电容器辅助的双极性电池

背景技术

电池是凭借电化学还原-氧化（redox）反应将化学能转化为电能的装置。例如，锂离子电池经由锂离子的可逆电化学嵌入和脱嵌存储和释放能量。在二次电池或可充电电池中，这些电化学反应是可逆的，这允许电池可经历多个充电和放电循环。

二次锂电池一般包括一个或多个电化学单电池，该电化学单电池包括负电极、正电极、夹在负电极和正电极之间的电解质，以及分别电联接到负电极和正电极的一对集流体。介于中间的电解质使电极彼此电绝缘，并提供了用于锂离子在其之间传导的介质。集流体是导电的，并且允许电子经由外部电路同时从一个电极行进到另一电极。在某些情况下，渗透有液体或聚合物电解质的多孔隔膜可用于将电极物理地彼此分隔，同时允许自由离子在其之间流动。

在实践中，多个电化学单电池可并排堆叠在电池之内。锂离子电池经常以单极性构造构建，其中单极性集流体在其相对的面中的每个上支撑正电极或负电极。例如，在单极性电池中，正电极支撑在正集流体的第一侧上，电极还支撑在同一正集流体的相对的第二侧上。类似地，在单极性电池中，负电极支撑在负集流体的第一侧上，负电极还支撑在同一负集流体的相对的第二侧上。电化学单电池的堆叠的形成是通过将正集流体和负集流体及其相关联的电极彼此邻近地定位，并以与设置于其之间的多孔隔膜材料层成交替的布置。正集流体和负集流体可分别以串联或并联布置连接到一对正电池端子和负电池端子。

表现出双极性构造的电池可提供优于单极性电池构造的某些优点，包括增加的电位、能量密度和功率密度、更均匀的电流密度、增加的活性材料利用率和降低的电阻。双极性电池包括多个双极性电极和两个单极性电极，该两个单极性电极设置在双极性电池的相对端部处。每个双极性电极包括双极性集流体，该双极性集流体具有支撑在其第一侧上的正电极和支撑在其相对的第二侧上的负电极。双极性电极彼此邻近地堆叠，其中多孔隔膜层设置在其之间，使得一个双极性电极的正电极面向为朝着下一邻近的双极性电极的负电极。正电极支撑在单极性电极的一个上，并且负电极支撑在另外的单极性电极上，其中支撑在每个单极性电极上的电极材料选择为以形成带有支撑在邻近的双极性电极的相对的面上的电极材料的电化学单电池。在双极性电池中，双极性集流体以串联布置，并通过允许电子在支撑在其相对侧上的正电极和负电极之间流动，而将电池的单电池彼此电连接。锂离子在每个电化学单电池的负电极和正电极之间转移通过介于中间的隔膜层。

静电双层电容器有时称为超级电容器，静电双层电容器通过在带电电极的表面和电解质之间的界面处分隔电荷而静电地存储和释放电能。在界面处，带电离子层形成在电极的表面晶格结构中，并且带相反电荷的溶剂化离子层生成在电解质中，其中极化溶剂分子层物理地分隔带相反电荷的电极离子层和电解质离子层。赝电容器是超级电容器的子集，赝电容器通过静电双层的形成，并且还通过在吸附的电解质离子和电极材料之间的法拉第电荷转移而存储电荷。

与锂离子电池正电极材料和负电极材料相比，超级电容器倾向于表现出相对高的功率密度（W/kg）和相对长的循环寿命。换句话说，从超级电容器材料的吸附的锂离子的释放倾向于比从锂离子电池正电极材料和负电极材料的锂离子脱嵌更快。另一方面，锂离子电池的正电极材料和负电极材料倾向于表现出相对高的能量密度（Wh/kg）。这是因为正电极材料和负电极材料通常可嵌入比可吸附在类似量的超级电容器材料的表面上的更大量的锂离子。期望的是产生表现出高能量密度和高功率密度二者的组合的电存储装置。

发明内容

双极性电池可包括第一、第二和第三双极性电极，该双极性电极定位为彼此邻近并由介于中间的非液体电解质层彼此物理地且电地隔离。该双极性电极中的每个可包括双极性集流体，该双极性集流体包括连接到其第一侧的第一电活性材料层和连接到其第二侧的第二电活性材料层。其中，每个电活性材料层可包括以下项中的至少一个：（i）锂离子电池正电极材料、（ii）锂离子电池负电极材料或（iii）电容器电极材料。在一个形式中，电活性材料层中的至少一个包括电容器电极材料。

在一个形式中，电容器电极材料可包括选自以下组中的至少一个双电层电容器材料，该组由活性炭、碳干凝胶、碳气凝胶、碳纳米管、中孔碳、模板碳、碳化物衍生碳、石墨烯、多孔碳球或杂原子掺杂碳组成。

