CN112236893A - 混杂电极和利用其的电化学电池和模块 - Google Patents
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Abstract
混杂电化学电池和模块包括在一个或多个阳极区域中用主体材料涂覆的阳极双面集流器和在一个或多个阴极区域中用活性材料涂覆的阴极双面集流器，和所述阳极集流器和所述阴极集流器中的一个或多个在一个或多个不同的、非重叠的电容器区域中用电容器材料涂覆。混杂阳极和/或阴极可以包括在电容器区域与阳极区域和阴极区域之间的间隙。施加到电极的电容器材料不同于其主体材料或活性材料。活性材料包括锂金属氧化物和锂金属磷酸盐，例如LiFePO4、Li(NixMnyCoz)O2和/或LiMn2O4；主体材料包括石墨、硅、硅‑Li/Sn/Cu合金、Si/Co/Fe/TiSn氧化物和低表面积碳；和电容器材料包括活性炭、金属氧化物和金属硫化物。
Description
技术领域
锂离子电池组(batteries)描述了一类其中锂离子在负电极(即阳极)和正电极(即阴极)之间移动的可再充电的电池组。液体和聚合物电解质可促进锂离子在阳极和阴极之间的移动。锂离子电池组由于它们的高能量密度和经受连续充电和放电循环的能力而在国防、汽车和航空航天应用中越来越受欢迎。
发明内容
提供了混杂电化学电池(cell)并且其包括阳极和阴极，该阳极包括双面集流器，其中所述集流器的每一面可在一个或多个阳极区域中涂覆有阳极主体材料并在一个或多个电容器区域中涂覆有电容器材料，该阴极包括双面集流器，其中所述集流器的每一面可在一个或多个阴极区域中涂覆有阴极活性材料并在一个或多个电容器区域中涂覆有电容器材料。所述阳极的所述一个或多个电容器区域可以与所述一个或多个阳极区域不同并且不重叠，和/或所述阴极的所述一个或多个电容器区域可以与所述一个或多个阴极区域不同并且不重叠。所述阳极可以包括在所述一个或多个电容器区域和所述一个或多个阳极区域之间的间隙，和/或所述阴极可以包括在所述一个或多个电容器区域和所述一个或多个阴极区域之间的间隙。所述电容器材料可以是活性炭、石墨、碳气凝胶、碳化物衍生的碳、石墨烯、氧化石墨烯、碳纳米管、氧化铅、氧化锗、氧化钴、氧化镍、氧化铜、氧化铁、氧化锰、氧化钌、氧化铑、氧化钯、氧化铬、氧化钼、氧化钨、氧化铌、TiS2、NiS、Ag4Hf3S8、CuS、FeS和FeS2中的一种或多种。施加到所述阳极集流器的电容器材料可不同于阳极主体材料，施加到所述阴极集流器的电容器材料可不同于阴极活性材料。所述阳极主体材料可包括钛酸锂、TiNb2O7、硅、一种或多种硅-锂合金、一种或多种硅-锡合金、一种或多种硅-铜合金、一种或多种硅氧化物、一种或多种钴氧化物、一种或多种铁氧化物、一种或多种钛氧化物、锡、一种或多种锡氧化物、硬碳、软碳和石墨中的一种或多种。所述阴极活性材料可包括一种或多种锂金属氧化物。所述阴极活性材料可包括磷酸铁锂、锂镍-锰-钴氧化物和尖晶石结构的锂锰氧化物中的一种或多种，所述阳极主体材料可包括石墨、硅和一种或多种硅氧化物中的一种或多种，和所述电容器材料可包括活性炭。
提供了混杂电化学电池并且其包括阳极和阴极，该阳极包括双面阳极集流器，其中所述阳极集流器的每一面可以至少部分地涂覆有阳极主体材料，该阴极包括双面集流器，其中所述集流器的每一面可以至少部分地涂覆有阴极活性材料。所述阳极集流器和/或阴极集流器可在一个或多个电容器区域中涂覆有电容器材料。所述阳极集流器和阴极集流器中的每一个可在一个或多个电容器区域中涂覆有电容器材料。涂覆在阴极集流器上的电容器材料可包括活性炭、石墨、碳气凝胶、碳化物衍生的碳、石墨烯、氧化石墨烯、碳纳米管、氧化铅、氧化锗、氧化钴、氧化镍、氧化铜、氧化铁、氧化锰、氧化钌、氧化铑、氧化钯、氧化铬、氧化钼、氧化钨、氧化铌、TiS2、NiS、Ag4Hf3S8、CuS、FeS、FeS2、聚(3-甲基噻吩)、聚苯胺、聚吡咯、聚(对苯撑)、多并苯、聚噻吩和聚乙炔中的一种或多种。