专利名称：增加充电锂电池单元中的能量密度的制作方法
技术领域：
本发明总体上涉及用于给充电电池充电的技术。更具体而言，本发明涉及一种方便增加锂离子或锂聚合物电池单元的能量密度的新型充电技术。
背景技术：
充电电池当前用于向广泛多种便携式电子设备提供电力，包括膝上型计算机、蜂窝电话、PDA、数字音乐播放器和无绳电动工具。随着这些电子设备变得越来越小而且越来越强大，用于给这些设备供电的电池需要在更小的体积中存储更多的能量。最普遍使用的充电电池类型是锂电池，其可以包括锂离子或锂聚合物电池。锂离子和锂聚合物电池单元一般包含阴极集电器；由活性材料组成的阴极涂层；隔膜；阳极集 电器；及由活性材料组成的阳极涂层。用于增加锂离子或锂聚合物电池单元的能量容量(mAh)的传统技术涉及增加阳极和阴极集电器的长度，及附加地增加其各自涂层材料的长度，其中这些涂层材料的厚度和用于集电器的充电电流密度(mA/cm2)保持相同。然而，应当指出，当电池容量增加时，增加这些集电器的面积导致相同或更低的按体积测量的能量密度(Wh/L)。由此，电池变得更大，这对于许多便携式电子设备是不现实的。由此，所需要的是一种在不增加电池单元的大小的情况下用于增加充电锂电池单元的能量容量的技术。
发明内容
本发明的有些实施方式提供了一种改进的充电锂电池。这种充电锂电池包括具有阴极活性材料涂层的阴极集电器。它还包括电解质隔膜和具有阳极活性材料涂层的阳极集电器。在这种充电电池中，阴极活性材料涂层的厚度和阳极活性材料涂层的厚度被选择成使得，当利用多步恒定电流恒定电压(CC-CV)充电技术给所述电池充电时，所述电池将在预定的最大充电时间内充电，具有预定的最小循环寿命。应当指出，利用多步CC-CV充电技术代替传统充电技术允许增加阴极活性材料的厚度和阳极活性材料的厚度，同时维持相同的预定最大充电时间和相同的预定最小循环寿命。活性材料厚度的这种增加有效地增加了电池单元的按体积测量和按比重测量的能量密度。在有些实施方式中，用于多步CC-CV充电技术的初始充电电流密度超出了用于实现相同预定最小循环寿命的单步CC-CV充电技术的初始充电电流密度。在有些实施方式中，用于多步CC-CV充电技术的初始充电电流密度超过了 2. 5mA/
2
cm ο在有些实施方式中，阴极集电器由铝组成；阴极活性材料的涂层由LiCoO2组成；阳极集电器由铜组成；阳极活性材料的涂层由石墨组成；而电解质隔膜由聚乙烯或聚丙烯组成。在有些实施方式中，阴极具有涂有阴极活性材料的第一表面和第二表面。类似地，阳极具有覆盖有阳极活性材料的第一表面和第二表面。另外，电解质隔膜包括位于阴极的第一表面和阳极的第二表面之间的第一电解质隔膜；及位于阴极的第二表面和阳极的第一表面之间的第二电解质隔膜。本发明的其它实施方式提供了利用多步恒定电流恒定电压(CC-CV)充电技术给电池充电的方法。在这种技术下，系统首先获得一组充电电流U1, ...，InI和一组充电电压Iv1,...，VJ。接下来，系统重复一系列恒定电流和恒定电压充电步骤，以i = I开始并且每次重复都递增i，直到到达终止条件。这些恒定电流和恒定电压充电步骤包括利用恒定电流Ii给电池充电，直到电池的 电池电压达到Vi ;然后利用恒定电压Vi给电池充电，直到充电电流小于或等于Ii+1。通过利用这种多步CC-CV充电技术，电池在预定的最大充电时间内充电，具有预定的最小循环寿命。而且，与初始充电电流I1关联的初始充电电流密度超过了用于实现相同预定最小循环寿命的单步CC-CV充电技术的初始充电电流密度。在有些实施方式中，这组充电电流和这组充电电压是通过基于所测量到的电池温度在查找表中查找这组充电电流和这组充电电压来获得的。在有些实施方式中，当充电电流Ii等于终止充电电流Itom时，到达终止条件。
