CN105006586A - 具有高能量密度及功率密度的电池装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电池装置，包含电池外壳以及置于电池外壳内的多个元件，这些元件包含不同的电解液，进行至少两种不同的反应，以提供电力给外部装置，较佳者，多个元件包含第一元件及第二元件，其中第一元件的能量密度高于第二元件，第二元件的功率密度高于第一元件。

Description

具有高能量密度及功率密度的电池装置

技术领域

本发明涉及一种电池装置，尤指一种具有高能量密度及功率密度且较小体积的电池装置。

背景技术

随着诸如智能型手机、平板电脑、穿戴式装置等可携式多功能消费性电子产品的蓬勃发展，电池的效能及尺寸便成了决定产品市场性的关键，在缩小体积的同时，必须要能满足长时间使用及连网所需的瞬间高功率(peakpower)，因此便需要具有高能量密度(energy density)及高功率密度(powerdensity)的电池，然而，传统的锂离子电池在瞬间高功率应用下，无法提供符合需求的功率密度，所以使用这种电池的装置通常待机时间不长，瞬间高功率抽载(peak power load)也可能使装置当机，这些问题在多核心电脑或通讯系统特别严重，另外，在低温操作时，上述状况更为严重。

尽管可利用将超级电容(supercapacitor)耦接至锂离子电池避免瞬间高功率损害，例如US 5,587,250、WO 2007/097534、US 5,821,006说明了利用物理接触或电连接的方式耦接超级电容及锂离子电池，但是需加入额外的元件，制程又复杂，因而使得电池的体积及成本增加。

发明内容

本发明提供一种电池装置，具有高能量密度及高功率密度且体积较小。

本发明提供一种电池装置，包括：一电池外壳；一间隔物，置于电池外壳内，将电池外壳内的空间分成至少一第一空间及一第二空间，用于分别容纳具有不同电解液的至少一第一元件及一第二元件，间隔物由一绝缘及电化学惰性材料所制成，能够与电池外壳的材料熔合；一共同正极，与至少第一元件及第二元件的正极电连接；以及一共同负极，与至少第一元件及第二元件的负极电连接。第一元件及第二元件的电解液不同，进行不同的电化学反应。

本发明的另一构想提供一种电池装置制造方法，包括步骤：提供用于形成电池外壳的一第一壳体片及一第二壳体片，并提供用于形成间隔物的一间隔片；将第一壳体片、间隔片及第二壳体片依顺序排列；对第一壳体片、间隔片及第二壳体片进行一封边制程，于第一壳体片及间隔片之间形成第一空间，于间隔片及第二壳体片之间形成第二空间，其中第一空间及第二空间分别具有第一注入口及第二注入口，供注入电解液；于第一空间及第二空间分别设置第一元件及第二元件，包括将对应电解液由第一注入口及第二注入口分别注入第一空间及第二空间；以及完成注入电解液后，密封第一注入口及第二注入口。

本发明的另一构想提供一种电池装置制造方法，包括步骤：提供一元件壳体，其内部为第二空间；将元件壳体放入电池外壳内，因而于元件壳体的外壁及电池外壳的内壁之间形成第一空间，其中第一空间有一第一注入口，供注入一第一电解液，以于第一空间内设置第一元件；以及完成注入第一电解液后，密封第一注入口。

本发明的多个元件可以进行至少一法拉第反应及一非法拉第反应，如电双层反应，因此可以提供不同且互补的特性。本发明的电池装置可以使用在可携式装置，例如智能型手机、平板电脑、穿戴式装置等等尤重电池体积的装置。

附图说明

图1A及图1B分别为根据本发明实施例的电池装置的截面图及立体剖面图。

图2A及图2B为根据本发明实施例的电池装置制造方法的示意图。

图3A为根据本发明实施例的电池装置的截面图。

图3B为根据本发明实施例的单元结构的示意图。

图4为根据本发明实施例的电池装置的截面图。

图5为根据本发明实施例的电池装置的截面图。

图6为根据本发明实施例的电池装置的立体剖面图，显示电池装置内部元件的连接关系。

图7A为根据本发明的超级电容元件的电性关系图。

图7B为根据本发明的电池元件的电性关系图。

【符号说明】

1、4：电池装置

10、310、410、510、610：电池外壳

11、41、61：第一元件           12、42、62：第二元件

31：第一元件(超级电容元件)

32：第二元件(电池元件)

