電化學(xué)儲(chǔ)能裝置和外殼的制作方法
【專利說明】電化學(xué)儲(chǔ)能裝置和外殼 奪叉引用
[0001] 本申請(qǐng)要求提交于2012年10月16日的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)序列號(hào)61/714, 714以 及提交于2012年12月13日的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)序列號(hào)61/737, 068權(quán)益，上述每個(gè)申請(qǐng) 均通過引用而全文并入于此。
【背景技術(shù)】
[0002] 電池是能夠?qū)?chǔ)存的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置。電池用于許多家庭和工業(yè)應(yīng)用。 在一些情況下，電池是可再充電的，以使得電能（例如，從諸如機(jī)械能等非電類型的能量轉(zhuǎn) 化而來）能夠以化學(xué)能的形式儲(chǔ)存在電池中（即，給電池充電）。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本公開內(nèi)容提供可以在電網(wǎng)內(nèi)或作為獨(dú)立系統(tǒng)的一部分使用的儲(chǔ)能裝置（例如， 電池）和外殼。所述電池可以從電力生產(chǎn)源充電，以備后期在有電能消耗需求時(shí)放電。
[0004] 本公開內(nèi)容中的儲(chǔ)能裝置有助于緩解有關(guān)可再生能源的至少一部分問題。可再生 能源可以是間歇性的，其中能量供應(yīng)和需求可以不是逐時(shí)間匹配的（例如，在即時(shí)或接近 即時(shí)的時(shí)間框架內(nèi)）。例如，太陽能只有在太陽照射時(shí)產(chǎn)生，風(fēng)能只有在風(fēng)吹時(shí)產(chǎn)生。進(jìn)一 步，任何給定時(shí)間的需求是工業(yè)、商業(yè)、社區(qū)和家庭活動(dòng)的函數(shù)。使用本文中描述的電池和 電池外殼可以提供一種用于平衡間歇性電能供應(yīng)與需求的方法。
[0005] 本公開內(nèi)容提供用于在升高的溫度下引導(dǎo)電流通過金屬壁、同時(shí)將泄漏或電流路 徑與所述壁之間的電接觸降至最小的系統(tǒng)。在一些情況下這是通過使用與云母、蛭石、玻 璃、釬焊陶瓷或其他高溫介電密封材料配對(duì)的法蘭連接而實(shí)現(xiàn)的，并且可以使用電絕緣的 緊固件（例如，螺栓、夾具）或通過密封件與金屬法蘭表面的機(jī)械和/或化學(xué)粘合而獲得保 證。饋通體（feed-through)組裝件可以密封在金屬壁上的適當(dāng)開口上（例如，通過牢固的 焊接）。在一些情況下，所述饋通體組裝件在電極之間均勻地分配電流。
[0006] 本文提供的螺栓式法蘭組裝件可以提供壓縮力，該壓縮力可足以密封儲(chǔ)能裝置外 殼的腔室。在一些情況下，使用法蘭組裝件還可以提供一種適合使用云母或蛭石墊圈作為 密封劑和電隔離材料的幾何體。在一些實(shí)現(xiàn)方式中，密封表面的幾何體從所密封的外殼 (容器）的幾何體上解耦。在一些情況下，所述外殼的尺寸和形狀可能不決定所述密封件的 尺寸和形狀。
