专利名称：内部中和电源的制作方法
技术领域：
这里披露的主题涉及内部中和(Neutralize)电源，更特别地涉及在电池 (battery)的内部温度达到特定跳变点(trip point)温度时自动增加电池的内部电传导性。
背景技术：
电池广泛用于笔记本电脑，手机，工具，运输车辆(例如电车，火车，公共汽车，等等)，以及其他的基于电源运转的系统。可再充电的电池，例如，锂离子电池，由于它们相对低的成本和高的能量存储能力而可作为选择的电池。电池使用化学能(内部离子转移)来执行电子工作(外部电子转移)。电池包括两个外部接触区域(阳极和阴极)和电解液。阳极相对于阴极被负充电，并且，通过将阳极和阴极连接到电子负载，电池通过使电子从阳极传递到负载并回到阴极来向电子负载提供电能。电解液是离子导体和电子绝缘体。意味着，电解液在阳极和阴极之间传递离子，但抑制阳极和阴极之间的电子流动。在电池通过它的外部触点将电子传递到电子负载(放电) 的时候，电解液在电池内部将离子从阳极传递到阴极。
发明内容
这里揭示的电池，包括两个接触区域、电解液和电子传导材料，该电子传导材料在中和跳变点温度增加在第一接触区域与第二接触区域之间的电池内部的电子传导性。在一个实施例中，电子传导材料没有在电池外部被激活。在另一个实施例中，电池包括半导体材料，半导体材料在中和跳变点温度提供增加的电子传导性。在再一个实施例中，电池包括绝缘体，用于分隔所述电子传导材料直到电池内部的温度达到所述中和跳变点温度，并在所述中和跳变点温度允许所述电子传导材料增加在所述第一接触区域与所述第二接触区域之间的电池内部的电子传导性。前述为发明内容并且因此必要地包括细节的简化、概括和省略；当然，本领域技术人员将意识到，该发明内容仅仅为描述性的并不意图构成任何限制。本披露的实施例的其他方面，发明点和优点，如完全由权利要求所定义的，将在以下阐述的非限制性的具体实施方式
中变得明显。
通过结合附图参考以下具体实施方式
可以更容易理解在这里揭示的实现的特征和优点。图1是示出了具有热激活电子传导材料的电池的图示；图2是示出了电解液电子传导、内部电子传播和电池电压之间的关系的曲线图；图3是示出了在电池的内部温度达到特定的中和跳变点温度后，电池的热激活电子传导材料增加电子传导性的图示；
图4是电池在开始热失控状况(thermal runaway condition)后中和自身的曲线表不；图5是示出了定制掺杂的半导体(custom doped semiconductor)特性与标称掺杂的半导体(nominally doped semiconductor)特性相比较的图示；图6A是示出了包括热激活电子传导材料层的电池电解液的图示；图6B是示出了包括电解液材料和电子绝缘材料的电解液的图示，当电解液材料和电子绝缘材料组合在一起时生成电子传导材料；图7是多单元电池(multi-cell battery)实施例的图示，该多单元电池包括普通的电解液材料和热激活电子导电材料；图8A是示出了使用具有这里讨论的中和能力的电池系统的电子系统的图示；以及图8B是示出了使用具有这里讨论的中和能力的电池系统的运输车辆的图示。
具体实施例方式在以下描述中阐述了某些特定细节，这些特定细节用于提供对本披露的各实施例的全面理解。然而，在以下描述中未阐述通常与计算和软件技术相关的某些已知的细节，以避免不必要地遮蔽本披露的各实施例。进一步，本领域技术员人将理解到，他们可以实施本披露的其他实施例而无需以下描述的细节中的一个或更多。最后，尽管参考以下披露中的步骤和顺序描述了各方法，但这样的描述用于提供对本披露的实施例的清楚实施，并且该步骤及其顺序不应当被认为是实施本披露所必须的。替代地，以下试图提供本披露的示例的详细描述并且不应当被认为是对本披露自身的限制。