專利名稱：電化學(xué)電池組的碟盤形壓力均衡的電極的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本本發(fā)明一般地涉及電池組，更特別地，本發(fā)明涉及具有改進(jìn)的壓力均衡的堆疊 式雙極電池的電池組設(shè)計(jì)。
背景技術(shù)：
常規(guī)的電池組已經(jīng)被制作成不是僅具有兩個(gè)電極的卷繞式電池的電池組就是具 有許多并聯(lián)的極板組的標(biāo)準(zhǔn)柱形電池的電池組。在這兩種類型中，電解液可以在電池組之 內(nèi)的各處共用。卷繞式電池及柱形電池的結(jié)構(gòu)會(huì)有高電阻的問(wèn)題，因?yàn)樗鼈兊碾娡繁仨?越過(guò)多連接及明顯長(zhǎng)距離的跨距以覆蓋在串聯(lián)布局中的從一個(gè)電池到下一個(gè)電池的完全 電路。最近，已經(jīng)開發(fā)了具有堆疊式構(gòu)造的密封電池的各種類型的電池組，其中該密封 電池與標(biāo)準(zhǔn)的卷繞式或柱形電池組相比能夠提供更高的放電率以及在外部接頭之間的更 高的電壓電勢(shì)，并因此對(duì)于某些應(yīng)用而言處于高需求中。具有堆疊式構(gòu)造的密封電池的 這些電池組的某些類型已經(jīng)得到了開發(fā)以一般地包括獨(dú)立密封的單極電極單元(MPU)對(duì) 的堆組。可以給這些MPU中的每一個(gè)都提供在集流器的第一側(cè)面上所涂覆的正活性材料 的電極層或負(fù)活性材料的電極層(參看，例如，Klein在1995年2月28日公告的美國(guó)專 利No. 5，393，617，特此通過(guò)在此全文援引的方式并入該專利)。具有正活性材料電極層的 MPU(即，正極MPU)以及具有負(fù)活性材料電極層的MPU(即，負(fù)極MPU)可以在它們之間具有 用于電隔離這兩個(gè)MPU的集流器的電解液層。這對(duì)正極及負(fù)極MPU的集流器，連同活性材 料電極層以及它們之間的電解液一起，可以被密封作為單個(gè)電池或電池段。包括所述電池 (每個(gè)具有正極MPU和負(fù)極MPU)的堆組的電池組在此應(yīng)當(dāng)稱作“堆疊式單極”電池組。在第一電池中的正極MPU的集流器沒(méi)有用電極層涂覆的側(cè)面可以電耦接至在第 二電池中的負(fù)極MPU的集流器沒(méi)有用電極層涂覆的側(cè)面，使得第一及第二電池處于堆疊式 構(gòu)造。在堆組中的這些電池段的串聯(lián)配置可以促使電壓電勢(shì)在集流器之間是不同的。但 是，如果特定的電池的集流器相互接觸或者如果在特定的電池中的這兩個(gè)MPU的共同電解 液與堆組中任意另加的MPU共用，那么電池組的電壓及能量將會(huì)快速衰減(S卩，放電)至0。 因此，希望堆疊式單極電池組中的每個(gè)電池相對(duì)于其他電池獨(dú)立地密封其電解液。已經(jīng)開發(fā)了具有堆疊式構(gòu)造的密封電池的這些電池組的其他類型以一般地包括 一連串堆疊式雙極電極單元(BPU)。可以給這些BPU中的每一個(gè)都提供涂覆在集流器的相 對(duì)側(cè)面上的正活性材料電極層和負(fù)活性材料電極層。任意兩個(gè)BPU都可以在彼此頂部上堆 疊，同時(shí)在某一 BPU的正活性材料電極層與另一 BPU的負(fù)活性材料電極層之間提供了用于 電隔離這兩個(gè)BPU的集流器的電解液層。集流器任意兩個(gè)相鄰的BPU，連同活性材料電極層以及在它們之間的電解液一起，同樣可以是密封的單個(gè)電池或電池段。具有這樣的電池 (每個(gè)電池具有第一 BPU的一部分以及第二 BPU的一部分)的堆組的電池組在此應(yīng)當(dāng)稱作 “堆疊式雙極”電池組。例如，當(dāng)?shù)谝?BPU的正側(cè)面以及第二 BPU的負(fù)側(cè)面可以形成第一電池時(shí)，第二 BPU 的正側(cè)面同樣可以與第三BPU的負(fù)側(cè)面或者負(fù)極MPU的負(fù)側(cè)面形成第二電池。因此，單個(gè) BPU可以包含于堆疊式雙極電池組的兩個(gè)不同電池內(nèi)。堆組中的這些電池的串聯(lián)配置可以 促使電壓電勢(shì)在集流器之間是不同的。但是，如果特定電池的集流器相互接觸或者如果在 第一電池中的那兩個(gè)BPU的共同的電解液與堆組中的任意其他電池共用，那么電池組的電 壓及能量將快速衰減(即，放電)至0。常規(guī)的堆疊式雙極電池組使用平面的電極板。通過(guò)使用平面板并且通過(guò)使用邊緣 密封來(lái)隔離它們，在堆疊式電化學(xué)電池組中的電池可以基本上獨(dú)立地工作。由于獨(dú)立的電 池被充電及被放電，輕度的壓力差可能在相鄰的電池之間出現(xiàn)。如果在相鄰的電池之間的 壓力差超過(guò)幾磅每平方英寸，那么平面電極可能從第一電池向第二電池?fù)锨?。該撓曲可?會(huì)拉緊第二電池的隔板材料，從而產(chǎn)生可能出現(xiàn)短路的“熱點(diǎn)”。因?yàn)閱蝹€(gè)電池的物理分量 及化學(xué)一般會(huì)相互略有不同，所以一般會(huì)存在電池之間的壓力差。因此，希望緩解一個(gè)電池 與下一個(gè)電池的壓力差。因此，希望提供具有減小的電極板撓曲及改進(jìn)的壓力均衡的堆疊 式雙極電池組。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的一個(gè)目的是提供緩解一個(gè)電池與下一個(gè)電池的壓力差并減小電極 板撓曲的堆疊式雙極電池組設(shè)計(jì)。根據(jù)實(shí)施例，提供了具有正單極電極單元、負(fù)單極電極單元，以及堆疊于正電極單 元與負(fù)電極單元之間的至少一個(gè)雙極電極單元的雙極電池組，其中每個(gè)電極單元都可以是 碟盤形狀的。根據(jù)實(shí)施例，提供了具有正單極電極單元、負(fù)單極電極單元，以及堆疊于正電極單 元與負(fù)電極單元之間的至少一個(gè)雙極電極單元的雙極電池組。雙極電極單元可以包括壓力 均衡閥。根據(jù)實(shí)施例，提供了具有正單極電極單元、負(fù)單極電極單元，以及堆疊于正電極單 元與負(fù)電極單元之間的至少一個(gè)雙極電極單元的雙極電池組。雙極電極單元可以包括裂開 式碟盤閥。


本發(fā)明的以上及其他優(yōu)點(diǎn)在結(jié)合附圖對(duì)以下詳細(xì)描述進(jìn)行考慮時(shí)將更為明顯，在 附圖中相似的參考符號(hào)通篇指代相似的部件，以及在附圖中圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的雙極電極單元(BPU)的基本結(jié)構(gòu)的示意性截面 圖；圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的圖1的BPU堆組的基本結(jié)構(gòu)的示意性截面圖；圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例具有碟盤形電極及壓力均衡閥的BPU的基本結(jié)構(gòu) 的示意性截面圖4示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例具有碟盤形電極及裂開式碟盤閥的BPU的基本結(jié) 構(gòu)的示意性截面圖；圖5示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的圖3的BPU堆組的基本結(jié)構(gòu)的示意性截面圖；圖6示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例實(shí)現(xiàn)圖5的BPU堆組的堆疊式雙極電池組的基本 