[发明专利]用于锂离子电池的多功能混合金属橄榄石

说明书

相关申请

本申请要求如下美国临时申请的优先权：2007年7月12日提交的No.60/949,410、2008年2月6日提交的No.61/026,665和2008年3月17提交的No.61/037,122，其全部通过引用并入本文。

背景技术

本公开内容涉及用于一次性(一次)或可再充电(二次)型电池、电池电极、蓄电池、电池组的离子贮存材料和按本文所述使用所述电池或电池组以便允许改善功能性的方法。对于许多电池应用，希望知道使用时电池的充电状态。充电状态(SOC)被定义为电池在电压下限和电压上限之间表现出的容量的百分数，在所述电压下限处电池处于平衡时完全放电，在所述电压上限处电池处于平衡时完全充电。因此0％SOC对应于完全放电状态而100％SOC对应于完全充电状态。可在限定的SOC范围中或者在包括可由电池获得的全部离子贮存容量的宽范围中使用电池或形成电池组的电池串(string)。

在许多电池应用中希望或必须监测SOC，所述应用包括便携式电子产品例如无线通信装置和膝上型电脑、电动工具、电动车辆(包括混合动力、外接插电式混合动力和全电动车辆)、后备电力系统、用于发电装置(例如太阳能或风能收集器或燃料电池或者常规燃料燃烧电源等)的能量贮存器。以混合动力电动车辆(HEV)为例，需要监测电池的充电状态，这是因为工作中通常不使用SOC的全部范围。例如，所使用的SOC范围可以为SOC的10-90％、20-80％、30-70％或40-60％。因为施加到电池的下一个脉冲可能是充电或放电，大多数HEV组维持在放电和充电的功率容量均相对高的中间SOC(40-60％SOC)。使电池保持在约50％SOC是非常普遍的，这是由于电池以这种方式工作可获取制动能量且因此进一步使电池充电，或者在加速步骤中释放出能量且由此使电池放电。因此，通过处于完全充电或完全放电电池的中间充电状态，电池在任何时候都能够满足充电或放电的功率要求。

精确监测SOC的另一个原因是改善电池的寿命和/或安全性。某些电池的化学性质在过高充电电压下变得不安全，并且许多化学性质在极高或极低的SOC时劣化得较快。因此精确的SOC评估对于改善系统安全性和/或长期寿命是有用的。

电池的理想工作范围称作充电状态摆幅。除了维持对充电或放电事件的响应性外，保持电池在其充电状态摆幅内避免了在高功率再充电期间(例如在用于HEV的电池系统中快速制动期间)发生劣化反应的风险。这种劣化反应风险的出现随着充电状态的增加而增加。因此，限制最大充电状态可延长电池的寿命。深度充电和放电的应力和应变可能对电池有害，造成降低的寿命从而导致HEV或外接插电式HEV的较高维护/工作成本。降低充电状态摆幅还可以降低正或负电活性材料内的机械应变，这提高了电池寿命。

在大多数电池组工作期间易于测量的量为：电压、电流、时间和温度。因此评估SOC的方法通常利用这些输入量。

在某些电池化学组成中，例如在使用金属氧化物正电极材料的铅酸或锂离子电池中，电压相对于容量的曲线不是平坦的；即，电压相对于容量的变化而变化。这些电池因此在电压和容量之间具有相关关系，从而使电池电压的测量给出了电池充电状态的近似值。因此许多SOC算法使用若干基于电压的方法来评估SOC或重新校准SOC评估。然而，因为其允许基于电压变化来评估SOC，因此这通常要求电池化学组成随SOC表现出明显的开路电压变化。表现出明显的阻抗随SOC变化的电池还可使用电流脉冲期间的电压变化来确定SOC。由于阻抗和开路电压(OCV)可以是温度的函数，因此通常要考虑温度。

基于电压的方法的有效性取决于存在电压随容量的某些变化。在呈现出阻抗或OCV在大的SOC范围中变化很小或不变化的电池化学组成中，难以实施基于电压或阻抗的算法，并且在SOC评估中可产生大的误差。一个例子是具有锂铁磷酸盐正电极和石墨负电极的电池，这是因为正和负电极的电压曲线相对平坦，从而使得在宽容量范围内仅呈现出小的电压变化。

基于电压的方法还遭受滞后引起的误差。滞后包括电池电压相对于容量或阻抗特性的变化，该变化取决于其先前充电或放电的历史。例如电池在给定的固定SOC处表现出的电压可取决于最近电池经历了充电还是放电事件。给定SOC处的电压或阻抗的变化还可取决于先前充电或放电事件的倍率、达到所述SOC经过的时间、和温度。锂铁磷酸盐在充电和放电期间表现出滞后性，从而使电池的最近的历史影响电压。因此，锂铁磷酸盐电池的电压测量无法提供精确和准确的与电池容量的相关性。