專利名稱:低阻抗分層電池設(shè)備及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電化學(xué)存儲(chǔ)單元(電池)的結(jié)構(gòu)及其用途。具體地說，本發(fā)明涉及低阻抗電池設(shè)備及其制造方法和使用。
背景技術(shù)：
人們長期使用存儲(chǔ)和提供電功率的裝置。一般地說，在敘詞“電池”的范圍內(nèi)，這種裝置包括電化學(xué)電池單元和至少在一組端子之間提供電勢的電池單元集合。這些端子可以連接到電(例如，直流電DC)負(fù)荷以激勵(lì)或給該負(fù)荷供電。電池包括干電池，濕電池(例如，鉛酸電池)，和通常把化學(xué)電動(dòng)勢轉(zhuǎn)變成電流的其他類型單元。
有時(shí)，把電池分類成“原電池”和“二次電池”類型。原電池是制造商制造的一次性使用單元，它有有限的電化學(xué)容量和在使用之后被耗盡并丟棄。二次電池在使用之后可以被“重新充電”，雖然它們的容量不是無限大，但是在逆向操作放電過程到一定程度之后，可以重復(fù)地使用相同的電池單元。
為了增加電池的容量，電池單元配置成在該電池的陽極(正)與陰極(負(fù))單元之間有較大的表面積。一種這樣設(shè)計(jì)的電池涉及在電解質(zhì)溶液中放置多個(gè)平行板，它允許離子在陽極與陰極之間轉(zhuǎn)移。另一種設(shè)計(jì)的電池是利用多孔薄膜分隔開平面層陽極和陰極材料薄片，然后，這些薄層被卷成一個(gè)卷筒，稱之為“凝膠卷筒”，它可以形成緊致和機(jī)械穩(wěn)定的電池。在卷筒狀電池設(shè)計(jì)中，電池的空間允許使用多個(gè)交替的陽極材料片，分隔材料片和陰極材料片，這些陽極片集合地連接到陽極端子，而這些陰極片集合地連接到陰極端子。該裝置可以卷成圓柱形，或其他的幾何形狀，例如，棱柱形結(jié)構(gòu)。
整個(gè)裝置被封裝在堅(jiān)實(shí)的外殼中，它通常是圓柱形外殼。除了通過電路連接負(fù)荷的端子以外，應(yīng)當(dāng)防止陽極和陰極材料與端子之間形成電接觸，從而避免電池的短路或放電。
在傳統(tǒng)電池設(shè)計(jì)中遇到的一個(gè)問題是電池本身的電阻抗，它造成電池內(nèi)部的電功率損耗和熱耗散?，F(xiàn)有電池設(shè)計(jì)的另一個(gè)問題是，通常在圓柱形電池的任何一個(gè)末端，電池的兩端沒有很好地集成到陽極和陰極端子?，F(xiàn)有電池設(shè)計(jì)的另一個(gè)缺陷是，它們不能提供良好的熱響應(yīng)和熱庫能力，特別是在高功率的應(yīng)用中。此外，利用收集片的現(xiàn)有電池設(shè)計(jì)不能成功地提供一種連接多個(gè)陽極或陰極收集片的方法。

發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的一個(gè)特征涉及一種包含卷狀電池組件的電化學(xué)存儲(chǔ)裝置，包括負(fù)電極片，正電極片，在負(fù)電極片與正電極片之間設(shè)置的分隔膜片，負(fù)電極片和正電極片中至少一個(gè)電極片有這樣的邊緣，該邊緣基本沒有電極活性材料。導(dǎo)電引導(dǎo)線設(shè)置在沿基本沒有電極活性材料的邊緣，從而形成適合于連接電化學(xué)存儲(chǔ)裝置電極端子的電極端帽。
本發(fā)明的另一個(gè)特征涉及一種制作電化學(xué)存儲(chǔ)裝置的方法，包括以下步驟同軸纏繞負(fù)電極片，分隔膜片和正電極片以形成卷狀電池組件，該電池組件有設(shè)置在負(fù)電極片與正電極片之間的分隔膜片，其中負(fù)電極片和正電極片中至少一個(gè)電極片有這樣的邊緣，該邊緣基本沒有電極活性材料。導(dǎo)電引導(dǎo)線是沿邊緣設(shè)置的，并大致接觸基本沒有電極活性材料的至少部分邊緣。一旦組裝之后，引導(dǎo)線和基本沒有電極活性材料的邊緣形成電極端帽，該電極端帽適合于連接電化學(xué)存儲(chǔ)裝置的電極端子。
本發(fā)明的另一個(gè)特征涉及一種包含組件的電化學(xué)存儲(chǔ)裝置，包括至少兩個(gè)電互補(bǔ)電極片，和設(shè)置在兩個(gè)電互補(bǔ)電極片之間的分隔膜片，至少一個(gè)所述電極片有基本沒有電極活性材料的邊緣和在沿基本沒有電極活性材料邊緣設(shè)置的導(dǎo)電引導(dǎo)線，從而形成適合于連接電極端子的端帽。該裝置可以組裝成卷狀組件，或疊層組件，或夾層組件。
