1.本发明公开了一种电化学电池组电池。
背景技术：2.锂离子电池组可包括一个或多个锂离子电池组电池，所述锂离子电池组电池根据系统的需要并联或串联地电连接。每个电池组电池包括一个或多个锂离子电极对，所述锂离子电极对被封装在密封的袋状封套中。在一些实施方案中，每个电极对包括负极(阳极)、正极(阴极)和参比电极，具有隔离件布置在其间。所述隔离件的功能是将负极和正极与参比电极物理隔离并电绝缘。
3.为了促进锂离子迁移率，在隔离件内可存在传导锂离子的电解质。电解质允许锂离子穿过正极和负极之间的隔离件穿过参比电极，以平衡在锂离子电池组电池的充电和放电循环期间绕过隔离件并通过外部电路在电极之间移动的电子流。取决于其的化学性质，每个锂离子电池组电池由于电极的电化学电势差具有最大或充电电压(完全充电时的电压)。例如，每个锂离子电池组电池可具有在3v至5v范围内的充电电压和在2.9v至4.2v范围内的标称开路电压。
4.每个电池组电池被配置成电化学地存储和释放电能。每个负极具有集流体，该集流体具有结合到负极端子极耳的负极箔，并且每个正极具有集流体，该集流体具有结合到正极端子极耳的正极箔。在每个电池组电池内，负极端子极耳与负极集流体电连通，所述负极集流体与电极对的负极接触并交换电子，并且正极端子极耳与正极集流体电连通，所述正极集流体与电极对的正极接触并交换电子。锂离子电池组电池能够在多个循环中放电和再充电。在电池组电池中具有改进的参比电极存在益处。
技术实现要素：5.本文的概念提供了用于锂离子电池组电池的参比电极，其为由铝或铝合金制成的多孔超薄膜。铝层是导电的，并且用作参比电极的集流体。合金元素可包括但不限于铜、锌、银、金、钛、镁、硅、锰、钴、铁、铬、稀土等中的一种或多种，以实现电、机械和化学性质的目标值。
6.本公开的一个方面包括一种电化学电池组电池，其具有阳极、阴极和参比电极，其中参比电极插入在阳极和阴极之间，并且其中参比电极是布置在集流体上的电极层。电极层具有布置在集流体上的电化学活性锂化合物、导电碳添加剂和聚合物粘合剂。集流体由铝合金制成。
7.本公开的另一方面包括插入在阳极和参比电极之间的第一隔离件，和插入在参比电极和阴极之间的第二隔离件。
8.本公开的另一方面包括参比电极，其为布置在集流体上的超薄膜电极层。
9.本公开的另一方面包括第一隔离件、参比电极和第二隔离件，所述第一隔离件、参比电极和第二隔离件被制造为插入在阳极和阴极之间的单个元件。
10.本公开的另一方面包括用于参比电极的集流体，其具有小于200微米(μm)的厚度，并且在一些实施方式中为5微米(μm)至50μm的厚度。
11.本公开的另一方面包括由孔隙率为30%至60%的铝合金制造的集流体。
12.本公开的另一方面包括由孔隙率为20%至80%的铝合金制造的集流体。
13.本公开的另一方面包括由铝制造的集流体。
14.本公开的另一方面包括由具有大于90%的铝含量的铝合金制造的集流体。
15.本公开的另一方面包括由铝合金制成的集流体，所述铝合金具有大于90%的铝含量和包含铜、锌、银、金、钛、镁、硅、锰、钴、铁或铬中的一种的合金。
16.本公开的另一方面包括集流体具有20至200吉帕斯卡(gpa)范围内的弹性模量。
17.本公开的另一方面包括用于集流体的铝合金具有20至200 gpa范围内的弹性模量。
18.本公开的另一方面包括被布置为矩形平板的集流体。
19.本公开的另一方面包括被布置为圆形平板的集流体。
