[发明专利]用于车辆的金属/氧电池系统及其操作方法

说明书

一种车辆电池系统包括由车辆支持的氧储存器；可操作地连接到氧储存器以及多级压缩机的车辆电池系统堆叠器，所述车辆电池系统堆叠器包括在放电期间消耗来自氧储存器的氧的活性材料；被配置成生成与氧储存器中的气压相关联的气压信号的至少一个传感器；存储器；以及可操作地连接到所述存储器和所述至少一个传感器的处理器，所述处理器被配置成执行被存储在存储器内的程序指令以获得气压信号，以及基于所获得的气压信号来控制车辆电池系统堆叠器的充电的状态。

本申请根据35 U.S.C.§ 119要求在2013年2月21日提交的美国临时申请号61/767,617的优先权，所述申请的公开内容通过引用以其整体并入本文中。

技术领域

本发明涉及电池，并且更特别地涉及基于金属/氧电池。

背景技术

可充电锂离子电池是用于便携式电子设备和电动车辆以及混合电动车辆的有吸引力的能量存储系统，这是因为它们的与其他电化学能量存储设备相比高的比能（specific energy）。如以下更充分地讨论的那样，典型Li离子电池包含负极、正极以及在负极和正极之间的隔膜（separator）区域。两个电极都包含插入或与锂可逆地反应的活性材料。在某些情况下，负极可以包括锂金属，其可以被电化学地溶解并且可逆地沉积。隔膜包含具有锂阳离子的电解质，并且充当在电极之间的物理屏障，使得在电池内没有电极被电连接。

通常，在充电期间，在正极处存在电子的生成，在负极处存在等量的电子的消耗，并且经由外部电路转移这些电子。在理想的电池充电中，在正极处生成这些电子，这是因为经由锂离子的氧化而存在从正极的活性材料的提取，并且在负极处消耗电子，这是因为存在锂离子到负极的活性材料中的还原。在放电期间，发生完全相反的反应。

当在电池中使用诸如金属之类的高比容负极时，相比于常规系统的容量增加的最大益处在也使用高容量正极活性材料时实现。例如，常规的嵌锂氧化物（例如，LiCoO₂，LiNi_0.8Co_0.15Al_0.05O₂，Li_1.1Ni_0.3Co_0.3Mn_0.3O₂）通常限于～280 mAh/g的理论容量（基于锂氧化物的质量）以及180到250 mAh/g的实际容量，这相比于锂金属的比容3863 mAh/g是相当低的。对于Li₂O，锂离子正极可达到的最高理论容量为1794 mAh/g（基于锂化材料的质量）。其他高容量的材料包括BiF₃（303 mAh/g，锂化）、FeF₃（712 mAh/g，锂化）、Zn、Al、Si、Mg、Na、Fe、Ca等。另外，其他负极材料（诸如多金属的合金以及诸如金属氢化物的材料）在与氧反应时也具有高比能。这些配对（couple）中的许多还具有非常高的能量密度。

令人遗憾的是，所有这些材料以与常规的氧化物正极相比更低的电压与锂反应，从而限制了理论比能。尽管如此，理论比能仍然很高（>800Wh /kg，相比于具有锂负极和常规氧化物正极的电池的最大值～500 Wh/kg，其可以使得电动车辆能够以单次充电而接近300英里或更远的范围。

图1描绘了示出使用不同比能的电池组的车辆可达到的范围对电池组的重量的图表10。在图表10中，比能针对整个电池，包括电池包装重量，假设50%的重量增加以用于从特定的电池集合形成电池组。美国能源部已经针对位于车辆内的电池组建立了200 kg的重量限制。因此，只有具有约600 Wh/kg或更大的电池组可以达到300英里的范围。