具有偏移幾何結(jié)構(gòu)的固態(tài)電池的制作方法
【專利摘要】在一個(gè)實(shí)施例中，固態(tài)電池包括：第一電池單元堆疊，包括定位在第一陰極和第一陽(yáng)極之間的第一固體電解質(zhì)分隔物；第一基本層，包括定位在第一陽(yáng)極正下方的第一基本部分，并且包括橫向延伸超出第一陽(yáng)極的第一橫向延伸部；第二電池單元堆疊，在第一基本層下方并且包括定位在第二陰極與第二陽(yáng)極之間的第二固體電解質(zhì)分隔物；第二基本層，包括定位在第二陽(yáng)極正下方的第二基本部分，并且包括橫向延伸超出第二陽(yáng)極的第二橫向延伸部，其中第二基本部分橫向延伸超出第一橫向延伸部；以及多路復(fù)用器，（i）通過(guò)第一橫向延伸部與第一基本部分電通信，和（ii）通過(guò)第二橫向延伸部與第二基本部分電通信。
【專利說(shuō)明】具有偏移幾何結(jié)構(gòu)的固態(tài)電池
[0001]交叉引用
本申請(qǐng)要求保護(hù)于2013年8月27日提交的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)N0.61/870，269的權(quán)益，該臨時(shí)申請(qǐng)的整體內(nèi)容通過(guò)引用并入于此。
技術(shù)領(lǐng)域
[0002]本公開(kāi)涉及電池，并且更具體地涉及固態(tài)電池。
【背景技術(shù)】
[0003]可再充電鋰離子電池是針對(duì)便攜式電子設(shè)備以及電動(dòng)和混合電動(dòng)車輛的有吸引力的能源存儲(chǔ)系統(tǒng)，這是因?yàn)樗鼈兣c其他電化學(xué)能量存儲(chǔ)設(shè)備相比的高比能。典型的Li離子電池單元包含負(fù)電極、正電極和負(fù)電極與正電極之間的分隔物區(qū)域。兩個(gè)電極包含可逆地插入鋰或與鋰反應(yīng)的活性材料。在一些情況下，負(fù)電極可以包括可以可逆地電化學(xué)溶解和沉積的鋰金屬。分隔物包含具有鋰陽(yáng)離子的電解質(zhì)，并且用作電極之間的物理屏障，使得沒(méi)有一個(gè)電極在電池單元內(nèi)電子連接。
[0004]通常，在充電期間，在正電極處存在電子的生成并且在負(fù)電極處存在等量的電子的消耗，以及這些電子經(jīng)由外部電路來(lái)傳遞。在電池單元的理想充電中，在正電極處生成這些電子，因?yàn)榇嬖诮?jīng)由氧化鋰離子從正電極的活性材料的提取，并且在負(fù)電極處消耗電子，因?yàn)榇嬖阡囯x子成負(fù)電極的活性材料的還原。在放電期間，完全相反的反應(yīng)發(fā)生。
[0005]與具有常規(guī)碳質(zhì)負(fù)電極的電池相比，具有鋰金屬負(fù)電極的電池提供極高的比能(以Wh/kg為單位)和能量密度(以Wh/L單位)。然而，這樣的系統(tǒng)的循環(huán)壽命由于下述是相當(dāng)有限的:(a)每個(gè)循環(huán)期間的電池單元夾層中的顯著體積變化，因?yàn)長(zhǎng)i金屬被剝離和鍍覆；(b)再充電期間的枝晶的形成，該枝晶可能穿透分隔物和使電池單元短路和/或?qū)е仑?fù)電極的破碎和容量損失；(C)擴(kuò)展循環(huán)上的金屬中的形態(tài)變化，其導(dǎo)致電池單元中的大的總體體積變化；以及(d)鈍化層的結(jié)構(gòu)和組成的變化，鈍化層當(dāng)被暴露到某些電解質(zhì)時(shí)形成在金屬表面，該鈍化層可以隔離一些金屬和/或隨著時(shí)間推移提高電池單元的電阻。
[0006]當(dāng)高比容負(fù)電極諸如金屬用在電池中時(shí)，在常規(guī)系統(tǒng)內(nèi)的容量增加的最大益處當(dāng)也使用高容量正電極活性材料時(shí)被實(shí)現(xiàn)。例如，常規(guī)鋰嵌入的氧化物(例如，LiCoO2、LiN1.sCo0.BAl0.0^^iuNitoCotoMntoO〗)通常限于約280 mAh/g的理論容量(基于鋰化氧化物的質(zhì)量)和180至250 mAh/g的實(shí)際容量，其與鋰金屬的特定容量3863 mAh/g相比是相當(dāng)?shù)偷?。針?duì)其某一實(shí)際循環(huán)已被實(shí)現(xiàn)用于鋰離子正電極的最高理論容量是1168 mAh/g(基于鋰化材料的質(zhì)量)，其由1^必和1^202共享。其他高容量材料包括BiF3(303 mAh/g，鋰化的)，F(xiàn)eF3(712 mAh/g，鋰化的)，Li0H.^0(639 mAh/g)及其他。不幸的是，所有這些材料在與常規(guī)氧化物正電極相比的較低電壓下與鋰反應(yīng)，因此限制理論比能;然而，理論比能仍然非常高(>800 Wh/kg，與針對(duì)具有鋰負(fù)電極和常規(guī)氧化物正電極的電池單元的約500 ffh/kg的最大值相比)。
