CN105098220B - 能量储存装置及电池的制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种能量储存装置及一种电池的制造方法，能量储存装置包括：具有第一单位能量密度及第一单位放电功率的能量型电极对，包括表面具有第一活性材料的第一正极、表面具有第二活性材料的第一负极；具有第二单位能量密度及第二单位放电功率的功率型电极对，包括表面具有第三活性材料的第二正极、表面具有第四活性材料的第二负极，其中功率型电极对电连接于能量型电极对；壳体，容置能量型电极对及功率型电极对；第一电解质，设置于第一正极及第一负极之间；以及第二电解质，设置于第二正极及第二负极之间。其中第一电解质与第二电解质的组成物为相同。

Description

能量储存装置及电池的制造方法
技术领域
本发明涉及一种能量储存装置及电池的制造方法，尤其涉及一种同时具有能量型电极对及功率型电极对，且该能量型电极对及该功率型电极对共享相同电解质的能量储存装置。
背景技术
常见的可充电电池，例如锂离子电池(lithium ion battery)，依其充放电的特性，可以区分为能量型(energy type)电池及功率型(power type)电池。能量型电池的储存能量高，但充、放电时功率较低；相反地，功率型电池的储存能量不高，但充、放电时功率较高。因此，依照此两种电池的特性，可使用于不同的用途。例如，能量型电池应用于手机、笔记本电脑等需要低输出功率的产品，功率型电池则应用于电动车等需要高输出功率的产品。
不过，无论是能量型电池或是功率型电池，惯用的充电电池在使用时多半具有以下问题：耐脉冲放电性差(poor pulse discharge)、循环充放电性能易衰减(decreasedcyclic capacity)、以及低温环境下之操作性(即充电速率，charging rate)差。
因此，提供一种能量储存装置及电池的制造方法，以改善上述缺点。
发明内容
本发明第一方面提供一种能量储存装置，其利用具有相同电极活性材料的能量型正负电极对及功率型正负电极对组合，并共享相同组成物的电解质，如此可以提高能量储存装置的快速充电能力、适合低温操作、并具有较佳的循环充放电寿命。
本发明第二方面提供一种能量储存装置，包括：具有第一单位能量密度及第一单位放电功率的能量型(energy type)电极对，包括表面具有第一活性材料的第一正极、表面具有第二活性材料的第一负极；具有第二单位能量密度及第二单位放电功率的功率型(power type)电极对，包括表面具有第三活性材料的第二正极、表面具有第四活性材料的第二负极，其中所述功率型电极对电连接于所述能量型电极对；壳体，容置所述能量型电极对及所述功率型电极对；第一电解质，设置在所述第一正极及所述第一负极之间；以及第二电解质，设置在所述第二正极及所述第二负极之间，其中所述第一电解质与所述第二电解质的组成物为相同。
本发明第三方面提供一种电池的制造方法，包括下列步骤：提供能量型电极对，包含第一电极、第二电极、设置在所述第一电极及所述第二电极之间的第一隔离膜，以及设置在所述第一电极、所述第一隔离膜及所述第二电极之间及周围的第一电解质；提供功率型电极对，所述功率型电极对包含第三电极、第四电极、设置在所述第三电极及所述第四电极之间的第二隔离膜，以及设置在所述第三电极、所述第二隔离膜及所述第四电极之间及周围的第二电解质；在所述能量型电极对及所述功率型电极对之间设置第三隔离膜；以及提供壳体，以容置所述能量型电极对及所述功率型电极对，其中所述第一电解质及所述第二电解质的组成物相同。
本发明第四方面提供一种能量储存装置，包括：具有第一单位能量密度及第一单位放电功率的能量型电极对；具有第二单位能量密度及第二单位放电功率的功率型电极对，所述功率型电极对电连接于所述能量型电极对；壳体，用于容置所述能量型电极对及所述功率型电极对；第一电解质，设置在所述能量型电极对之内及周围；以及第二电解质，设置在所述功率型电极对之内及周围。其中所述第一电解质及所述第二电解质容置于所述壳体内，并使所述能量型电极对及所述功率型电极对通过所述第一电解质及所述第二电解质来分别形成电导通回路。
附图说明
图1为本发明实施例的能量型电极对10的示意图；
图2为本发明另一实施例的功率型电极对20的示意图；