20.本公开的另一方面包括被布置为圆筒形板的集流体。
21.本公开的另一方面包括由具有大于90%的铝含量的铝合金制造的集流体。
22.本公开的另一方面包括电化学电池组电池，所述电化学电池组电池包括阳极、阴极、参比电极、第一隔离件和第二隔离件，其中所述参比电极插入在阳极和阴极之间，其中所述第一隔离件插入在阳极和参比电极之间，其中第二隔离件插入在参比电极和阴极之间，并且其中所述参比电极是布置在由铝合金制成的超薄膜上的电极层。所述电极层具有电化学活性锂化合物、导电碳添加剂和聚合物粘合剂，其被布置在由铝合金制成的超薄膜上。
23.本公开的另一个方面包括由具有20至200 gpa范围内的弹性模量的铝合金制造的超薄膜。
24.本发明公开了以下实施方案：1. 一种电化学电池组电池，包括：阳极、阴极和参比电极；其中所述参比电极插入在所述阳极和所述阴极之间；其中所述参比电极是布置在集流体上的电极层；其中所述电极层具有布置在所述集流体上的电化学活性锂化合物、导电碳添加剂和聚合物粘合剂；以及其中所述集流体由铝合金制成。
25.根据实施方案1所述的电化学电池组电池，还包括插入在所述阳极和所述参比电极之间的第一隔离件，以及插入在所述参比电极和所述阴极之间的第二隔离件。
26.根据实施方案2所述的电化学电池组电池，其中所述第一隔离件、所述参比电极和所述第二隔离件被制造为插入在所述阳极和所述阴极之间的单个元件。
27.根据实施方案1所述的电化学电池组电池，其中所述参比电极包括布置在所述集流体上的多孔活性材料层。
28.根据实施方案1所述的电化学电池组电池，其中用于所述参比电极的所述集流体具有5微米(μm)至50μm的厚度。
29.根据实施方案1所述的电化学电池组电池，其中所述集流体由孔隙率为30%至60%的铝合金制成。
30.根据实施方案1所述的电化学电池组电池，其中所述集流体由孔隙率为20%至80%的铝合金制成。
31.根据实施方案1所述的电化学电池组电池，其中所述集流体由具有大于90%的铝含量的铝合金制成。
32.根据实施方案1所述的电化学电池组电池，其中所述集流体由铝合金制成，所述铝合金具有大于90%的铝含量和包含铜、锌、银、金、钛或铬中的一种的合金。
33.根据实施方案9所述的电化学电池组电池，其中所述铝合金具有在20至200 gpa (吉帕斯卡)的弹性模量。
34.根据实施方案1所述的电化学电池组电池，其中所述集流体被布置为矩形平板。
35.根据实施方案1所述的电化学电池组电池，其中所述集流体被布置为圆形平板。
36.根据实施方案1所述的电化学电池组电池，其中所述集流体被布置为圆筒形板。
37.一种电化学电池组电池，包括：阳极、阴极、参比电极、第一隔离件和第二隔离件；其中所述参比电极插入在所述阳极和所述阴极之间；其中所述第一隔离件插入在所述阳极和所述参比电极之间；其中所述第二隔离件插入在所述参比电极和所述阴极之间；以及其中所述参比电极具有布置在由铝合金制成的超薄膜上的电化学活性锂化合物、导电碳添加剂和聚合物粘合剂。
38.根据实施方案14所述的电化学电池组电池，其中所述第一隔离件、所述参比电极和所述第二隔离件被制造为插入在所述阳极和所述阴极之间的单个元件。
39.根据实施方案14所述的电化学电池组电池，其中所述超薄膜由铝合金制成，并且具有5微米(μm)至50μm的厚度。
40.根据实施方案14所述的电化学电池组电池，其中所述超薄膜由铝合金制成，并且具有30%至60%的孔隙率。
