双极电池总成的制作方法
【专利说明】双极电池总成
[0001]本申请要求于2011年10月24日提交的，美国临时申请号61/550，657的权益，其内容通过引用合并至本文中以用于所有目的。
技术领域
[0002]本发明总体上涉及一种双极电池总成、制备该总成的方法以及使用该总成的方法。
【背景技术】
[0003]双极性电池是本领域已知的，参见发明人Tatematsu的美国专利US2009/0042099，其通过弓I用整体合并入本文。双极性电池优于其他电池设计，例如可扩展性、相对较高的能量密度、高功率密度和设计的灵活性。双极性电池包括多个双极板和两个单极端板。双极板包括双面薄片形式的衬底，其在一面上具有阴极材料，通常被称为正极活性物质(PAM)，而在相对的面上为阳极材料，通常被称为负极活性物质(NAM)。在衬底和阳极材料或阴极材料之间可设置有一导电片。双极板设置成堆叠，使得一个极板的阳极材料朝向下一个极板的阴极材料。在大多数总成中，相邻的极板之间设有一电池分隔器，其允许电解质从阴极材料流至阳极材料。电解质设置在极板之间的空间，其为允许电子和离子在阳极和阴极材料之间流动的材料。带有分隔器的双极板的相邻表面与设置在极板之间的电解质形成一电化学电池，其中电子和离子在阳极材料和阴极材料之间交换。该电池的结构被布置成使得由双极板所形成的每个单元是密封的，以防止电解质流出所述单元。在许多设计中，这是通过延伸衬底超出在所有面上阴极材料和阳极材料沉积的部分来实现的。用于密封每个电化学电池单元的结构，与极板的在其衬底上不具有阳极或阴极材料的部分接触。此外，电池分隔器可延伸超出衬底的设置有阴极材料和阳极材料的部分，以帮助密封电池单元。每个单元都有一个连接该单元的电流导体，以从该单元传输电子至一个或多个端子，电子从该端子传输至负载，该负载为本质上以电的形式利用该电子的另一系统。在一些实施例中，电池单元中的电流导体是导电薄片，其与附加的电流导体相接触，该附加的电流导体将电子传输至电池的端子上。在堆叠的每一端部为一单极板，所述单极板的一个面上设置有阳极材料或阴极材料。选择单极板表面的材料，使其与堆叠端部的双极板的相对表面形成电池单元。特别地，如果面向单极板的双极板的表面上具有阴极材料，则单极板的表面具有阳极材料，反之亦然。在常规设计中，电池极板的堆叠设置在一外壳中，该外壳围绕极板的堆叠密封，并具有一个或多个位于电池外的正极端子和负极端子对，每一对连接至电流导体，该电流导体进一步连接至一个或多个如本文描述的电池单元。
[0004]尽管双极电池总成具有优点，但双极电池总成的缺陷阻碍了其商业化。双极电池在操作期间，由于阳极和阴极材料的膨胀和收缩产生显著的内压，在电化过程期间发生气体析出和产生热。因为双极电池可扩展，电池单元中可能产生更高的压力。另外，析出的热量会加剧所产生的压力，并可能导致失控的反应，其会产生损坏电池结构的材料的热量水平和导致电池失效。压力会引起围绕电化学电池单元的密封破裂并导致电池单元和电池失效。由ShafferII等人共同拥有的标题为双极电池总成的美国专利申请US2010/0183920，其全文通过引用并入本文，其通过改进的边缘密封总成和双极板设计，公开了这些问题的解决方案。
[0005]在双极电池可商业化，以及该技术的所有潜力得以实现之前，仍有问题需要解决。特别是，需要这样的双极型电池设计，其以改进的方式处理在操作中产生的热量和压力。当前的和未来的电池用户通常仅有有限的可用于电池的封装空间，而可适配于可用封装空间的电池是需要的。大多数使用电池的系统还需要较轻重量的电池，而展现为更轻重量的双极电池是所期望的。需要减少部件和减小复杂性的双极电池设计，比如用于电池单元和隔离的外壳的密封的特殊部件。需要用于电池总成的更简单的、使用已知制造技术的以及能实现上述目标的方法。需要尺寸定制为适合用户需要的电池。
【发明内容】
