[發(fā)明專利]混合電化學(xué)電池系統(tǒng)和運(yùn)行方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201680045845.X
• 申請日: 2016-06-06
• 公開（公告）號: CN107925117A
• 公開（公告）日: 2018-04-17
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 拉姆庫瑪爾·克里希南;馬克·內(nèi)登;喬納森·戈德堡;喬爾·海斯;托德·特林布爾
• 申請（專利權(quán)）人: 流體公司
• 主分類號: H01M10/04
• 分類號: H01M10/04;H01M10/42;H01M10/48;H01M12/08;H01M16/00;H02J7/00;H01M10/34;H01M10/30
• 代理公司: 中科專利商標(biāo)代理有限責(zé)任公司11021
• 代理人: 程紓孟

相關(guān)申請的交叉引用

本專利申請要求于2015年6月4日提交的臨時(shí)專利申請62/171,003的優(yōu)先權(quán)，并且通過整體引用結(jié)合在本文中。

背景

可再充電電化學(xué)電池被設(shè)計(jì)為用于充電以將輸入電流作為能量儲存，并且放電以將儲存的能量作為輸出電流輸出或釋放。就能量密度、功率密度、效率、可再充電性、成本等而言，每種電池化學(xué)性質(zhì)具有特定的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。將不同電池化學(xué)性質(zhì)有效組合以制備混合電池可以提供利用單一電池化學(xué)性質(zhì)不可獲得的明顯優(yōu)點(diǎn)。通常，可以提供與特定電池化學(xué)性質(zhì)相關(guān)的作為各自具有單獨(dú)外殼和離子導(dǎo)電介質(zhì)的子電池的混合電池。在美國專利公布號2014/0272477 A1中示出了使用公用電解質(zhì)的混合系統(tǒng)的實(shí)例，其公開了在鎳-金屬氫化物電池和電化學(xué)電容器之間共享的堿性電解質(zhì)以形成混合電容器-電池系統(tǒng)。

在能量密度方面，金屬-空氣電池提供明顯的優(yōu)點(diǎn)，因?yàn)椴煌趯Υ嫜趸瘎﹥Υ嬖陉帢O的大多數(shù)電池化學(xué)性質(zhì)，金屬-空氣電池使用來自空氣的氧作為氧化劑來源。連續(xù)不斷并且基本上無限的氧化劑來源的存在原則上實(shí)現(xiàn)了高能量密度。

美國專利公布號2011/0250512 A1還示出了針對在較短的充電/放電循環(huán)期間增加的效率以及在較長的充電/放電循環(huán)的較高的儲存能力而設(shè)計(jì)的系統(tǒng)。該申請使用燃料電極，其可以與空氣電極或鎳電極偶聯(lián)以在公用電解質(zhì)中形成不同的電池行為。

概述

在包括兩個(gè)(以上)各自具有不同電池化學(xué)性質(zhì)的子電池的混合電池的上下文中，本申請公開了多種發(fā)明性特征。這些發(fā)明性特征包括但不限于：

-維持或“加滿(top off)”模式，其中將金屬陰極和空氣/氧化劑電極偶聯(lián)以將金屬陰極的金屬氧化，從而其被再次補(bǔ)滿以用于其普通用途，在普通用途中其金屬被還原并且與被氧化的陽極/燃料電極偶聯(lián)；

-對流模式，其中一個(gè)子電池的陽極和析氧電極偶聯(lián)以產(chǎn)生析出的氧，其幫助使公用離子導(dǎo)電介質(zhì)循環(huán)，同時(shí)另一個(gè)子電池經(jīng)歷反應(yīng)，如放電；

-控制方法和/或結(jié)構(gòu)，以使得具有各自的陽極/燃料電極的子電池能夠一起發(fā)揮功能以用于增加的功率輸出和/或增強(qiáng)的充電狀態(tài)控制；

-混合電池中子電池的增強(qiáng)的深度放電控制；

-用于增強(qiáng)的充電狀態(tài)的充電模式。

根據(jù)以下的詳細(xì)描述和附圖，本申請的其他目標(biāo)、特征、和優(yōu)點(diǎn)將會變得顯而易見。

附圖簡述

以下一個(gè)或多個(gè)圖通過舉例而并非限制的方式進(jìn)行說明。為了簡潔和清楚，所給出的結(jié)構(gòu)的各特征并非總是在結(jié)構(gòu)出現(xiàn)的各附圖中進(jìn)行標(biāo)記。相同的附圖編號并非必須表示相同的結(jié)構(gòu)。相反，相同的附圖編號可以用于表示類似的特征或具有類似功能的特征，不相同的附圖編號也可以是這樣。

圖1是示出混合電池的多種物理構(gòu)造的示意圖。

圖2是示出針對具有公用燃料電極(圖2a)和分離式金屬燃料電極(圖2b)的實(shí)施方案的串聯(lián)端子構(gòu)造的示意圖。

圖3是示出并聯(lián)端子構(gòu)造的示意圖。

圖4是示出單和雙電極組件的示意圖。

圖5是示出組件的薄電極構(gòu)造的示意圖。

圖6是示出組件的對稱構(gòu)造的示意圖。

圖7是示出針對包含在子電池之間共享的公用陽極的串聯(lián)連接的電池的電池層面電路結(jié)構(gòu)的圖。

圖8是示出針對包含用于各子電池的獨(dú)立陽極的串聯(lián)連接的電池的電池層面電路結(jié)構(gòu)的圖。

圖9是示出針對串聯(lián)連接的混合電池的模塊層面電路結(jié)構(gòu)的圖。

圖10是示出針對并聯(lián)連接的混合電池的電池層面電路結(jié)構(gòu)的圖。

圖11是示出針對并聯(lián)連接的混合電池的模塊層面電路結(jié)構(gòu)的圖。

圖12是示出針對放電模式的示例性運(yùn)行邏輯的圖。

圖13是示出針對充電模式示例性運(yùn)行邏輯的圖。

圖14是示出實(shí)現(xiàn)光耦合器驅(qū)動器(a)和分離電源(b)的電路結(jié)構(gòu)的圖。

圖15是示出功率MOSFET電路結(jié)構(gòu)的圖。

圖16是示出通過線性調(diào)節(jié)方法實(shí)現(xiàn)深度放電的電路結(jié)構(gòu)的圖。

圖17是示出通過電阻臺階(resistive step)方法實(shí)現(xiàn)深度放電的電路結(jié)構(gòu)的圖。

圖18是示出示例性的NiZn/Zn-空氣混合電池的充電和放電方案的圖。

說明性實(shí)施方案詳述