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DE69304075T2 - Elektrochemischer zellenblock und verfahren zu seiner herstellung - Google Patents

Elektrochemischer zellenblock und verfahren zu seiner herstellung

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Publication number
DE69304075T2
DE69304075T2 DE69304075T DE69304075T DE69304075T2 DE 69304075 T2 DE69304075 T2 DE 69304075T2 DE 69304075 T DE69304075 T DE 69304075T DE 69304075 T DE69304075 T DE 69304075T DE 69304075 T2 DE69304075 T2 DE 69304075T2
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
polarity
electrode
current collector
laminate
segments
Prior art date
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DE69304075T
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English (en)
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DE69304075D1 (de
Inventor
Dale Shackle
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Valence Technology Inc
Original Assignee
Valence Technology Inc
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
Application filed by Valence Technology Inc filed Critical Valence Technology Inc
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Publication of DE69304075D1 publication Critical patent/DE69304075D1/de
Publication of DE69304075T2 publication Critical patent/DE69304075T2/de
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    • H01M10/0413—Large-sized flat cells or batteries for motive or stationary systems with plate-like electrodes
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Description

    Hintergrund der Erfindung Gebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein elektrochemische Zellen und insbesondere elektrochemische Zellen, die eine Polymerelektrode verwenden.
    • Stand der Technik
  • In den letzten Jahren haben Batterietechniker die Vorteile von Feststoffzellen zu schätzen begonnen; insbesondere sind Zellen mit einer Lithiumanode, einer Kathode und einer Polymerelektrode bekannt geworden. Die Vorteile dieser Zellen umfassen ein geringeres Gewicht als konventionelle Batterien, die eine Flüssigelektrode verwenden, eine lange Lebensdauer, relativ hohe Energiedichten und relativ hohe spezifische Energien.
    • Abriß der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung liefert allgemein eine elektrochemische Zelle mit einer Polymerelektrode, die relativ einfach zu einem Block zusammengebaut werden kann, der die gewünschten Leistungsmerkmale wie eine hohe Energiedichte in Wattstunden pro Kilogramm und Wattstunden pro Liter aufweist. insbesondere liefert die vorliegende Erfindung einen zickzackgefalteten elektrochemischen Zellenblock mit einer Vielzahl von diskreten Elektrodensegmenten, die gut für einen Kontakt miteinander eingerichtet sind.
  • In einer seiner Ausführungsformen enthält der elektrochemische Zellenblock der vorliegenden Erfindung eine zusammenhängende Schichtstoffbahn mit einer zusammenhängenden Elektrodenschicht, einer zusammenhängenden Elektrolytschicht und einer Vielzahl von diskreten Elektrodensegmenten mit entgegengesetzter Polarität, die an vorbestimmten Stellen auf der Oberseite der Elektrolytschicht befestigt sind. Die zusammenhängende Schichtstoffbahn ist an vorbestimmten Faltepositionen zickzackgefaltet, so daß die Elektrodensegmente mit entgegengesetzter Polarität eine Elektrolytschicht auf den Ober- und Unterseiten jedes der Elektrodensegmente mit entgegengesetzter Polarität berühren. Die zickzackgefaltete zusammenhängende Schichtstoffbahn bildet einen Block mit einer ersten und einer zweiten Seite. Zum Sammeln des Stroms von Elektroden mit entgegengesetzter Polarität ist eine Stromsammlereinrichtung für Elektroden mit entgegengesetzter Polarität vorgesehen, und zum Sammeln des Elektrodenstroms ist eine Stromsammiereinrichtung für Elektroden vorgesehen. Die Bahn ist an den Faltepositionen vorzugsweise derart zickzackgefaltet, daß sich jede zweite Falteposition auf der ersten Seite der zickzackgefalteten zusammenhängenden Schichtstoffbahn eine vorbestimmte erweiterte Länge über eine vorhergehende und eine nachfolgende Falteposition auf der ersten Seite des Blocks hinaus erstreckt
    • Kurzbeschreibung der Zeichnungen
  • Die vorliegende Erfindung ergibt sich im einzelnen unter Bezugnahme auf die nachfolgende Beschreibung in Verbindung mit den angefügten Zeichnungen, in denen gleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind. In den Zeichnungen sind:
  • Figur 1 eine schematische Explosions-Perspektivansicht eines Schichtstoffs zur Bildung eines elektrochemischen Zellenblocks gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
  • Figur 2 eine schematische Perspektivansicht eines Schichtstoffs zur Bildung eines elektrochemischen Zellenblocks gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
  • Figur 3 eine schematische Perspektivansicht eines elektrochemischen Zellenblocks gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
  • Figur 4A eine schematische Draufsicht auf einen Schichtstoff zur Bildung eines elektrochemischen Zellenblocks gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
  • Figur 4B eine schematische Querschnittsansicht eines aus dem Schichtstoff von Figur 4A hergestellten elektrochemischen Zellenblocks;
  • Figur 5A eine schematische Draufsicht auf einen Schichtstoff zur Bildung eines elektrochemischen Zellenblocks gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
  • Figur 5B eine schematische Querschnittsansicht eines aus dem Schichtstoff von Figur 5A hergestellten elektrochemischen Zellenblocks;
