TW200425565A - Electrochemical cell stack - Google Patents

Description

200425565 五、發明說明（l) 一、【發明所屬之技翁領域】 本發明係關於一種電化雷 π 件、電極、集電器與一塾片 食豐，其中包含一分隔 片之電化電池係呈串聯堆疊。 二、【先前技術】 一雙電荷層電容器或—^ ^、 之電化電池，亦即一對陽：：險桎：：包：具有-種結構 量之滚筒型兩類。 的所謂硬幣型及可具有相當大容 圖5為一電化電池單元 ;苛層電容器之基本結構單元此“其η:，雙電 極化電極；「3」代表陰極可 」代表％極可 電器；「5」代表陰極集電哭. ° ’ 4」代表陽極集 代表分隔件。 ， 「6」代表環狀墊片；「7」 如圖5所示，就一雙電荷層電容哭 所形成之陽極與陰極可極 w σ，σ人將由鑄模 以及）、由導電薄板所製鱼if如含？材料粉末 著由多孔高分子薄板所製成之;隔；虽集電益4，5 ’隔 以一電解液灌入該陽極盥^ ^依序形成疊層板，並 该登層板以由如橡膠材料所製成之塾片6j’ 3，，接者，將 疋1。 *封而形成一單 如此之一單元有時可作為一電化 指定輸出’吾人可串聯複數個單元以作為：ί者，為達-就以將複數個單元當作一堆疊而言，必須降接 第8頁 五、發明說明（2) 亦須將單元 (專利參考資 觸電阻’故吾人不僅須降低一 内電極電化學反應之波動儘量降：：：電阻 在日本公開專利，請索編號 料1一）中已說明將複數個單元作為—堆疊之專利參考養 Π已：露吾人須將各單元間電解利參 低，以提供一具改良壽命之不透氣薄鉛蓄雷、★之差異降至最 近單元係隔著-表面積較該單元之 積為大之金屬盤而堆疊在一起，且7^之堆璺表面 堆疊之容器壓製而成。 Μ $表面係藉包含該 圖7為說明根據本發明揭露於專 池堆叠之橫剖面示意圖。在此圖中，亏之電化電 之單元；％」代表導體；「9」代表壓；：表=電池 不’該導體8c具有較該單元}之該堆疊表面 ：所。 根據專利參考資料丨之說明，此一 ^ = φ ^ i0 ^ ^ ^ „ A 配置谷砟存在與圖7 中以導體8c相备之一金屬盤’以期緊密附著至一單元，如 此可將因水分滲透而導致電解液減少之差異降至最低。 然而，因在專利參考資料丨所揭露之技術中，各單元間 之金，插入層具有較該單元之該堆疊表面為大之面積，故 主要疋墊片承受到壓力’但電極則否。在上述問題中，有 關降低一單兀之内電阻及令單元間電極之電化學反應波動 最小化，須充分地使一電極均勻受壓，且電極與電解液間 須充分接觸’如此仍需進行某些改良。 因此，專利參考資料1所揭露之該技術，在令一單元内 所含電解液之波動達最小化上可具有某種程度之功效，但 200425565 五、發明說明（3) 在降低一單元之内電阻或合留 達最小化上並無實質效早疋間電極之電化學反應波動 料2 )在中曰已本揭\開專利一申请案編號1 998~189〇56 (專利參考資 ^ ^ 立方金屬容器中所容納之一電極疊層 J中央，配置可充滿一流體如氣體之—墊 ^ ^ , •且層扳之整個電極區域，以維持固定電 ό 一 +儿* ^ 巧9電化學反應；然而，此技術涉及 自電化電池内部按壓一電極疊# # ^ m 所千夕±叛包征且屑板，故其無法作用於圖5 所不之由墊片密封之一電化電池單元。 三、【發明内容】 本發明之一目的為提供一鲈可土 由七八γ ^ 較可罪之電化電池堆疊，其 中包含一分隔件、電極、隼雷 成堆疊。 电，#電器與-墊片之電化電池係形 後 為嘗試達成該目的，在研穽雷 即完成本發明。在研九電化電池单元之堆疊配置 本發一明包括項目⑴，⑺所述下列實施樣態： 元 極 中 今抑種電化電池堆豐，其中堆叠複數個電化電池單 ^ 牛’一對陽極與陰極薄板電 兩^者該分隔件而彼此相對配置，且浸潰於 盘陽：2極與陰極集電器，其係分別隔著該對陰極電極 配置；以及一墊片’其係環繞該電極以用於 饴封該對電極； 該電化電池堆疊包含位於該堆疊單元間之一薄板導

