全天候電池及其制造和使用
【專利摘要】公開具有在不同溫度下操作的不同級別的內(nèi)阻的可再充電電池、模塊或電池組。在低于冰點的環(huán)境中，電池可展現(xiàn)高電阻，所述高電阻一旦被操作或激活就在內(nèi)部發(fā)熱以使電池快速升溫。一旦電池達(dá)到正常操作溫度，電池可切換為低電阻操作模式，進(jìn)而雖然在極低環(huán)境溫度下操作仍遞送優(yōu)越的功率和能量。
【專利說明】全天候電池及其制造和使用
[0001]相關(guān)申請的交叉引用
[0002]本申請主張2014年4月17日申請的第14/255,780號美國申請的權(quán)益，其中第14/255，780號美國申請主張2013年10月11日申請的第61/890,012號美國臨時申請的權(quán)益，所述兩個申請的全部公開內(nèi)容以引用方式并入本文中。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003]本發(fā)明一般涉及可再充電電池，且特別涉及在低于冰點的溫度下遞送高功率和能量的可再充電電池。這些電池包含用于車輛、電網(wǎng)儲能和室外電力備用系統(tǒng)的鋰離子電池。
【背景技術(shù)】
[0004]用于電子器件、運(yùn)輸和電網(wǎng)儲能的可再充電電池通常在極端溫度下遭受低性能和安全問題。在低溫下，尤其是在低于冰點的溫度下，可再充電電池，尤其是鋰離子電池，由于在電池單體中發(fā)生的緩慢的電化學(xué)動力學(xué)和傳送過程而展現(xiàn)極低的功率性能和低能量。在高溫下，鋰離子電池變成安全危害。強(qiáng)烈需要在所有環(huán)境溫度下有效且安全地呈現(xiàn)高性能的全天候電池(ACB)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本公開的優(yōu)點是可再充電電池，例如，鋰離子電池，該可再充電電池在介于第一溫度(T1)與第二溫度(T2)之間的電池的溫度范圍上具有一個級別的內(nèi)阻(R1)，且在T1ST2之外具有第二級別的內(nèi)阻(R2);以及開關(guān)，該開關(guān)在電池的溫度處于T1ST2之外時激活R2。此可再充電電池可在一定溫度范圍上在一個內(nèi)阻級別下操作，例如，電池可在正常操作溫度上在電池的正常操作期間在低級別的內(nèi)阻下操作，且在其它溫度下或溫度范圍內(nèi)在另一內(nèi)阻級別下操作。舉例來說，可再充電電池可有利地在低于冰點的溫度下展現(xiàn)異常高的內(nèi)阻，以使得通過使電池在R2下操作而產(chǎn)生的內(nèi)部熱充分強(qiáng)化以導(dǎo)致電池迅速升溫，且隨后使電池雖然在低環(huán)境溫度下操作仍能夠輸出高功率和能量。
[0006]這些優(yōu)點和其它優(yōu)點至少部分通過一種可再充電電池來實現(xiàn)，該可再充電電池包括:至少一個負(fù)極端子和至少一個正極端子，用于使電池在介于第一溫度(T1)與第二溫度(T2)之間的電池的溫度范圍上在一個級別的內(nèi)阻(R1)下操作;至少一個高電阻端子，用于使電池在T1ST2之外在第二級別的內(nèi)阻(R2)下操作；以及開關(guān)，該開關(guān)在電池的溫度處于T1ST2之外時激活R2。本公開的實施例包含:其中當(dāng)值R2是在比!Mg2°C下確定且值R1是在T1下確定時，值R2/R1介于2與500之間且包含2與500，例如，值R2/R1介于2與100之間且包含2與100或介于2與50之間且包含2與50。額外或替代實施例包含:其中當(dāng)值他是在比下確定且值Ri是在T2下確定時，值R2M介于2與500之間且包含2與500，例如，值R2/R1介于2與100之間且包含2與100或介于2與50之間且包含2與50。
[0007]在本公開的某些方面中，可再充電電池包含:其中至少一個高電阻端子電連接到電池的電池單體內(nèi)或電池的電池單體之間的至少一個電阻片，或其中至少一個高電阻端子電連接到電池的電池單體內(nèi)的至少一個電阻片，或其中至少一個電阻片是電池的電池單體的電極的集流體的整體組成部分。舉例來說，可再充電電池可包含嵌入在常規(guī)電池的電極-隔膜片的堆疊或卷滾(jelly-roll)內(nèi)的一個或更多個電阻片以及用于使電池操作的三個端子。這些端子使電池在低電阻級別R1或高電阻級別R2下操作。三個端子可包含一個正極端子和兩個負(fù)極端子或兩個正極端子和一個負(fù)極端子。一個正極端子和兩個負(fù)極端子的配置是優(yōu)選的。兩個相同極性的端子可進(jìn)一步由開關(guān)連接，其中該開關(guān)由溫度控制器熱自我激活或驅(qū)動以使得電池開關(guān)取決于電池溫度而在使電池在R1下操作的端子和使電池在R2下操作的端子之間切換。
[0008]本公開的實施例包含:其中至少一個電阻片被配置成具有兩個接片，其中一個接片電連接到電池中的其它電極接片以形成低電阻端子，且至少一個電阻片的另一接片形成至少一個高電阻端子，或其中至少一個電阻片與電池單體中所使用的兩個金屬集流體中的任一者或兩者相同，或是兩個金屬集流體的一部分。
[0009]本公開的額外實施例包含可再充電電池，該可再充電電池在模塊中包含處于電池單體之外和電池單體之間的一個或更多個電阻片或箔片，以使得電阻片不與電池電解質(zhì)直接接觸，且電池單體不需要修改。電阻片與電池單體串聯(lián)連接，其中熱激活的開關(guān)處于兩者之間。此構(gòu)造可用于根據(jù)溫度來改變電池模塊的電阻級別。
[0010]本公開的另一方面是一種操作可再充電電池的方法。該方法包括:使電池在介于第一溫度(T1)與第二溫度(T2)之間的電池的溫度范圍上在一個級別的內(nèi)阻(R1)下操作以及通過激活開關(guān)而使電池在T1ST2之外在第二級別的內(nèi)阻(R2)下操作，其中該開關(guān)在電池的溫度處于^或!^之外時激活R2。
[0011]本公開的另一方面是一種從極低環(huán)境溫度(例如，-40°C)激活可再充電電池以實現(xiàn)高功率和能量輸出的方法。在這些寒冷環(huán)境中，電池最初處于高電阻級別，且激活過程包括以恒壓恒流(CVCC)循環(huán)來對電池放電，其中恒壓被設(shè)置為例如介于0.2V與IV之間，且電流極限被設(shè)置在IC到1C的范圍中。接著，結(jié)果發(fā)生在該極限下的恒流。此激活過程導(dǎo)致在電池內(nèi)產(chǎn)生大量內(nèi)部熱，從而在極短的時間段(例如，30秒)內(nèi)更高地升高電池溫度。在較高電池溫度下，全天候電池自動切換到低電阻模式，能夠輸出與室溫下相當(dāng)?shù)母吖β屎湍芰俊?br>[0012]方法的實施例包含本公開的可再充電電池的各種特征和配置的任何個體或組合。在一些實施例中，例如，當(dāng)值R2是在比!Mg2°C下確定且值R1是在T1T確定時，值R^R1介于2與500之間且包含2與500，例如，值R^R1介于2與100之間且包含2與100或介于2與50之間且包含2與50。額外或替代實施例包含:其中當(dāng)值他是在比下確定且值R1是在T2下確定時，值R2/R1介于2與500之間且包含2與500，例如，值RVR1介于2與100之間且包含2與100或介于2與50之間且包含2與50。
