CN106356572A - 包括传导基质的电化学电池 - Google Patents

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Abstract

提供了一种电化学电池。电池包括具有限定容积的内表面的壳体，以及设置在壳体容积中的长形分离物。长形分离物限定电池的轴线。分离物具有内表面和外表面。分离物的内表面限定第一隔间。分离物的外表面和壳体的内表面限定具有容积的第二隔间。电池还包括设置在第二隔间容积的至少一部分中的传导基质，使得传导基质占据分离物的外表面与壳体的内表面之间的间隙。第二隔间中的间隙沿基本垂直于电池的轴线的方向延伸。

Description

包括传导基质的电化学电池
相关申请的交叉引用
本申请为2011年9月30日提交的题为"ELECTROCHEMICAL CELLS INCLUDING ACONDUCTIVE MATRIX"的美国专利申请第13/250,680号的继续部分申请，该申请通过引用并入本文中。
技术领域
本公开内容大体上涉及电化学电池。更具体而言，本公开内容涉及一种包括传导基质的高温电化学电池。
背景技术
典型的电化学电池/电池组包括负电极、正电极和电解材料。包括熔融金属负电极(通常称为阳极)和电池中的β氧化铝固体电解质的高温熔盐可再充电池组(例如，金属钠卤化物电池组)对于储能应用极为相关。除阳极外，电池包括正电极(通常称为阴极)，其在电池组充电/放电期间供应/接收电子。固体电解质通常置于壳中，以将电池的内部空间分成阳极和阴极，且用作阳极与阴极之间的膜片或"分离物"。
金属钠的氯化物电池组的当前发展集中于性能和循环寿命的改善。当这些电池组用于移动和公用应用时，电池组可经历若干充电和放电循环。在这些电池组的放电期间，热产生。由于焦耳加热和化学反应，故大部分热在核心(即，电池的阴极)中生成。电池通常通过其壳的外壁来空气冷却。完全充电的电池组通常具有仅大约半满的熔融金属(例如，钠)的阳极，从而在阳极中留下空的空间(例如，空隙)。空隙以及熔融金属通常不传导热。因此，由于从阴极到壳传递热的低效(无效)，故核心，即，电池的阴极保持在高于壳的温度下。例如，在几个充电/放电循环(诸如，10次循环)之后，金属钠卤化物的核心处的温度比外壳的温度高大约50度。此外，当电池放电时，减少了阳极中的熔融金属的量，这增大了空隙的高度。该空隙进一步限制电池/电池组的热冷却能力，且还增大了放电期间电子的行进距离(即，减小了阴极与壳之间的导电)。
本领域中继续不断需要的是电池组的性能和循环寿命的存在已久的问题的改善的解决方案。因此，期望的是开发一种用于提供核心(即，阴极)与电池的壳之间的有效导热和导电的电池设计。
发明内容
在一个实施例中，提出了一种电化学电池。电池包括具有限定容积的内表面的壳体，以及设置在壳体容积中的长形分离物。长形分离物限定电池的轴线。分离物具有内表面和外表面。分离物的内表面限定第一隔间。分离物的外表面和壳体的内表面限定具有容积的第二隔间。电池还包括设置在第二隔间容积的至少一部分中的传导基质，使得传导基质占据分离物的外表面与壳体的内表面之间的间隙。第二隔间中的间隙沿基本垂直于电池的轴线的方向延伸。
在另一个实施例中，一种电化学电池包括具有限定容积的内表面的壳体，以及限定电池的轴线的设置在容积中的长形分离物。分离物具有内表面和外表面。内表面限定包括阴极材料的第一隔间。分离物的外表面和壳体的内表面限定具有容积的第二隔间。电池包括设置在第二隔间中的传导薄片。传导薄片基本符合由分离物的外表面限定的形状，使得通道形成在传导薄片与分离物的外表面之间。传导基质进一步设置在第二隔间容积的一部分中，使得传导基质占据传导薄片的外表面与壳体的内表面之间的间隙，其中间隙沿基本垂直于电化学电池的轴线的方向延伸。传导基质以基本连续的方式与传导薄片的外表面和壳体的内表面两者直接接触。
本发明的第一技术方案提供了一种电化学电池，包括：具有限定容积的内表面的壳体；设置在壳体容积中且限定所述电池的轴线的长形分离物，所述分离物具有内表面和外表面，所述分离物的所述内表面限定第一隔间，所述分离物的所述外表面和所述壳体的所述内表面限定具有容积的第二隔间；以及传导基质，其设置在第二隔间容积的至少一部分中，使得所述传导基质占据所述分离物的所述外表面与所述壳体的所述内表面之间的间隙，其中所述间隙沿基本垂直于所述电化学电池的所述轴线的方向延伸。