35、55、131、65P：共同正极

45：共同电极                   51：超级电容元件

52：电池元件                   100、300、500：间隔物

101、401：第一空间             102、402：第二空间

111、121、511、521：正极       112、122、513、523：负极

132、65N：共同负极

314、324、514、524：正极端子

315、325、515、525：正极导柄

321、323：金属层               322、512、522：隔离膜

400：电解液                    420、520、620：元件壳体

441：端子                       641：电极导柄

651：电极端子                  652：负极端子

1001：间隔片                   1011：第一壳体片

1012：第一注入口               1021：第二壳体片

1022：第二注入口               3210、3230：反应层

具体实施方式

本发明将通过下列实施例加以说明，但相关叙述均为说明之用，并不用于限制本发明的实际应用方式。

以下将配合相关图式说明具有高能量密度及高功率密度的电池，其形状及体积符合市面上的可携式消费性电子产品。

请参阅图1A及图1B中所示根据本发明实施例的电池装置，图1A及图1B分别为电池装置的截面图及立体剖面图，电池装置1包含电池外壳10及间隔物100，间隔物100放置在电池外壳10内部，将电池外壳10内的空间分成第一空间101和第二空间102，电池装置1还包含分别设置于第一空间101和第二空间102的第一元件11和第二元件12，第一元件11和第二元件12的电解液不同，在各自的空间内进行不同的反应。将第一元件11及第二元件12的正极111及121电连接至共同正极131，并将第一元件11及第二元件12的负极112及122电连接至共同负极132，电连接的方式例如采并联方式。各元件同时进行不同的反应，可提供电池装置1不同且互补的特性，例如：第一元件11可为锂离子电池，进行法拉第反应，第二元件12可为超级电容元件，进行电双层(electric double layer)反应，但不限于此。

本发明的「电双层」意指固态介质与液态介质间的界面两侧分布的正电离子层及负电离子层，当固态介质的表面吸引溶液中的正离子(或负离子)因而带正电(或负电)，溶液中的电荷会根据库伦定律重新分布，因此在液态介质中靠近固态介质表面的负离子(或正离子)增加，便形成电双层。如果电容器的电容值高到毫法拉等级，通常被称为超级电容器，超级电容器的能量储存特性与锂离子电池不同，如图7A及7B所示。于图7A中，超级电容器是高功率系统，其电容值与电压呈线性关系；另一方面，于图7B中，锂离子(或锂高分子)电池是高能量系统，能够稳定放电提供长时间的电力。因此可知锂离子电池具有高能量密度(单位体积高能量)而超级电容器具有高功率密度(高电流)，两者同时作用提供电力给外部装置，在使用外部装置时能缓冲瞬间高功率，根据各种特性上的需求，例如备援电力、承载瞬间高功率及即时储存传输中的资料，便可依据本发明选择组合的元件。表1比较电池及超级电容器的能量密度及功率密度，所述「高能量密度」及「高功率密度」代表能量密度及功率密度高于平均、接近上限、或是更胜一筹。

表1

	超级电容器	电池
			能量密度(Wh/kg)	1～10	10～100
功率密度(W/kg)	100～5,000	50～130

图2A及图2B显示一种制造电池装置1的方法，首先，提供第一壳体片1011、第二壳体片1021及间隔片1001，第一壳体片1011与第二壳体片1021用于形成电池外壳10，间隔片1001则用于形成间隔物100，第一壳体片1011、间隔片1001及第二壳体片1021如图2A的顺序排列，然后利用热封或雷射封边等方式对第一壳体片1011、间隔片1001及第二壳体片1021进行封边制程，于第一壳体片1011及间隔片1001之间形成第一空间101，并于间隔片1001及第二壳体片1021之间形成第二空间102。间隔片1001的材料为绝缘及电化学惰性材料(不易起电化学反应)，并且能够与壳体片的材料熔合，例如可使用金属-高分子复合膜或高分子材料，进行封边制程时，会保留第一注入口1012及第二注入口1022，如图2B的上视图所示。之后分别从第一注入口1012及第二注入口1022将第一元件11及第二元件12设置于第一空间101及第二空间102。

于前述实施例中，在封边制程之后，第一元件11及第二元件12分别放入第一空间101及第二空间102，第一元件11及第二元件12的电解液分别从第一注入口1012及第二注入1022注入第一空间101及第二空间102。于另一实施例中，可先将第一元件11及第二元件12与第一壳体片1011、间隔片1001及第二壳体片1021排好，然后进行封边制程，便完成第一元件11及第二元件12在第一空间101及第二空间102内的设置，在封边制程之后，将第一元件11及第二元件12的电解液分别注入第一空间101及第二空间102，在此实施例中，中间插入两元件的各材料片其四边可在封边制程中几乎完全封住，仅留下小注入口让电解液注入，注入口可根据实际状况安排在上方或在侧边。