[0007]圖1描繪示出對(duì)于使用不同比能的電池包的車輛可實(shí)現(xiàn)范圍對(duì)電池包重量的圖表2。在圖表10中，比能針對(duì)整個(gè)電池單元，包括電池單元封裝重量，假設(shè)對(duì)于從特定一組電池單元形成電池包的50%重量增加。對(duì)于位于車輛內(nèi)的電池包，美國(guó)能源部已建立200 kg的重量限制。因此，僅具有大約600 Wh/kg或更多的電池包可以實(shí)現(xiàn)300英里的范圍。
[0008]基于鋰的電池具有足夠高的比能(Wh/kg)和能量密度(Wh/L)，它們現(xiàn)在正被用在電動(dòng)車輛中。然而，為了給具有幾百英里的范圍的全電動(dòng)車輛供電，具有比本領(lǐng)域的目前狀態(tài)(具有石墨陽(yáng)極和過(guò)渡金屬氧化物陰極的嵌入系統(tǒng))更高的比能的電池是必要的。
[0009]與當(dāng)前利用的電池相比提供更高比能的一些選項(xiàng)是可能的。例如，圖2描繪了標(biāo)識(shí)各種基于鋰的化學(xué)性質(zhì)的比能和能量密度的圖表4。在圖表4中，僅電池單元的活性材料、集流器、粘結(jié)劑、分隔物和其他惰性材料的重量被包括。不包括封裝重量(諸如標(biāo)簽、電池單元罐等)。如根據(jù)圖表4明顯的，使用鋰金屬負(fù)電極和減少硫以形成硫化鋰的正電極的鋰硫電池具有比本領(lǐng)域的目前狀態(tài)顯著更高的比能。
[0010]存在必須為鋰硫系統(tǒng)成為商業(yè)可行而解決的重大挑戰(zhàn)。重要挑戰(zhàn)包括增加循環(huán)壽命(本領(lǐng)域的當(dāng)前狀態(tài)是100到幾百循環(huán)；目標(biāo)是>500，優(yōu)選地>2000)，增加硫的利用率(典型的利用率由于通過(guò)電子絕緣的Li2S或Li2S2的正電極的鈍化而低于75%)，增加正電極中的硫的質(zhì)量分?jǐn)?shù)(通常質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于50%)和增加電池單元的倍率性能(目標(biāo)放電率是IC或更高)。雖然文獻(xiàn)中描述的一些Li/S電池單元滿足針對(duì)循環(huán)壽命、比能和比功率的一些目標(biāo)，但是這些電池單元中沒(méi)有一個(gè)充分解決如實(shí)現(xiàn)商業(yè)電池單元將需要的所有問(wèn)題。
[0011]因此，所需要的是，解決以上標(biāo)識(shí)的問(wèn)題中的一個(gè)或多個(gè)的固態(tài)電化學(xué)電池單元。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012]根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，一種固態(tài)電池包括:第一電池單元堆疊，包括定位在第一陰極和第一陽(yáng)極之間的第一固體電解質(zhì)分隔物;第一基本層，包括定位在第一陽(yáng)極正下方的第一基本部分，并且包括橫向延伸超出第一陽(yáng)極的第一橫向延伸部;第二電池單元堆疊，在第一基本層下方并且包括定位在第二陰極與第二陽(yáng)極之間的第二固體電解質(zhì)分隔物;第二基本層，包括定位在第二陽(yáng)極正下方的第二基本部分，并且包括橫向延伸超出第二陽(yáng)極的第二橫向延伸部，其中第二基本部分橫向延伸超出第一橫向延伸部；以及多路復(fù)用器，(i)通過(guò)第一橫向延伸部與第一基本部分電通信，和(ii)通過(guò)第二橫向延伸部與第二基本部分電通
?目O
[0013]在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例中，電池包括:第一絕緣體，第一絕緣體定位在第一基本部分上方，并且沿著第一陽(yáng)極的第一側(cè)、第一陰極的第二側(cè)和第一分隔物的第三側(cè)延伸；以及第二絕緣體，第二絕緣體定位在第二基本部分上方，并且沿著第二陽(yáng)極的第四側(cè)、第二陰極的第五側(cè)和第二分隔物的第六側(cè)延伸。
