CN102341949A - 用于储能器件的电极折叠体 - Google Patents

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M·西塔
A·迈克尔
K·切里索尔
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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导电衬底。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。每个活性材料电极可以具有多个折叠部分和平面部分，以通过例如增加每个电池段内的界面数来增加ESD容量。

Description

用于储能器件的电极折叠体
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，本发明涉及具有电极折叠体的层叠型ESD。
背景技术
双极性ESD与标准的卷绕式电池或方形电池相比可以提供增加的放电率以及在它们的外部连接器之间更高的电势，并且因此为一些应用所高度需求。常规的ESD不是被制造成只有两个电极的卷绕式电池结构，就是被制造成具有许多平行板组的标准方形电池结构。在这两种类型中，电解质在ESD之内到处共用。卷绕式电池结构和方形电池结构两者都由于它们的电通路而承受着高电阻之害，其中所述电通路必须穿过多个连接并且跨越相当长的距离以覆盖串联的布局中从一个电池到下一个电池的整个电路。
另外，卷绕式电池结构和方形电池结构两者都需要具有相对较高的机械稳定性的电极，以便组装和处理该电极并将其封装到电池之内。卷绕式电池的电极必须有足够的弹性以避免与卷绕有关的应力相关型缺陷，因为该电极在卷绕和封装过程期间被弯曲到某一曲率范围，这可能会带来结构性的破坏并且对ESD的性能造成不利影响。方形电极通常是扁平的并且一般不会受到由卷绕式电池结构的卷绕过程所带来的应力。但是，方形电极在电池内具有相同极性的平板之间需要另加的连接元件。
因此，所希望的是提供避免卷绕过程并从而避免卷绕的应力相关型缺陷的ESD。此外，还希望提供具有沿着折叠的机械互补的共集电极的或者沿着电子传递路径的电极的ESD，以消除如同方形电池结构那样对另加的连接元件的需要。
随着ESD在各种应用中的使用的增加，这些器件的容量已经成为了重要的因素。ESD容量是关于ESD所存储的电荷的测度并且是能够从ESD取出的最大能量的一部分。ESD的容量可以与ESD内所含有的活性材料的质量以及在ESD内的电极之间的界面数有关。在常规的卷绕式电池结构和方形电池结构中，容量通过添加更多的材料(例如，通过添加更多的电极或者增加电极的尺寸)来增加。这增加了ESD的尺寸，并且相对于所产生的容量的增量，可能给ESD增添了相当大的质量。
因此，所希望的是提供具有容量增加的电池的层叠型双极性ESD而最小化ESD的质量和体积。此外，还希望提供具有在电极之间的界面数增加的电池的层叠型双极性ESD。
发明内容
鉴于以上情况，本发明提供了用于具有增加的容量和折叠电极的层叠型ESD的装置和方法。
根据一种实施例，本发明提供了具有沿层叠方向设置的第一导电衬底和第二导电衬底的ESD。第一活性材料可以设置于第一导电衬底和第二导电衬底之间，以及第二活性材料可以设置于第一导电衬底和第二导电衬底之间。第一和第二活性材料每个都可以折叠并且可以具有正交于层叠方向的多个平面部分，其中每个平面部分都可以通过折叠部分耦接至邻接的平面部分，并且其中第一活性材料的每个相应平面部分可以与第二活性材料的相应平面部分形成界面(interface)。
在本发明的一些实施例中，可以提供用于储能器件的粉末充填电极。活性粉末可以被干法充填到衬底之内，并且活性粉末可以用润湿剂润湿以确保衬底的均匀分布和表面梯度。可以用粘结剂层将活性粉末覆涂(over-coat)于衬底的表面上。粘结剂层的化学阻力(chemicalresistance)可以使活性粉末保持于原地，而允许电解质离子输运到衬底以及从衬底输运来。在一些实施例中，衬底可以耦接至可以折叠以形成折叠电极的共集电极。
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层叠型双极性ESD的结构的示意性截面图；
图4示出了根据本发明的一种实施例的具有加厚电极的BPU的叠层的结构的示意性截面图；
图5示出了根据本发明的一种实施例的具有电极折叠体的BPU的叠层的结构的示意性截面图；
图6示出了根据本发明的一种实施例的具有电极折叠体的BPU的叠层的结构的示意性截面图；
图7示出了根据本发明的一种实施例的折纸型电极折叠体的立体图；
图8示出了根据本发明的一种实施例的图7的折纸型电极折叠体的侧视图；
图9A和9B分别示出了根据本发明的一种实施例的活性材料电极层的结构的顶视图和侧视图；
图9C示出了根据本发明的一种实施例的已经折叠的图9A-9B的活性材料电极层的侧视图；
图10A和10B分别示出了根据本发明的一种实施例的活性材料电极层的结构的顶视图和侧视图；
图10C示出了根据本发明的一种实施例的已经折叠的图10A-10B的活性材料电极层的侧视图；以及
