專利名稱：具有改進(jìn)的外殼的雙極電化學(xué)電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及鋰電化學(xué)發(fā)電機(jī)的領(lǐng)域，所述鋰電化學(xué)發(fā)電機(jī)根據(jù)在至少一個(gè)電極中鋰的嵌入(insertion)或脫嵌(deinsertion)的原理，或換言之鋰的嵌入-脫嵌(intercalation-deintercalation)原理而運(yùn)行。更具體地，涉及包括至少一個(gè)具有雙極性功能的集電體(集電器，currentcollector)的鋰電化學(xué)電池，也被稱為雙極電池:在這樣的雙極電池中，雙極集電體(也被稱為雙極電極)在它的相反面上支撐具有異號(hào)的電極材料中的每一種，即具有通過該面中的一個(gè)支撐的陰極(正極)和通過該相反面中的另一個(gè)支撐的陽極(負(fù)極)。本發(fā)明的目的是生產(chǎn)一種新的電化學(xué)電池外殼,更具體地,一種雙極電池的外殼，以及來代替已知的柔性或剛性類型的外殼。
背景技術(shù)：
常規(guī)鋰離子電池的構(gòu)造是一種可以適于用作單極的構(gòu)造，因?yàn)樗哂邪ㄒ粋€(gè)陽極、一個(gè)陰極和電解質(zhì)的單獨(dú)的電化學(xué)單電池(電化學(xué)電池，electrochemical cell)。單極構(gòu)造幾何形狀的幾種類型是已知的:-圓柱幾何形狀，如在專利申請(qǐng)US2006/0121348中所公開的，-棱形幾何形狀，如在專利US7348098、US 7338733中所公開的，-基于堆疊的幾何形狀，如在專利申請(qǐng)US2008/060189、US 2008/0057392、和專利US 7335448中所公開的。單極構(gòu)造是通過卷繞體(卷繞，winding)得到的。卷繞體由在其上連續(xù)沉積正極(陽極)材料的集電體、夾入負(fù)極(陽極)材料(該材料自身沉積在另一個(gè)集電體上)之內(nèi)的由聚合物或陶瓷材料制成的隔膜組成。這種單極構(gòu)造的主要優(yōu)點(diǎn)是它具有較大的材料的活性區(qū)域，但是電位差限于所使用的兩種電極材料之間的電位差的單位值，這也是具有基于堆疊的幾何形狀的情況。為了增加單極Li離子電池的平均電位，同時(shí)保持可比的能量密度，已知的是生產(chǎn)具有串聯(lián)的多個(gè)電化學(xué)單電池的電池。從而，電池的構(gòu)造適于作為雙極，因?yàn)樗ㄒ粋€(gè)單電池的陰極和相鄰單電池的陽極，其通過以極板(plate)的形式的同一個(gè)集電體來支持，該集電體本身適于作為雙極電極。從而雙極電池的構(gòu)造是幾個(gè)單極電池通過雙極電極或集電體的串聯(lián)連接，然而優(yōu)點(diǎn)是，與通過外部連接器串聯(lián)連接的單極性電池相比它具有較低的電阻。在這一點(diǎn)上，可以引用許多涉及這類雙極電池的專利申請(qǐng)或?qū)＠?，如US 7279248、US 7220516、US 7320846、US 7163765、WO 03/047021、WO 2006/061696、US 7097937 和 US2007/00115047。雙極電池其次的優(yōu)點(diǎn)是它們具有較低的質(zhì)量、較低的電阻，而且它們不包括多余的體積。在設(shè)計(jì)雙極電池方面的主要困難是隔室(compartment)的生產(chǎn)，隔室完全被通常處于液體形式的電解質(zhì)彼此密封。實(shí)際上，不良的密封引起雙極電池的故障。
此外，這通過與雙極Li離子電池的領(lǐng)域相關(guān)的專利文獻(xiàn)中的大部分涉及密封溶液以防止電解質(zhì)從一個(gè)隔室泄漏至另一個(gè)(離子短路)的事實(shí)證實(shí)。在如上所述的這些專利申請(qǐng)或?qū)＠校梢蕴峒皩＠鸘S 7220516，它描述了在隔室之間具有密封并具有粘合至雙極集電體外周上的柔性粘性膜的方案。還可以提及專利US 7320846，它描述了包括在樹脂中包住集電體和電解質(zhì)的方案。還可以提及專利U S 716 3 76 5，它描述了具有設(shè)置在雙極性集電體之間的、由聚酰胺/ P P制成的混合支柱(strut)的密封溶液，其中將聚酰胺以距離單電池一定的間隔直接粘結(jié)至集電體的外周上。