41.根据实施方案14所述的电化学电池组电池，其中所述超薄膜由铝合金制成，并且具有20 至200 gpa (吉帕斯卡)的弹性模量。
42.根据实施方案14所述的电化学电池组电池，其中所述超薄膜由铝合金制成，所述铝合金具有大于90%的铝含量和包含铜、锌、银、金、钛或铬中的一种的合金。
43.根据实施方案14所述的电化学电池组电池，其中所述超薄膜由纯铝制成。
44.当结合附图时，从以下对用于实现本教导的一些最佳模式和其它实施方案（如所附权利要求中限定的）的详细描述，本教导的上述特征和优点以及其它特征和优点是显而易见的。
附图说明
45.现在将参考附图通过实例的方式描述一个或多个实施方案，其中：图1示意性地示出了根据本公开的棱柱形电池组电池的分解等轴视图，所述棱柱形电池组电池包括堆叠布置的阳极、阴极和参比电极。
46.图2示意性地示出了根据本发明的堆叠布置的阳极、阴极和参比电极的实施方案的一部分的等轴视图。
47.图3示意性地示出了根据本公开的圆盘形电池组电池的分解等轴视图，该圆盘形电池组电池包括堆叠布置的阳极、阴极和参比电极。
48.附图不一定按比例，并且呈现了如本文所公开的本公开的各种优选特征的在一定程度上简化的表达，包括例如特定尺寸、取向、位置和形状。与这些特征相关的细节将部分地由特定的预期应用和使用环境来确定。
具体实施方式
49.如本文中所描述和示出的，所公开的实施方案的部件可以以各种不同的构造布置和设计。因此，以下详细描述不旨在限制如所要求保护的本公开的范围，而仅仅是其可能的实施方案的代表。另外，虽然在以下描述中阐述了许多具体细节以提供对本文所公开的实施方案的透彻理解，但是可以在没有这些细节中的一些的情况下实践一些实施方案。此外，为了清楚的目的，没有详细描述在相关技术中所理解了的某些技术材料，以避免不必要地模糊本公开。此外，附图是简化形式的，并且没有精确的比例。仅为了方便和清楚的目的，方向术语，例如顶部、底部、左、右、上、上方、上面、下方、下面、后部和前部，可采用以帮助描述附图。这些和类似的方向术语是说明性的，并且不应被解释为限制本公开的范围。此外，如本文所说明和描述的本公开可在不存在本文未具体公开的元件的情况下实践。
50.参考附图，其中在所有几幅图中相同的附图标记对应于相同或相似的部件，图1和2示意性地示出棱柱形锂离子电池组电池10的实施方案，其包括阳极20、第一隔离件40、参比电极50、第二隔离件42和阴极30，其堆叠布置并密封在容纳电解材料62的柔性袋60中。第一负极电池组电池极耳26和第二正极电池组电池极耳36从柔性袋60突出。术语“阳极”和“负极”可互换使用。术语“阴极”和“正极”可互换使用。示出了阳极20、第一隔离件40、参比电极50、第二隔离件42和阴极30的单一布置。应理解，取决于电池组电池10的具体应用，阳极20、第一隔离件40、参比电极50、第二隔离件42和阴极30的多种布置可被布置并电连接在柔性袋60中。
51.阳极20包括布置在阳极集流体24上的第一活性材料22。阳极集流体24具有从第一活性材料22延伸以形成第一电池组电池极耳26的箔部分25。
52.阴极30包括布置在阴极集流体34上的第二活性材料32，其中阴极集流体34具有从第二活性材料32延伸以形成第二电池组电池极耳36的箔部分35。
53.参比电极50包括超薄多孔铝集流体52，其在一侧上涂覆有多孔活性材料层54。参比电极50提供相对于电池中其它电极固定且不变的电化学电势。多孔活性材料层54是电化学活性的嵌锂化合物，例如磷酸铁锂或钛酸锂，其在宽范围的锂含量上显示出恒定或几乎恒定的电势。另外，多孔活性材料层54可含有导电碳稀释剂和聚合物粘合剂。以参比电极极耳56的形式提供通过电池袋到参比电极的独立电通路。
