具有内置密封装置的集电器、包括该集电器的双极电池以及用于制造该电池的方法

摘要

本发明涉及一种沿着纵轴(X)细长形的用于锂离子电化学发电机的装置，该装置包括带部，所述带部具有集电器中央部和至少两个侧外围部，所述中央部是至少部分导电的，其中，两个正面中的至少一个面覆盖有由锂离子插入材料制成的电极，而至少两个侧外围部连接至中央部且横切所述纵轴延伸，所述侧外围部由包括至少一种聚合物的电绝缘材料制成，所述两个侧外围部中的至少一者的绝缘材料能够可恢复地或可塑地变形且尺寸还被确定成在带部围绕卷绕轴卷绕期间允许变形而不发生破裂，所述卷绕轴横切纵轴(X)且接近所述两个侧外围部中的另一者。本发明涉及一种用于制造相关的双极电池的方法。

权利要求

1.一种双极电池，所述双极电池包括一个卷绕在另一个上的至少两个电化学电池元(C1，C2)和至少一个沿着纵轴细长形的装置(1)，所述装置(1)包括带部，所述带部包括至少部分导电的中央部(10)和至少两个侧外围部(22l，23，23P)，所述中央部(10)形成集电器，所述集电器的两个正面覆盖有由锂离子插入材料制成的电极，所述至少两个侧外围部(22l，

23，23P)连接至所述中央部且横切所述纵轴延伸，所述侧外围部由包括至少一种聚合物的电绝缘材料制成，所述两个侧外围部中的至少一者的绝缘材料能够弹性地或可塑地变形，所述两个侧外围部中的所述一者的尺寸还被限定成允许该侧外围部在所述带部围绕卷绕轴卷绕期间的变形而不发生破裂，所述卷绕轴横切所述纵轴且接近所述两个侧外围部中的另一者，其中，由电绝缘材料制成的两个侧外围部(22l，23，23P)形成对所述两个电池元的电解质的壁密封的外围区域，所述外围区域环绕所述两个电池元。

2.如权利要求1所述的双极电池，能够变形的绝缘材料的主要聚合物可以选自聚烯烃、丁腈橡胶(NBR)和丁苯橡胶(SBR)。

3.如权利要求2所述的双极电池，所述聚烯烃选自聚乙烯(PE)和聚丙烯(PP)。

4.如权利要求1所述的双极电池，导电部分由至少一个金属片组成，由绝缘材料制成的所述侧外围部被密封至所述金属片。

5.如权利要求4所述的双极电池，所述金属片被密封至由能够变形的电绝缘材料制成的单个框架(23)，所述框架完全地环绕所述金属片。

6.如权利要求4所述的双极电池，所述金属片分别被密封至从前方看为U形的由电绝缘材料制成的框架以及由能够变形的材料制成的所述侧外围部，所述框架环绕所述金属片，除了尺寸设定成用于变形的所述侧外围部外。

7.如权利要求1所述的双极电池，所述带部由能够变形的电绝缘材料制成，导电部分由嵌入所述带部中的导电颗粒组成。

8.如权利要求7所述的双极电池，所述带部通过不导电的颗粒在其外围机械地加固，除了尺寸设定成用于变形的所述侧外围部外。

9.一种生产包括一个卷绕在另一个上的至少两个电化学电池元(C1，C2)的双极电池的方法，所述方法包括以下步骤：a)生产两个沿着纵轴细长形的装置(1)，所述装置(1)包括带部，所述带部包括至少部分导电的中央部(10)和至少两个侧外围部(22l，23，23P)，所述中央部(10)形成集电器，所述集电器的两个正面覆盖有由锂离子插入材料制成的电极，所述至少两个侧外围部(22l，23，

23P)连接至所述中央部且横切所述纵轴延伸，所述侧外围部由包括至少一种聚合物的电绝缘材料制成，所述两个侧外围部中的至少一者的绝缘材料能够弹性地或可塑地变形，所述两个侧外围部中的所述一者的尺寸还被限定成允许该侧外围部在所述带部围绕卷绕轴卷绕期间的变形而不发生破裂，所述卷绕轴横切所述纵轴且接近所述两个侧外围部中的另一者，使得：-所述装置中的一者的导电部分的两个面覆盖有由锂离子插入材料制成的阳极(12)；

以及

-所述装置中的另一者的导电部分的两个面覆盖有由锂离子插入材料制成的阴极(11)；

b)通过插入第一分隔件堆叠所述两个装置，通过插入的堆叠如此执行，使得两个所述的装置中的一者的阳极面对另一所述的装置的阴极，所述阳极和所述阴极被所述第一分隔件隔开；

c)仅在一个靠着另一个堆叠的所述两个装置的带部的侧外围部(23，23P)之间进行密封，因此限定堆叠体(25)的两个密封部；

d)将所述堆叠体的密封部中的一者固定至卷绕芯(26)，使得它的轴形成横切所述带部的纵轴的卷绕轴；以及e)围绕所述卷绕轴、沿着所述纵轴的方向卷绕所述堆叠体(25)，所述堆叠体的未固定至所述芯的密封部(23P)被保持。

10.如权利要求9所述的方法，其中，当位于所述堆叠体的端部处且一个靠着另一个卷绕的两个电极具有相同极性时，在步骤d)之前执行用由电绝缘材料制成的膜覆盖所述堆叠体的步骤c1)。

