CN101971406B - 电化学电池组的碟盘形压力均衡的电极 - Google Patents

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Abstract

堆叠式电池组具有布置于堆组中的至少两个电池段。每个电池都可以包含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，以及在所述活性材料电极之间的电解液层。一个或更多个垫圈可以包括于每个电池段内以将电解液密封于电池段内。电极单元可以是“碟盘形状的”并且可以含有压力均衡阀以减小电极单元挠曲并改进电池段之间的压力均衡。压力均衡阀可以允许气体扩散穿过相邻的电池段并且可以基本上防止电解液扩散通过。

Description

电化学电池组的碟盘形压力均衡的电极
本申请要求在2007年10月26日提交的美国临时申请No.61/000,470以及在2007年11月9日提交的美国临时申请No.61/002,528的利益，特此通过在此全文援引的方式并入这两件申请。
技术领域
本本发明一般地涉及电池组，更特别地，本发明涉及具有改进的压力均衡的堆叠式双极电池的电池组设计。
背景技术
常规的电池组已经被制作成不是仅具有两个电极的卷绕式电池的电池组就是具有许多并联的极板组的标准柱形电池的电池组。在这两种类型中，电解液可以在电池组之内的各处共用。卷绕式电池及柱形电池的结构会有高电阻的问题，因为它们的电通路必须越过多连接及明显长距离的跨距以覆盖在串联布局中的从一个电池到下一个电池的完全电路。
最近，已经开发了具有堆叠式构造的密封电池的各种类型的电池组，其中该密封电池与标准的卷绕式或柱形电池组相比能够提供更高的放电率以及在外部接头之间的更高的电压电势，并因此对于某些应用而言处于高需求中。具有堆叠式构造的密封电池的这些电池组的某些类型已经得到了开发以一般地包括独立密封的单极电极单元(MPU)对的堆组。可以给这些MPU中的每一个都提供在集流器的第一侧面上所涂覆的正活性材料的电极层或负活性材料的电极层(参看，例如，Klein在1995年2月28日公告的美国专利No.5,393,617，特此通过在此全文援引的方式并入该专利)。具有正活性材料电极层的MPU(即，正极MPU)以及具有负活性材料电极层的MPU(即，负极MPU)可以在它们之间具有用于电隔离这两个MPU的集流器的电解液层。这对正极及负极MPU的集流器，连同活性材料电极层以及它们之间的电解液一起，可以被密封作为单个电池或电池段。包括所述电池(每个具有正极MPU和负极MPU)的堆组的电池组在此应当称作“堆叠式单极”电池组。
在第一电池中的正极MPU的集流器没有用电极层涂覆的侧面可以电耦接至在第二电池中的负极MPU的集流器没有用电极层涂覆的侧面，使得第一及第二电池处于堆叠式构造。在堆组中的这些电池段的串联配置可以促使电压电势在集流器之间是不同的。但是，如果特定的电池的集流器相互接触或者如果在特定的电池中的这两个MPU的共同电解液与堆组中任意另加的MPU共用，那么电池组的电压及能量将会快速衰减(即，放电)至0。因此，希望堆叠式单极电池组中的每个电池相对于其他电池独立地密封其电解液。
已经开发了具有堆叠式构造的密封电池的这些电池组的其他类型以一般地包括一连串堆叠式双极电极单元(BPU)。可以给这些BPU中的每一个都提供涂覆在集流器的相对侧面上的正活性材料电极层和负活性材料电极层。任意两个BPU都可以在彼此顶部上堆叠，同时在某一BPU的正活性材料电极层与另一BPU的负活性材料电极层之间提供了用于电隔离这两个BPU的集流器的电解液层。集流器任意两个相邻的BPU，连同活性材料电极层以及在它们之间的电解液一起，同样可以是密封的单个电池或电池段。具有这样的电池(每个电池具有第一BPU的一部分以及第二BPU的一部分)的堆组的电池组在此应当称作“堆叠式双极”电池组。
例如，当第一BPU的正侧面以及第二BPU的负侧面可以形成第一电池时，第二BPU的正侧面同样可以与第三BPU的负侧面或者负极MPU的负侧面形成第二电池。因此，单个BPU可以包含于堆叠式双极电池组的两个不同电池内。堆组中的这些电池的串联配置可以促使电压电势在集流器之间是不同的。但是，如果特定电池的集流器相互接触或者如果在第一电池中的那两个BPU的共同的电解液与堆组中的任意其他电池共用，那么电池组的电压及能量将快速衰减(即，放电)至0。
常规的堆叠式双极电池组使用平面的电极板。通过使用平面板并且通过使用边缘密封来隔离它们，在堆叠式电化学电池组中的电池可以基本上独立地工作。由于独立的电池被充电及被放电，轻度的压力差可能在相邻的电池之间出现。如果在相邻的电池之间的压力差超过几磅每平方英寸，那么平面电极可能从第一电池向第二电池挠曲。该挠曲可能会拉紧第二电池的隔板材料，从而产生可能出现短路的“热点”。因为单个电池的物理分量及化学一般会相互略有不同，所以一般会存在电池之间的压力差。因此，希望缓解一个电池与下一个电池的压力差。因此，希望提供具有减小的电极板挠曲及改进的压力均衡的堆叠式双极电池组。
发明内容
因此，本发明的一个目的是提供缓解一个电池与下一个电池的压力差并减小电极板挠曲的堆叠式双极电池组设计。
根据实施例，提供了具有正单极电极单元、负单极电极单元，以及堆叠于正电极单元与负电极单元之间的至少一个双极电极单元的双极电池组，其中每个电极单元都可以是碟盘形状的。
根据实施例，提供了具有正单极电极单元、负单极电极单元，以及堆叠于正电极单元与负电极单元之间的至少一个双极电极单元的双极电池组。双极电极单元可以包括压力均衡阀。
根据实施例，提供了具有正单极电极单元、负单极电极单元，以及堆叠于正电极单元与负电极单元之间的至少一个双极电极单元的双极电池组。双极电极单元可以包括裂开式碟盘阀。
