無隔離物的蓄電池的制作方法

無隔離物的蓄電池的制作方法
【專利摘要】在本文中描述了儲能電池以及制造所述儲能電池的方法。更具體地，描述了包括層狀構造和共平面共平行陽極和陰極的儲能電池及制造所述儲能電池的方法。
【專利說明】無隔離物的蓄電池

【技術領域】
[0001]本發明涉及儲能電池以及制造所述儲能電池的方法。更具體地，本發明涉及包括層狀構造和共平面(CO-Planar)共平行(co-parallel)的陽極和陰極的儲能電池以及制造所述儲能電池的方法。

【背景技術】
[0002]存在許多類型的儲能系統和電池。然而，已知這些現有類型的系統在例如充放電速率、電阻、熱量管理和響應時間方面存在大量不足和低效。
[0003]本發明基于包括層狀構造和共平面共平行陽極和陰極的儲能電池，而其他層狀電池構造使用在電極間具有隔離物的共面緊密隔離電極。例如，卷形式的層狀電池構造已獲得了專利，例如US 7311996、US 6146785和US 5354629，通過引用將其并入到本文中。然而，這些系統由具有各自電解質的共面電極組成并且通過隔離膜隔離以使化學物質保持分開。
[0004]本發明的至少一個方面的一個目標為消除或減輕對前述設計特征中的至少之一或更多設計特征的需求。
[0005]本發明的至少一個方面的另一目標為提供改進的儲能電池系統。


【發明內容】

[0006]根據本發明的第一方面，提供了一種儲能電池，包括:
[0007]電化學惰性且電絕緣的基底；
[0008]位于所述基底的一側上的陽極和位于所述基底的另一側上的陰極，其中陽極和陰極形成定位成彼此基本共平面且基本共平行的電極；
[0009]位于陽極與陰極之間的間隙，該間隙能夠使陽極電極和陰極電極電絕緣；
[0010]限定沿著陽極電極和陰極電極平行于電極之間的間隙的通道的間隔物；以及
[0011]沉積在通道中的電解質。
[0012]因此本發明在于提供包括層狀構造和基本共平面共平行的陽極和陰極的儲能電池。因此陽極和陰極可以為平坦平面結構，即膜或板狀結構。
[0013]典型地，電解質內可以包含陽極化學活性材料和陰極化學活性材料。
[0014]陽極電極和陰極電極在單電池設計的一個實施例中可以為相同導電型的材料或者可以為不同材料，例如鋅金屬陽極(負電極)和碳復合陰極(正電極)。
[0015]單電池可以包含允許通過改變輸入極性使陽極和陰極互換以用于逆向操作的陽極材料和陰極材料以及電解質化學物質。
[0016]本發明的電池設計的另一優點為:例如在負電極處采用鋅化學物質的一些期望的電池化學物質(例如，鎳-鋅電池)在常規電池設計中面臨不利。在再充電時存在從負電極形成并生長出金屬(鋅)樹枝狀晶體的傾向，并且這些樹枝狀晶體可以穿透共面電池設計中的隔離物，導致短路、電池失效以及安全風險。該失效模式在共平面電池設計中減輕，原因是如果樹枝狀晶體形成，則它們將受上方的絕緣基底限制，而且電池被設計成在負電極和正電極之間具有足夠的間隙以防止任何側向的樹枝狀晶體生長而到達對面的電極。這與本發明的待通過對于某些化學物質的可逆的負電極和正電極操作的電池設計結合開拓了期望的化學物質的范圍，否則不能在需要長循環壽命的應用中采用該化學物質。
[0017]還可以沿著通道設置有頂層并且該頂層安置在間隔物上的頂層。
[0018]形成儲能電池的部分可以為螺旋形的形式使得儲能電池能夠螺旋成形。