本發(fā)明的另一個(gè)特征涉及一種至少包含一個(gè)組件的電池封裝，包括至少兩個(gè)電互補(bǔ)電極片，和設(shè)置在兩個(gè)電互補(bǔ)電極片之間的分隔膜片(separator sheet)，至少一個(gè)所述電極片有基本沒有電極活性材料的邊緣。該組件還包含沿該邊緣設(shè)置的導(dǎo)電引導(dǎo)線(conductive guidewire)，該邊緣基本沒有該至少一個(gè)電極片的電極活性材料和基本接觸至少部分的邊緣，從而形成適合于連接電極端子的端帽。
參照以下結(jié)合附圖的詳細(xì)描述，可以更充分地理解本發(fā)明的各個(gè)目的，特征和優(yōu)點(diǎn)，其中相同的參考數(shù)字代表相同的元件。以下的附圖僅僅是為了便于說明，而不是對(duì)本發(fā)明的限制，本發(fā)明的范圍是由以下的權(quán)利要求
書所限定。
圖1是按照現(xiàn)有技術(shù)的卷狀電化學(xué)存儲(chǔ)裝置；圖2是圖1所示卷狀裝置的一個(gè)末端，它有多個(gè)由此延伸的接頭片；圖3是按照現(xiàn)有技術(shù)共同纏繞圖1和2所示裝置的方法示意圖，它畫出插入在卷狀裝置中的接頭片；圖4是按照本發(fā)明實(shí)施例裝置的分解圖，其中各個(gè)電極片，分隔膜片，和引導(dǎo)線共同纏繞成一個(gè)卷筒；圖5是按照本發(fā)明實(shí)施例卷筒狀電化學(xué)存儲(chǔ)裝置的另一個(gè)視圖；圖6是按照本發(fā)明實(shí)施例電池的部分陽極端部的剖面圖，它畫出膜片材料和共同纏繞引導(dǎo)線的排列；圖7是按照本發(fā)明實(shí)施例的電池裝置分解圖，它畫出端帽和固定端帽部分的焊接接頭，以及罐和蓋設(shè)備；圖8是制作在其中的端帽和焊接接頭，以及絕緣帶和插入卷筒狀裝置到罐中的方法；圖9是按照本發(fā)明實(shí)施例組裝和制作卷筒狀電化學(xué)存儲(chǔ)裝置的設(shè)備和方法典型例子；圖10是基本平坦的疊層或夾層型裝置；和圖11是疊層裝置中折疊型或手風(fēng)琴型的分隔膜片部分。
具體實(shí)施方式以下詳細(xì)描述一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例，這些實(shí)施例適合于此處描述的方法和設(shè)備，但是不應(yīng)當(dāng)把它們看成是詳盡的，包羅萬象，或限制性的。
如上所述，電池的制作是通過共同纏繞多層活性材料(陽極，陰極)和分隔膜片成各種與應(yīng)用有關(guān)的幾何形狀。一些電池被卷成圓柱形，而另一些電池有矩形或其他形狀的剖面，我們稱之為“棱柱形”結(jié)構(gòu)。
圖1表示按照現(xiàn)有技術(shù)的部分電池裝置100。帶狀或片狀陽極104和陰極108被分隔膜片106隔開。陽極104和陰極108的成分取決于電池的具體類型，并在導(dǎo)電基片上包含一層電活性材料，例如，石墨，金屬，和其他材料。該基片可以作為電流收集片。在Li離子電池中，LiCoO2，LiMn2O4，Li(Fe，Mn)PO4，或(Li，Nb)(Fe，Mn)PO4是典型的電活性陰極材料。分隔膜片106是多孔膜，并允許離子在陽極104與陰極108之間傳輸，但它又是電絕緣膜，其作用是使兩個(gè)電極互相絕緣。
裝置100的制作是通過共同纏繞帶狀材料102成“凝膠卷筒”110。為了提供與電池端子的電連接，在纏繞成卷筒之前，利用焊接或其他的連接方法，在該結(jié)構(gòu)內(nèi)以仔細(xì)選取的間隔中插入多個(gè)接頭片112，114。使第一組接頭片112接觸陽極材料104，并從卷筒狀部分110的一端向外延伸，從而制成電池裝置的陽極端子。使第二組接頭片114接觸陰極材料108，并從卷筒狀部分110的另一端向外延伸，從而制成電池裝置的陰極端子。多個(gè)延伸的陽極片112和陰極片114互相連接并連接到電池的其他部分，這是一種設(shè)計(jì)的方法?，F(xiàn)有技術(shù)設(shè)計(jì)的這種卷筒狀電池有許多缺點(diǎn)，我們在以上已討論了其中的一些缺點(diǎn)。這些缺點(diǎn)包括，但不限于，不良的電性質(zhì)(例如，高阻抗)，不良的熱性質(zhì)(例如，不良的熱耗散)，和不良的機(jī)械和制造性質(zhì)。
