用于确定参考能量线图的方法和用于形成电池的设备与流程

文档序号:13689612
用于确定参考能量线图的方法和用于形成电池的设备与流程

本发明涉及一种用于确定参考能量线图的方法、一种用于形成电池的设备、一种用于形成电池的方法、一种参考能量线图的使用以及一种计算机程序。此外,本发明涉及一种用于形成固体电解质界面(SEI)的原电池或电池芯的改善形成的方法,以及一种用于引导形成电流的优化方法。



背景技术:

形成(formation)是生产原电池或电池芯时的制造步骤。形成是指所谓的SEI形成的第一充电和放电过程。为了激活电化学过程和/或电池芯的特性需要该过程。形成SEI对于如内电阻和循环稳定性的关键电池特性具有决定性作用。稳定均匀的层在此是有利的。至今,已经使用非常弱的电流实现了形成(即充电和放电)。其转而导致耗时和因此可能限制生产链的产能的昂贵的制造步骤。

现今公知的方法依赖于将允许缓慢均匀的SEI形成的恒定的弱电流。对每个充电和放电过程设置固定电流直至各自的终止电压。在公开物[1]和[2]中,建议从预定义电压阈值开始增大电流,其中恒定电流被施加至一至三步骤之间。首先,基于经验值设置最小可能电流强度(通常,1/20C、1/15C或1/10C)。利用其他已开发的方法,从电压阈值开始,增大电流或已经终止形成,由于实验示出,在这之后,形成了少量SEI并且终止对循环稳定性具有可容忍的负面影响。例如,此过程在[3]中被描述。通过容忍SEI同质性或SEI厚度的轻微恶化,在此实现方法的部分加速。

图11展示了根据现有技术的用于形成电池芯92的概念90的示意性表示。电池芯92经由触点94a和94b被电性连接至直流源96。在此,使用恒定电流I完成形成。如[1]和[2]中所述,可借由控制器98控制电流I,以使得其在较少的预定步骤中增大,其中在步骤之间设置恒定电流值。

US2015/0060290A1描述了使用小电流强度直至预定点然后切换至更高的第二电流强度的概念。

DE3736069A1描述了施加用于形成铅酸电池的经调节的电流。然而,相较于形成原电池,在此针对不同的电化学目标。当形成铅酸电池时,建立有源层。建立SEI包括在有源粒子(电级)和电解质之间形成电绝缘层。电化学过程是不可比较的。

因此,可期望的是用于形成电池的概念,相较于公知方法,其允许在短时间内实施电池的改善形成和/或获得高同质性的SEI。



技术实现要素:

因此,本发明的目的在于提供允许在短时间内和/或以高SEI同质性形成电池的概念。

通过独立权利要求的主题实现此目的。

本发明的中心思想是意识到可通过以下事实实现上述目的:可基于观察实际的SEI形成,随形成过程的时间图线而动态地确定在形成过程期间被馈送至电池的能量。以此方式确定的能量允许形成电流强度高度地适应于随时间图线的SEI形成和/或设置能量,以使得同质地形成SEI。

本发明的发现是:在向待形成的电池馈送能量时可不一致地进行SEI形成。此不一致可导致可变的SEI形成率和/或导致不一致的层同质性。将能量适应于待形成的电池的实际状态允许至少有时地加速形成过程和/或至少有时地以高同质性形成SEI,从而可快速地获得高的层同质性的SEI。

可基于电池的第一充电周期和第二充电周期之间的能量吸收的比较确定在形成期间待馈送的能量。在时间间隔中的第一和第二图线之间的能量吸收的偏差允许得出关于在此时间间隔期间形成的SEI的程度的结论,从而可动态地改变待馈送至电池的能量。

以简单的方式表述,可通过改变的、动态的或变化的充电和/或放电电流达到之前描述的目标。

根据实施例,一种用于确定参考能量线图的方法包括对描述在第一充电周期期间的第一电池的能量吸收的第一图线和描述在第一充电周期之后的第二充电周期期间的第一或第二电池的能量吸收的第二图线进行比较。针对多个时间间隔进行比较。此外,该方法包括针对多个时间间隔的每个确定第一和第二图线之间的偏差。此外,该方法包括基于用于每个时间间隔的偏差确定电能的量,其中针对每个时间间隔,电能描述用于在待形成的电池的形成过程期间待馈送至待形成的电池的能量的参考能量线图的预设默认值。借助于形成用于确定参考能量线图的先前计算,对于相同或相似的电池,可获得参考能量线图,其允许在至少一个、多个或所有时间间隔中的高度的SEI形成,从而可缩短直至形成终止的持续期间且因此形成的时间效率可以是高的。可选地或附加地,可基于改变所馈送的能量获得均匀的SEI形成,从而获得高质量的SEI。

根据另一实施例,一种用于确定参考能量线图的方法包括对描述在第一充电周期期间的第一电池的能量吸收的第一图线和描述在第一充电周期之后的第二充电周期期间的第一或第二电池的能量吸收的第二图线进行比较。针对多个时间间隔进行比较。此外,该方法包括针对多个时间间隔的每个确定第一和第二图线之间的偏差。此外,该方法包括:当比较指示由电能导致的形成的程度小于或等于由电能可导致的形成的80%时,基于比较,确定在后续时间间隔中减少在另一电池的形成期间被馈送至所述另一电池的电能的量。跨越多个时间间隔的电能的量的图线至少部分地描述参考能量线图。图线之间的偏差可提供以下事实的暗示:能量的大于20%的部分被用来对电池进行充电并且因此不用于SEI的形成。基于被馈送至待形成的电池的电能的量的减少,可减少此部分从而形成快速的SEI和/或高质量的SEI。

根据另一实施例,为了依据参考能量线图将电能施加至待形成的电池,使用根据先前实施例的参考能量线图。

根据另一实施例,一种用于形成电池的设备包括可控能源,可控能源用于向连接至可控能源的电池提供电能。设备包括用于在多个时间间隔中控制可控能源的控制构件。此外,设备包括用于在每个时间间隔中确定电池的物理状态的检测构件。控制构件用于基于检测的物理状态控制电能源,以使得在后续时间间隔期间被提供至电池的电能的量增加或减少。此实施例的优势在于可基于基于电池的当前物理状态控制电能源来考虑各个电池之间的变化,从而可针对每个个别电池进行快速的和/或高质量的形成过程。

