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CN112997349B - 用于电化学电池的封闭件 - Google Patents

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Abstract

一种用于电化学电池的气密密封件。密封件形成在第一导电屏障构件与第二导电屏障构件之间。密封件是通过在第一屏障构件与第二屏障构件之间的冷焊形成的。第一屏障构件和第二屏障构件中的至少一个配置为用作集电器。

Description

用于电化学电池的封闭件
相关申请的交叉引用
本申请涉及并要求于2018年11月7日提交的名称为“ENCLOSURES FORELECTROCHEMICAL CELLS”的共同拥有、共同待审的美国临时专利申请序列号62/756,959的权益，其全部内容通过引用并入本文。
技术领域
本发明涉及用于电化学电池以及更具体地电池和电化学双层电容器的改进的封装。
背景技术
对每重量和体积储存更多能量的电化学储能系统存在巨大需求。其中，对于用于个人电子器件、生物医学应用和其他技术的较小储储能装置而言，每体积所存储的能量的量明显更重要。优化储能装置的体积的大部分努力集中在活性材料上，特别是在锂电池的情况下。已经开发出传递大得多程度的能量的新的正极和负极材料。考虑到这种开发，对于更小的电池，特别是那些小于1-10Ah的电池，对社群的影响小于预期。对整个电池能量密度的影响低于预期的重要原因在于电池技术的封装效率低下。包括锂电池在内的所有高能电池技术都需要在化学物质和环境大气之间使用气密或接近气密的屏障。
在容量小于10Ah的电池技术的空间中，制造了三种主要类型的准气密电池。这些是圆柱形、棱柱形和薄袋型电池。所有这些通过引用并入，详细描述于第3版Handbook ofBatteries(电池手册)的第35章中。(参见Linden,David,and Reddy,Thomas B.,eds.Handbook of Batteries 3rd ed.New York:McGraw Hill,2002.35.31-35.34 and35.71-35.74)。
圆柱形电池由预焊接的或在一些情况下通过成形工艺拉制的金属罐组成。卷绕的电化学电池堆(在下面定义)通常用在这种电池中，并且体积有效的顶盖密封在电池上。圆柱形电池具有寥寥无几的与形成气密的或接近气密的密封件相关的多余体积。遗憾的是，当并入棱柱形空间内时，圆柱形电池在设计上不是体积有效的。此外，圆柱形电池由于其圆形横截面而不能有效地组装在一起。
棱柱形电池通常通过通常由铝组成的罐的深拉工艺形成。棱柱形电池还非常有效地利用了体积，因为与形成气密的或接近气密的密封件相关的体积也寥寥无几。遗憾的是，由于两个原因，这些电池对于需要薄的、即小于几毫米厚的电池的应用是不理想的。第一个原因是为电池堆形成的空隙(void)的厚度受到制作工艺的限制，第二个原因是用于封装壁的材料厚度受到机械限制。
工业上已开发出通过使用第三种途径——袋型构造来制作小于几毫米厚的电池的解决方案。这种电池使用柔性多层材料作为封装材料，其通常为150-200μm厚，如描述于Jansen，A.N.等人的“Low-Cost Flexible Packaging for High-Power Li-Ion HEVBatteries(用于大功率锂离子HEV电池的低成本柔性封装)”(参见Jansen,A.N.,K.Amine,and G.L.Henriksen.Low-Cost Flexible Packaging for High-Power Li-Ion HEVBatteries.United States:N.p.,2004.Web.doi:10.2172/828774.)中的那些。在封装内使用了与圆柱形和棱柱形电池中使用的电化学电池堆在组成上类似但在形状形式上并不类似的电化学电池堆。
如本文所定义，“电化学电池堆”由正集电器、附接至正集电器的正极、多孔分隔物和负极、附接至负集电器的负极组成。液态或固态电解质分散在正极、负极和分隔物内。在固态电解质的情况下，如果电解质本身在机械上能够保持正极和负极之间的分离，则电解质本身可用作分隔物。电池堆的部件彼此接触或物理结合。正极通常由活性正极材料以及碳和合适的粘合剂组成。负极可以是负极活性材料、碳和粘合剂的组合物。或者，负极可以包括金属。对于锂电池而言，正活性电极材料可包含原子层状的过渡金属氧化物，诸如LiCoO2，LiNiO2，或包含第一行过渡金属和Al以以各种比例替代Co或Ni的其他层状材料。其他正极包括但不限于：LiMn2O4基尖晶石，其在相对于Li/Li+约4V下运行；和Mn基尖晶石，诸如LiMn1.5Ni0.5O4，其在相对于Li/Li+接近4.7的较高电压下运行；以及金属氟化物电极，诸如基于FeF2、FeF3、BiF3和形成纳米复合材料的相关成分的那些。参见，例如，Amatucci,G.G.and Pereira,N.“Fluoride based electrode materials for advanced energystorage devices.”Journal of Fluorine Chemistry 128(2007):243-262，其全部内容通过引用并入本文。