圖2是按照現(xiàn)有技術(shù)裝置的陽極部分，它畫出一組從電池裝置的卷筒部分110延伸的收集片112。“罐”120包裝整個(gè)凝膠卷筒組件，并給該組件提供機(jī)械保護(hù)，防止污染，作為熱庫，和提供陰極端子(未畫出)。此外，現(xiàn)有技術(shù)采用幾種連接陽極延伸部分112的方法，但它是一個(gè)不能提供良好的電，熱和機(jī)械性質(zhì)的滿意方法。
圖3是一種共同纏繞帶狀材料以制成圖1所示結(jié)構(gòu)的方法。一般地說，每個(gè)組成材料的卷筒是以合適的進(jìn)給速度纏繞，并共同纏繞成上述的卷筒狀電池結(jié)構(gòu)。陽極，陰極，和分隔膜片材料可以分別來自不同的卷盤404，406，和402。例如，利用設(shè)備408插入陽極片和陰極片，該設(shè)備以合適的間隔把接頭片焊接成卷筒組件110。
圖4是按照本發(fā)明實(shí)施例的卷筒狀電池設(shè)備200。為了便于說明，卷筒部分210被分解開。卷筒部分210是由片狀或帶狀元件202制成。交替的陰極片204和陽極片208是由分隔膜片206隔開。圖4的設(shè)備200包含單個(gè)陰極204和單個(gè)陽極208。然而，在其他的實(shí)施例中，設(shè)備200可以包含幾個(gè)陰極204和幾個(gè)陽極208。陽極208是由一層設(shè)置在導(dǎo)電基片上的電活性材料制成，例如，電流收集片。制成Li離子電池中陽極層的常用材料可以在本設(shè)計(jì)中使用。每個(gè)陽極208包含陽極延伸部分214，它是從陽極208的活性部分延伸的。陽極延伸部分214可以與陽極208集成整體或粘接到陽極208上。陽極延伸部分214是導(dǎo)電的，并形成與陽極208的電和熱耦合。每個(gè)陰極204也類似地包含陰極延伸部分212，它是從陰極204的活性部分延伸的。陰極延伸部分212可以與陰極204集成整體或粘接到陰極204上。陰極204是由一層設(shè)置在導(dǎo)電基片上的電活性材料制成。制成Li離子電池中陰極層的常用材料可以在本設(shè)計(jì)中使用。陽極延伸部分214和陰極延伸部分212是在電池設(shè)備200的相對(duì)著的兩端。分隔膜片206是離子導(dǎo)電的，但它防止電子導(dǎo)電，如以上所討論的。
在電池設(shè)備200的一端，第一導(dǎo)電引導(dǎo)線226設(shè)置成與部分的導(dǎo)電陽極延伸部分214相鄰。引導(dǎo)線226有這樣的尺寸，卷筒狀結(jié)構(gòu)210形成基本緊密和緊致的陽極界面222(即，陽極端帽222)，它是由卷狀引導(dǎo)線226和陽極延伸部分214構(gòu)成。第二導(dǎo)電引導(dǎo)線220類似地設(shè)置成與部分的導(dǎo)電陰極延伸部分212相鄰。在組裝之后，引導(dǎo)線220和陰極延伸部分212形成陰極界面228，即，陰極端帽228。
包含陽極延伸部分214，陰極延伸部分212，和引導(dǎo)線220，226的陽極208，陰極204，和分隔膜片206圍繞中心軸224纏繞在一起以形成卷筒狀結(jié)構(gòu)210。為了構(gòu)造電池單元，可以采用任何的纏繞，疊層或分層方法或設(shè)計(jì)。以下更詳細(xì)地討論圖9中畫出的一種典型纏繞方法和設(shè)備。然而，按照此處公開的內(nèi)容，也可以構(gòu)造基本平坦的層(夾層)，或手風(fēng)琴型樣或折疊形或扇形結(jié)構(gòu)形成的層。圖4中的卷狀結(jié)構(gòu)210是圍繞中心軸224纏繞的。所以，每個(gè)片狀材料形成一個(gè)圍繞相同中心軸224的螺旋形結(jié)構(gòu)(從它的剖面圖觀看)。
一旦纏繞成卷筒之后，陽極延伸部分214固定到第一引導(dǎo)線226。例如，利用激光焊接線或接縫，用于機(jī)械，熱和電連接陽極延伸部分214和第一引導(dǎo)線226。對(duì)陰極延伸部分的處理也是類似的。在一個(gè)實(shí)施例中，選取的第一引導(dǎo)線226材料是與制成陽極延伸部分214的材料相同。利用相同材料制成的引導(dǎo)線和極延伸部分，可以提供良好和穩(wěn)定的性質(zhì)和焊接能力。陽極延伸部分214和陽極引導(dǎo)線226可以由鋁，銅，鈦，碳或鎳制成，而陰極延伸部分212和陰極引導(dǎo)線220可以由鋁或其他合適的材料制成。然而，本發(fā)明不局限于這種選取的材料，還可以根據(jù)需要利用其他的催化劑或輔助劑層和材料，用于改進(jìn)延伸部分212，214與引導(dǎo)線220，226之間的熱，機(jī)械和電性質(zhì)。
