專利名稱：車輛用雙極電池單元和組合電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電池，特別是用在車輛中的電池。
背景技術(shù)：
雙極電池是由多個(gè)雙極電極構(gòu)作而成的電池，并具有優(yōu)良的特性，諸如輕、薄和較佳熱輻射等。
當(dāng)雙極電池用作車輛的動(dòng)力源時(shí)，要求可靠性和穩(wěn)定性。如果雙極電池的多個(gè)電池元(電池元形成在各雙極電極之間)的充電能力不同，則不能給出所需的輸出特性和容量特性。因此，每一電池元的充電條件在任何時(shí)候都需要予以均衡。
為此目的，每一電池元的充電和放電系統(tǒng)是通過連接相應(yīng)于每一電池元的電壓檢測導(dǎo)線(用于檢測電池元的電壓)和旁路導(dǎo)線(用于旁路電池元)而各別進(jìn)行控制的。旁路導(dǎo)線的連接是按照電壓檢測導(dǎo)線檢測的電壓進(jìn)行控制的。
不過，電壓檢測導(dǎo)線和旁路導(dǎo)線是不希望有的，因?yàn)殡妷簷z測導(dǎo)線和旁路導(dǎo)線(bypass wire)必須從設(shè)置在雙極電極之間的每一集電器引出，這往往需要很多的工時(shí)。此外，必須確保包罩材料的密封性。

發(fā)明內(nèi)容
提供了一種用于車輛的雙極電池單元，具有配設(shè)的放電電路，可以自動(dòng)地平衡充電條件而不用電壓檢測導(dǎo)線和旁路導(dǎo)線。此外，用于車輛的雙極組合電池是由多個(gè)雙極電池單元構(gòu)成的。
雙極電池單元包括多個(gè)疊置的雙極電極。在一集電器的一個(gè)表面上，形成正電極層。在另一表面上，形成負(fù)電極層。在相應(yīng)雙極電極之間交換離子的多個(gè)電解質(zhì)層一個(gè)接一個(gè)地疊置。放電電路設(shè)置成使相鄰雙極電極導(dǎo)電。放電電路可以與正電極層或負(fù)電極層或電解質(zhì)層中的至少一層設(shè)置在同一表面上。
在一項(xiàng)實(shí)施例中，雙極電池單元可以根據(jù)每一電池元的電壓自動(dòng)地平衡充電條件而無需引出電壓檢測導(dǎo)線和旁路導(dǎo)線，因?yàn)榉烹婋娐放c正電極層或負(fù)電極層或電解質(zhì)層中的至少一層設(shè)置在同一表面上。
雙極電池單元可以自動(dòng)地平衡充電條件而無需引出電壓檢測導(dǎo)線和旁路導(dǎo)線，因?yàn)槭瓜噜忞p極電極電氣連通的放電電路設(shè)置與集電器的正電極層或負(fù)電極層或電解質(zhì)層中的至少一層設(shè)置在同一表面上。結(jié)果，可以提高電池制造工作效率和可靠性。
在一項(xiàng)實(shí)施例中，所提供的雙極電池單元具有配設(shè)的放電電路，可以自動(dòng)地平衡充電條件。此雙極電池單元包括多個(gè)雙極電極，各雙極電極包括集電器，集電器在一個(gè)表面上具有正電極層而在另一表面上具有負(fù)電極層。此雙極電池單元還包括多個(gè)電解質(zhì)層，在雙極電極之間交換離子；以及放電電路，使相鄰雙極電極導(dǎo)電。放電電路與正電極層、負(fù)電極層或電解質(zhì)層中的至少一層設(shè)置在同一表面上。
在另一實(shí)施例中，組合電池包括多個(gè)雙極電池單元。
在另一實(shí)施例中，車輛包括一或多個(gè)雙極電池單元的組合電池和控制器。
在另一實(shí)施例中，形成雙極電池單元的方法包括疊置多個(gè)雙極電極，各雙極電極包括集電器，集電器在一個(gè)表面上具有正電極層而在另一表面上具有負(fù)電極層。此方法還包括疊置在雙極電極之間交換離子的多個(gè)電解質(zhì)層，以及疊置使相鄰雙極電極導(dǎo)電的放電電路。
在另一實(shí)施例中，雙極電池單元包括多個(gè)雙極電極，各雙極電極包括集電器，集電器在一個(gè)表面具有正電極層而在另一表面上具有負(fù)電極層。此雙極電池單元還包括用于在雙極電極之間交換離子的裝置，以及用于通過使相鄰雙極電極導(dǎo)電而使雙極電池單元放電的裝置。


本發(fā)明的一或多項(xiàng)實(shí)施例的細(xì)節(jié)闡述在附圖和下面的說明中。本發(fā)明的其他一些特點(diǎn)、目的和優(yōu)點(diǎn)根據(jù)說明書和附圖以及各項(xiàng)權(quán)利要求將顯而易見。
圖1是本發(fā)明實(shí)施例的雙極電池單元的透視圖；圖2是雙極電池單元內(nèi)部的透視圖；
圖3是雙極電池單元內(nèi)部的透視圖；圖4-9是配設(shè)在雙極電池單元中的放電電路的范例圖；圖10-12是圖示配設(shè)在雙極電池單元中的發(fā)光元件的范例圖；圖13A-13C是組合電池內(nèi)部的示意圖；圖14圖示配備在車輛中的組合電池。
具體實(shí)施例方式
現(xiàn)在根據(jù)附圖詳細(xì)說明雙極電池單元、組合電池和配備組合電池的車輛。在附圖中，用以構(gòu)造雙極電池的每一層的厚度和形狀都以放大方式畫出。不過，這是為了更好地理解本發(fā)明的主題，而附圖并不意味著符合于雙極電池每一層的厚度和形狀。
