【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本公开总体上涉及用于能量储存装置的方法和结构，涉及采用此类结构的能量储存装置并且涉及用于产生此类结构和能量装置的方法。
技术介绍
1、摇椅或插入式二次电池是如锂、钠、钾、钙或镁离子等载体离子通过如固体或液体电解质等电解质在正极与负极之间移动的一种能量储存装置。二次电池可以包括单个电池单元或者已经电耦接以形成电池的两个或更多个电池单元，其中每个电池单元包括正极、负极、电绝缘隔膜和电解质。在固态二次电池中，单一固态材料可以用作电绝缘隔膜和电解质两者。
2、在摇椅电池单元中，正极和负极两者均包括载体离子插入和抽出的材料。在电池单元放电时，载体离子从负极中被抽出并且插入到正极中。在电池单元充电时，发生相反过程：载体离子从正极中被抽出并且插入到负极中。
3、然而，作为在二次电池充电和/或放电期间发生的这种载体离子提取和插入过程的一部分，载体离子的至少一部分可能会不可逆地损失到电化学反应中。例如，包括锂(或其它载体离子)和电解质组分的分解产物(被称为固体电解质界面相(sei))可以形成在负极的表面上。此sei层的形成捕获载体离子并且将所述载体离子从二次电池的循环操作中去除，并且导致不可逆的容量损失。电极组合件中的其它化学和电化学过程也可能导致载体离子的损失。此类损失通常在作为二次电池的形成过程的一部分执行的初始充电步骤期间发生，例如由于在初始充电步骤中形成sei层，从而导致与包含在二次电池预形成中的载体离子的量相比显著更低的容量。
4、已经描述了用于补充二次电池的电极的方法(参见例如，授予castledi
5、在本公开的各个方面中，提供了如二次电池、燃料电池单元和电化学电容器等能量储存装置，其中可以恢复由于sei形成和/或负极和/或正极的机械或电气退化而损失的容量。有利地，本公开的能量储存装置提供了增加的循环寿命、更高的能量密度和/或增加的放电速率。
技术实现思路
1、因此，简言之，本公开的一个方面涉及一种用于将载体离子从具有载体离子源的辅助电极转移到电极组合件的方法，其中所述电极组合件包含在堆叠方向上串联堆叠的单位电池单元群和多孔电绝缘材料，其中(i)每个单位电池单元包含电极结构、对电极结构以及位于所述电极结构与所述对电极结构之间的电绝缘隔膜，(ii)每个单位电池单元内的所述电极结构、所述对电极结构和所述电绝缘隔膜具有在竖直方向上分离的相对的上端面和下端面，(iii)所述竖直方向正交于所述堆叠方向，(iv)所述多孔电绝缘材料覆盖所述单位电池单元群中的所述成员的所述电极结构或所述对电极结构的所述上端面或所述下端面，并且(v)所述多孔电绝缘材料的孔隙率在20％至60％的范围内。所述方法包含将载体离子从所述辅助电极穿过所述多孔电绝缘材料转移到所述单位电池单元群中的成员。
2、本公开的另一个方面涉及一种用于在充电状态与放电状态之间循环的二次电池的电极组合件，所述电极组合件包含在堆叠方向上串联堆叠的单位电池单元群和多孔电绝缘材料，其中(i)每个单位电池单元包含电极结构、对电极结构以及位于所述电极结构与所述对电极结构之间的电绝缘隔膜，(ii)每个单位电池单元内的所述电极结构、所述对电极结构和所述电绝缘隔膜具有在竖直方向上分离的相对的上端面和下端面，(iii)所述竖直方向正交于所述堆叠方向，(iv)所述多孔电绝缘材料覆盖所述单位电池单元群中的所述成员的所述电极结构或所述对电极结构的所述上端面或所述下端面，并且(v)所述多孔电绝缘材料的孔隙率在20％至60％的范围内。本公开的另一个方面涉及一种具有电极组合件的二次电池。
3、本公开的另一个方面涉及一种制造电极组合件或二次电池的方法，所述方法包含：(1)在所述堆叠方向上堆叠串联堆叠的所述单位电池单元群，其中(i)每个单位电池单元包含所述电极结构、所述对电极结构以及位于所述电极结构与所述对电极结构之间的所述电绝缘隔膜，(ii)每个单位电池单元内的所述电极结构、所述对电极结构和所述电绝缘隔膜具有在所述竖直方向上分离的相对的上端面和下端面，并且(iii)所述竖直方向正交于所述堆叠方向，以及(2)用所述多孔电绝缘材料覆盖所述单位电池单元群中的所述成员的所述电极结构或所述对电极结构的所述上端面或所述下端面，所述多孔电绝缘材料的孔隙率在20％至60％的范围内。
4、在以下描述和附图中，本公开的其它方面、特征和实施例将部分地讨论并且部分地显而易见。
