[发明专利]包括两种类型的不同电化学电池的锂基电化学发电器

说明书

技术领域

本发明涉及一种具有所谓的双极结构的发电器（发生器），其包括可能在同一发电器内相连的两种类型的电化学电池，电池传递较大的电压并由此具有较大的存储容量，其中所谓的安全电池传递更低的电压但是基于更稳定的材料。

本发明的发电器可应用在要求重要安全标准的同时需要能量和功率的部分中。

因此，可将本发明的领域认为是能量储存装置的领域。

背景技术

在现有的能量储存装置中，可以提及按照串联或甚至并联安装的能够传递电流的电化学电池的原理而工作的电化学发电器，在它们每一个中存在一对由电解质隔开的电极（分别是阳极和阴极），所述电极以能够按照氧化-还原反应一起发生反应的特殊材料，通过该氧化-还原反应，在电流的起点处产生电子，并产生将通过电解质从一个电极流动至另一个电极的离子。

符合此原理的特殊发电器是按照锂的嵌入-脱嵌的原理工作的锂发电器。

更特别地，电流产生开始时（即，当发电器处于放电模式时）的反应经由传导锂离子的电解质，开始从将插入正极的受体格栅中的负极转移锂阳离子，同时，来自负极处的反应的电子将馈送与正负极连接的外部电路。

第一锂发电器在其负极处包括锂金属，其提供高电压和优异的质量和体积能量密度。然而，研究显示，此类型的发电器的重复再充电操作不可避免地伴有锂枝状晶体的形成，其最经常会劣化包括电解质的隔膜。

为了避免用于组成负极的锂金属所固有的不稳定性、安全性和使用寿命的问题，重新进行研究，以便实现基于非金属锂的发电器，特别是基于包括以下类型的电极的电化学电池：

-基于含碳材料如石墨的负极；

-基于LiMO₂类型的锂化过渡金属的氧化物的正极，其中，M表示Co、Ni、Mn。

此类型的结构是在US 5,595,839中描述的发电器中再次发现的，US5,595,839公开了一种由一组电化学电池组成的电池组结构，用双极结构单元确保两个相邻电化学电池之间的连接，该双极结构单元包括位于两个并排放置以形成组件的基板的任一侧上的正极（属于一个电池）和负极（属于相邻电池），负极侧上的基板是铜基板，而正极侧上的基板是铝基板。

此类型的结构还在WO 03/047021中再次发现，其中铝基板位于正极侧上和负极侧两者上。

由于电极的结构，每个电池能够传递较大的电压，并由此能够传递较强大的能量密度，其会导致这样的事实：当一组电池全部工作时，这可能产生电池组温度的显著升高，或者，从电池传播至电池的热耗散（如果其是未抑制的）甚至可能导致发电器的不可逆的降级，如通过熔化包含电解质的隔膜而毁坏。因此，有时必需对这种发电器提供特殊的安全装置，如断路器系统、通风系统。

然而，提供此类型的安全系统对于发电器的紧凑性是有害的，并且还有助于减小这些蓄电池的质量和体积能量性能。

因此，本发明人设置了提出基于双极结构的发电器的目标，其可以在固有地安全（即，不需要采用上述那些特殊的安全系统）的同时传递较强大的能量密度。

发明内容

本发明人提出了使两种不同类型的电化学电池在同一发电器内相连的出乎意料的想法，在由于出现在另一种类型的电池中的电化学反应而导致的热耗散的情况中，一种类型的电化学电池相对于此另一种类型的电化学电池能够形成安全元件。

因此，本发明涉及一种电化学发电器，包括：

*至少一个第一电化学电池，所述第一电化学电池包括：

-包括选自下述的材料的正极：具有尖晶石结构的包含锰的锂化氧化物（锂氧化物，lithiated oxide）、具有层状结构的锂化氧化物、以及它们的混合物；

-包括选自下述的材料的负极：含碳材料、锂和钛的混合氧化物、二氧化钛（钛二氧化物）、以及它们的混合物；

-包括在所述正极和所述负极之间的电解质；以及

*至少一个第二电化学电池，所述第二电化学电池包括：

-包括选自下述的材料的正极：式LiM_y(XO_z)_n的具有聚阴离子结构的锂化氧化物，其中M代表选自Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Mg、Zn、V、Ca、Sr、Ba、Ti、Al、Si、B和Mo中的元素，X代表选自P、Si、Ge、S和As中的元素，y、z和n是正整数；

-包括选自下述的材料的负极：锂和钛的混合氧化物、二氧化钛（钛二氧化物）、以及它们的混合物；以及

-包括在所述正极和所述负极之间的电解质；