CN112086716A - 全固态复合动力储能电芯 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种全固态复合动力储能电芯，包括软包体，所述软包体内设有复合在一起的至少一个全固态电池单元和全固态电容单元。本发明的全固态复合动力储能电芯，通过将全固态电池单元和全固态电容单元复合在一起，不仅能够减小体积和重量，提高能量密度，而且全固态电池单元之间、全固态电容单元之间以及全固态电池单元和全固态电容单元之间可任意组合对外输出电能，在满足储能容量和大功率放点要求的条件下，可根据不同的应用场景控制全固态电池单元和全固态电容单元的输出电能比例，以实现全固态电池单元始终在最佳倍率下运行，达到长距离、长寿命循环使用的目的。

Description

全固态复合动力储能电芯

技术领域

本发明属于储能设备技术领域，具体的为一种全固态复合动力储能电芯。

背景技术

固态电池是一种电池科技。与现今普遍使用的锂离子电池和锂离子聚合物电池不同的是，固态电池是一种使用固体电极和固体电解质的电池。传统的液态锂电池又被科学家们形象地称为“摇椅式电池”，摇椅的两端为电池的正负两极，中间为电解质(液态)。而锂离子就像优秀的运动员，在摇椅的两端来回奔跑，在锂离子从第一电容电极到第二电容电极再到第一电容电极的运动过程中，电池的充放电过程便完成了。固态电池的原理与之相同，只不过其电解质为固态，具有的密度以及结构可以让更多带电离子聚集在一端，传导更大的电流，进而提升电池容量。因此，同样的电量，固态电池体积将变得更小。不仅如此，固态电池中由于没有电解液，封存将会变得更加容易，在汽车等大型设备上使用时，也不需要再额外增加冷却管、电子控件等，不仅节约了成本，还能有效减轻重量。

现有的固态电池虽然在一定程度上能够满足使用要求，但是仍存在以下不足：

1)固态电解质与电极之间的结合力不足；

2)固态电解质与电极之间的亲润性较差；

3)固态电解质与电极之间的界面电阻较大。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种全固态复合动力储能电芯，不仅能够减小体积和重量，提高能量密度，而且在满足储能容量和大功率放电要求的条件下，可以实现电池单元始终在最佳倍率下运行，达到长距离、长寿命循环使用的目的。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种全固态复合动力储能电芯，

包括软包体，所述软包体内设有复合在一起的至少一个全固态电池单元和全固态电容单元。

进一步，所述全固态电池单元包括：

包括至少一个正极和至少一个负极；

所述正极和负极之间交错设置；

所述正极上复合有固态离子导体Ⅰ，所述负极上复合有固态离子导体Ⅱ，位于相邻的所述正极和负极之间的所述固态离子导体Ⅰ和固态离子导体Ⅱ复合在一起并形成所述固态离子导体，或位于相邻的所述正极和负极之间的所述固态离子导体Ⅰ和固态离子导体Ⅱ融合为一体并形成所述固态离子导体。

进一步，每一个所述全固态电池单元的所述正极和负极上分别设有第一极耳和第二极耳；或，

属于同一个所述全固态电池单元的所有所述正极之间电连接并设有一个第一输出极耳；属于同一个所述全固态电池单元的所有所述负极之间电连接并设有一个第二输出极耳；或，

所有的所述全固态电池单元可以进一步组合为至少一个全固态电池单元组，所有的所述全固态电池单元组中，至少有一个所述全固态电池单元组包括至少两个相互串联或并联的所述全固态电池单元，所述全固态电池单元组上设有用于外接电路的第一连接极耳和一个第二连接极耳。

进一步，所述全固态电池单元之间层叠在一起；

当相邻两个所述全固态电池单元之间串联或并联连接时，在该相邻的两个所述全固态电池单元之间设有电子导电但离子隔离的双极集流板Ⅰ；

当相邻两个所述全固态电池单元之间相互独立时，在该相邻的两个所述全固态电池单元之间设有电子绝缘且离子隔离的绝缘隔膜Ⅰ。

进一步，所述全固态电容单元包括：

包括至少一个第一电容电极和至少一个第二电容电极；

所述第一电容电极和第二电容电极之间交错设置；

所述第一电容电极上复合有固态离子导体Ⅲ，所述第二电容电极上复合有固态离子导体Ⅳ，位于相邻的所述第一电容电极和第二电容电极之间的所述固态离子导体Ⅲ和固态离子导体Ⅳ复合在一起并形成所述固态离子导体，或位于相邻的所述第一电容电极和第二电容电极之间的所述固态离子导体Ⅲ和固态离子导体Ⅳ融合为一体并形成所述固态离子导体。

进一步，每一个所述全固态电容单元的所述第一电容电极和第二电容电极上分别设有第一极耳和第二极耳；或，

属于同一个所述全固态电容单元的所有所述第一电容电极之间电连接并设有一个第一输出极耳；属于同一个所述全固态电容单元的所有所述第二电容电极之间电连接并设有一个第二输出极耳；或，

