[发明专利]具有参考电极阵列的锂离子电池

说明书

技术领域

本发明涉及在锂离子蓄电池的至少一个电池中的参考电极的使用，以监测和帮助管理包含电池的蓄电池的充电状态和寿命状态。更具体地，本发明涉及在锂离子蓄电池的电池中具有相同和不同成分的参考电极的使用，以监测电池的充电状态和寿命状态和帮助管理电池的放电和再充电。

背景技术

由于锂离子二次蓄电池的高的能量重量比、没有记忆效应、以及当不使用时的缓慢自放电，所以锂离子二次蓄电池常用于便携式消费电子装置。可再充电的锂离子蓄电池还设计和制造用于机动车辆应用，以便为电动马达提供能量从而驱动车辆的车轮。

锂离子蓄电池可形成为不同的尺寸和形状，但三个常见的功能部件是组成蓄电池中的电池的阳极、阴极和电解质。技术上来讲，放电时的阳极变成充电时的阴极，而放电时的阴极变成充电时的阳极。从这里往下，我们将作为放电时为阳极(负电极)的电极称作阳极，并将作为放电时为阴极(正电极)的电极称作阴极。通常，多孔分隔器用于包含电解质并防止阳极与阴极之间的物理接触(电子导电性接触)。许多电池可布置成串联或并联的电流连接、或它们的任一合适组合，以满足蓄电池设计的电位和功率需求。

锂离子蓄电池通常可通过使锂离子在负电极与正电极之间可逆地经过来进行操作。通常，负电极与正电极位于多微孔的聚合物分隔器的相对侧上，该多微孔的聚合物分隔器与电极一起被适于传导锂离子的电解质溶液浸透。通常，正电极和负电极中的每一个还承载在金属电流收集器上或连接至金属电流收集器，所述金属电流收集器通常为用于阳极的铜和用于阴极的铝。在蓄电池使用期间，与两个电极相关联的电流收集器由可控制的且可中断的外部电路连接，该外部电路允许电子流在电极之间通过，以便对通过各电池的锂离子的相关传递进行电平衡。许多不同的材料可以用于生产锂离子蓄电池的这些不同的部件。但一般地，负电极通常包括掺锂材料或合金基质材料，正电极通常包括能以比负电极处与锂进行反应的电位高的电位与锂进行反应的含锂活性材料，而电解质溶液通常包含在非水溶剂中溶解并离子化的一种或多种锂盐。阳极材料和阴极材料与电解质的接触导致电极之间的电位，并且当允许电子流在放电期间在电极之间的外部电路中自发地流动时，由蓄电池的电池内的电化学反应来维持该电位。

可将锂离子电池或蓄电池、或者关于电流流动连接成串联直流流动或并联流动布置(或者它们的任一合适组合)的多个锂离子蓄电池用于向相关联的负载装置可逆地供应电力。蓄电池系统按照需要向诸如电动马达之类的负载装置输送电力，直到负电极(阳极)的锂含量已经消耗至预定水平时为止。然后，可通过使合适的直流电流在电极间以相反方向经过来对蓄电池进行再充电。

在放电开始时，锂离子蓄电池的负电极包含高浓度的掺杂锂，而正电极则相对耗尽。在这种情况下的负电极与正电极之间闭合的外部电路的建立引起锂从阳极到阴极的传递。阳极被自发地氧化，以产生锂离子和电子。锂离子通过间置的聚合物分隔器的微孔从负电极(阳极)通过离子传导电解质溶液传送至正电极(阴极)，而同时，所释放的电子(在电流收集器的帮助下)通过外部电路从负电极传输到正电极，以通过维持电极中的电荷中性来平衡总的电化学电池。锂离子通过电化学还原反应自发地与阴极材料反应。电子通过外部电路的流动能给负载装置提供电力，直到负电极中添入的锂的水平下降到低于可工作的水平时为止，或者直到对电力的需求停止时为止。

锂离子蓄电池可在其可用容量部分地或完全地放电之后被再充电。为了对锂离子蓄电池充电或再提供电力，将外部电源连接至正电极和负电极以驱动蓄电池放电电化学反应的逆反应。也就是说，在充电期间，氧化正电极内的锂以产生锂阳离子和电子。阳离子穿过分隔器传递至负电极，而电子也通过外部电路行进至负电极。在负电极处，锂阳离子通过电化学还原反应与负电极材料反应，从而使负电极的锂含量提高。总的来说，充电过程降低正电极内的锂含量并提高负电极内的锂含量。