在另一形式中，电容器电极材料可包括选自以下组中的至少一个赝电容器材料，该组由贵金属氧化物、贵金属氢氧化物、过渡金属氧化物、过渡金属氢氧化物或导电聚合物组成。

非液体电解质层每个可包括固体、凝胶或聚合物离子传导的含锂电解质材料。

第一、第二或第三双极性电极中的至少一个可包括涂覆在其第一侧上的锂离子电池正电极材料层和涂覆在其第二侧上的锂离子电池负电极材料层。

双极性电池可包括第一和第二双极性电极，以及设置在该第一和第二双极性电极之间的一个或多个中间双极性电极。第一和第二双极性电极每个可包括双极性集流体，该双极性集流体在相对的第一和第二侧上分别涂覆有锂离子电池负电极材料层和锂离子电池正电极材料层。一个或多个中间双极性电极每个可包括在相对的第一和第二侧上涂覆有电活性材料层的双极性集流体。双极性电极可由多个介于中间的非液体电解质层彼此物理分隔并且电隔离。每个一个或多个中间双极性电极的电活性材料层可包括以下项中的至少一个：（i）锂离子电池正电极材料、（ii）锂离子电池负电极材料或（iii）电容器电极材料。在一个形式中，一个或多个中间双极性电极的电活性材料层中的至少一个包括电容器电极材料。

涂覆在中间双极性电极中的至少一个的第一侧上的电活性材料层可包括电容器材料，并且涂覆在其相对的第二侧上的电活性材料层可包括锂离子电池正电极材料。

涂覆在中间双极性电极中的至少一个的第一侧上的电活性材料层可包括锂离子电池负电极材料，并且涂覆在其相对的第二侧上的电活性材料层可包括电容器电极材料。

涂覆在中间双极性电极中的至少一个的第一和第二侧上的电活性材料层每个可包括电容器电极材料。

涂覆在中间双极性电极中的至少一个的第一侧上的电活性材料层可包括锂离子电池负电极材料，并且涂覆在其相对的第二侧上的电活性材料层可包括覆盖锂离子电池正电极材料层的电容器电极材料层。

涂覆在中间双极性电极中的至少一个的第一侧上的电活性材料层可包括覆盖锂离子电池负电极材料层的电容器电极材料层，并且涂覆在其相对的第二侧上的电活性材料层可包括锂离子电池正电极材料。

涂覆在中间双极性电极中的至少一个的第一侧上的电活性材料层可包括覆盖锂离子电池负电极材料层的电容器电极材料层，并且涂覆在其相对的第二侧上的电活性材料层可包括覆盖锂离子电池正电极材料层的电容器电极材料层。

中间双极性电极中的每个可包括上端部和相对的下端部。在这种情况下，涂覆在中间双极性电极中的至少一个的第一侧上的电活性材料层可包括锂离子电池负电极材料，并且涂覆在其相对的第二侧上的电活性材料层可包括涂覆在其上端部上的电容器电极材料和涂覆在其下端部上的锂离子电池正电极材料。在一个形式中，涂覆在中间双极性电极中的至少一个的第一侧上的电活性材料层科包括涂覆在其上端部上的电容器电极材料和涂覆在其下端部上的锂离子电池负电极材料，并且涂覆在其相对的第二侧上的电活性材料层科包括锂离子电池正电极材料。涂覆在中间双极性电极中的至少一个的第一侧上的电活性材料层可包括涂覆在其上端部上的电容器电极材料和涂覆在其下端部上的锂离子电池负电极材料，并且涂覆在其相对的第二侧上的电活性材料层可包括涂覆在其上端部上的电容器电极材料和涂覆在其下端部上的锂离子电池正电极材料。

在一个形式中，双极性电池可包括冷却介质，该冷却介质邻近中间双极性电极的下端部设置。

在双极性电池中的第一、第二和中间双极性电极的总数可是整数n。在这种情况下，在双极性电池中的非液体电解质层的总数可包括n+1。

第一单极性电极可设置在双极性电池的第一端部处，并且第二单极性电极可设置在双极性电池的相对的第二端部处。在这种情况下，第一单极性电极可包括涂覆有锂离子电池负电极材料层的第一端子集流体。第二单极性电极可包括涂覆有锂离子电池正电极材料层的第二端子集流体。第一、第二和中间双极性电极可设置在第一和第二单极性电极之间并从第一和第二单极性电极电隔离。

第一单极性端子电极的锂离子电池负电极材料层可位于与第一双极性电极的锂离子电池正电极材料层相对并且与该第一双极性电极的锂离子电池正电极材料层成电化学联接关系。

第二单极性端子电极的锂离子电池正电极材料层可位于与第二双极性电极的锂离子电池负电极材料层相对并且与该第二双极性电极的锂离子电池负电极材料层成电化学联接关系。

本发明还提供了以下技术方案：

1. 一种双极性电池，包括：

第一、第二和第三双极性电极，所述第一、第二和第三双极性电极定位为彼此邻近并由介于中间的非液体电解质层彼此物理地且电气地隔离，所述双极性电极中的每个包括双极性集流体，所述双极性集流体包括连接到其第一侧的第一电活性材料层和连接到其第二侧的第二电活性材料层，

其中，每个电活性材料层包括以下项中的至少一个：（i）锂离子电池正电极材料、（ii）锂离子电池负电极材料或（iii）电容器电极材料；并且

其中，所述电活性材料层中的至少一个包括电容器电极材料。

2. 根据方案1所述的双极性电池，其中，所述电容器电极材料包括选自以下组中的至少一个双电层电容器材料，所述组包括活性炭、碳干凝胶、碳气凝胶、碳纳米管、中孔碳、模板碳、碳化物衍生碳、石墨烯、多孔碳球或杂原子掺杂碳。

