CN102341935B - 用于储能器件的可变容积的容器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种叠层性储能器件(ESD)，具有至少两个按叠层方式布置的电池段。每个电池段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，以及在这两个活性材料电极之间的电解质层。可变容积的容器可以被用来控制每个电池段内的电极间距。在一些实施例中，一个或更多个动态柔性垫片可以包含于每个电池段内以将电解质密封于电池段之内并且按优选的方向变形。在一些实施例中，硬止动件可以设置ESD的电极间距。

Description

用于储能器件的可变容积的容器

相关申请的交叉引用

本申请要求在2009年1月27日提交的美国临时申请No.61/147,725，以及在2009年5月26日提交的美国临时申请No.61/181,194的权益，在此通过援引加入这两个申请的全部内容。

技术领域

本发明一般地涉及储能器件(ESD)，并且更特别地，本发明涉及合并了可变容积的容器的ESD。

背景技术

密封的ESD的特征是电池容纳并隔离于ESD之内，以免受到来自外部的污染和/或干涉。常规的容器(例如，ESD包封器)给各种相态的ESD材料(例如，电解质溶剂混合物和活性材料)提供了容纳和隔离。不管电池是不工作还是工作，通常都有必要含有这些ESD材料。不管电池是不工作还是工作，在电池之内所容纳的一些材料都经历着状态的改变。状态的波动导致电池压力的变化，该电池压力的变化对容器施予压力。

在固定容积的容器之内的压力与容器内的活性材料的数量和一种或更多种状态成正比。例如，在金属氢化物的ESD中，电化电耦包括阳极内的金属氢化物合金和阴极内的金属氢氧化物。这些材料中的每一种都进行着导致容器内的净容积变动的状态改变。容积变动可能导致电池压力的改变和/或净容积(free volume)的净改变。因此，活性材料的状态改变能够导致更少或更多的可用的净容积，其中净容积指的是单元电池容积与包含于电池之内的全部材料的容积之差。在示例性的金属氢化物的配置中，所排开液体的液压、电解质溶剂混合物的气相成分，以及电解质溶剂混合物的汽相分压产生了对容器壁的力。归因于变化着的活性材料的状态的压力同样促使电极表面对容器壁物理挤压。如果应力超过了容器的承受能力，则容器可能受到损害并且可能不能正确运行。

常规的ESD不是被制造成只有两个电极的卷绕式电池ESD就是被制造成具有许多平行板组的标准的方形电池ESD。在这两种类型中，电解质在ESD中到处共用。卷绕式电池结构和方形电池结构两者都使用刚性的、固定容积的容器。这些结构要求对在刚性容器内的材料进行严格的计算，因为容器不允许容积膨胀和/或收缩(即，净容积的大小是固定的)。净容积的大小可能影响ESD的工作，因为过多的净容积会导致不良的性能(例如，松散的电池)，而过少的净容积则导致可能会爆炸的器件。在一些实例中，在这些常规的ESD的工作期间所产生的力可能超过容器的材料限度并且促使容器破裂。当容器由于高压力而破裂时，内部组分则以相当大的能量喷射出。

因此，提供具有可变容积的容器的ESD将是所希望的。

发明内容

鉴于以上情况，本发明提供了用于具有可变容积的容器的ESD的装置和方法。

在本发明的一些实施例中，提供了具有多个双极性电极单元的叠层的ESD。每个电极单元可以包括导电衬底、在导电衬底的第一表面上的正极活性材料电极层，以及在导电衬底的第二表面上的负极活性材料电极层。电解质层可以设置于每对相邻的电极单元之间。柔性垫片可以放置于每个电解质层附近，其中该垫片能够按预定的方式机械变形。

根据一种实施例，提供了其中保持了电极间距的ESD。ESD可以包括多个电池段，其中每个电池段可以包括具有第一活性材料电极层的第一导电衬底以及具有第二活性材料电极层的第二导电衬底。电解质层可以设置于第一和第二活性材料电极层之间。多个硬止动件(hardstop)可以设置在每个导电衬底可以固定地放置于各自的硬止动件上的地方，并且硬止动件可以被配置为设置ESD的电极间距。

附图说明

在结合附图来考虑下面的详细描述时，本发明的以上及其他目标和优点将是显而易见的，在全部附图中相同的参考符号指示相同的部件，以及在附图中：

图1示出了根据本发明的一种实施例的双极性电极单元(BPU)的结构的示意性截面图；

图2示出了根据本发明的一种实施例的图1的BPU的叠层的结构的示意性截面图；

图3示出了根据本发明的一种实施例的叠层型双极性ESD的立体图；

图4示出了根据本发明的一种实施例的图3的叠层型双极性ESD的局部截面图；

图5示出了根据本发明的一种实施例的图4的叠层型双极性ESD的示意性截面图；

图6示出了根据本发明的一种实施例的图5的双极性ESD的硬止动件的立体图；

图7示出了根据本发明的一种实施例的图5的双极性ESD的柔性密封的示意性截面图；

图8示出了根据本发明的一种实施例的叠层型双极性ESD的局部分解的示意性截面图；

图9示出了根据本发明的一种实施例的叠层型双极性ESD的结构的示意性截面图；

图10示出了根据本发明的一种实施例的叠层型双极性ESD的结构的示意性截面图；

图11示出了根据本发明的一种实施例的叠层型双极性ESD的结构的示意性截面图；

图12示出了根据本发明的一种实施例的叠层型双极性ESD的结构的示意性截面图；

图13示出了根据本发明的一种实施例的叠层型双极性ESD的结构的示意性截面图；

图14示出了根据本发明的一种实施例的方形电池ESD的结构的示意性截面图；以及

图15示出了根据本发明的一种实施例的方形电池ESD的结构的示意性截面图。

具体实施方式

本发明提供了用于具有可变容积的容器的储能器件(ESD)的装置和方法，并且所述装置和方法在下面参照图1-15来描述。本发明涉及ESD，例如，蓄电池、电容器，或者可以存储和/或提供电能或电流的任意其他适合的电化学能量或电力存储器件。应当理解，虽然本发明在此于具有可变容积的容器的叠层型双极性ESD的情况下进行描述，但是所讨论的概念可应用于任意电池间的电极配置，包括但不限于平行板、方形的、折叠的、卷绕的和/或双极性的配置，任意其他适合的配置，或者它们的任意组合。

如同在此所定义的，“电极间距”是在叠层型双极性ESD内的活性材料电极层之间的距离。例如，这可以应用于电池内的正电极和负电极之间的距离，该电池只含有一个正电极和一个负电极。在一些实施例中，这可以应用于在同一电池中有多个电极组或段的电池。对于具有多个电极或电极段的电池，可以有多个电极间距。

已经开发出了具有叠层形式的密封电池的ESD，该ESD一般地包括一系列叠层型双极性电极单元(BPU)。这些BPU中的每一个都设置有涂布在集流体的相反侧上的正极活性材料电极层和负极活性材料电极层。任意两个BPU都可以一个堆叠在另一个之上，电解质层被设置于BPU之一的正极活性材料电极层与另一个BPU的负极活性材料电极层之间，用于使这两个BPU的集流体电隔离。任意两个相邻的BPU的集流体，连同活性材料电极层以及它们之间的电解质一起，是密封的单电池或电池段。包括此类电池的叠层的ESD在此将称为“叠层型双极性”ESD，其中每个电池都具有第一BPU的一部分和第二BPU的一部分。

可变容积的容器可能有利于非常规的ESD配置，例如，多电池的双极性ESD的架构。在双极性ESD的配置中，电池串联堆叠，在电池之间使用共同的集电板，这导致容纳材料的减少，并且由此质量和/或容积的减小。双极性配置的一个潜在的缺点是电极间距在ESD的工作和循环期间的可变性。电池压力可以累积，促使电极表面被推离开。这种移动增加了电极表面之间的间隙距离并且影响到器件的内部电阻。此外，随着电极间距的增大还可能导致所不希望的级联效应，例如，提高的电阻抗以及降低的充电效率、放电容量及倍率特性。

