具有混合型结构的电容器辅助的电化学装置

摘要

本申请涉及具有混合型结构的电容器辅助的电化学装置。提供了一种包括至少两个电连接的固态电化学电池的混合型电化学装置。每个电化学电池包括具有第一集流器和第一电活性层的第一外电极、具有第二集流器和第二电活性层的第二外电极、和设置在所述电活性层之间的一个或多个中间电极。至少一个所述中间电极包含一种或多种电容器添加剂。所述第一外电极以第一电配置电连接到至少一个所述中间电极。所述第二外电极以第二电配置电连接到至少一个所述中间电极。所述至少两个电化学电池以第三电配置电连接。所述第一和第二电配置是相同的，并且所述第三电配置不同于所述第一和第二电配置。

说明书

技术领域

本节提供与本公开相关的背景信息，所述背景信息不一定是现有技术。

本公开涉及包含一种或多种电容器添加剂的固态电化学电池(cell)，以及涉及包括所述固态电化学电池并具有并存的串联和并联电连接的混合型电化学装置。

背景技术

需要先进的能量存储装置和系统以满足各种产品的能量和/或功率需求，包括汽车产品例如启停系统(例如12V启停系统)、蓄电池辅助系统、混合动力电动汽车("HEV")和电动汽车("EV")。典型的锂离子蓄电池包括至少两个电极和电解质和/或隔离件。所述两个电极之一作为正电极或阴极，另一个电极作为负电极或阳极。隔离件和/或电解质可以置于所述负电极和正电极之间。所述电解质适于在所述电极之间传导锂离子，并且如同所述两个电极，可以是固体和/或液体形式和/或是它们的杂合体。在固态蓄电池的情况中，其包括固态电极和固态电解质，所述固态电解质可物理地分隔所述电极从而不需要独立的隔离件。

许多不同的材料可用于制造锂离子蓄电池(battery)的部件。例如，锂蓄电池的正电极材料通常包含可嵌入锂离子或与锂离子反应的电活性材料，例如锂-过渡金属氧化物或混合氧化物，例如包括LiMn

通常，在锂离子蓄电池组(battery pack)中，蓄电池或电池可以电连接(例如以堆(stack)的方式)以增加总输出。例如，电池可以并联或串联电连接。串联配置可以增加模块电压和均匀化电池组内的电流分布。在某些情况中，这种串联配置还可以减小蓄电池组的体积和重量。但是，这种串联配置可能具有有限的容量能力。串联配置仅增加电池的电压。在其它情况中，蓄电池或电池的并联配置可形成组。并联配置可以增加所述组内的容量。但是，这种并联配置可能具有有限的电压能力。并联配置仅增加电池的容量。因此，希望开发具有增强的电压和容量能力两者以及增强的功率能力和增加的能量密度的电化学装置和系统。

发明内容

本节提供本公开的一般概述，并不是其全部范围或所有其特征的全面公开。

在各个方面中，本公开提供了一种混合型电化学装置。所述混合型电化学装置可包括至少两个电连接的固态电化学电池。每个固态电化学电池包括第一外电极、第二外电极和一个或多个中间电极。第一外电极包括第一集流器和设置在第一集流器的第一表面上或毗邻第一集流器的第一表面设置的第一电活性层。第二外电极包括第二集流器和设置在第二集流器的第一表面上或毗邻第二集流器的第一表面设置的第二电活性层。所述一个或多个中间电极可设置在第一电活性层和第一电活性层之间。所述一个或多个中间电极中的至少一个包含一种或多种电容器添加剂。第一外电极可以以选自串联或并联的第一电配置电连接到所述一个或多个中间电极中的至少一个。第二外电极可以以选自串联或并联的第二电配置电连接到所述一个或多个中间电极中的至少一个。所述至少两个电化学电池可以以选自串联或并联的第三电配置电连接。第一和第二电配置可以相同。第三电配置可以不同于第一和第二电配置。

在一个方面中，第一和第二电配置是串联配置，以及第三电配置是并联配置。

在一个方面中，所述一个或多个中间电极可以是双极电极。每个双极电极可以包括双极集流器、第二正极电活性层和第二负极电活性层。双极集流器可以具有与第二表面相反的第一表面。正极电活性层可设置在双极集流器的第一表面上或毗邻双极集流器的第一表面设置。负极电活性层可设置在双极集流器的第二表面上或毗邻双极集流器的第二表面设置。

在一个方面中，至少第一双极电极的正极电活性层和第二电活性层中的一个可以包含所述一种或多种电容器添加剂。

在一个方面中，至少第一双极电极的正极电活性层和负极电活性层中的一个可以是基本上由所述一种或多种电容器添加剂组成的电容器层。

在一个方面中，大于或等于约1个至小于或等于约n-1个所述中间电极包含所述一种或多种电容器添加剂，其中n是所述固态电化学电池中的中间电极的总数。

在一个方面中，第一和第二电活性层中的一个包含所述一种或多种电容器添加剂。

在一个方面中，所述正外电极、所述负外电极和所述一个或多个中间电极可以并联电连接，并且所述至少两个固态电化学电池可以串联电连接。

在一个方面中，所述一个或多个中间电极可以是单极电极。每个单极电极包括具有与第二表面相反的第一表面的第三集流器、设置在第三集流器的第一表面上或毗邻第三集流器的第一表面设置的第三电活性层、和设置在第三集流器的第二表面上或毗邻第三集流器的第二表面设置的第四电活性层。

在一个方面中，第二和第三电活性层中的一个包含所述一种或多种电容器添加剂。

在一个方面中，第二和第三电活性层中的一个基本上由所述一种或多种电容器添加剂组成，和大于或等于约1个至小于或等于约n-1个中间电极包含所述一种或多种电容器添加剂，其中n是固态电化学电池中的中间电极的总数。

