不含金屬的含水電解質能量存儲裝置制造方法
【專利摘要】本發明涉及一種電化學裝置，其包含外殼和所述外殼中的電化學電池堆疊。每一電化學電池包含陽極電極、陰極電極、位于所述陽極電極與所述陰極電極之間的隔板、以及電解質。所述電化學裝置還包含位于相鄰電化學電池之間的集電器、操作性地連接到所述堆疊中的所述電化學電池的所述陽極的陽極總線、以及操作性地連接到所述堆疊中的所述電化學電池的所述陰極的陰極總線。所述外殼、所述陽極電極、所述陰極電極、所述隔板、所述陽極總線和所述陰極總線為非金屬的。
【專利說明】不含金屬的含水電解質能量存儲裝置
[0001]相關申請案
[0002]本申請案主張2011年3月9日申請的第61 / 450, 774號美國申請案以及2011年3月9日申請的第13 / 043，787號美國申請案的優先權權益，第61 / 450，774號和第13 / 043，787號申請案的全部內容特此以引用的方式并入本文中。
【技術領域】
[0003]本發明涉及含水蓄電池和混合能量存儲裝置，且具體來說涉及沒有與含水電解質接觸的金屬零件的電化學存儲裝置。
【背景技術】
[0004]小型可再生能量采集與發電技術(例如，太陽能電池陣列、風力渦輪機、微型斯特林引擎(sterling engine)和固體氧化物燃料電池)正在興起，且對中等大小的二次(可再充電)能量存儲能力的需要同樣強勁。用于這些固定應用的蓄電池通常存儲I與50kWh之間的能量(取決于應用)，且過去是基于鉛酸(Pb酸)化學反應。在分布式發電場所處組裝深循環鉛酸電池組，且已知這些電池組取決于典型工作循環而可持續使用I到10年。盡管這些電池可足夠良好地運轉以支持此應用，但存在與其使用相關聯的許多問題，包含:大量使用會污染環境的鉛和酸(估計每年僅在美國Pb酸技術就造成向環境中釋放超過100，000噸的Pb)、在保持在中間充電狀態或日常循環到深度放電等級的情況下的顯著的性能降級、需要日常養護以維持性能，以及實施必要的再循環計劃。替換如汽車工業所使用的Pb酸化學組成的需要十分強烈。不幸地是，迄今，替代性的蓄電池化學組成的經濟性仍使其非常沒有吸引力。
[0005]盡管蓄電池技術取得了最近的所有進步，但仍沒有對Pb酸化學組成的低成本、干凈的替代方案。這在很大程度上是因為Pb酸蓄電池與其它化學組成相比顯著地便宜($200 / kWh)，且當前正集中在開發用于運輸應用的較高能量系統(其固有地比Pb酸蓄電池顯著更昂貴)。

【發明內容】

[0006]一實施例涉及一種電化學裝置，其包含外殼和所述外殼中的電化學電池堆疊。每一電化學電池包含陽極電極、陰極電極、位于所述陽極電極與所述陰極電極之間的隔板、以及電解質。電化學裝置還包含位于相鄰電化學電池之間的集電器、操作性地連接到所述堆疊中的電化學電池的陽極的陽極總線、以及操作性地連接到所述堆疊中的電化學電池的陰極的陰極總線。所述外殼、所述陽極電極、所述陰極電極、所述隔板、所述陽極總線和所述陰極總線為非金屬的。本說明書的上下文中的“非金屬”意指不由純金屬或金屬合金制成的導電材料。非金屬材料的實例包含(但不限于)導電金屬氧化物或碳。
[0007]另一實施例涉及一種制造電化學裝置的方法。方法包含:堆疊第一非金屬陽極電極；在所述陽極電極上堆疊第一非金屬隔板；以及在所述隔板上堆疊第一非金屬陰極電極。方法還包含:操作性地將所述第一陽極電極連接到非金屬陽極總線；以及操作性地將所述第一陰極電極連接到非金屬陰極總線。
[0008]一實施例涉及一種電化學裝置，其包含外殼和所述外殼中的電化學電池堆疊。每一電化學電池包含陽極電極、陰極電極、位于所述陽極電極與所述陰極電極之間的隔板、以及電解質。裝置還包含:多個碳陰極和陽極集電器，其交替地位于相鄰電化學電池之間；以及多個突片，其操作性地連接到所述多個碳陰極和陽極集電器，所述多個突片經配置以連接到電氣總線。第一電化學電池的陰極電極電接觸第一陰極集電器。第二電化學電池的陰極電極電接觸第一陰極集電器。第二電化學電池的位置相鄰于堆疊中的第一電化學電池的第一側。所述第一電化學電池的陽極電極電接觸第二陽極集電器。第三電化學電池的陽極電極電接觸第二陽極集電器。第三電化學電池的位置相鄰于堆疊中的第一電化學電池的第二側。
[0009]另一實施例涉及一種電化學裝置，其包含外殼和所述外殼中的電化學電池堆疊。每一電化學電池包含壓制的粒狀陽極電極、壓制的粒狀陰極電極、位于所述陽極電極與所述陰極電極之間的隔板、以及電解質。電化學裝置還包含多個陰極和陽極集電器，其交替地位于相鄰電化學電池之間。第一電化學電池的陰極電極電接觸第一陰極集電器。第二電化學電池的陰極電極電接觸第一陰極集電器。第二電化學電池的位置相鄰于堆疊中的第一電化學電池的第一側。第一電化學電池的陽極電極電接觸第二陽極集電器，且第三電化學電池的陽極電極電接觸第二陽極集電器。第三電化學電池的位置相鄰于堆疊中的第一電化學電池的第二側。
[0010]另一實施例涉及一種電化學裝置，其包含外殼和并排布置在所述外殼中的多個電化學電池堆疊。每一電化學電池包含陽極電極、陰極電極、位于所述陽極電極與所述陰極電極之間的隔板、以及電解質。所述裝置還包含位于所述堆疊中的每一者中的相鄰電化學電池之間的集電器。至少一個電池的隔板包括在所述多個堆疊中的至少兩者之間連續延伸的隔板薄片。
[0011]一實施例涉及一種電化學裝置，其包含外殼和所述外殼中的電化學電池堆疊。每一電化學電池包含陽極電極、陰極電極、位于所述陽極電極與所述陰極電極之間的隔板、以及電解質。所述電化學裝置還包含位于所述堆疊中的相鄰電化學電池之間的石墨薄片。所述石墨薄片為相鄰電化學電池的集電器。
[0012]另一實施例涉及一種電化學電池，其包含:具有由陽極邊界區域分隔的多個離散陽極電極部件的陽極電極；以及具有由陰極邊界區域分隔的多個離散陰極電極部件的陰極電極。電化學電池還包含位于陽極電極與陰極電極之間的隔板以及電解質。所述電解質位于所述隔板中以及位于陽極電極邊界區域與陰極電極邊界區域中。此外，陽極邊界區域的至少50%未與在隔板對面的相應陰極邊界區域對準。
[0013]另一實施例涉及一種制造具有電化學電池堆疊的電化學裝置的方法。所述方法包含:形成堆疊電化學電池；以及將電絕緣聚合物澆注在所述電化學電池堆疊周圍且使所述聚合物凝固以形成固體絕緣殼體，或在所述電化學電池堆疊周圍提供預成型固體絕緣殼體。
