专利名称：具有内部参考电极的基于锂技术的电化学电池、用于其制造的工艺以及用于同时监测其 ...的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种包括分层部件的锂电池，所述部件具有并入其中的内部参考电极，以便缓解对阳极和阴极的电压和/或阻抗的同时监测，并提供以电池的最高容量和增强的安全性来使用电池的可能性。
背景技术：
将参考电极定义为具有稳定的电化学电位的电极，其起着测量电化学电池中的一个或多个电极的电位的参考点的作用。在过去，参考电极主要是外部使用的。下文的表I总结了现有技术中最重要的参考电极的关键属性以及它们与锂离子/聚合物电池的兼容性:
权利要求
1.一种基于锂技术的电化学电池，包括下述部件: -含有阴极材料的正电极， -由电绝缘材料制成的间隔体， -含有阳极材料的负电极， 所述电极和所述间隔体具有片的形式， -用于在所述正电极和所述负电极之间传送锂离子的液体和/或固体离子导体材料， 所述部件被密封在外壳内，其中，所述正电极和所述负电极均包括延伸穿过所述外壳的壁的导电结构以用于进一步的电连接， 其特征在于，所述电池还包括: -处于所述外壳内的与所述正电极和所述负电极电绝缘的参考电极，所述参考电极具有层的形式，包括在 所述外壳内的至少一种非金属锂化合物，以及 -与所述参考电极电接触的具有层的形式的导电结构，所述导电结构穿过所述外壳的壁延伸，以用于进一步的电连接。
2.根据权利要求1所述的基于锂技术的电化学电池，还包括参考电极集电器，其中，所述参考电极与所述参考电极集电器电接触。
3.根据权利要求1或2中的任何一项所述的基于锂技术的电化学电池，其中，所述参考电极的边界和相邻电极的边界之间的距离为至少0.3mm，优选为至少0.7mm，更优选为至少1.6mm,最优选为2.1mm。
4.根据前述权利要求中的任何一项所述的基于锂技术的电化学电池，其中，所述参考电极通过间隔体材料和/或通过在所述参考电极上和/或所述电极之一或二者上设置的电绝缘涂层来与所述负电极和所述正电极电绝缘。
5.根据前述权利要求中的任何一项所述的基于锂技术的电化学电池，其中，所述电极和所述间隔体沿z方向彼此叠置，并且均沿χ-y方向覆盖一区域，如果从上面看(沿z方向)所述电池，所述参考电极位于由所述正电极和/或负电极覆盖的所述区域之外。
6.根据前述权利要求中的任何一项所述的基于锂技术的电化学电池，其中，所述电极和所述间隔体沿z方向彼此叠置，并且均沿χ-y方向覆盖一区域，其中，所述间隔体层的长度或宽度大于所述电极层的长度或宽度，并且所述层彼此叠置，以使得所述间隔体层在电池的一侧从所述电极层突出，其特征在于，所述参考电极沿其突出长度附接于所述间隔体层。
7.根据前述权利要求中的任何一项所述的基于锂技术的电化学电池，其中，所述电极和所述间隔体沿z方向彼此叠置，并且均沿x-y方向覆盖一区域，其特征在于，所述电极中的至少一个具有从该层切割出的凹陷或切口，并且从z方向看，所述参考电极位于所述电极之一的所述切口或凹陷的区域内。
8.根据与权利要求7相结合的权利要求2所述的基于锂技术的电化学电池，其中，所述参考电极被放置在阴极集电器和阳极集电器之一上，并通过绝缘材料与所述阴极集电器和阳极集电器之一隔离，使得所述参考电极处于相邻电极的凹陷或切口内。
9.根据前述权利要求中的任何一项所述的基于锂技术的电化学电池，其中，所述非金属锂化合物选自 Li4Ti5O12' LiFePO4' Li (Nia5Mnh5)O4.LiCoO2' LiMn2O4' LiNiO2,LiNi0.8Co0.15A10.Q5O2 (NCA)、LiCo1/3Ni1/3Mn1/302 (NMC)、Li2FePO4F' Li (LiaNixMnyCoz) O2、石墨(LiC6)、硬碳(LiC6)、Si (Li44Si)和 Ge (Li44Ge)。