  • Figur 6A eine schematische Draufsicht auf einen Schichtstoff zur Bildung eines elektrochemischen Zellenblocks gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
  • Figur 6B eine schematische Querschnittsansicht eines aus dem Schichtstoff von Figur 6A hergestellten elektrochemischen Zellenblocks;
  • Figur 7A eine schematische Draufsicht auf einen Schichtstoff zur Bildung eines elektrochemischen Zellenblocks gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
  • Figur 7B eine schematische Querschnittsansicht eines aus dem Schichtstoff von Figur 7A hergestellten elektrochemischen Zellenblocks;
  • Figur 8 eine schematische Perspektivansicht eines elektrochemischen Zellenblocks gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
  • Figur 9A eine schematische Draufsicht auf einen Schichtstoff zur Bildung eines elektrochemischen Zellenblocks gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
  • Figur 9B eine schematische Perspektivansicht, die die Bildung eines elektrochemischen Zellenblocks aus dem Schichtstoff von Figur 9A zeigt;
  • Figur 9C eine schematische Querschnittsansicht eines aus dem Schichtstoff von Figur 9A hergestellten elektrochemischen Zellenblocks;
  • Figur 10A eine schematische Draufsicht auf einen Schichtstoff zur Bildung eines elektrochemischen Zellenblocks gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
  • Figur 10B eine schematische Perspektivansicht, die die Bildung eines elektrochemischen Zellen blocks aus dem Schichtstoff von Figur 10A zeigt;
  • Figur 10 eine schematische Querschnittsansicht eines aus dem Schichtstoff von Figur 10A hergestellten elektrochemischen Zellenblocks;
  • Figur 11A eine schematische Draufsicht auf einen Schichtstoff zur Bildung eines elektrochemischen Zellenblocks gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
  • Figur 11B eine schematische Perspektivansicht, die die Bildung eines elektrochemischen Zellenblocks aus dem Schichtstoff von Figur 11A zeigt;
  • Figur 11C eine schematische Querschnittsansicht eines aus dem Schichtstoff von Figur 11A hergestellten elektrochemischen Zellenblocks;
  • Figur 12A eine schematische Draufsicht auf einen Schichtstoff zur Bildung eines elektrochemischen Zellenblocks gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
  • Figur 12B eine schematische Perspektivansicht, die die Bildung eines elektrochemischen Zellenblocks aus dem Schichtstoff von Figur 12A zeigt;
  • Figur 12C eine schematische Querschnittsansicht eines aus dem Schichtstoff von Figur 12A hergestellten elektrochemischen Zellenblocks;
  • Figur 13A eine schematische Draufsicht auf einen Schichtstoff zur Bildung eines elektrochemischen Zellenblocks gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
  • Figur 13B eine schematische Perspektivansicht, die die Bildung eines elektrochemischen Zellenblocks aus dem Schichtstoff von Figur 13A zeigt; und
  • Figur 13C eine schematische Querschnittsansicht eines aus dem Schichtstoff von Figur 13A hergestellten elektrochemischen Zellenblocks.
    • Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
  • In den Figuren 1 und 2 kann ein Schichtstoff 1 in Bahn- oder Blattform vorliegen, um einen elektrochemischen Zellenblock 60 zu bilden, wie zum Beispiel in den Figuren 3 und 8 gezeigt. Wie am besten in Figur 3 gezeigt, hat der Schichtstoff 1 eine erste Oberfläche 3 und eine zweite Oberfläche 4. Der Schichtstoff 1 weist eine zusammenhängende Elektrodenschicht 2, eine zusammenhängende Elektrolytschicht 20 und eine Vielzahl von diskreten Elektrodensegmenten mit entgegengesetzter Polarität 30 auf. In der bevorzugten Ausführungsform ist die zusammenhängende Elektrodenschicht 2 die Kathodenschicht und ist die Vielzahl von Elektrodensegmenten mit entgegengesetzter Polarität 30 die Anode.
  • Wie in Figur 1 gezeigt, kann die Kathodenschicht 2 durch Beschichten einer Oberfläche 4' eines leitfähigen Bahnmaterials 2" mit einem geeigneten Kathodenmaterial 2' gebildet werden. In der bevorzugten Ausführungsform ist das Kathodenmaterial 2' ein Material wie Vanadiumoxid, V&sub6;O&sub1;&sub3;, und ist das leitfähige Bahnmaterial 2" ein Material wie eine Nickelbahn. Die zweite Oberfläche 4 befindet sich auf der Oberfläche des leitfähigen Bahnmaterials 2", die der Oberfläche 4' entgegengesetzt ist, die mit dem Kathodenmaterial 2' beschichtet ist. Die Elektrolytschicht 20 kann gebildet werden, indem das Kathodenmaterial 2' mit einem polymeren Elektrodenmaterial beschichtet wird. Die Elektrolytschicht 20 bildet die erste Oberfläche 3 des Schichtstoffs 1.
  • Die Anodensegmente 30 sind an vorbestimmten Stellen auf der ersten Oberfläche 3 befestigt. Die Anodensegmente 30 können ein Folienmaterial mit einem gewünschten elektrochemischen Potential aufweisen. Die Anodensegmente 30 sind vorzugsweise Anodensegmente aus Lithiumfolie, wegen der Position von Lithium in der elektrochemischen Reihe. Die Anodensegmente 30 weisen erste und zweite flache Oberflächen 43 bzw. 44 auf einander entgegengesetzten Seiten der An odensegmente auf. Die ersten Oberflächen 43 der Anodensegmente 30 berühren die erste Oberfläche 3. Die Anodensegmente 30 können beispielsweise durch Beschichten eines (nicht gezeigten) leitfähigen Bahnmaterials, etwa einer Kupferoder Nickelbahn, mit Lithium gebildet werden oder indem eine (nicht gezeigte) Bahn aus Lithium oder einem anderen Material gebildet wird und von der Anoderbahn Segmente auf gewünschte Längen abgeschnitten werden.
