TWI521769B - 具有高能量密度及功率密度之電池裝置 - Google Patents

Description

具有高能量密度及功率密度之電池裝置

本發明涉及一種電池裝置，尤指一種具有高能量密度及功率密度且較小體積之電池裝置。

隨著諸如智慧型手機、平板電腦、穿戴式裝置等可攜式多功能消費性電子產品的蓬勃發展，電池的效能及尺寸便成了決定產品市場性的關鍵，在縮小體積的同時，必須要能滿足長時間使用及連網所需的瞬間高功率(peak power)，因此便需要具有高能量密度(energy density)及高功率密度(power density)的電池，然而，傳統的鋰離子電池在瞬間高功率應用下，無法提供符合需求的功率密度，所以使用這種電池的裝置通常待機時間不長，瞬間高功率抽載也可能使裝置當機，這些問題在多核心電腦或通訊系統特別嚴重，另外，在低溫操作時，上述狀況更為嚴重。

儘管可利用將超級電容(supercapacitor)耦接至鋰離子電池避免瞬間高功率損害，例如US 5,587,250、WO 2007/097534、US 5,821,006說明了利用物理接觸或電連接的方式耦接超級電容及鋰離子電池，但是需加入額外的元件，製程又複雜，因而使得電池的體積及成本增加。

本發明提供一種電池裝置，具有高能量密度及高功率密度且體積較小。

本發明提供一種電池裝置，包括：一電池外殼；一間隔物，置於電池外殼內，將電池外殼內的空間分成至少一第一空間及一第二空間，用於分別容納具有不同電解液的至少一第一元件及一第二元件，間隔物由一絕緣及電化學惰性材料所製成，能夠與電池外殼之材料熔合；一共同正極，與至少第一元件及第二元件之正極電連接；以及一共同負極，與至少第一元件及第二元件之負極電連接。第一元件及第二元件之電解液不同，進行不同的電化學反應。

本發明的另一構想提供一種電池裝置製造方法，包括步驟：提供用於形成電池外殼之一第一殼體片及一第二殼體片，並提供用於形成間隔物的一間隔片；將第一殼體片、間隔片及第二殼體片依順序排列；對第一殼體片、間隔片及第二殼體片進行一封邊製程，於第一殼體片及間隔片之間形成第一空間，於間隔片及第二殼體片之間形成第二空間，其中第一空間及第二空間分別具有第一注入口及第二注入口，供注入電解液；於第一空間及第二空間分別設置第一元件及第二元件，包括將對應電解液由第一注入口及第二注入口分別注入第一空間及第二空間；以及完成注入電解液後，密封第一注入口及第二注入口。

本發明的另一構想提供一種電池裝置製造方法，包括步驟：提供一元件殼體，其內部為第二空間；將元件殼體放入電池外殼內，因而於元件殼體的外壁及電池外殼的內壁之間形成第一空間，其中第一空間有一第一注入口，供注入一第一電解液，以於第一空間內設置第一元件；以及完成注入第一電解液後，密封第一注入口。

本發明的複數個元件可以進行至少一法拉第反應及一非法拉第反應，如電雙層反應，因此可以提供不同且互補的特性。本發明的電池裝置可以使用在可攜式裝置，例如智慧型手機、平板電腦、穿戴式裝置等等尤重電池體積的裝置。

本發明將藉由下列實施例加以說明，但相關敘述均為說明之用，並不用於限制本發明的實際應用方式。

以下將配合相關圖式說明具有高能量密度及高功率密度的電池，其形狀及體積符合市面上的可攜式消費性電子產品。

請參閱圖1A及圖1B中所示根據本發明實施例的電池裝置，圖1A及圖1B分別為電池裝置的截面圖及立體剖面圖，電池裝置1包含電池外殼10及間隔物100，間隔物100放置在電池外殼10內部，將電池外殼10內的空間分成第一空間101和第二空間102，電池裝置1還包含分別設置於第一空間101和第二空間102的第一元件11和第二元件12，第一元件11和第二元件12的電解液不同，在各自的空間內進行不同的反應。將第一元件11及第二元件12的正極111及121電連接至共同正極131，並將第一元件11及第二元件12的負極112及122電連接至共同負極132，電連接的方式例如採並聯方式。各元件同時進行不同的反應，可提供電池裝置1不同且互補的特性，例如：第一元件11可為鋰離子電池，進行法拉第反應，第二元件12可為超級電容元件，進行電雙層(electric double layer)反應，但不限於此。

