CN109428125A - 具有过量电解质容量以提高寿命的锂离子电化学装置 - Google Patents

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Abstract

本公开提供了一种电化学装置，其可以包括具有至少一个电化学电池的堆叠，该电化学电池具有第一电极、第二电极、多孔隔板以及电解质液体，该电解质液体被设置在多孔隔板中并且可选地设置在第一电极、第二电极或第一电极和第二电极这两者中。该堆叠具有第一体积的电解质液体。电化学装置还具有集成存储区域，其存储第二体积的电解质液体并且与多个电化学电池流体连通并且被配置为将电解质液体转移到多个电化学电池中，其中电解质液体的第二体积至少约为第一体积的3％。还提供了延长电化学装置的寿命的方法。

Description

具有过量电解质容量以提高寿命的锂离子电化学装置
引言
本部分提供与本公开相关的背景信息，其不一定是现有技术。
本公开涉及一种电化学装置，其包括多个电化学电池和集成存储区域，该集成存储区域存储多余的电解质液体并将其供应到多个电化学电池。还提供了延长电化学装置的寿命的方法。
作为背景，高能量密度的电化学电池(诸如锂离子电池组)可以用于各种消费者产品和车辆，诸如混合动力电动车辆(HEV)和电动车辆(EV)。典型的锂离子、锂硫以及锂-锂对称电池组包括第一电极、第二电极、电解质材料以及隔板。一个电极用作正电极或阴极，而另一个电极用作负电极或阳极。可以电连接电池组电池堆叠以增加总输出。
常规的可再充电锂离子电池组通过在负电极与正电极之间来回可逆地传递锂离子来操作。隔板和电解质被设置在负电极与正电极之间。电解质适合于传导锂离子，并且可以是固体(例如，固态扩散)或液体形式。锂离子在电池组充电期间从阴极(正电极)移动到阳极(负电极)，并且在电池组放电时以相反方向移动。然而，在经过数千次循环操作之后，某些锂离子电池组和锂循环的其它电池组表现出较低的容量和较高的电阻，从而缩短了电池组的寿命。因此，期望开发可靠的、高性能的电化学电池，其具有优异的性能，包括更高的容量和减小的电阻，持续时间更长。
发明内容
本部分提供了本公开的总体说明内容，而不是其全部范围或其所有特征的全面公开。
本公开在某些变型中提供了一种电化学装置。电化学装置可以包括堆叠，该堆叠包括至少一个电化学电池。至少一个电化学电池包括第一电极、具有与第一电极相反极性的第二电极、多孔隔板、电解质液体，该电解质液体被设置在多孔隔板中并且可选地设置在第一电极、第二电极中或者第一电极和第二电极这两者中。该堆叠包括第一体积的电解质液体。电化学装置还包括具有第二体积的电解质液体的集成存储区域，该集成存储区域与堆叠中的至少一个电化学电池流体连通并且被配置为将电解质液体转移到该堆叠中的至少一个电化学电池中。第二体积至少约为第一体积的3％。
在一个方面中，该堆叠限定横向边缘，并且集成存储区域被设置为与横向边缘相邻并接触。集成存储区域可以包括框架结构和壳体。框架结构包括选自由以下项组成的组的聚合物材料：聚烯烃、含氟聚合物以及它们的组合。
在一个方面中，至少一个电化学电池包括连接到第一电极的第一突片和连接到第二电极的第二突片。第一突片和第二突片延伸超出横向边缘。集成存储区域限定与横向边缘相邻的第一侧和与第一侧相对的第二侧。第一突片和第二突片分别从第一侧行进并穿过第一侧到第二侧并穿过第二侧以便从第二侧突出。
在一个方面中，至少一个电化学电池包括连接到第一电极的第一突片和连接到第二电极的第二突片。横向边缘位于电化学电池的与第一突片和第二突片相对的一侧上，并且集成存储区域被设置成与横向边缘相邻并接触。
在一个方面中，该堆叠限定堆叠高度和堆叠宽度。集成存储区域限定小于或等于堆叠高度的第一高度和小于或等于堆叠宽度的第一宽度。
在一个方面中，集成存储区域具有从第一侧到第二侧的长度，该长度大于或等于约1mm到小于或等于约40mm。
在一个方面中，第一电极包括第一孔隙，并且第二电极包括第二孔隙。第一孔隙和第二孔隙对准使得它们限定集成存储区域。
在一个方面中，集成存储区域围绕该堆叠的外部的至少一部分。集成存储区域包括含有液体电解质的吸附材料。
在其它变型中，本公开提供了一种包括多个电化学电池的电化学装置。多个电化学电池中的每一个分别包括第一电极、具有与第一电极相反极性的第二电极、多孔隔板、电解质液体，该电解质液体被设置在多孔隔板中并且可选地设置在第一电极、第二电极中或者第一电极和第二电极这两者中。多个电化学电池包括第一体积的电解质液体。集成存储区域存储与多个电化学电池流体连通的第二体积的电解质液体并且被配置为将电解质液体转移到多个电化学电池中。电解质液体的第二体积至少约为第一体积的3％。
在一个方面中，多个电化学电池限定横向边缘，并且集成存储区域被设置为与横向边缘相邻并接触。
在一个方面中，多个电化学电池各自分别包括连接到第一电极的第一突片和连接到第二电极的第二突片。第一突片和第二突片延伸超出横向边缘，并且集成存储区域限定与横向边缘相邻的第一侧和与第一侧相对的第二侧。第一突片和第二突片分别从第一侧行进并穿过第一侧到第二侧并穿过第二侧以便从第二侧突出。
在一个方面中，多个电化学电池各自分别包括连接到第一电极的第一突片和连接到第二电极的第二突片。横向边缘位于与第一突片和第二突片相对的一侧上，并且集成存储区域被设置成与横向边缘相邻并接触。
