CN105098221B - 能量储存装置 - Google Patents

Abstract

本案提供一种能量储存装置，包含：一能量型电极对，包含：一第一正极；一第一负极对置于该第一正极；以及一第一电解质，设置于该第一正极与该第一负极之间；一功率型电极对，包含：一第二正极；一第二负极对置于该第二正极；一第二电解质，设置于该第二正极与该第二负极之间；以及一壳体，容置该能量型电极对与该功率型电极对。

Description

能量储存装置

技术领域

本发明是关于一种能量储存装置，尤其指一种同时具有一能量型电极对、一功率型电极对，并可在低温操作的能量储存装置。

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，可应用于不同的产品。例如，能量型电池应用于手机、笔电等需要低输出功率的产品，而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，在低温环境下(亦即低于电池的正常工作温度时)，由于电池活性较低，因此在使用时会产生以下问题：电力时效短、充放电效率差、以及容易造成电池损坏致电池寿命缩短。

发明内容

本案一方面提供一种能量储存装置，包含：一能量型电极对，包含：一第一正极；一第一负极对置于该第一正极；以及一第一电解质，设置于该第一正极与该第一负极之间；一功率型电极对，包含：一第二正极；一第二负极对置于该第二正极；一第二电解质，设置于该第二正极与该第二负极之间；以及一壳体，容置该能量型电极对与功率型电极对。

本案另一方面向提供一种能量储存装置，包括：一能量型电极对；一功率型电极对与该能量型电极对热接触；以及一控制模块，控制该能量型电极对与该功率型电极对独立运作，或者通过一电路使该能量型电极对与该功率型电极对并联运作。

本案又一方面提供一种能量储存装置，包括：一电极对；以及一正温度系数热敏电阻元件，与该电极对热接触，其中该电阻元件在一特定温度以下具有第一正温度系数，而在该特定温度以上具有第二正温度系数。

附图说明

图1为本发明提供的一种能量储存装置实施例示意图；

图2为本发明提供的另一种能量储存装置实施例示意图；

图3为本发明提供的另一种能量储存装置实施例示意图；

图4为本发明另一能量储存装置实施例示意图；

图5为本发明另一能量储存装置实施例示意图；

图6为本发明另一能量储存装置实施例示意图；

图7为本发明另一能量储存装置实施例示意图；

图8为本发明另一能量储存装置实施例示意图；

图9为本发明另一能量储存装置实施例示意图；

图10为本发明另一实施例中正温度系数(PTC)热敏电阻元件的电阻对温度特性图。

附图中符号简单说明如下：

10 能量型电极对

11、21 正极电极

12、22 负极电极

18、28 内部正极端子(+)

19、29 内部负极端子(－)

20 功率型电极对

30 电池

31、33、87 外部正极端子

32、34、88 外部负极端子

45 控制模块

46 电路

47 壳体

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下文将结合附图对本发明技术方案作进一步详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

本发明利用一功率型电极对及一能量型电极对，分别于正负电极间设置一电解质，以形成一功率型电极对与一能量型电极对，并且将该功率型电极对及该能量型电极对分别具有不同的正负电极端子，可独立操作，以组合成一可分别于不同时间、以不同电流进行充放电的电储存装置，由于该电储存装置同时由能量型电极对及功率型电极对共两个电极对所组成，因此也可被称为双模块电储存装置。本发明还可利用该功率型电极对作为一加热源，当该电储存装置在低温环境下，利用该电储存装置先进行充放电，由于该功率型电极对适合快速充放电，因此由该功率型电极对先动作，且可由电储存装置外部系统进行适当的电路设计，连结至充电器或放电负载相关电路。当该功率型电极对动作时，本身会因充放电而产生热量，便可使该能量型电极对升温，使该电储存装置达到一适合操作的温度后，该能量型电极对再开始进行充放电，以保护能量型电极对组的寿命。

本发明提供一种电储存装置，至少包括一种功率型电极对及一种能量型电极对，其中复数个功率型电极对正负两极分别以并联方式电连接，形成功率型电极对组；复数个能量型电极对正负两极分别以并联方式电连接，形成能量型电极对组。其中功率型电极对组的正负电极端子与能量型电极对组的正负电极端子可排列在电储存装置的同一侧或不同侧。能量型电极对组可以是铅酸电池、镍-金属混合电池(Ni-MH)、或是锂离子电池的电极材料组成；功率型电极对可以是电双层电极、拟电容电极或是高功率型相对的电极材料组成。该功率型电极对与该能量型电极对可独立操作，亦可经由电储存装置外部系统进行适当的电路设计进行并联操作，以连结至充电器与放电负载相关的电路。

