使用固态可充电电化学单元电池的电动车辆推进系统的制作方法

使用固态可充电电化学单元电池的电动车辆推进系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型提供一种车辆推进系统，包含被配置为对传动系统进行供电的多个固态可充电电池单元电池。根据本实用新型的一个方面，提供一种至少部分由以可充电电化学单元电池形式存储的电力供电的运输系统。根据本实用新型的实施例，这些单元电池串联或并联结合以形成电池组，该电池组由充电和放电控制电路调节，该充电和放电控制电路利用算法进行编程来监测充电状态，电池寿命以及电池的健康度。
【专利说明】使用固态可充电电化学单元电池的电动车辆推进系统
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种车辆推进系统。更具体地，本实用新型涉及一种包括被配置来为车辆的传动系统供电或为其他应用供电的多个固态可充电电池单元电池的系统。
【背景技术】
[0002]基于液体和颗粒的能量存储系统是公知的。即，可充电电化学存储系统已经被长期使用于汽车和运输应用，包括客运车辆，车队车辆、电动自行车、电动摩托、机器人、轮椅、飞机、水下作业车和自主无人驾驶飞机。具有液态或凝胶电解质的可充电电化学存储系统通常被用于这些应用，以便利用它们相对较高的离子扩散特性。已经使用不同的阳极和阴极半池反应，这些半池反应被分类成传统的铅酸、镍镉(NiCd)、镍金属氢化物(NiMH)、以及锂离子(L1-1on)。
[0003]传统的铅酸电池包含铅元素(Pb)和氧化铅(Pb02)的电极，该电极浸没在硫酸(H2S04)的液态电解质中。可充电NiMH电池通常由浸没在比如氢氧化钾的液态碱性电解质中的电极组成。可充电L1-1on电池的最常见类型通常由浸没在有机溶剂中的电极组成，该有机溶剂比如是含有比如LiPF6、LiBF4或LiC104的溶解锂盐的碳酸乙烯酯(ethylenecarbonate)、碳酸二甲酯()、和碳酸二乙酯。在锂离子聚合物电池中，锂盐电极没有保持在有机溶剂中，而是保持在比如聚环氧乙烷或聚丙烯腈的固态聚合物组合物中。[0004]液态电解质通常要求非导电分离物，以便防止可充电单元电池(cell)短路。微孔聚合物分离物通常与液态电解质结合使用，从而使得允许锂离子通过电极之间的分离物而不传导电子。然而，这些分离物比较昂贵，是具有缺陷的资源，并且往往会减损成品的能量
山/又ο
实用新型内容
[0005]根据本实用新型，提供了与固态可充电电池和车辆推进相关的技术。更具体地，本实用新型提供一种全固态可充电电池的系统以及由该电池供电的车辆推进系统。仅仅作为举例，本实用新型已经应用于车辆推进系统，但可以存在各种其它应用。
[0006]根据本实用新型的一个方面，提供了一种至少部分由以可充电电化学单元电池形式存储的电力供电的运输系统，其中，这些单元电池:
[0007]?达到至少300Wh/L的特定体积能量密度，并且具有至少I安培小时的额定容量。
[0008]?含有由能够实现锂或镁充分插入的磷酸盐或氧化物化合物组成的阴极材料。
[0009]?含有由碳、硅、锡、锂金属或能够电镀或插入锂或镁的其它材料组成的阳极材料。
[0010]?含有由磷酸盐或陶瓷组成的固态电解质
[0011]?使用“卷对卷”(roll-to-roll)生产工艺生产
[0012]根据本实用新型的一个方面，提供了一种包括被配置来为车辆的传动系统供电或为其他应用供电的多个固态可充电电池单元电池的系统，该系统包括:基板，所述基板包含表面区域；被形成为覆盖所述基板的表面的至少一个电化学单元电池，所述电化学单元电池包括:由过渡金属氧化物或过渡金属磷酸盐构成的阳极材料；由陶瓷、聚合物、或玻璃材料构成的固态层，所述固态层被配置为在充电和放电过程期间导引锂离子或镁离子；以及阴极材料，被配置为在充电和放电期间进行离子的电化学插入或电镀；以及导电材料，连接到所述阳极材料并且不与所述阴极材料接触。
[0013]根据本实用新型的实施例，这些单元电池被串联和并联组合来形成电池组，该电池组由充电和放电控制电路进行调节，该充电和放电控制电路被利用算法进行编程来监测充电状态，电池寿命以及电池的健康度。
[0014]本实用新型可以并入混合动力车辆传动系统，包括全混合动力系统、轻度混合动力系统以及即插即用式混合动力系统。本实用新型也可以用于不同的传动系统结构，包括并行混合动力结构，串行混合动力结构,动力分流结构和串并混合动力结构。