常规的叠层型双极性ESD使用平电极板。通过使用平板以及使用边缘密封来隔离它们，在叠层型电化学ESD中的电池可以基本上独立地工作。在独立的电池被充电和被放电时，在相邻的电池之间可能出现微小的压力差。如果相邻的电池之间的压力差超过了每平方英寸几磅，则平板电极可能从第一电池偏移向第二电池。该偏移可能使第二电池的隔膜材料产生应变，造成其中可能出现短路的“热点”。因为个体电池的物理成分和化学成分一般来说可能是彼此稍微不同的，所以一般地可能存在着在电池之间的压力差。

例如，如果允许电池电压超过电解质溶剂(例如，在NiMH的情况下为水)的击穿电压，则可以导致形成溶剂的各种气相成分(例如，氧气和氢气)。气相成分形成和释放的速率可以影响电池的气相压力分量并且影响活性材料电极基体。气相形成的速率可能与例如ESD的内部电阻、充电状态、充电接受阶段和充电速率是相关的。过大的气相形成速率可能会降低电极基体的机械稳定性，例如，通过使活性材料与电极基体取消耦接，这可以引起ESD的容量衰减。

如果所结合的压力(例如，液压的、机械的和气相/汽相的压力)超过了电极耦接压力，则电极可能分离。增大的间隙距离可能使得活性材料迁移出电极基体，导致容量随每个循环而衰减。活性材料可能最终迁移穿过隔膜和/或在隔膜周围，可能导致所不希望的影响，例如，过早的电极击穿以及个体电池内的短路。可变容积的容器可以通过允许电极表面保持基本上邻接于隔膜来减轻所不希望的效应的级联，从而使活性材料顺从地保持于电极基体之内。

通常用来描述ESD的性能测度可以是具有单位Watt-hr/kg和/或Watt-hr/L的具体能量，以及具有单位Watts/kg或Watts/L的具体功率。这些性能测度可以有助于重量相对轻的和/或容积相对低的器件。双极性ESD可以允许容器的质量和/或容积减小，从而获得相对常规的ESD包(例如，卷绕式电池和方形电池ESD)的优势。但是，在双极性ESD的开发中的问题在于活性材料在ESD的工作和循环期间可能改变形状，这可能导致电极分离。

双极性ESD的电池力学可能是复杂的且多变量的问题。电池的行为可能与外力作用或刺激，以及活性材料在电场内的物理及热力学的一种或更多种状态有关。要预测瞬时的或准瞬时的电池动态，可能需要在基本上整个器件之内的材料的瞬时或准瞬时的一种或更多种状态。因此，为了使对ESD的行为的描述相对简单化，可以使用状态描述(例如，充电状态和放电状态)。

ESD的热力学状态可以由外力作用来驱动(例如，电压源或电流源和/或负载)。与外力作用的连接可以允许ESD的电化学刺激。在外力作用与ESD的一种或更多种活性材料之间的连接质量可能是重要的参数，因为在器件中可能有其中可能发生界面反应的多个界面。例如，界面反应可以发生于活性材料界面、溶剂-电解质界面以及阴极界面。在外力作用与ESD的一种或更多种活性材料之间的质量相对低的连接可能不利地影响这些界面中的一些或全部界面的界面反应。

电极表面的物理取向以及它们相对于溶剂内所含有的可移动离子(例如，电解质)的位置可能对电化学动力学具有影响。例如，在带电粒子上所形成的力可能基本上直接与粒子的电荷和电场强度成正比。在一些情况下，在带电的粒子上所形成的力可能导致力不平衡并且可能导致带电粒子在合力矢量的方向上的净加速度。

在带电粒子上所形成的力可以是吸引力和/或排斥力。吸引力和排斥力的贡献可以取决于电极间距。因而，ESD的电极间距可以影响在带电粒子上的电动力。吸引力和排斥力可以有助于带电粒子的净加速度。当排斥力和吸引力两者以合力来考虑时，净力或净加速度随着电极间距的降低而增大。使用可变容积的容器的双极性ESD可以允许电极间距通过施加物理负载来动态地控制。可变容积的容器可以允许将物理负载施加于容器以及对电极间距的动态控制。例如可以通过物理调整垂直于电极表面的取向的力来提供对电极间距的动态控制。

可以影响ESD的另一变量可以是活性材料的热力学状态。活性材料可以在热力学状态之间循环，这可能导致活性材料的形状改变。例如，在镍金属氢化物(NiMH)器件中可以通过状态改变来影响电池压力的活性材料可以是金属氢化物、氢氧化镍和电解质溶剂(例如，气体和蒸汽两者的压力分量)。

活性材料的状态改变可以导致容器的净容积膨胀和/或收缩。对于固体活性材料(例如，金属氢化物合金或氢氧化镍)，差异膨胀可以大到300％。因而，在一些情况下，活性材料在循环期间可以对容器施加相对大的力。在一些实施例中，如果该力超过了容器的一种或更多种材料的承受能力，则可能出现裂口。这可以由于可以从容器中排出的一种或更多种材料的相对高的动能而是潜在性危险的。因此，设计容器使之满足活性材料的容积需要，同时还保持着界面的电极间距，这可以是优选的。容器的容积分量可以设计为使得容器的容积大小可以不小于给定的活性材料的一种或更多种状态所需的容积大小。

图1示出了根据本发明的一种实施例的示例性的“平板”双极性电极单元或BPU 102。用于叠层电池ESD中的平板结构在Ogg等人的美国专利申请No.11/417,489以及Ogg等人的美国专利申请No.12/069,793中进行了更详细的讨论，在此通过援引加入这两个专利申请的全部内容。BPU 102可以包括可以设置于防渗导电衬底或集流体106的第一侧上的正极活性材料电极层104，以及可以设置于防渗导电衬底106的另一侧上的负极活性材料电极层108(参见，例如，在2007年10月9日公告的Fukuzawa等人的美国专利No.7,279,248，在此通过援引加入该专利的全部内容)。

应当理解，双极性电极可以具有许多适合的形状或几何形状。例如，在本发明的一些实施例中，作为选择或另外地，“平板”BPU可以是“盘形”电极。盘形电极可以降低在双极性ESD的工作期间可能出现的压力。盘形和压力平衡电极在West等人的美国专利申请No.12/258,854中进行了更详细的讨论，在此通过援引加入该申请的全部内容。

如图2所示，例如，多个BPU 202可以基本上垂直地堆叠成叠层220，具有电解质层210，该电解质层210可以设置于两个相邻的BPU202之间，使得一个BPU 202的正电极层204可以经由电解质层210与相邻的BPU 202的负电极层208相对。每个电解质层210可以包括可以保持电解质的隔膜。隔膜可以使与其相邻的正电极层204和负电极层208电隔离，而允许电极单元之间的离子迁移。

继续参照图2中的BPU 202的堆叠状态，例如，包含于第一BPU202的正电极层204和衬底206、与第一BPU 202相邻的第二BPU 202的负电极层208和衬底206、以及在第一和第二BPU 202之间的电极层210中的组件在此应当称为单个“电池”或“电池段”222。每个电池段222的每个防渗衬底206可以由可应用的相邻电池段222所共用。

图3和4分别示出了根据本发明的一种实施例的叠层型双极性ESD的立体图和局部截面图。叠层型双极性ESD 350可以包括压紧螺栓323、对准环324a和324b、机械弹簧326a和326b、叠层320(包括衬底法兰307)以及设置于叠层320的两端的刚性端盖334和318。对准环324可以设置于叠层型双极性ESD 350的两端。例如，对准环324a和对准环324b可以设置于ESD 350的相对两端。机械弹簧可以设置于对准环324a/324b和刚性端盖334/318之间。例如，机械弹簧326a可以设置于对准环324a和刚性端盖334之间，以及机械弹簧326b可以设置于对准环324b和刚性端盖318之间。机械弹簧326a和326b可以被配置为响应于在ESD 350的工作和循环期间所产生的力而偏移。在一些实施例中，弹簧326a和326b的偏移可以与所施加的负载直接成正比。

可以使刚性端盖334和318形成与双极性ESD 350的电极的形状基本上相符的形状(参见，例如，图5的BPU 2a-d)。例如，端盖334和318可以符合ESD 350的电极和/或衬底的“平板”、“盘形”或任意其他形状，或者它们的组合。

