CN115380413A - 用于电化学设备的双极结构以及相关的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本文公开了用于电化学装置的聚合物导电膜。电化学装置可以包括阳极、阴极和设置在阳极和阴极之间的双极结构。双极结构包括具有多个导电颗粒和多个非导电聚合物的膜，其中聚合物与颗粒结合，使得膜是无孔的并且沿其长度和/或厚度在组成上基本上是均匀的。

Description

用于电化学设备的双极结构以及相关的系统和方法
相关申请的交叉引用
本申请要求于2019年11月14日提交的美国临时专利申请No.62/935,225的权益，其公开内容通过引用的方式整体并入本文。
技术领域
本公开涉及用于电化学装置的双极结构，并且特定实施例涉及包括聚合物导电膜的双极结构。
背景技术
对于使用单极设计的电化学装置，阳极-阴极原电池与每个单元电池上方和下方的集电器并联连接。因此，单极设计通常需要串联以实现高的输出电压。因此，所需的连接材料(例如铜)的数量可能很昂贵，并且设备的内阻相对较高。此外，连接材料必须与电池电解液环境接触，如果存在不相容的材料，可能会导致腐蚀。在这方面，单极设计的集流体材料需进行耐腐蚀处理，例如通过特殊合金或表面涂层，这会显著增加材料成本。而对于水系电池，高的防腐成本与低的电解质成本产生抵消抵消，因此，需要提出新的用于电化学装置的改进设计。
发明内容
附图说明
本公开技术的特征、细节和优点可以参考以下附图更好地理解。
图1A是含有导电膜的电化学装置的部分示意性截面图。图1B是根据本技术的实施例的双极膜的一部分的放大图。
图2A是包括设置在电极对之间的多个导电膜的电化学装置的部分示意性截面图。图2B是根据本技术的实施例的多个膜的一部分的放大图。
图3A是电化学装置的部分示意性剖视图，在图2A的基础上，导电膜之间有沉积层，图3B是根据本技术实施例多层膜的一部分的放大图。
图4是根据本技术的实施例的包括布置在电极对之间的双极层的电化学装置的部分示意性横截面图。
图5是根据本技术实施例的用于制造电化学装置的方法的流程图。
在附图中，相同的附图标记通常表示相似和/或相同的元件。图中所示的许多细节、尺寸和其他特征仅仅是对所公开技术的特定实施例的说明。因此，在不脱离本公开的精神或范围的情况下，其他实施例可以具有其他细节、尺寸和特征。此外，本领域的普通技术人员将理解，可以在没有以下描述的几个细节的情况下实践各种公开技术的进一步实施例，并且附图中所示的特征是为了说明和变化，包括不同的和/或其附加特征和布置是可能的。
具体实施方式
I.概述
本技术的实施例解决了当前电化学装置和电池存在的许多问题。例如，与单极设计不同，本技术的实施例使用双极电池，其中阳极-阴极单元电池通过称为双极层的导电层串联连接。因此，双极层材料只需要在相对于单极设计非常小的距离内传输电荷。除了相对于单极设计需要更少的导电材料和电连接外，本技术的双极设计还提供更均匀的电流分布，在使用无孔双极层时将潜在流体与每个单元电池隔离，并可能减少相关的污染物与集流体。此外，双极层材料需要足够低的贯穿平面电阻，而单极层则需要低的面内电阻。如此低的贯穿平面电阻可以通过提高电导率和缩短贯穿平面距离的组合来实现。通过双极层的总电阻可以通过与电导率的共同关系表示为：
R＝l/σA，
其中R为电阻(ohms)，l为层厚(cm)，σ为电导率(S/cm)，A为面积(cm2)。
只要保持基本无孔的条件，就可以通过具有一定程度导电性的足够低的厚度来实现足够低的电阻。通过使用相对较低的厚度，可以降低双极层材料的成本，同时提高器件的整体能量密度。电化学装置用双极层的生产方法一般有三种：(1)金属板涂有耐腐蚀薄膜；(2)含有导电碳、碳纳米管等导电添加剂的复合材料；(3)用聚合物树脂后浸渍的片材。然而，虽然这些方法能够生产具有足够材料特性的双极层，但它们也往往具有高成本，这限制了它们在电化学装置中的实施。