結(jié)構(gòu)的示意性截面圖；圖7示出了圖6的雙極電池組的基本結(jié)構(gòu)的示意性電路圖；圖8示出了圖5的雙極電池組的特定部分的詳細(xì)的示意性截面圖；圖9示出了在根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例用于形成堆疊式雙極電池組的方法的第一階 段中的某些元件的示意性截面圖；圖10示出了在根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例用于形成堆疊式雙極電池組的方法的第二階 段中的某些元件的示意性截面圖；圖11示出了在根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例用于形成堆疊式雙極電池組的方法的第三階 段中的某些元件的示意性截面圖；圖12示出了在根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例用于形成堆疊式雙極電池組的方法的第四階 段中的某些元件的示意性截面圖；圖13示出了在根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例用于形成堆疊式雙極電池組的方法的第五階 段中的某些元件的示意性截面圖；圖14示出了在根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例用于形成堆疊式雙極電池組的方法的第六階 段中的某些元件的示意性截面圖；圖15示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的具有穹形頂部的堆疊式雙極電池組的示意性 截面圖；以及圖16示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例具有非均勻的活性材料電極層的堆疊式雙極電 池組的示意性截面圖。
具體實(shí)施例方式提供具有減小的電極板撓曲及改進(jìn)的壓力均衡的堆疊式電池組的裝置和方法，并 且參考圖1-16在下文描述。圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的說(shuō)明性的“平面板”雙極電極單元或BPU 102。 在Ogg等人的PCT申請(qǐng)公開No. Wo 2008/100533中討論了在堆疊式電池的電池組中使用 的平面板結(jié)構(gòu)，特此通過(guò)在此全文援引的方式并入該申請(qǐng)公布No. Wo 2008/100533。BPU 102可以包括可以在不能滲透的導(dǎo)電基板或集流器106的第一側(cè)面上提供的正活性材料 電極層104，以及可以在不能滲透的導(dǎo)電基板106的另一側(cè)面上提供的負(fù)活性材料電極層 108 (參看，例如，F(xiàn)ukuzawa等人在2007年10月9日公告的美國(guó)專利No. 7，279，248，特此通 過(guò)在此全文援引的方式并入該專利)。在實(shí)施例中，BPU 102的曲率半徑可以是相對(duì)大的。 例如，如圖1所示的“平面板”電極的曲率半徑可以接近無(wú)窮大。如圖2所示，例如，多個(gè)BPU 102可以基本上垂直地堆疊成為具有可以提供于兩個(gè) 相鄰的BPU 102之間的電解液層110的堆組120，使得某一 BPU 102的正電極層104可以經(jīng) 由電解液層110與相鄰BPU 102的負(fù)電極層108相對(duì)。每個(gè)電解液層110都可以包括可以 保持電解液U的隔板109 (參看，例如，圖8)。隔板9在允許電極單元之間的離子遷移的同時(shí)可以將正電極層104和與其相鄰的負(fù)極電極層108電隔離，這將在下文更詳細(xì)地描述。繼續(xù)參考在圖2中的堆疊狀態(tài)的BPU 102，例如，在第一 BPU 102的正電極層104 及基板106，相鄰于第一BPU 102的第二 BPU 102的負(fù)電極層108及基板106，以及第一及第 二BPU 102之間的電解液層110中所包括的組件在此應(yīng)當(dāng)稱作單個(gè)“電池”或“電池段” 122。 每個(gè)電池段122的每個(gè)不能滲透的基板106都可以由可應(yīng)用的相鄰電池段122所共用。圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的“碟盤形”BPU 2的基本結(jié)構(gòu)的示意性截面圖。 BPU 2可以包括可以在不能滲透的導(dǎo)電基板或集流器6的第一側(cè)面上提供的正活性材料電 極層4，以及可以在不能滲透的導(dǎo)電基板6的另一側(cè)面上提供的負(fù)活性材料電極層8。例 如，孔眼(例如，孔眼5)可以提供于基板6的中心。圖3所示的“碟盤形”電極的實(shí)施例的 BPU 2的曲率半徑可以比圖1所示的“平面板”電極的實(shí)施例的相對(duì)較小?！暗P形”電極 的相對(duì)較小的曲率半徑可以給BPU 2賦予基本上球體形狀。當(dāng)BPU 2上凹取向時(shí)，如同它 在圖3中所呈現(xiàn)的，正活性材料電極層4可以位于BPU 2的凹側(cè)面上而負(fù)活性材料電極層 8可以位于相對(duì)側(cè)面上?？梢哉{(diào)整碟盤形BPU 2的尺寸以具有任意適合的碟盤半徑。例如，給定的特定空 間要求，相對(duì)小的碟盤半徑可能是所希望的?？商娲兀o定的特定功率要求，在沒(méi)有特定 空間要求的情況下，相對(duì)大的碟盤半徑可能是所希望的。電極的形狀(例如，“平面板”或“碟盤形狀”)可以基本上由電極的曲率半徑來(lái)描 述。例如，對(duì)于“平面板”電極(參看，例如，圖1的BPU 102),BPU 102的曲率半徑與“碟片 形”電極的曲率半徑(參看，例如，圖3的BPU 2)相比可以是相對(duì)大的。例如，平面板電極 的曲率半徑可以接近無(wú)窮大。BPU(例如，BPU 102)的曲率半徑可以實(shí)質(zhì)上影響B(tài)PU經(jīng)受電 池之間的壓力差的能力。例如，當(dāng)曲率半徑增加至大約100英寸以上時(shí)，使平面板撓曲所需 的壓力可以是剛好在0以上。對(duì)于相對(duì)小的壓力差(例如，5psi)，“平面板”BPU 102的撓 曲可以是大約0. 100英寸以上?？紤]到隔板厚度可以是大約0. 005英寸，這個(gè)數(shù)量可能是 相對(duì)大的。但是，對(duì)于半徑為大約6英寸的“碟盤形”電極，大約5psi下的撓曲可以被減小至 大約0.001英寸。碟盤設(shè)計(jì)可以允許壓力均衡閥3的參數(shù)被確定。例如，在給出任意適合 的材料的假定彈性模量的情況下可以求解適合的半徑及厚度的碟盤形電極大約0. 002英 寸的撓曲的方程，其中所述任意適合的材料包括，但不限于，軟鋼，或任意其他材料，或者它 們的任意組合。還可以使用求解適合的幾何形狀的其他方法。壓力均衡閥3可以起著基本 上使相鄰電池之間的氣體均衡至大約Ipsi或更小的壓力差的作用。存在允許氣體從過(guò)度加壓的電池流到壓力較小的電池的功率存儲(chǔ)器件的設(shè)計(jì)。這 已經(jīng)通過(guò)在電池組容器的頂部的外部支管或管道來(lái)使每個(gè)電池維持相等的壓力實(shí)現(xiàn)了。但 是，這些現(xiàn)有的設(shè)計(jì)給電池組增加了足夠大的重量并且可能體積太大以致不能適當(dāng)?shù)貞?yīng)用 于堆疊式雙極電池組。在雙極電極的堆組中，壓力均衡的問(wèn)題由組裝的附加問(wèn)題以及給電 池填充電解液所放大。