附图说明
本发明的以上及其他优点在结合附图对以下详细描述进行考虑时将更为明显，在附图中相似的参考符号通篇指代相似的部件，以及在附图中：
图1示出了根据本发明的实施例的双极电极单元(BPU)的基本结构的示意性截面图；
图2示出了根据本发明的实施例的图1的BPU堆组的基本结构的示意性截面图；
图3示出了根据本发明的实施例具有碟盘形电极及压力均衡阀的BPU的基本结构的示意性截面图；
图4示出了根据本发明的实施例具有碟盘形电极及裂开式碟盘阀的BPU的基本结构的示意性截面图；
图5示出了根据本发明的实施例的图3的BPU堆组的基本结构的示意性截面图；
图6示出了根据本发明的实施例实现图5的BPU堆组的堆叠式双极电池组的基本结构的示意性截面图；
图7示出了图6的双极电池组的基本结构的示意性电路图；
图8示出了图5的双极电池组的特定部分的详细的示意性截面图；
图9示出了在根据本发明的实施例用于形成堆叠式双极电池组的方法的第一阶段中的某些元件的示意性截面图；
图10示出了在根据本发明的实施例用于形成堆叠式双极电池组的方法的第二阶段中的某些元件的示意性截面图；
图11示出了在根据本发明的实施例用于形成堆叠式双极电池组的方法的第三阶段中的某些元件的示意性截面图；
图12示出了在根据本发明的实施例用于形成堆叠式双极电池组的方法的第四阶段中的某些元件的示意性截面图；
图13示出了在根据本发明的实施例用于形成堆叠式双极电池组的方法的第五阶段中的某些元件的示意性截面图；
图14示出了在根据本发明的实施例用于形成堆叠式双极电池组的方法的第六阶段中的某些元件的示意性截面图；
图15示出了根据本发明的实施例的具有穹形顶部的堆叠式双极电池组的示意性截面图；以及
图16示出了根据本发明的实施例具有非均匀的活性材料电极层的堆叠式双极电池组的示意性截面图。
具体实施方式
提供具有减小的电极板挠曲及改进的压力均衡的堆叠式电池组的装置和方法，并且参考图1-16在下文描述。
图1示出了根据本发明的实施例的说明性的“平面板”双极电极单元或BPU 102。在Ogg等人的PCT申请公开No.Wo 2008/100533中讨论了在堆叠式电池的电池组中使用的平面板结构，特此通过在此全文援引的方式并入该申请公布No.Wo 2008/100533。BPU 102可以包括可以在不能渗透的导电基板或集流器106的第一侧面上提供的正活性材料电极层104，以及可以在不能渗透的导电基板106的另一侧面上提供的负活性材料电极层108(参看，例如，Fukuzawa等人在2007年10月9日公告的美国专利No.7,279,248，特此通过在此全文援引的方式并入该专利)。在实施例中，BPU 102的曲率半径可以是相对大的。例如，如图1所示的“平面板”电极的曲率半径可以接近无穷大。
如图2所示，例如，多个BPU 102可以基本上垂直地堆叠成为具有可以提供于两个相邻的BPU 102之间的电解液层110的堆组120，使得某一BPU 102的正电极层104可以经由电解液层110与相邻BPU 102的负电极层108相对。每个电解液层110都可以包括可以保持电解液11的隔板109(参看，例如，图8)。隔板9在允许电极单元之间的离子迁移的同时可以将正电极层104和与其相邻的负极电极层108电隔离，这将在下文更详细地描述。
继续参考在图2中的堆叠状态的BPU 102，例如，在第一BPU 102的正电极层104及基板106，相邻于第一BPU 102的第二BPU 102的负电极层108及基板106，以及第一及第二BPU 102之间的电解液层110中所包括的组件在此应当称作单个“电池”或“电池段”122。每个电池段122的每个不能渗透的基板106都可以由可应用的相邻电池段122所共用。
图3示出了根据本发明的实施例的“碟盘形”BPU 2的基本结构的示意性截面图。BPU 2可以包括可以在不能渗透的导电基板或集流器6的第一侧面上提供的正活性材料电极层4，以及可以在不能渗透的导电基板6的另一侧面上提供的负活性材料电极层8。例如，孔眼(例如，孔眼5)可以提供于基板6的中心。图3所示的“碟盘形”电极的实施例的BPU 2的曲率半径可以比图1所示的“平面板”电极的实施例的相对较小。“碟盘形”电极的相对较小的曲率半径可以给BPU 2赋予基本上球体形状。当BPU 2上凹取向时，如同它在图3中所呈现的，正活性材料电极层4可以位于BPU 2的凹侧面上而负活性材料电极层8可以位于相对侧面上。
可以调整碟盘形BPU 2的尺寸以具有任意适合的碟盘半径。例如，给定的特定空间要求，相对小的碟盘半径可能是所希望的。可替代地，给定的特定功率要求，在没有特定空间要求的情况下，相对大的碟盘半径可能是所希望的。
电极的形状(例如，“平面板”或“碟盘形状”)可以基本上由电极的曲率半径来描述。例如，对于“平面板”电极(参看，例如，图1的BPU 102)，BPU 102的曲率半径与“碟片形”电极的曲率半径(参看，例如，图3的BPU 2)相比可以是相对大的。例如，平面板电极的曲率半径可以接近无穷大。BPU(例如，BPU 102)的曲率半径可以实质上影响BPU经受电池之间的压力差的能力。例如，当曲率半径增加至大约100英寸以上时，使平面板挠曲所需的压力可以是刚好在0以上。对于相对小的压力差(例如，5psi)，“平面板”BPU 102的挠曲可以是大约0.100英寸以上。考虑到隔板厚度可以是大约0.005英寸，这个数量可能是相对大的。