  • Wie in Figur 2 gezeigt, sind im Schichtstoff 1 an vorbestimmten Positionen eine Vielzahl von Querfalzen 5 gebildet, die eine Vielzahl von Bahnsegmenten 11, 12, 13, 14 zwischen aufeinanderfolgenden Querfalzen 5 bilden. Die Querfalze 5 des Schichtstoffs 1 können durch Perforieren von Teilen des Schichtstoffs 1 gebildet werden. Andere Methoden zur Erzeugung eines geschwächten Teils an den Querfalzen 5, etwa durch Perforieren, Abschälen, Kerbschnitt oder Falten, sind ebenfalls wirksam. Wie in den Figuren 9B, 10B, 11B, 12B und 13B gezeigt, wird ein elektrochemischer Zellenblock 60, wie er in den Figuren 9C, 10C, 11C, 12C und 13C gezeigt ist, aus einem Schichtstoff 1 mit einer Vielzahl von Querfalzen 5 hergestellt, indem der Schichtstoff 1 an den Querfalzen 5 zu einem Block zickzackgefaltet wird, so daß eine erste Seite 61 und eine zweite Seite 62 des Blocks gebildet werden. Die Querfalze 5 befinden sich auf der ersten und der zweiten Seite 61 bzw. 62, wenn der Schichtstoff 1 zickzackgefaltet wird. Wie in den Figuren 3 und 8 gezeigt, ist der elektrochemische Zellenblock 60 allgemein würfelförmig.
  • Wie in den Figuren 4A, 5A, 6A, 7A, 9A, 10A, 11A, 12A und 13A gezeigt, sind die Anodensegmente 30 auf dem Schichtstoff 1 auf der Oberseite der Elektrolyischicht 20 auf der ersten Oberfläche 3 zwischen zwei nicht notwendigerweise aufeinanderfolgenden Querfalzen 5 allein auf einem ersten Bahnsegment 11, wie in den Figuren 4A, 5A, 9A und 10A gezeigt, oder auf einem ersten und einem zweiten Bahnsegment 11, 12 und einen Querfalz 5 überquerend befestigt, wie in den Figuren 6A, 7A, 11A, 12A und 13A gezeigt. Wie beispielsweise mittels der Ansichten in den Figuren 9B, 10B, 11B, 12B und 13B gezeigt, wird der Schichtstoff 1 in Längsrichtung an den Querfalzen 5 zickzackförmig gefaltet, um den Block 60 zu bilden, derart, daß jedes Anodensegment 30 die Elektrolytschicht 20 zumindest auf einem Teil der ersten und zweiten Oberflächen 43, 44 des Anodensegments berührt. Dies ermöglicht es, daß im wesentlichen die gesamte Oberfläche des Anodensegments 30 mit der zusammenhängenden Kathodenschicht 2 im Ionenaustausch steht.
  • Normalerweise wird der Schichtstoff 1 an Querfalzen 5 zickzackgefaltet, um einen Block 60 mit einem wiederholten Muster 15', 15, 15", ... aus vier Bahnsegmenten zu bilden: einem ersten Bahnsegment 11', 11, 11",... , einem zweiten Bahnsegment 12', 12, 12",... , einem dritten Bahnsegment 13', 13, 13", .. und einem vierten Bahnsegment 14', 14, 14" Die durch 15' und 15" dargestellten Muster sind dem Muster 1 5 vorhergehende bzw. nachfolgende Muster.
  • Zunächst werden die Figuren 3, 4A, 4B, 5A, 5B, 6A, 6B, 7A und 7B erörtert, um Anordnungen der Anodensegmente 30 in bezug auf den Rest des Schichtstoffs zu veranschaulichen. In den Figuren 3, 4A, 4B, 5A, 5B, 6A, 6B, 7A und 7B sind Erscheinungsformen der Erfindung gezeigt, in denen die mehreren Bahnsegment 11, 12, 13, 14 alle die gleiche Länge haben. Wie in den Figuren 4B und 5B gezeigt, sind die Schichtstoffe 1 so gefaltet, daß im wesentlichen die gesamte Kathodenschicht 2 mit einer Oberfläche eines der mehreren Anodensegmente 30 im Ionenaustausch steht. Die zweite Oberfläche 44 eines ersten entgegengesetz ten Elektrodensegments 31, das mit seiner ersten Oberfläche 43 an der Elektrolytschicht 20 des Schichtstoffs 1 auf einem ersten Bahnsegment 11 angebracht ist berührt die Elektrolytschicht 20 auf einem vorhergehenden vierten Bahnsegment 14', wenn der Schichtstoff 1 gefaltet wird, um einen Block 60 zu bilden. Ferner berührt die zweite Oberfläche 44 eines zweiten entgegengesetzten Elektroden segments 32, das mit seiner ersten Oberfläche 43 an der Elektrolytschicht 20 des Schichtstoffs 1 auf einem zweiten Bahnsegment 1 2 angebracht ist, die Elektrolytschicht 20 eines dritten Bahnsegments 1 3. Wie schon vorher sind die ersten und zweiten entgegengesetzten Elektrodensegmente 31 und 32 in der bevorzugter Ausführungsform Anodensegmente. Die zweite Oberfläche 44 eines nach folgenden ersten Anodensegments 31", das mit seiner ersten Oberfläche 43 an der Elektrolytschicht 20 des Schichtstoffs 1 auf einem nachfolgenden ersten Bahnsegment 11" angebracht ist, berührt die Elektrolytschicht 20 eines vierten Bahnsegments 14. Die zweite Oberfläche 44 eines vorhergehenden zweiten Anodensegments 32' (nicht gezeigt), das mit seiner ersten Oberfläche 43 an der Elektrolytschicht 20 des Schichtstoffs 1 auf einem vorhergehenden zweiten Bahnsegment 12' (nicht gezeigt) angebracht ist, berührt die Elektrolytschicht 2Q eines vorhergehenden dritten Bahnsegments 13'.
