氧化還原膠體電池的制作方法

專利名稱：氧化還原膠體電池的制作方法
發明所屬領域本發明涉及一種電池，尤其是提高了運行特性的電池。
背景技術：
電池工業現在對電池管理技術的需求提高了。首先，由于消費者對電池供電的便攜設備(如便攜式電話、膝上型電腦等)的需求日益增長。其次，電池工業現在增長的趨向重點在于電動機驅動工具和零排放交通工具(電池為這新一代交通工具的主要動力來源)。這種趨向的原因是政府法令的迅速增加和消費者對空氣及噪音污染的擔憂。另外的要求高效電池的蓄能應用領域是，例如用于敏感電子元件的負荷均衡、應急/備用功率和功率質量系統。
作為電池能源設備需求增長的結果，電池廠家需在競爭壓力下生產出理想的電池。理想電池應該是超輕，超小，具有優秀的周期壽命和理想的充、放電性能，并在壽命結束后其自身不會產生環境污染。電池工業采用的最普遍的技術工藝是鉛酸電池，它正在面對向更高能量密度、更小體積、更好的性能水準、更長周期壽命和保證回收等方面挑戰。
傳統的鉛酸電池組，其容量利用率有限、放電深度低、周期壽命短、能量密度低、存在熱管理問題并且需要不斷提升充電來維持電池單元均衡。
鉛酸電池組還要求充電時間長，高充電電流僅能在極低充電狀態下使用幾分鐘。如果使用高電流，通常將導致電壓高于允許值，從而導致電解質喪失和電池容量減小。如果遵從適當的充電形式，以提升充電進行鉛酸電池的再充電時間最大可提高到4小時。
鉛酸電池組的周期壽命在極大程度上取決于周期過程中所達到的放電深度(DOD)。電動交通工具應用中90-100％的放電深度并不罕見，在這樣的放電深度水準下，傳統深度周期鉛酸電池組的周期壽命能達到接近300個周期。大多數控制器的運行是針對總的電池電壓。通常個別電池單元會放電低于能接受的極限，因為整個電池電壓技術所依靠的假定是所有電池單元處于同一充電狀態，而這，通常不符合實際情況。在高負荷下，電池系統將嚴重失衡，個別電池單元在放電過程中可能實際上反置，甚至冒煙。這似乎有些極端，然而，當大型電池組在較高電壓下提供電力時，可能會發生電池單元反向，而最初不會被檢測到。
傳統的鎳氫電池(NiMH)采用先進的加工和高純度的原料，導致電池系統的成本非常高。采用高純度氫氧化鎳化合物的擴展鎳泡沫和經處理的金屬合金原料都需要高度的質量控制以得到高性能電池。
NiMH氫化物電池也存在自放電問題并且也易受到溫度的影響。在某些系統用高電流萃取會破壞電池單元，而必須注意不要使電池組過充電。在這一方面，需要高檔的電池充電器來確保完全充電。
氧化還原電池組經過多年研究，大體上是按照流體電池組的形式。氧化還原流體電池組將能量儲存在液體電解質中，其電解質被分開地保存在電池槽中。在運行時，電解質通過系統再循環，能量在電解質中往復傳遞。在充電時，電量流入并存儲在電解質中；在放電時，電解質向負載釋放出所存儲的能量。氧化還原流體電池組的代表性缺點是低能量密度、因電解質通過系統再循環引起泵吸損失。在某些情況下，高自放電率可能取決于隔膜或存在有內泄漏以及旁路電流。
發明簡述本發明提供了一種氧化還原膠體電池，它至少包含一個電池單元，該單元包括正氧化還原膠體電解質，負氧化還原膠體電解質，位于正、負氧化還原電解質之間的隔膜，與正氧化還原膠體電解質連在一起的正電極，與負氧化還原電解質連在一起的負電極。
附圖簡要說明圖一是本發明的一個實施例的一個單氧化還原膠體電池的示意圖；圖二是本發明另一實施例的一個多單元氧化還原膠體電池的示意圖；圖三是本發明又一實施例的一個螺旋盤繞型單氧化還原膠體電池的示意圖；圖四是本發明的氧化還原膠體電池的電池管理系統框圖；圖五是圖四中所示電池管理系統的阻抗控制模塊的框圖。
發明的詳細描述傳統電池系統采用某種形式的固體金屬電極，其包含有相位轉移反應，導致重量增大和效率損失。本發明的氧化還原膠體電池采用超濃縮膠體，它包含有各自膠體中的高濃縮正、負活性離子。所有活性元素或反應物質都包含在膠體中，并且無相位轉移反應。由于損失最小，從而達到高的效率。
