TWI511345B

TWI511345B - 能量儲存裝置

Info

Publication number: TWI511345B
Application number: TW103112753A
Authority: TW
Inventors: Bing Joe Hwang; Wei Nien Su; Ming Yao Cheng
Original assignee: Univ Nat Taiwan Science Tech
Priority date: 2014-04-07
Filing date: 2014-04-07
Publication date: 2015-12-01
Also published as: TW201539831A; US9634350B2; US20150288025A1

Description

能量儲存裝置

本發明係關於一種能量儲存裝置，尤指一種同時具有一能量型電極對、一功率型電極對，並可在低溫操作之能量儲存裝置。

常見的可充電電池，例如鋰離子電池(lithium ion battery)，依其充放電的特性，可以區分為能量型(energy type)電池及功率型(power type)電池。能量型電池之儲存能量高，但充、放電時功率較低；相反地，功率型電池之儲存能量不高，但充、放電時功率較高。因此，依照此兩種電池的特性，可應用於不同的產品。例如，能量型電池應用於手機、筆電等需要低輸出功率之產品，而功率型電池則應用於電動車等需要高輸出功率的產品。

不過，無論是能量型電池或是功率型電池，在低溫環境下(亦即低於電池之正常工作溫度時)，由於電池活性較低，因此在使用時會產生以下問題：電力時效短、充放電效率差、以及容易造成電池損壞致電池壽命縮短。

爰是之故，申請人有鑑於習知技術之缺失，發明出本案「能量儲存裝置」，以改善上述缺失。

本案之一面向係提供一種能量儲存裝置，包含：一能量型電極對，包含：一第一正極；一第一負極對置於該第一正極；以及一第一電解質，設置於該第一正極與該第一負極之間；一功率型電極對，包含：一第二正極；一第二負極對置於該第二正極；一第二電解質，設置於該第二正極與該第二負極之間；以及一殼體，容置該能量型電極對與功率型電極對。

本案之另一面向係提供一種能量儲存裝置，包括：一能量型電極對；一功率型電極對與該能量型電極對熱接觸；以及一控制模組，控制該能量型電極對與該功率型電極對獨立運作，或是透過一電路使該能量型電極對與該功率型電極對並聯運作。

本案之又一面向係提供一種能量儲存裝置，包括：一電極對；以及一正溫度係數熱敏電阻元件，與該電極對熱接觸，其中該電阻元件在一特定溫度以下具一第一正溫度係數，而在該特定溫度以上具一第二正溫度係數。

10‧‧‧能量型電極對

11‧‧‧第一正極

21‧‧‧第二正極

12‧‧‧第一負極

22‧‧‧第二負極

13、14、23、24‧‧‧電極板

15、25‧‧‧正極活性材料

16、26‧‧‧負極活性材料

17、27、37‧‧‧隔離膜

18、28‧‧‧內部正極端子(+)

19、29‧‧‧內部負極端子(-)

20‧‧‧功率型電極對

30、40、50、60、70、80、90‧‧‧電池

31、33、41、51、53、61、63、71、73、87‧‧‧外部正極端子

32、34、42、52、54、52、64、72、74、88‧‧‧外部負極端子

45‧‧‧控制模組

46‧‧‧電路

47‧‧‧殼體

48‧‧‧電解質

55、65、75‧‧‧能量型電極對組

56、66、76‧‧‧功率型電極對組

81‧‧‧溫度感測元件

82‧‧‧正極訊號線

83‧‧‧負極訊號線

84‧‧‧控制器

85‧‧‧外部加熱元件

91‧‧‧正溫度係數熱敏電阻元件

92、93‧‧‧電源線

94‧‧‧電源

T_c ‧‧‧臨界溫度

第1圖：本發明之一能量儲存裝置實施例之示意圖。

第2圖：本發明另一能量儲存裝置實施例之示意圖。

第3圖：本發明另一能量儲存裝置實施例之示意圖。

第4圖：本發明另一能量儲存裝置實施例之示意圖。

第5圖：本發明另一能量儲存裝置實施例之示意圖。

第6圖：本發明另一能量儲存裝置實施例之示意圖。

第7圖：本發明另一能量儲存裝置實施例之示意圖。

第8圖：本發明另一能量儲存裝置實施例之示意圖。

第9圖：本發明另一能量儲存裝置實施例之示意圖。

第10圖：本發明另一實施例之正溫度係數(PTC)熱敏電阻元件之電阻對溫度特性圖。

本發明之實施例的詳細描述如下，然而，除了該詳細描述外，本發明還可以廣泛地在其他的實施例施行。亦即，本發明的範圍不受已提出之實施例的限制，而應以本發明提出之申請專利範圍為準。

