不含金属的含水电解质能量存储装置制造方法
【专利摘要】本发明涉及一种电化学装置，其包含外壳和所述外壳中的电化学电池堆叠。每一电化学电池包含阳极电极、阴极电极、位于所述阳极电极与所述阴极电极之间的隔板、以及电解质。所述电化学装置还包含位于相邻电化学电池之间的集电器、操作性地连接到所述堆叠中的所述电化学电池的所述阳极的阳极总线、以及操作性地连接到所述堆叠中的所述电化学电池的所述阴极的阴极总线。所述外壳、所述阳极电极、所述阴极电极、所述隔板、所述阳极总线和所述阴极总线为非金属的。
【专利说明】不含金属的含水电解质能量存储装置
[0001]相关申请案
[0002]本申请案主张2011年3月9日申请的第61 / 450, 774号美国申请案以及2011年3月9日申请的第13 / 043，787号美国申请案的优先权权益，第61 / 450，774号和第13 / 043，787号申请案的全部内容特此以引用的方式并入本文中。
【技术领域】
[0003]本发明涉及含水蓄电池和混合能量存储装置，且具体来说涉及没有与含水电解质接触的金属零件的电化学存储装置。
【背景技术】
[0004]小型可再生能量采集与发电技术(例如，太阳能电池阵列、风力涡轮机、微型斯特林引擎(sterling engine)和固体氧化物燃料电池)正在兴起，且对中等大小的二次(可再充电)能量存储能力的需要同样强劲。用于这些固定应用的蓄电池通常存储I与50kWh之间的能量(取决于应用)，且过去是基于铅酸(Pb酸)化学反应。在分布式发电场所处组装深循环铅酸电池组，且已知这些电池组取决于典型工作循环而可持续使用I到10年。尽管这些电池可足够良好地运转以支持此应用，但存在与其使用相关联的许多问题，包含:大量使用会污染环境的铅和酸(估计每年仅在美国Pb酸技术就造成向环境中释放超过100，000吨的Pb)、在保持在中间充电状态或日常循环到深度放电等级的情况下的显著的性能降级、需要日常养护以维持性能，以及实施必要的再循环计划。替换如汽车工业所使用的Pb酸化学组成的需要十分强烈。不幸地是，迄今，替代性的蓄电池化学组成的经济性仍使其非常没有吸引力。
[0005]尽管蓄电池技术取得了最近的所有进步，但仍没有对Pb酸化学组成的低成本、干净的替代方案。这在很大程度上是因为Pb酸蓄电池与其它化学组成相比显著地便宜($200 / kWh)，且当前正集中在开发用于运输应用的较高能量系统(其固有地比Pb酸蓄电池显著更昂贵)。
【发明内容】
[0006]一实施例涉及一种电化学装置，其包含外壳和所述外壳中的电化学电池堆叠。每一电化学电池包含阳极电极、阴极电极、位于所述阳极电极与所述阴极电极之间的隔板、以及电解质。电化学装置还包含位于相邻电化学电池之间的集电器、操作性地连接到所述堆叠中的电化学电池的阳极的阳极总线、以及操作性地连接到所述堆叠中的电化学电池的阴极的阴极总线。所述外壳、所述阳极电极、所述阴极电极、所述隔板、所述阳极总线和所述阴极总线为非金属的。本说明书的上下文中的“非金属”意指不由纯金属或金属合金制成的导电材料。非金属材料的实例包含(但不限于)导电金属氧化物或碳。
[0007]另一实施例涉及一种制造电化学装置的方法。方法包含:堆叠第一非金属阳极电极；在所述阳极电极上堆叠第一非金属隔板；以及在所述隔板上堆叠第一非金属阴极电极。方法还包含:操作性地将所述第一阳极电极连接到非金属阳极总线；以及操作性地将所述第一阴极电极连接到非金属阴极总线。
[0008]一实施例涉及一种电化学装置，其包含外壳和所述外壳中的电化学电池堆叠。每一电化学电池包含阳极电极、阴极电极、位于所述阳极电极与所述阴极电极之间的隔板、以及电解质。装置还包含:多个碳阴极和阳极集电器，其交替地位于相邻电化学电池之间；以及多个突片，其操作性地连接到所述多个碳阴极和阳极集电器，所述多个突片经配置以连接到电气总线。第一电化学电池的阴极电极电接触第一阴极集电器。第二电化学电池的阴极电极电接触第一阴极集电器。第二电化学电池的位置相邻于堆叠中的第一电化学电池的第一侧。所述第一电化学电池的阳极电极电接触第二阳极集电器。第三电化学电池的阳极电极电接触第二阳极集电器。第三电化学电池的位置相邻于堆叠中的第一电化学电池的第二侧。
[0009]另一实施例涉及一种电化学装置，其包含外壳和所述外壳中的电化学电池堆叠。每一电化学电池包含压制的粒状阳极电极、压制的粒状阴极电极、位于所述阳极电极与所述阴极电极之间的隔板、以及电解质。电化学装置还包含多个阴极和阳极集电器，其交替地位于相邻电化学电池之间。第一电化学电池的阴极电极电接触第一阴极集电器。第二电化学电池的阴极电极电接触第一阴极集电器。第二电化学电池的位置相邻于堆叠中的第一电化学电池的第一侧。第一电化学电池的阳极电极电接触第二阳极集电器，且第三电化学电池的阳极电极电接触第二阳极集电器。第三电化学电池的位置相邻于堆叠中的第一电化学电池的第二侧。
[0010]另一实施例涉及一种电化学装置，其包含外壳和并排布置在所述外壳中的多个电化学电池堆叠。每一电化学电池包含阳极电极、阴极电极、位于所述阳极电极与所述阴极电极之间的隔板、以及电解质。所述装置还包含位于所述堆叠中的每一者中的相邻电化学电池之间的集电器。至少一个电池的隔板包括在所述多个堆叠中的至少两者之间连续延伸的隔板薄片。
[0011]一实施例涉及一种电化学装置，其包含外壳和所述外壳中的电化学电池堆叠。每一电化学电池包含阳极电极、阴极电极、位于所述阳极电极与所述阴极电极之间的隔板、以及电解质。所述电化学装置还包含位于所述堆叠中的相邻电化学电池之间的石墨薄片。所述石墨薄片为相邻电化学电池的集电器。
[0012]另一实施例涉及一种电化学电池，其包含:具有由阳极边界区域分隔的多个离散阳极电极部件的阳极电极；以及具有由阴极边界区域分隔的多个离散阴极电极部件的阴极电极。电化学电池还包含位于阳极电极与阴极电极之间的隔板以及电解质。所述电解质位于所述隔板中以及位于阳极电极边界区域与阴极电极边界区域中。此外，阳极边界区域的至少50%未与在隔板对面的相应阴极边界区域对准。
[0013]另一实施例涉及一种制造具有电化学电池堆叠的电化学装置的方法。所述方法包含:形成堆叠电化学电池；以及将电绝缘聚合物浇注在所述电化学电池堆叠周围且使所述聚合物凝固以形成固体绝缘壳体，或在所述电化学电池堆叠周围提供预成型固体绝缘壳体。