在一些实施例中，衬底法兰307可以被设置于双极性ESD 350附近并且可以自叠层320径向向外伸出。例如，法兰307可以提供到与相应的防渗导电衬底对应的双极性电极单元的电连接，其中法兰307与该防渗导电衬底耦接(参见，例如，图5的BPU 2a的法兰7)。虽然图3的法兰307成“压舌板”形状，但是它可以是任意其他适合的形状，以及任意其他适合的尺寸，被配置为从叠层320向外延伸。例如，法兰307的截面区域可以是基本上矩形的、三角形的、圆形或椭圆形的、六边形的或任意其他所期望的形状，或者它们的组合，并且可以被配置为与特定的一个或更多个连接器电耦接。

图5示出了根据本发明的一种实施例的图4的叠层型双极性ESD的示意性截面图。端盖18和34可以分别设置于叠层20的第一端和第二端。如图5所示，例如，正极端子和负极端子可以连同一个或更多个BPU 2a-d的叠层20一起提供，用于构成根据本发明的一种实施例的叠层型双极性ESD 50。可以包括设置于防渗导电衬底16的一侧上的正极活性材料电极层14的正极单极性电极单元或MPU 12可以放置于具有所提供的电解质层(即，电解质层10e)的叠层20的第一端，使得正极MPU 12的正电极层14可以在叠层20的第一端经由电解质层10e与BPU(即，BPU 2d)的负电极层(即，层8d)相对。可以包括设置于防渗导电衬底36的一侧上的负极活性材料电极层38的负极单极性电极单元或MPU 32可以放置于具有所提供的电解质层(即，电解质层10a)的叠层20的第二端，使得负极MPU 32的负电极层38可以在叠层20的第二端经由电解质层10a与BPU(即，BPU 2a)的正电极层(即，层4a)相对。MPU 12和32可以各自设置有对应的正和负电极引线(没有示出)。

应当注意，每个MPU的衬底和电极层都可以与其相邻的BPU2a/2d的衬底和电极层，以及在它们之间的电解质层10a/10e一起形成电池段，如图5所示(参见，例如，段22a和22e)。在叠层20中所堆叠的BPU 2a-d的数量可以是一个或更多个，并且可以适当地确定以便对应于例如ESD 50的期望电压。每个BPU 2a-d可以提供任何所期望的电位，使得ESD 50的期望电压可以通过有效地累加由每个部件BPU2a-d所提供的电位来获得。应当理解，每个BPU 2a-d未必都要提供相同的电位。

在一些实施例中，可以构造双极性ESD 50，使得BPU叠层20及其相应的正极MPU 12和负极MPU 32可以在降低的压力之下至少局部封装(例如，密封)到壳体或包封器之内。例如，可以将MPU导电衬底16和36从ESD壳体中抽出，以便减轻使用时来自外部的冲击并且防止环境退化。

在本发明的一些实施例中，可以构造双极性ESD 50，使得端盖18或端盖34或两者可以是防渗的导电衬底，以及活性材料电极层14和38可以直接设置于端盖18/34的一侧上。例如，在本实施例中，可以不需要防渗的导电衬底16/36，因为正极MPU 12可以包括设置于端盖18的一侧上的正极活性材料电极层14(没有示出)，以及负极MPU 32可以包括设置于端盖34的一侧上的负极活性材料电极层38(没有示出)。

为了防止第一电池段的电解质(参见，例如，电池段22a的电解质层10a)与另一电池段的电解质(参见，例如，电池段22b的电解质层10b)结合，动态柔性垫片或密封可以与相邻的电极单元之间的电解质层一起堆叠，以将电解质基本上密封于其特定的电池段之内。例如，垫片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，任意其他适合的材料，或者它们的组合，并且可以与特定电池的相邻的电极单元相互机械作用以将电解质密封于它们之间。在一种适合的布置中(例如，如图5所示)，本发明的双极性ESD可以包括可以放置作为在每个电池段22a-e的电解质层10a-e以及活性材料电极层4a-d/14和8a-d/38附近的阻挡体的垫片或密封60a-e。垫片或密封剂可以是连续的和闭合的并且可以基本上将电解质密封于垫片与该电池的相邻电极单元(即，与该垫片或密封相邻的多个BPU或单个BPU和MPU)之间。例如，垫片或密封剂可以在该电池的相邻电极单元之间设置适当的间距。

在密封叠层型双极性ESD 50的电池段以防止第一电池段的电解质(参见，例如，电池段22a的电解质层10a)与另一电池段的电解质(参见，例如，电池段22b的电解质层10b)结合时，电池段可以在电池充电和放电时于相邻的电池(例如，电池22a/22b)之间产生压力差。可以设置平衡阀来基本上降低那样产生的压力差。平衡阀可以如同半渗透膜或防爆片那样工作，以在机械上或在化学上或两者同时允许气体迁移并且基本上防止电解质迁移。ESD可以包含具有任意平衡阀组合的BPU。压力平衡阀在West等人的美国专利申请No.12/258,854中进行了更详细的讨论，在此通过援引加入该申请的全部内容。

压力释放阀可以是由刚性材料(例如，钢)支撑的密封材料(例如，橡胶)的机械装置，该机械装置使用弹簧或者有时使用可压缩的橡胶塞来压紧电池中的开口。当电池内的压力增加到超过可接受的限度时，压紧弹簧和橡胶密封被推离开口并且过量的气体排出。一旦压力降低，阀就重新封上，并且该电池能够相当正常地运行。过多的电解质很可能也与所释放的压力一起排出。

气体平衡阀基本上防止了极性液体的迁移，但是可以允许双原子气体以及非反应性的或惰性的气体扩散穿过该平衡阀以平衡该阀两侧的压力。被阻挡扩散或迁移的液体可以包括但是并不限定于水、乙醇、盐溶液、碱性溶液、酸性溶液和极性溶剂。气体平衡阀可以用来使双原子气体与极性液体分离。还可以使用由抗极性溶剂的密封剂和石墨碳纤维束制成的气体平衡阀。气体平衡阀可以用来平衡在多电池ESD中的、在双极性电池ESD中的或者在超级电容器存储器件中的电池之间的压力。例如，气体平衡阀可以用来控制在具有至少一个轮子并且具有至少1千克的承载能力的电动车辆、混合动力车辆或插入式(plug-in)混合动力车辆的ESD中的差压。

继续参照图5，硬止动件62a-e可以从垫片60a-e径向向外地设置。例如，硬止动件62a可以从垫片60a径向向外地设置，并且硬止动件62a可以基本上围绕电池段22a的内含物。每个硬止动件62a-e都可以具有衬底(例如，衬底6a)可以牢固地放置于其上的搁架63a-e。应当理解，虽然垫片60a-e被示出为与硬止动件62a-e相邻，但是垫片60a-e和硬止动件62a-e可以分开任意适合的间隙距离，该距离可以允许垫片60a-e朝着硬止动件62a-e径向向外膨胀或变形，用于例如降低给定电池的压力。

现在参照图6，图中示出了根据本发明的一种实施例的图5的双极性ESD的两个硬止动件662的立体图。如以上结合图5所讨论的，每个硬止动件662都可以具有在硬止动件662的内缘672上的搁架663，其中防渗的导电衬底(例如，图5的衬底6a)可以牢固地放置于该搁架663上。硬止动件662可以与内缘672上的搁架663一起基本上设定ESD的电极间距。在一些实施例中，搁架663的高度在叠层内的电池和电池之间可以是不同的，因为衬底、电极层、电解质层及垫片的材料和几何形状可以沿着叠层的高度方向在电池段与电池段之间变化。例如，搁架663的高度可以变化，因为特定电池段的不同材料和几何形状可以影响该电池段的最佳的电极间距。

硬止动件662的内缘672还可以包括一组栓柱(参见，例如，栓柱667和669)和一组栓柱孔(参见，例如，栓柱孔668)。第一硬止动件662的栓柱孔668可以与第二硬止动件662′的互补栓柱667耦合。硬止动件662的多个栓柱和栓柱孔可以通过例如使各自的衬底基本上居中于叠层组件的堆叠轴上来帮助衬底法兰(参见，例如，图3的法兰307)与硬止动件对准。横贯硬止动件662的内缘672，多个交替的栓柱669和栓柱孔668可以按照基本上圆形的图案来设置。

