用于估計包括混合正極材料的二次電池的功率的設(shè)備和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本公開涉及用于估計包括混合正極材料的二次電池的功率的設(shè)備和方法。
[0002] 本申請要求于2012年11月29日在大韓民國提交的韓國專利申請?zhí)?10-2012-0137320的優(yōu)先權(quán)，其公開內(nèi)容被通過引用結(jié)合到本文中。
[0003] 本申請要求于2013年11月29日在大韓民國提交的韓國專利申請?zhí)?10-2013-0147620的優(yōu)先權(quán)，其公開內(nèi)容被通過引用結(jié)合到本文中。
【背景技術(shù)】
[0004] 電池是通過電化學(xué)氧化和還原反應(yīng)而產(chǎn)生電能的設(shè)備，并具有大范圍的各種應(yīng) 用。例如，電池的應(yīng)用范圍逐漸地擴展至手持式便攜設(shè)備的電源，諸如移動電話、膝上型計 算機、數(shù)字式照相機、攝像機、平板計算機以及電動工具；各種類型的電驅(qū)動機構(gòu)，諸如電動 自行車、電動摩托車、電動車輛、混合動力車輛、電動船以及電動飛行器；儲能系統(tǒng)，用來儲 存在發(fā)電廠中通過新可更新能源產(chǎn)生的電或過剩電；以及不間斷電源，用于到包括服務(wù)器 計算機和用于無線通信的基站的各種類型的信息和通信設(shè)備的穩(wěn)定的功率供應(yīng)。
[0005] 電池包括三個基本元件：一個是負極，包括在在放電期間發(fā)送電子的同時氧化的 材料，另一個是正極，包括在在放電期間接受電子的同時還原的材料，并且另一個是允許電 子在負極與正極之間移動的電解質(zhì)。
[0006] 可將電池分類成在放電之后不能再使用的一次電池以及由于至少部分地可逆的 電化學(xué)反應(yīng)而可以反復(fù)地充電和放電的二次電池。
[0007] 作為二次電池，已知鉛酸電池、鎳鎘電池、鎳鋅電池、鎳鐵電池、銀氧化物電池、鎳 金屬氫化物電池、二氧化鋅錳電池、鋅溴電池、金屬-空氣電池以及鋰二次電池。其中，鋰二 次電池具有比其他二次電池更高的能量密度、更高的電池電壓以及更長的壽命，并且由于 這些原因而在商業(yè)方面吸引了最大的注意。
[0008] 鋰二次電池的特征在于在正極和負極處發(fā)生鋰離子的嵌入和脫嵌反應(yīng)。也就是 說，在放電期間，從包括在負極中的負極材料脫嵌的鋰離子通過電解質(zhì)而移動至正極并嵌 入包括在正極中的正極材料中，并且在充電時反之亦然。
[0009] 在鋰二次電池中，由于被用作正極材料的材料顯著地影響二次電池的性能，所以 已進行了提供在在高溫下保持穩(wěn)定性的同時具有高能量容量以及具有低制造成本的正極 材料的各種嘗試。然而，僅利用一個正極材料，在滿足所有行業(yè)性能標準方面仍存在限制。
[0010] 最近，隨著對化石燃料的耗盡和空氣污染的關(guān)注的增長，對生態(tài)友好的能量的需 求急劇增加。在此背景下，發(fā)達國家正在加速諸如電動車輛之類的電力驅(qū)動車輛或由從二 次電池供應(yīng)的電能供電和運行的混合動力車輛的商業(yè)化。
[0011] 電動車輛的速度與二次電池的功率成比例。因此，電動車輛的控制單元具有監(jiān)視 二次電池可以提供多少功率的功能。并且，控制單元控制各種類型的驅(qū)動設(shè)備，包括在二次 電池可以提供的最大功率范圍內(nèi)安全地驅(qū)動電動車輛的電動機。因此，為了優(yōu)化電動車輛 的行進性能，需要一種用于準確地計算二次電池的功率的方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012] 摶術(shù)問題
[0013] 二次電池的功率受到正極材料的電化學(xué)性質(zhì)的影響。因此，該二次電池可基于包 括在二次電池中的正極材料的類型而展示出獨有的電化學(xué)性質(zhì)。在這種情況下，準確地估 計二次電池的功率更加困難。
[0014] 本公開旨在提供一種用于準確地估計二次電池的功率的設(shè)備和方法，該二次電池 包括考慮到市場上的二次電池所需的性能而包括至少兩個正極材料的混合正極材料并由 于該混合正極材料而展示出獨有的電化學(xué)性質(zhì)。
[0015] 摶術(shù)解決方案
