CN108631012B - 电池、利用电池储存电力的方法和提供电力的方法 - Google Patents

电池、利用电池储存电力的方法和提供电力的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及电池、利用电池储存电力的方法和提供电力的方法。用于防止内部短路发生和传播的电池单元设计。描述了一种电池和相关方法。该电池可包括多个电池单元段。各个电池单元段可包括阳极段、阴极段以及一个或更多个限流器。所述一个或更多个限流器被配置为基于电池单元段内的短路的发生有条件地将电池单元段电隔离。该电池可用于储存电力和/或向负载提供电力。

Description

电池、利用电池储存电力的方法和提供电力的方法
技术领域
本公开总体上涉及电池，更具体地，涉及与具有多个电池单元段的电池有关的方法和设备。
背景技术
电池用于储存电力并为飞机、地面车辆、个人电子装置以及其它电动装置提供电力。电池可具有正端子或电极以及负端子或电极。然后，从电池汲取电力的“负载”或装置可经由导电体(例如，导线、电触点和/或电缆)连接到电路中的正端子和负端子。然后，电池可在向负载提供电力时在放电模式下操作。为了给电池充电，可将电源电连接到电路中的正端子和负端子，并且电池可在充电模式下操作以从电源“充电”或汲取并储存电力。在一些应用中，作为在车辆和电力系统中使用的电池，电池可连接到一个或更多个装置，所述一个或更多个装置可充当汽车的其余部分的负载和电源二者。在汽车正启动时，汽车的其余部分可充当负载从汽车电池汲取电力。在汽车已启动之后，汽车的交流发电机和/或再生制动系统可充当电源以给电池充电。
在一些情况下，由于环境条件、电池的构造和/或设计中的故障、电池的物理损坏以及电池储存和提供电流的化学品的(逐渐)劣化，电池可能失效。这些故障可能导致没有电力被提供给电路的电开路和/或创建电池内的低电阻路径的电池内部电短路。短路可导致非预期的大量电力被提供给电路的组件，包括但不限于电路中的电池。
发明内容
在示例实施方式中，描述了一种电池。该电池包括一个或更多个单元。各个单元包括多个电池单元段。各个电池单元段包括：阳极段；阴极段；以及一个或更多个限流器，其被配置为基于电池单元段内的短路的发生有条件地将电池单元段电隔离。
在另一示例实施方式中，描述了一种方法。使用电池来储存电力，其中所述电池包括一个或更多个单元，其中各个单元包括多个电池单元段，并且其中各个电池单元段包括：阳极段、阴极段和一个或更多个限流器。基于电池单元段内的短路的发生有条件地将特定电池单元段电隔离。
在另一示例实施方式中，描述了一种方法。使用电池来向负载提供电力，其中所述电池包括一个或更多个单元，其中各个单元包括多个电池单元段，并且其中各个电池单元段包括：阳极段、阴极段和一个或更多个限流器。基于电池单元段内的短路的发生有条件地将特定电池单元段电隔离。
应该理解，在此发明内容部分中以及本文献中的其它地方提供的描述旨在通过非限制性示例来示出本公开的各方面。通常，本文所讨论的特征、功能、组件和优点可在各种实施方式中独立地实现或者可在其它实施方式中被组合，其进一步的细节在以下描述和附图中公开。
附图说明
图1是根据示例实施方式的电池和电负载的框图。
图2是传统电池单元的框图。
图3是向电负载提供电流的图2的电池单元的图。
图4是基于均匀离子流向电负载提供电流的图2的电池单元的图。
图5是基于退化(degraded)离子流向电负载提供电流的图2的电池单元的图。
图6是具有扩大的退化区域的图2的电池单元的图。
图7是在扩大的退化区域中具有短通道的图2的电池单元的图。
图8是当在正常放电模式下操作时向电负载提供电子流的图2的电池单元的阳极片和阴极片的图。
图9是具有短通道的图2的电池单元的阳极和阴极片的图。
图10是根据示例实施方式的图1的电池的电池单元的分段阳极片和负电极的图。
图11是根据示例实施方式的图10的电池单元的分段阴极片和正电极的图。
图12是根据示例实施方式的分段阳极片和负电极的图，其示出用于图10和图11的电池单元的失效并隔离的段的开路限流器。
图13是根据示例实施方式的分段阴极片和正电极的图，其示出用于图10和图11的电池单元的失效并隔离的段的开路限流器。
图14是根据示例实施方式的利用电池储存电力的方法的流程图。
图15是根据示例实施方式的利用电池提供电力的方法的流程图。
具体实施方式
在锂离子电池单元中可能发生内部短路。这样的内部短路难以(如果不是不可能的话)从外部感测和管理并且可导致整个电池的损坏。在一些情况下，内部短路可导致电池起火以及随之而来对电池附近的环境的风险。在一些示例中，可改变电池化学组成(battery chemistry)以降低电池的电活性并因此降低内部短路的风险。这种方法的缺点在于其降低了电池能量密度，从而使电池相对更大。
