CN107431181A - 多功能能量存储复合材料 - Google Patents

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Abstract

本发明描述了多功能能量存储(MES)复合材料，其包括(a)能量存储材料堆和(b)将能量存储材料堆夹在中间的一个或多个结构面层，其中电池材料堆被(c)一个或多个加强件穿孔，并且其中加强件粘接于结构面层。本发明还描述了MES复合材料，其包括(a)能量存储材料堆、(b)将能量存储材料堆夹在中间的一个或多个结构面层、和(c)被能量存储材料堆穿孔的一个或多个加强件，其中加强件粘接于结构面层。

Description

多功能能量存储复合材料
相关申请的交叉引用
本申请要求2015年2月6日提交的美国临时专利申请号62/113,282的权益，在此引入其全部内容作为参考。
联邦资金声明
本发明是在美国能源部(U.S.Department of Energy)授予的合同编号DE-AR0000393的政府支持下做出的。政府对本发明具有一定的权利。
发明背景
电化学能量存储装置的研究兴趣在过去几十年中大幅增长。前沿的先进能量存储技术已将广泛的电动工程平台的能力从便携式电子装置和生物医学装置扩展到电力运输工具、航空和航天技术。目前最先进的电化学存储技术被具体设计以主要满足电子装置的能量容量和电量消耗(power consumption)需求。因此，常规电池和电化学电池增加了明显的重量和体积，而对系统的其它功能性，例如对机械完整性或结构性能，没有贡献。额外的重量和体积显著阻碍系统性能和效率。
发明概述
可以通过使能量存储具有多功能来实现系统改进。通过适当整合构件材料，可以使电化学能量存储能够协同地存储和提供能量，并承载机械负荷并为装置提供结构完整性。多功能能量存储器可用作支持结构的替代物，否则该支持结构在传统电动系统中是必要的。
本文描述的多功能能量存储(MES)复合材料将电化学能量存储材料嵌入结构面层中，并且利用通厚(through-thickness)加强件来提供结构刚性，类似于夹心结构的构造。MES复合材料在被并入电动装置或运输工具时有助于能量存储和机械强度性能，导致系统重量节减以及能量效率更高。
本文描述的本发明属于能量存储领域，并且总体上涉及将能量存储装置并入结构材料中，产生多功能结构能量存储器，用于能量存储、能量产生、或电动系统。
本发明的一些实施方式的一方面涉及MES复合材料，其包括(a)能量存储材料堆，包括沿着平行于厚度方向的对准轴的穿孔或孔的阵列；和(b)将能量存储材料堆夹在中间的一个或多个结构面层；和(c)一个或多个加强件，该加强件被布置使得其沿着对准轴延伸一定长度，该对准轴穿越能量存储材料堆中的穿孔，其中加强件附接于结构面层。加强件的任一侧与面层物理接触，并被锚定于面层上，将面层连接在一起。
在本发明的一些实施方式的另一方面中，不是加强件布置在能量存储材料堆的穿孔或孔中，而是加强件自身可以包括沿着平行于厚度方向的对准轴的穿孔或孔的阵列，其中加强件中的孔或穿孔填充有能量存储材料。
能量存储材料堆可以是电化学电池的构件，并且其中电化学电池选自：一级电池、二级电池(包括但不限于锂电池、锂离子电池、铅酸电池、锌-碳电池、碱性电池、镍-镉电池、镍金属氢化物电池、氧化银电池、钠硫电池等)、固体电化学电池、流体电化学电池、流动电池(流电池，flow battery)、燃料电池、电容器、超级电容器、半固体电池、和金属-空气电池。
本发明的一些实施方式的再一方面涉及包含MES复合材料的能量存储装置。
这些和其它特征以及其组织和操作方式将在结合附图时通过以下详细描述而显而易见。
附图简述
图1示意性地示出本文描述的示例性MES复合材料。
图2示出示例性MES复合材料的平面内机械性能。MES复合材料被(机械地)负载张力，并且被发现比常规Li离子电池单元(Li-ion battery cell)更具硬性。
图3示出三点弯曲测试的结果。示例性MES复合材料被放置在一定跨度上，两端被支撑。另一刚性固定物(fixture)从顶部被驱动并且压在样品的中间，致使样品“弯曲”。弯曲刚度是样品抵抗弯曲的度量。发现MES复合材料比常规Li离子电池单元更具刚性(抵抗弯曲)。
图4示出平面内压缩下的示例性MES复合材料。在平面内压缩下，薄而细长的样品倾向于变形到平面外，或所谓的翘曲。MES复合材料的翘曲抗性远高于常规Li离子电池。
图5示出示例性MES复合材料的电化学性能。尽管将非常规结构材料引入至电池单元中，MES复合材料仍显示具有基本上无损的电化学性能。
图6示意性地示出MES复合材料在电力运输工具机架中的示例性垂直集成。
图7示意性地示出制备电力运输工具机架的MES复合材料的示例性比例放大(scaling up)。
图8示意性地示出本文描述的示例性MES复合材料及其横截面图像。
图9示出本文描述的示例性MES复合材料的横截面及其图像。
图10示意性地示出本文描述的示例性MES复合材料。
图11示出(a)标准Li离子袋装电池单元(袋电池单元，pouch cells)和(b)MES复合材料之间的比较。MES复合材料利用通厚加强件，该加强件在两个结构面层之间传递机械负荷并且提高电池核心的剪切阻力。
图12示出制造的样品(上方)样品A——封装在铝层压袋中的无穿孔电极堆；(下方)具有相同外部尺寸的MES复合材料样品B、C、D。
图13示出样品A和B(左侧)、样品C(中间)和样品D(右侧)的阳极尺寸和穿孔位置。
图14示出(上方)示例性MES复合材料组装件和内部构件；(下方)边缘填充框架的尺寸。
图15示出样品B、C和D的三点弯曲测试设置。
图16示出在C/3速率下样品C的标称循环(nominal cycle)的电压和电流的时间历程。
图17示出在C/3放电期间(1小时停顿，30s 1C放电脉冲)由HPPC测试谱图计算出的电池DC阻抗。
图18示出样品A、C和D随着循环次数增加的容量保持率——作为首次放电容量的百分比。
图19示出代表性样品B、C和D的三点弯曲测试的负荷-位移曲线。
图20示出在原始状态下和已施加1mm和2mm中跨(mid-span)机械弯曲后，代表性样品D的C/3放电的电压vs放电深度(DoD)。
图21显示样品B、C和D的机械弯曲负荷导致的对放电容量的影响。相对于原始状态，在中跨处施加了1和2mm挠度(deflection)后的标准化放电容量。
图22显示样品B、C和D的机械弯曲负荷导致的对电池DC阻抗的影响。相对于原始状态，在中跨处施加了1和2mm挠度后50％DoD的标准化电池阻抗。
图23示出MES复合材料的示例性构型。
图24显示了MES复合材料的示例性构型。MES复合材料无需是平的(flat)。其可以被制成曲线板，或复合曲线，或其它更复杂的几何形状。MES复合材料的定向无需是水平的。其可以定向为任何其它定向，包括垂直(例如，相对于图中所示那些旋转0-360度的MES复合材料)。
图25示出电极堆和加强件结构的示例性穿孔样式。
图26示出电极堆和加强件结构的示例性穿孔样式。
图27示出电极堆和加强件结构的示例性穿孔样式。
