无隔离物的蓄电池的制作方法

无隔离物的蓄电池的制作方法
【专利摘要】在本文中描述了储能电池以及制造所述储能电池的方法。更具体地，描述了包括层状构造和共平面共平行阳极和阴极的储能电池及制造所述储能电池的方法。
【专利说明】无隔离物的蓄电池

【技术领域】
[0001]本发明涉及储能电池以及制造所述储能电池的方法。更具体地，本发明涉及包括层状构造和共平面(CO-Planar)共平行(co-parallel)的阳极和阴极的储能电池以及制造所述储能电池的方法。

【背景技术】
[0002]存在许多类型的储能系统和电池。然而，已知这些现有类型的系统在例如充放电速率、电阻、热量管理和响应时间方面存在大量不足和低效。
[0003]本发明基于包括层状构造和共平面共平行阳极和阴极的储能电池，而其他层状电池构造使用在电极间具有隔离物的共面紧密隔离电极。例如，卷形式的层状电池构造已获得了专利，例如US 7311996、US 6146785和US 5354629，通过引用将其并入到本文中。然而，这些系统由具有各自电解质的共面电极组成并且通过隔离膜隔离以使化学物质保持分开。
[0004]本发明的至少一个方面的一个目标为消除或减轻对前述设计特征中的至少之一或更多设计特征的需求。
[0005]本发明的至少一个方面的另一目标为提供改进的储能电池系统。