相反地，许多的变化可以落在由说明书所附的权利要求所定义的本披露的范围内。正如本领域技术人员将意识到的，本披露的方面可以具体化为系统、方法或计算机程序产品。相应地，本披露的方面可以采用全部硬件实施例、全部软件实施例(包括固件、固有软件、微代码，等等)或组合软件和硬件方面的实施例的形式，所有的该软件和硬件方面在这里通常可以被称为“电路”、“模块”或者“系统”。以下参考依据本披露的实施例的方法、装置(系统)和计算机程序产品的流程描述和/或框图来描述本披露的方面。将理解的是，流程描述和/或框图中的每个方框、以及流程描述和/或框图中的方框的组合可以由计算机程序指令实现。这些计算机程序指令可以提供到通用计算机、特定用途计算机或其他可编程数据处理装置的处理器，以产生机器， 从而，在通过计算机或其他可编程数据处理装置的处理器执行该指令时，该指令生成用于实现流程图和/或框图方块中指定的功能/动作的手段。这些计算机程序指令还可以存储在计算机可读介质中，能引导计算机、其他可编程数据处理装置或其他设备以特定方式运转，从而，存储在计算机可读介质中的指令产生包含实现流程图和/或框图块中指定的功能/动作的指令的制品。以下的具体实施方式
将通常跟在如上阐述的发明内容之后，进一步用于对本披露的各方面和实施例的定义进行必要的解释和展开。图1是示出了具有热激活电子传导材料的电池的图示。电池100包括两个外部接触区域，它们是阴极110和阳极130。例如，阴极110可以是电池100的“正的”一侧，而阳极130可以是电池100的“负的”一侧。在一个实施例中，阴极110和阳极130 二者均有高的离子传导性和高的电子传导性。电池100还包括电解液120，电解液120具有高的离子传导性但是没有电子传导性。电解液120可以是液体、凝胶(gel)或固态，其允许离子(M+)并防止电子从阳极130 移动到阴极110。例如，电解液120可以包括电解材料，例如在如碳酸亚乙酯(ethylene carbonate)的有机溶剂中的锂盐(如，LiPF6, LiBF4或LiClO4)。情况发生在电池100出现小的内部短路时。该小的内部短路可以生成局部化的热，这会导致电池100过热和热失控。在电池故障或受热(heat exposure)期间，热失控或爆炸的风险与阴极110和阳极130之间的电势差成比例。为了最小化或消除热失控或爆炸的风险，电解液120包括热激活电子传导材料140。热激活电子传到材料140在“中和跳变点温度”增加阳极130和阴极110之间的电子传导性，由此显著减少阴极110和阳极130之间的电势(参阅图2-4和相应的正文以获得进一步的细节)。中和跳变点温度是指示电池 100正经历热失控时的特定温度。热激活电子传导材料140可以包括例如，定制掺杂半导体或惰性材料，该惰性材料与电解材料组合来生成电子传导的组合材料(参阅图6-7和相应的正文以获得进一步的细节)。图2是示出电解液电子传导、内部电子传播和电池电压之间的关系的曲线图。曲线图200包括曲线图210和曲线图220。曲线图210示出了随着电解液的电子传导性增加 (y轴)，阳极和阴极之间的内部电子传播增加(χ轴)。并且，如曲线图220所示，随着阳极和阴极之间的内部电子传播增加(χ轴)，电池电压减小(y轴)。这是由于随着电子从电池阳极迁移到阴极，阳极和阴极之间的电势差降低的事实所导致的。简言之，通过增加电解液的电子传导性，电池的电势降低并中和电池，因此最小化热失控(参阅图4和相应的正文以获得进一步的细节)。图3是示出了在电池的内部温度达到特定的中和跳变点温度后，电池的热激活电子传导材料增加电子传导性的图示。曲线图300示出了热激活电子传导材料的电子传导性和温度之间的关系(热激活电子传导材料特性340)。如可以看到的，该材料是相对电子不传导，直到中和跳变点温度310。