电化学电池组的堆叠结构的制作方法
【技术领域】 本发明总体上涉及电池组，更确切地说，涉及用于改进电化学电池组的堆叠结构的装 置和方法。
【背景技术】 传统的电池组被制造成只有两个电极的卷绕式电池，或者具有很多平行的极板组 (plate sets)的标准方形电池。在这两种类型中，电解质可在电池内的各处共享。卷绕式 电池和方形电池结构由于它们的电通路必须跨越多个连接并且横跨相当长距离以按照串 联配置方式用逐个电池覆盖整个电路，所以存在高电阻值的问题。 近来，各种具有堆叠结构的密封电池单元的电池组已被开发成能够在外部连接器之间 提供比标准卷绕式或方形电池组更高的放电率和更高的电势，因此在某些应用中有很高的 需要。这些具有堆叠形式的密封电池单元的电池组中的某些类型已被开发为包括单极电极 单元（MPU)的独立密封对的堆叠体。这些MPU中的每一个都可以设置有被涂敷于集流器 (current collector)的第一侧上的正活性材料电极层或者负活性材料电极层（例如参见 Klein于1995年2月28日提交的第5, 393, 617号美国专利，其全部内容通过引用被包含于 此文中）。在具有正活性材料电极层的MPU(即，正极MPU)和具有负活性材料电极层（即， 负极MPU)之间可以具有电解质层用于将所述两种MPU的集流器电隔离开。这对正极和负极 MPU的集流器，与活性材料电极层以及其间的电解质一起，可以被密封成单个电池单元即电 池节（cell segment)。包括这种每个都具有正极MPU和负极MPU的电池单元的堆叠体的电 池组在此处应被称为"堆叠单极"电池组。 第一电池单元中正极MPU集流器的未涂敷电极层的那一侧可以被电耦接到第二电池 单元中负极MPU集流器的未涂敷电极层的那一侧，使得第一和第二电池单元为堆叠形式。 堆叠形式的电池节的串联构造可以使集流器之间的电势不同。然而，如果特定电池单元的 集流器相互接触，或者如果特定电池单元中的两个MPU的共用电解质与堆叠体中的任何其 它MPU共享，那么电池组的电压和能量会迅速衰退（即放电）至零。因此，要求堆叠单极电 池组将其电池单元中的每一个电池单元的电解质与其它电池单元的电解质相互独立地密 封起来。因此，能够提供相邻的电池单元之间的电解质密封性得到了改善的堆叠单极电池 组是有益的。 这些具有堆叠形式的密封电池单元的电池组的其它类型已被开发为通常包括一系 列的堆叠双极电极单元（BPU)。这些BPU中的每一个可以具备涂敷于集流器的相反两侧 上的正活性材料电极层和负活性材料电极层（例如见2004年8月19日公开的申请人为 Fukuzawa等的第2004/0161667 A1号美国专利公开，其全部内容通过引用被包含于此文 中）。任意两个BPU可以以一个顶着另一个的方式被堆叠起来，其中，在BPU中一个的正活 性材料电极层与BPU中另一个的负活性材料电极层之间配置电解质层，用于将这两个BPU 的集流器电隔离。任意两个相邻BPU的集流器、与活性材料电极层以及其间的电解质一起， 也可以是密封的单个电池单元或电池节。包含每个都具有第一 BPU的一部分和第二BPU的 一部分的这类电池单元的堆叠体的电池组在此处应被称为"堆叠双极"电池组。
[0007] 例如，第一 BPU的正极侧和第二BPU的负极侧可以组成第一电池单元，而第二BPU 的正极侧也可以同样地与第三BPU的负极侧或负极MPU的负极侧组成第二电池单元。因此， 单个BPU可以被包括在堆叠双极电池组的两个不同的电池单元中。堆叠形式的这些电池单 元的串联构造可以使集流器之间的电势不同。然而，如果特定电池单元的集流器相互接触， 或者如果第一电池单元中的两个BPU的共用电解质与堆叠体中的任何其它电池单元共享， 那么电池组的电压和能量会迅速衰退（即放电）至零。因此，要求堆叠双极电池将其电池 单元中的每一个电池单元的电解质与其它电池单元的电解质相互独立地密封起来。因此， 能够提供相邻的电池单元之间的电解质密封性得到了改善的堆叠双极电池组是有益的。
【发明内容】
因此，本发明的一个目标是提供一种相邻的电池单元之间的电解质密封性得到了改善 的堆叠电池。
[0009] 本发明的一个实施方式提供一种电池组，其包括在堆叠方向上的多个电极单元的 堆叠体。所述堆叠体包括第一电极单元、在堆叠方向上堆叠于第一电极单元顶部的第二电 极单元，以及配置于第一电极单元和第二电极单元之间的第一电解质层。所述电池组还包 括具有内表面和外表面的第一垫片，其中第一垫片位于第一电解质层周围，第一电解质层 被第一垫片的内表面和第一以及第二电极单元所密封，并且至少第一电极单元的第一部分 沿着第一垫片的外表面的一部分延伸。
