專利名稱：增加充電鋰電池單元中的能量密度的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體上涉及用于給充電電池充電的技術(shù)。更具體而言，本發(fā)明涉及一種方便增加鋰離子或鋰聚合物電池單元的能量密度的新型充電技術(shù)。
背景技術(shù)：
充電電池當前用于向廣泛多種便攜式電子設(shè)備提供電力，包括膝上型計算機、蜂窩電話、PDA、數(shù)字音樂播放器和無繩電動工具。隨著這些電子設(shè)備變得越來越小而且越來越強大，用于給這些設(shè)備供電的電池需要在更小的體積中存儲更多的能量。最普遍使用的充電電池類型是鋰電池，其可以包括鋰離子或鋰聚合物電池。鋰離子和鋰聚合物電池單元一般包含陰極集電器；由活性材料組成的陰極涂層；隔膜；陽極集 電器；及由活性材料組成的陽極涂層。用于增加鋰離子或鋰聚合物電池單元的能量容量(mAh)的傳統(tǒng)技術(shù)涉及增加陽極和陰極集電器的長度，及附加地增加其各自涂層材料的長度，其中這些涂層材料的厚度和用于集電器的充電電流密度(mA/cm2)保持相同。然而，應(yīng)當指出，當電池容量增加時，增加這些集電器的面積導致相同或更低的按體積測量的能量密度(Wh/L)。由此，電池變得更大，這對于許多便攜式電子設(shè)備是不現(xiàn)實的。由此，所需要的是一種在不增加電池單元的大小的情況下用于增加充電鋰電池單元的能量容量的技術(shù)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的有些實施方式提供了一種改進的充電鋰電池。這種充電鋰電池包括具有陰極活性材料涂層的陰極集電器。它還包括電解質(zhì)隔膜和具有陽極活性材料涂層的陽極集電器。在這種充電電池中，陰極活性材料涂層的厚度和陽極活性材料涂層的厚度被選擇成使得，當利用多步恒定電流恒定電壓(CC-CV)充電技術(shù)給所述電池充電時，所述電池將在預(yù)定的最大充電時間內(nèi)充電，具有預(yù)定的最小循環(huán)壽命。應(yīng)當指出，利用多步CC-CV充電技術(shù)代替?zhèn)鹘y(tǒng)充電技術(shù)允許增加陰極活性材料的厚度和陽極活性材料的厚度，同時維持相同的預(yù)定最大充電時間和相同的預(yù)定最小循環(huán)壽命?；钚圆牧虾穸鹊倪@種增加有效地增加了電池單元的按體積測量和按比重測量的能量密度。在有些實施方式中，用于多步CC-CV充電技術(shù)的初始充電電流密度超出了用于實現(xiàn)相同預(yù)定最小循環(huán)壽命的單步CC-CV充電技術(shù)的初始充電電流密度。在有些實施方式中，用于多步CC-CV充電技術(shù)的初始充電電流密度超過了 2. 5mA/
2
cm ο在有些實施方式中，陰極集電器由鋁組成；陰極活性材料的涂層由LiCoO2組成；陽極集電器由銅組成；陽極活性材料的涂層由石墨組成；而電解質(zhì)隔膜由聚乙烯或聚丙烯組成。在有些實施方式中，陰極具有涂有陰極活性材料的第一表面和第二表面。類似地，陽極具有覆蓋有陽極活性材料的第一表面和第二表面。另外，電解質(zhì)隔膜包括位于陰極的第一表面和陽極的第二表面之間的第一電解質(zhì)隔膜；及位于陰極的第二表面和陽極的第一表面之間的第二電解質(zhì)隔膜。本發(fā)明的其它實施方式提供了利用多步恒定電流恒定電壓(CC-CV)充電技術(shù)給電池充電的方法。在這種技術(shù)下，系統(tǒng)首先獲得一組充電電流U1, ...