[0019]儲能電池還可以包括連續長度的相關部分，其中長度被分段并且區段彼此堆疊。
[0020]儲能電池還可以包括除頂層之外的連續長度的相關部分，其中長度成螺旋形或堆疊使得基底的底部成為通道的頂層。
[0021]電化學惰性且電絕緣基底可以為基本平坦的平面結構并且可以由聚合物膜制成，例如PET、PP、PC、丙烯酸類聚合物(acrylic)、特氟隆。基底可以具有約0.1mm的厚度。
[0022]位于電化學惰性且電絕緣基底的任一側上的陽極和陰極可以為平坦的平面結構并且可以沿著基底的長度延伸。陽極和陰極可以為板狀并且對于螺旋形長度為約500米以及對于堆疊長度為約50cm、寬度為約15mm以及厚度為約10微米并且由如下導電材料制成:例如碳；作為石墨或石墨烯的碳；碳聚合物復合物；碳金屬復合物；金；鉬；銀；鈀銅；鑰；鎳；鋅；鋁；鐵；金屬合金(例如鋅鎳合金、鎳鐵合金)；金屬氧化物(例如氧化銦錫、氧化釕、氧化鋰鈷)；導電聚合物膜(例如聚苯胺、聚噻吩、聚(3，4-亞乙二氧基噻吩)聚(苯乙烯磺酸酯(鹽)))；或層的組合(例如涂覆在銅膜或鋁膜上的碳)。
[0023]陽極和陰極可以包括多孔導電碳層，例如碳纖維氈、碳氣凝膠、活性碳，該多孔導電碳層用作為陽極和陰極化學反應提供增加的電極表面積。
[0024]基底以及陽極電極和陰極電極可以具有位于其外側上的厚度為約0.2mm的間隔層。
[0025]儲能電池可以具有導電連接器端，該導電連接器端可以在單獨單電池儲能電池的外表面或串聯的多個單電池的外表面上覆蓋有另外的導電層，例如鋁箔。導電層可以形成用于電池端子的共同連接點。
[0026]通道可以填充并沉積有期望量的電解質即化學材料。電解質可以沉積到基底和電極上并且限制在通道內。化學物質可以為液體或糊料形式。化學物質可以為最終跨通道沉積的化學物質的液體或糊料混合物，例如具有錳的鋅鹽或鎳鹽(例如，具有氯化鎳或氯化錳的氯化鋅或者醋酸鋅)，或有機電解質例如碳酸亞乙酯中的鋰鹽，或者單獨沉積在陽極和陰極之上的化學物質的液體或糊料混合物。
[0027]通道可以在組裝之后經由流體入口端口填充，通過該流體入口端口電解質通過通道泵到出口端口的地方，兩種端口均在填充完成之后密封。電解質可以分別泵到作為單獨或串聯布置的各個單電池的通道中。電解質可以泵到包括多個單電池的堆疊體的電池中的通道中，其中各個單電池具有交替穿過層的進入孔，以便以最小空氣滯留的方式填充該電池。
[0028]多個單獨單電池儲能電池中的至少兩個或更多個可以層疊在一起。
[0029]根據本發明的第二方面，提供了一種制造儲能電池的方法，包括:
[0030]提供電化學惰性且電絕緣的基底；
[0031]提供位于所述基底的一側上的陽極和位于所述基底的另一側上的陰極，其中陽極和陰極形成定位成彼此基本共平面且基本共平行的電極；
[0032]提供位于陽極與陰極之間的間隙，該間隙能夠使陽極電極和陰極電極電絕緣；
[0033]提供限定沿著陽極電極和陰極電極平行于電極之間的間隙的通道的間隔物；以及
[0034]提供沉積在通道中的電解質。
[0035]儲能電池可以為如在第一方面中所限定的。
[0036]為了制造單獨單電池儲能電池系統，可以首先選擇基底，然后可以沉積導電層。例如，相似的陽極和陰極可以為碳-碳、金-金、或者在特定設計內不同的陽極和陰極例如碳-金、碳-碳/鋅復合物。
[0037]基底可以為在卷到卷工藝中的材料的連續卷材或一系列卡片。
