带有晶片集电器的可充电电池及其装配方法
【专利说明】 带有晶片集电器的可充电电池及其装配方法[0001 ] 优先权声明
[0002]本专利申请要求下述申请的优先权:Mui等人的美国临时专利申请，申请号为61/826 ,831，发明名称为 “RECHARGEABLE BATTERY WITH WAFER CURRENT COLLECTOR ANDASSEMBLY METHOD”，提交于2013年5月23日(代理人案号3601.003PRV)，上述在先申请在此通过引用全部纳入本文。
【背景技术】
[0003]由GastonPlants于1859年发明的铅酸电池可被认为是最古老类型的可充电电池。尽管与其他化学电池相比能量密度较低，常规的铅酸电池结构简单且较为经济。这类常规的铅酸电池被用于汽车、牵引车和固定设施，其用途包括内燃机的点火或起动；照明；机动轮椅、高尔夫车或叉车；以及其它的场合例如与电网连接的电能储存装置。
[0004]铅酸电池通常包括铅合金集电器、正极和负极活性材料、电解质、隔件和机械支撑件套管。正极活性材料通常包含高表面积的二氧化铅，而负极活性材料通常包含海绵铅。电解质通常是硫酸。在常用的铅酸电池中，铅合金被用于集电器，原因在于其铅酸化学相容特性。
[0005]铅酸电池的广泛应用至少部分归因于其在结构以及相关信号调节或充电电路这两方面的简易性。铅酸电池的主要优点是成本低。铅金属相对来说比较丰富，并且H2SO4这种酸是广泛生产的散装化学品。此外，常规铅酸电池的生产工艺也相对简单。就基于常规铅酸电池的能量储存的成本结构来说，其总的成本大约为$150/kWh，这与其他能量储存技术相比是非常有吸引力的。
[0006]挺述
[0007]尽管有许多合适的性能，铅酸电池也具有一些缺点，包括低能量密度和低循环寿命，尤其是在高放电电流的场合。尽管常规铅酸电池的低能量密度可以归因于铅集电器和活性材料的高密度，快速放电速率时的低循环寿命是与活性材料的性能有关。从材料的角度来看，常规铅酸电池的集电器是用铅做的，其较为笨重并且无助于电池的能量存储容量。从电池的装配角度来看，常规铅酸电包含并联配置电性耦合的单极板组件的单元。在这个配置中，额外的电性连接和转换系统被用来调节电池的操作以提供较高的电压，如此就会进一步影响铅酸电池的整体能量密度。这种并联连接的方式通常导致高电流、低电压的电池，这就会迫使采用重型导体以尽量降低内部电阻，因为欧姆损失的程度与电流的平方成比例。
[0008]电池可包括正极板、负极板和电解质。为了构造铅酸电池的电极，可以将PbO2和Pb基活性材料粘贴并固化到铅栅集电器以形成正极板和负极板。正-负电极可以和H2SO4电解质形成电池电压为大约2.1V的电化学电池。为了组装成电池组，可将电池进行电性配置成为并联结构、串联结构或并联和串联的混合结构。还可采用添加剂以及隔件和壳体用作机械支撑件。
[0009]采用较轻的材料取代当前常规的铅酸电池的集电器可以显著提高能量密度。通常地，集电器被设计为提供较低的电阻，以及抵抗或耐受H2SO4腐蚀。这样的集电器通常显示为对Pb和PbO2活性材料具有较好的粘合性，并且具有铅酸电池电化学上的兼容性。这样的集电器还体现为具有良好的热传导性能以及较低的泄漏电流，从而被用于现有铅酸电池的制作和回收设施，并且容易获取同时成本较低。
[0010]双极板结构可用来进一步简化铅酸电池的电配置。在过去的二十年，双极电池一直是研发的热点领域。双极电池技术的主要优点是高能量密度和高功率。这些至少可以部分地通过简化的配置来获得，简化的配置能够缩短电流路径从而免除不必要的材料/质料并且降低阻抗。双极电池可以包括双极板或集电器以及活性材料。术语双极一般是指双极板的一个表面被正极活性材料涂覆，而相对的另一表面被负极活性材料涂覆的一种配置。