在一个方面中，多个电化学电池通常限定堆叠高度和堆叠宽度。集成存储区域限定小于或等于堆叠高度的第一高度和小于或等于堆叠宽度的第一宽度。
在一个方面中，第一电极和第二电极中的每一个包括孔隙，其中当孔隙对准时，它们一起限定集成存储区域。
在一个方面中，多个电化学电池以堆叠配置连接。
在一个方面中，多个电化学电池处于卷绕配置。
在一个方面中，集成存储区域围绕多个电化学电池的外部的至少一部分。集成存储区域包括含有液体电解质的吸附材料。
在又其它变型中，本公开提供了一种延长电化学装置的寿命的方法，该方法包括将液体电解质引入到包括多个电化学电池和集成存储区域的电化学装置中。集成存储区域与多个电化学电池流体连通。每个相应的电化学电池包括第一电极、具有与第一电极相反极性的第二电极，以及多孔隔板。多个电化学电池限定用于接收液体电解质的第一体积，并且集成存储区域限定用于接收液体电解质的第二体积。第二体积至少约为第一体积的3％。在电化学装置的循环期间，与缺少集成存储区域的对比电化学装置相比，电化学装置的寿命延长至少500个深度放电循环。
在一个方面中，第二体积大于或等于第一体积的约3％到小于或等于第一体积的约10％。
在一个方面中，电化学装置的寿命延长至少2,000个深度放电循环。
从本文所提供的描述中将明白进一步应用领域。发明内容中的描述和具体示例仅旨在用于说明目的并且不旨在限制本公开的范围。
附图说明
本文所述的附图仅用于选定实施例而非全部可能实施方案的说明目的并且不旨在限制本公开的范围。
图1A示出了根据本公开的一个变型的具有在多个突片附近提供过量的电解质容量的框架设计的锂离子电化学电池堆叠；
图1B是图1中所指示的区域的详细视图，其示出了锂离子电化学电池堆叠内的单个电化学电池的侧视截面图；
图2示出了根据本公开的另一个变型的具有在与多个突片相对的一侧上提供过量的电解质容量的框架设计的另一种锂离子电化学电池堆叠；
图3示出了根据本公开的另一个变型的具有限定用于过量电解质容量的空隙区域的电池堆叠的中心区域的又一种锂离子电化学电池堆叠；
图4示出了根据本发明的另一个变型的具有多个孔隙的卷绕锂离子电化学电池堆叠，该多个孔隙在卷绕相应层之后限定过量电解质容量的中心空隙区域；
图5示出了根据本公开的另一个变型的具有以吸附材料封装的不同电池的堆叠的另一种锂离子电化学电池堆叠，该吸附材料提供过量电解质容量；
图6示出了在封装堆叠之前外部吸附材料层进行组装期间的图5的锂离子电化学电池堆叠；并且
图7示出了根据本公开的另一个变型的具有以吸附材料封装的圆柱形电池核心设计的又一种锂离子电化学电池堆叠，该吸附材料提供过量电解质容量。
附图的全部几个视图中的对应参考标号指示对应的部分。
具体实施方式
提供示例实施例使得本公开将是详尽的，并且将向本领域技术人员完整地传达范围。陈述数种具体细节(诸如具体部件、装置和方法的示例)以提供对本公开的实施例的详尽理解。本领域技术人员将明白的是，不需要采用具体细节、可以许多不同形式实施示例实施例，且不应被解释为限制本公开的范围。在某些示例实施例中，没有详细描述公知程序、公知装置结构以及公知技术。
本文所使用的术语仅仅用于描述特定示例实施例的目的并且不旨在限制。如本文中所使用，除非上下文另有明确指示，否则单数形式“一”、“一个”和“该”也可以旨在包括复数形式。术语“包含(comprises)”、“包含(comprising)”、“包括(including)”以及“具有”是包括性的并且因此规定所述特征、整体、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但是不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元件、部件和/或其组合的存在或增加。虽然开放式术语“包括”应当被理解为用于描述和要求保护本文所述的各种实施例的非约束性术语，但是在某些方面中，该术语可替代地反而应当被理解为更具限制性和约束性的术语，诸如“由……组成”或“基本上由……组成”。因此，对于叙述组合物、材料、部件、元件、特征、整数、操作和/或过程步骤的任何给定实施例，本公开还具体包括由这些叙述的组合物、材料、部件、元件、特征、整数、操作和/或过程步骤组成或基本上由它们组成的实施例。在“由……组成”的情况下，替代实施例排除任何另外的组合物、材料、部件、元件、特征、整数、操作和/或过程步骤，而在“基本上由……组成”的情况下，实质上影响基本和新颖特性的任何另外的组合物、材料、部件、元件、特征、整数、操作和/或过程步骤从这样的实施例中排除，但是实质上不影响基本和新颖特性的任何组合物、材料、部件、元件、特征、整数、操作和/或过程步骤可以包括在该实施例中。
除非具体识别为执行顺序，否则本文描述的任何方法步骤、过程以及操作不应被理解为必须需要以所讨论或说明的特定顺序来执行所述方法步骤、过程以及操作。还应当理解的是，除非另有指示，否则可以采用另外的或替代的步骤。
