具有不可石墨化碳电极的电化学电池和储能组件.pdf

本发明涉及一种阴极(K)和阳极(A)由隔离膜(A、K)隔开的电化学电池(2)，其中：所述阴极(K)至少包含一种基于锂过渡金属氧化物的两相活性材料；所述阳极(A)至少包含这样一种材料，它使所述阳极(A)具有一条全行程至少为0.7V的开路电压曲线和一条无鞍点陡电压放电曲线。

1.  一种阴极(K)和阳极(A)由隔离膜(A、K)隔开的电化学电池(2)中：
-所述阴极(K)至少包含一种基于锂过渡金属氧化物的活性材料；
-所述阳极(A)至少包含这样一种材料，即所述阳极(A)具有一条全行程至少为0.7V的开路电压曲线和一条无鞍点陡电压放电曲线。

2.  根据权利要求1所述的电化学电池，其中所述阳极(1)包含一种晶格无序性高于石墨的不可石墨化碳材料。

3.  根据权利要求1所述的电化学电池，其中所述不可石墨化碳材料为含硬碳或软碳的无定形碳。

4.  根据权利要求2所述的电化学电池，其中所述硬碳可通过热解等热分解成棉布等碳纤维。

5.  根据权利要求3所述的电化学电池，其中所述硬碳由混合锂化合物与碳前躯体制成，以形成用作所述阳极(A)的电极导电材料硬碳/锂化合物的混合物。

6.  根据权利要求4所述的电化学电池，其中所述碳前躯体(例如所述硬碳前躯体或所述软碳前躯体)包含以下组分或至少包含下列组合物中的一种：石油沥青、苯酚、纤维素、棉布和酚醛树脂。

7.  根据权利要求1所述的电化学电池，其中所述阴极(K)至少包含磷酸铁锂(LiFePO₄)、磷酸钴锂(LiCoPO₄)、磷酸锰锂或其他适宜的磷酸盐。

8.  根据权利要求1所述的电化学电池，其中所述隔离膜是由一种聚合物或一种聚合物复合材料制成的。

9.  一种具有若干扁平电化学电池(2)的储能组件(1)，各扁平电化学电池包含由隔离膜(A、K)分隔的阴极(K)和阳极(A)，其中：
-所述阴极(K)至少包含一种基于锂过渡金属氧化物的两相活性材料；
-所述阳极(A)至少包含这样一种材料，它使所述阳极(A)具有一条全行程至少为0.7V的开路电压曲线和一条无鞍点陡电压放电曲线。

