CN212161991U - 多轴向电能供应*** - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种多轴向电能供应***，该多轴向电能供应***包含：多个独立且完整的电能供应单元所组成，每个电能供应单元的电解质***相互不流通，相邻电能供应单元间仅有电荷转移而不会进行电化学反应，因而使其相互连接所产生的高电压不会影响单一的电能供应单元而造成其电解质***裂解，并配合集电层直接接触与图案化金属线路层的连接，来同时构成X轴、Y轴与Z轴方向的串联并联混合的组合，有效实际应用于各种场合。

Description

多轴向电能供应***

技术领域

本实用新型是有关于一种电能供应***，特别是一种通过多个电能供应单元，能同时于X轴、Y轴与Z轴等多轴方向进行串联并联混合的组合来增加于 3D轴向利用的电能供应***。

背景技术

年来随着空气污染与地球暖化的加剧，电动车被赋予相当高的期待来取代现有的石化燃料的汽车，以减少排放二氧化碳等气体对于环境的影响。而目前现在电动车的主要瓶颈，仍旧是在于电池模块的部份；一般电池模块通过多个电池芯来进行串联、并联或是串并联混合的方式来组成，使电池模块具有足够的电压以及容量来进行供电。

目前最常见的作法，利用多组电池单元相互并联后，再以壳体予以封装构成电池芯，然后再通过此电池芯延伸出壳体的导电柄来加以外部进行串联连接以达到足够的电压，组成车用的电池模块。另外一种方法则为采用单一壳体包覆多组电池单元，然后于壳体内充填共享的电解液并加以封装，换句话说，其以内部串联的方式来提高电池芯的电压，然后在于外部并联多个电池芯以达到足够的容量以组成车用的电池模块；但是因现有的电解液大多只能承受5V左右的电压，其通过串联多组电池单元来提高电压，再加上内部因结构问题势必会造成电场分布不均匀，一旦电压超过电解液所成承受范围，就会使得电解液裂解连带使得电池模块失效，更严重者可能导致电池***，因此目前市面上并未见到有此类的产品。

不论是上述何种方法，其受限于电池芯与其内部电池单元的结构问题，电池芯内部采用并联方式的话，就得于外部进行串联来提高整体电池模块的电压、而电池芯内部采用串联方式的话，就得于外部进行并联来提高整体电池模块的容量。外部的连接方式不论是采用打线、金属柄或金属棒等连接，会使得阻值上升而降低整体电池模块的效能，连带也使得其可靠度与安全性下降；且也因为需要外部再进行连接，势必会占用部份电池模块的体积，而会使得单位容量密度降低。再者，前述的外部连接方式都相当复杂，也会连带使得整体电池模块的制造成本上升、可靠度下降。

实用新型内容

有鉴于现有技术具有上述缺点，本实用新型提供一种多轴向电能供应***，该多轴向电能供应***包含有:多个电能供应单元，该些电能供应单元间采串并混合式电性连接，且该些电能供应单元呈现三维堆栈排列型态其中每一该电能供应单元包含有：两个集电层；两个活性材料层，设置于该两个集电层之间；一电解质***，其含浸该活性材料层；以及一封装层，设置于该两个集电层的周缘，以黏着两个该集电层，并将该电解质***封装于两个该集电层之间，而不会外漏；其中每一该电能供应单元相互独立且完整供电的模块，该电能供应单元的该电解质***相互不流通，且相邻的该电能供应单元仅具有电荷转移而无进行电化学反应；其中在Z轴上，该电能供应单元与相邻的该电能供应单元以该集电层直接接触来构成电性连接并形成串联或并联；以及一图案化金属线路层，连接于该些电能供应单元来形成X轴与Y轴的并联或串联。

作为优选，该电解质***为胶态、液态、固态电解液或其组合。

作为优选，该电能供应单元还包含有一隔离层，设置于该两个活性材料层间。

作为优选，该图案化金属线路层为一电路板的金属层。

作为优选，该图案化金属线路层还包含有一辅助材。

作为优选，还包含有一外封装体，可以封装该些电能供应单元。作为优选，

作为优选，该外封装体内充填有一冷却液。

本实用新型还提供一种多轴向电能供应***，该能供应***包含有:N₁个电能供应单元，任一该电能供应单元包含有两个集电层与一位于该两个集电层间的电化学***层，在Z轴上，该些电能供应单元的邻接该集电层是直接接触迭置，以形成一Z轴堆栈电能供应群组，其中该N₁为自然数且该N₁≧2；N₂个该Z轴堆栈电能供应群组于X轴并列，其中该N₂为自然数且该N₂≧2；N₃个该Z 轴向堆栈电能供应群组于Y轴并列，其中该N₃为自然数且该N₃≧2；一正极导电输出端，其该电能供应***的正极电流输出端；以及一负极导电输出端，其该电能供应***的负极电流输出端。

