CN1171343C - 电化学发生器电池和相应的电池组 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电化学发生器电池，依次包括某一极性的第一电极层(114)、第一电解质层(110)、相反极性的第二电极层(108)、第二电解质层(112)、所述极性的第二电极层(116)。所述极性的电极层(114，116)并联连接。还包括与所述极性的电极层(114，116)相连的集流器(118，120)。所述极性的第一电极层(114)的厚度不等于所述极性的第二电极层(116)的厚度。本发明可应用于锂-聚合物蓄电池。

Description

电化学发生器电池和相应的电池组

技术领域

本发明涉及一种电化学发生器电池，依次包括某一极性的第一电极层、第一电解质层、相反极性的电极层、第二电解质层和所述极性的第二电极层，所述极性的所述电极层并联连接，所述电池还包括与所述极性的电极层相连的集流器。

例如，本发明可应用于电动交通工具和稳态设备的锂-聚合物电化学电池组。

背景技术

有聚合物电解质的锂电化学发生器已经为人所知。这样的发生器通常包括由两个平行电连接的半电池组成的电池。

每一个半电池包括通过电解质层施加在锂层一面上的阴极层。放置在阴极的自由面和与锂层相连的集流引线自由面上的集流器抽取电流。

在锂层两面的阴极层厚度相同(如图1)。为了提高这样的电化学发生器的比能量(每单位质量的能量)而增加厚度，所述厚度对于两个阴极层为相同值。相应地锂层的厚度也要增加。这样做的结果是由于电池电阻增加而导致最大比功率(每单位质量的功率)减小。

发明内容

本发明的目的是减弱这种缺点，并提供比能量基本上与最大比功率无关的电化学电池。

为了这一目的，本发明的主题是后述类型的一种电化学发生器电池，其特征在于所述极性的所述第一电极层的厚度不等于所述极性的所述第二电极层的厚度。

本发明的主题也是一种电化学电池组，包括至少一个上述所定义类型的电化学发生器电池。

附图说明

通过阅读以下由实例方式给出和参考附图进行的描述可以更好地理解本发明。

图1是已知的锂-聚合物电化学发生器电池的截面图；

图2是现有技术电化学电池的比能量和比功率作为阴极厚度的函数；

图3是根据本发明的锂-聚合物电化学发生器电池的截面图；

图4是根据本发明的电化学电池的比能量和比功率以及二者之比作为阴极厚度的函数。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，首先参照图1和2描述现有技术造成的问题。

图1按截面方式表示现有技术的电化学发生器电池2。该电池包括两个半电池4、6，每一个半电池由共有的锂层8、电解质层10和12、正电极层14和16以及集流器18和20组成。

电导线22和24与集流器18和20相连，电导线26与锂层8相连。

取决于蓄电池的类型，导线24和26可直接与正电极层14和16相连，从而由导线24和26来收集电流。

两个电导线22和24连接到使用者的一侧(未示出)，同时电导线26连接到使用者的另一侧，从而形成两个半电池4和6的并联连接。

电解质层10和12的厚度都是30μm，并将正电极层14和16与作为负电极的共有锂层8分隔开来。

锂层的厚度在10μm和150μm之间，优选在30μm和70μm之间。

正电极层14和16各厚90μm(在本实例中)，并由含V₂O₅比例为Y的材料制成，Y通常大于50％。V₂O₅的比例决定比电容，如果Y＝54％则比电容为153Ah/kg。

作为一种变化形式，氧化镍、氧化钴、氧化锰或其混合物可用于取代V₂O₅。

半电池的内表面电阻可由下式计算：

R_{s_de}＝R_{s_Li/el}+r_{s_el}×e_el+r_{s_cath}×e_cath    (1.1.)