54.第一隔离件40布置在正极30和参比电极50之间，以将正极30与参比电极50物理隔离并电绝缘。
55.第二隔离件42布置在负极20和参比电极50之间，以将负极20与参比电极50物理隔离并电绝缘。
56.在一个实施方案中，第一隔离件40、参比电极50和第二隔离件42被制造为可以插入在阳极20和阴极30之间的单个整体元件58，从而简化组装并改善电池组电池10的可制造性。
57.传导锂离子的电解材料62容纳在隔离件40内，并暴露于正极30和负极20中的每一个，以允许锂离子在正极30和负极20之间移动。放电期间从负极20脱嵌的锂离子或充电期间从正极30脱嵌的锂离子放出电子，所述电子分别流过集流体24和34，流过连接到负载或充电器的外部电路，并且然后流到相对的集流体(34和24)和电极(30和20)，在那里它们在其被嵌入时还原锂离子。
58.负极20和正极30被制造为能够嵌入和脱嵌锂离子的电极材料。配制正极30和负极20的电极材料以在相对于共同参比电极(例如，锂)的不同电化学电势下储存嵌入的锂。在电极对20的构造中，负极20在比正极30低的电化学电势(即，较高的能态)下储存嵌入的锂，使得当负极20被锂化时，在正极30和负极20之间存在电化学电势差。每个电池组电池10的电化学电势差导致3v至5v范围内的充电电压和2.9v至4.2v范围内的标称开路电压。负极30和正极20的这些属性允许锂离子在电极对20的操作循环期间在正极30和负极20之间自发地(放电阶段)或通过施加外部电压(充电阶段)可逆地转移。每个正极30和负极20的厚度为30微米(μm)至150μm。
59.负极20是锂主体材料，如例如石墨、硅或钛酸锂。锂主体材料可与聚合物粘合剂材料混合以提供具有结构完整性的负极20，以及在一个实施方案中，导电细颗粒稀释剂。锂主体材料优选为石墨，并且聚合物粘合剂材料优选为聚偏二氟乙烯(pvdf)、三元乙丙橡胶(epdm)、丁苯橡胶(sbr)、羧甲基纤维素(cmc)、聚丙烯酸或其混合物中的一种或多种。通常使用石墨来制造负极20，因为除了相对惰性之外，其层状结构还表现出有利的锂嵌入和脱嵌特性，其有助于为电池组电极对20提供所需的能量密度。可用于构造负极20的各种形式的石墨是可商购的。导电稀释剂可以是非常细的颗粒，例如高表面积炭黑颗粒。
60.正极30由基于锂的活性材料构成，该基于锂的活性材料在比用于制造负极20的锂主体材料高的电化学电势(相对于普通参比电极)下储存嵌入的锂。出于相同的目的，可用于构造负极20的相同的聚合物粘合剂材料(pvdf、epdm、sbr、cmc、聚丙烯酸)和导电细颗粒稀释剂(高表面积炭黑)也可与正极30的基于锂的活性材料混合。基于锂的活性材料优选为层状锂过渡金属氧化物，例如锂钴氧化物，尖晶石锂过渡金属氧化物，例如尖晶石锂锰氧化物，锂聚阴离子化物（lithium polyanion），例如镍-锰-钴氧化物，磷酸铁锂或氟磷酸锂。可用作基于锂的活性材料的一些其它合适的基于锂的活性材料包括锂镍氧化物、锂铝锰氧化物和锂钒氧化物，以提名替代物的实例。包括这些列举的基于锂的活性材料中的一种或多种的混合物也可用于制造正极30。