[0016] 為了實現(xiàn)上述目的，根據(jù)本公開的用于估計包括包含至少第一正極材料和第二正 極材料的混合正極材料的二次電池的功率的設(shè)備包括被配置成在相互不同的多個放電速 率（c速率）的條件下使二次電池放電的放電裝置、被配置成測量對應(yīng)于所述多個放電速率 的條件的多個放電終止電壓的傳感器裝置以及控制裝置，其被配置成通過二維線性等式來 近似所述多個放電速率與所述多個放電終止電壓之間的關(guān)聯(lián)，使用線性等式來計算對應(yīng)于 最小放電電壓（V niin)的二次電池的最大放電速率（Cniax)，并根據(jù)所計算的最大放電速率來估 計二次電池的最大功率（P niax)。
[0017] 為了實現(xiàn)上述目的，用于估計根據(jù)本公開的二次電池的功率的方法包括：(a)在 相互不同的多個放電速率（c速率）的條件下使二次電池放電，該二次電池包括包含至少第 一正極材料和第二正極材料的混合正極材料，（b)測量對應(yīng)于所述多個放電速率的條件的 多個放電終止電壓，（c)通過二維線性等式來近似所述多個放電速率與所述多個放電終止 電壓之間的關(guān)聯(lián)，并使用線性等式來計算對應(yīng)于最小放電電壓（V min)的二次電池的最大放 電速率（Cmax)，以及（d)根據(jù)所計算的最大放電速率來估計二次電池的最大功率（P max)。
[0018] 根據(jù)一個方面，放電裝置可在相互不同的所述多個放電速率的條件下以一定時間 間隔使二次電池進行脈沖放電。
[0019] 根據(jù)另一方面，所述多個放電速率的條件可大于在針對二次電池的每個充電狀態(tài) (SOC)測量的I-V分布上觀察到的過渡放電速率的最大值。
[0020] 在這里，I-V分布是通過根據(jù)變化的放電速率來描繪二次電池的放電終止電壓 (Vf)而獲得的圖表，其中，在使具有相同SOC的二次電池以不同的放電速率放電達預(yù)定時間 之后立即測量放電終止電壓。
[0021] I-V分布示出了當放電速率在相同SOC條件下改變時二次電池的動態(tài)電壓下降多 少。I-V測量結(jié)果分布一般地具有線性函數(shù)的形式，其具有負斜率。
[0022] 然而，當包括混合正極材料的二次電池的SOC (或開路電壓）屬于特定范圍時，I-V 測量結(jié)果分布的斜率基于特定放電速率而改變。
[0023] 如上所述，可將I-V分布的斜率在其附近改變的放電速率定義為過渡放電速率， 并且該過渡放電速率根據(jù)二次電池的SOC(或開路電壓）而改變。可針對二次電池的每個 SOC而描繪I-V測量結(jié)果分布。
[0024] 根據(jù)另一方面，控制裝置可使用至少兩對的放電速率和放電終止電壓來近似線性 等式。
[0025] 根據(jù)另一方面，所述控制裝置可使用以下等式1和2來計算二次電池的最大放電 速率（C max)和最大功率（Pmax)。
[0026] 在這里，以C速率為單位來指示最大放電速率，但顯而易見的是可通過單位轉(zhuǎn)換 而以安培為單位給出最大放電速率。
[0027] < 等式 1 >
[0028] 最大放電諫率（Cz)=(線件等式的Y截距-最小放電電壓）/線件等式斜率的 絕對倌
[0029] <等式 2>
[0030] Pz=最大放電諫率Ο：=)*最小放電電壓
[0031] 在本公開中，隨著電壓改變，與第一正極材料和第二正極材料反應(yīng)的工作離子的 反應(yīng)濃度不同。
[0032] 在這種情況下，當根據(jù)SOC來測量電阻分布時，包括第一正極材料和第二正極材 料的二次電池在電阻分布上具有凸起模式，并且在凸起模式的頂點之前和之后出現(xiàn)兩個拐 點。
[0033] 并且，當根據(jù)SOC來測量開路電壓分布時，包括第一正極材料和第二正極材料的 二次電池在開路電壓分布上具有至少一個電壓坪。
[0034] 在這里，工作離子表示在包括混合正極材料的二次電池的充電或放電期間引起與 第一正極材料和第二正極材料的電化學(xué)反應(yīng)的離子。
[0035] 工作離子可基于二次電池的類型而改變。例如，在鋰二次電池的情況下，鋰離子可 以是工作離子。
[0036] 電化學(xué)反應(yīng)包括在使二次電池充電或放電時發(fā)生的第一正極材料和第二正極材 料的氧化和還原反應(yīng)，并且可基于二次電池的工作機制而改變。
[0037] 例如，電化學(xué)反應(yīng)可表示工作離子到第一正極材料和/或第二正極材料中的嵌入 或工作離子從第一正極材料和/或第二正極材料的脫嵌。
