包括用于過充電保護(hù)的導(dǎo)電部分的電化學(xué)能量存儲(chǔ)裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及電化學(xué)能量存儲(chǔ)裝置，其具有:陽(yáng)極，電連接到陽(yáng)極空間，在該陽(yáng)極空間中設(shè)置具有第一填充水平的陽(yáng)極材料；以及陰極，電連接到陰極空間，在該陰極空間中設(shè)置具有第二填充水平的陰極材料；以及離子導(dǎo)電分離器，其將陽(yáng)極空間與陰極空間分離。本發(fā)明還涉及電化學(xué)存儲(chǔ)模塊，其包括至少兩個(gè)這種電化學(xué)能量存儲(chǔ)裝置。本發(fā)明還包括用于產(chǎn)生這一類型的電化學(xué)能量存儲(chǔ)裝置的方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0002]在本發(fā)明的含義內(nèi)的電化學(xué)能量存儲(chǔ)裝置可以在所需要的任何服務(wù)溫度范圍下操作。然而，100攝氏度到500攝氏度的服務(wù)溫度范圍是特別優(yōu)選的。這一服務(wù)溫度范圍包含基于鈉鎳氯化物電池和鈉硫電池技術(shù)操作的電化學(xué)能量存儲(chǔ)裝置。鈉鎳氯化物電池還可以被配置為使得電池中的鎳的至少一部分被鐵替代或者補(bǔ)充。分別在其陽(yáng)極空間和陰極空間中，這一類型的能量存儲(chǔ)裝置被提供有對(duì)應(yīng)的陽(yáng)極材料或者陰極材料，該陽(yáng)極材料或者陰極材料在其服務(wù)溫度下基本上處于液態(tài)。因此，在鈉鎳氯化物電池的情形下，陽(yáng)極材料是液體鈉。在鈉鎳氯化物電池中，陰極材料也存在于陰極空間中，陰極材料至少部分地處于液態(tài)，并且包括鎳鹽混合物、氯化鈉、以及其它添加劑。給定液體存貨存在于設(shè)備中，陽(yáng)極材料或者陰極材料的填充水平受制于地球重力場(chǎng)，并且因此格外容易確定。填充水平或者充滿水平對(duì)應(yīng)于在能量存儲(chǔ)裝置的正常使用期間相應(yīng)的空間(陽(yáng)極空間、陰極空間)中的材料(陽(yáng)極材料、陰極材料)的平均充滿水平。結(jié)合能量存儲(chǔ)裝置的正常使用，填充水平或者充滿水平隨著服務(wù)壽命的推進(jìn)而改變。在相關(guān)材料僅旨在于部分地以液相存在的情況下，對(duì)充滿水平的限定將指代所述材料的相應(yīng)液相。
[0003]為了從包括多個(gè)這一類型的電連接的電化學(xué)能量存儲(chǔ)裝置的存儲(chǔ)裝置存儲(chǔ)系統(tǒng)獲得技術(shù)相關(guān)的電壓值，多個(gè)單獨(dú)的能量存儲(chǔ)裝置按慣例串聯(lián)連接并且被組合成串。電化學(xué)存儲(chǔ)模塊包括這一類型的串。因此，在本發(fā)明的上下文中，串和存儲(chǔ)模塊的概念在下文中被認(rèn)為是等同的概念。
[0004]在這一類型的電化學(xué)存儲(chǔ)模塊中，在一些情形下，單獨(dú)的能量存儲(chǔ)裝置的容量的分散帶整體上對(duì)于系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和功能性質(zhì)而言是非常重要的因素。特別地，單獨(dú)的能量存儲(chǔ)裝置的最小容量決定整個(gè)能量存儲(chǔ)裝置串的最大有用容量。可比擬的意見可以適用于這一類型的串中的單獨(dú)的能量存儲(chǔ)裝置的不同充電狀態(tài)。