專利名稱：鋰離子電池充電方法
相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用根據(jù)35U.S.C.§119(e)的規(guī)定，本申請(qǐng)要求2004年10月29日提交的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)60/624,075和2005年1月26日提交的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)60/647,292的優(yōu)先權(quán)，這兩份申請(qǐng)的內(nèi)容通過(guò)引用包括在此。
背景本發(fā)明一般涉及鋰離子電池領(lǐng)域。具體地說(shuō)，本發(fā)明涉及在超電位下充電以提高充電速率的鋰離子電池。
鋰離子電池包括其上具有活性材料(例如LiCoO2)的正集電器(currentcollector)(例如鋁，如鋁箔)和其上具有活性材料(例如含碳材料，如石墨)的負(fù)集電器。正集電器和其上提供的活性材料一起被稱為正極，而負(fù)集電器和其上提供的活性材料一起被稱為負(fù)極。


圖1顯示了例如如上所述的鋰離子電池10的一部分的示意圖。電池10包括具有正集電器22和正極活性材料(positive active material)24的正極20、具有負(fù)集電器32和負(fù)極活性材料(negative active material)34的負(fù)極30、電解質(zhì)材料40以及位于正極20和負(fù)極30中間或之間的隔板(例如，聚合物微孔隔板，未示出)。電極20、30可以是相對(duì)平坦或平面性的板或者可卷繞或彎曲成螺旋或其它構(gòu)型(例如，橢圓形)。電極也可以是折疊構(gòu)型。
在電池10的充電和放電期間，鋰離子在正極20和負(fù)極30間移動(dòng)。例如，當(dāng)電池10放電時(shí)，鋰離子從負(fù)極30流向正極20。相反，當(dāng)電池10充電時(shí)，鋰離子從正極20流向負(fù)極30。
圖2是顯示常規(guī)鋰離子電池的理論充放電行為的圖100。曲線110表示包括其上具有LiCoO2活性材料的鋁集電器的正極的電極電位，而曲線120表示包括其上具有含碳活性材料的銅集電器的負(fù)極的電極電位。曲線110和120間的差異代表總的電池電壓。
如圖2所示，首次充電到全容量后，如曲線110所示，正極電位從約3.0伏升高至用于形成負(fù)極的銅的腐蝕電位(用虛線122表示)以上。負(fù)極電位從約3.0伏降低至鋁集電器上提供的LiCoO2活性材料的分解電位(用虛線112表示)以下。首次充電后，由于在負(fù)集電器上形成鈍化層，電池經(jīng)歷不可逆的容量損失，這種現(xiàn)象稱為固體-電解質(zhì)界面(“SEI”)。容量的不可逆損失在曲線120中顯示為凸出或肩部124。
常規(guī)鋰離子電池的一個(gè)難點(diǎn)是，當(dāng)電池放電到接近0伏時(shí)，會(huì)表現(xiàn)出傳遞容量損失和負(fù)極集電器(銅)及可能的電池外殼的腐蝕，這取決于所用材料和外殼極性。如圖2所示，電池首次充電后，在電池后續(xù)放電中電池電壓接近零伏(即容量為百分之零)，負(fù)極電位沿虛線126表示的路徑。如圖2所示，負(fù)極電位在負(fù)集電器的銅腐蝕電位處變得平坦(對(duì)銅來(lái)說(shuō)約為3.5伏，在圖2中用虛線122表示)。
在常規(guī)鋰離子電池充電期間，需要注意避免鋰鍍敷在負(fù)極上。例如，如圖2所示，充電期間負(fù)極電位(如曲線120所示)接近約0.1伏水平而電池容量增加。為此，在常規(guī)鋰離子電池充電期間，當(dāng)電池接近全充電狀態(tài)時(shí)應(yīng)用“漸變式充電(taper charge)”以避免負(fù)極電位落到約0.1伏以下。在漸變式充電中，充電電壓隨著電池接近全充電狀態(tài)而降低，以盡可能減少鋰鍍敷到負(fù)極上的風(fēng)險(xiǎn)。而且，由于負(fù)極電位相對(duì)較低，通常認(rèn)為不宜采用顯著高于電池開(kāi)路電壓的充電電壓來(lái)對(duì)電池進(jìn)行充電。結(jié)果，常規(guī)鋰離子電池的充電速度不如希望的那樣快速增加。
醫(yī)療裝置工業(yè)生產(chǎn)了許多用于治療患者的醫(yī)學(xué)病癥的電子和機(jī)械裝置。根據(jù)醫(yī)學(xué)病癥，醫(yī)療裝置可外科植入或外部連接至接受治療的患者。臨床醫(yī)生單獨(dú)使用醫(yī)療裝置或與藥物療法和外科手術(shù)結(jié)合，用于治療患者醫(yī)學(xué)病癥。對(duì)于某些醫(yī)學(xué)病癥，醫(yī)療裝置可提供最佳、有時(shí)是唯一的療法，使患者恢復(fù)到更健康的狀態(tài)和更完美的生活。
需要為這種醫(yī)療裝置(包括可植入醫(yī)療裝置)提供電池電源。在這種情況下，優(yōu)選提供具有以下特征的電池，該電池可以高于常規(guī)鋰離子電池的充電速率進(jìn)行充電以減少病人的不適。還有益地提供了一種電池，該電池可以高于常規(guī)鋰離子電池的充電速率進(jìn)行充電而不會(huì)發(fā)生鋰鍍敷到電池負(fù)極上的風(fēng)險(xiǎn)。還有效提供采用這種電池的醫(yī)療裝置(例如，可植入醫(yī)療裝置)。
發(fā)明概述本發(fā)明一個(gè)示例性的實(shí)施方式涉及對(duì)可植入醫(yī)療裝置進(jìn)行充電的方法。該方法包括對(duì)醫(yī)療裝置中的鋰離子電池進(jìn)行充電，所述鋰離子電池包括具有鈦酸鋰活性材料的負(fù)極。在至少一部分充電過(guò)程中，負(fù)極電位比所述負(fù)極的平衡電位低大約70毫伏以上。
本發(fā)明另一個(gè)示例性實(shí)施方式涉及對(duì)鋰離子電池進(jìn)行充電的方法，該方法包括在充電操作中對(duì)鋰離子電池進(jìn)行充電，所述鋰離子電池包括具有鈦酸鋰活性材料的負(fù)極。在至少一部分充電操作中，負(fù)極超電位大于約70毫伏。鋰電池可包含在可植入的醫(yī)療裝置中，充電操作不會(huì)導(dǎo)致鋰在負(fù)極上的鍍敷。
本發(fā)明另一個(gè)示例性實(shí)施方式涉及對(duì)鋰離子電池進(jìn)行充電的方法，該方法包括按照以下充電歷程對(duì)鋰離子電池進(jìn)行感應(yīng)充電，其中，至少一部分充電歷程為電池負(fù)極提供至少70毫伏的超電位，所述鋰離子電池包括鈦酸鋰負(fù)極活性材料。
