單袋電池單元以及制造方法與流程
相關(guān)申請的交叉引用
本申請要求于2015年6月18日提交的標(biāo)題為“singlepouchbatterycellsandmethodsofmanufacture”的序列號為no.62/181,385的美國臨時專利申請的優(yōu)先權(quán)和權(quán)益，該美國臨時專利申請的公開內(nèi)容特此通過引用全部并入。
背景技術(shù)：
本文所述的實(shí)施例一般而言涉及電池單元的制備，并且更具體而言涉及制備和使用電池模塊中的單袋電池單元的系統(tǒng)和方法。
鋰離子電化學(xué)(電池)單元通常包括通過分隔件被隔開的交替的陽極和陰極層。由一個分隔件隔開的一個陽極和一個陰極的組合可以被稱為一個堆疊。多個堆疊通常并聯(lián)連接并且被插入袋中以形成電池單元。電池單元(以及相應(yīng)的袋)內(nèi)的堆疊的數(shù)量通常相對大(例如>20)，以便增加容量。袋還包括通常在仔細(xì)控制的環(huán)境中引入的電解質(zhì)(例如，有機(jī)溶劑和溶解的鋰鹽)，以提供用于鋰離子運(yùn)輸?shù)慕橘|(zhì)。袋內(nèi)的電解質(zhì)的量可以與袋內(nèi)的堆疊的數(shù)量成正比，即，越多堆疊越多電解質(zhì)。
在制造中，可以通過堆疊交替的電極層(對于高比率容量的棱柱形單元是典型的)或通過將長條電極纏繞成“凝膠卷(jellyroll)”構(gòu)造(對于圓柱形單元是典型的)來構(gòu)造電池單元。電極堆疊或卷可以被插入用墊圈密封的硬殼中(大多數(shù)商業(yè)的圓柱形單元)、可以被插入激光焊接的硬殼中，或者可以利用熱密封接縫被封在箔袋中(通常被稱為鋰離子聚合物單元)。
鋰離子電池單元的一個有前途的應(yīng)用是在汽車電池組中，汽車電池組通常包括大量的電池單元，有時幾百個，甚至數(shù)千個，以滿足期望的功率和容量需求。每個電池單元還可以包含多個堆疊(即，陽極、陰極和分隔件)以及電極引線(即，接線片)。若干單元通常通過電池接線片和匯流條(busbar)(即，互連單元)接合在一起，以形成模塊。典型的電池組可以包括數(shù)十個這樣的模塊。作為結(jié)果，通常需要相當(dāng)大量的接合(諸如焊接)以在電池組中輸送期望的量的功率和容量。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本文所述的裝置、系統(tǒng)和方法涉及單袋電池單元的制造和使用。在一些實(shí)施例中，電化學(xué)單元包括：第一集流器，耦合到袋的第一部分，第一集流器具有部署在其上的第一電極材料；第二集流器，耦合到袋的第二部分，第二集流器具有部署在其上的第二電極材料；以及分隔件，部署在第一電極材料和第二電極材料之間。袋的第一部分耦合到袋的第二部分，以封住電化學(xué)單元。
附圖說明
圖1a是根據(jù)實(shí)施例的電池單元的示意圖。
圖1b是根據(jù)一些實(shí)施例的另一種類型的電池單元的示意圖。
圖1c是圖1b中所示的電池單元的俯視圖。
圖1d是根據(jù)一些實(shí)施例的另一個電池單元的俯視圖。
圖1e是根據(jù)一些實(shí)施例的使用自熔融概念生產(chǎn)的一種類型的電池單元的示意圖。
圖1f是圖1e中所示的電池單元的邊緣的照片。
圖2是根據(jù)一些實(shí)施例的包括多個單袋電池單元的電池模塊的示意圖。
圖3是根據(jù)一些實(shí)施例的包括多個圖2中所示的電池模塊的電池組的示意圖。
圖4a是根據(jù)一些實(shí)施例的單袋電池單元中的每個部件的相對尺寸的示意圖。
圖4b示出了圖4a中所示的單袋電池單元的拐角的放大視圖。
圖5是根據(jù)一些實(shí)施例的包括封在金屬殼中的單袋電池單元的電池模塊的示意圖。
圖6a是根據(jù)一些實(shí)施例的包括封在金屬殼中的單袋電池單元的電池模塊(在其蓋子打開的情況下)的側(cè)視圖。
圖6b是蓋子關(guān)閉后的圖6a中所示的電池模塊的另一個側(cè)視圖。
圖7a是根據(jù)一些實(shí)施例的包括封在塑料框架中的多個單袋電池單元的電池模塊的俯視圖。
圖7b是圖7a中所示的電池模塊的側(cè)視圖，示出了頂蓋和底蓋。
圖8a示出了根據(jù)一些實(shí)施例的在包括多個單袋電池單元的電池模塊中采用的接線片設(shè)計(jì)。
圖8b示出了接線片設(shè)計(jì)的間隔件，包括圖8a中所示的電池模塊中的接線片連接區(qū)域。
圖8c示出了圖8a中所示的電池模塊的連接件部分。
圖9是根據(jù)一些實(shí)施例的用于制造單袋電池單元和模塊的方法流程圖。
圖10a示出了根據(jù)一些實(shí)施例的包括部署在袋膜上的多個陽極的陽極組件的布局。
圖10b示出了圖10a中所示的陽極組件的截面視圖。
圖11a示出了根據(jù)一些實(shí)施例的包括部署在袋膜上的多個陰極的陰極組件的布局。
圖11b示出了圖11a中所示的陰極組件的截面視圖。
圖12示出了根據(jù)一些實(shí)施例的包括陰極組件和陽極組件的電極組件布局的俯視圖。
圖13a示出了根據(jù)一些實(shí)施例的包括多個單位單元的單位單元組件的布局。
圖13b示出了圖13a中所示的單位單元組件的截面視圖。
圖14例示了根據(jù)一些實(shí)施例的制備在各個袋中的單位單元的方法。
圖15a-15b例示了根據(jù)一些實(shí)施例的制備單位單元堆疊的方法。
圖16a-16b示出了通過圖15a-15b中所例示的方法制備的單位單元堆疊的俯視圖和截面視圖。
圖17a-17b示出了根據(jù)一些實(shí)施例的、具有用于在制造單袋電池單元期間脫氣、重新密封和去除的額外部分的袋單元。
圖18示出了根據(jù)一些實(shí)施例的用于單袋電池單元的示例性接線片構(gòu)造。
圖19a-19b示出了根據(jù)一些實(shí)施例的用于制備單袋電池單元的示例性制造方法。
圖19c-19d示出了根據(jù)一些實(shí)施例的用于制備圓柱形構(gòu)造的電池單元的示例性制造方法。
圖19e-19g示出了根據(jù)一些實(shí)施例的用于制備棱柱形構(gòu)造的電池單元的示例性制造方法。
圖20是根據(jù)一些實(shí)施例的單袋電池單元的例示。
圖21示出了使用上述方法制造的電池單元的容量保留曲線。
圖22是根據(jù)一些實(shí)施例的包括單袋電池單元的陣列的電池模塊的示意圖。
圖23a-23b是根據(jù)一些實(shí)施例的包括封在金屬殼中的多個單袋電池模塊的電池模塊的分解視圖和折疊視圖。
圖24a-24b是根據(jù)一些實(shí)施例的包括封在塑料殼中的多個單袋電池模塊的電池模塊的分解視圖和折疊視圖。
圖25示出了根據(jù)一些實(shí)施例的包括電池模塊的二維陣列的電池組。
圖26示出了根據(jù)一些實(shí)施例的包括電池模塊的一維陣列的電池組。
圖27a-27c示出了例示根據(jù)一些實(shí)施例的電池模塊的堆疊和互鎖特征的電池組的示意圖。
圖28a-28b是根據(jù)一些實(shí)施例的包括部署在支架構(gòu)造中的多個單袋電池模塊的電池支架的折疊視圖和分解視圖。
具體實(shí)施方式
本文所述的實(shí)施例一般而言涉及單袋電池單元，并且具體涉及制造和使用電池模塊或電池組中的單袋電池單元的系統(tǒng)和方法。在一些實(shí)施例中，單袋電池單元包括陽極、陰極、部署在陽極和陰極之間的分隔件，以及用于包含陽極、陰極和分隔件的袋，以便形成單袋電池單元。在一些實(shí)施例中，陽極和/或陰極包括半固體電極材料。
對于給定的電池單元，減少電池單元中的非電化學(xué)活性材料的量能夠提供能量密度的增加。集流器的厚度通常是為了便于處理和/或提供對電極的機(jī)械支撐而選擇的，而不是為了電流密度考慮。換句話說，集流器一般比它們需要以容納由電池中的電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的高電流密度的厚度更厚，但是更薄的集流器(即，針對電流密度進(jìn)行優(yōu)化的集流器)會非常脆弱并且會容易地在制造處理期間撕裂。例如，目前在一些常規(guī)電池中使用的20μm厚的集流器能夠容易地處理常規(guī)電池中產(chǎn)生的電流量，其中僅需要幾μm的集流器來使電子穿梭(shuttle)。
如本文所述，單袋單元可以使得能夠使用較薄的集流器，同時改進(jìn)電池單元體系架構(gòu)的其它方面。例如，集流器能夠耦合到袋，并且袋能夠提供集流器的物理支撐并改進(jìn)處理，因此能夠?qū)⑴c袋的使用結(jié)合的較薄的集流器用于導(dǎo)電。這種做法的一些附加的益處包括但不限于：(i)減輕或消除從一個電池單元到(一個或多個)相鄰電池單元的缺陷傳播，(ii)減少由常規(guī)電池中大量易燃電解質(zhì)引起的火災(zāi)危險或其它熱危害；(iii)減少或消除金屬污染，該金屬污染會在常規(guī)電池制造中的焊接處理期間被引入電極材料中并且會造成電池的內(nèi)部短路從而損害電池性能，(iv)當(dāng)將多個單袋電池單元堆疊到電池模塊或電池組中時，更容易處理各個袋，(v)在制造多袋或多堆疊電池時，便于篩選和排除個別的袋，由此增加制造產(chǎn)量(通過容量、厚度、阻抗、重量等)；(vi)提供用于在電池或電極制造期間支撐半固體電極材料的手段，由此實(shí)現(xiàn)電極材料的均勻分布(例如，均勻的厚度)并且避免電池材料從電池單元中溢出；以及(vii)減少或消除在焊接處理中的濕電極的火災(zāi)危險，在焊接處理中焊接火花會潛在地點(diǎn)燃通常易燃的電解質(zhì)。單袋電池單元的做法能夠減少或消除這種火災(zāi)危險，因?yàn)樗泻附犹幚矶寄軌蛟诿總€單個的電池單元被包含在袋中之后進(jìn)行，由此防止焊接火花到達(dá)電解質(zhì)并且點(diǎn)燃電解質(zhì)。如本文所使用的，術(shù)語“半固體”是指液相和固相的混合物的材料，例如，諸如顆粒懸浮液、膠體懸浮液、乳液、凝膠或膠束。
如本文所使用的，術(shù)語“單袋電池單元”是指包括通常包含一個單位單元組件的袋的電池單元(在本文中也稱為“電化學(xué)單元”)，該電池單元還包括一個陽極、一個陰極以及一個分隔件。在一些情況下，如說明書中明確陳述的，單袋電池單元可以包含兩個單位單元組件。
如本說明書中所使用的，術(shù)語“大約”和“近似”一般包括所述值的加或減10％。例如，大約5將包括4.5至5.5，近似10將包括9至11，以及大約100將包括90至110。
典型的電池制造涉及串聯(lián)執(zhí)行的許多復(fù)雜且昂貴的處理，其中每個處理都會經(jīng)受產(chǎn)量損失、招致裝備的資本成本，并且包括用于能量消耗和可消耗材料的運(yùn)營費(fèi)用。該處理首先涉及制備分離的陽極混合物和陰極混合物(也稱為“漿料”)，陽極混合物和陰極混合物通常是電化學(xué)活性離子存儲化合物、導(dǎo)電添加劑和聚合物粘合劑(binder)的混合物。然后將混合物涂覆到柔性金屬箔的表面上，以形成電極(陽極和陰極)。形成的電極還通常在高壓下被壓縮，以增加密度并控制厚度。然后，這些經(jīng)壓縮的電極/箔復(fù)合材料被切成適于所制造的電池的特定形式要素的尺寸和/或形狀。
一個陽極、一個陰極和一個分隔件可以堆疊在一起，以形成單位單元組件。每個單位單元組件通常還包括將電極耦合到外部電路的導(dǎo)電接線片(也稱為引線)。然后，多個單位單元組件被堆疊或排列在一起，以形成電池單元。電池單元中的單位單元組件的數(shù)量可以依賴于例如所得的電池單元的期望容量和/或厚度而變化。這些堆疊的單位單元組件電氣地并聯(lián)，并且每個單位單元組件中的相應(yīng)接線片通常經(jīng)由焊接處理(諸如電阻焊接、激光焊接以及超聲焊接、縫焊、電子束焊接等)焊接在一起。然后可以執(zhí)行真空袋密封步驟，以形成電池單元。在真空袋密封期間，通常將電解質(zhì)注入到堆疊的單位單元組件中并且將單位單元組件和電解質(zhì)密封到袋中。
然后對密封的電池單元進(jìn)行形成處理，其中可以執(zhí)行初始充電操作，以產(chǎn)生可以鈍化電極-電解質(zhì)界面并防止副反應(yīng)的穩(wěn)定的固體電解質(zhì)界面(interphase)(sei)。而且，通常還執(zhí)行電池充電和放電的若干循環(huán)，以確保電池的容量滿足要求的規(guī)格。通常執(zhí)行脫氣步驟，以釋放在稱為預(yù)充電步驟的初始充電階段期間或者在電池形成步驟中的電化學(xué)反應(yīng)期間引入的氣體。電極中夾帶氣體的存在通常會降低電極的導(dǎo)電性和密度，并且限制能夠放置在電池單元中的活性電化學(xué)材料的量并且可以造成會削弱電池性能(即，降低循環(huán)壽命)以及整體安全性能的鋰枝狀晶體(dendrite)的生長。在夾帶氣體被釋放之后，可以采取重新密封步驟來再次密封電池單元。
上述制造處理和所得的電池可能遭受若干問題。第一個問題可以是在制造期間或者在電池操作期間的缺陷傳播。更具體而言，在制造期間，如果一個單位單元組件存在問題，那么通常包括多個單位單元組件的整個單元會變得有缺陷。因此，一個單位單元組件的缺陷會傳播并導(dǎo)致同一電池單元內(nèi)的多個單位單元組件的拒絕，由此影響制造產(chǎn)量。此外，在電池操作期間，缺陷也會從一個單位單元組件傳播到相鄰的(一個或多個)單位單元組件。例如，電池的典型缺陷是熱失控，其中增加的溫度引起更活躍的電化學(xué)反應(yīng)，這會進(jìn)一步增加溫度，由此導(dǎo)致正反饋回路并可能導(dǎo)致破壞性循環(huán)。如果電池單元中的一個單位單元組件經(jīng)歷熱失控反應(yīng)，那么有可能通過各種傳熱機(jī)制(諸如直接的殼到殼接觸、熱排放氣體的沖擊或燃燒排放氣體的沖擊)造成相鄰單位單元組件中的熱失控。連鎖反應(yīng)會發(fā)生，其中在每個單元都正在被消耗的情況下，電池組可以在幾秒鐘中或在若干小時內(nèi)被破壞。
常規(guī)電池制造中的第二個問題可以是由每個電池單元內(nèi)的大量電解質(zhì)引入的火災(zāi)危險。在鋰離子電池中典型地為氫基電解質(zhì)的電解質(zhì)通常是易燃的。鋰離子單元中的烴基電解質(zhì)意味著在起火條件下這些單元會以與含有基于水的電解質(zhì)的鉛酸、nimh或nicd單元相比不同的方式表現(xiàn)。更具體而言，鋰離子單元的泄漏或排放會釋放易燃蒸汽。如果火沖擊在具有基于水的電解質(zhì)的單元上，那么單元中的水可以吸收熱量，由此減少火的總的熱釋放并減輕危害。相比之下，火沖擊在鋰離子單元上將造成易燃電解質(zhì)的釋放，由此增加火的總的熱釋放并加劇火災(zāi)危險。電池單元中電解質(zhì)的量一般與同一電池單元中的電極材料的量成比例。包括多個單位單元組件(即，多個陽極和陰極的堆疊)的常規(guī)電池單元通常包括相應(yīng)的大量電解質(zhì)。因此，每個電池單元中的大量電解質(zhì)會造成火災(zāi)危險的增加。
常規(guī)電池制造中的第三個問題可以是焊接處理期間引入的金屬污染。由于焊接通常在包括電極的多個堆疊的整個電池單元被密封到袋中之前執(zhí)行，因此電極暴露于從焊接部分濺出的金屬顆粒。如果金屬顆粒附著在焊接部分附近，那么可能發(fā)生電氣短路。此外，在焊接期間金屬顆?？赡芊稚⒌诫姌O材料中并引起內(nèi)部短路。在單元內(nèi)的被污染的相同金屬可能產(chǎn)生將產(chǎn)生短路的金屬枝狀晶體。例如，在焊接到陰極區(qū)域期間的銅污染可以在電池循環(huán)期間被電化學(xué)沉積到陽極側(cè)上，這會產(chǎn)生內(nèi)部短路，因?yàn)殂~在大部分陰極材料電壓下不穩(wěn)定。由于銅枝狀晶體較高的熔融溫度，銅枝狀晶體比鋰枝狀晶體更堅(jiān)固。
單袋電池單元和電池模塊
圖1a示出了能夠至少部分解決常規(guī)電池制造中的上述問題的電池單元的示意圖。電池單元100包括陽極110(陽極110包括部署在陽極集流器150(本文中也稱為“acc150”)上的陽極材料111)、陰極120(陰極120包括部署在陰極集流器160(本文中也稱為“ccc160”)上的陰極材料121)以及部署在陽極110和陰極120之間的分隔件130。陽極110、陰極120和分隔件130的組件基本上包含在袋140中，袋140能夠?qū)㈦姵貑卧?00與電池模塊或電池組中的(一個或多個)相鄰單元隔開，由此通過將非預(yù)期的電化學(xué)反應(yīng)限制在各個單元內(nèi)來減輕缺陷傳播(例如，火災(zāi)危險)?？蛇x地，acc150和ccc160能夠在組裝陽極110、陰極120或電池單元100之前部署在袋140的內(nèi)部。袋的使用還能夠減少或消除在電池模塊/電池組構(gòu)造中的焊接處理期間電極中的金屬污染，因?yàn)殡姌O(即，陽極110和陰極120)受袋140的保護(hù)，而免受可能潛在地使電池單元短路的金屬顆粒或任何其它物質(zhì)的影響?？蛇x地，在一些實(shí)施例中，acc150和ccc160中的至少一個可以包括充當(dāng)連接到一個或多個外部電路的電引線(或連接點(diǎn))的接線片或接線片連接(未示出)。
