快速电池充电系统

摘要

本公开内容披露了一种快速电池充电系统。所述系统包括具有25％至35％的负极孔隙率和x0的负极负载量的锂二次电池。另外，所述系统包括存储单元，其存储与负极负载量(x0)相关的信息和查找表，所述查找表用于映射由二次函数表示的与充电电流的C‑速率相关的上限条件的第一系数信息。另外，所述系统包括充电控制设备，当锂二次电池的充电开始时，所述充电控制设备从存储单元读取与负极负载量(x0)相关的信息，根据查找表确定表示上限条件的二次函数的第一系数信息，使用第一系数信息确定充电电流的C‑速率范围，并将满足所确定的C‑速率范围的充电电流提供给锂二次电池。

权利要求

1.一种快速电池充电系统，包括：

锂二次电池，所述锂二次电池具有25％至35％的负极孔隙率和x0的负极负载量；

存储单元，所述存储单元存储与所述负极负载量(x0)相关的信息和查找表，所述查找表用于映射由二次函数表示的与充电电流的C‑速率相关的上限条件的第一系数信息；和充电控制设备，所述充电控制设备从所述存储单元读取与所述负极负载量(x0)相关的信息，根据所述查找表确定表示上限条件的二次函数的第一系数信息，使用第一系数信息确定充电电流的C‑速率范围的上限，并将满足所确定的C‑速率范围的充电电流提供给所述锂二次电池，其中对应于上限条件的二次函数是以所述负极负载量(x0)为变量且具有第一系数的二次函数。

2.根据权利要求1所述的快速电池充电系统，其中所述查找表进一步包括用于映射由二次函数表示的与充电电流的C‑速率相关的下限条件的第二系数信息的数据，所述充电控制设备被配置为：从所述存储单元读取与所述负极负载量(x0)相关的信息，根据所述查找表确定表示上限条件的二次函数的第一系数信息和表示下限条件的二次函数的第二系数信息，使用所确定的第一系数信息和第二系数信息来确定充电电流的C‑速率范围，以及将满足所确定的C‑速率范围的充电电流提供给所述锂二次电池，其中对应于下限条件的二次函数是以所述负极负载量(x0)为变量且具有第二系数的二次函数。

3.根据权利要求1或2所述的快速电池充电系统，其中所述锂二次电池包括锂金属氧化物和石墨作为正极材料和负极材料，2

对应于上限条件的二次函数是26‑0.16x0+0.00027x0。

4.根据权利要求2所述的快速电池充电系统，其中所述锂二次电池包括锂金属氧化物和石墨作为正极材料和负极材料，2

对应于下限条件的二次函数是15‑0.1x0+0.00018x0。

5.根据权利要求1所述的快速电池充电系统，其中所述查找表进一步包括用于根据与所述锂二次电池的正极材料和负极材料的类型相关的信息来映射对应于上限条件的二次函数的第一系数信息的数据，所述存储单元进一步包括与所述锂二次电池的正极材料和负极材料相关的类型信息，所述充电控制设备被配置为：当所述锂二次电池的充电开始时，识别来自所述存储单元的与所述锂二次电池的正极材料和负极材料相关的类型信息，映射与所识别的正极材料和负极材料的类型信息相对应的对应于上限条件的二次函数的第一系数信息，使用映射的第一系数信息和与所述负极负载量(x0)相关的信息确定充电电流的C‑速率范围，以及将满足所确定的C‑速率范围的充电电流提供给所述锂二次电池。

6.根据权利要求2所述的快速电池充电系统，其中所述查找表包括用于根据与所述锂二次电池的正极材料和负极材料的类型相关的信息来映射对应于上限条件的二次函数的第一系数信息和对应于下限条件的二次函数的第二系数信息的数据，所述存储单元进一步包括与所述锂二次电池的正极材料和负极材料相关的类型信息，所述充电控制设备被配置为：当所述锂二次电池的充电开始时，识别来自所述存储单元的与所述锂二次电池的正极材料和负极材料相关的类型信息，映射与所识别的正极材料和负极材料的类型信息相对应的对应于上限条件的二次函数的第一系数信息和对应于下限条件的二次函数的第二系数信息，使用映射的第一系数信息、第二系数信息以及与所述负极负载量(x0)相关的信息确定充电电流的C‑速率范围，以及将满足所确定的C‑速率范围的充电电流提供给所述锂二次电池。

说明书

快速电池充电系统

技术领域

[0001] 本公开内容涉及一种锂二次电池的快速充电系统，更具体地，涉及一种设计为获得最大能量密度和最大快速充电性能的锂二次电池的快速充电系统。

[0002] 本申请要求2017年9月26日在韩国提交的韩国专利申请第10‑2017‑0124420号的优先权，通过引用将上述专利申请的公开内容结合在此。

背景技术

[0003] 锂二次电池的应用正在迅速扩展，不仅包括诸如手机、笔记本电脑、智能手机和智能平板电脑的移动装置，还包括电动车辆(EV、HEV、PHEV)或高容量储能系统(ESS)。