[0014]另一实施例涉及一种制造电化学装置的方法。所述方法包含:堆叠阳极电极，其包括由阳极边界区域分隔的多个离散阳极电极部件；在所述阳极电极上堆叠隔板；以及在所述隔板上堆叠阴极电极，所述阴极电极包括由阴极边界区域分隔的多个离散阴极电极部件。所述阳极边界区域的至少50%未与在所述隔板对面的相应阴极边界区域对准，且所述多个阳极电极部件和所述多个阴极电极部件布置成具有多行和多列的阵列。
[0015]另一实施例涉及二次混合含水能量存储装置。二次混合含水能量存储装置包含外壳和所述外壳中的电化学电池堆叠。每一电化学电池包含阳极电极、阴极电极、以及位于所述阳极电极与所述阴极电极之间的隔板、电解质、以及位于相邻电化学电池之间的石墨薄片。所述阳极和阴极电极的厚度在0.05cm与Icm之间。
【专利附图】
【附图说明】
[0016]图1是根据实施例的电化学电池的棱柱堆叠的示意性说明。
[0017]图2是根据实施例的夹层式集电器的细节的示意性说明。
[0018]图3是根据实施例的具有电化学电池的多个棱柱堆叠的电化学装置的透视图。
[0019]图4是图3中说明的实施例的另一透视图。
[0020]图5是根据实施例的具有电化学电池的单个棱柱堆叠的电化学装置的透视图。
[0021]图6是图5的实施例的透视图，其为了清晰性而移除了电化学电池。
[0022]图7是说明图5中说明的实施例的部分的细节的示意性侧视横截面图。
[0023]图8是实施例的电池电位对电池容量的曲线图。
[0024]图9是根据本发明的实施例的电化学电池的示意性说明。所述电化学电池可以双极或棱柱堆叠配置来堆叠。
[0025]图10是根据实施例的电化学电池的横截面图，其具有由离散阳极电极部件构成的阳极电极和由离散阴极电极部件构成的阴极电极。所述电化学电池可以双极或棱柱堆叠
配置来堆叠。
[0026]图11是根据本发明的实施例的包括电化学电池的双极堆叠的电化学装置的示意性说明。
[0027]图12(a)是在充电与放电条件下30个循环中的电池电位对所累积容量的曲线图。图12(b)是随循环而变的电池充电与放电容量和效率的曲线图。
【具体实施方式】
[0028]本发明的实施例涉及电化学能量存储系统，例如下文描述的一次和二次蓄电池以及混合能量存储系统。虽然下文描述的二次混合含水能量存储系统是本发明的优选实施例，但本发明还适用于任何合适的电化学能量存储系统，例如含有含水和非含水电解质的蓄电池(例如，具有嵌入来自电解质的离子的阳极和阴极，包含Li离子蓄电池等)，或电解电容器(还称作超电容器和超级电容器，例如，其具有电容器或赝电容器阳极和阴极电极，所述电极经由电极(双层)的表面上的阳离子的可逆非法拉第(nonfaradiac)反应和/或赝电容而存储电荷，而非通过嵌入碱性离子)。
[0029]本发明的实施例的混合电化学能量存储系统包含与活性电极(例如，阴极)耦合的双层电容器或赝电容器电极(例如，阳极)。在这些系统中，电容器或赝电容器电极经由电极(双层)的表面上的碱性阳离子的可逆非法拉第反应和/或赝电容而存储电荷，而活性电极在嵌入和脱嵌碱性阳离子的过渡金属氧化物中经历类似于蓄电池的可逆法拉第反应。
[0030]Na基系统的实例已描述在2009年4月3日申请的第12 / 385，277号美国专利申请案中且全文以引用的方式并入本文中，所述实例利用尖晶石结构LiMn2O4蓄电池电极、活性碳电容器电极和含水Na2SO4电解质。在此系统中，负阳极电极经由活性碳电极的表面上的Na离子的可逆非法拉第反应而存储电荷。正阴极电极利用尖晶石λ-MnO2中的Na离子嵌入/脱嵌的可逆法拉第反应。
[0031]在替代系统中，阴极电极可包括非嵌入(例如，非碱性离子嵌入)MnO2相。二氧化锰的实例非嵌入相包含α相和Υ相电解二氧化锰(EMD)。
[0032]图1说明根据实施例的电化学电池102的棱柱堆叠100Ρ。在此实施例中，棱柱堆叠100Ρ中的电化学电池102中的每一者包含阳极电极104、阴极电极106以及位于阳极电极104与阴极电极106之间的隔板108。电化学电池102还包含位于阳极电极104与阴极电极106之间的电解质(即，注入于隔板和/或电极中)。可将棱柱堆叠100Ρ的电化学电池102中的每一者安装在框架112 (参见图9-10)中。此外，作为替代或除此之外，也可将棱柱堆叠100Ρ封闭在外壳116 (参见图3-6)中。下文关于图3-6中说明的实施例而较详细地提供外壳116的额外特征。电化学电池102的其它实施例说明于图9和图10中且在下文中较详细论述。棱柱堆叠100Ρ还包含在相邻电化学电池102之间交替定位的多个碳阴极与阳极集电器110a、110c。集电器可包括任何合适形式的导电碳，例如膨胀石墨、碳纤维纸或涂有碳材料的惰性衬底。优选地，集电器包括密度大于0.6g / cm3的石墨。
[0033]在实施例中，棱柱堆叠IOOP包含多个导电接点(例如，突片)120，其操作性地连接到多个碳阴极和阳极集电器110a、110c。导电接点120可贴附到碳阴极和阳极集电器110a、IlOc的一侧。或者，如图2中所说明，导电接点120可位于两个碳集电器IlOa或IlOc之间，从而构成夹层结构110s。优选地，棱柱堆叠IOOP还包含两个电气总线122a、122c。一个电气总线122a电连接到棱柱堆叠IOOP中的阳极集电器110a，且一个电气总线122c连接到棱柱堆叠IOOP中的阴极集电器IIOc。在实施例中，从阳极和阴极集电器110a、IIOc到电气总线122a、122c的电气连接是经由导电接点120。以此方式，堆叠IOOP中的电化学电池102可并联电连接。
[0034]在实施例中，正阴极总线122c使堆叠IOOP中的电化学电池102的阴极电极106与堆叠的正电气输出并联电连接，而负阳极总线122a使堆叠IOOP中的电化学电池102的阳极电极104与堆叠IOOP的负电气输出并联电连接。
[0035]在棱柱堆叠IOOP中，阴极集电器IlOc可位于相邻电化学电池102之间。S卩，成对的电化学电池102经配置为“面对面”和“背对背”。作为实例，考虑在其中第一电化学电池102处于堆叠IOOP的中心的棱柱堆叠100P。在第一对电池102中，第一阴极集电器IlOc经定位而使得第一电化学电池102的阴极电极106电接触第一阴极集电器110c，且第二电化学电池102的阴极电极106也电接触第一阴极集电器110c。第二电化学电池102的位置相邻于棱柱堆叠100P中的第一电化学电池的第一(阴极)侦U。