[0038]導電層可以圖案化成限定制成電極和導電連接器端的導電幾何形狀。
[0039]間隔層可以被接合到一起以形成通道。間隔物可以“是現成的”、預組裝并且轉換為圖案，限定厚度的雙面膠帶或通過印刷工藝沉積的膠粘劑-聚合物膜-膠粘劑的組裝層。
[0040]在基底為一系列卡片的實施方案中，工藝可以包括將下一基底層層疊在通道之上由此將任何化學物質限制在通道中。然后重復層疊直到滿足足夠的功率規格。可以使用絕緣基底封閉(blank off)通道的頂部。
[0041]在基底為卷的形式的實施方案中，通道可以通過將子組裝卷材卷到其自身上來覆蓋所述通道由此將化學物質限制在基底的下側內。可以繼續卷繞直到卷材的末端。然后導電連接器端可以涂覆有導電材料例如銅或銀聚合物糊料，然后這些糊料固化以形成電池端子的共同連接點。
[0042]上述處理可以使用用于單個或串聯的多個單電池以及用于螺旋或堆疊的卡片這兩種構造設計的導電幾何形狀來執行。
[0043]串聯布置的單電池可以設計成使得陽極電極或陰極電極的一側可以形成相鄰于單電池的陰極或陽極，只要兩側沿著兩側長度的中間具有間隔層，由此使相鄰的單電池電解質隔離同時維持串聯的電池之間的電連接即可。該布置可以稱為雙極型串聯單電池布置并且已經具有降低整體電池內阻的優點。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0044]現在將僅通過示例的方式參照附圖來描述本發明的實施方案，其中:
[0045]圖1為根據本發明的實施方案的單電池儲能電池的頂截面圖；
[0046]圖2為圖1中所示的單電池儲能電池的端截面圖；
[0047]圖3為根據本發明的另一實施方案的層疊在一起的多個單電池儲能電池的端截面圖；
[0048]圖4為示出串聯的三個單電池的多個單電池儲能電池系統的頂截面圖；
[0049]圖4a為示出在通道端處的填充端口 9的替代方案。
[0050]圖5為根據本發明的另一實施方案的層疊在一起卷繞為卷的一系列多個單電池儲能電池的端截面圖；
[0051]圖6a為示出常規電池單電池系統布置的示意圖；
[0052]圖6b為示出根據本發明的另一實施方案的單獨單電池儲能系統的示意圖；
[0053]圖7為示出根據本發明的另一實施方案的單獨單電池儲能系統的充放電效率的電流對時間的曲線；以及
[0054]圖8為示出根據本發明的另一實施方案的單獨單電池儲能系統的電壓對時間的曲線。

【具體實施方式】
[0055]一般而言，本發明在于提供包括層狀構造和共平面共平行的陽極和陰極的儲能電池以及制造所述儲能電池的方法。
[0056]圖1和圖2為根據本發明的單電池儲能電池系統的圖。如圖1所示，儲能電池系統具有寬度‘W’和長度‘L’，其具有位于其間的大量層。位于中心存在基底1，所述基底I為基本平坦的平面結構并且由聚合物膜例如PET、PP、PC、丙烯酸類聚合物、特氟隆制成。基底I具有約0.1mm的厚度。
[0057]位于基底I的兩側上存在電極2和電極3，電極2和電極3為平坦的平面結構并且沿著基底I的長度延伸。電極2和電極3具有約10微米的厚度并且由如下導電材料制成，所述導電材料例如，碳；作為石墨或石墨烯的碳；碳；碳-聚合物復合物；碳-金屬復合物；金；鉬；銀；鈕銅；鑰；鎳；鋅；招；鐵；金屬合金(例如鋅鎳合金、鎳鐵合金)；金屬氧化物(例如氧化銦錫、氧化釕、氧化鋰鈷)；導電聚合物膜(例如聚苯胺、聚噻吩、聚(3，4-亞乙基二氧噻吩)、聚(苯乙烯磺酸酯(鹽)))；或層的組合(例如涂覆在銅膜或鋁膜上的碳)。
