相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用

本申請(qǐng)要求于2015年1月28日提交的美國(guó)實(shí)用專利申請(qǐng)第14/607,530號(hào)的權(quán)益，該申請(qǐng)為2014年11月12日提交的美國(guó)實(shí)用專利申請(qǐng)第14/539,448號(hào)的部分繼續(xù)申請(qǐng)，其全部?jī)?nèi)容通過(guò)引用并入本文。

本發(fā)明涉及一種與二次電池結(jié)合用于二次電池充電的快速充電復(fù)合結(jié)構(gòu)。

背景技術(shù)：

通常已知的是，電池構(gòu)造為層疊結(jié)構(gòu)，其中陰極與膜形成夾層并與陽(yáng)極間隔且平行設(shè)置，并且電解質(zhì)浸漬膜以攜帶離子遷移通過(guò)膜。這種電池的一個(gè)示例在美國(guó)專利申請(qǐng)第2009/0142668號(hào)中示出。

還已知的是，電池構(gòu)造為層疊結(jié)構(gòu)，而這些疊層形成了多個(gè)并聯(lián)或串聯(lián)連接的電化學(xué)電池。這種電池構(gòu)造的一個(gè)示例在美國(guó)專利申請(qǐng)第2012/0058380號(hào)中示出。

眾所周知，二次電池使用電解質(zhì)在陽(yáng)極電極和陰極電極之間輸送帶正電荷的第一離子和帶負(fù)電荷的第二離子。這種電池的一個(gè)示例在美國(guó)專利第4,707,423號(hào)中示出。

二次電池單元通常使用在陽(yáng)極和陰極之間施加一個(gè)第一電壓以使一個(gè)第一電流在其間流動(dòng)這種傳統(tǒng)的充電方式進(jìn)行充電，這種充電方式的一個(gè)示例在美國(guó)專利第7,489,107號(hào)中有所描述。

同樣眾所周知的是，二次電池僅能以最大充電功率再次充電，該最大充電功率為陽(yáng)極和陰極之間的第一電壓乘以其間的第一電流的函數(shù)，并在第一時(shí)間間隔內(nèi)施加。施加的功率大于最大充電功率可導(dǎo)致兩種主要形式的電池單元損壞，并導(dǎo)致容量明顯損失。第一種主要形式的損壞是因?yàn)檫^(guò)熱，這將導(dǎo)致電池單元由于熔化和/或產(chǎn)生氣體(例如由于電解質(zhì)沸騰)而損壞。最終，過(guò)熱損壞會(huì)導(dǎo)致電極之間的短路。第二種主要損壞是電鍍，也稱為沉積，其發(fā)生于在晶體晶格結(jié)構(gòu)內(nèi)容納離子的插層電極。在正常工作期間，離子們以化學(xué)方法插入插層電極中，在此處與電極反應(yīng)，捕獲晶格結(jié)構(gòu)內(nèi)反應(yīng)的金屬產(chǎn)物。然而，當(dāng)施加的功率大于最大充電功率時(shí)，離子們將在插層電極的表面上反應(yīng)，并在該表面上形成或鍍上金屬層。該金屬層的形成是不均勻的，并且會(huì)產(chǎn)生延伸進(jìn)入膜的針狀枝晶結(jié)構(gòu)，最終造成電池單元短路。

