专利名称：电化学装置的封装及使用它的设备的制作方法
技术领域：
本发明一般涉及电化学电荷存储装置，具体地涉及电化学电荷存储装置的封装。
当电子装置和其它电气设备更多地成为便携式时，必须改进储能装置以适应此种可携带性。的确在现有电子技术中对一定设备可携带性的限制因素经常是有关的储能装置的尺寸和重量。显然可以为一定电气设备制造小的储能装置，但其代价是能量容量小。结果是或者电源过于庞大笨重，或它不能长期使用。电化学电池是可携式电子仪器中使用的主要储能装置，而不经常使用的还有电化学电容。
现有电池的一个限制性特征是电化学系统的封装。当前习惯是将电极和电解质都放在一个钢罐内。此种封装形式在商业应用中具有很多不同的形状和尺寸。这在过去迫使设计者围绕电池设计电子产品而不是按照适合产品的方式进行设计后再加上电池。此外，罐给电池加上相当大的重量，这是市场竞争中的弱点。
因此需要一种用于能源的新封装材料。这种材料所制造轻重量的封装是挠性的，否则应具有能适应的形状，它应该成本低，而且可用塑料加工技术和工具进行加工。此外，犹如现有储能装置封装技术的标准所要求的，此材料应该不和储能装置的化学物质发生反应，而且应能抵制一般溶剂的侵蚀。
图1是根据本发明的电化学电荷存储装置的分解侧视图；图2是根据本发明优选实施例的电极的侧视图；图3是根据本发明的密封的电化学电荷存储装置的剖面侧视图；图4是根据本发明的密封的电化学电荷存储装置的透视图；图5是根据本发明第二实施例的具有多孔性分离器的电化学电荷存储装置的剖面侧视图；以及图6是根据本发明第三实施例的具有膜通气口的电化学电荷存储装置的剖面侧视图。
虽然本说明书结尾处的权利要求书规定了认为是新型的本发明特征，但可以相信结合附图的下列描述能使本发明更好地理解，附图中相同的参考数字一直沿用下去。
现参照图1，其中阐述了根据本发明的电化学电荷存储装置10的分解侧视图。该装置10包括第一聚合物封装膜12，第一金属箔14，第一电极16，第一电流收集器18，电解质20，第二电极22，第二电流收集器24，第二金属箔26，第二聚合物封装膜28，及聚合物密封条30。
第一聚合物封装膜12和第二聚合物封装膜28由聚合物材料制成，它在1个大气压力、1mm膜厚度和95％相对湿度的条件下测得的水蒸汽渗透率小于每日2.0g/m2，最好小于1.0g/m2，该材料在1个大气压力、1mm膜厚度和75％相对湿度的条件下测得的氧蒸气渗透率应小于每日200mL/m2，最好小于150mL/m2。由于难于找到一种具有这些特性的单个聚合物，所以第一聚合物膜和第二聚合物膜每个都是多层聚合物材料或结构。该多层结构通过将两种或多种聚合物共挤压而形成，使封装膜的复合厚度小于约5毫米(mm)，最好约为1mm。本领域技术人员知道此范围以外的其它厚度也可使用。
共挤压是一个不用溶剂的一步成形加工过程，它是一种本领域中众所周知的用于形成聚合物材料带的加工过程。该多层结构最好是一个三层结构，其中第一和第三层23、25的聚合物提供机械整体性结构，例如聚乙烯或聚丙烯。这些聚合物中每一种都可与下列材料中任一种共挤压聚偏二氯乙烯，聚酯，碳氟树脂，聚氯乙烯及异丁烯酸聚偏二氯乙烯，它们之中每一种都提供一个蒸气屏障。第一和第三层23、25将第二层27封装或夹在中间以形成封装膜带，其中第二层27例如是聚偏二氯乙烯层。接着该膜切成所需尺寸和形状以供具体应用。该聚合物封装膜以其外边缘32划定一个封装边界。聚合物封装膜最好具有相同尺寸和形状，因此当它们一层在另一层上面垂直地叠装时，它们互相对应。
