CN101743653A - 电化学电池组的堆叠结构 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种堆叠电池(20)具有以堆叠方式排列的至少两个电池节(2)。每个电池节(2)可以包括：具有第一活性材料电极的第一电极单元；具有第二活性材料电极的第二电极单元；和活性材料电极之间的电解质层(10)。在每个电池节(2)中可以包括一个或多个垫片(60)以将电解质(10)密封于电池节内。

Description

电化学电池组的堆叠结构
本专利申请要求2007年2月12日提交的第60/901,046号美国临时专利申请的权利，其全部内容通过引用包含于此文中。
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2004/0161667A1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。
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。
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。
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。
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为电路示意图，表示了图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“电池单元”或“电池节”22。每个电池节22的每个防渗衬底6可被适用的相邻电池节22所共享。
如图3和4所示，例如，根据本发明的一个实施方式所述，正极端子和负极端子可以随同一个或多个BPU 2的堆叠体20一起设置正极端子和负极端子以组成堆叠双极电池组50。正极单极电极单元或MPU 12可以包括设置于防渗导电衬底16的一侧上的正活性材料电极层14，该MPU 12可以以其间夹着电解质层(即电解质层10e)的方式被放置于堆叠体20的第一端部，使得正极MPU 12的正电极层14可以通过电解质层10e与位于堆叠体20的第一端部处的BPU(即BPU 2d)的负电极层(即层8d)相对置。负极单极电极单元或MPU 32可以包括设置于防渗导电衬底36的一侧上的负活性材料电极层38，该MPU 32可以以在其间夹着电解质层(即电解质层10a)的方式被放置于堆叠体20的第二端部，使得负极MPU 32的负电极层38可以通过电解质层10a与位于堆叠体20第二端部处的BPU(即BPU 2a)的正电极层(即层4a)相对置。MPU 12和32可以分别设置相应的正极和负极引线(lead)13和33。
应注意的是，每个MPU的衬底和电极层可以和相邻的BPU 2的衬底和电极层以及其间的电解质层10一起构成电池节22，例如图3所示(例如参见电池节22a和22e)。堆叠体20中所堆叠的BPU 2的数量可以为一个或更多，并且为了符合电池组50所需的电压可以适当地确定。每个BPU 2可以提供任意所需电势，使得电池50的所需电压可以通过有效地增加每个BPU 2所提供的电势来实现。能够理解的是，每个BPU 2不必提供相同的电势。
在一个合适的实施方式中，双极电池组50可以被构造为使得BPU堆叠体20及其相应的正极和负极MPU 12和32可以在减压下至少被部分密封(例如，气密密封)到电池外壳或包装40中。例如，MPU导电衬底16和36(或者至少它们各自的电极引线13和33)可以被引出到电池外壳40外，以减轻在使用时来自外部的影响并防止因环境退化。可以在MPU 12和32中提供凹部(indentation)42用于薄型外壳(low-profile casing)和平坦表面。
为了防止第一电池节的电解质(例如参见图6中电池节22a的电解质11a)与另一个电池节的电解质(例如参见图6A中的电池节22b的电解质11b)结合，可以将垫片或密封装置与电解质层在相邻的电极单元之间堆叠在一起以将电解质密封在其特定的电池节内部。垫片或密封装置例如可以是可压缩或不可压缩的、能够与特定的电池单元的相邻电极单元相互作用以将其间的电解质密封的任意合适的固体或粘性材料，或者它们的组合。在一个合适的配置中，例如图3到4B所示，本发明的双极电池组可以包括垫片或密封装置60，该垫片或密封装置60可以作为围绕每个电池节22的电解质层10和活性材料电极层1/14和8/38的挡板(barrier)来放置。垫片或密封装置可以是连续的和紧密的并且可以将垫片和所述电池单元的相邻的电极单元之间(即与所述垫片或密封装置相邻的BPU之间或BPU与MPU之间)的电解质密封起来。例如，垫片或密封装置可以在所述电池单元的相邻电极单元之间提供合适的间距。
如下所详述，例如，在一个合适的发方案中，可以沿箭头P1和P2的方向在外壳40的顶部和底部施加压力，以将电池节22和垫片60压缩并保持在图3到4B所示的密封构造中。例如，在另一个合适的方案中，可以沿箭头P3和P4的方向在外壳40的侧部施加压力，以将电池节22和垫片60压缩并保持在图3到4B所示的密封构造中。例如，在又一个合适的方案中，压力可以被施加于外壳40的顶部和底部并且压力还可以被施加于外壳40的侧部，以将电池节22和垫片60压缩并保持于图3到4B中所示的密封构造中。这种双极电池组50可以包括堆叠并串联的多个电池节22，如图3A中所示，以提供所需电压。
现在参考图6，表示了根据本发明实施方式所述的电池组50的两个特定电池节22的分解视图。电池节22a可以包括MPU 32的衬底36和负电极层38、电解质层10a、以及BPU 2a的正电极层4a和衬底6a。电池节22b可以包括BPU 2a的衬底6a和负电极层8a、电解质层10b、以及BPU 2b的正电极层4b和衬底6b。如上所述，每个电解质层10可以包括隔离件9和电解质11。可以围绕每个电池节22的电解质层10设置密封装置或垫片60，使得该电池节的隔离件9和电解质11可以被密封于由该特定电池节的垫片60和相邻的电极单元所限定的空间内。
例如图6到8所示，垫片60a可以包围电解质层10a使得其隔离件9a和电解质层11a可以被完全密封于由电池节22a的垫片60a、MPU 32、和BPU 2a所限定的空间内。同样，例如图6、8、和9所示，垫片60b可以围绕电解质层10b使得其隔离件9b和电解质11b可以被完全密封于由电池节22b的垫片60b、BPU 2a、和BPU2b所限定的空间内。
每个电池节的密封装置或垫片可以与电池单元的电极单元的各个部分一起形成密封以密封其电解质。如图6到9所示，例如，垫片可以与衬底的顶部或底部的一部分一起形成密封(例如参见与衬底36的底侧和衬底6a的顶侧接触的垫片60a)。另外，垫片可以与衬底的外部表面或边缘的一部分一起形成密封(例如参见垫片60a的与衬底6a的外部边缘接触的部分60aa)。类似地，垫片的外部表面或边缘可以与衬底的一部分一起形成密封(例如参见垫片60b的与衬底6b的6bb部分接触的外部边缘，以及垫片60c的与衬底6b的6bc部分接触的外部边缘)。另外，垫片可以与活性材料电极层的一部分一起形成密封(例如参见与电极层38的一部分以及电极层4a的一部分相接触的垫片60a)。
在衬底的一部分延伸超出垫片和由衬底所限定的电池节中的至少一个的密封部分(例如，电池节22b和22c的衬底部分6bb和6bc，以及衬底36的部分延伸超出电池节22a的垫片60a的外部边缘)的实施方式中，衬底的所述一部分可以是用于相邻的一个或更多电池节的散热鳍片。例如，在相邻的一个或更多电池节的密封部分外部的这种衬底部分可以被暴露于电池单元堆叠体的外部环境中、或者可以与电池单元堆叠体的包装或外壳相接触(例如图6所示)。外部环境和/或包装可以被认为比电池节的密封部分的冷度更低。这种冷度(coolness)可以从衬底在相邻的电池节的密封部分外部的部分经过该衬底传递到这些密封部分自身。
在本发明的某些实施方式中，为了产生更好的密封，垫片的表面区域和相互接触的相邻的电极单元的表面的一个或更多部分中的每个可以被互补地(reciprocally)或者相应地(correspondingly)开槽、倒角(chamfer)、或成形。例如，垫片表面的至少一部分可以与电极单元表面的至少一部分相对应地成形，使得两个表面可以配合(mate)到一起以限制两个表面之间的某些类型的相对移动和在电池组制造期间使垫片和电极单元自对准。例如图6到9所示，可以沿着垫片与衬底的对应地互补地成形的部分或者由垫片与衬底的对应地互补地成形的部分，在它们彼此配合接触(matedcontact)的各个区域处，形成制动装置(detent means)或凹槽装置70。例如，由垫片和相邻衬底的互补成形部分的配合所形成的这种凹槽装置或制动装置可以由此增加它们的配合接触区域的尺寸，并且可以由此对试图破坏在垫片与衬底的配合接触区域之间所建立的密封的任何流体(例如电解质)提供更大的阻力路径(path of resistance)。