作为优选，该些电能供应单元通过相邻的该集电层直接接触堆栈，形成串并混合式电性连接。

作为优选，每一该电能供应单元还包含有一封装层，其本质上夹设于该两个集电层间，以黏着该两个集电层，并将该电化学***层封围于该两个集电层之间，而不会外漏。

作为优选，该正极输出端的中心是位于(X_C,Y_c,Z_c)，该负集输出端的中心是位于(X_a,Y_a,Z_a)，其中该Xc≠Xa或Yc≠Ya或Zc≠Za或上述任两者的组合。

本实用新型的主要目的在于提供一种多轴向电能供应***，可解决上述现有技术的缺失，可利用多个电能供应单元以简单的方式来加以组成，构成同时具有X轴、Y轴、Z轴三方向延伸的电能供应***，而可大幅提高单位容量密度。

再者，本实用新型的另一目的在于提供一种多轴向电能供应***，通过电能供应单元以简单的方式进行三轴向的连接，来依需构成所需的串联、并联或串并联混合的配置，大幅降低制造成本与连接的困难度，提高制程良率并降低电能供应***内部阻值。

以下通过具体实施例详加说明，当更容易了解本实用新型的目的、技术内容、特点及其所达成的功效。

附图说明

图1为本新型之实施例所提供之多轴向电能供应***的电能供应单元之示意图。

图2A-2D为本实用新型的实施例所提供的多轴向电能供应***以电能供应单元于X轴方向连接的实施例示意图。

图3A-3D为本实用新型的实施例所提供的多轴向电能供应***以电能供应单元于Y轴方向连接的实施例示意图。

图4A-4D为本实用新型的实施例所提供的多轴向电能供应***以电能供应单元于Z轴方向连接的实施例示意图。

图5A-5D为本实用新型的实施例所提供的多轴向电能供应***的实施例示意图。

图6为本实用新型的实施例所提供的多轴向电能供应***的另一实施例示意图。

附图标记

10 电能供应单元

11 隔离层

12 活性材料层

13 活性材料层

14 集电层

15 集电层

16 封装层

50 外封装体

60 电能供应***

70 图案化金属线路层

81 正极导电输出端

82 负极导电输出端

具体实施方式

本实用新型所提供的一种多轴向电能供应***，其利用多个电能供应单元所构成，以于X轴、Y轴、Z轴方向进行连接，来构成串联、并联或串并联混合的3D轴向延伸连接。而每一电能供应单元群组的电能供应单元为独立且完整的供电模块，电能供应单元并不共享电解质***，以下先就此电能供应单元的部份配合图式来予以说明。

首先请参阅图1，为本实用新型的实施例所提供的多轴向电能供应***的电能供应单元的示意图。电能供应单元10包含有隔离层11、两个活性材料层 12、13、两个集电层14、15、电解质***与封装层16，隔离层11的材料可选自于高分子材料、陶瓷材料或玻璃纤维材料，其上具有微孔洞可供离子通过，微孔洞可为贯通孔或是蚁孔(非直线贯通的形态)的形态，甚至是直接采用多孔性材料来达成，其中陶瓷材料选自于绝缘材料时，可以是微米级与纳米级的二氧化钛(TiO₂)、三氧化二铝(Al₂O₃)、二氧化矽(SiO₂)等材质或是烷基化的陶瓷颗粒所形成。陶瓷材料也可以选自氧化物固态电解质，例如锂镧锆氧(lithiumlanthanum zirconium oxide；Li7La3Zr2O12；LLZO)或者磷酸钛铝锂(LATP)等。此外，陶瓷材料也可以是上述绝缘陶瓷材料与氧化物固态电解质所混合而成。上述的隔离层11还可以包含高分子黏着剂，例如聚二氟乙烯(Polyvinylidene fluoride；PVDF)、聚偏二氟乙烯－共－三氯乙烯 (PVDF-HFP)、聚四氟乙烯(Polytetrafluoroethene；PTFE)、亚克力酸胶(Acrylic Acid Glue)、环氧树脂(Epoxy)、聚氧化乙烯(PEO)、聚丙烯腈 (PAN)或聚亚硫胺(PI)等。

