專利名稱：具有串聯(lián)及并聯(lián)電耦接的單極和雙極型電池的儲能器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及儲能器件(ESD)，并且更具體地，本發(fā)明涉及具有串聯(lián)、并聯(lián)或串并聯(lián)電耦接的電池的疊層ESD。
背景技術(shù)：
ESD的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)典型地包括功率、能量和使用壽命，并且還可以包括質(zhì)量和/或體積的限制。這些設(shè)計(jì)因素通?；ハ嘁蕾?。例如，提高ESD的功率(例如，通過增加電壓和/ 或電流容量)可以增加器件的質(zhì)量和/或體積。一種用于增加雙極型ESD的電壓(并且由此增加瓦特小時(shí))的方法是在更高的疊層中添加額外的雙極型電池。但是，該疊層的電流容量與單個(gè)電池的容量可能基本上相同。 為了增加雙極型ESD的電流容量，幾個(gè)ESD典型地以導(dǎo)線并聯(lián)連接。這些ESD每個(gè)都典型地具有用于在循環(huán)期間保持氣體壓力和電極膨脹的它自己的一對端帽，這些端帽增加了整個(gè)系統(tǒng)的重量。但是，這些端帽通常不增加疊層的能量或功率。該額外重量一般稱為“寄生”重量，因?yàn)殡S著各個(gè)電池疊層的重量增加并沒有增添活性材料。由于寄生重量(以及在一些情況下，系統(tǒng)的體積)的實(shí)質(zhì)性增加，上述技術(shù)不必要地限制了功率和/或電流容量的提高。因此，希望提供具有改良性能的ESD，該ESD具有串聯(lián)和并聯(lián)電耦接的電池。

發(fā)明內(nèi)容
鑒于以上所述，本發(fā)明提供用于具有串聯(lián)和并聯(lián)電耦接的電池的疊層ESD的裝置和方法?？梢越M裝并聯(lián)和串聯(lián)結(jié)構(gòu)的任意組合，以便產(chǎn)生特定的電壓和電流容量。例如，可以用導(dǎo)線串聯(lián)連接至少兩個(gè)子疊層以增加總疊層的電壓。雙極型電池的這種結(jié)構(gòu)的寄生重量可能相對小于典型布局(即，并聯(lián)電耦接的兩個(gè)或更多個(gè)ESD，每個(gè)ESD都具有它自己各自的一對端帽)，因?yàn)樵谝恍?shí)施例中可以只使用一對端帽。根據(jù)一種實(shí)施例，本發(fā)明提供了具有多個(gè)電極單元的疊層的ESD。該疊層可以包括多個(gè)雙極型電極單元的第一子疊層、與第一子疊層共線的多個(gè)雙極型電極單元的第二子疊層，以及位于第一子疊層和第二子疊層之間的單極型電極單元。第一端帽可以在該電極單元疊層的第一末端，并且第二端帽可以在該電極單元疊層的第二末端。根據(jù)本發(fā)明的一種實(shí)施例，本發(fā)明提供了具有沿著層疊軸的多個(gè)電極單元的疊層的ESD。該疊層可以包括在其相反側(cè)面上具有第一和第二表面的單極型電極單元、沿層疊軸設(shè)置的與第一表面相對的第一雙極型電極單元，以及沿層疊軸設(shè)置的與第二表面相對的第二雙極型電極單元。第一和第二雙極型電極單元經(jīng)由單極型電極單元并聯(lián)電耦接。


當(dāng)結(jié)合附圖來考慮下面的詳細(xì)說明時(shí)，本發(fā)明上述和其他的目標(biāo)和優(yōu)點(diǎn)將會變得明了，在附圖中相似的參考符號指代相似的部件，并且在附圖中圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的一種實(shí)施例的雙極型電極單元(BPU)的例示性結(jié)構(gòu)的剖面示意圖；圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的一種實(shí)施例的圖1的BPU疊層的例示性結(jié)構(gòu)的剖面示意圖；圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的一種實(shí)施例的具有圖2的BPU疊層的例示性雙極型ESD 的電路示意圖；圖4示出了根據(jù)本發(fā)明的一種實(shí)施例的BPU疊層的例示性結(jié)構(gòu)的剖面示意圖；圖5示出了根據(jù)本發(fā)明的一種實(shí)施例的圖4的例示性雙極型ESD的電路示意圖；圖6示出了根據(jù)本發(fā)明的一種實(shí)施例的例示性疊層雙極型ESD的透視圖；圖7示出了根據(jù)本發(fā)明的一種實(shí)施例的圖6的例示性疊層雙極型ESD的局部剖面圖；圖8示出了根據(jù)本發(fā)明的一種實(shí)施例的圖6的例示性疊層雙極型ESD的分解圖； 以及圖9示出了根據(jù)本發(fā)明的一種實(shí)施例的圖6的例示性疊層雙極型ESD的分解圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明提供了用于疊層儲能器件(ESD)的裝置和方法，并且在下面參照圖1-9來描述該裝置和方法。本發(fā)明涉及諸如蓄電池、電容器以及任何其他可以存儲和/或提供電能或電流的電化學(xué)能量或功率存儲器件之類的ESD。應(yīng)當(dāng)理解，雖然本發(fā)明針對串聯(lián)和并聯(lián)電耦接的疊層雙極型ESD來描述，但是所討論的概念適用于任何電池間的電極結(jié)構(gòu)，包括但不限于平行板、棱柱型、折疊型、卷繞式和/或雙極型結(jié)構(gòu)，以及其他合適的結(jié)構(gòu)，或這些結(jié)構(gòu)的任何組合。具有堆疊形式的密封電池的ESD可以包括一系列層疊的雙極型電極單元(BPU)。 這些BPU每個(gè)設(shè)置有覆蓋在集電器的相反的兩面上的正性活性材料電極層和負(fù)極活性材料電極層。任何兩個(gè)BPU都可以彼此層疊，在其中一個(gè)BPU的正極活性材料電極層和另一個(gè)BPU的負(fù)極活性材料電極層之間設(shè)置有電解質(zhì)層，用于電隔離這兩個(gè)BPU的集電器。任何兩個(gè)相鄰BPU的集電器，連同兩個(gè)活性材料電極層及其中間的電解質(zhì)一起，是密封的單電池或電池段。包括此類電池的疊層的ESD在此應(yīng)稱為“疊層雙極型”ESD，其中每個(gè)電池具有第一 BPU的一部分和第二 BPU的一部分。ESD可以包括可以串聯(lián)、并聯(lián)或串并聯(lián)電耦接的多個(gè)電池。雙極型ESD可以消除存在于那些僅將獨(dú)立電池串聯(lián)在一起的ESD中的互連載流組件。例如，雙極型ESD連接材料的減少(從而減少寄生重量)可以降低電阻和提高功率，并且可以使ESD變得相對更小及更輕。
圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的一種實(shí)施例的例示性“平板”雙極型電極單元BPU 102。 用于疊層電池ESD的平板結(jié)構(gòu)已被詳細(xì)論述于Ogg等人的美國專利申請No. 11/417,489和 Ogg等人的美國專利申請No. 12/069，793中，在此通過引用并入這兩個(gè)申請的全部內(nèi)容。 BPU 102可以包括設(shè)置于不透性導(dǎo)電襯底或集電器106之上的正極活性材料電極層104，以及可以設(shè)置于不透性導(dǎo)電襯底或集電器106的另一面之上的負(fù)極活性材料電極層108。應(yīng)當(dāng)理解，雙極型電極可以具有任何合適的形狀或幾何形狀。例如，在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，“平板”BPU可以用“碟形”電極作為替代或補(bǔ)充。碟形電極可以減小在雙極型 ESD的工作期間所產(chǎn)生的壓力。碟形和壓力均衡的電極已被詳細(xì)地論述于West等人的美國專利申請No. 12/258,854中，在此通過引用并入該申請的全部內(nèi)容。例如，如圖2所示，多個(gè)BPU 202可以基本上垂直地層疊到疊層220中，具有可以設(shè)置于兩個(gè)相鄰的BPU 202之間的電解質(zhì)層210，使得一個(gè)BPU 202的正電極層204經(jīng)由電解質(zhì)層210與相鄰BPU 202的負(fù)電極層208相對。每個(gè)電解質(zhì)層210可以包括可以將電解質(zhì)保持于其內(nèi)的隔板(沒有示出)。該隔板可以使正電極層204與相鄰的負(fù)電極層208電隔離，同時(shí)允許在電極單元之間的離子遷移。繼續(xù)參照圖2中的BPU 202的層疊狀態(tài)，例如，包含于第一BPU202的正電極層204 和襯底206、與第一 BPU 202相鄰的第二 BPU 202的負(fù)電極層208和襯底206，以及位于第一和第二 BPU 202之間的電解質(zhì)層210的組件在此稱為單個(gè)“電池”或“電池段” 222。每個(gè)電池段222的每個(gè)不透性襯底206可以被可適用的相鄰電池段222共享。圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的一種實(shí)施例的圖2的疊層220的電路示意圖。如圖3所示，雙極型ESD可以包括層疊和串聯(lián)的一個(gè)或更多個(gè)BPU 202，以提供所期望的電壓。圖4示出了根據(jù)本發(fā)明的一種實(shí)施例的BPU疊層結(jié)構(gòu)的剖面示意圖。如圖4所示， 例如，獨(dú)立電池疊層或子疊層421a和421b可以通過使“子接線端”單極型電極單元位于子疊層之間(例如，參見子接線端MPU 401)的方式被配置為并聯(lián)電耦接。正極或負(fù)極子接線端單極型電極單元(MPU)可以位于雙極型ESD內(nèi)的獨(dú)立電池疊層或子疊層之間。子接線端 MPU可以具有活性材料電極層，該電極層具有與設(shè)置于襯底或集電器的相反面上的極性相同的極性(即正或負(fù))。對于子接線端MPU，可以使用任何合適的活性材料，并且在一些實(shí)施例中，在子接線端MPU任一面上的活性材料電極層可以是基本上相同的活性材料或者可以是具有相同極性的不同活性材料。例如，圖4示出了位于雙極型ESD 450的疊層420之內(nèi)的子接線端MPU 401。子接線端MPU 401可以包括可以設(shè)置于不透性導(dǎo)電襯底或集電器409的第一面之上的負(fù)極活性材料電極層40 ，以及可以設(shè)置于不透性導(dǎo)電襯底409的另一面之上的負(fù)極活性材料電極層40恥。子接線端MPU 401可以被配置用于使子疊層421a的電池段(例如，參見電池段 422a-422c)與子疊層421b的電池段(例如，參見電池段422d_422f)并聯(lián)電耦接。例如，子接線端MPU 401可以設(shè)置有調(diào)整片(tab)或法蘭407。在一些實(shí)施例中，例如，法蘭407可以提供到與法蘭407所附著的相應(yīng)襯底相對應(yīng)的雙極型電極單元或單極型單元的電連接。 例如，如圖4所示，法蘭407附著在子接線端MPU 401的襯底409。但是，應(yīng)當(dāng)理解，調(diào)整片或法蘭可以設(shè)置于本發(fā)明的任何合適的電極單元的襯底，包括，例如，BPU、子接線端MPU和接線端MPU (例如，參見圖6-9中的法蘭607)。子接線端MPU 401可以充當(dāng)子疊層之間的電隔離層、機(jī)械隔板或兩者。在一些實(shí)
6施例中，子接線端MPU 401可以具有與雙極型電極單元不同的幾何形狀(例如，參見BPU 402a-d)。例如，子接線端MPU401的襯底409可以比BPU 402a的襯底406a相對更厚或相對更薄。例如，襯底409相對于襯底406a可以具有可變的厚度，因?yàn)橐r底409的兩面上具有相同極性的電極(例如，電極層40 和405b)可以不同于襯底406a兩面上的具有相反極性的電極(例如，電極層408a和404a)那樣膨脹和/或收縮。例如，如果MPU 401在襯底409兩面上具有正電極層，則一個(gè)或兩個(gè)正電極層可以壓縮襯底409。此外，在一些實(shí)施例中，ESD的子疊層可以具有不同的基本單元和/或不同的化學(xué)組成(例如，子疊層42Ia可以具有鎳金屬氫化物ESD的化學(xué)組成，而子疊層421a可以使用電容器)。例如，在此類實(shí)施例中，子疊層相互間可以膨脹和/或收縮不相同，從而在MPU 401上施加一個(gè)凈力(net force) 0因此，在一些實(shí)施例中，襯底409可以設(shè)計(jì)得比襯底406a-d相對更厚和更魯棒。但是，應(yīng)當(dāng)理解，在一些實(shí)施例中，子接線端MPU 401的襯底409可以與BPU的襯底基本上相同(例如，參見BPU 402a-d的襯底406a_d)。子接線端MPU 401中可以具有任何合適的在相鄰電池段的活性材料之間的電極間間距，并且可以具有任何合適的襯墊結(jié)構(gòu)。電極間間距可以取決于各種ESD應(yīng)用。例如， 對于相對較低的漏電/高能量的電池，最好是可以裝填相對較大量的活性材料和/或具有相對較厚的電極基體材料，以便耐受增加的負(fù)荷。對于相對較高功率的應(yīng)用，優(yōu)選的是可以裝填較少的材料和/或在相對較高的力之下閉合，以便減小電極間的間距。ESD設(shè)計(jì)可以有許多標(biāo)準(zhǔn)。這些標(biāo)準(zhǔn)通常規(guī)定功率、能量和使用壽命，并且可以具有對質(zhì)量和/或體積的限制。這些標(biāo)準(zhǔn)可能無法單獨(dú)由一種ESD類型來滿足。因此，在一些實(shí)施例中，組合了達(dá)到設(shè)計(jì)要求的儲能類型的ESD可能是優(yōu)選的。本發(fā)明的雙極型ESD 可以配置用于容納多種ESD類型以達(dá)到設(shè)計(jì)要求。例如，正如前面所討論的，一個(gè)子疊層可以具有鎳金屬氫化物ESD的化學(xué)組成，而另一個(gè)子疊層可以使用電容器。雙極型ESD 450可以包括一種或更多種基礎(chǔ)的基本單元。例如，合適的電化學(xué)ESD 化學(xué)組成可以包括金屬氫化物、鋰或任何其他合適的化學(xué)組成，或者它們的組合，并且基本單元可以包括靜電電容器。這種多單元的ESD可以被配置為串聯(lián)或并聯(lián)的功率分布或者兩者，并且該器件可以包括多種類型。在一些實(shí)施例中，ESD中獨(dú)立的子疊層可以具有不同的化學(xué)組成。例如，子疊層421a可以包括金屬氫化物成分，而子疊層421b可以包括鋰離子成分。