CN107666009A - 交替堆叠或卷绕的锂离子电池组及电容器电极的混合电池设计 - Google Patents

交替堆叠或卷绕的锂离子电池组及电容器电极的混合电池设计 Download PDF

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Abstract

电极通过将颗粒状电极材料的多孔层粘结至兼容的金属集流器的两个主要侧面中的每一个上来形成。在一个实施例中，相对电极在集流器的两侧上形成有相同的锂离子电池组阳极材料或相同的阴极材料或电容器材料。在另一个实施例中，电池组电极材料应用到集流器的一个侧面上且电容器材料应用到另一个侧面上。通常，通过将合适组的电容器层与不相等数目的阳极和阴极电池组层组合来形成电极。一对或多对相对电极被组装为在混合电化学电池中提供电池组及电容器能量和功率特性的组合。电池可以通过堆叠或卷绕具有插置的隔离物的相对电极的卷来形成。

Description

交替堆叠或卷绕的锂离子电池组及电容器电极的混合电池 设计
技术领域
由集流器箔每一侧的阳极或阴极材料的多孔层形成的锂离子电池组阳极和阴极与两侧涂覆的锂离子吸附电容器电极组合使用以形成混合电化学电池。准备并布置电池组电极和电容器电极的组合，以在每个这样的单独混合电池中提供电池组和电容器特性的预定组合。在第二实施例中，在集流器箔的一侧上形成锂离子电池组负电极材料或锂离子电池组正电极材料的多孔层，并在集流器的另一侧上形成电容材料的多孔层。这种混合的两侧涂覆的电池组材料/电容器材料电极与两侧涂覆的锂离子电池组阳极或阴极或电容器电极组合使用以在新的混合锂电池中赋予电池组和电容器性能的预定组合。
背景技术
在本说明书的这一部分中作为背景信息呈现的材料不一定是现有技术。
电动汽车使用多节电池的电池组来提供电能，该电能用于提供驱动车辆的电力并为车辆上的许多装置提供电能。包含许多锂离子电化学电池的电池组是这种电源的实例。并且这种电池组用于许多非汽车应用。
在一些应用中，将锂离子电池组与电容器组合可能有用。例如，这样的电容器可以在车辆的制动期间被充电，以及存储用于锂离子电池组的再充电电池中的电荷。
需要一种实践来联合封装和使用用于锂离子电池组和这种电容器的电池，以实现它们相互连接和相互作用的效率。
发明内容
根据本发明的实践，锂离子电池组的阳极和阴极材料与可兼容的电容器材料不同地组合使用，以形成用于混合电化学电池的电极，以方便地提供不同的锂离子电池组性质和电容器性质的预定组合。锂电池组电极和电容器电极的这种组合可以容易地适应和布置成在混合电化学电池中产生不同的有用的能量密度(Wh/kg)和功率密度(W/kg)的组合，其更好地适应其在不同应用中的使用。在整个过程中，我们将参考用于负电极的阳极和用于正电极的阴极。
通常，每个电极由合适的集流器箔形成，该集流器箔的两面涂覆有活性锂离子电池组阳极颗粒的微米级颗粒的多孔层、或阴极颗粒、或具有相似尺寸的电容器颗粒的多孔层。每个这样的两面涂覆电极的厚度通常小于一毫米。并且每个电极以其其它的两个尺寸成形，使得在形成混合电池组/电容器电化学电池的过程中，交替的带正电荷和带负电荷的电极可以与中间薄的多孔隔离物层组装。这样的混合单元可以由相似形状(通常为矩形)的交替的正电极和负电极和隔离物的叠层形成。在不同的电池单元装方法中，可以通过将类似形状(通常为长形矩形条)的交替的两侧正电极和负电极和隔离物层卷绕为滚卷的组件而形成电池。在形成的电池中，交替电极和隔离物的微孔填充有溶解在非水电解液中的一种或多种锂盐(如LiPF6)构成的锂阳离子导电电解质，其在混合电池的所需工作温度范围内起作用。
作为说明性实例，合适的阳极材料是石墨颗粒；合适的阴极材料是LiNixMnyCo(1-x-y)O2(NMC)或LiFePO4(LFP)颗粒的颗粒；以及合适的电容器材料是活性炭颗粒。在电池的操作中，阳极颗粒和阴极颗粒交替地嵌入和解嵌入锂离子(Li+)，带正电荷的电容器电极颗粒交替吸附和解吸阴离子(例如PF6 -)，并且带负电荷的电容器电极颗粒交替地吸附和解吸阳离子(如Li+)。通常，嵌入/解嵌入的过程发生在所选择的颗粒状电池组电极材料的整个体积中。一克电池组电极材料通常可以嵌入比吸附在类似量的电容器颗粒的表面上更大量的锂离子。但是锂离子从电池组电极颗粒的释放通常比从选定的电容器颗粒释放锂离子慢。电池组颗粒通常能够比电容器颗粒产生更大的每克的能量密度(Wh/kg)，但电容器颗粒更快地释放吸附的锂离子，并且通常能够提供比电池组颗粒更大的功率密度(W/kg)。