  • Wie in den Figuren 6B und 7B gezeigt, werden die Schichtstoffe 1 der Figuren 6A und 7A so gefaltet, daß sich im wesentlichen die gesamte Länge der zusammenhängenden Kathodenschicht 2 im Ionenaustausch mit einer ersten oder mit einer zweiten Oberfläche 43 oder 44 eines Anodensegments 30 befindet. Das Anodensegment 30, das mit seiner ersten Oberfläche 43 an der ersten Oberfläche 3 des Schichtstoffs 1 auf der Elektrolytschicht 20 auf ersten und zweiten Bahnsegmenten 11, 12 und quer über einer Querfalzlinie 5 angebracht ist, berührt die erste Oberfläche 3 auf der Elektrolytschicht 20 auf einem vorhergehenden vierten Bahr segment 14' und einem dritten Bahnsegment 13, wenn der Schichtstoff 1 gefaltet wird, um einen Block 60 zu bilden. Die zweite Oberfläche 44 eines nachfolgenden Anodensegments 30", das ebenfalls mit seiner ersten Oberfläche 43 an der Elektrolytschicht 20 des Schichtstoffs 1 auf nachfolgenden ersten und zweiten Bahnsegmenten 11", 12" angebracht ist, berührt die Elektrolytschicht 20 eines vierten Bahnsegments 14 und eines nachfolgenden dritten Bahnsegments 13".
  • Die diskreten Anodensegmente 30 auf dem Schichtstöff 1 werden parallel oder in Reihe miteinander verbunden. Es können Stromsammlerstreifen 50 vorgesehen und mit Anodensegmenten 30 verbunden werden, um Stellen zur Herstellung von äußeren elektrischen Verbindungen mit dem Block 60 zu schaffen. Ähnlich werden Teile der zusammenhängenden Kathodenschicht 2 auf der zweiten Oberfläche 4 des Schichtstoffs 1 zur Außenseite des Blocks 60 hin auf der zweiten Seite 62 des Blocks freigelegt, und ein sekundärer Stromsammler 75 berührt die Kathodenschicht an einer oder mehreren Stellen entlang der Länge des Blocks.
  • Unter Bezugnahme auf die Figuren 4A und 4B ist ein Stromsammlerstreifen 50 quer über einem Querfalz 5 an ersten und zweiten Anodensegmenten 31, 32 angebracht. Wenn der Schichtstoff 1 zu einem Block 60 gefaltet wird, erstreckt sich ein Teil 51 jedes Stromsammlerstreifens 50 über eine Seite 61 des Blocks 60 hinaus und wird mit einem primären Stromsammler 70 verbunden.
  • Wie in den Figuren 5A und 5B gezeigt, sind Stromsammlerstreifen 50 an jedem Anodensegment 31 und 32 angebracht. Der in der Perspektivansicht in Figur 3 gezeigte elektrochemische Zellenblock 60 entspricht der Seitenansicht von Figur 5B und kann aus dem Schichtstoff von Figur 5A gebildet werden. Teile 51 der Stromsammlerstreifen 50 erstrecken sich quer von der linken Seite 6 oder der rechten Seite 7 des Schichtstoffs 1 aus. Wenn der Schichtstoff 1 zickzackgefaltet wird, um den Block 60 zu bilden, erstrecken sich die Teile 51 der Stromsammlerstreifen 50 aus dem Block und können durch den primären Stromsammler 70 elektrisch miteinander verbunden werden.
  • Da die Stromsammlerstreifen 50 eine gewisse Dicke haben, können die durch Zickzackfalten des Schichtstoffs 1 gebildeten Blöcke 60 schief werden, wenn mehrere Stromsammlerstreifen übereinandergestapelt werden. in den Figuren 6A und 6B ist jedoch kein Stromsammlerstreifen 50 vorgesehen. Statt dessen erstrecken sich die Anodensegmente 30 quer über die Querfalze 5. Es sind keine Stromsammlerstreifen 50 vorgesehen. Die Anodensegmente 30 weisen genügend Fläche und Flexibilität auf, daß sich beim Falten des Schichtstoffs 1, um den Block 60 zu bilden, ein Teil jedes der mehreren Anodensegmente um die Querfalzlinie 5 herum wesentlich über den Rest der Seite 61 des Blocks 60 hinaus erstreckt, wodurch eine direkte Verbindung aller Anodensegmente mit dem primären Stromsammler 70 möglich gemacht wird.
  • Wie in den Figuren 7A und 7B gezeigt, sind Stromsammlerstreifen 50 im wesentlichen an oder nahe an der Position mit jedem Anodensegment 30 verbunden, an der das Anodensegment 30 die Querfalzlinie 5 überquert. Teile 51 der Stromsammlerstreifen 50 erstrecken sich quer von der linken Seite 6 oder der rechten Seite 7 des Schichtstoffs 1 aus. Wenn der Schichtstoff 1 zickzackgefaltet wird, um den Block 60 zu bilden, erstrecken sich die Teile 51 der Stromsammlerstreifen 50 aus dem Block und können elektrisch miteinander verbunden werden.