本發明係利用一功率型電極對及一能量型電極對，分別於正負電極間設置一電解質，以形成一功率型電極對與一能量型電極對，並且將該功率型電極對及該能量型電極對分別具有不同之正負電極端子，可獨立操作，以組合成一可分別於不同時間、以不同電流進行充放電的電儲存裝置，由於該電儲存裝置同時由能量型電極對及功率型電極對共兩個電極對所組成，因此也可被稱為雙模組電儲存裝置。本發明更可利用該功率型電極對作為一加熱源，當該電儲存裝置在低溫環境下，利用該電儲存裝置先進行充放電，由於該功率型電極對適合快速充放電，因此由該功率型電極對先動作，且可由電儲存裝置外部之系統進行適當之電路設計，連結至充電器或放電負載相關之電路。當該功率型電極對動作時，本身會因充放電而產生熱量，便可使該能量型電極對升溫，使該電儲存裝置達到一適合操作的溫度後，該能量型電極對再開始進行充放電，以保護能量型電極對組之壽命。

本發明提供一種電儲存裝置，至少包括一種功率型電極對及一種能量型電極對，其中複數之功率型電極對正負兩極分別以並聯方式電連接，形成功率型電極對組；另複數之能量型電極對正負兩極分別以並聯方式電連接係以並聯方式電連接，形成能量型電極對組。其中功率型電極對組之正負電極端子與能量型電極對組之正負電極端子可排列在電儲存裝置之同一側或不同側。能量型電極對組可以是鉛酸電池、鎳-金屬混合電池(Ni-MH)、或是鋰離子電池的電極材料組成；功率型電極對可以是電雙層電極、擬電容電極或是高功率型相對之電極材料組成。該功率型電極對與該能量型電極對可獨立操作，亦可經由電儲存裝置外部之系統進行適當之電路設計進行並聯操作，以連結至充電器與放電負載相關之電路。

本發明之電儲存裝置更包括一溫度感測器，用以量測電儲存裝置中之溫度，並可搭配一電子元件來對該電儲存裝置加熱。

本發明之電儲存裝置更包括一正溫度係數(positive temperature coefficient，PTC)熱敏電阻元件(thermistor)，利用該正溫度係數熱敏電阻元件所具有之特性，當溫度高於一特定溫度(或稱臨界溫度)時，其電阻值隨之提高；而當溫度位於該特定溫度以下時，其電阻值維持較低的數值且接近常數。因此，選擇具有適當臨界溫度之該正溫度係數熱敏電阻元件，即可自發性地控制是否截斷通往一外部加熱元件之電流。

該能量型電極對的電極與該功率型電極對的電極所使用的活性材料可以應用於不同之儲能系統，如鉛酸電池、鎳-金屬混合電池(Ni-MH)、鋰離子電池、電雙層電容器或是擬電容電容器的電極。

該能量型電極對與該功率型電極對可使用相同之材料組成一能量儲存系統，其特性可隨電極之活性材料之厚度及組成比例、導電添加物或黏結劑的種類、活性材料之尺寸及形狀、及電流收集器的材質或厚度而改變，以分別製成能量型電極對的電極與功率型電極對的電極，進而達成本發明能量儲存裝置所需的特性。

活性材料之定義，係為儲能裝置中可進行電化學氧化還原反應之材料，並藉此產生電位差，於充電時電位差變大，此時儲能裝置中的正極進行電氧化反應，並將電子輸出至外迴路，負極藉由接收正極輸出至外迴路之電子進行電還原反應。而放電時則為自發反應，電位差變小，此時儲能裝置中的負極進行電氧化反應，並將電子輸出至外迴路，正極藉由接收負極輸出至外迴路之電子進行電還原反應。

該能量型電極對的電極與該功率型電極對的電極所使用的活性材料可以不同，例如能量型電極對的電極活性材料可以應用於鉛酸電池、鎳-金屬混合電池(Ni-MH)或鋰離子電池的電極；功率型電極對的電極活性材料可以應用於電雙層電容器或是擬電容電容器的電極；藉由上述之搭配，以分別製成能量型與功率型電極與電極對，進而達成本發明能量儲存裝置所需的特性。