[0014]另一實施例涉及一種制造電化學裝置的方法。所述方法包含:堆疊陽極電極，其包括由陽極邊界區域分隔的多個離散陽極電極部件；在所述陽極電極上堆疊隔板；以及在所述隔板上堆疊陰極電極，所述陰極電極包括由陰極邊界區域分隔的多個離散陰極電極部件。所述陽極邊界區域的至少50%未與在所述隔板對面的相應陰極邊界區域對準，且所述多個陽極電極部件和所述多個陰極電極部件布置成具有多行和多列的陣列。
[0015]另一實施例涉及二次混合含水能量存儲裝置。二次混合含水能量存儲裝置包含外殼和所述外殼中的電化學電池堆疊。每一電化學電池包含陽極電極、陰極電極、以及位于所述陽極電極與所述陰極電極之間的隔板、電解質、以及位于相鄰電化學電池之間的石墨薄片。所述陽極和陰極電極的厚度在0.05cm與Icm之間。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]圖1是根據實施例的電化學電池的棱柱堆疊的示意性說明。
[0017]圖2是根據實施例的夾層式集電器的細節的示意性說明。
[0018]圖3是根據實施例的具有電化學電池的多個棱柱堆疊的電化學裝置的透視圖。
[0019]圖4是圖3中說明的實施例的另一透視圖。
[0020]圖5是根據實施例的具有電化學電池的單個棱柱堆疊的電化學裝置的透視圖。
[0021]圖6是圖5的實施例的透視圖，其為了清晰性而移除了電化學電池。
[0022]圖7是說明圖5中說明的實施例的部分的細節的示意性側視橫截面圖。
[0023]圖8是實施例的電池電位對電池容量的曲線圖。
[0024]圖9是根據本發明的實施例的電化學電池的示意性說明。所述電化學電池可以雙極或棱柱堆疊配置來堆疊。
[0025]圖10是根據實施例的電化學電池的橫截面圖，其具有由離散陽極電極部件構成的陽極電極和由離散陰極電極部件構成的陰極電極。所述電化學電池可以雙極或棱柱堆疊
配置來堆疊。
[0026]圖11是根據本發明的實施例的包括電化學電池的雙極堆疊的電化學裝置的示意性說明。
[0027]圖12(a)是在充電與放電條件下30個循環中的電池電位對所累積容量的曲線圖。圖12(b)是隨循環而變的電池充電與放電容量和效率的曲線圖。
【具體實施方式】
[0028]本發明的實施例涉及電化學能量存儲系統，例如下文描述的一次和二次蓄電池以及混合能量存儲系統。雖然下文描述的二次混合含水能量存儲系統是本發明的優選實施例，但本發明還適用于任何合適的電化學能量存儲系統，例如含有含水和非含水電解質的蓄電池(例如，具有嵌入來自電解質的離子的陽極和陰極，包含Li離子蓄電池等)，或電解電容器(還稱作超電容器和超級電容器，例如，其具有電容器或贗電容器陽極和陰極電極，所述電極經由電極(雙層)的表面上的陽離子的可逆非法拉第(nonfaradiac)反應和/或贗電容而存儲電荷，而非通過嵌入堿性離子)。
[0029]本發明的實施例的混合電化學能量存儲系統包含與活性電極(例如，陰極)耦合的雙層電容器或贗電容器電極(例如，陽極)。在這些系統中，電容器或贗電容器電極經由電極(雙層)的表面上的堿性陽離子的可逆非法拉第反應和/或贗電容而存儲電荷，而活性電極在嵌入和脫嵌堿性陽離子的過渡金屬氧化物中經歷類似于蓄電池的可逆法拉第反應。
[0030]Na基系統的實例已描述在2009年4月3日申請的第12 / 385，277號美國專利申請案中且全文以引用的方式并入本文中，所述實例利用尖晶石結構LiMn2O4蓄電池電極、活性碳電容器電極和含水Na2SO4電解質。在此系統中，負陽極電極經由活性碳電極的表面上的Na離子的可逆非法拉第反應而存儲電荷。正陰極電極利用尖晶石λ-MnO2中的Na離子嵌入/脫嵌的可逆法拉第反應。
[0031]在替代系統中，陰極電極可包括非嵌入(例如，非堿性離子嵌入)MnO2相。二氧化錳的實例非嵌入相包含α相和Υ相電解二氧化錳(EMD)。
[0032]圖1說明根據實施例的電化學電池102的棱柱堆疊100Ρ。在此實施例中，棱柱堆疊100Ρ中的電化學電池102中的每一者包含陽極電極104、陰極電極106以及位于陽極電極104與陰極電極106之間的隔板108。電化學電池102還包含位于陽極電極104與陰極電極106之間的電解質(即，注入于隔板和/或電極中)。可將棱柱堆疊100Ρ的電化學電池102中的每一者安裝在框架112 (參見圖9-10)中。此外，作為替代或除此之外，也可將棱柱堆疊100Ρ封閉在外殼116 (參見圖3-6)中。下文關于圖3-6中說明的實施例而較詳細地提供外殼116的額外特征。電化學電池102的其它實施例說明于圖9和圖10中且在下文中較詳細論述。棱柱堆疊100Ρ還包含在相鄰電化學電池102之間交替定位的多個碳陰極與陽極集電器110a、110c。集電器可包括任何合適形式的導電碳，例如膨脹石墨、碳纖維紙或涂有碳材料的惰性襯底。優選地，集電器包括密度大于0.6g / cm3的石墨。
[0033]在實施例中，棱柱堆疊IOOP包含多個導電接點(例如，突片)120，其操作性地連接到多個碳陰極和陽極集電器110a、110c。導電接點120可貼附到碳陰極和陽極集電器110a、IlOc的一側。或者，如圖2中所說明，導電接點120可位于兩個碳集電器IlOa或IlOc之間，從而構成夾層結構110s。優選地，棱柱堆疊IOOP還包含兩個電氣總線122a、122c。一個電氣總線122a電連接到棱柱堆疊IOOP中的陽極集電器110a，且一個電氣總線122c連接到棱柱堆疊IOOP中的陰極集電器IIOc。在實施例中，從陽極和陰極集電器110a、IIOc到電氣總線122a、122c的電氣連接是經由導電接點120。以此方式，堆疊IOOP中的電化學電池102可并聯電連接。
[0034]在實施例中，正陰極總線122c使堆疊IOOP中的電化學電池102的陰極電極106與堆疊的正電氣輸出并聯電連接，而負陽極總線122a使堆疊IOOP中的電化學電池102的陽極電極104與堆疊IOOP的負電氣輸出并聯電連接。
[0035]在棱柱堆疊IOOP中，陰極集電器IlOc可位于相鄰電化學電池102之間。S卩，成對的電化學電池102經配置為“面對面”和“背對背”。作為實例，考慮在其中第一電化學電池102處于堆疊IOOP的中心的棱柱堆疊100P。在第一對電池102中，第一陰極集電器IlOc經定位而使得第一電化學電池102的陰極電極106電接觸第一陰極集電器110c，且第二電化學電池102的陰極電極106也電接觸第一陰極集電器110c。第二電化學電池102的位置相鄰于棱柱堆疊100P中的第一電化學電池的第一(陰極)偵U。
