CN104170118A - 大型电化学能量存储装置外壳及模块 - Google Patents

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Abstract

本发明揭示一种组合件，其包含非承重外壳，每一外壳包含若干腔。每一腔包含所述外壳中的自由堆叠电化学蓄电池的堆叠。每一电化学蓄电池包含阳极电极、阴极电极及定位在所述阳极电极与所述阴极电极之间的分隔物。所述组合件经配置使得施加到所述组合件的压力由所述自由堆叠电化学蓄电池承受。

Description

大型电化学能量存储装置外壳及模块
技术领域
本申请案主张2012年3月15日申请的序列号为61/611,416的美国临时申请案及2012年11月1日申请的序列号为13/666,452的美国申请案的权益，所述申请案以全文引用方式并入本文中。
本发明针对水性电池及混合能量存储装置，且特定来说针对用于此类装置的外壳。
背景技术
小型可再生能量采集及发电技术(例如太阳能阵列、风力涡轮机、微斯特林(sterling)引擎及固体氧化物燃料电池)正在迅猛发展且存在对中等大小次级(可再充电)能量存储能力的同样强烈的需求。用于这些静止应用的电池通常存储1kWh与50kWh之间的能量(取决于应用)且历史上一直基于铅酸(Pb酸)化学反应。在分布式发电场所处组装深循环铅酸电池组且已知其寿命为1到10年(取决于典型的工作周期)。虽然这些电池表现良好，足以支持此应用，但存在与其使用相关联的若干问题，包含：对环境有污染的铅及酸的大量使用(估计Pb酸技术要为每年将超过100,000吨的Pb释放到环境中(单单在美国)负责)、在保持在中等充电状态或时常循环到深放电水平的情况下的显著性能降级、需要例行维护来维持性能，及需实施必要的回收程序。强烈希望替换如由汽车工业使用的Pb酸化学结构。遗憾的是，迄今为止，替代性电池化学结构的经济性使替换铅酸化学结构成为无吸引力的选项。
尽管拥有电池技术方面的所有近来进步，仍然不存在对Pb酸化学结构的低成本清洁替代物。这大部分归因于以下事实：Pb酸电池相比于其它化学结构来说非常廉价($200/kWh)且当前关注开发用于运输应用的更高能系统(其固有地比Pb酸电池昂贵得多)。
发明内容
一实施例涉及包含多个非承重外壳的组合件，每一外壳包含多个腔。每一腔包含外壳中的自由堆叠电化学蓄电池的堆叠。每一电化学蓄电池包含阳极电极、阴极电极及定位在阳极电极与阴极电极之间的分隔物。所述组合件经配置使得施加到所述组合件的压力由所述自由堆叠电化学蓄电池承受。
另一实施例涉及一种制造包含多个非承重外壳的组合件的方法。每一外壳包含多个腔。所述方法包含在多个腔中自由堆叠阳极电极、阴极电极及在阳极电极与阴极电极之间的分隔物。所述组合件经配置使得施加到所述组合件的压力由所述自由堆叠电化学蓄电池承受。
附图说明
图1为根据一实施例的电化学装置的分解视图。
图2为根据一实施例的电化学装置的外壳盖的平面图。
图3为根据一实施例的电化学装置的堆叠的透视图。
图4为展示根据一实施例的电化学装置的细节的剖视图。
图5为展示根据一实施例的电化学装置的一部分的细节的示意说明。
图6为根据一实施例的电化学装置的堆叠的透视图。
图7A为展示在图6中说明的实施例的细节的透视图。
图7B为展示在图6中说明的实施例的细节的透视图。
图7C为展示在图6中说明的实施例的细节的横截面。
图8A为展示图6中说明的实施例的额外细节的示意说明。
图8B为图8A的一部分的特写。
图8C为图8A的另一部分的特写。
图9A为根据一实施例的电化学装置的堆叠的组合件的元件的顶部部分的透视图。
图9B为根据一实施例的电化学装置的堆叠的组合件的元件的底部部分的透视图。
图10为根据一实施例的装置的模块的透视图。
图11为图10的模块的剖视图。
图12为说明图11中说明的组件的细节的透视图。
图13为根据一实施例的模块的示意说明。
图14为根据一实施例的盖组合件的透视图。
图15为其中移除封盖的图14的盖组合件的透视图。
图16为说明图14的盖组合件的一部分的顶部及底部的细节的透视图。
图17A为贯穿图14的盖组合件的连接器推杆的横截面的放大视图。
图17B为贯穿图14的盖组合件的连接器推杆的横截面。
图18为说明根据一实施例的用于模块到模块连接的插头连接器的横截面。
图19为根据一实施例的托板组合件的透视图。
图20A为说明图19的托板组合件的内部细节剖视图。
图20B为说明图19的托板组合件的细节的图20A的特写。
图21为根据一实施例的托板组合件的嵌套托盘的透视图。
图22A为根据一实施例的用于模块的防护件的透视图。
图22B为图22A的防护件的一部分的特写。
图22C为图22A的防护件的另一部分的特写。