在一个方面中，固态电解质可以设置在所述正外电极、所述一个或多个中间电极和所述负外电极的每一个之间。

在各个方面中，本公开提供了一种混合型电化学装置。该混合型电化学装置包括至少两个固态电化学电池。所述至少两个固态电化学电池可串联电连接。所述至少两个固态电化学电池中的每一个可包括正外电极、负外电极、至少一个正单极电极和至少一个负单极电极。正外电极可以包括第一正极集流器和第一正极电活性层。第一正极电活性层可设置在第一正极集流器的第一表面上或毗邻第一正极集流器的第一表面设置。负外电极可以包括第一负极集流器和第一负极电活性层。第一负极电活性层可设置在第一负极集流器的第一表面上或毗邻第一负极集流器的第一表面设置。所述至少一个正单极电极可设置在所述第一正极电活性层和所述第一负极电活性层之间。所述至少一个正单极电极可以并联电连接到所述正外电极。所述至少一个负单极电极可与所述至少一个单极正电极一起设置在所述第一正极电活性层和所述第一负极电活性层之间。所述至少一个负单极电极可并联电连接到所述负外电极。所述至少一个单极正电极和所述至少一个单极负电极中的一个包含电容器添加剂。

在一个方面中，每个正单极电极包括第二正极集流器、第二正极电活性层和第三正极电活性层。第二正极集流器可以具有与第二表面相反的第一表面。第二正极电活性层可设置在第二正极集流器的第一表面上。第三正极电活性层可设置在第二正极集流器的第二表面上。每个负单极电极包括第二负极集流器、第二负极电活性层和第三负极电活性层。第二负极集流器可具有与第二表面相反的第一表面。第二负极电活性层可设置在第二负极集流器的第一表面上或毗邻第二负极集流器的第一表面设置。第三负极电活性层可设置在第二正极集流器的第二表面上或毗邻第二正极集流器的第二表面设置。

在一个方面中，第二正极电活性层、第二负极电活性层、第三正极电活性层和第三负极电活性层中的一个包含所述电容器添加剂。

在一个方面中，第二正极电活性层、第二负极电活性层、第三正极电活性层和第三负极电活性层中的一个可以是基本上由所述电容器添加剂组成的电容器层。

在各种其它方面中，本公开提供了一种混合型电化学装置。该混合型电化学装置包括至少两个固态电化学电池。所述至少两个固态电化学电池可并联电连接以形成堆。所述至少两个固态电化学电池中的每一个包括正外电极、负外电极和至少两个双极电极。正外电极包括第一正极集流器和第一正极电活性层。第一正极电活性层可设置在第一正极集流器的第一表面上或毗邻第一正极集流器的第一表面设置。负外电极包括第一负极集流器和第一负极电活性层。第一负极电活性层可设置在第一负极集流器的第一表面上或毗邻第一负极集流器的第一表面设置。所述至少两个双极电极可以设置在第一正极电活性层和第一负极电活性层之间。所述至少两个双极电极中的一个包含电容器添加剂。

在一个方面中，每个双极电极包括双极集流器、第二正极电活性层和第二负极电活性层。双极集流器可以具有与第二表面相反的第一表面。第二正极电活性层可设置在双极集流器的第一表面上或毗邻双极集流器的第一表面设置。第二负极电活性层可设置在双极集流器的第二表面上或毗邻双极集流器的第二表面设置。

在一个方面中，所述至少两个双极电极中的第一双极电极包含所述电容器添加剂。

在一个方面中，所述至少两个双极电极中的第一双极电极包含所述电容器添加剂。

在一个方面中，第一双极电极的第二正极电活性层和第二负极电活性层中的一个可以是基本上由所述电容器添加剂组成的电容器层。

其它适用领域由本文中提供的描述将变得显而易见。本概述中的描述和具体例子仅意在进行说明而无意限制本公开的范围。

附图说明

本文中描述的附图仅用于说明所选实施方案而非所有可能的实施方式的目的，并且无意限制本公开的范围。

图1A是根据本公开的各个方面的固态电化学电池的一个示例性示意图，该固态电化学电池具有并联配置和至少一个包含电容器添加剂的电极；

图1B是根据本公开的各个方面的混合型电化学装置的一个示例性示意图，该混合型电化学装置包括至少两个固态电化学电池(如图1A中所示的那些)，其中该至少两个固态电化学电池串联电连接以形成蓄电池组；

图2A是根据本公开的各个方面的固态电化学电池的一个示例性示意图，该固态电化学电池具有串联配置和至少一个包含电容器添加剂的电极；

图2B是根据本公开的各个方面的混合型电化学装置的一个示例性示意图，该混合型电化学装置包括至少两个固态电化学电池(如图2A中所示的那些)，其中该至少两个固态电化学电池串联电连接以形成蓄电池组；和

图2C是根据本公开的各个方面的混合型电化学装置的另一个示例性示意图，该混合型电化学装置包括至少两个固态电化学电池(如图2A中所示的那些)，其中该至少两个固态电化学电池串联电连接以形成蓄电池组。

贯穿附图的几个视图，对应的附图标记指示对应的部件。

具体实施方式

提供了示例性实施方案从而本公开将是彻底的并将向本领域技术人员充分传达其范围。阐述了许多具体细节，例如具体组合物、组分、装置和方法的例子，以提供对本公开的实施方案的充分理解。对本领域技术人员显而易见的是，不需要使用具体细节，示例性实施方案可以具体体现为许多不同的形式，它们都不应被视为限制本公开的范围。在一些示例性实施方案中，没有详细描述公知的方法、公知的装置结构和公知的技术。

本文所用的术语仅为了描述特定的示例性实施方案而无意作为限制。除非上下文清楚地另行指明，否则如本文中所用的那样单数形式"一个"、"一种"和"该"可旨在也包括复数形式。术语"包含"、"包括"、"含有"和"具有"是包容性的，因此说明了所述特征、要素、组合物、步骤、整数、操作和/或组分的存在，但不排除一种或更多种其它特征、整数、步骤、操作、元件、组分和/或其集合的存在或加入。尽管开放式术语"包括"应被理解为用于描述和要求保护本文中所述的各种实施方案的非限制性术语，但在某些方面中，该术语相反地可替代地理解为更具限制性和局限性的术语，如"由……组成"或"基本由……组成"。由此，对叙述组合物、材料、组分、要素、特征、整数、操作和/或工艺步骤的任意给定实施方案，本公开还特别包括由或基本由此类所述组合物、材料、组分、要素、特征、整数、操作和/或工艺步骤组成的实施方案。在"由……组成"的情况下，替代实施方案排除任何附加的组合物、材料、组分、要素、特征、整数、操作和/或工艺步骤，而在"基本由……组成"的情况下，从此类实施方案中排除实质上影响基本和新颖特性的任何附加的组合物、材料、组分、要素、特征、整数、操作和/或工艺步骤，但是不实质上影响基本和新颖特性的任何组合物、材料、组分、要素、特征、整数、操作和/或工艺步骤可以包括在该实施方案中。