其他实施例涉及计算机程序和用于形成电池的方法。

其他有益的实施例为从属权利要求的主题。

附图说明

随后将参照附图详述本发明的优选的实施例,其中:

图1展示根据实施例的用于确定参考能量线图的方法的示意性流程图;

图2展示根据实施例的用于确定参考能量线图的另一方法的示意性流程图;

图3展示根据实施例的用于确定电能的量的方法的示意性流程图;

图4展示根据实施例的表示充电周期的第一图线的部分和第二图线的部分的示意图;

图5展示根据实施例的用于形成电池的方法的示意性流程图;

图6展示根据实施例的用于使用参考能量线图的设备的示意性电路框图;

图7展示根据实施例的用于形成电池的设备的示意性电路框图;

图8展示根据实施例的相较于图7的设备包括用于存储参考能量线图的存储器的设备的示意性电路框图;

图9展示具有可根据本文描述的实施例的方面获得的在形成过程期间的电池电压的图线的示意图;

图10展示根据实施例的用于形成电池的方法的示意性流程图;

图11是根据现有技术的用于形成电池芯的概念的示意性说明;

图12a-b是根据在此描述的实施例的通过使用参考能量线图形成电池的方法的示意性说明;以及

图12c-d是根据在此描述的实施例的通过改变标准线图形成电池的方法的示意性说明。

具体实施方式

在下面结合附图更详细地描述本发明的实施例之前,应指出的是,在不同的附图中,相同或具有相等功能或相等效果的元件、对象和/或结构被提供有同样的附图标记,以使得不同实施例中示出的这些元件的描述可以在彼此之间互换或应用。

下面描述的实施例部分地涉及对被馈送至电池的用于形成的目的的电能进行确定。尽管实施例涉及针对电池的充电过程确定电池的特性或物理状态的图线和/或确定电能的量,下面的论述也可在没有任何相关限制的情况下被应用至电池的放电过程。在电池的形成期间,预定的电流强度可例如被施加至电池。正电流强度可导致电池被充电,而负电流强度可导致电池被放电和/或导致电池被充负电(charged negatively),其中在充电和放电期间可进行SEI形成。以简单的方式表述,下面描述为充电的过程可描述对电池进行充电或放电,其中下面描述为放电的过程可仅被理解为补充过程,即,放电过程或充电过程。下面描述的被馈送至电池的能量也可以是负的,例如,基于负电流强度。此可导致如此事实,当馈送能量时从电池释放电荷载子。

尽管以下实施例部分地涉及确定和/或使用包括与待由可控能源提供的电流相关的信息的参考电流线图,其他实施例关于确定和/或使用包括与待提供至待形成的电池的电能相关的信息的参考能量线图。此也可例如是待提供的电荷量和/或由可控能源提供的电压。例如,当已知设备的(分流)电阻时,此可被转换为待馈送至待形成的电池的电流。因此,参考能量线图可包括关于待提供的电能的信息。电能可以与电流、电压、电荷和/或电荷载子的量相关。

图1展示根据实施例的用于确定参考能量线图(参考电流线图)的方法100的示意性流程图。该方法包括对第一图线和第二图线进行比较的步骤110。第一图线描述在第一充电周期期间的第一电池的能量吸收(如,电荷载子的增加、电荷载子的减少和/或得自其的值)。第二图线描述在第二充电周期期间的第一电池或另一电池的能量吸收。第二充电周期在第一充电周期之后。第一充电周期可例如实际是至少部分地进行电池的形成的第一(初始)充电周期。第二充电周期可以是电池被再次充电的后续充电周期。这意味着可在第一和第二充电周期之间存在至少一个补充的放电周期,从而电池可在第二充电周期中被再次充电。

第二充电周期可以是实际上在第一放电周期之后的第二充电周期,或可选地,是与第一充电周期可比较的另一(如,第三、第四、第五或其他)充电周期。使用第二充电周期是有益的,因为充电周期之间的比较在此仅通过放电周期被间隔开。针对多个时间间隔进行比较。多个时间间隔在此可以指进行形成(即,在电池中形成SEI)的时间跨度。以简单的方式表述,第二图线可以与至少部分或完全形成的电池相关联,第一图线与以至少较小的程度或完全没有形成的电池相关联。

时间间隔可以是在充电周期的时间部分期间经过的时间(跨度)。可选地或附加地,时间间隔可以是第一或第二电池包括某个物理状态或在容差范围内未改变的物理状态的持续期间。物理状态可例如是在电池的极之间施加(可分接(tappable))的电压。可选地或附加地,物理状态可以是被电池吸收的或释放的电流强度。此外,物理状态还可以是在形成过程期间被带给电池的温度,或电池自身具有的温度。可选地或附加地,还可想到物理状态是得自电池的一个或多个量。例如,此可能是与吸收的电荷量相关的电池的极之间的电压变化。这表示时间间隔还可例如表示电池包括处于不变形式或处于容差范围内的各个物理状态的持续期间或时间点。容差范围可例如在第一或第二图线的值的至多20%、至多10%或至多5%的偏差内。

方法100包括针对多个时间间隔的每个确定第一和第二图线之间的偏差的步骤120。偏差可基于数学运算,如计算差、计算商等。示例性地,可确立在时间间隔中的第一图线的能量吸收与在同一可比较的时间间隔期间的第二图线的能量吸收之间的差。

能量吸收可例如与依据在电池极处的吸收的电荷量dQ获得的电压变化dU相关。例如,可使用单调增加的电池电压表示图线,将在下面关于图4予以论述。

此外,方法包括,基于用于每个时间间隔的偏差来确定电能的量的步骤130。针对每个时间间隔,电能描述用于在待形成的电池的形成过程期间待馈送至待形成的电池的能量的参考能量线图的预设默认值。

示例性地,偏差可与图线之间的每电荷量发生的电压变化相关。大的偏差可提供关于以下事实的信息:在与至少部分形成的电池相关联的图线和与以较低程度形成的电池相关联的图线之间的偏差发生的时间间隔期间,所提供的高度的能量被用于形成SEI。小的偏差可提供关于所馈送的或释放的能量(电荷载子)导致小的SEI形成的事实的信息。

