包括用于過充電保護的導電部分的電化學能量存儲裝置的制造方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及電化學能量存儲裝置，其具有:陽極，電連接到陽極空間，在該陽極空間中設置具有第一填充水平的陽極材料；以及陰極，電連接到陰極空間，在該陰極空間中設置具有第二填充水平的陰極材料；以及離子導電分離器，其將陽極空間與陰極空間分離。本發明還涉及電化學存儲模塊，其包括至少兩個這種電化學能量存儲裝置。本發明還包括用于產生這一類型的電化學能量存儲裝置的方法。
【發明內容】
[0002]在本發明的含義內的電化學能量存儲裝置可以在所需要的任何服務溫度范圍下操作。然而，100攝氏度到500攝氏度的服務溫度范圍是特別優選的。這一服務溫度范圍包含基于鈉鎳氯化物電池和鈉硫電池技術操作的電化學能量存儲裝置。鈉鎳氯化物電池還可以被配置為使得電池中的鎳的至少一部分被鐵替代或者補充。分別在其陽極空間和陰極空間中，這一類型的能量存儲裝置被提供有對應的陽極材料或者陰極材料，該陽極材料或者陰極材料在其服務溫度下基本上處于液態。因此，在鈉鎳氯化物電池的情形下，陽極材料是液體鈉。在鈉鎳氯化物電池中，陰極材料也存在于陰極空間中，陰極材料至少部分地處于液態，并且包括鎳鹽混合物、氯化鈉、以及其它添加劑。給定液體存貨存在于設備中，陽極材料或者陰極材料的填充水平受制于地球重力場，并且因此格外容易確定。填充水平或者充滿水平對應于在能量存儲裝置的正常使用期間相應的空間(陽極空間、陰極空間)中的材料(陽極材料、陰極材料)的平均充滿水平。結合能量存儲裝置的正常使用，填充水平或者充滿水平隨著服務壽命的推進而改變。在相關材料僅旨在于部分地以液相存在的情況下，對充滿水平的限定將指代所述材料的相應液相。
[0003]為了從包括多個這一類型的電連接的電化學能量存儲裝置的存儲裝置存儲系統獲得技術相關的電壓值，多個單獨的能量存儲裝置按慣例串聯連接并且被組合成串。電化學存儲模塊包括這一類型的串。因此，在本發明的上下文中，串和存儲模塊的概念在下文中被認為是等同的概念。
[0004]在這一類型的電化學存儲模塊中，在一些情形下，單獨的能量存儲裝置的容量的分散帶整體上對于系統的設計和功能性質而言是非常重要的因素。特別地，單獨的能量存儲裝置的最小容量決定整個能量存儲裝置串的最大有用容量。可比擬的意見可以適用于這一類型的串中的單獨的能量存儲裝置的不同充電狀態。因此，這一類型的串中具有最高充電狀態的能量存儲裝置的充電狀態決定整個系統被完全充電的時間，而具有最低充電狀態的能量存儲裝置決定整個系統被放電的時間。例如如果充電電壓在完全充電之后繼續被應用于單獨的能量存儲裝置，則其它不想要的轉換反應可以在能量存儲裝置的活性內部空間中進行，這有時可能貢獻于對能量存儲裝置的干擾、損害、或者甚至損毀。因此，如果一個能量存儲裝置已經實現了其完全充電狀態，則串的進一步充電將被避免。同樣地，可能的是，已經被完全放電的能量存儲裝置的放電可以引起這一類型的損傷。因此，如果一個單獨的能量存儲裝置已經被完全放電，則串的放電也將被避免。因此，技術上必要的是，電化學存儲模塊中的能量存儲裝置應該在考慮這些限定條件的情況下被充電或者放電。
[0005]如已經在上面描述那樣，這一類型的存儲模塊中的電化學能量存儲裝置將一致地示出就其容量或者充電狀態而言的分散帶。在第一實例中，這一分散帶可歸因于制造因素，因為不是能量存儲裝置內部上的活性材料(陽極材料、陰極材料)的整個稱重的量都對可用的容量有貢獻。還已知與活性材料的粒子尺寸關聯的對容量的影響。此外，在能量存儲裝置的操作期間，與距離相關的電子導電路徑可形成在活性材料中的單獨的島之間(滲入)，從而導致結構改變，并且因此導致能量存儲裝置的電參數的改變。因此，電化學反應僅可以在陽極或者陰極的如下那些區域中進行，這些區域被提供有貫穿整個轉換時間的充足的電連接以充當用于能量存儲裝置的電流收集器。電隔離區域對轉換反應沒有貢獻或者基本上沒有貢獻。
[0006]能量存儲裝置的單獨的部件中的與服務相關的改變還可以貢獻于電化學存儲模塊中的單獨的能量存儲裝置的充電狀態或者容量的分散帶。已知，例如，在操作期間出現熱應力，這可以導致離子導電分離器中的微斷裂的傳播。在基于鈉鎳氯化物電池的原理的能量存儲裝置的情形下，這一分離器是陶瓷分離器，其包括Naj-Al2O3或者Na-13”-Al203。在這一陶瓷分離器中出現微斷裂時，例如在服務溫度下，來自陽極空間的元素鈉可以與陰極空間中的陰極材料(液體電解質)直接反應以形成元素鋁和氯化鈉。由于這一反應，離子導電分離器的電子電阻可以被減少，從而造成能量存儲裝置的連續自放電。如果例如這一類型的離子導電分離器通常不出若干MΩ的電子電阻，則在2.5V的電池電壓下，與損害相關的電子電阻減少(例如下降到1k Ω )可以導致0.25mA的連續自放電電流的流動。