但是，对于半径为大约6英寸的“碟盘形”电极，大约5psi下的挠曲可以被减小至大约0.001英寸。碟盘设计可以允许压力均衡阀3的参数被确定。例如，在给出任意适合的材料的假定弹性模量的情况下可以求解适合的半径及厚度的碟盘形电极大约0.002英寸的挠曲的方程，其中所述任意适合的材料包括，但不限于，软钢，或任意其他材料，或者它们的任意组合。还可以使用求解适合的几何形状的其他方法。压力均衡阀3可以起着基本上使相邻电池之间的气体均衡至大约1psi或更小的压力差的作用。
存在允许气体从过度加压的电池流到压力较小的电池的功率存储器件的设计。这已经通过在电池组容器的顶部的外部支管或管道来使每个电池维持相等的压力实现了。但是，这些现有的设计给电池组增加了足够大的重量并且可能体积太大以致不能适当地应用于堆叠式双极电池组。在双极电极的堆组中，压力均衡的问题由组装的附加问题以及给电池填充电解液所放大。但是，在“碟盘形”电极的实施例中，碟盘在隔板及粘结于碟盘底部的活性电极材料吸收电解液时可以用作电解液的临时位置。一旦电解液被吸收，那么下一个碟盘式电极就可以布置于隔板及最近填充的电极之上。电解液在这些过程步骤期间不会通过碟盘底部泄漏。因而，例如，在BPU 2的中心的均衡孔眼可以在电解液填充期间被封闭或被覆盖。例如，可以要求半透性隔膜或裂开式碟盘来覆盖电极中的孔眼以基本上阻止电解液漏入较低的电池内。因而，压力均衡阀可以被用来调解在电池之间产生的压力差并且还可以被用来辅助电池组的组装及制造。
BPU 2可以包括如在图3中所示的压力均衡阀或半透性隔膜3。均衡阀3可以是由任意适合的材料制成的碟盘，例如非导电性聚合物、橡胶，任意其他适合的材料，或者它们的任意组合。在本发明的实施例中，碟盘可以具有穿过碟盘的纳米尺寸的或微米尺寸的孔眼、切口，任意其他适合的穿孔，或者它们的任意组合，使得碟盘可以构成可以防止电解液通过的或者可以减小通过的电解液量的气体渗透性隔膜。均衡阀3可以由耐化学腐蚀的任意适合的材料制成，(例如，由于图8的电解液11)，例如包括，但不限于聚乙烯化合物、聚砜、氯丁橡胶，或者它们的任意组合。如图3所示，均衡阀3及孔眼5可以基本上位于基板6的中心。可替代地，均衡阀3及孔眼5可以沿着基板6布置于任意位置。
在本发明的实施例中，均衡阀3可以采用利用化学性质而不是机械性质的气体渗透性隔膜的形式(例如，为具有切口的阀)。在该实施例中，均衡阀3可以由任意适合的密封剂形成，例如Loctite牌胶粘剂(由Henkel公司供应的，可以由硅、丙烯酸类、和/或纤维增强塑料(FRP)形成的并且可以是不渗透电解液的)，任意其他适合的材料，以及它们的任意组合。可以在液体密封剂固化之前将例如大约1000根纤丝的石墨碳纤维束，任意其他适合的材料，或者它们的任意组合布置于该液体密封剂中。在使密封剂及纤维束固化之后，可以基本上形成均衡阀3。量子力学的“跳跃”机制可以使均衡阀3能够基本上让O2及H2分子通过堆组中相邻的电池并且可以防止电解液通过或者可以减小通过的电解液量。化学的“跳跃”机制基本上可以由石墨材料的材料及化学性质激活。例如，在石墨碳纤维束中，扩散力基本上可以允许来自过度加压的电池的氢分子经由石墨材料的六元碳环结构上的空间沿着石墨材料的表面“跳跃”。
例如，在本发明的实施例中，压力均衡阀3可以是可以打开以释放在相邻电池之间大约1psi以上的压力差的裂开式碟盘阀203，如图4所示。裂开式碟盘阀203可以由织物(brai)、或类PVA膜、任意适合的聚合物、金属、复合膜，任意其他适合的材料，或者它们的任意组合制成。裂开式碟盘阀203可以在阀的孔眼之上设置膜，其中该阀的孔眼在基本上防止电解液溢出至相邻的电池的同时可以允许电池段在制造期间填充电解液。
如果裂开式碟盘打开(例如，由于在相邻电池之间相对大的压力差)，则孔眼205可以允许电解液从某一电池流到相邻的电池。但是，如果基本上保证电池组的取向处于特定的位置(例如，下凹的BPU202)，则电解液可能由于“碟盘形”BPU 202的几何形状而达不到孔眼。因为孔眼205处于基板206的中心，所以基本上可以防止电解液达到孔眼205，其中基板206的中心的高度比密封垫圈附近的基板边缘相对较大，自由的电解液可以聚集于基板的边缘。电池组可以以基本上相同的效果进行侧向安置。
图5示出了根据本发明的实施例的图3的BPU 2堆组的基本结构的示意性截面图。例如，多个BPU 2可以基本上垂直地堆叠成堆组20，具有可以提供于两个相邻的BPU 2之间的电解液层10，使得一个BPU2的正电极层4可以经由电解液层10与相邻的BPU 2的负电极层8相对。每个电解液层10可以包括可以保持电解液11的隔板9(参看，例如，图8)。隔板9可以使正电极层4和与其相邻的负电极层8电隔离，同时允许在电极单元之间的离子迁移，这将在下文更详细地描述。
例如，继续参考在图5中的堆叠状态的BPU 2，在第一BPU 2的正电极层4及基板6，与第一BPU 2相邻的第二BPU 2的负电极层8及基板6，以及在第一及第二BPU 2之间的电解液层10中所包含的组件在此应当称作单个的“电池”或“电池段”22。每个电池段22的每个不透性基板6都可以由可应用的相邻电池段22所共用。
例如，如图6所示，可以连同一个或更多个BPU 2的堆组20一起提供正端部及负端部以构成根据本发明的实施例的堆叠式双极电池组50。可以包括在不透性导电基板16的一个侧面上所提供的正活性材料电极层14的正单极电极单元或MPU 12可以位于其间提供有电解液层(即，电解液层10e)的堆组20的第一端部，使得正极MPU 12的正电极层14可以经由电解液层10e在堆组20的第一端部与BPU(即，BPU2d)的负电极层(即，层8d)相对。可以包括在不透性导电基板36的一个侧面上所提供的负活性材料电极层38的负单极电极单元或MPU32可以位于其间提供有电解液层(即，电解液层10a)的堆组20的第二端部，使得负极MPU 32的负电极层38可以经由电解液层10a在堆组20的第二端部与BPU(即，BPU 2a)的正电极层(即，层4a)相对。可以给MPU 12及32分别提供对应的正电极及负电极的引线13及33。