[0004] 在将锂二次电池应用于车辆和信息通信装置时，快速充电被认为是重要的技术。

[0005] 快速充电期间出现的最大问题是在负极表面上形成(沉积)的锂枝晶。在此，负极材料通常是石墨。锂枝晶堵塞负极表面并阻碍锂在充电和放电期间的移动。另外，锂枝晶会与电解液发生副反应，并且不利地影响锂二次电池的寿命性能。

[0006] 有利于快速充电的负极材料包括硬碳、软碳和石墨烯。这些材料被认为是能够代替石墨的材料。然而，由于这些材料具有高的不可逆容量和基于锂金属的低电位，因此它们降低了锂二次电池的平均电压。当平均电压降低时，锂二次电池的能量密度降低。

[0007] 因此，仅通过调整负极材料来改善锂二次电池的快速充电性能存在限制。也就是说，适当选择负极材料可以减少快速充电期间的锂枝晶沉积，但是能量密度降低。为了克服这种限制，需要一种提供快速充电性能同时防止锂二次电池的能量密度降低的适当电池设计。

发明内容

[0008] 技术问题

[0009] 本公开内容是在如上所述的现有技术的背景下设计的，并且本公开内容旨在提供这样一种系统，这种系统在如通常那样使用石墨基材料作为负极材料的同时设计负极负载量以确保高能量密度，并且根据所设计的负极负载条件，在最佳条件下对锂二次电池进行快速充电。

[0010] 技术方案

[0011] 为了实现上述目的，根据本公开内容的快速电池充电系统包括：锂二次电池，所述锂二次电池具有25％至35％的负极孔隙率和x0的负极负载量；存储单元，所述存储单元存储与负极负载量(x0)相关的信息和查找表，所述查找表用于映射由二次函数表示的与充电电流的C‑速率相关的上限条件的第一系数信息；以及充电控制设备，所述充电控制设备从所述存储单元读取与负极负载量(x0)相关的信息，根据查找表确定表示上限条件的二次函数的第一系数信息，使用第一系数信息确定充电电流的C‑速率范围，并将满足所确定的C‑速率范围的充电电流提供给锂二次电池。

[0012] 根据一个方面，所述查找表可进一步包括用于映射由二次函数表示的与充电电流的C‑速率相关的下限条件的第二系数信息的数据，并且所述充电控制设备可被配置为：从所述存储单元读取与负极负载量(x0)相关的信息，根据查找表确定表示上限条件的二次函数的第一系数信息和表示下限条件的二次函数的第二系数信息，使用所确定的第一系数信息和第二系数信息来确定充电电流的C‑速率范围，以及将满足所确定的C‑速率范围的充电电流提供给锂二次电池。

[0013] 优选地，锂二次电池可包括锂金属氧化物和石墨作为正极材料和负极材料，并且2
对应于上限条件的二次函数可以是26‑0.16x+0.00027x。另外，对应于下限条件的二次函
2
数可以是15‑0.1x+0.00018x。

[0014] 根据另一方面，所述查找表可进一步包括用于根据与锂二次电池的正极材料和负极材料的类型相关的信息来映射对应于上限条件的二次函数的第一系数信息的数据，所述存储单元可进一步包括与锂二次电池的正极材料和负极材料相关的类型信息，并且所述充电控制设备可被配置为：当锂二次电池的充电开始时，识别来自所述存储单元的与锂二次电池的正极材料和负极材料相关的类型信息，映射与所识别的正极材料和负极材料的类型信息相对应的对应于上限条件的二次函数的第一系数信息，使用映射的第一系数信息和与负极负载量(x0)相关的信息确定充电电流的C‑速率范围，以及将满足所确定的C‑速率范围的充电电流提供给锂二次电池。

[0015] 根据又一方面，所述查找表可包括用于根据与锂二次电池的正极材料和负极材料的类型相关的信息来映射对应于上限条件的二次函数的第一系数信息和对应于下限条件的二次函数的第二系数信息的数据，所述存储单元可进一步包括与锂二次电池的正极材料和负极材料相关的类型信息，并且所述充电控制设备可被配置为：当锂二次电池的充电开始时，识别来自所述存储单元的与锂二次电池的正极材料和负极材料相关的类型信息，映射与所识别的正极材料和负极材料的类型信息相对应的对应于上限条件的二次函数的第一系数信息和对应于下限条件的二次函数的第二系数信息，使用映射的第一系数信息、第二系数信息以及与负极负载量(x0)相关的信息确定充电电流的C‑速率范围，以及将满足所确定的C‑速率范围的充电电流提供给锂二次电池。

