交替堆叠或卷绕的锂离子电池组及电容器电极的混合电池设计制造技术

电极通过将颗粒状电极材料的多孔层粘结至兼容的金属集流器的两个主要侧面中的每一个上来形成。在一个实施例中，相对电极在集流器的两侧上形成有相同的锂离子电池组阳极材料或相同的阴极材料或电容器材料。在另一个实施例中，电池组电极材料应用到集流器的一个侧面上且电容器材料应用到另一个侧面上。通常，通过将合适组的电容器层与不相等数目的阳极和阴极电池组层组合来形成电极。一对或多对相对电极被组装为在混合电化学电池中提供电池组及电容器能量和功率特性的组合。电池可以通过堆叠或卷绕具有插置的隔离物的相对电极的卷来形成。

Hybrid battery design of lithium ion battery pack and capacitor electrode with alternate stacking or winding

The electrode is formed by bonding the porous layer of the granular electrode material to each of the two main sides of the compatible metal collector. In one embodiment, the relative electrode forms the same anode material or the same cathode material or capacitor material on the two sides of the collector. In another embodiment, the battery pack electrode material is applied to one side of the collector and the capacitor material is applied to the other side. Usually, an electrode is formed by combining the capacitor layer of the appropriate group with an unequal number of anodes and cathode battery layers. One or more pairs of relative electrodes are assembled to provide a combination of the energy and power characteristics of a battery pack and a capacitor in a hybrid electrochemical cell. The battery can be formed by stacking or winding the reel of the relative electrode with the inserted isolation.