[0013]本發(fā)明的額外優(yōu)點對于所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員來說將從【具體實施方式】變得非常清楚，其中僅簡單地通過預(yù)期進(jìn)行本發(fā)明的最佳模式的說明來示出和描述本發(fā)明的優(yōu)選實施例。應(yīng)了解，本發(fā)明可具有其它不同實施例，且其若干細(xì)節(jié)可在各個明顯方面進(jìn)行各種修改，所有這些都不偏離本發(fā)明。因此，附圖及描述本質(zhì)上應(yīng)被視為說明性的，而不是限制性的。
【附圖說明】
[0014]參見附圖，其中具有相同附圖標(biāo)號的元件始終表示相似元件，且其中:
[0015]圖1是示出根據(jù)本發(fā)明實施例的全天候電池(ACB)的構(gòu)造的示意圖，其中該全天候天池具有嵌入在電極-隔膜組件的堆疊內(nèi)的若干電阻片/箔片、一個高電阻負(fù)極端子HiR(-)和一個低電阻負(fù)極端子LoR(-)、一個正極端子(+ )以及連接HiR(-)和LoR(-)端子的熱激活開關(guān)；
[0016]圖2說明根據(jù)本發(fā)明實施例的全天候電池的構(gòu)造，其中該全天候電池由嵌入在電極-隔膜組件的堆疊的中間的一個電阻片/箔片構(gòu)成；
[0017]圖3A到圖3F示出根據(jù)本發(fā)明實施例的具有兩個接片的電阻片/箔片的六種設(shè)計，一個接片電連接或焊接到負(fù)電極片的所有接片以形成LoR(-)端子，且另一接片連接到HiR(_)端子，圖3A說明兩個接片位于片材的同一側(cè)上，由中間的小切口分離以控制兩個接片之間的電阻路徑；圖3B說明兩個接片位于相對側(cè)上；圖3C說明兩個切片朝向外邊緣位于同一側(cè)上；圖3D說明兩個接片朝向外邊緣位于相對側(cè)上；圖3E說明經(jīng)圖案化的電阻片；圖3F說明具有選擇性涂層的電阻片；
[0018]圖4示出根據(jù)發(fā)明實施例的雙電池單體電池模塊的構(gòu)造，其中一個電阻片/箔片位于兩個電池單體之間，即，每一電池單體殼體之外，而不與電池電解質(zhì)直接接觸；
[0019]圖5說明根據(jù)本發(fā)明實施例的一對卷滾(jellyroll)，其中該對卷滾在插入到硬殼中之前或封裝到袋式電池之前夾入一個電阻片/箔片；
[0020]圖6是說明根據(jù)本公開的實施例的袋式電池中所含有的未折疊卷滾的示意圖，其中正電極片具有焊接在一起以形成正極端子(+ )的數(shù)個小間距間隔開的接片，且負(fù)電極片具有焊接在一起以形成低電阻端子LoR(-)的一些小間距間隔開的接片以及形成高電阻端子HiR(-)的遠(yuǎn)離的接片。LoR(-)端子通過熱激活開關(guān)而與HiR(-)端子連接；
[0021]圖7說明根據(jù)本公開的實施例的未折疊卷滾的不同設(shè)計，其中該未折疊卷滾具有分別以數(shù)個小間距間隔開的接片和遠(yuǎn)離的接片為特征的正電極片與負(fù)電極片兩者。此設(shè)計具有位于電池單體殼體之外的四個端子，即，兩個正極端子LoR( + )和HiR( + )以及兩個負(fù)極端子LoR(-)和HiR(-)。兩側(cè)上的兩個開關(guān)根據(jù)電池溫度和開關(guān)算法而提供兩個以上的級別的內(nèi)阻；
[0022]圖8、圖9和圖10說明根據(jù)本公開的實施例的平坦卷滾電極組件，所述平坦卷滾電極組件具有一個或更多個電阻片；
[0023]圖1IA到圖1IB示出說明-30°C下根據(jù)本公開的實施例的26Ah的全天候電池(ACB)的IC放電行為的曲線圖。圖1lA在-30°c下比較ACB的IC放電曲線與常規(guī)鋰離子電池(LiB)。圖1IB在ACB與常規(guī)LiB之間比較隨著時間的電池溫度演變；
[0024]圖12A和圖12B分別根據(jù)ACB與常規(guī)LiB兩者的環(huán)境溫度示出電池容量和能量；
[0025]圖13A到圖13C是示出在混合動力脈沖特征化(HPPC)測試下-30°C下的ACB的功率性能的一系列曲線圖。圖13A示出混合動力脈沖特征化(HPPC)測試的電流曲線；圖13B示出HPPC測試中的26Ah的ACB的電壓響應(yīng);且圖13C示出-30°C下的26Ah的ACB的放電和充電功率。
【具體實施方式】
[0026]本發(fā)明涉及可再充電電池，相比常規(guī)，本發(fā)明的可再充電電池可在冰點以下的溫度下輸送增加的功率和能量。這些電池在本文中被稱為全天候電池(ACB)。如本文所使用，術(shù)語“電池”表示含有一個或更多個電化學(xué)電池單體(cell)的任何可再充電電化學(xué)儲能裝置。電池單體的基本元件包含涂覆在集流體上的陽極、隔膜、涂覆在另一集流體上的陰極和電解質(zhì)。
[0027]在本公開的一個方面，可再充電電池可在低環(huán)境溫度下加強(qiáng)電池單體內(nèi)的內(nèi)部加熱，以使得控制電池性能的電化學(xué)和傳送過程可被大幅改進(jìn)。電池的內(nèi)部加熱可部分通過配置具有一個或更多個電阻片和開關(guān)的電池來解決，其中一個或更多個電阻片用于加熱電池的電池單體中的一個或更多個且該開關(guān)用于使電池能夠根據(jù)電池溫度而在高電阻或低電阻下操作。
[0028]本公開的電池配置可應(yīng)用到各種電池，例如(但不限于)鋰離子、鋰-聚合物、鉛_酸、鎳-金屬氫化物、鎳-錳-鈷、鋰-硫、鋰-空氣和所有固態(tài)電池?？稍俪潆婋姵乜沙世绱鼱钚问?、圓柱形式、棱柱形式或有角形式。這些電池適用于運(yùn)輸、航天、軍事和固定儲能應(yīng)用。
[0029]本公開的全天候電池的優(yōu)點在于，在低于正常操作溫度如小于5°C的溫度下或在低于冰點的溫度(小于約O 0C的溫度，例如，小于約-10 °C、-20 0C、-30 0C或-40 0C的溫度)下，電池的內(nèi)阻變得極高。電池的高內(nèi)阻在電池內(nèi)產(chǎn)生熱，而熱可用于加熱電池。優(yōu)選地，電池的內(nèi)阻變得足夠高而可在數(shù)秒內(nèi)或最多幾分鐘內(nèi)將電池迅速加熱數(shù)十?dāng)z氏度。在電池溫度達(dá)到介于(TC與電池的正常操作溫度之間的范圍(通常處于約5°C或更高)之后，高內(nèi)阻被解除，從而允許ACB在低內(nèi)阻模式下(與常規(guī)電池中一樣低)操作，進(jìn)而使電池雖然處于極低環(huán)境溫度環(huán)境中也能夠遞送高功率和能量。有利地，本公開的可再充電電池不需要升壓器就可隨著溫度改變電池的內(nèi)阻。舉例來說，作為實施例，本公開的可再充電電池不包含變壓器或直流/直流轉(zhuǎn)換器來對電阻器供電就可隨著溫度改變電池的內(nèi)阻。