授予anani等人的美國(guó)專利第6,117,585號(hào)公開(kāi)了一種構(gòu)造為層疊結(jié)構(gòu)的混合儲(chǔ)能裝置，其中由兩個(gè)電極層和一個(gè)第一電解質(zhì)形成電池。一個(gè)夾在第三電極和其中一個(gè)電池電極之間的第二電解質(zhì)形成電解電容器。anani等人的'585號(hào)裝置需要一個(gè)外部導(dǎo)體以將不相鄰的電池電極直接連接到電容器電極。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供了一種具有第二電解質(zhì)的快速充電復(fù)合結(jié)構(gòu)，該第二電解質(zhì)包括帶正電荷的第三離子和帶負(fù)電荷的第四離子?？焖俪潆姀?fù)合結(jié)構(gòu)設(shè)置為鄰近并接觸二次電池的一個(gè)電極，該電極為相鄰電極，并且二次電池的其余電極為遠(yuǎn)處電極，該電極與快速充電復(fù)合結(jié)構(gòu)電隔離。快速充電復(fù)合結(jié)構(gòu)對(duì)第二電功率的施加進(jìn)行響應(yīng)，該第二電功率大于最大充電功率，該最大充電功率采用在二次電池的電極間施加第一電壓從而在其間產(chǎn)生第一電流的傳統(tǒng)方式施加到二次電池。第二電功率是快速充電復(fù)合結(jié)構(gòu)和相鄰電極之間的第二電壓乘以它們之間的第二電流的函數(shù)，并在第二時(shí)間間隔內(nèi)施加。第二電功率的施加導(dǎo)致第三離子和第四離子在相鄰電極和快速充電復(fù)合結(jié)構(gòu)之間遷移從而改變相鄰電極的電化學(xué)電位，使得二次電池能夠在第二時(shí)間間隔內(nèi)存儲(chǔ)預(yù)定量的電能，該第二時(shí)間間隔比在等于或低于最大充電功率下采用傳統(tǒng)方式所需的第一時(shí)間間隔短。換句話說(shuō)，使用快速充電復(fù)合結(jié)構(gòu)可在比傳統(tǒng)的充電方式更短的時(shí)間內(nèi)將電池充電至其容量。

本發(fā)明還提供了一種構(gòu)造這種具有第二電解質(zhì)的快速充電復(fù)合結(jié)構(gòu)的方法，包括：將alcl3溶解在乙醇中以生成背景溶液，將背景溶液與甘油結(jié)合以制備包括帶正電荷的第三離子和帶負(fù)電荷的第四離子的第二電解質(zhì)，以及用第二電解質(zhì)潤(rùn)濕由電絕緣材料制成的隔板。

本發(fā)明從最廣泛的方面提供了一種快速充電復(fù)合結(jié)構(gòu)，該復(fù)合結(jié)構(gòu)使二次電池在比在電池引線之間施加第一電壓和第一電流的傳統(tǒng)充電方式可能更短的時(shí)間內(nèi)存儲(chǔ)預(yù)定量的電能。

附圖說(shuō)明

請(qǐng)參閱下述詳細(xì)說(shuō)明并結(jié)合附圖進(jìn)行考慮，本發(fā)明的其他優(yōu)點(diǎn)將更加容易領(lǐng)會(huì)和更好地理解，其中：

圖1是二次電池的剖視示意圖，該二次電池具有鄰近二次電池的陰極層設(shè)置的快速充電復(fù)合結(jié)構(gòu)；

圖2是二次電池的剖視示意圖，該二次電池具有鄰近二次電池的陽(yáng)極層設(shè)置的快速充電復(fù)合結(jié)構(gòu)；

圖3是二次電池的剖面俯視圖，該二次電池具有設(shè)置在二次電池的陰極層下方并鄰近二次電池的陰極層的快速充電復(fù)合結(jié)構(gòu)；

圖4是以傳統(tǒng)方式充電的二次電池的示意圖，并且示出了離子的運(yùn)動(dòng)和常規(guī)(正)電流流動(dòng)；

圖5是具有鄰近陰極層設(shè)置的快速充電復(fù)合結(jié)構(gòu)的快速充電系統(tǒng)的示意圖，并且示出了當(dāng)使用快速充電復(fù)合結(jié)構(gòu)對(duì)二次電池進(jìn)行充電以及二次電池放電時(shí)離子的運(yùn)動(dòng)和常規(guī)(正)電流流動(dòng)。

具體實(shí)施方式

參見(jiàn)附圖，其中相似的附圖標(biāo)記表示了所有附圖中相應(yīng)的部分，公開(kāi)了一種快速充電系統(tǒng)20，其包括具有存儲(chǔ)預(yù)定量電能的能力的二次電池22。術(shù)語(yǔ)“二次電池”是指能夠再充電的電化學(xué)能量存儲(chǔ)裝置。