61.第一和第二隔离件40、42各自由一个或多个多孔聚合物层构成，所述多孔聚合物层可单独地由广泛种类的聚合物中的任何组成。为了简单，这里仅示出一个这样的聚合物层。一个或多个聚合物层中的每一个可以是聚烯烃。聚烯烃的一些具体实例是聚乙烯(pe) (以及变体，例如hdpe、ldpe、lldpe和uhmwpe)、聚丙烯(pp)或pe和pp的共混物。一个或多个聚合物层的作用是将负极20和正极30与参比电极50电绝缘和物理隔离。第一和第二隔离件40、42可进一步用液体电解质渗透遍布到一个或多个聚合物层的孔隙中。也润湿电极20、30二者的液体电解质优选包括溶解在非水溶剂中的锂盐。
62.第一和第二隔离件40、42具有可为10微米(μm)至50μm的厚度。
63.上面所述关于负极20、正极30、第一和第二隔离件40、42和电解材料62的描述旨在是非限制性实例。这些元件中的每一者的化学性质的许多变体可应用于本公开的锂离子电池组电池10的情景中。例如，负极20的锂主体材料和正极30的基于锂的活性材料可以是除了以上列出的那些特定电极材料之外的组合物，特别是当锂离子电池组电极材料继续被研究和开发时。另外，含有在第一和第二隔离件40、42的一个或多个聚合物层中的一个或多个聚合物层和/或电解质还可包括除上面具体列出的那些以外的其它聚合物和电解质。在一个变体中，第一和第二隔离件40、42可以是包括聚合物层的固体聚合物电解质，所述聚合物层例如具有锂盐或用锂盐溶液溶胀的聚环氧乙烷(peo)、聚环氧丙烷(ppo)、聚丙烯腈(pan)或聚偏二氟乙烯(pvdf)。在适当的放电和充电循环期间，阳极20和阴极30可逆地交换锂离子通过第一和第二隔离件40、42和参比电极50。
64.阳极和阴极集流体24、34是薄金属板形元件，其在可估计的界面表面积上接触它们各自的第一和第二活性材料22、32。阳极和阴极集流体24、34的目的是在放电和充电期间与它们各自的第一和第二活性材料22、32交换自由电子。
65.阴极集流体34是由铝或铝合金制成的平板，并且具有0.02 mm或接近0.02 mm的厚度。插入在阳极20和阴极30之间的参比电极50包括电极层54，其布置在具有伸出到袋60之外用于电连接的极耳部分56的集流体52上。集流体52被布置为用于电极层的机械支撑和用于将电子传导到电极层和从电极层传导电子的装置二者。参比电极50包括布置在集流体52上的电极层54，其中电极层54具有布置在集流体52上的电化学活性锂化合物、导电碳添加剂和聚合物粘合剂，并且其中集流体52由铝合金制成。
66.集流体52由纯铝或者铝合金制成。当集流体52由铝合金制成时，铝合金具有大于90%的铝含量和包含铜、锌、银、金、钛、镁、硅、锰、钴、铁、铬和/或稀土金属中的一种或组合的合金。用于集流体52的铝或铝合金材料具有在20-200 gpa (吉帕斯卡)范围内的弹性模量。选择弹性模量值以经受住由可在电池组电池10的使用寿命期间发生的温度变化和机械张力、扭曲等产生的在电池组电池10中的物理机械扩张和收缩。
67.在一个实施方案中，用于集流体52的铝合金被制造成具有20%至80%的孔隙率，并且具有30%至60%的目标范围。
68.在一个实施方案中，用于参比电极50的集流体52具有小于50μm的厚度。用于参比电极50的集流体52是超薄膜，在一个实施方案中，其厚度为5μm至50μm，并且在一侧上用多孔活性材料层54涂覆。在一个实施方案中，集流体52的超薄膜由铝合金制成。如本文所用，在某些实施方案中，“薄”是指小于约100至200微米的厚度，并且“超薄”是指小于50微米，并且薄至5微米的厚度。