圖1是雙極電池單元100的示意簡圖。一雙極電池單元實(shí)例100示于圖1中，其具有扁平的矩形形狀。從雙極電池單元100的兩端引出正電極接頭120A和負(fù)電極接頭120B以便受電(absorb electricity)。電產(chǎn)生元件160用雙極電池單元100的包罩材料180(比如疊層膜)進(jìn)行包封，而該元件的周邊進(jìn)行熱密封。
圖2和3圖示雙極電池單元100的內(nèi)部，而圖4-9圖示配設(shè)在雙極電池單元100中的雙極電池的放電電路。正像從底部到頂部一路逐層地在每一層上涂畫而用噴墨印制機(jī)印制圖像那樣，雙極電池單元100可以通過從多個(gè)噴嘴排出形成每一層所需的材料進(jìn)行制造。此外，雙極電池單元100配有放電電路，也是利用印刷方法制成。
圖2是說明雙極電池單元100內(nèi)部的分解透視圖。在此圖中，為了說明方便每一層予以分解；不過，各層實(shí)際上都是不能予以分解的，因?yàn)樵趯?shí)現(xiàn)本發(fā)明的模式中，每一層都是利用印刷方法從底部到頂部逐層進(jìn)行噴涂。
用于雙極電池單元100每一層的材料如下。
用以形成正電極活性材料(positive-eletrode active material)212的正極油墨(positive ink)的制備包括作為正電極活性材料的LiMn204(85％重量)、作為導(dǎo)電輔助劑的乙炔炭黑(5％重量)、以及作為粘合劑的PVdF(10％重量)。NMP用作漿液粘度調(diào)節(jié)劑以調(diào)節(jié)油墨粘度。
正電極層是由混合在一起的活性材料、導(dǎo)電輔助劑(如果需要的話)、粘合劑和電解質(zhì)(electrolyte)所形成的一層。活性材料在實(shí)施例中不予以限制。正電極活性材料的實(shí)例包括諸如LiMn204等Li-Mn體系中的化合物、諸如LiNiO2等Li-Ni體系中的化合物、諸如CoO2等Li-Co體系中的化合物、以及諸如Li-FePO4等磷酸鐵化合物。在這些材料中，Li-Mn體系中的化合物從導(dǎo)電性優(yōu)良這方面來看是最優(yōu)選的。在某些情況下，可以使用一種以上的正電極活性材料。這里，Li電池的材料取作實(shí)例，然而碳可用作電容器。另外，也可使用諸如氫氧化鎳、二氧化鉛(plumbic oxide)、以及硫酸鉛等水電解電池的材料。高導(dǎo)電性和難以由電流分解的一些材料，諸如像碳黑以及粉狀石墨這樣的碳材料；金，以及鉑，都可用作導(dǎo)電輔助劑。粘合劑的實(shí)例包括聚偏氟乙烯(PVdF)、丁苯橡膠(SBR)、聚四氟乙烯(PTFE)、聚烯烴、聚酰亞胺、聚酰胺-酰亞胺以及聚胺酯。電解質(zhì)是離子導(dǎo)電聚合物與支持電解質(zhì)的混合物。離子導(dǎo)電聚合物在本實(shí)施例中不予限制。聚環(huán)氧乙烷(PEO)和聚環(huán)氧丙烷(PPO)的聚合物可以取作實(shí)例。包含在活性材料層中的離子導(dǎo)電聚合物可以與用作本發(fā)明電極應(yīng)用其上的電池電解質(zhì)的一樣的或不同，但優(yōu)選的是一樣的。支持電解質(zhì)的實(shí)例包括LiBETI(雙(三氟甲烷磺?；?酰亞胺)鋰；Li(C2F5SO2)2N)、LiPF6、LiBF6、LiClO4、LiASF6、以及LiCF3SO3。
用以形成負(fù)電極活性材料202的負(fù)極油墨的制備包括作為負(fù)電極活性材料的硬碳(90％重量)，以及作為粘合劑的PVdF(10％重量)。NMP用作漿液粘度調(diào)節(jié)劑以調(diào)節(jié)油墨粘度。
負(fù)電極層是由混合在一起的活性材料、導(dǎo)電輔助劑(如果需要的話)、粘合劑和電解質(zhì)所形成的一層。負(fù)電極活性材料的實(shí)例包括結(jié)晶和非結(jié)晶碳材料。更為具體地說，諸如天然石墨和人造石墨等碳-石墨材料(carbon-graphite material)、炭黑、活性木炭、碳纖維、焦炭、軟碳和硬碳都可采用。在這些材料中，從電池控制的觀點(diǎn)看來，硬碳是最為可取的。碳材料(carbon material)最為適用于電容器。儲氫合金(hydrogenstoring a11oy)、氫氧化鎘和硫酸鉛可以用于水電解電池。
用以形成離子導(dǎo)電材料208的電解油墨的制備包括作為電解溶液的PC-EC 1MLiBETI(90％重量)，以及包含10％HFP共聚物的PVdF-HFP(10％重量)。碳酸二甲酯(DMC)用作漿液粘度調(diào)節(jié)劑以調(diào)節(jié)油墨粘度。
電解質(zhì)層可以是液體層、凝膠層或固體層中的任何一種。考慮到在電池?fù)p壞情況下的安全性和防止液體接觸而希望是凝膠聚合物電解質(zhì)層或全固體電解質(zhì)層。凝膠聚合物電解質(zhì)層用作電解質(zhì)降低了電解質(zhì)的流動(dòng)性，并防止電解質(zhì)流入集電器使得各層之間的離子導(dǎo)電性可以被消除。凝膠電解質(zhì)主體聚合物的實(shí)例包括PEO、PPO、PVdF、聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物(PVdF-HFP)、PAN、PMA和PMMA。希望包含支持電解質(zhì)以確保離子導(dǎo)電性。如果電池是鋰蓄電池，則LiBF4、LiPF6、LiN(SO2CF3)2、LiN(SO2C2F5)2或這些化合物的混合物可以用作支持電解質(zhì)。不過，并不限于這些。如上述，聚環(huán)氧烷聚合物，諸如PEO和PPO，可以很好地溶解鋰鹽，諸如LiBF4、LiPF6、LiN(SO2CF3)2以及LiN(SO2C2F5)2。另外，交聯(lián)結(jié)構(gòu)將實(shí)現(xiàn)優(yōu)良的機(jī)械強(qiáng)度。