电解质***含浸于些活性材料层12、13中，其可为液态、胶态、固态电解液、或是其任意组合的混合电解液，活性材料层12、13的活性材料可将化学能转成电能使用(供电)或将电能转换成化学能储存于***之中(充电)，而能同时达成离子的导通与迁移，而所产生的电子则可直接由集电层14、15 向外导出。而集电层14、15的材料常见者为铜以及铝，当然也可是其他镍、锡、银、金等金属或金属合金。

封装层16的材质可为环氧树脂、聚乙烯、聚丙烯、聚氨酯、热塑性聚亚胺、矽氧树脂、亚克力树脂或紫外线硬化胶，其设置于两个集电层14、15的周缘，用以黏着两个集电层14、15并将电解质***封装于两个集电层14、15 之间而不会外漏而与其他电能供应单元10的电解质***相互流通，因此，电能供应单元10是直接采用集电层14、15与封装层16作为封装结构所形成的独立且完整供电的模块。

接续，通过前述的电能供应单元10即可以简单连接方式来于X轴、Y轴、 Z轴等三个方向进行连接，来构成串联、并联或串并联混合的连接的电能供应***60，以下首先针对各轴连接延伸的基础方式来进行说明。

首先请参阅图2A，电能供应单元10可通过图案化金属线路层70来于X轴方向上进行串联，或是利用图案化金属线路层70将相同极性方向连接而构成并联(见图2B)，或是以两组如图2A所示的X轴方向串联的电能供应单元10，再于X轴方向进行并联(见图2C)，或是以两组如图2B所示的X轴方向并联的电能供应单元10，再于X轴方向进行串联(见图2D)，来构成串并联混合的连接方式。换句话说，就此些实施态样内容来说，图案化金属线路层70作为内部电性连接线路，来于电能供应单元10之间形成电性连接；举例来说，作为任两Z轴向堆栈的电能供应群组间的电性连接。

接续请参阅图3A，电能供应单元10可通过图案化金属线路层70来于Y轴方向上进行串联，或是利用图案化金属线路层70将相同极性方向连接而构成并联(见图3B)，或是以两组如图3A所示的Y轴方向串联的电能供应单元10，再于Y轴方向进行并联(见图3C)，或是以两组如图3B所示的Y轴方向并联的电能供应单元10，再于Y轴方向进行串联(见图3D)，来构成串并联混合的连接方式。换句话说，就此些实施态样内容来说，图案化金属线路层70作为内部电性连接线路，来于电能供应单元10之间形成电性连接。

接着请参阅图4A，电能供应单元10可通过直接接触来于Z轴方向上进行串联，或是以相同极性方向正反堆栈的方式连接而构成并联(见图4B)，或是以数组如图4A所示的Z轴方向串联的电能供应单元10，再于Z轴方向以相同极性正反堆栈、配合导线，例如图案化金属线路层70来进行并联(见图4C图)，或是以数组如图4B所示的Z轴方向并联的电能供应单元10，再于Z轴方向进行堆栈进行串联(见图4D)，来构成串并联混合的连接方式。在此些实施例中，可知图案化金属线路层70除了先前所述作为任两Z轴向堆栈的电能供应群组间的内部电性连接线路外，也可作为Z轴向堆栈的多个电能供应单元间的电性连接线路。

上述的集电层14还可选择性凸设有极耳，以便电性上的连接，连接方式举例来说极耳弯折后的接触或焊接，或者是导电连接。电性上的连接型式为本领域技术人员所易于思及，且本实用新型的重点在于XYZ轴向的电能供应单元10堆栈型态，因此电性连接型式并非重点，于此不再进行赘述。

因此，概略来说，因电能供应单元10最外侧即为集电层14、15，因此可通过集电层14、15相互直接接触，来于Z轴方向构成串联或是并联；而X轴、 Y轴方向的延伸，则可通过图案化金属线路层70进行连接。图案化金属线路层70可为单一金属层、或是为单面(单侧)电路板、双面电路板等；当其为双面电路板时，非用以串连或/与并连连接电能供应单元10的另一面线路层可供作为延伸的线路布局应用，譬如为整体电能供应***60的监控、管理电路、或是应用或连接的电子组件、装置的控制、监控电路等。而当图案化金属线路层70为单一金属层时，则可还具有辅助材，除了能提供其结构强度上的支撑外，如配合特殊材质，譬如为高散热材质，更可增进整体电能供应***60 的散热效益。

