電化學(xué)能量存儲(chǔ)器件及其制造方法
【專(zhuān)利說(shuō)明】電化學(xué)能量存儲(chǔ)器件及其制造方法
[0001]優(yōu)先權(quán)聲明
[0002]本申請(qǐng)要求此前提交的標(biāo)題為“ORGANIC ELECTROLYTE CAPACITORS(有機(jī)電解質(zhì)電容器)”、申請(qǐng)?zhí)枮閁SSN 62/018，739且申請(qǐng)日為2014年6月30日的美國(guó)臨時(shí)專(zhuān)利申請(qǐng)的優(yōu)先權(quán)，并且為了所有目的，該美國(guó)臨時(shí)專(zhuān)利申請(qǐng)以引用的方式結(jié)合于此。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003]本公開(kāi)的技術(shù)通常涉及存儲(chǔ)與釋放電能的電化學(xué)系統(tǒng)及相關(guān)方法。特別是，本公開(kāi)的技術(shù)涉及具有極低等效串聯(lián)電阻(ESR，equivalent series resistance)(和相應(yīng)的低電阻率)、具有高溫操作能力并具有超薄構(gòu)造的有機(jī)電解質(zhì)電容器器件的構(gòu)造，以提供專(zhuān)門(mén)的超級(jí)電容器能量存儲(chǔ)器件性能。
【背景技術(shù)】
[0004]本公開(kāi)的主題通常涉及電化學(xué)能量存儲(chǔ)器件及制造方法。本公開(kāi)的主題特別涉及電子電路中使用的電化學(xué)系統(tǒng)，例如，電容器和/或電池。本公開(kāi)的主題更特別涉及具有有機(jī)溶液電解質(zhì)材料的電化學(xué)系統(tǒng)。
[0005]進(jìn)一步說(shuō)，本公開(kāi)的主題部分涉及對(duì)電化學(xué)系統(tǒng)中多個(gè)單電池形成電池組件的改進(jìn)設(shè)計(jì)。特別是，單個(gè)電池可以分別互相連接而形成一個(gè)電池組(在一個(gè)電池殼或者多個(gè)電池殼中)，電池組連接起來(lái)形成了電池組件。并且，本公開(kāi)的主題在實(shí)現(xiàn)電池間或電池組間串聯(lián)、并聯(lián)或串并聯(lián)組合，以及實(shí)現(xiàn)電池或連接電容器的電池或在單個(gè)綜合產(chǎn)品中的電容器的混合包裝上更具功能性。
[0006]各種電子器件都變得越來(lái)越便捷，提供越來(lái)越多的功能，從而需要這些器件在提供這些功能的特征與組件上的相關(guān)進(jìn)步。通常，一種電子器件在大小和功能兩方面的限制因素是它的組件的體積和重量，尤其是相關(guān)能量存儲(chǔ)組件的體積和重量。電子產(chǎn)品微型化的突出進(jìn)步也帶來(lái)了將不同組件融入一個(gè)器件來(lái)節(jié)省空間和重量的結(jié)果。
[0007]用于便攜式電子產(chǎn)品典型的主要能量來(lái)源包括電化學(xué)電池和/或電化學(xué)電容器。正如其它器件或組件那樣，能量存儲(chǔ)組件的一個(gè)限制方面就是電化學(xué)系統(tǒng)的包裝和隨之產(chǎn)生的系統(tǒng)的大小。
[0008]從性能的角度來(lái)說(shuō)，其它影響或限制特定結(jié)構(gòu)在特定器件中的使用的因素是組件可實(shí)現(xiàn)功能的溫度范圍，以及組件所涉及相關(guān)電路的等效串聯(lián)電阻(ESR)。
[0009]因此，理想的情況是提供一種包含使用有機(jī)電解質(zhì)的電化學(xué)電容器的超薄能量存儲(chǔ)組件。
[0010]同樣理想的情況是提供這樣的一種電化學(xué)能量存儲(chǔ)組件用于單個(gè)電子器件中，且其中的電池是憑借組件的結(jié)構(gòu)串聯(lián)、并聯(lián)或串并聯(lián)組合。
[0011]另外，提供這樣的一種具有改進(jìn)的極低ESR(和相應(yīng)的極低電阻率)和擴(kuò)大有效工作溫度范圍的器件也是理想的。