在这点上，本技术的实施例还可以消除对这些附加材料的需要，并且通过机械设计和使用特定材料的组合来抑制腐蚀。具体地，本技术的实施例通过利用在膜(或双极层)内形成流体不渗透层的化学抗性、非导电聚合物的量(例如，比例)来避免对这些额外材料的需要。此外，如本文其他地方详细解释的，虽然所用聚合物的量足以在膜内形成不可渗透层，但该量并不会抑制必要的导电性，例如在膜的表面面内导电性和贯穿平面导电性。
在一些实施例中，本技术的部分导电双极膜可包含多种非导电聚合物，以及与聚合物混合形成组成均匀、各向同性结构的多种导电颗粒。膜的非导电聚合物和导电颗粒中的量或比例，以及膜的厚度，可以根据设计所需的电学(例如，导电性)和机械(例如，柔韧性、硬度、等)特性进行设计。例如，在一些实施例中，非导电聚合物的比例足够高以形成有效层，使得膜是无孔的并且不透流体或离子(例如，可以产生不透水的密封)。相关地，导电颗粒的比例应足够保证(例如，优选通过电阻较小的路径)电荷可穿过薄膜的厚度(例如，贯穿平面方向)，而不是沿着面内方向。薄膜的厚度可以小于0.5毫米，因此在电化学应用中占据最小的体积，同时仍保持离子不可渗透性和足够的导电性。膜的厚度以及成分构成也可以在沿膜的长度或表面的方向上有效地充当电阻器。在操作中，该膜可以充当设置在阳极和阴极电极对之间的各向异性双极层。
II.双极导电聚合物薄膜
图1A是包括设置在电极对101、103之间的膜105的电化学装置100的部分示意性截面图，图1A是电化学装置100的部分示意性截面图。图1B是根据本技术的实施例的膜105的一部分的放大图。如图所示。如图1A所示，装置100包括阴极101、阳极103和设置在阴极101和阳极103之间的膜105(例如，双极层或结构)，它们在运行时一起形成电池单元。如图所示。如图1A所示，膜105可以包括面向阴极101和阳极103的基本上平坦的相对表面。图1A仅示出了单个电池，但在其他实施例中，多个电池可以设计成彼此串联耦合，膜105设置在相邻的阳极和阴极对之间。图1中所示的阴极101、薄膜105和阳极103。为了说明的目的，图1A(和图1B-4)彼此间隔开，但实际上将彼此邻接和/或直接接触。
如图1B所示，膜105包括多个粒子113和与粒子113结合在一起的聚合物111。在一些实施例中，膜105仅由聚合物111和粒子113制成，而没有其他材料。也就是说，膜105可以不包括额外的涂层、添加剂、树脂或通常用于抑制操作中双极膜腐蚀的相关昂贵材料。颗粒113包括导电材料，并且可以包括石墨、炭黑、氧化物(例如，氧化锡)、金属(例如，铜或铁)、合金和/或它们的组合。聚合物111包括非导电材料，包括聚乙烯、聚氨酯、聚四氟乙烯(PTFE)、聚偏二氟乙烯(PVDF)和/或用于电池或电化学装置应用的其他相关非导电材料。在薄膜105内，聚合物111可以有效地充当填料，使得聚合物111将单个颗粒113彼此结合，从而形成薄膜105。
如本文别处所述，聚合物111和颗粒113可以通过共混组合，这可以包括熔融或以其他方式液化聚合物111并将颗粒113添加到其中。在这样的实施例中，然后可以通过吹塑、模头挤出或其他相关工艺将共混产品制成薄膜105。在一些实施例中，聚合物111可以包括单独的股线，如图1B所示，它们彼此不结合或凝固。另外，聚合物111和颗粒113可以彼此结合，使得膜105沿膜105的长度和/或厚度在组成上是均质的。如本文所用，术语“组成均质”可以指参数的基本均匀性(例如，小于5％、1％或0.1％)，例如导电颗粒或聚合物材料的量(例如，按重量或体积计)在面积或体积上。仅在一个示例中，膜105在组成上可以是均质的，使得(i)颗粒113与聚合物111的量之比沿膜105的长度和/或厚度基本均匀，和/或(ii))沿膜105的长度和/或厚度的电导率值基本上是均匀的。