[0007] 一方面，電化學(xué)單體包括導(dǎo)電外殼和與集流體電連通的導(dǎo)體，其中所述導(dǎo)體穿過 所述外殼上的開孔伸出所述外殼并與所述外殼電隔離，其中所述電化學(xué)單體能夠儲(chǔ)存和/ 或吸收至少25Wh的能量。在一些實(shí)施方式中，所述電化學(xué)單體包括與所述集流體相鄰的液 態(tài)金屬陽極。在一些實(shí)施方式中，所述液態(tài)金屬包括鎂。
[0008] 另一方面，電池包括如權(quán)利要求1所述的多個(gè)電化學(xué)單體，其中所述電池能夠儲(chǔ) 存至少IOOkWh的能量。
[0009] 另一方面，電池外殼包括導(dǎo)電容器和與集流體電連通的導(dǎo)體，其中所述導(dǎo)體穿 過所述容器上的開孔伸出所述外殼并與所述容器電隔離，其中所述外殼能夠封閉能儲(chǔ) 存和或吸收至少25Wh的能量的電化學(xué)單體。在一些實(shí)施方式中，所述外殼能夠氣密地 (hermetically)密封所述電化學(xué)單體。
[0010] 另一方面，電化學(xué)單體包括導(dǎo)電外殼和與集流體電連通的導(dǎo)體，其中所述導(dǎo)體穿 過所述外殼上的開孔伸出所述外殼并與所述外殼電隔離，其中所述開孔的面積與所述外殼 的面積的比率小于0. 1。在一些實(shí)施方式中，所述單體包括與所述集流體相鄰的液態(tài)金屬陽 極。在一些實(shí)施方式中，所述液態(tài)金屬包括鋰。在一些實(shí)施方式中，所述單體能夠儲(chǔ)存和或 吸收至少25Wh的能量。
[0011] 另一方面，電池外殼包括導(dǎo)電容器和與集流體電連通的導(dǎo)體，其中所述導(dǎo)體穿過 所述容器上的開孔伸出所述容器并與所述容器電隔離，其中所述開孔的面積與所述容器的 面積的比率小于0. 1，并且其中所述外殼能夠封閉能儲(chǔ)存和或吸收至少25Wh的能量的電 池。
[0012] 另一方面，電化學(xué)儲(chǔ)能裝置包括外殼、液態(tài)金屬電極、與所述液態(tài)金屬電極接觸的 集流體以及多個(gè)與所述集流體電連通并穿過所述外殼上的開孔伸出所述外殼的導(dǎo)體。在一 些實(shí)施方式中，電流基本上遍及所述液態(tài)金屬電極均勻地分布。在一些實(shí)施方式中，所述液 態(tài)金屬電極沿表面與電解質(zhì)接觸并且流過所述表面的電流是均勻的。在一些實(shí)施方式中， 流過所述表面某區(qū)域的電流的最大密度小于流過所述表面的電流的平均密度的約150%。 在一些實(shí)施方式中，流過所述表面某區(qū)域的電流的最小密度大于流過所述表面的電流的平 均密度的約50%。
[0013] 另一方面，電池外殼包括導(dǎo)電容器、多個(gè)容器開孔和多個(gè)與集流體電連通的導(dǎo)體， 其中所述導(dǎo)體穿過所述容器開孔并與所述導(dǎo)電容器電隔離，其中所述外殼能夠封閉包括與 所述集流體接觸的液態(tài)金屬電極的電化學(xué)單體。在一些實(shí)施方式中，電流基本上遍及所述 液態(tài)金屬電極均勻地分布。在一些實(shí)施方式中，所述液態(tài)金屬電極沿表面與電解質(zhì)接觸并 且流過所述表面的電流是均勻的。在一些實(shí)施方式中，流過所述表面某區(qū)域的電流的最大 密度小于流過所述表面的電流的平均密度的約150 %。在一些實(shí)施方式中，流過所述表面某 區(qū)域的電流的最小密度大于流過所述表面的電流的平均密度的約50%。