本案之「電雙層」意指固態介質與液態介質間之界面兩側分佈的正電離子層及負電離子層，當固態介質的表面吸引溶液中的正離子（或負離子）因而帶正電（或負電），溶液中的電荷會根據庫倫定律重新分佈，因此在液態介質中靠近固態介質表面的負離子（或正離子）增加，便形成電雙層。如果電容器的電容值高到毫法拉等級，通常被稱為超級電容器，超級電容器的能量儲存特性與鋰離子電池不同，如圖7A及7B所示。於圖7A中，超級電容器是高功率系統，其電容值與電壓呈線性關係；另一方面，於圖7B中，鋰離子（或鋰高分子）電池是高能量系統，能夠穩定放電提供長時間的電力。因此可知鋰離子電池具有高能量密度（單位體積高能量）而超級電容器具有高功率密度（高電流），兩者同時作用提供電力給外部裝置，在使用外部裝置時能緩衝瞬間高功率，根據各種特性上的需求，例如備援電力、承載瞬間高功率及即時儲存傳輸中的資料，便可依據本發明選擇組合的元件。表1比較電池及超級電容器的能量密度及功率密度，所述「高能量密度」及「高功率密度」代表能量密度及功率密度高於平均、接近上限、或是更勝一籌。

圖2A及圖2B顯示一種製造電池裝置1的方法，首先，提供第一殼體片1011、第二殼體片1021及間隔片1001，第一殼體片1011與第二殼體片1021用於形成電池外殼10，間隔片1001則用於形成間隔物100，第一殼體片1011、間隔片1001及第二殼體片1021如圖2A之順序排列，然後利用熱封或雷射封邊等方式對第一殼體片1011、間隔片1001及第二殼體片1021進行封邊製程，於第一殼體片1011及間隔片1001之間形成第一空間101，並於間隔片1001及第二殼體片1021之間形成第二空間102。間隔片1001的材料為絕緣及電化學惰性材料（不易起電化學反應），並且能夠與殼體片的材料熔合，例如可使用金屬-高分子複合膜或高分子材料，進行封邊製程時，會保留第一注入口1012及第二注入口1022，如圖2B之上視圖所示。之後分別從第一注入口1012及第二注入口1022將第一元件11及第二元件12設置於第一空間101及第二空間102。

於前述實施例中，在封邊製程之後，第一元件11及第二元件12分別放入第一空間101及第二空間102，第一元件11及第二元件12的電解液分別從第一注入口1012及第二注入1022注入第一空間101及第二空間102。於另一實施例中，可先將第一元件11及第二元件12與第一殼體片1011、間隔片1001及第二殼體片1021排好，然後進行封邊製程，便完成第一元件11及第二元件12在第一空間101及第二空間102內的設置，在封邊製程之後，將第一元件11及第二元件12的電解液分別注入第一空間101及第二空間102，在此實施例中，中間插入兩元件的各材料片其四邊可在封邊製程中幾乎完全封住，僅留下小注入口讓電解液注入，注入口可根據實際狀況安排在上方或在側邊。