用以形成導(dǎo)電體200、204、204A和214的導(dǎo)電體油墨的制備包括作為導(dǎo)電顆粒的石墨(平均顆粒直徑0.8m；90％重量)即顆碳粒，以及作為粘合劑的PVdF(10％重量)。NMP用作粘度改進(jìn)劑以便制備包含導(dǎo)電顆粒的用于集器的油墨。
導(dǎo)電體只須具有導(dǎo)電性，在本實(shí)施例中不受限制。導(dǎo)電體的實(shí)例包括鋁顆粒、SUS顆粒、銀顆粒、金顆粒、鈦顆粒，但不予限制。可以使用合金顆粒。聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚四氟乙烯(PTFE)、丁苯橡膠(SBR)、聚丙烯腈(PAN)、聚丙烯酸甲酯(PMA)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMS)、聚氯乙烯(PVC)、聚偏氟乙烯(PVdF)或者這些化合物的混合物，可以用作粘合劑。應(yīng)當(dāng)僅采用電學(xué)上高導(dǎo)電高聚物材料(導(dǎo)電聚合物)，而并不需要必須包含導(dǎo)電顆粒。導(dǎo)電聚合物的實(shí)例包括聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩、聚乙炔、聚對亞苯、亞苯基1，2亞乙烯基(phenylene vinylene)、聚丙烯腈、聚二唑或者這些化合物的混合物。
用以形成絕緣材料206的絕緣材料油墨的制備包括作為主體聚合物的包含10％HFP共聚物的PVdF-HFP(10％重量)。碳酸二甲酯(DMC)用作漿液粘度調(diào)節(jié)劑以調(diào)節(jié)油墨粘度。
絕緣材料僅須具有導(dǎo)電性，并在本實(shí)施例中不受限制。比如，用以形成凝膠聚合物電解質(zhì)層的高聚物材料可以優(yōu)先采用。絕緣材料的實(shí)例包括PEO、PPO、PVdF、聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物(PVdF-HFP)、PAN、PMA和PMMA。
正電極接頭120A和負(fù)電極接頭120B由AL板制成。希望是低電阻材料以吸收電流(absorb electric current)，且厚度是大約100μm。
油墨采用按照以下過程的噴墨方法予以施用。為了防止出現(xiàn)裝設(shè)在噴墨印制機(jī)噴射部分上的塑料另件熔化的問題，裝設(shè)在噴射部分上的另件用金屬另件代替，使得油墨可以從油墨盒直接提供給金屬另件。另外，為了防止活性材料在油墨中的沉積，油墨沉積物用轉(zhuǎn)子予以攪擾。噴墨印制機(jī)用市面上有售的計(jì)算機(jī)和軟件進(jìn)行控制。油墨按照計(jì)算機(jī)上形成的圖案通過用噴墨印制機(jī)印刷圖像來予以施加。
電產(chǎn)生元件160通過利用噴墨印制方法涂敷預(yù)定的附著圖案(adhesionpattern)來制成。在本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)模式中，如圖2中所示，預(yù)定的附著圖案，顯示在第一層至第五層上，就像用噴墨印制機(jī)印刷彩色圖像那樣，從底層到頂層逐層地被涂敷在基材200上面，以便形成電池元(electriccell)150。另外，電產(chǎn)生元件160，如圖3中所示，通過重復(fù)地層疊電池元150七次而制成。
換句話說，負(fù)電極活性材料202印制在作為基材的導(dǎo)電體200的中間部分上，如圖2中所示。同時(shí)，導(dǎo)電體204印制在某一部分上，而絕緣材料(insulant)206印制在外部周邊上。附著圖案針對每一層預(yù)先確定，諸如負(fù)電極活性材料202、導(dǎo)電體204A和絕緣材料206印制在導(dǎo)電體200的哪一部分上?？刂莆锪蠂娚涞挠≈茩C(jī)選擇性地按照附著圖案將導(dǎo)電體和絕緣材料噴射在各自位置上。
在第一層的印制完成之后，開始第二層的印制。在第二層的中間部分上，印制離子導(dǎo)電材料208作為交換鋰離子的電極層，以及同時(shí)印制導(dǎo)電體204B、204C。此外，絕緣材料206印制在外部周邊上。放電電路210設(shè)置在第二層的同一表面上，以便夾置在導(dǎo)電體204B與204C之間。放電電路210按照電池元150的電壓而被接通或關(guān)斷。放電電路210結(jié)構(gòu)的說明依據(jù)圖4隨后陸續(xù)作出。
在第二層的印制完成之后，開始第三層的印制。在第三層的中間部分，印制形成雙極電極的正電極層的正電極活性材料212。同時(shí)，印制導(dǎo)電體204D，而絕緣材料206印制在外部周邊上。