對(duì)于這部分，專利US 7097937提出了雙重密封方案(double sealing solution)，因?yàn)閷⒂煞酆衔镏瞥傻膬?nèi)部屏障安裝在雙極集電體的外周上，并將由柔性體制成的外部框架安裝在該屏障的外部，在雙極性集電體上及其周圍，可能具有安裝在該集電體上的由柔性體制成的另外的環(huán)。最近，可以提及以申請(qǐng)人的名義的專利申請(qǐng)EP 2073300，其提出了一種解決方案，其中極板的尺寸相對(duì)于鄰近于它們的極板是增加的，并且在互連的極板之間插入的密封裝置橫向偏移，以便在單電池的堆疊軸上，兩個(gè)密封的位置彼此不成一直線。從而，可以將用以改進(jìn)阻擋Li離子雙極電池中液體電解質(zhì)的隔室的相互密封的預(yù)先構(gòu)想的方案總結(jié)如下:-以極板形式的雙極電極的系統(tǒng)生產(chǎn)，該雙極電極的任一側(cè)涂以不同極性的材料；-在極板的外周上使用各種結(jié)合劑(bond)或樹脂，用以隔室之間的密封，通過電池的整體密封(稱為外殼)可以將其制成更大；-增加雙極集電體極板形式，以產(chǎn)生對(duì)電解質(zhì)的另外的屏障。在某些雙極電池中，可以用離子型導(dǎo)體(傳導(dǎo)性凝膠或聚合物)來取代廣泛使用的液體電解質(zhì)和隔膜，所述離子型導(dǎo)體稱為“全固體”導(dǎo)體。然后可以除去隔室之間的密封，并且僅保留雙極元件的整體密封(外殼)。在下面并且在本發(fā)明的背景下使用術(shù)語“雙極元件”，用來指代由雙極電極的組件形成的堆疊、具有該堆疊任一側(cè)的它們的單極電極的電化學(xué)單電池、以及生產(chǎn)雙極電池結(jié)構(gòu)。取決于所尋找的應(yīng)用的類型，目的是制造柔性的雙極鋰離子元件、或剛性的雙極元件:于是外殼是柔性的、或剛性的，并且以某些方式構(gòu)成外殼。目前柔性外殼是由多層材料制造的，其典型地由被聚合物覆蓋的鋁層的堆疊組成。在大多數(shù)情況下，覆蓋鋁的聚合物選自聚乙烯(PE)、丙烯或聚酰胺(PA)，或者，可以是以由聚酯-聚氨基甲酸酯組成的粘合層的形式。Showa Denko公司出售這類復(fù)合材料，用作電池的外殼。這類柔性外殼由Showa Denko公司提供的鋁層的堆疊制造，例如，參考N。ADR-0N25/AL40/CPP40或N。ADR-0N25/AL40/CPP80。柔性外殼也可以由樹脂組成，其將元件裝入它的外周或在它的全部外表面上，以改進(jìn)隔室彼此之間的密封，如在專利申請(qǐng)JP2000030746中所描述的。但是在這種情況下，所引用的任何柔性外殼的類型不能允許向雙極元件施加壓力。并且在雙極元件的任一側(cè)表面上施加的壓力，必然是為了令人滿意的操作，更具體地，當(dāng)它包括超過兩個(gè)電化學(xué)隔室時(shí)。從該觀點(diǎn)來看，剛性外殼是令人滿意的，因?yàn)樗鼈冊(cè)试S在雙極元件的任一側(cè)表面上保持足夠的壓力，以便確保在這些隔室的每一個(gè)中的電極和隔膜之間令人滿意的接觸。然后所提及的是這類剛性外殼的基部功能，最終，僅向雙極元件施加壓力，因?yàn)槭孪葘⒏羰抑械拿恳粋€(gè)預(yù)先密封以防止空氣和使用上述方案的液體電解質(zhì)。這類剛性外殼的實(shí)例在專利US5，595，839中描述:該方案包括在由兩個(gè)擰在一起的半殼(half-shell)形成的外殼中設(shè)置雙極元件，以保持在該雙極元件的活性部分中的每一個(gè)之間的最佳接觸。該外殼是實(shí)驗(yàn)性的外殼，它不能用作工業(yè)化外殼，因?yàn)樵撏鈿ぽ^重，對(duì)于電池而言，這意味著所得的較低的比能量。在專利US5，618，641中給出了另一個(gè)實(shí)例，其中，用于向Li離子雙極元件施加壓力的系統(tǒng)構(gòu)成了裝有彈簧的較重的剛性外殼。因此，目前使用的剛性外殼可能是較重的，并且由此生成的Li離子電池也具有較低的比能量。然后，本發(fā)明的目的是提出一種用于雙極電化學(xué)電池(如Li離子雙極電池)的新的外殼，以便構(gòu)成沒有現(xiàn)有技術(shù)的外殼的缺點(diǎn)的雙極電池。

發(fā)明內(nèi)容