此外，根據(jù)設(shè)計(jì)選取引導(dǎo)線220，226的形狀和尺寸。例如，引導(dǎo)線220，226可以有矩形或其他剖面的形狀，其厚度足以形成卷筒狀結(jié)構(gòu)210中的端帽，因此，該引導(dǎo)線提供與周圍電池單元延伸部分足夠的機(jī)電接觸。此外，引導(dǎo)線220，226沿任何合適的方向可以有凹槽，變形或缺口，其外形允許液體在引導(dǎo)線的某些部分與毗連的電池單元延伸部分之間流動(dòng)。在一個(gè)具體的實(shí)施例中，引導(dǎo)線220，226在其中包含凹槽或缺口，或圍繞它的外表面有螺旋形槽。凹槽或缺口允許氣體在某項(xiàng)工作條件下從電池單元中逸出，而且，凹槽或缺口(未畫出)允許填充或壓迫電解質(zhì)液體進(jìn)入電池裝置體內(nèi)。
引導(dǎo)線220，226可以在電池200的端子與它連接的外電路之間形成低阻抗電路連接。
圖5是部分電化學(xué)存儲(chǔ)裝置(電池)200的另一個(gè)視圖。為了清晰起見，該裝置僅展示部分卷曲210和部分未卷曲202的。陽極208有延伸的導(dǎo)電收集器延伸部分214，如以上所討論的，延伸部分214是基本沒有電極活性材料，并沿陽極208的下邊緣延伸。陰極204有類似的結(jié)構(gòu)(但它是由與陽極208不同的材料制成)，并有沿陰極204的上邊緣延伸的導(dǎo)電收集器延伸部分214。在一些實(shí)施例中，從陽極收集器延伸部分214突出的陽極208邊緣和從陰極收集器延伸部分212突出的陰極204邊緣是在電池裝置的相對(duì)著的兩端。
包含陽極208，陰極204，和分隔膜片206的各個(gè)片層是圍繞中心軸224共同纏繞的。陽極引導(dǎo)線226和陽極延伸部分214是與其他片材料共同纏繞，從而在卷狀結(jié)構(gòu)210的一端230形成陽極導(dǎo)電端帽222，而陰極引導(dǎo)線220和陰極延伸部分212是類似地與其他片材料共同纏繞，從而在卷狀結(jié)構(gòu)210的另一端232形成陰極導(dǎo)電端帽228。
請注意，共同纏繞薄片的概念應(yīng)當(dāng)有廣泛的含義。即，一層或多層片狀材料以及引導(dǎo)線220和226是纏繞到卷盤上或互相纏繞以形成每種材料的螺旋形結(jié)構(gòu)，在該結(jié)構(gòu)內(nèi)散布其他的材料。最終的準(zhǔn)確結(jié)果不必是圓柱形，也可以有其他的棱形剖面結(jié)構(gòu)。此外，圍繞軸224的纏繞并不意味著各層形成圍繞軸224的精確圓形層。可以設(shè)想其他的卷筒或疊層結(jié)構(gòu)。在一些實(shí)施例中，卷筒是半徑逐漸增大的螺旋形，而不是恒定半徑的圓形環(huán)。
圖6是卷筒狀電化學(xué)存儲(chǔ)裝置(電池)的部分剖面圖，它說明按照本發(fā)明構(gòu)造的陽極延伸部分214和陽極引導(dǎo)線226。為了清楚起見，我們已省略陰極引導(dǎo)線220和部分的陰極延伸部分212。展示的圖6僅僅是為了便于說明，它不是按比例畫出的。參照圖6，石墨陽極活性材料208b是圍繞銅陽極收集器208a?；钚躁枠O材料208b和陽極基片208a統(tǒng)稱為陽極208。陽極延伸部分214連接到陽極基片208a(或與陽極基片208a集成)，并延伸到涂敷的活性陽極材料208b之外。陽極延伸部分214延伸到涂敷的活性陽極單元204之外的距離足以在收集器延伸部分214的相繼繞組之間安裝引導(dǎo)線226，而在引導(dǎo)線226與其他層的活性材料電極或分隔膜片206之間沒有電路連接。在圖6中，高度距離“z”是指在引導(dǎo)線226與其他片材料之間的距離。
引導(dǎo)線226是由銅制成，它的矩形截面是尺寸“x”和“y”。尺寸“x”和“y”取決于幾個(gè)因素，但是在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例中，“x”約為300微米和“y”約為1.5mm。在一些實(shí)施例中，需要減小尺寸“y”，減小尺寸“z”，或二者都減小。