[0036]第三電化學電池102的位置相鄰于棱柱堆疊100P中的第一電化學電池102的第二(陽極)側。第一電化學電池102的陽極電極104電接觸第一陽極集電器110a，且第三電化學電池102的陽極電極104也電接觸第一陽極集電器110a。堆疊可以此方式繼續。所得棱柱堆疊100P因此可包含交替的陽極電極104相鄰和陰極電極106相鄰的面對面且背對背成對堆疊的多個電化學電池102。
[0037]可在軸向上描述棱柱堆疊100P。對于圖1中說明的堆疊100P，軸向平行于總線122a、122c。堆疊100P中的電化學電池102沿著堆疊100P的軸線在軸向上堆疊。堆疊中奇數或偶數編號的電化學電池120中的每一者具有面對堆疊100P的軸線的第一端的陰極電極106和面對堆疊100P的軸線的相反第二端的陽極電極104。堆疊100P中偶數或奇數編號的電化學電池102中的其它者中的每一者具有面對堆疊100P的軸線的第二端的陰極電極106和面對堆疊100P的軸線的相反第一端的陽極電極104。
[0038]在實施例中，棱柱堆疊100P包含電化學電池102，其中陽極電極104和/或陰極電極106由壓制的粒狀小球制成。陽極電極104和陰極電極106的厚度可在0.05cm與Icm之間。或者，陽極電極104和陰極電極106的厚度在0.05cm與0.15cm之間。壓制的粒狀小球之間的邊界區域可提供電解質的貯器，如將在下文更詳細描述。
[0039]在實施例中，電化學電池102為二次混合含水能量存儲裝置。在實施例中，陰極電極106在操作中可逆地嵌入堿金屬陽離子。陽極電極104可包括經由陽極電極104的表面上的堿金屬陽離子的可逆非法拉第反應而存儲電荷的電容性電極，或經歷與陽極電極104的表面上的堿金屬陽離子的部分電荷轉移表面相互作用的贗電容性電極。在實施例中，陽極為贗電容性或電化學雙層電容性材料，其在相對標準氫電極(NHE)小于-1.3V下電化學穩定。在實施例中，陰極電極106可包括摻雜的或未摻雜的立方尖晶石)λ -MnO2類型材料或NaMn9O18隧道構造斜方晶材料，且陽極電極104可包括活性碳。或者，陰極電極可包括非嵌入MnO2相，例如α或Υ相電解二氧化錳(EMD)。
[0040]圖3和圖4中說明本發明的另一實施例。在此實施例中，電化學裝置300包含電化學電池102的呈二乘四陣列的八個堆疊100Ρ。然而，可包含任何數目個堆疊100Ρ。舉例來說，電化學裝置300可包含呈一乘二陣列的兩個堆疊100Ρ、呈一乘三陣列的三個堆疊100Ρ、呈三乘四陣列的十二個堆疊100Ρ或呈五乘五陣列的25個堆疊100Ρ。可根據最終用戶的需要或電力需求而選擇堆疊100Ρ的確切數目。
[0041]電化學裝置300優選包含外殼116。在此實施例中，外殼116包含基底116b和多個側壁部件116a。在實施例中，多個堆疊100P中的每一者中的電化學電池102的陽極電極104和陰極電極106沿著其邊緣而曝露，但受到外殼116約束。優選地，外殼116提供穿過每一堆疊100P的壓力，從而將電化學裝置300的堆疊100P保持緊固。在替代實施例中，多個堆疊100P中的每一者中的電化學電池102的陽極電極104和陰極電極106沿著其邊緣而部分或完全地經覆蓋和約束。舉例來說，此可通過將每一電池102的陽極電極104和陰極電極106安裝在框架112中而實現，如圖9中所示。還可使用其它外殼配置。舉例來說，外殼116可包含基底116b和類似于鐘罩的單個整體側壁部件116a。
[0042]在此實施例中，至少一個電化學電池102的隔板108和/或陽極集電器IlOa和/或陰極集電器IlOc在多個堆疊100P中的至少兩者之間連續地延伸。優選地，隔板108、陽極集電器IlOa和陰極集電器IlOc在電化學裝置300中的所有堆疊100P之間連續地延伸。以此方式，可容易地且便宜地制造電化學裝置300。然而，電池堆疊100P中的每一電池102的陰極電極106和陽極電極104優選地不連續延伸到堆疊100P中的另一者中的另一電池102。在實施例中，相鄰堆疊100P的電極104、106之間的空間含有電解質貯器。
[0043]在實施例中，電化學裝置300進一步包含電連接多個堆疊的所有正輸出的組合式正總線與第一端板122c，以及電連接多個堆疊IOOP的所有負輸出的組合式負總線與第二端板122a。另外，基底116b可包含外部電氣接點124，所述外部電氣接點124允許將電化學裝置300快速且容易地附接到負荷。
[0044]在實施例中，電化學裝置300為上文描述的混合電化學裝置。優選地在此實施例中，電化學電池102的堆疊100P的所有電化學電池102為混合電化學電池。如在上文論述的實施例中，混合電化學電池102可包含陰極電極106和陽極電極104，其中陰極電極106包含摻雜的或未摻雜的立方尖晶石λ -MnO2類型材料或NaMn9O18隧道構造斜方晶材料，且陽極電極104包含活性碳，且電解質包括含鈉離子的含水電解質。可如下文論述來使用其它陰極和陽極材料。在替代實施例中裝置可包括二次蓄電池，例如Li離子或Na離子蓄電池。
[0045]圖5和圖6中說明本發明的另一實施例。在此實施例中，如所說明的電化學裝置500包含電化學電池102的單個棱柱堆疊100Ρ。可使用一個以上的堆疊。電化學電池102的單個棱柱堆疊100Ρ位于外殼116中。電化學裝置500包含陽極總線122a和陰極總線122c。棱柱堆疊100P中的電化學電池102中的陽極104中的每一者經由陽極集電器IlOa而電連接到陽極總線122a。在此實施例中，陽極104并聯連接。類似地，棱柱堆疊100P中的電化學電池102中的陰極106中的每一者經由陰極集電器IlOc而電連接到陰極總線122c。在此實施例中，陰極106并聯連接。優選地，陽極集電器IlOa和陰極集電器IlOc通過導電突片120而連接到其相應陽極總線122a和陰極總線122c。集電器110a、IlOc可通過以下各項而操作性地連接到相應的突片120和/或陽極和陰極總線122a、122c:壓力/摩擦配件、導電的電化學惰性固化油漆、或導電的電化學惰性固化環氧樹脂。電化學裝置500還包含外部電氣接點124以從電化學裝置500向外部裝置或電路供電。在實施例中，外部電氣接點124位于陽極總線122a和陰極總線122c的頂部上。或者，所述接點可位于總線的底部或側面上。所述接點可位于裝置的相同或不同側面上。