膜105的厚度(T1)可不超过1.0毫米(mm)、0.9mm、0.8mm、0.7mm、0.6mm、0.5mm、0.4mm、0.3mm、0.2mm或0.1mm,或在0.1–1.0mm的范围内。膜105的厚度可以根据电化学装置100的期望应用或预期化学性质进行调整。例如，膜105的厚度(T1)可以使膜105在垂直于厚度方向(沿着薄膜105的长度)形成电阻。此时，因此促进了电流流过薄膜105，并且电流沿着薄膜105的外表面或长度流动被抑制。附加地或替代地，膜105的厚度(T1)可以由其他因素决定，包括切割膜105的能力、膜105的期望电阻和/或膜105的期望柔韧性或硬度计硬度。在一些实施例中，体积电阻率可以小于1000ohm-cm。在一些实施例中，膜105可以具有小于2.5GPA的弯曲模量和小于100的硬度(例如，如使用肖氏硬度计测量值)
颗粒113相对于聚合物111的量或比例可以基于膜105的所需电学和机械性能而变化。在一些实施例中，颗粒113可以占膜重量或体积的10％、20％、30％、40％、50％、60％或70％，聚合物形成膜105的剩余部分。聚合物111相对于颗粒113的量可根据膜105的所需净电导率设计，较大比例的颗粒113导致较高的净电导率。在一些实施方案中，聚合物的量足以有效地形成无孔的、离子不可渗透的层，例如不透水的层。
在操作中，装置100包括布置在阴极101和膜105以及阳极103和膜105周围并与之接触的电解质(未示出)，以实现膜之间的阳极和阴极之间的离子转移。在这样的实施例中，膜105有效地用作双极层，膜105的第一侧直接连接到阴极101和膜105的第二相对侧直接电连接到阳极103。如本文别处所述，膜105可以是无孔的，因此防止电解质通过。
图2A是包括设置在电极对之间的多层膜的电化学装置200的部分示意性截面图。
图2B是根据本技术的实施例的多层膜的一部分的放大图。装置200类似于本文别处描述的装置100，因此可以具有相似的特征和功能，但还包括附加膜。如图2A和2B所示，多层膜包括参考图1A和图1B中描述的膜105(例如，第一膜)。第二膜207设置在第一膜105附近并在阴极101和阳极103之间。第一膜105和第二膜207一起可以形成双极层205。如图2B所示，第二膜207可以包括多个颗粒213以及和与颗粒213结合的聚合物材料211。聚合物211和颗粒213可以与本文别处描述的相应聚合物111和颗粒113相同，和/或具有各自相似的特征和功能。在颗粒213不同于颗粒113和/或聚合物211不同于聚合物111的此类实施例中，由第一膜105和第二膜207的表现出的化学和/或电学性质不同。例如，在这样的实施例中，第一膜105的面向阴极101的表面将表现出第一组化学和/或电学性质，而第二膜207的面向阳极103的表面将表现出第二组化学和/或电学性质(与第一组不同的电气特性)。在一些实施例中，这可以表现为具有面向阳极103的双极层表面包括或由对阳极化学和阳极副反应产物具有化学抗性的材料组成，而阴极侧双极层表面类似地适用于阴极化学特性和副反应。
在一些实施例中，薄膜207仅由聚合物211和颗粒213制成，而不由其他材料制成。有利地，这可以使本技术的实施例能够避免大量使用更昂贵的耐化学腐蚀的材料(例如，含氟聚合物)，而仅仅在特定电化学环境中选用特定的材料使用。例如聚合物211和颗粒213，它们具有较不广泛耐化学腐蚀但专为特定环境而设计，具有耐化学性。解释一下，在过度充电情况下，水系统中的阴极倾向于产生局部酸性环境，因此靠近或最接近阴极的形成层的材料应该对酸性条件具有化学抗性。类似地，在过度充电情况下，水系统中的阳极倾向于产生局部碱性环境，因此形成最靠近阳极的层的材料应该对碱性条件具有化学抗性。鉴于这些操作上的考虑，本技术的实施例使用聚合物211和/或颗粒213，它们被定制为对其局部环境具有化学抗性。因此，这些材料可能比具有更广泛耐化学性的含氟聚合物价格便宜。
