Система стабильной высокотемпературной вторичной батареи и способ, относящийся к ней
Изобретение относится к области перезаряжаемых батарей. Согласно изобретению система высокотемпературной вторичной батареи с высокой плотностью энергии содержит электролит, содержащий ионный жидкий растворитель и соли-электролиты; металлический анод; катод, совместимый с электролитом и содержащий активный материал, компонент, представляющий собой сепаратор, который разделяет катод и анод, и высокотемпературную оболочку батареи, содержащую металлостеклянное уплотнение. Техническим результатом является безопасность и стабильность батареи. 2 н. и 18 з.п. ф-лы, 9 ил.
ПЕРЕКРЕСТНАЯ ССЫЛКА НА РОДСТВЕННЫЕ ЗАЯВКИ
[0001] Настоящая заявка притязает на приоритет предварительной заявки США №62/463194, поданной 24 февраля 2017 года, которая включена во всей своей полноте посредством этой ссылки.
ГОСУДАРСТВЕННЫЕ ПРАВА
[0002] Настоящее изобретение было создано с государственной поддержкой в соответствии с соглашением о совместной научно-исследовательской работе и конструкторских разработках № FP00003662 с национальной лабораторией имени Эрнеста Орландо Лоуренса в Беркли под руководством попечительского совета Калифорнийского университета согласно договору с Министерством энергетики США №DE-ACO2-5CH11231. Государство обладает определенными правами на настоящее изобретение.
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
[0003] Настоящее изобретение в целом относится к области перезаряжаемых батарей, и более конкретно к новым и полезным системе и способу, относящимся к стабильной высокоэнергетической перезаряжаемой батарее.
ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0004] Батареи используются в различных отраслях, таких как бытовая электроника, электротранспорт, измерения/каротаж во время бурения, аэрокосмическая отрасль, медицинские устройства, портативные устройства питания, военная отрасль, нефтегазовая отрасль и т.д. Известно, что батареи достигают оптимальных эксплуатационных характеристик, когда работают при температуре, близкой к комнатной, но при высоких температурах батареи становятся нестабильными и опасными и заряжаются и разряжаются неэффективно. Хотя это сопряжено с трудностями, работа батарей в неблагоприятных условиях является необходимой в различных отраслях, включая автомобильную, нефтегазовую, военную, а также в медицинских устройствах. Как правило, доступные на рынке перезаряжаемые батареи не могут безопасно и надежно функционировать при температуре выше 70°С. Кроме того, они не обеспечивают высокую плотность энергии, используемую на конкретных рынках, например связанных с нефтегазовым буровым оборудованием.
[0005] Таким образом, в области перезаряжаемых батарей существует потребность в создании новых и полезных системы и способа, относящихся к стабильной высокоэнергетической перезаряжаемой батарее. Настоящее изобретение предоставляет такие новые и полезные систему и способ.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
[0006] На фиг. 1 показано схематическое изображение системы в виде батареи с элементом спирального типа;
[0007] на фиг. 2 показано вид в разрезе иллюстративной реализации системы;
[0008] на фиг. 3 показано схематическое изображение системы в виде батареи с элементом таблеточного типа;
[0009] на фиг. 4 показано схематическое изображение системы в виде батареи с элементом пакетного типа;
[0010] на фиг. 5 показан график сравнения эксплуатационных характеристик батареи для переменных концентраций соли при повышенных температурах;
[0011] на фиг. 6 показан вид в разрезе, изображающий иллюстративную реализацию системы с двухслойным сепаратором;
[0012] на фиг. 7 показан график сравнения эксплуатационных характеристик батареи для разных связующих при повышенных температурах;
[0013] на фиг. 8 показано подробное схематическое представление высокотемпературной оболочки батареи; и
[0014] на фиг. 9 показано схематическое представление системы зарядки батареи.
ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
[0015] Последующее описание вариантов осуществления настоящего изобретения предназначено не для ограничения настоящего изобретения этими вариантами осуществления, а для предоставления специалисту в данной области техники возможности создать и использовать настоящее изобретение.
Обзор
[0016] Как показано на фиг. 1 и в более общих чертах на фиг. 2, система высокотемпературной вторичной батареи с высокой плотностью энергии согласно предпочтительному варианту осуществления может содержать электролит 100, который содержит ионный жидкий растворитель но, литиевые соли 120 и стабилизирующие соли 130; металлический анод 200; металлооксидный катод 300, совместимый с электролитом; и по меньшей мере один сепаратор 400, который разделяет катод и анод. Предпочтительно катод содержит полиимидное связующее 310. В настоящем документе ссылки на батарею могут описывать всю систему или устройство, в котором система является подкомпонентом. Система может дополнительно содержать оболочку 500 батареи, несколько блоков батарей, действующих как элементы внутри многоэлементной батареи, и/или любой подходящий компонент батареи. Система может дополнительно содержать зарядную систему 600. Зарядная система 600 в комбинации с батареей может обеспечивать конкретные возможности перезарядки для батареи. Система может дополнительно содержать встроенные или присоединенные электрические устройства, в которых может быть применена батарея, например относящиеся к устройствам измерения и каротажа для бурения или горных работ, бурильным устройствам, медицинскому устройство, медицинским устройствам (например, электрические медицинские имплантаты), аэрокосмической отрасли, носимым устройствам и/или другим подходящим областям применения.