所有的所述全固态电容单元可以进一步组合为至少一个全固态电容单元组，所有的所述全固态电容单元组中，至少有一个所述全固态电容单元组包括至少两个相互串联或并联的所述全固态电容单元，所述全固态电容单元组上设有用于外接电路的第一连接极耳和一个第二连接极耳。

进一步，所述全固态电容单元之间层叠在一起；

当相邻两个所述全固态电容单元之间串联或并联连接时，在该相邻的两个所述全固态电容单元之间设有电子导电但离子隔离的双极集流板Ⅱ；

当相邻两个所述全固态电容单元之间相互独立时，在该相邻的两个所述全固态电容单元之间设有电子绝缘且离子隔离的绝缘隔膜Ⅱ。

进一步，所述全固态电池单元和所述全固态电容单元层叠在一起；

当相邻的所述全固态电池单元和所述全固态电容单元之间串联或并联连接时，在该相邻的全固态电池单元和所述全固态电容单元之间设有电子导电但离子隔绝的离子隔绝体；

当相邻的所述全固态电池单元和所述全固态电容单元之间相互独立时，在该相邻的所述全固态电池单元和所述全固态电容单元之间设有电子绝缘且离子隔绝的绝缘体或集流板。

本发明的有益效果在于：

本发明的全固态复合动力储能电芯，通过将全固态电池单元和全固态电容单元复合在一起，不仅能够减小体积和重量，提高能量密度，而且全固态电池单元之间、全固态电容单元之间以及全固态电池单元和全固态电容单元之间可任意组合对外输出电能，在满足储能容量和大功率放点要求的条件下，可根据不同的应用场景控制全固态电池单元和全固态电容单元的输出电能比例，以实现全固态电池单元始终在最佳倍率下运行，达到长距离、长寿命循环使用的目的。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：

图1为本发明全固态复合动力储能电芯实施例的结构示意图，具体的为一种全固态电池电源和一个全固态电容单元复合在一起时的结构示意图；

图2为一个全固态电池单元与多个全固态电容单元复合为一体时的结构示意图；

图3为多个全固态电池单元与一个全固态电容单元复合为一体时的结构示意图；

图4为多个全固态电池单元与多个全固态电容单元复合为一体时的结构示意图；

图5为相邻两个全固态电池单元层叠在一起时的结构示意图；

图6为全固态电池单元中正极与负极分开时的结构示意图；

图7为全固态电池单元中正极与负极复合在一起后的结构示意图；

图8为图7的A详图；

图9为正极的微观结构示意图；

图10为负极的微观结构示意图；

图11-14为正极的数量N＝1，负极的数量M＝2时的全固态电池单元结构示意图；

图15-17为正极的数量N＝2，负极的数量M＝1时的全固态电池单元结构示意图；

图18-19为正极的数量N≥2，负极的数量M≥2时的全固态电池单元结构示意图；

图20为将全固态电池单元组成全固态电池电芯组后的结构示意图；

图21为相邻两个全固态电容单元之间的结构示意图；

图22为全固态电容单元中第一电容电极与第二电容电极分开时的结构示意图；

图23为全固态电容单元中第一电容电极与第二电容电极复合在一起后的结构示意图；

图24为图23的A详图；

图25为第一电容电极的微观结构示意图；

图26为第二电容电极的微观结构示意图；

图27-30为第一电容电极的数量S＝1，第二电容电极的数量R＝2时的全固态电池单元结构示意图；

图31-33为第一电容电极的数量S＝2，第二电容电极的数量R＝1时的全固态电池单元结构示意图；

图34-35为第一电容电极的数量S≥2，第二电容电极的数量R≥2时的全固态电池单元结构示意图；

图36为将全固态电容单元组成全固态电容电芯组后的结构示意图；

100-全固态电池单元；101-全固态电池电芯组；101a-第一连接极耳；101b-第二连接极耳；102-双极集流板Ⅰ；103-绝缘隔膜Ⅰ；

200-全固态电容单元；201-全固态电容电芯组；201a-第一连接极耳；201b-第二连接极耳；202-双极集流板Ⅱ；203-绝缘隔膜Ⅱ；

300-软包体；400-离子隔绝体；500-绝缘体或集流板；

10-正极；11-固态离子导体Ⅰ；12-第一凹槽；13-第一极耳；14-第一输出极耳；15-正极活性材料；

20-负极；21-固态离子导体Ⅱ；22-第二凹槽；23-第二极耳；44-第二输出极耳；25-负极活性材料；

30-固态离子导体；31-固态离子导体材料；

40-第一电容电极；41-固态离子导体Ⅲ；42-第一凹槽；43-第一极耳；44-第一输出极耳；45-第一电容电极活性材料；

50-第二电容电极；51-固态离子导体Ⅳ；52-第二凹槽；53-第二极耳；54-第二输出极耳；55-第二电容电极活性材料；

60-固态离子导体；61-固态离子导体材料。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好的理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。

如图1所示，为本发明全固态复合动力储能电芯实施例的结构示意图。本实施例的全固态复合动力储能电芯，包括软包体300，软包体300内设有复合在一起的至少一个全固态电池单元100和全固态电容单元200。