第二膜207可以具有与第一膜105相同或不同的长度尺寸，以及与第一膜105相同或不同的厚度。例如，第二膜207可以具有厚度(T2)为不超过1.0毫米(mm)、0.9毫米、0.8毫米、0.7毫米、0.6毫米、0.5毫米、0.4毫米、0.3毫米、0.2毫米或0.1毫米，或在0.1-1.0毫米的范围内。第二膜207的厚度(T2)可以根据电化学装置200的期望应用或预期化学和/或第一膜105的厚度(T1)来调整。例如，较厚的膜或相对较厚的膜可以更好地填充相邻电极表面的起伏或孔隙，从而有助于最小化该电极与薄膜之间的表面接触电阻。作为另一个示例，较薄的膜或相对较薄的膜可能会留下未被相邻电极表面填充或填充较少的孔，从而增加电极表面和膜表面之间的电解质转移空间。通过同时具有第一膜105和第二膜207，可以通过调节每个膜的厚度以实现某些电极特性、膜刚度和其他所需的特性。附加地或替代地，第二膜207的厚度(T2)可以使第二膜207在垂直于厚度的方向上(例如，沿着第二膜207的长度)充当电阻器。在这个意义上，膜105、207可以被认为是各向异性的。此时，通过薄膜105和/或207(例如，沿厚度方向)创建了一条电阻最小的路径，因此促进了电流流过薄膜105和/或207的厚度并且电流流动沿薄膜105和/或207的外表面或长度方向的移动被抑制。附加地或替代地，第二膜207的厚度(T2)可以由其他因素决定，包括第二膜207的切割能力、第二膜207的期望电阻和/或期望的柔韧性或硬度计硬度。
图3A是电化学装置300的部分示意性剖视图，包括设置在图2A中105、207之间的层307。图3B是根据本技术的实施例的层307和多层膜105、207的放大图。如图所示。如图3A和3B所示，层307设置在第一膜105和第二膜207中的每一个之间。在一些实施例中，第一膜105和第二膜207与第一膜105和第二膜207间隔开。通过层307相互连接。第一膜105、层307和第二膜207一起可以形成双极层305。相对于没有层307的膜，层307可以增加膜305的强度，例如，以确保薄膜305具有足够的弯曲模量。层307可以包括网状材料、尼龙、不锈钢和/或它们的组合。相对于双极层205(图2A)，双极层305可以具有更大的强度和降低的柔韧性。为了更好地说明这一概念，压缩膜105、207中的任一个可导致其交叉处的开裂、断裂、撕裂，从而引起膜之间电解质传输而产生电化学失效，例如，通过层307，可以通过增加双极层305的强度来缓解这个问题。
图4是根据本技术的实施例：布置在电极对之间的双极层405的电化学装置400的部分示意性截面图。如图所示。如图4所示，双极层405包括靠近阴极101的第一层407a、靠近阳极103的第二层407b以及设置在第一和第二层407a、407b之间的膜409。膜409可包括本文别处描述的任何一种或多种膜。例如，膜409可以是膜105、膜207或膜105、207两者。在一些实施例中，膜409可以包括或由不透流体并且具有连续表面的聚合物层组成，并且不包括任何导电颗粒或材料。层407a、b中的每一个可以包括适形材料，例如石墨(例如，石墨片、箔等)。在操作中，层407a、b中的每一个被夹在膜409和相邻的阴极101或阳极103之间，并且可以在表面之间具有足够的接触。例如，层407a、b的顺应性允许阴极101或阳极103表面上的任何起伏或孔被相应的层407a、b填充，从而使接触电阻最小化和/或沿基本上整个整体保持接触阴极101和阳极103面向双极层405的表面的表面积。在一些实施例中，层407a、b中的每一个可以与本文别处描述的层307相同和/或包括大体相似的特征。
图5是根据本技术实施例的用于制造电化学装置(例如，装置100、200、300或400)的方法500的流程图。方法500可以包括将导电颗粒(例如，颗粒113；图1B)和非导电聚合物(例如，聚合物111；图1B)组合以形成第一结构(工艺部分502)。将导电颗粒和非导电聚合物组合可以包括将导电颗粒和非导电聚合物共混，使得第一结构在组成上基本上是均质的，如前所述。在一些实施例中，基本上组成均质可以定义为在结构(或所得膜)的长度和/或厚度上表现出基本上相同的化学和/或电学性质。附加地或替代地，将导电颗粒和非导电聚合物结合可以包括熔化或液化非导电聚合物并将导电颗粒添加到熔化或液化的聚合物中。
