可再充電電池的充電方法及裝置的制造方法
【專利說明】可再充電電池的充電方法及裝置
[0001]本發(fā)明涉及一種用于適應(yīng)性充電特別為鋰離子電池、或鋰基電池的可充電電池的方法。此外，本發(fā)明是關(guān)于一種充電此類電池的裝置。
[0002]為重新適應(yīng)以再生能源為基礎(chǔ)、特別是依靠光伏或風(fēng)力的發(fā)電，生成能量的有效率的儲存的需求與日倶增，以在需要時，能夠有儲存電能可供使用。
[0003]另外，特別為用于通訊與建筑業(yè)中的，以可充電蓄電池或電池驅(qū)動的可攜式且蓄電池供電的裝置的數(shù)量已有明顯增加。在這些裝置中，可充電蓄電池的容量代表重要的功能特點。影響可充電電池容量的因素，一方面為幾何大小，其傳統(tǒng)上通過加大電池或蓄電池幾何大小尺寸達(dá)成。另一方面，由于通常在蓄電池供電裝置中，蓄電池或電池最先失效，即當(dāng)提及此類裝置組件的耐久性時，可充電蓄電池或電池在這些組件中具最短使用壽命，因此耐久性或最大可能充電循環(huán)次數(shù)扮演主要角色。
[0004]同樣，當(dāng)認(rèn)同極快速發(fā)展中、包含油電混合或電動車輛的電動(E-mobility)領(lǐng)域新技術(shù)時，如可充電電池/蓄電池/儲存模塊的容量、耐久性、及充電時間等特征，尤為重要。在此，可充電電池的幾何尺寸及重量，亦扮演非常重要的角色。
[0005]在最近數(shù)個月中，已證明鋰離子電池因具有長的使用壽命，其充電循環(huán)次數(shù)較其它技術(shù)者高，而在各種可充電電池中屬特別優(yōu)良者。鋰離子電池亦具有較其它可充電電池高的儲存容量。
[0006]在鋰離子電池中，電池是根據(jù)設(shè)計而放電達(dá)其容量的30%。換言之，儲存于電池中的30%內(nèi)在固有能量，將因電池放電至30%低限以下可導(dǎo)致鋰離子電池?zé)o法挽回的破壞，而無法提供使用者運用。若電池放電至該低限以下，則離子將自電極材料(銅、鋁)分離，而因此毀壞電極。
[0007]除此以外，若包含現(xiàn)今鋰離子電池的電池充電至100%，則將因電流通常在達(dá)充電截止電壓時受到限制，以致最后20%容量將以較小安培數(shù)充電，所以在時間方面，僅較少能量儲存或載入電池中，而需耗費呈指數(shù)增多的時間，如此充電將不超過其容量的80%。
[0008]在此又再次突顯出，具有有效庫容的電池充電時，應(yīng)盡可能快速，但亦應(yīng)非常謹(jǐn)慎，以一方面達(dá)到最大充電循環(huán)次數(shù)，且另一方面使充電所需的時間保持盡可能地短，這是因可用于充電的時間，強烈地根據(jù)使用者的行為而定。
[0009]可縮短鋰離子電池充電時間的一個已知方法是脈沖充電。在此方面，美國專利案第5，481，174號描述一種充電鋰離子電池的方法，其使用正與負(fù)脈沖，其中在達(dá)預(yù)設(shè)最大電壓后，正電流脈沖的高度將減小，而導(dǎo)致長的充電過程。
[0010]基于此情況，本發(fā)明的需求是提出一種充電鋰基電池的方法/ 一種充電鋰基電池的裝置，其中該電池的容量將最佳化地使用、及/或充電時間是極度縮短、及/或該電池的耐久性將加長、及/或?qū)嶋H防止經(jīng)充電的電池退化。
[0011]本發(fā)明據(jù)以為基礎(chǔ)的概念為，以比常規(guī)快的速率，給可充電電池、或蓄電池充電。為此，提出一種脈沖充電方法，其中一方面，以非常謹(jǐn)慎且有效率的方式充電電池，且其中另一方面，盡可能有效地使用充電時間。
[0012]進(jìn)一步地，還提供一個充電準(zhǔn)備階段，為脈沖充電階段準(zhǔn)備或活化可充電電池。然而，為達(dá)上述目的，僅實施脈沖充電階段即足夠。