[0006]本发明满足上述的一个或多个需求，并为一制品，包括:a) —个或多个电池极板堆叠，所述电池极板堆叠包括一个或多个双极板，其包括衬底，所述衬底在其一个表面上具有一阳极而在其相反的表面上具有一阴极，所述电池极板堆叠还包括在一个表面上沉积有阴极的单极板和在一个表面上沉积有阳极的单极板，其中极板设置为，使极板的沉积有阴极的表面，面向另一极板的沉积有阳极的表面，以及所述单极板位于每一电池极板堆叠的两端；b)位于每一极板之间的分隔器和液体电解质；其进一步包括以下特征中的一个或多个:l)c) 一个或多个电池极板堆叠，所述电池极板堆叠具有多个通道，所述通道横切地穿过极板的沉积有阴极和/或阳极的部分；以及d) i) 一个或多个围绕所述通道周缘的密封，其防止液体电解质漏入至所述通道中，以及位于所述通道的一个或多个中的支柱，其每一端部具有一覆叠部分，该覆叠部分覆盖通道和单极板外部的密封表面，该覆叠部分与用于横切通道的孔相邻，该覆叠部分还施加压力至单极板的密封表面上，其中该压力足以抵抗在电化学电池单元的装配和操作期间由所述电池极板堆叠所产生的压力，或ii)位于一个或多个通道中的支柱，其每一端部具有覆盖通道和单极板外部的密封表面的部分，所述部分与用于横切通道的孔相邻，以及施加压力至单极板的密封表面上，其中该压力足以抵抗在电化学电池单元的装配和操作期间由所述电池极板堆叠所产生的压力，其中该支柱由任何能够耐受曝露于电解质的材料制造，以及其中该支柱防止电解质进入至通道中；2)c)包括热塑性聚合物的薄膜，其设置为围绕极板堆叠边缘的整个周缘，以形成围绕极板边缘的周缘的密封，该密封防止电解质流至极板堆叠外；3)分隔器为多个薄片的形式，该薄片使一框架粘附至其周缘，其中该框架适配为与电池极板的衬底的周缘相邻；以及4)c) 一集成的通道，其与排气孔连通，该排气孔与电化学电池单元连通。在一些实施例中，该薄膜通过围绕极板边缘热熔接一片热塑性物质来制成，优选地通过振动或热熔接。在一些实施例中，该薄膜通过围绕极板模制而成，优选地通过注塑成型来制成。
[0007]在一些实施例中，本发明为一制品，包括:a) —个或多个电池极板堆叠，其包括一个或多个双极板，该双极板包括衬底，所述衬底为薄片的形式，其一个表面上具有一阳极而在其相反的表面上具有一阴极，所述电池极板还包括在一个表面上沉积有阴极的单极板和在一个表面上沉积有阳极的单极板，其中该双极板设置为，使其沉积有阴极的表面，面向另一极板的沉积有阳极的表面，如此其沉积有阳极的表面，面向另一极板的沉积有阴极的表面，以及所述单极板位于每一电池极板堆叠的两端山)位于每一极板之间的可选的分隔器，其对一液体电解质具有浸透性，其能够穿过该分隔器传送离子以及防止阳极和阴极之间的电气短路；c)该一个或多个电池极板堆叠具有多个通道，所述通道横切地穿过极板的沉积有阴极和/或阳极的部分；d)i) —个或多个围绕所述通道周缘的密封，其防止液体漏入至所述通道中，以及位于所述通道的一个或多个中的支柱，其每一端部具有一覆叠部分，该覆叠部分覆盖通道和单极板外部的密封表面，该覆叠部分与单极板中的用于横切通道的孔相邻，该覆叠部分还施加压力至单极板的密封表面上，其中该压力足以抵抗在电池单元的装配和操作期间由所述电池极板堆叠所产生的压力，或ii)位于所述通道的一个或多个中的支柱，其每一端部具有一覆叠部分，该覆叠部分覆盖通道和单极板外部的密封表面，该覆叠部分与单极板中的用于横切通道的孔相邻，该覆叠部分还施加压力至单极板的密封表面上，其中该压力足以抵抗在电池单元的装配和操作期间由所述电池极板堆叠所产生的压力，其中该支柱由任何能够耐受曝露于电解质的材料制造，以及其中该支柱防止电解质进入至通道中；e)液体电解质，其设置在每一对电池极板之间；以及，其中极板边缘被密封，以防止电解质流至极板堆叠外。该制品可进一步包括一个或多个围绕横切通道周缘的密封，以及该密封包括设置在该通道内表面的薄膜。该密封可由位于极板中的沿着横切通道的孔之间的轴衬形成。该制品可优选地包括围绕横切通道周缘的密封，以及该支柱包括任何材料，其具有足够的结构完整性以将覆叠部分就地固定，从而施加压力至单极板的密封表面。该密封面为极板的一部分，其与支柱的覆叠部分接触。根据本发明的一个方面，该双极板包括聚合物衬底，其具有多个穿过衬底的开口，每一开口与衬底的两面连通，其中开口中的一个或多个填充有导电材料，其与衬底的两面均有接触。
