用于儲能器件的可變容積的容器的制造方法
【專利說明】
[0001] 本申請是申請日為2010年1月27日、申請號為201080009853. 1、發明名稱為"用 于儲能器件的可變容積的容器"的中國發明專利申請的分案申請。
[0002] 相關申請的交叉引用
[0003] 本申請要求在2009年1月27日提交的美國臨時申請No. 61/147, 725,以及在2009 年5月26日提交的美國臨時申請No. 61/181，194的權益，在此通過援引加入這兩個申請的 全部內容。
技術領域
[0004] 本發明一般地涉及儲能器件（ESD)，并且更特別地，本發明涉及合并了可變容積的 容器的ESD。
【背景技術】
[0005] 密封的ESD的特征是電池容納并隔離于ESD之內，以免受到來自外部的污染和/ 或干涉。常規的容器（例如，ESD包封器）給各種相態的ESD材料（例如，電解質溶劑混合 物和活性材料）提供了容納和隔離。不管電池是不工作還是工作，通常都有必要含有這些 ESD材料。不管電池是不工作還是工作，在電池之內所容納的一些材料都經歷著狀態的改 變。狀態的波動導致電池壓力的變化，該電池壓力的變化對容器施予壓力。
[0006] 在固定容積的容器之內的壓力與容器內的活性材料的數量和一種或更多種狀態 成正比。例如，在金屬氫化物的ESD中，電化電耦包括陽極內的金屬氫化物合金和陰極內的 金屬氫氧化物。這些材料中的每一種都進行著導致容器內的凈容積變動的狀態改變。容積 變動可能導致電池壓力的改變和/或凈容積（free volume)的凈改變。因此，活性材料的 狀態改變能夠導致更少或更多的可用的凈容積，其中凈容積指的是單元電池容積與包含于 電池之內的全部材料的容積之差。在示例性的金屬氫化物的配置中，所排開液體的液壓、電 解質溶劑混合物的氣相成分，以及電解質溶劑混合物的汽相分壓產生了對容器壁的力。歸 因于變化著的活性材料的狀態的壓力同樣促使電極表面對容器壁物理擠壓。如果應力超過 了容器的承受能力，則容器可能受到損害并且可能不能正確運行。
[0007] 常規的ESD不是被制造成只有兩個電極的卷繞式電池 ESD就是被制造成具有許多 平行板組的標準的方形電池 ESD。在這兩種類型中，電解質在ESD中到處共用。卷繞式電 池結構和方形電池結構兩者都使用剛性的、固定容積的容器。這些結構要求對在剛性容器 內的材料進行嚴格的計算，因為容器不允許容積膨脹和/或收縮（即，凈容積的大小是固定 的）。凈容積的大小可能影響ESD的工作，因為過多的凈容積會導致不良的性能（例如，松 散的電池），而過少的凈容積則導致可能會爆炸的器件。在一些實例中，在這些常規的ESD 的工作期間所產生的力可能超過容器的材料限度并且促使容器破裂。當容器由于高壓力而 破裂時，內部組分則以相當大的能量噴射出。
[0008] 因此，提供具有可變容積的容器的ESD將是所希望的。

【發明內容】

[0009] 鑒于以上情況，本發明提供了用于具有可變容積的容器的ESD的裝置和方法。
[0010] 在本發明的一些實施例中，提供了具有多個雙極性電極單元的疊層的ESD。每個 電極單元可以包括導電襯底、在導電襯底的第一表面上的正極活性材料電極層，以及在導 電襯底的第二表面上的負極活性材料電極層。電解質層可以設置于每對相鄰的電極單元之 間。柔性墊片可以放置于每個電解質層附近，其中該墊片能夠按預定的方式機械變形。 [0011] 根據一種實施例，提供了其中保持了電極間距的ESD。ESD可以包括多個電池段， 其中每個電池段可以包括具有第一活性材料電極層的第一導電襯底以及具有第二活性材 料電極層的第二導電襯底。電解質層可以設置于第一和第二活性材料電極層之間。多個硬 止動件（hard stop)可以設置在每個導電襯底可以固定地放置于各自的硬止動件上的地 方，并且硬止動件可以被配置為設置ESD的電極間距。
