用于估计包括混合正极材料的二次电池的功率的设备和方法
【技术领域】
[0001] 本公开涉及用于估计包括混合正极材料的二次电池的功率的设备和方法。
[0002] 本申请要求于2012年11月29日在大韩民国提交的韩国专利申请号 10-2012-0137320的优先权，其公开内容被通过引用结合到本文中。
[0003] 本申请要求于2013年11月29日在大韩民国提交的韩国专利申请号 10-2013-0147620的优先权，其公开内容被通过引用结合到本文中。
【背景技术】
[0004] 电池是通过电化学氧化和还原反应而产生电能的设备，并具有大范围的各种应 用。例如，电池的应用范围逐渐地扩展至手持式便携设备的电源，诸如移动电话、膝上型计 算机、数字式照相机、摄像机、平板计算机以及电动工具；各种类型的电驱动机构，诸如电动 自行车、电动摩托车、电动车辆、混合动力车辆、电动船以及电动飞行器；储能系统，用来储 存在发电厂中通过新可更新能源产生的电或过剩电；以及不间断电源，用于到包括服务器 计算机和用于无线通信的基站的各种类型的信息和通信设备的稳定的功率供应。
[0005] 电池包括三个基本元件：一个是负极，包括在在放电期间发送电子的同时氧化的 材料，另一个是正极，包括在在放电期间接受电子的同时还原的材料，并且另一个是允许电 子在负极与正极之间移动的电解质。
[0006] 可将电池分类成在放电之后不能再使用的一次电池以及由于至少部分地可逆的 电化学反应而可以反复地充电和放电的二次电池。
[0007] 作为二次电池，已知铅酸电池、镍镉电池、镍锌电池、镍铁电池、银氧化物电池、镍 金属氢化物电池、二氧化锌锰电池、锌溴电池、金属-空气电池以及锂二次电池。其中，锂二 次电池具有比其他二次电池更高的能量密度、更高的电池电压以及更长的寿命，并且由于 这些原因而在商业方面吸引了最大的注意。
[0008] 锂二次电池的特征在于在正极和负极处发生锂离子的嵌入和脱嵌反应。也就是 说，在放电期间，从包括在负极中的负极材料脱嵌的锂离子通过电解质而移动至正极并嵌 入包括在正极中的正极材料中，并且在充电时反之亦然。
[0009] 在锂二次电池中，由于被用作正极材料的材料显著地影响二次电池的性能，所以 已进行了提供在在高温下保持稳定性的同时具有高能量容量以及具有低制造成本的正极 材料的各种尝试。然而，仅利用一个正极材料，在满足所有行业性能标准方面仍存在限制。
[0010] 最近，随着对化石燃料的耗尽和空气污染的关注的增长，对生态友好的能量的需 求急剧增加。在此背景下，发达国家正在加速诸如电动车辆之类的电力驱动车辆或由从二 次电池供应的电能供电和运行的混合动力车辆的商业化。
[0011] 电动车辆的速度与二次电池的功率成比例。因此，电动车辆的控制单元具有监视 二次电池可以提供多少功率的功能。并且，控制单元控制各种类型的驱动设备，包括在二次 电池可以提供的最大功率范围内安全地驱动电动车辆的电动机。因此，为了优化电动车辆 的行进性能，需要一种用于准确地计算二次电池的功率的方法。
【发明内容】
[0012] 抟术问题
[0013] 二次电池的功率受到正极材料的电化学性质的影响。因此，该二次电池可基于包 括在二次电池中的正极材料的类型而展示出独有的电化学性质。在这种情况下，准确地估 计二次电池的功率更加困难。
[0014] 本公开旨在提供一种用于准确地估计二次电池的功率的设备和方法，该二次电池 包括考虑到市场上的二次电池所需的性能而包括至少两个正极材料的混合正极材料并由 于该混合正极材料而展示出独有的电化学性质。
[0015] 抟术解决方案
[0016] 为了实现上述目的，根据本公开的用于估计包括包含至少第一正极材料和第二正 极材料的混合正极材料的二次电池的功率的设备包括被配置成在相互不同的多个放电速 率（c速率）的条件下使二次电池放电的放电装置、被配置成测量对应于所述多个放电速率 的条件的多个放电终止电压的传感器装置以及控制装置，其被配置成通过二维线性等式来 近似所述多个放电速率与所述多个放电终止电压之间的关联，使用线性等式来计算对应于 最小放电电压（V niin)的二次电池的最大放电速率（Cniax)，并根据所计算的最大放电速率来估 计二次电池的最大功率（P niax)。
