雙極電池總成的制作方法
【專利說明】雙極電池總成
[0001 ]本申請(qǐng)要求于2011年10月24日提交的，美國臨時(shí)申請(qǐng)?zhí)?1/550,657的權(quán)益，其內(nèi)容通過引用合并至本文中以用于所有目的。
技術(shù)領(lǐng)域
[0002]本發(fā)明總體上涉及一種雙極電池總成、制備該總成的方法以及使用該總成的方法。
【背景技術(shù)】
[0003]雙極性電池是本領(lǐng)域已知的，參見發(fā)明人Tatematsu的美國專利US2009/0042099，其通過引用整體合并入本文。雙極性電池優(yōu)于其他電池設(shè)計(jì)，例如可擴(kuò)展性、相對(duì)較高的能量密度、高功率密度和設(shè)計(jì)的靈活性。雙極性電池包括多個(gè)雙極板和兩個(gè)單極端板。雙極板包括雙面薄片形式的襯底，其在一面上具有陰極材料，通常被稱為正極活性物質(zhì)(PAM)，而在相對(duì)的面上為陽極材料，通常被稱為負(fù)極活性物質(zhì)(NAM)。在襯底和陽極材料或陰極材料之間可設(shè)置有一導(dǎo)電片。雙極板設(shè)置成堆疊，使得一個(gè)極板的陽極材料朝向下一個(gè)極板的陰極材料。在大多數(shù)總成中，相鄰的極板之間設(shè)有一電池分隔器，其允許電解質(zhì)從陰極材料流至陽極材料。電解質(zhì)設(shè)置在極板之間的空間，其為允許電子和離子在陽極和陰極材料之間流動(dòng)的材料。帶有分隔器的雙極板的相鄰表面與設(shè)置在極板之間的電解質(zhì)形成一電化學(xué)電池，其中電子和離子在陽極材料和陰極材料之間交換。該電池的結(jié)構(gòu)被布置成使得由雙極板所形成的每個(gè)單元是密封的，以防止電解質(zhì)流出所述單元。在許多設(shè)計(jì)中，這是通過延伸襯底超出在所有面上陰極材料和陽極材料沉積的部分來實(shí)現(xiàn)的。用于密封每個(gè)電化學(xué)電池單元的結(jié)構(gòu)，與極板的在其襯底上不具有陽極或陰極材料的部分接觸。此外，電池分隔器可延伸超出襯底的設(shè)置有陰極材料和陽極材料的部分，以幫助密封電池單元。每個(gè)單元都有一個(gè)連接該單元的電流導(dǎo)體，以從該單元傳輸電子至一個(gè)或多個(gè)端子，電子從該端子傳輸至負(fù)載，該負(fù)載為本質(zhì)上以電的形式利用該電子的另一系統(tǒng)。在一些實(shí)施例中，電池單元中的電流導(dǎo)體是導(dǎo)電薄片，其與附加的電流導(dǎo)體相接觸，該附加的電流導(dǎo)體將電子傳輸至電池的端子上。在堆疊的每一端部為一單極板，所述單極板的一個(gè)面上設(shè)置有陽極材料或陰極材料。選擇單極板表面的材料，使其與堆疊端部的雙極板的相對(duì)表面形成電池單元。特別地，如果面向單極板的雙極板的表面上具有陰極材料，則單極板的表面具有陽極材料，反之亦然。在常規(guī)設(shè)計(jì)中，電池極板的堆疊設(shè)置在一外殼中，該外殼圍繞極板的堆疊密封，并具有一個(gè)或多個(gè)位于電池外的正極端子和負(fù)極端子對(duì)，每一對(duì)連接至電流導(dǎo)體，該電流導(dǎo)體進(jìn)一步連接至一個(gè)或多個(gè)如本文描述的電池單元。
[0004]盡管雙極電池總成具有優(yōu)點(diǎn)，但雙極電池總成的缺陷阻礙了其商業(yè)化。雙極電池在操作期間，由于陽極和陰極材料的膨脹和收縮產(chǎn)生顯著的內(nèi)壓，在電化過程期間發(fā)生氣體析出和產(chǎn)生熱。因?yàn)殡p極電池可擴(kuò)展，電池單元中可能產(chǎn)生更高的壓力。另外，析出的熱量會(huì)加劇所產(chǎn)生的壓力，并可能導(dǎo)致失控的反應(yīng)，其會(huì)產(chǎn)生損壞電池結(jié)構(gòu)的材料的熱量水平和導(dǎo)致電池失效。壓力會(huì)引起圍繞電化學(xué)電池單元的密封破裂并導(dǎo)致電池單元和電池失效。由Shafferll等人共同擁有的標(biāo)題為雙極電池總成的美國專利申請(qǐng)US2010/0183920，其全文通過引用并入本文，其通過改進(jìn)的邊緣密封總成和雙極板設(shè)計(jì)，公開了這些問題的解決方案。