在一些實(shí)施例中，同一子疊層中的電池互相之間，甚至在同一電池內(nèi)，都可以具有不同的化學(xué)組成。如上所述，在一些實(shí)施例中，ESD可以包括一個(gè)或更多個(gè)其中層疊有電容器的子疊層。電容器可以包括電化學(xué)雙層。該雙層組件可以指在電極材料表面上離子和電子的累積 (例如，它們可以隨接觸表面積而定)。其效果可以相對地更多在靜電方面，而不是電化學(xué)方面，因?yàn)殡x子和電子兩者都可以被耦接在電極材料的表面上。例如，這可能類似于靜電電容器。電容器的正電極層和負(fù)電極層可以具有基本上相同的組成，使得在ESD被組裝時(shí)可能沒有或基本上沒有“自然的”電化學(xué)電位。當(dāng)ESD被充電時(shí)，例如，通過使電子在一面上并且在同一表面累積基本上等量的正離子電荷，電位會升高。類似的情況發(fā)生在負(fù)極電極上，例如，其中由于負(fù)極電極的電子耗盡表面上的電子耗盡(例如，“空穴”)，導(dǎo)致負(fù)離子在電極表面累積。應(yīng)當(dāng)理解，正如上面結(jié)合本發(fā)明的雙極型單元所述，電容器的任何一面都可以是正極或負(fù)極。
當(dāng)電容器與ESD并聯(lián)電耦接時(shí)，整個(gè)組合器件可以具有相對較高的工作電壓。例如，金屬氫化物ESD可以是水性的，并且可以具有1.4伏特的工作范圍。具有電化學(xué)雙層的電容器可以由任何合適的電解質(zhì)形成，并且其工作范圍，例如，可以從1.25伏特或更低到 20伏特或更高。這些電容器還可以具有相對低的內(nèi)阻，并且可以支持具有相對高電流消耗的ESD。例如，對于高速率脈沖，這些電容器可以比ESD先接受大部分電流消耗，這可以緩沖 ESD并且可以增加ESD的循環(huán)壽命。其他電容器可以沒有離子和電子的雙層。更確切地，它們可以僅通過由導(dǎo)體(如金屬箔)表面電子的累積和耗盡所引起的靜電耦接方式來工作。一旦被充電，這些電子就不可以通過介電隔離層傳播，但需要非常接近以保持靜電耦接。一旦正極和負(fù)極接線端被耦接以接通電路，電子就可以通過導(dǎo)線回流，以重新平衡到基本上零電壓。這些電容器的容量可以比具有電化學(xué)雙層的電容器相對更低。層疊于子疊層的電容器電池的數(shù)量可以根據(jù)ESD的電壓極限而定。在一些實(shí)施例中，電容器子疊層的電壓可以等于或大于ESD的電壓。此外，在一些實(shí)施例中，例如，每個(gè)電容器電池的電壓極限可以取決于電解質(zhì)溶劑的擊穿電壓。對于液體基溶劑器件，示例性的電壓極限可以為從1. 2伏特(如水性的)到20伏特(如有機(jī)物和硅氧烷)。在一些實(shí)施例中，本發(fā)明的ESD可以將電容器并入具有與具有例如金屬氫化物化學(xué)成分的另一子疊層所用的溶劑基本相同的溶劑的子疊層，在該子疊層中電池可以配置具有1.5伏特的電壓極限。繼續(xù)參照圖4，其中有兩個(gè)獨(dú)立的三電池疊層(即子疊層421a和421b)，子接線端MPU 401于是位于子疊層421a和421b之間的疊層420中央。但是，應(yīng)當(dāng)理解，子接線端 MPU 401可以設(shè)置于疊層420內(nèi)的任何合適的位置。例如，獨(dú)立電池疊層(例如，參見子疊層421a)可以具有任何合適數(shù)量的電池(例如，為提高特定疊層或子疊層的電壓)，從而子接線端MPU 401可以位于疊層中的獨(dú)立子疊層(如子疊層421a和421b)之間的任何合適的位置。還應(yīng)當(dāng)理解，ESD 450可以具有任何合適數(shù)量的獨(dú)立電池疊層或子疊層，在其中間設(shè)置有適量的子接線端MPU。例如，在一些實(shí)施例中，可以結(jié)合多個(gè)子疊層以提高ESD的電壓和/或電流容量。如圖4所示，例如，根據(jù)本發(fā)明的一種實(shí)施例，正極或負(fù)極接線端，或接線端單極型單元(MPU)，可以連同一個(gè)或更多個(gè)BPU 40加-(1和子接線端MPU 401的疊層420 —起提供以構(gòu)成疊層雙極型ESD450。在圖4所示的配置中，例如，接線端MPU的極性可以與子接線端MPU 401的極性相反。在其不透性導(dǎo)電襯底416b的一面包括正極活性材料電極層414b 的正極接線端MPU 421b，可以位于設(shè)置有電解質(zhì)層(即電解質(zhì)層410f)的疊層420的第一末端，使得正極接線端MPU412b的正電極層414b可以經(jīng)由電解質(zhì)層410f與疊層420第一末端的BPU (即BPU 402d)的負(fù)電極層(即層408d)相對。在其不透性導(dǎo)電襯底416a的一面包括正極活性材料電極層41 的正極接線端MPU412a，可以位于設(shè)置有電解質(zhì)層(即電解質(zhì)層410a)的疊層420的第二末端，使得正極接線端MPU 41 的正電極層41 可以經(jīng)由電解質(zhì)層410a與疊層420第二末端的BPU(即BPU 402a)的負(fù)電極層(即層408a)相對。 接線端MPU 412a和41 可以分別設(shè)置有相應(yīng)的正極電極引線413a和41 。例如，每個(gè)接線端MPU或子接線端MPU的襯底和電極層可以形成電池段，該電池段具有襯底、和它相鄰BPU的電極層、及它們之間的電解質(zhì)層，如圖4所示(例如，參見電池段422a/422f和電池段422c/422d)。疊層420中層疊BPU的數(shù)量可以是一個(gè)或更多個(gè)，并且可以適當(dāng)?shù)卮_定以符合ESD 450的期望電壓。子疊層(如子疊層421a和421b)中層疊BPU 的數(shù)量可以是一個(gè)或更多個(gè)，并且可以適當(dāng)?shù)卮_定以符合例如ESD 450的期望電壓。每個(gè) BPU可以提供任何所期望的電位，因此ESD 450的期望電壓可以通過有效增加每個(gè)BPU組件所提供的電位來達(dá)到。應(yīng)當(dāng)理解，每個(gè)BPU不必提供相等的電位。在一個(gè)合適的實(shí)施例中，可以構(gòu)造雙極型ESD 450以使BPU疊層420及其分別的正極接線端MPU 41 和412b可以至少部分地在降低的壓力之下封裝(如氣密性密封)到 ESD殼體或包裝440中。接線端MPU導(dǎo)電襯底416a和416b (或至少它們各自的電極引線 413a和413b)可以從ESD殼體或包裝440引出，例如，這樣可以減輕使用時(shí)來自外部的影響并且預(yù)防環(huán)境退化。為了防止第一電池段的電解質(zhì)(例如，參見電池段42 的電解質(zhì)層410a)與另一電池段(例如，參見電池段422b的電解質(zhì)層410b)結(jié)合在一起，襯墊或密封膠可以與相鄰電極單元之間的電解質(zhì)層層疊，以將電解質(zhì)密封在它特定電池段內(nèi)。襯墊或密封膠可以為任何合適的可壓縮或不可壓縮的固體或黏性物質(zhì)、任何其他合適的物質(zhì)或它們的組合，例如，這些物質(zhì)可以為特定電池的相鄰電極單元設(shè)置以密封其間的電解質(zhì)。在一種合適的配置中，例如，如圖4所示，本發(fā)明的雙極型ESD可以包括襯墊或密封件460a-f，它們作為擋片被布置在每個(gè)電池段的電解質(zhì)層410a_f和活性材料電極層4(Ma-d/414a-b以及 408a-d/405a-b的周圍。