ЛИТИЙ-ИОННАЯ АККУМУЛЯТОРНАЯ БАТАРЕЯ, УСТРОЙСТВО ВОССТАНОВЛЕНИЯ ЕМКОСТИ БАТАРЕИ И СПОСОБ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ЕМКОСТИ БАТАРЕИ Российский патент 2015 года по МПК H01M10/58 

Область техники

[0001] Данное изобретение относится к литий-ионной аккумуляторной (вторичной) батарее, устройству восстановления емкости батареи и способу восстановления емкости батареи.

Уровень техники

[0002] Когда аккумуляторная батарея многократно выполняет зарядку и разрядку, она ухудшается, что приводит к уменьшению ее емкости. Поэтому в JP-H08-190934-A в батарее расположили третий электрод, содержащий литий. Затем на третий электрод от внешней цепи подается питание. В результате из третьего электрода высвобождаются ионы лития, позволяя компенсировать уменьшение подвижных ионов лития вследствие зарядки/разрядки.

Сущность изобретения

[0003] Однако в описанном выше уровне техники третий электрод должен быть расположен в батарее, и поэтому конструкция батареи становится сложной.

[0004] Это изобретение было создано с фокусом на этой проблеме в уровне техники, и его задача заключается в том, чтобы предоставить литий-ионную аккумуляторную батарею, устройство восстановления емкости батареи и способ восстановления емкости батареи, с помощью которых может компенсироваться уменьшение подвижных ионов лития вследствие зарядки/разрядки без усложнения конструкции батареи.

[0005] Один аспект этого изобретения предусматривает литий-ионную аккумуляторную батарею, включающую в себя наружный покровный материал, который заполнен электролитом, и токоотвод, который заключен в наружном покровном материале, сформирован с электродным слоем, содержащим активный материал, и электрически соединен с этим электродным слоем. Литий-ионная аккумуляторная батарея дополнительно включает в себя изоляционный слой, который предусмотрен на токоотводе, и элемент с низким потенциалом, который предусмотрен на изоляционном слое, имеет меньший окислительно-восстановительный потенциал, чем активный материал электродного слоя, и обладает восстановительной способностью по отношению к активному материалу.

[0006] Варианты реализации и преимущества этого изобретения будут подробно описаны ниже вместе с прилагаемыми чертежами.

Краткое описание чертежей

[0007] Фиг.1 является видом, показывающим вариант реализации литий-ионной аккумуляторной батареи согласно этому изобретению.

Фиг.2 является видом, показывающим пример электрода, используемого в литий-ионной аккумуляторной батарее согласно этому варианту реализации.

Фиг.3 является видом, иллюстрирующим способ восстановления емкости литий-ионной аккумуляторной батареи согласно этому изобретению.

Фиг.4 является видом, показывающим другой пример электрода, используемого в литий-ионной аккумуляторной батарее согласно этому изобретению.

Фиг.5 является видом, показывающим пример литий-ионной аккумуляторной батареи, использующей устройство восстановления емкости батареи согласно этому изобретению.

Фиг.6 является видом, показывающим первый вариант реализации устройства восстановления емкости батареи согласно этому изобретению.

Фиг.7 является видом, иллюстрирующим способ восстановления емкости литий-ионной аккумуляторной батареи согласно этому изобретению.

Фиг.8 является видом, показывающим второй вариант реализации устройства восстановления емкости батареи согласно этому изобретению.

Подробное описание вариантов реализации

[0008] Вариант реализации литий-ионной аккумуляторной батареи согласно этому изобретению

Фиг.1 является видом, показывающим вариант реализации литий-ионной аккумуляторной батареи согласно этому изобретению, при этом фиг.1(A) является видом в перспективе литий-ионной аккумуляторной батареи, а фиг.1(B) является видом в сечении B-B по фиг.1(A).

[0009] Литий-ионная аккумуляторная батарея 1 включает в себя аккумуляторы (элементы) 20, уложенные поверх друг друга в заданном числе и электрически соединенные параллельно, и наружный покровный материал 30. Наружный покровный материал 30 заполнен электролитом (раствором электролита) 40.

[0010] Электролит (раствор электролита) 40 является, например, гелеобразным электролитом, в котором приблизительно от нескольких % по весу до 99% по весу раствора электролита поддерживается полимерным каркасом. Полимерный гелеобразный электролит является особенно предпочтительным. В полимерном гелеобразном электролите, например, раствор электролита, используемый в типичной литий-ионной батарее, содержится в твердом полимерном электролите, обладающем ионной проводимостью. Также может быть использован электролит, в котором раствор электролита, используемый в типичной литий-ионной батарее, поддерживается полимерным каркасом, не обладающим проводимостью по ионам лития.

[0011] Может быть использован любой полимерный гелеобразный электролит, в котором раствор электролита содержится в полимерном каркасе, за исключением электролита, состоящего из 100%-ного полимерного электролита. Соотношение (массовое соотношение) между раствором электролита и полимером приблизительно 20:80-98:2 является особенно предпочтительным. При этом соотношении обеспечивается как текучесть электролита, так и достаточные рабочие характеристики электролита.

[0012] Полимерный каркас может быть либо термореактивным полимером, либо термопластическим полимером. Более конкретно, например, полимерный каркас представляет собой полимер с полиэтиленоксидом на основной цепи или боковой цепи (PEO), полиакрилонитрил (PAN), полиэфирметакрилат, поливинилидендифторид (PVDF), сополимер поливинилидендифторида и гексафторпропилена (PVDF-HFP), полиметилметакрилат (PMMA) и т.д. Тем не менее, следует отметить, что полимерный каркас не ограничен ими.

