用于電化學裝置的電池結構及其制造方法

專利名稱：用于電化學裝置的電池結構及其制造方法
技術領域：
本發明涉及改進的電化學裝置，例如電池、電容器、燃料電池、傳感器等。更具體 來說，本發明涉及更用戶友好的電化學裝置，其針對裝置的每重量和體積提供較高的比 功率和能量輸出，且涉及制造這些改進的電化學裝置的方法。
背景技術：
隨著電子器件的不斷進步，對應地不斷需要向高級電子裝置(尤其是便攜式電子裝 置)供電的提供能量密度、效率和安全且同時仍然是經濟的電化學裝置。較老的電池配 置常不適合于符合這些增加的需求。除了環境和效率問題之外，對提供電力的裝置的研 究已擴展到包含混合電動交通工具的新領域。理想上，電化學裝置將提供較高的電流密 度，減小電池的內阻，且有效地管理電化學裝置的熱輸出，以增加裝置的耐久性。
可通過在電極與電池集電器之間，且特定在電池中的電池之間提供大量和/或大表面 面積的連接而實現這些特征。 一般來說，為保留較高的比能量和功率、W/kg、瓦特-小 時/千克(Wh/kg)和瓦特/千克(W/kg)，當前技術和裝置遠遠達不到這些目標。高功率
裝置的第二關鍵特征是內部熱量移除。到外部電路的高功率通常在電池內部在短時持續 時間內產生作為熱量的同等量的能量。過分的升溫將毀壞(例如，熔化多微孔聚合物隔 板或自燃易燃有機電解液)或顯著縮短鋰離子電池的有用壽命。
由物理上暴露于電解液的陰極電極和陽極電極構成的電化學裝置可一般用于在化 學能與電能之間轉換。外殼可包圍這些電極和電解液組件，且可甚至將其密封免于與大 氣接觸。電池、燃料電池和電容器僅是本發明涉及到的一些此類專用電化學裝置。
由于就每一對陰極和陽極電極(或電池)的電壓和/或電流強度來說，電功率通常較 小，所以可在單個外殼中使用許多單獨對的陰極和陽極電極或電池。集電器通常用于將 所述電池并聯和/或串聯地電互連，以在電化學裝置的暴露端子處提供可用的電壓和電流 強度輸出。當離子經由電解液在每個電池的電極之間通過時，且當電子同時經由電極通過每個 電池時，電化學裝置執行有用功。由所使用的組件材料的電化學反應來預先確定每個電 池產生的電壓，且所產生的電流強度和/或可用功率取決于這些活動組件的配置和質量。
可按照瓦特-小時/裝置重量來提供裝置的比輸出能量，且可按照瓦特/裝置重量來提 供裝置的比輸出功率。由于內阻和其它低效(硬件質量和體積)，現有電化學裝置的輸 出值通常是理論上可能的輸出值的較小分數。
對電極元件之間的離子傳導的電阻是內部功率損耗的一個主要源頭。可用以下表達 式來在理論上確定此類電阻R。
R =pl/A
其中
"p" (rho)是電解液的阻抗值； "1"是電解液的厚度；以及
"A"是電極元件與電解液之間的界面接觸面積。
離子阻抗值p不易經受修改，且非有效為設計參數。電化學裝置的設計者因此力求 降低電解液厚度"1"，且增加電極元件與電解液之間的界面接觸面積"A"。
已提議陰極和陽極電極、電解液分隔和集電的不同配置。舉例來說，陰極電極帶可 為曲折的，以界定用于保持電解液的單獨隔間，且在電解液中插入有由陰極電極隔開的 細長桿狀的陽極電極。界面接觸面積"A"有效地小于陽極桿的整個表面面積，因為某 些桿彼此相對，而不是與陰極相對。
而且，曲折的折疊的隔板帶可界定用于保持并隔離板狀陰極和陽極電極的相對隔 間，其中電解液吞沒所有這些組件。在替代設計中，每一電池可形成為具有C形電極和 夾在其間的Z形隔板。或者，具有導電表面的隔板帶可經折疊，且在單獨相對面向的褶 之間夾有單獨組的相應板狀陰極和陽極電極。可通過在其自身上巻繞陰極和陽極電極和
隔板的預先形成的組合件以產生圓柱形的電化學裝置來形成"膠巻"電池，其具有面對 面的電極和夾著的電解液和隔板結構，從而增加了電極之間的界面接觸面積"A"。
然而正是面向的電極和夾著的電解液和隔板的廣度產生另一問題起因，即組裝期間 和操作期間的用以維持和支持物理上分離的電極元件的結構充足率。這包含在操作溫度 改變期間(例如將電池包裝到盒狀外殼中)承受電池件的熱膨脹和收縮力。增加夾著的 電解液和隔板的厚度來提供所需的強度和/或耐用性還增加了離子傳導電解液厚度"1"， 從而抵銷了由增加的界面接觸面積"A"所獲得的益處。
這些電池布置中所使用的集電器添加了顯著重量，和因此的減小的比電池能量和功
5率輸出。舉例來說，隔離的導體通常連接到電極，且獨立于電極沿著延長的路徑被路由 到外部端子。這些導體必須攜載整個電池電流，且因此必須具有充分的質量和橫截面來 使內阻保持可控地低。對于經連接端子的典型電池設計，電極突出部/集電器/電池端子 電阻/電池端子電阻可占到與理論能力相比的電池功率輸出中的50%的減小。通常，使用 大量連接器來避免高功率電池的功率損耗。
而且，這些電池布置提供具有有限大小和/或厚度的電極，從而限制了可用電極材料 的數量，且因此限制了最大電池存儲能量和/或操作循環壽命，尤其對于可再充電電池。
這些設計的窘境在于，通過增加大體橫跨電解液的界面電極面積"A"而獲得的功 率增益通常被增加的電解液厚度"l"抵銷，且集電器的重量和體積減小了比能量和功率 輸出。可增加功率，但卻是以減小的能量存儲容量/重量和體積為代價，且以歸因于所需 的額外硬件而增加的成本為代價。螺旋纏繞的"膠巻"配置的高界面面積"A"僅折衷 了可用功率對能量密度；但需要最小的隔板厚度以用于電池耐用性和循環壽命。現有的 雙極電池布置未避免此功率和能量折衷的窘境，燃料電池電化學裝置同樣如此。
第5,219,673號美國專利中所揭示的巻帶電池(rolled-ribbon cell)技術已跨出一大 步，實現了用于電化學裝置的增強的功率密度。具體來說，應用于基于鋰/有機物的電解 液化學物質，使用可堆疊的圓盤狀電池來形成改進的電池，以從這些電池實現幾乎最佳 的功率能力。用于高脈沖功率需求的電池的其它目的(例如，混合電動交通工具和動力 工具)將持續減少電池成本并增加耐用性。這些基于鋰/有機物的電解液電池化學物質盡 管展現非常高的電壓(3-5伏)，但具有相對低的電流密度能力。 一個限制因素是試圖使 用相對薄的組件，即電極和隔板層。實際的裝置需要大量有效區域。舉例來說，在10 mA/cr^的峰值電流密度的情況下，其可需要1000 cm2的有效區域來實現IOA。對于混 合電動交通工具，所需的電流為約200-400伏下的100 A (等效于20-40 kW)。
另一窘境是形成此類電池所需的大量小電池。具有大量小電池的電池(例如，18650 電池中有l安培-小時(Ah)的容量)引起主要的功率損耗(內部熱量產生)。更近的更 大電池(10 Ah)已使用棱柱形配置。這些電池具有寬廣的電極，其中多個突出部連接 到傳統的端子連接。這些棱柱形電池在矩形盒中被硬連線在一起(端子對端子)。然而， 實質上更大電池的此布置仍可犧牲電池化學物質的理論功率的5 0 % 。
然而，先前的紐扣型電池(通常具有5-50milli-Ah的非常小的容量)缺乏電池組裝 和/或通過電池到外部端子的高電流的分布的簡易性或一致性(可能歸因于硬件組件的有 限導體路徑)。混合交通工具電池將需要成千上萬個這些電池。
因此，不斷且持久地需要具有高能量密度、提供高功率輸出并接近電功率輸出的理論極限值的電化學裝置。
用于高功率應用(例如，混合電動交通工具)的基于鋰/有機物的電解液化學物質還必須并入若干特征以增強安全性和電池的耐久性。由于存在產生內部氣體壓力的電池操作和降級條件，所以需要沒有大變動的經濟的構件來解除氣體壓力。典型構件是在鋰離子電池的外殼上包含破裂盤。圓盤外殼的破裂導致所述電池的不可還原的故障，且如果圓盤破裂，則電解液可逸離，而進一步使電池降級。
熱管理在保留電池容量中(尤其歸因于電解液降級)對于延長鋰離子電池的壽命來說是關鍵的。能夠產生數十kW的電池必須處置同等量的熱量產生。在高脈沖功率的情況下，歸因于有限的離子傳導，在電極/隔板界面處產生熱量。對于常規的膠巻電池來說，熱損耗的最直接路徑是橫跨熱敏感多微孔聚合物層。電池內過高的溫度將在局部關閉多微孔聚合物，且較高的溫度導致其它弊端。過多的弊端可導致有機電解液的自燃。

