包括用于过充电保护的导电部分的电化学能量存储装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及电化学能量存储装置，其具有:阳极，电连接到阳极空间，在该阳极空间中设置具有第一填充水平的阳极材料；以及阴极，电连接到阴极空间，在该阴极空间中设置具有第二填充水平的阴极材料；以及离子导电分离器，其将阳极空间与阴极空间分离。本发明还涉及电化学存储模块，其包括至少两个这种电化学能量存储装置。本发明还包括用于产生这一类型的电化学能量存储装置的方法。
【发明内容】
[0002]在本发明的含义内的电化学能量存储装置可以在所需要的任何服务温度范围下操作。然而，100摄氏度到500摄氏度的服务温度范围是特别优选的。这一服务温度范围包含基于钠镍氯化物电池和钠硫电池技术操作的电化学能量存储装置。钠镍氯化物电池还可以被配置为使得电池中的镍的至少一部分被铁替代或者补充。分别在其阳极空间和阴极空间中，这一类型的能量存储装置被提供有对应的阳极材料或者阴极材料，该阳极材料或者阴极材料在其服务温度下基本上处于液态。因此，在钠镍氯化物电池的情形下，阳极材料是液体钠。在钠镍氯化物电池中，阴极材料也存在于阴极空间中，阴极材料至少部分地处于液态，并且包括镍盐混合物、氯化钠、以及其它添加剂。给定液体存货存在于设备中，阳极材料或者阴极材料的填充水平受制于地球重力场，并且因此格外容易确定。填充水平或者充满水平对应于在能量存储装置的正常使用期间相应的空间(阳极空间、阴极空间)中的材料(阳极材料、阴极材料)的平均充满水平。结合能量存储装置的正常使用，填充水平或者充满水平随着服务寿命的推进而改变。在相关材料仅旨在于部分地以液相存在的情况下，对充满水平的限定将指代所述材料的相应液相。
[0003]为了从包括多个这一类型的电连接的电化学能量存储装置的存储装置存储系统获得技术相关的电压值，多个单独的能量存储装置按惯例串联连接并且被组合成串。电化学存储模块包括这一类型的串。因此，在本发明的上下文中，串和存储模块的概念在下文中被认为是等同的概念。
[0004]在这一类型的电化学存储模块中，在一些情形下，单独的能量存储装置的容量的分散带整体上对于系统的设计和功能性质而言是非常重要的因素。特别地，单独的能量存储装置的最小容量决定整个能量存储装置串的最大有用容量。可比拟的意见可以适用于这一类型的串中的单独的能量存储装置的不同充电状态。因此，这一类型的串中具有最高充电状态的能量存储装置的充电状态决定整个系统被完全充电的时间，而具有最低充电状态的能量存储装置决定整个系统被放电的时间。例如如果充电电压在完全充电之后继续被应用于单独的能量存储装置，则其它不想要的转换反应可以在能量存储装置的活性内部空间中进行，这有时可能贡献于对能量存储装置的干扰、损害、或者甚至损毁。因此，如果一个能量存储装置已经实现了其完全充电状态，则串的进一步充电将被避免。同样地，可能的是，已经被完全放电的能量存储装置的放电可以引起这一类型的损伤。因此，如果一个单独的能量存储装置已经被完全放电，则串的放电也将被避免。因此，技术上必要的是，电化学存储模块中的能量存储装置应该在考虑这些限定条件的情况下被充电或者放电。
[0005]如已经在上面描述那样，这一类型的存储模块中的电化学能量存储装置将一致地示出就其容量或者充电状态而言的分散带。在第一实例中，这一分散带可归因于制造因素，因为不是能量存储装置内部上的活性材料(阳极材料、阴极材料)的整个称重的量都对可用的容量有贡献。还已知与活性材料的粒子尺寸关联的对容量的影响。此外，在能量存储装置的操作期间，与距离相关的电子导电路径可形成在活性材料中的单独的岛之间(渗入)，从而导致结构改变，并且因此导致能量存储装置的电参数的改变。因此，电化学反应仅可以在阳极或者阴极的如下那些区域中进行，这些区域被提供有贯穿整个转换时间的充足的电连接以充当用于能量存储装置的电流收集器。电隔离区域对转换反应没有贡献或者基本上没有贡献。
[0006]能量存储装置的单独的部件中的与服务相关的改变还可以贡献于电化学存储模块中的单独的能量存储装置的充电状态或者容量的分散带。已知，例如，在操作期间出现热应力，这可以导致离子导电分离器中的微断裂的传播。在基于钠镍氯化物电池的原理的能量存储装置的情形下，这一分离器是陶瓷分离器，其包括Naj-Al2O3或者Na-13”-Al203。在这一陶瓷分离器中出现微断裂时，例如在服务温度下，来自阳极空间的元素钠可以与阴极空间中的阴极材料(液体电解质)直接反应以形成元素铝和氯化钠。由于这一反应，离子导电分离器的电子电阻可以被减少，从而造成能量存储装置的连续自放电。如果例如这一类型的离子导电分离器通常不出若干MΩ的电子电阻，则在2.5V的电池电压下，与损害相关的电子电阻减少(例如下降到1k Ω )可以导致0.25mA的连续自放电电流的流动。
