碱性电池中的气体压强和电极充电状态的管理的制作方法
【专利说明】碱性电池中的气体压强和电极充电状态的管理
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求享有2012年2月23日提交的美国临时专利申请61/602325的优先权，其内容以全文引用的方式并入于此。
[0003]政府支持声明
[0004]在此描述和要求权利的本发明由美国能源部按照合同号DE-EE0004224提供部分资金支持。美国政府对本发明具有一定的权利。
技术领域
[0005]本发明一般涉及电池，以及更具体地涉及在循环期间安全管理副产品气体和电极充电不平衡的方法。
【背景技术】
[0006]一些普通可充电的含水电解质电池技术通过电解电解质中的水，在阳极上产生氢气，在阴极上产生氧气。这样的电池技术包括但不限于，铅-酸、镍金属-氢化物、氧化银-锌、镍-镉、溴-锌、锰-锌和镍-锌系统。不幸的是，产生气体的电化学反应与用于存储能量的电化学反应发生竞争。从而气体产生降低了电池用于存储能量的效率。另外，如果用于产生氧(氢)气的库仑比用于产生氢(氧)气的库仑多，则阴极(阳极)相比阳极(阴极)具有更低的充电状态(SOC)，这可导致整体性能差以及电池短路。
[0007]所产生的气体的一小部分作为附着气泡留在电极上，但绝大部分气体(大于95% )在电池的公共顶部空间(headspace)中混合。一种称为再化合(recombinat1n)的过程可以将氢气和氧气转化成液态水，所述液态水可回到电解质中。再化合器(recombiner)通常放置在顶部空间中以执行气体转化。它们通常由高表面积的催化材料(例如铂或钯的粉末)制成。在密封的阀控式铅-酸电池中，吸收性玻璃布容纳着电解质，当氧气接触到阳极时和当氢气接触到阴极时再化合也会发生。其最终的结果是相同的:将氢气和氧气转化成水。
[0008]再化合器将氢气和氧气转化为水的化学反应是:
[0009]2? (g)+O2 (g) ―― 2H20 (Iiq)
[0010]当反应物的浓度增加，以及当温度升高时，化学反应速率单调增加。如果氢或氧的分压变低，例如低于约3.5千帕(0.5psi)，再化合的速率将变得非常缓慢。
[0011]当前用于密封电池的技术包括能将气体排到环境中的安全阀(relief valve) ο当气体产生的速率与用于氢气和氧气化学计量再化合为水的速率不同时，电池中的气压增加。如果电池中气压变得过高，安全阀将气体释放到环境中，从而恢复电池中的安全压强水平。增大压强和释放气体都是非常不希望的，因为增大压强会产生电池容器破裂的风险，特别是在安全阀发生故障时。氢气和氧气的混合物是可燃的，并且当释放到环境中时可以是易爆炸的。如果氢气浓度足以导致窒息，或者如果少量气体成分或微粒(诸如铅-酸电池情况中的硫化氢)被释放出来，则出现其它健康危害。
[0012]已经做出了巨大的努力来最大化氢气和氧气再化合的速率。如果再化合器可以将气体压强保持在安全水平(例如，介于约7和70千帕(约I和1psi)之间)，不采用安全阀并减少安全上的顾虑。
[0013]如果能够找到一种新方法，其用于控制在密封的电化学电池中的气压，使得将压强保持在安全限度内，维持正极和负极之间的平衡的充电状态，以及最大化电池效率，那么这种方法是极其有用的。
【附图说明】
[0014]本领域技术人员在结合附图阅读下面对说明性实施例的描述时，将很容易理解前述的方面及其它。
[0015]图1是根据本发明实施例的基于N1-Zn化学的电化学电池的示意图。
[0016]图2是概述了根据本发明实施例的操作电池的步骤的过程流程图。
[0017]图3是概述了根据本发明另一个实施例的操作电池的步骤的过程流程图。
[0018]图4示出了对于密封的电化学电池，压强作为时间的函数的曲线图，如下面的示例所讨论的。
【发明内容】