如上所述，引導(dǎo)線226的厚度(尺寸“x”)通常約等于陽極銅收集器延伸部分214的相繼繞組之間的距離。按照這種方式，在收集器延伸部分214與引導(dǎo)線226之間形成電路和機(jī)械接觸。在一些實(shí)施例中，需要減小尺寸“y”以增大電池內(nèi)電極的總體積?；蛘?，尺寸“y”是足夠地大，在快速纏繞時(shí)可以提供機(jī)械穩(wěn)定性，并在工作時(shí)防止凝膠卷筒的損壞，其中引導(dǎo)線226連接到電流收集器延伸部分214。在需要增強(qiáng)熱保護(hù)的實(shí)施例中，可以增大尺寸“y”以增加熱容量，從而滿足所需的熱容量以保護(hù)電池免遭過熱。
陰極活性材料204b是圍繞鋁陰極收集器204a?；钚躁帢O材料204b和陰極基片204a統(tǒng)稱為陰極204。陰極延伸部分212是由鋁制成，它連接到陰極基片204a(或與陰極基片204a集成)，并延伸到涂敷的活性陰極材料204b之外。陰極延伸部分212延伸到涂敷的活性陰極材料204b之外的距離足以在收集器延伸部分212的相繼繞組之間安裝引導(dǎo)線220，而在引導(dǎo)線220與其他層的活性材料電極或分隔膜片206之間沒有電路連接。雖然在圖6中沒有畫出，引導(dǎo)線220的構(gòu)造以及相對(duì)于陰極延伸部分212和陰極204的安排類似于以上討論的引導(dǎo)線226。引導(dǎo)線220是由鋁制成，它與制成陰極延伸部分212的材料是相同的。
為了有助于分別在電極收集器延伸部分212，214與引導(dǎo)線220，226之間建立所需的電路，熱和機(jī)械連接，在陰極延伸部分212的相繼部分和引導(dǎo)線220上形成焊接接頭以制成陰極端帽228，而在陽極延伸部分214的相繼部分和引導(dǎo)線226上形成其他的焊接接頭以制成陽極端帽222。
圖7表示如何形成焊接接頭(weld)以保持卷筒狀電池設(shè)備200中的陰極端帽228。如上所述，在通過卷曲元件202制成陰極端帽228之后，兩個(gè)徑向焊接接頭302限定端帽228的等間隔區(qū)域，該焊接接頭加到陰極延伸部分212的相繼部分和引導(dǎo)線220上(沒有分別地畫出)。雖然圖7僅展示用于形成端帽228的兩個(gè)焊接接頭302，任何數(shù)目的焊接接頭可用于正確地固定端帽228。利用類似的焊接接頭302可以固定陽極端帽222(未畫出)。
在加上焊接接頭302之后，陰極端帽228連接到蓋310。蓋310有導(dǎo)電的中心端子304，它用于連接電池到外電路。最好是，導(dǎo)電的中心端子304是由與制成電極端帽引導(dǎo)線相同的材料制成，例如，與它連接的陰極端帽228的引導(dǎo)線220。蓋310還包含設(shè)置在中心端子304周圍的絕緣環(huán)308和外導(dǎo)電環(huán)306。一旦組裝之后，在卷筒狀組件210的陰極端帽228與蓋310的中心端子304之間建立導(dǎo)電通道。然后，把卷筒狀組件210插入到導(dǎo)電罐120中，例如，通過焊接部分的陽極端帽222到罐120的內(nèi)側(cè)面，使陽極端帽222連接到罐120。然后，通過焊接，使蓋310連接到罐120。一旦蓋310連接到罐120，可以通過端口(未畫出)引入電解液到罐120和蓋310限定的內(nèi)部體積中。在充分地填充該體積之后，可以封閉該端口。該端口可以設(shè)置在蓋310或罐120上。或者，在固定蓋310之前，可以引入電解液到罐120的內(nèi)部體積。在組裝之后，在卷筒狀組件210的陽極端帽222與罐120之間建立導(dǎo)電通道。與此對(duì)比，陰極端帽228是與罐120絕緣的。罐120，蓋310的結(jié)構(gòu)和其他的細(xì)節(jié)取決于所設(shè)計(jì)電池的應(yīng)用。
在圖8所示的一些實(shí)施例中，絕緣帶320用于進(jìn)一步確保陰極端帽228是與罐120絕緣的。圖8還畫出陰極端帽228的最終外觀，它包含按照螺旋方式纏繞的陰極收集器延伸部分212和引導(dǎo)線220，它們是由端帽228表面上制作的焊接接頭302固定的。
應(yīng)當(dāng)理解，焊接接頭302可以利用任何合適的方法制成，該方法適合于當(dāng)前的應(yīng)用。例如，可以利用激光焊接，點(diǎn)焊接，超聲焊接，或其他類型的固定方法。此外，還應(yīng)當(dāng)理解，焊接接頭302不必一直延伸到端帽228的整個(gè)表面，而可以是基本實(shí)現(xiàn)相同效應(yīng)的多個(gè)離散焊接接頭，例如，較小的焊接接頭，它交錯(cuò)地分布在端帽228的徑向跨度上。
圖9表示制作上述卷筒狀電池裝置的典型設(shè)備和方法。卷盤403和407固定分隔膜片材料206。卷盤405固定陽電極片材料208，而卷盤409固定陰電極片材料204。卷盤411固定引導(dǎo)線226，而盤413夾持引導(dǎo)線220。