本文中描述的任何方法步骤、工艺和操作不应解释为必定要求它们以所论述或展示的特定次序实施，除非明确确定为一定的实施次序。还要理解的是，除非另行说明，可以使用附加或替代步骤。

当组件、元件或层被提到在另一元件或层"上"、"啮合"、"连接"或"耦合"到另一元件或层上，其可以直接在另一组件、元件或层上、啮合、连接或耦合到另一组件、元件或层上，或可能存在中间元件或层。相反，当一个元件被提到直接在另一元件或层上、"直接啮合"、"直接连接"或"直接耦合"到另一元件或层上，可不存在中间元件或层。用于描述元件之间关系的其它词语应以类似方式解释(例如"之间"vs"直接在...之间"，"相邻"vs"直接相邻"等)。如本文中所用的那样，术语"和/或"包括一个或多个相关罗列项的任何和所有组合。

尽管术语第一、第二、第三等在本文中可用于描述各种步骤、元件、组件、区域、层和/或区段，但这些步骤、元件、组件、区域、层和/或区段不应受这些术语限制，除非另外指明。这些术语可仅用于将一个步骤、元件、组件、区域、层或区段区分于另一步骤、元件、组件、区域、层或区段。除非上下文中清楚明示，否则术语例如"第一"、"第二"和其它数值术语在本文中使用时并不暗示次序或顺序。因此，下文论述的第一步骤、元件、组件、区域、层或区段可以被称作第二步骤、元件、组件、区域、层或区段而不背离示例性实施方案的教导。

为了容易描述，在本文中可以使用空间或时间上的相对术语，如"之前"、"之后"、"内"、"外"、"下"、"下方"、"下部"、"上"、"上部"等描述图中所示的一个元件或特征相对其他元件或特征的关系。空间或时间上的相对术语可旨在包括除图中所示的取向外装置或系统在使用或操作中的不同取向。

在本公开通篇中，数值代表近似测量值或范围界限以包括与给定值的轻微偏差和大致具有所列值的实施方案以及确切具有所列值的实施方案。除了在具体实施方式部分最后提供的实施例中之外，本说明书(包括所附权利要求)中的参数(例如量或条件)的所有数值应被理解为在所有情况中被术语"约"修饰，无论在数值前是否实际出现"约"。"约"是指所述数值允许一定的轻微不精确(有些接近精确的该值；大致或合理地接近该值；几乎)。如果由"约"提供的不精确性在本领域中不以这种普通含义理解，则本文所用的"约"至少是指可能由测量和使用此类参数的普通方法造成的变动。例如，"约"可以包含小于或等于5%、任选小于或等于4%、任选小于或等于3%、任选小于或等于2%、任选小于或等于1%、任选小于或等于0.5%和在某些方面中任选小于或等于0.1%的变动。

此外，范围的公开包括在整个范围内的所有值和进一步细分范围的公开，包括对这些范围给出的端点和子范围。

现在将参照附图更充分地描述示例性实施方案。

本技术涉及包含一种或多种电容器添加剂的电化学电池，所述电化学电池可被并入具有混合型结构的能量储存装置例如锂离子蓄电池中，以便集成串联电连接的电压能力和并联电连接的容量能力，以及在各个方面中，电容器的高功率密度和锂离子蓄电池的高能量密度。在各种情况中，所述电化学电池和装置可以用于例如汽车或其它交通工具(例如摩托车、船)中。然而，作为非限制性例子，所描述的电化学电池和装置也可用于各种其它工业和应用例如消费电子设备中。

典型的锂离子蓄电池包括与第二电极(例如负电极或阳极)相对的第一电极(例如正电极或阴极)和设置在它们之间的隔离件和/或电解质。第一和第二电极分别连接到第一和第二集流器(通常是金属，例如用于阳极的铜和用于阴极的铝)。与两个电极相关联的集流器通过外部电路连接，该外部电路允许由电子产生的电流在电极之间通过以补偿锂离子穿过蓄电池电池(battery cell)的传输。例如，在电池放电期间，从负电极到正电极的内部Li

例如，根据本公开的各个方面，混合型电化学装置可以包括至少两个电容器辅助的固态电化学电池，所述电化学电池电连接，例如电连接成堆。每个固态电化学电池可包括第一或正外电极和第二或负外电极。负外电极可以与正外电极平行。例如，正外电极的第一表面可以与负外电极的第一表面相对。正外电极可以包括第一正极集流器和第一正极电活性层。第一正极电活性层可以设置成与第一正极集流器电连通。例如，第一正极电活性层可设置在第一正极集流器的第一表面上或毗邻第一正极集流器的第一表面设置。负外电极可包括第一负极集流器和第一负极电活性层。第一负极电活性层可设置成与第一负极集流器电连通。例如，第一负极电活性层可设置在第一负极集流器的第一表面上或毗邻第一负极集流器的第一表面设置。

一个或多个中间电极可设置在第一正极电活性层和第一负极电活性层之间。如下面进一步详细讨论的那样，在某些变体中，所述一个或多个中间电极可以是双极(串联)电极，并且所述至少两个固态电化学电池可以以并联配置电连接以形成堆。例如，每个双极电极可以包括具有与第二表面相反的第一表面的双极集流器。第二正极电活性层可以设置在双极集流器的第一表面上或毗邻双极集流器的第一表面设置，并且第二负极电活性层可以设置在双极集流器的第二表面上或毗邻双极集流器的第二表面设置。所述一个或多个中间电极中的至少第一双极电极可以包含所述一种或多种电容器添加剂。例如，在某些情况中，第一双极电极的第二正极电活性层和第二负极电活性层中的一个可包含大于或等于约0.1重量%至小于或等于约100 重量%的所述电容器添加剂。在其它变体中，第一双极电极的第二正极电活性层和第二负极电活性层中的一个可以是基本上由所述电容器添加剂组成的电容器层。在又一些其它变体中，第一正极电活性层和第一负极电活性层中的一个可包含所述一种或多种电容器添加剂。

