TWI485907B - 能量儲存裝置 - Google Patents

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TWI485907B
TWI485907B TW103109187A TW103109187A TWI485907B TW I485907 B TWI485907 B TW I485907B TW 103109187 A TW103109187 A TW 103109187A TW 103109187 A TW103109187 A TW 103109187A TW I485907 B TWI485907 B TW I485907B
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Wei Nien Su
Ming Yao Cheng
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Description

能量儲存裝置
本發明係關於一種能量儲存裝置，尤指一種同時具有能量型電極對及功率型電極對，且該能量型電極對及該功率型電極對共用相同電解質之能量儲存裝置。
常見的可充電電池，例如鋰離子電池(lithium ion battery)，依其充放電的特性，可以區分為能量型(energy type)電池及功率型(power type)電池。能量型電池之儲存能量高，但充、放電時功率較低；相反地，功率型電池之儲存能量不高，但充、放電時功率較高。因此，依照此兩種電池的特性，可使用於不同的用途。例如，能量型電池應用於手機、筆電等需要低輸出功率之產品，功率型電池則應用於電動車等需要高輸出功率的產品。
不過，無論是能量型電池或是功率型電池，習用的充電電池在使用時多半具有以下問題：耐突波放電性差(poor pulse discharge)、循環充放電性能易衰減((decreased cyclic capacity)、以及低溫環境下之操作性(即充電速率，charging rate)差。
爰是之故，申請人有鑑於習知技術之缺失，發明出本案「能量儲存裝置」，以改善上述缺失。
本案之一面向係提供一種能量儲存裝置，其係利用具有相同電極活性材料的能量型正負電極對及功率型正負電極對組合，並共用相同組成物的電解質，如此可以提高能量儲存裝置的快速充電能力、適合低溫操作、並具有較佳的循環充放電壽命。
本案之另一面向係提供一種能量儲存裝置，包括：具有一第一單位能量密度及一第一單位放電功率之一能量型(energy type)電極對，包括表面具有一第一活性材料之一第一正極、表面具有一第二活性材料之一第一負極；具有一第二單位能量密度及一第二單位放電功率之一功率型(power type)電極對，包括表面具有一第三活性材料之一第二正極、表面具有一第四活性材料之一第二負極，其中該功率型電極對係電連接於該能量型電極對；一殼體，容置該能量型電極對及該功率型電極對；一第一電解質，設置於該第一正極及該第一負極之間；以及一第二電解質，設置於該第二正極及該第二負極之間，其中該第一電解質與該第二電解質之組成物係為相同。
本案之又一面向係提供一種電池之製造方法，包括下列步驟：提供一能量型電極對，包含一第一電極、一第二電極、一第一隔離膜設置於該第一電極及該第二電極之間，以及一第一電解質，設置於該第一電極、該第一隔離膜及該第二電極之間及周圍；提供一功率型電極對，包含一第三電極、一第四電極、一第二隔離膜設置於該第三電極及該第四電極之間，以及一第二電解質設置於該第三電極、該第二隔離膜及該第四電極之間及周圍；設置一第三隔離膜於該能量型電極對及該功率型電極對之間；以及提供一殼體，以容置該能量型電極對及該功率型電極對，其中該第一電解質及該第二電解質之組成物係相同。
本案之再一面向係提供一種能量儲存裝置，包括：具有一第一單位能量密度及一第一單位放電功率之一能量型電極對；具有一第二單位能量密度及一第二單位放電功率之一功率型電極對，電連接於該能量型電極對；一殼體，容置該能量型電極對及該功率型電極對；以及一第一電解質，設置於該能量型電極對之內及周圍；以及一第二電解質，設置於該功率型電極對之內及周圍，其中該第一電解質及該第二電解質係容置於該殼體內，並使該能量型電極對及該功率型電極對藉由該第一電解質及該第二電解質來分別形成電導通迴路。
10‧‧‧能量型電極對
11、21‧‧‧正極電極
12、22‧‧‧負極電極
13、14、23、24‧‧‧電流收集板