[0046]在實施例中，電化學裝置500的通常與電解質接觸的所有組件(即，陽極104、陰極106、隔板108、集電器110、總線122、突片120和外殼116)由非金屬材料制成。在實施例中，集電器110、總線122和突片120可由任何合適的導電形式的碳制成。總線和突片可由石墨、碳纖維或碳基導電復合物(例如，含碳纖維或填充材料的聚合物基質)制成。外殼116可由(但不限于)電化學惰性和電絕緣聚合物制成。以此方式，電化學裝置500是耐腐蝕的。如果總線122不接觸電解質(即，突片延伸穿過密封材料到外部總線)，那么總線可由金屬制成。外部電氣接點124可由金屬材料制成。在圖7中說明的實施例中，總線122由氣密密封件114圍繞，所述氣密密封件114位于總線122的頂部電化學電池102的棱柱堆疊100P的頂部與接點124之間。密封件可包括不滲透電解質和氧的聚合物或環氧樹脂材料，例如基于聚合物的環氧樹脂、膠、生石灰或熔融密封聚合物。總線122可通過焊接、螺栓、夾鉗和/或密封材料所提供的壓力而連接到接點124。以此方式，可將外部電氣接點124與電解質隔離，從而允許外部電氣接點124由金屬材料(例如銅)制成。因此，僅金屬觸點或互連件124從外殼116的密封件114區域突出。
[0047]圖8是電化學裝置500的實施例的電池電位對電池容量的曲線圖。如曲線圖中可見，可實現高的電池容量，例如對于0.5V且0.5V以下的電壓大于1200mAh。
[0048]圖9說明電化學電池102的實施例。電化學電池102包含陽極電極104、陰極電極106以及在陽極電極104與陰極電極106之間的隔板108。電化學電池102還包含位于陽極電極104與陰極電極106之間的電解質。在實施例中，隔板108可為多孔的，其中電解質位于所述孔中。電解質可為含水的或非含水的。電化學電池102還可包含充當電化學電池102的集電器的石墨薄片110。優選地，石墨薄片110為致密的。在實施例中，石墨薄片110的密度大于0.6g/cm3。石墨薄片110可由(例如)膨脹石墨制成。在實施例中，石墨薄片110可包含一個或一個以上箔層。在下文較詳細論述用于陽極電極104、陰極電極106、隔板108和電解質的合適材料。
[0049]可將陽極電極104、陰極電極106、隔板108和石墨薄片集電器110安裝在密封每一個別電池的框架112中。框架112優選由電絕緣材料制成，例如電絕緣塑料或環氧樹脂。框架112可由預成型環、澆注環氧樹脂或兩者的組合制成。在實施例中，框架112可包括單獨的陽極和陰極框架。在實施例中，石墨薄片集電器110可經配置以充當框架112的密封件114。即，石墨薄片集電器110可延伸到框架112中的凹口中以充當密封件114。在此實施例中，密封件114防止電解質從一個電化學電池102流動到相鄰電化學電池102。在替代實施例中，可提供單獨的密封件114(例如，墊圈或墊片)，使得石墨薄片集電器不充當密封件。
[0050]在實施例中，電化學電池為混合電化學電池。即，陰極電極106在操作中可逆地嵌入堿金屬陽離子，且陽極電極104包括經由(I)陽極電極的表面上的堿金屬陽離子的可逆非法拉第反應而存儲電荷的電容性電極或(2)經歷與陽極電極的表面上的堿金屬陽離子的部分電荷轉移表面相互作用的贗電容性電極。
[0051]圖11說明根據另一實施例的電化學電池102的雙極堆疊100B。與包含單獨的陽極側和陰極側集電器的常規電化學電池堆疊相比，雙極堆疊100B通過位于一個電化學電池102的陰極電極106與相鄰電化學電池102的陽極電極104之間的單個石墨薄片集電器110來操作。因此，雙極堆疊100B僅使用常規電化學電池堆疊的集電器一半多的集電器。
[0052]在實施例中，雙極堆疊100B封閉在外部外殼116中且在雙極堆疊100B的頂部和底部上具備導電頭部118。頭部118優選包括耐腐蝕集電器金屬，包含(但不限于)鋁、鎳、鈦和不銹鋼。優選地，在組裝時將壓力施加到雙極堆疊100B。所述壓力幫助提供良好的密封以防止電解質泄漏。
[0053]在實施例中，電化學電池102為二次混合含水能量存儲裝置。在此實施例中，陽極電極104和陰極電極106的厚度可介于0.05cm與Icm之間,例如厚度介于0.05cm與0.15cm之間。
[0054]圖10說明本發明的另一實施例。在此實施例中，陽極電極104可包含由陽極邊界區域104b分隔的離散陽極電極部件104a。此外，陰極電極106可包含由陰極邊界區域106b分隔的離散陰極電極部件106a。如所說明，陽極電極104包含兩個離散陽極電極部件104a，且陰極電極106包含三個離散陰極電極部件106a。然而，這僅是用于說明。陽極電極104和陰極電極106可分別包含任何數目個離散陽極電極部件104a和離散陰極電極部件106a。另外，在實施例中，陽極邊界區域104b和陰極邊界區域106b可包括填充電解質的空隙。
[0055]此外，圖10僅說明一個維度上的橫截面。正交方向上的橫截面圖還可說明具有離散陽極電極部件104a和離散陰極電極部件106a的陽極電極104和陰極電極106。即，陽極電極104和陰極電極106可包括二維棋盤式圖案。換句話說，離散陽極電極部件104a和離散陰極電極部件106a可布置成具有多行和多列的陣列。個別的離散陽極電極部件104a和離散陰極電極部件106a的形狀可例如為正方形或矩形。在實施例中，
【發明者】已發現:提供具有不同數目個離散陽極電極部件104a和離散陰極電極部件106a的陽極電極104和陰極電極106改進了電化學電池102的結構完整性。在此實施例中，陽極的行和列偏離于陰極的行和列。在實施例中，陽極邊界區域104b的至少50% (例如，50-100%，包含75-95% )未與在隔板108對面的相應陰極邊界區域106b對準。或者，陽極電極104和陰極電極106可包含相同數目的離散陽極電極部件104a和離散陰極電極部件106a。在替代實施例中，陽極電極104或陰極電極106中任一者可包括單個整體薄片，而另一電極包括離散部件的棋盤式圖案。