[0014]在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例中，電池包括第一傳導(dǎo)構(gòu)件，從第一橫向延伸部向上延伸；以及第二傳導(dǎo)構(gòu)件，從第二橫向延伸部向上延伸，其中:多路復(fù)用器通過(guò)第一橫向延伸部和第一傳導(dǎo)構(gòu)件與第一基本部分電通信;多路復(fù)用器通過(guò)第二橫向延伸部和第二傳導(dǎo)構(gòu)件與第二基本部分電通信；以及第二絕緣體定位在第一傳導(dǎo)構(gòu)件和第二傳導(dǎo)構(gòu)件之間。
[0015]在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例中，第一傳導(dǎo)構(gòu)件是第一基本層的向上延伸部分；以及第二傳導(dǎo)構(gòu)件是第二基本層的向上延伸部分。
[0016]在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例中，第一傳導(dǎo)構(gòu)件是第一多路復(fù)用器引腳；以及第二傳導(dǎo)構(gòu)件是第二多路復(fù)用器引腳。
[0017]在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例中，第一電池單元堆疊具有第一最大厚度;第二電池單元堆疊具有第二最大厚度；以及第一最大厚度大于第二最大厚度。
[0018]在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例中，第一側(cè)、第二側(cè)和第三側(cè)垂直于第一基本部分的上表面。
[0019]在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例中，第一側(cè)、第二側(cè)和第三側(cè)不垂直于第一基本部分的上表面。
[0020]在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例中，第一電池單元堆疊與第二電池單元堆疊串聯(lián)連接。
[0021 ] 在一個(gè)實(shí)施例中，一種形成固態(tài)電池的方法包括:提供第一電池單元堆疊，第一電池單元堆疊包括定位在第一陰極和第一陽(yáng)極之間的第一固體電解質(zhì)分隔物;定位第一基本層的第一基本部分在第一陽(yáng)極正下方，第一基本層包括橫向延伸超出第一陽(yáng)極的第一橫向延伸部;提供第二電池單元堆疊，第二電池單元堆疊包括定位在第二陰極與第二陽(yáng)極之間的第二固體電解質(zhì)分隔物;定位第二基本層的第二基本部分在第二陽(yáng)極正下方，第二基本層包括橫向延伸超出第二陽(yáng)極的第二橫向延伸部，使得第二基本部分橫向延伸超出第一橫向延伸部;將第一基本部分置于通過(guò)第一橫向延伸部與位于第一橫向延伸部上方的多路復(fù)用器電通信；以及將第二基本部分置于通過(guò)第二橫向延伸部與多路復(fù)用器電通信。
[0022]在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例中，形成固態(tài)電池的方法包括:將第一絕緣體定位為在第一基本部分上方并且沿著第一陽(yáng)極的第一側(cè)、第一陰極的第二側(cè)和第一分隔物的第三側(cè)；以及將第二絕緣體定位為在第二基本部分上方并且沿著第二陽(yáng)極的第四側(cè)、第二陰極的第五側(cè)和第二分隔物的第六側(cè)。
[0023]在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例中，將第一基本部分置于與多路復(fù)用器電通信包括將第一基本部分置于通過(guò)第一傳導(dǎo)構(gòu)件與多路復(fù)用器電通信，第一傳導(dǎo)構(gòu)件在第一橫向延伸部和多路復(fù)用器之間延伸;將第二基本部分置于與多路復(fù)用器電通信包括將第二基本部分置于通過(guò)第二傳導(dǎo)構(gòu)件與多路復(fù)用器電通信，第二傳導(dǎo)構(gòu)件在第二橫向延伸部和多路復(fù)用器之間延伸；以及定位第二絕緣體包括將第二絕緣體定位在第一傳導(dǎo)構(gòu)件和第二傳導(dǎo)構(gòu)件之間。
[0024]在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例中，將第一基本部分置于與多路復(fù)用器電通信包括將第一基本部分置于通過(guò)第一基本層的向上延伸部分與多路復(fù)用器電通信；以及將第二基本部分置于與多路復(fù)用器電通信包括將第二基本部分置于通過(guò)第二基本層的向上延伸部分與多路復(fù)用器電通信。