对于存在关于所形成的高度的SEI的信息的时间间隔,参考电流线图可包含关于待馈送至待形成的电池的电量低的指令(例如,以小的电流强度的形式),从而在此时间间隔期间可获得高质量的同质SEI形成。对于偏差暗示处于低的SEI形成率(如小的偏差值)的另一时间间隔,参考电流线图可包括待提供至待形成的电池的高电流的指令。此可导致快速地通过该时间间隔。以简单的方式表述,偏差可被理解,以使得快速地通过形成小的SEI的电池的物理状态,而缓慢地通过形成高度的SEI的电池的物理状态。

此实施例是有益的,以此方式获得的参考电流线图能够考虑待形成的电池的电流状态,并且可针对每个时间间隔再次确定待提供的能量。特别地,能量在时间间隔之间可以增加或减少。能量可例如与待提供至待形成的电池的电流强度相关。可选地,其可例如是由能源输出的电压,并且可以通过电阻器作为电流被馈送至电池。

可基于转换函数进行确定电能的量。转换函数可包括被映射为函数值的至少一个函数自变量。函数自变量可例如是经确定的偏差。函数值可以是电能或其相关值。相关值可以是基于其可对可控能源进行控制以使得其提供对应分量的电能的任意值,如值指数、电流或电压的相对量或其绝对值。转换函数的函数值可描述电流强度或电荷量。下面结合图4论述示意性的转换函数。

第一电池可例如是参考电池或来自生产批量的电池。在第一种情况下,第一图线可以是对第一电池进行充电(第一充电周期)。随后,第一电池可被至少部分地放电,并且随后被再次充电(第二充电周期),从而获得第二图线。可选地,至少一个其他充电周期和/或至少一个其他放电周期可被布置于第一充电周期和第二充电周期之间。

可选地,可基于第二电池的充电过程确定第二图线。第二电池可例如包括与第一电池相同或可比的至少一个特性。特性可例如包括(如电池芯、电极、布置电解质的容量的)形状、至少一个电特性(电芯大小、充电电压、几何形状等)。特别地,第二电池可例如是与第一电池相同结构的电池,其甚至可以是与第一电池在同一生产批量中生产的。

可选地或附加地,对于第一图线和/或第二图线,还可想到,其各自描述对应图线被确定的多个(2、3、4或更多个)电池的平均值。平均值可以是几何平均值、平方平均值或中值平均值。计算平均值允许参考电流线图的图线在多个电池上的高度匹配。可选地或附加地,还可基于模型和/或计算机仿真形成图线,如,通过基于所施加的电流强度再现(建模或仿真)SEI的形成。

第一图线、第二图线和/或参考电流线图可以是连续的图线,如,以函数的相交的形式。可选地,第一图线、第二图线和/或参考电流线图可以是允许其他值的内插或外插的多个离散值。

图2展示根据实施例的用于确定参考电流线图的方法的示意性流程图。方法200包括步骤210。在步骤210中,对描述在第一充电周期期间的第一电池的能量吸收的第一图线与第二图线进行比较。第二图线描述在第一充电周期之后的第二充电周期期间的第一或第二电池的能量吸收。可针对多个时间间隔进行比较。步骤210也可以是步骤110。

在步骤220中,针对多个时间间隔的每个进行确定第一和第二图线之间的偏差,如步骤120所描述。

在方法200的步骤230中,进行确定在后续时间间隔中减少在另一待形成的电池的形成期间待馈送至另一待形成的电池的电能的量。这可以基于比较来完成。比较可例如指示由所馈送的电能导致的形成的程度大于或等于电能可导致的形成的40%、60%或80%。可例如通过对参考电池进行测量(可能在不同的时间间隔)或对相应的电池类型进行仿真来推断出部分。偏差值可借助于转换函数与该部分相关。跨越多个时间间隔的以此方式确定的电能的量的图线可至少部分地描述参考电流线图。以简单的方式表述,可通过观察跨越多个时间间隔的所确定的电能的量来获得参考电流线图。

已知的方法不足以考虑以何种形式在何时进行SEI形成。相较于电流强度被设置为常数或基于预定义标准被逐步增大的已知方法,方法200允许当需要时(如当目前小程度的SEI被形成时)增加所馈送的能量,以加速方法。此外,方法允许当需要时减少能量。此可例如发生在高分量的电能(即,所馈送的电能的至少40%、至少60%或至少80%)被转换以形成SEI时。当对电池完全充电时,可以以较高程度形成SEI,以更同质的状态进行形成SEI和/或在更短的时间内进行形成过程(充电周期)。

例如,可以基于被施加至电池的电流强度以恒定的或预定义的(可能是可变的)值进行第一和第二充电周期。恒定的电流强度可包括任意值,如1/50C、1/30C、1/10C或其之间的值。因此,例如,值1C描述以mA指示的电池的电流。当电池例如具有2000mAh的容量时,1C可对应于2000mA的电流强度。

可进行方法100和/或200以使得第一或第二图线与某一充电或放电过程相关联。此外,方法100和/或200可重复地进行。例如,可进行重复,以使得在第一次重复(第二次执行)中,第一图线基本上或完全与先前执行的第二图线相对应。形成可例如包括两个、三个、四个或五个充电和/或放电周期。以简单的方式表述,可针对重复的充电和放电周期各自形成和/或使用参考电流线图。可以以至少一次重复重复地进行用于形成电池的方法。各次执行(方法的第一次或进一步执行)的第一图线和第二图线可以与待形成的电池的充电或放电周期相关联。与方法的先前执行的第一或第二图线相比,重复的第一图线或第二图线可以改变。示例性地,对电池进行充电或放电可以被重复直至电池已被充分地形成,如在2、3、4、5或更多个数目的充电周期中。

图3展示根据实施例的方法300的示意性流程图。可例如使用方法300从而执行第一和第二图线的比较,如步骤110和210所示出。

方法300包括步骤310。在步骤310中,第一或第二电池吸收的电荷量被确定。针对多个时间间隔的每个确定电荷量。

方法300包括步骤320。在步骤320中,确立所吸收的电荷量和描述被施加至第一或第二电池的电池极的电压的变化的电压变化之间的比例。针对多个时间间隔的每个确立比例。