3. 根据方案1所述的双极性电池，其中，所述电容器电极材料包括选自以下组中的至少一个赝电容器材料，所述组包括贵金属氧化物、贵金属氢氧化物、过渡金属氧化物、过渡金属氢氧化物或导电聚合物。

4. 根据方案1所述的双极性电池，其中，所述非液体电解质层的每个包括固体、凝胶或聚合物离子传导的含锂电解质材料。

5. 根据方案1所述的双极性电池，其中，所述第一、第二或第三双极性电极中的至少一个包括涂覆在其第一侧上的锂离子电池正电极材料层和涂覆在其第二侧上的锂离子电池负电极材料层。

6. 一种双极性电池，包括：

第一双极性电极，所述第一双极性电极包括第一双极性集流体，所述第一双极性集流体在相对的第一和第二侧上分别涂覆有锂离子电池负电极材料层和锂离子电池正电极材料层；

从所述第一双极性电极分隔开的第二双极性电极，所述第二双极性电极包括第二双极性集流体，所述第二双极性集流体在相对的第一和第二侧上分别涂覆有锂离子电池负电极材料层和锂离子电池正电极材料层；以及

设置在所述第一双极性电极和所述第二双极性电极之间的一个或多个中间双极性电极，所述一个或多个中间双极性电极的每个包括在相对的第一和第二侧上涂覆有电活性材料层的双极性集流体；

其中，所述双极性电极由多个介于中间的非液体电解质层彼此物理分隔并且电绝缘；

其中，所述一个或多个中间双极性电极的每个电活性材料层包括以下项中的至少一个：（i）锂离子电池正电极材料、（ii）锂离子电池负电极材料、或（iii）电容器电极材料；并且

其中，所述一个或多个中间双极性电极的所述电活性材料层中的至少一个包括电容器电极材料。

7. 根据方案6所述的双极性电池，其中，涂覆在所述中间双极性电极中的至少一个的第一侧上的所述电活性材料层包括电容器材料，并且涂覆在其相对的第二侧上的所述电活性材料层包括锂离子电池正电极材料。

8. 根据方案6所述的双极性电池，其中，涂覆在所述中间双极性电极中的至少一个的第一侧上的所述电活性材料层包括锂离子电池负电极材料，并且涂覆在其相对的第二侧上的所述电活性材料层包括电容器电极材料。

9. 根据方案6所述的双极性电池，其中，涂覆在所述中间双极性电极中的至少一个的第一和第二侧上的所述电活性材料层的每个包括电容器电极材料。

10. 根据方案6所述的双极性电池，其中，涂覆在所述中间双极性电极中的至少一个的第一侧上的所述电活性材料层包括锂离子电池负电极材料，并且涂覆在其相对的第二侧上的所述电活性材料层包括覆盖锂离子电池正电极材料层的电容器电极材料层。

11. 根据方案6所述的双极性电池，其中，涂覆在所述中间双极性电极中的至少一个的第一侧上的所述电活性材料层包括覆盖锂离子电池负电极材料层的电容器电极材料层，并且涂覆在其相对的第二侧上的所述电活性材料层包括锂离子电池正电极材料。

12. 根据方案6所述的双极性电池，其中，涂覆在所述中间双极性电极中的至少一个的第一侧上的所述电活性材料层包括覆盖锂离子电池负电极材料层的电容器电极材料层，并且涂覆在其相对的第二侧上的所述电活性材料层包括覆盖锂离子电池正电极材料层的电容器电极材料层。

13. 根据方案6所述的双极性电池，其中，所述中间双极性电极中的每个包括上端部和相对的下端部，并且其中，涂覆在所述中间双极性电极中的至少一个的第一侧上的所述电活性材料层包括锂离子电池负电极材料，并且涂覆在其相对的第二侧上的所述电活性材料层包括涂覆在其上端部上的电容器电极材料和涂覆在其下端部上的锂离子电池正电极材料。

14. 根据方案6所述的双极性电池，其中，所述中间双极性电极中的每个包括上端部和相对的下端部，并且其中，涂覆在所述中间双极性电极中的至少一个的第一侧上的所述电活性材料层包括涂覆在其上端部上的电容器电极材料和涂覆在其下端部上的锂离子电池负电极材料，并且涂覆在其相对的第二侧上的所述电活性材料层包括锂离子电池正电极材料。

15. 根据方案6所述的双极性电池，其中，所述中间双极性电极中的每个包括上端部和相对的下端部，并且其中，涂覆在所述中间双极性电极中的至少一个的第一侧上的所述电活性材料层包括涂覆在其上端部上的电容器电极材料和涂覆在其下端部上的锂离子电池负电极材料，并且涂覆在其相对的第二侧上的所述电活性材料层包括涂覆在其上端部上的电容器电极材料和涂覆在其下端部上的锂离子电池正电极材料。

