[发明专利]由阳极受限的电化学电池构成的高电压蓄电池

说明书

技术领域

本申请案主张2012年3月19日提出申请的第13/423,430号美国申请案的优先权权益，所述美国申请案是2011年7月19日提出申请的第13/186,226号美国申请案的部分接续案。两个申请案13/423,430及13/186,226特此以全文引用的方式并入。

本发明涉及电化学电池的系综，且明确地说涉及混合能量存储装置。

背景技术

小型可再生能量采集及发电技术(例如太阳能电池阵列、风力涡轮机、微型斯特林发动机及固体氧化物燃料电池)正在激增，且存在对中等大小的二次(可再充电)能量存储能力的相当强烈的需求。用于这些固定应用的能量存储蓄电池通常存储介于1kWh与50kWh之间的能量(取决于所述应用)且历史上是基于铅酸(Pb酸)化学应用。所述蓄电池通常包括串联及并联连接的若干个个别电池以获得所要系统容量及总线电压。

对于车辆及固定存储应用，取决于应用，使蓄电池具有几百或几千伏特的总线电压是常见的。在其中许多单元串联电连接的这些情形中，通常存在对这些电池尽可能地彼此类似的固有需求。在电池不够类似的情况下，通常需要电池电平监视及控制电路。如果电池串中的某一组电池具有比同一串中的其它组电池低的电荷容量，那么较低容量电池在所述串的完全放电或充电期间将达到过充电/欠充电条件。这些较低容量电池将是不稳定的(通常由电解质腐蚀反应所致)，从而导致蓄电池的减小的寿命性能。此效应在许多蓄电池化学应用中是常见的且主要见于Li离子蓄电池及超级电容器包中。在这些系统中，如果不将电池制成为严格的(且昂贵的)精确的，那么需要贵重且复杂的电池电平管理系统。

发明内容

实施例涉及一种电化学存储装置，所述电化学存储装置包含串联电连接的多个电化学电池。每一电池包含阳极(负)电极、阴极(正)电极及含水电解质。所述阳极电极的电荷存储容量小于所述阴极的电荷存储容量。

另一实施例涉及一种操作电化学能量存储装置的方法。所述方法包含对串联电连接的多个含水电解质电化学电池进行充电。当在对多个电池中的至少一者进行充电时超过所述至少一个电池的阳极电极的电荷存储容量时，所述含水电解质中的水在所述至少一个电池的所述阳极电极处电解以形成氢及OH^-物质。

附图说明

图1图解说明根据实施例的电化学电池。

图2是根据本发明的实施例的电化学电池的示意性图解。所述电化学电池可以双极或棱镜堆叠配置堆叠。

图3是根据本发明的实施例的包括电化学电池的双极堆叠的电化学装置的示意性图解。

图4A图解说明根据实施例的电化学能量存储系统。

图4B图解说明根据另一实施例的电化学能量存储系统。

图5是作为充电/放电循环的函数的蓄电池容量的曲线图。

图6A是电池电位(以伏特为单位)对能量(对于电极活性碳材料，以Wh/kg为单位，或对于阳极电极体积，以Wh/liter为单位)的曲线图。

图6B是电池电位(以伏特为单位)对比容量(以mAH/g为单位)的曲线图。

图6C是现有技术电池的能量密度对功率密度的Ragone曲线图。

图7A是经活化碳阳极的阳极比电容(以F/g为单位)对电极电位(以伏特对SME为单位)的曲线图。

图7B是具有添加到阳极表面的氢氧化镍氢存储材料的经活化碳阳极的阳极比电容(以F/g为单位)对电极电位(以伏特对SME为单位)的曲线图。

具体实施方式

具有在不牺牲所述包的完整性的情况下可借助具有较高电池间电荷存储容量变化的电池进行构建的蓄电池将是非常有用的。发明者已发现能够在过充电后即刻使用内部电化学反应来自我调节的含水电解质电化学电池。此自我调节允许高电压电池串经制造具有电池间电荷容量变化的高公差。优选地，但非必需地，所述系统缺少电池电平电压监视及电流控制电路(还称为电池电平蓄电池管理系统或BMS)。因此，不能监视或控制电池电平电压。

在不受任何特定理论约束的情况下，发明者相信自我调节机制是含水电解质发生于阳极电极处的局部电解。当发生电解时，产生小量的氢连同OH^-物质。OH^-物质在局部增加pH，借此将紧邻阳极的电解质的电压稳定窗推到较低值。随后，此消除氢的继续析出。