帶有晶片集電器的可充電電池及其裝配方法
【專利說明】 帶有晶片集電器的可充電電池及其裝配方法[0001 ] 優(yōu)先權(quán)聲明
[0002]本專利申請要求下述申請的優(yōu)先權(quán):Mui等人的美國臨時專利申請，申請?zhí)枮?1/826 ,831，發(fā)明名稱為 “RECHARGEABLE BATTERY WITH WAFER CURRENT COLLECTOR ANDASSEMBLY METHOD”，提交于2013年5月23日(代理人案號3601.003PRV)，上述在先申請在此通過引用全部納入本文。
【背景技術(shù)】
[0003]由GastonPlants于1859年發(fā)明的鉛酸電池可被認(rèn)為是最古老類型的可充電電池。盡管與其他化學(xué)電池相比能量密度較低，常規(guī)的鉛酸電池結(jié)構(gòu)簡單且較為經(jīng)濟(jì)。這類常規(guī)的鉛酸電池被用于汽車、牽引車和固定設(shè)施，其用途包括內(nèi)燃機(jī)的點火或起動；照明；機(jī)動輪椅、高爾夫車或叉車；以及其它的場合例如與電網(wǎng)連接的電能儲存裝置。
[0004]鉛酸電池通常包括鉛合金集電器、正極和負(fù)極活性材料、電解質(zhì)、隔件和機(jī)械支撐件套管。正極活性材料通常包含高表面積的二氧化鉛，而負(fù)極活性材料通常包含海綿鉛。電解質(zhì)通常是硫酸。在常用的鉛酸電池中，鉛合金被用于集電器，原因在于其鉛酸化學(xué)相容特性。
[0005]鉛酸電池的廣泛應(yīng)用至少部分歸因于其在結(jié)構(gòu)以及相關(guān)信號調(diào)節(jié)或充電電路這兩方面的簡易性。鉛酸電池的主要優(yōu)點是成本低。鉛金屬相對來說比較豐富，并且H2SO4這種酸是廣泛生產(chǎn)的散裝化學(xué)品。此外，常規(guī)鉛酸電池的生產(chǎn)工藝也相對簡單。就基于常規(guī)鉛酸電池的能量儲存的成本結(jié)構(gòu)來說，其總的成本大約為$150/kWh，這與其他能量儲存技術(shù)相比是非常有吸引力的。
[0006]挺述
[0007]盡管有許多合適的性能，鉛酸電池也具有一些缺點，包括低能量密度和低循環(huán)壽命，尤其是在高放電電流的場合。盡管常規(guī)鉛酸電池的低能量密度可以歸因于鉛集電器和活性材料的高密度，快速放電速率時的低循環(huán)壽命是與活性材料的性能有關(guān)。從材料的角度來看，常規(guī)鉛酸電池的集電器是用鉛做的，其較為笨重并且無助于電池的能量存儲容量。從電池的裝配角度來看，常規(guī)鉛酸電包含并聯(lián)配置電性耦合的單極板組件的單元。在這個配置中，額外的電性連接和轉(zhuǎn)換系統(tǒng)被用來調(diào)節(jié)電池的操作以提供較高的電壓，如此就會進(jìn)一步影響鉛酸電池的整體能量密度。這種并聯(lián)連接的方式通常導(dǎo)致高電流、低電壓的電池，這就會迫使采用重型導(dǎo)體以盡量降低內(nèi)部電阻，因為歐姆損失的程度與電流的平方成比例。
[0008]電池可包括正極板、負(fù)極板和電解質(zhì)。為了構(gòu)造鉛酸電池的電極，可以將PbO2和Pb基活性材料粘貼并固化到鉛柵集電器以形成正極板和負(fù)極板。正-負(fù)電極可以和H2SO4電解質(zhì)形成電池電壓為大約2.1V的電化學(xué)電池。為了組裝成電池組，可將電池進(jìn)行電性配置成為并聯(lián)結(jié)構(gòu)、串聯(lián)結(jié)構(gòu)或并聯(lián)和串聯(lián)的混合結(jié)構(gòu)。還可采用添加劑以及隔件和殼體用作機(jī)械支撐件。
[0009]采用較輕的材料取代當(dāng)前常規(guī)的鉛酸電池的集電器可以顯著提高能量密度。通常地，集電器被設(shè)計為提供較低的電阻，以及抵抗或耐受H2SO4腐蝕。這樣的集電器通常顯示為對Pb和PbO2活性材料具有較好的粘合性，并且具有鉛酸電池電化學(xué)上的兼容性。這樣的集電器還體現(xiàn)為具有良好的熱傳導(dǎo)性能以及較低的泄漏電流，從而被用于現(xiàn)有鉛酸電池的制作和回收設(shè)施，并且容易獲取同時成本較低。
[0010]雙極板結(jié)構(gòu)可用來進(jìn)一步簡化鉛酸電池的電配置。在過去的二十年，雙極電池一直是研發(fā)的熱點領(lǐng)域。雙極電池技術(shù)的主要優(yōu)點是高能量密度和高功率。這些至少可以部分地通過簡化的配置來獲得，簡化的配置能夠縮短電流路徑從而免除不必要的材料/質(zhì)料并且降低阻抗。雙極電池可以包括雙極板或集電器以及活性材料。術(shù)語雙極一般是指雙極板的一個表面被正極活性材料涂覆，而相對的另一表面被負(fù)極活性材料涂覆的一種配置。
