納入到汽車中的構造。
[0086]如本領域普通技術人員將很好理解的那樣，每個鉛酸電池單元包括含鉛(例如，Pb02)的陰極、含鉛(Pb(s))的陽極以及作為電解質的硫酸。與鋰離子電池單元32電氣地并聯布置的本公開的鉛酸電池單元34可以是吸附式玻璃纖維(AGM)鉛酸電池單元、富液式鉛酸電池單元或者凝膠電解質鉛酸電池單元或者其任何組合。凝膠電解質和AGM鉛酸電池單元也可以稱為“密封”、“免維護”或“閥控”鉛酸電池單元。
[0087]在AGM鉛酸電池單元中，例如，每個單元通常包括用作陰極的至少一個正極板、用作陽極的至少一個負極板以及放置在每個正極與負極板之間的分隔物。正極板和負極板通常是鉛或鉛合金板柵，其支撐電化學活性材料并且具體來說是涂布到板柵上的基于鉛的材料(例如，PbO、Pb02、Pb(s)或PbS04)。這可以稱為鉛酸電池單元的陰極和陽極的活性材料。AGM電池單元也可以包括分隔物，所述分隔物可以是保持電解質同時使得少量電解質能夠接觸板的活性材料以發生電化學反應的多孔玻璃網或類似結構。
[0088]鉛酸電池單元34也可以納入用來將由于以上描述的氧化還原反應產生的氫氣和氧氣轉化為水的某些特征。以此方式，鉛酸電池單元34可以在以上描述的氧化還原反應中的任一個或兩者之后再生電解質的至少一部分。例如，這些特征可以包括能夠在特定條件下將氣態的氫和氧轉化為水的催化劑(例如，鈀催化劑)。可以結合催化劑來使用附加的特征，諸如加熱器、氣體收集器等等。在一些實施例中，用于此反應(通常稱為氧/氫復合)的這些特征可以跨不同的鉛酸電池單元34共享、可以納入作為每個單元的內部部件或者可以是用于每個單元的專用外部單元。在其他實施例中，可以排出氫、氧或二者。
[0089]鉛酸電池單元34取決于其特定配置將通常具有約2.1V與約2.3V之間的電壓(例如，開路電壓)。通常，用于汽車應用中的大部分鉛酸電池單元34具有約2.2V的電壓。因為通過鉛酸電池單元獲得的電壓通常局限于如前面所提及的這些電壓，所以鋰離子電池單元32在一些實施例中可以被設計成基本上匹配鋰離子電池單元32的電壓。然而，根據本文描述的技術，可以使用具有任何電壓的鉛酸電池單元。
[0090]鋰離子電池單元
[0091]如前面大體闡述的那樣，鋰離子電池單元32通常將各自包括具有陰極活性材料的陰極、具有陽極活性材料的陽極以及電解質，所述電解質特別提供鋰離子源并且是用于承載電荷的穿梭載體。鋰離子電池單元32可以具有任何適合的形狀和尺寸，該形狀和尺寸能夠與鉛酸電池單元電氣并聯。例如，鋰離子電池單元32可以是棱柱形、圓柱形、基于袋的或者任何其他適合的構造。
[0092]每個鋰離子電池單元32的平均電壓(例如，開路電壓)通常由陰極活性材料的平均電壓與陽極活性材料的平均電壓之間的差定義，所述差則取決于用于陰極活性材料的材料和用于陽極活性材料的材料。因此，可以與鋰離子電池單元32適當地電氣并聯的鉛酸電池單元34的數量可以至少部分地由針對鋰離子電池單元32選擇(和可供使用)的材料來確定。例如，當需要每個鋰離子電池單元與每個鉛酸電池單元之間的基本電壓匹配時，可以選擇材料以使得陰極活性材料基本上等于鉛酸電池單元的陽極活性材料的平均電壓與鉛酸電池單元的平均電壓之和或者在其預定范圍內。
[0093]根據本公開的某些實施例，可以選擇陽極活性材料以使其具有認為高于基于碳的陽極活性材料的平均電壓。陽極活性材料的這種高平均電壓可以阻止陽極處的鍍鋰，這可以提高鋰離子單元32的穩定性。例如，可能需要選擇具有高于約0.5V、諸如高于約1.0V、例如在約IV與2V之間的平均電壓的陽極活性材料。事實上，在陽極活性材料具有此范圍內的平均電壓的實施例中，可以在電池30的多種操作條件下阻止鍍鋰(在約0V下發生)。此外，這可以減少或省去鋰離子電池單元32的熱管理的需要。