[0013]現(xiàn)在將先對依據(jù)本發(fā)明的脈沖充電階段作詳細(xì)解說。在脈沖充電階段期間，實施脈沖充電方法，其中電池是以充電電流充電，該充電電流超過該電池最大可容許充電電流，譬如達(dá)制造商在其數(shù)據(jù)表上所規(guī)范數(shù)值的五倍。該脈沖充電方法是由復(fù)數(shù)個正脈沖與負(fù)脈沖組成。這些負(fù)脈沖代表，以一既定負(fù)載對電池加載。換言之，該電池釋放能量、或電流朝相反方向流動。這些正脈沖稱作充電脈沖，同時這些負(fù)脈沖可稱作負(fù)脈沖或放電脈沖。有時亦使用反向脈沖一詞。在充電脈沖期間，電壓脈沖是以相對應(yīng)電流脈沖施加。接續(xù)于該充電脈沖后，切斷該電壓，且電池連接至電流槽或負(fù)載以用作負(fù)脈沖，即電流朝相反方向流動。電池的電壓在負(fù)載脈沖的時間期間，將根據(jù)該電池的充電狀態(tài)而降低。
[0014]通過施加高于最大可容許電流的充電電流，在電池中儲存能量將比施加最大可容許電流時快速。如此，在充電期間，更多離子將自某一電極運送至另一個，而這些離子將在施加負(fù)載時又向回運動。如果在較長時段上，連續(xù)地以高于可容許充電電流的充電電流實施能量儲存，則電池將加熱，且建構(gòu)于電池中的安全機制(正溫系數(shù)電阻器(PTC)、熔斷保險絲、脫氣閥、平衡器)將中斷此充電動作。枝晶將因連續(xù)充電動作而持續(xù)地累積于電池的電極上，其一方面將增加電池的內(nèi)阻，造成電池的電壓增加。另一方面，可能的充電循環(huán)次數(shù)也將因枝晶數(shù)量增加而減少。
[0015]然而依據(jù)本發(fā)明，提出在充電脈沖后具有負(fù)載脈沖。在該負(fù)載脈沖期間，由于電池再次釋放能量，因此電池中的電流將朝對立方向流動。因此，在該充電脈沖期間累積的剩余量，將在接續(xù)的負(fù)載脈沖期間減少。該負(fù)載脈沖具有將該充電脈沖期間所累積枝晶或結(jié)晶移除的效應(yīng)。這些結(jié)晶或枝晶可導(dǎo)致，刺穿該電池中陰極與陽極之間的隔板，這在最差情況下將導(dǎo)致短路。該負(fù)載脈沖可造成，累積的結(jié)晶反復(fù)地移除。因此，可在下一充電脈沖期間，以高于可容許充電脈沖的充電脈沖充電電池，而不致使其過熱。正脈沖期間的較高充電電流可造成，在電池中儲存比已知充電方法多的能量。接續(xù)的負(fù)載脈沖將對抗固定的枝晶形成，而允許再次以一較高充電電流對電池充電。負(fù)載脈沖的高度小于充電脈沖的高度，或換言之，在負(fù)載脈沖期間的絕對安培數(shù)較小。這樣，隔板中的通道將涌出離子交換，然而通過將由于較高的充電電流，而使較多的能量仍保持于電池中。
[0016]可基于短暫的高充電電流及后續(xù)的負(fù)載脈沖，安排隔板。負(fù)載脈沖的高度是調(diào)整隔板涌流強度的基準(zhǔn)。負(fù)載脈沖愈小、即小負(fù)載電流，涌流效應(yīng)愈小。負(fù)載脈沖的持續(xù)時間特別對放電總量具有影響，即當(dāng)以非常高負(fù)載電流、但非常短負(fù)載脈沖持續(xù)時間工作時，將造成涌流效應(yīng)，釋放的能量將因短負(fù)載脈沖而較小。
[0017]涌流效應(yīng)一方面可防止鋰或離子不均勻分布或沉積于其中一個電極上。此外，由于短充電脈沖及負(fù)載脈沖，可防止電池中溫度到達(dá)臨界高度。由于二個電流方向的脈沖皆短暫，因此電極的溫度不致顯著地上升。除此以外，電極可能的溫升(溫度升高)，可在這些脈沖之間的時間內(nèi)再次下降。臨界溫升將在電極中造成不均勻的電阻分布，且因此最終為電極上的不均勻鋰沉積。
[0018]在電池中，接線端子通常是沿對角線相互配置，即電極中的線電阻各不相同，特別在卷繞型電池中。對于長與短充電電流，其中也對于緩慢脈沖充電電流，鋰離子是朝最小電阻方向迀移，即其并非試圖采取最短路線到達(dá)對立電極，而直接迀移至對立極性的接線端子。然而，這將具有不均勻沉積鋰于電極上的效應(yīng)。然，不均勻沉積鋰于電極上，將因整個電極表面不再都用于化學(xué)反應(yīng)，而導(dǎo)致使用壽命減少及電池容量減小。