图3为本发明另一实施例的电池30的示意图；
图4为本发明另一实施例的电池30内部组成的示意图；
图5为本发明另一实施例的电池50内部组成的示意图；
图6为本发明另一实施例的电池60内部组成的示意图；
图7为本发明另一实施例的电池70内部组成的示意图；
图8为本发明另一实施例的电池的制作方法流程图；
图9为本发明另一实施例的电池的制作方法流程图。
附图标记：
10 能量型电极对
11、21 正极电极
12、22 负极电极
13、14、23、24 电流收集板
15、25 正极涂层
16、26 负极涂层
17、27、37 隔离膜
20 功率型电极对
30、50、60、70 电池
31、51、61、71 外部正极端子
32、52、62、72 外部负极端子
47 壳体
48 第一电解质
49 第二电解质
+ 内部正极端子
－ 内部负极端子
具体实施方式
本发明的实施例的详细描述如下，然而，除了该详细描述外，本发明还可以广泛地在其他的实施例施行。亦即，本发明的范围不受已提出的实施例的限制，而应以本发明提出的权利要求范围为准。
本发明利用具有相同电极活性材料的一种能量型电极对及一种功率型电极对的组合，并联成一电极组，加上组成物相同的电解质，该组成物的内含物的组成比例可为相同或不同，以形成可充放电的能量储存装置。能量型电极对的单位能量密度高于功率型电极对的单位能量密度，而能量型电极对的单位放电功率低于功率型电极对的单位放电功率。因此，本发明利用能量型电极对具有高电能容量的特性与功率型电极对具有可快速应答的特性，由该能量型电极对提供高能量的输出，并由该功率型电极对提供快速充放电时的高功率需求，同时，其中该功率型电极对于高功率应用时亦可保护该能量型电极对免于受到高功率电流的冲击。此外，也因为采用相同的电极活性材料及组成物相同的电解质，因此本发明的能量储存装置的设计、制造与维护，会更加简易及单纯。
该能量型电极对与该功率型电极对的特性可通过各电极对中的电极厚度、电极中的活性材料-导电添加物-黏结剂组成比例、导电添加物或黏结剂的种类、活性材料的尺寸及形状、及电流收集器的材质、形状或厚度而改变，以制成不同需求功能的能量型电极与功率型电极，进而达成能量储存装置所需的特性。
该能量型电极与该功率型电极所使用的活性材料种类相同，该活性材料可以应用于各式不同种类的电化学储能装置，如铅酸电池、镍-金属氢(Ni-MH)电池、锂离子电池、锂-硫电池、钠-硫电池、金属-空气电池、电双层电容器或拟电容电容器的电极等。而活性材料的定义，则为储能装置中可进行电化学氧化还原反应的材料，并藉此产生电位差，于充电时电位差变大，此时储能装置中的正极进行电氧化反应，并将电子输出至外回路，负极通过接收正极输出至外回路的电子进行电还原反应。而放电时则为自发反应，电位差变小，此时储能装置中的负极进行电氧化反应，并将电子输出至外回路，正极通过接收负极输出至外回路的电子进行电还原反应。
电解质的组成物包括至少溶剂及可解离物质，该可解离物质可为盐类。该电解质种类的选择可与电极的活性材料(又称为电极涂层，可区分为正极涂层及负极涂层)搭配。此外，由于本发明所使用的能量型电极对与功率型电极对活性材料种类相同，因此该能量型电极对与该功率型电极对可使用组成物相同的电解质，该组成物的内含物的组成比例可为相同或不同。该电解质解离后所形成的离子，可移动穿过设置在电极对中正极电极及负极电极之间的多孔性隔离膜，以作为正极电极及负极电极间的媒介物。
电极活性材料与电解质的搭配与储能装置的种类有关，如铅酸电池中的氧化铅与铅分别为其正极与负极，并以浓硫酸作为电解质；锂离子二次电池则通常以锂离子过渡金属氧化物为正极，如LiCoO2、LiMn2O4或LiFePO4，负极通常为石墨、人造石墨，或是锡、硅或其复合材料。而正极与负极的定义，为正极活性材料的还原电位高于负极活性材料，因此在此定义下，正极相对于负极具有较高的电位。
此外，本发明的该能量型电极对与该功率型电极对的数量，可依照所需要的电能容量及输出功率大小来决定，且该能量型电极对与该功率型电极对可依随机顺序以并联方式电连接，以因应各种能量储存装置对于不同应用的需求。其各式各样的变化，将描述于以下各种实施例说明中。