但是，在“碟盤形”電極的實(shí)施例中，碟盤在隔板及粘結(jié)于碟盤底部 的活性電極材料吸收電解液時(shí)可以用作電解液的臨時(shí)位置。一旦電解液被吸收，那么下一 個(gè)碟盤式電極就可以布置于隔板及最近填充的電極之上。電解液在這些過(guò)程步驟期間不會(huì) 通過(guò)碟盤底部泄漏。因而，例如，在BPU 2的中心的均衡孔眼可以在電解液填充期間被封閉 或被覆蓋。例如，可以要求半透性隔膜或裂開式碟盤來(lái)覆蓋電極中的孔眼以基本上阻止電解液漏入較低的電池內(nèi)。因而，壓力均衡閥可以被用來(lái)調(diào)解在電池之間產(chǎn)生的壓力差并且 還可以被用來(lái)輔助電池組的組裝及制造。BPU 2可以包括如在圖3中所示的壓力均衡閥或半透性隔膜3。均衡閥3可以是 由任意適合的材料制成的碟盤，例如非導(dǎo)電性聚合物、橡膠，任意其他適合的材料，或者它 們的任意組合。在本發(fā)明的實(shí)施例中，碟盤可以具有穿過(guò)碟盤的納米尺寸的或微米尺寸的 孔眼、切口，任意其他適合的穿孔，或者它們的任意組合，使得碟盤可以構(gòu)成可以防止電解 液通過(guò)的或者可以減小通過(guò)的電解液量的氣體滲透性隔膜。均衡閥3可以由耐化學(xué)腐蝕的 任意適合的材料制成，(例如，由于圖8的電解液11)，例如包括，但不限于聚乙烯化合物、聚 砜、氯丁橡膠，或者它們的任意組合。如圖3所示，均衡閥3及孔眼5可以基本上位于基板 6的中心?？商娲兀忾y3及孔眼5可以沿著基板6布置于任意位置。在本發(fā)明的實(shí)施例中，均衡閥3可以采用利用化學(xué)性質(zhì)而不是機(jī)械性質(zhì)的氣體滲 透性隔膜的形式(例如，為具有切口的閥)。在該實(shí)施例中，均衡閥3可以由任意適合的密 封劑形成，例如Loctite 牌膠粘劑(由Henkel公司供應(yīng)的，可以由硅、丙烯酸類、和/或纖 維增強(qiáng)塑料(FRP)形成的并且可以是不滲透電解液的)，任意其他適合的材料，以及它們的 任意組合。可以在液體密封劑固化之前將例如大約1000根纖絲的石墨碳纖維束，任意其他 適合的材料，或者它們的任意組合布置于該液體密封劑中。在使密封劑及纖維束固化之后， 可以基本上形成均衡閥3。量子力學(xué)的“跳躍”機(jī)制可以使均衡閥3能夠基本上讓O2及H2 分子通過(guò)堆組中相鄰的電池并且可以防止電解液通過(guò)或者可以減小通過(guò)的電解液量?；瘜W(xué) 的“跳躍”機(jī)制基本上可以由石墨材料的材料及化學(xué)性質(zhì)激活。例如，在石墨碳纖維束中， 擴(kuò)散力基本上可以允許來(lái)自過(guò)度加壓的電池的氫分子經(jīng)由石墨材料的六元碳環(huán)結(jié)構(gòu)上的 空間沿著石墨材料的表面“跳躍”。例如，在本發(fā)明的實(shí)施例中，壓力均衡閥3可以是可以打開以釋放在相鄰電池之 間大約Ipsi以上的壓力差的裂開式碟盤閥203，如圖4所示。裂開式碟盤閥203可以由織 物(brai)、或類PVA膜、任意適合的聚合物、金屬、復(fù)合膜，任意其他適合的材料，或者它們 的任意組合制成。裂開式碟盤閥203可以在閥的孔眼之上設(shè)置膜，其中該閥的孔眼在基本 上防止電解液溢出至相鄰的電池的同時(shí)可以允許電池段在制造期間填充電解液。如果裂開式碟盤打開(例如，由于在相鄰電池之間相對(duì)大的壓力差)，則孔眼205 可以允許電解液從某一電池流到相鄰的電池。但是，如果基本上保證電池組的取向處于特 定的位置(例如，下凹的BPU202)，則電解液可能由于“碟盤形”BPU 202的幾何形狀而達(dá)不 到孔眼。因?yàn)榭籽?05處于基板206的中心，所以基本上可以防止電解液達(dá)到孔眼205，其 中基板206的中心的高度比密封墊圈附近的基板邊緣相對(duì)較大，自由的電解液可以聚集于 基板的邊緣。電池組可以以基本上相同的效果進(jìn)行側(cè)向安置。圖5示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的圖3的BPU 2堆組的基本結(jié)構(gòu)的示意性截面 圖。例如，多個(gè)BPU 2可以基本上垂直地堆疊成堆組20，具有可以提供于兩個(gè)相鄰的BPU 2 之間的電解液層10，使得一個(gè)BPU2的正電極層4可以經(jīng)由電解液層10與相鄰的BPU 2的 負(fù)電極層8相對(duì)。每個(gè)電解液層10可以包括可以保持電解液11的隔板9(參看，例如，圖 8)。隔板9可以使正電極層4和與其相鄰的負(fù)電極層8電隔離，同時(shí)允許在電極單元之間 的離子遷移，這將在下文更詳細(xì)地描述。例如，繼續(xù)參考在圖5中的堆疊狀態(tài)的BPU 2，在第一 BPU 2的正電極層4及基板6，與第一 BPU 2相鄰的第二 BPU 2的負(fù)電極層8及基板6，以及在第一及第二 BPU 2之間的 電解液層10中所包含的組件在此應(yīng)當(dāng)稱作單個(gè)的“電池”或“電池段” 22。每個(gè)電池段22 的每個(gè)不透性基板6都可以由可應(yīng)用的相鄰電池段22所共用。例如，如圖6所示，可以連同一個(gè)或更多個(gè)BPU 2的堆組20 —起提供正端部及負(fù) 端部以構(gòu)成根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的堆疊式雙極電池組50。可以包括在不透性導(dǎo)電基板16 的一個(gè)側(cè)面上所提供的正活性材料電極層14的正單極電極單元或MPU 12可以位于其間提 供有電解液層(即，電解液層IOe)的堆組20的第一端部，使得正極MPU 12的正電極層14 可以經(jīng)由電解液層IOe在堆組20的第一端部與BPU(即，BPU2d)的負(fù)電極層(即，層8d) 相對(duì)?？梢园ㄔ诓煌感詫?dǎo)電基板36的一個(gè)側(cè)面上所提供的負(fù)活性材料電極層38的負(fù) 單極電極單元或MPU32可以位于其間提供有電解液層(即，電解液層IOa)的堆組20的第 二端部，使得負(fù)極MPU 32的負(fù)電極層38可以經(jīng)由電解液層IOa在堆組20的第二端部與 BPU(即，BPU 2a)的正電極層(即，層4a)相對(duì)。可以給MPU 12及32分別提供對(duì)應(yīng)的正電 極及負(fù)電極的引線13及33。應(yīng)當(dāng)注意，每個(gè)MPU的基板及電極層都可以形成具有其相鄰BPU2的基板及電極 層，以及在其間的電解液層10的電池段22，例如，如圖6所示(參看，例如，段22a及22e)。 在堆組20中的堆疊式BPU 2的數(shù)量可以是一個(gè)或更多個(gè)，并且可以被適當(dāng)?shù)卮_定以便與電 池組50的期望電壓對(duì)應(yīng)。每個(gè)BPU 2都可以提供任意的期望電勢(shì)，使得電池組50的期望 電壓可以通過(guò)有效地增加由每個(gè)組件BPU 2所提供的電勢(shì)來(lái)獲得。應(yīng)當(dāng)理解，每個(gè)BPU 2 不必都提供相同的電勢(shì)。在一個(gè)適合的實(shí)施例中，可以構(gòu)造雙極電池組50使得BPU堆組20及其相應(yīng)的正 負(fù)極MPU 12及32可以在降低的壓力之下至少部分地被封裝(例如，氣密性密封)到電池 組容器或包裝器40之內(nèi)。例如，MPU導(dǎo)電基板16及36(或者至少它們相應(yīng)的電極引線13 及33)可以由電池組容器40內(nèi)抽出，以便在使用時(shí)減輕來(lái)自外部的影響并防止環(huán)境退化。