[0038] 在這種情況下，嵌入第一正極材料和第二正極材料的工作離子的濃度或從第一正 極材料和第二正極材料脫嵌的工作離子的濃度可根據(jù)二次電池的電壓而改變。
[0039] 例如，在二次電池的放電條件下，工作離子可在某個電壓范圍內(nèi)與第二正極材料 相比優(yōu)先地嵌入第一正極材料中，并且在另一電壓范圍內(nèi)反之亦然。
[0040] 作為另一示例，在二次電池的充電條件下，工作離子可在某個電壓范圍內(nèi)與第一 正極材料相比優(yōu)先地從第二正極材料脫嵌，并且在另一電壓范圍內(nèi)反之亦然。
[0041] 在下文中，基于當二次電池放電時工作離子在高電壓范圍內(nèi)與第二正極材料相比 優(yōu)先地嵌入第一正極材料中且在低電壓范圍內(nèi)反之亦然的前提下提供以下描述。
[0042] 二次電池的開路電壓表示在二次電池的充電或放電停止且二次電池處于電化學(xué) 穩(wěn)定狀態(tài)時測量的電壓?？蓪㈤_路電壓視為等效于SOC的參數(shù)，因為開路電壓與二次電池 的SOC具有一對一關(guān)系。
[0043] 在本公開中，第一正極材料和第二正極材料不限于特定種類的材料，如果其與工 作離子的反應(yīng)濃度根據(jù)二次電池的電壓而相互不同的話。
[0044] 根據(jù)一個方面，第一正極材料可以是用一般化學(xué)式A[AxMy]02+z表示的堿金屬化 合物（A包括Li、Na和K的至少一個元素；M包括選自Ni、Co、Mn、Ca、Mg、Al、Ti、Si、Fe、Mo、 V、Zr、Zn、Cu、Al、Mo、Sc、Zr、Ru 和 Cr 的至少一個元素 ；x ^ 0,1 < x+y < 2, -〇· I < z < 2 ; 針對化合物而選擇x、y、z以及包括在M中的組分的化學(xué)當量系數(shù)以保持電中性）。
[0045] 可選地，第一正極材料可以是在US 6, 677, 082和US 6, 680, 143中公開的堿金屬 化合物XLiM1O2-(1-x) Li2M2O3 (M1包括具有3的平均氧化狀態(tài)的至少一個元素 ；M 2包括具有 4的平均氧化狀態(tài)的至少一個元素 ；OS X < 1)。
[0046] 根據(jù)另一方面，第二正極材料可以是用一般化學(xué)式LiaM1xFehM 2yPpyM3zCVz(M1包括 選自 Ti、Si、Mn、Co、Fe、V、Cr、Mo、Ni、NcU Al、Mg 和 Al 的至少一個元素；M2 包括選自 Ti、 Si、Mn、Co、Fe、V、Cr、Mo、Ni、Nd、Al、Mg、Al、As、Sb、Si、Ge、V和 S 的至少一個元素；M3 包括 選自包括F的鹵族元素的至少一個元素；0 < a彡2,0彡X彡1，0彡y < 1，0彡z < 1 ;針 對化合物選擇a、X、y、z和包括在M1、M2和M 3中的組分的化學(xué)當量系數(shù)以保持電中性）或 1^具_3〔]?包括選自11、31、]\111、？6、(：〇上0、]\1〇、附、]\%和八1的至少一個元素=表示 的鋰金屬磷酸鹽。
[0047] 根據(jù)另一方面，第一正極材料可以是 Li[LiaNibCoeMnd02+z] (a 彡 0 ;a+b+c+d = 1 ; b、c和d中的至少一個不是零；0.1 < z < 2)。并且，第二正極材料可以是選自由LiFePO、 LiMnxFeyPO4 (0 < x+y 彡 1)和 Li3Fe2 (PO4) 3組成的組的至少一個。
[0048] 根據(jù)另一方面，第一正極材料和/或第二正極材料可包括涂層。涂層可包括碳層， 或者氧化物層或氟化物層，包括選自由Ti、Si、Mn、Co、Fe、V、Cr、Mo、Ni、NcU Al、Mg、Al、As、 Sb、Si、Ge、V和S組成的組的至少一個元素。
[0049] 在本公開中，在考慮要制造的二次電池的使用目的和性能的同時選擇第一正極材 料和第二正極材料的類型和混合比以在放電電阻分布上產(chǎn)生凸起模式或在開路分布上產(chǎn) 生至少一個電壓坪。
[0050] 在一個實施例中，在其中期望具有高放電功率的二次電池的情況下，可將 Li [NiJMnb3Ccv3] O2和LiFePO 4分別地選作第一正極材料和第二正極材料，并且可將第一 正極材料和第二正極材料的混合比設(shè)置成5:5。
[0051] 在另一實施例中，在其中期望具有高溫穩(wěn)定性的