当部件、元件或层被称为“在另一个元件或层上”、“接合到”、“连接到”或“联接到”另一个元件或层时，它可以直接在另一个元件或层上、接合、连接或联接到另一个元件或层，或者可以存在介入元件或层。相反地，当元件被称为“直接在另一个元件或层上”、“直接接合到”、“直接连接到”或“直接联接到”另一个元件或层时，可以不存在介入元件或层。用于描述元件之间的关系的其它词语应当以类似方式解译(例如，“在其间”对“直接在其间”、“相邻”对“直接相邻”等)。如本文所使用，术语“和/或”包括一个或多个相关列举项的任何和所有组合。
除非另有指示，否则虽然术语第一、第二、第三等可以在本文用于描述各种步骤、元件、部件、区域、层和/或部分，但是这些步骤、元件、部件、区域、层和/或部分不应受这些术语限制。这些术语可以只用于区分一个步骤、元件、部件、区域、层或部分与另一个步骤、元件、部件、区域、层或部分。除非上下文明确指示，否则诸如“第一”、“第二”等术语和其它数字术语在本文使用时并不暗示顺序或次序。因此，下文讨论的第一步骤、元件、部件、区域、层或部分可被称为第二步骤、元件、部件、区域、层或部分而不脱离开示例实施例的教导。
为了便于描述可以在本文使用诸如“之前”、“之后”、“内部”、“外部”、“下面”、“下方”、“下部”、“上方”、“上面”等空间或时间相对术语来如图中所说明般描述一个元件或特征与另一个元件或特征的关系。空间或时间相对术语可以旨在除图中描绘的定向外还涵盖使用或操作中的装置或系统的不同定向。
在整个公开中，数值表示近似测量值或范围极限以涵盖与给定值和具有约所提及值的实施例以及确切地具有所提及值的实施例的细微偏差。除了在详细描述结束时所提供的工作示例之外，包括所附权利要求书的本说明中的(例如，量或条件的)参数的所有数值应当被理解为在所有情况中被术语“约”修饰，而不论数值前面实际上是否出现“约”。“约”指示所述数值允许一定的略微不精确(一定程度上近似于该值的精确度；近似地或合理地接近该值；几乎)。如果由“约”提供的不精确不在本领域中作此通常意义的另外理解，则如本文所使用的“约”至少指示可以由测量和使用这些参数的普通方法引起的变动。例如，“约”可以包括小于或等于5％的变化，可选地小于或等于4％，可选地小于或等于3％，可选地小于或等于2％，可选地小于或等于1％，可选地小于或等于0.5％，并且在某些方面中，可选地小于或等于0.1％。
另外，范围的公开包括整个范围内的所有值和进一步划分的范围的公开，包括针对该范围给定的端点和子范围。
现在将参考附图更完整地描述示例性实施例。
本技术涉及改进的电化学电池，尤其是锂离子电池组或锂金属电池组，其可以用于车辆应用中。然而，本技术也可以用于其它电化学装置；尤其是包括锂、钠或硫的那些电化学装置，诸如锂硫电池组、电容器、锂离子电容器、钠电池组，使得本文对锂离子电池组的讨论是非限制性的。
已经发现，对于某些锂离子电化学电池或电池组设计，由于长期操作后电解质会干燥，锂离子电池组的寿命可能会缩短。例如，在外层中观察到锂电镀，其中液体电解质已经干燥，导致电化学电池失效。还观察到电解质干燥导致电阻增加和放电容量减小，例如，有时几千次充电/放电循环(例如，缩短寿命大于2,000次循环)截断对比电化学电池的寿命。
参考图1A到1B，提供了锂离子电化学电池堆叠18，其包括多个单独的锂离子电化学电池。图1B示出了来自堆叠18的单个锂离子电化学电池或电池组20。锂离子电池组20包括负电极22、正电极24以及被设置在两个电极22、24之间的多孔隔板26(例如，微孔或纳米多孔聚合物隔板)。多孔隔板26包括电解质30，其也可以存在于负电极22和正电极24中。负电极集电器32可以位于负电极22处或附近，并且正电极集电器34可以位于正电极24处或附近。通常，负电极22和负电极集电器32具有比正电极24和正电极集电器34稍大的面积，使得阳极在组装时覆盖阴极。负电极集电器32和正电极集电器34分别连接到负极端子或突片36和正极端子或突片38。然后，负极突片36和正极突片38可以连接到自由电子移入和移出的外部电路。如图1A中所示，来自多个单独的锂离子电化学电池(如20)的多个负极突片50可以彼此电连接，而多个正极突片52同样可以彼此电连接。可中断的外部电路与负载电连接，该负载连接负电极22(通过其集电器32和负极突片36)和正电极24(通过其集电器34和正极突片38)。
多孔隔板26通过夹在负电极22与正电极24之间而充当电绝缘体和机械支架以防止物理接触，因此防止发生短路。多孔隔板26除了在两个电极22、24之间提供物理屏障之外还可以在锂离子的循环期间提供用于锂离子(和相关阴离子)在内部通过的最小阻力路径，以促进锂离子电池组20的运作。
当负电极22含有相对较大量的锂时，锂离子电池组20可以在放电期间通过当外部电路闭合时(连接负电极22和正电极34)发生的可逆电化学反应产生电流。正电极24与负电极22之间的化学电位差驱动由负电极22处的嵌入锂氧化产生的电子通过外部电路朝向正电极24。也在负电极处产生的锂离子通过电解质30和多孔隔板26同时向正电极24转移。电子流过外部电路并且锂离子迁移穿过电解质30中的多孔隔板26以在正电极24处形成嵌入的或合金化的锂。通过外部电路的电流可以被利用并且引导通过负载装置，直到负电极22中的嵌入锂耗尽并且锂离子电池组20的容量减小。