[0036]第三电化学电池102的位置相邻于棱柱堆叠100P中的第一电化学电池102的第二(阳极)侧。第一电化学电池102的阳极电极104电接触第一阳极集电器110a，且第三电化学电池102的阳极电极104也电接触第一阳极集电器110a。堆叠可以此方式继续。所得棱柱堆叠100P因此可包含交替的阳极电极104相邻和阴极电极106相邻的面对面且背对背成对堆叠的多个电化学电池102。
[0037]可在轴向上描述棱柱堆叠100P。对于图1中说明的堆叠100P，轴向平行于总线122a、122c。堆叠100P中的电化学电池102沿着堆叠100P的轴线在轴向上堆叠。堆叠中奇数或偶数编号的电化学电池120中的每一者具有面对堆叠100P的轴线的第一端的阴极电极106和面对堆叠100P的轴线的相反第二端的阳极电极104。堆叠100P中偶数或奇数编号的电化学电池102中的其它者中的每一者具有面对堆叠100P的轴线的第二端的阴极电极106和面对堆叠100P的轴线的相反第一端的阳极电极104。
[0038]在实施例中，棱柱堆叠100P包含电化学电池102，其中阳极电极104和/或阴极电极106由压制的粒状小球制成。阳极电极104和阴极电极106的厚度可在0.05cm与Icm之间。或者，阳极电极104和阴极电极106的厚度在0.05cm与0.15cm之间。压制的粒状小球之间的边界区域可提供电解质的贮器，如将在下文更详细描述。
[0039]在实施例中，电化学电池102为二次混合含水能量存储装置。在实施例中，阴极电极106在操作中可逆地嵌入碱金属阳离子。阳极电极104可包括经由阳极电极104的表面上的碱金属阳离子的可逆非法拉第反应而存储电荷的电容性电极，或经历与阳极电极104的表面上的碱金属阳离子的部分电荷转移表面相互作用的赝电容性电极。在实施例中，阳极为赝电容性或电化学双层电容性材料，其在相对标准氢电极(NHE)小于-1.3V下电化学稳定。在实施例中，阴极电极106可包括掺杂的或未掺杂的立方尖晶石)λ -MnO2类型材料或NaMn9O18隧道构造斜方晶材料，且阳极电极104可包括活性碳。或者，阴极电极可包括非嵌入MnO2相，例如α或Υ相电解二氧化锰(EMD)。
[0040]图3和图4中说明本发明的另一实施例。在此实施例中，电化学装置300包含电化学电池102的呈二乘四阵列的八个堆叠100Ρ。然而，可包含任何数目个堆叠100Ρ。举例来说，电化学装置300可包含呈一乘二阵列的两个堆叠100Ρ、呈一乘三阵列的三个堆叠100Ρ、呈三乘四阵列的十二个堆叠100Ρ或呈五乘五阵列的25个堆叠100Ρ。可根据最终用户的需要或电力需求而选择堆叠100Ρ的确切数目。
[0041]电化学装置300优选包含外壳116。在此实施例中，外壳116包含基底116b和多个侧壁部件116a。在实施例中，多个堆叠100P中的每一者中的电化学电池102的阳极电极104和阴极电极106沿着其边缘而曝露，但受到外壳116约束。优选地，外壳116提供穿过每一堆叠100P的压力，从而将电化学装置300的堆叠100P保持紧固。在替代实施例中，多个堆叠100P中的每一者中的电化学电池102的阳极电极104和阴极电极106沿着其边缘而部分或完全地经覆盖和约束。举例来说，此可通过将每一电池102的阳极电极104和阴极电极106安装在框架112中而实现，如图9中所示。还可使用其它外壳配置。举例来说，外壳116可包含基底116b和类似于钟罩的单个整体侧壁部件116a。
[0042]在此实施例中，至少一个电化学电池102的隔板108和/或阳极集电器IlOa和/或阴极集电器IlOc在多个堆叠100P中的至少两者之间连续地延伸。优选地，隔板108、阳极集电器IlOa和阴极集电器IlOc在电化学装置300中的所有堆叠100P之间连续地延伸。以此方式，可容易地且便宜地制造电化学装置300。然而，电池堆叠100P中的每一电池102的阴极电极106和阳极电极104优选地不连续延伸到堆叠100P中的另一者中的另一电池102。在实施例中，相邻堆叠100P的电极104、106之间的空间含有电解质贮器。
[0043]在实施例中，电化学装置300进一步包含电连接多个堆叠的所有正输出的组合式正总线与第一端板122c，以及电连接多个堆叠IOOP的所有负输出的组合式负总线与第二端板122a。另外，基底116b可包含外部电气接点124，所述外部电气接点124允许将电化学装置300快速且容易地附接到负荷。
[0044]在实施例中，电化学装置300为上文描述的混合电化学装置。优选地在此实施例中，电化学电池102的堆叠100P的所有电化学电池102为混合电化学电池。如在上文论述的实施例中，混合电化学电池102可包含阴极电极106和阳极电极104，其中阴极电极106包含掺杂的或未掺杂的立方尖晶石λ -MnO2类型材料或NaMn9O18隧道构造斜方晶材料，且阳极电极104包含活性碳，且电解质包括含钠离子的含水电解质。可如下文论述来使用其它阴极和阳极材料。在替代实施例中装置可包括二次蓄电池，例如Li离子或Na离子蓄电池。
[0045]图5和图6中说明本发明的另一实施例。在此实施例中，如所说明的电化学装置500包含电化学电池102的单个棱柱堆叠100Ρ。可使用一个以上的堆叠。电化学电池102的单个棱柱堆叠100Ρ位于外壳116中。电化学装置500包含阳极总线122a和阴极总线122c。棱柱堆叠100P中的电化学电池102中的阳极104中的每一者经由阳极集电器IlOa而电连接到阳极总线122a。在此实施例中，阳极104并联连接。类似地，棱柱堆叠100P中的电化学电池102中的阴极106中的每一者经由阴极集电器IlOc而电连接到阴极总线122c。在此实施例中，阴极106并联连接。优选地，阳极集电器IlOa和阴极集电器IlOc通过导电突片120而连接到其相应阳极总线122a和阴极总线122c。集电器110a、IlOc可通过以下各项而操作性地连接到相应的突片120和/或阳极和阴极总线122a、122c:压力/摩擦配件、导电的电化学惰性固化油漆、或导电的电化学惰性固化环氧树脂。电化学装置500还包含外部电气接点124以从电化学装置500向外部装置或电路供电。在实施例中，外部电气接点124位于阳极总线122a和阴极总线122c的顶部上。或者，所述接点可位于总线的底部或侧面上。所述接点可位于装置的相同或不同侧面上。