如圖所示，二次電池22包括一對(duì)電極32、46，其包括平行延伸且彼此間隔的陽(yáng)極層32和陰極層46。

陽(yáng)極層32由99.4至99.9wt％、純度為99.95％的固體鋁和0.1至0.6wt％的銦組成，其第一矩形邊界限定了第一長(zhǎng)度為1.2cm，第一寬度為1.7cm，以及第一厚度為0.1mm。由導(dǎo)電材料制成的負(fù)極電池引線34與陽(yáng)極層32電接觸，以與外部電路傳導(dǎo)電流，從而為二次電池22充電或放電。負(fù)極電池引線34還可以用作與另一電池單元的連接點(diǎn)，從而成為多單元電池裝置的一部分。負(fù)極電池引線34可以是電線、焊盤、端子或任何其它合適的實(shí)現(xiàn)電連接的裝置。

陽(yáng)極層32采用包括含有金屬的顆粒92的導(dǎo)電接合劑36與負(fù)極電池引線34電接觸。這種接合劑36的示例為由ems(electronmicroscopysciences)公司出售的兩部分導(dǎo)電銀漆(部件號(hào)：12642-14)以及由紐約普萊森特維爾(pleasantville)的solder-it，inc公司出售的solder-it鋁焊膏。

陰極層46具有第二長(zhǎng)度為1.4cm、第二寬度為1.9cm以及第二厚度為0.1mm的第二矩形邊界。陰極層46包括由纖維素制成的載體片48和電活性層28，該電活性層28集成在載體片48內(nèi)并設(shè)置在載體片48面向陽(yáng)極層32的一側(cè)上。換句話說(shuō)，電活性層28覆蓋載體片48的表面并延伸到其結(jié)構(gòu)中。陰極層46的電活性層28包括主晶格54，其限定了多個(gè)空隙56并包括具有離域π電子的共軛體系。共軛體系被定義為由多個(gè)相連p軌道組成的系統(tǒng)，其在化合物中含有離域電子。更具體地，共軛是一個(gè)p軌道與另一個(gè)p軌道跨越鄰近單(σ)鍵的重疊。具有這種共軛體系的一種這樣的化合物是石墨。其它化合物，例如但不限于聚苯胺和多共軛直鏈烴聚合物，也包括具有重疊p軌道的共軛體系。

含有熱膨脹石墨的正極電池引線50與陰極層46的電活性層28電連接，以與外部電路傳導(dǎo)電流，從而對(duì)二次電池22進(jìn)行充電和/或放電。含石墨的粘合劑52將電活性層28連接至正極電池引線50，并在它們之間傳導(dǎo)電流。一種這樣的正極電池引線50包括熱膨脹石墨箔片66。一種替代的正極電池引線50包括直徑為0.1mm的石墨棒。正極電池引線50也可以作為與另一個(gè)電池單元的連接點(diǎn)，從而成為多電池單元裝置的一部分。正極電池引線50可以包括電線、焊盤、端子或任何其它合適的實(shí)現(xiàn)電連接的裝置。然而，金屬導(dǎo)體不應(yīng)該與陰極層46的主晶格54直接接觸，因?yàn)榻饘倏梢赃w移到主晶格54中并且在二次電池22充電和放電時(shí)干擾陰極層46的功能性。

一種含有醇化鋁和甘油酸鋁的摻雜物58結(jié)合至主晶格54的共軛體系，以改變陰極層46的電活性層28的電化學(xué)性能，從而增加與第一離子24和第二離子26的反應(yīng)速率以用于二次電池22的充電和放電。摻雜物58也插入主晶格54中，從而使得摻雜物58的粒子92嵌入主晶格54的空隙56中。

由纖維素制成的膜38具有0.08mm的第三厚度40并限定了多個(gè)孔42，該膜夾在陽(yáng)極層32和陰極層46之間，以提供電絕緣并限定其間的第一電壓v1。膜38是一種電絕緣體，但允許溶解的離子滲透。

膜38被第一電解質(zhì)44潤(rùn)濕，因此第一電解質(zhì)44浸漬到膜38的孔42中。第一電解質(zhì)44包括含鋁并帶正電荷的第一離子24。第一電解質(zhì)44還包括含鋁并帶負(fù)電荷的第二離子26。施加大于預(yù)定最大電壓vmax的第一電壓v1會(huì)損壞第一電解質(zhì)44。