附圖簡(jiǎn)要說(shuō)明圖1是常規(guī)鋰離子電池的示意性橫截面視圖。
圖2顯示了例如圖1示意性所示的常規(guī)鋰離子電池的理論充放電行為。
圖3是根據(jù)一個(gè)示例性實(shí)施方式的鋰離子電池的一部分的示意性橫截面視圖。
圖4顯示了例如圖3所示的鋰離子電池的理論充放電行為。
圖5顯示了根據(jù)一個(gè)理論示例性實(shí)施方式，可能的電池充電歷程或系統(tǒng)規(guī)則(algorithm)。
圖6顯示了根據(jù)另一個(gè)理論示例性實(shí)施方式，可能的電池充電歷程或系統(tǒng)規(guī)則。
圖7顯示了根據(jù)另一個(gè)理論示例性實(shí)施方式，可能的電池充電歷程或系統(tǒng)規(guī)則。
圖8顯示了根據(jù)另一個(gè)理論示例性實(shí)施方式，可能的電池充電歷程或系統(tǒng)規(guī)則。
圖9顯示了根據(jù)另一個(gè)理論示例性實(shí)施方式，可能的電池充電歷程或系統(tǒng)規(guī)則。
圖10顯示了根據(jù)一個(gè)示例性實(shí)施方式，在充電歷程期間確定電池阻抗或電阻的技術(shù)。
圖11A-D顯示了根據(jù)一個(gè)示例性實(shí)施方式，電池的充電性能。
圖12是植入患者體內(nèi)或軀干內(nèi)的可植入醫(yī)療裝置形式的系統(tǒng)的示意圖。
圖13是另一種可植入醫(yī)療裝置形式的系統(tǒng)的示意圖。
示例性實(shí)施方式的詳細(xì)描述參考圖3，顯示了根據(jù)一個(gè)示例性實(shí)施方式的鋰離子電池200的一部分的示意性橫截面視圖。根據(jù)一個(gè)示例性實(shí)施方式，電池200的額定值約為10-1000毫安小時(shí)(mAh)。根據(jù)另一個(gè)示例性實(shí)施方式，電池額定值約為100-400mAh。根據(jù)另一個(gè)示例性實(shí)施方式，電池是約300mAh的電池。根據(jù)另一個(gè)示例性實(shí)施方式，電池是約75mAh的電池。
電池200包括至少一個(gè)正極210和至少一個(gè)負(fù)極220。電極可以是電池200的平坦或平面型組件，可以以螺旋或其它構(gòu)型彎曲，或者可以是折疊構(gòu)型。例如，電極可圍繞相對(duì)矩形的心軸(mandrel)卷繞，使其形成橢圓形盤(pán)繞線圈，用于插入相對(duì)呈棱柱狀的電池外殼。根據(jù)其它示例性實(shí)施方式，所述電池可以是紐扣電池、薄膜固態(tài)電池、或是其它鋰離子電池構(gòu)型。
電池外殼(未示出)可由金屬構(gòu)成，例如鋁、鋁合金或其它金屬。根據(jù)一個(gè)示例性實(shí)施方式，電池外殼可由鈦、鈦合金或不銹鋼構(gòu)成。根據(jù)另一個(gè)示例性實(shí)施方式，電池外殼可由塑料材料或塑料薄膜疊層材料(例如，插入聚烯烴層和聚酯層中間的鋁箔)構(gòu)成。
根據(jù)一個(gè)示例性實(shí)施方式，負(fù)極通過(guò)一含有鋁或鋁合金的元件或分接頭耦合于鋁外殼。鋁或鋁合金元件或分接頭(tap)可耦合或附連于正極。根據(jù)一個(gè)示例性實(shí)施方式，分接頭可用作電池終端。
根據(jù)多個(gè)示例性實(shí)施方式，電池200的尺寸可不同。例如，根據(jù)一個(gè)示例性實(shí)施方式，卷繞電極使其可置于相對(duì)呈棱柱狀的電池外殼中，電池尺寸為約30-40毫米×約20-30毫米×約5-7毫米。根據(jù)另一個(gè)示例性實(shí)施方式，電池尺寸為約20毫米×20毫米×3毫米。根據(jù)另一個(gè)示例性實(shí)施方式，電池可以是紐扣型電池的形式，直徑約30毫米，厚度約3毫米。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)理解，本文所述尺寸和構(gòu)型僅僅是示例性的，根據(jù)本文所述的新型概念可產(chǎn)生許多尺寸、形狀和構(gòu)型的電池。
電解質(zhì)230位于正負(fù)極之間，以提供鋰離子可從中通過(guò)的介質(zhì)。電解質(zhì)可以是液體(例如，溶解在一種或多種非水溶劑中的鋰鹽)。根據(jù)一個(gè)示例性實(shí)施方式，電解質(zhì)可以是碳酸丙二酯(PC)、碳酸亞乙酯(EC)、碳酸二乙酯(EDC)和1.0M LiPF6鹽的混合物。根據(jù)另一個(gè)示例性實(shí)施方式，電解質(zhì)不含常規(guī)鋰電池中使用的成分(例如，碳酸亞乙酯、碳酸亞乙烯酯或雙-草酸硼酸鋰鹽(有時(shí)稱為L(zhǎng)iBOB)等)。
根據(jù)其它示例性實(shí)施方式，可使用許多其它電解質(zhì)。根據(jù)一個(gè)示例性實(shí)施方式，電解質(zhì)可以是溶解在聚合物材料如聚(環(huán)氧乙烷)或硅氧烷中的鋰鹽。根據(jù)另一個(gè)示例性實(shí)施方式，電解質(zhì)可以是離子液體，例如N-甲基-N-烷基吡咯烷鎓雙(三氟甲烷磺?；?酰亞胺鹽。根據(jù)另一個(gè)示例性實(shí)施方式，電解質(zhì)可以是固態(tài)電解質(zhì)，例如鋰離子傳導(dǎo)玻璃，如氮氧化鋰磷(LiPON)。根據(jù)另一個(gè)示例性實(shí)施方式，電解質(zhì)可以是1.0M LiPF6鹽中碳酸亞乙酯與碳酸二亞乙酯(ELC∶DEC)1∶1的混合物。根據(jù)另一個(gè)示例性實(shí)施方式，電解質(zhì)可包含聚碳酸丙二酯溶劑和雙-草酸硼酸鋰鹽。根據(jù)其它示例性實(shí)施方式，電解質(zhì)可包括以下材料中的一種或多種PVDF共聚物、PVDF-聚酰亞胺材料、有機(jī)硅聚合物、熱聚合凝膠、輻射固化丙烯酸酯、包含聚合物凝膠的顆粒、無(wú)機(jī)凝膠聚合物電解質(zhì)、無(wú)機(jī)凝膠-聚合物電解質(zhì)、PVDF凝膠、聚環(huán)氧乙烷(PEO)、玻璃陶瓷電解質(zhì)、磷酸鹽玻璃、鋰傳導(dǎo)玻璃、鋰傳導(dǎo)陶瓷和無(wú)機(jī)離子性液體凝膠、等等。
隔板250位于正極210和負(fù)極220中間或之間。根據(jù)一個(gè)示例性實(shí)施方式，隔板250是聚合物材料，例如聚丙烯/聚乙烯共聚物或其它聚烯烴多層疊層，其中形成有微孔以允許電解質(zhì)和鋰離子從隔板的一側(cè)流到另一側(cè)。根據(jù)一個(gè)示例性實(shí)施方式，隔板250的厚度約為10-50μm。根據(jù)一個(gè)具體的示例性實(shí)施方式，隔板的厚度約為25μm，隔板的平均孔徑約為0.02-0.1μm.