所述阴极活性材料可包括磷酸铁锂、锂镍-锰-钴氧化物和尖晶石结构的锂锰氧化物中的一种或多种，所述阳极主体材料可包括石墨、硅和一种或多种硅氧化物中的一种或多种，和所述电容器材料可包括活性炭。所述阳极主体材料可包括钛酸锂、TiNb2O7、硅、一种或多种硅-锂合金、一种或多种硅-锡合金、一种或多种硅-铜合金、一种或多种硅氧化物、一种或多种钴氧化物、一种或多种铁氧化物、一种或多种钛氧化物、锡、一种或多种锡氧化物、硬碳、软碳和石墨中的一种或多种。所述阴极活性材料可包括一种或多种锂金属氧化物。
提供了混杂电化学模块并且其包括多个堆叠或卷绕的电极对。每个电极对包括阳极和阴极，所述阳极包括双面阳极集流器，其中所述阳极集流器的每一面可至少部分地涂覆有阳极主体材料，所述阴极包括双面集流器，其中所述集流器的每一面可至少部分地涂覆有阴极活性材料。每个电极对的阳极集流器和/或阴极集流器可在一个或多个电容器区域中涂覆有电容器材料。所述电容器材料可以包括活性炭、石墨、碳气凝胶、碳化物衍生的碳、石墨烯、氧化石墨烯、碳纳米管、氧化铅、氧化锗、氧化钴、氧化镍、氧化铜、氧化铁、氧化锰、氧化钌、氧化铑、氧化钯、氧化铬、氧化钼、氧化钨、氧化铌、TiS2、NiS、Ag4Hf3S8、CuS、FeS和FeS2中的一种或多种。所述电容器材料和所述阳极主体材料和/或阴极主体材料的厚度可以是约20微米至约200微米。所述一个或多个阳极区域和/或一个或多个阴极区域的宽度可以为约25毫米至约500毫米，和所述一个或多个电容器区域的宽度可以为约5毫米至约400毫米。每个电极对的阳极集流器和阴极集流器可在一个或多个电容器区域中涂覆有电容器材料。所述阴极活性材料可包括磷酸铁锂、锂镍-锰-钴氧化物和尖晶石结构的锂锰氧化物中的一种或多种，所述阳极主体材料可包括石墨、硅和一种或多种硅氧化物中的一种或多种，和所述电容器材料可包括活性炭。
示例性实施方案的其它目标、优点和新颖特征将从示例性实施方案的以下详细描述和附图变得更加显而易见。
附图说明
图1示出了根据一个或多个实施方案的混杂电化学电池；
图2A示出了根据一个或多个实施方案的混杂电极的示意图；
图2B示出了根据一个或多个实施方案的方形混杂电化学模块的透视图；
图3A示出了根据一个或多个实施方案的混杂电极的示意图；
图3B示出了根据一个或多个实施方案的方形混杂电化学模块的透视图；
图4A示出了根据一个或多个实施方案的混杂阳极的侧视图；
图4B示出了根据一个或多个实施方案的混杂阳极的顶视图；
图4C示出了根据一个或多个实施方案的混杂阴极的侧视图；
图4D示出了根据一个或多个实施方案的混杂阴极的顶视图；
图4E示出了根据一个或多个实施方案的卷绕的混杂电化学模块的透视图；
图5A示出了根据一个或多个实施方案的混杂阳极的侧视图；
图5B示出了根据一个或多个实施方案的混杂阳极的顶视图；
图5C示出了根据一个或多个实施方案的混杂阴极的侧视图；
图5D示出了根据一个或多个实施方案的混杂阴极的顶视图；和
图5E示出了根据一个或多个实施方案的卷绕的混杂电化学模块的透视图。
具体实施方式
本文中描述了本公开的实施方案。然而，应当理解，所公开的实施方案仅仅是例子并且其他实施方案可以采取各种和替代形式。附图不一定是按比例绘制的；一些特征可以被放大或缩小以示出特定组件的细节。因此，本文中公开的具体结构和功能细节不应被解释为限制性的，而是仅仅作为用于教导本领域技术人员以各种方式利用本发明的代表性基础。如本领域技术人员将理解的，参考任何一个附图示出和描述的各种特征可以与一个或多个其它附图中示出的特征组合以产生未明确示出或描述的实施方案。所示出的特征的组合提供了典型应用的代表性实施方案。然而，符合本公开教导的特征的各种组合和改变对于特定应用或实施可能是期望的。