11.如权利要求9所述的方法，其中，当位于所述堆叠体的端部处且一个靠着另一个卷绕的两个电极具有相反极性时，在步骤d)之前执行以下步骤：c2)将第二分隔件设置在位于所述堆叠体的端部处的由锂离子插入材料制成的阴极或阳极上；以及c3)将所述第二分隔件机械地保持在所述堆叠体上。

12.如权利要求9所述的方法，其中，一旦已经执行了步骤e)，则执行以下后续步骤：f)使用由电绝缘材料制成的封装膜(28)封装线圈，以便机械地将所述线圈保持为圆柱(29)的形状；

g)密封所述圆柱(29)的对应于所述带部的纵向外围部中的一者的下部(30)；

h)将具有密封的下部的所述圆柱(29)插入到互补的圆柱形的刚性容器(31)中，所述刚性容器形成所述电池的封装；

i)使导入到所述容器中的液态电解质浸透所述分隔件；以及

j)密封所述圆柱的对应于所述带部的纵向外围部中的另一者的上部。

13.如权利要求9所述的方法，在步骤a)中，将两个端子集电器中的每一者焊接至所述的装置的集电器中的一者的导电部，所述两个端子集电器二者均采用箔的形式。

14.如权利要求9所述的生产方法，所述双极电池包括单独地一个堆叠在另一个上的n个电化学电池元，其中，利用n-2个所述的装置执行步骤a)至步骤e)，n为整数。

15.如权利要求9所述的生产方法，其中，利用印刷技术实现将由锂离子插入材料制成的每一电极(11，12)沉积在一个导电部分的面上。

说明书

具有内置密封装置的集电器、包括该集电器的双极电池以及

用于制造该电池的方法

技术领域

[0001] 本发明涉及锂离子电化学发电机领域，这些发电机根据在至少一个电极中的锂离子的插入和反插入(或换句话说嵌入/脱嵌)的原理运行。

[0002] 本发明特别地涉及一种包括至少一个双极集电器的锂离子电化学蓄电池(也称作双极电池)。在该双极电池中，双极集电器在它的相对两面中的每一面上承载两种相反标记的电极材料中的一种，即，一个面承载有阴极(正电极)且相对两面中的另一面承载有阳极(负电极)。

[0003] 本发明涉及通过绕组生产锂离子双极电池，该双极电池的隔室在端部具有对液态形式的电解质的令人满意的密封性。

背景技术

[0004] 常规的锂离子电池的构造可以为合格的单极的构造，因为单个的电化学电池包括阳极、阴极和电解质。已知多个类型的单极构造几何形状：

[0005] -圆柱几何形状，例如在专利申请US2006/0121348中公开的；

[0006] -棱柱几何形状，例如在专利US7348098、US7338733中公开的；以及

[0007] -堆叠几何形状，例如在专利申请US2008/060189和US2008/0057392、以及专利US7335448中公开的。

[0008] 单极构造通过绕组生产。该绕组包括集电器，在该集电器上正电极材料(阴极)持续地沉积，由陶瓷或高分子材料制成的分隔件被插入在另一集电器上沉积的负电极材料(阳极)本身之间。该单极构造的主要优点在于，它具有较大的活性材料区域，但是电势差被限制为使用的两种电极材料之间的电势差的单位值，对于堆叠几何形状也为同样的情况。

[0009] 为了增大单极锂离子蓄电池的平均电势，同时保持可比较的能量密度，已知生产一种具有多个串联的电化学电池元(cell)的电池。因此，该电池构造为合格的双极，因为它包括电池元的阴极和相邻电池元的阳极，该阴极和阳极被承载于采用板形式的给定的集电器上，其本身为合格的双极电极。因此，双极性电池的构造对应于通过双极集电器或电极串联布置的多个单极蓄电池，然而具有相对于由外部连接器串联连接的单极蓄电池具有较小电阻的优点。在此可以提到的是，涉及这种双极电池的很多专利或专利申请，例如US 7279248、US 7220516、US 7320846、US 7163765、WO 03/047021、WO 2006/061696和US 
7097937。

[0010] 双极电池的随后的优点为，它具有较小的质量，并且不包括不必要的体积。

[0011] 设计该双极电池的主要困难是隔室的制造，一个隔室相对于其他隔室具有对电解质(通常为液态)的完美密封性。特别地，不良的密封性导致离子的短路，从而导致双极电池的故障。

[0012] 而且，这通过如下事实得到证实：涉及双极锂离子电池领域的多数专利文献涉及用于防止电解质从一个隔室泄漏到另一隔室(离子短路)的封闭方案(也称为密封)。无论采用何种密封系统，它必须：

[0013] -化学上抗液体电解质，例如包括碳酸亚乙酯(EC)和碳酸二甲酯(DMC)的溶剂混合物中的LiPF6锂盐溶液；

[0014] -容易实施：特别地，在堆叠双极电池的各个构成元件的操作过程中，应用的密封件必须与工业生产线相容并且在相对低温下实现，低温使电极、分隔件或甚至电解质较少劣化或不劣化；以及

[0015] -确保长期的完全密封性。

[0016] 在上面引用的专利或专利申请中，可以提及专利US 7220516，其描述了一种采用可粘附地连接至双极集电器的外围的柔性粘附膜5、6的方案。

[0017] 还可以提及专利US 7320846，其描述了一种涉及将集电器4和电解质6封装在树脂10中的方案。

[0018] 还可以提及专利US 7163765，其描述了利用布置在双极集电器之间的由聚酰胺/聚丙烯(PP)制成的混合隔片9的封闭方案，将聚酰胺从电池元以一定距离直接焊接到集电器的外围。