  • Wie in den Figuren 8, 9A-C, 10A-C, 11A-C, 12A-C und 13A-C gezeigt, haben die dritten und vierten Bahnsegmente 13, 14 jeweils die gleiche Länge, haben die ersten und zweiten Bahnsegmente 11, 12 jeweils die gleiche Länge und sind die ersten und zweiten Bahnsegmente 11, 12 jeweils um eine vorbestimmte Strecke länger als die dritten oder vierten Bahnsegmente 13, 14. In Figur 8 ist eine Perspektivansicht eines elektrochemischen Zellenblocks 60 gezeigt, der mit längeren ersten und zweiten Bahnsegmenten 11, 1 2 als dritten und vierten Bahnsegmenten 13, 14 gebildet ist. Der elektrochemische Zellenblock 60 entspricht zwar der in den Figuren 9A-C gezeigten Ausführungsform der Erfindung, die in den Figuren 10A-C, 11A-C, 12A-C und 13A-C gezeigten Ausführungsformen bilden aber ährlich geformte Blöcke. Wenn der Schichtstoff 1 zu einem Block 60 gefaltet wird, erstreckt sich der Querfalz 5, der die ersten und zweiten Bahnsegmente 11, 12 abgrenzt, infolge der Längenunterschiede der Segmente etwas über den Querfalz 5 hinaus, der die dritten und vierten Bahnsegmente 13, 14 abgrenzt. Infolge der erweiterten Längen der ersten und zweiten Bahnsegmente entstehen Zwischenräume zwischen dem Querfalz 5, der die ersten und zweiten Bahnsegmente 11, 12 abgrenzt, und den Querfalzen 5', 5", die die vorhergehenden ersten und zweiten Bahnsegmente 11', 12' und die nachfolgenden ersten und zweiten Bahnsegmente 11", 12" abgrenzen, so daß die Stromsammlerstreifen 50 in die Zwischenräume eingefügt werden können, um schiefe Blöcke infolge der Dicke einer Vielzahl von Stromsammlerstreifen zu vermeiden. Insbesondere können die Stromsammlerstreifen 50 in die Zwischenräume eingefügt werden, um die Teile der ersten und zweiten Bahnsegmente 11, 12 zu stabilisieren, die sich eine vorbestimmte Länge über die Querfalzpositionen der dritten und vierten Bahnsegmente 13, 14 hinaus erstrecken. Auf diese Weise eingefügt schränken die Stromsammlerstreifen eine Verformung der erweiterten Längen ein.
  • Wie in den Figuren 9A-C gezeigt, sind Stromsammlerstreifen 50 in der Nähe von Querfalzlmien 5 an zweiten Anodensegmenten 32', 32 und 32" angebracht. Ein Teil 51 des Stromsammlerstreifens erstreckt sich von den linken oder rechten Seiten 6, 7 des Schichtstoffs 1 aus. Der Stromsammlerstreifen 50 kann sich außerdem quer über die Querfalzlinie 5 erstrecken, kann aber nicht am ersten Anodensegment 31 angebracht werden. Wie in den Figuren 9B und 9C gezeigt, ist der Stromsammlerstreifen 50 auf der erweiterten Länge des zweiten Anodensegments 32 angeordnet und weist eine genügende Dicke auf, daß der Stromsammlerstreifen ein nachfolgendes erstes Anodensegment 31" berührt, wenn der Schichtstoff 1 gefaltet wird, um den Block 60 zu bilden. Die vorstehenden Teile 51 der Stromsammlerstreifen 50 können durch den primären Stromsammler 70 elektrisch verbunden werden.
  • Wie in den Figuren 10A-C gezeigt, sind die Stromsammlerstreifen 50 quer über Querfalzlinien 5 angebracht, um die ersten und zweiten Anodensegmente 31, 32 zu verbinden. Die Stromsammlerstreifen 50 können so angeordnet werden, daß sie auf die erweiterte Länge der ersten und zweiten Bahnsegmente 11, 12 passen und andere Bahnsegmente nicht berühren, was schiefe Blöcke 60 zur Folge haben würde. Die Dicke der Stromsammlerstreifen 50 hat zur Folge, daß sie etwas von der Seite 61 des Blocks 60 vorstehen, so daß sie durch den primären Stromsammler 70 elektrisch miteinander verbunden werden können.
  • Wie in den Figuren 11A-C gezeigt, ist ein Stromsammlerstreifen 50 mit Anodensegmenten 30 verbunden, die die Querfalze 5 auf der erweiterten Länge des zweiten Bahnsegments 1 2 überqueren. Wie in den Figuren 9A-C gezeigt, kann der Stromsammlerstreifen 50 genügend dick sein, daß der Stromsammlerstreifen auf dem Anodensegment 30 auf dem zweiten Bahnsegment 12 das nachfolgende Anodensegment 30" auf dem nachfolgenden ersten Bahnsegment 11" berührt, wenn der Schichtstoff 1 gefaltet wird, um den Block 60 zu bilden, so daß sich die mehreren Anodensegmente in elektrischem Kontakt befinden. Alternativ kann ein elektrischer Kontakt zwischen den Anodensegmenten 30 außen am Block zustande gebracht werden, mittels des primären Stromsammlers 70, der sämtliche Anodensegmente berührt.
  • Wie in den Figuren 12A-C gezeigt und ähnlich wie in der unter Bezugnahme auf die Figuren 6A und 6B beschriebenen Ausführungsform erstrecken sich Anodensegmente 30 quer über Querfalze 5. Es sind keine Stromsammlerstreifen 50 vorgesehen. Die Anodensegmente 30 werden durch den primären Stromsammler 70, der die Anodensegmente an den Querfalzen 5 berührt, elektrisch miteinander verbunden. Der Kontakt zwischen dem primären Stromsammler 70 und den Teilen der Anodensegmente 30 an den Querfalzen 5 und nicht den Teilen der Elektrolytschicht 20 an den Querfalzen wird durch die über die Länge der dritten und vierten Bahnsegmente 13, 14 hinaus erweiterte Länge der ersten und zweiten Bahnsegmente 11, 12 erleichtert.
  • Wie in den Figuren 13A-C gezeigt, erstrecken sich Anodensegmente quer über Querfalze 5. Stromsammlerstreifen 50 sind an dem erweiterten Teil der ersten und zweiten Bahnsegmente 11, 12 nahe oder quer über den Querfalzen angebracht. Wenn der Schichtstoff 1 gefaltet wird, um den Block 60 zu bilden, werden die Stromsammlerstreifen 50 mit dem primären Stromsammler 70 verbunden, um die Anoden 30 elektrisch zu verbinden.