以鈰/鉻電池(典型的鈰氯化物CeCL3，和鉻氯化物CrCL3)為作為氧化還原膠體電池的實例，其典型的反應如方程1和2所示E0=1.44V (1)E0=-0.41V(2)在充電狀態，負極和正極膠體分別由Ce4+和Cr2+組成。當電池放電時，負極膠體電解質Cr2+被氧化為Cr3+，正極膠體電解質Ce4+被還原為Ce3+。
下面方程3給出了完整的放電反應，理論上電池電壓基于方程1和方程2的標準電極電位，例如對于在25℃時對NHE計算的水溶液，此電壓為1.85V。充電反應是方程3的逆反應。
E0=1.85V(3)實際的電池電壓將取決于氧化還原膠體介質中用于反應物的支持電解質。
如

圖1所示，一個單氧化還原膠體電池10包括一個惰性正電極11，一個惰性負電極12，正氧化還原膠體電解質13，負氧化還原膠體電解質14，以及位于13和14之間的隔膜15。電極11和電極12最好選用非金屬物質。
隔膜15的電阻抗極低，它以極低的電阻抗將氧化還原膠體電解質13和14隔離。氧化還原膠體電解質13和14可以由任何金屬離子、金屬離子混合物、無機和有機化合物等構成，當電池在特征電壓下接上負載后，能夠使膠體導電并產生電流。膠體中還可以包含一些能提高性能的添加劑。
膠體電解質還包含某些凝膠劑，如二氧化硅，或者任何其他無活性成分沉淀有助于穩定膠體結構的物質。
氧化還原膠體電池與氧化還原流體電池的區別在于，其電解質為超濃縮膠體，包含在電池之中，無需進行再循環，如圖1所示。
氧化還原膠體電池可以是如圖1所示的單電池結構，圖2所示的雙極多單元電池組，或者是圖3所示的螺旋盤繞式電池結構。
如圖2所示，雙極多單元電池組20由電池單元1,2…………N-1,N組成。從1到N，每個單元都包括一正氧化還原膠體電解質13和一負氧化還原膠體電解質14，以及位于13和14之間的隔膜15。公共電極16位于各單元之間。惰性負電極12位于單元1的外表面，惰性正電極11位于單元N的外表面。
如圖3所示，單元螺旋盤繞型氧化還原膠體電池30包括一個如圖1所示的電池單元結構以及隔離電池結構的盤繞段的絕緣膜17。
如圖4所示，氧化還原膠體電池可以采用一個電池管理系統，它包含一個可以集成到電池組中的模塊，以使極化的影響最小。因為電池管理系統的加速和監控，從而限制了極化現象并提供了一種高度的個別單元控制，氧化還原膠體電池的運行得以加強。
由于采用了超濃縮膠體，當電池系統應用在高負荷時，極化將趨向于增高，而電池管理系統能夠減輕氧化還原膠體設計時的約束，特別適合于氧化還原膠體電池。
專為氧化還原膠體電池設計的電池管理系統還可執行許多監控功能。例如監控個別電池電壓和溫度。可以監控密封電池組的內壓和確定各種給定條件下系統容許負荷的極限。電池管理系統還具有一個附加能力，能夠在任意充電狀態采取積極行動來保持最佳的電池性能。這種高程度的系統控制下，本發明的氧化還原膠體電池，能夠重復地在一非常長的周期壽命中利用它的全部容量。
優先選用的電池管理系統如圖4框圖所示，包括一個微處理器40和管理后述所有功能的相關軟件57。此例采用的是8位(bit)微處理器，運行速度為8MHz，但也可采用4、16、32或64位處理器。處理器的速度可以是4MHz～166MHz。也可根據個別電池需要選擇數字信號處理芯片。微處理器包含電可擦除只讀存儲器(EEPROM)、只讀存儲器(ROM)和隨機存取存儲器(RAM)，也可選用特定用途集成電路(ASIC)。
個別電池電壓測量模塊41采用一個單獨導線連接每個電池的接點，這條導線單獨用來測電壓。每個電池單元電壓以電池組接地為參考量起，可達到24伏特。也可根據精確度要求和需要，通過直接測量每個電池單元的電壓實現。
單元電池電壓測量調節由模塊42實現。它包括一個電路，在該電路中，電池電壓被電阻網絡分壓，并通過連接在分壓器接地電阻兩端的濾波電容器加以平滑。可采用應用運算放大器的有源濾波器或其他濾波設備。電壓通過分壓器和濾波器定標到適合作模數轉換的電壓。在此例中，4.95伏特表示電池每個連接的預期的最大電壓。一個12位的模數轉換器用于測量每個電池單元的電壓。模數轉換器由微處理器串行控制，它通過定標各處電勢，并從各電池單元的正極電勢中減去其負極電勢，將每一測量的電勢轉換為電池的電壓。這種對每個電池單元的處理方法可應用于達到24伏特的電池電壓。