首先参阅图1，图1为本发明实施例的能量型电极对10的示意图。该能量型电极对10由具有内部正极端子(+)的正极电极11及具有内部负极端子(－)的负极电极12所组成，其间设有隔离膜17。再参阅图2，图2为本发明实施例的功率型电极对20的示意图，该功率型电极对20由具有内部正极端子(+)的正极电极21及具有内部负极端子(－)的负极电极22所组成，其间设有隔离膜27。
再参阅图3，图3为本发明实施例的电池30的示意图。如图3所示，该能量型电极对10与该功率型电极对20以并联方式电连接，并容置于壳体47内。该壳体47设有外部正极端子31将该内部正极端子(+)相连，以及外部负极端子32将该内部负极端子(－)相连。此外，该壳体47内部设置电解质(图中未显示)，从而形成该电池30。
请参阅图4，图4为前述电池30内部组成的示意图。该能量型电极对10的正极电极11包括电流收集板13及覆盖于该电流收集板13的表面的正极涂层15，而该负极电极12包括电流收集板14及覆盖于该电流收集板14的表面的负极涂层16。该功率型电极对20的该正极电极21包括电流收集板23及覆盖于该电流收集板23的表面的正极涂层25，而该负极电极22包括电流收集板24及覆盖于该电流收集板24的表面的负极涂层26。在该正极电极11、该负极电极12、该正极电极21以及该负极电极22之间分别依序设置隔离膜17、隔离膜37以及隔离膜27。虽然该隔离膜17、该隔离膜37以及该隔离膜27的材料可以不同，但本实施例对于该隔离膜17、37及27采用相同的材料。该正极电极11、该负极电极12、该正极电极21、该负极电极22、该隔离膜17、该隔离膜37以及该隔离膜27均容置于该壳体47内。此外，第一电解质48设置于该壳体47中的该正极电极11、该负极电极12、该隔离膜17以及该隔离膜37之间及周围；以及第二电解质49设置于壳体47中的该正极电极21、该负极电极22、该隔离膜27、以及该隔离膜37之间及周围，通过该第一电解质48及该第二电解质49形成电导通回路，以供该电池30进行充放电。
请参阅图5，图5为本发明另一实施例的电池50内部组成的示意图。该电池50配置两个能量型电极对10，该两个能量型电极对10之间再设置两个功率型电极对20，该两个能量型电极对10及该两个功率型电极对20以并联方式电连接，且所有的内部正极端子(+)与外部正极端子51相连，而所有的内部负极端子(－)与外部负极端子52相连。
请参阅图6，图6为本发明又一实施例的电池60内部组成的示意图。该电池配置两个功率型电极对20，该两个功率型电极对20之间再设置能量型电极对10，该两个功率型电极对20及该能量型电极对10以并联方式电连接，且所有的内部正极端子(+)与外部正极端子61相连，而所有的内部负极端子(－)与外部负极端子62相连。
请参阅图7，图7为本发明再一实施例的电池70内部组成的示意图。该电池70依序配置能量型电极对10、两个功率型电极对20、能量型电极对10、两个功率型电极对20以及能量型电极对10，亦即将前述该电池60的该两个电极对插置于前述该电池50的两个等电极对中间，该等能量型电极对10及该等功率型电极对20以并联方式连结，且所有的内部正极端子(+)与外部正极端子71相连，而所有的内部负极端子(－)与外部负极端子72相连。
由于该第一电解质48及该第二电解质49的种类可以是液态的或是胶态的，因此实际上，电池的组装方法会因所使用的该第一电解质48及该第二电解质49种类的不同而不同。如图8所示，假如该第一电解质48及该第二电解质49为液态，其组装方法如下：将正极涂层15附着于电流收集板13的表面以形成正极电极11、将负极涂层16附着于电流收集板14的表面以形成负极电极12、并将正极涂层25附着于电流收集板23的表面以形成正极电极21、以及将负极涂层26附着于电流收集板24的表面以形成负极电极22(步骤81)；于该正极电极11与该负极电极12之间设置隔离膜17，以组装成能量型电极对10，以及于该负极电极21与该负极电极22之间设置隔离膜27，以组装成功率型电极对20(步骤82)；于该能量型电极对10及该功率型电极对20之间设置隔离膜37，并将上述组件放入壳体47内(步骤83)；以及将该第一电解质48及该第二电解质49分别注入该壳体47内(步骤84)。