，InI和一組充電電壓Iv1,...，VJ。接下來，系統(tǒng)重復(fù)一系列恒定電流和恒定電壓充電步驟，以i = I開始并且每次重復(fù)都遞增i，直到到達終止條件。這些恒定電流和恒定電壓充電步驟包括利用恒定電流Ii給電池充電，直到電池的 電池電壓達到Vi ;然后利用恒定電壓Vi給電池充電，直到充電電流小于或等于Ii+1。通過利用這種多步CC-CV充電技術(shù)，電池在預(yù)定的最大充電時間內(nèi)充電，具有預(yù)定的最小循環(huán)壽命。而且，與初始充電電流I1關(guān)聯(lián)的初始充電電流密度超過了用于實現(xiàn)相同預(yù)定最小循環(huán)壽命的單步CC-CV充電技術(shù)的初始充電電流密度。在有些實施方式中，這組充電電流和這組充電電壓是通過基于所測量到的電池溫度在查找表中查找這組充電電流和這組充電電壓來獲得的。在有些實施方式中，當充電電流Ii等于終止充電電流Itom時，到達終止條件。


本說明書包含至少一個彩色制成的附圖。在提出請求并支付必要費用的情況下，具有彩色附圖的本專利或?qū)＠暾埞珗蟮母北緦⒂蓪＠痔峁?。圖I例示了根據(jù)本發(fā)明實施方式的電池循環(huán)壽命如何受充電電流影響。圖2例示了根據(jù)本發(fā)明實施方式的電池循環(huán)壽命如何受充電電流密度影響。圖3例示了根據(jù)本發(fā)明實施方式的用于利用CC-CV充電技術(shù)給電池充電的系統(tǒng)。圖4給出了根據(jù)本發(fā)明實施方式的例示在多步CC-CV充電技術(shù)中所涉及的操作的流程圖。圖5例示了傳統(tǒng)單步CC-CV充電技術(shù)的性能。圖6例示了根據(jù)本發(fā)明實施方式的多步CC-CV充電技術(shù)的性能。 圖7例示了根據(jù)本發(fā)明實施方式的在傳統(tǒng)和多步CC-CV充電技術(shù)下在23°C電池如何隨循環(huán)壽命衰減。圖8例示了根據(jù)本發(fā)明實施方式的在傳統(tǒng)和多步CC-CV充電技術(shù)下在10°C電池如何隨循環(huán)壽命衰減。圖9例示了傳統(tǒng)電池單元的結(jié)構(gòu)。圖10例示了根據(jù)本發(fā)明實施方式的具有較厚的陰極和陽極涂層并使用多步CC-CV充電技術(shù)的新型電池單元的結(jié)構(gòu)。
具體實施例方式給出以下描述是為了使任何本領(lǐng)域技術(shù)人員都能夠制造和使用本發(fā)明，而且以下描述是在特定應(yīng)用及其需求的背景下提供的。對所公開實施方式的各種修改對本領(lǐng)域技術(shù)人員將是很顯然的，而且，在不背離本發(fā)明主旨與范圍的情況下，這里所定義的通用原理可以應(yīng)用到其它實施方式和應(yīng)用。因此，本發(fā)明不限于所示出的實施方式，而是要符合與這里所公開的原理和特征一致的最廣范圍。
該具體實施方式
部分中所描述的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與代碼一般存儲在計算機可讀存儲介質(zhì)中，該介質(zhì)可以是可以存儲由計算機系統(tǒng)使用的代碼和/或數(shù)據(jù)的任何設(shè)備或介質(zhì)。計算機可讀存儲介質(zhì)包括但不限于，易失性存儲器、非易失性存儲器、磁和光存儲設(shè)備(例如，盤驅(qū)動器、磁帶、CD (緊湊盤)、DVD (數(shù)字多功能盤或數(shù)字視頻盤))，或者現(xiàn)在已知或以后開發(fā)的能夠存儲代碼和/或數(shù)據(jù)的其它介質(zhì)。該具體實施方式