因此，這一類型的串中具有最高充電狀態(tài)的能量存儲(chǔ)裝置的充電狀態(tài)決定整個(gè)系統(tǒng)被完全充電的時(shí)間，而具有最低充電狀態(tài)的能量存儲(chǔ)裝置決定整個(gè)系統(tǒng)被放電的時(shí)間。例如如果充電電壓在完全充電之后繼續(xù)被應(yīng)用于單獨(dú)的能量存儲(chǔ)裝置，則其它不想要的轉(zhuǎn)換反應(yīng)可以在能量存儲(chǔ)裝置的活性內(nèi)部空間中進(jìn)行，這有時(shí)可能貢獻(xiàn)于對(duì)能量存儲(chǔ)裝置的干擾、損害、或者甚至損毀。因此，如果一個(gè)能量存儲(chǔ)裝置已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了其完全充電狀態(tài)，則串的進(jìn)一步充電將被避免。同樣地，可能的是，已經(jīng)被完全放電的能量存儲(chǔ)裝置的放電可以引起這一類型的損傷。因此，如果一個(gè)單獨(dú)的能量存儲(chǔ)裝置已經(jīng)被完全放電，則串的放電也將被避免。因此，技術(shù)上必要的是，電化學(xué)存儲(chǔ)模塊中的能量存儲(chǔ)裝置應(yīng)該在考慮這些限定條件的情況下被充電或者放電。
[0005]如已經(jīng)在上面描述那樣，這一類型的存儲(chǔ)模塊中的電化學(xué)能量存儲(chǔ)裝置將一致地示出就其容量或者充電狀態(tài)而言的分散帶。在第一實(shí)例中，這一分散帶可歸因于制造因素，因?yàn)椴皇悄芰看鎯?chǔ)裝置內(nèi)部上的活性材料(陽(yáng)極材料、陰極材料)的整個(gè)稱重的量都對(duì)可用的容量有貢獻(xiàn)。還已知與活性材料的粒子尺寸關(guān)聯(lián)的對(duì)容量的影響。此外，在能量存儲(chǔ)裝置的操作期間，與距離相關(guān)的電子導(dǎo)電路徑可形成在活性材料中的單獨(dú)的島之間(滲入)，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)改變，并且因此導(dǎo)致能量存儲(chǔ)裝置的電參數(shù)的改變。因此，電化學(xué)反應(yīng)僅可以在陽(yáng)極或者陰極的如下那些區(qū)域中進(jìn)行，這些區(qū)域被提供有貫穿整個(gè)轉(zhuǎn)換時(shí)間的充足的電連接以充當(dāng)用于能量存儲(chǔ)裝置的電流收集器。電隔離區(qū)域?qū)D(zhuǎn)換反應(yīng)沒有貢獻(xiàn)或者基本上沒有貢獻(xiàn)。
[0006]能量存儲(chǔ)裝置的單獨(dú)的部件中的與服務(wù)相關(guān)的改變還可以貢獻(xiàn)于電化學(xué)存儲(chǔ)模塊中的單獨(dú)的能量存儲(chǔ)裝置的充電狀態(tài)或者容量的分散帶。已知，例如，在操作期間出現(xiàn)熱應(yīng)力，這可以導(dǎo)致離子導(dǎo)電分離器中的微斷裂的傳播。在基于鈉鎳氯化物電池的原理的能量存儲(chǔ)裝置的情形下，這一分離器是陶瓷分離器，其包括Naj-Al2O3或者Na-13”-Al203。在這一陶瓷分離器中出現(xiàn)微斷裂時(shí)，例如在服務(wù)溫度下，來自陽(yáng)極空間的元素鈉可以與陰極空間中的陰極材料(液體電解質(zhì))直接反應(yīng)以形成元素鋁和氯化鈉。由于這一反應(yīng)，離子導(dǎo)電分離器的電子電阻可以被減少，從而造成能量存儲(chǔ)裝置的連續(xù)自放電。如果例如這一類型的離子導(dǎo)電分離器通常不出若干MΩ的電子電阻，則在2.5V的電池電壓下，與損害相關(guān)的電子電阻減少(例如下降到1k Ω )可以導(dǎo)致0.25mA的連續(xù)自放電電流的流動(dòng)。
