專利名稱：能量存儲(chǔ)裝置及其電池構(gòu)造的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明可包括涉及一種用作熔鹽電化學(xué)電池的物品的實(shí)施例。本 發(fā)明可包括這樣的實(shí)施例，其涉及一種使用電化學(xué)電池的方法，并涉 及一種包括這種電化學(xué)電池的能量存儲(chǔ)裝置。
背景技術(shù)：
當(dāng)前可獲得各種可充電的蓄電池和化學(xué)蓄電池。鈉/硫(NaS)和鋰/ 硫(LiS)蓄電池是兩種商業(yè)上可獲得的熔鹽蓄電池。所生產(chǎn)的第一商業(yè) 蓄電池是鈉/硫蓄電池，其具有用于正極的液態(tài)硫和用于隔離器的P -氧化鋁隔離電解質(zhì)(BASE)的陶瓷管。在典型地在這種蓄電池中發(fā)現(xiàn)的 苛刻的化學(xué)環(huán)境中，絕緣體的腐蝕可能是難以解決的。這可能導(dǎo)致絕 緣體逐漸地變成導(dǎo)電的，從而提高了自放電率。
可能期望的是有一種熔鹽電化學(xué)電池，其具有與目前可獲得的那 些電化學(xué)電池不同的化學(xué)性質(zhì)?？赡芷谕氖怯幸环N與目前可獲得的 那些方法不同的能量存儲(chǔ)裝置?？赡芷谕氖怯幸环N與目前可獲得的 那些裝置不同的能量存儲(chǔ)裝置。

發(fā)明內(nèi)容
在一個(gè)實(shí)施例中，提供了一種物品，其包括具有第一表面和第二 表面的隔離器，第一表面限定了第一室的至少一部分，并且笫二表面 限定了第二室。第一室與第二室通過(guò)隔離器而成離子連通。陰極材料
與隔離器成電氣連通，并能夠形成金屬卣化物。在第一室或第二室的 至少其中一個(gè)室中設(shè)置了一種支撐結(jié)構(gòu)。該支撐結(jié)構(gòu)是電傳導(dǎo)的，并
與集電器成電氣連通。陰極材料被支撐于支撐結(jié)構(gòu)的表面上。
本發(fā)明的實(shí)施例還提供了一種包括該物品的能量存儲(chǔ)裝置和能量管理系統(tǒng)。本發(fā)明提供了一種制造和/或使用該物品的方法。


圖l是本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的透視圖。
圖2A是本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的示意性的橫截面?zhèn)纫晥D。 圖2B是圖2A結(jié)構(gòu)的示意性的橫截面頂視圖。 圖3A-3J形成了用于本發(fā)明實(shí)施例中的設(shè)計(jì)陣列。 圖4顯示了在以100mA/cm2電流強(qiáng)度熔化的ZnCl2:NaCl中鍍Zn 的RVC泡沫的充電曲線圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明可包括涉及一種用作熔鹽電化學(xué)電池的物品的實(shí)施例.本 發(fā)明可包括這樣的實(shí)施例，其涉及一種使用電化學(xué)電池的方法，并涉 及一種包括這種電化學(xué)電池的能量存儲(chǔ)裝置。
在一個(gè)實(shí)施例中，提供了一種物品，其包括具有第一表面和第二 表面的隔離器，第一表面限定了第一室的至少一部分，并且第二表面 限定了第二室。第一室與第二室通過(guò)隔離器而成離子連通。陰極材料 與隔離器成電氣連通，并能夠形成金屬卣化物。在第一室或第二室的 至少其中一個(gè)室中設(shè)置了一種支撐結(jié)構(gòu)。陰極材料被支撐于支撐結(jié)構(gòu) 的表面上。
合適的隔離器可具有依賴于應(yīng)用的各種幾何形狀。例如，某些隔 離器可以是大致平坦的，或者可具有圓頂形或凹陷形的幾^f可形狀。平 坦的、圓頂形或凹陷形幾何形狀可用于按^L式蓄電池中。其它隔離器 可以是波浪形、波紋狀或網(wǎng)狀的。還有一些其它隔離器可以是圓柱形、 球形、橢圓形、圓錐形、任何其它合適的幾何形狀或其任意組合。某 些隔離器可以是閉合面，但其它隔離器可能包括與可用于閉合表面的 結(jié)構(gòu)相結(jié)合的開(kāi)口面。例如，在一個(gè)實(shí)施例中，隔離器可以是大致圓 柱形的，并且具有一個(gè)或多個(gè)開(kāi)口端。然而，開(kāi)口端可對(duì)外殼或蓋子密封，并因此可保持第一室和第二室之間的隔離.進(jìn)一步參照隔離器， 其可具有垂直于軸線的橫截面輪廓，該橫截面輪廓為矩形、橢圓形、 三角形、多邊形、十字形或星形。作為備選，橫截面輪廓可以是苜蓿 葉形、圓形或方形。因?yàn)樵撦喞筛鶕?jù)形成橫截面切片的位置而不同， 所以隔離器可基于切片位置而具有兩個(gè)或更多個(gè)橫截面輪廓。
隔離器可抵抗由于熱循環(huán)、壓力差和/或振動(dòng)而造成的機(jī)械損傷。 在一個(gè)實(shí)施例中，增加的機(jī)械強(qiáng)度是由較厚的隔離器引起的。然而， 較厚的壁可能由于增加的電阻率而導(dǎo)致性能下降。在另一實(shí)施例中， 隔離器可抵抗由于其成分上的變化、添加劑的引入、制造方法的改進(jìn) 等而引起的初4戎損傷?？蛇x地，某些實(shí)施例可包括提高離子傳導(dǎo)率的 特征，例如更大的孔隙尺寸、摻雜劑和/或促進(jìn)離子流動(dòng)的涂層。在某 些實(shí)施例中，這些特征可補(bǔ)償由加強(qiáng)隔離器的特征所引起的傳導(dǎo)率損 耗。
隔離器可以是伸長(zhǎng)的，并限定軸線。第一室可圍繞軸線同軸地i殳 置。隔離器可包括軸向和/或徑向地相對(duì)彼此間隔開(kāi)的兩個(gè)或更多個(gè)區(qū) 域。某些實(shí)施例可包括徑向地帶和軸向區(qū)域的組合。才艮據(jù)一個(gè)實(shí)施例， 成分的濃度、存在和/或類型可連續(xù)地、不連續(xù)地或根據(jù)預(yù)定的模式從 第一軸向區(qū)域向第二軸向區(qū)域變化，或從第一徑向地帶向第二徑向地 帶變化。
與隔離器的表面相鄰的是支撐結(jié)構(gòu)，其可遠(yuǎn)離隔離器表面而延伸
出來(lái)。支撐結(jié)構(gòu)可遠(yuǎn)離隔離器表面而延伸至大于約O.l毫米的厚度。 在一個(gè)實(shí)施例中，厚度在從約0.1毫米至0.2毫米、從約0.2毫米至 0.5毫米、從約0.5毫米至0.6毫米、從約0.6毫米至1毫米、從約1 毫米至5毫米、從約5毫米至10毫米、或從約10毫米至20毫米的 范圍內(nèi)。在包括更大容量的能量存儲(chǔ)裝置的實(shí)施例中，厚度可大于20 毫米。
支撐結(jié)構(gòu)可以是連續(xù)的基質(zhì)或?qū)嶓w結(jié)構(gòu)。在任一情況下， 支撐 結(jié)構(gòu)都是電傳導(dǎo)的，并與集電器保持電氣連通。如果使用粉末，那么在使用期間可圍繞粉末粒子形成相對(duì)較為電絕緣的鹽層，從而將粉末 粒子彼此電隔離開(kāi)(電氣中斷)，并與集電器電隔離開(kāi)(電氣絕緣)。因此， 在使用粉末支撐結(jié)構(gòu)的實(shí)施例中可選擇陰極材料和支撐電解質(zhì)，使得 不會(huì)基于電荷狀態(tài)形成相對(duì)較為電絕緣的鹽層一一或者不形成鹽層， 或者如果形成鹽層，則該鹽層不是電絕緣的或電阻性的。
將陰極材料放置于支撐結(jié)構(gòu)上，而非液體熔化物中，可形成并保 持非均勻的分布。例如，相對(duì)更遠(yuǎn)離隔離器的點(diǎn)，陰極材料的濃度可 不同于更靠近隔離器的點(diǎn)。在一個(gè)備選實(shí)施例中，支撐結(jié)構(gòu)可包括多 種陰極材料，其中一種陰極材料相對(duì)于另 一種具有不同的激勵(lì)電壓。 在這種備選實(shí)施例中，支撐結(jié)構(gòu)可起到充電狀態(tài)指示器的作用。