[0025]在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例中，提供第一電池單元堆疊包括提供具有第一最大厚度的第一電池單元堆疊；提供第一電池單元堆疊包括提供具有第一最大厚度的第一電池單元堆疊；以及第一最大厚度大于第二最大厚度。
[0026]在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例中，定位第一絕緣體包括:沿著垂直于第一基本部分的上表面的第一側(cè)、第二側(cè)和第三側(cè)的部分定位第一絕緣體。
[0027]在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例中，定位第一絕緣體包括:沿著不垂直于第一基本部分的上表面的第一側(cè)、第二側(cè)和第三側(cè)的部分定位第一絕緣體。
[0028]在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例中，形成固態(tài)電池的方法包括:用多路復(fù)用器將第一電池單元堆疊與第二電池單元堆疊串聯(lián)連接。
[0029]在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例中，將第一基本部分置于與多路復(fù)用器電通信包括將第一基本部分置于通過(guò)第一多路復(fù)用器引腳與多路復(fù)用器電通信，第一多路復(fù)用器引腳在第一橫向延伸部和多路復(fù)用器之間延伸；以及將第二基本部分置于與多路復(fù)用器電通信包括將第二基本部分置于通過(guò)第二多路復(fù)用器引腳與多路復(fù)用器電通信，第二多路復(fù)用器引腳在第二橫向延伸部和多路復(fù)用器之間延伸。
【附圖說(shuō)明】
[0030]圖1描繪了示出針對(duì)各種比能的電池重量與車輛范圍之間的關(guān)系的繪圖；
圖2描繪了各種基于鋰的電池單元的比能和能量密度的圖表；
圖3描繪了具有包括階梯幾何結(jié)構(gòu)中的偏移基本層的雙極設(shè)計(jì)的堆疊電池的簡(jiǎn)化橫截面視圖；
圖4描繪了示出具有開(kāi)放電池單元微結(jié)構(gòu)化的復(fù)合分隔物的分隔物的圖3的電池單元中的一個(gè)的部分側(cè)透視圖，所述復(fù)合分隔物具有形式為柱的電解質(zhì)成分，所述電解質(zhì)成分抑制枝晶形成同時(shí)允許陽(yáng)極的彎曲；
圖5描繪了具有雙極設(shè)計(jì)的堆疊電池的簡(jiǎn)化橫截面視圖，其在成角度的幾何結(jié)構(gòu)中包括偏移基本層；以及
圖6描繪了具有雙極設(shè)計(jì)的堆疊電池的簡(jiǎn)化橫截面視圖，其在階梯幾何結(jié)構(gòu)中包括具有來(lái)自多路復(fù)用器的向下延伸至基本層的引腳的偏移基本層。
【具體實(shí)施方式】
[0031]為了促進(jìn)理解本公開(kāi)的原理的目的，現(xiàn)在將對(duì)在附圖中圖示和在下面所寫(xiě)的描述中描述的實(shí)施例進(jìn)行參考。要理解的是，由此旨在沒(méi)有對(duì)本公開(kāi)的范圍的限制。要進(jìn)一步理解的是，本公開(kāi)包括對(duì)所圖示的實(shí)施例的任何更改和修改，并且包括如正常將被本公開(kāi)所屬的領(lǐng)域中的普通技術(shù)人員設(shè)想到的本公開(kāi)的原理的進(jìn)一步應(yīng)用。
[0032]圖3描繪了電化學(xué)電池100。電化學(xué)電池100包括在封裝104或既電絕緣又(可選地)導(dǎo)熱的其他周圍環(huán)境內(nèi)的許多電池單元或電池單元堆疊102x。封裝104提高電化學(xué)電池100的安全性。
[0033]每個(gè)電池單元102x包括陽(yáng)極106x、分隔物1Sx和陰極110x。通常是金屬諸如銅并且可以充當(dāng)集流器以及集成電路或多路復(fù)用器114的饋入裝置的基本層112x，定位成鄰近陽(yáng)極106x以及在陽(yáng)極106x與鄰近陰極之間。例如，基本層112ι位于陽(yáng)極106ι和陰極IlO2之間。
[0034]雖然多路復(fù)用器114被描繪在封裝104內(nèi)，但是在一些實(shí)施例中在封裝104外部提供多路復(fù)用器114。多路復(fù)用器114可以是具有電子引腳之間的絕緣材料的固態(tài)設(shè)備。接觸電池單元堆疊的每個(gè)端子的多路復(fù)用器的引腳可以延伸到電池單元的頂部，而至用于監(jiān)測(cè)和控制通過(guò)每個(gè)引腳的電流的電氣電路。
