电化学储能装置和外壳的制作方法
【专利说明】电化学储能装置和外壳 夺叉引用
[0001] 本申请要求提交于2012年10月16日的美国临时专利申请序列号61/714, 714以 及提交于2012年12月13日的美国临时专利申请序列号61/737, 068权益，上述每个申请 均通过引用而全文并入于此。
【背景技术】
[0002] 电池是能够将储存的化学能转化为电能的装置。电池用于许多家庭和工业应用。 在一些情况下，电池是可再充电的，以使得电能（例如，从诸如机械能等非电类型的能量转 化而来）能够以化学能的形式储存在电池中（即，给电池充电）。
【发明内容】
[0003] 本公开内容提供可以在电网内或作为独立系统的一部分使用的储能装置（例如， 电池）和外壳。所述电池可以从电力生产源充电，以备后期在有电能消耗需求时放电。
[0004] 本公开内容中的储能装置有助于缓解有关可再生能源的至少一部分问题。可再生 能源可以是间歇性的，其中能量供应和需求可以不是逐时间匹配的（例如，在即时或接近 即时的时间框架内）。例如，太阳能只有在太阳照射时产生，风能只有在风吹时产生。进一 步，任何给定时间的需求是工业、商业、社区和家庭活动的函数。使用本文中描述的电池和 电池外壳可以提供一种用于平衡间歇性电能供应与需求的方法。
[0005] 本公开内容提供用于在升高的温度下引导电流通过金属壁、同时将泄漏或电流路 径与所述壁之间的电接触降至最小的系统。在一些情况下这是通过使用与云母、蛭石、玻 璃、钎焊陶瓷或其他高温介电密封材料配对的法兰连接而实现的，并且可以使用电绝缘的 紧固件（例如，螺栓、夹具）或通过密封件与金属法兰表面的机械和/或化学粘合而获得保 证。馈通体（feed-through)组装件可以密封在金属壁上的适当开口上（例如，通过牢固的 焊接）。在一些情况下，所述馈通体组装件在电极之间均匀地分配电流。
[0006] 本文提供的螺栓式法兰组装件可以提供压缩力，该压缩力可足以密封储能装置外 壳的腔室。在一些情况下，使用法兰组装件还可以提供一种适合使用云母或蛭石垫圈作为 密封剂和电隔离材料的几何体。在一些实现方式中，密封表面的几何体从所密封的外壳 (容器）的几何体上解耦。在一些情况下，所述外壳的尺寸和形状可能不决定所述密封件的 尺寸和形状。
[0007] 一方面，电化学单体包括导电外壳和与集流体电连通的导体，其中所述导体穿过 所述外壳上的开孔伸出所述外壳并与所述外壳电隔离，其中所述电化学单体能够储存和/ 或吸收至少25Wh的能量。在一些实施方式中，所述电化学单体包括与所述集流体相邻的液 态金属阳极。在一些实施方式中，所述液态金属包括镁。
[0008] 另一方面，电池包括如权利要求1所述的多个电化学单体，其中所述电池能够储 存至少IOOkWh的能量。
[0009] 另一方面，电池外壳包括导电容器和与集流体电连通的导体，其中所述导体穿 过所述容器上的开孔伸出所述外壳并与所述容器电隔离，其中所述外壳能够封闭能储 存和或吸收至少25Wh的能量的电化学单体。在一些实施方式中，所述外壳能够气密地 (hermetically)密封所述电化学单体。
[0010] 另一方面，电化学单体包括导电外壳和与集流体电连通的导体，其中所述导体穿 过所述外壳上的开孔伸出所述外壳并与所述外壳电隔离，其中所述开孔的面积与所述外壳 的面积的比率小于0. 1。在一些实施方式中，所述单体包括与所述集流体相邻的液态金属阳 极。在一些实施方式中，所述液态金属包括锂。在一些实施方式中，所述单体能够储存和或 吸收至少25Wh的能量。