图11示出了根据本发明的一种实施例的用于粉末充填电极的示例性流程图。
具体实施方式
本发明提供了用于具有增加的容量的层叠型储能器件(ESD)的装置和方法，并且所述装置和方法在下面参照图1-11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，虽然本发明在此针对层叠型双极性ESD来描述，但是所讨论的概念可应用于任何电池间电极的配置，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。
具有层叠形式的密封电池的各种类型的ESD已经被开发出，该ESD与标准的卷绕式或方形ESD相比，能够提供更高的放电率以及在外部连接器之间更高的电势，并且因此为一些应用所高度需求。这些具有层叠形式的密封电池的ESD的一些类型已经被开发出，该类型的ESD一般包括单独密封的单极性电极单元(MPU)对的叠层。这些MPU每个都设置有涂布于集流体的第一侧上的正极活性材料电极层或负极活性材料电极层。具有正极活性材料电极层的MPU(即，正极MPU)和具有负极活性材料电极层的MPU(即，负极MPU)使电解质层位于它们之间，用于使这两个MPU的集流体电绝缘。这对正极MPU和负极MPU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，被密封为单个电池或电池段。包括此类电池(每个电池都具有正极MPU和负极MPU)的叠层的ESD在此将被称为“层叠型单极性”ESD。
正极MPU的集流体中在第一电池内的未涂有电极层的那一侧与负极MPU的集流体中在第二电池内的未涂有电极层的那一侧电耦接，使得第一和第二电池处于层叠形式。这些在叠层中的电池段的串联配置可能导致电势在集流体之间是不同的。但是，如果特定电池的集流体彼此接触或者如果特定电池中的两个MPU的共同电解质与叠层中的任意另加的MPU共用，则该ESD的电压和能量将会快速地衰减(即，放电)到零。因此，层叠型单极性ESD将其每个电池的电解质与它的其他每个电池的电解质独立地密封开来。
具有层叠形式的密封电池的其他类型的ESD已经被开发出，此类ESD一般包括一系列层叠型双极性电极单元(BPU)。这些BPU每个都设置有涂布于集流体的相对两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都能够层叠于彼此之上，电解质层被设置于一个BPU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的集流体电绝缘。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，同样可以是密封的单个电池或电池段。包括此类电池(每个电池都具有第一BPU的一部分和第二BPU的一部分)的叠层的ESD在此将被称为“层叠型双极性”ESD。
虽然第一BPU的正极侧和第二BPU的负极侧可以形成第一电池，但是第二BPU的正极侧同样可以与例如第三BPU的负极侧或者负极MPU的负极侧一起形成第二电池。因此，个体BPU可以包含于层叠型双极性ESD的两个不同的电池内。这些在叠层中的电池的串联配置可能导致电势在集流体之间是不同的。但是，如果特定电池的集流体彼此接触或者如果在第一电池中的两个BPU的共同电解质与叠层中的任意其他电池共用，则该ESD的电压和能量将会快速地衰减(即，放电)到零。
常规的层叠型双极性ESD使用扁平电极板。通过使用扁平电极板并使用边缘密封将它们隔离开，在层叠型电化学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。如果在相邻的电池之间的压力差超过每平方英寸几磅，则平板电极可以从第一电池向第二电池偏移。这种偏移可以使第二电池的隔膜材料产生应变，产生其中可能出现短路的“热点”。因为个体电池的物理元件和化学成分通常会是彼此略微不同的，所以在电池之间的压力差通常都会存在。
图1示出了根据本发明的一种实施例的例示性的“平板”双极性电极单元或BPU 102。用于层叠型电池ESD的平板结构在Ogg等人的美国专利申请No.11/417,489和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的导电衬底或集流体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的导电衬底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任意适合的形状或几何图形。例如，作为选择或另外地，在本发明的一些实施例中，“平板”BPU可以是“盘形”电极。这可以降低在双极性ESD的工作期间可能出现的压力。盘形的及压力平衡的电极在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。