[0019] 专利US 7097937部分地提出了双重封闭方案，由于由含氟聚合物制成的内屏障14、22布置在双极集电器11的外围上，且由弹性体制成的外框架18、23布置在屏障14、22的外侧、在双极集电器上且围绕双极集电器，额外的弹性体环15可选地布置在集电器11上。

[0020] 还可以提及以本申请人名义的专利申请EP 2073300，其提出一种方案，根据该方案，板的尺寸以一个板相对邻近的另一板而增大，且插入在互连的板之间的密封件横向偏移以便使得两个密封件沿着电池元的堆叠轴彼此不会位于一条线上。

[0021] 还可以提及专利申请JP 2010153224，其描述了双极电池，该双极电池的每一双极集电器1包括填充有由导电材料制成的颗粒的聚合物，使用在每一双极集电器1的外围上和每一双极集电器1的面上的树脂31的珠而获得密封部。专利申请JP2011204386还披露了该种类型的双极电池，其具有由填充的聚合物制成的双极集电器1，所述集电器1经由中间粘附层通过外围珠2密封，外围珠2通过氢键结合的树脂制成。对于寻求借助电池传输高功率的应用，实际上不能设想根据这些申请的教导的双极电池。特别地，设想的双极集电器1具有较小的电传导性和高电阻。

[0022] 专利申请JP 2010073500也公开了具有双极集电器的双极电池，该双极集电器包括聚合物粘合剂2b中的金属颗粒2a。各种其他的专利申请，例如JP 2010218764、JP 2011054325和WO 2011092938进一步描述了用导电颗粒填充聚合物的可能性，以便尽可能地限制锂离子的扩散。

[0023] 最后可以提及专利申请WO 2011/157751，其描述了一种用于将基于聚合物的密封装置整合到具有集电器功能的金属片或金属网格中的方案。

[0024] 因此，在现有技术中设想的用于提高关于锂离子双极电池中的电解质在隔室之间的密封性的方案可以归结如下：

[0025] -系统性上生产板形式的双极集电器(也被称为双极电极)、或由填充有由导电材料制成的颗粒的聚合物生产双极集电器；

[0026] -在板的外围上或填充有由导线材料制成的颗粒的聚合物的外围上使用各种树脂或粘合剂；

[0027] -增大双极集电器板的格局以便产生对电解质的额外的屏障；以及

[0028] -将基于聚合物的密封装置集成到具有集电器功能的金属片中或格网中。

[0029] 已设想用于双极电池的所有这些封闭方案的共同之处在于它们仅考虑到堆叠的双极元件几何形状。

[0030] 现在，由绕组生产锂离子双极电池构造同时提供可靠的封闭方案将具有额外的优点：使其可以增大电极的区域且因此提高双极电池的容量。换句话说，由绕组生产的双极电池可以满足需要传输高功率的应用的需求，该应用仅提供有限的体积用来容纳所述电池，尤其是便携式工具。

[0031] 已经提出了各种卷绕式双极电池。

[0032] 因此，专利US 6664006提出利用常规的初始步骤和之后的卷绕步骤来生产双极电池，该初始步骤用于生产双极集电器、堆叠和密封相关的电化学隔室，卷绕步骤即为采用已经紧密密封的堆叠的双极集电器卷绕电化学隔室的步骤。该方案实际上是不可设想的。具体地，包含双极集电器的电化学隔室全部都具有总体的平行六面体(矩形或正方形)形状，密封区域为布置在电极的活跃部分的外围上的框架。将大量的隔室与它们的双极集电器堆叠增大了电池的厚度。因此，如果密封紧密堆叠体是卷绕的，则隔室弯曲的曲率半径是不同的：中央部分的隔室的曲率半径尤其分别比堆叠体的较大/较小外围上的隔室小得多/大得多。这意味着密封框架遭受极其不同的压力的巨大风险，因此可能产生破裂区域的风险。因此，不可能设想对包括堆叠的双极隔室的双极电池卷绕，同时保持事先利用例如在专利US 6664006中描述的外围密封框架获得的其密封性。

[0033] 专利申请WO 2010/108956部分地公开了通过由同一个金属承载件形成的共双极集电器，通过连续的并排式并置来制造双极隔室。通过利用柔性的金属承载件，则可以相对于彼此定向隔室，因此适合双极电池的最终形状，其尤其采用卷绕式包装的形式。该方案具有以下主要缺陷：承载集电器的金属承载件的待被利用的区域相对于针对电极的活跃区域是大的。而且，由于在生产过程中集电器承载件的易碎性，故在给定集电器承载件上生产多个双极元件可以证明是棘手的。

[0034] 本发明的总体目的是提供一种与现有技术中设想的方案不同的用于对锂离子双极电池进行卷绕的方案，该方案使得即使当仅有限的体积可用于容纳该电池时也可设想高功率的应用，同时在工业上是可应用的且可靠的。

[0035] 一个具体的目的是提供一种用于对双极电池进行卷绕的方案，一旦执行完卷绕，该方案允许在隔室之间对电解质(特别是液体电解质)保持良好的密封性，而不会增大集电器的实际面积。

发明内容

[0036] 为此，本发明的一个主题是一种沿着纵轴X细长形的用于锂离子电化学发电机的装置，所述装置包括带部，所述带部包括至少部分导电的中央部和至少两个侧外围部，所述中央部形成集电器，所述集电器的两个正面中的至少一者覆盖有由锂离子插入材料制成的电极，而至少两个侧外围部连接至所述中央部且横切所述纵轴延伸，所述侧外围部由包括至少一种聚合物的电绝缘材料制成，两个侧部中的至少一者的绝缘材料能够可弹性地或可塑地变形，所述两个侧部中的所述一者的尺寸还被限定成允许该侧部在带部围绕卷绕轴Y卷绕期间的变形而不发生破裂，所述卷绕轴Y横切纵轴X且接近所述两个侧外围部中的另一者。

