具有用户可查看的充电状态的电池单元

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具有用户可查看的充电状态的电池单元\n技术领域\n[0001] 本发明的实施例涉及电池单元。具体地，它们涉及关于可再充电电池单元的方法和装置。\n背景技术\n[0002] 电池单元存储能量，该能量可以被输出为电功率。\n[0003] 可再充电电池单元可以通过向电池单元提供电功率而充电。电池单元存储能量，该能量随着电池单元放电而被输出为电功率。\n[0004] 当电池单元被并入到装置中时，该装置在接通时可以在显示器上提供电池单元中当前存储的能量的指示。这使用电池单元的一些能量。\n[0005] 然而，必须接通装置以评估电池单元中当前存储的能量是不便的。\n发明内容\n[0006] 根据本发明的多个但不一定全部实施例，提供了一种电池单元，其包括：阳极，被配置为在该电池单元的放电期间作为阳离子的源而工作；以及电解质，被配置为在该电池单元的放电期间从所述阳极向阴极传输阳离子，其中所述阴极包括以下材料，该材料被配置为实现该电池单元的放电期间所传输的阳离子的可逆插入，并且具有依赖于阳离子插入并且可供用户查看的光学性质。\n[0007] 这提供了以下优点：用户能够通过查看材料并且无需采取任何其他行动来确定电池单元的充电状态。\n[0008] 用户还有可能无需使用能量而确定电池单元中所存储的能量。无需对附加的读出显示器或传感器供电。\n[0009] 这样的电池单元实现新的设备架构和设计。例如，可以将使用可见颜色改变来指示电池单元中所存储的能量的电池单元并入到设备的壳套中或构成壳套自身。\n[0010] 阳极可以是基于锂的阳极，在该情况下所述阳离子是锂离子。\n[0011] 该电池单元可以包括具有外壳部分的壳体，所述外壳部分使得用户能够通过透过所述外壳部分的视觉检查来识别所述材料的光学性质的改变。\n[0012] 所述阴极可以包括半透明或透明衬底，所述衬底使得用户能够通过透过所述衬底的视觉检查来识别所述材料的光学性质的改变。\n[0013] 所述阴极可以包括半透明或透明导电电极膜，所述导电电极膜位于所述衬底和所述材料之间。\n[0014] 所述电池单元可以具有外表面面积。所述材料可以由用户透过所述外表面面积的至少20％而查看。\n[0015] 所述材料的颜色可以依赖于阳离子插入。\n[0016] 所述材料可以是纳米材料。所述材料可以包括多个伸长的纳米结构，诸如例如纳米纤维。\n[0017] 所述材料可以由氧化钒(V)组成。\n[0018] 所述电解质可以是固体聚合物。\n[0019] 根据本发明的多个但不一定全部实施例，提供了一种用于制造电池的方法，其包括组合：包括以下材料的阴极，该材料被配置为实现电池单元的放电期间所传输的阳离子的可逆插入，并且具有依赖于阳离子插入的光学性质；阳极，被配置为在电池单元的放电期间作为阳离子的源而工作；以及电解质，被配置为在该电池单元的放电期间从所述阳极向所述阴极传输阳离子，从而所述材料的至少一部分可供用户查看。\n[0020] 根据本发明的多个但不一定全部实施例，提供了一种电池单元，其包括：阳极，被配置为在该电池单元的放电期间作为阳离子的源而工作；以及电解质，被配置为在该电池单元的放电期间从所述阳极向阴极传输阳离子，其中所述阴极包括伸长的纳米结构，所述纳米结构实现该电池单元的放电期间所传输的阳离子的可逆插入。\n[0021] 根据本发明的多个但不一定全部实施例，提供了一种形成电极的方法，其包括：\n[0022] a)由钒酸盐试剂、酸性离子交换树脂和水形成氧化钒(V)溶胶；\n[0023] b)加热；\n[0024] c)放置并且形成氧化钒(V)的纳米纤维；以及\n[0025] d)将纳米纤维沉积在衬底上。\n[0026] 根据本发明的多个但不一定全部实施例，提供了一种电池单元，其包括：电极，被配置为作为离子的源而工作；以及电解质，被配置为从阳极向第二电极传输离子，其中所述第二电极包括以下材料，该材料被配置为实现所传输的离子的可逆插入，并且具有依赖于离子插入并且至少部分可供用户查看的光学性质。