第10頁 200425565 五、發明說明（4) 體；且 緣鱼該薄板導體係配置成令其與該單元接觸面之外周 緣與該早7G内該墊片之内周緣幾乎重疊。 元，兮的一種電化·電池堆豐’ ▲中堆疊複數個電化電池單 搞兀匕含·一薄板分隔件；一對陽極與陰極薄板電 ，由兩者隔著該分隔件而彼此相對配置，且其浸潰於電解 ' · 對陽極與陰極集電器，其係分別隔著該對該陰極 與該陽極電極而配置；以及一墊片，其係環繞該電極以用 於密封該對電極； 該電化電池堆疊包含位於該堆疊單元間之一薄板導 體；且 其中遠薄板導體具有一平面形狀，即該薄板導體與該 單疋接觸面之外周緣相當於該單元内該墊片之内周緣；且 上該薄板導體係配置成令其與該單元接觸面之外周緣位 於違單元内該墊片之内周緣内部。 、· 3 ·如項目1及2中所述之該電化電池堆疊，其中該墊片 為^形’且該薄板導體具有相當於該墊片内周緣之平面圓 形。 如項目1至3中任一項所述之該電化電池堆疊，其中 ^薄板導體在中央有一沿厚度方向延伸至該墊片外周緣之 犬起部。 如項目1至4中任一項所述之該電化電池堆疊，其中 以電化電池單元包括：一陽極，其係含有質子導電化合物 以作為電極活性材料；一陰極，其係含有質子導電化合物

第11頁 200425565 五、發明說明（5) 以作為電極活性材料；與一電解質，其中含質子源。 6 ·如項目1至5中任一項所述之該電化電池堆疊，盆 該電極及該集電器係個別形成並層壓成型。 〃 • 一種包含如項目1至6中任一項所述之該電化雷# 疊之儲存裝置。 池堆 係月，插入各單元間之該薄板導體之平面形狀 /、r L 片之該内周緣相對應，故該薄板導體可以一诒4 且適田之屋力作用於該單元中之該電極上。第一效果兔二 觸電阻及其再各單元間之波動均降低，因此電壓可 雷哭夕門方 第一政果為在該電極與該電解液或與集 y 9 生均勻且充分的接觸，因此可降低單元内之內 ΐ = π ^可令各單元間之電化學反應波動降至最小，是故 ===作用下’電化電池堆疊可呈現良好電一 1在薄板導體上延伸至墊片外周緣之突起部將有 助於在堆叠單元與薄板導體期間之對正，•而提高』：有 四、【實施方式】 茲將以二次電池為例說明本發明之實施例。 德中所用之電化電池單元原則上具有一傳統結 ’鉍：多照圖5作說明。圖5所示之該單元丨包括含有一陽 極活性材料、一導電助劑及一黏著劑之陽極2 ;含有一陰極 ，性^枓、一導電助劑及一黏著劑之陰極3 ;置於該陽極2 與该陰極3間之一離子可滲透絕緣分隔件？；分別置於圖5之 200425565 五、發明說明（6) 端與下端表面之一陽極隹雷哭4命 . 環繞這此雷搞盧八瞌丄’、^ /、 陰極集電器5 ;以及 士 、二電極與为隔件的墊片6。因考 人反 有關之體積變化，該雷亏慮電極上產生與反應 成型。槓變m電極與該集電器可個別形成之並層塵 圖1為根據本發明之一電化電池堆聂輿旛如♦奸 忍圖。如圖丨所示，複數個單元i隔著之松剖面示 型：兩：：體8a之外周緣形狀相當於該墊片6之内周緣，业 ii】；f同一形狀，且該導體僅與配置該陽極與該陰極、 來Γί盗區域接觸，因此該電極可均勻且適度地承受到 之兮ίif板9之壓力。以相同觀點觀之，置於該堆疊兩端 ==9最好亦具有典型上與該塾片6之内周緣 1 J <相對應外周緣。 u體或該壓力板與該單元接觸之該面面積，最好小 區ii其堆疊平面上之該單元之該墊片内周緣之内部 >5二，與該單元接觸之該面面積最好大於或等於該墊 之内部面積的90%，若大於或等於95%更好。 或裳Iί墊片為環狀時，該導體或該壓力板可為具有小於 於寺於該墊片内徑之外徑之圓板，該圓板的外徑實質上等 ;-置於該藝片内側之該電極的外徑，如此可用整 個電極配置區域。 &正 該環形塾片及該圓板可配置成使其中央於軸線上對 正〇