方法500还可以包括轧制第一结构以形成具有预定厚度的第二结构(处理部分504)。厚度可对应于本文别处描述的厚度(T1)，因此可不超过1.0mm、0.9mm、0.8mm、0.7mm、0.6mm、0.5mm、0.4mm、0.3mm、0.2mm或0.1mm毫米，或在0.1-1.0毫米的范围内。膜105的厚度可以根据期望的应用或末端膜或电化学装置的预期化学性质进行调整。还可以通过压制第一结构使得第二结构具有预定的柔韧性或硬度。
方法500还可以包括切割卷起的结构以形成具有预定长度和宽度的膜(处理部分506)。该膜可以是本文别处描述的任何膜(例如，膜105或膜207)的膜。
III.总结
对于本领域技术人员显而易见的是，可以对上述实施例的细节进行改变而不背离本技术的基本原理。在一些情况下，没有详细示出或描述众所周知的结构和功能以避免不必要地混淆本技术的实施例的描述。尽管本文中可以以特定顺序呈现方法的步骤，但是替代实施例可以以不同顺序执行这些步骤。类似地，在特定实施例的上下文中公开的本技术的某些方面可以在其他实施例中组合或消除。此外，虽然可能已经在那些实施例的上下文中公开了与本技术的某些实施例相关联的优点，但其他实施例也可以表现出这样的优点，并且并非所有实施例都必须表现出这样的优点或本文公开的其他优点落入范围内的技术。因此，本技术和相关技术可以包括在此未明确示出或描述的其他实施例，并且本发明不受所附权利要求书的限制。
在整个本公开中，单数术语“一个”、“一个”和“该”包括复数指代对象，除非上下文另有明确指示。类似地，除非“或”一词被明确限制为仅表示在涉及两个或多个项目的列表
中排除其他项目的单个项目，否则在此类列表中使用“或”应解释为包括(a)列表中的任何单个
项目，(b)列表中的所有项目，或(c)列表中项目的任何组合。此外，术语“包括”、“包括”和“具有”应被解释为意味着至少包括所列举的特征，从而不排除任何更多数量的相同特征和/或其他类型的其他特征.
本文提及“一个实施例”、“另一个实施例”、“一些实施例”或类似的表述意味着结合该实施例描述的特定特征、结构、操作或特性可以包括在以下至少一个实施例中。现在的技术。因此，本文中出现的此类短语或表述不一定都指同一实施例。此外，可以在一个或多个实施例中以任何合适的方式组合各种特定特征、结构、操作或特性。
除非另有说明，否则在说明书和权利要求书中使用的所有表示浓度、剪切强度和其他数值的数字均应理解为在所有情况下均由术语“约”修改。因此，除非有相反的说明，以下说明书和所附权利要求中阐述的数值参数是近似值，其可以根据本技术寻求获得的期望特性而变化。至少，而不是试图将等效原理的应用限制在权利要求的范围内，每个数值参数至少应根据报告的有效数字的数量并通过应用普通的舍入技术来解释。此外，本文公开的所有范围应理解为涵盖其中包含的任何和所有子范围。例如，“1到10”的范围包括(包括)最小值1和最大值10之间的任何和所有子范围，即最小值等于或大于1的任何和所有子范围最大值等于或小于10，例如5.5到10。
上述公开不应被解释为反映任何权利要求需要比该权利要求中明确列举的特征更多的特征的意图。相反，如所附权利要求所反映的，创造性方面在于任何单个前述公开实施例的少于所有特征的组合。因此，本详细说明之后的权利要求特此明确地并入本详细说明中，每个权利要求作为单独的实施例独立存在。本公开包括独立权利要求及其从属权利要求的所有排列。
例如，根据以下描述的各个方面来说明本技术。为方便起见，本技术的各方面的各种示例被描述为编号示例(1、2、3等)。这些是作为示例提供的并且不限制本技术。注意，任何从属示例可以以任何组合进行组合，并置于相应的独立示例中。其他示例可以以类似的方式呈现。
条款1.一种电化学装置，包括：
阳极；
阴极；和
设置在阳极和阴极之间的双极结构，该结构包括包含多个导电颗粒和多个非导电聚合物的膜，该聚合物与单独的导电颗粒结合，使得该膜是(i)不可渗透离子和(ii)沿膜的长度和/或膜的厚度组成均匀。
条款2.如本文中任一项所述的装置，其中所述膜是抗静电的。