用于锂电池的负活性电极材料可包括石墨、硬碳、焦炭和金属合金，特别是包含Si、Al和Ge的那些。例如，参见Zhang,W.“A review of the electrochemical performanceof alloy anodes for lithium-ion batteries.”Journal of Power Sources 196(2011):13-24，和Huggins,Robert A.“Chapter 18.”Energy Storage.New York:Springer(2010)，两者的全部内容通过引用均并入本文。加入诸如炭黑、石墨、碳纳米管和石墨烯的碳添加剂来提高导电性。锂金属可用于锂金属电池的情况。粘合剂可以包含聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚(偏二氟乙烯-共-六氟丙烯)(PVDF-HFP)、纤维素、聚四氟乙烯(PTFE)、聚丙烯腈(PAN)、聚(环氧乙烷)(PEO)、苯乙烯-丁二烯橡胶(SBR)或其他。锂和锂离子电池及电池组详细讨论于：Tarascon,J.M.,and M.Armand.“Issues and Challenges FacingRechargeable Lithium Batteries.”Nature Magazine 414(2001):359-67和Scrosati,B.,and J.Garche.“Lithium Batteries:Status,Prospects and Future.”Journal ofPower Sources 195(2010):2419-430，两者的全部内容通过引用均并入本文。提供了完成电极结合以形成电化学电池堆的合适方法(图3中的“12”)，例如但不限于，Tarascon,J.M.,et al.“Performance of Bellcore's Plastic Rechargeable Li-ion Batteries.”SolidState Ionics86-88(1996):49-54，和Armand,M.(2001)(在上文中被引用)和Stephan,A.M.“Review on Gel Polymer Electrolytes for Lithium Batteries.”European PolymerJournal 42(2006):21-42，两者的全部内容通过引用均并入本文。
将电池堆放置在多层封装材料内。典型地，这种封装由内部热塑性密封剂(诸如聚烯烃或酸改性的聚烯烃)、薄金属屏障和赋予对机械损伤的鲁棒性的外部聚合物涂层组成。遗憾的是，由于两个原因，这种封装材料仍然体积效率极低。第一个原因是这种封装非常厚，通常超过100至300微米。因此，封装代表了几毫米厚的电池的横截面厚度的重要部分。第二个原因是，为了在电化学电池周围形成袋，封装必须在至少三侧上进行密封。由于密封件的机械完整性和保持准气密性所需的长路径长度这两个原因，密封件需要保持超过几毫米的相对宽的宽度。关于后者，整个封装含有赋予接近气密性质的金属膜，但密封件具有聚合物内层。该内层对电解质溶剂移出封装和水进入封装提供有限的阻力。为了限制溶剂和水的转移，密封件的路径长度必须足够宽，以确保电化学电池的长期可行性，因为没有聚合物是真正气密的。袋型电池对于较薄的形式应用是有效的，但遗憾的是，对于解决小尺寸(footprint)电池的能量需求的进一步改进存在重大障碍。这些障碍包括但不限于封装厚度、密封件宽度和气密性，其各自在下文进行讨论。
封装厚度：如上所讨论的，工业标准的多层封装包含三层：内热塑性结合层、保持气密屏障的内金属膜和赋予机械鲁棒性的外隔绝层。这些层共同形成100-300微米厚的多层结构。
密封件宽度：密封件宽度为3-6mm宽，取决于电池的面积尺寸(areal footprint)，这进一步减小了电化学电池的可用体积并减小了可用容量，而超出的容量已经被封装厚度所减小。
气密性：密封件提供了电解质溶剂离开电池和水进入电池的路径，因为在多层封装中没有聚合物密封件是真正气密的。
从上述可以清楚看出，小薄、高容量电化学电池的可行途径受到封装的限制。对于薄而小的电池而言，在封装中使用的厚的多层膜和宽的热密封件的组合将可以分配给电化学电池的体积％严格限制为远低于50％。
发明内容
所描述的发明涉及用于电化学电池，特别是非水性电化学电池的封闭件(enclosure)。更具体地，本发明涉及一种电化学储能电池，其包括：电化学电池，其包括正极、分隔物/电解质和负极；导电屏障，其配置为包围和封闭电化学电池，建立气密性并且在优选配置中建立起充当正极和负极的分隔集电器的能力，屏障包含第一导电屏障构件和第二导电屏障构件；其中第一导电屏障构件包括结合至正极的第一中央部分和远离正极延伸的第一周边部分；其中第二导电屏障构件包括结合至负极的第二中央部分和远离负极延伸的第二周边部分；以及冷焊密封件，其形成在第一周边部分与第二周边部分之间；以及无机隔绝膜，其设置在第一周边部分与第二周边部分之间，邻近冷焊密封件，其中膜具有将两个导电屏障电气隔离的电阻特性。
