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CN102460814A - 具有串联及并联电耦接的单极和双极型电池的储能器件 - Google Patents

具有串联及并联电耦接的单极和双极型电池的储能器件 Download PDF

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CN102460814A
CN102460814A CN2010800252939A CN201080025293A CN102460814A CN 102460814 A CN102460814 A CN 102460814A CN 2010800252939 A CN2010800252939 A CN 2010800252939A CN 201080025293 A CN201080025293 A CN 201080025293A CN 102460814 A CN102460814 A CN 102460814A
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CN
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lamination
storage device
energy storage
electrode unit
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CN2010800252939A
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J·K·维斯特
D·J·维斯特
J·雷加拉多
周昕
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G4 Synergetics Inc
Original Assignee
G4 Synergetics Inc
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Abstract

叠层储能器件(ESD)具有至少两个排列成叠层的电池段。每个电池段可以具有包含第一活性材料电极的第一电极单元、包含第二活性材料电极的第二电极单元和位于这两个活性材料电极之间的电解质层。ESD包括至少两个子叠层，其中各个相应子叠层的元件与该子叠层的其他元件串联电耦接。这些子叠层可以放置于单个叠层中，并且可以与其他子叠层并联、串联或串并联电耦接，以形成具有一定电压和电流容量的ESD。整个叠层可以用单对端帽包住。

Description

具有串联及并联电耦接的单极和双极型电池的储能器件
相关专利的交叉引用
本申请要求在2009年4月24日提交的美国临时申请No.61/172,448以及在2009年7月10日提交的美国临时申请No.61/224,725的权益，在此通过引用并入这两个申请的全部内容。
技术领域
本发明一般涉及储能器件(ESD)，并且更具体地，本发明涉及具有串联、并联或串并联电耦接的电池的叠层ESD。
背景技术
ESD的设计标准典型地包括功率、能量和使用寿命，并且还可以包括质量和/或体积的限制。这些设计因素通常互相依赖。例如，提高ESD的功率(例如，通过增加电压和/或电流容量)可以增加器件的质量和/或体积。
一种用于增加双极型ESD的电压(并且由此增加瓦特小时)的方法是在更高的叠层中添加额外的双极型电池。但是，该叠层的电流容量与单个电池的容量可能基本上相同。为了增加双极型ESD的电流容量，几个ESD典型地以导线并联连接。这些ESD每个都典型地具有用于在循环期间保持气体压力和电极膨胀的它自己的一对端帽，这些端帽增加了整个系统的重量。但是，这些端帽通常不增加叠层的能量或功率。该额外重量一般称为“寄生”重量，因为随着各个电池叠层的重量增加并没有增添活性材料。
由于寄生重量(以及在一些情况下，系统的体积)的实质性增加，上述技术不必要地限制了功率和/或电流容量的提高。
因此，希望提供具有改良性能的ESD，该ESD具有串联和并联电耦接的电池。
发明内容
鉴于以上所述，本发明提供用于具有串联和并联电耦接的电池的叠层ESD的装置和方法。
可以组装并联和串联结构的任意组合，以便产生特定的电压和电流容量。例如，可以用导线串联连接至少两个子叠层以增加总叠层的电压。双极型电池的这种结构的寄生重量可能相对小于典型布局(即，并联电耦接的两个或更多个ESD，每个ESD都具有它自己各自的一对端帽)，因为在一些实施例中可以只使用一对端帽。
根据一种实施例，本发明提供了具有多个电极单元的叠层的ESD。该叠层可以包括多个双极型电极单元的第一子叠层、与第一子叠层共线的多个双极型电极单元的第二子叠层，以及位于第一子叠层和第二子叠层之间的单极型电极单元。第一端帽可以在该电极单元叠层的第一末端，并且第二端帽可以在该电极单元叠层的第二末端。
根据本发明的一种实施例，本发明提供了具有沿着层叠轴的多个电极单元的叠层的ESD。该叠层可以包括在其相反侧面上具有第一和第二表面的单极型电极单元、沿层叠轴设置的与第一表面相对的第一双极型电极单元，以及沿层叠轴设置的与第二表面相对的第二双极型电极单元。第一和第二双极型电极单元经由单极型电极单元并联电耦接。
附图说明
当结合附图来考虑下面的详细说明时，本发明上述和其他的目标和优点将会变得明了，在附图中相似的参考符号指代相似的部件，并且在附图中：
图1示出了根据本发明的一种实施例的双极型电极单元(BPU)的例示性结构的剖面示意图；
图2示出了根据本发明的一种实施例的图1的BPU叠层的例示性结构的剖面示意图；
图3示出了根据本发明的一种实施例的具有图2的BPU叠层的例示性双极型ESD的电路示意图；
图4示出了根据本发明的一种实施例的BPU叠层的例示性结构的剖面示意图；
图5示出了根据本发明的一种实施例的图4的例示性双极型ESD的电路示意图；
图6示出了根据本发明的一种实施例的例示性叠层双极型ESD的透视图；