該襯墊或密封膠可以是連續(xù)和密閉的，并且可以密封在襯墊與該電池的相鄰電極單元(即與該襯墊或密封件相鄰的那些或那個(gè)BPU和子接線端MPU/接線端 MPU)之間的電解質(zhì)。例如，該襯墊或密封膠可以在該電池的相鄰電極單元之間提供適當(dāng)?shù)拈g距。在一些實(shí)施例中，可以提供動態(tài)柔性密封件或襯墊。在本申請中，襯墊可以在維持與鄰接表面的基本密封接觸的同時(shí)，機(jī)械地調(diào)整尺寸。例如，動態(tài)柔性密封件或襯墊可以配置為在一個(gè)優(yōu)選的方向或更多個(gè)優(yōu)選的方向上變形。動態(tài)柔性密封件或襯墊已被詳細(xì)論述于 West等人的美國專利申請No. 12/694，638，在此通過引用并入該申請的全部內(nèi)容。在密封疊層雙極型ESD 450的電池段以防止第一電池段的電解質(zhì)(例如，參見電池段42 的電解質(zhì)層410a)與另一電池段的電解質(zhì)(例如，參見電池段422b的電解質(zhì)層410b)結(jié)合在一起時(shí)，電池段會隨著這些電池的充電和放電而在相鄰電池(如電池 422a/422b)之間產(chǎn)生壓差?？梢蕴峁┢胶忾y以減小由此產(chǎn)生的壓差。平衡閥以機(jī)械或化學(xué)的方式充當(dāng)半透性膜或安全隔膜(rupture disk)，以允許氣體的轉(zhuǎn)移并且基本上阻止電解質(zhì)的轉(zhuǎn)移。ESD可以包括具有平衡閥的任意組合的BPU、子接線端MPU和接線端MPU。壓力平衡閥已被詳細(xì)論述于West等人的美國專利申請No. 12/258，邪4，在此通過引用并入該申請的全部內(nèi)容。圖5示出了根據(jù)本發(fā)明的一種實(shí)施例的圖4所示雙極型ESD的電路示意圖。例如， 每個(gè)相應(yīng)獨(dú)立電池疊層或子疊層內(nèi)的電池段可以與該子疊層中別的電池串聯(lián)電耦接(例如，參見圖2和圖3中的串聯(lián)方式)。然后，這兩個(gè)子疊層可以經(jīng)由子接線端MPU (例如，參見圖4中的子接線端MPU 401)彼此并聯(lián)電耦接。這種配置可以允許，比如說，多個(gè)電池在疊層中串聯(lián)和/或并聯(lián)電耦接，而僅用到一對端帽(例如，參見圖6-8中的端帽618和634)。 與使用多個(gè)端帽并且串聯(lián)和并聯(lián)電耦接的ESD相比，這可以降低ESD的寄生重量。如圖5所示，這些子疊層可以經(jīng)由可附著于子接線端MPU 401的一根或更多根導(dǎo)
9線并聯(lián)電耦接。這些導(dǎo)線可以附著于子接線端MPU401襯底上的一個(gè)或更多個(gè)法蘭(例如， 參見圖4中的法蘭407和圖6-9中的法蘭607)。應(yīng)當(dāng)理解，利用導(dǎo)線僅為許多用于并聯(lián)連接的合適方法中的一種。例如，在一些實(shí)施例中，子接線端MPU可以直接接合到導(dǎo)電的外部容器(例如，參見圖4中的ESD包裝440)而可以不需要導(dǎo)線。在該實(shí)施例中，例如，ESD的每個(gè)末端可以同時(shí)具有正極支柱或電極引線(例如，參見引線413a和413b)以及與導(dǎo)電的外部容器相接觸的負(fù)極殼體(沒有示出)，該負(fù)極殼體用于提供負(fù)極電連接。子疊層經(jīng)由子接線端MPU 401并聯(lián)電耦接的任何其他合適的方法或者這些方法的任何組合都可以使用。 例如，在一些實(shí)施例中，可以使用導(dǎo)線和直接接合到導(dǎo)電的外部容器的子接線端MPU這兩種方法。圖6和圖7分別示出了根據(jù)本發(fā)明的一種實(shí)施例的疊層雙極型ESD的透視圖和局部剖面圖。疊層雙極型ESD 650可以包括壓縮螺栓623、校直環(huán)62 和624b、機(jī)械彈簧 626a和62 、疊層620 (包括襯底法蘭607)，以及設(shè)置于疊層620各個(gè)末端的剛性端帽634 和618。校直環(huán)可以設(shè)置于疊層雙極型ESD 650的任一末端。例如，校直環(huán)62 和校直環(huán) 624b可以設(shè)置于ESD 650相對的兩端。機(jī)械彈簧可以設(shè)置于校直環(huán)62^/624b與剛性端帽 634/618之間。例如，機(jī)械彈簧626a可以設(shè)置于校直環(huán)62 與剛性端帽634之間，并且機(jī)械彈簧62 可以位于校直環(huán)624b與剛性端帽618之間。機(jī)械彈簧626a和62 可以配置為響應(yīng)于ESD 650工作和循環(huán)期間所產(chǎn)生的力而彎曲。在一些實(shí)施例中，彈簧626a和626b 的變形量可以與外加負(fù)載成正比。剛性端帽634和618的形狀可以與雙極型ESD 650的電極和/或襯底(例如，參見圖4中的BPU 402a-d)基本一致。例如，端帽634和618可以符合ESD 350的電極和/ 或襯底所具有的“平板”、“碟形”、任何其他形狀，或這些形狀的組合。在一些實(shí)施例中，襯底法蘭607可以設(shè)置于ESD 650的周圍，并且可以從疊層620 沿徑向向外延伸。法蘭607可以提供，如與雙極型電極單元或單極型單元的電連接，該單元對應(yīng)于法蘭607所附著的相應(yīng)不透性導(dǎo)電襯底(例如，參見圖4中子接線端MPU 401的法蘭407)。雖然圖6中的法蘭607的形狀為“壓舌板”，但是它可以為任何其他的合適形狀和任何其他的合適尺寸，并且被配置為從疊層620沿徑向向外延伸。例如，法蘭607的剖面區(qū)實(shí)際上可以為矩形、三角形、圓形或橢圓形、六邊形、或任何其他所期望的形狀或這些形狀的組合，并且可以被配置為與一個(gè)特定的連接器或多個(gè)連接器電耦接。圖8和圖9示出了根據(jù)本發(fā)明的一種實(shí)施例的圖6所示的疊層雙極型ESD的分解圖。如圖8所示，例如，疊層620可以包括子疊層621a和621b。子疊層621a可以包括5個(gè) BPU 60 的疊層。類似地，子疊層621b可以包括5個(gè)BPU 60 的疊層。但是，應(yīng)當(dāng)理解， 可以在子疊層621a和621b中提供任何合適數(shù)量的電池段和/或雙極型單元，以符合期望的ESD 650的電壓和/或電流容量。子接線端MPU 601可以設(shè)置于于子疊層621a和621b 之間，從而將子疊層621a的BPU串聯(lián)電連接與子疊層621b的BPU串聯(lián)電連接分隔開。子接線端MPU 601可以被配置以使子疊層621a的BPU與子疊層621b的BPU并聯(lián)耦接，例如， 經(jīng)由多個(gè)附著于各個(gè)相應(yīng)襯底的法蘭607(例如，參見圖9中的法蘭607)來實(shí)現(xiàn)。正如以上結(jié)合圖5所述，應(yīng)當(dāng)理解，利用法蘭(如法蘭607)僅為許多用于形成ESD子疊層之間的并聯(lián)連接的合適方法中的一種。參照圖9 (代表圖8中的區(qū)域690)，子接線端MPU 601可以具有活性材料電極層，這些電極層的極性與襯底或集電器的相反面上所提供的極性相同(即正或負(fù))。