[发明专利]用于能量存储装置的离子透过结构

说明书

本发明涉及用于能量存储装置的离子透过结构。一种电化学叠层包括载流子离子、包括阳极活性材料层的阳极、包括阴极活性材料层的阴极、位于阳极和阴极之间的包括多孔介电材料和非水电解质的隔离体、以及位于隔离体和电极活性材料层之间的离子透过导体层。

本申请是申请日为2012年01月24日、申请号为201280068025.4、名称为用于能量存储装置的离子透过结构的专利申请的分案申请。

技术领域

本发明一般涉及用于能量存储装置的结构，涉及并入这样的结构的能量存储装置，并涉及用于制造这样的结构和能量装置的方法。

背景技术

摇椅或插入式二次电池是一种能量存储装置，其中诸如锂、钠或钾离子的载流子离子通过电解质在阳极和阴极之间移动。二次电池可包括单个电池单元，或多于两个被电耦合以形成电池的电池单元，每个电池单元包括阳极单极、阴极电极和电解质。

在摇椅电池单元中，阳极和阴极都包括其中插入和提取载流子离子的材料。随着单元被放电，载流子离子从阳极被提取并被插入到阴极中。随着单元被充电，发生相反的过程：载流子离子从阴极被提取并被插入到阳极中。

图1示出了诸如非水性锂离子电池的现有的能量存储装置的电化学叠层的横截面图。电化学叠层1包括阴极集电体2，其上组装有阴极层3。该层覆盖有微孔隔离体4，其上放置有阳极集电体5和阳极层6的组合。该叠层有时候被阳极集电体5之上的另一隔离体层(未示出)覆盖，被轧制并填塞为罐，并用非水电解质填充以组装成二次电池。

阳极和阴极集电体汇聚来自各个活性电化学电极的电流，并将电流传输到电池以外的环境。阳极集电体的一部分与阳极活性材料物理接触，而阴极集电体的一部分与阴极活性材料接触。集电体不参与电化学反应，且因此被限制为用于阳极和阴极的各个电化学电位范围中电化学性稳定的材料。

为了使得集电体能将电流带到电池以外的环境，其被典型地连接到接头(tab)、端头(tag)、封装馈通或外壳馈通，典型地被统称为接触。接触的一端连接到一个或多个集电体，而另一端穿过电池封装，以电连接到电池外部的环境。通过焊接、压接卷曲(crimping)或超声波接合或经由导电胶粘合、阳极接触连接到阳极集电体，而阴极接触连接到阴极集电体。

在充电过程中，随着锂离子进入到阳极层6，锂离开阴极层3并穿过隔离体4。根据使用的阳极材料，锂离子嵌入(例如，位于阳极材料的基体中而没有形成合金)或形成合金。在放电过程中，锂离开阳极层6并穿过隔离体4，并进入到阴极层3。集电体将来自电池接触(未示出)的电子传导到电极，或反之亦然。

现有的能量存储装置，诸如电池、燃料电池和电化学电容器，典型地具有如图1所示的二维分层结构(例如平面或螺旋缠绕积层)，每个积层的表面区域大致等于其几何足迹(忽略孔隙率和表面粗糙度)。

已在文献中提出了三维电池，作为改善电池容量和活性材料利用率的方法。已提出相比于二维分层电池结构，三维结构可被用来提供更多的表面面积和更高的能量。由于从较小的几何区域可获得的增加的能量，制造三维能量存储装置有益处，参见例如Rust等人的WO2008/089110以及Long等人的“Three-Dimensional Battery Architectures”，Chemical Reviews,(2004),104,4463-4492。