在本发明的第一实施例中，四个不同的电池单元用作基本元件，以用于组合成锂离子电池组电极和电容器电极的混合电池设计。每个电池单元由两个电极形成，每个电极具有涂覆在兼容集流器箔两侧的相同颗粒状电极材料的多孔层。两个电极并排排列，面对的电极层被多孔隔离物构件隔开。并且各个单元是相似形状的或形状互补的，使得它们可以以堆叠中的预定关系组装或卷绕成卷，以形成混合锂离子电池组和电容器电化学电池。
第一电池单元(单元A)由用于锂离子电池组的两侧涂覆的阴极和两侧涂覆的阳极形成。当电池放电时，阳极带负电荷、阴极带正电荷。第二电池单元(单元B)由具有插置的隔离物的两侧电容器正电极和两侧电容器负电极形成。第三电池单元(单元C)由具有插置的多孔隔离物的两侧阴极(+)和两侧电容器电极(-)形成。并且第四电池单元(单元D)由具有中间隔离物的两侧阳极电极(-)和两侧电容器电极(+)形成。为了说明的目的：石墨颗粒可以用作电池组负电极材料；NMC颗粒可用作电池组阴极材料；并且可以在每个电容器电极中使用活性炭颗粒。
用这些电池单元类型中的两个或更多个的组合来组合形成混合电池设计，其至少组合一个电池组电极和一个电容器电极。例如，使用电池组阴极材料和电容器电极，将电池单元A和C(具有插置的隔离物)的组合提供锂离子电池组电池(LIB)和锂电容器电池(LIC)的组合。在其充电状态下，两个阳极电极带负电荷并且阴极电极和电容器电极带正电荷。根据各个电极材料的组成和相对量，电池单元A和C的混合组合可以提供电池组能量密度和电容器功率密度的有用组合。
作为第二示例性实例，混合电化学电池中的三个电池单元A、C和C的组合使用电池组阴极材料和电容器对电极提供锂离子电池组电池与两个电池的组合。在其充电状态下，单元的整体组合为电池提供三个带正电荷的电池组阴极电极、一个带负电荷的电池组阳极和两个带负电荷的电容器电极。这种具有两个带负电荷的电容器电极的混合电池单元组合可以提供电池组能量密度和电容器功率密度的不同有用组合。
在第三个说明性示例中，混合电化学电池中的四个电池单元C、D、D和B的组合提供一个阴极(+)/电容器(-)电池，两个阳极(-)/电容器(+)电池，以及在其充电状态下的电容器(+)/电容器(-)电池。而这种电池单元组合具有一个电池组阴极、两个电池组阳极、两个带负电荷的电容器电极和三个带正电荷的电容器电极，可以提供电池组能量密度和电容器功率密度的不同有用组合。
上述电池单元(A)、(B)、(C)和(D)的特定组合的能量密度和功率密度将取决于所选择的特定电极材料和材料在电极中的负载。通常，两侧涂覆的电容器正电极材料和两侧涂覆的电容器负电极材料(电池单元B)的量的增加将增加混合电池的功率密度。电池单元A的量的增加将增加混合电池的能量密度。并且可以使用电池单元C和D的组合来平衡电池的能量和功率性能。
电池单元的这种混合组合可以通过具有插置的隔离物的单个(通常为矩形)电池单元的堆叠或通过具有插置的隔离物的类似形状的细长电池单元的布置组件的滚动来形成。
在本发明的第二实施例中，各个电极可以由集流器箔的一侧上的电池组电极层和集流器箔的相对面上的电容器材料层形成。因此，由混合电容器/阴极材料或混合电容器/负电极材料形成的单个电极可以与两侧阴极电极、两侧阳极电极和两侧电容器电极组合使用在混合电池形成中。通常，优选将所得到的两侧涂覆的电极材料组合成使得在电池中的成对电极组中存在不相等数量的阳极材料和阴极材料层。与常规两侧电极组合的利用两侧混合电极的混合电池可以堆叠或卷绕(或滚卷)以在混合电化学电池中形成不同的电池单元组合。这种混合组合的具体说明在本说明书中给出。这种两侧混合电极允许在能量密度和功率密度的组合中进一步改进，该组合可以从混合电化学锂电池组和电容器电池中获得。
本发明的其它目的和优点将通过本发明实践的具体说明而显而易见，其在本说明书中如下。
附图说明
图1A-1D是根据本发明的一个实施例的用于形成混合电化学电池的四个电池单元的示意性侧视图。每个示出的电池单元由直立的集流器箔形成，其具有从箔的顶侧向上延伸的连接器凸部。颗粒状电极材料的多孔层与集流器箔的各主要面接合。集流器凸部上方的正(+)和负(-)符号指示(正在放电时的)电池单元中充电电极的电荷。将每层电极材料的一侧放置在多孔隔离物层上。图1A示出了第一电池单元(10)由用于锂离子电池组电池的带正电荷的阴极材料和带负电荷的负电极材料形成。图1B示出了由带正电荷的电容器材料(+)和带负电荷的电容器材料(-)形成的第二电池单元(12)。图1C示出了由锂电池组负电极材料(+)和电容器材料(-)形成的第三电池单元(14)。图1D示出了由带正电荷的电容器材料(+)和带负电荷的阳极材料(-)形成的第四单元电池。