[0094]陽極活性材料通常可以包括諸如碳(例如，石墨)以及鋰鈦合金的材料中的任一個或其組合。例如，在一個實施例中，陽極活性材料可以是與Li/Li+相比較具有小于200毫伏(mV)的平均電壓的石墨。然而，為了實現對抗鍍鋰的提高的穩定性，陽極活性材料可以包括較高平均電壓材料，諸如二氧化鈦(T1x或者以其他方式標記為Ti02)或者氧化鋰鈦(本文也稱為LT0(Li4Ti5012))。陽極活性材料可以包括這些和其他活性材料中的任一個或其組合。事實上，可以使用任何陽極活性材料，諸如具有小于約3V、諸如在約0.3V與約3V之間、在約IV與約2.5V之間或者在約IV與約2V之間的平均電壓的陽極活性材料。LT0的使用可能是需要的，因為其具有約1.55V的平均電壓，并且在通常發生鍍鋰的電壓范圍之外、甚至在較低溫度下(例如，低至約-30 C)良好地工作。此外，LT0可能甚至在較高溫度下(例如，高達約170 C)不經歷與鋰離子電池單元32的電解質的任何主要放熱反應。
[0095]陰極活性材料在其最一般意義上可以包括能夠經歷前面針對陰極描述的可逆過程的任何活性材料。根據本實施例，陰極活性材料可以是具有在減去陽極活性材料的平均電壓之后基本上匹配鉛酸電池單元34的平均電壓的平均電壓的活性材料。通過非限制性實例，陰極活性材料(用來制造陰極的一個或多個材料)可以具有至少約3V、例如在約3V與約5V之間、例如在約3.0V與約4.9V之間、在約3.0V與約4.8V之間、在約3.0V與約4.7V之間、在約3.0V與約4.6V之間、在約3.1V與約4.5V之間、在約3.1V與約4.4V之間、在約3.2V與約4.3V之間、在約3.2V與約4.2V之間、在約3.2V與約4.1V之間或者在約3.2V與約4.0V之間的平均電壓。
[0096]通過實例，陰極活性材料可以是鋰金屬氧化物組分。如本文所使用的，鋰金屬氧化物可以指代配方包括鋰和氧以及一種或多種額外的金屬種類(例如，鎳、鈷、猛、招、鐵或者另一種適合的金屬)的任何類別的材料。示例性LM0的非限制性列表可以包括:包括鋰、鎳、錳和鈷離子的混合金屬組分，例如鋰鎳鈷錳氧化物(NMC)(例如，LiNil/3Col/3Mnl/302)、鋰鎳鈷鋁氧化物(NCA)(例如，LiM1.8Co0.15A10.0502)、鋰鈷氧化物(LC0)(例如，LiCo02)和鋰金屬氧化物尖晶石(LM0尖晶石)(例如，LiMn204)。陰極可以僅包括單個活性材料(例如，NMC)或者可以包括諸如以下各項中的任一個或其組合的材料的混合物:NMC、NCA、LC0、LM0尖晶石等。
[0097]作為這些材料的附加或替代，可以使用其他陰極活性材料，諸如鋰金屬磷酸鹽。這些活性材料的實例通常由配方LiMP04來定義，其中Μ是Fe、N1、Mn或Mg。作為以上描述所涵蓋的鋰金屬氧化物材料中的任一個或其組合的附加或替代，這些磷酸鹽中的任一個或其組合可以用作陰極活性材料。因此，陰極活性材料可以包括以下各項中的任一個或其組合:NMC (LixNiaMnbCoc02, x+a+b+c = 2)、LiMn204 (LM0)尖晶石、NCA (LiNixCoyAlz02，x+y+z =1)、LiMnl.5N1.502、LiCo02 (LCO)或 LiMP04，其中 M 是 Fe、N1、Μη 或 Mg。
[0098]通過實例，在一個實施例中，陰極活性材料可以是NMC，其具有平均電壓，該平均電壓在與LT0陽極活性材料組合時產生大約匹配鉛酸電池單元34的用于鋰離子電池單元32的平均電壓。例如，如果LT0的平均電壓是約1.55V并且鉛酸電池單元34的平均電壓是約2.2V，則適當的陰極活性材料將具有約等于或者非常接近于3.75V(1.55V+2.2V)的平均電壓。NMC可以是一種這樣的陰極活性材料，其中L0M尖晶石和NCA也適當地接近于所需的平均電壓。然而，應注意，同樣地多種陰極活性材料可以組合地用在陰極處以便取得適當的平均電壓。
[0099]圖9和10各自描繪用于多種鋰離子電池單元的充電和放電曲線的組合圖表，并且圖9還包括用于鉛酸電池單元的充電和放電曲線。具體來說，圖9是作為LM0/LT0鋰離子電池單元(即，使用LM0作為陰極活性材料并使用LT0作為陽極活性材料的鋰離子電池單元)在充電和放電期間、NMC/LT0鋰離子電池單元在充電和放電期間以及鉛酸單元在充電和放電期間在25°C下在C/10的充電/放電充電速率下的容量百分比的函數的電壓的組合圖表100。