图28示出MES复合材料的复合加强件(多级加强件)。第一层/外部加强件具有开口阵列。开口填充有电极材料，该电极材料包含穿孔阵列。每个电极堆中的穿孔随后填充有第二层/内部加强件。加强件和电极堆被夹在两个结构面层之间。
图29示出多个MES复合材料电池单元作为结构构件的应用。
图30示出示例性加强件结构的横截面视图。
详细描述
引言 本文描述的MES复合材料被设计以解决袋装电池单元的常规堆设计的问题——通过锚定电池层和进一步用外部结构材料使其加强。如图1和10中所示，在一些实施方式中，MES复合材料包括聚合物加强件(2)，该聚合物加强件(2)形成通厚锚定件——将电极堆(3)连接在一起，而且还在任一侧连接至两个结构面层(1)。聚合物加强件跨越电池平台分布在各种位置，有助于维持电池-与-碳碳纤维夹心结构的刚性。
在这样的设计下，电池单元的平面内负荷传递和弯曲刚度可以增加。商品电化学电池单元(cell)或电池(battery)不被设计承载机械负荷。例如，在商品锂离子袋装电池(袋电池，pouch battery)设计中，当平面内负荷被施加在袋上时，由于电池层之间仅存在边缘摩擦而没有粘合，基本上袋承载了全部负荷。而在本文描述的MES复合材料设计中，不仅任一侧的结构复合面板有助于减轻部分负荷，而且复合材料上的负荷可以通过加强件传递至活性材料，这也有助于负荷承载。
另一个益处来自增加的弯曲刚性。在常规袋装电池单元的情况下，由于层没有粘合在一起并且可以相对于彼此滑动，在施加平面外弯曲时薄层各自弯曲。但在加强型电池单元设计中，不存在滑动，薄层结合起来并一起弯曲。弯曲刚度可以显著增加。另外，在任一表面上存在显著更硬的构件，其进一步增强了弯曲刚性。
MES复合材料可以按比例放大成模块。在一个非限制性实例中，模块可以被制造并且垂直定向为电池模块的平板，如图6所示。这可以充当剪切腹板(shear webs)，或直接用作主要的弯曲负荷承载构件，因为垂直定向导致其硬度相对大。图7示出系统水平的组装件思路的总体方法。与垂直剪切腹板粘接的、上板和下板之间的接头应提供从上板和下板至剪切腹板的负荷传递手段，并且将垂直平板有效地粘接在一起以防止各自翘曲。粘接接头的一种实施方式是图7所示的CFRP T接头。粘接接头的其它实施方式包括具有齿和螺栓连接的复合板。
MES复合材料 本发明的一些实施方式的一方面涉及MES复合材料，其包括(a)能量存储材料堆和(b)将能量存储材料堆夹在中间的一个或多个结构面层，其中电池材料堆被(c)一个或多个加强件穿孔，并且其中加强件粘接至结构面层。本发明的一些实施方式的另一方面涉及MES复合材料，其包括(a)能量存储材料堆、(b)将能量存储材料堆夹在中间的一个或多个结构面层、和(c)被能量存储材料堆穿孔的一个或多个加强件，其中加强件粘接至结构面层。
MES复合材料可以具有任意定向。例如，在一个实施方式中，MES复合材料被布置使得电极堆具有水平定向。但是，在另一个实施方式中，MES复合材料被布置使得电极堆具有垂直定向。在一个实施方式中，MES复合材料被布置使得加强件具有垂直定向。但是，在另一个实施方式中，MES复合材料被布置使得加强件具有水平定向。任选地，MES复合材料可以是平的(平面的)，或制成曲线几何形状、或更复杂几何形状，如图24中所示。
电极堆 MES复合材料可以包括用于能量存储的电极堆，如图23中所示。在一个实施方式中，MES复合材料包括锂离子(Li离子)电池核心。在一个实施方式中，MES复合材料包括非Li离子电池核心(例如，镍金属氢化物(NiMH)、镍-镉(NiCd)、碱性电池单元、锂-硫(Li-S)、钛酸锂(LTO)等)。电极堆也可以是电化学电池单元的构件，并且其中电化学电池单元选自：一次电池单元、二次电池单元(包括锂电池单元、锂离子电池单元、铅酸电池单元、锌-碳电池单元、碱性电池单元、镍-镉电池单元、镍金属氢化物电池单元、氧化银电池单元、钠硫电池单元等)、固体电化学电池单元、流体电化学电池单元、流动电池单元、燃料电池单元、电容器、超级电容器、半固体电池和金属-空气电池。
在实施方式中，电极堆核心的厚度可以例如在10nm至5cm的范围内。电极堆具有一个或多个1cm至20m之间的横向尺寸。
本文描述的电极堆的一方面是根据通厚加强件阵列的期望布置来对所述堆(stack)进行穿孔。可用的穿孔形状包括，但不限于，圆形、正方形、矩形和多边形。穿孔(或洞或孔)可以为任何形状。在一个实施方式中，穿孔的形状是圆形。穿孔的直径(或横向尺寸)可以是例如约0至约5cm宽。任选地，电极堆中每个穿孔具有相同或基本上相同的尺寸和/或形状。任选地，穿孔的尺寸和/或形状是独立的。任选地，每个穿孔具有与加强件横向尺寸相同、基本上相同、大于2倍加强件横向尺寸的横向尺寸。穿孔可以按预先设计的样式分布，该预先设计的样式可以是规则样式、交错样式或其它穿孔样式(参见图25)。各穿孔之间的距离可以例如在10nm至约10或约20倍穿孔直径之间。穿孔也可以彼此在任何方向上联合、连续或物理接触。
在一些实施方式中，电极堆包括多个电极层或电极板。电极层以基本上平行的定向布置，使得各电极层的每个穿孔沿着穿越每个电极层的穿孔的对准轴对齐。
在包括电池核心的情况下，电池核心可用液体离子型电解质润湿以具有作用。因此，封装电池核心的外部骨架可适于在电池内包含液体电解质。
在一些实施方式中，电极层中的一个或多个可以进一步用惰性材料代替，该惰性材料选自金属、玻璃、陶瓷、介电材料、钢或聚合物板，其包含相同或基本上相同的穿孔样式，用于为电极堆提供结构完整性。或者在一些实施方式中，电极堆进一步包括多个单独电极堆。单独电极堆可以进一步被金属、玻璃、陶瓷、介电材料、钢或聚合物的层或板隔开。
在一些实施方式中，不是加强件布置于能量存储材料堆的穿孔或孔中，而是加强件自身可以包括沿着平行于厚度方向的对准轴的穿孔或孔阵列，其中一个或多个能量存储材料堆被布置使得其沿着穿越加强件中穿孔的对准轴延伸一定长度。
结构面层结构面层是电池的最外表面(任一侧或两侧)上的薄结构层。其通过向MES复合材料提供刚性来执行结构功能。结构面层通常是由结构材料制成的薄片层。当包括多于一个面层时，面层可以由相同材料或不同类型的材料制成。
在一些实施方式中，结构材料是纤维加强的聚合物。纤维加强的聚合物是用连续或非连续的纤维加强的聚合物(基质)。示例性纤维包括玻璃纤维、碳纤维、全芳香族聚酰胺纤维(即，芳族聚酰胺纤维)、聚酯纤维和天然纤维(例如棉纤维)。也可利用不同类型的加强纤维的混合物。在一些实施方式中，复合层包括编织织物、单向纤维、短切纤维和/或随机纤维股(random strands of fibers)。在一些实施方式中，聚合物基质(其可以与通厚加强件中的聚合物不同或相同)可以是热固性材料——由于其高弹性模量和总体的温度不敏感性，包括环氧树脂、酚醛树脂、聚酯树脂、聚酰亚胺树脂、聚苯并咪唑、聚氨酯等。在一些实施方式中，聚合物基质可以是热塑性材料，包括但不限于，聚酰胺、聚甲醛、聚烯烃——包括聚乙烯和聚丙烯、热塑性聚酯、聚醚醚酮(PEEK)、聚醚酰亚胺(PEI)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)等。