[0046]在实施例中，电化学装置500的通常与电解质接触的所有组件(即，阳极104、阴极106、隔板108、集电器110、总线122、突片120和外壳116)由非金属材料制成。在实施例中，集电器110、总线122和突片120可由任何合适的导电形式的碳制成。总线和突片可由石墨、碳纤维或碳基导电复合物(例如，含碳纤维或填充材料的聚合物基质)制成。外壳116可由(但不限于)电化学惰性和电绝缘聚合物制成。以此方式，电化学装置500是耐腐蚀的。如果总线122不接触电解质(即，突片延伸穿过密封材料到外部总线)，那么总线可由金属制成。外部电气接点124可由金属材料制成。在图7中说明的实施例中，总线122由气密密封件114围绕，所述气密密封件114位于总线122的顶部电化学电池102的棱柱堆叠100P的顶部与接点124之间。密封件可包括不渗透电解质和氧的聚合物或环氧树脂材料，例如基于聚合物的环氧树脂、胶、生石灰或熔融密封聚合物。总线122可通过焊接、螺栓、夹钳和/或密封材料所提供的压力而连接到接点124。以此方式，可将外部电气接点124与电解质隔离，从而允许外部电气接点124由金属材料(例如铜)制成。因此，仅金属触点或互连件124从外壳116的密封件114区域突出。
[0047]图8是电化学装置500的实施例的电池电位对电池容量的曲线图。如曲线图中可见，可实现高的电池容量，例如对于0.5V且0.5V以下的电压大于1200mAh。
[0048]图9说明电化学电池102的实施例。电化学电池102包含阳极电极104、阴极电极106以及在阳极电极104与阴极电极106之间的隔板108。电化学电池102还包含位于阳极电极104与阴极电极106之间的电解质。在实施例中，隔板108可为多孔的，其中电解质位于所述孔中。电解质可为含水的或非含水的。电化学电池102还可包含充当电化学电池102的集电器的石墨薄片110。优选地，石墨薄片110为致密的。在实施例中，石墨薄片110的密度大于0.6g/cm3。石墨薄片110可由(例如)膨胀石墨制成。在实施例中，石墨薄片110可包含一个或一个以上箔层。在下文较详细论述用于阳极电极104、阴极电极106、隔板108和电解质的合适材料。
[0049]可将阳极电极104、阴极电极106、隔板108和石墨薄片集电器110安装在密封每一个别电池的框架112中。框架112优选由电绝缘材料制成，例如电绝缘塑料或环氧树脂。框架112可由预成型环、浇注环氧树脂或两者的组合制成。在实施例中，框架112可包括单独的阳极和阴极框架。在实施例中，石墨薄片集电器110可经配置以充当框架112的密封件114。即，石墨薄片集电器110可延伸到框架112中的凹口中以充当密封件114。在此实施例中，密封件114防止电解质从一个电化学电池102流动到相邻电化学电池102。在替代实施例中，可提供单独的密封件114(例如，垫圈或垫片)，使得石墨薄片集电器不充当密封件。
[0050]在实施例中，电化学电池为混合电化学电池。即，阴极电极106在操作中可逆地嵌入碱金属阳离子，且阳极电极104包括经由(I)阳极电极的表面上的碱金属阳离子的可逆非法拉第反应而存储电荷的电容性电极或(2)经历与阳极电极的表面上的碱金属阳离子的部分电荷转移表面相互作用的赝电容性电极。
[0051]图11说明根据另一实施例的电化学电池102的双极堆叠100B。与包含单独的阳极侧和阴极侧集电器的常规电化学电池堆叠相比，双极堆叠100B通过位于一个电化学电池102的阴极电极106与相邻电化学电池102的阳极电极104之间的单个石墨薄片集电器110来操作。因此，双极堆叠100B仅使用常规电化学电池堆叠的集电器一半多的集电器。
[0052]在实施例中，双极堆叠100B封闭在外部外壳116中且在双极堆叠100B的顶部和底部上具备导电头部118。头部118优选包括耐腐蚀集电器金属，包含(但不限于)铝、镍、钛和不锈钢。优选地，在组装时将压力施加到双极堆叠100B。所述压力帮助提供良好的密封以防止电解质泄漏。
[0053]在实施例中，电化学电池102为二次混合含水能量存储装置。在此实施例中，阳极电极104和阴极电极106的厚度可介于0.05cm与Icm之间,例如厚度介于0.05cm与0.15cm之间。
[0054]图10说明本发明的另一实施例。在此实施例中，阳极电极104可包含由阳极边界区域104b分隔的离散阳极电极部件104a。此外，阴极电极106可包含由阴极边界区域106b分隔的离散阴极电极部件106a。如所说明，阳极电极104包含两个离散阳极电极部件104a，且阴极电极106包含三个离散阴极电极部件106a。然而，这仅是用于说明。阳极电极104和阴极电极106可分别包含任何数目个离散阳极电极部件104a和离散阴极电极部件106a。另外，在实施例中，阳极边界区域104b和阴极边界区域106b可包括填充电解质的空隙。
[0055]此外，图10仅说明一个维度上的横截面。正交方向上的横截面图还可说明具有离散阳极电极部件104a和离散阴极电极部件106a的阳极电极104和阴极电极106。即，阳极电极104和阴极电极106可包括二维棋盘式图案。换句话说，离散阳极电极部件104a和离散阴极电极部件106a可布置成具有多行和多列的阵列。个别的离散阳极电极部件104a和离散阴极电极部件106a的形状可例如为正方形或矩形。在实施例中，
【发明者】已发现:提供具有不同数目个离散阳极电极部件104a和离散阴极电极部件106a的阳极电极104和阴极电极106改进了电化学电池102的结构完整性。在此实施例中，阳极的行和列偏离于阴极的行和列。在实施例中，阳极边界区域104b的至少50% (例如，50-100%，包含75-95% )未与在隔板108对面的相应阴极边界区域106b对准。或者，阳极电极104和阴极电极106可包含相同数目的离散阳极电极部件104a和离散阴极电极部件106a。在替代实施例中，阳极电极104或阴极电极106中任一者可包括单个整体薄片，而另一电极包括离散部件的棋盘式图案。