16. 根据方案15所述的双极性电池，包括冷却介质，所述冷却介质邻近所述中间双极性电极的所述下端部设置。

17. 根据方案6所述的双极性电池，其中，第一、第二和中间双极性电极的总数=n，并且其中非液体电解质层的总数=n+1。

18. 根据方案6所述的双极性电池，包括设置在其第一端部处的第一单极性电极和设置在其相对的第二端部处的第二单极性电极，其中所述第一单极性电极包括涂覆有锂离子电池负电极材料层的第一端子集流体，其中所述第二单极性电极包括涂覆有锂离子电池正电极材料层的第二端子集流体，并且其中所述第一、第二和中间双极性电极设置在所述第一和第二单极性电极之间并与所述第一和第二单极性电极电绝缘。

19. 根据方案18所述的双极性电池，其中，所述第一单极性端子电极的所述锂离子电池负电极材料层位于与所述第一双极性电极的所述锂离子电池正电极材料层相对并且与所述第一双极性电极的所述锂离子电池正电极材料层成电化学联接关系。

20. 根据方案18所述的双极性电池，其中，所述第二单极性端子电极的所述锂离子电池正电极材料层位于与所述第二双极性电极的所述锂离子电池负电极材料层相对并且与所述第二双极性电极的所述锂离子电池负电极材料层成电化学联接关系。

附图说明

图1是双极性电池的示意性剖视图，该双极性电池包括设置在一对单极性电极之间的多个双极性电极，其中双极性电极中的每个包括双极性集流体，该双极性集流体包括支撑在其相对侧上的电活性材料层，其中电活性材料层中的一个包括电容器电极材料；

图2是图1的双极性电极中的一个的放大图，该双极性电极包括双极性集流体，该双极性集流体具有支撑在其第一侧上的电容器电极材料层和支撑在其相对的第二侧上的正电极材料层；

图3是另一双极性电极的示意性截面图，该双极性电极包括双极性集流体，该双极性集流体具有支撑在其第一侧上的负电极材料层和支撑在其相对的第二侧上的电容器电极材料层；

图4是又另一双极性电极的示意性截面图，该双极性电极包括双极性集流体，该双极性集流体具有支撑在其第一侧上的电容器电极材料层和支撑在其相对的第二侧上的电容器电极材料层；

图5是另一双极性电池的示意性截面图，该双极性电池包括设置在一对单极性电极之间的多个双极性电极，并且包括图2的双极性电极和图4的双极性电极；

图6是双极性电极的示意性截面图，该双极性电极包括双极性集流体，该双极性集流体具有支撑在其第一侧上的负电极材料层和在其相对的第二侧上的覆盖在正电极材料层的电容器电极材料层；

图7是双极性电极的示意性截面图，该双极性电极包括双极性集流体，该双极性集流体具有在其第一侧上的覆盖负电极材料层的电容器电极材料层和支撑在其相对的第二侧上的正电极材料层；

图8是双极性电极的示意性截面图，该双极性电极包括双极性集流体，该双极性集流体具有在其第一侧上的覆盖负电极材料层的电容器电极材料层和在其相对的第二侧上的覆盖正电极材料层的电容器电极材料层；

图9是又另一双极性电池的示意性截面图，该双极性电池包括设置在一对单极性电极之间的多个双极性电极，并且包括图7的双极性电极和图8的双极性电极；

图10是双极性电极的示意性截面图，该双极性电极具有上端部和相对的下端部，并且包括双极性集流体，该双极性集流体具有支撑在其第一侧上的负电极材料层，以及在其第二侧上的支撑在其上端部上的电容器材料层和支撑在其下端部上的正电极材料层；

图11是另一双极性电极的示意性截面图，该双极性电极具有上端部和相对的下端部，并且包括双极性集流体，该双极性集流体具有在其第一侧上的支撑在其上端部上的电容器材料层以及支撑在其下端部上的负电极材料层，以及在其第二侧上的正电极材料层；

图12是又另一双极性电极的示意性截面图，该双极性电极具有上端部和相对的下端部，并且包括双极性集流体，该双极性集流体具有在其第一侧上的支撑在其上端部上的电容器材料层和支撑在其下端部上的负电极材料层，以及在其第二侧上的支撑在其上端部上的电容器材料的层和支撑在其下端部864上的正电极材料层；以及

图13是另一双极性电池的示意性截面图，该双极性电池包括设置在一对单极性电极之间的多个双极性电极，并且包括图11的双极性电极和图12的双极性电极。

具体实施方式

本公开涉及双极性电池，该双极性电池包括作为能量存储材料的锂离子电池电极材料和电容器电极材料的组合。锂离子电池电极材料和电容器电极材料在双极性电池中的放置可定制，以产生表现出期望的能量密度（Wh/kg）和功率密度（W/kg）的组合的能量存储装置。

图1以理想化的方式示出了锂离子双极性电池10，该电池10具有第一端部12、相对的第二端部14、以及以面对面的关系设置在其第一和第二端部12、14之间的多个串联布置的电化学单电池16。电池10的电化学单电池16由设置在电池10的第一端部12处的第一单极性电极18，设置在电池10的第二端部14处的第二单极性电极20，设置在第一和第二单极性电极18、20之间的一个或多个中间双极性电极22，以及设置在邻近的电极18、20、22之间的两个或多个介于中间的非液体电解质层24限定。非液体电解质层24将电极18、20、22从彼此之间物理分隔并电隔离，并允许自由离子在其之间流动。在一个形式中，非液体电解质层24的每个可具有在1微米至200微米的范围内的厚度。例如，非液体电解质层24的每个可具有在20微米至100微米的范围内的厚度。