發明內容
本發明涉及電化學裝置。在一個實施例中，電化學裝置包括電極組合件。所述電極組合件包含多個伸長的正電極、多個伸長的負電極和多個分隔層，所述多個分隔層可彼此嚙合以在所述多個正電極和所述多個負電極中的每一者之間形成連續的分隔障壁。所述多個層經定位以使得正電極、分隔層和負電極纏繞在中心軸周圍，從而形成一巻交替的電極和分隔層，使得分隔層防止連續的電極層之間的直接接觸，正電極層的第一縱向邊緣延伸超過分隔層的第一縱向邊緣，且負電極的第一縱向邊緣延伸超過分隔層的第二縱向邊緣。隔板被拉伸跨越電極組合件，且界定電池寬度，電極的寬度延伸超過隔板的寬度。電化學裝置進一步包括外殼，其具有正極板，其電耦合到正電極的第一縱向邊緣；以及負極板，其電耦合到負電極的第一縱向邊緣，其中所述電極組合件被外殼包圍。
在另一實施例中，電化學裝置包括電極組合件。所述電極組合件包含具有第一縱向邊緣的伸長的正電極、具有第一縱向邊緣的伸長的負電極，和具有第一縱向邊緣和第二縱向邊緣的分隔層。正電極、分隔層和負電極纏繞在中心軸周圍，借此形成一巻交替的電極和分隔層，使得分隔層防止連續的電極層之間的直接接觸，分隔層的第一縱向邊緣延伸超過分隔層的第一縱向邊緣，且負電極的第一縱向邊緣延伸超過分隔層的第二縱向邊緣。所述裝置進一步包括外殼，其具有正極板，其電耦合到正電極的第一縱向邊緣；以及負極板，其電耦合到負電極的第一縱向邊緣，其中所述電極組合件被外殼包圍。所述電極組合件比所述外殼的板略寬。
在以下描述中更詳細地陳述且在下文描述的圖式中說明上文所描述的實施例。


以下將結合附圖描述本發明的優選示范性實施例，其中相同的標號標示相同的元件
且
圖1是本發明的電極組合件中的電極/分隔層配置的剖開透視圖；圖2是展示自身巻繞電極組合件以界定適合于形成根據本發明的電化學裝置的類型的巻帶電池(疊層電池隔膜)的右側面視圖3描繪用于制造本發明的電極/隔板組合件的過程；
圖4是沿著圖3的過程的線4-4截取的電池預組合件的橫截面圖；圖5是沿著圖3的過程的線5-5截取的電池預組合件的橫截面圖；圖6是沿著圖3的過程的線6-6截取的電池預組合件的橫截面圖7描繪本發明的電化學裝置的外殼；
圖8是并入本發明的電極組合件的雙極電化學裝置的徑向邊緣截面；
圖9展示通過堆疊本發明的圓盤狀電化學電池而制成的高電壓電池，以及沿著線9-9截取的高電壓電池的橫截面圖和詳細橫截面圖IO描繪可實現電化學電池的較大冷卻的本發明的實施例；
圖11描繪有益于內部排熱的電極和電池硬件的布置，其中負電極(底部)和正電
極(頂部)與電池硬件的相對面連通，以從隔板界面(通常為賽爾伽德(Celgard))移除熱量；
圖12描繪在HPPC測試期間(60A的放電脈沖)對巻帶電池的表層溫度監控；圖13描繪在75W和IOOW，或6C和8C速率下來自恒定功率全放電的電池溫度(5Ah)的曲線圖14描繪Ragone曲線圖，其將巻帶電池與螺旋纏繞的鋰離子電池在高功率輸出下(25°C)的比能量進行比較；
圖15描繪經受100 A (20 C的速率)18秒放電的電池的電池電壓和電流對時間的曲線圖16描繪平板電池電阻對充電的狀態(來自HPPC-高測試)的曲線圖，其演示可用電池容量的擴大(5 Ah);
圖17描繪在180A下(35 C的速率)脈沖以為這些電池提供超過500W以用于2.4kW/kg的峰值比功率的電池的電流對時間的曲線；
圖18描繪具有取決于充電電壓控制的初始過量正(鋰金屬氧化物)容量的鋰離子電池的可逆短路。4.125V下的"旁路"電流可用于均衡電池中的這些電池的容量。
具體實施例方式
本發明提供改進的電池布置，其涉及正電極和負電極的定向、插入的隔板和/或電解液以及在制作電化學裝置中使用的集電器。所述改進的電池使用具有由交替布置的大體平行的正電極和負電極組成的疊層電極/箔的電極組合件，以及由以緊密蜿蜓方式配置且物理上插入在電極之間的非常薄的離子導電帶狀層形成的隔板層和/或電解液。此基本層疊電池預組合件以平坦圓盤的大體形狀(其中直徑優選大于圓盤厚度的兩倍)例如通過將其纏繞或巻繞為螺旋狀以形成電極組合件而層疊于其本身上，且電池膜片夾在板狀集電器之間(其中電極界面主要垂直于集電器)以構成電化學電池。
在-」個實施例'—1'，本發明提供一種由電極組合件構成的電化學裝置，所述電極組合件包含(i)具有第一縱向邊緣的伸長的正電極；(ii)具有第一縱向邊緣的伸長的負電極；以及(iii)具有第一縱向邊緣和第二縱向邊緣的分隔層。在電化學裝置中，正電極、分隔層以及負電極纏繞在中心軸周圍，借此形成一巻交替的電極和分隔層，使得分隔層防止連續電極層之間的直接接觸。另外，分隔層的第一縱向邊緣延伸超過分隔層的第一縱向邊緣，且負電極的第一縱向邊緣延伸超過分隔層的第二縱向邊緣。昂貴的電極涂層的較有效使用提供了若干優點，即，每電極重量較大的功率輸出。電池電力相對于電池容量增加了大約二十倍。用于巻帶的電池硬件與具有端子柱的棱柱形電池相比是電池重量的較小部分。大的電池間連接(面對面堆疊的圓盤)有效地將功率傳輸到電池端子。
電化學裝置還可包含外殼，其具有電耦合到正電極的第一縱向邊緣的正端子和電耦合到負電極的第一縱向邊緣的負端子，其中電極組合件由外殼包圍；以及電解液，其鄰近于電極組合件且包圍于外殼內。
外殼通常包括包含正端子的第一杯和包含負端子的第二杯。以此方式，第一杯和第二杯接合在一起以形成外殼，使得第一杯和第二杯彼此電隔離，且進一步其中正端子和負端子是大體上平面的。
在另一實施例中，外殼密封電池的內含物以免與環境大氣接觸，使得壓力釋放組件或特征可在外殼內的壓力達到預定限值時釋放外殼內積累的壓力，同時在外殼內積累的壓力釋放之后保持電池可操作。
這些電化學裝置中的一者或一者以上可并聯或串聯地電耦合在一起。當耦合時，電極組合件中的一者可提供用于在電極組合件變為不操作時短接電極組合件的組件。
在又一實施例中，由于電極的垂直定向而展現優良排熱的裝置的外殼包含允許媒介在外殼內、通過外殼或在外殼周圍循環的通道，其進一步提供裝置的冷卻。在巻帶電池中，電極箔充當電極/隔板界面處的冷卻鰭以將熱汲取出到達電池外殼。熱損耗的最直接路徑不是穿過熱敏分隔層的層，而是到達可與冷卻流體接觸的電池外殼。
裝置的再一實施例，正電極沒有物理附接(例如以冶金方式焊接在一起)到正端子，且負電極沒有以冶金方式附接到負端子。
本發明的電化學裝置的另一實施例組合了電極組合件，所述電極組合件包含(i)伸長的正電極；(ii)伸長的負電極；以及(iii)分隔層，其具有耦合到電極組合件以用于在電極組合件變為不操作時短接電極組合件的組件。在此實施例中，正電極、分隔層和負電極纏繞在中心軸周圍而形成交替的一巻電極和分隔層，使得分隔層防止連續電極層之間的直接接觸。此實施例也可包含由電耦合到正電極的第一縱向邊緣的正端子和電耦合到負電極的第一縱向邊緣的負端子構成的外殼，其中電極組合件由外殼封閉。外殼還封閉電解液。此實施例可進一步包含壓力釋放組件，其在外殼內的壓力達到預定限值時釋放外殼內積累的壓力，其中電化學裝置在外殼內積累的壓力釋放之后仍可操作。
在又一實施例中，包括與電解液接觸的電極組合件的電化學裝置耦合到外殼且由外殼封閉，所述外殼擁有壓力釋放組件的功能性。電極組合件由至少一伸長的正電極、伸長的負電極和分隔層構成，其中正電極、分隔層和負電極纏繞在中心軸周圍，借此形成一巻交替的電極和分隔層，使得分隔層防止連續電極層之間的直接接觸。電極組合件耦合到外殼，其具有電耦合到正電極的第一縱向邊緣的正端子和電耦合到負電極的第一縱