正極210包括由導(dǎo)電材料(如金屬)構(gòu)成的集電器212。根據(jù)一個(gè)示例性實(shí)施方式，集電器212包括鋁和鋁合金。
根據(jù)一個(gè)示例性實(shí)施方式，集電器212的厚度約為5-75μm。根據(jù)一個(gè)具體的示例性實(shí)施方式，集電器212的厚度約為20μm。還應(yīng)注意，雖然所示和所述正集電器212是薄箔材料，根據(jù)多個(gè)示例性實(shí)施方式，正集電器也可以是任何其它構(gòu)型。例如，正集電器可以是柵極，例如網(wǎng)柵極、膨脹金屬柵極、光化學(xué)蝕刻?hào)艠O等。
集電器212上提供有活性材料216層(例如，涂覆在集電器上)。雖然圖3顯示僅在集電器212的一側(cè)上提供活性材料216，應(yīng)理解，可在集電器212的兩側(cè)上提供或涂覆與所示的層216類似或相同的活性材料層。
根據(jù)一個(gè)示例性實(shí)施方式，活性材料216是包含鋰的材料或化合物。在電池充電和放電期間，主要活性材料216中包含的鋰可分別是摻雜或去摻雜的。根據(jù)一個(gè)示例性實(shí)施方式，主要活性材料216是氧化鋰鈷(LiCoO2)。根據(jù)另一個(gè)示例性實(shí)施方式，集電器212上的活性材料是LiMn2O4。根據(jù)另一個(gè)示例性實(shí)施方式，集電器212上的活性材料是LiCoxNi(1-x)O2形式的材料，其中x約為0.05-0.8。根據(jù)另一個(gè)示例性實(shí)施方式，正集電器212上的活性材料是LiNixCoyMn(1-x-y)O2形式的材料(例如，LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2)。根據(jù)另一個(gè)示例性實(shí)施方式，集電器212上的活性材料是這些材料中的一種的金屬摻雜形式，例如LiMxCoyNi(1-x-y)O2，其中，M是鋁或鈦，x約為0.05-0.3，y約為0.1-0.3。
在一些應(yīng)用中，需要提供電池電壓大于約3伏的電池。在這種情況下，正集電器上可采用較高電壓的活性材料，例如Li2-xCoyFezMn4-(y+z)O8(例如，Li2Co0.4Fe0.4Mn3.2O8)形式的材料。認(rèn)為這種活性材料相對(duì)于鋰參比電極可充電至高達(dá)5.2伏特，從而能使總的電池電壓高達(dá)約3.7伏。正極可使用的其它較高電壓活性材料包括LiCoPO4；LiNiPO4；Li2CoPO4F；Li[Ni0.2Li0.2Mn0.6]O2和LiCoxMn2-xO4(例如LiCo0.3Mn1.7O4)。
根據(jù)許多其它示例性實(shí)施方式，活性材料可包括以下材料，例如Li1-xMO2形式的材料，其中M是金屬(例如，LiCoO2、LiNiO2和LiMnO2)；Li1-w(M’xM”y)O2形式的材料，其中M’和M”是不同的金屬(例如，Li(CrxMn1-x)O2、Li(AlxMn1-x)O2、Li(CoxM1-x)O2(其中M是金屬)、Li(CoxNi1-x)O2和Li(CoxFe1-x)O2))；Li1-w(MnxNiyCoz)O2形式的材料(例如，Li(Mn1/3Ni1/3Co1/3)O2、Li(Mn1/3Ni1/3Co1/3-xMgx)O2、Li(Mn0.4Ni0.4Co0.2)O2和Li(Mn0.1Ni0.1Co0.8)O2)；Li1-w(MnxNixCo1-2x)O2形式的材料；Li1-w(MnxNiyCozAlw)O2形式的材料；Li1-w(NixCoyAlz)O2形式的材料(例如，Li(Ni0.8Co0.15Al0.05)O2)；Li1-w(NixCoyMz)O2形式的材料，其中，M是金屬；Li1-w(NixMnyMz)O2形式的材料，其中M是金屬；Li(Nix-yMnyCr2-x)O4形式的材料；LiMn2O4；LiM’M”2O4形式的材料，其中M’和M”是不同的金屬(例如，LiMn2-y-zNiy、LizO4、LiNiCuO4、LiMn1-xAlxO4、LiNi0.5Ti0.5O4和Li1.05Al0.1Mn1.85O4-zFz)；Li2MnO3；LixVyOz形式的材料(例如，LiV3O8、LiV2O5和LiV6O13)；LiMPO4形式的材料，其中，M是金屬；或LiM’xM”1-xPO4，其中，M’和M”是不同的金屬(例如，LiFePO4、LiFexM1-xPO4(其中M是金屬)、LiVOPO4和Li3V2(PO4)3；以及LiMPO4x，其中M是金屬如鐵或釩，x是鹵素如氟，以及它們的組合。
也可與活性材料216層聯(lián)合使用粘合劑材料以使各個(gè)電極組件粘結(jié)或保持在一起。例如，根據(jù)一個(gè)示例性實(shí)施方式，活性材料層可包括導(dǎo)電添加劑(如炭黑)和粘合劑(如聚偏氟乙烯(PVDF)或高彈體聚合物)。
根據(jù)一個(gè)示例性實(shí)施方式，活性材料216層的厚度約為0.1μm到3mm。根據(jù)另一個(gè)示例性實(shí)施方式，活性材料216層的厚度約為25-300μm。根據(jù)一個(gè)具體的示例性實(shí)施方式，活性材料層的厚度約為75μm。
負(fù)極220包括由導(dǎo)電材料(如金屬)構(gòu)成的集電器222。根據(jù)一個(gè)示例性實(shí)施方式，集電器222是鋁或鋁合金。采用鋁或鋁合金集電器的一個(gè)有益特征在于，該材料相對(duì)廉價(jià)且較容易形成集電器。采用鋁或鋁集電器的其它有益特征在于，該材料具有較低的密度、較高的導(dǎo)電性、可較容易地焊接、并且通?？墒惺郢@得。根據(jù)另一個(gè)示例性實(shí)施方式，集電器222是鈦或鈦合金。根據(jù)另一個(gè)示例性實(shí)施方式，集電器222是銀或銀合金。
雖然所示和所述負(fù)集電器222為薄箔材料，根據(jù)多個(gè)示例性實(shí)施方式，負(fù)集電器可具有任意其它構(gòu)型。例如，正集電器可以是柵極，例如網(wǎng)柵極、膨脹金屬柵極、光化學(xué)蝕刻?hào)艠O等。
根據(jù)一個(gè)示例性實(shí)施方式，集電器222的厚度約為100nm到100μm。根據(jù)另一個(gè)示例性實(shí)施方式，集電器222的厚度約為5-25μm。根據(jù)一個(gè)具體的示例性實(shí)施方式，集電器222的厚度約為10μm。
負(fù)集電器222上具有活性材料224。雖然圖3顯示僅在集電器222的一側(cè)上提供活性材料224，應(yīng)理解，可在集電器222的兩側(cè)上提供或涂覆與所示材料類似或相同的活性材料層。
根據(jù)一個(gè)示例性實(shí)施方式，負(fù)極活性材料224是鈦酸鋰材料，例如Li4Ti5O12(有時(shí)稱為L(zhǎng)i1+x[Li1/3Ti5/3]O4，其中0≤x＜1)。適合用作負(fù)極活性材料的其它鈦酸鋰材料可包括以下鈦酸鋰尖晶石材料中的一種或多種HxLiy-xTiOxO4、HxLiy-xTiOxO4、Li4MxTi5-xO12、LixTiyO4、LixTiyO4、Li4[Ti1.67Li0.33-yMy]O4、Li2TiO3、Li4Ti4.75V0.25O12、Li4Ti4.75Fe0.25O11.88、Li4Ti4.5Mn0.5O12和LiM’M”XO4(其中，M’是金屬如鎳、鈷、鐵、錳、釩、銅、鉻、鉬、鈮、或它們的組合，M”是任選的三價(jià)非過(guò)渡金屬，X是鋯、鈦或這兩種金屬的組合)。注意，這些鈦酸鋰尖晶石材料可以任何鋰化狀態(tài)使用(例如，Li4+xTi5O12，其中0≤x≤3)。
根據(jù)一個(gè)示例性實(shí)施方式，提供鈦酸鋰使其至少5％是鈦酸鋰納米粒形式(例如，粒徑小于約500納米)。使用納米粒是為了提供用于鋰離子摻雜或去摻雜更大的表面積。