【技术实现步骤摘要】
交替堆叠或卷绕的锂离子电池组及电容器电极的混合电池设计
由集流器箔每一侧的阳极或阴极材料的多孔层形成的锂离子电池组阳极和阴极与两侧涂覆的锂离子吸附电容器电极组合使用以形成混合电化学电池。准备并布置电池组电极和电容器电极的组合，以在每个这样的单独混合电池中提供电池组和电容器特性的预定组合。在第二实施例中，在集流器箔的一侧上形成锂离子电池组负电极材料或锂离子电池组正电极材料的多孔层，并在集流器的另一侧上形成电容材料的多孔层。这种混合的两侧涂覆的电池组材料/电容器材料电极与两侧涂覆的锂离子电池组阳极或阴极或电容器电极组合使用以在新的混合锂电池中赋予电池组和电容器性能的预定组合。
技术介绍
在本说明书的这一部分中作为背景信息呈现的材料不一定是现有技术。电动汽车使用多节电池的电池组来提供电能，该电能用于提供驱动车辆的电力并为车辆上的许多装置提供电能。包含许多锂离子电化学电池的电池组是这种电源的实例。并且这种电池组用于许多非汽车应用。在一些应用中，将锂离子电池组与电容器组合可能有用。例如，这样的电容器可以在车辆的制动期间被充电，以及存储用于锂离子电池组的再充电电池中的电荷。需要一种实践来联合封装和使用用于锂离子电池组和这种电容器的电池，以实现它们相互连接和相互作用的效率。
技术实现思路
根据本专利技术的实践，锂离子电池组的阳极和阴极材料与可兼容的电容器材料不同地组合使用，以形成用于混合电化学电池的电极，以方便地提供不同的锂离子电池组性质和电容器性质的预定组合。锂电池组电极和电容器电极的这种组合可以容易地适应和布置成在混合电化学电池中产生不同的有用的能量密度(Wh/kg)和功率密度(W/kg)的组合，其更好地适应其在不同应用中的使用。在整个过程中，我们将参考用于负电极的阳极和用于正电极的阴极。通常，每个电极由合适的集流器箔形成，该集流器箔的两面涂覆有活性锂离子电池组阳极颗粒的微米级颗粒的多孔层、或阴极颗粒、或具有相似尺寸的电容器颗粒的多孔层。每个这样的两面涂覆电极的厚度通常小于一毫米。并且每个电极以其其它的两个尺寸成形，使得在形成混合电池组/电容器电化学电池的过程中，交替的带正电荷和带负电荷的电极可以与中间薄的多孔隔离物层组装。这样的混合单元可以由相似形状(通常为矩形)的交替的正电极和负电极和隔离物的叠层形成。在不同的电池单元装方法中，可以通过将类似形状(通常为长形矩形条)的交替的两侧正电极和负电极和隔离物层卷绕为滚卷的组件而形成电池。在形成的电池中，交替电极和隔离物的微孔填充有溶解在非水电解液中的一种或多种锂盐(如LiPF6)构成的锂阳离子导电电解质，其在混合电池的所需工作温度范围内起作用。作为说明性实例，合适的阳极材料是石墨颗粒；合适的阴极材料是LiNixMnyCo(1-x-y)O2(NMC)或LiFePO4(LFP)颗粒的颗粒；以及合适的电容器材料是活性炭颗粒。在电池的操作中，阳极颗粒和阴极颗粒交替地嵌入和解嵌入锂离子(Li+)，带正电荷的电容器电极颗粒交替吸附和解吸阴离子(例如PF6-)，并且带负电荷的电容器电极颗粒交替地吸附和解吸阳离子(如Li+)。通常，嵌入/解嵌入的过程发生在所选择的颗粒状电池组电极材料的整个体积中。一克电池组电极材料通常可以嵌入比吸附在类似量的电容器颗粒的表面上更大量的锂离子。但是锂离子从电池组电极颗粒的释放通常比从选定的电容器颗粒释放锂离子慢。电池组颗粒通常能够比电容器颗粒产生更大的每克的能量密度(Wh/kg)，但电容器颗粒更快地释放吸附的锂离子，并且通常能够提供比电池组颗粒更大的功率密度(W/kg)。在本专利技术的第一实施例中，四个不同的电池单元用作基本元件，以用于组合成锂离子电池组电极和电容器电极的混合电池设计。每个电池单元由两个电极形成，每个电极具有涂覆在兼容集流器箔两侧的相同颗粒状电极材料的多孔层。两个电极并排排列，面对的电极层被多孔隔离物构件隔开。并且各个单元是相似形状的或形状互补的，使得它们可以以堆叠中的预定关系组装或卷绕成卷，以形成混合锂离子电池组和电容器电化学电池。第一电池单元(单元A)由用于锂离子电池组的两侧涂覆的阴极和两侧涂覆的阳极形成。当电池放电时，阳极带负电荷、阴极带正电荷。第二电池单元(单元B)由具有插置的隔离物的两侧电容器正电极和两侧电容器负电极形成。第三电池单元(单元C)由具有插置的多孔隔离物的两侧阴极(+)和两侧电容器电极(-)形成。并且第四电池单元(单元D)由具有中间隔离物的两侧阳极电极(-)和两侧电容器电极(+)形成。为了说明的目的：石墨颗粒可以用作电池组负电极材料；NMC颗粒可用作电池组阴极材料；并且可以在每个电容器电极中使用活性炭颗粒。用这些电池单元类型中的两个或更多个的组合来组合形成混合电池设计，其至少组合一个电池组电极和一个电容器电极。例如，使用电池组阴极材料和电容器电极，将电池单元A和C(具有插置的隔离物)的组合提供锂离子电池组电池(LIB)和锂电容器电池(LIC)的组合。在其充电状态下，两个阳极电极带负电荷并且阴极电极和电容器电极带正电荷。根据各个电极材料的组成和相对量，电池单元A和C的混合组合可以提供电池组能量密度和电容器功率密度的有用组合。作为第二示例性实例，混合电化学电池中的三个电池单元A、C和C的组合使用电池组阴极材料和电容器对电极提供锂离子电池组电池与两个电池的组合。在其充电状态下，单元的整体组合为电池提供三个带正电荷的电池组阴极电极、一个带负电荷的电池组阳极和两个带负电荷的电容器电极。这种具有两个带负电荷的电容器电极的混合电池单元组合可以提供电池组能量密度和电容器功率密度的不同有用组合。在第三个说明性示例中，混合电化学电池中的四个电池单元C、D、D和B的组合提供一个阴极(+)/电容器(-)电池，两个阳极(-)/电容器(+)电池，以及在其充电状态下的电容器(+)/电容器(-)电池。而这种电池单元组合具有一个电池组阴极、两个电池组阳极、两个带负电荷的电容器电极和三个带正电荷的电容器电极，可以提供电池组能量密度和电容器功率密度的不同有用组合。上述电池单元(A)、(B)、(C)和(D)的特定组合的能量密度和功率密度将取决于所选择的特定电极材料和材料在电极中的负载。通常，两侧涂覆的电容器正电极材料和两侧涂覆的电容器负电极材料(电池单元B)的量的增加将增加混合电池的功率密度。电池单元A的量的增加将增加混合电池的能量密度。并且可以使用电池单元C和D的组合来平衡电池的能量和功率性能。电池单元的这种混合组合可以通过具有插置的隔离物的单个(通常为矩形)电池单元的堆叠或通过具有插置的隔离物的类似形状的细长电池单元的布置组件的滚动来形成。在本专利技术的第二实施例中，各个电极可以由集流器箔的一侧上的电池组电极层和集流器箔的相对面上的电容器材料层形成。因此，由混合电容器/阴极材料或混合电容器/负电极材料形成的单个电极可以与两侧阴极电极、两侧阳极电极和两侧电容器电极组合使用在混合电池形成中。通常，优选将所得到的两侧涂覆的电极材料组合成使得在电池中的成对电极组中存在不相等数量的阳极材料和阴极材料层。与常规两侧电极组合的利用两侧混合电极的混合电池可以堆叠或卷绕(或滚卷)以在混合电化学电池中形成不同的电池单元组合。这种混合组合的具体说明在本说明书中给出。这种两本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种电化学电池，其包括至少一对堆叠的或卷绕的面对、相对的电荷电极卷的组件，每个电极由在两侧上涂覆有电极材料颗粒的多孔层的两侧集流器条带组成，每层电极材料为选自由以下组成的组中的一个：(i)用于锂离子电池组的锂离子嵌入/解嵌入阳极材料，(ii)用于锂离子电池组的锂离子嵌入/解嵌入阴极材料，(iii)锂离子吸附/脱附电容器材料，每个电极的所述多孔层通过共同延伸的多孔隔离物层与电极的面对层分隔开；在每个两侧集流器条带上涂覆的所述两个多孔层选自由以下组成的组：(i)在所述集流器两侧上的锂离子电池组阳极材料层，(ii)在所述集流器两侧上的锂离子电池组阴极材料层，(iii)在所述集流器两侧上的电容器材料层，(iv)在所述集流器一个侧面上的锂离子电池组阳极材料层和在所述集流器的相对侧面上的电容器材料层，以及(v)在所述集流器一个侧面上的锂离子电池组阴极材料层和在所述集流器的相对侧面上的电容器材料层；以及所述至少一对相对的电荷电极包括至少一个电容器材料的电极涂覆层以及不相等数目的阳极材料和阴极材料的电极涂覆层，在所述至少一对相对的电极上的所述涂覆层被选择为获得所述电化学电池的能量密度(Wh/kg)和功率密度(W/kg)的预定组合。...

