[发明专利]碱性电池操作方法

说明书

发明人：Tal Sholklapper，Joshua Gallaway，Daniel Steingart，Nilesh Ingale，和Michael Nyce

相关申请的交叉引用

本申请要求2012年2月21日提交的美国临时专利申请61/601,067的优先权，该美国临时专利申请在此通过引用的方式被并入。

政府支持声明

在此所描述和要求权利的本发明部分地利用了美国能源部合同号DE-AR0000150提供的资金来完成。美国政府对本发明具有一定的权利。

技术领域

本发明一般涉及电池再充电的方法，并且更具体地，涉及确定二次和一次碱性电池两者的最优充放电条件的方法。

背景技术

大多数商业碱性电池是一次使用的，这意味着单次放电后，他们被处理和更换。众多商业制造商以低成本大量生产一次碱性电池。不可再充电的或一次电池(如碱性和碳-锌型)构成每年出售的干电池的80％。虽然一次电池最初可能花费较少，但是与可再充电的电池(其可使用数十至数百倍次数)相比需要更频繁地更换它们，这一需求最终使花费更多。碱性电池包含二氧化锰、石墨、钢和锌。由于回收非可再充电电池的成本超过了可再生的材料的价值，因此必须收费以使其回收在经济上可行。不幸的是，尽管社会和政府努力，许多一次电池仍结束于垃圾填埋场。

每年，在美国超过30亿一次家用电池被购买。其中许多含有重金属，如镉、铅、锂、汞、镍、银和锌。如果处理不当，掩埋于垃圾填埋场，或焚烧，这些电池能通过渗入到地表水或地下水中或逸入空气和土壤中而损害环境。

基于电池技术公司(Battery Technologies Inc.)开发的技术(参见，例如，美国专利号US4957827、US5204195、US5281497、US5336571、US5340666、US5346783和US5424145)，可再充电碱性电池近来进入市场。该技术由纯能量(Pure Engergy)、Grandcell、EnviroCell和Rayovac等商业化。然而，可再充电碱性电池的电池循环寿命是有限的，这部分是由于商业应用中采用的高深度放电而引起的，该高深度放电导致对电池的电化学成分的不可逆变化。此外，制造商制造专有充电器以用于其可再充电碱性电池，想要改善循环性能(参见，例如，美国专利号US4977364、US8153300和US7718305)，并仅以小形状因子提供。一般，消费者可预期其可再充电碱性电池持续数十个至几百个循环。这些限制阻碍可再充电碱性电池获得主流接纳；家用电池市场仍然由一次电池支配。

目前，由于酸泄漏、火灾和爆炸的危险，制造商不推荐对一次电池进行再充电。但是，如果可以找到安全且便宜地对一次电池再充电的方法，其将可以反复使用，从而减少需要回收的电池的数量。

存在建立二次和一次碱性电池的达到最大循环寿命的最优操作参数的长久需要。除了充电条件之外，能够控制电池操作放电条件也会是特别有用的，以便防止由过度放电引起的不可逆的变化。

附图说明

当结合附图阅读时，本领域技术人员从以下示例性实施例的描述中将容易理解以上方面及其他方面。

图1是描述如何定义电池操作条件的框图。

图2是示出示例中所讨论的当电池随时间(小时)循环时的电池电位的图。

图3是示出示例中讨论的电池的作为循环数的函数的库仑和能量效率的图。

图4A是示出示例中讨论的电池的作为循环数的函数的能量的图。

图4B是示出示例中讨论的电池的作为循环数的函数的EIS的图。

图5A是描述糊式Zn-MnO₂碱性电池的操作规程(protocol)的框图。

图5B是示出示例中讨论的电池的作为循环数的函数的充放电能量的图。

图6A是描述具有流动电解质的Zn-MnO₂碱性电池的操作规程的框图。

图6B是示出示例中讨论的电池的作为循环数的函数的充放电容量的图。

发明内容

公开了一种新颖的、新的操作碱性电池的方法。该方法包括：测量电池的欧姆阻抗R和非欧姆阻抗β，以及采用下式确定具有电压最大值V_max、电压最小值V_min的初始电压操作窗口：

V_{max operation}＝V_max+I＊R+β