[0016] 有益效果

[0017] 根据本公开内容，有如下优点：能够在如通常那样使用石墨基材料的情况下设计锂二次电池的既满足客户适当的快速充电性能需求又确保高能量密度的负极负载量，并且能够在最佳条件下对锂二次电池进行快速充电。

附图说明

[0018] 附图示出了本公开内容的优选实施方式，并与以下详细描述一起用于提供对本公开内容的技术方面的进一步理解，因此本公开内容不应被解释为局限于附图。

[0019] 图1是示出对多个样品电池进行的寿命性能评估结果的曲线图，以根据锂二次电池的负极负载量设计快速充电电流的C‑速率范围。

[0020] 图2是示出与充电电流的C速率的上限条件对应的二次函数的拟合结果的曲线图。

[0021] 图3是示出与充电电流的C速率的下限条件对应的二次函数的拟合结果的曲线图。

[0022] 图4是示出根据负极负载量的充电电流的C‑速率的上限条件和下限条件、以及图2和图3中获得的二次函数的曲线图。

[0023] 图5是根据本公开内容实施方式的快速电池充电系统的结构的示意性框图。

具体实施方式

[0024] 在下文中，将参照附图详细描述本公开内容的优选实施方式。在描述之前，应当理解的是，在说明书和所附权利要求书中使用的术语或词语不应解释为受限于一般意义和词典意义，而是应在以允许发明人用最佳解释适当地定义术语为原则的基础上，根据对应于本公开内容的技术方面的意义和概念来解释。因此，本文描述的各实施方式和附图中示出的图示仅仅是本公开内容的优选实施方式，并不旨在完全描述本公开内容的技术方面，因此应当理解，在做出本发明时，可以对其进行各种其它等同替换和修改。

[0025] 在如下所述的实施方式中，锂二次电池被统称为其中锂离子在充电和放电期间作为工作离子在正极和负极中发生电化学反应的二次电池。

[0026] 此外，即使二次电池的名称随锂二次电池中使用的电解质或隔板的类型、用于封装锂二次电池的封装材料的类型、以及锂二次电池的内部或外部结构而变化，也应当解释为锂二次电池的类别包括任何使用锂离子作为工作离子的二次电池。

[0027] 除了锂二次电池之外，本公开内容可以应用于任何其他二次电池。因此，即使工作离子不是锂离子，也应当解释为本公开内容的范围涵盖可以应用本公开内容的技术构思的任何二次电池，而不管其类型如何。

[0028] 在本公开内容中，锂二次电池包括电极组件和封装电极组件的封装材料。电极组件具有单元电池的堆叠结构，每个单元电池包括正极/隔板/负极。电极组件具有正极端子和负极端子，并且正极端子和负极端子通过封装材料暴露在外部。

[0029] 根据一个方面，正极包括金属集电器和涂覆在金属集电器的至少一个表面上的正极材料涂层。

[0030] 金属集电器由具有化学稳定性和高导电性的材料制成。例如，金属集电器可以由铝、不锈钢、镍、钛和烧结碳制成。优选地，金属集电器由铝制成。

[0031] 根据一个方面，正极材料涂层包括由化学通式A[AxMy]O2+z(A包括Li、Na和K中的至少一种元素；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中的至少一种元素；x≥0,1≤x+y≤2,‑0.1≤z≤2；选择x、y和z中包括的元素的化学计量系数，使得化合物保持电中性)表示的锂金属氧化物作为正极活性材料。

[0032] 优选地，除了正极材料之外，正极材料涂层可进一步包括添加剂，诸如导电剂和粘合剂。

[0033] 导电剂不限于特定类型，并且包括可以改善混合正极材料的导电性的任何类型的材料，导电剂的非限制性示例可包括各种导电碳材料，诸如石墨、炭黑、乙炔黑、科琴黑、super‑P和碳纳米管。

[0034] 粘合剂不限于特定类型，并且包括允许混合正极材料的颗粒之间的紧密机械结合以及混合正极材料与金属集电器之间的紧密界面结合的任何材料。粘合剂的非限制性示例可包括各种类型的聚合物，诸如PVDF‑co‑HFP、聚偏二氟乙烯、聚丙烯腈、和聚甲基丙烯酸甲酯。