[0011]與單極配置相比，雙極電池不需要將電池單元綁在一起的外部連接。例如，在雙極配置中的每個雙極板都可以通過電解質(zhì)進(jìn)行隔離，但是由于雙板本身每個側(cè)面帶有不同極性的活性材料，電流直接通過雙板從一個表面流到另一表面。這樣的電流就能夠通過電解質(zhì)流到下一個雙片。這被稱作串聯(lián)連接，并且與許多并聯(lián)連接相比，所呈現(xiàn)的通路電阻要低很多。與并聯(lián)連接的單極配置相比，較低通路電阻意味著可以從電池中獲得更多的電流而沒有效率損失。
[0012]本文所述實施例通過利用作為集電器的硅晶片以及活性材料來處理鉛酸電池的能量密度問題。這種活性材料至少在制備的時候可以是粘狀的。本文描述了雙極鉛酸電池板的基板材料和裝配工藝的創(chuàng)新。硅晶片材料可以用作集電器，因為這樣的材料成本低、薄、輕，可以摻雜以實現(xiàn)較低的電阻(例如通過晶片提供傳導(dǎo))，并且這樣的晶片材料能夠不易遭受H2SO4腐蝕，包括與半導(dǎo)體、太陽能和印刷電路板行業(yè)許多工藝的兼容性能。
[0013]在硅晶片表面能夠形成歐姆接觸層，隨后為活性材料沉積粘合層。在集電器基板的各個側(cè)面均可沉積一種模式以提高板的機(jī)械穩(wěn)定性，就像在包含雙極板的實施例中那樣。在一種實施例中，PbO2-和Pb-基活性材料能夠被粘合和固化在正極和負(fù)極的支撐件結(jié)構(gòu)(例如柵格或隆起)的上面，集電器可以夾在這樣的正極和負(fù)極柵格之間。雙極板組件可以通過將活性材料熔化于集電器晶片基板而形成。所述活性材料可以直接粘合、固化和形成在模式化的集電器上。雙極板然后可以由電解質(zhì)、隔件、套件和充電或保護(hù)電路的集成而構(gòu)建成電池。
【附圖說明】
[0014]在附圖中，其不一定是按比例繪制，相同的標(biāo)號可以用來在不同圖例中標(biāo)示相同的組件。帶有不同后綴字母的相同標(biāo)號可以用來標(biāo)示相同組件的不同實例。一般來說附圖是通過舉例而非限制性的方式描述本文所述的各種實施方式。
[0015]圖1A和IB—般性描述了一種實施例的剖面圖，包括單極電池板和相應(yīng)的單極電池構(gòu)造。
[0016]圖2A和2B—般性顯示了一種實施例的剖面圖，包括雙極電池板和相應(yīng)的雙極電池構(gòu)造。
[0017]圖3A—般性描述了雙極板的實施例，其可以包括硅晶片集電器和機(jī)械支撐柵格。
[0018]圖3B—般性描述了雙極板的實施例，其可以包括硅晶片集電器和焊料凸點矩陣。
[0019]圖4一般性描述了硅晶片上鎳硅化物(NiSi)的電子掃描顯微圖片(SEM)的說明性實施例，比如能夠用于集電器的場合。
[0020]圖5A—般性描述了包括20μπι厚的鉛層的集電器的顯微圖片的說明性實施例。
[0021]圖5Β—般性描述了類似于圖5Α的說明性實施例，但是以更高放大程度，顯示出在鉛層和NiSi表面之間的良好粘合。
[0022]圖6—般性描述了一種技術(shù)，例如一種方法，其可以包括根據(jù)實施例制備帶有硅晶片集電器的雙極電池板。
[0023]圖7—般性描述了一種技術(shù)，例如一種方法，其可以包括根據(jù)實施例制備帶有硅晶片集電器的雙極電池板。
[0024]詳細(xì)說明
[0025]圖1A和IB—般性描述了實施例100的剖面圖，包括圖1A中的單極電池板120Α以及圖1B中的相應(yīng)的單極板電池構(gòu)造。在一種單極配置中，集電器一般包括單極的(例如正或負(fù))活性材料用于集電器的(例如相對的)兩側(cè)，比如包括使用粘狀形式的活性材料。例如，在圖1A中，導(dǎo)電硅晶片104可以為電池板120Α集合提供基板，例如提供集電器。所述導(dǎo)電硅晶片104可包括歐姆接觸層106Α，例如金屬硅化物，以增加活性材料112Α和導(dǎo)電硅晶片之間的傳導(dǎo)性。這樣的硅化物可包括諸如鎳、鈷、鈦、鉭、鎢、鉬或其組合的金屬種類。在一個實施例中，也可包括粘合層108Α，用以例如促進(jìn)粘合或者提供與電解質(zhì)區(qū)域116Α中的電解質(zhì)的匹配性。還可采用其他的配置，例如包括多個膜層以提供一個或多個歐姆接觸層106Α或粘合層108Α。
[0026]所述活性材料112Α能夠以粘狀形式提供，例如在制備過程中被固化。為了提高活性材料在制造過程中或之后的粘合和均勻性，可包括機(jī)械支撐件110Α。這種機(jī)械支撐