在其它变体中，同样在下面讨论，所述一个或多个中间电极可以是单极(并联)电极，并且所述至少两个固态电化学电池可以以串联配置电连接以形成堆。例如，所述一个或多个中间电极可包括第一或正单极电极和第二或负单极电极。正单极电极可包括具有与第二表面相反的第一表面的第二正极集流器。第二正极电活性层可以设置在第二正极集流器的第一表面上或毗邻第二正极集流器的第一表面设置，和第三正极电活性层可以设置在第二正极集流器的第二表面上或毗邻第二正极集流器的第二表面设置。负单极电极可包括具有与第二表面相反的第一表面的第二负极集流器。第二负极电活性层可设置在第二负极集流器的第一表面上或毗邻第二负极集流器的第一表面设置，和第三负极电活性层设置在第二正极集流器的第二表面上或毗邻第二正极集流器的第二表面设置。正单极电极和第二单极电极中的一个可包含所述电容器添加剂。例如，在某些情况中，第二正极电活性层、第二负极电活性层、第三正极电活性层和第三负极电活性层中的一个包含大于或等于约0.1 重量%至小于或等于约100 重量%的所述电容器添加剂。在其它变体中，第二正极电活性层、第二负极电活性层、第三正极电活性层和第三负极电活性层中的一个是基本上由所述电容器添加剂组成的电容器层。

在每种情况中，隔离件或固态电解质被设置在正末端电极、所述一个或多个中间电极和负末端电极的每一个之间。例如，固态电解质物理地分隔并且电隔离所述正末端电极、一个或多个中间电极和负末端电极。串联或并联连接的集流器可促进电子在电极和外部电路之间的流动。

图1A中示出了电容器辅助的固态电化学电池20的一个示例性和示意性图。电化学电池20具有并联配置。例如，电化学电池20可包括限定电化学电池20的边界的外电极22、30和设置在外电极22、30之间的多个单极电极26A、26B。如图所示，电化学电池20可包括正外电极22和负外电极30，以及设置在它们之间的至少两个单极电极26A、26B。所述至少两个单极电极26A、26B中的一个包含一种或多种电容器添加剂。例如，如图所示，第二单极电极26B的第一层56可包含所述一种或多种电容器添加剂。电化学电池20还包括多个设置在电极22、26A、26B、30之间的隔离件60A、60B、60C。隔离件60A、60B、60C提供电极22、26A、26B、30之间的电隔离-防止物理接触。隔离件60A、60B、60C还为离子内部通道提供最小电阻路径。例如，第一隔离件50A可设置在正外电极22与第一单极电极26A之间。第二隔离件60B可设置在第一单极电极26A和第二单极电极26B之间。第三隔离件60C可设置在第一单极电极26B和负外电极30之间。

在各个方面中，隔离件60A、60B、60C可各自由固态电解质形成。例如，隔离件60A、60B、60C可各自包含单独的多个一种或多种固态电解质颗粒(未示出)。各多个固态电解质颗粒可以设置在一个或多个层或复合材料中以限定各隔离件60A、60B、60C的三维结构。例如，各隔离件60A、60B、60C可具有大于或等于约1μm至小于或等于约1mm的厚度，并且在某些方面中，任选地具有大于或等于约5μm至小于或等于约100μm的厚度。

在各种情况中，所述一种或多种固态电解质颗粒可包括一种或多种聚合物基颗粒、氧化物基颗粒、硫化物基颗粒、卤化物基颗粒、硼酸盐基颗粒、氮化物基颗粒和氢化物基颗粒。例如，聚合物基颗粒可以包含一种或多种选自以下的聚合物材料：聚(环氧乙烷)(PEO)、聚(乙二醇) (PEG)、聚碳酸亚乙酯、聚(碳酸三亚甲基酯) (PTMC)、聚(碳酸亚丙酯)(PC)、聚乙二醇、聚(对苯醚) (poly(p-phenylene oxide)，PPO)、聚(甲基丙烯酸甲酯)(PMMA)、聚丙烯腈(PAN)、聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚(偏二氟乙烯-共-六氟丙烯) (PVDF-HFP)、聚氯乙烯(PVC)及它们的组合。

所述氧化物基颗粒可包括一种或多种石榴石陶瓷、LISICON型氧化物、NASICON型氧化物、钙钛矿型陶瓷和反钙钛矿型陶瓷。例如，所述一种或多种石榴石陶瓷可以选自：Li

所述硫化物基颗粒可以包括一种或多种选自以下的硫化物基材料：Li

所述卤化物基颗粒可以包括选自以下的一种或多种卤化物基材料：Li

所述硼酸盐基颗粒可以包括一种或多种选自以下的硼酸盐基材料：Li

所述氮化物基颗粒可以包括选自以下的一种或多种氮化物基材料：Li

所述氢化物基颗粒可包括一种或多种选自以下的氢化物基材料：Li

在其它变体中，所述多个隔离件60A、60B、60C可各自由准固态电解质形成，准固态电解质是上述固态电解质体系与非水性液态电解质溶液的杂合体(hybrid)。例如，在某些变体中，所述多个隔离件60A、60B、60C可包含大于或等于约0重量%至小于或等于约50重量%，和在某些方面中，任选地大于或等于约1重量%至小于或等于约10重量%的所述非水性液态电解质溶液。可以使用许多常规的非水性液态电解质溶液。所述非水性液态电解质溶液包含溶解在有机溶剂或有机溶剂混合物中的锂盐。合适的锂盐通常具有惰性阴离子。