本文中提供的是利用一个或多个混杂电极的混杂电化学电池，所述一个或多个混杂电极包含与相容的电容器材料以不同方式组合的用于锂离子电池组的阳极和/或阴极材料。所述混杂电化学电池表现出锂离子电池组和电容器两者的有益性能，例如增强的能量密度(Wh/kg)和功率密度(W/kg)。给定混杂电池的能量密度和功率密度特性可根据施加到多个混杂电池电极的电池组电极材料和电容器电极材料的量、组成和比率而变化。通常，通过增加电池组材料含量和/或通过选择高比能量电池组电极材料来改进能量密度，而通过增加电容器电极材料含量和/或通过选择高比功率密度电容器组合物来提高混杂电化学电池的功率密度。
图1示出了混杂电化学电池1，其包括负电极(即阳极)10、正电极(即阴极)20、可运行地设置在阳极10和阴极20之间的电解质3、和隔离件2。阳极10、阴极20和电解质3可封装在容器4中，该容器例如可以是硬(例如金属)壳或软(例如聚合物)袋。阳极10和阴极20位于隔离件2的相对侧，该隔离件可包含微孔聚合物或能够传导锂离子的其它合适材料和任选的电解质3(即液体电解质)。
混杂电化学电池1通常通过在阳极10和阴极20之间可逆地传递锂离子来运行。锂离子在充电时从阴极20移动到阳极10，并在放电时从阳极10移动到阴极20。在放电开始时，阳极10包含高浓度的嵌入锂离子而阴极20相对耗尽，并且在这种情况下在阳极10和阴极20之间建立闭合外部电路使得嵌入的锂离子从阳极10被提取。提取的锂原子在它们离开嵌入主体时在电极-电解质界面处分裂成锂离子和电子。锂离子被离子导电的电解质3通过隔离件2的微孔从阳极10运送到阴极20，同时电子通过外部电路被从阳极10传输到阴极20以平衡整个电化学电池。这种电子通过外部电路的流动可以被控制并供应到负载设备，直到负电极中的嵌入锂的水平降到低于可工作水平或者对电力的需求终止。箭头指示电流流出阳极10并且电流流入阴极20，并因此混杂电池10显示为充电状态。
混杂电化学电池1可以在其可用容量部分或完全放电之后再充电。为了对混杂电化学电池1充电或再充能，将外部电源(未示出)连接到正电极和负电极以驱动混杂电化学电池1放电电化学反应的逆反应。即，在充电期间，外部电源提取存在于阴极20中的锂离子以产生锂离子和电子。锂离子被电解质3通过隔离件2运送回去，并且电子被通过外部电路A驱动回去，两者都回到阳极10。锂离子和电子最终在阳极10处重新结合，从而用嵌入的锂补充它以用于将来的电池放电。
混杂电化学电池1，或包括多个串联和/或并联连接的混杂电化学电池1的模块或包，可用于向相关负载设备可逆地供应功率和能量。混杂电化学电池尤其也可用于各种消费电子设备(例如，笔记本电脑、相机和蜂窝/智能电话)、军事电子产品(例如，无线电(radios)、探雷器和热武器(thermal weapons))、飞行器和卫星。混杂电化学电池、模块和包可以安装在车辆例如混合动力电动车辆(HEV)、电池组电动车辆(BEV)、插入式HEV或增程电动车辆(EREV)中，以产生足够的功率和能量来操作车辆的一个或多个系统。例如，混杂电化学电池、模块和包可以与汽油或柴油内燃机组合使用以驱动车辆(例如在混合动力电动车辆中)，或者可以单独使用以驱动车辆(例如在以电池组为动力的车辆中)。
阳极10包括双面集流器11和阴极20包括双面集流器21。集流器11和21通常由具有不同尺寸和几何形状的薄金属箔形成。与两个电极10和20相关联的集流器11和21通过外部电路A连接，该外部电路A允许电流在电极之间通过以电平衡相关的锂离子迁移。阳极集流器11可包含铜、铝、不锈钢、包覆箔(clad foil)或本领域技术人员已知的任何其它合适的导电材料。阴极集流器21可包含铝、不锈钢或本领域技术人员已知的任何其它合适的导电材料，并且可形成为箔或格栅形状。在一些实施方案中，集流器11和21可具有约4微米至约25微米的厚度。