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1.一种用于将载体离子从包括载体离子源的辅助电极转移到二次电池中的电极组合件的方法，其中
2.一种用于在充电状态与放电状态之间循环的二次电池，所述二次电池包括：
3.根据权利要求1至2中任一项所述的方法或二次电池，其中所述多孔电绝缘材料覆盖所述单位电池单元群中的所述成员的所述对电极结构的所述上端面和所述下端面两者。
4.根据权利要求1和3中任一项所述的方法，其中载体离子被转移以实现和/或恢复预定对电极结构放电结束电压Vceseod和预定电极结构放电结束电压Ves,eod。
5.根据权利要求1和3至4中任一项所述的方法，其中所述载体离子被转移以补充由于SEI形成而损失的载体离子。
6.根据权利要求1和3至5中任一项所述的方法，其中所述载体离子被转移以补偿在由所述电极组合件执行的初始或后续充电循环期间载体离子的损失。
7.根据权利要求1和3至6中任一项所述的方法，其中所述方法包括：(i)在初始或后续充电循环期间将载体离子从对电极结构转移到所述单位电池单元群中的电极结构，以至少部分地对所述电极组合件进行充电；以及(
8.根据权利要求7所述的方法，其中所述方法进一步包括(iii)在(ii)之后将载体离子从所述对电极结构转移到所述单位电池单元群中的成员的所述电极结构，以对所述电极组合件进行充电。
9.根据权利要求7和8中任一项所述的方法，其中(ii)与(i)同时执行。
10.根据权利要求7至9中任一项所述的方法，其包括：在(ii)中，在所述辅助电极与所述单位电池单元群中的成员的所述电极结构和/或所述对电极结构之间施加偏置电压以提供穿过多孔电绝缘材料成员的载体离子流。
11.根据前述权利要求中任一项所述的方法或二次电池，其中所述单位电池单元群中的成员具有包括所述相对的上端面和下端面的上边缘边沿和下边缘边沿，其中同一单位电池单元群成员内的所述电极结构和所述对电极结构的上端面彼此竖直地偏移以形成上凹部，并且同一单位电池单元群成员内的所述电极结构和所述对电极结构的下端面彼此竖直地偏移以形成下凹部，其中所述对电极结构上端面和下端面相对于所述同一单位电池单元群成员内的相应电极结构上端面和下端面竖直地向内偏移，并且其中所述多孔电绝缘材料位于所述上凹部和所述下凹部中的至少一者内。
12.根据权利要求11所述的方法或二次电池，其中所述多孔电绝缘材料基本上填充所述单位电池单元群中的成员的所述上凹部和所述下凹部。
13.根据前述权利要求中任一项所述的方法或二次电池，其中对于所述单位电池单元群中的成员，覆盖所述电极结构和/或所述对电极结构的所述上端面和/或所述下端面的所述多孔电绝缘材料的至少一部分邻近所述电绝缘隔膜。
14.根据前述权利要求中任一项所述的方法或二次电池，其中所述多孔电绝缘材料基本上填充所述上凹部和所述下凹部的区域，所述上凹部和所述下凹部相对于所述单位电池单元群中的成员中的所述电极结构的所述上端面和所述下端面向内安置并且邻接所述电绝缘隔膜的面向所述对电极结构的侧。
15.根据前述权利要求中任一项所述的方法或二次电池，其中所述单位电池单元群中的所述成员的所述电极结构包括电极活性材料层和电极集电器层，并且所述单位电池单元群中的成员的所述对电极结构包括对电极活性材料层和对电极集电器层，并且其中所述多孔电绝缘材料覆盖所述单位电池单元群中的所述成员的对电极活性材料层的上端面和下端面。
16.根据前述权利要求中任一项所述的方法或二次电池，其中所述多孔电绝缘材料的孔隙率为至少25％、至少30％、至少35％、至少40％、至少45％、至少50％或至少55％。
17.根据前述实施例中任一项所述的方法或二次电池，其中所述多孔电绝缘材料的孔隙率不超过55％、不超过50％、不超过45％、不超过40％或不超过35％。
18.根据前述权利要求中任一项所述的方法或二次电池，其中所述电绝缘隔膜是微孔的，并且所述多孔电绝缘材料的所述孔隙率与所述电绝缘隔膜的孔隙率的比率在1:0.75至1:1.5的范围内。
19.根据前述权利要求中任一项所述的方法或二次电池，其中所述多孔电绝缘材料包括分散在粘结剂材料中的微粒材料。
20.根据前述权利要求中任一项所述的方法或二次电池，其中所述电极组合件包括卷绕电极组合件，所述卷绕电极组合件具有所述单位电池单元群中的成员的电极结构...