垫片与相邻衬底的相应地成形的表面之间的凹槽装置的垂直截面形状(例如，垫片和衬底的与垂直堆叠体20的方向大致一致的配合起来的表面部分的形状)可以是任意合适的形状。例如，凹槽装置的垂直截面形状可以是——但不只限于——例如，正弦形(例如参见图6中衬底36和垫片60a之间的凹槽装置70a)、V形(例如参见图6中垫片60a和衬底6a之间的凹槽装置70b)、矩形(例如参见图6中垫片60b和衬底6b之间的凹槽装置70c)、或者其组合。与垂直堆叠方向一致的凹槽装置的这些垂直截面形状可以为密封提供更大的表面积。另外，凹槽装置的这些垂直截面形状可以为密封提供垂直因素(vertical aspect)，使得当电池节内部的压力增大而对垫片施加力时，垫片的成形为凹槽的部分与相邻的电极之间的密封力也可以增大。
另外，在垫片的相应地成形了的表面部分与相邻的衬底之间的、在与之相关联的衬底的层的周围的凹槽的横截面形状或路径(例如，与垂直堆叠体20的方向大致垂直的、配合起来的垫片与衬底的表面部分的形状或路径)可以是任意合适的设计。例如，凹槽的横截面路径在与其相关联的衬底的电极层周围可以是连续的，并且可以是距离所述相关联的衬底的电极层大致等距离的(例如图6和7所示，在垫片60a与衬底36的相配合的表面部分中的所有点处，凹槽装置70a在电极层38周围可以是连续的，并且从电极层38均匀地分隔开)。替代地，凹槽的横截面路径可以在与其相关联的衬底的电极层周围是连续的，但是距离该电极层等并非距离的(例如参见图6和8所示，在垫片60a与衬底6a的相配合的表面部分中的所有点处，凹槽70b可以在电极层4a和8a的周围是连续的，但非均匀地从该电极层4a和8a分隔开)。在又一个实施方式中，例如，凹槽的横截面路径可以在与其相关联的衬底的电极层的周围是非连续的或者分段的(例如图6和9所示，在垫片60b与衬底6b的相配合的表面部分中，凹槽70c可以只在电极层4b和8b的一部分周围延伸)。
要理解的是，此处所述的由相邻垫片和电极单元的相对应地成形了的表面部分所提供的凹槽的形状、尺寸、路径只是示例，可以使用任意各种合适的尺寸、形状和路径设计来创建这种凹槽。另外，根据本发明的某些实施方式所述，可以在垫片和相邻电极单元之间不创建凹槽，使得彼此接触的垫片的表面区域与相邻电极单元的表面区域都是大致平坦的或平面的。
用于形成本发明电极单元的衬底(例如衬底6、16、以及36)可以由任意合适的导电和防渗材料形成，其包括但不只限于，例如，无孔的金属箔、铝箔、不锈钢箔、包含镍和铝的覆层材料(claddingmaterial)、包含铜和铝的覆层材料、镀镍钢、镀镍铜、镀镍铝、金、银、或它们的组合。在某些实施方式中，每个衬底都可以由相互粘合的两片或更多片金属箔制成。例如，每个BPU的衬底可以典型地为1到5毫米厚，而每个MPU的衬底可以为5到10毫米厚并且作为电池的端子。例如，金属化泡沫(metalized foam)可以与任意合适的衬底材料结合成平坦的金属膜或箔的形式，使得可以通过遍及电极地延展导电基体(conductive matrix)来降低电池节的活性材料之间的电阻。
设置在这些衬底上以形成本发明的电极单元的正电极层(例如正电极层4和14)可以由任意合适的活性材料形成，包括但不只限于例如氢氧化镍(Ni(OH)2)、锌(Zn)、或它们的组合。正活性材料可以被烧结(sintered)和浸渍(impregnated)，用水性粘合剂涂敷并按压，用有机粘合剂涂敷并按压，或者利用将所述正活性材料与其他支持性化学物质一起包含在导电基体中的任何合适的方法而被包含。电极单元的正电极层可以具有被注入该正电极层的基体中以减少膨胀的颗粒，所述颗粒包括但不只限于例如金属氢化物(MH)、Pd、Ag、或它们的组合。这可以例如增加循环寿命、改善复合(recombination)，并减少电池节内的压力。这些颗粒，诸如MH，也可以是在大量的活性材料膏诸如(Ni(OH)2)中，以改善电极内部的导电性并支持复合。
设置在这些衬底上以形成本发明的电极单元的负电极层(例如负电极层8和38)可以由任意合适的活性材料形成，包括但不限于例如MH、Cd、Mn、Ag、或它们的组合。负活性材料可以被烧结和浸渍，用水性粘合剂涂敷并按压，用有机粘合剂涂敷并按压，或者利用将所述正活性材料与其他支持性化学物质一起包含在导电基体中的任何合适的方法而被包含。例如，负电极侧可以具有被注入负电极材料的基体内以稳定结构、减少氧化、以及延长循环寿命的化学物质，包括但不限于Ni、Zn、Al、或它们的组合。
可以将各种合适的粘合剂——包括但只限于例如有机CMC粘合剂、克雷顿橡胶(Crayton rubber)、PTFE(特富龙)、或它们的组合——与活性材料层混合以将所述层保持在它们的衬底上。超安定(ultra-still)粘合剂，诸如200ppi泡沫镍，也可以与本发明的堆叠电池组构造一起使用。
本发明的电池组的每个电解质层的隔离件(例如，每个电解质层10的隔离件9)可以由将与该隔离件相邻的两个电极单元电隔离同时允许这些电极单元之间的离子传输的任意合适材料来形成。例如，隔离件可以包含纤维素类超吸收体(cellulose super absorber)以改善填充并用作电解质贮存器以增加循环寿命，其中隔离件可以由聚合吸收衬垫材料(polyabsorb diaper material)制成。这样，在对电池组施加电荷时，隔离件可以释放以前吸收的电解质。在某些实施方式中，隔离件可以比常规电池单元的密度更低并且更厚，使得电极间距(IES)可以从比常规的电池单元的电极间距高的值开始并且持续减少以在电池组的寿命期间维持电池的充电速率(C-rate)和容量并延长电池的寿命。
隔离件可以比粘结在电极单元上的活性材料的表面的常规材料更薄以减少短路并改善复合。例如，该隔离件材料可以是喷涂上的、涂敷上的、或按压上的。在某些实施方式中，隔离件可以具有附着于其上的复合剂(recombination agent)。例如，该复合剂可以被注入到隔离件的结构内(例如，这可以通过在使用PVA的湿法工艺中物理地捕获复合剂以将所述复合剂粘结于隔离件纤维(separatorfiber)上来完成，或者可以通过电沉积将复合剂放置于其中)；或者可以通过气相沉积将该复合剂层敷于表面上。隔离件可以由有效地支持复合的任意合适材料或制剂(agent)制成，包括但不限于例如Pb、Ag、或它们的组合。如果电池单元的衬底彼此相向移动则隔离件可以呈现阻力；而在本发明的某些实施方式中可以不设置隔离件，这些实施方式可以使用足够刚性而不会弯曲的衬底。
本发明的电池组的每个电解质层的电解质(例如，每个电解质层10的电解质11)可以由能在溶解或熔化时离子化以产生导电介质的任意合适化合物形成。电解质可以是任意合适化合物制成的标准电解质，诸如但不限于例如NiMH。电解质可以包含其它的化合物，包括但不限于例如氢氧化锂(LiOH)、氢氧化钠(NaOH)、氢氧化钙(CaOH)、氢氧化钾(KOH)、或它们的组合。电解质还可以包含改善复合的添加剂，诸如但不限于例如Ag(OH)2。电解质还可以包含例如RbOH，以改善低温性能。在本发明的一些实施方式中，可以将电解质(例如电解质11)冷冻在隔离件(例如，隔离件9)中然后在电池完全组装之后解冻。这可以允许在垫片与相邻电极单元一起形成实质上流密(fluid tight)密封之前将特别粘稠的电解质插入到电池组的电极单元堆叠体中。
本发明的电池组的密封装置或垫片(例如垫片60)可以由可以有效地将电解质密封于由垫片和与其相的邻电极单元所限定的空间内的任意合适材料或材料的组合形成。在某些实施方式中，垫片可以由固体的密封挡板或密封环、或能够形成固体的密封环的多个环状部分形成，所述密封挡板或密封环可以由任意合适的非导电材料制成，包括但不限于例如尼龙、聚丙烯、电池隔膜(cell gard)、橡胶、PVOH(聚乙烯醇)、或它们的组合。由固体的密封挡板形成的垫片可以与相邻的电极的一部分相接触以在它们之间创建密封。
替代地，垫片可以由任意合适的粘性材料或膏形成，包括但不限于例如环氧树脂、沥青焦油(brea tar)、电解质(例如KOH)防渗胶、可压缩的胶合剂(例如，可以由硅、丙烯酸、与/或纤维强化塑料(FRP)形成并且可以是防止电解质渗透的双组分聚合物，诸如由Henkel公司制造的
Figure G2008800095057D00161
牌胶合剂)、或它们的组合。由粘性材料形成的垫片可以与相邻的电极相接触以在其间创建密封。在又一个实施方式中，垫片可以由固体密封环与粘性材料的组合形成，使得粘性材料可以改善固体密封环与相邻的电极单元之间的密封。替代地或者额外地，例如，电极单元自身可以在将固体密封环、用额外的粘性材料处理过的固体密封环、相邻电极的单元、或用额外的粘性材料处理过的相邻的电极单元密封于其上之前先用粘性材料进行处理。
在某些实施方式中，如下详述，由固体密封环和/或粘性膏形成的垫片可以是可压缩的以改善密封。在某些实施方式中，压缩度可以为约5％，但无论弹性如何都需要确保良好的密封。
另外，在某些实施方式中，相邻的电极单元之间的垫片或密封装置可以设置有一个或更多薄弱点，所述薄弱点可以允许某些类型的流体(即某些液体或气体)通过所述薄弱点逸出(即，如果由垫片所限定的电池节中的内部压力增加超过某个阈值的话)。一旦一定量的流体逸出或者内部压力减小，所述薄弱点可以再密封。可以配置或制备至少部分地利用某些类型的合适的粘性材料或膏——诸如沥青(brai)——形成的垫片以允许某些流体通过并且被配置或制备以防止某些其它流体的通过。这种垫片可以防止任何电解质在两个电池节之间的共享，这种共享可能引起电池的电压和能量迅速衰退(即放电)至零。