阳极集流器11具有在一个或多个阳极区域中施加到其每一面上的锂嵌入主体材料13，和阴极集流器21具有在一个或多个阴极区域中施加到其每一面上的锂基活性材料23。活性材料23可以在比嵌入主体材料13更高的电位储存锂离子。阳极10和阴极20中的至少一个是混杂电极并进一步分别包括在一个或多个电容器区域中施加到其对应集流器11和21的每一面上的电容器材料12和22。因此，混杂电化学电池1可以包括混杂阳极10、混杂阴极20、或混杂阳极10和混杂阴极20。对于给定的混杂阳极10，施加到阳极集流器11的电容器材料12不同于阳极主体材料13。类似地，对于给定的混杂阴极20，施加到阴极集流器21的电容器材料22不同于阴极活性材料23。通常，集流器11和21在双面上在各自的、不同的、非重叠的区域中涂覆有单独的电极材料(主体材料13、活性材料23和电容器材料12和22)的多孔层。在一些实施方案中，阳极10和/或阴极20分别在集流器11或21的一个或多个阳极区域或一个或多个阴极区域与一个或多个电容器区域之间包括间隙。这种间隙包括集流器11或21的未涂覆(即，裸露)区域，其接纳在混杂电池充电和放电期间可能发生的主体材料13、活性材料23和电容器材料12和22的膨胀。可改变涂层的厚度以调节所述层接受和释放锂离子和锂电解质溶液的阴离子的能力。在集流器的每一面上涂层的厚度不必相同。
主体材料13可包括任何可充分进行锂离子嵌入、脱嵌和合金化同时充当混杂电化学电池1的负极端子的锂主体材料。在一个实施方案中，主体材料13包含钛酸锂。在一些实施方案中，主体材料13包括钛酸锂("LTO")、硅、硅-锂合金、硅-锡合金、硅-铜合金、氧化硅、锡、锡氧化物、钴氧化物、铁氧化物、钛氧化物(例如TiO2)、TiNb2O7、和低表面积碳材料包括硬碳、软碳和石墨。在电池放电期间，电子从主体材料13释放到需要电能的外部电路A中，并且锂离子释放(脱嵌)到无水锂离子传导电解质3中。在一些实施方案中，可以将少量的导电性增强碳颗粒与主体材料13混合。
活性材料23可包括任何可充分进行锂嵌入和脱嵌同时充当混杂电化学电池1的正极端子的锂基活性材料。在一个实施方案中，活性材料23包括锂锰氧化物。在一些实施方案中，活性材料23包括锂-金属氧化物和锂金属磷酸盐，其包括但不限于锂锰氧化物、锂镍氧化物、锂钴氧化物、锂镍锰钴氧化物或锂铁磷酸盐。具体的锂金属氧化物包括锂铝锰氧化物(例如LixAlyMn1-yO2)和锂过渡金属氧化物例如尖晶石结构的锂锰氧化物LiMn2O4("LMO")、锂钴氧化物(例如LiCoO2)、锂镍-锰-钴氧化物(例如Li(NixMnyCoz)O2，其中x+y+z=1)("NMC")、锂镍氧化物(例如LiNiO2)、锂钒氧化物(例如LiV2O5)或锂铁聚阴离子氧化物例如磷酸锂铁LiFePO4("LFP")或氟磷酸铁锂(Li2FePO4F)。活性材料23也可包括聚合物粘合剂材料以在结构上将锂基活性材料保持在一起。
电容器材料12和/或22包括高表面积碳材料，或在一些实施方案中包括活性炭材料("AC")。在一些实施方案中，电容器材料12和/或22包括AC，石墨，碳气凝胶，碳化物衍生的碳，石墨烯，氧化石墨烯，碳纳米管，铅、锗、钴、镍、铜、铁、锰、钌、铑、钯、铬、钼、钨或铌的氧化物，金属硫化物(例如TiS2、NiS、Ag4Hf3S8、CuS、FeS或FeS2)。AC可以包括例如AC颗粒或AC纤维。在一些实施方案中，电容器材料22可以包含任何上述材料和另外地或者替代性地包含聚(3-甲基噻吩)、聚苯胺、聚吡咯、聚(对苯撑)、多并苯、聚噻吩和聚乙炔中的一种或多种。碳质电容器材料12和/或22被表面改性以提供高材料表面积。例如，在石墨的情况下，阳极主体材料13可以包含支持锂离子的嵌入/脱嵌(通过化学机理)的低表面积石墨，而电容器材料12和/或22可以包含支持阴离子或阳离子的吸附/解吸(通过物理机理)的高表面积石墨。前述石墨对比同样适用于本文中描述的其它碳质阳极主体材料13和电容器材料12和/或22。在一些实施方案中，阴极活性材料23可包括约0.2平方米/克至约30平方米/克的表面积。在一些实施方案中，阳极主体材料13可包括约0.5平方米/克至约50平方米/克的表面积。在一些实施方案中，电容器材料12和/或22可包括约1,000平方米/克至约3,000平方米/克的表面积。