[0012]在電容器器件的各種實(shí)現(xiàn)方式和相關(guān)組件和結(jié)構(gòu)方法不斷發(fā)展的同時(shí)，并沒(méi)有如以下所提出的主題技術(shù)一樣能普遍包括所有預(yù)想特征的設(shè)計(jì)曾經(jīng)出現(xiàn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0013]本公開(kāi)的主題認(rèn)識(shí)到并提出了前述和其它關(guān)于電化學(xué)能量存儲(chǔ)組件的設(shè)計(jì)和制作方法的限制和障礙。因此，廣義上說(shuō)，本公開(kāi)技術(shù)的某個(gè)實(shí)施方案的目的就是提供特定的電容器組件和配備有有機(jī)電解質(zhì)電容器的組件的設(shè)計(jì)改進(jìn)。其它目的，廣義上講，涉及提供一種改進(jìn)的超薄電化學(xué)能量存儲(chǔ)組件，這些組件通過(guò)串聯(lián)、并聯(lián)或串并聯(lián)組合連接，以及改進(jìn)制作這種組件的方法。
[0014]因此，本公開(kāi)主題的一個(gè)原則性目的是提供一種改進(jìn)的電化學(xué)電容器。
[0015]本公開(kāi)主題的另一個(gè)更具體的目標(biāo)是提供具有很低(或極低)等效串聯(lián)電阻(ESR)(和相應(yīng)極低電阻率)的電化學(xué)電容器器件。
[0016]本公開(kāi)主題的進(jìn)一步目標(biāo)是提供一種超薄電化學(xué)電容器器件。在此背景下，本公開(kāi)主題更具體的目標(biāo)就是提供一種電化學(xué)能量存儲(chǔ)器件，憑借其結(jié)構(gòu)輔助配置多樣連接電池進(jìn)行串聯(lián)、并聯(lián)或串并聯(lián)組合，以此實(shí)現(xiàn)不同的電容和/或電壓。
[0017]本公開(kāi)主題的另一個(gè)目的是提供一種能有效制造的超薄電化學(xué)能量存儲(chǔ)組件。
[0018]本公開(kāi)主題的另一個(gè)目的是提供一種具有有效擴(kuò)大運(yùn)行溫度范圍的電化學(xué)能量存儲(chǔ)組件。
[0019]本公開(kāi)主題的另一個(gè)目的是提供一種改進(jìn)的能有效制造的電化學(xué)能量存儲(chǔ)組件，其在制造過(guò)程中極大的減少暴露于潮濕中，從而生產(chǎn)出在熱暴露中具有良好空間穩(wěn)定性的
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[0020]本公開(kāi)主題的另一個(gè)目的是提供一種有效包含低ESR脈沖超級(jí)電容器，或者改進(jìn)的低ESR的電化學(xué)雙層電容器(EDLC)的電化學(xué)能量存儲(chǔ)組件。
[0021]根據(jù)本公開(kāi)主題的一個(gè)示范性實(shí)施例涉及一種超薄電化學(xué)能量存儲(chǔ)器件。這樣的器件優(yōu)選包含一對(duì)獨(dú)立的具有電解質(zhì)的內(nèi)電極；位于所述獨(dú)立電極之間的隔離層；一對(duì)獨(dú)立的集流體，每個(gè)所述的集流體分別位于每個(gè)所述的電極之外；圍繞所述集流體的殼，并且該殼具有一對(duì)獨(dú)立端子分別與所述集流體連接。優(yōu)選的，殼的厚度小于0.5_。
[0022]在一些前述的變形中，這樣的殼的含濕量可以不超過(guò)lOppm。在一些類(lèi)似的替代方案中，這樣的電解質(zhì)可含有一種有機(jī)電解質(zhì)，而有些這樣的電解質(zhì)至少包含一些碳酸丙烯酯。
[0023]在其它可代替的實(shí)施例中，這樣的殼含濕量可以不超過(guò)lOppm。并且，器件的電極區(qū)電阻率不超過(guò)1.5Ω.cm2，并且工作溫度范圍在-40 °C到70°C。
[0024]另一些示范性實(shí)施例的配置中，多個(gè)所述器件通過(guò)多種堆疊方式排列成多個(gè)電池，該多種堆疊方式可能是串聯(lián)、并聯(lián)或串并聯(lián)組合。