接续，通过前述任一态样中，电能供应单元10于XYZ轴向任一轴向以串联、并联、或是串并联混合所构成的组合视为一电能供应单元群组来进行描述说明。请参阅图5A，电能供应***60利用如前述图2B所绘示于X轴方向并联的态样为一基础的电能供应单元群组，在Y轴方向上进行多个电能供应单元群组的重复排列设置，举例来说在图5A是以三个电能供应单元群组排列设置，再予以延伸利用图案化金属线路层70于Y轴方向进行并联；或是以多组如图5A中的态样的电能供应***60再予以于X轴方向延伸出串联，如图5B所示。

请参阅图5C，电能供应***60利用数组如前述图4B所绘示于Z轴方向并联的态样，在Y轴方向上进行多个电能供应单元群组的重复排列设置，再予以延伸利用图案化金属线路层70于X轴与Y轴方向分别进行并联。或是以多组如前述图4A所形成的电能供应单元群组于Z轴方向串联形成多个重复堆栈排列设置的态样，做为另一标准单位，在X与Y轴方向上进行多个标准单位的重复排列设置，再利用图案化金属线路层70于于X轴与Y轴方向分别进行串联，如图5D所示。因此，由上述的此些实施例可知，在本说明书内所宣称的图案化金属线路层70是泛指该些电能供应单元或者电能供应群组在电性传输上所需的电性连接线路，此部分对本领域技术人员说乃是一现有技术，且本案的主轴在于多轴向的电能供应单元排列，因此对电性连接线路部分于本说明书内不过多赘述，以避免混淆技术主轴。基于上述，也就是说图案化金属线路层70在本说明书内可代表电能供应单元10之间形成电性连接的内部电性连接线路，或者是用来于电能供应单元群组之间的内部电性连接线路。此外，为了使电能供应***60的电力导引向外输出，电能供应***60的正极电流输出端设置有一正极导电输出端(terminal)81，负集电流出输出端设置有一负极导电输出端82。当正极输出端81的中心是位于(X_C,Y_c,Z_c)，而负集输出端的82中心是位于(X_a,Y_a,Z_a)时，X_c≠X_a或Y_c≠Y_a或Z_c≠Z_a或上述任两者的组合，这也就是说本案的正极导电输出端81与负极导电输出端82可以随着设计上的需求位在同一侧或者是不同侧。

上述的正极导电输出端81与负极导电输出端82可以如的图5D所示直接与各对应的电能供应单元的集电层连接，或者是分别与对应的图案化金属线路层70连接，或者是由集电层或者图案化金属线路层70延伸所形成。

当然，前述如图5A-5D的态样仅为依据图中所绘示来加以说明，并非用以限定本实用新型的电能供应***60仅能采用此种方式来连接，任何以前述方式进行X轴、Y轴、Z轴等方向进行连接延伸，来构成串联、并联或串并联混合的连接皆应不脱离本案精神。

接着请参阅图6，电能供应***60外可利用外封装体50来予以包覆封装，外封装体50可为高分子膜以防止短路、或是外封装体50的材料也可选自于常见的铝箔、金属罐等方式亦可；同时外封装体50内部也可充填有冷却液来提供较佳的散热效果，同时，如图中所绘示，X轴与Y轴之间的间隙则可作为冷却散热通道；除了前述充填冷却液的方式外，考虑串联、并联较多电能供应单元10于运作时也会产生较多的热，也可于其间隙之间设置有冷却管道、或是冷却***等，来使其运作所产生的热能顺利排出，使电能供应***60维持正常运作。再者，就此图中，外封装体50概略为长方体，但根据实际应用状况，譬如应用于电动车时，可根据电动车安装电池的空间来予以调整，配合内部电能供应单元10来予以灵活调整，使得整体空间接能加以运用作为电池存放的空间，提供整体电能供应***60的电容量。