[0015]尽管上述实用新型已被应用于车辆中，但是上述实用新型也可以应用于任何移动计算设备，包括但不限于智能电话、平板计算机、移动计算机、视频游戏机，MP3音乐播放器、录音机、运动检测器。也可以应用到发光系统，包括电池，LED或其他有机光源，以及太阳能面板。此外，可以应用到航天和军事应用中，比如发动机、辅助动力系统、卫星动力源、微传感器装置、以及无人机的动力源。
[0016]具有陶瓷分离物的固态电池的潜在优点已经被讨论了十多年了，但迄今很少有真正商业化的产品。困扰该产品的商业化的一个挑战是具有高性能水平的产品设计参数的开发。另一个以前没有克服的挑战是“卷对卷”生产工艺的开发，该生产工艺需要制作更大的形式尺寸(format-sized)(大于1/10安培小时)的固态电池并且以可以对要求大于微安电流的产品进行供电的形式缠绕并封装这些固态电池。
[0017]可以被大规模生产的固态电池的设计受限于计算设计工具的缺乏以及通过反复试验过程达到接近最优化设计所要求的高资本支出。在几年的工作以及数百万美元的投资后，本实用新型已经被产品化。
[0018]发明人已经完成计算设计工具集，该工具集利用基于物理的代码以及优化算法来得到一组被专门设计来在多个应用中使用的固态电池的最优化设计。这种工具的例子在2009 年 6 月 15 日提交的、名称为 “COMPUTATIONAL METHOD FOR DESIGN AND MANUFACTUREOF ELECTROCHEMICAL SYSTEMS”的共同受让的美国专利申请No: 12/484，959中已经描述，并且该美国专利申请在此处通过引用并入。没有这些工具，很难计算出基板、阴极集流器、阴极、固态电解质、阳极以及阳极集流器的最佳材料和层厚。这是它的已经在计算上完成并且在实验上验证的唯一一种设计工作，以及在多年工作以及对上百万种可能的固态电池设计进行真实评估后，已经设计了最优设计集。
[0019]本实用新型的结果是具有高于300Wh/L的能量密度的固态电池。尽管这已经通过使用一些利用液态或凝胶电解质设计的电池系统实现，但是没有具有陶瓷电解质的固态电池达到接近这个水平的能量密度。此外，陶瓷电解质和被Sakti3使用的设计消除了锂枝晶和在传统的卷绕锂离子电池中发生的液态或凝胶电解质和电池材料之间的其他不良副反应的发生。此外，本实用新型中使用的固态陶瓷电解质还消除了作为使用聚合物分离物的锂离子电池单元电池中的主要故障机制的内部短路电路的出现。
[0020]尽管丰田和其它公司最近声称正在开发固态电池，但是都没有能够得到接近或能够达到产品所需要的成熟度的设计。例如，丰田最近生产的电池使用低速率溅射工艺，利用与已经在传统生产的液态电解质锂离子电池中使用超过15年的材料相同的材料生产。根据Nikkei Electronics杂志的报道，丰田的设计是具有活性材料是氧化锂钴和石墨的阳极和阴极电解质的4” *4”单元电池。
[0021]本实用新型实现这些优点和已知工艺技术的上下文中的其他优点。然而，对本实用新型的本质和优点的进一步理解可以通过参考本说明书的稍后部分和附图而实现。
【专利附图】

【附图说明】
[0022]图1是现有技术中的固态电池单元电池的剖面图；
[0023]图2是现有技术中的固态电池单元电池的俯视图；
[0024]图3是现有技术中的特定电池单元电池的剖面图；
[0025]图4是实际缠绕的现有技术中的锂离子电池的对角剖面的照片；
[0026]图5是包括电动传动系统以及相关联的电能存储系统的车辆的不意图；
[0027]图6A是根据本实用新型实施例的缠绕的固态电池单元电池的简化图；
[0028]图6B是根据本实用新型实施例的被压缩到非圆柱容器形式因子中的缠绕的固态电池单元电池的简化图；
[0029]图7是固态电池单元电池的简化剖面图；和
[0030]图8是根据本实用新型实施例的示出模拟的能量密度的Ragone图。
【具体实施方式】
[0031]在电解质中使用有机溶剂的另一个问题在于，这些溶剂在充电和放电期间会分解。在合适地测量时，有机溶剂电解质在初始充电时分解，并形成称为固态电解质界面膜(SEI)的固态层，该固态层是电绝缘的，并且提供足够的离子传导率。
[0032]这些液态或凝胶电解质可充电电化学存储系统可以被串联或并联连接，以便在电池组的水平上得到附加的电压或电流。在超过1000W/kg的功率需求的情况下，取决于车辆的需求，电动传动系统可以要求范围为2马力到600马力的动力传送，并且它们要求范围为I千瓦时到100千瓦时的能量存储。