可选方案是在第一聚合物封装膜上面放上第一金属箔14。只当聚合物封装膜的蒸汽屏障特性比上面所描述的差时才需要第一金属箔14和第二金属箔26。在此情况下，金属箔用于加强蒸汽屏障性。如果使用它，则第一金属箔对中地位于第一聚合物封装膜之上并完全在外边界内部。箔厚度通常小于1mm，最好约为10微米。本领域技术人员知道此范围以外的厚度也可使用而不会降低性能。
箔的另一个功能是在与质差的聚合物封装膜一起使用时将第一与第一聚合物封装膜隔开以防止可溶性问题。第一和第二金属箔最好用选自包括铝，铜，银，金，镍，不锈钢和它们的组合在内组中的金属制成。第一金属箔与第一聚合物封装膜之间的界面应没有任何气体。第一金属箔与第二金属箔中每一层都具有相同形状并划定一个公共箔边界，下面将更详细地描述。
第一电极16放置于箔边界内第一金属箔之上。第一电极的尺寸和形状如此确定以使它略小于第一金属箔。第一电流收集器18固定于第一电极上，它的一部分自第一电极中延伸至封装边界32之外而形成第一接头34。
在优选实施例中电极16和22和与它们相连的电流收集器如图2中所示地制成。简言之，图2中所示是一般电池电极37，它包括一对电极膜38，它们是将电化学活性材料粘结起来而制成，并压至一个电流收集器40上。此种类型电极经常使用的粘结剂是特氟隆(聚四氟乙烯)。电流收集器40一般是平的，有多个孔眼穿过它，最好是一张线网。用作电流收集器的材料包括镍，铜，金，银和不锈钢。电流收集器40的远端部分的41不用电极材料覆盖，适合于有作接头或接线端34。将电流收集器40的上面和下面的一对电极膜38对齐并将电极热压，即装成电极37，以使一对电极膜38通过电流收集器40的孔眼互相结合在一起。第一电极16和第二电极22两者用不同电极材料都用同一方法制成，从而一个电极用作阴极和另一个电极用作阳极。存在着多个此类电极材料及其组合，它们在本领域中是众所周知的，例如其中一些是NiOOH/金属氢化物，NiOOH/Cd，及LiNiO2/石墨或石油焦炭。
现回至图1，放置于第一电极16上的电解质20或是液状电解质，或是固态电解质，或是聚合物胶电解质物质。每一种电解质的不同类型是本领域中熟知的。此外，这意味着在顶视图中第一电极的任何部分都看不见，也即第一电极完全由电解质遮住，而第一接头34则自电解质下面往外伸出。当电解质是一个固态电解质时，它具有隔离电极的功能，同时为电化学反应提供一个导电介质。相反，如电解质是液状，则必须使用一个本领域中熟知的隔离器。为获得最佳技术性能，电解质必须与第一电极和第二电极紧密接触。如使用金属箔14和26，则电解质20最好也遮覆第一金属箔14。聚合物和聚合物胶电解质是本领域中熟知的，由于它们的固态导电能力，因此它们是优选的。
第二电极放置于电解质上，它的尺寸和形状基本上与第一电极相同，其位置与第一电极对应。第一和第二电极相似地制作，但在聚合物粘结剂中使用不同电化学活性材料以提供电势。第二电流集合器24固定至第二电极上，它的一部分延伸至封装边界之外而形成第二接头36。如第一电极中一样，延伸于封装边界之外的部分不用电极材料覆盖。第二接头水平地与第一接头34偏置(如下面所示)而不是垂直叠装。一个替代方案是接头可从电荷存储装置的不同或相反端伸出。第二电极最好如上所述地和第一电极一样地制造，也即将一个线网电流收集器夹在一对电极膜之间。