图23A为说明根据一实施例的盖组合件中的电连接的电路图。
图23B为说明根据一实施例的模块托板组合件中的电连接的电路图。
图24A为根据一实施例的电化学装置的一部分的侧视横截面图。
图24B为沿着图24A中说明的实施例的线B-B′的俯视横截面图。
图24C为根据一实施例的夹置集电器的细节的示意说明。
图25为具有棱柱状堆叠的电化学电池的堆叠的分解视图。
图26A为根据一实施例的电化学存储装置的侧视横截面图。
图26B及图27为图26A中说明的实施例装置的相应俯视平面图及仰视平面图。
图26C为围封图26A及26B的电化学装置的外壳及盖的分解视图。
具体实施方式
本发明的实施例涉及电化学能量存储装置及系统，例如下文描述的初级及次级电池及非对称/混合能量存储系统。虽然下文描述的次级混合水性能量存储装置为本发明的优选实施例，但本发明还可应用于任何合适电化学能量存储系统，例如含有水性及非水性电解液的电池(例如，具有嵌入来自电解液的离子的阳极及阴极，包含锂离子电池等等)或电解电容器(也称为超级电容器及超高级电容器(ultracapacitor)，例如具有通过电极(双层)的表面上的阳离子的可逆非法拉第反应及/或赝电容而非通过嵌入碱离子来存储电荷的电容器或赝电容器阳极及阴极电极)。
本发明的实施例的混合电化学能量存储装置及系统包含与有源电极(例如，阴极)耦合的双层电容器或赝电容器电极(例如，阳极)。此类装置也称为非对称电化学能量存储装置。在这些系统中，所述电容器或赝电容器电极通过电极(双层)的表面上的碱离子的可逆非法拉第反应及/或赝电容来存储电荷，而有源电极经历过渡金属氧化物中的嵌入及嵌出碱阳离子的可逆法拉第反应(类似于电池的可逆法拉第反应)，例如2011年3月9日申请的序列号为13/043,787的美国专利申请案中所描述的内容，所述申请案以全文引用方式并入本文中。
在替代实施例中，电化学能量存储装置包括一种电池，其中阳极电极及阴极电极两者均由嵌入离子的材料制成。举例来说，所述电池可为基于钠离子或锂离子的电池，其包含石墨阳极及含有金属氧化物的阴极，例如层状氧化物，例如锂钴氧化物，或聚阴离子，例如磷酸铁锂，或尖晶石，例如氧化锰，例如嵌入锂离子或钠离子的经掺杂或未经掺杂立方尖晶石λ-MnO2类型材料或NaMn9O18隧道结构化正交晶系材料。在另一替代实施例中，阳极电极由多种材料的混合物制成，所述多种材料中的一者在法拉第反应中嵌入离子(例如，钠或锂)且所述多种材料中的另一者为电容性电极材料(其通过阳极电极的表面上的碱金属阳离子的可逆非法拉第反应存储电荷)或赝电容性电极材料(其经历与阳极电极的表面上的碱金属阳离子的局部电荷转移表面相互作用)。此混合阳极材料的实例为“法拉第”石墨及“非法拉第”活性无定形碳或多晶碳的混合物。
实施例包含可制造的大规模电化学能量存储装置的配置及封装。具体来说，需要开发容纳电化学能量存储装置电池的在经济上可行且具有高性能的新方法。实施例包含：个别建构块单元外壳，其包括外壁及整合性底壁，所述外部及底壁经形成以包含由隔板分隔的腔，所述隔板优选地与所述外壁及底壁整合；及盖，其可从所述外壳分离或(例如)通过铰链或类似物附接到所述外壳。个别建构块单元外壳包含4腔配置，每一腔含有以正方形“2乘2”格式串联连接或并联连接的电化学能量存储装置。替代性单元可具有更多或更少的腔且可以其它配置布置，例如1乘2、1乘3、1乘4、2乘3、2乘4、3乘4等等。实施例还包含模块，其为这些堆叠在彼此顶部上的单元的堆叠。外壳和盖可由例如聚丙烯等聚合物制成。
下文论述的实施例的设计考量包含电化学及电极材料。在一实施例中，电极(阳极、阴极或阳极及阴极两者)由独立压片制成。在一实施例中，电化学能量存储装置是通过以合适次序(例如，集电器、阴极、分隔物、阳极、集电器、阳极、分隔物、阴极及重复)将片状件堆叠到外壳中来制成。电化学能量存储装置中的腔中的每一者可具有许多像这样的电池，其经并联连接以制成(例如)0到2.5V的电化学能量存储装置。在一实施例中，每一堆叠可接着串联连接。对于四腔装置，所述装置可为0到10V的系统。
外壳盖可在组装之后热板密封到外壳。盖与外壳的界面还可以激光密封、以粘合剂密封或使用压缩力及某种类型的聚合填料来密封。在一实施例中，所述外壳具有单个泄压阀。优选地，所述腔具有连接其的小气道，使得电化学能量存储装置中的任何地方释出的任何过量气体可通过泄压阀释放。安置在单元的个别腔中的堆叠之间的电连接可描述为“跨接线”，且其可通过直接将集电片点焊在一起或经由腔之间的金属贯通件来形成。通常，跨接线为金属(例如，不锈钢)，但也可使用Al及/或Al/不锈钢包层结构。也可使用其它导电材料。