【发明内容】

[0006]根据本发明的第一方面，提供了一种储能电池，包括:
[0007]电化学惰性且电绝缘的基底；
[0008]位于所述基底的一侧上的阳极和位于所述基底的另一侧上的阴极，其中阳极和阴极形成定位成彼此基本共平面且基本共平行的电极；
[0009]位于阳极与阴极之间的间隙，该间隙能够使阳极电极和阴极电极电绝缘；
[0010]限定沿着阳极电极和阴极电极平行于电极之间的间隙的通道的间隔物；以及
[0011]沉积在通道中的电解质。
[0012]因此本发明在于提供包括层状构造和基本共平面共平行的阳极和阴极的储能电池。因此阳极和阴极可以为平坦平面结构，即膜或板状结构。
[0013]典型地，电解质内可以包含阳极化学活性材料和阴极化学活性材料。
[0014]阳极电极和阴极电极在单电池设计的一个实施例中可以为相同导电型的材料或者可以为不同材料，例如锌金属阳极(负电极)和碳复合阴极(正电极)。
[0015]单电池可以包含允许通过改变输入极性使阳极和阴极互换以用于逆向操作的阳极材料和阴极材料以及电解质化学物质。
[0016]本发明的电池设计的另一优点为:例如在负电极处采用锌化学物质的一些期望的电池化学物质(例如，镍-锌电池)在常规电池设计中面临不利。在再充电时存在从负电极形成并生长出金属(锌)树枝状晶体的倾向，并且这些树枝状晶体可以穿透共面电池设计中的隔离物，导致短路、电池失效以及安全风险。该失效模式在共平面电池设计中减轻，原因是如果树枝状晶体形成，则它们将受上方的绝缘基底限制，而且电池被设计成在负电极和正电极之间具有足够的间隙以防止任何侧向的树枝状晶体生长而到达对面的电极。这与本发明的待通过对于某些化学物质的可逆的负电极和正电极操作的电池设计结合开拓了期望的化学物质的范围，否则不能在需要长循环寿命的应用中采用该化学物质。
[0017]还可以沿着通道设置有顶层并且该顶层安置在间隔物上的顶层。
[0018]形成储能电池的部分可以为螺旋形的形式使得储能电池能够螺旋成形。
[0019]储能电池还可以包括连续长度的相关部分，其中长度被分段并且区段彼此堆叠。
[0020]储能电池还可以包括除顶层之外的连续长度的相关部分，其中长度成螺旋形或堆叠使得基底的底部成为通道的顶层。
[0021]电化学惰性且电绝缘基底可以为基本平坦的平面结构并且可以由聚合物膜制成，例如PET、PP、PC、丙烯酸类聚合物(acrylic)、特氟隆。基底可以具有约0.1mm的厚度。
[0022]位于电化学惰性且电绝缘基底的任一侧上的阳极和阴极可以为平坦的平面结构并且可以沿着基底的长度延伸。阳极和阴极可以为板状并且对于螺旋形长度为约500米以及对于堆叠长度为约50cm、宽度为约15mm以及厚度为约10微米并且由如下导电材料制成:例如碳；作为石墨或石墨烯的碳；碳聚合物复合物；碳金属复合物；金；钼；银；钯铜；钥；镍；锌；铝；铁；金属合金(例如锌镍合金、镍铁合金)；金属氧化物(例如氧化铟锡、氧化钌、氧化锂钴)；导电聚合物膜(例如聚苯胺、聚噻吩、聚(3，4-亚乙二氧基噻吩)聚(苯乙烯磺酸酯(盐)))；或层的组合(例如涂覆在铜膜或铝膜上的碳)。
[0023]阳极和阴极可以包括多孔导电碳层，例如碳纤维毡、碳气凝胶、活性碳，该多孔导电碳层用作为阳极和阴极化学反应提供增加的电极表面积。
[0024]基底以及阳极电极和阴极电极可以具有位于其外侧上的厚度为约0.2mm的间隔层。