[0056]在實施例中，陽極電極部件104a和陰極電極部件106a分別由活性碳和氧化錳的軋制薄片或壓制小球制成。另一實施例涉及一種制造圖10的電化學裝置的方法，其包含以下步驟:(I)堆疊陽極電極104，陽極電極104包含由陽極邊界區域104b分隔的多個離散陽極電極部件104a，(2)將隔板108堆疊在陽極電極104上，以及(3)將陰極電極106堆疊在隔板108上，陰極電極106包括由陰極邊界區域106b分隔的多個離散陰極電極部件106a。在一個方面，陽極邊界區域104b的至少50%未與在隔板108對面的相應陰極邊界區域106b對準。方法還可包含將石墨薄片集電器110堆疊在陰極電極106上的步驟。可通過從陽極或陰極材料的軋制薄片切割部件104a、106a或通過壓制陽極或陰極材料的小球來形成陽極電極部件104a和/或陰極電極部件106b。
[0057]本發明的另一實施例涉及一種制造電化學電池102的堆疊100BU00P的方法。所述方法可包含形成堆疊電化學電池以及將電絕緣聚合物澆注在電化學電池102的堆疊100B、P周圍的步驟。方法還可包含使聚合物凝固以形成固體絕緣殼體或框架112。或者，方法可包含在電化學電池102的堆疊周圍提供預成型固體絕緣殼體112的步驟。聚合物可為(但不限于)環氧樹脂或丙烯酸樹脂。
[0058]方法還可包含將圖11中所示的導電端板頭部118貼附到堆疊110的頂部和底部。接著可將堆疊110和 固體絕緣殼體或框架112放置在中空圓柱體殼體或外部外殼116中。方法還包含將石墨薄片集電器110放置在電化學電池102的堆疊100B，P中的相鄰電化學電池102之間。在實施例中，電化學電池102的堆疊100B，P中的每一電化學電池102包括具有活性陽極區域的陽極電極104和具有活性陰極區域的陰極電極106。石墨薄片集電器110可具有大于活性陽極區域和活性陰極區域的面積以充當如圖9中所示的密封件。
[0059]裝置組件
[0060]MM.[0061]可將包括過渡金屬氧化物、硫化物、磷酸鹽或氟化物的若干材料用作能夠進行可逆的Na離子嵌入/脫嵌的活性陰極材料。適合用作本發明的實施例中的活性陰極材料的材料優選地在用作活性陰極材料之前含有堿性原子，例如鈉、鋰或兩者。活性陰極材料不必在初生狀態下(即，在用于能量存儲裝置中之前)含有Na和/或Li。然而，來自電解質的Na陽離子必須能夠通過在能量存儲裝置的操作期間的嵌入而并入到活性陰極材料中。因此，可用作本發明中的陰極的材料包括不必在初生狀態下含有Na，但能夠在能量存儲裝置的放電/充電循環期間進行Na離子的可逆嵌入/脫嵌而無大量的過電位損失的材料。
[0062]在活性碳材料在使用之前含有堿性原子(優選為Na或Li)的實施例中，這些原子中的一些或全部在第一次電池充電循環期間脫嵌。來自電解質的堿性陽離子(絕大多數為Na陽離子)在電池放電期間重新嵌入。這與要求嵌入電極相反活性碳(intercalationelectrode opposite activated carbon)的幾乎所有混合電容器系統不同。在多數系統中，來自電解質的陽離子在充電循環期間吸附在陽極上。同時，電解質中的抗衡陰離子(例如氫離子)嵌入到活性陰極材料中，因此在電解質溶液中保持電荷平衡但消耗離子濃度。在放電期間，從陽極釋放陽離子，且從陰極釋放陰離子，因此在電解質溶液中保持電荷平衡但增加了離子濃度。這是與本發明的實施例中的裝置不同的操作模式，在本發明的實施例中優選地不將氫離子或其它陰離子嵌入到陰極活性材料中。
[0063] 合適的活性陰極材料可在使用期間具有以下通式=AxMyOz，其中A為Na或Na與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的范圍(包含O和I)內且在使用期間在O到10的范圍(包含O和10)內⑷包括任何一種或一種以上過渡金屬，其中y在I到3的范圍(包含I和3)內；優選地在1.5與2.5的范圍(包含1.5和2.5)內；以及O為氧，其中z在2到7的范圍(包含2和7)內；優選地在3.5到4.5 (包含
3.5和4.5)的范圍內。
[0064]在具有通式AxMyOz的一些活性陰極材料中，在能量存儲裝置的放電/充電循環期間，Na離子可逆地嵌入/脫嵌。因此，在裝置處于使用中時，活性陰極材料式中的量X改變。
[0065]在具有通式AxMyOz的一些活性陰極材料中，A包括任選地與Li組合的Na、K、Be、Mg或Ca中的至少一者或一者以上的至少50原子％;M包括任何一種或一種以上過渡金屬；O為氧；x在使用之前范圍為3.5到4.5且在使用期間范圍為I到10 ；y范圍為8.5到9.5且z范圍為17.5到18.5。在這些實施例中，A優選包括至少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在使用之前為約4，且在使用期間范圍為O到10 ;y為約9;以及z為約18。
[0066]在具有通式AxMyOz的一些活性陰極材料中，A包括Na或至少80原子百分比的Na與L1、K、Be、Mg和Ca中的一者或一者以上的混合物。在這些實施例中，x在使用之前優選為約1，且在使用期間范圍為O到約1.5。在一些優選活性陰極材料中，M包括Mn、T1、Fe、Co、N1、Cu和V中的一者或一者以上，且可摻雜(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]普通種類的合適活性陰極材料包含(但不限于)分層/斜方晶NaMO2 (水鈉錳礦(birnassite))、基于立方尖晶石的錳酸鹽(例如，MO2，例如基于λ -MnO2的材料，其中M為Mn，例如在使用之前為LixM2O4 (其中，I ^ X < 1.1)且在使用中為NayMn2O4)、Na2M3O7系統、NaMPO4系統、NaM2 (PO4) 3系統、Na2MPO4F系統以及隧道構造的Naa44MO2，其中所有式中的M包括至少一種過渡金屬。典型的過渡金屬可為Mn或Fe (出于成本和環境原因)，但可使用Co、N1、Cr、V、T1、Cu、Zr、Nb、W、Mo (尤其)或其組合以完全或部分地替換Mn、Fe或其組合。在本發明的實施例中，Mn為優選過渡金屬。在一些實施例中，陰極電極可包括多種活性陰極材料，呈均質或接近均質混合物的形式或在陰極電極中分層。
[0068]在一些實施例中，初始活性陰極材料包括任選地摻雜一種或一種以上金屬(例如Li或Al)的NaMnO2 (水鈉錳礦結構)。