如上所述，使用具有堆叠形式的密封电池单元设计的电池组(例如双极电池组50)的一个好处可以是增加电池组的放电速率。这个增大的放电速率可以允许使用某些较轻腐蚀性的电解质(例如，通过移除或减少电解质中的研磨性的(whetting)、强化导电性的、和/或化学反应性的成分)，此类电解质不适合在方形电池组或卷绕式电池组设计中使用。可以由堆叠电池组设计提供以使用较轻腐蚀性的电解质的这种余量可以允许在使用垫片形成密封时使用某些环氧树脂(例如，J-B Weld环氧树脂)，否则这些树脂会被较重腐蚀性的电解质所腐蚀。
本发明的电池组的外壳或包装(例如外壳40)可以由可以密封至端子电极单元(例如MPU 12和32)以暴露它们的导电衬底(例如衬底16和36)或它们的关联引线(例如，引线13和33)的任意合适的非导电材料形成。包装还可以被形成以创建、支持、和/或维持垫片与相邻的电极之间的密封以隔离它们相应的电池节内部的电解质。包装可以创建和/或维持这些密封所需的支持，使得包装可以抵抗在电池节内部压力增加时电池的膨胀。包装可以由任意合适材料制成，包括但不限于例如尼龙、包括强化成分或者收缩包装(shrinkwrap)在内的任意其它聚合物或弹性材料、或者诸如搪瓷或任意其它金属的任意刚性材料、或者它们的组合。在某些实施方式中，例如，包装可以由可以维持对堆叠电池单元的密封的持续压力的张力夹(tension clips)的外骨架形成。可以在堆叠体和包装之间设置非导电挡板以防止电池短路。
继续参考图3，例如，本发明的双极电池组50可以包括由MPU 12和32形成的多个电池节(例如电池节22a-22e)、以及在它们之间的一个或更多个BPU 2(例如BPU 2a-2d)的堆叠体。根据本发明某些实施方式所述，衬底(例如衬底6a-6d、16、和36)、电极层(例如正电极层4a-d和14，以及负电极层8a-8d和38)、电解质层(例如层10a-10e)、和垫片(例如垫片60a-60e)中的每个的厚度和材料都可以彼此不同，不仅是电池节与电池节之间不同，而且在特定的电池节内也可以不同。这种几何和化学上的变化——不仅在堆叠体的层面上，而且在单个电池单元的层面上——可以创建具有众多不同优点和性能特征的电池组。
例如，特定电极单元的特定衬底的特定侧可以用各种活性材料沿着其不同部分涂敷，用于形成正活性材料电极层。例如图4A和4B所示，BPU 2a的衬底6a的一个侧面可以包括最外部分4a’、中间部分4a”、和最内部分4a’”，用于形成正活性材料电极层4a。例如，4a’～4a’”部分中的每个都可以由不同活性材料涂敷、可以为不同厚度(例如，厚度4at’、4at”、和4at’”)，和/或可以为不同高度(例如，高度4ah’、4ah”、和4ah’”)。
当要求电池组系统对于各种操作参数提供优化性能时，可以优选地同时操作和控制具有各自的强项和弱点的独立的两个电池组的使用。例如，在电动汽车(EV)和混合电动汽车(HEV)的情况下，要求电池组系统不仅要提供特别充足的能量储存能力用于长距离行驶，而且还要提供特别充足的充电和放电速率用于在道路上安全地加速和减速。例如，以其充沛的能量储存能力著称的锌锰电池组可以与以其高充/放电速率能力著称的镍氢电池协同地被控制，以提供足以用于任何电动汽车的电池组系统。根据本发明的某些实施方式，可以在电池组的特定电池节内使用各种化学成分和几何形态以优化所述电池的各种功能，诸如能量储存、用于长保存期限的自放电调控、以及高的充/放电速率，如将在下文中对于电池节22b和图5到5C的描述那样。
如图所示，BPU 2a的衬底6a的一个侧面可以包括最外部分8a’和最内部分8a”，用于形成负活性材料电极层8a。例如，最外部分8a’可以由最外侧负极材料制成，可以具有最外侧厚度(例如最外侧厚度8at’)，以及可以具有最外侧高度(例如最外侧高度8ah’)；而最内部分8a”可以由最内侧负极材料制成，可以具有最内侧厚度(例如最内侧厚度8at”)，以及可以具有最内侧高度(例如最内侧高度8ah”)。例如，最外部分8a’的几何形态(例如高度8ah’和厚度8at’)可以占负电极层8a的负活性材料的80％，而最内部分8a”的几何形态(例如高度8ah”和厚度8at”)可以占负电极层8a的负活性材料的20％。
类似地，BPU 2b的衬底6b的一个侧面可以包括最外部分4b’和最内部分4b”，用于形成正活性材料电极层4b。例如，最外部分4b’可以由最外侧正极材料制成，可以具有最外侧厚度(例如最外侧厚度4bt’)，以及可以具有最外侧高度(例如最外侧高度4bh’)；而最内部分4b”可以由最内侧正极材料制成，可以具有最内侧厚度(例如最内侧厚度4bt”)，以及可以具有最内侧高度(例如最内侧高度4bh”)。例如，最外部分4b’的几何形态(例如高度4bh’和厚度4bt’)可以占正电极层4b的正活性材料的80％，而最内部分4b”的几何形态(例如高度4bh”和厚度4bt”)可以占正电极层4b的正活性材料的20％。
另外，可以沿着电极2a和电极2b的各个部分用各种几何形态和各种隔离件材料将电极2a和电极2b分隔开。例如，一旦电池被堆叠、密封，并且被包装40所支持，那么最外部分8a’和最外部分4b’由于其几何形态(例如，高度8ah’和高度4bh’)可以被分离开最外侧距离od，而最内部分8a”和最内部分4b”可以只被分离开最内侧距离id。
隔离件9b的两个隔离件部分(例如最外侧隔离件部分9b’和最内侧隔离件部分9b”)可以被设置于电池节22b的电解质层10b中。这些最外侧和最内侧隔离件部分可以具有不同高度(例如最外侧隔离件高度9bh’和最内侧隔离件高度9bh”)。根据本发明不同实施方式，这些高度可以或可以不分别地对应于最外侧电极部分8a’和4b’之间的不同距离(例如最外侧距离od)以及最内侧电极部分8a”和4b”之间的不同距离(例如最内侧距离id)。例如，在某些实施方式中，电极层的某些部分之间的距离可以大于电极层的某些其它部分之间的距离。例如，最外侧电极部分8a’和4b’之间的最外侧距离od可以为约5毫米，而最内侧电极部分8a”和4b”之间的最内侧距离id可以为约1毫米。
另外，最外侧和最内侧隔离件部分9b’和9b”中的每个都可以由不同的隔离件材料制成，使得每个隔离件部分可以被设计为对可以在其相应的电极部分(例如最外部分8a’/4b’和最内部分8a”/4b”)上创建的特定的树枝状结晶(dendrite)进行控制，这种树枝状结晶其自身可以具有不同的化学成分。电池单元的各个部分中的每个的活性材料可以具有不同的树枝状结晶。例如，电池单元的各个部分中的每个可以由不同材料制成，和/或每个都可以被设置为具其自身唯一的表面处理、孔隙率(porosity)、拉伸特性、和/或压缩特性。另外，在某些实施方式中，例如，电池节可以通过在隔离件上使用不同的研磨性的(whetting)药剂或处理来使电解质的分散(dispersion)和集中(concentration)有区别。因此，可以在隔离件的某些部分(例如，9b’或9b”部分)中创造一个或更多的集中区，以经由这种集中区进行更好的离子传输(例如为了在电池单元内部的更好的功率或热传输或者更好的电化学效率或更好的气体复合)。类似地，各种粘合剂系统，例如诸如CMC、Crayton橡胶、金属泡沫、PTFE、和PVOH，可以被用于将各个活性材料电极部分的每个涂敷在多个化学电池节的衬底上，以实现例如电池单元的功率、能量密度、和/或循环寿命的平衡。
如上所述，对于电动汽车领域，例如，当需要能提供特别充足的能量储存能力以及特别充足的充放电速率的电池组时，负活性材料电极层8a和正活性材料电极层4b中每个的几何形态和化学成分可以在电池节22b内有所不同。例如，最外部分4b’和最外部分8a’——其每个的几何形态都可以占其相应的电极层的活性材料的80％——可以实质上由锌锰(ZnMn)制成并且可用作电池单元22b的第一部件，主要适合于能量储存。另一方面，例如，最内部分4b”和最内部分8a”——其每个的几何形态都可以占其相应的电极层的活性材料的20％——可以实质上由镍氢化金属(NiMH)制成并且可用作电池单元22b的第二部件，主要适合于高的充/放电速率。
由于这些合成化学成分的行为，它们可以在单个电池节内彼此取长补短。例如，电池单元的NiMH部分可以限制ZnMn部分在脉冲放电下的过放电，并且可以因此而延长ZnMn部分的循环寿命，因为ZnMn部分可以不被驱动至形成树枝状晶体的低电压。同样，电池单元的ZnMn部分可以延长保存期限，并且可以通过将NiMH部分保持在高电荷态(high state of charge)来减少电池单元的NiMH部分的自放电。这与NiMH电池单元的自放电的天然趋势相反，这种自放电的天然趋势使得MH电极在低电荷态(low state of charge)被腐蚀并且降低NiMH的寿命。因此，电池节内提供的两种或更多的不同化学成分可以用作各种化学成分的功能之间的控制器。
作为另一个例子，在同一个电池单元中的多种电化学物质的组合可以利用各种电化学的加热和冷却特性来调节电池单元的温度。在一个实施方式中，例如，电池节的活性材料的第一部分可以由镍镉(NiCad)制成，第二部分可以由锌锰制成。在这种电池单元放电时，NiCad部分可以发热并可以将电池单元的处于寒冷条件下的另一部分(例如，ZnMn部分)加热。在重新充电时，电池单元的NiCad部分可以吸热并可以通过吸收热量来冷却电池单元的另一个部分。这样，NiCad化学成分部分可以帮助冷却另一个化学成分部分——该另一个化学成分部分通常在放电结束时是热的——由此通过减少热应力来提高重充电速率并延长电池的循环寿命。电池单元的各种化学成分可以被放置为使得冷却化学成分(例如，NiCad)可以处于电池单元的中央或者至少关于电池单元的需要冷却的另一种化学成分来说位于内部，这与将冷却化学成分部分放置于可能更易于移除热量的电池单元边缘的作法不同。