為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，本發(fā)明的目的是包括至少一個(gè)雙極元件、和封裝該雙極元件的外殼的雙極鋰電化學(xué)電池，其特征在于，該外殼由包含基質(zhì)和至少一種多孔增強(qiáng)物的復(fù)合材料組成，其中，所述基質(zhì)包含至少一種浸潰一種或多種多孔增強(qiáng)物的硬化聚合物，其中一種或多種多孔增強(qiáng)物和一種或多種硬化的聚合物包住雙極元件，并向后者的每一側(cè)施加確定的壓力，以便維持它的構(gòu)成之間的確定的接觸。從而，根據(jù)本發(fā)明，定義了雙功能外殼，其包括至少兩部分，SP:.至少一種多孔增強(qiáng)物，需要該多孔增強(qiáng)物以維持Li離子雙極元件的部件之間的最佳接觸，并且，當(dāng)一種或多種聚合物經(jīng)受壓力時(shí)，該多孔增強(qiáng)物防止它/它們朝著外部蠕動(dòng)，因此完成維持雙極元件的構(gòu)成的壓力的功能，.至少一種浸潰多孔增強(qiáng)物的硬化聚合物，如單組分或雙組分樹脂，無論用加強(qiáng)元件填充與否，該硬化的聚合物提供密封。當(dāng)基質(zhì)(一種或多種硬化聚合物)和一種或多種多孔增強(qiáng)物完全包住Li離子雙極元件時(shí)，壓力將施加于其表面的每一側(cè)上。然后一種或多種聚合物滲透增強(qiáng)物的裂縫。當(dāng)樹脂硬化時(shí)，壓力施加于Li離子雙極元件上，典型地，該Li離子雙極元件通過壓力機(jī)而得至IJ，通過所形成的復(fù)合物保持，并且可以將所嵌入的雙極元件從壓力機(jī)中除去。Li離子雙極構(gòu)造使得可以構(gòu)想另一種類型外殼。實(shí)際上，在雙極元件的隔室的每一個(gè)中已經(jīng)將液體電解質(zhì)捕獲，并與外部隔離(將隔室密封，以阻隔氣體并阻隔電解質(zhì))。于是對(duì)于雙極元件而言，外殼的功能僅是維持Li離子雙極元件的部件(電極、隔膜)之間的最佳接觸壓力。然而，如果必須加強(qiáng)密封，則可以在雙極元件的整個(gè)外表面內(nèi)加入雙重套管(double sleeve)(樹脂)。 根據(jù)本發(fā)明的增強(qiáng)物可以是織物，如塔夫綢(taffeta)、嗶嘰(serge)、緞(satin)等，或具有不同織物的另一種類型。它也可以是非織物(墊子(mat))。根據(jù)本發(fā)明的增強(qiáng)物可以由長纖維或短纖維組成。根據(jù)本發(fā)明的增強(qiáng)材料可以由金屬氧化物和水合物或有機(jī)填料(用作熱固性樹脂的填料的纖維素類填料)、礦物填料(碳酸鹽白堊、硅酸鹽、滑石(其起熱絕緣和水電阻的作用)、硅灰石(主要與聚酰胺類一起使用)、粘土和硅鋁酸鹽組成。
根據(jù)本發(fā)明的增強(qiáng)物可以包括玻璃纖維(切斷的纖維、粉末、中空球、微球)、碳纖維(炭黑、碳納米管、切斷的碳纖維)、纖維素纖維、二氧化硅(或石英)纖維、芳香族聚酰胺纖維、硼纖維、高模量聚乙烯、或天然纖維(谷物、香蕉樹、椰子樹等)。根據(jù)本發(fā)明的增強(qiáng)物可以屬于上述各族中的每一個(gè)，或者由上述各族的混合物組成。根據(jù)本發(fā)明的增強(qiáng)物優(yōu)選是纖維基材料、或由織物組成，其能夠容易設(shè)定復(fù)合物的厚度，即基質(zhì)和增強(qiáng)物的總厚度。根據(jù)本發(fā)明的增強(qiáng)物可以是非傳導(dǎo)性的(在上文給出的清單之中)并且全部包住雙極元件。根據(jù)本發(fā)明的增強(qiáng)物還可以是非傳導(dǎo)性的(在上文給出的清單之中)但是用金屬瓷漆涂層覆蓋。有利地，根據(jù)本發(fā)明的增強(qiáng)物是至少部分傳導(dǎo)性的。然后應(yīng)當(dāng)注意的是，僅部分覆蓋雙極元件的上面和下面，以便防止在兩個(gè)面之間的任何電短路。然后將非傳導(dǎo)性的外周框架(例如由用樹脂浸潰的非導(dǎo)電織物組成的)設(shè)置在雙極元件的外周上。根據(jù)本發(fā)明增強(qiáng)物可以是相對(duì)較細(xì)網(wǎng)格的集電體柵格(Al或Cu)(優(yōu)選〈1mm)，以便雙極元件的表面不會(huì)由于網(wǎng)格而經(jīng)受“波”現(xiàn)象。作為適合于本發(fā)明背景的一種或多種浸潰聚合物，可以構(gòu)想以下各項(xiàng):-熱固性樹脂(飽和或不飽和聚酯類、乙烯基酯類、環(huán)氧樹脂、聚氨基甲酸酯類和聚脲類、聚酰亞胺類、雙馬來酰亞胺類等)；然后，由于由交聯(lián)而提供的熱穩(wěn)定性、化學(xué)穩(wěn)定性和尺寸恒定性，可以構(gòu)想具有長纖維的增強(qiáng)物，-熱塑性基質(zhì)，包括聚酰胺、聚碳酸酯、聚酰胺-酰亞胺、聚醚-酰亞胺基質(zhì)；在使用除長纖維(無論是否是織物)之外的熱塑性基質(zhì)的情況下，為了改進(jìn)的熱性質(zhì)和機(jī)械性質(zhì)，以及令人滿意的尺寸穩(wěn)定性，則可以構(gòu)想使用短纖維的另外的增強(qiáng)物?？