具体的，本实施例的全固态电池单元100和全固态电容单元200层叠在一起；且当相邻的全固态电池单元100和全固态电容单元200之间串联或并联连接时，在该相邻的全固态电池单元100和全固态电容单元200之间设有电子导电但离子隔绝的离子隔绝体400；当相邻的全固态电池单元100和全固态电容单元200之间相互独立时，在该相邻的全固态电池单元100和全固态电容单元200之间设有电子绝缘且离子隔绝的绝缘体或集流板500。通过在全固态电池单元100和全固态电容单元200之间设置离子隔绝体400或绝缘体或集流板500，可在本实施例的全固态复合动力储能电芯内部的物理结构层面实现全固态电池单元100和全固态电容单元200之间的串联、并联以及相互独立时绝缘，并对外输出电能。

如图1所示，为一个全固态电池单元100和一个全固态电容单元200复合在一起时的结构示意图，可根据全固态电池单元100和全固态电容单元200质检的连接关系的不同，在全固态电池单元100和全固态电容单元200之间设置离子隔绝体400或绝缘体或集流板500。

如图2所示，为一个全固态电池单元100和多个全固态电容单元200复合在一起时的结构示意图，可根据全固态电池单元100和多个全固态电容单元200之间的连接关系的不同，在全固态电池单元100和多个全固态电容单元200之间设置离子隔绝体400或绝缘体或集流板500。全固态电容单元200的数量可根据实际需求设置，即全固态电容单元200的数量可以为2个、3个、4个及4个以上等，不再累述。

如图3所示，为多个全固态电池单元100和一个全固态电容单元200复合在一起时的结构示意图，可根据全固态电池单元100与全固态电容单元200之间的连接关系的不同，在全固态电池单元100与全固态电容单元200之间设置离子隔绝体400或绝缘体或集流板500。全固态电池单元100的数量可根据实际需求设置，即全固态电池单元100的数量可以为2个、3个、4个及4个以上等，不再累述。

如图4所示，为多个全固态电池单元100和多个全固态电容单元200复合在一起时的结构示意图，可根据全固态电池单元100与全固态电容单元200之间的连接关系的不同，在全固态电池单元100与全固态电容单元200之间设置离子隔绝体400或绝缘体或集流板500。全固态电池单元100的数量可根据实际需求设置，即全固态电池单元100的数量可以为2个、3个、4个及4个以上等，不再累述；同理，全固态电容单元200的数量可根据实际需求设置，即全固态电容单元200的数量可以为2个、3个、4个及4个以上等，不再累述。另外，全固态电池单元100的数量与全固态电容单元200的数量可以根据实际需要任意设置，即全固态电池单元100的数量与全固态电容单元200的数量可以相等，也可以不等，不再累述。

具体的，本实施例的全固态电池单元100之间层叠在一起。且当相邻两个全固态电池单元100之间串联或并联连接时，在该相邻的两个全固态电池单元100之间设有电子导电但离子隔离的双极集流板Ⅰ102；当相邻两个全固态电池单元100之间相互独立时，在该相邻的两个全固态电池单元100之间设有电子绝缘且离子隔离的绝缘隔膜Ⅰ103。如图5所示，为相邻两个全固态电池单元100之间的结构示意图，可根据全固态电池单元100之间的连接关系的不同，在相邻两个全固态电池单元100之间设置双极集流板Ⅰ102或绝缘隔膜Ⅰ103。通过在相邻两个全固态电池单元100之间设置双极集流板Ⅰ102或绝缘隔膜Ⅰ103，可在电芯内部的物理结构层面实现全固态电池单元100之间的串联、并联、串并混联以及相互独立时绝缘，并对外输出电能。

具体的，本实施例的全固态电池单元100包括至少一个正极10和至少一个负极20；正极10和负极20之间交错设置。

正极10上复合有固态离子导体Ⅰ11，负极20上复合有固态离子导体Ⅱ21，位于相邻的正极10和负极20之间的固态离子导体Ⅰ11和固态离子导体Ⅱ21复合在一起并形成固态离子导体30，或位于相邻的正极10和负极20之间的固态离子导体Ⅰ11和固态离子导体Ⅱ21融合为一体并形成固态离子导体30。具体的，本实施例位于相邻的正极10和负极20之间的固态离子导体Ⅰ11和固态离子导体Ⅱ21融合为一体并形成固态离子导体30，本实施例的固态离子导体Ⅰ11和固态离子导体Ⅱ21采用相同材料的固体离子导体材料制成。

进一步，正极10的数量N与负极20的数量M满足：

M＝N，或，|M-N|＝1。

如图6-8所示，为正极10的数量N与负极20的数量M满足M＝N＝1时的全固态电池单元结构示意图，此时在每一个全固态电池单元100的正极10和负极20上分别设有第一极耳13和第二极耳23，可根据使用场景的不同，利用外电路控制全固态电池单元100之间的串联、并联、串并混联或相互独立地对外输出电能。