[0058]然后基底I和電極2、3具有位于基底I和電極2、3外側上的間隔層6。圖1和圖2還示出間隔層6的末端6a、末端6b，將間隔層6接合以防止發生任何形式的泄露。間隔層
6、6a和6b可以為一片連續的粘合膜,該粘合膜例如被預成形或印刷為約0.2mm的厚度。
[0059]圖1至圖4還示出:導電連接器端4、5可以在單電池儲能電池系統的外表面上覆蓋有導電層7、8。導電層7、8可以形成用于電池端子的共同連接點。該導電層還可以為導電金屬箔例如鋁，該導電金屬箔可以例如通過夾持或通過導電粘合而保持在電極2、3與間隔物6之間的位置處，或者可以通過在導電層7、8上延伸間隔物6而保持。
[0060]為了制造單獨單電池儲能電池系統，首先選擇基底I，然后使用涂覆技術例如蒸發沉積、印刷、箔層壓、電解來沉積導電層2、3。基底I可以為一系列卡片或在卷到卷工藝中的連續卷材的材料。導電層2、3可以通過使用模板成像例如絲網印刷或通過激光燒蝕、化學蝕刻、機械加工(銑削、切割)來被圖案化以限定制成電極2、3和導電連接器端4、5的導電幾何形狀。根據電荷極性，或者根據沉積在各電極之上的化學物質，或者根據電極材料，可以將電極2和3用作陽極或陰極。
[0061]間隔層6為限定厚度的預組裝間隔物或者通過自身或期望厚度的聚合物膜的任一側使用壓敏粘合劑或其他粘合劑(例如熱敏粘合劑)而接合在一起以形成如圖2所示的通道10。通道10建立可以在電極2、3之間執行化學反應的區域。通道10的起始端和結束端具有間隔層6a和6b以防止化學物質從任一端泄露。粘合層6、6a和6b可以成形為預組裝的一片或印刷為用于連續密封的層。
[0062]在使用時，通道10將被填充并沉積期望的化學材料。化學物質可以沉積到基底I和電極2、3上并且被限制在通道10內。化學物質可以通過穿過噴嘴泵出或擠出液體或糊料(在基底卷到卷卷繞經過噴嘴時)而沉積到通道中的電極上，或者通過使噴嘴沿著移動(或者通過糊料的模板印刷)而沉積在靜止的卡片上。化學物質可以為液體或糊料形式。化學物質可以與跨基底I (在9處)、2、3之上的通道10相同，例如氧化還原再循環化學物質，如液體溶液中的鐵氰化鉀(圖7)或溴化鋅(圖8);或者化學物質可以相同但是為糊料形式。
[0063]化學物質可以為跨通道均勻沉積的化學物質的液體或糊料混合物，例如具有錳或鎳鹽的鋅鹽(例如，具有氯化鎳或氯化錳的氯化鋅或者醋酸鋅)，并且可以被緩沖為優選的pH。
[0064]化學物質可以為跨通道單獨沉積的化學物質的混合物，例如，沿著長度L的全部或部分在電極2之上的化學物質‘ X’、全部或部分在電極3之上的化學物質‘y’。這些化學物質可以在通道10的中間、間隙9處相遇或者可以在這些化學物質之間沉積第三化學物質例如電解質溶液或糊料。
[0065]化學物質和電解質可以為穿過填充端口泵入到預組裝電池中的流體，該填充端口位于通道下方的單電池的下側的端處以使流體沿著通道的長度流動并且在相反端上的出口端口(圖4a，端口 9)流出，并且兩個端口在填充之后都被密封。層疊的電池的通道可以通過在各通道的端部處的交替的孔而連接，以使流體可以沿著各個單電池往返注入直到電池被填充并密封。電池電解質可以經由端口補充并且也通過充電和流體補充循環增加化學物質的量。