通过将外部电源连接到锂离子电池组20以逆转在电池组放电期间发生的电化学反应，可以在任何时间对锂离子电池组20(以及堆叠18中的其它电池)进行充电或重新通电。外部电源与锂离子电池组20的连接迫使在正电极24处嵌入锂的非自发氧化以产生电子和锂离子。通过外部电路向负电极22回流的电子和由电解质30携带穿过隔板26返回朝向负电极22的锂离子在负电极22处重聚并且用锂补充负电极以用于下一次电池组放电循环期间的消耗。因而，每个放电和充电事件被认为循环，其中锂离子在正电极24与负电极22之间循环。
可以用于对锂离子电池组20进行充电的外部电源可以取决于锂离子电池组20的大小、构造以及特定最终用途而变化。一些值得注意的和示例性外部电源包括但不限于AC壁式插座和机动车辆交流发电机。在许多锂离子电池组配置中，负集电器32、负极22、隔板26、正极24以及正集电器34中的每一个被制备为相对较薄的层(例如，从几微米到一毫米或者更小厚度)并且以电并联布置连接的层组装以形成堆叠18以提供合适的电能和功率封装。
另外，锂离子电化学电池堆叠18可以包括多种其它部件，虽然这里未描绘，但是本领域技术人员仍然知道这些部件。例如，堆叠18或堆叠18内的每个单独电池组可以包括外壳、垫圈、端子帽，以及可以位于电池组20或堆叠18内((作为非限制性示例)包括在负电极22、正电极24和/或隔板26之间或周围)的任何其它常规部件或材料。如上所述，锂离子电池组20的大小和形状可以取决于其设计的特定应用而变化。例如，电池组供电的车辆和手持式消费者电子装置是其中锂离子电池组20最有可能被设计成不同的大小、容量以及功率输出规格的两个示例。当锂离子电池组20与其它类似的锂离子电池或电池组串联或并联连接时，如果负载装置需要，则产生更大的电压输出、能量以及功率。
因此，锂离子电化学电池堆叠18可以产生到负载装置的电流，该负载装置可以操作地连接到外部电路。虽然负载装置可以是任何数量的已知电动装置，但是耗电负载装置的一些具体示例包括(作为非限制性示例)用于混合动力车辆或全电动车辆的电动机、膝上型计算机、平板计算机、蜂窝电话、移动电话、以及无绳电动工具或电器。负载装置也可以是为了存储能量而对锂离子电化学电池堆叠18进行充电的发电装置。在某些其它变型中，电化学电池可以是超级电容器，诸如基于锂离子的超级电容器。
重新参考图1A到1B，能够在负电极22与正电极24之间传导锂离子的任何合适的电解质30可以用在锂离子电池组20中。在某些方面中，电解质溶液可以是非水液体电解质溶液，其包括溶解在有机溶剂中的锂盐或有机溶剂的混合物。在锂离子电池组20中可以采用许多常规的非水液体电解质30的溶液。可以溶解在有机溶剂中以形成非水液体电解质溶液的锂盐的非限制性列表包括LiPF6、LiClO4、LiAlCl4、LiI、LiBr、LiSCN、LiBF4、LiB(C6H5)4、LiB(C2O4)2、LiBF2(C2O4)、LiAsF6、LiCF3SO3、LiN(CF3SO2)2、LiN(FSO2)2以及它们的组合。如下所讨论，本技术特别适用于与包括LiPF6盐的电解质一起使用。这些和其它类似的锂盐可以溶解在各种有机溶剂中，这些有机溶剂包括但不限于各种碳酸烷基酯，诸如环状碳酸酯(碳酸亚乙酯(EC)、碳酸亚丙酯(PC)、碳酸亚丁酯(BC))、线性碳酸酯(碳酸二甲酯(DMC)、碳酸二乙酯(DEC)、碳酸甲乙酯(EMC))、脂肪族羧酸酯(甲酸甲酯、乙酸甲酯、丙酸甲酯)、γ-内酯(γ-丁内酯、γ-戊内酯)、链结构醚(1,2-二甲氧基乙烷、1-2-二乙氧基乙烷、乙氧基甲氧基乙烷)、环醚(四氢呋喃、2-甲基四氢呋喃)以及它们的组合。
在某些情况下，多孔隔板26可以包括含有(作为非限制性示例)聚烯烃的微孔聚合物隔板。聚烯烃可以是均聚物(衍生自单一单体组分)或杂聚物(衍生自一种以上单体组分)，其可以是直链或支链的。如果杂聚物衍生自两种单体组分，则聚烯烃可以呈现任何共聚物链布置，包括嵌段共聚物或无规共聚物的那些。类似地，如果聚烯烃是衍生自两种以上单体组分的杂聚物，则它同样可以是嵌段共聚物或无规共聚物。在某些方面中，聚烯烃可以是聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)，或PE与PP的共混物，或PE和/或PP的多层结构化多孔膜。可商购的聚烯烃多孔膜26包括可从Celgard LLC获得的(单层聚丙烯隔板)和(三层聚丙烯/聚乙烯/聚丙烯隔板)。
当多孔隔板26是微孔聚合物隔板时，它可以是单层或多层层压板，其可以由干法或湿法制造。例如，在一个实施例中，单层聚烯烃可以形成整个微孔聚合物隔板26。在其它方面中，隔板26可以是纤维膜，其具有在相对表面之间延伸的大量孔，并且可以具有例如小于1毫米的厚度，并且在某些变型中，小于约0.1mm。然而，作为另一个示例，可以组装类似或不同的聚烯烃的多个不连续层以形成微孔聚合物隔板26。另外，多孔隔板26可以与陶瓷材料混合，或者其表面可以涂覆在陶瓷材料中。例如，陶瓷涂层可以包括氧化铝(Al2O3)、二氧化硅(SiO2)或它们的组合。考虑了各种常规可用的聚合物和用于形成隔膜26的商业产品，以及可以用于制备这种微孔聚合物隔板26的许多制造方法。