[0025]储能电池可以具有导电连接器端，该导电连接器端可以在单独单电池储能电池的外表面或串联的多个单电池的外表面上覆盖有另外的导电层，例如铝箔。导电层可以形成用于电池端子的共同连接点。
[0026]通道可以填充并沉积有期望量的电解质即化学材料。电解质可以沉积到基底和电极上并且限制在通道内。化学物质可以为液体或糊料形式。化学物质可以为最终跨通道沉积的化学物质的液体或糊料混合物，例如具有锰的锌盐或镍盐(例如，具有氯化镍或氯化锰的氯化锌或者醋酸锌)，或有机电解质例如碳酸亚乙酯中的锂盐，或者单独沉积在阳极和阴极之上的化学物质的液体或糊料混合物。
[0027]通道可以在组装之后经由流体入口端口填充，通过该流体入口端口电解质通过通道泵到出口端口的地方，两种端口均在填充完成之后密封。电解质可以分别泵到作为单独或串联布置的各个单电池的通道中。电解质可以泵到包括多个单电池的堆叠体的电池中的通道中，其中各个单电池具有交替穿过层的进入孔，以便以最小空气滞留的方式填充该电池。
[0028]多个单独单电池储能电池中的至少两个或更多个可以层叠在一起。
[0029]根据本发明的第二方面，提供了一种制造储能电池的方法，包括:
[0030]提供电化学惰性且电绝缘的基底；
[0031]提供位于所述基底的一侧上的阳极和位于所述基底的另一侧上的阴极，其中阳极和阴极形成定位成彼此基本共平面且基本共平行的电极；
[0032]提供位于阳极与阴极之间的间隙，该间隙能够使阳极电极和阴极电极电绝缘；
[0033]提供限定沿着阳极电极和阴极电极平行于电极之间的间隙的通道的间隔物；以及
[0034]提供沉积在通道中的电解质。
[0035]储能电池可以为如在第一方面中所限定的。
[0036]为了制造单独单电池储能电池系统，可以首先选择基底，然后可以沉积导电层。例如，相似的阳极和阴极可以为碳-碳、金-金、或者在特定设计内不同的阳极和阴极例如碳-金、碳-碳/锌复合物。
[0037]基底可以为在卷到卷工艺中的材料的连续卷材或一系列卡片。
[0038]导电层可以图案化成限定制成电极和导电连接器端的导电几何形状。
[0039]间隔层可以被接合到一起以形成通道。间隔物可以“是现成的”、预组装并且转换为图案，限定厚度的双面胶带或通过印刷工艺沉积的胶粘剂-聚合物膜-胶粘剂的组装层。
[0040]在基底为一系列卡片的实施方案中，工艺可以包括将下一基底层层叠在通道之上由此将任何化学物质限制在通道中。然后重复层叠直到满足足够的功率规格。可以使用绝缘基底封闭(blank off)通道的顶部。
[0041]在基底为卷的形式的实施方案中，通道可以通过将子组装卷材卷到其自身上来覆盖所述通道由此将化学物质限制在基底的下侧内。可以继续卷绕直到卷材的末端。然后导电连接器端可以涂覆有导电材料例如铜或银聚合物糊料，然后这些糊料固化以形成电池端子的共同连接点。
[0042]上述处理可以使用用于单个或串联的多个单电池以及用于螺旋或堆叠的卡片这两种构造设计的导电几何形状来执行。
[0043]串联布置的单电池可以设计成使得阳极电极或阴极电极的一侧可以形成相邻于单电池的阴极或阳极，只要两侧沿着两侧长度的中间具有间隔层，由此使相邻的单电池电解质隔离同时维持串联的电池之间的电连接即可。该布置可以称为双极型串联单电池布置并且已经具有降低整体电池内阻的优点。