15、25‧‧‧正極塗層
16、26‧‧‧負極塗層
17、27、37‧‧‧隔離膜
20‧‧‧功率型電極對
30、50、60、70‧‧‧電池
31、51、61、71‧‧‧外部正極端子
32、52、62、72‧‧‧外部負極端子
47‧‧‧殼體
48‧‧‧第一電解質
49‧‧‧第二電解質
+‧‧‧內部正極端子
-‧‧‧內部負極端子
第1圖：本發明一實施例之示意圖。
第2圖：本發明另一實施例之示意圖。
第3圖：本發明另一實施例之示意圖。
第4圖：本發明另一實施例之示意圖。
第5圖：本發明另一實施例之示意圖。
第6圖：本發明另一實施例之示意圖。
第7圖：本發明另一實施例之示意圖。
第8圖：本發明另一實施例之流程圖。
第9圖：本發明另一實施例之流程圖。
本發明之實施例的詳細描述如下，然而，除了該詳細描述外，本發明還可以廣泛地在其他的實施例施行。亦即，本發明的範圍不受已提出之實施例的限制，而應以本發明提出之申請專利範圍為準。
本發明係利用具有相同電極活性材料之一種能量型電極對及一種功率型電極對的組合，並聯成一電極組，加上組成物相同的電解質，該組成物之內含物的組成比例可為相同或不同，以形成一可充放電的能量儲存裝置。能量型電極對之單位能量密度係高於功率型電極對之單位能量密度，而能量型電極對之單位放電功率係低於功率型電極對之單位放電功率。因此，本發明利用能量型電極對具有高電能容量之特性與功率型電極對具有可快速應答的特性，由該能量型電極對提供高能量之輸出，並由該功率型電極對提供快速充放電時之高功率需求，同時，其中該功率型電極 對於高功率應用時亦可保護該能量型電極對免於受到高功率電流的衝擊。此外，也因為採用相同的電極活性材料及組成物相同的電解質，因此本案之能量儲存裝置的設計、製造與維護，會更加簡易及單純。
該能量型電極對與該功率型電極對之特性可藉由各電極對中之電極厚度、電極中之活性材料-導電添加物-黏結劑組成比例、導電添加物或黏結劑的種類、活性材料之尺寸及形狀、及電流收集器的材質、形狀或厚度而改變，以製成不同需求功能之能量型電極與功率型電極，進而達成能量儲存裝置所需的特性。
該能量型電極與該功率型電極所使用的活性材料種類相同，該活性材料可以應用於各式不同種類之電化學儲能裝置，如鉛酸電池、鎳-金屬氫電池(Ni-MH)、鋰離子電池、鋰-硫電池、鈉-硫電池、金屬-空氣電池、電雙層電容器或是擬電容電容器的電極等。而活性材料之定義，則為儲能裝置中可進行電化學氧化還原反應之材料，並藉此產生電位差，於充電時電位差變大，此時儲能裝置中的正極進行電氧化反應，並將電子輸出至外迴路，負極藉由接收正極輸出至外迴路之電子進行電還原反應。而放電時則為自發反應，電位差變小，此時儲能裝置中的負極進行電氧化反應，並將電子輸出至外迴路，正極藉由接收負極輸出至外迴路之電子進行電還原反應。
電解質之組成物包括至少一溶劑及一可解離物質，該可解離物質可為一鹽類。該電解質種類之選擇可與電極之活性材料(又稱為電極塗層，可區分為正極塗層及負極塗層)搭配。此外，由於本發明所使用的該能量型電極與該功率型電極活性材料種類相同，因此該能量型電極與該功率型電極對可使用組成物相同的電解質，該組成物之內含物的組成比例可為相同或不同。該電解質解離後所形成之離子，可移動穿過設置於電極對中正極電極及負極電極之間的多孔性隔離膜，以作為正極電極及負極電極間之媒介物。
電極活性材料與電解質之搭配與儲能裝置之種類有關，如鉛酸電池中之二氧化鉛與鉛分別為其正極與負極，並以濃硫酸作為電解質；鋰離子二次電池則通常以鋰離子過渡金屬氧化物為正極，如LiCoO2 、 LiMn2 O4 或LiFePO4 ，負極通常為石墨、人造石墨，或是錫、矽或其複合材料。而正極與負極之定義，為正極活性材料之還原電位高於負極活性材料，因此在此定義下，正極相較於負極具有較高之電位。
此外，本發明之該能量型電極對與該功率型電極對的數量，可依照所需要的電能容量及輸出功率大小來決定，且該能量型電極對與該功率型電極對可依隨機順序以並聯方式電連接，以因應各種能量儲存裝置對於不同應用的需求。其各式各樣的變化，將描述於以下各種實施例說明中。
首先參閱第1圖，為本發明之一實施例之一能量型電極對10之示意圖。該能量型電極對10係由具有一內部正極端子(+)之一正極電極11及具有一內部負極端子(-)之一負極電極12所組成，其間設有一隔離膜17。再參閱第2圖，為本發明之一實施例之一功率型電極對20之示意圖，該功率型電極對20係由具有一內部正極端子(+)之一正極電極21及具有一內部負極端子(-)之一負極電極22所組成，其間設有一隔離膜27。