在一些實(shí)施例中，acc150和ccc160(在本文中統(tǒng)稱為“集流器”)可以包括采用基板、片或箔、或者任何其它形式要素的形式的導(dǎo)電材料。在一些實(shí)施例中，集流器可以包括金屬(諸如鋁、銅、鋰、鎳、不銹鋼、鉭、鈦、鎢、釩，或其混合物、組合或合金)。在其它實(shí)施例中，集流器可以包括非金屬材料，例如碳、碳納米管或金屬氧化物(例如，tin、tib2、mosi2、n-batio3、ti2o3、reo3、ruo2、iro2等)。在一些實(shí)施例中，集流器可以包括部署在任何上述金屬和非金屬材料上的導(dǎo)電涂層。在一些實(shí)施例中，導(dǎo)電涂層可以包括碳基材料、導(dǎo)電金屬和/或非金屬材料，包括復(fù)合材料或?qū)訝畈牧稀?/p>
在一些實(shí)施例中，集流器包括具有一個或多個表面涂層的基底基板，以便改進(jìn)集流器的機(jī)械特性、熱特性、化學(xué)特性或電氣特性。在一個示例中，集流器上的(一個或多個)涂層可以被配置為減少腐蝕并且更改粘合特點(diǎn)(例如，分別為親水或疏水涂層)。在另一個示例中，集流器上的(一個或多個)涂層可以包括高導(dǎo)電性的材料，以改進(jìn)基底基板的全部的電荷運(yùn)輸。在又一個示例中，涂層可以包括具有高導(dǎo)熱性的材料，以促進(jìn)基底基板的散熱并保護(hù)電池免于過熱。在又一個示例中，涂層可以包括耐熱或阻燃材料，以防止電池發(fā)生火災(zāi)危險。在又一個示例中，涂層可以被配置為是粗糙的，以便增加表面積和/或與電極材料(例如，陽極材料111和陰極材料121)的粘合。在又一個示例中，涂層可以包括具有與電極材料的良好粘合或膠合特性的材料。
在一些實(shí)施例中，集流器包括具有粗糙化的表面的導(dǎo)電基板、片或箔，以便改進(jìn)電極材料和集流器之間的機(jī)械接觸、電接觸和熱接觸。集流器的粗糙化的表面可以增加電極材料和集流器之間的物理接觸面積，由此增加電極材料到集流器的粘合性。增加的物理接觸面積還可以改進(jìn)集流器和電極材料之間的電接觸和熱接觸(例如，降低的電阻和熱阻)。
在一些實(shí)施例中，集流器包括多孔集流器，諸如絲網(wǎng)(wiremesh)。絲網(wǎng)(本文中也稱為網(wǎng))可以包括任何數(shù)量的絲線(filamentwire)，絲線可以使用合適的處理被組裝成各種構(gòu)造，諸如通過編織、紡織、針織等產(chǎn)生的規(guī)則圖案或結(jié)構(gòu)，或者通過隨機(jī)分配線并通過焊接、粘合劑或其它合適的技術(shù)接合它們而產(chǎn)生的更隨機(jī)的圖案或結(jié)構(gòu)。而且，包括網(wǎng)的絲可以是任何合適的材料。例如，在一些實(shí)施例中，絲是金屬的，諸如鋼、鋁、銅、鈦或任何其它合適的金屬。在其它實(shí)施例中，絲可以是導(dǎo)電非金屬材料，諸如，例如碳納米纖維或任何其它合適的材料。在一些實(shí)施例中，絲可以包括涂層。例如，涂層可以被配置為減少腐蝕并且增強(qiáng)或降低粘合特點(diǎn)(例如，分別為親水或疏水涂層)。多孔集流器的示例在標(biāo)題為“semi-solidelectrodecellhavingaporouscurrentcollectorandmethodsofmanufacture”的美國專利公開no.u.s.2013/0065122和標(biāo)題為“semi-solidelectrodeswithporouscurrentcollectorsandmethodsofmanufacture”的美國專利申請no.u.s.15/097838中描述，這兩個美國專利申請的全部公開內(nèi)容特此通過引用并入本文。
在一些實(shí)施例中，可以經(jīng)由以下任何涂覆或沉積技術(shù)中的任何來生產(chǎn)集流器，包括但不限于化學(xué)氣相沉積(cvd)(包括初始cvd、熱絲cvd、等離子體增強(qiáng)cvd和其它形式的cvd)、物理氣相沉積、濺射沉積、磁控濺射、射頻濺射、原子層沉積、脈沖激光沉積、鍍敷、電鍍、浸涂、刷涂、噴涂、溶膠-凝膠化學(xué)(通過浸涂、刷涂或噴涂)、靜電噴涂、3d印刷、旋涂、電沉積、粉末涂覆、燒結(jié)、自組裝方法及其技術(shù)的任意組合。
在一些實(shí)施例中，通過改變沉積參數(shù)，在沉積期間可以優(yōu)化所沉積或涂覆的集流器的特性?？梢越?jīng)由沉積參數(shù)的微調(diào)來優(yōu)化物理特性(諸如例如涂層紋理、涂層厚度、厚度均勻性、表面形態(tài)(包括表面粗糙度)、孔隙率和一般機(jī)械特性(包括斷裂韌性、延展性和拉伸強(qiáng)度)。類似地，可以通過改變沉積參數(shù)來優(yōu)化化學(xué)特性(諸如例如對電解質(zhì)和鹽的耐化學(xué)性和耐腐蝕性以及其它化學(xué)特性(包括具體的反應(yīng)性、粘合性、親和性等))，以產(chǎn)生功能性集流器。在一些實(shí)施例中，在沉積后通過后續(xù)的表面或溫度處理(諸如退火或快速熱(快速)退火或機(jī)電拋光以及使用其技術(shù)的任意組合)可以進(jìn)一步改進(jìn)或修改沉積或涂覆的集流器的各種物理和化學(xué)特性。
在一些實(shí)施例中，陽極集流器150可以具有在大約1μm至大約20μm范圍內(nèi)的厚度。在一些實(shí)施例中，acc150可以具有在大約1μm至大約18μm范圍內(nèi)的厚度。在一些實(shí)施例中，acc150可以具有在大約1μm至大約17μm的范圍內(nèi)的厚度。在一些實(shí)施例中，acc150可以具有在大約1μm至大約16μm的范圍內(nèi)的厚度。在一些實(shí)施例中，acc150可以具有在大約1μm至大約15μm的范圍內(nèi)的厚度。在一些實(shí)施例中，acc150可以具有在大約1μm至大約14μm的范圍內(nèi)的厚度。在一些實(shí)施例中，acc150可以具有在大約1μm至大約13μm的范圍內(nèi)的厚度。在一些實(shí)施例中，acc150可以具有在大約1μm至大約12μm的范圍內(nèi)的厚度。在一些實(shí)施例中，acc150可以具有在大約2μm至大約11μm的范圍內(nèi)的厚度。在一些實(shí)施例中，acc150可以具有在大約3μm至大約10μm范圍內(nèi)的厚度。在一些實(shí)施例中，acc150可以具有在大約4μm至大約9μm范圍內(nèi)的厚度。在一些實(shí)施例中，acc150可以具有在大約5μm至大約8μm范圍內(nèi)的厚度。在一些實(shí)施例中，acc150可具有在大約6μm至大約7μm范圍內(nèi)的厚度。在一些實(shí)施例中，acc150可以具有小于大約1μm、大約2μm、大約3μm、大約4μm、大約5μm、大約6μm、大約7μm、大約8μm、大約9μm、大約10μm、大約11μm、大約12μm、大約13μm、大約14μm、大約15μm、大約16μm、大約17μm、大約18μm、大約19μm以及大約20μm的厚度，包括其間的全部厚度。
陽極材料111可以選自各種材料。在一些實(shí)施例中，陽極材料111包括碳基材料，包括但不限于硬碳、碳納米管、碳納米纖維、多孔碳以及石墨烯。在一些實(shí)施例中，陽極材料111包括基于鈦的氧化物，包括但不限于尖晶石li4ti5o12(lto)和二氧化鈦(tio2，titania)。在一些實(shí)施例中，陽極材料111包括合金或非合金材料，包括但不限于硅、一氧化硅(sio)、鍺和錫氧化物(sno2)。在一些實(shí)施例中，陽極材料111包括過渡金屬化合物(例如，氧化物、磷化物，硫化物和氮化物)。過渡化合物的通式可以寫作mxny，其中m可以選自鐵(fe)、鈷(co)、銅(cu)、錳(mn)和鎳(ni)，并且n可以選自氧(o)、磷(p)、硫(s)和氮(n)。
在一些實(shí)施例中，陽極材料111可以包括選自包括以下各項(xiàng)的組的固體：無定形碳、無序碳、石墨碳或者金屬涂覆或金屬裝飾的碳、石墨、非石墨碳、中間相碳微珠、硼-碳合金、硬質(zhì)或無序碳、鈦酸鋰尖晶石，或者與鋰反應(yīng)以形成金屬間化合物的固體金屬或金屬合金或準(zhǔn)金屬或準(zhǔn)金屬合金(例如si、ge、sn、bi、zn、ag、al)、任何其它合適的金屬合金、準(zhǔn)金屬合金或其組合，或者鋰化金屬或金屬合金(包括諸如lial、li9al4、li3al、lizn、liag、li10ag3、li5b4、li7b6、li12si7、li21si8、li13si4、li21si5、li5sn2、li5sn3、li13sn5，li7sn2、li22sn5、li2sb、li3sb、libi或li3bi的化合物)，或者鋰化或非鋰化組合物的非晶態(tài)金屬合金，任何其它材料或其合金，或者其任何其它組合。
在一些實(shí)施例中，陽極材料111包括金屬間化合物。金屬間化合物可以基于分子式mm'，其中m是一種金屬元素，m'是不同的金屬元素。金屬間化合物也可以包括多于兩種的金屬元素。金屬間化合物的m原子可以是例如cu、li和mn，并且金屬間化合物的m'元素可以是例如sb。示例性金屬間化合物包括cu2sb、li2cusb和li3sb等。在一個示例中，陽極材料111中的金屬間化合物可以具有完全無序的結(jié)構(gòu)，其中m或m'原子以隨機(jī)方式排列。在另一個示例中，陽極材料111中的金屬間化合物具有部分無序結(jié)構(gòu)，其中晶格中的m或m'原子以非隨機(jī)方式排列。
在一些實(shí)施例中，陽極材料111可以是多孔的，以便增加表面積并增強(qiáng)所得的電極中的鋰嵌入(intercalation)率。在一個示例中，陽極材料111包括多孔mn2o3，其可以通過例如mnco3微球的熱分解來制備。在另一個示例中，陽極材料111包括通過例如對聚丙烯腈和聚(l-丙交酯)的共混溶液進(jìn)行靜電紡絲然后碳化所制備的多孔碳纖維。在一些實(shí)施例中，陽極材料111的孔隙率可以通過使用多孔集流器來實(shí)現(xiàn)或增加。例如，陽極材料111可以包括在多孔泡沫結(jié)構(gòu)上保形沉積的cu2sb，以具有一定程度的孔隙率。
在一些實(shí)施例中，陽極材料111的厚度可以在以下范圍內(nèi)：大約250μm至大約2000μm、大約300μm至大約2000μm、大約350μm至大約2000μm、400μm至大約2000μm、大約450μm至大約2000μm、大約500μm至大約2000μm、大約250μm至大約1500μm、大約300μm至大約1500μm、大約350μm至大約1500μm、大約400μm至大約1500μm、大約450μm大約1500μm、大約500μm至大約1500μm、大約250μm至大約1000μm、大約300μm至大約1000μm、大約350μm至大約1000μm、大約400μm至大約1000μm、大約450μm至大約1000μm、大約500μm至大約1000μm、大約250μm至大約750μm、大約300μm至大約750μm、大約350μm至大約750μm、大約400μm至大約750μm、大約450μm至大約750μm、大約500μm至大約750μm、大約250μm至大約700μm、大約300μm至大約700μm、大約350μm至大約700μm，大約400μm至大約700μm、大約450μm至大約700μm、大約500μm至大約700μm、大約250μm至大約650μm、大約300μm至大約650μm、大約350μm至大約650μm、大約400μm至大約650μm、大約450μm至大約650μm、大約500μm至大約650μm、大約250μm至大約600μm、大約300μm至大約600μm、大約350μm至大約600μm、大約400μm至大約600μm、大約450μm至大約600μm、大約500μm至大約600μm、大約250μm至大約550μm、大約300μm至大約550μm、大約350μm至大約550μm、大約400μm至大約550μm、大約450μm至大約550μm，或者大約500μm至大約550μm，包括其間的所有范圍或任何其它距離。
在一些實(shí)施例中，陰極120包括陰極集流器160和陰極材料121。陰極120中的陰極集流器160可以與如上所述的陽極110中的陽極集流器150基本相同，并且因此關(guān)于陽極集流器150的沉積和/或涂覆技術(shù)所描述的相同的技術(shù)也可以應(yīng)用于陰極集流器160的生產(chǎn)。在一些實(shí)施例中，陰極集流器160可以具有在大約1μm至大約40μm的范圍內(nèi)的厚度。在一些實(shí)施例中，ccc160可以具有在大約2μm至大約38μm的范圍內(nèi)的厚度。在一些實(shí)施例中，ccc160可以具有在大約2μm至大約36μm的范圍內(nèi)的厚度。在一些實(shí)施例中，ccc160可以具有在大約2μm至大約34μm的范圍內(nèi)的厚度。在一些實(shí)施例中，ccc160可以具有在大約2μm至大約32μm的范圍內(nèi)的厚度。在一些實(shí)施例中，ccc160可以具有在大約2μm至大約30μm的范圍內(nèi)的厚度。在一些實(shí)施例中，ccc160可以具有在大約2μm至大約28μm的范圍內(nèi)的厚度。在一些實(shí)施例中，ccc160可以具有在大約2μm至大約26μm的范圍內(nèi)的厚度。在一些實(shí)施例中，ccc160可以具有在大約2μm至大約24μm的范圍內(nèi)的厚度。在一些實(shí)施例中，ccc160可以具有在大約2μm至大約22μm的范圍內(nèi)的厚度。在一些實(shí)施例中，ccc160可以具有在大約2μm至大約20μm的范圍內(nèi)的厚度。在一些實(shí)施例中，ccc160可以具有在大約2μm至大約18μm的范圍內(nèi)的厚度。在一些實(shí)施例中，ccc160可以具有在大約3μm至大約16μm的范圍內(nèi)的厚度。在一些實(shí)施例中，ccc160可以具有在大約4μm至大約14μm的范圍內(nèi)的厚度。在一些實(shí)施例中，ccc160可以具有在大約5μm至大約12μm的范圍內(nèi)的厚度。在一些實(shí)施例中，ccc160可以具有在大約6μm至大約10μm的范圍內(nèi)的厚度。在一些實(shí)施例中，ccc160可以具有在大約7μm至大約8μm的范圍內(nèi)的厚度。在一些實(shí)施例中，ccc160可以具有小于大約1μm、大約2μm、大約3μm、大約4μm、大約5μm、大約6μm、大約7μm、大約8μm、大約9μm、大約10μm、大約11μm、大約12μm、大約13μm、大約14μm、大約15μm、大約16μm、大約17μm、大約18μm、大約19μm、大約20μm、大約21μm、大約22μm、大約23μm、大約24μm、大約25μm、大約26μm、大約27μm、大約28μm、大約29μm、大約30μm、大約31μm、大約32μm、大約33μm、大約34μm、大約35μm、大約36μm、大約27μm、大約38μm、大約39μm和大約40μm的厚度，包括其間的全部厚度。
陰極120中的陰極材料121可以是例如鎳鈷鋁(nca)、核心殼梯度(coreshellgradient)(csg)、基于尖晶石的鋰離子(lmo)、磷酸鐵鋰(lfp)、基于鈷的鋰離子(lco)和鎳鈷錳(ncm)。在一些實(shí)施例中，陰極材料121可以包括本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的固體化合物，如在鎳-金屬氫化物(nimh)和鎳鎘(nicd)電池中使用的固體化合物。在一些實(shí)施例中，陰極材料121可以包括有序的巖鹽化合物limo2的通用族(generalfamily)，包括具有α-nafeo2(所謂的“層狀化合物”)或正交晶系-limno2結(jié)構(gòu)類型的那些或它們的具有不同晶體對稱性、原子排序或者金屬或氧的部分替代的衍生物。m包括至少一個第一行過渡金屬，但可以包括非過渡金屬，包括但不限于al、ca、mg或zr。這種化合物的示例包括licoo2、摻雜有mg、linio2、li(ni、co、al)o2(稱為“nca”)和li(ni、mn、co)o2(稱為“nmc”或“ncm”)的licoo2。示例性陰極材料121的其它族可以包括尖晶石結(jié)構(gòu)的那些族，諸如limn2o4及其衍生物，所謂的“層狀尖晶石納米復(fù)合材料”，其中該結(jié)構(gòu)包括具有有序巖鹽和尖晶石排序的納米級區(qū)域、橄欖石limpo4及其衍生物(其中m包括mn、fe、co或ni中的一種或多種)、部分氟化的化合物(諸如livpo4f)、如下所述的其它“聚陰離子”化合物，以及釩氧化物vxoy(包括v2o5和v6o11)。