下文的实施例的方面为安置在外壳的相应个别腔内的电极堆叠通过从外部施加的压力或趋向于压缩堆叠的压缩力而彼此配合接触。在缺少此压力的情况下，电化学能量存储装置的个别堆叠的电子完整性可能受到损害且性能可能不合标准。特定来说，施加到每一堆叠的压力或压缩力使邻近堆叠元件配合接触，从而减小邻近元件之间的间隙，这趋向于增加阳极、阴极及它们之间的间隙中存在的电解液之间的离子交换，以及增加从阳极及阴极到邻近集电极的电流流动。在一实施例中，电化学能量存储装置单元(即，含有存储装置堆叠的外壳)在其中心包含孔，以使拉杆可穿过在组合件中堆叠在一起的多个单元且附接到两个对置的刚性板，其中一个刚性板定位在堆叠在一起的单元的顶部，且另一刚性板定位在堆叠在一起的单元的底部以借此在拉杆被置于张紧状态中时向对堆叠在一起的单元施加压缩力。此外，压板经配置以将施加到拉杆的张力直接转移到电极堆叠。任选地，半刚性体可用于在电化学能量存储装置堆叠的顶部上提供“弹簧力”，使得在使用期间存在供电极堆叠微动(breathing)的某些空间。接着，可根据需要串联或并联连接电化学能量存储装置的这些堆叠。并且，在一实施例中，电化学能量存储装置的堆叠可装设到具有集成电子控制件及电力线的托板结构上以形成模块。接着，可将这些模块堆叠整合成较大系统。为了允许箱外的压力到电极堆叠的容易转移，可使用完全柔性的电池盖。
实施例可包含以下特征以及上文描述且在附图中说明的其它特征中的一或多者：
1)穿过电化学能量存储装置堆叠外壳的中央的用于将堆叠保持在一起的单个拉杆，
2)电化学能量存储装置单元(即，外壳)经设计使得其中的电极堆叠承受由拉杆对堆叠施加的压力负载，
3)适度弹性构件可用作“弹簧力”以在堆叠上维持长期正压力，
4)外壳可组装到具有集成电子控制件及电力线的托板上，
5)在电化学能量存储装置外壳内，可存在单个泄压阀，且接着可串联或并联连接所述腔中的电化学能量存储装置，
6)在腔之间可存在开放的气体路径，及
7)电化学能量存储装置腔可被填充有作为电极堆叠的水分的来源的胶质液体电解液(或胶质水)，所述胶质液体电解液(或胶质水)将不会到处“泼溅”并影响性能。
图1、2及4说明根据第一实施例的电化学装置100。如所说明，电化学装置100包含外壳102，外壳102包含四个腔104。如上文论述，外壳102可具有四个以上或四个以下的腔104。每一腔由外壳102的壁105界定。在图1、2及4中说明的实施例中，每一腔104由两个外壁105(在电化学装置100的外围上具有面的壁)及两个内壁或隔板105(定位在电化学装置100的内部的壁)定界。在替代配置中，腔104可具有两个以上或两个以下的外壁105及内壁105。举例来说，在3乘3配置中，中央腔104完全由内壁或隔板105定界，侧腔104(不在隅角)由一个外壁及三个内壁定界，而隅角腔104由两个内壁及两个外壁定界。在1乘3配置中，中心腔104由两个内壁105及两个外壁105定界，而两个末端腔104由一个内壁105及三个外壁105定界。
优选地，每一腔104包含电化学电池111的堆叠110。每一电化学电池111包含阳极112、阴极114及定位在阳极112与阴极114之间的分隔物116。在进一步实施例中，混合或非对称电化学电池111可包含由第二分隔物分隔的第二阳极及第二阴极。电化学电池111可在电化学电池111的堆叠110中串联或棱柱状地电连接。在棱柱状配置中，堆叠110中的电化学电池111并联连接，如图25中所说明。
每一电化学电池111进一步包含两个集电器130、132，其经提供以收集由电化学电池111产生的电流。集电器130、132可由任何合适的导电材料(例如碳(例如，石墨)或金属)制成。在(例如)序列号为13/043,787的美国专利申请案中所描述且在图25中说明的棱柱堆叠110中，若干对电化学电池102“面对面”及“背对背”配置。阴极集电器130可定位在邻近电化学电池111的阴极114之间。作为实例，考虑第一电化学电池111位于堆叠110的中心的棱柱堆叠110。在第一对电池111中，第一阴极集电器130经定位使得第一电化学电池111的阴极电极114电接触第一阴极集电器130且第二电化学电池111的阴极电极114也电接触第一阴极集电器130。第二电化学电池111邻近于棱柱堆叠110中的第一电化学电池111的第一(阴极)侧而定位。
第三电化学电池111邻近于棱柱堆叠110中的第一电化学电池111的第二(阳极)侧而定位。第一电化学电池111的阳极电极112电接触第一阳极集电器132且第三电化学电池111的阳极电极112也电接触第一阳极集电器132。堆叠可以此方式继续。因此，所得的棱柱堆叠110可包含多个电化学电池111，其成对地、面对面及背对背地、交替邻近阳极电极112及邻近阴极电极114地堆叠。