本说明书包含至少一个彩色制成的附图。在提出请求并支付必要费用的情况下，具有彩色附图的本专利或专利申请公报的副本将由专利局提供。图I例示了根据本发明实施方式的电池循环寿命如何受充电电流影响。图2例示了根据本发明实施方式的电池循环寿命如何受充电电流密度影响。图3例示了根据本发明实施方式的用于利用CC-CV充电技术给电池充电的系统。图4给出了根据本发明实施方式的例示在多步CC-CV充电技术中所涉及的操作的流程图。图5例示了传统单步CC-CV充电技术的性能。图6例示了根据本发明实施方式的多步CC-CV充电技术的性能。 图7例示了根据本发明实施方式的在传统和多步CC-CV充电技术下在23°C电池如何随循环寿命衰减。图8例示了根据本发明实施方式的在传统和多步CC-CV充电技术下在10°C电池如何随循环寿命衰减。图9例示了传统电池单元的结构。图10例示了根据本发明实施方式的具有较厚的阴极和阳极涂层并使用多步CC-CV充电技术的新型电池单元的结构。
具体实施例方式给出以下描述是为了使任何本领域技术人员都能够制造和使用本发明，而且以下描述是在特定应用及其需求的背景下提供的。对所公开实施方式的各种修改对本领域技术人员将是很显然的，而且，在不背离本发明主旨与范围的情况下，这里所定义的通用原理可以应用到其它实施方式和应用。因此，本发明不限于所示出的实施方式，而是要符合与这里所公开的原理和特征一致的最广范围。
该具体实施方式
部分中所描述的数据结构与代码一般存储在计算机可读存储介质中，该介质可以是可以存储由计算机系统使用的代码和/或数据的任何设备或介质。计算机可读存储介质包括但不限于，易失性存储器、非易失性存储器、磁和光存储设备(例如，盘驱动器、磁带、CD (紧凑盘)、DVD (数字多功能盘或数字视频盘))，或者现在已知或以后开发的能够存储代码和/或数据的其它介质。该具体实施方式
部分中所描述的方法和处理可以体现为代码和/或数据，这些代码和/或数据可以存储在以上所述的计算机可读存储介质中。当计算机系统读取并执行存储在计算机可读存储介质上的代码和/或数据时，计算 机系统执行体现为数据结构和代码并存储在计算机可读存储介质中的方法和处理。此外，以下所描述的方法和处理可以包括在硬件模块中。例如，硬件模块可以包括但不限于，专用集成电路(ASIC)芯片、场可编程门阵列(FPGA)及现在已知或以后开发的其它可编程逻辑器件。当硬件模块被激活时，该硬件模块执行包括在该硬件模块中的方法和处理。鍵本发明增加了充电锂电池单元的按体积测量和按比重测量的能量密度(Wh/L)。能量密度的这种增加方便把电池单元制造得更小，这允许便携式电子设备中可用的有限空间可以被更有效地利用。例如，节省下来的空间可以用于把附加的特征件结合到电子设备中，或者提供更多的电池容量，这增加了电池的运行寿命。本发明背后的基本想法很简单。通过在不增加所关联的集电器或隔膜的长度与宽度的情况下增加阳极和阴极集电器上活性材料涂层的厚度，来增加电池容量。应当指出，隔膜、阳极集电器和阴极集电器是电池单元中的非活性部件。因此，增加这些部件的表面积不增加电池单元的按比重测量或按体积测量的能量密度。本发明通过增加阴极和阳极上活性材料涂层的厚度并且还减小非活性材料的面积来增加电池单元的能量密度。这是通过使用新的多步CC-CV充电技术在不减少电池的循环寿命的情况下来完成的，这种新的多步CC-CV充电技术在电池单元达到较高的充电状态(SOC)(例如，70%至100% SOC之间)时减小电流密度。应当指出，如果涂层厚度增加，则充电电流密度必须增加，以在相同的时间量内给电池充电。不幸的是，对于锂离子和锂聚合物电池单元来说，充电电流密度与循环寿命成反t匕。而且，还应当指出，在不同的温度下使用相同的充电电流密度也影响循环寿命。例如，与较高温度(45°C )相比，在较低的温度(10°C )下维持相同的充电电流密度将从根本上降低锂离子/锂聚合物电池的循环寿命。图I给出了例示电池循环寿命如何受充电电流影响的经验结果的图。