另外，除了如上所述(例如参见图4到5C)的改变特定电池节内的衬底、电极层、电解质层、或垫片的材料和几何形态之外，衬底、电极层、电解质层、和垫片的材料和几何形态还可以沿着堆叠高度方向上逐个电池节地变化。再参考图3，例如，电池组50的每个电解质层10中所使用的电解质11可以基于其相应的电池节22距离电池节堆叠体的中间的接近程度来变化。例如，最内侧电池节22c(即电池组50中的5个电池节22中的居中的电池节)可以包括由第一电解质形成的电解质层(即电解质层10c)，中间电池节22b和22d(即电池组50中与终端电池节相邻的电池节)可以包括每个都由第二电解质形成的电解质层(即分别为电解质层10b和10d)，而最外侧电池节22a和22e(即电池组50中最外侧的电池节)可以包括每层都由第三电解质形成的电解质层(即分别为电解质层10a和10e)。通过在内部堆叠体中使用更高导电率的电解质，可以降低电阻以减少所产生的热量。这可以通过设计而非外部冷却方法，来对电池组提供热控制。
作为另一个例子，电池组50的每个电池节中被用作电极层的活性材料也可以基于其相应的电池节22距离电池节堆叠体的中间的接近程度来变化。例如，最内侧电池节22c可以包括由具有第一温度和/或速率性能的第一类型活性材料形成的电极层(即8b和4c层)，中间电池节22b和22b可以包括由具有第二温度和/或速率性能的第二类型活性材料形成的电极层(即8a/4b层和8c/4d层)，而最外侧电池节22a和22e可以包括由具有第三温度和/或速率性能的第三类型活性材料形成的电极层(即38/4a层和8d/14层)。作为一个例子，电池组堆叠体可以通过构造具有更擅长吸热的镍镉电极的最内侧电池节，而最外侧电池节可以设置可能需要更低温度的镍氢电极。替代地，电池组的化学成分或几何形态可以是非对称的，其中位于堆叠体的一端处的电池节可以由第一活性材料以第一高度制成，而位于堆叠体的另一端处的电池节可以由第二活性材料以第二高度制成。
另外，电池组50的每个电池节的几何形态还可以沿着电池节的堆叠体变化。除了改变特定电池节内部的活性材料之间的距离(例如参见图5的距离id和od)之外，某些电池节22可以在这些电池节的活性材料之间具有第一距离(例如参见图5的距离id或od)，而其它电池节可以在这些电池节的活性材料之间具有第二距离。无论如何，例如，在活性材料电极层之间具有更小距离的电池节或它们的一部分可以具有更高的功率，而例如，在活性材料电极层之间具有更大距离的电池节或它们的一部分可以具有用于树枝状晶体生长的更大的空间、更长的循环寿命、和/或更多的电解质贮藏量。例如，在活性材料电极层之间具有更大距离的这些部分可以调节电池的电荷接受能力以确保在活性材料电极层之间具有更小距离的部分可以先充电。
在某些实施方式中，当第一和第二化学成分要在特定电池节中被组合和平衡以共享公用电解质时，第一化学成分的电压范围可以在第二化学成分的电压范围内电操作(electrically operate)。例如，NiMH可以具有在约1.50VDC与约0.80VDC之间的电压范围，而ZnMn可以具有在约1.75VDC与约0.60VDC之间的电压范围。这样，可以通过匹配容量来平衡单个电池单元内部的多种电化学成分。例如，混合的化学成分还可以通过用控制电子装置执行电化学平衡来电匹配，类似于通常在单一电池化学成分包(battery chemistrypack)内完成电池单元平衡的方式。例如，两个或更多种电化学成分之间的电压差别可以在它们的完全放电和再充电曲线(profile)之上被连续地或脉冲式地调整。
然而，当一个个电池单元使用不同的设计时，电池单元之间的电阻值可以不同并且可能还需要电压平衡。当平衡不同设计的各种电池单元时，外部的容量平衡可以通过并联放置某个数量的单个电池单元来完成，而外部的电压平衡可以通过串联放置某个数量的单个电池单元来完成。例如，任何类型的电池单元都可以与由不同电化学成分制成的任何其它类型的电池单元组合以组成混合电化学成分电池包(electrochemistry battery pack)。例如图34A和34B所示，许多由第一电化学成分制成的第一电池单元850可以以各种方式连接许多由第二电化学成分制成的第二电池单元950，以组成混合电化学成分电池包。电池单元850和950的每个都可以是各种类型的电池单元中的任意一种，其包括——但不只限于——方形电池单元、卷绕式电池单元、MPU电池单元、或BPU电池单元。在图34A中，例如，电池包900可以通过利用连接件875将三节1.2V NiMH五号(AA)电池单元850和两节1.5V ZnMn五号(AA)电池单元950外部串联来组成和平衡。然而，在图34B中，例如，电池包900’可以通过利用连接件875将三节1.2V NiMH五号(AA)电池单元850和两节1.5VZnMn五号(AA)电池单元950外部并联来组成和平衡。
将多种电化学成分组合到电池中——如上所述对于单个电池单元内的多种化学成分(例如参见图1到9)、或者如上所述关于连接着其它多个单个化学成分电池的多个单个化学成分电池(例如参见图34A和34B)——的众多好处之一，是可以省略电池的形成或充电步骤。例如，对于图5到5C所示的、其中活性材料电极的第一部分可以为ZnMn而另一部分可以为NiMH的电池节22b，处于自然状态的ZnMn部分在被设置于电池节的衬底上时可以是已充电的，而NiMH部分在被设置于衬底上时可能需要被形成或充电。由于这类电池单元的所述混合化学成分，电池节的ZnMn部分可以作为自然充电器并且可以形成所述电池单元的NiMH部分，使得其可以为标准的充/放电使用做好准备而不需要传统的充电步骤。这样，通过提供并混合某些电化学成分和其它电化学成分，在电池的电池单元内或不同的电池单元之间，所述多种电化学成分中的一种或更多种能对电池中的其它电化学成分中的一种或多种充电从而可以被略过电池制造中的传统的和复杂的电池单元的形成/充电步骤。
如上所述，制造本发明的双极电池组的方法可以一般包括如下步骤：提供MPU；和在最终用另一个相反极性的MPU完成堆叠体之前，在所述MPU上堆叠一个或更多个BPU，在这些MPU之间具有电解质层和垫片。例如，结合图10～20说明本发明所述的制造堆叠双极电池组1050的方法。例如，对于图10和11，可以首先与防渗导电衬底1036和被涂敷于其上的负活性材料电极层1038一起设置负极MPU 1032。可以设置具有至少部分地围绕负电极层1038的凹槽形部分1071的衬底1036。
接下来，可以在衬底1036上在电极层1038周围堆叠垫片1060(例如参见图12和13)。凹槽形部分1061可以被倒角进垫片1060的与衬底1036相接触的那一侧中，使得凹槽形部分1061和1071可以对准以在垫片和衬底之间创建槽形接触表面区域或凹槽1070。这些互补的凹槽形部分可以帮助垫片在它被堆叠于MPU上时关于MPU自对准，由此简化该生产步骤。这些在垫片和MPU的表面中的互补的凹槽形部分还可以配合到一起以限制两个表面之间的某些类型的相对移动。例如，凹槽形部分1061和1071的配合的相互作用(mated interaction)、以及由此产生的槽形接触表面区域或凹槽1070，可以限制垫片1060和MPU 1032在大致垂直于垂直堆叠体20方向的方向上的相对移动(即凹槽1070可以防止垫片1060和MPU1032在被垂直堆叠时不成直线地相对水平移动)。
一旦垫片1060被堆叠在了MPU 1032的顶部上，就可以由垫片1060的内侧壁和该内侧壁之间的MPU 1032的一部分限定实质上流密的杯形容器(例如参见空间1080)。垫片的内侧壁和该内侧壁间的电极单元的一部分之间所形成的角度(例如，图13中，垫片1060的内侧壁和内侧壁间的MPU 1032的一部分之间的角度1078)可以是任何合适的角度，包括直角、钝角、或锐角。
接下来，可以在负电极层1038的顶上在垫片1060的内壁内放置隔离件1009和电解质1011，以在空间1080内限定电解质层1010(例如参见图14和15)。当所要使用的电解质非常粘时，垫片和MPU之间所创建的密封可以允许电解质容易被注入到空间1080中而不会泄漏。要理解的是，如果电解质在注入到堆叠体中时不是粘性的(例如，在电解质被冰冻于隔离件内的实施方式中)，电解质层可以在垫片被固定于MPU上之前被堆叠于MPU上。
一旦电解质层1010的隔离件1009和电解质1011被放置于由垫片1060和MPU 1032所限定的空间1080内，就可以在其上堆叠第一BPU 1102(例如参见图16和17)。如图16所示，BPU 1102可以包括具有正电极层1104和涂敷于相反一侧上的负电极层1108的防渗导电衬底1106。可以在衬底1106的两侧中的一侧上设置凹槽形部分1171，该凹槽形部分1171至少部分地围绕BPU 1102的正电极层1104和/或电极层1108。以使BPU 1102的正电极层1104面朝下对着MPU 1032的负电极层1038的方式，BPU 1102可以被堆叠于垫片1060上，使得设置在垫片1060的顶部上的凹槽形部分1161和衬底1106的凹槽形部分1171可以对准并在垫片和衬底之间创建槽形接触表面区域或凹槽1170。这些互补的凹槽形部分可以帮助BPU在其被堆叠于垫片上时关于垫片和MPU自对准，由此简化该生产步骤。一旦BPU 1102被堆叠于垫片1060顶上，也就是MPU 1032之上，就可以形成第一电池节1022。另外，据此可以由衬底1106、衬底1036、和围绕着电解质层1010(以及电解质1011)的垫片1060限定实质上流密的密封。