[0037] 根据本发明，集电器承载带被生产成其至少一个密封部可弹性地或可塑地变形，以便能够在卷绕期间经受张应力而不具有对电解质的密封性减弱的任何风险。有利地，根据堆叠隔室的数目选择由聚合物制成的可变形部在绕线方向上(即，在纵轴X的方向上)的尺寸，一旦已经执行卷绕，这些堆叠隔室形成在双极电池的端部中。待卷绕的堆叠隔室的数目越大，则线圈的集电器(即，最初位于堆叠体的顶部上的集电器)的最外承载带的曲率半径(因此展宽)越大。换句话说，在执行绕线(卷绕)之前，确定可变形部分的尺寸，所述尺寸为足够大以致于该部分在卷绕期间能够经受张应力而不会遇到破裂的风险。

[0038] 出乎意料的是，尽管生产简单，但是根据本发明的方案已经不再被设想成用于双极电池的卷绕。

[0039] 通过本发明，可以用双极电极卷绕电化学隔室，就好像仅有单一厚度待卷绕。

[0040] 与根据现有技术的用于卷绕双极电池的方案(例如，在专利申请WO 2010/108956和US 2003/0190520中所描述的方案)相反，根据本发明，不需要将双极隔室并置或使双极隔室相对于彼此偏斜。

[0041] 通过本发明，可以提供一种在相同的专用容纳体积中传输两倍的单极电池的电压的双极电池。

[0042] 因此，根据本发明的装置使得在它的卷绕期间可以保持双极电池的实际密封性。因此，可以设想使用大功率的双极电池，该双极电池通过根据本发明的卷绕装置而被集成在至今专用来容纳单极电池的容纳体积中。

[0043] 本发明可以针对的特别有利的应用是，为装置提供一种大功率的双极电池，该装置仅具有可用于容纳该电池的小的体积，特别地为便携式工具，例如割草机。

[0044] 由可变形的聚合物制成的外围部可以通过焊接、粘合剂粘结、热密封等连接至至少部分导电的中央部。

[0045] 能够变形的绝缘材料的主要聚合物可以选自聚烯烃、丁腈橡胶(NBR)和丁苯橡胶(SBR)。优选地，聚烯烃选自聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚酰亚胺和聚醚醚酮(PEEK)。因此可以选择构成柔性的锂离子电池封装的已尝试且测试的聚合物，例如由昭和电工(Showa Denko)以商品编号N°ADR-ON25/AL40/CPP40或N°ADR-ON25/AL40/CPP80出售的封装。

[0046] 根据一个有利的实施方式，导电部分可以由至少一个金属片组成，由绝缘材料制成的侧外围部被密封至所述金属片。

[0047] 根据该实施方式，该金属片可以被密封至由能够变形的电绝缘材料制成的单个框架，所述框架完全地环绕所述金属片。

[0048] 可替选地，金属片可以分别被密封至从前方观看为U形的由电绝缘材料制成的框架以及密封至由能够变形的材料制成的侧部，该框架环绕所述金属片，除了尺寸设定成用于其变形的侧部外。

[0049] 根据另一实施方式，带部本身可以由能够变形的电绝缘材料制成，则导电部分由嵌入在该带部中的导电颗粒组成。该导电颗粒可以为碳粒、金属珠等。当然将注意确保导电颗粒连接集电器的两面。加入导电颗粒具有增强该带部的聚合物并且使得它在电极的活跃区域中不可能或非常难以变形的效果。

[0050] 根据该另一实施方式，除了尺寸设定成用于其变形的侧部外，该带部通过不导电的颗粒在其外围机械地加固。因此，可以增大在卷绕期间不需要变形的位置中的电绝缘带部的刚性。

[0051] 根据本发明的装置可以具有在10μm和100μm之间的厚度，优选地在25μm和50μm之间的厚度。

[0052] 根据本发明的装置可以具有任何几何形状，例如多边形形状(例如矩形或正方形)的截面，其中一个区域在外围上没有布置如上限定的金属层。

[0053] 可以设想，长度在40cm和70cm之间、通常约为50cm，以及宽度在10cm和25cm之间、通常约为15cm的平面尺寸。缺乏导电部且包括根据本发明的能够变形的外围部的外围区域可以有利地形成宽度在1mm和10cm之间，特别地在3mm和12mm之间、通常为约5mm的框架。因此，该外围区域可以覆盖的表面区域小于该装置的整个表面区域的25％，优选地，小于20％，甚至更优选地小于15％。

[0054] 根据所选的锂离子插入电极材料的类型，由至少一个金属片形成的集电器可以由铝制成或在另一金属的表面上被金属化，例如叠置在铜上的铝。

[0055] 当该装置的电流的集电器旨在为双极的时，导电部分的每一正面覆盖有由锂离子插入材料制成的电极。

[0056] 表述“由锂离子插入材料制成的电极”在此和在本发明的上下文中被理解为指的是包括至少一种锂离子插入材料和至少一种聚合物粘合剂的电极。可选地，该电极还可以包括电子导体，例如碳纤维或炭黑。