图7示出了根据本发明的一种实施例的图6的例示性叠层双极型ESD的局部剖面图；
图8示出了根据本发明的一种实施例的图6的例示性叠层双极型ESD的分解图；以及
图9示出了根据本发明的一种实施例的图6的例示性叠层双极型ESD的分解图。
具体实施方式
本发明提供了用于叠层储能器件(ESD)的装置和方法，并且在下面参照图1-9来描述该装置和方法。本发明涉及诸如蓄电池、电容器以及任何其他可以存储和/或提供电能或电流的电化学能量或功率存储器件之类的ESD。应当理解，虽然本发明针对串联和并联电耦接的叠层双极型ESD来描述，但是所讨论的概念适用于任何电池间的电极结构，包括但不限于平行板、棱柱型、折叠型、卷绕式和/或双极型结构，以及其他合适的结构，或这些结构的任何组合。
具有堆叠形式的密封电池的ESD可以包括一系列层叠的双极型电极单元(BPU)。这些BPU每个设置有覆盖在集电器的相反的两面上的正性活性材料电极层和负极活性材料电极层。任何两个BPU都可以彼此层叠，在其中一个BPU的正极活性材料电极层和另一个BPU的负极活性材料电极层之间设置有电解质层，用于电隔离这两个BPU的集电器。任何两个相邻BPU的集电器，连同两个活性材料电极层及其中间的电解质一起，是密封的单电池或电池段。包括此类电池的叠层的ESD在此应称为“叠层双极型”ESD，其中每个电池具有第一BPU的一部分和第二BPU的一部分。
ESD可以包括可以串联、并联或串并联电耦接的多个电池。双极型ESD可以消除存在于那些仅将独立电池串联在一起的ESD中的互连载流组件。例如，双极型ESD连接材料的减少(从而减少寄生重量)可以降低电阻和提高功率，并且可以使ESD变得相对更小及更轻。
图1示出了根据本发明的一种实施例的例示性“平板”双极型电极单元BPU 102。用于叠层电池ESD的平板结构已被详细论述于Ogg等人的美国专利申请No.11/417,489和Ogg等人的美国专利申请No.12/069,793中，在此通过引用并入这两个申请的全部内容。BPU 102可以包括设置于不透性导电衬底或集电器106之上的正极活性材料电极层104，以及可以设置于不透性导电衬底或集电器106的另一面之上的负极活性材料电极层108。
应当理解，双极型电极可以具有任何合适的形状或几何形状。例如，在本发明的一些实施例中，“平板”BPU可以用“碟形”电极作为替代或补充。碟形电极可以减小在双极型ESD的工作期间所产生的压力。碟形和压力均衡的电极已被详细地论述于West等人的美国专利申请No.12/258,854中，在此通过引用并入该申请的全部内容。
例如，如图2所示，多个BPU 202可以基本上垂直地层叠到叠层220中，具有可以设置于两个相邻的BPU 202之间的电解质层210，使得一个BPU 202的正电极层204经由电解质层210与相邻BPU 202的负电极层208相对。每个电解质层210可以包括可以将电解质保持于其内的隔板(没有示出)。该隔板可以使正电极层204与相邻的负电极层208电隔离，同时允许在电极单元之间的离子迁移。
继续参照图2中的BPU 202的层叠状态，例如，包含于第一BPU202的正电极层204和衬底206、与第一BPU 202相邻的第二BPU 202的负电极层208和衬底206，以及位于第一和第二BPU 202之间的电解质层210的组件在此称为单个“电池”或“电池段”222。每个电池段222的每个不透性衬底206可以被可适用的相邻电池段222共享。
图3示出了根据本发明的一种实施例的图2的叠层220的电路示意图。如图3所示，双极型ESD可以包括层叠和串联的一个或更多个BPU 202，以提供所期望的电压。
图4示出了根据本发明的一种实施例的BPU叠层结构的剖面示意图。如图4所示，例如，独立电池叠层或子叠层421a和421b可以通过使“子接线端”单极型电极单元位于子叠层之间(例如，参见子接线端MPU 401)的方式被配置为并联电耦接。正极或负极子接线端单极型电极单元(MPU)可以位于双极型ESD内的独立电池叠层或子叠层之间。子接线端MPU可以具有活性材料电极层，该电极层具有与设置于衬底或集电器的相反面上的极性相同的极性(即正或负)。对于子接线端MPU，可以使用任何合适的活性材料，并且在一些实施例中，在子接线端MPU任一面上的活性材料电极层可以是基本上相同的活性材料或者可以是具有相同极性的不同活性材料。
例如，图4示出了位于双极型ESD 450的叠层420之内的子接线端MPU 401。子接线端MPU 401可以包括可以设置于不透性导电衬底或集电器409的第一面之上的负极活性材料电极层405a，以及可以设置于不透性导电衬底409的另一面之上的负极活性材料电极层405b。子接线端MPU 401可以被配置用于使子叠层421a的电池段(例如，参见电池段422a-422c)与子叠层421b的电池段(例如，参见电池段422d-422f)并联电耦接。例如，子接线端MPU 401可以设置有调整片(tab)或法兰407。在一些实施例中，例如，法兰407可以提供到与法兰407所附着的相应衬底相对应的双极型电极单元或单极型单元的电连接。例如，如图4所示，法兰407附着在子接线端MPU 401的衬底409。但是，应当理解，调整片或法兰可以设置于本发明的任何合适的电极单元的衬底，包括，例如，BPU、子接线端MPU和接线端MPU(例如，参见图6-9中的法兰607)。
子接线端MPU 401可以充当子叠层之间的电隔离层、机械隔板或两者。在一些实施例中，子接线端MPU 401可以具有与双极型电极单元不同的几何形状(例如，参见BPU 402a-d)。例如，子接线端MPU401的衬底409可以比BPU 402a的衬底406a相对更厚或相对更薄。例如，衬底409相对于衬底406a可以具有可变的厚度，因为衬底409的两面上具有相同极性的电极(例如，电极层405a和405b)可以不同于衬底406a两面上的具有相反极性的电极(例如，电极层408a和404a)那样膨胀和/或收缩。例如，如果MPU 401在衬底409两面上具有正电极层，则一个或两个正电极层可以压缩衬底409。此外，在一些实施例中，ESD的子叠层可以具有不同的基本单元和/或不同的化学组成(例如，子叠层421a可以具有镍金属氢化物ESD的化学组成，而子叠层421a可以使用电容器)。例如，在此类实施例中，子叠层相互间可以膨胀和/或收缩不相同，从而在MPU 401上施加一个净力(net force)。因此，在一些实施例中，衬底409可以设计得比衬底406a-d相对更厚和更鲁棒。但是，应当理解，在一些实施例中，子接线端MPU 401的衬底409可以与BPU的衬底基本上相同(例如，参见BPU 402a-d的衬底406a-d)。