梢詢?yōu)選使用具有高玻璃轉(zhuǎn)變溫度Tg并且因此它們?cè)诃h(huán)境溫度下是剛性的環(huán)氧樹脂、聚氨基甲酸酯、聚酰亞胺、丙烯酸或苯乙烯樹脂。這些樹脂具有抵抗可能發(fā)生在它們所圍住的雙極元件中的任何電解質(zhì)泄漏的優(yōu)點(diǎn)。也可以有利地使用單組分或雙組分樹脂或可以在UV輻照下進(jìn)行光聚合的樹脂，以便在環(huán)境溫度下使它們發(fā)生硬化，從而不存在對(duì)于施加熱的要求。可以使用未填充或填充的樹脂。優(yōu)選樹脂是非傳導(dǎo)性的，盡管導(dǎo)電樹脂可以用于僅覆蓋元件的活性表面(或活性表面的一部分)。優(yōu)選一種或多種多孔增強(qiáng)物由至少兩部分組成，其中的一部分在雙極元件的每一個(gè)面上。根據(jù)一個(gè)變體，形成電池的充電端子的極柱(電極，極點(diǎn)，poles)由極耳(片，tab)組成，該極耳從電池內(nèi)部朝著外部延伸，從一種或多種硬化聚合物中伸出。根據(jù)另一個(gè)變體，形成電池的充電端子的極柱由至少兩個(gè)接觸點(diǎn)組成，其中的一個(gè)安裝在電池的一面上，并且其中相反極性的另一個(gè)安裝在電池的另一面上。根據(jù)該變體，極柱由至少四個(gè)接觸點(diǎn)組成，其中電池的每個(gè)面包括至少兩個(gè)極柱，一個(gè)負(fù)的和一個(gè)正的，在每個(gè)角具有極柱，并且一個(gè)面的兩個(gè)極柱面對(duì)另一個(gè)面的兩個(gè)極柱中的每一個(gè)，并且其中在給出的角的兩個(gè)極柱的極性相同。
優(yōu)選實(shí)施方式由具有一種或多種由碳纖維制成的多孔增強(qiáng)物的復(fù)合材料、和作為硬化聚合物的環(huán)氧樹脂組成。本發(fā)明的另一個(gè)目的是一種用于生產(chǎn)包括雙極元件的鋰雙極電化學(xué)電池外殼的方法，根據(jù)該方法完成以下步驟:a/在模具中，在由至少一種聚合物或一種或者多種單體浸潰的至少一種多孔增強(qiáng)物的兩部分之間安裝包括雙極元件的子組件，b/在模具中，向該子組件的兩個(gè)浸潰過的增強(qiáng)部分的每一側(cè)施加確定的壓力，直至一種或多種聚合物硬化。對(duì)于步驟a/，在將它們安裝暴露于所述雙極元件周圍之后，可以構(gòu)想兩個(gè)多孔增強(qiáng)部分的浸潰?？商鎿Q地，可以構(gòu)想由至少一種聚合物或一種或多種單體進(jìn)行預(yù)浸潰的多孔增強(qiáng)部分(也通過術(shù)語“預(yù)浸料(Pr印reg)”指代)。為了完成根據(jù)本發(fā)明的方法的步驟b/，為了在雙極元件的組件之間的最佳接觸，使用壓力機(jī)施加必要的壓力。在具有不同數(shù)目隔室的雙極元件上進(jìn)行的內(nèi)電阻測(cè)量已經(jīng)揭示了待施加的壓力取決于堆疊的隔室的數(shù)目。例如，在包括數(shù)目在I至13之間的堆疊隔室的、具有700mAh容量的雙極元件的情況下，可以得知待施加的壓力從0.05MPa至0.5MPa變化。步驟b/優(yōu)選在環(huán)境溫度下完成。根據(jù)本發(fā)明的增強(qiáng)物當(dāng)經(jīng)受可以高達(dá)0.5MPa的壓力時(shí)，優(yōu)選能維持充分的多孔性，典型地約40%，以便在施加壓力期間能夠由樹脂令人滿意地浸潰增強(qiáng)物。最后，本發(fā)明涉及組件(裝配，assembly)，通常由術(shù)語“電池組”指代，由根據(jù)本發(fā)明的多個(gè)雙極電池制成。組件可以在于，通過上文限定的電池的堆疊(疊層，堆疊體)，而進(jìn)行具有平坦的接觸端子的電子串聯(lián)電池的連接，其中，兩個(gè)相鄰電池之間的相反極性的接觸點(diǎn)相接觸。另一個(gè)組件可以在于，通過上文限定的電池的行，而進(jìn)行具有平坦的接觸端子的電并聯(lián)電池的連接，其中，相同極性的接觸點(diǎn)通過電連接片彼此連接。另一個(gè)組件可以在于，通過上文限定的電池的堆疊，而進(jìn)行具有平坦的接觸端子的電池的電并聯(lián)電池的連接，其中，兩個(gè)相鄰電池之間的相同極性的接觸點(diǎn)相接觸。有利地，所給出的組件的所有電池具有相同的單位功率，典型地為15Wh的數(shù)量級(jí)。