\n附图说明\n[0027] 为了更好地理解本发明的实施例的多种示例，现在将仅以示例的方式参考以下附图：\n[0028] 图1示意地图示了电池单元的实施例；\n[0029] 图2A示意地图示了在电池单元的充电期间从阴极向阳极的阳离子传输；\n[0030] 图2B示意地图示了在电池单元的放电期间从阳极向阴极的阳离子传输；\n[0031] 图3示意地图示了前面参考图1、图2A和图2B描述的电池单元2的具体实施例；\n[0032] 图4是已充电状态中和已放电状态中阴极材料的透光率的示意图示；\n[0033] 图5A示意地图示了阴极材料的已充电状态；\n[0034] 图5B示意地图示了阴极材料的部分地已充电状态；\n[0035] 图5C示意地图示了阴极材料的已放电状态；\n[0036] 图6示意地图示了阴极材料的合适的结构形式的一个示例；\n[0037] 图7示意地图示了包括外壳的电池单元；\n[0038] 图8示意地图示了包括电部件和电池单元的装置；\n[0039] 图9示意地图示了电供能车辆；\n[0040] 图10示意地图示了用于生产作为纳米纤维的阴极材料的方法；\n[0041] 图10示意地图示了用于将阴极并入到电池单元2中的方法；以及\n[0042] 图11示意地图示了方法。\n具体实施方式\n[0043] 附图示意地图示了一种电池单元2，其包括：第一电极4，被配置为作为离子11的源/宿而工作；第二电极4，被配置为作为离子11的源/宿而工作；以及电解质6，配置为在所述第一电极4和第二电极8之间传输所述离子11。所述第二电极8包括被配置为实现所述离子11的可逆插入(插层(intercalation))的材料20。所述材料可供用户12查看并且具有依赖于材料处的离子插入的光学性质。\n[0044] 在一些但不一定全部实施例中，第一电极4在电池单元的放电期间可以作为离子的源而工作，并且第二电极4可以作为这些离子的宿而工作。第二电极4通过材料20处的它们的插入(插层)来作为离子的宿。然后第一电极4在电池单元2的充电期间可以作为离子的宿而工作，并且第二电极4可以作为这些离子的源而工作。第二电极4通过在材料\n20处逆转插入(插层)来作为离子11的源。\n[0045] 在一些但不一定全部实施例中，离子11可以是阳离子，例如锂离子。\n[0046] 材料20被配置为进入具有不同的关联的离子插入并且因此具有不同的关联的光学性质的多个依赖于充电的状态中的任何一个。材料20被配置为在没有能量输入的情况下保持在某个依赖于充电的状态直至附加的充电或放电改变该充电状态。新的充电状态将具有不同的关联的离子插入并且因此具有不同的关联的光学性质。因此，电池单元2的充电状态可以映射到材料20的当前光学性质。电池单元被配置为使得在对电池单元进行视觉检查时材料的当前光学性质对于用户来说是明显的。然后，用户能够通过对电池单元的简单的视觉检查而确定电池单元的充电状态。\n[0047] 材料20光学上依赖于离子。其光学性质依赖于离子插入(插层)。材料的人类视觉频率范围内的光学透射谱可以依赖于阳离子插入。例如，在一些实施例中，材料20可以是离子变色(ionochromatic)的。在本文中“离子变色”意为材料20对于人类用户显现的颜色依赖于离子被插入在材料20中的程度。因此仅仅需要简单的对材料20的透明或半透明窗口来实现用户12对材料20的光学性质(颜色)的视觉检查。在另一实施例中，离子依赖性例如可以导致材料20的极化的改变，在该情况下，仅仅需要对材料的极化窗口来实现用户对光学性质(极化)的视觉检查。从而，依赖于离子的光学性质可以包括诸如但不限于以下的性质：透射、反射、极化、或可以通过CIE坐标改变定义的色度的改变、或光学密度的改变，该光学密度的改变不需要任何颜色而是仅需要感知的亮度的改变(如灰度改变)。CIE是国际照明委员会，并且定义用于量化颜色的标准。其使用色度坐标x，y和亮度分量Z。