本发明的第二技术方案是在第一技术方案中，所述第二隔间由基本平行于所述电池的所述轴线的长度进一步限定，以及由所述传导基质占据的所述第二隔间容积的部分延伸至所述长度的至少大约百分之50。
本发明的第三技术方案是在第二技术方案中，由所述传导基质占据的所述第二隔间容积的部分延伸至所述长度的大约百分之60到大约百分之100。
本发明的第四技术方案是在第一技术方案中，所述传导基质包括导热和导电的材料。
本发明的第五技术方案是在第一技术方案中，所述传导基质具有至少大约百分之20的孔隙度。
本发明的第六技术方案是在第五技术方案中，所述传导基质的所述孔隙度在从大约百分之50到大约百分之80的范围中。
本发明的第七技术方案是在第一技术方案中，所述传导基质为泡沫、绒线、纤维、线、颗粒、颗粒团聚体或它们的组合的形式。
本发明的第八技术方案是在第一技术方案中，所述传导基质包括金属绒线。
本发明的第九技术方案是在第一技术方案中，所述间隙的宽度在大约1毫米到大约10毫米的范围中。
本发明的第十技术方案是在第一技术方案中，所述分离物具有至少一个凹形区段和至少一个凸形区段，凹形和凸形区段面对所述壳体的所述内表面。
本发明的第十一技术方案是在第十技术方案中，所述间隙的宽度沿所述分离物的所述外表面而变化。
本发明的第十二技术方案是在第一技术方案中，所述传导基质设置在所述第二隔间容积的一部分中，使得传导基质以基本连续的方式与所述分离物的所述外表面和所述壳体的所述内表面两者直接接触。
本发明的第十三技术方案是在第一技术方案中，还包括设置在所述第二隔间中的传导薄片，其中所述传导薄片基本符合于由所述分离物的所述外表面限定的形状，使得通道形成在所述传导薄片与所述分离物的所述外表面之间。
本发明的第十四技术方案是在第十三技术方案中，所述通道具有小于大约0.5毫米的大小。
本发明的第十五技术方案是在第十三技术方案中，所述传导薄片为金属箔片。
本发明的第十六技术方案是在第十三技术方案中，所述传导基质设置在所述第二隔间容积的一部分中，使得传导基质以基本连续的方式与所述传导薄片的外表面和所述壳体的所述内表面两者直接接触。
本发明的第十七技术方案是在第一技术方案中，所述传导基质填充所述第二隔间容积的大约百分之10到大约百分之80的容积。
本发明的第十八技术方案是在第一技术方案中，还包括设置在所述第二隔间容积中的阳极材料，其中所述阳极材料包括选自锂、钠和钾构成的集合的碱金属。
本发明的第十九技术方案是在第一技术方案中，所述第一隔间包括阴极材料，其包括碱金属卤化物。
本发明的第二十技术方案 提供了一种电化学电池，包括：具有限定容积的内表面的壳体；设置在所述容积中、限定所述电池的轴线的长形分离物，所述分离物具有内表面和外表面；所述内表面限定包括阴极材料的第一隔间；以及所述分离物的所述外表面和所述壳体的所述内表面限定具有容积的第二隔间，设置在所述第二隔间中的传导薄片，其中所述传导薄片基本符合于由所述分离物的所述外表面限定的形状，使得通道形成在所述传导薄片与所述分离物的所述外表面之间；以及传导基质，其设置在第二隔间容积的一部分中，使得所述传导基质占据所述传导薄片的外表面与所述壳体的所述内表面之间的间隙，其中所述间隙沿基本垂直于所述电化学电池的所述轴线的方向延伸，以及所述传导基质以基本连续的方式与所述传导薄片的所述外表面和所述壳体的所述内表面两者直接接触。
附图说明
图1为按照本公开内容的一些实施例的电化学电池的一部分的示意性竖直截面视图。
图2为按照本公开内容的一些实施例的电化学电池的一部分的示意性水平截面视图。
图3为按照本公开内容的一些实施例的电化学电池的一部分的示意性竖直截面视图。
图4为按照本公开内容的一些其它实施例的电化学电池的一部分的示意性竖直截面视图。
图5为按照本公开内容的又一些其它实施例的电化学电池的一部分的示意性水平截面视图。
图6为按照本公开内容的又一些其它实施例的电化学电池的一部分的示意性竖直截面视图。
图7为显示155W功率输出下的放电时间对循环数的图表。
图8为示出各种循环下的15分钟放电结束时的电池电压的图表。
图9为示出特定放电循环下的22Ah下测得的电池电阻的图表。
图10为示出各种输出功率下的从充满到1.8V的放电时间的图表。
具体实施方式