為了防止第一電池段的電解液(參看，例如，圖8的電池段22a的電解液Ila)與 另一電池段的電解液(參看，例如，圖8的電池段22b的電解液lib)結(jié)合，墊圈或密封劑可 以與相鄰的電極單元之間的電解液層堆疊以密封在其特定電池段之內(nèi)的電解液。例如，墊 圈或密封劑可以是任意適合的可壓縮的或不可壓縮的固體或粘性材料，或者它們的組合， 該墊圈或密封劑可以與特定電池的相鄰電極單元互相作用以密封其間的電解液。在一個(gè)適 合的布局中，例如，如圖6所示，本發(fā)明的雙極電池組可以包括可以位于每個(gè)電池段22的電 解液層10以及活性材料電極層4/14及8/38周圍作為屏障的墊圈或密封60。墊圈或密封 劑可以是連續(xù)且封閉的并且可以密封在墊圈與該電池的相鄰電極單元(即，與該墊圈或密 封相鄰的多個(gè)BPU或單個(gè)BPU和MPU)之間的電解液。例如，墊圈或密封劑可以提供在該電 池的相鄰電極單元之間的適當(dāng)?shù)拈g距。在密封堆疊式雙極電池組50的電池段以防止第一電池段的電解液(參看，例如， 圖8的電池段22a的電解液Ila)與另一電池段的電解液結(jié)合(參看，例如，圖8的電池 段22b的電解液lib)時(shí)，電池段可能隨著電池被充放電而產(chǎn)生在相鄰電池(例如，電池 22a-22b)之間的壓力差。均衡閥3a-3d可以用來(lái)基本上減小這樣引起的壓力差。由于之 前所呈現(xiàn)的均衡閥3 (位于孔眼5)可以作為半透性隔膜或裂開式碟盤來(lái)工作，因此在機(jī)械 上或化學(xué)上允許氣體遷移并且基本上防止電解液遷移。電池組(例如，電池組50)可以具
9有擁有均衡閥(例如，均衡閥3a-3d)的任意組合的BPU (例如，BPU 2a_2d)。例如，BPU 2a 可以具有以化學(xué)方法工作的均衡閥3a，BPU 2b可以具有以機(jī)械方法工作的均衡閥3b，BPU 2c可以具有裂開式碟盤閥3c，以及BPU 2d可以具有裂開式碟盤閥3d。另外，如圖6所示， 均衡閥3a_d及孔眼5a_d可以基本上位于基板6a_d的中心。在實(shí)施例中，均衡閥3a_d及 孔眼5a_d可以布置于沿著基板的任意位置。例如，在本發(fā)明的實(shí)施例中，為了壓縮并保持電池段22及墊圈60處于圖6所示的 密封配置下，可以將壓力按箭頭Pl及P2的方向施加于容器40的側(cè)面。該雙極電池組50 可以包括堆疊的且串聯(lián)的多個(gè)電池段22 (如圖7所示)以提供期望電壓?，F(xiàn)在參考圖8，其中示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的電池組50的兩個(gè)特定電池段22 的分解圖。電池段22a可以包括MPU 32的基板36及負(fù)電極層38，電解液層10a，以及BPU 2a的正電極層4a及基板6a。電池段22b可以包括BPU 2a的基板6a及負(fù)電極層8a，電解 液層10b，以及BPU 2b的正電極層4b及基板6b。如上所述，每個(gè)電解液層10可以包括隔 板9及電解液11?？梢詫⒚芊鈩┗驂|圈60提供于每個(gè)電池段22的電解液層10的周圍，使 得該電池段的隔板9及電解液11可以被密封于由墊圈60及特定電池段的相鄰電極單元所 界定的空間內(nèi)。例如，如圖8所示，墊圈60a可以包圍電解液層IOa使得其隔板9a及電解液Ila 可以完全密封于由墊圈60a、MPU 32及電池段22a的BPU 2a所界定的空間內(nèi)。類似地，例 如，如圖8所示，墊圈60b可以包圍電解液層IOb使得其隔板9b及電解液lib可以完全密 封于由墊圈60b、BPU 2a、及電池段22b的BPU 2b所界定的空間之內(nèi)。每個(gè)電池段的密封劑或墊圈可以與電池的電極單元的各個(gè)部分形成密封以密封 其電解液。例如，如圖8所示，墊圈可以與基板的頂部或底部的一部分形成密封(參看，例 如，墊圈60a接觸基板36的底面以及基板6a的頂面及外側(cè)面)。在本發(fā)明的某些實(shí)施例中，為了創(chuàng)建更好的密封，可以使墊圈的表面區(qū)域與相鄰 電極單元的表面區(qū)域相互接觸的一個(gè)或更多個(gè)部分各自互補(bǔ)地或相對(duì)地開槽、倒角、或成 形。例如，可以使墊圈的至少一部分表面與電極單元的至少一部分表面對(duì)應(yīng)地成形，使得這 兩個(gè)表面可以配對(duì)在一起以在電池組的制造期間限制在這兩個(gè)表面之間的某些類型的相 對(duì)移動(dòng)并且使墊圈與電極單元自對(duì)齊。例如，通過(guò)使墊圈與相鄰基板互補(bǔ)成形的部分配對(duì) 所形成的這種凹槽或卡銷可以由此增加它們的成對(duì)接觸區(qū)域的尺寸并且可以由此給試圖 破壞在墊圈與基板的成對(duì)接觸區(qū)域之間所創(chuàng)建的密封的任意流體(例如，電解液)提供阻 力的較大路線。用來(lái)形成本發(fā)明的電極單元的基板(例如，基板6、16、及36)可以由任意適合的導(dǎo) 電的且不透性的材料形成，例如，包括，但不限于，非穿孔的金屬箔、鋁箔、不銹鋼箔、含有鎳 及鋁的覆層材料、含有銅及鋁的覆層材料、鎳鍍鋼、鎳鍍銅、鎳鍍鋁、金、銀、或它們的組合。 在某些實(shí)施例中，每個(gè)基板都可以由相互粘附的兩張或更多張金屬箔構(gòu)成。例如，每個(gè)BPU 的基板可以典型是厚為0. 025 5毫米，而每個(gè)MPU的基板可以是厚為0. 025 10毫米并 且充當(dāng)電池組的端部。例如，金屬化的泡沫，可以與在平面的金屬膜或箔內(nèi)任意適合的基板 材料結(jié)合，例如，使得在電池段的活性材料之間的阻力可以通過(guò)使導(dǎo)電矩陣擴(kuò)大遍及電極 來(lái)減小。在這些基板上所提供以形成本發(fā)明的電極單元的正電極層(例如，正電極層4及
1014)可以由任意適合的活性材料形成，例如包括，但不限于，氫氧化鎳(Ni(0H)2)、鋅(Zn)， 或它們的組合。正活性材料可以被燒結(jié)并被浸漬，用水性粘合劑涂覆并擠壓，用有機(jī)粘合 劑涂覆并擠壓，或者由將具有其他支持性化學(xué)物質(zhì)的正活性材料包含于導(dǎo)電基體中的任意 其他適合的方法所包含。電極單元的正電極層可以具有被注入其矩陣中以減小膨脹的粒 子，例如包括，但不限于，金屬氫化物(MH)、Pd、Ag、或它們的組合。例如，這可以增加循環(huán)壽 命，提高復(fù)合，并減小電池段內(nèi)的壓力。這些粒子(例如MH)還可以與活性材料漿糊(例如 Ni (OH)2)粘結(jié)，以提高電極內(nèi)的導(dǎo)電性并且支持復(fù)合。在這些基板上所提供以形成本發(fā)明的電極單元的負(fù)電極層(例如，負(fù)電極層8及 38)可以由任意適合的活性材料形成，例如包括，但不限于，MH、Cd、Mn、Ag、及它們的組合。 例如，負(fù)活性材料可以被燒結(jié)，用水性粘合劑涂覆并擠壓，用有機(jī)粘合劑涂覆并擠壓，或者 由將具有其他支持性化學(xué)物質(zhì)的負(fù)活性材料包含于導(dǎo)電基體中的任意其他適合的方法所 包含。例如，負(fù)極電極側(cè)面可以具有在負(fù)電極材料基體內(nèi)注入以穩(wěn)定結(jié)構(gòu)、降低氧化、并延 長(zhǎng)循環(huán)壽命的化學(xué)物質(zhì)，包括，但不限于，Ni、Zn、Al，或它們的組合。各種適合的粘合劑，例如包括，但不限于，有機(jī)CMC粘合劑、Creyton橡膠、PTFE (聚 四氟乙烯)，或者它們的組合，可以與活性材料層混合以使這些層保持于它們的基板。超靜 止粘合劑(例如200ppi的鎳泡沫)同樣可以使用于本發(fā)明的堆疊式電池組構(gòu)造。