[发明专利]堆叠的电化学电池

说明书

发明背景

(a)发明领域

本发明涉及电化学元件，特别是具有改良的能量密度的包括多层堆叠的电化学电池的电化学元件。

(b)相关技术描述

人们对能量储藏技术的兴趣越来越大。随着近来将电载体加入到便携式电话，便携式摄像机和笔记本电脑中，蓄电池的应用领域已扩展至这一系列产品中。这种扩展导致对具有可观输出量的蓄电池的研究和开发工作的增加。在这方面，对电化学元件的研究是引起很多关注的领域之一，其中可再充电蓄电池是最令人感兴趣的。最近的开发工作已转入设计新的蓄电池和电极以提高容量和单位能。

在已经应用的二次蓄电池中，开发于1990年代的锂离子蓄电池越来越普及，因为与使用水溶液电解质的Ni-MH，Ni-Cd和硫酸-铅蓄电池相比，其具有更高的工作电压和能量密度。但是，这些锂离子蓄电池具有由于使用有机电解质而产生的安全问题，该有机电解质使蓄电池可燃和爆炸。还有，锂离子具有难以制造加工的缺点。最近的锂离子聚合物蓄电池克服了锂离子蓄电池的这些缺点，并有望成为下一代蓄电池。但是，这些锂离子聚合物蓄电池与锂离子蓄电池相比，具有相当低的容量，并且在低温下的具有特别不足的放电容量；因此需要对其加以改进。

蓄电池的容量与电极活性物质的量成比例。这样，设计能够在蓄电池包装内的有限空间内填装尽可能多的电极材料的电池结构将是特别重要的。最广为人知并使用的电池结构类型是果酱卷形结构，用于圆柱形或棱柱形蓄电池。这样的结构是采用如下方法制备的：将电极活性材料涂布并碾平到用作为集电器的金属箔上，然后将其切割成具有预定宽度和长度的带形，用隔离膜将阴极和阳极隔开，然后将其卷成螺旋形。这样的果酱卷形结构广泛用于制造圆柱形蓄电池。但是，该结构在螺旋的中心部分的曲率半径较小，这经常造成在电极的弯曲的表面有很大的应力，从而经常引起电极的脱落。这促进了在蓄电池反复充电和放电过程中锂金属在电极中心部分的沉积，而这会缩短蓄电池的寿命，同时降低了蓄电池的安全性。

一般地，制造薄的棱柱形蓄电池的广为人知并使用的方法，包括前述方法的将螺旋形果酱卷卷成椭圆形，并压缩该椭圆形物，然后将其插入长方形容器内。该方法没有克服前述的降低寿命和安全性的问题，反而具有由于椭圆形而造成的曲率半径降低所引起的更严重的问题。而且性能降低问题更大，因为制造一种紧密的螺旋结构从本质上来说是不可能的。另外，果酱卷的椭圆形状与容器的长方形的差异，降低了可利用的体积的比例。当将容器考虑在内时，已知这将降低约20％的重量能量密度和25％的体积能量密度。实际上，据报道棱柱形锂离子蓄电池与圆柱形蓄电池相比，具有更低的容量密度和单位能。

最近，公开了各种专利和技术，这些专利和技术提出了解决螺旋形果酱卷型结构的问题的方法，并提供了适合于棱柱形容器的电池结构。然而，这些建议仅部分地解决了上述问题，或引起其它更难克服的问题，所以它们不是实用的解决方法。例如，U.S.P No.5,552,239公开了一种方法，首先在阴极和阳极间放置并层压隔离层或聚合物电解质，然后将其切割成具有预定长度和宽度的带形，再然后逐渐将其折叠成正方形的具有阴极/隔离层/阳极层叠结构的电池。本发明的发明人尝试重复该方法，但是发现，难以制造如此使用的电池。层压的电池如此之僵硬，以至于难以折叠，并且在采用外力使其折叠时，在折叠区出现问题，因为该电池与果酱卷型电池类似，也是易碎的。

在U.S.P.No.5,300,373中公开的扇形折叠方法中，在突然折叠部分的内层的压力和应力被转移至外层并分散，以至于发生扭曲和伸展，最终造成“狗骨架”(dog bone)形电池。这样，在果酱卷型结构中遇到的脱落，破裂，破碎，或折断问题，仍经常发生。还有，采取这种结构的电池本质上容易折断；因此，制造实际上可以使用的蓄电池的可能性是非常低的。

其间，U.S.P.No.5,498,489试图解决和改善这类在折叠部分的问题。该专利通过在折叠部分省略电极，并通过仅使用集电器和隔离层或聚合物电解质部分进行连接，提供了一种避免电极脱落的基本方法。但是，在组成这样一种电池时有困难。而且，使用了太多的集电器，并且该结构浪费了太多的电解质。因此，该结构不是非常实用的，因为其具有许多不足之处。

发明概述

本发明的一个目的是提供一种电化学元件，该元件包括多层堆叠的电化学电池，其中与现有技术相比，该元件容易制造，并且其结构有效利用了可以获得的空间。

本发明的另一个目的是提供一种电化学元件，该元件可以使活性电极材料的含量达到最大。