再參閱第3圖，為本發明之一實施例之一電池30之示意圖。如第3圖所示，該能量型電極對10與該功率型電極對20以並聯方式電連接，並容置於一殼體47內。該殼體47設有一外部正極端子31將該內部正極端子(+)相連，以及一外部負極端子32將該內部負極端子(-)相連。此外，該殼體47內部設置一電解質(圖中未顯示)，從而形成該電池30。
請參閱第4圖，其為前述電池30內部組成之示意圖。該能量型電極對10之該正極電極11包括一電流收集板13及一正極塗層15覆蓋於該電流收集板13之表面，而該負極電極12包括一電流收集板14及一負極塗層16覆蓋於該電流收集板14之表面。該功率型電極對20之該正極電極21包括一電流收集板23及該正極塗層25覆蓋於該電流收集板23之表面，而該負極電極22包括一電流收集板24及該負極塗層26覆蓋於該電流收集板24之表面。於該正極電極11、該負極電極12、該正極電極21以及該負極電極22之間分別依序設置該隔離膜17、一隔離膜37以及該隔離膜27。雖然該隔離膜17、該隔離膜37以及該隔離膜27之材料可以不同，但本實施例對於該等隔離膜17、37及27係採用相同之材料。該正極電極 11、該負極電極12、該正極電極21、該負極電極22、該隔離膜17、該隔離膜37以及該隔離膜27均容置於該殼體47內。此外，一第一電解質48設置於該殼體47中之該正極電極11、該負極電極12、該隔離膜17以及該隔離膜37之間及周圍；以及一第二電解質49設置於殼體47中之該正極電極21、該負極電極22、該隔離膜27、以及該隔離膜37之間及周圍，藉由該第一電解質48及該第二電解質49形成一電導通迴路，以供該電池30進行充放電。
請參閱第5圖，其係本案另一實施例之電池50內部組成之示意圖。該電池50係配置二個能量型電極對10，該等能量型電極對10之間再設置二個功率型電極對20，該等能量型電極對10及該等功率型電極對20係以並聯方式電連接，且所有的內部正極端子(+)與一外部正極端子51相連，而所有的內部負極端子(-)與一外部負極端子52相連。
請參閱第6圖，其係本案又一實施例之電池60內部組成之示意圖。該電池係配置二個功率型電極對20，該等功率型電極對20之間再設置一能量型電極對10，該等功率型電極對20及該能量型電極對10係以並聯方式電連接，且所有的內部正極端子(+)與一外部正極端子61相連，而所有的內部負極端子(-)與一外部負極端子62相連。
請參閱第7圖，其係本案再一實施例之電池70內部組成之示意圖。該電池70係依序配置一能量型電極對10、二個功率型電極對20、一能量型電極對10、二個功率型電極對20以及一能量型電極對10，亦即將前述該電池60之該等電極對插置於前述該電池50之該等電極對中間，該等能量型電極對10及該等功率型電極對20係以並聯方式連結，且所有的內部正極端子(+)與一外部正極端子71相連，而所有的內部負極端子(-)與一外部負極端子72相連。
由於該第一電解質48及該第二電解質49的種類可以是液態的或是膠態的，因此實務上，電池的組裝方法會因所使用的該第一電解質48及該第二電解質49種類之不同而不同。如第8圖所示，假如該第一電解質48及該第二電解質49為液態，其組裝方法如下：將一正極塗層15附著於一電流收集板13之表面以形成一正極電極11、將一負極塗層16附著於 一電流收集板14之表面以形成一負極電極12、並將一正極塗層25附著於一電流收集板23之表面以形成一正極電極21、以及將一負極塗層26附著於一電流收集板24之表面以形成一負極電極22(步驟81)；於該正極電極11與該負極電極12之間設置一隔離膜17，以組裝成一能量型電極對10，以及於該負極電極21與該負極電極22之間設置一隔離膜27，以組裝成一功率型電極對20(步驟82)；於該能量型電極對10及該功率型電極對20之間設置一隔離膜37，並將上述元件放入一殼體47內(步驟83)；以及將該第一電解質48及該第二電解質49分別注入該殼體47內(步驟84)。