这个图比较在10°c利用O. 3C比率(O. 82A)对O. 5C比率(I. 37A)充电的电池单元的循环寿命。如这个图所指示的，与O. 3C比率相比，利用O. 5C比率给电池单元充电减少了循环寿命。在其它温度可以获得类似的结果。通过用阴极面积去除充电电流，可以容易地将充电电流变换成充电电流密度(mA/cm2)。大多数锂离子和锂聚合物电池单元中的充电电流密度在2. 2-2. 5mA/cm2之间变化，因为更高的电流密度会把电池的循环寿命减少到不可接受的低水平。然而，应当指出，在较高的充电状态(SOC)(例如，70%至100% SOC之间)下，较高的充电电流密度只会使循环寿命受损。由此，如果在较高的充电状态(并且在较低的温度下)充电电流可以减小，那么就可以在没有电池化学性质的任何改变的情况下避免循环寿命的降级(而且循环寿命甚至可以增加)。例示传统单元设计与改进单元/电池设计之间的区别的图在图2中示出，该图例示了循环寿命、电流密度与能量密度之间的关系。传统的充电技术(标记为“传统CC-CV充电”)涉及单个恒定电流充电步骤，其涉及例如在O. 5C比率下充电，直到电池电压达到4. 2V。这个恒定电流步骤之后跟着单个4. 2V的恒定电压充电步骤，直到充电电流降至
0.05C。(应当指出，这同一传统充电技术是跨宽范围的温度使用的。)相反，新的多步CC-CV充电技术(标记为“多步CC-CV充电”)涉及一系列恒定电流和恒定电压充电步骤。例如，该系统可以在O. 7C的较高初始恒定电流下充电，直到电池达到50%充电状态。然后，该系统在恒定电压下充电，直到充电电流降至O. 6C。接下来，系统可以在O. 6C的稍微较低的恒定电流下充电，直到电池达到60%充电状态。然后，系统可以重复附加的CC-CV步骤，直到电池充满电。 图2例示了新的多步CC-CV充电技术如何可以利用较高的初始电流密度给电池单元充电，同时维持相同的循环寿命。这种较高的初始充电电流密度使具有较厚的活性材料涂层的电池单元以与具有较薄的活性材料涂层的传统电池单元相同的时间量充电，其中这种传统电池单元使用传统的单个恒定电流充电步骤，后面跟着单个恒定电压充电步骤。充电系统图3例示了根据本发明实施方式的使用CC-CV充电技术的充电电池系统300。更具体而言，图3中所例示的充电电池系统300包括电池单元302，例如锂离子电池单元或者锂聚合物电池单元。它还包括测量施加到单元302的充电电流的电流计(电流传感器)304和测量跨单元302的电压的电压计(电压传感器)306。充电电池系统300还包括测量电池单元302的温度的热传感器330。(应当指出，用于电流计、电压计和热传感器的多种可能设计在本领域中是众所周知的。)充电电池系统300附加地包括提供可控的恒定充电电流(具有变化的电压)的电流源323，或者作为替代，提供可控的恒定充电电压(具有变化的电流)的电压源324。充电过程是由控制器320控制的，该控制器320接收来自电压计306的电压信号308、来自电流计304的电流信号310和来自热传感器330的温度信号332。这些输入用于生成用于电流源323的控制信号322，或者作为替代，用于电压源324的控制信号326。应当指出，控制器320可以利用硬件和软件的组合或者纯硬件来实现。在一种实施方式中，控制器320是利用微控制器实现的，该微控制器包括执行控制充电过程的指令的微处理器。以下更具体地描述充电过程中控制器320的操作。充电过稈图4给出了根据本发明实施方式的例示在CC-CV充电操作中所涉及的操作的流程图。首先，系统获得一组充电电流U1, . . .，IJ和一组充电电压IV1, . . .，VJ (步骤402)。这可以涉及基于所测量到的电池温度和电池的电池类型在查找表中查找这组充电电流和这组充电电压。如以上所提到的，这些查找表可以通过利用锂参考电极进行实验以确定在发生镀锂之前可以有多少电流/电压施加到电池来生成。接下来，系统在恒定电流I = Ii下给电池单元充电，直到电池电压Vrall = Vi(T)(步骤404)。然后，系统在恒定电压V = Vi(T)下充电，直到充电电流I彡Ii+1 (步骤406)。接下来，系统确定Ii+1是否等于终止电流Itom(步骤408)。如果等于，则过程完成。否则，计数器变量i递增，即i = i+Ι (步骤410)，而且重复该过程。应当指出，与初始充电电流I1关联的初始充电电流密度超过了用于实现相同预定最小循环寿命的单步CC-CV充电技术的初始充电电流密度。
