本发明专利技术提供一种电化学装置，其包括彼此被隔板层分隔的交替的正电极层和负电极层。所述电极层延伸超过所述分隔层的外围，从而提供所述电极与电池端子之间的优良接触，从而消除将所述电极焊接到所述端子的需要。所述电池内的电阻减小了，且电池的导热性增加了，从而实现从所述电池的优良的热移除和增加的效率。可在不损坏所述电池或不使所述电池不服务的情况下减轻所述电池内的增加的内部压力，同时通过压力释放系统使所述电池的内含物被密封以免与大气接触。还可通过短接电池组合件内的不操作的电池而使所述不操作的电池不服务，因此减少了电池寿命。
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及改进的电化学装置，例如电池、电容器、燃料电池、传感器等。更具体 来说，本专利技术涉及更用户友好的电化学装置，其针对装置的每重量和体积提供较高的比 功率和能量输出，且涉及制造这些改进的电化学装置的方法。
技术介绍
随着电子器件的不断进步，对应地不断需要向高级电子装置(尤其是便携式电子装 置)供电的提供能量密度、效率和安全且同时仍然是经济的电化学装置。较老的电池配 置常不适合于符合这些增加的需求。除了环境和效率问题之外，对提供电力的装置的研 究已扩展到包含混合电动交通工具的新领域。理想上，电化学装置将提供较高的电流密 度，减小电池的内阻，且有效地管理电化学装置的热输出，以增加装置的耐久性。可通过在电极与电池集电器之间，且特定在电池中的电池之间提供大量和/或大表面 面积的连接而实现这些特征。 一般来说，为保留较高的比能量和功率、W/kg、瓦特-小 时/千克(Wh/kg)和瓦特/千克(W/kg)，当前技术和装置远远达不到这些目标。高功率装置的第二关键特征是内部热量移除。到外部电路的高功率通常在电池内部在短时持续 时间内产生作为热量的同等量的能量。过分的升温将毁坏(例如，熔化多微孔聚合物隔 板或自燃易燃有机电解液)或显著縮短锂离子电池的有用寿命。由物理上暴露于电解液的阴极电极和阳极电极构成的电化学装置可一般用于在化 学能与电能之间转换。外壳可包围这些电极和电解液组件，且可甚至将其密封免于与大 气接触。电池、燃料电池和电容器仅是本专利技术涉及到的一些此类专用电化学装置。由于就每一对阴极和阳极电极(或电池)的电压和/或电流强度来说，电功率通常较 小，所以可在单个外壳中使用许多单独对的阴极和阳极电极或电池。集电器通常用于将 所述电池并联和/或串联地电互连，以在电化学装置的暴露端子处提供可用的电压和电流 强度输出。当离子经由电解液在每个电池的电极之间通过时，且当电子同时经由电极通过每个 电池时，电化学装置执行有用功。由所使用的组件材料的电化学反应来预先确定每个电 池产生的电压，且所产生的电流强度和/或可用功率取决于这些活动组件的配置和质量。可按照瓦特-小时/装置重量来提供装置的比输出能量，且可按照瓦特/装置重量来提 供装置的比输出功率。由于内阻和其它低效(硬件质量和体积)，现有电化学装置的输 出值通常是理论上可能的输出值的较小分数。对电极元件之间的离子传导的电阻是内部功率损耗的一个主要源头。可用以下表达 式来在理论上确定此类电阻R。R =pl/A其中"p" (rho)是电解液的阻抗值； "1"是电解液的厚度；以及"A"是电极元件与电解液之间的界面接触面积。离子阻抗值p不易经受修改，且非有效为设计参数。电化学装置的设计者因此力求 降低电解液厚度"1"，且增加电极元件与电解液之间的界面接触面积"A"。已提议阴极和阳极电极、电解液分隔和集电的不同配置。举例来说，阴极电极带可 为曲折的，以界定用于保持电解液的单独隔间，且在电解液中插入有由阴极电极隔开的 细长杆状的阳极电极。界面接触面积"A"有效地小于阳极杆的整个表面面积，因为某 些杆彼此相对，而不是与阴极相对。而且，曲折的折叠的隔板带可界定用于保持并隔离板状阴极和阳极电极的相对隔 间，其中电解液吞没所有这些组件。在替代设计中，每一电池可形成为具有C形电极和 夹在其间的Z形隔板。或者，具有导电表面的隔板带可经折叠，且在单独相对面向的褶 之间夹有单独组的相应板状阴极和阳极电极。可通过在其自身上巻绕阴极和阳极电极和隔板的预先形成的组合件以产生圆柱形的电化学装置来形成"胶巻"电池，其具有面对 面的电极和夹着的电解液和隔板结构，从而增加了电极之间的界面接触面积"A"。然而正是面向的电极和夹着的电解液和隔板的广度产生另一问题起因，即组装期间 和操作期间的用以维持和支持物理上分离的电极元件的结构充足率。这包含在操作温度 改变期间(例如将电池包装到盒状外壳中)承受电池件的热膨胀和收縮力。