在一些實(shí)施例中，陰極材料121包括過渡金屬聚陰離子化合物，例如在美國專利no.7,338,734中所述。在一些實(shí)施例中，陰極材料121包括堿金屬過渡金屬氧化物或磷酸鹽，并且例如，該化合物具有組成ax(m′1-am″a)y(xd4)z、ax(m′1-am″a)y(dxd4)z或ax(m′1-am″a)y(x2d7)z，并且具有使得x加上y(1-a)乘以m'的一個或多個正式化合價的值加上ya乘以m″的一個或多個正式化合價等于z乘以xd4、x2d7或dxd4基團(tuán)(group)的正式化合價的值；或者包括組成(a1-am″a)xm′y(xd4)z、(a1-am″a)xm′y(dxd4)z(a1-am″a)xm′y(x2d7)z并且具有使得(1-a)x加上量ax乘以m″的一個或多個正式化合價加上y乘以m'的一個或多個正式化合價等于z乘以xd4、x2d7或dxd4基團(tuán)的正式化合價的值的化合物。在該化合物中，a是堿金屬和氫中的至少一種，m'是第一行過渡金屬，x是磷、硫、砷、鉬和鎢中的至少一種，m”是iia、iiia、iva、va、via、viia、viiia、ib、iib、iiib、ivb、vb和vib族金屬中的任意，d是氧、氮、碳或鹵素中的至少一種。陰極材料121可以是橄欖石結(jié)構(gòu)化合物limpo4，其中m是v、cr、mn、fe、co和ni中的一種或多種，其中化合物可選地在li、m或o位點(diǎn)被摻雜。通過添加金屬或準(zhǔn)金屬來補(bǔ)償li位點(diǎn)處的缺陷，并且通過添加鹵素來補(bǔ)償o位點(diǎn)處的缺陷。在一些實(shí)施例中，陰極材料121包括具有橄欖石結(jié)構(gòu)并且具有分子式(li1-xzx)mpo4的熱穩(wěn)定的、過渡金屬摻雜的鋰過渡金屬磷酸鹽，其中m是v、cr、mn、fe、co和ni中的一種或多種，并且z是非堿金屬摻雜劑(諸如ti、zr、nb、al或mg中的一種或多種)，并且x的范圍是從0.005至0.05。
在其它實(shí)施例中，鋰過渡金屬磷酸鹽材料具有l(wèi)i1-x-zm1+zpo4的總體組成，其中m包括選自包括ti、v、cr、mn、fe、co和ni的組的至少一種第一行過渡金屬，其中x從0至1，并且z可以為正或負(fù)。m包括fe，z在大約0.15-0.15之間。在室溫(22-25℃)，該材料在0<x<0.15的組成范圍內(nèi)可以表現(xiàn)為固溶體，或者該材料在x在0和至少大約0.05之間的組成范圍內(nèi)可以表現(xiàn)為穩(wěn)定的固溶體，或者該材料可以在x在0和至少大約0.07之間的組成范圍內(nèi)表現(xiàn)為穩(wěn)定的固溶體。該材料還可以在例如x≥0.8，或x≥0.9，或x≥0.95的貧鋰狀態(tài)(regime)下表現(xiàn)為固溶體。
在一些實(shí)施例中，陰極材料121包括通過經(jīng)歷置換反應(yīng)或轉(zhuǎn)化反應(yīng)來儲存堿離子的金屬鹽。這種化合物的示例包括金屬氧化物，諸如通常在鋰電池中用作負(fù)電極的coo、co3o4、nio、cuo、mno，其在與li反應(yīng)時經(jīng)歷置換反應(yīng)或轉(zhuǎn)化反應(yīng)，以形成形式為更多還原的氧化物或金屬形式的金屬成分和li2o的混合物。其它示例包括經(jīng)歷置換反應(yīng)或轉(zhuǎn)化反應(yīng)以形成lif和還原的金屬成分的金屬氟化物，諸如cuf2、fef2、fef3、bif3、cof2和nif2。這種氟化物可以被用作鋰電池中的正電極。在其它實(shí)施例中，陰極材料121包括一氟化碳或其衍生物。在一些實(shí)施例中，經(jīng)歷置換反應(yīng)或轉(zhuǎn)化反應(yīng)的陰極材料121是平均尺寸為100納米或更小的顆粒形式。在一些實(shí)施例中，經(jīng)歷置換反應(yīng)或轉(zhuǎn)化反應(yīng)的陰極材料121包括與非活性主體混合的陰極材料121的納米復(fù)合材料，其包括但不限于導(dǎo)電和相對易延展的化合物諸如碳或金屬或金屬硫化物。fes2和fef3也可以用作非水或水性鋰系統(tǒng)中的便宜且導(dǎo)電的陰極材料121。在一些實(shí)施例中，cfx電極，fes2電極或mno2電極是與鋰金屬負(fù)電極一起使用以生產(chǎn)鋰電池的正陰極材料。在一些實(shí)施例中，這種電池是一次性電池。在一些實(shí)施例中，這種電池是可再充電電池。
在一些實(shí)施例中，陰極材料121中的工作離子選自包括li+、na+、h+、mg2+、al3+或ca2+的組。在一些實(shí)施例中，工作離子選自包括li+或na+的組。在一些實(shí)施例中，陰極材料121包括包含離子存儲化合物的固體。在一些實(shí)施例中，離子是質(zhì)子或羥基離子，并且陰極材料121包括在鎳鎘或鎳金屬氫化物電池中使用的那些。在一些實(shí)施例中，離子是鋰，并且陰極材料121選自包括金屬氟化物的組，諸如cuf2、fef2、fef3、bif3、cof2和nif2。
在一些實(shí)施例中，離子是鋰，并且陰極材料121選自包括金屬氧化物的組，諸如coo、co3o4、nio、cuo和mno。
在一些實(shí)施例中，離子是鋰，并且陰極材料121包括選自具有分子式(li1-xzx)mpo4的化合物的嵌入化合物(intercalationcompound)，其中m是v、cr、mn、fe、co和ni中的一種或多種，并且z是非堿金屬摻雜劑(諸如ti、zr、nb、al或mg中的一種或多種)，并且x在0.005至0.05的范圍內(nèi)。
在一些實(shí)施例中，離子是鋰，并且陰極材料121包括選自具有分子式limpo4的化合物的嵌入化合物，其中m是v、cr、mn、fe、co和ni中的一種或多種，其中化合物可選地在li、m或o位點(diǎn)被摻雜。
在一些實(shí)施例中，離子是鋰，并且陰極材料121包括選自包括ax(m′1-am″a)y(xd4)z、ax(m′1-am″a)y(dxd4)z和ax(m′1-am″a)y(x2d7)z的組的嵌入化合物，其中x加上y(1-a)乘以m'的一個或多個正式化合價加上ya乘以m″的一個或多個正式化合價等于z乘以xd4、x2d7或dxd4基團(tuán)的正式化合價；并且a是堿金屬和氫中的至少一種，m'是第一行過渡金屬，x是磷、硫、砷、鉬和鎢中的至少一種，m″是iia、iiia、iva、va、via、viia、viiia、ib、iib、iiib、ivb、vb和vib族金屬中的任意，d是氧、氮、碳或鹵素中的至少一種。
在一些實(shí)施例中，離子是鋰，并且陰極材料121包括選自包括a1-am″a)xm′y(xd4)z、(a1-am″a)xm′y(dxd4)z和a1-am″a)xm′y(x2d7)z的組的嵌入化合物，其中(1-a)x加上量ax乘以m″的一個或多個正式化合價加上y乘以m'的正式化合價等于z乘以xd4、x2d7或dxd4基團(tuán)的正式化合價；并且a是堿金屬和氫中的至少一種，m'是第一行過渡金屬，x是磷、硫、砷、鉬和鎢中的至少一種，m″是iia、iiia、iva、va、via、viia、viiia、ib、iib、iiib、ivb、vb和vib族金屬中的任何，d是氧、氮、碳或鹵素中的至少一種。
在一些實(shí)施例中，離子是鋰，并且陰極材料121包括選自包括有序的巖鹽化合物limo2的組的嵌入化合物，包括具有α-nafeo2和正交晶系-limno2結(jié)構(gòu)類型的那些或它們的具有不同晶體對稱性、原子排列或者金屬或氧的部分替代的衍生物，其中m包括至少一種第一行過渡金屬，但可以包括非過渡金屬，包括但不限于al、ca、mg或zr。
在一些實(shí)施例中，陰極材料121包括包含無定形碳、無序碳、石墨碳或者金屬涂覆或金屬裝飾的碳的固體。
在一些實(shí)施例中，陰極材料121可以包括包含納米結(jié)構(gòu)的固體，例如納米絲、納米棒和納米四棱柱。
在一些實(shí)施例中，陰極材料121包括包含有機(jī)氧化還原化合物的固體。
在一些實(shí)施例中，陰極材料121可以包括選自包括有序巖鹽化合物limo2的組的固體，包括具有α-nafeo2和正交晶系-limno2結(jié)構(gòu)類型的那些或它們的具有不同晶體對稱性、原子排列或者金屬或氧的部分替代的衍生物，其中m包括至少一種第一行過渡金屬，但可以包括非過渡金屬，包括但不限于al、ca、mg或zr。
在一些實(shí)施例中，陰極材料121可以包括選自包括ax(m′1-am″a)y(xd4)z、ax(m′1-am″a)y(dxd4)z和ax(m′1-am″a)y(x2d7)z的組的固體，其中x加上y(1-a)乘以m'的一個或多個正式化合價加上ya乘以m″的正式化合價等于z乘以xd4、x2d7或dxd4基團(tuán)的正式化合價，并且a是堿金屬和氫中的至少一種，m'是第一行過渡金屬，x是磷、硫、砷、鉬和鎢中的至少一種，m″是iia、iiia、iva、va、via、viia、viiia、ib、iib、iiib、ivb、vb和vib族金屬中的任何，d是氧、氮、碳或鹵素中的至少一種。
在一些實(shí)施例中，陰極材料121可以包括選自包括以下各項(xiàng)的組的化合物：limn2o4及其衍生物；層狀尖晶石納米復(fù)合材料，其中結(jié)構(gòu)包括具有有序巖鹽和尖晶石排列的納米級區(qū)域；具有超過4.3v的對li/li+的電位的所謂“高電壓尖晶石”，包括但不限于lini0.5mn1.5o4；橄欖石limpo4及其衍生物，其中m包括mn、fe、co或ni中的一種或多種；部分氟化的化合物，諸如livpo4f，其它“聚陰離子”化合物，以及釩氧化物vxoy(包括v2o5和v6o11)。
在一些實(shí)施例中，陰極材料121的厚度可以在以下范圍內(nèi)：大約250μm至大約2000μm、大約300μm至大約2000μm、大約350μm至大約2000μm、400μm至大約2000μm、大約450μm至大約2000μm、大約500至大約2000μm、大約250μm至大約1500μm、大約300μm至大約1500μm、大約350μm至大約1500μm、大約400μm至大約1500μm、大約450μm大約1500μm、大約500μm至大約1500μm、大約250μm至大約1000μm、大約300μm至大約1000μm、大約350μm至大約1000μm、大約400μm至大約1000μm、大約450μm至大約1000μm、大約500μm至大約1000μm、大約250μm至大約750μm、大約300μm至大約750μm、大約350μm至大約750μm、大約400μm至大約750μm、大約450μm至大約750μm、大約500μm至大約750μm、大約250μm至大約700μm、大約300μm至大約700μm、大約350μm至大約700μm、大約400μm至大約700μm、大約450μm至大約700μm、大約500μm至大約700μm、大約250μm至大約650μm、大約300μm至大約650μm、大約350μm至大約650μm、大約400μm至大約650μm、大約450μm至大約650μm、大約500μm至大約650μm、大約250μm至大約600μm、大約300μm至大約600μm、大約350μm至大約600μm、大約400μm至大約600μm、大約450μm至大約600μm、大約500μm至大約600μm、大約250μm至大約550μm、大約300μm至大約550μm、大約350μm至大約550μm、大約400μm至大約550μm、大約450μm至大約550μm，或大約500μm至大約550μm，包括其間的所有范圍或任何其它距離。
在一些實(shí)施例中，陽極材料或陰極材料中的至少一個包括半固體或稠密(condensed)的離子存儲液體反應(yīng)物?！鞍牍腆w”是指材料是液相和固相的混合物，例如諸如半固體、顆粒懸浮液、膠體懸浮液、乳液、凝膠或膠束?！俺砻艿碾x子儲存液體”或“稠密的液體”是指液體不僅僅是如同在水性流動單元陰極電解液或陽極電解液的情況下的溶劑，而是液體本身是氧化還原活性的。這種液體形式也可以被作為稀釋劑或溶劑的另一種非氧化還原活性液體稀釋或混合，包括與這種稀釋劑混合，以形成包括離子存儲液體的較低熔點(diǎn)的液相、乳液或膠束。陰極或陽極材料可以是可流動的半固體或稠密液體組合物。可流動的陽極半固體(在本文稱為“陽極電解液”)和/或可流動的陰極半固體(“陰極電解液”)包括電化學(xué)活性劑(陽極顆粒和/或陰極顆粒)的懸浮液以及，可選地，導(dǎo)電顆粒。陰極顆粒和導(dǎo)電顆粒共同懸浮在電解質(zhì)中，以產(chǎn)生陰極電解液半固體。陽極顆粒和導(dǎo)電顆粒共同懸浮在電解質(zhì)中，以產(chǎn)生陽極電解液半固體。半固體能夠由于所施加的壓力、重力或在半固體上施加力的其它強(qiáng)加場而流動，并且可選地借助于機(jī)械振動而流動。使用半固體懸浮液的電池體系架構(gòu)的示例描述在標(biāo)題為“stationary,fluidredoxelectrode”的國際專利公開no.wo2012/024499和標(biāo)題為“semi-solidfilledbatteryandmethodofmanufacture”的國際專利公開no.wo2012/088442中描述，這兩個國際專利的全部公開內(nèi)容特此通過引用并入。
在一些實(shí)施例中，分隔件130可以是薄的微孔膜，其將陰極120與陽極110電隔離，但允許離子在放電和充電期間通過兩個電極之間的孔。在一些實(shí)施例中，分隔件130包括熱塑性聚合物，諸如聚烯烴、聚氯乙烯、尼龍、碳氟化合物和聚苯乙烯等。在一些實(shí)施例中，分隔件130包括聚烯烴材料，其包括例如聚乙烯、超高分子量聚乙烯、聚丙烯、聚丁烯、聚甲基戊烯、聚異戊二烯、其共聚物及其組合。示例性組合可以包括但不限于包含以下的聚乙烯、超高分子量聚乙烯和聚丙烯中的兩種或更多種的混合物，以及前述物質(zhì)與共聚物(諸如乙烯-丁烯共聚物和乙烯-己烯共聚物)的混合物。
在一些實(shí)施例中，電池100還包括電解質(zhì)(圖1a中未示出)，其基本上包含在袋140中。電解質(zhì)可以在溶劑中包括非水電解質(zhì)，諸如鋰鹽(對于鋰離子電池)或鈉鹽(對于鈉離子電池)。示例性鋰鹽可以包括lipf6、libf4和liclo4等。示例性鈉鹽包括naclo4、napf6和雙三氟甲磺酰亞胺鈉(bis-trifluoromethansulfonylimidesodium，na-tfsi)。示例性溶劑包括碳酸亞丙酯(pc)、碳酸亞乙酯(ec)、碳酸二甲酯(dmc)、二甲氧基乙烷(dme)、碳酸二乙酯(dec)、四氫呋喃(thf)和三乙二醇二甲醚(triglyme)。
圖1a中所示的電池單元100中的袋140基本上包含陽極110、陰極120、分隔件130和電解質(zhì)(未示出)。袋140可以將電池單元100與相鄰單元物理隔開，以便減輕或消除缺陷傳播，并且便于在電池制造期間容易地處理電池單元100。袋140還可以減少電池制造中可能的焊接處理期間易燃電解質(zhì)的火災(zāi)點(diǎn)燃的可能性，焊接處理有時會生生成火花。
在一些實(shí)施例中，陽極110、陰極120、分隔件130和電解質(zhì)(未示出)完全密封在袋140中(例如，經(jīng)由真空密封)。在一些實(shí)施例中，袋140可以僅部分密封或根本不密封。在一些實(shí)施例中，袋140可以在其周邊周圍被密封，以封住陽極110、陰極120、分隔件130和電解質(zhì)。在一些實(shí)施例中，袋140的密封可以基本上封住陽極110、陰極120、分隔件130和電解質(zhì)。在一些實(shí)施例中，袋140的密封具有密封區(qū)域，該密封區(qū)域的寬度在以下范圍內(nèi)：大約10μm至大約10mm、大約10μm至大約9mm、大約10μm至大約8mm、大約10μm至大約7mm、大約10μm至大約6mm、大約10μm至大約5mm、大約10μm至大約4mm、大約10μm至大約3mm、大約10μm至大約2mm、大約10μm至大約1mm、大約10μm至大約900μm、大約10μm至大約800μm、大約10μm至大約700μm、大約10μm至大約600μm、大約10μm至大約500μm、大約10μm至大約400μm、大約10μm至大約300μm、大約10μm至大約200μm、大約10μm至大約100μm和大約10μm至大約50μm，包括其間的所有寬度和寬度范圍。