在电池10中非液体电解质层24的数量取决于双极性电极22的数量。特别地，如果在电池10中双极性电极22的总数为n，则在电池10中非液体电解质层24的总数将为n+1。图1的双极性电池10包括，邻近第一单极性电极18的第一双极性电极26、邻近第二单极性电极20的第二双极性电极28、以及设置在第一和第二双极性电极26、28之间的一个中间双极性电极30，达总共三个双极性电极26、28、30。这样，双极性电池10还包括总共四个非液体电解质层24。

非液体电解质层24每个可包括固体、凝胶或聚合物离子传导的含锂电解质材料的颗粒。例如，非液体电解质层24的每个可包括一个或多个固体离子传导的含锂金属氧化物和/或硫化物，其可包括结晶无机氧化物和/或硫化物（例如锂快离子导体型（LISICON）、硫代-锂快离子导体型（thio-LISICON）、石榴石型、钙钛矿型和/或钠快离子导体型（NASICON）锂离子传导电解质）和/或玻璃基无机氧化物和/或硫化物（包括玻璃状和玻璃陶瓷锂离子传导电解质）。固体离子传导的含锂金属氧化物的示例包括：石榴石型锂镧锆氧化物，例如Li

非液体电解质材料颗粒可具有在1纳米至1000纳米（1微米）的范围内的平均粒径。例如，电解质材料颗粒可具有大于或等于1nm且小于或等于750nm、500nm、250nm、100nm、75nm、50nm或25nm的平均粒径。

第一单极性电极18包括涂覆有电化学活性材料层34的第一端子集流体32，并且第二单极性电极20包括涂覆有电化学活性材料层38的第二端子集流体36。在图1中，涂覆在第一端子集流体32上的电化学活性材料层34包括锂离子电池正电极材料，并且涂覆在第二端子集流体36上的电化学活性材料层38包括锂离子电池负电极材料。为了简洁，锂离子电池正电极材料和锂离子电池负电极材料可分别称为正电极材料或阴极材料以及负电极材料或阳极材料。

第一双极性电极26包括第一双极性集流体40，该第一双极性集流体40在相对的第一和第二侧上分别涂覆有第一和第二电化学活性材料层42、44；并且第二双极性电极28包括第二双极性集流体46，该第二双极性集流体46在相对的第一和第二侧上分别涂覆有第一和第二电化学活性材料层48、50。在图1中，在第一双极性集流体40的第一侧上的电化学活性材料层42包括负电极材料，并且在第一双极性集流体40的第二侧上的电化学活性材料层44包括正电极材料。同时，在第二双极性集流体46的第一侧上的电化学活性材料层48包括负电极材料，并且在第二双极性集流体46的第二侧上的电化学活性材料层50包括正电极材料。

在图1中，涂覆在第一端子集流体32上的正电极材料层34与涂覆在第一双极性集流体40的第一侧上的负电极材料层42相对，其中非液体电解质层24中的一个夹在层34、42之间以允许锂离子在层34、42之间传输。层34、24、42一起限定双极性电池10的电化学单电池16。同时，涂覆在第二端子集流体36上的负电极材料层38与涂覆在第二双极性集流体46的第二侧上的正电极材料层50相对，其中非液体电解质层24中的一个夹在层38、50之间以允许锂离子在层38、50之间传输。层38、24、50一起限定双极性电池10的另一电化学单电池16。

设置在第一和第二双极性电极26、28之间的一个或多个中间双极性电极30每个包括双极性集流体52，该双极性集流体52在相对的第一和第二侧上分别涂覆有第一和第二电活性材料层54、56。第一和第二电活性材料层54、56每个包括以下项中的至少一个：（i）正电极材料、（ii）负电极材料或（iii）电容器电极材料。在图1中，在双极性集流体52的第一侧上的第一电活性材料层54包括电容器电极材料，并且在双极性集流体52的第二侧上的第二电活性材料层56包括正电极材料。

在图1中，涂覆在第一双极性集流体40的第二侧上的正电极材料层44与涂覆在双极性集流体52的第一侧上的电容器电极材料层54相对，其中非液体电解质层24中的一个夹在层44、54之间以允许锂离子在层44、54之间传输。层44、24、54一起限定双极性电池10的电化学单电池16。同时，涂覆在双极性集流体52的第二侧上的正电极材料层56与涂覆在第二双极性集流体46的第一侧上的负电极材料层48相对，其中非液体电解质层24中的一个夹在层56、48之间以允许锂离子在层56、48之间传输。层56、24、48一起限定双极性电池10的另一电化学单电池16。