如本文所定义的，并且不受理论的束缚，“冷焊”是在待结合的两种材料之间的界面处添加延性金属(ductile metal)的工艺。在有或没有温和加热的情况下施加压力时，延性金属的天然氧化物分解，使得能够快速结合至两种材料上，形成气密结合。
在一些实施方案中，第一导电屏障构件和第二导电屏障构件中的至少一个被配置为用作正极和/或负极的集电器。
在一些实施方案中，冷焊密封件由金属形成。
在一些实施方案中，金属具有在30℃至300℃的范围的熔融温度。
在一些实施方案中，金属选自由铟、镓、铅、锡、银和锂组成的组。
在一些实施方案中，冷焊密封件具有在0.05mm和1mm之间的宽度。
在一些实施方案中，冷焊密封件具有在0.05mm和0.5mm之间的宽度。
在一些实施方案中，冷焊密封件具有在0.1mm和0.25mm之间的宽度。
在一些实施方案中，无机隔绝膜包括氧化物、氟化物、硼酸盐、磷酸盐或氮化物中的至少一种。
在一些实施方案中，无机隔绝膜是氧化物。
在一些实施方案中，无机隔绝膜具有在100nm与5,000nm之间的厚度。
在一些实施方案中，冷焊密封件包括在75％和100％之间的电化学电池的外部密封件。
在一些实施方案中，第一导电屏障构件包括Al、Au、Pt、Fe、Ag、Bi、Pd、不锈钢和Ti中的至少一种。
在一些实施方案中，第二导电屏障构件包括Ni、Cu、Ta、Mo、Al、Mg、Zn、不锈钢和Ti中的至少一种。
在一些实施方案中，电化学储能电池包括设置在正极负极之间的多孔分隔物。
在一些实施方案中，电化学储能电池包括分散在正极、负极和多孔分隔物内的液态电解质或固态电解质中的一种。
在一些实施方案中，正极包含活性正极材料、碳和粘合剂。
在一些实施方案中，负极包含活性负极材料、碳和粘合剂。
在一些实施方案中，第一导电屏障构件和第二导电屏障构件中的至少一个包括多功能金属箔。
在一些实施方案中，多功能金属箔具有10微米至40微米的厚度。
在一些实施方案中，电化学电池具有0.00001Ah至10Ah的容量。
在一些实施方案中，电化学电池是锂离子电池。
在一些实施方案中，电化学电池是锂电池。
在一些实施方案中，电化学电池是电化学双层电容器。
在一些实施方案中，电化学电池是氟离子电池。
在一些实施方案中，电化学电池是镁电池。
本发明解决了袋型、圆柱形和棱柱形电池的所有上述有害属性，特别是当应用于诸如电化学双层电容器或电池的薄、小形式的电化学电池时。本发明涉及由非常有效的使用的箔封装组成的电化学电池，特别是用于电池厚度小于5mm的电化学电池。电化学电池的一个独特方面是箔封装也是负集电器和正集电器。电池的电极电结合至箔。多功能屏障/集电器具有额外的优点，因为集电器片不必在单独的馈通件(feedthrough)(其消耗了相当大的体积，特别是在小电池中)中穿过封装。多功能屏障/集电器的箔围绕电池的周边略微延伸，并且箔通过“冷焊”密封以产生气密的金属与金属的结合。密封件体现了本发明的焦点。具体的发明涉及密封件的组成和结构。本创新实现了通过窄尺寸的金属冷焊实现的完全气密密封件的产生，金属冷焊通过隔绝膜在正负多功能屏障之间电隔绝。此外，选择用于焊接的金属能够在低温下建立这样的密封件，而不会损坏包含在其中的电化学电池。
在一个实施方案中，本发明的电化学电池包括电化学电池堆。这种堆具有大多数电池和电化学双层电容器通用的一般形式。
在一个实施方案中，本发明的多功能屏障/集电器是多功能金属箔。金属箔不仅充当气密屏障，并且充当用于正极和负极的集电器。正多功能集电器与正极结合。负多功能集电器与负极结合。这两个多功能集电器被密封在一起以形成气密密封件，而不会导致两个箔处于会使电化学电池电短路的电接触。
附图说明
图1是电化学电池封闭件的示例性实施方案的俯视图。
图2是图1的电化学电池封闭件沿着其线2-2截取的截面视图。
图3是图2的电化学电池封闭件在其方框3中的详细截面视图。
具体实施方式
本发明涉及一种用于电化学储能电池的封闭件。在一些实施方案中，电化学储能电池是电池或电化学双层电容器。在电化学储能电池是电池的一些实施方案中，它可以是锂金属或锂离子电池。
在一些实施方案中，电化学电池具有在0.00001Ah和10Ah之间的容量。在其他实施方案中，电化学电池具有在0.0001Ah和10Ah之间的容量。在其他实施方案中，电化学电池具有在0.001Ah和10Ah之间的容量。在其他实施方案中，电化学电池具有在0.01Ah和10Ah之间的容量。在其他实施方案中，电化学电池具有在0.1Ah和10Ah之间的容量。在其他实施方案中，电化学电池具有在1Ah和10Ah之间的容量。
在一些实施方案中，电化学电池具有在0.00001Ah和1Ah之间的容量。在其他实施方案中，电化学电池具有在0.00001Ah和0.01Ah之间的容量。在其他实施方案中，电化学电池具有在0.00001Ah和0.001Ah之间的容量。在其他实施方案中，电化学电池具有在0.00001Ah和0.001Ah之间的容量。在其他实施方案中，电化学电池具有在0.00001Ah和1Ah之间的容量。
