[发明专利]电化学装置及其制造方法

说明书

本发明公开了一种电化学装置(例如，电容式装置、电池或混合装置)，该电化学装置包括封装在包装件(19)中的下列项：包括至少一个组合(11)的层构造，其中每个组合(11)包括设置在第一多孔电极层(12)和第二多孔电极层(14)之间的多孔微粒分隔体层(13)；和任选地至少一个微粒集流体层(16，17)；以及液体电解质(15)，并且其中基本上所有液体电解质都被限制在层构造内。电容式电化学装置包括：第一组合，第一组合具有设置在第一多孔电极层和第二多孔电极层之间的多孔微粒分隔体层；任选地至少一个微粒集流体层；以及液体电解质。

相关申请的交叉引用

本申请要求2012年12月27日提交的美国临时专利申请号61/746,210的权益，其公开内容全文以引用方式并入本文。

背景技术

电化学装置诸如电池和EDLC常常包括一系列功能部件，诸如阳极、分隔体和阴极。在充电期间，负电势被施加到阳极并且正电势被施加到阴极。当装置放电时，电子从阳极到阴极流过外部电路。阳极和阴极是电极。分隔体用于防止阳极材料和阴极材料之间的直接接触，使得电子在装置内不能直接从阳极传导到阴极。分隔体包含具有非常低的或忽略不计的电子电导率的材料。电极和分隔体可以是均一的功能材料，或包含一种或多种功能材料结合另外的材料诸如粘结剂或其它填料的复合材料。在许多电化学装置诸如电池或EDLC中，电极包含这些组分的微粒。其它装置诸如薄膜电池或烧结的固态电池包括固体的单片电极层。分隔体常常是可透过的垫或膜、或类似结构、或固态电解质(离子导体)材料。

本领域中已知的常见分隔体包括多孔膜和非织造纤维垫。本领域中包含微粒的分隔体包括涂布到分隔体材料片材上的微粒涂层(用于防止分隔体熔化或以其它方式发生故障时的短接)以及固体电解质，其中微粒填料设计来提高机械性能、离子电导率或化学和热稳定性。除了常规分隔体之外，多孔微粒分隔体也已被描述用于电池。具有液体电解质的电池被封装在包装件(例如，罐、硬币电池包装件、小袋或棱柱封套)内。液体电解质驻留在包装件内并且渗透分隔体。有时将液体电解质添加至包装件和分隔体，或只是添加至包装件、之后渗透到分隔体中。

EDLC电极通常包含大量的高表面积碳诸如活性炭。在充电和放电期间，来自电解质的离子在高表面积碳电极上形成薄型(例如单层)电介质涂层；不发生法拉第反应。

电池电极包含在充电和放电期间发生法拉第反应的材料。例如，锂离子电池可包括锂金属阳极和锂化过渡金属氧化物阴极。在充电期间，锂离子和电子从阴极分离出来(与过渡金属离子的氧化并发)，并且在阳极处结合以形成锂金属或其它还原锂，诸如石墨中的锂。

除了基础对称EDLC装置之外，其它电容式装置也能够构造成具有将仅发生快速的可逆表面法拉第反应的电极。这种装置在其电特性方面大致上保持电容样的(电荷与电压成比例)并且因此被称为伪电容式装置。因此，电极可以为电池电极、基础EDLC电极或伪电容式电极。

常见的电化学装置常常包含液体电解质。这些装置常常是通过单独地制造电极、然后将结构组装在预制的分隔体周围来产生。装置被密封在罐或袋状结构中，并且常常是大体积且昂贵的。固态沉积或印刷装置也是已知的。一般来讲，这些装置利用固态离子导体。此类装置可通过薄膜法进行沉积，从而导致高成本和有限的层厚度。另选地，印刷微粒装置可用固态离子导体制成。这些装置可能具有有限的倍率性能并且可能由于对受控的湿度和其它条件的要求而难以制造。

需要相对低成本的容易制造的装置，该装置是可定制的、平坦的、柔性的，并且具有与液体电解质关联的高性能特性。

发明内容