应注意的是，垫片1060顶部上的凹槽形部分1161(以及衬底1106底部上的凹槽形部分1171)可以具有与垫片1160底部上的凹槽形部分1061相同的尺寸、形状、和形式(例如，在它们的横截面和垂直截面方面)，但垫片的顶部和底部上的凹槽形部分可以彼此不同，例如图16所示。类似地，在电极单元的每个衬底的顶部和底部上所设置的凹槽形部分可以彼此不同(例如参见图16中BPU 1102的凹槽形部分1171和1271)。
一旦由垫片1060、电解质层1010、和堆叠于MPU 1032的顶部上的BPU 1102创建了该第一电池节1022，如上关于图10到17所述，那么如果需要的话，可以以相似方式在其上堆叠其它的BPU。一旦为双极电池组堆叠了所需数量的BPU，就可以在其上堆叠第二MPU。参考图18，正极MPU 1012可以被堆叠于最顶部的BPU的顶上(在本实施方式中，只提供了一个BPU，因此BPU 1102就是所述最顶部的BPU)。然而，在MPU 1012被堆叠于BPU 1102上之前，可以像上述关于垫片1060和电解质层1010那样设置另外的垫片(即具有底部凹槽形部分1261和顶部凹槽形部分1361的垫片1160)和电解质层(即具有隔离件1109和电解质1111的电解质层1110)。例如，凹槽形部分1261和1271可以对准以在垫片1160和衬底1106之间创建槽形接触表面区域或凹槽1270。这些互补的凹槽置形部分可以帮助垫片1160在它被堆叠于BPU 1102上时关于BPU 1102自对准，由此简化该生产步骤。
可以对正极MPU 1012设置防渗导电衬底1016和涂敷于其上的正活性材料电极层1014。可以对衬底1016设置至少部分地围绕正电极层1014的凹槽形部分1371。MPU 1012可以以使MPU 1012的正电极层1014面朝下对着BPU 1102的负电极层1108方式被堆叠于垫片1160上，使得设置在垫片1160的顶部上的凹槽形部分1361和衬底1016的凹槽形部分1371可以对准并在垫片和衬底之间创建槽形接触表面区域或凹槽装置1370。这些互补的凹槽形部分可以帮助正极MPU 1012在其被堆叠于垫片1160上时关于垫片1160以及BPU1102、垫片1060、和负极MPU 1032自对准。本发明的双极电池组的所述自对准特征可以显著简化该生产步骤。一旦MPU 1012被牢固地堆叠于垫片1160顶部上，也就是BPU 1102之上，就可以形成第二电池节(即，电池节1122)。另外，据此可以由衬底1016、衬底1106、和围绕着电解质层1110(以及电解质1111)的垫片1160限定实质上流密的密封。
一旦堆叠体被制造成包括正极MPU、负极MPU、和位于它们之间的至少一个BPU，由此形成电池节的堆叠体，如上关于图10到18所述，例如，就可以提供外壳或包装以密封堆叠体的内容物用于形成本发明的有效的堆叠双极电池组。在第一实施方式中，如图19和20所示，包装1040可以以围绕电池节(即电池节1022和1122)的堆叠体的方式来设置，使得终端电极层(即正电极层1014和负电极层1038)可以被暴露出来(例如分别经由导电衬底1016和1036的至少一部分)，并且使得可由围绕着堆叠体的内容物的包装提供C形夹紧装置(C-shaped clamping arrangement)以提供堆叠双极电池组1050。
例如，可以由包装沿箭头PD方向向下在MPU 1012的衬底1016上以及沿箭头PU方向向上在MPU 1032的衬底1036上都施加压力。在本发明的某些实施方式中，由包装在箭头PU和PD中每一个的方向上所施加的压力可以大致与电池组的电池节之垂直堆叠方向成一直线或平行。另外，包装所施加的夹紧压力可以大致在堆叠电极单元的每层活性材料(例如电极层1014、1104、1108、和1038)的边缘或外围，而不是与任何活性材料成一直线，使得箭头PU和PD方向上的夹紧压力不会将电池节的负活性材料电极层和正活性材料电极层朝着彼此强推，否则可能潜在地使电池短路。
另外，例如，包装所施加的夹紧压力可以与堆叠体中的至少一个垫片的一部分大致成一直线(例如图19所示)。该压力可以维持堆叠体中每个垫片和相邻电极单元之间的密封关系用以创建围绕着每个电解质层的实质上流密的挡板。应注意的是，如以上根据本发明某些实施方式所述，垫片和在与其对应的相邻的电极单元中所形成的凹槽形部分的配合可以减少为了创建实质上流密的密封而在箭头PU和PD每个的方向上所需施加的夹紧压力的量。如果没有这类凹槽形部分，垫片和相邻的电极单元之间的密封部分将会是平坦的，并且例如会由于内部电池单元压力而易滑动(例如在平行或垂直于垂直堆叠的方向上)，由此需要增加夹紧压力以抵消任何滑动趋势。
在另一个实施方式中，如图21和22所示，可以围绕电池节(即电池节1022和1122)的堆叠体来设置包装1040’，该包装1040’可以由密封包装(seal wrap)、收缩包装、密封带、或其它合适的可变形材料制成。可以围绕堆叠体来设置包装1040’，使得终端电极层(即正电极层1014和负电极层1038)可以被暴露出来(例如分别经由导电衬底1016和1036的至少一部分)，并且使得可由围绕着堆叠体内容物的包装提供单外缘(solely outer-edge)夹紧装置以提供堆叠双极电池组1050’。
由包装1040’所包装的电池节堆叠体可以被放置于容器1060’中，该容器1060’的截面区域可以与被包装的堆叠体的形状类似但更大。一旦被包装的堆叠体被放置于容器1060’中，任何合适的可以在受压时展开的流体1070’，例如，诸如空气、水、或泡沫，可以围绕包装1040’被填充到容器1060’中。然后容器可以被密封，并且其所封入的流体1070’可以被加压使其可以展开以围绕包装1040’表面区域以在箭头PS方向上提供向内的压力，该箭头PS可以大致垂直于电池节堆叠体的垂直方向，以围绕电池节堆叠体紧固包装1040’。
该压力可以维持堆叠体中每个垫片和与之相邻的电极单元之间的密封关系用以创建围绕着电池组1050’的每个电解质层的实质上流密的挡板，该电池组1050’可以在随后从容器1060’中移除。应注意的是，如以上根据本发明某些实施方式所述，垫片和与其对应的相邻的电极单元中所形成的凹槽形部分的配合可以减少为了创建实质上流密的密封而在箭头PS方向上所需施加的侧向压力的量。侧向压力可以在箭头PS方向上强迫第一凹槽形部分的至少一部分紧靠相应的第二凹槽形部分的至少一部分以进一步增加在这些凹槽形部分之间所创建的槽形接触表面区域或凹槽(例如凹槽1070、1170、1270、或1370)处的密封的密封性。
例如，当垫片正被侧向压力在箭头PS方向上(例如，被包装或压力向内朝电池单元)横向地或水平地按压时，垫片的凹槽形部分的几何形态可以与垫片顶上的电极单元的互补的凹槽形部分的几何形态相互作用，以将至少一些侧向压力转变成垂直压力，由此将垫片强推到电极单元中并由此在更大的表面区域之上消散侧向压力。在另外的实施方式中，可以围绕堆叠体提供包装以在堆叠体的顶部和底部上(例如，在图19和20的箭头PD和PU方向上)提供夹紧压力以及在堆叠体的侧部上(例如，在图21和22的箭头PS方向上)提供侧向压力。
无论在隔离件内的电解质是否十分粘稠、十分稀薄、或甚至是冻结的，可被沉积到特定电池单元中的电解质的量可以受由垫片高度和其间的电极单元的尺寸所限定的空间限制。例如，如以上关于图12到16所述，可以注意到，可被沉积到负电极层1038顶上的垫片1060的内壁中的电解质的量可以受空间1080以及垫片1060的高度限制。当一些电解质被电池节的电极单元的活性材料(例如活性材料电极层1038和1104)吸收时，在电极层之间的空间中与隔离件一起存在的电解质可能更少。可能希望在电池组的制造期间增加沉积到电池组的电池节内的电解质的量，使得一旦充入电解质而形成电池组，每个电池节可以由电解质大致填充。
现在结合图23到26来说明制造与图10到20的电池1050类似的电池组的方法的另一个实施方式，例如，使得可以在电池节形成期间在电池节中沉积更大量的电解质。例如，如图23所示，可以首先对负极MPU 2032设置防渗导电衬底2036和涂敷于其上的负活性材料电极层2038。可以对衬底2036设置至少部分地围绕负电极层2038的凹槽形部分2071。实质上不可压缩的垫片2060可以围绕着电极层2038堆叠于衬底2036上。凹槽形部分2061可以被倒角进垫片的与衬底2036相接触的一侧中，使得凹槽形部分2061和2071可以对准以在垫片和衬底之间创建槽形接触表面区域或凹槽2070。这些互补的凹槽形部分可以帮助垫片在它被堆叠于MPU上时关于MPU自对准，由此简化该生产步骤。这些位于垫片和MPU表面中的互补的凹槽形部分还可以配合到一起以限制两个表面之间某些类型的相对移动。