向邊緣的負端子。壓力釋放組件在外殼內的壓力達到預定限值時釋放外殼內積累的壓力，其中電化學裝置在外殼內積累的壓力釋放之后仍可操作，且密封件使其自身再次密封。內部氣體壓力控制是在不危害電池的預期壽命的情況下實現的安全特征。其通常以破裂盤實現，所述破裂盤將在破裂時致使電池損失。在本發明中，以彈簧加載外圍密封電池的堆疊來完成壓力釋放。因為電池本質上可排氣以釋放氣體壓力，因此其將使其自身再次密封。密封配置已通過使用聚乙烯墊片和硅樹脂流體冷卻劑兩者而增強了對濕氣滲透/擴散的排斥。因為沒有對電池的增加的組件，所以此用于內部壓力控制的設計是經濟的。
在再一實施例中，包括與電解液接觸的電極組合件的電化學裝置耦合到外殼且由外殼封閉。電極組合件比外殼的平行板略寬。電池外殼的兩個伸縮半部被壓在一起，其中巻帶電極元件在內部。使用規定的壓縮負載來啟動和操作電池，且作為堆疊電池的部分而在電池中繼續工作。
在再一實施例中，包括與填充有電解液的隔板接觸的電極組合件的電化學裝置耦合
10到外殼且由外殼封閉。Z折疊式隔板被拉伸跨越電池元件厚度。折疊式隔板界定電池寬 度和電極帶超過隔板的延伸部。此程序可實現超過隔板的最小0.1-0.2 mm的延伸。Z的 索引可在電池寬度上分布重疊。并非隔板在電池寬度的"第一"三分之一上的重疊的一 半，我們可將其移動到中間三分之一，隨后移動到最后三分之一，隨后返回到第一三分 之一且重復。尤其對于具有100個線圈的較大電池，分布的隔板重疊改善了電池元件的 完整性。
此外，隔板被拉伸以控制繞線電池的緊密度以形成剛性圓盤。 雙層隔板和/或隔板涂層的使用可用于增加電池元件完整性。
在與隔板相關的接續實施例中，外部塑料帶(用以完成電池繞線)熱焊接在適當位 置，且保持線圈張力。此外，當電極材料層在初始電池充電期間膨脹時，外部塑料帶提 供環向應力以限制巻帶元件。隔板層處于壓縮中以用于完全充電(形成)的電池。
在再一實施例中，包括與電解液接觸的電極組合件的電化學裝置耦合到外殼且由外 殼封閉，所述外殼容易拆卸以用于電池材料的再循環和/或再生。可使得具有壓力密封件 的外殼在不受限時完全打開。在一種方法中，將電池呈遞到真空，且電池爆開。移除外 部保持帶，且電池可散開成為陽極、隔板和陰極三個個別的巻。
個別的巻可有助于材料的再循環的過程和成本。其進一步改善使用周期的經濟，且 /或實現電池復原處理，其中可處理電極帶且可以新的隔板重建電池。
在再一實施例屮，電池外殼的兩個伸縮半部被壓在一起，其中在內部由相對大的聚 乙烯塑料(相對低溫熔化的聚合物材料)外圍密封件分離的巻帶電極元件可用于在破壞 性情形下溫和地短接電池。不期望電池經歷破壞性條件(例如，扔到火中、釘子穿透、 壓碎等)而形成高電阻短路，從而致使局部化加熱和高溫。較溫和的故障(避免爆炸) 由良好分布的短路引起。 '
在再一實施例中，包括具有鋰離子電化學物質的電極組合件(具有過量正電極容量) 的電化學裝置可形成可逆短路。也就是說，向負電極供應超過典型范圍的Li。對于 C/LiNiCo02化學物質，過量的負容量比率是1.4或更大。其它化學物質可能需要不同的 比率來展現可逆短路現象。此現象表現為由于電池的獨特致密性而發生。如此，保護電 池免于破壞性地過充電。此可逆電池短接機制也可用于在沒有電子構件的情況下均衡電 池(使所有電池具有相同的充電狀態)以最大化總體電池性能。
由于鋰離子電池的昂貴(其也提供最大的電化學電位和最大的能量內含物)，本發 明的巻帶電池配置對采用鋰/有機電解液電池化學物質的電池具有特定的實用性，但本發 明也良好地適用于其它電池化學物質，包含但不限于鎳/金屬氫化物和堿性電解液系統。
11特定來說，所述技術以減少的成本提供了高脈沖功率裝置，且其具有產生kW級功率的 優良熱管理。
本發明的改進的電池布置使用帶狀電池合件，其中當在橫截面圖中觀看時經涂覆的 箔電極條帶延伸超過折疊式隔板的邊緣。延伸的電極區域可具有較少的或沒有活性電極 材料，且電極帶優選涂覆有金屬箔或其它電子傳導材料，例如碳紙和/或導電聚合物。對 于5英寸直徑的電池，通常實現與電池外殼的100到250英尺的電極邊緣接觸。
本發明借助于將電極條帶延伸超過分隔層而提供增加的電極材料或電池容量。并不 是如同早期的紐扣型電化學電池那樣使電極圓盤應用于巻帶電池或電池隔板隔膜的主 要表面，而是電極延伸部界定電極材料的儲集區。隨后在將電池裝到圓盤包圍硬件中時 將這些延伸部壓實為圓盤。
本發明還提供隔板帶配置，其中分隔層的褶在每一邊緣處向上和向下定向。在橫截 面中，隔板是"Z"配置，其中在褶之間具有界定的距離。此布置用以相對于隔板對準 電極帶，且幫助確保在電池線圈操作期間將電極和隔板定位。此對準有助于形成平坦圓 盤電池。
本發明可提供電子組件，其可用以電移除短接的或有缺陷的電池。優選例如通過起 始電池線圈而使電子組件嵌入在電池內，且優選駐留在電池的中心轂內以便于制造。在 優選實施例中，利用二極管來移除(或短路)不操作的電池。類似地，組件可用以在過 充電或過高電壓的條件下旁路電流。
本發明還提供紐扣型電池包圍物。其由兩個相對的淺杯組成，所述杯通過在外邊緣 處的聚合物"U"形墊片而彼此電隔離。墊片進一步形成用于電池的內部內含物的氣密 密封件。這些杯部件與另一電化學電池的垂直電極部件介接以充當集電器和電池端子兩 者。正電極襯底本質上與正端子表面是相同材料，且負電極襯底本質上與負端子表面是 相同材料。正的通常是鋁，且負的通常是銅。巻帶電池合件是圓盤，其比組裝的集電器 杯的平行表面之間的距離略寬，以確保與電極箔襯底的接觸。
本發明還提供通過將多個紐扣型電池堆疊在一起而組裝的高電壓和高容量電池。所 述電池通常串聯連接。對內部氣壓的控制和堆疊中紐扣電池之間的接觸壓力的維持可用 有效壓力來實現，例如貝勒維爾(Belleville)彈簧墊圈。對內部壓力的規定限制是經由 外圍密封件通過釋放來處置，所述密封件可在一事件之后再次密封。
本發明還提供通過在電池堆疊周圍和在圓盤形電池之間歧管輸送冷卻流體而提供 無源熱管理的增強。恒溫控制將流體抽吸到例如散熱器或小冷凍單元等外部冷卻。紐扣 型電池包圍物的電池硬件盤從電極/隔板界面導熱。此外，經由紐扣電池的表面之間的流動通道，實現較直接的熱移除。
本發明還提供制造經改進的電池構造及其電化學裝置的方法。
根據本發明的巻帶電池配置可釋放接近于5-10Ah容量的實質較大電池中的Li/有機 電解液電池化學物質的理論功率的100%，且具有來自單個電池的100-200 A的脈沖電 流。此外這些可堆疊的優選具有125 cm直徑的電池，電池間接觸可以來自電池端子的 電池電平傳遞功率。而且，給定量的昂貴鋰化Ni/Co氧化物電極/電解液材料的有效使用 可產生顯著的成本優點，以及熱管理中的優點。在可堆疊圓盤電池外殼內使用的巻帶電 池將提升這些昂貴電池材料的壽命。不同于棱柱形膠巻電池，可經由短路傳導路徑從電 池汲取出來自巻帶電池的內部產生的熱，而不越過熱敏多孔聚乙烯/聚丙烯隔板。因此， 可操作本發明的電池而無需有源熱管理。
圖1的放大剖開透視圖說明適于形成例如電池、燃料電池、傳感器或電容器等電化 學裝置的電池預組合件10。電池預組合件IO具體來說包含交替布置的大體平行的正電 極12p和負電極12n，以及插入在其間的在某種程度上呈疊層結構形式的隔板或電解液 層14。在本發明中，術語陽極和陰極也將用于電極，在某種程度上是可互換的，以及術 語隔板和/或電解液。在所說明的電化學電池裝置中，隔板/電解液14是離子傳導材料， 正和負電極12p和12n都是離子和電子傳導材料，且電池的端子是電子傳導材料。這些 組件的實際材料可取決于電化學電池的類型。電極大體上是涂覆有活性電極材料的微粒 的金屬箔。合適的電極的實例包含而不限于10微米Al或Cu，且可促進低電池電阻和 熱移除。由于本發明的電池的配置，即其較短路徑長度，可利用其它材料，例如碳纖維 墊，其大體上具有比金屬箔低的導電性。陰極的優選材料是鋰化金屬氧化物，而陽極的 優選材料是碳和/或石墨。