例如，用于多个压紧螺栓或者任意其他适合的刚性紧固件的一组螺栓孔664a和664b可以沿着外缘676设置于硬止动件662的外围。例如，螺栓孔664a和664b可以使双极性电极单元(参见，例如，图5的BPU 2a-d)的整个叠层在组装期间对齐，并且可以在工作期间提供稳定性。螺栓孔664a和664b可以按规定尺寸制作以适应特定的压紧螺栓或任意其他适合的刚性紧固件。虽然螺栓孔664a和664b被示出为圆形，但是它们还可以是基本上矩形的、三角形的、椭圆形的、六边形的或任意其他所期望的形状，或者它们的组合。

硬止动件662还可以包括可以与衬底法兰(参见，例如，图3的法兰307)对准的衬底搁架674。衬底搁架674可以允许法兰从叠层(例如，图5的叠层20)径向向外突出穿过硬止动件662，以例如允许法兰与引线电连接。虽然硬止动件662示出了五个衬底搁架674，但是也可以提供任意适合数量的搁架674，并且该数量可以取决于ESD中所使用的特定的一个或更多个BPU。

图7示出了根据本发明的一种实施例的图5的双极性ESD的动态柔性密封或垫片760的示意性截面图。可以给柔性垫片760设置第一层756和第二层758。第一层756可以由可以将电解质有效地密封于由垫片和与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组合来形成。柔性动态密封或垫片可以合并一个或更多个层，例如用于提高容器质量。

第二层758可以是与第一层756的材料不同的材料，或者在一些实施例中，它可以是相同的材料。可以使用任意适合的技术将第二层758添加到第一层756，所述技术包括注入成型于第一层756使得两个层可以熔融到一起以形成密封。在一些实施例中，可以将第二层758超声焊接于第一层756使得它们可以共同形成密封。在其他实施例中，可以将第二层758热熔融于第一层756，或者可以通过热流给第二层758加热使之熔化到第一层756之内。

动态柔性密封或垫片760可以被配置为在基本上保持容器的同时在物理上调整尺寸。如以上所讨论的，在一些实施例中，密封760可以合并一个或更多个层，例如用于提高容器质量。

用于ESD的容器设计可以合并动态容纳特征，该动态容纳特征可以在物理上调整尺寸以降低例如由热力学状态之间的ESD循环的活性材料所引起的应力。例如，要降低由内含物施于容器上的应力，可以配置容器使之按照优选的布置变形。可以被并入以允许容器应力降低的器件可以是柔性动态密封或垫片(例如，垫片760)。

垫片可以能够在优选的使用周期或使用寿命内基本上将内含物限定和/或隔离于容器中。例如，使用寿命可以是长达15年或更高(例如，在车辆应用中)以及短至1年或更低，取决于应用。工作条件，例如温度、充电和放电速率、充电过程以及放电深度，可以影响ESD的使用寿命。例如，在ESD中可利用的全部能量的某一百分比下工作的混合动力车辆(HEV)的ESD或插入式混合动力车辆(PHEV)的ESD的使用寿命可以比纯电动车辆(EV)的ESD的使用寿命相对更长，该纯电动车辆的ESD可以具有充电/放电EV ESD的基本上全部可利用的能量和/或容量的重复循环。在相对热或相对冷的环境中工作的ESD与在较温和的环境中工作的ESD相比可能具有较短的使用寿命。例如，与其他应用相比，应用于太空和卫星的ESD可能由于环境因素(例如，可能由于太空中的低温而需要加热器用于工作)而具有相对较短的使用寿命。

作为容器的一部分，垫片可以能够使ESD中的内含物与内部的和/或外部的污染物隔离。容器优选地维持了基本上完全的隔离以及内含物穿过动态柔性密封或垫片材料的零到可容许的渗透率。容器可以用传输/渗透性质来描述。在下面，公式1提供了可以用来描述穿过给定材料的质量渗透率的行为的关系：

$q=\frac{\mathrm{PA\Δp}}{d}$ (公式1)

其中Q是质量流率，P是渗透常数，A是接触表面面积，以及Δp是路径长度厚度(d)两侧的压力差。对于与公式1一致的行为，低渗透常数(P)可以是优选的。

多种组分可以存在于给定的容器之内，并且每种组分可以同时存在多种相态(例如，固相、液相和气相)，这取决于环境条件。多种组分(可能具有多种相态)的共存可能导致垫片性能改变。例如，渗透常数可以由组分和/或组分的一种或更多种状态改变。将另加的层合并于基础垫片材料(参见，例如，图7的第一层756和第二层758)可以是许多适合于改进容器的技术中的一种。可以用于柔性动态密封或垫片的材料可以包括聚合物、金属、陶瓷、任意其他材料，或者它们的适当组合。

在一种实施例中，柔性动态密封或垫片可以用于具有镍金属氢化物(NiMH)化学品的双极性ESD中。在该应用中，垫片可以机械调整尺寸，而保持与相邻表面基本上密封接触。要机械变形，密封可以包括能够弹性机械变形的材料。一些可以使用的材料可以包括一些聚合物、陶瓷和金属，或任意其他适合的材料，或者它们的组合。用于双极性金属氢化物的实施例的优选基础材料可以是弹性体，例如Buna N橡胶或其他适合的丁腈橡胶。材料只要在工作期间没有超过机械变形的弹性极限就可以是足够的。

在双极性金属氢化物能量存储器件的实例中，可能有多种渗透物(例如，氢气、氧气、水、水蒸气)，该多种渗透物可以在选择和/或设计柔性动态密封或垫片时进行考虑。因为可能有多种渗透物，所以要基本上抑制全部渗透物，均匀密封或垫片可能并不是优选的。因此，在一些实施例中，给垫片添加层可能是优选的。

例如，对双极性金属氢化物ESD的运行来说相对重要的渗透物可以是氢气。在ESD的工作期间，氢气压力可以是相对重要的，并且一个或更多个附加层与基础密封或垫片材料的合并可以基本上降低可能会发生穿过仅含有单个层的密封或垫片的氢气渗透率。垫片层可以包括金属箔和/或具有催化复合性质的金属箔(例如，催化氧气和氢气形成水)。

如以上所讨论的，可以配置柔性动态密封或垫片使之沿着一个或更多个优选方向变形。变形的方向可以是沿着密封或垫片自身的轴向或径向，该轴向和径向既可以是与ESD叠层的轴向和径向相同的方向，也可以是不同的方向。此外，还可以配置密封或垫片使之沿着一个或更多个轴变形。

图8示出了根据本发明的一种实施例的叠层型双极性ESD的局部分解的示意性截面图。如图8所示，例如，压紧板103、弹簧126及叠层120可以基本上封闭于动态容器140内。叠层120可以包括端盖134和118，防渗的导电衬底或集流体116a-e，以及设置于各导电衬底116a-e之间的柔性动态密封或垫片160a-d。叠层120的多个部件已经被省略以便突出ESD 180的一些方面。例如，应当理解，ESD 180的每个双极性单元都可以包括可以设置于导电衬底116a-e的第一侧上的正极活性材料电极层(参见，例如，图1的正电极层104)，以及可以设置于导电衬底116a-e的另一侧上的负极活性材料电极层(参见，例如，图1的负电极层108)。

在本发明的一些实施例中，为了形成相对更好的密封，垫片的表面区域的一个或更多个部分与相邻电极单元的表面区域的一个或更多个部分可以各自互反地或对应地开槽，开倒角或成形，其中所述垫片与所述相邻电极单元彼此接触。例如，可以使垫片表面的至少一部分成形使之对应于电极单元表面的至少一部分(参见，例如，图5的在垫片60a和衬底6a之间的凹槽70)，使得两个表面可以接合到一起以限制这两个表面之间的一些类型的相对移动并且使垫片和电极单元在ESD的制造期间自对准。例如，这个通过垫片和相邻衬底互反成形的部分的接合所形成的凹槽可以由此增加它们接合的接触区域的大小，并且由此可以为试图破坏形成于垫片与衬底的接合接触区域之间的密封的任意流体(例如，电解质)提供更大的阻力路径。垫片凹槽在Ogg等人的美国专利申请No.12/069,793中进行了更详细的讨论，在此通过援引加入该申请的全部内容。