通過閱讀作為圖解而給出的詳細(xì)說明可以推論本發(fā)明的其他優(yōu)點(diǎn)和特征，并且不是限制性地，參考分別表示如下的下列圖:-圖1是根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)沒有其外殼的鋰雙極電池的示意性的縱向剖視圖，-圖2A是示出了根據(jù)本發(fā)明的沒有其外殼的雙極元件的正視圖，-圖2B是示出了根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的包括具有柔性外殼的鋰離子雙極電池的正視圖，-圖2C是示出了根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的包括具有剛性外殼的雙極元件的鋰離子雙極電池的正視圖，
-圖3A至圖3D是示出了制造根據(jù)本發(fā)明的具有其外殼的鋰離子雙極電池的不同步驟的示意性分解透視圖，-圖3E是根據(jù)步驟3A至步驟3D的方法得到的根據(jù)本發(fā)明的具有外殼的鋰離子雙極電池的透視圖，-圖4A和圖4B分別是根據(jù)本發(fā)明的變體的具有外殼和極柱的鋰離子雙極電池的完成透視圖和分解透視圖；-圖5A和圖5B分別是根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)變體的具有外殼和極柱的鋰離子雙極電池的完成的透視圖和分解透視圖；-圖6A和圖6B分別是根據(jù)圖5A和圖5B的多個(gè)電池的串聯(lián)組件的完成透視圖和分解透視圖；-圖7是根據(jù)圖5A和圖5B的多個(gè)電池的并聯(lián)組件的分解透視圖；-圖8是根據(jù)本發(fā)明的變體的具有外殼和極柱的鋰離子雙極電池的完成透視圖；-圖9A和圖9B分別是根據(jù)圖8的多個(gè)電池的并聯(lián)組件的完成透視圖和分解透視具體實(shí)施例方式為了清楚，術(shù)語“傳導(dǎo)性的(導(dǎo)電的)”和“非傳導(dǎo)性的(非導(dǎo)電的)”根據(jù)導(dǎo)電性來使用。根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的Li離子雙極電池已經(jīng)在圖1中示出，如在專利申請(qǐng)W003/047021中所示出的，它沒有外殼。該電池在其上部包括傳導(dǎo)性的鋁襯底13 (正端子集電體)和由正的鋰插入材料(如Li1.04Mhl96O4)制成的活性層14，并且在其下部包括傳導(dǎo)性的鋁襯底21 (負(fù)端子集電體)和由負(fù)的鋰嵌入材料(如Li4Ti5O12)制成的活性層20。在該電池內(nèi)部，在以極板形式的傳導(dǎo)性鋁襯底17的任一側(cè)具有雙極電極10的雙極元件I (也被稱為雙極集電體)包括正活性層18和負(fù)活性層16。底部電極20和上部電極14通過兩個(gè)隔膜15、19與雙極電極I隔開,其中電解質(zhì)以液體或凝膠形式存在。對(duì)在兩個(gè)相鄰設(shè)置的電化學(xué)單電池14、15、16和18、19、20之間的電池的電解質(zhì)的密封是通過密封件22提供的，密封件22是通過在所有的電極和極板17的外周沉積樹脂或粘合劑而生產(chǎn)的。根據(jù)本發(fā)明，具有至少兩個(gè)隔室的雙極元件1，是嵌入的，因此由具有密封件22的元件14、15、16、17、18、19、20組成，如在圖2A中較好示出的。在圖2B中示出了根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的具有柔性外殼2的鋰離子電池。在這里極柱3+、3-由在外殼2外部橫平面中延伸的片組成。在圖2C中示出了根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的具有剛性外殼2的鋰離子電池。在這里極柱3+、3-由在外殼2的前面和背面上的金屬接觸點(diǎn)組成。當(dāng)它們已經(jīng)被密封或焊接時(shí)，根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的柔性或剛性Li離子雙極電池的外殼，首先使得液體電解質(zhì)分離，并防止環(huán)境空氣與所有氣體的交換，其次，使得完成雙極元件的各部件之間的最佳接觸(圖2C)。然而，剛性外殼可能較重。