在一些實(shí)施例中，袋140的密封區(qū)域距離袋140的外邊緣有一定距離。在一些實(shí)施例中，密封區(qū)域和外邊緣之間的距離可以是從大約10μm至大約20mm、大約10μm至大約15mm、大約10μm至大約10mm、大約10μm至大約5mm、大約10μm至大約4mm、大約10μm至大約3mm、大約10μm至大約2mm、大約10μm至大約1mm、大約10μm至大約900μm、大約10μm至大約800μm、大約10μm至大約700μm、大約10μm至大約600μm、大約10μm至大約500μm、大約10μm至大約400μm、大約10μm至大約300μm、大約10μm至大約200μm、大約10μm至大約100μm和大約10μm至大約50μm，包括其間的所有距離和距離范圍。
在一些實(shí)施例中，袋140的密封區(qū)域距離陽極110和陰極120中的至少一個的最外邊緣一定距離。在一些實(shí)施例中，密封區(qū)域與陽極110和陰極120中的至少一個的最外邊緣之間的距離可以是從大約1μm至大約10mm、大約1μm至大約9mm、大約1μm至大約8mm、大約1μm至大約7mm、大約1μm至大約6mm、大約1μm至大約5mm、大約1μm至大約4mm、大約1μm至大約3mm、大約1μm至大約2mm、大約1μm至大約1mm、大約1μm至大約900μm、大約1μm至大約800μm、大約1μm至大約700μm、大約1μm至大約600μm、大約1μm至大約500μm、大約1μm至大約400μm、大約1μm至大約300μm、大約1μm至大約200μm、大約1μm至大約100μm和大約1μmμm至大約50μm，包括其間的所有距離和距離范圍。
在一些實(shí)施例中，分隔件130大于陽極110和陰極120中的至少一個。在一些實(shí)施例中，分隔件130大于陽極集流器150和陰極集流器160中的至少一個。在一些實(shí)施例中，分隔件130大于陽極材料111和陰極材料121中的至少一個。在一些實(shí)施例中，分隔件130延伸超過陽極110、陰極120、陽極材料111、陰極材料121、acc150和ccc160中的至少一個，并且因此可以在密封區(qū)域內(nèi)部被密封在袋140處。換句話說，分隔件130延伸到袋140的密封區(qū)域中并且有效地隔開陽極110和陰極120。在一些實(shí)施例中，分隔件130延伸到袋140的密封區(qū)域中，并且完全隔開陽極110和陰極120。在一些實(shí)施例中，分隔件130部分地延伸到袋140的密封區(qū)域中，并且部分地隔開陽極110和陰極120。在一些實(shí)施例中，分隔件130延伸到袋140的密封區(qū)域的多個位置，并且在那些位置處有效地隔開陽極110和陰極120。例如，如果陽極110和陰極120中的至少一個具有用于進(jìn)行外部電連接的接線片連接，那么分隔件130可以不延伸到袋140的接線片連接周圍的位置和區(qū)域。在一些實(shí)施例中，分隔件130延伸到袋140的密封區(qū)域中的多個位置和區(qū)域中的一個或多個可以被用來在單袋電池單元100中形成用于功能目的的一個或多個結(jié)構(gòu)。例如，功能目的可以是對于由于過度充電、氣體生成或電化學(xué)故障的形成而導(dǎo)致的壓力積聚的壓力釋放或壓力減輕的形式。類似地，在一些實(shí)施例中，分隔件130不延伸到袋140的密封區(qū)域中的多個位置和區(qū)域中的一個或多個也可以被用來形成用于單袋電池單元100中的功能目的的一個或多個結(jié)構(gòu)。
在這些實(shí)施例中，袋140仍然可以減少或消除暴露于可能點(diǎn)燃電解質(zhì)的火花(例如，來自焊接處理的火花)的機(jī)會。最后的密封步驟可以在焊接處理之后執(zhí)行，以將一個或多個單袋電池單元密封到外部袋或包裝中，在這種情況下，外部袋或包裝可以起水分控制的作用。在一些實(shí)施例中，袋140機(jī)械地附連到陰極120和/或陽極110。在一些實(shí)施例中，袋140經(jīng)由例如熱密封、膠水或本領(lǐng)域中已知的任何其它方法附連到陰極120的集流器和/或陽極110的集流器。
在一些實(shí)施例中，袋140包括三層結(jié)構(gòu)，即，由外層和內(nèi)層夾在中間的中間層，其中內(nèi)層與電極和電解質(zhì)接觸。例如，外層可以包括基于尼龍的聚合物膜。內(nèi)層可以包括聚丙烯(pp)聚合物膜，其可以對酸或其它電解質(zhì)具有耐腐蝕性并且不溶于電解質(zhì)溶劑。中間層可以包括鋁(al)箔。這種結(jié)構(gòu)允許袋具有高的機(jī)械靈活性和強(qiáng)度。
在一些實(shí)施例中，袋140的外層包括聚合物材料，諸如聚對苯二甲酸乙二醇酯(pet)、聚對苯二甲酸丁二醇酯(pbt)、尼龍、高密度聚乙烯(hdpe)、定向聚丙烯(o-pp)、聚乙烯氯化物(pvc)、聚酰亞胺(pi)、聚砜(psu)及其任何組合。
在一些實(shí)施例中，袋140的中間層包括包含鋁(al)、銅(cu)、不銹鋼(sus)及它們的合金或其任意組合的金屬層(箔、基板、膜等)它們。
在一些實(shí)施例中，袋140的內(nèi)層包括諸如流延聚丙烯(castpolypropylene，c-pp)、聚乙烯(pe)、乙烯乙酸乙烯酯(eva)、pet、聚乙酸乙烯酯(pva)、聚酰胺(pa)、丙烯酸粘合劑、紫外線(uv)/電子束(eb)/紅外(ir)固化樹脂及其任意組合的材料。
在一些實(shí)施例中，袋140可以包括不易燃材料，諸如例如聚醚醚酮(peek)、聚萘二甲酸乙二醇酯(pen)、聚醚砜(pes)、pi、聚苯硫醚(pps)、聚苯醚(ppo)及其任意組合。在一些實(shí)施例中，袋140可以包括阻燃劑添加劑材料(諸如阻燃劑pet)的涂層或膜。
在一些實(shí)施例中，袋140包括雙層結(jié)構(gòu)，即，外層和內(nèi)層。在一些實(shí)施例中，外層可以包括pet、pbt或如上所述的其它材料。在一些實(shí)施例中，內(nèi)層可包括pp、pe或上述其它材料。
在一些實(shí)施例中，袋140可以包括阻水層和/或阻氣層。在一些實(shí)施例中，阻擋層可以包括金屬層和/或氧化物層。在一些實(shí)施例中，因?yàn)檠趸飳于呄蛴诮^緣并且可以防止電池內(nèi)的短路，所以包括氧化物層會是有益的。
在一些實(shí)施例中，袋140內(nèi)只能有一個(或兩個)單位單元組件，袋140可以比通常用于多堆疊電池單元的袋子薄得多。例如，袋140可以具有小于200μm、小于150μm、小于100μm、小于50μm、小于45μm、小于40μm、小于35μm、小于30μm、小于25μm、小于20μm、小于18μm、小于16μm、小于14μm、小于12μm、小于10μm、小于9μm、小于8μm、小于7μm、小于6μm、小于5μm、小于4μm、小于3μm、小于2μm或小于1μm的厚度。在一些實(shí)施例中，袋140的厚度可以依賴于至少兩個方面。一方面，會期望在所得的電池單元中實(shí)現(xiàn)高能量密度，在這種情況下，更薄的袋會是有幫助的，因?yàn)殡姵貑卧械母蟛糠值目臻g可以被預(yù)留用于電極材料。另一方面，會期望維持或改進(jìn)袋140的安全優(yōu)點(diǎn)。在這種情況下，更厚的袋和/或不易燃袋可以有助于例如減少火災(zāi)危險。在一些實(shí)施例中，袋的厚度可以被定量為袋子材料占據(jù)的體積與電池單元的總體積之比。
在一些實(shí)施例中，電極材料(例如，陽極材料111和/或陰極材料121)與非電極材料(諸如集流器和/或袋140)之比可以依據(jù)厚度之間的比例來限定。在一些實(shí)施例中，電極材料與集流器之比可以大于大約12:1、大約14:1、大約16:1、大約18:1、大約20:1、大約22:1、大約24:1、大約26:1、大約28:1、大約30:1、大約32:1、大約34:1、大約36:1、大約38:1、大約40:1、大約42:1、大約44:1、大約46:1、大約48:1、大約50:1、大約52:1、大約54:1、大約56:1、大約58:1、大約60:1、大約62:1、大約64:1、大約66:1、大約68:1、大約70:1、大約72:1、大約74:1、大約76:1、大約78:1、大約80:1、大約82:1、大約84:1、大約86:1、大約88:1、大約90:1、大約92:1、大約94:1、大約96:1、大約98:1、大約100:1、大約110:1、大約112:1、大約114:1、大約116:1、大約118:1、大約120:1、大約122:1、大約124:1、大約126:1、大約128:1、大約130:1、大約132:1、大約134:1、大約136:1、大約138:1、大約140:1、大約142:1、大約144:1、大約146:1、大約148:1、大約150:1、大約152:1、大約154:1、大約156:1、大約158:1、大約160:1、大約162:1、大約164:1、大約166:1、大約168:1、大約170:1、大約172:1、大約174:1、大約176:1、大約178:1、大約180:1、大約182:1、大約184:1、大約186:1、大約188:1、大約190:1、192:1、大約194:1、大約196:1、大約198:1、大約200:1、大約300:1、大約400:1、大約500:1、大約600:1、大約700:1、大約800:1、大約900:1、大約1000:1和大約2000:1，包括其間的所有厚度比例。
在一些實(shí)施例中，集流器可以涂覆在袋140上，從而提供組合的厚度。在這些實(shí)施例中，電極材料與集流器和袋140的組合厚度之間的比例可以是大約12:1、大約14:1、大約16:1、大約18:1、大約20:1、大約22:1、大約24:1、大約26:1、大約28:1、大約30:1、大約32:1、大約34:1、大約36:1、大約38:1、大約40:1、大約42:1、大約44:1、大約46:1、大約48:1、大約50:1、大約52:1、大約54:1、大約56:1、大約58:1、大約60:1、大約62:1、大約64:1、大約66:1、大約68:1、大約70:1、大約72:1、大約74:1、大約76:1、大約78:1、大約80:1、大約82:1、大約84:1、大約86:1、大約88:1、大約90:1、大約92:1、大約94:1、大約96:1、大約98:1、大約100:1、大約110:1、大約112:1、大約114:1、大約116:1、大約118:1、大約120:1、大約122:1、大約124:1、大約126:1、大約128:1、大約130:1、大約132:1、大約134:1、大約136:1、大約138:1、大約140:1、大約142:1、大約144:1、大約146:1、大約148:1、大約150:1、大約152:1、大約154:1、大約156:1、大約158:1、大約160:1、大約162:1、大約164:1、大約166:1、大約168:1、大約170:1、大約172:1、大約174:1、大約176:1、大約178:1、大約180:1、大約182:1、大約184:1、大約186:1、大約188:1、大約190:1、大約192:1、大約194:1、大約196:1、大約198:1、大約200:1、大約300:1、大約400:1、大約500:1、大約600:1、大約700:1、大約800:1、大約900:1、大約1000:1和大約2000:1，包括其間的全部厚度比例。
在一些實(shí)施例中，袋140包括單層的更薄的較低成本材料。例如，這些材料可以是聚丙烯或者是可以使用熱或壓力(例如，熱熔或真空密封)被密封在一起的聚烯烴的組合。
在一些實(shí)施例中，袋140包括單層阻燃材料，以便防止火災(zāi)危險從一個單袋電池單元傳播到另一個單袋電池單元。在一些實(shí)施例中，袋140包括防透氣材料，以便防止由一個單袋電池單元釋放的氣體向另一個單袋電池單元傳播，由此減少缺陷傳播。
實(shí)際上，電池100會具有若干益處。例如，這種單袋電池單元做法(也稱為單獨(dú)包裝的單元做法)可以方便地集成到包括半固體電極的電池的制造中。使用單獨(dú)包裝的單元使各個堆疊的操作和處理更容易。它還提供了保護(hù)各個堆疊免于變形的方法，變形在包裝電極堆疊的情況下可能發(fā)生。
將單袋用于單個堆疊的另一個優(yōu)點(diǎn)會是避免金屬污染進(jìn)入電極材料或電解質(zhì)。每個單袋電池單元中的袋可以防止金屬污染(或其它類型的污染)進(jìn)入電極材料和電解質(zhì)。
在一些實(shí)施例中，單袋可以具有能量容量，在本文中也稱為“包裝尺寸”。在一些實(shí)施例中，包裝尺寸包括大約0.1ah至大約40ah的能量容量。在一些實(shí)施例中，包裝尺寸包括大約0.5aa至大約35ah的能量容量。在一些實(shí)施例中，包裝尺寸包括大約1ah至大約30ah的能量容量。在一些實(shí)施例中，包裝尺寸包括大約1.5ah至大約25ah的能量容量。在一些實(shí)施例中，包裝尺寸包括大約2ah至大約20ah的能量容量。在一些實(shí)施例中，包裝尺寸包括大約2.5ah至大約15ah能量容量。在一些實(shí)施例中，包裝尺寸包括大約3ah至大約10ah的能量容量。在一些實(shí)施例中，包裝尺寸包括大約3aa至大約8ah的能量容量。在一些實(shí)施例中，包裝尺寸包括大約3ah至大約6ah的能量容量。在一些實(shí)施例中，包裝尺寸包括大約3ah至大約5ah的能量容量。在一些實(shí)施例中，包裝尺寸包括大約0.1aa至大約5aa的能量容量。在一些實(shí)施例中，包裝尺寸包括大約0.1aa至大約4ah的能量容量。在一些實(shí)施例中，包裝尺寸包括大約0.1aa至大約3aa的能量容量。在一些實(shí)施例中，包裝尺寸包括大約0.1aa至大約2ah的能量容量。在一些實(shí)施例中，包裝尺寸包括大約0.1aa至大約1ah的能量容量。在一些實(shí)施例中，包裝尺寸包括大約0.1ah、大約0.2ah、大約0.3ah、大約0.4ah、大約0.5ah、大約0.6ah、大約0.7ah、大約0.8ah、大約0.9ah、大約1ah、大約1.2ah、大約1.4ah、大約1.6ah、大約1.8ah、大約2ah、大約2.2ah、大約2.4ah、大約2.6ah、大約2.8ah、大約3ah、大約3.2ah、大約3.4ah、大約3.6ah、大約3.8ah、大約4ah、大約4.2ah、大約4.4ah、大約4.6ah、大約4.8ah、大約5ah、大約5.5ah、大約6ah、大約6.5ah、大約7ah、大約7.5ah、大約8ah、大約8.5ah、大約9ah、大約9.5ah、大約10ah、大約11ah、大約12ah、大約13ah、大約14ah、大約15ah、大約16ah、大約17ah、大約18ah、大約19ah、大約20ah、大約22ah、大約24ah、大約26ah、大約28ah、大約30ah、大約32ah、大約34ah、大約36ah、大約38ah，以及大約40ah的能力容量，包括其間的所有能量容量和能量容量范圍。
此外，使用簡單的單袋材料來密封單個堆疊也可以放松在常規(guī)電池制造中對袋材料和密封方法的嚴(yán)格要求。由于每個袋通常僅包含一個或兩個單位單元組件，并且相應(yīng)地包含與常規(guī)多堆疊電池單元相比較少的電極材料和電解質(zhì)，因此袋材料可以具有更多選擇，諸如單層聚合物而不是多層結(jié)構(gòu)。袋厚度也可以更小(例如，<100μm)，并且密封方法也可以是靈活的(例如，壓力密封、熱密封和/或uv密封)。
在一些實(shí)施例中，分隔件130可以足夠大，以與袋140一起部署和密封。在一些實(shí)施例中，袋140可以包括層壓片并且層壓片可以包括延伸超過分隔件130的周邊的周邊部分，使得袋可以被接合以形成密封。在一些實(shí)施例中，袋的內(nèi)層各自形成有可與其自身熱鍵合的材料，使得當(dāng)兩個層壓片接合時，兩個內(nèi)層可圍繞其周邊接合并且彼此熱鍵合，以形成氣密密封。附加的示例在標(biāo)題為“electrochemicalcellsandmethodsofmanufacturingthesame”的國際專利公開no.wo2013/173689中描述，該國際專利公開的全部公開內(nèi)容特此通過引用并入。