在一些实施例中，可以将叠层型双极性ESD 180设计为允许沿着优选方向移动。例如，这可以使用容器140、垫片160a-d、弹簧126及端盖134/118中的任一个，或任意其他适合的部件，或者它们的任意组合来实现。例如，可以将动态容器140设计为，允许物理膨胀但是可以使移动仅限定于堆叠方向。例如，因为每个电池段的活性材料在循环期间经历着容积改变，并且气体被生成和/或被消耗，所以容器140可以防止电池径向膨胀，而垫片160a-d可以沿着堆叠方向膨胀。在膨胀和/或收缩期间，容器140和垫片160a-d基本上含有电池成分(例如，正和负极活性材料、电解质和/或各种气体)。因而，在一些实施例中，ESD在不使用硬止动件(参见，例如，图6的硬止动件662)的情况下可以提供可变容积的容器。但是，应当理解，在一些实施例中，可以将硬止动件添加到ESD 180。

图9示出了根据本发明的一种实施例的双极性ESD的两个电池段822a和822b的叠层820的结构的示意性截面图。如图9所示，例如，每个电池段822a/822b可以包括垫片860a/860b、正极活性材料电极层804和负极活性材料电极层808、以及在它们之间设置的电解质层。防渗的导电衬底或集流体806c可以位于叠层820的第一端，以及导电衬底806a可以位于叠层820的第二端。可以使用导电衬底806c和806a将堆叠方向限定为从叠层820的第一端到叠层820的第二端的方向。继续参照图9的堆叠状态，例如，在导电衬底806a和导电衬底806b之间的并且包括导电衬底806a和导电衬底806b的部件可以包含于电池段822a之内。类似地，在导电衬底806b和导电衬底806c之间的并且包括导电衬底806b和导电衬底806c的部件可以包含于电池段822b之内。BPU 802可以包括可以设置于导电衬底806b的第一侧上的正电极层804以及可以设置于导电衬底806b的另一侧上的负电极层808。

例如，在图9的叠层中，正电极层804和负电极层808可以隔开间隙距离815。间隙距离815可以是在限制电极表面间的电子传递时使内部电阻最小化的任意适合的距离。例如，适合的间隙距离可以具体设计，并且可以是0密耳、5密耳、10密耳或更大。例如，间隙距离可以与ESD组件的闭合力、电极厚度以及活性材料的电极负载有关。例如，在一些实施例中，要增加叠层820的ESD容量，可以使正电极层804和/或负电极层808增厚，使得间隙距离815可以是相对小的，例如，与图2的正电极层204和负电极层208之间的间隙距离相比。使用各种电极配置来增加ESD容量，这在West等人于2010年1月27日提交的美国专利申请No.12/694,641中进行了更详细的讨论，在此通过援引加入该申请的全部内容。

图10示出了根据本发明的一种实施例的具有垫片961a和961b的图9的叠层型双极性ESD的结构的示意性截面图，其中该垫片961a和961b可以沿着堆叠方向上的单个轴延伸出去。如前面所讨论的，在固定容积的容器之内的压力可以与在固定容积的容器之内的活性材料(例如，活性材料电极层904和908)的数量和一种或更多种状态成正比。在使用垫片961a和961b的ESD中，压力的增加可能导致在叠层920的电池段之内的电极间距所不希望的增加。例如，响应于可以出现于电池段922a内部的压力的增加(例如，图10的压力P2可以大于图9的压力P1)，在正电极层904和负电极层908之间的间隙距离915可以在垫片960a沿堆叠方向膨胀时增加。例如，图10的ESD配置的电极间距的改变可能是所不希望的，因为与图9的间隙距离815相比，间隙距离915的增加相对较大，这可能导致所不希望的级联效应，例如增加的电阻抗以及降低的充电效率、放电容量及倍率特性。

图11示出了根据本发明的一种实施例的具有动态柔性密封或垫片1060a和1060b的图9的叠层型双极性ESD的结构的示意性截面图。垫片1060a和1060b可以通过沿着一个或更多个优选方向变形而基本上保持叠层1020的电池段1022a和1022b的电极间距。例如，垫片1060a可以沿着从叠层1020的堆叠方向径向地向外的方向变形。通过沿着径向地向外的方向变形，垫片1060a可以通过增加电池段1022a的容积并且保持在正电极层1004和负电极层1008之间基本上恒定的间隙距离1015(即，基本上与图9的原始间隙距离815相同的间隙距离)来降低电池段1022a内的压力。应当理解，在一些实施例中，垫片1060a可以按这样的方式变形，即，间隙距离1015在ESD的整个工作期间可以保持基本上恒定的。在其他实施例中，垫片1060a可以按这样的方式变形，即，间隙距离1015可以改变；但是，间距距离1015的改变可以显著小于图10的间隙距离915的改变，在两个ESD中假定相同的压力P2。

在一些实施例中，垫片1060a可以沿着其他优选的方向变形。例如，垫片1060a可以沿着离轴方向(例如，既没有沿着堆叠方向也没有沿着自从堆叠方向径向地向外的方向的轴)变形。在其他实施例中，垫片1060a可以响应于除电池段内的压力增加之外的条件而变形。例如，可以将垫片1060a设计为响应于电池段1022a内的各种温度条件而沿着优选的方向变形。作为另一个实例，可以将垫片1060a设计为响应于活性材料电极层(参见，例如，正电极层1004)的容积大小的改变而沿着优选的方向变形。

图12示出了根据本发明的一种实施例的叠层型双极性ESD的结构的示意性截面图。如图12所示，例如，每个电池段1122a/1122b可以包括垫片1160a/1160b、正极活性材料电极层1104和负极活性材料电极层1108、以及在它们之间设置的电解质层。防渗的导电衬底或集流体1116可以位于叠层1120的第一端，以及防渗的导电衬底或集流体1136可以位于叠层1120的第二端。可以使用导电衬底1116和1136将堆叠方向限定为从叠层1120的第一端到叠层1120的第二端的方向。继续参照图12的堆叠状态，例如，在导电衬底1136和导电衬底1106之间的并且包括导电衬底1136和导电衬底1106的部件可以包含于电池段1122a之内。类似地，在导电衬底1106和导电衬底1116之间的并且包括导电衬底1106和导电衬底1116的部件可以包含于电池段1122b之内。BPU1102可以包括可以设置于导电衬底1106的第一侧上的正电极层1104以及可以设置于导电衬底1106的另一侧上的负电极层1108。

继续参照图12，刚性端盖1134和1118可以设置于叠层型双极性ESD 1150的两端。在本发明的一些实施例中，机械弹簧1126a/1126b可以设置于刚性端盖1134/1118与叠层1120的导电衬底1136/1116之间。例如，机械弹簧1126a可以设置于刚性端盖1134与导电衬底1136之间，以及机械弹簧1126b可以设置于刚性端盖1118与导电衬底1116之间。在本发明的一些实施例中，机械弹簧1126a/1126b可以设置于端盖1134/1118与对准环之间(参见，例如，图3的机械弹簧326a和326b)。应当理解，机械弹簧1126a和1126b可以设置于以上所描述的任意适合的位置内，或者在多个位置内，或者可以完全不设置。

图13示出了根据本发明的一种实施例的具有动态柔性密封或垫片1260a和1260b以及机械弹簧1226a和1226b的图12的叠层型双极性ESD的结构的示意性截面图。如以上结合图11所讨论的(参见，例如，垫片1060a)，垫片1260a和1260b可以通过沿着一个或更多个优选方向变形而基本上保持叠层型双极性ESD 1250的电池段1222a和1222b的电极间距。例如，垫片1260a可以沿着从器件1220的堆叠方向径向地向外的方向变形。通过沿着径向向外的方向变形，垫片1260a可以通过增加电池段1222a的容积并且使正电极层1204和负电极层1208之间的间隙距离1215基本上保持恒定来降低电池段1222a内的压力。机械弹簧1226a和1226b还可以基本上保持叠层型双极性ESD1250的电池段1222a和1222b的电极间距。例如，弹簧1226a和1226b可以响应于所施加的负载而压缩以释放双极性ESD 1150的叠层1120之内的压力。