电化学活性材料层34、42、44、48、50每个包括锂离子电池正电极材料的颗粒或锂离子电池负电极材料的颗粒。化学能可存储在双极性电池10的正电极和负电极材料颗粒的块体（bulk）晶体和/或非晶结构中。第一和第二电活性材料层54、56每个包括（i）锂离子电池正电极材料的颗粒、（ii）锂离子电池负电极材料的颗粒和/或（iii）电容器电极材料的颗粒。在双极性电池10中，化学能和/或电能可存储在带正电或带负电的电容器电极材料颗粒的表面上。

在一个形式中，电化学活性材料层34、42、44、48、50的每个可具有在10微米至1000微米的范围内的厚度。另外，电活性材料层54、56的每个可具有在10微米至1000微米范围内的厚度。在一些实施例中，包括电容器电极材料颗粒的任何层54、56的厚度可大于不包括电容器电极材料颗粒的层34、42、44、48、50的厚度。层34、42、44、48、50、54、56中的每个的厚度可选择为使得层34、42、44、48、50、54、56中的每个表现出相同的总电容（F）。

锂离子电池正电极材料颗粒可包括可经由可逆电化学嵌入反应存储（插入）和释放（提取）锂离子的任何材料。这样，正电极材料一般可描述为嵌入主体（host）材料。在来自正电极材料的块体的锂离子的插入和提取期间发生的可逆电化学嵌入反应可包括电化学氧化还原（redox）反应。在放电期间，由于电化学还原反应正电极材料可接受电子（和锂离子）；并且在充电期间，由于电化学氧化反应正电极材料可释放电子（和锂离子）。正电极材料可包括锂基嵌入主体材料，该锂基嵌入主体材料具有比负电极材料的嵌入主体材料更高的电化学嵌入电位。例如，正电极材料的嵌入主体材料可包括由式LiMeO

锂离子电池负电极材料颗粒可包括可经由可逆电化学嵌入反应存储（插入）和释放（提取）锂离子的任何材料。在来自负电极材料的块体的锂离子的插入和提取期间发生的可逆电化学嵌入和脱嵌反应可包括电化学氧化还原（redox）反应。在放电期间，由于电化学氧化反应负电极材料可释放电子（和锂离子）；并且在充电期间，由于电化学还原反应，负电极材料可接受电子（和锂离子）。锂离子电池负电极材料可具有比正电极材料更低的电化学嵌入电位，使得在双极性电池10中在每个电化学单电池16的电化学和/或电活性材料层之间存在电化学电位差。用于负电极材料的嵌入主体材料的一些示例包括石墨、硅、硅基材料（例如，氧化硅和/或锂硅合金）、锡、锡基材料（例如，氧化锡）、钛基材料（例如，氧化钛和/或钛酸锂）和铌基材料（例如，氧化铌）。

正电极和/或负电极材料颗粒可具有在1纳米（nm）至30微米（µm）的范围内的粒径。例如，正电极和/或负电极材料颗粒可具有大于或等于1nm并且小于或等于25µm、15µm、5µm或1µm、的平均粒径。正电极和/或负电极材料颗粒的比表面积可在0.1m

电活性电容器电极材料颗粒可包括碳基双电层电容器（EDLC）材料，其有时称为超级电容器材料或赝电容器材料。EDLC材料通过在电容器电极材料的带正电或带负电的颗粒的表面上的离子的可逆物理吸附和脱附而存储电能，这种现象称为静态双电层电容。带正电的电容器电极颗粒存储和释放带负电的离子（阴离子），并且带负电的电容器电极颗粒存储和释放带正电的离子（阳离子）。赝电容器材料通过在表面电容器电极材料颗粒上的离子的物理吸附和脱附，并且还通过在吸附的离子和电容器电极材料颗粒之间的电荷转移而存储电荷，这种现象被称为赝电容。与锂离子电池正电极和负电极材料相比较，在该锂离子电池正电极和负电极材料中，锂离子嵌入反应以及由此的锂离子存储可遍及材料的整个体积发生，可由电容器电极材料存储的电荷的量（例如，锂离子的量）受电容器电极材料颗粒的表面积限制。因此，锂离子电池正电极或负电极材料的比/体积能量密度（存储电荷的量）通常大于类似量的电容器电极材料的比/体积能量密度。然而，由于在电容器电极材料颗粒上的离子的物理吸附和脱附可比在正电极和负电极材料中的锂离子嵌入反应发生得快得多，电容器电极材料通常表现出相对高的功率密度，并且因此可在短时间内比锂离子电池正电极和负电极材料输送更大量的电荷。

EDLC材料的示例包括活性炭、碳干凝胶、碳气凝胶、碳纳米管、中孔碳、模板碳、碳化物衍生碳、石墨烯、多孔碳球和/或杂原子掺杂碳。赝电容器材料的示例包括贵金属氧化物、贵金属氢氧化物、过渡金属氧化物、过渡金属氢氧化物和/或导电聚合物。贵金属氧化物和氢氧化物的示例包括钌（Ru）、铑（Rh）、铱（Ir）、铂（Pt）、钯（Pd）、锇（Os）、金（Au）和/或铼（Re）的氧化物和/或氢氧化物。过渡金属氧化物和氢氧化物的示例包括锰（Mn）、镍（Ni）、钴（Co）、铅（Pb）、铜（Cu）和/或铁（Fe）的氧化物和/或氢氧化物。金属氧化物和/或氢氧化物的具体示例包括氧化钌（RuO