图4展示示出第一图线(形成周期)12的部分和第二图线(形成周期)14的部分的示意图。图线12和14示例性地各自描述充电周期,其中该论述还被应用于放电周期。以伏特为单位单调递增的电压被描绘于图中的横坐标上。电压可以是施加或可分接于电池的正极和负极之间的物理电压。可选地或附加地,电压可以是物理电压(例如,数学值)的仿真结果。电压梯度dU/dQ被描绘于图中的纵坐标上,其描述关于从各个电池获得的电荷量dQ的被施加在横坐标上的电压的变化dU。可基于第一或第二电池吸收的所确定的电荷量,针对多个时间间隔的每个,确定电压梯度。纵坐标展现单位V/mAh。可例如通过将可能具有低电流强度的电流施加至电池来获得图。此可导致电压(横坐标)的增加,其中在纵坐标上展示梯度(变化或变化的速度)。横坐标和纵坐标上指示的值被理解为仅示例性的或示意性的,并且不应被确定为具有限制效果。

在电池的示意性的工作范围内示出图线12和14。工作范围示例性地展现大约3伏特的下限以及大约4.2伏特的上限。不同的图线可包括不同的下和/或上限。可以在包括不同的下限(如大约0伏特、1伏特或其他值)和/或不同的上限(如2伏特、3伏特、5伏特或其他值)的至少一个区域中确定不同的图线。示例性地,还可以逐部分地确定图线12或14的至少一个,如在工作范围之外的部分(如基于深度耗尽电池中的仿真或参考测量)中以及在工作范围内的部分(如借助于在充电过程期间的测量)中。

图示例性地包括在四个时间间隔18a-d中的第一图线12和第二图线14之间的四个偏差16a-d。如之前所论述,图线12和/或14可被细分至多个时间间隔。组合后,时间间隔可包括充电或放电周期的至少20%、至少50%或至少80%的部分,或包括其全部。为了简要说明,仅呈现四个时间间隔18a-d,其中多个时间间隔(如多于两个、多于五个或多于10个)可跨越图线彼此接合,可以是无缝的。

第一偏差16a位于大约3.1V的电压处,第二偏差16b位于大约3.17V的电压处,第三偏差16c位于大约3.3V的电压处,以及第四偏差16d位于大约4.15V的电压处。使用低电压(偏差16a和16b),第一充电周期(图线12)的电压的电荷特定增长是相对小的。

尽管图似乎展现了高dU/dQ值,在此区域中,电压可由于电池化学性而更剧烈地增长,即,电压在此的常规增长更大。参考(即后续的图线)或展现进一步的形成的状态的电池因此可被用作为常规的且可与当前或先前周期相比较,从而估计SEI形成(其具有两个曲线变化)。

这意味着存在大的差(偏差16a)。此允许得出关于存在强烈的SEI形成的事实的结论。此反过来允许以低电流强度值确定用于参考电流线图的电能的量(如在步骤130中)。

偏差16a-c的偏差值示例性地从偏差16a开始经由偏差16b降低至偏差16c。此暗示渐减的SEI形成。此反过来允许确定电能的量,以使得参考电流线图包括关于以下的事实的信息:在时间间隔18a-c中,增加的能量将被提供至待形成的电池。

在dU/dQ曲线(图线12和14)至少近似相等(在容差范围内近似相等)的区域中,偏差可以是小的。在此情况下,可进行确定电能的量,以使得参考电流线图包括关于在时间间隔内待提供至电池的高的或中等的电流的信息。

时间间隔18a-d的长度可被形成为如所期望地小。示例性地,参考电流线图的时间间隔的时间长度可描述第一图线12或第二图线14表现至多0.01V、至多0.05V或至多0.21V的变化的时间跨度。可选地或附加地,时间间隔18a-d时间间隔的持续期间还可以与时间跨度相关或与与其互相关,在此期间,电池包括在至少0.01%和至多30%、至少0.05%和至多10%或至少0.09%和至多1%的容差范围(如大约.1%)内不变的电压。可选地,还可基于时间持续期间获得时间间隔18a-d的长度,如在10秒和三小时之间的范围内、在一分钟和一小时之间的范围内或在五分钟和30分钟之间的范围内。特别地,在至少三个时间的形成过程期间每小时改变电能的量是有益的。

当与第二充电过程(偏差16d)相比较时,朝向第一充电过程的末尾(例如,大于4.1V的电压),第一图线12的dU/dQ值再次下降。在此区域中,参考电流线图可包括提供降低的电流强度的指令。对每个时间间隔18a-d,可从两个图线12和14计算出取决于电压的差(偏差)。可选地,包括第一图线12的值和第二图线14的值的商可例如被用于确定偏差。偏差可例如被称为Di(U)。可使用固定转换函数(f)将该偏差转换或映射至电流线图或参考电流线图Ii(U),例如,该固定转换函数可由Ii(U)=f(Di(U))表示。例如,可确定转换函数f,以使得开始处的电流强度(IStart)对应于1/50C和1/5C、1/30C和1/10C之间的值,大约为1/20C(即,在Inen/50和Inen/10之间)。例如,可线性地、指数地或以不同关联关系增大此电流强度直至等于预定最大值,如1C(Inen)。转换函数可例如被表示为:

Ii(U)=Inen·(1-(Di(U)/(D1/(1-IStart)))),其中D1可对应于至少一个偏差的值。值D1可以是最大偏差(如偏差16a)的值。可选地,其可以是时间间隔的各个偏差值或得自至少一个偏差值的值。除了电压之外,图或完整的参考方法也可使用时间轴(Ii(t))或绝对电荷的轴(Ii(Q))或电能的轴(Ii(E))的轴来表示,和/或包括对应地计算的值。

在充电或放电周期或形成过程期间,可应用可变的转换函数。在电池的第一电压区域(如工作范围之外)中,第一转换函数或恒定值的恒定电流可例如被应用于电池。在第二电压区域(如电池的工作范围之内)中,不同的转换函数可影响电流的某个值。以简单的方式表述,转换函数可随充电或放电过程变化。

在电池的极处获得的并且可在充电或放电周期期间变化的电压、电压变化(可能取决于被提供至电池的电荷量)和/或被提供至电池的电荷量可展现相互关系并且至少以足够的精度是可转换的。不同的图线、偏差和/或参考能量线图可因此与电压、电压变化和/或电荷量相关。

以简单的方式表述,可基于偏差针对时间间隔的每个确定电能的量。电能的量可描述用于在形成过程期间待馈送至待形成的电池的能量的参考电流线图的预设默认值。可基于具有至少一个函数自变量(偏差)的转换函数进行确定电能的量。