[0057] 表述“锂离子插入材料”，尤其用于正电极的“锂离子插入材料”，在此和本发明的上下文中被理解为指的是选自以下项的材料：包含锰的尖晶石锂化氧化物、层状锂化氧化物及其混合物，以及分子式为LiMy(XOz)n的聚阴离子结构的锂化氧化物，其中，M表示选自Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Mg、Zn、V、Ca、Sr、Ba、Ti、Al、Si、B和Mo的元素，且X表示选自P、Si、Ge、S和As的元素，y、z和n为正整数。

[0058] 表述“锂离子插入材料”，尤其用于负电极的“锂离子插入材料”，也可以被理解为指的是选自以下项的材料：锂化或非锂化的钛氧化物，例如Li4Ti5O12或TiO2。更特别地，负电极材料可以选自碳化材料、非锂化的钛氧化物及其衍生物以及锂化的钛氧化物(例如，Li4Ti5O12)以及其衍生物，和其混合物。

[0059] 表述“锂化的衍生物”在此和在本发明的上下文中被理解为指的是分子式为Li(4-x1)MxlTi5O12和Li4Ti(5-y1)Ny1O12的混合物，其中，x1和y1分别在0和0.2之间，且M和N分别为选自Na、K、Mg、Nb、Al、Ni、Co、Zr、Cr、Mn、Fe、Cu、Zn、Si和Mo的化学元素。

[0060] 表述“非锂化的衍生物”在此和本发明的上下文中被理解为指的是Ti(5-y1)Ny1O12，其中，y1在0和0.2之间，且N为选自Na、K、Mg、Nb、Al、Ni、Co、Zr、Cr、Mn、Fe、Cu、Zn、Si和Mo的化学元素。

[0061] 当该装置的集电器旨在为单极的时，导电部的两个正面中仅一者覆盖有由锂离子插入材料制成的电极。

[0062] 本发明还涉及一种双极电池，该双极电池包括一个卷绕在另一个上的至少两个电化学电池元和例如如上所述的至少一个装置，其中，由电绝缘材料制成的两个侧外围部形成对该两个电池元的电解质的壁密封的外围区域，该外围区域环绕这两个电池元。

[0063] 优选地，阳极由Li4Ti5O12制成，阴极由LiFePO4制成。

[0064] 本发明还涉及一种用于生产包括一个卷绕在另一个上的至少两个电化学电池元的双极电池的方法，该方法包括至少以下步骤：

[0065] a)生产两个如上所述的双极装置，使得：

[0066] -所述装置中的一者的导电部分的两面中的至少一个面覆盖有由锂离子插入材料制成的阳极；以及

[0067] -所述装置中的另一者的导电部分的两面中的至少一个面覆盖有由锂离子插入材料制成的阴极；

[0068] b)通过插入第一分隔件堆叠这两个装置；通过插入的堆叠被执行，使得上述两个双极装置中的一者的阳极面对上述另一双极装置的阴极，所述阳极和所述阴极被第一分隔件隔开；

[0069] c)仅在一个靠着另一个堆叠的两个装置的带部的侧外围部之间进行密封，因此限定堆叠体的两个密封部；

[0070] d)将该堆叠体的密封部中的一者固定至卷绕芯，使得它的轴Y形成横切该带部的纵轴X的卷绕轴；以及

[0071] e)围绕卷绕轴Y在纵轴X的方向上卷绕堆叠体，所述堆叠体的未固定至该芯的密封部被保持。

[0072] 术语“分隔件”在此和本发明的上下文中被理解为指的是电绝缘离子导体，其由以下至少一种聚合物材料形成，例如聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚醋酸乙烯酯(PVA)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚氧化乙烯(POE)或聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)或选自聚烯烃的聚合物，聚烯烃例如为聚丙烯、聚乙烯和纤维素。

[0073] 根据本发明的电解质可以是由碳酸盐混合物和至少一种锂盐形成的液体。表述“锂盐”优选地被理解为指的是选自LiPF6、LiClO4、LiBF4和LiAsF6的盐。

[0074] 可替选地，电解质可以包括基于锂离子的一种或多种离子液体，即，由与有机阴离子或无机阴离子络合的锂阳离子形成的盐，其具有在室温下为液态的特性。根据该阴离子的特性，离子液体可以为亲水的或疏水的。作为离子液体的示例，可以提到基于疏水阴离子的离子液体，例如三氟甲磺酸酯(CF3SO3)、双(三氟甲磺酸酯)酰亚胺([(CF3SO2)2N])和三(三氟甲磺酸酯)甲基化物([(CF3SO2)3C])。

[0075] 根据本发明的通过卷绕成线圈来生产高容量双极电池的方法是特别有利的，因为它可以绕线(卷绕)该电池的所有的隔室，就好象仅一个单一厚度待卷绕，并且无需冒着电池的密封性减弱的风险。

[0076] 特别地，该实现方式的优点与双极电池的双极隔室的数目成比例的增大。这是因为在当前时间为了工业上实现单极锂离子电池的卷绕，使用了一种机器，该机器必须采用四个拆卷系统和对齐系统，四个拆卷系统中两个用于分隔件而两个用于正电极和负电极，该对齐系统允许每一未卷绕的元件相对于彼此对齐。因此，使用同样类型机器来实现双极电池的卷绕会相当于设计一种具有合理数目的拆卷机和对齐系统的机器，即，非常复杂的机器。作为举例，对于具有数目等于十二的双极隔室的双极电池，将需要设计具有四十八个拆绕系统和同样数目的对齐系统的机器，这在技术上是不切实际的。