部分中所描述的方法和處理可以體現(xiàn)為代碼和/或數(shù)據(jù)，這些代碼和/或數(shù)據(jù)可以存儲在以上所述的計算機可讀存儲介質(zhì)中。當計算機系統(tǒng)讀取并執(zhí)行存儲在計算機可讀存儲介質(zhì)上的代碼和/或數(shù)據(jù)時，計算 機系統(tǒng)執(zhí)行體現(xiàn)為數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和代碼并存儲在計算機可讀存儲介質(zhì)中的方法和處理。此外，以下所描述的方法和處理可以包括在硬件模塊中。例如，硬件模塊可以包括但不限于，專用集成電路(ASIC)芯片、場可編程門陣列(FPGA)及現(xiàn)在已知或以后開發(fā)的其它可編程邏輯器件。當硬件模塊被激活時，該硬件模塊執(zhí)行包括在該硬件模塊中的方法和處理。鍵本發(fā)明增加了充電鋰電池單元的按體積測量和按比重測量的能量密度(Wh/L)。能量密度的這種增加方便把電池單元制造得更小，這允許便攜式電子設(shè)備中可用的有限空間可以被更有效地利用。例如，節(jié)省下來的空間可以用于把附加的特征件結(jié)合到電子設(shè)備中，或者提供更多的電池容量，這增加了電池的運行壽命。本發(fā)明背后的基本想法很簡單。通過在不增加所關(guān)聯(lián)的集電器或隔膜的長度與寬度的情況下增加陽極和陰極集電器上活性材料涂層的厚度，來增加電池容量。應(yīng)當指出，隔膜、陽極集電器和陰極集電器是電池單元中的非活性部件。因此，增加這些部件的表面積不增加電池單元的按比重測量或按體積測量的能量密度。本發(fā)明通過增加陰極和陽極上活性材料涂層的厚度并且還減小非活性材料的面積來增加電池單元的能量密度。這是通過使用新的多步CC-CV充電技術(shù)在不減少電池的循環(huán)壽命的情況下來完成的，這種新的多步CC-CV充電技術(shù)在電池單元達到較高的充電狀態(tài)(SOC)(例如，70%至100% SOC之間)時減小電流密度。應(yīng)當指出，如果涂層厚度增加，則充電電流密度必須增加，以在相同的時間量內(nèi)給電池充電。不幸的是，對于鋰離子和鋰聚合物電池單元來說，充電電流密度與循環(huán)壽命成反t匕。而且，還應(yīng)當指出，在不同的溫度下使用相同的充電電流密度也影響循環(huán)壽命。例如，與較高溫度(45°C )相比，在較低的溫度(10°C )下維持相同的充電電流密度將從根本上降低鋰離子/鋰聚合物電池的循環(huán)壽命。圖I給出了例示電池循環(huán)壽命如何受充電電流影響的經(jīng)驗結(jié)果的圖。這個圖比較在10°c利用O. 3C比率(O. 82A)對O. 5C比率(I. 37A)充電的電池單元的循環(huán)壽命。如這個圖所指示的，與O. 3C比率相比，利用O. 5C比率給電池單元充電減少了循環(huán)壽命。在其它溫度可以獲得類似的結(jié)果。通過用陰極面積去除充電電流，可以容易地將充電電流變換成充電電流密度(mA/cm2)。大多數(shù)鋰離子和鋰聚合物電池單元中的充電電流密度在2. 2-2. 5mA/cm2之間變化，因為更高的電流密度會把電池的循環(huán)壽命減少到不可接受的低水平。然而，應(yīng)當指出，在較高的充電狀態(tài)(SOC)(例如，70%至100% SOC之間)下，較高的充電電流密度只會使循環(huán)壽命受損。