[發明專利]具有用于電壓監測的參比電極的電池

有效

• 申請號: 201380077473.5
• 申請日: 2013-06-21
• 公開（公告）號: CN105308786B
• 公開（公告）日: 2018-07-13
• 發明（設計）人: 約翰·王;劉平;埃琳娜·謝爾曼;索仁·索基亞齊安;馬克·維爾布魯格
• 申請（專利權）人: HRL實驗室有限責任公司
• 主分類號: H01M10/0525
• 分類號: H01M10/0525;H01M4/13;H01M4/485;H01M10/48
• 代理公司: 北京安信方達知識產權代理有限公司 11262
• 代理人: 陸建萍;鄭霞

披露了一種具有作為參比電極的第三電極的鋰離子電池結構。該參比電極可以由鋰金屬、鋰化的碳、或多種其他含鋰電極材料制成。多孔集電器允許參考鋰離子從該參比電極滲透到陰極或陽極，從而使得能夠在鋰離子電池的實際操作下進行電壓監測。該參比電極因此并不需要在空間上處在電池陽極與陰極之間，由此避免屏蔽效應。該電池結構包括一個外部參考電路以動態地顯示陽極和陰極電壓。該電池結構可以引起改進的電池監測、增強的電池安全性、以及延長的電池壽命。

優先權日

本國際專利申請要求于2013年6月20日提交的美國專利申請號13/923,354的優先權，該專利申請特此通過引用以其全部內容結合在此。

發明領域

本發明總體上涉及使得能夠在系統操作下準確監測電極電勢的電化學系統結構(諸如但不限于鋰離子電池)。

發明背景

電化學系統是從化學反應獲得電能或通過引入電能來促進化學反應的一種系統。電化學系統通常包括陰極、陽極、以及電解質，并且典型地與多個異構子系統結合，該多個異構子系統存在從納米到米的多種尺度。這些系統的實例包括燃料電池、電池、以及電鍍系統。車輛內的電池或燃料電池的在線表征是困難的，因為環境非常嘈雜。

這類電化學系統的在線表征在許多應用中是希望的，這些應用包括衛星或航空飛行器上的機載電池的實時評價，以及電動車和混合動力車輛的牽引用電池的動態診斷。在許多電池供電系統中，可以通過電化學能量存儲系統的智能管理來極大地提高電池的效率。只有在適當診斷電池狀態的情況下可能進行管理。

基于鋰(Li)的電池(諸如鋰離子電池)與其他商業電池相比因其高能量密度而具有吸引力。在計算機、移動電話、以及相關裝置中商業地使用鋰離子電池。電池壽命經常是市場上的關鍵因素，特別是對于商業的、軍用的、以及航天應用。電池壽命經常是許多航天產品諸如衛星的限制因素。不幸的是，鋰離子電池會引起汽車、計算機、移動裝置、以及航空器著火。因此，對于動態監測電池狀態存在安全需求。

因此，在許多鋰離子電池應用中，優選的是定期地或連續地監測電池中電極材料的電化學電勢作為它們的充電狀態或健康狀態的量度。充電狀態或健康狀態的了解對于高充電率或高放電率應用諸如電動工具和部分或完全電氣化的車輛而言可能是重要的。如果，例如，電池的電池單元放電過快或過充電經常導致鋰鍍在負電極的表面上，則電極材料的電化學電勢可能改變且永久地消失。

為了監測電極材料，已將一個參比電極放在電池的一個或多個電池單元中，其方式為便于監測電池單元的正電極和/或負電極中的至少一個或兩者的充電狀態。連接是從正電極或負電極汲取非常少的電流的高阻抗連接，但相對于參比測量電池電解質中的正電極和/或負電極的電勢(電壓)。電池中的這些電壓值(參比電極對正電極和/或負電極)可以在電池單元充電或放電時獲得，并且收集用于計算機分析和控制電池的放電率和充電率。

常規參比電極經常插入在正電極與負電極之間，并且這些參比電極的面積通常保持較小以便于使正電極與負電極之間的電流路徑失真的“屏蔽效應”最小化。然而，小的電極面積會導致大的極化電阻，這會潛在地給出不準確的電勢讀數。其他常規方法涉及將參比電極放在電池中正電極與負電極之間的直流路徑外部周圍。這些設計的缺點是系統測量電極邊緣的電勢，這些電勢很少代表電極的真實電勢。這種失真在高電流密度下進一步擴大。