[0056]在实施例中，阳极电极部件104a和阴极电极部件106a分别由活性碳和氧化锰的轧制薄片或压制小球制成。另一实施例涉及一种制造图10的电化学装置的方法，其包含以下步骤:(I)堆叠阳极电极104，阳极电极104包含由阳极边界区域104b分隔的多个离散阳极电极部件104a，(2)将隔板108堆叠在阳极电极104上，以及(3)将阴极电极106堆叠在隔板108上，阴极电极106包括由阴极边界区域106b分隔的多个离散阴极电极部件106a。在一个方面，阳极边界区域104b的至少50%未与在隔板108对面的相应阴极边界区域106b对准。方法还可包含将石墨薄片集电器110堆叠在阴极电极106上的步骤。可通过从阳极或阴极材料的轧制薄片切割部件104a、106a或通过压制阳极或阴极材料的小球来形成阳极电极部件104a和/或阴极电极部件106b。
[0057]本发明的另一实施例涉及一种制造电化学电池102的堆叠100BU00P的方法。所述方法可包含形成堆叠电化学电池以及将电绝缘聚合物浇注在电化学电池102的堆叠100B、P周围的步骤。方法还可包含使聚合物凝固以形成固体绝缘壳体或框架112。或者，方法可包含在电化学电池102的堆叠周围提供预成型固体绝缘壳体112的步骤。聚合物可为(但不限于)环氧树脂或丙烯酸树脂。
[0058]方法还可包含将图11中所示的导电端板头部118贴附到堆叠110的顶部和底部。接着可将堆叠110和 固体绝缘壳体或框架112放置在中空圆柱体壳体或外部外壳116中。方法还包含将石墨薄片集电器110放置在电化学电池102的堆叠100B，P中的相邻电化学电池102之间。在实施例中，电化学电池102的堆叠100B，P中的每一电化学电池102包括具有活性阳极区域的阳极电极104和具有活性阴极区域的阴极电极106。石墨薄片集电器110可具有大于活性阳极区域和活性阴极区域的面积以充当如图9中所示的密封件。
[0059]装置组件
[0060]MM.[0061]可将包括过渡金属氧化物、硫化物、磷酸盐或氟化物的若干材料用作能够进行可逆的Na离子嵌入/脱嵌的活性阴极材料。适合用作本发明的实施例中的活性阴极材料的材料优选地在用作活性阴极材料之前含有碱性原子，例如钠、锂或两者。活性阴极材料不必在初生状态下(即，在用于能量存储装置中之前)含有Na和/或Li。然而，来自电解质的Na阳离子必须能够通过在能量存储装置的操作期间的嵌入而并入到活性阴极材料中。因此，可用作本发明中的阴极的材料包括不必在初生状态下含有Na，但能够在能量存储装置的放电/充电循环期间进行Na离子的可逆嵌入/脱嵌而无大量的过电位损失的材料。
[0062]在活性碳材料在使用之前含有碱性原子(优选为Na或Li)的实施例中，这些原子中的一些或全部在第一次电池充电循环期间脱嵌。来自电解质的碱性阳离子(绝大多数为Na阳离子)在电池放电期间重新嵌入。这与要求嵌入电极相反活性碳(intercalationelectrode opposite activated carbon)的几乎所有混合电容器系统不同。在多数系统中，来自电解质的阳离子在充电循环期间吸附在阳极上。同时，电解质中的抗衡阴离子(例如氢离子)嵌入到活性阴极材料中，因此在电解质溶液中保持电荷平衡但消耗离子浓度。在放电期间，从阳极释放阳离子，且从阴极释放阴离子，因此在电解质溶液中保持电荷平衡但增加了离子浓度。这是与本发明的实施例中的装置不同的操作模式，在本发明的实施例中优选地不将氢离子或其它阴离子嵌入到阴极活性材料中。
[0063] 合适的活性阴极材料可在使用期间具有以下通式=AxMyOz，其中A为Na或Na与L1、K、Be、Mg和Ca中的一者或一者以上的混合物，其中X在使用之前在O到I的范围(包含O和I)内且在使用期间在O到10的范围(包含O和10)内⑷包括任何一种或一种以上过渡金属，其中y在I到3的范围(包含I和3)内；优选地在1.5与2.5的范围(包含1.5和2.5)内；以及O为氧，其中z在2到7的范围(包含2和7)内；优选地在3.5到4.5 (包含
3.5和4.5)的范围内。
[0064]在具有通式AxMyOz的一些活性阴极材料中，在能量存储装置的放电/充电循环期间，Na离子可逆地嵌入/脱嵌。因此，在装置处于使用中时，活性阴极材料式中的量X改变。
[0065]在具有通式AxMyOz的一些活性阴极材料中，A包括任选地与Li组合的Na、K、Be、Mg或Ca中的至少一者或一者以上的至少50原子％;M包括任何一种或一种以上过渡金属；O为氧；x在使用之前范围为3.5到4.5且在使用期间范围为I到10 ；y范围为8.5到9.5且z范围为17.5到18.5。在这些实施例中，A优选包括至少51原子％的Na(例如至少75原子％的似)以及O到49原子％ (例如O到25原子％)的1^、1(、86、1%或0&;1包括胞、Ti,Fe,Co,Ni, Cu, V或Sc中的一者或一者以上；x在使用之前为约4，且在使用期间范围为O到10 ;y为约9;以及z为约18。
[0066]在具有通式AxMyOz的一些活性阴极材料中，A包括Na或至少80原子百分比的Na与L1、K、Be、Mg和Ca中的一者或一者以上的混合物。在这些实施例中，x在使用之前优选为约1，且在使用期间范围为O到约1.5。在一些优选活性阴极材料中，M包括Mn、T1、Fe、Co、N1、Cu和V中的一者或一者以上，且可掺杂(小于20原子％，例如0.1到10原子％;例如3到6原子％ ) Al、Mg、Ga、In、Cu、Zn和Ni中的一者或一者以上。
[0067]普通种类的合适活性阴极材料包含(但不限于)分层/斜方晶NaMO2 (水钠锰矿(birnassite))、基于立方尖晶石的锰酸盐(例如，MO2，例如基于λ -MnO2的材料，其中M为Mn，例如在使用之前为LixM2O4 (其中，I ^ X < 1.1)且在使用中为NayMn2O4)、Na2M3O7系统、NaMPO4系统、NaM2 (PO4) 3系统、Na2MPO4F系统以及隧道构造的Naa44MO2，其中所有式中的M包括至少一种过渡金属。典型的过渡金属可为Mn或Fe (出于成本和环境原因)，但可使用Co、N1、Cr、V、T1、Cu、Zr、Nb、W、Mo (尤其)或其组合以完全或部分地替换Mn、Fe或其组合。在本发明的实施例中，Mn为优选过渡金属。在一些实施例中，阴极电极可包括多种活性阴极材料，呈均质或接近均质混合物的形式或在阴极电极中分层。
[0068]在一些实施例中，初始活性阴极材料包括任选地掺杂一种或一种以上金属(例如Li或Al)的NaMnO2 (水钠锰矿结构)。
