CN105190935A - 锂离子电池组 - Google Patents

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Abstract

一种多芯锂离子电池组(100)包括一个密封的外壳(116)和一个布置在该密封的外壳(116)内的支撑构件(120)。该支撑构件(120)包括多个空腔和多个布置在该多个空腔内的锂离子芯构件(102)。该电池组进一步包括多个空腔内衬(124)，其中每一个放置在这些锂离子芯构件(102)的一个相应的构件与这些空腔的一个相应的空腔的一个表面之间。

Description

锂离子电池组
相关申请的交叉引用
本申请要求于2012年10月11日提交的美国临时专利申请号61/795,150的权益。该在先申请通过引用以其全文结合在此。
技术领域
本发明涉及锂离子电池组并且更具体地涉及具有改进的安全性和降低的制造成本的多芯锂离子电池组。
背景技术
由于诸如电动车辆和网格存储系统的应用、以及其他多电池的电池组应用(如电动自行车、不间断的动力电池组系统、以及铅酸替换电池组)的增长，对于电化学动力电池(如锂离子电池组)的需求正在不断增加。对于这些应用所要求的是能量和功率密度高，但是如果不是更重要的话，同样重要的是低成本制造和提高的安全性以能够广泛商业应用的要求。进一步需要根据该应用的能量与功率比来定制这些电池组的能量与功率比。
对于网格存储和电动车辆(其是大型应用)，要求以串联和并联阵列连接的多个电池。电池的供应商或者聚焦于大型电池，在此定义为对于每个单电池超过10Ah(安培小时)，或者聚焦于小型电池，在此定义为小于10Ah。大型电池，如棱柱形或聚合物电池，其含有堆叠的或层叠的多个电极，是由LG化学品(LGChemical)、AESC、ATL以及其他供应商制造的。小型电池，如18650或26650圆柱形电池，或棱柱形电池，如183765或103450电池以及其他类似的尺寸是由三洋公司(Sanyo)、松下公司(Panasonic)、能元科技股份有限公司(EoneMoli)、波士顿电池公司(Boston-Power)、江森自控有限公司(JohnsonControls)、帅福得公司(Saft)、比亚迪公司(BYD)、金山工业公司(GoldPeak)、以及其他公司制造。这些小型电池经常利用椭圆形或圆柱形形状的极芯(jellyroll)结构。一些小型电池是具有堆叠的电极的聚合物电池，与大型电池类似，但具有较小的容量。
现有的小型和大型电池的电池组具有一些显著的缺点。关于小型电池，如18650电池，它们具有典型地受外壳或“罐”的约束的缺点，这会导致对于循环寿命和日历寿命的局限性，部分是由于机械应力或电解质匮乏。随着锂离子电池组被充电，电极膨胀。因为该罐，电极的极芯结构被约束并且在该极芯结构内发生机械应力，这限制了它的寿命周期。因为所希望的是越来越多的存储容量，将更具活性的阳极和阴极材料插入一个具有给定体积的罐中，这导致进一步的在电极上的机械应力。
同样增加小型电池中的电解质的量的能力是有限的并且因为锂嵌入和脱嵌，电极运动将电解质从极芯结构中挤出。这引起电极变得电解质匮乏，导致在耗用功率过程中锂离子的浓度梯度，以及电极的干涸(dry-out)，引起副反应和阻断离子路径的干燥区域，减少电池寿命。为了克服这些问题，尤其是对于长寿命的电池组，用户必须通过降低充电状态，限制电池的可用容量，或降低充电速率来使性能折衷。
在机械方面，小型电池组装成大阵列是困难且昂贵的。必须创建复杂的焊接图案以最小化焊接失效的可能性。焊接失效导致在失效的焊接连接处的降低的容量和潜在的加热。阵列中的电池越多，失效风险越高并且制造产量越低。这转化为更高的产品和保修成本。还存在不仅与焊接和内部短路的失效问题相关的，而且还与小型电池的包装相关的潜在的安全问题。要求小型电池的适当的包装以避免由于一个电池的失效的级联热失控。此种包装导致增加的成本。
对于大型电池，缺点主要是围绕安全性、低的体积和重量容量、以及昂贵的制造方法。与更小型的电池相比，具有大面积电极的大型电池受制于低制造产量。如果在一个大型电池电极上存在缺陷，与制造一个小型电池相比，更多的材料被浪费并且总产量较低。例如一个50Ah的电池与一个5Ah的电池相比。与5Ah的电池相比，在50Ah电池中的缺陷导致10倍的材料损失，即使对于两种生产方法都是仅每50Ah的生产的电池发生一个缺陷。
对于大型电池的另一个问题是安全性。在一个进入热失控的电池中释放的能量与在热失控情况过程中驻留在该电池内并且受影响的电解质的量成比例。电池越大，可供用于电解质以便使电极结构完全充满的自由空间越多。对于一个大型电池因为每Wh电解质的量典型地大于一个小型电池，该大型电池的电池组总体而言在热失控过程中是一种更有效的系统并且因此较不安全。自然地任何热失控将取决于具体的情形，但是，一般而言，在灾难性事件的情况下，燃料(电解质)越多，火灾越强烈。另外，一旦一个大型电池处于热失控模式，由该电池产生的热量可诱导在邻近电池内的热失控反应引起一种级联效果点燃整个组具有对该组和周围设备的大规模破坏以及对于用户的不安全情况。
当比较小型和大型电池相对于彼此的性能参数时，可以发现与大型电池相比，小型电池总体上具有更高的重量(Wh/kg)和体积(Wh/L)容量。与大型电池相比，更容易使用用于容量和阻抗的组合(binning)技术使多个小型电池成组并且从而以一种更有效的方式匹配生产运行的整体分布。这导致在电池组大量生产过程中更高的制造产量。此外，更容易以限制例如由在一个电池中的内部短路(在安全问题领域中最常见的问题之一)点燃的电池组的级联失控反应的体积上有效的阵列来安排小型电池。此外，存在使用小型电池的成本优势因为生产方法是由该行业以高产量很好地建立并且失效率较低。机械设备是容易得到的并且成本已经被排出制造系统。
另一方面，大型电池的优点是对于电池组OEM易于组装，其可以经历一种更稳健的大型格式结构，该结构经常具有用于更易于使用的常用的机电连接件的空间和能够有效的包装制造的显然更少的电池，而不必解决组装小型电池的阵列所要求的多种问题和专有技术。
为了利用使用小型电池来创建更大尺寸和更高功率/能量能力、但具有更好的安全性和更低的制造成本的电池的益处，与大型电池相比，已经开发了以多芯(MC)电池结的小型电池的组件。
一个这样的MC电池结构(由比亚迪有限公司(BYDCompanyLtd.)开发)采用集成到一个由金属(铝、铜合金或镍铬)制成的容器中的MC的阵列。该阵列在以下文献中描述：EP1952475A0；WO2007/053990；US2009/0142658A1；CN1964126A。BYD结构具有仅围绕MC的金属材料并且因此具有在机械冲击过程中具有尖锐物体穿透进入芯并引起局部短路的缺点。由于所有的芯是在一个共同的容器中(不是在单独的罐中)其中电解质在这些芯中共享，来自制造缺陷或外部损坏的任何单独芯的失效可能传播到其他芯和破坏MC结构。这种电池是不安全的。
用于防止在多个电化学电池的组件中的热失控的方法已经在US2012/0003508A1中描述。在本专利申请中所描述的MC结构中，单独的电池被并联或串联连接，每个电池具有一个包含在它自己的罐中的极芯结构。这些单独的电池然后被插入到一个填充有硬质泡沫(包括阻燃添加剂)的容器中。这些安全措施生产昂贵并且限制了能量密度，部分是由于节制的(mitigating)材料的过高成本。
另一种MC结构是在专利申请US2010/0190081A1和WO2007/145441A1中描述，其披露了使用两种或更多种具有多个单个电池的堆叠类型的二次电池组，该电池组由一个单一电池组提供两个或更多个电压。在这种安排中单个电池在一个外壳中串联连接并使用一个隔膜。与常规堆叠类型的单电压电池相比，串联元件仅产生了一个更高电压的电池，但并没有解决任何安全或费用问题。
这些MC类型的电池组提供了超过大型电池的电池组的一定的优势；然而，他们仍然具有在安全性和成本方面的某些缺点。
发明内容
本发明提供了一种新颖的类型的MC锂离子电池组结构，具有降低的生产成本和改进的安全性同时提供了更大尺寸的电池组的益处，诸如易于组装此类电池组的阵列以及定制功率能量比的能力。