充电技术之间的区别图5和6例示了传统单步CC-CV充电技术与新的多步CC-CV充电技术之间的区别。更具体而言，图5例示了用于单步CC-CV充电技术的电压、电流和充电状态(SOC)。这种单步充电技术首先以O. 49A的恒定电流(O. 5C比率)充电至4. 2V (93 % S0C)，然后以4. 2V的恒定电压充电，直到电流降到低于O. 05C，在该点电池单元达到100% SOC0相反，图6中所例示的多步CC-CV充电涉及一系列恒定电流和恒定电压充电步骤。应当指出，利用具有大电流的恒定电流充电步骤方便更快的充电，但是也随着电池SOC的增加而导致电极的极化。后续的恒定电压充电步骤使电极能够从极化中恢复，这允许锂随着SOC增加在阳极内扩散并且进一步减小电流。因此，这种新的充电技术允许电池单元在相同的时间量内充电，但通过减小较高充电状态下的电流密度而改进了循环寿命。图7例示了根据本发明实施方式的在传统和多步CC-CV充电技术下在23°C电池如何随循环寿命衰减。图8例示了根据本发明实施方式的在10°C下的同样的比较。在图7中，在大约300个循环处，存在一个交叉点，在这个点利用新的多步CC-CV充电技术充电的电池开始比利用传统单步CC-CV充电技术充电的电池衰减得慢。由此，利用多步CC-CV充电技术可以防止电池容量的降级并可以延长循环寿命。在图8中，对于10°C而言的交叉点出现得甚至更早，在大约100个循环处。应当指出，图7和8中所例示的改善的循环寿命很大程度上是由于在较高的SOC下使用了减小的充电电流密度。这些图还指示充电电流密度可以在维持相同循环寿命的同时增加，或者作为替代，循环寿命可以在不增加充电电流密度的情况下增加。电池单元结构图9和10中例示了示例电池单元结构。更具体而言，图9例示了阴极和阳极上具有薄活性材料涂层的传统电池单元，这种电池单元需要较长的集电器来增加电池容量。相反，图10例示了具有较短集电器和较厚活性材料涂层的改进的电池单元。尽管这种改进的电池单元的长度、宽度和厚度与传统的电池单元相同，但是能量密度增加了，这是因为在单元内部有更多的活性材料而不是非活性材料。例如，图10中所例示的改进的电池单元的能量密度比图9中所例示的传统电池单元增加了 5%。应当指出，涂层厚度可以进一步增加，使得电流密度可以高达3. 5mA/cm2或者更高，而不会显著地牺牲循环寿命。这潜在地导致能量密度(Wh/L) 6-15%的增加。应当指出，图9中所例示的传统电池单元的胶状物卷(jelly roll)中有17层，而且是利用2. 3mA/cm2的最大电流密度来充电的。相反，图10中所例示的新的电池单元设计的胶状物卷中只有12层而且是利用3. 3mA/cm2的最大充电电流密度来充电的。充电电流密度的这种增加和层数的相关减少有效地把电池单元的能量密度从420Wh/L增加到448Wh/L。(应当指出，这些数字仅仅是示例性的，而且相同的技术可以扩展以针对其它的电池单元实现更高的充电电流密度和更高的能量密度。)
给出以上对实施方式的描述仅仅是出于说明和描述的目的。它们不是旨在详尽的 或者要把本说明书限制到所公开的形式。相应地，许多修改和变体对于本领域技术人员将是显然的。此外，以上公开内容不是要限制本说明书。本说明书的范围是由所附权利要求限定的。
权利要求
