具有弹性柔顺壳体的可再充电电池制造技术

具有弹性柔顺壳体的可再充电电池包括壳体和至少一个电池单元。壳体包括一对基本上刚性的端板以及弹性柔顺结构，所述弹性柔顺结构连接端板，使得端板在彼此基本平行的相应平面内取向并界定它们之间的间隙。每个电池单元容纳在壳体中、处于端板之间的间隙中，并且包括阳极、阴极以及在阳极和阴极之间的隔板。弹性柔顺结构连接端板并且包括弹性部件，所述弹性部件沿着正交于端板所取向的平面的轴线呈现出大于3％的弹性膨胀。

Rechargeable battery with flexible and flexible shell

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】具有弹性柔顺壳体的可再充电电池背景可再充电电池或二次电池以及包括多个单元(cell)的电池具有广泛的应用，需要持续改进电池性能。电池组设计中的常见问题在于电池组本身的机械设计，其中电池需要在其寿命期间调整电池的尺寸变化。这些尺寸变化可以是电池老化时电池尺寸的逐渐增加(即“膨胀”)的形式，或者是在每个循环过程期间电池尺寸的循环变化(即“呼吸”)的形式。例如，在Pb-酸电池中，主要的尺寸变化通常是由于Pb硫酸盐随着单元中的副反应逐渐积累而引起的膨胀。锂离子单元通常包含根据嵌入原理操作的活性材料，其中Li+以可逆方式移入和移出主体结构(例如石墨负极和层状过渡金属氧化物正极材料)，而不会引起主体材料的大的结构变化。在插入反应发生在两个电极上的锂离子单元的情况下，在循环(即呼吸)期间，存在相对小的尺寸变化(通常<0.5％的体积摆动)，因为Li的部分摩尔体积在两个电极上都接近零。此外，不可逆膨胀(即膨胀)通常受到固体电解质界面(SEI)层的缓慢生长的限制。根本上，在循环期间这些有限的尺寸变化为单元中的电化学反应提供了高度的可逆性；然而，有限的尺寸变化也限制了电极堆叠的能量密度，并且因此也限制了单元的能量密度。普遍认为，能量密度的显著改进可以通过从纯插入主体反应迁移到操作期间涉及根本不同的物理过程的电极反应来实现，因为与插入相比，后面的反应允许更密集地存储Li离子。在这些反应中的是转化反应、置换反应、合金化反应和金属沉积。然而，这些反应类型通常与电极材料内相对较大的结构变化(例如，≥5％的体积膨胀)相关联，并且因此与电池单元相关联。也就是说，单元有时据说会“呼吸”，作为充电和放电期间物理膨胀和收缩的特性。根本上，由于单元中的电化学反应引起的高度重复的体积膨胀和收缩将与单元组件(例如，电极堆叠、单元和电池包装疲劳)的更高比例的机械退化一致，导致单元、循环寿命、功率密度和安全操作的裕度的恶化，从而抵消能量密度的增加。在常规插入电池的情况下，在其小得多的膨胀和收缩的情况下，已经存在多种尝试来减轻重复的单元呼吸(即，电池单元厚度的重复膨胀和收缩)的不利影响。通常，现有的电池组件以能量密度的代价来减轻呼吸的影响，因为它们提供空隙空间，容纳额外的材料以产生空隙(例如碳、聚合物)，或者提供机械支撑(例如厚壁、“拱形”或非线性角度)。例如，US5,879,831公开了一种允许单向膨胀的电池外壳设计，这种单向膨胀通过向该方向施加外部机械计数器来容易地补偿。在该模块中，电池在外部机械压缩下被束缚在模块束/压缩装置内，该模块束/压缩装置被优化以平衡由于膨胀引起的向外压力并提供额外的向内压缩以减小正极和负极之间的距离，从而增加总电池功率。产生的电池具有60Wh/kg的能量密度。在另一个实例中，US8,124,270和US8,298,700公开了一种电池外壳，其由金属和设置在电池外壳侧面上的薄板形成。薄板具有以适当间隔平行形成的多个肋状突出部分，用于在电池外壳的侧面和突出部分之间形成两端开口的空间。通过使突出部分之间的部分与电池外壳的侧面表面接触，将薄板结合至电池外壳的侧面。突出部分增加了电池外壳侧面的表面强度，从而抑制了电池外壳侧面由于电池内部压力引起的膨胀。类似地，US9,343,772公开了一种二次电池，包括电极组件；通常包围电极组件的加压保持器，该加压保持器具有至少一个侧壁，该侧壁具有面向外部的表面和面向内部的表面，其中面向外部的表面和面向内部的表面中的至少一个具有缓冲凹部；以及容纳电极组件和加压保持器的外壳。在另一个实例中，美国公开申请第2008/01234625A1号公开了一种密封的双极电池，其具有排列在单元堆叠中的多个电池单元并且具有承受单元堆叠施加的力的外壳。更具体地，可以通过在组装前以凹入的方式(使得外壳壁的至少一部分朝向单元堆叠成弧形)成形外壳壁的至少一部分来提供具有内置机械柔顺性的低成本外壳，该外壳可以在电池组装后向电极堆叠提供必要的机械预载力。