优选地，阳极112、阴极114、分隔物116及集电器130、132在腔104中自由堆叠且不层压到彼此。即，不像通常在常规层压电化学电池中发现地那样将粘合剂或粘结剂定位在堆叠110中的个别组件(阳极12、阴极114、分隔物116及集电器130、132)之间。实情是，本发明的一个实施例将纵向压力施加到多个自由堆叠的电化学电池，所述纵向压力迫使邻近电池元件配合接触以改善阳极及阴极与填充所述腔的电解液之间的电化学反应，并且改善对应于阳极及阴极的集电器之间的电接触以增加到集电器的电流流动。
在图24A及24B中说明另一实施例。在此实施例中，电化学电池的堆叠110如在先前实施例中般定位在外壳102的腔104中。与先前实施例形成对比，阳极电极112及/或阴极电极114可由两个或两个以上离散段(例如4、6、9或任何数目个离散段)制成。如图24B中所说明，阴极电极114包含4个离散段。在一实施例中，当从上方观察时阴极集电器130的面积大于阴极电极段114的面积。类似地，当从上方观察时，阳极集电器132的面积可大于阳极电极段112的面积。
在此实施例的方面中，分隔物116包含围绕分隔物116的外围的凸缘116A。凸缘116A界定经配置以接纳阳极/阴极电极段112、114的一或多个腔。在另一方面中，电化学蓄电池111包含操作性地连接到多个阴极及阳极集电器130、132的多个柔性、导电接触件(例如，接头片)118。柔性、导电接触件118可固定到阴极及阳极集电器130、132的一侧。在此实施例中，可通过将柔性、导电接触件118搭在邻近腔104之间的壁105上并连接堆叠110来形成与外壳102中的邻近腔104中的电化学蓄电池111的堆叠110的电连接。邻近腔104中的堆叠110可根据需要串联、并联或以其组合电连接。在下文更详细论述的图26A中说明的实施例中，来自邻近堆叠110的柔性、导电接触件118(例如)通过焊接或铜焊接合在一起166。
在一实施例中，电化学蓄电池111的堆叠110是棱柱状地堆叠的。多个导电接触件(例如，接头片)118操作性地连接到多个阴极及阳极集电器130、132。如在先前实施例中，导电接触件118可固定到阴极及阳极集电器130、132的一侧，如图25中所展示。替代地，如图24C中所说明，导电接触件118可定位在相同类型的两个集电器130或132之间，从而形成夹置结构131。
在一实施例中，电池111的堆叠110中的交替电池111的导电接触件118(例如)通过焊接或铜焊固定到彼此。即，连接到连续阴极电极114/阴极集电器130的导电接触件118连接到彼此，而连接到连续阳极电极112/阳极集电器132的导电接触件118连接到彼此。以此方式，堆叠110中的电化学电池111可并联电连接。
图26A及26B说明具有在外壳中以2x2模式配置的四个邻近堆叠110的电化学装置100的实施例，所述外壳具有呈2x2模式的四个腔104。如图26B中说明，邻近堆叠110串联电连接。替代地，邻接堆叠可并联电连接。如上文论述，可通过在外壳102的内壁105的顶部上的位置166处(例如)进行焊接或铜焊来接合邻近堆叠110的电池111的柔性、导电接触件118来形成邻近堆叠110之间的电连接。图26C为围封图26A及26B中展示的堆叠的外壳102及盖106的分解视图(其中盖从外壳移除)。
在图25中展示的替代实施例中，棱柱状堆叠110还包含两个电总线134、136。一个电总线134电连接到棱柱状堆叠110中的阳极集电器132且一个电总线136连接到棱柱状堆叠1100中的阴极集电器130。在一实施例中，从阴极及阳极集电器130、132到电总线134、136的电连接是经由导电接触件118。以此方式，堆叠110中的电化学电池111并联电连接。
电化学装置100还包含腔104中的液体或凝胶电解液(未展示)，所述液体或凝胶电解液实质上填充所述腔，以将每一电化学电池浸没在电解液中。电化学装置100的外壳102优选地用盖106隔绝密封以防止从电化学装置100损失电解液，且在每一腔上方在每一腔的顶部与盖之间提供共用气体容积以允许从所有腔除气的气体收集在气体容积中。在一实施例中，盖106在中心中包含孔160，孔160与延伸通过外壳102的对应孔161对准以通过其接纳拉杆206。盖106还可包含盖腔107，盖腔107凹入以确保每一腔107的底部表面接触对应腔中的电极堆叠的顶部表面，以在单元如图6中所展示般堆叠在组合件中时将来自压板202的压力或压缩力转移通过组合件200中的每一单元。如下文更详细论述，盖腔107优选地经配置而以将上文描述的压力从一个单元装置转移到另一单元装置的方式促进电化学装置100的堆叠。外壳102可包含用于固持端子133的特征，端子133可连接到外部负载或其它电化学装置100，如下文更详细论述。