[0008]根据本发明的另一方面，包括一制品，其包括:a) —个或多个电池极板堆叠，其包括一个或多个双极板，该双极板包括衬底，所述衬底为薄片的形式，其一个表面上具有一阳极而在其相反的表面上具有一阴极，所述电池极板还包括在一个表面上沉积有阴极的单极板和在一个表面上沉积有阳极的单极板，其中该双极板设置为，使其沉积有阴极的表面，面向另一极板的沉积有阳极的表面，如此其沉积有阳极的表面，面向另一极板的沉积有阴极的表面，以及所述单极板位于每一电池极板堆叠的两端；b)位于每一极板之间的一分隔器，其对一液体电解质具有浸透性，其能够穿过该分隔器传送离子以及防止阳极和阴极之间的电气短路；c)包括热塑性聚合物的薄膜，其设置为围绕极板堆叠边缘的整个周缘，以形成围绕极板边缘的周缘的密封，该密封防止电解质流至极板堆叠外；和d)液体电解质，其设置在每一对电池极板之间。在一个优选的实施例中，该薄膜熔融接合至所有极板的边缘，以形成围绕该极板周缘的密封。根据本发明的另一方面，该薄膜的前缘和后缘彼此熔融接合，其中该薄膜形成围绕该一个或多个极板堆叠的周缘的密封，如此电解质不从堆叠内部流至该薄膜外部。在另一实施例中，该薄膜通过围绕极板模制而成，优选地通过注塑成型来制成。
[0009]在一些实施例中，本发明为一制品，其包括:薄片形式的分隔器，其周缘粘附至一框架，其中该框架适配为与电池极板的衬底薄片的周缘相邻。在一些实施例中，本发明为一制品，包括:a) —个或多个电池极板堆叠，其包括一个或多个双极板，该双极板包括衬底，所述衬底为薄片的形式，其一个表面上具有一阳极而在其相反的表面上具有一阴极，所述电池极板还包括在一个表面上沉积有阴极的单极板和在一个表面上沉积有阳极的单极板，其中该双极板设置为，使其沉积有阴极的表面，面向另一极板的沉积有阳极的表面，以及所述单极板位于每一电池极板堆叠的两端jPb)薄片形式的一个或多个分隔器，其周缘粘附至一框架，其中该框架适配为与电池极板的衬底薄片的周缘相邻。根据本发明的制品可进一步包括一个或多个阀门，比如一止回阀，其适配为，当密封的双极板堆叠中的压力达到一压力水平时，释放该压力，该压力水平接近但低于该制品可能出现损坏时的压力。
[0010]根据本发明的制品用作电池，其用于电的存储以及产生用于在多种环境下使用的电。根据本发明的制品设计为处理在工作期间产生的压力和热量，而不会使该制品的外表面出现不适当的损坏，并因此液体电解质包含在该制品中。根据本发明的制品可使用传统的材料和工艺来组装。根据本发明的制品能够在不需要复杂的密封结构下，获得上述优点。根据本发明的制品可适配不同形状的空间，以适应用户的封装空间。根据本发明的制品的设计，允许放大或缩小尺寸，以向用户传递各种需要的能量。根据本发明的制品的组装，比在该领域已知的制品的组装的效率更高。根据本发明的总成在其结构的端板上能承受高至1psi的压力，优选地为高至50psi的压力，以及最优选地高至10psi的压力，而不损坏该端板。
【附图说明】
[0011]图1所示为根据本发明的一总成的侧视图；
[0012]图2所示为根据本发明的一总成的侧视图，其中该总成在一横切通道中的螺钉上方设有一端板；
[0013]图3所示为根据本发明的一总成的侧视图，其中围绕双极板的堆叠设置有一薄膜；
[0014]图4所示为根据本发明的总成，其具有集合管和止回阀；
[0015]图5所示为根据本发明的分隔器板；
[0016]图6所示为根据本发明的总成的另一实施例，其中支柱为注塑成型至横切通道中；
[0017]图7和图8所示为电池极板堆叠和分隔器板；
[0018]图9所示为根据本发明的总成的另一实施例；
[0019]图10示出图9的总成的剖面图，其沿平面A-A穿过一对横切通道；
[0020]图11示出堆