在又另一个实例中，US7,704,637公开了一种锂离子电池，其特征在于由非金属材料制成的多孔弹性体设置在正极组和负极组之间或者电极组和壳的内壁之间；并且弹性体呈片状或棒状的形状。弹性体的厚度为0.5mm-5.0mm，并且弹性体具有10％-80％的孔隙率。该电池可以有效地避免充电和放电循环期间壳的膨胀。最后，美国公开申请第2011/0177377A1(Dube)号公开了一种可膨胀电池组，该电池组具有通过连接装置连接的端板，该连接装置随着电池膨胀而弹性变形至预定极限并且然后塑性变形(不可逆)。该参考文献特别针对的用于通过连接装置的塑性变形调节的电池膨胀是电池在延长的时间段内老化时的膨胀(5％-7％)[参见Dube,例如,Para.0026]。概述本文描述了具有弹性柔顺壳体的可再充电电池和用于操作这些电池的方法，其中设备和方法的各种实施方案可以包括下文描述的元件、特征和步骤中的一些或全部。具有弹性柔顺壳体的可再充电电池包括：壳体，所述壳体包括一对基本上刚性的端板以及弹性柔顺结构(即，其经历主要是弹性而不是塑性的变形，其中基本上刚性的端板比弹性柔顺结构更加刚性——即，当经历相同的力时，基本上刚性的端板比弹性柔顺结构呈现出更小的梁弯曲变形)。弹性柔顺结构连接端板，使得端板在基本彼此平行的相应平面中取向(即，端板类似地沿着相应的正交轴线取向，使得相应端板的相应长度和宽度界定了彼此平行的平面)，并且界定了它们之间的间隙。可再充电电池还包括至少一个电池单元，所述至少一个电池单元容纳在壳体中、处于端板之间的间隙中，其中电池单元包括阳极、阴极以及在阳极和阴极之间的隔板，其中阳极和阴极中的每一个具有沿其最短尺寸的厚度。弹性柔顺结构连接刚性端板并且包括弹性部件，所述弹性部件在循环期间沿着平行于最大尺寸变化方向的轴线呈现出大于3％，并且在特定的实施方案中大于5％的弹性膨胀，以适应在电池充电和放电的每个循环期间的膨胀和收缩(即，电池的“呼吸”)。可再充电电池的实施方案包括用于电池单元组件的壳体，其中壳体被构造成在充电和放电循环期间可逆地适应电池的大于5％的膨胀和收缩(即弹性-而不是塑性-柔顺性)。电池组件，包括呈现出非弹性柔顺性(或在充电和放电循环期间不能可逆地适应电池的>5％的膨胀和收缩)的材料和构造的壳体，可能遭受快速的容量衰减和功率密度的损失。虽然不受任何特定操作模式的限制，但是认为由非弹性柔顺材料形成的电池组件的大于5％的体积膨胀/收缩可以对应于增加的电极间间隙、电极厚度和电池电阻，从而导致快速容量衰减和倍率性能(ratecapability)的损失。在特定的实施方案中，可再充电电池是包括串联或并联连接的多个棱柱形单元的可再充电锂电池，棱柱形单元被封装在弹性柔顺壳体中，该弹性柔顺壳体能够在正交于单元内的电极堆叠层的方向上提供大于0.08MPa的单轴力(即堆叠压力)(其中施加的堆叠力可以被施加以便在整个电池充电和放电循环期间是基本均匀的)，并且能够在正交于单元内的电极堆叠层的方向上提供例如大于>5％的弹性位移。在一些实施方案中，单轴力在充电期间单调增加，并且然后本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种具有弹性柔顺壳体的可再充电电池，包括：/n壳体，所述壳体包括一对基本上刚性的端板以及弹性柔顺结构，所述弹性柔顺结构连接所述基本上刚性的端板，使得所述基本上刚性的端板在彼此基本平行的相应平面中取向并界定它们之间的间隙；和/n至少一个电池单元，所述至少一个电池单元容纳在所述壳体中、处于所述基本上刚性的端板之间的间隙中，其中所述电池单元包括阳极、阴极以及在所述阳极和所述阴极之间的隔板，其中所述阳极和所述阴极中的每一个具有沿其最短尺寸的厚度，/n其中所述弹性柔顺结构连接所述基本上刚性的端板，并且包括弹性部件，所述弹性部件沿着正交于所述基本上刚性的端板所取向的平面的轴线呈现出大于3％的弹性膨胀。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20161128 US 62/426,8691.一种具有弹性柔顺壳体的可再充电电池，包括：
壳体，所述壳体包括一对基本上刚性的端板以及弹性柔顺结构，所述弹性柔顺结构连接所述基本上刚性的端板，使得所述基本上刚性的端板在彼此基本平行的相应平面中取向并界定它们之间的间隙；和
至少一个电池单元，所述至少一个电池单元容纳在所述壳体中、处于所述基本上刚性的端板之间的间隙中，其中所述电池单元包括阳极、阴极以及在所述阳极和所述阴极之间的隔板，其中所述阳极和所述阴极中的每一个具有沿其最短尺寸的厚度，
其中所述弹性柔顺结构连接所述基本上刚性的端板，并且包括弹性部件，所述弹性部件沿着正交于所述基本上刚性的端板所取向的平面的轴线呈现出大于3％的弹性膨胀。