[0017] В системе предпочтительно применяется набор совместимых
компонентов, которые могут быть использованы для предоставления нелетучей и негорючей батареи. Многие из компонентов, описанных в настоящем документе, предлагают высокую термическую стабильность (например, стабильность вплоть до 250°С), и батарея, использующая эти компоненты, может быть в особенности применима там, где батарея используется при повышенных температурах. Повышенными температурами для батареи можно считать температуры выше 50°С, но многие варианты реализации могут быть подходящими для температур выше 100°С, 150°С и даже более 180°C. В качестве более конкретного описания, высокие эксплуатационные характеристики батареи могут быть обусловлены широким электрохимическим окном, которое позволяет использовать материалы катода высокого напряжения (более 4 В по сравнению с литием в состоянии полного заряда) даже при повышенной температуре, в сочетании с уникальными химическими свойствами, которые приводят к стабилизации металлического анода с высокой плотностью энергии. В целом, синергетические эффекты тщательно подобранных компонентов батареи и электролита могут предоставить уникальную батарею, обладающую потенциалом безопасно обеспечивать высокую плотность энергии и удельную энергию при повышенных температурах, имеющую при этом перезаряжаемую конфигурацию, как было обнаружено заявителем.
[0018] В одном варианте реализации система может предоставлять батарее возможность работы при среднем напряжении 3,7 В, обеспечивая 80 Вт⋅ч, в формате элемента DD (объем элемента составляет приблизительно 100 куб. см) при температурах до по меньшей мере 160°С. Дополнительно такая иллюстративная батарея может быть по существу негорючей и перезаряжаемой. Батарея альтернативно может иметь другие подходящие рабочие свойства.
[0019] В качестве одного потенциального преимущества батарея системы может содержать компоненты, стабильные и функционирующие при высоких температурах (вплоть до 160°С и/или выше). Это может обеспечить возможность работы и безопасность батареи на конкретных рынках, например относящихся к нефтегазовому буровому оборудованию, где батареи должны переносить экстремальные температуры.
[0020] В дополнение к высокотемпературному применению другим потенциальным преимуществом может быть то, что батарея системы может быть как стабильной при высоких температурах, так и перезаряжаемой. Батарея может предоставлять уникальную комбинацию признаков стабильности при высоких температурах и перезаряжаемости, при этом обеспечивая сравнимые или лучшие энергетические свойства, чем другие технологии. Эти качества потенциально могут принести большую пользу в военных применениях, буровых применениях и/или других подходящих применениях.
[0021] В качестве другого потенциального преимущества батарея системы может быть изготовлена из компонентов, которые являются невоспламеняющимися и в целом безопасными. Безопасные батареи могут иметь конкретные применения в частном секторе и в медицинских приложениях, где люди или чувствительное оборудование могут быть уязвимы к проблемам, связанным с батареей. Высокоэнергетические медицинские устройства, которые в настоящее время человеку слишком рискованно использовать или носить в течение продолжительных периодов времени, можно сделать значительно более безопасными благодаря этой батарее. Подобным образом, использование перезаряжаемых батарей в ситуациях с низкими порогами для отказа батареи, таких как бурение с забойным двигателем, также можно сделать более безопасным.
[0022] В качестве другого потенциального преимущества батарея системы может быть изготовлена с использованием материалов и подходов, которые обеспечивают значительную экономию средств по сравнению с другими вариантами батарей, используемыми в настоящее время, где другие сравнимые батареи обычно не имеют многих признаков данной системы (например, перезаряжаемость, безопасность, стабильность и т.д.). Один пример экономии средств может представлять собой такой, в котором реализация батареи в формате элемента DD может быть предложена со стоимостью в диапазоне 10-20 $ за разряд, при этом сравнимая батарея в формате элемента DD, такая как литий-тионилхлоридная батарея или литий-монофторид-углеродная батарея, могут стоить в диапазоне 30-40 $ за разряд.
[0023] В качестве другого потенциального преимущества система может
предоставлять низкий весовой и объемный профиль по сравнению с другими технологиями батареи. Это может привести к созданию новых медицинских устройств, которые до этого момента были неосуществимы. Такими примерами являются нейрологические стимуляторы спинного мозга и имплантируемые дефибрилляторы.