子接线端MPU 401中可以具有任何合适的在相邻电池段的活性材料之间的电极间间距，并且可以具有任何合适的衬垫结构。电极间间距可以取决于各种ESD应用。例如，对于相对较低的漏电/高能量的电池，最好是可以装填相对较大量的活性材料和/或具有相对较厚的电极基体材料，以便耐受增加的负荷。对于相对较高功率的应用，优选的是可以装填较少的材料和/或在相对较高的力之下闭合，以便减小电极间的间距。
ESD设计可以有许多标准。这些标准通常规定功率、能量和使用寿命，并且可以具有对质量和/或体积的限制。这些标准可能无法单独由一种ESD类型来满足。因此，在一些实施例中，组合了达到设计要求的储能类型的ESD可能是优选的。本发明的双极型ESD可以配置用于容纳多种ESD类型以达到设计要求。例如，正如前面所讨论的，一个子叠层可以具有镍金属氢化物ESD的化学组成，而另一个子叠层可以使用电容器。
双极型ESD 450可以包括一种或更多种基础的基本单元。例如，合适的电化学ESD化学组成可以包括金属氢化物、锂或任何其他合适的化学组成，或者它们的组合，并且基本单元可以包括静电电容器。这种多单元的ESD可以被配置为串联或并联的功率分布或者两者，并且该器件可以包括多种类型。在一些实施例中，ESD中独立的子叠层可以具有不同的化学组成。例如，子叠层421a可以包括金属氢化物成分，而子叠层421b可以包括锂离子成分。在一些实施例中，同一子叠层中的电池互相之间，甚至在同一电池内，都可以具有不同的化学组成。
如上所述，在一些实施例中，ESD可以包括一个或更多个其中层叠有电容器的子叠层。电容器可以包括电化学双层。该双层组件可以指在电极材料表面上离子和电子的累积(例如，它们可以随接触表面积而定)。其效果可以相对地更多在静电方面，而不是电化学方面，因为离子和电子两者都可以被耦接在电极材料的表面上。例如，这可能类似于静电电容器。电容器的正电极层和负电极层可以具有基本上相同的组成，使得在ESD被组装时可能没有或基本上没有“自然的”电化学电位。当ESD被充电时，例如，通过使电子在一面上并且在同一表面累积基本上等量的正离子电荷，电位会升高。类似的情况发生在负极电极上，例如，其中由于负极电极的电子耗尽表面上的电子耗尽(例如，“空穴”)，导致负离子在电极表面累积。应当理解，正如上面结合本发明的双极型单元所述，电容器的任何一面都可以是正极或负极。
当电容器与ESD并联电耦接时，整个组合器件可以具有相对较高的工作电压。例如，金属氢化物ESD可以是水性的，并且可以具有1.4伏特的工作范围。具有电化学双层的电容器可以由任何合适的电解质形成，并且其工作范围，例如，可以从1.25伏特或更低到20伏特或更高。这些电容器还可以具有相对低的内阻，并且可以支持具有相对高电流消耗的ESD。例如，对于高速率脉冲，这些电容器可以比ESD先接受大部分电流消耗，这可以缓冲ESD并且可以增加ESD的循环寿命。
其他电容器可以没有离子和电子的双层。更确切地，它们可以仅通过由导体(如金属箔)表面电子的累积和耗尽所引起的静电耦接方式来工作。一旦被充电，这些电子就不可以通过介电隔离层传播，但需要非常接近以保持静电耦接。一旦正极和负极接线端被耦接以接通电路，电子就可以通过导线回流，以重新平衡到基本上零电压。这些电容器的容量可以比具有电化学双层的电容器相对更低。
层叠于子叠层的电容器电池的数量可以根据ESD的电压极限而定。在一些实施例中，电容器子叠层的电压可以等于或大于ESD的电压。此外，在一些实施例中，例如，每个电容器电池的电压极限可以取决于电解质溶剂的击穿电压。对于液体基溶剂器件，示例性的电压极限可以为从1.2伏特(如水性的)到20伏特(如有机物和硅氧烷)。在一些实施例中，本发明的ESD可以将电容器并入具有与具有例如金属氢化物化学成分的另一子叠层所用的溶剂基本相同的溶剂的子叠层，在该子叠层中电池可以配置具有1.5伏特的电压极限。
继续参照图4，其中有两个独立的三电池叠层(即子叠层421a和421b)，子接线端MPU 401于是位于子叠层421a和421b之间的叠层420中央。但是，应当理解，子接线端MPU 401可以设置于叠层420内的任何合适的位置。例如，独立电池叠层(例如，参见子叠层421a)可以具有任何合适数量的电池(例如，为提高特定叠层或子叠层的电压)，从而子接线端MPU 401可以位于叠层中的独立子叠层(如子叠层421a和421b)之间的任何合适的位置。还应当理解，ESD 450可以具有任何合适数量的独立电池叠层或子叠层，在其中间设置有适量的子接线端MPU。例如，在一些实施例中，可以结合多个子叠层以提高ESD的电压和/或电流容量。
如图4所示，例如，根据本发明的一种实施例，正极或负极接线端，或接线端单极型单元(MPU)，可以连同一个或更多个BPU 402a-d和子接线端MPU 401的叠层420一起提供以构成叠层双极型ESD450。在图4所示的配置中，例如，接线端MPU的极性可以与子接线端MPU 401的极性相反。在其不透性导电衬底416b的一面包括正极活性材料电极层414b的正极接线端MPU 421b，可以位于设置有电解质层(即电解质层410f)的叠层420的第一末端，使得正极接线端MPU412b的正电极层414b可以经由电解质层410f与叠层420第一末端的BPU(即BPU 402d)的负电极层(即层408d)相对。在其不透性导电衬底416a的一面包括正极活性材料电极层414a的正极接线端MPU412a，可以位于设置有电解质层(即电解质层410a)的叠层420的第二末端，使得正极接线端MPU 412a的正电极层414a可以经由电解质层410a与叠层420第二末端的BPU(即BPU 402a)的负电极层(即层408a)相对。接线端MPU 412a和412b可以分别设置有相应的正极电极引线413a和413b。