[0035]陽(yáng)極106x包括鋰金屬或鋰合金金屬。陽(yáng)極106x被調(diào)整大小，使得它們具有至少與相關(guān)聯(lián)的陰極I 1x—樣多的容量，并且優(yōu)選地至少10%的過(guò)量容量并且在一些實(shí)施例中高至大于50%的容量。
[0036]陰極IlOx在各種實(shí)施例中包括硫或含硫材料(例如，PAN-S復(fù)合物或Li2S);空氣電極;1^插入材料，諸如％1、1^祖0.5]?111.504、富1^層狀氧化物、1^(:002、1^?6?04、1^]\111204;富1^NCM、NCA、和其他Li嵌入材料，或其混合物或與Li陽(yáng)離子和/或電解質(zhì)陰離子反應(yīng)和/或插入Li陽(yáng)離子和/或電解質(zhì)陰離子的任何其他活性材料或材料的混合物。陰極IlOx可以是全致密的。陰極I1x可以包括Li傳導(dǎo)聚合物、陶瓷或其他固體、非聚合物電解質(zhì)。陰極Li插入材料可以另外涂覆(例如，經(jīng)由噴涂涂覆)有諸如LiNbO3的材料，以便提高Li插入材料與固體電解質(zhì)之間的離子的流動(dòng)，如在QA1ff1等人的Journal of Power Sources 233 (2013)231-235中所描述的。在陰極IlOx中的固體電解質(zhì)材料可以進(jìn)一步包括鋰傳導(dǎo)石榴石、鋰傳導(dǎo)硫化物(例如，Li2S-P2S5)或磷酸鹽、Li3P、LIP0N、Li傳導(dǎo)聚合物(例如，PE0)、Li傳導(dǎo)金屬有機(jī)框架(諸如由Wiers等人的 “A Solid Lithium Electrolyte via Addit1n ofLithium Isopropoxide to a Metal-Organic Framework with Open Metal Sites,”Journal of American Chemical Society，2011，133(37)，第14522-14525頁(yè)所描述的，其整體內(nèi)容通過(guò)引用并入于此)、含硫的LISiCON、Li傳導(dǎo)的NaSICON、Li1()GeP2S12、鋰多硫化合物磷酸鹽或其他固體的Li傳導(dǎo)材料?？梢允褂玫钠渌腆w電解質(zhì)材料在Christensen等人的“A critical Review of Li/Air Batteries”， Journal of the ElectrochemicalSociety 159(2) 2012中有描述，其整體內(nèi)容通過(guò)引用并入于此。在陰極IlOx中的其他材料可以包括Li7-xLa3TaxZr2-x012，其中O彡X彡2，電子傳導(dǎo)添加劑(諸如炭黑)以及粘結(jié)劑材料。陰極材料被選擇以允許足夠的電解質(zhì)陰極界面面積用于所期望的設(shè)計(jì)。
[0037]在一些實(shí)施例中，分隔物108x是微結(jié)構(gòu)化的復(fù)合分隔物，其在阻斷電子同時(shí)在陽(yáng)極106x和陰極IlOx之間傳導(dǎo)鋰離子。例如，圖4描繪了電池單元102l.的部分透視圖，電池單元
包括鄰近陽(yáng)極1e1的層120和鄰近陰極IlO1的層122。還示出集流器124，其可由鋁制成并且在一些實(shí)施例中被提供，以及可通過(guò)導(dǎo)電但化學(xué)非活性材料諸如石墨的層與鄰近基本層112x分離。形式為柱126的許多固體電解質(zhì)成分在層120和層122之間延伸，從而在其之間定義微結(jié)構(gòu)腔128。
[0038]微結(jié)構(gòu)化的復(fù)合分隔物1Sx因此由規(guī)則地間隔的固體電解質(zhì)成分126構(gòu)成，固體電解質(zhì)成分126提供足夠的離子輸運(yùn)(S卩，通過(guò)提供足夠高體積分?jǐn)?shù)的傳導(dǎo)材料并且通過(guò)限制陽(yáng)極和陰極之間的結(jié)構(gòu)的厚度)，以及提供機(jī)械阻力來(lái)抑制陽(yáng)極106x中的鋰枝晶的形成和生長(zhǎng)。在圖4的實(shí)施例中，固體電解質(zhì)成分108x是柔性的，以便適應(yīng)電極的體積變化。