也可與活性材料224層聯(lián)合使用粘合劑材料。例如，根據(jù)一個(gè)示例性實(shí)施方式，活性材料層可包含粘合劑如聚偏氟乙烯(PVDF)或高彈體聚合物?；钚圆牧?24還可包含加載0-10重量％的導(dǎo)電材料如碳(例如，炭黑)，以增加導(dǎo)電性。
根據(jù)多個(gè)示例性實(shí)施方式，活性材料224的厚度約為0.1μm到3mm。根據(jù)其它示例性實(shí)施方式，活性材料224的厚度約為25-300μm。根據(jù)另一個(gè)示例性實(shí)施方式，活性材料224的厚度約為20-90μm，根據(jù)一個(gè)具體的示例性實(shí)施方式，厚度約為75μm。
圖4是顯示例如圖3所示和所述的根據(jù)本發(fā)明示例性實(shí)施方式構(gòu)建的鋰離子電池的理論充放電行為的圖300。曲線310表示包括其上具有LiCoO2主要活性材料的鋁集電器的正極(例如，正極210)的電極電位。
曲線320表示包括其上具有鈦酸鋰活性材料的鋁集電器的負(fù)極的電極電位。曲線310和320間的差異表示電池總的電池電壓，在圖4中表示為曲線340。
如圖4所示，代表負(fù)極(例如，電極220)電壓的曲線320的相對(duì)平坦部分(用參考標(biāo)號(hào)324表示)約為1.5-1.6伏。因此，曲線320的相對(duì)平坦部分324顯著高于采用碳活性材料的電極的電位水平(例如，圖2中的曲線120，表示包含碳活性材料的負(fù)極的理論電壓)。
采用鈦酸鋰材料作為負(fù)極活性材料的一個(gè)潛在的有益特征在于，可實(shí)現(xiàn)更有利的設(shè)計(jì)規(guī)則。例如，在常規(guī)鋰離子電池中，負(fù)極必須在所有邊上與正極重疊約1毫米以避免鍍敷鋰。在空間成為一個(gè)問(wèn)題的應(yīng)用中，這可導(dǎo)致明顯的體積浪費(fèi)(例如，對(duì)于約22毫米高的顱腦植入物電池來(lái)說(shuō)，將導(dǎo)致約10％的體積浪費(fèi))。因?yàn)殁佀徜嚱档土虽囧兎蟮娘L(fēng)險(xiǎn)，認(rèn)為正極與負(fù)極重疊的設(shè)計(jì)要求是不必要的，從而產(chǎn)生具有改善的能量密度的鋰離子電池。
鈦酸鋰材料的鋰擴(kuò)散系數(shù)約為2×10-8cm2/s數(shù)量級(jí)，大約是碳的十倍，從而實(shí)現(xiàn)相對(duì)快速持續(xù)的速率能力。使用這種材料可以制造電極表面積較低同時(shí)仍然能夠?qū)崿F(xiàn)足夠的功率和再充電速率的電池。根據(jù)一個(gè)示例性實(shí)施方式，電池在硬幣電池或薄膜層疊包裝中使用單片式(即單板)電極。由于鈦酸鋰材料相對(duì)快速持續(xù)的速率能力，電池相對(duì)較薄(例如，約1毫米)且便宜。而且，根據(jù)其它示例性實(shí)施方式，電池可具有仿行的外形，以使這種電池不引人注意地并以非常規(guī)方式包裝在裝置中(例如，沿裝置外殼的內(nèi)表面，例如醫(yī)療裝置如起搏器的外殼)。在例如顱腦植入物的裝置中這尤其有益，該情況下需要提供匹配頭骨曲率的外形。
常規(guī)的鋰離子電池用標(biāo)稱過(guò)量約5-10％的負(fù)極活性材料進(jìn)行平衡以避免鋰鍍敷。使用過(guò)量活性材料導(dǎo)致形成較大的電池，使得電池能量密度降低。根據(jù)一個(gè)示例性實(shí)施方式，可生產(chǎn)在鋁負(fù)集電器上使用鈦酸鋰活性材料而沒(méi)有過(guò)量負(fù)極活性材料(例如，作為“平衡設(shè)計(jì)”)的電池。
使用鈦酸鋰材料的另一個(gè)有益特征在于，認(rèn)為當(dāng)在鋰離子電池的負(fù)極中使用鈦酸鋰材料時(shí)，這些材料將在約1.55V的電位平臺(tái)下循環(huán)鋰(例如，參見(jiàn)圖4，曲線324顯示在3％-90％充電狀態(tài)之間的電池充電期間負(fù)極電位約為1.5伏)。這顯著高于石墨碳，充分充電狀態(tài)中，石墨碳在約0.1V下循環(huán)鋰(例如，參見(jiàn)圖2，曲線120表示采用石墨碳的負(fù)極的充電/放電行為)。
因?yàn)檫@種鋰離子電池在約1.55伏的平臺(tái)下循環(huán)鋰，所以不太可能導(dǎo)致鋰鍍敷。鋰鍍敷是一種眾所周知的現(xiàn)象，可導(dǎo)致鋰離子電池性能損失。認(rèn)為采用鈦酸鋰作為負(fù)極活性材料的鋰離子電池在充電時(shí)不太可能發(fā)生鋰鍍敷(相對(duì)于鋰參比電極0伏時(shí)發(fā)生)。例如，可對(duì)采用鈦酸鋰負(fù)極活性材料的鋰離子電池進(jìn)行充電，使得在充電操作的一點(diǎn)或多點(diǎn)，負(fù)極電位比所述負(fù)極的平衡(即開(kāi)路)電位低70毫伏以上。圖4中的虛線322表示比負(fù)極平衡電位(曲線324所示)低約70毫伏的負(fù)極電位。對(duì)例如本文所述的鋰離子電池進(jìn)行充電而使相對(duì)于鋰參比電極的負(fù)極電位落在曲線322和0伏之間(即在曲線322和圖4中x軸之間的范圍內(nèi))不會(huì)導(dǎo)致鋰鍍敷，而不具有含碳負(fù)極的常規(guī)鋰離子電池在該電位下可導(dǎo)致鋰鍍敷。
使用鈦酸鋰而不是含碳材料作為負(fù)極活性材料的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于，認(rèn)為使用鈦酸鋰材料允許在比含碳材料更高的速率下進(jìn)行電池充電和放電。例如，鋰離子電池充電速率的一般上限約為1C(表示電池可在一小時(shí)內(nèi)從放電狀態(tài)到充電完全)。相反，文獻(xiàn)中已報(bào)道，鈦酸鋰可在高達(dá)10C的速率下充電(即，可在1/10小時(shí)即六分鐘內(nèi)達(dá)到充電完全)。一個(gè)潛在原因是，認(rèn)為采用鈦酸鋰活性材料的負(fù)極不易受到鋰鍍敷的危險(xiǎn)。更快速地對(duì)電池進(jìn)行再充電的能力可顯著增加使用該電池的裝置的功能。
還認(rèn)為，使用包含鈦酸鋰活性材料的負(fù)極使電池能夠在超過(guò)采用碳活性材料的負(fù)極的電池充電電壓下進(jìn)行充電。這種性質(zhì)的一個(gè)潛在優(yōu)點(diǎn)是可產(chǎn)生非氣密電池(例如，使用鉚接聚合物(rivet polymer)饋入裝置、薄膜包裝等的電池)。非氣密電池通常具有比其它電池更大的能量密度，制造相對(duì)便宜，并可使用較廣泛的材料(例如，聚合物薄膜疊層等)來(lái)制備。尤其是在醫(yī)療應(yīng)用中，這種電池通常與蒸氣壓較低的聚合物或凝膠電解質(zhì)聯(lián)用，以降低泄漏風(fēng)險(xiǎn)。然而，這種電解質(zhì)的傳導(dǎo)性通常不如液體電解質(zhì)，導(dǎo)致相對(duì)低的功率和/或充電速率。通過(guò)使用鋁集電器上包括鈦酸鋰活性材料的電池，可提高電池充電電壓以補(bǔ)償電解質(zhì)的電阻損耗(例如，IR降低)。
由于采用鈦酸鋰負(fù)極活性材料的電池(例如，在鋁集電器上提供，并與其上具有活性材料如LiCoO2的正極聯(lián)合使用)所具有的上述多個(gè)潛在的有益特征，認(rèn)為可采用常規(guī)鋰離子電池(例如，不使用鈦酸鋰負(fù)極活性材料的電池)中不會(huì)使用的許多充電歷程。這種充電歷程的非排他性示例實(shí)施方式如圖5-10所示。每一個(gè)充電歷程都能使在至少一部分充電操作中，負(fù)極電位(相對(duì)于鋰電極)比該電極的平衡(例如，開(kāi)路)電位低70毫伏以上(即，充電超電位大于約70毫伏)。負(fù)極上使用鈦酸鋰活性材料能使負(fù)極電位達(dá)到該水平而電極上不會(huì)發(fā)生鋰鍍敷。