可以溶解在有机溶剂或有机溶剂混合物中以形成所述非水性液态电解质溶液的锂盐的非限制性列表包括六氟磷酸锂(LiPF

这些和其它类似的锂盐可以溶解在多种有机溶剂中，包括但不限于各种碳酸烷基酯，例如环状碳酸酯(例如碳酸亚乙酯(EC)、碳酸亚丙酯(PC)、碳酸亚丁酯(BC)、碳酸氟代亚乙酯(FEC))，线型碳酸酯(例如碳酸二甲酯(DMC)、碳酸二乙酯(DEC)、碳酸乙基甲基酯(EMC))，脂族羧酸酯(例如甲酸甲酯、乙酸甲酯、丙酸甲酯)，γ-内酯(例如γ-丁内酯、γ-戊内酯)，链结构醚(例如1,2-二甲氧基乙烷(DME)、1,2-二乙氧基乙烷、乙氧基甲氧基乙烷)，环状醚(例如四氢呋喃、2-甲基四氢呋喃)、1,3-二氧戊环(DOL))，硫化合物(例如环丁砜)及它们的组合。在各个方面中，电解质100可包含大于或等于1M至小于或等于约2M浓度的所述一种或多种锂盐。在某些变体中，例如当电解质具有大于约2M的离子液体锂浓度时，电解质100可包含一种或多种稀释剂，例如碳酸氟代亚乙酯(FEC)和/或氢氟醚(HFE)。

本领域技术人员将理解，第一隔离件60A可与第二隔离件60B和/或第三隔离件60C相同或不同。同样地，第二隔离件60A可与第一隔离件60A和/或第三隔离件60C相同或不同；以及第三隔离件60C可与第一隔离件60A和/或第二隔离件60B相同或不同。

再次参考图1A，在各个方面中，正外电极22可以是双层结构。例如，正外电极22可具有设置为与第一正极集流器28电连通的第一正极电活性层24。例如，第一正极电活性层24可设置在第一正极集流器28的一个或多个平行表面上或毗邻第一正极集流器28的一个或多个平行表面设置。如图所示，第一正极电活性层24可设置在第一正极集流器28的第一表面27上或毗邻第一表面27设置。第一正极集流器28的第一表面27可面向负外电极30。例如，第一正极集流器28的第一表面27可面向第一负极集流器36的第一表面37。

负外电极30也可具有双层结构。例如，负外电极30可包括设置为与第一负极集流器36电连通的第一负极电活性层34。例如，第一负极电活性层34可设置在第一负极集流器36的一个或多个平行表面上或毗邻第一负极集流器36的一个或多个平行表面设置。如图所示，第一负极电活性层34可设置在第一负极集流器36的第一表面37上或毗邻第一表面37设置。第一负极集流器36的第一表面37面向第一外电极22。例如，第一负极集流器36的第一表面37可以面向第一正极集流器28的第一表面27。

单极电极26A、26B可各自具有三层结构。例如，每个单极电极26A、26B包括附加的集流器和设置为与该附加的集流器电连通的一个或多个附加的电活性层。所述至少两个单极电极26A、26B可包括第一或负单极电极26A和第二或正单极电极26B。负单极电极26A包括第二负极集流器40和设置为与第二负极集流器40电连通的一个或多个负极电活性层46、48。如图所示，第二负极电活性层46可设置在第二负极集流器40的第一表面42上或毗邻第一表面42设置。第二负极集流器40的第一表面42可以面向正外电极22。第三负极电活性层48可设置在第二负极集流器40的第二表面44上或毗邻第二表面44设置。第二负极集流器40的第一表面42可以与第二负极集流器40的第二表面44平行。第二负极集流器40的第二表面44可面向负外电极30。

正单极电极26B包括第二正极集流器50和设置为与第二正极集流器50电连通的一个或多个正极电活性层56、58。如图所示，第二正极电活性层56可设置在第二正极集流器50的第一表面52上或毗邻第一表面52设置。第二正极集流器50的第一表面52可以面向正外电极22。第三正极电活性层58可以设置在第二正极集流器50的第二表面54上或毗邻第二表面54设置。第二正极集流器50的第一表面52可以与第二正极集流器50的第二表面54平行。第二正极集流器50的第二表面54可以面向负外电极30。

在各种情况中，第一正极电活性层24、第二正极电活性层56和第三正极电活性层58中的每一个都包含能够进行锂嵌入和脱嵌、合金化和合金蜕化、或镀覆和剥离的锂基正极电活性材料，同时充当电化学电池20的正极端子。第一正极电活性层24可包括与第二正极电活性层56和/或第三正极电活性层58相同或不同的锂基正极电活性材料。同样地，第二正极电活性层56可包括与第一正极电活性层24和/或第三正极电活性层58相同或不同的锂基正极电活性材料；以及第三正极电活性层58可包括与第一正极电活性层24和/或第二正极电活性层56相同或不同的锂基正极电活性材料。

例如，第一正极电活性层24、第二正极电活性层56和第三正极电活性层58中的每一个可由多个一种或多种正极电活性颗粒(未示出)限定，所述正极电活性颗粒包含一种或多种过渡金属阳离子，例如锰(Mn)、镍(Ni)、钴(Co)、铬(Cr)、铁(Fe)、钒(V)及它们的组合。独立的多个此类正极电活性颗粒可设置在一个或多个层中以限定第一正极电活性层24、第二正极电活性层56和第三正极电活性层58的三维结构。在某些变体中，第一正极电活性层24、第二正极电活性层56和第三正极电活性层58可进一步包含电解质，例如多个固态电解质颗粒(未示出)。第一正极电活性层24、第二正极电活性层56和/或第三正极电活性层58内的固态电解质颗粒可以与形成所述多个隔离件60A、60B、60C的固态电解质颗粒相同或不同。

在各个方面中，第一正极电活性层24、第二正极电活性层56和/或第三正极电活性层58可各自为层状氧化物阴极、尖晶石阴极和聚阴离子阴极中的一种。例如，层状氧化物阴极(例如，岩盐层状氧化物)包含选自LiCoO