在各个方面中，负电极22包括电活性材料作为锂基质材料，其能够用作锂离子电池组的负极端子。因此，负电极22可以包括电活性锂基质材料和可选地另一种导电材料，以及一种或多种聚合物粘合剂材料，以在结构上将锂基质材料保持在一起。例如，在一个实施例中，负电极22可以包括活性材料，该活性材料包括(作为非限制性示例。)石墨、硅、锡或与选自下由以下项组成的组的粘合剂材料混合的其它负电极颗粒：聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚四氟乙烯(PTFE)、乙烯丙烯二烯单体(EPDM)橡胶，或羧甲氧基纤维素(CMC)、丁腈橡胶(NBR)、聚丙烯酸锂(LiPAA)、聚丙烯酸钠(NaPAA)、海藻酸钠、海藻酸锂以及它们的组合。合适的附加导电材料可以包括碳基材料或导电聚合物。作为非限制性示例，碳基材料可以包括KETCHENTM黑、DENKATM黑、乙炔黑、炭黑等颗粒。导电聚合物的示例包括聚苯胺、聚噻吩、聚乙炔、聚吡咯等。在某些方面中，可以使用导电材料的混合物。
石墨通常用于形成负电极22，因为它表现出有利的锂嵌入和脱嵌特性，在电化学电池环境中相对不反应，并且可以提供相对较高能量密度的量来存储锂。作为非限制性示例，可以用于制造负电极22的石墨和其它石墨烯材料的商业形式可以从瑞士的TimcalGraphite和Carbon of Bodio、瑞士的Lonza Group of Basel、美国的Superior Graphiteof Chicago、Hitachi Chemicals(例如，表面改性石墨)、中国的BTR(例如，石墨材料)或中国的Shanshan(例如，石墨)获得。其它材料也可以用于形成负电极22，包括例如锂-硅和含硅的二元和三元合金和/或含锡合金，诸如Si-Sn、SiSnFe、SiSnAl、SiFeCo、SnO2等等。在某些替代实施例中，考虑锂-钛阳极材料，诸如Li4+xTi5O12，其中0≤x≤3，包括钛酸锂(Li4Ti5O12)(LTO)。
负电极集电器32和负极突片36可以由铜、铝或本领域技术人员已知的任何其它适当的导电材料形成。
正电极24可以由锂基活性材料形成，该锂基活性材料可以充分地进行锂嵌入和脱嵌或合金化和脱合金，同时用作锂离子电池组20的正极端子。正电极24可以包括聚合物粘合剂材料，以在结构上强化锂基活性材料。正电极24的电活性材料可以包括一种或多种过渡金属，诸如锰(Mn)、镍(Ni)、钴(Co)、铬(Cr)、铁(Fe)、钒(V)以及它们的组合。在某些方面中，正电极24可以包括含有锰(Mn)的电活性材料。可以用于形成正电极24的两种示例性常见类型的已知电活性材料是具有层状结构的锂过渡金属氧化物和具有尖晶石相的锂过渡金属氧化物。例如，在某些实施例中，正电极24可以包括尖晶石型过渡金属氧化物，如锂锰氧化物(Li(1+x)Mn(2-x)O4)，其中x通常小于0.15，包括LiMn2O4(LMO)和锂锰镍氧化物LiMn1.5Ni0.5O4(LMNO)。在其它实施例中，正电极24可以包括层状材料，如锂钴氧化物(LiCoO2)、锂镍氧化物(LiNiO2)、锂镍锰钴氧化物(Li(NixMnyCoz)O2)，其中0≤x≤1，0≤y≤1，0≤z≤1，x+y+z＝1，包括LiMn0.33Ni0.33Co0.33O2、锂镍钴金属氧化物(LiNi(1-x-y)CoxMyO2)，其中0<x<1，0<y<1，M可以是Al、Mn等。也可以使用其它已知的锂过渡金属化合物，诸如磷酸铁锂(LiFePO4)或氟化铁锂(Li2FePO4F)。在某些方面中，正电极24可以包括电活性材料，其包括锰，这种锂锰氧化物(Li(1+x)Mn(2-x)O4)、混合的锂锰镍氧化物(LiMn(2-x)NixO4)，其中0≤x≤1，和/或锂锰镍钴氧化物(例如，LiMn1/3Ni1/3Co1/3O2)。
这样的活性材料可以例如通过用这样的粘合剂浆料浇铸活性材料与可选的导电材料和至少一种聚合物粘合剂混合，这样的粘合剂如聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚四氟乙烯(PTFE)、乙烯丙烯二烯单体(EPDM)橡胶、或羧甲氧基纤维素(CMC)、丁腈橡胶(NBR)、聚丙烯酸锂(LiPAA)、聚丙烯酸钠(NaPAA)、海藻酸钠、海藻酸锂。导电材料可以包括石墨、碳基材料或导电聚合物。作为非限制性示例，碳基材料可以包括KETCHENTM黑、DENKATM黑、乙炔黑、炭黑等颗粒。导电聚合物的示例包括聚苯胺、聚噻吩、聚乙炔、聚吡咯等。在某些方面中，可以使用导电材料的混合物。
正电极集电器34和正极突片38可以由铝或本领域技术人员已知的任何其它适当的导电材料形成。
在其它变型中，本公开提供了一种包括多个电化学电池的电化学装置。每个相应的电池包括第一电极和具有与第一电极相反极性的第二电极。每个相应的电池还包括多孔隔板和被设置在多孔隔板中的电解质液体。液体电解质可选地设置在第一电极、第二电极或第一电极和第二电极这两者中。多个电化学电池一起具有第一体积的电解质液体。电化学装置还包括存储第二体积的电解质液体的集成存储区域。集成意味着存储区域内部包含在电化学装置壳体内，因此形成电化学装置的内部整体部件。集成存储区域与多个电化学电池流体连通，并且被配置为例如当电化学电池中的电解质耗尽时将电解质液体转移到多个电化学电池中。在某些变型中，电解质液体的第二体积至少约为第一体积的3％。在某些变型中，第二体积可选地大于或等于第一体积的约3％到小于或等于第一体积的约10％。在某些变型中，第二体积约为第一体积的5％。