如图11-14所示，为正极10的数量N＝1，负极20的数量M＝2时的全固态电池单元结构示意图。此时，可以在每一个全固态电池单元100的正极10和负极20上分别设置第一极耳13和第二极耳23，可根据使用场景的不同，利用外电路控制全固态电池单元100之间的串联、并联、串并混联或相互独立地对外输出电能，如图9-11所示。也可以将属于同一个全固态电池单元100的所有正极10之间电连接并设有一个第一输出极耳14，在负极20上设置第二输出极耳24，如图12所示。可根据使用场景的不同，利用外电路控制全固态电池单元100之间的串联、并联、串并混联或相互独立地对外输出电能。

如图15-17所示，为正极10的数量N＝2，负极20的数量M＝1时的全固态电池单元结构示意图。此时，可以在每一个全固态电池单元100的正极10和负极20上分别设置第一极耳13和第二极耳23，可根据使用场景的不同，利用外电路控制全固态电池单元100之间的串联、并联、串并混联或相互独立地对外输出电能，如图13-14所示。也可以将属于同一个全固态电池单元100的所有负极20之间电连接并设有一个第二输出极耳24，在正极10上设置第一输出极耳14，如图15所示。可根据使用场景的不同，利用外电路控制全固态电池单元100之间的串联、并联、串并混联或相互独立地对外输出电能。

如图18-19所示，为正极10的数量N≥2，负极20的数量M≥2时的全固态电池单元结构示意图。此时，可以在每一个全固态电池单元100的正极10和负极20上分别设置第一极耳13和第二极耳23，可根据使用场景的不同，利用外电路控制全固态电池单元100之间的串联、并联、串并混联或相互独立地对外输出电能，如图16所示。也可以将属于同一个全固态电池单元100的所有正极10之间电连接并设有一个第一输出极耳14，将属于同一个全固态电池单元100的所有负极20之间电连接并设有一个第二输出极耳24，如图17所示。可根据使用场景的不同，利用外电路控制全固态电池单元100之间的串联、并联、串并混联或相互独立地对外输出电能。

当然，以上的所有结构类型的全固态电池单元100中，当全固态电池单元100为至少两个时，所有的全固态电池单元100可以进一步组合为至少一个全固态电池电芯组101，所有的全固态电池电芯组101中，至少有一个全固态电池电芯组101包括至少两个相互串联或并联的全固态电池单元100，全固态电池电芯组101上设有用于外接电路的第一连接极耳101a和一个第二连接极耳101b。可根据使用场景的不同，利用外电路控制全固态电池电芯组101之间的串联、并联、串并混联或相互独立地对外输出电能，如图20所示。

进一步，本实施例的正极10设有固态离子导体Ⅰ11的侧面上设有第一凹槽12，固态离子导体Ⅰ11面向正极10的一侧嵌入到第一凹槽12内。负极20设有固态离子导体Ⅱ21的侧面上设有第二凹槽22，固态离子导体Ⅱ21面向负极20的一侧嵌入到第二凹槽22内。本实施例的第一凹槽12和第二凹槽22可设置为多种结构，如可以采用波浪槽、三角形锯齿槽、梯形槽、V型槽和矩形槽等。为了提高固态离子导体Ⅰ11与正极10侧面的结合面积，本实施例的第一凹槽12的宽度沿着槽底指向槽口的方向逐渐增大。同理，为了提高固态离子导体Ⅱ21与负极20侧面之间的结合面积，第二凹槽22的宽度沿着槽底指向槽口的方向逐渐增大。本实施例的第一凹槽12和第二凹槽22均设置为波浪槽。通过在正极10设置第一凹槽12，能够有效增强正极10与固态离子导体Ⅰ11之间的结合强度和亲润性，并减少正极10与固态离子导体Ⅰ11之间的界面电阻。同理，通过在负极20上设置第二凹槽22，增强负极20与固态离子导体Ⅱ21之间的结合强度和亲润性，并减少负极20与固态离子导体Ⅱ21之间的界面电阻。

另外，还可以在正极10设有固态离子导体Ⅰ11的侧面上阵列设置第一嵌孔，固态离子导体Ⅰ11面向正极10的一侧嵌入到第一嵌孔内。具体的，任意两个垂直于第一嵌孔轴线的径向截面在同一个第一嵌孔上截得的两个径向截面Ⅰ中，靠近第一嵌孔孔底一侧的径向截面Ⅰ的几何尺寸小于等于靠近第一嵌孔孔口一侧的径向截面Ⅰ的几何尺寸。当然，也可以在负极20设有固态离子导体Ⅱ21的侧面上阵列设置第二嵌孔，固态离子导体Ⅱ21面向负极20的一侧嵌入到第二嵌孔内。任意两个垂直于第二嵌孔轴线的径向截面在同一个第二嵌孔上截得的两个径向截面Ⅱ中，靠近第二嵌孔孔底一侧的径向截面Ⅱ的几何尺寸小于等于靠近第二嵌孔孔口一侧的径向截面Ⅱ的几何尺寸。第一嵌孔和第二嵌孔均可采用多种结构，如采用圆锥形嵌孔、方锥形嵌孔以及喇叭口形嵌孔等，不再累述。