[0005]在雙極電池可商業(yè)化，以及該技術(shù)的所有潛力得以實(shí)現(xiàn)之前，仍有問題需要解決。特別是，需要這樣的雙極型電池設(shè)計(jì)，其以改進(jìn)的方式處理在操作中產(chǎn)生的熱量和壓力。當(dāng)前的和未來的電池用戶通常僅有有限的可用于電池的封裝空間，而可適配于可用封裝空間的電池是需要的。大多數(shù)使用電池的系統(tǒng)還需要較輕重量的電池，而展現(xiàn)為更輕重量的雙極電池是所期望的。需要減少部件和減小復(fù)雜性的雙極電池設(shè)計(jì)，比如用于電池單元和隔離的外殼的密封的特殊部件。需要用于電池總成的更簡單的、使用已知制造技術(shù)的以及能實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)的方法。需要尺寸定制為適合用戶需要的電池。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明滿足上述的一個(gè)或多個(gè)需求，并為一制品，包括:a)—個(gè)或多個(gè)電池極板堆疊，所述電池極板堆疊包括一個(gè)或多個(gè)雙極板，其包括襯底，所述襯底在其一個(gè)表面上具有一陽極而在其相反的表面上具有一陰極，所述電池極板堆疊還包括在一個(gè)表面上沉積有陰極的單極板和在一個(gè)表面上沉積有陽極的單極板，其中極板設(shè)置為，使極板的沉積有陰極的表面，面向另一極板的沉積有陽極的表面，以及所述單極板位于每一電池極板堆疊的兩端;b)位于每一極板之間的分隔器和液體電解質(zhì);其進(jìn)一步包括以下特征中的一個(gè)或多個(gè):l)c) 一個(gè)或多個(gè)電池極板堆疊，所述電池極板堆疊具有多個(gè)通道，所述通道橫切地穿過極板的沉積有陰極和/或陽極的部分；以及d)i)—個(gè)或多個(gè)圍繞所述通道周緣的密封，其防止液體電解質(zhì)漏入至所述通道中，以及位于所述通道的一個(gè)或多個(gè)中的支柱，其每一端部具有一覆疊部分，該覆疊部分覆蓋通道和單極板外部的密封表面，該覆疊部分與用于橫切通道的孔相鄰，該覆疊部分還施加壓力至單極板的密封表面上，其中該壓力足以抵抗在電化學(xué)電池單元的裝配和操作期間由所述電池極板堆疊所產(chǎn)生的壓力，或ii)位于一個(gè)或多個(gè)通道中的支柱，其每一端部具有覆蓋通道和單極板外部的密封表面的部分，所述部分與用于橫切通道的孔相鄰，以及施加壓力至單極板的密封表面上，其中該壓力足以抵抗在電化學(xué)電池單元的裝配和操作期間由所述電池極板堆疊所產(chǎn)生的壓力，其中該支柱由任何能夠耐受曝露于電解質(zhì)的材料制造，以及其中該支柱防止電解質(zhì)進(jìn)入至通道中；2)c)包括熱塑性聚合物的薄膜，其設(shè)置為圍繞極板堆疊邊緣的整個(gè)周緣，以形成圍繞極板邊緣的周緣的密封，該密封防止電解質(zhì)流至極板堆疊外;3)分隔器為多個(gè)薄片的形式，該薄片使一框架粘附至其周緣，其中該框架適配為與電池極板的襯底的周緣相鄰；以及4)c)一集成的通道，其與排氣孔連通，該排氣孔與電化學(xué)電池單元連通。在一些實(shí)施例中，該薄膜通過圍繞極板邊緣熱熔接一片熱塑性物質(zhì)來制成，優(yōu)選地通過振動(dòng)或熱熔接。在一些實(shí)施例中，該薄膜通過圍繞極板模制而成，優(yōu)選地通過注塑成型來制成。