[0077] 根据一种有利的变型，当在堆叠体的端部处且一个靠着一个卷绕的两个电极为相同极性时，在步骤d)之前执行用由电绝缘材料制成的膜覆盖该堆叠体的步骤c1)。

[0078] 根据一种可替选变型，当在堆叠体的端部处且一个靠着一个卷绕的两个电极为相反极性时，在步骤d)之前执行以下步骤：

[0079] c2)将第二分隔件设置在位于堆叠体的端部处的由锂离子插入材料制成的阴极或阳极上；以及

[0080] c3)将第二分隔件机械地保持在该堆叠体上。

[0081] 为了完成该双极电池，即，使其进入到准备使用的形式，提出一旦已经执行了步骤e)，则执行以下后续步骤：

[0082] f)使用由电绝缘材料制成的封装膜封装线圈，以便机械地使所述线圈保持圆柱形状；

[0083] g)密封所述圆柱的对应于带部的纵向外围部中的一者的下部；

[0084] h)将具有密封的下部的圆柱插入到互补的圆柱形的刚性容器中，该刚性容器形成电池的封装；

[0085] i)使导入到容器中的液态电解质浸透分隔件；以及

[0086] j)密封所述圆柱的对应于带部的纵向外围部中的另一者的上部。

[0087] 优选地，在步骤a)中，将两个端子集电器(二者均是以箔的形式)中的每一者焊接至如上所述的双极装置的集电器的一者的导电部。

[0088] 根据本发明的一个实施方式，包括单独地一个堆叠在另一个上的n个电化学电池元的双极电池可以通过利用(n-2)个装置执行上述步骤a)至步骤f)而生产，每一装置在每一面上具有电极，n为整数。

[0089] 利用例如丝网印刷术、照相凹版印刷、柔性版印刷、喷印等的常规印刷技术可以实现每一电极在至少一个装置的形成集电器的导电部上的沉积。

附图说明

[0090] 参考以下附图，在阅读出于说明目的给出的详细说明后其他的优点和特征将变得更为清晰明显，其中：

[0091] -图1为根据现有技术的锂离子双极电池的示意性的纵向截面图；

[0092] -图2A和图2B分别为根据现有技术的用在锂离子双极电池中的双极集电器的前视图和截面图；

[0093] -图3A和图3B分别为根据现有技术的用在锂离子双极电池中的另一双极集电器的前视图和截面图；

[0094] -图4A和图4B分别为根据本发明的用于生产锂离子双极电池的双极电极装置的前视图和截面图；

[0095] -图5A至图5C示出了根据本发明的双极电极装置的不同变型实施方式的前视图；

[0096] -图6A、图6B和图6C分别示出了正单极电极、根据本发明的双极电极装置、以及负单极电极的前视图，在根据本发明的卷绕操作之前意图将上述电极和装置堆叠成一个在另一个之上；

[0097] -图7为根据本发明的在卷绕操作之前由根据图6A至图6C的元件生产的堆叠体的透视图；

[0098] -图8示意性示出了根据本发明的根据图7的堆叠体的卷绕步骤；以及

[0099] -图9A至图9D示出了一旦已经执行了卷绕、根据本发明的用于生产双极电池的最后的步骤。

[0100] 为了简洁起见，在图1至图6B中的全部图中，相同的附图标记用于指代根据现有技术和根据本发明的双极电池的同样元件。

[0101] 将注意到的是，根据本发明的各个元件仅为了简洁而示出，且它们并非是按比例的。

具体实施方式

[0102] 在图1中已经示出根据现有技术的锂离子双极电池，例如在专利申请WO 03/047021中所示。该电池的顶部包括导电的铝基板13(正端子集电器)和基于正锂离子插入材料(例如，Li1.O4Mn1.96O4)的活性层14，而底部包括导电的铝基板21(负端子集电器)和基于正锂离子插入材料(例如，Li4Ti5O12)的活性层20。

[0103] 在该电池中，双极电极1(也被称作双极集电器)包括在导电铝基板10的两侧的采用板形式的阳极层16和阴极层18。下电极20和上电极14通过两个分隔件15、19而与双极电极1隔开，其中电解质呈现为液态或凝胶形式。在该电池的所形成的两个相邻的电化学电池元14、15、16和18、19、20之间的电解质的密封性通过密封部22确保，通过将树脂或粘合剂沉积在所有的电极和板10的外围上而形成密封部22。

[0104] 按照用于制成电极的锂离子插入材料，根据现有技术的双极集电器10为：

[0105] -由两个叠置的板制成，其中一个板10AL(通常由铝制成)被阴极11覆盖，而另一板10C(通常由铜制成)被阳极12覆盖(图2A和图2B)；

[0106] -或由单个板10AL(通常由铝制成)制成，它的一个面被阴极11覆盖，而它的另一面被阳极12覆盖(图3A和图3B)。当设计根据现有技术的堆叠的双极电池时所面临的主要困难是如何制成相对于彼此对电解质(通常是液体)完全密封的隔室，例如在电池元C1和电池元C2之间，即在图1中的标记为14、15、16的隔室和标记为18、19、20的隔室之间。

[0107] 按照用于制成电极的锂离子插入材料，根据现有技术的双极集电器10为：

[0108] -由两个叠置的板制成，其中一个板10AL(通常由铝制成)被阴极11覆盖，而另一板10C(通常由铜制成)被阳极12覆盖(图2A和图2B)；

[0109] -或由单个板10AL(通常由铝制成)制成，它的一个面被阴极11覆盖，而它的另一面被阳极12覆盖(图3A和图3B)。当设计根据现有技术的双极电池时所面临的主要困难是如何制成相对于彼此对电解质(通常是液体)完全密封的隔室，例如在电池元C1和电池元C2之间，即在图1中的标记为14、15、16的隔室和标记为18、19、20的隔室之间。