除了纤维加强的聚合物，结构面层可以包括至少一种金属(如铝片、钢、铁、碳化钨(tungsten carbine)、钨合金、不锈钢、镍、钛、铜、黄铜、青铜、铅、锡、锌和/或其它合金)、热固性塑料(例如，环氧树脂、酚醛树脂、聚酯树脂、聚酰亚胺树脂、聚苯并咪唑、聚氨酯等)、热塑性材料(例如，聚酰胺、聚甲醛、聚烯烃——包括聚乙烯和聚丙烯、热塑性聚酯、聚醚醚酮(PEEK)、聚醚酰亚胺(PEI)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)和其组合或其共聚物等)、陶瓷(例如，氧化铝(Al2O3)、二氧化硅(SiO2)、氧化镁(MgO)、氧化锆(ZrO2)、氧化铬(Cr2O3)、氧化铁(Fe2O3)、氧化钙(CaO)、碳化硅(SiC)、碳(C)的混合物)。此外，在一些实施方式中，加强件包括上述聚合物、金属和/或陶瓷材料的组合。
在一些实施方式中，结构面层进一步包括布置于表面上的聚合物涂层(例如，电解质阻隔层)。在一些实施方式中，聚合物涂层包括聚烯烃(聚乙烯或聚丙烯)、PTFE、聚酯、尼龙、聚酰胺、PVC、聚醚醚酮(PEEK)、聚醚酰亚胺(PEI)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、丙烯腈丁二烯苯乙烯(ABS)和/或聚氨酯和以上聚合物的任何共聚物(例如，具有官能团如丙烯酸、甲基丙烯酸、乙酸乙烯酯等，具有0–100％的官能团重量百分比)。其它对面层具有强粘合力并且对于电池化学为惰性的聚合物也可以用于聚合物涂层。
在一些实施方式中，加强件和聚合物涂层包括至少一种共同的材料。在一些实施方式中，加强件和聚合物涂层包括相同的材料。涂层可以通过中间粘合剂层、通过熔融相同的材料、或通过直接化学粘接而粘接至结构面层的表面。
与夹心结构构造类似，硬性结构面层是这样的薄结构板：布置在电极堆的任一侧或两侧，被堆厚(stack thickness)隔开，从而承载弯矩。这增加了层压体的惯性矩，导致弯曲刚度较高。结构面层可以具有约0至约20毫米的厚度，并且具有1cm至20m之间的一个或多个横向尺寸。
加强件 通厚加强件可以延伸穿过电极堆中的穿孔，并且将两个结构面层机械地联接在一起，如图23中所示。
通厚加强件允许负荷在两个面层之间传递，并且抑制相邻电极层之间的相对滑动。这显著地增加了MES复合材料的刚度和强度——相对于常规的电化学装置和电池(例如，锂离子电池)，因为整个层压体能够关于共同的中性轴弯曲。
在一些实施方式中，加强件包括聚烯烃类聚合物(聚乙烯、聚丙烯和其共聚物，包括乙烯-共-甲基丙烯酸、和乙烯-共-丙烯酸、以及乙烯-共-乙酸乙烯酯等)。酸共聚物可以用锌或钠盐中和。在一些实施方式中，聚合物选自Teflon、Delrin、Kapton、聚四氟乙烯(PTFE)、全氟烷氧基(perfluoroalkoxy，PFA)、氟化乙烯丙烯(FEP)、聚丙烯(PP)、聚乙烯(PE)、聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚醚醚酮(PEEK)、聚醚酰亚胺(PEI)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、丙烯腈丁二烯苯乙烯(ABS)、聚酯、聚酰胺、硅酮和/或其组合。
在一些实施方式中，加强件包括至少一种纤维加强的聚合物，其中纤维加强的聚合物包括选自以下的纤维：碳纤维、玻璃纤维和Kevlar纤维，并且其中聚合物包括热固性材料或热塑性材料。
在一些实施方式中，加强件包括至少一种金属，如铝片、钢、铁、碳化钨、钨合金、不锈钢、镍、钛、铜、黄铜、青铜、铅、锡、锌和/或其它合金。在一些实施方式中，加强件包括至少一种陶瓷材料，如氧化铝、碳化硅和/或二氧化硅。此外，在一些实施方式中，加强件包括上述聚合物、金属和/或陶瓷材料的组合。
在一些实施方式中，加强件包括以上材料中的至少一种与以下添加剂中的至少一种的复合物：塑料、陶瓷、耐火砖、耐火材料、可铸性耐火材料、耐火性砖；氧化铝(Al2O3)、二氧化硅(SiO2)、氧化镁(MgO)、氧化锆(ZrO2)、氧化铬(Cr2O3)、氧化铁(Fe2O3)、氧化钙(CaO)、碳化硅(SiC)、碳(C)、金属材料、普碳钢、合金钢、锰、硅、镍、铬、钼、钨、钴等的混合物。
加强件可以制成各种几何形状和物理尺寸。加强件的形状总体上是圆柱形(cylindrical)。柱直径可以为0.5mm上至20mm或更高。这些圆柱的高度基本上是电极堆的厚度。聚合物柱的横截面不一定是圆形，例如，其形状不一定是圆柱形，而可以具有其它多边形或非多边形形状。加强件的示例横截面在图25-27示出。任选地，每个加强件结构的尺寸可以是相同的、基本上相同的或独立的。
加强件的任一端(厚度方向)可以通过中间粘合剂层、通过熔融相同的材料、或通过直接化学粘接而粘接至结构面层的内表面(或面层的涂层上)。加强件和面层之间的粘接允许负荷在两个面层之间传递，并且加强件的存在使电极层锚定，导致完整装置的刚度和强度增加。
在本发明的一些实施方式中，不是加强件布置于能量存储材料堆中的穿孔或孔中，而是加强件自身可以包括开口、穿孔或孔的阵列，其中一个或多个能量存储材料堆被安排或布置在这些开口中。
加强件也可以是中空或同心的，如薄壁圆柱体——代替实心圆柱体。通过中空加强件中的孔，可以添加多种功能性，包括(a)电解质填充、(b)热管控和连通——通过散热器或热源来控制温度、(c)致动器或转换器材料填充——其可以根据加强件的形状变化而变形、(d)监测电池状态(如压力，温度等)的传感器、和/或(e)用于信号传输、电传导等的缆线或管道。
在一些实施方式中，一个或多个加强件进一步包含热装置(参见图30A)，如散热器或热源、或热管、或传热杆——被布置使得每个传热杆沿着穿越电极堆中穿孔的对准轴延伸一定长度，并且其中传热杆被定位以与散热器或热源热连通(thermal communication)。
在一些实施方式中，一个或多个加强件进一步包含表面上的介电或惰性涂层(参见图30B)，从而防止在加强件处发生反应。
在一些实施方式中，一个或多个加强件进一步包括加强件组(参见图30C)，其中该加强件组被布置使得其沿着穿越电极堆中穿孔的对准轴延伸一定长度。
在一些实施方式中，一个或多个加强件进一步包括多孔杆；或其中一个或多个加强件包括具有多孔壁的中空杆(参见图30D)；或其中加强件是沿着穿越电极堆中穿孔的对准轴布置的多个管。
在一些实施方式中，一个或多个多孔加强件；或一个或多个中空加强件的内部；或每个管的内在填充有：流体、液体电解质、燃料流体、水溶液、气体(如氧气)、热控物等。流体、液体电解质、水溶液或气体流动通过孔隙(porosity)、通过内部、或通过沿着穿越电极堆中穿孔的对准轴的管。
在一些实施方式中，一个或多个加强件进一步包括致动器或转换器材料或选自以下的至少一种装置组成的装置：电磁装置、电化学装置、电机械装置、电声学装置、静电装置、热电装置和无线电声学装置。
在一些实施方式中，一个或多个加强件进一步包括用于电信号传输和电传导的缆线或管道(参见图30E)。
在一些实施方式中，一个或多个加强件进一步包括至少一种传感器，该传感器选自：应变计、热电偶、热敏电阻、压力传感器、触觉传感器、压电传感器、电压传感器、电流传感器、湿度传感器等。