【专利附图】

【附图说明】
[0044]现在将仅通过示例的方式参照附图来描述本发明的实施方案，其中:
[0045]图1为根据本发明的实施方案的单电池储能电池的顶截面图；
[0046]图2为图1中所示的单电池储能电池的端截面图；
[0047]图3为根据本发明的另一实施方案的层叠在一起的多个单电池储能电池的端截面图；
[0048]图4为示出串联的三个单电池的多个单电池储能电池系统的顶截面图；
[0049]图4a为示出在通道端处的填充端口 9的替代方案。
[0050]图5为根据本发明的另一实施方案的层叠在一起卷绕为卷的一系列多个单电池储能电池的端截面图；
[0051]图6a为示出常规电池单电池系统布置的示意图；
[0052]图6b为示出根据本发明的另一实施方案的单独单电池储能系统的示意图；
[0053]图7为示出根据本发明的另一实施方案的单独单电池储能系统的充放电效率的电流对时间的曲线；以及
[0054]图8为示出根据本发明的另一实施方案的单独单电池储能系统的电压对时间的曲线。

【具体实施方式】
[0055]一般而言，本发明在于提供包括层状构造和共平面共平行的阳极和阴极的储能电池以及制造所述储能电池的方法。
[0056]图1和图2为根据本发明的单电池储能电池系统的图。如图1所示，储能电池系统具有宽度‘W’和长度‘L’，其具有位于其间的大量层。位于中心存在基底1，所述基底I为基本平坦的平面结构并且由聚合物膜例如PET、PP、PC、丙烯酸类聚合物、特氟隆制成。基底I具有约0.1mm的厚度。
[0057]位于基底I的两侧上存在电极2和电极3，电极2和电极3为平坦的平面结构并且沿着基底I的长度延伸。电极2和电极3具有约10微米的厚度并且由如下导电材料制成，所述导电材料例如，碳；作为石墨或石墨烯的碳；碳；碳-聚合物复合物；碳-金属复合物；金；钼；银；钮铜；钥；镍；锌；招；铁；金属合金(例如锌镍合金、镍铁合金)；金属氧化物(例如氧化铟锡、氧化钌、氧化锂钴)；导电聚合物膜(例如聚苯胺、聚噻吩、聚(3，4-亚乙基二氧噻吩)、聚(苯乙烯磺酸酯(盐)))；或层的组合(例如涂覆在铜膜或铝膜上的碳)。
[0058]然后基底I和电极2、3具有位于基底I和电极2、3外侧上的间隔层6。图1和图2还示出间隔层6的末端6a、末端6b，将间隔层6接合以防止发生任何形式的泄露。间隔层
6、6a和6b可以为一片连续的粘合膜,该粘合膜例如被预成形或印刷为约0.2mm的厚度。
[0059]图1至图4还示出:导电连接器端4、5可以在单电池储能电池系统的外表面上覆盖有导电层7、8。导电层7、8可以形成用于电池端子的共同连接点。该导电层还可以为导电金属箔例如铝，该导电金属箔可以例如通过夹持或通过导电粘合而保持在电极2、3与间隔物6之间的位置处，或者可以通过在导电层7、8上延伸间隔物6而保持。
[0060]为了制造单独单电池储能电池系统，首先选择基底I，然后使用涂覆技术例如蒸发沉积、印刷、箔层压、电解来沉积导电层2、3。基底I可以为一系列卡片或在卷到卷工艺中的连续卷材的材料。导电层2、3可以通过使用模板成像例如丝网印刷或通过激光烧蚀、化学蚀刻、机械加工(铣削、切割)来被图案化以限定制成电极2、3和导电连接器端4、5的导电几何形状。根据电荷极性，或者根据沉积在各电极之上的化学物质，或者根据电极材料，可以将电极2和3用作阳极或阴极。
[0061]间隔层6为限定厚度的预组装间隔物或者通过自身或期望厚度的聚合物膜的任一侧使用压敏粘合剂或其他粘合剂(例如热敏粘合剂)而接合在一起以形成如图2所示的通道10。通道10建立可以在电极2、3之间执行化学反应的区域。通道10的起始端和结束端具有间隔层6a和6b以防止化学物质从任一端泄露。粘合层6、6a和6b可以成形为预组装的一片或印刷为用于连续密封的层。
[0062]在使用时，通道10将被填充并沉积期望的化学材料。化学物质可以沉积到基底I和电极2、3上并且被限制在通道10内。化学物质可以通过穿过喷嘴泵出或挤出液体或糊料(在基底卷到卷卷绕经过喷嘴时)而沉积到通道中的电极上，或者通过使喷嘴沿着移动(或者通过糊料的模板印刷)而沉积在静止的卡片上。化学物质可以为液体或糊料形式。化学物质可以与跨基底I (在9处)、2、3之上的通道10相同，例如氧化还原再循环化学物质，如液体溶液中的铁氰化钾(图7)或溴化锌(图8);或者化学物质可以相同但是为糊料形式。
[0063]化学物质可以为跨通道均匀沉积的化学物质的液体或糊料混合物，例如具有锰或镍盐的锌盐(例如，具有氯化镍或氯化锰的氯化锌或者醋酸锌)，并且可以被缓冲为优选的pH。
[0064]化学物质可以为跨通道单独沉积的化学物质的混合物，例如，沿着长度L的全部或部分在电极2之上的化学物质‘ X’、全部或部分在电极3之上的化学物质‘y’。这些化学物质可以在通道10的中间、间隙9处相遇或者可以在这些化学物质之间沉积第三化学物质例如电解质溶液或糊料。
[0065]化学物质和电解质可以为穿过填充端口泵入到预组装电池中的流体，该填充端口位于通道下方的单电池的下侧的端处以使流体沿着通道的长度流动并且在相反端上的出口端口(图4a，端口 9)流出，并且两个端口在填充之后都被密封。层叠的电池的通道可以通过在各通道的端部处的交替的孔而连接，以使流体可以沿着各个单电池往返注入直到电池被填充并密封。电池电解质可以经由端口补充并且也通过充电和流体补充循环增加化学物质的量。
[0066]化学物质将电池限定为原电池或二次(可再充电)电池，并且装置可以被设计为原电池或二次电池中任一种。
[0067]电池可以设计为能够重复充放电循环的二次可再充电系统，因而适合于能量存储和转移应用。
[0068]在下面的表中给出电池化学物质的实例并且这些化学物质中的任意化学物质都可以结合到该设计中。
[0069]