10.根据权利要求2或者权利要求2的任何从属权利要求所述的基于锂技术的电化学电池，其特征在于，所述参考电极的集电器和与所述参考电极电接触的具有层的形式的所述导电结构是整体式连接的。
11.根据权利要求2或者权利要求2的任何从属权利要求所述的基于锂技术的电化学电池，其中，所述参考电极集电器在两侧都覆盖有参考电极材料。
12.根据权利要求2或者权利要求2的任何从属权利要求所述的基于锂技术的电化学电池，其特征在于，所述电池含有两个或更多的参考电极。
13.根据前述权利要求中的任何一项所述的基于锂技术的电化学电池的制造方法，包括下述步骤: -提供连接至导电结构的正电极， -提供连接至导电结构的负电极， -提供包括至少一种非金属锂化合物的参考电极，并将所述参考电极连接至导电结构， -提供由电绝缘材料制成的间隔体， -根据电化学电池的形成布置所述电极和所述间隔体，其中，所述参考电极与所述正电极和所述负电极电绝缘，以及 -将所述电化学电池的 部件紧密地封入外壳内，使得所述电极中的每一个的导电结构延伸穿过所述外壳的壁，以用于进一步的电连接。
14.一种用于测量基于锂技术的电化学电池的阴极和/或阳极的电压的方法，其中，所述电池包括下述部件: -含有阴极材料的正电极， -由电绝缘材料制成的间隔体， -含有阳极材料的负电极， 所述电极和所述间隔体具有层或片的形式， -用于在所述正电极和所述负电极之间传送锂离子的液体和/或固体离子导体材料，-与所述阴极和阳极电绝缘的具有层或片的形式的参考电极，所述参考电极包括至少一种非金属锂化合物，并且与具有层或片的形式的导电结构电接触， 所述部件被密封在外壳内，其中，所述正电极和所述负电极均包括导电结构，所述导电结构以及与所述参考电极电接触的导电结构延伸穿过所述外壳的壁，以用于进一步的电接触， 所述方法包括下述步骤: (a)对所述电池进行一次或多次充电和/或放电， (b)对所述阴极与所述参考电极之间的和/或所述阳极与所述参考电极之间的电压进行一次或多次测量，并且随后 (c)将静止电位设定为充电值和放电值之间的期望值。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，通过测量所述阴极与所述参考电极之间的电压或者所述阳极与所述参考电极之间的电压来测量所述阳极和/或所述阴极的电压，并采用使所述电池的充电状态(SOC)与所述阳极或所述阴极的电压相关的预先确定的校准曲线，从所述阳极和/或阴极的电压得出所述电池的所述S0C。
16.根据权利要求14所述的方法，包括以下步骤:制备使所述电池的所述充电状态(SOC)与所述阳极或所述阴极的电压相关的校准曲线，并且通过测量所述阴极与所述参考电极之间的电压或者所述阳极与所述参考电极之间的电压来测量所述阳极和/或所述阴极的电压，并由所述阳极和/或所述阴极的电压得出所述电池的S0C。
17.根据权利要求14-16中的任何一项所述的方法，其中，执行一次以上的电压测量，并在两个这样的测量之间，使小电流在所述参考电极与所述阴极或所述阳极之间通过，从而使所述参考电极的状态达到所述参考电极处于平的电压窗口内的状态。