10.  根据权利要求9所述的储能组件(1)，其中所述阳极(A)至少包含一种晶格无序性高于石墨的不可石墨化碳材料。

11.  根据权利要求9所述的储能组件(1)，其中各所述电池(2)包含一对使所述电化学电池(2)相互电连接的电极(A、K)。

12.  根据权利要求9所述的储能组件(1)，其中所述电化学电池(2)为串联连接。

13.  根据权利要求9所述的储能组件(1)，其中所述电化学电池(2)为并联连接。

14.  根据权利要求9所述的储能组件(1)，其中所述电化学电池(2)为串并联连接。

15.  一种具有驱动电机的电动汽车，其中驱动电机由根据权利要求9所述的储能组件(1)提供动力驱动。

16.  一种具有驱动电机和内燃机的混合动力汽车，其中所述驱动电机由根据权利要求9所述的储能组件(1)提供动力驱动。

17.  在一车辆供电系统中，根据权利要求9所述的储能组件作为一次或二次储能装置单独或组合使用的用途。

具有不可石墨化碳电极的电化学电池和储能组件
优先权申明
本申请要求于2007年4月24日申请、申请号为102007019625.5以及于2007年5月10日申请、申请号为102007022435.6的德国专利申请的优先权，其内容通过引用结合在本申请中。
技术领域
本发明涉及一种电化学电池、一种包含若干所述电化学电池的储能组件，以及一种使用所述储能组件的电动汽车或混合动力电动汽车。所述储能组件(也称为电池组)包含若干扁平电化学电池(也称为蓄电池组电池)，每个扁平电化学电池包含一对电极，这类电极通过外向端子使所述电化学电池相互电连接。
背景技术
为满足电动汽车、混合动力汽车、电动工具等应用中具有较高的输入-输出电源要求，已开发出新的储能组件，如铅酸电池、锂离子电池、镍-金属氢化物电池、镍镉电池和双电层电容器等。
所述的新储能组件为电驱动电机和车载电气系统提供动力。为控制储能组件的充放电程序，集成了管理充放电程序以及将制动能转化为电能(＝可再生制动能)等的控制器，以便在车辆运行时可对储能组件充电。
储能组件或各单一电化学电池应表现出良好的特性，如电流为400A时以及高温等极端条件下电流达到500A时，最大电压范围为100V至450V。根据应用情况，持续电流在80A至100A范围内或甚至更高。
所述极端条件下，储能组件的电化学电池连接受到极大应力。
因此，本发明目的在于提供一种电化学电池和储能组件，这类装置在极端充/放电条件下(例如在电动车辆或混合动力电动车辆内)，应表现出例如可达15年之久的很高的运行安全性和可靠性。
发明内容
为满足所述目的，本发明提供一种电化学电池，它具有可充电蓄电池(尤其是可充电锂离子蓄电池或电池)阴极和阳极所用电极材料的新颖组合。
根据本发明的主要方面，所述电化学电池包含由隔离膜隔开的阴极和阳极，其中：
-所述阴极至少包含一种基于锂过渡金属氧化物的两相活性材料，
-所述阳极至少包含这样一种材料，它使所述阳极具有一条全行程至少为0.7V，尤其是高于1.3V(例如1.5V)的开路电压曲线和一条无鞍点陡电压放电曲线。作为优选，所述材料至少为一种晶格无序性高于石墨的不可石墨化碳材料。作为选择，所述材料可为二氧化钨或其他适宜的结型金属氧化物或金属锂。
作为优选，所述阴极至少包含一种活性材料，尤其是一种基于锂过渡金属氧化物的两相活性材料，例如锂锰尖晶石(LiMn₂O₄)、磷酸铁锂(LiFePO₄)、磷酸钴锂(LiCoPO₄)或其他适宜的磷酸盐，如磷酸锰锂(LiMnPO₄)或如LI(Co_1/3Ni_1/3Mn_1/3)O₂、Li(Ni_1.5Mn_0.5)O₂、LiCoO₂以及Li(Ni_0.8Co_0.2)O₂(部分含铝)等其他材料。
作为阴极材料的锂过渡金属氧化物与晶格无序性高于石墨并作为阳极材料的非石墨化碳材料的这类材料组合使电池具有很高的安全性和成本效率，因此这类电池的可靠性很高。此外，较高的充电/放电容量使所述电池在不增加重量或体积的情况下具有较长的使用寿命。以所述电极材料组合为基础的所述电化学电池生产简单、高效、迅捷。所述电池，尤其是具有活性电极材料的薄膜表面，可有效优化实现高能量密度。
将锂过渡金属氧化物用作阴极材料，使所述金属氧化物可与锂发生可逆反应。这表现为嵌入式反应，在所述反应中加入锂时晶格结构基本不变。此外，在加入物上与锂发生快速反应，从而在除去插入物时能实现很高的功率密度。而且，锂过渡金属氧化物为普通、传统、廉价和环保的材料。
作为优选，阳极的不可石墨化碳材料为一种含有硬碳或软碳的无定形碳。用于阳极的软碳或硬碳与用于阴极的锂过渡金属氧化物的所述电极材料组合表现出一条电压/电荷状态曲线(V/SoC)，尤其是剧增的电压放电曲线，以便在电池恢复时避免阳极出现镀锂风险。同时，电压/电荷状态曲线(V/SoC)的剧增不应使取决于电荷状态的能量密度和可用蓄电池容量急剧降低。