在圖3E中，示出了根據(jù)本發(fā)明的具有提供24V電壓的雙極元件I的雙極電池，該雙極電池由數(shù)量為13個(gè)的單位隔室組成，陰極和陽極材料分別是LiFeP04/Li4Ti5012。雙極元件I封裝在由包含環(huán)氧樹脂5和碳纖維織物4的復(fù)合材料組成的剛性外殼中。為了生產(chǎn)具有剛性外殼的該電池I，執(zhí)行以下步驟:步驟1:雙極元件I的厚度單獨(dú)是3mm。所使用的碳纖維織物4的每個(gè)部分4a、4b的厚度的數(shù)量級(jí)為1mm，典型地小于5mm。雙向碳纖維織物4的兩個(gè)部分4a、4b設(shè)置在雙極元件I的整個(gè)表面上，雙極元件I已經(jīng)將其外周預(yù)先密封在樹脂22內(nèi):從而多孔增強(qiáng)物4的兩個(gè)部分4a、4b延伸超出極性元件I的表面至少等于2mm的外周寬度(圖3A)。步驟2:將模具M(jìn) (對(duì)其尺寸進(jìn)行選擇以使它們?yōu)樗谕玫降慕M件的最終尺寸的數(shù)量級(jí))設(shè)置在壓力機(jī)的板上(圖3B)。然后將雙極元件I (用碳纖維織物4將其覆蓋)放置在模具中(圖3C)。在模具的底部，沉積樹脂5。將相同的樹脂5沉積在織物4的頂部(部分4a)上。樹脂5優(yōu)選是環(huán)氧樹脂。雙極元件還可以包在預(yù)浸樹脂纖維的單獨(dú)織物4中，其作用是，于是不需要在上述模具中在暴露的織物的部分4a之上沉積樹脂。步驟3:向該子組件施加數(shù)量級(jí)為0.5MPa的壓力。維持壓力直至樹脂5硬化(圖3D)。最后，當(dāng)樹脂5已經(jīng)硬化時(shí)，將具有由復(fù)合材料4、5制成的剛性外殼(雙極元件I封裝在其中)的雙極元件I從壓力機(jī)中移除。以此方式1、4、5得到的Li離子雙極電池的樹脂的外部厚度等于碳纖維織物4的厚度(圖3E)。在圖3E中示出的根據(jù)本發(fā)明的電池沒有正極或負(fù)極，即末端集電體。下面詳細(xì)描述具有其極柱的電池的不同變體實(shí)施方式。根據(jù)一個(gè)變體，首先可以生產(chǎn)根據(jù)本發(fā)明的電池，具有從內(nèi)部沿著同一側(cè)延伸的以兩個(gè)極耳(tab) 3+,3-的形式的極柱。首先生產(chǎn)具有極耳3+、3_的雙極元件1，極耳3+、3-從雙極元件的內(nèi)部朝著外部的方向沿著同一側(cè)延伸。然后如上所述參考步驟I至3完成根據(jù)本發(fā)明的具有外殼的電池的生產(chǎn)，具有以非導(dǎo)電織物或墊子的框架的形式的兩個(gè)增強(qiáng)部分4a、4b，并將樹脂5傾注到后者上(圖4B)。對(duì)金屬極耳3+、3_的長度進(jìn)行自然選擇，使得它們從電池的側(cè)面的硬化樹脂5中伸出(圖4A)。根據(jù)另一個(gè)變體，可以生產(chǎn)根據(jù)本發(fā)明的電池，具有以兩個(gè)接觸點(diǎn)3+、3_形式的極柱，每一個(gè)在外殼的一個(gè)面上(圖5A)。然后如上所述參考步驟I至3完成具有外殼的電池的生產(chǎn)，具有以導(dǎo)電織物或墊子的框架的形式的兩個(gè)增強(qiáng)部分4a、4b，以非導(dǎo)電織物或墊子的框架的形式的兩個(gè)另外的增強(qiáng)部分6a、6b，并將樹脂5傾注到這些織物或墊子上(圖4B)。傳導(dǎo)性的增強(qiáng)框架4a、4b大致具有雙極元件I的功能部分的表面尺寸，即在其外周沒有執(zhí)行密封件22的部分。另外的增強(qiáng)框架6a、6b (其是非傳導(dǎo)性的)對(duì)于它們的部分而言，適于框架4a、4b的外周。從而剛性連接至傳導(dǎo)性的增強(qiáng)框架4a、4b的金屬板7+、7_的部分形成接觸點(diǎn)3+、3_?？梢詷?gòu)想，在傾注樹脂5之前，或之后，當(dāng)其硬化時(shí)，將金屬板的這些部分剛性連接至框架4a、4b。在后一種情況下，應(yīng)當(dāng)注意當(dāng)傾注樹脂5時(shí)留出框架部分4a、4b。如在圖6A中所示出的，根據(jù)圖5A，高電壓的組件8 (通常通過術(shù)語“電池組”指代)可以在沒有任何另外電連接的情況下，通過將幾個(gè)電池串聯(lián)連接而生產(chǎn)。為了完成這一點(diǎn)，如在圖6B中所示出的，將根據(jù)圖5A的多個(gè)電池堆疊，以使得兩個(gè)相鄰電池之間的相反極性的接觸點(diǎn)3+、3_相接觸。