響應(yīng)于在正極電池引線50和負(fù)極電池引線34之間施加的大于預(yù)定最大電流imax的第一電流i1，第一電解質(zhì)44承載過(guò)量的離子遷移通過(guò)膜38。

最大充電功率pmax被定義為第一電壓v1乘以第一電流i1，其中或者第一電壓v1大于預(yù)定最大電壓vmax，或者第一電流i1大于預(yù)定最大電流imax。

正如圖4示意說(shuō)明的二次電池22的傳統(tǒng)充電方式一樣，二次電池可以以小于最大充電功率pmax并且在第一時(shí)間間隔t1內(nèi)施加的功率充電，。在正極電池引線50和負(fù)極電池引線34之間施加超過(guò)最大充電功率pmax的功率會(huì)導(dǎo)致第一電解質(zhì)44和/或膜38和/或電極32、46中任一個(gè)的不可逆損壞，從而大大降低二次電池22的容量。

第一電解質(zhì)44主要由甘油、含鋁并帶正電荷的第一離子24和含鋁并帶負(fù)電荷的第二離子26組成。第一離子24含[al(clo4)2·{c3h5(oh)3}2]⁺，第二離子26含[al(clo4)4]^-。第一離子24和第二離子26在陽(yáng)極層32和陰極層46之間遷移并與其反應(yīng)，從而對(duì)二次電池22充電和放電。

快速充電復(fù)合結(jié)構(gòu)60覆蓋并接觸二次電池22的電極32、46中的一個(gè)。快速充電復(fù)合結(jié)構(gòu)60具有第三矩形邊界，該第三矩形邊界具有長(zhǎng)度和寬度在陽(yáng)極層32的第一矩形邊界和陰極層46的第二矩形邊界之間的第三長(zhǎng)度和第三寬度。

快速充電復(fù)合結(jié)構(gòu)60包括由纖維素制成的隔板62，該隔板62由第二電解質(zhì)64浸漬，該第二電解質(zhì)64包括含鋁并帶正電荷的第三離子94。第二電解質(zhì)64還包括含鋁并帶負(fù)電荷的第四離子96。隔板62平行并接觸的電極32、46中的一個(gè)，該電極被指定為相鄰電極32、46。未與隔板62接觸的電極32、46中的另一個(gè)被指定為遠(yuǎn)處電極32、46，并與快速充電層30電隔離。隔板62是一個(gè)電絕緣體，但允許溶解的離子滲透。

快速充電復(fù)合結(jié)構(gòu)60還包括快速充電層30，其包括由熱膨脹石墨制成的箔片66并被設(shè)置為與隔板62相鄰且平行，因此隔板62夾在相鄰電極32、46和快速充電層30之間。由導(dǎo)電材料制成的快速充電引線68電連接至快速充電層30，以用于施加第二電功率pfc，該第二電功率pfc大于施加在電池引線34、50之間的最大充電功率pmax。

第二電功率pfc是快速充電引線68和相鄰電極32、46的電池引線34、50之間的第二電壓v2乘以流經(jīng)快速充電引線68和相鄰電極32、46的電池引線34、50之間的外部電路的第二電流i2的函數(shù)，且該第二電功率pfc在第二時(shí)間間隔t2內(nèi)施加。

第二電功率pfc使第三離子94和第四離子96通過(guò)隔板62在相鄰電極32、46和快速充電層30之間遷移，從而改變相鄰電極32、46的電化學(xué)電位，并使二次電池22在第二時(shí)間間隔t2內(nèi)存儲(chǔ)預(yù)定量的電能，該第二時(shí)間間隔t2比在等于或低于最大充電功率pmax下采用傳統(tǒng)充電方式所需的第一時(shí)間間隔t1更短。換句話說(shuō)，使用快速充電復(fù)合結(jié)構(gòu)60對(duì)二次電池22充電所用的時(shí)間可能比在電池引線34、50之間施加第一電壓v1和第一電流i1的傳統(tǒng)方式的時(shí)間更短。圖5是通過(guò)施加第二電壓v2和第二電流i2對(duì)快速充電層30施加第二電功率pfc的示意圖。圖5還示出了在使用快速充電復(fù)合結(jié)構(gòu)60對(duì)二次電池22充電的同時(shí)，二次電池22將功率傳遞到連接在電池引線34、50之間的電阻負(fù)載。