如图4中所说明，腔104可经由形成腔104的外壳102中的内壁105中的孔120而彼此流体连接。盖106可包含泄压阀124，其经配置以在在电化学装置100的操作期间积累了过量气体的情况下释放气体。因为所有腔104都经由孔120流体连接，所以盖106可仅具有用于外壳102中的所有腔104的单个泄压阀124。还在图4中还说明电连接第一腔104的电化学堆叠110与电化学装置100的外壳102中的第二腔104的柔性电连接器118(例如，不锈钢或另一金属)。电化学装置100中的所有腔104可类似地连接到彼此，如图26中所展示。柔性电连接器118可经配置使得电化学装置100内的电化学电池111的堆叠110是串联或并联的或为其组合。此外，电化学装置100包含在盖106中的至少一个电解液口162。电解液可经由电解液口162添加到电化学装置100。电解液口162可以盖帽163覆盖以防止电解液从电解液口162溢出。
在制造电化学装置100的方法中，在固体组件(例如，阳极电极112、阴极电极114、分隔物116、阳极集电器132及阴极集电器130)堆叠在外壳102中之后，将盖106密封到外壳102上。接着，经由电解液口162排空装置100以移除任何非所要气体。在排空之后，以电解液部分填充电化学装置100的腔104，从而在腔104中的电解液上方留下气体空间或容积。
图3及图5到图9B说明根据另一实施例的包括堆叠在彼此上方的多个(例如，堆叠)电化学装置单元100的组合件200。如图3中所说明，电化学装置单元100的外壳102及盖106经配置使得电化学装置单元100可稳定地堆叠在彼此之上。即，盖腔107经定尺寸以接纳堆叠在顶部上的电化学装置单元100的外壳102的腔104的壁105的底部表面及底部部分。
如图5中所说明，在一实施例中，电化学单元100可包含一或多个贯通电连接器140，例如一个连接器140与图26B中展示的每一端子133相关联或与图25中展示的每一电力总线134、136相关联。贯通电连接器140为垂直定向(即，其具有平行于堆叠方向的纵轴)导电结构，例如，模制到外壳中的标准电力连接器的公部，但可在不偏离本发明的情况下使用其它定向及或位置。替代性地，连接器140可包括模制到外壳中的标准电力连接器的母部。另外，连接器140可包括模制到外壳中或安装在外壳中的电元件，所述电元件经配置以与电力连接器的公部或母部配合以使电化学装置单元100与视情况另一电化学装置单元100或电力负载电互连。因此，可通过电连接器140使用上文描述的一或多个端子133将容纳在电化学装置单元100内的电化学电池111的堆叠110与其它电元件电连接。在一实施例中，组合件200中的电化学装置单元100中的每一者的贯通连接器140电连接到组合件200中的邻近电化学装置单元100的贯通连接器以将整个组合件200作为一单元来充电或放电。这些连接可为串联或并联的，且替代地可由(例如)固定到端子133或连接器140的导线141制成，如图6中所展示。
贯通连接器140/端子133定位在外壳102内且因此受外壳102保护。即，外壳102提供围绕垂直定向的贯通连接器140/端子133的“护罩”143，护罩143在组合件200的处置期间保护贯通连接器140/端子133及下伏电化学装置100。相比之下，使用水平(即，突起)端子可能要冒在组合件200的处置期间刺穿邻近电化学电池100的风险。在一实施例中，贯通连接器140被止推器142固持在适当位置中。为了保护外壳102及进一步紧固止推器142，可将垫圈144(例如平垫圈或防松垫圈)设在外壳102的一侧上，且可将密封件146(例如硅酮橡胶密封件)设在外壳102的另一侧上。
如图6中所说明，组合件200可在电化学装置100的堆叠的顶部及底部处包含压板202。在一实施例中，电化学装置的堆叠的顶部及底部处的压板202是相同的，这可简化组合件且可节约成本。压板202可具有独立脚座204，其提供压板202与邻近结构(例如下文更详细论述的支撑托板及/或模块盖)之间的空间。压板202还可包含通孔203(见图9A)(其经配置以接受下文更详细论述的粘结构件206)及凸缘205(其经配置以帮助使电化学装置100在压板202上居中)。压板202还可包含肋状物201以增加强度及辅助对准压板以在所要位置处施加压力负载。