加强件框架/边缘填充框架 在一些实施方式中，MES复合材料可以进一步包括边缘填充框架，如图23中所示。边缘填充框架在横向方向上封装电池核心和液体电解质。其防止电解质通过边缘逃逸。而且，边缘填充框架通过约束MES复合材料电池单元的边缘而加强了机械特性。
在一些实施方式中，边缘填充框架包括聚烯烃类聚合物(聚乙烯、聚丙烯、和其共聚物)，包括乙烯-共-甲基丙烯酸、和乙烯-共-丙烯酸、以及乙烯-共-乙酸乙烯酯。酸共聚物可以用锌或钠盐中和。在一些实施方式中，聚合物选自Teflon、Delrin、Kapton、聚四氟乙烯(PTFE)、全氟烷氧基(PFA)、氟化乙烯丙烯(FEP)、聚丙烯(PP)、聚乙烯(PE)、聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚醚醚酮(PEEK)、聚醚酰亚胺(PEI)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、丙烯腈丁二烯苯乙烯(ABS)、聚酯、聚酰胺、硅酮和/或其组合或其共聚物。
在一些实施方式中，边缘填充框架包括以上聚合物中的至少一种与以下添加剂中的至少一种的复合物：塑料、陶瓷、耐火砖、耐火材料、可铸性耐火材料、耐火性砖；氧化铝(Al2O3)、二氧化硅(SiO2)、氧化镁(MgO)、氧化锆(ZrO2)、氧化铬(Cr2O3)、氧化铁(Fe2O3)、氧化钙(CaO)、碳化硅(SiC)、碳(C)、金属材料、普碳钢、合金钢、锰、硅、镍、铬、钼、钨、钴等的混合物。
聚合物涂层/电解质阻隔层 在一些实施方式中，结构面层进一步包括布置在表面上的薄电解质阻隔层，如图23中所示，尽管MES复合材料可以在无电解质阻隔层的情况下制成。具体地，如果面层具有阻隔层的以下特性，则可以省略电解质阻隔层。
在一些实施方式中，电解质阻隔层实质上是粘接至面层的内表面(朝向电池核心的那侧)的绝缘惰性材料(优选与加强件是相同的聚合物类型)薄片层。此薄片层充当(a)防止电解质在厚度方向逃逸的屏障；(b)面层和加强件之间的机械连接体——因为该片层牢固地粘接至面层并且其与加强件是相同的材料类型，它们可以一起熔融粘接。任选地，电解质阻隔层可以通过中间粘合剂层、通过熔融相同非材料、或通过直接化学粘接而粘接至结构面层的表面。
在一些实施方式中，电解质阻隔层包括聚烯烃类聚合物(聚乙烯、聚丙烯、和其共聚物)，包括乙烯-共-甲基丙烯酸、和乙烯-共-丙烯酸、以及乙烯-共-乙酸乙烯酯。酸共聚物可以用锌或钠盐中和。在一些实施方式中，该聚合物选自Teflon、Delrin、Kapton、聚四氟乙烯(PTFE)、全氟烷氧基(PFA)、氟化乙烯丙烯(FEP)、聚丙烯(PP)、聚乙烯(PE)、聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚醚醚酮(PEEK)、聚醚酰亚胺(PEI)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、丙烯腈丁二烯苯乙烯(ABS)、聚酯、聚酰胺、硅酮和/或其组合或其共聚物。
在一些实施方式中，电解质阻隔层包括以上聚合物中的至少一种与以下添加剂中的至少一种的复合物：塑料、陶瓷、耐火砖、耐火材料、可铸性耐火材料、耐火性砖；氧化铝(Al2O3)、二氧化硅(SiO2)、氧化镁(MgO)、氧化锆(ZrO2)、氧化铬(Cr2O3)、氧化铁(Fe2O3)、氧化钙(CaO)、碳化硅(SiC)、碳(C)、金属材料、普碳钢、合金钢、锰、硅、镍、铬、钼、钨、钴等的混合物。
组装MES复合材料 MES复合材料可以通过以下来组装：首先提供电极堆，其中电极堆包括穿孔或孔阵列。在电极堆包括多个电极板的情况下，多个电极层可以基本上平行的定向布置，使得各电极层的每个穿孔沿着穿越所有其它电极层中的每个电极层的穿孔的对准轴对齐。第二，可以被提供和布置一个或多个加强件，使得每个加强件沿着穿越电极堆中穿孔的对准轴延伸一定长度。第三，可以提供和布置结构面层以将电极堆夹在中间，其中结构面层附接于加强件的末端。
用于组装MES复合材料的非限制性方法在工作实施例中提供。
MES复合材料的应用 本发明一些实施方式的另一方面涉及MES复合材料作为电力装置或电力系统的结构构件的应用。
集成有本文描述的MES复合材料的结构构件也可以用于多种应用，如建筑、航天应用、航空器、海事和其它能源相关产业。
在一个非限制性实例中，MES复合材料被并入于电力运输工具的结构构件(例如，机架)中。在一些实施方式中，电力运输工具是汽车。在一些实施方式中，电力运输工具是无人飞行器。多功能能量存储设计有助于减轻EV能量存储系统的有效重量。如果假定运输工具水平的比能(specific energy)要求相同，则多功能电池的保护/控制开销(overhead)的减少缓解了对于高电池水平比能的需求。重量减轻来自于如下事实：电力运输工具的结构部件、诸如电池单元保护的保护元件以及电池可以被多功能电池替代。可以通过将常规EV的结构部件、保护元件和电池的总重量与多功能电池的重量进行比较来计算节省部分。在这种情况下，多功能电池被规模化，以便其可以与常规EV表现相同或相似的结构功能和存储相同或相似的能量。
在一些实施方式中，电力装置或电力系统进一步包括一个或多个热控模块。在一些实施方式中，热控模块包括用于热控的液体。在一些实施方式中，热控模块包括用于热控的气流。在一些实施方式中，热控模块包括用于热控的相变材料。
在电力装置或电力系统的一些实施方式中，MES复合材料和热控模块被垂直地锚定在至少一个安装面板上。在一些实施方式中，MES复合材料和热控模块可以彼此平行。在一些实施方式中，安装面板包括用于锚定MES复合材料和热控模块的多个T型接头。在一些实施方式中，T型接头包括CFRP材料。
在一些实施方式中，电力装置或电力系统进一步包括至少一种传感器。在一些实施方式中，电力装置或电力系统包括用于冲击检测的压电传感器。在一些实施方式中，电力装置或电力系统包括用于监测电池温度的温度传感器。在一些实施方式中，电力装置或电力系统包括用于监测电连接的电传感器。
本领域技术人员将理解，所提供的附图是示例本发明的实施方式的。除非另外说明，图中显示的尺寸并非意图等比例。示出的实施方式的定向同时包括水平和垂直定向。即，虽然附图可显示一种定向，但也包括其它定向(例如，旋转0–360°)。
另外的非限制性实施方式实施方式1–多功能能量存储(MES)复合材料，其包括(a)能量存储材料堆和(b)将能量存储材料堆夹在中间的一个或多个结构面层，其中能量存储材料堆被(c)一个或多个加强件穿孔并且锚定在(c)一个或多个加强件上，并且其中结构面层包括复合层以及任选地聚合物涂层，该聚合物涂层布置于复合层上。
实施方式2–MES复合材料，其包括(a)能量存储材料堆、(b)将能量存储材料堆夹在中间的一个或多个结构面层、和(c)被能量存储材料堆穿孔的一个或多个加强件，并且其中结构面层包括复合层以及任选地聚合物涂层——该聚合物涂层布置于复合层上。
实施方式3–实施方式1或2所述的MES复合材料，其中结构面层包括碳纤维加强的聚合物(CFRP)层作为复合层。
实施方式4–实施方式3所述的MES复合材料，其中CFRP层包括编织碳织物。
实施方式5–实施方式3所述的MES复合材料，其中CFRP层包括环氧树脂。