本發(fā)明的電池組的每個(gè)電解液層的隔板(例如，每個(gè)電解液層10的隔板9)可以 由在允許離子于那些電極單元之間遷移的同時(shí)使其兩個(gè)相鄰的電極單元電隔離的任意適 合的材料形成。例如，隔板可以含有纖維素超級(jí)吸收器以提高填充并且充當(dāng)電解液儲(chǔ)蓄器 以增加循環(huán)壽命，其中隔板可以由聚吸附織物材料(polyabsorb diaper material)制成。 因此，隔板可以在對(duì)電池組施加充電時(shí)釋放之前所吸收的電解液。在某些實(shí)施例中，隔板可 以是較低密度的并且比正常的電池厚使得電極間間距(IES)可以比正常更高地開始并且 連續(xù)降低以在電池組的壽命內(nèi)保持其充電率(C-rate)及容量以及延長(zhǎng)電池組的壽命。隔板可以比粘結(jié)于在電極單元上的活性材料的表面的正常材料更薄以減少短路 并提高復(fù)合。例如，可以將該隔板材料噴射上，涂覆上，或擠壓上。在某些實(shí)施例中，隔板可 以具有與其附著的復(fù)合劑。例如，可以將該制劑注入隔板的結(jié)構(gòu)之內(nèi)(例如，這可以通過(guò)在 使用PVA來(lái)將該制劑粘合于隔板纖維的濕法過(guò)程中物理俘獲該制劑來(lái)完成，或者可以通過(guò) 電沉積將該制劑放置于那里)；或者可以通過(guò)汽相沉積使該制劑在表面上形成層。隔板可 以由有效地支持復(fù)合的任意適合的材料或制劑制成，例如包括，但不限于，Pb、Ag，或它們的 組合。雖然隔板可以在電池的基板向彼此移動(dòng)的情況下呈現(xiàn)阻力，但是在可能利用剛性足 夠不撓曲的基板的本發(fā)明的某些實(shí)施例中可以不提供隔板。 本發(fā)明的電池組的每個(gè)電解液層的電解液(例如，每個(gè)電解液層10的電解液11) 可以由在溶解或熔化時(shí)可以離子化以產(chǎn)生導(dǎo)電介質(zhì)的任意適合的化學(xué)化合物形成。電解液 可以是任意適合的化學(xué)物質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)電解液，例如，但不限于，NiMH。電解液可以含有另加的 化學(xué)物質(zhì)，例如包括，但不限于，氫氧化鋰(LiOH)、氫氧化鈉(NaOH)、氫氧化鈣(CaOH)、氫氧 化鉀(KOH)，或者它們的組合。電解液還可以含有用以提高復(fù)合的添加劑，例如，但不限于， Ag(OH)20例如，電解液還可以含有RbOH以提高低溫性能。在本發(fā)明的某些實(shí)施例中，可以 將電解液(例如，電解液11)凍結(jié)于隔板(例如，隔板9)之內(nèi)并然后在電池組完全組裝之 后解凍。這可以允許在墊圈和與其相鄰的電極單元基本上形成流體緊密的密封之前將特別粘的電解液弓I入電池組的電極單元堆組之內(nèi)。本發(fā)明的電池組的密封或墊圈(例如，墊圈60)可以由可以有效地將電解液密封 于由墊圈及其相鄰的電極單元所界定的空間之內(nèi)的任意適合的材料或材料的組合形成。在 某些實(shí)施例中，墊圈可以由固體的密封屏障或密封環(huán)，或者能夠形成固體密封環(huán)的多個(gè)環(huán) 形部分形成，該墊圈可以由任意適合的非導(dǎo)電材料制成，例如包括，但不限于，尼龍、聚丙 烯、微孔固定劑(cell gard)、橡膠、PV0H，或它們的組合。由固體的密封屏障形成的墊圈可 以與相鄰電極的一部分接觸以創(chuàng)建它們之間的密封。可替代地，墊圈可以由任意適合的粘性材料或漿糊形成，例如包括，但不限于，環(huán) 氧樹脂、焦油(brea tar)、電解液(例如，Κ0Η)的不透膠、可壓縮的膠粘劑(例如，雙組份聚 合物，例如可以由硅、丙烯酸樹脂，和/或纖維增強(qiáng)塑料(FRP)形成的并且可以防電解液滲 透的由Henkel公司供應(yīng)的Loctite 牌膠粘劑)，或者它們的組合。由粘性材料形成的墊 圈可以接觸相鄰電極的一部分以創(chuàng)建它們之間的密封。在另外的實(shí)施例中，墊圈可以由固 體密封環(huán)及粘性材料的結(jié)合而形成，使得粘性材料可以提高固體密封環(huán)及相鄰電極單元之 間的密封。例如，可替代地或者另外地，在將固體密封環(huán)，以另外的粘性材料處理的固體密 封環(huán)，相鄰的電極單元，或者以另外的粘性材料處理的相鄰的電極單元密封于那里之前，電 極單元自身可以用粘性材料來(lái)處理。而且，在某些實(shí)施例中，可以給在相鄰的電極單元之間的墊圈或密封劑提供可以 允許某些類型的流體(即，某些液體或氣體)通過(guò)那里漏出的一個(gè)或更多個(gè)弱點(diǎn)(例如，如 果在由該墊圈所界定的電池段內(nèi)的內(nèi)部壓力增加超過(guò)某一閾值)。一旦某一數(shù)量的流體漏 出或者內(nèi)部壓力降低，弱點(diǎn)就可以再密封?？梢耘渲没蛑苽渲辽俨糠值赜赡承╊愋偷倪m合 的粘性材料或漿糊(例如織物)形成的墊圈以允許某些流體通過(guò)那里并且防止其他某些流 體通過(guò)。該墊圈可以防止任何電解液在兩個(gè)電池段之間共用，其中該共用可能促使電池組 的電壓及能量快速衰減(即，放電)至0。如上所述，利用以堆疊式構(gòu)造的密封電池設(shè)計(jì)的電池組(例如，雙極電池組50)的 一個(gè)好處可以是增大的電池組放電率。該增大的放電率可以允許使用否則在柱形或卷繞式 的電池組設(shè)計(jì)中可能是不可行的某些腐蝕性較小的電解液(例如，通過(guò)去除或降低研磨、 導(dǎo)電性增強(qiáng)、和/或電解液的化學(xué)反應(yīng)性的一個(gè)組分或更多個(gè)組分)?？梢杂啥询B式電池組 設(shè)計(jì)所提供以使用腐蝕性較小的電解液的這種余地可以允許在與可能另外由腐蝕性較大 的電解液所腐蝕的墊圈形成密封時(shí)利用某些環(huán)氧樹脂(例如，J-B焊接環(huán)氧樹脂)。本發(fā)明的電池組的容器或包裝器(例如，容器40)可以由可以密封于端部的電極 單元(例如，MPU 12和32)以使它們的導(dǎo)電性基板(例如，基板16和36)或者它們的關(guān)聯(lián) 引線(即，引線13和33)暴露的任意適合的非導(dǎo)電性材料形成。還可以形成包裝器以創(chuàng)建， 支持，和/或維持在墊圈及其相鄰電極單元之間的密封以將電解液隔離于它們相應(yīng)的電池 段之內(nèi)。包裝器可以創(chuàng)建和/或維持這些密封所需的支持使得密封可以抵抗電池組由于電 池段內(nèi)的內(nèi)部壓力增大的膨脹。包裝器可以由任意適合的材料制成，例如包括，但不限于， 尼龍，任意其他聚合物或塑料材料，包括增強(qiáng)型組合物、丁腈橡膠、或聚砜，或收縮包裝材 料，或任意剛性材料，例如釉質(zhì)涂覆的鋼鐵或任意其他金屬，或任意絕緣材料，或者它們的 組合。例如，在某些實(shí)施例中，包裝器可以由可以將持續(xù)的壓力維持于堆疊式電池的密封上 的拉緊夾的外骨骼形成。可以在堆組及包裝器之間提供非導(dǎo)電性屏障以防止電池組短路。