高于24伏特時，可通過光耦合串行通信(從而隔離電池單元電壓)的設備傳遞連續的數字數據，將上述方法多級使用。另外，可采用跨接每個單元的電壓頻率轉換器，直接測量電池單元電勢并將此信息作為頻率信號發送到微處理器。上述的電壓頻率轉換器可以是電或光耦合到微處理器，用來測量頻率信號并將其轉換成電壓值。
電流測量模塊43是測量旁路電阻兩端的電壓，并用帶有源濾波的電流讀出放大器定標該值。也可選擇利用霍耳效應器通過適當的信號波形調整來測定電流。
電流測量調節由電流模塊44實現，此時，將測量的旁路電壓轉換成一個0～5伏特的信號，而不管隨后被傳送到被用于測量上述電壓時的相同的12位模數轉換器的入口的電流的方向。調節電路還向微處理器提供數字輸入來指示電流方向。這可通過具有最少外部元件的集成電路實現。在這方面離散部件方案也可降低成本。
溫度由電路模塊45使用一個裝在電路板上的集成溫度傳感器來測量。任何數量的這些可用來安置在不同的區域，如電池組，個別電池單元或者外部的環境溫度。
溫度測量調節由電路模塊46實現。其中，溫度值是一個電壓的輸出量，通過使用一個低補償電壓運算放大器將此值定標到0～5伏特的數值，以適合與同樣的模數轉換器接口的連接，該模數轉換器用于測量電壓和電流。
一個液晶顯示器47用來顯示諸如剩余容量、剩余千米數以及其他信息等。
顯示驅動器48可通過根據存儲在微處理器40內的查找表對存儲單元寫入適當的值來，由微處理器直接驅動。取決于微處理器的要求和液晶顯示器的復雜性，可以采用一個單獨的集成電路驅動器。也可使用發光二極管或氣體等離子顯示器，或者一個液晶顯示模塊。
聲音指示器模塊49包括一個壓電蜂鳴器，能向用戶提供聲音訊號。聲音指示器理想的由微處理器直接驅動，或在必要時也可采用晶體管驅動器。
距離傳感器50裝在使用本電池的運動車輛的輪子上。它采用電磁傳感器的形式，其磁體位于輪子上，或霍耳效應傳感裝置裝在車輛的固定部件或光傳感器。
距離傳感器調節由電路模塊51實現。其中，距離傳感器輸出的頻率值通過微處理器定標和測量，再將其轉換成速度值或距離值。
壓力傳感器模塊52位于電池中，包括一個能輸出低電壓(0～100mV)的壓力傳感器。
壓力傳感器調節模塊53通過精密運算放大器將輸出結果轉化到0～5伏特之間并輸出到模數轉換器。
通信模塊54確保所有控制和電池充電器發出的通訊信號能夠通過串行總線直接由微處理器40傳遞。此串行總線為校準目的也可訪問PC。
為保證長的電池壽命，所有優化程序的組件都選擇用于低電流消耗。通過微處理器向低電流模式模塊55發出的信號，微處理器、模數轉換器、以及其他所有電路都被設置在低電流消耗模式。
為達到要求的精確度，微處理器的模擬輸入通過校準模塊56來校準，校準系數和殘留偏差存儲在電可擦除存儲器中。
軟件模塊57最好是面向查詢的以及用于時間緊急事件，例如能量利用積累的電流監控的中斷。更可取的是，軟件能確定個別單電池是否有故障，并通知電池充電器。
此軟件包括一個電壓電流算法的多項式，以打開開關防止電池過放電。此軟件適用于以下方面(1)計算電池自放電并能啟動電池均衡過程。
(2)記錄循環次數，并將此信息發送給電池充電器。
(3)監控、傳遞和啟動安全措施防止過電壓或者電壓不足。
(4)按規律的時間間隔采樣電流，并相對時間將電流求積分，以提供已使用的安時和剩余量。
(5)根據電流循環期間的負荷校正已使用的安時和剩余量。
微處理器40可通過驅動FETS或IGBT來控制電動機58的電流。這能夠向有刷電動機提供單個脈沖寬度調制控制。或者通過多輸出，向無刷多類型電動機如磁阻電動機、無刷直流電動機等提供準正弦信號控制。