如圖9所示，例如，子接線端MPU 601可以包括設(shè)置于不透性導(dǎo)電襯底或集電器609的第一面上的正極活性材料電極層603。第二正極活性材料電極層可以設(shè)置于不透性導(dǎo)電襯底609的另一面(沒有示出)上。BPU 60 可以包括可以設(shè)置于不透性導(dǎo)電襯底或集電器606的第一面上的正極活性材料電極層604，以及可以設(shè)置于不透性導(dǎo)電襯底606的另一面上的負(fù)極活性材料電極層608(沒有示出)。BPU 602b可以包括可以設(shè)置于不透性導(dǎo)電襯底或集電器606的第一面上的負(fù)極活性材料電極層608，以及可以設(shè)置于不透性導(dǎo)電襯底606的另一面上的正極活性材料電極層604 (沒有示出)。襯底606可以還包括從其中徑向向外延伸的襯底法蘭 607。通過分隔開ESD 650的子疊層，子接線端MPU 601可以實(shí)際充當(dāng)特定子疊層的端帽。如圖6-8所示，例如，ESD 650具有至少兩個(gè)子疊層，這些子疊層并聯(lián)電耦接并且排列在單個(gè)疊層620中，該疊層僅有一對端帽618和634。繼續(xù)參照圖9，硬限位器662可以設(shè)置于各個(gè)相應(yīng)電極單元之間(如BPU 602a、 602b與子接線端MPU 601之間)。硬限位器662基本上可以環(huán)繞各個(gè)相應(yīng)電池段的內(nèi)容物。此外，每個(gè)硬限位器662可以具有一個(gè)支架，在其上可以安全地安置襯底(如襯底606 和 609)。沿硬限位器662的外輪緣可以提供一組與壓縮螺栓(例如，參見圖6中的壓縮螺栓62 或任何其他合適的剛性緊固件配套的螺栓孔664。例如，在裝配期間，螺栓孔664 可以對準(zhǔn)整個(gè)電極單元的疊層(例如，參見BPU 402a-d、子接線端MPU 401以及接線端MPU 412a與412b)，并且可以在工作期間提供穩(wěn)定性。螺栓孔664的尺寸應(yīng)適合特定螺栓或任何其他合適的剛性緊固件。雖然所示的螺栓孔664為圓形，但是它們也可以為基本上矩形、 三角形、橢圓形、六邊形、或任何其他所要求的形狀或這些形狀的組合。硬限位器662還可以包括多個(gè)襯底支架674，這些支架可以與襯底法蘭607對齊。 襯底支架674可以使法蘭從疊層620通過硬限位器662沿徑向向外延伸，以允許該法蘭例如電耦接到引線。雖然所示的硬限位器662為每個(gè)具有5個(gè)襯底支架674，但是可以提供任何合適數(shù)量的支架674，并且這個(gè)數(shù)量取決于ESD所使用的特定電極單元。此外，硬限位器 662可以被配置為基本上設(shè)置ESD的電極間間距。用于調(diào)整ESD的電極間間距的各種技術(shù)已被詳細(xì)論述于West等人的美國專利申請No. 12/694，638，在此通過引用并入該申請的全部內(nèi)容。用于形成本發(fā)明電極單元的襯底(如襯底406a-d、409、416a和416b)可以由任何具有導(dǎo)電性和不透性或?qū)嶋H不透性的合適物質(zhì)形成，這些物質(zhì)包括但不限于例如無孔金屬箔、鋁箔、不銹鋼箔、含有鎳和鋁的覆蓋材料、含有銅和鋁的覆蓋材料、鍍鎳鋼、鍍鎳銅、鍍鎳鋁、金、銀、任何其他合適的材料，或這些材料的組合。在一些實(shí)施例中，每個(gè)襯底都由兩塊或更多塊彼此附接的金屬箔組成。例如，每個(gè)BPU的襯底可以通常為0. 025毫米 5毫米厚，而每個(gè)MPU的襯底可以為0. 025毫米 10毫米厚并且充當(dāng)ESD的接線端或子接線端。 例如，金屬化泡沫可以與任何合適的襯底材料結(jié)合到平面金屬膜或金屬箔中，因而電池段的活性材料之間的電阻可以通過將這種導(dǎo)電復(fù)合材料擴(kuò)充到電極各處的方式減小。在一些實(shí)施例中，子接線端MPU 401的襯底409可以由任何具有絕緣性和不透性或基本不透性的物質(zhì)形成，這些物質(zhì)包括但不限于例如各種塑料、酚類物質(zhì)、陶瓷、二元復(fù)合的環(huán)氧樹脂預(yù)制件、玻璃陶瓷、多維機(jī)織纖維復(fù)合材料、任何其他合適的材料或這些材料的組合。在這些襯底上所提供的用于形成本發(fā)明電極單元的正電極層(如正電極層 404a-d,414a和414b)可以由任何合適的活性材料形成，這些材料包括但不限于例如氫氧化鎳(Ni (OH)2)、鋅(Si)、任何其他合適的材料或這些材料的組合。對正極活性材料可以燒結(jié)和浸漬、涂水性粘合劑和壓制，涂有機(jī)粘合劑和壓制，或通過任何用于將正極活性材料和其他支持化學(xué)物質(zhì)包含于導(dǎo)電基質(zhì)中的其他適當(dāng)技術(shù)來被包含。電極單元的正電極層可以具有粒子，包括但不限于例如金屬氫化物(MH)、鈀(Pd)、銀(Ag)、任何其他合適的物質(zhì)， 或這些物質(zhì)的組合，這樣的物質(zhì)注入它的基質(zhì)中以減低膨脹程度。這可以增加循環(huán)壽命， 提高復(fù)合效果，以及降低電池段內(nèi)的壓力。這些粒子，如MH，還可以結(jié)合活性材料漿料，如 Ni (OH)2，以提高電極內(nèi)部的導(dǎo)電性和輔助復(fù)合。在這些襯底上所提供的用于形成本發(fā)明電極單元的負(fù)電極層(如負(fù)電極層 408a-d,405a和405b)可以由任何合適的活性材料形成，這些材料包括但不限于例如MH、 Cd、Mn、Ag、任何其他合適的材料，或這些材料的組合。對負(fù)極活性材料可以燒結(jié)、涂水性粘合劑和壓制，涂有機(jī)粘合劑和壓制，或通過任何用于將負(fù)極活性材料和其他支持化學(xué)物質(zhì)包含于導(dǎo)電基質(zhì)中的其他適當(dāng)技術(shù)來被包含。負(fù)極電極這側(cè)可以包括一些化學(xué)材料，包括但不限于例如Ni、&i、Al、任何其他合適的材料，或這些材料的組合，這樣的物質(zhì)注入負(fù)極電極物質(zhì)的基質(zhì)中以穩(wěn)定結(jié)構(gòu)、減輕氧化和延長循環(huán)壽命。各種合適的粘合劑都可以與活性材料層混合以使這些層保持在它們的襯底上，這些粘合劑包括但不限于例如有機(jī)羧甲基纖維素(CMC)粘合劑、Creyton橡膠、PTFE(聚四氟乙烯)、任何其他合適的材料，或這些材料的組合。超靜(ultra-still)粘合劑，如200ppi 的泡沫金屬，也可以用于本發(fā)明的疊層ESD構(gòu)造。本發(fā)明的ESD中每個(gè)電解質(zhì)層的隔板可以由任何合適的材料形成，該材料使它的兩個(gè)相鄰電極單元電隔離，同時(shí)允許離子在那些電極單元之間轉(zhuǎn)移。例如，該隔板可以包含纖維素超吸收材料以增加充填，并且充當(dāng)電解質(zhì)池以提高循環(huán)壽命，其中隔板可以由聚合吸收性織物材料(polyabsorb diaper material)形成。因此，當(dāng)ESD在充電時(shí)，隔板可以釋放先前所吸收的電解質(zhì)。在一些實(shí)施例中，隔板的密度和厚度可以比常規(guī)電池低，因此電極間間距(IES)可以在一開始高于正常值，然后不斷降低，這樣既維持ESD使用期限內(nèi)的容量(或充電率)，又延長ESD的壽命。