在一些實(shí)施例中，接線片(電引線)可以足夠長，使得當(dāng)袋被密封時，接線片暴露在袋的外部并且可以用于電連接電池單元。例如，來自acc150的第一接線片和來自ccc160的第二接線片可以用于連接到外部電路的負(fù)端和正端中的至少一個。在一些實(shí)施例中，接線片可以密封在袋內(nèi)，并且在這種情況下，可以在袋中創(chuàng)建孔，以使acc150和ccc160中的至少一個與外部接觸部或電路之間進(jìn)行電連接?？梢詫⒁粋€或多個孔放置在袋上任何位置，優(yōu)先位置在相應(yīng)的acc150和ccc160附近。
圖1b示出了根據(jù)本發(fā)明各種其它實(shí)施例的電池單元101的示意圖，并且可以被稱為“雙單元(bi-cell)”。在電池單元101中，陽極集流器151夾在兩個陽極材料111a和111b(統(tǒng)稱為“陽極材料111”)之間。在每個陽極材料111a和111b上部署相應(yīng)的分隔件131a和131b(統(tǒng)稱為“分隔件131”)。一對陰極材料121a和121b(統(tǒng)稱為“陰極材料121”)分別部署在分隔件131a和131b中的每個上。在每個陰極材料121a和121b上部署對應(yīng)的陰極集流器161a和161b(統(tǒng)稱為“陰極集流器161”)。陽極材料111、陽極集流器151、陰極材料121、陰極集流器161和分隔件131可以基本上與上面關(guān)于圖1a所述的相同。在一個示例中，陽極集流器151和陰極集流器161包括基本上相同的材料。在另一個示例中，陽極集流器151包括第一金屬材料(例如，銅)，并且陰極集流器161包括第二金屬材料(例如，鋁)。電池單元101被基本密封在袋(未示出)中，以形成單袋電池單元。
圖1b中所示的電池單元101是包括雙側(cè)陽極(包括陽極集流器151和一對陽極材料111a和111b)和部署在雙側(cè)陽極的每一側(cè)上的兩個單側(cè)陰極(包括部署在第一陰極集流器161a上的第一陰極材料121a和部署在第二陰極集流器161b上的第二陰極材料121b)的雙單元的示例性實(shí)施例的截面視圖。在一些其它實(shí)施例中，電池101還可以包括雙側(cè)陰極和部署在陰極的每一側(cè)上的兩個單側(cè)陽極。如本文所述，電池單元101可以被單獨(dú)包裝在袋內(nèi)部，或者可以與多個“雙單元”一起被包裝在袋內(nèi)部。
圖1c示出了圖1b中所示的電池單元101的俯視圖。從該俯視圖可以看到陰極集流器161a和161b在雙單元內(nèi)不對準(zhǔn)或交錯。在一些實(shí)施例中，陽極集流器151和陰極集流器161位于電池單元101的不同側(cè)。在一些實(shí)施例中，陽極集流器151和陰極集流器161位于電池單元101的相對側(cè)。在一些實(shí)施例中，陽極集流器151和陰極集流器161位于電池單元101的同一側(cè)。
圖1d示出了電池單元102的另一個實(shí)施例。在這個實(shí)施例中，電池單元102包括兩個包括兩個雙側(cè)陽極的雙單元。在一些實(shí)施例中，電池單元102可以包括兩個包括兩個雙側(cè)陰極的雙單元。如圖所示，可以看到陰極集流器161c、161d、161e和161f(在本文中統(tǒng)稱為“陰極集流器161x”)在電池單體102內(nèi)不對準(zhǔn)或交錯。類似地，可以看到陽極集流器115a和151b(在本文中統(tǒng)稱為“陽極集流器151x”)在電池單元102內(nèi)不對準(zhǔn)或交錯。在一些實(shí)施例中，陽極集流器151x和陰極集流器161x位于電池的不同側(cè)。在一些實(shí)施例中，陽極集流器151x和陰極集流器161x位于電池單元102的相對側(cè)。在一些實(shí)施例中，陽極集流器151x和陰極集流器161x位于電池單元102的同一側(cè)。
在一些實(shí)施例中，集流器的不對準(zhǔn)或交錯允許集流器在單袋單元內(nèi)的各種互連性。在一些實(shí)施例中，通過將期望的集流器經(jīng)由延伸接線片連接在一起，例如，可以使用單個延伸接線片延伸到單袋單元的密封區(qū)域中以用于外部電接觸部。這可以通過在單袋單元外部焊接電接觸部來防止電極或電池污染。
圖1e示出了使用自熔融概念的單袋電池單元的示意圖。圖1e中僅示出了一個電極(陽極或陰極)，并且電池單元中的分隔件和另一個電極可以根據(jù)圖1a、圖1b、圖1c或圖1d中的任一個中所述的實(shí)施例添加。電池單元103包括將電池單元103與其它電池單元耦合或耦合到外部電接觸部的接線片112、包括多個包含電極材料的漿料槽142的箔122、將多個漿料槽142彼此電耦合的多個箔橋152，以及填充箔的未被漿料槽142和箔橋152覆蓋的部分的環(huán)氧樹脂部分132。圖1f是電池單元103的一部分的照片。
圖2示出了根據(jù)一些實(shí)施例的包括多個單袋電池單元的電池模塊200。如圖所示，電池模塊200包括封在模塊殼260中的多個單袋電池單元201、201和203。電池模塊還包括接線片連接250，其將來自單袋電池單元201-203中的每個的接線片耦合到外部接線片252，外部接線片252可以將電池模塊200電連接到外部電路。
在一些實(shí)施例中，來自單袋電池模塊201-203中的每個的相應(yīng)接線片可以是相應(yīng)集流器的一部分。例如，單袋電池單元201-203中的每個集流器都可以具有從電極部分(即，部署有電極材料的部分)延伸出來的引線部分作為接線片。在一些實(shí)施例中，來自每個單袋電池單元201-203的相應(yīng)接線片可以是電耦合到相應(yīng)集流器或電極材料的附加且獨(dú)立的部件。例如，每個接線片可以是通過軟焊、焊接、膠合或本領(lǐng)域中已知的其它手段附連到集流器的金屬條。
在一些實(shí)施例中，接線片連接250和外部接線片252之間的耦合可以通過例如焊接點(diǎn)、鉚釘、螺釘或本領(lǐng)域中已知的其它手段來實(shí)現(xiàn)。要指出的是，當(dāng)焊接被用來將接線片連接250和外部接線片252耦合時，仍然可以基本上避免對電極材料的金屬污染，因?yàn)楹附涌梢栽诿總€單袋電池單元201-203已經(jīng)被密封在其各自的袋中之后執(zhí)行，這可以阻止金屬顆粒到達(dá)電極材料。
在一些實(shí)施例中，模塊殼260可以將力施加到單袋電池單元201-203的堆疊上，以對電池模塊200施加堆疊壓力。在一些實(shí)施例中，模塊殼260包括金屬材料，諸如不銹鋼。在一些實(shí)施例中，模塊殼260包括塑料或聚合物材料。在一些實(shí)施例中，模塊殼260包括構(gòu)成每個單袋電池單元201-203中的袋的基本上相同的材料。在這些實(shí)施例中，模塊殼260可以被認(rèn)為是附加的袋，這可以進(jìn)一步減輕缺陷傳播、火災(zāi)危險和金屬污染。
在一些實(shí)施例中，單袋電池單元201-203可以通過膠合、施加粘合劑或經(jīng)由熱熔柱(heatstake)鍵合單袋電池單元來堆疊。例如，熱或粘合劑的施加可以順序地、一次膠合接著另一次膠合地進(jìn)行，或者同時對所有單袋電池單元施加膠水來進(jìn)行。在一些實(shí)施例中，堆疊處理可以包括非接觸加熱做法。例如，單袋電池單元中的每個都可以涂覆有可以在施加熱、光(諸如uv或ir)或者機(jī)械擾動或電擾動(諸如超聲波或聲波，或射頻或微波)或者其任意組合的情況下被激活以充當(dāng)粘合劑的材料層或材料的一部分。
圖2中所示的電池模塊200包括三個單袋電池單元201-203。但是，實(shí)際上，依賴于期望的輸出容量、厚度要求或其它規(guī)格，模塊中的單袋電池單元的數(shù)量可以大于三個或小于三個。
圖3示出了根據(jù)一些實(shí)施例的包括多個電池模塊的電池組的示意圖。電池組300包括第一電池模塊310、第二電池模塊320和第三電池模塊330。多個電池模塊310-330中的每個電池模塊都可以與圖2中所示的電池模塊200基本相同。多個電池模塊310-330中的每個電池模塊都包括耦合到外部匯流條352的相應(yīng)的外部接線片312、322和332。外部接線片312-332與外部匯流條352之間的耦合可以通過例如焊接、軟焊、鉚接、螺紋連接或本領(lǐng)域中已知的其它手段來實(shí)現(xiàn)。
多個電池模塊310-330中的每個電池模塊的模塊化設(shè)計(jì)允許可以滿足應(yīng)用中的實(shí)際要求的電池的便利構(gòu)造。在一些實(shí)施例中，多個電池模塊310-330可以串聯(lián)連接，如圖3中所示，以實(shí)現(xiàn)更高的輸出電壓。在一些實(shí)施例中，多個電池模塊310-330可以并聯(lián)連接，以實(shí)現(xiàn)更高的輸出電流。在一些實(shí)施例中，如圖3中所示，多個電池模塊310-330可以垂直堆疊在一起，以滿足一定的厚度或形狀要求。在一些實(shí)施例中，多個電池模塊310-330可以水平分布，以實(shí)現(xiàn)一定的形式因素(例如，當(dāng)期望具有定制厚度的一片電池組時)。
圖3中所示的電池組300包括三個電池模塊310-330。但是，實(shí)際上，依賴于期望的輸出容量、厚度要求或其它規(guī)格，電池組中的電池模塊的數(shù)量可以大于三個或小于三個。
單袋電池單元和模塊中的接線片連接
圖4a-4b示出了包括在應(yīng)用中將電池單元耦合到外部電路、相鄰電池單元或其它電氣部件的導(dǎo)電接線片的單袋電池單元的透視圖。圖4a中所示的單袋電池單元400包括如上所述堆疊在一起的陽極410、分隔件430和陰極420(在分隔件430后面，在圖4b中看到)。于是，袋440基本上包含陽極410、陰極420和分隔件430的堆疊。陽極410具有從集流器(未示出)的電極部分(即，由陽極材料覆蓋的部分)延伸出來的陽極引線部分412作為接線片。類似地，陰極也具有從集流器的電極部分(即，由陰極材料覆蓋的部分)延伸出來的陰極引線部分422作為接線片。在一些實(shí)施例中，如圖4a中所示，引線部分412和422是金屬條。在一些實(shí)施例中，在陽極410和陰極420中使用的集流器可以是網(wǎng)狀集流器，并且對應(yīng)的引線部分412和422可以是例如金屬絲、金屬絲束、金屬絲的編織物，或金屬絲的陣列。在一些實(shí)施例中，金屬絲可以與構(gòu)成網(wǎng)狀集流器的絲基本相同。在一些實(shí)施例中，金屬絲可以包括與網(wǎng)狀集流器中使用的金屬材料不同的導(dǎo)電材料。
圖4a還例示了單袋電池單元中每個部件的相對大小的一個示例。如圖4a中所示，陽極410和陰極420二者都小于分隔件430，以避免陽極410和陰極420之間的電接觸。袋440比陽極410和陰極420的電極部分大，也比分隔件430大，以便密封電池單元和/或避免電極材料和電解質(zhì)的泄漏。兩個接線片412和422從袋440中延伸出來，以將電池單元400電耦合到外部元件(諸如其它電池單元)。
圖4b示出了單袋電池單元400的拐角的放大視圖，以更清楚地例示上述每個元件的相對大小。在圖4b中，陰極420稍小于陽極410，以及因此陰極420通過陽極410被“隱藏”而不可見。在一些實(shí)施例中，分隔件430的至少一部分被熱密封在袋440中，以防止陽極410和陰極420之間的任何接觸。在一些實(shí)施例中，陰極420可以具有與陽極410基本上相同的尺寸。
袋440的相對大的尺寸提供了用于在電池制造期間支撐電極材料(尤其是半固體電極材料)的手段，即，袋440可以保持陽極材料和陰極材料。袋440還可以保護(hù)電極免受在包裝電極堆疊的情況下可能發(fā)生的變形，尤其是在電極的邊緣處。
單袋電池單元400中的每個元件的示例性大小可以如下：陽極410和陰極420具有202mm×150mm的尺寸；分隔件430可以在每個方向上大3mm，即，205mm×153mm；袋440具有214mm×162mm的大小，在每個方向上比陽極410和陰極420大12mm。每個電極(陽極410或陰極420)的厚度可以例如大于150μm、大于200μm或大于300μm。單袋電池的總厚度可以例如大于600μm、大于800μm或大于1mm。
圖5示出了包括封在金屬殼中的多個單袋電池單元的電池模塊的俯視圖。電池模塊500包括基本上封住多個單袋電池單元(圖5中僅示出一個單袋電池單元)的金屬殼560。每個單袋電池單元包括陽極510、分隔件530和陰極(在分隔件530后面，圖5中未示出)，所有這些都被包含并密封在袋540中。陽極510具有集流器，該集流器的引線部分512從電極部分延伸出來作為陽極接線片。類似地，陰極具有集流器，該集流器的引線部分522從電極部分延伸出來作為陰極接線片。多個陽極接線片512和陰極接線片522耦合在一起，并且耦合的接線片512和522還耦合到外部電連接件514和524。更具體而言，陽極接線片512耦合到電池模塊500的陽極連接件514，并且陰極接片522耦合到電池模塊500的陰極連接件524。
陽極連接件514包括導(dǎo)電元件515，該導(dǎo)電元件515在一端耦合到陽極接線片512，并且在另一端耦合到外部元件(諸如其它電池或設(shè)施)。導(dǎo)電元件515被部署為通過金屬殼560的壁并且經(jīng)由陽極連接件耦合件516與金屬殼560的壁電隔離，陽極連接件耦合件516還基本上保持導(dǎo)電元件515并防止導(dǎo)電元件515的滑動。類似地，陰極連接件524包括導(dǎo)電元件525，該導(dǎo)電元件525在一端耦合到陰極接線片522并在另一端耦合到外部元件。陰極連接件耦合件526被配置為使導(dǎo)電元件525與金屬殼560的壁電絕緣并且基本上保持導(dǎo)電元件525。在一些實(shí)施例中，導(dǎo)電元件515或525中的一個可以直接連接到金屬殼560而沒有任何絕緣。在這些實(shí)施例中，金屬罐560可以具有與直接連接到金屬殼560的導(dǎo)電元件(即，515或525)的極性相同的極性。
在一些實(shí)施例中，陽極連接件耦合件516和/或陰極連接件耦合件526可以是一對緊固件(例如，螺釘或螺栓)和螺母，其由非導(dǎo)電材料制成或涂覆有非導(dǎo)電材料，并且彼此機(jī)械耦合以及與金屬殼560的壁機(jī)械耦合。在一些實(shí)施例中，陽極連接件耦合件516和/或陰極連接件耦合件526可以是通過磁力耦合在一起的一對磁耦合件。在一些實(shí)施例中，陽極連接件耦合件516和/或陰極連接件耦合件526可以與金屬殼560的壁膠合在一起并部署為通過金屬殼560的壁。
在一些實(shí)施例中，金屬殼560基本上是剛性的，以保護(hù)金屬殼560內(nèi)的電池單元。在一些實(shí)施例中，金屬殼560具有一定的機(jī)械柔性，從而是更抗沖擊的。在一些實(shí)施例中，金屬殼560包括諸如不銹鋼、銅、鋁或其組合或合金的材料。在一些實(shí)施例中，金屬殼560具有大約0.2mm至2mm或者0.5mm至1.5mm或者0.8mm至1mm的厚度。在一些實(shí)施例中，金屬殼560可以稍大于袋540。在一個示例中，袋540具有214mm×162mm的大小，并且金屬殼560具有232mm×165mm的大小。因此，預(yù)期單袋電池單元基本固定在金屬殼內(nèi)，而不會自由移動。
在一些實(shí)施例中，電池模塊500充當(dāng)通過陽極連接件514和陰極連接件524提供電力的獨(dú)立電池。在一些實(shí)施例中，電池模塊500可以與其它相似或不相似的電池模塊耦合，以形成具有一定規(guī)格(例如容量、電壓、電流、尺寸、形狀等)的電池組。
圖6a-6b示出了包括封在金屬殼中的單袋電池單元的電池模塊的側(cè)視圖。圖6a示出了包括金屬罐660和蓋662的電池模塊600,金屬罐660和蓋662被一起采用以形成金屬殼從而容納多個單袋電池單元601。電池模塊還包括電極連接件614，電極連接件614可以是或者陽極連接件或者陰極連接件。圖6a中僅示出一個電極連接件，而另一個電極連接件可以在所示的連接件的后面，因此看不見。
實(shí)際上，可以將多個單袋電池單元部署到金屬罐660中，之后可以將蓋662部署或密封在金屬罐660的頂部，以形成電池模塊600。完成的電池模塊600在圖6b中示出。
在一些實(shí)施例中，蓋662和金屬罐660包括基本相同的材料，諸如不銹鋼、銅和鋁等。在一些實(shí)施例中，蓋662包括與金屬罐660中的材料不同的材料。例如，金屬罐660由不銹鋼制成，而蓋662包括可以更容易地焊接到金屬罐660的鋁箔或錫箔。在一些實(shí)施例中，蓋662可以通過激光焊接、縫焊、機(jī)械方法(諸如壓接)或本領(lǐng)域中已知的任何其它方法附連到金屬罐660。