具体的，在一些实施例中，可以仅在正极10设有固态离子导体Ⅰ11的侧面上设置第一凹槽12或第一嵌孔，也可以同时在正极10设有固态离子导体Ⅰ11的侧面上设置第一凹槽12和第一嵌孔。同理，在一些实施例中，可以仅在负极20设有固态离子导体Ⅱ21的侧面上设置第二凹槽22或第二嵌孔，也可以同时在负极20设有固态离子导体Ⅱ21的侧面上设置第二凹槽22和第二嵌孔。

具体的，正极10采用但不限于磷酸铁锂、三元材料、含硫导电材料、含有金属或有机材料的多孔碳层空气电池电极、层状金属氧化物材料或含氧有机聚合物材料制成；负极20采用但不限于金属锂、金属钠、金属铝、金属镁、金属钾石墨烯、氧化硅或硅单质制成；固态离子导体30材料包括氧化物、硫化物和有机聚合物中的一种或至少两种的混合物。

进一步，正极10采用正极活性材料15与固态离子导体材料31的混合物制成。且正极中，固态离子导体材料与正极活性材料之间的摩尔比小于等于100％。在微观结构上，正极活性材料呈颗粒状均匀分布，且正极活性材料颗粒的缝隙中填充有固态离子导体材料，如图9所示。通过将正极采用正极活性材料与固态离子导体材料的混合物制成，混合在正极内的固态离子导体材料与复合在正极侧面上的固态离子导体Ⅰ之间可离子导电连通，能够有效提高离子渗透率，并降低固态与电极之间界面电阻。

负极20采用负极活性材料25与固态离子导体材料31的混合物制成。且负极中，固态离子导体材料与负极活性材料之间的摩尔比小于等于100％。在微观结构上，负极活性材料呈颗粒状均匀分布，且负极活性材料颗粒的缝隙中填充有固态离子导体材料，如图10所示。通过将负极采用负极活性材料与固态离子导体材料的混合物制成，混合在负极内的固态离子导体材料与复合在负极侧面上的固态离子导体Ⅱ之间可离子导电连通，能够有效提高离子渗透率，并降低固态与电极之间界面电阻。

本实施例的固态离子导体材料31与固态离子导体30采用的材料相同，当然，固态离子导体材料31与固态离子导体30采用的材料也可以不同，只要能够达到增强固态离子导体30与正极10以及负极20之间的亲润性以及降低固态离子导体30与正极10以及负极20之间的界面电阻、增加离子渗透率均可。

本实施例的全固态电池电芯，通过将固态离子导体Ⅰ与正极复合为一体，将固态离子导体Ⅱ与负极复合为一体，在保证固态离子导体Ⅰ与正极之间以及固态离子导体Ⅱ与负极之间的结合力以及亲润性的基础上，再将正极体和负极体复合在一起，使固态离子导体Ⅰ和固态离子导体Ⅱ复合在一起形成固态离子导体，或使固态离子导体Ⅰ和固态离子导体Ⅱ融合为一体形成固态离子导体，如此，即可有效增强固态离子导体与电极之间的结合度和亲润性，并降低固态离子导体与电极之间界面电阻，提高离子渗透率。

本实施例的全固态电容单元200之间层叠在一起。且当相邻两个全固态电容单元200之间串联或并联连接时，在该相邻的两个全固态电容单元200之间设有电子导电但离子隔离的双极集流板Ⅱ202；当相邻两个全固态电容单元200之间相互独立时，在该相邻的两个全固态电容单元200之间设有电子绝缘且离子隔离的绝缘隔膜Ⅱ203。如图21所示，为相邻两个全固态电容单元200之间的结构示意图，可根据全固态电容单元200之间的连接关系的不同，在相邻两个全固态电容单元200之间设置双极集流板Ⅱ202或绝缘隔膜Ⅱ203。通过在相邻两个全固态电容单元200之间设置双极集流板Ⅱ202或绝缘隔膜Ⅱ203，可在电芯内部的物理结构层面实现全固态电容单元200之间的串联、并联、串并混联以及相互独立时绝缘，并对外输出电能。

如图22所示，本实施例的全固态电容单元，包括至少一个第一电容电极40和至少一个第二电容电极50，第一电容电极40和第二电容电极50之间交错设置。

第一电容电极40上复合有固态离子导体Ⅲ41，第二电容电极50上复合有固态离子导体Ⅳ51，位于相邻的第一电容电极40和第二电容电极50之间的固态离子导体Ⅲ41和固态离子导体Ⅳ51复合在一起并形成固态离子导体60，或位于相邻的第一电容电极40和第二电容电极50之间的固态离子导体Ⅲ41和固态离子导体Ⅳ51融合为一体并形成固态离子导体60。

进一步，第一电容电极40的数量S与第二电容电极50的数量R满足：

S＝R，或，|S-R|＝1。

如图22-24所示，为第一电容电极40的数量S与第二电容电极50的数量R满足S＝R＝1时的全固态电池单元结构示意图，此时在每一个全固态电容单元200的第一电容电极40和第二电容电极50上分别设有第一极耳43和第二极耳53，可根据使用场景的不同，利用外电路控制全固态电容单元200之间的串联、并联、串并混联或相互独立地对外输出电能。