另外，也可以和具有高度H的实质上不可压缩的垫片2060一起，在垫片2060内部或外部，在衬底2036上围绕着电极层2038堆叠体具有高度H’的可压缩垫片2060’。一旦在MPU 2032顶部上堆叠了可压缩垫片2060’，就可以由垫片2060’的内侧壁和其间的MPU 2032的一部分限定实质上流密的杯形容器(例如参见空间2080’)。互补的凹槽形部分，类似于电极单元2032的凹槽形部分2071和垫片2060的凹槽形部分2061，可以被倒角进衬底2036和可压缩垫片2060’中，使得凹槽形部分可以对准以在可压缩垫片2060’和衬底2036之间创建槽形接触表面区域或凹槽2070’。这些互补的凹槽形部分可以帮助可压缩垫片2060’在它被堆叠于MPU 2032上时关于MPU2032自对准。
接下来，可以在垫片2060的内侧壁内在负电极层2038的顶上放置隔离件2009和电解质2011，以在空间2080’内限定电解质层2010。当所要使用的电解质非常粘稠时，在垫片和MPU之间所创建的密封可以允许电解质容易被注入到空间2080’中而不会泄漏。要理解的是，如果电解质在注入到堆叠体中时不是粘性的(例如，在电解质被冻结于隔离件内的实施方式中)，电解质层可以在垫片被固定于MPU上之前被堆叠于MPU上。
例如，可压缩垫片2060’在图23中的其原始未压缩构造中可以具有高度H’。可压缩垫片2060’的所述未压缩高度H’可以大于不可压缩的垫片2060的高度H，使得由可压缩垫片2060’和MPU 2032所限定的空间2080”(参见，例如图23)可以大于由不可压缩的垫片2060和MPU 2032所限定的空间2080(参见，例如图25)。通过为电解质提供比空间2080大的空间2080’，可压缩垫片2060’可以允许更大量的电解质2011在电池节的制造期间被沉积到电池节(例如，图24的电池节2022)中。
一旦在由可压缩垫片2060’和MPU 2032所限定的空间2080’内沉积了电解质层2010的隔离件2009和电解质2011，就可以在上面堆叠BPU 2102(例如参见图24)。如图24所示，例如，BPU2102可以包括具有正电极层2104和涂敷于相反一侧上的负电极层2108的防渗导电衬底2106。可以在BPU 2102的正电极层2104面朝下对着MPU 2032的负电极层2038的状态下，将BPU 2102堆叠于可压缩垫片2060’上。互补的凹槽形部分可以被形成于衬底2106和可压缩垫片2060’中，使得凹槽形部分可以对准并在可压缩垫片2060’和衬底2106之间创造槽形接触表面区域或凹槽2170’。这些互补的凹槽形部分可以帮助BPU 2102在其被堆叠于垫片上时关于可压缩垫片2060’和MPU 2032自对准，由此简化该生产步骤。
一旦将BPU 2102堆叠于可压缩垫片2060’顶上，也就是MPU 2032之上，就可以形成第一电池节2022。另外，实质上流密的密封可以由此被衬底2106、衬底2036、和围绕着电解质层2010(以及电解质2011)的可压缩垫片2060’限定。电极层2038和2104的活性材料以及电池节2022的隔离件2009可以能够摄取或吸收电解质2011而可以将电池节充电。然而，如上所述，在某些实施方式中电池节可以不需要充电(例如，其中电池节的ZnMn部分可以作为电池节的NiMH部分的自然充电器)。
一旦电极层和隔离件吸收了任何电解质并且电池节2022被自然地或非自然地充电了，就可以形成其它电池节以完成电池节堆叠体，然后可以设置外壳或包装以密封堆叠体的内容物用于形成本发明的功能的堆叠双极电池组，如上关于电池组1050所述。例如，类似于图19的包装1040，包装(未图示)可以沿箭头PU和PD方向在包括电池节2022的电池节堆叠体顶部上和底部上施加夹紧压力(例如参见图25)以形成电池组2050。
包装或外壳在箭头PU和PD方向上的夹紧压力可以压缩电池节2022的可压缩垫片2060’，使得可压缩垫片2060’缩减成高度为H”的压缩构造，该高度H”与不可压缩的垫片2060的高度H大致相等。因此，不可压缩的垫片2060的高度H可以限定电池节2022的高度，于是限定电池节的活性材料电极层(即层2038和2104)之间的密封距离D。因此在电池组2050的最终形式中，电池节2022内由垫片2060和2060’以及电极单元2032和2102对电解质2011的密封可以为实质上不可压缩的。
如图25所示，例如，衬底2106可以在其两侧中的一侧上设置至少部分地围绕BPU 2102的正电极层2104和/或电极层2108的凹槽形部分2171。因为包装的在箭头PU和PD方向上的夹紧压力可以压缩可压缩垫片2060’，所以可以强迫BPU 2102紧靠实质上不可压缩的垫片2060，使得设置在垫片2060的顶部上的凹槽形部分2161和衬底2106的凹槽形部分2171可以对准并在垫片2060和衬底2106之间创建槽形接触表面区域或凹槽2170。这些互补的凹槽形部分可以帮助BPU 2102在包装压缩和密封电池2050的电池节2022的内容物时关于垫片2060和MPU 2032自对准，由此简化该生产步骤。
将可压缩垫片2060’从图23和24的原始未压缩高度H’压缩到图25的压缩高度H”可以类似地将电池节2022内用于电解质2011的空间从图23和24的未压缩空间2080’的未压缩尺寸缩减到图25的压缩空间2080的压缩尺寸。因此，未压缩空间2080’中的可通过电极单元2032和2102以及隔离件2009吸收一些电解质而腾出空间的任何部分可以通过将未压缩空间2080’缩减成压缩空间2080来消除，使得所有的压缩空间2080都可以用电解质2011或隔离件2009填充。这样，本发明的电池组的电池节可以在电池节形成期间被设置更大量的电解质，使得当电池组被完全压缩和密封时，已充电的电池节可以在形成之后被电解质完全填充。
在一些实施方式中，可压缩垫片2060’可以至少部分地由可以阻拦(dam up)或吸收电解质2011的材料制成。在一些实施方式中，可压缩垫片2060’可以至少部分地由可以保护电池节的一个或全部两个电极单元的活性材料的材料制成。可压缩垫片可以由例如聚合物制成，所述聚合物可以包含随着时间推移从所述聚合物中沥滤出来(leach out of the polymer)(例如通过电循环或热循环)并进入到电解质中以在电池单元的正活性材料或负活性材料上提供微涂层和/或减慢电池单元的活性材料氧化的材料(例如金属和/或氧化物)。例如，沥滤材料可以以比活性材料更低的反应态氧化以保护电池单元免于氧化和损失容量。此类具有沥滤材料的可压缩垫片可以被配置为适合于极端条件，诸如过充电或过放电，并且可以被用于阻挡会允许树枝状晶体生长从而引起电池短路的通路。在另一些实施方式中，可压缩垫片2060’可以由衬底2036的一部分形成并被作为该衬底2036的扩展部分与衬底2036一体化，使得它们之间不存在流体通道。这类可压缩垫片可以由例如可压缩金属形成。此外，可以对衬底设置这类被一体化于其上的扩展物，但是该扩展物不是可压缩的。作为替代，这类衬底扩展物可以等于或短于电池单元的垫片，使得衬底的扩展物可以即使在垫片被设置之前为所要沉积的电解质创建固有的密封空间。
在一个替代实施方式中，与上述关于电池组2050的电池节2022所述的提供并排的可压缩垫片和不可压缩的垫片相反，可以提供一个具有至少一个可压缩部分的垫片用于制造可以在电池单元形成期间被过量填充了电解质的电池节。如图26和27所示，例如，垫片2060可以被设置于BPU 3102和MPU 3032之间用于密封电池节3022中的电解质3011。垫片3060可以包括具有原始未压缩高度H’的可压缩垫片部分3060”、和具有高度H的实质上不可压缩的垫片部分3060”。
在电解质3011被沉积于电池节3022的未压缩空间3080’中之后，包装或外壳(未图示)在箭头PU和PD方向上的夹紧压力可以压缩电池节3022的可压缩垫片部分3060’，使得可压缩垫片部分3060’缩减成高度为H”的压缩构造，该高度H”小于高度H’。因此，不可压缩的垫片部分3060”的高度H和压缩了的高度H”一起可以限定电池节3022的高度H’”，于是限定电池节的活性材料电极层(即层3038和32104)之间的密封距离D。因此在电池组3050的最终形式中，电池节3022内由垫片部分3060’和3060”以及电极单元3032和3102所构成的电解质3011的密封可以为实质上不可压缩的。
将可压缩垫片部分3060’从图26的原始未压缩高度H’压缩到图27的压缩高度H”可以类似地将电池节3022内用于电解质3011的空间从图26的未压缩空间3080’的未压缩尺寸缩减到图27的压缩空间3080的压缩尺寸。因此，可以通过将未压缩空间3080’缩减成压缩空间3080来消除未压缩空间3080’的可通过电极单元3032和3102吸收的一些电解质所腾出空间的任何部分，使得所有的压缩空间3080都可以用电解质3011或隔离件3009填充。
例如，如图26和27所示，垫片3060可以包括一个或更多个不同的可压缩部分和不可压缩部分。替代地，垫片3060可以是在其整体上实质上可压缩的，能够从具有未压缩高度(例如高度H加H’)的原始未压缩构造压缩到具有压缩高度(例如高度H’”)的压缩构造。实质上可压缩的垫片3060的压缩高度可以由电池包装所施加的压力的大小和/或垫片3060的成分决定。当电池3050被其包装完全密封并压缩，垫片3060的压缩高度可以限定电池节的活性材料电极层之间的密封距离D。