兩個電極均可由在8個重量百分比(重量％) PVDF (聚偏氟乙烯，例如來自美國埃 爾夫阿托化學公司(ElfAtochem)的Kynar 720)結合混合料中保持的高表面積粉末組 成。正電極還含有8重量％的碳黑(例如，中間相碳微球(mesocarbonmicrobead，MCMB) 或碳黑)以用于導電性。兩個電極均作為漿料施加于金屬箔(通常為10微米厚銅箔用 于負電極，且25微米厚鋁箔用于正電極)，所述電極在干燥后隨著多孔層(每側為50 微米厚)通過PVDF結合劑被固定在一起而粘附，且稍后用電解液滲透。對于鋰離子電 池化學物質，存在兩種主要類型的陰極材料鋰鎳一鈷摻雜氧化物和鋰錳氧化物尖晶石。 兩種組合物均可從北卡羅來那州加斯托尼亞28054的FMC公司鋰部門得到，分別為 Lectro Plus 600和Lectro Plus 300。優選的組合物是Li Nix Coy Mz 02，其中Ni x為 0.6<x<0.8， Coy為O.l <y< 0.3，且Mz (例如，Al) 0.05<z<0.1。組合物LiMn204是其
13中2 Li:Mn比率是1.02-1.06: 1。
隔板14通常是多微孔聚合物膜，其需要在經歷機械操縱以形成電池預組合件10之 后維持物理完整性。優選地，隔板14是稱為CELGARD 2300和CELGARD 2400 (北 卡羅來那州夏洛特賽爾伽德有限公司)的聚乙烯/聚丙稀膜、稱為NAFION (密西西比 州圣路易斯市兜化學公司(Dow Chemical Company, St. Louis, Missouri))的聚合物膜， 或具有鋰雙-三氟甲磺酸酰胺(威斯康星州密耳沃基市西格瑪-埃爾德里馳公司 (Sigma-Aldrich， Milwaukee, Wisconsin))的聚乙烯氧化物。如圖1可見，正電極12p和 負電極12n延伸超過隔板層14的邊緣。優選地，電極延伸超過隔板層的邊緣0.1到1.0 mm,例如0.5mm或更多。所屬領域的技術人員將容易能夠基于包含電極厚度、隔板厚 度和電池的物理要求的若干因素來確定電極應延伸超過隔板層的優選長度。
電池預組合件10的橫截面展示電池預組合件具有相對側16p和16n以及相對側18e 和18n。負電極12n延伸到側16n和18n且沿著所述側，正電極12p延伸到側16p且沿 著側16p的盤，且隔板或電解液14界定整個側18e且完成側16n、 18n和16p的其余部 分。具有此橫截面的電池預組合件10可無限伸長。
可通過采用其它常規的技術來形成電池預組合件和/或電池膜片。用于電極或隔板/ 電解液的材料可以柔性或柔軟的形式可用以作為薄帶擠壓出和纏繞。電極的組成材料也 可作為液體或作為將被混合且用結合劑/溶劑系統流體化的粉末而可用，其可被擠壓出或 選擇性地鑄帶或在需要時通過模版涂刷。粉末可非常精細(l-10微米大小)且當混合時 可構成混合物重量的60-90%，結合劑/溶劑進行平衡(優選約20%)。結合劑可選自包含 以下各項的群組聚乙烯醇、PVDF (聚偏氟乙烯聚合物)，或熱固樹脂，例如可通過解 聚合而分解的聚異丁烯。也可添加例如丁苯甲酯等增塑劑以允許在低溫下對材料進行機 械加工(巻動、起皺、擠壓出)。
電池預組合件10可自身圍繞中心孔24巻繞以產生巻帶電池的連續層10a、 10b和 10c。圖2是右側面視圖，其展示電極組合件22自身巻繞以界定適于形成根據本發明的 電化學裝置的類型的巻帶電池(疊層電池膜片)。
舉例來說，圖3中的電極帶通常是已涂覆有活性電極微粒(約400 U.S.mesh)的薄 均勻層(25到100微米厚)的金屬箔帶。電極微粒保持在PVDF基質中。將電極制備為 涂料狀混合物，其具有溶解于NMP (l-甲基-2-吡咯垸酮)中的約8重量％的PVDF。電 極混合物通常由刮刀施加。受控的干燥移除NMP，留下通過PVDF結合劑附接到箔的 電極微粒。完成的電極帶在干燥室氣氛中通過電池線圈而經處置且組裝到用于每一電池 的紐扣狀外圍密封(氣密)包圍物內。本發明的電池預組合件10的形成可如圖3中所描繪通過將隔板14的條帶折疊為Z 形狀且將電極12p和12n滑動到隔板14的相對褶中(通常以合并塊來執行)。在圖3中， 將單個電池預組合件說明為通過芯棒(未圖示)纏繞到中心芯24上以形成單個螺旋電
池膜片。通常位于干燥室內的電池制造設備含有三巻帶材料以將正電極、負電極和隔板 供應到纏繞器。
形成如圖3的電池的方法可顛倒以準許為了電池材料再循環和/或復原的目的而分 離電極和隔板材料。再循環材料恢復可通過首先如圖7中爆開電池外殼而進行。爆開電 池的方便方法是使將不受約束的電池置于真空中。內部氣體膨脹推開伸縮的電池杯半 部。隨后，電極和隔板的帶可分離纏繞以協調進一步恢復處理。
如圖4和5中可見，在連續步驟100、 102、 104和106中將電極12p和12n折疊到 隔板14中。優選地，電極12p和12n延伸超過隔板層的邊緣約0.5 mm。在電池預組合 件IO形成之后，接著在步驟108中將預組合件IO纏繞為圓盤形狀處于其自身的下伏層 上(圖6)。液體分配器(和/或尖頭)或粘合帶(未圖示，但定位于圖5與6之間)可 (例如，使用聚偏氟乙烯的有機溶液，例如KYNAR 720)將隔板/電解液14的邊緣20 膠合到下一連續隔板層的邊緣20以將鄰近層的隔板/電解液元件密封在一起，以界定巻 繞的電池膜片。適當的結合劑/密封劑可同樣通過其它構件(未圖示)施加于此層界面。 隔板/電解液14與下伏的鄰近隔板/電解液層14密封，且有效地閉合正電極12p的末端， 使其僅向-一側敞開，而負電極12n僅向相對側敞開。
在以所揭示方式形成電極組合件22時，帶狀電極元件和隔板/電解液元件是柔韌的， 其大體上由嵌入在聚合物基質中的電極或隔板/電解液的特定活性材料組成。圖2的經巻 繞電池膜片可進一步在輥或類似物(未圖示)之間 在徑向和軸向上稍微壓縮，以在電池 預組合件的組件與鄰近的電池預組合件的線圈層之間建立和/或確保穩固接觸。
優選地，在制造過程期間拉伸電池線圈以維持電極/電解液(隔板)界面以獲得最優 性能。此配置增加了對隔板材料和厚度的可接受的選擇。可例如對隔板進行涂刷。纏繞 的圓盤通常在完成時由于非傳導外環或圓盤形電池的最終包裹物的結合而在物理上受 限制。
芯24可含有或大體上包含用于電池控制的電組件。此電組件在電池變為不操作時 優選通過短接電池來從操作中移除電池。二極管可從電池堆疊的操作中有效移除故障的 電池，或防止來自過高充電電壓的過充電。優選的二極管是肖特基(Schottky)反向阻 斷0.8 V開關二極管，其充當用于電池電荷控制的集成電路bq24007 (由美國德州儀器 提供)的低"掉落(drop-out)"。此二極管集成了 1.2A-MOSFET，且還提供電荷-電壓限制，例如4.2伏，用于消除過充電損壞。將二極管嵌入電池內使得對電池的控制更直接。 或者，中心芯24可由電極材料12p或12n或隔板14制成。
根據圖3和6，使用導桿26來對準突出的電極邊緣以形成平坦圓盤。導桿也可用以 清理電極箔邊緣的毛刺，且也可用于從箔的極邊緣部分移除電極涂層。此特征有助于最 小化電極與集電器之間的后續接觸電阻。對于具有顯著電極突出部(備用容量)的設計， 導桿用以在纏繞圓盤形電池時彎曲/壓實電極邊緣。優選地，在相同方向上彎曲突出的電 極以提供共同定向。雖然隔板14的優選配置是Z形的，但隔板14可涵蓋所屬領域的技 術人員設想的其它實施例，只要在完成裝置中隔板使連續的電極彼此充分隔離即可。舉 例來說，隔板14可以U形配置，其中電極12p和12n放置于U的褶內。另外，雖然圖 1所示的電池預組合件IO具有被一個Z形隔板14分離的兩個電極12p和12n，但如所 屬領域的技術人員將容易理解，電池預組合件10不限于此配置。舉例來說，電池預組 合件可通過提供較寬的隔板層14且在其中提供更多褶以用于接納電極12p和12n而具 有由隔板層14分離的兩個以上電極12p和12n。