[0014] 另一方面，電化學(xué)儲(chǔ)能裝置包括液態(tài)金屬陽極和陰極，其中所述電化學(xué)儲(chǔ)能裝置 能夠儲(chǔ)存和或吸收至少25Wh的能量并且氣密地或非氣密地密封。在一些實(shí)施方式中，所述 裝置能夠儲(chǔ)存至少IOOkWh的能量。在一些實(shí)施方式中，所述電化學(xué)儲(chǔ)能裝置包括含有鋰的 液態(tài)陽極。在一些實(shí)施方式中，當(dāng)所述電化學(xué)儲(chǔ)能裝置與空氣在1巴（bar)的壓力和500°C 的溫度下接觸時(shí)，氧氣轉(zhuǎn)移到所述電化學(xué)裝置中的速率小于〇. 5mL每小時(shí)。在一些實(shí)施方 式中，所述電化學(xué)儲(chǔ)能裝置包括少于15個(gè)螺栓或緊固件。在一些實(shí)施方式中，所述電化學(xué) 儲(chǔ)能裝置不包括螺栓或緊固件。
[0015] 另一方面，電化學(xué)單體的編組（compilation)，所述編組中的單個(gè)單體包括充電狀 態(tài)的液態(tài)鋰陽極，其中所述編組能夠儲(chǔ)存和或吸收至少25Wh的能量并且所述單體中的每 一個(gè)都?xì)饷艿孛芊?。在一些?shí)施方式中，所述編組能夠儲(chǔ)存至少IOOkWh的能量。
[0016] 另一方面，電池外殼包括導(dǎo)電容器、容器開孔和與集流體電連通的導(dǎo)體，其中所述 導(dǎo)體穿過所述容器開孔并與所述導(dǎo)電容器電隔離，其中所述外殼能夠氣密地密封能夠儲(chǔ)存 和或吸收至少25Wh的能量的電池。在一些實(shí)施方式中，所述外殼能夠氣密地密封能儲(chǔ)存至 少IOOkWh的能量的電池。在一些實(shí)施方式中，所述電池包括與所述集流體相鄰的液態(tài)金屬 陽極。
[0017] 另一方面，一種儲(chǔ)能裝置，包括：與第二電化學(xué)單體相鄰的第一電化學(xué)單體，所述 第一和第二單體中的每一個(gè)包括導(dǎo)電外殼和與集流體電連通的導(dǎo)體，其中所述導(dǎo)體與所述 外殼電隔離并穿過所述外殼上的開孔伸出所述外殼使得所述導(dǎo)體接觸所述儲(chǔ)能裝置的相 鄰電化學(xué)單體的外殼。在一些實(shí)施方式中，第一和/或第二電化學(xué)單體包括與所述集流體 相鄰的液態(tài)金屬陽極。在一些實(shí)施方式中，當(dāng)?shù)谝缓偷诙误w為堆疊配置時(shí)，所述導(dǎo)體接觸 所述儲(chǔ)能裝置的相鄰電化學(xué)單體的外殼。在一些實(shí)施方式中，第一和第二單體能夠儲(chǔ)存和 或吸收至少25Wh的能量。在一些實(shí)施方式中，所述儲(chǔ)能裝置包括一疊1到10個(gè)電化學(xué)單 體。在一些實(shí)施方式中，所述儲(chǔ)能裝置包括一疊11到50個(gè)電化學(xué)單體。在一些實(shí)施方式 中，所述儲(chǔ)能裝置包括一疊51到100個(gè)或更多電化學(xué)單體。
[0018] 另一方面，電池外殼包括導(dǎo)電容器和與集流體電連通的導(dǎo)體，其中所述導(dǎo)體穿過 所述容器上的開孔伸出所述外殼并與所述容器電隔離，其中當(dāng)?shù)谝缓偷诙鈿槎询B配置 時(shí)，第一外殼的導(dǎo)體接觸第二外殼的容器。在一些實(shí)施方式中，所述外殼能夠氣密地密封包 含液態(tài)金屬電極的電化學(xué)單體。在一些實(shí)施方式中，所述外殼能夠氣密地密封能儲(chǔ)存和或 吸收至少25Wh的能量的電化學(xué)單體。