另外，第一元件11及第二元件12可以包含超过一个单元以提高性能或增加功能，每一个元件内的单元串联或并联，图3A显示本发明另一实施例的电池装置，其中第一元件31及第二元件32各包含三个并联的单元，然后第一元件31及第二元件32彼此也并联。举例来说，第一元件31是超级电容元件，包含三个超级电容单元，第二元件32是电池元件，包含三个电池单元，如图3B所示，每一个单元可包含正极、隔离膜及负极，于此实施例中，每一个超级电容单元的正极由金属层321(材质例如为铝)及两侧的反应层3210(材质例如为活性碳)所构成，每一个超级电容单元的负极则由金属层323(材质例如为铝)及两侧的反应层3230(材质例如为活性碳)所构成；另一方面，每一个电池单元的正极由金属层321(材质例如为铝)及两侧的反应层3210(材质例如为锂金属氧化物)所构成，每一个电池单元的负极则由金属层323(材质例如为铜)及两侧的反应层3230(材质例如为石墨)所构成。因为在电极/单元之间存在有电解液，电极/单元间的隔离膜322为多孔性绝缘材质，不易与电解液反应，而位于第一元件31及第二元件32之间的间隔物300不只是不易与电解液反应的材质，同时必须完全隔离电解液不渗漏。

请再参阅图3A，因为图3A为截面图，所以只能显示部分的电极连接，其他未显示部分则可类推，超级电容元件31中的多个超级电容单元互相并联，即所有正极以正极导柄315电连接至正极端子314，所有负极则以负极导柄(未绘示)电连接至负极端子(未绘示)；同样地，电池元件32中的多个电池单元互相并联，即所有正极以正极导柄325电连接至正极端子324，所有负极则以负极导柄(未绘示)电连接至负极端子(未绘示)。超级电容元件31的正极端子314和电池元件32的正极端子324再耦接至一个共同正极35。正极导柄315和325藏在电池外壳310内，仅露出部分的正极端子314及324，可与外部共同正极35电连接，但不限于此。例如，从电池外壳310可以仅露出共同正极35和共同负极(未绘示)，使外形简洁(如图6的结构，将于后文说明)。再者，如果电池装置的外观与目前市售电池一致又具有高能量密度及高功率密度，更具有竞争力。另外，只要对两个壳体片及一个间隔片进行一次封边制程，就可以同时形成分别放置超级电容元件31及电池元件32之用的两个空间，如此便可使用现有的生产装置并简化制程，有利于本发明的应用。

虽然前述实施例以并联方式连接超级电容元件31及电池元件32内的超级电容单元及电池单元，但不限于此，根据不同目的，例如考虑到提供电压、耐压、容量等因素，各单元间也能以串联方式连接。

图4显示本发明电池装置的另一实施例，电池装置4包含电池外壳410及元件壳体420，元件壳体420位于电池外壳410内，元件壳体420的外壁与电池外壳410的内壁之间定义为第一空间401，元件壳体420内的空间则定义为第二空间402，两空间分别设置第一元件41及第二元件42，第一元件41及第二元件42包含不同的电解液，在第一空间401及第二空间402内进行不同的反应，电连接(如以并联方式)第一元件41及第二元件42，前述的不同反应便可提供不同的电池特性，例如第一元件41可以是锂离子电池元件，进行法拉第反应，第二元件42可以是超级电容元件，进行电双层反应，但不限于此。如此，具有高能量密度的锂离子电池元件和具有高功率密度的超级电容元件一起作用提供电力给外部装置，可缓冲外部装置使用时产生的瞬间高功率，根据各种特性上的需求，例如备援电力、承载瞬间高功率及即时储存传输中的资料，便可依据本发明选择组合的元件。

制备电池装置4时，先将第二元件42的电极组放入元件壳体420，然后将对应的电解液注入第二空间402，接着密封元件壳体420，元件壳体420及内部的第二元件42再放入已经装有第一元件41电极组的电池外壳410，然后将对应的电解液400从电池外壳410上方或侧边(依实际状况)的注入口(未绘示)注入第一空间401，电解液注入完毕后，密封注入口，第二元件42利用端子441与将第一元件41一起电连接至共同电极45，便完成电池装置4的制程。

在此实施例中，元件壳体420内先置妥第二元件42后，元件壳体420再放入电池外壳410中；也可换种方式，只将电极组放入第二空间402而此阶段不注入电解液，另外在元件壳体420上提供注入口(未绘示)，将内含电极组的元件壳体420放入电池外壳410后，再从对应的注入口将电解液同时或依序分别注入电池外壳410及元件壳体420的各空间。