如上所述，为了创建更好的密封，垫片的表面区域和相邻的电极单元的表面区域的相互接触的一个或更多个部分可以每个都被互补地或者相应地开槽、倒角、或成形(例如形成凹槽(例如参见图6的凹槽70))。可以沿着或者按照在电池节中创建密封的各种元件的相应地成形地或互补地成形地部分——其包括但不限于例如固体密封环和粘性材料的互补成形部分、固体密封环和电极层的互补成形部分、第一粘性材料和第二粘性材料的互补成形部分、第一固体密封环和第二固体密封环的互补成形部分、以及它们的组合——来形成这些凹槽装置。
虽然以上说明和阐释的堆叠电池组的每个实施方式都表示了包括被密封在每个第一和第二电极单元上以将电解质密封于其中的垫片电池节，但是应注意的是，电池节的每个电极单元可以被密封到它自己的垫片上，然后相邻的两个电极的垫片可以被相互密封以创建密封的电池节。例如图28所示，电池组4050的电池节4022可以包括MPU 4032和BPU 4102。
第一垫片4060可以被设置成完全包围MPU 4032的衬底4036的外边缘，围绕着MPU 4032的负活性材料电极层4038。凹槽4070可以被设置于围绕着电极层4038的衬底4036的顶部和垫片4060的一部分之间以对衬底和垫片的接触表面的密封提供帮助。类似地，第二垫片4160可以被设置成完全包围BPU 4102的衬底4106的外边缘，围绕着BPU 4102的正活性材料电极层4104及其负活性材料电极层4108。第一凹槽4170可以被设置于围绕着电极层4104的衬底4106的底部和垫片4160的第一部分之间，而第二凹槽4270可以被设置于围绕着电极层4108的衬底4106的顶部和垫片4160的第二部分之间。每个凹槽4170和4270可以对衬底4106和垫片4160的接触表面的密封提供帮助。另外，凹槽4370可以被设置于垫片4060的顶部和垫片4160的底部，围绕着电极层4038和4104，以对垫片4060和垫片4160的接触表面的密封提供帮助。要注意的是，这种密封可以将每个电池单元内的密封表面的数量从两个减少到一个，并可以依靠垫片的材料在电池单元的每个衬底的边缘处形成密封。
在某些实施方式中，垫片可以被注塑到电极单元或另一个垫片上，使得它们可以融合在一起以创建密封。在某些实施方式中，垫片可以被超声焊接到电极单元或另一个垫片上，使得它们可以一起形成密封。在另外的实施方式中，垫片可以被热熔合到电极单元或另一个垫片上，或者通过热流由此垫片或电极单元可以被加热熔融到另一个垫片或电极单元中。另外，在某些实施方式中，替代在垫片和/或电极单元的表面上创建凹槽成形部分地、或者除在垫片和/或电极单元的表面上创建凹槽成形部分外，垫片和/或电极单元可以被穿孔或者具有穿透其一个或更多个部分的一个或更多个孔。例如图21所示，孔或通道或穿孔1175可以穿过BPU 1102的衬底1106的一部分来设置，使得垫片1060和/或垫片1160的一部分可以塑造到衬底1106上并穿过衬底1106。这可以允许垫片的材料流过衬底并更好地抓紧它以更好地应对高压。替代地，孔或通道或穿孔可以穿过垫片的一部分来设置使得电极单元(例如衬底)的一部分可以塑造到垫片上并穿过垫片。在另外的实施方式中，例如，孔可以被制造为穿过垫片和电极单元两者，使得垫片和电极单元中的每个都可以塑造到垫片和电极单元中的另一个上并穿过垫片和电极单元中的另一个上。
虽然以上说明和阐释的堆叠电池组的每个实施方式表示了通过将圆形的衬底堆叠到圆柱形电池组中形成的电池组，但是应注意的是很多种形状中的任何形状都可以被用于形成本发明的堆叠电池组的衬底。例如，可以通过堆叠具有截面区域为矩形(例如参见图29和30的方形电池5050，具有包装5040’、BPU 5102、和MPU 5012和5032，其适合被放置于移动膝上型电脑的显示屏的背后)、三角形、六边形、或其它可以想象到的任何形状或者它们的组合的衬底的电极单元来形成本发明的堆叠电池组。另外，这种形状可以包括在平面内具有一个或更多个空白空间的形状，诸如“8字形”(例如参见图31和32中的电池6050，具有包装6040’、BPU 6102、和MPU 6012和6032)。例如，这种具有两个不同的环形部分的“8字形”设计可以适用于双化学成分电池单元，其中不同的区域需要不同的活性材料化学成分，使得所述区域之间能有一些物理隔离以防止来自树枝状晶体的交叉污染但是可以跨越公用衬底被连接起来。同样，例如，这种具有中空部分的“8字形”设计可以允许其它装置，诸如电动机，被放置于电池结构的中空部分中。
另外，虽然以上说明和阐释的堆叠电池组的每个实施方式表示了通过堆叠由两个相邻的BPU或一个BPU和一个相邻的MPU制成的电池节形成堆叠双极电池组，但是应注意的是，其它类型的堆叠电池组，诸如堆叠单极电池组，可以由本发明的任意方法形成或者可以包括本发明的任意装置。例如，如图33所示，本发明的堆叠单极电池组750可以由如上关于图1到32所述的本发明的任意方法形成或者可以包括如上关于图1到32所述的本发明的任意装置。
例如，图33表示了堆叠形式的多个电池节722。每个电池节722可以包括正极单极电极单元即MPU 712、负极单极电极单元即MPU 732、和位于其间的电解质层710。每个电池节722的正极MPU 712的正电极层714可以通过所述电池节的电解质层710与所述电池节的负极MPU 732的负电极层738相对置。除了具有形成于其第一表面上的正活性材料电极层712之外，第一电池节722的正极MPU 712的衬底716还可以具有第二表面，该第二表面可被电耦接到相邻的电池节722的相邻的负极MPU 732的衬底的第二表面。
继续参考图33，例如，在由两个或更多个电池节722的堆叠体的相应的端部处可以包括负极端子和正极端子(例如，负极MPU 732a和正极MPU 712e)，以组成根据本发明所述的堆叠单极电池750。MPU 712e和732a可以被分别设置相应的正极和负极引线713和733。
堆叠的电池节722的数量可以为两个或更多个，并且可以适当地决定以符合电池组750的所需电压。每个电池节722可以提供任意所需电势，使得电池750所需电压可以通过有效地增加每个电池节722所提供的电势来实现。可以理解的是，每个电池单元722不必提供相同的电势。
在一种合适的实施方式中，堆叠的单极电池750可以被构造使得电池节722的堆叠体可以在减压下至少被部分地封装(例如气密密封)到电池外壳或包装740中。例如，MPU导电衬底716e和736a(或者至少它们各自的电极引线713和733)可以被拉出到电池外壳740外，以减轻在使用时来自外部的影响并防止因环境的退化。可以在MPU 712e和732a中提供凹陷742用于薄型外壳和平坦表面。
为了防止第一电池节的电解质与另一个电池节的电解质结合，垫片或密封装置可以在相邻电极单元之间与电解质层堆叠在一起以将电解质密封在其特定的电池节内部。例如，如图33所示，本发明的堆叠单极电池组可以包括可以被放置作为围绕每个电池节722的电解质层710和活性材料电极层714和738的挡板的垫片或密封装置760。例如，垫片或密封装置可以类似于以上关于图1到32所述的任意垫片或密封装置，并且可以将所述电池单元的垫片和相邻的电极单元之间的电解质密封起来。例如，垫片或密封装置还可以在所述电池单元的相邻电极单元之间提供合适的间距。
如以上关于图1到32所述，例如，在一种合适的方法中，压力可以在箭头P1和P2的方向上被施加于外壳740的顶部和底部，以将电池节722和垫片760压缩并保持于图33所示的密封构造中。例如，在另一种合适的方法中，压力可以在箭头P3和P4的方向上被施加于外壳740的侧部，以将电池节722和垫片760压缩并保持于图33所示的密封构造中。例如，在又一种合适的方法中，压力可以被施加于外壳740的顶部和底部并且压力还可以被施加于外壳740的侧部，以将电池节722和垫片760压缩并保持于图33所示的密封构造中。
虽然，例如，已经说明了具有改进的相邻电池单元之间的电解质的密封性的堆叠电池组，但是要理解的是，可以在不偏离本发明精神和范围的前提下对其作出很多种改变。还能够理解的是，这里所用的各种方向和定向术语诸如“水平的”和“垂直的”，“顶部”和“底部”和“侧部”，“长度”和“宽度”和“高度”和“厚度”，“内侧”和“外侧”，“内部的”和“外部的”，以及其他诸如此类只是为了方便，使用这些词语不是为了固定的或绝对的方向或定向限制。例如，本发明的装置、以及它们的单独的部件，可以具有任意所需定向。如果被重定向，那么不同的方向或定向术语可能需要被用在它们的说明中，但因为在本发明的范围和精神内所以这不会改动它们的基本属性。本领域技术人员会意识到本发明可以由所述实施方式之外的其它实施方式实现，所述的实施方式是为了说明而给出的而并非为了限制，并且本发明只受所附的权利要求的限制。

Claims (42)

1.一种电池组，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；
第二电极单元，其在所述堆叠方向上堆叠于所述第一电极单元的顶部；以及
第一电解质层，其设置于所述第一电极单元和所述第二电极单元之间，所述电池组还包括：