[0033]为了在获得足够的安全的同时满足这些能量和功率需求，现有技术教导制造更小的阴极颗粒，甚至在纳米尺寸，比如由A123系统公司出售的LiFePO4纳米材料。这些较小的纳米颗粒减少了任何特殊的锂离子从液态电解质行进到达阴极颗粒的最内部点所需的传输距离，这减少了在电池的充电和放电期间阴极材料中的热量和压力的产生。然而，对于本领域的将电池应用于除了低放电率微电子之外的应用的普通技术人员，将意想不到的是最小轴超出一微米厚的阴极薄膜将造出可行的产品。电动车辆和便携电子装置的可充电电池单元电池的传统制造商通常更喜欢将由纳米和微米大小的颗粒组成的凝聚(agglomeration)选择作为阴极异构(cathode heterogeneous),该纳米和微米大小的颗粒在湿浆中混合，然后通过槽模挤压或通过刮片刮薄，之后烘干并压紧从而得到开口单元电池的多孔结构，该多孔结构允许液态或凝胶电解质渗透它的细孔，从而提供与活性材料的亲密接触。
[0034]此外，传统技术建议，A123系统公司，Dow Kokam公司，LG化学公司，EnerDel公司以及其它公司在它们的电动车辆电池组中使用的矩形棱镜单元电池必须包含在电池组中，该电池组在单元电池之间具有泡沫和其他可压缩材料。传统技术教导，超过大型汽车电池组的寿命，这些电池将经历膨胀，并且需要将泡沫或者另一可压缩材料用作这些单元电池之间的隔离物，以便维持电池组的寿命开始时的足够压力，但是它们也将会产生单元电池膨胀。传统技术还教导压缩带或另一种机械机制来保持外部电池组的壳体不会在单元电池膨胀时打开。传统的技术还教导，需要对单元电池施压以确保良好的性能，通常被认为是因为维持良好的接触，并且由此电池单元电池中的接触电阻小以及导电性良好。
[0035]在电池组级上，传统技术教导，需要复杂控制来管理具有多个电池单元电池的电池组，特别是管理由于在温度极值或在充电状态最小值或最大值范围下在与液态或电池电解质组合的活性材料之间的被凝聚的颗粒单元电池中的副反应而造成的未知寿命。例如，这些控制结构通常具有算法，该算法结合采用Coulomb计数机制的电压监测来估计电池组中包含的每个单个单元电池的当前充电状态。每个单元电池然后可以在被测量为具有最低电压的电池的电压和电流下进行操作，并且充电以便保持电池寿命和减少热崩溃(thermalrunaway)的可能性。由于替代制造技术中的颗粒和单元电池级上的均勻性更高，由本实用新型中命名的多个单元电池构成的电池组可以不需要这些复杂的控制。
[0036]现有的固态电池，已经研发了固态电池(比如在美国专利No5, 338，625中描述的固态电池)，该固态电池使用固态(通常是陶瓷)电解质，而不是使用聚合物或液态。然而，对这些电解质的公开研究已经示出，它们被广泛地熟知为得到相对低的离子传导率(参见 “Fabrication and Characterization of Amorphous Lithium Electrolyte ThinFilms and Rechargeable Thin-Film Batteries，，，J.B.Bates et al.Journal of PowerSources，43-44(1993) 103-110)。在本实用新型中，发明人已经使用他们发明来确定最佳的材料层厚和结构的计算模型，从而知道在他们已经制造的或者文献中的电解质、阳极和阴极材料中测量的离子电导率和扩散特性。此外，这些固态电池通常在相对小的面积(小于100平方厘米)上生产，这限制了以安培小时(Ah)为单位的单元电池的总容量。
[0037]例如，当前由Infinite Power Solutions生产的固态电池产品的Thinergy生产线中的最大单元电池声称在所具有的尺寸为25.4mm x50.8mm x0.17mm以及在标定额定电压是4.1伏特时所具有的最大电流是IOOmA的电池组中，含有2.5mAh的总容量。这些固态电池具有仅仅46.73ffh/L的标定能量密度，这远远低于相比较的锂离子液态电解质单元电池的200-400Wh/L的工业标准。另外，这些单元电池的源于它们的设计以及使用批量生产工艺的选择的微小容量意味着将超过1，500, 000个这种电池串联或并联，以便得到净额定能量存储至少为16kWh的电池组，这是比如雪佛兰“伏特”概念车的典型扩展范围电动车辆(EREV)的能量存储容量。因此，将现有的固态电池设计和制造过程包含在电动车辆传动系统中是不现实的。
[0038]此外，由于相对大的电池组与活性材料的质量比，这些小的固态电池在大规模生产上具有低能量密度的缺点。此外，现有的固态电池常常使用昂贵的和低速率的方法，比如溅射和化学气相沉积(CVD)。已经假定其它较快的工艺，比如化学浴沉积(CBD)，但有待证明。这些较快的工艺在生产具有运输工业中可容忍的足够低的缺陷率的均匀产品时显现出难度。
