三维电池的尺寸约束制造技术

本公开涉及三维电池的尺寸约束。提供在充电状态与放电状态间循环的二次电池，其包括电池外壳、电池外壳内的电极组件、载体离子、非水液体电解质和一组电极约束件。该组电极约束件包括初级约束系统，该系统具有第一和第二初级生长约束件和至少一个初级连接构件，第一和第二初级生长约束件在纵向方向上彼此分离，其中初级约束阵列约束电极组件在纵向方向上的生长，使得在二次电池的20个连续循环期间电极组件在纵向方向上的费雷特直径的任何增加小于20％。该组电极约束件还包括二级约束系统，二级约束系统具有通过至少一个二级连接构件连接的第一和第二二级生长约束件，二级约束系统在二次电池循环期间至少部分地约束电极组件在第二方向上的生长。在第二方向上的生长。在第二方向上的生长。

【技术实现步骤摘要】
三维电池的尺寸约束
[0001]本申请是申请日为2017年5月12日、PCT国际申请号为PCT/US2017/032355、中国国家阶段申请号为201780043543.3、专利技术名称为“三维电池的尺寸约束”的申请的分案申请。
[0002]相关申请的交叉引用
[0003]本申请是PCT申请，要求2016年5月13日提交的美国专利申请No.62/335,912的优先权益，并要求2016年11月16日提交的美国专利申请No.62/422,958的优先权益，这两个专利申请的全部内容通过引用并入本文。


[0004]本公开一般地涉及在能量存储装置中使用的结构，涉及采用这种结构的能量存储装置、以及用于制造这种结构和能量装置的方法。

技术介绍

[0005]摇椅式或插入式二次电池是一种类型的能量存储装置，其中，诸如锂离子、钠离子、钾离子、钙离子或镁离子的载体离子通过电解质在正电极和负电极之间移动。二次电池可包括单个电池单体(cell)，或者包括已被电耦合而形成电池的两个或更多个电池单体，每个电池单体包括正电极、负电极、微孔隔膜(separator)和电解质。
[0006]在摇椅式电池单体中，正电极和负电极都包括在其中插入和抽出载体离子的材料。当电池放电时，载体离子从负电极中抽出并插入到正电极中。当电池充电时，发生相反的过程：载体离子被从正电极中抽出并插入到负电极中。
[0007]当载体离子在电极之间移动时，持续的挑战之一在于电极随着电池反复充电和放电而趋于膨胀和收缩的事实。循环期间的膨胀和收缩往往对电池的可靠性和循环寿命造成问题，这是因为当电极膨胀时，发生电短路和电池故障。
[0008]因此，仍然存在在电池循环期间控制电极的膨胀和收缩以提高电池的可靠性和循环寿命的需求。