另外，第一元件11及第二元件12可以包含超過一個單元以提高性能或增加功能，每一個元件內的單元串聯或並聯，圖3A顯示本發明另一實施例之電池裝置，其中第一元件31及第二元件32各包含三個並聯的單元，然後第一元件31及第二元件32彼此也並聯。舉例來說，第一元件31是超級電容元件，包含三個超級電容單元，第二元件32是電池元件，包含三個電池單元，如圖3B所示，每一個單元可包含正極、隔離膜及負極，於此實施例中，每一個超級電容單元的正極由金屬層321（材質例如為鋁）及兩側的反應層3210（材質例如為活性碳）所構成，每一個超級電容單元的負極則由金屬層323（材質例如為鋁）及兩側的反應層3230（材質例如為活性碳）所構成；另一方面，每一個電池單元的正極由金屬層321（材質例如為鋁）及兩側的反應層3210（材質例如為鋰金屬氧化物）所構成，每一個電池單元的負極則由金屬層323（材質例如為銅）及兩側的反應層3230（材質例如為石墨）所構成。因為在電極／單元之間存在有電解液，電極／單元間的隔離膜322為多孔性絕緣材質，不易與電解液反應，而位於第一元件31及第二元件32之間的間隔物300不只是不易與電解液反應的材質，同時必須完全隔離電解液不滲漏。

請再參閱圖3A，因為圖3A為截面圖，所以只能顯示部分的電極連接，其他未顯示部分則可類推，超級電容元件31中的多個超級電容單元互相並聯，即所有正極以正極導柄315電連接至正極端子314，所有負極則以負極導柄（未繪示）電連接至負極端子（未繪示）；同樣地，電池元件32中的多個電池單元互相並聯，即所有正極以正極導柄325電連接至正極端子324，所有負極則以負極導柄（未繪示）電連接至負極端子（未繪示）。超級電容元件31的正極端子314和電池元件32的正極端子324再耦接至一個共同正極35。正極導柄315和325藏在電池外殼310內，僅露出部分的正極端子314及324，可與外部共同正極35電連接，但不限於此。例如，從電池外殼310可以僅露出共同正極35和共同負極(未繪示)，使外形簡潔（如圖6之結構，將於後文說明）。再者，如果電池裝置的外觀與目前市售電池一致又具有高能量密度及高功率密度，更具有競爭力。另外，只要對兩個殼體片及一個間隔片進行一次封邊製程，就可以同時形成分別放置超級電容元件31及電池元件32之用的兩個空間，如此便可使用現有的生產裝置並簡化製程，有利於本發明的應用。

雖然前述實施例以並聯方式連接超級電容元件31及電池元件32內的超級電容單元及電池單元，但不限於此，根據不同目的，例如考慮到提供電壓、耐壓、容量等因素，各單元間也能以串聯方式連接。

圖4顯示本發明電池裝置的另一實施例，電池裝置4包含電池外殼410及元件殼體420，元件殼體420位於電池外殼410內，元件殼體420的外壁與電池外殼410的內壁之間定義為第一空間401，元件殼體420內的空間則定義為第二空間402，兩空間分別設置第一元件41及第二元件42，第一元件41及第二元件42包含不同的電解液，在第一空間401及第二空間402內進行不同的反應，電連接（如以並聯方式）第一元件41及第二元件42，前述的不同反應便可提供不同的電池特性，例如第一元件41可以是鋰離子電池元件，進行法拉第反應，第二元件42可以是超級電容元件，進行電雙層反應，但不限於此。如此，具有高能量密度的鋰離子電池元件和具有高功率密度的超級電容元件一起作用提供電力給外部裝置，可緩衝外部裝置使用時產生的瞬間高功率，根據各種特性上的需求，例如備援電力、承載瞬間高功率及即時儲存傳輸中的資料，便可依據本發明選擇組合的元件。

製備電池裝置4時，先將第二元件42的電極組放入元件殼體420，然後將對應的電解液注入第二空間402，接著密封元件殼體420，元件殼體420及內部的第二元件42再放入已經裝有第一元件41電極組的電池外殼410，然後將對應的電解液400從電池外殼410上方或側邊（依實際狀況）的注入口（未繪示）注入第一空間401，電解液注入完畢後，密封注入口，第二元件42利用端子441與將第一元件41一起電連接至共同電極45，便完成電池裝置4的製程。