可采用一個FET或者IGBT開關59用來提供電池安全和保護。采用的是一個低阻值FETS。
開關59由開關控制模塊60控制。開關控制模塊由微處理器40驅動，FETS或IGBTS的驅動采用開關電源以提升高壓來使能高側驅動。
在阻抗控制模塊61中，微處理器控制著一塊FET。該FET的功能是周期性向一個電容充電直到電壓值超出電池電壓，然后向電池中釋放此電容電量，在此同時轉換到另一電容器充電，以保持負載電流。
能量計62的輸出顯示在液晶顯示器上，表示剩余容量，此值由電流對時間積分求得。電流按等時間間隔采樣，并從累加器中減去此值，再轉化成百分數給出剩余容量的輸出值。
內阻/阻抗模塊63，采用測定電流改變前后電壓的變化的方法來計算內阻和阻抗。在充電和放電的過程中都可以進行。交流電流或電壓可能會注入電池，最后的電壓或電流被測量來計算內阻和阻抗。
電池均衡模塊64的運行，使得在當一個電池單元的自放電超過其他同組的其他電池單元時，將從整個電池組中提出電量，通過開關模式電源轉換器被轉化成適當的電壓值，然后分配給最弱的電池單元，從而使電池達到平衡。
氧化還原膠體電池采用的電極的功能在于允許能量傳入和傳出膠體電解質。電極是惰性的，可以用專門開發的非金屬導電物質制成，這些物質可以形成或鑄塑成幾乎任何特定形狀。
電解質是用來存儲所有包含在氧化還原膠體電池中的能量。膠體中所含的特定的離子可以根據應用和能量密度要求選擇，并可利用單個的或多電子半電池單元反應。膠體電解質可制成帶有或不帶有總合為膠體的電極矩陣。在此二種情形下，膠體存儲電能這一主要功能保持不變。
因為膠體電解質的穩定性，氧化還原膠體電池具有很長的周期壽命。在膠體的基本形態下，電解質在存儲能量時，無相位轉移發生，電解后不產生降解，從而大大節省了整個系統的成本。由于輕便、穩定耐用的特性，氧化還原膠體電池非常適合用于“租賃能量”型車輛的電池更換過程，緊急備用和便攜電源組。
參照圖5，下面進一步描述控制極化和因而電池輸出的方式。
如圖5所示的控制系統100適用于提供從氧化還原電池系統111向終端或連接有負載如電動車等的輸出裝置112預定的能源輸出。控制裝置114位于輸出終端112和氧化還原膠體電池系統111的終端113之間，來檢測電池系統111的預定運行參數。在第一運行模式期間，控制裝置114從電池系統111向輸出終端112供電。
第一電容裝置115連接在電池系統111和控制裝置114之間，當控制裝置114在第一運行模式下時，它存儲電池系統111的預定電量；當控制裝置114在第二運行模式下時，它響應控制裝置114發出的指令信號，向電池系統111提供所存儲的電量。
第二電容裝置116連接在輸出終端112和控制裝置114之間，當控制裝置114處于第一運行模式時，它存儲由電池系統111提供的預定電量總量；當控制裝置114處于第二運行模式時，它向輸出終端112提供其所存儲的電量，以響應控制裝置114發出的指令信號。
因而，電源控制系統與兩個電容網路相結合，當控制裝置檢測到異常時，例如在電池系統111中極化程度過高或自最初將電力加到負載開始過去了預置時間間隔，它將啟動向電池系統111返回充電。在這放電周期中，控制裝置114允許存儲在第一電容網路115中的電能向電池系統111充電，與此同時，第二電容裝置116向輸出終端112以不間斷電源供電。反此逆向周期即放電周期的時間間隔非常小，所以它可以有效的以定時間隔運行。
反向充電具有瓦解和最小化系統內的極化效應及相應的損失的能力。
電源控制系統還可以與充電器協同工作以在運行過程中提供最佳性能和隨時電池維護。電源控制系統還適用于防止將未經許可的充電器連接到電池系統，由此防止了潛在的誤用并確保車主在家里不會使用不正確的充電器來嘗試為電池系統充電。
電源控制系統、充電器和車輛可以結合各個人的電子簽名，從而能夠高精度跟蹤和監控整體系統。每當電池系統被裝入充電裝置，電源控制系統將自我識別，確認是否已從車輛中卸下以及用戶在使用。