描述了一种具有密封的外壳与布置在该密封的外壳内的支撑构件的多芯锂离子电池组。该支撑构件包括多个空腔和多个锂离子芯构件，布置在该多个空腔的一个相应的空腔内。存在多个空腔内衬，每一个放置在这些锂离子芯构件的一个相应的构件与这些空腔的一个相应的空腔的一个表面之间。该支撑构件包括一种动能吸收材料并且该动能吸收材料是由铝泡沫、陶瓷、以及塑料中的一种形成。存在由一种塑料材料形成的空腔内衬并且该多个空腔内衬形成为一个整体内衬构件的一部分。进一步包括一种包含在这些芯中的每一个内的电解质并且该电解质包含阻燃剂、气体发生剂、以及氧化还原梭(redoxshuttle)中的至少一种。每一个锂离子芯构件包括一个阳极、一个阴极以及布置在每一个阳极与阴极之间的隔膜。进一步包括一个在所述外壳内，将所述芯构件电连接到该密封的外壳的外部的电接线柱上的电连接件。该电连接件包括两个母线，该第一母线使所述芯构件的阳极与该外壳外部的接线柱的正极接线柱构件互连，该第二母线使所述芯构件的阴极与该外壳外部的接线柱的负极接线柱构件互连。
在本发明的另一个方面，芯构件是并联连接或者它们是串联连接的。可替代地，第一组芯构件是并联连接的和第二组芯构件是并联连接的，并且该第一组芯构件与该第二组芯构件是串联连接的。该支撑构件是呈蜂窝状结构的形式。该动能吸收材料包括可压缩的介质。该外壳包括一个具有可压缩的元件的壁，该元件当被压缩时由于力冲击该壁而产生锂离子电池组的电短路。在该支撑构件中的这些空腔及其相应的芯构件在形状上是圆柱形、椭圆形、以及棱柱形中的一种。这些空腔中的至少一个及其相应的芯构件与其他空腔及其相应的芯构件相比具有不同的形状。
在本发明的另一个方面中，这些芯构件中的至少一个具有高功率特性并且这些芯构件中的至少一个具有高能量特性。这些芯构件的阳极是由相同的材料形成并且这些芯构件的阴极是由相同的材料形成。每一个隔膜构件包括一个陶瓷涂层并且每一个阳极和每一个阴极包括一个陶瓷涂层。这些芯构件中的至少一个与其他芯构件的阳极和阴极的厚度相比包括具有不同厚度的阳极和阴极之一。至少一个阴极包含来自化合物A至M的材料组中的至少两种。每个阴极包含一种表面改性剂。每个阳极包含Li金属或者碳或石墨中的一种。每个阳极包含Si。每个芯构件包括一个卷绕的阳极、阴极和隔膜结构或每个芯构件包括一个堆叠的阳极、阴极和隔膜结构。
在本发明的另一个方面中，这些芯构件具有基本上相同的电容量。这些芯构件中的至少一个与其他芯构件相比具有不同的电容量。这些芯构件中的至少一个对于功率储存被优化并且这些芯构件中的至少一个对于能量储存被优化。进一步包括一个用于将每个阳极电连接到该第一母线的接片(tab)以及一个用于将每个阴极电连接到该第二母线的接片，其中每个接片包括一个用于当已经超过预定的电流时切断通过每个所述接片电流的流动的装置。该第一母线包括一个邻近在这些阳极与该第一母线之间的每个互连点的熔断元件，并且该第二母线包括一个邻近在这些阴极与该第二母线之间的每个互连点的熔断元件，用于当已经超过预定的电流时切断通过所述熔断元件电流的流动。进一步包括一个围绕这些芯构件的每一个的保护套并且每个保护套被布置在含有其相应的芯构件的空腔的外面。
在本发明的又另一个方面中，包括与所述芯构件电互相连接、配置为能够电气监控并且平衡这些芯构件的传感线。该密封的外壳包括一个阻燃构件并且该阻燃构件包含一种固定到该外壳的外部的阻燃网状材料。
在另一个实施例中，描述了一种包含密封的外壳的多芯锂离子电池组。一个支撑构件布置在该密封的外壳内，该支撑构件包括多个空腔，其中该支撑构件包含一种动能吸收材料。存在多个锂离子芯构件，布置在该多个空腔的一个相应的空腔内。进一步包括多个空腔内衬，每一个放置在这些锂离子芯构件的一个相应的构件与这些空腔的一个相应的空腔的一个表面之间。这些空腔内衬是由一种塑料材料形成并且该多个空腔内衬形成为一个整体内衬构件的一部分。该动能吸收材料是由铝泡沫、陶瓷、以及塑料中的一种形成。
在本发明的另一个方面中，存在一种包含在这些芯中的每一个内的电解质并且该电解质包含阻燃剂、气体发生剂、以及氧化还原梭中的至少一种。每一个锂离子芯构件包括一个阳极、一个阴极以及布置在每一个阳极与阴极之间的隔膜。进一步包括一个在所述外壳内，将所述芯构件电连接到该密封的外壳的外部的电接线柱上的电连接件。该电连接件包括两个母线，该第一母线使所述芯构件的阳极与该外壳外部的接线柱的正极接线柱构件互连，该第二母线使所述芯构件的阴极与该外壳外部的接线柱的负极接线柱构件互连。这些芯构件是并联连接的。这些芯构件是串联连接的。如权利要求51所述的锂离子电池组，其中第一组芯构件是并联连接的和第二组芯构件是并联连接的，并且该第一组芯构件与该第二组芯构件是串联连接的。
在另一个方面中，该支撑构件是呈蜂窝状结构的形式。该动能吸收材料包括可压缩的介质。该锂外壳包括一个具有可压缩的元件的壁，该元件当被压缩时由于力冲击该壁而产生锂离子电池组的电短路。在该支撑构件中的这些空腔及其相应的芯构件在形状上是圆柱形、椭圆形、以及棱柱形中的一种。这些空腔中的至少一个及其相应的芯构件与其他空腔及其相应的芯构件相比具有不同的形状。这些芯构件中的至少一个具有高功率特性并且这些芯构件中的至少一个具有高能量特性。这些芯构件的阳极是由相同的材料形成并且这些芯构件的阴极是由相同的材料形成。每个隔膜元件包括一个陶瓷涂层。每个阳极和每个阴极包括一个陶瓷涂层。这些芯构件中的至少一个与其他芯构件的阳极和阴极的厚度相比包括具有不同厚度的阳极和阴极之一。
在又另一个方面中，至少一个阴极包含来自化合物A至M的材料组中的至少两种。每个阴极包含一种表面改性剂。每个阳极包含Li金属、碳、石墨或Si。每个芯构件包括一个卷绕的阳极、阴极和隔膜结构。每个芯构件包括一个堆叠的阳极、阴极和隔膜结构。这些芯构件具有基本上相同的电容量。其中这些芯构件中的至少一个与其他芯构件相比具有不同的电容量。这些芯构件中的至少一个对于功率储存被优化并且这些芯构件中的至少一个对于能量储存被优化。
在本发明的另一个方面中，进一步包括一个用于将每个阳极电连接到该第一母线的接片以及一个用于将每个阴极电连接到该第二母线的接片，其中每个接片包括一个用于当已经超过预定的电流时切断通过每个所述接片电流的流动的装置。该第一母线包括一个邻近在这些阳极与该第一母线之间的每个互连点的熔断元件，并且一个邻近在这些阴极与该第二母线之间的每个互连点的熔断元件，用于当已经超过预定的电流时切断通过所述熔断元件电流的流动。进一步包括一个围绕这些芯构件的每一个的保护套并且每个保护套被布置在含有其相应的芯构件的空腔的外面。
在本发明的另一个实施例中，存在与所述芯构件电互相连接、配置为能够电气监控并且平衡这些芯构件的传感线。该密封的外壳包括一个阻燃构件并且该阻燃构件包含一种固定到该外壳的外部的阻燃网状材料。
在另一个实施例中，描述了一种多芯锂离子电池组，该多芯锂离子电池组包括一个密封的外壳，在该外壳的内部具有一个锂离子电池区域和一个共享的大气区域(sharedatmosphereregion)。存在一个布置在该密封的外壳的锂离子电池区域内的支撑构件并且该支撑构件包括多个空腔，每个空腔具有一个朝向该共享的大气区域的端开口。存在多个锂离子芯构件，每一个具有布置在该多个空腔的一个相应的空腔内的一个阳极和一个阴极，其中所述阳极和所述阴极通过该空腔的开口端暴露于该共享的大气区域并且所述阳极和所述阴极基本上被所述空腔沿其长度包围。该支撑构件包括一种动能吸收材料。该动能吸收材料是由铝泡沫、陶瓷以及塑料中的一种形成。
在另一个方面中，存在多个空腔内衬，每一个放置在这些锂离子芯构件的一个相应的构件与这些空腔的一个相应的空腔的一个表面之间并且这些空腔内衬是由一种塑料材料形成。该多个空腔内衬形成为一个整体内衬构件的一部分。存在一种包含在这些芯中的每一个内的电解质并且该电解质包含阻燃剂、气体发生剂、以及氧化还原梭中的至少一种。每一个锂离子芯构件包括一个阳极、一个阴极以及布置在每一个阳极与阴极之间的隔膜。存在一个在所述外壳内，将所述芯构件电连接到该密封的外壳的外部的电接线柱上的电连接件。该电连接件包括两个母线，该第一母线使所述芯构件的阳极与该外壳外部的接线柱的正极接线柱构件互连，该第二母线使所述芯构件的阴极与该外壳外部的接线柱的负极接线柱构件互连。
在又另一个方面中，这些芯构件是并联连接的或者这些芯构件是串联连接的。可替代地，第一组芯构件是并联连接的和第二组芯构件是并联连接的，并且该第一组芯构件与该第二组芯构件是串联连接的。