例如，每个接线端MPU或子接线端MPU的衬底和电极层可以形成电池段，该电池段具有衬底、和它相邻BPU的电极层、及它们之间的电解质层，如图4所示(例如，参见电池段422a/422f和电池段422c/422d)。叠层420中层叠BPU的数量可以是一个或更多个，并且可以适当地确定以符合ESD 450的期望电压。子叠层(如子叠层421a和421b)中层叠BPU的数量可以是一个或更多个，并且可以适当地确定以符合例如ESD 450的期望电压。每个BPU可以提供任何所期望的电位，因此ESD 450的期望电压可以通过有效增加每个BPU组件所提供的电位来达到。应当理解，每个BPU不必提供相等的电位。
在一个合适的实施例中，可以构造双极型ESD 450以使BPU叠层420及其分别的正极接线端MPU 412a和412b可以至少部分地在降低的压力之下封装(如气密性密封)到ESD壳体或包装440中。接线端MPU导电衬底416a和416b(或至少它们各自的电极引线413a和413b)可以从ESD壳体或包装440引出，例如，这样可以减轻使用时来自外部的影响并且预防环境退化。
为了防止第一电池段的电解质(例如，参见电池段422a的电解质层410a)与另一电池段(例如，参见电池段422b的电解质层410b)结合在一起，衬垫或密封胶可以与相邻电极单元之间的电解质层层叠，以将电解质密封在它特定电池段内。衬垫或密封胶可以为任何合适的可压缩或不可压缩的固体或黏性物质、任何其他合适的物质或它们的组合，例如，这些物质可以为特定电池的相邻电极单元设置以密封其间的电解质。在一种合适的配置中，例如，如图4所示，本发明的双极型ESD可以包括衬垫或密封件460a-f，它们作为挡片被布置在每个电池段422a-e的电解质层410a-f和活性材料电极层404a-d/414a-b以及408a-d/405a-b的周围。该衬垫或密封胶可以是连续和密闭的，并且可以密封在衬垫与该电池的相邻电极单元(即与该衬垫或密封件相邻的那些或那个BPU和子接线端MPU/接线端MPU)之间的电解质。例如，该衬垫或密封胶可以在该电池的相邻电极单元之间提供适当的间距。在一些实施例中，可以提供动态柔性密封件或衬垫。在本申请中，衬垫可以在维持与邻接表面的基本密封接触的同时，机械地调整尺寸。例如，动态柔性密封件或衬垫可以配置为在一个优选的方向或更多个优选的方向上变形。动态柔性密封件或衬垫已被详细论述于West等人的美国专利申请No.12/694,638，在此通过引用并入该申请的全部内容。
在密封叠层双极型ESD 450的电池段以防止第一电池段的电解质(例如，参见电池段422a的电解质层410a)与另一电池段的电解质(例如，参见电池段422b的电解质层410b)结合在一起时，电池段会随着这些电池的充电和放电而在相邻电池(如电池422a/422b)之间产生压差。可以提供平衡阀以减小由此产生的压差。平衡阀以机械或化学的方式充当半透性膜或安全隔膜(rupture disk)，以允许气体的转移并且基本上阻止电解质的转移。ESD可以包括具有平衡阀的任意组合的BPU、子接线端MPU和接线端MPU。压力平衡阀已被详细论述于West等人的美国专利申请No.12/258,854，在此通过引用并入该申请的全部内容。
图5示出了根据本发明的一种实施例的图4所示双极型ESD的电路示意图。例如，每个相应独立电池叠层或子叠层内的电池段可以与该子叠层中别的电池串联电耦接(例如，参见图2和图3中的串联方式)。然后，这两个子叠层可以经由子接线端MPU(例如，参见图4中的子接线端MPU 401)彼此并联电耦接。这种配置可以允许，比如说，多个电池在叠层中串联和/或并联电耦接，而仅用到一对端帽(例如，参见图6-8中的端帽618和634)。与使用多个端帽并且串联和并联电耦接的ESD相比，这可以降低ESD的寄生重量。
如图5所示，这些子叠层可以经由可附着于子接线端MPU 401的一根或更多根导线并联电耦接。这些导线可以附着于子接线端MPU401衬底上的一个或更多个法兰(例如，参见图4中的法兰407和图6-9中的法兰607)。应当理解，利用导线仅为许多用于并联连接的合适方法中的一种。例如，在一些实施例中，子接线端MPU可以直接接合到导电的外部容器(例如，参见图4中的ESD包装440)而可以不需要导线。在该实施例中，例如，ESD的每个末端可以同时具有正极支柱或电极引线(例如，参见引线413a和413b)以及与导电的外部容器相接触的负极壳体(没有示出)，该负极壳体用于提供负极电连接。子叠层经由子接线端MPU 401并联电耦接的任何其他合适的方法或者这些方法的任何组合都可以使用。例如，在一些实施例中，可以使用导线和直接接合到导电的外部容器的子接线端MPU这两种方法。
图6和图7分别示出了根据本发明的一种实施例的叠层双极型ESD的透视图和局部剖面图。叠层双极型ESD 650可以包括压缩螺栓623、校直环624a和624b、机械弹簧626a和626b、叠层620(包括衬底法兰607)，以及设置于叠层620各个末端的刚性端帽634和618。校直环可以设置于叠层双极型ESD 650的任一末端。例如，校直环624a和校直环624b可以设置于ESD 650相对的两端。机械弹簧可以设置于校直环624a/624b与刚性端帽634/618之间。例如，机械弹簧626a可以设置于校直环624a与刚性端帽634之间，并且机械弹簧626b可以位于校直环624b与刚性端帽618之间。机械弹簧626a和626b可以配置为响应于ESD 650工作和循环期间所产生的力而弯曲。在一些实施例中，弹簧626a和626b的变形量可以与外加负载成正比。
刚性端帽634和618的形状可以与双极型ESD 650的电极和/或衬底(例如，参见图4中的BPU 402a-d)基本一致。例如，端帽634和618可以符合ESD 350的电极和/或衬底所具有的“平板”、“碟形”、任何其他形状，或这些形状的组合。
