專利名稱：具有不可石墨化碳電極的電化學(xué)電池和儲(chǔ)能組件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種電化學(xué)電池、一種包含若干所述電化學(xué)電池的儲(chǔ) 能組件，以及一種使用所述儲(chǔ)能組件的電動(dòng)汽車或混合動(dòng)力電動(dòng)汽 車。所述儲(chǔ)能組件(也稱為電池組)包含若干扁平電化學(xué)電池(也稱為蓄 電池組電池)，每個(gè)扁平電化學(xué)電池包含一對(duì)電才及，這類電極通過(guò)外向 端子使所述電化學(xué)電池相互電連接。
背景技術(shù)：
為滿足電動(dòng)汽車、混合動(dòng)力汽車、電動(dòng)工具等應(yīng)用中具有較高的 輸入一輸出電源要求，已開(kāi)發(fā)出新的儲(chǔ)能組件，如鉛酸電池、鋰離子 電池、鎳一金屬氫化物電池、鎳鎘電池和雙電層電容器等。
所述的新儲(chǔ)能組件為電驅(qū)動(dòng)電機(jī)和車栽電氣系統(tǒng)提供動(dòng)力。為控 制儲(chǔ)能組件的充放電程序，集成了管理充放電程序以及將制動(dòng)能轉(zhuǎn)化 為電能(-可再生制動(dòng)能)等的控制器，以便在車輛運(yùn)行時(shí)可對(duì)儲(chǔ)能組件 充電。
儲(chǔ)能組件或各單一電化學(xué)電池應(yīng)表現(xiàn)出良好的特性，如電流為 400A時(shí)以及高溫等極端條件下電流達(dá)到500A時(shí)，最大電壓范圍為 100V至450 V。才艮據(jù)應(yīng)用情況，持續(xù)電流在80A至IOOA范圍內(nèi)或甚 至更高。
所述極端條件下，儲(chǔ)能組件的電化學(xué)電池連接受到極大應(yīng)力。因此，本發(fā)明目的在于提供一種電化學(xué)電池和儲(chǔ)能組件，這類裝
表現(xiàn)出例如可達(dá)15年之久的很高的運(yùn)行安全性和可靠性。

發(fā)明內(nèi)容
為滿足所述目的，本發(fā)明提供一種電化學(xué)電池，它具有可充電蓄 電池(尤其是可充電鋰離子蓄電池或電池)陰極和陽(yáng)極所用電極材料的 新穎組合。
根據(jù)本發(fā)明的主要方面，所述電化學(xué)電池包含由隔離膜隔開(kāi)的陰 極和陽(yáng)才及，其中
一所述陰極至少包含一種基于鋰過(guò)渡金屬氧化物的兩相活性
材料，
一所述陽(yáng)極至少包含這樣一種材料，它使所述陽(yáng)極具有一條全 行程至少為0.7V，尤其是高于1.3V(例如1.5V)的開(kāi)路電壓曲線和一條 無(wú)鞍點(diǎn)陡電壓放電曲線。作為優(yōu)選，所述材料至少為一種晶格無(wú)序性 高于石墨的不可石墨化碳材料。作為選擇，所述材料可為二氧化鎢或 其他適宜的結(jié)型金屬氧化物或金屬鋰。
作為優(yōu)選，所述陰極至少包含一種活性材料，尤其是一種基于鋰 過(guò)渡金屬氧化物的兩相活性材料，例如鋰錳尖晶石(LiMn2()4)、磷酸 鐵鋰(LiFeP04)、磷酸鈷鋰(LiCoP04)或其他適宜的磷酸鹽，如磷酸錳 鋰(LiMnP04)或如LI(Co1/3Ni1/3Mn1/3)02, Li(Ni15Mn。.5)02、 LiCo02以
及Li(Ni。.8C0。.2)O2(部分含鋁)等其他材料。
作為陰極材料的鋰過(guò)渡金屬氧化物與晶格無(wú)序性高于石墨并作 為陽(yáng)極材料的非石墨化碳材料的這類材料組合使電池具有很高的安 全性和成本效率，因此這類電池的可靠性很高。此外，較高的充電/ 放電容量使所述電池在不增加重量或體積的情況下具有較長(zhǎng)的使用 壽命。以所述電極材料組合為基礎(chǔ)的所述電化學(xué)電池生產(chǎn)簡(jiǎn)單、高效、 迅捷。所述電池，尤其是具有活性電極材料的薄膜表面，可有效優(yōu)化 實(shí)現(xiàn)高能量密度。將鋰過(guò)渡金屬氧化物用作陰極材料，使所述金屬氧化物可與鋰發(fā) 生可逆反應(yīng)。這表現(xiàn)為嵌入式反應(yīng)，在所述反應(yīng)中加入鋰時(shí)晶格結(jié)構(gòu) 基本不變。此外，在加入物上與鋰發(fā)生快速反應(yīng)，從而在除去插入物 時(shí)能實(shí)現(xiàn)很高的功率密度。而且，鋰過(guò)渡金屬氧化物為普通、傳統(tǒng)、 廉價(jià)和環(huán)保的材料。
作為優(yōu)選，陽(yáng)極的不可石墨化碳材料為一種含有硬碳或軟碳的無(wú) 定形碳。用于陽(yáng)極的軟碳或硬碳與用于陰極的鋰過(guò)渡金屬氧化物的所