作为被描述为差的偏差16a-d的可选方案,确定偏差还可包括计算第一图线12和第二图线14的值的商。

参考电流线图可例如指示用于时间间隔的恒定电流强度。时间间隔可被实施为非常短的,从而获得电流强度的实质模拟和动态变化。

尽管第一图线12和第二图线14被表示为曲线,第一图线12和/或第二图线14可以是各个图线被内插或外插于其间的多个值。参考电流线图还可被表示为可能是可表示为函数或多个值的图线。

换言之,dU/dQ图示出电压在短时间间隔dt内是如何关于所引入或释放的电荷而剧烈变化的。因此,可示出的是,针对电压变化哪里需要更多的电荷。例如,当第一形成周期(图线12)与之后的第二周期(图线14)相比时,可确定的是,针对电压变化第一充电或第一充电过程在哪个区域需要更多的电荷。此额外的电荷在副反应(在此首先是SEI形成)中至少部分地丢失。因此,两个曲线图线的差(偏差)至少部分地表示SEI形成的数量级。因此,在一方面,可确立优化的形成电流线图,如前所描述。可进行使用低恒定电流的参考形成。可使用公式(转换函数)对两个可能是连续的充电和/或放电过程的dU/dQ曲线之间的差进行转换以形成电流线图。

图5展示根据实施例的用于形成电池的方法500的示意性流程图。在方法500的步骤510中,根据方法100或根据方法200获得参考电流线图。可借助于存储和/或传输参考电流线图进行获得。

在方法500的步骤520中,以能量对电池充电。能量的时间图线基于参考电流线图。以简单的方式表述,可以控制可控电源,以使得其始于或根据参考电流线图向电池提供能量。

图6展示根据实施例的用于使用参考电流线图22的设备60的示意性电路框图。已例如使用方法100或200确立参考电流线图22。在接触点26a和26b处被连接至电池24的可控电源28用于根据参考电流线图向电池24提供电能。示例性地,参考电流线图22可被存储于控制设备32的存储器中。可选地,多个参考电流线图可被存储于存储器22中从而允许使用各个适用的参考电流线图的形成的重复执行。以电流I随时间t的图线表示参考电流线图。如前所描述,时间t可被理解为间隔的数量或被描述于其间电池24包括某个物理状态或在容差范围(如在电池极或接触点26a和26b之间的电压)内不变的物理状态的参考电流线图中,如结合图4所描述的。

例如,当电池24包括与其(多个)图线已被用于确定参考电流线图的电池相同或可比的特性时,使用参考电流线图允许高效的(即,快速的和/或高质量的)SEI形成。

可控能源可例如是可控的电流源或可控的电压源。特别地,其可以是可控的直流电流源。可例如依据已经被馈送的电流强度、电压强度或电荷量或能量确立参考电流线图。

图7展示根据实施例的用于形成电池24的设备70的示意性电路框图。设备70包括可控能源28和控制构件34。控制构件34用于在多个时间间隔中控制可控能源28。控制构件34可用于控制可控能源28以使得电流强度、一个或多个电流脉冲的频率等动态地变化。设备70包括用于确定在至少一个、多个或每个时间间隔中的电池24的物理状态的检测构件36。控制构件34用于基于所检测的物理状态控制电能源28,以使得增加或减少在剩下的当前或相继时间间隔期间被提供至电池24的电能的量。

物理状态可示例性地与被施加至电池的电池极的电压、被馈送至电池24的电流强度、被电池吸收的电荷量、电池吸收电能的持续期间、被施加至电池或电池中的温度和/或得自电池的值相关。特别地,物理状态可以与结合图4描述的电压梯度相关。可选地或附加地,物理状态还可以与关于电池吸收的电荷量的被施加至电池的电池极的电压的电压变化(dU/dQ)相关。

以简单的方式表述,可基于所检测的物理状态和/或基于所检测的图线在电池24的形成期间至少部分地确定参考电流线图的值。对于时间间隔的每个,控制构件34能够控制可控能源28,以使得所提供的电能的分量是不变的、增加的或减少的。示例性地,还可基于电池24的所确定的热量减少电荷量,从而避免过热。

可选地或附加地,控制构件34可用于将物理状态的测量值,例如,由检测构件36提供的或得自其的值与能量相关联。控制构件34还可用于控制可控能源28,以使得可控能源在后续时间间隔(即确定之后的持续期间)中提供经确定的电池的能量。特别地,时间间隔可以是非常短的(例如,大约一分钟),以至于改变电能的量基本上对应于动态直流方法。

示例性地,能量可与电池24的某一温度、电池24的某一电压或图线之间的某一偏差相关联。示例性地,控制构件34可用于将转换函数应用于物理状态(函数自变量)从而获得能量(函数值)。

换言之,当形成各个电池芯时,可直接进行计算dU/dQ值,而不是先确定电流线图。此可与来自参考形成的第二周期(如图线14)相比较,并且差被转换为新的形成电流。此允许以增大的程度考虑的电池芯的实际状态。还可借助于模型和/或仿真确立dU/dQ参考。

图8展示根据实施例的相较于图7的设备70还包括用于存储参考能量线图和/或图线(如图线12或14)的预设默认值或物理状态的存储器38的设备80的示意性电路框图。参考电流线图可包括用于待提供至电池的电能的预设默认值和/或用于充电周期的多个时间间隔的至少一个的物理状态。例如,控制构件34’用于基于存储于存储器38的参考电流线图控制可控能源28。

基于用于在参考电流线图38中的存储的物理状态和由检测构件36确定的物理状态的参考值的偏差,控制构件34’例如用于针对时间间隔的至少一个、多个或每个确定物理状态和物理状态的预设默认值之间的偏差。可选地或附加地,预先确定的图线14可例如被存储于存储器38中。检测电池24的电压和考虑被提供至电池24的电荷量允许获得在工作(在线)期间的图线12,从而可在工作期间进行确定参考电流线图的值和/或确定待提供的能量的预设默认值的值。这意味着图线12或14的至少一个可以将演变。此允许以高精度确定能量,因为可考虑电池24的电流状态用于确定。

控制构件34’还用于以偏离参考电流线图的预设默认值的方式控制可控能源28,以使得当物理状态的预设默认值和所检测的物理状态之间的偏差大于例如3%、大于5%或大于10%时以电能的较低的或较高的分量对电池24进行充电或放电。