該電解質種類之選擇可與電極之活性材料搭配。此外，由於本發明所使用的該能量型電極對的電極與該功率型電極對的電極活性材料種類可為相同，因此該能量型電極與該功率型電極對可使用相同的電解質。該電解質可為固態、膠態或液態，該電解質解離後所形成之離子，可移動穿過設置於電極對之正極電極及負極電極之間的多孔性隔離膜，以作為正極電極及負極電極間之離子之媒介物。

電極活性材料與電解質之搭配與儲能裝置之種類有關，如鉛酸電池中之二氧化鉛與鉛分別為其正極與負極，並以濃硫酸作為電解質；鋰離子二次電池則通常以鋰離子過渡金屬氧化物為正極，如LiCoO₂ 、LiMn₂ O₄ 或LiFePO₄ ，而負極通常為石墨、人造石墨，或是錫、矽或其複合材料。而正極與負極之定義，係為正極活性材料之還原電位高於負極活性材料之還原電位，因此在此定義下，正極相較於負極具有較高之電位。

此外，本發明之該能量型電極對與該功率型電極對的數量，可依照所需要的電能容量及輸出功率大小來決定，且該能量型電極對與該功率型電極對可依隨機順序堆疊，以因應各種能量儲存裝置對於不同應用的需求。其各式各樣的變化，將描述於以下之實施例說明中。

請參閱第1圖，其係本發明之一實施例之一能量型電極對10之示意圖。該能量型電極對10係由具有一內部正極端子(+)18之一第一正極11及具有一內部負極端子(-)19之一第一負極12所組成，其間設有一隔離膜17，其中，該隔離膜17含浸一第一電解質(圖中未顯示)。請參閱第2圖，其係本發明之一實施例之一功率型電極對20之示意圖。該功率型電極對20係由具有一內部正極端子(+)28之一第二正極21及具有一內部負極端子(-)29之一第二負極22所組成，其間設有一隔離膜27，其中，該隔離膜27含浸一第二電解質(圖中未顯示)。

請參閱第3A圖，其係本發明之一實施例之一電池30之示意圖。如第3A圖所示，該能量型電極對10與該功率型電極對20容置於一殼體47內。該殼體47設有一外部正極端子31與該內部正極端子(+)18相連、一外部負極端子32與該內部負極端子(-)19相連、一外部正極端子33與該內部正極端子(+)28相連，以及一外部負極端子34與該內部負極端子 (-)29相連，且該外部正極端子31及該外部負極端子32係與該外部正極端子33以及該外部負極端子34設置於該殼體47之相同側。此外，該殼體47內部可另外設置一第一電解質(圖中未顯示)，且於該能量型電極對10之該第一正極11與該第一負極12之間，以及與該功率型電極對20之該第二正極21與該第二負極22之間，分別設置一第二電解質(圖中未顯示)，從而形成該電池30。該能量型電極對10與該功率型電極對20可各自獨立運作；或是該外部正極端子31、33與該外部負極端子32、34更可透過一控制模組45內部之一電路46，分別電連接至該控制模組45之一外部正極端子87與一外部負極端子88，並藉由該電路46來控制該能量型電極對10與該功率型電極對20並聯運作。

請參閱第3B圖，其係本發明之另一實施例之一電池40之示意圖。如第3B圖所示，該能量型電極對10與該功率型電極對20容置於一殼體47內。該殼體47設有一外部正極端子41與該內部正極端子(+)18相連、一外部負極端子42與該內部負極端子(-)19相連、一外部正極端子43與該內部正極端子(+)25相連，以及一外部負極端子44與該內部負極端子(-)26相連，且該外部正極端子41及該外部負極端子42係與該外部正極端子43以及該外部負極端子44設置於該殼體47之不同側。同樣地，該殼體47內部可另外設置一第一電解質(圖中未顯示)，且於該能量型電極對10之該第一正極11與該第一負極12之間，以及與該功率型電極對20之該第二正極21與該第二負極22之間，分別設置一第二電解質(圖中未顯示)，從而形成該電池40。此外，該能量型電極對10與該功率型電極對20可各自獨立運作；或是與第3A圖所示相類似，該外部正極端子41、43與該外部負極端子42、44更可電連接至該控制模組45，以控制該能量型電極對10與該功率型電極對20並聯運作。