圖7a示出了包括封在塑料框架中的多個單袋電池單元的電池模塊的俯視圖。電池模塊700包括基本上包含多個單袋電池單元(圖7a中僅示出了一個單袋電池單元)的周邊(側(cè)面)的塑料框架760。每個單袋電池單元包括陽極710、分隔件730和陰極(在分隔件730之后，在圖7中未示出)，所有這些都被包含并密封在袋740中。陽極710具有集流器，該集流器的引線部分712從電極部分延伸出來作為陽極接線片。類似地，陰極具有集流器，該集流器的引線部分722從電極部分延伸出來作為陰極接線片。多個陽極接線片712和陰極接線片722耦合在一起，并且耦合的接線片還耦合到外部電連接件。更具體而言，陽極接線片712耦合到電池模塊700的陽極連接件714，并且陰極接線片722耦合到電池模塊700的陰極連接件724。
在一些實(shí)施例中，陽極連接件714和陰極連接件724與塑料框架760的壁直接接觸，因?yàn)樗芰峡蚣?60是絕緣的。在一些實(shí)施例中，附加的耦合件(諸如圖5中所示的耦合件516和526)可以被采用以機(jī)械地保持陽極連接件714和陰極連接件724。
在一些實(shí)施例中，塑料框架760可以具有大約2mm至大約10mm的厚度，以便提供足夠的剛度并且保護(hù)塑料框架760內(nèi)的單袋電池。在一些實(shí)施例中，塑料框架的厚度760可以是大約3mm至大約7mm，或大約4mm至大約6mm。在一些實(shí)施例中，塑料框架760包括諸如尼龍、丙烯酸、聚氯乙烯(pvc)、upvc、聚乙烯、聚丙烯、聚碳酸酯、酚醛樹脂(bakelite)、環(huán)氧樹脂和三聚氰胺(melamine)等材料。在一些實(shí)施例中，塑料框架760可以在外表面上、在內(nèi)表面上或者在塑料框架760內(nèi)包括薄金屬板或箔，以防止氣體和水滲透。在一些實(shí)施例中，塑料框架760可以包括表面涂層。在一些實(shí)施例中，表面涂層可以減少水和氣體的滲透。
圖7b示出了圖7a中所示的電池模塊700的側(cè)視圖。如圖7b中所看到的，電池模塊700還包括部署在塑料框架760的每一側(cè)(頂部和底部)上的一對蓋762a和762b，以便形成整個容器來基本上包含單袋電池單元。在一些實(shí)施例中，蓋762a和762b包括可以與塑料框架760熱熔融的聚合物箔。在一些實(shí)施例中，蓋762a和762b包括可以與塑料框架760進(jìn)行真空密封的聚合物或其它塑料箔。在一些實(shí)施例中，蓋762a和762b包括可以膠合塑料框架760的箔。在一些實(shí)施例中，蓋762a和762b中的一個或兩個包括可以是塑料或金屬的板。在一些實(shí)施例中，塑料板可以包括部署在外表面或內(nèi)表面上的金屬箔。在一些實(shí)施例中，板可以具有表面涂層。
圖8a-8c示出了電池模塊中的接線片設(shè)計(jì)，該電池模塊分別包括封在金屬外殼中的多個單袋電池單元以及對應(yīng)的接線片連接區(qū)域。圖8a示出了電池模塊800的側(cè)視圖，其包括基本上包含多個單袋電池單元801的金屬殼860(圖8a中僅示出了整個殼的一部分)，單袋電池單元中的每個都具有將相應(yīng)的單袋電池單元經(jīng)由多個間隔件871與電池模塊800中其余的電池單元耦合的接線片812。然后，間隔件耦合件872將間隔件871以及接線片812電耦合到端部件(endpiece)876，端部件876電耦合到電極連接件814(陽極連接件或者陰極連接件)。電極連接件814還包括穿透通過金屬殼860的壁的導(dǎo)電件815和將導(dǎo)電件815與金屬殼860的壁電絕緣的連接件耦合件816。電池模塊800可以通過電極連接件814向設(shè)施提供電力。在一些實(shí)施例中，導(dǎo)電件815是同軸連接件。在一些實(shí)施例中，導(dǎo)電件815是卡扣連接件。在一些實(shí)施例中，導(dǎo)電件815是插頭連接件(pinconnector)，或本領(lǐng)域中已知的任何其它電連接件。
圖8b示出了圖8a中所示的間隔件871中的一個的側(cè)視圖。間隔件871包括橋接部分874和端部部分875。每個間隔件871中的橋接部分874被壓靠在來自單袋電池單元801的接線片812上。因此，多個接線片可以電耦合到多個間隔件，間隔件也機(jī)械地將接線片保持在適當(dāng)位置。端部部分875具有可以接納間隔件耦合件872的孔。在一些實(shí)施例中，間隔件耦合件872是鉚釘、螺釘、螺栓或任何其它導(dǎo)電件。
圖8c示出了電池模塊800的、靠近接線片812和電極連接件814的連接件部分870，以例示接線片設(shè)計(jì)。當(dāng)間隔件耦合件872(例如，鉚釘)被緊固時，每個接線片812都可以與間隔件871的橋接部分874物理接觸和電接觸。橋接部分874還與端部部分875電耦合，端部部分875經(jīng)由間隔件耦合件872電耦合到端部件876。然后，電極連接件814連接到端部件876，并且向外部設(shè)施提供電力或者從外部電源接收電力(例如，為電池充電)。在一些實(shí)施例中，間隔件817的橋接部分874和端部部分875都可以是導(dǎo)電的，以便形成從單袋電池單元801到電極連接件814的導(dǎo)電通路。在一些實(shí)施例中，橋接部分874的僅一部分(例如，與接線片812接觸的部分)是導(dǎo)電的。
在一些實(shí)施例中，間隔件871包括金屬材料(例如，不銹鋼、銅、鋁、銀等)。在一些實(shí)施例中，間隔件871包括涂覆有導(dǎo)電材料(例如，金屬、碳、導(dǎo)電金屬氧化物等)的非導(dǎo)電基底(例如，塑料)，以便減小電池模塊800的重量或成本。在一些實(shí)施例中，一對接線片812可以一起連接到延伸接線片而不是間隔件871，并且然后一對延伸接線片連接到端部件876。在一些實(shí)施例中，所有接線片都被收集并一起連接到端部分876。
在一些實(shí)施例中，金屬殼860和/或電池模塊800可以包括硅油或?qū)⒂兄陔姵匕踩缘娜魏我后w。這種液體、硅油或其它方式可以幫助維持金屬殼860內(nèi)的壓力(例如，堆疊的壓力)。在一些實(shí)施例中，這種液體的使用還可以幫助防止水滲入金屬殼860和/或電池模塊800。
制造單袋電池單元和模塊的方法
圖9是例示根據(jù)一些實(shí)施例的、制造單袋電池單元和模塊的方法的流程圖。方法900從步驟910中的電極漿料制備開始，其中陽極漿料和陰極漿料可以分別制備。
在一些實(shí)施例中，電極漿料包括電化學(xué)活性離子存儲化合物、導(dǎo)電添加劑和聚合物粘結(jié)劑的混合物。
在一些實(shí)施例中，陽極漿料和陰極漿料中的至少一種包括半固體電極材料，其包括活性材料和導(dǎo)電材料在非水液體電解質(zhì)中的懸浮液。半固體電極材料的示例在標(biāo)題為“semi-solidelectrodecellhavingaporouscurrentcollectorandmethodsofmanufacture”的美國專利公開no.u.s.2013/0065122a1中描述，該美國專利公開的全部公開內(nèi)容特此通過引用并入。
然后在步驟920中，將制備的電極漿料部署(例如，粘貼或涂覆)在集流器(例如，箔、網(wǎng)或多孔導(dǎo)電泡沫)上以形成電極。可以執(zhí)行將涂覆有電極漿料的集流器在高壓下壓縮的附加壓縮步以增加密度和控制厚度。
在一些實(shí)施例中，漿料制備步驟910和電極形成步驟920可以組合成單個步驟，稱為漿料電極的混合和形成，其一般包括：(i)原材料輸送和/或進(jìn)料，(ii)混合，(iii)混合漿料的輸送，(iv)分配和/或擠出，和(v)形成。在一些實(shí)施例中，該處理中的多個步驟可以同時和/或使用同一件設(shè)備執(zhí)行。例如，漿料的混合和輸送可以利用擠出機(jī)同時執(zhí)行。該處理中的每個步驟都可以包括一個或多個可能的實(shí)施例。例如，該處理中的每個步驟可以手動執(zhí)行或者由各種處理裝備中的任何來執(zhí)行。每個步驟還可以包括一個或多個子處理以及，可選地，監(jiān)測處理質(zhì)量的檢查步驟。
原材料輸送和/或進(jìn)料可以包括：利用自然進(jìn)料(naturefeeding)的基于批量(batch)的手動材料稱重(例如，允許混合器在沒有外力的情況下將材料接受到混合物中)，利用通過活塞機(jī)制或者基于螺桿的“側(cè)填料器”的強(qiáng)制進(jìn)料的基于批量的手動材料稱重，利用自然進(jìn)料的重力螺桿固體進(jìn)料器(例如，以混合器可以自然地接受材料的速率進(jìn)料)，利用強(qiáng)制進(jìn)料的重力螺桿固體進(jìn)料器(例如，由brabenderindustries公司銷售的單元結(jié)合活塞機(jī)制或基于螺桿的“側(cè)填料器”)和/或任何其它合適的輸送和/或進(jìn)料方法和/或其任意合適組合。
在一些實(shí)施例中，漿料可以使用
在一些實(shí)施例中，例如在混合之后，漿料可以例如使用活塞泵、蠕動泵、齒輪/凸輪泵、漸進(jìn)腔式泵(progressingcavitypump)、單螺桿擠出機(jī)、雙螺桿擠出機(jī)的輸送段和/或任何其它合適的輸送設(shè)備。在一些實(shí)施例中，在輸送和/或加壓期間可以測量、監(jiān)測和/或控制輸送設(shè)備的扭矩和/或功率、輸送設(shè)備出口處的壓力、流速和/或溫度。
在一些實(shí)施例中，例如在輸送和/或加壓之后，漿料可以被分配和/或擠出。漿料可以使用例如“懸掛件模具(hangerdie)”片材擠出模具、“冬季歧管(wintermanifold)”片材擠出模具、型材型片材擠出模具、可操作以向基板施加連續(xù)的材料流的任意噴嘴、注射到具有正確尺寸和形狀的模子中(例如，用材料填充口袋)和/或任何其它合適的分配設(shè)備來分配和/或擠出。
在一些實(shí)施例中，在分配之后，可以將漿料形成為最終電極。例如，漿料可以被壓延輥(calenderroll)形成、被沖壓和/或壓制、經(jīng)受振動沉降，和/或被切割成分立的部分。此外，在一些實(shí)施例中，可以去除不需要的材料部分(例如，掩蔽和清潔)，并且可選地再循環(huán)回到漿料制造處理中。
在形成電極(陽極和陰極)之后，在步驟930中，可以組裝單位單元。在一些實(shí)施例中，每個單位單元組件可以包括陽極、陰極和部署在其間以將陽極和陰極電絕緣的分隔件，例如，如圖1a中所示和上面所述。在一些實(shí)施例中，每個單位單元組件可以包括雙側(cè)陽極、兩個單側(cè)陰極以及兩個分隔件，如圖1b中所示和上面所述。
在步驟940中，每個所組裝的單位單元都被密封在袋中。在一些實(shí)施例中，袋包括三層結(jié)構(gòu)，例如包括基于尼龍的聚合物膜的外層、包括聚丙烯(pp)聚合物膜的內(nèi)層以及包括鋁(al)箔的中間層。這種類型的袋可以通過例如使用由mti公司提供的msk-140緊湊型加熱密封機(jī)的加熱密封來密封。密封溫度可以是例如50o-200o，并且密封壓力可以是例如0-0.7mpa。在一些實(shí)施例中，袋可以包括更薄的單層的較低成本材料。例如，這些材料可以是聚丙烯、樹脂，或者可以使用熱或壓力密封在一起的聚烯烴的組合。在一些實(shí)施例中，可以在密封每個單獨(dú)的袋之前對單位單元執(zhí)行預(yù)充電步驟。預(yù)充電步驟可以在袋密封之前生成氣體，因此可以消除在電池形成之后常規(guī)執(zhí)行的脫氣處理的需要。
在一些實(shí)施例中，電極漿料是半固體電極材料，并且所制備的電極和后續(xù)的單位單元組件已經(jīng)在電極材料中包含電解質(zhì)，在這種情況下，可以在制備單位單元組件之后立即密封袋。在一些實(shí)施例中，在密封之前將分離的電解質(zhì)(即，液體電解質(zhì))引入袋中。
在袋密封之后的步驟950中，為每個單位單元組件制備接線片，以便于電池模塊、電池組或其它應(yīng)用的構(gòu)造。在一些實(shí)施例中，接線片可以是集流器的一部分。例如，集流器可以具有從電極部分延伸出來的引線部分(例如，如圖4a中所示的412和422)。在一些實(shí)施例中，接線片可以是電耦合到電極的分離的元件(例如，金屬條或絲)。耦合可以到集流器或者到電極材料(即，電極漿料)，并且可以通過焊接、膠合、裝釘(stapling)或本領(lǐng)域已知的其它手段來實(shí)現(xiàn)。
在每個單位單元組件的制備之后，在步驟960中將多個單位單元組件耦合在一起，以形成預(yù)備電池模塊。在這個步驟中，依賴于實(shí)際應(yīng)用，可以將多個單位單元組件垂直堆疊在一起，或者水平排列在一起，或者兩者兼有。同樣在這個步驟中，所有的陰極接線片通常都耦合在一起，成為一個可以進(jìn)一步耦合到陰極連接件的連接點(diǎn)。類似地，所有陽極接線片通常都耦合在一起，成為一個可以進(jìn)一步耦合到陽極連接件的連接點(diǎn)。在一些實(shí)施例中，接線片者陽極接線片或者陰極接線片或者兩者兼有)經(jīng)由焊接、軟焊或膠合而耦合在一起。在一些實(shí)施例中，接線片經(jīng)由間隔件和鉚釘?shù)氖褂民詈显谝黄?例如，如圖8a-8c中所示)。在一些實(shí)施例中，接線片經(jīng)由螺釘連接在一起。
在步驟970中，將預(yù)備電池模塊封在殼中。在一些實(shí)施例中，殼是金屬(例如，如圖5所示)。在這些實(shí)施例中，可以首先將預(yù)備電池模塊放置在金屬罐中，然后將每個單袋電池單元中的接線片耦合到陽極和陰極連接件。然后，可以將金屬蓋放置在金屬罐的頂部，以形成預(yù)備電池模塊的完整外殼。金屬蓋可以經(jīng)由例如焊接、軟焊或機(jī)械手段耦合到金屬罐。在一些實(shí)施例中，殼分別包括在側(cè)面的塑料框架和在頂部和底部的兩個箔(例如，如圖7a-7b中所示)。在這些實(shí)施例中，預(yù)備模塊可以首先通過將接線片連接到陽極和陰極連接件而耦合到塑料框架，在這之后可以經(jīng)由例如熱熔融或壓力密封將兩個箔耦合到塑料框架。
然后，在步驟980中，被封住的電池模塊經(jīng)受形成處理，其中可以執(zhí)行初始充電操作，以產(chǎn)生可以鈍化電極-電解質(zhì)界面并且防止副反應(yīng)的穩(wěn)定的固體-電解質(zhì)中間相(sei)。而且，通常也執(zhí)行電池充電和放電的若干循環(huán)，以確保電池的容量滿足要求的規(guī)格。
圖10a和圖10b分別示出了根據(jù)一些實(shí)施例的包括多個陽極的陽極組件布局的俯視圖和側(cè)視圖。圖10a示出了陽極組件1000，陽極組件1000包括可以構(gòu)成袋以包含所得的電池單元的的袋膜1040(例如，pe/pp膜)，袋膜1040上部署了多個陽極1001a、1001b、1001c和1001d。例如，第一陽極1001a包括部署在陽極集流器1020a上的陽極材料1010a，陽極集流器1020a部署在袋膜1040上。第一陽極1001a還包括電耦合到陽極集流器1020a的陽極接線片1022a，以便將第一陽極1001a耦合到外部電路。類似地，第二陽極1001b包括接線片1022b和部署在陽極集流器1020b上的陽極材料1010b。每個陽極(1001a至1001d)與陽極組件1000中的另一個陽極電絕緣(例如，通過物理隔開)。
依據(jù)它們相對于相應(yīng)集流器的位置，接線片(1022a、1022b等)以交替的方式部署。更具體而言，如果一個接線片(例如，1022a)部署在相關(guān)聯(lián)的集流器(1020a)的右側(cè)，那么其相鄰的接線片(例如，1022b)部署在相關(guān)聯(lián)的集流器(1020b)的左側(cè)，反之亦然。接線片的這種交替構(gòu)造允許單袋單元制造期間的后續(xù)步驟中單位單元的方便組裝。
僅為了例示的目的，圖10a中所示的陽極組件1000包括四個陽極1001a至1001d。實(shí)際上，部署在袋膜1040上的陽極的數(shù)量可以多于或少于四個。
圖10b示出了從頂部到底部包括陽極材料1010、陽極集流器1020和袋膜1040的陽極組件1000的截面視圖(沿著圖10a中所示的10b-10b線取得)。從圖10a-10b可以看出，與陽極集流器1020相比，陽極材料1010的尺寸較小，與袋膜1040相比，陽極集流器1020的尺寸更小。在實(shí)踐中，這種金字塔結(jié)構(gòu)允許在制造期間方便地處理陽極。更具體而言，相對大尺寸的袋膜1040可以在電池制造期間提供用于支撐電極材料(尤其是半固體電極材料)的手段，即，袋可以保持電極材料。袋膜1040還可以保護(hù)電極免受在包裝電極的堆疊的情況下可能發(fā)生的變形，尤其是在電極的邊緣處。此外，袋膜1040還可以通過將電極材料包含在由袋膜1040限定的空間內(nèi)來防止電池制造中潛在的電極材料的溢出和對其它部件的污染。