在此實施例中，元件殼體420內先置妥第二元件42後，元件殼體420再放入電池外殼410中；也可換種方式，只將電極組放入第二空間402而此階段不注入電解液，另外在元件殼體420上提供注入口（未繪示），將內含電極組的元件殼體420放入電池外殼410後，再從對應的注入口將電解液同時或依序分別注入電池外殼410及元件殼體420的各空間。

如圖5所示，這種元件殼體在電池外殼內的電池裝置也可以包含多個電池單元及超級電容單元，與圖3A的實施例類似，請注意圖5為截面圖，因此只顯示了部分的電極連接，其他未顯示部分則可類推。在此實施例中，電池元件52有自己的元件殼體520，元件殼體520的殼體壁同時做為間隔物500，隔離電池元件52及超級電容元件51。超級電容元件51的超級電容單元互相並聯，即所有正極511以正極導柄515電連接至正極端子514，所有負極513則以負極導柄（未繪示）電連接至負極端子（未繪示）；同樣地，電池元件52的電池單元互相並聯，即所有正極521以正極導柄525電連接至正極端子524，所有負極523則以負極導柄（未繪示）電連接至負極端子（未繪示）。在每一個超級電容單元中，正極511及負極513之間設置有隔離膜512；同樣地，在每一個電池單元中，正極521及負極523之間設置有隔離膜522。超級電容元件51的正極端子514及電池元件52的正極端子524再耦接至共同正極55，正極導柄515和525藏在電池外殼510內，僅露出部分的正極端子514及524，可與外部共同正極55電連接，但不限於此。例如，從電池外殼510可以僅露出共同正極55和共同負極(未繪示)，使外形簡潔（如圖6之結構，將於後文說明）。再者，如果電池裝置的外觀與目前市售電池一致又具有高能量密度及高功率密度，更具有競爭力。

雖然前述實施例以並聯方式連接超級電容元件51及電池元件52內的超級電容單元及電池單元，但不限於此，根據不同目的，例如考慮提供電壓、耐壓、容量等因素，各單元間也能以串聯方式連接。

請參閱圖6，顯示第一元件61和第二元件62的電連接範例，於此例中，第二元件62有自己的元件殼體620，放置在電池外殼610內並同時做為間隔物，較佳者，元件殼體620為一軟性包裝而電池外殼610為一硬殼，電極端子651（例如正極端子）從第二元件62伸出，電連接至外側的共同電極65P，第一元件61的電極導柄641耦接至電極端子651，因此與外側的共同電極65P電連接。在此例中，電極端子651與電極導柄641都藏在電池外殼610內，同樣的配置可以應用至負極部分的負極端子652，不再贅述，圖中省略此部分，最後，電池外觀僅看到共同正極65P及共同負極65N。

在上述實施例中或其相關變化，電池外殼的材料可以是金屬-高分子複合膜、鋁或不鏽鋼；間隔物及元件殼體的材料可以是高分子薄膜或複合材料層，高分子薄膜可以是聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、耐綸、聚對苯二甲酸乙二酯(PET)、聚醯亞胺(PI)、聚鄰苯二甲醯胺(PPA)或其他具有高隔離能力的適合高分子薄膜；電池元件的正極材料可以是鋰基金屬氧化物，例如鋰鈷氧化物(LiCoO₂ )、鋰錳氧化物(LiMn₂ O₄ )、磷酸鋰鐵(LiFePO₄ )、鋰鎳鈷錳氧化物(LiNi_x Co_y Mn_z O₂ )或其他適合的鋰基金屬氧化物或化合物；電池元件的負極材料可以是石墨、矽、鋰鈦氧化物或化合物；超級電容元件的正極材料可以是金屬氧化物或碳基材料，金屬氧化物例如氧化釕、氫氧化鎳、二氧化錳或其他適合的金屬氧化物，碳基材料例如活性碳、石墨烯、奈米碳管或其他適合的碳基材料；超級電容元件的負極材料可以是碳基材料，例如活性碳、石墨烯、奈米碳管或其他適合的碳基材料。