在一些实施例中，衬底法兰607可以设置于ESD 650的周围，并且可以从叠层620沿径向向外延伸。法兰607可以提供，如与双极型电极单元或单极型单元的电连接，该单元对应于法兰607所附着的相应不透性导电衬底(例如，参见图4中子接线端MPU 401的法兰407)。虽然图6中的法兰607的形状为“压舌板”，但是它可以为任何其他的合适形状和任何其他的合适尺寸，并且被配置为从叠层620沿径向向外延伸。例如，法兰607的剖面区实际上可以为矩形、三角形、圆形或椭圆形、六边形、或任何其他所期望的形状或这些形状的组合，并且可以被配置为与一个特定的连接器或多个连接器电耦接。
图8和图9示出了根据本发明的一种实施例的图6所示的叠层双极型ESD的分解图。如图8所示，例如，叠层620可以包括子叠层621a和621b。子叠层621a可以包括5个BPU 602a的叠层。类似地，子叠层621b可以包括5个BPU 602b的叠层。但是，应当理解，可以在子叠层621a和621b中提供任何合适数量的电池段和/或双极型单元，以符合期望的ESD 650的电压和/或电流容量。子接线端MPU 601可以设置于于子叠层621a和621b之间，从而将子叠层621a的BPU串联电连接与子叠层621b的BPU串联电连接分隔开。子接线端MPU 601可以被配置以使子叠层621a的BPU与子叠层621b的BPU并联耦接，例如，经由多个附着于各个相应衬底的法兰607(例如，参见图9中的法兰607)来实现。正如以上结合图5所述，应当理解，利用法兰(如法兰607)仅为许多用于形成ESD子叠层之间的并联连接的合适方法中的一种。
参照图9(代表图8中的区域690)，子接线端MPU 601可以具有活性材料电极层，这些电极层的极性与衬底或集电器的相反面上所提供的极性相同(即正或负)。如图9所示，例如，子接线端MPU 601可以包括设置于不透性导电衬底或集电器609的第一面上的正极活性材料电极层603。第二正极活性材料电极层可以设置于不透性导电衬底609的另一面(没有示出)上。
BPU 602a可以包括可以设置于不透性导电衬底或集电器606的第一面上的正极活性材料电极层604，以及可以设置于不透性导电衬底606的另一面上的负极活性材料电极层608(没有示出)。BPU 602b可以包括可以设置于不透性导电衬底或集电器606的第一面上的负极活性材料电极层608，以及可以设置于不透性导电衬底606的另一面上的正极活性材料电极层604(没有示出)。衬底606可以还包括从其中径向向外延伸的衬底法兰607。
通过分隔开ESD 650的子叠层，子接线端MPU 601可以实际充当特定子叠层的端帽。如图6-8所示，例如，ESD 650具有至少两个子叠层，这些子叠层并联电耦接并且排列在单个叠层620中，该叠层仅有一对端帽618和634。
继续参照图9，硬限位器662可以设置于各个相应电极单元之间(如BPU 602a、602b与子接线端MPU 601之间)。硬限位器662基本上可以环绕各个相应电池段的内容物。此外，每个硬限位器662可以具有一个支架，在其上可以安全地安置衬底(如衬底606和609)。
沿硬限位器662的外轮缘可以提供一组与压缩螺栓(例如，参见图6中的压缩螺栓623)或任何其他合适的刚性紧固件配套的螺栓孔664。例如，在装配期间，螺栓孔664可以对准整个电极单元的叠层(例如，参见BPU 402a-d、子接线端MPU 401以及接线端MPU 412a与412b)，并且可以在工作期间提供稳定性。螺栓孔664的尺寸应适合特定螺栓或任何其他合适的刚性紧固件。虽然所示的螺栓孔664为圆形，但是它们也可以为基本上矩形、三角形、椭圆形、六边形、或任何其他所要求的形状或这些形状的组合。
硬限位器662还可以包括多个衬底支架674，这些支架可以与衬底法兰607对齐。衬底支架674可以使法兰从叠层620通过硬限位器662沿径向向外延伸，以允许该法兰例如电耦接到引线。虽然所示的硬限位器662为每个具有5个衬底支架674，但是可以提供任何合适数量的支架674，并且这个数量取决于ESD所使用的特定电极单元。此外，硬限位器662可以被配置为基本上设置ESD的电极间间距。用于调整ESD的电极间间距的各种技术已被详细论述于West等人的美国专利申请No.12/694,638，在此通过引用并入该申请的全部内容。
用于形成本发明电极单元的衬底(如衬底406a-d、409、416a和416b)可以由任何具有导电性和不透性或实际不透性的合适物质形成，这些物质包括但不限于例如无孔金属箔、铝箔、不锈钢箔、含有镍和铝的覆盖材料、含有铜和铝的覆盖材料、镀镍钢、镀镍铜、镀镍铝、金、银、任何其他合适的材料，或这些材料的组合。在一些实施例中，每个衬底都由两块或更多块彼此附接的金属箔组成。例如，每个BPU的衬底可以通常为0.025毫米～5毫米厚，而每个MPU的衬底可以为0.025毫米～10毫米厚并且充当ESD的接线端或子接线端。例如，金属化泡沫可以与任何合适的衬底材料结合到平面金属膜或金属箔中，因而电池段的活性材料之间的电阻可以通过将这种导电复合材料扩充到电极各处的方式减小。
在一些实施例中，子接线端MPU 401的衬底409可以由任何具有绝缘性和不透性或基本不透性的物质形成，这些物质包括但不限于例如各种塑料、酚类物质、陶瓷、二元复合的环氧树脂预制件、玻璃陶瓷、多维机织纤维复合材料、任何其他合适的材料或这些材料的组合。
在这些衬底上所提供的用于形成本发明电极单元的正电极层(如正电极层404a-d、414a和414b)可以由任何合适的活性材料形成，这些材料包括但不限于例如氢氧化镍(Ni(OH)2)、锌(Zn)、任何其他合适的材料或这些材料的组合。对正极活性材料可以烧结和浸渍、涂水性粘合剂和压制，涂有机粘合剂和压制，或通过任何用于将正极活性材料和其他支持化学物质包含于导电基质中的其他适当技术来被包含。电极单元的正电极层可以具有粒子，包括但不限于例如金属氢化物(MH)、钯(Pd)、银(Ag)、任何其他合适的物质，或这些物质的组合，这样的物质注入它的基质中以减低膨胀程度。这可以增加循环寿命，提高复合效果，以及降低电池段内的压力。这些粒子，如MH，还可以结合活性材料浆料，如Ni(OH)2，以提高电极内部的导电性和辅助复合。