圖5顯示了根據(jù)一個(gè)示例性實(shí)施方式的理論充電歷程或系統(tǒng)規(guī)則。如圖5所示，可采用恒電壓充電歷程，其中，將充電電壓控制在超過(guò)電池最終充電電壓的水平下(充電電流隨電池充電的增加而相應(yīng)地降低)。例如，根據(jù)一個(gè)示例性實(shí)施方式，電池最終充電電壓(即完全充電電池的開(kāi)路電壓)約為3伏，如圖5所示，該電池可在高達(dá)約4.5伏的恒電壓下進(jìn)行充電。所需最終充電電壓和充電電壓間的1.5伏差值表示負(fù)極近似電位(例如，參見(jiàn)圖4)。該充電歷程導(dǎo)致在至少一部分充電操作中，超電位大于70毫伏。在這種方式中，可以在比采用常規(guī)負(fù)極材料(例如碳)的電池充電更快的速率下對(duì)電池進(jìn)行充電。
為了確定如圖5所示的電池充電過(guò)程應(yīng)在何時(shí)終止，采用了多種截止標(biāo)準(zhǔn)。如圖4所示，負(fù)極上采用鈦酸鋰活性材料的電池在充電結(jié)束時(shí)電池電壓可相對(duì)急劇地增加(例如，參見(jiàn)圖4中曲線340的最右側(cè)部分)；這種急劇增加可對(duì)應(yīng)于在使用碳或其它常規(guī)負(fù)極活性材料的電池中(因?yàn)樵擖c(diǎn)的負(fù)極電位已經(jīng)接近0伏，例如如圖2所示)通常不會(huì)發(fā)生的負(fù)極電位相對(duì)急劇地降低(例如，參見(jiàn)圖4中曲線320)。充電過(guò)程中鑒別該點(diǎn)可用作充電已接近完全和/或充電應(yīng)停止的標(biāo)識(shí)。也可采用多種其它技術(shù)來(lái)確定何時(shí)電池充電應(yīng)停止。例如，根據(jù)一個(gè)示例性實(shí)施方式，經(jīng)過(guò)預(yù)定量的時(shí)間后可停止電池充電。根據(jù)另一個(gè)示例性實(shí)施方式，當(dāng)電池電流下降到預(yù)定閾值以下時(shí)(即，如圖5下部所示，電流下降到預(yù)定閾值以下)可停止電池充電。根據(jù)另一個(gè)示例性實(shí)施方式，當(dāng)電池電流與時(shí)間的斜率(即di/dt)下降到預(yù)定閾值以下時(shí)可停止電池充電。
圖6顯示了根據(jù)另一個(gè)示例性實(shí)施方式的理論充電歷程或系統(tǒng)規(guī)則。如圖6所示，可采用恒電流充電歷程，其中，將充電電流控制在恒定水平。然后，充電電壓按照類似于圖6所示的圖增大，最終達(dá)到超過(guò)電池最終充電電壓(例如，3伏)的水平(例如，4.5伏)。同樣，因?yàn)椴捎免佀徜嚥牧献鳛樨?fù)極活性材料，認(rèn)為即使在充電過(guò)程中的某點(diǎn)，超電位超過(guò)約70毫伏時(shí)，也可避免負(fù)極上的鋰鍍敷。這樣，與采用常規(guī)負(fù)極材料(例如，碳等)的電池充電相比，可以更快的速率實(shí)現(xiàn)電池充電過(guò)程。
為了確定如圖6所示的電池充電過(guò)程應(yīng)在何時(shí)終止，采用了多種截止標(biāo)準(zhǔn)。例如，當(dāng)電池電壓超過(guò)預(yù)定閾值(即如圖6上側(cè)部分所示，電壓升高到預(yù)定閾值如4.5伏以上)時(shí)，可停止電池充電。根據(jù)另一個(gè)示例性實(shí)施方式，可在電池電壓與時(shí)間的斜率(即dV/dt)超過(guò)預(yù)定閾值時(shí)，停止電池充電。根據(jù)另一個(gè)示例性實(shí)施方式，可在電池電壓與電池容量的斜率(即dV/dQ)超過(guò)預(yù)定閾值時(shí)停止電池充電。
圖7顯示了根據(jù)另一個(gè)示例性實(shí)施方式的理論充電歷程或系統(tǒng)規(guī)則，其組合了圖5和6所示的充電歷程的一些部分。如圖7所示，第一部分充電歷程采用控制的恒定電流，而第二部分充電歷程采用控制的恒定電壓。例如，可將電流控制在恒定水平下直到充電電壓達(dá)到超過(guò)所需電池最終電壓以上的預(yù)定閾值(例如4.5伏)，然后，將充電電壓控制在該閾值下(在該點(diǎn)，電流隨時(shí)間降低，如圖7所示)。
為了確定如圖7所示的電池充電過(guò)程應(yīng)何時(shí)終止，采用了多種截止標(biāo)準(zhǔn)。例如，根據(jù)一個(gè)示例性實(shí)施方式，可以在經(jīng)過(guò)預(yù)定量的時(shí)間后停止電池充電。根據(jù)另一個(gè)示例性實(shí)施方式，可以在當(dāng)電池電流下降到預(yù)定閾值以下時(shí)停止電池充電。
圖8顯示了根據(jù)另一個(gè)示例性實(shí)施方式的理論充電歷程或系統(tǒng)規(guī)則，其中，采用了階梯式下降的電流。如圖8所示，施加恒電流可使充電電壓增加至預(yù)定閾值(例如，4.5伏)。一旦達(dá)到該充電電壓，電流階梯式下降到較低的恒電流值。重復(fù)該過(guò)程，使得每當(dāng)充電電壓接近預(yù)定閾值(或根據(jù)另一個(gè)示例性實(shí)施方式，接近另一不同的閾值)時(shí)，電流階梯式下降到較低的恒定值。
為了確定如圖8所示的電池充電過(guò)程應(yīng)何時(shí)終止，采用了多種截止標(biāo)準(zhǔn)。例如，根據(jù)另一個(gè)示例性實(shí)施方式，可在經(jīng)過(guò)預(yù)定量的時(shí)間后停止電池充電。根據(jù)另一個(gè)示例性實(shí)施方式，可在完成預(yù)定數(shù)量的階梯(例如，充電電流的階梯式下降)后，停止電池充電。根據(jù)另一個(gè)示例性實(shí)施方式，可在電池電流下降到預(yù)定閾值以下時(shí)停止電池充電(例如，當(dāng)電流值階梯式下降到低于預(yù)定閾值的水平時(shí)，充電停止)。根據(jù)另一個(gè)示例性實(shí)施方式，可在與給定電流水平相關(guān)的電壓變化低于預(yù)定值時(shí)(例如，對(duì)于特定充電電流，電壓下降低于預(yù)定閾值)停止電池充電。
圖9和10顯示了可與圖5-8所示歷程或系統(tǒng)規(guī)則聯(lián)用的技術(shù)。圖9顯示了電流中斷技術(shù)與類似于圖6所示的充電歷程或系統(tǒng)規(guī)則聯(lián)合使用。根據(jù)一個(gè)示例性實(shí)施方式，在充電過(guò)程中的周期性間隔處，除去充電電流(例如，不施加電流)。根據(jù)另一個(gè)示例性實(shí)施方式，可以電流下降的形式提供周期性電流中斷(而不是完全除去電流)。電流周期性除去或下降可導(dǎo)致電壓相對(duì)瞬時(shí)下降；可讀取電壓下降以確定在給定時(shí)間點(diǎn)時(shí)的電池開(kāi)路電壓。一旦確定開(kāi)路電壓具有接近所需最終電池電壓的值，充電歷程便可停止。
圖10顯示了系統(tǒng)規(guī)則或歷程的使用，其中，在電池充電期間周期性測(cè)量電池電阻或阻抗以防止過(guò)電壓(充電電壓和所需的最終電池電壓間的差異)超過(guò)預(yù)定閾值(例如，1.5伏，如圖4所示，對(duì)應(yīng)于負(fù)極近似電位)。這樣，在超過(guò)所需最終電池電壓的電壓下對(duì)電池進(jìn)行充電可使過(guò)電壓超過(guò)閾值的風(fēng)險(xiǎn)降低，在所述閾值下可發(fā)生負(fù)極鋰鍍敷。
應(yīng)理解，可采用類似于圖9-10所示和所述的技術(shù)與圖5-8所示和所示的其它歷程或系統(tǒng)規(guī)則聯(lián)用。例如，可結(jié)合任何歷程測(cè)量電池阻抗或電阻，以確保充電歷程過(guò)電壓不超過(guò)閾值，在所述閾值下會(huì)發(fā)生鋰鍍敷。類似地，可采用電壓或電流中斷技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)正在充電的電池開(kāi)路電壓的相對(duì)瞬時(shí)測(cè)量。