其中R_{s_Li/el}是电解质10和12与锂阳极层8之间界面的表面电阻，数值为10Ωcm²。r_{s_el}是电解质10和12的电阻率(r_{s_el}＝0.2Ωcm²/μm)。r_{s_cath}是阴极14和16在80％放电时的电阻率(r_{s_cath}＝3.5Ωcm²/μm)。

e_el和e_cath是电解质层10和12的厚度(e_el＝30μm)以及阴极层14和16的厚度(e_cath＝90μm)。

所指示的表面电阻对于90℃的温度是有效的。

集流器22、24和26的电阻以及锂层8的电阻与界面、电解质和阴极的表面电阻相比可忽略不计。

因此，对于给定的电化学电池2，半电池4和6的表面电阻为：

R_{s_de}＝10Ωcm²+0.2Ωcm²/um×30um+3.5Ωcm²/um×90um＝331Ωcm²

这个电池的内表面电阻可由下式计算(并联连接)：

$R_{s\_e}=\frac{R_{s\_\mathrm{de}}{R}_{s\_\mathrm{de}}}{R_{s\_\mathrm{de}}+R_{s\_\mathrm{de}}}=\frac{R_{s\_\mathrm{de}}}{2}$

对于给定的实例，表面电阻为：

$R_{s\_e}=\frac{331\mathrm{\Ω}{\mathrm{cm}}^2}{2}=165.55\mathrm{\Ω}{\mathrm{cm}}^2$

由这个锂-聚合物电池2产生的最大表面功率由下式给出：

$P_{s\_\max }=\frac{{U_0}^2}{4R_{s\_e}}$

其中U₀是电池2的真空电压(在80％放电时为2.2V)。

单位面积的能量由下式给出：

E_{s_e}＝E_{s_de1}+E_{s_de2}＝(e_cath1+e_cath2)×ρ_cath×Y×E_s×U_mean    (1.3.)

其中E_{s_dex}是半电池1或2的表面能；e_cathx是相应阴极的厚度，ρ是阴极的密度(ρ＝2.1g/cm³)，Y是按重量百分比计阴极中V₂O₅的含量(54％)，E_s是V₂O₅的比电容(153Ah/kg)，U_mean是2.55V大小的平均电压。

对于给定实例，E_{s_e}＝7.98mWh/cm²。

为了提高锂-聚合物电池2的比表面能，已经有人提出增加两个阴极层14和16的厚度。这可导致两个半电池4和6的表面电阻增加，同时电池2的真空电压保持为常数，因此电池2的表面功率以及最终的比功率减小。

锂层的厚度保持为常数。

电池2的最大功率与电池2的比能量之比随阴极厚度增加而减小。

表1表示作为阴极厚度的函数，表面电阻、在80％放电时的表面功率、表面能量、表面功率与表面能量之比、表面质量、比功率和比能量的数值。这些数值在90℃温度下测得。

表1

阴极厚度	表面电阻	最大表面功率	表面能量	Pmax/能量	表面质量	最大比功率	比能量
								μm	Ohm.cm2	mW/cm2	mWh/cm2		Mg/cm2	W/kg	Wh/kg
10	25.50	47.45	0.89	53.53	29.7	1597.68	29.85
								15	34.25	35.33	1.33	26.57	31.8	1110.96	41.82
20	43.00	28.14	1.77	15.87	33.9	830.07	52.30
								25	51.75	23.38	2.22	10.55	36	649.49	61.56
30	60.50	20.00	2.66	7.52	38.1	524.93	69.80
								40	78.00	15.51	3.55	4.37	42.3	366.73	83.83
50	95.50	12.67	4.43	2.86	46.5	272.48	95.32
								60	113.00	10.71	5.32	2.01	50.7	211.20	104.91
70	130.50	9.27	6.21	1.49	54.9	168.89	113.03
								80	148.00	8.18	7.09	1.15	59.1	138.34	120.00
90	165.50	7.31	7.98	0.92	63.3	115.50	126.05
								100	183.00	6.61	8.87	0.75	67.5	97.96	131.34
110	200.50	6.03	9.75	0.62	71.7	84.17	136.01
								120	218.00	5.55	10.64	0.52	75.9	73.13	140.16
130	235.00	5.14	11.52	0.45	80.1	64.14	143.88
								140	253.00	4.78	12.41	0.39	84.3	56.73	147.23
150	270.50	4.47	13.30	0.34	88.5	50.54	150.26