[0024] Система может иметь особенную применимость в вариантах применения в забойных двигателях и зондах с большим количеством приборов и большим энергопотреблением. В таких вариантах применения очень важны безопасность и стабильность. Короткое замыкание, ухудшение электрических свойств, ухудшение механических свойств, термическое разложение и/или взрывы из-за перегрева могут вызывать существенные осложнения в таких операциях в скважине. Система и способ согласно настоящему изобретению могут обеспечить применимость для электрических транспортных средств, в которых боязнь ограничения дальности поездки из-за недостаточной мощности и отсутствия портативности у современных батарей затрудняют дальние поездки. Система также может обеспечить высокую степень применимости на рынке личной электроники, где главным фактором является стабильность. В дополнение, длительный разряд батареи со стабильностью может иметь особенный интерес для использования в военной отрасли. Аэрокосмическая отрасль также потенциально может воспользоваться преимуществами батареи, которая является термостойкой, стабильной и долговечной.
[0025] Батарея согласно предпочтительному варианту осуществления содержит внутренние компоненты и внешние компоненты батареи. Внутренние компоненты батареи обеспечивают электрохимические процессы, позволяющие перезарядку и разрядку. Внешние компоненты, или оболочка, могут быть использованы для упаковки и закрепления внутренних компонентов батареи.
[0026] Внутренние элементы батареи могут включать инертные компоненты (например, сепаратор, разновидности фольги, плоские выводы и т.д.) и активные компоненты (например, металлооксидный катод и металлический анод). Предпочтительно батарея содержит анодный подкомпонент и катодный подкомпонент, при этом анодный и катодный подкомпоненты разделены сепаратором 400. Внутреннее пространство батареи, находящееся между катодом и анодом и включающее пористое пространство сепаратора 400 и катода 300, предпочтительно заполнено электролитом 100. Батарея системы дополнительно содержит анодный вывод и катодный вывод как часть внешних компонентов. Катод и анод могут быть электрически соединены с соответствующими им концами выводов металлическими прокладками или пружинами, но также могут быть соединены металлическим плоским выводом. Внутренние элементы батареи предпочтительно заключены в оболочку 500 батареи. Оболочка 500 может представлять собой металлическую конструкцию, используемую для упаковки внутренних компонентов. В одном варианте реализации оболочка 500 может содержать внутреннее металлическое покрытие и стальную наружную часть. Могут быть созданы различные типы форматов батареи, такие как элемент таблеточного типа, как показано на фиг. 3, батарея со спиральной намоткой, как показано на фиг. 1, батарея с элементом пакетного типа, как показано на фиг. 4, и/или любая подходящая форма батареи. Геометрическая форма батареи может быть, помимо прочего, цилиндрической, призмой или любой подходящей геометрической формой.
[0027] Электронное устройство может быть электрически соединено с анодным и катодным выводами для использования батареи в качестве источника энергии, при этом батарея может работать в режиме разрядки. Система 600 зарядки также может быть электрически соединена с анодным и катодным выводами для осуществления зарядки батареи, при этом батарея работает в режиме зарядки.
Электролит
[0028] Электролит 100 согласно предпочтительному варианту осуществления имеет функцию носителя ионов в батарее, обеспечивая поток ионов между катодом и анодом. Электролит 100 предпочтительно представляет собой смесь неводной жидкости из группы ионных жидкостей с высокой термостойкостью. Более конкретно, электролит 100 для литиевой батареи может состоять из солей-электролитов, дополняющего неводного ионного жидкого растворителя и необязательно дополнительных солей и добавок для стабилизации системы. Дополняющий характер растворителя может обеспечивать растворение соли при предпочтительных параметрах системы. Электролит 100 может упрощать использование как металлических анодов, так и катодов высокого напряжения, тем самым обеспечивая батарею с высокой удельной энергией и/или плотностью энергии в стабильном и/или перезаряжаемом формате. Предпочтительная смесь электролита может быть описана как негорючая, образующая термически стабильный электролит 100 для высокоэнергетической перезаряжаемой батареи. В некоторых предпочтительных вариантах растворители и/или добавки могут улучшать кулоновскую эффективность, уменьшать выделение газа и/или ослаблять побочные реакции с металлическими анодами и/или катодами высокого напряжения. В предпочтительных примерах улучшенная кулоновская эффективность, уменьшенное выделение газа и/или ослабленные побочные реакции могут возникать при высоких температурах. В некоторых предпочтительных вариантах добавки могут способствовать однородному осаждению лития, тем самым улучшая надежность и/или циклируемость батареи. Циклируемость может быть связана с одним или двумя потенциальными показателями: способностью питания (т.е. то, как быстро может проходить цикл батареи) и сроком службы батареи (т.е. количество циклов до достижения конца срока службы (EOL)). Циклируемость может зависеть от температуры. Конец срока службы может характеризоваться тем, когда удержание заряда составляет меньше 80% начальной емкости. Цикл можно охарактеризовать как по существу полный цикл между состоянием полного заряда и конкретной глубиной разряда. Циклируемость может зависеть от температуры. В одном примере батарея может быть разряжена менее чем за 5 ч и может проходить 80 циклов при температуре 110°С; при этом батарея может быть разряжена менее чем за 10 ч и может проходить 12 циклов при температуре 150°С.
[0029] В предпочтительном примере нелетучий и негорючий электролит 100 может быть термически стабильным вплоть до 250°С и выше.