图2示出了根据本发明的一种实施例的BPU(参见，例如，图1的BPU 102)叠层的结构的示意性截面图。例如，多个BPU 202可以基本上垂直地层叠成具有电解质层210的叠层220，该电解质层210可以设置于两个相邻的BPU 202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可以包括可以保持住电解质的隔膜(没有示出)。隔膜可以使正电极层204和与其相邻的负电极层208电隔离，而允许离子在电极单元之间迁移，这将在下面更详细地描述。
继续参照图2中的BPU 202的层叠状态，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之间的电解质层210中的组件在此将被称为单个“电池”或“电池段”222。每个电池段222的每个防渗衬底206可以由可适用的相邻电池段222所共用。
如图3所示，例如，可以设置正极端和负极端，使它们连同一个或更多个BPU 2a-d的叠层20一起构成根据本发明的一种实施例的层叠型双极性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可以放置于叠层20的第一端，其设置有电解质层(即，电解质层10e)，使得正极MPU 12的正电极层14可以在叠层20的该第一端处经由电解质层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可以放置于叠层20的第二端，其设置有电解质层(即，电解质层10a)，使得负极MPU 32的负电极层38可以在叠层20的该第二端处经由电解质层10a与BPU(即，BPU 2a)的正电极层(即，层4a)相对。MPU 12和32可以分别设置有相应的正极和负极电极引线13和33。
应当指出，每个MPU的衬底和电极层可以与其相邻BPU 2a/2d的衬底和电极层，以及在该MPU和其相邻BPU 2a/2d之间的电解质一起形成电池段，例如在图3中所示出的(参见，例如，段22a和22e)。在叠层20中所层叠的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与例如ESD 50的期望电压对应。每个BPU
2a-d可以提供任意所期望的电势，使得ESD 50的期望电压可以通过有效地添加由每个元件BPU 2a-d所提供的电势而达到。应当理解，每个BPU 2a-d不必提供相同的电势。
在一些实施例中，可以对双极性ESD 50进行构造，使得BPU叠层20及其各个正极和负极MPU 12和32可以在降低的压力之下至少部分封装(例如，全密封)到ESD壳体或包装器40之内。MPU导电衬底16和36(或者至少它们各自的电极引线13和33)可以引出ESD的壳体40，以便例如在使用时减轻来自外部的冲击并且防止环境退化。
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，垫片或密封剂可以与相邻电极单元之间的电解质层一起层叠，以将电解质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，其中该材料可以与特定电池的相邻电极单元相互作用，以将电解质密封于它们之间。在一种适合的布局中，例如在图3中所示出的，本发明的双极性ESD可以包括垫片或密封60a-e，其中该垫片或密封60a-e可以被放置作为每个电池段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。垫片或密封剂可以是连续的及闭合的，并且可以将电解质密封于垫片和该电池的相邻电极单元(即，与该垫片或密封相邻的BPU或BPU和MPU)之间。例如，垫片和密封剂可以在该电池的相邻电极单元之间提供适当的间距。
在密封层叠型双极性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)结合的情况下，电池段在电池充电和放电时可能于相邻的电池(例如，电池22a/22b)之间产生压力差。可以设置平衡阀以基本上降低这样产生的压力差。平衡阀可以不是以机械方式就是以化学方式来如同半渗透膜或防爆片那样工作，允许气体的迁移，并且基本上防止电解质的迁移。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。
图4-6示出了本发明中可以用来例如提高ESD的容量的不同实施例。
图4示出了根据本发明的一种实施例的两个电池段422a-b的叠层420的结构的示意性截面图。如图4所示，例如，每个电池段422a-b都可以包括正极活性材料电极层404和负极活性材料电极层408，在它们之间设置有电解质层。防渗的导电衬底或集流体406c可以位于叠层420的第一端，以及导电衬底406a可以位于叠层420的第二端。可以使用导电衬底406c和406a将层叠方向定义为从叠层420的第一端到叠层420的第二端的方向。继续参照图4的层叠状态，例如，在导电衬底406a和导电衬底406b之间的以及包括导电衬底406a和导电衬底406b的元件可以包含于电池段422a之内。类似地，在导电衬底406b和导电衬底406c之间的以及包括导电衬底406b和导电衬底406c的元件可以包含于电池段422b之内。