相鄰電極32、46必須允許第三離子94和第四離子96滲透。更具體來(lái)說(shuō)，響應(yīng)于施加的第二電壓v2，足夠數(shù)量的第三離子94和第四離子96必須能夠滲透相鄰電極32、46，以使相鄰電極32、46的電化學(xué)電位充分變化，從而能夠使二次電池22存儲(chǔ)預(yù)定量的電能。包含具有帶離域π電子的共軛系統(tǒng)的主晶格54的陰極層46可以用作相鄰電極32、46?；蛘撸?yáng)極層32可以用作相鄰電極32、46。這樣的陽(yáng)極層32可以形成為，例如開(kāi)孔泡沫材料或固體顆粒92或粘合顆粒。

由于遠(yuǎn)處電極32、46與快速充電復(fù)合結(jié)構(gòu)60之間的電隔離，第二電壓v2可以不同于第一電壓v1。這意味著能施加超過(guò)最大電壓vmax的第二電壓v2，而如果在電極32、46之間施加該第二電壓v2，將導(dǎo)致對(duì)第一電解質(zhì)44和/或膜38和/或電極32、46中任一個(gè)的損害。

在一個(gè)實(shí)施例中，相鄰電極32、46是陰極層46，遠(yuǎn)處電極32、46是陽(yáng)極層32，并且每個(gè)電極與快速充電層30為電隔離。

在第二個(gè)替代實(shí)施例中，相鄰電極32、46是陽(yáng)極層32，遠(yuǎn)處電極32、46是陰極層46，并且每個(gè)電極與快速充電層30為電隔離。

本發(fā)明還提供了一種用于構(gòu)造與二次電池22結(jié)合的快速充電復(fù)合結(jié)構(gòu)60的方法。

該方法包括以下步驟：將由電絕緣材料制成的隔板62堆疊在陽(yáng)極層32或陰極層46上并該與陽(yáng)極層32或陰極層46平行，使其成為相鄰電極32、46，將由熱膨脹石墨箔片66制成的快速充電層30堆疊在隔板62上并與該隔板62平行，因此隔板62被設(shè)置在相鄰電極和快速充電層30之間，并且用由石墨涂料制成的導(dǎo)電粘合劑52將快速充電引線68與快速充電層30電連接。

該方法包括制備第二電解質(zhì)64的步驟，其包括：將alcl3粉末溶解在乙醇中至飽和，以生成背景溶液78，將40wt％的背景溶液78與60wt％的甘油混合以制備二元溶劑80；將1cm³的99.4～99.9wt％、純度為99.95％的鋁和0.1～0.6wt％的銦磨碎以制成等效表面積為20～30cm²的填料82，將填料82浸漬在150～200毫升的二元溶劑80中，直到填料82溶解，以產(chǎn)生包括含鋁并帶正電荷的第三離子94以及含鋁并帶負(fù)電荷的第四離子96的第二電解質(zhì)64。

該方法的結(jié)束步驟為用第二電解質(zhì)64潤(rùn)濕隔板62。

顯然，根據(jù)上述說(shuō)明，本發(fā)明有可能有許多修改和變化，并且可以在所附權(quán)利要求的范圍內(nèi)以不同于具體描述的方式實(shí)施。權(quán)利要求中的現(xiàn)有技術(shù)先于在“特征在于”語(yǔ)句中提出的新穎性。這個(gè)新穎性旨在“特征在于”語(yǔ)句中被特別清楚地陳述，而先前的陳述僅僅闡述了本發(fā)明所屬的舊的和眾所周知的組合。這些先前的陳述應(yīng)被解釋為涵蓋創(chuàng)造性新穎性的實(shí)際運(yùn)用的任何組合。在設(shè)備的權(quán)利要求中使用“所述”一詞是指一個(gè)確定陳述的先行詞，其意味著被包括在權(quán)利要求的覆蓋范圍內(nèi)，而詞語(yǔ)之前的詞語(yǔ)“這個(gè)”則并不意味著被包括在權(quán)利要求的覆蓋范圍內(nèi)。此外，權(quán)利要求中的附圖標(biāo)記僅僅是為了方便起見(jiàn)，并不以任何方式被理解為限制于此。