优选地，限流器将电流密度限制为5μA/cm²或更小，以防止钝化层的孔隙率的增加，并在电池一旦置于电流中时防止电池的任何显著的泄露电流。因此，本发明的效果是最小化这样的泄露电流，并防止由受损钝化层的“自修复”带来的电池容量损失。根据本发明的电源因此可以连续为设备供电至少20年，优选地，至少25或30年。

限流器被合适地选择，以保证原电池电流决不(即使在第一操作时也不)超过将引起阳极的去钝化的电平。这与已知的操作例如锂电池的方法相反，在这些方法中，一般在电池进入服务之前实行去钝化过程。这样的过程涉及在一段时间中使电池经受去钝化负载(例如500Ω的电阻)。执行电池去钝化，以抵消电压延迟的问题，该问题是在对应的负载电流密度太高以致不破坏钝化层就无法经过它时、发生在负载的应用与电压响应之间的时间滞后。换句话说，钝化层减慢了电池响应，这在例如需要立即的备用电流的自动防故障设备的情况下可能成为问题。