实施方式6–实施方式5所述的MES复合材料，其中通过使双酚A的二缩水甘油醚与三乙基四胺反应而获得环氧树脂。
实施方式7–实施方式1或2所述的MES复合材料，其中面层，除了包括复合层，还可以包括选自以下的至少一种材料：金属、金属合金、热固性塑料和热塑性材料。
实施方式8–实施方式1或2所述的MES复合材料，其中聚合物涂层包括选自以下的至少一种聚合物：聚烯烃(例如，聚乙烯、聚丙烯和共聚物，如聚(乙烯-共-甲基丙烯酸)、聚(乙烯-共-乙酸乙烯酯)或聚(乙烯-共-丙烯酸))、聚四氟乙烯(Teflon)、聚甲醛(Delrin)、聚-氧二亚苯基-均苯四甲酰亚胺(Kapton)、全氟烷氧基、氟化乙烯丙烯、聚偏二氟乙烯、聚醚酰亚胺、聚醚醚酮、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚酯、聚酰胺、硅酮、以上的共聚物和/或其组合。
实施方式9–实施方式8所述的MES复合材料，其中聚合物涂层包括聚合物和至少一种添加剂的复合物，其中添加剂选自塑料、陶瓷、耐火砖、耐火材料、碳、硅、二氧化硅、碳化硅、金属、金属氧化物和金属合金。
实施方式10–实施方式1或2所述的MES复合材料，其中加强件包括选自以下的至少一种聚合物：聚烯烃(例如，聚乙烯、聚丙烯和共聚物，如聚(乙烯-共-甲基丙烯酸)、聚(乙烯-共-乙酸乙烯酯)或聚(乙烯-共-丙烯酸))、聚四氟乙烯(Teflon)、聚甲醛(Delrin)、聚-氧二亚苯基-均苯四甲酰亚胺(Kapton)、全氟烷氧基、氟化乙烯丙烯、聚偏二氟乙烯、聚醚酰亚胺、聚醚醚酮、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚酯、聚酰胺、硅酮、以上的共聚物和/或其组合。
实施方式11–实施方式10所述的MES复合材料，其中加强件包括聚合物和至少一种添加剂的复合物，其中添加剂选自塑料、陶瓷、耐火砖、耐火材料、碳、硅、二氧化硅、碳化硅、金属、金属氧化物和金属合金。
实施方式12–实施方式1或2所述的MES复合材料，其中加强件和聚合物涂层包括至少一种共同的聚合物，并且其中加强件与聚合物涂层融合。
实施方式13–实施方式1或2所述的MES复合材料，其中能量存储材料构成锂离子电池。
实施方式14–实施方式1或2所述的MES复合材料，其中能量存储材料任选地构成电化学电池，如一级电池、二级电池(包括锂电池、锂离子电池、铅酸电池、锌碳电池、碱性电池、镍-镉电池、镍金属氢化物电池、氧化银电池、钠硫电池等)、固体电化学电池、流体电化学电池、流动电池、燃料电池、电容器、超级电容器、半固体电池和金属-空气电池。
实施方式15–实施方式1或2所述的MES复合材料，进一步包括沿着所述堆的侧周布置的加强件框架。
实施方式16–实施方式15所述的MES复合材料，其中加强件框架、加强件和聚合物涂层(或面层自身)包括至少一种共同的聚合物，并且其中加强件融合至聚合物涂层(或面层自身)。
实施方式17–实施方式15所述的MES复合材料，其中加强件框架、聚合物涂层、加强件和面层通过中间粘合剂层、通过熔融相同的材料、或通过直接化学粘接而粘接。
实施方式18–能量存储装置，其包括实施方式1-17中任一项所述的MES复合材料。
工作实施例
实施例1–MES复合材料Li离子电池
最先进的汽车Li离子袋装电池包含以交替的方式布置的阳极和阴极薄层堆。每个相邻的电极对被薄聚合物隔离膜隔开(图11a)。所述堆被封装在薄铝聚合物层压袋中，该袋填充有有机液体电解质，并且真空密封。各层是松散的，即层之间不存在机械连接。因此，通过电池的负荷传递，如果存在，也是最小的。常规的Li离子袋装电池不被设计以承载机械负荷——其可导致层之间的相对滑动过度和使电池短路。
MES复合材料Li离子电池将锂离子电池材料封装在结构碳纤维加强聚合物(CFRP)“面层”中(图11b)。MES复合材料的能量存储构件是标准汽车Li离子电池活性材料。代替使用标准铝层压包装，MES复合材料还利用CFRP面层来容纳电极和液体电解质。
与夹心结构构造相似，硬性结构CFRP面层被布置在电极堆的任一侧上，被堆厚隔开，以承载弯矩。这增加了层压体的惯性矩，导致弯曲刚度更高。但是，在不具有电池核心的层间剪切阻力的情况下，薄电池层将会关于其各自的单独中性轴弯曲，并且来自面层的结构贡献(structural contribution)将最小。
MES复合材料利用了通厚聚合物加强件，该加强件延伸穿越电极堆中的穿孔并且将两个结构CFRP面层在任一侧机械地连接在一起。通厚加强件允许两个面层之间的负荷传递并且抑制相邻电极层之间的相对滑动。这相对于常规锂离子电池显著地增加了MES复合材料的刚度和强度，因为整个层压体能够关于共同的中性轴弯曲。
MES复合材料能够同时提供高机械负荷承载能力以及存储电能。通过允许两种材料相互有利和变得多功能，可以最小化MES复合材料驱动的装置的重量和体积。
实施例1.1–MES复合材料Li离子电池的制造
MES复合材料Li离子电池包括以下三个主要构件：核心电池电极堆、CFRP面层和聚合物加强件。
电极堆 电池核心由交替阳极和阴极层堆构成，其中每个相邻层被薄微孔聚合物隔离体隔开。常规的生产活性材料被用于阴极和阳极，该阴极和阳极分别是锂镍-钴-锰(NCM)和石墨。所有样品类型使用11个阳极层和10个阴极层——外部电极尺寸测量为90mm×90mm。
在层压之前，将电极在布置通厚加强件的位置处切割或穿孔。对于阳极，不同样品类型的通厚加强件阵列的样式在图13中示出。对阴极做出单独设计使得阳极覆盖略大于阴极(每个方向0.5mm)，以保证存在过量的阳极和降低短路可能性。在堆叠之后，将隔离体点熔(spot-melted)以桥接通厚洞(through-thickness holes)。阴极的铜电流收集器被一起超声焊接到镍翼片上，以并且阳极的铝电流收集器利用铝翼片同样如此。
完整电极堆的厚度测量为大约3.5mm。对于样品A，然后将所述堆袋装于标准铝层压包装中。对于样品B、C和D，随后将电极封装于CFRP面层中，如下文描述。
CFRP面层 干燥的3K 2×-Twill T300碳纤维织物被用于真空辅助树脂灌注法以制造CFRP面层。将三个碳纤维层([0,90]定向)用未改性的液体环氧树脂系统(双酚A二缩水甘油醚(DGEBA)+三乙烯四胺(TETA)(化学当量))灌注。然后将层压体在室温固化24小时，然后在90℃后固化(post-cure)30分钟。将聚烯烃共聚物薄层(150微米厚)——与加强件为相同类型的聚合物——涂布至面层的一侧上。薄聚合物层用以在电极堆内容纳液体电解质；有助于面层与加强柱和边缘填充框架粘接；并且为结构面层提供惰性表面涂层。然后将层压体切割成110mm×160mm面层块。
聚合物加强件和组装件 将边缘填充聚合物框架从相同热塑性材料聚烯烃聚合物的3.5mm厚片材切割成如图14中所示的尺寸。制作开口以便能够将电极堆布置在中间。框架用于在电极堆核心内容纳电解质，并且还增强MES复合材料Li离子电池单元的机械性能。本例中的10mm框架宽度对于电解质容纳绰绰有余。框架(和CFRP面层)的长度被设计为160mm，以允许在三点弯曲测试中30mm外伸(overhang)，如将进一步论述。