[0019]根据本发明的一个实施例，描述具有高级气体管理系统的电化学电池。该电池具有部分填充液体电解质的密封容器，以及至少部分浸没在电解质中的阴极、阳极和第三电极。第三电极由当连接到阳极或阴极时催化电解反应的材料构成。在第三电极和阴极之间有带开关的阴极电路，并且在第三电极和阳极之间有带开关的阳极电路。在电池的顶部空间中，氢气压强传感器可以测量氢分压，以及氧气压强传感器可以测量氧分压。还有与阳极开关、阴极开关、氢气压强传感器和氧气压强传感器通信的微控制器。
[0020]在本发明的一个实施例中，当氢(氧)分压相对于氧(氢)分压过高时，微控制器使阴极(阳极)电路中的开关接合(engage)以便将第三电极与阴极(阳极)连接，从而使阴极(阳极)放电，产生额外的氧气(氢气)并降低氢(氧)分压。
【具体实施方式】
[0021]在镍-锌电池系统的情况下例示优选实施例。然而，本领域技术人员将容易理解在此公开的材料和方法将应用在许多其它其中气体管理系统有用的电池系统中。
[0022]
[0023]在本公开中，术语“负极”和“阳极”都用于意指“负极”。同样地，术语“正极”和“阴极”都用于意指“正极”。术语“顶部空间”和“公共气体空间”都用来意指在电池中的没有液体电解质并且可混合所放出的气体的空间。
[0024]虽然本公开是在具有液体电解质的镍-锌电化学电池的情况下进行描述的，但是应当理解的是，本发明的实施例也可以用于其中阴极产生氧气且阳极产生氢气的其它含水电解质化学作用以及使用吸收性玻璃垫或其它方法来容纳电解质的电解质技术。这种电池化学作用的示例包括但不限于铅-酸、镍金属-氢化物、氧化银、镍-镉、锰-锌、镍-锌和金属锂电池。
[0025]贯穿于本公开，对于密封的含水电解质电池，经常给出20kPa作为压强安全限度。但是应当理解的是，在实际的实践中，压强安全限度取决于许多因素，例如化学作用的种类、应用的类型以及电池壳的强度。20kPa的值意图作为许多传统的密封的含水电解质电池的有用压强安全限度的示例，并不意图对本发明有任何方式的限制。
[0026]在密封的含水电解质电池中，根据在电池的公共气体空间中的氢气与氧气浓度的比例来容易地计算电极的相对的充电状态。应当理解的是，为了本发明实施例的目的，如本文中所描述的，分压与浓度直接相关，并且相对分压与相对浓度具有相同的值。如果阳极(阴极)比阴极(阳极)产生更多的气体，则阴极(阳极)比阴极(阳极)处于更高的充电状态。阴极(阳极)增长到更高的充电状态，并最终可能会过充电。过充电的阳极可引起短路。因此，可以以与那里产生的气体量成比例的量来降低电极充电效率。
[0027]例如，在镍-锌电池中的充电循环接近结束时，与阳极产生氢气相比，镍阴极产生氧气迅速得多。这意味着与阴极相比阳极每秒被充电的库仑多。如果气体产生的不平衡持续存在(例如，经过许多个充放电循环)，则阳极构建了一个非常厚的电沉积锌层，其最终可导致电池的短路。因此在电池的公共气体空间中的氧气与氢气的摩尔浓度比是用于了解阴极相比于阳极的相对充电状态的可靠的度量。管理电极使得氢气与氧气(产生)的浓度比为2: I可以帮助确保将电极保持在相同的充电状态，从而避免了任一电极的过充电或者过放电。目前的技术还不能管理顶部空间中的气体以使其保持在规定的比例，因而无法平衡电极的充电状态。
[0028]目前，一旦电池电极的充电状态变得不平衡(除非是故意过放电)，就不可能恢复电池电极的均衡的充电状态(在不关闭的情况下)。如果充电状态不同并且该电池完全放电，则电池容量减少或电池会过度放电一个电极，可能会损坏该电极。采用本文公开的新技术，现在可以对任一电极随意放电。因此，当发现电极有明显不同的充电状态时，可以立刻恢复平衡。在放电结束时确保电极完全放电，这已知会大大延长镍-锌电池的循环寿命。这种新的能力将延长电池的循环寿命和提高甚至旧(worn)电池的充电容量。
[0029]—般，一旦其温度达到一定的阈值，电池单元中的再化合器就开始以大速率将氢气和氧气再化合成水，这在每种气体具有至少约3.5千帕(0.5psi)的分压之前通常不会发生。如果一种气体相比于另一种气体被更多地产生，则会出现其中量较少的气体没有足够的分压使再化合器变热和运行的情况。如果这种情况持续存在，则因为没发生再化合，气体压强会增加到不安全的水平，迫使安全阀打开并将气体释放到环境中。这一系列事件导致在