如本文在说明书和权利要求书各处使用的近似语言可用于修饰可允许在不导致其涉及的基本功能的变化的情况下改变的任何数量表达。因此，由术语或多个用语(诸如"大约")修饰的值不限于指定的准确值。在一些情况中，近似语言可对应于用于测量值的器具的精度。在以下说明书和权利要求书中，单数形式"一个"、"一种"和"该"包括复数对象，除非上下文清楚另外指出。
如本文中所使用的，"阴极"或"阴极材料"或"正电极材料"(其所有都可互换使用)在充电期间供应电子，且作为氧化还原反应的一部分存在。"阳极"或"阳极材料"或"负电极材料"(其所有都可互换使用)在充电期间接收电子，且作为氧化还原反应的一部分存在。
电解质是提供装置/电池的正电极与负电极之间的离子输送机构的介质，且可用作正电极材料的氧化形式的溶剂。便于主氧化还原过程但自身不提供主氧化还原过程的添加剂与电解质自身区分开。
如下文详细所述，本公开内容的一些实施例提供了电化学电池，例如，结合传导基质的高温熔盐电池组。在一些实施例中，电化学电池包括具有限定容积的内表面的壳体，以及设置在壳体容积中的长形分离物。长形分离物限定电池的轴线。分离物具有内表面和外表面。分离物的内表面限定第一隔间，且分离物的外表面和壳体的内表面限定具有一定容积的第二隔间。传导基质设置在第二隔间容积的至少一部分中，使得传导基质占据分离物的外表面与壳体的内表面之间的间隙，其中间隙沿基本垂直于电化学电池的轴线的方向延伸。
本公开内容的传导基质构造成占据第二隔间的全部或一部分，使得在第一隔间(即，电池核心)与壳体之间保持热接触或电接触中的至少一者。设置在第二隔间中的传导基质允许改善的热传递、减小的内部电阻、增大的功率输出、改善的分离物支承，以及分离物与核心中的阳极材料之间的增大的接触区域中的一个或更多个。
如本文中所使用的，用语"高温"大体上是指高于250摄氏度的温度，除非另外指出。如本公开内容的一些实施例中所述的电化学电池优选在特定温度范围内起作用。熔盐电池在从大约250摄氏度到大约700摄氏度的范围的温度下操作。在一些实施例中，电化学电池在大约250摄氏度到大约350摄氏度之间操作。在一些其它实施例中，电化学电池在大约400摄氏度到大约700摄氏度之间操作。例如，金属钠卤化物(例如，钠氯化镍)电池组的最优操作温度可为大约300摄氏度。在一个实施例中，电池组的温度保持在大约280摄氏度到330摄氏度之间。
图1示出了根据一些实施例的电化学电池10的简图。更具体而言，绘出了电池10的竖直截面视图。电化学电池10包括具有限定容积的内表面14的壳体12。电池的壳体12也可称为电池壳。电池10的壳体12可尺寸和形状确定成具有任何适合的截面轮廓，例如，多边形、椭圆形或圆形。壳体可由包括金属、陶瓷、复合物或它们的组合的材料形成。在一些实施例中，适合的金属可包括镍、铁、钼或它们的合金，例如，钢。
如图所示，长形分离物18设置在壳体容积中。分离物18通常沿基本竖直方向关于壳体12的底座16延伸，以便限定电池10的轴线20。(分离物以及壳体的特定定向可略微改变)。分离物18可为圆柱形、管状或杯形，具有封闭端17和开口端19。分离物的开口端19可以是可密封的，且限定用于在制造过程期间向分离物18填充材料的孔口22。在一个情况中，孔口22可用于加入阴极材料。分离物18的封闭端17可以是预先密封的，以提高电池完整性和稳健性。
例如，分离物18可具有任何适合的截面轮廓，诸如圆形、卵形或椭圆形、多边形、十字形、星形或四叶形。在一个实施例中，分离物18可具有长度(沿轴线20)与宽度(正交于轴线20)比，其大于大约1:10。在一个实施例中，分离物的长度与宽度比在大约1:10到大约1:5的范围中，但如美国专利公开号US20120219843A1中所述，其它相对大小也是可能的。此外，分离物18可具有选择的厚度和选择的离子传导性的至少一个壁。在一些实施例中，分离物壁的厚度可小于大约5毫米。
继续参看图1，分离物18具有限定第一隔间26的内表面24，以及限定外表面28与壳体12的内表面14之间的第二隔间30的外表面28。第一隔间26经由隔离物18与第二隔间30离子连通。如本文中所使用的，短语"离子连通"是指第一隔间26与第二隔间30之间经由分离物18的离子横穿。在一些实施例中，分离物18能够在第一隔间与第二隔间之间输送碱金属离子。适合的碱金属离子可包括钠、锂和钾中的一个或更多个。在特定实施例中，碱金属离子包括钠。