[0007]因此，存在單獨的電化學能量存儲裝置的電串聯電路時，具有最小容量或者最低充電狀態的能量存儲裝置將最先達到完全放電時間。在這時，如果能量存儲裝置繼續接收在相同方向上流動的放電電流，則這可以在已經放電的能量存儲裝置中弓I起極性逆轉，從而通常造成不可逆轉的損害，以至于所述能量存儲裝置發生與該損害相關的故障。
[0008]相反地，如果具有串聯連接的電化學能量存儲裝置的電化學存儲模塊在第一能量存儲裝置已經實現完全充電狀態的時間點之后繼續被充電，則已經被充電的能量存儲裝置中的充電電壓通常將上升到不可接受的高值，因此不可逆轉的化學反應可以再次損傷能量存儲裝置的功能部件，或者損害能量存儲裝置到其發生故障的程度。
[0009]為了防止在充電和放電兩者期間對這一類型的電化學存儲模塊中的單獨的能量存儲裝置的潛在損害，在嘗試中通常實施簡單的手段以防止過充電或者窮盡性放電。例如，在電化學存儲模塊最初構成時，可以通過對單獨的能量存儲裝置的針對性篩選實現有利的預選擇，存儲裝置其容量未位于窄的容忍范圍內。同樣地，在電化學存儲模塊中的能量存儲裝置的操作中，可以使用實際可用的容量的僅一部分。例如，可以利用完全可用容量的僅80 %，然而因此整體上減少系統的靈活性和效率兩者。
[0010]在某種程度上，在存儲模塊中的單獨的電化學能量存儲裝置的常規操作中，采取針對性服務措施以便保護免受與過充電或者過度放電關聯的損害。例如，各種能量存儲裝置的單獨的充電狀態的相等化可以通過對單獨的能量存儲裝置進行針對性的充電或者替換來存儲裝置實現。然而，在給定的維護間隔內，這種措施不能防止單獨的電化學能量存儲裝置的充電狀態的增加的分散，使得必須預期整體上系統的可用容量的增加的損傷。
[0011]因此，本發明的基本目的是防止現有技術已知的這些劣勢。特別地，旨在實現在充電期間簡單地并且不需要附加電路的情況下，對存儲模塊中的單獨的電化學能量存儲裝置的充電狀態的適當的相等化。還期望的是，即使在維護間隔期間，也應該防止存儲模塊中的單獨的能量存儲裝置的過充電，從而防止與過電壓或者不想要的化學反應關聯的損害。單獨的能量存儲裝置還應該可能被安全地操作，對用戶沒有危害，從而同時增加了連接在存儲模塊中的電路中的電化學能量存儲裝置的服務壽命。
[0012]本發明的這些基本目的由如權利要求1所要求保護的電化學能量存儲裝置、如權利要求10所要求保護的電化學存儲模塊、以及如權利要求12所要求保護的用于產生這一類型的電化學能量存儲裝置的方法來實現。
[0013]特別地，本發明的這些基本目的由如下電化學能量存儲裝置實現，其具有:陽極，其電連接到陽極空間，在該陽極空間中設置具有第一填充水平的陽極材料；以及陰極，其電連接到陰極空間，在該陰極空間中設置具有第二填充水平的陰極材料；以及離子導電分離器，其將陽極空間與陰極空間分離，其中在電化學能量存儲裝置的正常操作中，離子導電分離器被提供有頂部區域和基部區域，因此在離子導電分離器的頂部區域中，提供了一個或者至少一個導電部分，其在電化學能量存儲裝置的正常操作中具有比基部區域中的電子絕緣的絕緣部分更高的電子導電率，使得存在電化學能量存儲裝置的如下至少一個充電狀態，其中陽極空間中的陽極材料以及潛在地還有陰極空間中的陰極材料與導電部分結合。然而，應該注意，導電部分與陰極材料的結合對于本發明的操作不是絕對必要的。然而，如在下文中進一步詳細描述那樣，必須保證導電部分與陽極材料的結合。
[0014]本發明的基本目的還由電化學存儲模塊實現，該電化學存儲模塊被提供有上述電化學能量存儲裝置中的至少兩個電化學能量存儲裝置，如還在下文中描述的，該至少兩個電化學能量存儲裝置串聯電互連。
[0015]本發明的這些基本目的還由用于產生上述電化學能量存儲裝置的如還在下文中描述的方法實現，并且該方法包括以下步驟:
[0016]-通過形成模塑基部件產生離子導電分離器；
[0017]-使用添加劑浸漬基部件，添加劑適合于形成電子導電的導電部分、進一步適合于熱處理；
[0018]-為了基部件的穩定化，對其進行熱處理。
[0019]根據本發明，陽極和陰極被提供有電子導電區域，該電子導電區域可以被電結合用于電壓的分接(tap-off)。陽極空間和陰極空間進一步的特征在于它們包括電化學活性區域，并且因此包括經歷由電化學反應造成的材料改變的材料(陽極材料和陰極材料)。
[0020]陽極材料的第一填充水平和陰極材料的第二填充水平通常根據不同的充電狀態(或者放電狀態)變化，其中不同量的陽極材料