具有多个电阻位的可充电电池的制作方法
【专利说明】具有多个电阻位的可充电电池
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请是于2014年2月25日提交的美国申请第14/189，517号的部分延续申请，本申请要求于2013年5月16日提交的美国临时申请第61/824，211号的权益，在此将其两者全部公开内容通过弓I用并入本文。
技术领域
[0003]本发明一般涉及可充电电池，并且更具体地，涉及配置有多于一个内阻位的可充电电池。这样的电池包括具有多于一个内阻位的锂离子电池。
【背景技术】
[0004]用于电子、交通和电网储能的可充电电池通常受到低性能和极端温度下的安全性的困扰。在低温时，特别是冰点以下的温度，可充电电池，特别是锂离子电池，由于发生在电池电池单元内部缓慢的电化学反应和输运过程，表现出极低的功率性能和低能量。在高温下，锂离子电池成为安全隐患。在交通和电网储能中，对在所有可能运行温度下鲁棒和安全地使用这些电池有着强烈的需求。
[0005]进一步希望提升低的环境温度下电池电池单元内部的快速内加热，以便控制电池性能的电化学和输运过程能随着快速内部温度的上升而被大大改进。还希望当电池开始在超出正常温度下操作，并在电池成为安全隐患(诸如当电池进入热失控时)之前，能够检测到电压或电流中的显著变化。通过设计电池使之具有两个内阻位，在本文中称之为双阻电池，能够解决以上的两个需求。
【发明内容】
[0006]本公开的优势是可充电电池，诸如锂离子电池，具有多于一个的内阻位。有利的是，这种电池能够以一个内阻位操作于一个温度范围，也能够以其它的内阻位操作于其它温度或温度范围。各种电阻位之间的差别可以是2至50或更高的因子。在不同电阻位之间的切换能够提升可充电电池的性能和安全性。
[0007]这些和其它的优势至少部分被可充电电池满足，该可充电电池包含处于第一温度(T1)与第二温度(T2)之间电池温度范围内的一个内阻位(R1)，以及处于T1ST2之外的第二内阻位(R2)，其中低于T1大约2°C时的R 2值至少是T财R i值的两倍，或者高于T 2大约2°C时的&值至少是T 2时R:值的两倍。可充电电池还可以有附加的电阻位，例如与第三温度范围(T3，T4)相关联的第三电阻位等等。有利的是，在低于T1大约2°C时的R2值至少是T1时R1值的两倍到五十倍，并且在高于T 2大约2°C时的R 2值至少是T 2时R:值的两倍到五十倍。
[0008]公开的实施例包括具有两个电阻位的可充电电池，例如，双电阻位电池，具有处于R1操作该电池的至少两个端子和处于1?2操作该电池的至少两个端子。双电阻电池可以进一步包括由温度传感器或控制器驱动的用于在处于&操作电池的端子与处于1?2操作电池的端子之间切换的开关。
[0009]本公开另外的实施例包括可充电电池，该充电电池包括添加到电池的电池单元的一种或多种电极粘合剂中的允许电极的电导率被温度调制的热敏材料和/或电解质中的将电解质的粘度或离子电导率变为温度的函数的一种或多种热敏添加剂。这些特征能够将充电电池的内阻位变为温度的函数。
[0010]本公开的另一方面是一种操作具有多个内阻位的可充电电池的方法。该方法包括在某个温度范围内例如，定义STjPT2范围之内，操作处于第一内阻位的可充电电池，以及在其它温度范围之内或在其它温度范围操作处于第二电阻位的电池，例如，当电池在!\和/或T2之外时，电池处于R 2。
[0011]通过下面的详细地说明，本发明其它的优势对本领域的技术人员变得更加显而易见，其中，仅示出和描述了优选实施例，简单图示出实施本发明的最好模式设想。如以后将会认识到的一样，本发明使得其它的和不同的实施例成为可能，并且它的若干细节使得可以在不背离本发明的基础上，对明显的方面进行修改。因此，附图和描述被看作是对本质的说明，而不被作为限制性的。
【附图说明】
[0012]参照附图，其中具有相同附图标记的要素在全文和图中代表相似的要素:
[0013]图1是示出根据本发明公开的实施例的理想化的可充电电池中作为温度的函数的电阻的示意图。
[0014]图2根据本发明公开的实施例，图示由两个电极薄层夹隔离器组成的双电阻电池单元构造。