電極片和引導(dǎo)線材料是共同纏繞到卷盤415上，根據(jù)需要，還可以增加其他的處理設(shè)備和步驟，用于完成電池中卷筒部分210的制造。
一旦制成卷筒210，如以上所討論的，可以焊接它的端帽222和228，并把卷狀結(jié)構(gòu)210插入到金屬罐中，例如，鋁罐120。端帽222和228還可以焊接或適當(dāng)?shù)毓潭ǖ焦?20或蓋310上。若鋁罐用于Li離子化學(xué)，則陰極端帽228可以固定到罐120，而陽極端帽222固定到蓋310的中心端子304。然而，若使用鋼罐，則陽極端帽222可以連接到鋼罐，而陰極端帽228可以連接到蓋的端子。
一旦利用已知技術(shù)制成，例如，真空回填技術(shù)，電解質(zhì)填充液體和凝膠可以插入到電池卷筒中。填充電池卷筒210的一種方法還允許在電池的充電和放電時(shí)進(jìn)行氣體交換。這樣做是可能的，它是使引導(dǎo)線或收集器延伸部分中有內(nèi)置的凹槽或缺口，可以防止形成氣密密封，并允許液體和氣體傳輸通過凹槽或缺口。
為了形成附加的電路，熱，和機(jī)械設(shè)施，柔性導(dǎo)電元件可以插入在端帽222和228與各自的電池外殼單元之間，例如，罐120和蓋310。例如，可以利用彈簧負(fù)荷的分隔器，通過焊接或壓力定位。在某些情況下，波浪形墊圈型設(shè)備可以在端帽與外電池外殼單元之間形成所需的連接。在其他的情況下，寬的導(dǎo)電和柔性帶可以焊接到端帽和電池罐或端子，并通過自身彎曲，從而提供電連接器和彈簧(動(dòng)態(tài)力)的功能。
雖然傳統(tǒng)的電池設(shè)計(jì)當(dāng)前試圖提供有所需結(jié)果的高功率應(yīng)用，但此處描述的實(shí)施例允許有減小阻抗的設(shè)計(jì)，它在高功率和高電流應(yīng)用中有改進(jìn)的電特性。電池內(nèi)部和端帽的較低電阻也可以降低電池的熱產(chǎn)生和耗散。我們描述的端帽以及它們連接到收集器延伸部分的方法可以給外電池元件提供良好的熱庫并防止在該電池內(nèi)產(chǎn)生多余的熱積累。
在利用LiFePO4石墨化學(xué)制作高功率的Li離子電池中，利用常規(guī)的方法制作電極，并利用電活性材料涂敷電流收集器的兩個(gè)側(cè)面。在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例中，雙側(cè)面陰極和陽極的厚度分別是200微米和100微米。陽極和陰極電流收集器的厚度約為12微米。分隔膜片的厚度約為25微米。尺寸約為0.16mm×0.32mm(橫截面)的鋁引導(dǎo)線和銅引導(dǎo)線同心地纏繞成卷筒狀電池配置，例如，“18650”配置。
陰極和陽極的長度分別是約為55cm和61cm。激光焊接用于連接引導(dǎo)線到陽極和陰極延伸的電流收集器。銅帶和鋁帶(8mm×0.1mm×2.0cm)分別用于連接凝膠卷筒到鋼罐和頂端。在激活電池之后，18650基配置的1000Hz阻抗約為10.5毫歐姆。在大電流脈沖或連續(xù)的大電流放電時(shí)，該電池單元展示低的自發(fā)熱現(xiàn)象。這個(gè)阻抗是與該電池中使用的電極長度有關(guān)，而有類似結(jié)構(gòu)的“26650”配置電池單元的1000Hz阻抗約為8.5毫歐姆。
圖10是按照本發(fā)明構(gòu)造的電化學(xué)存儲(chǔ)裝置的疊層結(jié)構(gòu)實(shí)施例。兩個(gè)分隔膜片206a放置在電極204a與208a之間。引導(dǎo)線220a和226a分別放置在延伸部分212a和214a的鄰近。最終的產(chǎn)品包含相對(duì)平坦疊層的分隔膜片和電極材料片，而引導(dǎo)線也是直的，它可以與平坦疊層片的直線外形保持一致。
圖11是本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例，其中分隔膜片2006被折疊成手風(fēng)琴式樣，它包含折疊部分2006a和2006b。其他的電極材料片2004和2008放置在折疊分隔膜片2006的兩個(gè)相對(duì)側(cè)面上。然后，添加端帽和端子連接到該組件上以制成電池裝置。這種結(jié)構(gòu)類似于圖10所示的疊層結(jié)構(gòu)，它可以延伸到(未畫出)包含根據(jù)設(shè)計(jì)所需的許多薄層。