条款3.如本文条款中任一项所述的装置，其中所述膜是各向异性的，使得在操作中，从阳极或阴极到另一侧的阴极或阳极通过所述膜的导电通路具有更小的电阻，与以下相比通路相比：(i)到与阳极或阴极相邻的副反应，和/或(ii)沿着薄膜的表面。
条款4.根据本文条款中任一项所述的装置，其中所述膜的净电导率小于所述单独导电粒子的电导率。
条款5.如本文中任一项所述的装置，其中所述聚合物包括聚乙烯、聚氨酯、PTFE或PVDF中的至少一种。
条款6.如本文中任一项所述的装置，其中所述聚合物包括沿所述膜的长度的至少一部分延伸。
条款7.如本文中任一项所述的装置，其中所述颗粒包括石墨、炭黑、金属、铜、铁、氧化物、氧化锡中的至少一种。
条款8.本文条款中任一项的装置，其中所述多个颗粒按重量或体积计占所述膜的至少10％、20％、30％、40％、50％、60％或70％，和其中所述多种聚合物构成所述膜的剩余部分。
条款9.如本文条款中任一项所述的装置，其中所述多种聚合物按重量或体积计占所述膜的至少10％、20％、30％、40％、50％、60％或70％，和其中所述多个颗粒构成所述膜的剩余部分。
条款10.如本文中任一项所述的装置，其中所述膜仅由所述导电颗粒和所述聚合物组成。
条款11.根据本文条款中的任一项所述的装置，其中所述膜除了所述导电颗粒和所述聚合物之外不包括其他材料。
条款12.根据本文条款中任一项所述的装置，其中所述膜的厚度不超过0.5mm、0.4mm、0.3mm、0.2mm或0.1mm。
条款13.根据本文条款中任一项所述的装置，其中所述聚合物与所述导电颗粒结合，使得在操作中抑制枝晶的形成。
条款14.根据本文条款中的任一项所述的装置，其中所述聚合物与所述导电颗粒结合，从而促进金属膜在所述膜的表面上的生长。
条款15.根据本文条款中任一项所述的装置，还包括围绕所述膜设置的电解质流体，其中所述膜对于所述流体是不可渗透的。
条款16.如本文中任一项所述的装置，其中所述膜具有一对相对的基本上平坦的表面。
条款17.根据条款中任一项所述的装置，其中所述膜是第一膜，所述导电颗粒是第一导电颗粒，并且所述聚合物是第一聚合物，所述装置还包括设置在所述第一膜和在所述阳极/阴极之间的第二膜和，第二膜包括多个单独的第二导电颗粒和多个第二非导电聚合物，每个第二非导电聚合物沿膜的长度的至少一部分延伸，第二聚合物与单独的第二导电颗粒结合。
条款18.根据条款17所述的装置，其中所述第一膜的面向所述阳极的表面处的电学和/或化学性质不同于所述第二膜的面向所述阴极的表面处的相应电学和/或化学性质。
条款19.根据条款17或18所述的装置，其中所述第一层膜包含的聚合物材料和第二层膜包含的聚合物材料是不同的。
条款20.根据条款17-19中任一项所述的装置，其中所述第一层膜包含的导电材料和第二层膜包含的导电材料是不同的。
条款21.根据条款17-20中任一项所述的装置，其中所述第一膜粘附到所述第二膜和/或与所述第二膜直接接触。
条款22.根据条款17-21中任一项所述的装置，还包括设置在所述第一膜和所述第二膜之间的层，使得所述第一膜接触所述层的第一侧并且所述第二膜接触所述层的相对的第二侧层。
条款23.根据条款22所述的装置，其中所述层包括网状材料、尼龙、不锈钢、合金或其组合中的至少一种。
条款24.根据条款22或23所述的装置，其中所述层是第一层，所述装置还包括设置在所述阴极和所述第一膜之间的第二层。
条款25.根据条款24所述的装置，还包括设置在所述阳极和所述第二膜之间的第三层。
条款26.根据条款24或25所述的装置，其中所述第二膜和所述第三膜各自包括不锈钢或石墨中的至少一种。
条款27.一种制造电化学装置的方法，该方法包括：
将多个导电颗粒和多个非导电聚合物组合以形成在组成上基本均一的第一结构；
轧制第一结构以形成具有预定厚度的第二结构；和
切割卷起的结构以形成具有预定长度和宽度的薄膜。
条款28.条款27的方法，其中所述膜是本文条款中任一项的膜。
条款29.根据本文条款中任一项所述的方法，其中组合包括液化所述聚合物并将所述颗粒添加到所述液化聚合物中。