在第三層的印制完成之后，開始第四層的印制。在第四層的整個(gè)表面上是導(dǎo)電體214，將成為集電器。
在第四層的印制完成之后，開始第五層的印制。在第四層上方，印制第五層。第五層的印制與第一層的印制一樣。事實(shí)上，形成雙極電極的負(fù)電極層的負(fù)電極活性材料202被印制在第五層的中間部分上。同時(shí)，印制導(dǎo)電體204A，而絕緣材料206印制在外部周邊上。
此外，導(dǎo)電體200、第四層中的導(dǎo)電件214和這兩個(gè)導(dǎo)電體之間的層成為電池元150。第三層到第五層成為雙極電極220。
通過總共重復(fù)上述印制七次，可以制成如圖3中所示的電產(chǎn)生元件160。作為電產(chǎn)生元件160底層的基材的導(dǎo)電體200連接于負(fù)電極接頭120B(圖1)。作為頂層的基材的導(dǎo)電體200連接于正電極接頭120A(圖1)。在此實(shí)例中，電產(chǎn)生元件160串聯(lián)起來以構(gòu)成電產(chǎn)生元件160，7倍于電池元150電壓的電壓產(chǎn)生在正電極接頭120A與負(fù)電極接頭120B之間。
放電電路210設(shè)置于如上述構(gòu)成的電產(chǎn)生元件160的每一電池元中。放電電路210具有在層疊方向上電氣導(dǎo)通相鄰雙極電極220的功能。包罩材料180的密封性和可靠性可以通過將放電電路210配設(shè)于電產(chǎn)生元件160而予以提高，因?yàn)橛糜跈z測電池元150電壓的電壓檢測導(dǎo)線和用于旁路電池元150的旁路導(dǎo)線將不需要從雙極電池100的內(nèi)部引出。當(dāng)然，可以提高組裝工作效率，可以實(shí)現(xiàn)成本降低，因?yàn)椴槐夭捎秒妷簷z測導(dǎo)線和旁路導(dǎo)線而可以減少另部件數(shù)量。其次，在形成電絕緣方面的可靠性可以提高，因?yàn)樵陔p極電池單元100內(nèi)部和外部將不需要針對每一電壓檢測導(dǎo)線和旁路導(dǎo)線的電絕緣，使得諸如內(nèi)部短路這樣的故障可能性將會減少。進(jìn)而，雙極電池單元100的裝設(shè)面積可以減小，因?yàn)樵陔p極電池單元100的外部不需要設(shè)置另一組放電電路(平衡充電條件的調(diào)整電路)。
在一項(xiàng)實(shí)施例中，放電電路210設(shè)置在離子導(dǎo)電材料208設(shè)置其上的所述層的同一表面上。不過，另外，放電電路可以位于其上印制有負(fù)電極活性材料202或正電極活性材料212的所述層的同一表面上。另外，放電電路可以形成在多層上面。
放電電路210可以具有設(shè)定放電電壓的閾值的功能。在電池元150的電壓已經(jīng)達(dá)到閾值時(shí)，放電電路210積極放電，使得電池元150的正極端和負(fù)極端電氣導(dǎo)通，而在電池元150的電壓沒有達(dá)到閾值時(shí)不會積極放電。此外，電池元150經(jīng)由彼此電氣導(dǎo)通的導(dǎo)電體204A至204D進(jìn)行檢測。
如圖4中所示，放電電路210可以配有設(shè)定放電電壓的閾值的齊納二極管231、232。放電電壓的閾值可以設(shè)定在3.6V-4.1V之間。在放電電路210中，在電氣導(dǎo)通時(shí)，電流流動(dòng)，該電流是不電氣導(dǎo)通時(shí)的100倍以上。將放電電壓閾值設(shè)定于這一范圍的原因是，如果工作電壓范圍設(shè)定在3.0V-4.2V之間，則在充電和放電到最充分程度的電動(dòng)車輛的情況下，在按照電壓檢測到處于其充分容量的電池元之后，可以通過使具有的電壓高于4.1V的各電池元放電而使電壓均衡。在只以電池元的一半容量操作的混合車輛的情況下，放電電路210可以通過使具有的電壓高于3.6V的電池元放電而使電壓均衡。
放電電路包括有機(jī)半導(dǎo)體層，其為acenic、噻吩、亞苯基、金屬代換酞菁、PEDOT、TCNQ、PTCDA、NTCDA、PTCDI、NTCDI、C60和C70、Alq3、Ir(ppy)3BCP、TPD和NPD；諸如ITO等氧化物；以及包含諸如鋁、鎂、金和銀等金屬的二極管或晶體管。較薄和較小的放電電路可以通過為放電電路配置機(jī)半導(dǎo)體層而使之付諸實(shí)施。希望的是，放電電路210包含由有機(jī)半導(dǎo)體和金屬制成的肖特基二極管(Schottky diode)以及有機(jī)發(fā)光二極管層。結(jié)構(gòu)可以通過在肖特基二極管層中設(shè)置放電電路210而更為簡單，以致成本降低可以實(shí)現(xiàn)。
肖特基二極管用作為半導(dǎo)體層設(shè)置在金上的并五苯(pentacene)，一種acenic材料，構(gòu)作而成，并且，在此層的頂部上設(shè)置銀或鋁。如果此半導(dǎo)體層、鋁和銀接合在肖特基結(jié)(Schottky junction)之內(nèi)，材料不限于這些。