[0030] В предпочтительном варианте электролит 100 состоит из солей-электролитов или, более конкретно, литиевых солей 120. Эти соли распадаются на ионы, которые проводят заряды в жидкой среде, тем самым делая смачиваемость компонентов, представляющих собой сепаратор, и катода важным фактором в производительности батареи. В предпочтительном примере концентрация литиевой соли 120 является высокой. Соли-электролиты могут составлять 10-30 процентов общего веса электролита 100. В одном варианте реализации высокая концентрация литиевой соли 120 превышает 15% по весу. В одном варианте реализации это может включать концентрацию литиевой соли 120, составляющую 18-22% по весу. При типичных рабочих температурах (т.е. при комнатной температуре) высокая концентрация литиевой соли может привести к высокой вязкости в электролите 100, что обычно считается вредным для производительности батареи. Однако, как было обнаружено заявителем, высокая концентрация литиевой соли и ее применение в коммерческом варианте реализации батареи для вариантов применения, описанных в настоящем документе (например, при высокой температуре), могут иметь особые преимущества. Некоторые потенциальные преимущества, связанные с высокой концентрацией соли, могут включать улучшенную однородность литиевого покрытия, повышенную ионную проводимость, более высокую устойчивость к окислению и/или другие подходящие преимущества. Для системы с предпочтительными компонентами высокая концентрация литиевой соли может позволять системе функционировать лучше при более высоких температурах, например температурах, которые считаются нерабочими для обычных перезаряжаемых батарей (т.е. более 70°С).
[0031] Как показано на фиг. 5, концентрация электролитической соли может обеспечить существенные улучшения по сравнению с более традиционными уровнями концентрации. На этом иллюстративном графике батарея с 22% по весу соли удерживает приблизительно 80% емкости после 80 циклов, тогда как батарея с 15% по весу соли может потерять 20% емкости после 25 циклов.
[0032] Примеры литиевых солей включают: бис(фторсульфонил)имид лития, гексафторфосфат лития, бис(оксалато)борат лития или тетрафторборат лития. Один предпочтительный вариант реализации литиевой соли представляет собой бис(трифторметансульфонил)имид лития (LiTFSI). В одном варианте реализации LiTFSI составляет 27% веса электролита.
[0033] Жидкой растворитель но предпочтительно представляет собой неводный беспротонный растворитель, который может содержать катион алкилзамещенного пирролидиния или пиперидиния и анион имида. Анион может содержать сульфонильную группу. Один предпочтительный пример ионного жидкого растворителя представляет собой ионный жидкий растворитель на основе бис(трифторметансульфонил)имида (TFSI). Более предпочтительный вариант реализации может представлять собой 1-бутил-1-метилпирролидиний бис(трифторметансульфонил)имид. Альтернативные ионные жидкие материалы могут включать молекулярно родственные соединения путем замены пирролидиния пиперидинием, замены бутила алкилами разной длины (например, метилом, этилом и т.п.), замены метила алкилами разной длины (например, бутилом, этилом и т.п.), замены бис(трифторметансульфонил)имида (TFSI) бис(фторсульфонил)имидом (FSI) и/или любой из этих или других подходящих комбинаций. Ионный жидкий растворитель может служить средой для потока ионов, увеличивать термическую стабильность системы и способствовать равномерному электроосаждению ионов на анод.
[0034] Стабилизирующие соли и/или другие добавки 130 могут функционировать для регулирования физических и химических свойств электролитов (например, вязкости, электрохимической стабильности, термической стабильности, числа переноса, коэффициента диффузии и проводимости). В предпочтительных вариантах соли и добавки стабилизируют электролит 100 при высоких температурах, что может увеличить срок службы батареи при высокотемпературной цикличной работе, увеличить смачиваемость различных пористых компонентов (т.е. сепаратора и катода) и/или придавать электролиту 100 другие требуемые свойства. В некоторых примерах стабилизирующие соли 130 и добавки могут включать бис(трифторметансульфонил)имид натрия, бис(трифторметансульфонил)имид калия, бис(трифторметансульфонил)имид цезия, бис(трифторметансульфонил)имид магния и/или бис(трифторметансульфонил)имид цинка. Могут быть использованы другие подходящие соли и/или добавки.