18.一种独立地测量基于锂技术的电化学电池的阴极阻抗和阳极阻抗的方法，其特征在于，所述电池包括下述部件: -含有阴极材料的正电极， -由电绝缘材料制成的间隔体， -含有阳极材料的负电极， 所述电极和所述间隔体具有层或片的形式， -用于在所述正电极和所述负电极之间传送锂离子的液体和/或固体离子导体材料， -与所述阴极和所述阳极电绝缘的具有层或片的形式的参考电极，所述参考电极包括至少一种非金属锂化合物，并且与具有层或片的形式的导电结构电接触， 所述部件被密封在外壳内，其中，所述正电极和所述负电极均包括导电结构，所述导电结构以及与所述参考电极电接触的所述导电结构延伸穿过所述外壳的壁，以用于进一步的电接触， 所述方法包括下述步骤·: (a)在所述阴极和所述阳极之间施加恒定电压 (b)测量回路和Ζα_μ回路中的至少一个回路两端的阻抗，其中，C是所述阴极，A是所述阳极，Ref是所述参考电极。
19.根据权利要求18所述的方法，其中，将测量所述阻抗的结果用于对所述电极中的至少一个的老化的评估，所述方法包括以下额外步骤: (c)评估所述阻抗是否处于可接受范围内 -如果否，那么使所述电池终止工作； -如果是，那么重新测量所述阻抗并重复循环，以及 (d)记录所述阳极和所述阴极的阻抗升高，以评估每者的老化，并由此评估所述电池的寿命，和/或 (e)通过相关的阻抗来估计所述阳极和/或所述阴极处的功率容量损失。
20.一种用于驱动基于锂技术的电化学电池的方法，包括下述步骤: -提供根据权利要求1-12中的任何一项所述的基于锂技术的电化学电池， -测量 (i)所述阳极和所述参考电极之间的电压(AV_de)和/或 ( )所述阴极和所述参考电极之间的电压(AV。—)， -检查所述电压是否处于可接受的范围内，并且 -如果是，那么在需要的情况下再次测量所述电压， -或者如果否，那么检查电压突破的幅度是否超出了临界点，以及-如果是，那么终止所述电池的操作，或者 -如果否，那么改变充电速率和/或放电速率，并且随后在需要的情况下再次测量所述电压。
21.一种使电池在其最佳条件下工作的方法，包括下述步骤: -提供根据权利要求1-12中的任何一项所述的基于锂技术的电化学电池， -测量 (i)所述阳极和所述参考电极之间的电压(AVanode)以及 (ii)所述阴极和所述参考电极之间的电压(AVcathode), -确定所述阳极和所述阴极处的各自电压，以及 -将电压差设定为所述电池可用的最佳值，从而确保阳极电压极限和阴极电压极限不被超过。
22.一种用于使电池的寿命最大化的方法，包括下述步骤: -提供根据权利要求1-12中的任何一项所述的基于锂技术的电化学电池， -测量 (i)所述阳极和所述参考电极之间的电压(AVanode)和/或 (ii)所述阴极和所述参考电极之间的电压(AVcathode), -确定所述阳极和所述阴极处的各自电压，以及 -评估所述电压是否过高和/或过低，以及 -在需要的情况下，将施加至所述阴极和/或所述阳极的电压校正至可接受值。
全文摘要
本发明涉及基于锂技术的电化学电池，其包括下述部件含有阴极材料的正电极，由电绝缘材料构成的间隔体，含有阳极材料的负电极，电极和间隔体具有层或片的形式，用于在正电极和负电极之间传送锂离子的液体和/或固体离子导体材料，所述部件被密封到外壳内，其中正电极和负电极每者包括穿过外壳的壁延伸的导电结构以用于进一步的电连接，其特征在于，所述电池还包括处于外壳内的与正电极和负电极电绝缘的参考电极，参考电极层或片的形式，具有包括至少一种非金属锂化合物，具有层或片的形式的导电结构与参考电极电接触，该导电结构穿过外壳的壁延伸，以供进一步的电连接。本发明还涉及一种用于制备该电化学电池的方法、一种测量这样的基于锂技术的电化学电池的阴极和/或阳极的电压或阻抗的方法以及所述电池的驱动方法，它们减少了老化现象并延长了其寿命持续时间。
文档编号H01M10/052GK103250301SQ201180058836
公开日2013年8月14日 申请日期2011年10月12日 优先权日2010年10月13日
发明者C·维贾亚瓦德纳, G·纽曼恩, P·古尔德 申请人:弗劳恩霍弗应用技术研究院