应当注意，每个MPU的基板及电极层都可以形成具有其相邻BPU2的基板及电极层，以及在其间的电解液层10的电池段22，例如，如图6所示(参看，例如，段22a及22e)。在堆组20中的堆叠式BPU 2的数量可以是一个或更多个，并且可以被适当地确定以便与电池组50的期望电压对应。每个BPU 2都可以提供任意的期望电势，使得电池组50的期望电压可以通过有效地增加由每个组件BPU 2所提供的电势来获得。应当理解，每个BPU 2不必都提供相同的电势。
在一个适合的实施例中，可以构造双极电池组50使得BPU堆组20及其相应的正负极MPU 12及32可以在降低的压力之下至少部分地被封装(例如，气密性密封)到电池组容器或包装器40之内。例如，MPU导电基板16及36(或者至少它们相应的电极引线13及33)可以由电池组容器40内抽出，以便在使用时减轻来自外部的影响并防止环境退化。
为了防止第一电池段的电解液(参看，例如，图8的电池段22a的电解液11a)与另一电池段的电解液(参看，例如，图8的电池段22b的电解液11b)结合，垫圈或密封剂可以与相邻的电极单元之间的电解液层堆叠以密封在其特定电池段之内的电解液。例如，垫圈或密封剂可以是任意适合的可压缩的或不可压缩的固体或粘性材料，或者它们的组合，该垫圈或密封剂可以与特定电池的相邻电极单元互相作用以密封其间的电解液。在一个适合的布局中，例如，如图6所示，本发明的双极电池组可以包括可以位于每个电池段22的电解液层10以及活性材料电极层4/14及8/38周围作为屏障的垫圈或密封60。垫圈或密封剂可以是连续且封闭的并且可以密封在垫圈与该电池的相邻电极单元(即，与该垫圈或密封相邻的多个BPU或单个BPU和MPU)之间的电解液。例如，垫圈或密封剂可以提供在该电池的相邻电极单元之间的适当的间距。
在密封堆叠式双极电池组50的电池段以防止第一电池段的电解液(参看，例如，图8的电池段22a的电解液11a)与另一电池段的电解液结合(参看，例如，图8的电池段22b的电解液11b)时，电池段可能随着电池被充放电而产生在相邻电池(例如，电池22a-22b)之间的压力差。均衡阀3a-3d可以用来基本上减小这样引起的压力差。由于之前所呈现的均衡阀3(位于孔眼5)可以作为半透性隔膜或裂开式碟盘来工作，因此在机械上或化学上允许气体迁移并且基本上防止电解液迁移。电池组(例如，电池组50)可以具有拥有均衡阀(例如，均衡阀3a-3d)的任意组合的BPU(例如，BPU 2a-2d)。例如，BPU 2a可以具有以化学方法工作的均衡阀3a，BPU 2b可以具有以机械方法工作的均衡阀3b，BPU 2c可以具有裂开式碟盘阀3c，以及BPU 2d可以具有裂开式碟盘阀3d。另外，如图6所示，均衡阀3a-d及孔眼5a-d可以基本上位于基板6a-d的中心。在实施例中，均衡阀3a-d及孔眼5a-d可以布置于沿着基板的任意位置。
例如，在本发明的实施例中，为了压缩并保持电池段22及垫圈60处于图6所示的密封配置下，可以将压力按箭头P1及P2的方向施加于容器40的侧面。该双极电池组50可以包括堆叠的且串联的多个电池段22(如图7所示)以提供期望电压。
现在参考图8，其中示出了根据本发明的实施例的电池组50的两个特定电池段22的分解图。电池段22a可以包括MPU 32的基板36及负电极层38，电解液层10a，以及BPU 2a的正电极层4a及基板6a。电池段22b可以包括BPU 2a的基板6a及负电极层8a，电解液层10b，以及BPU 2b的正电极层4b及基板6b。如上所述，每个电解液层10可以包括隔板9及电解液11。可以将密封剂或垫圈60提供于每个电池段22的电解液层10的周围，使得该电池段的隔板9及电解液11可以被密封于由垫圈60及特定电池段的相邻电极单元所界定的空间内。
例如，如图8所示，垫圈60a可以包围电解液层10a使得其隔板9a及电解液11a可以完全密封于由垫圈60a、MPU 32及电池段22a的BPU 2a所界定的空间内。类似地，例如，如图8所示，垫圈60b可以包围电解液层10b使得其隔板9b及电解液11b可以完全密封于由垫圈60b、BPU 2a、及电池段22b的BPU 2b所界定的空间之内。
每个电池段的密封剂或垫圈可以与电池的电极单元的各个部分形成密封以密封其电解液。例如，如图8所示，垫圈可以与基板的顶部或底部的一部分形成密封(参看，例如，垫圈60a接触基板36的底面以及基板6a的顶面及外侧面)。
在本发明的某些实施例中，为了创建更好的密封，可以使垫圈的表面区域与相邻电极单元的表面区域相互接触的一个或更多个部分各自互补地或相对地开槽、倒角、或成形。例如，可以使垫圈的至少一部分表面与电极单元的至少一部分表面对应地成形，使得这两个表面可以配对在一起以在电池组的制造期间限制在这两个表面之间的某些类型的相对移动并且使垫圈与电极单元自对齐。例如，通过使垫圈与相邻基板互补成形的部分配对所形成的这种凹槽或卡销可以由此增加它们的成对接触区域的尺寸并且可以由此给试图破坏在垫圈与基板的成对接触区域之间所创建的密封的任意流体(例如，电解液)提供阻力的较大路线。
用来形成本发明的电极单元的基板(例如，基板6、16、及36)可以由任意适合的导电的且不透性的材料形成，例如，包括，但不限于，非穿孔的金属箔、铝箔、不锈钢箔、含有镍及铝的覆层材料、含有铜及铝的覆层材料、镍镀钢、镍镀铜、镍镀铝、金、银、或它们的组合。在某些实施例中，每个基板都可以由相互粘附的两张或更多张金属箔构成。例如，每个BPU的基板可以典型是厚为0.025～5毫米，而每个MPU的基板可以是厚为0.025～10毫米并且充当电池组的端部。例如，金属化的泡沫，可以与在平面的金属膜或箔内任意适合的基板材料结合，例如，使得在电池段的活性材料之间的阻力可以通过使导电矩阵扩大遍及电极来减小。