在一个实施方案中，阴极20包含施加到阴极集流器21的一面或双面的LFP活性材料23和AC电容器材料22，和阳极10包含施加到阳极集流器11的一面或双面的石墨主体材料13。在一个实施方案中，阴极20包含施加到阴极集流器21的一面或双面的NMC活性材料23和AC电容器材料22，和阳极10包含施加到阳极集流器11的一面或双面的石墨主体材料13。在一个实施方案中，阴极20包含施加到阴极集流器21的一面或双面的LMO活性材料23和AC电容器材料22，和阳极10包含施加到阳极集流器11的一面或双面的LTO主体材料13。在一个实施方案中，阴极20包含施加到阴极集流器21的一面或双面的NMC活性材料23和AC电容器材料22，和阳极10包含施加到阳极集流器11的一面或双面的LTO主体材料13。在一个实施方案中，阴极20包含施加到阴极集流器21的一面或双面的LFP活性材料23和AC电容器材料22，和阳极10包含施加到阳极集流器11的一面或双面的石墨和硅或硅氧化物主体材料13。在一个实施方案中，阴极20包含施加到阴极集流器21的一面或双面的NMC活性材料23和AC电容器材料22，和阳极10包含施加到阳极集流器11的一面或双面的石墨和硅或硅氧化物主体材料13主体材料13。
阳极主体材料13、阴极活性材料23和电容器材料12和/或22可进一步包含聚合物粘合剂材料以将每种材料粘附到其所附属的集流器上。合适的聚合物粘合剂材料包括聚偏二氟乙烯(PVdF)、乙烯丙烯二烯单体(EPDM)橡胶、羧甲氧基纤维素(CMC)、和苯乙烯1,3-丁二烯聚合物(SBR)或聚四氟乙烯(PTFE)中的一种或多种。粘合剂理想地是不导电的，并且应该以最小合适量使用以获得多孔电极材料的耐久涂层而不完全覆盖材料颗粒的表面。
任何可在阳极10和阴极20之间传导锂离子的合适电解质溶液都可以用于混杂电池10中。在一个实施方案中，所述电解质溶液可以是包含溶解在有机溶剂或有机溶剂混合物中的锂盐的非水液体电解质溶液。可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LiClO4、LiAlCl4、LiI、LiBr、LiSCN、LiBF4、LiB(C6H5)4、LiAsF6、LiCF3SO3、LiN(CF3SO2)2、LiPF6及其混合物。这些和其它类似的锂盐可以溶解在各种有机溶剂中，例如但不限于环状碳酸酯(碳酸亚乙酯、碳酸亚丙酯、碳酸亚丁酯)、无环碳酸酯(碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、碳酸乙基甲基酯)、脂族羧酸酯(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)、环状醚(四氢呋喃、2-甲基四氢呋喃)及其混杂物。聚合物电解质3可包含一种或多种聚合物，例如尤其是聚环氧乙烷(PEO)或聚丙烯腈，和一种或多种锂盐，例如尤其是LiPF6、LiBF4、LiClO4、LiSICON或LiPON。
隔离件2用于防止阳极10和阴极20之间的直接电接触，并且选择形状和尺寸以服务该功能。在混杂电化学电池1的组装中，两个电极被压向隔离件3的相对侧，并且在它们之间设置电解质3。例如，可以将液体电解质3注入到隔离件2和电极材料层的孔隙中。在一个实施方案中，微孔聚合物隔离件2可以包含聚烯烃。所述聚烯烃可以是直链或支链的均聚物(衍生自单一单体成分)或杂聚物(衍生自多于一种单体成分)。如果使用衍生自两种单体成分的杂聚物，则聚烯烃可以采取任何共聚物链排列，包括嵌段共聚物或无规共聚物的那些。如果聚烯烃是衍生自多于两种单体成分的杂聚物，也同样如此。在一个实施方案中，聚烯烃可以是聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)或PE和PP的共混物。隔离件2可以任选地用材料陶瓷涂覆，所述材料尤其包括陶瓷型铝氧化物(例如Al2O3)和锂化沸石型氧化物中的一种或多种。锂化沸石型氧化物可以提高锂离子电池组例如混杂电池10的安全性和循环寿命性能。