該隔板可以為相對薄的材料，這種材料粘合于電極單元上活性材料的表面，以減少短路和提高復(fù)合效果。例如，這種隔板材料可以被噴上、涂上、壓制上，或這些操作的組合。在一些實(shí)施例中，該隔板可以具有附著其上的復(fù)合劑(recombination agent) 0例如， 這種復(fù)合劑可以被注入隔板的結(jié)構(gòu)(例如，通過利用聚乙烯醇(PVA或PV0H)進(jìn)行濕法物理截留復(fù)合劑以將它黏合于隔板纖維，或?qū)?fù)合劑通過電沉積的方法放置在那里，可以實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn))，或者它可以利用氣相沉積而層疊于表面上。隔板可以由任何有效支持復(fù)合的合適物質(zhì)或化學(xué)制劑形成，這些物質(zhì)或化學(xué)制劑包括但不限于例如HKAg、任何其他合適的材料，或這些材料的組合。雖然隔板可以在電池的襯底彼此相向移動時(shí)呈現(xiàn)阻力，但是本發(fā)明的一些實(shí)施例可以不提供隔板，它們可以利用足夠硬而不會彎曲的襯底。
本發(fā)明的ESD中每個(gè)電解質(zhì)層的電解質(zhì)可以由任何合適的化合物形成，該化合物可以在溶解或熔化時(shí)電離，以產(chǎn)生導(dǎo)電介質(zhì)。該電解質(zhì)可以是任何合適化學(xué)物質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)電解質(zhì)，這些化學(xué)物質(zhì)包括但不限于例如NiMH。該電解質(zhì)可以包含另外的化學(xué)材料，包括但不限于例如氫氧化鋰(LiOH)、氫氧化鈉(NaOH)、氫氧化鈣(CaOH)、氫氧化鉀(KOH)、任何其他合適的材料或者這些材料的組合。該電解質(zhì)還可以包含添加劑以提高復(fù)合效果，這些添加劑包括但不限于例如Ag(0H)2。該電解質(zhì)還可以包含如氫氧化銣(RbOH)，以提高低溫性能。在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，電解質(zhì)可以被凍結(jié)于隔板內(nèi)，然后在完全裝配好ESD之后解凍。這樣就允許特別粘的電解質(zhì)，在襯墊對與其相鄰的電極單元實(shí)際形成實(shí)質(zhì)液封之前，被插入ESD的電極單元疊層。本發(fā)明的ESD的密封件或襯墊(如襯墊460a_f)可以由任何合適的材料或材料組合形成，這些材料可以將電解質(zhì)有效地密封于由襯墊和與其相鄰的電極單元所規(guī)定的空間。在一些實(shí)施例中，襯墊可以由固體密封擋片、固體密封圈或能形成固體密封圈的多個(gè)圈部件制成，這些部件可以由任何合適的不導(dǎo)電材料組成，包括但不限于例如尼龍、聚丙烯、 電池保護(hù)材料(cell gard)、橡膠、PV0H、任何其他合適的材料，或這些材料的組合。由固體密封擋片所制成的襯墊可以接觸相鄰電極的一部分以在其間形成密封件。作為替代或補(bǔ)充，襯墊可以由任何合適的粘性材料或漿料制成，包括但不限于環(huán)氧樹脂、浙青焦油(brea tar)、電解質(zhì)(如Κ0Η)防滲膠、可壓縮黏合劑(例如，兩部分的聚合物，如Henkel公司生產(chǎn)的Loctite 牌黏合劑，這些黏合劑由例如硅、丙烯酸和/或纖維增強(qiáng)塑料(FRP)制成并且防電解質(zhì)的滲透)、任何其他合適的材料，或這些材料的組合。由粘性材料制成的襯墊可以接觸相鄰電極的一部分以在其間形成密封件。在一些實(shí)施例中， 襯墊可以由固體密封圈和粘性材料的組合形成，以使粘性材料可以改善固體密封圈和相鄰電極單元之間的密封狀況。作為替代或補(bǔ)充，例如，電極單元本身可以先用粘性材料處理， 然后再密封固體密封圈、用另外的粘性材料處理的固體密封圈、相鄰電極單元，或用另外的粘性材料處理的相鄰電極單元。而且，在一些實(shí)施例中，位于相鄰電極單元之間的襯墊或密封劑可以提供一個(gè)或更多個(gè)弱點(diǎn)，這些弱點(diǎn)可以允許某類流體(即一些液體或氣體)從其中逸出(例如，在該襯墊所限定的電池段內(nèi)部壓力的增長超過一定的閾值時(shí))。一旦一定數(shù)量的流體逸出或內(nèi)部壓力降低，該弱點(diǎn)就會重新密封。至少部分由某類合適的粘性材料或漿料(如編織物 (brai))形成的襯墊，可以被配置為或準(zhǔn)備好允許某類流體從其中通過，并且被配置為或準(zhǔn)備好阻止其他類流體從其中通過。這樣的襯墊可以阻止任何電解質(zhì)被兩個(gè)電池段共享，那會導(dǎo)致ESD的電壓和能量迅速衰落(即放電)到零。如前所述，利用這種將密封的電池設(shè)計(jì)為疊層構(gòu)造的ESD (例如，雙極ESD 450)有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，即可以增加ESD的放電速率。該放電速率的增加可以允許使用一些低腐蝕性電解質(zhì)(例如，通過消除或降低電解質(zhì)中的刺激性、增強(qiáng)傳導(dǎo)性和/或起化學(xué)反應(yīng)的一種或更多種成分)，而這在棱柱型或卷繞式ESD設(shè)計(jì)中不可行。疊層ESD設(shè)計(jì)所提供的這種使用低腐蝕性電解質(zhì)的余地，可以容許在用襯墊形成密封件時(shí)利用一些環(huán)氧樹脂(如J-B Weld環(huán)氧樹脂)，而這些物質(zhì)會被高腐蝕性電解質(zhì)腐蝕。本發(fā)明的ESD的硬限位器(例如，參見圖9中的硬限位器662)可以由任何合適的材料形成，這些材料包括但不限于各種聚合物(如聚乙烯、聚丙烯)、陶瓷(如氧化鋁、二氧化硅)、任何其他機(jī)械上耐用和/或化學(xué)上具有惰性的合適材料，或者這些材料的組合。硬限位器材料可以選擇，例如，選擇能經(jīng)受ESD所用到的各種化學(xué)物質(zhì)的材料。本發(fā)明的機(jī)械彈簧(例如，參見圖6-8中的機(jī)械彈簧626a和626b)可以為任何合適的彈簧，該彈簧可以響應(yīng)于外加負(fù)載而彎曲或變形。例如，該機(jī)械彈簧可以設(shè)計(jì)為響應(yīng)于特定負(fù)載或特定負(fù)載閾值而彎曲。任何合適類型的彈簧都可以使用，包括壓縮彈簧(如開放式螺旋彈簧、不等節(jié)距彈簧和扭簧)、片彈簧、任何其他合適的彈簧，或這些彈簧的組合。 該彈簧本身可以為任何合適的材料，包括但不限于高碳鋼、合金鋼、不銹鋼、銅合金、任何其他合適的非柔性或柔性材料，或者這些材料的組合。本發(fā)明的端帽(例如，參見圖6-8中的端帽618和636)可以由任何導(dǎo)電或絕緣的合適材料或材料組合形成，這些材料包括但不限于各種金屬(如鋼、鋁以及銅合金)、聚合物、陶瓷、任何其他導(dǎo)電或絕緣的合適材料，或者這些材料的組合。本發(fā)明的ESD的殼體或包裝(例如，參見圖4中的包裝440)可以被提供，并且可以由任何合適的絕緣材料組成，這些材料可以密封于接線端電極單元(如接線端MPU 412a 和412b)，以暴露它們的導(dǎo)電襯底(如襯底416a和416b)或它們的關(guān)聯(lián)引線(如引線413a 和413b)。