图2A至2C是图1A-1D所示的两个或更多个单电池单元的三组堆叠混合组件的侧面示意图。在图2A中从左到右观察，第一混合组由单个电池单元10和16(如图1A和1D所示)形成。在图2B中，如图1C和1A所示，第二混合电化学电池单元由单个电池单元14、14和10形成。并且在图2C中，如图1C、1D和1B所示，第三混合电化学电池单元由单个电池单元14、16、16和12形成。
图3B是示出了在图3A中以侧视图示出的两组第一混合式电池单元(10：16)的堆叠的示意性斜视图。
图4A示出了电极片和隔离物层的短截断部的侧视图，其电极片和隔离物层是用于将第一单元组(10：16)的单个电池单元的矩形条卷绕成组装的卷。在图4A中，已经在每个电极条111、111′、117和117′的短截断部上示出了电极材料的全部涂层。但是在一个完整的电极条上的涂层(例如条带111上的顶层涂层110′)可以交错，例如从一侧的一端的顶部开始并且在另一侧的顶部结束，以避免在卷绕过程中浪费重叠的电极活性材料。图4B示出了卷绕过程的侧视图，通过该过程，将混合电池结构的长矩形条卷绕到以电池单元10和16为特征的电池中。图4C是卷结构的斜侧视图。
图5A-5C是通过使用一个或多个混合单个电极形成的混合电化学锂电池组和电容器电池的三个示例的示意性侧视图，其中集流器箔的一侧涂覆有电容器颗粒，另一侧涂覆有用于锂电池组的颗粒状阳极颗粒或阴极材料。图5A示出了第一实施例的侧视图，其由在集流器箔的一侧上形成有电容器材料的混合正电极和在集流器的另一侧上的颗粒状阴极材料形成。该第一实施例的相对电极是在两侧形成有颗粒状阳极材料的负电极。
图5B所示的第二个实例包括带有三个插置的隔离物的四个电极(两个正电极和两个负电极)，其被描绘为它们的侧视图。其中的一个电极是由阳极材料和电容器材料形成的负混合电极。其他三个电极包括正电极材料的两个正电极和负电极材料的一个负电极。
图5C以侧视图示出了具有五个插置的隔离物的六个电极(三个正电极和三个负电极)。三个正电极包括在其集流器的一侧涂覆有电容器颗粒和另一侧涂覆有阴极材料的颗粒的两个电极。第三个正电极用电容器材料涂覆在集流器的两侧。第一个负电极由阳极材料形成。第二负电极由集流器一侧的阳极材料和集流器的另一侧的电容器颗粒形成。第三负电极由集流器两侧的电容器颗粒形成。
图6B是示出了侧视图6A所示的混合电极材料的具有插置的隔离物的两个单元电池堆叠的斜视图。
图7A示出了用于将电池单元720、722的单个电池单元卷成组装卷的电极片和隔离物层的短截断部的侧视图。另外，在图7A中，类似于图4A，电极材料的全部涂层已经在每个电极条720、722的短截断部上示出。但是其中一个电极上的涂层(例如条带720上的顶层涂层714)可以交错，例如从一侧的顶部开始并且在另一侧的顶部结束，以避免在卷绕过程中浪费重叠的电极活性材料。图7B示出了卷绕过程的侧视图，通过该过程，混合电池结构的长矩形条被卷绕到以单个电极层720、722为特征的单元中。图7C是具有向上延伸的端子720′(+)和722′(-)的卷结构720、722的倾斜侧视图。
具体实施方式
通常通过将具有约0.5μm至30μm的最大尺寸的电极活性材料的颗粒粘结到具有约5μm至30μm厚度的兼容的金属集流器箔来形成锂离子电池的电极。如上所述，集流器的形状通常是具有侧面尺寸的矩形，其侧面尺寸提供了使其能够支撑预定量的用于锂离子电池组电池的电极材料的表面积。集流器箔的每一侧可以涂覆有电极材料颗粒的多孔层，但是每层的可持续厚度通常限于约5μm至250μm。各个电极层的涂层不一定具有相同的厚度。例如，电容器材料的涂层可以比阳极或阴极活性材料的涂层更厚。
在本发明的第一实施例中，描述了具有相对的正电荷和负电荷多孔电极的四个不同电化学电池单元，其中电极由不同的颗粒状电极材料组成。将两对或多对这样的电极(电池单元)组装用于形成根据本发明的混合锂离子电池组/电容器电池。在混合电池组/电容器电化学电池中，相对电极对的预定组合将与置于其中的多孔隔离物一起组装，组装的电极以及隔离物的孔浸有具有包含合适的锂的电解质的溶液中。
如所述，在本发明的实践中，电极由电容器材料和锂离子电池组材料的颗粒的多种组合而形成。活性炭颗粒优选地用作电容器材料，不论使用该活性炭颗粒的电极带正电荷还是负电荷。
锂离子电池的用于阳极(电池放电期间的负电极)的合适的电极材料的几个实例有：石墨、其它形式的碳、硅、硅与锂或锡的合金、氧化硅(SiOx)、金属氧化物以及钛酸锂。在电池放电期间，从阳极材料向需要电能的外电路释放电子，锂离子被释放(解嵌)入无水锂离子传导电解液。通常，锂离子电池的阳极材料被树脂粘结为铜集流器箔的一侧或两侧上的多孔层。少量电导率增强的碳颗粒可与阳极颗粒混合。