图13的叠层型双极性ESD 1250可以包括硬止动件(没有示出)，用于基本上保持电池段1222a和1222b的电极间距。例如，硬止动件可以使用在硬止动件的内缘上的搁架来设定ESD的电极间距，(参见，例如，在图6的内缘672上的搁架663)。应当理解，以上所讨论的任何部件，包括动态柔性密封或垫片1260a和1260b、机械弹簧1226a和1226b以及硬止动件，或者任意其他适合的部件，或者它们的组合，可以单独地或共同地工作以基本上保持叠层型双极性ESD的电极间距。

虽然本发明在此已经针对具有可变容积的容器的叠层型双极性ESD进行了描述，但是所讨论的概念可应用于任意电池间的电极配置，包括但不限于平行板、方形的、折叠的、卷绕的和/或双极性的配置，任意其他适合的配置，或者它们的组合。

例如，图14示出了根据本发明的一种实施例的方形电池ESD的结构的示意性截面图。ESD 1350可以包括一系列交替的正极活性材料电极层1304和负极活性材料电极层1308，这些正极活性材料电极层1304和负极活性材料电极层1308在其间设置有电绝缘隔膜1311的情况下堆叠以形成叠层1320。例如，电极层的这种布局可以在相对的两个电极之间提供相对高的扩散面积。交替的正电极层1304和负电极层1308可以经由位于正极区1344和负极区1388的引线平行地电耦接。刚性外壳1334和1318可以设置于叠层型ESD 1350的各端并且可以基本上将电解质密封于ESD 1350之内。刚性外壳1334和1318可以由可以是导电性的或非导电性的任意适合的材料或材料组合形成，包括但不限于各种金属(例如，钢、铝和铜合金)、聚合物、陶瓷，任意其他适合的导电或非导电材料，或者它们的组合。

在本发明的一些实施例中，机械弹簧1326a/1326b可以设置于刚性外壳1334/1318与叠层1320的相应隔膜1311之间。例如，机械弹簧1326a可以设置于刚性外壳1334与在叠层1320的第一端的隔膜1311之间，以及机械弹簧1326b可以设置于刚性外壳1318与在叠层1320的第二端的隔膜1311之间。但是，应当理解，机械弹簧1326a和1326b可以设置于以上所描述的任意适合的位置内，或者在多个位置内，或者可以完全不设置。

图15示出了根据本发明的一种实施例的方形电池ESD的结构的示意性截面图。ESD 1450包括刚性外壳1434和1418、机械弹簧1426a和1426b、电绝缘隔膜1411、具有正极区1444的正极活性材料电极层1404，以及具有负极区1448的负极活性材料电极层1408。如图15所示，例如，响应于叠层1420内的压力增加，弹簧1426a或弹簧1426b或两者可以偏移(例如，弹簧1426a的高度H′可以小于弹簧1326a的高度H)，以便降低叠层1420内的压力。如以上所讨论的，叠层1420内的压力增加可以归因于例如活性材料(例如，正电极层1404和/或负电极层1408)在ESD 1450的工作期间或者当ESD 1450在休息时的状态改变。

在本发明的一些实施例中，弹簧1426a/1426b可以被配置为响应于叠层1420内的压力增加而偏移，而仍然保持对叠层1420的层(即，正电极层1404和负电极层1408以及隔膜1411)的适当压力，以确保相邻的层之间相对紧密的接触。例如，在相邻的电极之间的非最佳接触可以降低ESD 1450的总容量并且可以导致其他所不希望的效应，该效应类似于以上针对在双极性ESD的电极之间的增加的间隙层所讨论的效应。

用来形成本发明的电极单元的衬底(例如，衬底6a-d、16和36)可以由任意适合的导电且防渗或基本上防渗的材料形成，例如，该材料包括但不限于无穿孔金属箔、铝箔、不锈钢箔、包括镍和铝的覆层材料、包括铜和铝的覆层材料、镀镍的钢、镀镍的铜、镀镍的铝、金、银、任意其他适合的材料，或者它们的组合。在一些实施例中，每个衬底可以由彼此粘附的两片或更多片金属箔形成。例如，每个BPU的衬底通常可以为0.025～5毫米厚，而每个MPU的衬底可以为0.025～10毫米厚并且充当ESD的末端。例如，金属化泡沫可以与例如扁平的金属膜或金属箔中的任意适合的衬底材料结合，从而可以通过使导电基体膨胀贯穿整个电极来降低电池段的活性材料之间的电阻。

设置于这些衬底上用于形成本发明的电极单元的正电极层(例如，正电极层4a-d和14)可以由任意适合的活性材料形成，例如，该活性材料包括但不限于氢氧化镍(Ni(OH)₂)、锌(Zn)，任意其他适合的材料，或者它们的组合。正极活性材料可以被烧结并被浸渍，以水性粘结剂涂布并被挤压，以有机粘结剂涂布并被挤压，或者通过用于包含具有其他支撑化学品的正极活性材料的任意其他适合的技术包含于导电基体中。电极单元的正电极层可以具有注入其基体内以降低溶胀的粒子，例如，包括但不限于金属氢化物(MH)、钯(Pd)、银(Ag)，任意其他适合的材料，或者它们的组合。例如，这可以增加循环寿命，提高复合，以及降低电池段内的压力。这些粒子(例如，MH)还可以与活性材料浆体(例如，Ni(OH)₂)键合，用于提高电极内的电导率以及用于支持复合。

设置于这些衬底上用于形成本发明的电极单元的负电极层(例如，负电极层8a-d和38)可以由任意适合的活性材料形成，例如，该活性材料包括但不限于MH、Cd、Mn、Ag，任意其他适合的材料，或者它们的组合。例如，负极活性材料可以被烧结，以水性粘结剂涂布并被挤压，以有机粘结剂涂布并被挤压，或者通过用于包含具有其他支撑化学品的负极活性材料的任意其他适合的技术包含于导电基体中。例如，负电极侧可以具有注入负电极材料基体之内用于稳定结构，减少氧化以及延长循环寿命的化学品，包括但不限于Ni、Zn、Al，任意其他适合的材料，或者它们的组合。

各种适合的粘结剂，例如包括但不限于有机羧甲基纤维素(CMC)粘结剂、Creyton橡胶、PTFE(聚四氟乙烯)，任意其他适合的材料，或者它们的组合，可以与活性材料层混合，用于使这些层保持于它们的衬底。还可以将超静(ultra-still)粘结剂(例如，200ppi金属泡沫)用于本发明的叠层型ESD的构造。

本发明的ESD的每个电解质层的隔膜可以由任意合适的材料形成，该隔膜使其两个相邻的电极单元电隔离，而允许离子在那些电极单元之间迁移。例如，隔膜可以含有纤维素超吸收剂以提高填充并且充当电解质储层以增加循环寿命，其中该隔膜可以由聚吸麻布材料(polyabsorb diaper material)制成。由此，隔膜可以在ESD进行充电时释放之前所吸收的电解质。在一些实施例中，与常规的电池相比，该隔膜可以是密度较低的且较厚的，使得该电极间距(IES)相对常规的电极间距在开始时可以更高并且连续降低以在其寿命内维持ESD的容量(或容量比)以及延长ESD的寿命。

隔膜可以是与电极单元上的活性材料的表面键合的相对薄的材料，以减少短路并提高复合。例如，该隔膜材料可以被喷射上，被涂布上，被挤压上，或者它们的组合。在一些实施例中，隔膜可以具有附接于其上的复合剂。例如，可以将该试剂注入隔膜的结构内(例如，这可以通过在湿法工艺中使用聚乙烯醇(PVA或PVOH)将试剂接合于隔膜纤维来物理俘获试剂的方式完成，或者可以通过电沉积将试剂置入其中)，或者可以通过汽相沉积使该试剂成层于表面之上。例如，隔膜可以由有效地支持复合的任意适合的材料或试剂制成，该材料或试剂包括但不限于Pb、Ag、任意其他适合的材料，或者它们的组合。虽然隔膜可以阻止电池的衬底向彼此移动，但是在可以使用足够坚硬而不会偏移的衬底的本发明的一些实施例中可以不设置隔膜。