可选方案是在第二电极上覆盖一层第二金属箔26，后者最好略大于第二电极22。与第一金属箔一样，只当封装膜用的聚合物不能提供足够的屏障特性时，才需要第二金属箔。第二金属箔还有一个功能是将第二电极与位于金属箔上面的第二聚合物封装膜隔离。第二聚合物封装膜最好用与第一聚合物封装膜一样的材料制造。第一和第二聚合物膜放置时相互垂直地对齐以便装配。
为装配该装置，第一和第二金属箔，带有所固定的第一和第二电流收集器的第一和第二电极，及电解质按叠装形式配装。电化学活性叠积物(图3中的42)封装或夹于第一和第二聚合物封装膜12和28之间。这些膜可用常规加热方法或本领域中已知方法密封。在优选实施例中，这些膜用真空热密封过程密封，其中在最后密封前将空气和其它气体自封装空间中抽出。在替代方案中，由于第一和第二接头伸出封装之外，可使用一条聚合物密封条30将第一和第二接头的区域或整个装置密封。当将叠积物在封装膜间对齐后，可在封装边缘周围使用加热过程从而围绕电化学电荷存储装置在封装边界内连续地形成合缝，留下第一和第二接头从此伸出去。
图3和4中分别显示装配的电化学电荷存储装置的剖面侧视图和透视图。图3中阐述了置于第一和第二聚合物封装膜12和28之间的叠积物42。第一和第二接头34和36自封装中伸出，它们自封装中伸出的位置用聚合物密封条30密封。图4中阐述的封装的装置中第一和第二接头34和36如上所描述地互相隔开。第一和第二聚合物封装膜被密封及合缝44将封装膜密封在一起并沿封装周围连续地延伸。
如此封装的电化学电荷存储装置与封装在金属罐中的电荷存储装置相比具有显著的减轻重量的优点。如此封装的装置可以符合一定形状因数，较金属箔封装提供重量优势，较基于金属的封装具有大的加工优势。还有，当接触接头自装置不同侧面引出时，增加了设计灵活性。举一些例子看，有利地采用此封装的电化学电荷存储装置包括水溶胶和固态电池和电化学电容器。本领域技术人员知道为产生这些装置而需要的所描述的元件应该使用何种材料和具体多大厚度。这种类型的电化学电荷存储装置中每一种可用挠性地的即可适应的叠积物，因此可得益于聚合物封装。
在反复使用中有些电化学电荷存储装置产生气体。因此封装中可包括用于容纳这种气体的器件。图5中阐述了一个包括气体处理器件的电化学电荷存储装置。该装置包括电化学活性叠积物42。为处理产生的气体，在至少邻近于叠积物42一侧处放置了多孔性分隔器46。当组装该装置时，抽空其中所有气体。在装置反复使用中产生的任何气体由多孔性分隔器吸收。用于制造多孔性分隔器46的材料能与气体结合。以此方式，在该装置的使用寿命期内，该封装不会显著地膨胀。适用于多孔性分隔器的材料很多并且众所周知，其例子有多孔性瓷、石英和纤维素。除多孔性之外，唯一的要求是对装置的其它材料而言，该材料应是惰性的。虽然图5中只显示一个多孔性分隔器，但应理解在叠积物的一侧或两侧可使用两个或更多个这类分隔器。
现参照图6的替代方案，可使用一个通气口或阀门48以便让气体自装置中逸出。该通气口或阀门48允许气体单向通过。一种优选的通气装置是一个用蒸汽多孔性材料制成的膜，它阻止液体通过，例如膨胀的聚四氟乙烯，通常称之为Gore-Tex。此材料放置于聚合物封装膜内一个或多个正向孔或开口上方。所需孔的尺寸和数量决定于电化学电荷存储装置的尺寸和结构。通气口如此设计，只当到达预定阈值压力水平时才允许气体逸出。此外，该通气口可包括一块带刻痕的区域，以便当压力升高到一定程度而膜通气口不能排出足够蒸气时，该带刻痕部分即破裂以减轻积聚起来的压力从而避免出现不安全情况。通气口可在一层或两层封装膜上都形成。