  • Ein elektrochemischer Zellenblock kann hergestellt werden, indem das Kathodenmaterial 2' der zusammenhängenden Kathodenschicht 2 mit einer zusammenhängenden Elektrolytschicht 20 beschichtet wird. Auf der Oberfläche 3 der zusammenhängenden Elektrolytschicht 20 wird eine Vielzahl von Anodensegmenten 30 befestigt, um den Schichtstoff 1 zu bilden. Die Vielzahl von Anodensegmenten 30 wird an vorbestimmten Stellen auf dem Schichtstoff 1 befestigt. Der Schichtstoff 1 wird an vorbestimmten Querfalzpositionen 5 zickzackgefaltet, so daß die Anodensegmente 30 die Elektrolytschicht 20 auf ersten und zweiten Oberflächen 43 und 44 der Anodensegmente 30 berühren. Das Zickzackfalten bildet einen Block 60 mit einer ersten und einer zweiten Seite 61 und 62. An den Anodensegmenten 30 wird an vorbestimmten Stellen eine Anoden-Stromsammlereinrichtung 70 angebracht, und an der Kathodenschicht 2 wird eine Kathoden-Stromsammlereinrichtung 75 angebracht. Die Anodensegmente 30 können quer über vorbestimmte Querfalzpositionen 5 geschichtet werden.
  • Indem größere oder kleinere Blöcke hergestellt werden, können elektrochemische Zellenblöcke 60 mit den gewünschten Leistungsmerkmalen gebildet werden. Die Leistungsmerkmale der Blöcke 60 können verändert werden, indem beispielsweise die Fläche zum Ionenaustausch zwischen den Anodenschichten 30 und den Kathodenschichten 2 geändert wird. Die Blöcke 60 können zum Beispiel mit mehr oder weniger wiederholten Mustern 15', 15 und 15" hergestellt werden. Ferner können die Breite des Schichtstoffs 1 oder der Abstand zwischen aufeinander folgenden Querfalzen 5 größer oder kleiner gemacht werden. Die Veränderbarkeit der Höhen- und Breitenmerkmale des elektrochemischen Zellenblocks 60 bei der Realisierung bestimmter gewünschter Leistungsmerkmale erleichtert die Verwendung des elektrochemischen Zellenblocks in einer breiten Vielfalt von Anwendungen, in denen der Raum für Batterien begrenzt ist.
  • Der aus dem Schichtstoff 1 gebildete elektrochemische Zellenblock 60 kann schnell zusammengebaut werden, indem der Schichtstoff zickzackgefaltet wird, so daß die diskreten Anodensegmente die Elektrolytschicht im wesentlichen auf allen Oberflächen beider Oberflächen 43, 44 der Anodensegmente berühren. So ein elektrochemischer Zellenblock 60 kann im Vergleich zu Flüssigelektrodenbatterien eine größere Energiedichte in Wattstunden pro Kilogramm und Wattstunden pro Liter aufweisen.

Claims (31)

1. Elektrochemischer Zellenblock, enthaltend:
eine zusammenhängende Schichtstoffbahn, wobei die zusammenhängende Schichtstoffbahn eine zusammenhängende Elektrodenschicht mit einer ersten Polarität, eine zusammenhängende Elektrolytschicht und eine Vielzahl von diskreten Elektrodensegmenten mit einer zweiten Polarität aufweist, die an vorbestimmten Stellen auf der Oberseite der Elektrolytschicht befestigt sind, wobei die zusammenhängende Schichtstoffbahn an vorbestimmten Faltepositionen zickzackgefaltet ist, so daß die Elektrodensegmente mit der zweiten Polarität die Elektrolytschicht auf den Ober- und Unterseiten jedes der Elektrodensegmente mit der zweiten Polarität berühren, und wobei die zickzackgefaltete zusammenhängende Schichtstoffbahn einen Block mit einer ersten und einer zweiten Seite bildet;
eine Stromsammlereinrichtung für Elektroden mit der zweiten Polarität, zum Sammeln des Stroms von Elektroden mit der zweiten Polarität; und
eine Stromsammlereinrichtung für Elektroden mit der ersten Polarität, zum Sammeln des Stroms von Elektroden mit der ersten Polarität.
2. Elektrochemischer Zellenblock nach Anspruch 1, wobei die Bahn an den Faltepositionen derart zickzackgefaltet ist, daß sich jede zweite Falteposition auf der ersten Seite des Blocks eine vorbestimmte erweiterte Länge über eine vorhergehende und eine nachfolgende Falteposition auf der ersten Seite des Blocks hinaus erstreckt.
3. Elektrochemischer Zellenblock nach Anspruch 2, wobei die Stromsammlereinrichtung für Elektroden mit der zweiten Polarität ein erstes Stromsammlerglied für Elektroden mit der zweiten Polarität enthält, das auf einer ersten erweiterten Länge an einem ersten Elektrodensegment mit der zweiten Polarität angebracht ist, wobei das erste Stromsammlerglied für Elektroden mit der zweiten Polarität auf einer zweiten erweiterten Länge mit einem zweiten Elektrodensegment mit der zweiten Polarität in elektrischem Kontakt steht.
4. Elektrochemischer Zellenblock nach Anspruch 3, wobei sich das erste Elektrodensegment mit der zweiten Polarität quer über die erste erweiterte Länge erstreckt und wobei sich das zweite Elektrodensegment mit der zweiten Polarität quer über die zweite erweiterte Länge erstreckt.
5. Elektrochemischer Zellenblock nach Anspruch 4, wobei sich ein Teil des ersten Stromsammlergliedes für Elektroden mit der zweiten Polarität von der ersten Seite des Blocks aus erstreckt.