微孔聚合物隔离件2可以是由干或湿方法制造的单个层或多层层压材料。例如，在一个实施方案中，聚烯烃的单个层可构成整个微孔聚合物隔离件2。然而，作为另一个例子，相同或不相同聚烯烃的多个离散层可以组装成微孔聚合物隔离件2。微孔聚合物隔离件2也可以包含除了聚烯烃之外的其它聚合物，例如但不限于聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚偏二氟乙烯(PVdF)和或聚酰胺(尼龙)。聚烯烃层和任何其它任选的聚合物层可以作为纤维层进一步包括在微孔聚合物隔离件2中，以帮助提供具有合适的结构和孔隙率特性的微孔聚合物隔离件2。本领域技术人员无疑将知道和了解可以由其制造微孔聚合物隔离件2的许多可用聚合物和商业产品以及许多可以用于生产微孔聚合物隔离件2的制造方法。
为了实现所需的特性，主体材料13、活性材料23和电容器材料12和/或22可以以不同的量和几何形状施加到混杂电池的一个或多个电极上。通常，主体材料13、活性材料23和电容器材料12和/或22可以以约20微米至约200微米的厚度施加到一个或多个电极的两面中的每一面上，尽管其它厚度也是可行的。混杂电极(例如，阳极10和阴极20)可用于各种电池构造中，包括方形/堆叠构造和卷绕(例如圆柱形或袋)构造。对于给定的混杂电极，一个或多个阳极区域或一个或多个阴极区域和一个或多个电容器区域可被布置为交替的条带，如图2A、3A、4A-4D和5A-5D中所示。在一些实施方案中，阳极区域或阴极区域可具有约25毫米至约500毫米的宽度，和电容器区域可具有约5毫米至约400毫米的宽度。
图2A和3A示出了混杂电极(即阳极10或阴极20)的示意图，其特征在于长度L和宽度W并且包括其中电容器材料12、22被施加到集流器11、21上的一个或多个电容器区域。集流器11、21的剩余部分包括分别施加在阳极区域或阴极区域中的主体材料13或活性材料23。电极10、20可任选地包括在集流器11或21的一个或多个阳极区域或一个或多个阴极区域与一个或多个电容器区域之间的间隙14、24。在一些实施方案中，间隙可包括大约0.01至大约5毫米的宽度(在阳极区域或阴极区域与电容器区域之间测量)。电极极耳17、27从集流器11、21纵向延伸。图2A的电极10、20包括跨越电极纵向延伸的阳极区域或阴极区域和电容器区域，而图3A的电极10、20包括跨越电极横向延伸的阳极区域或阴极区域和电容器区域。图2B示出了包括多个图2A中示出的电极10、20的方形混杂电化学模块30的透视图，和图3B示出了包括多个图3A中示出的电极10、20的方形混杂电化学模块30的透视图。在图2B和3B的每一个中，通过交替阳极10和阴极20而堆叠电极。为了清楚起见，省略了这些混杂电化学电池的隔离件2、电解质3和其它附属组件。阳极母线31电连接一个或多个阳极10的电极极耳17，和阴极母线32电连接一个或多个阴极20的电极极耳27。
图4A和4B分别示出了混杂阳极10的侧视图和顶视图。图5A和5B类似地分别示出了混杂阳极10的侧视图和顶视图。阳极10的特征在于长度L和宽度W并包括其中电容器材料12被施加到集流器11的一个或多个电容器区域。集流器11的剩余部分包括施加在一个或多个阳极区域中的主体材料13。阳极10可任选地包括集流器11的一个或多个阳极区域和一个或多个电容器区域之间的间隙(未示出)。电极极耳17从集流器11纵向延伸。图4A-B的阳极10包括跨越阳极10横向延伸的一个或多个阳极区域和一个或多个电容器区域，而图5A-B的阳极10包括跨越阳极10纵向延伸的一个或多个阳极区域和一个或多个电容器区域。