可选地,多个参考电流线图也可被存储于存储器38中,从而允许使用各个适用的参考电流线图的形成的重复执行。

本文描述的实施例的一个方面是,相较于使用恒定电流强度的形成的图线12或14,通过在至少一个时间间隔期间增加电能的量(电流强度)加速待形成的电池的形成的方法。虽然图4中示出的图线12和14可包括在开路电压和电池的实际电压之间的较低的或可忽略的误差,基于较低的电流强度,在一些电池中增大电流强度可导致在形成期间被施加至电池极的电压偏离开路电压。在此上下文中,开路电压表示其在无负载状态下的电池电压并因此也可被理解为无负载电压。在此,除了省略欧姆效应之外,可期待电容器效应和/或扩散效应减弱,其中后者是可选择的。相较于与图4匹配的参考能量线图或恒定电流强度,随着电流强度增大或电流的增大,偏差可以越来越大。因此,随着待形成的电池的充电的增加,所施加的电压可以比开路电压高,或者,随着待形成的电池的放电的增加,所施加的电压比开路电压低。在此,开路电压可被理解为无负载或能源被连接至电池的极的电池的状态。

根据实施例,图6至8中描述的设备的控制构件32、34和/或34’用于进行参考能量线图的校正,如参照图9所描述的,图9示例性地示出充电过程期间的校正但该校正可没有任何限制地被转换至放电过程。

图9展示具有可根据本文描述的实施例的方面获得的在形成过程期间的电池电压的图线的示意图。

控制设备可用于在时间t1处中断充电或放电电流馈送至电池。控制设备用于检测物理量,如在电池极处的潜在的错误电压Ubatt。在此,控制设备可用于检测时间t1处或在时间t1前不久的物理量(电压)。示例性地,电压包括值U1。优选地,控制设备在中断前不久(即至多几秒或几分钟)或中断时检测电压Ubatt。可选地,可经由对应的转换量检测如电荷载子的量、电流强度等的不同的物理量。

随后,控制设备用于保持能量馈送或能量汲取中断时间间隔Δt,其允许电压Ubatt从值U1至值U2的变化。U1可指开路电压,其中间隔Δt的长度可影响值U2,此将在下文描述。

控制设备可用于对在时间t1之后的时间t2处具有值U2的电压Ubatt再次进行检测,从而控制设备知道开路电压的值。控制设备可用于将开路电压U2与参考能量线图进行比较,并用于确定可用于确定所施加的电流强度的测量的电压U1和实际开路电压U2之间的偏差ΔU。

控制设备可用于在时间t2将能源与电池再次连接,从而继续放电过程或充电过程。控制设备可用于通过所确定的偏差ΔU校正参考能量线图。可进行此以使得当确定待施加的电流强度时,通过偏差ΔU校正电池电压Ubatt的物理状态,并且基于校正的物理状态(Ubatt–ΔU)选择待施加的电流强度。如从图9变得清楚的,在时间t2之后的时间t3处,由于能量馈送或汲取,电池电压Ubatt可被再次破坏,其可通过校正被至少部分地补偿,从而增进形成过程的效率和精确度,而不管等待时间Δt。

等待时间Δt可以是任何时间间隔。优选地,时间间隔的持续期间的值在0.1s和600s之间的范围内。可至少依据待考虑的电池中的物理效应选择持续期间。因此,可以例如主要通过在至少0.1s和至多1s的范围内的持续期间Δt考虑电池中的欧姆效应。大于1s且至多600s的更长的持续期间Δt还可考虑电池中的电容器效应和/或扩散效应。

根据有益的进一步的开发,控制设备用于基于辅助量(如电池24的内电阻)执行校正。在此,控制设备可用于使用欧姆定律基于电压值U1、U2并基于在中断前被馈送至电池的能量计算电池的辅助量。以下解释是指计算作为电池的内电阻的辅助量。然而,应指出的是,可以使用包括电压值U1、U2和能量的组合的任何其他量,如导电值或物理中不常用的其他数学量。

控制设备可用于使用所确定的偏差ΔU确定内电阻和/或将内电阻和参考内电阻进行比较。可使用欧姆定律执行确定内电阻。内电阻随着电池的SEI形成的增加而变化。如结合图4所论述的,可存在其间电池的电压通过充电或放电过程相对强烈地变化且同时形成小的SEI的时间间隔,即,所馈送的能量的少部分被转换至SEI形成而大部分用于对电池充电。在这些部分中,开路电压因此以更高程度变化,而内电阻仅轻微地变化。因此,出于校正目的使用内电阻允许过程的精度的进一步提升,因为其允许得出关于电池的实际状态的结论。

所确定的内电阻可被转换为校正参考能量线图的电压值,同时考虑中断后被馈送至电池的电流。当电流与中断之前的值相比未变化时,结果可以是ΔU。然而,当施加变化的电流时,变化的电压差ΔU’可被获得为校正值。所确定的电压值可形成偏移值,通过其可校正参考能量线图,其也可被理解为以在图的x轴上的偏移值的参考能量线图的位移,类比图4,即,待施加电流对比电池极处的电压。

现在将利用理论视角解释辅助量的好处。在中断之后,如果对电池施加了比能量馈送的中断之前更高或更低的电流,纯粹使用电压差ΔU用于校正,在之前解释的校正值的确定中未考虑的额外误差将可能早已出现。然而,如果使用辅助量,新的、变化的电流可与辅助量相结合,并且可获得与之前不同的电压差作为结果。此不同的电压差可被用作为校正值或偏移值,并且同时考虑所馈送的能量的变化。

例如,在第一图线12和/或第二图线14期间,参考内电阻也可被检测并存储于控制设备中。控制设备可用于基于所确定的内电阻或其与参考内电阻的比较对参考能量线图进行校正。

利用开路电压的校正可提供足够的精度,尤其是只要不存在电流的进一步的改变。然而,随着进一步的改变,电压U1和U2之间的所确定的偏差可与电池的实际状态不同,因为电流改变也可导致实际电压U1和开路电压U2之间的偏差的变化。这意味着再次增加电流可导致此时仍不确定的额外误差,这意味着所确定的ΔU可能是不正确的。当进行电流改变时此可通过确定每个时间点的误差或校正而被恢复。可选地,内电阻可被有益地使用,因为内电阻不受或仅在小的程度受电流改变的影响。所确定的内电阻可因此也被用于未来的改变,从而用于确定内电阻的中断的数量以及因此归因于校正的时间损失是小的。