[0069]在一些實施例中，初始活性陰極材料包括任選地摻雜一種或一種以上金屬(例如Li或Al)的基于λ-MnO2 (即，氧化錳的立方同形體)的材料。[0070]在這些實施例中，可通過首先形成含鋰的氧化錳(例如，錳酸鋰(例如，立方尖晶石LiMn2O4或其非化學計量的變體))來形成立方尖晶石λ-Μη02。在利用立方尖晶石λ -MnO2活性陰極材料的實施例中，可以電化學方式或化學方式從立方尖晶石LiMn2O4提取大部分或所有Li，以形成立方尖晶石λ -MnO2類型材料(即，具有1:2的Mn與O比率的材料，和/或其中Mn可由另一金屬取代，和/或其還含有堿金屬，和/或其中Mn與O比率并非正好為1:2)。此提取可作為初始裝置充電循環的一部分而發生。在此類情況下，Li離子在第一充電循環期間從初生的立方尖晶石LiMn2O4脫嵌。在放電時，來自電解質的Na離子嵌入到立方尖晶石λ-Μη02中。因而，在操作期間活性陰極材料的式為NayLixMn2O4 (任選地摻雜如上文描述的一種或一種以上額外金屬，優選為Al),其中0<x<l、0<y<l且x+y ( 1.1。優選地,量x+y通過充電/放電循環從約0(完全充電)改變到約I (完全放電)。然而，在完全放電期間可使用超過I的值。此外，可使用任何其它合適的形成方法。可將非化學計量的LixMn2O4材料(每2個Mn原子和4個O原子具有I個以上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，立方尖晶石入錳酸鹽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可由另一摻雜劑取代)。
[0071]在一些實施例中，初始陰極材料包括任選地摻雜一種或一種以上金屬(例如Li或Al)的 Na2Mn3O715
[0072]在一些實施例中，初始陰極材料包括任選地摻雜一種或一種以上金屬(例如Li或Al)的 Na2FePO4F15
[0073]在一些實施例中，陰極材料包括任選地摻雜一種或一種以上金屬(例如Li或Al)的NaQ.44Mn02。可通過 將Na2CO3與Mn2O3充分混合到適當摩爾比率且在(例如)約800°C下焙燒而制成此活性陰極材料。在焙燒期間并入到此材料中的Na含量的程度確定Mn的氧化狀態以及其與O2在局部結合的方式。已證明針對非含水電解質中的NaxMnO2，此材料在0.33< X < 0.66之間循環。
[0074]任選地，陰極電極可呈復合陰極的形式，其包括:一個或一個以上活性陰極材料(例如，1-49重量％、例如2-10重量％的微量組分，例如斜方晶隧道構造材料、高表面積導電稀釋劑(例如，導電級石墨、例如乙炔黑的碳黑、非反應性金屬和/或導電聚合物)、粘合劑、增塑劑和/或填充劑。示范性粘合劑可包括聚四氟乙烯(PTFE)、聚氯乙烯(PVC)基復合物(包含PVC-SiO2復合物)、纖維素基材料、聚偏二氟乙烯(PVDF)、水合水鈉錳礦(當活性陰極材料包括另一材料時)、其它非反應性非腐蝕聚合物材料或其組合。可通過將一種或一種以上優選活性陰極材料的一部分與導電稀釋劑和/或聚合粘合劑混合且將所述混合物壓制為小球而形成復合陰極。在一些實施例中，復合陰極電極可由約50到90重量％的活性陰極材料的混合物形成，所述混合物的剩余部分包括稀釋劑、粘合劑、增塑劑和/或填充劑中的一者或一者以上的組合。舉例來說，在一些實施例中，復合陰極電極可由約80重量％的活性陰極材料、約10到15重量％的稀釋劑(例如碳黑)和約5到10重量％的粘合劑 Hf^BPTFE)形成。
[0075]可將一種或一種以上額外功能材料任選地添加到復合陰極以增加容量且替換聚合粘合劑。這些任選材料包含(但不限于)Zn、Pb、水合NaMnO2 (水鈉錳礦)和水合Na0.44Μη02 (斜方晶隧道結構)。在將水合NaMnO2 (水鈉錳礦)和/或水合Na。.44Μη02 (斜方晶隧道結構)添加到復合陰極的情況下，所得裝置具有雙功能材料復合陰極。
[0076]陰極電極將一般具有在約40 μ m到800 μ m的范圍內的厚度。
[0077]陽極:
[0078]陽極可包括能夠經由表面吸附/解吸附(經由電化學雙層反應和/或贗電容性反應(即，即部分電荷轉移表面相互作用))而可逆地存儲Na離子的任何材料，且具有在所要電壓范圍內的充分容量。滿足這些要求的示范性材料包含:多孔活性碳、石墨、中孔碳、碳納米管、無序碳、Ti氧化物(例如二氧化鈦)材料、V氧化物材料、磷橄欖石材料、其它合適的中孔陶瓷材料和其組合。在優選實施例中，將活性碳用作陽極材料。
[0079]任選地，陽極電極可呈復合陽極的形式，其包括:一種或一種以上陽極材料、高表面積導電稀釋劑(例如，導電級石墨、例如乙炔黑的碳黑、非反應性金屬和/或導電聚合物)、粘合劑(例如PTFE)、PVC基復合物(包含PVC-SiO2復合物)、纖維素基材料、PVDF、其它非反應性非腐蝕聚合物材料或其組合、增塑劑和/或填充劑。可通過將一種或一種以上優選陽極材料的一部分與導電稀釋劑和/或聚合粘合劑混合且將所述混合物壓制為小球而形成復合陽極。在一些實施例中，復合陽極電極可由約50到90重量％的陽極材料的混合物形成，所述混合物的剩余部分包括稀釋劑、粘合劑、增塑劑和/或填充劑中的一者或一者以上的組合。舉例來說，在一些實施例中，復合陰極電極可由約80重量％的活性碳、約10到15重量％的稀釋劑(例如碳黑)和約5到10重量％的粘合劑(例如PTFE)形成。
[0080]可將一種或一種以上額外功能材料任選地添加到復合陽極以增加容量且替換聚合粘合劑。這些任選材料包含(但不限于)Zn、Pb、水合NaMnO2 (水鈉錳礦)和水合Naa44MnO2 (斜方晶隧道結構)。
[0081]陽極電極將一般具`有在約80μπι到1600 μ m的范圍內的厚度。
[0082]電解質:
[0083]在本發明的實施例中有用的電解質包括完全溶解在水中的鹽。舉例來說，電解質可包括選自由以下各物組成之群的至少一種陰離子的0.1M到IOM溶液:S042' NO3' ClO4'PO4'CO32'Cl—和/或0H_。因此，含Na陽離子鹽可包含(但不限于)Na2S04、NaN03、NaC104、Na3PO4, Na2C03> NaCl 和 NaOH 或其組合。