[0013] Раствор электролита (соль-электролит и пластификатор), содержащийся в полимерном гелеобразном электролите, является раствором электролита, используемым в типичной литий-ионной батарее. Например, раствор электролита представляет собой циклический карбонат, такой как пропиленкарбонат или этиленкарбонат, содержащий по меньшей мере один тип соли лития (соли-электролита), выбранной из солей с анионами неорганических кислот, таких как LiPF₆, LiBF₄, LiClO₄, LiAsF₆, LiTaF₆, LiAlCl₄ и Li₂B₁₀Cl₁₀, и солей с анионами органических кислот, таких как LiCF₃SO₃, Li(CF₃SO₂)₂N и Li(C₂F₅SO₂)₂N. Также может быть использован цепочечный карбонат, такой как диметилкарбонат, метилэтилкарбонат и диэтилкарбонат. Также может быть использован простой эфир, такой как тетрагидрофуран, 2-метилтетрагидрофуран, 1,4-диоксан, 1,2-диметоксиэтан и 1,2-дибутоксиэтан. Также может быть использован лактон, такой как γ-бутиролактон. Также может быть использован нитрил, такой как ацетонитрил. Также может быть использован сложный эфир, такой как метилпропионат. Также может быть использован амид, такой как диметилформамид. Раствором электролита может служить органический растворитель (пластификатор), такой как апротонный растворитель, перемешанный с по меньшей мере одним из метилацетата и метилформиата. Тем не менее, следует отметить, что раствор электролита не ограничен ими.

[0014] Аккумулятор 20 включает в себя сепаратор 210, положительный электрод 221 и отрицательный электрод 222.

[0015] Сепаратор 210 является слоем электролита, поддерживающим текучий электролит (раствор электролита) 40. Сепаратор 210 является нетканым полотном, таким как полиамидное нетканое полотно, полиэтиленовое нетканое полотно, полипропиленовое нетканое полотно, полиимидное нетканое полотно, сложнополиэфирное нетканое полотно или арамидное нетканое полотно. Сепаратор 210 также может быть пористой мембранной пленкой, сформированной натягиванием пленки так, что в ней образуются поры. Этот тип пленки используется в качестве сепаратора в существующих литий-ионных батареях. Дополнительно, сепаратор 210 может быть полиэтиленовой пленкой, полипропиленовой пленкой, полиимидной пленкой или многослойной пленкой из них. Нет конкретных ограничений на толщину сепаратора 210. Тем не менее, сепаратор 210 предпочтительно является тонким с тем, чтобы добиться компактности в батарее. Поэтому сепаратор 210 предпочтительно является как можно более тонким в том диапазоне, где могут обеспечиваться его рабочие характеристики. Толщина сепаратора 210 типично задается между приблизительно 10 и 100 мкм. Тем не менее, следует отметить, что толщина необязательно должна быть постоянной.

[0016] Положительный электрод 221 включает в себя токоотвод 22 в форме тонкой пластины и положительно-электродные слои 221a, сформированные на каждой его поверхности. Следует отметить, что в положительном электроде 221, расположенном на самом внешнем слое, положительно-электродный слой 221a сформирован только на одной поверхности токоотвода 22. Токоотводы 22 положительного электрода собраны вместе и электрически соединены параллельно. На фиг.1(B) соответствующие токоотводы 22 собраны с левой стороны. Эта собранная часть служит в качестве узла положительно-электродных токоотводов.

[0017] Токоотвод 22 состоит из проводящего материала. Размер токоотвода определяется согласно намеченному применению (назначению) батареи. Например, токоотвод, имеющий большую площадь поверхности, используется для крупной батареи, требующей высокой плотности энергии. Нет конкретных ограничений на толщину токоотвода. Толщина токоотвода типично задается между приблизительно 1 и 100 мкм. Нет конкретных ограничений на форму токоотвода. В пакетной батарее 1, показанной на фиг.1(B), может использоваться токоотвод в форме фольги, в форме сетки (растянутой решетки или т.п.) и т.д. В случае, если активный материал отрицательного электрода формируется посредством формирования тонкопленочного сплава непосредственно на токоотводе отрицательного электрода с использованием метода напыления и т.п., предпочтительно используется фольговый токоотвод.

[0018] Нет конкретных ограничений на материал, составляющий токоотвод. Например, может использоваться металл или смола, в которой в проводящий полимерный материал или непроводящий полимерный материал добавлен проводящий наполнитель. Конкретные примеры металлов включают в себя алюминий, никель, железо, нержавеющую сталь, титан и медь. Альтернативно также может быть с выгодой использован плакировочный материал, содержащий никель и алюминий, плакировочный материал, содержащий медь и алюминий, материал покрытия, содержащий комбинацию этих металлов, и т.д. Дополнительно может быть использована фольга, сформированная посредством покрытия металлической поверхности алюминием. Из этих материалов алюминий, нержавеющая сталь, медь и никель являются предпочтительными с точки зрения электронной проводимости, потенциала работы батареи, адгезии активного материала отрицательного электрода к токоотводу в результате напыления и т.д.

[0019] Дополнительно в качестве примеров проводящих полимерных материалов могут быть указаны полианилин, полипиррол, политиофен, полиацетилен, полипарафенилен, полифениленвинилен, полиакрилонитрил, полиоксадиазол и т.д. Эти проводящие полимерные материалы имеют достаточную проводимость без необходимости добавлять проводящий наполнитель и поэтому являются выгодными с точки зрения упрощения процесса изготовления и уменьшения веса токоотвода.

[0020] В качестве примеров непроводящих полимерных материалов могут быть указаны полиэтилен (PE; полиэтилен высокой плотности (HDPE), полиэтилен низкой плотности (LDPE) и т.д.), полипропилен (PP), полиэтилентерефталат (PET), полиэфирнитрил (PEN), полиимид (PI), полиамидоимид (PAI), полиамид (PA), политетрафторэтилен (PTFE), стиролбутадиеновый каучук (SBR), полиакрилонитрил (PAN), полиметилакрилат (PMA), полиметилметакрилат (PMMA), поливинилхлорид (PVC), поливинилидендифторид (PVdF), полистирол (PS) и т.д. С помощью этих непроводящих полимерных материалов может быть получена превосходная стойкость к потенциалу и стойкость к растворителям.