在各个方面中，所述一种或多种锂基正极电活性材料可任选地被涂覆(例如被LiNbO

第一正极电活性层24、第二正极电活性层56和/或第三正极电活性层58可任选地包含粘合剂，例如聚(四氟乙烯) (PTFE)、羧甲基纤维素钠(CMC)、丁苯橡胶(SBR)、聚(偏二氟乙烯)(PVDF)、丁腈橡胶(NBR)、苯乙烯乙烯丁烯苯乙烯共聚物(SEBS)、苯乙烯丁二烯苯乙烯共聚物(SBS)、聚丙烯酸锂(LiPAA)、聚丙烯酸钠(NaPAA)、藻酸钠、藻酸锂和它们的组合。电子导电材料可包括碳基材料、粉末镍或其它金属颗粒、或导电聚合物。碳基材料可以包括例如炭黑颗粒、石墨、乙炔黑(例如KETCHEN

第一和第二正极集流器28、50可以促进电子在电极22、26B和外部电路之间的流动。例如，可中断的外部电路和载荷设备可连接正外电极22 (通过第一正极集流器28)和正单极电极26A (通过第二正极集流器50)。正极集流器28、50可包含金属，例如金属箔、金属格栅或网、或网形金属(expanded metal)。例如，正极集流器28、50可由铝和/或镍或本领域技术人员已知的任何其它合适的电子导电材料形成。在各个方面中，第一和第二正极集流器28、50可以相同或不同。

在各个方面中，第一负极电活性层34、第二负极电活性层46和第三负极电活性层48中的每一个都包含能够充当电化学电池20的负极端子的锂主体材料(例如，负极电活性材料)。第一负极电活性层34可包含与第二负极电活性层46和/或第三负极电活性层48相同或不同的负极电活性材料。同样地，第二负极电活性层46可包含与第一负极电活性层34和/或第三负极电活性层48相同或不同的负极电活性材料；和第三负极电活性层48可包含与第一负极电活性层34和/或第二负极电活性层46相同或不同的负极电活性材料。

例如，第一负极电活性层34、第二负极电活性层46和/或第三负极电活性层48中的每一个可由多个一种或多种负极电活性颗粒(未示出)限定。独立的多个一种或多种负极电活性颗粒可设置在一个或多个层中以限定第一负极电活性层34、第二负极电活性层46和/或第三负极电活性层48的三维结构。在某些变体中，第一负极电活性层34、第二负极电活性层46和/或第三负极电活性层48可进一步包含电解质，例如多个固态电解质颗粒(未示出)。第一负极电活性层34、第二负极电活性层46和/或第三负极电活性层48内的固态电解质颗粒可以与形成所述多个隔离件60A、60B、60C的固态电解质颗粒和/或存在于第一正极电活性层24、第二正极电活性层56和/或第三正极电活性层58中的固态电解质颗粒相同或不同。

在某些变体中，所述负极固态电活性颗粒50可以是基于锂的，包括例如锂金属和/或锂合金。在其它变体中，所述负极固态电活性颗粒50可以是基于硅的，包括硅，例如硅合金、硅氧化物或它们的组合，其在某些情况中可以进一步与石墨混合。在又一些其它变体中，所述负极固态电活性颗粒50可以是基于碳质的，包括石墨、石墨烯、碳纳米管(CNT)和它们的组合中的一种或多种。在又一些进一步的变体中，所述负极固态电活性颗粒50可以包括锂钛氧化物(Li

在各个方面中，所述一种或多种负极电活性材料可任选地与以下物质混合(第一负极电活性层34、第二负极电活性层46和/或第三负极电活性层48可任选地包含以下物质)：提供电子传导路径的一种或多种电子导电材料和/或改进电极的结构完整性的至少一种聚合物粘合剂材料。例如，第一负极电活性层34、第二负极电活性层46和/或第三负极电活性层48可各自包含大于或等于约0 重量%至小于或等于约99 重量%的所述负极电活性材料；大于或等于约0重量%至小于或等于约30重量%的电子导电材料；大于或等于约0重量%至小于或等于约50重量%的一种或多种离子导电材料(例如，一种或多种固态电解质材料)；和大于或等于约0 重量%至小于或等于约20 重量%，和在某些方面中，任选地大于或等于约1重量%至小于或等于约20 重量%的粘合剂。

第一负极电活性层34、第二负极电活性层46和/或第三负极电活性层48可任选地包含粘合剂，例如聚(四氟乙烯) (PTFE)、羧甲基纤维素钠(CMC)、丁苯橡胶(SBR)、聚(偏二氟乙烯)(PVDF)、丁腈橡胶(NBR)、苯乙烯乙烯丁烯苯乙烯共聚物(SEBS)、苯乙烯丁二烯苯乙烯共聚物(SBS)、聚丙烯酸锂(LiPAA)、聚丙烯酸钠(NaPAA)、藻酸钠、藻酸锂和它们的组合。电子导电材料可包括碳基材料、粉末镍或其它金属颗粒、或导电聚合物。碳基材料可以包括例如炭黑颗粒、石墨、乙炔黑(例如KETCHEN

第一和第二负极集流器36、40可促进电子在电极26A、30与外部电路之间的流动。例如，可中断外部电路和载荷设备可连接负外电极36 (通过第一负极集流器36)和负单极电极26B (通过第二负极集流器40)。负极集流器36、40可包含金属，例如金属箔、金属格栅或网、或网形金属。例如，负极集流器36、40可由铜或本领域技术人员已知的任何其它合适的电子导电材料形成。

在各种情况中，如上所述，所述至少两个单极电极26A、26B中的至少一个包含一种或多种电容器添加剂。例如，在某些变体中，负极电活性层46、48中的一个可包含所述一种或多种电容器添加剂。在其它变体中，正极电活性层56、58中的一个包含所述一种或多种电容器添加剂。在各个方面中，例如当包含电容器的电极基本上由所述一种或多种电容器添加剂组成时，电化学电池20中包含电容器的电极的数目可以是大于或等于约1至小于或等于约n-1，其中n是蓄电池中电活性层的总数。如图所示，正单极电极26B可包含所述一种或多种电容器添加剂。例如，第二正极电活性层56可包含大于或等于约0.1 重量%至小于或等于约100 重量%，任选地大于或等于约1 重量%至小于或等于约100 重量%，和在某些方面中，约3 重量%的所述一种或多种电容器添加剂。在其它方面中，第二正极电活性层56可以是基本上由所述一种或多种电容器添加剂组成的电容器层。