在一个实施例中，第一隔间26包括正电极成分(或阴极材料)27，且称为阴极或阴极隔间。在一些实施例中，阴极材料27包括电活性金属、碱金属卤化物和电解质盐。电活性金属的适合的实例包括镍、铁、铜、锌、钴、铬或它们的组合。在特定实施例中，电活性金属包括镍。适合的碱金属卤化物包括钠、钾或锂的至少一种卤化物。在一些实施例中，碱金属卤化物包括氯化钠。
电解质盐大体上以熔融形式存在。熔融电解质将碱金属离子从固体分离物输送至阴极材料，且反之亦然。在一些实施例中，熔融电解质包括碱金属卤化物和铝卤化物。在一个实施例中，熔融电解质为四氯铝酸钠(NaAlCl4)。在一个特定实施例中，阴极材料包括镍、氯化钠和四氯铝酸盐(NaAlCl4)。在一些实施例中，阴极材料还可包括附加的元素，诸如碳、硫或它们的组合。如本领域已知那样，添加剂也可加入，以改善电池的性能。添加剂可以以少于大约5重量百分数加入。一些实例包括碘化钠、溴化钠、碳化钨或它们的组合。
在一些实施例中，第二隔间30包括负电极成分或阳极材料(未示出)，且称为阳极或阳极隔间。阳极隔间30具有容积32(即，阳极隔间容积)，其由隔间30的长度'L'和分离物18的外表面28与壳体12的内表面14之间的间隙34限定。长度'L'基本平行于电池10的轴线20。如本文中所使用的，用语"基本平行"意思是阳极隔间30的长度"L"延伸至可与轴线20偏离小于大约5度的角的方向。
通常，阳极隔间30在电池10的基态(未充电状态)中是空的。在电池10的操作期间，阳极隔间容积的一部分填充有碱金属(由碱金属卤化物还原形成)，其从阴极隔间26经由分离物18移动至阳极隔间30。该碱金属也称为"阳极材料"。在一些实施例中，阳极隔间30可接收和储存阳极材料的储存器。例如，在充满的电池中，阳极材料填充至阳极隔间容积的大约百分之50。在一个实施例中，阳极材料填充到阳极隔间容积的大约百分之40到大约百分之50。阳极材料的非限制性实例可包括锂、钠或钾。阳极材料通常在使用期间是熔融的。在一些特定实施例中，阳极材料为熔融金属钠。
在一些实施例中，阳极材料还可包括一种或更多种添加剂。适用于阳极材料的添加剂可包括金属氧清除剂。适合的金属氧清除剂可包括锰、钒、锆、铝或钛中的一个或更多个。其它有用的添加剂可包括由熔融阳极材料增加分离物外表面28的润湿的材料。
在一些实施例中，分离物18为碱金属离子传导固体电解质。分离物18能够在第一隔间26与第二隔间30之间输送碱金属离子。固体分离物18的适合材料可包括碱金属β氧化铝、碱金属β''氧化铝、碱金属β'没食子酸盐或碱金属β''没食子酸盐。在一些实施例中，固体分离物18可包括β氧化铝、β''氧化铝、γ氧化铝或微分子筛，例如，硼硅酸盐；网状硅酸盐，诸如长石或似长石。其它示例性分离物材料包括沸石，例如，合成沸石，诸如沸石3A,4A, 13X, ZSM-5；稀土磷硅酸盐；氮化硅；或磷硅酸盐(NASICON: Na3Zr2Si2PO12)。
在一些实施例中，分离物18可通过添加少量掺杂剂来稳定。掺杂剂可包括选自氧化锂、氧化镁、氧化锌和氧化钇的一种或更多种氧化物。这些稳定剂可单独或与它们自身或与其它材料组合使用。在一个实施例中，阳离子促进材料可设置在分离物的至少一个表面上。如美国专利公开号2010/0086834中所述，阳离子促进材料例如可包括硒。
在特定实施例中，分离物包括β氧化铝。在一个实施例中，分离物的一部分为α氧化铝，且分离物的另一部分为β氧化铝。在一些实施例中，α氧化铝部分(非离子导体)可有助于电池的密封和/或制造。在特定实施例中，分离物18包括β氧化铝电解质(BASE)，且还可包括一种或更多种掺杂剂。
在一些实施例中，正电极成分中的碱金属中的至少一种可为钠，且分离物可为β氧化铝。在另一实施例中，碱金属可为钾或锂，其中分离物然后选择成与其相容。例如，在离子包括钾、银、锶和钡阳离子的实施例中，分离物材料可包括β氧化铝。在使用锂阳离子的某些其它实施例中，锂化硼磷酸盐BPO4-Li2O可用作分离物材料。