述電極材料組合表現(xiàn)出一條電壓/電荷狀態(tài)曲線(V/SoC)，尤其是劇增 的電壓放電曲線，以便在電池恢復(fù)時(shí)避免陽(yáng)極出現(xiàn)鍍鋰風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)， 電壓/電荷狀態(tài)曲線(V/SoC)的劇增不應(yīng)使取決于電荷狀態(tài)的能量密度 和可用蓄電池容量急劇降低。
在一個(gè)可能的實(shí)施例中，例如通過(guò)熱解將硬碳或軟碳熱分解為例 如棉布等碳纖維。在一種可能的方式中，硬碳由混合鋰化合物與碳前 軀體制成，以形成用作陽(yáng)極的電極導(dǎo)電材料的硬碳/鋰化合物混合物。 軟碳或硬碳前軀體可包含以下組分或其組合物中的至少一種石油瀝 青、苯酚、纖維素、棉布和酚酪樹(shù)脂。所述材料在過(guò)量放電和過(guò)量充 電時(shí)非常穩(wěn)定，即不改變結(jié)構(gòu)或降解。此外，所述材料為普通、傳統(tǒng)、 廉價(jià)和環(huán)保的材料。硬碳通常由熱固樹(shù)脂制成；軟碳通常由熱固樹(shù)脂 或?yàn)r青制成。
在本發(fā)明的另一實(shí)施例中，所述電解隔離膜至少包含一種聚合物 或一種聚合物復(fù)合材料。
根據(jù)本發(fā)明的主要方面，所述儲(chǔ)能組件包含若干扁平電化學(xué)電 池，每個(gè)扁平電化學(xué)電池包含由隔離膜隔開(kāi)的陰極和陽(yáng)極，其中
一所述陰極至少包含一種基于鋰過(guò)度金屬氧化物的兩相活性
材料，
—所述陽(yáng)極至少包含這樣一種材料，它使所述陽(yáng)極具有一條全行程至 少為0.7V的開(kāi)路電壓曲線和一條無(wú)鞍點(diǎn)陡電壓放電曲線。作為優(yōu)選， 所述材料為晶格無(wú)序性高于石墨的不可石墨化碳材料。
根據(jù)應(yīng)用情況，所述儲(chǔ)能組件的電化學(xué)電池為串聯(lián)、并聯(lián)或串并聯(lián)連接。
本發(fā)明可用于電動(dòng)汽車、混合動(dòng)力電動(dòng)車輛，尤其是并聯(lián)式混合 動(dòng)力電動(dòng)車輛、串聯(lián)式混合動(dòng)力電動(dòng)車輛或串并聯(lián)混合動(dòng)力電動(dòng)車 輛。此外，本發(fā)明也可用于儲(chǔ)存風(fēng)能或例如太陽(yáng)能等其他產(chǎn)能。儲(chǔ)能 組件也可單獨(dú)或結(jié)合車輛電源系統(tǒng)的其他儲(chǔ)能裝置用作一次或二次 儲(chǔ)能裝置。
現(xiàn)特別結(jié)合附圖中的以下實(shí)施例進(jìn)一步描述本發(fā)明。但是應(yīng)該理 解，所述實(shí)施例僅為創(chuàng)新教學(xué)中有益使用的實(shí)例。


圖1 顯示一種通過(guò)各電池成對(duì)外向端子互連的若千電化學(xué)電 池組成的儲(chǔ)能組件視圖，
圖2 顯示其中一個(gè)電化學(xué)電池的視圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明涉及一種電化學(xué)電池和一種包含若干所述電化學(xué)電池的 儲(chǔ)能組件。本發(fā)明可用于不同應(yīng)用領(lǐng)域，例如用于混合動(dòng)力電動(dòng)車輛， 所述混合動(dòng)力電動(dòng)車輛具有驅(qū)動(dòng)電4幾和內(nèi)燃機(jī)，其中驅(qū)動(dòng)電才幾由所述 儲(chǔ)能組件提供動(dòng)力驅(qū)動(dòng)。作為選擇，所述儲(chǔ)能組件也可用于驅(qū)動(dòng)電機(jī) 由所述儲(chǔ)能組件提供動(dòng)力驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)汽車。此外，所述儲(chǔ)能組件可用 于儲(chǔ)存風(fēng)能或太陽(yáng)能，這種應(yīng)用情況下所述組件集成于風(fēng)能或太陽(yáng)能 設(shè)備中。
圖1顯示一種具有若干扁平電化學(xué)電池2(也稱為蓄電池組電池 或單原電池或方形蓄電池)的儲(chǔ)能組件l(也稱為電池組)的視圖。
每個(gè)電化學(xué)電池2包含一對(duì)電極A和K,其中一個(gè)電極K為陰 極或正電極，另一個(gè)電才及A為陽(yáng)極或負(fù)電才及。