电容器电极材料颗粒可具有在1纳米至20微米的范围内的平均粒径。例如，电容器电极材料颗粒可具有大于或等于1nm并且小于或等于15µm、5µm或1µm的平均粒径。在一个形式中，电容器电极材料颗粒的比表面积可在50m

在层34、42、44、48、50、54、56中，正电极、负电极和电容器电极材料颗粒可是非液体电解质材料的混合颗粒或掺杂颗粒。在这种情况下，电极材料颗粒可包括层34、42、44、48、50、54、56的大于30%重量百分比，并且电解质材料颗粒可包括层34、42、44、48、50、54、56的小于60％重量百分比。

在一个形式中，正电极、负电极和/或电容器电极材料颗粒还可与聚合物粘结剂混合或掺杂，以为层34、42、44、48、50、54、56提供结构完整性和/或将层34、42、44、48、50、54、56粘合到集流体32、36、40、46、52。聚合物粘结剂的一些示例包括聚偏氟乙烯（PVdF）、三元乙丙橡胶（EPDM）、丁苯橡胶（SBR）、羧甲基纤维素（CMC）、聚丙烯酸、及其混合物。另外，层34、42、44、48、50、54、56可选地可包括导电材料的颗粒，该导电材料的颗粒可包括，例如，高表面积炭黑和/或乙炔黑，的非常细的颗粒。

集流体32、36、40、46、52可包括能够收集自由电子并且使自由电子可逆地往返于其相应的电极层34、42、44、48、50、54、56的金属材料。例如，集流体32、36、40、46、52可包括薄且柔性的金属箔。在一个形式中，集流体32、36、40、46、52可包括铜或铜合金。在另一形式中，集流体32、36、40、46、52可包括铝或铝合金。可使用其他类型的金属箔或金属材料，诸如钛、不锈钢和铜/铝包覆的箔。在一个形式中，集流体32、36、40、46、52中的每个可具有在3微米至25微米范围内的厚度。

在图1中，第一和第二端子集流体32、36经由外部电路74电联接到负载72。在实践中，双极性电池10的电极18、20、22及其介于中间的非液体电解质层24可以堆叠或可以卷的形式组装。

图2-4、6-8和10-12描绘了中间双极性电极的多种实施例，该中间双极性电极可合并到锂离子双极性电池中以产生表现出能量密度（Wh/kg）和功率密度（W/kg）的不同的有用组合的能量存储装置。如在图2中示出的，在一个形式中，设置在一对第一和第二双极性电极26、28之间的中间双极性电极30可包括双极性集流体52，该双极性集流体52具有设置在其第一侧上的电容器材料层54和设置在其第二侧上的正电极材料层56。在另一形式中，如在图3中示出的，锂离子双极性电池10的中间双极性电极130可包括双极性集流体152，该双极性集流体152具有设置在其第一侧上的负电极材料层154和设置在其第二侧上的电容器材料层156。在又另一形式中，如在图4中示出的，锂离子双极性电池10的中间双极性电极230可包括双极性集流体252，该双极性集流体252具有设置在其第一侧上的电容器材料层254和设置在其第二侧上的电容器材料层256。

现参考图6，在一个形式中，锂离子双极性电池10的中间双极性电极330可包括双极性集流体352，该双极性集流体352具有设置在其第一侧上的负电极材料层354和在其第二侧上的覆盖正电极材料层358的电容器材料层356。在另一形式中，如在图7中示出的，锂离子双极性电池10的中间双极性电极430可包括双极性集流体452，该双极性集流体452具有在其第一侧上的覆盖负电极材料层460的电容器材料层454和设置在其第二侧上的正电极材料层456。在又另一形式中，如在图8中示出的，锂离子双极性电池10的中间双极性电极530可包括双极性集流体552，该双极性集流体552具有在其第一侧上的覆盖负电极材料层560的电容器材料层554和在其第二侧上的覆盖正电极材料层558的电容器材料层556。

现参考图10、11和12，中间双极性电极630、730、830中的每个包括上端部662、762、862和相对的下端部664、764、864。在这种情况下，如在图10中示出的，在一个形式中，锂离子双极性电池10的中间双极性电极630可包括双极性集流体652，该双极性集流体652具有设置在其第一侧上的负电极材料层654；以及在其第二侧上，电容器材料层656可涂覆在其上端部762上，并且正电极材料层666可涂覆在其下端部664上。在另一形式中，如在图11中示出的，锂离子双极性电池10的中间双极性电极730可包括双极性集流体752，该双极性集流体752在其第一侧上具有涂覆在其上端部762上的电容器材料层754和在其下端部764上的负电极材料768层；并且在其第二侧上具有正电极材料层756。在又另一形式中，如在图12中示出的，锂离子双极性电池10的中间双极性电极830可包括双极性集流体852，该双极性集流体852在其第一侧上具有涂覆在其上端部862上的电容器材料层854和涂覆在其下端部864上的负电极材料868层；并且在其第二侧上，电容器材料层856可涂覆在其上端部862上，并且正电极材料层866可涂覆在其下端部864上。