[0066]化學物質將電池限定為原電池或二次(可再充電)電池，并且裝置可以被設計為原電池或二次電池中任一種。
[0067]電池可以設計為能夠重復充放電循環的二次可再充電系統，因而適合于能量存儲和轉移應用。
[0068]在下面的表中給出電池化學物質的實例并且這些化學物質中的任意化學物質都可以結合到該設計中。
[0069]

【權利要求】
1.一種儲能電池，包括: 電化學惰性且電絕緣的基底； 位于所述基底的一側上的陽極和位于所述基底的另一側上的陰極，其中所述陽極和所述陰極形成定位成彼此基本共平面且共平行的電極； 位于所述陽極與所述陰極之間的間隙，所述間隙能夠使所述陽極和所述陰極電絕緣； 限定通道的間隔物，所述通道沿著所述陽極電極和所述陰極電極，平行于所述電極之間的所述間隙；以及 沉積在所述通道中的電解質。
2.根據權利要求1所述的儲能電池，其中所述電解質內包含陽極活性材料和陰極活性材料。
3.根據權利要求1或2所述的儲能電池，其中沿著所述通道設置有頂層，并且所述頂層安置在所述間隔物上。
4.根據前述權利要求中任一項所述的儲能電池，其中形成所述儲能電池的部件為螺旋形的形式使得所述儲能電池能夠螺旋成形。
5.根據前述權利要求中任一項所述的儲能電池，其中所述電化學惰性且電絕緣基底為基本平坦的平面結構并且由聚合物膜制成，所述聚合物膜例如PET、PP、PC、丙烯酸類聚合物、特氟隆，并且所述聚合物膜具有約0.1mm的厚度。
6.根據前述權利要求中任一項所述的儲能電池，其中所述陽極和所述陰極厚度為約10微米并且由導電材料制成，所述導電材料例如，碳；作為石墨或石墨烯的碳；碳聚合物復合物；碳金屬復合物；金；鉬；銀；鈀銅；鑰；鎳；鋅；鋁；鐵；金屬合金，例如鋅鎳、鎳鐵；金屬氧化物，例如氧化銦錫、氧化釕、氧化鋰鈷；多孔或纖維導體，例如得自單質碳或石墨或石墨烯的多孔或纖維導體；以及碳的同素異形體形式，例如碳石墨和碳石墨烯；以及導電聚合物膜，例如聚苯胺、聚噻吩、聚(3，4-亞乙基二氧噻吩)、聚(苯乙烯磺酸酯(鹽))；或層的組合，例如涂覆在銅膜或鋁膜上的碳。
7.根據前述權利要求中任一項所述的儲能電池，其中所述陽極和所述陰極在相同的單電池設計中為相似或相異的材料。
8.根據前述權利要求中任一項所述的儲能電池，其中所述陽極和所述陰極在操作上能夠反向。
9.根據前述權利要求中任一項所述的儲能電池，其中所述基底以及所述陽極電極和所述陰極電極具有位于其外側上的厚度為約0.2mm的間隔層。
10.根據前述權利要求中任一項所述的儲能電池，其中所述儲能電池具有導電連接器端，所述導電連接器端在單獨單電池儲能電池的外表面上覆蓋有導電層，其中所述導電層形成用于電池端子的共同連接點。
11.根據前述權利要求中任一項所述的儲能電池，其中所述通道被填充并沉積有期望量的電解質，即化學材料。
12.根據前述權利要求中任一項所述的儲能電池，其中將電解質泵入到包括多個單電池的堆疊體的電池中的所述通道中，其中各個單電池具有交替穿過所述層的進入孔，以便以最小氣體滯留的方式填充所述電池。
13.根據前述權利要求中任一項所述的儲能電池，其中利用填充孔以及在所述螺旋形狀電池內的各個單電池的端部處的起始孔和出口孔將電解質泵入到包括螺旋形狀體的電池中的所述通道中，以便以最小氣體滯留的方式填充所述電池。