[0021] При необходимости к описанным выше проводящим полимерным материалам и непроводящим полимерным материалам может добавляться проводящий наполнитель. В частности, когда смола, служащая основным материалом токоотвода, состоит только из непроводящего полимера, проводящий наполнитель существенен для придания смоле проводимости. В качестве проводящего наполнителя может быть использовано любое проводящее вещество без ограничений. Металл, проводящий углерод и т.д. могут быть указаны в качестве примеров материалов, демонстрирующих превосходные проводимость и стойкость к потенциалу и превосходное свойство блокирования ионов лития. Нет конкретных ограничений на металл, но металл предпочтительно включает в себя по меньшей мере один металл, выбранный из группы, включающей Ni, Ti, Al, Cu, Pt, Fe, Cr, Sn, Zn, In, Sb и K, либо сплав или оксид металла, содержащий эти металлы. Дополнительно, нет конкретных ограничений на проводящий углерод, но предпочтительно используется проводящий углерод, содержащий по меньшей мере один материал, выбранный из группы, включающей ацетиленовую сажу, сажу «vulcan», сажу «black pearl», углеродное нановолокно, сажу «Ketjen», углеродные нанотрубки, углеродные рупорообразные нановыступы (углеродные нанорожки), углеродные нанобаллоны и фуллерен. Нет конкретных ограничений на количество добавленного проводящего наполнителя при условии, что токоотвод может быть снабжен достаточной проводимостью, но типично добавляется количество между приблизительно 5% и 35% по весу.

[0022] На концевой кромке токоотвода 22 предусмотрены изоляционный слой 22a и элемент 22a с низким потенциалом, которые будут описаны ниже.

[0023] Положительно-электродный слой 221a включает в себя активный материал положительного электрода. Активный материал положительного электрода особенно предпочтительно является сложным оксидом лития-переходного металла. Конкретные его примеры включают в себя сложный оксид на основе Li/Mn, такой как шпинельный LiMn₂O₄, сложный оксид на основе Li/Co, такой как LiCoO₂, сложный оксид на основе Li/Ni, такой как LiNiO₂, и сложный оксид на основе Li/Fe, такой как LiFeO₂. Также может быть использовано фосфатное соединение или сульфатное соединение переходного металла и лития, такое как LiFePO₄. Также может быть использован оксид или сульфид переходного металла, такой как V₂O₅, MnO₂, TiS₂, MoS₂ или MoO₃. Также могут быть использованы PbO₂, AgO, NiOOH и т.д. С помощью этих активных материалов положительного электрода может быть сконструирована батарея, демонстрирующая превосходную емкость батареи и превосходную характеристику выходной мощности.

[0024] Размер частиц активного материала положительного электрода должен задаваться так, чтобы материал положительного электрода мог формироваться в пасту, и могла быть сформирована пленка посредством нанесения пасты распылением или т.п. Тем не менее, сопротивление электрода может быть уменьшено за счет небольшого размера частиц. Более конкретно, средний размер частиц активного материала положительного электрода предпочтительно задается равным 0,1-10 мкм.

[0025] Чтобы добиться увеличения ионной проводимости, активный материал положительного электрода также может содержать электролит, литиевую соль, повышающую проводимость добавку и т.д. В качестве примеров, повышающих проводимость добавок, могут быть указаны ацетиленовая сажа, углеродная сажа, графит и т.д.

[0026] Смешиваемые количества активного материала положительного электрода, электролита (предпочтительно твердого полимерного электролита), литиевой соли и повышающей проводимость добавки задаются с учетом намеченного применения (того, следует ли сделать акцент на выходную мощность, энергию или другое соображение) и ионной проводимости батареи. Например, когда смешиваемое количество электролита, в частности, твердого полимерного электролита, является слишком маленьким, стойкость к ионной проводимости и стойкость к ионной диффузии в слое активного материала увеличиваются, приводя к ухудшению рабочих характеристик батареи. С другой стороны, когда смешиваемое количество электролита, в частности твердого полимерного электролита, является слишком большим, плотность энергии батареи снижется. Поэтому конкретные смешиваемые количества задаются с учетом этих моментов.

[0027] Нет конкретных ограничений на толщину положительно-электродного слоя 221a, и его толщина задается с учетом намеченного применения (того, следует ли сделать акцент на выходную мощность, энергию или другое соображение), ионной проводимости и т.д. батареи. Толщина типичного положительного электрода задается между приблизительно 1 и 500 мкм.

[0028] Отрицательный электрод 222 включает в себя токоотвод 22 в форме тонкой пластины и отрицательно-электродные слои 222a, сформированные на каждой его поверхности. Следует отметить, что в отрицательном электроде 222, расположенном на самом внешнем слое, отрицательно-электродный слой 222a сформирован только на одной поверхности токоотвода 22. Токоотводы 22 отрицательного электрода собраны вместе и электрически соединены параллельно. На фиг.1(B) соответствующие токоотводы 22 собраны с правой стороны. Эта собранная часть служит в качестве узла отрицательно-электродных токоотводов. Токоотвод 22 может быть идентичным токоотводу 22, используемому в положительном электроде, или отличающимся от него.

[0029] Отрицательно-электродный слой 222a включает в себя активный материал отрицательного электрода. Более конкретно, отрицательно-электродный слой 222a состоит из оксида металла, сложного оксида лития-металла, углерода, оксида титана, сложного оксида лития-титана или т.п. Углерод, оксид переходного металла и сложный оксид лития-переходного металла являются особенно предпочтительными. Из этих материалов углерод или сложный оксид лития-переходного металла увеличивают емкость батареи и выходную мощность батареи. Эти материалы могут быть использованы отдельно или в комбинациях по два или более.