在这些衬底上所提供的用于形成本发明电极单元的负电极层(如负电极层408a-d、405a和405b)可以由任何合适的活性材料形成，这些材料包括但不限于例如MH、Cd、Mn、Ag、任何其他合适的材料，或这些材料的组合。对负极活性材料可以烧结、涂水性粘合剂和压制，涂有机粘合剂和压制，或通过任何用于将负极活性材料和其他支持化学物质包含于导电基质中的其他适当技术来被包含。负极电极这侧可以包括一些化学材料，包括但不限于例如Ni、Zn、Al、任何其他合适的材料，或这些材料的组合，这样的物质注入负极电极物质的基质中以稳定结构、减轻氧化和延长循环寿命。
各种合适的粘合剂都可以与活性材料层混合以使这些层保持在它们的衬底上，这些粘合剂包括但不限于例如有机羧甲基纤维素(CMC)粘合剂、Creyton橡胶、PTFE(聚四氟乙烯)、任何其他合适的材料，或这些材料的组合。超静(ultra-still)粘合剂，如200ppi的泡沫金属，也可以用于本发明的叠层ESD构造。
本发明的ESD中每个电解质层的隔板可以由任何合适的材料形成，该材料使它的两个相邻电极单元电隔离，同时允许离子在那些电极单元之间转移。例如，该隔板可以包含纤维素超吸收材料以增加充填，并且充当电解质池以提高循环寿命，其中隔板可以由聚合吸收性织物材料(polyabsorb diaper material)形成。因此，当ESD在充电时，隔板可以释放先前所吸收的电解质。在一些实施例中，隔板的密度和厚度可以比常规电池低，因此电极间间距(IES)可以在一开始高于正常值，然后不断降低，这样既维持ESD使用期限内的容量(或充电率)，又延长ESD的寿命。
该隔板可以为相对薄的材料，这种材料粘合于电极单元上活性材料的表面，以减少短路和提高复合效果。例如，这种隔板材料可以被喷上、涂上、压制上，或这些操作的组合。在一些实施例中，该隔板可以具有附着其上的复合剂(recombination agent)。例如，这种复合剂可以被注入隔板的结构(例如，通过利用聚乙烯醇(PVA或PVOH)进行湿法物理截留复合剂以将它黏合于隔板纤维，或将复合剂通过电沉积的方法放置在那里，可以实现这一点)，或者它可以利用气相沉积而层叠于表面上。隔板可以由任何有效支持复合的合适物质或化学制剂形成，这些物质或化学制剂包括但不限于例如Pb、Ag、任何其他合适的材料，或这些材料的组合。虽然隔板可以在电池的衬底彼此相向移动时呈现阻力，但是本发明的一些实施例可以不提供隔板，它们可以利用足够硬而不会弯曲的衬底。
本发明的ESD中每个电解质层的电解质可以由任何合适的化合物形成，该化合物可以在溶解或熔化时电离，以产生导电介质。该电解质可以是任何合适化学物质的标准电解质，这些化学物质包括但不限于例如NiMH。该电解质可以包含另外的化学材料，包括但不限于例如氢氧化锂(LiOH)、氢氧化钠(NaOH)、氢氧化钙(CaOH)、氢氧化钾(KOH)、任何其他合适的材料或者这些材料的组合。该电解质还可以包含添加剂以提高复合效果，这些添加剂包括但不限于例如Ag(OH)2。该电解质还可以包含如氢氧化铷(RbOH)，以提高低温性能。在本发明的一些实施例中，电解质可以被冻结于隔板内，然后在完全装配好ESD之后解冻。这样就允许特别粘的电解质，在衬垫对与其相邻的电极单元实际形成实质液封之前，被插入ESD的电极单元叠层。
本发明的ESD的密封件或衬垫(如衬垫460a-f)可以由任何合适的材料或材料组合形成，这些材料可以将电解质有效地密封于由衬垫和与其相邻的电极单元所规定的空间。在一些实施例中，衬垫可以由固体密封挡片、固体密封圈或能形成固体密封圈的多个圈部件制成，这些部件可以由任何合适的不导电材料组成，包括但不限于例如尼龙、聚丙烯、电池保护材料(cell gard)、橡胶、PVOH、任何其他合适的材料，或这些材料的组合。由固体密封挡片所制成的衬垫可以接触相邻电极的一部分以在其间形成密封件。
作为替代或补充，衬垫可以由任何合适的粘性材料或浆料制成，包括但不限于环氧树脂、沥青焦油(brea tar)、电解质(如KOH)防渗胶、可压缩黏合剂(例如，两部分的聚合物，如Henkel公司生产的Loctite
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牌黏合剂，这些黏合剂由例如硅、丙烯酸和/或纤维增强塑料(FRP)制成并且防电解质的渗透)、任何其他合适的材料，或这些材料的组合。由粘性材料制成的衬垫可以接触相邻电极的一部分以在其间形成密封件。在一些实施例中，衬垫可以由固体密封圈和粘性材料的组合形成，以使粘性材料可以改善固体密封圈和相邻电极单元之间的密封状况。作为替代或补充，例如，电极单元本身可以先用粘性材料处理，然后再密封固体密封圈、用另外的粘性材料处理的固体密封圈、相邻电极单元，或用另外的粘性材料处理的相邻电极单元。
而且，在一些实施例中，位于相邻电极单元之间的衬垫或密封剂可以提供一个或更多个弱点，这些弱点可以允许某类流体(即一些液体或气体)从其中逸出(例如，在该衬垫所限定的电池段内部压力的增长超过一定的阈值时)。一旦一定数量的流体逸出或内部压力降低，该弱点就会重新密封。至少部分由某类合适的粘性材料或浆料(如编织物(brai))形成的衬垫，可以被配置为或准备好允许某类流体从其中通过，并且被配置为或准备好阻止其他类流体从其中通过。这样的衬垫可以阻止任何电解质被两个电池段共享，那会导致ESD的电压和能量迅速衰落(即放电)到零。
如前所述，利用这种将密封的电池设计为叠层构造的ESD(例如，双极ESD 450)有一个优点，即可以增加ESD的放电速率。该放电速率的增加可以允许使用一些低腐蚀性电解质(例如，通过消除或降低电解质中的刺激性、增强传导性和/或起化学反应的一种或更多种成分)，而这在棱柱型或卷绕式ESD设计中不可行。叠层ESD设计所提供的这种使用低腐蚀性电解质的余地，可以容许在用衬垫形成密封件时利用一些环氧树脂(如J-B Weld环氧树脂)，而这些物质会被高腐蚀性电解质腐蚀。