在一些实施方案中，电化学电池具有在0.00001Ah和0.0001Ah之间的容量。在其他实施方案中，电化学电池具有在0.0001Ah和0.001Ah之间的容量。在其他实施方案中，电化学电池具有在0.001Ah和0.01Ah之间的容量。在其他实施方案中，电化学电池具有在0.01Ah和0.1Ah之间的容量。在其他实施方案中，电化学电池具有在0.01Ah和0.5Ah之间的容量。
在一些实施方案中，电化学储能电池具有在0.02mm和10mm之间的厚度。在其他实施方案中，电化学储能电池具有在0.1mm和10mm之间的厚度。在其他实施方案中，电化学储能电池具有在1mm和10mm之间的厚度。在其他实施方案中，电化学储能电池具有在5mm和10mm之间的厚度。
在一些实施方案中，电化学储能电池具有在0.02mm和5mm之间的厚度。在其他实施方案中，电化学储能电池具有在0.02mm和2mm之间的厚度。在其他实施方案中，电化学储能电池具有在0.02mm和1mm之间的厚度。在其他实施方案中，电化学储能电池具有在0.02mm和0.1mm之间的厚度。
在一些实施方案中，电化学储能电池具有在5mm和10mm之间的厚度。在其他实施方案中，电化学储能电池具有在1mm和5mm之间的厚度。在其他实施方案中，电化学储能电池具有在0.1mm和0.5mm之间的厚度。在其他实施方案中，电化学储能电池具有在0.02mm和0.1mm之间的厚度。
如下面进一步讨论的，在一些实施方案中，本发明的电化学电池使用紧密地且电子地结合至电化学电池的一个或多个电极的多功能金属箔封装，其中箔封装充当集电器，并且由此节省显著的重量并且特别地节省体积。在一些实施方案中，本发明的电化学储能电池使用由“冷焊”组成的气密周边密封件。如下所讨论的，冷焊是在低温下进行的焊接。在一些实施方案中，冷焊在室温下进行。在其他实施方案中，进行冷焊的温度低于300°，如下面进一步讨论的。
在一些实施方案中，本发明的气密密封件包括在75％和100％之间的周边密封件(即，电化学电池的外部密封件)。在其他实施方案中，焊接包括在75％和95％之间的周边密封件。在其他实施方案中，焊接包括在75％和90％之间的周边密封件。在其他实施方案中，焊接包括在75％和85％之间的周边密封件。在其他实施方案中，焊接包括在75％和80％之间的周边密封件。
在一些实施方案中，本发明的气密密封件包括在80％和100％之间的周边密封件(即，电化学电池的外部密封件)。在其他实施方案中，焊接包括在85％和100％之间的周边密封件。在其他实施方案中，焊接包括在90％和100％之间的周边密封件。在其他实施方案中，焊接包括在95％和100％之间的周边密封件。
在其他实施例中，焊接包括在75％至80％的周边密封件。在其他实施方案中，焊接包括在80％和85％之间的周边密封件。在其他实施方案中，焊接包括在85％和90％之间的周边密封件。在其他实施方案中，焊接包括在90％和95％之间的周边密封件。焊接由此减小了电化学电池的总体积并提高了其长寿命鲁棒性。
在一些实施方案中，电化学储能电池的周边密封件的宽在0.02mm和5mm(5,000微米)之间。在其他实施方案中，电化学储能电池的周边密封件的宽在0.02mm和2mm之间。在其他实施方案中，电化学储能电池的周边密封件的宽在0.02mm和1.5mm之间。在其他实施方案中，电化学储能电池的周边密封件的宽在0.02mm和0.5mm之间。在其他实施方案中，电化学储能电池的周边密封件的宽在0.02mm和0.25mm之间。在其他实施方案中，电化学储能电池的周边密封件的宽在0.02mm和0.1mm之间。
在一些实施方案中，电化学储能电池的周边密封件的宽在0.1mm和5mm之间。在其他实施方案中，电化学储能电池的周边密封件的宽在0.5mm和5mm之间。在其他实施方案中，电化学储能电池的周边密封件的宽在1mm和5mm之间。在其他实施方案中，电化学储能电池的周边密封件的宽在1.5mm和5mm之间。在其他实施方案中，电化学储能电池的周边密封件的宽在2mm和5mm之间。在其他实施方案中，电化学储能电池的周边密封件的宽在2.5mm和5mm(500微米)之间。在其他实施方案中，电化学储能电池的周边密封件的宽在0.05mm和0.2mm之间。
在一些实施方案中，电化学储能电池的周边密封件与电化学电池(即，电池堆)的距离在0.1mm和5mm之间。在其他实施方案中，电化学储能电池的周边密封件与电化学电池的距离在0.5mm和1mm之间。在其他实施方案中，电化学储能电池的周边密封件与电化学电池的距离在0.1mm和0.5mm之间。在其他实施方案中，电化学储能电池的周边密封件与电化学电池的距离在1.5mm和2mm之间。在其他实施方案中，电化学储能电池的周边密封件与电化学电池的距离在1mm和1.5mm之间。在其他实施方案中，电化学储能电池的周边密封件与电化学电池的距离在1mm和2mm之间。在其他实施方案中，电化学储能电池的周边密封件与电化学电池的距离在0.05mm和2mm之间。