【权利要求】
1.一种储能电池，包括: 电化学惰性且电绝缘的基底； 位于所述基底的一侧上的阳极和位于所述基底的另一侧上的阴极，其中所述阳极和所述阴极形成定位成彼此基本共平面且共平行的电极； 位于所述阳极与所述阴极之间的间隙，所述间隙能够使所述阳极和所述阴极电绝缘； 限定通道的间隔物，所述通道沿着所述阳极电极和所述阴极电极，平行于所述电极之间的所述间隙；以及 沉积在所述通道中的电解质。
2.根据权利要求1所述的储能电池，其中所述电解质内包含阳极活性材料和阴极活性材料。
3.根据权利要求1或2所述的储能电池，其中沿着所述通道设置有顶层，并且所述顶层安置在所述间隔物上。
4.根据前述权利要求中任一项所述的储能电池，其中形成所述储能电池的部件为螺旋形的形式使得所述储能电池能够螺旋成形。
5.根据前述权利要求中任一项所述的储能电池，其中所述电化学惰性且电绝缘基底为基本平坦的平面结构并且由聚合物膜制成，所述聚合物膜例如PET、PP、PC、丙烯酸类聚合物、特氟隆，并且所述聚合物膜具有约0.1mm的厚度。
6.根据前述权利要求中任一项所述的储能电池，其中所述阳极和所述阴极厚度为约10微米并且由导电材料制成，所述导电材料例如，碳；作为石墨或石墨烯的碳；碳聚合物复合物；碳金属复合物；金；钼；银；钯铜；钥；镍；锌；铝；铁；金属合金，例如锌镍、镍铁；金属氧化物，例如氧化铟锡、氧化钌、氧化锂钴；多孔或纤维导体，例如得自单质碳或石墨或石墨烯的多孔或纤维导体；以及碳的同素异形体形式，例如碳石墨和碳石墨烯；以及导电聚合物膜，例如聚苯胺、聚噻吩、聚(3，4-亚乙基二氧噻吩)、聚(苯乙烯磺酸酯(盐))；或层的组合，例如涂覆在铜膜或铝膜上的碳。
7.根据前述权利要求中任一项所述的储能电池，其中所述阳极和所述阴极在相同的单电池设计中为相似或相异的材料。
8.根据前述权利要求中任一项所述的储能电池，其中所述阳极和所述阴极在操作上能够反向。
9.根据前述权利要求中任一项所述的储能电池，其中所述基底以及所述阳极电极和所述阴极电极具有位于其外侧上的厚度为约0.2mm的间隔层。
10.根据前述权利要求中任一项所述的储能电池，其中所述储能电池具有导电连接器端，所述导电连接器端在单独单电池储能电池的外表面上覆盖有导电层，其中所述导电层形成用于电池端子的共同连接点。
11.根据前述权利要求中任一项所述的储能电池，其中所述通道被填充并沉积有期望量的电解质，即化学材料。
12.根据前述权利要求中任一项所述的储能电池，其中将电解质泵入到包括多个单电池的堆叠体的电池中的所述通道中，其中各个单电池具有交替穿过所述层的进入孔，以便以最小气体滞留的方式填充所述电池。
13.根据前述权利要求中任一项所述的储能电池，其中利用填充孔以及在所述螺旋形状电池内的各个单电池的端部处的起始孔和出口孔将电解质泵入到包括螺旋形状体的电池中的所述通道中，以便以最小气体滞留的方式填充所述电池。
14.根据前述权利要求中任一项所述的储能电池，其中将电解质泵入到包括堆叠体或螺旋体的电池中的所述通道中，并且在充电之后新的电解质能够流过所述通道以补充先前的电解质填充物，以提高所述电池的功率或使所述电池再生。
15.根据前述权利要求中任一项所述的储能电池，其中将所述电解质沉积到所述基底和所述电极上并且限制在所述通道内，并且其中可选地所述沉积直接发生使得将所述阴极糊料和所述阳极糊料施加到所述电极然后沉积所述电解质。
16.根据前述权利要求中任一项所述的储能电池，其中形成水性的或有机基电解质的化学物质为液体或糊料形式，例如，在有机电解质例如碳酸亚乙酯中的锂盐。
17.根据前述权利要求中任一项所述的储能电池，其中将多个单独单电池储能电池中的至少两个或更多个层叠在一起。
18.根据前述权利要求中任一项所述的储能电池，其中所述储能电池至少包括在pH3和pH6之间的有机酸电池电解质，所述有机酸电池电解质包括在水性的或有机溶剂中的锌离子、锰离子、醋酸根离子和氯离子，所述有机酸电池电解质在在阳极电极和阴极电极之间施加充电电压和电流时自行形成分开的阴极(氧化锰)和阳极(金属锌)。
19.一种制造储能电池的方法，包括: 提供电化学惰性且电绝缘的基底； 提供位于所述基底的一侧上的阳极和位于所述基底的另一侧上的阴极，其中所述阳极和所述阴极形成定位成彼此基本共平面且基本共平行的电极； 提供位于所述阳极与所述阴极之间的间隙，所述间隙能够使所述阳极和所述阴极电绝缘； 提供限定通道的间隔物，所述通道沿着所述阳极电极和所述阴极电极平行于所述电极之间的所述间隙；以及 提供沉积在所述通道中的电解质。
20.根据权利要求19所述的制造储能电池的方法，其中所述储能电池为如在权利要求1至18中任一项中所限定的。
21.根据权利要求19或20所述的制造储能电池的方法，其中首先选择基底，然后沉积导电层。
22.根据权利要求19至21中任一项所述的制造储能电池的方法，其中所述基底为一系列卡片或在卷到卷工艺中的连续卷材的材料。
23.根据权利要求19至22中任一项所述的制造储能电池的方法，其中所述导电层被图案化成限定形成电极和导电连接器端的导电几何形状。
24.根据权利要求19至23中任一项所述的制造储能电池的方法，其中将间隔层接合在一起以形成所述通道。
25.根据权利要求19至24中任一项所述的制造储能电池的方法，其中在所述基底为一系列卡片的情况下，所述处理包括将下一基底层层叠在通道之上由此将任何化学物质限制在所述通道中，然后重复层叠直到满足足够的功率规格，并且使用绝缘基底封闭所述通道的顶部。
26.根据权利要求19至25中任一项所述的制造储能电池的方法，其中所述基底为卷的形式，所述通道通过将子组装卷材卷到其自身而被覆盖，由此将化学物质限制在基底的下侧内，继续卷绕直到卷材的末端并且导电连接器端覆盖有导电材料以形成所述电池端子的共同连接点。
27.根据权利要求19至26中任一项所述的制造储能电池的方法，其中所述电解质经由填充端口和出口端口注入到所述电池的单电池中。
28.—种如本文中在前所述和/或如在图1至图7中任一图中所示的储能电池。
【文档编号】H01M8/20GK104170146SQ201380011840
【公开日】2014年11月26日 申请日期:2013年3月1日 优先权日:2012年3月2日
【发明者】约翰·迪伦 申请人:能源诊断有限公司