[发明专利]锂贮存器系统和用于可充电锂离子电池的方法

说明书

本申请为分案申请，其原申请是于2008年12月26日(国际申请日为2007年6月27日)向中国专利局提交的专利申请，申请号为200780024231.4，发明名称为“锂贮存器系统和用于可充电锂离子电池的方法”。

相关申请的交叉引用

本申请是2006年6月28日提交的美国专利申请No.11/477404的部分继续申请，在此通过引用将其全文明确引入。

技术领域

本发明涉及一种补充因电池使用寿命期间的副反应而损失的锂离子电池容量并存储过剩的容量的方法和系统。

背景技术

由于副反应损失了活性材料和/或消耗了电荷，因此在锂离子电池的使用寿命期间，其容量会减小。人们已经通过发现改进的材料来努力降低容量的损失。

由于可充电锂离子电池的能量密度高，倍率容量(rate capability)高，因此它们对于便携式电子装置和混合电动车辆而言可能是有吸引力的能量存储系统。然而，这种电池可能会发生退化，这可能会限制它们的使用寿命。具体而言，可充电锂离子电池可能会出现可用容量的减少(亦即“容量衰退”)和/或电池内阻的增大(亦即“功率衰退”)。这里，容量衰退可能是源于活性材料的退化或损失，或源于因工作电极之一或两者处副反应导致的容量损失，其中，活性材料充当着电池工作电极中的锂离子的基质(host)。

已经有人通过设计其他的现有技术的电池来补偿固体电解质中间相(SEI)形成期间的第一周期的锂损失，这本身又可能是一个副反应。此外，题为“Secondary Lithium-ion Cell with an Auxiliary Electrode”的美国专利No.6335115(在此称为“Meissner的参考文献”)讨论了辅助锂电极的使用，据称该辅助锂电极在电池的整个寿命期间都可以补偿锂损失。具体而言，Meissner的参考文献涉及利用离子隔离和电子隔离来隔离辅助电极和工作电极。根据Meissner的参考文献，离子隔离涉及含锂离子的电解质接触两个工作电极而非辅助电极时电池的取向。可以假设辅助锂电极始终与工作电极之一电接触，但直到通过对电池重新取向来使电解质与工作电极和辅助电极都接触之前，不会发生对耗尽的工作电极进行锂补充的情况。

如Meissner的参考文献所讨论的那样使用辅助锂电极不可能在实践上实现于锂离子电池中，因为电池的设计要求电解质不完全填充隔板和工作电极的细孔。然而，多孔的隔板可能会充当吸液芯(wick)，将电解质传输到隔板接触辅助电极的区域。即使是隔板的该区域的细孔中的残余电解质也会将锂从辅助电极传输到工作电极。锂的转移会一直继续到工作电极和辅助电极电势平衡为止。超过两个工作电极之间的容量平衡点的过多的锂转移会导致电池容量的降低。(参见Christensen等,“Effect of anode film resistance on the charge/discharge capacity of a lithium-ion battery,”Journal of the Electrochemical Society,150(2003)A1416(下文中称为“Christensen I”)和Christensen等,“Cyclable Lithium and Capacity Loss in Li-ion Cells,”Journal of the Electrochemical Society,152(2005)A818(下文称为“Christensen II”))。此外，由于离子隔离不良导致辅助电极-工作电极电路短路会导致锂迅速转移到工作电极，并可能使锂沉积在电极表面上。这种锂沉积可能会带来安全风险和/或使电池退化，因为金属锂会和电解质中使用的有机溶剂迅速发生放热反应。(参见Aora等,“Mathematical Modeling of the Lithium Deposition Overcharge Reaction in Lithium-ion Batteries Using Carbon-based Negative Electrodes,”Journal of the Electrochemical Society,146(1999)3543)。