如图5所示，这种元件壳体在电池外壳内的电池装置也可以包含多个电池单元及超级电容单元，与图3A的实施例类似，请注意图5为截面图，因此只显示了部分的电极连接，其他未显示部分则可类推。在此实施例中，电池元件52有自己的元件壳体520，元件壳体520的壳体壁同时做为间隔物500，隔离电池元件52及超级电容元件51。超级电容元件51的超级电容单元互相并联，即所有正极511以正极导柄515电连接至正极端子514，所有负极513则以负极导柄(未绘示)电连接至负极端子(未绘示)；同样地，电池元件52的电池单元互相并联，即所有正极521以正极导柄525电连接至正极端子524，所有负极523则以负极导柄(未绘示)电连接至负极端子(未绘示)。在每一个超级电容单元中，正极511及负极513之间设置有隔离膜512；同样地，在每一个电池单元中，正极521及负极523之间设置有隔离膜522。超级电容元件51的正极端子514及电池元件52的正极端子524再耦接至共同正极55，正极导柄515和525藏在电池外壳510内，仅露出部分的正极端子514及524，可与外部共同正极55电连接，但不限于此。例如，从电池外壳510可以仅露出共同正极55和共同负极(未绘示)，使外形简洁(如图6的结构，将于后文说明)。再者，如果电池装置的外观与目前市售电池一致又具有高能量密度及高功率密度，更具有竞争力。

虽然前述实施例以并联方式连接超级电容元件51及电池元件52内的超级电容单元及电池单元，但不限于此，根据不同目的，例如考虑提供电压、耐压、容量等因素，各单元间也能以串联方式连接。

请参阅图6，显示第一元件61和第二元件62的电连接范例，于此例中，第二元件62有自己的元件壳体620，放置在电池外壳610内并同时做为间隔物，较佳者，元件壳体620为一软性包装而电池外壳610为一硬壳，电极端子651(例如正极端子)从第二元件62伸出，电连接至外侧的共同电极65P，第一元件61的电极导柄641耦接至电极端子651，因此与外侧的共同电极65P电连接。在此例中，电极端子651与电极导柄641都藏在电池外壳610内，同样的配置可以应用至负极部分的负极端子652，不再赘述，图中省略此部分，最后，电池外观仅看到共同正极65P及共同负极65N。

在上述实施例中或其相关变化，电池外壳的材料可以是金属-高分子复合膜、铝或不锈钢；间隔物及元件壳体的材料可以是高分子薄膜或复合材料层，高分子薄膜可以是聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、尼龙、聚对苯二甲酸乙二酯(PET)、聚酰亚胺(PI)、聚邻苯二甲酰胺(PPA)或其他具有高隔离能力的适合高分子薄膜；电池元件的正极材料可以是锂基金属氧化物，例如锂钴氧化物(LiCoO₂)、锂锰氧化物(LiMn₂O₄)、磷酸锂铁(LiFePO₄)、锂镍钴锰氧化物(LiNi_xCo_yMn_zO₂)或其他适合的锂基金属氧化物或化合物；电池元件的负极材料可以是石墨、硅、锂钛氧化物或化合物；超级电容元件的正极材料可以是金属氧化物或碳基材料，金属氧化物例如氧化钌、氢氧化镍、二氧化锰或其他适合的金属氧化物，碳基材料例如活性碳、石墨烯、纳米碳管或其他适合的碳基材料；超级电容元件的负极材料可以是碳基材料，例如活性碳、石墨烯、纳米碳管或其他适合的碳基材料。

本发明所称「电解液」可以由化合物或组成物所构成，可以以其他适合的形式出现，例如溶液、凝胶或固体。

本发明的电池装置可以应用于可携式装置，例如智能型手机、平板电脑、穿戴式装置等等尤重电池体积的装置。

根据本发明，进行非法拉第反应的单元电极的尺寸可以放大到近似进行法拉第反应的单元电极，因此，非法拉第单元电极的并联数量可以减少，降低内部电阻，同时，非法拉第反应单元电极的区域在有限空间中可以更加有效利用，因为不需要额外的空间，就可省下封装材料并简化制程。对可携式3C产品，轻薄是不可或缺的，如果装上较薄的锂离子电池，常常伴随低电池容量以及在高充放电速率(C-rate)时越来越差的放电能力，所称「充放电速率」是指电池的充电/放电速率，可以「充电或放电电流/电池容量」表示，例如50Ah电池以10A电流充电，完全充饱电池需要5小时，因此充放电速率为10/50＝0.2C；如果50Ah电池以50A电流充电，完全充饱电池需要1小时，因此充放电速率为50/50＝1C；如果50Ah电池以100A电流充电，完全充饱电池需要0.5小时，因此充放电速率为100/50＝2C。根据不同应用，如何算是高充放电速率会有不同定义，例如针对手机，2C就算是高充放电速率。本发明结合了锂离子电池及超级电容，在相同厚度下，超级电容的低阻抗及放电时的瞬间高电流可以补偿锂离子电池的不足，尤其是在低温操作的情况下，也延长了锂离子电池的寿命。总而言之，本发明的电池装置使用原有电池外壳的空间不需增加封装材料，便可改善瞬间高电流放电性能，另外，电池装置的结构将单元包装直接放入电池外壳，更增加了制程的弹性。