在每种情况中，所述一种或多种电容器添加剂可以包括一种或多种多孔碳质材料，例如活性炭(AC)、碳干凝胶、碳纳米管(CNT)、介孔碳、模板化碳、碳化物衍生碳(CDC)、石墨烯、多孔碳球和杂原子掺杂的碳材料。在其它情况中，所述一种或多种电容器添加剂可以包括一种或多种法拉第电容器材料，例如贵金属氧化物(例如RuO

如上所述，蓄电池或电池通常可以电连接成堆以增加总输出。例如，图1B是包括固态电化学电池的混合型电化学装置的示例性示意图，所述固态电化学电池包含一种或多种电容器添加剂或材料并具有并联配置(如图1A中所示的那些)，它们串联连接以形成堆100。在各个方面中，两个或更多个电化学电池，例如如图1A中所示的电化学电池20的电化学电池，可以串联配置以形成堆100。例如，如图所示，堆100可包括三个串联的电化学电池20A、20B、20C。在各个方面中，电化学电池20A、20B、20C可以相同或不同。电化学电池20A、20B、20C的更高容量并联电配置(例如，第二级连接)与堆100的更高电压串联电配置(例如，第一级连接)的集成使得能够得到具有改进的电压和容量能力两者的电池。

在各个方面中，图1A和1B中所示的实施方案是包含一种或多种电容器材料并具有并联电配置的电化学电池和/或具有串联电配置的堆的代表，而不必是限制。所述电化学电池和堆可以以其它设计配置使用以提供固态电化学装置。例如，本领域技术人员将理解，所述电容器添加剂或材料可被加入到一个或多个其它电活性层中，以及图1A和1B中所示的细节也延伸到各种电池和堆配置，例如结合了另外的电化学电池的堆配置。

图2A中示出了电容器辅助的固态电化学电池200的另一个示例性和示意性图。电化学电池200具有串联配置。例如，电化学电池200可包括限定电化学电池200的边界的外电极210、230和设置在外电极210、230之间的多个双极电极220A、220B。如图所示，电化学电池200可包括正外电极210和负外电极230以及设置在它们之间的至少两个双极电极220A、220B。所述至少两个双极电极220A、220B中的一个可以包含一种或多种电容器添加剂。例如，如图所示，第一双极电极220A的第二层224可以包含所述一种或多种电容器添加剂。电化学电池200还包括设置在电极210、220A、220B、230之间的多个隔离件260A、260B、260C。隔离件260A、260B、260C提供电极210、220A、220B、230之间的电隔离-防止物理接触。隔离件260A、260B、260C还为离子内部通道提供最小电阻路径。例如，第一隔离件260A可以设置在正外电极210和第一双极电极220A之间。第二隔离件260B可以设置在第一双极电极220A和第二双极电极220B之间。第三隔离件260C可以设置在第二双极电极220B和负外电极230之间。

与图1A和1B中示出的隔离件260A、260B、260C类似，隔离件260A、260B和260C可各自由固态电解质形成。例如，隔离件260A、260B、260C可各自包含单独的多个一种或多种固态电解质颗粒(未示出)。各多个固态电解质颗粒可以设置在一个或多个层或复合材料中以限定各个隔离件260A、260B、260C的三维结构。在某些变体中，隔离件260A、260B、260C可以包含准固态电解质。例如，在某些变体中，所述多个隔离件260A、260B、260C可以包含大于或等于约0 重量%至小于或等于约50 重量%，并且在某些方面中，任选地大于或等于约1 重量%至小于或等于约10 重量%的所述非水性液态电解质溶液。本领域技术人员将理解，第一隔离件260A可与第二隔离件260B和/或第三隔离件260C相同或不同。同样地，第二隔离件260A可与第一隔离件260A和/或第三隔离件260C相同或不同；和第三隔离件260C可与第一隔离件260A和/或第二隔离件260B相同或不同。

再次参考图2A，在各个方面中，正外电极210可以具有双层结构。例如，正外电极210可具有设置为与正极集流器214电连通的正极电活性层212。例如，正极电活性层212可以设置在正极集流器214的一个或多个平行表面上或毗邻正极集流器214的一个或多个平行表面设置。如图所示，正极电活性层212可以设置在正极集流器214的第一表面216上或毗邻第一表面216设置。正极集流器214的第一表面316可以面向负外电极230。例如，正极集流器214的第一表面316可面向第一负极集流器234的第一表面236。

负外电极230也可具有双层结构。例如，负外电极230可包括设置为与第一负极集流器234电连通的负极电活性层232。例如，负极电活性层232可设置在第一负极集流器234的一个或多个平行表面上或毗邻第一负极集流器234的一个或多个平行表面设置。如图所示，负极电活性层232可设置在第一负极集流器234的第一表面236上或毗邻第一表面236设置。第一负极集流器234的第一表面236面向第一外电极210。例如，第一负极集流器234的第一表面236可以面向正极集流器214的第一表面216。

双极电极220A、220B可以各自具有三层结构。例如，每个双极电极220A包括第一双极集流器240和设置为与第一双极集流器240电连通的一个或多个电活性层222、224。如图所示，第一电活性层222可设置在第二负极集流器40的第一表面242上或毗邻第一表面242设置。第二负极集流器40的第一表面242可以面向正外电极210。第二电活性层224可设置在第二负极集流器40的第二表面244上或毗邻第二表面244设置。第二负极集流器40的第一表面242可以与第二负极集流器40的第二表面244平行。第二负极集流器40的第二表面244可以面向负外电极230。

第一电活性层222，其与正外电极210相对，可能够充当电化学电池200的负极端子。例如，负极电活性层232可以是第一负极电活性层232，并且每个双极电极220A、220B的第一电活性层222可以是第二负极电活性层222。负极电活性层222、232可以由独立的多个一种或多种负极电活性材料颗粒(未示出)限定。例如，第一多个负极电活性材料颗粒可设置在一个或多个层中以限定第一负极电活性层232的三维结构。第二多个负极电活性材料颗粒可设置在一个或多个层中以限定第二负极电活性层222的三维结构。