第13頁 200425565 五、發明說明（7) ___ 圖2為根據本發明之另一田 示意圖。在此實施例中，兮導上電；4堆愛貫施例之橫剖面 突起部延伸至該塾片:周：導，在，度方向中央有- 部將有利於該單元與該導體形=該導體上之突起 效率。 守體之對正，而提升組合時之工作 ^顯示具有突起部之導 3(0為俯視圖，圖3(b)為橫 ' 4二中圖3U)及 形成於該導體整個外周緣之 「θ中’ 「1 Oa」表 導體部分外周緣之突起邻如f °卩，1 0 b」表形成於該 合期間之對正，故1可k =所述，該突起部係用於組 :。)所不，或形成於該導體之部分外周緣，如圖3(c)所 8b之；疊。因用該在單該元;=土之々起部10&而顯示單元1及導體 質上相；外Ξ二\及如=體…：起部 接觸之-對正構件（夫i圖情不，至少與該外周緣上三點 根據本發明之以：）：用於幫助對正。 中作為電荷載體之質顯著達成’其 中之電子歩電極充電，放電有關之氧化還原反應 下列反應方私式顯示以聚口引咕為一㈣子$電化合物 200425565 五、發明說明（8) 之反應。第一步驟為一，其中X-代表摻雜劑離子如磺酸鹽 及鹵素離子，其可摻雜一導電化合辱以賦予該化合物電化 活性；第二步驟為與一摻雜化合物中之質子鍵結/消去有 關之電化反應（電極反應），在發生此一電極反應之電化 電池中，質子鍵結/消去與氧化還原反應中之電子傳送無 關，故在充電/放電期間僅傳送質子；因此，在電極反應 中之體積變化減少，且具較佳循環性質。再者，較高質子 傳送速率可加速反應，進而提升高速性質（亦即改善高速 充電/放電性質）。

(1) Λ R Λ ^ ^ Λ 秦 —ne~ —ηΗ+ + tiel 十 L R η η (2) ΙΗ

第15頁 200425565

如上所述 合物，其為一 有機化合物。 ’本發明中之電極活性材料 可藉與電解質中離子反應而 為一質子導電化 儲存電化能量之 此一 合物，例 聚乙炔、 氟烧、聚 印、聚苯 酿、聚味 物；酿類 萘醌及聚 及由共聚 子’吾人 化還原對 質子導電 如π共輛 聚對二甲 氟醚、聚 并0tb 定、 唑及其衍 如苯醌、 苯醌，其 合兩種或 可將這些 。在考慮 化合物可為傳統上所使用之任 高分子類之聚苯胺、聚噻吩、 苯、聚伸苯基乙烯、聚萘、聚 伸禮吩、polypyridinediyl 、 聚吼咬、聚嘧啶、聚吲哚、聚 生物；吲哚7Γ共軛化合物如三 萘醌及蔥醌；醌類高分子如聚 中藏類氧可由共軛反應轉換成 更多單體所製備而成之質子導 化合物進行掺雜，以形成具導 氧化還原電位差下，這些化合 聚吼略 夫σ南、ί 聚異硫 胺基蔥 吲哚化^ 葱酿、3 經基，i 電高分 電性之肩 物可適1 地選擇作為陽極活性材料與陰極活性材料。 質子‘電化合物之較佳範例包括冗共輥化合物或含氮 原子之咼分子、醌類化合物及醌類高分子。 在含質子源（提供質子者）電解質中之質子源可為一 無機或，機^，無機酸例子包括硫酸、硝酸、氫氯酸、磷 酸三四氟硼酸、六氟磷酸、六氟矽酸；有機酸例子包括飽 和單羧馱、知肪族羧酸、氧羧酸、對苯磺酸、對甲苯磺 酸、聚乙烯確酸及月桂酸。在此些含質子源之電解質中， 以含酸水溶液較佳，硫酸水溶液更佳。、