由此，如果在較高的充電狀態(tài)(并且在較低的溫度下)充電電流可以減小，那么就可以在沒有電池化學性質(zhì)的任何改變的情況下避免循環(huán)壽命的降級(而且循環(huán)壽命甚至可以增加)。例示傳統(tǒng)單元設(shè)計與改進單元/電池設(shè)計之間的區(qū)別的圖在圖2中示出，該圖例示了循環(huán)壽命、電流密度與能量密度之間的關(guān)系。傳統(tǒng)的充電技術(shù)(標記為“傳統(tǒng)CC-CV充電”)涉及單個恒定電流充電步驟，其涉及例如在O. 5C比率下充電，直到電池電壓達到4. 2V。這個恒定電流步驟之后跟著單個4. 2V的恒定電壓充電步驟，直到充電電流降至
0.05C。(應(yīng)當指出，這同一傳統(tǒng)充電技術(shù)是跨寬范圍的溫度使用的。)相反，新的多步CC-CV充電技術(shù)(標記為“多步CC-CV充電”)涉及一系列恒定電流和恒定電壓充電步驟。例如，該系統(tǒng)可以在O. 7C的較高初始恒定電流下充電，直到電池達到50%充電狀態(tài)。然后，該系統(tǒng)在恒定電壓下充電，直到充電電流降至O. 6C。接下來，系統(tǒng)可以在O. 6C的稍微較低的恒定電流下充電，直到電池達到60%充電狀態(tài)。然后，系統(tǒng)可以重復(fù)附加的CC-CV步驟，直到電池充滿電。 圖2例示了新的多步CC-CV充電技術(shù)如何可以利用較高的初始電流密度給電池單元充電，同時維持相同的循環(huán)壽命。這種較高的初始充電電流密度使具有較厚的活性材料涂層的電池單元以與具有較薄的活性材料涂層的傳統(tǒng)電池單元相同的時間量充電，其中這種傳統(tǒng)電池單元使用傳統(tǒng)的單個恒定電流充電步驟，后面跟著單個恒定電壓充電步驟。充電系統(tǒng)圖3例示了根據(jù)本發(fā)明實施方式的使用CC-CV充電技術(shù)的充電電池系統(tǒng)300。更具體而言，圖3中所例示的充電電池系統(tǒng)300包括電池單元302，例如鋰離子電池單元或者鋰聚合物電池單元。它還包括測量施加到單元302的充電電流的電流計(電流傳感器)304和測量跨單元302的電壓的電壓計(電壓傳感器)306。充電電池系統(tǒng)300還包括測量電池單元302的溫度的熱傳感器330。(應(yīng)當指出，用于電流計、電壓計和熱傳感器的多種可能設(shè)計在本領(lǐng)域中是眾所周知的。)充電電池系統(tǒng)300附加地包括提供可控的恒定充電電流(具有變化的電壓)的電流源323，或者作為替代，提供可控的恒定充電電壓(具有變化的電流)的電壓源324。充電過程是由控制器320控制的，該控制器320接收來自電壓計306的電壓信號308、來自電流計304的電流信號310和來自熱傳感器330的溫度信號332。這些輸入用于生成用于電流源323的控制信號322，或者作為替代，用于電壓源324的控制信號326。應(yīng)當指出，控制器320可以利用硬件和軟件的組合或者純硬件來實現(xiàn)。在一種實施方式中，控制器320是利用微控制器實現(xiàn)的，該微控制器包括執(zhí)行控制充電過程的指令的微處理器。以下更具體地描述充電過程中控制器320的操作。充電過稈圖4給出了根據(jù)本發(fā)明實施方式的例示在CC-CV充電操作中所涉及的操作的流程圖。首先，系統(tǒng)獲得一組充電電流U1, . . .，IJ和一組充電電壓IV1, . . .，VJ (步驟402)。