如前文所述，电池10还包括设置在阳极隔间容积32的至少一部分中的传导基质40。如图1中所示，传导基质40设置在阳极隔间容积32中，使得传导基质40占据分离物18的外表面28与壳体12的内表面14之间的间隙34。如本文中所使用的，用语"间隙"是指在分离物18的外表面28与壳体12的内表面14之间延伸且基本垂直于电池10的轴线20的水平距离或平面区域。间隙34可由宽度'd'限定。在一个实施例中，间隙34的宽度'd'(即，间隙宽度)为至少大约1毫米(mm)。在一个实施例中，间隙34可具有大约1mm到大约10mm的范围中的间隙宽度'd'。如本文中所使用的，用语"基本垂直"意思是间隙34沿可关于轴线20成大约85度到大约95度范围的角的方向延伸。
此外，间隙34可在一些实施例中为一致的宽度，或宽度可取决于分离物18和壳体12的形状和尺寸围绕分离物18的整个外表面28变化。如提到那样，分离物18可具有正交于轴线20的截面轮廓。在一些实施例中，如图2中所示(下文所述)，分离物18可具有褶皱形状的截面轮廓。此形状通常包括以交错形式的多个凹形区段和凸形区段(也称为"叶部分(lobportion)"和"谷部分(valley portion)")。可提供四叶形状的褶皱可增大给定容积的分离物的总体可用表面面积。
图2示出了一些实施例中的电池10的水平(正交于轴线20)截面视图。如图所示，分离物18具有四叶形截面轮廓，其具有四个叶部分36和四个对应的谷部分38。分离物18可定位成与壳体12轴向对称，其中分离物的各个叶部分36与壳体12的转角区域11中的一个对准且朝其突出。在一些实施例中，分离物的叶部分36的数目对应于壳体12的沿外周间隔开的转角区域11的数目。如图2中所示，成对的叶部分36限定谷部分38，其相比于由叶部分36中的一个限定的间隙34(宽度'b')，跨越壳体12的内表面14与分离物18的外表面28之间的更大的间隙34(宽度'a')。因此，在图2中，在特定位置处的间隙34的宽度"a"大于另一位置处的间隙34的宽度"b"。此外，如图2中可见，在此分离物轮廓中，间隙宽度可从一个位置到另一个位置变化。因此，在一些实施例中，间隙34(即宽度)可围绕分离物18的整个外表面28变化。
间隙34由传导基质40完全占据。如本文中所使用的用语"占据间隙"意思是传导基质占据间隙宽度的大约百分之90以上。在一些实施例中，间隙宽度的大约百分之95以上的部分由传导基质占据。继续参看图1和2，在本文所示的实施例中，传导基质40以连续方式与分离物18的外表面28和壳体12的内表面14直接接触。换言之，传导基质40围绕分离物18的整个外周与外表面28直接接触。在一些其它实施例(下文所述)中，其中传导薄片45置于分离物18与壳体12之间，传导基质40占据间隙34，使得传导基质40与传导薄片45的外表面48和壳体12的内表面14以连续方式(图4-6)直接接触。
在一些实施例中，传导基质40包括与电池10的阳极材料相容的导热和导电材料。在一些实施例中，材料在阳极环境中是化学和电化学惰性的。在一些实施例中，传导基质40包括具有高于阳极材料32的熔化温度的熔化温度的金属。适合的金属包括但不限于铜、铁、镍、锌、锡或铝。在一些实施例中，传导基质包括包含其前述金属的复合物或合金。在一些实施例中，传导基质包括铁合金，诸如FeCrAlY。其它适合的铁合金包括钢或Kovar®合金。在一些实施例中，传导基质包括铜合金，诸如黄铜或青铜。在一些实施例中，传导基质包括碳。
在一些实施例中，传导基质40以多孔形式存在。适合的多孔形式的非限制性实例包括泡沫、纤维、线、颗粒、绒线、互连条、或颗粒团聚体。多孔介质的多孔性是指空隙空间例如可包含空气的材料中的空隙空间(例如，气孔)的部分。多孔介质的其余部分由实心材料占据。在一些实施例中，多孔传导基质40提供空隙空间，其可至少部分地由阳极隔间30中的阳极材料占据。因此，多孔传导基质40的空隙空间有助于对于阳极材料填充可用的阳极隔间容积30的空白空间。
在一个实施例中，传导基质40具有至少大约百分之20的孔隙度，即，基质40具有至少大约百分之20的空隙空间。在一些实施例中，传导基质40的孔隙度范围从大约百分之20到大约百分之90。在特定实施例中，传导基质40的孔隙度在大约百分之50到大约百分之80的范围中。在一个实施例中，传导基质40包括金属泡沫或绒线，例如，铝泡沫、铜绒线等。金属泡沫或绒线通常具有大约百分之50的最小孔隙度和每立方厘米1.2克的密度。