如上文论述，电化学电池111的组件自由堆叠。然而，本发明人发现当电化学电池111的堆叠110处于压力之下时电化学装置100更稳健。因此，如下文更详细论述，电化学装置100的组合件200经配置使得电化学电池111的堆叠110经组装使得电池111处于压力之下。优选地，堆叠110承受大多数或所有(例如，至少90％，例如90％到100％，例如95％到99％)压缩负载。即，外壳102及盖106承受极少压缩负载或不承受压缩负载(例如，0到10％，例如1％到5％)为优选的。即，外壳102及盖106由柔性材料(例如，塑料，例如聚丙烯)制成，所述柔性材料在由压板施加的压力/负载及堆叠在彼此上方的电化学装置单元的重量之下弯曲或以其它方式塑性变形。
一或多个弹性元件208可设在组合件200中的压板202与电化学装置100之间。弹性元件208(见图6、7A、7B及7C)可设在底部压板202与电化学装置100的堆叠之间、顶部压板202与电化学装置100的堆叠之间，或两个压板202与电化学装置100的堆叠之间。弹性元件208可由有弹性的材料(例如硅酮或橡胶)制成。
可穿过电化学装置100的盖106中的孔160及外壳102中的孔161提供粘结构件206(例如，图7C中说明的拉杆、缆线或弹簧)。粘结构件206还可穿过压板202(图8A到8C)。粘结构件206可用拧紧/紧固构件207(例如安装在粘结构件206的螺纹端上的螺母或张紧粘结构件206的类似物)紧固到压板。粘结构件中的张力用于迫使每一压力位置与对应顶部及底部电化学单元100或组合件或堆叠200配合接触。因此，粘结构件206中的张力被转移到压板202，压板202将压力转移到组合件200中的顶部及底部电化学装置单元100，顶部及底部电化学装置单元100又将压力转移到组合件200中的剩余电化学装置单元100中的每一者。更具体来说，压板202、图27中展示的外壳底部表面420及盖腔107经配置以使单元100对准及互锁，且将施加到压板的压力直接转移到每一腔中的电极堆叠，使得使粘结构件206张紧会将压缩力施加到组合件200中所包含的电极堆叠中的每一者。可通过拧紧拧紧/紧固构件207将压力施加到组合件200，从而致使压板将压力或夹紧力施加到组合件200中的电化学装置100的堆叠。当一或多个弹性元件208包含在堆叠中时，弹性元件208响应于压力而变形，且趋向于在承受表面(具体来说盖腔107及外壳底部表面420)上更均匀地分布压力负载且将压力更均匀地分布到盖腔107的四个负载承受表面及底部承受表面420中的每一者。在替代实施例中，粘结构件206具有固定长度，且压力或夹紧力由弹性元件208的厚度确定。替代性地，粘结构件206具有固定长度，且压力或夹紧力由安置在对置压板202之间的一或多个压缩弹簧施加。可将可移除有眼螺母210固定到粘结构件206的顶部以协助提升及以其它方式处置组合件200。
图8A说明可用于描绘组合件200的特征的一些尺寸。距离208x表示弹性元件208(未偏转)的厚度。从未偏转弹性元件208的底部到底部压板202的顶部测量距离207x。距离206x为顶部压板202与底部压板202之间的距离。在各种实施例中，所施加的压力可与未偏转的弹性元件208的厚度与施加压力之后的弹性构件元件208的厚度(即，经偏转厚度)的比率成比例。
图10说明根据一实施例的组合件200的模块300。在此实施例中，组合件200安装在基座(例如托板302)上。如所说明，模块300可包含呈3乘4配置的十二个组合件200。然而，模块300可包含任何数目的组合件200，例如1乘2、1乘3、1乘4、2乘3、2乘4、3乘5等等。模块300优选地包含模块盖组合件306(下文更详细论述)及防护件308(其围绕组合件200且保护组合件200)。
图11说明其中移除盖组合件的模块300的实施例。邻近组合件200可使用一或多个机械堆叠连接器310(图12中更详细说明)机械夹紧到彼此上。在一实施例中，堆叠连接器310固定到邻近压板202。
图13说明贯穿模块300的横截面。模块300包含定位在托板302上的模块框架303。框架303经配置以接纳组合件200。即，模块框架303包含沟槽以接纳压板202的脚座204及肋状物201且因此为组合件200提供更稳定的支撑。模块300还包含致动器/推杆312及模块到模块连接器314以将模块机械附接在一起，如下文更详细描述。致动器/推杆312及模块到模块连接器314允许邻近模块300机械地连接在一起，以形成包括多个电化学组合件200的集成电化学存储系统。
图14到18说明根据一实施例的模块300的盖组合件306的细节。在一实施例中，盖组合件306包含封盖307及盖组合件框架316(图15)。盖组合件框架316包含一或多个空间保护器318及接触器320，其与模块盖组合件306的盖组合件封盖307进行物理连接且辅助将盖组合件封盖307适当地安放在盖组合件框架316上。图15还说明致动器杆312在盖组合件306的组合件框架316中的放置。