[0011] 另一方面，电池外壳包括导电容器和与集流体电连通的导体，其中所述导体穿过 所述容器上的开孔伸出所述容器并与所述容器电隔离，其中所述开孔的面积与所述容器的 面积的比率小于0. 1，并且其中所述外壳能够封闭能储存和或吸收至少25Wh的能量的电 池。
[0012] 另一方面，电化学储能装置包括外壳、液态金属电极、与所述液态金属电极接触的 集流体以及多个与所述集流体电连通并穿过所述外壳上的开孔伸出所述外壳的导体。在一 些实施方式中，电流基本上遍及所述液态金属电极均匀地分布。在一些实施方式中，所述液 态金属电极沿表面与电解质接触并且流过所述表面的电流是均匀的。在一些实施方式中， 流过所述表面某区域的电流的最大密度小于流过所述表面的电流的平均密度的约150%。 在一些实施方式中，流过所述表面某区域的电流的最小密度大于流过所述表面的电流的平 均密度的约50%。
[0013] 另一方面，电池外壳包括导电容器、多个容器开孔和多个与集流体电连通的导体， 其中所述导体穿过所述容器开孔并与所述导电容器电隔离，其中所述外壳能够封闭包括与 所述集流体接触的液态金属电极的电化学单体。在一些实施方式中，电流基本上遍及所述 液态金属电极均匀地分布。在一些实施方式中，所述液态金属电极沿表面与电解质接触并 且流过所述表面的电流是均匀的。在一些实施方式中，流过所述表面某区域的电流的最大 密度小于流过所述表面的电流的平均密度的约150 %。在一些实施方式中，流过所述表面某 区域的电流的最小密度大于流过所述表面的电流的平均密度的约50%。
[0014] 另一方面，电化学储能装置包括液态金属阳极和阴极，其中所述电化学储能装置 能够储存和或吸收至少25Wh的能量并且气密地或非气密地密封。在一些实施方式中，所述 装置能够储存至少IOOkWh的能量。在一些实施方式中，所述电化学储能装置包括含有锂的 液态阳极。在一些实施方式中，当所述电化学储能装置与空气在1巴（bar)的压力和500°C 的温度下接触时，氧气转移到所述电化学装置中的速率小于〇. 5mL每小时。在一些实施方 式中，所述电化学储能装置包括少于15个螺栓或紧固件。在一些实施方式中，所述电化学 储能装置不包括螺栓或紧固件。
[0015] 另一方面，电化学单体的编组（compilation)，所述编组中的单个单体包括充电状 态的液态锂阳极，其中所述编组能够储存和或吸收至少25Wh的能量并且所述单体中的每 一个都气密地密封。在一些实施方式中，所述编组能够储存至少IOOkWh的能量。
[0016] 另一方面，电池外壳包括导电容器、容器开孔和与集流体电连通的导体，其中所述 导体穿过所述容器开孔并与所述导电容器电隔离，其中所述外壳能够气密地密封能够储存 和或吸收至少25Wh的能量的电池。在一些实施方式中，所述外壳能够气密地密封能储存至 少IOOkWh的能量的电池。在一些实施方式中，所述电池包括与所述集流体相邻的液态金属 阳极。
[0017] 另一方面，一种储能装置，包括：与第二电化学单体相邻的第一电化学单体，所述 第一和第二单体中的每一个包括导电外壳和与集流体电连通的导体，其中所述导体与所述 外壳电隔离并穿过所述外壳上的开孔伸出所述外壳使得所述导体接触所述储能装置的相 邻电化学单体的外壳。在一些实施方式中，第一和/或第二电化学单体包括与所述集流体 相邻的液态金属阳极。在一些实施方式中，当第一和第二单体为堆叠配置时，所述导体接触 所述储能装置的相邻电化学单体的外壳。在一些实施方式中，第一和第二单体能够储存和 或吸收至少25Wh的能量。在一些实施方式中，所述储能装置包括一叠1到10个电化学单 体。在一些实施方式中，所述储能装置包括一叠11到50个电化学单体。在一些实施方式 中，所述储能装置包括一叠51到100个或更多电化学单体。