支撐結(jié)構(gòu)可以是多孔的。合適的多孔支撐結(jié)構(gòu)可以是泡沫、網(wǎng)狀 物、編織物、氈、纖維或須狀物。在一個(gè)實(shí)施例中，支撐結(jié)構(gòu)可以是 多個(gè)填塞的粒子。合適的支撐結(jié)構(gòu)可包括陶瓷、金屬陶汔、玻璃和金 屬。其它合適的支撐結(jié)構(gòu)可由碳形成。合適的碳泡沫可包括商業(yè)上可
從電合成公司(紐約)得到的網(wǎng)狀玻璃碳(RVC)。其它合適的泡沫可由陶 瓷或電化學(xué)惰性金屬形成。
網(wǎng)狀玻璃碳(RVC)泡沫是包括玻璃碳的開(kāi)孔泡沫材料。玻璃碳包 括無(wú)定形結(jié)構(gòu)，并且將某些玻璃屬性與其它工業(yè)碳例如碳黑、碳化纖 維或石墨的屬性結(jié)合起來(lái)。不同于其它碳質(zhì)材料例如石墨涂層和碳化 纖維，RVC在其材料屬性方面是各向同性的。RVC具有格外低的相 對(duì)密度(3%)、高的表面積、低的流體流動(dòng)阻抗，并可在非氧化環(huán)境中 承受非常高的溫度。
合適的泡沫能夠以寬范圍的孔隙尺寸等級(jí)在商業(yè)上提供，孔隙尺 寸等級(jí)從小于約每英寸5孔隙(PPI)至大于約每英寸10,000孔隙的范圍 內(nèi)變化。在一個(gè)實(shí)施例中，RVC可具有從約每英寸5孔隙至每英寸 100孔隙、從約每英寸IOO孔隙至每英寸1500孔隙、從約每英寸1500 孔隙至每英寸2000孔隙、從約每英寸2000孔隙至每英寸2500孔隙、 從約每英寸2500孔隙至每英寸3000孔隙、從約每英寸3000孔隙至每英寸3500孔隙、從約每英寸3500孔隙至每英寸4000孔隙、從約 每英寸4000孔隙至每英寸4500孔隙、從約每英寸4500孔隙至每英 寸7500孔隙、從約每英寸7500孔隙至每英寸8000孔隙、從約每英 寸8000孔隙至每英寸10,000孔隙或大于每英寸10,000孔隙范圍內(nèi)的 平均孔隙尺寸。在一個(gè)備選實(shí)施例中，RVC可被縮小至其1/9的原始 體積，從而實(shí)現(xiàn)甚至更大的比表面積(即每單位質(zhì)量的表面積)。
表1. RVC泡沫的物理特性(3%的標(biāo)稱密度)
壓縮強(qiáng)度*40-170 psi(0.28-1.20 MPa)
拉伸強(qiáng)度*25-150 psi(0.17-1.02 MPa)
彈性模量*4.5-9 103 psi(31-62 MPa)
剪切模量*4.4' 103psi(30.3 MPa)
硬度6-7 Mohs
比熱0.3 BTU.Ib".。F1(1.26 J.g-'。C1)
堆積導(dǎo)熱率0.25 - 0.35 BTU-inft-2.hr扁!。F1(0.33 -0.50 Wm"。C1)
熱膨脹系數(shù)0-醇C1.2 10-《in'in".。F1(2.2 loAm.m-JoC-1)
100- 1000。C1.8 . 10—6.iirin十。F1(3.2 . lOAm'm-^C1)
體電阻率12.7' 10-2- ohm-in(5 lO—2- ohm - cm)
溫度限制空氣中600oF(315°C)
非氧化環(huán)境中1800。F(1000°C)
承隨著孔隙尺寸(PPI)而變化
陰極材料被電化學(xué)反應(yīng)前沿所消耗，該前沿開(kāi)始于最靠近隔離器 的區(qū)域并逐漸遠(yuǎn)離隔離器。在陰極材料同軸地包圍隔離器的實(shí)施例 中，反應(yīng)前沿的表面積隨著前沿徑向向外移動(dòng)而增加。隨著反應(yīng)前沿 向外推進(jìn)，反應(yīng)速率由于離子電阻率的增加而降低。產(chǎn)生陰極材料的 梯度以便陰極材料的濃度隨著電阻率的增加而增加，這可嫂反應(yīng)速率 穩(wěn)定。
在陰極材料包含在隔離器內(nèi)的實(shí)施例中，反應(yīng)前沿從最靠近隔離 器內(nèi)表面處向內(nèi)推進(jìn)。因此，反應(yīng)前沿的表面積隨著其向內(nèi)推進(jìn)而減小。表面積上的變化可能由于可利用的陰極材料的數(shù)量減少而影響能 量存儲(chǔ)裝置的性能。在其它實(shí)施例中，通過(guò)產(chǎn)生可利用的陰極材料的 濃度梯度可減輕或消除這種表面積影響，該濃度梯度朝著軸線徑向向 內(nèi)增加。
如上面提到的那樣，依賴于電池構(gòu)造，陰極材料和其它成分可具 有相對(duì)于支撐結(jié)構(gòu)上的軸向或徑向位置成梯度的濃度。陰極材料濃度 可以是在支撐結(jié)構(gòu)上的位置的函數(shù)。因?yàn)殡娀瘜W(xué)反應(yīng)可關(guān)于陰極材料 的反應(yīng)前沿進(jìn)行控制，所以離隔離器最遠(yuǎn)的陰極材料可能是最后消耗 的陰極材料一一并因此可由具有不同激勵(lì)電壓的材料形成，并且該材 料明顯不同于主體陰極材料。濃度梯度可以是線性的、非線性的，或 者可以是相對(duì)于軸向和/或徑向位置成階梯狀的。在某些實(shí)施例中，這 種梯度濃度分布可實(shí)現(xiàn)更穩(wěn)定的能量存儲(chǔ)裝置，或者可使能量存儲(chǔ)裝
置具有與電荷狀態(tài)(soc)無(wú)關(guān)的基本平滑的放電剖面。在其它實(shí)施例 中，這種梯度可起到充電狀態(tài)指示器的作用。
其中支撐結(jié)構(gòu)包括一個(gè)或多個(gè)板的實(shí)施例可在相鄰的區(qū)域或地 帶之間保持陰極材料濃度差。板可以以有或者沒(méi)有多孔支撐結(jié)構(gòu)的狀 態(tài)使用。基于板的支撐結(jié)構(gòu)可包括至少一個(gè)橫向板，該橫向板橫切軸 線，并限定了至少第一軸向區(qū)域和第二軸向區(qū)域。板可用作主隔離器 的容積內(nèi)的質(zhì)量和/或電荷載體流的物理屏障。在另一實(shí)施例中，支撐 結(jié)構(gòu)是一系列限定了軸向區(qū)域和/或徑向地帶的板。
這些板可以是一種連續(xù)的多孔支撐結(jié)構(gòu)，其阻塞了從一個(gè)區(qū)域至 另一區(qū)域的離子流動(dòng)和/或電氣流動(dòng)。在一個(gè)實(shí)施例中，可通過(guò)陰極材 料或添加劑的軸向濃度梯度來(lái)限定軸向區(qū)域。如果梯度是連續(xù)的，那 么可選擇任意濃度作為關(guān)于例如電荷狀態(tài)的區(qū)域邊界。如果梯度是分 階梯度，那么可以僅通過(guò)步階變化來(lái)限定區(qū)域。
一個(gè)或多個(gè)板可通過(guò)密封結(jié)構(gòu)而與隔離器的表面相接合。如果存 在的話，密封結(jié)構(gòu)可與用于將蓋子密封到外殼上的密封結(jié)構(gòu)相同。合 適的密封結(jié)構(gòu)可包括玻璃質(zhì)成分。合適的玻璃質(zhì)成分可包括一種或多種磷酸鹽、硅酸鹽或硼酸鹽。其它合適的密封結(jié)構(gòu)可包括金屬陶瓷。 關(guān)于徑向地帶，通過(guò)同軸地間隔開(kāi)的圓柱體，或通過(guò)陰極材料的
濃度梯度可限定這種地帶。類似于軸向區(qū)域，可通過(guò)其它材料例如添
加劑的存在或數(shù)量來(lái)限定該地帶。
合適的陰極材料可包括以元素形式、鹽的形式或以元素及鹽二者
的形式而存在的至少一種陰極材料?；谠匦问胶望}形式的總重
量，元素形式在數(shù)量上可存在于重量百分?jǐn)?shù)約1%至99%的范圍內(nèi)。 基于元素形式和鹽形式的總重量，鹽形式在數(shù)量上可存在于重量百分 數(shù)約99%至1%的范圍內(nèi)。根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，元素形式的陰極金屬的 重量百分?jǐn)?shù)相對(duì)鹽形式的陰極金屬的重量百分?jǐn)?shù)的比值基于電化學(xué) 電池的充電狀態(tài)。陰極金屬可包括鋅、銅、鐵、鎳或它們的任意組合。 在一個(gè)實(shí)施例中，陰極金屬基本上由鋅組成。在某些實(shí)施例中，集電 器可與陰極材料保持電氣連通。