繼續(xù)參考圖6，例如，本發(fā)明的雙極電池組50可以包括由MPU 12及32形成的多個(gè) 電池段(例如，電池段22a-22e)，以及在它們之間的一個(gè)或更多個(gè)BPU 2 (例如，BPU 2a-2d) 的堆組。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，不僅在電池段與電池段之間，而且在特定的電池段之內(nèi)，每 一個(gè)基板(例如，基板6a-6d、16、及36)的、壓力均衡閥(例如，閥3a_3d)的、電極層(例 如，正極層4a_d及14，以及負(fù)極層8a_8d及38)的、電解液層(例如，層IOa-IOe)的、以及 墊圈(例如，墊圈60a-60e)的厚度及材料都可以是彼此不同的。幾何形狀及化學(xué)性質(zhì)的變 化，不僅在堆組級(jí)別，而且在單個(gè)電池級(jí)別，都可以創(chuàng)建具有不同優(yōu)點(diǎn)及性能特性的電池。另外，基板的、壓力均衡閥的、電極層的、電解液層的、及墊圈的材料及幾何形狀可 以沿著堆組的高度從電池段到電池段地變化。例如，進(jìn)一步參考圖6，在電池組50的每個(gè)電 解液層10中使用的電解液11可以根據(jù)其相應(yīng)的電池段22與電池段堆組的中部距離遠(yuǎn)近 而變化。例如，最里面的電池段22c(即，在電池組50內(nèi)的五個(gè)(5)段22的中間電池段) 可以包括由第一電解液形成的電解液層(即，電解液層IOc)，而中間電池段22b及22d (即， 與電池組50中的端部電池段相鄰的電池段)可以包括每個(gè)都由第二電解液形成的電解液 層(即，分別為電解液層IOb及IOd)，而最外面的電池段22a及22e (即，電池組50中的最 外面的電池段)可以包括每個(gè)都由第三電解液形成的電解液層(即，分別為電解液層IOa 及IOe)。通過(guò)在內(nèi)部堆組中使用較高導(dǎo)電性的電解液，電阻可以是較低的使得所產(chǎn)生的熱 量可以是較少的。這可以通過(guò)設(shè)計(jì)而不是通過(guò)外部冷卻方法來(lái)給電池組提供熱控制。作為另一個(gè)實(shí)例，在電池組50的每個(gè)電池段中用作電極層的活性材料同樣可以 根據(jù)其相應(yīng)的電池段22與電池段堆組的中部的距離遠(yuǎn)近而變化。例如，最里面的電池段 22c可以包括由具有第一溫度和/或速率性能的第一類型的活性材料形成的電極層(即， 層8b和4c)，而中間的電池段22b及22d可以包括由具有第二溫度和/或速率性能的第二 類型的活性材料形成的電極層(即，層8a/4b和層8c/4d)，而最外面的電池段22a和22e可 以包括由具有第三溫度和/或速率性能的第三類型的活性材料形成的電極層(即，層38/4a 和層8d/14)。例如，作為實(shí)例，可以通過(guò)構(gòu)造具有鎳鎘電極的最里面的電池段來(lái)對(duì)電池組堆 組進(jìn)行熱管理，其中該鎳鎘電極可以較好地吸收熱量，而最外面的電池段則可以設(shè)置可能 需要為冷卻器的鎳金屬氫化物的電極?？商娲?，電池組的化學(xué)性質(zhì)或幾何形狀可以是不 對(duì)稱的，其中在堆組的一端的電池段可以由第一活性材料及第一高度制成，而在堆組的另 一端的電池段可以由第二活性材料及第二高度制成。而且，電池組50的每個(gè)電池段的幾何形狀同樣可以沿著電池段堆組而變化。除了 改變?cè)谔囟ǖ碾姵囟沃畠?nèi)的活性材料之間的距離以外，某些電池段22還可以具有在這些 段的活性材料之間的第一距離，而其他電池段可以具有在這些段的活性材料之間的第二距 離。在任何情況下，電池段或者其具有在活性材料電極層之間的較小距離的部分可以具有 例如較高的功率，而電池段或者其具有在活性材料電極層之間的較大距離的部分可以具有 例如較大的樹晶生長(zhǎng)空間，較長(zhǎng)的循環(huán)壽命，和/或更大的電解液儲(chǔ)量。例如，這些具有在 活性材料電極層之間的較大距離的部分可以調(diào)節(jié)電池的充電接受能力以確保具有在活性 材料電極層之間的較小距離的部分可以首先充電。在實(shí)施例中，電池組50的電極層的幾何形狀(例如，圖6的正極層4a_d及14，以 及負(fù)極層8a-8d及38)可以沿著基板6的徑向長(zhǎng)度變化。參考圖6，電極層是厚度均勻的并 且是關(guān)于碟盤式電極形狀對(duì)稱的。在實(shí)施例中，電極層可以是非均勻的。例如，參考圖16，正活性材料電極層和負(fù)活性材料電極層的厚度可以隨著在撓曲表面上的徑向位置而變化。 例如，正電極層304a在BPU 302a的中心附近可以具有相對(duì)小的厚度，并且在墊圈360a附 近可以具有相對(duì)較大的厚度。類似地，負(fù)電極層308a在BPU 302a的中心附近可以具有相對(duì) 小的厚度，并且在墊圈360a附近可以具有相對(duì)較大的厚度。電池段322b可以包括BPU302a 的負(fù)電極層308a及基板306a，與BPU 302a相鄰的BPU 302b的正電極層304b及基板306b， 以及在BPU 302a及BPU302b之間的電解液層310。當(dāng)BPU 302a和BPU 302b基本上按照 “碟盤形”基板6a-b是下凹的這樣的方式來(lái)取向時(shí)，自由的電解液可以匯聚于電池段322b 的區(qū)域380中。從而，電極層可以利用在電池堆組的充電及放電的每個(gè)循環(huán)期間形成的過(guò) 量的或自由的電解液380。例如，如上所述，電池段或者其具有在活性材料電極層之間的較 小距離的部分可以具有較高的功率。在實(shí)施例中，電池組50的電極層(例如，圖6的正極層4a_d及14，以及負(fù)極層 8a-8d及38)的幾何形狀可以沿著基板6的徑向長(zhǎng)度以這樣的方式變化以致給定的BPU(例 如，圖16中的BPU 302c)具有多個(gè)幾何形狀的活性材料。例如，正活性材料電極304c可以 具有在第一部分上的第一幾何形狀390以及在第二部分上的第二幾何形狀390’類似地，負(fù) 活性材料電極308c可以具有在第一部分上的第一幾何形狀391以及在第二部分上的第二 幾何形狀391’。其他幾何形狀及幾何形狀的組合也可以用于BPU的活性材料層。如上所述，生產(chǎn)本發(fā)明的雙極電池組的方法可以一般地包括步驟提供MPU并且 在最終以極性相反的另一個(gè)MPU來(lái)結(jié)束堆組之前于其上堆疊其間具有電解液層及墊圈的 一個(gè)或更多個(gè)BPU。例如，針對(duì)圖9-14描述了根據(jù)本發(fā)明生產(chǎn)堆疊式雙極電池組1050的方 法。例如，針對(duì)圖9，初始時(shí)可以給正極MPU 1012提供不透性導(dǎo)電基板1016以及涂覆于其 上的正活性材料電極層1014，兩者基本上都是“碟盤形的”。然后，可以將墊圈1060堆疊于在電極層1014附近的基板1016上(參看，例如，圖 10)。一旦墊圈1060堆疊于MPU 1012的頂部，基本上流體緊密的杯形容器(參看，例如，空 間1080)就可以從而由墊圈1060的內(nèi)部側(cè)壁以及MPU 1012在其間的部分所界定。在墊圈 的內(nèi)部側(cè)壁與電極單元在其間的部分之間所形成的夾角(例如，圖10中在墊圈1060的內(nèi) 部側(cè)壁與MPU 1012在其間的部分之間的夾角1078)可以是任意適合的角度，包括直角、鈍 角、或銳角。然后，可以將隔板1009及電解液1011沉積于正電極層1014的頂部上的墊圈1060 的內(nèi)部墻壁之內(nèi)以將電解液層1010界定于空間1080之內(nèi)(參看，例如，圖11)。當(dāng)要使用 的電解液是相當(dāng)粘時(shí)，則在墊圈與MPU之間創(chuàng)建的密封可以允許電解液在沒(méi)有泄漏可能的 情況下容易地注入空間1080內(nèi)。應(yīng)當(dāng)理解，如果電解液在注入堆組之內(nèi)時(shí)不是粘性的(例 如，在電解液被凍結(jié)于隔板之內(nèi)的實(shí)施例中)，則電解液層可以在墊圈固定于其上之前就堆 疊于MPU之上?！暗P形的”基板1016可以是上凹的并且可以用作電解液在由隔板1009及 正電極層1014吸收時(shí)的臨時(shí)位置，由此簡(jiǎn)化該生產(chǎn)步驟。另外，碟盤形基板1016的幾何形 狀可以基本上防止基板1016在電解液1011沉積時(shí)遷移。一旦電解液層1010的隔板1009及電解液1011沉積于由墊圈1060及MPU 1012所 界定的空間1080之內(nèi)，并且電解液已經(jīng)基本上被吸收了，就可以將第一BPU 1102沉積于其 上(參看，例如，圖12)。如圖12所示，BPU 1102可以包括具有壓力均衡閥1103以及涂覆 在其相對(duì)側(cè)面上的正電極層1104及負(fù)電極層1108的不透性的導(dǎo)電基板1106。以BPU 1102