以颗粒形式使用的正电极材料(阴极)的实例包括：锂锰氧化物，锂镍氧化物、锂钴氧化物、锂镍锰钴氧化物、其他锂金属氧化物和锂铁磷酸盐。其它材料是公知的并且可以在市面购得。一种或多种这些材料可在电极层中使用。通常，锂离子电池的阴极材料被树脂粘结到铝集流器箔的一侧或两侧。少量电导率增强的碳颗粒可与阴极颗粒混合。
合适的电容器阴极和阳极材料包括，例如：
金属氧化物(MOx)，其中，M＝Pb、Ge、Co、Ni、Cu、Fe、Mn、Ru、Rh、Pd、Cr、Mo、W和Nb。
金属硫化物，诸如TiS2、NiS、Ag4Hf3S8、CuS、FeS、FeS2。
多种形式的碳颗粒，诸如活性炭、活性炭纤维、石墨、碳气凝胶、碳化物衍生碳、石墨环、氧化石墨烯和碳纳米管。在混合电容器材料中，可以使用一种以上的碳。相同的碳材料可用于电双层电容器(EDLC)的阳极和阴极。
以下聚合物中一种或多种的颗粒可用作电池阴极的电容器材料。聚(3-甲基-噻吩)、聚苯胺、聚吡咯、聚(对苯)、多并苯、聚噻吩和聚乙炔。
电容器颗粒或锂离子电池组阳极颗粒或阴极颗粒通过涂覆或其他合适的组合形式与合适的量的粘结材料组合。例如，颗粒可以分散或浆化在合适的树脂溶液中，诸如聚偏二氟乙烯溶于N-甲基-2-吡咯烷酮，并且分散并施加至多孔层中的集流器表面。其他合适的粘结剂树脂包括：羧甲基纤维素/苯乙烯丁二烯橡胶树脂(CMC/SBR)或聚四氟乙烯(PTFE)。这些粘结剂不导电，并且应当以最小的合适的量使用，从而实现多孔电极材料的持久涂覆，且不需要完全覆盖电极材料的颗粒表面。
在许多电池组结构中，隔离物材料为多孔聚烯烃层，诸如聚乙二醇(PE)、聚丙烯(PP)、无纺、含纤维素/丙烯纤维、含纤维素/聚酯纤维，或玻璃纤维。通常，热塑性材料包括相互粘结、任意取向的PE或PP纤维。隔离物的纤维表面可涂覆铝颗粒或其他绝缘体材料，以增强隔离物的电阻率，并保持用于浸有电解液并在电池电极之间传递锂离子的隔离物层的孔隙率。隔离物层用于防止相对的负电极材料层与正电极材料层之间的直接电接触，并且其形状与尺寸设计为服务于该功能。在电池的组装中，电极材料/电线层相对的主要面受到了来自隔离物膜的主区域面的挤压。通常，电解液会被注入隔离物和电极材料层的孔内。
在本发明的实践中，金属箔集流器的两个主要面上被涂覆有单个电极材料的多孔层。在本发明的某些实施例中，电极两侧均可以涂覆有电容器颗粒或阳极材料颗粒或阴极材料颗粒。在本发明的其他实施例中，金属集流器箔的一侧可涂覆电容器颗粒，另一侧可涂覆阳极颗粒或阴极颗粒之一。因此制备的电极材料可组合用于混合电池组/电容器电池的组装。以下示出电池组/电容器材料电化学材料电池中的混合电极的此类组合。
图1示出了四个电池单元的侧视图，目的是显示施加在金属集流器箔上的相对较薄的两个多孔层。集流器箔通常呈矩形，其高度与宽度适于通过堆叠或卷绕入一个或多个电化学电池的单一封装中进行组装。如果成品的电化学电池由两个或多个电池单元(以及置于其中的隔离物)堆叠形成，则集流器箔以及其电极材料涂层可以如图3B所示为正方形。如果成品的电化学电池通过电池单元和隔离物卷绕形成，则箔片可以如图4A-4C所示的一样很长。
在图1A中，第一电池单元10由组成锂离子电池组电池的阴极和阳极形成。电池单元10包括第一集流器11，其两侧都涂覆有粘结到集流器11主要面的颗粒状阴极材料(例如，NMC)10′制成的薄多孔层。集流器11可，例如由矩形铝箔形成，其一侧设置有合适的连接器凸部(+)，俯视图在图1A中示出。在图1A中，第二集流器11′(例如，铜箔)的两个相对侧都涂覆有颗粒状阳极材料10′(例如，石墨)制成的薄多孔层。集流器11′顶侧也具有合适的连接器凸部(-)。在该电池单元中，阴极以加号(+)标记，而阳极以减号(-)标记，其反映出已充电的电池在放电时两个电极的状态。阳极层10″与阴极层10′的相对表面设置为与相似尺寸和形状的多孔隔离物18相对。多孔隔离物18通常由聚合物片形成。第一电池单元10在本说明书上述的发明内容这一节中也被描述为单元A。
在图1B中，第二电池单元12结构与第一电池单元10类似，其由两个电极形成，每个电极包含电容器材料12′、12″颗粒制成的多孔层。电极可由相似材料形成，但是两个电极在工作时会经历相对的电荷(正电荷和负电荷)。第一集流器箔(合适的地，可以为铝箔)13的相对两侧都涂覆有，例如活性炭颗粒12′制成的多孔层，从而形成正(+)电容器电极。第二集流器箔(合适的地，可以为铜箔)13′的相对两侧都涂覆有，例如，活性炭颗粒12″制成的多孔层，从而形成图1B中被指定为负(-)的电极。相应集流器(13、13′)的直立连接器凸部以电容器材料相应的正(+)和负(-)标记。相应电容器层12′、12″的相对表面被设置为与多孔隔离物18(其尺寸和形状与电容器电极材料的表面类似)相对。第二电池单元12在本说明书上述的发明内容这一节中也被描述为单元B。