[0007]因此，存在单独的电化学能量存储装置的电串联电路时，具有最小容量或者最低充电状态的能量存储装置将最先达到完全放电时间。在这时，如果能量存储装置继续接收在相同方向上流动的放电电流，则这可以在已经放电的能量存储装置中弓I起极性逆转，从而通常造成不可逆转的损害，以至于所述能量存储装置发生与该损害相关的故障。
[0008]相反地，如果具有串联连接的电化学能量存储装置的电化学存储模块在第一能量存储装置已经实现完全充电状态的时间点之后继续被充电，则已经被充电的能量存储装置中的充电电压通常将上升到不可接受的高值，因此不可逆转的化学反应可以再次损伤能量存储装置的功能部件，或者损害能量存储装置到其发生故障的程度。
[0009]为了防止在充电和放电两者期间对这一类型的电化学存储模块中的单独的能量存储装置的潜在损害，在尝试中通常实施简单的手段以防止过充电或者穷尽性放电。例如，在电化学存储模块最初构成时，可以通过对单独的能量存储装置的针对性筛选实现有利的预选择，存储装置其容量未位于窄的容忍范围内。同样地，在电化学存储模块中的能量存储装置的操作中，可以使用实际可用的容量的仅一部分。例如，可以利用完全可用容量的仅80 %，然而因此整体上减少系统的灵活性和效率两者。
[0010]在某种程度上，在存储模块中的单独的电化学能量存储装置的常规操作中，采取针对性服务措施以便保护免受与过充电或者过度放电关联的损害。例如，各种能量存储装置的单独的充电状态的相等化可以通过对单独的能量存储装置进行针对性的充电或者替换来存储装置实现。然而，在给定的维护间隔内，这种措施不能防止单独的电化学能量存储装置的充电状态的增加的分散，使得必须预期整体上系统的可用容量的增加的损伤。
[0011]因此，本发明的基本目的是防止现有技术已知的这些劣势。特别地，旨在实现在充电期间简单地并且不需要附加电路的情况下，对存储模块中的单独的电化学能量存储装置的充电状态的适当的相等化。还期望的是，即使在维护间隔期间，也应该防止存储模块中的单独的能量存储装置的过充电，从而防止与过电压或者不想要的化学反应关联的损害。单独的能量存储装置还应该可能被安全地操作，对用户没有危害，从而同时增加了连接在存储模块中的电路中的电化学能量存储装置的服务寿命。
[0012]本发明的这些基本目的由如权利要求1所要求保护的电化学能量存储装置、如权利要求10所要求保护的电化学存储模块、以及如权利要求12所要求保护的用于产生这一类型的电化学能量存储装置的方法来实现。
[0013]特别地，本发明的这些基本目的由如下电化学能量存储装置实现，其具有:阳极，其电连接到阳极空间，在该阳极空间中设置具有第一填充水平的阳极材料；以及阴极，其电连接到阴极空间，在该阴极空间中设置具有第二填充水平的阴极材料；以及离子导电分离器，其将阳极空间与阴极空间分离，其中在电化学能量存储装置的正常操作中，离子导电分离器被提供有顶部区域和基部区域，因此在离子导电分离器的顶部区域中，提供了一个或者至少一个导电部分，其在电化学能量存储装置的正常操作中具有比基部区域中的电子绝缘的绝缘部分更高的电子导电率，使得存在电化学能量存储装置的如下至少一个充电状态，其中阳极空间中的阳极材料以及潜在地还有阴极空间中的阴极材料与导电部分结合。然而，应该注意，导电部分与阴极材料的结合对于本发明的操作不是绝对必要的。然而，如在下文中进一步详细描述那样，必须保证导电部分与阳极材料的结合。
[0014]本发明的基本目的还由电化学存储模块实现，该电化学存储模块被提供有上述电化学能量存储装置中的至少两个电化学能量存储装置，如还在下文中描述的，该至少两个电化学能量存储装置串联电互连。
[0015]本发明的这些基本目的还由用于产生上述电化学能量存储装置的如还在下文中描述的方法实现，并且该方法包括以下步骤:
[0016]-通过形成模塑基部件产生离子导电分离器；
[0017]-使用添加剂浸渍基部件，添加剂适合于形成电子导电的导电部分、进一步适合于热处理；
[0018]-为了基部件的稳定化，对其进行热处理。
[0019]根据本发明，阳极和阴极被提供有电子导电区域，该电子导电区域可以被电结合用于电压的分接(tap-off)。阳极空间和阴极空间进一步的特征在于它们包括电化学活性区域，并且因此包括经历由电化学反应造成的材料改变的材料(阳极材料和阴极材料)。
[0020]阳极材料的第一填充水平和阴极材料的第二填充水平通常根据不同的充电状态(或者放电状态)变化，其中不同量的阳极材料