用于电化学装置的电池结构及其制造方法

专利名称：用于电化学装置的电池结构及其制造方法
技术领域：
本发明涉及改进的电化学装置，例如电池、电容器、燃料电池、传感器等。更具体 来说，本发明涉及更用户友好的电化学装置，其针对装置的每重量和体积提供较高的比 功率和能量输出，且涉及制造这些改进的电化学装置的方法。
背景技术：
随着电子器件的不断进步，对应地不断需要向高级电子装置(尤其是便携式电子装 置)供电的提供能量密度、效率和安全且同时仍然是经济的电化学装置。较老的电池配 置常不适合于符合这些增加的需求。除了环境和效率问题之外，对提供电力的装置的研 究已扩展到包含混合电动交通工具的新领域。理想上，电化学装置将提供较高的电流密 度，减小电池的内阻，且有效地管理电化学装置的热输出，以增加装置的耐久性。
可通过在电极与电池集电器之间，且特定在电池中的电池之间提供大量和/或大表面 面积的连接而实现这些特征。 一般来说，为保留较高的比能量和功率、W/kg、瓦特-小 时/千克(Wh/kg)和瓦特/千克(W/kg)，当前技术和装置远远达不到这些目标。高功率
装置的第二关键特征是内部热量移除。到外部电路的高功率通常在电池内部在短时持续 时间内产生作为热量的同等量的能量。过分的升温将毁坏(例如，熔化多微孔聚合物隔 板或自燃易燃有机电解液)或显著縮短锂离子电池的有用寿命。
由物理上暴露于电解液的阴极电极和阳极电极构成的电化学装置可一般用于在化 学能与电能之间转换。外壳可包围这些电极和电解液组件，且可甚至将其密封免于与大 气接触。电池、燃料电池和电容器仅是本发明涉及到的一些此类专用电化学装置。
由于就每一对阴极和阳极电极(或电池)的电压和/或电流强度来说，电功率通常较 小，所以可在单个外壳中使用许多单独对的阴极和阳极电极或电池。集电器通常用于将 所述电池并联和/或串联地电互连，以在电化学装置的暴露端子处提供可用的电压和电流 强度输出。当离子经由电解液在每个电池的电极之间通过时，且当电子同时经由电极通过每个 电池时，电化学装置执行有用功。由所使用的组件材料的电化学反应来预先确定每个电 池产生的电压，且所产生的电流强度和/或可用功率取决于这些活动组件的配置和质量。
可按照瓦特-小时/装置重量来提供装置的比输出能量，且可按照瓦特/装置重量来提 供装置的比输出功率。由于内阻和其它低效(硬件质量和体积)，现有电化学装置的输 出值通常是理论上可能的输出值的较小分数。
对电极元件之间的离子传导的电阻是内部功率损耗的一个主要源头。可用以下表达 式来在理论上确定此类电阻R。
R =pl/A
其中
"p" (rho)是电解液的阻抗值； "1"是电解液的厚度；以及
"A"是电极元件与电解液之间的界面接触面积。
离子阻抗值p不易经受修改，且非有效为设计参数。电化学装置的设计者因此力求 降低电解液厚度"1"，且增加电极元件与电解液之间的界面接触面积"A"。
已提议阴极和阳极电极、电解液分隔和集电的不同配置。举例来说，阴极电极带可 为曲折的，以界定用于保持电解液的单独隔间，且在电解液中插入有由阴极电极隔开的 细长杆状的阳极电极。界面接触面积"A"有效地小于阳极杆的整个表面面积，因为某 些杆彼此相对，而不是与阴极相对。
而且，曲折的折叠的隔板带可界定用于保持并隔离板状阴极和阳极电极的相对隔 间，其中电解液吞没所有这些组件。在替代设计中，每一电池可形成为具有C形电极和 夹在其间的Z形隔板。或者，具有导电表面的隔板带可经折叠，且在单独相对面向的褶 之间夹有单独组的相应板状阴极和阳极电极。可通过在其自身上巻绕阴极和阳极电极和
隔板的预先形成的组合件以产生圆柱形的电化学装置来形成"胶巻"电池，其具有面对 面的电极和夹着的电解液和隔板结构，从而增加了电极之间的界面接触面积"A"。
然而正是面向的电极和夹着的电解液和隔板的广度产生另一问题起因，即组装期间 和操作期间的用以维持和支持物理上分离的电极元件的结构充足率。这包含在操作温度 改变期间(例如将电池包装到盒状外壳中)承受电池件的热膨胀和收縮力。增加夹着的 电解液和隔板的厚度来提供所需的强度和/或耐用性还增加了离子传导电解液厚度"1"， 从而抵销了由增加的界面接触面积"A"所获得的益处。
这些电池布置中所使用的集电器添加了显著重量，和因此的减小的比电池能量和功
5率输出。举例来说，隔离的导体通常连接到电极，且独立于电极沿着延长的路径被路由 到外部端子。这些导体必须携载整个电池电流，且因此必须具有充分的质量和横截面来 使内阻保持可控地低。对于经连接端子的典型电池设计，电极突出部/集电器/电池端子 电阻/电池端子电阻可占到与理论能力相比的电池功率输出中的50%的减小。通常，使用 大量连接器来避免高功率电池的功率损耗。
而且，这些电池布置提供具有有限大小和/或厚度的电极，从而限制了可用电极材料 的数量，且因此限制了最大电池存储能量和/或操作循环寿命，尤其对于可再充电电池。
这些设计的窘境在于，通过增加大体横跨电解液的界面电极面积"A"而获得的功 率增益通常被增加的电解液厚度"l"抵销，且集电器的重量和体积减小了比能量和功率 输出。可增加功率，但却是以减小的能量存储容量/重量和体积为代价，且以归因于所需 的额外硬件而增加的成本为代价。螺旋缠绕的"胶巻"配置的高界面面积"A"仅折衷 了可用功率对能量密度；但需要最小的隔板厚度以用于电池耐用性和循环寿命。现有的 双极电池布置未避免此功率和能量折衷的窘境，燃料电池电化学装置同样如此。
第5,219,673号美国专利中所揭示的巻带电池(rolled-ribbon cell)技术已跨出一大 步，实现了用于电化学装置的增强的功率密度。具体来说，应用于基于锂/有机物的电解 液化学物质，使用可堆叠的圆盘状电池来形成改进的电池，以从这些电池实现几乎最佳 的功率能力。用于高脉冲功率需求的电池的其它目的(例如，混合电动交通工具和动力 工具)将持续减少电池成本并增加耐用性。这些基于锂/有机物的电解液电池化学物质尽 管展现非常高的电压(3-5伏)，但具有相对低的电流密度能力。 一个限制因素是试图使 用相对薄的组件，即电极和隔板层。实际的装置需要大量有效区域。举例来说，在10 mA/cr^的峰值电流密度的情况下，其可需要1000 cm2的有效区域来实现IOA。对于混 合电动交通工具，所需的电流为约200-400伏下的100 A (等效于20-40 kW)。
另一窘境是形成此类电池所需的大量小电池。具有大量小电池的电池(例如，18650 电池中有l安培-小时(Ah)的容量)引起主要的功率损耗(内部热量产生)。更近的更 大电池(10 Ah)已使用棱柱形配置。这些电池具有宽广的电极，其中多个突出部连接 到传统的端子连接。这些棱柱形电池在矩形盒中被硬连线在一起(端子对端子)。然而， 实质上更大电池的此布置仍可牺牲电池化学物质的理论功率的5 0 % 。
然而，先前的纽扣型电池(通常具有5-50milli-Ah的非常小的容量)缺乏电池组装 和/或通过电池到外部端子的高电流的分布的简易性或一致性(可能归因于硬件组件的有 限导体路径)。混合交通工具电池将需要成千上万个这些电池。
因此，不断且持久地需要具有高能量密度、提供高功率输出并接近电功率输出的理论极限值的电化学装置。
用于高功率应用(例如，混合电动交通工具)的基于锂/有机物的电解液化学物质还必须并入若干特征以增强安全性和电池的耐久性。由于存在产生内部气体压力的电池操作和降级条件，所以需要没有大变动的经济的构件来解除气体压力。典型构件是在锂离子电池的外壳上包含破裂盘。圆盘外壳的破裂导致所述电池的不可还原的故障，且如果圆盘破裂，则电解液可逸离，而进一步使电池降级。
热管理在保留电池容量中(尤其归因于电解液降级)对于延长锂离子电池的寿命来说是关键的。能够产生数十kW的电池必须处置同等量的热量产生。在高脉冲功率的情况下，归因于有限的离子传导，在电极/隔板界面处产生热量。对于常规的胶巻电池来说，热损耗的最直接路径是横跨热敏感多微孔聚合物层。电池内过高的温度将在局部关闭多微孔聚合物，且较高的温度导致其它弊端。过多的弊端可导致有机电解液的自燃。

发明内容
本发明涉及电化学装置。在一个实施例中，电化学装置包括电极组合件。所述电极组合件包含多个伸长的正电极、多个伸长的负电极和多个分隔层，所述多个分隔层可彼此啮合以在所述多个正电极和所述多个负电极中的每一者之间形成连续的分隔障壁。所述多个层经定位以使得正电极、分隔层和负电极缠绕在中心轴周围，从而形成一巻交替的电极和分隔层，使得分隔层防止连续的电极层之间的直接接触，正电极层的第一纵向边缘延伸超过分隔层的第一纵向边缘，且负电极的第一纵向边缘延伸超过分隔层的第二纵向边缘。隔板被拉伸跨越电极组合件，且界定电池宽度，电极的宽度延伸超过隔板的宽度。电化学装置进一步包括外壳，其具有正极板，其电耦合到正电极的第一纵向边缘；以及负极板，其电耦合到负电极的第一纵向边缘，其中所述电极组合件被外壳包围。
在另一实施例中，电化学装置包括电极组合件。所述电极组合件包含具有第一纵向边缘的伸长的正电极、具有第一纵向边缘的伸长的负电极，和具有第一纵向边缘和第二纵向边缘的分隔层。正电极、分隔层和负电极缠绕在中心轴周围，借此形成一巻交替的电极和分隔层，使得分隔层防止连续的电极层之间的直接接触，分隔层的第一纵向边缘延伸超过分隔层的第一纵向边缘，且负电极的第一纵向边缘延伸超过分隔层的第二纵向边缘。所述装置进一步包括外壳，其具有正极板，其电耦合到正电极的第一纵向边缘；以及负极板，其电耦合到负电极的第一纵向边缘，其中所述电极组合件被外壳包围。所述电极组合件比所述外壳的板略宽。
在以下描述中更详细地陈述且在下文描述的图式中说明上文所描述的实施例。


以下将结合附图描述本发明的优选示范性实施例，其中相同的标号标示相同的元件
且
图1是本发明的电极组合件中的电极/分隔层配置的剖开透视图；图2是展示自身巻绕电极组合件以界定适合于形成根据本发明的电化学装置的类型的巻带电池(叠层电池隔膜)的右侧面视图3描绘用于制造本发明的电极/隔板组合件的过程；
图4是沿着图3的过程的线4-4截取的电池预组合件的横截面图；图5是沿着图3的过程的线5-5截取的电池预组合件的横截面图；图6是沿着图3的过程的线6-6截取的电池预组合件的横截面图7描绘本发明的电化学装置的外壳；
图8是并入本发明的电极组合件的双极电化学装置的径向边缘截面；
图9展示通过堆叠本发明的圆盘状电化学电池而制成的高电压电池，以及沿着线9-9截取的高电压电池的横截面图和详细横截面图IO描绘可实现电化学电池的较大冷却的本发明的实施例；
图11描绘有益于内部排热的电极和电池硬件的布置，其中负电极(底部)和正电
极(顶部)与电池硬件的相对面连通，以从隔板界面(通常为赛尔伽德(Celgard))移除热量；
图12描绘在HPPC测试期间(60A的放电脉冲)对巻带电池的表层温度监控；图13描绘在75W和IOOW，或6C和8C速率下来自恒定功率全放电的电池温度(5Ah)的曲线图14描绘Ragone曲线图，其将巻带电池与螺旋缠绕的锂离子电池在高功率输出下(25°C)的比能量进行比较；
图15描绘经受100 A (20 C的速率)18秒放电的电池的电池电压和电流对时间的曲线图16描绘平板电池电阻对充电的状态(来自HPPC-高测试)的曲线图，其演示可用电池容量的扩大(5 Ah);
图17描绘在180A下(35 C的速率)脉冲以为这些电池提供超过500W以用于2.4kW/kg的峰值比功率的电池的电流对时间的曲线；
图18描绘具有取决于充电电压控制的初始过量正(锂金属氧化物)容量的锂离子电池的可逆短路。4.125V下的"旁路"电流可用于均衡电池中的这些电池的容量。
具体实施例方式
本发明提供改进的电池布置，其涉及正电极和负电极的定向、插入的隔板和/或电解液以及在制作电化学装置中使用的集电器。所述改进的电池使用具有由交替布置的大体平行的正电极和负电极组成的叠层电极/箔的电极组合件，以及由以紧密蜿蜓方式配置且物理上插入在电极之间的非常薄的离子导电带状层形成的隔板层和/或电解液。此基本层叠电池预组合件以平坦圆盘的大体形状(其中直径优选大于圆盘厚度的两倍)例如通过将其缠绕或巻绕为螺旋状以形成电极组合件而层叠于其本身上，且电池膜片夹在板状集电器之间(其中电极界面主要垂直于集电器)以构成电化学电池。
在-」个实施例'—1'，本发明提供一种由电极组合件构成的电化学装置，所述电极组合件包含(i)具有第一纵向边缘的伸长的正电极；(ii)具有第一纵向边缘的伸长的负电极；以及(iii)具有第一纵向边缘和第二纵向边缘的分隔层。在电化学装置中，正电极、分隔层以及负电极缠绕在中心轴周围，借此形成一巻交替的电极和分隔层，使得分隔层防止连续电极层之间的直接接触。另外，分隔层的第一纵向边缘延伸超过分隔层的第一纵向边缘，且负电极的第一纵向边缘延伸超过分隔层的第二纵向边缘。昂贵的电极涂层的较有效使用提供了若干优点，即，每电极重量较大的功率输出。电池电力相对于电池容量增加了大约二十倍。用于巻带的电池硬件与具有端子柱的棱柱形电池相比是电池重量的较小部分。大的电池间连接(面对面堆叠的圆盘)有效地将功率传输到电池端子。
电化学装置还可包含外壳，其具有电耦合到正电极的第一纵向边缘的正端子和电耦合到负电极的第一纵向边缘的负端子，其中电极组合件由外壳包围；以及电解液，其邻近于电极组合件且包围于外壳内。
外壳通常包括包含正端子的第一杯和包含负端子的第二杯。以此方式，第一杯和第二杯接合在一起以形成外壳，使得第一杯和第二杯彼此电隔离，且进一步其中正端子和负端子是大体上平面的。
在另一实施例中，外壳密封电池的内含物以免与环境大气接触，使得压力释放组件或特征可在外壳内的压力达到预定限值时释放外壳内积累的压力，同时在外壳内积累的压力释放之后保持电池可操作。
这些电化学装置中的一者或一者以上可并联或串联地电耦合在一起。当耦合时，电极组合件中的一者可提供用于在电极组合件变为不操作时短接电极组合件的组件。
在又一实施例中，由于电极的垂直定向而展现优良排热的装置的外壳包含允许媒介在外壳内、通过外壳或在外壳周围循环的通道，其进一步提供装置的冷却。在巻带电池中，电极箔充当电极/隔板界面处的冷却鳍以将热汲取出到达电池外壳。热损耗的最直接路径不是穿过热敏分隔层的层，而是到达可与冷却流体接触的电池外壳。
装置的再一实施例，正电极没有物理附接(例如以冶金方式焊接在一起)到正端子，且负电极没有以冶金方式附接到负端子。
本发明的电化学装置的另一实施例组合了电极组合件，所述电极组合件包含(i)伸长的正电极；(ii)伸长的负电极；以及(iii)分隔层，其具有耦合到电极组合件以用于在电极组合件变为不操作时短接电极组合件的组件。在此实施例中，正电极、分隔层和负电极缠绕在中心轴周围而形成交替的一巻电极和分隔层，使得分隔层防止连续电极层之间的直接接触。此实施例也可包含由电耦合到正电极的第一纵向边缘的正端子和电耦合到负电极的第一纵向边缘的负端子构成的外壳，其中电极组合件由外壳封闭。外壳还封闭电解液。此实施例可进一步包含压力释放组件，其在外壳内的压力达到预定限值时释放外壳内积累的压力，其中电化学装置在外壳内积累的压力释放之后仍可操作。
在又一实施例中，包括与电解液接触的电极组合件的电化学装置耦合到外壳且由外壳封闭，所述外壳拥有压力释放组件的功能性。电极组合件由至少一伸长的正电极、伸长的负电极和分隔层构成，其中正电极、分隔层和负电极缠绕在中心轴周围，借此形成一巻交替的电极和分隔层，使得分隔层防止连续电极层之间的直接接触。电极组合件耦合到外壳，其具有电耦合到正电极的第一纵向边缘的正端子和电耦合到负电极的第一纵
向边缘的负端子。压力释放组件在外壳内的压力达到预定限值时释放外壳内积累的压力，其中电化学装置在外壳内积累的压力释放之后仍可操作，且密封件使其自身再次密封。内部气体压力控制是在不危害电池的预期寿命的情况下实现的安全特征。其通常以破裂盘实现，所述破裂盘将在破裂时致使电池损失。在本发明中，以弹簧加载外围密封电池的堆叠来完成压力释放。因为电池本质上可排气以释放气体压力，因此其将使其自身再次密封。密封配置已通过使用聚乙烯垫片和硅树脂流体冷却剂两者而增强了对湿气渗透/扩散的排斥。因为没有对电池的增加的组件，所以此用于内部压力控制的设计是经济的。
在再一实施例中，包括与电解液接触的电极组合件的电化学装置耦合到外壳且由外壳封闭。电极组合件比外壳的平行板略宽。电池外壳的两个伸縮半部被压在一起，其中巻带电极元件在内部。使用规定的压缩负载来启动和操作电池，且作为堆叠电池的部分而在电池中继续工作。
在再一实施例中，包括与填充有电解液的隔板接触的电极组合件的电化学装置耦合
10到外壳且由外壳封闭。Z折叠式隔板被拉伸跨越电池元件厚度。折叠式隔板界定电池宽 度和电极带超过隔板的延伸部。此程序可实现超过隔板的最小0.1-0.2 mm的延伸。Z的 索引可在电池宽度上分布重叠。并非隔板在电池宽度的"第一"三分之一上的重叠的一 半，我们可将其移动到中间三分之一，随后移动到最后三分之一，随后返回到第一三分 之一且重复。尤其对于具有100个线圈的较大电池，分布的隔板重叠改善了电池元件的 完整性。
此外，隔板被拉伸以控制绕线电池的紧密度以形成刚性圆盘。 双层隔板和/或隔板涂层的使用可用于增加电池元件完整性。
在与隔板相关的接续实施例中，外部塑料带(用以完成电池绕线)热焊接在适当位 置，且保持线圈张力。此外，当电极材料层在初始电池充电期间膨胀时，外部塑料带提 供环向应力以限制巻带元件。隔板层处于压縮中以用于完全充电(形成)的电池。
在再一实施例中，包括与电解液接触的电极组合件的电化学装置耦合到外壳且由外 壳封闭，所述外壳容易拆卸以用于电池材料的再循环和/或再生。可使得具有压力密封件 的外壳在不受限时完全打开。在一种方法中，将电池呈递到真空，且电池爆开。移除外 部保持带，且电池可散开成为阳极、隔板和阴极三个个别的巻。
个别的巻可有助于材料的再循环的过程和成本。其进一步改善使用周期的经济，且 /或实现电池复原处理，其中可处理电极带且可以新的隔板重建电池。
在再一实施例屮，电池外壳的两个伸縮半部被压在一起，其中在内部由相对大的聚 乙烯塑料(相对低温熔化的聚合物材料)外围密封件分离的巻带电极元件可用于在破坏 性情形下温和地短接电池。不期望电池经历破坏性条件(例如，扔到火中、钉子穿透、 压碎等)而形成高电阻短路，从而致使局部化加热和高温。较温和的故障(避免爆炸) 由良好分布的短路引起。 '
在再一实施例中，包括具有锂离子电化学物质的电极组合件(具有过量正电极容量) 的电化学装置可形成可逆短路。也就是说，向负电极供应超过典型范围的Li。对于 C/LiNiCo02化学物质，过量的负容量比率是1.4或更大。其它化学物质可能需要不同的 比率来展现可逆短路现象。此现象表现为由于电池的独特致密性而发生。如此，保护电 池免于破坏性地过充电。此可逆电池短接机制也可用于在没有电子构件的情况下均衡电 池(使所有电池具有相同的充电状态)以最大化总体电池性能。
由于锂离子电池的昂贵(其也提供最大的电化学电位和最大的能量内含物)，本发 明的巻带电池配置对采用锂/有机电解液电池化学物质的电池具有特定的实用性，但本发 明也良好地适用于其它电池化学物质，包含但不限于镍/金属氢化物和碱性电解液系统。
11特定来说，所述技术以减少的成本提供了高脉冲功率装置，且其具有产生kW级功率的 优良热管理。
本发明的改进的电池布置使用带状电池合件，其中当在横截面图中观看时经涂覆的 箔电极条带延伸超过折叠式隔板的边缘。延伸的电极区域可具有较少的或没有活性电极 材料，且电极带优选涂覆有金属箔或其它电子传导材料，例如碳纸和/或导电聚合物。对 于5英寸直径的电池，通常实现与电池外壳的100到250英尺的电极边缘接触。
本发明借助于将电极条带延伸超过分隔层而提供增加的电极材料或电池容量。并不 是如同早期的纽扣型电化学电池那样使电极圆盘应用于巻带电池或电池隔板隔膜的主 要表面，而是电极延伸部界定电极材料的储集区。随后在将电池装到圆盘包围硬件中时 将这些延伸部压实为圆盘。
本发明还提供隔板带配置，其中分隔层的褶在每一边缘处向上和向下定向。在横截 面中，隔板是"Z"配置，其中在褶之间具有界定的距离。此布置用以相对于隔板对准 电极带，且帮助确保在电池线圈操作期间将电极和隔板定位。此对准有助于形成平坦圆 盘电池。
本发明可提供电子组件，其可用以电移除短接的或有缺陷的电池。优选例如通过起 始电池线圈而使电子组件嵌入在电池内，且优选驻留在电池的中心毂内以便于制造。在 优选实施例中，利用二极管来移除(或短路)不操作的电池。类似地，组件可用以在过 充电或过高电压的条件下旁路电流。
本发明还提供纽扣型电池包围物。其由两个相对的浅杯组成，所述杯通过在外边缘 处的聚合物"U"形垫片而彼此电隔离。垫片进一步形成用于电池的内部内含物的气密 密封件。这些杯部件与另一电化学电池的垂直电极部件介接以充当集电器和电池端子两 者。正电极衬底本质上与正端子表面是相同材料，且负电极衬底本质上与负端子表面是 相同材料。正的通常是铝，且负的通常是铜。巻带电池合件是圆盘，其比组装的集电器 杯的平行表面之间的距离略宽，以确保与电极箔衬底的接触。
本发明还提供通过将多个纽扣型电池堆叠在一起而组装的高电压和高容量电池。所 述电池通常串联连接。对内部气压的控制和堆叠中纽扣电池之间的接触压力的维持可用 有效压力来实现，例如贝勒维尔(Belleville)弹簧垫圈。对内部压力的规定限制是经由 外围密封件通过释放来处置，所述密封件可在一事件之后再次密封。
本发明还提供通过在电池堆叠周围和在圆盘形电池之间歧管输送冷却流体而提供 无源热管理的增强。恒温控制将流体抽吸到例如散热器或小冷冻单元等外部冷却。纽扣 型电池包围物的电池硬件盘从电极/隔板界面导热。此外，经由纽扣电池的表面之间的流动通道，实现较直接的热移除。
本发明还提供制造经改进的电池构造及其电化学装置的方法。
根据本发明的巻带电池配置可释放接近于5-10Ah容量的实质较大电池中的Li/有机 电解液电池化学物质的理论功率的100%，且具有来自单个电池的100-200 A的脉冲电 流。此外这些可堆叠的优选具有125 cm直径的电池，电池间接触可以来自电池端子的 电池电平传递功率。而且，给定量的昂贵锂化Ni/Co氧化物电极/电解液材料的有效使用 可产生显著的成本优点，以及热管理中的优点。在可堆叠圆盘电池外壳内使用的巻带电 池将提升这些昂贵电池材料的寿命。不同于棱柱形胶巻电池，可经由短路传导路径从电 池汲取出来自巻带电池的内部产生的热，而不越过热敏多孔聚乙烯/聚丙烯隔板。因此， 可操作本发明的电池而无需有源热管理。
图1的放大剖开透视图说明适于形成例如电池、燃料电池、传感器或电容器等电化 学装置的电池预组合件10。电池预组合件IO具体来说包含交替布置的大体平行的正电 极12p和负电极12n，以及插入在其间的在某种程度上呈叠层结构形式的隔板或电解液 层14。在本发明中，术语阳极和阴极也将用于电极，在某种程度上是可互换的，以及术 语隔板和/或电解液。在所说明的电化学电池装置中，隔板/电解液14是离子传导材料， 正和负电极12p和12n都是离子和电子传导材料，且电池的端子是电子传导材料。这些 组件的实际材料可取决于电化学电池的类型。电极大体上是涂覆有活性电极材料的微粒 的金属箔。合适的电极的实例包含而不限于10微米Al或Cu，且可促进低电池电阻和 热移除。由于本发明的电池的配置，即其较短路径长度，可利用其它材料，例如碳纤维 垫，其大体上具有比金属箔低的导电性。阴极的优选材料是锂化金属氧化物，而阳极的 优选材料是碳和/或石墨。
两个电极均可由在8个重量百分比(重量％) PVDF (聚偏氟乙烯，例如来自美国埃 尔夫阿托化学公司(ElfAtochem)的Kynar 720)结合混合料中保持的高表面积粉末组 成。正电极还含有8重量％的碳黑(例如，中间相碳微球(mesocarbonmicrobead，MCMB) 或碳黑)以用于导电性。两个电极均作为浆料施加于金属箔(通常为10微米厚铜箔用 于负电极，且25微米厚铝箔用于正电极)，所述电极在干燥后随着多孔层(每侧为50 微米厚)通过PVDF结合剂被固定在一起而粘附，且稍后用电解液渗透。对于锂离子电 池化学物质，存在两种主要类型的阴极材料锂镍一钴掺杂氧化物和锂锰氧化物尖晶石。 两种组合物均可从北卡罗来那州加斯托尼亚28054的FMC公司锂部门得到，分别为 Lectro Plus 600和Lectro Plus 300。优选的组合物是Li Nix Coy Mz 02，其中Ni x为 0.6<x<0.8， Coy为O.l <y< 0.3，且Mz (例如，Al) 0.05<z<0.1。组合物LiMn204是其
13中2 Li:Mn比率是1.02-1.06: 1。
隔板14通常是多微孔聚合物膜，其需要在经历机械操纵以形成电池预组合件10之 后维持物理完整性。优选地，隔板14是称为CELGARD 2300和CELGARD 2400 (北 卡罗来那州夏洛特赛尔伽德有限公司)的聚乙烯/聚丙稀膜、称为NAFION (密西西比 州圣路易斯市兜化学公司(Dow Chemical Company, St. Louis, Missouri))的聚合物膜， 或具有锂双-三氟甲磺酸酰胺(威斯康星州密耳沃基市西格玛-埃尔德里驰公司 (Sigma-Aldrich， Milwaukee, Wisconsin))的聚乙烯氧化物。如图1可见，正电极12p和 负电极12n延伸超过隔板层14的边缘。优选地，电极延伸超过隔板层的边缘0.1到1.0 mm,例如0.5mm或更多。所属领域的技术人员将容易能够基于包含电极厚度、隔板厚 度和电池的物理要求的若干因素来确定电极应延伸超过隔板层的优选长度。
电池预组合件10的横截面展示电池预组合件具有相对侧16p和16n以及相对侧18e 和18n。负电极12n延伸到侧16n和18n且沿着所述侧，正电极12p延伸到侧16p且沿 着侧16p的盘，且隔板或电解液14界定整个侧18e且完成侧16n、 18n和16p的其余部 分。具有此横截面的电池预组合件10可无限伸长。
可通过采用其它常规的技术来形成电池预组合件和/或电池膜片。用于电极或隔板/ 电解液的材料可以柔性或柔软的形式可用以作为薄带挤压出和缠绕。电极的组成材料也 可作为液体或作为将被混合且用结合剂/溶剂系统流体化的粉末而可用，其可被挤压出或 选择性地铸带或在需要时通过模版涂刷。粉末可非常精细(l-10微米大小)且当混合时 可构成混合物重量的60-90%，结合剂/溶剂进行平衡(优选约20%)。结合剂可选自包含 以下各项的群组聚乙烯醇、PVDF (聚偏氟乙烯聚合物)，或热固树脂，例如可通过解 聚合而分解的聚异丁烯。也可添加例如丁苯甲酯等增塑剂以允许在低温下对材料进行机 械加工(巻动、起皱、挤压出)。
电池预组合件10可自身围绕中心孔24巻绕以产生巻带电池的连续层10a、 10b和 10c。图2是右侧面视图，其展示电极组合件22自身巻绕以界定适于形成根据本发明的 电化学装置的类型的巻带电池(叠层电池膜片)。
举例来说，图3中的电极带通常是已涂覆有活性电极微粒(约400 U.S.mesh)的薄 均匀层(25到100微米厚)的金属箔带。电极微粒保持在PVDF基质中。将电极制备为 涂料状混合物，其具有溶解于NMP (l-甲基-2-吡咯垸酮)中的约8重量％的PVDF。电 极混合物通常由刮刀施加。受控的干燥移除NMP，留下通过PVDF结合剂附接到箔的 电极微粒。完成的电极带在干燥室气氛中通过电池线圈而经处置且组装到用于每一电池 的纽扣状外围密封(气密)包围物内。本发明的电池预组合件10的形成可如图3中所描绘通过将隔板14的条带折叠为Z 形状且将电极12p和12n滑动到隔板14的相对褶中(通常以合并块来执行)。在图3中， 将单个电池预组合件说明为通过芯棒(未图示)缠绕到中心芯24上以形成单个螺旋电
池膜片。通常位于干燥室内的电池制造设备含有三巻带材料以将正电极、负电极和隔板 供应到缠绕器。
形成如图3的电池的方法可颠倒以准许为了电池材料再循环和/或复原的目的而分 离电极和隔板材料。再循环材料恢复可通过首先如图7中爆开电池外壳而进行。爆开电 池的方便方法是使将不受约束的电池置于真空中。内部气体膨胀推开伸缩的电池杯半 部。随后，电极和隔板的带可分离缠绕以协调进一步恢复处理。
如图4和5中可见，在连续步骤100、 102、 104和106中将电极12p和12n折叠到 隔板14中。优选地，电极12p和12n延伸超过隔板层的边缘约0.5 mm。在电池预组合 件IO形成之后，接着在步骤108中将预组合件IO缠绕为圆盘形状处于其自身的下伏层 上(图6)。液体分配器(和/或尖头)或粘合带(未图示，但定位于图5与6之间)可 (例如，使用聚偏氟乙烯的有机溶液，例如KYNAR 720)将隔板/电解液14的边缘20 胶合到下一连续隔板层的边缘20以将邻近层的隔板/电解液元件密封在一起，以界定巻 绕的电池膜片。适当的结合剂/密封剂可同样通过其它构件(未图示)施加于此层界面。 隔板/电解液14与下伏的邻近隔板/电解液层14密封，且有效地闭合正电极12p的末端， 使其仅向-一侧敞开，而负电极12n仅向相对侧敞开。
在以所揭示方式形成电极组合件22时，带状电极元件和隔板/电解液元件是柔韧的， 其大体上由嵌入在聚合物基质中的电极或隔板/电解液的特定活性材料组成。图2的经巻 绕电池膜片可进一步在辊或类似物(未图示)之间 在径向和轴向上稍微压缩，以在电池 预组合件的组件与邻近的电池预组合件的线圈层之间建立和/或确保稳固接触。
优选地，在制造过程期间拉伸电池线圈以维持电极/电解液(隔板)界面以获得最优 性能。此配置增加了对隔板材料和厚度的可接受的选择。可例如对隔板进行涂刷。缠绕 的圆盘通常在完成时由于非传导外环或圆盘形电池的最终包裹物的结合而在物理上受 限制。
芯24可含有或大体上包含用于电池控制的电组件。此电组件在电池变为不操作时 优选通过短接电池来从操作中移除电池。二极管可从电池堆叠的操作中有效移除故障的 电池，或防止来自过高充电电压的过充电。优选的二极管是肖特基(Schottky)反向阻 断0.8 V开关二极管，其充当用于电池电荷控制的集成电路bq24007 (由美国德州仪器 提供)的低"掉落(drop-out)"。此二极管集成了 1.2A-MOSFET，且还提供电荷-电压限制，例如4.2伏，用于消除过充电损坏。将二极管嵌入电池内使得对电池的控制更直接。 或者，中心芯24可由电极材料12p或12n或隔板14制成。
根据图3和6，使用导杆26来对准突出的电极边缘以形成平坦圆盘。导杆也可用以 清理电极箔边缘的毛刺，且也可用于从箔的极边缘部分移除电极涂层。此特征有助于最 小化电极与集电器之间的后续接触电阻。对于具有显著电极突出部(备用容量)的设计， 导杆用以在缠绕圆盘形电池时弯曲/压实电极边缘。优选地，在相同方向上弯曲突出的电 极以提供共同定向。虽然隔板14的优选配置是Z形的，但隔板14可涵盖所属领域的技 术人员设想的其它实施例，只要在完成装置中隔板使连续的电极彼此充分隔离即可。举 例来说，隔板14可以U形配置，其中电极12p和12n放置于U的褶内。另外，虽然图 1所示的电池预组合件IO具有被一个Z形隔板14分离的两个电极12p和12n，但如所 属领域的技术人员将容易理解，电池预组合件10不限于此配置。举例来说，电池预组 合件可通过提供较宽的隔板层14且在其中提供更多褶以用于接纳电极12p和12n而具 有由隔板层14分离的两个以上电极12p和12n。
作为本发明的优选实施例，电化学装置涉及"胶巻(jellyroll)"配置。电池预组合 件10可自身层叠或巻绕为例如图2所示的螺旋，其中一匝的负电极侧18n抵靠邻近匝 的隔板或电解液侧18e而密合以使电解液侧18e面向外。隔板边缘可形成对接接头以分 离连续的电极层。优选地，隔板边缘可重叠、用在巻动操作期间施加的胶水接合或此两 者操作，以确保连续的电极层的完全分离。可操纵"Z"的腿部以使得隔板材料的重叠 可在电池厚度上以递增方式定位。可大体上对准侧16p和16n，使得巻绕的邻近电池预 组合件层10a、 10b、 10c等实际上可形成在大体上横越或甚至垂直于电极12p和12n的 伸长方向的方向十.延伸的叠层电极组合件22。虽然作为圆盘的电极组合件22优选由自 身巻绕的一个长电池预组合件IO构成，但可围绕一共同中心轴巻绕例如2、 3、 4、 5或 更多的多个电池预组合件以形成电极组合件22。绝缘材料、隔板或电解液材料的内部中 心孔24可用于起始线圈，使得电池膜片可不具有中间空隙或间隙。所属领域的技术人 员将容易明白，电极组合件22可具有任何所需的厚度或直径。最终，塑料环或塑料包 裹物40 (图2未图示)用于保持线圈处于巻动压缩且免于散开。
例如图7所示的合适的容器外壳28安置在电极组合件22的周围以使正电极12p和 负电极12n彼此电隔离，借此形成电池30。外壳28还用以含有电极组合件22，且密封 电池的内含物以免与大气接触。外壳28优选含有围绕且接触电极组合件22的电解液。 优选的电解液是来自Ferro公司的溶解于有机碳酸酯(例如，EC:DEC 1:1，其中EC:DEC 是碳酸乙二酯:碳酸二乙酯)中的锂盐LiPF6。优选地，进入缠绕的电池圆盘中的电解液渗透是在惰性气氛(例如，干燥室)中执行，且包含使用真空来用电解液渗透电极和隔 板的精细孔结构。图7中描绘外壳28的优选配置。如图7可见，外壳由接合在一起的 两个杯28p和28n组成，且通过位于杯28p和28n外围周围的密封件32而彼此电隔离。 优选"U"形密封件32由聚乙烯制成。杯28p和28n的向外面的至少一部分是电耦合到 电极组合件22的电极中的仅一者的端子。优选整个杯28p和28n是用作端子的合适的 材料以增加导电性。杯28p和28n的组合物可为任何合适材料，但优选杯是由与电极材 料12p和12n (且特定来说，电极的无源部分)相容的材料制成。更优选地，电极箔衬 底材料12p和12n大体上是与杯材料12p和12n相同的组合物，以便分别最小化电极12p 和12n与杯28p和28n之间的接触电阻。当电池采用锂离子电池化学物质时，接触正电 极的杯28p的优选材料是铝，且接触负电极的杯28n的优选材料是镀铜不锈钢。此材料 选择同样适合于锂/聚合物化学物质。对于Ni/金属氢化物电池，可选择Ni和不锈钢的杯 以获得腐蚀稳定性。金属化导电聚合物杯可代替金属部分以准许为电池化学物质中的任 一者减少重量。在其它实施例中，圆盘形电池包围物的导电性可从导电塑料获得，因为 电子仅需要穿过其厚度，且其具有例如与堆叠中的下一电池的较大接触面积。
图8说明具有火体上彼此相对且在主要横越成对的集电器的轴向方向上延伸的表面 配置的正电极12p和负电极12n，且隔板/电解液14遵循倒"Z"配置，其具有大体上在 横越成对的集电器的轴向方向上伸长的部分。电极因此主要沿着大体较薄且带状、平坦 且在大体垂直于预组合件的侧16p和16或电极组合件22的轴向方向上延伸的区重叠。 正电极12p和负电极12n在电池膜片上交替布置，且分别与成对的杯28p和28n的端子 中的仅一者在电性上是共同的。
图8的此电池配置提供邻近的正电极与负电极之间的界面区域(类似于上述算法中 识别为"A"的区域)，其包含(1)每一电极的闭合端与相反极性电极材料层之间的横 越区；以及(2)每一电池预组合件与邻近电池预组合件的相对电极之间的重叠轴向区。 由电极的横越区(1)贡献的总界面面积将是电池的总体横越平面面积或电池端子的近 似正面面积(固定量)减去正电极或负电极的近似总面积。另一方面，由轴向区(2) 贡献的总界面面积可仅取决于电极比例而为显著较高的倍数。在典型的优选预组合件10 中，相对侧16p和16n可间隔开小于9mm的宽度，且相对侧18e和18n可间隔开0.1-1.0 mm之间的高度。由于预组合件高度包含两个电极的厚度和隔板/电解液厚度的两倍，因 此这些组件的个别厚度可小于0.1 mm。电池预组合件的优选宽度与高度比率更具体来说 将在大约正方形与非常平坦之间(以例如1比1与50比1之间的比率)。
因此可使得由轴向重叠的电极区贡献的总界面面积为由5个横越区贡献的总界面面积的一百倍，且因此，此电池配置可提供比邻近平面集电器的单一面积大一百倍的电极 界面面积。当在优选的电池中时，电极组合件22的近似厚度可非常小，例如9mm或更 小，同时插入在电极之间的隔板/电解液的厚度同样非常小，例如小于0.1mm。
在一些实施例中，电池的圆盘形状对实现高功率和优良内部排热是重要的。这尤其 是因为圆盘可堆叠在一起以形成电池。相对圆盘尺寸是电池半径与电池厚度的比率为 10:1， 21 mm厚X220 mm半径到2mm厚X15mm半径的电池大小范围是优选的。典型 的电池可为6.5 mm厚X65 mm半径。
如图9屮，包含外壳28的电池30优选堆叠在一起且具有介入的冷却剂通道42，且 包含在具有来自端板50的弹性压缩的较大外壳52内。圆盘形状对于对电池的无源热管 理也是重要的，其提供了固有的安全特征。电池外壳可充当用于内部产生的热的散热器。 在持续的高功率放电(500 W/kg)中，存在电池温度的小于IO'C的升高，且在电池内在 最苛刻的高脉冲功率要求下，存在小于2'C的温度升高。(图12和14)。此电池温度控 制的程度指示高功率应用的无源热管理和固有安全性。请注意，冷却流体不是对本发明 的电池在正常、脉冲或高功率放电条件下单次或多次使用时的操作的要求，但在一些设 计中可能需要提供如同其它装置中那样的有效冷却。对堆叠电池电池的热管理依赖于单 个电池排除堆叠电池布置中的热的能力。
如图8中，每一电池30等通过以下方式而大体上被密封围绕电池的正和负电极 材料层12p和12n的外围周围安置的导电杯状外形28p和28n，围绕电池预组合件10的 外围周围且插入在外形28p与28n之间的塑料绝缘体环40，以及"U"形绝缘体/密封件 32。每一电池被密封在外壳28中，具有由密封件32分离的内壁和外壁。通常为聚乙烯 的密封件32也可为粘合剂聚合物(例如，Surlyn)以在不要求压力释放密封的地方在无 压力负载的情况下密封电池。
如图9的部分横截面中所见，每一电池30可在外壳28中具有冷却剂通道42。或者， 可通过放置夹在邻近电池的外壳28之间的波纹材料45来提供冷却剂通道42。在冷却通 道由波纹材料45形成时，通过导电膏或点焊来在外壳28与冷却剂通道42之间维持热/ 电传导性。
每一单位电池预组合件10和电极材料夹层12n和12p以及杯28p和28n因此构成 电化学装置的完整电池30。在每一电池中，每一相应电极12p和12n的敞开端分别与杯 28p和28n在电性上是共同的。或者， 一片导电材料可插入在电极12p和12n与杯28p 和28n之间。电池预组合件10在大体上平行于杯28p和28n的大体径向方向上与电池 30交叉，且其中的隔板或电解液14釆用平坦的蜿蜒配置以主要在轴向方向上延伸且横越集电器，且主要包含大体上轴向安置的部分和径向安置的较小部分。
提供许多个别的单位电池30以构成如图9说明的优选电化学装置46。装置的常见 应用是具有串联连接的电池，其将通过堆叠电池30且随后将其限制为单个单元来增加 装置的电压。电池提供累积的电池电压输出和共同的电流输出。所说明的杯28p和28n 本质上是双极的，其每一者具有与邻近电池的正电极12p或负电极12n接触的相对面。 最末端杯28p'和28n'接触端子48p和48n以提供电化学装置到外部装置的外部连接。不 要求电化学装置46由各自具有个别外壳28的多个电池30构成。或者，每一电极组合 件22可通过任何合适的集电器与邻近的电极组合件分离。有效地，集电器将因此取代 外壳28的杯28p和28n，且执行与其大体上相同的功能。
当经由隔板/电解液14在正电极12p与负电极12n之间转移离子时，且同时当经由 杯2 8 p和2 8 n的端子之间的电极和邻近电极材料层传送电子时，发生图9中所说明的电 化学装置30的可用工作。在优选实施例中，通过使电极衬底和端子杯表面为相同材料 而发生从电极到端子的低电阻电子和热传递两者。或者，杯28p和28n可点焊在一起且 具有冷却剂通道42，以在每一电池外壳30内依序组装具有电极组合件22的电化学装置。 在用冷却剂通道和外壳杯的单位组合件组装电池的过程中，每一电池在堆叠的顶部上被 连续地组装在其外壳内。
在沿着平坦电极和邻近电极材料层的轴向方向或垂直于集电器的方向上发生大部 分电子转移。如上所述，正电极和负电极12p和12n在其相对敞开端处分别与每一电池 的正材料层12p和负材料层12n在电性上连续。经由电极到电子通道的电阻与离子电阻 相比将大体上可忽略。可以适合电化学装置目的的厚度制成夹着的电极材料层12p和 12n,其中较厚的厚度增加了电化学装置的容量。
穿过杯28p和28n的端子的电子通道是处于横越其的轴向方向上，因此这些组件可 具有薄的轻重量的导电构造。由于集电器而引起的内阻与离子电阻相比也可忽略。较大 的问题在于电极到集电器的面上的接触。可用例如NoAlox (伊利诺伊州西莫克市爱迪 尔工业公司(Ideal Industries, Sycamore IL))的非氧化导电膏来保留或增强面传导性。
将经由轴向延伸的邻近重叠的成对电极12p和12n之间的界面区域"A"在径向方 向上且大体上平行于杯28p和28n的端子而发生大部分离子转移。还在电极和邻近的相 对电极层的闭合端之间在轴向上发生某种离子转移。与电池的横截面相比，大界面电极 面积"A"减少了电化学装置中抵制离子转移的内阻。
所揭示电池定向的另一优点涉及其耐用性，且借此允许将隔板/电解液14制成为具 有非常小的厚度"1"，以用于进一步减少离子电阻。这是可能的，部分是因为电池预组合件10中的重叠电极的总长度较小，例如小于10mm，借此隔板/电解液14需要仅在这 些短的重叠长度上在结构上分离电极。这也是可能的，因为起初制造电池预组合件10 且随后巻绕到电极组合件22中，或在电极组合件22上且作为形成电极组合件22的部 分而制造电池预组合件10。另外，沿着电极的长度的短电流流动路径(小于10 mm)不 要求实施电极或使电极平行的高度导电电极集电器，从而允许将电极结构和隔板/电解液 14制成为具有大体均匀的厚度。
图9的所揭示电化学装置配置最小化隔板/电解液14在电池形成期间且随后在正常 使用下必须支撑的机械负载；且另外提供了与己知电化学装置相比非常高的比输出能量 和比输出功率。
如图9中，巻带电池的电池由经堆叠以积累电压的电池成。为说明目的，正电池端 子位于顶部48p上，且负电池端子48n位于底部上，堆叠的顶部是正电池端子，且底部 是负电池端子。电池30之间的冷却由任一或两个杯28p和28n的面上的冷却剂通道42 (例如凹槽)或堆叠中的电池之间的波纹材料或金属(例如，铝)的单独件45提供。优 选使用电化学装置46的末端限制板50和/或外围托架52内的多件弹性材料38 (例如个 别弹簧或贝勒维尔(Belleville)弹簧垫圈)将整个堆叠在压縮下保持在一起。堆叠末端 的弹簧38用以在电极/集电器杯界面处以及向电池与电池间表面施加压力，借此实际上 消除接触电阻。
约束堆叠电池的替代方法是用"高强度"聚合材料包裹电池。电池经堆叠、在其外 围处定位，且在施加包裹物之前在器具内以液压进行压縮。堆叠电池电池的封装的实例 是使用热收縮特氟隆(Teflon)来将电池堆叠保持在一起，且提供二次密封。
已针对下文论述的在压力下的125 mm直径电池测得本发明配置的接触电阻为5-10 微欧姆。电池电阻对于125mm直径电池通常是5-10毫欧姆。末端弹簧的第二功能是调 节最大可允许内部电池压力。举例来说，与电池杯28p和28n—起使用的具有20 i^正 面面积的在200-400 lbs下压缩的弹簧将在堆叠中的所有电池上维持10psi。如果单个电 池产生超过10-20 psi限值的内部压力，那么末端弹簧将稍微压缩，且过分受压的电池的 外围密封件将随后松弛以释放过压力。此电池将随后在弹簧力下使其自身再密封。压力 积累是安全问题，且并不期望适当起作用的电池发生安全问题。堆叠布置还提供冷却剂 从电池堆叠的一侧的外围、在堆叠中的电池圆盘之间到达电池堆叠的相对外围的通道输 送，所述冷却剂例如为硅树脂介电变压器流体561 (Dow，美国)。或者，本发明的电池 在操作时可仅依赖于被动冷却而无需采用更昂贵的主动冷却措施。即使在极端功率要求 下，堆叠温度也可维持在l(TC，且在堆叠内的任一点处升高不超过IO'C。所属领域的技术人员将容易明白，施加于外壳28的杯28p和28n的力可具有任何所需强度。由弹性部件38施加的优选压力可依据电池使用而较大地变化，例如在5 psi到30psi的范围内。
图10给出描述电池堆叠和冷却剂流动的布置的进一步细节。产生1 mm环的聚合物护套用介电流体套囊封电池堆叠。多个电化学装置46 (例如，电池)可包含在聚合物护套内。护套具有到达入口歧管的入口 5 4和来自出口歧管的出口 5 6以用于循环冷却剂5 7 ，且借此将热移除到外部冷冻或散热器系统。末端提供对电池端子的接近(例如，"0"环密封件)。如图10的截面10-10中，入口和出口歧管借助于歧管密封件58而分离，且冷却剂57从电池堆叠的一侧的外围被引导通过电池之间的通道到达相对的堆叠外围。此布置结合从巻带电池内部进行的优良热移除能够通常在从电池的典型脉冲要求期间在几摄氏度内进行温度控制。为进一步确保对电池的精确温度控制，可将歧管封闭在绝缘护套59中。
以概括本发明的方式，电极在叠层电池膜片圆盘的轴向厚度的主要部分上、在所有但近似两倍的隔板/电解液厚度上彼此重叠且相对，其在横截面在电极之间以蜿蜒方式成Z形。正电极和负电极交替地布置，借此每一者分别与成对集电器中的仅一者在电性上是共同的，且主要横越或甚至与其垂直地延伸。
所揭示电池预组合件的组件层可具有非常薄的带状横截面，小于1 mm且更通常在0.01-0.5 mm厚之间。电极可在小的长度、更通常在1-25 mm之间彼此相对和上覆，且形成的电池预组合件和巻绕的电池膜片非常窄，通常小于10mm。相对的电极因此在插入其间的隔板/电解液的厚度的至少若干倍且高达近似500倍的长度上彼此上覆。
所揭示的巻带电池膜片配置提供邻近的正电极与负电极之间的界面区域"A"，其远比任一邻近的集电器的平面区域大增强的面积比率"EAR"。
通过使用电池预组合件高度"h"和宽度"w"尺寸，用于增强的面积比率的公式可表示为EAR=2w/h，借此具有4-8 mm宽度"w"和0.2 mm高度"h"的电池预组合件可提供近似40-80的增强的面积比率"EAR"。相比之下，通过使用波纹来尝试重叠电极可提供近似2的最大"EAR",其部分是由于制造限制，包含组件层的可允许最小厚度以及因此薄层在隅角处的撕裂。使用根据本发明而配置的巻带电池膜片而形成的电化学装置因此与给定电池横截面和现有技术相比产生显著的输出。
本发明的实例
实例l.用基于液态有机物的电解液形成的锂电池
锂/有机电解液电池可由碳/石墨阳极构成或制造；具有碳阴极(电子导体)的锂镍钴氧化物(LiNiCoOx)和具有碳酸乙二酯/碳酸二乙二酯(EC/DEC)的聚乙烯/聚丙烯多微孔隔板，将溶解的LiPF6盐作为电解液。可由电极/隔板材料的个别带建置电池预组合件带。每 电极组件带为0.060 mm厚和6.5 mm宽，且隔板为0.025 mm厚和6.0 mm宽，由于0.5 mm的延长的电极剂，而使总的尺寸为7.0 mm宽和0.175 mm厚。使电池预组合件自身缠绕约350次形成7.5 mm厚X 130 mm直径的电极组合件圆盘。两个杯状子组合件可在电极组合件的边缘周围配合，且被插入外围垫片中以接合外壳的两个杯。具有溶解的LiPFe盐的液态电解液(EC/DEC)在被密封到外壳中之前被渗透，所述外壳还用作集电器(不锈钢、铝、石墨或铜适合用于此电池的杯)。适当定位的电池经堆叠以形成电池。60个此类纽扣型的电池的堆叠可提供在功率输出下具有200伏的标称输出的电池。
所述电池展现突出的排热以用于良好的无源热管理。图1是图8的简化图，其展示有益于内部排热的电极和电池硬件的布置的横截面。电极带充当冷却鳍以通过大面积接触、较短路径长度来从赛尔伽德界面移除热量。电池硬件充当散热器，且热量无需通过横跨赛尔伽德来离开电池。
图12展示使用J型热电偶进行的电池表层温度测量的灵敏度。电池的优良的无源热管理增强了电池安全性。电池(经受HPPC，其中使用持续18秒的60 A的放电脉冲
和相关联的充电脉冲)在温度上具有非常可控的rc尖峰，其表示可忽略的安全问题。
如图13中所见，即使在100W (8C的速率)到完全放电容量下的苛刻得多的持续功率下，温度上仍仅呈现7'C的升高，其表示可忽略的安全问题。实例2.具有液态电解液和替代的电极材料的锂电池
可如实例1构成或制造锂/有机电解液电池。通常用锂金属氧化物正电极和碳黑负电极在未充电状态下制造锂离子电池。锂盐(1.2M的LiPF6)溶解在有机碳酸酯(来自美国的EM科学公司(EM Science, USA))中(EC:EMC按重量为3:7，其中EC:DEC是碳酸乙二酯:碳酸甲乙酯)。电池起初被充电，其中来自金属氧化物正的Li在碳负处形成LiC6。电池在其完全充电的状态下具有约4.0伏。阴极选自两种主要类型的材料锂镍钴掺杂的氧化物和锂锰氧化物尖晶石。两种组合物均可从北卡罗来那州加斯托尼亚28054的FMC公司锂部门得到，分别为Lectro Plus 600和Lectro Plus 300。组合物Li NixCoyMz(h为其屮Ni x为0.6<x<0.8、 Co y为0.1<y< 0.3，且Mz(例如，Al) 0.05<z<0.1 。组合物LiMii204为其中2 Li:Mn的比率为1.02-1.06: 1。
两种电极由高表面面积粉末组成，所述粉末被保持在8重量。/。PVDF (聚偏氟乙烯，例如KYNAR⑧720 (美国的埃尔夫阿托化学公司))结合混合料中。正电极还含有8重
22量％的碳黑(例如，MCMB或碳黑)以提供增加的导电性。两个电极均作为浆料施加到 金属箔(通常为用于负电极的10微米厚铜箔和用于正电极的25微米厚的Al箔)，所述 电极在干燥后随着多孔层(每侧为50微米厚)通过PVDF结合剂被固定在一起而粘附， 其随后用电解液渗透。在电池中，这些电极叠层(涂覆有箔的电极)被以电解液渗透的 25微米厚的多微孔聚乙烯/聚丙烯材料分离。
一般在干燥的房间中完成此制造/组装操作。使电池预组合件自身巻绕约350次形成 7.5 mm厚X130 mm直径的电子组合件。在低真空下将电解液添加到巻绕的电池合件。 两个杯状子组合件可在周围配合，且边缘被插入外围垫片中以容纳圆盘状的电池。此电 池具有由铝部分构成的电池外壳。总电池重量(包含电解液)为约220克。
此类型的电池能够在IOO安培的电流下产生18秒的持续时间的300 W功率脉冲。 此类电池也能够接受在类似功率电平下的脉冲充电。这对于混合电动交通工具中的电池 来说是受关注的性能能力。从简单的并联电极测试看出，总的电池功率性能为理论值的 约98%。
这些电池展现突出的高功率能力且保留了良好的比能量，Wh/kg。图14的Ragone 曲线图将巻带电池与最近公开的螺旋缠绕的锂离子电池的比能量进行比较。对于高比功 率500W/kg (在8C速率下的持续功率)，巻带电池的比能量为更常规的螺旋缠绕的锂离 子电池的约两倍。图15是经受100 A (20 C的速率)18秒放电的电池的电池电压和电 流对时间的曲线图。所述电池在电压规格内(2.5到4.1伏)以约典型速率的两倍处置此 HPPC循环。如实例1中，温度升高是可忽略的问题。进一步关注混合电动交通工具(已 知为PNGV)，在图16中，电池的电阻率随着充电状态的变化是非常平坦的。而40-60% 的充电状态(SOC)区实现典型的螺旋缠绕的锂离子电池的HPPC测试目标，巻带电池 将在10-70%的SOC区内实现HPPC测试目标，从而提供3倍的更大的可用电池容量。 图17给出这些电池的峰值比功率(2.4kW/kg)的证据。在180A (35C的速率)下脉冲 电池以提供500W以上。电池电流对时间曲线指示所揭示的电池设计所预期的相对极少 的电池极化损耗和良好的集电。
图18显示具有过高的正电极容量的电池的连续充电/放电循环的电池电压和电池电 流。可逆的短路现象看似发生在电池被充电到4.125V时，其归因于电池的独特致密性。 因此，电池受到保护以免于破坏性的过度充电。此可逆的电池短路机制还可用于在没有 电子构件的情况下均衡电池(使所有电池均具有相同的充电状态)。第二次充电到4.000 V展示几乎零电流，接近100y。的Ah效率。如果在可逆短接的限制内的电流下将整个电 池充电.，则电池中的每一电池将接受充电，直到预定电压，且保持于所述电压。持续的充电将随后为电池中所有串联连接的电池提供达到预定电压(例如，4.125 V)的机会， 因此，电池中的所有电池得到完全充电。
实例3.具有基于聚合物的电解液的锂电池
锂/聚合物电解液电池可使用基于聚乙烯氧化物的聚合物(PEO)电解液/隔板由具 有纳米晶体丫205和LiV30s的LiAl/PE03(r LiN(CF3S02)2/V205电池构成。LiAl合金复合 阳极含有60%的LiAl粉末(46.0原子Q/。Li)、 35%的聚合物电解液和铜衬底上的5%的乙 炔碳黑。类似重量部分的钒阴极具有铝衬底。电极叠层的厚度可通过铸造方法在10 pm 到30pm之间的范围内变动。可用模版导杆等个别和循序地涂刷位于下伏电池预组合件 上的组件(同时被巻绕在芯棒上)来形成电池预组合件带。每一组件带可为0.05 mm厚； 且每一电极可为0.95 mm宽，且电解液可为1.00 mm的总宽，其中有0.05 mm宽双倍厚 度交错的端部，以界定1.00mm宽和0.20mm高的电池预组合件。将电池预组合件自身 巻绕200次(其中PEO面向外)可形成1 mm厚80 mm直径的电池电极组合件。大小 如此设计的电极组件可在约0.90 mm内彼此径向重叠且相对。可将0.25 mm厚80 mm 直径的锂箔圆盘施加到电池隔膜的锂侧，同时可将0.5 mm厚80mm直径的TiS2层施加 到电池隔膜的阴极侧。可将相同的子组合件插入外围包含形状中，且位于邻近的(不锈 钢、镍钼或碳的)集电器之间，至少中间的子组合件为双极的，且经密封以形成电池。 五十五个此类电池的堆叠可提供具有110伏的标称输出的电池。
实例4.具有镍金属氢化物电极组件的电池
镍/金属氢化物电池可由氧化镍Ni(OH)2电极、金属氢化物合金(例如，V-Ti-Zr-Ni-Cr) 电极和聚合物隔板(例如，尼龙或多微孔聚乙烯)构成。可通过使用位于下伏电池预组 合件上同时巻绕在芯棒上的组件带来形成电池预组合件带。每一组件电极带可为0.10 mm厚9.5 mm宽，且电解液/隔板可为0.05 mm厚和9.0 mm的总宽，其中有0.10 mm宽 双倍厚度交错的端部，以界定10.0mm宽和0.30mm高的电池预组合件。将电池预组合 件自身巻绕200次形成10.0 mm厚125 mm直径的电池隔膜圆盘。大小如此设计的电极 组件可在约9.0 mm内彼此径向重叠且相对。可将相同的子组合件插入外围包含形状中， 且位于邻近的(不锈钢、镍钼或碳的)集电器之间，且经个别密封以形成堆叠电池电池。 八十五个此类电池的堆叠可提供具有100伏的标称输出的电池。
实例5.具有基于有机物的电解液的超级电容器电池
混合超级电容器电池可由碳/石墨阳极构成；具有碳阴极(电子导体)的锂镍钴锰氧 化物(LiNiCoMnOx)和具有碳酸乙二酯/碳酸二乙二酯(EC/DEC)的聚乙烯/聚丙烯多 微孔隔板，将溶解的LiPF6盐作为电解液/隔板。锂盐(1.2M的LiPF6)溶解在来自费罗
24公司(Ferro Corporation)的有机碳酸酯中(例如，EC:EMC按重量为3:7，其中EC:DEC 是碳酸乙二酯:碳酸甲乙酯)。电池起初被充电，其中来自金属氧化物正的Li在碳负处形 成LiC6。电池在其完全充电的状态下具有约3.0伏。在阳极处使用的碳的类型和数量(例 如，碳纳米管)限制了在完全充电下电荷向主要表面双层的转移。电极叠层的厚度可通 过沉积方法在2pm到5pm之间的范围内变动。每一组件带可为0.05 mm厚；且每一电 极可为0.95mm宽，且电解液可为1.00 mm的总宽，其中有0.05 mm宽双倍厚度交错的 端部，以界定1.00 mm宽和0.20 mm高的电池预组合件。将电池预组合件自身巻绕200 次(其中隔板面向外)可形成1 mm厚80mm直径的电池电极组合件。大小如此设计的 电极组件可在约0.90 mm内彼此径向重叠且相对。可将相同的子组合件插入外围包含形 状中，且位于邻近的(不锈钢、镍钼或碳的)集电器之间，至少中间的子组合件为双极 的，且经密封以形成电池。五十个此类超级电容器电池的堆叠可提供具有150伏的标称 输出的电池。
本方法可涉及上文所论述的步骤或条件以各种组合(如果需要的话)的任一者或全 部。因此，所属领域的技术人员将容易明白，在某些所揭示的方法中，可删除一些步骤， 或执行额外步骤，而不影响方法的可行性。
如所属领域的技术人员将理解，出于任何和所有目的，尤其在提供书面描述方面， 本文中所揭示的所有范围还涵盖任何和所有可能的子范围及其子范围的组合。可容易将 任何列举的范围认识为充分描述并实现被分解为至少相等二分之一、三分之一、四分之 一、五分之一、十分之一等的相同范围。如非限制实例，可容易将本文中所论述的每一 范围分解为下三分之一、中间三分之一和上三分之一。如所属领域的技术人员还将理解， 例如"高达"、"至少"、"大于"、"小于"、"多于"等所有语言包含所叙述的数目，且是 指可随后被分解为如上文所论述的子范围的范围。以相同方式，本文中所揭示的所有比 率还包含处于更广比率内的所有子比率。
所属领域的技术人员还将容易认识到，在以普通方式将成员分组在一起的情况下， 例如Markush组，本发明不仅涵盖作为整体而列举的整个组，而且个别地涵盖组的每一 成员和主组的所有可能子组。因此，出于所有目的，本发明不仅涵盖主组，而且涵盖缺 少一个或一个以上组成员的主组。本发明还设想明确所主张的本发明中不包含任何组成 员中的 者或'者以上。
本文中所揭示的所有参考特定以引用的方式并入其中。
虽然已说明和描述了优选实施例，但应理解，在不脱离如所附权利要求书中所界定 的本发明的更广的方面的情况下，所属领域的技术人员可在其中作出改变和修改。
权利要求
1.一种电化学装置，其包括电极组合件，其包括伸长的正电极，其具有第一纵向边缘；伸长的负电极，其具有第一纵向边缘；以及分隔层，其具有第一纵向边缘和第二纵向边缘；其中所述正电极、所述分隔层和所述负电极缠绕在中心轴周围，借此形成一卷交替的电极和分隔层，使得所述分隔层防止连续的电极层之间的直接接触，所述分隔层的所述第一纵向边缘延伸超过所述分隔层的所述第一纵向边缘，且所述负电极的所述第一纵向边缘延伸超过所述分隔层的所述第二纵向边缘；所述电极组合件比外壳的板略宽；以及外壳，其具有电耦合到所述正电极的所述第一纵向边缘的正极板，和电耦合到所述负电极的所述第一纵向边缘的负极板，其中所述电极组合件被所述外壳包围。
2. 根据权利要求1所述的装置，其中所述分隔层被拉伸。
3. 根据权利要求1所述的装置，其中所述分隔层包括两个层。
4. 根据权利要求1所述的装置，其中外部塑料带沿圆周围绕所述电极组合件，其中所述外部塑料带保持所述电极。
5. 根据权利要求1所述的电化学装置，其中所述外壳包含包含所述正极板的第一杯、包含所述负极板的第二杯，其中所述第一杯和所述第二杯接合在一起以形成所述外壳，使得所述第一杯和第二杯彼此电隔离，且进一步其中所述正极板和负极板大体上是平面的。
6. 根据权利要求5所述的电化学装置，其中所述电极组合件被所述外壳密封以免与周围大气接触。
7. 根据权利要求6所述的电化学装置，其进一步包括压力释放特征，所述压力释放特征在所述外壳内的压力达到预定限值时解除所述外壳内积累的压力，其中所述电化学装置在所述外壳内积累的所述压力被释放后仍是可操作的。
8. 根据权利要求1所述的电化学装置，其进一步包括耦合到所述电极组合件以用于在所述电极组合件变得不操作时短接所述电极组合件的组件。
9. 一种电化学装置，其包括电极组合件，其包括正电极和负电极；外壳，其耦合到并包围所述电极组合件以形成电化学电池所述外壳由第一伸縮半部和第二伸缩半部组成，其中所述电极安置于其间；外围密封件，其分隔所述外壳和所述电极，且维持气密密封，所述密封件包括低熔点聚合材料，且用以在预定条件下短接所述电池； ，其中当放置于真空中时，所述伸縮半部延伸，从而允许拆卸所述电池。
10. 根据权利要求9所述的装置，其中所述密封件在发生所述预定条件时熔化。
11. 根据权利要求9所述的装置，其中所述电极包括过高的正电极容量。
12. 根据权利要求9所述的装置，其进一步包括围绕所述外壳的可移除外部保持带。
13. —种电化学装置，其包括电极组合件，其包括-多个伸长的正电极；多个伸长的负电极；以及多个分隔层，其可彼此啮合以在所述多个正电极和所述多个负电极中的每一者之间形成连续的分隔障壁；所述多个层经定位以使得所述正电极、分隔层和负电极缠绕在中心轴周围，借此形成一巻交替的电极和分隔层，使得所述分隔层防止连续的电极层之间的直接接触，所述正电极层的第一纵向边缘延伸超过所述分隔层的第一纵向边缘，且所述负电极的第一纵向边缘延伸超过所述分隔层的第二纵向边缘；隔板，其被拉伸跨越所述电极组合件且界定电池宽度，所述电极的宽度延伸超过所述隔板的宽度；以及外壳，其具有电耦合到所述正电极的所述第一纵向边缘的正极板，和电耦合到所述负电极的所述第一纵向边缘的负极板，其中所述电极组合件被所述外壳包围。
14. 根据权利要求13所述的装置，其中所述隔板包括具有第一端和第二端的中心部分以及第一突出部分和第二突出部分，所述中心部分比所述第一和第二突出长度长，所述第一和第二突出部分分别大体上从所述第一端和第二端延伸，其中负电极和正电极部分地安置于所述中心部分与所述突出部分中的 一 者之间。
15. 根据权利要求13所述的装置，其中所述多个分隔层中的每一者的所述突出部分中的每一者与另一分隔层的所述突出部分重叠。
16. 根据权利要求15所述的装置，其中所述分隔层经索引以使得所述分隔层的所述重叠的位置在所述电池宽度上大体均匀地变化。
全文摘要
本发明提供一种电化学装置，其包括彼此被隔板层分隔的交替的正电极层和负电极层。所述电极层延伸超过所述分隔层的外围，从而提供所述电极与电池端子之间的优良接触，从而消除将所述电极焊接到所述端子的需要。所述电池内的电阻减小了，且电池的导热性增加了，从而实现从所述电池的优良的热移除和增加的效率。可在不损坏所述电池或不使所述电池不服务的情况下减轻所述电池内的增加的内部压力，同时通过压力释放系统使所述电池的内含物被密封以免与大气接触。还可通过短接电池组合件内的不操作的电池而使所述不操作的电池不服务，因此减少了电池寿命。
文档编号H01M10/42GK101682011SQ200880007260
公开日2010年3月24日 申请日期2008年3月3日 优先权日2007年3月6日
发明者托马斯·D·考恩 申请人:因文泰克公司