每個(gè)電化學(xué)電池2為扁平電池，它包含作為電極A和K的若干 內(nèi)電極薄膜(未顯示)，其中不同的電極薄膜由未顯示的隔離薄膜隔開(kāi)。 所述隔離薄膜用(例如)非水電解質(zhì)沖洗。作為選擇，可用隔板代替電極薄膜。
為實(shí)現(xiàn)電化學(xué)電池2的相互電連接，每個(gè)電池2的電極A和K 與外向端子3.A和3.K連接。根據(jù)應(yīng)用情況，電化學(xué)電池2可通過(guò)外 向端子3.A和3.K并聯(lián)、串聯(lián)或串并聯(lián)。
根據(jù)圖1所示的實(shí)施例展示串聯(lián)連接的電化學(xué)電池2。
此外，每個(gè)電池2可由外殼4包裹。所述外殼4可以薄膜外殼或 板狀外殼形式提供，它將一個(gè)電池2與相鄰電池絕緣。
作為優(yōu)選，電池2至少通過(guò)外殼4相互電絕緣。另外，根據(jù)所用 材料，電池2可相互絕熱。作為選擇，電池2可通過(guò)外殼表面實(shí)現(xiàn)電 連接。也可提供將材料(例如樹(shù)脂)充填于電池2之間實(shí)現(xiàn)電絕緣的替 代實(shí)施例。
整個(gè)儲(chǔ)能組件1也可由未顯示的外殼，例如通過(guò)板狀外殼或薄膜 外殼(也稱為"軟包")包裹。
圖2更詳細(xì)地顯示了儲(chǔ)能組件1中的一個(gè)電化學(xué)電池2。 電化學(xué)電池2為鋰離子電化學(xué)電池。
在本發(fā)明的一個(gè)可能的實(shí)施例中，每個(gè)電化學(xué)電池2包含由隔離 膜E隔開(kāi)的陽(yáng)極A和陰極K。為實(shí)現(xiàn)電化學(xué)電池2與其他電池的電連 接，電極A、 K與導(dǎo)體5.A、 5.K電連接。所述"內(nèi)"導(dǎo)體5.A、 5.K與 外向端子3.A、 3.K連接。
陰極或正電極K至少包含一種活性材料，尤其是一種基于鋰過(guò)
渡金屬氧化物的兩相活性材料，例如鋰錳尖晶石(LiMH204)、磷酸鐵
鋰(LiFePO》、磷酸鈷鋰(LiCoP04)或其他適宜的磷酸鹽，如磷酸錳鋰 (LiMnP04)或LI(C(h,3Nh/3Mih/3)02、 Li(Ni15Mn。.5)02、 LiCo02以及
Li(Ni。.8C0。,2)O2(部分具有鋁)等其他材料。
陽(yáng)極或負(fù)電極至少包含一種材料，即所述陽(yáng)極具有一條全行程至
少為0.7V的開(kāi)路電壓曲線和一條無(wú)鞍點(diǎn)陡電壓放電曲線。所述陽(yáng)極 材料至少可為晶格無(wú)序性高于石墨的不可石墨化碳材料。
作為優(yōu)選，不可石墨化碳材料為含有硬碳或軟碳的無(wú)定形碳。例 如通過(guò)熱解將硬碳或軟碳熱分解為棉布等碳纖維。
9陰極材料選用鋰過(guò)渡金屬氧化物，陽(yáng)極材料選用軟碳或硬碳，這 是一種最佳電極材料組合，它至少能在沒(méi)有穩(wěn)定狀態(tài)的情況下實(shí)現(xiàn)優(yōu) 化的開(kāi)路電壓曲線，并為實(shí)現(xiàn)高儲(chǔ)能、長(zhǎng)壽命、低成本創(chuàng)造前提條件。 此外，所述組合改善了蓄電池組的狀態(tài)測(cè)定。
數(shù)字符號(hào)表
1 儲(chǔ)能組件
2 電化學(xué)電池 3.A陰極外向端子 3.K陽(yáng)極外向端子 4 外殼
5.A陰極內(nèi)導(dǎo)體 5.K陽(yáng)極內(nèi)導(dǎo)體
A 陰極 K 陽(yáng)極
10
權(quán)利要求
1.一種陰極(K)和陽(yáng)極(A)由隔離膜(A、K)隔開(kāi)的電化學(xué)電池(2)中-所述陰極(K)至少包含一種基于鋰過(guò)渡金屬氧化物的活性材料；-所述陽(yáng)極(A)至少包含這樣一種材料，即所述陽(yáng)極(A)具有一條全行程至少為0.7V的開(kāi)路電壓曲線和一條無(wú)鞍點(diǎn)陡電壓放電曲線。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的電化學(xué)電池，其中所述陽(yáng)極(l)包含一種晶格無(wú)序性高于石墨的不可石墨化碳材料。
3. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的電化學(xué)電池，其中所述不可石墨化碳材料為含硬碳或軟碳的無(wú)定形碳。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的電化學(xué)電池，其中所述硬碳可通過(guò)熱解等熱分解成棉布等碳纖維。
5. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的電化學(xué)電池，其中所述硬碳由混合鋰化合物與碳前軀體制成，以形成用作所述陽(yáng)極(A)的電極導(dǎo)電材料硬碳/鋰化合物的混合物。
6. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的電化學(xué)電池，其中所述碳前軀體(例如所述硬碳前軀體或所述軟碳前軀體)包含以下組分或至少包含下列組合物中的一種石油瀝青、苯酚、纖維素、棉布和酚醛樹(shù)脂。
7. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的電化學(xué)電池，其中所述陰極(K)至少包含磷酸鐵鋰(LiFeP04)、磷酸鈷鋰(LiCoP04)、磷酸錳鋰或其他適宜的磷酸鹽。
8，根據(jù)權(quán)利要求l所述的電化學(xué)電池，其中所述隔離膜是由一種 聚合物或 一種聚合物復(fù)合材料制成的。
9. 一種具有若干扁平電化學(xué)電池(2)的儲(chǔ)能組件(1)，各扁平電化 學(xué)電池包含由隔離膜(A、 K)分隔的陰極(K)和陽(yáng)極(A)，其中一所述陰極(K)至少包含一種基于鋰過(guò)渡金屬氧化物的兩相活 性材料；一所述陽(yáng)極(A)至少包含這樣一種材料，它使所述陽(yáng)極(A)具有 一條全4于程至少為0.7V的開(kāi)路電壓曲線和一條無(wú)鞍點(diǎn)陡電壓》文電曲 線。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的儲(chǔ)能組件(1),其中所述陽(yáng)極(A)至少包 含一種晶格無(wú)序性高于石墨的不可石墨化碳材料。
11. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的儲(chǔ)能組件(1),其中各所述電池(2)包含 一對(duì)使所述電化學(xué)電池(2)相互電連接的電極(A、 K)。
12. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的儲(chǔ)能組件(1)，其中所述電化學(xué)電池(2) 為串聯(lián)連接。
13. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的儲(chǔ)能組件(1)，其中所述電化學(xué)電池(2) 為并聯(lián)連接。
14. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的儲(chǔ)能組件(1),其中所述電化學(xué)電池(2) 為串并聯(lián)連接。
15. —種具有驅(qū)動(dòng)電機(jī)的電動(dòng)汽車，其中驅(qū)動(dòng)電機(jī)由根據(jù)權(quán)利要 求9所述的儲(chǔ)能組件(1)提供動(dòng)力驅(qū)動(dòng)。
16. —種具有驅(qū)動(dòng)電機(jī)和內(nèi)燃機(jī)的混合動(dòng)力汽車，其中所述驅(qū)動(dòng)電機(jī)由根據(jù)權(quán)利要求9所述的儲(chǔ)能組件(1)提供動(dòng)力驅(qū)動(dòng)。
17. 在一車輛供電系統(tǒng)中，根據(jù)權(quán)利要求9所述的儲(chǔ)能組件作為一次或二次儲(chǔ)能裝置單獨(dú)或組合使用的用途。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種陰極(K)和陽(yáng)極(A)由隔離膜(A、K)隔開(kāi)的電化學(xué)電池(2)，其中所述陰極(K)至少包含一種基于鋰過(guò)渡金屬氧化物的兩相活性材料；所述陽(yáng)極(A)至少包含這樣一種材料，它使所述陽(yáng)極(A)具有一條全行程至少為0.7V的開(kāi)路電壓曲線和一條無(wú)鞍點(diǎn)陡電壓放電曲線。
文檔編號(hào)B60K6/28GK101682081SQ200880013503
公開(kāi)日2010年3月24日 申請(qǐng)日期2008年4月23日 優(yōu)先權(quán)日2007年4月24日
發(fā)明者M·凱勒, P·伯科, 小澤和典, 矢部秀夫, 阿部圣子, 高橋一博 申請(qǐng)人:Temic汽車電機(jī)有限公司;英耐時(shí)有限公司