在另一个实施例中，描述了一种锂离子电池组并且该锂离子电池组包括一个密封的外壳和布置在该密封的外壳内的至少一个锂离子芯构件。该锂离子芯构件具有一个阳极和一个阴极，其中该阴极包含至少两种选自化合物A至M的组中的化合物。存在仅一个锂离子芯构件。该密封的外壳是一种聚合物袋或该密封的外壳是金属筒。每个阴极包含至少两种选自化合物B、C、D、E、F、G、L、以及M的组中的化合物并且还包含一种表面改性剂。每个阴极包含至少两种选自化合物B、D、F、G、以及L的组中的化合物。电池被充电到高于4.2V的电压。每个阳极包含碳和石墨中的一种。每个阳极包含Si。
在又另一个实施例中，描述了一种锂离子电池组，该锂离子电池组具有一个密封的外壳和布置在该密封的外壳内的至少一个锂离子芯构件。该锂离子芯构件具有一个阳极和一个阴极。一个在所述外壳内，将所述至少一个芯构件电连接到该密封的外壳外部的电电接线柱上的电连接件；其中该电连接件包括一个用于当已经超过预定的电流时切断通过所述电连接件电流的流动的装置。该电连接件包括两个母线，该第一母线使所述芯构件的阳极与该外壳外部的接线柱的正极接线柱构件互连，该第二母线使所述芯构件的阴极与该外壳外部的接线柱的负极接线柱构件互连。该电连接件进一步包括一个用于将每个阳极电连接到第一母线的接片，用于将每个阴极电连接到第二母线的接片，其中每个接片包括一个用于当已经超过预定的电流时切断通过每个所述接片电流的流动的装置。该电连接件，其中第一母线包括一个熔断元件，邻近在这些阳极与该第一母线之间的每个互连点并且该第二母线包括一个熔断元件，邻近在这些阴极与该第二母线之间的每个互连点，用于当已经超过预定的电流时切断通过所述熔断元件电流的流动。
附图说明
从阅读仅以非限制性实例的方式给出的并且参考附图做出的以下说明将更好地理解本发明，其中：
图1A是根据本发明的多芯锂离子电池组的分解透视图。
图1B是根据本发明的多芯锂离子电池组的截面视图。
图1C是根据本发明的支撑构件的一种示例性能量吸收材料的应力-应变曲线图。
图1D是根据本发明的多芯锂离子电池组的另一个实施例的截面视图。
图2是根据本发明的多个支撑构件配置的俯视图。
图3是根据本发明的多芯锂离子电池组的另一个实施例的透视图。
图4是根据本发明的具有混合的椭圆形和圆柱形空腔的支撑构件的另一个实施例的透视图。
图5是根据本发明的棱柱形卷绕的和堆叠的芯构件的透视图。
图6A描绘了根据本发明的一种并联/串联连接的MC锂离子电池组。
图6B是根据本发明的一种并联/串联连接的MC锂离子电池组的透视图。
图7A是根据本发明的外壳的一个蛋盒形壁的截面视图。
图7B是在对该壁机械冲击时根据本发明的外壳的一个蛋盒形壁的截面视图。
具体实施方式
在图1A和1B中示出了锂离子芯构件102a-j的多芯(MC)阵列100，具有极芯芯结构和圆柱形形状。与本发明结合可以使用不同形状和尺寸的离子芯构件并且某些形状和尺寸在下面描述。存在一组连接于各芯构件102a-j的阴极的导电接片104和一组连接于各芯构件102a-j的阳极的导电接片106。接片104也连接到阴极母线108并且接片106连接到阳极母线110。阴极接片104和阳极接片106使用点焊或激光焊技术焊接到母线108、110上。母线108、110在MC外壳116的外部分别与负极接线柱112和正极接线柱114互相连接。在这种配置中，所有的离子芯构件102a-j是并联连接的，但是它们也可以串联或以本领域技术人员清楚的其他配置连接。
MC外壳116，图1B，是气密密封的。支撑结构120，其可以是外壳116的一部分或一个单独的部件，被构造为使得离子芯构件能够以足够的间隔被容纳，使得在充电和放电反应过程中可以发生有限的膨胀从而防止单独的离子芯构件的机械相互作用。优选地，外壳116是由塑料或陶瓷材料制成，但也可以由金属制成。如果使用了金属，暴露式钢(exposedsteel)是不优选的，并且任何钢容器将需要用一种惰性金属(如镍)涂覆。优选的金属是铝、镍或其他对于使用的化学物的惰性金属。许多类型的塑料和陶瓷，只要它们对于化学和电化学环境是惰性的。塑料和陶瓷的实例是聚丙烯、聚乙烯、氧化铝、氧化锆。为了防止火灾到达外壳的内部的目的，外壳116可以包括一种固定到该外壳的外部的阻燃网状物。
在外壳116内，在锂离子芯区域118中，是一个电绝缘的支撑构件120，其可以由陶瓷、塑料(如聚丙烯、聚乙烯)、或其他材料(例如铝泡沫)制成。支撑构件120必须是足够可变形/可压缩的以便当冲击发生时保护芯构件免受损坏。此外，所希望的是通过在电池组的充电和放电过程中分散热量，产生一个均匀的温度分布，并通过在灾难性故障(如内部短路引起一个芯构件的热失控)过程中扩散热量，来根据该应用定制热传导率。适当的热分散特性将限制芯之间的级联失控的可能性。该支撑构件也可以是对电解质有吸收性的，假如芯构件损坏过程中应该将电解质排出，则其可以被保留在该支撑构件中。
一种可变形的并且动能吸收的支撑构件120是特别令人希望的，因为它遍及较大的区域分布冲击载荷，从而减少在各芯构件102a-j中的局部变形的量，从而降低了电短路的可能性。动能吸收材料的实例是泡沫，如铝泡沫、塑料泡沫，多孔陶瓷结构，蜂窝状结构，或其他开放结构，纤维填充的树脂，以及酚类材料。用于塑料和树脂材料的纤维填充剂的一个实例可以是玻璃纤维或碳纤维。含铝能量吸收物(energyabsorber)的实例是铝泡沫，具有开放的或封闭的孔，铝蜂窝状结构，以及工程材料如AltucoreTM和CrashLiteTM材料。当这些支撑构件在冲击、碰撞或其他机械损坏过程中崩塌时，重要的是保护这些芯尽可能多地免受穿透以避免内部机械诱导的短路。这产生了一种更安全的结构。
能量吸收物是一类总体上通过在相对恒定的应力下压缩或偏转一段延长的距离吸收动能机械能，并且不回弹的材料。弹簧执行有些类似的功能，但它们回弹，因此它们是能量存储装置，而不是能量吸收物。一旦施加的应力超过动能吸收材料的“冲击稳定态(crushplateau)”，参见图1C的150，能量吸收物将开始以一个相当恒定的应力被压缩至该材料的应变的约50％-70％。应力/应变曲线的该延长部分定义了一个理想的能量吸收物的行为。在此区域中，曲线下的面积代表应力×应变的乘积，或“功”。在一个有限大小的能量吸收材料的实际块体中，如支撑构件120，这将被表示为：
力×位移
认识到
力(磅)×位移(英尺)＝功(英尺·磅)
并且
功(英尺·磅)＝动能(英尺·磅)
将对支撑构件120进行压缩的功相当于可能冲击支撑构件120的物体的动能。当被设计具有适当的厚度和压缩强度时，如将是本领域技术人员清楚的，支撑构件120可以由能够吸收所有对电池的冲击的动能(例如在电动车辆的碰撞中)的动能吸收材料制成。最重要地，在支撑构件120上的货物，即锂离子芯构件102a-j中，绝对不会看到比该材料的压碎强度更高的力(定义如下)。因此，通过用一个恒定的力在一段控制的距离内吸收冲击物体的能量，受保护的结构(即锂离子芯构件102a-j)将不必承受如果该物体直接冲击该结构将发生的集中的高能量/高力冲击，具有潜在的灾难性结果。
当一个载荷被施加到一种由能量吸收材料制成的结构上时，它最初将根据杨氏模量方程弹性地产生。然而，在约4％-6％的应变下，图1C的152，在Al泡沫的此具体的实例中，取决于结构尺寸它将在一个相对恒定的应力下开始连续地弯曲和崩塌。取决于材料的初始相对密度，对于该Al泡沫材料，此常数崩塌将进行约50％-70％的应变，图1C的154。在这一点上，随着能量吸收材料进入“致密化”阶段，应力/应变曲线将开始上升。在应力/应变曲线上该材料从弹性转变至塑性变形阶段的点定义了该材料的“压碎强度”。
在4％-6％的过渡与50％-70％的应变之间的曲线的长的、相对平坦的部分(覆盖该材料的可能的应变值的约45％-65％)称为“冲击稳定态。动能吸收材料的这种独特的特征使得它们对于吸收一个冲击物体的动能同时保护携带的货物是非常有用的。
为了进一步保护该芯构件，可以添加由金属、陶瓷或塑料制成的圆柱形材料作为围绕该芯结构的套筒121，图1A。此套筒可以或者在内衬材料的外侧直接围绕单独的芯添加，或者被施用在该支撑构件的空腔结构的内部。这防止尖锐物体穿透这些芯。虽然在图中仅示出一个套筒，容易理解的是对于每个芯构件将包括套筒。
支撑构件120可以可替换地被设计具有开口区域160，如图1D中所示，其含有填充材料162。填充材料的实例是不规则的或规则的形状的介质，其可以是空心的或致密的。空心介质的实例是金属、陶瓷或塑料球体，其可以被制成在不同的压力下可压缩的并且目的是作为一种用于碰撞保护的能量吸收物起作用。具体实例是铝空心球、氧化铝或氧化锆的陶瓷研磨介质、以及聚合物空心球。