作為本發明的優選實施例，電化學裝置涉及"膠巻(jellyroll)"配置。電池預組合 件10可自身層疊或巻繞為例如圖2所示的螺旋，其中一匝的負電極側18n抵靠鄰近匝 的隔板或電解液側18e而密合以使電解液側18e面向外。隔板邊緣可形成對接接頭以分 離連續的電極層。優選地，隔板邊緣可重疊、用在巻動操作期間施加的膠水接合或此兩 者操作，以確保連續的電極層的完全分離。可操縱"Z"的腿部以使得隔板材料的重疊 可在電池厚度上以遞增方式定位。可大體上對準側16p和16n，使得巻繞的鄰近電池預 組合件層10a、 10b、 10c等實際上可形成在大體上橫越或甚至垂直于電極12p和12n的 伸長方向的方向十.延伸的疊層電極組合件22。雖然作為圓盤的電極組合件22優選由自 身巻繞的一個長電池預組合件IO構成，但可圍繞一共同中心軸巻繞例如2、 3、 4、 5或 更多的多個電池預組合件以形成電極組合件22。絕緣材料、隔板或電解液材料的內部中 心孔24可用于起始線圈，使得電池膜片可不具有中間空隙或間隙。所屬領域的技術人 員將容易明白，電極組合件22可具有任何所需的厚度或直徑。最終，塑料環或塑料包 裹物40 (圖2未圖示)用于保持線圈處于巻動壓縮且免于散開。
例如圖7所示的合適的容器外殼28安置在電極組合件22的周圍以使正電極12p和 負電極12n彼此電隔離，借此形成電池30。外殼28還用以含有電極組合件22，且密封 電池的內含物以免與大氣接觸。外殼28優選含有圍繞且接觸電極組合件22的電解液。 優選的電解液是來自Ferro公司的溶解于有機碳酸酯(例如，EC:DEC 1:1，其中EC:DEC 是碳酸乙二酯:碳酸二乙酯)中的鋰鹽LiPF6。優選地，進入纏繞的電池圓盤中的電解液滲透是在惰性氣氛(例如，干燥室)中執行，且包含使用真空來用電解液滲透電極和隔 板的精細孔結構。圖7中描繪外殼28的優選配置。如圖7可見，外殼由接合在一起的 兩個杯28p和28n組成，且通過位于杯28p和28n外圍周圍的密封件32而彼此電隔離。 優選"U"形密封件32由聚乙烯制成。杯28p和28n的向外面的至少一部分是電耦合到 電極組合件22的電極中的僅一者的端子。優選整個杯28p和28n是用作端子的合適的 材料以增加導電性。杯28p和28n的組合物可為任何合適材料，但優選杯是由與電極材 料12p和12n (且特定來說，電極的無源部分)相容的材料制成。更優選地，電極箔襯 底材料12p和12n大體上是與杯材料12p和12n相同的組合物，以便分別最小化電極12p 和12n與杯28p和28n之間的接觸電阻。當電池采用鋰離子電池化學物質時，接觸正電 極的杯28p的優選材料是鋁，且接觸負電極的杯28n的優選材料是鍍銅不銹鋼。此材料 選擇同樣適合于鋰/聚合物化學物質。對于Ni/金屬氫化物電池，可選擇Ni和不銹鋼的杯 以獲得腐蝕穩定性。金屬化導電聚合物杯可代替金屬部分以準許為電池化學物質中的任 一者減少重量。在其它實施例中，圓盤形電池包圍物的導電性可從導電塑料獲得，因為 電子僅需要穿過其厚度，且其具有例如與堆疊中的下一電池的較大接觸面積。
圖8說明具有火體上彼此相對且在主要橫越成對的集電器的軸向方向上延伸的表面 配置的正電極12p和負電極12n，且隔板/電解液14遵循倒"Z"配置，其具有大體上在 橫越成對的集電器的軸向方向上伸長的部分。電極因此主要沿著大體較薄且帶狀、平坦 且在大體垂直于預組合件的側16p和16或電極組合件22的軸向方向上延伸的區重疊。 正電極12p和負電極12n在電池膜片上交替布置，且分別與成對的杯28p和28n的端子 中的僅一者在電性上是共同的。
圖8的此電池配置提供鄰近的正電極與負電極之間的界面區域(類似于上述算法中 識別為"A"的區域)，其包含(1)每一電極的閉合端與相反極性電極材料層之間的橫 越區；以及(2)每一電池預組合件與鄰近電池預組合件的相對電極之間的重疊軸向區。 由電極的橫越區(1)貢獻的總界面面積將是電池的總體橫越平面面積或電池端子的近 似正面面積(固定量)減去正電極或負電極的近似總面積。另一方面，由軸向區(2) 貢獻的總界面面積可僅取決于電極比例而為顯著較高的倍數。在典型的優選預組合件10 中，相對側16p和16n可間隔開小于9mm的寬度，且相對側18e和18n可間隔開0.1-1.0 mm之間的高度。由于預組合件高度包含兩個電極的厚度和隔板/電解液厚度的兩倍，因 此這些組件的個別厚度可小于0.1 mm。電池預組合件的優選寬度與高度比率更具體來說 將在大約正方形與非常平坦之間(以例如1比1與50比1之間的比率)。
因此可使得由軸向重疊的電極區貢獻的總界面面積為由5個橫越區貢獻的總界面面積的一百倍，且因此，此電池配置可提供比鄰近平面集電器的單一面積大一百倍的電極 界面面積。當在優選的電池中時，電極組合件22的近似厚度可非常小，例如9mm或更 小，同時插入在電極之間的隔板/電解液的厚度同樣非常小，例如小于0.1mm。
在一些實施例中，電池的圓盤形狀對實現高功率和優良內部排熱是重要的。這尤其 是因為圓盤可堆疊在一起以形成電池。相對圓盤尺寸是電池半徑與電池厚度的比率為 10:1， 21 mm厚X220 mm半徑到2mm厚X15mm半徑的電池大小范圍是優選的。典型 的電池可為6.5 mm厚X65 mm半徑。
如圖9屮，包含外殼28的電池30優選堆疊在一起且具有介入的冷卻劑通道42，且 包含在具有來自端板50的彈性壓縮的較大外殼52內。圓盤形狀對于對電池的無源熱管 理也是重要的，其提供了固有的安全特征。電池外殼可充當用于內部產生的熱的散熱器。 在持續的高功率放電(500 W/kg)中，存在電池溫度的小于IO'C的升高，且在電池內在 最苛刻的高脈沖功率要求下，存在小于2'C的溫度升高。(圖12和14)。此電池溫度控 制的程度指示高功率應用的無源熱管理和固有安全性。請注意，冷卻流體不是對本發明 的電池在正常、脈沖或高功率放電條件下單次或多次使用時的操作的要求，但在一些設 計中可能需要提供如同其它裝置中那樣的有效冷卻。對堆疊電池電池的熱管理依賴于單 個電池排除堆疊電池布置中的熱的能力。
如圖8中，每一電池30等通過以下方式而大體上被密封圍繞電池的正和負電極 材料層12p和12n的外圍周圍安置的導電杯狀外形28p和28n，圍繞電池預組合件10的 外圍周圍且插入在外形28p與28n之間的塑料絕緣體環40，以及"U"形絕緣體/密封件 32。每一電池被密封在外殼28中，具有由密封件32分離的內壁和外壁。通常為聚乙烯 的密封件32也可為粘合劑聚合物(例如，Surlyn)以在不要求壓力釋放密封的地方在無 壓力負載的情況下密封電池。
如圖9的部分橫截面中所見，每一電池30可在外殼28中具有冷卻劑通道42。或者， 可通過放置夾在鄰近電池的外殼28之間的波紋材料45來提供冷卻劑通道42。在冷卻通 道由波紋材料45形成時，通過導電膏或點焊來在外殼28與冷卻劑通道42之間維持熱/ 電傳導性。
每一單位電池預組合件10和電極材料夾層12n和12p以及杯28p和28n因此構成 電化學裝置的完整電池30。在每一電池中，每一相應電極12p和12n的敞開端分別與杯 28p和28n在電性上是共同的。或者， 一片導電材料可插入在電極12p和12n與杯28p 和28n之間。電池預組合件10在大體上平行于杯28p和28n的大體徑向方向上與電池 30交叉，且其中的隔板或電解液14釆用平坦的蜿蜒配置以主要在軸向方向上延伸且橫越集電器，且主要包含大體上軸向安置的部分和徑向安置的較小部分。
提供許多個別的單位電池30以構成如圖9說明的優選電化學裝置46。裝置的常見 應用是具有串聯連接的電池，其將通過堆疊電池30且隨后將其限制為單個單元來增加 裝置的電壓。電池提供累積的電池電壓輸出和共同的電流輸出。所說明的杯28p和28n 本質上是雙極的，其每一者具有與鄰近電池的正電極12p或負電極12n接觸的相對面。 最末端杯28p'和28n'接觸端子48p和48n以提供電化學裝置到外部裝置的外部連接。不 要求電化學裝置46由各自具有個別外殼28的多個電池30構成。或者，每一電極組合 件22可通過任何合適的集電器與鄰近的電極組合件分離。有效地，集電器將因此取代 外殼28的杯28p和28n，且執行與其大體上相同的功能。