本发明电储存装置还包括一温度感测器，用以量测电储存装置中的温度，并可搭配一电子元件来对该电储存装置加热。

本发明电储存装置还包括一正温度系数(positive temperature coefficient，PTC)热敏电阻元件(thermistor)，利用该正温度系数热敏电阻元件所具有的特性，当温度高于一特定温度(或称临界温度)时，其电阻值随之提高；而当温度位于该特定温度以下时，其电阻值维持较低的数值且接近常数。因此，选择具有适当临界温度的正温度系数热敏电阻元件，即可自发性地控制是否截断通往外部加热元件的电流。

该能量型电极对的电极与该功率型电极对的电极所使用的活性材料可以应用于不同的储能系统，如铅酸电池、镍-金属混合电池(Ni-MH)、锂离子电池、电双层电容器或是拟电容电容器的电极。

该能量型电极对与该功率型电极对可使用相同的材料组成一能量储存系统，其特性可随电极的活性材料的厚度及组成比例、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或厚度而改变，以分别制成能量型电极对的电极与功率型电极对的电极，进而达成本发明能量储存装置所需的特性。

活性材料的定义，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，在充电时电位差变大，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，负极藉由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，正极藉由接收负极输出至外回路的电子进行电还原反应。

该能量型电极对的电极与该功率型电极对的电极所使用的活性材料可以不同，例如能量型电极对的电极活性材料可以应用于铅酸电池、镍-金属混合电池(Ni-MH)或锂离子电池的电极；功率型电极对的电极活性材料可以应用于电双层电容器或是拟电容电容器的电极；藉由上述搭配，以分别制成能量型与功率型电极与电极对，进而达成本申请能量储存装置所需的特性。

该电解质种类的选择可与电极的活性材料搭配。此外，由于本申请所使用的该能量型电极对的电极与该功率型电极对的电极活性材料种类可为相同，因此该能量型电极与该功率型电极对可使用相同的电解质。该电解质可为固态、胶态或液态，该电解质解离后所形成的离子，可移动穿过设置于电极对的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离子媒介物。

电极活性材料与电解质的搭配与储能装置的种类有关，如铅酸电池中二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，而负极通常为石墨、人造石墨，或是锡、硅或其复合材料。而正极与负极的定义，为正极活性材料还原电位高于负极活性材料还原电位，因此在此定义下，正极相较于负极具有较高的电位。

此外，本申请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堆迭，以适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，将描述在以下实施例说明中。

请参阅图1，其为本申请提供的一种实施例中能量型电极对10的示意图。该能量型电极对10由具有一内部正极端子(+)18的正极电极11及具有一内部负极端子(－)19的负极电极12所组成，其间设有一隔离膜17，其中，该隔离膜17含浸一第一电解质(图中未显示)。请参阅图2，其为本申请提供的一种实施例中功率型电极对20的示意图。该功率型电极对20由具有一内部正极端子(+)28的正极电极21及具有一内部负极端子(－)29的负极电极22所组成，其间设有一隔离膜27，其中，该隔离膜27含浸一第二电解质(图中未显示)。

请参阅图3A，其为本发明提供的实施例中电池30的示意图。如图3A所示，该能量型电极对10与该功率型电极对20容置于一壳体47内。该壳体47设有一外部正极端子31与该内部正极端子(+)18相连、一外部负极端子32与该内部负极端子(－)19相连、一外部正极端子33与该内部正极端子(+)28相连，以及一外部负极端子34与该内部负极端子(－)29相连，且该外部正极端子31及该外部负极端子32与该外部正极端子33以及该外部负极端子34设置于该壳体47的相同侧。此外，该壳体47内部可另外设置一第一电解质(图中未显示)，且在该能量型电极对10的正极电极11与负极电极12之间，以及与该功率型电极对20的正极电极21与负极电极22之间，分别设置一第二电解质(图中未显示)，从而形成该电池30。该能量型电极对10与该功率型电极对20可各自独立运作；或是该外部正极端子31、33与该外部负极端子32、34还可通过一控制模块45内部的电路46，分别电连接至该控制模块45的外部正极端子87与一外部负极端子88，并藉由该电路46来控制该能量型电极对10与该功率型电极对20并联运作。