[0084]在一些實施例中，電解質溶液可實質上不含Na。在這些情況下，上文所列出的陰離子的鹽中的陽離子可為不同于Na的堿金屬(例如K)或堿土金屬(例如Ca或Mg)陽離子。因此，含不同于Na陽離子的堿金屬的鹽可包含(但不限于)K2S04、KN03、KC104、Κ3Ρ04、K2CO3> KCl和ΚΟΗ。示范性含堿土金屬陽離子的鹽可包含CaS04、Ca(NO3)2^ Ca(ClO4)2, CaCO3和 Ca (OH) 2、MgSO4、Mg (NO3) 2、Mg (ClO4) 2、MgCO3、和 Mg (OH)20 實質上不含 Na 的電解質溶液可由此類鹽的任何組合制成。在其它實施例中，電解質溶液可包括含Na陽離子的鹽與一種或一種以上含非Na陽離子的鹽的溶液。
[0085]取決于能量存儲裝置的所要性能特性以及與較高鹽濃度相關聯的降級/性能限制機制，對于在100°c下水中的Na2SO4，摩爾濃度范圍優選在約0.05M到3M，例如約0.1到IM0對于其它鹽，類似的范圍為優選的。
[0086]不同鹽的摻合物(例如，含鈉鹽與堿金屬、堿土金屬、鑭族元素、鋁和鋅鹽中的一種或一種以上的摻合物)可產生最優化系統。此類摻合物可提供具有鈉陽離子以及選自由以下各物組成之群的一種或一種以上陽離子的電解質:堿金屬(例如K)、堿土金屬(例如Mg和Ca)、鑭族元素、招和鋅陽離子。
[0087]任選地，可通過添加一些額外0H—離子種類以使電解質溶液更為堿性而更改電解質的PH值，例如通過添加不同于NaOH的含OH鹽，通過添加一些其它0H_濃度影響化合物(例如，添加H2SO4以使電解質溶液更為酸性)。電解質的pH值可影響電池的電壓穩定窗的范圍(相對于參考電極)，且還可對活性陰極材料的穩定性和降級有影響，且可抑制質子(H+)嵌入，質子(H+)嵌入可在活性陰極材料容量損失和電池降級方面起作用。在一些情況下，PH值可增加到11到13，從而允許不同的活性陰極材料穩定(相比于在中性pH值7下穩定)。在一些實施例中，pH值可在約3到13的范圍內，例如在約3與6之間或在約8與13之間。
[0088]任選地，電解質溶液含有用于減輕活性陰極材料(例如，水鈉錳礦材料)的降級的添加劑。示范性添加劑可為(但不限于)Na2HPO4，其量足以建立0.1mM到IOOmM的范圍內的濃度。
[0089]隔板:
[0090]用于在本發明的實施例中使用的隔板可包括棉質薄片、PVC (聚氯乙烯)、PE (聚乙烯)、玻璃纖維或任何其它合適材料。
[0091]操作特件:
[0092]如上文所述，在活性陰極材料在使用之前含有堿性原子(優選為Na或Li)的實施例中，這些原子中的一些或全部在第一次電池充電循環期間脫嵌。來自電解質的堿性陽離子(絕大多數為Na陽離子)在電池放電期間重新嵌入。這與要求嵌入電極相反活性碳的幾乎所有混合電容器系統不同。在多數系統中，來自電解質的陽離子在充電循環期間吸附在陽極上。同時，電解質中的抗衡陰離子嵌入到活性陰極材料中，因此在電解質溶液中保持電荷平衡但消耗離子濃度。在放電期間，從陽極釋放陽離子，且從陰極釋放陰離子，因此在電解質溶液中保持電荷平衡但增加了離子濃度。這是與本發明的實施例中的裝置不同的操作模式。
[0093]實魁
[0094]組裝了具有圖1A中所示的棱柱/并聯電連接與圖5-7中所示的物理結構的混合能量存儲裝置。裝置含有三個層次的陽極104/陰極106組(每組兩個)，其中具有展開的石墨薄片集電器IlOaUlOc結構(500微米厚)和非編織纖維隔板材料108，如圖5所示。陰極含有如上文所述的λ -MnO2相活性材料，且由活性材料、碳黑、石墨粉末和PTFE的壓實粒狀物制成。陽極含有與碳黑和PTFE混合的活性碳。使用壓力使每一石墨陽極和陰極集電器IlOaUlOc與充當所述裝置的正和負匯流條的相應陽極和陰極石墨匯流條122a、122c接觸。使用聚丙烯罩殼116來收容裝置，且將石墨匯流條122a、122c經由聚丙烯罩殼中的適當大小的孔饋入且接著使用硅酮粘結劑材料相對于聚丙烯密封。接著經由壓力使銅線與出自罩殼的外部(不觸碰電解質的)匯流條124連接，且使用灌封環氧樹脂來覆蓋整個外部匯流條。
[0095]接著使所述裝置通過15個形成循環，且接著在許多循環中測試其能量存儲容量和穩定性。圖12展示此測試的結果。圖12(a)展示在充電與放電條件下30個循環中的裝置電位對所累積容量。在C/6額定電流下執行循環，且所述裝置具有近似1.1Ah的容量。所述數據展示在循環間的電壓分布的幾乎完美的重疊，指示極端穩定且不展現容量損失或具有任何內部腐蝕的系統。圖12(b)是隨循環而變的電池充電與放電容量的曲線圖。在至少60個循環中沒有隨著循環而變的容量損失。來自其它電池的數據指示在幾千次循環中可維持這種情況。而且，發現這些循環的庫侖效率為98到100%。
[0096]此實例展示在蓄電池外罩內部不使用任何金屬的情況下產生高度穩定的含水電解質混合能量存儲裝置。所述裝置展現極佳的穩定性且展示長期用于多種能量存儲應用中的遠大前途。
[0097]盡管上述內容參考特定優選實施例，但將理解，本發明并不限于此。所屬領域的技術人員將理解，可對所揭示實施例進行各種修改，且此類修改希望在本發明的范圍之內。本文所陳述的所有公開案、專利申請案和專利以引用的方式全文并入本文中。
【權利要求】
1.一種電化學裝置，其包括: 外殼; 在所述外殼中的電化學電池的堆疊，每一電化學電池包括: 陽極電極； 陰極電極； 隔板，其位于所述陽極電極與所述陰極電極之間；以及 電解質； 集電器，其位于相鄰電化學電池之間； 陽極總線，其操作性地連接到所述堆疊中的所述電化學電池的所述陽極；以及 陰極總線，其操作性地連接到所述堆疊中的所述電化學電池的所述陰極， 其中所述外殼、所述陽極電極、所述陰極電極、所述隔板、所述陽極總線和所述陰極總線為非金屬的。
2.根據權利要求1所述的電化學裝置，其中所述集電器包括膨脹石墨、碳纖維紙或涂有碳材料的惰性襯底。
3.根據權利要求2所述的電化學裝置，其中所述石墨的密度大于0.6g/cm3。
4.根據權利要求1所述的電化學裝置，其中所述電化學裝置為混合含水電解質能量存儲裝置，其中所述電解質并未與金屬材料接觸。
5.根據權利要求4所述的電化學裝置，其中所述陰極包括堿性離子嵌入材料，且所述陽極為在相對NHE小于-1.3V下電化學穩定的贗電容性或電化學雙層電容性材料。
6.根據權利要求5所述的電化學裝置，其中所述陰極電極包括摻雜或未摻雜的立方尖晶石λ -MnO2類型材料或NaMn9O18隧道構造斜方晶材料，所述陽極電極包括活性碳，且所述電解質包括鈉離子。
7.根據權利要求1所述的電化學裝置，其中所述陰極電極包括選自α或Υ相電解二氧化錳EMD的非嵌入MnO2相。