条款30.根据本文条款中任一项所述的方法，其中，所述预定厚度不超过0.5mm、0.4mm、0.3mm、0.2mm或0.1mm。
条款31.一种电化学装置，包括：
阳极；
阴极；和
位于阳极和阴极之间的双极结构，该双极结构包括
靠近阳极的第一层；
靠近阴极的第二层；和
设置在第一层和第二层之间的膜，该膜包含多个导电颗粒和多个非导电聚合物，该聚合物与单独的导电颗粒结合，使得(i)该膜形成流体不可渗透的层，(ii)薄膜的外表面在成分上是均质的。
条款32.根据本文条款中任一项所述的装置，其中所述聚合物包括聚乙烯、聚氨酯、PTFE或PVDF中的至少一种。
条款33.根据本文条款中任一项所述的装置，其中所述第一层和所述第二层各自包括石墨片。
条款34.如本文中任一项所述的装置，其中：
膜通过膜的相对平坦表面直接接触第一层和第二层中的每一个，并且
第一层直接接触阳极，使得第一层的石墨压缩地顺应阳极的表面。
条款35.如本文中任一项所述的装置，其中所述颗粒包括石墨、炭黑、铜、铁、氧化物或氧化锡中的至少一种。
条款36.根据本文条款中任一项所述的装置，其中所述聚合物占所述膜的重量或体积的20％至50％之间。
条款37.如本文中任一项所述的装置，其中所述膜仅由所述聚合物和所述导电粒子组成，并且其中所述导电粒子占所述膜的重量或体积的50-80％，使得导电物质形成网状连接，电导率高于预定阈值。
条款38.根据本文条款中任一项所述的装置，其中所述膜具有0.1毫米(mm)和0.3mm之间的厚度。
条款39.如本文中任一项所述的装置，其中：
外表面是面向阳极的第一外表面，并且
膜的第一外表面处的电学和/或化学性质不同于膜的面向阴极的第二外表面处的相应电学和/或化学性质。
条款40.一种电池，包括：
电解液；和
一种被电解液包围的电化学装置，该电化学装置包括
阳极；
阴极；和
位于阳极和阴极之间的双极结构，该双极结构包括
靠近阳极的第一层；
靠近阴极的第二层；和
设置在第一层和第二层之间的膜，该膜包括多个导电颗粒和多个非导电聚合物，该聚合物与单独的导电颗粒结合，使得该膜形成配置为防止电解质流体从不渗透层通过。
条款41.如本文条款中任一项所述的电池，其中所述膜的外表面在组成上是均质的。
条款42.根据本文条款中任一项所述的电池，其中所述聚合物包括聚乙烯、聚氨酯、PTFE或PVDF中的至少一种。
条款43.根据本文条款中任一项所述的电池，其中所述第一层和所述第二层各自包括石墨片。
条款44.如本文中任一项所述的电池，其中：
薄膜通过薄膜的相对平坦表面直接接触第一层和第二层中的每一个，
第一层直接接触阳极，使得第一层的石墨压缩地顺应阳极的表面，并且
第二层直接接触阴极，使得第二层的石墨压缩地顺应阴极的表面。
条款45.根据本文条款中任一项所述的电池，其中所述聚合物占所述膜的重量或体积的20％至50％之间。
条款46.如本文中任一项所述的电池，其中所述膜仅由所述聚合物和所述导电颗粒组成，并且其中所述导电颗粒占所述膜的重量或体积的50-80％，使得所述膜形成网状连接，电导率高于预定阈值。
条款47.一种制造电化学装置的方法，该方法包括
将多个导电颗粒和多个非导电聚合物结合以形成第一结构，该第一结构在组成上基本均一且不透流体；
将第一结构轧制成厚度不超过0.5毫米的第二结构；
将卷绕结构切割成具有预定长度和宽度的薄膜；和
将薄膜设置在第一层和第二层之间以形成双极结构，第一层和第二层包括石墨；和
可操作地将双极结构耦合到阳极和阴极，使得第一层和第二层中的每一层的石墨压缩地顺应阳极和阴极的相应表面。
条款48.本文条款中任一项的方法，其中所述聚合物包括聚乙烯、聚氨酯、PTFE或PVDF中的至少一种，并且其中所述颗粒包括石墨、炭黑、铜、铁、氧化物或氧化锡。
条款49.如本文条款中任一项所述的方法，其中所述聚合物占所述膜的重量或体积的20％至50％之间。
条款50.如本文中任一项所述的方法，其中所述膜仅由所述聚合物和所述导电颗粒组成，并且其中所述导电颗粒占所述膜的重量或体积的50-80％，使得所述膜具有网状连接，电导率高于预定阈值。

Claims (20)