虽然本发明已以较佳实施例公开如上，然其并非用以限定本发明，任何熟习此技艺者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可进行更动与润饰，因此本发明的保护范围当视后附的申请专利范围所界定者为准。

Claims (17)

1.一种电池装置，包含：

一电池外壳；

一间隔物，置于该电池外壳内，将该电池外壳内的空间分成至少一第一空间及一第二空间，用于分别容纳具有不同电解液的至少一第一元件及一第二元件，该间隔物由一绝缘及电化学惰性材料所制成，能够与该电池外壳的材料熔合；

一共同正极，与该至少第一元件及第二元件的正极电连接；以及

一共同负极，与该至少第一元件及第二元件的负极电连接；

其中该第一元件及该第二元件的电解液不同，进行不同的电化学反应。

2.如权利要求1所述的电池装置，其中该第一元件的能量密度高于该第二元件，该第二元件的功率密度高于该第一元件。

3.如权利要求1所述的电池装置，其中该第一元件及该第二元件的一进行一法拉第反应，该第一元件及该第二元件的另一元件进行一电双层反应，使该第一元件及该第二元件具有不同及互补的特性。

4.如权利要求1所述的电池装置，其中该共同正极及该共同负极从该电池外壳露出。

5.如权利要求1所述的电池装置，其中该间隔物由一高分子薄膜或一复合材料所制成。

6.如权利要求5所述的电池装置，其中该间隔物的材料为聚乙烯、聚丙烯、尼龙、聚对苯二甲酸乙二酯、聚酰亚胺或聚邻苯二甲酰胺。

7.如权利要求1所述的电池装置，其中该第二空间位于该第一空间内。

8.如权利要求1所述的电池装置，其中该第一元件包含多个并联的第一单元。

9.如权利要求1所述的电池装置，其中该第二元件包含多个并联的第二单元。

10.如权利要求1所述的电池装置，其中该第一元件及该第二元件以并联方式电连接。

11.一种电池装置制造方法，用于制造如权利要求1所述的电池装置，包括步骤：

提供用于形成该电池外壳的一第一壳体片及一第二壳体片，并提供用于形成该间隔物的一间隔片；

将该第一壳体片、该间隔片及该第二壳体片依顺序排列；

对该第一壳体片、该间隔片及该第二壳体片进行一封边制程，于该第一壳体片及该间隔片之间形成该第一空间，于该间隔片及该第二壳体片之间形成该第二空间，其中该第一空间及该第二空间分别具有第一注入口及第二注入口，供注入该电解液；

于该第一空间及该第二空间分别设置该第一元件及该第二元件，包括将对应的该电解液由该第一注入口及该第二注入口分别注入该第一空间及该第二空间；以及

完成注入该电解液后，密封该第一注入口及该第二注入口。

12.如权利要求11所述的电池装置制造方法，其中该第一壳体片及该第二壳体片为金属-高分子复合膜，该间隔片为一高分子薄膜。

13.一种电池装置制造方法，用于制造如权利要求7所述的电池装置，包括步骤：

提供一元件壳体，其内部为该第二空间；

将该元件壳体放入该电池外壳内，因而于该元件壳体的外壁及该电池外壳的内壁之间形成该第一空间，其中该第一空间有一第一注入口，供注入一第一电解液，以于该第一空间内设置该第一元件；以及

完成注入该第一电解液后，密封该第一注入口。

14.如权利要求13所述的电池装置制造方法，其中将该元件壳体放入该电池外壳内之前，注入一第二电解液以于该第二空间内设置该第二元件。

15.如权利要求13所述的电池装置制造方法，其中将该元件壳体放入该电池外壳内之后，注入一第二电解液以于该第二空间内设置该第二元件。

16.如权利要求13所述的电池装置制造方法，其中将该元件壳体放入该电池外壳内之后，注入该第一电解液。

17.如权利要求16所述的电池装置制造方法，其中该第一元件包含一电极组，将该元件壳体放入该电池外壳内之前，将该电极组设置于该电池外壳内。