如本文中所使用的，用语"占据"相对于包括其空隙空间的材料或制品(例如，传导基质40)占据的面积或容积使用。由传导基质占据的容积或容积的一部分为包括空隙空间的传导基质的总容积。如本文中所使用的用语"填充"在由材料或制品(例如，传导基质40)的固体材料占据的容积或容积的一部分的背景下使用，即，通过排除传导基质的空隙空间。由传导基质填充的容积或容积的一部分为排除空隙空间的传导基质的固体材料的总容积。
传导基质40可沿阳极隔间30的长度'L'设置在阳极隔间30中，以占据阳极隔间容积32的至少一部分。阳极隔间30可由传导基质40占据至长度'L'(图1)的至少一部分''l'。在一些实施例中，由传导基质40占据的阳极隔间容积32的一部分延伸至阳极隔间30的长度'L'的至少大约百分之50。在一些实施例中，阳极隔间30的全长'L'由传导基质40占据。在一些实施例中，长度'l'从长度'L'的大约百分之60延伸至大约百分之90。
当传导基质40设置在长度的至少一部分(即，阳极隔间的"l")中时，传导基质40填充阳极隔间容积32的一定比例。用语"填充的阳极隔间容积的比例"是指由传导基质40的固体材料占据的阳极隔间容积的定量比例。如前文所述，传导基质40的空隙空间贡献了阳极隔间容积的一定空白空间或空白比例。
如前文所述，在电池完全充电时，阳极材料可填充阳极隔间容积32的大约百分之50。因此，取决于传导基质40的孔隙度和阳极材料填充阳极隔间容积32的一部分所需的空白空间，传导基质40可设置到直至长度的至少一部分(即，'l')，以填充阳极隔间容积32的至少大约百分之10。在一些实施例中，传导基质40填充阳极隔间容积32的大约百分之10到大约百分之80。在一些特定实施例中，传导基质40填充阳极隔间容积32的大约百分之20到大约百分之50。
如本领域的普通技术人员认识到那样，当多孔材料设置在隔间或容积的特定容积中以占据容积时，其基于多孔材料的孔隙度填充隔间或容器的相对较小的容积。在一些示例实施例中，当具有大约百分之80的孔隙度的传导基质(例如，金属泡沫或绒线)设置在阳极隔间30中时，其可设置至阳极隔间30的全长'L'，从而提供大约百分之80的空隙空间以用于阳极材料填充。在一些其它示例实施例中，当传导基质具有小于大约百分之50的孔隙度时，如果阳极隔间30的全长'L'由传导基质40占据，则其将提供阳极隔间容积32中的小于百分之50的空隙空间。在一些实施例中，传导基质40设置在阳极隔间30中，使得其占据长度'L'的大约百分之50到大约百分之80，以提供百分之50以上的空白空间。
在一些实施例中，传导基质40设置在阳极隔间30中，使得阳极基质40延伸至隔间30的全长'L'，且填充阳极隔间30的至少大约百分之10的容积。在一些其它实施例中，传导基质40设置在阳极隔间30中，使得传导基质40延伸至长度L的一部分(即，'隔间的l')，且填充阳极隔间容积32的至少大约百分之10。
在一些实施例中，如图3中所示，传导基质40设置在电池10的上部8中。在一些实施例中，电池10的底部9没有传导基质40。如本文中所使用的，用语"上部"是指阳极隔间30的一部分，其从电池10的顶部沿电池的轴线20测量，且用语阳极隔间30的"底部"是指从底座16沿电池的轴线20测量的部分。如图3中所示的传导基质的布置提供了导热和导电，同时保持底部可用于阳极材料来在电池操作期间填充。
如前文所述，在核心(即，电池10的阴极隔间26)中生成的热在从阴极材料26，穿过分离物18，穿过阳极隔间30(包括传导基质40)且至壳体12的通路(未示出)中行进。如本公开内容的一些实施例中所述的传导基质40便于阴极隔间26与壳体12之间的热和电的传递。因此，电化学电池10可通过从电池10除去放电期间产生的任何过量的热且保持壳体12和阴极隔间26的期望温度来在其最佳温度下操作。在一些实施例中，传导基质40便于热从阴极隔间26至壳体12的至少快速或均匀的传递，使得阴极隔间26与壳体12之间的温差保持在例如达到大约50度范围的温度范围内。
本文提出的一些实施例可便于阳极材料与分离物18之间的增大的接触区域。电化学电池10的放电功率取决于阳极材料与分离物18之间的接触区域。增大的接触区域增加了由电池10产生的功率量。
