[发明专利]具有低输出电压的电池

说明书

一种电化学电池单元，所述电化学电池单元包括具有一次阳极活性材料的阳极、阴极、和离子传导电解质，其中所述电池单元具有在10％放电深度(DoD)下测量的选自从0.3伏至0.8伏的范围的初始输出电压Vi，和在不大于90％的DoD下测量的最终输出电压Vf，其中电压变化(Vi‑Vf)/Vi不大于±10％，并且基于阴极活性材料重量或体积，Vi与Vf之间的比容量不小于100mAh/g或200mAh/cm³，并且其中所述一次阳极活性材料选自锂(Li)、钠(Na)、钾(K)、镁(Mg)、铝(Al)、锌(Zn)、钛(Ti)、锰(Mn)、铁(Fe)、钒(V)、钴(Co)、镍(Ni)、其混合物、其合金、或其组合。

相关申请的交叉引用

本申请要求于2016年10月19日提交的美国专利申请号15/297,877的优先权，该专利申请通过引用结合在此。

技术领域

本发明总体上涉及电化学电池的领域，并且更具体地，涉及一种在不使用电压调节器(例如，电压衰减器或变压器)的情况下天然地供应具有从0.3伏至0.8伏的输出电压的外部电路的电池。

背景技术

“物联网”和用于健康监测和人工智能应用的下一代传感器技术的出现要求使用持续数十年而不充电并且具体地使得无线、可佩戴、或植入式装置变得在不更换电池的情况下无需维护的电池。

使用传感器作为实例，已经确定超低功率监测传感器需要可以在不使用电压衰减器的情况下在0.3V与0.8V之间操作的低电压功率源。较低的操作电压意指较低的功率消耗速率。使用电压衰减器(例如，变压器)将意味着额外的功率损失并且必须被避免。然而，可商购获得的电池系统全部是电压失配的，诸如锂离子电池(3.7V)、铅酸电池(2V)、锌-碳/碱性电池(1.5V)、锌-空气电池(1.4V)、和镍-金属电池(1.2V)，它们需要降压电路以使操作电压降至低于0.8伏。此外，这些电池中的大部分在针对终身功能的能量密度方面是较差的。另外，因为在大部分情况下，远程无线传感器的大小是微小的，所以电池的体积能量密度对于传感器装置是尤其重要的。

因此，急需耐用的一次电池，该一次电池在从0.3伏至0.8伏范围内的电压下操作，并且在不使用电压衰减器电路的情况下向无线、可佩戴、或植入式装置供应功率。优选地，这种电池系统还应当允许响应于各种装置功率设计需求调整输出电压的灵活性。

发明内容

在此报告了一种电化学电池单元，该电化学电池单元满足前述要求。该电池单元包括：

(A)阳极，该阳极具有一次阳极活性材料，

(B)阴极，该阴极具有一次阴极活性材料，以及

(C)离子传导电解质，该离子传导电解质与该阳极和该阴极离子接触，

其中该电池单元具有在10％放电深度(DoD)下测量的从0.3伏的下限至0.8伏的上限的初始输出电压Vi，和在不大于90％的DoD下测量的最终输出电压Vf，其中电压变化(Vi-Vf)/Vi不大于±10％(优选地不大于±5％)，并且基于阴极活性材料重量或体积，Vi与Vf之间的比容量不小于100mAh/g或200mAh/cm³，并且其中该阳极含有作为该一次阳极活性材料的锂(Li)、钠(Na)、钾(K)、镁(Mg)、铝(Al)、锌(Zn)、钛(Ti)、锰(Mn)、铁(Fe)、钒(V)、钴(Co)、镍(Ni)、其混合物、其合金、或其组合。优选的阳极活性材料是Li、Na、Mg、Al以及其合金或混合物。