在每种情况中，与图1A和1B中示出的第一负极电活性层34、第二负极电活性层46和/或第三负极电活性层48类似，所述负极电活性材料颗粒可包括一种或多种选自以下的负极电活性材料：锂金属、锂合金、硅(Si)、硅合金、硅氧化物、活性炭(AC)、硬碳(HC)、软碳(SC)、石墨、石墨烯、碳纳米管、锂钛氧化物(Li

第二电活性层224、254，其与负外电极230相对，包含能够进行锂嵌入和脱嵌、合金化和合金蜕化、或镀覆和剥离的锂基正极电活性材料，同时充当电化学电池200的正极端子。例如，正极电活性层212可以是第一正极电活性层212，并且每个双极电极220A、220B的第二电活性层224、254可以是第二正极电活性层224、254。正极电活性层212、224、254可由独立的多个一种或多种正极电活性材料颗粒(未示出)限定。例如，第一多个正极电活性材料颗粒可设置在一个或多个层中以限定第一正极电活性层212的三维结构。第二多个负极电活性材料颗粒可设置在一个或多个层中以限定第二正极电活性层224、254的三维结构。

在每种情况中，与图1A和1B中示出的第一正极电活性层24、第二正极电活性层56和第三正极电活性层58类似，所述正极电活性材料颗粒可包括一种或多种选自以下的正极电活性材料：LiCoO

在各个方面中，与图1A和1B中示出的正极集流器28、50类似，正极集流器214可包含金属，例如金属箔、金属格栅或网、或网形金属。例如，正极集流器214可由铝和/或镍或本领域技术人员已知的任何其它合适的电子导电材料形成。同样地，与图1A和1B中示出的负极集流器36、40类似，负极集流器234可包含金属，例如金属箔、金属格栅或网、或网形金属。例如，所述负极集流器可由铜或本领域技术人员已知的任何其它合适的电子导电材料形成。双极集流器240也可包含金属，例如金属箔、金属格栅或网、或网形金属。例如，双极集流器240可以包含选自铝(Al)、镍(Ni)、钛(Ti)、不锈钢和组合的一种或多种材料。在其它变体中，双极集流器240可以是包层的双层箔(cladded bilayer foil)。

在各种情况中，如上所述，所述至少两个双极电极220A、220B中的至少一个包含一种或多种电容器添加剂。例如，如图所示，第一双极电极220A的第二电活性层224可包含所述一种或多种电容器添加剂。例如，第一双极电极220A的第二电活性层224可以包含大于或等于约0.1 重量%至小于或等于约100 重量%，任选地大于或等于约1 重量%至小于或等于约100 重量%，和在某些方面中，约3 重量%的所述一种或多种电容器添加剂。在其它方面中，双极电极220A的第二电活性层224可以是基本上由所述一种或多种电容器添加剂组成的电容器层。在各个方面中，例如当包含电容器的电极基本上由所述一种或多种电容器添加剂组成时，电化学电池200中包含电容器的电极的数目可以是大于或等于约1至小于或等于约n-1，其中n是蓄电池中电活性层的总数。

如上所述，蓄电池或电池通常可以电连接成堆以增加总输出。例如，图2B和2C是包括固态电化学电池的混合型电化学装置的示例性示意图，所述固态电化学电池包含一种或多种电容器添加剂或材料并具有串联配置(如图2A中所示的那些)，它们并联连接以形成堆300、400。在各个方面中，两个或更多个电化学电池，例如如图2A中所示的电化学电池200的电化学电池，可以串联配置以形成堆300、400。例如，如图所示，堆300、400可各自包括三个并联的电化学电池200A、200B、200C。在各个方面中，电化学电池200A、200B、200C可以相同或不同。

在各个方面中，如图2B中所示，绝缘层300A、300B可设置在电化学电池(如图2A中所示的那些，所述电化学电池并联电连接以形成堆300)之间以限制堆内的短循环(shortcycling)。例如，第一绝缘层300A可以设置在第一电化学电池200A和第二电化学电池200B之间，和第二绝缘层300B可以设置在第二电化学电池200B和第三电化学电池200C之间。在某些变体中，绝缘层300A、300B可以涂覆在相对的外电极中的一个上。在这种情况中，绝缘层300A、300B可以包括例如聚酰亚胺(PI)、聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚醚醚酮(PEEK)、聚四氟乙烯(PTFE)、聚硅氧烷、聚氨酯、聚丙烯(PP)和/或聚乙烯(PE)。在其它变体中，绝缘层300A、300B可以是自立层，例如膜或板。在这种情况中，绝缘层300A、300B也可以包括例如聚酰亚胺(PI)、聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚醚醚酮(PEEK)、聚四氟乙烯(PTFE)、聚硅氧烷、聚氨酯、聚丙烯(PP)和/或聚乙烯(PE)。

在其它方面中，如图2C中所示，具有串联配置的电化学电池，如图2A中所示的那些，可使用并联-可选配置形成具有减少的整体短循环的堆300。例如，如图所示，设置在第一电化学电池200A和第三电化学电池200C之间的第二电化学电池200B可具有相反的配置。例如，第二电化学电池200B的负外电极230可与第一电化学电池200A的负外电极230相反；和第二电化学电池200B的正外电极210可与第三电化学电池200C的正外电极210相反。在这种情况中，毗邻的电化学电池200A、200B可共享相同的集流器234。在某些方面中，可以去除绝缘层以进一步改进蓄电池的能量密度。

在各个方面中，图2A-2C中示出的实施方案是包含一种或多种电容器材料具有串联配置的电化学电池和/或具有并联配置的堆的代表，而不必是限制。所述电化学电池和堆可以以其它设计配置使用以提供固态电化学装置。例如，本领域技术人员将理解，所述电容器添加剂或材料可被加入到一个或多个其它电活性层中，并且图2A-2C中所示的细节也延伸到各种电池和堆配置，例如结合了另外的电化学电池的堆配置。

为了说明和描述提供了实施方案的上述描述。其无意穷举或限制本公开。一个特定实施方案的单独要素或特征通常不限于该特定实施方案，而是在适用时可互换并可用于所选实施方案，即使没有明确展示或描述。其也可以以许多方式改变。此类变动不应被视为背离本公开，并且所有这样的修改都意在包括在本公开的范围内。