用于含锂二次电池的分布式电池单元形成系统的制作方法

本公开的领域总体上涉及二次电池的形成，并且更具体地，涉及含锂二次电池的分布式电池单元形成系统。

背景技术：

1、在摇椅式电池单元中，二次电池的正电极和负电极两者均包括载体离子，如锂插入和提取到其中的材料。在电池放电时，载体离子从负电极中被抽出并且插入到正电极中。在电池充电时，载体离子从正电极中被提取并且插入到负电极中。

2、由于其高比容量，硅已经成为替代碳质材料作为阳极的有前途的候选物。例如，由lic6形成的石墨阳极可以具有约370毫安时/克(mah/g)的比容量，而由li15si4形成的晶体硅阳极可以具有约3600mah/g的比容量，比石墨阳极增加了近10倍。然而，硅阳极的使用受到限制，这是由于当li载体离子插入到硅阳极中时，硅的体积变化很大(例如，300％)。这种体积增加以及与充电和放电循环相关的破裂和粉碎限制了硅阳极在实践中的使用。另外，由于硅阳极的初始库仑效率(ice)差，导致在利用硅阳极的二次电池的初始形成期间容量损失，因此硅阳极的使用受到限制。

3、在组装含锂二次电池后，通常对经组装的电池经受形成过程。在形成过程期间，电池缓慢充电和放电一次或多次。至少一些已知的形成过程包含将锂添加到电池中的预锂化过程。这些形成过程通常由大型集中式系统执行。此类系统包含连接到要经受形成过程的所有电池的中央控制中心。中央控制中心直接控制连接到其的所有电池的充电、放电和(如果适用的话)预锂化。为了能够控制形成过程并将电力分配给大量的电池，中央控制中心是使用大量的电力、占据大量的空间、并利用大量的导线来连接到所有正在经受形成的电池的相对较大且昂贵的系统。

技术实现思路

1、一方面，一种用于含锂二次电池的电池单元形成系统包含形成簇群体。所述形成簇群体中的每个形成簇包含连接器，所述连接器被配置成连接到含锂二次电池。每个含锂二次电池包含双层群体、电极母线和对电极母线。所述双层群体中的每个双层包含电极结构、隔膜结构和对电极结构。所述双层群体的每个成员的所述电极结构包含电极集电器和电极活性材料层，并且所述双层群体的每个成员的所述对电极结构包含对电极集电器和对电极活性材料层。所述形成簇群体中的每个形成簇还包含：充电模块，所述充电模块连接到所述连接器并且被配置成对连接到所述连接器的所述含锂二次电池进行充电；预锂化模块，所述预锂化模块连接到所述连接器并且被配置成将锂扩散到连接到所述连接器的所述含锂二次电池的所述电极活性材料层；放电模块，所述放电模块连接到所述连接器并且被配置成对连接到所述连接器的所述含锂二次电池进行放电；以及通信接口，所述通信接口用于将所述形成簇通信地耦接到中央控制器。响应于从所述中央控制器接收到的指令，所述形成簇被配置成：使用所述充电模块对连接到所述连接器的所述含锂二次电池进行充电；在所述含锂二次电池已经充电之后，使用所述预锂化模块将锂扩散到所述含锂二次电池的所述电极活性材料层；并且在使用所述预锂化模块已经将锂扩散到所述含锂二次电池的所述电极活性材料层之后，使用所述放电模块对所述含锂二次电池进行放电。