[0030] Наружный покровный материал 30 заключает в себе уложенные друг на друга аккумуляторы 20. Наружный покровный материал 30 формируется из листового материала, выполненного из многослойной составной пленки полимер-металл, которая образована посредством покрытия металла, такого как алюминий, изолирующим телом, таким как пленка полипропилена. Периферия наружного покровного материала 30 термосклеена (запечатана термосваркой) с заключенными в ней уложенными друг на друга аккумуляторами 20. Наружный покровный материал 30 включает в себя положительно-электродный вывод 31 и отрицательно-электродный вывод 32 для отвода мощности из аккумуляторов 20 наружу.

[0031] Один конец положительно-электродного вывода 31 соединен с узлом положительно-электродных токоотводов во внутреннем пространстве наружного покровного материала 30, а другой конец выступает наружу из наружного покровного материала 30.

Один конец отрицательно-электродного вывода 32 соединен с узлом отрицательно-электродных токоотводов во внутреннем пространстве наружного покровного материала 30, а другой конец выступает наружу из наружного покровного материала 30.

[0032] Фиг.2 является видом, показывающим пример электрода, используемого в литий-ионной аккумуляторной батарее согласно этому варианту реализации, при этом фиг.2(A) является видом сверху, а фиг.2(B) является видом сбоку.

Следует отметить, что здесь в качестве электрода будет описан положительный электрод 221. Тем не менее, отрицательный электрод 222 является аналогичным.

[0033] Положительный электрод 221 включает в себя токоотвод 22, положительно-электродные слои 221a, изоляционный слой 22a и элемент 22b с низким потенциалом.

[0034] Изоляционный слой 22a предусмотрен на концевой кромке токоотвода 22. Как будет описано ниже, изоляционный слой 22a является достаточно хрупким, чтобы раздавливаться и разрываться при нажатии на элемент 22b с низким потенциалом.

[0035] Элемент 22b с низким потенциалом предусмотрен на изоляционном слое 22a. Элемент 22b с низким потенциалом меньше, чем изоляционный слой 22a. Этот небольшой элемент 22b с низким потенциалом размещен во множестве. В этом варианте реализации на изоляционном слое 22a предусмотрено шестнадцать элементов 22b с низким потенциалом, каждый из которых является круглым и меньшим, чем изоляционный слой 22a. Элемент 22b с низким потенциалом имеет меньший окислительно-восстановительный потенциал, чем активный материал электродного слоя (положительно-электродного слоя 221a), и обладает восстановительной способностью по отношению к активному материалу. Элемент 22b с низким потенциалом также имеет меньший окислительно-восстановительный потенциал, чем токоотвод 22, и обладает восстановительной способностью по отношению к токоотводу 22. Другими словами, токоотвод 22 имеет больший окислительно-восстановительный потенциал, чем элемент 22b с низким потенциалом. Элемент 22b с низким потенциалом является, например, металлическим литием или содержащим литий соединением.

[0036] Способ восстановления емкости батареи для литий-ионной аккумуляторной батареи согласно этому изобретению

Фиг.3 является видом, иллюстрирующим способ восстановления емкости батареи у литий-ионной аккумуляторной батареи согласно этому изобретению, при этом фиг.3(A) показывает конкретный способ восстановления, а фиг.3(B) показывает механизм восстановления.

[0037] Первоначально в литий-ионной аккумуляторной батарее элементы 22b с низким потенциалом предусмотрены на токоотводе 22 через изоляционный слой 22a (начальный этап №101).

[0038] Затем выполняют определение в отношении того, снизилась ли или нет емкость батареи настолько, что требуется ее восстановление (этап определения №102). Степень снижения емкости батареи может быть оценена на основе времени использования, предыстории использования, значения тока, значения напряжения и т.д. батареи. Опорное значение определения для определения того, требуется ли или нет восстановление, задается заранее посредством эксперимента или т.п.

[0039] Когда емкость батареи у литий-ионной аккумуляторной батареи снизилась настолько, что требуется восстановление емкости батареи, на элемент 22b с низким потенциалом нажимают с использованием нажимного приспособления 200, как показано на фиг.3(A). В результате, как показано на фиг.3(B), элемент 22b с низким потенциалом внедряется в изоляционный слой 22a. Изоляционный слой 22a затем разрывается, так что элемент 22b с низким потенциалом замыкается накоротко на токоотвод 22 (этап короткого замыкания №103).

[0040] При этом элемент 22b с низким потенциалом имеет меньший окислительно-восстановительный потенциал, чем активный материал электродного слоя (положительно-электродного слоя 221a), и обладает восстановительной способностью по отношению к активному материалу. Следовательно, катионы (ионы лития Li⁺ на фиг.3(B)), выделившиеся из элемента с низким потенциалом, высвобождаются в электролит, а электроны e^- протекают в токоотвод 22. Далее, ближайшие катионы (ионы лития Li⁺ на фиг.3(B)), первоначально присутствующие в электролите, вовлекаются в положительно-электродный слой 221a, сформированный на токоотводе 22. Когда катионы перемещаются таким образом, можно компенсировать уменьшение подвижных ионов вследствие зарядки/разрядки. Следует отметить, что элемент 22b с низким потенциалом имеет меньший окислительно-восстановительный потенциал, чем токоотвод 22, и обладает восстановительной способностью по отношению к токоотводу 22. Другими словами, токоотвод 22 имеет больший окислительно-восстановительный потенциал, чем элемент 22b с низким потенциалом, и поэтому не возникает явление, при котором токоотвод 22 растворяется вместо элемента 22b с низким потенциалом.