請參閱第4圖，其係該電池30內部組成之示意圖。該能量型電極對10之該第一正極11包括一電極板13及一正極活性材料15覆蓋於該電極板13之表面，而該第一負極12包括一電極板14及一負極活性材料16覆蓋於該電極板14之表面。該功率型電極對20之該第二正極21包括一電極板23及該正極活性材料15覆蓋於該電極板23之表面，而該第二負極22包括一電極板24及該負極活性材料16覆蓋於該電極板24之表面。於該第一正極11、該第一負極12、該第二正極21以及該第二負極22之間分別依序設置該隔離膜17、一隔離膜37以及該隔離膜27。雖然該隔離膜17、該隔離膜37以及該隔離膜27之材料可以不同，但本實施例之該等隔離膜17、37及27係採用相同的材料。該第一正極11、該第一負極12、該第二正極21、該第二負極22、該隔離膜17、該隔離膜37以及該隔離膜27容置於該殼體47內。此外，一電解質48設置於該殼體47、該第一正極11、該第一負極12、該第二正極21、該第二負極22、該隔離膜17、該隔離膜37以及該隔離膜27之間，其中，該隔離膜17、該隔離膜27以及該隔離膜37為多孔材質，以含浸該電解質48。

本發明之一實施例請參考第3A、3B及4圖。當該電池30或40於低溫環境下使用時，可以在該控制模組45之控制下，使該功率型電極對20先動作，藉由該功率型電極對20及該外部正極端子(+)28、該功率型電極對20及該外部負極端子(-)29、該電解質48及該隔離膜27來進行能量輸入輸出(充電放電)之程序，且於充放電之過程中，該功率型電極對20會產生熱量，所放出的熱量會對該功率型電極對20本身及該能量型電極對10進行加熱，使得該功率型電極對20本身及該能量型電極對10達到一工作溫度。在該工作溫度下，該電池30或40即能正常充放電，從而提昇該電池30或40長時間操作之性能與安全。此時，該能量型電極對10與該功率型電極對20可各自獨立運作；或是更可依照實際充放電之需要，由該控制模組45控制該能量型電極對10與該功率型電極對20並聯運作。

請參閱第5圖，其係本案另一實施例之電池50內部組成之示意圖。該電池50係配置二個能量型電極對10，該等能量型電極對10之間再設置二個功率型電極對20，該二個能量型電極對10之該第一正極11與該第二負極21分別並聯，形成一能量型電極對組55；及該等二個功率型電極對20之該第二正極21與該第二負極22分別並聯，形成一功率型電極對組56；且該能量型電極對組55之該內部正極端子(+)18與一外部正極端子51相連，該功率型電極對組56之該內部正極端子(+)28與一外部正極端子53相連，而該能量型電極對組55之該內部負極端子(-)19與一外部負極端子52相連，該功率型電極對組56之該內部負極端子(-)29與一外部正極端子54相連。當該電池50於低溫環境下使用時，該功率型電極對組56先動作，藉由該功率型電極對組56的該外部正極端子(+)53與該外部負極端子(-)54來進行操作，並藉由該功率型電極對組56所產生之熱量來提升該能量型電極對組55及該功率型電極對組56本身之溫度，直到達到一適合操作的工作溫度，從而提昇該電池50長時間操作之性能與安全。此時，該能量型電極對組55與該功率型電極對組56可各自獨立運作；或是該外部正極端子51、53與該外部負極端子52、54更可電連接至另一控制模組(圖中未顯示)，以控制該能量型電極對組55與該功率型電極對組56並聯運作。

請參閱第6圖，其係本案又一實施例之電池60內部組成之示意圖。該電池60係配置二個功率型電極對20，該等功率型電極對20之間再設置一能量型電極對10，該等二個功率型電極對20之該第二正極21與該第二負極22分別並聯，形成一功率型電極對組66，且所有的該內部正極端子(+)28與一外部正極端子63相連，而所有的該內部負極端子(-)29與一外部負極端子64相連；另外，該能量型電極對之該內部正極端子(+)18與一外部正極端子61相連，該能量型電極對之該內部負極端子(-)19與一外部負極端子62相連。當該電池60於低溫環境下使用時，該功率型電極對組66先動作，藉由該功率型電極對組66的該外部正極端子(+)63與該外部負極端子(-)64來進行操作，並藉由該功率型電極對組66所產生之熱量來提升該能量型電極對10及該功率型電極對組66本身之溫度，直到達到一適合操作的工作溫度，從而提昇該電池60長時間操作之性能與安全。此時，該能量型電極對10與該功率型電極對組66可各自獨立運作；或是該外部正極端子61、63與該外部負極端子62、64更可電連接至另一控制模組(圖中未顯示)，以控制該能量型電極對10與該等功率型電極對組66並聯運作。

