專利名稱：能量存儲裝置及其電池構(gòu)造的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明可包括涉及一種用作熔鹽電化學電池的物品的實施例。本 發(fā)明可包括這樣的實施例，其涉及一種使用電化學電池的方法，并涉 及一種包括這種電化學電池的能量存儲裝置。
背景技術(shù)：
當前可獲得各種可充電的蓄電池和化學蓄電池。鈉/硫(NaS)和鋰/ 硫(LiS)蓄電池是兩種商業(yè)上可獲得的熔鹽蓄電池。所生產(chǎn)的第一商業(yè) 蓄電池是鈉/硫蓄電池，其具有用于正極的液態(tài)硫和用于隔離器的P -氧化鋁隔離電解質(zhì)(BASE)的陶瓷管。在典型地在這種蓄電池中發(fā)現(xiàn)的 苛刻的化學環(huán)境中，絕緣體的腐蝕可能是難以解決的。這可能導(dǎo)致絕 緣體逐漸地變成導(dǎo)電的，從而提高了自放電率。
可能期望的是有一種熔鹽電化學電池，其具有與目前可獲得的那 些電化學電池不同的化學性質(zhì)?？赡芷谕氖怯幸环N與目前可獲得的 那些方法不同的能量存儲裝置?？赡芷谕氖怯幸环N與目前可獲得的 那些裝置不同的能量存儲裝置。

發(fā)明內(nèi)容
在一個實施例中，提供了一種物品，其包括具有第一表面和第二 表面的隔離器，第一表面限定了第一室的至少一部分，并且笫二表面 限定了第二室。第一室與第二室通過隔離器而成離子連通。陰極材料
與隔離器成電氣連通，并能夠形成金屬卣化物。在第一室或第二室的 至少其中一個室中設(shè)置了一種支撐結(jié)構(gòu)。該支撐結(jié)構(gòu)是電傳導(dǎo)的，并
與集電器成電氣連通。陰極材料被支撐于支撐結(jié)構(gòu)的表面上。
本發(fā)明的實施例還提供了一種包括該物品的能量存儲裝置和能量管理系統(tǒng)。本發(fā)明提供了一種制造和/或使用該物品的方法。


圖l是本發(fā)明一個實施例的透視圖。
圖2A是本發(fā)明一個實施例的示意性的橫截面?zhèn)纫晥D。 圖2B是圖2A結(jié)構(gòu)的示意性的橫截面頂視圖。 圖3A-3J形成了用于本發(fā)明實施例中的設(shè)計陣列。 圖4顯示了在以100mA/cm2電流強度熔化的ZnCl2:NaCl中鍍Zn 的RVC泡沫的充電曲線圖。
具體實施例方式
本發(fā)明可包括涉及一種用作熔鹽電化學電池的物品的實施例.本 發(fā)明可包括這樣的實施例，其涉及一種使用電化學電池的方法，并涉 及一種包括這種電化學電池的能量存儲裝置。
在一個實施例中，提供了一種物品，其包括具有第一表面和第二 表面的隔離器，第一表面限定了第一室的至少一部分，并且第二表面 限定了第二室。第一室與第二室通過隔離器而成離子連通。陰極材料 與隔離器成電氣連通，并能夠形成金屬卣化物。在第一室或第二室的 至少其中一個室中設(shè)置了一種支撐結(jié)構(gòu)。陰極材料被支撐于支撐結(jié)構(gòu) 的表面上。
合適的隔離器可具有依賴于應(yīng)用的各種幾何形狀。例如，某些隔 離器可以是大致平坦的，或者可具有圓頂形或凹陷形的幾^f可形狀。平 坦的、圓頂形或凹陷形幾何形狀可用于按^L式蓄電池中。其它隔離器 可以是波浪形、波紋狀或網(wǎng)狀的。還有一些其它隔離器可以是圓柱形、 球形、橢圓形、圓錐形、任何其它合適的幾何形狀或其任意組合。某 些隔離器可以是閉合面，但其它隔離器可能包括與可用于閉合表面的 結(jié)構(gòu)相結(jié)合的開口面。例如，在一個實施例中，隔離器可以是大致圓 柱形的，并且具有一個或多個開口端。然而，開口端可對外殼或蓋子密封，并因此可保持第一室和第二室之間的隔離.進一步參照隔離器， 其可具有垂直于軸線的橫截面輪廓，該橫截面輪廓為矩形、橢圓形、 三角形、多邊形、十字形或星形。作為備選，橫截面輪廓可以是苜蓿 葉形、圓形或方形。因為該輪廓可根據(jù)形成橫截面切片的位置而不同， 所以隔離器可基于切片位置而具有兩個或更多個橫截面輪廓。
隔離器可抵抗由于熱循環(huán)、壓力差和/或振動而造成的機械損傷。 在一個實施例中，增加的機械強度是由較厚的隔離器引起的。然而， 較厚的壁可能由于增加的電阻率而導(dǎo)致性能下降。在另一實施例中， 隔離器可抵抗由于其成分上的變化、添加劑的引入、制造方法的改進 等而引起的初4戎損傷?？蛇x地，某些實施例可包括提高離子傳導(dǎo)率的 特征，例如更大的孔隙尺寸、摻雜劑和/或促進離子流動的涂層。在某 些實施例中，這些特征可補償由加強隔離器的特征所引起的傳導(dǎo)率損 耗。
隔離器可以是伸長的，并限定軸線。第一室可圍繞軸線同軸地i殳 置。隔離器可包括軸向和/或徑向地相對彼此間隔開的兩個或更多個區(qū) 域。某些實施例可包括徑向地帶和軸向區(qū)域的組合。才艮據(jù)一個實施例， 成分的濃度、存在和/或類型可連續(xù)地、不連續(xù)地或根據(jù)預(yù)定的模式從 第一軸向區(qū)域向第二軸向區(qū)域變化，或從第一徑向地帶向第二徑向地 帶變化。
與隔離器的表面相鄰的是支撐結(jié)構(gòu)，其可遠離隔離器表面而延伸
出來。支撐結(jié)構(gòu)可遠離隔離器表面而延伸至大于約O.l毫米的厚度。 在一個實施例中，厚度在從約0.1毫米至0.2毫米、從約0.2毫米至 0.5毫米、從約0.5毫米至0.6毫米、從約0.6毫米至1毫米、從約1 毫米至5毫米、從約5毫米至10毫米、或從約10毫米至20毫米的 范圍內(nèi)。在包括更大容量的能量存儲裝置的實施例中，厚度可大于20 毫米。
支撐結(jié)構(gòu)可以是連續(xù)的基質(zhì)或?qū)嶓w結(jié)構(gòu)。在任一情況下， 支撐 結(jié)構(gòu)都是電傳導(dǎo)的，并與集電器保持電氣連通。如果使用粉末，那么在使用期間可圍繞粉末粒子形成相對較為電絕緣的鹽層，從而將粉末 粒子彼此電隔離開(電氣中斷)，并與集電器電隔離開(電氣絕緣)。因此， 在使用粉末支撐結(jié)構(gòu)的實施例中可選擇陰極材料和支撐電解質(zhì)，使得 不會基于電荷狀態(tài)形成相對較為電絕緣的鹽層一一或者不形成鹽層， 或者如果形成鹽層，則該鹽層不是電絕緣的或電阻性的。
將陰極材料放置于支撐結(jié)構(gòu)上，而非液體熔化物中，可形成并保 持非均勻的分布。例如，相對更遠離隔離器的點，陰極材料的濃度可 不同于更靠近隔離器的點。在一個備選實施例中，支撐結(jié)構(gòu)可包括多 種陰極材料，其中一種陰極材料相對于另 一種具有不同的激勵電壓。 在這種備選實施例中，支撐結(jié)構(gòu)可起到充電狀態(tài)指示器的作用。