图2表示已知电化学电池的比能量和比功率作为阴极厚度的函数。

发现通过将两个阴极层的厚度增加相同数值来提高锂-聚合物电池的比能量不可避免地导致比功率的减小。

现在将参照图3和4描述本发明。

图3按截面方式表示根据本发明的有聚合物电解质的锂电化学发生器电池102。在图3中与图1相似的元件表示成数值增加100的标号。

如同图1中的电池，电化学发生器电池102包括两个半电池104和106，每一个半电池包括锂层108的共有部分、电解质层110和112、阴极层114和116，以及形成集流器118和120的层。

锂层108、电解质层110和112的厚度与图1中层8、11和12的厚度相同。

然而，两个阴极层114和116的厚度彼此不同，但二者之和等于图1中电池2的两个阴极层14和16厚度之和。例如，第一层114的厚度是150μm。在该实例中，该厚度可在130μm到170μm之间，优选在140μm到160μm之间。第二层116的厚度是30μm，可在10μm到50μm之间，优选为20μm到40μm之间。

通常，较厚的一层厚度在80μm到200μm之间，优选为100μm到160μm之间。

为了能够比较两个电池2和102的功率和能量，根据本发明电池102的表面电阻将按下述方式计算。

对于阴极层114和116各自厚度值，采用公式(1.1.)计算两个半电池的表面电阻。

这里同样忽略集流器118和120以及锂层108的表面电阻。

在90℃的工作温度电阻率的数值保持相同。

对于由两个分别包括30μm和150μm阴极层的半电池组装而成的电池，对两个半电池104和106内表面电阻的计算给出以下数值：

R_{s_de1}＝60.5Ωcm²

R_{s_de2}＝270.5Ωcm²

整个电池102的表面电阻采用与两个电池并联连接相关的以下公式计算。

$R_{s\_e}=\frac{R_{s\_\mathrm{de}1}{R}_{s\_\mathrm{de}2}}{R_{s\_\mathrm{de}1}+R_{s\_\mathrm{de}2}},$ 其中R_{s_dex}是半电池X(X∈[1，2])的表面电阻。

对于给定的组装形式，电池的总表面电阻是：

R_{s_e}＝121Ωcm²。

采用公式1.2.计算，则单位面积的最大功率(在80％放电时)为：

$P_{s\_\max }=10\frac{\mathrm{mW}}{{\mathrm{cm}}^2}$

电池102单位面积包含的能量由公式1.3.的等式计算：

E_{s_e}＝E_{s_de1}+E_{s_de2}＝(e_cath1+e_cath2)×ρ_cath×Y×E_s×U_mean

表面功率对表面能量的比值则为：

$\frac{P_{\max }}{E_{s\_e}}=1.52,$ 这意味着相对现有技术的比值 $\frac{P_{\max }}{E_{s\_e}}=0.92$ 而言增加了60％。

应当理解的是，对于相等的总阴极厚度(180μm)，第一阴极114的厚度从90μm增加到150μm，另一方面，第二阴极116的厚度从90μm减少到30μm，使得电池的内表面电阻从160.5Ωcm²减小到121Ωcm²。对于恒定的能量密度系数，由于质量和体积没有改变，比功率大大提高。

表2表示对于总阴极厚度为180μm的电池102，两个不同厚度的半电池114和116的表面电阻。这进一步表明与图1中阴极层厚度分别等于90μm的电池2相比相应电池最终的表面电阻和功率增益。