[0039]在发明人已经设计的产品中，基板材料的选择是另一重要的区别。迄今，固态电池的工作者已经选择能够退火和在进一步的封装阶段中更健壮的基板，比如陶瓷板，硅晶片，金属箔，以及较厚的聚合物材料，比如大于8到10微米厚且具有高耐热性的聚酰亚胺。当前正被使用的这些材料在小于5到10微米的Gauge规范中不可获得。相反，在本实用新型中，发明人已经选择成对的小于10微米且不能被退火的薄聚合物基板。
[0040]显然，这种趋势导致设备设计和制造的现有实践中的固有问题。因此，可以看到，需要有一种大规模生产改进的固态电池的装置。
[0041]根据本实用新型，提供了与固态可充电电池和车辆推进相关的技术。更详细地，本实用新型提供一种全固态可充电电池的系统以及由该电池供电的车辆推进系统。仅仅作为举例，本实用新型已经应用于车辆推进系统，但可以存在各种其它应用。
[0042]根据本实用新型的一个方面，提供了一种至少部分由以可充电电化学单元电池形式存储的电力供电的运输系统，其中，这些单元电池:
[0043]?达到至少300Wh/L的特定体积能量密度，并且具有至少I安培小时的额定容量。
[0044]?含有由能够实现锂或镁充分插入的磷酸盐或氧化物化合物组成的阴极材料。
[0045]?含有由碳、硅、锡、锂金属或能够电镀或插入锂或镁的其它材料组成的阳极材料。
[0046]?含有由磷酸盐或陶瓷组成的固态电解质
[0047]?使用“卷对卷”(roll-to-roll)生产工艺生产
[0048]根据本实用新型的实施例，这些单元电池被串联和并联组合来形成电池组，该电池组由充电和放电控制电路进行调节，该充电和放电控制电路被利用算法进行编程来监测充电状态，电池寿命以及电池的健康度。
`[0049]本实用新型可以并入混合动力车辆传动系统，包括全混合动力系统、轻度混合动力系统以及即插即用式混合动力系统。本实用新型也可以用于不同的传动系统结构，包括并行混合动力结构，串行混合动力结构,动力分流结构和串并混合动力结构。
[0050]尽管上述实用新型已被应用于车辆中，但是上述实用新型也可以应用于任何移动计算设备，包括但不限于智能电话、平板计算机、移动计算机、视频游戏机，MP3音乐播放器、录音机、运动检测器。也可以应用到发光系统，包括电池，LED或其他有机光源，以及太阳能面板。此外，可以应用到航天和军事应用中，比如发动机、辅助动力系统、卫星动力源、微传感器装置、以及无人机的动力源。
[0051]具有陶瓷分离物的固态电池的潜在优点已经被讨论了十多年了，但迄今很少有真正商业化的产品。困扰该产品的商业化的一个挑战是具有高性能水平的产品设计参数的开发。另一个以前没有克服的挑战是“卷对卷”生产工艺的开发，该生产工艺需要制作更大的形式尺寸(format-sized)(大于1/1(^安培小时)的固态电池并且以可以对要求大于微安电流的产品进行供电的形式缠绕并封装这些固态电池。
[0052]可以被大规模生产的固态电池的设计受限于计算设计工具的缺乏以及通过反复试验过程达到接近最优化设计所要求的高资本支出。在几年的工作以及数百万美元的投资后，本实用新型已经被产品化。
[0053]发明人已经完成计算设计工具集，该工具集利用基于物理的代码以及优化算法来得到一组被专门设计来在多个应用中使用的固态电池的最优化设计。这种工具的例子在2009 年 6 月 15 日提交的、名称为 “COMPUTATIONAL METHOD FOR DESIGN AND MANUFACTUREOF ELECTROCHEMICAL SYSTEMS”的共同受让的美国专利申请No: 12/484，959中已经描述，并且该美国专利申请在此处通过引用并入。没有这些工具，很难计算出基板、阴极集流器、阴极、固态电解质、阳极以及阳极集流器的最佳材料和层厚。这是它的已经在计算上完成并且在实验上验证的唯一一种设计工作，以及在多年工作以及对上百万种可能的固态电池设计进行真实评估后，已经设计了最优设计集。
[0054]本实用新型的结果是具有高于300Wh/L的能量密度的固态电池。尽管这已经通过使用一些利用液态或凝胶电解质设计的电池系统实现，但是没有具有陶瓷电解质的固态电池达到接近这个水平的能量密度。此外，陶瓷电解质和被Sakti3使用的设计消除了锂枝晶和在传统的卷绕锂离子电池中发生的液态或凝胶电解质和电池材料之间的其他不良副反应的发生。此外，本实用新型中使用的固态陶瓷电解质还消除了作为使用聚合物分离物的锂离子电池单元电池中的主要故障机制的内部短路电路的出现。