[0035] 在一个实施方式中，负极可包括由导电材料制成的薄板形金属集电器、和涂覆在金属集电器的至少一个表面上的包含负极活性材料的负极材料涂层。

[0036] 金属集电器由具有化学稳定性和高导电性的材料制成。例如，金属集电器可以由铜、铝、不锈钢、镍、钛和烧结碳制成。优选地，金属集电器由铜制成。

[0037] 优选地，负极材料涂层可包括石墨基材料作为负极材料。石墨基材料可以是人造石墨、天然石墨或它们的混合物。

[0038] 除负极材料之外，负极材料涂层可进一步包括添加剂，诸如导电剂和粘合剂。导电剂和粘合剂可包括可以用作正极材料涂层中包含的导电剂和粘合剂的材料。

[0039] 隔板不限于特定类型，可包括将正极与负极电隔离并且具有用于介导工作离子的移动的孔结构的任何隔板。

[0040] 例如，隔板可包括多孔聚合物膜，例如，由聚烯烃基聚合物制成的多孔聚合物膜，所述聚烯烃基聚合物例如是单独使用或堆叠的乙烯均聚物、丙烯均聚物、乙烯/丁烯共聚物、乙烯/己烯共聚物、和乙烯/甲基丙烯酸酯共聚物。作为另一示例，隔板可包括典型的多孔无纺布，例如由高熔点玻璃纤维和聚对苯二甲酸乙二酯纤维制成的无纺布。

[0041] 此外，隔板可以在其至少一个表面上包括无机颗粒涂层。另外，隔板本身可以由无机颗粒涂层形成。形成涂层的颗粒可以与粘合剂结合，以在相邻的颗粒之间形成间隙体积。WO2006/025662公开了这种结构，并且该PCT公开可被结合作为本说明书的一部分。无机颗粒可包括介电常数为5或更大的无机物质。无机颗粒的非限制性示例可包括选自由Pb(Zr,Ti)O3(PZT)、Pb1‑xLaxZr1‑yTiyO3(PLZT)、PB(Mg3Nb2/3)O3‑PbTiO3(PMN‑PT)、BaTiO3、二氧化铪(HfO2)、SrTiO3、TiO2、Al2O3、ZrO2、SnO2、CeO2、MgO、CaO、ZnO、和Y2O3构成的组中的至少一种材料。

[0042] 锂二次电池可进一步包括含有工作离子的电解质。电解质不限于特定类型，可包括任何含有工作离子并且可以通过工作离子的介导而使得与正极和负极发生电化学氧化或还原反应的电解质。

[0043] 电解质的非限制性示例可包括具有A+B‑结构的盐。在此，A+包括碱金属阳离子，例+ + + ‑ ‑ ‑ ‑ ‑ ‑ ‑ ‑ ‑如Li 、Na、K 、或它们的组合。另外，B 包括选自由F 、Cl 、Br、I 、NO3 、N(CN)2 、BF4 、ClO4 、‑ ‑ ‑ ‑ ‑ ‑ ‑ ‑ ‑ ‑
AlO4 、AlCl4 、PF6 、SbF6 、AsF6、BF2C2O4、BC4O8、(CF3)2PF4 、(CF3)3PF3 、(CF3)4PF2 、(CF3)‑ ‑ ‑ ‑ ‑ ‑ ‑ ‑
5PF 、(CF3)6P 、CF3SO3 、C4F9SO3 、CF3CF2SO3 、(CF3SO2)2N 、(FSO2)2N 、CF3CF2(CF3)2CO 、‑ ‑ ‑ ‑ ‑ ‑
(CF3SO2)2CH、(SF5)3C‑、(CF3SO2)3C‑、CF3(CF2)7SO3、CF3CO2 、CH3CO2 、SCN 和(CF3CF2SO2)2N构成的组中的至少一种。

[0044] 电解质可以溶解在有机溶剂中。有机溶剂可包括碳酸丙烯酯(propylene carbonate，PC)、碳酸乙烯酯(ethylene carbonate，EC)、碳酸二乙酯(diethyl carbonate，DEC)、碳酸二甲酯(dimethyl carbonate，DMC)、碳酸二丙酯(dipropyl carbonate，DPC)、二甲亚砜(dimethyl sulfoxide)、乙腈(acetonitrile)、二甲氧基乙烷(dimethoxyethane)、二乙氧基乙烷(diethoxyethane)、四氢呋喃(tetrahydrofuran)、N‑甲基‑2‑吡咯烷酮(N‑methyl‑2‑pyrrolidone，NMP)、碳酸甲乙酯(ethyl methyl carbonate，EMC)、γ‑丁内酯(γ‑butyrolactone)、或它们的混合物。

[0045] 在优选的实施方式中，电解质的粘度为2‑5cP(厘泊)，并且锂盐的浓度为0.8‑1.4M。粘度是使用Brookfield粘度测量装置VISCOMETER DV2TLV测得的值。

[0046] 电极组件包括具有至少正极/隔板/负极的堆叠结构的单元电池。单元电池可具有本领域已知的各种结构，例如，单元电池可包括具有相同极性的最外侧电极的双电池结构、或具有不同极性的最外侧电极的全电池结构。双电池例如可具有正极/隔板/负极/隔板/正极的结构。全电池例如可具有正极/隔板/负极/隔板/正极/隔板/负极的结构。

