碱性电池操作方法
【专利说明】
[0001] 发明人：Tal Sholklapper, Joshua Gallaway,Daniel Steingart,Nilesh Ingale， 和 Michael Nyce
[0002] 相关申请的交叉引用
[0003] 本申请要求2012年2月21日提交的美国临时专利申请61/601，067的优先权，该 美国临时专利申请在此通过引用的方式被并入。
[0004] 政府支持声明
[0005] 在此所描述和要求权利的本发明部分地利用了美国能源部合同号DE-AR0000150 提供的资金来完成。美国政府对本发明具有一定的权利。
技术领域
[0006] 本发明一般设及电池再充电的方法，并且更具体地，设及确定二次和一次碱性电 池两者的最优充放电条件的方法。
【背景技术】
[0007] 大多数商业碱性电池是一次使用的，该意味着单次放电后，他们被处理和更换。 众多商业制造商W低成本大量生产一次碱性电池。不可再充电的或一次电池（如碱性和 碳-锋型）构成每年出售的干电池的80%。虽然一次电池最初可能花费较少，但是与可再 充电的电池（其可使用数十至数百倍次数）相比需要更频繁地更换它们，该一需求最终使 花费更多。碱性电池包含二氧化铺、石墨、钢和锋。由于回收非可再充电电池的成本超过了 可再生的材料的价值，因此必须收费W使其回收在经济上可行。不幸的是，尽管社会和政府 努力，许多一次电池仍结束于垃圾填埋场。
[000引每年，在美国超过30亿一次家用电池被购买。其中许多含有重金属，如簡、铅、裡、 隶、镶、银和锋。如果处理不当，掩埋于垃圾填埋场，或焚烧，该些电池能通过渗入到地表水 或地下水中或逸入空气和±壤中而损害环境。
[0009] 基于电池技术公司炬atteiT Technologies Inc.)开发的技术（参见，例 如，美国专利号 US4957827、US5204195、US5281497、US5336571、US5340666、US5346783 和US5424145)，可再充电碱性电池近来进入市场。该技术由纯能量（Pure Engergy)、 Grandcell、化viroCell和Rayovac等商业化。然而，可再充电碱性电池的电池循环寿命是 有限的，该部分是由于商业应用中采用的高深度放电而引起的，该高深度放电导致对电池 的电化学成分的不可逆变化。此外，制造商制造专有充电器W用于其可再充电碱性电池，想 要改善循环性能（参见，例如，美国专利号US4977364、US8153300和US7718305)，并仅W小 形状因子提供。一般，消费者可预期其可再充电碱性电池持续数十个至几百个循环。该些 限制阻碍可再充电碱性电池获得主流接纳；家用电池市场仍然由一次电池支配。
[0010] 目前，由于酸泄漏、火灾和爆炸的危险，制造商不推荐对一次电池进行再充电。但 是，如果可W找到安全且便宜地对一次电池再充电的方法，其将可W反复使用，从而减少需 要回收的电池的数量。
[0011] 存在建立二次和一次碱性电池的达到最大循环寿命的最优操作参数的长久需要。 除了充电条件之外，能够控制电池操作放电条件也会是特别有用的，W便防止由过度放电 引起的不可逆的变化。
【附图说明】
[0012] 当结合附图阅读时，本领域技术人员从W下示例性实施例的描述中将容易理解W 上方面及其他方面。
[0013] 图1是描述如何定义电池操作条件的框图。
[0014] 图2是示出示例中所讨论的当电池随时间（小时）循环时的电池电位的图。
[0015] 图3是示出示例中讨论的电池的作为循环数的函数的库仑和能量效率的图。
[0016] 图4A是示出示例中讨论的电池的作为循环数的函数的能量的图。
[0017] 图4B是示出示例中讨论的电池的作为循环数的函数的EIS的图。
[0018] 图5A是描述糊式化-Mn〇2碱性电池的操作规程（protocol)的框图。
[0019] 图5B是示出示例中讨论的电池的作为循环数的函数的充放电能量的图。