[0017] 为了实现上述目的，用于估计根据本公开的二次电池的功率的方法包括：(a)在 相互不同的多个放电速率（c速率）的条件下使二次电池放电，该二次电池包括包含至少第 一正极材料和第二正极材料的混合正极材料，（b)测量对应于所述多个放电速率的条件的 多个放电终止电压，（c)通过二维线性等式来近似所述多个放电速率与所述多个放电终止 电压之间的关联，并使用线性等式来计算对应于最小放电电压（V min)的二次电池的最大放 电速率（Cmax)，以及（d)根据所计算的最大放电速率来估计二次电池的最大功率（P max)。
[0018] 根据一个方面，放电装置可在相互不同的所述多个放电速率的条件下以一定时间 间隔使二次电池进行脉冲放电。
[0019] 根据另一方面，所述多个放电速率的条件可大于在针对二次电池的每个充电状态 (SOC)测量的I-V分布上观察到的过渡放电速率的最大值。
[0020] 在这里，I-V分布是通过根据变化的放电速率来描绘二次电池的放电终止电压 (Vf)而获得的图表，其中，在使具有相同SOC的二次电池以不同的放电速率放电达预定时间 之后立即测量放电终止电压。
[0021] I-V分布示出了当放电速率在相同SOC条件下改变时二次电池的动态电压下降多 少。I-V测量结果分布一般地具有线性函数的形式，其具有负斜率。
[0022] 然而，当包括混合正极材料的二次电池的SOC (或开路电压）属于特定范围时，I-V 测量结果分布的斜率基于特定放电速率而改变。
[0023] 如上所述，可将I-V分布的斜率在其附近改变的放电速率定义为过渡放电速率， 并且该过渡放电速率根据二次电池的SOC(或开路电压）而改变。可针对二次电池的每个 SOC而描绘I-V测量结果分布。
[0024] 根据另一方面，控制装置可使用至少两对的放电速率和放电终止电压来近似线性 等式。
[0025] 根据另一方面，所述控制装置可使用以下等式1和2来计算二次电池的最大放电 速率（C max)和最大功率（Pmax)。
[0026] 在这里，以C速率为单位来指示最大放电速率，但显而易见的是可通过单位转换 而以安培为单位给出最大放电速率。
[0027] < 等式 1 >
[0028] 最大放电谏率（Cz)=(线件等式的Y截距-最小放电电压）/线件等式斜率的 绝对倌
[0029] <等式 2>
[0030] Pz=最大放电谏率Ο：=)*最小放电电压
[0031] 在本公开中，随着电压改变，与第一正极材料和第二正极材料反应的工作离子的 反应浓度不同。
[0032] 在这种情况下，当根据SOC来测量电阻分布时，包括第一正极材料和第二正极材 料的二次电池在电阻分布上具有凸起模式，并且在凸起模式的顶点之前和之后出现两个拐 点。
[0033] 并且，当根据SOC来测量开路电压分布时，包括第一正极材料和第二正极材料的 二次电池在开路电压分布上具有至少一个电压坪。
[0034] 在这里，工作离子表示在包括混合正极材料的二次电池的充电或放电期间引起与 第一正极材料和第二正极材料的电化学反应的离子。
[0035] 工作离子可基于二次电池的类型而改变。例如，在锂二次电池的情况下，锂离子可 以是工作离子。
[0036] 电化学反应包括在使二次电池充电或放电时发生的第一正极材料和第二正极材 料的氧化和还原反应，并且可基于二次电池的工作机制而改变。
[0037] 例如，电化学反应可表示工作离子到第一正极材料和/或第二正极材料中的嵌入 或工作离子从第一正极材料和/或第二正极材料的脱嵌。
[0038] 在这种情况下，嵌入第一正极材料和第二正极材料的工作离子的浓度或从第一正 极材料和第二正极材料脱嵌的工作离子的浓度可根据二次电池的电压而改变。