在这些基板上所提供以形成本发明的电极单元的正电极层(例如，正电极层4及14)可以由任意适合的活性材料形成，例如包括，但不限于，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并被浸渍，用水性粘合剂涂覆并挤压，用有机粘合剂涂覆并挤压，或者由将具有其他支持性化学物质的正活性材料包含于导电基体中的任意其他适合的方法所包含。电极单元的正电极层可以具有被注入其矩阵中以减小膨胀的粒子，例如包括，但不限于，金属氢化物(MH)、Pd、Ag、或它们的组合。例如，这可以增加循环寿命，提高复合，并减小电池段内的压力。这些粒子(例如MH)还可以与活性材料浆糊(例如Ni(OH)2)粘结，以提高电极内的导电性并且支持复合。
在这些基板上所提供以形成本发明的电极单元的负电极层(例如，负电极层8及38)可以由任意适合的活性材料形成，例如包括，但不限于，MH、Cd、Mn、Ag、及它们的组合。例如，负活性材料可以被烧结，用水性粘合剂涂覆并挤压，用有机粘合剂涂覆并挤压，或者由将具有其他支持性化学物质的负活性材料包含于导电基体中的任意其他适合的方法所包含。例如，负极电极侧面可以具有在负电极材料基体内注入以稳定结构、降低氧化、并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。
各种适合的粘合剂，例如包括，但不限于，有机CMC粘合剂、Creyton橡胶、PTFE(聚四氟乙烯)，或者它们的组合，可以与活性材料层混合以使这些层保持于它们的基板。超静止粘合剂(例如200ppi的镍泡沫)同样可以使用于本发明的堆叠式电池组构造。
本发明的电池组的每个电解液层的隔板(例如，每个电解液层10的隔板9)可以由在允许离子于那些电极单元之间迁移的同时使其两个相邻的电极单元电隔离的任意适合的材料形成。例如，隔板可以含有纤维素超级吸收器以提高填充并且充当电解液储蓄器以增加循环寿命，其中隔板可以由聚吸附织物材料(polyabsorb diaper material)制成。因此，隔板可以在对电池组施加充电时释放之前所吸收的电解液。在某些实施例中，隔板可以是较低密度的并且比正常的电池厚使得电极间间距(IES)可以比正常更高地开始并且连续降低以在电池组的寿命内保持其充电率(C-rate)及容量以及延长电池组的寿命。
隔板可以比粘结于在电极单元上的活性材料的表面的正常材料更薄以减少短路并提高复合。例如，可以将该隔板材料喷射上，涂覆上，或挤压上。在某些实施例中，隔板可以具有与其附着的复合剂。例如，可以将该制剂注入隔板的结构之内(例如，这可以通过在使用PVA来将该制剂粘合于隔板纤维的湿法过程中物理俘获该制剂来完成，或者可以通过电沉积将该制剂放置于那里)；或者可以通过汽相沉积使该制剂在表面上形成层。隔板可以由有效地支持复合的任意适合的材料或制剂制成，例如包括，但不限于，Pb、Ag，或它们的组合。虽然隔板可以在电池的基板向彼此移动的情况下呈现阻力，但是在可能利用刚性足够不挠曲的基板的本发明的某些实施例中可以不提供隔板。
本发明的电池组的每个电解液层的电解液(例如，每个电解液层10的电解液11)可以由在溶解或熔化时可以离子化以产生导电介质的任意适合的化学化合物形成。电解液可以是任意适合的化学物质的标准电解液，例如，但不限于，NiMH。电解液可以含有另加的化学物质，例如包括，但不限于，氢氧化锂(LiOH)、氢氧化钠(NaOH)、氢氧化钙(CaOH)、氢氧化钾(KOH)，或者它们的组合。电解液还可以含有用以提高复合的添加剂，例如，但不限于，Ag(OH)2。例如，电解液还可以含有RbOH以提高低温性能。在本发明的某些实施例中，可以将电解液(例如，电解液11)冻结于隔板(例如，隔板9)之内并然后在电池组完全组装之后解冻。这可以允许在垫圈和与其相邻的电极单元基本上形成流体紧密的密封之前将特别粘的电解液引入电池组的电极单元堆组之内。
本发明的电池组的密封或垫圈(例如，垫圈60)可以由可以有效地将电解液密封于由垫圈及其相邻的电极单元所界定的空间之内的任意适合的材料或材料的组合形成。在某些实施例中，垫圈可以由固体的密封屏障或密封环，或者能够形成固体密封环的多个环形部分形成，该垫圈可以由任意适合的非导电材料制成，例如包括，但不限于，尼龙、聚丙烯、微孔固定剂(cell gard)、橡胶、PVOH，或它们的组合。由固体的密封屏障形成的垫圈可以与相邻电极的一部分接触以创建它们之间的密封。
可替代地，垫圈可以由任意适合的粘性材料或浆糊形成，例如包括，但不限于，环氧树脂、焦油(brea tar)、电解液(例如，KOH)的不透胶、可压缩的胶粘剂(例如，双组份聚合物，例如可以由硅、丙烯酸树脂，和/或纤维增强塑料(FRP)形成的并且可以防电解液渗透的由Henkel公司供应的Loctite牌胶粘剂)，或者它们的组合。由粘性材料形成的垫圈可以接触相邻电极的一部分以创建它们之间的密封。在另外的实施例中，垫圈可以由固体密封环及粘性材料的结合而形成，使得粘性材料可以提高固体密封环及相邻电极单元之间的密封。例如，可替代地或者另外地，在将固体密封环，以另外的粘性材料处理的固体密封环，相邻的电极单元，或者以另外的粘性材料处理的相邻的电极单元密封于那里之前，电极单元自身可以用粘性材料来处理。