2.如权利要求1所述的可再充电电池，其中所述弹性柔顺结构环绕所述基本上刚性的端板。


3.如权利要求2所述的可再充电电池，其中所述阳极和所述阴极中的至少一个被配置成用于当离子在所述阳极和所述阴极之间转移时经由厚度的膨胀或收缩来位移，其中所述弹性柔顺结构和所述基本上刚性的端板的边缘——其中所述弹性柔顺结构环绕所述基本上刚性的端板——具有在膨胀或收缩期间发生的位移的至少四分之一的曲率半径。


4.如权利要求1所述的可再充电电池，其中所述基本上刚性的端板在各自所取向的相应平面中具有小于或等于平行于所述基本上刚性的端板的宽度测量的所述至少一个电池单元的宽度的宽度。


5.如权利要求1所述的可再充电电池，其中所述壳体具有基本上圆柱形的形状。


6.如权利要求1所述的可再充电电池，其中所述弹性柔顺结构提供了平行于在膨胀和收缩期间发生的位移的大于0.06MPa的压力。


7.如权利要求1所述的可再充电电池，其中所述弹性柔顺结构提供了平行于在膨胀和收缩期间发生的位移的具有至少6,650N/m的力常数的压缩力。


8.如权利要求1所述的可再充电电池，其中所述阳极包括以下中的至少一种：(a)金属；(b)合金；和(c)包含选自Li、Na、Mg、Al和Ca的元素的金属间化合物。


9.如权利要求1所述的可再充电电池，其中所述阳极至少部分地包括硅和锂。


10.如权利要求1所述的可再充电电池，其中所述阴极和所述阳极中的至少一个包括如下材料，所述材料被配置为经历插入反应、合金化、嵌入、歧化、转化反应或其组合。


11.如权利要求1所述的可再充电电池，其中电解质包括固体。


12.如权利要求1所述的可再充电电池，其中电解质包括液体。


13.如权利要求1所述的可再充电电池，其中电解质包括凝胶。


14.如权利要求1所述的可再充电电池，其中所述阳极和所述阴极中的每一个具有基本上矩形的横截面，所述基本上矩形的横截面具有包括正极端子和负极端子的一对较长边和一对较短边，其中所述较长边和所述较短边两者正交于所述阳极和所述阴极的厚度。


15.如权利要求14所述的可再充电电池，其中所述弹性部件包括一个螺旋缠绕的弹簧或多个螺旋缠绕的弹簧，其中至少一个弹簧安装在所述阳极和所述阴极的较长边中的至少一个的旁边。


16.如权利要求15所述的可再充电电池，其中所述螺旋缠绕的弹簧围绕至少一个电池单元。


17.如权利要求14所述的可再充电电池，其中所述弹性部件包括围绕至少一个电池单元的弹性带。


18.如权利要求14所述的可再充电电池，其中所述弹性部件包括至少一层编织结构。


19.如权利要求18所述的可再充电电池，其中所述编织结构包括以下类型的纤维中的至少一种：碳纤维、金属纤维、硼硅酸盐纤维、塑料纤维和陶瓷纤维。


20.如权利要求18所述的可再充电电池，其中所述编织结构被嵌入基质中以形成复合织物，其中所述基质包括以下中的至少一种：塑料、粘合剂、环氧树脂和树脂。


21.如权利要求18所述的可再充电电池，其中所述纤维相对于所述阳极和所述阴极的厚度以非零°和非90°角度交叉编织。


22.如权利要求14所述的可再充电电池，其中所述弹性柔顺结构沿着正交于所述基本上刚性的端板所取向的平面的轴线呈现出大于5％的弹性膨胀。


23.一种用于操作具有弹性柔顺性的可再充电电池的方法，包括：
提供可再充电电池，所述可再充电电池包括：(a)壳体，所述壳体包括在所述可再充电电池的相对端的一对基本上刚性的端板以及弹性柔顺结构，所述弹性柔顺结构沿着所述可再充电电池的相对侧延伸并连接所述基本上刚...

【专利技术属性】
技术研发人员：克里斯多佛·费舍尔，托马斯·吉卢利，大卫·伊格尔沙姆，罗伯特·多伊，
申请(专利权)人：维金电力系统有限公司，
类型：发明
国别省市：新加坡;SG