[0069]在一些实施例中，初始活性阴极材料包括任选地掺杂一种或一种以上金属(例如Li或Al)的基于λ-MnO2 (即，氧化锰的立方同形体)的材料。[0070]在这些实施例中，可通过首先形成含锂的氧化锰(例如，锰酸锂(例如，立方尖晶石LiMn2O4或其非化学计量的变体))来形成立方尖晶石λ-Μη02。在利用立方尖晶石λ -MnO2活性阴极材料的实施例中，可以电化学方式或化学方式从立方尖晶石LiMn2O4提取大部分或所有Li，以形成立方尖晶石λ -MnO2类型材料(即，具有1:2的Mn与O比率的材料，和/或其中Mn可由另一金属取代，和/或其还含有碱金属，和/或其中Mn与O比率并非正好为1:2)。此提取可作为初始装置充电循环的一部分而发生。在此类情况下，Li离子在第一充电循环期间从初生的立方尖晶石LiMn2O4脱嵌。在放电时，来自电解质的Na离子嵌入到立方尖晶石λ-Μη02中。因而，在操作期间活性阴极材料的式为NayLixMn2O4 (任选地掺杂如上文描述的一种或一种以上额外金属，优选为Al),其中0<x<l、0<y<l且x+y ( 1.1。优选地,量x+y通过充电/放电循环从约0(完全充电)改变到约I (完全放电)。然而，在完全放电期间可使用超过I的值。此外，可使用任何其它合适的形成方法。可将非化学计量的LixMn2O4材料(每2个Mn原子和4个O原子具有I个以上Li)用作可用以形成立方尖晶石λ -MnO2的初始材料(例如，其中K X < 1.1)。因此，立方尖晶石入锰酸盐在使用之前可具有式AlzLixMrvzO4 (其中I≤χ < 1.1且O≤ζ < 0.1)，以及在使用中具有式 AlzLixNayMn2O4(其中 O ≤ χ < 1.1、0 ≤ χ < 1、0 ≤ x+y < 1.1 且 O ≤ ζ < 0.1)(且其中Al可由另一掺杂剂取代)。
[0071]在一些实施例中，初始阴极材料包括任选地掺杂一种或一种以上金属(例如Li或Al)的 Na2Mn3O715
[0072]在一些实施例中，初始阴极材料包括任选地掺杂一种或一种以上金属(例如Li或Al)的 Na2FePO4F15
[0073]在一些实施例中，阴极材料包括任选地掺杂一种或一种以上金属(例如Li或Al)的NaQ.44Mn02。可通过 将Na2CO3与Mn2O3充分混合到适当摩尔比率且在(例如)约800°C下焙烧而制成此活性阴极材料。在焙烧期间并入到此材料中的Na含量的程度确定Mn的氧化状态以及其与O2在局部结合的方式。已证明针对非含水电解质中的NaxMnO2，此材料在0.33< X < 0.66之间循环。
[0074]任选地，阴极电极可呈复合阴极的形式，其包括:一个或一个以上活性阴极材料(例如，1-49重量％、例如2-10重量％的微量组分，例如斜方晶隧道构造材料、高表面积导电稀释剂(例如，导电级石墨、例如乙炔黑的碳黑、非反应性金属和/或导电聚合物)、粘合剂、增塑剂和/或填充剂。示范性粘合剂可包括聚四氟乙烯(PTFE)、聚氯乙烯(PVC)基复合物(包含PVC-SiO2复合物)、纤维素基材料、聚偏二氟乙烯(PVDF)、水合水钠锰矿(当活性阴极材料包括另一材料时)、其它非反应性非腐蚀聚合物材料或其组合。可通过将一种或一种以上优选活性阴极材料的一部分与导电稀释剂和/或聚合粘合剂混合且将所述混合物压制为小球而形成复合阴极。在一些实施例中，复合阴极电极可由约50到90重量％的活性阴极材料的混合物形成，所述混合物的剩余部分包括稀释剂、粘合剂、增塑剂和/或填充剂中的一者或一者以上的组合。举例来说，在一些实施例中，复合阴极电极可由约80重量％的活性阴极材料、约10到15重量％的稀释剂(例如碳黑)和约5到10重量％的粘合剂 Hf^BPTFE)形成。
[0075]可将一种或一种以上额外功能材料任选地添加到复合阴极以增加容量且替换聚合粘合剂。这些任选材料包含(但不限于)Zn、Pb、水合NaMnO2 (水钠锰矿)和水合Na0.44Μη02 (斜方晶隧道结构)。在将水合NaMnO2 (水钠锰矿)和/或水合Na。.44Μη02 (斜方晶隧道结构)添加到复合阴极的情况下，所得装置具有双功能材料复合阴极。
[0076]阴极电极将一般具有在约40 μ m到800 μ m的范围内的厚度。
[0077]阳极:
[0078]阳极可包括能够经由表面吸附/解吸附(经由电化学双层反应和/或赝电容性反应(即，即部分电荷转移表面相互作用))而可逆地存储Na离子的任何材料，且具有在所要电压范围内的充分容量。满足这些要求的示范性材料包含:多孔活性碳、石墨、中孔碳、碳纳米管、无序碳、Ti氧化物(例如二氧化钛)材料、V氧化物材料、磷橄榄石材料、其它合适的中孔陶瓷材料和其组合。在优选实施例中，将活性碳用作阳极材料。
[0079]任选地，阳极电极可呈复合阳极的形式，其包括:一种或一种以上阳极材料、高表面积导电稀释剂(例如，导电级石墨、例如乙炔黑的碳黑、非反应性金属和/或导电聚合物)、粘合剂(例如PTFE)、PVC基复合物(包含PVC-SiO2复合物)、纤维素基材料、PVDF、其它非反应性非腐蚀聚合物材料或其组合、增塑剂和/或填充剂。可通过将一种或一种以上优选阳极材料的一部分与导电稀释剂和/或聚合粘合剂混合且将所述混合物压制为小球而形成复合阳极。在一些实施例中，复合阳极电极可由约50到90重量％的阳极材料的混合物形成，所述混合物的剩余部分包括稀释剂、粘合剂、增塑剂和/或填充剂中的一者或一者以上的组合。举例来说，在一些实施例中，复合阴极电极可由约80重量％的活性碳、约10到15重量％的稀释剂(例如碳黑)和约5到10重量％的粘合剂(例如PTFE)形成。
[0080]可将一种或一种以上额外功能材料任选地添加到复合阳极以增加容量且替换聚合粘合剂。这些任选材料包含(但不限于)Zn、Pb、水合NaMnO2 (水钠锰矿)和水合Naa44MnO2 (斜方晶隧道结构)。
[0081]阳极电极将一般具`有在约80μπι到1600 μ m的范围内的厚度。
[0082]电解质:
[0083]在本发明的实施例中有用的电解质包括完全溶解在水中的盐。举例来说，电解质可包括选自由以下各物组成之群的至少一种阴离子的0.1M到IOM溶液:S042' NO3' ClO4'PO4'CO32'Cl—和/或0H_。因此，含Na阳离子盐可包含(但不限于)Na2S04、NaN03、NaC104、Na3PO4, Na2C03> NaCl 和 NaOH 或其组合。