[0019] 另一方面，電化學(xué)儲(chǔ)能裝置包括陽極、陰極、電解質(zhì)、正集流體和負(fù)集流體，其中所 述負(fù)集流體與所述陽極接觸并且所述正集流體與所述陰極接觸，其中所述電解質(zhì)置于所述 陽極和陰極之間，并且其中電化學(xué)儲(chǔ)能裝置能夠儲(chǔ)存和或吸收至少25Wh的能量并且包括 少于15個(gè)螺栓或緊固件。在一些實(shí)施方式中，所述裝置能夠儲(chǔ)存至少IOOkWh的能量。在 一些實(shí)施方式中，所述電化學(xué)儲(chǔ)能裝置包括少于5個(gè)螺栓或緊固件。在一些實(shí)施方式中，所 述電化學(xué)儲(chǔ)能裝置不包括螺栓或緊固件。在一些實(shí)施方式中，所述電化學(xué)儲(chǔ)能裝置包括與 所述集流體相鄰的液態(tài)金屬陽極。
[0020] 另一方面，電化學(xué)單體的編組，所述編組中的單個(gè)單體包括充電狀態(tài)的液態(tài)鋰陽 極，其中所述編組能夠儲(chǔ)存和或吸收至少25Wh的能量并且所述電池中的每一個(gè)包括少于 10個(gè)螺栓或緊固件。在一些實(shí)施方式中，所述編組能夠儲(chǔ)存至少IOOkWh的能量。
[0021] 另一方面，氣密地密封具有液態(tài)金屬陽極的電化學(xué)儲(chǔ)能裝置的電池外殼，該電化 學(xué)儲(chǔ)能裝置能夠儲(chǔ)存和或吸收至少25Wh的能量，其中所述電池外殼包括少于10個(gè)螺栓或 緊固件。在一些實(shí)施方式中，所述外殼能夠氣密地密封能儲(chǔ)存至少IOOkWh的能量的電化學(xué) 儲(chǔ)能裝置。
[0022] 另一方面，電化學(xué)單體包括導(dǎo)電外殼和與集流體電連通的導(dǎo)體，其中所述導(dǎo)體穿 過所述外殼上的開孔伸出所述外殼并用墊圈與所述外殼電隔離，其中當(dāng)所述外殼被密封時(shí) 所述墊圈上的力為至少5,OOOpsi。在一些實(shí)施方式中，當(dāng)所述外殼被密封時(shí)所述墊圈上的 力為至少10,OOOpsi。在一些實(shí)施方式中，所述墊圈使用法蘭和不多于10個(gè)的螺栓或緊固 件附接。在一些實(shí)施方式中，所述墊圈是粘性的并且所述單體不包括螺栓或緊固件。
[0023] 另一方面，電池外殼包括導(dǎo)電容器和與集流體電連通的導(dǎo)體，其中所述導(dǎo)體穿過 所述容器上的開孔伸出所述容器并用墊圈與所述容器電隔離，其中當(dāng)所述電池外殼被密封 時(shí)墊圈上的力為至少5,OOOpsi。在一些實(shí)施方式中，當(dāng)所述外殼被密封時(shí)所述墊圈上的力 為至少10,OOOpsi。在一些實(shí)施方式中，所述墊圈使用法蘭和不多于10個(gè)的螺栓或緊固件 附接。在一些實(shí)施方式中，所述外殼能夠封閉能儲(chǔ)存和或吸收至少25Wh的能量的電化學(xué)電 池。在一些實(shí)施方式中，所述外殼能夠氣密地或非氣密地密封所述電池。
[0024] 另一方面，一種電化學(xué)電池外殼，包括：（a)容器，其包含從腔室開孔延伸到所述 容器內(nèi)的腔室；(b)密封所述腔室的容器蓋組裝件，所述容器蓋組裝件包括導(dǎo)電容器蓋和 導(dǎo)電法蘭，其中所述容器蓋覆蓋所述容器開孔并包含貫穿所述容器蓋的導(dǎo)體開孔，并且其 中所述法蘭覆蓋導(dǎo)體開孔并與所述容器蓋電隔離；以及（c)連接至所述法蘭并穿過所述導(dǎo) 體開孔延伸到所述腔室內(nèi)的電導(dǎo)體，其中所述導(dǎo)體與所述容器蓋電隔離。
[0025] 在一些實(shí)施方式中，（a)所述導(dǎo)體開孔是貫穿所述容器蓋的多個(gè)導(dǎo)體開孔中的一 個(gè)；(b)所述法蘭是分別覆蓋所述導(dǎo)體開孔并與所述容器蓋電隔離的多個(gè)導(dǎo)