[0025]還有一些選擇性的示范性實(shí)施例的配置中，器件可能包括被所述殼圍繞的多個(gè)內(nèi)電極對(duì)、隔離層和集流體對(duì)，并且這樣的殼的厚度可為0.5mm到5.0_。
[0026]對(duì)于其他本公開(kāi)的示范性超薄電化學(xué)存儲(chǔ)器件的實(shí)施例，這樣的電解質(zhì)包括一種有機(jī)電解質(zhì)；并且這樣的器件可包括電化學(xué)雙層電容器?DLC)，其活性電極體的電容密度至少為約10 Farads/cc。還有其他本公開(kāi)的超薄電化學(xué)存儲(chǔ)器件的可替代的實(shí)施例中，這樣的電解質(zhì)的沸點(diǎn)超過(guò)200°C;這樣的殼還可包含熱穩(wěn)定密封材料；這樣的電容器的半額定電壓工作溫度范圍上限達(dá)到90°C?；蛘撸@樣的有機(jī)電解質(zhì)可能至少包含一些碳酸丙烯酯；并且這樣的殼可能的大小為50mm長(zhǎng)，40mm寬，0.5mm厚，并且可以在高達(dá)105°C的存儲(chǔ)溫度下保持尺寸穩(wěn)定性，同時(shí)保持低至150mΩ的ESR。
[0027]另外一個(gè)本公開(kāi)的示范性實(shí)施例中，一個(gè)超薄、超低ESR的超級(jí)電容器優(yōu)選包含了一對(duì)獨(dú)立的具有有機(jī)電解質(zhì)的內(nèi)電極；位于所述獨(dú)立電極之間的超薄隔離層；一對(duì)獨(dú)立的多層集流體，每個(gè)所述的集流體分別位于每個(gè)所述的電極之外；以及圍繞所述集流體的殼，并且所述殼具有一對(duì)獨(dú)立端子分別與所述集流體連接。另外，殼的厚度小于0.5mm，含濕量不超過(guò)lOppm，并且這樣的超級(jí)電容器的電極區(qū)電阻率不超過(guò)1.5Ω.cm2，活性電極體電容密度至少為約10 Farads/cc，并且工作溫度范圍在_40°C到70°C。
[0028]在本公開(kāi)的一個(gè)超級(jí)電容器的示范性實(shí)施例中，這樣的超級(jí)電容器可能包括碳碳雙層電容器，額定電壓為4.2V，半額定電壓工作溫度范圍為-40 °C至90 °C。在另一個(gè)變形中，這樣的有機(jī)電解質(zhì)可以至少包含一些碳酸丙烯酯。
[0029]可選的，一些這樣的超級(jí)電容器可能通過(guò)多重堆疊方式排列成多個(gè)電池。在這樣的一些例子中，多個(gè)電池的堆疊方式是串聯(lián)、并聯(lián)或串并聯(lián)組合。
[0030]在這個(gè)示范性超級(jí)電容器的其他變形中，這樣的器件可包含被所述殼圍繞的多個(gè)內(nèi)電極對(duì)、分隔層和集流體對(duì)，這些殼的厚度可在0.5mm至5.0mm之間。
[0031 ] 在本公開(kāi)的超級(jí)電容器的示范性實(shí)施例的另一些變形中，這樣的電解質(zhì)的沸點(diǎn)超過(guò)200°C ;這樣的殼還可包含熱穩(wěn)定密封材料；這樣的電容器的半額定電壓運(yùn)行溫度范圍上限達(dá)到90°C。此外，這樣的殼可能的大小為50mm長(zhǎng)，40mm寬，0.5mm厚，并且可以在高達(dá)105°C的存儲(chǔ)溫度下保持尺寸穩(wěn)定性，同時(shí)保持低至150mΩ的ESR。
[0032]從這里的全部公開(kāi)中應(yīng)該理解本公開(kāi)的主題包括器件和相關(guān)的制造方法。本次公開(kāi)的方法的一個(gè)示范性實(shí)施例涉及制造一種超薄電化學(xué)能量存儲(chǔ)器件的方法，這樣的方法優(yōu)選包含提供一對(duì)獨(dú)立的具有電解質(zhì)的內(nèi)電極，在所述獨(dú)立電極之間具有隔離層；一對(duì)獨(dú)立的集流體，每個(gè)所述的集流體分別位于每個(gè)所述的電極之外；用殼圍繞集流體，該殼具有一對(duì)獨(dú)立的端子分別與所述集流體連接。另外，每一個(gè)這樣的示范性實(shí)施例，殼的厚度優(yōu)選不到0.5_。在一些方法的變形中，這樣的方法可以在含濕量不超過(guò)lOppm的可控環(huán)境下執(zhí)行。
[0033]在本公開(kāi)的其它變形中，多個(gè)所述器件可能通過(guò)多種堆疊方式排列成多個(gè)電池，該多種