[0047] 电极组件可具有本领域已知的各种结构，例如，电极组件可具有通过重复地堆叠单元电池和隔离膜而形成的简单堆叠结构。另外，作为另一示例，电极组件可具有通过将单元电池以预定间隔布置在隔离膜上并且将隔离膜与单元电池一起沿预定方向卷绕而形成的堆叠折叠结构。另外，作为另一示例，电极组件可具有通过将制造成沿一个方向延伸的片状单元电池放置在隔离膜上并将单元电池和隔离膜卷绕成卷状而形成的果冻卷结构。

[0048] 在一个实施方式中，锂二次电池可进一步包括封装材料以密封地容纳电极组件以及电解质。当电极组件被密封地容纳在封装材料中时，正极和负极可以分别连接到正极端子和负极端子，并且正极端子和负极端子可以从封装材料中引出。在一些情况下，当封装材料用作电极端子时，封装材料可以代替正极端子和负极端子的任何一个。例如，当负极电连接至封装材料的内表面时，封装材料的外表面可被用作负极端子。封装材料不限于特定类型并且包括具有化学安全性的任何材料，其非限制性示例可包括金属、聚合物和柔性袋膜。柔性袋膜通常可以是具有热焊层、铝层和外保护层的堆叠结构的铝袋膜。

[0049] 锂二次电池的形状由封装材料的结构决定。根据电池的用途，封装材料的结构可包括本领域已知的结构，并且对形状没有特别限制。封装材料的形状的非限制性示例可包括使用罐的圆柱形、棱柱形、袋型和硬币型结构。

[0050] 在本公开内容中，当锂二次电池的正极材料和负极材料为LiCoO2和人造石墨时，可以设计锂二次电池的充电电流C‑速率和锂二次电池的负极负载量为满足以下条件方程式。

[0051] 当然，很明显当锂二次电池的正极材料和负极材料的类型发生变化时，二次函数的系数可能会改变。

[0052] [条件方程式]

[0053] c1‑b1x+a1x2

[0054] 在上述条件方程式中，c2>c1,b2>b1且a2>a1。

[0055] 在优选实施方式中，当锂二次电池中包括的正极材料和负极材料分别是LiCoO2和石墨时，上述条件方程式的具体示例如下。

[0056] [条件方程式]

[0057] 15‑0.1x+0.00018x2

[0058] 在上述条件方程式中，y是提供给锂二次电池的充电电流的C‑速率，x是负极负载2
量。负极负载量被定义为在25cm的负极区域中包含的负极材料重量。

[0059] 通过具体实施例描述了与优选实施方式的上限条件和下限条件对应的二次函数的系数确定。在此，对应于上限条件的二次函数的系数a2、b2和c2被称为第一系数，并且对应于下限条件的二次函数的系数a1、b1和c1被称为第二系数。

[0060] 首先，在如下表1所示的各种设计条件下制造锂二次电池样品。

[0061] 【表1】

[0062]

[0063]

[0064] 根据实施例1至6的每个锂二次电池包括LiCoO2和人造石墨作为正极材料和负极材料。另外，电解质包括以3:3:4的体积比混合的碳酸乙烯酯(EC)/碳酸甲乙酯(EMC)/碳酸二甲酯(DMC)的溶剂，并添加有1.0M的锂盐LiF。在制造样品时，负极的孔隙率随着锂二次电池的各个负极负载量的变化而变化。锂二次电池的能量密度的确定依赖于负极的孔隙率。通过测量每单位体积负极的孔体积来确定孔隙率。详细地，计算活性材料层的密度、卷绕后电极的厚度、和电极负载重量，并通过数学计算获得孔隙率。

[0065] 为了收集用于确定第一系数和第二系数的数据，在针对每个实施例应用的预定C‑速率条件下重复地执行充电循环测试。另外，通过评估每个实施例的寿命性能来确定成功/失败。寿命性能的成功标准是基于300个循环的容量保持率为80％。因此，容量保持率为80％或更高是成功的，容量保持率低于80％是失败的。

[0066] 图1是示出根据上表1中的每个实施例的充电循环测试获得的寿命性能评估结果的曲线图。在该曲线图中，■标记表示被评估为寿命性能失败的实施例，并且*标记表示被评估为寿命性能成功的实施例。在表示每个标记时，每个实施例的负极负载量表示为x坐标，并且充电电流的C‑速率表示为y坐标。

[0067] 图2示出了从图1中所示的被确定为寿命性能评估失败的实施例中选择的实施例2‑6、实施例3‑6、实施例4‑5、实施例5‑4和实施例6‑3，并且示出了与每个实施例对应的坐标标记。