[0007]因此，存在單獨(dú)的電化學(xué)能量存儲(chǔ)裝置的電串聯(lián)電路時(shí)，具有最小容量或者最低充電狀態(tài)的能量存儲(chǔ)裝置將最先達(dá)到完全放電時(shí)間。在這時(shí)，如果能量存儲(chǔ)裝置繼續(xù)接收在相同方向上流動(dòng)的放電電流，則這可以在已經(jīng)放電的能量存儲(chǔ)裝置中弓I起極性逆轉(zhuǎn)，從而通常造成不可逆轉(zhuǎn)的損害，以至于所述能量存儲(chǔ)裝置發(fā)生與該損害相關(guān)的故障。
[0008]相反地，如果具有串聯(lián)連接的電化學(xué)能量存儲(chǔ)裝置的電化學(xué)存儲(chǔ)模塊在第一能量存儲(chǔ)裝置已經(jīng)實(shí)現(xiàn)完全充電狀態(tài)的時(shí)間點(diǎn)之后繼續(xù)被充電，則已經(jīng)被充電的能量存儲(chǔ)裝置中的充電電壓通常將上升到不可接受的高值，因此不可逆轉(zhuǎn)的化學(xué)反應(yīng)可以再次損傷能量存儲(chǔ)裝置的功能部件，或者損害能量存儲(chǔ)裝置到其發(fā)生故障的程度。
[0009]為了防止在充電和放電兩者期間對(duì)這一類型的電化學(xué)存儲(chǔ)模塊中的單獨(dú)的能量存儲(chǔ)裝置的潛在損害，在嘗試中通常實(shí)施簡(jiǎn)單的手段以防止過充電或者窮盡性放電。例如，在電化學(xué)存儲(chǔ)模塊最初構(gòu)成時(shí)，可以通過對(duì)單獨(dú)的能量存儲(chǔ)裝置的針對(duì)性篩選實(shí)現(xiàn)有利的預(yù)選擇，存儲(chǔ)裝置其容量未位于窄的容忍范圍內(nèi)。同樣地，在電化學(xué)存儲(chǔ)模塊中的能量存儲(chǔ)裝置的操作中，可以使用實(shí)際可用的容量的僅一部分。例如，可以利用完全可用容量的僅80 %，然而因此整體上減少系統(tǒng)的靈活性和效率兩者。
[0010]在某種程度上，在存儲(chǔ)模塊中的單獨(dú)的電化學(xué)能量存儲(chǔ)裝置的常規(guī)操作中，采取針對(duì)性服務(wù)措施以便保護(hù)免受與過充電或者過度放電關(guān)聯(lián)的損害。例如，各種能量存儲(chǔ)裝置的單獨(dú)的充電狀態(tài)的相等化可以通過對(duì)單獨(dú)的能量存儲(chǔ)裝置進(jìn)行針對(duì)性的充電或者替換來存儲(chǔ)裝置實(shí)現(xiàn)。然而，在給定的維護(hù)間隔內(nèi)，這種措施不能防止單獨(dú)的電化學(xué)能量存儲(chǔ)裝置的充電狀態(tài)的增加的分散，使得必須預(yù)期整體上系統(tǒng)的可用容量的增加的損傷。
[0011]因此，本發(fā)明的基本目的是防止現(xiàn)有技術(shù)已知的這些劣勢(shì)。特別地，旨在實(shí)現(xiàn)在充電期間簡(jiǎn)單地并且不需要附加電路的情況下，對(duì)存儲(chǔ)模塊中的單獨(dú)的電化學(xué)能量存儲(chǔ)裝置的充電狀態(tài)的適當(dāng)?shù)南嗟然?。還期望的是，即使在維護(hù)間隔期間，也應(yīng)該防止存儲(chǔ)模塊中的單獨(dú)的能量存儲(chǔ)裝置的過充電，從而防止與過電壓或者不想要的化學(xué)反應(yīng)關(guān)聯(lián)的損害。單獨(dú)的能量存儲(chǔ)裝置還應(yīng)該可能被安全地操作，對(duì)用戶沒有危害，從而同時(shí)增加了連接在存儲(chǔ)模塊中的電路中的電化學(xué)能量存儲(chǔ)裝置的服務(wù)壽命。