[0110] 因此，根据现有技术的双极电池1为堆叠的双极电池，因为电池元C1和电池元C2(隔室14、15、16和隔室18、19、20)最终在电池中是一个堆叠在另一个上。

[0111] 发明人面临着需要提供一种需要输出大功率应用的双极电池，其中仅小的体积可用于容纳所述电池，特别地为便携式工具，例如割草机。

[0112] 因此，他们考虑通过绕组生产双极电池，因为这使其可以增大电极的面积并因此增大双极电池的容量。然而，在现有技术中提出的方案要么在工业上是不可应用的，要么在它们对电解质的密封性方面是不可靠的。

[0113] 因此发明人设想一种方案，该方案易于实施，即给该电池的每一双极元件设置专用于密封的电绝缘材料的区域，而且能够变形以便能够在卷绕过程中经受所施加的机械应力，而不会冒着破裂的风险，因此确保了在卷绕(绕线)过程中保持密封性。

[0114] 因此，根据本发明，提供了生产用于双极电池的装置，该装置具有双极电极10、11、12，所述装置例如示出在图4A和图4B中。沿着纵轴X的细长形的装置包括总体上为矩形形状的带部1。

[0115] 该带部包括至少部分导电的中央部10，所述中央部形成集电器，该集电器的两个正面分别覆盖有阴极11和阳极12。

[0116] 该带部还包括连接至中央部10并且横切纵轴X延伸的至少两个侧外围部22l和23。侧外围部22l和23由包括至少一种聚合物的电绝缘材料制成，至少侧外围部23的绝缘材料能够弹性地或可塑地变形。可变形的侧外围部23的绝缘材料的主要聚合物可以选自聚烯烃、丁腈橡胶(NBR)和丁苯橡胶(SBR)。聚烯烃有利地选自聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚酰亚胺和聚醚醚酮(PEEK)。

[0117] 根据本发明，侧外围部23的尺寸还被限定成在该带部围绕横切纵轴X的卷绕轴卷绕的过程中允许它的变形而不发生破裂。该横向轴被描绘成轴Y，而且它被定位成接近于侧外围部22l。

[0118] 因此，如下文更为详细的描述，当通过一方面粘合侧外围部22l且另一方面粘合侧外围部23而已经被至少部分地密封的多个装置(即，双极隔室)被堆叠成一个在另一个上且围绕卷绕轴Y卷绕时，每一可变形的侧外围部23所经历的张力意味着变形的侧外围部23拉伸而不会冒着撕裂(破裂)的风险，因此不会降低密封性。

[0119] 根据第一实施方式，中央部10可以包括金属片，其通常由铝制成，如图4A和图4B所示。根据本发明的侧外围部23然后被密封，然后可以要么被焊接、要么被粘合或热封至该金属片。

[0120] 金属片10可以被密封到由电绝缘材料22制成的框架，该框架从前方观看具有U形，其环绕所述金属片，除了尺寸设计成用于其变形的侧外围部23外。因此，如图4A、图4B和图5A所示，U形框架22包括侧外围部22l和两个纵向外围部22L。最终，框架22的所有外围部22l、
22L和可变形的侧外围部23形成双极电池的一个密封壁。

[0121] 可替选地，金属片10可以被密封至由能够变形的电绝缘材料制成的单个框架23，该框架23完全地环绕所述片10(图5B)。因此，根据该变型，每一装置提供了一个并且唯一一个外围密封元件23。

[0122] 根据第二实施方式，带部本身1’可以由包含可变形侧部23的电绝缘材料组成，则导电部分10’由导电颗粒组成(图5C)。导电颗粒可以特别地为碳颗粒或金属珠等。无论这些颗粒10’的材料、形状和尺寸，应该注意的是，当嵌入到带部1’中时，导电颗粒10’连接两个正面，以便确保两个正面之间的电气连接。虽然未示出，也可以提供其他变型：特别地，可以提供采用非导电颗粒来强化带部1’(除了在可变形的外围部23中)的基于聚合物的材料。

[0123] 在图6A至图9D中，已经示出根据本发明的通过绕组生产双极电池的过程，根据第一实施方式，即利用由金属片10形成的集电器，以及根据采用在金属片10的外围上的单一密封框23的变型，来生产每个单位装置1。

[0124] 更精确地，已经示出了根据本发明的包括两个双极隔室的绕线式双极电池的完整的生产，其符合型号18650熟知的标准格式。

[0125] 作为示例性示例，该双极电池的技术特征如下：

[0126] ·标称电压＝3.8V(2×1.9V)，电容＝0.4Ah；

[0127] ·最终的包括其硬包装(壳体)的电池的尺寸：18mm×65mm；

[0128] ·正电极11：LiFePO4(LFP)，90％活性材料，孔隙率40％，单位面积的重量为7mg/cm2；

[0129] ·负电极12：Li4Ti5O12(LTO)，89％活性材料，孔隙率40％，单位面积的重量为8mg/2
cm；

[0130] ·集电器10：1085铝；

[0131] ·用于液态电解质的多微孔隔板：孔隙率50％的聚丙烯/聚乙烯/聚丙烯(PP/PE/PP)三层材料；尺寸：厚度为21.5μm、宽度为55mm以及长度为450mm；