本发明的关键发明实施方案涉及气密密封件的具体方面。密封件结构包含(1)两个多功能金属箔屏障集流器，其中至少一个屏障内表面含有无机隔绝体的表面膜；以及(2)添加至两个多功能金属箔屏障中的一个或两个的表面以将其结合在一起的金属。
在一些实施方案中，多功能金属箔屏障是无孔的，并且与它所关联的电化学电池的正极或负极电化学稳定。在一些实施方案中，无机隔绝体可由作为单独的膜应用的氧化物、氟化物、硼酸盐、磷酸盐或氮化物形成。在其他实施方案中，屏障的基础金属转化成无机隔绝体。在后一实施方案中，无机隔绝体将总是具有与多功能金属箔屏障相同的化学元素。在一些实施方案中，可以通过适当暴露于氧化、氟化和氮化气体，化学或电化学处理(诸如阳极化)来进行从屏障/集电器的基础金属转化成无机隔绝体。铝的阳极化用作后者的实例。
在一些实施方案中，添加到两个多功能金属箔屏障中的一个或两个的表面的金属是在非常低的温度下通过施加压力或压力和中等温度而结合至屏障的相对表面的金属。在一些实施方案中，金属具有在30℃和300℃之间的熔融温度。在其他实施方案中，金属具有在100℃和300℃之间的熔融温度。在其他实施方案中，金属具有在150℃和300℃之间的熔融温度。在其他实施方案中，金属具有在200℃和300℃之间的熔融温度。在其他实施方案中，金属具有在250℃和300℃之间的熔融温度。
在一些实施方案中，金属具有在30℃和250℃之间的熔融温度。在其他实施方案中，金属具有在30℃和200℃之间的熔融温度。在其他实施方案中，金属具有在30℃和150℃之间的熔融温度。在其他实施方案中，金属具有在30℃和100℃之间的熔融温度。
在其他实施方案中，金属具有在150℃和200℃之间的熔融温度。在其他实施方案中，金属具有在100℃和150℃之间的熔融温度。在其他实施方案中，金属具有在150℃和250℃之间的熔融温度。在其他实施方案中，金属具有在200℃和250℃之间的熔融温度。在其他实施方案中，金属具有在30℃和150℃之间的熔融温度。
在一些实施方案中，金属对两个表面都具有良好的结合性能。在一些实施方案中，金属经由“冷焊”工艺来充分结合，其中仅需要压力并且不需要额外的热量来实现两个相对表面之间的结合。在各种实施方案中，金属是以下金属中的至少一种：铟、镓、铅、锡、银或锂。
图1-3示出了电化学电池组件10的示例性实施方案，其包括电化学电池12(即，电化学电池堆)和包围电化学电池12的屏障或封闭件14。在实施方案中，电化学电池12包括正极16、负极18和设置在正极16和负极18之间的多孔分隔物或固态电解质20(参见图2和图3)。在一些实施方案中，这些元件彼此结合。在一些实施方案中，结合可以通过机械或化学途径引起。在一些实施方案中，结合将由热能和压力引起，使得热塑性聚合物能够在各个元件之间熔融结合。在一些实施方案中，在可选实施方案中，正极16和负极18的相对位置可以颠倒。
在一些实施方案中，液态或固态电解质分散在正极16、负极18和多孔分隔物20内。在固态电解质的情况下，如果电解质保持正极16和负极18之间的电气隔离是机械上可行的同时仍保持可行的离子导电性，则电解质本身可用作分隔物。
在一些实施方案中，正极16包括活性正极材料以及碳和合适的粘合剂。在一些实施方案中，负极18可以具有活性负极材料、碳和粘合剂的类似组成。在可选实施方案中，负极18由金属形成。在一些实施方案中，对于锂电池而言，锂电池的正活性电极材料可包含层状过渡金属氧化物，诸如LiCoO2,LiNiO2，或包含第一行过渡金属和Al以以各种比例替代Co或Ni的其他层状材料。其他示例性正极包括但不限于：LiMn2O4基尖晶石，其在相对于Li/Li+约4V运行；和Mn基尖晶石，诸如LiMn1.5Ni0.5O4，其在相对于Li/Li+接近4.7的较高电压下运行；以及金属氟化物电极，诸如基于FeF2、FeF3、BiF3和形成纳米复合材料的相关成分的那些。在一些实施方案中，用于锂电池的负活性电极材料由石墨、硬碳、焦炭和金属合金组成，特别是由Si、Al和Ge组成的那些。在一些实施方案中，锂金属可用于锂金属电池的情况。在一些实施方案中，加入诸如炭黑、石墨、碳纳米管和石墨烯的碳添加剂来提高导电性。在一些实施方案中，粘合剂可以包括PVDF、PVDF-HFP、纤维素、PTFE、PAN、PEO、SBR或其他，如在上述出版物中所讨论和参考的。
继续参考图2和3，在一些实施方案中，屏障14包括第一导电屏障构件22和第二导电屏障构件24。在这些实施方案中，第一屏障构件22包括结合至正极16的第一中央部分26和远离正极16延伸并且不与正极接触的第一周边部分28。在一些实施方案中，电化学电池组件10包括设置在正极16和/或分隔物20和/或负极18与第一屏障构件22的第一周边部分28之间的边缘电隔绝体30。在一些实施方案中，第二屏障构件24包括结合至负极18的第二中央部分32和远离负极18延伸并且不与负极接触的第二周边部分34。在一些实施方案中，边缘隔绝体30也设置在负极18与第二屏障构件24的第二周边部分34之间。