[0055]尽管丰田和其它公司最近声称正在开发固态电池，但是都没有能够得到接近或能够达到产品所需要的成熟度的设计。例如，丰田最近生产的电池使用低速率溅射工艺，利用与已经在传统生产的液态电解质锂离子电池中使用超过15年的材料相同的材料生产。根据Nikkei Electronics杂志，丰田的设计是具有活性材料是氧化锂钴和石墨的阳极和阴极电解质的4 ” *4 ”单元电池。
[0056]图1是现有技术中的固态电池的剖面图。在该图中，使用掩膜技术，按照使得阴极集流器(16)不接触类似沉积的阳极集流器(18)的方式，将阴极集流器(16)沉积在厚基板
(12)上。阴极材料(20)沉积在阴极集流器(16)上。还沉积离子导电绝缘体(22)。然后，将阳极材料(24)沉积在电解质的顶部，从而使得它接触阳极集流器(18)。电化学单元电池层10包括这些之前描述的元素。所述单元电池沉积在固定基板12上。所述单元电池具有小于40Wh/kg的能量密度，并且包含小于0.1Ah的容量。
[0057]图2是图1中示出的传统单元电池中描述的同一单元电池的俯视图。图2是从上看到的图1中的电化学单元电池层10的结构。整个单元电池每侧测量小于8英寸。该单兀电池被完全S封(32)。阳极接头(16)和阴极接头(18)从电池组中关出。
[0058]图3是现有技术中的几乎在汽车和消费性电子产品的所有商用锂离子产品中使用的颗粒电池材料堆栈结构的剖面图。阴极颗粒的凝聚、矿渣材料、以及导电涂料(6、7和8)被凝聚成阳极材料。这个凝聚层的厚度在50微米和350微米之间。厚度范围在10微米到50微米之间的多孔分离物(4)将阴极半反应与阳极半反应分离开。比如碳的插入材料用作阴极(2)。在被称为“形成”的步骤中的电池制造后，在阳极上有意地形成固态电解质界面层(3)。铝集流器(9)收集来自阴极的电子，以及铜集流器(I)收集来自阳极的电子。混合物在液态或聚合物电解质溶剂(10)中浸泡，一旦离子和电子在颗粒材料的外部，该电解质溶剂就导引该离子和电子。
[0059]图4是示出现有技术中的离子电池“面包卷(jellyiOll)”单元电池的剖面的照片。该电池被缠绕小于50圈。
[0060]图5是包含电动传动系统12 (特别是混合电动传动系统)的车辆10的不意图。本实用新型的实施例基本上应用于任何包含完全电动(EV)或部分电动(HEV)传动系统的车辆，该部分电动传动系统包括即插即用式电动传动系统。车辆10仅仅作为本实用新型的实施例的单个可能实现例示和描述。要理解的是，车辆10和电动传动系统12的许多其他配置是可能的。例如，以下描述的能量存储模块42和44不被限制为安装在相同的隔间(compartment)中。它们可能被布置在不同的位置,从而它们能够更容易地接近目标电气装置，比如空气调节器，直流电机等。
[0061]电动传动系统12包括内燃机14，该内燃机14连接到变速器15和牵引电机16，用于经由推进轴20驱动车辆10的前轮18。变速器15和牵引电机16响应于来自车辆驾驶者可接近的加速器控制器24和制动控制器26的输入，连接到控制器22。虽然上述是特定实施例的完整描述，但是可以使用各种修改、替换结构和等同物。
[0062]图5是描述连接到变速器15的单个牵引电机16，但是可以使用多个牵引电机。例如，牵引电机可以与各个车轮18相关联。如图5所述，牵引电机28可以被提供来经由推进轴32驱动后车轮30，牵引电机28连接到控制器22。电动传动系统12的替代配置可以经由变速器15和牵引电机16提供对后车轮30的初始驱动，经由各种变速器和牵引电机提供对前车轮18和后车轮30的驱动以及对前车轮18和后车轮30的驱动的各种组合。
[0063]电能经由控制器22从混合能量存储系统40供应到牵引电机16和牵引电机28(如果提供)。根据本实用新型的实施例，混合能量存储系统40包括多个能量存储模块，其中两个被例示为能量存储模块42和能量存储模块44。混合能量存储系统40可以包含多于两个的能量存储模块。所述模块可以是一组具有特定特性的单元电池，所述特定特性比如是单元电池结构，单元电池的化学组成，控制等。
[0064]电能可以在由内燃机14驱动的发电模式中通过操作牵引电机16来提供给混合能量存储系统40。能量也可以在再生中断模式中通过操作牵引电机16和/或牵引电机28来在制动期间恢复并传送到混合能量存储系统40。能量也可以通过即插即用界面41，经由即插即用选项提供给混合能量存储系统40。
[0065]在实施例中，混合能量存储系统40是混合电池系统，该系统包含第一电池系统部分或模块42和第二电池系统或模块44。第一模块42可以具有第一电池结构，以及第二模块44可以具有与第一电池结构不同的第二电池结构。不同的电池结构意味着，当对照对应的部分进行查看时，与电池系统的部分相关联的单元电池结构、单元电池化学组成、单元电池数量、单元电池尺寸、单元电池耦合、控制电子装置以及其它设计参数可以不同。优选地，电池组位于特定电子装置附近。因此，能量存储系统42和44可以不需要安装在与混合能量存储系统40相同的隔间中。本领域的普通技术人员将认识到其他的变型、修改和替代。