[0010] 本发明的另一个实施方式提供一种电池组，其包括在堆叠方向上的多个电极单元 的堆叠体。所述堆叠体包括第一电极单元、在堆叠方向上堆叠于第一电极单元顶部的第二 电极单元，以及配置在第一电极单元和第二电极单元之间的第一电解质层。第一电极单元 包括第一电极衬底，和第一电极衬底的第一侧上的第一活性层。第一活性层至少包括第一 侧的第一部分上的第一活性部分和第一侧的第二部分上的第二活性部分，其中第一活性层 的第一活性部分延伸至第一电极衬底的第一侧上方的第一高度，第一活性层的第二活性部 分延伸至第一电极衬底的第一侧上方的第二高度，并且第一高度不同于第二高度。
[0011] 本发明的另一个实施方式提供一种电池组，其包括在堆叠方向上的多个电极单元 的堆叠体。所述堆叠体包括第一电极单元、在堆叠方向上堆叠于第一电极单元顶部的第二 电极单元、配置于第一电极单元和第二电极单元之间的第一电解质层、在堆叠方向上堆叠 于第二电极单元顶部的第三电极单元，以及配置于第二电极单元和第三电极单元之间的第 二电解质层。第一电极单元在堆叠方向上与第二电极单元分开第一距离，第二电极单元在 堆叠方向上与第三电极单元分开第二距离，并且第一距离不同于第二距离。 本发明的另一个实施方式提供一种电池组，其包括在堆叠方向上的多个电极单元的堆 叠体。所述堆叠体包括第一电极单元、在堆叠方向上堆叠于第一电极单元顶部的第二电极 单元，以及配置在第一电极单元和第二电极单元之间的第一电解质层。所述电池组还包括 位于第一电解质层周围的第一垫片。第一电解质层被第一垫片和第一以及第二电极单元所 密封。第一垫片包括第一垫片构件和第二垫片构件，并且第二垫片构件是可压缩的。 本发明的另一个实施方式提供一种电池组，其包括在堆叠方向上的多个电极单元的堆 叠体。所述堆叠体包括第一电极单元、在堆叠方向上堆叠于第一电极单元顶部的第二电极 单元，以及配置在第一电极单元和第二电极单元之间的第一电解质层。所述电池组还包括 位于第一电极单元周围的第一垫片和位于第二电极单元周围的第二垫片。第一垫片部分在 电解质层周围联结到第二垫片部分，并且第一电解质层被第一垫片、第二垫片、第一电极单 元、和第二电极单元所密封。 本发明的另一个实施方式提供一种电池组，其包括在堆叠方向上的多个电极单元的堆 叠体。所述堆叠体包括第一电极单元、在堆叠方向上堆叠于第一电极单元顶部的第二电极 单元，以及配置在第一电极单元和第二电极单元之间的第一电解质层。所述电池组还包括 位于第一电解质层周围的第一垫片。第一垫片通过热熔合和超声焊接中的至少一种与第一 电极单元相结合。 本发明的另一个实施方式提供一种电池组，其包括在堆叠方向上的多个电极单元的堆 叠体。所述堆叠体包括第一电极单元、在堆叠方向上堆叠于第一电极单元顶部的第二电极 单元，以及配置在第一电极单元和第二电极单元之间的第一电解质层。所述电池组还包括 位于第一电解质层放置的第一垫片。第一电解质层被第一垫片和第一以及第二电极单元所 密封。第一电极单元为单极电极单元，第二电极单元为单极电极单元。 【附图说明】 本发明的上述及其它优点通过下列结合附图的详细描述会更显而易见，在附图中相同 的附图标记指的是相同部分，其中： 图1为截面示意图，表示了本发明所述的双极电极单元（BPU)的基本结构； 图2为截面示意图，表示了本发明所述的图1中BPU的堆叠体的基本结构； 图3为截面示意图，表示了实现本发明所述的图2中的BPU堆叠体的堆叠双极电池组 的基本结构； 图3A为电路不意图，表不了图3的双极电池组的基本构成； 图4为图3的双极电池组的俯视示意图，是沿图3的IV-IV线截取的； 图4A为图3和4的双极电池组的俯视示意图，是沿图3的IVA-IVA线截取的； 图4B为图3到4A的双极电池组的截面示意图，是沿图4A的IVB-IVB线截取的； 图5为横截面细节示意图，表示了图3到4B的双极电池组的特定部分； 图5A为图3到5的双极电池组的仰视示意图，是沿图5的VA-VA线截取的； 图5B为图3到5A的双极电池组的俯视示意图，是沿图5的VB-VB线截取的； 图5C为图3到5B的双极电池组的俯视示意图，是沿图5的VC-VC线截取的； 图6为横截面细节示意图，表示了图3到5C的双极电池组的特定部分； 图7为图3到6的双极电池组的俯视示意图，是沿图6的VII-VII线截取的； 