[0019]然而，由于短充電脈沖結(jié)合增大的充電電流，且還由于負(fù)載脈沖，使離子沒有時間來尋找最小電阻路徑，且必須選擇電極之間的最短路線，使全電極長度因此皆可用于離子交換，且鋰沉積在電極之間仍保持均勻分布。
[0020]較佳地，充電脈沖期間的充電電流是超過1.5倍于電池的標(biāo)稱充電電流，譬如最大可容許充電電流的二或三倍或更大。充電電流可能達(dá)最大可容許充電電流的五倍。脈沖充電階段期間所傳送的充電電流l./抽取的放電電流IUST(亦稱作負(fù)載電流)，在二個電流流動方向上僅由PTC限制，該PTC的傳導(dǎo)性是根據(jù)溫度而定。該PTC是根據(jù)電池的設(shè)計而布置，使其相當(dāng)于充電電流的5倍或10倍。如果較強電流流通，則該PTC將中斷該電流流動。
[0021]在某特定充電時間及相對應(yīng)充電脈沖數(shù)后，電壓Uz將超過或到達(dá)充電截止電壓隊_。通過已知的充電方法，電流現(xiàn)在具有限制，譬如在美國專利第US 5，481，174號中。另外，通過本發(fā)明的充電方法，在充電脈沖期間，當(dāng)達(dá)充電截止電壓隊_后，該充電脈沖的電流電平將降低?？捎沙潆娧b置所處理的充電程序來執(zhí)行該降低。為防止電池的電壓Uz在充電脈沖期間進(jìn)一步增加，將在電流充電脈沖期間已達(dá)充電截止電壓隊_時，盡早減小電流。
[0022]依據(jù)本發(fā)明的一個方面，脈沖充電方法包括以下步驟:脈沖化充電電池，其中充電脈沖期間的充電電流超過電池可容許最大充電電流I uJi其值5倍；及在充電脈沖之間通過負(fù)載脈沖將電池放電，其中負(fù)載脈沖較充電脈沖短。依據(jù)本發(fā)明，可施加充電及/或負(fù)載脈沖的最大次數(shù)mMAX已預(yù)定，且當(dāng)該既定次數(shù)m _達(dá)到時，該充電方法將完成。除上述優(yōu)點以外，這將因充電脈沖期間的恒定的減小充電電流、或減低電流電平，使儲存于電池中的總能量相較于需求時間仍保持小量，而具有非必要加長充電時間的效應(yīng)。
[0023]根據(jù)本發(fā)明的另一方面，充電至少一個鋰離子基可充電電池的方法包括以下步驟:檢查是否符合脈沖充電方法的至少一個既定條件，其中當(dāng)已符合電池脈沖充電的至少一個既定條件時，開始脈沖充電方法，其中充電脈沖期間的充電電流超過電池可容許最大充電電流IhJi其值5倍；及在充電脈沖之間通過負(fù)載脈沖將電池放電，其中負(fù)載脈沖較充電脈沖短。
[0024]優(yōu)選地，所述既定條件包含至少一個以下準(zhǔn)則:在負(fù)載脈沖期間存在電池電壓Uz，其至少相當(dāng)于該電池的放電截止電壓Ik;或一個外部信號，其表明急需實施脈沖充電方法。
[0025]基于這些條件，一方面可確保僅在某些特定條件下開始該脈沖充電方法。由于該脈沖充電方法代表一種快速充電方法，因此該電池必須符合至少既定基本準(zhǔn)則，譬如其必須不包括深度放電狀態(tài)或其它臨界狀態(tài)。另一方面，必須由需要脈沖充電的應(yīng)用或控制裝置符合某些條件，譬如電動車在加油站快速充電，即應(yīng)存有其需快速充電的外部信號。
[0026]依據(jù)本發(fā)明的另一方面，一種充電至少一個鋰離子基可充電電池的方法包括以下步驟:脈沖化充電電池，其中充電脈沖期間的充電電流Ijg過電池可容許最大充電電流Iu.達(dá)其值5倍；及在充電脈沖之間通過負(fù)載脈沖將電池放電，其中負(fù)載脈沖較充電脈沖短，其中在達(dá)充電截止電壓后，充電脈沖的持續(xù)時間將減短。
[0027]如此將具有，至少對接續(xù)的充電脈沖盡可能地避免在充電脈沖期間減小充電電流的優(yōu)點。可在縮短的充電脈沖期間保持過度的充電電流l.，這是由于若非如此，充電程序?qū)⒂捎诰呶?