該包裝還可以被構(gòu)造為產(chǎn)生、支持和/或維持襯墊及其相鄰電極單元之間的密封件，以隔離它們各自電池段內(nèi)的電解質(zhì)。該包裝可以產(chǎn)生和/或維持這些密封件所需的支撐物，以使密封件可以在電池段的內(nèi)部壓力增長時(shí)阻止ESD的膨脹。該包裝可以由任何合適的材料組成，這些材料包括但不限于例如尼龍、任何其他聚合物或彈性材料(包括增強(qiáng)復(fù)合材料、丁腈橡膠或聚砜)、熱縮塑料包材料、任何剛性材料(如搪瓷鋼或任何其他金屬)、任何絕緣材料、任何其他合適的材料，或這些材料的組合。在一些實(shí)施例中，該包裝可以通過張力夾的外骨架形成，例如，它可以在層疊的電池上維持連續(xù)的壓力。在疊層和包裝之間可以提供不導(dǎo)電的擋片，以防止ESD短路。繼續(xù)參照圖4，例如，本發(fā)明的雙極型ESD 450可以包括多個(gè)由接線端MPU 412a 和412b構(gòu)成的電池段(如電池段42^i-f)，以及由一個(gè)或更多個(gè)BPU 40加-(1構(gòu)成的子疊層，這些子疊層之間具有子接線端MPU 401。根據(jù)本發(fā)明的一種實(shí)施例，對于襯底(如襯底406a-d、409、416a和416b)、電極層(如正電極層404a_d、4Ha和414b，以及負(fù)電極層 408a-d、40fe和40 )、電解質(zhì)層(如層410a_f)以及襯墊(如襯墊460a_f)，不僅在不同電池段之間，而且在特定電池段之內(nèi)，其中每一個(gè)的厚度和材料都可以彼此不同。不僅在疊層層面，還包括在單獨(dú)電池層面變更幾何形狀和化學(xué)物質(zhì)，可以產(chǎn)生具有不同優(yōu)點(diǎn)和工作特性的ESD。此外，襯底、電極層、電解質(zhì)層以及襯墊的材料和幾何形狀可以沿疊層的高度在電池段與電池段之間變動。進(jìn)一步參照圖4，例如，ESD450的電解質(zhì)層410a-f中的每一層所使用的電解質(zhì)可以根據(jù)它各自的電池段42h_f與電池段的疊層或子疊層的中部的接近程度而有所不同。例如，參照子疊層421a，最里面的電池段422b(即這3個(gè)組件的中間電池段)可以包括由第一電解質(zhì)形成的電解質(zhì)層(即電解質(zhì)層410b)，而最外面的電池段42 和422c(即子疊層421a中最外面的電池段)可以包括由第二電解質(zhì)形成的電解質(zhì)層(即分別為電解質(zhì)層410a和410c)。通過在內(nèi)部的子疊層中使用更高導(dǎo)電性的電解質(zhì)，電阻可以更低，從而所產(chǎn)生的熱量可以更少。這樣，通過設(shè)計(jì)而不是外部冷卻技術(shù)，提供對ESD的熱控制。
作為另一個(gè)例子，ESD 450的每個(gè)電池段中的電極層所使用的活性材料也可以根據(jù)它各自的電池段42h-f與電池段疊層或子疊層中部的接近程度而有所不同。例如，參照子疊層421a，最里面的電池段422b可以包括由具有第一溫度和/或速率性能的第一類型的活性材料形成的電極層(即層40 和408b)，而最外面的電池段42 和422c可以包括由具有第二溫度和/或速率性能的第二類型的活性材料形成的電極層(即層4Ha/408a 和層404b/405a)。舉例來說，ESD疊層可以通過這樣的方式進(jìn)行熱控制例如，用吸熱性更好的鎳鎘電極構(gòu)造最里面的電池段，而用必須更冷的鎳金屬氫化物電極設(shè)置最外面的電池段。作為選擇，ESD的化學(xué)物質(zhì)或幾何形狀可以是不對稱的，其中疊層一端的電池段可以由第一活性材料形成并且具有第一高度，而疊層另一端的電池段可以由第二活性材料形成并且具有第二高度。而且，ESD 450的每個(gè)電池段的幾何形狀也可以沿電池段疊層變化。除了變更一個(gè)特定電池段內(nèi)活性材料之間的距離，還可以是一些電池段42h-f具有那些段的活性材料之間的第一距離，而其他電池段具有那些段的活性材料之間的第二距離。無論如何，其中例如活性材料電極層之間具有較小距離的電池段或部分可以具有較高的功率，而其中例如活性材料電極層之間具有較大距離的電池段或部分可以具有較多用于枝晶生長的空間、較長的循環(huán)壽命和/或較多的電解質(zhì)儲量?；钚圆牧想姌O層之間具有較大距離的這些部分可以調(diào)節(jié)ESD的充電接受能力，以確保例如活性材料電極層之間具有較小距離的部件可以先充電。在實(shí)施例中，ESD 450的電極層(如圖4中的正電極層4(Ma_d、4Ha和414b，以及負(fù)電極層408a-d、40fe和405b)幾何形狀可以沿著襯底(如襯底406a_d、409、416a和41 ) 的徑向長度變化。至于圖4，其電極層為均勻的厚度并且關(guān)于電極形狀對稱。在實(shí)施例中， 電極層可以是不均勻的。例如，正極活性材料電極層和負(fù)極活性材料電極層厚度可以隨導(dǎo)電襯底表面上的徑向位置而變化。非均勻電極層已被詳細(xì)論述于West等人的美國專利申請No. 12/258，邪4，在此通過引用并入該申請的全部內(nèi)容。雖然以上所描述和示出的疊層ESD實(shí)施例示出了包括被密封于用于將電解質(zhì)密封于其內(nèi)的第一和第二電極單元中的每一個(gè)電極單元的襯墊的電池段，但是應(yīng)指出的是， 電池段的每個(gè)電極單元可以被密封于它自己的襯墊，那么兩個(gè)相鄰電極的襯墊可以相互密封以形成密封的電池段。在一些實(shí)施例中，襯墊可以被注入模制到電極單元或另一個(gè)襯墊，以使它們可以熔合在一起以形成密封件。在一些實(shí)施例中，襯墊可以利用超聲波焊接到電極單元或另一個(gè)襯墊，以使它們可以一起形成密封件。在其他實(shí)施例中，襯墊可以被熱熔于電極單元或另一個(gè)襯墊，或者通過熱流，用這種方式襯墊或電極單元可以被加熱熔合到另一個(gè)襯墊或電極單元中。此外，在一些實(shí)施例中，替代在襯墊或電極單元表面生成槽形部分以生成密封件，或者在此之外，襯墊和/或電極單元可以穿孔或具有貫穿其中的一個(gè)或更多個(gè)部分的一個(gè)或更多個(gè)孔。作為選擇，可以提供貫穿襯墊的一部分的孔、通道或穿孔，以使電極單元的一部分(如襯底)可以模制到并且貫穿該襯墊。在其他實(shí)施例中，例如，孔可以做成貫穿襯墊和電極單元兩者，以使襯墊和電極單元中的每一個(gè)都可以模制到并且貫穿襯墊和電極單元中的另一個(gè)。雖然以上所描述及示出的疊層ESD的每個(gè)實(shí)施例示出了通過將具有基本上圓形
15的截面的襯底層疊成圓柱形ESD來形成的ESD，但是應(yīng)指出的是，眾多形狀中的任意形狀都可以用來形成本發(fā)明的疊層ESD的襯底。例如，本發(fā)明的疊層型ESD可以通過堆疊具有截面區(qū)域?yàn)榫匦巍⑷切?、六邊形或者任何其他所期望的形狀或它們的組合的襯底的電極單元來形成。 應(yīng)當(dāng)理解，前述內(nèi)容僅為本發(fā)明原理的示例，在不脫離本發(fā)明的范圍和精神的情況下，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對其進(jìn)行各種修改。還應(yīng)理解，各種方向性和取向性術(shù)語，如 “水平”和“垂直”，“頂部”、“底部”和“側(cè)面”，“長度”、“寬度”、“高度”和“厚度”，“里面”和 “外面”，“內(nèi)部”和“外部”，諸如此類，在這里僅為方便而使用，對這些詞的使用沒有固定或絕對的方向性或取向性限制。例如，本發(fā)明的裝置以及它們的單獨(dú)組件可以具有任意取向。 如果重新取向，就需要在它們的描述中使用不同的方向和取向性術(shù)語，但是那不會改變它們的基本本質(zhì)，而這些本質(zhì)在本發(fā)明的范圍和精神之內(nèi)。本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該知道，本發(fā)明可以用不同于所述實(shí)施例的方式實(shí)施，所述實(shí)施例是為了說明而不是為了限制而給出的。本發(fā)明僅由下述權(quán)利要求來限定。