2、另一方面，一种形成簇，其用于在含锂二次电池的电池单元形成系统中连接到单个含锂二次电池，所述形成簇包含连接器，所述连接器被配置成连接到所述含锂二次电池。每个含锂二次电池包含双层群体、电极母线和对电极母线。所述双层群体中的每个双层包含电极结构、隔膜结构和对电极结构。所述双层群体的每个成员的所述电极结构包含电极集电器和电极活性材料层，并且所述双层群体的每个成员的所述对电极结构包含对电极集电器和对电极活性材料层。所述形成簇还包含：充电模块，所述充电模块连接到所述连接器并且被配置成对连接到所述连接器的所述含锂二次电池进行充电；预锂化模块，所述预锂化模块连接到所述连接器并且被配置成将锂扩散到连接到所述连接器的所述含锂二次电池的所述电极活性材料层；放电模块，所述放电模块连接到所述连接器并且被配置成对连接到所述连接器的所述含锂二次电池进行放电；以及至少一个微控制器。所述至少一个微控制器被编程为：使用所述充电模块对连接到所述连接器的含锂二次电池进行充电；在所述含锂二次电池已经充电之后，使用所述预锂化模块将锂扩散到所述含锂二次电池的所述电极活性材料层；并且在使用所述预锂化模块已经将锂扩散到所述含锂二次电池的所述电极活性材料层之后，使用所述放电模块对所述含锂二次电池进行放电。

3、在又另一方面，一种用于含锂二次电池的分布式电池单元形成系统，所述分布式电池单元形成系统包含中央控制器和远离所述中央控制器定位的形成簇群体。所述中央控制器包含处理器、存储器和通信接口。每个形成簇被配置成执行单个含锂二次电池的电池单元形成过程中的多个步骤。每个含锂二次电池包含双层群体、电极母线和对电极母线。所述双层群体中的每个双层包含电极结构、隔膜结构和对电极结构。所述双层群体的每个成员的所述电极结构包含电极集电器和电极活性材料层，并且所述双层群体的每个成员的所述对电极结构包含对电极集电器和对电极活性材料层。每个形成簇包含：连接器，所述连接器被配置成连接到所述含锂二次电池；模块群体，所述模块群体中的每个模块被配置成对连接到所述连接器的所述含锂二次电池执行所述多个步骤中的不同的一个步骤；通信接口，所述通信接口通信地耦接到所述中央控制器；以及至少一个微控制器。所述至少一个微控制器被编程为响应于从所述中央控制器接收到的指令来控制所述模块群体以执行所述电池单元形成过程中的所述多个步骤。

4、存在关于上述方面指出的特征的各种改进。其它特征也可以并入上述方面中。这些改进和另外的特征可以单独地或以任何组合存在。例如，以下关于所展示实施例中的任何实施例讨论的各种特征可以单独地或以任何组合并入到上述方面中的任何方面中。

技术特征：

1.一种用于含锂二次电池的电池单元形成系统，每个含锂二次电池包括双层群体、电极母线和对电极母线，其中所述双层群体中的每个双层包括电极结构、隔膜结构和对电极结构，所述双层群体中的每个成员的所述电极结构包括电极集电器和电极活性材料层，并且所述双层群体中的每个成员的所述对电极结构包括对电极集电器和对电极活性材料层，所述电池单元形成系统包括：

2.根据权利要求1所述的电池单元形成系统，其中所述中央控制器包括处理器、存储器和用于将所述中央控制器通信地耦接到所述形成簇群体的控制器通信接口，其中所述中央控制器由存储在所述存储器中的指令编程，并且由所述处理器执行以向所述形成簇群体提供指令。

3.根据前述权利要求中任一项所述的电池单元形成系统，其中每个形成簇进一步包括电源连接件，所述电源连接件被配置成连接到电源，其中所述电源连接件耦接到所述充电模块、所述预锂化模块和所述放电模块。

4.根据前述权利要求中任一项所述的电池单元形成系统，其中每个形成簇进一步包括包含处理器和存储器的形成簇控制器，其中所述形成簇控制器由存储在所述存储器中的指令编程，并且由所述处理器执行，以响应于从所述中央控制器接收到的所述指令来控制所述充电模块、所述预锂化模块和所述放电模块。

5.根据权利要求4所述的电池单元形成系统，其中所述形成簇控制器包括微控制器。

6.根据权利要求4或权利要求5所述的电池单元形成系统，其中每个形成簇进一步包括至少一个传感器，其中所述形成簇控制器被编程为接收由所述至少一个传感器输出的信号，并使用所述通信接口将接收到的信号输出传输到所述中央控制器。