本發明所稱「電解液」可以由化合物或組成物所構成，可以以其他適合的形式出現，例如溶液、凝膠或固體。

本發明的電池裝置可以應用於可攜式裝置，例如智慧型手機、平板電腦、穿戴式裝置等等尤重電池體積的裝置。

根據本發明，進行非法拉第反應之單元電極的尺寸可以放大到近似進行法拉第反應之單元電極，因此，非法拉第單元電極的並聯數量可以減少，降低內部電阻，同時，非法拉第反應單元電極的區域在有限空間中可以更加有效利用，因為不需要額外的空間，就可省下封裝材料並簡化製程。對可攜式3C產品，輕薄是不可或缺的，如果裝上較薄的鋰離子電池，常常伴隨低電池容量以及在高充放電速率(C-rate)時越來越差的放電能力，所稱「充放電速率」是指電池的充電／放電速率，可以「充電或放電電流／電池容量」表示，例如50Ah電池以10A電流充電，完全充飽電池需要5小時，因此充放電速率為10/50=0.2C；如果50Ah電池以50A電流充電，完全充飽電池需要1小時，因此充放電速率為50/50=1C；如果50Ah電池以100A電流充電，完全充飽電池需要0.5小時，因此充放電速率為100/50=2C。根據不同應用，如何算是高充放電速率會有不同定義，例如針對手機，2C就算是高充放電速率。本發明結合了鋰離子電池及超級電容，在相同厚度下，超級電容的低阻抗及放電時的瞬間高電流可以補償鋰離子電池的不足，尤其是在低溫操作的情況下，也延長了鋰離子電池的壽命。總而言之，本發明的電池裝置使用原有電池外殼的空間不需增加封裝材料，便可改善瞬間高電流放電性能，另外，電池裝置的結構將單元包裝直接放入電池外殼，更增加了製程的彈性。

雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可進行更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

1、4‧‧‧電池裝置
10、310、410、510、610‧‧‧電池外殼
11、41、61‧‧‧第一元件
12、42、62‧‧‧第二元件
31‧‧‧第一元件（超級電容元件）
32‧‧‧第二元件（電池元件）
35、55、131、65P‧‧‧共同正極
45‧‧‧共同電極
51‧‧‧超級電容元件
52‧‧‧電池元件
100、300、500‧‧‧間隔物
101、401‧‧‧第一空間
102、402‧‧‧第二空間
111、121、511、521‧‧‧正極
112、122、513、523‧‧‧負極
132、65N‧‧‧共同負極
314、324、514、524‧‧‧正極端子
315、325、515、525‧‧‧正極導柄
321、323‧‧‧金屬層
322、512、522‧‧‧隔離膜
400‧‧‧電解液
420、520、620‧‧‧元件殼體
441‧‧‧端子
641‧‧‧電極導柄
651‧‧‧電極端子
652‧‧‧負極端子
1001‧‧‧間隔片
1011‧‧‧第一殼體片
1012‧‧‧第一注入口
1021‧‧‧第二殼體片
1022‧‧‧第二注入口
3210、3230‧‧‧反應層

圖1A及圖1B分別為根據本發明實施例的電池裝置之截面圖及立體剖面圖。 圖2A及圖2B為根據本發明實施例的電池裝置製造方法之示意圖。 圖3A為根據本發明實施例的電池裝置之截面圖。 圖3B為根據本發明實施例的單元結構之示意圖。 圖4為根據本發明實施例的電池裝置之截面圖。 圖5為根據本發明實施例的電池裝置之截面圖。 圖6為根據本發明實施例的電池裝置之立體剖面圖，顯示電池裝置內部元件的連接關係。 圖7A為根據本發明的超級電容元件之電性關係圖。 圖7B為根據本發明的電池元件之電性關係圖。

1‧‧‧電池裝置

11‧‧‧第一元件

12‧‧‧第二元件

100‧‧‧間隔物

101‧‧‧第一空間

102‧‧‧第二空間

111、121‧‧‧正極

131‧‧‧共同正極

Claims (17)