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】
1.一种用于将载体离子从包括载体离子源的辅助电极转移到二次电池中的电极组合件的方法，其中
2.一种用于在充电状态与放电状态之间循环的二次电池，所述二次电池包括：
3.根据权利要求1至2中任一项所述的方法或二次电池，其中所述多孔电绝缘材料覆盖所述单位电池单元群中的所述成员的所述对电极结构的所述上端面和所述下端面两者。
4.根据权利要求1和3中任一项所述的方法，其中载体离子被转移以实现和/或恢复预定对电极结构放电结束电压vceseod和预定电极结构放电结束电压ves,eod。
5.根据权利要求1和3至4中任一项所述的方法，其中所述载体离子被转移以补充由于sei形成而损失的载体离子。
6.根据权利要求1和3至5中任一项所述的方法，其中所述载体离子被转移以补偿在由所述电极组合件执行的初始或后续充电循环期间载体离子的损失。
7.根据权利要求1和3至6中任一项所述的方法，其中所述方法包括：(i)在初始或后续充电循环期间将载体离子从对电极结构转移到所述单位电池单元群中的电极结构，以至少部分地对所述电极组合件进行充电；以及(ii)将载体离子从所述辅助电极穿过所述多孔电绝缘材料转移到对电极结构和/或电极结构，以向所述电极组合件提供所述预定对电极结构放电结束电压vces,eod和所述预定电极结构放电结束电压ves,eod。
8.根据权利要求7所述的方法，其中所述方法进一步包括(iii)在(ii)之后将载体离子从所述对电极结构转移到所述单位电池单元群中的成员的所述电极结构，以对所述电极组合件进行充电。
9.根据权利要求7和8中任一项所述的方法，其中(ii)与(i)同时执行。
10.根据权利要求7至9中任一项所述的方法，其包括：在(ii)中，在所述辅助电极与所述单位电池单元群中的成员的所述电极结构和/或所述对电极结构之间施加偏置电压以提供穿过多孔电绝缘材料成员的载体离子流。
11.根据前述权利要求中任一项所述的方法或二次电池，其中所述单位电池单元群中的成员具有包括所述相对的上端面和下端面的上边缘边沿和下边缘边沿，其中同一单位电池单元群成员内的所述电极结构和所述对电极结构的上端面彼此竖直地偏移以形成上凹部，并且同一单位电池单元群成员内的所述电极结构和所述对电极结构的下端面彼此竖直地偏移以形成下凹部，其中所述对电极结构上端面和下端面相对于所述同一单位电池单元群成员内的相应电极结构上端面和下端面竖直地向内偏移，并且其中所述多孔电绝缘材料位于所述上凹部和所述下凹部中的至少一者内。
12.根据权利要求11所述的方法或二次电池，其中所述多孔电绝缘材料基本上填充所述单位电池单元群中的成员的所述上凹部和所述下凹部。
13.根据前述权利要求中任一项所述的方法或二次电池，其中对于所述单位电池单元群中的成员，覆盖所述电极结构和/或所述对电极结构的所述上端面和/或所述下端面的所述多孔电绝缘材料的至少一部分邻近所述电绝缘隔膜。
14.根据前述权利要求中任一项所述的方法或二次电池，其中所述多孔电绝缘材料基本上填充所述上凹部和所述下凹部的区域，所述上凹部和所述下凹部相对于所述单位电池单元群中的成员中的所述电极结构的所述上端面和所述下端面向内安置并且邻接所述电绝缘隔膜的面向所述对电极结构的侧。
15.根据前述权利要求中任一项所述的方法或二次电池，其中所述单位电池单元群中的所述成员的所述电极结构包括电极活性材料层和电极集电器层，并且所述单位电池单元群中的成员的所述对电极结构包括对电极活性材料层和对电极集电器层，并且其中所述多孔电绝缘材料覆盖所述单位电池单元群中的所述成员的对电极活性材料层的上端面和下端面。
16.根据前述权利要求中任一项所述的方法或二次电池，其中所述多孔电绝缘材料的孔隙率为至少25％、至少30％、至少35％、至少40％、至少45％、至少50％或至少55％。
17.根据前述实施例中任一项所述的方法或二次电池，其中所述多孔电绝缘材料的孔隙率不超过55％、不超过50％、不超过45％、不超过40％或不超过35％。
18.根据前述权利要求中任一项所述的方法或二次电池，其中所述电绝缘隔膜是微孔的，并且所述多孔电绝缘材料的所述孔隙率与所述电绝缘隔膜的孔隙率的比率在1:0.75至1:1.5的范围内。
19.根据前述权利要求中任一项所述的方法或二次电池，其中所述多孔电绝缘材料包括分散在粘结剂材料中的微粒材料。
