[发明专利]具有用于电压监测的参比电极的电池

说明书

披露了一种具有作为参比电极的第三电极的锂离子电池结构。该参比电极可以由锂金属、锂化的碳、或多种其他含锂电极材料制成。多孔集电器允许参考锂离子从该参比电极渗透到阴极或阳极，从而使得能够在锂离子电池的实际操作下进行电压监测。该参比电极因此并不需要在空间上处在电池阳极与阴极之间，由此避免屏蔽效应。该电池结构包括一个外部参考电路以动态地显示阳极和阴极电压。该电池结构可以引起改进的电池监测、增强的电池安全性、以及延长的电池寿命。

优先权日

本国际专利申请要求于2013年6月20日提交的美国专利申请号13/923,354的优先权，该专利申请特此通过引用以其全部内容结合在此。

发明领域

本发明总体上涉及使得能够在系统操作下准确监测电极电势的电化学系统结构(诸如但不限于锂离子电池)。

发明背景

电化学系统是从化学反应获得电能或通过引入电能来促进化学反应的一种系统。电化学系统通常包括阴极、阳极、以及电解质，并且典型地与多个异构子系统结合，该多个异构子系统存在从纳米到米的多种尺度。这些系统的实例包括燃料电池、电池、以及电镀系统。车辆内的电池或燃料电池的在线表征是困难的，因为环境非常嘈杂。

这类电化学系统的在线表征在许多应用中是希望的，这些应用包括卫星或航空飞行器上的机载电池的实时评价，以及电动车和混合动力车辆的牵引用电池的动态诊断。在许多电池供电系统中，可以通过电化学能量存储系统的智能管理来极大地提高电池的效率。只有在适当诊断电池状态的情况下可能进行管理。

基于锂(Li)的电池(诸如锂离子电池)与其他商业电池相比因其高能量密度而具有吸引力。在计算机、移动电话、以及相关装置中商业地使用锂离子电池。电池寿命经常是市场上的关键因素，特别是对于商业的、军用的、以及航天应用。电池寿命经常是许多航天产品诸如卫星的限制因素。不幸的是，锂离子电池会引起汽车、计算机、移动装置、以及航空器着火。因此，对于动态监测电池状态存在安全需求。

因此，在许多锂离子电池应用中，优选的是定期地或连续地监测电池中电极材料的电化学电势作为它们的充电状态或健康状态的量度。充电状态或健康状态的了解对于高充电率或高放电率应用诸如电动工具和部分或完全电气化的车辆而言可能是重要的。如果，例如，电池的电池单元放电过快或过充电经常导致锂镀在负电极的表面上，则电极材料的电化学电势可能改变且永久地消失。

为了监测电极材料，已将一个参比电极放在电池的一个或多个电池单元中，其方式为便于监测电池单元的正电极和/或负电极中的至少一个或两者的充电状态。连接是从正电极或负电极汲取非常少的电流的高阻抗连接，但相对于参比测量电池电解质中的正电极和/或负电极的电势(电压)。电池中的这些电压值(参比电极对正电极和/或负电极)可以在电池单元充电或放电时获得，并且收集用于计算机分析和控制电池的放电率和充电率。

常规参比电极经常插入在正电极与负电极之间，并且这些参比电极的面积通常保持较小以便于使正电极与负电极之间的电流路径失真的“屏蔽效应”最小化。然而，小的电极面积会导致大的极化电阻，这会潜在地给出不准确的电势读数。其他常规方法涉及将参比电极放在电池中正电极与负电极之间的直流路径外部周围。这些设计的缺点是系统测量电极边缘的电势，这些电势很少代表电极的真实电势。这种失真在高电流密度下进一步扩大。