基于上述的实施例架构可知当使用N₁×N₂×N₃个电能供应单元时，本案的电能供应***可以采在Z轴上有N1个电能供应单元，该些电能供应单元的邻接集电层是直接接触迭置，以形成一Z轴堆栈电能供应群组，N2个该Z轴堆栈电能供应群组于X轴并列，N₃个该Z轴向堆栈电能供应群组于Y轴并列，其中该N₁、N₂、N₃为自然数且该N₁≧2，N₂≧2，N₃≧2。在此架构下，一金属针状物由外部对水平复合式电能供应结构产生穿刺时，刺穿点将不会是N₁×N₂×N₃个垂直堆栈的电化学***单元，而是较少量的堆栈，因此可有效降低高数量串联堆栈的电化学***单元在穿刺时所引起的危险。

综合上述，本实用新型所提供的多轴向电能供应***，利用由独立且完整的电能供应单元所构成；因此不仅结构简单、易于制造量产，同时也兼具高电压与高容量的特性，连带可靠度、单位容量密度与安全性都有显着提升。

再者，因为电能供应单元是个别且完整的独立发电模块，因此相互接合构成电能供应单元群组时，相邻的电能供应单元仅有电荷转移而不会发生电化学反应，使得其内部的电解质***不会受到高电压的影响而有裂解的可能，因而能有效提升其安全性。另一方面，电能供应单元群组相互的接合是通过电能供应单元的集电层的接触，因此整体阻值相当低，使得充电、放电速度能够大幅提高，同时发热的现象大幅降低，故冷却机制的设计可予以简化、整体***的管控上也较为便利。

Claims (11)

1.一种多轴向电能供应***，其特征在于，该多轴向电能供应***包含有:

多个电能供应单元，该些电能供应单元间采串并混合式电性连接，且该些电能供应单元呈现三维堆栈排列型态其中每一该电能供应单元包含有：

两个集电层；

两个活性材料层，设置于该两个集电层之间；

一电解质***，其含浸该活性材料层；以及

一封装层，设置于该两个集电层的周缘，以黏着两个该集电层，并将该电解质***封装于两个该集电层之间，而不会外漏；

其中每一该电能供应单元相互独立且完整供电的模块，该电能供应单元的该电解质***相互不流通，且相邻的该电能供应单元仅具有电荷转移而无进行电化学反应；

其中在Z轴上，该电能供应单元与相邻的该电能供应单元以该集电层直接接触来构成电性连接并形成串联或并联；以及

一图案化金属线路层，连接于该些电能供应单元来形成X轴与Y轴的并联或串联。

2.根据权利要求1所述的多轴向电能供应***，其特征在于，该电解质***为胶态、液态、固态电解液或其组合。

3.根据权利要求1所述的多轴向电能供应***，其特征在于，该电能供应单元还包含有一隔离层，设置于该两个活性材料层间。

4.根据权利要求1所述的多轴向电能供应***，其特征在于，该图案化金属线路层为一电路板的金属层。

5.根据权利要求1所述的多轴向电能供应***，其特征在于，该图案化金属线路层还包含有一辅助材。

6.根据权利要求1所述的多轴向电能供应***，其特征在于，还包含有一外封装体，可以封装该些电能供应单元。

7.根据权利要求6所述的多轴向电能供应***，其特征在于，该外封装体内充填有一冷却液。

8.一电能供应***，其特征在于，该电能供应***包含有:

N₁个电能供应单元，任一该电能供应单元包含有两个集电层与一位于该两个集电层间的电化学***层，在Z轴上，该些电能供应单元的邻接该集电层是直接接触迭置，以形成一Z轴堆栈电能供应群组，其中该N₁为自然数且该N₁≧2；

N₂个该Z轴堆栈电能供应群组于X轴并列，其中该N₂为自然数且该N₂≧2；

N₃个该Z轴向堆栈电能供应群组于Y轴并列，其中该N₃为自然数且该N₃≧2；

一正极导电输出端，其该电能供应***的正极电流输出端；以及

一负极导电输出端，其该电能供应***的负极电流输出端。

9.根据权利要求8所述的电能供应***，其特征在于，该些电能供应单元通过相邻的该集电层直接接触堆栈，形成串并混合式电性连接。

10.根据权利要求8所述的电能供应***，其特征在于，每一该电能供应单元还包含有一封装层，其本质上夹设于该两个集电层间，以黏着该两个集电层，并将该电化学***层封围于该两个集电层之间，而不会外漏。

11.根据权利要求8所述的电能供应***，其特征在于，该正极输出端的中心是位于(X_C,Y_c,Z_c)，该负集输出端的中心是位于(X_a,Y_a,Z_a)，其中该Xc≠Xa或Yc≠Ya或Zc≠Za或上述任两者的组合。

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