在閱讀了以上的描述和實(shí)施例之后，在偏離本發(fā)明范圍的條件下，專業(yè)人員可以對(duì)此處公開的內(nèi)容作各種有用的改動(dòng)和等效的替換。因此，本發(fā)明的范圍不局限于以上討論的具體實(shí)施例。
權(quán)利要求
1.一種電化學(xué)存儲(chǔ)裝置，包括包含負(fù)電極片，正電極片和設(shè)置在負(fù)電極片與正電極片之間的分隔膜片的卷狀組件，負(fù)電極片和正電極片中至少一個(gè)電極片有這樣的邊緣，該邊緣基本沒有電極活性材料；和設(shè)置成與電極片邊緣相鄰的導(dǎo)電引導(dǎo)線，該邊緣基本沒有電極活性材料，其中導(dǎo)電引導(dǎo)線和基本沒有電極活性材料的邊緣限定一個(gè)電極端帽。
2.按照權(quán)利要求
1的裝置，其中引導(dǎo)線的厚度基本上是電極片邊緣的相鄰部分之間存在的徑向間隔，該邊緣基本沒有電極活性材料。
3.按照權(quán)利要求
1的裝置，其中選取引導(dǎo)線的實(shí)際尺寸以提供選取的熱容量。
4.按照權(quán)利要求
1的裝置，其中一個(gè)電極片包括有活性材料層的電流收集片，該活性材料層設(shè)置在電流收集片的部分相對(duì)著的表面上。
5.按照權(quán)利要求
1的裝置，還包括有邊緣的負(fù)電極片，該邊緣基本沒有電極活性材料；有邊緣的正電極片，該邊緣基本沒有電極活性材料；設(shè)置成與負(fù)電極片邊緣相鄰的第一導(dǎo)電引導(dǎo)線，該邊緣基本沒有電極活性材料，其中第一導(dǎo)電引導(dǎo)線和基本沒有電極活性材料的負(fù)電極片邊緣限定第一電極端帽；和設(shè)置成與正電極片邊緣相鄰的第二導(dǎo)電引導(dǎo)線，該邊緣基本沒有電極活性材料，其中第二導(dǎo)電引導(dǎo)線和基本沒有電極活性材料的正電極片邊緣限定第二電極端帽。
6.按照權(quán)利要求
5的裝置，其中第一電極端帽和第二電極端帽設(shè)置在卷狀組件的相對(duì)著的兩端。
7.按照權(quán)利要求
5的裝置，其中第一電極端帽限定一個(gè)陰極端帽，而第二電極端帽限定一個(gè)陽極端帽。
8.按照權(quán)利要求
7的裝置，還包括外殼和蓋，該外殼有導(dǎo)電部分，而蓋有導(dǎo)電端子；和其中陰極端帽電路連接到蓋的導(dǎo)電端子，而陽極端帽電路連接到外殼的導(dǎo)電部分。
9.按照權(quán)利要求
8的裝置，還包括電路連接陰極端帽到蓋的柔性導(dǎo)電元件。
10.按照權(quán)利要求
7的裝置，還包括外殼和蓋，該外殼有導(dǎo)電部分，而蓋有導(dǎo)電端子；和其中陽極端帽電路連接到外殼的導(dǎo)電端子，而陰極端帽電路連接到外殼的導(dǎo)電部分。
11.按照權(quán)利要求
10的裝置，還包括電路連接陽極端帽到外殼的柔性導(dǎo)電元件。
12.按照權(quán)利要求
5的裝置，其中負(fù)電極片和第一導(dǎo)電引導(dǎo)線都是由鋁制成，而正電極片和第二導(dǎo)電引導(dǎo)線都是由銅制成。
13.按照權(quán)利要求
1的裝置，還包括在部分電極端帽的表面上設(shè)置的焊接接頭。
14.按照權(quán)利要求
13的裝置，其中焊接接頭是利用激光焊接制成的。
15.按照權(quán)利要求
13的裝置，其中焊接接頭形成電路連接，該電路連接通過導(dǎo)電引導(dǎo)線的相繼繞組和限定電極端帽的電極片邊緣。
16.按照權(quán)利要求
13的裝置，其中焊接接頭是沿徑向設(shè)置在電極端帽的表面上。
17.按照權(quán)利要求
1的裝置，其中負(fù)電極片，正電極片，分隔膜片和導(dǎo)電引導(dǎo)線纏繞在一個(gè)共同的軸上，它們大致形成有基本圓柱形外形的同心繞組。
18.按照權(quán)利要求
1的裝置，其中負(fù)電極片，正電極片，分隔膜片和導(dǎo)電引導(dǎo)線纏繞在一個(gè)共同的軸上，它們大致形成有基本棱柱形外形的同心繞組。
19.按照權(quán)利要求
1的裝置，其中電極端帽還包含流體通道。
20.一種制造電化學(xué)存儲(chǔ)裝置的方法，包括以下步驟在負(fù)電極片與正電極片之間安排分隔膜片，其中正電極片和負(fù)電極片中至少一個(gè)電極片有基本沒有電極活性材料的區(qū)域；和導(dǎo)電引導(dǎo)線放置成與基本沒有電極活性材料的電極片的區(qū)域相鄰，其中導(dǎo)電引導(dǎo)線和基本沒有電極活性材料的電極片的該區(qū)域形成電極端帽。