在一些实施方案中，封闭件14的第一屏障构件22和第二屏障构件24中的一个或两个也用作集电器。在一些实施方案中，结合至正极16的第一屏障构件22用作正集电器，并且结合至负极18的第二屏障构件24用作负集电器。
在一些实施方案中，第一屏障构件22和第二屏障构件24由多功能金属箔形成。金属箔不仅充当气密屏障，而且充当用于正极16和负极18的集电器。第一屏障构件22构成与正极16结合的正多功能集电器。第二屏障构件24构成与负极18结合的负多功能集电器。屏障构件/多功能集电器22、24密封在一起以形成气密密封件，但不会使屏障构件22、24的两个箔彼此电接触，所述电接触将使电化学电池12短路。
如果金属箔用作锂电池中的负集电器，则Ni、Cu、Ta、Mo、Mg、Zn和Ti以及它们各自的合金是箔的化学组成的示例性实例。如果金属箔用作正集电器，则箔的化学组成的示例性实例包括诸如Al、Au、Bi、Ag、Fe、Pt、Pd和Ti的金属。10-40微米厚的箔比典型的多层封装的厚度薄约一个数量级。
在一些实施方案中，通过压制或真空成型来模制屏障14(即，第一屏障构件22和第二屏障构件24)，以形成空腔(well)、盘或杯或用于在其中接收电化学电池12的其他合适形状的容器。
如上所述，在一些实施方案中，屏障14的第一屏障构件22的第一中央部分26完全地或部分地附接至正极16，并且第二屏障构件24的第二中央部分32完全地或部分地附接至负极18。在各种实施方案中，使用各种酸改性的聚合物将第一屏障构件22和第二屏障构件24结合至相应的正极16和负极18。在一些实施方案中，这些聚合物可以放置在屏障构件22、24(例如，形成屏障构件的箔)或电极16、18上。在这些实施方案中，这些聚合物的酸基团与箔屏障22、24的表面上的天然氧化物反应以在热和压力下产生结合。在一些实施方案中，这种聚合物可以与诸如碳的导电添加剂混合以改善集电器封装与电极之间的导电性。此类聚合物的实例包括但不限于EB-20(Acheson)和ADX(Arkema)。EB-20是酸改性的聚烯烃，ADX是酸改性的PVDF均聚物或共聚物。
在可选实施方案中，例如，如果电化学电池堆组件12被卷绕或折叠在本发明的封装内，则正和负集电器被包括在电化学电池堆组件12内。在这种情况下，在一些实施方案中，并入电化学组件12内的金属集电器可以直接焊接或电环氧化(electronicallyepoxied)至其相应的正或负多功能屏障/集电器的内表面上。在一些实施方案中，焊接可以是通过热焊接、超声波焊接或电阻焊接。
在一些实施方案中，在将电解质添加至电化学电池组件10之后，将第一和第二屏障构件22、24彼此密封(即，在它们各自的周边部分28、34处密封)，以产生防止湿气或空气侵入电化学电池12中的气密屏障。为了使在区域28/34中形成的基于金属的气密密封件保持电隔绝，分别在28和24的区域中的屏障22和24的内表面中的至少一个必须在其上具有无机电隔绝膜(22上的涂层的实例显示为图3中的38)。无机电阻膜可以包括电隔绝金属氧化物、氟化物、硼酸盐、磷酸盐或氮化物。在一些实施方案中，无机隔绝膜的厚度在100nm和10,000nm之间。在其他实施方案中，无机隔绝膜的厚度在500nm和10,000nm之间。在其他实施方案中，无机隔绝膜的厚度在1,000nm和10,000nm之间。在其他实施方案中，无机隔绝膜的厚度在2,000nm和10,000nm之间。在其他实施方案中，无机隔绝膜的厚度在5,000nm和10,000nm之间。在其他实施方案中，无机隔绝膜的厚度在7,000nm和10,000nm之间。在其他实施方案中，无机隔绝膜的厚度在9,000nm和10,000nm之间。在其他实施方案中，无机隔绝膜的厚度在1,000nm与8,000nm之间。
在其他实施方案中，无机隔绝膜的厚度在500nm和8,000nm之间。在其他实施方案中，无机隔绝膜的厚度在500nm与6,000nm之间。在其他实施方案中，无机隔绝膜的厚度在500nm和4,000nm之间。在其他实施方案中，无机隔绝膜的厚度在500nm和2,000nm之间。在其他实施方案中，无机隔绝膜的厚度在500nm与1,000nm之间。
在其他实施方案中，无机隔绝膜的厚度在1,000nm和8,000nm之间。在其他实施方案中，无机隔绝膜的厚度在1,000nm和2,000nm之间。在其他实施方案中，无机隔绝膜的厚度在2,000nm和4,000nm之间。在其他实施方案中，无机隔绝膜的厚度在4,000nm与6,000nm之间。在其他实施方案中，无机隔绝膜的厚度在6,000nm与8,000nm之间。在其他实施方案中，无机隔绝膜的厚度在8,000nm与9,000nm之间。