在一个可能的实施例中，例如通过热解将硬碳或软碳热分解为例如棉布等碳纤维。在一种可能的方式中，硬碳由混合锂化合物与碳前躯体制成，以形成用作阳极的电极导电材料的硬碳/锂化合物混合物。软碳或硬碳前躯体可包含以下组分或其组合物中的至少一种：石油沥青、苯酚、纤维素、棉布和酚醛树脂。所述材料在过量放电和过量充电时非常稳定，即不改变结构或降解。此外，所述材料为普通、传统、廉价和环保的材料。硬碳通常由热固树脂制成；软碳通常由热固树脂或沥青制成。
在本发明的另一实施例中，所述电解隔离膜至少包含一种聚合物或一种聚合物复合材料。
根据本发明的主要方面，所述储能组件包含若干扁平电化学电池，每个扁平电化学电池包含由隔离膜隔开的阴极和阳极，其中：
-所述阴极至少包含一种基于锂过度金属氧化物的两相活性材料，
-所述阳极至少包含这样一种材料，它使所述阳极具有一条全行程至少为0.7V的开路电压曲线和一条无鞍点陡电压放电曲线。作为优选，所述材料为晶格无序性高于石墨的不可石墨化碳材料。
根据应用情况，所述储能组件的电化学电池为串联、并联或串并联连接。
本发明可用于电动汽车、混合动力电动车辆，尤其是并联式混合动力电动车辆、串联式混合动力电动车辆或串并联混合动力电动车辆。此外，本发明也可用于储存风能或例如太阳能等其他产能。储能组件也可单独或结合车辆电源系统的其他储能装置用作一次或二次储能装置。
现特别结合附图中的以下实施例进一步描述本发明。但是应该理解，所述实施例仅为创新教学中有益使用的实例。
附图说明
图1显示一种通过各电池成对外向端子互连的若干电化学电池组成的储能组件视图，
图2显示其中一个电化学电池的视图。
具体实施方式
本发明涉及一种电化学电池和一种包含若干所述电化学电池的储能组件。本发明可用于不同应用领域，例如用于混合动力电动车辆，所述混合动力电动车辆具有驱动电机和内燃机，其中驱动电机由所述储能组件提供动力驱动。作为选择，所述储能组件也可用于驱动电机由所述储能组件提供动力驱动的电动汽车。此外，所述储能组件可用于储存风能或太阳能，这种应用情况下所述组件集成于风能或太阳能设备中。
图1显示一种具有若干扁平电化学电池2(也称为蓄电池组电池或单原电池或方形蓄电池)的储能组件1(也称为电池组)的视图。
每个电化学电池2包含一对电极A和K，其中一个电极K为阴极或正电极，另一个电极A为阳极或负电极。
每个电化学电池2为扁平电池，它包含作为电极A和K的若干内电极薄膜(未显示)，其中不同的电极薄膜由未显示的隔离薄膜隔开。所述隔离薄膜用(例如)非水电解质冲洗。作为选择，可用隔板代替电极薄膜。
为实现电化学电池2的相互电连接，每个电池2的电极A和K与外向端子3.A和3.K连接。根据应用情况，电化学电池2可通过外向端子3.A和3.K并联、串联或串并联。
根据图1所示的实施例展示串联连接的电化学电池2。
此外，每个电池2可由外壳4包裹。所述外壳4可以薄膜外壳或板状外壳形式提供，它将一个电池2与相邻电池绝缘。
作为优选，电池2至少通过外壳4相互电绝缘。另外，根据所用材料，电池2可相互绝热。作为选择，电池2可通过外壳表面实现电连接。也可提供将材料(例如树脂)充填于电池2之间实现电绝缘的替代实施例。
整个储能组件1也可由未显示的外壳，例如通过板状外壳或薄膜外壳(也称为“软包”)包裹。
图2更详细地显示了储能组件1中的一个电化学电池2。
电化学电池2为锂离子电化学电池。
在本发明的一个可能的实施例中，每个电化学电池2包含由隔离膜E隔开的阳极A和阴极K。为实现电化学电池2与其他电池的电连接，电极A、K与导体5.A、5.K电连接。所述“内”导体5.A、5.K与外向端子3.A、3.K连接。
阴极或正电极K至少包含一种活性材料，尤其是一种基于锂过渡金属氧化物的两相活性材料，例如锂锰尖晶石(LiMn₂O₄)、磷酸铁锂(LiFePO₄)、磷酸钴锂(LiCoPO₄)或其他适宜的磷酸盐，如磷酸锰锂(LiMnPO₄)或LI(Co_1/3Ni_1/3Mn_1/3)O₂、Li(Ni_1.5Mn_0.5)O₂、LiCoO₂以及Li(Ni_0.8Co_0.2)O₂(部分具有铝)等其他材料。
阳极或负电极至少包含一种材料，即所述阳极具有一条全行程至少为0.7V的开路电压曲线和一条无鞍点陡电压放电曲线。所述阳极材料至少可为晶格无序性高于石墨的不可石墨化碳材料。
作为优选，不可石墨化碳材料为含有硬碳或软碳的无定形碳。例如通过热解将硬碳或软碳热分解为棉布等碳纤维。
阴极材料选用锂过渡金属氧化物，阳极材料选用软碳或硬碳，这是一种最佳电极材料组合，它至少能在没有稳定状态的情况下实现优化的开路电压曲线，并为实现高储能、长寿命、低成本创造前提条件。此外，所述组合改善了蓄电池组的状态测定。
数字符号表
1   储能组件
2   电化学电池
3.A 阴极外向端子
3.K 阳极外向端子
4   外壳
5.A 阴极内导体
5.K 阳极内导体
A   阴极
K   阳极