[0018] 另一方面，电池外壳包括导电容器和与集流体电连通的导体，其中所述导体穿过 所述容器上的开孔伸出所述外壳并与所述容器电隔离，其中当第一和第二外壳为堆叠配置 时，第一外壳的导体接触第二外壳的容器。在一些实施方式中，所述外壳能够气密地密封包 含液态金属电极的电化学单体。在一些实施方式中，所述外壳能够气密地密封能储存和或 吸收至少25Wh的能量的电化学单体。
[0019] 另一方面，电化学储能装置包括阳极、阴极、电解质、正集流体和负集流体，其中所 述负集流体与所述阳极接触并且所述正集流体与所述阴极接触，其中所述电解质置于所述 阳极和阴极之间，并且其中电化学储能装置能够储存和或吸收至少25Wh的能量并且包括 少于15个螺栓或紧固件。在一些实施方式中，所述装置能够储存至少IOOkWh的能量。在 一些实施方式中，所述电化学储能装置包括少于5个螺栓或紧固件。在一些实施方式中，所 述电化学储能装置不包括螺栓或紧固件。在一些实施方式中，所述电化学储能装置包括与 所述集流体相邻的液态金属阳极。
[0020] 另一方面，电化学单体的编组，所述编组中的单个单体包括充电状态的液态锂阳 极，其中所述编组能够储存和或吸收至少25Wh的能量并且所述电池中的每一个包括少于 10个螺栓或紧固件。在一些实施方式中，所述编组能够储存至少IOOkWh的能量。
[0021] 另一方面，气密地密封具有液态金属阳极的电化学储能装置的电池外壳，该电化 学储能装置能够储存和或吸收至少25Wh的能量，其中所述电池外壳包括少于10个螺栓或 紧固件。在一些实施方式中，所述外壳能够气密地密封能储存至少IOOkWh的能量的电化学 储能装置。
[0022] 另一方面，电化学单体包括导电外壳和与集流体电连通的导体，其中所述导体穿 过所述外壳上的开孔伸出所述外壳并用垫圈与所述外壳电隔离，其中当所述外壳被密封时 所述垫圈上的力为至少5,OOOpsi。在一些实施方式中，当所述外壳被密封时所述垫圈上的 力为至少10,OOOpsi。在一些实施方式中，所述垫圈使用法兰和不多于10个的螺栓或紧固 件附接。在一些实施方式中，所述垫圈是粘性的并且所述单体不包括螺栓或紧固件。
[0023] 另一方面，电池外壳包括导电容器和与集流体电连通的导体，其中所述导体穿过 所述容器上的开孔伸出所述容器并用垫圈与所述容器电隔离，其中当所述电池外壳被密封 时垫圈上的力为至少5,OOOpsi。在一些实施方式中，当所述外壳被密封时所述垫圈上的力 为至少10,OOOpsi。在一些实施方式中，所述垫圈使用法兰和不多于10个的螺栓或紧固件 附接。在一些实施方式中，所述外壳能够封闭能储存和或吸收至少25Wh的能量的电化学电 池。在一些实施方式中，所述外壳能够气密地或非气密地密封所述电池。
[0024] 另一方面，一种电化学电池外壳，包括：（a)容器，其包含从腔室开孔延伸到所述 容器内的腔室；(b)密封所述腔室的容器盖组装件，所述容器盖组装件包括导电容器盖和 导电法兰，其中所述容器盖覆盖所述容器开孔并包含贯穿所述容器盖的导体开孔，并且其 中所述法兰覆盖导体开孔并与所述容器盖电隔离；以及（c)连接至所述法兰并穿过所述导 体开孔延伸到所述腔室内的电导体，其中所述导体与所述容器盖电隔离。
[0025] 在一些实施方式中，（a)所述导体开孔是贯穿所述容器盖的多个导体开孔中的一 个；(b)所述法兰是分别覆盖所述导体开孔并与所述容器盖电隔离的多个导