[0041] Логически, если окислительно-восстановительный потенциал элемента 22b с низким потенциалом ниже, чем окислительно-восстановительный потенциал активного материала электродного слоя, и элемент 22b с низким потенциалом обладает восстановительной способностью по отношению к активному материалу, катионы высвобождаются в электролит, когда элемент 22b с низким потенциалом замыкается накоротко на токоотвод 22, позволяя компенсировать уменьшение подвижных ионов. В зависимости от типа катионов, однако, катионы могут оказывать негативное влияние на электрод. Следовательно, в этом варианте реализации, в качестве элемента 22b с низким потенциалом используется, в частности, металлический литий или содержащее литий соединение. Таким образом, когда элемент 22b с низким потенциалом замыкается накоротко на токоотвод 22, ионы лития Li⁺ высвобождаются в электролит в качестве катионов. Этими ионами лития Li⁺ может компенсироваться уменьшение подвижных ионов лития, вызываемое зарядкой/разрядкой. Ионы лития Li⁺ первоначально присутствуют в электролите и поэтому не оказывают негативного влияния. По этой причине, элемент 22b с низким потенциалом предпочтительно является металлическим литием или содержащим литий соединением. Металлический литий является особенно предпочтительным с учетом плотности энергии.

[0042] Дополнительно, в этом варианте реализации, элементы 22b с низким потенциалом меньше изоляционного слоя 22a и размещены во множестве. Поэтому требуемое число элементов 22b с низким потенциалом может быть прижато в соответствии со степенью снижения емкости батареи или, другими словами, степенью уменьшения подвижных ионов лития. В результате может быть предотвращено безосновательно чрезмерное увеличение подвижных ионов лития.

[0043] Кроме того, за счет сдвига позиций изоляционного слоя 22a и элементов 22b с низким потенциалом на каждом уложенном электроде 221, как показано на фиг.4, емкость батареи может быть восстановлена на каждом электроде 221.

[0044] Первый вариант реализации устройства восстановления емкости батареи согласно этому изобретению

Чтобы облегчить понимание устройства восстановления емкости батареи согласно этому изобретению, сначала будет описана конструкция литий-ионной аккумуляторной батареи, которая использует это устройство восстановления емкости батареи. Следует отметить, что эта аккумуляторная батарея является типичной, традиционной, широко известной батареей и имеет много общего с батареей, описанной выше. Соответственно, частям, которые проявляют аналогичные описанной выше батарее функции, будут присвоены идентичные ссылочные обозначения, а их повторное описание будет по возможности опущено.

[0045] Конструкция литий-ионной аккумуляторной батареи с использованием устройства восстановления емкости батареи согласно этому изобретению

Фиг.5 является видом, показывающим пример литий-ионной аккумуляторной батареи, которая использует устройство восстановления емкости батареи согласно этому изобретению, при этом фиг.5(A) является видом в перспективе литий-ионной аккумуляторной батареи, а фиг.5(B) является видом в сечении B-B по фиг.5(A).

[0046] Литий-ионная аккумуляторная батарея 1 включает в себя аккумуляторы 20, уложенные друг на друга в заданном числе и электрически соединенные параллельно, и наружный покровный материал 30. Наружный покровный материал 30 заполнен электролитом (раствором электролита) 40.

[0047] Аккумулятор 20 включает в себя сепаратор 210, положительный электрод 221 и отрицательный электрод 222. Их строения идентичны описанной выше батарее. Следовательно, эти части будут описаны лишь вкратце, а их подробное описание будет опущено.

[0048] Сепаратор 210 является слоем электролита, поддерживающим текучий электролит (раствор электролита) 40.

[0049] Положительный электрод 221 включает в себя токоотвод 22 в форме тонкой пластины и положительно-электродные слои 221a, сформированные на каждой его поверхности. Следует отметить, что в положительном электроде 221, расположенном на самом внешнем слое, положительно-электродный слой 221a сформирован только на одной поверхности токоотвода 22.

[0050] Положительно-электродный слой 221a включает в себя активный материал положительного электрода.

[0051] Токоотвод 22 отформован посредством нагрева металлической пасты, образованной примешиванием связующего (смолы) и растворителя в металлический порошок, служащий в качестве основного компонента.

[0052] Отрицательный электрод 222 включает в себя токоотвод 22 в форме тонкой пластины и отрицательно-электродные слои 222a, сформированные на каждой его поверхности. Следует отметить, что в отрицательном электроде 222, расположенном на самом внешнем слое, отрицательно-электродный слой 222a сформирован только на одной поверхности токоотвода 22.

[0053] Отрицательно-электродный слой 222a включает в себя активный материал отрицательного электрода.

[0054] Наружный покровный материал 30 заключает в себе уложенные друг на друга аккумуляторы 20. Наружный покровный материал 30 включает в себя положительно-электродный вывод 31 и отрицательно-электродный вывод 32 для отвода мощности из аккумуляторов 20 наружу.

[0055] Электролит (раствор электролита) 40 является идентичным электролиту описанной выше батареи.

[0056] Фиг.6 является видом, показывающим первый вариант реализации устройства восстановления емкости батареи согласно этому изобретению.

Устройство 100 восстановления емкости батареи выполнено в виде инжектора (шприца) 10. Инжектор 10 включает в себя цилиндр 11, плунжер 12 и насадку 13.

[0057] Плунжер 12 вставляется в цилиндр 11. Пространство, образованное цилиндром 11 и плунжером 12, служит в качестве камеры 11a цилиндра. Элемент 22b с низким потенциалом заключен в камере 11a цилиндра. Ниже этот элемент 22b с низким потенциалом будет описан подробно. Дополнительно, камера 11a цилиндра заполнена электролитом 40.

[0058] Насадка 13 соединяется с отверстием 11b цилиндра 11. Насадка 13 выполнена в форме иглы. Насадка 13 является проводящей.