21.按照權(quán)利要求
20的方法，還包括把負(fù)電極片，分隔膜片，正電極片和導(dǎo)電引導(dǎo)線纏繞在一個(gè)共同的軸上以制成卷狀組件。
22.按照權(quán)利要求
20的方法，其中在負(fù)電極片與正電極片之間安排分隔膜片的步驟還包括重疊負(fù)電極片與正電極片之間的分隔膜片以制成疊層組件。
23.按照權(quán)利要求
20的方法，還包括在至少部分的電極端帽表面上提供焊接接頭，用于固定引導(dǎo)線到基本沒有電極活性材料的電極片的所述區(qū)域。
24.按照權(quán)利要求
23的方法，其中焊接接頭是沿徑向設(shè)置在部分的電極端帽表面上。
25.按照權(quán)利要求
20的方法，還包括電路連接電極端帽到電化學(xué)存儲(chǔ)裝置的端子，其中電化學(xué)存儲(chǔ)裝置的端子能夠連接到外電路的端子。
26.一種制造電化學(xué)存儲(chǔ)裝置的方法，包括以下步驟提供一個(gè)負(fù)電極片，該負(fù)電極片有基本沒有電極活性材料的區(qū)域；提供一個(gè)正電極片，該正電極片有基本沒有電極活性材料的區(qū)域；在負(fù)電極片與正電極片之間安排分隔膜片；和第一導(dǎo)電引導(dǎo)線放置成與基本沒有電極活性材料的負(fù)電極片的所述區(qū)域相鄰，其中第一導(dǎo)電引導(dǎo)線和基本沒有電極活性材料的負(fù)電極片的所述區(qū)域限定第一電極端帽；和第二導(dǎo)電引導(dǎo)線放置成與基本沒有電極活性材料的正電極片的所述區(qū)域相鄰，其中第二導(dǎo)電引導(dǎo)線和基本沒有電極活性材料的正電極片的所述區(qū)域限定第二電極端帽。
27.按照權(quán)利要求
26的方法，還包括在至少部分的第一電極端帽表面上提供焊接接頭，用于固定第一引導(dǎo)線到基本沒有電極活性材料的負(fù)電極片的所述區(qū)域；和在至少部分的第二電極端帽表面上提供焊接接頭，用于固定第二引導(dǎo)線到基本沒有電極活性材料的正電極片的所述區(qū)域。
28.按照權(quán)利要求
26的方法，還包括電路連接第一電極端帽到電化學(xué)存儲(chǔ)裝置的第一端子；和電路連接第二電極端帽到電化學(xué)存儲(chǔ)裝置的第二端子，其中電化學(xué)存儲(chǔ)裝置的第一端子和第二端子能夠連接到外電路的端子。
29.一種電池封裝裝置，包括至少包含兩個(gè)電互補(bǔ)電極片的至少一個(gè)組件，該組件有設(shè)置在兩個(gè)電互補(bǔ)電極片之間的分隔膜片，其中至少一個(gè)電極片有基本沒有電極活性材料的邊緣；和該至少一個(gè)組件還包含設(shè)置在電極片邊緣鄰近的導(dǎo)電引導(dǎo)線，該邊緣基本沒有電極活性材料，其中導(dǎo)電引導(dǎo)線和基本沒有電極活性材料的邊緣限定電極端子。
30.按照權(quán)利要求
29的裝置，其中第一組件和第二組件在電路上是串聯(lián)連接的。
31.按照權(quán)利要求
29的裝置，其中第一組件和第二組件在電路上是并聯(lián)連接的。
專利摘要
我們描述一種電化學(xué)存儲(chǔ)裝置及其制造方法。在一些特征中，引導(dǎo)線是與片狀或帶狀電極材料共同纏繞的，因此，在引導(dǎo)線與電極材料的收集器延伸部分之間形成接觸，從而制成有低阻抗和高熱庫能力的端帽。在一個(gè)實(shí)施例中，該存儲(chǔ)裝置包括其邊緣基本沒有電極活性材料的負(fù)電極片，其邊緣基本沒有電極活性材料的正電極片，在負(fù)電極片邊緣鄰近設(shè)置的第一導(dǎo)電引導(dǎo)線，和在正電極片邊緣鄰近設(shè)置的第二導(dǎo)電引導(dǎo)線，其中在電極片邊緣基本沒有電極活性材料。第一導(dǎo)電引導(dǎo)線和基本沒有電極活性材料的負(fù)電極片邊緣限定第一電極端帽，而第二導(dǎo)電引導(dǎo)線和基本沒有電極活性材料的正電極片邊緣限定第二電極端帽。電極端帽連接到存儲(chǔ)裝置的端子，該端子能夠連接到外電路的端子。
文檔編號(hào)H01M2/36GK1998101SQ20058001848
公開日2007年7月11日 申請日期2005年4月28日
發(fā)明者吉爾伯特·N·賴?yán)? 詹姆斯·瑞伯迪 申請人:A123系統(tǒng)公司導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan