专利名称：电化学器件以及可充电锂离子电池的制作方法
技术领域：
本公开总体上涉及电化学器件以及可充电锂离子电池。
背景技术：
锂离子电池是ー种可充电电化学电池。在电池的充电期间，锂离子从阴极(正电扱)移动到阳极(负电扱)，而当对电池放电时，锂离子又从阳极移动到阴扱。锂离子电池还包括电解质，该电解质用于当电池向外部电路提供电流时，在阴极和阳极之间输送锂离子。
发明内容
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本文公开了电化学器件。电化学器件的一个示例包括电化学电池，该电化学电池具有用于接收液体反应物负电极材料的第一容积部分、用于接收液体反应物正电极材料的第二容积部分、以及位于所述第一容积部分和第二容积部分之间的锂离子交換膜。液体反应物负电极材料包括锂或者含锂的材料。锂离子交換膜便于液体反应物负电极材料和液体反应物正电极材料之间的锂离子交換反应以产生锂耗尽负电极材料和富锂正电极材料。该器件还包括相应的流体交换机构用以i)将液体反应物正电极材料引入第二容积部分中并将富锂正电极材料从第二容积部分中取出，以及ii)将液体反应物负电极材料引入第一容积部分中并将锂耗尽负电极材料从第一容积部分中取出。本发明进一步涉及如下方案I. ー种电化学器件，包括电化学电池，包括用于接收液体反应物负电极材料的第一容积部分，所述液体反应物负电极材料包括锂或者含锂的材料；用于接收液体反应物正电极材料的第二容积部分；以及位于所述第一容积部分和所述第二容积部分之间的锂离子交換膜，所述锂离子交换膜便于液体反应物负电极材料和液体反应物正电极材料之间的锂离子交換反应以产生锂耗尽负电极材料和富锂正电极材料；以及相应的流体交换机构，用以i)将液体反应物正电极材料引入所述第二容积部分中并将富锂正电极材料从所述第二容积部分中取出，和ii)将液体反应物负电极材料引入所述第一容积部分中并将锂耗尽负电极材料从所述第一容积部分中取出。2.如方案I所限定的电化学器件，进ー步包括存储罐，用以盛装液体反应物正电极材料或者固态形式的反应物正电极材料，其中所述相应的流体交换机构中的ー个包括泵，该泵用于i)在得到控制系统指令时从所述存储罐中抽出液体反应物正电极材料，以及ii)将液体反应物正电极材料传输至所述第二容积部分。3.如方案2所限定的电化学器件，其中在经由所述泵而将液体反应物正电极材料传输至所述第二容积部分后，液体反应物正电极材料与储存在液体反应物负电极材料中的锂反应，以形成所述锂耗尽负电极材料和所述富锂正电极材料，并且其中所述泵进一歩配置成将所述富锂正电极材料传输至所述存储罐中。4.如方案2所限定的电化学器件，进ー步包括第二存储罐，用以盛装液体反应物负电极材料或者固态形式的反应物负电极材料，其中所述相应的流体交换机构中的另ー个包括泵，该泵用于i)在得到所述控制系统的指令时从所述存储罐中抽出液体反应物负电极材料，和ii)将液体反应物负电极材料传输至所述第一容积部分。5.如方案4所限定的电化学器件，其中所述相应的流体交换机构中的所述另ー个包括泵，该泵用于i)在得到所述控制系统的指令时从所述第二存储罐中抽出液体反应物负电极材料，以及ii)将液体反应物负电极材料传输至所述第一容积部分。6.如方案4所限定的电化学器件，其中所述电化学电池进一歩包括 负电极电流收集器，具有在其中限定的多个流动通道，其中所述多个流动通道限定所述第一容积部分并且允许液体反应物负电极材料流动通过所述负电极电流收集器；以及正电极电流收集器，具有在其中限定的多个其它的流动通道，其中所述多个其它的流动通道限定所述第二容积部分并且允许液体反应物正电极材料流动通过所述正电极电流收集器；其中所述锂离子交換膜被置于所述负电极电流收集器和所述正电极电流收集器之间。7.如方案I所限定的电化学器件，其中液体反应物负电极材料具有从大约10°C到大约200°C的熔化温度。8.如方案I所限定的电化学器件，其中所述锂离子交換膜由包括锂离子、锂磷氮氧化物、硫化锂玻璃、玻璃-聚合物复合材料、或者玻璃-陶瓷复合材料的任何聚合物形成。9.如方案I所限定的电化学器件，其中所述电化学器件包括多个电化学电池，并且其中所述电化学器件被配置成使得电流流动呈串联、并联或者其组合的形式。10.如方案I所限定的电化学器件，其中所述电化学器件是可充电锂离子电池。11. ー种可充电锂离子电池，包括电化学电池，包括正电极电流收集器，其包括用于接收液体反应物正电极材料的通道；负电极电流收集器，其包括用于接收液体反应物负电极材料的通道，该液体反应物负电极材料包括锂或者含锂的材料；以及位于所述正电极电流收集器和所述负电极电流收集器之间的锂离子交換膜；第一存储罐，用于盛装所述液体反应物正电极材料或者固态形式的反应物正电极材料；泵浦机构，其可操作地连接至所述第一存储罐，用以i)在得到所述控制系统指令时从所述第一存储罐中抽出所述液体反应物正电极材料，以及ii)将所述液体反应物正电极材料传输至所述正电极电流收集器的所述通道；第二存储罐，用于盛装所述液体反应物负电极材料或者固态形式的反应物正电极材料；另外ー个泵浦机构，其可操作地连接至所述第二存储罐，用以i)在得到控制系统指令时从所述第二存储罐中抽出所述液体反应物负电极材料，以及ii)将所述液体反应物负电极材料传输至所述负电极电流收集器的所述通道；以及动カ源，其可操作地连接至所述正电极电流收集器和所述负电极电流收集器，从而在所述这些电流收集器之间建立电流路径；其中随着所述材料流过相应的通道，在所述液体反应物负电极材料和所述液体反应物正电极材料之间发生锂离子交换反应，从而产生锂耗尽负电极材料和富锂正电极材料。12.如方案11所限定的可充电锂离子电池，进ー步包括废料罐，用以经由所述泵浦机构接收来自所述正电极电流收集器的所述富锂正电极材料。13.如方案11所限定的可充电锂离子电池，其中所述液体反应物负电极材料具有从大约10°c到大约200°C的熔化温度。·14.如方案11所限定的可充电锂离子电池，其中所述液体反应物正电极材料包括在碳酸こ烯酯和碳酸ニこ酯混合物中的融化的GaxSny和LiPF6盐的混合物，其中y等于I和X间的差值，而X为O. 2到O. 8。15.如方案11所限定的可充电锂离子电池，其中所述锂离子交換膜选自含锂离子的玻璃或者含锂离子的聚合物。16.如方案11所限定的可充电锂离子电池，进ー步包括相应的加热机构，其可操作地连接至所述第一存储罐和所述第二存储罐以分别加热一定量的固态形式的反应物负电极材料和一定量的固态形式的反应物正电极材料。17. 一种制备可充电锂离子电池的方法，包括通过将锂离子交換膜置于正电极电流收集器和负电极电流收集器之间而形成电极组件；流体地连接i)第一存储罐至所述正电极电流收集器，以及ii)第二存储罐至所述负电极电流收集器，所述第一存储罐用以盛装液体反应物正电极材料或者固态形式的反应物正电极材料，而所述第二存储罐用以盛装液体反应物负电极材料或者固态形式的反应物负电极材料，所述反应物负电极材料包括锂或者含锂的材料；以及使相应的泵浦机构与所述第一存储罐和所述第二存储罐中的每ー个相关联，以使得i)第一泵浦机构从所述第一存储罐抽出所述液体反应物正电极材料，并且传输所述液体反应物正电极材料至所述正电极电流收集器，在所述正电极电流收集器中所述液体反应物正电极材料变成富锂正电极材料，以及ii)第二泵浦机构从所述第二存储罐取出所述液体反应物负电极材料，并且传输所述液体反应物负电极材料至所述负电极电流收集器，在所述负电极电流收集器中所述液体反应物负电极材料变成锂耗尽负电极材料。18.如方案17所限定的方法，进ー步包括流体地连接废料罐至所述第一存储罐；以及使所述第一泵浦机构与所述废料罐相关联，所述第一泵浦机构进一歩配置成传输来自所述正电极电流收集器的所述富锂正电极材料至所述废料罐。19.如方案17所限定的方法，其中所述正电极电流收集器和所述负电极电流收集器各自包括多个在其中限定的流动通道。20.如方案17所限定的方法，其中所述锂离子电池是电化学器件的多个锂离子电池中的ー个，并且其中所述电化学器件被配置成使得电流流动呈串联、并联或者其组合的形式。
通过參照如下详细的说明和附图，本发明示例的特征和优点将变得明显，其中相同的附图标记对应相似的、虽然也许不是相同的部件。为了简洁，在之前描述过功能的附图标记或者特征可以或者可以不结合在其中出现该附图标记或者特征的其他附图进行描述。图I示意性地描述了现有技术中锂离子电池的一个示例；图2示意性地描述了现有技术中锂离子电池的另ー个示例；图3示意性地描述了包括液体反应物正电极和液体反应物负电极的本发明的锂离子电池的一个示例；图4示意性地描述了图3中的锂离子电池的另ー个示例； 图5是透视的、分解视图，示出了包括在正电极和负电极电流收集器中限定的多个流动通道的电化学电池的一个示例；图6是示意性图，图解了包括多个电化学电池(电流在其中串联流动)的系统的ー个不例；和图7是示意性图，图解了包括多个电化学电池(电流在其中并联流动)的系统的一个示例。
具体实施例方式可以将锂离子电池引入到混合动カ电动车辆和电池驱动车辆中以产生足够的动力从而使车辆的一个或更多系统运行。例如，电池可以与内燃发动机相结合使用以推进车辆(诸如在混合动カ电动车辆中)，或者可以单独使用以推进车辆(诸如在电池驱动车辆中)。锂离子电池还可以使用在各种消费电子器件(例如，笔记本电脑、照相机、以及移动/智能电话)、军用电子器件(例如，无线电、矿山探測器、以及热武器)、飞行器、卫星、以及/或者类似器件中。图I中示意性地描述了现有技术中的锂离子电池结构的ー个示例。该电池(由附图标记100表示)是可充电电化学电池，包括固体负电极112( S卩，阳极)、固体正电极114(8卩，负极)、以及可操作地置于电极112、114之间的电解质116。阳极112包括负电极材料施加在其上的电流收集器(未示出)，而阴极114包括正电极材料施加在其上的电流收集器(也未示出)。箭头表示电流流出阳极112而流进阴极114，这意味着电池100是处于充电状态。应当理解的是该电池100还具有放电状态(未示出)，其中电流沿相反的方向流动，即从阴极114流到阳极112。图2中示意性地描述了开发出的锂离子电池的替代性结构。人们相信该锂离子电池200能够比图I中示出的锂离子电池100以更有效率的并且使用者更便利的方式充电。该电池200 —般包括电池容器220，电池容器220具有布置在其中的固体阳极212和液体阴极214。液体阴极214通过固体或者凝胶体电解质216而与固体阳极212隔开。该电池200还包括与液体阴极214接触的电流收集器218。阳极212和电流收集器218附接于相应的终端电引线，该引线伸出容器218并与外电源(未示出)连接。该锂离子电池200的其他细节可以从2009年10月14日提交的、申请号为12/578,813的美国专利申请(2011年4月14日公开为美国专利公开号2011/0086249)中找出。本文公开的电化学器件的示例提供的益处要超过利用电池200所实现的益处。例如，本文公开的电化学器件的示例的反应速率不受质量输运的限制。这和电池200不同，电池200在一些情况中，当在没有热对流电流和/或没有一些机械搅动的情况下操作时可能受质量输运的限制。此外，同时包括液体正电极和液体负电极防止了锂离子传导膜(即，电解质)的变形，其会分开流体电极的流场。在同时包括流体阳极和阴极的示例中，确信的是器件的燃料携帯重量相比于电池200而实质性地減少，电池200需要长期存在过量的固体阳极材料。这归因于，至少部分归因于，以下事实本文公开的液体电极可以在充电/重注过程中被重新注满。图3和4中示意性地描述了本公开的电化学器件10、10’的示例。电化学器件10、10’的姆个不例包括电化学电池18。电化学电池18 —般包括外壳17,外壳17i)限定第一 容积部分20和第二容积部分22，以及ii)包含分隔容积部分20、22的锂离子交換膜16。第一容积部分20被配置成接收液体/融化反应物负电极材料12，并且第二容积部分22被配置成接收液体/融化反应物正电极材料14。当施加合适的电压并且反应物电极材料12、14都存在于电池18中但是被电绝缘而离子性传导膜16而隔开吋，电化学电池18促进了反应物材料12、14之间的反应。该反应涉及锂离子的传输，该反应的产物包括锂耗尽负电极材料12’和富锂正电极材料14’。当电池18通过促进来自反应物负电极材料12的锂传输至反应物正电极材料14而提供电流至外部电路时，形成该产物12’、14’。锂的传输将材料的状态从反应物状态12、14分别改变为产物状态12’、14’。本文公开的示例中，电极材料(正极或者负极)在室温(例如，大约21°C)或者室温附近时基本上是液态。在一些示例中，液体电极材料在室温的上下约10度内的温度下基本上是液态。在其他的示例中，液体电极材料在室温的上下约20度内的温度下基本上是液态。在另外的其他示例中，液体电极材料在室温的上下约50度内的温度下基本上是液态。应当理解的是，液体电极材料可以以固态形式获得(例如，购买)，然后加热到它们的熔点温度之上以将固体电极材料转换为液体电极材料。这样，任何电极材料都可以是融化材料。反应物负电极材料12包括锂(即，纯锂或者包括高至5重量％的杂质的锂)或者含锂的材料。含锂的材料是ー种包括i)锂和ii) 一种或更多种其他材料的材料，该ー种或更多种其他材料可以有利于正和负反应物电极材料12、14之间的反应。包括锂并且适于被包含作为反应物负电极材料12的材料示例是Li2xGa,其中X是从O到I的归ー化锂含量。如在本文中将參照不同附图进一步描述的，反应物负电极材料12可以是固态或者是液态。在一些例子中，可以使用融化的锂或者融化的含锂材料，其被融化以获得反应物负电极材料12的液态形式。融化的锂和融化的含锂材料的融化温度可以在大约10°C到大约200°C的范围。反应物正电极材料14可以，例如，选自任何能够可逆地容纳锂或锂离子的正电极材料。在一个示例中，反应物正电极材料14是未反应的材料，在与另外存储在反应物负电极材料12中的锂进行化学反应之后而被还原。正电极材料的一个示例包括在基本上相等体积的碳酸こ烯酯和碳酸ニこ酯混合物中的融化的GaxSny和液体电解质(例如，IM LiPF6盐)的混合物。在GaxSny中，y等于I和X间的差值(即l_x)，而x为02到O. 8。
锂离子交換膜16( S卩，电解质)是电绝缘的，并且是离子性传导的膜。电子流过电流收集器(未示出但是接下来将描述)和电负载30之间限定的路径。在一个示例中，锂离子交換膜可以选自包括锂离子、锂磷氮氧化物(LiPON)、锂玻璃(例如，硫化锂氮氧化物(LiSON)，锂超离子导体(LiSICON)，Li2S-P2S5，等)、玻璃-聚合物复合材料(例如，PEO-LiTFSI, Li2S-B2S3-LiN(CF5SO2)2)、和玻璃-陶 瓷复合材料的聚合物(例如，聚氧化こ烯(PEO))。本文公开的示例中，电化学电池18的外壳17可以由可成形(可模塑)的塑料材料或者包括金属箔的层压材料(例如外层为塑料，内层为铝箔)形成。后一种外壳17可以是刚性或者柔性的并且可以对外部大气(包括水汽)是不可滲透的。在相应的示例中使用的特定外壳17将在下文中參照不同的附图作进ー步地描述。之前描述的材料可以在本文公开的任何示例性器件10、10’中使用。现在參照它们相应的附图来描述每个器件10、10’。图3中所示的示例器件10包括电化学电池18，电化学电池18包括外壳17，用于在容积部分20中接收液体反应物负电极材料12和在容积部分22中接收液体反应物正电极材料14。液体反应物电极材料12、14中的每ー个被容纳在独立的存储罐32、24中。该外壳17的示例包括至少两个密封的可通达开ロ(未示出)，诸如快速连接装置，用于每个容积部分20、22。流体地连接至容积部分20的开ロ分别允许液体反应物负电极材料12被传递至容积部分20和允许反应后的液体负电极材料(即，锂耗尽的负电极材料)12’以及任何没使用的反应物负电极材料12离开容积部分20。如果选择锂作为反应物负电极材料12，则电池18可设计成使得在电池18的工作期间，整个体积的融化的锂作为锂离子输运通过交换膜16，以与液体反应物正电极材料14反应。在该示例中，没有材料12’形成，因为所有的材料12(即，该示例中的锂)都被反应掉。流体地连接至容积部分22的开ロ分别允许液体反应物正电极材料14被传递至容积部分22和允许反应后的液体正电极材料(即，富锂的正电极材料)14’和任何未使用的反应物正电极材料14离开容积部分22。该外壳17的示例还可包括可拆卸的通达盖，该盖邻近膜16设置以允许通达膜16和更换膜16。如上所提到的，反应物正电极材料14包含在存储罐24中，而反应物负电极材料12包含在存储罐32中。存储罐24和32可以由可膨胀材料制成，诸如橡胶。可形成存储罐24,32的ー些特定的材料示例包括聚丁ニ烯、聚丙烯酸酯、和/或聚酯聚氨酯橡胶。使用可膨胀材料将使得存储罐24能够膨胀以适应更大体积的富锂电极材料14’，而使用可膨胀材料将使得存储罐32能够收缩以适应更小体积的锂耗尽电极材料12’。单个罐，具有或者不具有独立的空腔，都可以用以包含反应物和产物正电极材料14、14’。材料12、14可以以液态的形式或者以固态的形式存储在罐24、32中。当在罐32、24中保持为液态形式时，期望量的相应材料12、14作为液体被泵浦进入电池18中。当在罐32、24中保持为固态形式吋，电池18的正常工作所需要的期望量的相应材料12、14被融化，以便作为液体被泵浦进入电池18中。在一个示例中，被泵浦回到相应的罐32、24中的产物12’、14’可以凝固。在一个示例中，存储罐24可装备有加热装置(例如，加热线圈等，图3中示意性示出为附图标记50)，该加热装置提供足够的热以维持反应物正电极材料14处于液体状态或者使得足够的反应物正电极材料14液化以传输进入容积部分22 (或者电池18中的电极14的流场)。相似地，存储罐32可装备有加热装置(例如，加热线圈等，图3中也示意性示出为附图标记50)，该加热装置提供足够的热以维持反应物负电极材料12处于液体状态或者使得足够的反应物负电极材料12液化以传输进入容积部分20(或者电池18中的电极12的流场)。当感测到环境温度低于电极材料14或者电极材料12的凝固点时，可激活(例如，通过控制电子设备)相应的加热装置，和/或可以根据液体电极材料14或液体电极材料12通过电化学电池18的体积流率的需求而调节加热功率，从而使得器件10可以输送期望的功率输出，该功率输出是器件输送给外部电路的电势和电流的乘积。应当理解的是，凝固点会根据，至少部分地根据材料12、14在相应的罐32、24中的氧化程度而变化。在另外一个示例中，使用当负电极材料12和正电极材料14存在于电池18中时所发生的反应产生的热来维持电极材料14、12处于液体状态。或者，电极12、14可以持续存在于它们相应的罐32、24中，并让ー个12或另外ー个14或者两者12、14除了少部分(相比于整个可能以液体形式存在的体积而言)外都以固态形式存在，从而使得仅足够的电极材料12和/或14被融化以促进电池18正常地运行。在任何这些示例中，当通过电化学器件10产生功率吋， 期望量的反应物正电极材料14和反应物负电极材料12被维持为液体形式。在其他的示例中，电极材料14可包含在载体材料(例如，水银)中，该载体材料维持电极材料14为液体状态。在该示例中，电极材料14将不必通过单独的加热装置或者通过反应所产生的热来加热。如图3所示的，电化学器件10进ー步包括流体交换机构26，流体交换机构26与多个流体管道相结合，选择性地允许液体正电极反应物流体(例如，14)从存储罐24流到并通过容积部分22，并且允许反应后的或者已用的流体(例如，富锂正电极材料14’)流回到存储罐24中。除了取出富锂正电极材料14’，流体机构26还从容积部分22取出未使用的反应物电极14。流体交换机构26的一个例子是泵。液体反应物正电极材料14从存储罐24流到并且通过容积部分22的流体流动，以及产物14’和未使用的反应物14返回至存储罐24的流体流动，可以利用重力以另外的方式完成。在该种情况下，流体(例如，14、14’)的流动将通过电子控制阀来进行控制。电化学器件10包括另外ー个流体交换机构34，流体交换机构34与多个流体管道相结合，选择性地允许液体负电极反应物流体(例如12)从存储罐32流到并通过容积部分20。该流体交換机构还将允许反应后的或者已用的流体(例如，锂耗尽负电极材料12’)流回到存储罐32中。除了取出锂耗尽负电极材料12’，流体机构34还从容积部分22取出未使用的反应物电极12。应当理解的是，反应后的或者已用的流体12’在以纯锂作为材料12且所有的材料12都反应掉的实例中会是不存在的。流体交换机构34的一个例子是泵。液体反应物负电极材料12从存储罐34流到并且通过容积部分20的流体流动，以及任何产物12’和未使用的反应物12返回至存储罐34的流体流动，可以利用重力以另外的方式完成。在该种情况下，流体(例如，12、12’ )的流动将通过电子控制阀来进行控制。流体交换机构26、34被电连接至单个控制系统28，控制系统28包括适于操作流体交换机构26、34的电子设备。在一个示例中，控制电子设备28和泵26、34控制液体正电极材料14和液体负电极材料12通过器件10的流率，其转而至少部分地基于功率需求而控制还原(即，锂离子传输)的速率。例如，当期望器件10产生更多功率吋，控制电子设备28将发送命令至流体交换机构26、34以增加液体反应物正电极材料14和液体反应物负电极材料12进入并通过电池18的流量。在该示例中，应当理解的是，当存储在液体反应物负电极材料12中的锂从反应物负电极材料12移动通过锂离子交換膜16至反应物正电极材料14吋，液体反应物正电极材料14 (被泵入容积部分22中)与锂发生反应。由电化学电池18提供的电压和电流分别是每单位时间能够传输穿过膜16的锂离子数量、和那些离子所经历的在初始负电极材料12和最终正电极材料14’之间的电势差的函数。应当理解的是，在电化学电池18处发生的反应期间，正电极材料14被还原以形成富锂正电极材料14’，并且所产生的反应后的材料/产物14’本文中可以被称为经还原的材料。进ー步应当理解的是，在电化学电池18处发生的反应期间，负电极材料12被氧化以形成锂耗尽负电极材料14’，并且所产生的反应后的材料/产物12’可以被称为经氧化的材料。
虽然在图3中没有示出，但是电池18还包括电流收集器(之前提到)，电流收集器位于容积部分20、22内或者限定容积部分20、22(见，例如，图5)。在反应期间(S卩，电池放电)，电流收集器工作以传导关于电极材料12、14的电流。电流收集器由具有高电导性的材料制成，并且该材料在适于它们使用的电势下，不与锂发生反应。在图3中所示的器件10中，电流收集器可都是固体板。相应的电流收集器位于电池18中，使得当液体反应物正电极材料14被引入容积部分22时与其中的一个板相接触，而当液体反应物负电极材料12被引入容积部分20时与另外的ー个板接触。在该示例中，反应后的材料14’经流体管道和流体交换机构26的工作而被传输至存储罐24。相似地，在该示例中，任何反应后的材料12’经流体管道和流体交换机构34的工作而被传输至存储罐32。然后在该示例中，已用过的/反应后的材料14’可与反应物(即，活性)形式的材料14混合，这样稀释了反应物形式的材料14 ;并且反应后的材料12’可与反应物(即，活性)形式的材料12混合，这样稀释了反应物形式的材料12。随着化学反应的发生，反应物材料14和反应物材料12两者的浓度都将减小。这可能需要増加流率以维持期望的功率产生水平。在一些示例中，共用的罐32、24将在包含反应物材料12、14的可变容积空腔和包含产物材料12’、14’的可变容积空腔之间采用不可滲透的分隔物。现在參照图4，图3中所示的器件10的示例被描述为具有附加的废料罐36或36’。该器件示例被标记为附图标记10’。应当理解的是，器件10’将包括废料罐36或者废料罐36’。这些废料罐36、36’可能是期望的，至少部分是因为已用过的/反应后的材料14’不与存在于存储罐24中的反应物(活性)正电极材料14混合。独立的废料罐36、36’帮助确保稳定浓度的反应物(活性)正电极材料14被传递至容积部分22。在器件10’包括废料罐36的示例中，该罐36是位于存储罐24内部的非导电的弹性蓄积器，并且废料罐36可以由上文针对存储罐24确定的可膨胀材料中的任何ー种形成。应当理解的是，废料罐36是存储罐24的子罐，但是废料罐36中的所含物不与存储罐24中的所含物流体相通。当使用该罐36时，器件10’包括直接将容积部分22连接至废料罐36的管道。该罐36的操作类似于液压蓄积器。随着材料14从存储罐24中取出，反应后的材料14’填入废料罐36。如此，随着存储罐24被耗空，废料罐36被填满。在再充填期间，材料14向存储iil 24中的引入会推动已用的/反应后的材料14’从废料iil 36中出来。该不例可能是特别期望的，因为在仍然提供稳定浓度的液体正电极材料14给电池18的同时，需要的存储罐24和废料罐36的容积减小了。在器件10’包括废料罐36’的示例中，该罐36’是ー个独立的罐，其置于存储罐24的外部。当使用该罐36’时，器件10’包括直接将容积部分22连接至废料罐36’的管道。该独立的废料罐36’可以使用任何适合的材料制成，包括那些以上提到的用于存储罐24的材料。图3和4的电化学器件10、10’的示例的构造类似聚合物电解质膜(PEM)燃料电池的基本构造，但是用于电化学器件的材料的性质被选择成提供锂反应。相信电化学器件10、10’的锂反应具有的反应电势至少两倍于工作的PEM氢燃料电池的反应电势。如之前提到的，本文公开的每个示例包括位于电化学电池18之内的电流收集器。图5图解了电流收集器38、40的ー个示例，当电极材料12和14都是液体时能够使用电流收集器38、40。 电流收集器38包括在其中形成的通道42。通道42通过，例如，任何合适的方法，诸如模塑(例如注塑)、浇铸、机械加工等，被限定在电流收集器38的表面中。在该示例中，通道42 —起限定电池18的接收液体反应物正电极材料14的容积部分22。通道42被限定在电流收集器38的将面对锂离子交換膜16的表面中。通道42可具有任何适合的横截面和尺寸。每个通道42具有ー个开ロ用以接收未反应的液体正电极材料14 (经管道来自存储罐24)，还具有另外ー个开ロ用以允许反应后的液体正电极材料14’离开电池18。每个通道42还延伸电流收集器38的长度L，使得被引入其中并被推动通过其中的液体正电极材料14能够沿着通道42的整个长度反应。如果增加通道42的长度，则可以产生更多的电流，这至少部分是因为可以获得更多的材料14用于反应。电流与跟交换膜16相接触的一个液体电极14的面积成比例，而该交换膜16是与另外ー个液体电极12的面积相接触的。假设所有的其他因素都是相等的，増加通道42的长度会増加那些接触面积，这转而会增加电流量。増加通道42的宽度也可以增加产生的电流的量。应当理解的是，在某些实例中，至少部分地根据何时在流动路径中存在通道42，通道的宽度和深度可沿着长度而变化。电流收集器40包括形成在其中的通道44。通道44通过任何合适的方法，诸如模塑、浇铸、机械加工等，被限定在电流收集器40的表面中。在该示例中，通道44限定电池18的使用液体反应物负电极材料12的容积部分20。通道44被限定在电流收集器40的将面对锂离子交換膜16的表面中。通道44可具有任何适合的横截面和尺寸，只要它们使得引入的液体负电极材料12能和引入通道42的液体正电极材料14相接触。每个通道44具有一个开ロ用以接收未反应的液体负电极材料12 (经管道来自存储罐32)，还具有另外ー个开ロ用以允许反应后的液体负电极材料12’离开电池18、18’。每个通道44也延伸电流收集器38的长度L，使得被引入其中且被推动通过其中的液体负电极材料12能够沿着通道44的整个长度反应。如果增加通道44的长度和/或宽度，则可以产生更多的电流，这至少部分是因为可以获得更多的材料14用于反应。应当理解的是，在某些实例中，至少部分地根据何时在流动路径中存在通道44，通道宽度和深度可沿着长度而变化。电化学器件10、10’的示例可以配置有歧管系统以使得电化学器件包括通过相对的歧管46、48而连接的多个电池18。与相对的歧管46、48的连接可通过任何合适的机构完成，只要该机构使得流体能够从歧管46传输至相应的电池18然后从相应的电池18传输至歧管48即可。如图6和7所示，器件10、10’包括四个电化学电池18。然而，应当理解的是，器件10、10’可包括任何数量的电池18。图6是图解系统1000的示例的示意图，系统1000包括连接至歧管系统的多个电化学电池18，其中电流串联地流经器件10、10’，图7是图解系统1000’的示例的示意图，系统1000’包括连接至歧管系统的多个电化学电池18，其中电流并联地流经器件10、10’。如描述的，这些系统1000、1000’每ー个均包括单个用于反应物正电极材料14的存储罐24和单个用于反应物负电极材料12的存储罐32。这些罐24、32经供给歧管46向每个电池18提供液体形态的相应电极材料12、14，并且经排放歧管48而将任何反应后的材料12’、14’(和某些实例中的未反应的材料12、14)返回至它们相应的存储罐32、24。排放歧管48用于将材料12’、14’传输返回至相应的罐32、24(或者使用废料罐36或36’)。此外，利用电压源或者负载30，施加电压于器件1000、1000’的电化学电池18上。如之前提到的，电池18在图6中是串联电连接，在图7中是并联电连接。虽然没有示出，但 是应当理解的是，串联和/或并联连接的任何组合都是可以形成的。在图6和7所示出的示例中，电池18可以是注塑成型的并且通过连接至相应的歧管46、48而结合在一起。也可以使用其他的制造方法形成电池18’和将电池18’结合在一起。存储罐24、32可以快速地排空和重填。适合用于排空和重填这种罐24、32的方法的示例已经在申请号为12/578,813的美国专利申请(美国专利公开号2011/0086249)中得以描述，并且本文将进行简要的描述。在开始时，提供的存储罐24和/或32密封连接(例如，基本上气密以确保无水汽和无氧的环境)于相应的填充(流体入)歧管和相应的排放(流体出)歧管(例如，当没有使用独立的废料罐36吋)。相应的各单个锂离子电池18的功率和容量(电荷状态)可通过常规的方法单独地或者串联连接时测量。应当认识到的是，功率和容量測量可以在连接至相应的歧管之前进行。如果反应物电极材料12、14是固体或者部分固体，则电极材料12、14可例如通过环绕存储罐32、24的电阻加热结构和/或通过将加热的液体(诸如加热的溶剂)通过填充(流体入)歧管引入存储罐32、24中而进行加热。液体电极材料12、14然后可以基本上同时地从相应的存储罐32、24中移除，例如通过排放液体电极材料12、14和/或通过经由填充(流体入)歧管泵浦溶剂或新鲜的液体反应物电极材料12、14进入和通过存储罐32、24从而取代进入排放(流体出)歧管并且随后离开排放歧管的反应后的液体电极材料/产物12’、14’。产物12’、14’可被捕获在适当的容器中以进行随后的再循环或再售。在移除已用过的液体电极材料/产物12’、14’之后，一种或更多新鲜的液体电极材料12、14可分别从ー个或更多液体电极材料12、14源通过流体入歧管而被引入到存储罐32,24 中。还应当认识到的是，可以在引入新鲜的液体反应物电极材料12、14之前和/或与引入新鲜的液体反应物电极材料12、14同时，例如在引入新鲜的液体反应物电极材料12、14时已用过的液体电极材料/产物12’、14’至少部分地移出相应的罐32、24的情况下，在単独的步骤中移除已用过的液体电极材料/产物12’、14’。还应当认识到的是，新鮮的液体反应物电极材料12、14的引入或者流动可以可选择地包括中间冲洗步骤，或者新鮮的液体反应物电极材料12、14的引入或者流动可发生在一段时间上以基本上移除已用过的液体电极材料/产物12、14’。器件10、10’和/或系统1000、1000’可以在从液体电极材料源断开之前或之后进行现场测试，以确定功率和容量，例如，包括与基准线相比较以确定器件10、10’和/或系统1000、1000’是否充分地充电，例如，使得功率和/或容量大于预定的阈值。如果确定器件10、10 ’和/或系统1000、1000 ’没有充分地充电，则该过程可重新开始以弓I入额外的新鲜反应物电极材料12、14。然而，如果确定器件10、10’和/或系统1000、1000’已充分地充电，则相应的歧管和/或液体电极材料/溶剂容器可被断开并且密封地关闭存储罐24、32。可以在完全地或部分地惰性气体氛围(例如，氩气、和/或氮气)中实行相应的歧管和/或存储罐24、32的连接和/或断开，例如其中，在连接和/或断开的过程中，惰性气体可被吹送到(在外部)和/或通过相应的连接输入/输出。例如，在从歧管输入断开管道 期间，惰性气体可被吹送通过相应的歧管中的独立的输入/输出。另外或可替代地，当连接管道被断开时，惰性气体可起泡通过存储罐32、24内的已用过的液体电极材料/产物12’、14’，以提供在相应的输入/输出处的正压カ流出，从而防止或最小化外部空气和水汽被引入到存储罐32、24中。可以对存储罐24和32使用排空和重填技木。当使用废料罐36或36’时，可能仍然斯望使用排空和重填技术以移除罐24中任何剰余的材料14。电化学器件10、10’的示例可以用干，例如，车辆(诸如混合动カ电动车辆(HEV)、电池电动车辆(BEV)、可外接充电式HEV、或者延程型电动车辆(EREV))中。器件10、10’可以单独用于，例如，在车辆中公开的电池系统，或者可以是车辆中公开的电池模块或电池组的多个电池中的ー个。在后ー情况中，所述多个电池可以通过电引线以串联或并联的方式连接。在一些情况中，电化学电池18可以单独地置于容器(例如，外壳17)内部，或者整个电化学器件10、10’可以置于容器内部。应当理解的是，电化学器件10、10’的尺寸依赖于，至少部分依赖于器件10、10，所要产生的功率量。例如，汽车可能需要器件10、10’产生比针对更小的车辆(例如，园艺拖拉机)更多的功率输出。因此，在汽车中使用的器件10、10，的尺寸(就体积和功率产生能カ而言)将显著地大于在更小的车辆中使用所需的器件10、10’的尺寸。应当理解的是，本文提供的范围包括陈述的范围以及在陈述的范围之内的任何值或子范围。例如，范围在大约ll°c到大约31°C的温度应当被理解为不仅仅包括明确列举的大约11°C到31°C的量的限制，而且还包括单个的量，诸如14°C、23°C、30°C等，以及子范围，诸如15°C到25°C等。此外，除非在本文中另外地限定，否则当使用“大约”来描述ー个值时，这意味着涵盖与所陈述的值相比的微小变化(高至+/_5% )。虽然详细的描述了几种示例，但是本领域技术人员清楚这些公开的示例是可以被修改的。因此，之前的说明被认为是非限制性的。
权利要求
1.ー种电化学器件，包括 电化学电池，包括 用于接收液体反应物负电极材料的第一容积部分，所述液体反应物负电极材料包括锂或者含锂的材料； 用于接收液体反应物正电极材料的第二容积部分；以及 位于所述第一容积部分和所述第二容积部分之间的锂离子交換膜，所述锂离子交換膜便于液体反应物负电极材料和液体反应物正电极材料之间的锂离子交換反应以产生锂耗尽负电极材料和富锂正电极材料；以及 相应的流体交换机构，用以i)将液体反应物正电极材料引入所述第二容积部分中并将富锂正电极材料从所述第二容积部分中取出，和ii)将液体反应物负电极材料引入所述第一容积部分中并将锂耗尽负电极材料从所述第一容积部分中取出。
2.如权利要求I所限定的电化学器件，进ー步包括存储罐，用以盛装液体反应物正电极材料或者固态形式的反应物正电极材料，其中所述相应的流体交换机构中的ー个包括泵，该泵用于i)在得到控制系统指令时从所述存储罐中抽出液体反应物正电极材料，以及 )将液体反应物正电极材料传输至所述第二容积部分。
3.如权利要求2所限定的电化学器件，其中在经由所述泵而将液体反应物正电极材料传输至所述第二容积部分后，液体反应物正电极材料与储存在液体反应物负电极材料中的锂反应，以形成所述锂耗尽负电极材料和所述富锂正电极材料，并且其中所述泵进一歩配置成将所述富锂正电极材料传输至所述存储罐中。
4.如权利要求2所限定的电化学器件，进ー步包括第二存储罐，用以盛装液体反应物负电极材料或者固态形式的反应物负电极材料，其中所述相应的流体交换机构中的另ー个包括泵，该泵用于i)在得到所述控制系统的指令时从所述存储罐中抽出液体反应物负电极材料，和ii)将液体反应物负电极材料传输至所述第一容积部分。
5.如权利要求4所限定的电化学器件，其中所述相应的流体交换机构中的所述另ー个包括泵，该泵用于i)在得到所述控制系统的指令时从所述第二存储罐中抽出液体反应物负电极材料，以及ii)将液体反应物负电极材料传输至所述第一容积部分。
6.如权利要求4所限定的电化学器件，其中所述电化学电池进一歩包括 负电极电流收集器，具有在其中限定的多个流动通道，其中所述多个流动通道限定所述第一容积部分并且允许液体反应物负电极材料流动通过所述负电极电流收集器；以及 正电极电流收集器，具有在其中限定的多个其它的流动通道，其中所述多个其它的流动通道限定所述第二容积部分并且允许液体反应物正电极材料流动通过所述正电极电流收集器； 其中所述锂离子交換膜被置于所述负电极电流收集器和所述正电极电流收集器之间。
7.如权利要求I所限定的电化学器件，其中液体反应物负电极材料具有从大约10°C到大约200°C的熔化温度。
8.如权利要求I所限定的电化学器件，其中所述锂离子交換膜由包括锂离子、锂磷氮氧化物、硫化锂玻璃、玻璃-聚合物复合材料、或者玻璃-陶瓷复合材料的任何聚合物形成。
9.ー种可充电锂离子电池，包括 电化学电池，包括正电极电流收集器，其包括用于接收液体反应物正电极材料的通道； 负电极电流收集器，其包括用于接收液体反应物负电极材料的通道，该液体反应物负电极材料包括锂或者含锂的材料；以及 位于所述正电极电流收集器和所述负电极电流收集器之间的锂离子交換膜； 第一存储罐，用于盛装所述液体反应物正电极材料或者固态形式的反应物正电极材料； 泵浦机构，其可操作地连接至所述第一存储罐，用以i)在得到所述控制系统指令时从所述第一存储罐中抽出所述液体反应物正电极材料，以及ii)将所述液体反应物正电极材料传输至所述正电极电流收集器的所述通道； 第二存储罐，用于盛装所述液体反应物负电极材料或者固态形式的反应物正电极材料； 另外ー个泵浦机构，其可操作地连接至所述第二存储罐，用以i)在得到控制系统指令时从所述第二存储罐中抽出所述液体反应物负电极材料，以及ii)将所述液体反应物负电极材料传输至所述负电极电流收集器的所述通道；以及 动カ源，其可操作地连接至所述正电极电流收集器和所述负电极电流收集器，从而在所述这些电流收集器之间建立电流路径； 其中随着所述材料流过相应的通道，在所述液体反应物负电极材料和所述液体反应物正电极材料之间发生锂离子交换反应，从而产生锂耗尽负电极材料和富锂正电极材料。
10. 一种制备可充电锂离子电池的方法，包括 通过将锂离子交換膜置于正电极电流收集器和负电极电流收集器之间而形成电极组件； 流体地连接i)第一存储罐至所述正电极电流收集器，以及ii)第二存储罐至所述负电极电流收集器，所述第一存储罐用以盛装液体反应物正电极材料或者固态形式的反应物正电极材料，而所述第二存储罐用以盛装液体反应物负电极材料或者固态形式的反应物负电极材料，所述反应物负电极材料包括锂或者含锂的材料；以及 使相应的泵浦机构与所述第一存储罐和所述第二存储罐中的每ー个相关联，以使得i)第一泵浦机构从所述第一存储罐抽出所述液体反应物正电极材料，并且传输所述液体反应物正电极材料至所述正电极电流收集器，在所述正电极电流收集器中所述液体反应物正电极材料变成富锂正电极材料，以及ii)第二泵浦机构从所述第二存储罐取出所述液体反应物负电极材料，并且传输所述液体反应物负电极材料至所述负电极电流收集器，在所述负电极电流收集器中所述液体反应物负电极材料变成锂耗尽负电极材料。
全文摘要
本发明涉及电化学器件以及可充电锂离子电池，具体提供了一种电化学器件，包括电化学电池，该电化学电池具有用于接收液体反应物负电极材料的第一容积部分、用于接收液体反应物正电极材料的第二容积部分、以及位于所述第一容积部分和第二容积部分之间的锂离子交换膜。液体反应物负电极材料包括锂或者含锂的材料。锂离子交换膜便于液体反应物材料之间的锂离子交换反应以产生锂耗尽负电极材料和富锂正电极材料。该器件还包括相应的流体交换机构，用以i)将液体反应物正电极材料引入第二容积部分中并将富锂正电极材料从第二容积部分中取出以及ii)以将液体反应物负电极材料引入第一容积部分中并将锂耗尽负电极材料从第一容积部分中取出。
文档编号H01M4/13GK102842702SQ201210296448
公开日2012年12月26日 申请日期2012年6月22日 优先权日2011年6月24日
发明者A·T·蒂蒙斯, B·R·克里斯蒂安 申请人:通用汽车环球科技运作有限责任公司