雖然圖9-10顯示了在充電操作期間中斷的充電歷程，應(yīng)理解，因?yàn)椴捎免佀徜嚥牧献鳛樨?fù)極活性材料，由于這些電池的鋰鍍敷風(fēng)險(xiǎn)小于采用含碳活性材料的常規(guī)鋰離子電池，充電操作中的這種中斷或暫停可省去。
應(yīng)理解，圖5-10所示和所述的歷程或系統(tǒng)規(guī)則考慮在至少一部分充電操作中，電池充電過(guò)程在超電位下進(jìn)行。雖然所示和所述實(shí)施方式使用大約70毫伏的閾值超電位，應(yīng)理解，根據(jù)多個(gè)示例性實(shí)施方式，可使用任何合適的超電位，只要能夠避免鋰鍍敷即可。例如，根據(jù)其它示例性實(shí)施方式，可使用大于100毫伏的超電位。使用鈦酸鋰負(fù)極活性材料可有益地允許在充電期間使用超電位，而在采用常規(guī)負(fù)極活性材料(例如碳)的電池中不能使用超電位，因?yàn)樵谶@些電池中會(huì)發(fā)生鋰鍍敷。
實(shí)施例在不銹鋼罐中制造單板鋰離子電池與參比電極。正極包括鋁集電器上的LiCoO2涂層、粉末化石墨和PVDF。負(fù)極包括鋁箔集電器上的Li4Ti5O12、炭黑和PVDF。Li4Ti5O12以商品名“EXM 1037”從Sud-Chemie(德國(guó)，慕尼黑)市售獲得。激光散射測(cè)定，Li4Ti5O12中，約40體積％的顆粒小于500nm。正極涂層的質(zhì)量沉積約為22mg/cm2，經(jīng)砑光的涂層厚度約為70微米。負(fù)極質(zhì)量沉積約為17mg/cm2，經(jīng)砑光的厚度約為75微米。電極活性面積約為5cm2。
參比電極由位于電池頭部空間中的饋入銷(xiāo)末端上的金屬鋰塊構(gòu)成。使用由1M LiPF6在碳酸丙二酯、碳酸亞乙酯和碳酸二乙酯混合液中構(gòu)成的電解質(zhì)活化電池。使用ARBIN BT-2000電池循環(huán)機(jī)在37℃下形成和循環(huán)電池。循環(huán)期間，監(jiān)測(cè)電流、電池電壓和相對(duì)于鋰參比電極的負(fù)極電位。完成十二次調(diào)適循環(huán)后，電池經(jīng)歷兩個(gè)循環(huán)，以比較在恒電流(0.5mA)和恒電壓(3V)充電狀態(tài)下的充電速率。
圖11A-D顯示了恒電流和恒電壓充電狀態(tài)下的比較結(jié)果。圖11A、11B、11C和11D分別顯示了電池電壓、充電電流、負(fù)極電位和充電百分比。恒電壓充電狀態(tài)使得電池的充電速率比恒電流狀態(tài)要快得多。例如，如圖11D所示，在恒電壓下充電時(shí)，電池在約84分鐘內(nèi)達(dá)到80％完全充電，而恒電流下只能達(dá)到10％。如圖11C所示，恒電壓充電期間的負(fù)極電位比恒電流充電狀態(tài)中低約500mV。這就表明，在恒電壓充電期間，負(fù)極過(guò)電壓或超電位至少是500mV。與不采用這種超電位的充電操作相比，通過(guò)利用充電操作期間該相對(duì)較大的超電位，電池能夠在短得多的時(shí)間內(nèi)完成充電。
根據(jù)一個(gè)示例性實(shí)施方式，例如上文所述的鋰離子電池和充電歷程可與醫(yī)療裝置，如可植入人體的醫(yī)療裝置(稱為“可植入醫(yī)療裝置”或“IMD”)聯(lián)合使用。使用例如本文所述的鋰離子電池和充電歷程與IMD的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于，較快的充電時(shí)間可減少可能對(duì)患者造成的不適。圖12顯示了植入患者430體內(nèi)或軀干432內(nèi)的系統(tǒng)400(例如，可植入醫(yī)療裝置)的示意圖。系統(tǒng)400包括可植入醫(yī)療裝置形式的裝置410，為了示例的目的，該裝置顯示為除顫器，它被構(gòu)造成為患者提供治療性高電壓(例如，700伏)治療。
根據(jù)一個(gè)示例性實(shí)施方式，裝置410包括呈氣密性且生物惰性的容器或外殼414。容器可由導(dǎo)電材料構(gòu)成。一根或多根導(dǎo)線416電連接裝置410并通過(guò)靜脈422連接至患者心臟420。提供電極417來(lái)感應(yīng)心臟活動(dòng)和/或?qū)π呐K420提供電位。至少一部分導(dǎo)線416(例如，顯示為暴露電極417的導(dǎo)線末端部分)可鄰近心臟420的心室和心房中的一個(gè)或多個(gè)或與其接觸。
裝置410包括其中提供的電池440，為裝置410提供能量。根據(jù)另一個(gè)示例性實(shí)施方式，電池440可位于裝置外部或位于患者430體外(例如，允許除去和替換和/或?qū)﹄姵爻潆??？苫谝韵露喾N因素來(lái)選擇電池440的尺寸和容量，包括對(duì)于給定患者身體或醫(yī)療特征所需的充電量、裝置的尺寸或構(gòu)型以及任意其它因素。根據(jù)一個(gè)示例性實(shí)施方式，電池是5mAh電池。根據(jù)另一個(gè)示例性實(shí)施方式，電池是300mAh電池。根據(jù)許多其它示例性實(shí)施方式，電池容量約為10-100mAh。
根據(jù)其它示例性實(shí)施方式，可提供一個(gè)以上的電池來(lái)給裝置410供能。在該示例性實(shí)施方式中，電池可具有相同的容量或者一個(gè)或多個(gè)電池可具有比其它電池更高或更低的容量。例如，根據(jù)一個(gè)示例性實(shí)施方式，一個(gè)電池的容量約為500mAh而另一個(gè)電池的容量約為75mAh。
根據(jù)圖13所示的另一示例性實(shí)施方式，可植入神經(jīng)刺激裝置500(可植入神經(jīng)刺激器或INS)可包括例如本文多個(gè)示例性實(shí)施方式中所述的電池502。一些神經(jīng)刺激產(chǎn)品及相關(guān)組件的例子在Medtronic公司題為“可植入神經(jīng)刺激系統(tǒng)”的小冊(cè)子中顯示和描述。
INS產(chǎn)生一個(gè)或多個(gè)電刺激信號(hào)，用于影響人神經(jīng)系統(tǒng)或器官。導(dǎo)線遠(yuǎn)端上的電接觸件在所需的刺激部位，如脊柱或腦中定位，導(dǎo)線近端連接于INS。然后，通過(guò)外科手術(shù)將INS植入人體，例如腹部、胸肌區(qū)或上臀區(qū)。臨床醫(yī)生通過(guò)程序器用療法程序設(shè)計(jì)INS。療法設(shè)定了特定患者治療的刺激信號(hào)參數(shù)。INS可用于治療例如疼痛、失禁、運(yùn)動(dòng)失調(diào)如癲癇和帕金森病及睡眠性相互暫停等病癥。其它療法也是有前景的，用于治療多種生理、心理和情緒病癥的。在植入INS傳遞療法之前，通常將能夠再現(xiàn)一些或所有INS功能的外部顯示屏連接于患者，以評(píng)價(jià)所述療法的效力。
INS 500包括導(dǎo)線延伸件522和刺激導(dǎo)線524。刺激導(dǎo)線524是一個(gè)或多個(gè)絕緣電導(dǎo)體，近端具有連接件532，遠(yuǎn)端為電接觸件(未示出)。一些刺激導(dǎo)線被設(shè)計(jì)成可經(jīng)皮插入患者，例如Medtronic公司(Minneapolis Minn.)的Model3487A Pisces-Quad導(dǎo)線，一些刺激導(dǎo)線被設(shè)計(jì)成可外科手術(shù)植入，例如Medtronic公司的Model 3998 Specify導(dǎo)線。