[0039]雖然在圖4中示出了三個(gè)柱126，但是在其他實(shí)施例中存在更多或更少的固體電解質(zhì)成分。在其他實(shí)施例中，固體電解質(zhì)成分可以以其他形式進(jìn)行配置。在一些實(shí)施例中，微結(jié)構(gòu)腔128可以填充有不同組成以提供所期望的柔性和/或以其他方式修改微結(jié)構(gòu)化的復(fù)合分隔物的機(jī)械屬性。關(guān)于微結(jié)構(gòu)化的復(fù)合分隔物1Sx的更多細(xì)節(jié)和其他替代分隔物配置在于2014年8月15日提交的美國(guó)申請(qǐng)序列號(hào)14/460，798中有提供，其整體內(nèi)容通過(guò)引用并入于此。
[0040]通過(guò)以圖3的雙極設(shè)計(jì)堆疊電池單元102x，電池100的操作電壓可以被修改為所期望電壓。作為舉例，如果每個(gè)電池單元102x具有大約4V的操作電壓，則100個(gè)電池單元102x可以被堆疊來(lái)產(chǎn)生具有大約400V的操作電壓的設(shè)備。以該方式，給定的功率可以被實(shí)現(xiàn)同時(shí)傳遞低的電流通過(guò)每個(gè)電池單元102x。因此，電池單元102x的接線可以用小直徑的電導(dǎo)體在維持高的能量效率的同時(shí)被實(shí)現(xiàn)。電池100因此提供了大于5 V的操作電壓，并且在一些實(shí)施例中提供大于50 V的操作電壓。
[0041]返回到圖3，電化學(xué)電池100進(jìn)一步包括多個(gè)絕緣體130x。絕緣體130x將電池單元102x與向上延伸的基本層112x隔離。為了提供足夠空間用于基本層112x和絕緣體130x的向上延伸部分，電池單元102x是“偏移”的。如本文中使用的，“偏移”意指基本層112x具有橫向伸展(針對(duì)圖3的取向)，其在電池單元102x的至少一側(cè)上大于關(guān)聯(lián)的陽(yáng)極106x、分隔物108x和陰極11 Ox，如在圖3中不出的那樣。例如，電池單兀1 22的偏移被標(biāo)識(shí)為偏移1402。
[0042]在圖3的實(shí)施例中是“階梯邊緣”幾何結(jié)構(gòu)的偏移140x允許獨(dú)立監(jiān)測(cè)和控制包括高電壓堆疊的電池單元夾層。在偏移幾何結(jié)構(gòu)中，每個(gè)電池單元夾層或電池單元夾層組的任一正端子和/或負(fù)端子被暴露，并且可以通過(guò)多路復(fù)用器或多通道電路電接觸。在一些實(shí)施例中，僅一個(gè)端子被暴露;在其他實(shí)施例中，兩個(gè)端子被暴露;在再其它實(shí)施例中，電子傳導(dǎo)雙極板被暴露。優(yōu)選地，堆疊的幾何結(jié)構(gòu)是這樣的，其使得偏移大于各個(gè)陽(yáng)極106x、分隔物108x和陰極IlOx的厚度(t)。
[0043]偏移140x從上面而不是從側(cè)面提供到每個(gè)電池單元102x的連接。這種類型的連接是更容易實(shí)現(xiàn)的。例如，給定的電池單元102x可以僅2到5微米厚，但是階梯或偏移140x可以具有10微米的長(zhǎng)度。針對(duì)由100個(gè)電池單元夾層構(gòu)成的電池單元堆疊，偏移140x的總長(zhǎng)度將接近I _。因此，如果電池單元面積是10 cmX 10 Cm，則最頂部電池單元夾層和最底部電池單元夾層之間的面積差異只是1%。在一些實(shí)施例中，通過(guò)制作具有不同厚度的電極區(qū)域補(bǔ)償個(gè)體電池單元102x的長(zhǎng)度差異，使得每個(gè)電池單元102x的總?cè)萘渴窍嗤摹?br>[0044]因此，本文中描述的實(shí)施例提供個(gè)體地或以串聯(lián)連接的電池單元的組來(lái)監(jiān)測(cè)和控制電池單元102x。例如，這允許繞過(guò)有缺陷的電池單元，以及主動(dòng)和/或被動(dòng)電池單元平衡。主動(dòng)電池單元平衡包括對(duì)一個(gè)或多個(gè)電池單元102x或電池單元102x的組充電同時(shí)對(duì)一個(gè)或多個(gè)其他電池單元102x或電池單元102x的其他組放電，使得能量從放電電池單元102x流到充電電池單元102x。被動(dòng)電池單元平衡包括使用分流器，使得可以繞過(guò)被認(rèn)定為完全充電或完全放電的電池單元102x。
[0045]雖然以階梯幾何結(jié)構(gòu)描繪偏移140x，但是在其他實(shí)施例中使用其他配置。作為舉例，圖5描繪了電池200，電池200包括封裝204和多個(gè)電池單元202x，每一個(gè)電池單元202x基本上與電池單元102x相同，包括陽(yáng)極206x、分隔物208x、陰極210x和基本層212x。電池單元202x連接到多路復(fù)用器214，并且在電池單元202x的末端處提供絕緣體230x。