而且，在某些实施例中，可以给在相邻的电极单元之间的垫圈或密封剂提供可以允许某些类型的流体(即，某些液体或气体)通过那里漏出的一个或更多个弱点(例如，如果在由该垫圈所界定的电池段内的内部压力增加超过某一阈值)。一旦某一数量的流体漏出或者内部压力降低，弱点就可以再密封。可以配置或制备至少部分地由某些类型的适合的粘性材料或浆糊(例如织物)形成的垫圈以允许某些流体通过那里并且防止其他某些流体通过。该垫圈可以防止任何电解液在两个电池段之间共用，其中该共用可能促使电池组的电压及能量快速衰减(即，放电)至0。
如上所述，利用以堆叠式构造的密封电池设计的电池组(例如，双极电池组50)的一个好处可以是增大的电池组放电率。该增大的放电率可以允许使用否则在柱形或卷绕式的电池组设计中可能是不可行的某些腐蚀性较小的电解液(例如，通过去除或降低研磨、导电性增强、和/或电解液的化学反应性的一个组分或更多个组分)。可以由堆叠式电池组设计所提供以使用腐蚀性较小的电解液的这种余地可以允许在与可能另外由腐蚀性较大的电解液所腐蚀的垫圈形成密封时利用某些环氧树脂(例如，J-B焊接环氧树脂)。
本发明的电池组的容器或包装器(例如，容器40)可以由可以密封于端部的电极单元(例如，MPU 12和32)以使它们的导电性基板(例如，基板16和36)或者它们的关联引线(即，引线13和33)暴露的任意适合的非导电性材料形成。还可以形成包装器以创建，支持，和/或维持在垫圈及其相邻电极单元之间的密封以将电解液隔离于它们相应的电池段之内。包装器可以创建和/或维持这些密封所需的支持使得密封可以抵抗电池组由于电池段内的内部压力增大的膨胀。包装器可以由任意适合的材料制成，例如包括，但不限于，尼龙，任意其他聚合物或塑料材料，包括增强型组合物、丁腈橡胶、或聚砜，或收缩包装材料，或任意刚性材料，例如釉质涂覆的钢铁或任意其他金属，或任意绝缘材料，或者它们的组合。例如，在某些实施例中，包装器可以由可以将持续的压力维持于堆叠式电池的密封上的拉紧夹的外骨骼形成。可以在堆组及包装器之间提供非导电性屏障以防止电池组短路。
继续参考图6，例如，本发明的双极电池组50可以包括由MPU 12及32形成的多个电池段(例如，电池段22a-22e)，以及在它们之间的一个或更多个BPU 2(例如，BPU 2a-2d)的堆组。根据本发明的实施例，不仅在电池段与电池段之间，而且在特定的电池段之内，每一个基板(例如，基板6a-6d、16、及36)的、压力均衡阀(例如，阀3a-3d)的、电极层(例如，正极层4a-d及14，以及负极层8a-8d及38)的、电解液层(例如，层10a-10e)的、以及垫圈(例如，垫圈60a-60e)的厚度及材料都可以是彼此不同的。几何形状及化学性质的变化，不仅在堆组级别，而且在单个电池级别，都可以创建具有不同优点及性能特性的电池。
另外，基板的、压力均衡阀的、电极层的、电解液层的、及垫圈的材料及几何形状可以沿着堆组的高度从电池段到电池段地变化。例如，进一步参考图6，在电池组50的每个电解液层10中使用的电解液11可以根据其相应的电池段22与电池段堆组的中部距离远近而变化。例如，最里面的电池段22c(即，在电池组50内的五个(5)段22的中间电池段)可以包括由第一电解液形成的电解液层(即，电解液层10c)，而中间电池段22b及22d(即，与电池组50中的端部电池段相邻的电池段)可以包括每个都由第二电解液形成的电解液层(即，分别为电解液层10b及10d)，而最外面的电池段22a及22e(即，电池组50中的最外面的电池段)可以包括每个都由第三电解液形成的电解液层(即，分别为电解液层10a及10e)。通过在内部堆组中使用较高导电性的电解液，电阻可以是较低的使得所产生的热量可以是较少的。这可以通过设计而不是通过外部冷却方法来给电池组提供热控制。
作为另一个实例，在电池组50的每个电池段中用作电极层的活性材料同样可以根据其相应的电池段22与电池段堆组的中部的距离远近而变化。例如，最里面的电池段22c可以包括由具有第一温度和/或速率性能的第一类型的活性材料形成的电极层(即，层8b和4c)，而中间的电池段22b及22d可以包括由具有第二温度和/或速率性能的第二类型的活性材料形成的电极层(即，层8a/4b和层8c/4d)，而最外面的电池段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的活性材料形成的电极层(即，层38/4a和层8d/14)。例如，作为实例，可以通过构造具有镍镉电极的最里面的电池段来对电池组堆组进行热管理，其中该镍镉电极可以较好地吸收热量，而最外面的电池段则可以设置可能需要为冷却器的镍金属氢化物的电极。可替代地，电池组的化学性质或几何形状可以是不对称的，其中在堆组的一端的电池段可以由第一活性材料及第一高度制成，而在堆组的另一端的电池段可以由第二活性材料及第二高度制成。
而且，电池组50的每个电池段的几何形状同样可以沿着电池段堆组而变化。除了改变在特定的电池段之内的活性材料之间的距离以外，某些电池段22还可以具有在这些段的活性材料之间的第一距离，而其他电池段可以具有在这些段的活性材料之间的第二距离。在任何情况下，电池段或者其具有在活性材料电极层之间的较小距离的部分可以具有例如较高的功率，而电池段或者其具有在活性材料电极层之间的较大距离的部分可以具有例如较大的树晶生长空间，较长的循环寿命，和/或更大的电解液储量。例如，这些具有在活性材料电极层之间的较大距离的部分可以调节电池的充电接受能力以确保具有在活性材料电极层之间的较小距离的部分可以首先充电。