如第9圖所示，如果該第一電解質48及該第二電解質49為膠態，其組裝方法如下：將一正極塗層15附著於一電流收集板13之表面以形成一正極電極11、將一負極塗層16附著於一電流收集板14之表面以形成一負極電極12、並將一正極塗層25附著於一電流收集板23之表面以形成一正極電極21、以及將一負極塗層26附著於一電流收集板24之表面以形成一負極電極22(步驟91)；分別在該正極電極11及該負極電極12之表面塗覆該第一電解質48、以及於該負極電極21以及該負極電極22之表面塗覆該第二電解質49(步驟92)；於已塗覆該第一電解質48之該正極電極11及該負極電極12之間可以但非必須另外設置一隔離膜17，以形成一能量型電極對10，以及於已塗覆該第二電解質49之該正極電極21及該負極電極22之間可以但非必須另外設置一隔離膜27，以形成一能量型電極對20(步驟93)；以及於該能量型電極對10及該功率型電極對20之間可以但非必須另外設置一隔離膜37，並將上述元件放入一殼體47內(步驟94)。
本發明以較佳之實施例說明如上，僅用於幫助了解本發明之實施，非用以限定本發明之精神，而熟悉此領域技藝者於領悟本發明之精神後，在不脫離本發明之精神範圍內，當可作些許更動潤飾及等同之變化替換，其專利保護範圍當視後附之申請專利範圍及其等同領域而定。
10‧‧‧能量型電極對
11、21‧‧‧正極電極
12、22‧‧‧負極電極
13、14、23、24‧‧‧電流收集板
15、25‧‧‧正極塗層
16、26‧‧‧負極塗層
17、27、37‧‧‧隔離膜
20‧‧‧功率型電極對
30‧‧‧電池
47‧‧‧殼體
48‧‧‧電解質

Claims (10)

  1. 一種能量儲存裝置，包括：具有一第一單位能量密度及一第一單位放電功率之一能量型(energy type)電極對，包括表面具有一第一活性材料之一第一正極、表面具有一第二活性材料之一第一負極；具有一第二單位能量密度及一第二單位放電功率之一功率型(power type)電極對，包括表面具有一第三活性材料之一第二正極、表面具有一第四活性材料之一第二負極，其中該功率型電極對係電連接於該能量型電極對；一殼體，容置該能量型電極對及該功率型電極對；一第一電解質，設置於該第一正極及該第一負極之間；以及一第二電解質，設置於該第二正極及該第二負極之間，其中該第一電解質與該第二電解質之組成物係為相同。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的能量儲存裝置，其中該能量型電極對係並聯於該功率型電極對；該第一電解質係為液態或膠態；以及該第二電解質係為液態或膠態。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的能量儲存裝置，更包含：一第一隔離膜，設置於該第一正極及該第一負極之間；以及一第二隔離膜，設置於該第二正極及該第二負極之間。
  4. 如申請專利範圍第1項所述的能量儲存裝置，其中該第一單位能量密度高於該第二單位能量密度，且該第一單位放電功率低於該第二單位放電功率。
  5. 如申請專利範圍第1項所述的能量儲存裝置，其中該第一活性材料與該第三活性材料相同，且其中該第二活性材料與該第四活性材料相同。
  6. 一種電池之製造方法，包括下列步驟：提供一能量型電極對，包含一第一電極、一第二電極、一第一隔離膜設置於該第一電極及該第二電極之間，以及一第一電解質設置於該第一電極、該第一隔離膜及該第二電極之間及周圍；提供一功率型電極對，包含一第三電極、一第四電極、一第二隔離膜設置於該第三電極及該第四電極之間，以及一第二電解質設置於該第三電極、該第二隔離膜及該第四電極之間及周圍；設置一第三隔離膜於該能量型電極對及該功率型電極對之間；以及提供一殼體，以容置該能量型電極對及該功率型電極對，其中該第一電解質與該第二電解質之組成物係為相同。
  7. 如申請專利範圍第6項所述的方法，其中：該第一電極之表面及該第三電極之表面均具有一第一活性材料；以及該第二電極之表面及該第四電極之表面均具有一第二活性材料。
  8. 一種能量儲存裝置，包括：具有一第一單位能量密度及一第一單位放電功率之一能量型電極對； 具有一第二單位能量密度及一第二單位放電功率之一功率型電極對，電連接於該能量型電極對；一殼體，容置該能量型電極對及該功率型電極對；一第一電解質，設置於該能量型電極對之內及周圍；以及一第二電解質，設置於該功率型電極對之內及周圍，其中該第一電解質及該第二電解質係容置於該殼體內，並使該能量型電極對及該功率型電極對藉由該第一電解質及該第二電解質來分別形成電導通迴路。
  9. 如申請專利範圍第8項所述的能量儲存裝置，其中該能量型電極對係並聯於該功率型電極對。
  10. 如申請專利範圍第8項所述的能量儲存裝置，其中該第一單位能量密度高於該第二單位能量密度，且該第一單位放電功率低於該第二單位放電功率。
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