1.一种充电电池，包括 阴极，包括具有阴极活性材料涂层的阴极集电器； 电解质隔I吴；及 阳极，包括具有阳极活性材料涂层的阳极集电器； 其中，所述阴极活性材料涂层的厚度和所述阳极活性材料涂层的厚度被选择成使得，当利用多步恒定电流恒定电压(CC-CV)充电技术给所述电池充电时，该电池将在预定的最大充电时间内充电，具有预定的最小循环寿命。
2.如权利要求I所述的充电电池，其中，用于所述多步CC-CV充电技术的初始充电电流密度超过了用于实现相同预定最小循环寿命的单步CC-CV充电技术的初始充电电流密度。
3.如权利要求2所述的充电电池，其中，用于所述多步CC-CV充电技术的所述初始充电 电流密度超过2. 5mA/cm2。
4.如权利要求I所述的充电电池， 其中所述阴极集电器由铝组成； 其中所述阴极活性材料涂层由LiCoO2组成； 其中所述阳极集电器由铜组成； 其中所述阳极活性材料涂层由石墨组成；及 其中所述隔膜由聚乙烯或者聚丙烯组成。
5.如权利要求I所述的充电电池， 其中所述阴极具有第一表面和第二表面，该第一表面和第二表面涂有所述阴极活性材料； 其中所述阳极具有第一表面和第二表面，该第一表面和第二表面覆盖有所述阳极活性材料；以及 其中所述电解质隔膜包括 位于所述阴极的第一表面和所述阳极的第二表面之间的第一电解质隔膜；及 位于所述阴极的第二表面和所述阳极的第一表面之间的第二电解质隔膜。
6.一种利用多步恒定电流恒定电压(CC-CV)充电技术给电池充电的方法，包括 获得一组充电电流U1,...，IJ和一组充电电压Iv1,...，VJ ;及 重复恒定电流和恒定电压充电步骤，以i = I开始并且每次重复都递增i，直到到达终止条件，其中所述恒定电流和恒定电压充电步骤包括， 利用恒定电流Ii给所述电池充电，直到所述电池的电池电压达到Vi;以及 然后利用恒定电压Vi给所述电池充电，直到充电电流小于或等于ii+1 ； 其中，在所述多步CC-CV充电技术下，所述电池在预定的最大充电时间内充电，具有预定的最小循环寿命；及 其中，与初始充电电流I1关联的初始充电电流密度超过了用于实现相同的预定最小循环寿命的单步CC-CV充电技术的初始充电电流密度。
7.如权利要求6所述的方法，其中，用于所述多步CC-CV充电技术的初始充电电流密度超过 2. 5mA/cm2。
8.如权利要求6所述的方法，其中，获得所述一组充电电流和所述一组充电电压涉及基于所测量到的所述电池的温度在查找表中查找这组充电电流和这组充电电压。
9.如权利要求6所述的方法，其中，当充电电流Ii等于终止充电电流Itmn时到达所述终止条件。
10.如权利要求6所述的方法，其中，所述电池是充电锂电池。
11.如权利要求10所述的方法，其中，所述充电锂电池包括 阴极，包括具有阴极活性材料涂层的阴极集电器； 电解质隔I吴；及 阳极，包括具有阳极活性材料涂层的阳极集电器； 其中，所述阴极活性材料涂层的厚度和所述阳极活性材料涂层的厚度被选择成使得，当利用所述多步恒定电流恒定电压(CC-CV)充电技术给所述电池充电时，所述电池将在预定的最大充电时间内充电，具有预定的最小循环寿命。
12.—种具有充电机构的电池系统,包括 电池； 电压传感器，配置成监视所述电池的电池电压； 电流传感器，配置成监视所述电池的充电电流； 充电源，配置成向所述电池施加充电电流和充电电压 '及 控制器，配置成从所述电压传感器和所述电流传感器接收输入，并向所述充电源发送控制信号，其中，该控制器配置成使用一组充电电流和一组充电电压Iv1,...，VJ来给所述电池充电； 其中，该控制器配置成执行多步恒定电流恒定电压(CC-CV)充电操作，该操作利用所述一组充电电流和所述一组充电电压来重复恒定电流和恒定电压充电步骤，直到到达终止条件； 其中，在所述多步CC-CV充电技术下，所述电池在预定的最大充电时间内充电，具有预定的最小循环寿命；及 其中，与初始充电电流I1关联的初始充电电流密度超过了用于实现相同的预定最小循环寿命的单步CC-CV充电技术的初始充电电流密度。