在实施例中，电池组50的电极层的几何形状(例如，图6的正极层4a-d及14，以及负极层8a-8d及38)可以沿着基板6的径向长度变化。参考图6，电极层是厚度均匀的并且是关于碟盘式电极形状对称的。在实施例中，电极层可以是非均匀的。例如，参考图16，正活性材料电极层和负活性材料电极层的厚度可以随着在挠曲表面上的径向位置而变化。例如，正电极层304a在BPU 302a的中心附近可以具有相对小的厚度，并且在垫圈360a附近可以具有相对较大的厚度。类似地，负电极层308a在BPU 302a的中心附近可以具有相对小的厚度，并且在垫圈360a附近可以具有相对较大的厚度。电池段322b可以包括BPU302a的负电极层308a及基板306a，与BPU 302a相邻的BPU 302b的正电极层304b及基板306b，以及在BPU 302a及BPU302b之间的电解液层310。当BPU 302a和BPU 302b基本上按照“碟盘形”基板6a-b是下凹的这样的方式来取向时，自由的电解液可以汇聚于电池段322b的区域380中。从而，电极层可以利用在电池堆组的充电及放电的每个循环期间形成的过量的或自由的电解液380。例如，如上所述，电池段或者其具有在活性材料电极层之间的较小距离的部分可以具有较高的功率。
在实施例中，电池组50的电极层(例如，图6的正极层4a-d及14，以及负极层8a-8d及38)的几何形状可以沿着基板6的径向长度以这样的方式变化以致给定的BPU(例如，图16中的BPU 302c)具有多个几何形状的活性材料。例如，正活性材料电极304c可以具有在第一部分上的第一几何形状390以及在第二部分上的第二几何形状390’类似地，负活性材料电极308c可以具有在第一部分上的第一几何形状391以及在第二部分上的第二几何形状391’。其他几何形状及几何形状的组合也可以用于BPU的活性材料层。
如上所述，生产本发明的双极电池组的方法可以一般地包括步骤：提供MPU并且在最终以极性相反的另一个MPU来结束堆组之前于其上堆叠其间具有电解液层及垫圈的一个或更多个BPU。例如，针对图9-14描述了根据本发明生产堆叠式双极电池组1050的方法。例如，针对图9，初始时可以给正极MPU 1012提供不透性导电基板1016以及涂覆于其上的正活性材料电极层1014，两者基本上都是“碟盘形的”。
然后，可以将垫圈1060堆叠于在电极层1014附近的基板1016上(参看，例如，图10)。一旦垫圈1060堆叠于MPU 1012的顶部，基本上流体紧密的杯形容器(参看，例如，空间1080)就可以从而由垫圈1060的内部侧壁以及MPU 1012在其间的部分所界定。在垫圈的内部侧壁与电极单元在其间的部分之间所形成的夹角(例如，图10中在垫圈1060的内部侧壁与MPU 1012在其间的部分之间的夹角1078)可以是任意适合的角度，包括直角、钝角、或锐角。
然后，可以将隔板1009及电解液1011沉积于正电极层1014的顶部上的垫圈1060的内部墙壁之内以将电解液层1010界定于空间1080之内(参看，例如，图11)。当要使用的电解液是相当粘时，则在垫圈与MPU之间创建的密封可以允许电解液在没有泄漏可能的情况下容易地注入空间1080内。应当理解，如果电解液在注入堆组之内时不是粘性的(例如，在电解液被冻结于隔板之内的实施例中)，则电解液层可以在垫圈固定于其上之前就堆叠于MPU之上。“碟盘形的”基板1016可以是上凹的并且可以用作电解液在由隔板1009及正电极层1014吸收时的临时位置，由此简化该生产步骤。另外，碟盘形基板1016的几何形状可以基本上防止基板1016在电解液1011沉积时迁移。
一旦电解液层1010的隔板1009及电解液1011沉积于由垫圈1060及MPU 1012所界定的空间1080之内，并且电解液已经基本上被吸收了，就可以将第一BPU 1102沉积于其上(参看，例如，图12)。如图12所示，BPU 1102可以包括具有压力均衡阀1103以及涂覆在其相对侧面上的正电极层1104及负电极层1108的不透性的导电基板1106。以BPU 1102的负电极层1108向下面对着MPU 1012的正电极层1014，BPU 1102可以堆叠于垫圈1060上。一旦BPU 1102堆叠于垫圈1060的顶部上以及从而在MPU 1012上，第一电池段1022就可以存在。而且，基本上流体紧密的密封可以因此由基板1106、基板1036、及在电解液层1010周围的垫圈1060(以及从而电解液1011)所界定。
然后，隔板1109及电解液1111可以沉积于正电极层1104的顶部上的垫圈1160的内部墙壁之内以界定电解液层1110(参看，例如，图13)。电解液在这些过程步骤期间不可以通过BPU 1102的底部泄露。因而，可以提供半透性隔膜或裂开式碟盘(例如，均衡阀1103)以基本上防止电解液流入较低的电池内。
一旦已经通过堆叠垫圈1060、电解液层1010、以及在BPU 1012的顶部上的BPU 1102创建了该第一电池段1022，如在上文针对图9-12所述的，如果需要的话就可以将另外的BPU以相似的方式堆叠于其上。一旦堆叠了用于双极电池组的期望数量的BPU，就可以将第二MPU堆叠于其上。参考图13，负极MPU 1032可以堆叠于最上端的BPU的顶部(在本实施例中，只提供了一个BPU，因此BPU 1102是该最上端的BPU)。但是，在将MPU 1032堆叠于BPU 1102上之前，可以如上文针对垫圈1060及电解液层1010所述的那样提供另外的垫圈(即，垫圈1160)及电解液层(即，具有隔板1109及电解液1111的电解液层1110)。
可以给负极MPU 1032提供不透性的导电基板1036以及涂覆于其上的负活性材料电极层1038。以MPU 1032的负电极层1038向下面对着BPU 1102的正电极层1104，MPU 1032可以堆叠于垫圈1160之上。一旦MPU 1032已经稳固地堆叠于垫圈1160的顶部上以及从而BPU1102上，第二电池段(即，段1122)就可以存在。而且，基本上流体紧密的密封可以因此由基板1036、基板1106、以及在负电解液层1110(以及从而电解液1111)周围的垫圈1160所界定。