20.根据前述权利要求中任一项所述的方法或二次电池，其中所述电极组合件包括卷绕电极组合件，所述卷绕电极组合件具有所述单位电池单元群中的成员的电极结构和对电极结构的围绕所述卷绕电极组合件的中心轴的多个卷绕物，并且其中所述卷绕电极组合件的所述竖直方向平行于所述中心轴，并且进一步其中所述单位电池单元群中的成员的所述对电极结构包括长度lce，所述长度被定义为从所述对电极结构的在所述卷绕电极组合件的所述中心轴处的第一端部并且沿着每个卷绕物延伸到所述对电极结构的在所述电极组合件的外部区域处的第二端部。
21.根据前述权利要求中任一项所述的方法或二次电池，其中所述卷绕电极组合件具有圆柱形形状。
22.根据前述权利要求中任一项所述的方法或二次电池，其中所述电极组合件具有分别对应于假想的三维笛卡尔坐标系的x轴、y轴和z轴的相互垂直的横轴、纵轴和竖轴、在纵向方向上彼此分离的第一纵向端面和第二纵向端面以及围绕电极组合件纵轴aea并连接所述第一纵向端面和所述第二纵向端面的侧向表面，所述侧向表面具有在所述纵轴的相对侧上并且在正交于所述纵轴的第一方向上分离的相对的第一区域和第二区域，所述电极组合件具有在所述纵向方向上测量的最大宽度wea、由所述侧向表面界定并在横向方向上测量的最大长度lea以及由所述侧向表面界定并在所述竖直方向上测量的最大高度hea，并且进一步其中
23.根据权利要求20至22中任一项所述的方法或二次电池，其中所述多孔电绝缘材料延伸所述单位电池单元群中的成员的所述对电极结构的至少50％、至少60％、至少75％、至少85％或至少90％。
24.根据前述权利要求中任一项所述的方法或二次电池，其中所述单位电池单元群中的成员的每个电极结构包括电极活性材料层，并且所述单位电池单元群中的成员的每个对电极结构包括对电极活性材料层，并且其中对于单位电池单元成员中的邻近的电极活性材料层和对电极活性材料层，
25.根据前述权利要求中任一项所述的方法或二次电池，其中(i)所述电极结构是阳极结构并且所述对电极结构是阴极结构，或者(ii)所述电极结构是阴极结构并且所述对电极结构是阳极结构。
26.根据权利要求25所述的方法或二次电池，其中所述电极结构是包括阳极活性材料层的阳极结构，并且所述对电极结构是包括阴极活性材料层的阴极结构。
27.根据前述权利要求中任一项所述的方法或二次电池，其中所述电极组合件容纳在经密封的电池外壳内。
28.根据前述权利要求中任一项所述的方法或二次电池，其中所述电极结构包括阳极活性材料，所述阳极活性材料包括以下中的任一种或多种：碳材料、石墨、软碳或硬碳、金属、半金属、合金、氧化物、能够与锂形成合金的化合物、锡、铅、镁、铝、硼、镓、硅、si/c复合物、si/石墨共混物、siox、多孔si、金属间si合金、铟、锆、锗、铋、镉、锑、银、锌、砷、铪、钇、锂、钠、钛酸锂、钯、锂金属、碳、石油焦炭、活性碳、石墨、硅化合物、硅合金、锡化合物、不可石墨化碳、基于石墨的碳、lixfe2o3(0≦x≦1)、lixwo2(0≦x≦1)、snxme1-xme'yoz(me：mn、fe、pb、ge；me'：al、b、p、si、在元素周期表中的第1族、第2族和第3族中发现的元素，卤素；0<x≦1；1≦y≦3；1≦z≦8)、锂合金、基于硅的合金、基于锡的合金；金属氧化物，sno、sno2、pbo、pbo2、pb2o3、pb3o4、sb2o3、sb2o4、sb2o5、geo、geo2、bi2o3、bi2o4、bi2o5；导电聚合物，聚乙炔、基于li—co—ni的材料、结晶石墨、天然石墨、合成石墨、无定形碳、基什石墨、热解碳、基于中间相沥青的碳纤维、中间相碳微珠、中间相沥青、石墨化碳纤维、高温烧结碳、石油、煤焦油沥青衍生的焦炭、氧化锡、硝酸钛、锂金属膜、锂和一种或多种选自由以下组成的组的金属的合金：na、k、rb、cs、fr、be、mg、ca、sr、ba、ra、al和sn；能够与锂合金化和/或嵌入锂的金属化合物，所述金属化合物选自以下中的任一种：si、al、c、pt、sn、pb、ir、ni、cu、ti、na、k、rb、cs、fr、be、ca、sr、sb、ba、ra...
【专利技术属性】
技术研发人员：R·K·罗森，A·卡尔卡泰拉，R·S·布萨卡，B·A·瓦尔德斯，J·D·怀南斯，N·S·沙阿，M·拉马苏布拉马尼安，
申请(专利权)人：艾诺维克斯公司，
类型：发明
国别省市：
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