支撐結(jié)構(gòu)可以是多孔的。合適的多孔支撐結(jié)構(gòu)可以是泡沫、網(wǎng)狀 物、編織物、氈、纖維或須狀物。在一個實施例中，支撐結(jié)構(gòu)可以是 多個填塞的粒子。合適的支撐結(jié)構(gòu)可包括陶瓷、金屬陶汔、玻璃和金 屬。其它合適的支撐結(jié)構(gòu)可由碳形成。合適的碳泡沫可包括商業(yè)上可
從電合成公司(紐約)得到的網(wǎng)狀玻璃碳(RVC)。其它合適的泡沫可由陶 瓷或電化學惰性金屬形成。
網(wǎng)狀玻璃碳(RVC)泡沫是包括玻璃碳的開孔泡沫材料。玻璃碳包 括無定形結(jié)構(gòu)，并且將某些玻璃屬性與其它工業(yè)碳例如碳黑、碳化纖 維或石墨的屬性結(jié)合起來。不同于其它碳質(zhì)材料例如石墨涂層和碳化 纖維，RVC在其材料屬性方面是各向同性的。RVC具有格外低的相 對密度(3%)、高的表面積、低的流體流動阻抗，并可在非氧化環(huán)境中 承受非常高的溫度。
合適的泡沫能夠以寬范圍的孔隙尺寸等級在商業(yè)上提供，孔隙尺 寸等級從小于約每英寸5孔隙(PPI)至大于約每英寸10,000孔隙的范圍 內(nèi)變化。在一個實施例中，RVC可具有從約每英寸5孔隙至每英寸 100孔隙、從約每英寸IOO孔隙至每英寸1500孔隙、從約每英寸1500 孔隙至每英寸2000孔隙、從約每英寸2000孔隙至每英寸2500孔隙、 從約每英寸2500孔隙至每英寸3000孔隙、從約每英寸3000孔隙至每英寸3500孔隙、從約每英寸3500孔隙至每英寸4000孔隙、從約 每英寸4000孔隙至每英寸4500孔隙、從約每英寸4500孔隙至每英 寸7500孔隙、從約每英寸7500孔隙至每英寸8000孔隙、從約每英 寸8000孔隙至每英寸10,000孔隙或大于每英寸10,000孔隙范圍內(nèi)的 平均孔隙尺寸。在一個備選實施例中，RVC可被縮小至其1/9的原始 體積，從而實現(xiàn)甚至更大的比表面積(即每單位質(zhì)量的表面積)。
表1. RVC泡沫的物理特性(3%的標稱密度)
壓縮強度*40-170 psi(0.28-1.20 MPa)
拉伸強度*25-150 psi(0.17-1.02 MPa)
彈性模量*4.5-9 103 psi(31-62 MPa)
剪切模量*4.4' 103psi(30.3 MPa)
硬度6-7 Mohs
比熱0.3 BTU.Ib".。F1(1.26 J.g-'。C1)
堆積導(dǎo)熱率0.25 - 0.35 BTU-inft-2.hr扁!。F1(0.33 -0.50 Wm"。C1)
熱膨脹系數(shù)0-醇C1.2 10-《in'in".。F1(2.2 loAm.m-JoC-1)
100- 1000。C1.8 . 10—6.iirin十。F1(3.2 . lOAm'm-^C1)
體電阻率12.7' 10-2- ohm-in(5 lO—2- ohm - cm)
溫度限制空氣中600oF(315°C)
非氧化環(huán)境中1800。F(1000°C)
承隨著孔隙尺寸(PPI)而變化
陰極材料被電化學反應(yīng)前沿所消耗，該前沿開始于最靠近隔離器 的區(qū)域并逐漸遠離隔離器。在陰極材料同軸地包圍隔離器的實施例 中，反應(yīng)前沿的表面積隨著前沿徑向向外移動而增加。隨著反應(yīng)前沿 向外推進，反應(yīng)速率由于離子電阻率的增加而降低。產(chǎn)生陰極材料的 梯度以便陰極材料的濃度隨著電阻率的增加而增加，這可嫂反應(yīng)速率 穩(wěn)定。
在陰極材料包含在隔離器內(nèi)的實施例中，反應(yīng)前沿從最靠近隔離 器內(nèi)表面處向內(nèi)推進。因此，反應(yīng)前沿的表面積隨著其向內(nèi)推進而減小。表面積上的變化可能由于可利用的陰極材料的數(shù)量減少而影響能 量存儲裝置的性能。在其它實施例中，通過產(chǎn)生可利用的陰極材料的 濃度梯度可減輕或消除這種表面積影響，該濃度梯度朝著軸線徑向向 內(nèi)增加。
如上面提到的那樣，依賴于電池構(gòu)造，陰極材料和其它成分可具 有相對于支撐結(jié)構(gòu)上的軸向或徑向位置成梯度的濃度。陰極材料濃度 可以是在支撐結(jié)構(gòu)上的位置的函數(shù)。因為電化學反應(yīng)可關(guān)于陰極材料 的反應(yīng)前沿進行控制，所以離隔離器最遠的陰極材料可能是最后消耗 的陰極材料一一并因此可由具有不同激勵電壓的材料形成，并且該材 料明顯不同于主體陰極材料。濃度梯度可以是線性的、非線性的，或 者可以是相對于軸向和/或徑向位置成階梯狀的。在某些實施例中，這 種梯度濃度分布可實現(xiàn)更穩(wěn)定的能量存儲裝置，或者可使能量存儲裝
置具有與電荷狀態(tài)(soc)無關(guān)的基本平滑的放電剖面。在其它實施例 中，這種梯度可起到充電狀態(tài)指示器的作用。
其中支撐結(jié)構(gòu)包括一個或多個板的實施例可在相鄰的區(qū)域或地 帶之間保持陰極材料濃度差。板可以以有或者沒有多孔支撐結(jié)構(gòu)的狀 態(tài)使用?；诎宓闹谓Y(jié)構(gòu)可包括至少一個橫向板，該橫向板橫切軸 線，并限定了至少第一軸向區(qū)域和第二軸向區(qū)域。板可用作主隔離器 的容積內(nèi)的質(zhì)量和/或電荷載體流的物理屏障。在另一實施例中，支撐 結(jié)構(gòu)是一系列限定了軸向區(qū)域和/或徑向地帶的板。
這些板可以是一種連續(xù)的多孔支撐結(jié)構(gòu)，其阻塞了從一個區(qū)域至 另一區(qū)域的離子流動和/或電氣流動。在一個實施例中，可通過陰極材 料或添加劑的軸向濃度梯度來限定軸向區(qū)域。如果梯度是連續(xù)的，那 么可選擇任意濃度作為關(guān)于例如電荷狀態(tài)的區(qū)域邊界。如果梯度是分 階梯度，那么可以僅通過步階變化來限定區(qū)域。
一個或多個板可通過密封結(jié)構(gòu)而與隔離器的表面相接合。如果存 在的話，密封結(jié)構(gòu)可與用于將蓋子密封到外殼上的密封結(jié)構(gòu)相同。合 適的密封結(jié)構(gòu)可包括玻璃質(zhì)成分。合適的玻璃質(zhì)成分可包括一種或多種磷酸鹽、硅酸鹽或硼酸鹽。其它合適的密封結(jié)構(gòu)可包括金屬陶瓷。 關(guān)于徑向地帶，通過同軸地間隔開的圓柱體，或通過陰極材料的
濃度梯度可限定這種地帶。類似于軸向區(qū)域，可通過其它材料例如添
加劑的存在或數(shù)量來限定該地帶。
合適的陰極材料可包括以元素形式、鹽的形式或以元素及鹽二者
的形式而存在的至少一種陰極材料?；谠匦问胶望}形式的總重