[0066]上述系统能够是车辆推进系统的实施例，该车辆推进系统包含被配置为为传动系统供电的多个固态可充电电池。在各个实施例中，所述系统可以包括具有表面区域的冷轧基板，覆盖该表面区域的至少一个电化学单元电池，以及导电材料。
[0067]所述冷轧基板沿着最短轴的厚度可以小于10微米。在特定的实施例中，该基板可以包含厚度小于10微米的聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)，双向拉伸聚丙烯薄膜(Β0ΡΡ)，聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)，聚酰亚胺，聚酯，聚丙烯，丙烯酸酯(acrylact)，芳族聚酰胺(arimide),或金属材料。
[0068]电化学单元电池可以包括阳极，固态层，和阴极。阳极可以包括过渡金属氧化物或过渡金属磷酸盐。阳极的特征还可以在于厚度在0.5微米到50微米之间。导电材料可以耦合到阳极材料而不是阴极材料。固态层可以包含陶瓷、聚合物，或玻璃材料，被配置为在充电和放电期间导引锂离子或镁离子。固态层的特征在于厚度是0.1微米到5微米。阴极材料可以被配置为在充放电期间电化学插入或电镀离子。阴极材料的特征在于厚度在0.5微米到50微米。当然，可以存在其他变型，修改和替代。
[0069]此外，阴极材料层和阳极材料层可以各自具有大于0.5米的总表面积，其中冷轧基板至少由聚合物、金属、半导体或绝缘体制成。这些层可以缠绕到所具有的外部表面积小于活性材料层的表面积的1/100的容器中。在特定的实施例，对于每个单元电池，所述电化学活性材料层可以被连续缠绕或堆叠至少30或10，000次，但是可以存在变型。所述阴极材料可以包括锂金属合金，从而使得合金的熔点大于150摄氏度。
[0070]车辆推进系统的实施例中找到的电池单元电池或电化学单元电池可以具有许多有利的性能特性。所述电池可以具有电化学单元电池的不超过50Wh/m2的能量密度，或者它们具有至少是每升700Wh的能量密度。所述电池也可以具有至少是每千克300Wh的特定能量。在特定的实施例中，所述电池能够在以额定容量的80%进行循环的情况下实现至少5000次循环，并且具有至少250Wh/kg的重量能量密度。
[0071 ] 在各个实施例中，这些电池单元电池可以用于至少智能手机、蜂窝电话、无线电或其他便携式通信设备，膝上型计算机、平板计算机、便携式视频游戏系统、MP3播放器或其他音乐播放器，照相机、摄像机、遥控车、无人驾驶飞机、机器人、水下作业车、卫星、GPS单元、激光测距仪、闪光灯、街道电气照明、和其他便携电子设备中的一个或多个。此外，这些电池可以没有固态电解质界面/界面膜(SEI)层。
[0072]在特定的实施例中，所述系统可以进一步包含多单元电池可充电电池组。该多单元电池可充电电池组可以包括多个固态可充电单元电池。这些单元电池的第一部分可以串联连接，以及该单元电池的第二部分可以并联连接。此外，这个多单元电池电池组可以包括传热系统和一个或多个电子控制装置，被配置来将工作温度保持在60到200摄氏度的范围内。多个可充电单元电池可以包含多个可充电单元电池的各自的最外面部分。这些各个最外面部分中的每个可以彼此邻近小于I毫米。此外，多单元电池可充电固态电池组可以由一种或多种所具有的热阻R值至少是0.4m2*K/ (W*in)的材料绝缘。
[0073]在另一个特定的实施例中，具有多单元电池可充电固态电池组的系统还可以包括被配置为至少串联或并联的多个电容器，以提供比单独使用多个电容器或不与固态可充电电池单元电池组和的常规特定电化学单元电池更高的净能量密度，该多单元电池可充电固态电池组具有固态可充电电池单元电池,其中多单元电池可充电固态电池组的特征在于能量密度至少是500W/kg。该固态可充电电池单元电池可以以缠绕或堆叠结构构成，以及使用锂或镁作为传输离子，固态可充电电池单元以大于IAh的形式构成，以及被配置为没有固态电解质界面层；该固态可充电电池单元电池在大于1000次的循环后能够保留大于80%的容量。这些系统和根据本实用新型的实施例的类似系统的其他实施例可以设置在至少部分由这些系统供电的车辆中。