[0084]在一些实施例中，电解质溶液可实质上不含Na。在这些情况下，上文所列出的阴离子的盐中的阳离子可为不同于Na的碱金属(例如K)或碱土金属(例如Ca或Mg)阳离子。因此，含不同于Na阳离子的碱金属的盐可包含(但不限于)K2S04、KN03、KC104、Κ3Ρ04、K2CO3> KCl和ΚΟΗ。示范性含碱土金属阳离子的盐可包含CaS04、Ca(NO3)2^ Ca(ClO4)2, CaCO3和 Ca (OH) 2、MgSO4、Mg (NO3) 2、Mg (ClO4) 2、MgCO3、和 Mg (OH)20 实质上不含 Na 的电解质溶液可由此类盐的任何组合制成。在其它实施例中，电解质溶液可包括含Na阳离子的盐与一种或一种以上含非Na阳离子的盐的溶液。
[0085]取决于能量存储装置的所要性能特性以及与较高盐浓度相关联的降级/性能限制机制，对于在100°c下水中的Na2SO4，摩尔浓度范围优选在约0.05M到3M，例如约0.1到IM0对于其它盐，类似的范围为优选的。
[0086]不同盐的掺合物(例如，含钠盐与碱金属、碱土金属、镧族元素、铝和锌盐中的一种或一种以上的掺合物)可产生最优化系统。此类掺合物可提供具有钠阳离子以及选自由以下各物组成之群的一种或一种以上阳离子的电解质:碱金属(例如K)、碱土金属(例如Mg和Ca)、镧族元素、招和锌阳离子。
[0087]任选地，可通过添加一些额外0H—离子种类以使电解质溶液更为碱性而更改电解质的PH值，例如通过添加不同于NaOH的含OH盐，通过添加一些其它0H_浓度影响化合物(例如，添加H2SO4以使电解质溶液更为酸性)。电解质的pH值可影响电池的电压稳定窗的范围(相对于参考电极)，且还可对活性阴极材料的稳定性和降级有影响，且可抑制质子(H+)嵌入，质子(H+)嵌入可在活性阴极材料容量损失和电池降级方面起作用。在一些情况下，PH值可增加到11到13，从而允许不同的活性阴极材料稳定(相比于在中性pH值7下稳定)。在一些实施例中，pH值可在约3到13的范围内，例如在约3与6之间或在约8与13之间。
[0088]任选地，电解质溶液含有用于减轻活性阴极材料(例如，水钠锰矿材料)的降级的添加剂。示范性添加剂可为(但不限于)Na2HPO4，其量足以建立0.1mM到IOOmM的范围内的浓度。
[0089]隔板:
[0090]用于在本发明的实施例中使用的隔板可包括棉质薄片、PVC (聚氯乙烯)、PE (聚乙烯)、玻璃纤维或任何其它合适材料。
[0091]操作特件:
[0092]如上文所述，在活性阴极材料在使用之前含有碱性原子(优选为Na或Li)的实施例中，这些原子中的一些或全部在第一次电池充电循环期间脱嵌。来自电解质的碱性阳离子(绝大多数为Na阳离子)在电池放电期间重新嵌入。这与要求嵌入电极相反活性碳的几乎所有混合电容器系统不同。在多数系统中，来自电解质的阳离子在充电循环期间吸附在阳极上。同时，电解质中的抗衡阴离子嵌入到活性阴极材料中，因此在电解质溶液中保持电荷平衡但消耗离子浓度。在放电期间，从阳极释放阳离子，且从阴极释放阴离子，因此在电解质溶液中保持电荷平衡但增加了离子浓度。这是与本发明的实施例中的装置不同的操作模式。
[0093]实魁
[0094]组装了具有图1A中所示的棱柱/并联电连接与图5-7中所示的物理结构的混合能量存储装置。装置含有三个层次的阳极104/阴极106组(每组两个)，其中具有展开的石墨薄片集电器IlOaUlOc结构(500微米厚)和非编织纤维隔板材料108，如图5所示。阴极含有如上文所述的λ -MnO2相活性材料，且由活性材料、碳黑、石墨粉末和PTFE的压实粒状物制成。阳极含有与碳黑和PTFE混合的活性碳。使用压力使每一石墨阳极和阴极集电器IlOaUlOc与充当所述装置的正和负汇流条的相应阳极和阴极石墨汇流条122a、122c接触。使用聚丙烯罩壳116来收容装置，且将石墨汇流条122a、122c经由聚丙烯罩壳中的适当大小的孔馈入且接着使用硅酮粘结剂材料相对于聚丙烯密封。接着经由压力使铜线与出自罩壳的外部(不触碰电解质的)汇流条124连接，且使用灌封环氧树脂来覆盖整个外部汇流条。
[0095]接着使所述装置通过15个形成循环，且接着在许多循环中测试其能量存储容量和稳定性。图12展示此测试的结果。图12(a)展示在充电与放电条件下30个循环中的装置电位对所累积容量。在C/6额定电流下执行循环，且所述装置具有近似1.1Ah的容量。所述数据展示在循环间的电压分布的几乎完美的重叠，指示极端稳定且不展现容量损失或具有任何内部腐蚀的系统。图12(b)是随循环而变的电池充电与放电容量的曲线图。在至少60个循环中没有随着循环而变的容量损失。来自其它电池的数据指示在几千次循环中可维持这种情况。而且，发现这些循环的库仑效率为98到100%。
[0096]此实例展示在蓄电池外罩内部不使用任何金属的情况下产生高度稳定的含水电解质混合能量存储装置。所述装置展现极佳的稳定性且展示长期用于多种能量存储应用中的远大前途。
[0097]尽管上述内容参考特定优选实施例，但将理解，本发明并不限于此。所属领域的技术人员将理解，可对所揭示实施例进行各种修改，且此类修改希望在本发明的范围之内。本文所陈述的所有公开案、专利申请案和专利以引用的方式全文并入本文中。
【权利要求】
1.一种电化学装置，其包括: 外壳; 在所述外壳中的电化学电池的堆叠，每一电化学电池包括: 阳极电极； 阴极电极； 隔板，其位于所述阳极电极与所述阴极电极之间；以及 电解质； 集电器，其位于相邻电化学电池之间； 阳极总线，其操作性地连接到所述堆叠中的所述电化学电池的所述阳极；以及 阴极总线，其操作性地连接到所述堆叠中的所述电化学电池的所述阴极， 其中所述外壳、所述阳极电极、所述阴极电极、所述隔板、所述阳极总线和所述阴极总线为非金属的。
2.根据权利要求1所述的电化学装置，其中所述集电器包括膨胀石墨、碳纤维纸或涂有碳材料的惰性衬底。
3.根据权利要求2所述的电化学装置，其中所述石墨的密度大于0.6g/cm3。
4.根据权利要求1所述的电化学装置，其中所述电化学装置为混合含水电解质能量存储装置，其中所述电解质并未与金属材料接触。
5.根据权利要求4所述的电化学装置，其中所述阴极包括碱性离子嵌入材料，且所述阳极为在相对NHE小于-1.3V下电化学稳定的赝电容性或电化学双层电容性材料。
6.根据权利要求5所述的电化学装置，其中所述阴极电极包括掺杂或未掺杂的立方尖晶石λ -MnO2类型材料或NaMn9O18隧道构造斜方晶材料，所述阳极电极包括活性碳，且所述电解质包括钠离子。
7.根据权利要求1所述的电化学装置，其中所述阴极电极包括选自α或Υ相电解二氧化锰EMD的非嵌入MnO2相。