在图4的叠层中，例如，正电极层404和负电极层408可以由间隙距离415隔开。间隙距离415可以是任意适合的距离。例如，间隙距离415可以是在限制电极表面间的电子传递时使内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(mil)、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，可以优化间隙距离，以在没有于充放电循环期间给电极或隔膜造成过大的力的情况下使电极间距最小化。合并了可变容积的容器的ESD可以独立地调整电池以设置各个间隙距离，用于补偿循环期间电极的容积变化。可变容积的容器在West等人于2010年1月27日提交的美国专利申请No.12/694,638中进行了更详细的描述，在此通过援引加入该申请的全部内容。
在一些实施例中，例如，要增加叠层420的ESD容量，可以通过增加高度404h或高度408h或两者来加厚正电极层404和负电极层408，使得例如与在图2的正电极层204和负电极层208之间的间隙距离相比，间隙距离415可以是相对较小的。
但是，加厚正电极层404和/或负电极层408可能造成电导率的损失，因为阳极和阴极的界面面积可能没有实质上改变(即，正电极层404和负电极层408的界面表面积在任一或两个电极层被加厚时并未实质上改变)，然而所加厚的电极可能导致离子和电子流过更长的路径，从而增加了内阻。
图5示出了根据本发明的一种实施例的两个电池段522a-b叠层520的结构的示意性截面图。图5示出了另一种用于通过例如提供在此称为“z折叠”电极的电极来增加ESD的容量的方法。如图5所示，例如，每个电池片段522a-b可以包括正极活性材料电极层504和负极活性材料电极层508，电解质层设置于活性材料的每个界面(参见，例如，界面517、518和519)之间。防渗导电衬底或集流体506c可以位于叠层520的第一端，以及导电衬底506a可以位于叠层520的第二端。可以使用导电衬底506c和506a将层叠方向定义为从叠层520的第一端到叠层520的第二端的方向。继续参照图5的层叠状态，例如，在导电衬底506a和导电衬底506b之间的以及包括导电衬底506a和导电衬底506b的元件可以包含于电池段522a之内。类似地，在导电衬底506b和导电衬底506c之间的以及包括导电衬底506b和导电衬底506c的元件可以包含于电池段522b之内。
提供z折叠电极可以显著地增加给定的电池段522a-b内的在正电极层504和负电极层508之间的界面(例如，界面518)的数量。例如，与图4中的电池段内的界面数相比，在电池段522a中可以有数量更多的在正电极层504和负电极层508之间的界面，其中图4在每个电池段内仅示出单个界面(参见，例如，电池段422a)。z折叠电极的界面可以增加电极彼此接触的以及与集流体接触的表面积，由此降低ESD的内阻，因为电阻与表面积成反比。
如图5所示，在电池段之内可以设置可能不平衡的或者可能不使用的在正电极层504和负电极层508之间的界面。例如，界面517和界面519可以位于具有相同极性的电极层之间。特别地，界面517可以在正电极层504的两个平表面之间，以及界面519可以在负电极层508的两个平表面之间。
个体电极的边缘可以是相对较锋利的并且如果没有用绝缘材料来优选地密封则可能刺穿隔膜。电极的边缘还可以由绝缘材料隔离，以便不接触衬底的内缘。随着折叠数增加，质量控制变得更为重要，因为个体电池优选要在例如重量、厚度和封装均匀性方面相匹配，以便限制密集点。
图6示出了根据本发明的一种实施例的两个电池段622a-b的叠层620的结构的节段截面图。图6示出了另一种用于通过例如提供“折纸型”电极折叠体来增加ESD的容量的方法。如图6所示，例如，电池片段622a-b可以包括正极活性材料电极层604和负极活性材料电极层608，电解质层设置于活性材料的每个界面之间(参见，例如，界面621)。防渗导电衬底或集流体606c可以位于叠层620的第一端，以及导电衬底606a可以位于叠层620的第二端。可以使用导电衬底606c和606a将层叠方向定义为从叠层620的第一端到叠层620的第二端的方向。继续参照图6的层叠状态，例如，在导电衬底606a和导电衬底606b之间的以及包括导电衬底606a和导电衬底606b的元件可以包含于电池段622a之内。类似地，在导电衬底606b和导电衬底606c之间的以及包括导电衬底606b和导电衬底606c的元件可以包含于电池段622b之内。
提供折纸型电极可以显著地增加给定的电池段622a-b内的在正电极层604和负电极层608之间的界面(例如，界面621)的数量。例如，与图4中的电池段内的界面数相比，在电池段622a中可以有数量更多的在正电极层604和负电极层608之间的界面，其中图4在每个电池段内仅示出单个界面(参见，例如，图4的电池段422a)。此外，与图5的界面数相比，图6在极性相反的电极层之间可以有数量更多的界面，至少因为图5的一些界面在具有相同极性的电极层之间(参见，例如，图5的界面517和519)。