比如，有機(jī)發(fā)光材料依次與諸如金上的TPD和NPD等空穴傳輸材料(hole transport material)、諸如Alq3和Ir(ppy)3等發(fā)光材料、諸如BCP等電子傳導(dǎo)材料(electron conduction material)、以及諸如鋁和銀等金屬層疊。可以在金與空穴傳輸材料之間進(jìn)行空穴注入(hole injection)，而電子注入(electron injection)在鋁和BCP之間進(jìn)行。如果對發(fā)光材料層進(jìn)行空穴注入和電子注入，光得以產(chǎn)生，而材料組合并不限于這些。
晶體管依次與作為源電極設(shè)置在金子上的并五苯-一種acenic材料、作為門電極的諸如銀和鋁網(wǎng)等材料、并五苯、漏極電極的金子(the gold ofthe drain electrode)層疊。施加晶體管電壓以接合門電極和并五苯，這樣通過改變并五苯中耗盡層的厚度范圍來改變兩個(gè)金電極之間的電阻，其通過實(shí)例舉例說明SIT結(jié)構(gòu)。如果SIT結(jié)構(gòu)能使源和漏電極中形成歐姆結(jié)(ohmic junction)，并在門電極中形成肖特基結(jié)，則材料并不限于這些。另外，MOSFET結(jié)構(gòu)、JFET結(jié)構(gòu)、雙極晶體管結(jié)構(gòu)得以形成。
此外，放電電路210配有發(fā)光器件233、234，發(fā)光器件233、234利用使電池元150放電時(shí)流動(dòng)的電流發(fā)光。對發(fā)光作出響應(yīng)的光傳感器503(圖3)可以裝設(shè)在發(fā)光器件233、234附近。恒定電流電路235、236可以設(shè)置在放電電路210中，因?yàn)?，如果流?jīng)發(fā)光器件的電流太大，發(fā)光器件233、234可能損壞。在一些實(shí)施例中，諸如MOSFET、JFET和MSSFET等器件用作形成恒定電流電路的器件。
采用發(fā)光器件233和234情況下的理想實(shí)施例的說明如下。在此實(shí)施例中，尤其是，電極不采用噴墨方法形成；集流箔(current collectingfoil)260的兩個(gè)表面上用通常方法涂敷制成正電極層269和負(fù)電極層261，在該電極的兩個(gè)表面上圍繞該電極形成每一定恒定電流電路(包含齊納二極管231、232)235、236、發(fā)光器件233、234。相鄰的恒定電流電路與發(fā)光器件233、234之間的電氣連接利用導(dǎo)電粘合材料形成，這將在此后予以說明。
希望的是，發(fā)光器件以細(xì)長形狀形成在電極260的表面上。發(fā)光器件在垂直于電池表面的方向上發(fā)出很多光，而光利用配置在發(fā)光裝置與電池端部之間的導(dǎo)光裝置在電池的側(cè)端處引出。因此，遠(yuǎn)離此側(cè)發(fā)出的光沿途被吸收，使得如果發(fā)光器件設(shè)置得遠(yuǎn)離電池的該側(cè)端，則光難以被引出。希望的是，發(fā)光器件以細(xì)長形狀形成在電池表面上。在此實(shí)施例中，最好是長度小于10mm，而區(qū)域的面積小于整個(gè)電池的1％。
發(fā)光器件233和234的外圍詳細(xì)說明如下。導(dǎo)電密封劑501是含有導(dǎo)電顆粒的高聚物材料，而優(yōu)選的是含有金屬導(dǎo)電顆粒的導(dǎo)電顆粒，以便形成反射層。密封劑502由透明的、非導(dǎo)電高聚物材料構(gòu)成。參照圖12，它是圖11表面A的橫截面。
圖10、11和12中的各實(shí)施例表明，從發(fā)光器件233、234發(fā)出的光可以經(jīng)由密封劑502引向電池表面，因?yàn)閷?dǎo)電密封劑501和密封劑502接觸發(fā)光器件233、234。其次，光線可以更加可取地通過將導(dǎo)電密封劑501布設(shè)得接近電極層而引向電池表面，因?yàn)閷?dǎo)電密封劑501用作反光器。此外，連接發(fā)光器件233、234的導(dǎo)電密封劑層的電阻值被用作發(fā)光器件233、234的電阻。電池電壓可以升至10V，所以電阻值優(yōu)選地是高于10Ω/cm2，因?yàn)榘l(fā)光器件233、234可耐住高達(dá)1A/cm2。
雙極電極220、離子導(dǎo)電材料208、放電電路210以及光傳感器由作為包罩材料180的疊層薄膜(可反射光的)予以覆蓋和嚴(yán)密密封。如圖1中所示，疊層薄膜180的周邊與正電極接頭120A、負(fù)電極接頭120B以及引出的電壓檢測導(dǎo)線140熱密封。當(dāng)設(shè)置在放電電路210中的發(fā)光器件233、234發(fā)光時(shí)，如果電池元的電壓超過擊穿電壓以及在反向充電的情況下電壓成為低于齊納二極管的正向電壓的負(fù)值，則光在疊層薄膜的內(nèi)部被反射以便由光傳感器檢測到。各種不正常情況在外面檢查出來，使得比如電池單元的充電和放電可以被停止。因此，光傳感器的裝設(shè)位置可以是疊層薄膜內(nèi)部的任何地方，只要能夠檢測到從發(fā)光器件233、234發(fā)出的光線即可。此外，可以檢測出造成電產(chǎn)生元件160產(chǎn)生光傳感器信號的任一電池元150的過電壓。
雖然，就具有光傳感器和發(fā)光器件233、234的放電電路210進(jìn)行了說明，但放電電路可以不裝設(shè)光傳感器，而且可以設(shè)置或不設(shè)置發(fā)光器件。