[0030]在本公開一方面，可再充電電池包含在介于第一溫度(T1)與第二溫度(T2)之間的電池的溫度范圍上的一個級別的內(nèi)阻(R1)，和在!^或^之外的第二級別的內(nèi)阻(R2)。在一些實施例中，當(dāng)值R2是在比!Mg2°C下確定且值R1是在T1T確定時，值RVR1介于2與500之間且包含2與500，例如，值R2M介于2與100之間且包含2與100或介于2與50之間且包含2與50。額外或替代實施例包含:其中當(dāng)值R2是在比T^2°C下確定且值R1是在T2T確定時，值R2/Rj于2與500之間且包含2與500，例如，值R2M介于2與100之間且包含2與100或介于2與50之間且包含2與50。在額外或替代實施例中，1'1小于約5°(:，例如，優(yōu)選小于約0°(:、-10°(:、-20°(:、-30°C或-40 °C;且T2是大于給定可再充電電池的正?；蜃罴巡僮鳒囟鹊臏囟?，例如，大于約50。。。
[0031]此電池的實例包含一種可再充電電池，該可再充電電池包括:至少一個負(fù)極端子和至少一個正極端子，用于使電池在^與!^之間在仏如在低內(nèi)阻級別(LoR)下操作；以及至少一個高電阻端子，用于使電池在電池溫度處于!^或^之外時在他如在高內(nèi)阻級別(HiR)下操作。高電阻端子可以是額外負(fù)極端子(即，HiR(-))或額外正極端子(S卩，HiR( + ))。
[0032]此可再充電電池可包含切換電池的電阻級別的開關(guān)。舉例來說，開關(guān)可在電池的溫度介于!^與^之間時接合電池的低電阻端子(例如，LoR(-)和/或LoR( + ))以使電池操作，且可在電池溫度處于!^或^之外時接合一個或更多個高電阻端子(例如，HiR(-)和/SHiR
( + ))o
[0033]舉例來說，本公開的開關(guān)可包含由熱敏裝置激活的開關(guān)，例如:水-乙二醇液體膠囊，其在冰點以上膨脹且推動開關(guān)使之開啟；相變材料，其在T1ST2S兩者下經(jīng)受相轉(zhuǎn)變和明顯的體積改變;或雙金屬開關(guān);或固體材料，其體積在溫度T1ST2下顯著膨脹。
[0034]本公開的開關(guān)可由機(jī)電繼電器和溫度控制器構(gòu)成，或由具有溫度傳感器的固態(tài)繼電器、具有溫度傳感器的功率MOSFET或具有溫度傳感器的高電流開關(guān)構(gòu)成?；蛘?，連接LoR(-)和HiR(-)端子的開關(guān)可通過在電池管理系統(tǒng)中具有電子電路和電池單體溫度傳感器的控制器實現(xiàn)。
[0035]在本公開的實施例中，可再充電電池包含電連接到高電阻端子的至少一個電阻片。該至少一個電阻片可位于電池單體內(nèi)(暴露到電解質(zhì))或位于兩個電池單體之外且在兩個電池單體之間，或是一些電阻片位于電池單體內(nèi)而一些電阻片位于電池單體外的組合。此外，配置在電池的電池單體內(nèi)的電阻片可為電池的電池單體的電極的集流體的整體組成部分(integrally part)。
[0036]在這里，電阻片是這樣一種材料，它相對于電池電極的未修改集流箔片具有類似或較低電導(dǎo)率，但在電池操作期間被激活時導(dǎo)致電池的內(nèi)阻的顯著提高。優(yōu)選電阻片的電阻以歐姆為單位等于0.1到5的數(shù)值除以安時(Ah)為單位的電池的容量，例如，0.5到2的數(shù)值除以Ah為單位的電池的容量。舉例來說，20Ah的電池的電阻片優(yōu)選介于約0.005歐姆(0.1除以20)與約0.25歐姆(5除以20)之間，例如約0.025歐姆(0.5除以20)與約0.1歐姆(2除以20)之間。
[0037]本公開的電阻片可為在暴露到電池電解質(zhì)時且在電阻片暴露到此環(huán)境時在全天候電池的電化學(xué)電壓窗內(nèi)穩(wěn)定的任何足夠?qū)щ姷慕饘佟＿@些電阻片可例如由以下材料制成:石墨、尚序熱解石墨(HOPG)、不鎊鋼、銀、絡(luò)、銀絡(luò)合金、銅、招、欽或上述材料的組合。如果在模塊中用于電池單體之外以及兩個相鄰電池單體之間，那么電阻片不需要是耐腐蝕的，且因此另外材料可用作本公開的電阻片。在某些實施例中，本公開的電阻片優(yōu)選是平坦的且具有較大表面積，以使得電阻片可具有與鄰近電池組件的良好接觸。本公開的電阻片可具有介于約I微米與約150微米之間的厚度，其中優(yōu)選范圍是約5微米到約60微米。具有大電阻、高熱導(dǎo)率且小熱容的電阻片適用于本公開的某些實施例。
[0038]電阻片的電阻可通過對片材進(jìn)行圖案化(S卩，從電阻片移除材料)來調(diào)整。圖案化允許電阻片具有足夠的厚度以實現(xiàn)機(jī)械強(qiáng)度和可焊接性，但具有減小的電阻。圓角的圖案具有在圖案的角落處減少溫度積聚的優(yōu)點。經(jīng)圖案化的電阻片可通過光蝕刻、放電加工、水射流切割、激光切割、沖壓等工藝來制造。
[0039]在一些實施例中，電阻片的表面的實質(zhì)部分可被涂覆以避免與電解質(zhì)的不良的化學(xué)反應(yīng)或電連接。舉例來說，電阻片可被選擇性地涂覆，其表面的一部分未被涂覆以用于電連接到其它接片或端子且表面的其余部分被涂覆且因此被電隔離和化學(xué)隔離。保護(hù)性涂層可被涂覆以起初完全覆蓋電阻片的整個表面，且接著某區(qū)域中的涂覆層可被選擇性地移除以實現(xiàn)與其它接片或端子的必要的電連接。保護(hù)性涂覆層在電池單體內(nèi)應(yīng)該是熱傳導(dǎo)的、電絕緣的且化學(xué)穩(wěn)定的。保護(hù)性涂層可由聚合物、金屬氧化物和其它材料制成。保護(hù)性涂覆層的聚合物材料的實例包含:聚乙烯、聚丙烯、氯化聚丙烯、聚酯、聚酰亞胺、PVDF、PTFE、尼龍或這些材料的共聚物。保護(hù)性涂覆層的金屬氧化物材料的實例包含Mg、Al、T1、V、Cr、Mn、Fe、Co、N1、Cu、Zn的氧化物及其組合。保護(hù)性涂層優(yōu)選具有高介電常數(shù)。在一些實施例中，粘合劑可用于電阻片與保護(hù)性涂層之間。保護(hù)性涂層的厚度可介于1nm與ΙΟΟμπι之間，優(yōu)選1nm與50μπι之間。涂層應(yīng)足夠薄以實現(xiàn)良好的熱傳遞，卻是不能透過的，以保護(hù)金屬片免于與電池單體內(nèi)的電解質(zhì)接觸。保護(hù)性涂層可通過例如以下方法而涂覆到電阻片上:膠粘、層壓、浸涂、旋涂、噴涂、化學(xué)氣相沉積、原子層沉積、溶液澆注、電沉積、自組裝單層、立體光亥IJ、表面氧化以及其它方法。
[0040]在本公開的某些構(gòu)造中，可再充電電池包含一個或更多個高電阻接片或端子以及一個或更多個低電阻接片或端子。高電阻端子將一個或更多個電阻片電連接，且低電阻接片或端子被配置成使電池在低內(nèi)阻模式下操作。