如此，在通常操作期间，电池的电解液通常如下工作通过抑制电池的阳极和阴极之间的电子流动同时允许电池的阳极和阴极之间的离子流动。在中和跳变点温度310，热激活电子传导材料增加电子传导性。依次地，电池的阳极和阴极之间的电势减少，并且电池中和(参阅图4和相应的正文以获得进一步的细节)。图4是电池在开始热失控状况后中和自身的曲线表示。曲线图400包括曲线图 410和曲线图430。曲线图410示出了在各时间点上的电池温度。在时间tl，电池出现内部电池短路。例如，电池可能已经被损坏，或，电池可能包括有缺陷的材料。如之前所讨论的， 低的电阻可能触发局部热条件(localized heatcondition)并导致热失控。内部电池短路导致低的电阻并且如曲线图410所示，导致电池的内部温度增加。电池的内部温度持续增加，并且在时间t2最终达到中和跳变点温度420。在该点， 电解液中的电池的电子传导材料激活并使电解液变成电子传导的。随着电池的电解液变得更具传导性并且电子从电池阳极迁移到阴极，电池的电势降低(如曲线图430所示)。在时间t3，电池被中和(阳极和阴极之间很少甚至没有电势)，这使得电池的温度下降并且在时间t4最终减少到标称的水平(nominal level)(曲线图410)。
图5是示出了定制掺杂的半导体特性与标称掺杂的半导体特性相比较的图示。增加通过电池电解液的电子传导性的一个实施例使用定制掺杂的半导体或定制掺杂的复合材料，该定制掺杂的复合材料包括例如，开始具有绝缘特性并且转变为电子传导特性的热激活材料。相比例如用于集成电路的标称掺杂的半导体，定制掺杂的半导体或定制掺杂的复合材料被设计成在它们变得电子传导时具有较低的温度“触发点”。当加热典型的半导体时，热能碰撞释放一些半导体的电子。这些释放的电子可以容易地移动通过半导体(高的电子传导性)。随着增加更多热能，更多电子从个体原子脱离，变得自由以移动通过半导体。典型地，标称掺杂的半导体被设计(掺杂)成在宽的温度范围上不改变电子传导性，以使电子器件在该温度范围内正确地工作。如曲线图500所示，标称掺杂的半导体特性线510示出，标称掺杂的半导体在高温开始传导电子。然而，定制掺杂的半导体特性线520 示出，定制掺杂的半导体开始传导电子的温度处在低得多的温度(除了具有受控的初始电子浓度之外)。这样，半导体可以被定制掺杂以将半导体的电子传导性特性转移到与电池的热失控临界温度或中和跳变点温度对应的温度。用于定制掺杂的半导体的材料的例子包括硅、聚3-己基噻吩、聚对亚苯基亚乙烯基(Poly(p-phenylene vinylene) (PPV))、和聚乙炔及其衍生物。图5还示出了定制掺杂的复合材料特性线530，示出了以绝缘体特性开始并转变到电子传导特性的定制掺杂的复合材料。在一个实施例中，定制掺杂的复合材料可以包括绝缘体和电子传导材料(如，金属)。在这个实施例中，绝缘体可以被设计成在中和跳变点温度融化并使电子传导材料接触，由此导致电池内部的多个短路。在另一个实施例中，复合掺杂的复合材料可以包括有机共轭聚合体(organic conjugated polymer)，如聚对亚苯基 (poly(p-phenylene) (PPP))。在这个实施例中，可以通过调节锂(Li)或钾(K)的掺杂水平来调节该材料的从绝缘体、半导体或电子导体的转变点。图6A是示出了包括热激活电子传导材料层的电池电解液的图示。内部中和电池的一个实施例是在电池中添加“层”或修改现有的陶瓷保护层(ceramicprotective layer)。电池600包括阳极610、电解液620、阴极630和热激活电子传导材料层640。这些层可以被应用于阳极610、阴极630、电解液620中的隔板的一侧或两侧、或其组合，这取决于特定的电池构造。例如，在一个实施例中，层640可以由具有热激活电子传导性的定制掺杂的半导体材料制成，其具有精确的电子传导性转变温度以特别地与期望的中和跳变点温度一致。 