量，元素形式在數(shù)量上可存在于重量百分數(shù)約1%至99%的范圍內(nèi)。 基于元素形式和鹽形式的總重量，鹽形式在數(shù)量上可存在于重量百分 數(shù)約99%至1%的范圍內(nèi)。根據(jù)一個實施例，元素形式的陰極金屬的 重量百分數(shù)相對鹽形式的陰極金屬的重量百分數(shù)的比值基于電化學 電池的充電狀態(tài)。陰極金屬可包括鋅、銅、鐵、鎳或它們的任意組合。 在一個實施例中，陰極金屬基本上由鋅組成。在某些實施例中，集電 器可與陰極材料保持電氣連通。
根據(jù)某些實施例，陰極材料還可包括一種或多種添加劑。適合于 在陰極材料中使用的添加劑可包括以任何合適的氧化狀態(tài)而存在的 鴒、鈦、鈮、鉬、鉭和釩或其任意組合。陰極金屬相對于一種或多種 添加劑可以小于約100:1的比率而存在。陰極金屬相對于一種或多種 添加劑可以大于約1:100的比率而存在。 一種或多種添加劑可包^"陰 極金屬的固溶體，可螯合在陰極金屬中，或者溶解并螯合在陰極金屬 中。
鹽形式的陰極材料可包括金屬卣化物。在一個實施例中，卣化物 可包括氯、碘、氟或其任意組合。在某些實施例中，卣化物可基本上 由氯組成。此外，某些實施例可包括混合的金屬卣化物，其中一種或 多種金屬同時以多種氧化狀態(tài)存在。
鹽形式的陰極金屬可包括電解質(zhì)。在某些實施例中，電解質(zhì)可包 括不同于陰極金屬和/或陽極金屬的金屬鹽。電解質(zhì)可包含添加劑例如 含疏和/或含磷的添加劑，以及金屬卣化物例如鎳卣化物、銅卣化物和 錫離化物。在一個實施例中，電解質(zhì)可設(shè)置在腔室中。一個實施例包括三元電解質(zhì)。三元電解質(zhì)在高到足以熔化鹽的操 作溫度下可包括鹽形式的陰極金屬、鹽形式的陽極金屬以及鹽形式的
第三金屬。例如，三元電解質(zhì)可包括ZnCl2:NaCl:AlCl3。在一個實施 例中，三元電解質(zhì)基本上由ZnCl2:NaCl:AlCl3組成。因此，鹽形式的 第三金屬可包括鋁。在低于320攝氏度的操作溫度下，合適的 ZnCl2:NaCl: A1C13的比率可使ZnCl2含量的重量百分數(shù)高達約19°/。。 隨著氯化鋁的濃度在三元系統(tǒng)中增加，氯化鋁的種類主要變成A12C17。 基于重量而言，氯化鋁可呈現(xiàn)大于NaCl的數(shù)量。含》克或含^粦的添加 劑可設(shè)置在電解質(zhì)中。例如，合適的添加劑可包括三苯1^克化物。
另一實施例包括二元電解質(zhì)。合適的二元電解質(zhì)可包括ZnCl2和 另一種鹽，例如NaCl。在操作溫度下，重量百分比超過20%的鋅鹽可 溶解于其它熔化的鹽中。在一個實施例中，鋅鹽具有從重量百分比約 20%至35%、從重量百分比約35%至50%、從重量百分比約50%至 75%、或從重量百分比約75%至99°/。范圍內(nèi)的可溶性。在一個實施例 中，ZnCl2在其它鹽中的可溶性達到重量百分比約100%。
具有富含ZnCl2的熔化物(即按重量超過約一半)的實施例是酸性 的，并且可形成路易斯酸團。在約1.7V下，鋁轉(zhuǎn)換成鋁金屬，從而 包含氯化鋁電解質(zhì)的電池可具有約1.7伏的較低截止電壓以避免損傷 電池。在某些實施例中，隨著ZnCl2含量的增加，較低的截止電壓水 平可能下降，或者可能變成不必要的。因此，包括二元電解質(zhì)或三元 電解質(zhì)的某些實施例能夠使用零至2.6伏的全部電,壓范圍，而非1.7 伏至2.6伏的窗口。
合適的陽極材料可包括以元素形式、鹽的形式或以元素及鹽二者 的形式而存在的至少一種陽極金屬?；谠匦问胶望}形式的總重 量，陽極金屬的元素形式在數(shù)量上可存在于重量百分比約1%至99% 的范圍內(nèi)?；谠匦问胶望}形式的總重量，陽極金屬的鹽形式在數(shù) 量上可存在于重量百分比約1%至99%的范圍內(nèi)。根據(jù)一個實施例， 元素形式的陽極金屬的重量百分數(shù)相對鹽形式的陽極金屬的重量百分數(shù)的比值基于電化學電池的充電狀態(tài)。陽極金屬可包括鋰、鈉或其 任意組合。在一個實施例中，陽極金屬由基本上鈉組成。在某些實施 例中，集電器可與陽極材#^持電氣連通。
在一個實施例中，陽極材料可包括一種或多種添加劑。適合于在 陽極材料中使用的添加劑可包括除氧劑，包括以任何合適的氧化狀態(tài) 而存在的鈦、錳、鋯、釩、鋁或其任意組合。陽極金屬相對于一種或
多種添加劑可以小于約100:1的比率而存在。陽極金屬相對于一種或 多種添加劑可以大于約1:100的比率而存在。 一種或多種添加劑可溶 解在陽極金屬中、與陽極金屬相接觸、或者溶解在陽極金屬中且與陽 極金屬相接觸。
根據(jù)某些實施例，熔化的陽極金屬的水平可依據(jù)電荷狀態(tài)而變 化。因此，某些實施例能夠通過感測熔化的陽極金屬的水平而跟蹤或 確定電荷狀態(tài)。此外，合適的控制器能夠利用陽極頭高度數(shù)據(jù)來控制 和/或調(diào)整電化學電池的性能。
在一個實施例中，外殼可具有方形、多邊形或圓形的橫截面輪廓。 此外，合適的外殼可具有約1:10至10:1的范圍內(nèi)的長寬比。外殼可 包括選自金屬、陶乾或聚合物的材料。金屬可選自鎳金屬和鎳^r或 亞鐵基金屬和合金。陶瓷可包括各種合適的金屬氧化物。聚合物可包 括能夠承受正常操作溫度和操作條件的熱塑性材料或熱固性材料。
圖1中顯示了物品100，其圖示了本發(fā)明的一個實施例。在該物 品中，陰極材料的濃度和/或類型在由隔離器的內(nèi)表面所限定的容積上 沿軸向不同。物品100包括圓柱形的外殼102和隔離器104,其各具 有圓形橫截面輪廓，并限定了軸線110。外殼具有內(nèi)表面(沒有用標號 標出)，其限定了總的空間112。隔離器具有內(nèi)表面(沒有用標號標出)， 其限定了容積114。板116橫切軸線，并將該容積分成兩個區(qū)域軸 向區(qū)域一 122和軸向區(qū)域二 124。在所示的實施例中，陰極材料的濃 度具有隨著區(qū)域一向區(qū)域二的過渡而變化的步階變化，并且陰極材料 設(shè)置在多孔支撐結(jié)構(gòu)上。板是連續(xù)的，并對隔離器的內(nèi)表面密封。因此，板起到了在具有不同成分濃度的區(qū)域之間的邊界作用。在其它實 施例中，可添加額外的板，從而產(chǎn)生額外的軸向區(qū)域。類似地，其它 實施例可包括多個板，以替代多孔支撐結(jié)構(gòu)。
在使用期間，陽極材料經(jīng)由隔離器從容積114流入總空間112的 剩余部分中.重力造成液態(tài)陽極材料在底部匯合成池，并隨著物品的 充電狀態(tài)的變化而向上填充。因而橫跨隔離器的陽極材料的濃度梯度 可能從電池頂部相對電池底部而不同?？蛇x的支撐環(huán)130是不連續(xù)的， 并容許陽極材料/人其中流過。