【技术特征摘要】
2016.07.28 US 15/2219631.一种电化学电池，其包括至少一对堆叠的或卷绕的面对、相对的电荷电极卷的组件，每个电极由在两侧上涂覆有电极材料颗粒的多孔层的两侧集流器条带组成，每层电极材料为选自由以下组成的组中的一个：(i)用于锂离子电池组的锂离子嵌入/解嵌入阳极材料，(ii)用于锂离子电池组的锂离子嵌入/解嵌入阴极材料，(iii)锂离子吸附/脱附电容器材料，每个电极的所述多孔层通过共同延伸的多孔隔离物层与电极的面对层分隔开；在每个两侧集流器条带上涂覆的所述两个多孔层选自由以下组成的组：(i)在所述集流器两侧上的锂离子电池组阳极材料层，(ii)在所述集流器两侧上的锂离子电池组阴极材料层，(iii)在所述集流器两侧上的电容器材料层，(iv)在所述集流器一个侧面上的锂离子电池组阳极材料层和在所述集流器的相对侧面上的电容器材料层，以及(v)在所述集流器一个侧面上的锂离子电池组阴极材料层和在所述集流器的相对侧面上的电容器材料层；以及所述至少一对相对的电荷电极包括至少一个电容器材料的电极涂覆层以及不相等数目的阳极材料和阴极材料的电极涂覆层，在所述至少一对相对的电极上的所述涂覆层被选择为获得所述电化学电池的能量密度(Wh/kg)和功率密度(W/kg)的预定组合。2.根据权利要求1所述的电化学电池，其中所述电化学电池包括一至四对面对、相对的电极。3.根据权利要求1所述的电化学电池，其中所述电化学电池包括至少一组第一对相对电极和第二对相对电极，所述第一对相对电极具有带有两层锂离子阳极材料的电极和带有两层锂离子阴极材料的相对电极，并且所述第二对相对电极具有带有两层锂离子阳极材料的电极和带有两层电容器材料的相对电极。4.根据权利要求1所述的电化学电池，其中所述电化学电池包括至少一组第一对相对电极以及第二对和第三对相对电极，所述第一对相对电极具有带有两层锂离子阳极材料的电极和带有两层锂离子阴极材料的相对电极，所述第二对和第三对中的每一个具有带有两层锂离子阴极材料的电极和带有两层电容器材料的相对电极。5.根据权利要求1所述的电化学电池，其包括至少一组第一对和第二对相对电极、第三对相对电极以及第四对相对电极，...

【专利技术属性】
技术研发人员：吁志强，刘海晶，刘建永，阙小超，M·W·维尔布鲁格，
申请(专利权)人：通用汽车环球科技运作有限责任公司，
类型：发明
国别省市：美国,US