[0041]有利地，本公開的可再充電電池可在某些實施例中容易以最少的修改利用常規(guī)可再充電電池組件來構(gòu)造。一般來說，常規(guī)電池(例如，鋰離子電池)包含陽極、隔膜和陰極中的一個或更多個的片材，所述片材可堆疊或纏繞在卷滾中且封裝在袋式覆蓋物或硬殼中。接著，袋或殼被填充以電解質(zhì)。陰極活性材料可例如包含:鋰鈷氧化物、磷酸鋰鐵、鋰錳氧化物、鋰鎳鈷錳氧化物、富鋰分層氧化物或其混合物等。陽極活性材料可例如包含石墨、硅、硅合金、鋰金屬、鋰合金(例如，鈦酸鋰)、其混合物等。
[0042]舉例來說，常規(guī)鋰離子電池包含正極、負(fù)極、隔膜、正極集流體、負(fù)極集流體、電解質(zhì)和電池蓋或電池殼。涂覆在一個集流箔片(例如，Al箔片)上的正極和涂覆在另一集流箔片(例如，Cu箔片)上的負(fù)極被堆疊或卷繞，以隔膜置于之間，且電解質(zhì)溶解在溶劑中的電解質(zhì)溶液浸漬在隔膜和兩個多孔電極中。
[0043]必要時，正極與負(fù)極兩者包含前述活性材料、粘合劑和導(dǎo)電劑。常用粘合劑包含聚偏氟乙烯(PVDF)和丁苯橡膠(SBR)以及羧甲基纖維素(CMC)的鈉鹽。導(dǎo)電劑通常是基于碳的，且與活性材料混合以提高電極電導(dǎo)率。
[0044]例如LiPF6、LiBF4等鋰鹽可單獨(dú)或組合地用作電解質(zhì)。鏈狀碳酸酯、環(huán)狀碳酸酯、環(huán)狀酯、腈化合物等可用作用于溶解鋰鹽的溶劑其具體實例包含:碳酸乙烯酯(EC)、碳酸乙基甲酯(EMC)和碳酸二甲酯(DMC)、碳酸丙烯酯(PC)、碳酸二乙酯、二乙氧基乙烷等。此外，聚合物電解質(zhì)或固體電解質(zhì)可用作電解質(zhì)。
[0045]舉例來說，本公開的可再充電電池可包含可再充電電池的傳統(tǒng)組件，且另外包含連接到一個或更多個電阻片的一個或更多個高電阻端子。一個或更多個電阻片可位于電池的電池單體內(nèi)，或介于電池的電池單體之間，或其某一組合以在電池內(nèi)發(fā)熱?！靖綀D說明】本公開的某些實施例。
[0046]圖1和圖2說明本公開的實施例。如圖1所示，可再充電電池110具有嵌入在電極-隔膜組件的堆疊內(nèi)的若干電阻片112。電極-隔膜組件包含具有陽極接片114a的陽極114、隔膜116以及具有陰極接片118a的陰極118。電池110還包含一個低電阻負(fù)極端子LoR(-)120和一個高電阻負(fù)極端子HiR(_)122、開關(guān)124以及正極端子(+ )126。
[0047]在此實施例中，每一電阻片具有可通過焊接而被附接的兩個接片(112a、112b)。電阻接片112a和陽極114的陽極接片114a電連接到低電阻負(fù)極端子LoR(-)120以形成低電阻電路。電阻接片112b電連接到高電阻負(fù)極端子HiR(-)122以形成由開關(guān)124激活的高電阻電路。陰極118的陰極接片118a電連接在一起且電連接到正極端子126。在此特定實例中，開關(guān)124是可電連接或斷開LoR(-)端子120和HiR(-)端子122的熱激活開關(guān)。
[0048]陽極-隔膜-陰極-電阻片組件可被置于適當(dāng)封裝中，例如，被置于袋式電池的殼體中，且填充以電解質(zhì)。在此實施例中，陽極-隔膜-陰極-電阻片組件被容納在殼體140中。負(fù)極端子和正極端子可電連接到外部電路128a和128b。
[0049]總的來說，圖1所說明的可再充電電池以殼體140的外部上的三個端子為特征，SP，兩個負(fù)極端子LoR(-)和HiR(-)以及一個正極端子(+ )。兩個負(fù)極端子LoR(-)和HiR(-)進(jìn)一步由緊靠電池之外的溫度敏感開關(guān)連接。在操作中，當(dāng)電池溫度處于被界定為介于第一溫度!^與第二溫度1~2之間的正常操作范圍時，開關(guān)閉合(CLOSED)，且電池電流由于電流優(yōu)選流經(jīng)低電阻電路而繞過電阻片。在此狀況下，電池在端子(+ )與LoR(-)之間操作，從而展現(xiàn)低內(nèi)阻。當(dāng)電池溫度處于正常范圍TjPT2之外時，使開關(guān)打開(OPEN)，從而使端子(+ )和HiR(-)操作。這迫使電池電流流經(jīng)電阻片且因此展現(xiàn)高內(nèi)阻。舉例來說，當(dāng)電池溫度低于正常范圍(例如，低于約5°C或處于低于冰點的環(huán)境中)時，電池的內(nèi)阻由于電流路徑中電阻片的存在而高了若干倍。一旦操作或激活，就存在強(qiáng)烈的內(nèi)部加熱(因為電池的發(fā)熱與其內(nèi)阻成比例)，這導(dǎo)致電池溫度迅速上升到觸發(fā)溫度敏感開關(guān)閉合的點。閉合的開關(guān)立即使LoR(-)端子操作且降低電池內(nèi)阻。雖然在低于冰點的環(huán)境中操作，但低內(nèi)阻和高內(nèi)部溫度的組合實質(zhì)上改進(jìn)功率和能量輸出。
[0050]圖2示出可再充電電池的另一配置，其中該可再充電電池具有插入在電極-隔膜組件的堆疊之間以在電池中發(fā)熱的至少一個電阻片。在此實施例中，可再充電電池210包含位于兩個電極-隔膜組件213a與213b之間的電阻片212。電阻片優(yōu)選位于電極的堆疊的中間以更均勻地發(fā)熱，且可被相同或不同于隔膜216的隔膜217包夾。每一電極-隔膜組件包含陽極214、隔膜216和陰極218。電池210還包含一個低電阻負(fù)極端子LoR(-)220、一個高電阻負(fù)極端子HiR(_)222、開關(guān)224以及正極端子(+ )226。
[0051]在此實施例中，電阻片212具有可通過焊接而附接的兩個接片(212a、212b)。電阻接片212a和陽極214的陽極接片214a電連接到低電阻負(fù)極端子LoR(-)220以形成低電阻電路。電阻接片212b電連接到高電阻負(fù)極端子HiR(-)222以形成由開關(guān)224激活的高電阻電路。陰極218的陰極接片218a電連接在一起且電連接到正極端子226。在此特定實例中，開關(guān)224是可電連接或切斷LoR(-)端子220和HiR(-)端子222的熱激活開關(guān)。
[0052]陽極-隔膜-陰極-電阻片組件可被置于適當(dāng)封裝中，如被置于袋式電池的殼體中，且填充以電解質(zhì)。在此實施例中，陽極-隔膜-陰極-電阻片組件被容納在殼體240中。負(fù)極端子和正極端子可電連接到外部電路228a和228b。圖2的可再充電電池210可按與圖1所述相同的方式操作。