在一些实施方案中，将低熔融温度金属放置在分别在28和24的区域中的第一屏障构件22和第二屏障构件24的一个或两个相对面/密封表面(在一侧示出，“36”。在图3中)。在各种实施方案中，金属是铟、银、铅、镓、锡和/或锂。优选将金属与电池堆12中使用的电解质隔离。然后单独地或以低热量将压力施加至第一屏障构件22和第二屏障构件24的相对面/密封表面以形成通常被称为“冷焊缝”38。在该过程中，不受理论束缚，延性低模量金属在压力下变形。金属表面上的薄天然氧化物涂层分解并形成新鲜金属，其立即结合至金属表面和无机隔绝表面。隔绝这产生了非常机械鲁棒性和气密的密封件，由于无机隔绝表面的存在，密封件是电隔绝的并且不会导致第一屏障构件22和第二屏障构件24(即，正反应性集电器和负反应性集电器)的表面之间的电子短路。
在一些实施方案中，形成冷焊的温度为室温。在其他实施方案中，形成冷焊的温度在-70℃和300℃之间。在其他实施方案中，形成冷焊的温度在0℃和300℃之间。在其他实施方案中，形成冷焊的温度在50℃和300℃之间。在其他实施方案中，形成冷焊的温度在100℃和300℃之间。在其他实施方案中，形成冷焊的温度在150℃和300℃之间。在其他实施方案中，形成冷焊的温度在200℃和300℃之间。在其他实施方案中，形成冷焊的温度在250℃和300℃之间。
在其他实施方案中，形成冷焊的温度在-70℃和250℃之间。在其他实施方案中，形成冷焊的温度在-70℃和200℃之间。在其他实施方案中，形成冷焊的温度在-70℃和150℃之间。在其他实施方案中，形成冷焊的温度在-70℃和100℃之间。在其他实施方案中，形成冷焊的温度在-70℃和50℃之间。在其他实施方案中，形成冷焊的温度在-70℃和0℃之间。
在其他实施方案中，形成冷焊的温度在-50℃和150℃之间。在其他实施方案中，形成冷焊的温度在0℃和250℃之间。在其他实施方案中，形成冷焊的温度在100℃和150℃之间。在其他实施方案中，形成冷焊的温度在150℃和250℃之间。在其他实施方案中，形成冷焊的温度在200℃和250℃之间。在其他实施方案中，形成冷焊的温度在-50℃和100℃之间。在其他实施方案中，形成冷焊的温度在20℃和125℃之间。
在一些实施方案中，在这种低温下制作密封件的能力使得密封件/冷焊缝38能够非常靠近电化学电池12，电化学电池包含各种极其热敏的部件，包括但不限于液体电解质、分隔物，以及在锂金属电池的情况下，锂金属本身。与多层封装电池的2-6mm宽的密封件相反，本发明的气密冷焊密封件38至少小一个数量级。在一些实施方案中，冷焊密封件具有在0.1mm和1mm之间的宽度。在其他实施方案中，冷焊密封件具有在0.25mm和1mm之间的宽度。在其他实施方案中，冷焊密封件具有在0.5mm和1mm之间的宽度。在其他实施方案中，冷焊密封件具有在0.1mm和0.5mm之间的宽度。在其他实施方案中，冷焊密封件具有在0.1mm和0.25mm之间的宽度。在其他实施方案中，冷焊密封件具有在0.25mm和0.5mm之间的宽度。在其他实施方案中，冷焊密封件具有在0.05mm和0.15mm之间的宽度。另外，封装厚度薄了近一个数量级，并且用作集电器。这些特性导致每体积和重量能量的电化学的极大改善。
除非另有定义，本文所用的所有技术和科学术语具有与本发明所属领域的普通技术人员通常理解的相同的含义。尽管类似于或等同于本文描述的那些方法和材料的任何方法和材料也可以用于实施或测试所描述的发明，但是现在描述示例性的方法和材料。本文提及的所有出版物均通过引用并入本文以公开和描述与引用的出版物有关的方法和/或材料。
还必须注意，如本文和所附权利要求书中所使用的，单数形式的“一个”、“一种”和“该”包括复数对象，除非上下文另外明确指明。本文使用的所有技术和科学术语具有相同的含义。
本文讨论的出版物仅仅针对它们在本申请的申请日之前的公开内容而提供。本文中的任何内容不应被解释为承认所述发明无权凭借在先发明而先于此类出版物。此外，所提供的出版日期可能与实际出版日期不同，这可能需要独立确认。
本领域技术人员应当理解，在不偏离本发明的真实旨意和范围的情况下，可以进行各种改变并且可以替换等同物。此外，可以进行许多修改以使特定情况、材料、物质组成、工艺、工艺步骤或步骤适应于所描述的发明的目的、旨意和范围。所有这些修改都在所附权利要求的范围内。
提供以下实施例以进一步阐述各种非限制性实施方案和技术。然而，应当理解，这些实施例是示例性的，并不限制权利要求的范围。对于本领域技术人员显而易见的是，许多变化和修改旨在被包括在本发明的旨意和范围内。本申请中引用的所有参考文献和专利通过引用整体并入本文。
实施例
提出以下实施例以向本领域普通技术人员提供如何制备和使用所描述的发明的完整公开内容和描述，并且不旨在限制发明人认为的其发明的范围，也不旨在表示以下实验是所进行的全部或唯一的实验。已经努力确保对于所使用的数字(例如量，温度等)的准确性，但是应当考虑一些实验误差和偏差。除非另有说明，份数为重量份，分子量为重均分子量，温度为摄氏度，并且压力为大气压或接近大气压。
实施例：用于电化学电池的封闭件的制作
进一步参考图1-3。首先，制作电化学电池堆12。
屏障14的第一屏障构件22的盘结构由铝制作，并且第二屏障构件24由不锈钢(即，多功能箔)制作。盘状结构得自箔的形成过程。“盘”是电池堆位于其中的结构。在一些实施方案中，“盘结构”可以由第一屏障构件22和第二屏障构件24形成，如图中所示。可替代地，在其他实施例中，“盘结构”仅由屏障构件中的一个上形成。在这些实施方案中，盘结构具有足够大以容纳电化学电池12的深度，并且第二/相对的屏障构件是平顶盖。