[0007]在一些實(shí)施例中，本發(fā)明為一制品，包括:a)—個(gè)或多個(gè)電池極板堆疊，其包括一個(gè)或多個(gè)雙極板，該雙極板包括襯底，所述襯底為薄片的形式，其一個(gè)表面上具有一陽極而在其相反的表面上具有一陰極，所述電池極板還包括在一個(gè)表面上沉積有陰極的單極板和在一個(gè)表面上沉積有陽極的單極板，其中該雙極板設(shè)置為，使其沉積有陰極的表面，面向另一極板的沉積有陽極的表面，如此其沉積有陽極的表面，面向另一極板的沉積有陰極的表面，以及所述單極板位于每一電池極板堆疊的兩端;b)位于每一極板之間的可選的分隔器，其對(duì)一液體電解質(zhì)具有浸透性，其能夠穿過該分隔器傳送離子以及防止陽極和陰極之間的電氣短路;c)該一個(gè)或多個(gè)電池極板堆疊具有多個(gè)通道，所述通道橫切地穿過極板的沉積有陰極和/或陽極的部分;d)i)—個(gè)或多個(gè)圍繞所述通道周緣的密封，其防止液體漏入至所述通道中，以及位于所述通道的一個(gè)或多個(gè)中的支柱，其每一端部具有一覆疊部分，該覆疊部分覆蓋通道和單極板外部的密封表面，該覆疊部分與單極板中的用于橫切通道的孔相鄰，該覆疊部分還施加壓力至單極板的密封表面上，其中該壓力足以抵抗在電池單元的裝配和操作期間由所述電池極板堆疊所產(chǎn)生的壓力，或ii)位于所述通道的一個(gè)或多個(gè)中的支柱，其每一端部具有一覆疊部分，該覆疊部分覆蓋通道和單極板外部的密封表面，該覆疊部分與單極板中的用于橫切通道的孔相鄰，該覆疊部分還施加壓力至單極板的密封表面上，其中該壓力足以抵抗在電池單元的裝配和操作期間由所述電池極板堆疊所產(chǎn)生的壓力，其中該支柱由任何能夠耐受曝露于電解質(zhì)的材料制造，以及其中該支柱防止電解質(zhì)進(jìn)入至通道中；e)液體電解質(zhì)，其設(shè)置在每一對(duì)電池極板之間；以及，其中極板邊緣被密封，以防止電解質(zhì)流至極板堆疊外。該制品可進(jìn)一步包括一個(gè)或多個(gè)圍繞橫切通道周緣的密封，以及該密封包括設(shè)置在該通道內(nèi)表面的薄膜。該密封可由位于極板中的沿著橫切通道的孔之間的軸襯形成。該制品可優(yōu)選地包括圍繞橫切通道周緣的密封，以及該支柱包括任何材料，其具有足夠的結(jié)構(gòu)完整性以將覆疊部分就地固定，從而施加壓力至單極板的密封表面。該密封面為極板的一部分，其與支柱的覆疊部分接觸。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，該雙極板包括聚合物襯底，其具有多個(gè)穿過襯底的開口，每一開口與襯底的兩面連通，其中開口中的一個(gè)或多個(gè)填充有導(dǎo)電材料，其與襯底的兩面均有接觸。
[0008]根據(jù)本發(fā)明的另一方面，包括一制品，其包括:a)—個(gè)或多個(gè)電池極板堆疊，其包括一個(gè)或多個(gè)雙極板，該雙極板包括襯底，所述襯底為薄片的形式，其一個(gè)表面上具有一陽極而在其相反的表面上具有一陰極，所述電池極板還包括在一個(gè)表面上沉積有陰極的單極板和在一個(gè)表面上沉積有陽極的單極板，其中該雙極板設(shè)置為，使其沉積有陰極的表面，面向另一極板的沉積有陽極的表面，如此其沉積有陽極的表面，面向另一極板的沉積有陰極的表面，以及所述單極板位于每一電池極板堆疊的兩端;b)位于每一極板之間的一分隔器，其對(duì)一液體電解質(zhì)具有浸透性，其能夠穿過該分隔器傳送離子以及防止陽極和陰極之間的電氣短路;c)包括熱塑性聚合物的薄膜，其設(shè)置為圍繞極板堆疊邊緣的整個(gè)周緣，以形成圍繞極板邊緣的周緣的密封，該密封防止電解質(zhì)流至極板堆疊外;和d)液體電解質(zhì)，其設(shè)置在每一對(duì)電池極板之間。