本发明的ESD的每个电解质层的电解质可以由可以在溶解或熔化时离子化以产生导电介质的任意适合的化合物形成。电解质可以是任意适合的化学品的标准电解质，例如，该化学品包括但不限于NiMH。电解质可以含有另加的化学品，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)，任意其他适合的材料，或者它们的组合。电解质还可以含有添加剂以提高复合，例如，该添加剂包括但不限于Ag(OH)₂。例如，电解质还可以含有氢氧化铷(RbOH)，以提高低温性能。在本发明的一些实施例中，电解质可以被冻结于隔膜之内，并且然后在ESD完全组装之后解冻。这可以允许在垫片在与电极单元邻接的情况下形成基本上流体紧密的密封之前将特别有粘性的电解质引入ESD的电极单元叠层之内。

本发明的ESD的密封或垫片(例如，垫片60a-e)可以由任意适合的材料或材料组合形成，其中该材料或材料组合可以将电解质有效地密封于由垫片和与其相邻的电极单元所界定的空间之内。在一些实施例中，垫片可以由固体密封阻挡体或环，或者由能够形成固体密封环的多个环部分形成，所述固体密封阻挡体或环可以由任意适合的非导电性材料制成，例如，该材料包括但不限于尼龙、聚丙烯、电池隔膜(cellgard)、橡胶、PVOH，任意其他适合的材料，或者它们的组合。由固体密封阻挡体形成的垫片可以与相邻电极的一部分接触，以形成它们之间的密封。

作为选择，垫片可以由任意适合的粘性材料或浆料形成，例如，该粘性材料或浆料包括但不限于环氧物、焦油沥青、电解质(例如，KOH)防渗胶、可压缩的粘合剂(例如，双组分聚合物，例如由Henkel公司供应的牌的粘合剂，该粘合剂可以由硅、丙烯酸和/或纤维增强型塑料(FRP)形成并且可以防止电解质渗透)，任意其他适合的材料，或者它们的组合。由粘性材料形成的垫片可以与相邻电极的一部分接触，以形成它们之间的密封。在一些实施例中，垫片可以通过固体密封环和粘性材料的组合来形成，使得粘性材料可以提高固体密封环与相邻电极单元之间的密封。作为选择或另外地，例如，在将固体密封环、以另加的粘性材料处理的固体密封环、相邻电极单元或者以另加的粘性材料处理的相邻电极单元密封于其上之前，电极单元自身可以先用粘性材料来处理。

而且，在一些实施例中，在相邻的电极单元之间的垫片或密封剂可以设置有一个或更多个薄弱点，其中该一个或更多个薄弱点可以允许一些类型的流体(即，一些液体或气体)穿过它们排出(例如，如果在由该垫片所界定的电池段中的内压增大超过某一阈值)。一旦一定量的流体排出了或者内压降低了，薄弱点就可以再密封上。至少部分地由一些类型的适合的粘性材料或浆料(例如，编织物(brai))形成的垫片可以被配置或被制备以允许一些流体穿过它们，并且被配置或被制备以防止其他一些流体穿过它们。该垫片可以防止任意电解质在两个电池段之间共用，其中此类共用可以导致ESD的电压和能量快速地衰减(即，放电)到零。

如上所述，使用被设计为具有层叠形式的密封电池的ESD(例如，双极性ESD 50)的一个优点可以是ESD的增加的放电率。该增加的放电率可以允许使用一些腐蚀性较低的电解质(例如，通过去除或减少电解质的研磨、电导率提高和/或化学活性的一种或更多种成分)，其中该腐蚀性较低的电解质在其它情况下在方形或卷绕式ESD的设计中可能是不可行的。这种可以由层叠型ESD的设计所提供用于使用腐蚀性较低的电解质的余地可以允许在以垫片形成密封时使用一些环氧物(例如，J-B焊缝环氧物(J-B Weld epoxy))，这些环氧物在其它情况下可能由腐蚀性较高的电解质腐蚀。

本发明的ESD的硬止动件(参见，例如，图6的硬止动件662)可以由任意适合的材料形成，该材料包括但不限于各种聚合物(例如，聚乙烯、聚丙烯)、陶瓷(例如，氧化铝、硅石)，任意其他适合的机械耐用的和/或化学惰性的材料，或者它们的组合。例如，可以选择一种或更多种硬止动件材料，用于经受住可能用到的各种ESD化学品。

本发明的机械弹簧(参见，例如，图3的机械弹簧326a和326b)可以是可以响应于所施加的负载而偏移或变形的任意适合的弹簧。例如，可以将机械弹簧设计为响应于特定的负载或特定的负载阈值而偏移。任意适合类型的弹簧都可以使用，包括可压缩弹簧，例如开路线圈的螺旋弹簧、可变间距的弹簧和扭转弹簧；或片弹簧，或者任意其他适合的弹簧，或者它们的组合。弹簧本身可以是任意适合的材料，包括但不限于高碳钢、合金钢、不锈钢、铜合金，任意其他适合的非柔性或柔性材料，或者它们的组合。

本发明的端盖(参见，例如，图3的端盖18和36)可以由任意适合的材料或材料组合形成，其中该材料或材料组合可以是导电的或非导电的，包括但不限于各种金属(例如，钢、铝和铜合金)、聚合物、陶瓷，任意其他适合的导电性或非导电性材料，或者它们的组合。

本发明的ESD的壳体或包封器，或者动态容器(参见，例如，动态容器140)，可以被提供，并且可以由任意适合的非导电性材料形成，其中该非导电性材料可以密封于末端电极单元(例如，MPU 12和32)，用于露出它们的导电衬底(例如，衬底16和36)或者它们的关联引线(没有示出)。还可以形成包封器以产生、支撑和/或维持在垫片和与其相邻的电极单元之间的密封，用于隔离它们各自的电池段之内的电解质。包封器可以产生和/或维持为这些密封所需的支撑，使得该密封可以在电池段的内压增加时抵抗ESD的膨胀。包封器可以由任意适合的材料制成，例如，该材料包括但不限于尼龙，任意其他聚合物或弹性材料(包括增强型组成物、丁腈橡胶或聚砜)，或热缩包装材料(shrink wrap material)，或任意刚性材料(例如，瓷釉涂布的钢或任意其他金属)，或任意绝缘材料，任意其他适合的材料，或者它们的组合。例如，在一些实施例中，包封器可以由张力夹的外骨架形成，这可以维持对堆叠电池的密封的连续压力。非导电性阻挡体可以设置于叠层和包封器之间，用于防止ESD短路。

继续参照图5，例如，本发明的双极性ESD 50可以包括由MPU 12和32以及它们之间一个或更多个BPU 2a-d的叠层形成的多个电池段(例如，电池段22a-e)。根据本发明的一种实施例，衬底(例如，衬底6a-d、16和36)、电极层(例如，正极层4a-d和14，以及负极层8a-d和38)、电解质层(例如，层10a-e)及垫片(例如，垫片60a-e)中的每一个的厚度和材料都可以彼此不同，不仅在电池段与电池段之间，而且在特定的电池段之内。几何形状和化学品的这种变化，不仅在叠层层次上，而且在个体电池层次上，都可以造成具有不同优点和性能特性的ESD。

另外，衬底、电极层、电解质层及垫片的材料和几何形状可以沿着叠层的高度方向在电池段与电池段之间变化。进一步参照图5，例如，在ESD 50的每个电解质层10a-e内所使用的电解质可以基于其各自的电池段22a-e距离电池段叠层的中部的接近程度而变化。例如，最里面的电池段22c(即，在ESD 50中的五(5)个段22的中间电池段)可以包括由第一电解质形成的电解质层(即，电解质层10c)，而中间电池段22b和22d(即，在ESD 50中与末端电池段相邻的电池段)可以包括各自由第二电解质形成的电解质层(即，分别为电解质层10b和10d)，而最外面的电池段22a和22e(即，在ESD 50中的最外面的电池段)可以包括各自由第三电解质形成的电解质层(即，分别为电解质层10a和10e)。通过在内部叠层中使用较高电导率的电解质，电阻可以是较低的，使得所生成的热量可以较少。这可以通过设计而不是通过外部冷却技术来提供对ESD的热量控制。