[0053]圖3說明可用于本公開的可再充電電池中(包含在圖1和圖2所示的配置中)的不同電阻片配置。每一電阻片310、320、330、340、350、360具有可通過焊接而附接的兩個接片。如圖3所示，各種電阻片上的接片可按各種配置來定位。這些配置包含:(a)2個接片(311、312)位于同一側(cè)上，由切口314分離；(b)2個接片(321、322)位于電阻片的相對側(cè)上且大致上位于邊緣的中部；(c)和(e)2個接片(331、332)位于同一側(cè)上，但位于電阻片的外邊緣上且由切口334分離；以及⑷和(f)2個接片(341、342)位于電阻片的相對側(cè)上，但位于外邊緣上。
[0054]在一些實施例中，電阻片的電阻可通過圖案化來調(diào)整。較之使片材較薄來調(diào)整片材的電阻的情況，這種圖案化實現(xiàn)較厚的電阻片，而使片材較薄可負(fù)面影響電阻片的機(jī)械強(qiáng)度或與其它接片的可焊接性。當(dāng)圖案化時，圓角比直角優(yōu)選，以便將熱點減到最少。經(jīng)圖案化的電阻片可通過光蝕刻、放電加工、水射流切割、激光切割、沖壓等來制造。圖3E說明可用于本公開的可再充電電池中的經(jīng)圖案化的電阻片。圖3E示出2個接片(331、332)位于同一側(cè)上，但位于電阻片的外邊緣上，且材料從片材的內(nèi)部移除(即，總體圖案352)，具有圓角(354)。在其它實施例中或結(jié)合其它實施例，電阻片可被涂覆以聚合物或氧化物薄層，該聚合物或氧化物薄層在電池單體內(nèi)是熱傳導(dǎo)的、電絕緣的且化學(xué)穩(wěn)定的。圖3F說明電阻片在片材的兩個主面上具有涂層。在此特定實施例中，涂層是完全圍繞電阻片(364)且暴露接片(341、342)的層壓片(362)。
[0055]在本公開的一個實施例中，圖3所示的電阻片中的一個或更多個可用于圖1或圖2的構(gòu)造中。舉例來說，針對圖3中的任何電阻片，標(biāo)記為TABl的接片可與電池中的陽極片的所有接片連接(例如，焊接)。它們一起形成圖1或圖2中的低電阻端子LoR(-)。如圖3所示的TAB2可一起焊接以形成圖1或圖2中的高電阻端子HiR(-)。
[0056]在本公開的其它實施例中，可再充電電池可通過將一個或更多個電阻片置于電池的電池單體之外來配置。舉例來說，在包含多個電池單體的電池模塊中，一個或更多個電阻片可在電池模塊中被夾在兩個相鄰電池單體之間。圖4說明此實施例。
[0057]如圖4所示，電池模塊410包含位于兩個電池單體413a與413b之間的電阻片412。電阻片優(yōu)選位于電池單體之間以提供電池單體和電池模塊的均勻加熱，例如，緊密介入在兩個電池單體之間。每一電池單體包含陽極414、隔膜416和陰極418。電池模塊410還包含電連接到模塊的每一電池單體的一個低電阻負(fù)極端子LoR(_)420以及電連接到電阻片的一個高電阻負(fù)極端子HiR(-)422。電池模塊還包含開關(guān)424以及正極端子( + )426a和426b。負(fù)極端子和正極端子可電連接到外部電路428a和428b。圖4的可再充電電池模塊410可按與圖1所述相同的方式操作。
[0058]雖然圖4中的電池模塊410被示為雙電池單體模塊，一個電阻片位于兩個電池單體之間，但本公開的電池模塊可具有兩個以上的電池單體和/或位于電池單體模塊中間的一個以上電阻片。舉例來說，電池模塊可具有4個、5個或6個電池單體，其中一個或更多個電阻片位于電池單體之間以及接近電池單體的其它位置周圍。
[0059]在本公開的一個實施例中，圖3所示的電阻片中的一個或更多個可用于圖4的構(gòu)造中。舉例來說，針對圖3中的任何電阻片，標(biāo)記為TABl的接片可連接到電池單體的負(fù)極端子，從而形成電池模塊的低電阻端子LoR(-)。圖3所示的電阻片中的任一者的TAB2可焊接在一起以形成電池模塊的高電阻端子HiR(-)。此電池模塊的激活和操作與先前描述的單個電池單體相同。
[0060]在本公開的另一實施例中，一個或更多個電阻片可被夾在可再充電電池的電極-隔膜組件的兩個卷滾(jelly roll)之間。圖5說明此實施例。如圖5所示，電阻片512被夾在兩個卷滾(513a、513b)之間。此實施例中的設(shè)計可與含有卷滾電極組件的任何常規(guī)可再充電電池一起使用。如圖5進(jìn)一步示出，電阻片512具有可通過焊接而附接的兩個接片(512a、512b)。電阻接片512a電連接到卷滾(為便于說明而未示出)的陽極的陽極接片514a以及低電阻負(fù)極端子LoR(-)(未示出)以形成低電阻電路。電阻接片512b電連接到高電阻負(fù)極端子HiR(_)(未示出)以形成高電阻電路。卷滾的陰極的陰極接片518a電連接在一起且電連接到正極端子(為便于說明而未示出)。此實施例中的可再充電電池還將包含處于電池之外的開關(guān)，該開關(guān)可電連接或切斷LoR(-)端子和HiR(-)端子。圖5的可再充電電池510可按與圖1所述相同的方式操作。
[0061]雖然圖5中的電池配置被示為兩個卷滾，一個電阻片位于其間，但本公開的電池模塊可具有兩個以上的卷滾和/或位于卷滾的中間的一個以上電阻片。此外，一個或更多個電阻片可被涂以聚合物或氧化物的薄層以將其在電池內(nèi)與電解質(zhì)隔離。舉例來說，電池可具有三個或更多個卷滾，其中一個或更多個電阻片定位在一對卷滾之間和/或接近卷滾中的每一者或一些的其它位置周圍。
[0062]在本公開的一個實施例中，圖3所示的電阻片中的一個或更多個可用于圖5的構(gòu)造中。舉例來說，針對圖3中的任何電阻片，標(biāo)記為TABl的接片可連接到電池單體的負(fù)極端子，從而形成電池的低電阻端子LoR(-)。圖3所示的電阻片中的任一者的TAB2可焊接在一起以形成電池的高電阻端子HiR(-)。此電池的激活和操作與針對圖1的電池所述的相同。
[0063]在本公開的實施例中，可再充電電池可不使用獨(dú)立電阻片來構(gòu)造就可產(chǎn)生電池的高內(nèi)阻級別。舉例來說，高電阻電路可被配置為電池的電池單體的電極的集流體的整體組成部分。在本公開的一個實施例中，可再充電電池包含:至少一個負(fù)極端子和至少一個正極端子，用于使電池在^與!^之間在仏下操作;至少一個高電阻端子(例如，額外負(fù)極端子或正極端子)，用于使電池在T1ST2之外在他下操作；以及開關(guān)，該開關(guān)在電池的溫度處于T1ST2之外時激活R2，其中至少一個高電阻端子電連接到電池的電池單體內(nèi)的至少一個電阻片，且其中該至少一個電阻片是電池的電池單體的電極的集流體的整體組成部分。
[0064]圖6說明此實施例。圖6示出包含陽極614、隔膜616和陰極618的組件。此組件適用于廣泛各種可再充電電池配置，例如，電池單體殼體中的卷滾設(shè)計。在此實施例中，陰極(正極)618包含電連接(例如，焊接在一起)以形成端子( + )626的數(shù)個小間距間隔開的接片618a。另一方面，陽極(負(fù)極)614包含電連接在一起以形成端子LoR(-)620的少許小間距間隔開的接片(614a)以及與最接近的接片614a相距一定距離的接片614b。接片614b可電連接到高電阻端子。在此實例中，接片614b形成高電阻端子HiR(-)。