[0100]如組合圖表100中所描繪的那樣，用于NMC/LT0鋰離子電池單元的充電/放電電壓窗口類似于用于鉛酸電池單元的充電/放電電壓窗口。事實上，如可從其各自的充電和放電曲線看出的那樣，用于NMC/LT0鋰離子電池單元的充電和放電曲線通常遵循鉛酸電池單元的充電和放電曲線，其中NMC/LT0單元的電壓通常保持在鉛酸電池單元約0.15V和0.2V的電壓內。用于NMC/LT0單元的充電/放電電壓窗口可以被認為在約1.6V與約2.8V之間。同樣如圖9中所描繪的那樣，LM0/LT0鋰離子電池單元具有類似于NMC/LT0鋰離子電池單元的充電/放電電壓曲線，但是平均高于約0.15V。
[0101]圖10是描繪用于NMC/石墨鋰離子單元和NCA/石墨鋰離子單元在25°C下在C/10的充電和放電速率下獲得的充電/放電電壓曲線的組合圖表110，其中在單獨的鋰離子單元中，石墨用作陽極活性材料，并且NMC和NCA用作陰極活性材料。如曲線所展示的那樣，當石墨用作陽極活性材料時，使用NMC或NCA作為陰極活性材料的所得到的鋰離子電池單元可能不與鉛酸電池單元基本上電壓匹配。然而，應了解，與NMC/LT0鋰離子電池單元相同，使用NCA作為陰極活性材料和使用LT0作為陽極活性材料的單元也可以與鉛酸電池單元基本上電壓匹配。因此，應了解，鋰離子電池單元可以使用各種材料來定制電壓，以取得鋰離子單元32與鉛酸電池單元34之間的基本上電壓匹配。
[0102]除了前面提及的關于使用LT0作為陽極活性材料(或具有類似平均電壓的類似材料)的益處之外，與基于碳的陽極活性材料相比，使用LT0還可以減少鋰離子電池單元32的阻抗。圖11-13描繪作為通過分別對于兩個NMC/石墨鋰離子電池單元、三個NMC/LT0鋰離子電池單元以及三個LM0/LT0鋰離子電池單元在25°C下進行的混合脈沖功率特征化(HPPC)試驗獲得的放電百分比的深度的函數的面積比阻抗(ASI)。來自HPPC的阻抗計算是基于持續10秒的5C放電和3.75充電脈沖的。根據本實施例，可以使用所有這三種不同類型的鋰離子電池單元。然而，如前面所論述和下面進一步詳細論述的那樣，在某些實施例中，可能需要在鋰離子電池單元32中使用基于LT0的陽極活性材料。
[0103]圖11是ASI與NMC/石墨鋰離子單元的放電百分比的深度的圖表120，其展示了對于這些單元的放電范圍的大深度而言，ASI值范圍通常在約35歐姆-平方厘米(Q*cm2)與約40Q*cm2之間。圖12是ASI與NMC/LT0鋰離子單元的放電百分比的深度的圖表130，其展示了在放電百分比的大范圍的深度下，這些單元通常具有范圍在約15Q*cm2與約30Q*cm2之間的ASI值。圖13描繪ASI與三個LMO/LTO鋰離子單元的放電百分比的深度的類似圖表140，并且展示了在放電百分比的深度下，LMO/LTO鋰離子單元通常具有范圍通常在約15Q*cm2與約30Q*cm2之間的ASI值。例如，將50%充電狀態(放電百分比的深度)下的ASI值進行比較，可以清楚地看出NMC/LTO鋰離子電池單元通常具有比兩個測試的NMC/石墨鋰離子電池單元(其具有約35 Ω *cm2和約38 Ω *cm2的ASI值)低得多的阻抗(對于第一、第二和第三測試的NMC/LTO單元而言分別為約19 Ω *cm2、約18 Ω *cm2和約16.5 Ω *cm2)，并且LMO/LTO鋰離子電池單元通常也具有比NMC/石墨鋰離子電池單元低得多的阻抗(對于第一、第二和第三測試的LMO/LTO單元而言分別為約23Q*cm2、約23 Ω *cm2和約17 Ω *cm2)。因此，基于NMC/LTO和LMO/LTO的鋰離子電池單元可以被認為與NMC/石墨鋰離子電池單元相比而言具有優秀的放電能力。
[0104]鋰離子電池單元32還可以包括除電極之外的組件，例如包括但不限于維持陰極78與陽極76之間的物理分離的分隔物以及作為電解質的一部分提供的各種添加劑。電解質也可以指包括溶劑(例如，非水溶劑)、添加劑和用作鋰離子源的一種或多種鋰鹽的電解質混合物。示例性分隔物包括聚丙烯(PP)、聚乙烯(PE)、PP/PE/PP三層、涂有陶瓷的PP或PE或三層、純陶瓷層分隔物、基于纖維素的分隔物或者填充陶瓷的基于PP或PE的分隔物或者其任何組合。其他分隔物對于本領域技術人員來說是顯而易見的并且