[0059] Элемент 22b с низким потенциалом контактирует с насадкой 13 так, чтобы электрически соединяться с ней. Элемент 22b с низким потенциалом имеет меньший окислительно-восстановительный потенциал, чем активный материал либо положительного электрода 221, либо отрицательного электрода 222 литий-ионной аккумуляторной батареи 1, и обладает восстановительной способностью по отношению к активному материалу. Дополнительно, элемент 22b с низким потенциалом имеет меньший окислительно-восстановительный потенциал, чем токоотвод 22, и обладает восстановительной способностью по отношению к токоотводу 22. Другими словами, токоотвод 22 имеет больший окислительно-восстановительный потенциал, чем элемент 22b с низким потенциалом. Элемент 22b с низким потенциалом образован, например, из металлического лития или содержащего литий соединения, или т.п.

[0060] Способ восстановления емкости батареи для литий-ионной аккумуляторной батареи

Фиг.7 является видом, иллюстрирующим способ восстановления емкости батареи у литий-ионной аккумуляторной батареи согласно этому изобретению, при этом фиг.7(A) показывает конкретный способ восстановления, а фиг.7(B) показывает механизм восстановления.

[0061] Первоначально инжектор 10 не введен в литий-ионную аккумуляторную батарею (начальный этап №101).

[0062] Затем выполняют определение в отношении того, снизилась ли или нет емкость батареи настолько, что требуется восстановление (этап определения №102). Степень снижения емкости батареи может быть оценена на основе времени использования, предыстории использования, значения тока, значения напряжения и т.д. батареи. Дополнительно, опорное значение определения для определения того, требуется ли или нет восстановление, задается заранее посредством эксперимента или т.п.

[0063] Когда емкость батареи у литий-ионной аккумуляторной батареи снизилась настолько, что требуется восстановление емкости батареи, насадку 13 инжектора 10 вводят в и вынуждают проникать через наружный покровный материал 30 литий-ионной аккумуляторной батареи 1, так что насадка 13 инжектора 10 контактирует с токоотводом 22, как показано на фиг.7(A). В результате элемент 22b с низким потенциалом электрически соединяется (замыкается накоротко) с токоотводом 22 (этап короткого замыкания №103).

[0064] Затем нажимают на плунжер 12. В результате, как показано на фиг.7(B), электролит 40 выталкивается из рабочего конца насадки 13 (этап выталкивания электролита №104). Электролит перемешивается с электролитом, которым заполнен наружный покровный материал 30. Следует отметить, что когда электролит 40, заполняющий камеру 11a цилиндра, принимает форму геля, электролит 40 достигает токоотвода 22 положительного электрода в потоке.

[0065] Если при этом элемент 22b с низким потенциалом выполнен из металлического лития, элемент 22b с низким потенциалом (металлический литий) имеет меньший окислительно-восстановительный потенциал, чем активный материал электродного слоя (положительно-электродного слоя 221a), и обладает восстановительной способностью по отношению к активному материалу электродного слоя (положительно-электродного слоя 221a). Поэтому катионы (ионы лития Li⁺ на фиг.7(B)), выделившиеся из элемента с низким потенциалом, высвобождаются в электролит, а электроны e^- протекают в токоотвод 22. Дополнительно, ближайшие катионы (ионы лития Li⁺ на фиг.7(B)), первоначально присутствующие в электролите, вовлекаются в положительно-электродный слой 221a, сформированный на токоотводе 22. Когда катионы перемещаются таким образом, можно компенсировать уменьшение подвижных ионов вследствие зарядки/разрядки. Следует отметить, что элемент 22b с низким потенциалом имеет меньший окислительно-восстановительный потенциал, чем токоотвод 22, и обладает восстановительной способностью по отношению к токоотводу 22. Другими словами, токоотвод 22 имеет больший окислительно-восстановительный потенциал, чем элемент 22b с низким потенциалом, и поэтому не возникает явление, при котором токоотвод 22 растворяется вместо элемента 22b с низким потенциалом.

[0066] Логически, если окислительно-восстановительный потенциал элемента 22b с низким потенциалом ниже окислительно-восстановительного потенциала активного материала электродного слоя, и элемент 22b с низким потенциалом обладает восстановительной способностью по отношению к активному материалу, катионы высвобождаются в электролит, когда элемент 22b с низким потенциалом замыкается накоротко на токоотвод 22, так что электролит (раствор электролита) 40 в камере 11a цилиндра инжектора 10 и электролит (раствор электролита) 40, которым заполнен наружный покровный материал 30, образуют жидкостный переход (солевой мостик), и в результате можно компенсировать подвижные ионы. В зависимости от типа катионов, однако, катионы могут оказывать негативное влияние на электрод. Следовательно, в этом варианте реализации, в качестве элемента 22b с низким потенциалом используется, в частности, металлический литий. Соответственно, когда элемент 22b с низким потенциалом замыкается накоротко на токоотвод 22, и электролит (раствор электролита) 40 в камере 11a цилиндра инжектора 10 образует жидкостный переход с электролитом (раствором электролита) 40, которым заполнен наружный покровный материал 30, ионы лития Li⁺ высвобождаются в электролит в качестве катионов. Этими ионами лития Li⁺ может быть компенсировано уменьшение подвижных ионов лития, вызываемое зарядкой/разрядкой. Ионы лития Li⁺ первоначально существуют в электролите и поэтому не оказывают негативного влияния. Кроме того, когда используется металлический литий, может быть получена превосходная плотность энергии, и поэтому металлический литий является предпочтительным.

[0067] Второй вариант реализации устройства восстановления емкости батареи согласно этому изобретению

Фиг.8 является видом, показывающим второй вариант реализации устройства восстановления емкости батареи согласно этому изобретению.

