[发明专利]多层电化学能量存储装置及其制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种能量存储装置，且具体而言，涉及一种多层电化学能量存储装置及其制造方法。更具体而言，本发明涉及一种包括可印刷电极的多层电化学电容器或电池的制造方法。

背景技术

单电池能量存储装置通常由两个导电板(下文中称为集流器)和设置在该两个导电板之间的电学绝缘层(电介质，在下文中称为分隔件)组成。电极通常设置在集流器与分隔件之间，且容纳其中的液体电解质(例如，硫酸)被用作电荷积累界面。

根据用于制备电极的电解质的类型，电化学能量存储装置(例如，原电池或二次电池，诸如燃料电池的电化学电池)通常分为两种不同类别，其可以为含水或有机电解质溶液。前一类型可以产生高达1.2伏特每个电池，而后一类型通常提供约2.5至4.0伏特每个电池。可以通过串联组装多个上述的单个电池来增加电化学能量存储装置的工作电压，以获得在本领域中称为双极电池(例如，双极电容器)的布置。

US 6,212,062描述了其中碳电极设置在电池的集流器上的多层电容器电池的构造。

WO 03/071563描述了一种包括双层电化学电池的电化学能量存储装置及其制造方法。在该电化学能量存储装置中，电极印刷在电池的集流器上，且分隔介质设置在集流器之间，其中在集流器上对应于未印刷区域的区域内的所述分隔介质中的孔(即，与包括印刷的电极的区域互补)被粘合剂或其它聚合物的层堵塞。

根据这些方法，由能量储存电池的叠层组成的双极能量存储装置的构造涉及，在叠层中的每个内部集流器的两侧设置电极，且一个电极接触两个外部集流器(置于叠层的顶部和底部的集流器)的内表面。由于其中两个电极设置在双极能量存储装置的每个内部集流器的两侧上的这种电极布置，所以这种构造是笨重的。而且，密封和封装这种电池叠层不是简单的任务，并且其多层结构的宽度较大。

本发明的一个目的是提供一种简化的多层能量存储装置构造，其中电极可以印刷在每个集流器的一侧上。

本发明的另一目的是提供一种用于制造基于多层叠层的双极能量存储装置的改进工艺。

本发明的又一目的是提供一种多个能量存储装置叠层的制造方法，其中单个能量存储装置可以通过剪刀或刀片或其它机械装置容易地切断。

根据下面进行的描述本发明的其它目的和优点将变得显而易见。

发明内容

在本文中术语“分隔件”或“分隔介质”可互换使用以描述所有通常用来在电化学电池的电极之间进行电隔离的薄多孔薄膜或膜。现在已经发现，可以密封分隔件在其外围区域中的孔，根据期望图案在其上形成一个或多个非密封区域，且然后直接将电极印刷到分隔件的所述一个或多个非密封区域上。得到的构造可以有效地用于例如双极电化学电容器的多层结构的制备，其中得到的构造即为其上印刷有一个或多个电极印刷的分隔件，使得每一电极被分隔件的密封区域包围。

因此，本发明提供了一种包括一个或多个电池的能量存储装置，其中每个电池由一对电极和置于该对电极之间的分隔件的所限定，其中每个电池被两个集流器束缚，所述分隔件的几何形状和尺寸与所述集流器的形状和尺寸相同，且其中在每个电池中，一个电极印刷在所述两个集流器之一上，另一电极印刷在分隔件的一个面上，两个电极通过所述分隔件电绝缘，以及其中分隔件的包围印刷于其上的电极的外围区域被密封。

术语“密封的”用来指该区域对容纳在电极中的电解质是不可渗透的；包围印刷在分隔件上的电极的密封区域防止电解质从电极渗透到电池的周围区域。根据一个优选实施例，分隔件的包围印刷于其上的电极的密封的外围区域浸渍有电学非导电材料，优选地粘合剂，其堵塞在所述区域中的分隔件的孔且还使分隔件连接到集流器。

能量存储装置中电池的数目，下文中有时用n表示，为等于或大于1的整数，且优选地在2至100的范围内，且更优选地在3至20的范围内，且最优选地为3至10。当本发明的能量存储装置包括超过1个电池时，所述电池在叠层结构中被串联电连接，相邻电池共用同一集流器。因此，在这种布置中，集流器的数目等于n+1，其中的两个集流器可称作外部集流器。这些外部集流器可以在组成和厚度上不同于置于内部的集流器，并且彼此不同。

现在，已经可以大幅简化具有上文所述的布置的能量存储装置(例如，双极电化学电容器)的构造，这是鉴于以下事实：置于每个电池中的两个电极之一可直接印刷到分隔件的表面上。因此，本发明还涉及一种多层结构的制备方法，该多层结构包括一个或多个能量存储装置，其中每个能量存储装置如上所述包含n个电池，其中该方法包括：