14.根據前述權利要求中任一項所述的儲能電池，其中將電解質泵入到包括堆疊體或螺旋體的電池中的所述通道中，并且在充電之后新的電解質能夠流過所述通道以補充先前的電解質填充物，以提高所述電池的功率或使所述電池再生。
15.根據前述權利要求中任一項所述的儲能電池，其中將所述電解質沉積到所述基底和所述電極上并且限制在所述通道內，并且其中可選地所述沉積直接發生使得將所述陰極糊料和所述陽極糊料施加到所述電極然后沉積所述電解質。
16.根據前述權利要求中任一項所述的儲能電池，其中形成水性的或有機基電解質的化學物質為液體或糊料形式，例如，在有機電解質例如碳酸亞乙酯中的鋰鹽。
17.根據前述權利要求中任一項所述的儲能電池，其中將多個單獨單電池儲能電池中的至少兩個或更多個層疊在一起。
18.根據前述權利要求中任一項所述的儲能電池，其中所述儲能電池至少包括在pH3和pH6之間的有機酸電池電解質，所述有機酸電池電解質包括在水性的或有機溶劑中的鋅離子、錳離子、醋酸根離子和氯離子，所述有機酸電池電解質在在陽極電極和陰極電極之間施加充電電壓和電流時自行形成分開的陰極(氧化錳)和陽極(金屬鋅)。
19.一種制造儲能電池的方法，包括: 提供電化學惰性且電絕緣的基底； 提供位于所述基底的一側上的陽極和位于所述基底的另一側上的陰極，其中所述陽極和所述陰極形成定位成彼此基本共平面且基本共平行的電極； 提供位于所述陽極與所述陰極之間的間隙，所述間隙能夠使所述陽極和所述陰極電絕緣； 提供限定通道的間隔物，所述通道沿著所述陽極電極和所述陰極電極平行于所述電極之間的所述間隙；以及 提供沉積在所述通道中的電解質。
20.根據權利要求19所述的制造儲能電池的方法，其中所述儲能電池為如在權利要求1至18中任一項中所限定的。
21.根據權利要求19或20所述的制造儲能電池的方法，其中首先選擇基底，然后沉積導電層。
22.根據權利要求19至21中任一項所述的制造儲能電池的方法，其中所述基底為一系列卡片或在卷到卷工藝中的連續卷材的材料。
23.根據權利要求19至22中任一項所述的制造儲能電池的方法，其中所述導電層被圖案化成限定形成電極和導電連接器端的導電幾何形狀。
24.根據權利要求19至23中任一項所述的制造儲能電池的方法，其中將間隔層接合在一起以形成所述通道。
25.根據權利要求19至24中任一項所述的制造儲能電池的方法，其中在所述基底為一系列卡片的情況下，所述處理包括將下一基底層層疊在通道之上由此將任何化學物質限制在所述通道中，然后重復層疊直到滿足足夠的功率規格，并且使用絕緣基底封閉所述通道的頂部。
26.根據權利要求19至25中任一項所述的制造儲能電池的方法，其中所述基底為卷的形式，所述通道通過將子組裝卷材卷到其自身而被覆蓋，由此將化學物質限制在基底的下側內，繼續卷繞直到卷材的末端并且導電連接器端覆蓋有導電材料以形成所述電池端子的共同連接點。
27.根據權利要求19至26中任一項所述的制造儲能電池的方法，其中所述電解質經由填充端口和出口端口注入到所述電池的單電池中。
28.—種如本文中在前所述和/或如在圖1至圖7中任一圖中所示的儲能電池。
【文檔編號】H01M8/20GK104170146SQ201380011840
【公開日】2014年11月26日 申請日期:2013年3月1日 優先權日:2012年3月2日
【發明者】約翰·迪倫 申請人:能源診斷有限公司