7.根据前述权利要求中任一项所述的电池单元形成系统，其中每个形成簇的所述充电模块、所述预锂化模块和所述放电模块各自进一步包括包含处理器和存储器的模块控制器，其中每个模块控制器由存储在所述存储器中的指令编程，并且由所述处理器执行，以响应于从所述中央控制器接收到的所述指令来控制所述充电模块、所述预锂化模块和所述放电模块中与其相关联的一个。

8.根据权利要求7所述的电池单元形成系统，其中所述模块控制器包括微控制器。

9.根据权利要求7或权利要求8所述的电池单元形成系统，其中每个形成簇进一步包括至少一个传感器，其中所述模块控制器中的至少一个模块控制器被编程为接收由所述至少一个传感器输出的信号，并使用所述通信接口将接收到的信号输出传输到所述中央控制器。

10.根据权利要求6或权利要求9所述的电池单元形成系统，其中所述至少一个传感器包括温度传感器。

11.根据权利要求6、权利要求9或权利要求10所述的电池单元形成系统，其中所述至少一个传感器包括电压传感器。

12.根据权利要求6、权利要求9、权利要求10或权利要求11所述的电池单元形成系统，其中所述至少一个传感器包括电流传感器。

13.根据前述权利要求中任一项所述的电池单元形成系统，其进一步包括支撑所述形成簇群体的壳体。

14.根据前述权利要求中任一项所述的电池单元形成系统，其进一步包括连接到所述形成簇群体中的每个形成簇的所述通信接口的通信网络。

15.根据权利要求1至13中任一项所述的电池单元形成系统，其中所述形成簇群体中的每个形成簇的所述通信接口包括无线通信接口。

16.根据前述权利要求中任一项所述的电池单元形成系统，其进一步包括另外的形成簇群体，所述另外的形成簇群体中的每个另外的形成簇包含：

17.根据权利要求16所述的电池单元形成系统，其进一步包括支撑所述另外的形成簇群体的另外的壳体。

18.一种形成簇，其用于在含锂二次电池的电池单元形成系统中连接到单个含锂二次电池，每个含锂二次电池包括双层群体、电极母线和对电极母线，其中所述双层群体中的每个双层包括电极结构、隔膜结构和对电极结构，所述双层群体中的每个成员的所述电极结构包括电极集电器和电极活性材料层，并且所述双层群体中的每个成员的所述对电极结构包括对电极集电器和对电极活性材料层，所述形成簇包括：

19.根据权利要求18所述的形成簇，其进一步包括用于将所述形成簇通信地耦接到中央控制器的通信接口。

20.根据权利要求19所述的形成簇，其中所述至少一个微控制器被编程为响应于从所述中央控制器接收到的指令而对所述含锂二次电池进行充电、扩散和放电。

21.根据权利要求19或权利要求20所述的形成簇，其中所述通信接口是用于连接到有线通信网络的有线通信接口。

22.根据权利要求19或权利要求20所述的形成簇，其中所述通信接口是用于连接到无线通信网络的无线通信接口。

23.根据权利要求18至22中任一项所述的形成簇，其进一步包括电源连接件，所述电源连接件被配置成连接到电源，其中所述电源连接件耦接到所述充电模块、所述预锂化模块和所述放电模块。

24.根据权利要求18至23中任一项所述的形成簇，其中所述至少一个微控制器包括充电模块控制器、预锂化模块控制器和放电模块控制器。

25.根据权利要求24所述的形成簇，其中所述充电模块控制器被编程为控制所述充电模块，所述预锂化模块控制器被编程为控制所述预锂化模块，并且所述放电模块控制器被编程为控制所述放电模块。

26.根据权利要求18至25中任一项所述的形成簇，其进一步包括至少一个传感器，所述至少一个传感器用于监测所述形成簇或连接到所述连接器的含锂二次电池的状况，其中所述至少一个微控制器被编程为接收由所述至少一个传感器输出的信号。