请参阅图3B，其为本申请提供的另一实施例的电池40的示意图。如图3B所示，该能量型电极对10与该功率型电极对20容置于一壳体47内。该壳体47设有一外部正极端子41与该内部正极端子(+)18相连、一外部负极端子42与该内部负极端子(－)19相连、一外部正极端子43与该内部正极端子(+)25相连，以及一外部负极端子44与该内部负极端子(－)26相连，且该外部正极端子41及该外部负极端子42与该外部正极端子43以及该外部负极端子44设置于该壳体47的不同侧。同样地，该壳体47内部可另外设置一第一电解质(图中未显示)，且在该能量型电极对10的正极电极11与负极电极12之间，以及与该功率型电极对20的正极电极21与负极电极22之间，分别设置一第二电解质(图中未显示)，从而形成该电池40。此外，该能量型电极对10与该功率型电极对20可各自独立运作；或是与图3A所示相类似，该外部正极端子41、43与该外部负极端子42、44还可电连接至该控制模块45，以控制该能量型电极对10与该功率型电极对20并联运作。

请图4，其为该电池30内部组成的示意图。该能量型电极对10的正极电极11包括一电极板13及一正极活性材料15覆盖于该电极板13的表面，而该负极电极12包括一电极板14及一负极活性材料16覆盖于该电极板14的表面。该功率型电极对20的正极电极21包括一电极板23及该正极活性材料15覆盖于该电极板23的表面，而该负极电极22包括一电极板24及该负极活性材料16覆盖于该电极板24的表面。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之间分别依序设置该隔离膜17、一隔离膜37以及该隔离膜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，但本实施例中该等隔离膜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容置于该壳体47内。此外，一电解质48设置于该壳体47、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之间，其中，该隔离膜17、该隔离膜27以及该隔离膜37为多孔材质，以含浸该电解质48。

本申请的又一实施例请参考图3A、图3B及图4。当该电池30或40在低温环境下使用时，可以在该控制模块45的控制下，使该功率型电极对20先动作，藉由该功率型电极对20及该外部正极端子(+)28、该功率型电极对20及该外部负极端子(－)29、该电解质48及该隔离膜27来进行能量输入输出(充电放电)的程序，且在充放电过程中，该功率型电极对20会产生热量，所放出的热量会对该功率型电极对20本身及该能量型电极对10进行加热，使得该功率型电极对20本身及该能量型电极对10达到一工作温度。在该工作温度下，该电池30或40即能正常充放电，从而提升该电池30或40长时间操作的性能与安全。此时，该能量型电极对10与该功率型电极对20可各自独立运作；或是可依照实际充放电的需要，由该控制模块45控制该能量型电极对10与该功率型电极对20并联运作。

请参阅图5，为本案另一实施例的电池50内部组成的示意图。该电池50配置二个能量型电极对10，该等能量型电极对10之间再设置二个功率型电极对20，该二个能量型电极对10的正极电极11与负极电极21分别并联，形成一能量型电极对组55；及该等二个功率型电极对20的正极电极21与负极电极22分别并联，形成一功率型电极对组56；且该能量型电极对组55内部正极端子(+)18与一外部正极端子51相连，该功率型电极对组56内部正极端子(+)28与一外部正极端子53相连，而该能量型电极对组55内部负极端子(－)19与一外部负极端子52相连，该功率型电极对组56内部负极端子(－)29与一外部正极端子54相连。当该电池50在低温环境下使用时，该功率型电极对组56先动作，藉由该功率型电极对组56的该外部正极端子(+)53与该外部负极端子(－)54来进行操作，并藉由该功率型电极对组56所产生的热量来提升该能量型电极对组55及该功率型电极对组56本身的温度，直到达到一适合操作的工作温度，从而提升该电池50长时间操作的性能与安全。此时，该能量型电极对组55与该功率型电极对组56可各自独立运作；或是该外部正极端子51、53与该外部负极端子52、54还可电连接至另一控制模块(图中未显示)，以控制该能量型电极对组55与该功率型电极对组56并联运作。