当电池600的温度增加到特别设计的阈值时，热激活传导层转变到高的电子传导性状态， 允许电子内部地从阳极610通过层640到阴极630的流动。图6B是示出了包括电解液材料和电子绝缘材料的电解液的图示，电解液材料和电子绝缘材料在组合在一起时生成电子传导材料。在这个实施例中，电池650在组分A 680 和组分B 690组合以生成电子传导组合材料时中和。在这个实施例中，组分A 680可以是现有的电解液材料，添加剂(additive)或受控的杂质。组分B 690可以是其他惰性添加剂， 其在通常单元温度时与电解液溶剂的成分相容，但在期望的中和跳变点温度时变得活性并与组分A 680反应形成具有高的电子传导性的副产品组合材料C。由于组合材料C具有高的电子传导性，因此，电子从阳极660通过电解液670流到阴极680以中和电池650。
在一个实施例中，代替两个分离的组分A 680和B 690，电解液670可以包括热激活电子传导的聚合体或固体材料(或嵌入在该材料中的化学品)，其在低于中和跳变点温度时是电子不传导的并且在中和跳变点温度或高于中型跳变点温度时成为电子传导的。图7是多单元电池(multi-cell battery)实施例的图示，该多单元电池包括普通的电解液和热激活电子导电材料。电池700包括多个单元(如，汽车的电池)，和电解液 710,该电解液710包括组分A 720和组分B 730。如在图6B中所讨论的，组分A 720可以是现有的电解液材料，添加剂(additive)或受控的杂质，且组分B 730可以是其他惰性添加剂，其在通常单元温度时与电解液溶剂的成分相容，但在期望的中和跳变点温度时变得活性并与组分A 680反应形成具有高的电子传导性的副产品组合材料C。在一个实施例中，电池700的一些单元可以连接到外部阳极接触区域，其他单元可以连接到外部阴极接触区域。当电池700达到中和跳变点温度时，组分B 730与组分A 720组合产生电子传导组合材料。依次地，该组合材料增加“阳极”单元和“阴极”单元之间的电子传导性，由此中和电池700。在另一个实施例中，组分B 730可以容纳在设计成在中和跳变点温度溶解的外壳(skin)中。在再一个实施例中，电解液710可以包括热激活电子传导的聚合体/固体(或嵌入在该材料中的化学品)，从而它们可以在低于中和跳变点温度的温度时是电子不传导的并且在中和跳变点温度或高于中型跳变点温度时成为电子传导的。图8A是示出了使用具有这里讨论的中和能力的电池系统的电子系统的图示。电子系统800可以是例如，计算机系统、蜂窝电话、医学设备、电子玩具等等。电池系统810包括电池(阳极、阴极、电解液)和热激活电子传导材料820。当电池的内部温度达到中和跳变点温度时，热激活电子传导材料820使电子在电池的阳极和阴极之间内部地流动，由此中和电池并防止热失控。图8B是示出了使用具有这里讨论的中和能力的电池系统的运输车辆的图示。运输车辆830可以是例如，电车、电公共汽车、具有备用电源能力的计算机轨道系统 (computer rail system)等等。电池系统840可以包括一组电池和热激活电子传导材料 850。如上所讨论的，当电池的内部温度达到中和跳变点温度时，热激活电子传导材料850 使电子在电池的阳极和阴极之间内部地流动，由此中和电池系统840并防止热失控。附图中的框图描述了依据本披露的各实施例的系统、方法和计算机程序产品的可能的实施方式的架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个块可以代表模块、片段或部分代码，其包括用于实施特定逻辑功能的一个或更多可执行的指令。还值得注意的是，在某些可选实施方式中，在每个块中的功能可以出现在附图中的顺序之外。