如圖4中所示，放電電路210可以與其上印制有離子導(dǎo)電材料208的離子導(dǎo)電層設(shè)置在相同表面上。此外，放電電路210可以用印制技術(shù)形成。放電電路210的一種示例性層結(jié)構(gòu)示于圖5中?？梢圆捎酶鞣N印制技術(shù)，包括噴墨印制方法在內(nèi)。
如圖5中所示，在導(dǎo)電件260上，負(fù)電極材料261、絕緣材料262、正空穴傳導(dǎo)材料263以及電子傳導(dǎo)材料264按照預(yù)定的附著圖案予以噴注。在正空穴傳導(dǎo)材料263和電子傳導(dǎo)材料264的厚度確定之后，EL材料(電發(fā)光(electroluminescence))265將被噴注在正空穴傳導(dǎo)材料263和電子傳導(dǎo)材料上面。在EL材料265的厚度確定之后，電解質(zhì)266、電子傳導(dǎo)材料264以及正空穴傳導(dǎo)材料263將按照預(yù)定的附著圖案予以噴注。在電子傳導(dǎo)材料264和正空穴傳導(dǎo)材料263的厚度確定之后，導(dǎo)電材料267將噴注在正空穴傳導(dǎo)材料263和電子傳導(dǎo)材料264上面。在導(dǎo)電材料267的厚度已確定之后，P型半導(dǎo)體268將被噴注在導(dǎo)電材料267上面。在電解質(zhì)266的厚度確定之后，在P型半導(dǎo)體268的厚度變?yōu)轭A(yù)定值之前，代替電解質(zhì)266噴注正電極材料269。在P-型半導(dǎo)體268的厚度已變?yōu)轭A(yù)定值之后，N型半導(dǎo)體270和金屬(圖中各方框部分)按照預(yù)定的附著圖案被噴注在P型半導(dǎo)體上面。最后，放電電路通過噴注導(dǎo)電體260予以設(shè)置。
在圖5中，發(fā)光層，換句話說，發(fā)光裝置(發(fā)光二極管)233或234，由正空穴傳導(dǎo)材料263、EL材料以及電子傳導(dǎo)材料264的成層產(chǎn)物構(gòu)成。齊納二極管層，換句話說，齊納二極管231或232，由P型半導(dǎo)體268和N型半導(dǎo)體270形成。在N型半導(dǎo)體270內(nèi)側(cè)P型半導(dǎo)體268形成所在的那部分是恒流電路235或236。此外，P型半導(dǎo)體層或金屬層形成在齊納二極管231或232的N型半導(dǎo)體層上，形成條紋狀的外表。金屬層在外面連接于P型半導(dǎo)體層。
在一項(xiàng)實(shí)施例中，放電電路210與雙極單元150之間的接觸面積大于相應(yīng)雙極電池單元150每電池容量0.06mm2。因而，接觸面積可以以每電池容量來予以確定。比如，通過自行放電放出其電力50％的電池將最終放電每安培小時(shí)(Ah)0.7mA。在此情況下，電池不能長達(dá)一個(gè)月不進(jìn)行充電。因此，它將必須予以更換。為了以三倍于自行放電的速度來恢復(fù)電壓平衡，在放電電路210中電壓平衡功能的低放電電流將需要是2mA，這比自行放電電流高三倍。半導(dǎo)體PN結(jié)的允許熱值一般是每1mm2120mw。如果電池電壓是3.5V，放電電流所需的面積將是每1Ah電池0.06mm2。
因而，在實(shí)際應(yīng)用條件下確保足夠的放電電流，且放電電路中的熱值進(jìn)行優(yōu)化，則放電電路210的面積可以減小。
構(gòu)成放電電路210和電壓平衡電路的異常電壓檢測電路連同它們的放電特性示于圖6和7中。異常電壓檢測電路具有的特性是，在電池元150的電壓超過預(yù)定的放電電壓閾值(電池的異常電壓)的場合下，電流將按照電壓值增大。一方面，它還具有的特性是，在電壓處在放電電壓閾值以下的場合下，將幾乎沒有電流流動(dòng)(允許的暗電流)。當(dāng)電壓超過閾值時(shí)，大電流流過發(fā)光器件233、234以便發(fā)光。流過發(fā)光器件233、234的電流由電組裝置240的電阻值予以控制，并設(shè)置恒流電路236以便電流不超過發(fā)光器件233、234的允許電流(參照圖3)。此外，光傳感器裝設(shè)在發(fā)光器件附近，而用于光隔絕的通信裝置將與傳感器一起設(shè)立以便通過電位轉(zhuǎn)換將發(fā)光器件偏離放電電壓閾值的信息傳送到外部。
電壓平衡電路具有的特性是，在電池元150的電壓超過預(yù)定的放電電壓閾值(電池的異常電壓)的場合下，電流將流過齊納二極管231以便不超過放電電壓的閾值。摻雜濃度(doping concentration)可以設(shè)定在1017與1018之間而耗盡層(depletion layer)的厚度在0.1μm與1.0μm之間，以將放電電路PN結(jié)的擊穿電壓設(shè)定為與相應(yīng)的閾值相同。如圖8中所示，半導(dǎo)體PN結(jié)的擊穿電壓僅基于摻雜濃度和耗盡層的厚度進(jìn)行確定。因此，所需摻雜濃度和厚度按照圖形確定。如果齊納二極管231、232的特性進(jìn)行優(yōu)化，則放電電路210的暗電流可以減小，且電池的過度放電可以避免同時(shí)可長時(shí)間不進(jìn)行充電，使得可以提供可靠的電池。