[0074]图6A是所描述的被缠绕的全固态可充电电池单元电池的简化图。虽然进行了少量的缠绕，但是本实用新型要求针对每个单元电池包括大于50次缠绕的可充电固态电池单元电池。本实用新型中的固态单元电池也可以使用Z-折叠，堆叠，或电镀技术来进行封装。
[0075]图6B是被缠绕的可充电固态电池的简化图，该电池在缠绕后被压缩为适于非圆柱状形式因子。在本实用新型中，所述可充电固态电池膜的压缩在没有开裂、剥离或基板或沉积膜的其它缺陷的情况下完成。
[0076]图7是根据本实用新型的实施例的活性材料层的剖面面的简化图。金属集流器
(72)沉积在长条薄基板(71)上。阳极材料(73)沉积在所述集流器(72)上，并通过固体离子导电电解质(74)与金属阳极材料(75)分离开。在切割、缠绕或堆叠单元电池之前，还将金属集流器条粘附到阳极上。
[0077]这个设备能够在要求供应给该设备的额定能量大于0.5wh的应用中实现至少250Wh/kg。能量密度能力在更大的设备中更大，从而减少非活性材料的相对质量百分比。
[0078]本实用新型与当前的教导的不同在于，该薄膜上的表面的Wh/m2至少是50Wh/m2，一个小于汽车或便携式电子产品中当前正在使用的锂电池的Wh/m2的一半的数值。这要求通过更多的转动来缠绕电池以实现相同的能量密度，以及具有更大的精确度来维持无缺陷薄膜。本实用新型也利用在物理上加入到陶瓷分离物的单个统一条状的阴极材料，而不是将浸没在液态电解质中的颗粒小型化。
[0079]图8是三种不同的固态电池系统设计的模拟ragone图，该设计是在下面的实例I中使用计算代码描述的，该计算代码由实用新型人开发并且包括有限元分析和多物理代码的各个方面。每个设计表现层厚和阴极材料的不同组合。这些电池单元电池被模拟为具有大于300Wh/kg的能量密度以及利用实用新型人开发的特有制造技术生产。
[0080]实例1，在该特定的实施例，在厚度小于5微米的缠绕聚合物基板上制造单元电池。在该基板上沉积厚度小于0.2微米的金属阴极集流器，其上沉积厚度小于10微米的过渡金属氧化物阴极材料。然后，沉积厚度小于2微米的陶瓷电解质层，以及将包含至少50%锂金属的金属阳极沉积在该电解质上。所述基板的尺寸是至少lcm*100cm，以及整个结构的厚度是小于50微米。
[0081]虽然上述是特定实施例的全面描述，但是可以适应各种修改、替换设计和等同物。作为例子，包括方法的本申请可以与2009年6月15日提交的、名称为“METHOD FOR HIGHVOLUME MANUFACTURE OF ELECTROCHEMICAL CELLS USING PHYSICAL VAPOR DEPOSITION”的共同受让的美国申请N0.12/484，966中的一个或多个元素结合使用，该美国申请在此通过引用并入。本方法和装置还可以与共同受让的美国专利N0.7，945，344中描述的技术一起使用，该美国专利在此通过引用并入。因此，上述描述和例示不应该被认为是限制本实用新型的范围，本实用新型的范围由附加权利要求限定。
【权利要求】
1.一种包括被配置来为车辆的传动系统供电或为其他应用供电的多个固态可充电电池单元电池的系统，其特征在于，该系统包括: 基板，所述基板包含表面区域； 被形成为覆盖所述基板的表面的至少一个电化学单元电池，所述电化学单元电池包括: 由过渡金属氧化物或过渡金属磷酸盐构成的阳极材料； 由陶瓷、聚合物、或玻璃材料构成的固态层，所述固态层被配置为在充电和放电过程期间导引锂离子或镁离子；以及 阴极材料，被配置为在充电和放电期间进行离子的电化学插入或电镀；以及 导电材料，连接到所述阳极材料并且不与所述阴极材料接触。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述阳极材料层和阴极材料层各自具有大于0.5米的总表面积；所述基板至少由聚合物、金属、半导体，或绝缘体制成；所述基板是卷起的或平面化的；其中，所述基板沿着最短轴方向的厚度小于10微米；所述阳极材料的特征在于厚度在0.5到50微米之间；所述固态层的特征在于厚度在0.1到5微米之间；以及所述阴极材料的特征在于厚度在0.5到50微米之间。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述层被缠绕到所具有的外表面积小于所述电化学单元电池的表面积的1/100的容器中。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，当将最长轴的长度除以最短轴的长度时，所述均匀阴极材料层的纵横比大于500，000。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，对于每个单元电池，所述层被连续地缠绕或层叠至少10,000次。