所示的實施例可通過浸漬支撐結(jié)構(gòu)，之后將支撐結(jié)構(gòu)插入隔離器 中而進行制備。之后可將隔離器密封在蓋子(未顯示)上，從而將陰極 材料密封在電池中。作為備選，支撐結(jié)構(gòu)可棵露地放置于隔離器中， 這樣陰極材料可流入到支撐結(jié)構(gòu)中，從而進行浸漬。通過填充到某一 高度并容許陰極材料冷卻，可將額外的不同的陰極材料灌入支撐結(jié)構(gòu) 中，以產(chǎn)生"夾心蛋糕"效應(yīng)。如果使用板，則填充孔可容許將不同 的陰極材料填充到不同的軸向區(qū)域中
圖2A和2B中顯示了本發(fā)明的一個實施例，其圖示了徑向地帶布 置 物品200包括限定了軸線214的伸長的外殼210和隔離器212。 外殼和隔離器均具有圓形橫截面輪廓，并且嵌套在一起，使得隔離器 以同軸的關(guān)系設(shè)置在外殼中。
隔離器的內(nèi)表面232限定了陽極室230。外殼的內(nèi)表面240和隔 離器的外表面242限定了陰極室236。多孔泡沫支撐結(jié)構(gòu)248設(shè)置在 陰極室中。陰極室被分成三個徑向地帶250,252,254,它們朝著軸線向 內(nèi)延伸。各個地帶包含被支撐于多孔支撐結(jié)構(gòu)的表面上的至少 一個陰 極材料。陰極材料的濃度(量)和類型依據(jù)離軸線的向外的徑向距離而 間斷地不同。在這個所示的實施例中，例如，只有最內(nèi)部的徑向地帶 256只包括第一濃度的鋅，該第一濃度在該整個徑向地帶是均勻的。 中間徑向地帶254包括第二濃度的等量的鋅和銅一一它們的總量與第 一濃度是相同的；其分布形成了逆向梯度，在該梯度中，與最內(nèi)部的徑向地帶相鄰的徑向地帶部分為100%的鋅和0°/。的銅，并且中間徑向 地帶的相反側(cè)為100%的銅和0%的鋅。最外面的徑向地帶250包括重 疊在鋁上的銅，此處各層均為連續(xù)層，并且在整個最外面的徑向地帶 是均勻的。 一旦暴露，鋁可起到充電狀態(tài)指示器的作用一一只有在銅 涂層已經(jīng)反應(yīng)時才能化學地可用。
所示的實施例可通過形成獨立制備的三個分開的支撐結(jié)構(gòu)，之后 嵌套在一起并插入到外殼中而進行裝配。
參照圖3，其顯示了多個能量存儲裝置架構(gòu)(圖3A至3J),以圖示 各種設(shè)計選擇。貫穿圖3A至圖3J使用相同的標號來指示功能類似的 部件。這些相同的標號可出于相同的目的而在其它圖中重復(fù)。因此， 匯總體300包括能量存儲裝置，其具有限定了軸線320的伸長的外殼 310。外殼壁的內(nèi)表面限定了容積。該容積包括陽極330和陰極340， 它們通過隔離器350和芯體360而彼此物理地分隔開。芯體設(shè)置在隔 離器的外向表面上，并在隔離器表面上引導(dǎo)液態(tài)陽極材料越過隔離 器。在某些實施例中，隔離器是在各個末端被蓋住的封閉空間，在該 容積中限定了兩個室，即內(nèi)室和外室。
圖3A顯示了具有圓柱形的隔離器350的基本電池，隔離器包含 陽極材料并被陰極材料包圍。陰極材料從最靠近隔離器的表面開始消 耗，并向外部移動。因此，反應(yīng)前沿的表面積隨著反應(yīng)的進行而增力口。 隔離器限定了內(nèi)室340，并設(shè)置在外殼310中。在隔離器350的外向 表面和外殼310的內(nèi)向表面之間的空間限定了外室330。圖3B， 3D 和3F顯示了類似的布置，其中隔離器在橫截面形狀上有所變化。圖 3D闡述了一種隔離器，其成形成使得隨著陰極材料在使用期間的消 耗，未使用的材料的表面積沒有明顯變化。因此，圖3D可被認為是 一種表面積恒定的構(gòu)造。圖3E的構(gòu)造也是一種類似于圖3D的表面積 恒定的構(gòu)造，但3E具有更大的表面積?？芍谱髌渌嗨频男螤?，以 進一步增強或放大隔離器的表面積。
圖3C顯示了具有多個隔離器的電池，各個隔離器限定了獨立的陽極芯。橫截面形狀可以是任何其它合適或便利的形狀，例如多邊形、 卵形或橢圓形、星形或十字形。多個較小的陰極芯可產(chǎn)生比具有相同 總體積的單個陰極芯相對更大的表面積。
圖31闡述了其中陽極和陰 feU目對于圖3A-3H相反的一種電池構(gòu) 造。在這種情況下，內(nèi)室370包含陰極材料而非陽極材料。外室372 包含陽極材料。在這個實施例中，隔離器376具有位于隔離器376的 內(nèi)表面上的芯體374。根椐這個實施例包括五個隔離器；然而，更少 數(shù)量或更大數(shù)量的隔離器也在本發(fā)明的范圍內(nèi)。具有與外殼相鄰的陽 極材料的實施例，例如這個實施例，其可能導(dǎo)致外殼的氧化，除非外 殼材料經(jīng)過選擇，使其具有相對于陽極材料足夠高的氧化勢。因此， 鋅陰極可與鎳外殼一起使用。
作為備選，外殼可包括位于陽極材料和外殼之間的絕緣屏障。當 外殼內(nèi)表面與絕緣屏障層對準時，外殼材料并不受氧化勢的限制。作 為絕緣屏障層的備選，外殼可由高熔點的非金屬材料制成，例如陶瓷 或合適的聚合物。
根據(jù)某些實施例，陰極材料可沉積在發(fā)泡的支撐物上。在另一實 施例中，支撐材料可支撐隔離器，如圖3I中所示。這種支撐結(jié)構(gòu)可降 低或消除由于熱循環(huán)、壓力差和振動而引起的損傷。
參看圖3J，提供了兩個橫截面成橢圓形的隔離器。如圖3J中所 示，具有偶數(shù)個隔離器的實施例不需要使隔離器居中地定位在外殼 中。相反，外殼的軸線可定位在兩個或更多個隔離器之間。
可將多個電化學電池排列成能量存儲系統(tǒng)。多個電池可串聯(lián)或并 聯(lián)設(shè)置，以形成電池組。用于電池組的功率和能量的額定值可依賴于 諸如電池組中的電池組尺寸或電池數(shù)量等因素。其它因素可基于使用 端應(yīng)用的專用準則。
能量存儲裝置的各種實施例可儲存約0,1千瓦時(kWh)至100kWh 范圍內(nèi)的能量。能量存儲裝置的一個實施例具有大于100瓦時/千克的 能量-重量比，和/或大于160瓦時/升的能量-體積比。能量存儲裝置的另一實施例具有大于150瓦/千克的額定比功率。
合適的能量存儲裝置可具有小于10:1的應(yīng)用特定的功率對能量 的比值.在一個實施例中，特定的功率對能量的比值在約1:1至2:1、 從約2:1至4:1、從約4:1至6:1、從約6:1至8:1、或從約8:1至10:1 的范圍內(nèi)。在其它實施例中，特定的功率對能量的比值在約1:1至1:2、 從約1:2至1:4、從約1:4至1:6、從約l:6至k8或從約1:8至1:10的 范圍內(nèi)。
某些實施例可包括用于與多個電池連通并調(diào)整它們的輸出的控 制器?？刂破髂軌蝽憫?yīng)于來自電池的指示其充電狀態(tài)的反々貪信號而將 電負栽分配到電池組中所選定的電池上。才艮據(jù)某些實施例，控制器可 操作以執(zhí)行再加熱方法，其中一個或多個加熱元件#>乂預(yù)定的順序激 勵，從而熔化能量存儲裝置的凍結(jié)部分。