如图27-30所示，为第一电容电极40的数量S＝1，第二电容电极50的数量R＝2时的全固态电池单元结构示意图。此时，可以在每一个全固态电容单元200的第一电容电极40和第二电容电极50上分别设置第一极耳43和第二极耳53，可根据使用场景的不同，利用外电路控制全固态电容单元200之间的串联、并联、串并混联或相互独立地对外输出电能，如图23-25所示。也可以将属于同一个全固态电容单元200的所有第一电容电极40之间电连接并设有一个第一输出极耳44，在第二电容电极50上设置第二输出极耳54，如图26所示。可根据使用场景的不同，利用外电路控制全固态电容单元200之间的串联、并联、串并混联或相互独立地对外输出电能。

如图31-33所示，为第一电容电极40的数量S＝2，第二电容电极50的数量R＝1时的全固态电池单元结构示意图。此时，可以在每一个全固态电容单元200的第一电容电极40和第二电容电极50上分别设置第一极耳43和第二极耳53，可根据使用场景的不同，利用外电路控制全固态电容单元200之间的串联、并联、串并混联或相互独立地对外输出电能，如图27-28所示。也可以将属于同一个全固态电容单元200的所有第二电容电极50之间电连接并设有一个第二输出极耳54，在第一电容电极40上设置第一输出极耳44，如图29所示。可根据使用场景的不同，利用外电路控制全固态电容单元200之间的串联、并联、串并混联或相互独立地对外输出电能。

如图34-35所示，为第一电容电极40的数量S≥2，第二电容电极50的数量R≥2时的全固态电池单元结构示意图。此时，可以在每一个全固态电容单元200的第一电容电极40和第二电容电极50上分别设置第一极耳43和第二极耳53，可根据使用场景的不同，利用外电路控制全固态电容单元200之间的串联、并联、串并混联或相互独立地对外输出电能，如图30所示。也可以将属于同一个全固态电容单元200的所有第一电容电极40之间电连接并设有一个第一输出极耳44，将属于同一个全固态电容单元200的所有第二电容电极50之间电连接并设有一个第二输出极耳54，如图31示。可根据使用场景的不同，利用外电路控制全固态电容单元200之间的串联、并联、串并混联或相互独立地对外输出电能。

当然，以上的所有结构类型的全固态电容单元200中，当全固态电容单元200为至少两个时，所有的全固态电容单元200可以进一步组合为至少一个全固态电池电芯组201，所有的全固态电池电芯组201中，至少有一个全固态电池电芯组201包括至少两个相互串联或并联的全固态电容单元200，全固态电池电芯组201上设有用于外接电路的第一连接极耳201a和一个第二连接极耳201b。可根据使用场景的不同，利用外电路控制全固态电池电芯组201之间的串联、并联、串并混联或相互独立地对外输出电能，如图36所示。

进一步，本实施例的第一电容电极40设有固态离子导体Ⅲ41的侧面上设有第三凹槽42，固态离子导体Ⅲ41面向第一电容电极40的一侧嵌入到第三凹槽42内。第二电容电极50设有固态离子导体Ⅳ51的侧面上设有第四凹槽52，固态离子导体Ⅳ51面向第二电容电极50的一侧嵌入到第四凹槽52内。具体的，本实施例的第一电容电极40和第二电容电极50相向的一侧侧面上分别设有第三凹槽42和第四凹槽52。本实施例的第三凹槽42和第四凹槽52可设置为多种结构，如可以采用波浪槽、三角形锯齿槽、梯形槽、V型槽和矩形槽等。为了提高固态离子导体Ⅲ41与第一电容电极40侧面的结合面积，本实施例的第三凹槽42的宽度沿着槽底指向槽口的方向逐渐增大。同理，为了提高固态离子导体Ⅳ51与第二电容电极50侧面之间的结合面积，第四凹槽52的宽度沿着槽底指向槽口的方向逐渐增大。本实施例的第三凹槽42和第四凹槽52均设置为波浪槽。通过在第一电容电极40设置第三凹槽42，能够有效增强第一电容电极40与固态离子导体Ⅲ41之间的结合强度和亲润性，并减少第一电容电极40与固态离子导体Ⅲ41之间的界面电阻。同理，通过在第二电容电极50上设置第四凹槽52，增强第二电容电极50与固态离子导体Ⅳ51之间的结合强度和亲润性，并减少第二电容电极50与固态离子导体Ⅳ51之间的界面电阻。