充電裝置可用來監控電池的能量水平，再加上匯兌成本，電力和電池的月租費，并將這一數值通知用戶。無論是使用支票還時信用卡，根據收到的這項支付金額，就可以發放新的電池并裝入車輛。如果顧客違章使用或損害了電池，總而言之，都會在充電器中被鑒別出來。
控制系統不僅適用于鑒別電池的能量水平，還可以根據電流能量的使用程度來估計剩余的行程。因此，車輛司機可以得知靠剩余的電量還能夠行駛多少公里路程。
每個充電裝備都通過一個遙測系統連接到操作中心，該中心能夠持續檢測充電站網中所有位置的充電站。
電源控制系統還包含速度控制模塊的功能和特征，這意味著車量管理者可以從車上去除速度控制裝置，僅僅通過電源控制系統來控制輸出，從而減少車輛成本，減少制造廠商的風險擔保，而且還可通過遙控信息系統提供持續的性能檢測監測。
電源控制系統可應用于很多電池系統，如閥調節鉛酸電池組，鎳氫電池組和氧化還原膠體電池組等，對每個系統都有特定的應用和益處。電源控制系統還可應用于改善邊遠程區電力系統，負荷均衡以及緊急后備電池系統的后備性能。應用在邊遠地區的電力系統和緊急后備應用中的穩定的電池系統，能維持在延長期間內滿充電。由于電池單元自放電的速率不同，可將電源控制系統編程來定期掃描單個電池單元的狀態，并使用電池平衡技術在內部平衡電池。充電系統還可以作為后備設備或者根據要求用電源控制系統來控制。
權利要求
1．一種氧化還原膠體電池，至少包括一個電池單元，組成包括正氧化還原膠體電解質，負氧化還原膠體電解質，位于正、負氧化還原膠體電解質之間的隔膜，與正氧化還原膠體電解質作電連接的正電極和與負氧化還原膠體電解質作電連接的負電極。
2．根據權利要求1所述的氧化還原膠體電池，其特征在于正、負電極為惰性非金屬電極。
3．根據權利要求1所述的氧化還原膠體電池，其特征在于膠體電解質中包含活性金屬離子來存儲能量。
4．根據權利要求1所述的氧化還原膠體電池，其特征在于膠體電解質中包含非金屬活性離子來存儲能量。
5．根據權利要求1所述的氧化還原膠體電池，其特征在于膠體電解質不涉及固體相位轉移反應。
6．根據權利要求1所述的氧化還原膠體電池，其特征在于膠體電解質涉及固體相位傳遞反應。
7．根據權利要求1所述的氧化還原膠體電池，其特征在于還包括提高膠體電解質性能的金屬附加物。
8．根據權利要求1所述的氧化還原膠體電池，其特征在于還包括提高膠體電解質性能的非金屬附加物。
9．一種氧化還原膠體電池，其特征在于膠體電解質由惰性導電基質形成。
10．根據權利要求1所述的氧化還原膠體電池，其特征在于正膠體電解質包括一包含活性物質的半電池和一包含不同活性物質的負半電池。
11．根據權利要求1所述的氧化還原膠體電池，其特征在于負膠體電解質包括一包含活性物質的半電池和一包含不同活性物質的負半電池。
12．根據權利要求1所述的氧化還原膠體電池，其特征在于電極為螺旋盤繞型。
13．根據權利要求1所述的氧化還原膠體電池，其特征在于電極為壓縮平板電極。
14．氧化還原膠體電池與用于一具有至少一個帶有至少一對電極的電池單元的電池并對極化敏感的電池管理系統相結合，所述電池管理系統包括(1)監控每個電池單元的指示極化程度的預定參數的裝置；(2)存儲預定量的被傳送入電池或由其輸出的電量的裝置；(3)誘導反向電荷或對電極加以脈沖以減小極化的裝置。
15．根據權利要求14所述的氧化還原膠體電池，其特征在于所述預定參數為每個電池單元的內阻。
全文摘要
氧化還原膠體電池(10)由正氧化還原電解質(13),負氧化還原電解質(14)和位于兩者之間的隔膜(15)構成。與正氧化還原電解質(13)作電連接的正電極(11):與負氧化還原電解質(14)作電連接的負電極(12)。氧化還原膠體電池的運行能夠通過電池管理系統得以增強,電池管理系統將極化的影響最小化。
文檔編號H01M8/20GK1305649SQ99807211
公開日2001年7月25日 申請日期1999年6月9日 優先權日1998年6月9日
發明者史蒂芬·韋恩·霍爾頓, 克里斯·梅尼克特茲 申請人:法羅技術公司