请参阅图6，其为本案又一实施例的电池60内部组成示意图。该电池60配置两个功率型电极对20，该等功率型电极对20之间再设置一能量型电极对10，两个功率型电极对20的正极电极21与负极电极22分别并联，形成一功率型电极对组66，且所有的该内部正极端子(+)28与一外部正极端子63相连，而所有的该内部负极端子(－)29与一外部负极端子64相连；另外，该能量型电极对内部正极端子(+)18与一外部正极端子61相连，该能量型电极对内部负极端子(－)19与一外部负极端子62相连。当该电池60在低温环境下使用时，该功率型电极对组66先动作，藉由该功率型电极对组66的该外部正极端子(+)63与该外部负极端子(－)64来进行操作，并藉由该功率型电极对组66所产生的热量来提升该能量型电极对10及该功率型电极对组66本身的温度，直到达到一适合操作的工作温度，从而提升该电池60长时间操作的性能与安全。此时，该能量型电极对10与该功率型电极对组66可各自独立运作；或是该外部正极端子61、63与该外部负极端子62、64还可电连接至另一控制模块(图中未显示)，以控制该能量型电极对10与该等功率型电极对组66并联运作。

请参阅图7，其为本案再一实施例的电池70内部组成的示意图。该电池70依序配置一能量型电极对10、两个功率型电极对20、一能量型电极对10、两个功率型电极对20以及一能量型电极对10。该些能量型电极对10的正极电极11与负极电极12分别并联，形成一能量型电极对组75，及该些功率型电极对20的正极电极21与负极电极22分别并联，形成功率型电极对组76，且该能量型电极对组75所有的该内部正极端子(+)18与一外部正极端子71相连，而所有的该内部负极端子(－)19及与一外部负极端子72相连；该功率型电极对组76所有的该内部正极端子(+)28与一外部正极端子73相连，而所有的该内部负极端子(－)29与一外部负极端子74相连。当该电池70在低温环境下使用时，该功率型电极对组76先动作，藉由该功率型电极对组76的该外部正极端子(+)73与该外部负极端子(－)74来进行操作，并藉由该功率型电极对组76所产生的热量来提升该能量型电极对组75及该功率型电极对组76本身的温度，直到达到一适合操作的工作温度，从而提升该电池70长时间操作的性能与安全。此时，该能量型电极对组75与该功率型电极对组76可各自独立运作；或是该外部正极端子71、73与该外部负极端子72、74还可电连接至另一控制模块(图中未显示)，以控制该些能量型电极对组75与该等功率型电极对组76并联运作或是各自独立运作。

本申请提供的另一实施例请参考图8。如图8所示，一温度感应元件81设置于一电池80内，其中该温度感测元件81具有一正极信号线82与一负极信号线83，以将指示所测量的该电池80内部温度信号传送至一控制器84，并由该控制器决定一外部加热元件85是否对该电池80加热。此时，该能量型电极对10与该功率型电极对20可各自独立运作；或是该外部正极端子31、33与该外部负极端子32、34还可电连接至另一控制模块(图中未显示)，以控制该能量型电极对10与该功率型电极对20并联运作或是各自独立运作。

本申请再一实施例请参考图9及10。如图9所示，一电池90包括一正温度系数热敏电阻元件91、一电源94及电源线92、93。该正温度系数热敏电阻元件91的电阻对温度特性图如图10所示，当温度下降至一临界温度Tc以下时，该正温度系数热敏电阻元件91的电阻值维持一较低数值且接近一常数，从而成为导体，使电流可以通过，且该正温度系数热敏电阻元件91本身因电流通过而升温，可当作一加热器；反之，当温度升高至该临界温度Tc以上时，该正温度系数热敏电阻元件91的电阻值瞬间大幅升高，从而成为非导体，使电流无法通过，因此该正温度系数热敏电阻元件91本身不会加热，其中该临界温度可选择介于25℃至零下30℃之间。因此，可选用适当的正温度系数热敏电阻元件91，例如选择具有临界温度为25℃的该正温度系数热敏电阻元件91，因此当环境温度低于25℃时，电流可以通过正温度系数热敏电阻元件91，使得该正温度系数热敏电阻元件91加热该能量型电极对10及该功率型电极对20；而当温度高于25℃时，电流无法通过正温度系数热敏电阻元件91，使得该正温度系数热敏电阻元件91停止加热能量型电极对10及功率型电极对20。此时，该能量型电极对10与该功率型电极对20可各自独立运作；或是该外部正极端子31、33与该外部负极端子32、34还可电连接至另一控制模块(图中未显示)，以控制该能量型电极对10与该功率型电极对20并联运作。