另外，还可以在第一电容电极40设有固态离子导体Ⅲ41的侧面上阵列设置第一嵌孔，固态离子导体Ⅲ41面向第一电容电极40的一侧嵌入到第一嵌孔内。具体的，任意两个垂直于第一嵌孔轴线的径向截面在同一个第一嵌孔上截得的两个径向截面Ⅰ中，靠近第一嵌孔孔底一侧的径向截面Ⅰ的几何尺寸小于等于靠近第一嵌孔孔口一侧的径向截面Ⅰ的几何尺寸。当然，也可以在第二电容电极50设有固态离子导体Ⅳ51的侧面上阵列设置第二嵌孔，固态离子导体Ⅳ51面向第二电容电极50的一侧嵌入到第二嵌孔内。任意两个垂直于第二嵌孔轴线的径向截面在同一个第二嵌孔上截得的两个径向截面Ⅱ中，靠近第二嵌孔孔底一侧的径向截面Ⅱ的几何尺寸小于等于靠近第二嵌孔孔口一侧的径向截面Ⅱ的几何尺寸。第一嵌孔和第二嵌孔均可采用多种结构，如采用圆锥形嵌孔、方锥形嵌孔以及喇叭口形嵌孔等，不再累述。

具体的，在一些实施例中，可以仅在第一电容电极40设有固态离子导体Ⅲ41的侧面上设置第三凹槽42或第一嵌孔，也可以同时在第一电容电极40设有固态离子导体Ⅲ41的侧面上设置第三凹槽42和第一嵌孔。同理，在一些实施例中，可以仅在第二电容电极50设有固态离子导体Ⅳ51的侧面上设置第四凹槽52或第二嵌孔，也可以同时在第二电容电极50设有固态离子导体Ⅳ51的侧面上设置第四凹槽52和第二嵌孔。

具体的，第一电容电极40和第二电容电极50采用但不限于磷酸铁锂、三元材料、含硫导电材料、含有金属或有机材料的多孔碳层空气电容电极、层状金属氧化物材料、含氧有机聚合物材料、金属锂、金属钠、金属铝、金属镁、金属钾、石墨烯、硬碳、氧化硅和硅单质制成中的一种或至少两种的混合物制成；所述固态离子导体30采用水系聚合物或有机系聚合物电解质材料制成。

进一步，第一电容电极40采用第一电容电极活性材料45与固态离子导体材料61的混合物制成。且第一电容电极中，固态离子导体材料与第一电容电极活性材料之间的摩尔比小于等于100％。在微观结构上，第一电容电极活性材料呈颗粒状均匀分布，且第一电容电极活性材料颗粒的缝隙中填充有固态离子导体材料，如图4所示。通过将第一电容电极采用第一电容电极活性材料与固态离子导体材料的混合物制成，混合在第一电容电极内的固态离子导体材料与复合在第一电容电极侧面上的固态离子导体Ⅲ之间可离子导电连通，能够有效提高离子渗透率，并降低固态与电极之间界面电阻。

第二电容电极50采用第二电容电极活性材料55与固态离子导体材料61的混合物制成。且第二电容电极中，固态离子导体材料与第二电容电极活性材料之间的摩尔比小于等于100％。在微观结构上，第二电容电极活性材料呈颗粒状均匀分布，且第二电容电极活性材料颗粒的缝隙中填充有固态离子导体材料，如图5所示。通过将第二电容电极采用第二电容电极活性材料与固态离子导体材料的混合物制成，混合在第二电容电极内的固态离子导体材料与复合在第二电容电极侧面上的固态离子导体Ⅳ之间可离子导电连通，能够有效提高离子渗透率，并降低固态与电极之间界面电阻。

本实施例的固态离子导体材料61与固态离子导体60采用的材料相同，当然，固态离子导体材料61与固态离子导体60采用的材料也可以不同，只要能够达到增强固态离子导体60与第一电容电极40以及第二电容电极50之间的亲润性以及降低固态离子导体60与第一电容电极40以及第二电容电极50之间的界面电阻、增加离子渗透率均可。

本实施例的全固态电容电芯，通过将固态离子导体Ⅲ与第一电容电极复合为一体，将固态离子导体Ⅳ与第二电容电极复合为一体，在保证固态离子导体Ⅲ与第一电容电极之间以及固态离子导体Ⅳ与第二电容电极之间的结合力以及亲润性的基础上，再将第一电容电极体和第二电容电极体复合在一起，使固态离子导体Ⅲ和固态离子导体Ⅳ复合在一起形成固态离子导体，或使固态离子导体Ⅲ和固态离子导体Ⅳ融合为一体形成固态离子导体，如此，即可有效增强固态离子导体与电极之间的结合度和亲润性，并降低固态离子导体与电极之间界面电阻，提高离子渗透率。

本实施例的全固态复合动力储能电芯，通过将全固态电池单元和全固态电容单元复合在一起，不仅能够减小体积和重量，提高能量密度，而且全固态电池单元之间、全固态电容单元之间以及全固态电池单元和全固态电容单元之间可任意组合对外输出电能，在满足储能容量和大功率放点要求的条件下，可根据不同的应用场景控制全固态电池单元和全固态电容单元的输出电能比例，以实现全固态电池单元始终在最佳倍率下运行，达到长距离、长寿命循环使用的目的。

以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。

Claims (8)