支撑构件120还可以进行优化以在整个支撑构件上快速传递热量并将它均匀地分布在整个电池内或限制芯之间的热接触，如果一个芯在损坏过程中经受热失控的话。除了更大的安全性之外，这将通过限制最大操作温度增加电池寿命并能够使电池不具有热管理或具有被动的热管理。最重要地，由于该材料的优化的热传递特性和中断火焰传播的能力，支撑构件120的热特征帮助防止了从失效的芯构件到其他芯构件的失效传播。因为该材料也是吸收性的，它可以吸收泄漏的电解质到可以帮助降低灾难性故障的严重性的材料中。
支撑构件120通过以下增加了MC电池的整体安全性：a)允许离子芯构件102a-j的分布以针对安全性和高能量密度二者优化该电池组，b)阻止快速热传播离子芯构件102a-j，同时允许冷却，c)提供一种用于离子芯构件102a-j和反应性化学品的保护性碰撞和冲击吸收结构，以及d)通过火焰阻滞使用一种广泛认可的防火材料。
圆柱形空腔122是在支撑构件120中形成用于接收锂离子芯构件102a-ⅰ，每个空腔一个芯。在这种配置中，圆柱形空腔122具有开口126，这些开口具有比锂离子芯构件102的那些稍大的直径。开口126朝向并且暴露于在外壳116内的共享大气区域128。不必具有单独更小的外壳(如气密地提供活性芯构件之间的密封件的罐或聚合物袋)，这些芯构件的阳极/阴极也直接暴露于共享环境区域128。不仅封装的芯构件的消除降低了制造成本，还增加了安全性。在芯构件失效和导致的火灾的情况下，排出的气体能够占据共享环境区域128，这提供了比将在一个典型的单独“封装的”芯构件中可供使用的显著更多的体积。随着封装的芯构件压力的积聚，未使用本发明爆炸是更加可能的，其中本发明提供了用于气体占据的更大的体积以及因此降低的压力积聚。此外，非本发明的结构一个罐典型地在高得多的压力下破裂，从而使用本发明的结构导致一种更温和的失效模式。
在每个空腔122内放置一个薄腔内衬124，其被放置在支撑构件120与锂离子芯构件102a-i之间。典型地，所有空腔内衬(在此情况下对应于空腔的数目10个)被形成为一个整体空腔内垫构件124’的一部分。该内衬优选地是由聚丙烯、聚乙烯或任何对电解质是化学惰性的其他塑料制成。该内衬还可以由陶瓷或金属材料制成，虽然这些是在更高的成本并且是并非优选的。然而，在其中该支撑构件是导电的情况下，该内衬必须是电绝缘的以便使这些芯构件与该支撑构件电隔离。出于多种原因空腔内衬是重要的。首先，它们是水分和电解质不可渗透的。其次，它们可以含有阻燃剂，其可以灭火以及第三，它们允许一种容易地可密封的塑料材料将电解质包含在气密密封内。
在制造过程中，空腔122可以同时填充电解质并且然后同时在持续的制造工艺过程中形成并对容量分级。形成过程包括将电池充电到一个恒定电压，典型地为4.2V并且然后让电池保持在该电压下持续12-48小时。容量分级发生在充电/放电过程过程中，其中该电池被完全放电到较低的电压(如2.5V)然后充电至最高电压(典型地在4.2-4.5V的范围内)并且随后再次放电，其中记录容量。由于在充电/放电过程中的低效率，可能需要多个充电/放电循环来获得准确的容量分级。
空腔内衬使得精确且一致的量的电解质被引入到每个芯构件(由于其与芯的适当配合)。完成填充的一种方法是通过在外壳116上的孔，在电解质已被引入到空腔并被处理后这些孔然后可以被填充和密封。取决于密度和周围的多孔材料，具有约3Ah容量的极芯型芯构件将需要约4-8g的电解质。完成电解质填充使得整个极芯遍及该芯被等同地湿润而不允许干燥区域。优选的是在芯与芯之间每个芯构件具有等量的电解质，具有0.5g之内、并且甚至更优选的0.1g之内并且还甚至更优选的0.05g之内的变化。变化随总量电解质调整并且典型地小于每芯电解质的总量的5％或甚至更优选<1％。将组件放置在真空中有助于该填充过程并且对于电极的完全和等同润湿是至关重要的。
支撑构件120内的空腔122的大小、间距、形状和数量可以被调整和优化以实现所希望的电池组操作特征同时仍然达到以上所描述的安全特征，诸如减轻在两个/多个芯构件102之间的失效传播。
如图2中所示，支撑元件220a-h可以具有不同数量的空腔，优选范围从7至11，以及不同的配置，包括如在支撑构件220d和220h的情况下具有不同尺寸的空腔。空腔的数量总是大于2并且对于上限没有特别的限制，除了由支撑构件的几何形状和极芯尺寸限制。空腔的实际数目典型地是在2与30之间。这些空腔可以是均匀分布的，如在支撑构件220f上，或者它们可以是交错的，如在支撑构件220g的情况下。在图2中还示出的是空腔直径和可以插入描绘的支撑元件220a-h的每一个的空腔中的芯构件的直径，另外，示出了每种配置的以安培小时(Ah)计的容量。
也可以使用不同形状的空腔和芯构件。如图3中所示，支撑构件320包括具有椭圆形状的空腔322用于接收类似形状的芯构件302。在图4中，支撑构件420具有椭圆形空腔422与圆柱形空腔402的混合用于接收类似形状的芯构件(未示出)。
在图5中，示出了适合于本发明的另一种形状的芯构件502a。这是一种极芯结构，但具有棱柱形形状而不是如前所述的圆柱形或椭圆形。芯构件包括阳极530a、阴极532a以及电绝缘隔膜534a。虽然在前面的图中未描绘，每个芯构件包括一个在阳极与阴极之间的隔膜。芯构件502b在形状上也是棱柱形，然而，使用了一种堆叠的结构，包括阳极530b、阴极532b和隔膜534b。
迄今为止，芯构件已经以并联电连接示出，然而，它们可以串联或者并联与串联的组合来连接。如图6中所示，存在支撑构件620(由铝泡沫或聚合物泡沫制成)连同插入的极芯芯构件602。为了清楚，芯部件连接到母线的接片没有示出，但存在。负极电池组接线柱连接器640被电连接到较低电压母线642上。正极电池组接线柱连接器644被电连接到高电压母线646。相邻的块母线648和650各自在它们相应的列并联连接芯构件。每个母线642、644、648和650在芯构件的相对侧具有互补母线，其未示出。每个并联的母线通过三个连接条、652单独串联连接，得到一个串联的电通路。传感电缆654a-654e被布置在每个电独特点，从而允许检测在串联系统中跨过每个并联连接的极芯电压点的电压水平。这些导线也可用于提供平衡电流以使芯构件在充电和放电过程中保持处于相同的电荷状态并连接到引线触点656。电池平衡系统领域的技术人员将认识到在具有串联连接的芯的本发明的一个单元内的这种连接的目的。
图6B示出了一个容纳支撑构件320的外壳616。外壳616由通过超声波焊接气密密封的一个塑料盖658和一个箱660。在外壳616的端部盖658的相对侧是引线传感触点656。从盖658延伸的是负极电池组接线柱连接器640和正极电池组接线柱连接器644。可以理解的是关于连接器传感触点的位置的不同的安排可以由本领域技术人员实现并且还有不同的串联或并联安排的电池可用于本发明的目的。
在金属盖的情况下它是用焊接方法(如激光焊接)封闭的，并且在塑料的情况下，可以使用粘合剂(胶)，或者可以使用热或超声焊接方法，或者它们的任意组合。这提供了一个适当地密封的MC电池组。极芯被并联或串联连接在外壳内。
所有引线、传感、功率、压力、等等，需要被气密密封。气密密封应能承受超过或等于约1atm的内部压力以及还有真空，优选大于1.2atm。排气孔也可以容纳在容器上，设置在比密封允许的更低的内部压力下。
提供平衡和传感能力的另一种方法是具有单独的连接器，这些连接器提供来自单独的芯构件的正极和负极接线柱每一个的外部引线，这些外部引线允许容器外部的连接器与每个单独的芯构件连接。平衡电路检测串联电池的电压或充电状态的不平衡并且将提供本领域技术人员已知的被动或主动平衡的手段。连接引线与提供引导来自电池的电流的装置的接线柱分开为了从电池组提供功率并且典型地仅当电池在一个容器内串联连接时使用的目的。传感引线可以任选地在该容器外熔断，为了避免穿过单个极芯的运行功率电流穿过传感电路。
外壳116、616可以被配置为具有蛋盒形状的壁700，图7A，使得在外壳上机械冲击时该MC电池组可以在该外壳的外部短路。蛋盒形状的壁700的部分702，由铝制成，接触由聚乙烯塑料(在冲击之前)制成非导电材料704的板。第二板706，其是由铝或其他导电材料制成，位于塑料板704之下。蛋盒形状的材料702被连接到该MC电池组的负极或正极并且其他导电板706被连接到相对极。在冲击、钉刺、或壁上的非正常压力时(例如在碰撞时)，蛋盒形状的壁702压缩使得塑料板704被穿透并与导电板706的外部接触点708a-d接触，图7B，从而产生在该MC电池组内的外部电短路。