1.一种电化学装置，包括：
阳极；
阴极；和
位于阳极和阴极之间的双极结构，该双极结构包括
靠近阳极的第一层；
靠近阴极的第二层；和
设置在第一层和第二层之间的膜，该膜包含多个导电颗粒和多个非导电聚合物，该聚合物与导电颗粒结合，使得(i)该膜形成流体不可渗透的层，和(ii)薄膜的外表面在组成上是均匀的。
2.根据权利要求1所述的装置，其中所述聚合物包括聚乙烯、聚氨酯、PTFE或PVDF中的至少一种。
3.如权利要求2所述的装置，其中：
第一层和第二层各自包含石墨，
膜通过膜的相对平坦表面直接接触第一层和第二层中的每一个，并且
第一层直接接触阳极，使得第一层的石墨压缩地接触阳极的表面。
4.根据权利要求2所述的装置，其中所述颗粒包括石墨、炭黑、铜、铁、氧化物或氧化锡中的至少一种。
5.根据权利要求1所述的装置，其中所述膜是各向异性的，在操作中，从所述阳极或阴极到所述膜另一侧的阴极或阳极具有比沿着薄膜表面更小的电阻。
6.根据权利要求1所述的装置，其中所述聚合物占所述膜的重量或体积的20％至50％之间。
7.根据权利要求6所述的装置，其中所述膜仅由所述聚合物和所述导电颗粒组成，并且其中所述导电颗粒占所述膜的重量或体积的50-80％，使得所述膜的净体积电阻率小于1000欧姆厘米。
8.根据权利要求1所述的装置，其中，所述膜的厚度在0.1毫米(mm)和0.3mm之间。
9.如权利要求1所述的装置，其中：
外表面是面向阳极的第一外表面，并且
膜的第一外表面处的电学和/或化学性质不同于膜的面向阴极的第二外表面处的相应电学和/或化学性质。
10.一种电池，包括：
电解液；和
一种被电解液包围的电化学装置，该电化学装置包括
阳极；
阴极；和
位于阳极和阴极之间的双极结构，该双极结构包括
靠近阳极的第一层；
第二层与第一层相同并靠近阴极；和
设置在第一层和第二层之间的膜，该膜包括多个形成不渗透层的非导电聚合物，该不渗透层被配置为防止电解液通过。
11.根据权利要求10所述的电池，其中所述膜还包含与所述聚合物结合的多个导电颗粒，使得所述膜的外表面在组成上是均质的。
12.根据权利要求10所述的电池，其中所述聚合物包括聚乙烯、聚氨酯、PTFE或PVDF中的至少一种。
13.根据权利要求12所述的电池，其中所述第一层和所述第二层各自包括石墨片。
14.如权利要求13所述的电池，其中：
薄膜通过薄膜的相对平坦表面直接接触第一层和第二层中的每一个，
第一层直接接触阳极，使得第一层的石墨压缩地顺应阳极的表面，并且
第二层直接接触阴极，使得第二层的石墨压缩地顺应阴极的表面。
15.根据权利要求10所述的电池，其中所述聚合物占所述膜的重量或体积的20％至50％。
16.根据权利要求15所述的电池，其中所述膜仅由所述聚合物和所述导电颗粒组成，并且其中所述导电颗粒占所述膜的重量或体积的50-80％，使得所述膜的净体积电阻率小于1000欧姆厘米。
17.一种制造电化学装置的方法，该方法包括：
将多个导电颗粒和多个非导电聚合物结合以形成第一结构，该第一结构在组成上基本均一且不透流体；
将第一结构轧制成厚度不超过0.5毫米的第二结构；
切割第二结构以形成具有预定长度和宽度的薄膜；和
将薄膜设置在第一层和第二层之间以形成双极结构，第一层和第二层包括石墨；和
可操作地将双极结构耦合到阳极和阴极，使得第一层和第二层中的每一层的石墨压缩地顺应阳极和阴极的相应表面。
18.根据权利要求17所述的方法，其中所述聚合物包括聚乙烯、聚氨酯、PTFE或PVDF中的至少一种，并且其中所述颗粒包括石墨、炭黑、铜、铁、氧化物或氧化锡中的至少一种。
19.根据权利要求17所述的方法，其中所述聚合物占所述膜的重量或体积的20％至50％之间。
20.根据权利要求19所述的方法，其中所述膜仅由所述聚合物和所述导电粒子组成，并且其中所述导电粒子占所述膜的重量或体积的50-80％，使得所述膜的净体积电阻率小于1000欧姆厘米。
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