如图6所示，例如，界面621可以在正电极层604和负电极层608之间。折纸型电极实施例的优点可以是，在电池之内的每一个界面都可以在极性相反的电极层之间(即，可以没有在极性相同的电极层之间的界面，与图5的界面517和519不同)。例如，ESD容量和电化学输运性质可以取决于在极性相反的电极之间的界面的数量。因为折纸型电极可以增加在给定的电池中在极性相反的电极之间的界面的数量，这种配置可以显著地增加ESD的容量。这可以允许折纸型电极折叠体通过在电池段中增大阳极与阴极的界面面积来增加ESD容量。
图7示出了根据本发明的一种实施例的折纸型电极折叠体700的立体图。例如，图7可以是图6的折纸型电极折叠体的各个阶段的更详细的立体图。如图7所示，例如，正极活性材料电极层704和负极活性材料电极层708可以包括多个平面部分和折叠部分。例如，可以将图7的折纸型电极700设置于ESD的电池段中(例如，图3的电池段22b)。
图8示出了根据本发明的一种实施例的图7的折纸型电极折叠体的侧视图。负电极层708的第一平面部分715a可以包括上平表面742和下平表面744。第一平面部分751a可以通过第一折叠部分752a耦接至第二平面部分751b。类似地，第二平面部分751b可以通过第二折叠部分752b耦接至第三平面部分751c。在对应的正电极层704中可以有相似数量的平面部分和折叠部分。虽然示出了正电极层704和负电极层708各自只有三个平面部分和两个折叠部分，但是应当理解，可以提供与折叠部分耦接的任意适合数量的平面部分。例如，为了提供具有所期望容量的ESD，在该ESD的一些电池内可以有优选数量的界面。
每个电极层的平面部分可以设置于与ESD的层叠方向基本上正交的平面内。例如，图7的每个平面部分751a-c可以处于与由轴741所界定的ESD的层叠方向正交的平面内。
在一些实施例中，平面部分可以沿任意其他适合的方向来设置。例如，平面部分可以设置于从由轴741所界定的层叠方向径向地面向外的平面内(即，平面部分可以处于与层叠方向基本上平行的方向上)。应当理解，电极层704和708可以有任意适合数量的可能形状，其中该电极层704和708被设置在每一个界面可以位于具有相反极性的电极层之间的位置。例如，虽然图7和8的平面部分的截面区域被示出为基本上矩形的，但是平面部分可以是圆形的、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。
负电极层708的上平表面742可以与位于电池段之内的第一导电衬底(参见，例如，图6的导电衬底606a)耦接，以及正电极层704的下平表面748可以与位于同一电池段之内的第二导电衬底(参见，例如，图6的导电衬底606b)耦接。电极可以使用各种方法来连接至导电衬底。在一种实施例中，电极层可以使用压力接触件来耦接至导电衬底。例如，弹簧接触可以允许没有焊接的电接触。通过避免焊料疲劳，弹簧接触可以例如抵抗冲击、振动和腐蚀，并且可以提供相对较高的温度循环。通过省略焊料层，例如，与引线连接相比，可以有相对较低的电阻。在其他实施例中，电极层可以点焊或烧结于导电衬底。
如以上结合图6-8所讨论的，折纸型电极可以在电池段内提供在正电极层和负电极层之间的多个界面。例如，负电极层708的下平表面744和正电极层704的上平表面746可以是图8的折纸型电极的五个界面之一。应当理解，可以有任意适合数量的提供于电池段之内的界面。
在本发明的一种实施例中，正极活性材料电极层(参见，例如，正电极层704)和/或负极活性材料电极层(参见，例如，负电极层708)可以分别包括单个活性材料电极片，该活性材料电极片在多个折叠部分折叠，以便制成折纸型电极的结构。可以使用类似的方法来制作z折叠电极的结构或任意其他适合的折叠电极配置。作为选择，在一些实施例中，正电极层和/或负电极层可以包括沿着共集电极或者在此称为“电子滚道(electronic raceway)”所设置的一个或更多个电极，其中所述共集电极或“电子滚道”可以提供电子传递路径。
图9A和9B分别示出了根据本发明的一种实施例的活性材料电极层的结构的顶视图和侧视图。如图9A和9B所示，例如，活性材料电极层904可以包括与共集电极或电子滚道901耦接的电极段905a-c，该共集电极或电子滚道901可以用作电子传递路径。虽然图中示出了三个示意性电极段(即，电极段905a-c)，但是应当理解，可以沿着电子滚道901设置任意适合数量的电极段。例如，根据用于ESD的任何优选设计准则，活性材料电极层904可以包括一个或更多个电极段。
电子滚道901中没有与电极段905a-c耦接的部分可以折叠成如图9c所示的折叠部分952a和952b，以形成折叠电极。当活性材料电极被折叠成例如折纸型或z折叠的配置时，每个电极段905a-c可以对应于活性材料电极的各平面部分。例如，电极段905a可以对应于平面部分951a，电极段905b可以对应于平面部分951b，以及电极端905c可以对应于平面部分951c。
在一些实施例中，隔膜可以设置于活性材料电极层之间的电解质层内。例如，隔膜可以使正极活性材料电极层(参见，例如，正电极层204)和与其相邻的负极活性材料电极层(参见，例如，负电极层208)电隔离，而允许电极单元之间的离子迁移。在一些实施例中，作为选择或另外地，隔膜可以设置于每个电极段(例如，电极段905a-c)周围。例如，隔膜套筒(separator sleeve)可以超声焊接于电极段905a周围。可以使用任意其他适合的技术或技术的组合将隔膜套筒装配和/或固定于电极段905a周围。