14的負(fù)電極層1108向下面對(duì)著MPU 1012的正電極層1014，BPU 1102可以堆疊于墊圈1060 上。一旦BPU 1102堆疊于墊圈1060的頂部上以及從而在MPU 1012上，第一電池段1022 就可以存在。而且，基本上流體緊密的密封可以因此由基板1106、基板1036、及在電解液層 1010周圍的墊圈1060 (以及從而電解液1011)所界定。然后，隔板1109及電解液1111可以沉積于正電極層1104的頂部上的墊圈1160 的內(nèi)部墻壁之內(nèi)以界定電解液層1110(參看，例如，圖13)。電解液在這些過(guò)程步驟期間不 可以通過(guò)BPU 1102的底部泄露。因而，可以提供半透性隔膜或裂開式碟盤(例如，均衡閥 1103)以基本上防止電解液流入較低的電池內(nèi)。一旦已經(jīng)通過(guò)堆疊墊圈1060、電解液層1010、以及在BPU 1012的頂部上的BPU 1102創(chuàng)建了該第一電池段1022，如在上文針對(duì)圖9-12所述的，如果需要的話就可以將另外 的BPU以相似的方式堆疊于其上。一旦堆疊了用于雙極電池組的期望數(shù)量的BPU，就可以將 第二 MPU堆疊于其上。參考圖13，負(fù)極MPU 1032可以堆疊于最上端的BPU的頂部(在本實(shí) 施例中，只提供了一個(gè)BPU，因此BPU 1102是該最上端的BPU)。但是，在將MPU 1032堆疊 于BPU 1102上之前，可以如上文針對(duì)墊圈1060及電解液層1010所述的那樣提供另外的墊 圈(S卩，墊圈1160)及電解液層(即，具有隔板1109及電解液1111的電解液層1110)?？梢越o負(fù)極MPU 1032提供不透性的導(dǎo)電基板1036以及涂覆于其上的負(fù)活性材料 電極層1038。以MPU 1032的負(fù)電極層1038向下面對(duì)著BPU 1102的正電極層1104，MPU 1032可以堆疊于墊圈1160之上。一旦MPU 1032已經(jīng)穩(wěn)固地堆疊于墊圈1160的頂部上以 及從而BPU1102上，第二電池段(即，段1122)就可以存在。而且，基本上流體緊密的密封 可以因此由基板1036、基板1106、以及在負(fù)電解液層1110 (以及從而電解液1111)周圍的 墊圈1160所界定。一旦制作堆組以包括正極MPU、負(fù)極MPU、以及在它們之間的至少一個(gè)BPU，由此形 成電池段堆組，例如，如同上文針對(duì)圖9-13所描述的，就可以提供容器或包裝器以密封堆 組的內(nèi)容以形成本發(fā)明的功能性的堆疊式雙極電池組。在實(shí)施例中，如圖14所示，可以將 包裝器1040提供于電池段堆組(即，電池段1022和1122)的周圍，使得端部的電極層(即， 正電極層1014和負(fù)電極層1038)可以露出(例如，分別經(jīng)由導(dǎo)電基板1016和1036的至少 一部分)，并且使得密封布局可以由在堆組的內(nèi)容周圍的包裝器所提供以提供堆疊式雙極 電池組1050。例如，壓力可以由堆疊式雙極電池組1050上的包裝器施加以在堆組中維持在 每個(gè)墊圈及其相鄰的電極單元之間的密封關(guān)系以在每個(gè)電解液層周圍創(chuàng)建基本上流體緊 密的屏障。在實(shí)施例中，可以構(gòu)造堆疊式雙極電池組50使得穹形頂部500(如圖15所示) 可以沉積于電池組的包裝器40的頂部上并且平面邊緣550可以沉積于電池組的包裝器40 的底部上。例如，穹形頂部500可能是其中壓力均衡閥為裂開式碟盤(參看，例如，裂開式 碟盤閥503a-b)的堆疊式電池組中所希望的。由于取向在裂開式碟盤已經(jīng)打開的情況下 基本上防止電解液遷移至相鄰電池的情形中可能是重要的，因而穹形頂部500可以基本上 確保堆疊式電池組維持于其中穹形頂部500為直立的取向下并且因而BPU 502a-b是下凹 的。例如，在直立的位置內(nèi)，自由的電解液580可以聚集于下凹的“碟盤形”電極(例如，BPU 502a-b)的邊緣周圍并且自由的電解液580會(huì)不能充分地到達(dá)在會(huì)比邊緣相對(duì)較高的BPU 502b的中心的開敞孔眼505b。電池組以基本上相同的效果可以側(cè)向安置。
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雖然上文所述的及所示的堆疊式電池組的每個(gè)實(shí)施例示出了包括用于將電解液 密封于其中的密封于第一及第二電極單元中的每個(gè)電極單元的墊圈的電池段，但是應(yīng)當(dāng)注 意，電池段的每個(gè)電極電池都可以被密封于其自身的墊圈，并且兩個(gè)相鄰的電極的墊圈然 后可以彼此密封以創(chuàng)建密封的電池段。在某些實(shí)施例中，可以使墊圈針對(duì)電極單元或另一個(gè)墊圈注射成模使得它們可以 熔合在一起以創(chuàng)建密封。在某些實(shí)施例中，墊圈可以超聲波焊接至電極單元或另一個(gè)墊圈 使得它們可以一起形成密封。在其他實(shí)施例中，可以將墊圈熱熔合至電極單元或另一個(gè)墊 圈，或者通過(guò)熱量流動(dòng)，由此可以加熱墊圈或電極單元以熔化到其他墊圈或電極單元內(nèi)。而 且，在某些實(shí)施例中，替代或除了在墊圈和/或電極單元的表面上創(chuàng)建凹槽形狀的部分以 外，可以使墊圈和/或電極單元穿孔或具有穿過(guò)其一個(gè)或更多個(gè)部分的一個(gè)或更多個(gè)孔 眼。可替代地，可以提供穿過(guò)一部分墊圈的孔眼或通道或穿孔使得一部分電極單元(例如， 基板)可以成模至及穿過(guò)墊圈。例如，在另外的實(shí)施例中，可以制成穿過(guò)墊圈和電極單元兩 者的孔眼，使得墊圈和電極單元中的每一個(gè)都可以成模至及穿過(guò)墊圈和電極單元中的另一 個(gè)。雖然堆疊式電池組的上文所述的及所示的每個(gè)實(shí)施例示出了通過(guò)將具有基本上 圓形的橫截面的基板堆疊至圓柱形電池組內(nèi)來(lái)形成的電池組，但是應(yīng)當(dāng)注意，各種各樣的 形狀的任一形狀都可以被用來(lái)形成本發(fā)明的堆疊式電池組的基板。例如，本發(fā)明的堆疊式 電池組可以通過(guò)堆疊具有橫截面區(qū)域?yàn)榫匦?、三角形、六邊形，以及任意其他可能的形狀?者它們的組合的基板的電極單元來(lái)形成。雖然已經(jīng)描述了例如具有減小的電極板撓曲及改進(jìn)的壓力均衡的堆疊式電池組， 但是應(yīng)當(dāng)理解，在沒(méi)有脫離本發(fā)明的精神及范圍的情況下可以于其中進(jìn)行許多改變。還應(yīng) 當(dāng)理解，各個(gè)方向及取向的詞語(yǔ)，例如“水平的”和“垂直的”，“頂部”和“底部”和“側(cè)面”， “長(zhǎng)度”和“寬度”和“高度”和“厚度”，“內(nèi)部”和“外部”，“內(nèi)部的”和“外部的”等只是出于 便利起見而在此使用，并且這些詞語(yǔ)的使用并沒(méi)有意指固定或絕對(duì)的方向或取向限定。例 如，本發(fā)明的器件，以及它們的個(gè)體組件，可以具有任意希望的取向。如果重定向，則不同的 方向或取向的詞語(yǔ)可能需要在它們的描述中使用，但是那將不會(huì)改變它們?cè)诒景l(fā)明的范圍 及精神之內(nèi)的基本性質(zhì)。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)意識(shí)到本發(fā)明可以通過(guò)與所描述的實(shí)施例不 同的其他實(shí)施例來(lái)實(shí)施，其中所描述的實(shí)施例為了的說(shuō)明而非限制的目的提出，并且本發(fā) 明僅由隨后的權(quán)利要求所限定。