本发明的ESD的硬限位器(例如，参见图9中的硬限位器662)可以由任何合适的材料形成，这些材料包括但不限于各种聚合物(如聚乙烯、聚丙烯)、陶瓷(如氧化铝、二氧化硅)、任何其他机械上耐用和/或化学上具有惰性的合适材料，或者这些材料的组合。硬限位器材料可以选择，例如，选择能经受ESD所用到的各种化学物质的材料。
本发明的机械弹簧(例如，参见图6-8中的机械弹簧626a和626b)可以为任何合适的弹簧，该弹簧可以响应于外加负载而弯曲或变形。例如，该机械弹簧可以设计为响应于特定负载或特定负载阈值而弯曲。任何合适类型的弹簧都可以使用，包括压缩弹簧(如开放式螺旋弹簧、不等节距弹簧和扭簧)、片弹簧、任何其他合适的弹簧，或这些弹簧的组合。该弹簧本身可以为任何合适的材料，包括但不限于高碳钢、合金钢、不锈钢、铜合金、任何其他合适的非柔性或柔性材料，或者这些材料的组合。
本发明的端帽(例如，参见图6-8中的端帽618和636)可以由任何导电或绝缘的合适材料或材料组合形成，这些材料包括但不限于各种金属(如钢、铝以及铜合金)、聚合物、陶瓷、任何其他导电或绝缘的合适材料，或者这些材料的组合。
本发明的ESD的壳体或包装(例如，参见图4中的包装440)可以被提供，并且可以由任何合适的绝缘材料组成，这些材料可以密封于接线端电极单元(如接线端MPU 412a和412b)，以暴露它们的导电衬底(如衬底416a和416b)或它们的关联引线(如引线413a和413b)。该包装还可以被构造为产生、支持和/或维持衬垫及其相邻电极单元之间的密封件，以隔离它们各自电池段内的电解质。该包装可以产生和/或维持这些密封件所需的支撑物，以使密封件可以在电池段的内部压力增长时阻止ESD的膨胀。该包装可以由任何合适的材料组成，这些材料包括但不限于例如尼龙、任何其他聚合物或弹性材料(包括增强复合材料、丁腈橡胶或聚砜)、热缩塑料包材料、任何刚性材料(如搪瓷钢或任何其他金属)、任何绝缘材料、任何其他合适的材料，或这些材料的组合。在一些实施例中，该包装可以通过张力夹的外骨架形成，例如，它可以在层叠的电池上维持连续的压力。在叠层和包装之间可以提供不导电的挡片，以防止ESD短路。
继续参照图4，例如，本发明的双极型ESD 450可以包括多个由接线端MPU 412a和412b构成的电池段(如电池段422a-f)，以及由一个或更多个BPU 402a-d构成的子叠层，这些子叠层之间具有子接线端MPU 401。根据本发明的一种实施例，对于衬底(如衬底406a-d、409、416a和416b)、电极层(如正电极层404a-d、414a和414b，以及负电极层408a-d、405a和405b)、电解质层(如层410a-f)以及衬垫(如衬垫460a-f)，不仅在不同电池段之间，而且在特定电池段之内，其中每一个的厚度和材料都可以彼此不同。不仅在叠层层面，还包括在单独电池层面变更几何形状和化学物质，可以产生具有不同优点和工作特性的ESD。
此外，衬底、电极层、电解质层以及衬垫的材料和几何形状可以沿叠层的高度在电池段与电池段之间变动。进一步参照图4，例如，ESD450的电解质层410a-f中的每一层所使用的电解质可以根据它各自的电池段422a-f与电池段的叠层或子叠层的中部的接近程度而有所不同。例如，参照子叠层421a，最里面的电池段422b(即这3个组件的中间电池段)可以包括由第一电解质形成的电解质层(即电解质层410b)，而最外面的电池段422a和422c(即子叠层421a中最外面的电池段)可以包括由第二电解质形成的电解质层(即分别为电解质层410a和410c)。通过在内部的子叠层中使用更高导电性的电解质，电阻可以更低，从而所产生的热量可以更少。这样，通过设计而不是外部冷却技术，提供对ESD的热控制。
作为另一个例子，ESD 450的每个电池段中的电极层所使用的活性材料也可以根据它各自的电池段422a-f与电池段叠层或子叠层中部的接近程度而有所不同。例如，参照子叠层421a，最里面的电池段422b可以包括由具有第一温度和/或速率性能的第一类型的活性材料形成的电极层(即层404a和408b)，而最外面的电池段422a和422c可以包括由具有第二温度和/或速率性能的第二类型的活性材料形成的电极层(即层414a/408a和层404b/405a)。举例来说，ESD叠层可以通过这样的方式进行热控制：例如，用吸热性更好的镍镉电极构造最里面的电池段，而用必须更冷的镍金属氢化物电极设置最外面的电池段。作为选择，ESD的化学物质或几何形状可以是不对称的，其中叠层一端的电池段可以由第一活性材料形成并且具有第一高度，而叠层另一端的电池段可以由第二活性材料形成并且具有第二高度。
而且，ESD 450的每个电池段的几何形状也可以沿电池段叠层变化。除了变更一个特定电池段内活性材料之间的距离，还可以是一些电池段422a-f具有那些段的活性材料之间的第一距离，而其他电池段具有那些段的活性材料之间的第二距离。无论如何，其中例如活性材料电极层之间具有较小距离的电池段或部分可以具有较高的功率，而其中例如活性材料电极层之间具有较大距离的电池段或部分可以具有较多用于枝晶生长的空间、较长的循环寿命和/或较多的电解质储量。活性材料电极层之间具有较大距离的这些部分可以调节ESD的充电接受能力，以确保例如活性材料电极层之间具有较小距离的部件可以先充电。
在实施例中，ESD 450的电极层(如图4中的正电极层404a-d、414a和414b，以及负电极层408a-d、405a和405b)几何形状可以沿着衬底(如衬底406a-d、409、416a和416b)的径向长度变化。至于图4，其电极层为均匀的厚度并且关于电极形状对称。在实施例中，电极层可以是不均匀的。例如，正极活性材料电极层和负极活性材料电极层厚度可以随导电衬底表面上的径向位置而变化。非均匀电极层已被详细论述于West等人的美国专利申请No.12/258,854，在此通过引用并入该申请的全部内容。