在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例中，該薄膜熔融接合至所有極板的邊緣，以形成圍繞該極板周緣的密封。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，該薄膜的前緣和后緣彼此熔融接合，其中該薄膜形成圍繞該一個(gè)或多個(gè)極板堆疊的周緣的密封，如此電解質(zhì)不從堆疊內(nèi)部流至該薄膜外部。在另一實(shí)施例中，該薄膜通過圍繞極板模制而成，優(yōu)選地通過注塑成型來制成。
[0009]在一些實(shí)施例中，本發(fā)明為一制品，其包括:薄片形式的分隔器，其周緣粘附至一框架，其中該框架適配為與電池極板的襯底薄片的周緣相鄰。在一些實(shí)施例中，本發(fā)明為一制品，包括:a) —個(gè)或多個(gè)電池極板堆疊，其包括一個(gè)或多個(gè)雙極板，該雙極板包括襯底，所述襯底為薄片的形式，其一個(gè)表面上具有一陽極而在其相反的表面上具有一陰極，所述電池極板還包括在一個(gè)表面上沉積有陰極的單極板和在一個(gè)表面上沉積有陽極的單極板，其中該雙極板設(shè)置為，使其沉積有陰極的表面，面向另一極板的沉積有陽極的表面，以及所述單極板位于每一電池極板堆疊的兩端;和b)薄片形式的一個(gè)或多個(gè)分隔器，其周緣粘附至一框架，其中該框架適配為與電池極板的襯底薄片的周緣相鄰。根據(jù)本發(fā)明的制品可進(jìn)一步包括一個(gè)或多個(gè)閥門，比如一止回閥，其適配為，當(dāng)密封的雙極板堆疊中的壓力達(dá)到一壓力水平時(shí)，釋放該壓力，該壓力水平接近但低于該制品可能出現(xiàn)損壞時(shí)的壓力。
[0010]根據(jù)本發(fā)明的制品用作電池，其用于電的存儲(chǔ)以及產(chǎn)生用于在多種環(huán)境下使用的電。根據(jù)本發(fā)明的制品設(shè)計(jì)為處理在工作期間產(chǎn)生的壓力和熱量，而不會(huì)使該制品的外表面出現(xiàn)不適當(dāng)?shù)膿p壞，并因此液體電解質(zhì)包含在該制品中。根據(jù)本發(fā)明的制品可使用傳統(tǒng)的材料和工藝來組裝。根據(jù)本發(fā)明的制品能夠在不需要復(fù)雜的密封結(jié)構(gòu)下，獲得上述優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)本發(fā)明的制品可適配不同形狀的空間，以適應(yīng)用戶的封裝空間。根據(jù)本發(fā)明的制品的設(shè)計(jì)，允許放大或縮小尺寸，以向用戶傳遞各種需要的能量。根據(jù)本發(fā)明的制品的組裝，比在該領(lǐng)域已知的制品的組裝的效率更高。根據(jù)本發(fā)明的總成在其結(jié)構(gòu)的端板上能承受高至lOpsi的壓力，優(yōu)選地為高至50psi的壓力，以及最優(yōu)選地高至lOOpsi的壓力，而不損壞該端板。
【附圖說明】
[0011]圖1所示為根據(jù)本發(fā)明的一總成的側(cè)視圖；
[0012]圖2所示為根據(jù)本發(fā)明的一總成的側(cè)視圖，其中該總成在一橫切通道中的螺釘上方設(shè)有一端板；
[0013]圖3所示為根據(jù)本發(fā)明的一總成的側(cè)視圖，其中圍繞雙極板的堆疊設(shè)置有一薄膜；
[0014]圖4所示為根據(jù)本發(fā)明的總成，其具有集合管和止回閥；
[0015]圖5所示為根據(jù)本發(fā)明的分隔器板；
[0016]圖6所示為根據(jù)本發(fā)明的總成的另一實(shí)施例，其中支柱為注塑成型至橫切通道中；
[0017]圖7和圖8所示為電池極板堆疊和分隔器板；
[0018]