本发明优选实施例已经阐释和描述过。很清楚本发明不限于此。本领域技术人员可在不背离所附权利要求书所规定的本发明的实质和范围的情况下做出许多修改，改动，变动，替换和等效的操作。
权利要求
1.一种电化学电荷存储装置用的封装材料由一种多层聚合物材料组成，所述多层聚合物材料具有每日小于2.0g/m2的水蒸汽渗透率和每日小于200mL/m2的氧蒸汽渗透率。
2.如权利要求1中的电化学电荷存储装置用的封装材料，其中所述多层聚合物材料是一种三层材料。
3.如权利要求2中的封装材料，其中所述三层材料进一步包括由共挤压的聚乙烯制成的将第二层密封在内的第一层和第三层，所述第二层选自包括聚偏二氯乙烯，聚酯，碳氟树脂，聚氯乙烯，异丁烯酸聚偏二氯乙烯和它们的组合在内的组中。
4.如权利要求2中的封装材料，其中所述三层材料进一步包括由挤压的聚丙烯制成的将第二层密封在内的第一层和第三层，所述第二层选自包括聚偏二氯乙烯，聚酯，碳氟树脂，聚氯乙烯，异丁烯酸聚偏二氯乙烯和它们的组合在内的组中。
5.如权利要求1中的封装材料，其中所述电化学电荷存储装置是一个液性电池，一个胶质电池，一个固态电池组，或一个电化学电容。
6.如权利要求1中的封装材料，其中所述材料具有小于约5mm的厚度。
7.如权利要求1中的封装材料，其中所述材料具有1mm的厚度。
8.一种电化学电荷存储装置，包括第一和第二电极，每个所述电极具有固定于其上的电流收集器；放置于所述电极之间及与所述电极紧密接触的电解质；以及用于将包括多层聚合材料的所述装置密封的封装。
9.如权利要求8中所述的电化学电荷存储装置，其中所述多层聚合物材料具有小于5mm的厚度。
10.如权利要求8中所述的电化学电荷存储装置，其中所述多层聚合物材料具有1mm的厚度。
11.如权利要求8中所述的电化学电荷存储装置，其中所述多层聚合物材料具有每日小于2.0g/m2的水蒸汽渗透率和每日小于200mL/m2的氧蒸汽渗透率。
12.如权利要求8中所述的电化学电荷存储装置，其中所述多层聚合物材料是一种三层材料。
13.如权利要求12中所述的电化学电荷存储装置，其中所述三层材料进一步包括由共挤压的聚乙烯制成的并将第二层密封在内的第一和第三层，所述第二层选自包括聚偏二氯乙烯，聚酯，碳氟树脂，聚氯乙烯，异丁烯酸聚偏二氯乙烯和它们的组合在内的组中。
14.如权利要求12中所述的电化学电荷存储装置，其中所述三层材料进一步包括由共挤压的聚丙烯制成的并将第二层密封在内的第一和第三层，所述第二层选自包括聚偏二氯乙烯，聚酯，碳氟树脂，聚氯乙烯，异丁烯酸聚偏二氯乙烯和的组合在内的组中。
15.如权利要求8中所述的电化学电荷存储装置，进一步包括位于所述第一电极和所述封装之间的第一金属箔，及位于所述第二电极和所述封装之间的第二金属箔。
16.如权利要求15中所述的电化学电荷存储装置，其中所述第一和第二金属箔中每一金属箔由选自包括镍，铜，铝，不锈钢，金，银和它们的组合在内的组中的一种金属制成。
17.如权利要求8中所述的电化学电荷存储装置，进一步包括一个位于所述聚合物封装膜与所述电极中一个之间的多孔性分隔器。
18.如权利要求8中所述的电化学电荷存储装置，进一步包括一个位于所述聚合物材料的开口之上的膜通气口。