[0068] 五个坐标对应于在确定为寿命性能失败的实施例中表现出提供给锂二次电池的充电电流的最低C‑速率的实施例。

[0069] 图2中所示的五个坐标可拟合到二次函数y＝26‑0.16x+0.00027x2，并且拟合的对应函数对应于条件方程式的上限条件，并且系数26、‑0.16和0.00027对应于第一系数信息。

[0070] 位于显示了对应于上限条件的二次函数的曲线图的下部的实施例，通常具有小于35％的孔隙率和600Wh/L或更高的能量密度。不希望的是，当孔隙率高于35％时，能量密度小于600Wh/L。

[0071] 此外，上述条件方程式的下限条件可以任意设定，但是本公开内容选择25％或更大的孔隙率和不超过750Wh/L的能量密度。

[0072] 满足这一条件的实施例是实施例1‑4、实施例2‑5、实施例3‑4、实施例4‑3、实施例5‑2和实施例6‑2，并且在图3所示的曲线图中示出了对应于这些实施例的标记坐标。

[0073] 图3中所示的六个坐标可拟合到二次函数15‑0.1x+0.00018x2，并且拟合的对应函数是对应于条件方程式的下限条件的二次函数。另外，系数15、‑0.1和0.00018对应于第二系数信息。

[0074] 图4示出了当锂二次电池的正极材料和负极材料分别是LiCoO2和人造石墨时，计算出的对应于上限条件的二次函数的曲线图以及对应于下限条件的二次函数的曲线图。

[0075] 参照图4，当锂二次电池的负极孔隙率被设计为在25％和35％之间时，施加到锂二次电池的充电电流的C‑速率范围的确定可以依赖于负极负载量。

[0076] 例如，当锂二次电池的负极中包括的人造石墨的负载量为200mg/25cm2且负极孔隙率为25％至35％时，可通过调节充电电流的C‑速率处于由箭头指示的A部分内(即，在2和4之间的C速率范围内)来对锂二次电池进行快速充电。另外，根据本公开内容，对应于大部分负极负载量的充电电流的C‑速率范围为1C‑速率或以上。因此，当仅确定锂二次电池的负极负载量时，可以在图4所示的上限条件和下限条件之间的范围内对锂二次电池进行快速充电。

[0077] 另外，通过评估锂二次电池的寿命性能来确定对应于上限条件和下限条件的二次函数。因此，当锂二次电池被设计为使得充电电流的C‑速率满足上述条件方程式时，锂二次电池的寿命性能得到保证，并且锂二次电池的充电电流C‑速率范围可以根据负极负载量而自动确定。

[0078] 另外，当预先确定锂二次电池的负极负载量与充电电流的C‑速率之间的关系的上限条件和下限条件时，可以在不实际制造电池的情况下，容易地制造具有适当能量密度水平和快速充电性能的电池。

[0079] 此外，在上述条件方程式中，第一系数信息和第二系数信息可以根据锂二次电池中包括的正极材料和负极材料的类型而改变。

[0080] 然而，即使正极材料和负极材料的类型改变，对应于上限条件和下限条件的二次函数的第一系数信息和第二系数信息的计算原理与如上所述实质相同。

[0081] 即，在制造具有变化的负极负载量和负极孔隙率的多个样品电池之后(参见表1)，通过在针对每个实施例设定的C‑速率条件下重复地进行充电循环测试来评估寿命性能。另外，从寿命性能失败的实施例中选择具有最低孔隙率的实施例。另外，将所选实施例的负极负载量和C‑速率由坐标表示并拟合到二次函数，以计算对应于上限条件的二次函数的第一系数信息。另外，从寿命性能评估为成功的实施例中选择对应于25％孔隙率的实施例。另外，将所选实施例的负极负载量和C‑速率由坐标表示并拟合到二次函数，以计算对应于下限条件的二次函数的第二系数信息。

[0082] 在下文中，将基于上述描述，描述包括具有根据本公开内容设计的负极负载量和孔隙率的锂二次电池的快速电池充电系统和充电控制设备。

[0083] 图5是示出根据本公开内容的电池系统的结构的示意性框图。

[0084] 参照图5，根据本公开内容实施方式的快速电池充电系统包括锂二次电池B和充电控制设备100。

[0085] 锂二次电池B包括作为正极材料和负极材料的锂金属氧化物(例如，LiCoO2)和石墨。石墨可以是人造石墨、天然石墨或它们的混合物。另外，锂二次电池B包含非水电解质作为电解质，电解质的粘度可以是2cP至5cP，锂盐的浓度可以是0.8M至1.4M。

[0086] 优选地，选择从充电控制设备100供应给锂二次电池B的充电电流的C‑速率和锂二次电池B的负极负载量，以满足以下条件方程式。

[0087] [条件方程式]