【附圖說明】
[0012] 在結合附圖來考慮下面的詳細描述時，本發明的以上及其他目標和優點將是顯而 易見的，在全部附圖中相同的參考符號指示相同的部件，以及在附圖中：
[0013] 圖1示出了根據本發明的一種實施例的雙極性電極單元（BPU)的結構的示意性截 面圖；
[0014] 圖2示出了根據本發明的一種實施例的圖1的BPU的疊層的結構的示意性截面 圖；
[0015] 圖3示出了根據本發明的一種實施例的疊層型雙極性ESD的立體圖；
[0016] 圖4示出了根據本發明的一種實施例的圖3的疊層型雙極性ESD的局部截面圖；
[0017] 圖5示出了根據本發明的一種實施例的圖4的疊層型雙極性ESD的示意性截面 圖；
[0018] 圖6示出了根據本發明的一種實施例的圖5的雙極性ESD的硬止動件的立體圖；
[0019] 圖7示出了根據本發明的一種實施例的圖5的雙極性ESD的柔性密封的示意性截 面圖；
[0020] 圖8示出了根據本發明的一種實施例的疊層型雙極性ESD的局部分解的示意性截 面圖；
[0021] 圖9示出了根據本發明的一種實施例的疊層型雙極性ESD的結構的示意性截面 圖；
[0022] 圖10示出了根據本發明的一種實施例的疊層型雙極性ESD的結構的示意性截面 圖；
[0023] 圖11示出了根據本發明的一種實施例的疊層型雙極性ESD的結構的示意性截面 圖；
[0024] 圖12示出了根據本發明的一種實施例的疊層型雙極性ESD的結構的示意性截面 圖；
[0025] 圖13示出了根據本發明的一種實施例的疊層型雙極性ESD的結構的示意性截面 圖；
[0026] 圖14示出了根據本發明的一種實施例的方形電池 ESD的結構的示意性截面圖；以 及
[0027] 圖15示出了根據本發明的一種實施例的方形電池 ESD的結構的示意性截面圖。
【具體實施方式】
[0028] 本發明提供了用于具有可變容積的容器的儲能器件（ESD)的裝置和方法，并且所 述裝置和方法在下面參照圖1-15來描述。本發明涉及ESD，例如，蓄電池、電容器，或者可以 存儲和/或提供電能或電流的任意其他適合的電化學能量或電力存儲器件。應當理解，雖 然本發明在此于具有可變容積的容器的疊層型雙極性ESD的情況下進行描述，但是所討論 的概念可應用于任意電池間的電極配置，包括但不限于平行板、方形的、折疊的、卷繞的和/ 或雙極性的配置，任意其他適合的配置，或者它們的任意組合。
[0029] 如同在此所定義的，"電極間距"是在疊層型雙極性ESD內的活性材料電極層之間 的距離。例如，這可以應用于電池內的正電極和負電極之間的距離，該電池只含有一個正電 極和一個負電極。在一些實施例中，這可以應用于在同一電池中有多個電極組或段的電池。 對于具有多個電極或電極段的電池，可以有多個電極間距。
[0030] 已經開發出了具有疊層形式的密封電池的ESD，該ESD -般地包括一系列疊層型 雙極性電極單元（BPU)。這些BPU中的每一個都設置有涂布在集流體的相反側上的正極活 性材料電極層和負極活性材料電極層。任意兩個BPU都可以一個堆疊在另一個之上，電解 質層被設置于BPU之一的正極活性材料電極層與另一個BPU的負極活性材料電極層之間， 用于使這兩個BPU的集流體電隔離。任意兩個相鄰的BPU的集流體，連同活性材料電極層 以及它們之間的電解質一起，是密封的單電池或電池段。包括此類電池的疊層的ESD在此 將稱為"疊層型雙極性"ESD，其中每個電池都具有第一 BPU的一部分和第二BPU的一部分。