根據(jù)某些實(shí)施例，陰極材料還可包括一種或多種添加劑。適合于 在陰極材料中使用的添加劑可包括以任何合適的氧化狀態(tài)而存在的 鴒、鈦、鈮、鉬、鉭和釩或其任意組合。陰極金屬相對(duì)于一種或多種 添加劑可以小于約100:1的比率而存在。陰極金屬相對(duì)于一種或多種 添加劑可以大于約1:100的比率而存在。 一種或多種添加劑可包^"陰 極金屬的固溶體，可螯合在陰極金屬中，或者溶解并螯合在陰極金屬 中。
鹽形式的陰極材料可包括金屬卣化物。在一個(gè)實(shí)施例中，卣化物 可包括氯、碘、氟或其任意組合。在某些實(shí)施例中，卣化物可基本上 由氯組成。此外，某些實(shí)施例可包括混合的金屬卣化物，其中一種或 多種金屬同時(shí)以多種氧化狀態(tài)存在。
鹽形式的陰極金屬可包括電解質(zhì)。在某些實(shí)施例中，電解質(zhì)可包 括不同于陰極金屬和/或陽(yáng)極金屬的金屬鹽。電解質(zhì)可包含添加劑例如 含疏和/或含磷的添加劑，以及金屬卣化物例如鎳卣化物、銅卣化物和 錫離化物。在一個(gè)實(shí)施例中，電解質(zhì)可設(shè)置在腔室中。一個(gè)實(shí)施例包括三元電解質(zhì)。三元電解質(zhì)在高到足以熔化鹽的操 作溫度下可包括鹽形式的陰極金屬、鹽形式的陽(yáng)極金屬以及鹽形式的
第三金屬。例如，三元電解質(zhì)可包括ZnCl2:NaCl:AlCl3。在一個(gè)實(shí)施 例中，三元電解質(zhì)基本上由ZnCl2:NaCl:AlCl3組成。因此，鹽形式的 第三金屬可包括鋁。在低于320攝氏度的操作溫度下，合適的 ZnCl2:NaCl: A1C13的比率可使ZnCl2含量的重量百分?jǐn)?shù)高達(dá)約19°/。。 隨著氯化鋁的濃度在三元系統(tǒng)中增加，氯化鋁的種類主要變成A12C17。 基于重量而言，氯化鋁可呈現(xiàn)大于NaCl的數(shù)量。含》克或含^粦的添加 劑可設(shè)置在電解質(zhì)中。例如，合適的添加劑可包括三苯1^克化物。
另一實(shí)施例包括二元電解質(zhì)。合適的二元電解質(zhì)可包括ZnCl2和 另一種鹽，例如NaCl。在操作溫度下，重量百分比超過(guò)20%的鋅鹽可 溶解于其它熔化的鹽中。在一個(gè)實(shí)施例中，鋅鹽具有從重量百分比約 20%至35%、從重量百分比約35%至50%、從重量百分比約50%至 75%、或從重量百分比約75%至99°/。范圍內(nèi)的可溶性。在一個(gè)實(shí)施例 中，ZnCl2在其它鹽中的可溶性達(dá)到重量百分比約100%。
具有富含ZnCl2的熔化物(即按重量超過(guò)約一半)的實(shí)施例是酸性 的，并且可形成路易斯酸團(tuán)。在約1.7V下，鋁轉(zhuǎn)換成鋁金屬，從而 包含氯化鋁電解質(zhì)的電池可具有約1.7伏的較低截止電壓以避免損傷 電池。在某些實(shí)施例中，隨著ZnCl2含量的增加，較低的截止電壓水 平可能下降，或者可能變成不必要的。因此，包括二元電解質(zhì)或三元 電解質(zhì)的某些實(shí)施例能夠使用零至2.6伏的全部電,壓范圍，而非1.7 伏至2.6伏的窗口。
合適的陽(yáng)極材料可包括以元素形式、鹽的形式或以元素及鹽二者 的形式而存在的至少一種陽(yáng)極金屬?；谠匦问胶望}形式的總重 量，陽(yáng)極金屬的元素形式在數(shù)量上可存在于重量百分比約1%至99% 的范圍內(nèi)?；谠匦问胶望}形式的總重量，陽(yáng)極金屬的鹽形式在數(shù) 量上可存在于重量百分比約1%至99%的范圍內(nèi)。根據(jù)一個(gè)實(shí)施例， 元素形式的陽(yáng)極金屬的重量百分?jǐn)?shù)相對(duì)鹽形式的陽(yáng)極金屬的重量百分?jǐn)?shù)的比值基于電化學(xué)電池的充電狀態(tài)。陽(yáng)極金屬可包括鋰、鈉或其 任意組合。在一個(gè)實(shí)施例中，陽(yáng)極金屬由基本上鈉組成。在某些實(shí)施 例中，集電器可與陽(yáng)極材#^持電氣連通。
在一個(gè)實(shí)施例中，陽(yáng)極材料可包括一種或多種添加劑。適合于在 陽(yáng)極材料中使用的添加劑可包括除氧劑，包括以任何合適的氧化狀態(tài) 而存在的鈦、錳、鋯、釩、鋁或其任意組合。陽(yáng)極金屬相對(duì)于一種或
多種添加劑可以小于約100:1的比率而存在。陽(yáng)極金屬相對(duì)于一種或 多種添加劑可以大于約1:100的比率而存在。 一種或多種添加劑可溶 解在陽(yáng)極金屬中、與陽(yáng)極金屬相接觸、或者溶解在陽(yáng)極金屬中且與陽(yáng) 極金屬相接觸。
根據(jù)某些實(shí)施例，熔化的陽(yáng)極金屬的水平可依據(jù)電荷狀態(tài)而變 化。因此，某些實(shí)施例能夠通過(guò)感測(cè)熔化的陽(yáng)極金屬的水平而跟蹤或 確定電荷狀態(tài)。此外，合適的控制器能夠利用陽(yáng)極頭高度數(shù)據(jù)來(lái)控制 和/或調(diào)整電化學(xué)電池的性能。
在一個(gè)實(shí)施例中，外殼可具有方形、多邊形或圓形的橫截面輪廓。 此外，合適的外殼可具有約1:10至10:1的范圍內(nèi)的長(zhǎng)寬比。外殼可 包括選自金屬、陶乾或聚合物的材料。金屬可選自鎳金屬和鎳^r或 亞鐵基金屬和合金。陶瓷可包括各種合適的金屬氧化物。聚合物可包 括能夠承受正常操作溫度和操作條件的熱塑性材料或熱固性材料。
圖1中顯示了物品100，其圖示了本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例。在該物 品中，陰極材料的濃度和/或類型在由隔離器的內(nèi)表面所限定的容積上 沿軸向不同。物品100包括圓柱形的外殼102和隔離器104,其各具 有圓形橫截面輪廓，并限定了軸線110。外殼具有內(nèi)表面(沒(méi)有用標(biāo)號(hào) 標(biāo)出)，其限定了總的空間112。隔離器具有內(nèi)表面(沒(méi)有用標(biāo)號(hào)標(biāo)出)， 其限定了容積114。板116橫切軸線，并將該容積分成兩個(gè)區(qū)域軸 向區(qū)域一 122和軸向區(qū)域二 124。在所示的實(shí)施例中，陰極材料的濃 度具有隨著區(qū)域一向區(qū)域二的過(guò)渡而變化的步階變化，并且陰極材料 設(shè)置在多孔支撐結(jié)構(gòu)上。板是連續(xù)的，并對(duì)隔離器的內(nèi)表面密封。因此，板起到了在具有不同成分濃度的區(qū)域之間的邊界作用。在其它實(shí) 施例中，可添加額外的板，從而產(chǎn)生額外的軸向區(qū)域。類似地，其它 實(shí)施例可包括多個(gè)板，以替代多孔支撐結(jié)構(gòu)。
在使用期間，陽(yáng)極材料經(jīng)由隔離器從容積114流入總空間112的 剩余部分中.重力造成液態(tài)陽(yáng)極材料在底部匯合成池，并隨著物品的 充電狀態(tài)的變化而向上填充。因而橫跨隔離器的陽(yáng)極材料的濃度梯度 可能從電池頂部相對(duì)電池底部而不同?？蛇x的支撐環(huán)130是不連續(xù)的， 并容許陽(yáng)極材料/人其中流過(guò)。
所示的實(shí)施例可通過(guò)浸漬支撐結(jié)構(gòu)，之后將支撐結(jié)構(gòu)插入隔離器 中而進(jìn)行制備。之后可將隔離器密封在蓋子(未顯示)上，從而將陰極 材料密封在電池中。作為備選，支撐結(jié)構(gòu)可棵露地放置于隔離器中， 這樣陰極材料可流入到支撐結(jié)構(gòu)中，從而進(jìn)行浸漬。通過(guò)填充到某一 高度并容許陰極材料冷卻，可將額外的不同的陰極材料灌入支撐結(jié)構(gòu) 中，以產(chǎn)生"夾心蛋糕"效應(yīng)。如果使用板，則填充孔可容許將不同 的陰極材料填充到不同的軸向區(qū)域中