以此方式，与锂离子电池组类似的电化学装置设计提供包含在电化学电池壳体内的集成存储区域中的集成电解质贮存器，以帮助最小化或防止电解质的干燥，从而导致最大化更长时间电池组寿命。
在某些变型中，如图1A和2中所示，集成存储区域包括框架结构并由框架结构限定，该框架结构还可以具有被设置在框架上以容纳液体电解质的壳体。框架结构被设置成与多个电化学电池的至少一个横向边缘相邻并接触。
在图1A中，提供多个电化学电池作为锂离子电化学电池堆叠18。对准的电池或单独的电池组20在堆叠18内对准，从而限定第一横向边缘60。多个负极突片50和多个正极突片52延伸超出第一横向边缘60。集成存储区域70限定与横向边缘60相邻的第一侧72和与第一侧72相对的第二侧74，其中负极突片50和正极突片52穿过第一侧72并穿过第二侧74。因此，负极突片50和正极突片52从第二侧74突出。
集成存储区域70可以形成为框架结构80和壳体82。因此，壳体82可以在容纳液体电解质84的多个侧面上形成密封容器。集成存储区域70沿着第一侧72与锂离子电化学电池堆叠18的多个电化学电池20流体连通。因此，集成存储区域70被配置为当电解质在堆叠18中耗尽时将电解质液体84转移到多个电化学电池20中。
框架结构80可以包括选自由以下项组成的组的聚合物材料：聚烯烃、含氟聚合物以及它们的组合。在某些变型中，聚合物材料是选自由以下项组成的组：聚四氟乙烯(PTFE)(例如， PTFE)、聚丙烯(PP)、聚乙烯(PE)、聚偏二氟乙烯(PVdF)(例如， PVdF)，以及它们的组合。围绕框架结构80设置的壳体82可以由与框架结构80相同的聚合材料形成。值得注意的是，框架结构80和壳体82可以作为单个结构而例如通过模制彼此整体地形成，并且由相同的材料形成。
锂离子电化学电池堆叠18中的多个电化学电池20一起共同限定堆叠高度62和堆叠宽度64。在典型的软包或棱柱形电池中，该堆叠的非限制性示例性高度可以大于或等于约5mm到小于或等于约40mm，可选地大于或等于约6mm到小于或等于约13mm。非限制性示例性宽度可以大于或等于约60mm到小于或等于约300mm，可选地大于或等于约90mm到小于或等于约200mm。典型的棱柱形电池的非限制性和示例性长度可以大于或等于约100mm到小于或等于约600mm，可选地大于或等于约100mm到小于或等于约300mm。集成存储区域70限定小于或等于堆叠高度62的第一高度66和小于或等于堆叠宽度64的第一宽度68。在某些变型中，从第一侧72到第二侧74的长度69大于或等于约1mm到小于或等于约40mm。
应当注意的是，框架结构80可以形成在锂离子电化学电池堆叠18的区域内，在常规设计中，该区域仅由负极突片50和正极突片52占据。因此，锂离子电化学电池堆叠18的设计大小/占地面积不需要从图1A到1B的实施例中的常规设计改变。
图2示出了与图1A到1B中所示的变型类似的替代变型。为了简洁起见，相同的编号用于与图1A到1B中的设计所共享的元件。在该设计中，第二横向边缘90被设置在与锂离子电化学电池堆叠18的第一横向边缘60相对的一侧上。集成存储区域92限定与第二横向边缘90相邻的第一侧94。集成存储区域92可以形成为框架结构96和壳体98。因此，壳体98可以在容纳液体电解质100的多个侧面上形成密封容器。集成存储区域92沿着第一侧94与锂离子电化学电池堆叠18流体连通。因此，集成存储区域92被配置为当电解质在堆叠18中耗尽时将电解质液体100转移到多个电化学电池20中。集成电解质存储区域也可以替代地或作为集成存储区域92(或图1A的集成存储区域70)的补充设置在锂离子电化学电池堆叠18的其它侧面102上。值得注意的是，在图2的设计中，锂离子电化学电池堆叠18的设计/占地面积将大于常规的堆叠，并且可能需要对附属设备和系统进行修改，如本领域技术人员所认识到的。
在图3中所示的又一变型中，示出了第一电极110和第二电极112。值得注意的是，本文提到的电极可以是电极组件，包括电极活性材料、集电器和端子/突片。第一开口或孔隙114具有对称形状并且形成在第一电极110的中心区域116中。对称形状被示为正方形，但是也可以是圆形或其它形状。对称形状有助于电池压力和电池内电场的均匀性。可以例如通过激光切割将对称形状冲压或切割成第一电极110。值得注意的是，可以在第一电极110中形成一个以上的第一孔隙114，并且可以将第一孔隙114定位在第一电极110的不同区域中。
第二电极112同样具有第二孔隙118，其也具有对称形状并且具有与第一孔隙114相同的形状，并且可以相同方式形成。第二孔隙118形成在第二电极112的中心区域120中。与第一孔隙114一样，可以在第二电极112中形成一个以上的第二孔隙118，并且可以将第二孔隙118定位在第二电极112的不同区域中。第一电极110中的第一孔隙114和第二电极112中的第二孔隙118可以形成在相同的位置。因此，当第一电极110和第二电极112在堆叠122中组装在一起时，第一孔隙114和第二孔隙118可以对准。