[0015]图3A根据本发明公开的实施例，示出双电阻电池创口的原理图。
[0016]图3B根据本发明公开的实施例，示出双电阻电池创口的截面图。
[0017]图4图示具有两对端子的组装双电阻电池，其中根据本发明公开的实施例，一对端子用于低内阻，而另外一对端子用于高电阻。
[0018]图5A根据本发明公开的实施例，图示操作在低阻位的双电阻电池内的电流流动。
[0019]图5B根据本发明公开的实施例，图示操作在高阻位的双电阻电池内的电流流动。
[0020]图6是根据本发明公开的实施例，示出配置为控制双电阻电池的电池管理系统的图。
[0021]图7A-7C根据本发明公开的实施例，示出一系列图来进一步图示双电阻电池的性能。图7A示出原型40Ah双电阻电池作为电池温度函数的内阻特性。图7B示出传统40Ah双电阻电池的内阻特性。图7C是示出对于与图7A和图7B相关联的电阻位和温度的电阻随温度的变化的变化(dR/dT)的图表。
[0022]图8根据本发明公开的实施例，示出从_20°C环境开始，以IC的速率放电的图7A的40Ah的双电阻电池的电压和温度曲线。
[0023]图9是连同传统电池和双电阻电池在25°C时的参考性能曲线一起，比较两种电池从-20°C环境开始，以IC速率放电的放电曲线的图表。
[0024]图10是比较经历短路事件的传统电池和双电阻电池的电池单元电压和温度演进的图表。
【具体实施方式】
[0025]本公开涉及具有两个或更多内阻位的可充电电池。用于本文的术语电池被用来代表包含一个或多个电化学电池单元的任何可充电电化学储能装置。本公开的电池配置能被应用于多种电池，例如，但不限于，锂离子电池、锂聚合物电池、镍金属氢化物电池、镍锰钴电池、锂硫电池和锂空气电池。此类电池可用于运输、航空航天、军事和固定储能应用。本公开的可充电电池的优势是电池的内阻可以根据电池的温度以渐进地方式改变。
[0026]例如，在正常操作条件期间，诸如在正常或最佳的操作温度期间，根据本发明公开的实施例，可充电电池的内阻可以是低的，例如可以与传统电池一样低。但是当电池经历这个正常或最优范围之外的温度时，电池可以被设置为在不同的电阻位操作，例如在更高位电阻操作。在本发明公开的一个方面中，可充电电池可以有多个根据特定温度或温度范围改变的内部电阻位。即，本发明公开中的可充电电池能够具有与第一温度范围(TpT2)相关联的第一电阻位(R1),与第二温度范围(τ3，τ4)相关联的第二电阻位(R2)，与第三温度范围(T5, T6)相关联的第三电阻位(R3)等等。与任意特定温度范围相关联的电阻位优选突然地改变，诸如与阶跃函数或平方函数相关联的改变。即，在温度范围之间和温度范围之内，电阻位会有相对突然的改变。
[0027]在本发明公开的实施例中，可充电电池可以至少具有两个依赖电池温度的内部电阻(双电阻电池)。本文使用的电池温度可以是内部温度或外部表面温度。当电池的内部温度低于最优温度从而加热电池和提升电池性能的时候，本实施例的双电阻电池可以被配置成在更高的电阻位操作。例如，当电池的内部温度在正常范围以下，例如低于正常操作温度诸如低于大约5°C或处于冰点以下的环境(温度低于大约0°C，例如低于大约-10°C或-20°C )，双电阻电池的内部电阻比电池操作在正常温度范围时大好几倍(例如从大约40 Ω cm2到大约200 Ω cm2的范围)。结果是，电池存在很多强化的内部加热(因为电池的热量产生与它的内阻成比例)，这会导致电池的内部温度快速上升。当电池操作于冰点以下的环境，这会相应地快速提升电池的功率与能量输出。
[0028]这样的双电阻电池也可以被配置成一旦电池的内部温度超过正常操作范围的上限(例如高于大约45°C，诸如高于大约50°C、60°C和70°C)，会切换到高内阻。这样更高的温度可能发生在滥用或故障事件过程中。高内部电阻造成电池单元过充时的电池单元电压过冲过大，这会极大方便早期的检测以及在电池进入热失控条件之前外部充电系统的切断。例如，在短路的情况下，更高的内部电阻将以更慢和可控的速率释放电池能量，从而减慢电池温度上升的速率和保护电池，防止其热失控。在正常温度范围的上限的高内部电阻特征确保电池的固有安全性。
[0029]在本发明公开的实施例中