8.根据权利要求5所述的电化学装置，其中所述阳极电极包括多孔活性碳、中孔碳、碳纳米管、赝电容性金属氧化物材料或其复合物中的一者或一者以上。
9.根据权利要求4所述的电化学装置，其中所述电解质为含有溶解的碱性离子的水溶液，所述碱性离子能够与阳极和阴极两者相互作用而使得可经由所述阴极电极处的嵌入以及通过所述阳极电极处的赝电容性非法拉第表面反应而存储电荷。
10.根据权利要求1所述的电化学装置，其中所述阳极总线和所述阴极总线包括石墨、碳纤维或碳基导电复合物。
11.根据权利要求1所述的电化学装置，其中所述外壳包括电化学惰性聚合物。
12.根据权利要求1所述的电化学装置，其中所述电化学电池堆叠中的所述电化学电池以棱柱配置来堆叠。
13.根据权利要求12所述的电化学装置，其中所述阴极集电器通过阴极侧碳突片而操作性地电连接到所述阴极总线，所述阳极集电器通过阳极侧碳突片而操作性地电连接到所述阳极总线。
14.根据权利要求13所述的电化学装置，其中所述集电器通过以下各项而操作性地连接到所述阳极和阴极总线:压力/摩擦配件、导电的电化学惰性固化油漆、或导电的电化学惰性固化环氧树脂。
15.根据权利要求1所述的电化学装置，其中所述外壳为气密密封的。
16.根据权利要求1所述的电化学装置，其进一步包括在所述外壳外部突出且电连接到所述阳极总线和所述阴极总线的金属触点。
17.根据权利要求16所述的电化学装置，其进一步包括涂覆所述汇流条与相应触点的结的气密密封件。
18.根据权利要求1所述的电化学装置，其中 所述阳极电极包括由阳极边界区域分隔的多个离散阳极电极部件；以及 所述阴极电极包括由阴极边界区域分隔的多个离散阴极电极部件。
19.一种制造电化学装置的方法，其包括: 堆叠第一非金属阳极电极； 在所述阳极电极上堆叠第一非金属隔板； 在所述隔板上堆叠第一非金属阴极电极； 操作性地将所述第一阳极电极连接到非金属阳极总线；以及 操作性地将所述第一阴极电极连接到非金属阴极总线。
20.根据权利要求19所述 的方法，其进一步包括在所述阴极电极上堆叠非金属集电器。
21.根据权利要求20所述的方法，其进一步包括: 在所述非金属集电器上堆叠第二非金属阴极电极； 在所述第二阴极电极上堆叠第二非金属隔板；以及 在所述第二非金属隔板上堆叠第二非金属阳极电极。
22.一种电化学装置，其包括: 外壳; 在所述外壳中的电化学电池的堆叠，每一电化学电池包括: 阳极电极； 阴极电极； 隔板，其位于所述阳极电极与所述阴极电极之间；以及 电解质； 多个碳阴极和阳极集电器，其交替地位于相邻电化学电池之间； 多个突片，其操作性地连接到所述多个碳阴极和阳极集电器，所述多个突片经配置以连接到电气总线； 其中: 第一电化学电池的阴极电极电接触第一阴极集电器； 第二电化学电池的阴极电极电接触所述第一阴极集电器，所述第二电化学电池经定位相邻所述堆叠中的所述第一电化学电池的第一侧； 所述第一电化学电池的阳极电极电接触第二阳极集电器；以及第三电化学电池的阳极电极电接触所述第二阳极集电器，所述第三电化学电池经定位相邻所述堆叠中的所述第一电化学电池的第二侧。
23.一种电化学装置，其包括:外壳; 在所述外壳中的电化学电池的堆叠，每一电化学电池包括: 压制的粒状阳极电极； 压制的粒状阴极电极； 隔板，其位于所述阳极电极与所述阴极电极之间；以及 电解质； 多个阴极和阳极集电器，其交替地位于相邻电化学电池之间； 其中: 第一电化学电池的阴极电极电接触第一阴极集电器； 第二电化学电池的阴极电极电接触所述第一阴极集电器，所述第二电化学电池经定位相邻所述堆叠中的所述第一电化学电池的第一侧； 所述第一电化学电池的阳极电极电接触第二阳极集电器；以及第三电化学电池的阳极电极电接触所述第二阳极集电器，所述第三电化学电池经定位相邻所述堆叠中的所述第一电化学电池的第二侧。
24.—种电化学装置，其包括: 外壳; 多个电化学电池堆叠，所述堆叠并排布置在所述外壳中，每一电化学电池包括: 阳极电极； 阴极电极； 隔板，其位于所述阳极电极与所述阴极电极之间；以及 电解质； 集电器，其位于所述堆叠中的每一者中的相邻电化学电池之间； 其中至少一个电池的所述隔板包括在所述多个堆叠中的至少两者之间连续延伸的隔板薄片。
25.一种电化学装置，其包括: 外壳; 在所述外壳中的电化学电池的堆叠，每一电化学电池包括: 阳极电极； 阴极电极； 隔板，其位于所述阳极电极与所述阴极电极之间；以及 电解质； 石墨薄片，其位于相邻电化学电池之间； 其中所述石墨薄片为所述相邻电化学电池的集电器。
26.一种电化学电池，其包括: 阳极电极，其包括由阳极边界区域分隔的多个离散阳极电极部件； 阴极电极，其包括由阴极边界区域分隔的多个离散阴极电极部件； 隔板，其位于所述阳极电极与所述阴极电极之间；以及 电解质； 其中所述电解质位于所述隔板中以及位于阳极电极边界区域与阴极电极边界区域中；以及 其中所述阳极边界区域的至少50%未与跨越所述隔板的相应阴极边界区域对准。
27.一种制造包括电化学电池堆叠的电化学装置的方法，所述方法包括: 形成堆叠电化学电池；以及 将电绝缘聚合物浇注在所述电化学电池堆叠周围且使所述聚合物凝固以形成固体绝缘壳体，或在所述电化学电池堆叠周围提供预成型固体绝缘壳体。
28.—种制造电化学装置的方法，其包括: 堆叠阳极电极，其包括由阳极边界区域分隔的多个离散阳极电极部件； 在所述阳极电极上堆叠隔板；以及 在所述隔板上堆叠阴极电极，所述阴极电极包括由阴极边界区域分隔的多个离散阴极电极部件， 其中所述阳极边界区域的至少50%未与跨越所述隔板的相应阴极边界区域对准，且所述多个阳极电极部件和所述多个阴极电极部件布置成具有多行和多列的阵列。
29.—种二次混合含水能量存储装置，其包括: 外壳; 在所述外壳中的电化学电池的堆叠，每一电化学电池包括:` 阳极电极； 阴极电极；以及 隔板，其位于所述阳极电极与所述阴极电极之间； 电解质；以及 石墨薄片，其位于相邻电化学电池之间； 其中所述阳极和阴极电极的厚度在0.05cm与Icm之间。
【文档编号】H01M2/02GK103597649SQ201280012476
【公开日】2014年2月19日 申请日期:2012年3月8日 优先权日:2011年3月9日
【发明者】杰·怀特奎, 唐·汉弗莱斯, 杨文卓, 爱德华·林奇-贝尔, 亚历克斯·穆罕默德, 埃里克·韦伯 申请人:亚奎尼能源公司