[0065]在這種設(shè)計中，接片614b(遠(yuǎn)離的接片)與小間距間隔開的接片(614a)中的最接近者之間的負(fù)極箔片(即，Cu箔片)的部分用作高電阻以在電池溫度低于正常范圍(S卩，低于T1)時操作。換句話說，接片614a與614b之間的材料(標(biāo)記為630)用作此電池設(shè)計的電阻片。在電池單體殼體的外部上，端子LoR(-)和HiR(-)可經(jīng)由開關(guān)624(例如，溫度敏感開關(guān))而電連接和斷開。具有圖6所說明的配置的電池的激活和操作可按與針對圖1中的電池所述的相同的方式進(jìn)行。
[0066]630的電阻尤其依賴于接片614b與最接近的接片614a之間的距離、用于形成集流體的材料如箔片的成分以及兩個接片之間的箔片上的任何材料和高電阻端子的期望電阻級別?？稍俪潆婋姵氐碾姌O通常通過在使用或不使用粘合劑和/或?qū)щ娤♂寗┑那闆r下將一種或更多種電化學(xué)活性材料涂覆到集流體上來形成。這些材料還可影響630的電阻。
[0067]圖7說明本公開的可再充電電池的另一實施例，其中該可再充電電池包含作為電池的電池單體的電極的集流體的整體組成部分。在此實施例中，示出包含陽極714、隔膜716和陰極718的組件。如針對圖6的配置所注明，圖7所示的組件適用于廣泛各種可再充電電池配置。在此實例中，陰極與陽極兩者具有電連接以形成端子LoR( + )和LoR(-)的數(shù)個小間距間隔開的接片以及形成HiR( + )和HiR(-)的遠(yuǎn)離的接片。特別，陰極(正極)718包含電連接以形成端子( + )726的數(shù)個小間距間隔開的接片718a以及與最接近的接片718a相距一定距離以形成高電阻端子HiR( + )的接片718b。陽極(負(fù)極)714包含電連接在一起以形成端子LoR(-)720的少量小間距間隔開的接片(714a)以及與最接近的接片714a相距一定距離以形成高電阻端子HiR(-)的接片714b。
[0068]在該設(shè)計中，小間距間隔開的接片群組與遠(yuǎn)離的接片之間的負(fù)極箔片(S卩，Cu)和正極箔片(即，Al)的部分用作高電阻以在電池溫度低于正常范圍(S卩，低于T1)時操作。換句話說，接片714a與714b之間的材料(標(biāo)記為730a)以及接片718a與718b之間的材料(標(biāo)記為730b)用作該電池設(shè)計的電阻片。
[0069]在電池單體殼體740的外部上，兩個獨(dú)立開關(guān)(724a、724b)可用于分別連接端子LoR( + )與HiR( + )以及LoR(-)與HiR(-)。兩個開關(guān)可同時操作或彼此獨(dú)立操作，或根據(jù)電池溫度以一種算法來操作。另外，具有圖7所說明的配置的電池的激活和操作可按與針對圖1中的電池所述的相同的方式進(jìn)行。
[0070]可再充電電池的卷滾配置的許多其它接片設(shè)計是可行的，只要接片的一個群組提供低電阻且接片的另一群組提供高電阻即可。
[0071]在本公開的另一實施例中，可包含一個或更多個電阻片與可再充電電池的卷繞式電極組件。圖8、圖9和圖10說明具有一個或更多個電阻片的卷滾式電極組件的實施例。如圖8所示，電阻片812被包含在卷滾組件的大致中央。在此實施例中，電阻不直接接觸任何電極且應(yīng)該不會負(fù)面影響電池單體的容量。電阻片可在組裝卷滾之后或在組裝卷滾的同時被插入。電阻片還可有利地用作卷滾組件的結(jié)構(gòu)支撐。此實施例中的設(shè)計可與含有卷滾電極組件的任何常規(guī)可再充電電池一起使用。如圖8進(jìn)一步示出，卷滾組件813還包含集流體815上的陽極814 (例如，銅箔)、第一隔膜816a、集流體819上的陰極818 (例如，招箔)以及第二隔膜816b。除在卷滾組件大致中央具有電阻片之外，還在卷滾的最外層上包含電阻片。卷滾的形狀可為平坦的，如圖8所示，或圓柱形的。
[0072]圖9說明具有電阻片的卷滾電極組件的另一實施例。在此實施例中，一系列電阻片纏繞在一系列卷滾組件周圍。如圖9所示，電阻片912a和912b纏繞在卷滾組件913a和913b周圍。圖9示出兩個卷滾組件，所述卷滾組件各自在其外圓周上具有電阻片。此配置可擴(kuò)展到另外卷滾組件，其中的一些或全部在其外圓周上具有電阻片，以形成一系列電阻片纏繞在一系列卷滾組件周圍的卷滾組件。此組件可通過以下方式來制造:纏繞卷滾組件；以及接著將電阻片纏繞在卷滾組件上，接著纏繞另外卷滾組件(所述另外卷滾上有電阻片或沒有電阻片)。
[0073]每個卷滾組件包含陽極、陰極和隔膜。舉例來說，卷滾組件913a和913b包含集流體915上的陽極914(例如，銅箔)、第一隔膜916a、集流體919上的陰極918(例如，鋁箔)?？稍诩黧w919之后包含第二隔膜，這未示出在附圖中。除使電阻片纏繞在卷滾組件的最外層周圍之外，還在最內(nèi)部卷滾組件大致上中央包含電阻片。
[0074]圖10說明具有電阻片的卷滾電極組件的另一實施例。在此實施例中，保持一個或更多個卷滾組件的容器也可用作電阻片，即使它不呈片材的形狀。如圖10所示，電阻片1012圍繞兩個卷滾組件1013a和1013b。電阻片1012具有接觸卷滾組件的最外層的實質(zhì)部分的內(nèi)表面1012a。電阻片可以是保持組件的容器，例如，鋼殼。在此實施例中，電阻片1012被成形為具有兩個隔室以保持兩個卷滾組件，但此實施例不限于此形狀，只要電阻片1012的內(nèi)表面接觸卷滾中的至少一者的實質(zhì)部分即可，而電阻片可如本公開所述起作用。此外，圖10的配置可擴(kuò)展到另外卷滾組件，其中的一些或全部位于一個或更多個隔室中或接觸電阻片。
[0075]每個卷滾組件包含陽極、第一隔膜、陰極以及第二隔膜。舉例來說，卷滾組件1013a和1013b包含集流體1015上的陽極1014(例如，銅箔)、第一隔膜1016a、集流體1019上的陰極1018(例如，鋁箔)?？稍诩黧w919之后包含第二隔膜，這未示出在附圖中。除電阻片1012之夕卜，在此實施例中，可在卷滾組件中的一者或全部在大致中央包含電阻片。
[0076]雖然圖8、圖9和圖10中的電池配置被說明為具有不對稱形狀的卷滾，但卷滾和電阻片可以是對稱的，例如，圓柱形卷滾組件與對應(yīng)的圓柱形電阻片。
[0077]除圖8、圖9、圖10所說明的元件之外，包含額外元件以形成具有圖8、圖9和圖10的配置的工作電池，為便于說明，所述工作電池未被示出。這些元件例如包含:高電阻端子，電連接到電阻片而作為高電阻電路的一部分;低電阻端子，電連接到電阻片和電極中的一者(例如，陽極或陰極)以形成低電阻電路;開關(guān)，可電連接或切斷低電阻端子和高電阻端子。舉例來說，圖8、圖9和圖10的可再充電電池810、910和1010可按與圖1所述相同的方式操作。