\n[0048] 图1示意地图示了前述电池单元2的实施例。\n[0049] 在该实施例中，电池单元2包括阳极4、阴极8和电解质6。\n[0050] 阳极4被配置为在电池单元2的放电期间作为阳离子11的源而工作，并且在电池单元2的充电期间作为阳离子的宿而工作。\n[0051] 阴极8被配置为在电池单元2的放电期间作为阳离子11的宿而工作，并且在电池单元2的充电期间作为阳离子的源而工作。阴极8包括被配置为实现所传输的阳离子的可逆插入的材料20。在电池单元2的放电期间，阳离子被插入在材料20中。在充电期间，插入被逆转。\n[0052] 如图2A中所示，电解质6被配置为在电池单元2的充电期间从阴极8向阳极4传输阳离子。在图中阳离子11的传输被表示为离子流10。\n[0053] 电解质6被配置为在电池单元2的放电期间从阳极4向阴极8传输阳离子11。在图中阳离子11的传输被表示为离子流10。\n[0054] 阴极8包括具有依赖于阳离子插入的光学性质的材料20。材料20至少部分地可由用户12查看。\n[0055] 材料20被配置为进入具有不同的关联的阳离子插入并且因此具有不同的关联的光学性质的多个充电状态中的任何一个。充电状态“稳定”在于材料20在没有能量输入的情况下保持在某个充电状态直至附加的充电或放电改变该充电状态。新的充电状态将具有不同的关联的阳离子插入并且因此具有不同的关联的光学性质。因此，电池单元2的充电状态可以映射到材料20的当前光学性质。电池单元被配置为使得在对电池单元2进行视觉检查14时材料的当前光学性质对于用户来说是明显的。然后，用户能够通过对电池单元的简单的视觉检查而确定电池单元的充电状态。\n[0056] 材料20可以由过渡金属化合物组成。材料20可以是有机或无机的。材料20可以由诸如过渡金属硫属化合物(chalcogenide)之类的硫属化合物组成。硫属化合物例如可以是诸如过渡金属氧化物之类的氧化物。合适的过渡金属氧化物的一个示例是氧化钒(V)V2O5。\n[0057] 氧化钒(V)V2O5是离子变色材料的一个示例。据信，在离子插入时，初始的黄色钒\n2+\n(V)氧化状态改变为蓝色钒(IV)氧化状态[VO(H2O)5] ，然后改变为绿色钒(III)氧化状态\n3+ 2+\n[V(H2O)6] ，然后改变为紫色钒(II)氧化状态[V(H2O)6] 。\n[0058] 对于V2O5，在锂化期间，Li+离子被并入到氧化物中，并且同时V5+位点通过贡献电子而被还原为V4+。诸如PEO/V2O5电致变色膜之类的固体电池电解质偏好V4+/V5+固态氧化还原过渡的反应动力学。\n[0059] 离子变色材料的其他离子包括诸如W2O3之类的无机粒子以及诸如聚苯胺、聚吡咯等之类的有机导电聚合物。\n[0060] 通过使用基于原色青、黄、品红的相减颜色系统，有可能创建具有任意颜色的离子变色颜色改变，诸如Kobayashi et.al.“organic electrochromism for a new color electronic paper”Solar energy materials and solar cells 92(2008)136-139中描述的对苯二甲酸酯(terephthalate)。\n[0061] 光学上依赖于离子但不是或不仅仅是离子变色的材料的示例是聚苯胺。该材料的颜色依赖于掺杂状态(多少阴离子被插入到聚合物主干中)，但不完全是离子变色的，因为氧化状态也确定其颜色。\n[0062] 大多数p型导电聚合物在阴离子被插入时改变颜色。\n[0063] 图3示意地图示了前面参考图1、图2A和图2B描述的电池单元2的具体实施例。\n[0064] 在该示例中，电池单元2是可再充电的基于锂的电池单元。阳极4在放电期间作+\n为锂离子(Li)的源而工作，而在充电期间作为锂离子的宿而工作。\n[0065] 电池单元2可以是锂电池，其中阳极2包括作为源/宿的锂金属。\n[0066] 电池单元2可以是锂离子电池，其中阳极2包括诸如例如石墨的对锂离子进行插层的材料。