单个芯构件典型地借助于内部母线(如上所述)连接。有时母线共用连接器可以是一个导线或塑料涂覆的导线。它也可以是一种固体金属，如铜、铝或镍。此母线串联或并联连接多个芯构件并具有将在多芯构件结构中的电流传输到一个连接器的能力，从而允许与多芯阵列的外部连接。在外部母线的情况下，将需要从每个极芯通过外壳的单独的引线连接器。
无论使用内部或外部母线，它们可以被构造成提供芯构件之间的熔断器。这能够以多种方式完成，这些方式包括创建其中母线的截面被限制为仅承载一定的电流的区域或通过限制将芯构件连接到母线的接片大小。母线或接片能够以一个冲压件，或其他金属成形技术，或通过使用连接母线的分支与熔断器安排的一个第二部分构造。例如，如果使用了两个矩形截面积铜的母线，其中10个芯构件的阳极和阴极接片通过该母线连接到彼此，每个母线具有10mm2的截面表面积，在该母线上的至少一个区域可以被制造为与该母线的其余部分相比具有减小的表面积。这提供了一个其中熔断发生并且载流能力受到限制的位置。此熔断区域可以是在该母线的一个或多个点处，优选在每个芯构件之间，但最有效的在许多电池的情况下在中点处。如果外部短路要发生，该熔断将限制芯构件的加热并且可能避免热失控。同样在一个芯构件中在内部短路的情况下或者由于制造缺陷或者由于在损坏事件期间的外部穿透，如钉子，穿透进入芯构件造成电池的内部短路，这种熔断安排可以通过关闭故障芯到其他并联芯来限制被传输到内部短路的电流的量。
外壳内空的空间可以填充冲击吸收材料，如泡沫或允许对芯构件较小冲击的其他结构，从而进一步减少内部短路的危险性。这种强化也可以提供改变内部内容物到外壳的自振频率的手段，提供增加的冲击和振动耐受性和机械寿命。填充材料应优选含有阻燃材料，这些阻燃材料将允许熄灭在电池的热失控过程中可能会出现的任何火焰或在同一热失控期间熔化，从而吸收过量的热量并限制电池的加热。这在灾难性事件的情况下提供了增加的安全性。阻燃剂的实例可以在公开工程文献和手册中找到，如由汉泽加德纳出版物(HanserGardnerPublications)出版的聚氨酯手册或者如在US5198473中所描述的。除了聚氨酯泡沫，还有环氧树脂泡沫或玻璃纤维棉和类似的非化学或电化学活性材料可以用作在外壳内的空的空间中的填充材料。具体地，由塑料、金属或陶瓷制成的空心的或致密的球或不规则形状的微粒可以用作低成本填充剂。在空心球的情况下，这些将提供在多芯电池的事故情况下用于能量吸收的附加装置。在一种特殊情况下，该支撑构件是铝泡沫。在另一种特殊情况下，该支撑构件是铝密度在10％-25％之间的致密铝泡沫。在又另一种特殊情况下，在铝泡沫中的孔具有小于1mm的平均直径。
对于当MC电池组仅具有并联安排的芯构件时的情况，芯构件可以含有一个或多个被优化用于功率的芯构件和一个或多个被优化用于能量的芯构件。在另一种特殊情况下，该MC电池组可以具有使用某些材料的阳极或阴极的一些芯构件以及使用不同材料的阳极和阴极的其他芯构件。在又另一种特殊情况下，阳极或阴极，可以具有不同厚度的电极。具有不同的电极厚度、阴极或阳极活性材料、或电极配方的任意组合能够以并联串结合，目的是定制电池组的能量与功率比。一些芯构件可以被构造为承受快速功率脉冲，而其他芯构件可以被优化用于高能量存储，从而提供一个可以处理高功率脉冲，同时具有高能量含量的电池组。然而重要的是这些芯构件具有电化学匹配的化学物质，以便提供对于所选择的化学物质的电压窗口的化学稳定性。
例如，LiCoO2阴极可以与LiNi0.8Co0.15Al0.05O2阴极相匹配，只要使用4.2V的上限电位和约2V至2.5V的下限电位，然而，随着电位上升超过4.2V，到达例如4.3V，例如镁掺杂的LiCoO2材料不应该与一种NCA材料相匹配，因为该NCA材料在更高的电压下降解。然而，在后者的实例中，这两种材料可以混合，只要上限电位被限制在4.2V。本发明的一个目的是在适当的电压范围内使用共混的阴极材料并且本发明人已经发现对于高能量或高功率特别有用的某些组合，稍后在说明书中阐述。
功率和能量优化可以通过或者调节电极的配方，诸如使用更高程度的导电添加剂用于增加的电导率，或者通过使用不同厚度的电极发生。附加地，该能量芯可以具有一组活性材料(阴极和阳极)并且功率芯可以具有另一种类型的材料。当使用这种方法时，优选的是材料具有匹配的电压范围，如2.5-4.2V或在高电压组合的情况下2.5V-4.5V，以避免分解。高电压表征为在Li离子多芯电池组中每分离的芯构件高于4.2V并且典型地低于5V。
下面是可与本发明相连使用的阳极、阴极、隔膜、以及电解质的描述。
阳极
这些芯构件的阳极是在Li离子或Li聚合物电池组中通常找到的并在文献中描述的那些，如石墨、掺杂碳、硬碳、无定形碳、硅(如硅纳米颗粒或Si柱或用碳分散的硅)、锡、锡合金、Cu6Sn5、Li、在金属箔基底上沉积的锂、Si与Li、在石墨中混合入Li金属粉末、钛酸锂、以及任何它们的混合物。阳极供应商包括，例如，摩根碳公司(MorganCarbon)、日立化成公司(HitachiChemical)、日本碳素公司(NipponCarbon)、BTR能源公司(BTREnergy)、JFEChemical公司、Shanshan公司、台湾钢铁公司(TaiwanSteel)、大阪瓦斯公司(OsakaGas)、康菲公司(Conoco)、富美实锂公司(FMCLithium)、三菱化学公司(MitsubishiChemical)。本发明不限于任何特定的阳极化合物。
阴极
用于极芯的阴极是行业内标准的那些以及还有一些新型的高电压混合物，其将在下面更详细地描述。这些新型的阴极可以用在MC结构中或用在单电池的电池组中其中该阳极/阴极结构容纳在一个密封的金属筒或密封的聚合物袋中。由于适用于本行业的阴极材料的丰富性，关于每个材料组的材料的类别在此被称为“化合物类”；每一种化合物可以具有一系列组成并且由于晶体结构、化学组成、电压范围适合性，或材料组成和梯度变化的相似性被分组。适合的单独的材料的实例是LixCoO2(被称为化合物A)，LixMzCowO2(化合物B，其中M是选自Mg、Ti、以及Al并且部分取代在晶格中的Co或Li并且以Z＝0％-5％，典型地W是接近1的范围添加，适合于高于4.2V充电)，LixNiaMnbCocO2(特别是关于a＝1/3、b＝1/3、c＝1/3(化合物C)与a＝0.5、b＝0.3、c＝0.2(化合物D)的组合，以及其Mg取代的化合物(两者都在化合物E下分组))。
另一个实例是LixNidCoeAlfO2(化合物F)和它的镁取代的衍生物LixMgyNidCoeAlfO2(化合物G)，其中在一种特定的情况下d＝0.8、e＝0.15、f＝0.05，但d、e并且f可以百分之几变化，y的范围在0与0.05之间。单独的阴极材料的又另一个实例是LixFePO4(化合物H)、LixCoPO4(化合物I)、LixMnPO4(化合物J)、以及LixMn2O4(化合物K)。在所有这些化合物中，典型地发现过量的锂(x>l)，但X可以从大约0.9到1.1变化。一类特别适合于高电压、当高于4.2V充电时具有高容量的材料是例如由Thackeray等人在美国专利US7358009中描述的并从巴斯夫公司(BASF)和TODA公司可商购的所谓的层状分层的材料(化合物L)。
由Thackeray最初描述的化合物可以制成在高于4.2V的电压下稳定的。这些阴极中的一些在高电压下、高于4.2V(使用石墨作为阳极的标准最高电压)是稳定的并且那些材料可以是优选地混合的。虽然以上材料中的一种可以在本发明中使用，优选混合选自B、C、D、E、F、G、I、J、以及L的材料化合物的两种或更多种。特别地，优选化合物B、D、F、G、以及L的两种或更多种组分的混合物。对于非常高的能量密度配置，(B和L)或(B和G)或(G和L)的混合物是最有益的并且当这些被制成薄电极时还可以实现高功率。薄(功率)和厚(能量)电极可以进入芯构件用于定制能量与功率比，同时具有相同的适用电压范围和化学特性。