中间双极性电极30、130、230、330、430、530、630、730、830中的一个或多个可合并到锂离子双极性电池10中以产生表现出能量密度（Wh/kg）和功率密度（W/kg）的期望的组合的能量存储装置。

现参考图5，在另一形式中，锂离子双极性电池110可包括第一端部112、相对的第二端部114、以及以面对面关系设置在其第一和第二端部112、114之间的多个串联布置的电化学单电池116。在图5中描绘的双极性电池110在许多方面类似于上文关于图1示出和描述的双极性电池10；并且遍及附图的若干视图，在实施例之间类似的附图标记一般指示类似或对应的元件。对在实施例之间共同的主题及其类似或对应元件的描述一般可在此不再重复。

电池110的电化学单电池116由设置在电池110的第一端部112处的第一单极性电极118，设置在电池110的第二端部114处的第二单极性电极120，邻近第一单极性电极118的第一双极性电极12，邻近第二单极性电极120的第二双极性电极128，设置在第一和第二双极性电极126、128之间的两个中间双极性电极230、30，以及设置在邻近的电极118、120、122、126、128、230、30之间的五个介于中间的非液体电解质层124限定。第一和第二单极性电极118、120，第一和第二双极性电极126、128，以及非液体电解质层124可具有与在图1中示出的第一和第二单极性电极18、20，第一和第二双极性电极26、28，以及非液体电解质层24相同的结构和化学组成。在图5中示出的中间双极性电极30、230可具有与在图2和4中分别示出的双极性电极30、230相同的结构和化学组成。

现参考图9，在另一形式中，锂离子双极性电池910可包括第一端部912，相对的第二端部914，以及以面对面关系设置在其第一和第二端部912、914之间的多个串联布置的电化学单电池916。在图9中描绘的双极性电池910在许多方面类似于上文关于图1示出和描述的双极性电池10；并且遍及附图的若干视图，在实施例之间类似的附图标记一般指示类似或对应的元件。对在实施例之间共同的主题及其类似或对应元件的描述一般可在此不再重复。

电池910的电化学单电池916由设置在电池910的第一端部912处的第一单极性电极918，设置在电池910的第二端部914处的第二单极性电极920，邻近第一单极性电极918的第一双极性电极926，邻近第二单极性电极920的第二双极性电极928，设置在第一和第二双极性电极926、928之间的两个中间双极性电极530、430，以及设置在邻近的电极918、920、922、926、928、530、430之间的五个介于中间的非液体电解质层924限定。第一和第二单极性电极918、920，第一和第二双极性电极926、928，以及非液体电解质层924可具有与在图1中示出的第一和第二单极性电极18、20，第一和第二双极性电极26、28，以及非液体电解质层24相同的结构和化学组成。在图9中示出的中间双极性电极430、530可具有与在图7和8中分别示出的双极性电极430、530相同的结构和化学组成。

现参考图13，在另一形式中，锂离子双极性电池1010可包括第一端部1012，相对的第二端部1014，以及以面对面关系设置在其第一和第二端部1012、1014之间的多个串联布置的电化学单电池1016。在图13中描绘的双极性电池1010在许多方面类似于上文关于图1示出和描述的双极性电池10；并且遍及附图的若干视图，在实施例之间类似的附图标记一般指示类似或对应的元件。对在实施例之间共同的主题及其类似或对应元件的描述一般可在此不再重复。

电池1010的电化学单电池1016由设置在电池1010的第一端部1012处的第一单极性电极1018，设置在电池1010的第二端部1014处的第二单极性电极1020，邻近第一单极性电极1018的第一双极性电极1026，邻近第二单极性电极1020的第二双极性电极1028，设置在第一和第二双极性电极1026、108之间的两个中间双极性电极830、730，以及设置在邻近的电极1018、1020、1022、1026、1028、830、730之间的五个介于中间的非液体电解质层1024限定。第一和第二单极性电极1018、1020，第一和第二双极性电极1026、1028，以及非液体电解质层1024可具有与在图1中示出的第一和第二单极性电极18、20，第一和第二双极性电极26、28，以及非液体电解质层24相同的结构和化学组成。在图13中示出的中间双极性电极730、830可具有与在图11和12中分别示出的双极性电极730、830相同的结构和化学组成。

在一些实施例中，在双极性电池10、110、910、1010中的电容器材料颗粒的位置可定制，以解决电池10、110、910、1010的表现出不同操作特性的区域。例如，在一些实施例中，电容器材料颗粒（代替电池电极材料颗粒）可定位，与电池10、110、910、1010的其他区域相比，在电池10、110、910、1010的表现相对高的电流密度的区域中和/或在电池10、110、910、1010的经历相对高的温度的区域中。如在图13中示出的，在实践中，冷却介质1070可邻近中间双极性电极730、830的下端部764、864定位。在这种情况下，期望的可是将电容器材料颗粒邻近上端部762、862定位，因为与中间双极性电极730、830的下端部764、864相比，电池1010的这些区域可经历相对高的温度或“热点”。

以上对优选示例性实施例、方面和具体示例的描述在本质上仅是描述性的；其不旨在限制所附权利要求的范围。除非在说明书中具体且无疑义地另有陈述，在所附权利要求中使用的术语中的每个应赋予其普通且惯常的含义。