69.本文所述的概念提供了具有参比电极的电池组电池，所述参比电极具有集流体形式的多孔铝超薄膜。铝层是导电的，并且作为参比电极的集流体工作。铝层的厚度可以在5-50μm。铝层的孔隙率可以为20%至80%，优选地为30-60%。参比材料涂覆在多孔al层上。铝层可以由高纯度铝或具有大于90%的铝含量的铝合金制成。合金元素可包括但不限于以下的一种或多种：铜、锌、银、金、钛、铬、稀土等，以实现电、机械和化学性质之间的最佳平衡。与采用金、银或铂族金属之一的已知参比电极相比，该概念通过降低材料成本和降低制造复杂性而使得能够大规模批量制造具有参比电极的电池组电池。
70.详细描述和附图或图形支持并描述本教导，但是本教导的范围仅由权利要求限定。虽然已经详细描述了用于执行本教导的一些最佳模式和其它实施方案，但是存在用于实践在所附权利要求中限定的本教导的各种替代设计和实施方案。
技术特征：1.一种电化学电池组电池，包括：阳极、阴极和参比电极；其中所述参比电极插入在所述阳极和所述阴极之间；其中所述参比电极是布置在集流体上的电极层；其中所述电极层具有布置在所述集流体上的电化学活性锂化合物、导电碳添加剂和聚合物粘合剂；以及其中所述集流体由铝合金制成。2.根据权利要求1所述的电化学电池组电池，还包括插入在所述阳极和所述参比电极之间的第一隔离件，以及插入在所述参比电极和所述阴极之间的第二隔离件。3.根据权利要求2所述的电化学电池组电池，其中所述第一隔离件、所述参比电极和所述第二隔离件被制造为插入在所述阳极和所述阴极之间的单个元件。4.根据权利要求1所述的电化学电池组电池，其中所述参比电极包括布置在所述集流体上的多孔活性材料层。5.根据权利要求1所述的电化学电池组电池，其中用于所述参比电极的所述集流体具有5微米(μm)至50μm的厚度。6.根据权利要求1所述的电化学电池组电池，其中所述集流体由孔隙率为30%至60%的铝合金制成。7.根据权利要求1所述的电化学电池组电池，其中所述集流体由孔隙率为20%至80%的铝合金制成。8.根据权利要求1所述的电化学电池组电池，其中所述集流体由具有大于90%的铝含量的铝合金制成。9.根据权利要求1所述的电化学电池组电池，其中所述集流体由铝合金制成，所述铝合金具有大于90%的铝含量和包含铜、锌、银、金、钛或铬中的一种的合金。10.一种电化学电池组电池，包括：阳极、阴极、参比电极、第一隔离件和第二隔离件；其中所述参比电极插入在所述阳极和所述阴极之间；其中所述第一隔离件插入在所述阳极和所述参比电极之间；其中所述第二隔离件插入在所述参比电极和所述阴极之间；以及其中所述参比电极具有布置在由铝合金制成的超薄膜上的电化学活性锂化合物、导电碳添加剂和聚合物粘合剂，集流体由铝合金制成。
技术总结本发明公开了制造电池组电极的方法和装置。描述了一种用于锂离子电池组电池的参比电极，其为由铝或铝合金制成的多孔超薄膜的形式。铝层是导电的，并且用作参比电极的集流体。合金元素可包括但不限于铜、锌、银、金、钛、铬、稀土金属等中的一种或多种，以实现电、机械和化学性质的目标值。还公开了一种电化学电池组电池，其具有阳极、阴极和参比电极，其中参比电极插入在阳极和阴极之间，其中参比电极是布置在集流体上的电极层，并且其中集流体由铝合金制成。制成。制成。
技术研发人员：B
受保护的技术使用者：通用汽车环球科技运作有限责任公司
技术研发日：2022.04.29
技术公布日：2022/11/1