一个特别新的阴极，所谓的芯壳梯度(CSG)材料(被称为化合物M)，与其壳相比在其芯处具有不同的组成。例如Ecopro(网站www.ecopro.co.kr或(http://ecopro.co.kr/xe/？mid＝emenu31，截止日期2010-10-01)或专利申请和登记PCT/KR2007/001729(PCT)(2007)，在它们的产品资料中其描述了这样一种化合物M材料作为“CSG材料”(芯壳梯度)，如xLi[Ni0.8Co0.1Mn0.1]O2(1-x)Li[Ni0.46Co0.23Mn0.31]O2以及另一种M型化合物也由Y-KSun在ElectrochimicaActa第55卷第28期第8621-8627页中描述，以及第三个M型化合物的描述可以在NatureMaterials8(2009)第320-324页(YKSun等人的文章)中找到，其中描述了一种具有相似的组成但整体公式＝Li(Ni0.8Co0.1Mn0.1O2、梯度浓度＝Li(Ni0.8-xCo0.1+yMn0.1+z，其中0<x<0.34、0<y<0.13、以及0<z<0.21；以及表面层＝Li(Ni0.46Co0.23Mn0.31)O2的CSG材料。第四个描述可以在专利WO2012/011785A2(“785A2”专利)中找到，描述了被描述为Lix1[Ni1-y1-z1-w1Coy1Mnz1Mw1]O2(其中，在上式中，0.9<x1<1.3、0.1<y1<0.3、0.0<z1<0.3、0<w1<0.1，并且M是至少一种选自Mg、Zn、Ca、Sr、Cu、Zr、P、Fe、Al、Ga、In、Cr、Ge、以及Sn的金属)的化合物M的变体的制造；以及一个外部部分，该外部部分包括Lix2[Ni1-y2-z2-w2Coy2Mnz2MW2]O2(其中，在外部式中，0.9<x2<1+z2、0<y2<0.33、0<z2<0.5、0<w2<0.1并且M是至少一种选自Mg、Zn、Ca、Sr、Cu、Zr、P、Fe、Al、Ga、In、Cr、Ge、以及Sn的金属)的化合物。化合物M的变体的所有四个范围作为引用结合在此用于在本发明的各个方面中使用的化合物M。
优选的是该M化合物可以进一步具有可以是在约1的Li含量，但在很小的百分比内变化并且Li或Ni/Mn/Co化合物可以用Mg、Al以及第一过渡周期金属取代，通过优化，并且优选共混如以上所描述的这些M化合物中的一种或多种与化合物B、C、D、E、F、G、L用于在锂离子电池组中使用。有可能该芯化合物M材料可以含有最高达90％的镍和低至5％的钴以及最高达40％的Mn，并且梯度然后会从这些边界组成之一到低至10％的Ni、90％的钴、以及50％的Mn。
总体上，高功率可以通过使用本发明描述的用于阳极和阴极的化合物或共混物的薄电极来实现。厚电极典型地被认为超过60um的厚度最高达约200um(当测量从铝箔的电极涂覆层厚度时)，同时较薄的电极(即小于60um)被更好地用于高功率锂离子电池配置。典型地对于高功率，在电极配方中使用更多的炭黑添加剂使之更加导电。阴极化合物可以从多个原料供应商，如优美科公司(Umicore)、巴斯夫公司、户田工业株式会社(TODAKogyo)、Ecopro公司、日亚公司(Nichia)、MGL公司、Shanshan公司、以及三菱化学公司(MitsubishiChemical)购得。化合物M，从Ecopro公司可获得的并且在其产品资料中描述为CSG材料(如xLi[Ni0.8Co0.1Mn0.1]O2(1-x)Li[Ni0.46Co0.23Mn0.31]O2]和另一种M型化合物也由Y-KSun在ElectrochimicaActa第55卷第28期第8621-8627页中描述，所有这些可以优选地与如以上所描述的化合物共混。
作为两种或更多种化合物共混入高电压阴极的化合物A-M可以优选地涂覆有一种表面改性剂。当使用一种表面改性剂时，优选的是，虽然不是必要的，每一种化合物涂覆有相同的表面改性剂。表面改性剂有助于增加该阴极混合物的第一循环效率和速率容量。此外，有效寿命通过施用表面改性材料得以改进。表面改性剂的实例是Al2O3、Nb2O5、ZrO2、ZnO、MgO、TiO2、金属氟化物如AlF3、金属磷酸盐AlPO4和CoPO4。此种表面改性化合物早前已经在文献中进行了描述[J.Liu等人，J.ofMaterialsChemistry[材料化学杂志]20(2010)3961-3967；STMyung等人，ChemistryofMaterials[材料化学]17(2005)3695-3704；S.T.Myung等人J.ofPhysicalChemistry[物理化学杂志]C111(2007)4061-4067；STMyung等人J.ofPhysicalChemistry[物理化学杂志]C1154(2010)4710-4718；BCPark等人，PowerSources[电源]178(2008)826-831；J.Cho等人，JofElectrochemicalSociety[电化学学会]151(2004)A1707-A1711]，但从来没有报道与共混的阴极在高于4.2V的电压下结合。具体地有益的是将表面改性化合物B、C、D、E、F、G、L、以及M共混用于高于4.2V的操作。
将该阴极材料与粘合剂和炭黑(如科琴黑)、或其他导电添加剂混合。NMP典型地用于溶解粘合剂并且PVDF是一种优选的用于Li离子的粘合剂，而Li聚合物类型可以具有其他粘合剂。阴极浆料被混合至稳定的粘度并且是本领域中熟知的。以上所描述的化合物A-M和它们的共混物在本文中有时被统称为“阴极活性材料”。类似地阳极化合物被称为阳极活性材料。
阴极电极可以通过混合例如阴极化合物，如以上化合物A-M的共混物或单独的化合物来制造，以约94％的阴极活性材料和约2％的碳黑以及3％的PVDF粘合剂。碳黑可以是科琴黑、SuperP、乙炔黑、以及其他从多个供应商包括阿克苏诺贝尔公司(AkzoNobel)、特密高公司(Timcal)、以及卡博特公司(Cabot)可获得的导电添加剂。浆料是通过将这些组分与NMP溶剂混合产生的并且该浆料然后被涂覆到约20微米厚的铝箔的两侧并在约100℃-130℃下干燥到所希望的厚度和面积重量。该电极然后用辊压延到所希望的厚度和密度。
类似地制备阳极，但是在石墨的情况下，典型地使用了大约94％-96％的阳极活性材料，而PVDF粘合剂是在4％。有时SBR粘合剂被用于与CMC混合的阴极并且对于该类型的粘合剂典型地可以使用在约98％的更高相对量的阳极活性材料。对于阳极，炭黑有时可以被用来增加速率容量。阳极被涂覆在大约10微米的铜箔上。
本领域技术人员将容易能够混合如以上所描述的组合物用于功能电极。
为了限制在充电和放电过程中的电极膨胀，PE、PP、以及碳的纤维材料可以任选地添加到电极配方中。其他膨胀技术在电极配方中使用惰性陶瓷微粒如SiO2、TiO2、ZrO2或Al2O3。总体上阴极的密度是在3与4g/cm3之间，优选在3.6与3.8g/cm3之间并且石墨阳极是在1.4与1.9g/cm3之间，优选1.6-1.8g/cm3，它是通过压制实现的。
隔膜
隔膜需要是一个被插入阳极和阴极电极之间并应具有高Li离子渗透性以及在拉伸和横向方向的高强度和高穿透强度的电绝缘膜。孔径典型地是在0.01与1微米之间并且厚度是在5微米与50微米之间。典型地使用非织造聚烯烃，如聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)或PP/PE/PP结构的片材。一种陶瓷，典型地由Al2O3组成，可以被施用到该膜上以改进在加热时的收缩并改进防止内部短路。而且阴极或阳极可以类似地用陶瓷涂覆。隔膜可以从在行业中的多个供应商，包括Celgard公司、SK公司、Ube公司、旭化成株式会社(ASAHIKASEI)、Tonen/Exxon以及WScope采购。
电解质
电解质典型地在工业中找到，包括溶剂和盐。溶剂典型地是选自DEC(碳酸二乙酯)、EC(碳酸乙烯酯)、EMC(碳酸甲乙酯)、PC(碳酸丙烯酯)、DMC(碳酸二甲酯)、1,3二氧戊环、EA(乙酸乙酯)、四氢呋喃(THF)。盐是选自LiPF6、LiClO4、LiAsF6、LiBF4之间，在电解质中使用的含硫或酰亚胺的化合物包括LiCFSO3、LiN(CF3SO2)2、LiN(CF3CF2SO2)2、或通过一种预混合的电解质如EC/EMC/DMC(1:1:1比例)和1MLiPF6鼓泡SO2的一个简单的磺化反应。其他盐是LiBOB(二草酸硼酸锂)、TEATFB(四乙基铵四氟硼酸盐)、TEMABF4(三乙基甲基铵四氟硼酸盐)。也可以使用用于有效的SEI形成、气体产生、阻燃特性、或氧化还原梭能力的添加剂，包括BP(联苯)、FEC、吡啶、亚磷酸三乙酯、三乙醇胺、乙二胺、六磷三酰胺、硫、PS(亚硫酸丙烯酯)、ES(亚硫酸乙烯酯)、TPP(磷酸三苯酯)、铵盐、含卤素的溶剂如四氯化碳或三氟乙烯以及附加地CO2气体来改进高温保存特征。对于固体/凝胶或聚合物电解质PVDF、PVDF-HFP、EMITFSI、LiTFSI、PEO、PAN、PMMA、PVC、这些聚合物中的任何共混物，可以与其他电解质成分一起使用来提供一种凝胶电解质。电解质供应商包括Cheil、Ube、三菱化学公司、巴斯夫公司、Tomiyama、Guotsa-Huasong、以及Novolyte。