\n[0067] 在该示例中，电池单元2是有机-无机混合物。电解质是聚合物。\n[0068] 在所图示的示例中，聚合物电解质是固体聚合物。因为不需要对液体电解质的封装，这促进了电池单元2的生产并且简化了电池单元结构。\n[0069] 合适的非聚合物电解质的示例包括离子液体电解质和无机固体锂电解质，诸如锂磷氮氧化物(LiPON)电解质。合适的聚合物电解质的示例包括PEO(聚氧化乙烯)及其衍生物。合适的固体聚合物电解质的示例包括PEO及其衍生物。\n[0070] 在该示例中，材料20的支撑结构是透明或半透明的以使得用户12能够查看材料\n20。\n[0071] 支撑结构包括半透明/透明衬底24和提供电池单元2的端子的透明/半透明电极膜。\n[0072] 半透明或透明衬底使得用户能够通过透过衬底的视觉检查而识别材料20的光学性质的改变。\n[0073] 衬底24可以是柔性衬底。衬底24可以例如由聚对苯二甲酸乙二酯(PET)膜形成，但也可能是其他衬底，诸如：聚酯、聚乙烯聚合物、纤维素酯、三醋酸纤维素、二醋酸纤维素、醋酸丙酸纤维素、醋酸丁酸纤维素；聚酯、聚(环烷酸乙二酯)、聚(对苯二甲酸-1，4-环己二甲酯)、聚(对苯二甲酸丁二酯)、聚酰胺；聚碳酸酯、聚苯乙烯；聚烯烃、聚乙烯、聚丙烯或聚丁烯、聚砜、聚丙烯酸酯；聚醚酰亚胺；聚氯乙烯；聚醋酸乙烯酯；聚乙烯胺；聚氨酯；\n聚丙烯腈；聚甲醛；聚四氟乙烯；聚偏二氟乙烯(polyfluorovinylidene)；聚硅氧烷；聚碳硼烷；聚异戊二烯或其他橡胶；以及聚环烷酸乙二酯(PEN)，其是透明坚固的聚合物衬底。\n[0074] 电极膜例如由铟锡氧化物(ITO)形成。或其他透明导电氧化物，诸如铝掺杂锌氧化物(AZO)、氟掺杂锡氧化物、镁掺杂ZnO(MZO)、镓掺杂ZnO(GZO)、铝掺杂MZO(AMZO)、镓掺杂MZO(GMZO)、或透明导电聚合物，诸如聚(3，4-乙烯二氧噻吩)、聚(苯乙烯磺酸盐)。\n[0075] 电解质6还可以是透明或半透明的以使得光能够从电解质透过材料20和支撑结构传递到用户12。\n[0076] 在该实例中，材料20由作为离子变色材料的氧化钒(V)组成。\n[0077] 图5A示意地图示了材料20的第一已充电状态。在该状态中，材料20具有很少的插入的锂离子，并且具有第一光学性质(透明/白色)。当电池单元已充电时材料20处于该状态。材料20保持在该状态，直至电池开始放电。\n[0078] 图5C示意地图示了材料20的第二已放电状态。在该状态中，材料20具有许多插入的锂离子，并且具有第二光学性质(深蓝色)。当电池单元已放电时材料20处于该状态。\n材料20保持在该状态，直至电池开始充电。\n[0079] 图5B示意地图示了材料20的第三部分地已充电状态，在该状态中，材料20具有一些插入的锂离子，并且具有第三光学性质(蓝色)。当电池单元在第一已充电状态和第二已放电状态之间时，材料20处于该状态。材料20保持在该状态，直至电池开始充电或放电。\n[0080] 第一光学性质、第二光学性质和第三光学性质使得用户可以通过对材料20的视觉检查而在它们之间进行区分。\n[0081] 图4是第一已充电状态D和第二已放电状态C的示意图示。该图图示了蓝光的透光率。当材料20处于已放电状态C时透光率低，而当材料20处于已充电状态C时透光率较高。状态之间的透光率的改变是透光率的大约70％的增加和透光率的大约60％的减少。\n[0082] 图6示意地图示了材料20的合适的结构形式的一个示例。在该示例中，材料20是纳米材料。纳米材料是由离散的元件组成的、其中每个元件具有小于1微米的最小尺度的材料。\n[0083] 在该示例中，材料包括多个伸长的纳米结构，其具有大于1微米的长的长度但具有最大尺度显著小于1微米的正常横截面积。在该示例中，伸长的纳米结构是纳米纤维，对于本文的目的而言，纳米纤维是具有最大尺度显著小于100纳米的正常横截面积的伸长的纳米结构。