6. Elektrochemischer Zellenblock nach Anspruch 4, wobei die Stromsammlereinrichtung für Elektroden mit der zweiten Polarität ein zweites Stromsammlerglied für Elektroden mit der zweiten Polarität enthält, das auf einer dritten erweiterten Länge an einem dritten Elektrodensegment mit der zweiten Polarität angebracht ist, wobei das zweite Stromsammlerglied für Elektroden mit der zweiten Polarität auf einer vierten erweiterten Länge mit einem vierten Elektrodensegment mit der zweiten Polarität in elektrischem Kontakt steht und wobei das erste Strom sammlerglied für Elektroden mit der zweiten Polarität an einer Stelle außerhalb des Blocks mit dem zweiten Stromsammlerglied für Elektroden mit der zweiter Polarität in elektrischem Kontakt steht.
7. Elektrochemischer Zellenblock nach Anspruch 3, wobei die Stromsammlereinrichtung für Elektroden mit der zweiten Polarität ein zweites Stromsammlerglied für Elektroden mit der zweiten Polarität enthält, das auf einer dritten erweiterter Länge an einem dritten Elektrodensegment mit der zweiten Polarität angebracht ist, wobei das zweite Stromsammlerglied für Elektroden mit der zweiten Polarität auf einer vierten erweiterten Länge mit einem vierten Elektrodensegment mit der zweiten Polarität in elektrischem Kontakt steht und wobei das erste Stromsammlerglied für Elektroden mit der zweiten Polarität an einer Stelle außerhalb des Blocks mit dem zweiten Stromsammlerglied für Elektroden mit der zweiten Polarität in elektrischem Kontakt steht.
8. Elektrochemischer Zellenblock nach Anspruch 1, wobei ein Teil der Stromsammlereinrichtung für Elektroden mit der ersten Polarität einen Teil der Elektrodenschicht mit der ersten Polarität auf der zweiten Seite des Blocks berührt.
9. Elektrochemischer Zellenblock nach Anspruch 1, wobei die Stromsammlereinrichtung für Elektroden mit der zweiten Polarität ein erstes Stromsammlerglied für Elektroden mit der zweiten Polarität enthält und wobei das erste Stromsammlerglied für Elektroden mit der zweiten Polarität ein erstes und ein zweites Elektrodensegment mit der zweiten Polarität berührt und sich quer über eine erste Falteposition erstreckt, so daß sich eine Stelle auf dem ersten Stromsammlerglied für Elektroden mit der zweiten Polarität über die erste Seite des Blocks hinaus erstreckt.
10. Elektrochemischer Zellenblock nach Anspruch 9, wobei die Stromsammlereinrichtung für Elektroden mit der zweiten Polarität ein zweites Stromsammlerglied für Elektroden mit der zweiten Polarität enthält und das zweite Stromsammlerglied für Elektroden mit der zweiten Polarität ein drittes und ein viertes Elektrodensegment mit der zweiten Polarität berührt und sich quer über eine zweite Falteposition erstreckt, so daß sich eine Stelle auf dem zweiten Stromsammlerglied für Elektroden mit der zweiten Polarität über die erste Seite des Blocks hinaus erstreckt, und wobei das erste und das zweite Stromsammlerglied für der Elektroden mit der zweiten Polarität miteinander in elektrischem Kontakt stehen.
11. Elektrochemischer Zellenblock nach Anspruch 1, wobei sich ein erstes Elektrodensegment mit der zweiten Polarität quer über eine erste Falteposition erstreckt und sich ein Teil des ersten Elektrodensegments mit der zweiten Polarität über die erste Seite des Blocks hinaus erstreckt und wobei die Stromsammlereinrichtung fiir Elektroden mit der zweiten Polarität in elektrischem Kontakt mit dem Teil des ersten Elektrodensegments mit der zweiten Polarität steht.
12. Elektrochemischer Zellen block nach Anspruch 11, wobei sich ein zweites Elektrodensegment mit der zweiten Polarität quer über eine zweite Falteposition erstreckt und sich ein Teil des zweites Elektrodensegments mit der zweiten Polarität über die erste Seite des Blocks hinaus erstreckt und wobei die Stromsammlereinrichtung für Elektroden mit der zweiten Polarität in elektrischem Kontakt mit dem Teil des zweiten Elektrodensegments mit der zweiten Polarität steht.
13. Schichtstoff zur Bildung eines elektrochemischen Zellenblocks, enthaltend:
eine zusammenhängende Elektrodenschicht mit einer ersten Polarität, die eine erste und eine zweite Oberfläche aufweist;
eine zusammenhängende Elektrolytschicht mit einer ersten und einer zweiten Oberfläche, wobei die erste Oberfläche der Elektrolytschicht an der zweiten Oberfläche der Elektrodenschicht mit der ersten Polarität angebracht ist;
eine Vielzahl von diskreten Elektrodensegmenten mit einer zweiten Polarität, die jedes eine erste und eine zweite Oberfläche aufweisen, wobei die erste Oberfläche jedes Elektrodensegments mit der zweiten Polarität an der zweiten Oberfläche der Elektrolytschicht befestigt ist; wobei
der Schichtstoff an einer Vielzahl von vorbestimmten Faltepositionen faltbar ist, so daß zumindest ein Teil der zweiten Oberfläche jedes Elektrodensegments mit der zweiten Polarität einen Teil der zweiten Oberfläche der Elektrolytschichit berührt.
14. Schichtstoff nach Anspruch 13, wobei die vorbestimmten Faltepositioner durch Perforationen gebildet sind.
15. Schichtstoff nach Anspruch 13, wobei die vorbestimmten Faltepositionen durch Kerbschnitt gebildet sind.
16. Schichtstoff nach Anspruch 13, der weiterhin eine Stromsammlereinrichtung für Elektroden mit der zweiten Polarität aufweist, die eine Vielzahl von Stromsammiergliedern für Elektroden mit der zweiten Polarität enthält, wobei ein Stromsammlerglied für Elektroden mit der zweiten Polarität an einem ersten Segment aus jedem Satz von zwei Elektrodensegmenten mit der zweiten Polarität angebracht und dafür eingerichtet ist, ein zweites Segment aus jedem Satz von zwei Elektrodensegmenten mit der zweiten Polarität zu berühren, wenn der Schichtstoff an der Vielzahl von Faltepositionen gefaltet wird.