图8为图3到7的双极电池组的俯视示意图，是沿图6的VIII-VIII线截取的； 图9为图3到8的双极电池组的俯视示意图，是沿图6的IX-IX线截取的； 图10为截面示意图，表示了用于形成本发明实施方式的堆叠双极电池组的方法的第 一阶段中的某些要素； 图11为图10的电池组的俯视示意图，是沿图10的XI-XI线截取的； 图12为截面示意图，表示了用于形成本发明实施方式的图10和11的堆叠双极电池组 的方法的第二阶段中的某些要素； 图13为图10到12的电池组的俯视示意图，是沿图12的XIII-XIII线截取的； 图14为截面示意图，表示了用于形成本发明实施方式的图10到13的堆叠双极电池组 的方法的第三阶段中的某些要素； 图15为图10到14的电池组的俯视示意图，是沿图14的XV-XV线截取的； 图16为截面示意图，表示了用于形成本发明实施方式的图10到15的堆叠双极电池组 的方法的第四阶段中的某些要素； 图17为图10到16的电池组的俯视示意图，是沿图16的XVII-XVII线截取的； 图18为截面示意图，表示了用于形成本发明实施方式的图10到17的堆叠双极电池组 的方法的第五阶段中的某些要素； 图19为截面示意图，表示了用于形成本发明实施方式的图10到18的堆叠双极电池组 的方法的第六阶段中的某些要素； 图20为图10到19的电池的俯视示意图，是沿图19的XX-XX线截取的； 图21为截面示意图，与图19类似，表示了用于形成本发明的替代实施方式的堆叠双极 电池组的方法的第六阶段中的某些要素； 图22为图21的电池的俯视示意图，是沿图21的XXII-XXII线截取的； 图23为截面示意图，与图14类似，表示了用于形成本发明的另一个替代实施方式的堆 叠双极电池中的方法的第三阶段中的某些要素； 图24为截面示意图，与图16类似，表示了用于形成本发明的另一个替代实施方式的图 23的堆叠双极电池组的方法的第四阶段中的某些要素； 图25为截面示意图，与图19类似，表示了用于形成本发明的另一个替代实施方式的图 23和24的堆叠双极电池组的方法的第六阶段中的某些要素； 图26为截面示意图，与图16和24类似，表示了用于形成本发明的又一个替代实施方 式的图16和24的堆叠双极电池组的方法的第四阶段中的某些要素； 图27为截面示意图，与图19和25类似，表示了用于形成本发明的又一个替代实施方 式的图26的堆叠双极电池组的方法的第六阶段中的某些要素； 图28为截面示意图，与图16、24和26类似，表示了用于形成本发明的再一个替代实施 方式的堆叠双极电池组的方法的第四阶段中的某些要素； 图29为俯视示意图，表示了本发明的替代实施方式的堆叠双极电池组； 图30为图29的双极电池的截面示意图，是沿图29的XXX-XXX线截取的； 图31为俯视示意图，表示了本发明的另一个替代实施方式的堆叠双极电池组； 图32为图31的双极电池组的截面示意图，是沿图31的XXXII-XXXII线截取的； 图33为截面示意图，表示了本发明所述的堆叠单极电池组的基本结构； 图34A为示意图，表示了本发明实施方式的由单个化学电池单元链接而成的基本结 构；以及 图34B为示意图，表示了本发明另一个实施方式的由单个化学电池单元链接而成的基 本结构； 【具体实施方式】 本发明提供了相邻的电池单元之间的电解质密封性得到了改善的堆叠电池的装置和 方法，并且在下文中结合图1到34B进行说明。 图1表示了根据本发明一个实施方式所述的示意性的双极单元或BPU 2。BPU 2可以 包括：正活性材料电极层4,其可以设置于防渗导电衬底或集流器6的第一侧上；以及负活 性材料电极层8,其可以配置于防渗导电衬底6的另一侧上。 如图2所示，例如，可以将多个BPU 2大致垂直地堆叠成具有电解质层10的堆叠体20， 其中电解质层10可以设置在两个相邻的BPU 2之间，使得一个BPU 2的正电极层4可通过 电解质层10与相邻的BPU 2的负电极层对置。每个电解质层10可以包括可以保持电解质 11的隔离件9 (例如参见图6)。隔离件9可以将正电极层4和与其相邻的负电极层8电隔 离开，而允许电极单元之间的离子传输，如下文所详述。 接下来例如参考图2中BPU 2的堆叠状态，在此处，应将在第一 BPU 2的正电极层4和 衬底6、与第一 BPU 2相邻的第二BPU 2的负电极层8和衬底6,以及位于第一 BPU 2和第 二BPU 2之间的电解质层10中所包含的部件称为单个"电