在对准过程之前，多孔隔板124可以被设置在第一电极110与第二电极112之间。当多个第一电极110、多孔隔板124以及第二电极112对准并组装在一起时，集成存储区域128由相应的对准的孔隙114和118限定。当电池组用液体电解质充电时，集成存储区域128用作过量电解质的贮存器。另外，集成存储区域128与堆叠中的多个电化学电池流体连通，并且因为电解质可以流过多孔隔板124，所以它可以在整个堆叠中分配和转移。
在某些方面中，例如在集成存储区域128中渗透有电解质的区域小于或等于总电极区域的约20％，可选地大于或等于约0.5％到小于或等于约5％。图3中所示的集成存储区域128因此形成在锂离子电化学电池堆叠122的区域内，使得不需要从常规设计改变锂离子电化学电池堆叠122的设计的大小/占地面积。
图4中提供了根据本公开的电化学装置的另一种变型。在该设计中，多个电化学电池处于卷绕配置。示出了第一电极材料的第一片材150。还示出了第二电极材料的第二片材152。值得注意的是，第二片材152具有比第一片材150更大的尺寸，使得它覆盖第一片材150。多孔隔板材料的第三片材154被设置在第一电极材料的第一片材150与第二电极材料的第二片材152之间。多个第一孔隙160形成在第一电极材料的第一片材150中。第一孔隙160具有与图3中类似的对称形状，并且通常形成在第一片材150的中心区域162中。第一孔隙160的对称形状被示为方形，但是如前所述，可以是其它形状。
多个第二孔隙170形成在第二电极材料的第二片材152中。第二孔隙170与第一孔隙160共享相同的对称形状，并且通常形成在第二片材152的中心区域172中。第一孔隙160和第二孔隙170可以通过冲压或切割(例如如上所述的激光切割)形成。在将多孔隔板材料的第三片材154设置在第一片材150与第二片材152之间之后，布置成使得多个第一孔隙160中的每一个与多个第二孔隙170对准。然后，将第一片材150、第二片材152以及多孔隔板154的组件彼此卷绕以形成电化学电池的卷绕堆叠180。在卷绕之后，集成电解质存储区域182形成在卷绕堆叠180的中心区域184中。当电池组用液体电解质充电时，集成存储区域182用作过量电解质的贮存器。另外，集成存储区域182与卷绕堆叠180中的多个电化学电池流体连通，并且因为电解质可以流过多孔隔板(第三片材154)，所以它可以在整个堆叠180中分配和转移。图4中所示的集成存储区域182因此形成在锂离子卷绕堆叠180的区域内，使得不需要从常规设计改变堆叠180的设计的大小/占地面积。
在图5到6中所示的本公开的另一个变型中，锂离子电化学电池堆叠200包括连接在一起的多个电化学电池202。每个电池202包括负电极210、正电极212以及被设置在两个电极210和212之间的多孔隔板214(例如，微孔或纳米多孔聚合物隔板)。多孔隔板214包括电解质，其也可以存在于负电极210和正电极212中。如上所述，负电极210和正电极212各自可以是电极组件，包括活性材料层、集电器、端子/突片等。
在该变型中，外部壳体或包层218封装多个电化学电池202。包层218包括可选的外部壳体220层，其对液体和外部污染物是不可渗透的。包层218包括吸附或吸收材料层222，其可以吸附/吸收液体电解质。因此，吸收材料层222因此用作堆叠200的集成电解质存储区域。在某些变型中，吸收材料层222的平均孔隙率可以大于或等于约30％到小于或等于约80％。吸收材料层222有利地是电绝缘的并且在电解质存在下是稳定的。吸收材料层222对称地覆盖多个电化学电池202，并且在某些变型中与包层218的内表面共同延伸。
在某些情况下，吸收材料层222可以包括作为电池组或电容器多孔隔板、纤维素膜、玻璃纤维纸、碳纤维纸以及它们的任何组合的材料。吸收材料层222的厚度可以大于或等于约6μm到小于或等于约500μm。在某些方面中，吸附材料层222的第一尺寸224(诸如长度)大于或等于负电极210的第二尺寸225，诸如其长度。另外，吸附材料层222的第三尺寸226(诸如宽度)可以大于或等于多孔隔板214的第四尺寸227，诸如其宽度。
在卷绕多个电化学电池202之后，可以通过本领域已知的任何常规方式密封包层218。当电池组用液体电解质充电时，吸附材料层222用作过量电解质的贮存器。吸收材料层222与堆叠200中的多个电化学电池202流体连通，使得过量的电解质可以流入电化学电池并且根据需要在整个堆叠200中分配和转移。
在图7中，类似的设计被示出在图5和6中。然而，电化学装置230包括处于卷绕配置的多个电化学电池232，其形成圆柱形电池核心，该电池核心具有第一端子234和相反极性的第二端子236。外部壳体或包层240封装多个电化学电池232。包层240包括外部壳体层242，其对液体和外部污染物是不可渗透的。包层240还包括吸附或吸收材料层246，其可以吸附/吸收液体电解质。因此，吸收材料层246用作电化学装置230的集成电解质存储区域，其与多个电化学电池232流体连通。以此方式，电解质可以根据需要转移到电化学电池232中，以帮助延长电化学装置230的寿命。吸收材料层246可以有具有与上面在图5和6中的吸收材料层222的上下文中描述的相同性质的相同组分。在某些方面中，吸附材料层246的第一尺寸248(诸如长度)大于或等于圆柱形电池核心的周长250。在具有圆柱形状的典型金属壳电池中，圆柱体的非限制性示例性直径可以大于或等于约18mm到小于或等于约100mm，可选地大于或等于约18mm到小于或等于约40mm。典型金属壳单元的非限制性和示例性长度可以大于或等于约60mm到小于或等于约600mm，可选地大于或等于约60mm到小于或等于约200mm。另外，吸附材料层246的第二尺寸252(诸如宽度)可以大于或等于多孔隔板214的第三尺寸254，诸如其宽度。在卷绕多个电化学电池232之后，可以通过本领域已知的任何常规方式密封包层240。