圖2A和2B中顯示了本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，其圖示了徑向地帶布 置 物品200包括限定了軸線214的伸長(zhǎng)的外殼210和隔離器212。 外殼和隔離器均具有圓形橫截面輪廓，并且嵌套在一起，使得隔離器 以同軸的關(guān)系設(shè)置在外殼中。
隔離器的內(nèi)表面232限定了陽(yáng)極室230。外殼的內(nèi)表面240和隔 離器的外表面242限定了陰極室236。多孔泡沫支撐結(jié)構(gòu)248設(shè)置在 陰極室中。陰極室被分成三個(gè)徑向地帶250,252,254,它們朝著軸線向 內(nèi)延伸。各個(gè)地帶包含被支撐于多孔支撐結(jié)構(gòu)的表面上的至少 一個(gè)陰 極材料。陰極材料的濃度(量)和類型依據(jù)離軸線的向外的徑向距離而 間斷地不同。在這個(gè)所示的實(shí)施例中，例如，只有最內(nèi)部的徑向地帶 256只包括第一濃度的鋅，該第一濃度在該整個(gè)徑向地帶是均勻的。 中間徑向地帶254包括第二濃度的等量的鋅和銅一一它們的總量與第 一濃度是相同的；其分布形成了逆向梯度，在該梯度中，與最內(nèi)部的徑向地帶相鄰的徑向地帶部分為100%的鋅和0°/。的銅，并且中間徑向 地帶的相反側(cè)為100%的銅和0%的鋅。最外面的徑向地帶250包括重 疊在鋁上的銅，此處各層均為連續(xù)層，并且在整個(gè)最外面的徑向地帶 是均勻的。 一旦暴露，鋁可起到充電狀態(tài)指示器的作用一一只有在銅 涂層已經(jīng)反應(yīng)時(shí)才能化學(xué)地可用。
所示的實(shí)施例可通過(guò)形成獨(dú)立制備的三個(gè)分開(kāi)的支撐結(jié)構(gòu)，之后 嵌套在一起并插入到外殼中而進(jìn)行裝配。
參照?qǐng)D3，其顯示了多個(gè)能量存儲(chǔ)裝置架構(gòu)(圖3A至3J),以圖示 各種設(shè)計(jì)選擇。貫穿圖3A至圖3J使用相同的標(biāo)號(hào)來(lái)指示功能類似的 部件。這些相同的標(biāo)號(hào)可出于相同的目的而在其它圖中重復(fù)。因此， 匯總體300包括能量存儲(chǔ)裝置，其具有限定了軸線320的伸長(zhǎng)的外殼 310。外殼壁的內(nèi)表面限定了容積。該容積包括陽(yáng)極330和陰極340， 它們通過(guò)隔離器350和芯體360而彼此物理地分隔開(kāi)。芯體設(shè)置在隔 離器的外向表面上，并在隔離器表面上引導(dǎo)液態(tài)陽(yáng)極材料越過(guò)隔離 器。在某些實(shí)施例中，隔離器是在各個(gè)末端被蓋住的封閉空間，在該 容積中限定了兩個(gè)室，即內(nèi)室和外室。
圖3A顯示了具有圓柱形的隔離器350的基本電池，隔離器包含 陽(yáng)極材料并被陰極材料包圍。陰極材料從最靠近隔離器的表面開(kāi)始消 耗，并向外部移動(dòng)。因此，反應(yīng)前沿的表面積隨著反應(yīng)的進(jìn)行而增力口。 隔離器限定了內(nèi)室340，并設(shè)置在外殼310中。在隔離器350的外向 表面和外殼310的內(nèi)向表面之間的空間限定了外室330。圖3B， 3D 和3F顯示了類似的布置，其中隔離器在橫截面形狀上有所變化。圖 3D闡述了一種隔離器，其成形成使得隨著陰極材料在使用期間的消 耗，未使用的材料的表面積沒(méi)有明顯變化。因此，圖3D可被認(rèn)為是 一種表面積恒定的構(gòu)造。圖3E的構(gòu)造也是一種類似于圖3D的表面積 恒定的構(gòu)造，但3E具有更大的表面積。可制作其它相似的形狀，以 進(jìn)一步增強(qiáng)或放大隔離器的表面積。
圖3C顯示了具有多個(gè)隔離器的電池，各個(gè)隔離器限定了獨(dú)立的陽(yáng)極芯。橫截面形狀可以是任何其它合適或便利的形狀，例如多邊形、 卵形或橢圓形、星形或十字形。多個(gè)較小的陰極芯可產(chǎn)生比具有相同 總體積的單個(gè)陰極芯相對(duì)更大的表面積。
圖31闡述了其中陽(yáng)極和陰 feU目對(duì)于圖3A-3H相反的一種電池構(gòu) 造。在這種情況下，內(nèi)室370包含陰極材料而非陽(yáng)極材料。外室372 包含陽(yáng)極材料。在這個(gè)實(shí)施例中，隔離器376具有位于隔離器376的 內(nèi)表面上的芯體374。根椐這個(gè)實(shí)施例包括五個(gè)隔離器；然而，更少 數(shù)量或更大數(shù)量的隔離器也在本發(fā)明的范圍內(nèi)。具有與外殼相鄰的陽(yáng) 極材料的實(shí)施例，例如這個(gè)實(shí)施例，其可能導(dǎo)致外殼的氧化，除非外 殼材料經(jīng)過(guò)選擇，使其具有相對(duì)于陽(yáng)極材料足夠高的氧化勢(shì)。因此， 鋅陰極可與鎳外殼一起使用。
作為備選，外殼可包括位于陽(yáng)極材料和外殼之間的絕緣屏障。當(dāng) 外殼內(nèi)表面與絕緣屏障層對(duì)準(zhǔn)時(shí)，外殼材料并不受氧化勢(shì)的限制。作 為絕緣屏障層的備選，外殼可由高熔點(diǎn)的非金屬材料制成，例如陶瓷 或合適的聚合物。
根據(jù)某些實(shí)施例，陰極材料可沉積在發(fā)泡的支撐物上。在另一實(shí) 施例中，支撐材料可支撐隔離器，如圖3I中所示。這種支撐結(jié)構(gòu)可降 低或消除由于熱循環(huán)、壓力差和振動(dòng)而引起的損傷。
參看圖3J，提供了兩個(gè)橫截面成橢圓形的隔離器。如圖3J中所 示，具有偶數(shù)個(gè)隔離器的實(shí)施例不需要使隔離器居中地定位在外殼 中。相反，外殼的軸線可定位在兩個(gè)或更多個(gè)隔離器之間。
可將多個(gè)電化學(xué)電池排列成能量存儲(chǔ)系統(tǒng)。多個(gè)電池可串聯(lián)或并 聯(lián)設(shè)置，以形成電池組。用于電池組的功率和能量的額定值可依賴于 諸如電池組中的電池組尺寸或電池?cái)?shù)量等因素。其它因素可基于使用 端應(yīng)用的專用準(zhǔn)則。
能量存儲(chǔ)裝置的各種實(shí)施例可儲(chǔ)存約0,1千瓦時(shí)(kWh)至100kWh 范圍內(nèi)的能量。能量存儲(chǔ)裝置的一個(gè)實(shí)施例具有大于100瓦時(shí)/千克的 能量-重量比，和/或大于160瓦時(shí)/升的能量-體積比。能量存儲(chǔ)裝置的另一實(shí)施例具有大于150瓦/千克的額定比功率。
合適的能量存儲(chǔ)裝置可具有小于10:1的應(yīng)用特定的功率對(duì)能量 的比值.在一個(gè)實(shí)施例中，特定的功率對(duì)能量的比值在約1:1至2:1、 從約2:1至4:1、從約4:1至6:1、從約6:1至8:1、或從約8:1至10:1 的范圍內(nèi)。在其它實(shí)施例中，特定的功率對(duì)能量的比值在約1:1至1:2、 從約1:2至1:4、從約1:4至1:6、從約l:6至k8或從約1:8至1:10的 范圍內(nèi)。
某些實(shí)施例可包括用于與多個(gè)電池連通并調(diào)整它們的輸出的控 制器。控制器能夠響應(yīng)于來(lái)自電池的指示其充電狀態(tài)的反々貪信號(hào)而將 電負(fù)栽分配到電池組中所選定的電池上。才艮據(jù)某些實(shí)施例，控制器可 操作以執(zhí)行再加熱方法，其中一個(gè)或多個(gè)加熱元件#>乂預(yù)定的順序激 勵(lì)，從而熔化能量存儲(chǔ)裝置的凍結(jié)部分。