图16说明盖组合件306的俯视图及仰视图。如图16中说明，盖组合件306包含凹部317，凹部317经配置以在其中接纳个别组合件200的压板202。图16还说明致动器杆312、模块到模块连接器314、堆叠连接器310、空间保护器318及接触器320的放置。
图17A、图17B及图18提供用机械模块到模块连接器314连接模块的方法的细节。机械模块到模块连接器314包含公插头定位器326及两个连接器销322。连接器销322附接到连接器块324的末端。在替代实施例中，使用更多或更少的连接器销322。连接器块324可操作地连接到致动器/推杆312。在一实施例中，在所有模块300处于适当位置且对准之后，容器门(未展示)上的凸轮或突起(未展示)接触最后的致动器/推杆312且所有连接器314移到左边(如所说明)，从而引起一个模块上的连接器销322啮合邻近模块上的插座323。图18说明一个模块上的公定位插头326接近母定位插口328。当这些特征完全啮合且模块300首尾相连地定位时，致动致动器/推杆312，从而迫使连接器块324及连接器销322进入插座323。
图19到21说明用于与模块300一起使用的托板组合件302的实施例的细节。在此实施例中，托板组合件302包含盘状物329及定位在盘状物329上的嵌套托盘330。盘状物329及嵌套托盘330可由任何合适材料(例如，聚乙烯)制成。所述嵌套托盘包含凹部317(其经配置以接纳压板202)而盘状物329包含叉隧道334(图20A)(其经配置以接纳叉式起重机的叉)。如图20A及20B中所说明，嵌套托盘330还包含加强结构332(例如，钢条、杆、塑料凸缘等等)以强化嵌套托盘330并稳定模块300。可以横向及纵向定向提供加强结构332以强化嵌套托盘330。
图22A到22C说明根据一实施例的用于模块的防护件308。在一实施例中，防护件308为由钢制成的穿孔围罩，例如穿孔16号(gauge)钢。然而，防护件308可由任何合适材料制成。防护件308可以若干区段组装。在一实施例中，通过防护件互锁通道309(图22C)将防护件308的邻近区段附接到彼此。可通过将防护件的一部分插入到嵌套托盘330中的狭槽336(图22B)来将防护件308固定到嵌套托盘330。
图23A及图23B为说明每一模块300中的内部338组合件200电连接及外部340模块间300电连接的电路图。根据一实施例，电连接可分别定位在模块盖组合件306及/或托板组合件302中。如图23A中所说明，模块盖组合件306可包含内部及外部电连接338、340两者。在此实施例中，托板组合件302上的模块300仅包含组合件之间的内部电连接338。在替代实施例中，托板组合件302包含内部及外部电连接338、340，而模块盖组合件仅包含内部电连接338。在其它实施例中，模块盖组合件306及托板组合件302两者均包含内部及外部电连接338、340。
在图23B中说明的实施例中，电化学装置100在组合件200中串联连接。为清楚起见，仅说明一个组合件200及一个连接器342。在一实施例中，每一连接器342A可串联连接四个组合件200。模块300可包含用于12个组合件的三个连接器342A。模块盖组合件306包含3个配合连接器342B，其中每一者可电连接到相应的组合件200连接器342A。在此实施例中，模块300可包含总共12个组合件200。然而，如上文论述，模块300可包含比12个更多或更少的组合件200且可包含更多或更少的连接器342。此外，具有四个电连接的连接器342A、342B仅用于说明目的。也可使用具有更多或更少的电连接的其它连接器342。连接器342A、342B可包含但不限于安德森电力产品盲插系列(Anderson Power Products Blind Mate series)BMHSG-R及BMHSG-P型连接器或其它类似连接器。托板组合件302可含有充电控制/电力电子装置以将每一模块300作为整体来充电或为个别组合件200充电或为个别电化学装置单元100充电或其组合。
取决于模块300的所要用途，模块中的组合件200可串联连接在一起或并联连接在一起。串联/并联连接可定位在模块盖组合件306或托板组合件302中。如果在模块盖组合件306中提供串联/并联连接，那么可通过简单地用具有不同连接配置的第二模块盖组合件306替换具有一个连接配置的第一模块盖组合件306来容易地重新配置模块300。在一个实例中，如图23A及图23B中所说明，组合件200经由托板组合件302中的连接器342A并联连接，而模块300经由盖106串联连接到彼此。
虽然以上内容涉及特定优选实施例，但将理解，本发明并非如此受限。所属领域的一般技术人员将想到可对所揭示的实施例做出的各种修改且此类修改希望在本发明的范围内。本文中引述的所有出版物、专利申请案及专利均以全文引用的方式并入本文中。