然后将电极堆中的穿孔用热塑性聚合物圆柱塞填充，布置在边缘填充聚合物框架的开口内，并且夹在两个面层之间(图14)。将组装件热压以使聚合物加强件熔融并融合至面层。将电池用标准Li盐电解质(EC/DMC/DEC有机溶剂中的LiPF6)填充，边缘密封，成形，脱气，和再密封。应注意，即便没有标准Li离子电池袋，电池单元也可随后经历标准电池单元制造过程，因为面层和聚合物框架充当了电池外壳。
作为测试电解质穿过聚合物的穿透性的单独筛选实验，使阴极电极涂覆有聚合物薄层，并且组装淹没式杯型电池单元(flooded beaker cell)与锂金属反电极。在所有情况下，淹没式杯型电池单元显示开放电路——甚至在使涂覆后的阴极浸泡一周后，表明涂层聚合物层充当良好屏障，抵抗电解质扩散，从而保护封装环氧树脂。
另一单独实验评价在存在LiPF6电解质的情况下，用于加强件的聚合物与结构面层中的环氧树脂之间的相容性。相容性研究由以下组成：在手套箱中在存在电池电解质的情况下在室温和45℃下储存聚合物，同时监测任何聚合物溶解、溶胀和反应性。聚合物在存在电解质的情况下没有显示显著变化，使得其成为相容性材料，用于集成到新的聚合物铆钉电池设计中。
实施例1.2–实验表征
在此实施例中，制造并电化学和机械测试了四种样品类型，如表1总结。
表1.样品类型和描述
样品A(图12(上方))基本上是标准4.6Ah Li离子袋装电池单元，被封装在常规的铝层压包装中。其目的是充当电化学表征的基线。没有对这种样品类型进行机械测试，如下一章节论述。
样品B、C和D(图12(下方))是MES复合材料，其中Li离子电池活性材料被封装在CFRP面层中。除了样品B，其全部进行了电化学表征和机械测试。样品B、C和D之间的差异是通厚加强件阵列的密度。样品B不具有任意通厚加强件，而样品C和D分别包含4×4和5×5阵列的等距圆柱形加强件(图13)。所有样品类型的活性电极堆分别包括11个和10个90×90mm双面阳极层和阴极层。
电化学表征 MES复合材料进行了全面的电化学可行性表征，即电池容量、电池阻抗和循环寿命性能，因为其构造与常规Li离子电池单元显著不同。
在固体电解质中间相(SEI)形成步骤之后，样品A、C和D首先进行3.0V至4.2V之间的初始慢速充电-放电循环，其中测试方案被校准以获得C速率(1C速率是电池在1小时内完全充电或放电的速率)。
样品随后进行初始电化学参考性能测试(RPT)。使电池单元在C/3(3小时使电池单元完全充电或放电)速率下或在大约1300mA下循环。在每个样品的寿命开始(BOL)时，还测量电池DC阻抗。在第一次C/3放电期间，利用混合脉冲功率表征(HPPC)测试谱线进行测试。该技术通过测量电流中断期间的电压差来评价每10％放电深度(DoD)的电池单元DC阻抗。
重复C/3充电-放电循环，在不同样品类型之间比较随着循环次数增加的放电容量的保持率。
机械测试 在初始电化学RPT后对样品B、C和D进行弯曲(三点弯曲)测试，以评价MES复合材料的机械可行性。通过测量和比较样品的弯曲刚度，可以验证通厚加强件的层间剪切抑制能力。
在MTS测试系统上，利用圆柱辊负荷施加器和采用100mm跨度的支撑件，对三点弯曲固定物进行测试(图15)。该跨度允许在样品任一侧外伸30mm(长度方向)。支撑件跨度大约为深度的20倍，其足以避免横向剪切的显著影响。在十字头以0.127mm/mm/min(准静态)的速率位移时，不断测量中跨处的位移。可利用方程式1由负荷-位移曲线的斜率确定弯曲刚度。
在EI是有效弯曲刚度的情况下，L是支撑件跨度，dP/dδP是负荷-位移曲线的斜率，其中P是负荷，并且δP是产生的中跨位移。
当中跨挠度达到1mm时，中断机械测试。然后，将样品从机械测试机中取出，进行连续电化学RPT。该测试然后针对2mm的中跨挠度重复进行。
可以将负荷前的放电曲线、放电容量和DC阻抗(原始样品状态)与施加机械负荷后的结果进行比较。这用于显示机械负荷带来的电池性能的任何非致命性退化。
实施例1.3–实验结果。
电化学表征 图16显示随着典型MES复合材料样品C的标称C/3循环时间的电压和电流历程，显示石墨/NMC化学的典型特征。充电-放电电流为1300mA(大约C/3)。
关于MES复合材料电池单元(样品C和D)和对照样品A，首次放电容量总结在表2中，与理论值进行比较。每个电池单元类型的理论容量可以由活性材料负荷和穿孔后的剩余表面积来计算。
表2首次放电容量总结，与由活性材料的添加量计算的理论容量进行比较
如预期，MES复合材料电池单元的首次放电容量分别在样品C和D中随着穿孔导致的面积损失增加而降低。样品C中的活性表面积为样品A的94.3％——由于4×4穿孔，而样品D案例为91.1％。
然而，可以观察到，MES电池单元的所测首次放电容量略低于预测值(样品C为2.1％，样品D为4.7％)，但仍在可接受的程度内。认为这种差异与MES复合材料中略高的DC阻抗有部分关联，如图17所示。在50％DoD时，样品A的DC阻抗(基线)为23mΩ，而样品C和D的阻抗测量为大约31mΩ，大约高35％。
容量打击(capacity hit)和高阻抗可能是由于穿孔和非标准电池构成。MES复合材料样品C和D中的穿孔电极比未穿孔样品A具有更多自由边缘(洞边缘)。对于穿孔电极，电极切割的瑕疵，如边缘毛刺和活性材料剥落，将是更显著的。而且，在比常规电池单元具有更多自由边缘的情况下，相邻阳极-阴极对之间的轻微错位可导致实际活性表面积的损失较大，造成电池容量降低。高温高压组装过程也可能导致电极层和隔离体变形或起皱，和损坏离子通道。最后，面层和聚合物加强件材料的存在也可能对电化学，因而对电池容量，存在负面影响。
图18显示了随着MES复合材料样品C和D的循环次数增加的C/3循环容量保持率，与基线样品A进行比较。发现相对于初始放电容量，MES复合材料的容量保持率在200次循环后为大约96％，类似于基线电池的循环-寿命性能。MES复合材料的容量衰减与商品级生产的Li离子电池相当，尽管在结构和制造方面与常规Li离子袋装电池单元有显著偏差。
总之，电化学表征显示，有效MES复合材料可被成功地制造，并具有与常规Li离子电池相当的电化学能力。
机械测试 样品B、C和D的三点弯曲的典型负荷vs中跨位移曲线显示在图19中。发现该曲线是线性的，直达在本实验期间施加的最大挠度(2mm)，并且不同的负荷-无负荷情况的斜率值是可重复的。斜率值通过0-0.5mm挠度区域中的负荷-位移数据的线性回归来计算。然后利用方程式1建立“有效”弯曲刚度，并总结在表3中。
表3负荷-位移斜率(每单位中跨位移的负荷)以及计算的有效弯曲刚度的总结
可见，样品C(4×4MES电池单元)的有效硬度为11.0Nm2，其高达2.5Nm2的样品B(无穿孔MES电池)的4.4倍。刚度的显著增加可归因于通厚加强件的存在，其有效地防止层之间的滑动运动，并允许两个面层之间的负荷传递。随着加强件阵列密度增加到5×5，样品D的弯曲刚度比增加到4.8。直观地，加强件阵列越密集，弯曲刚度则越大。然而，这伴随着活性材料体积减少和因此能量密度较低的权衡(trade-off)。
图20显示了样品D分别在负荷之前(原始)和中跨弯曲挠度1mm(相应负荷530N)和2mm(1160N)之后的C/3放电电压时间历程。与样品B和C类似，随着机械负荷水平增加，放电时间历程存在轻微偏差。