合適的控制器可包括比例積分微分控制器(PID控制器)。控制器 能夠測(cè)量來(lái)自工藝或其它設(shè)備的值，并將其與基準(zhǔn)設(shè)定值進(jìn)行比較。 差值(即"誤差"信號(hào))可用于調(diào)整一個(gè)或多個(gè)工藝輸入，從而使工藝 的測(cè)量值返回到其期望的設(shè)定值。
某些實(shí)施例可包括用于防止裝置的熔化部分凍結(jié)的構(gòu)件或子系 統(tǒng)，即凍結(jié)防護(hù)系統(tǒng)。適合于在本發(fā)明的實(shí)施例中使用的凍結(jié)防護(hù)系 統(tǒng)可包括使基質(zhì)材料的冰點(diǎn)降低的共晶添加劑。在另一實(shí)施例中，凍 結(jié)防護(hù)系統(tǒng)可包括至少一種添加劑，其影響基質(zhì)的熔化曲線和/或改變 基質(zhì)熱膨脹特征。在又一些其它實(shí)施例中，凍結(jié)防護(hù)系統(tǒng)可包括加熱 器，其具有能夠保持足以防止電池反應(yīng)劑凍結(jié)的最低熱度的解凍曲
線。其它實(shí)施例可包括熱管理裝置或子系統(tǒng)，如果太冷的話，該熱管 理裝置或子系統(tǒng)能夠加熱能量存儲(chǔ)裝置，并且如果太熱的話，該熱管 理裝置或子系統(tǒng)可冷卻能量存儲(chǔ)裝置。
另 一實(shí)施例提供了 一種能量管理系統(tǒng)，其包括一種雙能量存儲(chǔ)裝 置。合適的雙能量存儲(chǔ)裝置可包括第一能量存儲(chǔ)裝置以及與該第一能 量存儲(chǔ)裝置不同的第二能量存儲(chǔ)裝置。在某些實(shí)施例中，第一能量存儲(chǔ)裝置可具有較高的功率-能量比。在某些實(shí)施例中，第二能量存儲(chǔ)裝 置可具有較4氐的功率-能量比。因此，在某些實(shí)施例中，第一能量存儲(chǔ) 裝置能夠在短的持續(xù)時(shí)間內(nèi)快速地釋放大量的能量，而第二能量存儲(chǔ) 裝置能夠在較長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)緩慢地釋放少量的能量。某些實(shí)施例可增強(qiáng) 能量存儲(chǔ)效率，并且/或者可增強(qiáng)功率輸出。合適的控制器能夠才艮據(jù)需 要而從任一能量存儲(chǔ)裝置:|€取能量并進(jìn)行再充電。
用于增強(qiáng)功率的合適的第二能量存儲(chǔ)裝置可包括但不局限于鋰 離子蓄電池、鎳金屬氫化物或超級(jí)電容器。合適的鋰離子蓄電池可包 括鋰聚合物蓄電池，在一個(gè)實(shí)施例中，第二能量存儲(chǔ)裝置可包括鋅基 質(zhì)蓄電池。
示例
以下示例只是用于舉例說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明的方法和實(shí)施例，并因此 不應(yīng)被認(rèn)為是對(duì)權(quán)利要求強(qiáng)加限制。除非特別指出，否則所有構(gòu)件均
商業(yè)上可從諸如Alpha Aesar公司(馬薩諸塞州Ward Hill行政區(qū))、 Spectrum Chemical Mfg.公司(加利福尼亞州加德納市)等普通的化學(xué) 品供給商處得到。
示例1——電極的制備。
通過(guò)使用帶有合適的銅層、鋅層或鎳層的電鍍發(fā)泡的碳制備若干 個(gè)測(cè)量為1.25cm x 1.25cm x 2mm厚的金屬覆蓋的碳泡沫電極。碳泡 沫可從ERG Materials and Aerospace公司(力。利福尼亞州奧克蘭市)獲 得。泡沫電極具有網(wǎng)狀玻璃碳(RVC)泡沫的碳質(zhì)構(gòu)架。碳泡沫孔隙密 度是每英寸100孔隙(PPI)，并且孔隙直徑平均約為100微米。
電鍍是在合適的水性銅、鋅或鎳溶液中執(zhí)行的。電鍍密封了碳泡 沫，從而形成所制備的金屬覆蓋的多孔電極襯底。若干個(gè)鍍鎳的多孔 電極被進(jìn)一步浸漬于鋅溶液中，并將鋅金屬電鍍到鎳層上以形成雙金 屬陰極。若干個(gè)鍍銅的多孔電極被進(jìn)一步浸漬于鋅溶液中，并將鋅金 屬電鍍到銅層上以形成雙金屬陰極。
對(duì)完成的金屬覆蓋的碳泡沫電極進(jìn)行分析和描繪。鍍銅電極襯底的表面在光學(xué)顯孩t鏡中以200倍放大顯得平滑且有光澤。有效的銅密 度約為0.01g/cmS。鍍鎳的電極襯底的表面在光學(xué)顯微鏡中以200倍放 大顯得平滑且有光澤。有效的鎳密度為0.01g/cm3。
鍍鋅的鎳電極村底的表面在光學(xué)顯微鏡中以200倍放大顯得陰暗 且有結(jié)節(jié)。有效的鋅密度為Q.49g/cm3。鎳電極上電鍍的鋅金屬約為 0.2孩i米厚，并且工作電極具有1.5厘米的矩形橫截面厚度和2毫米的 深度。
鍍鋅的多孔電才4以100mA/cm2電流強(qiáng)度熔化的ZnCl2:NaCl中 進(jìn)行充電和放電循環(huán)。圖4中顯示了充電曲線。電勢(shì)曲線用參照字母 "a"指示，并且充電用參照字母"b"指示。
通過(guò)將銅層或鋅層無(wú)電電鍍至泡沫鎳的支撐結(jié)構(gòu)和商業(yè)上可得 到的鍍鈷的泡沫鎳上，從而制備測(cè)量為1.25cm x 1.25cm x 2mm厚的 額外的一組電極。泡沫鎳可從Inco有限公司(加拿大多倫多)和 Marketech國(guó)際公司(華盛頓州湯森港)獲得。泡沫電極具有泡沫鎳架 構(gòu)。密度約為0.45g/cm3;表面積密度約為500g/m2;孔隙率為95%, 并且孔隙尺寸約為40ppcm(100PPI)。
示例2——隔離器的制備。
制備了多個(gè)隔離器。多個(gè)隔離器包括兩組隔離器，各組具有不同 的穩(wěn)定相態(tài)類型。兩種不同的氧化4告相態(tài)類型包括(i)由摩爾百分比 為8%的Y203穩(wěn)定化的立體相氧化鋯(8YSZ)和(ii)由摩爾百分比為 4.5%的丫203穩(wěn)定化的正方晶系化鋯和立體相氧化鋯(4.5YSZ)。
利用穩(wěn)定的氧化一浩形成的隔離器形成了三種盤(pán)片類型。這三種盤(pán) 片類型包括兩類(i)類型和一類(ii)類型。三個(gè)樣本組的特4正是具有如下 成分(a) 50°/。體積比的a-氧化鋁+50。/。體積比的8YSZ; (b) 70%體積 比的01-氧化鋁+30%體積比的8YSZ;和(c) 50%體積比的01-氧化鋁+50% 體積比的4.5YSZ。利用必要的粉末混合物經(jīng)沖壓，之后通過(guò)等靜壓壓 制，然后在空氣中以1600攝氏度進(jìn)行燒結(jié)，從而制造出2.5毫米(mm) 厚的成分(a)、 (b)和(c)的盤(pán)狀樣本。燒結(jié)的盤(pán)片放置在粉末混合物中。
22粉末混合物具有重量比為8.85%的Na20、重量比為0.75%的Li20和 重量比為90.45%的八1203等成分。粉末中的盤(pán)片在1250攝^復(fù)下煅 燒2小時(shí)，以形成鈉-P"-氧化鋁，并在反應(yīng)期間用作鈉和氧化鋰的來(lái) 源。將樣本在1450攝氏度下保持約2小時(shí)至16小時(shí)。取樣本的橫截 面，并測(cè)量形成的鈉-P"-氧化鋁的厚度。
成分(a)的一個(gè)樣本在1450攝氏度下進(jìn)行更長(zhǎng)時(shí)間(32小時(shí))的進(jìn) 一步的熱處理，以確保其一直完全轉(zhuǎn)換成鈉-P-氧化鋁。在約200攝 氏度至50(H聶氏度的范圍內(nèi)測(cè)量傳導(dǎo)率((T)。激勵(lì)能量經(jīng)測(cè)量為約15.7 千焦/摩爾(kJ/mo1), 300攝氏度下的傳導(dǎo)率為0.0455姆歐/厘米 (S/cm)(22歐/厘米的電阻率(ncm))。此樣本具有體積比50%的氧化鋯。 另外，鈉-P-氧化鋁的粒度為幾個(gè)微米。所測(cè)量的傳導(dǎo)率與用于細(xì)粒 結(jié)構(gòu)的鈉-p -氧化鋁的報(bào)告值一致。
示例3——測(cè)試電池的成形及其測(cè)試.