[0046]電池單元102x和電池單元202x之間的主要差異是鄰近偏移量240x的陽(yáng)極206x、分隔物208x、陰極210X的末端是成角度的，從而提供“成角度”的幾何結(jié)構(gòu)，其可以使到電池單元202x的連接更簡(jiǎn)單。
[0047]圖6描繪了電池250，電池250包括封裝254和多個(gè)電池單元252x，每一個(gè)電池單元252x基本上與電池單元102x相同，包括陽(yáng)極256x、分隔物258x、陰極260x和基本層262x。電池單元252x連接到多路復(fù)用器264，并且絕緣體266x位于電池單元250x的末端處。電池250和電池100之間的主要差異是多路復(fù)用器264包括向下延伸到基本層262x的引腳268。
[0048]以上描述的實(shí)施例提供由串聯(lián)連接且包含在相同封裝內(nèi)的許多電池單元夾層使能的具有高操作電壓的固態(tài)電池、電池單元或電池單元堆疊。電池單元堆疊在一些實(shí)施例中在至少一個(gè)邊緣上具有樓梯結(jié)構(gòu)，以便使能到每個(gè)電池單元夾層的獨(dú)立電接觸。因此，可以獨(dú)立繞過(guò)或監(jiān)測(cè)和控制個(gè)體電池單元夾層，并且可以使能被動(dòng)和主動(dòng)電池單元夾層平衡兩者。
[0049]以上描述的實(shí)施例因此提供通過(guò)串聯(lián)堆疊的多個(gè)電池單元夾層和圍繞電池單元堆疊或合并到電池單元封裝中的電子絕緣材料或介質(zhì)來(lái)使能的具有高電壓的安全能量存儲(chǔ)系統(tǒng)。
[0050]在一些實(shí)施例中，偏移設(shè)計(jì)使能獨(dú)立監(jiān)測(cè)和控制每個(gè)電池單元夾層、繞過(guò)有缺陷的電池單元夾層、主動(dòng)和/或被動(dòng)電池單元平衡。
[0051]雖然已經(jīng)在附圖和前述描述中圖示和詳細(xì)描述本公開(kāi)，但是其在特性上應(yīng)該被視為說(shuō)明性的而非限制性的。要理解的是，僅給出了優(yōu)選的實(shí)施例，并且期望保護(hù)落在本公開(kāi)的精神內(nèi)的所有變化、修改和進(jìn)一步應(yīng)用。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種固態(tài)電池，包括: 第一電池單元堆疊，包括定位在第一陰極和第一陽(yáng)極之間的第一固體電解質(zhì)分隔物；第一基本層，包括定位在第一陽(yáng)極正下方的第一基本部分，并且包括橫向延伸超出第一陽(yáng)極的第一橫向延伸部； 第二電池單元堆疊，在第一基本層下方并且包括定位在第二陰極與第二陽(yáng)極之間的第二固體電解質(zhì)分隔物； 第二基本層，包括定位在第二陽(yáng)極正下方的第二基本部分，并且包括橫向延伸超出第二陽(yáng)極的第二橫向延伸部，其中第二基本部分橫向延伸超出第一橫向延伸部；以及 多路復(fù)用器，(i)通過(guò)第一橫向延伸部與第一基本部分電通信，和(ii)通過(guò)第二橫向延伸部與第二基本部分電通信。2.權(quán)利要求1的電池，進(jìn)一步包括: 第一絕緣體，第一絕緣體定位在第一基本部分上方，并且沿著第一陽(yáng)極的第一側(cè)、第一陰極的第二側(cè)和第一分隔物的第三側(cè)延伸；以及 第二絕緣體，第二絕緣體定位在第二基本部分上方，并且沿著第二陽(yáng)極的第四側(cè)、第二陰極的第五側(cè)和第二分隔物的第六側(cè)延伸。3.權(quán)利要求2的電池，進(jìn)一步包括: 第一傳導(dǎo)構(gòu)件，從第一橫向延伸部向上延伸；以及 第二傳導(dǎo)構(gòu)件，從第二橫向延伸部向上延伸，其中: 多路復(fù)用器通過(guò)第一橫向延伸部和第一傳導(dǎo)構(gòu)件與第一基本部分電通信； 多路復(fù)用器通過(guò)第二橫向延伸部和第二傳導(dǎo)構(gòu)件與第二基本部分電通信；以及 第二絕緣體定位在第一傳導(dǎo)構(gòu)件和第二傳導(dǎo)構(gòu)件之間。4.權(quán)利要求3的電池，其中: 第一傳導(dǎo)構(gòu)件是第一基本層的向上延伸部分；以及 第二傳導(dǎo)構(gòu)件是第二基本層的向上延伸部分。5.