例如，连续示出的两个块实际上可以同时被执行，或者有时候可以以相反的顺序执行这些块。还将值得注意的是，框图或流程图中的每个块，或框图或流程图中的块的组合，可以由执行特定功能或动作的基于特定用途硬件的系统、或特定用途硬件和计算机指令的组合来实现。尽管已经示出并描述了本披露的特定实施例，但对于本领域技术人员而言明显的是，基于这里的教导，可以做出改变和变形而不脱离本披露及其更宽的方面。因此，所附权利要求将在本披露的精神和范围中的所有这样的改变和变形都包含在它们的范围内。而且，将理解到，本披露完全由所附权利要求定义。本领域技术人员将理解到，如果权利要求中引入的元件的特定数量是故意的，则将在权利要求中将明确叙述这样的意图，并且在缺乏这样的叙述时不存在这样的限制。对于非限制的例子，如作为理解的辅助，以下所附权利要求包含使用介绍性措辞“至少一个”和“一个或更多”来引入权利要求元件。然而，这样的措辞的使用不应当解释成暗示了，即便在相同的权利要求包括介绍性措辞“一个或更多” 或“至少一个”以及不定冠词时，通过不定冠词引入的权利要求元件将包含这样引入的权利要求元件的任何特定权利要求限定成仅仅包含一个这样的元件的披露；这同样也适用于定冠词在权利要求中的使用。
权利要求
1.一种系统，包括电池，包括第一接触区域和第二接触区域，其中，所述第一接触区域相对于所述第二接触区域被负充电；电解液，连接到所述第一接触区域和所述第二接触区域，其中，所述电解液抑制在所述第一接触区域与所述第二接触区域之间的电池内部的电子流动并且使在所述第一接触区域与所述第二接触区域之间的电池内部的离子流动；以及电子传导材料，在中和跳变点温度增加在所述第一接触区域与所述第二接触区域之间的电池内部的电子传导性。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，电子传导材料没有在电池外部被激活。
3.根据权利要求1所述的系统，其中，电子传导材料进一步包括半导体材料，在所述中和跳变点温度提供增加的电子传导性。
4.根据权利要求3所述的系统，其中，所述半导体材料包括与所述半导体材料的标称掺杂不同的定制掺杂。
5.根据权利要求1所述的系统，其中，所述电池进一步包括绝缘体，用于分隔所述电子传导材料直到电池内部的温度达到所述中和跳变点温度， 并在所述中和跳变点温度允许所述电子传导材料增加在所述第一接触区域与所述第二接触区域之间的电池内部的电子传导性。
6.根据权利要求1所述的系统，进一步包括惰性材料，其是电子不传导的并且在与所述电解液组合时生成所述电子传导材料。
7.根据权利要求1所述的系统，其中，所述电子传导材料生成在所述第一接触区域与所述第二接触区域之间的多个短路，所述多个短路增加了在所述第一接触区域与所述第二接触区域之间的电子传导性。
8.根据权利要求1所述的系统，其中，所述电池包括多个单元和存在于所述多个单元中的所述电子传导材料。
9.根据权利要求1所述的系统，其中，所述电子传导材料包括复合材料，所述复合材料显示绝缘体特性直到电池内部的温度达到所述中和跳变点温度，并且在所述中和跳变点温度转换为显示电子传导特性。
10.一种系统，包括消耗电能的一个或更多系统组件；以及提供电能到所述一个或更多系统组件的电池，其中，所述电池包括第一接触区域和第二接触区域，其中，所述第一接触区域相对于所述第二接触区域被负充电；电解液，连接到所述第一接触区域和所述第二接触区域，其中，所述电解液抑制在所述第一接触区域与所述第二接触区域之间的电池内部的电子流动并且使在所述第一接触区域与所述第二接触区域之间的电池内部的离子流动；以及电子传导材料，在中和跳变点温度增加在所述第一接触区域与所述第二接触区域之间的电池内部的电子传导性。