1.一种全固态复合动力储能电芯，其特征在于：

包括软包体(300)，所述软包体(300)内设有复合在一起的至少一个全固态电池单元(100)和全固态电容单元(200)。

2.根据权利要求1所述的全固态复合动力储能电芯，其特征在于：

所述全固态电池单元(100)包括：

至少一个正极(10)和至少一个负极(20)；

所述正极(10)和负极(20)之间交错设置；

所述正极(10)上复合有固态离子导体Ⅰ(11)，所述负极(20)上复合有固态离子导体Ⅱ(21)，位于相邻的所述正极(10)和负极(20)之间的所述固态离子导体Ⅰ(11)和固态离子导体Ⅱ(21)复合在一起并形成所述固态离子导体(30)，或位于相邻的所述正极(10)和负极(20)之间的所述固态离子导体Ⅰ(11)和固态离子导体Ⅱ(21)融合为一体并形成所述固态离子导体(30)。

3.根据权利要求2所述的全固态复合动力储能电芯，其特征在于：

每一个所述全固态电池单元(100)的所述正极(10)和负极(20)上分别设有第一极耳(13)和第二极耳(23)；或，

属于同一个所述全固态电池单元(100)的所有所述正极(10)之间电连接并设有一个第一输出极耳(14)；属于同一个所述全固态电池单元(100)的所有所述负极(20)之间电连接并设有一个第二输出极耳(24)；或，

所有的所述全固态电池单元(100)可以进一步组合为至少一个全固态电池单元组(101)，所有的所述全固态电池单元组(101)中，至少有一个所述全固态电池单元组(101)包括至少两个相互串联或并联的所述全固态电池单元(100)，所述全固态电池单元组(101)上设有用于外接电路的第一连接极耳(101a)和一个第二连接极耳(101b)。

4.根据权利要求2所述的全固态复合动力储能电芯，其特征在于：

所述全固态电池单元(100)之间层叠在一起；

当相邻两个所述全固态电池单元(100)之间串联或并联连接时，在该相邻的两个所述全固态电池单元(100)之间设有电子导电但离子隔离的双极集流板(102)；

当相邻两个所述全固态电池单元(100)之间相互独立时，在该相邻的两个所述全固态电池单元(100)之间设有电子绝缘且离子隔离的绝缘隔膜Ⅰ(103)。

5.根据权利要求1所述的全固态复合动力储能电芯，其特征在于：

所述全固态电容单元(200)包括：

包括至少一个第一电容电极(40)和至少一个第二电容电极(50)；

所述第一电容电极(40)和第二电容电极(50)之间交错设置；

所述第一电容电极(40)上复合有固态离子导体Ⅲ(41)，所述第二电容电极(50)上复合有固态离子导体Ⅳ(51)，位于相邻的所述第一电容电极(40)和第二电容电极(50)之间的所述固态离子导体Ⅲ(41)和固态离子导体Ⅳ(51)复合在一起并形成所述固态离子导体(60)，或位于相邻的所述第一电容电极(40)和第二电容电极(50)之间的所述固态离子导体Ⅲ(41)和固态离子导体Ⅳ(51)融合为一体并形成所述固态离子导体(60)。

6.根据权利要求5所述的全固态复合动力储能电芯，其特征在于：

每一个所述全固态电容单元(200)的所述第一电容电极(40)和第二电容电极(50)上分别设有第一极耳(43)和第二极耳(53)；或，

属于同一个所述全固态电容单元(200)的所有所述第一电容电极(40)之间电连接并设有一个第一输出极耳(44)；属于同一个所述全固态电容单元(200)的所有所述第二电容电极(50)之间电连接并设有一个第二输出极耳(54)；或，

所有的所述全固态电容单元(200)可以进一步组合为至少一个全固态电容单元组(201)，所有的所述全固态电容单元组(201)中，至少有一个所述全固态电容单元组(201)包括至少两个相互串联或并联的所述全固态电容单元(200)，所述全固态电容单元组(201)上设有用于外接电路的第一连接极耳(201a)和一个第二连接极耳(201b)。

7.根据权利要求5所述的全固态复合动力储能电芯，其特征在于：

所述全固态电容单元(200)之间层叠在一起；

当相邻两个所述全固态电容单元(200)之间串联或并联连接时，在该相邻的两个所述全固态电容单元(200)之间设有电子导电但离子隔离的双极集流板(202)；

当相邻两个所述全固态电容单元(200)之间相互独立时，在该相邻的两个所述全固态电容单元(200)之间设有电子绝缘且离子隔离的绝缘隔膜Ⅱ(203)。

8.根据权利要求1-7任一项所述的全固态复合动力储能电芯，其特征在于：

所述全固态电池单元(100)和所述全固态电容单元(200)层叠在一起；

当相邻的所述全固态电池单元(100)和所述全固态电容单元(200)之间串联或并联连接时，在该相邻的全固态电池单元(100)和所述全固态电容单元(200)之间设有电子导电但离子隔绝的离子隔绝体(400)；

当相邻的所述全固态电池单元(100)和所述全固态电容单元(200)之间相互独立时，在该相邻的所述全固态电池单元(100)和所述全固态电容单元(200)之间设有电子绝缘且离子隔绝的绝缘体或集流板(500)。

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