權(quán)利要求3的電池，其中: 第一傳導(dǎo)構(gòu)件是第一多路復(fù)用器引腳；以及 第二傳導(dǎo)構(gòu)件是第二多路復(fù)用器引腳。6.權(quán)利要求3的電池，其中: 第一電池單元堆疊具有第一最大厚度； 第二電池單元堆疊具有第二最大厚度；以及 第一最大厚度大于第二最大厚度。7.權(quán)利要求3的電池，其中第一側(cè)、第二側(cè)和第三側(cè)垂直于第一基本部分的上表面。8.權(quán)利要求3的電池，其中第一側(cè)、第二側(cè)和第三側(cè)不垂直于第一基本部分的上表面。9.權(quán)利要求3的電池，其中第一電池單元堆疊與第二電池單元堆疊串聯(lián)連接。10.一種形成固態(tài)電池的方法，包括: 提供第一電池單元堆疊，第一電池單元堆疊包括定位在第一陰極和第一陽(yáng)極之間的第一固體電解質(zhì)分隔物； 定位第一基本層的第一基本部分在第一陽(yáng)極正下方，第一基本層包括橫向延伸超出第一陽(yáng)極的第一橫向延伸部； 提供第二電池單元堆疊，第二電池單元堆疊包括定位在第二陰極與第二陽(yáng)極之間的第二固體電解質(zhì)分隔物； 定位第二基本層的第二基本部分在第二陽(yáng)極正下方，第二基本層包括橫向延伸超出第二陽(yáng)極的第二橫向延伸部，使得第二基本部分在第一橫向延伸部下方延伸并且橫向延伸超出第一橫向延伸部； 將第一基本部分置于通過(guò)第一橫向延伸部與位于第一橫向延伸部上方的多路復(fù)用器電通信；以及 將第二基本部分置于通過(guò)第二橫向延伸部與多路復(fù)用器電通信。11.權(quán)利要求1O的方法，進(jìn)一步包括: 將第一絕緣體定位為在第一基本部分上方并且沿著第一陽(yáng)極的第一側(cè)、第一陰極的第二側(cè)和第一分隔物的第三側(cè)；以及 將第二絕緣體定位為在第二基本部分上方并且沿著第二陽(yáng)極的第四側(cè)、第二陰極的第五側(cè)和第二分隔物的第六側(cè)。12.權(quán)利要求11的方法，其中: 將第一基本部分置于與多路復(fù)用器電通信包括將第一基本部分置于通過(guò)第一傳導(dǎo)構(gòu)件與多路復(fù)用器電通信，第一傳導(dǎo)構(gòu)件在第一橫向延伸部和多路復(fù)用器之間延伸； 將第二基本部分置于與多路復(fù)用器電通信包括將第二基本部分置于通過(guò)第二傳導(dǎo)構(gòu)件與多路復(fù)用器電通信，第二傳導(dǎo)構(gòu)件在第二橫向延伸部和多路復(fù)用器之間延伸；以及定位第二絕緣體包括將第二絕緣體定位在第一傳導(dǎo)構(gòu)件和第二傳導(dǎo)構(gòu)件之間。13.權(quán)利要求12的方法，其中: 將第一基本部分置于與多路復(fù)用器電通信包括將第一基本部分置于通過(guò)第一基本層的向上延伸部分與多路復(fù)用器電通信；以及 將第二基本部分置于與多路復(fù)用器電通信包括將第二基本部分置于通過(guò)第二基本層的向上延伸部分與多路復(fù)用器電通信。14.權(quán)利要求12的方法，其中: 提供第一電池單元堆疊包括提供具有第一最大厚度的第一電池單元堆疊； 提供第一電池單元堆疊包括提供具有第一最大厚度的第一電池單元堆疊；以及 第一最大厚度大于第二最大厚度。15.權(quán)利要求12的方法，其中定位第一絕緣體包括: 沿著垂直于第一基本部分的上表面的第一側(cè)、第二側(cè)和第三側(cè)的部分定位第一絕緣體。16.權(quán)利要求12的方法，其中定位第一絕緣體包括: 沿著不垂直于第一基本部分的上表面的第一側(cè)、第二側(cè)和第三側(cè)的部分定位第一絕緣體。17.權(quán)利要求12的電池，進(jìn)一步包括: 用多路復(fù)用器將第一電池單元堆疊與第二電池單元堆疊串聯(lián)連接。18.權(quán)利要求11的方法，其中: 將第一基本部分置于與多路復(fù)用器電通信包括將第一基本部分置于通過(guò)第一多路復(fù)用器引腳與多路復(fù)用器電通信，第一多路復(fù)用器引腳在第一橫向延伸部和多路復(fù)用器之間延伸；以及 將第二基本部分置于與多路復(fù)用器電通信包括將第二基本部分置于通過(guò)第二多路復(fù)用器引腳與多路復(fù)用器電通信，第二多路復(fù)用器引腳在第二橫向延伸部和多路復(fù)用器之間延伸。
【文檔編號(hào)】H01M10/058GK105934844SQ201480058797
【公開(kāi)日】2016年9月7日
【申請(qǐng)日】2014年8月26日
【發(fā)明人】J·F·克里斯滕森, B·舒曼, T·羅曼
【申請(qǐng)人】羅伯特·博世有限公司