[0012]本發(fā)明的這些基本目的由如權(quán)利要求1所要求保護(hù)的電化學(xué)能量存儲(chǔ)裝置、如權(quán)利要求10所要求保護(hù)的電化學(xué)存儲(chǔ)模塊、以及如權(quán)利要求12所要求保護(hù)的用于產(chǎn)生這一類型的電化學(xué)能量存儲(chǔ)裝置的方法來實(shí)現(xiàn)。
[0013]特別地，本發(fā)明的這些基本目的由如下電化學(xué)能量存儲(chǔ)裝置實(shí)現(xiàn)，其具有:陽(yáng)極，其電連接到陽(yáng)極空間，在該陽(yáng)極空間中設(shè)置具有第一填充水平的陽(yáng)極材料；以及陰極，其電連接到陰極空間，在該陰極空間中設(shè)置具有第二填充水平的陰極材料；以及離子導(dǎo)電分離器，其將陽(yáng)極空間與陰極空間分離，其中在電化學(xué)能量存儲(chǔ)裝置的正常操作中，離子導(dǎo)電分離器被提供有頂部區(qū)域和基部區(qū)域，因此在離子導(dǎo)電分離器的頂部區(qū)域中，提供了一個(gè)或者至少一個(gè)導(dǎo)電部分，其在電化學(xué)能量存儲(chǔ)裝置的正常操作中具有比基部區(qū)域中的電子絕緣的絕緣部分更高的電子導(dǎo)電率，使得存在電化學(xué)能量存儲(chǔ)裝置的如下至少一個(gè)充電狀態(tài)，其中陽(yáng)極空間中的陽(yáng)極材料以及潛在地還有陰極空間中的陰極材料與導(dǎo)電部分結(jié)合。然而，應(yīng)該注意，導(dǎo)電部分與陰極材料的結(jié)合對(duì)于本發(fā)明的操作不是絕對(duì)必要的。然而，如在下文中進(jìn)一步詳細(xì)描述那樣，必須保證導(dǎo)電部分與陽(yáng)極材料的結(jié)合。
[0014]本發(fā)明的基本目的還由電化學(xué)存儲(chǔ)模塊實(shí)現(xiàn)，該電化學(xué)存儲(chǔ)模塊被提供有上述電化學(xué)能量存儲(chǔ)裝置中的至少兩個(gè)電化學(xué)能量存儲(chǔ)裝置，如還在下文中描述的，該至少兩個(gè)電化學(xué)能量存儲(chǔ)裝置串聯(lián)電互連。
[0015]本發(fā)明的這些基本目的還由用于產(chǎn)生上述電化學(xué)能量存儲(chǔ)裝置的如還在下文中描述的方法實(shí)現(xiàn)，并且該方法包括以下步驟:
[0016]-通過形成模塑基部件產(chǎn)生離子導(dǎo)電分離器；
[0017]-使用添加劑浸漬基部件，添加劑適合于形成電子導(dǎo)電的導(dǎo)電部分、進(jìn)一步適合于熱處理；
[0018]-為了基部件的穩(wěn)定化，對(duì)其進(jìn)行熱處理。
[0019]根據(jù)本發(fā)明，陽(yáng)極和陰極被提供有電子導(dǎo)電區(qū)域，該電子導(dǎo)電區(qū)域可以被電結(jié)合用于電壓的分接(tap-off)。陽(yáng)極空間和陰極空間進(jìn)一步的特征在于它們包括電化學(xué)活性區(qū)域，并且因此包括經(jīng)歷由電化學(xué)反應(yīng)造成的材料改變的材料(陽(yáng)極材料和陰極材料)。
[0020]陽(yáng)極材料的第一填充水平和陰極材料的第二填充水平通常根據(jù)不同的充電狀態(tài)(或者放電狀態(tài))變化，其中不同量的陽(yáng)極材料