這可以涉及基于所測量到的電池溫度和電池的電池類型在查找表中查找這組充電電流和這組充電電壓。如以上所提到的，這些查找表可以通過利用鋰參考電極進行實驗以確定在發(fā)生鍍鋰之前可以有多少電流/電壓施加到電池來生成。接下來，系統(tǒng)在恒定電流I = Ii下給電池單元充電，直到電池電壓Vrall = Vi(T)(步驟404)。然后，系統(tǒng)在恒定電壓V = Vi(T)下充電，直到充電電流I彡Ii+1 (步驟406)。接下來，系統(tǒng)確定Ii+1是否等于終止電流Itom(步驟408)。如果等于，則過程完成。否則，計數(shù)器變量i遞增，即i = i+Ι (步驟410)，而且重復(fù)該過程。應(yīng)當指出，與初始充電電流I1關(guān)聯(lián)的初始充電電流密度超過了用于實現(xiàn)相同預(yù)定最小循環(huán)壽命的單步CC-CV充電技術(shù)的初始充電電流密度。
充電技術(shù)之間的區(qū)別圖5和6例示了傳統(tǒng)單步CC-CV充電技術(shù)與新的多步CC-CV充電技術(shù)之間的區(qū)別。更具體而言，圖5例示了用于單步CC-CV充電技術(shù)的電壓、電流和充電狀態(tài)(SOC)。這種單步充電技術(shù)首先以O(shè). 49A的恒定電流(O. 5C比率)充電至4. 2V (93 % S0C)，然后以4. 2V的恒定電壓充電，直到電流降到低于O. 05C，在該點電池單元達到100% SOC0相反，圖6中所例示的多步CC-CV充電涉及一系列恒定電流和恒定電壓充電步驟。應(yīng)當指出，利用具有大電流的恒定電流充電步驟方便更快的充電，但是也隨著電池SOC的增加而導致電極的極化。后續(xù)的恒定電壓充電步驟使電極能夠從極化中恢復(fù)，這允許鋰隨著SOC增加在陽極內(nèi)擴散并且進一步減小電流。因此，這種新的充電技術(shù)允許電池單元在相同的時間量內(nèi)充電，但通過減小較高充電狀態(tài)下的電流密度而改進了循環(huán)壽命。圖7例示了根據(jù)本發(fā)明實施方式的在傳統(tǒng)和多步CC-CV充電技術(shù)下在23°C電池如何隨循環(huán)壽命衰減。圖8例示了根據(jù)本發(fā)明實施方式的在10°C下的同樣的比較。在圖7中，在大約300個循環(huán)處，存在一個交叉點，在這個點利用新的多步CC-CV充電技術(shù)充電的電池開始比利用傳統(tǒng)單步CC-CV充電技術(shù)充電的電池衰減得慢。由此，利用多步CC-CV充電技術(shù)可以防止電池容量的降級并可以延長循環(huán)壽命。在圖8中，對于10°C而言的交叉點出現(xiàn)得甚至更早，在大約100個循環(huán)處。應(yīng)當指出，圖7和8中所例示的改善的循環(huán)壽命很大程度上是由于在較高的SOC下使用了減小的充電電流密度。這些圖還指示充電電流密度可以在維持相同循環(huán)壽命的同時增加，或者作為替代，循環(huán)壽命可以在不增加充電電流密度的情況下增加。電池單元結(jié)構(gòu)圖9和10中例示了示例電池單元結(jié)構(gòu)。更具體而言，圖9例示了陰極和陽極上具有薄活性材料涂層的傳統(tǒng)電池單元，這種電池單元需要較長的集電器來增加電池容量。相反，圖10例示了具有較短集電器和較厚活性材料涂層的改進的電池單元。盡管這種改進的電池單元的長度、寬度和厚度與傳統(tǒng)的電池單元相同，但是能量密度增加了，這是因為在單元內(nèi)部有更多的活性材料而不是非活性材料。