合適的控制器可包括比例積分微分控制器(PID控制器)?？刂破?能夠測量來自工藝或其它設(shè)備的值，并將其與基準設(shè)定值進行比較。 差值(即"誤差"信號)可用于調(diào)整一個或多個工藝輸入，從而使工藝 的測量值返回到其期望的設(shè)定值。
某些實施例可包括用于防止裝置的熔化部分凍結(jié)的構(gòu)件或子系 統(tǒng)，即凍結(jié)防護系統(tǒng)。適合于在本發(fā)明的實施例中使用的凍結(jié)防護系 統(tǒng)可包括使基質(zhì)材料的冰點降低的共晶添加劑。在另一實施例中，凍 結(jié)防護系統(tǒng)可包括至少一種添加劑，其影響基質(zhì)的熔化曲線和/或改變 基質(zhì)熱膨脹特征。在又一些其它實施例中，凍結(jié)防護系統(tǒng)可包括加熱 器，其具有能夠保持足以防止電池反應(yīng)劑凍結(jié)的最低熱度的解凍曲
線。其它實施例可包括熱管理裝置或子系統(tǒng)，如果太冷的話，該熱管 理裝置或子系統(tǒng)能夠加熱能量存儲裝置，并且如果太熱的話，該熱管 理裝置或子系統(tǒng)可冷卻能量存儲裝置。
另 一實施例提供了 一種能量管理系統(tǒng)，其包括一種雙能量存儲裝 置。合適的雙能量存儲裝置可包括第一能量存儲裝置以及與該第一能 量存儲裝置不同的第二能量存儲裝置。在某些實施例中，第一能量存儲裝置可具有較高的功率-能量比。在某些實施例中，第二能量存儲裝 置可具有較4氐的功率-能量比。因此，在某些實施例中，第一能量存儲 裝置能夠在短的持續(xù)時間內(nèi)快速地釋放大量的能量，而第二能量存儲 裝置能夠在較長的時間內(nèi)緩慢地釋放少量的能量。某些實施例可增強 能量存儲效率，并且/或者可增強功率輸出。合適的控制器能夠才艮據(jù)需 要而從任一能量存儲裝置:|€取能量并進行再充電。
用于增強功率的合適的第二能量存儲裝置可包括但不局限于鋰 離子蓄電池、鎳金屬氫化物或超級電容器。合適的鋰離子蓄電池可包 括鋰聚合物蓄電池，在一個實施例中，第二能量存儲裝置可包括鋅基 質(zhì)蓄電池。
示例
以下示例只是用于舉例說明根據(jù)本發(fā)明的方法和實施例，并因此 不應(yīng)被認為是對權(quán)利要求強加限制。除非特別指出，否則所有構(gòu)件均
商業(yè)上可從諸如Alpha Aesar公司(馬薩諸塞州Ward Hill行政區(qū))、 Spectrum Chemical Mfg.公司(加利福尼亞州加德納市)等普通的化學 品供給商處得到。
示例1——電極的制備。
通過使用帶有合適的銅層、鋅層或鎳層的電鍍發(fā)泡的碳制備若干 個測量為1.25cm x 1.25cm x 2mm厚的金屬覆蓋的碳泡沫電極。碳泡 沫可從ERG Materials and Aerospace公司(力。利福尼亞州奧克蘭市)獲 得。泡沫電極具有網(wǎng)狀玻璃碳(RVC)泡沫的碳質(zhì)構(gòu)架。碳泡沫孔隙密 度是每英寸100孔隙(PPI)，并且孔隙直徑平均約為100微米。
電鍍是在合適的水性銅、鋅或鎳溶液中執(zhí)行的。電鍍密封了碳泡 沫，從而形成所制備的金屬覆蓋的多孔電極襯底。若干個鍍鎳的多孔 電極被進一步浸漬于鋅溶液中，并將鋅金屬電鍍到鎳層上以形成雙金 屬陰極。若干個鍍銅的多孔電極被進一步浸漬于鋅溶液中，并將鋅金 屬電鍍到銅層上以形成雙金屬陰極。
對完成的金屬覆蓋的碳泡沫電極進行分析和描繪。鍍銅電極襯底的表面在光學顯孩t鏡中以200倍放大顯得平滑且有光澤。有效的銅密 度約為0.01g/cmS。鍍鎳的電極襯底的表面在光學顯微鏡中以200倍放 大顯得平滑且有光澤。有效的鎳密度為0.01g/cm3。
鍍鋅的鎳電極村底的表面在光學顯微鏡中以200倍放大顯得陰暗 且有結(jié)節(jié)。有效的鋅密度為Q.49g/cm3。鎳電極上電鍍的鋅金屬約為 0.2孩i米厚，并且工作電極具有1.5厘米的矩形橫截面厚度和2毫米的 深度。
鍍鋅的多孔電才4以100mA/cm2電流強度熔化的ZnCl2:NaCl中 進行充電和放電循環(huán)。圖4中顯示了充電曲線。電勢曲線用參照字母 "a"指示，并且充電用參照字母"b"指示。
通過將銅層或鋅層無電電鍍至泡沫鎳的支撐結(jié)構(gòu)和商業(yè)上可得 到的鍍鈷的泡沫鎳上，從而制備測量為1.25cm x 1.25cm x 2mm厚的 額外的一組電極。泡沫鎳可從Inco有限公司(加拿大多倫多)和 Marketech國際公司(華盛頓州湯森港)獲得。泡沫電極具有泡沫鎳架 構(gòu)。密度約為0.45g/cm3;表面積密度約為500g/m2;孔隙率為95%, 并且孔隙尺寸約為40ppcm(100PPI)。
示例2——隔離器的制備。
制備了多個隔離器。多個隔離器包括兩組隔離器，各組具有不同 的穩(wěn)定相態(tài)類型。兩種不同的氧化4告相態(tài)類型包括(i)由摩爾百分比 為8%的Y203穩(wěn)定化的立體相氧化鋯(8YSZ)和(ii)由摩爾百分比為 4.5%的丫203穩(wěn)定化的正方晶系化鋯和立體相氧化鋯(4.5YSZ)。
利用穩(wěn)定的氧化一浩形成的隔離器形成了三種盤片類型。這三種盤 片類型包括兩類(i)類型和一類(ii)類型。三個樣本組的特4正是具有如下 成分(a) 50°/。體積比的a-氧化鋁+50。/。體積比的8YSZ; (b) 70%體積 比的01-氧化鋁+30%體積比的8YSZ;和(c) 50%體積比的01-氧化鋁+50% 體積比的4.5YSZ。利用必要的粉末混合物經(jīng)沖壓，之后通過等靜壓壓 制，然后在空氣中以1600攝氏度進行燒結(jié)，從而制造出2.5毫米(mm) 厚的成分(a)、 (b)和(c)的盤狀樣本。燒結(jié)的盤片放置在粉末混合物中。
22粉末混合物具有重量比為8.85%的Na20、重量比為0.75%的Li20和 重量比為90.45%的八1203等成分。粉末中的盤片在1250攝^復(fù)下煅 燒2小時，以形成鈉-P"-氧化鋁，并在反應(yīng)期間用作鈉和氧化鋰的來 源。將樣本在1450攝氏度下保持約2小時至16小時。取樣本的橫截 面，并測量形成的鈉-P"-氧化鋁的厚度。
成分(a)的一個樣本在1450攝氏度下進行更長時間(32小時)的進 一步的熱處理，以確保其一直完全轉(zhuǎn)換成鈉-P-氧化鋁。在約200攝 氏度至50(H聶氏度的范圍內(nèi)測量傳導(dǎo)率((T)。激勵能量經(jīng)測量為約15.7 千焦/摩爾(kJ/mo1), 300攝氏度下的傳導(dǎo)率為0.0455姆歐/厘米 (S/cm)(22歐/厘米的電阻率(ncm))。此樣本具有體積比50%的氧化鋯。 另外，鈉-P-氧化鋁的粒度為幾個微米。所測量的傳導(dǎo)率與用于細粒 結(jié)構(gòu)的鈉-p -氧化鋁的報告值一致。
示例3——測試電池的成形及其測試.