在图1C中，第三电池单元14由粘结到集流器箔(例如铝箔)15两侧的阴极材料(例如，NMC颗粒)14′的多孔层组成的正电极形成。第三组电池也包括由粘结到铜集流器箔15′两侧的电容器材料14″的颗粒多孔层形成的负电极。此外，阴极材料(+)和电容器材料(-)的相应电荷在其相应集流器箔(15、15′)的直立连接器凸部上示出。阴极材料14′和电容器材料14″的相对表面被设置为与多孔隔离物18的相对表面相对。第三电池单元14在本说明书上述的发明内容这一节中也被描述为单元C。
第四电池单元16(图1D)由粘结到集流器箔17两侧的电容器颗粒16′的多孔层制成的正电极形成。电容器颗粒可以是活性炭颗粒。本发明的实施例中的第四电池单元也包括粘结到集流器箔17′两侧的多孔层阳极材料16″(例如，石墨颗粒)的负电极。电池单元在已充电状态下的电容器材料(+)和阳极材料(-)的相应电荷被指示在其相应集流器箔(17、17′)的直立连接器凸部上。电容器材料16″和阳极材料16′的相对表面被设置为与多孔隔离物18的相对表面相对。第四电池单元16在本说明书上述的发明内容这一节中也被描述为单元D。
上述四个电池单元中至少两个组合使用，这样，至少一个电容器电极(正电极或负电极)与不等数量的电池组阳极和阴极一起使用。在每个这样的电池单元组合中，电池单元将组装为堆叠或具有插置的多孔隔离物层的卷绕的卷。并且，电极层与隔离物的孔将浸有可以传导锂阳离子以及兼容的阴离子的无水电解液中。如需要，这些新的混合电化学电池中的每个都可以成为两个或多个混合电池的组合，并且组合后的电池可以以并联或串联的形式相互连接，以获得提供期望能量与功率特性组合的锂离子电池组和电容器电极的混合组合。
该混合锂离子电池组/电容器电池的电解质可以是溶解在一个或多个有机液体溶剂中的锂盐。合适的盐的实例包括：六氟磷酸锂(LiPF6)、四氟硼酸锂(LiBF4)、高氯酸锂(LiClO4)、六氟砷酸锂(LiAsF6)、三氟甲烷烷磺酰锂。可用于溶解电解质盐的溶剂的实例包括：碳酸亚乙酯、碳酸二甲酯、碳酸甲乙酯、碳酸丙二酯。也存在其他可用锂盐以及其他溶剂。然而，需要选择锂盐和溶剂的组合，以在电池组和电容器电极组合的混合电池工作时提供合适的锂离子迁移率和传输。电解质被仔细地分散到相隔很近的电极元件层和隔离物层之中以及之间。
通常，优选的是，将电池单元组合以形成能量密度在20Wh/kg到200Wh/kg之间、功率密度在500W/kg到10,000W/kg之间的电化学电池。能量密度与功率密度的值取决于电池组电极材料和电容器电极材料的组成，并且也取决于电池组电极材料和电容器电极材料的含量之比。通常，通过增加电池组材料含量和/或选择高比能电池组电极材料，可以提高能量密度。并且，通过增加电容器电极材料的含量和/或选择高比功率密度的电容器组成，可以提高混合电化学电池的功率密度。该四组电池单元的组合的使用，是一种制备和使用结构单位以产生具有期望能量密度和功率密度特性的一个或多个混合电化学电池的方法。
在图2A中，示出第一混合电化学电池。在该实例中，混合电化学电池由电池单元10(如关于图1A所述)和电池单元16(如关于图1D所述)的组合而形成。混合电化学电池(10、16)包括阴极材料制成的正电极10′和正电容器电极16′以及用于锂离子电池的阳极材料制成的两个负电极10″、16″。附加的多孔隔离物18置于电池单元10、16之间。带正电荷的电容器材料和阴极材料的连接器凸部以并联组合的形式相互连接。并且，带负电荷的阳极材料的两个连接器凸部以并联组合的形式相互连接。相应的分层电极的形状使其可以以组装为堆叠和卷绕的卷，形成混合电化学电池(10、16)。在该实例中，带正电荷的电容器电极16′与带正电荷的阴极材料10′，以及相对的两个带负电荷的阳极电极10″、16″的组合改变了对负电极有利的电池功率特性。因此，电极的组成、厚度和截面可变化，以为混合电化学电池(10、16)提供预定的能量与功率密度特性。
在图2B中，示出另一混合电化学电池。在该实例中，混合电化学电池由电池单元10和两个电池单元14形成。因此得到的电池单元(14、14、10)的组合产生一种混合电化学电池，其包括：三个连接的带正电荷的阴极部件10′、14′、14′以及一个带负电荷的阳极10″和两个带负电荷的电容器电极14″。