暴露于增加的准静态负荷后的标准化C/3放电容量和电池阻抗(在50％DoD时)分别显示在图21和图22中。负荷施加后的结果通过原始状态数值(100％-各组的最左列)以百分比标准化。这与放电曲线中的结果一致——即，看不到容量和电池阻抗结果在负荷增加时的明显趋势。
在本测试中，在最大中跨挠度(2mm，在100mm跨度上)前，在MES复合材料中看不到准静态负荷导致的可观测退化。此外，值得注意的是，在相同的挠度水平(2mm，在100mm跨度上)下，无穿孔的4×4和5×5MES电池的负荷承载能力分别从235N增加到1060N和1160N。这说明，CFRP封装和通厚加强件能够保持电池的完整性和电连接，以及防止可来自机械负荷的非致命性电化学损伤。
优良指数(Figures of Merits)总结不同样品类型的优良指数总结显示在表4中。样品A的C/3放电容量为4.602Ah。在3.7V标称电池电压下，电池能量因此变为17.0Wh。样品A重81g，并且总体积为28.4mL，导致重量能量密度和体积能量密度分别为210Wh/kg和599Wh/L。类似的计算可以对样品B、C和D进行，并总结在表4中。
表4优良指数总结
*根据公布的值估算并针对横截面几何形状和惯性矩的差异调节。
通过对于Li离子电池材料采用MES复合材料思路，获得了弯曲刚度接近常规袋装电池单元20倍之多的电池单元。这伴随着牺牲重量能量密度和体积能量密度的大约40％和60％。即使如果单独考虑则能量存储性能可能是次优的，但系统水平的结构部件可以用多功能MES复合材料代替，潜在地导致系统水平的重量和空间的节约。
已经显示MES复合材料可以同时承载机械负荷和存储能量。MES复合材料采用穿过Li离子电池电极堆中的穿孔的通厚聚合物加强柱。通厚加强件通过在任一侧上刚性地连接结构CFRP面层来为电池提供基本机械完整性，其也充当电解质容器。结果已经表明：(a)尽管与标准Li离子袋装电池单元大大不同，但MES复合材料显示与传统电池相当的电化学性能；(b)通厚加强件通过有效防止电极层的相对剪切而显著增加弯曲刚度，允许结构面层得到有效利用；和(c)MES复合材料的结构也有助于在机械负荷下使电池单元内的活性电化学材料保持完整。在测试的最大弯曲变形(2mm，在10cm跨度上)下，表现最佳的MES复合材料可以承载1160N的弯曲负荷，而没有电化学性能的可观测退化。
MES复合材料可以同时充当能量存储器和负荷承载部件。MES复合材料可以充当构造件(builting-block)材料，其可以按比例放大以构造结构构件，具有内置能量存储能力，用于各种应用，并潜在地实现轻量(light-weight)的多功能系统。
实施例2–将多个MES复合材料电池单元用于结构构件。
为了证实MES复合材料集成为实际结构构件的思路，构建了10”长、2”高的多功能多电池结构I型梁(structural I-beam)。在此工作实施例中使用三个0.46-Ah Li离子电池单元。构建包括11个阳极层和10个阴极层的电池单元——电极几何形状测量为1.71”×1.22”，具有四个0.4”直径的穿孔。常规的生产活性材料被用于阴极和阳极——分别为锂-NCM和石墨，被聚烯烃隔离体层分离。阴极和阳极做出单独设计，其中阳极覆盖大于阴极，以确保存在过量的阳极和降低短路可能性。每个电池单元中包含的活性材料量理论上相当于0.46Ah的容量。
I型梁包括MES复合材料和串联连接(3S1P构型)的三个0.46Ah Li离子电池单元，其构型显示在图29中。全梁的标称电压为11.1V，总理论能量为5.1Wh。为了连接模块中的三个单独的电池单元，将一个电池单元的阴极的电流收集箔通过镍翼片超声焊接到相邻电池单元的阳极电流收集器。正端子和负端子从I型梁的任一端延伸出来。可以在添加电解质之前(此时电池单元是干燥的)测量MES复合材料模块的电导率，以确保I型梁的模块之间连接正确。通过上述湿法叠层方法制备两个CFRP C型梁(各构成I型梁的一半)。然后将三电池单元串夹在两个C型梁之间，并且将聚合物塞插入穿孔中。然后将组件热压，以熔融热塑性材料，接合I型梁的两半，和封装电池单元。然后将三个电池单元用电解质填充，经过SEI形成过程，脱气，和重新密封。
三电池MES复合材料原型模块证实是小规模的思路证明。将MES复合材料I型梁以指定电压充电，并布置在8”间隔的支撑跨度上，在中点处施加2lb重量。I型梁能够同时提供电力来运转12V DC风扇，引起150mA恒定电流或1.8W功率此初步结果显示，MES复合材料可以扩展到多电池单元结构系统，并且在承载机械负荷时仍然保持基线单电池单元的额定容量(rate capacity)。此测试证明了多电池单元MES复合材料模块可以安全地进行同步机械/电化学实验。
如本文所用，单数术语“一个”、“一种”和“所述”包括复数指代，除非上下文另有明确规定。因此，例如，除非上下文另有明确规定，一个分子的提及可以包括多个分子。
如本文所用，术语“基本上”、“基本”和“约”用于描述和说明小变动。当与一个事件或情况结合使用时，该术语可以指代该事件或情况确切发生的实例，以及该事件或情况非常近似发生的实例。例如，当结合数值使用时，该术语可以指代小于或等于该数值±10％的变化范围，如小于或等于±5％、小于或等于±4％、小于或等于±3％、小于或等于±2％、小于或等于±1％、小于或等于±0.5％、小于或等于±0.1％或小于或等于±0.05％。
此外，数量、比例和其它数值有时在本发明中以范围形式展示。应当理解，这种范围形式的采用是为了方便和简洁，并且应当被灵活地理解为包括作为范围限值被明确指出的数值，而且还包括该范围内所涵盖的所有个体数值或子范围，如同每个数值和子范围都被明确指出。例如，约1至约200范围的比例应被理解为包括明确记载的约1至约200的限值，而且还包括诸如约2、约3和约4的个体比例，以及诸如约10至约50、约20至约100等的子范围。
在前文描述中，在不脱离本发明的范围和精神的情况下可以对本文公开的本发明进行不同的替换和改动，是对于本领域技术人员而言显而易见的。本发明示例性地描述的发明适当地可以在缺少任何一个或多个要素、一个或多个限制的情况下(本文没有具体公开)的情况下实践。已经使用的术语和表述用作描述而非限制术语，并且不意图在使用这些术语和表述时排除所显示和描述的特征或其部分的任何等同形式，而是要认识到在本发明的范围内可以进行各种修改。因此，应当理解，虽然已经通过具体实施方式和任选的特征对本发明进行了示例，但本领域技术人员可以采用本文公开思路的修改和/或变动，并且这种修改和变动被认为在本发明的范围内。

Claims (28)

1.多功能能量存储(MES)复合材料，其包括(a)能量存储材料堆和(b)将所述能量存储材料堆夹在中间的一个或多个结构面层，其中所述能量存储材料堆被(c)一个或多个加强件穿孔，并且其中所述加强件粘接至所述结构面层。
2.权利要求1所述的MES复合材料，其中所述结构面层包括选自以下的至少一种材料：纤维加强的聚合物、热固性材料、热塑性材料、金属、金属合金、陶瓷、和聚合物。
3.权利要求1所述的MES复合材料，其中所述结构面层包括至少一种纤维加强的聚合物，其中所述纤维加强的聚合物包括选自以下的纤维：碳纤维、玻璃纤维、和Kevlar纤维，并且其中所述纤维加强的聚合物包括热固性材料或热塑性材料。