權(quán)利要求
1.一種儲能器件，包括多個(gè)電極單元的疊層，所述疊層包括 多個(gè)雙極型電極單元的第一子疊層；多個(gè)雙極型電極單元的第二子疊層，與所述第一子疊層共線；以及單極型電極單元，位于所述第一子疊層和所述第二子疊層之間； 第一端帽，位于所述電極單元的疊層的第一末端；以及第二端帽，位于所述電極單元的疊層的第二末端。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的儲能器件，其中所述單極型電極單元被配置以使所述第一子疊層與所述第二子疊層并聯(lián)電耦接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的儲能器件，其中所述單極型電極單元的極性與所述第一和第二端帽的極性相反。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的儲能器件，其中所述第一子疊層的電極單元與所述第二子疊層的電極單元具有單獨(dú)的化學(xué)物質(zhì)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的儲能器件，其中所述第一子疊層的電極單元為鋰離子，所述第二子疊層的電極單元為鉛酸。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的儲能器件，其中所述第一子疊層的雙極型電極單元串聯(lián)電耦接。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的儲能器件，其中所述第二子疊層的雙極型電極單元串聯(lián)電耦接。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的儲能器件，其中所述第一子疊層與所述第二子疊層串聯(lián)電耦接。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的儲能器件，其中每個(gè)雙極型電極單元包括 導(dǎo)電襯底；正極活性材料電極層，在所述導(dǎo)電襯底的第一表面上；以及負(fù)極活性材料電極層，在所述導(dǎo)電襯底的第二表面上。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的儲能器件，其中所述單極型電極單元包括 不透性襯底；第一活性材料電極層，在所述不導(dǎo)電襯底的第一表面上；第二活性材料電極層，在所述不導(dǎo)電襯底的第二表面上，其中所述第一層與所述第二層具有相同的極性。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的儲能器件，其中所述不透性襯底是導(dǎo)電的。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的儲能器件，其中所述不透性襯底是不導(dǎo)電的。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的儲能器件，其中每對相鄰電極單元之間設(shè)置有電解質(zhì)層。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的儲能器件，其中所述第一和第二子疊層具有相同數(shù)量的雙極型電極單元。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的儲能器件，其中所述單極型單元被放置于所述第一和第二子疊層之間的所述疊層內(nèi)的中央。
16.根據(jù)權(quán)利要求1所述的儲能器件，其中所述第一和第二子疊層不具有相同數(shù)量的雙極型電極單元。
17.根據(jù)權(quán)利要求1所述的儲能器件，還包括多個(gè)雙極型電極單元的第三子疊層，其中所述第三子疊層被放置于所述第二子疊層與所述第二端帽之間；以及第二單極型單元，位于所述第二子疊層與所述第二端帽之間，其中所述第二單極型電極單元被配置以使所述第一、第二和第三子疊層彼此并聯(lián)電耦接。
18.根據(jù)權(quán)利要求1所述的儲能器件，還包括多個(gè)電容器的第三子疊層，其中所述第三子疊層被放置于所述第二子疊層和所述第二端帽之間；以及第二單極型單元，位于所述第二子疊層與所述第二端帽之間，其中所述第二單極型電極單元被配置以使所述第一、第二和第三子疊層彼此并聯(lián)電耦接。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的儲能器件，其中所述電容器具有雙層電極結(jié)構(gòu)。
20.根據(jù)權(quán)利要求18所述的儲能器件，其中所述第三子疊層的電壓等于或大于所述儲能器件的電壓。
21.一種儲能器件，包括沿層疊軸的多個(gè)電極單元的疊層，所述疊層包括 單極型電極單元，具有在其相反面上的第一和第二表面； 第一雙極型電極單元，沿所述層疊軸設(shè)置，與所述第一表面相對； 第二雙極型電極單元，沿所述層疊軸設(shè)置，與所述第二表面相對，其中所述第一和第二雙極型電極單元經(jīng)由所述單極型電極單元并聯(lián)電耦接。
22.根據(jù)權(quán)利要求21所述的儲能器件，還包括設(shè)置于所述疊層的相對末端的單對端帽。
23.根據(jù)權(quán)利要求21所述的儲能器件，其中所述單極型電極單元具有正極性或負(fù)極性。
24.根據(jù)權(quán)利要求21所述的儲能器件，其中每對相鄰電極單元之間設(shè)置有電解質(zhì)層。
全文摘要
疊層儲能器件(ESD)具有至少兩個(gè)排列成疊層的電池段。每個(gè)電池段可以具有包含第一活性材料電極的第一電極單元、包含第二活性材料電極的第二電極單元和位于這兩個(gè)活性材料電極之間的電解質(zhì)層。ESD包括至少兩個(gè)子疊層，其中各個(gè)相應(yīng)子疊層的元件與該子疊層的其他元件串聯(lián)電耦接。這些子疊層可以放置于單個(gè)疊層中，并且可以與其他子疊層并聯(lián)、串聯(lián)或串并聯(lián)電耦接，以形成具有一定電壓和電流容量的ESD。整個(gè)疊層可以用單對端帽包住。
文檔編號H01M10/0525GK102460814SQ201080025293
公開日2012年5月16日 申請日期2010年4月23日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月24日
發(fā)明者D·J·維斯特, J·K·維斯特, J·雷加拉多, 周昕 申請人:G4協(xié)同學(xué)公司