虽然以上所描述和示出的叠层ESD实施例示出了包括被密封于用于将电解质密封于其内的第一和第二电极单元中的每一个电极单元的衬垫的电池段，但是应指出的是，电池段的每个电极单元可以被密封于它自己的衬垫，那么两个相邻电极的衬垫可以相互密封以形成密封的电池段。
在一些实施例中，衬垫可以被注入模制到电极单元或另一个衬垫，以使它们可以熔合在一起以形成密封件。在一些实施例中，衬垫可以利用超声波焊接到电极单元或另一个衬垫，以使它们可以一起形成密封件。在其他实施例中，衬垫可以被热熔于电极单元或另一个衬垫，或者通过热流，用这种方式衬垫或电极单元可以被加热熔合到另一个衬垫或电极单元中。此外，在一些实施例中，替代在衬垫或电极单元表面生成槽形部分以生成密封件，或者在此之外，衬垫和/或电极单元可以穿孔或具有贯穿其中的一个或更多个部分的一个或更多个孔。作为选择，可以提供贯穿衬垫的一部分的孔、通道或穿孔，以使电极单元的一部分(如衬底)可以模制到并且贯穿该衬垫。在其他实施例中，例如，孔可以做成贯穿衬垫和电极单元两者，以使衬垫和电极单元中的每一个都可以模制到并且贯穿衬垫和电极单元中的另一个。
虽然以上所描述及示出的叠层ESD的每个实施例示出了通过将具有基本上圆形的截面的衬底层叠成圆柱形ESD来形成的ESD，但是应指出的是，众多形状中的任意形状都可以用来形成本发明的叠层ESD的衬底。例如，本发明的叠层型ESD可以通过堆叠具有截面区域为矩形、三角形、六边形或者任何其他所期望的形状或它们的组合的衬底的电极单元来形成。
应当理解，前述内容仅为本发明原理的示例，在不脱离本发明的范围和精神的情况下，本领域的技术人员可以对其进行各种修改。还应理解，各种方向性和取向性术语，如“水平”和“垂直”，“顶部”、“底部”和“侧面”，“长度”、“宽度”、“高度”和“厚度”，“里面”和“外面”，“内部”和“外部”，诸如此类，在这里仅为方便而使用，对这些词的使用没有固定或绝对的方向性或取向性限制。例如，本发明的装置以及它们的单独组件可以具有任意取向。如果重新取向，就需要在它们的描述中使用不同的方向和取向性术语，但是那不会改变它们的基本本质，而这些本质在本发明的范围和精神之内。本领域的技术人员应该知道，本发明可以用不同于所述实施例的方式实施，所述实施例是为了说明而不是为了限制而给出的。本发明仅由下述权利要求来限定。

Claims (24)

1.一种储能器件，包括：
多个电极单元的叠层，所述叠层包括：
多个双极型电极单元的第一子叠层；
多个双极型电极单元的第二子叠层，与所述第一子叠层共线；以及
单极型电极单元，位于所述第一子叠层和所述第二子叠层之间；
第一端帽，位于所述电极单元的叠层的第一末端；以及
第二端帽，位于所述电极单元的叠层的第二末端。
2.根据权利要求1所述的储能器件，其中所述单极型电极单元被配置以使所述第一子叠层与所述第二子叠层并联电耦接。
3.根据权利要求1所述的储能器件，其中所述单极型电极单元的极性与所述第一和第二端帽的极性相反。
4.根据权利要求1所述的储能器件，其中所述第一子叠层的电极单元与所述第二子叠层的电极单元具有单独的化学物质。
5.根据权利要求4所述的储能器件，其中所述第一子叠层的电极单元为锂离子，所述第二子叠层的电极单元为铅酸。
6.根据权利要求1所述的储能器件，其中所述第一子叠层的双极型电极单元串联电耦接。
7.根据权利要求1所述的储能器件，其中所述第二子叠层的双极型电极单元串联电耦接。
8.根据权利要求1所述的储能器件，其中所述第一子叠层与所述第二子叠层串联电耦接。
9.根据权利要求1所述的储能器件，其中每个双极型电极单元包括：
导电衬底；
正极活性材料电极层，在所述导电衬底的第一表面上；以及
负极活性材料电极层，在所述导电衬底的第二表面上。
10.根据权利要求1所述的储能器件，其中所述单极型电极单元包括：
不透性衬底；
第一活性材料电极层，在所述不导电衬底的第一表面上；
第二活性材料电极层，在所述不导电衬底的第二表面上，其中所述第一层与所述第二层具有相同的极性。
11.根据权利要求10所述的储能器件，其中所述不透性衬底是导电的。
12.根据权利要求10所述的储能器件，其中所述不透性衬底是不导电的。
13.根据权利要求1所述的储能器件，其中每对相邻电极单元之间设置有电解质层。
14.根据权利要求1所述的储能器件，其中所述第一和第二子叠层具有相同数量的双极型电极单元。
15.根据权利要求14所述的储能器件，其中所述单极型单元被放置于所述第一和第二子叠层之间的所述叠层内的中央。
16.根据权利要求1所述的储能器件，其中所述第一和第二子叠层不具有相同数量的双极型电极单元。
17.根据权利要求1所述的储能器件，还包括：
多个双极型电极单元的第三子叠层，其中所述第三子叠层被放置于所述第二子叠层与所述第二端帽之间；以及
第二单极型单元，位于所述第二子叠层与所述第二端帽之间，其中所述第二单极型电极单元被配置以使所述第一、第二和第三子叠层彼此并联电耦接。
18.根据权利要求1所述的储能器件，还包括：
多个电容器的第三子叠层，其中所述第三子叠层被放置于所述第二子叠层和所述第二端帽之间；以及
第二单极型单元，位于所述第二子叠层与所述第二端帽之间，其中所述第二单极型电极单元被配置以使所述第一、第二和第三子叠层彼此并联电耦接。
19.根据权利要求18所述的储能器件，其中所述电容器具有双层电极结构。
20.根据权利要求18所述的储能器件，其中所述第三子叠层的电压等于或大于所述储能器件的电压。
21.一种储能器件，包括：
沿层叠轴的多个电极单元的叠层，所述叠层包括：
单极型电极单元，具有在其相反面上的第一和第二表面；
第一双极型电极单元，沿所述层叠轴设置，与所述第一表面相对；
第二双极型电极单元，沿所述层叠轴设置，与所述第二表面相对，其中所述第一和第二双极型电极单元经由所述单极型电极单元并联电耦接。
22.根据权利要求21所述的储能器件，还包括设置于所述叠层的相对末端的单对端帽。
23.根据权利要求21所述的储能器件，其中所述单极型电极单元具有正极性或负极性。
24.根据权利要求21所述的储能器件，其中每对相邻电极单元之间设置有电解质层。
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