Claims (30)

1.一种组合件，其包括：
多个非承重外壳，每一外壳包括多个腔；
每一腔包括所述外壳中的自由堆叠电化学蓄电池的堆叠，每一电化学蓄电池包括：
阳极电极；
阴极电极；及
分隔物，其定位在所述阳极电极与所述阴极电极之间，
其中所述组合件经配置使得施加到所述组合件的压力由所述自由堆叠电化学蓄电池的所述阳极及阴极电极承受。
2.根据权利要求1所述的组合件，其进一步包括粘结构件及至少一个压板，其中所述粘结构件及所述压板经配置以向所述组合件施加所述压力。
3.根据权利要求2所述的组合件，其中通过使所述粘结构件处于张紧状态来施加所述压力。
4.根据权利要求2所述的组合件，其进一步包括定位在所述至少一个压板与所述外壳之间的一或多个顺应元件。
5.根据权利要求1所述的组合件，其进一步包括交替定位在所述堆叠中的邻近电化学电池之间的多个阴极及阳极集电器。
6.根据权利要求1所述的组合件，其中每一堆叠包括并联电连接且以棱柱状配置来配置的电池。
7.根据权利要求6所述的组合件，其中所述腔中的每一者中的所述堆叠串联电连接到暴露在所述外壳外部的正及负电端子。
8.根据权利要求7所述的组合件，其中每一堆叠具有大约2V的最大电压。
9.根据权利要求1所述的组合件，其中所述电化学蓄电池包括混合装置。
10.根据权利要求9所述的组合件，其中所述阴极包括碱离子嵌入材料且所述阳极包括赝电容或电化学双层电容材料。
11.根据权利要求9所述的组合件，其中所述阳极电极包括多种材料的混合物，所述多种材料中的一者在法拉第反应中嵌入离子且所述多种材料中的另一者为赝电容或电化学双层电容材料。
12.根据权利要求1所述的组合件，其中所述电化学蓄电池包括蓄电池组电池，其中所述阳极电极及所述阴极电极嵌入离子。
13.根据权利要求1所述的组合件，其进一步包括：
每一外壳的中央部分中的孔，所述孔经配置以接纳粘结构件；及
可压缩密封件，其定位在所述外壳的基座部分与所述外壳的盖部分之间。
14.根据权利要求2所述的组合件，其中所述多个外壳堆叠在彼此的顶部上使得其嵌套到彼此之中。
15.根据权利要求14所述的组合件，其中所述电化学电池堆叠的所述阳极及阴极电极承受施加到所述组合件的负载的至少90％。
16.根据权利要求15所述的组合件，其中所述堆叠为堆叠组合件的模块中的堆叠组合件的承重结构。
17.根据权利要求15所述的组合件，其中所述外壳包括在所述外壳的中央部分中的孔且所述粘结构件定位在所述孔中。
18.根据权利要求1所述的组合件，其进一步包括支撑所述组合件的托板，其中所述托板包括稳定所述组合件且提供所述组合件与定位在所述托板上的一或多个额外组合件之间的电互连的构件。
19.根据权利要求18所述的组合件，其中所述托板进一步包括充电控制/电力电子装置。
20.根据权利要求14所述的组合件，其中每一外壳包括盖且每一外壳及每一盖包括柔性材料，使得所述外壳不承受由所述粘结构件及所述至少一个压板施加到所述组合件的所述压力，且每一外壳及每一盖承受施加到所述组合件的所述负载的0％到10％。
21.根据权利要求20所述的组合件，其中每一外壳包括聚合物。
22.根据权利要求1所述的组合件，其中每一外壳包括四个腔且所述腔是正方形的。
23.根据权利要求5所述的组合件，其中：
所述自由堆叠电化学蓄电池堆叠包括柔性导电片，所述柔性导电片连接第一腔中的堆叠与同一外壳中的邻近腔中的堆叠；且
所述电极、所述集电器及所述分隔物不层压到彼此。
24.根据权利要求23所述的组合件，其中所述柔性导电片包括金属条，所述金属条搭在分隔邻近腔的壁上。
25.根据权利要求23所述的组合件，其中所述阴极及阳极集电器包括石墨，且所述柔性导电片固定到所述阴极及阳极集电器。
26.根据权利要求1所述的组合件，其中所述组合件包括以下特性中的一或多者：
(A)每一腔在所述腔中的电解液的液位上方与其相邻腔流体连接；
(B)每一腔被以凝胶或液体电解液中的至少一者部分填充；或
(C)所述外壳包括单个泄压阀，所述泄压阀经配置以排出可能在所述多个腔中的任一者中积累的任何气体。
27.根据权利要求26所述的组合件，其中每一外壳进一步包括在所述腔之间的共享气体空间，且分隔邻近腔的壁中的孔经配置以允许气体由邻近腔共享。
28.根据权利要求5所述的组合件，其中当从上方观察时的所述阴极及阳极集电器具有比当从上方观察时的多个阴极及阳极电极大的面积。
29.根据权利要求5所述的组合件，其中所述分隔物包括经配置以接纳阳极电极的一或多个腔。
30.根据权利要求1所述的组合件，其中所述阳极电极比所述阴极电极厚2到3倍。
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