制備圖10a-10b中所示的陽極組件1000的方法可以從袋膜開始。然后可以將多個陽極集流器層壓在袋膜上(例如，用粘合劑)，其中接線片以如上所述的交替方式配置。多個陽極集流器可以以周期性結(jié)構(gòu)排列，以便有助于單位電池單元的后續(xù)組裝。在一些實(shí)施例中(例如，如圖10a中所示)，陽極集流器以一維陣列部署。在一些實(shí)施例中，陽極集流器可以以二維陣列部署。在袋膜和陽極集流器鍵合在一起之后，陽極材料可以部署在陽極集流器中的每個上，以便形成陽極組件1000。
在一些實(shí)施例中，多個陽極集流器可以經(jīng)由以下涂覆或沉積技術(shù)中的任何沉積在袋膜上，涂覆或沉積技術(shù)包括但不限于化學(xué)氣相沉積(cvd)(包括初始cvd、熱絲cvd、等離子體增強(qiáng)cvd和其它形式的cvd)、物理氣相沉積、濺射沉積、磁控濺射、射頻濺射、原子層沉積、脈沖激光沉積、鍍敷、電鍍、浸涂、刷涂、噴涂、溶膠-凝膠化學(xué)(通過浸涂、刷涂或噴涂)、靜電噴涂、3d印刷、旋涂、電沉積、粉末涂覆、燒結(jié)、自組裝方法及其技術(shù)的任意組合。
在一些實(shí)施例中，通過改變沉積參數(shù)，在沉積期間可以優(yōu)化所沉積的集流器的特性?？梢越?jīng)由沉積參數(shù)的微調(diào)來優(yōu)化物理特性(諸如例如涂層紋理、涂層厚度、厚度均勻性、表面形態(tài)(包括表面粗糙度)、孔隙率和一般機(jī)械特性(包括斷裂韌性、延展性和拉伸強(qiáng)度)。類似地，可以通過改變沉積參數(shù)來優(yōu)化化學(xué)特性(諸如例如對電解質(zhì)和鹽的耐化學(xué)性和耐腐蝕性以及其它化學(xué)特性(包括具體的反應(yīng)性、粘合性、親和性等))，以產(chǎn)生功能性集流器。在一些實(shí)施例中，在沉積后通過后續(xù)的表面或溫度處理(諸如退火或快速熱(快速)退火或機(jī)電拋光以及使用其技術(shù)的任意組合)可以進(jìn)一步改進(jìn)或修改沉積或涂覆的集流器的各種物理和化學(xué)特性。
圖11a示出了根據(jù)一些實(shí)施例的包括多個陽極的陰極組件布局的俯視圖，而圖11b示出了該陰極組件布局的截面視圖(沿著圖11a中所示的11b-11b線取得)。陰極組件1100包括部署在袋膜1140上的多個陰極1101a、1101b、1101c和1101d。每個陰極(1101a至1101d)包括部署在陰極集流器1120a上的陰極材料1110a(取第一陰極作為示例)，陰極集流器1120a被層壓到袋膜1140。每個陰極還包括用于電耦合的接線片1122a。圖11b示出了從頂部到底部包括陰極材料1110、陰極集流器1120和袋膜1140的陰極組件1000的截面視圖。
制備陰極組件1100的方法可以基本上類似于上述制備陽極組件1000的方法。該方法可以從在袋膜上將多個陰極集流器層壓成陣列開始。然后可以將陰極材料部署在陰極集流器中的每個上，以形成陰極組件。
在一些實(shí)施例中，圖10a-10b中所示的陽極組件1000和圖11a-11b中所示的陰極組件可以制備在同一袋膜(1040或1140)上。在一些實(shí)施例中，陽極組件1000和陰極組件1100可以制備在分離的袋膜上。
類似地，多個陰極集流器也可以經(jīng)由上面關(guān)于圖10a-10b所描述的多種沉積或涂覆技術(shù)沉積在袋膜上。并且可以經(jīng)由如上所述的前面提及的優(yōu)化技術(shù)來優(yōu)化沉積的陰極集流器的特性。
圖12示出了電極組件布局1200的俯視圖，電極組件布局1200包括部署在共同的袋膜1240上的陽極組件1201和陰極組件1202兩者。陽極組件1201和陰極組件1202可以分別基本上類似于圖10a中的陽極組件1000和圖10b中的陰極組件1100，因此這里不再詳細(xì)描述它們。陽極組件1201和陰極組件1202以這樣一種方式對準(zhǔn)，使得當(dāng)電極組件1200沿著中間的虛線10折疊時，陽極組件1201中的每個陽極都重疊在陰極組件1202中的對應(yīng)陰極上。此外，陽極組件和陰極組件的相應(yīng)接線片1221和1222以互補(bǔ)的方式布置。更具體而言，當(dāng)沿著虛線10折疊時，每個陽極接線片1221位于相應(yīng)集流器的一側(cè)，而每個陰極接線片1222位于相應(yīng)集流器的另一側(cè)。換句話說，當(dāng)電極組件1200沿著虛線10折疊時，陽極接線片1221不與陰極接線片1222接觸。
在一些實(shí)施例中，可以通過施加熱或任何其它合適的方法保持袋膜折疊達(dá)延長的時段的時間，以防止失去其折疊。在一些實(shí)施例中，可以在將集流器層壓到袋膜之前執(zhí)行熱的施加或任何其它合適的方法，以延長折疊。在一些實(shí)施例中，可以在將集流器層壓到袋膜之后執(zhí)行熱的施加或任何其它合適的方法，以延長折疊。類似地，在一些實(shí)施例中，可以在將集流器沉積或涂覆到袋膜之前執(zhí)行熱的施加或任何其它合適的方法，以延長折疊。在一些實(shí)施例中，可以在將集流器沉積或涂覆到袋膜之后執(zhí)行熱的施加或任何其它合適的方法，以延長折疊。電極組件1200可以通過與關(guān)于圖10a-10b和圖11a-11b所述的類似方法來制備。但是，上述方法中的步驟(例如，集流器的層壓、電極材料的部署等)可以以各種次序布置，以制備電極組件1200。在一些實(shí)施例中，制備電極組件1200的方法從袋膜開始，隨后是陽極集流器和陰極集流器的各自的層壓。然后陽極材料可以部署在每個陽極集流器上，并且陰極材料可以部署在每個陰極集流器上。
在一些實(shí)施例中，制備電極組件1200的方法從將陽極集流器層壓在袋膜上開始，隨后是在陽極集流器中的每個上部署陽極材料。然后，該方法進(jìn)行至陰極集流器的層壓和陰極材料在陰極集流器中的每個上的部署。
在一些實(shí)施例中，陽極集流器和/或陰極集流器可以經(jīng)由如本文所述的多種沉積或涂覆技術(shù)一個接一個地沉積在袋膜上。所沉積的陽極集流器和/或陰極集流器的特性也可以如上所述的經(jīng)由之前提及的優(yōu)化技術(shù)或做法進(jìn)行優(yōu)化。
在一些實(shí)施例中，可以以交替的方式將集流器層壓在袋膜上。更具體而言，每次在將一種類型的集流器(陽極或陰極)層壓在袋膜上之后，就將另一種類型(陰極或陽極)的集流器層壓并且與相反類型的集流器對準(zhǔn)。上面剛剛描述的這些實(shí)施例僅用于例示的目的。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)認(rèn)識到的是，可以實(shí)現(xiàn)各種其它次序來制備電極組件1200。
在制備電極組件1200期間或之后，可以在電極組件中的每個電極(陽極或陰極)上放置分隔件。在一些實(shí)施例中，將分隔件放在每個陽極材料上。在一些實(shí)施例中，將分隔件放在每個陰極材料上。在一些實(shí)施例中，在制備電極組件1200之后，將分隔件放在電極材料上。在一些實(shí)施例中，在制備電極組件期間，將分隔件放在電極材料上。例如，可以在制備陽極組件1201之后但在制備陰極組件1202之前將分隔件放置在陽極材料上。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)認(rèn)識到的是，在這里可以實(shí)現(xiàn)各種其它的步驟次序，以將分隔件部署在電極材料上。
在將分隔件(或單個大片的分隔件)放置在電極組件1200上(在陽極組件1201或者陰極組件1202上)之后，然后將電極組件1200沿著中間的線10折疊，以便形成單位單元組件1300，如圖13a-13b中所示。單位單元組件1300包括多個單位單元1301a、1301b、1301c和1301d。除了從袋膜1340伸出以允許與外部部件的電耦合的接線片1321和1322，袋膜1340基本上包含多個單位單元1301a至1301d。僅為了例示的目的，圖13a中示出了四個單位單元。在實(shí)踐當(dāng)中，單位單元組件中單位單元的數(shù)量可以多于或少于四個，依賴于制造規(guī)格。
單位單元組件中的每個單位單元(取第一單位單元1301a為例)都包括在該單位單元的一側(cè)上的陰極接線片1321和在該單位單元的另一側(cè)的陽極接線片1322。單位單元組件1300中的相鄰單位單元具有相反的接線片1321和1322的構(gòu)造。取第一單位單元1301a和第二單位單元1301b為例。在第一單位單元1301a中，陰極接線片1321位于單位單元的左側(cè)，而陽極接線片1322位于右側(cè)。但是，在第二單位單元1301b中，陰極接線片1321位于單位單元的右側(cè)，而陽極接線片1321位于左側(cè)。接線片的這種交替構(gòu)造允許后續(xù)步驟中方便的單元組裝和電池制造，如下面詳細(xì)闡述的。
圖13b示出了單位單元組件1300的截面視圖(沿著圖13a中所示的13b-13b線取得)，單位單元組件1300從頂部到底部包括第一袋膜1340a、陰極集流器1310、陰極材料1320、分隔件1330、陽極材料1330、陽極集流器1350和第二袋膜1340b。在一些實(shí)施例中，第一袋膜1340a和第二袋膜1340b可以是同一膜的不同部分，例如，如圖12中所示。在一些實(shí)施例中，第一袋膜1340a和第二袋膜1340b可以是不同的袋膜，其上分別部署有陽極組件和陰極組件。
可以對圖13a-13b中所示的單位單元組件1300執(zhí)行密封步驟，以形成各個單位單元，單位單元中的每個都被包含在袋中，即，單袋單位單元。圖14例示了單位單元組件1400的密封方案，單位單元組件1400可以與單位單元組件1300基本相似。單位單元組件1400包括基本上包含在袋膜1440中的多個單位單元1401a至1401d。虛線20指示密封的位置，密封可以是例如真空密封或熱密封。
在一些實(shí)施例中，密封步驟可以首先沿著兩條水平線(一條在單位單元組件1400的頂部，一條在單元組件1400的底部)執(zhí)行，隨后在每條垂直線上進(jìn)行密封。在一些實(shí)施例中，可以顛倒上述次序，即，首先垂直密封，然后水平密封。在一些實(shí)施例中，垂直密封和水平密封兩者可以沿著預(yù)定的密封線20同時執(zhí)行。
圖15a-15b例示了根據(jù)一些實(shí)施例的、在每個單位單元被密封在袋中之后將單位單元堆疊的處理。圖15a示出了與圖14中所示的密封單位單元組件1400基本相似的單位單元組件1500。單位單元組件1400包括多個單位單元1501a至1501d。密封沿著虛線20。垂直點(diǎn)劃線30指示單位單元組件1500沿著其被折疊以形成單位單元堆疊的線的位置。在折疊之后，陽極接線片位于結(jié)果所得的堆疊的一個邊緣上，并且陰極接線片位于結(jié)果所得的堆疊的另一個邊緣上，使得陽極接線片與陰極接線片電絕緣。
在一些實(shí)施例中，多個單位單元1501a至1501d以滾動方式折疊。例如，單位單元1501d可以沿著逆時針方向折疊在單位單元1501c上，并且然后所得的1501c和1501d的堆疊可以沿著逆時針方向折疊在單位單元1501b上。這個滾動處理可以一直繼續(xù)到組件中的最后一個單位單元(或，依賴于起始單位單元，繼續(xù)到組件中的第一個單位單元)。
在一些實(shí)施例中，如圖15b中所示，多個單位單元1501a至1501d以z字形的方式折疊。例如，單元電池1501a和1501b可以沿逆時針方向折疊。但是，單位單元1501c和1501d可以沿著順時針方向折疊。1501a和1501b的堆疊可以沿著逆時針方向或順時針方向與1501c和1501d的堆疊折疊。換句話說，折疊方向?qū)τ趩挝粏卧M件1500中的不同單位單元可以是不同的。
在一些實(shí)施例中，可以同時執(zhí)行多個單位單元1501a至1501d的折疊。例如，類似于窗式空調(diào)機(jī)的側(cè)板，可以從單位單元組件的左側(cè)和右側(cè)兩側(cè)施加力，以推動單位單元堆疊在一起。
在一些實(shí)施例中，可以通過施加熱或任何其它合適的方法來保持多個單位單元1501a至1501d的折疊達(dá)延長的時段的時間，以防止失去其折疊。在一些實(shí)施例中，可以在以逆時針折疊方向折疊之后、在以順時針折疊方向折疊之后、在以z字形折疊方向折疊之后或者折疊方向的任意組合，施加熱或任何其它合適的方法來延長折疊。在一些實(shí)施例中，可以通過在折疊多個單元之前施加熱或任何其它合適的方法來保持多個單位單元1501a至1501d的折疊達(dá)延長的時段。在一些實(shí)施例中，可以通過在多個單元的每個折疊發(fā)生之后施加熱或任何其它合適的方法來保持多個單位單元1501a至1501d的折疊達(dá)延長的時段的時間。在一些實(shí)施例中，可以通過在多個單元的全部折疊都已經(jīng)發(fā)生之后施加熱或任何其它合適的方法來保持多個單位單元1501a至1501d的折疊達(dá)延長的時段的時間。
圖16a示出了從15a-15b中所示的方法制備的單位單元堆疊的俯視圖，而圖16b示出了其截面視圖(沿著圖16a中所示的16b-16b線)。單位單元堆疊1600包括多個單位單元1601a-1601d(統(tǒng)稱為單位單元1601)。每個單位單元密封在袋1640中。陰極接線片1621對準(zhǔn)在單位單元堆疊1600的左邊緣上，而陽極接線片1622對準(zhǔn)在單元電池堆1600的右邊緣上。陰極接線片1621和陽極片1622都從袋1640伸出，以便允許與系統(tǒng)中的其它部件(諸如其它單元堆疊、設(shè)施或連接件)的電耦合。
圖17a-17b示出了根據(jù)一些實(shí)施例的、具有額外部分以容納氣體生成并且重新密封的袋單元，以例示在制造單袋電池單元期間執(zhí)行脫氣步驟的示例性方法。圖17a示出了包括多個單位單元1701a、1701b、1701c和1701d的單位單元組件1700的俯視圖，多個單位單元沿著密封線20密封在每個相應(yīng)的袋中。每個單位單元1701a至1701d還包括容納在單元形成中所生成的氣體的一部分，本文中也分別稱為脫氣部分1761a至1761d。脫氣部分1761a至1761d從單位單元的電極部分延伸并且包括空的袋空間。脫氣步驟期間生成的氣體可以被包含在這些脫氣部分1761a至1761d中。在脫氣步驟完成之后，脫氣部分1761a至1761d可以沿著圖17b中所示的白色點(diǎn)線切開以便釋放所包含的氣體并且從單位單元組件1700中被移除。然后脫氣的單位單元組件1700可以沿著新的密封線25重新密封，以便形成重新密封的單位單元組件用于進(jìn)一步處理(例如，如圖15a-15b中所示的單位單元堆疊)。在一些實(shí)施例中，脫氣步驟也可以在堆疊單位單元之后通過一次密封一對堆疊的袋材料來進(jìn)行。這種做法可以使生產(chǎn)更有效。
在一些實(shí)施例中，除了在這里使用的更大尺寸的袋膜之外，在每個單位單元中都包括脫氣部分的單位單元組件1700可以通過上面關(guān)于圖12所描述的基本類似的方法來制備。更具體而言，圖12中的中間線10的兩側(cè)的區(qū)域可以延伸，以便允許當(dāng)電極組件沿著中間線10折疊時形成脫氣部分。
在一些實(shí)施例中，陰極組件和陽極組件可以制備在分離的袋膜上，在每個組件的底部具有額外的膜。然后如圖17a中所示，兩個組件可以堆疊在一起并沿著虛線20密封，以形成單位單元組件1700。
圖10a至圖17b例示了制備在所得的單位單元組件的同一側(cè)既有陽極接線片又有陰極接線片的單位單元組件的方法。在一些實(shí)施例中，如圖18中所示，陽極接線片1821和陰極接線片1822位于單位單元組件1800的相對側(cè)。在這個示例中，單位單元1801a至1801d的陽極接線片1821和陰極接線片1822可以利用集流器的較大可用寬度，即，接線片可以較寬。接線片的較大寬度可以減小接線片的電阻，由此改進(jìn)所得的電池的性能。較大的寬度也可以改進(jìn)所得的電池的機(jī)械和電氣穩(wěn)定性，因?yàn)?，由于物理?或化學(xué)原因，較大寬度的接線片更難以腐蝕、疲勞或以其它方式受損。