請參閱第7圖，其係本案再一實施例之電池70內部組成之示意圖。該電池70係依序配置一能量型電極對10、二個功率型電極對20、一能量型電極對10、二個功率型電極對20以及一能量型電極對10。該等能量型電極對10之之該第一正極11與該第一負極12分別並聯，形成一能量型電極對組75，及該等功率型電極對20之該第二正極21與該第二負極22分別並聯，形成功率型電極對組76，且該能量型電極對組75所有的該內部正極端子(+)18與一外部正極端子71相連，而所有的該內部負極端子(-)19及與一外部負極端子72相連；該功率型電極對組76所有的該內部正極端子(+)28與一外部正極端子73相連，而所有的該內部負極端子(-)29與一外部負極端子74相連。當該電池70於低溫環境下使用時，該功率型電極對組76先動作，藉由該功率型電極對組76的該外部正極端子(+)73與該外部負極端子(-)74來進行操作，並藉由該功率型電極對組76所產生之熱量來提升該能量型電極對組75及該功率型電極對組76本身之溫度，直到達到一適合操作的工作溫度，從而提昇該電池70長時間操作之性能與安全。此時，該能量型電極對組75與該功率型電極對組76可各自獨立運作；或是該外部正極端子71、73與該外部負極端子72、74更可電連接至另一控制模組(圖中未顯示)，以控制該等能量型電極對組75與該等功率型電極對組76並聯運作或是各自獨立運作。

本發明之再一實施例請參考第8圖。如第8圖所示，一溫度感測元件81係設置於一電池80內，其中該溫度感測元件81具有一正極訊號線82與一負極訊號線83，以將指示所量測之該電池80內部溫度之訊號傳送至一控制器84，並由該控制器決定一外部加熱元件85是否對該電池80加熱。此時，該能量型電極對10與該功率型電極對20可各自獨立運作；或是該外部正極端子31、33與該外部負極端子32、34更可電連接至另一控制模組(圖中未顯示)，以控制該能量型電極對10與該功率型電極對20並聯運作或是各自獨立運作。

本發明之再一實施例請參考第9及10圖。如第9圖所示，一電池90包括一正溫度係數熱敏電阻元件91、一電源94及電源線92、93。該正溫度係數熱敏電阻元件91之電阻對溫度特性圖如第10圖所示，當溫度下降至一臨界溫度T_c 以下時，該正溫度係數熱敏電阻元件91之電阻值維持一較低數值且接近一常數，從而成為導體，使電流可以通過，且該正溫度係數熱敏電阻元件91本身因電流通過而升溫，可當作一加熱器；反之，當溫度升高至該臨界溫度T_c 以上時，該正溫度係數熱敏電阻元件91之電阻值瞬間大幅升高，從而成為非導體，使電流無法通過，因此該正溫度係數熱敏電阻元件91本身不會加熱，其中該臨界溫度可選擇介於25℃至零下30℃之間。因此，可選用適當的正溫度係數熱敏電阻元件91，例如選擇具有臨界溫度為25℃的該正溫度係數熱敏電阻元件91，因此當環境溫度低於25℃時，電流可以通過正溫度係數熱敏電阻元件91，使得該正溫度係數熱敏電阻元件91加熱該能量型電極對10及該功率型電極對20；而當溫度高於25℃時，電流無法通過正溫度係數熱敏電阻元件91，使得該正溫度係數熱敏電阻元件91停止加熱能量型電極對10及功率型電極對20。此時，該能量型電極對10與該功率型電極對20可各自獨立運作；或是該外部正極端子31、33與該外部負極端子32、34更可電連接至另一控制模組(圖中未顯示)，以控制該能量型電極對10與該功率型電極對20並聯運作。

本發明以較佳之實施例說明如上，僅用於幫助了解本發明之實施，非用以限定本發明之精神，而熟悉此領域技藝者於領悟本發明之精神後，在不脫離本發明之精神範圍內，當可作些許更動潤飾及等同之變化替換，其專利保護範圍當視後附之申請專利範圍及其等同領域而定。