當經由隔板/電解液14在正電極12p與負電極12n之間轉移離子時，且同時當經由 杯2 8 p和2 8 n的端子之間的電極和鄰近電極材料層傳送電子時，發生圖9中所說明的電 化學裝置30的可用工作。在優選實施例中，通過使電極襯底和端子杯表面為相同材料 而發生從電極到端子的低電阻電子和熱傳遞兩者。或者，杯28p和28n可點焊在一起且 具有冷卻劑通道42，以在每一電池外殼30內依序組裝具有電極組合件22的電化學裝置。 在用冷卻劑通道和外殼杯的單位組合件組裝電池的過程中，每一電池在堆疊的頂部上被 連續地組裝在其外殼內。
在沿著平坦電極和鄰近電極材料層的軸向方向或垂直于集電器的方向上發生大部 分電子轉移。如上所述，正電極和負電極12p和12n在其相對敞開端處分別與每一電池 的正材料層12p和負材料層12n在電性上連續。經由電極到電子通道的電阻與離子電阻 相比將大體上可忽略。可以適合電化學裝置目的的厚度制成夾著的電極材料層12p和 12n,其中較厚的厚度增加了電化學裝置的容量。
穿過杯28p和28n的端子的電子通道是處于橫越其的軸向方向上，因此這些組件可 具有薄的輕重量的導電構造。由于集電器而引起的內阻與離子電阻相比也可忽略。較大 的問題在于電極到集電器的面上的接觸。可用例如NoAlox (伊利諾伊州西莫克市愛迪 爾工業公司(Ideal Industries, Sycamore IL))的非氧化導電膏來保留或增強面傳導性。
將經由軸向延伸的鄰近重疊的成對電極12p和12n之間的界面區域"A"在徑向方 向上且大體上平行于杯28p和28n的端子而發生大部分離子轉移。還在電極和鄰近的相 對電極層的閉合端之間在軸向上發生某種離子轉移。與電池的橫截面相比，大界面電極 面積"A"減少了電化學裝置中抵制離子轉移的內阻。
所揭示電池定向的另一優點涉及其耐用性，且借此允許將隔板/電解液14制成為具 有非常小的厚度"1"，以用于進一步減少離子電阻。這是可能的，部分是因為電池預組合件10中的重疊電極的總長度較小，例如小于10mm，借此隔板/電解液14需要僅在這 些短的重疊長度上在結構上分離電極。這也是可能的，因為起初制造電池預組合件10 且隨后巻繞到電極組合件22中，或在電極組合件22上且作為形成電極組合件22的部 分而制造電池預組合件10。另外，沿著電極的長度的短電流流動路徑(小于10 mm)不 要求實施電極或使電極平行的高度導電電極集電器，從而允許將電極結構和隔板/電解液 14制成為具有大體均勻的厚度。
圖9的所揭示電化學裝置配置最小化隔板/電解液14在電池形成期間且隨后在正常 使用下必須支撐的機械負載；且另外提供了與己知電化學裝置相比非常高的比輸出能量 和比輸出功率。
如圖9中，巻帶電池的電池由經堆疊以積累電壓的電池成。為說明目的，正電池端 子位于頂部48p上，且負電池端子48n位于底部上，堆疊的頂部是正電池端子，且底部 是負電池端子。電池30之間的冷卻由任一或兩個杯28p和28n的面上的冷卻劑通道42 (例如凹槽)或堆疊中的電池之間的波紋材料或金屬(例如，鋁)的單獨件45提供。優 選使用電化學裝置46的末端限制板50和/或外圍托架52內的多件彈性材料38 (例如個 別彈簧或貝勒維爾(Belleville)彈簧墊圈)將整個堆疊在壓縮下保持在一起。堆疊末端 的彈簧38用以在電極/集電器杯界面處以及向電池與電池間表面施加壓力，借此實際上 消除接觸電阻。
約束堆疊電池的替代方法是用"高強度"聚合材料包裹電池。電池經堆疊、在其外 圍處定位，且在施加包裹物之前在器具內以液壓進行壓縮。堆疊電池電池的封裝的實例 是使用熱收縮特氟隆(Teflon)來將電池堆疊保持在一起，且提供二次密封。
已針對下文論述的在壓力下的125 mm直徑電池測得本發明配置的接觸電阻為5-10 微歐姆。電池電阻對于125mm直徑電池通常是5-10毫歐姆。末端彈簧的第二功能是調 節最大可允許內部電池壓力。舉例來說，與電池杯28p和28n—起使用的具有20 i^正 面面積的在200-400 lbs下壓縮的彈簧將在堆疊中的所有電池上維持10psi。如果單個電 池產生超過10-20 psi限值的內部壓力，那么末端彈簧將稍微壓縮，且過分受壓的電池的 外圍密封件將隨后松弛以釋放過壓力。此電池將隨后在彈簧力下使其自身再密封。壓力 積累是安全問題，且并不期望適當起作用的電池發生安全問題。堆疊布置還提供冷卻劑 從電池堆疊的一側的外圍、在堆疊中的電池圓盤之間到達電池堆疊的相對外圍的通道輸 送，所述冷卻劑例如為硅樹脂介電變壓器流體561 (Dow，美國)。或者，本發明的電池 在操作時可僅依賴于被動冷卻而無需采用更昂貴的主動冷卻措施。即使在極端功率要求 下，堆疊溫度也可維持在l(TC，且在堆疊內的任一點處升高不超過IO'C。所屬領域的技術人員將容易明白，施加于外殼28的杯28p和28n的力可具有任何所需強度。由彈性部件38施加的優選壓力可依據電池使用而較大地變化，例如在5 psi到30psi的范圍內。
圖10給出描述電池堆疊和冷卻劑流動的布置的進一步細節。產生1 mm環的聚合物護套用介電流體套囊封電池堆疊。多個電化學裝置46 (例如，電池)可包含在聚合物護套內。護套具有到達入口歧管的入口 5 4和來自出口歧管的出口 5 6以用于循環冷卻劑5 7 ，且借此將熱移除到外部冷凍或散熱器系統。末端提供對電池端子的接近(例如，"0"環密封件)。如圖10的截面10-10中，入口和出口歧管借助于歧管密封件58而分離，且冷卻劑57從電池堆疊的一側的外圍被引導通過電池之間的通道到達相對的堆疊外圍。此布置結合從巻帶電池內部進行的優良熱移除能夠通常在從電池的典型脈沖要求期間在幾攝氏度內進行溫度控制。為進一步確保對電池的精確溫度控制，可將歧管封閉在絕緣護套59中。
以概括本發明的方式，電極在疊層電池膜片圓盤的軸向厚度的主要部分上、在所有但近似兩倍的隔板/電解液厚度上彼此重疊且相對，其在橫截面在電極之間以蜿蜒方式成Z形。正電極和負電極交替地布置，借此每一者分別與成對集電器中的僅一者在電性上是共同的，且主要橫越或甚至與其垂直地延伸。
所揭示電池預組合件的組件層可具有非常薄的帶狀橫截面，小于1 mm且更通常在0.01-0.5 mm厚之間。電極可在小的長度、更通常在1-25 mm之間彼此相對和上覆，且形成的電池預組合件和巻繞的電池膜片非常窄，通常小于10mm。相對的電極因此在插入其間的隔板/電解液的厚度的至少若干倍且高達近似500倍的長度上彼此上覆。
所揭示的巻帶電池膜片配置提供鄰近的正電極與負電極之間的界面區域"A"，其遠比任一鄰近的集電器的平面區域大增強的面積比率"EAR"。
通過使用電池預組合件高度"h"和寬度"w"尺寸，用于增強的面積比率的公式可表示為EAR=2w/h，借此具有4-8 mm寬度"w"和0.2 mm高度"h"的電池預組合件可提供近似40-80的增強的面積比率"EAR"。相比之下，通過使用波紋來嘗試重疊電極可提供近似2的最大"EAR",其部分是由于制造限制，包含組件層的可允許最小厚度以及因此薄層在隅角處的撕裂。使用根據本發明而配置的巻帶電池膜片而形成的電化學裝置因此與給定電池橫截面和現有技術相比產生顯著的輸出。
本發明的實例
實例l.用基于液態有機物的電解液形成的鋰電池