如图所示，电极段905a-c每个都可以是相同极性的(即，正极或负极)，并且可以具有基本上矩形的截面。应当理解，设置于电子滚道901上的电极段905a-c可以拥有任意适合数量的可能形状。例如，虽然图9A-9C的电极段的截面区域被示出为基本上矩形的，但是电极段可以是圆形的、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。
图10A-10C示出了根据本发明的一种实施例的具有圆形电极段的活性材料电极层的结构。如图10A-10C所示，例如，活性材料电极层1004可以包括与共集电极或电子滚道1001耦接的电极段1005a-c，该共集电极或电子滚道1001可以用作电子传递路径。活性材料电极层1004可以被折叠，其中每个电极段1005a-c可以对应于折叠电极的相应平面部分1051a-c，以及电子滚道1001中没有与电极段1005a-c耦接的部分可以折叠成如图10C所示的折叠部分1052a和1052b，以制成折叠电极。
本发明的折纸型电极可以帮助维持ESD的电极间距。如同在此所定义的，“电极间距”是在层叠型双极性ESD中的活性材料电极层之间的距离。例如，这可以应用于在只含有一个正电极和一个负电极的电池内的正电极和负电极之间的距离。在一些实施例中，这可以应用于在同一电池内具有多个电极组或电极段的电池。对于具有多个电极或电极段的电池，可以有多个电极间距。
当具有折纸型电极的ESD沿着层叠方向或轴(参见，例如，图8的轴741)膨胀或收缩时，给定的平面电极部分(例如，图8的平面部分751b)的位移可以涉及除以总折叠数的总移动距离，使得ESD的电极间距的变化在电极于ESD的工作期间沿着层叠轴膨胀和/或收缩的情况下可以是相对最小的。使用可变容积的容器来维持ESD内的电极间距在West等人于2010年1月27日提交的美国专利申请No.12/694,638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。
应当理解，本发明的给定ESD的电池段可以包括以上结合图1-10所讨论的任意配置的、或者任意其他适合的配置的、或者它们的组合的正极和负极活性材料电极层。例如，图3的电池段22a可以包括加厚的电极配置，电池段22b可以包括z折叠电极配置，以及电池段22c可以包括折纸型电极折叠配置。
根据本发明的实施例，可以使用任何适用于生成以上结合图1-10所讨论的任意活性材料电极层的技术。
图11示出了根据本发明的一种实施例的一种用于粉末充填活性材料电极层的方法的示例性流程图1100。这一般可以涉及以下步骤：将活性粉末干法充填到衬底内，以润湿剂润湿干法充填的粉末，以及以粘结剂层覆涂干法充填的粉末。
在干法充填步骤1102中，可以将活性材料电极粉末干法充填到衬底或导电基体之内。衬底可以是可以保持住活性材料的任何导电性基体。例如，衬底可以是泡沫镍。
在润湿步骤1104中，干法充填的粉末可以用润湿剂来润湿，以降低粘性并确保基本上均匀的分布和表面梯度，这可以允许活性材料相对均匀地从导电基体的表面输运到导电基体的块体内。例如，该步骤可以降低表面梯度，以允许活性材料相对较容易地渗入导电基体内。应当理解，活性材料电极粉末可以在其被充电到导电基体内之前、之后或两者用润湿剂来润湿。此外，还应当理解，活性材料电极粉末可以使用任意适合的润湿剂来润湿，例如蒸馏水、乙醇或任意其他适合的试剂或者它们的组合。
在一些实施例中，可以使用可以从导电基体上基本上溶解掉的润湿剂。这可以确保可能为非反应性的(例如，对ESD的电性能没有帮助的)微粒，和/或可能降低ESD的性能的微粒，没有被留下作为衬底混合物中的副产物。作为选择或另外地，可以将润湿剂焙烧掉。例如，可以将诸如水、异丙醇(ispropyl alcohol)、乙醇和N-甲基吡咯烷酮(NMP)的溶剂或任意其它适合的试剂或者它们的组合蒸发掉或焙烧掉，以便留下很少的或基本上没有的残留物。
在一些实施例中，如果残余元素提高了导电基体的性能，则在溶解或焙烧掉大部分的润湿剂之后留下残余元素可以是所希望的。这可以是有用的，例如，在使用浆料浸渍工艺来制备电极时，其中可以使用含有亲水粘结剂(例如，PVA)的粘性相对较低的浆料来增加表面梯度并且帮助电极的浸渍。粘结剂可以主要含有水，水在浸渍之后被溶解或被焙烧掉时可以留下少量有助于提高电极基体中的活性材料的机械特性的粘结剂材料。例如，粘结剂材料可以帮助使电极基体内的活性材料保持于原地。在循环期间，活性材料的体积可能会改变，而粘结剂材料可以帮助防止活性材料被挤出电极基体，导致ESD的早期失效模式。
在覆涂步骤1106中，可以用粘结剂层将干法充填的活性材料电极粉末覆涂于导电基体的表面上。粘结剂层的化学阻力可以使干法填充的粉末保持于原地，而基本上允许电解质离子输运到导电基体的活性材料以及从导电基体的活性材料输运来。