6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述电池单元电池所具有的能量密度不超过所述电化学单元电池的50Wh/m2。
7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述基板包含厚度小于10微米的聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、双向拉伸聚丙烯薄膜(BOPP)，聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)，聚酰亚胺，聚酯，聚丙烯，丙烯酸酯，芳族聚酰胺，或金属材料。
8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述电池单元电池不具有固态电解质界面/界面膜(SEI)层。
9.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述阴极材料包含锂金属合金，从而使得所述合金的熔点大于150摄氏度。
10.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述电池单元电池所具有的特定能量至少是 300Wh/kg。
11.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述电池单元电池所具有的能量密度至少是 700ffh/Lo
12.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述电池单元电池能够在以额定功率的80%进行循环时实现至少5000次循环，并且所具有的重量能量密度至少是250Wh/kg。
13.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述电池单元电池的其它应用被用于至少智能电话、蜂窝电话、无线电，膝上型计算机、平板计算机、便携式视频游戏系统、MP3播放器，照相机、摄像机、遥控车、无人飞机、机器人、水下作业车、卫星、GPS单元、激光测距仪、闪光灯、电气街灯中的一个或多个。
14.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，还包含多单元电池可充电固态电池组，所述多单元电池可充电电池组包含多个固态可充电单元电池；所述单元电池的第一部分串联连接，以及所述单元电池的第二部分并联连接。
15.根据权利要求14所述的系统，其特征在于，所述多单元电池可充电固态电池组包含被配置为将工作温度保持在60到200摄氏度之间的范围内的传热系统和一个或多个电子控制装置。
16.根据权利要求15所述的系统，其特征在于，所述多个可充电单元电池包含所述多个可充电单元电池的各个最外面部分，各个最外面部分彼此相邻小于I毫米。
17.根据权利要求13所述的系统，其特征在于，所述多单元电池可充电固态电池组由一种或多种所具有的热阻R值至少是0.4m2*K/(W*in)的材料绝缘。
18.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括具有固态可充电电池单元电池的多单元电池可充电固态电池组；以及被配置成至少串联或并联的多个电容器以提供比多个单独的电容器或传统的没有与所述固态可充电单元电池结合的颗粒电化学单元电池更高的净能量密度，以及其中所述多单元电池可充电固态电池组的能量密度至少是500W/kg。
19.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统设置在至少部分由所述系统供电的车辆中。
20.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述固态可充电电池单元电池以缠绕或层叠结构构成；以及使用锂或镁作为传输离子，所述固态可充电单元电池以大于IAh的形式构成；并且所述固态可充电单元电池被设置成不具有固态电解质界面层；所述固态可充电单元电池在超过1000次循环之后能够保留大于80%的容量。
【文档编号】H01M10/056GK203503747SQ201220594257
【公开日】2014年3月26日 申请日期:2012年11月12日 优先权日:2011年4月1日
【发明者】A·M·沙斯特里, F·阿尔巴诺, C·W·汪, R·克鲁斯, J·勒布伦 申请人:Sakti3有限公司