图4-6示出了如图1-3中示出的类似方式和结构的电池，其中加入了传导薄片45。如图4-6中所示，传导薄片45设置在第二隔间30中。传导薄片45设置成紧邻分离物18，使得传导薄片45基本符合分离物18的外表面28的形状。传导薄片45可延伸至分离物18的全长(或高度)，但这不总是必需的。在一些实施例中，传导薄片的形状和轮廓使得其通常配合分离物18的总体形状和轮廓，提供了用于吸入阳极材料的传导薄片45与分离物18的外表面28之间的通道46。通道46提供了毛细作用，其便于阳极材料沿分离物18的输送，且增大了阳极材料与分离物18的接触面积。在一些实施例中，传导薄片45包绕分离物18，使得传导薄片45与分离物18的外表面28之间的通道46大致等于或小于大约0.5mm。
在一些实施例中，传导薄片45便于阳极材料在分离物18的外表面28上的均匀分布和接触。当很小或没有阳极材料存在于阳极隔间30中时，增大的接触面积便于电池10的充电过程的初始阶段的电荷传递的增大。例如，在充电的初始阶段期间，存在于阳极隔间30中的阳极材料的甚至很小量沿分离物18的外表面28输送穿过传导箔片45与分离物18之间的通道46。
在一些实施例中，电池10包括符合分离物的形状的布置成紧邻分离物18的一个以上的传导薄片(未示出)，例如，一个传导薄片包绕分离物18的各个叶部分和谷部分(图5)。设置在电化学电池中的传导薄片的形状、尺寸、特征和功能的各种细节在美国专利公开号2010/0178546A1中描述。
继续参看图4-6，传导基质40设置在阳极隔间30中，以占据间隙44，使得基质40与传导薄片45的外表面48和壳体12的内表面14以连续方式直接接触，即，围绕传导薄片45的整个外周与传导薄片45连续地直接接触。在此实施例中，由传导基质40占据的间隙44限定在传导薄片45与壳体12之间。
传导薄片45的厚度可变化，但通常在从大约0.01毫米到大约1毫米的范围中。在一些实施例中，厚度范围从大约0.05毫米到大约0.5毫米。在一些特定实施例中，厚度范围从大约0.1毫米到大约0.2毫米。
传导薄片45可由导热和导电的材料制成，其与传导基质40的材料相同或不同。在一个实施例中，传导薄片45包括金属。在一个实施例中，传导薄片45为金属箔片。用于传导薄片45的适合的金属包括但不限于镍、铜、铁、铝或前述金属的合金。适合的实例包括钢。
再次参看图1-6，在一些实施例中，第一隔间26和第二隔间30中的至少一者可包括电流收集器(未示出)，以收集由电化学电池10产生的电流。在一些实施例中，传导薄片45和壳体12中的至少一者收集阳极隔间30中的电流，从而用作电流收集器。
本发明的另一个实施例针对储能电池组。在一些实施例中，如本文所述的多个电化学电池可组织成储能系统，例如，电池组。多个电池可串联或并联，或以串联和并联的组合电连接。为了方便起见，一组联接的电池可称为模块或组。电池组的功率和能量的额定值可取决于诸如电池数目和组中的连接拓扑的因素。其它因素可基于最终应用特有的标准。如本领域中已知那样，电池组还包括冷却组件。在一个实施例中，电池组包括设置在一排或更多排电化学电池之间的冷却翅片。至冷却翅片的冷却介质可通过使用公共供应源提供。
除本文详述的某些例外之外，电化学电池的构件大体上由材料制备，且使用允许电化学电池根据本公开内容起作用的本领域大体上已知的技术制备。
实例
下文提供的实例旨在仅为示范性，且不应当看作是提出的发明的范围的任何种类的限制。
与图1或图4相似的五个电化学电池组装，且这里参照附图(电池10)来有助于此描述。三个比较电池(A,B和C)根据已知方法和材料组装，而没有阳极隔间30中的传导基质。其余两个实验电池(D和E)以类似于比较电池的方式组装，只是薄镍片(0.001英寸厚度)和铜绒线(25克)设置在实验电池(图4)的阳极隔间30中(阳极隔间的容积相当于钠的大约75安培小时)。铜绒线设置成延伸至阳极隔间的大约全长。所有电池在放电状态中组装。
电池的测试
根据提到的美国专利公开号US20120219843A1中所示的标准协议，使用100A、10V、多通道Digatron BTS600 电池组测试系统执行电池测试。测试协议涉及一系列充电和放电循环，具有对应的电流、电压和温度调整的制度(总共大约225次循环)。
以下协议代表不同工作循环
1. 在80mA下开始且在一定时间内升高至5.5A，充电至2.67V，然后在2.67V下至500mA的电流，同时在330℃下。
2. 降低温度至300℃，且在-16A下放电至1.8V或32Ah。
3. 在10A下充电至2.67V，然后在2.67V下至500mA。