例如，可以使用粘结剂来将分离的粒子粘接到一起或者促进与表面的粘合。如果在将粉末粘贴到衬底或导电基体上之前使粘结剂与活性材料电极粉末混合，活性表面则可以涂有基本上不导电的材料。这可能潜在性地降低电导率并且可能降低ESD的化学动力，以及给定的电池段和/或ESD可能具有降低的电性能和化学性能。如果不使用粘结剂，则活性材料电极粉末可以自由地迁移到整个电池内以及穿过隔膜，并且可以形成可能妨碍ESD的性能或者甚至破坏电池的硬短路和/或软短路。
在一些实施例中，泡沫镍可以用作正电极层和负电极层(参见，例如，图7的正电极层704和负电极层708)两者的导电基体。传统上，泡沫镍已经被使用于金属氢化物镍(NiMH)ESD的正极氢氧化镍Ni(OH)2电极。这是由于正极材料的相对较低的电导率。但是，正电极和负电极两者都可以使用泡沫镍。这可以提高各导电基体内的界面。
应当理解，流程图1100的步骤只是例示性的。在不脱离本发明的范围的情况下，可以修改、省略或重新排布流程图1100的任何步骤，可以将两个或更多的步骤组合起来，或者可以添加任意另加的步骤。
制作本发明的折纸型电极一般地可以涉及提供活性材料电极层以及折叠该层的步骤。
当折纸型电极折叠体被采用时(例如，图7和8的折纸型电极700)，正极和负极活性材料电极层可以包括作为活性材料的支撑结构的柔性衬底或导电基体。在一些实施例中，导电基体可以是泡沫镍，但是，还可以将任意其他适合的柔性的和/或穿孔的金属导电基体或其组合用作活性材料的主体材料。在注入和折叠泡沫之前可以先调整泡沫基体在折叠部分的尺寸。这可以基本上防止泡沫镍由于泡沫镍相对较脆的材料性质而断裂。
插入调整片(tab)和/或将电子滚道附接于电极段(参见，例如，图9B的电极段905a-c)可能造成相对较锋利的边缘，该边缘进而可能刺穿绝缘隔膜，如前面所讨论的。耐电池内的电解质的导电材料，例如包括镍、镀镍的铜、不锈钢、镀镍的钢或任意其他适合的材料或者它们的组合，可以用来附接连续的电子滚道条带的电极段，该连续的电子滚道条带然后可以被折叠以组成折叠电极叠层。在个体电极段(例如，电子滚道901)之间的材料被调整尺寸以接触分开的电极段和/或最小化电位相同的电极(即，正极或负极)之间的内阻。例如，连接相同电位的电极段的材料与电极段相比可以具有相对较大的机械强度，以便较不容易由于折叠而断裂，从而基本上防止在材料边缘处的潜在的蠕变应力。
例如，用于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的且防渗或基本上防渗的材料形成，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合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的泡沫金属)用于本发明的层叠型ESD的构造。
在本发明的一些实施中用于形成活性材料电极层的共集电极或电子滚道(例如，电子滚道901a)可以由任意适合的导电的且防渗或基本上防渗的材料形成，该材料包括但不限于例如无穿孔金属箔、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，任意其他适合的导电的和/或机械耐用的材料或者它们的组合。在一些实施例中，每个电子滚道可以由彼此粘合的两片或更多片金属箔形成。如以上所讨论的，电子滚道可以具有相对较高的机械强度，以便抵抗来自折叠的潜在负应力效应。
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，而允许在那些电极单元之间的离子迁移。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较薄的材料，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)将试剂粘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。这可以允许在垫片已经形成与电极单元邻接的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
Figure BDA0000087638930000201
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。在其他一些实施例中，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的壳体或包封器(例如，壳体40)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(即，引线13和33)。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，用于隔离在它们各自的电池段内的电解质。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，这可以维持对层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3，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。