雖然導(dǎo)線連接件532可直接連接至INS 500(例如，在點(diǎn)536)，通常，導(dǎo)線連接件532連接至導(dǎo)線延伸件522。然后導(dǎo)線延伸件522如Medtronic公司的Model 7495再連接至INS 500。
INS 520的植入通常從植入至少一根刺激導(dǎo)線524開(kāi)始，通?；颊咛幱诰植柯樽碇?。刺激導(dǎo)線524可以經(jīng)皮或外科手術(shù)植入。一旦植入和設(shè)置刺激導(dǎo)線524，刺激導(dǎo)線524的遠(yuǎn)端通常錨定在適當(dāng)位置，以盡可能減少植入后刺激導(dǎo)線524的運(yùn)動(dòng)。刺激導(dǎo)線524的近端可被構(gòu)造成連接于導(dǎo)線延伸件522。
用療法程序設(shè)計(jì)INS 500，并且常常修改療法以優(yōu)化患者治療(即，可用多種程序或療法程序設(shè)計(jì)INS，從而在給定情況下給予適當(dāng)?shù)闹委?。在電池502需要再充電的情況下，可用外部導(dǎo)線(未示出)將電池電耦合至充電裝置或設(shè)備。
還可提供醫(yī)師程序器和患者程序器(未示出)，以允許醫(yī)師或患者控制各種療法的給予。醫(yī)師程序器，也稱為控制臺(tái)程序器，利用遙測(cè)技術(shù)連通植入的INS500，因而臨床醫(yī)生能夠編程和操縱儲(chǔ)存在INS 500中的患者療法，尋找患者INS500系統(tǒng)的缺陷，和/或收集數(shù)據(jù)。醫(yī)師程序器的一個(gè)例子是Medtronic公司的Model 7432控制臺(tái)程序器?；颊叱绦蚱饕膊捎眠b測(cè)技術(shù)連通INS 500，因而患者能夠操縱醫(yī)師限定的治療的一些方面?；颊叱绦蚱鞯囊粋€(gè)例子是Medtronic公司的Model 7434 Itrel EZ患者程序器。
雖然本文所示和所述醫(yī)療裝置(例如，系統(tǒng)400和500)是心臟除顫器和神經(jīng)刺激裝置，應(yīng)理解根據(jù)其它示例性實(shí)施方式，也可使用其它類型的可植入醫(yī)療裝置，例如心臟起搏器、心律轉(zhuǎn)變器、心肌收縮調(diào)節(jié)器、給藥裝置、診斷記錄儀、耳蝸植入物等，用于緩解各種健康疾病的不良作用。根據(jù)其它實(shí)施方式，非植入性醫(yī)療裝置或其它類型的裝置可使用如本文所示和所述的電池。
還考慮，當(dāng)將醫(yī)療裝置植入患者體內(nèi)時(shí)，可對(duì)本文所述的醫(yī)療裝置進(jìn)行充電或再充電。就是說(shuō)，根據(jù)一個(gè)示例性實(shí)施方式，無(wú)需斷開(kāi)或從患者取出醫(yī)療裝置以充電或再充電醫(yī)療裝置。例如，可采用經(jīng)皮能量轉(zhuǎn)移(TET)，其中，可使用磁感應(yīng)以將能量從身體外部傳遞至植入的電池，而無(wú)需直接物理接觸植入的電池，無(wú)需植入物的任何部分伸出患者皮膚。根據(jù)另一個(gè)示例性實(shí)施方式，在患者體外提供與充電裝置電耦合的連接件，以對(duì)電池進(jìn)行充電或再充電。根據(jù)其它示例性實(shí)施方式，提供需要從患者取出或脫離以對(duì)電池進(jìn)行充電或再充電的醫(yī)療裝置。
在另一種應(yīng)用中，可在多電池系統(tǒng)中使用例如本文所述的電池，所述系統(tǒng)中可使用兩個(gè)或多個(gè)電池(例如，作為多電池系統(tǒng)的能量模塊)。一個(gè)例子是包括兩個(gè)電池的可植入的心臟除顫器(ICD)。ICD在其大部分壽命中以低功率模式工作，但是必須在需要除顫沖擊時(shí)可在幾秒內(nèi)提供相對(duì)高的功率(例如，10瓦)。低速或中速原電池(例如，陽(yáng)極由CFx、CFx-SVO混合物、或鋰/MnO2構(gòu)成的鋰電池)用作能量模塊，為裝置提供大部分能量。然而，該能量模塊不能維持高功率。因而與例如本文所述的鋰離子電池(例如，鋁、銀或鈦負(fù)集電器上提供有鈦酸鋰活性材料，正極上具有例如本文所述的活性材料的電池)并聯(lián)，在高消耗應(yīng)用期間用作能量模塊。這兩個(gè)電池的組合具有具有高能量和能量密度。當(dāng)并聯(lián)兩個(gè)電池時(shí)，兩電池電壓必須彼此相容。標(biāo)準(zhǔn)鋰離子電池的電壓太高(約3.7伏)而不能與并聯(lián)大多數(shù)鋰原電池。這樣做將導(dǎo)致原電池破壞，并可能傷害患者。然而，采用例如本文所述的鋰離子電池可實(shí)現(xiàn)與鋰原電池相對(duì)安全地連接，這是因?yàn)閮煞N電池的電壓范圍可完美地重疊。
很重要的是應(yīng)理解各個(gè)示例性實(shí)施方式中所示和所述的鋰離子電池的構(gòu)造和設(shè)置僅僅是示例性的。雖然本說(shuō)明書(shū)中僅詳細(xì)描述了很少一些本發(fā)明實(shí)施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員通讀本說(shuō)明書(shū)后容易明白，許多改進(jìn)是可能的(例如，各元件的大小、尺寸、結(jié)構(gòu)、形狀和比例的變化、參數(shù)值、安裝排列、材料的使用、顏色、取向等)而不實(shí)質(zhì)上背離權(quán)利要求書(shū)所述主題的新穎內(nèi)容和優(yōu)點(diǎn)。因此，所有改進(jìn)將包括在所附權(quán)利要求書(shū)所限定的本發(fā)明的范圍內(nèi)。優(yōu)選和其它示例性實(shí)施方式的設(shè)計(jì)、操作條件和排列中可進(jìn)行其它替代、改進(jìn)、改變和省略而不背離所附權(quán)利要求書(shū)所表達(dá)的本發(fā)明的范圍。
權(quán)利要求
1.一種對(duì)可植入的醫(yī)療裝置進(jìn)行充電的方法，所述方法包括對(duì)所述醫(yī)療裝置中提供的鋰離子電池進(jìn)行充電，所述鋰離子電池包括具有鈦酸鋰活性材料的負(fù)極；其中，在至少一部分充電過(guò)程中，負(fù)極電位比所述負(fù)極的平衡電位低大約70毫伏以上。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，在至少一部分充電過(guò)程中，負(fù)極電位比所述負(fù)極的平衡電位低大約100毫伏以上。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述對(duì)鋰離子電池進(jìn)行充電的步驟將負(fù)極相對(duì)于鋰參比電極的電位維持在0伏以上。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述對(duì)鋰離子電池進(jìn)行充電的步驟是采用恒定充電電壓的充電操作中的一部分。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述對(duì)鋰離子電池進(jìn)行充電的步驟是采用恒定充電電流的充電操作中的一部分。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述對(duì)鋰離子電池進(jìn)行充電的步驟是充電操作的一部分，其中，第一部分的充電操作采用恒定充電電流，第二部分的充電操作采用恒定充電電壓。
7.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述對(duì)鋰離子電池進(jìn)行充電的步驟是采用階梯式下降電流法的充電操作中的一部分。
8.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法還包括當(dāng)符合預(yù)定條件時(shí)終止對(duì)鋰離子電池的充電，所述預(yù)定條件選自(a)負(fù)極電位急劇下降，(b)經(jīng)過(guò)預(yù)定的時(shí)間，(c)鋰離子電池電流下降到預(yù)定閾值以下，和(d)鋰離子電池的電流與時(shí)間的斜率(di/dt)下降到預(yù)定閾值以下。