例如，圖10中所例示的改進的電池單元的能量密度比圖9中所例示的傳統(tǒng)電池單元增加了 5%。應(yīng)當指出，涂層厚度可以進一步增加，使得電流密度可以高達3. 5mA/cm2或者更高，而不會顯著地犧牲循環(huán)壽命。這潛在地導致能量密度(Wh/L) 6-15%的增加。應(yīng)當指出，圖9中所例示的傳統(tǒng)電池單元的膠狀物卷(jelly roll)中有17層，而且是利用2. 3mA/cm2的最大電流密度來充電的。相反，圖10中所例示的新的電池單元設(shè)計的膠狀物卷中只有12層而且是利用3. 3mA/cm2的最大充電電流密度來充電的。充電電流密度的這種增加和層數(shù)的相關(guān)減少有效地把電池單元的能量密度從420Wh/L增加到448Wh/L。(應(yīng)當指出，這些數(shù)字僅僅是示例性的，而且相同的技術(shù)可以擴展以針對其它的電池單元實現(xiàn)更高的充電電流密度和更高的能量密度。)
給出以上對實施方式的描述僅僅是出于說明和描述的目的。它們不是旨在詳盡的 或者要把本說明書限制到所公開的形式。相應(yīng)地，許多修改和變體對于本領(lǐng)域技術(shù)人員將是顯然的。此外，以上公開內(nèi)容不是要限制本說明書。本說明書的范圍是由所附權(quán)利要求限定的。
權(quán)利要求
1.一種充電電池，包括 陰極，包括具有陰極活性材料涂層的陰極集電器； 電解質(zhì)隔I吳；及 陽極，包括具有陽極活性材料涂層的陽極集電器； 其中，所述陰極活性材料涂層的厚度和所述陽極活性材料涂層的厚度被選擇成使得，當利用多步恒定電流恒定電壓(CC-CV)充電技術(shù)給所述電池充電時，該電池將在預(yù)定的最大充電時間內(nèi)充電，具有預(yù)定的最小循環(huán)壽命。
2.如權(quán)利要求I所述的充電電池，其中，用于所述多步CC-CV充電技術(shù)的初始充電電流密度超過了用于實現(xiàn)相同預(yù)定最小循環(huán)壽命的單步CC-CV充電技術(shù)的初始充電電流密度。
3.如權(quán)利要求2所述的充電電池，其中，用于所述多步CC-CV充電技術(shù)的所述初始充電 電流密度超過2. 5mA/cm2。
4.如權(quán)利要求I所述的充電電池， 其中所述陰極集電器由鋁組成； 其中所述陰極活性材料涂層由LiCoO2組成； 其中所述陽極集電器由銅組成； 其中所述陽極活性材料涂層由石墨組成；及 其中所述隔膜由聚乙烯或者聚丙烯組成。
5.如權(quán)利要求I所述的充電電池， 其中所述陰極具有第一表面和第二表面，該第一表面和第二表面涂有所述陰極活性材料； 其中所述陽極具有第一表面和第二表面，該第一表面和第二表面覆蓋有所述陽極活性材料；以及 其中所述電解質(zhì)隔膜包括 位于所述陰極的第一表面和所述陽極的第二表面之間的第一電解質(zhì)隔膜；及 位于所述陰極的第二表面和所述陽極的第一表面之間的第二電解質(zhì)隔膜。
6.一種利用多步恒定電流恒定電壓(CC-CV)充電技術(shù)給電池充電的方法，包括 獲得一組充電電流U1,...，IJ和一組充電電壓Iv1,...，VJ ;及 重復(fù)恒定電流和恒定電壓充電步驟，以i = I開始并且每次重復(fù)都遞增i，直到到達終止條件，其中所述恒定電流和恒定電壓充電步驟包括， 利用恒定電流Ii給所述電池充電，直到所述電池的電池電壓達到Vi;以及 然后利用恒定電壓Vi給所述電池充電，直到充電電流小于或等于ii+1 ； 其中，在所述多步CC-CV充電技術(shù)下，所述電池在預(yù)定的最大充電時間內(nèi)充電，具有預(yù)定的最小循環(huán)壽命；及 其中，與初始充電電流I1關(guān)聯(lián)的初始充電電流密度超過了用于實現(xiàn)相同的預(yù)定最小循環(huán)壽命的單步CC-CV充電技術(shù)的初始充電電流密度。