В последующем описании тем частям, которые проявляют аналогичные описанным выше функции, будут присвоены идентичные ссылочные обозначения, а их повторное описание будет по возможности опущено.

[0068] Устройство 100 восстановления емкости батареи согласно этому варианту реализации использует поставляющий литий материал 22b, который способен поставлять (подавать) литий в активный материал положительного электрода или отрицательного электрода батареи. Устройство 100 восстановления емкости батареи дополнительно включает в себя регулятор разности потенциалов, который электрически соединен с поставляющим литий материалом 22b и токоотводом 22 отрицательного электрода. Как описано выше, токоотвод 22 отрицательного электрода соединен с отрицательно-электродным выводом 32, и поэтому регулятор разности потенциалов может быть соединен с поставляющим литий материалом 22b и отрицательно-электродным выводом 32. Разность потенциалов между поставляющим литий материалом 22b и отрицательно-электродным выводом 32 регулируют в соответствии со степенью снижения емкости батареи или, другими словами, степенью уменьшения подвижных ионов лития (этап регулирования №105). Таким образом, подвижные ионы лития можно тонко и точно регулировать. Степень снижения емкости батареи может быть оценена на основе времени использования, предыстории использования, значения тока, значения напряжения и т.д. батареи.

[0069] Кроме того, в первом варианте реализации устройства восстановления емкости батареи элементу 22b с низким потенциалом должна быть придана восстановительная способность по отношению к активному материалу электродного слоя и меньший окислительно-восстановительный потенциал, чем у активного материала электродного слоя. Однако в этом варианте реализации разность между окислительно-восстановительными потенциалами поставляющего литий материала 22b и активного материала электродного слоя может регулироваться регулятором разности потенциалов, и поэтому в качестве поставляющего литий материала 22b могут быть использованы различные материалы. Например, может быть использован активный материал положительного электрода.

[0070] Это изобретение не ограничено описанными выше вариантами реализации и может подвергаться различным изменениям и модификациям в пределах объема его технической сущности. Разумеется, эти изменения и модификации включаются в технический объем этого изобретения.

[0071] Например, в показанном на фиг.1 примере литий-ионной аккумуляторной батареи согласно этому изобретению электроды состоят из положительного электрода, в котором положительно-электродные слои сформированы на каждой поверхности токоотвода, и отрицательного электрода, в котором отрицательно-электродные слои сформированы на каждой поверхности токоотвода. Однако это изобретение не ограничено этим, и вместо этого может применяться к батарее, в которой положительно-электродный слой сформирован на одной поверхности токоотвода, а отрицательно-электродный слой сформирован на другой его поверхности. В этом случае, когда изоляционный слой 22a и элемент 22b с низким потенциалом предусмотрены на поверхности со сформированным положительно-электродным слоем, окислительно-восстановительный потенциал элемента 22b с низким потенциалом становится более низким, чем у активного материала положительно-электродного слоя. Кроме того, когда изоляционный слой 22a и элемент 22b с низким потенциалом предусмотрены на поверхности со сформированным отрицательно-электродным слоем, окислительно-восстановительный потенциал элемента 22b с низким потенциалом становится более низким, чем у активного материала отрицательно-электродного слоя. В результате катионы могут легко высвобождаться в электролит.

[0072] Дополнительно, в устройство 100 восстановления емкости батареи, показанное на фиг.7, может быть введен регулятор разности потенциалов, показанный на фиг.8.

[0073] Кроме того, электролит, введенный в инжектор 10, не ограничивается формой геля, и аналогичные эффекты получаются с жидким электролитом (т.е. раствором электролита).

Кроме того, описанные выше варианты реализации могут быть надлежащим образом скомбинированы.

[0074] Настоящая заявка притязает на приоритет японской заявки на патент № 2010-161605, поданной в патентное ведомство Японии 16 июля 2010 г., японской заявки на патент № 2010-210944, поданной в патентное ведомство Японии 21 сентября 2010 г., японской заявки на патент № 2011-144531, поданной в патентное ведомство Японии 29 июня 2011 г., и японской заявки на патент № 2011-144541, поданной в патентное ведомство Японии 29 июня 2011 г. Содержание этих заявок включено сюда по ссылке во всей их полноте.

Изобретение относится к литий-ионным аккумуляторным батареям.

Технический результат - увеличение циклов заряд/разряд без усложнения конструкции батареи. Литий-ионная аккумуляторная батарея включает в себя: наружный покровный материал, который заполнен электролитом; токоотвод, который заключен в наружном покровном материале, сформирован с электродным слоем, содержащим активный материал, и электрически соединен с этим электродным слоем; изоляционный слой, который предусмотрен на токоотводе; и элемент с низким потенциалом, который предусмотрен на изоляционном слое, имеет меньший окислительно-восстановительный потенциал, чем активный материал электродного слоя, и обладает восстановительной способностью по отношению к активному материалу.5 н.и 9 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Литий-ионная аккумуляторная батарея, содержащая:
наружный покровный материал (30), который заполнен электролитом (40);
электрод (221, 222), который заключен в наружном покровном материале (30), в котором сформирован электродный слой (221a, 222a), содержащий активный материал, и в котором через сепаратор (210) расположен токоотвод (22), электрически соединенный с электродным слоем;
изоляционный слой (22a), который предусмотрен на токоотводе (22); и
элемент (22b) с низким потенциалом, который предусмотрен на изоляционном слое (22a), имеет меньший окислительно-восстановительный потенциал, чем активный материал электродного слоя (221a, 222a), и обладает восстановительной способностью по отношению к активному материалу.

2. Литий-ионная аккумуляторная батарея по п.1,
при этом элемент (22b) с низким потенциалом является металлическим литием или содержащим литий соединением.

3. Литий-ионная аккумуляторная батарея по п.1 или 2,
при этом элемент (22b) с низким потенциалом размещен во множестве на изоляционном слое (22a).