根據(jù)示例2的工藝?yán)贸煞?a)形成圓柱形的復(fù)合式隔離管。圓柱 體尺寸為228mm長(zhǎng)，36mm內(nèi)徑和38mm外徑。復(fù)合式隔離管用玻璃 密封在a氧化鋁套圖上。該組件放置在不銹鋼罐中。罐的尺寸約為 38mm x 38mm x 230mm。復(fù)合式隔離器包含50克(g)Cu、 22克NaCl 和25克NaAlCU。另外，將11克網(wǎng)狀玻璃碳添加到陰極上，以防止 充電和放電之間CuCl的沉積。電加熱器包圍電池。在搡作期間，電 池被加熱至300攝氏度的操作溫度。電池以4安培和12安培的電流 進(jìn)行充電和放電。在幾個(gè)充電和放電循環(huán)之后，關(guān)閉電池，并進(jìn)行冷 卻和檢查。隔離器顆粒的顯微檢查表明沒(méi)有銅浸入到間隙中。
參考電極是密封在P氧化鋁管中的金屬鈉。集電器是0.5mm鉑 絲，其穿過(guò)管壁并在操作期間被陽(yáng)極材料(Na)浸濕。工作電極是來(lái)自 示例l的鍍鋅的鎳電極。輔助電極是只鍍鎳的泡沫電極。
用于工作電極和用于輔助電極的集電器是由鈦形成的矩形槳板， 并且其具有與泡沫基電極相同的橫截面形狀和面積。槳板被點(diǎn)焊在 l-mm的鈥絲上。若干件非編織的硼硅酸鹽玻璃纖維的過(guò)濾介質(zhì)(沃特曼GF/C)堆疊至0.15厘米(cm)的厚度。額外的玻璃過(guò)濾介質(zhì)定位在鈦 槳板的背面。通過(guò)將l-mm長(zhǎng)度的鈦絲彎曲成W形狀形成彈簧。該彈 簧按壓在鈦槳板的背面上，使整個(gè)組件處于輕微的壓縮下。槳板背面 上額外的玻璃介質(zhì)提供了電絕緣，使得彈簧不會(huì)在兩個(gè)電極之間形成 電氣路徑。
三個(gè)電極的連接線穿過(guò)PTFE錐形塞，該錐形塞裝配到燒瓶的中 央頸部中。最后利用經(jīng)N2凈化的干燥的手套袋來(lái)連接對(duì)濕氣敏感的 鈉電極。這些導(dǎo)線經(jīng)過(guò)調(diào)整，使得泡沫電極完全浸入在熔鹽中。鈉參 考電極鄰近工作電^L/輔助電極組件但位于其外部，
外部導(dǎo)線末端連接在與計(jì)算機(jī)接口的恒電流儀(可從阿美特克普 林斯頓應(yīng)用研究公司(美國(guó)田納西州奧克里季市)得到的Parstat2273) 上，并測(cè)量恒定電流數(shù)據(jù)。工作電極首先在100毫安(mA)下^L氧化 3600秒，然后在400毫安下^皮還原900秒。相對(duì)于Na的開(kāi)路電勢(shì)經(jīng) 測(cè)量為2.077伏。充電電壓為2.17伏，并且^L電電壓為2.02伏。當(dāng)鍍 鎳泡沫中的所有的Zn被耗盡時(shí)，開(kāi)路電壓為2.58伏。
示例4一一形成測(cè)試能量存儲(chǔ)裝置
利用P"-氧化鋁管和銅管形成能量存儲(chǔ)裝置。P"-氧化鋁管具有 6.5mm的內(nèi)徑、8.6mm的外徑和68mm的總長(zhǎng)度。銅管尺寸和形狀設(shè) 置成容納P "-氧化鋁管。銅管具有12.7mm的內(nèi)徑。p "-氧化鋁管放置 在銅管的內(nèi)部。除了銅管之外，還將1.2克的氯化鈉和3.4克的電解 質(zhì)AlCl3:NaCl ;故置在p "-氧化鋁管內(nèi)表面和銅管外表面之間的空間 內(nèi)。在P"-氧化鋁管的內(nèi)部放置了與lmm直徑的鎳絲(作為集電器)相 接觸的0.2克的鈉。
能量存儲(chǔ)裝置主體和0 "-氧化鋁管內(nèi)部的鎳集電器連接在2273 型PAR恒電位儀/恒電流儀上。電加熱器包圍能量存儲(chǔ)裝置。在測(cè)試 期間，加熱器(和后續(xù)的能量存儲(chǔ)裝置)被加熱至300攝氏度的操作溫 度。
在經(jīng)初始充電循環(huán)以0.025A的電流充電至1360庫(kù)侖的總電荷之
24后，能量存儲(chǔ)裝置在0.5A(61.8mA/cn^)的電流下進(jìn)行充電和放電140 次。每循環(huán)的電荷是500庫(kù)侖。在循環(huán)時(shí)，蓄電池端子之間的電壓在 約2伏至3.2伏之間擺動(dòng)。沒(méi)有觀測(cè)到電池電阻上的增加。 示例5—一形成測(cè)試能量存儲(chǔ)裝置
建造了兩個(gè)能量存儲(chǔ)裝置，各能量存儲(chǔ)裝置均包括商業(yè)上可獲得 的圓柱形P"-氧化鋁管。這些管不包含穩(wěn)定劑，并且各個(gè)管具有存在 于顆粒之間的鋁酸鈉，且這些顆粒具有相當(dāng)大的尺寸。各個(gè)管具有 36mm的內(nèi)徑、38mm的外徑和228nun的總長(zhǎng)度。鎳箔經(jīng)熱壓縮粘接 在a氧化鋁套團(tuán)上。P "-氧化鋁管用玻璃密封在箔覆蓋的oc氧化鋁套 圈上，以形成組件。該組件放置在具有大致38mm x 38mm x 23Omm 尺寸的方形不銹鋼外殼內(nèi)。該組件被焊接在外殼上，以構(gòu)成密封。鎳 箔和(X氧化鋁套圖限定了該組件中的孔。通過(guò)該孔用陰極材料以及其 它材料填充P"-氧化鋁管。P"-氧化鋁管的內(nèi)部填充了 100克銅、44 克氯化鈉、1克鋁和48克呈NaAlCl4形式的電解質(zhì)。鎳棒放置在P "-氧化鋁管的中心，與陽(yáng)極材料接觸，從而起到集電器的作用。孔用金 屬帽蓋住。金屬帽焊接在套圏上，以構(gòu)成完全密封的電池。
此電池的理論容量是20.18安培-小時(shí)。電加熱器包圍能量存儲(chǔ)裝 置。接通加熱器時(shí)，外殼的溫度以斜線上升至350攝氏度的操作溫度。 在初始低電流充電循環(huán)以2.0安培電流充電到總電荷17.95安培-小時(shí) (64,620庫(kù)侖)之后，能量存儲(chǔ)裝置以2安培和4安培的電流(對(duì)于4^ 電池相當(dāng)于6安培和12安培)進(jìn)行充電和放電。
能量存儲(chǔ)裝置的電壓是彼此相似的，并且在整個(gè)it電循環(huán)中是固 定的。這些電池的容量依賴于溫度在300撮氏度下，等量2安培放 電導(dǎo)致2.25安培-小時(shí)，并且在380攝氏度下，2安培放電提供8,75 安培-小時(shí)。
測(cè)試電池具有相對(duì)較低的電阻和相對(duì)于充電的安培-小時(shí)數(shù)較低 的電阻升幅。在僅經(jīng)過(guò)幾個(gè)循環(huán)之后，各個(gè)P"-氧化鋁管才裂開(kāi)。銅 穿過(guò)P"-氧化鋁管的壁而向上遷移到約1/3距離處。
25示例6——形成測(cè)試能量存儲(chǔ)裝置
除了將11克碳添加到陰極材料上之外，能量存儲(chǔ)裝置是按照與
示例5的能量存儲(chǔ)裝置相同的方式生產(chǎn)的。添加的-友防止CuCl在充 電搡作模式和放電操作模式期間的沉積。電加熱器包圍能量存儲(chǔ)裝 置。加熱器被激勵(lì)，以便將能量存儲(chǔ)裝置加熱至約300攝氏度的搡作 溫度
在初始恒定電壓充電循環(huán)以3至15安培的電流充電到10安培-小時(shí)的總電荷之后，能量存儲(chǔ)裝置以4安培和12安培的電流進(jìn)行充 電和》欠電。該電池的充電性能與示例4的能量存儲(chǔ)裝置的充電性能是 大致相同的。放電電壓也是大致相同的。相對(duì)于示例4的能量存儲(chǔ)裝 置的差異是CuCl在》文電時(shí)的利用率更高——為85。/。，與^f目比示例4 裝置的平均為~50%。在僅經(jīng)過(guò)幾個(gè)循環(huán)之后，隔離管裂開(kāi)。銅穿過(guò)^ "-氧化鋁管的壁而向上遷移到約1/3距離處。
示例7—一形成測(cè)試能量存儲(chǔ)裝置
除了 P"-氧化鋁管不同之外，能量存儲(chǔ)裝置是"l要照與示例6中相 同的方式建造的。此示例中的P"-氧化鋁管由氣相浸漬工藝制成。相 對(duì)于示例5和6中使用的管，該0 "-氧化鋁管具有較少顆粒間隙相形 式的鋁酸鈉。此示例的能量存儲(chǔ)裝置的性能類似于示例6的能量存儲(chǔ) 裝置。其差異是在使用之后，沒(méi)有銅浸漬或遷移到P"-氧化鋁管的壁 中。