7.如權(quán)利要求6所述的方法，其中，用于所述多步CC-CV充電技術(shù)的初始充電電流密度超過 2. 5mA/cm2。
8.如權(quán)利要求6所述的方法，其中，獲得所述一組充電電流和所述一組充電電壓涉及基于所測量到的所述電池的溫度在查找表中查找這組充電電流和這組充電電壓。
9.如權(quán)利要求6所述的方法，其中，當充電電流Ii等于終止充電電流Itmn時到達所述終止條件。
10.如權(quán)利要求6所述的方法，其中，所述電池是充電鋰電池。
11.如權(quán)利要求10所述的方法，其中，所述充電鋰電池包括 陰極，包括具有陰極活性材料涂層的陰極集電器； 電解質(zhì)隔I吳；及 陽極，包括具有陽極活性材料涂層的陽極集電器； 其中，所述陰極活性材料涂層的厚度和所述陽極活性材料涂層的厚度被選擇成使得，當利用所述多步恒定電流恒定電壓(CC-CV)充電技術(shù)給所述電池充電時，所述電池將在預(yù)定的最大充電時間內(nèi)充電，具有預(yù)定的最小循環(huán)壽命。
12.—種具有充電機構(gòu)的電池系統(tǒng),包括 電池； 電壓傳感器，配置成監(jiān)視所述電池的電池電壓； 電流傳感器，配置成監(jiān)視所述電池的充電電流； 充電源，配置成向所述電池施加充電電流和充電電壓 '及 控制器，配置成從所述電壓傳感器和所述電流傳感器接收輸入，并向所述充電源發(fā)送控制信號，其中，該控制器配置成使用一組充電電流和一組充電電壓Iv1,...，VJ來給所述電池充電； 其中，該控制器配置成執(zhí)行多步恒定電流恒定電壓(CC-CV)充電操作，該操作利用所述一組充電電流和所述一組充電電壓來重復(fù)恒定電流和恒定電壓充電步驟，直到到達終止條件； 其中，在所述多步CC-CV充電技術(shù)下，所述電池在預(yù)定的最大充電時間內(nèi)充電，具有預(yù)定的最小循環(huán)壽命；及 其中，與初始充電電流I1關(guān)聯(lián)的初始充電電流密度超過了用于實現(xiàn)相同的預(yù)定最小循環(huán)壽命的單步CC-CV充電技術(shù)的初始充電電流密度。
13.如權(quán)利要求12所述的電池系統(tǒng)，其中，重復(fù)所述恒定電流和恒定電壓充電步驟涉及以i=I開始重復(fù)以下步驟 利用恒定電流Ii給所述電池充電，直到所述電池的電池電壓達到Vi ； 利用恒定電壓Vi給所述電池充電，直到所述充電電流小于或等于Ii+1 ;及 遞增i。
14.如權(quán)利要求12所述的電池系統(tǒng)，還包括配置成測量所述電池的溫度的溫度傳感器；及 其中，所述控制器配置成利用所測量到的溫度在查找表中查找所述一組充電電流和所述一組充電電壓。
15.如權(quán)利要求12所述的電池系統(tǒng)，其中，當所述充電電流Ii等于終止充電電流Itmil時到達所述終止條件。
16.如權(quán)利要求12所述的電池系統(tǒng)，其中，用于所述多步CC-CV充電技術(shù)的初始充電電流密度超過2. 5mA/cm2。