為了清楚，因?yàn)樵搱D6B是分解透視圖，對(duì)于所有電池而言，只能看到具有相同極性的接觸點(diǎn)3_。從而，通過堆疊十個(gè)具有單位功率等于15Wh的同樣的雙極元件的電池，可以得到能夠供給240V電壓的組件或電池組8。如在圖7中所示出的，通過將根據(jù)圖5A的幾個(gè)電池并聯(lián)設(shè)置，可以生產(chǎn)具有最少的另外電連接的高能組件或電池組8’。為了完成這一點(diǎn)，根據(jù)圖5A將多個(gè)電池并排地放置，首先使兩個(gè)相鄰電池的正接觸點(diǎn)相接觸，其次使負(fù)接觸點(diǎn)相接觸。電連接的數(shù)目是最小的，因?yàn)橹辉谠撾姵匦械膬蓚?cè)加入兩個(gè)連接片9+、9_，從而，其中這些連接片9+、9_形成電池組8的末端集電體。從而，通過形成十個(gè)具有單位功率等于15Wh的同樣的雙極元件的電池的行，組件或電池組8可以得到150Wh的總電力。從而，本發(fā)明的發(fā)明人認(rèn)為根據(jù)圖7的這種組件8完全適于安裝在稱為微型混合動(dòng)力車(micro-hybrid)的電動(dòng)車中。在圖8中，已經(jīng)示出了具有四個(gè)極柱的電池，其中的兩個(gè)是負(fù)的，3_，并且其中的兩個(gè)是正的，3+，其中所有都是以連接到雙極元件I上的金屬極耳的形式，并向電池的各面折疊。更精確地，在一個(gè)角上，每個(gè)極耳3向電池的一個(gè)面折疊。在一個(gè)給定的角中，相同極性的兩個(gè)極耳分別向一個(gè)面上折回。換言之，電池的每個(gè)面包括四個(gè)極柱，它們中的兩個(gè)是負(fù)的，3_，并且它們中的兩個(gè)是正的，3+，在每個(gè)角具有極柱，并且一個(gè)面上的四個(gè)極柱與另一個(gè)面上的四個(gè)極柱中的每一個(gè)是相反的，其中給定角的兩個(gè)極柱的極性相同。如在圖9A中所示出的，在沒有任何另外電連接的情況下，通過將根據(jù)圖8的幾個(gè)電池并聯(lián)設(shè)置，可以生產(chǎn)高能組件或電池組8’’。為了完成這一點(diǎn)，使根據(jù)圖8的多個(gè)電池堆疊，以使得兩個(gè)相鄰電池之間的所有相反極性的接觸點(diǎn)3+、3_相接觸，如在圖9B中所示出的。從而，通過形成十個(gè)具有單位功率等于15Wh的同樣的雙極元件的電池的疊層，可以得到具有150Wh總功率的組件或電池組8。從而，根據(jù)圖9B的組件8，’是根據(jù)圖7的組件8’的替代圖，以組成150Wh的電池組。與圖7的組件相比，圖9A和圖9B的組件的主要優(yōu)點(diǎn)是它的緊湊性。應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于每個(gè)面具有少至兩個(gè)接觸點(diǎn)是可能的，但是如在圖9B中示出的，通過在雙極電池的各角中的每一個(gè)設(shè)置一個(gè)，可以改進(jìn)所得到的組件的導(dǎo)電性或電壓縮。
權(quán)利要求
1.一種雙極鋰電化學(xué)電池(A)，包括至少一個(gè)雙極元件(I)、和封裝所述雙極元件的外殼(4、5)，其特征在于，所述外殼由包含基質(zhì)和至少一種多孔增強(qiáng)物的復(fù)合材料組成，其中，所述基質(zhì)包括至少一種浸潰所述一種或多種多孔增強(qiáng)物的硬化聚合物(5)，其中所述一種或多種多孔增強(qiáng)物(4)和所述一種或多種硬化聚合物(5)包住所述雙極元件，并向所述雙極元件的任一側(cè)施加確定的壓力，以便維持它的組成之間確定的接觸。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋰雙極電化學(xué)電池(A)，其中，所述一種或多種多孔增強(qiáng)物是一種或多種織物和/或一種或多種墊子。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的鋰雙極電化學(xué)電池(A)，其中，所述一種或多種多孔增強(qiáng)物(4)由至少兩個(gè)部分(4a、4b)組成，一個(gè)部分在所述雙極元件(I)的每個(gè)面上。