增加夹着的 电解液和隔板的厚度来提供所需的强度和/或耐用性还增加了离子传导电解液厚度"1"， 从而抵销了由增加的界面接触面积"A"所获得的益处。这些电池布置中所使用的集电器添加了显著重量，和因此的减小的比电池能量和功5率输出。举例来说，隔离的导体通常连接到电极，且独立于电极沿着延长的路径被路由 到外部端子。这些导体必须携载整个电池电流，且因此必须具有充分的质量和横截面来 使内阻保持可控地低。对于经连接端子的典型电池设计，电极突出部/集电器/电池端子 电阻/电池端子电阻可占到与理论能力相比的电池功率输出中的50%的减小。通常，使用 大量连接器来避免高功率电池的功率损耗。而且，这些电池布置提供具有有限大小和/或厚度的电极，从而限制了可用电极材料 的数量，且因此限制了最大电池存储能量和/或操作循环寿命，尤其对于可再充电电池。这些设计的窘境在于，通过增加大体横跨电解液的界面电极面积"A"而获得的功 率增益通常被增加的电解液厚度"l"抵销，且集电器的重量和体积减小了比能量和功率 输出。可增加功率，但却是以减小的能量存储容量/重量和体积为代价，且以归因于所需 的额外硬件而增加的成本为代价。螺旋缠绕的"胶巻"配置的高界面面积"A"仅折衷 了可用功率对能量密度；但需要最小的隔板厚度以用于电池耐用性和循环寿命。现有的 双极电池布置未避免此功率和能量折衷的窘境，燃料电池电化学装置同样如此。第5,219,673号美国专利中所揭示的巻带电池(rolled-ribbon cell)技术已跨出一大 步，实现了用于电化学装置的增强的功率密度。具体来说，应用于基于锂/有机物的电解 液化学物质，使用可堆叠的圆盘状电池来形成改进的电池，以从这些电池实现几乎最佳 的功率能力。用于高脉冲功率需求的电池的其它目的(例如，混合电动交通工具和动力 工具)将持续减少电池成本并增加耐用性。这些基于锂/有机物的电解液电池化学物质尽 管展现非常高的电压(3-5伏)，但具有相对低的电流密度能力。 一个限制因素是试图使 用相对薄的组件，即电极和隔板层。实际的装置需要大量有效区域。举例来说，在10 mA/cr^的峰值电流密度的情况下，其可需要1000 cm2的有效区域来实现IOA。对于混 合电动交通工具，所需的电流为约200-400伏下的100 A (等效于20-40 kW)。另一窘境是形成此类电池所需的大量小电池。具有大量小电池的电池(例如，18650 电池中有l安培-小时(Ah)的容量)引起主要的功率损耗(内部热量产生)。更近的更 大电池(10 Ah)已使用棱柱形配置。这些电池具有宽广的电极，其中多个突出部连接 到传统的端子连接。这些棱柱形电池在矩形盒中被硬连线在一起(端子对端子)。然而， 实质上更大电池的此布置仍可牺牲电池化学物质的理论功率的5 0 % 。然而，先前的纽扣型电池(通常具有5-50milli-Ah的非常小的容量)缺乏电池组装 和/或通过电池到外部端子的高电流的分布的简易性或一致性(可能归因于硬件组件的有 限导体路径)。混合交通工具电池将需要成千上万个这些电池。因此，不断且持久地需要具有高能量密度、提供高功率输出并接近电功率输出的理论极限值的电化学装置。用于高功率应用(例如，混合电动交通工具)的基于锂/有机物的电解液化学物质还必本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种电化学装置，其包括： 电极组合件，其包括： 伸长的正电极，其具有第一纵向边缘； 伸长的负电极，其具有第一纵向边缘；以及 分隔层，其具有第一纵向边缘和第二纵向边缘； 其中所述正电极、所述分隔层和所述负电极缠绕在中心轴周围，借此形 成一卷交替的电极和分隔层，使得所述分隔层防止连续的电极层之间的直接接触，所述分隔层的所述第一纵向边缘延伸超过所述分隔层的所述第一纵向边缘，且所述负电极的所述第一纵向边缘延伸超过所述分隔层的所述第二纵向边缘； 所述电极组合件比外壳的板略宽； 以及 外壳，其具有电耦合到所述正电极的所述第一纵向边缘的正极板，和电耦合到所述负电极的所述第一纵向边缘的负极板，其中所述电极组合件被所述外壳包围。
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...
【专利技术属性】
技术研发人员：托马斯D考恩，
申请(专利权)人：因文泰克公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]
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