9.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法還包括當(dāng)符合預(yù)定條件時(shí)終止鋰離子電池的充電，所述預(yù)定條件選自(a)鋰離子電池的電壓超過(guò)預(yù)定閾值，(b)鋰離子電池的電壓與時(shí)間的斜率(dV/dt)超過(guò)預(yù)定閾值，和(c)鋰離子電池的電壓與容量的斜率(dV/dQ)超過(guò)預(yù)定閾值。
10.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述鋰離子電池包括正極，所述正極包括集電器和選自下組的活性材料LiCoO2、LiMn2O4、LiMnxCoyNi(1-x-y)O2、LiAlxCoyNi(1-x-y)O2、LiTixCoyNi(1-x-y)O2及其組合。
11.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述負(fù)極包括集電器，所述集電器包括選自下組的材料鋁、鈦、銀及其組合。
12.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述鈦酸鋰活性材料包括Li4Ti5O12。
13.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述鈦酸鋰活性材料包含至少5％的納米微粒。
14.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述對(duì)電池充電的步驟是在醫(yī)療裝置已植入患者體內(nèi)的情況下進(jìn)行的。
15.如權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于，所述醫(yī)療裝置選自神經(jīng)刺激裝置、心臟除顫器、心臟起搏器、心臟收縮模塊、心臟收縮調(diào)節(jié)器、心律轉(zhuǎn)變器、給藥裝置、耳蝸植入物、助聽(tīng)器、傳感器、遙測(cè)裝置和診斷記錄儀。
16.如權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于，所述對(duì)電池進(jìn)行充電的步驟采用感應(yīng)充電。
17.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述鋰離子電池包括電位大于約2.8伏的正極。
18.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述鋰離子電池的電位大于約1.3伏。
19.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述鋰離子電池的容量約為1-1000mAh。
20.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述對(duì)鋰離子電池進(jìn)行充電的步驟在充電期間不暫停，以確定鋰離子電池的充電狀態(tài)或平衡電位。
21.一種對(duì)鋰離子電池進(jìn)行充電的方法，所述方法包括在充電操作中對(duì)鋰離子電池進(jìn)行充電，所述鋰離子電池包括具有鈦酸鋰材料的負(fù)極；其中，在至少一部分充電操作中，負(fù)極超電位大于約70毫伏；所述鋰電池包括在可植入醫(yī)療裝置中，所述充電操作不會(huì)導(dǎo)致負(fù)極鋰鍍敷。
22.如權(quán)利要求21所述的方法，其特征在于，在至少一部分充電操作中，負(fù)極超電位大于約100毫伏。
23.如權(quán)利要求21所述的方法，其特征在于，所述電池的容量約為1-1000mAh。
24.如權(quán)利要求21所述的方法，其特征在于，所述充電操作采用恒定充電電壓。
25.如權(quán)利要求21所述的方法，其特征在于，所述充電操作采用恒定充電電流。
26.如權(quán)利要求21所述的方法，其特征在于，所述方法還包括當(dāng)符合預(yù)定條件時(shí)終止充電操作，所述預(yù)定條件選自(a)負(fù)極電位急劇下降，(b)經(jīng)過(guò)預(yù)定量的時(shí)間，(c)鋰離子電池電流下降到預(yù)定閾值以下，和(d)鋰離子電池的電流與時(shí)間的斜率(di/dt)下降到預(yù)定閾值以下。
27.如權(quán)利要求21所述的方法，其特征在于，所述方法還包括當(dāng)符合預(yù)定條件時(shí)終止充電操作，所述預(yù)定條件選自(a)鋰離子電池的電壓超過(guò)預(yù)定閾值，(b)鋰離子電池的電壓與時(shí)間的斜率(dV/dt)超過(guò)預(yù)定閾值，和(c)鋰離子電池的電壓與容量的斜率(dV/dQ)超過(guò)預(yù)定閾值。
28.如權(quán)利要求21所述的方法，其特征在于，所述負(fù)極包括集電器，所述集電器包括選自下組的材料鋁、鈦、銀及其組合。
29.如權(quán)利要求21所述的方法，其特征在于，所述鈦酸鋰活性材料包括Li4Ti5O12。
30.如權(quán)利要求21所述的方法，所述醫(yī)療裝置選自神經(jīng)刺激裝置、心臟除顫器、心臟起搏器、心臟收縮模塊、心臟收縮調(diào)節(jié)器、心律轉(zhuǎn)變器、給藥裝置、耳蝸植入物、助聽(tīng)器、傳感器、遙測(cè)裝置和診斷記錄儀。
31.如權(quán)利要求21所述的方法，其特征在于，所述充電操作在所述醫(yī)療裝置植入患者體內(nèi)的情況下進(jìn)行。
32.一種對(duì)鋰離子電池進(jìn)行充電的方法，所述方法包括根據(jù)以下充電歷程對(duì)鋰離子電池進(jìn)行感應(yīng)充電，在至少一部分充電歷程中，所述充電歷程為電池負(fù)極提供至少70毫伏的超電位，所述鋰離子電池包括鈦酸鋰負(fù)極活性材料。
33.如權(quán)利要求32所述的方法，其特征在于，所述鋰離子電池的容量約為1-1000mAh。
34.如權(quán)利要求33所述的方法，其特征在于，所述充電歷程為負(fù)極提供至少100毫伏的超電位。
35.如權(quán)利要求32所述的方法，其特征在于，所述充電操作采用恒定充電電壓和恒定充電電流中至少一種。
36.如權(quán)利要求32所述的方法，其特征在于，所述負(fù)極包括集電器，所述集電器包括選自下組的材料鋁、鈦和銀。
37.如權(quán)利要求32所述的方法，其特征在于，所述鋰離子電池提供在植入患者體內(nèi)的醫(yī)療裝置中，所述醫(yī)療裝置選自神經(jīng)刺激裝置、心臟除顫器、心臟起搏器、心臟收縮模塊、心臟收縮調(diào)節(jié)器、心律轉(zhuǎn)變器、給藥裝置、耳蝸植入物、助聽(tīng)器、傳感器、遙測(cè)裝置和診斷記錄儀。
38.如權(quán)利要求32所述的方法，其特征在于，所述鈦酸鋰活性材料包括Li4Ti5O12。
全文摘要
一種對(duì)可植入的醫(yī)療裝置進(jìn)行充電的方法，該方法包括對(duì)醫(yī)療裝置中提供的鋰離子電池進(jìn)行充電，所述鋰離子電池包括具有鈦酸鋰活性材料的負(fù)極。在至少一部分充電過(guò)程中，負(fù)極電位比所述負(fù)極的平衡電位低70毫伏以上。
文檔編號(hào)H01M4/48GK101048897SQ200580036747
公開(kāi)日2007年10月3日 申請(qǐng)日期2005年10月27日 優(yōu)先權(quán)日2004年10月29日
發(fā)明者E·R·斯科特, W·G·海華德, C·L·施密特 申請(qǐng)人:麥德托尼克公司