4.根據(jù)前述權(quán)利要求中的一項(xiàng)所述的鋰雙極電化學(xué)電池(A)，其中，形成所述電池的充電端子的極柱(3+、3_)由極耳構(gòu)成，所述極耳從所述電池的內(nèi)部朝向外部延伸，從所述一種或多種硬化聚合物中伸出。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至3中的一項(xiàng)所述的鋰雙極電化學(xué)電池(A)，其中，形成所述電池的充電端子的極柱(3+、3_)由至少兩個(gè)接觸點(diǎn)構(gòu)成，一個(gè)接觸點(diǎn)安裝在所述電池的一個(gè)面上，并且相反極性的另一個(gè)接觸點(diǎn)安裝在所述電池的另一個(gè)面上。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的鋰雙極電化學(xué)電池(A)，其中，所述極柱由至少四個(gè)接觸點(diǎn)構(gòu)成，其中所述電池的每個(gè)面包括至少兩個(gè)極柱，一個(gè)負(fù)的(3-)和一個(gè)正的(3+)，在每個(gè)角具有極柱，并且一個(gè)面的兩個(gè)極柱面對(duì)另一個(gè)面的兩個(gè)極柱中的每一個(gè)，并且其中給定角的兩個(gè)極柱的極性相同。
7.根據(jù)權(quán)利要求2至6中的一項(xiàng)所述的鋰雙極電化學(xué)電池(A)，其中，所述一種或多種多孔增強(qiáng)物由碳纖維制成，并且所述硬化聚合物是環(huán)氧樹脂。
8.一種用于生產(chǎn)包括雙極兀件的鋰雙極電化學(xué)電池(A)的外殼的方法,根據(jù)所述方法完成以下步驟: a/在模具M(jìn)中，在由至少一種聚合物(5)或者一種或多種單體浸潰的至少一種多孔增強(qiáng)物的兩個(gè)部分(4a、4b)之間安裝包括雙極元件(I)的子組件， b/在所述模具中，向所述子組件的兩個(gè)浸潰過的增強(qiáng)物部分的任一側(cè)施加確定的壓力P，直至所述一種或多種聚合物硬化。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，據(jù)此，在將兩個(gè)多孔增強(qiáng)部分(4a、4b)安裝暴露于所述雙極元件周圍之后通過對(duì)它們進(jìn)行浸潰來完成步驟a/。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，據(jù)此，通過多孔增強(qiáng)部分來完成步驟a/，所述多孔增強(qiáng)部分已經(jīng)通過至少一種聚合物或者一種或多種單體預(yù)浸潰。
11.根據(jù)權(quán)利要求8至10中的一項(xiàng)所述的方法，據(jù)此，在環(huán)境溫度下完成步驟b/。
12.根據(jù)權(quán)利要求8至11中的一項(xiàng)所述的方法，據(jù)此，通過在0.05MPa至0.5MPa之間的壓力P來完成步驟b/。
13.一種包括根據(jù)權(quán)利要求5所述的電池的堆疊的組件(8)，其中，在兩個(gè)相鄰電池之間的相反極性的接觸點(diǎn)(3+、3_)相接觸。
14.一種包括根據(jù)權(quán)利要求5所述的電池的行的組件(8’)，其中，相同極性的接觸點(diǎn)(3+,3-)通過電連接片(9+ 、9_)彼此連接。
15.一種包括根據(jù)權(quán)利要求6所述的電池的堆疊的組件(8’’)，其中，在兩個(gè)相鄰電池之間的相同極性的接觸點(diǎn)(3+、3_)相接觸。
16.根據(jù)權(quán)利要求13 至15中的一項(xiàng)所述的組件，其中，所有所述電池具有相同的單位功率。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于包括雙極元件的鋰雙極電化學(xué)電池(A)的新型外殼。根據(jù)本發(fā)明，該外殼由包含基質(zhì)和至少一種多孔增強(qiáng)物的復(fù)合材料組成，其中，該基質(zhì)包括至少一種浸漬有一種或多種多孔增強(qiáng)物的硬化聚合物。所述一種或多種多孔增強(qiáng)物(4)和一種或多種硬化聚合物(5)包住雙極元件(1)，并在雙極元件的任一側(cè)上保持預(yù)定的壓力，以便維持它的組成之間預(yù)定的接觸。
文檔編號(hào)H01M2/30GK103081160SQ201180041219
公開日2013年5月1日 申請(qǐng)日期2011年8月23日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月24日
發(fā)明者瑪麗安娜·沙米, 利昂內(nèi)爾·皮卡爾 申請(qǐng)人:法國原子能及替代能源委員會(huì)