1權(quán)利要求
一種雙極電池組，包括正單極電極單元；負(fù)單極電極單元；堆疊于所述正電極單元與所述負(fù)電極單元之間的至少一個(gè)雙極電極單元，其中所述電極單元中的每個(gè)都是碟盤形狀的；在每對(duì)相鄰電極單元之間所提供的電解液層；以及位于所述電解液層中的每個(gè)的周圍的墊圈，其中所述電解液層中的每個(gè)都由其相應(yīng)的墊圈及其相應(yīng)的相鄰電極單元對(duì)來(lái)密封。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的電池組，其中所述每個(gè)電極單元的曲率半徑小于無(wú)窮大。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的電池組，其中每個(gè)電極單元的撓曲由碟盤形狀減小。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的電池組，其中所述至少一個(gè)雙極電極單元包括具有正活性材料電 極層的第一側(cè)面以及具有負(fù)活性材料電極層的第二側(cè)面。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的電池組，其中所述正活性材料電極層及所述負(fù)活性材料電極層的 厚度是均勻的。
6.根據(jù)權(quán)利要求4的電池組，其中所述正活性材料電極層及所述負(fù)活性材料電極層的 厚度沿著所述至少一個(gè)雙極電極單元的徑向長(zhǎng)度而變化。
7.一種雙極電池組，包括正單極電極單元；負(fù)單極電極單元；堆疊于所述正電極單元與所述負(fù)電極單元之間的至少一個(gè)雙極電極單元，其中所述至 少一個(gè)雙極電極單元包括壓力均衡閥；在每對(duì)相鄰電極單元之間所提供的電解液層；以及位于所述電解液層中的每個(gè)的周圍的墊圈，其中所述電解液層中的每個(gè)由其相應(yīng)的墊 圈及其相應(yīng)的相鄰電極單元對(duì)來(lái)密封。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的電池組，其中所述壓力均衡閥是耐化學(xué)腐蝕的。
9.根據(jù)權(quán)利要求7的電池組，其中所述壓力均衡閥具有納米尺寸的穿孔和微米尺寸的 穿孔中的至少一個(gè)。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的電池組，其中所述壓力均衡閥防止電解液在相鄰的電解液層之 間通過(guò)。
11.根據(jù)權(quán)利要求9的電池組，其中在所述壓力均衡閥內(nèi)的所述穿孔允許氣體在相鄰 的電解液層之間通過(guò)。
12.根據(jù)權(quán)利要求7的電池組，其中所述壓力均衡閥包括密封劑；以及石墨碳纖維束。
13.根據(jù)權(quán)利要求12的電池組，其中氣體分子在相鄰的電解液層之間沿著所述石墨纖 維束進(jìn)行化學(xué)遷移。
14.根據(jù)權(quán)利要求12的電池組，其中擴(kuò)散力允許來(lái)自過(guò)度加壓的電解液層的氫分子沿 著所述石墨纖維束的所述表面游移。
15.根據(jù)權(quán)利要求12的電池組，其中所述壓力均衡閥防止電解液在相鄰的電解液層之2間通過(guò)。
16.一種雙極電池組，包括 正單極電極單元；負(fù)單極電極單元；堆疊于所述正電極單元與負(fù)電極單元之間的至少一個(gè)雙極電極單元，其中所述至少一 個(gè)雙極電極單元包括裂開式碟盤閥；在每對(duì)相鄰的電極單元之間所提供的電解液層；以及位于所述電解液層中的每個(gè)的周圍的墊圈，其中所述電解液層中的每個(gè)由其相應(yīng)的墊 圈及其相應(yīng)的相鄰電極單元對(duì)來(lái)密封。
17.根據(jù)權(quán)利要求16的電池組，其中所述堆疊式雙極電池組包括穹形頂部。
18.根據(jù)權(quán)利要求17的電池組，其中所述電池組的取向由所述穹形頂部所維持，由此 在所述裂開式碟盤閥裂開時(shí)防止電解液在相鄰電解液層之間通過(guò)。
19.根據(jù)權(quán)利要求16的電池組，其中所述裂開式碟盤閥是耐化學(xué)腐蝕的。
20.根據(jù)權(quán)利要求16的電池組，其中所述裂開式碟盤閥是碟盤形狀的。
21.根據(jù)權(quán)利要求16的電池組，其中在每對(duì)相鄰的電極單元之間的所述壓力通過(guò)所述 裂開式碟盤閥打開來(lái)均衡。
22.—種生產(chǎn)堆疊式雙極電池組的方法，該方法包括以下步驟提供包括第一不透性導(dǎo)電基板以及涂覆于其上的第一正活性材料電極層的正單極電 極單元，其中所述正單極電極單元、所述第一基板、及所述第一正電極層中的每一個(gè)都是碟 盤形狀的；在所述第一基板上提供第一墊圈，其中在所述第一墊圈的內(nèi)部側(cè)壁及其間的所述正單 極電極單元的部分之間的空間構(gòu)成第一空間；在所述第一空間之內(nèi)提供第一隔板和第一電解液，其中所述第一隔板和所述第一電解 液構(gòu)成第一電解液層；提供堆疊于所述第一墊圈之上的多個(gè)雙極電極單元，其中所述多個(gè)雙極電極單元中的 每一個(gè)都是碟盤形狀的；在端部雙極電極單元之上提供端部墊圈，其中在所述端部墊圈的內(nèi)部側(cè)壁及其之間的 所述端部雙極電極單元的部分之間的空間構(gòu)成端部空間；在所述端部空間之內(nèi)提供端部隔板和端部電解液，其中所述端部隔板和所述端部電解 液構(gòu)成端部電解液層；提供堆疊于所述端部雙極電極單元的頂部的負(fù)單極電極單元，所述負(fù)單極電極單元 包括端部不透性導(dǎo)電基板和涂覆于其上的端部負(fù)活性材料電極層，其中所述負(fù)單極電極單 元、所述端部基板、及所述端部負(fù)電極層中的每一個(gè)都是碟盤形狀的。
23.根據(jù)權(quán)利要求22的方法，其中所述多個(gè)雙極電極單元中的每一個(gè)都包括不透性導(dǎo) 電基板、壓力均衡閥、涂覆于所述不透性導(dǎo)電基板的相對(duì)側(cè)面上的正電極層及負(fù)電極層。
全文摘要
堆疊式電池組具有布置于堆組中的至少兩個(gè)電池段。每個(gè)電池都可以包含具有第一活性材料電極的第一電極單元，具有第二活性材料電極的第二電極單元，以及在所述活性材料電極之間的電解液層。一個(gè)或更多個(gè)墊圈可以包括于每個(gè)電池段內(nèi)以將電解液密封于電池段內(nèi)。電極單元可以是“碟盤形狀的”并且可以含有壓力均衡閥以減小電極單元撓曲并改進(jìn)電池段之間的壓力均衡。壓力均衡閥可以允許氣體擴(kuò)散穿過(guò)相鄰的電池段并且可以基本上防止電解液擴(kuò)散通過(guò)。
文檔編號(hào)H01M10/04GK101971406SQ200880118839
公開日2011年2月9日 申請(qǐng)日期2008年10月27日 優(yōu)先權(quán)日2007年10月26日
發(fā)明者A·喬治, J·K·維斯特, J·雷加拉多, M·P·希金斯 申請(qǐng)人:G4協(xié)同學(xué)公司