13.如权利要求12所述的电池系统，其中，重复所述恒定电流和恒定电压充电步骤涉及以i=I开始重复以下步骤 利用恒定电流Ii给所述电池充电，直到所述电池的电池电压达到Vi ； 利用恒定电压Vi给所述电池充电，直到所述充电电流小于或等于Ii+1 ;及 递增i。
14.如权利要求12所述的电池系统，还包括配置成测量所述电池的温度的温度传感器；及 其中，所述控制器配置成利用所测量到的温度在查找表中查找所述一组充电电流和所述一组充电电压。
15.如权利要求12所述的电池系统，其中，当所述充电电流Ii等于终止充电电流Itmil时到达所述终止条件。
16.如权利要求12所述的电池系统，其中，用于所述多步CC-CV充电技术的初始充电电流密度超过2. 5mA/cm2。
17.如权利要求12所述的电池系统，其中，所述电池包括阴极，包括具有阴极活性材料涂层的阴极集电器； 电解质隔I吴；及 阳极，包括具有阳极活性材料涂层的阳极集电器； 其中，所述阴极活性材料涂层的厚度和所述阳极活性材料涂层的厚度被选择成使得，当利用所述多步恒定电流恒定电压(CC-CV)充电技术给所述电池充电时，所述电池将在预定的最大充电时间内充电，具有预定的最小循环寿命。
18.如权利要求17所述的电池系统， 其中所述阴极集电器由铝组成； 其中所述阴极活性材料由LiCoO2组成； 其中所述阳极集电器由铜组成； 其中所述阳极活性材料由石墨组成；及 其中所述隔膜由聚乙烯或者聚丙烯组成。
19.如权利要求12所述的电池系统， 其中所述阴极具有第一表面和第二表面，该第一表面和第二表面涂有所述阴极活性材料； 其中所述阳极具有第一表面和第二表面，该第一表面和第二表面覆盖有所述阳极活性材料；以及 其中所述电解质隔膜包括 位于所述阴极的第一表面和所述阳极的第二表面之间的第一电解质隔膜；及 位于所述阴极的第二表面和所述阳极的第一表面之间的第二电解质隔膜。
20.—种用于电池的充电机构,包括 电压传感器，配置成监视所述电池的电池电压； 电流传感器，配置成监视所述电池的充电电流； 温度传感器，配置成测量所述电池的温度； 充电源，配置成向所述电池施加充电电流和充电电压 '及 控制器，配置成从所述电压传感器、所述电流传感器和所述温度传感器接收输入，并向所述充电源发送控制信号，其中，所述控制器配置成基于所测量到的温度在查找表中查找一组充电电流U1,...，IJ和一组充电电压Iv1,...，VJ ;及 其中，该控制器配置成执行多步恒定电流恒定电压(CC-CV)充电操作，该操作利用所述一组充电电流和所述一组充电电压重复恒定电流和恒定电压充电步骤，直到到达终止条件; 其中，在所述多步CC-CV充电技术下，所述电池在预定的最大充电时间内充电，具有预定的最小循环寿命；及 其中，与初始充电电流I1关联的初始充电电流密度超过了用于实现相同的预定最小循环寿命的单步CC-CV充电技术的初始充电电流密度。
全文摘要
本发明的一些实施方式提供了改进的充电锂电池。这种充电锂电池包括具有阴极活性材料涂层的阴极集电器。它还包括电解质隔膜和具有阳极活性材料涂层的阳极集电器。在这种充电电池中，所述阴极活性材料涂层的厚度和所述阳极活性材料涂层的厚度被选择成使得，当利用多步恒定电流恒定电压(CC-CV)充电技术给所述电池充电时，所述电池将在预定的最大充电时间内充电，具有预定的最小循环寿命。应当指出，利用所述多步CC-CV充电技术代替传统充电技术允许所述阴极活性材料的厚度和所述阳极活性材料的厚度增加，同时维持相同的预定最大充电时间和相同的预定最小循环寿命。活性材料厚度的这种增加有效地增加了电池单元的按体积测量和按比重测量的能量密度。
文档编号H01M10/44GK102742067SQ201080036437
公开日2012年10月17日 申请日期2010年7月20日 优先权日2009年8月17日
发明者R·C·比哈德瓦基, 黄太燮 申请人:苹果公司