Сепаратор
[0035] Сепаратор 400 согласно предпочтительному варианту осуществления функционирует как физическая перегородка между анодным и катодным подкомпонентами и способствует требуемым электрохимическим взаимодействиям, ускоряя поток ионов между отрицательным и положительным электродами. Сепаратор 400 расположен между катодом и анодом, обеспечивая отсутствие электрического контакта между ними. Сепаратор 400 может представлять собой электроизолирующую мембрану, размещенную между отрицательным и положительным электродами, но в качестве альтернативы может представлять собой любой подходящий тип разделительной конструкции. Сепараторы 400 предпочтительно представляют собой пористые конструкции, которые, хотя и являются ионопроницаемыми, не являются электропроводными. В одном варианте реализации угол контакта электролита 100 на поверхности сепаратора меньше или равен 60° при измерении спустя 60 секунд после осаждения. Если угол контакта капли жидкости на материале меньше 60 градусов, взаимодействия между жидкостью и материалом являются благоприятными и материал может считаться мокрым. В одном иллюстративном варианте реализации толщина сепаратора меньше или равна 35 микрон. В зависимости от своего состава сепараторы 400 могут иметь дополнительные свойства в дополнение к уже упомянутым (например, керамическое покрытие может увеличить механическую прочность сепаратора и увеличить стабильность сепаратора при высоких температурах). Примерами возможных сепараторов являются: сепараторы с покрытием из поверхностно-активного вещества, полиэтилен с керамическим покрытием, полипропилен без покрытия, полиэтилен без покрытия или полиимид (либо сам по себе, либо в комбинации с одним из других предыдущих вариантов). В одном предпочтительном варианте реализации сепаратор 400 может представлять собой полипропиленовый сепаратор с керамическим покрытием. Керамическое покрытие может функционировать для придания сепаратору 400 дополнительной термической и механической стабильности. Полипропилен может иметь благоприятные взаимодействия с электролитом, которые улучшают смачиваемость, что улучшает перенос ионов и подавляет рост дендритов на аноде. В одном иллюстративном варианте реализации сепаратор может иметь: размер пор < 200 нм; пористость > 35%; предел прочности на разрыв > 90 кгс/см2; число Герли > 4 с/100 мл; плотность > 6 г/м2; и/или температуру плавления > 110°С. В таком иллюстративном варианте реализации усадка при 90°С в течение 2 ч может быть меньше 3%, и усадка при 105°С в течение 1 ч может быть меньше 5%. Сепаратор является совместимым с предпочтительным электролитом 100.
[0036] Сепаратор 400 может представлять собой однокомпонентный сепаратор, как описано ранее. Сепаратор 400 альтернативно может представлять собой составной сепаратор, изготовленный из нескольких однокомпонентных сепараторов, слоев и/или других материалов. Составной сепаратор может представлять собой двухслойный сепаратор, который имеет поверхность, прилегающую к аноду, и/или поверхность, прилегающую к катоду, как показано на фиг. 6. В предпочтительном варианте сепаратор, прилегающий к аноду, состоит из полипропиленового слоя с керамическим покрытием (как описано выше), и сепаратор, прилегающий к катоду, состоит из полиимидного слоя. В этом варианте реализации полиимид может функционировать для обеспечения дополнительной механической жесткости сепаратору 400 для предотвращения разложения, деформаций или других видов повреждений при высоких температурах. В некоторых вариантах реализации такой сепаратор 400 может быть применимым вплоть до по меньшей мере 200°С.
Анод
[0037] Анод 200, или отрицательно заряженный электрод, согласно предпочтительному варианту осуществления представляет собой металлический анод, и более конкретно литиевый металлический анод. Литиевый металлический анод содержит фрагмент из металлического лития, который может иметь форму ленты, пластины или фрагмента литиевой металлической фольги. Литиевый металлический анод в некоторых вариантах реализации может иметь толщину приблизительно 5-150 микрон. В некоторых вариантах реализации металлический литий установлен на токоприемник из медной фольги. Независимо от точного состава литиевого металлического анода, который может различаться, уровень чистоты лития предпочтительно является существенно высоким. Металлический литий имеет высокую удельную энергию, как правило, на порядок больше, чем графитовый анод перезаряжаемых батарей в общественном использовании. Сплавы лития и магния представляют собой другие предпочтительные примеры металлических анодов. В некоторых примерах литиевый металлический анод может быть стабилизирован электролитом 100. Стабилизация литиевой поверхности литиевого металлического анода может быть достигнута путем образования стабильной и надежной промежуточной фазы твердого электролита (SEI). В некоторых вариантах реализации образование стабильной SEI может быть достигнуто посредством реакции электролита 100 с литиевой поверхностью литиевого металлического анода. Предпочтительный электролит с высоким содержанием лития может частично раскладываться при контакте с активным материалом отрицательного электрода с образованием соединений лития с высоким содержанием фтора и серы, что увеличивает срок службы электрода, образуя химически неактивный слой на электроде, который препятствует дальнейшему разложению электролита и образованию дендритов. В таких вариантах осуществления структура, стабильность и/или свойства SEI могут зависеть от химических и физических свойств электролита.
Катод
[0038] Катод 300, или положительно заряженный электрод, согласно предпочтительному варианту осуществления, как правило, имеет форму ленты, состоящей из активного материала, который может обратимо интеркалировать ионы лития, по меньшей мере одного связующего 310 и по меньшей мере одной проводящей добавки 320. Положительный электрод, как правило, имеет толщину в диапазоне 50-120 микрон и плотность по меньшей мере приблизительно 2,4 г/см3. По весу активный материал составляет по меньшей мере 93% катода 300, связующее составляет 0,5-5% катода 300 и проводящие добавка (-и) составляют приблизительно 0,1-4% катода 300.