存在用于超级电容器(具有电化学双层的那些)和标准Li离子电池二者的电解质。对于那些电解质一个或多个超级电容器芯可与一个或多个常规的Li离子芯构件在外壳中混合，使得该超级电容器组件作为一种功率试剂起作用并且该Li离子芯构件作为能量收集试剂。
实例
在本实例中一组并联连接到两个公共母线(正极和负极)的圆柱形形状的5极芯型芯构件，像图1中所示的MC电池配置，但具有仅一半多的芯构件。负极连接器被连接到从该极芯的阳极箔(铜)延伸的接片，具有涂覆的石墨电极，并且被连接到该极芯的阴极箔(铝)的阳极连接器具有化合物M和化合物F的共混氧化物电极结构。由镍制成的阳极接片和由铝制成的阴极接片使用点焊或激光焊接技术被焊接到母线上。外壳和支撑构件是由塑料材料(聚乙烯)制成。对于这个实例，使用了具有18mm直径的圆柱形空腔和具有稍小直径(17.9mm)的极芯芯构件。外壳和盖子是由超声波焊接在一起的塑料材料制成并且从而产生气密密封。
本领域的技术人员可以选择和改变芯构件的特性，如以上所描述，从而实现高能量或高功率芯。下面所示的表概述了三个实例，具有以上所描述的5芯构件实例的不同芯组成和可以实现的MC电池的不同的特性。
可以用其他的具体形式实施本发明而不背离本发明的精神或本质特征。因此，本发明的实施例将在这些方面被认为是用作说明性的而不是限制性的。

Claims (107)

1.一种多芯锂离子电池组，包括：
一个密封的外壳；
一个布置在该密封的外壳内的支撑构件，该支撑构件包括多个空腔；
多个锂离子芯构件，布置在该多个空腔的一个相应的空腔内；以及
多个空腔内衬，每一个放置在这些锂离子芯构件的一个相应的构件与这些空腔的一个相应的空腔的一个表面之间。
2.如权利要求1所述的锂离子电池组，其中该支撑构件包括一种动能吸收材料。
3.如权利要求2所述的锂离子电池组，其中该动能吸收材料是由铝泡沫、陶瓷、以及塑料中的一种形成的。
4.如权利要求1所述的锂离子电池组，其中这些空腔内衬是由一种塑料材料形成的。
5.如权利要求4所述的锂离子电池组，其中该多个空腔内衬形成为一个整体内衬构件的一部分。
6.如权利要求1所述的锂离子电池组，进一步包括一种包含在这些芯的每一个内的电解质。
7.如权利要求6所述的锂离子电池组，其中该电解质包含阻燃剂、气体发生剂、以及氧化还原梭中的至少一种。
8.如权利要求1所述的锂离子电池组，其中每一个锂离子芯构件包括一个阳极、一个阴极以及布置在每一个阳极与阴极之间的隔膜。
9.如权利要求8所述的锂离子电池组，进一步包括一个在所述外壳内，将所述芯构件电连接到该密封的外壳的外部的电接线柱上的电连接件。
10.如权利要求9所述的锂离子电池组，其中所述电连接件包括两个母线，该第一母线使所述芯构件的阳极与该外壳外部的接线柱的正极接线柱构件互连，该第二母线使所述芯构件的阴极与该外壳外部的接线柱的负极接线柱构件互连。
11.如权利要求10所述的锂离子电池组，其中这些芯构件是并联连接的。
12.如权利要求10所述的锂离子电池组，其中这些芯构件是串联连接的。
13.如权利要求10所述的锂离子电池组，其中第一组芯构件是并联连接的和第二组芯构件是并联连接的，并且该第一组芯构件与该第二组芯构件是串联连接的。
14.如权利要求1所述的锂离子电池组，其中该支撑构件是呈蜂窝状结构的形式。
15.如权利要求2所述的锂离子电池组，其中该动能吸收材料包括可压缩的介质。
17.如权利要求1所述的锂离子电池组，其中外壳包括一个具有可压缩的元件的壁，该元件当被压缩时由于力冲击该壁而产生锂离子电池组的电短路。
18.如权利要求1所述的锂离子电池组，其中在该支撑构件中的这些空腔及其相应的芯构件在形状上是圆柱形、椭圆形、以及棱柱形中的一种。
19.如权利要求18所述的锂离子电池组，其中这些空腔中的至少一个及其相应的芯构件与其他空腔及其相应的芯构件相比具有不同的形状。
20.如权利要求1所述的锂离子电池组，其中这些芯构件中的至少一个具有高功率特性并且这些芯构件中的至少一个具有高能量特性。
21.如权利要求8所述的锂离子电池组，其中这些芯构件的阳极是由相同的材料形成并且这些芯构件的阴极是由相同的材料形成。
22.如权利要求8所述的锂离子电池组，其中每个隔膜构件包括一个陶瓷涂层。
23.如权利要求8所述的锂离子电池组，其中每个阳极和每个阴极包括一个陶瓷涂层。
24.如权利要求8所述的锂离子电池组，这些芯构件中的至少一个与其他芯构件的阳极和阴极的厚度相比包括具有不同厚度的阳极和阴极之一。
25.如权利要求8所述的锂离子电池组，其中至少一个阴极包含来自化合物A至M的材料组中的至少两种。
26.如权利要求8所述的锂离子电池组，其中每个阴极包含一种表面改性剂。
27.如权利要求8所述的锂离子电池组，其中每个阳极包含Li金属。
28.如权利要求8所述的锂离子电池组，其中每个阳极包含碳和石墨中的一种。
29.如权利要求8所述的锂离子电池组，其中每个阳极包含Si。
30.如权利要求8所述的锂离子电池组，其中每个芯构件包括一个卷绕的阳极、阴极和隔膜结构。
31.如权利要求8所述的锂离子电池组，其中每个芯构件包括一个堆叠的阳极、阴极和隔膜结构。
32.如权利要求1所述的锂离子电池组，其中这些芯构件具有基本上相同的电容量。
33.如权利要求1所述的锂离子电池组，其中这些芯构件中的至少一个与其他芯构件相比具有不同的电容量。
34.如权利要求1所述的锂离子电池组，其中这些芯构件中的至少一个对于功率储存被优化并且这些芯构件中的至少一个对于能量储存被优化。
35.如权利要求10所述的锂离子电池组，进一步包括一个用于将每个阳极电连接到该第一母线的接片以及一个用于将每个阴极电连接到该第二母线的接片，其中每个接片包括一个用于当已经超过预定的电流时切断通过每个所述接片电流的流动的装置。
36.如权利要求10所述的锂离子电池组，其中该第一母线包括一个邻近在这些阳极与该第一母线之间的每个互连点的熔断元件，并且该第二母线包括一个邻近在这些阴极与该第二母线之间的每个互连点的熔断元件，用于当已经超过预定的电流时切断通过所述熔断元件电流的流动。
37.如权利要求1所述的锂离子电池组，进一步包括一个围绕这些芯构件的每一个的保护套。
38.如权利要求37所述的锂离子电池组，其中每个保护套被布置在该含有其相应的芯构件的空腔的外面。
39.如权利要求1和13所述的锂离子电池组，进一步包括与所述芯构件电互相连接、配置为能够电气监控并且平衡这些芯构件的传感线。
40.如权利要求1所述的锂离子电池组，其中该密封的外壳包括一个阻燃构件。
41.如权利要求40所述的锂离子电池组，其中该阻燃构件包含一种固定到该外壳的外部的阻燃网状材料。
42.一种多芯锂离子电池组，包括：
一个密封的外壳；
一个布置在该密封的外壳内的支撑构件，该支撑构件包括多个空腔，其中该支撑构件包含一种动能吸收材料；
多个锂离子芯构件，布置在该多个空腔的一个相应的空腔内。
43.如权利要求42所述的锂离子电池组，进一步包括多个空腔内衬，每一个放置在这些锂离子芯构件的一个相应的构件与这些空腔的一个相应的空腔的一个表面之间。
44.如权利要求43所述的锂离子电池组，其中这些空腔内衬是由一种塑料材料形成的。
45.如权利要求44所述的锂离子电池组，其中该多个空腔内衬形成为一个整体内衬构件的一部分。
46.如权利要求42所述的锂离子电池组，其中该动能吸收材料是由铝泡沫、陶瓷、以及塑料中的一种形成的。
47.如权利要求42所述的锂离子电池组，进一步包括一种包含在这些芯的每一个内的电解质。
48.如权利要求47所述的锂离子电池组，其中该电解质包含阻燃剂、气体发生剂、以及氧化还原梭中的至少一种。
49.如权利要求42所述的锂离子电池组，其中每一个锂离子芯构件包括一个阳极、一个阴极以及布置在每一个阳极与阴极之间的隔膜。
50.如权利要求49所述的锂离子电池组，进一步包括一个在所述外壳内，将所述芯构件电连接到该密封的外壳的外部的电接线柱上的电连接件。
51.如权利要求50所述的锂离子电池组，其中所述电连接件包括两个母线，该第一母线使所述芯构件的阳极与该外壳外部的接线柱的正极接线柱构件互连，该第二母线使所述芯构件的阴极与该外壳外部的接线柱的负极接线柱构件互连。