所描述的校正也可应用于在线方法,如结合图8所描述的。在此情况下,可在工作期间确立电能的量。可随后通过应用校正方法校正此电能的量,从而应用已经校正的值。

开路电压的测量和/或确定内电阻的频率可以以期望的频率进行,例如,与确定偏差16a-a的频率相对应。可选地,可以仅针对时间间隔的一些进行开路电压的测量和/或确定内电阻,或可独立于时间间隔进行开路电压的测量和/或内电阻的确定。

第一或第二图线的实际的开路电压U2和假设的似开路电压之间的所确定的偏差可作为偏移值被存储于控制设备的存储器中,并可出于校正目的被考虑直至新的测量。可选地或附加地,第一或第二图线的实际的内电阻和假设的似内电阻之间的所确定的偏差可作为偏移值被存储于控制设备的存储器中,并出于校正目的被考虑直至新的测量。

总之,用于校正参考能量线图的方法可包括以下步骤:可进行使用包括关于待提供至电池的电量(如电流)的信息的参考能量线图对待形成的电池进行充电或放电。此外,可进行确定在第一时间点t1处的电池的第一物理量。可进行中断对电池的充电或放电,且可执行确定在第一时间点t1之后的第二时间点t2处的电池的第一物理量。该方法可包括确定在第一时间点处的第一物理量和在第二时间点处的第一物理量之间的偏差,基于所确定的偏差校正参考能量线图以及重新开始充电或放电。

可实施该方法的有益的进一步的开发,以使得参考能量线图包括关于依据被施加至电池的电池极的电压待提供至电池的电量的信息,第一物理状态是被施加至电池的电池极的电压,以及基于所确定的偏差进行校正参考能量线图。

可实施该方法的有益的进一步的开发,以使得基于偏差以及基于在中断前具有第一值的被提供至电池的电量(电流)确定电池的辅助量。可基于辅助量和基于在重新开始之后施加的被提供至电池的电量的第二值确定用于参考能量线图的校正值。第二值可与第一值不同或相等。可基于所确定的校正值校正参考能量线图。可由独立于或结合其他方法的本文中描述的实施例的设备进行此校正。

可选地或附加地,可执行有益的实施,以使得在第二时间点t2处的电池24的第一物理量是电池24的开路电压U2

以简单的方式表述,相比于第一或第二图线加速的充电或放电可导致相比于第一或第二图线的开路电压的被施加至电池极的电压的偏差,从而当电池极处的电压等于开路电压时在形成期间出现不精确。可通过利用实际的开路电压降低此不精确,以及当使用内电阻作为校正参数时可进一步降低此不精确。

换言之,可进一步配置控制构件32、34和/或34’,以使得能够确立所连接的电芯的当前内电阻并相应地改变参考电流线图或参考能量线图。在此,控制构件在短时间内(0.1至600秒)中断能量馈送或能量汲取(可选地,电流馈送/电流汲取,可选地,充电过程/放电过程)。结果是电压响应(dUt)可测量(dUt=U中断前即刻–Ut中断后几秒)。使用此电压响应,可随后使用已知计算规则(Rt=dUt/I中断前不久)计算内电阻。使用内电阻,可改变参考电流线图以使得其示例性地在x轴上位移通过应用欧姆定律从当前电流和所测量的内电阻计算的量(见图4)。这意味着参考线图关于改变内电阻的效应被校正。

图10展示用于形成电池的方法900的示意性流程图。方法900包括由可控能源向连接至可控能源的电池提供电能的步骤910。在步骤920中,可在多个时间间隔中控制可控能源。在步骤930中,在每个时间间隔中确定电池的物理状态,其中基于所确定的物理状态存储电能源,以使得在后续时间间隔期间被提供至电池的电能的量被增加或减少。

下面描述的图12a-d图示地论述用于确立参考能量线图的之前描述的实施例和/或其应用的适用性。特别地,解释了本文中描述的实施例如何基于定期地或常规地形成的电池或电池芯与未形成的电池或其SEI尚未形成或未充分形成的待形成的电池的比较来工作(即,建立)的。常规形成的电池在下面的图中通过X2表示,并可被理解为形成的电池或其SEI被形成或被充分形成的电池芯。X1和X3分别是指还没有形成的或还没有充分形成的电池。得到以下描述的参考线图可例如被理解为两个电芯之间的比较,如结合图4描述的测量值之间的比较。在此,形成测量值的差,该差是指在不同的充电和/或放电过程之间的dU/dQ图线(即关于电荷载子的吸收量的电压变化)。通过Y2表示的图线可指与未形成的电芯X1或X3的图线Y1相比的常规形成的电芯X2的标准线图。可选地,如电流线图的参考能量线图或参考线图可被计算用于形成电池X3或借助于仿真而不是原始测量(称为Y3)而被获得。

图12a展示方法1100的示意性流程图,其中,在步骤1110中,使用未形成的电池测试芯(即电池X1)进行参考测试。在步骤1120中,如通过对在步骤1110中获得的测量值与标准线图Y2进行比较得到参考线图Y1。在步骤1130中,可借助于参考线图进行至少一个电池芯X3的形成。步骤1110可例如包括步骤110和/或步骤210。步骤1120可例如包括步骤120、130和/或220。步骤1130可包括方法900。

图12b展示相较于方法1100经变形的方法1100’的示意性流程图。作为步骤110的可选方案,方法1100’包括可作为步骤1110的可选方案或附加方案被进行的步骤1110’。在步骤1110’中,使用形成的电池测试芯X2进行未形成的或仅部分形成的电池芯X1的仿真(Y3)。如结合之前描述的实施例所论述的,代替电池芯的测试,也可进行对应的仿真。

图12c展示包括检查已经形成的电池测试芯X2的步骤1152的方法1150的示意性流程图。在步骤1154中,可从此得到标准线图Y2,如已知的。在步骤1156中,可从在步骤1154中获得的标准线图和所测量的值获得参考线图Y1,其在一种调节电路中进行。在此,在步骤1158中,可例如使用如例如由标准线图预定的标准值进行开始形成。基于在形成期间检测的测量值,如已结合图7所描述的。在步骤1162中,示出通过步骤1158获得的形成和测量电池芯X3(可选地,X1)的值。将这些测量值与步骤1156中的标准线图Y2进行比较。基于比较改变标准线图Y2,从而获得参考线图Y1。这意味着在形成期间和在工作期间可改变形成特性值。