8.根據權利要求5所述的電化學裝置，其中所述陽極電極包括多孔活性碳、中孔碳、碳納米管、贗電容性金屬氧化物材料或其復合物中的一者或一者以上。
9.根據權利要求4所述的電化學裝置，其中所述電解質為含有溶解的堿性離子的水溶液，所述堿性離子能夠與陽極和陰極兩者相互作用而使得可經由所述陰極電極處的嵌入以及通過所述陽極電極處的贗電容性非法拉第表面反應而存儲電荷。
10.根據權利要求1所述的電化學裝置，其中所述陽極總線和所述陰極總線包括石墨、碳纖維或碳基導電復合物。
11.根據權利要求1所述的電化學裝置，其中所述外殼包括電化學惰性聚合物。
12.根據權利要求1所述的電化學裝置，其中所述電化學電池堆疊中的所述電化學電池以棱柱配置來堆疊。
13.根據權利要求12所述的電化學裝置，其中所述陰極集電器通過陰極側碳突片而操作性地電連接到所述陰極總線，所述陽極集電器通過陽極側碳突片而操作性地電連接到所述陽極總線。
14.根據權利要求13所述的電化學裝置，其中所述集電器通過以下各項而操作性地連接到所述陽極和陰極總線:壓力/摩擦配件、導電的電化學惰性固化油漆、或導電的電化學惰性固化環氧樹脂。
15.根據權利要求1所述的電化學裝置，其中所述外殼為氣密密封的。
16.根據權利要求1所述的電化學裝置，其進一步包括在所述外殼外部突出且電連接到所述陽極總線和所述陰極總線的金屬觸點。
17.根據權利要求16所述的電化學裝置，其進一步包括涂覆所述匯流條與相應觸點的結的氣密密封件。
18.根據權利要求1所述的電化學裝置，其中 所述陽極電極包括由陽極邊界區域分隔的多個離散陽極電極部件；以及 所述陰極電極包括由陰極邊界區域分隔的多個離散陰極電極部件。
19.一種制造電化學裝置的方法，其包括: 堆疊第一非金屬陽極電極； 在所述陽極電極上堆疊第一非金屬隔板； 在所述隔板上堆疊第一非金屬陰極電極； 操作性地將所述第一陽極電極連接到非金屬陽極總線；以及 操作性地將所述第一陰極電極連接到非金屬陰極總線。
20.根據權利要求19所述 的方法，其進一步包括在所述陰極電極上堆疊非金屬集電器。
21.根據權利要求20所述的方法，其進一步包括: 在所述非金屬集電器上堆疊第二非金屬陰極電極； 在所述第二陰極電極上堆疊第二非金屬隔板；以及 在所述第二非金屬隔板上堆疊第二非金屬陽極電極。
22.一種電化學裝置，其包括: 外殼; 在所述外殼中的電化學電池的堆疊，每一電化學電池包括: 陽極電極； 陰極電極； 隔板，其位于所述陽極電極與所述陰極電極之間；以及 電解質； 多個碳陰極和陽極集電器，其交替地位于相鄰電化學電池之間； 多個突片，其操作性地連接到所述多個碳陰極和陽極集電器，所述多個突片經配置以連接到電氣總線； 其中: 第一電化學電池的陰極電極電接觸第一陰極集電器； 第二電化學電池的陰極電極電接觸所述第一陰極集電器，所述第二電化學電池經定位相鄰所述堆疊中的所述第一電化學電池的第一側； 所述第一電化學電池的陽極電極電接觸第二陽極集電器；以及第三電化學電池的陽極電極電接觸所述第二陽極集電器，所述第三電化學電池經定位相鄰所述堆疊中的所述第一電化學電池的第二側。
23.一種電化學裝置，其包括:外殼; 在所述外殼中的電化學電池的堆疊，每一電化學電池包括: 壓制的粒狀陽極電極； 壓制的粒狀陰極電極； 隔板，其位于所述陽極電極與所述陰極電極之間；以及 電解質； 多個陰極和陽極集電器，其交替地位于相鄰電化學電池之間； 其中: 第一電化學電池的陰極電極電接觸第一陰極集電器； 第二電化學電池的陰極電極電接觸所述第一陰極集電器，所述第二電化學電池經定位相鄰所述堆疊中的所述第一電化學電池的第一側； 所述第一電化學電池的陽極電極電接觸第二陽極集電器；以及第三電化學電池的陽極電極電接觸所述第二陽極集電器，所述第三電化學電池經定位相鄰所述堆疊中的所述第一電化學電池的第二側。
24.—種電化學裝置，其包括: 外殼; 多個電化學電池堆疊，所述堆疊并排布置在所述外殼中，每一電化學電池包括: 陽極電極； 陰極電極； 隔板，其位于所述陽極電極與所述陰極電極之間；以及 電解質； 集電器，其位于所述堆疊中的每一者中的相鄰電化學電池之間； 其中至少一個電池的所述隔板包括在所述多個堆疊中的至少兩者之間連續延伸的隔板薄片。
25.一種電化學裝置，其包括: 外殼; 在所述外殼中的電化學電池的堆疊，每一電化學電池包括: 陽極電極； 陰極電極； 隔板，其位于所述陽極電極與所述陰極電極之間；以及 電解質； 石墨薄片，其位于相鄰電化學電池之間； 其中所述石墨薄片為所述相鄰電化學電池的集電器。
26.一種電化學電池，其包括: 陽極電極，其包括由陽極邊界區域分隔的多個離散陽極電極部件； 陰極電極，其包括由陰極邊界區域分隔的多個離散陰極電極部件； 隔板，其位于所述陽極電極與所述陰極電極之間；以及 電解質； 其中所述電解質位于所述隔板中以及位于陽極電極邊界區域與陰極電極邊界區域中；以及 其中所述陽極邊界區域的至少50%未與跨越所述隔板的相應陰極邊界區域對準。
27.一種制造包括電化學電池堆疊的電化學裝置的方法，所述方法包括: 形成堆疊電化學電池；以及 將電絕緣聚合物澆注在所述電化學電池堆疊周圍且使所述聚合物凝固以形成固體絕緣殼體，或在所述電化學電池堆疊周圍提供預成型固體絕緣殼體。
28.—種制造電化學裝置的方法，其包括: 堆疊陽極電極，其包括由陽極邊界區域分隔的多個離散陽極電極部件； 在所述陽極電極上堆疊隔板；以及 在所述隔板上堆疊陰極電極，所述陰極電極包括由陰極邊界區域分隔的多個離散陰極電極部件， 其中所述陽極邊界區域的至少50%未與跨越所述隔板的相應陰極邊界區域對準，且所述多個陽極電極部件和所述多個陰極電極部件布置成具有多行和多列的陣列。
29.—種二次混合含水能量存儲裝置，其包括: 外殼; 在所述外殼中的電化學電池的堆疊，每一電化學電池包括:` 陽極電極； 陰極電極；以及 隔板，其位于所述陽極電極與所述陰極電極之間； 電解質；以及 石墨薄片，其位于相鄰電化學電池之間； 其中所述陽極和陰極電極的厚度在0.05cm與Icm之間。
【文檔編號】H01M2/02GK103597649SQ201280012476
【公開日】2014年2月19日 申請日期:2012年3月8日 優先權日:2011年3月9日
【發明者】杰·懷特奎, 唐·漢弗萊斯, 楊文卓, 愛德華·林奇-貝爾, 亞歷克斯·穆罕默德, 埃里克·韋伯 申請人:亞奎尼能源公司