4.权利要求1所述的MES复合材料，其中所述结构面层包括选自以下的至少一种聚合物：聚烯烃、聚(乙烯-共-甲基丙烯酸)、聚(乙烯)、聚(乙烯-共-乙酸乙烯酯)、聚(乙烯-共-丙烯酸)、聚四氟乙烯、聚甲醛、聚-氧二亚苯基-均苯四甲酰亚胺、全氟烷氧基、氟化乙烯丙烯、聚丙烯、聚乙烯、聚偏二氟乙烯、聚醚酰亚胺、聚醚醚酮、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚酯、聚酰胺、硅酮和其组合。
5.权利要求1所述的MES复合材料，其中所述结构面层中的至少一个涂覆有选自以下的至少一种聚合物的涂层：聚烯烃、聚(乙烯-共-甲基丙烯酸)、聚(乙烯)、聚(乙烯-共-乙酸乙烯酯)、聚(乙烯-共-丙烯酸)、聚四氟乙烯、聚甲醛、聚-氧二亚苯基-均苯四甲酰亚胺、全氟烷氧基、氟化乙烯丙烯、聚丙烯、聚乙烯、聚偏二氟乙烯、聚醚酰亚胺、聚醚醚酮、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚酯、聚酰胺、硅酮和其组合。
6.权利要求5所述的MES复合材料，其中所述涂层包括所述聚合物和至少一种添加剂的复合材料，其中所述添加剂选自塑料、陶瓷、耐火砖、耐火材料、碳、硅、二氧化硅、碳化硅、金属、金属氧化物和金属合金。
7.权利要求1所述的MES复合材料，其中所述加强件包括选自以下的至少一种聚合物：聚烯烃、聚(乙烯-共-甲基丙烯酸)、聚(乙烯)、聚(乙烯-共-乙酸乙烯酯)、聚(乙烯-共-丙烯酸)、聚四氟乙烯、聚甲醛、聚-氧二亚苯基-均苯四甲酰亚胺、全氟烷氧基、氟化乙烯丙烯、聚丙烯、聚乙烯、聚偏二氟乙烯、聚醚酰亚胺、聚醚醚酮、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚酯、聚酰胺、硅酮和其组合。
8.权利要求7所述的MES复合材料，其中所述加强件包括所述聚合物和至少一种添加剂的复合材料，其中所述添加剂选自：塑料、陶瓷、耐火砖、耐火材料、碳、硅、二氧化硅、碳化硅、金属、金属氧化物和金属合金。
9.权利要求1所述的MES复合材料，其中所述加强件包括选自以下的至少一种材料：纤维加强的聚合物、热固性材料、热塑性材料、金属、金属合金、陶瓷和聚合物。
10.权利要求1所述的MES复合材料，其中所述加强件包括至少一种纤维加强的聚合物，其中所述纤维加强的聚合物包括选自以下的纤维：碳纤维、玻璃纤维和Kevlar纤维，并且其中所述纤维加强的聚合物包括热固性材料或热塑性材料。
11.权利要求1所述的MES复合材料，其中所述加强件中的一个或多个进一步包括选自以下的热装置：散热器、热源、热管，和传热杆，所述传热杆被布置使得每个传热杆沿着穿越所述能量存储材料堆中穿孔的对准轴延伸一定长度，并且其中所述传热杆被定位以与散热器或热源热连通。
12.权利要求1所述的MES复合材料，其中所述加强件中的一个或多个进一步包括在表面上的介电或惰性涂层。
13.权利要求1所述的MES复合材料，其中一个或多个加强件进一步包括内部加强件铆钉组，其中所述加强件铆钉组被布置使得其沿着穿越电极堆中穿孔的对准轴延伸一定长度。
14.权利要求1所述的MES复合材料，其中所述加强件中的一个或多个进一步包括多孔杆，或其中所述加强件中的一个或多个包括具有多孔壁的中空杆，或其中所述加强件为沿着穿越所述能量存储材料堆中穿孔的对准轴布置的多个管。
15.权利要求14所述的MES复合材料，其中一个或多个多孔加强件的孔或一个或多个中空加强件的内部或一个或多个管填充有流体、液体电解质、燃料流体、水溶液、气体或热控物。
16.权利要求15所述的MES复合材料，其中所述流体、液体电解质、水溶液或气体流动通过所述一个或多个多孔加强件的孔或所述一个或多个中空加强件的内部，或通过沿着穿越所述能量存储材料堆中穿孔的对准轴的所述管。
17.权利要求1所述的MES复合材料，其中所述加强件中的一个或多个进一步包括致动器、转换器材料或选自以下的装置：电磁装置、电化学装置、电机械装置、电声学装置、静电装置、热电装置和无线电声学装置。
18.权利要求1所述的MES复合材料，其中所述加强件中的一个或多个进一步包括用于电信号传输和电传导的缆线或管道。
19.权利要求1所述的MES复合材料，其中所述加强件中的一个或多个进一步包括选自以下的至少一种传感器：应变计、热电偶、热敏电阻、压力传感器、触觉传感器、压电传感器、电压传感器、电流传感器和湿度传感器。
20.权利要求1所述的MES复合材料，其中所述能量存储材料堆构成选自以下的装置的部分：一次电化学电池单元、二次电化学电池单元、铅酸电池单元、锂电池单元、锂离子电池单元、锌-碳电池单元、碱性电池单元、镍镉电池单元、镍金属氢化物电池单元、氧化银电池单元、钠硫电池单元、固体电化学电池单元、流体电化学电池单元、燃料电池单元、电容器、超级电容器、流动电池、金属-空气电池和半固体电池。
21.权利要求1所述的MES复合材料，其进一步包括沿着所述堆的侧周布置的加强件框架。
22.权利要求21所述的MES复合材料，其中所述结构面层包括聚合物涂层，并且所述加强件框架和所述聚合物涂层包括至少一种常见聚合物，并且其中所述加强件框架与所述聚合物涂层融合。
23.权利要求21所述的MES复合材料，其中所述结构面层包括聚合物涂层，并且所述加强件框架和所述聚合物涂层通过粘合剂层或通过直接化学粘接而粘接。
24.MES复合材料，其包括(a)能量存储材料堆、(b)将所述能量存储材料堆夹在中间的一个或多个结构面层、和(c)被所述能量存储材料堆穿孔的一个或多个加强件，其中所述加强件粘接于所述结构面层。
25.MES复合材料，其包括(a)能量存储材料堆、(b)将所述能量存储材料堆夹在中间的一个或多个结构面层、(c)被所述能量存储材料堆穿孔的加强件外壳、和(d)穿孔所述能量存储材料堆的一个或多个第二加强件，其中所述加强件外壳和所述第二加强件粘接于所述结构面层。
26.能量存储装置，其包括权利要求1-25中任一项所述的MES复合材料。
27.制备MES复合材料的方法，所述方法包括：
提供电极堆，所述电极堆包括限定穿孔或孔阵列的多个电极板或层、一个或多个加强件、和结构面层；
布置所述电极板或层，使得电极板或层的每个穿孔或孔沿着穿越所有其它电极板或层的穿孔的对准轴对齐；
布置一个或多个加强件，使得所述加强件中的每一个沿着穿越电极堆中穿孔的对准轴延伸一定长度；和
布置所述电极堆并将所述电极堆夹在结构面层中间，并且将所述加强件的末端附接于所述结构面层。
28.制备MES复合材料的方法，所述方法包括：
提供限定穿孔或孔阵列的加强件外壳、包括多个电极板或层的一个或多个电极堆、和结构面层；
布置所述电极堆，使得所述电极堆中的每一个布置在所述加强件外壳中的所述穿孔中；和
布置所述电极堆并将所述电极堆夹在结构面层中间，并且将所述加强件外壳的末端附接于所述结构面层。
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GR01 Patent grant
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