几何形状和化学性质的这种变化，不仅在叠层层次上，而且在个体电池层次上，都可能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3，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叠层可以通过用可以更好地吸收热量的镉镍电极来构造最里面的电池段而进行热管理，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的化学性质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，ESD 50的电极层(例如，图3的正极层4a-d和14，以及负极层8a-8d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3，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层叠型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。例如，在又一种实施例中，可以使孔穿过垫片和电极单元两者，使得该垫片和电极单元中的每一个都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层叠型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层叠于圆柱形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层叠型ESD的衬底。例如，本发明的叠层ESD可以通过层叠具有为矩形的、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，以及它们的个体零件，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 (20)

1.一种储能器件(ESD)，包括：
第一导电衬底；
沿层叠方向设置的第二导电衬底；
设置于所述第一导电衬底和所述第二导电衬底之间的第一活性材料；以及
设置于所述第一导电衬底和所述第二导电衬底之间的第二活性材料，其中所述第一和第二活性材料各自被折叠并且包括：
正交于所述层叠方向的多个平面部分，其中每个平面部分通过
折叠部分与相邻的平面部分耦接，以及其中所述第一活性材料的每
一个相应平面部分与所述第二活性材料的相应平面部分形成界面。
2.根据权利要求1所述的ESD，其中所述第一活性材料带正电，并且所述第二活性材料带负电。
3.根据权利要求1所述的ESD，其中所述第一活性材料与所述第一导电衬底耦接，并且所述第二活性材料与所述第二导电衬底耦接。
4.根据权利要求1所述的ESD，其中所述第一活性材料和所述第二活性材料包括作为所述第一和第二活性材料各自的支撑结构的柔性导电基体。
5.根据权利要求4所述的ESD，其中所述柔性导电基体是泡沫金属镍。
6.根据权利要求1所述的ESD，还包括用于将所述第一活性材料连接至所述第一导电衬底的第一压力接触件以及用于将所述第二活性材料连接至所述第二导电衬底的第二压力接触件。
7.根据权利要求1所述的ESD，其中所述第一活性材料和所述第二活性材料中的至少一个在折叠之前被套入各自的隔膜之内。
8.根据权利要求1所述的ESD，还包括：
在所述第一活性材料和所述第二活性材料的每个界面处的电解质层，其中所述电解质层包括隔膜和电解质。
9.根据权利要求1所述的ESD，还包括设置于所述第一和第二活性材料的所述多个平面部分中的每个平面部分处的电极段。
10.根据权利要求9所述的ESD，其中所述电极段具有圆形截面区域。
11.根据权利要求9所述的ESD，其中所述电极段具有矩形截面区域。
12.根据权利要求1所述的ESD，其中所述第一和第二活性材料的各自的所述多个平面部分和折叠部分组合以形成用作电子传递路径的各自的电子滚道。
13.一种用于粉末充填储能器件的电极的方法，所述方法包括：
将活性粉末干法充填到衬底之内；
用润湿剂润湿所述活性粉末以确保所述衬底的均匀分布和表面梯度；以及
用粘结剂层将所述活性粉末覆涂于所述衬底的表面上。
14.根据权利要求13所述的方法，其中所述粘结剂层的化学阻力使所述活性粉末保持于原地，而允许电解质离子输运到所述衬底以及从所述衬底输运来。
15.根据权利要求13所述的方法，其中润湿所述干法充填的粉末允许活性材料从所述衬底的表面输运到所述衬底的块体内。
16.根据权利要求13所述的方法，还包括：
将所述润湿剂从所述活性粉末上溶解掉，其中所述润湿剂在所述活性粉末中没有留下残余物。
17.根据权利要求13所述的方法，还包括：
将所述润湿剂从所述活性粉末上溶解掉；以及
在所述活性粉末中留下残余元素，其中所述残余元素有助于所述电极的电性质。
18.根据权利要求17所述的方法，其中所述残余元素增加了所述ESD的容量。
19.根据权利要求13所述的方法，还包括提供共集电极并且将所述衬底耦接至所述共集电极。
20.根据权利要求19所述的方法，其中所述共集电极被折叠以形成折叠电极。
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