图4C和4D分别示出了混杂阴极20的侧视图和顶视图，该阴极可合适地与图4A-B的阳极10组合使用以形成混杂电化学电池1。图5C和5D类似地分别示出了混杂阴极20的侧视图和顶视图，该阴极可合适地与图5A-B的阳极10组合使用以形成混杂电化学电池1。阴极20的特征在于长度L和宽度W并且包括其中电容器材料22被施加到集流器21的一个或多个电容器区域。集流器21的剩余部分包括施加在一个或多个阴极区域中的活性材料23。阴极20可任选地包括在集流器21的一个或多个阴极区域和一个或多个电容器区域之间的间隙(未示出)。电极极耳27从集流器21纵向延伸。图4C-D的阴极20包括跨越阴极20横向延伸的一个或多个阴极区域和一个或多个电容器区域，而图5C-D的阴极20包括跨越阴极20纵向延伸的一个或多个阴极区域和一个或多个电容器区域。
图4E示出了卷绕的混杂电化学模块40的透视图，该卷绕的混杂电化学模块40包括由图4A-D中示出的阳极10和阴极20形成的一个或多个电极对，和图5E示出了卷绕的混杂电化学模块40的透视图，该卷绕的混杂电化学模块40包括由图5A-D中示出的阳极10和阴极20形成的一个或多个电极对。图4E和5E的每一个中的卷绕的混杂电化学模块40显示为包括单一一对电极(即阳极10和阴极20)，但每个模块40可包括多个电极对。为了清楚起见，省略了这些混杂电化学电池的隔离件2、电解质3和其它附属组件。在阳极10的纵向末端处可以任选地出现主体材料13涂层间隙15，以便有助于电极10、20的卷绕以形成卷绕的混杂电化学模块40。
尽管以上描述了示例性实施方案，但是并不意味着这些实施方案描述了权利要求所涵盖的所有可能的形式。说明书中使用的词语是描述性词语而不是限制性词语，并且应当理解可以在不脱离本公开的精神和范围的情况下进行各种改变。如前所述，各种实施方案的特征可以组合以形成可能没有明确描述或示出的本发明的进一步的实施方案。尽管可能已经将各种实施方案描述为关于一个或多个期望的特性提供优点或优于其他实施方案或现有技术实施方式，但是本领域技术人员认识到一个或多个特征或特性可以进行妥协以实现取决于特定应用和实施方式的期望的总体系统属性。这些属性可以包括但不限于成本、强度、耐用性、寿命周期成本、可销售性、外观、包装、尺寸、可维修性、重量、可制造性、易于组装性等。因此，所描述的实施方案关于一个或多个特性比其他实施方案或现有技术实施方式较不理想并不在本公开的范围之外，并且对于特定的应用而言可能是理想的。
Claims (20)
1.混杂电化学电池，其包括：
阳极，其包括双面集流器，其中所述集流器的每一面在一个或多个阳极区域中涂覆有阳极主体材料并且在一个或多个电容器区域中涂覆有电容器材料；和
阴极，其包括双面集流器，其中所述集流器的每一面在一个或多个阴极区域中涂覆有阴极活性材料并且在一个或多个电容器区域中涂覆有电容器材料。
2.如权利要求1所述的混杂电化学电池，其中所述阳极的所述一个或多个电容器区域与所述一个或多个阳极区域不同并且不重叠，和/或所述阴极的所述一个或多个电容器区域与所述一个或多个阴极区域不同并且不重叠。
3.如权利要求1所述的混杂电化学电池，其中所述阳极包括在所述一个或多个电容器区域和所述一个或多个阳极区域之间的间隙，和/或所述阴极包括在所述一个或多个电容器区域和所述一个或多个阴极区域之间的间隙。
4.如权利要求1所述的混杂电化学电池，其中所述电容器材料包括活性炭、石墨、碳气凝胶、碳化物衍生的碳、石墨烯、氧化石墨烯、碳纳米管、氧化铅、氧化锗、氧化钴、氧化镍、氧化铜、氧化铁、氧化锰、氧化钌、氧化铑、氧化钯、氧化铬、氧化钼、氧化钨、氧化铌、TiS2、NiS、Ag4Hf3S8、CuS、FeS和FeS2中的一种或多种。
5.如权利要求4所述的混杂电化学电池，其中施加到所述阳极集流器的所述电容器材料不同于所述阳极主体材料，施加到所述阴极集流器的所述电容器材料不同于所述阴极活性材料。