一旦制作堆组以包括正极MPU、负极MPU、以及在它们之间的至少一个BPU，由此形成电池段堆组，例如，如同上文针对图9-13所描述的，就可以提供容器或包装器以密封堆组的内容以形成本发明的功能性的堆叠式双极电池组。在实施例中，如图14所示，可以将包装器1040提供于电池段堆组(即，电池段1022和1122)的周围，使得端部的电极层(即，正电极层1014和负电极层1038)可以露出(例如，分别经由导电基板1016和1036的至少一部分)，并且使得密封布局可以由在堆组的内容周围的包装器所提供以提供堆叠式双极电池组1050。例如，压力可以由堆叠式双极电池组1050上的包装器施加以在堆组中维持在每个垫圈及其相邻的电极单元之间的密封关系以在每个电解液层周围创建基本上流体紧密的屏障。
在实施例中，可以构造堆叠式双极电池组50使得穹形顶部500(如图15所示)可以沉积于电池组的包装器40的顶部上并且平面边缘550可以沉积于电池组的包装器40的底部上。例如，穹形顶部500可能是其中压力均衡阀为裂开式碟盘(参看，例如，裂开式碟盘阀503a-b)的堆叠式电池组中所希望的。由于取向在裂开式碟盘已经打开的情况下基本上防止电解液迁移至相邻电池的情形中可能是重要的，因而穹形顶部500可以基本上确保堆叠式电池组维持于其中穹形顶部500为直立的取向下并且因而BPU 502a-b是下凹的。例如，在直立的位置内，自由的电解液580可以聚集于下凹的“碟盘形”电极(例如，BPU 502a-b)的边缘周围并且自由的电解液580会不能充分地到达在会比边缘相对较高的BPU 502b的中心的开敞孔眼505b。电池组以基本上相同的效果可以侧向安置。
虽然上文所述的及所示的堆叠式电池组的每个实施例示出了包括用于将电解液密封于其中的密封于第一及第二电极单元中的每个电极单元的垫圈的电池段，但是应当注意，电池段的每个电极电池都可以被密封于其自身的垫圈，并且两个相邻的电极的垫圈然后可以彼此密封以创建密封的电池段。
在某些实施例中，可以使垫圈针对电极单元或另一个垫圈注射成模使得它们可以熔合在一起以创建密封。在某些实施例中，垫圈可以超声波焊接至电极单元或另一个垫圈使得它们可以一起形成密封。在其他实施例中，可以将垫圈热熔合至电极单元或另一个垫圈，或者通过热量流动，由此可以加热垫圈或电极单元以熔化到其他垫圈或电极单元内。而且，在某些实施例中，替代或除了在垫圈和/或电极单元的表面上创建凹槽形状的部分以外，可以使垫圈和/或电极单元穿孔或具有穿过其一个或更多个部分的一个或更多个孔眼。可替代地，可以提供穿过一部分垫圈的孔眼或通道或穿孔使得一部分电极单元(例如，基板)可以成模至及穿过垫圈。例如，在另外的实施例中，可以制成穿过垫圈和电极单元两者的孔眼，使得垫圈和电极单元中的每一个都可以成模至及穿过垫圈和电极单元中的另一个。
虽然堆叠式电池组的上文所述的及所示的每个实施例示出了通过将具有基本上圆形的横截面的基板堆叠至圆柱形电池组内来形成的电池组，但是应当注意，各种各样的形状的任一形状都可以被用来形成本发明的堆叠式电池组的基板。例如，本发明的堆叠式电池组可以通过堆叠具有横截面区域为矩形、三角形、六边形，以及任意其他可能的形状或者它们的组合的基板的电极单元来形成。
虽然已经描述了例如具有减小的电极板挠曲及改进的压力均衡的堆叠式电池组，但是应当理解，在没有脱离本发明的精神及范围的情况下可以于其中进行许多改变。还应当理解，各个方向及取向的词语，例如“水平的”和“垂直的”，“顶部”和“底部”和“侧面”，“长度”和“宽度”和“高度”和“厚度”，“内部”和“外部”，“内部的”和“外部的”等只是出于便利起见而在此使用，并且这些词语的使用并没有意指固定或绝对的方向或取向限定。例如，本发明的器件，以及它们的个体组件，可以具有任意希望的取向。如果重定向，则不同的方向或取向的词语可能需要在它们的描述中使用，但是那将不会改变它们在本发明的范围及精神之内的基本性质。本领域技术人员应当意识到本发明可以通过与所描述的实施例不同的其他实施例来实施，其中所描述的实施例为了的说明而非限制的目的提出，并且本发明仅由随后的权利要求所限定。

Claims (8)

1.一种双极电池组，包括：
正单极电极单元；
负单极电极单元；
堆叠于所述正单极电极单元与所述负单极电极单元之间的至少一个双极电极单元，其中所述至少一个双极电极单元包括布置于所述双极电极单元的基板中的压力均衡阀，其中所述压力均衡阀由密封剂和石墨碳纤维束形成；
在每对相邻电极单元之间所提供的电解液层；以及
位于所述电解液层中的每个的周围的垫圈，其中所述电解液层中的每个由其相应的垫圈及其相应的相邻电极单元对来密封。
2.根据权利要求1的电池组，其中所述压力均衡阀是耐化学腐蚀的。
3.根据权利要求1的电池组，其中所述压力均衡阀具有纳米尺寸的穿孔和微米尺寸的穿孔中的至少一个。
4.根据权利要求3的电池组，其中所述压力均衡阀防止电解液在相邻的电解液层之间通过。
5.根据权利要求3的电池组，其中在所述压力均衡阀内的所述穿孔允许气体在相邻的电解液层之间通过。
6.根据权利要求1的电池组，其中气体分子在相邻的电解液层之间沿着所述石墨纤维束进行化学迁移。
7.根据权利要求1的电池组，其中扩散力允许来自过度加压的电解液层的氢分子沿着所述石墨纤维束的表面游移。
8.根据权利要求1的电池组，其中所述压力均衡阀防止电解液在相邻的电解液层之间通过。
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