在本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)模式中，通過將PN結(jié)中具有低摻雜濃度的穿通區(qū)域(punch through region)設(shè)置在0.5μm或更小、和通過在導(dǎo)電材料267上疊置P型半導(dǎo)體并進(jìn)而在P型半導(dǎo)體上疊置N型半導(dǎo)體270而將齊納二極管231、232疊置在導(dǎo)電材料267上，可以利用穿通區(qū)域的厚度控制擊穿電壓。這樣，可以盡可能多地利用初始電池容量，因?yàn)殡姵貙⒕徛胤烹姡敝吝_(dá)到二極管的擊穿電壓為止。擊穿電壓將以高精度予以均衡，而串聯(lián)設(shè)置的各電池的電壓也將予以均衡。同時(shí)，擊穿電壓可以通過調(diào)節(jié)P型和N型層的摻雜濃度而不設(shè)置低摻雜濃度區(qū)域來進(jìn)行控制。
放電電路210的另一實(shí)施例示于圖9中，但與圖5的區(qū)別僅在于構(gòu)成恒流電路的那部分的層結(jié)構(gòu)。區(qū)別只在于，P型半導(dǎo)體層疊置在導(dǎo)電材料267上面，在P型半導(dǎo)體層上疊置N型半導(dǎo)體層或者形成顯出條紋狀外表(giving a streaked appearance)的金屬層，以及在此層頂部上疊置P型半導(dǎo)體271，且進(jìn)一步在P型半導(dǎo)體271上疊置N型半導(dǎo)體。
即使具有這類層結(jié)構(gòu)的放電電路210也可以設(shè)置如上所述的異常電壓檢測電路和電壓平衡電路等功能電路。
在一項(xiàng)實(shí)施例中，雙極電池可以自動(dòng)地平衡各種充電條件而不需要引出電壓檢測導(dǎo)線和旁路導(dǎo)線。制造效率和電池可靠性可以提高，因?yàn)榉烹婋娐吩O(shè)置得夾置在各電池元之間。
如上述，雙極電池單元可以用以形成電池模塊250(參照圖13)，具有多個(gè)以串聯(lián)或并聯(lián)方式連接的雙極電池單元。此外，雙極電池單元可以用以構(gòu)成組合電池300，具有多個(gè)以串聯(lián)或并聯(lián)方式連接的電池模塊250。
圖13表明組合電池300的頂視圖(圖13A)、立面圖(圖13B)和側(cè)視圖(圖13C)。各個(gè)電池模塊250用諸如匯流條等電氣連接裝置彼此連接起來，而組合電池模塊250用連接夾具310用多個(gè)電池模塊疊置而成。至于多少雙極電池單元應(yīng)當(dāng)連接起來以便制成組合電池模塊250，或者多少模塊疊置起來以便制成組合電池300，將取決于配備雙極組合電池的車輛的電池容量或功率輸出。
因而，具有多個(gè)以串聯(lián)或并聯(lián)方式連接的電池模塊250的組合電池300可以確保高的容量和功率輸出，而作為組合電池300可以保持持久的可靠性，因?yàn)槊恳浑姵啬K250是可靠的。此外，即使部分電池模塊250損壞了，也可以通過只更換失效的部分而予以修理。
在組合電池300的情況下，如果自行放電由于雙極電池單元100中的最小短路(minimum short circuit)而被加速，則充電條件將是不平衡的，因?yàn)槎鄠€(gè)雙極電池單元100是串聯(lián)連接的。當(dāng)充電條件為0％的雙極電池單元和充電條件為100％的雙極電池單元串聯(lián)連接時(shí)，如果雙極電池單元之一過度充電和過度放電，則另一雙極電池單元將過度充電，使得電流不能流動(dòng)。在此所述的雙極電池單元具有配設(shè)的放電電路，可以自動(dòng)地平衡充電和工作容量；并可以提高作為組合電池的可靠性和耐久性。此外，組合電池可以縮減體積，因?yàn)橥獠坎恍枰胶獬潆姉l件的裝置。
組合電池300可以裝設(shè)在電動(dòng)車輛400中心區(qū)域的座位底下，如圖14中所示。如果組合電池裝設(shè)在座位底下，則可以增大車內(nèi)空間和行李間。此外，組合電池300不僅可以裝設(shè)在座位底下，還可以裝設(shè)在后行李間下面或車輛前部的發(fā)動(dòng)機(jī)室之內(nèi)。配備如上述的組合電池300的電動(dòng)車輛400是極其耐久的，而且即使在使用長時(shí)間之后也可以產(chǎn)生足夠的輸出。此外，可以提供具有優(yōu)越燃油效率和行駛性能的電動(dòng)車輛和混合車輛。另外，組合電池控制器401當(dāng)光傳感器503(圖3)在接收光時(shí)確定充電條件正在被平衡，使得可以通過限制輸出延長組合電池的壽命。
此外，不只是組合電池300，而且電池模塊250自身也可以按照所需予以裝設(shè)?；蚴牵M合電池300和電池模塊250二者可以組合裝設(shè)。此外，其中可以裝設(shè)組合電池或電池模塊的車輛實(shí)例包括如上所述的電動(dòng)汽車和混合式車輛，但是電池模塊和組合電池的使用不限于這些車輛。
這樣，所述的雙極電池單元可以比較容易地批量生產(chǎn)，且雙極電池單元的可靠性可以提高，因?yàn)榻M合電池可以按照每一電池元的電壓自動(dòng)地平衡充電條件而不需要引出電壓檢測導(dǎo)線和旁路導(dǎo)線。