52.如权利要求51所述的锂离子电池组，其中这些芯构件是并联连接的。
53.如权利要求51所述的锂离子电池组，其中这些芯构件是串联连接的。
54.如权利要求51所述的锂离子电池组，其中第一组芯构件是并联连接的和第二组芯构件是并联连接的，并且该第一组芯构件与该第二组芯构件是串联连接的。
55.如权利要求42所述的锂离子电池组，其中该支撑构件是呈蜂窝状结构的形式。
56.如权利要求42所述的锂离子电池组，其中该动能吸收材料包括可压缩的介质。
57.如权利要求42所述的锂离子电池组，其中外壳包括一个具有可压缩的元件的壁，该元件当被压缩时由于力冲击该壁而产生锂离子电池组的电短路。
58.如权利要求42所述的锂离子电池组，其中在该支撑构件中的这些空腔及其相应的芯构件在形状上是圆柱形、椭圆形、以及棱柱形中的一种。
59.如权利要求58所述的锂离子电池组，其中这些空腔中的至少一个及其相应的芯构件与其他空腔及其相应的芯构件相比具有不同的形状。
60.如权利要求42所述的锂离子电池组，其中这些芯构件中的至少一个具有高功率特性并且这些芯构件中的至少一个具有高能量特性。
61.如权利要求49所述的锂离子电池组，其中这些芯构件的阳极是由相同的材料形成并且这些芯构件的阴极是由相同的材料形成。
62.如权利要求49所述的锂离子电池组，其中每个隔膜构件包括一个陶瓷涂层。
63.如权利要求49所述的锂离子电池组，其中每个阳极和每个阴极包括一个陶瓷涂层。
64.如权利要求49所述的锂离子电池组，这些芯构件中的至少一个与其他芯构件的阳极和阴极的厚度相比包括具有不同厚度的阳极和阴极之一。
65.如权利要求49所述的锂离子电池组，其中至少一个阴极包含来自化合物A至M的材料组中的至少两种。
66.如权利要求49所述的锂离子电池组，其中每个阴极包含一种表面改性剂。
67.如权利要求49所述的锂离子电池组，其中每个阳极包含Li金属。
68.如权利要求49所述的锂离子电池组，其中每个阳极包含碳和石墨中的一种。
69.如权利要求49所述的锂离子电池组，其中每个阳极包含Si。
70.如权利要求49所述的锂离子电池组，其中每个芯构件包括一个卷绕的阳极、阴极和隔膜结构。
71.如权利要求49所述的锂离子电池组，其中每个芯构件包括一个堆叠的阳极、阴极和隔膜结构。
72.如权利要求42所述的锂离子电池组，其中这些芯构件具有基本上相同的电容量。
73.如权利要求42所述的锂离子电池组，其中这些芯构件中的至少一个与其他芯构件相比具有不同的电容量。
74.如权利要求42所述的锂离子电池组，其中这些芯构件中的至少一个对于功率储存被优化并且这些芯构件中的至少一个对于能量储存被优化。
75.如权利要求51所述的锂离子电池组，进一步包括一个用于将每个阳极电连接到该第一母线的接片以及一个用于将每个阴极电连接到该第二母线的接片，其中每个接片包括一个用于当已经超过预定的电流时切断通过每个所述接片电流的流动的装置。
76.如权利要求51所述的锂离子电池组，其中该第一母线包括一个邻近在这些阳极与该第一母线之间的每个互连点的熔断元件，并且一个邻近在这些阴极与该第二母线之间的每个互连点的熔断元件，用于当已经超过预定的电流时切断通过所述熔断元件电流的流动。
77.如权利要求42所述的锂离子电池组，进一步包括一个围绕这些芯构件的每一个的保护套。
78.如权利要求77所述的锂离子电池组，其中每个保护套被布置在该含有其相应的芯构件的空腔的外面。
79.如权利要求42和54所述的锂离子电池组，进一步包括与所述芯构件电互相连接、配置为能够电气监控并且平衡这些芯构件的传感线。
80.如权利要求42所述的锂离子电池组，其中该密封的外壳包括一个阻燃构件。
81.如权利要求80所述的锂离子电池组，其中该阻燃构件包含一种固定到该外壳的外部的阻燃网状材料。
82.一种多芯锂离子电池组，包括：
一个密封的外壳，在该外壳的内部包括一个锂离子电池区域和一个共享的大气区域；
一个布置在该密封的外壳的锂离子电池区域内的支撑构件，该支撑构件包括多个空腔，每个空腔具有一个朝向共享的大气区域的端开口；以及
多个锂离子芯构件，每一个具有布置在该多个空腔的一个相应的空腔内的一个阳极和一个阴极，其中所述阳极和所述阴极通过该空腔的开口端暴露于共享的大气区域并且所述阳极和所述阴极基本上被所述空腔沿其长度包围。
83.如权利要求82所述的锂离子电池组，其中该支撑构件包括一种动能吸收材料。
84.如权利要求82所述的锂离子电池组，其中该动能吸收材料是由铝泡沫、陶瓷、以及塑料中的一种形成的。
85.如权利要求82所述的锂离子电池组，进一步包括多个空腔内衬，每一个放置在这些锂离子芯构件的一个相应的构件与这些空腔的一个相应的空腔的一个表面之间。
86.如权利要求85所述的锂离子电池组，其中这些空腔内衬是由一种塑料材料形成的。
87.如权利要求85所述的锂离子电池组，其中该多个空腔内衬形成为一个整体内衬构件的一部分。
88.如权利要求82所述的锂离子电池组，进一步包括一种包含在这些芯的每一个内的电解质。
89.如权利要求88所述的锂离子电池组，其中该电解质包含阻燃剂、气体发生剂、以及氧化还原梭中的至少一种。
90.如权利要求82所述的锂离子电池组，其中每一个锂离子芯构件包括一个阳极、一个阴极以及布置在每一个阳极与阴极之间的隔膜。
91.如权利要求90所述的锂离子电池组，进一步包括一个在所述外壳内，将所述芯构件电连接到该密封的外壳的外部的电接线柱上的电连接件。
92.如权利要求91所述的锂离子电池组，其中所述电连接件包括两个母线，该第一母线使所述芯构件的阳极与该外壳外部的接线柱的正极接线柱构件互连，该第二母线使所述芯构件的阴极与该外壳外部的接线柱的负极接线柱构件互连。
93.如权利要求92所述的锂离子电池组，其中这些芯构件是并联连接的。
94.如权利要求92所述的锂离子电池组，其中这些芯构件是串联连接的。
95.如权利要求92所述的锂离子电池组，其中第一组芯构件是并联连接的和第二组芯构件是并联连接的，并且该第一组芯构件与该第二组芯构件是串联连接的。
96.一种锂离子电池组，包括：
一个密封的外壳；以及
至少一个布置在该密封的外壳内的锂离子芯构件，该锂离子芯构件具有一个阳极和一个阴极，其中该阴极包含至少两种选自化合物A至M的组中的化合物。
97.如权利要求96所述的锂离子电池组，其中存在仅一个锂离子芯构件。
98.如权利要求96所述的锂离子电池组，其中该密封的外壳是一个聚合物袋。
99.如权利要求96所述的锂离子电池组，其中该密封的外壳是金属筒。
100.如权利要求96所述的锂离子电池组，其中每个阴极包含至少两种选自化合物B、C、D、E、F、G、L、以及M的组中的化合物并且进一步包含一种表面改性剂。
101.如权利要求96所述的锂离子电池组，其中每个阴极包含至少两种选自化合物B、D、F、G、以及L的组中的化合物。
102.如权利要求96所述的锂离子电池组，其中所述电池组被充电至高于4.2V的电压。
103.如权利要求96所述的锂离子电池组，其中每个阳极包含碳和石墨中的一种。
104.如权利要求96所述的锂离子电池组，其中每个阳极包含Si。
105.一种锂离子电池组，包括：
一个密封的外壳；以及
至少一个布置在该密封的外壳内的锂离子芯构件，该锂离子芯构件具有一个阳极和一个阴极；
一个在所述外壳内，将所述至少一个芯构件电连接到该密封的外壳外部的电接线柱上的电连接件；其中该电连接件包括一个用于当已经超过预定的电流时切断通过所述电连接件电流的流动的装置。
106.如权利要求105所述的锂离子电池组，其中所述电连接件包括两个母线，该第一母线使所述芯构件的阳极与该外壳外部的接线柱的正极接线柱构件互连，该第二母线使所述芯构件的阴极与该外壳外部的接线柱的负极接线柱构件互连。
107.如权利要求105所述的锂离子电池组，其中该电连接件进一步包括一个用于将每个阳极电连接到该第一母线的接片，用于将每个阴极电连接到该第二母线的接片，其中每个接片包括一个用于当已经超过预定的电流时切断通过每个所述接片电流的流动的装置。
108.如权利要求105所述的锂离子电池组，其中该电连接件，其中第一母线包括一个邻近在这些阳极与该第一母线之间的每个互连点的熔断元件，并且该第二母线包括一个邻近在这些阴极与该第二母线之间的每个互连点的熔断元件，用于当已经超过预定的电流时切断通过所述熔断元件电流的流动。
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