6.如权利要求1所述的混杂电化学电池，其中所述阳极主体材料包括钛酸锂、TiNb2O7、硅、一种或多种硅-锂合金、一种或多种硅-锡合金、一种或多种硅-铜合金、一种或多种硅氧化物、一种或多种钴氧化物、一种或多种铁氧化物、一种或多种钛氧化物、锡、一种或多种锡氧化物、硬碳、软碳和石墨中的一种或多种。
7.如权利要求1所述的混杂电化学电池，其中所述阴极活性材料包括一种或多种锂金属氧化物。
8.如权利要求1所述的混杂电化学电池，其中所述阴极活性材料包括磷酸铁锂、锂镍-锰-钴氧化物和尖晶石结构的锂锰氧化物中的一种或多种，所述阳极主体材料包括石墨、硅和一种或多种硅氧化物中的一种或多种，和所述电容器材料包括活性炭。
9.混杂电化学电池，其包括：
阳极，其包括双面阳极集流器，其中所述阳极集流器的每一面至少部分地涂覆有阳极主体材料；和
阴极，其包括双面集流器，其中所述集流器的每一面至少部分地涂覆有阴极活性材料；
其中所述阳极集流器和/或所述阴极集流器在一个或多个电容器区域中涂覆有电容器材料。
10.如权利要求9所述的混杂电化学电池，其中所述阳极集流器和所述阴极集流器中的每一个在一个或多个电容器区域中涂覆有电容器材料。
11.如权利要求9所述的混杂电化学电池，其中涂覆在所述阴极集流器上的所述电容器材料包括活性炭、石墨、碳气凝胶、碳化物衍生的碳、石墨烯、氧化石墨烯、碳纳米管、氧化铅、氧化锗、氧化钴、氧化镍、氧化铜、氧化铁、氧化锰、氧化钌、氧化铑、氧化钯、氧化铬、氧化钼、氧化钨、氧化铌、TiS2、NiS、Ag4Hf3S8、CuS、FeS、FeS2、聚(3-甲基噻吩)、聚苯胺、聚吡咯、聚(对苯撑)、多并苯、聚噻吩和聚乙炔中的一种或多种。
12.如权利要求9所述的混杂电化学电池，其中所述阴极活性材料包括磷酸铁锂、锂镍-锰-钴氧化物和尖晶石结构的锂锰氧化物中的一种或多种，所述阳极主体材料包括石墨、硅和一种或多种硅氧化物中的一种或多种，和所述电容器材料包括活性炭。
13.如权利要求9所述的混杂电化学电池，其中所述阳极主体材料包括钛酸锂、TiNb2O7、硅、一种或多种硅-锂合金、一种或多种硅-锡合金、一种或多种硅-铜合金、一种或多种硅氧化物、一种或多种钴氧化物、一种或多种铁氧化物、一种或多种钛氧化物、锡、一种或多种锡氧化物、硬碳、软碳和石墨中的一种或多种。
14.如权利要求9所述的混杂电化学电池，其中所述阴极活性材料包括一种或多种锂金属氧化物。
15.混杂电化学模块，其包括：
多个堆叠或卷绕的电极对，每个电极对包括：
阳极，其包括双面阳极集流器，其中所述阳极集流器的每一面至少部分地涂覆有阳极主体材料；和
阴极，其包括双面集流器，其中所述集流器的每一面至少部分地涂覆有阴极活性材料；
其中每个电极对的阳极集流器和/或阴极集流器在一个或多个电容器区域中涂覆有电容器材料。
16.如权利要求15所述的混杂电化学模块，其中所述电容器材料包括活性炭、石墨、碳气凝胶、碳化物衍生的碳、石墨烯、氧化石墨烯、碳纳米管、氧化铅、氧化锗、氧化钴、氧化镍、氧化铜、氧化铁、氧化锰、氧化钌、氧化铑、氧化钯、氧化铬、氧化钼、氧化钨、氧化铌、TiS2、NiS、Ag4Hf3S8、CuS、FeS和FeS2中的一种或多种。
17.如权利要求15所述的混杂电化学模块，其中所述电容器材料和所述阳极主体材料和/或所述阴极主体材料的厚度为约20微米至约200微米。
18.如权利要求15所述的混杂电化学模块，其中所述一个或多个阳极区域和/或所述一个或多个阴极区域的宽度为约25毫米至约500毫米，和所述一个或多个电容器区域的宽度为约5毫米至约400毫米。
19.如权利要求15所述的混杂电化学模块，其中每个电极对的所述阳极集流器和所述阴极集流器在一个或多个电容器区域中涂覆有电容器材料。
20.如权利要求15所述的混杂电化学模块，其中所述阴极活性材料包括磷酸铁锂、锂镍-锰-钴氧化物和尖晶石结构的锂锰氧化物中的一种或多种，所述阳极主体材料包括石墨、硅和一种或多种硅氧化物中的一种或多种，和所述电容器材料包括活性炭。
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