4. 在-16A下放电至1.8V或32Ah。
5. 在总共10次循环内重复步骤3和4。
6. 在15A下充电至2.67V，然后在2.67V至500mA的电流。
7. 在-60W下放电至22Ah或1.8V。
8. 在15A下充电至2.67V，然后在2.67V至500mA的电流。
9. 在-120W下放电至1.8V。
10. 在15A下充电至2.67V，然后在2.67V至500mA的电流。
11. 在-130W下放电至22Ah或1.8V。
12. 在15A下充电至2.67V，然后在2.67V至500mA的电流。
13. 在-140W放电至22Ah或1.8V。
14. 在15A下充电至2.67V，然后在2.67V至500mA的电流。
15. 在-155W下放电至22Ah或1.8V。
16. 在15A下充电至2.67V，然后在2.67V至500mA的电流。
17. 在-110W下放电至1.8V或15min，然后在1.8V至15min。
18. 重复100次步骤16和17。
19. 前往步骤6以重复步骤6至18一次，总共225次循环。
图7为示出比较电化学电池A,B和C(不包括传导基质)和电化学电池D和E(包括薄钢片和铜绒线)的在155瓦下的放电时间的比较的图表。如图7中所示，当相比于比较电化学电池A,B和C时，结合传导基质的实验电池D和E在155W的功率下持续较长放电时间。
如本文中所使用的，用语"循环"是指电化学电池充满且然后经历预定时间的放电的充电/放电循环的数目。
图8绘出了比较电池A,B和C和实验电池D和E的110W的放电功率下的多个15分钟放电循环的结束时的电压。实验电池D和E(包括薄金属片和铜绒线)示出了当相比于比较电池A,B和C时各个放电循环的结束时的增大的电压。
图9绘出了比较电池A,B和C和实验电池D和E的10次放电循环下的22Ah的放电下的电阻。实验电池D和E(包括薄钢片和铜绒线)示出了当相比于比较电池A,B和C时减小的电阻。
图10示出了比较电池A,B和C和实验电池D和E的不同功率输出的采样下的从充满到1.8V的放电时间的图表。实验电池D和E(包括薄金属片和铜绒线)示出了当相比于比较电池A,B和C时超过130W的功率水平的增大的放电时间。
尽管本文中示出和描述了本发明的仅某些特征，但本领域的技术人员将想到许多改型和变化。因此，将理解的是，所附权利要求旨在覆盖落入本发明的真实精神内的所有此类改型和变化。

Claims (10)

1.一种电化学电池，包括：
具有限定容积的内表面的壳体；
设置在壳体容积中且限定所述电池的轴线的长形分离物，所述分离物具有内表面和外表面，所述分离物的所述内表面限定第一隔间，所述分离物的所述外表面和所述壳体的所述内表面限定具有容积的第二隔间；以及
传导基质，其设置在第二隔间容积的至少一部分中，使得所述传导基质占据所述分离物的所述外表面与所述壳体的所述内表面之间的间隙，其中所述间隙沿基本垂直于所述电化学电池的所述轴线的方向延伸。
2.根据权利要求1所述的电化学电池，其特征在于，所述第二隔间由基本平行于所述电池的所述轴线的长度进一步限定，以及由所述传导基质占据的所述第二隔间容积的部分延伸至所述长度的至少大约百分之50。
3.根据权利要求2所述的电化学电池，其特征在于，由所述传导基质占据的所述第二隔间容积的部分延伸至所述长度的大约百分之60到大约百分之100。
4.根据权利要求1所述的电化学电池，其特征在于，所述传导基质包括导热和导电的材料。
5.根据权利要求1所述的电化学电池，其特征在于，所述传导基质具有至少大约百分之20的孔隙度。
6.根据权利要求5所述的电化学电池，其特征在于，所述传导基质的所述孔隙度在从大约百分之50到大约百分之80的范围中。
7.根据权利要求1所述的电化学电池，其特征在于，所述传导基质为泡沫、绒线、纤维、线、颗粒、颗粒团聚体或它们的组合的形式。
8.根据权利要求1所述的电化学电池，其特征在于，所述传导基质包括金属绒线。
9.根据权利要求1所述的电化学电池，其特征在于，所述间隙的宽度在大约1毫米到大约10毫米的范围中。
10.根据权利要求1所述的电化学电池，其特征在于，所述分离物具有至少一个凹形区段和至少一个凸形区段，凹形和凸形区段面对所述壳体的所述内表面。
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