根據(jù)示例2的工藝利用成分(a)形成圓柱形的復(fù)合式隔離管。圓柱 體尺寸為228mm長，36mm內(nèi)徑和38mm外徑。復(fù)合式隔離管用玻璃 密封在a氧化鋁套圖上。該組件放置在不銹鋼罐中。罐的尺寸約為 38mm x 38mm x 230mm。復(fù)合式隔離器包含50克(g)Cu、 22克NaCl 和25克NaAlCU。另外，將11克網(wǎng)狀玻璃碳添加到陰極上，以防止 充電和放電之間CuCl的沉積。電加熱器包圍電池。在搡作期間，電 池被加熱至300攝氏度的操作溫度。電池以4安培和12安培的電流 進行充電和放電。在幾個充電和放電循環(huán)之后，關(guān)閉電池，并進行冷 卻和檢查。隔離器顆粒的顯微檢查表明沒有銅浸入到間隙中。
參考電極是密封在P氧化鋁管中的金屬鈉。集電器是0.5mm鉑 絲，其穿過管壁并在操作期間被陽極材料(Na)浸濕。工作電極是來自 示例l的鍍鋅的鎳電極。輔助電極是只鍍鎳的泡沫電極。
用于工作電極和用于輔助電極的集電器是由鈦形成的矩形槳板， 并且其具有與泡沫基電極相同的橫截面形狀和面積。槳板被點焊在 l-mm的鈥絲上。若干件非編織的硼硅酸鹽玻璃纖維的過濾介質(zhì)(沃特曼GF/C)堆疊至0.15厘米(cm)的厚度。額外的玻璃過濾介質(zhì)定位在鈦 槳板的背面。通過將l-mm長度的鈦絲彎曲成W形狀形成彈簧。該彈 簧按壓在鈦槳板的背面上，使整個組件處于輕微的壓縮下。槳板背面 上額外的玻璃介質(zhì)提供了電絕緣，使得彈簧不會在兩個電極之間形成 電氣路徑。
三個電極的連接線穿過PTFE錐形塞，該錐形塞裝配到燒瓶的中 央頸部中。最后利用經(jīng)N2凈化的干燥的手套袋來連接對濕氣敏感的 鈉電極。這些導(dǎo)線經(jīng)過調(diào)整，使得泡沫電極完全浸入在熔鹽中。鈉參 考電極鄰近工作電^L/輔助電極組件但位于其外部，
外部導(dǎo)線末端連接在與計算機接口的恒電流儀(可從阿美特克普 林斯頓應(yīng)用研究公司(美國田納西州奧克里季市)得到的Parstat2273) 上，并測量恒定電流數(shù)據(jù)。工作電極首先在100毫安(mA)下^L氧化 3600秒，然后在400毫安下^皮還原900秒。相對于Na的開路電勢經(jīng) 測量為2.077伏。充電電壓為2.17伏，并且^L電電壓為2.02伏。當鍍 鎳泡沫中的所有的Zn被耗盡時，開路電壓為2.58伏。
示例4一一形成測試能量存儲裝置
利用P"-氧化鋁管和銅管形成能量存儲裝置。P"-氧化鋁管具有 6.5mm的內(nèi)徑、8.6mm的外徑和68mm的總長度。銅管尺寸和形狀設(shè) 置成容納P "-氧化鋁管。銅管具有12.7mm的內(nèi)徑。p "-氧化鋁管放置 在銅管的內(nèi)部。除了銅管之外，還將1.2克的氯化鈉和3.4克的電解 質(zhì)AlCl3:NaCl ;故置在p "-氧化鋁管內(nèi)表面和銅管外表面之間的空間 內(nèi)。在P"-氧化鋁管的內(nèi)部放置了與lmm直徑的鎳絲(作為集電器)相 接觸的0.2克的鈉。
能量存儲裝置主體和0 "-氧化鋁管內(nèi)部的鎳集電器連接在2273 型PAR恒電位儀/恒電流儀上。電加熱器包圍能量存儲裝置。在測試 期間，加熱器(和后續(xù)的能量存儲裝置)被加熱至300攝氏度的操作溫 度。
在經(jīng)初始充電循環(huán)以0.025A的電流充電至1360庫侖的總電荷之
24后，能量存儲裝置在0.5A(61.8mA/cn^)的電流下進行充電和放電140 次。每循環(huán)的電荷是500庫侖。在循環(huán)時，蓄電池端子之間的電壓在 約2伏至3.2伏之間擺動。沒有觀測到電池電阻上的增加。 示例5—一形成測試能量存儲裝置
建造了兩個能量存儲裝置，各能量存儲裝置均包括商業(yè)上可獲得 的圓柱形P"-氧化鋁管。這些管不包含穩(wěn)定劑，并且各個管具有存在 于顆粒之間的鋁酸鈉，且這些顆粒具有相當大的尺寸。各個管具有 36mm的內(nèi)徑、38mm的外徑和228nun的總長度。鎳箔經(jīng)熱壓縮粘接 在a氧化鋁套團上。P "-氧化鋁管用玻璃密封在箔覆蓋的oc氧化鋁套 圈上，以形成組件。該組件放置在具有大致38mm x 38mm x 23Omm 尺寸的方形不銹鋼外殼內(nèi)。該組件被焊接在外殼上，以構(gòu)成密封。鎳 箔和(X氧化鋁套圖限定了該組件中的孔。通過該孔用陰極材料以及其 它材料填充P"-氧化鋁管。P"-氧化鋁管的內(nèi)部填充了 100克銅、44 克氯化鈉、1克鋁和48克呈NaAlCl4形式的電解質(zhì)。鎳棒放置在P "-氧化鋁管的中心，與陽極材料接觸，從而起到集電器的作用?？子媒?屬帽蓋住。金屬帽焊接在套圏上，以構(gòu)成完全密封的電池。
此電池的理論容量是20.18安培-小時。電加熱器包圍能量存儲裝 置。接通加熱器時，外殼的溫度以斜線上升至350攝氏度的操作溫度。 在初始低電流充電循環(huán)以2.0安培電流充電到總電荷17.95安培-小時 (64,620庫侖)之后，能量存儲裝置以2安培和4安培的電流(對于4^ 電池相當于6安培和12安培)進行充電和放電。
能量存儲裝置的電壓是彼此相似的，并且在整個it電循環(huán)中是固 定的。這些電池的容量依賴于溫度在300撮氏度下，等量2安培放 電導(dǎo)致2.25安培-小時，并且在380攝氏度下，2安培放電提供8,75 安培-小時。
測試電池具有相對較低的電阻和相對于充電的安培-小時數(shù)較低 的電阻升幅。在僅經(jīng)過幾個循環(huán)之后，各個P"-氧化鋁管才裂開。銅 穿過P"-氧化鋁管的壁而向上遷移到約1/3距離處。
25示例6——形成測試能量存儲裝置
除了將11克碳添加到陰極材料上之外，能量存儲裝置是按照與
示例5的能量存儲裝置相同的方式生產(chǎn)的。添加的-友防止CuCl在充 電搡作模式和放電操作模式期間的沉積。電加熱器包圍能量存儲裝 置。加熱器被激勵，以便將能量存儲裝置加熱至約300攝氏度的搡作 溫度
在初始恒定電壓充電循環(huán)以3至15安培的電流充電到10安培-小時的總電荷之后，能量存儲裝置以4安培和12安培的電流進行充 電和》欠電。該電池的充電性能與示例4的能量存儲裝置的充電性能是 大致相同的。放電電壓也是大致相同的。相對于示例4的能量存儲裝 置的差異是CuCl在》文電時的利用率更高——為85。/。，與^f目比示例4 裝置的平均為~50%。在僅經(jīng)過幾個循環(huán)之后，隔離管裂開。銅穿過^ "-氧化鋁管的壁而向上遷移到約1/3距離處。
示例7—一形成測試能量存儲裝置
除了 P"-氧化鋁管不同之外，能量存儲裝置是"l要照與示例6中相 同的方式建造的。此示例中的P"-氧化鋁管由氣相浸漬工藝制成。相 對于示例5和6中使用的管，該0 "-氧化鋁管具有較少顆粒間隙相形 式的鋁酸鈉。此示例的能量存儲裝置的性能類似于示例6的能量存儲 裝置。其差異是在使用之后，沒有銅浸漬或遷移到P"-氧化鋁管的壁 中。
如此處使用，陰極材料是在充電期間供應(yīng)電子的材料，并且作為 氧化還原反應(yīng)的一部分而存在，該部分超過其反應(yīng)側(cè)參與電化學反應(yīng) 的反應(yīng)物重量百分比約5%。此處使用的近似語句在整個說明書和權(quán) 利要求中可用于修飾任何數(shù)量性表述，該數(shù)量性表述可在不導(dǎo)致其可 能相關(guān)的基本功能發(fā)生變化的條件下進行可容許的修改。因此，由詞 語例如"大約，，修飾的值并不局限于所指定的精確值。在某些情況下， 近似語句可與用于測量該值的儀器的精度相對應(yīng)。