本方中符号说明如下：

10 能量型电极对

11、21 正极电极

12、22 负极电极

13、14、23、24 电极板

15、25 正极活性材料

16、26 负极活性材料

17、27、37 隔离膜

18、28 内部正极端子(+)

19、29 内部负极端子(－)

20 功率型电极对

30、40、50、60、70、80、90 电池

31、33、41、51、53、61、63、71、73、87 外部正极端子

32、34、42、52、54、52、64、72、74、88 外部负极端子

45 控制模块

46 电路

47 壳体

48 电解质

能量型电极对组

56、66、76 功率型电极对组

81 温度感应元件

82 正极信号线

83 负极信号线

84 控制器

85 外部加热元件

91 正温度系数热敏电阻元件

92、93 电源线

94 电源

Tc 临界温度

本领域普通技术人员可以理解上述方法中的全部或部分步骤可通过程序来指令相关硬件完成，所述程序可以存储于计算机可读存储介质中，如只读存储器、磁盘或光盘等。可选地，上述实施例的全部或部分步骤也可以使用一个或多个集成电路来实现。相应地，上述实施例中的各模块/单元可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。本申请不限制于任何特定形式的硬件和软件的结合。

以上所述，仅为本发明的较佳实例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种能量储存装置，包含：

至少一能量型电极对，其以并联方式彼此连接，并包含：

一第一正极；

一第一负极对置于该第一正极；以及

一第一电解质，设置于该第一正极与该第一负极之间；

至少一功率型电极对，其以并联方式彼此连接，并包含：

一第二正极；

一第二负极对置于该第二正极；

一第二电解质，设置于该第二正极与该第二负极之间；以及

一壳体，容置该至少一能量型电极对与该至少一功率型电极对。

2.如权利要求1所述的能量储存装置，其特征在于，还包含一控制模块，用以控制该至少一能量型电极对与该至少一功率型电极对独立运作，或者控制该至少一能量型电极对与该至少一功率型电极对经由一电路来并联运作。

3.如权利要求1所述的能量储存装置，其特征在于，还包括一电子元件与该至少一能量型电极对热接触，其中，该电子元件为一正温度电阻系数(PTC)电阻元件。

4.如权利要求1所述的能量储存装置，其特征在于，其中：

该至少一能量型电极对所具有的能量密度高于该至少一功率型电极对所具有的能量密度，且该至少一能量型电极对所具有的功率密度低于该至少一功率型电极对所具有的功率密度；

当该至少一能量型电极对的温度不低于该至少一能量型电极对的工作温度，且该能量储存装置需要输出或输入高能量的电能时，由该至少一能量型电极对进行充放电；以及

当该至少一能量型电极对的温度低于该工作温度时，或该能量储存装置需要输出或输入高功率的电能时，由该至少一功率型电极对进行充放电。

5.如权利要求1所述的能量储存装置，其特征在于，其中该壳体上具有与该第一正极电连接的第一正极端子、与该第一负极电连接的第一负极端子、与该第二正极电连接的第二正极端子以及与该第二负极电连接的第二负极端子，且该第一正极端子及该第一负极端子的设置位置与该第二正极端子及该第二负极端子的设置位置位于该壳体的相同侧或不同侧。

6.如权利要求1所述的能量储存装置，其特征在于，其中：

该能量储存装置还包含一第一隔离膜，设置于该第一正极及该第一负极之间；以及一第二隔离膜，设置于该第二正极及该第二负极之间。

7.一种能量储存装置，包括：

至少一能量型电极对，其以并联方式彼此连接；

至少一功率型电极对，其以并联方式彼此连接，且与该至少一能量型电极对热接触；以及

一控制模块，控制该至少一能量型电极对与该至少一功率型电极对独立运作，或是通过一电路使该至少一能量型电极对与该至少一功率型电极对并联运作。

8.如权利要求7所述的能量储存装置，其特征在于，其中该至少一功率型电极对为一加热器。

9.如权利要求7所述的能量储存装置，还包括：

一正温度系数热敏电阻元件，与该至少一能量型电极对热接触，其中该电阻元件在一特定温度以下具有第一正温度系数，而在该特定温度以上具有第二正温度系数。

10.如权利要求9所述的能量储存装置，其中该特定温度介于摄氏25度至零下30度之间。