200425565 五、發明說明（10) 在含^質子源之電解液中，質子濃度最好大於或等於 mo ’右根據該電極材料之反應性·，最好大於或等於 mol / L但小於多聱於Ί m】/τ ·朴& 1 υ iP ^ ^ ^ 於18 ®〇l/L ,若為防止該電極材料活 ，與洛解，最好小於或等於7 m〇1/L。 性衮 貫施例 雷、Φ Ϊ 5 :將芩照特殊實施例更進-步詳述之。因為·务 電池原則上具有一楂处a a u馮包化 之。 傅、，先w構，故單元配置將參照圖5說明 實施例1 以含有下方化學忒％也士 活性材料，將作為導電制之早兀之聚吲哚作為一陽極 及平均分子量1，100之取低劑之々氣相長成碳（20 wt%)、以 極活性材料中，利用^偏厂鼠乙烯（8 wt% )加入至該電 物熱壓以形成陽極2 ^ ^器擾拌該混合物，將所得之混合 卜梭：1 3 · 2 m m )。

以含有下方化學式、 材料，將作為導電助劑，表之單元之I作為一陰極活性 電極活性材料中，利^之氣相長成碳（25 wt% )加入至該 搜拌器攪拌該混合物，將所得之混

第17頁 200425565 五、發明說明（11) ‘物熱壓以形成陰極3 (外徑：1 3· 2 mm )。

將該陽極與陰極灌入電解液，該電解液為2 0 w t %硫酸 溶液，將該陽極與陰極層壓成型，而以厚度150 /zm之多孔 聚丙烯作為分隔件。 接著，將所製成之薄板與由導電橡膠所製成之陽極與 陰極集電器4， 5、由橡膠材料所製成之墊片6結合，並將該 集電器及該環形墊片（外徑16· 2 wm，内徑14· 2 mm )進行 硫化反應以膠合，製備得一電化電池單元1。雖本實施例利 用硫化膠合，但本發明並不限於此特殊方法，只要達到穩 定黏著即可。 將六個單元1隔著交錯使用之厚度為200 /im且具與該 墊片内周緣一致之平面形狀之不銹鋼圓板（外徑1 4. 0 m in ) 而形成堆疊；接著，將一圓形壓板配置於該堆疊之各表 面，以提供具有如圖1之橫剖面的電化電池（但不包括該堆

第18頁 200425565 五、發明說明（12) 疊單元數目）。 實施例2 ‘備如貫施例1之電化電㈤ > m之不銹鋼板作為導體。’豐，但採用厚度為1 0 0 // 實施例3 製備如貫施例1夕雷/卜番、丄 m且在中央” 池堆疊，但採用厚度為_ # ^^^I,. 向形成突起部者作為導體；該電化電池 堆璺之k剖面形狀如圖2所示， _ l f施例4 除該堆豐早兀數目外。 但該堆疊單元1之數 製備如實施例1之電化電池堆疊 目等於3。 比較實施例1 但不使用插入導體 製備如實施例1之電化電池堆疊 ，一 /,、〜γ7 該電化電池堆疊之橫剖面形狀如圖6所示，除該堆疊單元數 目外0 比較實施例2 製備如比較實施例1之電化電池堆疊，但該堆疊單元之 數目等於3。 比較實施例3 製備如實施例1之電化電池堆疊，但係隔著交替使用之 厚度為200 /zm之不銹鋼板導體而堆疊六個單元。該電化電 池堆疊之橫剖面形狀如圖7所示，除該堆疊單元數目外；換 言之，該電化電池堆疊相當於專利參考資料1之所述之該堆 疊。

第19頁 200425565 五、發明說明（13) 上述之該該電化電池堆疊係以4 5它下之定壓作用測試 估計之，估計度量採用等效串聯電阻（之後稱為” ESR„ /， 其結果列於表1。表1中之值係假設比較實施例中實施定壓 作用測試前之ESR為1 〇〇所計算出之相對值。 表1 軍X數 wmm 度 (_ ESR mm 1 6 200 95 98 2 6 100 93 96 3 6 200 90 85 4 3 200 51 49 — 一 __ 1 6 麵 100 258— 2 3 麵 53 90 例 3 6 200 108 152 表1之結果顯示：在實施例1至4之任—電化電池晶 中，定壓作用測試前後的ESR波動與比較實施例i相W宜 幅減少，如此表示不論厚度、突起部存在與否、大 目，利用插入導體有助於將接觸電阻及等^作用^叠數 動最小化。 之波 反之，在比較實施例1及2中’定壓作用測試前後㈣

