[发明专利]用于电化学装置的电池结构及其制造方法

说明书

本申请案主张2007年3月6日申请的第11/714,485号美国专利申请案的优先权。 第11/714,485号美国专利申请案是2002年7月10日申请的第10/192,818号美国申请案 的部分接续案，其主张2001年7月13日申请的第60/305,339号临时专利申请案的优先 权，所述申请案的全部内容以引用的方式并入本文中。

技术领域

本发明涉及改进的电化学装置，例如电池、电容器、燃料电池、传感器等。更具体 来说，本发明涉及更用户友好的电化学装置，其针对装置的每重量和体积提供较高的比 功率和能量输出，且涉及制造这些改进的电化学装置的方法。

背景技术

随着电子器件的不断进步，对应地不断需要向高级电子装置(尤其是便携式电子装 置)供电的提供能量密度、效率和安全且同时仍然是经济的电化学装置。较老的电池配 置常不适合于符合这些增加的需求。除了环境和效率问题之外，对提供电力的装置的研 究已扩展到包含混合电动交通工具的新领域。理想上，电化学装置将提供较高的电流密 度，减小电池的内阻，且有效地管理电化学装置的热输出，以增加装置的耐久性。

可通过在电极与电池集电器之间，且特定在电池中的电池之间提供大量和/或大表面 面积的连接而实现这些特征。一般来说，为保留较高的比能量和功率、W/kg、瓦特-小 时/千克(Wh/kg)和瓦特/千克(W/kg)，当前技术和装置远远达不到这些目标。高功率 装置的第二关键特征是内部热量移除。到外部电路的高功率通常在电池内部在短时持续 时间内产生作为热量的同等量的能量。过分的升温将毁坏(例如，熔化多微孔聚合物隔 板或自燃易燃有机电解液)或显著缩短锂离子电池的有用寿命。

由物理上暴露于电解液的阴极电极和阳极电极构成的电化学装置可一般用于在化 学能与电能之间转换。外壳可包围这些电极和电解液组件，且可甚至将其密封免于与大 气接触。电池、燃料电池和电容器仅是本发明涉及到的一些此类专用电化学装置。

由于就每一对阴极和阳极电极(或电池)的电压和/或电流强度来说，电功率通常较 小，所以可在单个外壳中使用许多单独对的阴极和阳极电极或电池。集电器通常用于将 所述电池并联和/或串联地电互连，以在电化学装置的暴露端子处提供可用的电压和电流 强度输出。

当离子经由电解液在每个电池的电极之间通过时，且当电子同时经由电极通过每个 电池时，电化学装置执行有用功。由所使用的组件材料的电化学反应来预先确定每个电 池产生的电压，且所产生的电流强度和/或可用功率取决于这些活动组件的配置和质量。

可按照瓦特-小时/装置重量来提供装置的比输出能量，且可按照瓦特/装置重量来提 供装置的比输出功率。由于内阻和其它低效(硬件质量和体积)，现有电化学装置的输 出值通常是理论上可能的输出值的较小分数。

对电极元件之间的离子传导的电阻是内部功率损耗的一个主要源头。可用以下表达 式来在理论上确定此类电阻R。

R＝ρl/A

其中：

“ρ”(rho)是电解液的阻抗值；

“l”是电解液的厚度；以及

“A”是电极元件与电解液之间的界面接触面积。

离子阻抗值ρ不易经受修改，且非有效为设计参数。电化学装置的设计者因此力求 降低电解液厚度“l”，且增加电极元件与电解液之间的界面接触面积“A”。

已提议阴极和阳极电极、电解液分隔和集电的不同配置。举例来说，阴极电极带可 为曲折的，以界定用于保持电解液的单独隔间，且在电解液中插入有由阴极电极隔开的 细长杆状的阳极电极。界面接触面积“A”有效地小于阳极杆的整个表面面积，因为某 些杆彼此相对，而不是与阴极相对。

而且，曲折的折叠的隔板带可界定用于保持并隔离板状阴极和阳极电极的相对隔 间，其中电解液吞没所有这些组件。在替代设计中，每一电池可形成为具有C形电极和 夹在其间的Z形隔板。或者，具有导电表面的隔板带可经折叠，且在单独相对面向的褶 之间夹有单独组的相应板状阴极和阳极电极。可通过在其自身上卷绕阴极和阳极电极和 隔板的预先形成的组合件以产生圆柱形的电化学装置来形成“胶卷”电池，其具有面对 面的电极和夹着的电解液和隔板结构，从而增加了电极之间的界面接触面积“A”。