技术实现思路

[0009]因此，简言之，本公开的一方面涉及用于减轻或防止电极的宏观膨胀的约束结构的实现，从而提高电池的能量密度、可靠性和循环寿命。
[0010]根据一方面，提供了一种在充电状态与放电状态之间循环的二次电池，所述二次电池具有电池外壳、位于所述电池外壳内的电极组件、载体离子、非水液体电解质、以及一组电极约束件。所述电极组件具有相互垂直的纵向轴、横向轴和垂直轴、在纵向方向上彼此分离的第一纵向端面和第二纵向端面、以及围绕电极组件纵向轴A
EA
并连接所述第一纵向端面和所述第二纵向端面的横向表面，所述横向表面具有位于所述纵向轴的相反两侧上并在与所述纵向轴正交的第一方向上分离的相反的第一区域和第二区域，所述电极组件具有在所述纵向方向上测量的最大宽度W
EA
，由所述横向表面限定并且在横向方向上测量的最大长度L
EA
、以及由所述横向表面限定并且在垂直方向上测量的最大高度H
EA
，L
EA
和W
EA
中的每一者
与H
EA
的比率分别为至少2:1。所述电极组件具有电极结构群(population)、反电极结构群、以及电隔离所述电极群和所述反电极群的构件(member)的电绝缘微孔隔膜材料，所述电极结构群和所述反电极结构群的构件在所述纵向方向上以交替的顺序排列。所述电极结构群的每个构件具有电极活性材料层，并且所述反电极结构群的每个构件包括反电极活性材料层，其中所述电极活性材料具有在所述二次电池从放电状态被充电至充电状态时，每摩尔电极活性材料接受超过一摩尔载体离子的容量。所述一组电极约束件包括初级约束系统，所述初级约束系统包括第一和第二初级生长约束件和至少一个初级连接构件，所述第一和第二初级生长约束件在所述纵向方向上彼此分离，并且所述至少一个初级连接构件连接所述第一和第二初级生长约束件，其中所述初级约束系统约束所述电极组件在所述纵向方向上的生长，使得在所述二次电池的20个连续循环期间，所述电极组件在所述纵向方向上的费雷特直径(Feret diameter)的任何增加小于20％。所述一组电极约束件进一步包括二级约束系统，所述二级约束系统包括在第二方向上分离并通过至少一个二级连接构件连接的第一和第二二级生长约束件，其中所述二级约束系统在所述二次电池的循环时至少部分地约束所述电极组件在所述第二方向上的生长，所述第二方向与所述纵向方向正交。所述充电状态是所述二次电池的额定容量的至少75％，所述放电状态小于所述二次电池的所述额定容量的25％。
[0011]根据另一方面，提供了一种在充电状态与放电状态之间循环的二次电池，所述二次电池具有电池外壳、位于所述电池外壳内的电极组件、载体离子、非水液体电解质、以及一组电极约束件。所述电极组件具有相互垂直的纵向轴、横向轴和垂直轴、在纵向方向上彼此分离的第一纵向端面和第二纵向端面、以及围绕电极组件纵向轴A
EA
并连接所述第一纵向端面和所述第二纵向端面的横向表面，所述横向表面具有位于所述纵向轴的相反两侧上且在与所述纵向轴正交的第一方向上分离的相反的第一区域和第二区域，所述电极组件具有在所述纵向方向上测量的最大宽度W
EA
，由所述横向表面限定并且在所述横向方向上测量的最大长度L
EA
、以及由所述横向表面限定并且在所述垂直方向上测量的最大高度H
EA
，L
EA
和W
EA
中的每一者与H
EA
的比率分别为至少2:1。所述电极组件进一步包括电极结构群、反电极结构群、以及电隔离所述电极群和反电极群的构件的电绝缘微孔隔膜材料，所述电极结构群和所述反电极结构群的构件在所述纵向方向上以交替的顺序排列。所述电极结构群的每个构件具有一电极活性材料层，并且所述反电极结构群的每个构件包括一反电极活性材料层，其中所述电极活性材料具有在所述二次电池从放电状态充电至充电状态时，每摩尔电极活性材料接受超过一摩尔载体离子的容量。所述一组电极约束件包括初级约束系统，所述初级约束系统包括第一和第二初级生长约束件和至少一个初级连接构件，所述第一和第二初级生长约束件在所述纵向方向上彼此分离，并且所述至少一个初级连接构件连接所述第一和第二初级生长约束件，其中所述初级约束阵列约束所述电极组件在所述纵向方向上的生长，使得在所述二次电池的20个连续循环期间，所述电极组件在所述纵向方向上的费雷特直径的任何增加小于20％。所述充电状态是所述二次电池的额定容量的至少75％，所述放电状态小于所述二次电池的所述额定容量的25％。
[0012]本公开的其它方面、特征和实施例将在以下描述和附图中部分地进行讨论和部分地显而易见。
附图说明
[0013]图1是与电极组件一起使用的约束系统的一个实施例的透视图。
[0014]图2A是三维电极组件的一个实施例的示意图。
[0015]图2B至2C是三维电极组件的一个实施例的示意图，示出了约束配置和扩展配置中的阳极结构群构件。
[0016]图3A至3H示出了电极组件的不同形状和尺寸的示例性实施例。
[0017]图4A示出了沿图本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种在充电状态与放电状态之间循环的二次电池，所述二次电池包括电池外壳、位于所述电池外壳内的电极组件、载体离子，还包括一组电极约束件，其中所述电极组件具有相互垂直的纵向轴、横向轴和垂直轴、在纵向方向上彼此分离的第一纵向端面和第二纵向端面、以及围绕电极组件纵向轴A
EA
并连接所述第一纵向端面和所述第二纵向端面的横向表面，所述横向表面具有位于所述纵向轴的相反两侧上并在与所述纵向轴正交的第一方向上分离的相对的第一区域和第二区域，所述电极组件具有在所述纵向方向上测量的最大宽度W
EA
、由所述横向表面限定并且在横向方向上测量的最大长度L
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、以及由所述横向表面限定并且在垂直方向上测量的最大高度H
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，L
EA
和W
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中的每一者与H
EA
的比率分别为至少2:1，所述电极组件进一步包括电极结构群、反电极结构群、以及电隔离所述电极结构群和所述反电极结构群的构件的电绝缘隔膜材料，所述电极结构群和所述反电极结构群的构件在所述纵向方向上以交替序列排列，所述电极结构群的每个构件包括电极活性材料层，并且所述反电极结构群的每个构件包括反电极活性材料层，所述一组电极约束件包括初级约束系统，所述初级约束系统包括第一初级生长约束件和第二初级生长约束件以及至少一个初级连接构件，所述第一初级生长约束件和所述第二初级生长约束件在所述纵向方向上彼此分离，并且所述至少一个初级连接构件连接所述第一初级生长约束件和所述第二初级生长约束件，其中所述初级约束系统约束所述电极组件在所述纵向方向上的生长，所述一组电极约束件进一步包括二级约束系统，所述二级约束系统包括在第二方向上分离并通过至少一个二级连接构件连接的第一二级生长约束件和第二二级生长约束件，其中所述二级...

【专利技术属性】
技术研发人员：R，
申请(专利权)人：艾诺维克斯公司，
类型：发明
国别省市：