[0088] c1‑b1x+a1x2

[0089] 在上述条件方程式中，c2>c1,b2>b1且a2>a1。

[0090] 另外，优选地，锂二次电池B的负极孔隙率为25％至35％。

[0091] 在一个实施方式中，当锂二次电池B的负极负载量具有值x0时，充电控制设备100可以执行控制，使得施加到锂二次电池B的充电电流的C‑速率(y)满足以下范围1。即，调节2
充电电流的大小，使得C‑速率不超过c2‑b2x0+a2x0。

[0092] [范围1]

[0093] y

[0094] 在另一实施方式中，当锂二次电池B的负极负载量具有值x0时，充电控制设备100可以执行控制，使得施加到锂二次电池B的充电电流的C‑速率(y)满足以下范围2。即，调节2 2
充电电流的C‑速率，使其大于c1‑b1x0+a1x0且小于c2‑b2x0+a2x0。

[0095] [范围2]

[0096] c1‑b1x0+a1x02

[0097] 在上述范围1和2中，系数a1、a2、b1、b2、c1和c2可以根据锂二次电池B中包括的正极材料和负极材料的类型而改变。

[0098] 例如，当正极材料和负极材料是LiCoO2和人造石墨时，系数a1、a2、b1、b2、c1和c2可分别为0.00018、0.00027、0.1、0.16、15和26。

[0099] 优选地，充电控制设备100可包括：存储单元120，用于存储与正极材料和负极材料的类型相关的信息，以及用于根据正极材料和负极材料的类型来映射系数的查找表，以根据正极材料和负极材料的类型而改变系数(第一系数和第二系数)。

[0100] 在此，存储单元120可以是RAM、ROM、寄存器或闪速存储器，且本公开内容不限于此。

[0101] 另外，存储单元120可进一步包括与锂二次电池B的负极负载量相关的信息。因此，当锂二次电池B的充电开始时，充电控制设备100可以读取存储在存储单元120中的负极负载量信息，并在上述范围内确定和施加提供给锂二次电池B的充电电流的C‑速率范围。

[0102] 优选地，充电控制设备100包括控制单元110；充电单元160；和通信单元150。

[0103] 控制单元110通常控制充电单元160和通信单元150。控制单元110可通过通信单元150从外部装置接收与锂二次电池B中包括的正极材料和负极材料的类型、和/或负极负载量、和/或负极孔隙率相关的信息。

[0104] 通信单元160是一种通信接口，并且是指CNN通信接口或菊花链接口或已知的无线通信接口或RS‑232接口。

[0105] 外部装置可以是安装电池系统的负载装置(例如，电动车辆或混合动力车辆)的控制计算机。在另一示例中，外部装置可以是站计算机，其在制造电池系统的过程中在电池系统的控制单元上安装操作程序。控制计算机或站计算机按照操作者的要求通过通信单元150将与锂二次电池B中包括的正极材料和负极材料的类型、和/或负极负载量、和/或负极孔隙率相关的信息发送到控制单元110。

[0106] 当控制单元110通过通信单元150接收与锂二次电池B中包括的正极材料和负极材料的类型、和/或负极负载量、和/或负极孔隙率相关的信息时，控制单元110将相应信息记录并保存在存储单元120中。

[0107] 控制单元110通常控制锂二次电池B的充电。即，控制单元110监控锂二次电池B的充电状态。为此，根据本公开内容的快速电池充电系统包括电压传感器130和电流传感器140。

[0108] 电压传感器130测量锂二次电池B的电压，并将与测量的电压大小相等的电压测量信号输出到控制单元110。然后，控制单元110根据电压测量信号确定锂二次电池B的电压值，并将其存储在存储单元120中。电压传感器130包括电压测量电路，例如，用于测量锂二次电池B的正极与负极之间的电压的差分放大器电路，本公开内容不限于此。

[0109] 电流传感器140测量锂二次电池B的充电电流或放电电流的大小，并将与测量的电流大小相等的电流测量信号输出到控制单元110。然后，控制单元110根据电流测量信号确定锂二次电池B的充电电流值或放电电流值，并将其存储在存储单元120中。电流传感器140可以是霍尔传感器或感应电阻器，本公开内容不限于此。

[0110] 控制单元110可以使用存储在存储单元120中的测量电压值或测量电流值来确定是否开始对锂二次电池B进行充电。

[0111] 在一示例中，当锂二次电池B的电压值对应于完全放电电压时，控制单元110可以确定需要开始对锂二次电池B进行充电。

[0112] 在另一示例中，控制单元110可以通过对锂二次电池B的充电电流值或放电电流值随时间积分来计算参数，即充电状态(SOC)，并且当SOC对应于0％时，控制单元110可以确定需要开始对锂二次电池B进行充电。