[0020] 图6A是描述具有流动电解质的化-Mn化碱性电池的操作规程的框图。
[0021] 图6B是示出示例中讨论的电池的作为循环数的函数的充放电容量的图。
【发明内容】
[0022] 公开了一种新颖的、新的操作碱性电池的方法。该方法包括；测量电池的欧姆阻抗 R和非欧姆阻抗0，W及采用下式确定具有电压最大值Vmay、电压最小值Vmi。的初始电压操 作窗口 ：
[002引 Vmaxopera"on=Vmax+I*R+0
[0024] Vm 化。peration= Vmin-I 大 R-0 ;
[0025] 其中R是欧姆阻抗，e是非欧姆阻抗，并且由：
[0026] Vmax= Vmax at rate-I 大 R-0
[0027] Vm化=Vm化 at rate+I 大 R+e 给出，并且 [002引在初始电压操作窗口内操作该电池。
[0029] 本发明的方法可W应用的碱性电池的示例包括但不限于，商业一次电池、商业二 次电池、W及定制设计的一次电池或二次电池。
[0030] 在一个布置中，电池可W被操作进行一系列循环而不调整初始电压操作窗口。在 另一个布置中，电池劣化模型可用于在电池循环时周期性地修改电压操作窗口。
[0031] 在另一个布置中，测量电池的欧姆阻抗R和非欧姆阻抗0，并W固定间隔完成确 定修改后的电压操作窗口，并且在每次修改后电池在修改后的电压操作窗口内操作。
【具体实施方式】
[0032] 上述需求通过在此所述的本发明的实施例得W满足。
[0033] 定交
[0034] 电池充电状态（S0C)由；
[0035]
【主权项】
1. 一种操作碱性电池的方法，包括以下步骤： a) 提供碱性电池； b) 测量电池的欧姆阻抗R和非欧姆阻抗0 ; c) 采用下式： V眶。peration= V.+I * R+0 Vminoperation= V--I * R-0 确定具有电压最大值Vmax和电压最小值V min的初始电压操作窗口，其中R是欧姆阻抗， 0是非欧姆阻抗由下式给出： V = V -I 女 R- 3 max max at rate丄丄、 * R+0 ;并且 d) 在该初始电压操作窗口内操作该电池。
2. 根据权利要求1所述的方法，其中在步骤a中，碱性电池选自由商业一次电池、商业 二次电池、以及定制设计的一次电池或二次电池构成的组。
3. 根据权利要求1所述的方法，其中在步骤b中，欧姆阻抗是采用EIS或电流中断来测 量的。
4. 根据权利要求1所述的方法，其中在步骤b中，非欧姆阻抗是采用EIS或电流中断来 测量的。
5. 根据权利要求1所述的方法，其中在步骤d中，电池被操作进行一系列循环而不调整 初始电压操作窗口。
6. 根据权利要求1所述的方法，进一步包括在步骤c和d之间的附加步骤c. 1，其中步 骤c. 1包括在电池循环时使用电池劣化模型来修改第一电压操作窗口，以及在步骤d中，在 每个修改后的电压操作窗口内操作该电池。
7. 根据权利要求1所述的方法，进一步包括在电池循环时以一定间隔重复步骤b、c和 d以确定修改后的电压操作窗口，以及，在步骤d中，在修改后的电压操作窗口内操作该电 池。
【专利摘要】公开了采用特定操作的充放电参数来延长碱性电池寿命的方法。该方法可用于任意商业一次或二次碱性电池、以及更新的碱性电池设计(包括具有流动电解质的电池)。该方法包括在窄操作电压窗口内以基于电池特性和环境条件设置的最小和最大截止电压使电池循环。该窄电压窗口降低了可用容量但允许电池循环数百或数千次。
【IPC分类】H01M10-48, H01M2-00
【公开号】CN104662730
【申请号】CN201380017303
【发明人】T·夏洛克拉培尔, J·盖拉威, D·斯坦恩格塔, N·尹盖勒, M·尼亚克厄
【申请人】纽约城市大学研究基金会
【公开日】2015年5月27日
【申请日】2013年2月21日
【公告号】CA2886256A1, EP2817847A1, US20150030891, WO2013126520A1