27.根据权利要求26所述的形成簇，其中所述至少一个传感器包括温度传感器。

28.根据权利要求26或权利要求27所述的形成簇，其中所述至少一个传感器包括电压传感器。

29.根据权利要求26、权利要求27或权利要求28所述的形成簇，其中所述至少一个传感器包括电流传感器。

30.一种用于含锂二次电池的分布式电池单元形成系统，每个含锂二次电池包括双层群体、电极母线和对电极母线，其中所述双层群体中的每个双层包括电极结构、隔膜结构和对电极结构，所述双层群体中的每个成员的所述电极结构包括电极集电器和电极活性材料层，并且所述双层群体中的每个成员的所述对电极结构包括对电极集电器和对电极活性材料层，所述分布式电池单元形成系统包括：

31.根据权利要求30所述的分布式电池单元形成系统，其中所述电池单元形成过程中的所述多个步骤包含对连接到所述连接器的所述含锂二次电池进行充电，以及对连接到所述连接器的所述含锂二次电池进行放电。

32.根据权利要求30所述的分布式电池单元形成系统，其中所述电池单元形成过程中的所述多个步骤包含将锂扩散到连接到所述连接器的所述含锂二次电池的所述电极活性材料层。

33.根据权利要求31所述的分布式电池单元形成系统，其中所述电池单元形成过程中的所述多个步骤包含将锂扩散到连接到所述连接器的所述含锂二次电池的所述电极活性材料层。

34.根据权利要求33所述的分布式电池单元形成系统，其中所述至少一个微控制器被编程为控制所述模块群体以首先对连接到所述连接器的所述含锂二次电池进行充电，在对所述含锂二次电池进行充电之后，将锂扩散到连接到所述连接器的所述含锂二次电池的所述电极活性材料层，并且在将锂扩散到所述含锂二次电池的所述电极活性材料层之后，对所述含锂二次电池进行放电。

35.根据权利要求30至34中任一项所述的分布式电池单元形成系统，其进一步包括壳体，其中所述形成簇群体位于所述壳体中，并且所述中央控制器不位于所述壳体内。

36.根据权利要求30至35中任一项所述的分布式电池单元形成系统，其中所述至少一个微控制器包含存储能由所述至少一个微控制器执行的指令的存储器，所述指令用于通过所述模块群体控制所述多个步骤的执行。

37.根据权利要求36所述的分布式电池单元形成系统，其中所述中央控制器由存储在所述存储器中的指令编程以使用所述通信接口向每个形成簇传输指令，其中所述指令向每个形成簇通知何时执行所述多个步骤中的每个步骤，而不向所述形成簇通知如何执行每个步骤。

38.根据权利要求36所述的分布式电池单元形成系统，其中所述中央控制器由存储在所述存储器中的指令编程以使用所述通信接口将所述用于通过所述模块群体控制所述多个步骤的执行的指令传输到每个形成簇。

39.根据权利要求30至38中任一项所述的分布式电池单元形成系统，其中所述至少一个微控制器包括模块控制器群体，所述模块控制器群体中的每个模块控制器被编程为控制所述模块中的不同的一个模块来执行所述多个步骤中与其相关联的一个步骤。

40.根据权利要求39所述的分布式电池单元形成系统，其中每个模块控制器包括微控制器。

技术总结
一种用于含锂二次电池的电池单元形成系统包含形成簇群体，每个形成簇包含被配置成连接到含锂二次电池的连接器、连接到所述连接器并且被配置成对所述电池进行充电的充电模块、连接到所述连接器并且被配置成将锂扩散到所述电池的电极活性材料层的预锂化模块、连接到所述连接器并且被配置成对所述电池进行放电的放电模块以及用于将所述形成簇通信地耦接到中央控制器的通信接口。响应于从所述中央控制器接收到的指令，所述形成簇被配置成使用所述充电模块对所述电池进行充电，使用所述预锂化模块将锂扩散到所述电池的所述电极活性材料层，并且在锂已经扩散到所述电池的所述电极活性材料层之后使用所述放电模块对所述二次电池进行放电。

技术研发人员：R·M·福斯勒
受保护的技术使用者：艾诺维克斯公司
技术研发日：
技术公布日：2024/3/12