[0113] 考虑到安全问题，对于本领域技术人员显而易见的是，控制单元110可以通过基于完全放电电压或SOC 0％分配预定裕度来确定是否在较早阶段开始充电。

[0114] 除了前述内容之外，可以对通过控制单元110来确定是否开始充电的方法进行各种修改。因此，本公开内容应当被解释为不限于确定是否开始充电的特定方法。

[0115] 当控制单元110确定开始充电时，控制单元110通过参照存储单元120来识别锂二次电池B中包括的正极材料和负极材料的类型，并通过参照查找表来映射与识别的正极材料和负极材料的类型对应的第一系数信息a2、b2、c2和第二系数信息a1、b1、c1。

[0116] 在一个具体示例中，当正极材料和负极材料分别是LiCoO2和石墨时，a1、a2、b1、b2、c1和c2可分别确定为0.00018、0.00027、0.1、0.16、15和26。

[0117] 随后，控制单元110通过参照存储单元120来识别锂二次电池的负极负载量(例如，x0)，并确定与待施加至锂二次电池B的充电电流的C‑速率(y)相关的范围信息。

[0118] 在一示例中，上述范围可由以下条件确定。

[0119] [范围1]

[0120] y

[0121] 在另一示例中，上述范围可由以下条件确定。

[0122] [范围2]

[0123] c1‑b1x0+a1x02

[0124] 随后，控制单元110可以根据上述范围1或2调节充电电流的C‑速率(y)并将其施加至锂二次电池B。

[0125] 优选地，控制单元110可以通过控制充电单元160来将充电电流的C‑速率调节到接近上述范围1或2。

[0126] 控制单元110可以通过在充电时接收来自电压传感器130和/或电流传感器140的电压测量信号和/或电流测量信号的输入来监控锂二次电池B的充电状态。

[0127] 当锂二次电池B的电压接近预定裕度内的上充电电压或者锂二次电池B的SOC接近预定裕度内的SOC 100％时，控制单元110通过控制充电单元160降低充电电流的C‑速率，并且优选地，控制单元110可以降低充电电流的C‑速率至接近范围2的下限条件。

[0128] 充电单元160在控制单元110的控制下，根据由控制单元110确定的C‑速率，将充电电流提供给锂二次电池B。充电单元160包括DC/DC转换器、DC/AC转换器、和逆变器。与能够调节C速率的充电单元160相关的技术在本公开内容所属的技术领域中是众所周知的，在此省略其详细描述。

[0129] 控制单元110通过控制充电单元160来调节通过充电单元160在范围1或2内提供给锂二次电池B的充电电流的C‑速率。上面提供了C‑速率调节的细节。

[0130] 在本公开内容中，控制单元110可以选择性地包括本领域已知的处理器、专用集成电路(ASIC)、芯片组、逻辑电路、寄存器、通信调制解调器、和数据处理装置，以执行上述各种控制逻辑。另外，当控制逻辑110实现为软件时，控制单元25可以实现为一组程序模块。在这种情况下，程序模块可被存储在存储器中，并由处理器执行。存储器可以在处理器的内部或外部，并且可以利用各种公知的计算机部件连接至处理器。另外，存储器可被包括在本公开内容的存储单元120中。另外，存储器统称为存储信息的装置，而与装置的类型无关，并且不涉及特定的存储装置。

[0131] 另外，可以将控制单元110的各种控制逻辑的至少一个进行组合，并且可以将组合控制逻辑写入计算机可读代码系统中并记录在计算机可读记录介质中。记录介质不限于特定类型，并且包括可由包括在计算机中的处理器访问的任何类型。例如，记录介质包括选自由ROM、RAM、寄存器、CD‑ROM、磁带、硬盘、软盘和光学数据记录装置构成的组中的至少一个。另外，代码系统可以以分布式方式在经由网络连接的计算机中存储和执行。另外，用于实现组合控制逻辑的功能程序、代码和代码段可以由本公开内容所属的技术领域中的程序员容易地推断。

[0132] 在本公开内容中，锂二次电池可以是单元产品。另外，锂二次电池可以是包括串联和/或并联连接的单元产品或电池的模块。因此，显而易见的是，本公开内容不限于锂二次电池的物理数量。

[0133] 在描述本公开内容的各种实施方式时，应当理解，由“～单元”指定的部件是在功能上而不是在物理上分类的元件。因此，每个部件可以选择性地与其他部件组合，或者每个部件可以被分成子部件以有效地执行控制逻辑。然而，对于本领域技术人员来说显而易见的是，即使部件被组合或分开，如果可以确认功能的相同性，则组合或分开的部件也应当被解释为在本公开内容的范围内。

[0134] 尽管在上文中已经针对有限数量的实施方式和附图描述了本公开内容，但是本公开内容不限于此，并且对于本领域技术人员来说显而易见的是，可以在本公开内容的技术方面、所附权利要求及其等同物范围内对其进行各种修改和改变。