[0039] Активный материал, как правило, состоит из оксида металла, фосфата металла, фторида металла или их комбинации. Активный материал, как правило, подвергается минимальным структурным изменениям или высвобождению газообразных побочных продуктов при температурах 160°С или ниже. Активный материал может представлять собой материал, состоящий из Li, Ni, Mn, Co и кислорода. Более предпочтительно материал может содержать соединения, состоящие из LiNixMnyCozO2, где х находится в диапазоне 0,3-0,9, у находится в диапазоне 0,05-0,3 и z находится в диапазоне 0,05-0,3. Размер вторичных частиц активного материала находится в диапазоне от 4 микрон до 28 микрон. В одном предпочтительном варианте реализации соотношение составляет 5:3:2 (т.е., LiNi0,5Mn0,3Co0,2O2). В альтернативных вариантах осуществления металлооксидный катод 300 может состоять из литий-железо-фосфата или литий-никель-марганец-кобальт-оксида (NMC) с другими соотношениями (например, 1:1:1, 6:2:2 или 8:1:1). В предпочтительных вариантах состав катода 300 может быть специально разработан, чтобы оставаться стабильным при температурах вплоть до 160°С и выше.
[0040] Проводящие добавки 320 катода 300 могут включать электропроводные материалы на основе углерода. В одном варианте проводящая добавка 320 может представлять собой проводящий графит и/или углеродную сажу. Другие альтернативы могут включать другие типичные литий-ионные углеродные добавки.
[0041] В дополнение к активному материалу катодная смесь содержит связующее 310. Связующее 310 функционирует для поддержания связи активного материала с углеродными добавками и токоприемником. Предпочтительный вариант осуществления для связующего 310 предпочтительно представляет собой полиимид. Полиимид представляет собой предпочтительное связующее 310 из-за его совместимости с предпочтительным электролитом 100 и конкретных механических и химических свойств полиимида. Полиимид является новым в области перезаряжаемых батарей: он более прост в обработке в качестве тонких катодных покрытий, чем политетрафторэтилен (PTFE), является механически стабильным при высоких температурах, имеет точку стеклования выше 300°С, имеет усадку менее 0,5% после 60 минут при температуре 150°С, не теряет функциональность при высоких температурах и проявляет минимальное набухание и смягчение при контакте с электролитом 100. Могут быть выбраны альтернативные связующие, такие как полиамидимид, поливинилиденфторид, карбоксиметилцеллюлоза, сополимер этилена (и пропилена и диенового мономера), полиакрилаты, бутадиен-стирольный каучук, политетрафторэтилен и любые другие связующие, также совместимые с требуемым электролитом 100.
[0042] Как показано на фиг. 7, батарея, такая как описанная в настоящем документе, в которой используется полиимидное связующее, может достигать существенных улучшений в удержании емкости по сравнению с другими более традиционными связующими, такими как поливинилиденфторид (PVDF). Тогда как полиимидное связующее может удерживать приблизительно 90% емкости после 9 циклов, более традиционные технологии могут потерять приблизительно 30% емкости после лишь 8 циклов.
Оболочка
[0043] Как рассмотрено, оболочка 500 батареи предпочтительно может функционировать для обеспечения защитной упаковки, чтобы сделать батарею подходящей для использования. Наружная оболочка может быть сформирована в разнообразных форм-факторах конструкции батареи, таких как конструкция батареи с элементом таблеточного типа, конструкция батареи со спиральной намоткой или батарея с элементом пакетного типа. В частности, для высокотемпературного применения батарея предпочтительно содержит высокотемпературную оболочку батареи.
[0044] Высокотемпературная оболочка батареи функционирует для упаковки внутренней системы батареи для высокотемпературного применения, которое может включать температуры выше 50°С, хотя батарея дополнительно может оставаться работоспособной при комнатных температурах или ниже. Как показано на фиг. 8, высокотемпературная оболочка батареи может содержать наружную оболочку, охватывающую внутренние элементы батареи. Металлическая оболочка в некоторых вариациях представляет собой материал на основе стали и выполняет функцию отрицательного контакта, но альтернативно могут быть использованы другие подходящие материалы. Высокотемпературная оболочка батареи дополнительно может включать область электрического контакта, которая содержит положительный контактный штырь, окруженный металлостеклянным уплотнением, как показано на фиг. 8. Положительный контактный штырь предпочтительно выступает из поверхности оболочки батареи. Отрицательный контакт предпочтительно представляет собой материал в другом месте в области электрического контакта, например, металлическую поверхность, окружающую металлостеклянное уплотнение и саму металлическую оболочку. Металлостеклянное уплотнение предпочтительно представляет собой кольцо, которое окружает положительный контактный штырь. Металлостеклянное уплотнение предпочтительно представляет собой электрический изолятор. Металлостеклянное уплотнение дополнительно может иметь свойства термического расширения, соответствующие материалу, используемому в оболочке батареи, по меньшей мере для требуемых рабочих температурных диапазонов. Соответствующее термическое расширение может функционировать для предотвращения протечек и других механических повреждений в батарее.