\n[0084] 已经发现，纳米材料的使用改进了能量存储容量并且改进了材料的离子变色性质。\n[0085] 图7示意地图示了电池单元2，其包括暴露第一端子31和第二端子32的外壳30。\n外壳30具有外壳部分34，该外壳部分34使得用户能够通过透过外壳部分的视觉检查来识别材料20的光学性质的改变。\n[0086] 再次参考图3的示例，衬底24可以与外壳部分30对齐或是外壳部分30的一部分。\n[0087] 在所图示的示例中，电池单元具有外表面面积和占据外表面面积的至少20％的外壳部分。因此，材料20可由用户透过电池单元2的外表面面积的至少20％查看。\n[0088] 该大的面积可以像依据可供用户消耗的能量而进行像素的颜色化的显示器那样使用\n[0089] 图8示意地图示了装置40，其包括电部件42和如权利要求1至21中任一项所述的电池单元2，所述电池单元2用于向所述电部件42提供功率。\n[0090] 装置40例如可以是诸如手持设备之类的便携式设备。\n[0091] 装置40例如可以是诸如移动电话、个人音乐设备、个人多媒体设备、记录设备之类的便携式电子设备。\n[0092] 在进一步的实施例中，装置40可以是如图9中所示的电供能车辆。电池2可以是车辆的首要或次要驱动单元。\n[0093] 图10示意地图示了用于生产作为纳米纤维的材料20的方法50。\n[0094] 该方法在块52开始，其中由钒酸盐试剂、酸性离子交换树脂和水形成氧化钒(V)溶胶。\n[0095] 钒酸盐试剂是偏钒酸铵NH4VO3。偏钒酸铵∶酸性离子交换树脂∶水的重量比例近似为1∶10∶200，如0.4g偏钒酸铵和4g酸性离子交换树脂混合在80ml的水中。\n[0096] 接着，在块52，加热氧化钒(V)溶胶。加热是在60摄氏度持续20分钟以产生橙色溶胶，该橙色溶胶随时间变深。\n[0097] 接着，在块54，加热后的氧化钒(V)溶胶被放置冷却并且形成氧化钒(V)的纤维。\n[0098] 钒(V)纳米纤维是带状的，其具有显著大于(大100倍或更多)宽度的长度，宽度大于(大4至20倍)厚度。在该示例中，当溶液被在室温下放置一周时，获得高达10微米长、10纳米宽和1.5纳米厚的带状纤维。\n[0099] 通过X射线衍射和低温透射电子显微镜，发现通过该例程制备的水合纳米纤维具有双层结构，其中每层由两个氧化钒(V)片组成。\n[0100] 接着，在块56，纳米纤维被沉积在衬底上。衬底可以包括铟锡氧化物膜，该铟锡氧化物膜已利用氨丙基三乙氧基硅烷预处理以生成表面上的正电荷铵基团(group)。\n[0101] 通过修改溶胶-凝胶方法，可以制成V2O5的五角二十四面体(gyroid)纳米结构，并且在图5中示出了透明ITO玻璃衬底上产生的这样的结构的材料的SEM图像。\n[0102] 一旦已经如参考图10描述的那样形成阴极8，它可以如所示那样通过图11中的方法60并入到电池单元2中。\n[0103] 在块62，阴极与阳极4和电解质6组合。在块64，将阴极放置于电池单元2的壳体f内，从而在电池单元2的使用期间离子变色阴极材料20至少部分对用户可见。\n[0104] 如这里所使用的“模块”指排除了可由终端制造商或用户添加的特定部件/元件的单元或装置。电池单元可以是模块。\n[0105] 虽然已经参考多个实施例在之前的段落中描述了本发明的实施例，但应当理解，可以进行对所给出的示例的修改而不从如所请求保护的本发明的范围偏离。\n[0106] 之前的描述中所描述的特征可以按照不同于明确描述的组合的组合来使用。\n[0107] 虽然已经参考特定特征描述了功能，但这些功能可以通过其他特征执行，无论所述特征是否已描述。\n[0108] 虽然已经参考特定实施例描述了特征，但这些特征还可以出现在其他实施例中，无论所述实施例是否已描述。\n[0109] 虽然在以上说明书中努力集中注意力于本发明的据信特别重要的那些特征，但应当理解，申请人关于上文提及和/或在附图中示出的任何可专利特征或特征的组合而请求保护，无论所述特征或特征的组合是否已被特别强调。