作为另一个实例，用作ESD 50的每个电池段中的电极层的活性材料同样可以基于其各自的电池段22a-e距离电池段叠层的中部的接近程度而变化。例如，最里面的电池段22c可以包括由具有第一温度和/或倍率性能的第一种活性材料形成的电极层(即，层8b和4c)，而中间电池段22b和22d可以包括由具有第二温度和/或倍率性能的第二种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/或倍率性能的第三种活性材料形成的电极层(即，层38/4a和层8d/14)。例如，作为实例，ESD叠层可以通过构造具有可以更好地吸收热量的镉镍电极的最里面的电池段来进行热管理，而最外面的电池段可以设置可能需要作为冷却器的镍金属氢化物的电极。作为选择，ESD的化学品或几何形状可以是非对称的，其中在叠层的一端的电池段可以由第一活性材料制成并且具有第一高度，而在叠层的另一端处的电池段可以由第二活性材料制成并且具有第二高度。

而且，ESD 50的每个电池段的几何形状同样可以沿着电池段的叠层方向变化。除了改变在特定电池段之内的活性材料之间的距离之外，一些电池段22a-e可以具有在那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那些段的活性材料之间的第二距离。在任何情况下，具有在活性材料电极层之间的较小距离的电池段或其部分可以具有例如较高的功率，而具有在活性材料电极层之间的较大距离的电池段或其部分可以具有例如较大的枝晶生长空间、较长的循环寿命和/或较多的电解质储备。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ESD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。

在一种实施例中，ESD50的电极层(例如，图5的正极层4a-d和14，以及负极层8a-d和38)的几何形状可以沿着衬底6a-d的径向长度方向变化。对于图5，电极层是厚度均匀的并且是关于电极形状对称的。在一种实施例中，电极层可以是非均匀的。例如，正极活性材料电极层和负极活性材料电极层的厚度可以随着在导电衬底的表面上的径向位置而变化。非均匀的电极层在West等人的美国专利申请No.12/258,854中进行了更详细的讨论，在此通过援引加入该申请的全部内容。

虽然以上所描述并示出的叠层型ESD的实施例每个都示出了包括密封于第一和第二电极单元中的每一个以将电解质密封于其中的垫片的电池段，但是应当指出，电池段的每个电极单元可以密封于其自身的垫片，并且两个相邻电极的垫片然后可以彼此密封以产生密封的电池段。

在一些实施例中，垫片可以被注入成型于电极单元或另一垫片，使得它们可以熔融到一起以产生密封。在一些实施例中，垫片可以被超声焊接于电极单元或另一垫片，使得它们可以共同形成密封。在其他实施例中，垫片可以被热熔融于电极单元或另一垫片，或者通过热流，由此可以加热垫片或电极单元以使之熔化到另一垫片或电极单元之内。而且，在一些实施例中，代替将凹槽形部分形成于垫片和/或电极单元的表面内以形成密封或者除此之外，垫片和/或电极单元可以被穿孔或者具有穿过其一个或更多个部分的一个或更多个孔。作为选择，可以提供孔或通道或穿孔使之穿过垫片的一部分，使得电极单元的一部分(例如，衬底)可以成型至并穿过垫片。在又一种实施例中，可以使孔穿过垫片和电极单元两者，使得例如该垫片和电极单元中的每一个可以成型至并穿过该垫片和电极单元中的另一个。

虽然以上所描述并示出的叠层型ESD的实施例每个都示出了通过将具有基本上圆形截面的衬底堆叠于圆柱形ESD内而形成的ESD，但是应当指出，各种形状中的任一种都可以用来形成本发明的叠层型ESD的衬底。例如，本发明的叠层ESD可以通过堆叠具有可以为矩形的、三角形的、六边形的或任意其他所期望的形状或者它们的组合的截面区域的衬底的电极单元来形成。

应当理解，上文只是关于本发明的原理的说明，并且在不脱离本发明的范围和精神的情况下，本领域技术人员可以进行各种修改。还应当理解，各种方向性和取向性词语，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”，“内面”和“外面”、“内部”和“外部”等，在此只是出于方便起见而使用，而并非旨在通过这些词的使用来规定固定的或绝对的方向或取向。例如，本发明的器件，以及它们个体部件，可以具有任意所期望的取向。如果重新取向，在它们的描述中可能需要使用不同的方向性或取向性词语，但是将不改变它们在本发明的范围和精神之内的基础性质。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方式不同的实施方式来实现，其中所描述的实施方式仅为了说明的目的而非限制的目的给出，并且本发明仅由后面的权利要求所限定。

Claims (18)

1.一种储能器件ESD，包括：

沿堆叠方向设置的至少两个双极性电极单元，其中每个电极单元包括：

导电衬底；

在所述导电衬底的第一表面上的正极活性材料电极层；以及

在所述导电衬底的第二表面上的负极活性材料电极层；

设置于所述电极单元之间的电解质层；

放置于所述电解质层附近的柔性垫片，其中所述垫片能够按至少沿着所述堆叠方向并沿着垂直于所述堆叠方向的轴的预定方向机械变形；以及

从所述垫片径向向外放置的硬止动件。

2.根据权利要求1所述的ESD，其中所述柔性垫片在所述ESD的工作期间保持所述正极活性材料电极层和所述负极活性材料电极层的电极间距。

3.根据权利要求1所述的ESD，其中所述柔性垫片使所述正极活性材料电极层和所述负极活性材料电极层相对于彼此的移动最小化。

4.根据权利要求1所述的ESD，还包括：

多个弹簧，所述弹簧被配置为响应于所述ESD内的压力的增加而偏移。

5.根据权利要求1所述的ESD，还包括在所述电解质层之内的隔膜，所述隔膜使相应的正活性材料电极层与相应的负极活性材料电极层电隔离。

6.根据权利要求1所述的ESD，其中所述硬止动件包括具有搁架的内缘，在所述搁架上所述电极单元的各自的外缘被对准。

7.根据权利要求6所述的ESD，其中在所述内缘上的所述搁架设置所述ESD的相邻电极之间的间距。

8.根据权利要求1所述的ESD，其中所述硬止动件还包括：

多个栓柱；以及

多个栓柱孔，所述多个栓柱孔适合于与相邻硬止动件上的相对应的栓柱接合。

9.根据权利要求8所述的ESD，其中所述栓柱适合于与所述栓柱孔接合以在不使用工具的情况下对齐相邻的硬止动件。

10.根据权利要求8所述的ESD，其中所述多个栓柱通过使所述衬底保持居中于与所述堆叠方向共线的轴上，使所述衬底的衬底法兰与所述硬止动件对齐。

11.根据权利要求1所述的ESD，其中所述硬止动件包括：具有用于多个压紧螺栓的一组孔的外缘，所述孔使所述电极单元在组装期间对齐并且在所述ESD的工作期间提供稳定性。

12.根据权利要求1所述的ESD，其中所述预定方向是自堆叠方向径向地向外的。

13.根据权利要求1所述的ESD，其中所述预定方向沿着离轴方向。

14.根据权利要求1所述的ESD，其中所述柔性垫片具有多个预定方向。

15.根据权利要求1所述的ESD，其中所述垫片的变形通过在保持最优的电极间距时平衡在所述ESD内的压力来降低所述ESD的每个电池之内的内部应力。

16.一种储能器件ESD，其中电极间距被保持，所述ESD包括：

多个电池段，其中每个电池段包括：

具有第一活性材料电极层的第一导电衬底；

具有第二活性材料电极层的第二导电衬底；以及

设置于所述第一活性材料电极层和所述第二活性材料电极层之间的电解质层；以及

多个硬止动件，其中每个相应的导电衬底被固定地放置于相应的硬止动件上，所述硬止动件被配置为设置所述ESD的电极间距。

17.根据权利要求16所述的ESD，还包括：

设置于所述ESD的每一端的对准环，所述对准环包括用于多个螺栓的多个螺栓孔，其中所述螺栓使所述多个电池段中的每一个对齐。

18.根据权利要求16所述的ESD，其中所述多个电池段中的每一个的所述电极间距基于每个电池段内的相应的所述第一活性材料电极层和所述第二活性材料电极层而变化。