如此處使用，陰極材料是在充電期間供應(yīng)電子的材料，并且作為 氧化還原反應(yīng)的一部分而存在，該部分超過(guò)其反應(yīng)側(cè)參與電化學(xué)反應(yīng) 的反應(yīng)物重量百分比約5%。此處使用的近似語(yǔ)句在整個(gè)說(shuō)明書(shū)和權(quán) 利要求中可用于修飾任何數(shù)量性表述，該數(shù)量性表述可在不導(dǎo)致其可 能相關(guān)的基本功能發(fā)生變化的條件下進(jìn)行可容許的修改。因此，由詞 語(yǔ)例如"大約，，修飾的值并不局限于所指定的精確值。在某些情況下， 近似語(yǔ)句可與用于測(cè)量該值的儀器的精度相對(duì)應(yīng)。
本文所述的實(shí)施例是成分、結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)和方法的示例，這些示例具有與權(quán)利要求所陳述的本發(fā)明的要素相對(duì)應(yīng)的要素。此書(shū)面說(shuō)明書(shū) 使本領(lǐng)域中的普通技術(shù)人員能夠制造和使用具有備選要素的實(shí)施例， 這些備選要素同樣與權(quán)利要求中所陳述的本發(fā)明的要素相對(duì)應(yīng)。因而 本發(fā)明的范圍包括與權(quán)利要求的字面語(yǔ)言并無(wú)不同的成分、結(jié)構(gòu)、系 統(tǒng)和方法，并且還包括與權(quán)利要求的字面語(yǔ)言無(wú)實(shí)質(zhì)差異的其它成 分、結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)和方法。雖然此處只顯示和描述了某些特征和實(shí)施例， 但是本領(lǐng)域中的普通技術(shù)人員可想到許多修改和變化。所附權(quán)利要求 意圖涵蓋所有此類修改和變化。
權(quán)利要求
1.一種物品，包括隔離器，其具有第一表面和第二表面，所述第一表面限定了第一室的至少一部分，所述第二表面限定了第二室，并且所述第一室通過(guò)所述隔離器而與所述第二室成離子連通；和陰極材料，其與所述隔離器成電氣連通，并能夠形成金屬鹵化物，支撐結(jié)構(gòu)，其設(shè)置在所述第一室或所述第二室的至少其中一個(gè)中，并且所述支撐結(jié)構(gòu)是電傳導(dǎo)性的，且與集電器成電氣連通，其中所述陰極材料被支撐于所述支撐結(jié)構(gòu)的表面上。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的物品，其特征在于，所述支撐結(jié)構(gòu)是 連續(xù)的基質(zhì)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的物品，其特征在于，所述支撐結(jié)構(gòu)遠(yuǎn) 離所述隔離器第一表面而延伸，以形成具有在約0.1毫米至約20毫米 范圍內(nèi)的厚度的層。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的物品，其特征在于，所述隔離器是大 致平面的，并且具有周邊邊緣。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的物品，其特征在于，所述隔離器是平 坦的、波浪形的、圓頂形的或凹陷的。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的物品，其特征在于，所述隔離器具有 垂直于軸線的橫截面輪廓，所述橫截面輪廓為橢圓形、三角形、矩形、 十字形或星形。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所迷的物品，其特征在于，所述隔離器具有 垂直于軸線的橫截面輪廓，所述橫截面輪廓為圓形、苜蓿葉形或方形。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的物品，其特征在于，所述第二室完全 設(shè)置在所述第一室內(nèi)。
9. 根據(jù)權(quán)利要求I所述的物品，其特征在于，所述支撐結(jié)構(gòu)包 括亞鐵基合金。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的物品，其特征在于，所述支撐結(jié)構(gòu)包括陶瓷。
11. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的物品，其特征在于，所述支撐結(jié)構(gòu)包括碳o(jì)
12. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的物品，其特征在于，所述碳支撐結(jié) 構(gòu)是玻璃碳，
13. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的物品，其特征在于，所述支撐結(jié)構(gòu)是 金屬，
14. 根據(jù)權(quán)利要求13所述的物品，其特征在于，所述陰極材料 是鋅，并且所述支撐結(jié)構(gòu)是選自包括銅、鎳、鉬、鴒和鈦的組中的金 屬。
15. 根據(jù)權(quán)利要求13所述的物品，其特征在于，所述陰極材料 是銅，并且所述支撐結(jié)構(gòu)是選自包括鎳、鉬、鎢和^t太的組中的金屬。
16. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的物品，其特征在于，所述支撐結(jié)構(gòu)是 多孔的。
17. 根據(jù)權(quán)利要求16所述的物品，其特征在于，所述多孔支撐 結(jié)構(gòu)是泡沫、網(wǎng)狀物、編織物、氈或纖維塊。
18. 根據(jù);f又利要求16所述的物品，其特征在于，所述多孔支撐 結(jié)構(gòu)是粉末。
19. 根據(jù)權(quán)利要求16所述的物品，其特征在于，所述支撐結(jié)構(gòu) 的孔隙具有大于約U效米的平均直徑。
20. 根據(jù)權(quán)利要求16所述的物品，其特征在于，所述支撐結(jié)構(gòu) 的孔隙具有小于約250微米的平均直徑。
21. 根據(jù)權(quán)利要求16所述的物品，其特征在于，所述支撐結(jié)構(gòu) 的孔隙具有在約IO微米至50微米范圍內(nèi)的平均直徑。
22. 根據(jù)權(quán)利要求16所述的物品，其特征在于，所迷支撐結(jié)構(gòu) 具有大于約0.1m2/g的比表面積。
23. 根據(jù)權(quán)利要求16所述的物品，其特征在于，所述支撐結(jié)構(gòu)具有小于約10m2/g的比表面積。
24. 根據(jù)權(quán)利要求16所述的物品，其特征在于，所述支撐結(jié)構(gòu) 具有小于約30%的體積密度。
25. 根據(jù)權(quán)利要求16所述的物品，其特征在于，所述支撐結(jié)構(gòu) 的孔隙具有基于顆粒的粒度而選擇的平均直徑，所述顆粒通過(guò)所述陰 極材料的電化學(xué)轉(zhuǎn)換從鹽形式轉(zhuǎn)換成元素形式而形成，或通過(guò)傳導(dǎo)性 離子的電化學(xué)轉(zhuǎn)換從元素形式轉(zhuǎn)換成鹽形式而形成。
26. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的物品，其特征在于，所述支撐結(jié)構(gòu)通 過(guò)化學(xué)氣相淀積、化學(xué)淀積、粉末涂敷或浸漬涂敷而由所述陰極材料 覆蓋。
27. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的物品，其特征在于，所述支撐結(jié)構(gòu)通 過(guò)電鍍而由所述陰極材料覆蓋。
28. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的物品，其特征在于，所述支撐結(jié)構(gòu)具 有大于約0.01克/立方厘米的支撐在其上的陰極材料的有效密度。
29. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的物品，其特征在于，所述支撐結(jié)構(gòu)具 有大于約0.5克/立方厘米的支撐在其上的陰極材料的有效密度。
30. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的物品，其特征在于，所述支撐結(jié)構(gòu)支 撐一層陰極材料，該層陰極材^F具有大于約0,2微米的厚度。
31. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的物品，其特征在于，所述支撐結(jié)構(gòu)支 撐一層陰極材料，該層陰極材料在約200倍放大下具有結(jié)節(jié)外觀。
32. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的物品，其特征在于，所述支撐結(jié)構(gòu)支 撐一層連續(xù)的陰極材料。
33. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的物品，其特征在于，所述支撐結(jié)構(gòu)包 括多個(gè)子層。
34. 根據(jù)權(quán)利要求33所述的物品，其特征在于，所述多個(gè)子層 包括粘合層或粘接劑層、傳導(dǎo)層、抗蝕層或充電狀態(tài)指示器層中的至 少一個(gè)層；以及作為最外層的活性層，并且所述活性層包括所述陰極 材料。
35. 根據(jù)權(quán)利要求33所述的物品，其特征在于，所述多個(gè)子層 包括活性層，并且所述活性層包括不同陰極材料的兩個(gè)子層。
36. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的物品，其特征在于，所述支撐結(jié)構(gòu)表 面上的所述陰極材料鄰接所述隔離器的第 一表面，并遠(yuǎn)離所述第 一表 面而延4申。
37. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的物品，其特征在于，所述物品是伸長(zhǎng) 的，并限定了軸線，并且所述物品構(gòu)造成使得軸線在使用期間是大致 豎直的，/人而有上軸向方向和下軸向方向，并且所述支撐結(jié)構(gòu)設(shè)置在包含陰極材料的腔室中，而且所述支撐 結(jié)構(gòu)包括多個(gè)板，這些板環(huán)繞所述軸線，并彼此軸向地間隔開(kāi)。
38. 根據(jù)權(quán)利要求37所述的物品，其特征在于，所述板限定了 陰極材料的軸向區(qū)域，并且所述板是連續(xù)且電絕緣的，并構(gòu)造成將一 個(gè)軸向區(qū)域與另一軸向區(qū)域電隔離開(kāi)。
39. 根據(jù)權(quán)利要求37所述的物品，其特征在于，所述板限定了 陰極材料的軸向區(qū)域，并且所述板是不連續(xù)的，但阻塞了來(lái)自一個(gè)軸 向區(qū)域的至少一些材料沉積到另 一軸向區(qū)域上。
40. 根據(jù)權(quán)利要求37所述的物品，其特征在于，所述物品還包 括延伸穿過(guò)所述多個(gè)板的集電器。
41. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的物品，其特征在于，所述第二室是伸 長(zhǎng)的，并限定了軸線。
42. 根據(jù)權(quán)利要求41所述的物品，其特征在于，所述第一室關(guān) 于所述軸線同軸地設(shè)置。
43. 根據(jù)權(quán)利要求41所述的物品，其特征在于，存在相對(duì)彼此 軸向間隔開(kāi)的至少兩個(gè)區(qū)域，和至少以下其中一個(gè)特征區(qū)域一的添加劑濃度相對(duì)于區(qū)域二有所不同，或者 區(qū)域一的陰極材料類型相對(duì)于區(qū)域二有所不同，或者 區(qū)域一的陰極材料數(shù)量相對(duì)于區(qū)域二有所不同，或者 各個(gè)區(qū)域中存在多種陰極材料，并且區(qū)域一中的第一陰極材料對(duì)第二陰極材料的比相對(duì)于區(qū)域二有所不同。
44. 根據(jù)權(quán)利要求43所述的物品，其特征在于，所述物品還包 括將區(qū)域一與區(qū)域二隔離開(kāi)的板。
45. 根據(jù)權(quán)利要求44所述的物品，其特征在于，所述板是大致 平坦的，并且橫穿所述軸線。
46. 根據(jù)權(quán)利要求44所述的物品，其特征在于，所述板是大致 圓錐形的，并向上開(kāi)口，其中相對(duì)較重或較密的材料沿著所述板的內(nèi) 表面朝著所述軸線而遷移或流下。
47. 根據(jù)權(quán)利要求44所述的物品，其特征在于，所述板是大致 圓錐形的，并向下開(kāi)口，其中相對(duì)較重或較密的材料沿著所述板的外 向表面遠(yuǎn)離所述軸線而遷移或流下。
48. 根椐權(quán)利要求42所述的物品，其特征在于，存在相對(duì)彼此 徑向間隔開(kāi)的至少兩個(gè)地帶，和至少以下其中一個(gè)特征地帶一的添加劑濃度相對(duì)于地帶二有所不同，或者 地帶一的陰極材料類型相對(duì)于地帶二有所不同，或者 地帶一的陰極材料數(shù)量相對(duì)于地帶二有所不同，或者 各個(gè)地帶中存在多種陰極材料，并且地帶一中的第一陰極材料對(duì) 第二陰極材料的比相對(duì)于地帶二有所不同。
49. 一種包括根據(jù)權(quán)利要求1所述的物品的能量存儲(chǔ)裝置。
50. —種物品，包括隔離器，其具有第一表面和第二表面，所述第一表面限定了第一室的至少一部分，所述第二表面限定了第二室，并且所述第一室通過(guò)所述隔離器而與所述第二室成離子連通；和陰極材料，其與所述隔離器成電氣連通，并能夠形成金屬卣化物， 支撐結(jié)構(gòu)，其是連續(xù)的基質(zhì)，并且設(shè)置在所述第一室或所述第二室的至少其中 一個(gè)內(nèi)，其中所述陰極材料被支撐于所述支撐結(jié)構(gòu)的表面上。
51. —種物品，包4舌隔離器，其具有第一表面和第二表面，所述第一表面限定了第一 室的至少一部分，所述第二表面限定了第二室，并且所述第一室通過(guò)所述隔離器而與所述笫二室成離子連通；和陰極材津牛，其與所述隔離器成電氣連通，并能夠形成金屬鹵化物，和用于支撐所述陰極材料的裝置。
52. —種方法，包括將支撐結(jié)構(gòu)設(shè)置在外殼內(nèi)，其中所述外殼是伸長(zhǎng)的，并限定了可 定向在豎直位置上的軸線，使得所述支撐結(jié)構(gòu)的第一端相對(duì)于所述支 撐結(jié)構(gòu)的第二端軸向地向上，所述支撐結(jié)構(gòu)的第二端相對(duì)軸向地向下；將第 一數(shù)量和第 一濃度的第 一 陰極材料設(shè)置在所述支撐結(jié)構(gòu)的 表面上，以浸漬或涂敷軸向向下部分；將第二數(shù)量和第二濃度的第二陰極材料設(shè)置在所述支撐結(jié)構(gòu)的表面上，以浸漬或涂敷軸向向上部分；和 密封所述外殼。
53. 根據(jù)權(quán)利要求52所述的方法，其特征在于，所述第一陰極 材料和所述第二陰極材料是相同的，但所述第一濃度不同于所述第二 濃度。
54. 根據(jù)權(quán)利要求52所述的方法，其特征在于，所述第一陰極 材料和所述第二陰極材料是不同的。
全文摘要
提供了一種物品。該物品可包括電化學(xué)電池。該電池可包括熔化電解質(zhì)和至少一個(gè)熔化的電極。該電池可包括用于將陽(yáng)極與陰極隔離開(kāi)，同時(shí)使陽(yáng)極和陰極之間能夠成離子連通的結(jié)構(gòu)。還提供了一種包括該物品的能量存儲(chǔ)裝置?？商峁┡c該物品和能量存儲(chǔ)裝置相關(guān)的方法。公開(kāi)的隔離器具有垂直于電池的軸線的橫截面輪廓，其形狀為橢圓形、三角形、矩形、十字形、星形、圓形、苜蓿葉形或方形。隔離器可以是圓頂?shù)幕虬枷莸?。電極材料可相對(duì)彼此徑向地或者軸向地隔開(kāi)。
文檔編號(hào)H01M4/58GK101682015SQ200880015037
公開(kāi)日2010年3月24日 申請(qǐng)日期2008年5月7日 優(yōu)先權(quán)日2007年6月14日
發(fā)明者A·P·夏皮羅, C·D·亞科范格羅, D·C·博丹, G·D·扎皮, M·A·瓦蘭斯, R·L·哈特, S·A·泰瑟 申請(qǐng)人:通用電氣公司