在各个方面中，本公开提供了延长电化学装置的寿命的方法。该方法包括将液体电解质引入电化学装置中，该电化学装置包括多个电化学电池和集成存储区域。集成存储区域与多个电化学电池流体连通，并且每个相应的电化学电池包括第一电极、具有与第一电极相反极性的第二电极以及多孔隔板。预期在结合有集成存储区域的电化学装置上的任何前述讨论的变型都可用于这些方法。多个电化学电池限定用于接收液体电解质的第一体积，并且集成存储区域限定用于接收液体电解质的第二体积。第二体积至少约为第一体积的3％，并且第二体积大于或等于第一体积的约3％到小于或等于第一体积的约10％。在电化学装置的循环期间，通过将过量电解质引入集成存储区域，与具有相同多个内部电池但缺乏内部电解质存储区域的对比电化学装置相比，电化学装置的寿命延长至少500深度充电/放电循环。电化学装置内的集成存储系统提供附加的电解质容量，这有助于最小化或防止电解质干燥，因此导致更长的电池组寿命。
在某些变型中，与具有多个内部电池但缺乏内部电解质存储区域的对比电化学装置相比，结合集成电解质存储区域的电化学装置可以将电化学电池的寿命延长至少约500个深度放电循环，可选地至少约1,000个深度放电循环，可选地至少约1,500个深度放电循环，可选地大于或等于约2,000个深度放电循环，并且在某些变型中，可选地大于或等于约2,500个深度放电循环。
为了说明和描述目的已提供实施例的前述描述。该前述描述不旨在穷举或限制本公开。特定实施例的单独元件或特征大体上不限于该特定实施例，但是如果合适的话是可互换的并且可在选定实施例中使用，即便没有具体示出或描述。同样这也可以按照许多方式改变。这样的变化不应被视为脱离本公开，且所有这样的修改旨在被包括在本公开的范围内。

Claims (9)

1.一种电化学装置，包括：
包括至少一个电化学电池的堆叠，其包括：
第一电极；
第二电极，其具有与所述第一电极相反的极性；
多孔隔板；
电解质液体，其被设置在所述多孔隔板中，并且可选地设置在所述第一电极、所述第二电极或所述第一电极和所述第二电极这两者中，
其中所述堆叠包括第一体积的电解质液体；以及
具有第二体积的电解质液体的集成存储区域，所述集成存储区域与所述堆叠中的所述至少一个电化学电池流体连通并且被配置为将所述电解质液体转移到所述堆叠中的所述至少一个电化学电池中，其中所述第二体积至少约为所述第一体积的3％。
2.根据权利要求1所述的电化学装置，其中所述堆叠限定横向边缘，并且所述集成存储区域包括框架结构和壳体，并且所述集成存储区域被设置成与所述横向边缘相邻并接触，其中所述框架结构包括选自由以下项组成的组的聚合物材料：聚烯烃、含氟聚合物以及它们的组合。
3.根据权利要求2所述的电化学装置，其中所述至少一个电化学电池包括连接到所述第一电极的第一突片和连接到所述第二电极的第二突片，其中所述第一突片和所述第二突片延伸超出所述横向边缘，并且所述集成存储区域限定与所述横向边缘相邻的第一侧和与所述第一侧相对的第二侧，其中所述第一突片和所述第二突片分别从所述第一侧行进并穿过所述第一侧到所述第二侧并穿过所述第二侧以便从所述第二侧突出。
4.根据权利要求2所述的电化学装置，其中所述至少一个电化学电池包括连接到所述第一电极的第一突片和连接到所述第二电极的第二突片，其中所述横向边缘位于所述电化学电池的与所述第二电极相对的一侧上，并且所述集成存储区域被设置成与所述横向边缘相邻并接触。
5.根据权利要求1所述的电化学装置，其中所述堆叠限定堆叠高度和堆叠宽度，并且所述集成存储区域限定小于或等于所述堆叠高度的第一高度和小于或等于所述堆叠高度的第一宽度。
6.根据权利要求1所述的电化学装置，其中所述集成存储区域具有从所述第一侧到所述第二侧的长度，所述长度大于或等于约1mm到小于或等于约40mm。
7.根据权利要求1所述的电化学装置，其中所述第一电极包括第一孔隙，并且所述第二电极包括第二孔隙，其中当所述第一和第二孔隙对准时使得它们限定所述集成存储区域。
8.根据权利要求1所述的电化学装置，其中所述集成存储区域围绕所述堆叠的外部的至少一部分，其中所述集成存储区域包括含有所述电解质液体的吸附材料。
9.一种电化学装置，包括：
多个电化学电池，每个电化学电池分别包括：
第一电极；
第二电极，其具有与所述第一电极相反的极性；
多孔隔板；
电解质液体，其被设置在所述多孔隔板中，并且可选地设置在所述第一电极、所述第二电极或所述第一电极和所述第二电极这两者中，
其中所述多个电化学电池包括第一体积的电解质液体；以及
存储第二体积的电解质液体的集成存储区域，所述集成存储区域与所述多个电化学电池流体连通并且被配置为将所述电解质液体转移到所述多个电化学电池中，其中电解质液体的所述第二体积至少约为所述第一体积的3％。
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