应当注意，在图2A的实例中，电容器材料用于正电极，而在图2B的实例中，其用于负电极。假设在两个混合电池实例中，阳极材料、阴极材料、电容器材料都是相同的，则期望的是，图2B中电池的能量高于图2A中电池的能量。
在图2C中，混合电化学电池包括四个电池单元-14、16、16、12。如图2C所示，该电池单元的组合产生一种混合电化学电池，由单个带正电荷的阴极与三个带正电荷的电容器电极以及两个带负电荷的阳极与两个带负电荷的电容器电极形成。因此，该混合电池(14、16、16、12)设置有五个电容器电极和数量不平衡的(3)锂离子电池组电极。这样的构成组合与尺寸合适的电极可以在最终得到的电池和类似混合电池单元组合中提供基本的功率密度。
图3A重复了示出两个混合电池(10、16)的侧视图(来自图2A)。而图3B示出两个此类混合电池，其端部与置于其中的隔离物18堆叠，并且每个混合电池(10、16)中还设置有三个多孔聚合隔离物18(图3A)。在图3B中，电极和隔离物部件被示出为彼此隔开，但是在堆叠组件中，这些部件也可以以面对面的形式设置。在该图中，从相应的顶部边缘延伸的四个正(+)集流器凸部在共用的正端子处以电并联的形式相互连接。并且，四个负(-)集流器凸部在共用的负端子处相互连接。两个相互连接的混合电池(10、16)的堆叠组件被置于合适的容器内，诸如，由内外表面都涂覆薄聚合物膜的薄铝片形成的袋。该组件被仔细地浸有包含电解质的无水锂阳离子中，使得电极材料的相应层和隔离物的孔都填充有电解液。袋的顶部闭合，以密封混合电化学电池的内容物。正、负端子从袋的顶部延伸(或从袋的选择的其他侧)。
图4A示出混合电池10、16的电极和隔离物部件的短截断部，其中相应的电池部件以具有长度和高度的长矩形条的形式而制备，并且施加在两侧的电极层的厚度适于提供用于滚卷的电化学电池((110、116，图4B)的期望锂离子电池组/电容器能量和功率特性。
在图4A中示出了滚卷的混合电池单元件的相应电极层和隔离物层的每个短段的侧视图。图4B是退绕的电极和隔离物层部分的示意性侧视图，每个来自其相应组成的起始卷并被放置和组装在混合电池210、216的七层滚卷组件中。图4B表示了滚卷的混合电池210、216的示意性侧视图，且图4C表示了滚卷的混合电池210、216的斜视图。
在图4A中，从电池构件层的顶部说明开始，集流器111的上、下相对表面各自涂覆有树脂粘结的锂离子电池组阴极材料颗粒的多孔层110′。如上所述，在一个电极上的涂层(例如条带111上的顶层涂层110′)可以交错，例如从一个侧面的顶部开始并且在另一个侧面的顶部结束，以避免在卷绕过程中浪费重叠的电极活性材料。在图4B中示出了这种阴极材料电极210′的退绕卷。
继续向下，下一个电池构件是隔离物118。此外还有两个展开在电极层之间的插置的隔离物层118。
然后，集流器111′的上、下相对表面各自涂覆有树脂粘结的锂离子电池组阳极材料颗粒的多孔层110″。在图4B中示出了这种阳极材料电极201″的退绕卷。
集流器117的上、下表面涂覆有树脂粘结的颗粒电容器材料116′。并且在退绕卷216″中集流器117′的两个主要表面均涂覆有树脂粘结的阳极材料的多孔层116″。
因而，滚卷材料210′、118、210″、118、216′、118以及216″组装成层以如图4B和4C中所示提供混合电池210、216的滚卷结构。在图4C中，正端子210″′连接带正电荷的集流器111和117，且负端子216″′连接带负电荷的集流器111′和117′。一个或多个此类滚卷的电化学电池可以置于聚合物袋中，浸有无水锂离子传导性电解质，且密封包围电池，优选地具有延伸到用于电池封装的容器外侧的端子210″′、216″′。
图5A至5C示出了组合锂离子电池组电极和电容器电极的混合电化学电池的不同实施例。在这些实施例中，两侧混合电极与具有相同电极材料的两侧电极组合使用(如上述实例中所述)以形成新型的混合电化学电池。
在图5A中，正电极520包括粘结到金属箔集流器513的一侧的电容器颗粒的多孔树脂粘结层512和粘结到集流器513另一侧的阴极活性材料颗粒的多孔树脂粘结层514。在该实例中，负电极522包括在两个主要侧面上涂覆有树脂粘结的阳极材料颗粒的多孔层510的金属箔集流器511。从而，该混合电池形成有两个带负电荷阳极材料颗粒的层510，并且正电极形成在电容器颗粒的一个多孔层512和阴极颗粒的一层514上。多孔隔离物518位于正电极520和负电极522之间。由此，在该类型的混合电池构造中可以利用减少集流器的数目来修改预定的能量和功率特性。