图4表示对于根据本发明的电池，比功率、比能量以及二者之间的比值作为薄阴极层的厚度的函数，阴极总厚度为180μm。

表2

dcath1	dcath2	表面电阻半电池1	表面电阻半电池2	表面电阻电池	P/P0
						μm	μm	Ohm.cm2	Ohm.cm2	Ohm.cm2	增益百分比
90	90	331	331	165.5	0.00
						80	100	296	366	163.6	1.13
70	110	261	401	158.1	4.68
						60	120	226	436	148.8	11.19
50	130	191	471	135.9	21.79
						40	140	156	506	119.2	38.80
35	145	138.5	523.5	109.5	51.11
						30	150	121	541	98.9	67.37
25	155	103.5	558.5	87.3	89.54
						20	160	86	576	74.8	121.17
15	165	68.5	593.5	61.4	169.49
						10	170	51	611	47.1	251.60

观察到通过将一层的厚度增加到170μm，并将另一层的厚度减小到10μm，相对于正电极厚度分别为90μm的电池的可用功率而言，比功率可提高2.5倍。

因此本发明使得在比能量不变的情形下、在有聚合物电解质的锂电化学发生器电池中提高比功率从而提高可用功率密度成为可能。

这使得对于给定能量密度、改变取决于假想中设备的功率对能量比值成为可能。

显然本发明不限于所给出的实例。电极层的厚度可在很大的范围变化，电极层的总厚度不限于180μm，而是也可变化。

本发明也可应用于使用不同于锂和聚合物的正或负电极材料的发电电池。

本发明也可应用于任何类型的薄层组装式发电电池。

作为一种变化形式，本发明也可应用于具有共有正电极层和两个厚度不同的负电极层的电池，其中一个负电极层放置在正电极层的一侧。

Claims (12)

1.一种电化学发生器电池(102)，依次包括一种极性的第一电极层(114)、第一电解质层(110)、相反极性的第二电极层(108)、第二电解质层(112)和所述极性的第二电极层(116)，所述极性的所述电极层(114，116)并联连接，所述电池还包括与所述极性的电极层(114，116)相连的集流器(118，120)，其特征在于：所述极性的所述第一电极层(114)的厚度不等于所述极性的所述第二电极层(116)的厚度。

2.如权利要求1所述的电池，其特征在于：所述极性的电极层是正电极层(114，116)，所述相反极性的电极层是负电极层。

3.如权利要求2所述的电池，其特征在于：所述负电极层(108)由锂或锂基合金制成，所述电解质层(110，112)由固态聚合物制成，所述正电极层(114，116)由包括氧化钒、氧化镍、氧化钴或氧化锰或这些氧化物的混合物的复合物制成。

4.如权利要求2或3所述的电池，其特征在于：所述第一正电极层(114)的厚度在80μm到200μm之间。

5.如权利要求2或3所述的电池，其特征在于：所述第一正电极层(114)的厚度在100μm到160μm之间。

6.如权利要求2或3所述的电池，其特征在于：所述第一正电极层(114)的厚度在130μm到170μm之间。

7.如权利要求2或3所述的电池，其特征在于：所述第一正电极层(114)的厚度在140μm到160μm之间。

8.如权利要求4所述的电池，其特征在于：所述第二正电极(116)的厚度在10μm到50μm之间。

9.如权利要求4所述的电池，其特征在于：所述第二正电极(116)的厚度在201μm到40μm之间。

10.如权利要求6所述的电池，其特征在于：所述第二正电极(116)的厚度在10μm到50μm之间。

11.如权利要求6所述的电池，其特征在于：所述第二正电极(116)的厚度在20μm到40μm之间。

12.一种包括至少一个电池的电化学电池组，所述至少一个电池依次包括一种极性的第一电极层(114)、第一电解质层(110)、相反极性的第二电极层(108)、第二电解质层(112)和所述极性的第二电极层(116)，所述极性的所述电极层(114，116)并联连接，所述电池还包括与所述极性的电极层(114，116)相连的集流器(118，120)，其特征在于：所述极性的所述第一电极层(114)的厚度不等于所述极性的所述第二电极层(116)的厚度。

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