單位單元組件1800可以通過在上下顛倒的陰極組件(例如，圖11a中所示的1100，具有加寬的接線片)上堆疊陽極組件(例如，圖10a中所示的1000，具有加寬的接線片)來制備，以便在所得的單位單元組件的相對側(cè)上構(gòu)造陰極接線片和陽極接線片。然后，所得的單位單元組件1800可以沿著密封線20密封，以形成單獨(dú)包裝的單袋電池單元。
圖19a-19b示出了用于制備單袋電池單元的示例性制造方法，其中電極組件在同一行中既包括陽極又包括陰極。僅為了例示的目的，圖19a示出了包括兩個陽極(1901a和1901c)和兩個陰極(1901b和1901d)的電極組件1900，陽極和陰極部署在同一袋膜1940上并且按相同的順序以交替的方式排列。當(dāng)沿著第一點(diǎn)劃線50折疊時，第一陽極1901a和第一陰極1901b形成第一單位單元1901。當(dāng)沿著第二點(diǎn)劃線55折疊時，第二陽極1901c和第二陰極1901d形成第二單位單元1902。在一些實(shí)施例中，兩個單位單元1901和1902進(jìn)一步沿著實(shí)線40折疊，以形成簡單的單位單元堆疊。在一些實(shí)施例中，可以通過施加熱或任何其它合適的方法來保持多個單位單元1901和1902的沿著實(shí)線40的折疊達(dá)延長的時段的時間，以防止失去其折疊。在一些實(shí)施例中，沿著該實(shí)線切割兩個單位單元1901和1902，以形成兩個單獨(dú)且獨(dú)立的單位單元供進(jìn)一步處理(例如，堆疊、密封等)
圖19b示出了第一單位單元1901中的折疊區(qū)域的截面視圖，第一單位單元1901包括從三個方向(底部、頂部和右側(cè))基本上包含部署在陰極集流器1910上的陰極材料1902、部署在陽極集流器1960上的陽極材料1950以及部署在陽極材料1950和陰極材料1920之間的分隔件1930的袋膜1904。在一些實(shí)施例中，較長的袋膜可以用在袋膜1940的連接部分1942中，以便形成脫氣部分。
圖19c-19d示出了根據(jù)一些實(shí)施例的、用于制備圓柱形構(gòu)造的電池單元的示例性制造方法。圖19c示出了包括多個電極堆疊的圓柱形電池單元1903的俯視圖。每個電極堆疊還包括陰極1913、陽極1923、部署在陰極1913和陽極1923之間的分隔件1933。相鄰的電極堆疊被袋層1943隔開。圖19d示出了圓柱形電池單元1903的示意圖。
圖19e-19g示出了根據(jù)一些實(shí)施例的、用于制備棱柱形構(gòu)造的電池單元的示例性制造方法。圖19e示出了棱柱形電池單元1905的部分俯視圖，例示了圖19f中圈出的部分中的詳細(xì)結(jié)構(gòu)，圖19f示出了棱柱形電池單元1095的完整俯視圖。棱柱形電池單元1905包括多個電極堆疊，電極堆疊中的每個都還包括陰極1915、陽極1925、部署在陰極1915和陽極1925之間的分隔件1935。相鄰的電極堆疊被袋層1945隔開。圖19g示出了棱柱形電池單元1905的示意圖。
圓柱形電池單元1903和棱柱形電池單元1905都可以通過下述方法制備。在一些實(shí)施例中，陰極(1913或1915)和陽極(1923或1925)可以分開制備。例如，可以通過將陰極材料部署在陰極集流器上來制備陰極，并且可以通過在陽極集流器上部署陽極材料來制備陽極。然后可以將分隔件部署在陽極材料或者陰極材料上。然后將所制備的陰極和陽極堆疊在一起，以形成電極堆疊，然后在電極堆疊的一側(cè)(陽極側(cè)或陰極側(cè))上部署袋層。然后將電極堆疊與袋層一起卷繞成圓柱形電池單元或棱柱形電池單元。在一些實(shí)施例中，袋層可以在兩個電極被堆疊在一起之前部署在電極之中一個電極上，以便有助于電極的制備。
在一些實(shí)施例中，電極堆疊(包括袋層)可以以一層接一層的方式制備。例如，制造可以從在袋層上部署陽極集流器開始，然后在陽極集流器上部署陽極材料。然后可以在陽極材料上部署分隔件，在分隔件上部署陰極材料，然后是陰極集流器。在這種逐層的處理之后，可以將所得的電極堆疊卷繞成圓柱形構(gòu)造或者棱柱形構(gòu)造的電池單元。在一些實(shí)施例中，袋層可以在形成電極堆疊之后部署。
在一些實(shí)施例中，在將電極堆疊卷繞成電池單元之前，可以執(zhí)行切割步驟，以便在卷繞之后獲得所得的電池單元期望的形狀因素。
在一些實(shí)施例中，圖19c-19f中所示的電池單元可以被進(jìn)一步密封到外部袋或包裝中。外部袋或包裝可以被用于減輕例如由周圍環(huán)境中的濕氣或化學(xué)物質(zhì)引起的腐蝕。
雖然圖19c-19f僅示出了單個電池單元1903或1905中的一個袋層，但是在實(shí)踐當(dāng)中可以使用多于一個的袋層。在一些實(shí)施例中，可以使用兩個袋層。一個袋層可以部署在陽極集流器上，而另一個袋層可以部署在陰極集流器上，以便有助于電極的制備(例如，避免電極材料的溢出或變形)。
圖20是根據(jù)上述方法制造的單袋電池單元的例示。電池單元2000包括包含陽極2010、陰極和分隔件的袋2040。陰極和分隔件在陽極2010的后面并且沒有被標(biāo)記。電池單元還包括由銅制成的陽極接線片2010和由鋁制成的陰極接線片2014。如在圖20中可以看到的，袋2040基本上包含電極部分，而接線片2012和2014從袋延伸出來，用于外部連接。
圖21示出了三組單袋電池單元的容量保留曲線。第一組(也稱為對照組)包括在測試容量保留之前已經(jīng)受脫氣步驟的單袋電池單元。第二組(也被稱為“無脫氣”組)包括在測試之前沒有執(zhí)行任何脫氣的單袋電池單元。第三組(也稱為“預(yù)充電”組)中的單袋電池單元在袋密封之前經(jīng)受預(yù)充電步驟。預(yù)充電以c/10速率執(zhí)行達(dá)大約1小時。對第三組中的電池不執(zhí)行脫氣步驟。
所有通過組中的電池單元都具有包括50％體積的磷酸鐵鋰(lfp)和0.936％體積的碳添加劑的陰極漿料，其在速度混合器中混合。在一些實(shí)施例中，用于混合陰極漿料的規(guī)程包括以650rpm混合3分鐘，然后以1250rpm混合1分鐘的兩個重復(fù)。在電池單元中使用的陽極包括50％體積的石墨粉末和2％體積的碳添加劑，它們也在混合器中混合。在一些實(shí)施例中，用于混合陽極漿料的規(guī)程包括以650rpm進(jìn)行6分鐘的混合。陽極的厚度大約為265μm。在這些電池單元中使用的電解質(zhì)包括溶解在溶劑中的50/50碳酸亞乙酯(ec)/γ-丁內(nèi)酯(gbl)、1mlitfsi的溶劑。電解質(zhì)還包括添加劑，諸如2％的碳酸亞乙烯酯(vc)。電池單元的總厚度大約為900μm。
如圖21中所看到的，與對照組中的電池單元相比，預(yù)充電組中的電池單元顯示出基本上相同的容量保留。此外，無脫氣組中的電池單元在前15-20個循環(huán)中示出增加的容量，這指示在那些循環(huán)期間可能得不到無脫氣組中的電池單元中的全部容量。容量保留的比較示出，可以對單袋單元執(zhí)行預(yù)充電處理，以消除對脫氣步驟的需要并進(jìn)一步消除常規(guī)電池制造中的重新密封步驟。
包括單袋電池單元的示例性電池模塊和電池組
圖22示出了電池模塊2200的俯視圖，電池模塊2200包括封在殼2220中的單袋電池單元2210(1)至2210(8)(統(tǒng)稱為電池單元2210)的陣列。每個電池單元2210包括可以用來將該電池單元耦合到其它電池單元的陽極接線片2212和陰極接線片2214。僅為了例示的目的，圖22中所示的電池模塊2200包括8個單袋電池單元。在實(shí)踐當(dāng)中，電池模塊中的單袋電池單元的數(shù)量可以多于8或少于8，依賴于例如期望的電池規(guī)格。
而且，也是僅為了例示的目的，多個電池單元2210被部署在二維陣列中。在一些實(shí)施例中，多個電池單元2210部署成序列(即，一維陣列)。在一些實(shí)施例中，多個電池單元2210朝著共同的中心點(diǎn)徑向部署，使得電池模塊2200可以具有圓柱形構(gòu)造。
此外，僅為了例示的目的，圖22僅示出了電池模塊的一層。在實(shí)踐當(dāng)中，如電池模塊2200的一個或多個電池模塊可以耦合在一起，以實(shí)現(xiàn)期望的輸出規(guī)格(諸如容量、電壓或電流)。
圖23a-23b分別示出了包括封在金屬殼中的多個單袋電池模塊的電池模塊的分解視圖和折疊視圖。如圖23a中所示，電池模塊2300包括頂蓋2310、頂部泡沫2320、單元堆疊2330，以及用于包含單元堆疊的集成殼2340。
單元堆疊2330還包括陽極接線片2334和陰極接線片2332。陽極接線片2334與單元堆疊2330中的電池單元的每個陽極電連通，并且陰極接線片2332與單元堆疊2330中的電池單元的每個陰極電連通。集成殼2340還包括陽極連接件2344和陰極連接件2342。當(dāng)單元堆疊2330被適當(dāng)?shù)胤胖迷诩蓺?340中時，陽極接線片2334電耦合到陽極連接件2344并且陰極接線片2332電耦合到陰極連接件2342，使得電池模塊2300可以通過陽極連接件2344和陰極連接件2342來提供電力(在放電期間)或者接收電力(在充電期間)。
在一些實(shí)施例中，頂蓋2310包括與集成殼2340中使用的相同的金屬材料(例如，不銹鋼、鋁、銅等)。在一些實(shí)施例中，頂蓋2310包括輕質(zhì)材料(例如，聚合物、塑料、輕金屬等)，以便有助于頂蓋2310的容易的移除和重新安裝。
在一些實(shí)施例中，頂部泡沫2320是軟的(例如，緩沖泡沫)，以便減少在沖擊時對單元堆疊2330的潛在損壞。在一些實(shí)施例中，頂部泡沫2320包括阻燃泡沫(諸如合成泡沫、水性成膜泡沫、耐醇泡沫和蛋白質(zhì)泡沫等)。
圖24a-24b分別示出了包括封在塑料殼中的多個單袋電池模塊的電池模塊的分解視圖和折疊視圖。如圖24a中所示，電池模塊2400包括頂蓋2410、頂部泡沫2420、單元堆疊2430、內(nèi)襯2450，以及容納單元堆疊的集成殼2440。頂蓋2410、頂部泡沫2420和單元堆疊2430可以與圖23a中所示并且如前所述的頂蓋2310、頂部泡沫2320和單元堆疊2330基本相同。集成殼2440包括塑料材料，以便例如減小電池模塊2400的重量。
在一些實(shí)施例中，內(nèi)襯2450包括軟材料(例如，塑料、聚合物、橡膠等)，以便減少在沖擊時對單元堆疊2430的潛在損壞。在一些實(shí)施例中，內(nèi)襯2450包括阻燃材料，以減少火災(zāi)危險。在一些實(shí)施例中，內(nèi)襯2450包括抗靜電材料，諸如基于長鏈脂族胺(可選地乙氧基化)和酰胺的材料、季銨鹽(例如，三苯甲基氯化銨或椰油酰胺丙基甜菜堿)、磷酸酯、聚乙二醇酯(polyethyleneglycolesters)或多元醇。在一些實(shí)施例中，內(nèi)襯2450包括防潮材料，以防止由濕氣引起的單元堆疊2430中的短路。在一些實(shí)施例中，內(nèi)襯2450包括復(fù)合材料。例如，內(nèi)襯2450可以包括用于緩沖目的的軟材料，其涂覆有阻燃材料以減少火災(zāi)危險。
圖23a-23b中所示的電池模塊2300和圖24a-24b中所示的電池模塊2400(一般被稱為電池模塊)可以具有可以有助于實(shí)際應(yīng)用的若干特征。在一些實(shí)施例中，電池模塊可以允許模塊到模塊的互鎖，以便允許具有某種期望規(guī)格(例如，電壓、電流、容量等)的電池組的便利構(gòu)造。在一些實(shí)施例中，電池模塊包括模塊化設(shè)計(jì)，使得每個電池模塊可以作為電源獨(dú)立地運(yùn)作或者在特定應(yīng)用中與其它部件協(xié)作。
在一些實(shí)施例中，電池模塊可以具有以下規(guī)格：輸出電壓為3.2v、電池容量為280ah、單元重量為4.5kg、總能量為0.896kwh、單元體積為4.14l、體積能量密度為216wh/l、比能量密度為200wh/kg。本規(guī)格僅用于例示的目的。在實(shí)踐當(dāng)中，可以采用不同的規(guī)格來滿足應(yīng)用中不同的實(shí)際要求。
圖25示出了包括多個電池模塊2510(1)至2510(4)(統(tǒng)稱為電池模塊2510)的電池組2500的示意圖。電池模塊2510可以與圖23a-23b中所示的電池模塊2300或圖24a-24b中所示的電池模塊1400基本相同。僅為了例示的目的，圖25中所示的電池組2500包括部署在二維陣列中的四個電池模塊2510。在實(shí)踐當(dāng)中，電池組中的電池模塊的數(shù)量可以依賴于例如期望的規(guī)格而變化。陣列構(gòu)造也可以變化。例如，圖26示出了包括以一維序列部署的四個電池模塊2610(1)至2610(4)的陣列的電池模塊2600，以便例如適合一定的空間要求。
圖27a-27c示出了包括垂直堆疊的電池模塊的電池組以及堆疊模塊的放大部分的示意圖，以例示電池組的互鎖特征。圖27a中所示的電池組2700包括垂直堆疊在一起的第一電池模塊2710a和第二電池模塊2710b?？梢酝ㄟ^第一電池模塊2710a的重量將堆疊壓力施加到第二電池模塊2710b。在一些實(shí)施例中，如果28個模塊一個接一個的堆疊，那么頂部電池模塊與底部電池模塊之間的壓力差可以為大約5psi。
電池組2700包括在兩個電池模塊之間的左接觸部分2712a和右接觸部分2712b。圖27b和27c中分別示出了兩個接觸部分2712a和2712b。圖27b和27c示出了底部電池模塊2710b的頂部部分可以被構(gòu)造為接納頂部電池模塊2710a的底部部分。通過這種構(gòu)造，可以將多個電池模塊彼此方便地耦合并形成期望規(guī)格的電池組。
圖28a-28b示出了包括(即，二維垂直陣列)部署成支架構(gòu)造的多個電池模塊2850(例如，電池模塊2300和/或2400)的電池支架2800的折疊視圖和分解視圖。多個支撐框架2840部署在多個電池模塊2850的四個邊緣上，以將電池模塊2850保持在一起。支撐框架2840經(jīng)由多個螺栓2870機(jī)械地耦合到電池模塊2850。頂端板2810和底端板2880分別從頂部和底部封住多個電池模塊2850。具有部署在其上的多個壓縮彈簧2820的多個壓縮板2830可以放置在頂端板2810和多個電池模塊2850之間，用于沖擊緩沖。每個電池模塊包括電池電纜2860，以便有助于電池模塊與其它電池模塊的電耦合。所得的電池支架2800的折疊視圖在圖28a中示出。
電池支架2800的一個示例性規(guī)格可以是：輸出電壓為716v、單元容量為280ah、單元重量為1150kg、總能量為200kwh、支架大小為600mm×760mm×2100mm、體積能量密度為210wh/l以及比能量密度為175wh/kg。這個規(guī)格僅用于例示的目的。在實(shí)踐當(dāng)中，可以采用不同的規(guī)格來滿足應(yīng)用中的不同實(shí)際要求。
雖然上面已經(jīng)描述了各種實(shí)施例，但是應(yīng)當(dāng)理解，它們僅以示例而非限制的方式呈現(xiàn)。例如，雖然本文的實(shí)施例描述了諸如例如鋰離子電池的電化學(xué)設(shè)備，但是本文所述的系統(tǒng)、方法和原理適用于包含電化學(xué)活性介質(zhì)的所有設(shè)備。換句話說，至少包括活性材料(電荷載體的源或匯)、導(dǎo)電添加劑和離子導(dǎo)電介質(zhì)(電解質(zhì))的任何電極和/或設(shè)備(諸如例如電池、電容器、雙電層電容器(例如，超級電容器)、鋰離子電容器(混合電容器)、偽電容器等)都在本公開的范圍內(nèi)。此外，實(shí)施例可以與非水電解質(zhì)和/或水性電解質(zhì)電池化學(xué)物質(zhì)一起使用。
如上所述的方法和步驟指示以某個次序發(fā)生的某些事件，受益于本公開的本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將認(rèn)識到某些步驟的排序可以被修改，并且這種修改符合本發(fā)明的變化。此外，在可能的時候，步驟中的某些可以在并行處理中同時執(zhí)行，以及如上所述順序執(zhí)行。此外，在進(jìn)行至后續(xù)步驟之前，某些步驟可以部分完成和/或省略。
雖然已經(jīng)特別示出和描述了各種實(shí)施例，但是可以進(jìn)行形式和細(xì)節(jié)的各種改變。例如，雖然已經(jīng)將各種實(shí)施例描述為具有特定特征和/或部件的組合，但是其它實(shí)施例能夠具有來自本文所述的任何實(shí)施例的任何特征和/或部件的任意組合或子組合。各種部件的具體構(gòu)造也可以改變。
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