4. Устройство восстановления емкости батареи, содержащее:
элемент (22b) с низким потенциалом, который имеет меньший окислительно-восстановительный потенциал, чем активный материал положительного электрода (221) или отрицательного электрода (222) батареи, и обладает восстановительной способностью по отношению к активному материалу; и
инжектор, имеющий камеру (11a) цилиндра, которая вмещает в себя элемент (22b) с низким потенциалом и способна удерживать заполняющий электролит, и проводящую впрыскивающую насадку (13), которая образована непрерывно с камерой (11a) цилиндра и электрически соединяется с элементом (22b) с низким потенциалом.

5. Устройство восстановления емкости батареи по п.4,
дополнительно содержащее регулятор разности потенциалов, который соединяется с элементом (22b) с низким потенциалом и положительным электродом (221) или отрицательным электродом (222) батареи для того, чтобы регулировать разность потенциалов между ними.

6. Устройство восстановления емкости батареи, содержащее:
поставляющий литий материал (22b), способный поставлять литий в активный материал положительного электрода (221) или отрицательного электрода (222) батареи;
инжектор, имеющий камеру (11a) цилиндра, которая вмещает в себя поставляющий литий материал (22b) и способна удерживать заполняющий электролит, и проводящую впрыскивающую насадку (13), которая образована непрерывно с камерой (11a) цилиндра и электрически соединяется с поставляющим литий материалом (22b); и
регулятор разности потенциалов, который соединяется с поставляющим литий материалом (22b) и положительным электродом (221) или отрицательным электродом (222) батареи для того, чтобы регулировать разность потенциалов между ними.

7. Устройство восстановления емкости батареи по любому из пп. с 4 по 6,
при этом впрыскивающая насадка (13) инжектора (10) способна проникать через наружный покровный материал (30) батареи так, чтобы замыкаться накоротко на токоотвод (22) батареи, и способна впрыскивать находящийся в камере (11a) цилиндра электролит во внутреннее пространство наружного покровного материала (30).

8. Устройство восстановления емкости батареи по любому из пп. с 4 по 6,
при этом элемент (22b) с низким потенциалом или поставляющий литий материал (22b) является металлическим литием или содержащим литий соединением.

9. Способ восстановления емкости батареи, содержащий:
начальный этап (№101), на котором электрически изолируют посредством изоляционного слоя (22a) токоотвод (22), который заключен в наружном покровном материале (30), который заполнен электролитом, сформирован с электродным слоем (221a, 222a), содержащим активный материал, и электрически соединен с электродным слоем (221a, 222a), от элемента (22b) с низким потенциалом, который имеет меньший окислительно-восстановительный потенциал, чем активный материал электродного слоя (221a, 222a), и обладает восстановительной способностью по отношению к активному материалу;
этап определения (№102), на котором определяют, нужно ли или нет восстанавливать емкость батареи; и
этап короткого замыкания (№103), на котором замыкают накоротко элемент (22b) с низким потенциалом на токоотвод (22), вынуждая элемент (22b) с низким потенциалом контактировать непосредственно с токоотводом (22), когда емкость батареи нужно восстанавливать.

10. Способ восстановления емкости батареи по п.9,
при этом, на этапе короткого замыкания (№103), на элемент (22b) с низким потенциалом, который предусмотрен на изоляционном слое (22a), сформированном на токоотводе (22), нажимают так, чтобы он замыкался накоротко на токоотвод (22).

11. Способ восстановления емкости батареи по п.9 или 10,
при этом, на этапе короткого замыкания (№103), нажимают на множество элементов (22b) с низким потенциалом, предусмотренных на изоляционном слое (22a), сформированном на токоотводе (22), в числе, соответствующем степени снижения емкости батареи, так чтобы они замыкались накоротко на токоотвод (22).

12. Способ восстановления емкости батареи, содержащий:
начальный этап (№101), на котором электрически изолируют токоотвод (22), который заключен в наружном покровном материале (30), который заполнен электролитом, сформирован с электродным слоем (221a, 222a), содержащим активный материал, и электрически соединен с электродным слоем (221a, 222a), от элемента (22b) с низким потенциалом, который имеет меньший окислительно-восстановительный потенциал, чем активный материал электродного слоя (221a, 222a), и обладает восстановительной способностью по отношению к активному материалу;
этап определения (№102), на котором определяют, нужно ли или нет восстанавливать емкость батареи;
этап короткого замыкания (№103), на котором замыкают накоротко впрыскивающую насадку (13) проводящего инжектора (10), которая электрически соединена с элементом (22b) с низким потенциалом, на токоотвод (22), вынуждая впрыскивающую насадку (13) проникать через наружный покровный материал (30) батареи, когда емкость батареи нужно восстанавливать;
этап выталкивания электролита (№104), на котором впрыскивают электролит, удерживаемый в камере (11a) цилиндра инжектора (10) вместе с элементом (22b) с низким потенциалом, во внутреннее пространство наружного покровного материала (30) батареи.

13. Способ восстановления емкости батареи по п.12, дополнительно содержащий этап регулирования (№105), на котором регулируют разность потенциалов между элементом (22b) с низким потенциалом и положительным электродом (221) или отрицательным электродом (222) батареи с использованием присоединенного к ним регулятора разности потенциалов в соответствии со степенью снижения емкости батареи.

14. Способ восстановления емкости батареи по п.12,
при этом элемент (22b) с низким потенциалом является поставляющим литий материалом (22b), способным поставлять литий в активный материал,
причем способ восстановления емкости батареи дополнительно содержит
этап регулирования (№105), на котором регулируют разность потенциалов между поставляющим литий материалом (22b) и положительным электродом (221) или отрицательным электродом (222) батареи с использованием присоединенного к ним регулятора разности потенциалов в соответствии со степенью снижения емкости батареи.