17. Schichtstoff nach Anspruch 16, wobei die Vielzahl von Stromsammlergliedern für Elektroden mit der zweiten Polarität dafür eingerichtet ist, in elektrischen Kontakt miteinander zu stehen, wenn der Schichtstoff an der Vielzahl von Faltepositionen gefaltet wird.
18. Schichtstoff nach Anspruch 13, der weiterhin eine Stromsammlereinrichtung für Elektroden mit der zweiten Polarität aufweist, wobei die Stromsammlereinrichtung für Elektroden mit der zweiten Polarität eine Vielzahl von Stromsammlergliedern für Elektroden mit der zweiten Polarität enthält, die an jedem Segment aus der Vielzahl von Elektrodensegmenten mit der zweiten Polarität angebracht sind, wobei die Vielzahl von Stromsammlergliedern für Elektroden mit der zweiten Polarität dafür eingerichtet ist, in elektrischem Kontakt miteinander zu stehen, wenn der Schichtstoff an der Vielzahl von Faltepositionen gefaltet wird.
19. Verfahren zur Herstellung eines elektrochemischen Zellenblocks, das folgende Verfahrensschritte aufweist:
Beschichten einer Oberseite einer zusammenhängenden Elektrodenschicht mit einer ersten Polarität mit einer zusammenhängenden Elektrolytschicht;
Befestigen einer Vielzahl von Elektrodensegmenten mit einer zweiten Polarität auf einer Oberseite der zusammenhängenden Elektrolytschicht, um einen Schichtstoff zu bilden, wobei die Vielzahl von Elektrodensegmenten mit der zweiten Polarität an vorbestimmten Stellen auf dem Schichtstoff befestigt wird;
Zickzackfalten des Schichtstoffs an vorbestimmten Faltepositionen, so daß die Elektrodensegmente mit der zweiten Polarität die Elektrolytschicht auf ersten und zweiten Seiten der Elektrodensegmente mit der zweiten Polarität berühren, wobei das Zickzackfalten einen Block mit ersten und zweiten Seiten bildet; und Anbringen einer Stromsammlereinrichtung für Elektroden mit der zweiten Polarität an vorbestimmten Stellen an den Elektrodensegmenten mit der zweiten Polarität und einer Stromsammlereinrichtung für Elektroden mit der ersten Polarität an der Elektrodenschicht mit der ersten Polarität.
20. Verfahren nach Anspruch 19, wobei die Elektrodensegmente mit der zweiten Polarität quer über vorbestimmte Faltepositionen geschichtet werden.
21. Verfahren nach Anspruch 19, wobei der Schichtstoff an den Faltepositionen derart zickzackgefaltet wird, daß sich jede zweite Falteposition auf der ersten Seite des Blocks eine vorbestimmte erweiterte Länge über eine vorhergehende und eine nachfolgende Falteposition auf der ersten Seite des Blocks hinaus erst
22. Verfahren zur Herstellung eines gemäß Anspruch 13 faltbaren Schichtstoffs, das folgende Verfahrensschritte aufweist:
Beschichten einer Oberseite einer zusammenhängenden Elektrodenschicht mit einer ersten Polarität mit einer zusammenhängenden Elektrolytschicht; und
Befestigen einer Vielzahl von Elektrodensegmenten mit einer zweiten Polarität auf einer Oberseite der zusammenhängenden Elektrolytschicht, wobei die Vielzahl von Elektrodensegmenten mit der zweiten Polarität an vorbestimmten Stellen befestigt wird.
23. Verfahren nach Anspruch 22, das weiterhin den Verfahrensschritt aufweisi, eine Stromsammlereinrichtung für Elektroden mit der zweiten Polarität an vorbestimmten Stellen an den Elektrodensegmenten mit der zweiten Polarität und eine Stromsammlereinrichtung für Elektroden mit der ersten Polarität an der Elektrodenschicht mit der ersten Polarität anzubringen.
24. Elektrochemischer Zellenblock nach Anspruch 1, wobei die Elektrode mit der ersten Polarität eine Kathode ist und die Elektrodensegmente mit der zweiten Polarität Anoden sind.
25. Elektrochemischer Zellenblock nach Anspruch 1, wobei die Elektrode mit der ersten Polarität eine Anode ist und die Elektrodensegmente mit der zweiten Polarität Kathoden sind.
26. Schichtstoff nach Anspruch 13, wobei die Elektrode mit der ersten Polarität eine Kathode ist und die Elektrodensegmente mit der zweiten Polarität Anoden sind.
27. Schichtstoff nach Anspruch 13, wobei die Elektrode mit der ersten Polarität eine Anode ist und die Elektrodensegmente mit der zweiten Polarität Kathoden sind.
28. Verfahren nach Anspruch 19, wobei die zusammenhängende Elektrodenschicht mit der ersten Polarität kathodisch ist und die Elektrodensegmente mit der zweiten Polarität anodisch sind.
29. Verfahren nach Anspruch 19, wobei die zusammenhängende Elektroden schicht mit der ersten Polarität anodisch ist und die Elektrodensegmente mit der zweiten Polarität kathodisch sind.
30. Verfahren nach Anspruch 22, wobei die zusammenhängende Elektroden schicht mit der ersten Polarität kathodisch ist und die Elektrodensegmente mit der zweiten Polarität anodisch sind.
31. Verfahren nach Anspruch 22, wobei die zusammenhängende Elektroden schicht mit der ersten Polarität anodisch ist und die Elektrodensegmente mit der zweiten Polarität kathodisch sind.
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