鋰/有機電解液電池可由碳/石墨陽極構成或制造；具有碳陰極(電子導體)的鋰鎳鈷氧化物(LiNiCoOx)和具有碳酸乙二酯/碳酸二乙二酯(EC/DEC)的聚乙烯/聚丙烯多微孔隔板，將溶解的LiPF6鹽作為電解液。可由電極/隔板材料的個別帶建置電池預組合件帶。每 電極組件帶為0.060 mm厚和6.5 mm寬，且隔板為0.025 mm厚和6.0 mm寬，由于0.5 mm的延長的電極劑，而使總的尺寸為7.0 mm寬和0.175 mm厚。使電池預組合件自身纏繞約350次形成7.5 mm厚X 130 mm直徑的電極組合件圓盤。兩個杯狀子組合件可在電極組合件的邊緣周圍配合，且被插入外圍墊片中以接合外殼的兩個杯。具有溶解的LiPFe鹽的液態電解液(EC/DEC)在被密封到外殼中之前被滲透，所述外殼還用作集電器(不銹鋼、鋁、石墨或銅適合用于此電池的杯)。適當定位的電池經堆疊以形成電池。60個此類紐扣型的電池的堆疊可提供在功率輸出下具有200伏的標稱輸出的電池。
所述電池展現突出的排熱以用于良好的無源熱管理。圖1是圖8的簡化圖，其展示有益于內部排熱的電極和電池硬件的布置的橫截面。電極帶充當冷卻鰭以通過大面積接觸、較短路徑長度來從賽爾伽德界面移除熱量。電池硬件充當散熱器，且熱量無需通過橫跨賽爾伽德來離開電池。
圖12展示使用J型熱電偶進行的電池表層溫度測量的靈敏度。電池的優良的無源熱管理增強了電池安全性。電池(經受HPPC，其中使用持續18秒的60 A的放電脈沖
和相關聯的充電脈沖)在溫度上具有非常可控的rc尖峰，其表示可忽略的安全問題。
如圖13中所見，即使在100W (8C的速率)到完全放電容量下的苛刻得多的持續功率下，溫度上仍僅呈現7'C的升高，其表示可忽略的安全問題。實例2.具有液態電解液和替代的電極材料的鋰電池
可如實例1構成或制造鋰/有機電解液電池。通常用鋰金屬氧化物正電極和碳黑負電極在未充電狀態下制造鋰離子電池。鋰鹽(1.2M的LiPF6)溶解在有機碳酸酯(來自美國的EM科學公司(EM Science, USA))中(EC:EMC按重量為3:7，其中EC:DEC是碳酸乙二酯:碳酸甲乙酯)。電池起初被充電，其中來自金屬氧化物正的Li在碳負處形成LiC6。電池在其完全充電的狀態下具有約4.0伏。陰極選自兩種主要類型的材料鋰鎳鈷摻雜的氧化物和鋰錳氧化物尖晶石。兩種組合物均可從北卡羅來那州加斯托尼亞28054的FMC公司鋰部門得到，分別為Lectro Plus 600和Lectro Plus 300。組合物Li NixCoyMz(h為其屮Ni x為0.6<x<0.8、 Co y為0.1<y< 0.3，且Mz(例如，Al) 0.05<z<0.1 。組合物LiMii204為其中2 Li:Mn的比率為1.02-1.06: 1。
兩種電極由高表面面積粉末組成，所述粉末被保持在8重量。/。PVDF (聚偏氟乙烯，例如KYNAR⑧720 (美國的埃爾夫阿托化學公司))結合混合料中。正電極還含有8重
22量％的碳黑(例如，MCMB或碳黑)以提供增加的導電性。兩個電極均作為漿料施加到 金屬箔(通常為用于負電極的10微米厚銅箔和用于正電極的25微米厚的Al箔)，所述 電極在干燥后隨著多孔層(每側為50微米厚)通過PVDF結合劑被固定在一起而粘附， 其隨后用電解液滲透。在電池中，這些電極疊層(涂覆有箔的電極)被以電解液滲透的 25微米厚的多微孔聚乙烯/聚丙烯材料分離。
一般在干燥的房間中完成此制造/組裝操作。使電池預組合件自身巻繞約350次形成 7.5 mm厚X130 mm直徑的電子組合件。在低真空下將電解液添加到巻繞的電池合件。 兩個杯狀子組合件可在周圍配合，且邊緣被插入外圍墊片中以容納圓盤狀的電池。此電 池具有由鋁部分構成的電池外殼。總電池重量(包含電解液)為約220克。
此類型的電池能夠在IOO安培的電流下產生18秒的持續時間的300 W功率脈沖。 此類電池也能夠接受在類似功率電平下的脈沖充電。這對于混合電動交通工具中的電池 來說是受關注的性能能力。從簡單的并聯電極測試看出，總的電池功率性能為理論值的 約98%。
這些電池展現突出的高功率能力且保留了良好的比能量，Wh/kg。圖14的Ragone 曲線圖將巻帶電池與最近公開的螺旋纏繞的鋰離子電池的比能量進行比較。對于高比功 率500W/kg (在8C速率下的持續功率)，巻帶電池的比能量為更常規的螺旋纏繞的鋰離 子電池的約兩倍。圖15是經受100 A (20 C的速率)18秒放電的電池的電池電壓和電 流對時間的曲線圖。所述電池在電壓規格內(2.5到4.1伏)以約典型速率的兩倍處置此 HPPC循環。如實例1中，溫度升高是可忽略的問題。進一步關注混合電動交通工具(已 知為PNGV)，在圖16中，電池的電阻率隨著充電狀態的變化是非常平坦的。而40-60% 的充電狀態(SOC)區實現典型的螺旋纏繞的鋰離子電池的HPPC測試目標，巻帶電池 將在10-70%的SOC區內實現HPPC測試目標，從而提供3倍的更大的可用電池容量。 圖17給出這些電池的峰值比功率(2.4kW/kg)的證據。在180A (35C的速率)下脈沖 電池以提供500W以上。電池電流對時間曲線指示所揭示的電池設計所預期的相對極少 的電池極化損耗和良好的集電。
圖18顯示具有過高的正電極容量的電池的連續充電/放電循環的電池電壓和電池電 流。可逆的短路現象看似發生在電池被充電到4.125V時，其歸因于電池的獨特致密性。 因此，電池受到保護以免于破壞性的過度充電。此可逆的電池短路機制還可用于在沒有 電子構件的情況下均衡電池(使所有電池均具有相同的充電狀態)。第二次充電到4.000 V展示幾乎零電流，接近100y。的Ah效率。如果在可逆短接的限制內的電流下將整個電 池充電.，則電池中的每一電池將接受充電，直到預定電壓，且保持于所述電壓。持續的充電將隨后為電池中所有串聯連接的電池提供達到預定電壓(例如，4.125 V)的機會， 因此，電池中的所有電池得到完全充電。
實例3.具有基于聚合物的電解液的鋰電池
鋰/聚合物電解液電池可使用基于聚乙烯氧化物的聚合物(PEO)電解液/隔板由具 有納米晶體丫205和LiV30s的LiAl/PE03(r LiN(CF3S02)2/V205電池構成。LiAl合金復合 陽極含有60%的LiAl粉末(46.0原子Q/。Li)、 35%的聚合物電解液和銅襯底上的5%的乙 炔碳黑。類似重量部分的釩陰極具有鋁襯底。電極疊層的厚度可通過鑄造方法在10 pm 到30pm之間的范圍內變動。可用模版導桿等個別和循序地涂刷位于下伏電池預組合件 上的組件(同時被巻繞在芯棒上)來形成電池預組合件帶。每一組件帶可為0.05 mm厚； 且每一電極可為0.95 mm寬，且電解液可為1.00 mm的總寬，其中有0.05 mm寬雙倍厚 度交錯的端部，以界定1.00mm寬和0.20mm高的電池預組合件。將電池預組合件自身 巻繞200次(其中PEO面向外)可形成1 mm厚80 mm直徑的電池電極組合件。大小 如此設計的電極組件可在約0.90 mm內彼此徑向重疊且相對。可將0.25 mm厚80 mm 直徑的鋰箔圓盤施加到電池隔膜的鋰側，同時可將0.5 mm厚80mm直徑的TiS2層施加 到電池隔膜的陰極側。可將相同的子組合件插入外圍包含形狀中，且位于鄰近的(不銹 鋼、鎳鉬或碳的)集電器之間，至少中間的子組合件為雙極的，且經密封以形成電池。 五十五個此類電池的堆疊可提供具有110伏的標稱輸出的電池。
實例4.具有鎳金屬氫化物電極組件的電池
鎳/金屬氫化物電池可由氧化鎳Ni(OH)2電極、金屬氫化物合金(例如，V-Ti-Zr-Ni-Cr) 電極和聚合物隔板(例如，尼龍或多微孔聚乙烯)構成。可通過使用位于下伏電池預組 合件上同時巻繞在芯棒上的組件帶來形成電池預組合件帶。每一組件電極帶可為0.10 mm厚9.5 mm寬，且電解液/隔板可為0.05 mm厚和9.0 mm的總寬，其中有0.10 mm寬 雙倍厚度交錯的端部，以界定10.0mm寬和0.30mm高的電池預組合件。將電池預組合 件自身巻繞200次形成10.0 mm厚125 mm直徑的電池隔膜圓盤。大小如此設計的電極 組件可在約9.0 mm內彼此徑向重疊且相對。可將相同的子組合件插入外圍包含形狀中， 且位于鄰近的(不銹鋼、鎳鉬或碳的)集電器之間，且經個別密封以形成堆疊電池電池。 八十五個此類電池的堆疊可提供具有100伏的標稱輸出的電池。