[0045] В определенных примерах батарея с элементом таблеточного типа может быть изготовлена с возможностью подачи 10 мВт⋅ч, как показано на фиг. 3. В предпочтительном варианте реализации анод 200 может представлять собой литиевый металлический анод, как описано выше. В предпочтительном варианте реализации катод может представлять собой катод, как описано выше. В предпочтительном варианте реализации сепаратор 200 может представлять собой систему сепаратора, как описано выше. Как представлено, батарея с элементом таблеточного типа может содержать алюминиевую прокладку, прокладку из нержавеющей стали и пружину из нержавеющей стали.
[0046] В определенных вариантах осуществления батарея с элементом спирального типа формата DD, как показано на фиг. 1, может создавать номинальное напряжение приблизительно 3,7 вольта, обеспечивать приблизительно 80 Вт⋅ч энергии, может быть невоспламеняющейся, работать при температуре вплоть до 160°С или выше и быть перезаряжаемой. В качестве альтернативы могут быть использованы альтернативные форматы со спиральной намоткой.
[0047] В некоторых вариантах осуществления батарея с элементом пакетного типа, как показано на фиг. 4, может быть образована путем смачивания и сжатия электродов для достижения хорошего контакта и низкого сопротивления. В различных вариантах осуществления металлическая фольга и плоские выводы батареи с элементом пакетного типа могут быть спаяны вместе. В определенных вариантах осуществления батарея с элементом пакетного типа может содержать уложенные стеком электроды, выполненные с возможностью подачи от 40 мВт⋅ч в формате 2×3 см до 8 Вт⋅ч в формате 10×12 см. В одном варианте осуществления от двух до двадцати электродов батареи с элементом пакетного типа могут быть собраны и уложены стеком со сгибом гармошкой в слоистом материале пакета или в предварительно сформированном слоистом материале пакета. В определенных вариантах осуществления электролит 100 может быть впрыснут в батарею с элементом пакетного типа перед вакуумным уплотнением пакета.
[0048] Как показано на виде в разрезе иллюстративной батареи на фиг. 2, батарея может содержать металлический анод 200, полимерный сепаратор 400, ионный жидкий электролит 100 и металлооксидный катод 300. Компоненты батареи могут представлять собой предпочтительный компоненты, описанные в настоящем документе.
[0049] Система может дополнительно содержать зарядную систему 600, которая выполняет функцию перезарядки батареи, как показано на фиг. 9. Зарядная система 600 предпочтительно электрически соединена с батареей, и тогда батарея работает в режиме зарядки для восстановления заряда батареи для последующего использования в подаче питания для электрической системы. Как было обнаружено заявителем, некоторые варианты батареи испытывают улучшенную перезаряжаемость (в отношении величины перезарядки и/или количества циклов перезарядки), когда заряжаются при повышенной температуре зарядки. В некоторых вариантах зарядная система 600 представляет собой систему зарядки при повышенной температуре, которая может содержать элемент нагревателя и которая выполняет функцию зарядки батареи при повышенной температуре. Элемент нагревателя предпочтительно может представлять собой регулируемый нагревательный элемент, контролируемый и выполненный с возможностью установки батареи на конкретные температуры и/или поддержания конкретных температур, при нахождении в режиме зарядки. В одном варианте реализации система 600 зарядки при повышенной температуре выполнена с возможностью установки температуры батареи в диапазоне 70-120°С. Например, система 600 зарядки при повышенной температуре может заряжать батарею при температуре по меньшей мере 80°С. Система батареи может быть выполнена с возможностью изменения температуры зарядки, установленной элементом нагревателя, в течение цикла зарядки. Например, элемент нагревателя может быть выполнен с возможностью установки первой температуры в один период в цикле зарядки и второй температуры во второй период в цикле зарядки. Зарядная система 600 дополнительно может быть выполнена с возможностью применения цикла зарядки, настроенного для конкретных составляющих материалов и химических веществ, используемых в батарее.
[0050] Батарея предпочтительно работает в по меньшей мере рабочем режиме зарядки и режиме разрядки (т.е. режиме активного использования). Батарея дополнительно может иметь режим ожидания, когда батарея не находится в активном использовании. Как рассмотрено, батарея предпочтительно работает при повышенных температурах режимах разрядки и ожидания. Другими словами, батарея не в активном использовании может быть подвергнута воздействию условий высоких температур, и та же батарея может быть использована в условиях высоких температур. Во время рабочего режима зарядки система, работающая при повышенной температуре, может быть приспособлена поднимать температуру батареи до уровня или поддерживать ее на уровне по меньшей мере 80°С.
[0051] Система может дополнительно содержать одно или несколько электрических устройств, при этом электрические устройства функционируют для предоставления некоторых функциональных возможностей, связанных с электропитанием, по меньшей мере частично получая питание от перезаряжаемой батареей или подавая питание на перезаряжаемую батарею, описанную в настоящем документе. Иллюстративные электрические устройства могут включать датчики или устройства для работы в неблагоприятных условиях (например, устройства для бурения и горных работ), медицинские устройства (например, имплантируемые медицинские устройства, питаемые батареей и индукционным зарядным устройством, которое заряжает батарею), носимые вычислительные устройства и/или другие подходящие электрические устройства. В одном варианте зарядная система 600 может быть встроена в электрическое устройство таким образом, что батарея может быть перезаряжена с помощью электрического устройства.