第一垫片，其具有内表面和外表面，其中所述第一垫片位于所述第一电解质层周围，其中所述第一电解质层被所述第一垫片的内表面和所述第一与第二电极单元所密封，并且其中所述第一电极单元的至少第一部分沿着所述第一垫片的外表面的一部分延伸。
2.如权利要求1所述的电池组，其中所述第一电极单元的所述第一部分被配置以冷却所述第一电极单元的第二部分。
3.如权利要求2所述的电池组，其中所述第二部分被暴露于所述第一电解质层。
4.如权利要求2所述的电池组，其中所述第一电极单元包含：
第一电极层，其具有第一侧和第二侧；以及
所述第一电极层的所述第一侧上的第一活性材料，其中所述第一电极单元的所述第一部分被配置以冷却所述第一活性材料的至少一部分。
5.如权利要求1所述的电池组，其中所述第一电极单元是单极电极单元，并且其中所述第二电极单元是单极电极单元。
6.一种电池组，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；
第二电极单元，其在所述堆叠方向上堆叠于所述第一电极单元的顶部；以及
第一电解质层，其被设置于所述第一电极单元和所述第二电极单元之间，其中所述第一电极单元包括：
第一电极衬底；和
所述第一电极衬底的第一侧上的第一活性层，其中所述第一活性层至少包括所述第一侧的第一部分上的第一活性部分和所述第一侧的第二部分上的第二活性部分，其中所述第一活性层的所述第一活性部分延伸至所述第一电极衬底的所述第一侧上方的第一高度，其中所述第一活性层的所述第二活性部分延伸至所述第一电极衬底的所述第一侧上方的第二高度，并且其中第一高度不同于第二高度。
7.如权利要求6所述的电池组，其中，所述第二电极单元包含：
第二电极衬底；和
所述第二电极衬底的第二侧上的第二活性层，其中所述第二活性层至少包括位于所述第二侧的第一部分上的第三活性部分和位于所述第二侧的第二部分上的第四活性部分。
8.如权利要求7所述的电池组，其中所述第二活性层的所述第三活性部分延伸至所述第二电极衬底的所述第二侧下方的第三高度，其中所述第二活性层的所述第四活性部分延伸至所述第二电极衬底的所述第二侧下方的第四高度，并且其中第三高度不同于第四高度。
9.如权利要求8所述的电池组，其中所述第一高度与所述第三高度相同。
10.如权利要求9所述的电池组，其中所述第二高度与所述第四高度相同。
11.如权利要求9所述的电池组，其中所述第二高度与所述第四高度不同。
12.如权利要求8所述的电池组，其中所述第一活性层的所述第一活性部分在所述堆叠方向上与所述第二活性层的所述第三活性部分分开第一距离，其中所述第一活性层的所述第二活性部分在所述堆叠方向上与所述第二活性层的所述第四活性部分分开第二距离。
13.如权利要求12所述的电池组，其中所述第一距离与所述第二距离相同。
14.如权利要求12所述的电池组，其中所述第一距离与所述第二距离不同。
15.如权利要求12所述的电池组，其中所述第一电解质层包含：
电解质材料；以及
挡板，其位于所述第一电极单元的所述第一活性层和所述第二电极单元的所述第二活性层之间。
16.如权利要求15所述的电池组，其中所述挡板包含具有第一挡板高度的第一挡板部分和具有第二挡板高度的第二挡板部分，其中所述第一挡板高度与所述第二挡板高度不同。
17.如权利要求6所述的电池组，其中所述第一活性层的所述第一活性部分至少包含第一活性材料，其中所述第一活性层的所述第二活性部分至少包含第二活性材料，并且所述第一活性材料与所述第二活性材料不同。
18.如权利要求17所述的电池组，其中所述第一活性材料具有第一电压范围，其中所述第二活性材料具有第二电压范围，并且其中所述第一电压范围在所述第二电压范围内电操作。
19.如权利要求6所述的电池组，其中所述第一活性层的所述第一活性部分沿着所述第一电极衬底的所述第一侧具有第一厚度，其中所述第一活性层的所述第二活性部分沿着所述第一电极衬底的所述第一侧具有第二厚度，并且其中所述第一厚度与所述第二厚度不同。
20.如权利要求6所述的电池组，还包含：
第一垫片，其位于所述第一电解质层周围，其中所述第一电解质层被所述第一垫片和所述第一与第二电极单元密封。
21.如权利要求6所述的电池组，其中所述第一电极单元为单极电极单元，并且其中所述第二电极单元为单极电极单元。
22.一种电池组，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；
第二电极单元，其在所述堆叠方向上堆叠于所述第一电极单元的顶部；
第一电解质层，其被设置于所述第一电极单元和所述第二电极单元之间；
第三电极单元，其在所述堆叠方向上堆叠于所述第二电极单元的顶部；以及
第二电解质层，其被设置于所述第二电极单元和所述第三电极单元之间，其中所述第一电极单元在所述堆叠方向上与所述第二电极单元分开第一距离，其中所述第二电极单元在所述堆叠方向上与所述第三电极单元分开第二距离，并且其中所述第一距离不同于所述第二距离。
23.如权利要求22所述的电池组，其中所述第一电极单元为单极电极单元，并且其中所述第二电极单元为单极电极单元。
24.如权利要求23所述的电池组，其中所述第三电极单元为单极电极单元。
25.如权利要求23所述的电池组，其中所述第三电极单元为双极电极单元。
26.一种电池组，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；
第二电极单元，其在所述堆叠方向上堆叠于所述第一电极单元的顶部；以及
第一电解质层，其被设置于所述第一电极单元和所述第二电极单元之间，所述电池组还包括：
第一垫片，其位于所述第一电解质层周围，其中所述第一电解质层被所述第一垫片和所述第一与第二电极单元密封，其中所述第一垫片包括第一垫片构件和第二垫片构件，并且其中所述第二垫片构件是可压缩的。
27.如权利要求26所述的电池组，其中所述第二垫片构件在所述堆叠方向上被堆叠于所述第一垫片构件的顶部。
28.如权利要求26所述的电池组，其中所述第二垫片构件位于所述第一电解质层周围，并且其中所述第一垫片构件位于所述第二垫片构件周围。
29.如权利要求26所述的电池组，其中所述第二垫片构件的高度被配置以在所述电解质层被所述第一垫片和所述第一与第二电极单元密封时从第一长度减少到第二长度。
30.如权利要求26所述的电池组，其中由所述第一垫片和所述第一与第二电极单元限定的空间被配置以在所述电解质层被所述第一垫片和所述第一与第二电极单元密封时从第一体积减少到第二体积。
31.如权利要求30所述的电池组，其中所述第一电解质层包含电解质材料，该电解质材料的体积等于所述第一体积。
32.如权利要求30所述的电池组，其中所述第一电解质层包含电解质材料，该电解质材料的体积大于所述第二体积。
33.如权利要求26所述的电池组，其中所述第一电极单元为单极电极单元，并且其中所述第二电极单元为单极电极单元。
34.一种电池组，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；
第二电极单元，其在所述堆叠方向上堆叠于所述第一电极单元的顶部；以及
第一电解质层，其被设置于所述第一电极单元和所述第二电极单元之间，所述电池组还包括：
第一垫片，其位于所述第一电极单元周围；和
第二垫片，其位于所述第二电极单元周围，其中所述第一垫片部分在所述电解质层周围联结到所述第二垫片部分，并且其中所述第一电解质层被所述第一垫片、所述第二垫片、所述第一电极单元、和所述第二电极单元密封。
35.如权利要求34所述的电池组，其中所述第一垫片包含具有顶面的第一本体部分，其中第二垫片包含具有底面的第二本体部分，其中所述第一本体部分在所述顶面上具有顶部凹槽，其中所述第二本体部分在所述底面上具有底部凹槽，并且其中所述底部凹槽与所述顶部凹槽配合以密封所述第一电解质层。
36.如权利要求34所述的电池组，其中所述第一垫片被热融合到所述第二垫片。
37.如权利要求34所述的电池组，其中所述第一垫片被超声焊接到所述第二垫片。
38.如权利要求34所述的电池组，其中所述第一电极单元为单极电极单元，并且其中所述第二电极单元为单极电极单元。
39.一种电池组，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；
第二电极单元，其在所述堆叠方向上堆叠于所述第一电极单元的顶部；以及
第一电解质层，其被设置于所述第一电极单元和所述第二电极单元之间，所述电池组还包括：
第一垫片，其位于所述第一电解质层周围，其中所述第一垫片由热融合和/或超声焊接到所述第一电极单元。
40.如权利要求39所述的电池组，其中所述第一电解质层被所述第一垫片和所述第一与第二电极单元密封。
41.如权利要求39所述的电池组，其中所述第一电极单元为单极电极单元，并且其中所述第二电极单元为单极电极单元。
42.一种电池组，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；
第二电极单元，其在所述堆叠方向上堆叠于所述第一电极单元的顶部；以及
第一电解质层，其被设置于所述第一电极单元和所述第二电极单元之间，所述电池组还包括：
第一垫片，其位于所述第一电解质层周围，其中所述第一电解质层被所述第一垫片和所述第一与第二电极单元密封，其中所述第一电极单元为单极电极单元，并且其中第二电极单元为单极电极单元。
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