如图9所示，如果该第一电解质48及该第二电解质49为胶态，其组装方法如下：将正极涂层15附着于电流收集板13的表面以形成正极电极11、将负极涂层16附着于电流收集板14的表面以形成负极电极12、并将正极涂层25附着于电流收集板23的表面以形成正极电极21、以及将负极涂层26附着于电流收集板24的表面以形成负极电极22(步骤91)；分别在该正极电极11及该负极电极12的表面涂覆该第一电解质48、以及于该负极电极21以及该负极电极22的表面涂覆该第二电解质49(步骤92)；于已涂覆该第一电解质48的该正极电极11及该负极电极12之间可以但非必须另外设置隔离膜17，以形成能量型电极对10，以及于已涂覆该第二电解质49的该正极电极21及该负极电极22之间可以但非必须另外设置隔离膜27，以形成能量型电极对20(步骤93)；以及于该能量型电极对10及该功率型电极对20之间可以但非必须另外设置隔离膜37，并将上述组件放入壳体47内(步骤94)。
本发明以较佳之实施例说明如上，仅用于帮助了解本发明之实施，非用以限定本发明之精神，而本领域技术人员领悟本发明的精神后，在不脱离本发明的精神范围内，当可作些许更动润饰及等同的变化替换，其专利保护范围当视所附的权利要求的范围及其等同领域而定。

Claims (8)

1.一种能量储存装置，包括：
具有第一单位能量密度及第一单位放电功率的能量型电极对，所述能量型电极对包括表面具有第一活性材料的第一正极、表面具有第二活性材料的第一负极；
具有第二单位能量密度及第二单位放电功率的功率型电极对，所述功率型电极对包括表面具有第三活性材料的第二正极、表面具有第四活性材料的第二负极，其中所述功率型电极对电连接于所述能量型电极对；
壳体，用于容置所述能量型电极对及所述功率型电极对；
第一电解质，设置在所述第一正极及所述第一负极之间；以及
第二电解质，设置在所述第二正极及所述第二负极之间，
其中所述第一电解质与所述第二电解质的组成物为相同，所述第一单位能量密度高于所述第二单位能量密度，且所述第一单位放电功率低于所述第二单位放电功率。
2.如权利要求1所述的能量储存装置，其中所述能量型电极对并联于所述功率型电极对；所述第一电解质为液态或胶态；以及所述第二电解质为液态或胶态。
3.如权利要求1所述的能量储存装置，进一步包括：
第一隔离膜，设置在所述第一正极及所述第一负极之间；以及
第二隔离膜，设置在所述第二正极及所述第二负极之间。
4.如权利要求1所述的能量储存装置，其中所述第一活性材料与所述第三活性材料相同，且其中所述第二活性材料与所述第四活性材料相同。
5.一种电池的制造方法，包括下列步骤：
提供具有第一单位能量密度及第一单位放电功率的能量型电极对，所述能量型电极对包含第一电极、第二电极、设置在所述第一电极及所述第二电极之间的第一隔离膜，以及设置在所述第一电极、所述第一隔离膜及所述第二电极之间及周围的第一电解质；
提供具有第二单位能量密度及第二单位放电功率的功率型电极对，所述功率型电极对包含第三电极、第四电极、设置在所述第三电极及所述第四电极之间的第二隔离膜，以及设置在所述第三电极、所述第二隔离膜及所述第四电极之间及周围的第二电解质；
在所述能量型电极对及所述功率型电极对之间设置第三隔离膜；以及
提供壳体，以容置所述能量型电极对及所述功率型电极对，
其中所述第一电解质与所述第二电解质的组成物为相同，所述第一单位能量密度高于所述第二单位能量密度，且所述第一单位放电功率低于所述第二单位放电功率。
6.如权利要求5所述的方法，其中：
所述第一电极的表面及所述第三电极的表面均具有第一活性材料；以及
所述第二电极的表面及所述第四电极的表面均具有第二活性材料。
7.一种能量储存装置，包括：
具有第一单位能量密度及第一单位放电功率的能量型电极对；
具有第二单位能量密度及第二单位放电功率的功率型电极对，所述功率型电极对电连接于所述能量型电极对；
壳体，用于容置所述能量型电极对及所述功率型电极对；
第一电解质，设置在所述能量型电极对之内及周围；以及
第二电解质，设置在所述功率型电极对之内及周围，
其中所述第一电解质及所述第二电解质容置于所述壳体内，并使所述能量型电极对及所述功率型电极对通过所述第一电解质及所述第二电解质来分别形成电导通回路，所述第一单位能量密度高于所述第二单位能量密度，且所述第一单位放电功率低于所述第二单位放电功率。
8.如权利要求7所述的能量储存装置，其中所述能量型电极对并联于所述功率型电极对。
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