[0078]在本公開的另一實施例中，圖3所示的電阻片中的一個或更多個可用于圖8、圖9和圖10的配置中。舉例來說，針對圖3中的任何電阻片，標(biāo)記為TABl的接片可連接到電池單體的負(fù)極端子，從而形成電池的低電阻端子LoR(-)。圖3所示的電阻片中的任一者的TAB2可焊接在一起以形成電池的高電阻端子HiR(-)。此電池的激活和操作與針對圖1的電池所述的相同。
[0079]所有前述電池設(shè)計適用于可再充電電池，例如，Li離子、鎳-金屬氫化物、鉛-酸等。有利地，本公開的可再充電電池可針對所有電池化學(xué)物質(zhì)(例如，可再充電鋰離子、鎳-金屬氫化物或先進(jìn)的鋰電池，例如，鋰-硫、鋰-聚合物、鋰-空氣電池或所有固態(tài)電池)且針對所有外形尺寸(袋狀形式、圓柱形式、棱柱形式或有角形式)來實施。上文針對圖1到圖10所述的電池單體設(shè)計可用于制造針對一組端子具有低內(nèi)阻(R1)且針對第二組端子具有高內(nèi)阻(R2 )的全天候電池。電池單體結(jié)構(gòu)可尤其適應(yīng)卷繞式電極和堆疊式電極設(shè)計。
[0080]在本公開的一個方面中，當(dāng)電池的溫度介于!^與!^之間時，可再充電電池在R1下操作，且當(dāng)電池的溫度處于^或!^之外時，通過激活在電池的溫度處于^或!^之外時激活心的開關(guān)而在他下操作。使電池在高電阻級別(R2)下操作可包含應(yīng)用恒壓恒流(CVCC)循環(huán)以提高電池的內(nèi)部溫度。此激活循環(huán)可通過使電池在高電阻模式下且在低電池單體電壓下操作而產(chǎn)生大量內(nèi)部熱。激活循環(huán)可包含使電池在恒壓下接著在恒流極限下操作。在某些實施例中，恒壓被設(shè)置在0.2V到IV的范圍中，且恒流被設(shè)置在IC到1C的范圍中(此處所界定的C值是以安培為單位的電流與電池標(biāo)稱容量的比率;針對1Ah電池，IC意味1A)。優(yōu)選地，恒壓的范圍是0.4V到1.0V，且電流極限是2C到5C，例如，4C。
[0081 ] 實例
[0082]以下實例希望進(jìn)一步說明本發(fā)明的某些優(yōu)選實施例，且在本質(zhì)上不受限制。只是使用常規(guī)實驗，所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員就將認(rèn)識到或能夠確定本文所述的特定物質(zhì)和過程的許多等同物。
[0083]根據(jù)圖1所述的構(gòu)造而研發(fā)26Ah的試制電池，該電池呈袋式電池的形式且由鋰-鎳-錳-鈷(NMC)陰極和石墨陽極制成。電阻片是25cm長、6cm寬且ΙΟΟμπι厚的不銹鋼箔片。其電阻為約0.05歐姆，且其重量為?13克，為總電池重量的約2.3%兒01?(-)與HiR(-)端子之間的開關(guān)通過溫度控制器所驅(qū)動的機(jī)電繼電器來實現(xiàn)。繼電器被設(shè)置為在約(TC下切換。繼電器重量為約7克。在測試之前，測試電池完全充電，且接著在預(yù)設(shè)為低于冰點的溫度的熱腔室中擱置5小時到6小時。在26Ah的全天候電池的測試期間，若干熱電偶被安裝到電池上且連接到電壓表以讀取驅(qū)動繼電器的平均電池溫度。還為了對比研究而測試基線電池，該基線電池不具有電阻箔片和溫度敏感開關(guān)，但剩余部分保持相同。
[0084]針對-30 °C下的IC放電的全天候電池(在圖11中標(biāo)記為ACB)和基線電池(在圖11中標(biāo)記為常規(guī)LiB)的測試結(jié)果示出在圖1lA中。在ACB的狀況下，電池測試始于簡短的激活時段，其中等于2C(S卩，52A)的恒流被施加到高電阻端子持續(xù)約142秒。從圖1lA所見，電池單體電壓處于0.6V到1.3V。在此激活時段中，嵌入在電池單體內(nèi)的電阻片迅速發(fā)熱，這如圖1lB所示的平均電池溫度所示使電池單體快速升溫。當(dāng)電池溫度達(dá)到約0°C (S卩，電池切換為低內(nèi)阻的設(shè)置點)時，完成激活，且電池經(jīng)受標(biāo)準(zhǔn)1C(S卩，26A)放電，如圖1lA所示。ACB的放電曲線與常規(guī)LiB形成對比，在ACB的狀況下示出實質(zhì)上經(jīng)過改進(jìn)的電壓、容量和能量輸出。進(jìn)行各種環(huán)境溫度下的ACB和常規(guī)LiB的類似的IC放電實驗。容量和放電容量分別示出在圖12A和圖12B中?？梢娫?30 °C下，ACB遞送>90%的室溫容量以及>82%的室溫能量。相比之下，常規(guī)LiB在-30°C下僅輸出60%和50%的室溫容量和能量。在-40°C下的ACB性能的改進(jìn)更顯著，其中ACB能保持85 %和70 %的室溫容量和能量，而在相同環(huán)境條件下，常規(guī)LiB幾乎具有零容量和能量輸出。也進(jìn)行2C放電實驗，且功率和能量輸出同樣是讓人印象深刻的。
[0085]還進(jìn)行混合動力脈沖特征化(HPPC)測試以量化26Ah的ACB的功率能力。HPPC測試始于給定電量狀態(tài)(SOC)，且進(jìn)行3C放電脈沖20秒，接著停止20秒，接著進(jìn)行IC充電循環(huán)20秒。對此HPPC負(fù)荷的電壓響應(yīng)示出在圖13B中。通過將放電/充電電流與每20秒脈沖結(jié)束時的電池單體電壓相乘而計算的充電和放電功率示出在圖13C中。-30 °C下的此放電和充電功率約6到7倍于常規(guī)LiB。
[0086]雖然針對普通鋰離子電池而示出前述測試結(jié)果，但基于先進(jìn)Li離子電池、鎳-金屬氫化物(N1-MH)、鉛-酸(Pb-酸)和其它電池化學(xué)物質(zhì)的全天候電池預(yù)期具有相同優(yōu)點。
[0087]在本公開中僅示出和描述本公開的優(yōu)選實施例及其多功能性的實例。應(yīng)理解，本發(fā)明能夠在各種其它組合和環(huán)境中使用，且能夠在如本文所表達(dá)的本發(fā)明概念的范圍內(nèi)改變或修改。因此，舉例來說，只是使用常規(guī)實驗，所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員就將認(rèn)識到或能夠確定本文所述的特定物質(zhì)、過程和布置的許多等同物。這些等同物被視為處于本發(fā)明的范圍內(nèi)，且被隨附權(quán)利要求書涵蓋。
【主權(quán)項】