[0132] ·密封框架23：聚丙烯(PP)；

[0133] ·电池在封装之前的长度Lt：480mm；

[0134] ·电池在封装之前的宽度lt：60mm；

[0135] ·电池在封装之前的厚度Et：506μm；

[0136] ·锂离子插入材料的长度L0：410mm；以及

[0137] ·锂离子插入材料的宽度l0：49mm。

[0138] 根据本发明的双极电池的初始堆叠体由正单极电极l+、负单极电极l-以及根据本发明的两个相同的双极电极装置1组成。

[0139] 单极电极l+、l-中的每一个大致上是矩形形状并且可以为合格双面的，因为在它的两面的每一面上覆盖有正极(阴极11)或者负极(阳极12)锂离子插入材料。

[0140] 因此，正单极电极1+在它的两个正面上分别覆盖有由LFP制成、面积等于420×49mm2的活性层11。提供集电器端子功能的箔100+被直接焊接到正单极电极1+的集电器(图
6A)。作为示例，该箔由铝制成，并且具有100μm的厚度且在轴X的方向上具有5mm的宽度。箔
100+可以通过电焊接或超声波焊接而焊接到集电器。

[0141] 根据本发明的每个双极电极装置1，一旦绕线后，其外部宽度和长度为最终电池的外部宽度和长度，即l0*L0。

[0142] 集电器10的一面覆盖有由LFP制成的活性层11，然而，另一面覆盖有由LTO制成的活性层12。它们的面积等于410×49mm2(见图6B中L1*l1)。集电器10延伸到电极11、12的活跃区域外。集电器10的外侧尺寸等于420mm×55mm(见图6B中L10*l10)。

[0143] 由聚丙烯制成的框架23热粘合在集电器10的每一正面上(图6C)。框架23具有60mm×480mm的外部尺寸和50mm×420mm的内部尺寸。因此，根据本发明，PP框架23布置在集电器10上，以便获得足够长度L23的超出量，从而在卷绕过程中能够变形而不冒着破裂的风险。在示例中，长度L23等于50mm。根据本发明的适于生产框架23的聚丙烯的示例可以在以下网址中找到：

[0144] http://www.rs-particuliers.com/WebCatalog/Film_Etirable_Polypropylene_400mm_X_300m-183953.aspx。

[0145] 负单极电极1-在它的两个正面上分别覆盖有由LTO制成、面积等于420×49mm2的活性层11。提供集电器端子功能的箔100-被直接地焊接到正单极电极1-的集电器(图6C)。作为示例，该箔由铝制成并且具有100μm的厚度且在轴X的方向上具有5mm的宽度。箔100-可以通过电焊接或超声波焊接而被焊接到集电器。无活性层的区域101-(即，裸露区域)设置在电极1-的端部上。作为示例，该区域101-在轴X的方向上具有5mm的宽度。

[0146] 对于单极电极1+、1-和两个装置1、1’，有利地，在由1085铝制成的片所形成的集电器10上，利用印刷技术(照相凹版、柔性版印刷或丝网印刷术)生产电极层。

[0147] 一旦已经生产出单极电极1+、1-和两个同样的双极电极11、12装置1，则将它们如图7所示进行堆叠，即，将用于液态电解质的分隔件插入在每一元件1+、1-和1之间。因此，三个分隔件为夹层，第四个分隔件放置在堆叠体的端部之一处。

[0148] 一旦已经生产出该堆叠体，密封框架23的两个侧外围部23P在5mm的宽度上彼此热密封。热密封操作的条件如下：1MPa的压力和190℃温度下保持3s。

[0149] 然后可以获得准备卷绕的元件1+、1、1-和1的堆叠体25(图7)。

[0150] 如图8所示，堆叠体25然后螺旋地被绕线(卷绕)到芯26上。芯26的直径约为3.5mm。在卷绕的时候，电极1+借助箔100+通过粘合剂粘合或利用胶带固定到芯26上。同样地，在卷绕的时候，电极1-借助裸露区域101-通过粘合剂粘合或利用胶带固定。通过使用夹具27固定可变形的侧外围部23P，可以实现卷绕，可变形的侧外围部23P的长度尺寸被设定成无破损的风险(图8)。

[0151] 一旦卷绕，双极电池1形成圆柱线圈。为了在机械上将它保持在该几何形状，使用由电绝缘材料制成的封装膜28封装该线圈(图9A)。作为实例，圆柱29的直径为17.3mm，高度为60mm(图9A)。

[0152] 圆柱29的底部30被热密封(图9B)。所密封的底部30对应于密封框架23的纵向外围部之一，即，在卷绕操作前沿着轴X。可以使用热板进行热密封。热密封的条件如下：无压力且温度190℃下保持3s。

[0153] 该装配然后依照用于将电池制成标准18650格式的过程。将圆柱29(其底部30已经被热密封)插入到刚性圆柱31(通常称作壳体)中，然后在真空下将壳体31填充液态电解质(图9C)。

[0154] 然后，在同样条件下热密封圆柱29的顶部32(图9D)，该顶部32对应于密封框架23的另一纵向外围部。则确保了双极电池的完全密封性。

[0155] 最后，通过将盖(未示出)添加并卷曲到壳体31来结束该过程。

[0156] 因此生产出标准18650格式的卷绕式双极锂离子电池，所述电池将传输生产成同样标准格式的单极锂离子电池的两倍电压。

[0157] 本发明不限于如上所述的示例；特别是，在未示出的变型中可以组合示出的示例的特征。

[0158] 不言而喻，尽管关于包括两个初始堆叠的电池元的双极电池描述绕组，但是也可以采用同样的方式来执行包括数目n个堆叠的电池元的电池，即通过数目等于n-2的双极电极装置1和如上两个单极电极1+、1-重复以上步骤。