19.一种电化学电荷存储装置，包括由一种多层聚合物材料制成的并限定一个封装边界的第一封装膜；一个位于所述封装边界内所述第一封装膜之上的第一电极，所述第一电极包括一个第一电流收集器，所述第一电流收集器具有一个自所述第一电极伸至所述封装边界之外的接头；一个包括第二电流收集器的第二电极，所述第二电流收集器具有一个自所述第二电极伸至所述封装边界之外的接头，所述第二接头位于偏离所述第一接头之处；一个其位置与所述第一和第二电极接触的电解质；由所述多层聚合物材料制成并位于所述第二电极之上的第二封装膜；其中所述第一和第二封装膜彼此密封以形成一条合缝，所述合缝基本上连续地围绕所述电化学电荷存储装置而延伸以及所述第一和第二接头自所述合缝中伸出。
20.如权利要求19所述的电化学电荷存储装置，其中所述多层聚合物材料具有每日小于2.0g/m2的水蒸汽渗透率及每日小于200mL/m2的氧蒸汽渗透率。
21.如权利要求19中所述的电化学电荷存储装置，其中所述多层聚合物材料是一种三层材料。
22.如权利要求21中所述的电化学电荷存储装置，其中所述三层材料进一步包括由共挤压的聚乙烯制成的将第二层密封在内的第一和第三层，所述第二层选自包括聚偏二氯乙烯，聚酯，碳氟树脂，聚氯乙烯，异丁烯酸聚偏二氯乙烯和它们的组合在内的组中。
23.如权利要求21中所述的电化学电荷存储装置，其中所述三层材料进一步包括由共挤压的聚丙烯制成的将第二层密封在内的第一和第三层，所述第二层选自包括聚偏二氯乙烯，聚酯，碳氟树脂，聚氯乙烯，异丁烯酸聚偏二氯乙烯和它们的组合在内的组中。
24.如权利要求19中所述的电化学电荷存储装置，其中所述多层聚合物材料具有小于约5mm之内的厚度。
25.如权利要求19中所述的电化学电荷存储装置，其中所述多层聚合物材料具有约1mm的厚度。
26.如权利要求19中所述的电化学电荷存储装置，其中所述第一和所述第二电极中每个电极包括一对电极膜及具有众多穿过其中的开口的所述第一和所述第二电流收集器，所述第一和第二电流收集器中每一个位于一对电极膜之间。
27.如权利要求19中所述的电化学电荷存储装置，进一步包括位于所述第一聚合物封装膜和所述第一电极之间的多孔性分隔器。
28.如权利要求19中所述的电化学电荷存储装置，其中所述第一聚合物封装膜进一步包括用于将由所述电化学电荷存储装置产生的气体排出的装置。
29.如权利要求28中所述的电化学电荷存储装置，其中所述排气装置包括一个位于穿过所述封装膜所形成的开口内的膜排气口。
30.如权利要求19中所述的电化学电荷存储装置，进一步包括一层位于所述第一封装膜和所述第一电极之间的第一金属膜，及一层位于所述第二封装膜与所述第二电极之间的第二金属箔。
31.如权利要求30中所述的电化学电荷存储装置，其中所述第一和第二金属箔用选自包括铝、铜、镍、金、银、不锈钢和它们的组合在内的组中的一种金属制成。
全文摘要
一种电化学电荷存储装置(10)包括带有分别固定于其上的第一和第二电流收集器(18,24)的第一和第二电极(16,22),一个位于电极之间的电解质(20)及用于将电极(16,22)与封装材料隔离的第一和第二金属箔(14,26)。封装材料包括用于将装置(10)的其它部件包封的多层第一和第二聚合物封装膜(12,28),这些封装膜(12,28)互相密封在一起。
文档编号H01M2/00GK1189246SQ96195094
公开日1998年7月29日 申请日期1996年6月4日 优先权日1996年6月4日
发明者埃德蒙德·露因, 威诺尼卡·R·雷切特, 阿那巴·A·阿那尼, 张金山 申请人:摩托罗拉公司