1. 一種電池裝置，包含：        一電池外殼；        一間隔物，置於該電池外殼內，將該電池外殼內的空間分成至少一第一空間及一第二空間，用於分別容納具有不同電解液的至少一第一元件及一第二元件，該間隔物由一絕緣及電化學惰性材料所製成，能夠與該電池外殼之材料熔合；        一共同正極，與該至少第一元件及第二元件之正極電連接；以及        一共同負極，與該至少第一元件及第二元件之負極電連接；        其中該第一元件及該第二元件之電解液不同，進行不同的電化學反應。
2. 如申請專利範圍第1項所述之電池裝置，其中該第一元件之能量密度高於該第二元件，該第二元件之功率密度高於該第一元件。
3. 如申請專利範圍第1項所述之電池裝置，其中該第一元件及該第二元件之一進行一法拉第反應，該第一元件及該第二元件之另一元件進行一電雙層反應，使該第一元件及該第二元件具有不同及互補的特性。
4. 如申請專利範圍第1項所述之電池裝置，其中該共同正極及該共同負極從該電池外殼露出。
5. 如申請專利範圍第1項所述之電池裝置，其中該間隔物係由一高分子薄膜或一複合材料所製成。
6. 如申請專利範圍第5項所述之電池裝置，其中該間隔物之材料為聚乙烯、聚丙烯、耐綸、聚對苯二甲酸乙二酯、聚醯亞胺或聚鄰苯二甲醯胺。
7. 如申請專利範圍第1項所述之電池裝置，其中該第二空間位於該第一空間內。
8. 如申請專利範圍第1項所述之電池裝置，其中該第一元件包含複數個並聯的第一單元。
9. 如申請專利範圍第1項所述之電池裝置，其中該第二元件包含複數個並聯的第二單元。
10. 如申請專利範圍第1項所述之電池裝置，其中該第一元件及該第二元件以並聯方式電連接。
11. 一種電池裝置製造方法，用於製造如申請專利範圍第1項所述之電池裝置，包括步驟：        提供用於形成該電池外殼之一第一殼體片及一第二殼體片，並提供用於形成該間隔物的一間隔片；        將該第一殼體片、該間隔片及該第二殼體片依順序排列；        對該第一殼體片、該間隔片及該第二殼體片進行一封邊製程，於該第一殼體片及該間隔片之間形成該第一空間，於該間隔片及該第二殼體片之間形成該第二空間，其中該第一空間及該第二空間分別具有第一注入口及第二注入口，供注入該電解液；        於該第一空間及該第二空間分別設置該第一元件及該第二元件，包括將對應之該電解液由該第一注入口及該第二注入口分別注入該第一空間及該第二空間；以及        完成注入該電解液後，密封該第一注入口及該第二注入口。
12. 如申請專利範圍第11項所述之電池裝置製造方法，其中該第一殼體片及該第二殼體片為金屬-高分子複合膜，該間隔片為一高分子薄膜。
13. 一種電池裝置製造方法，用於製造如申請專利範圍第7項所述之電池裝置，包括步驟：        提供一元件殼體，其內部為該第二空間；        將該元件殼體放入該電池外殼內，因而於該元件殼體的外壁及該電池外殼的內壁之間形成該第一空間，其中該第一空間有一第一注入口，供注入一第一電解液，以於該第一空間內設置該第一元件；以及        完成注入該第一電解液後，密封該第一注入口。
14. 如申請專利範圍第13項所述之電池裝置製造方法，其中將該元件殼體放入該電池外殼內之前，注入一第二電解液以於該第二空間內設置該第二元件。
15. 如申請專利範圍第13項所述之電池裝置製造方法，其中將該元件殼體放入該電池外殼內之後，注入一第二電解液以於該第二空間內設置該第二元件。
16. 如申請專利範圍第13項所述之電池裝置製造方法，其中將該元件殼體放入該電池外殼內之後，注入該第一電解液。
17. 如申請專利範圍第16項所述之電池裝置製造方法，其中該第一元件包含一電極組，將該元件殼體放入該電池外殼內之前，將該電極組設置於該電池外殼內。