本發(fā)明的各種實(shí)施例已經(jīng)予以說明。這些和其他實(shí)施例都處在所附各項(xiàng)權(quán)利要求的范疇之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種雙極電池單元，包括多個(gè)雙極電極，每個(gè)雙極電極包括集電器，所述集電器具有位于一個(gè)表面上的正電極層和位于另一表面上的負(fù)電極層；在所述雙極電極之間交換離子的多個(gè)電解質(zhì)層；以及電氣導(dǎo)通相鄰雙極電極的放電電路。
2.按照權(quán)利要求1所述的雙極電池單元，其中，所述放電電路與所述正電極層、所述負(fù)電極層或所述電解質(zhì)層中的至少一層設(shè)置在同一表面上。
3.按照權(quán)利要求1所述的雙極電池單元，其中，所述放電電路與所述雙極電極之間的接觸面積大于所述雙極電池每1Ah電池容量0.06mm2。
4.按照權(quán)利要求1所述的雙極電池單元，其中，所述放電電路中放電電壓的閾值設(shè)定在3.6V-4.1V之間，以及其中摻雜濃度設(shè)定在1017-1018的范圍內(nèi)，而耗盡層的厚度設(shè)定在0.1μm-1.0μm之間，以便將所述放電電路PN結(jié)的擊穿電壓設(shè)定為與所述閾值相同。
5.按照權(quán)利要求1所述的雙極電池單元，其中，所述放電電路包括齊納二極管層。
6.按照權(quán)利要求1所述的雙極電池單元，其中，所述放電電路包括發(fā)光裝置。
7.按照權(quán)利要求6所述的雙極電池單元，其中，還包括設(shè)置在所述發(fā)光裝置與所述電池單元端部之間的光導(dǎo)引裝置。
8.按照權(quán)利要求6所述的雙極電池單元，其中，還包括對發(fā)自相應(yīng)發(fā)光裝置的光作出響應(yīng)的光傳感器。
9.按照權(quán)利要求8所述的雙極電池單元，其中，所述放電電路包括恒流電路。
10.按照權(quán)利要求9所述的雙極電池單元，其中，還包括覆蓋和密封所述雙極電極、所述電解質(zhì)層、所述放電電路以及所述光傳感器的包罩材料。
11.按照權(quán)利要求1所述的雙極電池單元，其中，還包括覆蓋和密封所述雙極電極、所述電解質(zhì)層以及所述放電電路的包罩材料。
12.按照權(quán)利要求1所述的雙極電池單元，其中，還包括導(dǎo)電密封材料。
13.一種組合電池，包括多個(gè)雙極電池單元，其中每個(gè)雙極電池單元包括多個(gè)疊置的雙極電極，每個(gè)雙極電極包括集電器，所述集電器具有位于一個(gè)表面上的正電極層和位于另一表面上的負(fù)電極層；在所述雙極電極之間交換離子的多個(gè)電解質(zhì)層；以及電氣導(dǎo)通相鄰雙極電極的放電電路，其中該放電電路與所述正電極層、所述負(fù)電極層或所述電解質(zhì)層中的至少一層設(shè)置在同一表面上。
14.一種車輛，包括控制器；以及雙極組合電池，該雙極組合電池包括多個(gè)雙極電池單元，其中每一雙極電池單元包括多個(gè)雙極電極，每個(gè)雙極電極包括集電器，所述集電器具有位于一個(gè)表面上的正電極層和位于另一表面上的負(fù)電極層；在所述雙極電極之間交換離子的多個(gè)電解質(zhì)層；以及電氣導(dǎo)通相鄰雙極電極的放電電路，其中該放電電路與所述正電極層、所述負(fù)電極層或所述電解質(zhì)層中的至少一層設(shè)置在同一表面上。
15.一種制作雙極電池單元的方法，包括疊置多個(gè)雙極電極，每個(gè)雙極電極包括集電器，所述集電器具有位于一個(gè)表面上的正電極層和位于另一表面上的負(fù)電極層；疊置在所述雙極電極之間交換離子的多個(gè)電解質(zhì)層；以及疊置電氣導(dǎo)通相鄰雙極電極的放電電路。
16.按照權(quán)利15所述的方法，其中，所述放電電路與所述正電極層、所述負(fù)電極層或所述電解質(zhì)層中的至少一層設(shè)置在同一表面上。
17.一種雙極電池單元，包括多個(gè)雙極電極，每個(gè)雙極電極包括集電器，所述集電器具有位于一個(gè)表面上的正電極層和位于另一表面上的負(fù)電極層；在所述雙極電極之間交換離子的裝置；以及通過電氣導(dǎo)通相鄰雙極電極來使所述雙極電池單元放電的裝置。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種其中配設(shè)有放電電路的雙極電池單元，可以自動(dòng)地平衡充電條件。此雙極電池單元包括多個(gè)雙極電極，每個(gè)雙極電極包括集電器，所述集電器具有位于一個(gè)表面上的正電極層和位于另一表面上的負(fù)電極層。所述雙極電池單元還包括在所述雙極電極之間交換離子的多個(gè)電解質(zhì)層；以及電氣導(dǎo)通相鄰雙極電極的放電電路。所述放電電路與所述正電極層、所述負(fù)電極層或所述電解質(zhì)層中的至少一層設(shè)置在同一表面上。多個(gè)雙極電池單元進(jìn)行組合以構(gòu)成車輛用的組合電池。
文檔編號H01L51/05GK1950967SQ200580014723
公開日2007年4月18日 申請日期2005年11月1日 優(yōu)先權(quán)日2004年11月2日
發(fā)明者木下拓哉, 堀江英明, 安部孝明, 嶋村修 申請人:日產(chǎn)自動(dòng)車株式會社