1.一種可再充電電池，包括: 至少一個負(fù)極端子和至少一個正極端子，用于使所述電池在介于第一溫度(T1)與第二溫度(T2)之間的所述電池的溫度范圍上在一個級別的內(nèi)阻(R1)下操作； 至少一個高電阻端子，用于使所述電池在TiSTsi外在第二級別的內(nèi)阻(R2)下操作；以及 開關(guān)，當(dāng)所述電池的溫度處于T1ST2之外時，所述開關(guān)激活r2。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可再充電電池，其中所述至少一個高電阻端子電連接到所述電池的電池單體內(nèi)或所述電池的電池單體之間的至少一個電阻片。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可再充電電池，其中所述至少一個高電阻端子電連接到所述電池的電池單體內(nèi)的至少一個電阻片，或其中所述至少一個電阻片是所述電池的所述電池單體的電極的集流體的整體組成部分。4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的可再充電電池，其中所述至少一個電阻片用作加熱元件。5.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的可再充電電池，其中所述電阻片是由下述材料制成:石墨、尚序熱解石墨(HOPG)、不鎊鋼、銀、絡(luò)、銀絡(luò)合金、銅、招、欽或上述材料的組合。6.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的可再充電電池，其中所述至少一個電阻片具有1-150微米的厚度。7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的可再充電電池，其中所述至少一個電阻片被夾在電極-隔膜的堆疊或卷滾內(nèi)，且其中所述至少一個電阻片可選地被覆以聚合物或氧化物的薄層使得在所述電池內(nèi)所述至少一個電阻片與電解質(zhì)隔離。8.根據(jù)權(quán)利要求2所述的可再充電電池，其中所述至少一個電阻片位于所述電池的電池單體內(nèi)以在所述電池單體內(nèi)均勻地發(fā)熱。9.根據(jù)權(quán)利要求2所述的可再充電電池，其中所述至少一個電阻片在所述電池內(nèi)位于電池單體之間以在所述電池內(nèi)均勻地發(fā)熱。10.根據(jù)權(quán)利要求3所述的可再充電電池，其中所述至少一個電阻片被配置成具有兩個接片，其中一個接片電連接到所述電池中的其它電極接片以形成低電阻端子，且所述至少一個電阻片的另一接片形成所述至少一個高電阻端子。11.根據(jù)權(quán)利要求2所述的可再充電電池，其中所述至少一個電阻片與電池單體中所使用的兩個金屬集流體中的任一者或兩者相同，或是所述兩個金屬集流體的一部分。12.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的可再充電電池，其中所述至少一個電阻片由銅箔或鋁箔制成。13.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的可再充電電池，其中所述至少一個電阻片的電阻以歐姆為單位等于0.1到5的數(shù)值除以以安時(Ah)為單位的所述電池的容量。14.根據(jù)權(quán)利要求1-3中任一項所述的可再充電電池，其中所述至少一個高電阻端子是額外負(fù)極端子。15.根據(jù)權(quán)利要求1-3中任一項所述的可再充電電池，其中所述至少一個高電阻端子是額外正極端子。16.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可再充電電池，其中所述開關(guān)由溫度傳感器驅(qū)動，使得在使所述電池在仏下操作的端子和使所述電池在R2下操作的端子之間切換。17.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可再充電電池，其中所述開關(guān)是熱自激活開關(guān)，使得在使所述電池在仏下操作的端子和使所述電池在此下操作的端子之間切換。18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的可再充電電池，其中所述自激活開關(guān)是選自下述:水-乙二醇液體膠囊，其在冰點以上膨脹且推動所述開關(guān)使之開啟；相變材料，其在T1ST2S兩者下經(jīng)受相轉(zhuǎn)變和明顯的體積改變;或雙金屬開關(guān);或固體材料，其體積在溫度T1ST2S兩者下顯著膨脹。19.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可再充電電池，其中所述開關(guān)由機(jī)電繼電器和溫度控制器構(gòu)成，或由具有溫度傳感器的固態(tài)繼電器、具有溫度傳感器的功率MOSFET或具有溫度傳感器的尚電流開關(guān)構(gòu)成。20.根據(jù)權(quán)利要求1-3中任一項所述的可再充電電池，其中所述電池是鎳-金屬氫化物電池。21.根據(jù)權(quán)利要求1-3中任一項所述的可再充電電池，其中所述電池是鋰離子電池。22.根據(jù)權(quán)利要求1-3中任一項所述的可再充電電池，其中所述電池具有袋狀形式、圓柱形式、棱柱形式或有角形式。23.—種電池系統(tǒng)，包括根據(jù)權(quán)利要求1所述的可再充電電池以及控制器，其中所述控制器使得在使所述電池在仏下操作和使所述電池在R2下操作之間可切換。24.根據(jù)權(quán)利要求23所述的電池系統(tǒng)，還包括用于確定溫度!^和^的溫度傳感器。25.—種操作具有至少兩個級別的內(nèi)阻的可再充電電池的方法，所述方法包括:使所述電池在介于第一溫度(T1)與第二溫度(T2)之間的所述電池的溫度范圍上在一個級別的內(nèi)阻(R1)下操作以及通過激活開關(guān)而使所述電池在!^或^之外在第二級別的內(nèi)阻(R2)下操作，其中在所述電池的所述溫度處于Ti或T2之外時所述開關(guān)激活R2。26.根據(jù)權(quán)利要求25所述的方法，其中當(dāng)所述電池溫度低于T1或高于!^時，所述開關(guān)打開以使所述電池在R2下操作。27.根據(jù)權(quán)利要求25所述的方法，其中當(dāng)所述電池溫度介于TjPT2之間時，所述開關(guān)閉合以使所述電池在Ri下操作。28.—種操作具有至少兩個級別的內(nèi)阻的可再充電電池的方法，所述方法包括:使所述電池在介于第一溫度(T1)與第二溫度(T2)之間的所述電池的溫度范圍上在一個級別的內(nèi)阻(R1)下操作以及使所述電池在!^或^之外在第二級別的內(nèi)阻(R2)下操作，其中使所述電池在他下操作包含施加恒壓恒流(CVCC)循環(huán)以提高所述電池的內(nèi)部溫度。29.根據(jù)權(quán)利要求28所述的方法發(fā)，其中恒壓被設(shè)置為介于0.2V與IV之間，且電流界限被設(shè)置為介于IC與1C之間。
【文檔編號】H01M2/10GK105849968SQ201480055954
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2014年10月8日
【發(fā)明人】王朝陽, 葛善海, 紀(jì)巖, 許天韌
【申請人】美國電化學(xué)動力公司