第20頁 200425565 發明說明（14) 變化率分別約為2· 6及1· 7倍，表示各單元間之接觸電壓波 動可能破壞作用於各單元上之電壓平衡，而導致ESR變化加 劇，在比較^施例2中較小之變化率可能因為堆疊單元數目 較少’故各單元間之接觸電阻波動較不顯著。 在比較實施例3中，_已使用插入導體，但其&s 率仍較諸實施例為大，可能因為該導體之外後較該 、匕 大，故壓力由該墊片接收，如此適當壓力無二^ 片為 之電極區域。 / 用於所欲 ’也為例進行說 置如雙電荷層

在上述說明中，本發明已利用二次電 明；但本發明在應用於其他類型之儲存裝 容器上仍同樣有效。

第21頁 200425565 圖式簡單說明 五、【圖式簡單說明】 圖1為根據本發明之一電化電池堆疊實施例之橫剖面示 意圖。 圖2為根據本發明之一電化電池堆疊實施例之橫剖面示 意圖。 一 圖3(a)〜（c)顯示根據本發明之具有突起部之導體的實 施例。

圖4顯示在本發明之一電化電池堆疊中，具有突起部之 導體之堆疊狀況。 圖5為根據習用技術上用於硬幣型雙電荷層電容器作為 一基本結構單元之電化電池單元横剖面圖。 圖6為無導體之傳統電化電池堆疊實施例之橫剖面圖。 圖7為說明根據專利參考資料1之傳統電化電池堆疊實 施例之橫剖面示意圖。 元件符號說明： 1 電化電池單元 2 陽極可極化電極

3 陰極可極化電極 4 陽極集電器 5 陰極集電器 6 環形墊片 7 分隔件 8a、8b、8c 導體

第22頁 200425565 圖式簡單說明 9 壓力板 10a、10b 突起部

liHli 第23頁

Claims (1)

1. 200425565 六、申請專利範圍 : _ ----— -— — 元，該單元包電含化電池堆雙，其中堆疊複數個電化電池單 極，兩者隔著；八：:!板分隔件；一對陽峨 中·-斟：r隔件而彼此相對配置，i浸潰於電解淡 與陽極電極而配晉·其係刀別隔著該對陰極電極 密封該對電極； 墊片，其係環繞該電極以用於 體；：電化電池堆疊包含位於該堆疊單元間之一薄板導 /、中該薄板導體係配 緣與該單元内該墊片之内周緣幾乎重疊…觸面之外周 元，2該單一Λ電含化電池/1气， 極，兩者隔著 >、溥板/刀隔件，一對陽極與陰極薄板電 中.一對陽極I二隔件而彼此相對配置，且浸潰於電解液 :陽極電電器，其係分別隔著該對該陰極盒 密封該對電極；乂及一墊片’其係環繞該電極以用於 體；：電化電池堆疊包含位於該堆疊單元間之一薄板導 …ί::f 5導體具有一平面形狀’即該薄板導體與該 早7G接觸面之外周緣相當於該單元中之該墊片之内周緣； 該薄板導體係配置成令其與該單元接觸面 於該單元内該墊片之内周緣内侧。 门緣位 3.如申請專利範圍第i項之電化電池堆疊，其中該塾

   200425565 六、申請專利範圍 片為環形，且該薄板導體具有相當於該墊片内周緣之平面 圓形。 4. 如申請專利範圍第1項之電化電池堆疊，其中該薄 板導體在中央具有沿厚度方向延伸至該墊片外周緣之突起 部。 5. 如申請專利範圍第1項之電化電池堆疊，其中該電 化電池單元包括：一陽極，其係含有質子導電化合物以作 為電極活性材料；一陰極，其係含有質子導電化合物以作 為電極活性材料；與一電解質，其中含質子源。 6. 如申請專利範圍第1項之電化電池堆疊，其中該電 極與該集電器係個別地形成並層壓成型。 7. —種儲存裝置，其包含如申請專利範圍第1項之電 化電池堆疊。

   第25頁