[发明专利]多功能能量存储复合材料

说明书

本发明描述了多功能能量存储(MES)复合材料，其包括(a)能量存储材料堆和(b)将能量存储材料堆夹在中间的一个或多个结构面层，其中电池材料堆被(c)一个或多个加强件穿孔，并且其中加强件粘接于结构面层。本发明还描述了MES复合材料，其包括(a)能量存储材料堆、(b)将能量存储材料堆夹在中间的一个或多个结构面层、和(c)被能量存储材料堆穿孔的一个或多个加强件，其中加强件粘接于结构面层。

相关申请的交叉引用

本申请要求2015年2月6日提交的美国临时专利申请号62/113,282的权益，在此引入其全部内容作为参考。

联邦资金声明

本发明是在美国能源部(U.S.Department of Energy)授予的合同编号DE-AR0000393的政府支持下做出的。政府对本发明具有一定的权利。

发明背景

电化学能量存储装置的研究兴趣在过去几十年中大幅增长。前沿的先进能量存储技术已将广泛的电动工程平台的能力从便携式电子装置和生物医学装置扩展到电力运输工具、航空和航天技术。目前最先进的电化学存储技术被具体设计以主要满足电子装置的能量容量和电量消耗(power consumption)需求。因此，常规电池和电化学电池增加了明显的重量和体积，而对系统的其它功能性，例如对机械完整性或结构性能，没有贡献。额外的重量和体积显著阻碍系统性能和效率。

发明概述

可以通过使能量存储具有多功能来实现系统改进。通过适当整合构件材料，可以使电化学能量存储能够协同地存储和提供能量，并承载机械负荷并为装置提供结构完整性。多功能能量存储器可用作支持结构的替代物，否则该支持结构在传统电动系统中是必要的。

本文描述的多功能能量存储(MES)复合材料将电化学能量存储材料嵌入结构面层中，并且利用通厚(through-thickness)加强件来提供结构刚性，类似于夹心结构的构造。MES复合材料在被并入电动装置或运输工具时有助于能量存储和机械强度性能，导致系统重量节减以及能量效率更高。

本文描述的本发明属于能量存储领域，并且总体上涉及将能量存储装置并入结构材料中，产生多功能结构能量存储器，用于能量存储、能量产生、或电动系统。

本发明的一些实施方式的一方面涉及MES复合材料，其包括(a)能量存储材料堆，包括沿着平行于厚度方向的对准轴的穿孔或孔的阵列；和(b)将能量存储材料堆夹在中间的一个或多个结构面层；和(c)一个或多个加强件，该加强件被布置使得其沿着对准轴延伸一定长度，该对准轴穿越能量存储材料堆中的穿孔，其中加强件附接于结构面层。加强件的任一侧与面层物理接触，并被锚定于面层上，将面层连接在一起。

在本发明的一些实施方式的另一方面中，不是加强件布置在能量存储材料堆的穿孔或孔中，而是加强件自身可以包括沿着平行于厚度方向的对准轴的穿孔或孔的阵列，其中加强件中的孔或穿孔填充有能量存储材料。

能量存储材料堆可以是电化学电池的构件，并且其中电化学电池选自：一级电池、二级电池(包括但不限于锂电池、锂离子电池、铅酸电池、锌-碳电池、碱性电池、镍-镉电池、镍金属氢化物电池、氧化银电池、钠硫电池等)、固体电化学电池、流体电化学电池、流动电池(流电池，flow battery)、燃料电池、电容器、超级电容器、半固体电池、和金属-空气电池。

本发明的一些实施方式的再一方面涉及包含MES复合材料的能量存储装置。

这些和其它特征以及其组织和操作方式将在结合附图时通过以下详细描述而显而易见。

附图简述

图1示意性地示出本文描述的示例性MES复合材料。