11.根据权利要求10所述的系统，其中，所述一个或更多系统组件进一步包括一个或更多处理器；能由所述处理器中的至少一个处理器访问的存储器；以及能由所述处理器中的至少一个处理器访问的非易失性存储区域。
12.根据权利要求10所述的系统，其中，所述一个或更多系统组件包括包含在运输车辆中的马达，其中，所述马达从所述电池接收电能以推动所述车辆。
13.根据权利要求10所述的系统，其中，所述电子传导材料进一步包括半导体材料，在所述中和跳变点温度提供增加的电子传导性。
14.根据权利要求10所述的系统，其中，所述电池进一步包括绝缘体，用于分隔所述电子传导材料直到电池内部的温度达到所述中和跳变点温度， 并在所述中和跳变点温度允许所述电子传导材料增加在所述第一接触区域与所述第二接触区域之间的电池内部的电子传导性。
15.根据权利要求10所述的系统，进一步包括惰性材料，其是电子不传导的并且在与所述电解液组合时生成所述电子传导材料。
16.根据权利要求10所述的系统，其中，所述电池包括多个单元和存在于所述多个单元中的所述电子传导材料。
17.根据权利要求10所述的系统，其中，所述电子传导材料包括复合材料，所述复合材料显示绝缘体特性直到电池内部的温度达到所述中和跳变点温度，并且在所述中和跳变点温度转换为显示电子传导特性。
18.一种制造电池的方法，所述方法包括将第一接触区域和第二接触区域包含在电池中，其中，所述第一接触区域相对于所述第二接触区域被负充电；将电解液包含在所述电池中，所述电解液连接到所述第一接触区域和所述第二接触区域，其中，所述电解液抑制在所述第一接触区域与所述第二接触区域之间的电池内部的电子流动并且使在所述第一接触区域与所述第二接触区域之间的电池内部的离子流动；以及将电子传导材料包含在所述电池中，所述电子传导材料在中和跳变点温度增加在所述第一接触区域与所述第二接触区域之间的电池内部的电子传导性。
19.根据权利要求18所述的方法，进一步包括将半导体材料包含在所述电池中，所述半导体材料在所述中和跳变点温度提供增加的电子传导性。
20.根据权利要求18所述的方法，进一步包括将绝缘体包含在所述电池中，所述绝缘体用于分隔所述电子传导材料直到电池内部的温度达到所述中和跳变点温度，并在所述中和跳变点温度允许所述电子传导材料增加在所述第一接触区域与所述第二接触区域之间的电池内部的电子传导性。
21.根据权利要求18所述的方法，进一步包括将惰性材料包含在所述电池中，所述惰性材料是电子不传导的并且在与所述电解液组合时生成所述电子传导材料。
22.根据权利要求18所述的方法，其中，所述电池包括多个单元和存在于所述多个单元中的所述电子传导材料。
23.根据权利要求18所述的方法，其中，所述电子传导材料包括复合材料，所述复合材料显示绝缘体特性直到电池内部的温度达到所述中和跳变点温度，并且在所述中和跳变点温度转换为显示电子传导特性。
全文摘要
本发明涉及内部中和电源。这里揭示的电池，包括两个接触区域、电解液和电子传导材料，该电子传导材料在中和跳变点温度增加在第一接触区域与第二接触区域之间的电池内部的电子传导性。在一个实施例中，电子传导材料没有在电池外部被激活。在另一个实施例中，电池包括半导体材料，该半导体材料包括定制掺杂以在中和跳变点温度提供增加的电子传导性。在再一个实施例中，电池包括绝缘体，用于分隔所述电子传导材料直到电池内部的温度达到所述中和跳变点温度，并在所述中和跳变点温度允许所述电子传导材料增加在所述第一接触区域与所述第二接触区域之间的电子传导性。
文档编号H01M10/04GK102195070SQ20111005181
公开日2011年9月21日 申请日期2011年3月2日 优先权日2010年3月2日
发明者布齐阿尼·耶夫卡, 廷-卢普·翁, 约瑟夫·安东尼·霍伦格, 肯尼斯·斯卡特·赛特艾乐 申请人:联想(新加坡)私人有限公司