[0039] 例如，在二次电池的放电条件下，工作离子可在某个电压范围内与第二正极材料 相比优先地嵌入第一正极材料中，并且在另一电压范围内反之亦然。
[0040] 作为另一示例，在二次电池的充电条件下，工作离子可在某个电压范围内与第一 正极材料相比优先地从第二正极材料脱嵌，并且在另一电压范围内反之亦然。
[0041] 在下文中，基于当二次电池放电时工作离子在高电压范围内与第二正极材料相比 优先地嵌入第一正极材料中且在低电压范围内反之亦然的前提下提供以下描述。
[0042] 二次电池的开路电压表示在二次电池的充电或放电停止且二次电池处于电化学 稳定状态时测量的电压。可将开路电压视为等效于SOC的参数，因为开路电压与二次电池 的SOC具有一对一关系。
[0043] 在本公开中，第一正极材料和第二正极材料不限于特定种类的材料，如果其与工 作离子的反应浓度根据二次电池的电压而相互不同的话。
[0044] 根据一个方面，第一正极材料可以是用一般化学式A[AxMy]02+z表示的碱金属化 合物（A包括Li、Na和K的至少一个元素；M包括选自Ni、Co、Mn、Ca、Mg、Al、Ti、Si、Fe、Mo、 V、Zr、Zn、Cu、Al、Mo、Sc、Zr、Ru 和 Cr 的至少一个元素 ；x ^ 0,1 < x+y < 2, -〇· I < z < 2 ; 针对化合物而选择x、y、z以及包括在M中的组分的化学当量系数以保持电中性）。
[0045] 可选地，第一正极材料可以是在US 6, 677, 082和US 6, 680, 143中公开的碱金属 化合物XLiM1O2-(1-x) Li2M2O3 (M1包括具有3的平均氧化状态的至少一个元素 ；M 2包括具有 4的平均氧化状态的至少一个元素 ；OS X < 1)。
[0046] 根据另一方面，第二正极材料可以是用一般化学式LiaM1xFehM 2yPpyM3zCVz(M1包括 选自 Ti、Si、Mn、Co、Fe、V、Cr、Mo、Ni、NcU Al、Mg 和 Al 的至少一个元素；M2 包括选自 Ti、 Si、Mn、Co、Fe、V、Cr、Mo、Ni、Nd、Al、Mg、Al、As、Sb、Si、Ge、V和 S 的至少一个元素；M3 包括 选自包括F的卤族元素的至少一个元素；0 < a彡2,0彡X彡1，0彡y < 1，0彡z < 1 ;针 对化合物选择a、X、y、z和包括在M1、M2和M 3中的组分的化学当量系数以保持电中性）或 1^具_3〔]?包括选自11、31、]\111、？6、(：〇上0、]\1〇、附、]\%和八1的至少一个元素=表示 的锂金属磷酸盐。
[0047] 根据另一方面，第一正极材料可以是 Li[LiaNibCoeMnd02+z] (a 彡 0 ;a+b+c+d = 1 ; b、c和d中的至少一个不是零；0.1 < z < 2)。并且，第二正极材料可以是选自由LiFePO、 LiMnxFeyPO4 (0 < x+y 彡 1)和 Li3Fe2 (PO4) 3组成的组的至少一个。
[0048] 根据另一方面，第一正极材料和/或第二正极材料可包括涂层。涂层可包括碳层， 或者氧化物层或氟化物层，包括选自由Ti、Si、Mn、Co、Fe、V、Cr、Mo、Ni、NcU Al、Mg、Al、As、 Sb、Si、Ge、V和S组成的组的至少一个元素。
[0049] 在本公开中，在考虑要制造的二次电池的使用目的和性能的同时选择第一正极材 料和第二正极材料的类型和混合比以在放电电阻分布上产生凸起模式或在开路分布上产 生至少一个电压坪。
[0050] 在一个实施例中，在其中期望具有高放电功率的二次电池的情况下，可将 Li [NiJMnb3Ccv3] O2和LiFePO 4分别地选作第一正极材料和第二正极材料，并且可将第一 正极材料和第二正极材料的混合比设置成5:5。
[0051] 在另一实施例中，在其中期望具有高温稳定性的