本文所述的實施例是成分、結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)和方法的示例，這些示例具有與權(quán)利要求所陳述的本發(fā)明的要素相對應(yīng)的要素。此書面說明書 使本領(lǐng)域中的普通技術(shù)人員能夠制造和使用具有備選要素的實施例， 這些備選要素同樣與權(quán)利要求中所陳述的本發(fā)明的要素相對應(yīng)。因而 本發(fā)明的范圍包括與權(quán)利要求的字面語言并無不同的成分、結(jié)構(gòu)、系 統(tǒng)和方法，并且還包括與權(quán)利要求的字面語言無實質(zhì)差異的其它成 分、結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)和方法。雖然此處只顯示和描述了某些特征和實施例， 但是本領(lǐng)域中的普通技術(shù)人員可想到許多修改和變化。所附權(quán)利要求 意圖涵蓋所有此類修改和變化。
權(quán)利要求
1.一種物品，包括隔離器，其具有第一表面和第二表面，所述第一表面限定了第一室的至少一部分，所述第二表面限定了第二室，并且所述第一室通過所述隔離器而與所述第二室成離子連通；和陰極材料，其與所述隔離器成電氣連通，并能夠形成金屬鹵化物，支撐結(jié)構(gòu)，其設(shè)置在所述第一室或所述第二室的至少其中一個中，并且所述支撐結(jié)構(gòu)是電傳導(dǎo)性的，且與集電器成電氣連通，其中所述陰極材料被支撐于所述支撐結(jié)構(gòu)的表面上。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的物品，其特征在于，所述支撐結(jié)構(gòu)是 連續(xù)的基質(zhì)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的物品，其特征在于，所述支撐結(jié)構(gòu)遠 離所述隔離器第一表面而延伸，以形成具有在約0.1毫米至約20毫米 范圍內(nèi)的厚度的層。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的物品，其特征在于，所述隔離器是大 致平面的，并且具有周邊邊緣。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的物品，其特征在于，所述隔離器是平 坦的、波浪形的、圓頂形的或凹陷的。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的物品，其特征在于，所述隔離器具有 垂直于軸線的橫截面輪廓，所述橫截面輪廓為橢圓形、三角形、矩形、 十字形或星形。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所迷的物品，其特征在于，所述隔離器具有 垂直于軸線的橫截面輪廓，所述橫截面輪廓為圓形、苜蓿葉形或方形。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的物品，其特征在于，所述第二室完全 設(shè)置在所述第一室內(nèi)。
9. 根據(jù)權(quán)利要求I所述的物品，其特征在于，所述支撐結(jié)構(gòu)包 括亞鐵基合金。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的物品，其特征在于，所述支撐結(jié)構(gòu)包括陶瓷。
11. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的物品，其特征在于，所述支撐結(jié)構(gòu)包括碳o
12. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的物品，其特征在于，所述碳支撐結(jié) 構(gòu)是玻璃碳，
13. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的物品，其特征在于，所述支撐結(jié)構(gòu)是 金屬，
14. 根據(jù)權(quán)利要求13所述的物品，其特征在于，所述陰極材料 是鋅，并且所述支撐結(jié)構(gòu)是選自包括銅、鎳、鉬、鴒和鈦的組中的金 屬。
15. 根據(jù)權(quán)利要求13所述的物品，其特征在于，所述陰極材料 是銅，并且所述支撐結(jié)構(gòu)是選自包括鎳、鉬、鎢和^t太的組中的金屬。
16. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的物品，其特征在于，所述支撐結(jié)構(gòu)是 多孔的。
17. 根據(jù)權(quán)利要求16所述的物品，其特征在于，所述多孔支撐 結(jié)構(gòu)是泡沫、網(wǎng)狀物、編織物、氈或纖維塊。
18. 根據(jù);f又利要求16所述的物品，其特征在于，所述多孔支撐 結(jié)構(gòu)是粉末。
19. 根據(jù)權(quán)利要求16所述的物品，其特征在于，所述支撐結(jié)構(gòu) 的孔隙具有大于約U效米的平均直徑。
20. 根據(jù)權(quán)利要求16所述的物品，其特征在于，所述支撐結(jié)構(gòu) 的孔隙具有小于約250微米的平均直徑。
21. 根據(jù)權(quán)利要求16所述的物品，其特征在于，所述支撐結(jié)構(gòu) 的孔隙具有在約IO微米至50微米范圍內(nèi)的平均直徑。
22. 根據(jù)權(quán)利要求16所述的物品，其特征在于，所迷支撐結(jié)構(gòu) 具有大于約0.1m2/g的比表面積。
23. 根據(jù)權(quán)利要求16所述的物品，其特征在于，所述支撐結(jié)構(gòu)具有小于約10m2/g的比表面積。
24. 根據(jù)權(quán)利要求16所述的物品，其特征在于，所述支撐結(jié)構(gòu) 具有小于約30%的體積密度。
25. 根據(jù)權(quán)利要求16所述的物品，其特征在于，所述支撐結(jié)構(gòu) 的孔隙具有基于顆粒的粒度而選擇的平均直徑，所述顆粒通過所述陰 極材料的電化學轉(zhuǎn)換從鹽形式轉(zhuǎn)換成元素形式而形成，或通過傳導(dǎo)性 離子的電化學轉(zhuǎn)換從元素形式轉(zhuǎn)換成鹽形式而形成。
26. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的物品，其特征在于，所述支撐結(jié)構(gòu)通 過化學氣相淀積、化學淀積、粉末涂敷或浸漬涂敷而由所述陰極材料 覆蓋。
27. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的物品，其特征在于，所述支撐結(jié)構(gòu)通 過電鍍而由所述陰極材料覆蓋。
28. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的物品，其特征在于，所述支撐結(jié)構(gòu)具 有大于約0.01克/立方厘米的支撐在其上的陰極材料的有效密度。
29. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的物品，其特征在于，所述支撐結(jié)構(gòu)具 有大于約0.5克/立方厘米的支撐在其上的陰極材料的有效密度。
30. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的物品，其特征在于，所述支撐結(jié)構(gòu)支 撐一層陰極材料，該層陰極材^F具有大于約0,2微米的厚度。
31. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的物品，其特征在于，所述支撐結(jié)構(gòu)支 撐一層陰極材料，該層陰極材料在約200倍放大下具有結(jié)節(jié)外觀。
32. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的物品，其特征在于，所述支撐結(jié)構(gòu)支 撐一層連續(xù)的陰極材料。
33. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的物品，其特征在于，所述支撐結(jié)構(gòu)包 括多個子層。
34. 根據(jù)權(quán)利要求33所述的物品，其特征在于，所述多個子層 包括粘合層或粘接劑層、傳導(dǎo)層、抗蝕層或充電狀態(tài)指示器層中的至 少一個層；以及作為最外層的活性層，并且所述活性層包括所述陰極 材料。
35. 根據(jù)權(quán)利要求33所述的物品，其特征在于，所述多個子層 包括活性層，并且所述活性層包括不同陰極材料的兩個子層。
36. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的物品，其特征在于，所述支撐結(jié)構(gòu)表 面上的所述陰極材料鄰接所述隔離器的第 一表面，并遠離所述第 一表 面而延4申。
37. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的物品，其特征在于，所述物品是伸長 的，并限定了軸線，并且所述物品構(gòu)造成使得軸線在使用期間是大致 豎直的，/人而有上軸向方向和下軸向方向，并且所述支撐結(jié)構(gòu)設(shè)置在包含陰極材料的腔室中，而且所述支撐 結(jié)構(gòu)包括多個板，這些板環(huán)繞所述軸線，并彼此軸向地間隔開。
38. 根據(jù)權(quán)利要求37所述的物品，其特征在于，所述板限定了 陰極材料的軸向區(qū)域，并且所述板是連續(xù)且電絕緣的，并構(gòu)造成將一 個軸向區(qū)域與另一軸向區(qū)域電隔離開。
39. 根據(jù)權(quán)利要求37所述的物品，其特征在于，所述板限定了 陰極材料的軸向區(qū)域，并且所述板是不連續(xù)的，但阻塞了來自一個軸 向區(qū)域的至少一些材料沉積到另 一軸向區(qū)域上。
40. 根據(jù)權(quán)利要求37所述的物品，其特征在于，所述物品還包 括延伸穿過所述多個板的集電器。
41. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的物品，其特征在于，所述第二室是伸 長的，并限定了軸線。
42. 根據(jù)權(quán)利要求41所述的物品，其特征在于，所述第一室關(guān) 于所述軸線同軸地設(shè)置。
43. 根據(jù)權(quán)利要求41所述的物品，其特征在于，存在相對彼此 軸向間隔開的至少兩個區(qū)域，和至少以下其中一個特征區(qū)域一的添加劑濃度相對于區(qū)域二有所不同，或者 區(qū)域一的陰極材料類型相對于區(qū)域二有所不同，或者 區(qū)域一的陰極材料數(shù)量相對于區(qū)域二有所不同，或者 各個區(qū)域中存在多種陰極材料，并且區(qū)域一中的第一陰極材料對第二陰極材料的比相對于區(qū)域二有所不同。
44. 根據(jù)權(quán)利要求43所述的物品，其特征在于，所述物品還包 括將區(qū)域一與區(qū)域二隔離開的板。
45. 根據(jù)權(quán)利要求44所述的物品，其特征在于，所述板是大致 平坦的，并且橫穿所述軸線。
46. 根據(jù)權(quán)利要求44所述的物品，其特征在于，所述板是大致 圓錐形的，并向上開口，其中相對較重或較密的材料沿著所述板的內(nèi) 表面朝著所述軸線而遷移或流下。
47. 根據(jù)權(quán)利要求44所述的物品，其特征在于，所述板是大致 圓錐形的，并向下開口，其中相對較重或較密的材料沿著所述板的外 向表面遠離所述軸線而遷移或流下。
48. 根椐權(quán)利要求42所述的物品，其特征在于，存在相對彼此 徑向間隔開的至少兩個地帶，和至少以下其中一個特征地帶一的添加劑濃度相對于地帶二有所不同，或者 地帶一的陰極材料類型相對于地帶二有所不同，或者 地帶一的陰極材料數(shù)量相對于地帶二有所不同，或者 各個地帶中存在多種陰極材料，并且地帶一中的第一陰極材料對 第二陰極材料的比相對于地帶二有所不同。
49. 一種包括根據(jù)權(quán)利要求1所述的物品的能量存儲裝置。
50. —種物品，包括隔離器，其具有第一表面和第二表面，所述第一表面限定了第一室的至少一部分，所述第二表面限定了第二室，并且所述第一室通過所述隔離器而與所述第二室成離子連通；和陰極材料，其與所述隔離器成電氣連通，并能夠形成金屬卣化物， 支撐結(jié)構(gòu)，其是連續(xù)的基質(zhì)，并且設(shè)置在所述第一室或所述第二室的至少其中 一個內(nèi)，其中所述陰極材料被支撐于所述支撐結(jié)構(gòu)的表面上。
51. —種物品，包4舌隔離器，其具有第一表面和第二表面，所述第一表面限定了第一 室的至少一部分，所述第二表面限定了第二室，并且所述第一室通過所述隔離器而與所述笫二室成離子連通；和陰極材津牛，其與所述隔離器成電氣連通，并能夠形成金屬鹵化物，和用于支撐所述陰極材料的裝置。
52. —種方法，包括將支撐結(jié)構(gòu)設(shè)置在外殼內(nèi)，其中所述外殼是伸長的，并限定了可 定向在豎直位置上的軸線，使得所述支撐結(jié)構(gòu)的第一端相對于所述支 撐結(jié)構(gòu)的第二端軸向地向上，所述支撐結(jié)構(gòu)的第二端相對軸向地向下；將第 一數(shù)量和第 一濃度的第 一 陰極材料設(shè)置在所述支撐結(jié)構(gòu)的 表面上，以浸漬或涂敷軸向向下部分；將第二數(shù)量和第二濃度的第二陰極材料設(shè)置在所述支撐結(jié)構(gòu)的表面上，以浸漬或涂敷軸向向上部分；和 密封所述外殼。
53. 根據(jù)權(quán)利要求52所述的方法，其特征在于，所述第一陰極 材料和所述第二陰極材料是相同的，但所述第一濃度不同于所述第二 濃度。
54. 根據(jù)權(quán)利要求52所述的方法，其特征在于，所述第一陰極 材料和所述第二陰極材料是不同的。
全文摘要
提供了一種物品。該物品可包括電化學電池。該電池可包括熔化電解質(zhì)和至少一個熔化的電極。該電池可包括用于將陽極與陰極隔離開，同時使陽極和陰極之間能夠成離子連通的結(jié)構(gòu)。還提供了一種包括該物品的能量存儲裝置?？商峁┡c該物品和能量存儲裝置相關(guān)的方法。公開的隔離器具有垂直于電池的軸線的橫截面輪廓，其形狀為橢圓形、三角形、矩形、十字形、星形、圓形、苜蓿葉形或方形。隔離器可以是圓頂?shù)幕虬枷莸?。電極材料可相對彼此徑向地或者軸向地隔開。
文檔編號H01M4/58GK101682015SQ200880015037
公開日2010年3月24日 申請日期2008年5月7日 優(yōu)先權(quán)日2007年6月14日
發(fā)明者A·P·夏皮羅, C·D·亞科范格羅, D·C·博丹, G·D·扎皮, M·A·瓦蘭斯, R·L·哈特, S·A·泰瑟 申請人:通用電氣公司