[0031] 可變容積的容器可能有利于非常規的ESD配置，例如，多電池的雙極性ESD的架 構。在雙極性ESD的配置中，電池串聯堆疊，在電池之間使用共同的集電板，這導致容納材 料的減少，并且由此質量和/或容積的減小。雙極性配置的一個潛在的缺點是電極間距在 ESD的工作和循環期間的可變性。電池壓力可以累積，促使電極表面被推離開。這種移動增 加了電極表面之間的間隙距離并且影響到器件的內部電阻。此外，隨著電極間距的增大還 可能導致所不希望的級聯效應，例如，提高的電阻抗以及降低的充電效率、放電容量及倍率 特性。
[0032] 常規的疊層型雙極性ESD使用平電極板。通過使用平板以及使用邊緣密封來隔離 它們，在疊層型電化學ESD中的電池可以基本上獨立地工作。在獨立的電池被充電和被放 電時，在相鄰的電池之間可能出現微小的壓力差。如果相鄰的電池之間的壓力差超過了每 平方英寸幾鎊，則平板電極可能從第一電池偏移向第二電池。該偏移可能使第二電池的隔 膜材料產生應變，造成其中可能出現短路的"熱點"。因為個體電池的物理成分和化學成分 一般來說可能是彼此稍微不同的，所以一般地可能存在著在電池之間的壓力差。
[0033] 例如，如果允許電池電壓超過電解質溶劑（例如，在NiMH的情況下為水）的擊穿 電壓，則可以導致形成溶劑的各種氣相成分（例如，氧氣和氫氣）。氣相成分形成和釋放的 速率可以影響電池的氣相壓力分量并且影響活性材料電極基體。氣相形成的速率可能與例 如ESD的內部電阻、充電狀態、充電接受階段和充電速率是相關的。過大的氣相形成速率可 能會降低電極基體的機械穩定性，例如，通過使活性材料與電極基體取消親接，這可以引起 ESD的容量衰減。
[0034] 如果所結合的壓力（例如，液壓的、機械的和氣相/汽相的壓力）超過了電極耦接 壓力，則電極可能分離。增大的間隙距離可能使得活性材料迀移出電極基體，導致容量隨每 個循環而衰減。活性材料可能最終迀移穿過隔膜和/或在隔膜周圍，可能導致所不希望的 影響，例如，過早的電極擊穿以及個體電池內的短路。可變容積的容器可以通過允許電極表 面保持基本上鄰接于隔膜來減輕所不希望的效應的級聯，從而使活性材料順從地保持于電 極基體之內。
[0035] 通常用來描述ESD的性能測度可以是具有單位Watt-hr/kg和/或Watt-hr/L的 具體能量，以及具有單位Watts/kg或Watts/L的具體功率。這些性能測度可以有助于重量 相對輕的和/或容積相對低的器件。雙極性ESD可以允許容器的質量和/或容積減小，從 而獲得相對常規的ESD包（例如，卷繞式電池和方形電池 ESD)的優勢。但是，在雙極性ESD 的開發中的問題在于活性材料在ESD的工作和循環期間可能改變形狀，這可能導致電極分 離。
[0036] 雙極性ESD的電池力學可能是復雜的且多變量的問題。電池的行為可能與外力作 用或刺激，以及活性材料在電場內的物理及熱力學的一種或更多種狀態有關。要預測瞬時 的或準瞬時的電池動態，可能需要在基本上整個器件之內的材料的瞬時或準瞬時的一種或 更多種狀態。因此，為了使對ESD的行為的描述相對簡單化，可以使用狀態描述（例如，充 電狀態和放電狀態）。
[0037] ESD的熱力學狀態可以由外力作用來驅動（例如，電壓源或電流源和/或負載）。 與外力作用的連接可以允許ESD的電化學刺激。在外力作用與ESD的一種或更多種活性材 料之間的連接質量可能是重要的參數，因為在器件中可能有其中可能發生界面反應的多個 界面。例如，界面