在图5B中电化学电池由两个相同的正电极524形成，每个电极包括在两侧上均涂覆有树脂粘结的阴极材料颗粒的多孔层514的金属箔集流器514′。电池的一个负电极526由在一个侧面上涂覆有阳极颗粒的多孔树脂粘结层510且在另一个侧面上涂覆有电容器颗粒的多孔层516的金属箔集流器515形成。另一个负电极522由在集流器511的每个侧面上具有树脂粘结的阳极颗粒的多孔层510而形成。多孔隔离物518位于交替的正电极和负电极之间。假定相应的阳极、阴极以及电容器材料的组成相同，通过电池的混合来包括锂离子电容器(LIC)和锂离子电池组(LIB)，图5B的电池的能量密度将高于图5A中所示的电池的能量密度。
图5C示出了具有一组六个两侧电极的混合电化学电池、三个带正电荷且三个带负电荷。两个带正电荷电极520由在一个侧面上涂覆有电容器颗粒的多孔层512和在相对侧面上涂覆有阴极材料颗粒的多孔树脂粘结层514的正电极金属箔集流器箔513形成。第三个带正电荷电极528由在集流器两侧上均具有电容器颗粒的多孔层512的金属箔集流器517形成。一个负电极522通过阳极材料颗粒的多孔层510树脂粘结到金属箔集流器511的两侧上形成。第二个负电极526具有粘结到集流器515一个侧面上的阳极材料的多孔层510和粘结到集流器515另一个侧面上的电容器颗粒层516。第三个负电极530在负电极集流器517的两侧上涂覆有电容器颗粒的多孔层516。由此，该混合电化学电池的正电极包括四层电容器材料和两层阴极材料。并且该混合电化学电池的负电极包括三层阳极材料和三层电容器材料。如图5C中所示的该混合电池单元组合既包括锂离子电容器又包括电容器。使用和图5A和5B中所示电池中相同的电极材料，该电池单元组合(5C)能够提供更高的功率密度。
在图6A中重复了图5A的混合电池的侧视图，以在图6B中补充说明堆叠式电化学电池中的两个此类电池单元。每个电池单元包括具有电容器层512和阴极层514的正电极520以及具有两个阳极材料层510的负电极522。该堆叠式电化学电池装置包括两个这样的具有插置的隔离物18的单元电池。在图6B的斜视图中可见每个正电极(+)和负电极(-)集流器的两个直立凸部的位置。正电极和负电极凸部将连接到混合电化学电池的正电极和负电极端子内。堆叠的电池单元将置于互补尺寸的容器中，浸有合适的液态电解质，且该电池将被密封在该容器内同时从容器伸出正电极和负电极。
图7A、7B以及7C示出了用和图6A相同的电极材料制备滚卷的电化学电池720、722。在图7A中，示出了负电极材料710的可滚卷片722的短切断部。负电极片722包括在两侧上涂覆有树脂粘结的锂离子电池阳极材料颗粒的多孔层710的金属集流器箔711。在负电极片722下方示出了隔离物片718。紧挨隔离物片718定位的是可滚卷正电极片720，其包括在顶部侧面上(如图7A中所示)涂覆有锂离子电池阴极材料的多孔层714且在底部侧面上涂覆有电容器颗粒的多孔层712的金属集流器713。在一个电极上的涂层(例如条带720上的顶层涂层714)可以交错，例如从一个侧面的顶部开始并且在另一个侧面的顶部结束，以避免在卷绕过程中浪费重叠的电极活性材料。
在图7B中相应的片722、718以及720示出为从其相应卷退绕且仔细地放置在卷绕的混合电化学电池结构720、722中。图7C提供了具有其直立正电极和负电极连接器凸部720′(+)和722′(-)的滚卷的电化学电池720、722的斜视图。
以上特定实例旨在说明本发明的实践，而这些说明并非对本发明的范围的限制。显然，上述基本的混合电极和电极的混合组合易于制备和进行组合，以制造具有电池和电容器特性不同组合及平衡的可以广泛地不同使用的混合电化学电池。
通常，由在两侧上涂覆有电池组或电容器电极材料的多孔层的集流器箔形成的一对或多对电极，被组合使用以形成包含了电池组和电容器特性预定组合的基于锂离子的电化学电池。这种特性的组合可以通过制备具有不相等数目的锂离子阳极颗粒和阴极颗粒的电极层以及相称数目的多孔电容器材料层来获得，以在混合电化学电池中提供期望的电池组/电容器特性。尽管一些合适的材料已经被认定为合适的锂离子阳极材料、锂离子阴极材料以及兼容的电容器材料，在特定混合组合中也可以使用其他合适的电极活性材料。交替地，由多孔隔离物层物理间隔开的正电极和负电极可以按互补的电极-隔离物形状的堆叠或者按电极和隔离物的卷绕的卷来进行组装。相应电极的集流器可以按照串联或并联设置进行连接以提供混合电池预期的能量和功率要求。在组装且封装了的电池中，每个电极层的孔仔细地浸有锂电解质盐或化合物的常见无水溶液。并且所得到的电化学电池可以用于对各种类型的装置供电，包括部分或全部由电机提供动力的机动车辆。

Claims (10)

1.一种电化学电池，其包括至少一对堆叠的或卷绕的面对、相对的电荷电极卷的组件，每个电极由在两侧上涂覆有电极材料颗粒的多孔层的两侧集流器条带组成，每层电极材料为选自由以下组成的组中的一个：(i)用于锂离子电池组的锂离子嵌入/解嵌入阳极材料，(ii)用于锂离子电池组的锂离子嵌入/解嵌入阴极材料，(iii)锂离子吸附/脱附电容器材料，每个电极的所述多孔层通过共同延伸的多孔隔离物层与电极的面对层分隔开；
在每个两侧集流器条带上涂覆的所述两个多孔层选自由以下组成的组：(i)在所述集流器两侧上的锂离子电池组阳极材料层，(ii)在所述集流器两侧上的锂离子电池组阴极材料层，(iii)在所述集流器两侧上的电容器材料层，(iv)在所述集流器一个侧面上的锂离子电池组阳极材料层和在所述集流器的相对侧面上的电容器材料层，以及(v)在所述集流器一个侧面上的锂离子电池组阴极材料层和在所述集流器的相对侧面上的电容器材料层；以及
所述至少一对相对的电荷电极包括至少一个电容器材料的电极涂覆层以及不相等数目的阳极材料和阴极材料的电极涂覆层，在所述至少一对相对的电极上的所述涂覆层被选择为获得所述电化学电池的能量密度(Wh/kg)和功率密度(W/kg)的预定组合。
2.根据权利要求1所述的电化学电池，其中所述电化学电池包括一至四对面对、相对的电极。
3.根据权利要求1所述的电化学电池，其中所述电化学电池包括至少一组第一对相对电极和第二对相对电极，所述第一对相对电极具有带有两层锂离子阳极材料的电极和带有两层锂离子阴极材料的相对电极，并且所述第二对相对电极具有带有两层锂离子阳极材料的电极和带有两层电容器材料的相对电极。
4.根据权利要求1所述的电化学电池，其中所述电化学电池包括至少一组第一对相对电极以及第二对和第三对相对电极，所述第一对相对电极具有带有两层锂离子阳极材料的电极和带有两层锂离子阴极材料的相对电极，所述第二对和第三对中的每一个具有带有两层锂离子阴极材料的电极和带有两层电容器材料的相对电极。
5.根据权利要求1所述的电化学电池，其包括至少一组第一对和第二对相对电极、第三对相对电极以及第四对相对电极，所述第一对和第二对相对电极各自具有带有两层锂离子阳极材料的电极和带有两层电容器材料的相对电极，所述第三对相对电极具有带有两层阴极材料的电极和带有两层电容器材料的相对电极，所述第四对相对电极的每个相对电极具有两层电容器材料。
6.根据权利要求1所述的电化学电池，其中所述电化学电池包括至少一组第一对相对电极，所述第一对相对电极具有带有两层锂离子阳极材料的电极以及带有一层锂离子阴极材料和第二层电容器材料的相对电极。
7.根据权利要求1所述的电化学电池，其中所述电化学电池包括至少一组第一对相对电极以及第二对相对电极，所述第一对相对电极具有带有两层锂离子阴极材料的电极以及带有一层锂离子阳极材料和第二层电容器材料的相对电极，所述第二对相对电极具有带有两层锂离子阳极材料的电极和带有两层锂离子阴极材料的相对电极。
8.根据权利要求1所述的电化学电池，其中所述电化学电池包括至少一组第一对相对电极、第二对相对电极以及第三对相对电极，所述第一对相对电极具有带有两层锂离子阳极材料的电极以及带有一层锂离子阴极材料和一层电容器材料的相对电极，所述第二对相对电极具有带有一层阳极材料和一层电容器材料的电极以及带有一层阴极材料和一层电容器材料的电极，所述第三对相对电极各自具有两层电容器材料。
9.根据权利要求8所述的电化学电池，其中所述至少一组具有插置的隔离物的三对相对电极按所述电极和隔离物的堆叠进行组装或者它们组装为所述电极和隔离物卷绕的卷。
10.一种电化学电池，其包括至少一对堆叠的或卷绕的面对、相对的电荷电极卷的组件，每个电极由在两侧上涂覆有电极材料颗粒的多孔层的两侧集流器条带组成，每个电极的所述多孔层通过共同延伸的多孔隔离物层与电极的面对层分隔开；
在每个两侧集流器条带上涂覆的所述两个多孔层选自由以下组成的组：(i)在所述集流器两侧上的锂离子电池组阳极材料层，(ii)在所述集流器两侧上的锂离子电池组阴极材料层，以及(iii)在所述集流器两侧上的电容器材料层；以及
所述至少一对相对的电荷电极包括至少一个两侧涂覆的电容器电极以及不相等数目的阳极材料和阴极材料的电极，在所述至少一对相对的电极上的所述涂覆层被选择为获得所述电化学电池的能量密度(Wh/kg)和功率密度(W/kg)的预定组合。
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