實例5.具有基于有機物的電解液的超級電容器電池
混合超級電容器電池可由碳/石墨陽極構成；具有碳陰極(電子導體)的鋰鎳鈷錳氧 化物(LiNiCoMnOx)和具有碳酸乙二酯/碳酸二乙二酯(EC/DEC)的聚乙烯/聚丙烯多 微孔隔板，將溶解的LiPF6鹽作為電解液/隔板。鋰鹽(1.2M的LiPF6)溶解在來自費羅
24公司(Ferro Corporation)的有機碳酸酯中(例如，EC:EMC按重量為3:7，其中EC:DEC 是碳酸乙二酯:碳酸甲乙酯)。電池起初被充電，其中來自金屬氧化物正的Li在碳負處形 成LiC6。電池在其完全充電的狀態下具有約3.0伏。在陽極處使用的碳的類型和數量(例 如，碳納米管)限制了在完全充電下電荷向主要表面雙層的轉移。電極疊層的厚度可通 過沉積方法在2pm到5pm之間的范圍內變動。每一組件帶可為0.05 mm厚；且每一電 極可為0.95mm寬，且電解液可為1.00 mm的總寬，其中有0.05 mm寬雙倍厚度交錯的 端部，以界定1.00 mm寬和0.20 mm高的電池預組合件。將電池預組合件自身巻繞200 次(其中隔板面向外)可形成1 mm厚80mm直徑的電池電極組合件。大小如此設計的 電極組件可在約0.90 mm內彼此徑向重疊且相對。可將相同的子組合件插入外圍包含形 狀中，且位于鄰近的(不銹鋼、鎳鉬或碳的)集電器之間，至少中間的子組合件為雙極 的，且經密封以形成電池。五十個此類超級電容器電池的堆疊可提供具有150伏的標稱 輸出的電池。
本方法可涉及上文所論述的步驟或條件以各種組合(如果需要的話)的任一者或全 部。因此，所屬領域的技術人員將容易明白，在某些所揭示的方法中，可刪除一些步驟， 或執行額外步驟，而不影響方法的可行性。
如所屬領域的技術人員將理解，出于任何和所有目的，尤其在提供書面描述方面， 本文中所揭示的所有范圍還涵蓋任何和所有可能的子范圍及其子范圍的組合。可容易將 任何列舉的范圍認識為充分描述并實現被分解為至少相等二分之一、三分之一、四分之 一、五分之一、十分之一等的相同范圍。如非限制實例，可容易將本文中所論述的每一 范圍分解為下三分之一、中間三分之一和上三分之一。如所屬領域的技術人員還將理解， 例如"高達"、"至少"、"大于"、"小于"、"多于"等所有語言包含所敘述的數目，且是 指可隨后被分解為如上文所論述的子范圍的范圍。以相同方式，本文中所揭示的所有比 率還包含處于更廣比率內的所有子比率。
所屬領域的技術人員還將容易認識到，在以普通方式將成員分組在一起的情況下， 例如Markush組，本發明不僅涵蓋作為整體而列舉的整個組，而且個別地涵蓋組的每一 成員和主組的所有可能子組。因此，出于所有目的，本發明不僅涵蓋主組，而且涵蓋缺 少一個或一個以上組成員的主組。本發明還設想明確所主張的本發明中不包含任何組成 員中的 者或'者以上。
本文中所揭示的所有參考特定以引用的方式并入其中。
雖然已說明和描述了優選實施例，但應理解，在不脫離如所附權利要求書中所界定 的本發明的更廣的方面的情況下，所屬領域的技術人員可在其中作出改變和修改。
權利要求
1.一種電化學裝置，其包括電極組合件，其包括伸長的正電極，其具有第一縱向邊緣；伸長的負電極，其具有第一縱向邊緣；以及分隔層，其具有第一縱向邊緣和第二縱向邊緣；其中所述正電極、所述分隔層和所述負電極纏繞在中心軸周圍，借此形成一卷交替的電極和分隔層，使得所述分隔層防止連續的電極層之間的直接接觸，所述分隔層的所述第一縱向邊緣延伸超過所述分隔層的所述第一縱向邊緣，且所述負電極的所述第一縱向邊緣延伸超過所述分隔層的所述第二縱向邊緣；所述電極組合件比外殼的板略寬；以及外殼，其具有電耦合到所述正電極的所述第一縱向邊緣的正極板，和電耦合到所述負電極的所述第一縱向邊緣的負極板，其中所述電極組合件被所述外殼包圍。
2. 根據權利要求1所述的裝置，其中所述分隔層被拉伸。
3. 根據權利要求1所述的裝置，其中所述分隔層包括兩個層。
4. 根據權利要求1所述的裝置，其中外部塑料帶沿圓周圍繞所述電極組合件，其中所述外部塑料帶保持所述電極。
5. 根據權利要求1所述的電化學裝置，其中所述外殼包含包含所述正極板的第一杯、包含所述負極板的第二杯，其中所述第一杯和所述第二杯接合在一起以形成所述外殼，使得所述第一杯和第二杯彼此電隔離，且進一步其中所述正極板和負極板大體上是平面的。
6. 根據權利要求5所述的電化學裝置，其中所述電極組合件被所述外殼密封以免與周圍大氣接觸。
7. 根據權利要求6所述的電化學裝置，其進一步包括壓力釋放特征，所述壓力釋放特征在所述外殼內的壓力達到預定限值時解除所述外殼內積累的壓力，其中所述電化學裝置在所述外殼內積累的所述壓力被釋放后仍是可操作的。
8. 根據權利要求1所述的電化學裝置，其進一步包括耦合到所述電極組合件以用于在所述電極組合件變得不操作時短接所述電極組合件的組件。
9. 一種電化學裝置，其包括電極組合件，其包括正電極和負電極；外殼，其耦合到并包圍所述電極組合件以形成電化學電池所述外殼由第一伸縮半部和第二伸縮半部組成，其中所述電極安置于其間；外圍密封件，其分隔所述外殼和所述電極，且維持氣密密封，所述密封件包括低熔點聚合材料，且用以在預定條件下短接所述電池； ，其中當放置于真空中時，所述伸縮半部延伸，從而允許拆卸所述電池。
10. 根據權利要求9所述的裝置，其中所述密封件在發生所述預定條件時熔化。
11. 根據權利要求9所述的裝置，其中所述電極包括過高的正電極容量。
12. 根據權利要求9所述的裝置，其進一步包括圍繞所述外殼的可移除外部保持帶。
13. —種電化學裝置，其包括電極組合件，其包括-多個伸長的正電極；多個伸長的負電極；以及多個分隔層，其可彼此嚙合以在所述多個正電極和所述多個負電極中的每一者之間形成連續的分隔障壁；所述多個層經定位以使得所述正電極、分隔層和負電極纏繞在中心軸周圍，借此形成一巻交替的電極和分隔層，使得所述分隔層防止連續的電極層之間的直接接觸，所述正電極層的第一縱向邊緣延伸超過所述分隔層的第一縱向邊緣，且所述負電極的第一縱向邊緣延伸超過所述分隔層的第二縱向邊緣；隔板，其被拉伸跨越所述電極組合件且界定電池寬度，所述電極的寬度延伸超過所述隔板的寬度；以及外殼，其具有電耦合到所述正電極的所述第一縱向邊緣的正極板，和電耦合到所述負電極的所述第一縱向邊緣的負極板，其中所述電極組合件被所述外殼包圍。
14. 根據權利要求13所述的裝置，其中所述隔板包括具有第一端和第二端的中心部分以及第一突出部分和第二突出部分，所述中心部分比所述第一和第二突出長度長，所述第一和第二突出部分分別大體上從所述第一端和第二端延伸，其中負電極和正電極部分地安置于所述中心部分與所述突出部分中的 一 者之間。
15. 根據權利要求13所述的裝置，其中所述多個分隔層中的每一者的所述突出部分中的每一者與另一分隔層的所述突出部分重疊。
16. 根據權利要求15所述的裝置，其中所述分隔層經索引以使得所述分隔層的所述重疊的位置在所述電池寬度上大體均勻地變化。
全文摘要
本發明提供一種電化學裝置，其包括彼此被隔板層分隔的交替的正電極層和負電極層。所述電極層延伸超過所述分隔層的外圍，從而提供所述電極與電池端子之間的優良接觸，從而消除將所述電極焊接到所述端子的需要。所述電池內的電阻減小了，且電池的導熱性增加了，從而實現從所述電池的優良的熱移除和增加的效率。可在不損壞所述電池或不使所述電池不服務的情況下減輕所述電池內的增加的內部壓力，同時通過壓力釋放系統使所述電池的內含物被密封以免與大氣接觸。還可通過短接電池組合件內的不操作的電池而使所述不操作的電池不服務，因此減少了電池壽命。
文檔編號H01M10/42GK101682011SQ200880007260
公開日2010年3月24日 申請日期2008年3月3日 優先權日2007年3月6日
發明者托馬斯·D·考恩 申請人:因文泰克公司