[0052] Как будет понятно специалисту в данной области техники из приведенного выше подробного описания и из фигур и формулы изобретения, модификации и изменения могут быть внесены в варианты осуществления настоящего изобретения без отступления от объема настоящего изобретения, определенного в последующей формуле изобретения.
1. Система высокотемпературной вторичной батареи с высокой плотностью энергии, содержащая:
электролит, содержащий ионный жидкий растворитель и соли-электролиты;
металлический анод толщиной менее 150 микрон;
катод, совместимый с электролитом и содержащий активный материал и имеющий плотность приблизительно 2,4 г/см3; и
компонент, представляющий собой сепаратор, толщиной менее 35 микрон и пористостью более 35%, который разделяет катод и анод, и
высокотемпературную оболочку батареи, содержащую металлостеклянное уплотнение.
2. Система по п. 1, отличающаяся тем, что соли-электролиты включают литиевую соль с концентрацией выше 10% по весу электролита.
3. Система по п. 2, отличающаяся тем, что литиевая соль включает бис(фторсульфонил)имид лития.
4. Система по п. 1, отличающаяся тем, что ионный жидкий растворитель представляет собой ионный жидкий растворитель на основе бис(трифторметансульфонил)имида.
5. Система по п. 4, отличающаяся тем, что ионный жидкий растворитель на основе бис(трифторметансульфонил)имида представляет собой 1-бутил-1-метилпирролидиний бис(трифторметансульфонил)имид.
6. Система по п. 1, отличающаяся тем, что металлический анод представляет собой литиевый металлический анод.
7. Система по п. 1, отличающаяся тем, что активный материал обратимо интеркалирует ионы лития; и при этом катод дополнительно содержит по меньшей мере одну проводящую добавку на основе углерода.
8. Система по п. 1, отличающаяся тем, что металлический анод представляет собой анод из сплава лития и магния.
9. Система по п. 1, отличающаяся тем, что сепаратор представляет собой полипропиленовый сепаратор с керамическим покрытием.
10. Система по п. 1, отличающаяся тем, что сепаратор представляет собой составной сепаратор с по меньшей мере двумя материалами сепаратора.
11. Система по п. 10, отличающаяся тем, что составной сепаратор содержит полиимидный слой, прилегающий к катоду, и полипропиленовый слой с керамическим покрытием, прилегающий к аноду.
12. Система по п. 1, отличающаяся тем, что высокотемпературная оболочка батареи состоит из оболочки на основе стали, представляющей собой отрицательный контакт, с положительным контактным штырем, окруженным металлостеклянным уплотнением.
13. Система по п. 1, отличающаяся тем, что дополнительно содержит наружную оболочку, образованную в конструкции батареи, выбранной из набора, включающего по меньшей мере конструкцию батареи с элементом таблеточного типа и конструкцию батареи со спиральной намоткой.
14. Система по п. 1, отличающаяся тем, что батарея выполнена с возможностью зарядки и разрядки при температурах выше 70°C.
15. Система по п. 1, отличающаяся тем, что батарея выполнена с возможностью зарядки и разрядки при температурах от 25 до 160°C.
16. Система по п. 1, отличающаяся тем, что спустя двадцать циклов зарядки-разрядки до состояния заряда 100% с глубиной разрядки 100% при температурах в диапазоне 100–160°C батарея сохраняет более 70% емкости.
17. Система по п. 1, отличающаяся тем, что батарея имеет рабочий режим разрядки; при этом в рабочем режиме разрядки батарея подает по меньшей мере 450 Вт·ч/л в течение одной полной разрядки при работе в температурном диапазоне 70–160°C.
18. Система по п. 17, отличающаяся тем, что дополнительно содержит систему зарядки при повышенной температуре; и при этом система имеет рабочий режим зарядки; и в рабочем режиме зарядки система зарядки при повышенной температуре приспособлена устанавливать температуру батареи в по меньшей мере 80°C.
19. Система по п. 1, отличающаяся тем, что катод представляет собой катод, выбранный из набора, состоящего из металлооксидного катода, металл-фторидного катода или металл-фосфатного катода.
20. Система высокотемпературной вторичной батареи, содержащая:
электролит, содержащий ионный жидкий растворитель на основе бис(трифторметансульфонил)имида и литиевые соли;
литиевый металлический анод толщиной менее 150 микрон;
катод, совместимый с электролитом, при этом катод содержит активный материал на основе оксида металла, и по меньшей мере одну проводящую добавку на основе углерода, с получением покрытия с плотностью более 2,4 г/см3;
полипропиленовый компонент с керамическим покрытием толщиной менее 35 микрон и пористостью более 35%, который разделяет катод и анод; и
высокотемпературную оболочку батареи, содержащую металлостеклянное уплотнение.