17.如權(quán)利要求12所述的電池系統(tǒng)，其中，所述電池包括陰極，包括具有陰極活性材料涂層的陰極集電器； 電解質(zhì)隔I吳；及 陽極，包括具有陽極活性材料涂層的陽極集電器； 其中，所述陰極活性材料涂層的厚度和所述陽極活性材料涂層的厚度被選擇成使得，當利用所述多步恒定電流恒定電壓(CC-CV)充電技術(shù)給所述電池充電時，所述電池將在預(yù)定的最大充電時間內(nèi)充電，具有預(yù)定的最小循環(huán)壽命。
18.如權(quán)利要求17所述的電池系統(tǒng)， 其中所述陰極集電器由鋁組成； 其中所述陰極活性材料由LiCoO2組成； 其中所述陽極集電器由銅組成； 其中所述陽極活性材料由石墨組成；及 其中所述隔膜由聚乙烯或者聚丙烯組成。
19.如權(quán)利要求12所述的電池系統(tǒng)， 其中所述陰極具有第一表面和第二表面，該第一表面和第二表面涂有所述陰極活性材料； 其中所述陽極具有第一表面和第二表面，該第一表面和第二表面覆蓋有所述陽極活性材料；以及 其中所述電解質(zhì)隔膜包括 位于所述陰極的第一表面和所述陽極的第二表面之間的第一電解質(zhì)隔膜；及 位于所述陰極的第二表面和所述陽極的第一表面之間的第二電解質(zhì)隔膜。
20.—種用于電池的充電機構(gòu),包括 電壓傳感器，配置成監(jiān)視所述電池的電池電壓； 電流傳感器，配置成監(jiān)視所述電池的充電電流； 溫度傳感器，配置成測量所述電池的溫度； 充電源，配置成向所述電池施加充電電流和充電電壓 '及 控制器，配置成從所述電壓傳感器、所述電流傳感器和所述溫度傳感器接收輸入，并向所述充電源發(fā)送控制信號，其中，所述控制器配置成基于所測量到的溫度在查找表中查找一組充電電流U1,...，IJ和一組充電電壓Iv1,...，VJ ;及 其中，該控制器配置成執(zhí)行多步恒定電流恒定電壓(CC-CV)充電操作，該操作利用所述一組充電電流和所述一組充電電壓重復(fù)恒定電流和恒定電壓充電步驟，直到到達終止條件; 其中，在所述多步CC-CV充電技術(shù)下，所述電池在預(yù)定的最大充電時間內(nèi)充電，具有預(yù)定的最小循環(huán)壽命；及 其中，與初始充電電流I1關(guān)聯(lián)的初始充電電流密度超過了用于實現(xiàn)相同的預(yù)定最小循環(huán)壽命的單步CC-CV充電技術(shù)的初始充電電流密度。
全文摘要
本發(fā)明的一些實施方式提供了改進的充電鋰電池。這種充電鋰電池包括具有陰極活性材料涂層的陰極集電器。它還包括電解質(zhì)隔膜和具有陽極活性材料涂層的陽極集電器。在這種充電電池中，所述陰極活性材料涂層的厚度和所述陽極活性材料涂層的厚度被選擇成使得，當利用多步恒定電流恒定電壓(CC-CV)充電技術(shù)給所述電池充電時，所述電池將在預(yù)定的最大充電時間內(nèi)充電，具有預(yù)定的最小循環(huán)壽命。應(yīng)當指出，利用所述多步CC-CV充電技術(shù)代替?zhèn)鹘y(tǒng)充電技術(shù)允許所述陰極活性材料的厚度和所述陽極活性材料的厚度增加，同時維持相同的預(yù)定最大充電時間和相同的預(yù)定最小循環(huán)壽命?；钚圆牧虾穸鹊倪@種增加有效地增加了電池單元的按體積測量和按比重測量的能量密度。
文檔編號H01M10/44GK102742067SQ201080036437
公開日2012年10月17日 申請日期2010年7月20日 優(yōu)先權(quán)日2009年8月17日
發(fā)明者R·C·比哈德瓦基, 黃太燮 申請人:蘋果公司