屏障构件22在密封区域28处被阳极氧化，在密封件的周边部分的内表面上产生大约2000nm的氧化物的隔绝无机膜38，然后该隔绝无机膜围绕密封件的整个周边延伸。隔绝无机膜38具有大约500微米的宽度。
在与隔绝无机膜38相对的第二屏障构件24的第二周边部分34的内表面上在整个周边处放置诸如铟的低熔融温度金属。该金属层具有约250微米的宽度。
通过将电池堆12热压至涂覆在第二中央部分32的区域中的第二屏障构件24的内表面上的导电的粘性聚烯烃来将电池堆12粘附在一起。
然后向电化学电池堆12中加入液体电解质。
通过使用在第一中央部分26的区域中的第一屏障构件22的内表面上的导电的粘性聚烯烃涂层，将第一屏障构件热压至电池堆12。
然后向靠近隔绝无机膜38和金属36的第一周边部分28和第二周边部分34施加周边压力，以便形成气密的冷焊密封件。
然后完成封闭的电化学电池10。
虽然所描述的发明已经参考其具体实施方案进行了描述，但是本领域技术人员应当理解，在不偏离本发明的真实旨意和范围的情况下，可以进行各种改变并且可以替换等同物。此外，可以进行许多修改以使特定情况、材料、物质组成、工艺、工艺步骤或步骤适应于所描述的发明的目的、旨意和范围。所有这些修改都在所附权利要求的范围内。本说明书中引用的所有出版物和专利均通过引用整体并入本文。

Claims (22)

1.一种电化学储能电池，其包括：
电化学电池，其包括正极和负极；
导电屏障，其配置为包围并且封闭所述电化学电池，所述导电屏障包括第一导电屏障构件和第二导电屏障构件，其中所述第一导电屏障构件和所述第二导电屏障构件中的至少一个被配置为用作集电器；
其中所述第一导电屏障构件包括结合至所述正极的第一中央部分和远离所述正极延伸的第一周边部分；
其中所述第二导电屏障构件包括结合至所述负极的第二中央部分和远离所述负极延伸的第二周边部分；和
冷焊密封件，其形成在所述第一周边部分与所述第二周边部分之间，其中所述冷焊密封件由金属形成，所述金属是以下金属中的至少一种：铟、镓、铅、锡、银或锂，并且其中所述金属具有在30℃至300℃的范围的熔融温度；和
无机隔绝膜，其布置在所述第一周边部分或所述第二周边部分与所述冷焊密封件之间，
其中所述无机隔绝膜具有将所述第一导电屏障构件和所述第二导电屏障构件电气隔离的电阻特性。
2.根据权利要求1所述的电化学储能电池，其中所述冷焊密封件具有在0.050mm与1mm之间的宽度。
3.根据权利要求1所述的电化学储能电池，其中所述冷焊密封件具有在0.075mm与0.5mm之间的宽度。
4.根据权利要求1所述的电化学储能电池，其中所述冷焊密封件具有在0.1mm与0.25mm之间的宽度。
5.根据权利要求1所述的电化学储能电池，其中所述无机隔绝膜包括金属氧化物、氟化物、磷酸盐或氮化物中的至少一种。
6.根据权利要求1所述的电化学储能电池，其中所述无机隔绝膜是氧化物。
7.根据权利要求1所述的电化学储能电池，其中所述无机隔绝膜具有在100nm与8,000nm之间的厚度。
8.根据权利要求1所述的电化学储能电池，其中所述冷焊密封件包括在75％与100％之间的所述电化学电池的外部密封件。
9.根据权利要求1所述的电化学储能电池，其中所述第一导电屏障构件包括Al、Au、Pt、Fe、Ag、Bi、Pd、不锈钢和Ti中的至少一种。
10.根据权利要求1所述的电化学储能电池，其中所述第二导电屏障构件包括Ni、Cu、Ta、Mo、Mg、Zn、Al、不锈钢和Ti中的至少一种。
11.根据权利要求1所述的电化学储能电池，还包括布置在所述正极与所述负极之间的多孔分隔物。
12.根据权利要求11所述的电化学储能电池，还包括分散在所述正极、所述负极和所述多孔分隔物内的液态电解质或固态电解质中的一种。
13.根据以上权利要求中任一项所述的电化学储能电池，其中所述正极包含活性正极材料、碳和粘合剂。
14.根据权利要求1所述的电化学储能电池，其中所述负极包含活性负极材料、碳和粘合剂。
15.根据权利要求1所述的电化学储能电池，其中所述第一导电屏障构件和所述第二导电屏障构件中的至少一个包括配置为充当气密屏障和集电器的多功能金属箔。
16.根据权利要求15所述的电化学储能电池，其中所述多功能金属箔具有10微米至40微米的厚度。
17.根据权利要求1所述的电化学储能电池，其中所述电化学电池具有0.0001Ah至10Ah的容量。
18.根据权利要求1所述的电化学储能电池，其中所述电化学电池是锂离子电池。
19.根据权利要求1所述的电化学储能电池，其中所述电化学电池是锂电池。
20.根据权利要求1所述的电化学储能电池，其中所述电化学电池是电化学双层电容器。
21.根据权利要求1所述的电化学储能电池，其中所述电化学电池是氟离子电池。
22.根据权利要求1所述的电化学储能电池，其中所述电化学电池是镁电池。
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