[0011]与单极配置相比，双极电池不需要将电池单元绑在一起的外部连接。例如，在双极配置中的每个双极板都可以通过电解质进行隔离，但是由于双板本身每个侧面带有不同极性的活性材料，电流直接通过双板从一个表面流到另一表面。这样的电流就能够通过电解质流到下一个双片。这被称作串联连接，并且与许多并联连接相比，所呈现的通路电阻要低很多。与并联连接的单极配置相比，较低通路电阻意味着可以从电池中获得更多的电流而没有效率损失。
[0012]本文所述实施例通过利用作为集电器的硅晶片以及活性材料来处理铅酸电池的能量密度问题。这种活性材料至少在制备的时候可以是粘状的。本文描述了双极铅酸电池板的基板材料和装配工艺的创新。硅晶片材料可以用作集电器，因为这样的材料成本低、薄、轻，可以掺杂以实现较低的电阻(例如通过晶片提供传导)，并且这样的晶片材料能够不易遭受H2SO4腐蚀，包括与半导体、太阳能和印刷电路板行业许多工艺的兼容性能。
[0013]在硅晶片表面能够形成欧姆接触层，随后为活性材料沉积粘合层。在集电器基板的各个侧面均可沉积一种模式以提高板的机械稳定性，就像在包含双极板的实施例中那样。在一种实施例中，PbO2-和Pb-基活性材料能够被粘合和固化在正极和负极的支撑件结构(例如栅格或隆起)的上面，集电器可以夹在这样的正极和负极栅格之间。双极板组件可以通过将活性材料熔化于集电器晶片基板而形成。所述活性材料可以直接粘合、固化和形成在模式化的集电器上。双极板然后可以由电解质、隔件、套件和充电或保护电路的集成而构建成电池。
【附图说明】
[0014]在附图中，其不一定是按比例绘制，相同的标号可以用来在不同图例中标示相同的组件。带有不同后缀字母的相同标号可以用来标示相同组件的不同实例。一般来说附图是通过举例而非限制性的方式描述本文所述的各种实施方式。
[0015]图1A和IB—般性描述了一种实施例的剖面图，包括单极电池板和相应的单极电池构造。
[0016]图2A和2B—般性显示了一种实施例的剖面图，包括双极电池板和相应的双极电池构造。
[0017]图3A—般性描述了双极板的实施例，其可以包括硅晶片集电器和机械支撑栅格。
[0018]图3B—般性描述了双极板的实施例，其可以包括硅晶片集电器和焊料凸点矩阵。
[0019]图4一般性描述了硅晶片上镍硅化物(NiSi)的电子扫描显微图片(SEM)的说明性实施例，比如能够用于集电器的场合。
[0020]图5A—般性描述了包括20μπι厚的铅层的集电器的显微图片的说明性实施例。
[0021]图5Β—般性描述了类似于图5Α的说明性实施例，但是以更高放大程度，显示出在铅层和NiSi表面之间的良好粘合。
[0022]图6—般性描述了一种技术，例如一种方法，其可以包括根据实施例制备带有硅晶片集电器的双极电池板。
[0023]图7—般性描述了一种技术，例如一种方法，其可以包括根据实施例制备带有硅晶片集电器的双极电池板。
[0024]详细说明
[0025]图1A和IB—般性描述了实施例100的剖面图，包括图1A中的单极电池板120Α以及图1B中的相应的单极板电池构造。在一种单极配置中，集电器一般包括单极的(例如正或负)活性材料用于集电器的(例如相对的)两侧，比如包括使用粘状形式的活性材料。例如，在图1A中，导电硅晶片104可以为电池板120Α集合提供基板，例如提供集电器。所述导电硅晶片104可包括欧姆接触层106Α，例如金属硅化物，以增加活性材料112Α和导电硅晶片之间的传导性。这样的硅化物可包括诸如镍、钴、钛、钽、钨、钼或其组合的金属种类。在一个实施例中，也可包括粘合层108Α，用以例如促进粘合或者提供与电解质区域116Α中的电解质的匹配性。还可采用其他的配置，例如包括多个膜层以提供一个或多个欧姆接触层106Α或粘合层108Α。
[0026]所述活性材料112Α能够以粘状形式提供，例如在制备过程中被固化。为了提高活性材料在制造过程中或之后的粘合和均匀性，可包括机械支撑件110Α。这种机械支撑