图12d展示用于形成电池的方法1150’的示意性流程图。与方法1150相比,方法1150’包括作为方法1150的步骤1152的替代方案或补充方案执行的步骤1152’。在步骤1152’中,进行形成的电池测试芯X2的仿真Y3,其意味着可进行形成的电池的仿真来代替步骤1152中的测试和/或测量。

换言之,电流强度在SEI形成中可发挥决定性作用。电流强度在形成的不同阶段期间可具有不同程度的影响。此外,电池芯的电化学行为可取决于很多因素,如电芯化学性、几何形状等。根据之前描述的实施例,为了获得最佳的过程速度和产品质量,可改变电流(能量)以适应于电芯的电流特性。在此,形成电子器件(控制构件)可调节电流以使得其与之前针对电芯定义的线图(参考电流线图)相对应。可选地或附加地,可通过各个电芯的所测量的不同值(物理状态)改变电流。此允许针对每个时间区段从电芯得到能量的数据处理和新的计算。特别地,可将应用参考电流线图和使用所测量的值相结合。

之前描述的实施例可被应用于在第一充电和放电过程期间在界面的阳极和/或阴极形成SEI的所有电池芯。特别地,在此提及具有石墨/碳或硅的阳极的锂离子电芯。

在此,电流或电能的量的动态改变可导致在每个时间点对于电芯呈现最佳效果的电流强度。

之前描述的实施例与通过接触与(直流)电流源电性连接的待充电的电池芯相关。可借助于动态电流进行形成。电流强度可在观察的每个点处动态地升高或降低。也可通过预定义的线图定义电流强度。可通过参考测量或参考形成或借助于使用模型的仿真在先确立此线图。参考电流线图可针对某一时间或电池的某一电压确立电流强度,其中此外,周期的次数和电流的方向可发挥作用。可选地或附加地,参考电流线图还与以固定的电流强度对电池进行放电相关。以简单的方式表述,放电过程可被描述为电流方向逆转,从而以上提及的机制在没有任何相关限制的情况下仍然有效。

可选地,可使用由一个或多个传感器(检测构件)测量的信号或值计算电流。在此关键的是得自其的电压、时间、电流强度、温度和/或如电荷的量。此外,可实现由两种方法制成的系统,如设备80。例如,可预设线图,其基于所测量的值被修订和/或修改。

以上描述的实施例允许具有相等或甚至改善的电池芯的周期稳定性的形成过程的显著的加速。因此,从缩短过程中得到时间和经济优势。此外,可通过之前描述的实施例获得所形成的SEI的高质量(质量改善)。

之前描述的实施例可导致形成的显著缩短,其可导致形成装置或设备的高的出产量。

当生产电池芯时可应用之前描述的实施例,尤其是锂离子电芯以及包括具有SEI形成的不同电芯化学性的其他电池芯。示例性地,其可以是具有如阳极材料的硅来代替石墨材料的电芯。特别地,之前描述的实施例可在生产电池芯的同时被用于形成。

尽管在设备的上下文中描述了一些方面,显然,这些方面也表示对应方法的描述,以使得设备的模块或元件也对应于各个方法步骤或方法步骤的特征。类似地,在方法步骤的上下文中或作为方法步骤描述的方面也可表示对应设备的对应模块或项目或特征的描述。

依据某些实施需求,可以以硬件或软件方式实施本发明的实施例。可使用具有储存于其上的电子可读控制信号的数字储存媒介(例如,软式磁盘、DVD、蓝光、CD、ROM、PROM、EPROM、EEPROM或闪存、硬件驱动或其他磁或光存储器)执行此实施,电子可读控制信号与可编程计算机系统协作(或能够协作)以执行各自的方法。因此,数字储存媒介可以是计算机可读的。根据本发明的一些实施例包括具有电子可读控制信号的数据载体,电子可读控制信号能够与可编程计算机系统协作,以执行本文所描述的方法的一个。

一般地,本发明的实施例可被实施为带有程序代码的计算机程序产品,当该计算机程序产品在计算机上运行时,该程序代码可被操作为执行方法的一个。程序代码可例如储存于机器可读载体上。

其他实施例包括用于执行本文所描述的方法的一个的计算机程序,其储存于机器可读载体上。

换言之,所发明方法的实施例因此是具有程序代码的计算机程序,当该计算机程序在计算机上运行时,用于执行本文描述的方法的一个。本发明方法的其他实施例因此是数据载体(或数字储存媒介或计算机可读媒介),其包括,记录于其上的用于执行本文所描述的方法的一个的计算机程序。

本发明方法的其他实施例因此是代表用于执行本文所描述的方法的一个的计算机程序的数据串流或信号序列。数据串流或信号序列可例如用于经由数据通讯连接(例如,经由因特网)而传输。

其他实施例包括处理构件,例如计算机、或可编程逻辑设备,用于或适用于执行本文所描述的方法的一个。

其他实施例包括具有用于执行本文所描述的方法的一个的计算机程序安装于其上的计算机。

在一些实施例中,可编程逻辑设备(例如现场可编程门阵列,FPGA)可用来执行本文所描述的方法的一些或所有功能。在一些实施例中,现场可编程门阵列可与微处理器协作从而执行本文所描述的方法的一个。一般地,优选地由任何硬件装置执行此方法。此可以是通用硬件,如计算机处理器(CPU)或专用于方法的硬件,如ASIC。

可控能源也可以被控制或实施,以使得所确立的能量通过电流脉冲或波形电流被引入待形成的电池。可随后通过改变频率或电流脉冲强度或幅度量完成如在实施例中描述的能量的改变。

以上描述的实施例仅用于说明本发明的原理。应理解的是,本文所描述的布置及细节的修改和变形对本领域技术人员是显而易见的。因此,此意图为仅由所附权利要求的范围而不是由本文的实施例的说明和描述的方式所呈现的具体细节限制。

参考文献

[1]He,Effects of Temperature on the Formation of Graphite-LiCo02Batteries 2008

[2]He,Effects of current densities on the formation of LiCoO2graphite LIB,2011

[3]Lee,Afast formation process for lithium batteries,2004

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