为了降低这些风险，描述了一种具有一个或更多个单元的电池，各个单元包括多个电池单元段。各个电池单元段被电隔离，因此这些电池单元段的使用提供了一种可防止并隔离潜在内部短路的电池，因此保持电池安全和可操作。各个电池单元段在电池和/或电池的单元内部，因此不需要内部感测。相反，各个电池单元段具有一个或更多个限流器，其可检测电池单元段内的短路并因此断开电路。因此，使用具有限流器的电池电路的电池允许电池单元段内的(潜在)短路的自动检测、定位和隔离，从而保持电池的其余段安全和可操作。
更具体地，电池的电池单元段可具有阳极段、阴极段以及一个或更多个限流器，所述一个或更多个限流器被配置为基于电池单元段内的短路的发生有条件地将电池单元段电隔离。所述一个或更多个限流器中的限流器可以是或者可包括将电流限制为最大量的一个或更多个电气组件。限流器可包括电连接到阳极段的限流器和/或电连接到阴极段的限流器。
电池单元段可包括将电池单元段与一个或更多个其它电池单元段电隔离的一个或更多个绝缘体和/或一个或更多个集电器。例如，电池单元段的绝缘体可被成形为绝缘体条，其厚度基于电池的其它层的厚度；例如，与阳极、阴极、隔膜(separator)和电解质(electrolyte)层的总厚度一样厚。集电器可从电池或从连接到电池的电路接收电子。例如，电池单元段可具有电连接到阳极段的阳极集电器；和/或电连接到阴极段的阴极集电器。
电池单元段的集电器可电连接到电池电极。例如，阳极集电器还可电连接到电池的负电极，和/或阴极集电器还可电连接到电池的正电极。电池电极可将电池的多个段和/或单元电连接。
电池单元段的限流器可将段的集电器和电池电极电连接；那么，限流器可限制从电池单元段(经由集电器)提供到电极的电流量，反之亦然。特别是，电池单元段可具有电连接到阳极片的阳极集电器以及将阳极集电器电连接到负电池电极的阳极限流器和/或电连接到阴极片的阴极集电器以及将阴极集电器电连接到正电池电极的阴极限流器。
分段电池的示例包括但不限于锂离子电池。锂离子电池可在用于释放电子的一个或更多个阳极(即，阳极片和/或阳极段)中具有锂。由阳极释放的电子可在这些锂离子电池的阴极(即，阴极片和/或阴极段)处被接收。在一些情况下，电解质可用作填料并帮助离子在电池的电极之间的转移。
电池单元段可与各种各样的电池化学组成(包括但不限于基于锂离子的电池化学组成)一起使用。其它电池化学组成的示例(例如，其它高能量密度电池)可针对阳极和/或阴极使用锂离子电池中所使用的材料以外的材料。使用这些其它电池化学组成的电池可使用本文所公开的用于将电池分段的相同或相似的技术来分段。几乎任何尺寸的电池均可利用电池单元段，从诸如用在个人电子产品和其它应用中的相对较小的电池，到用在载具(包括飞机、水上飞机和陆地车辆)以及其它应用中的相对较大的电池。因此，分段电池的使用可为各种各样的电池和电池应用改进电池安全性。
图1是根据示例实施方式的电池100和电负载110的框图。图1的顶部示出了电池100和电负载110经由导线102和104连接。电池100可储存电力并且当电池100在放电模式下操作时将所储存的电力中的一些或全部作为电力106提供给电负载110，如从电池100到电负载110的电力106的箭头所指示。在一些示例中，电负载110可被替换为和/或包括向在充电模式下操作的电池100提供电力的电源，如从电负载110到电池100的电力106的箭头所指示。
电池100可包括c个单元(c>0)，其包括可串联和/或并联连接的单元112a’、112a、112b’、112b…112c’、112c。单元112a’、112a、112b’、112b…112c’、112c中的至少一个可包括两个或更多个电池单元段(BCS)。例如，图1的中上部分示出了单元112c由n个电池单元段组成(n>1)，其包括电池单元段114a、114b…114m、114n。因此，电池100可包括多个电池单元段；例如，单元112c的电池单元段114a、114b、…114m、114n以及单元112a’、112a、112b’、112b、…中的电池单元段(图1中未示出)。
电池单元段114a、114b…114m、114n可在单元112c内并联连接。特别是，电池100的电池单元段和/或单元可并联电连接到诸如负电极120和正电极150的电极。电极120和150可从电负载110到在充电模式下操作的电池100传导电流并由此传导电力，或者从在放电模式下操作的电池100到电负载110传导电流/电力。作为将负电极120和正电极150电连接的电路(例如，包括电池100、将电池100与电负载110连接的导线102以及也将电池100与电负载110连接的导线104的电路)的一部分，可将电力提供给电池100和/或从电池100汲取电力。
图1的下部示出了邻近电池单元段114m和114n的俯视图。单元112c的电池单元段114m和114n均电连接到负电极120和正电极150。绝缘体126将电池单元段114m和114n分隔开，电池单元段114m和114n包括相应的阳极限流器(CL)122m、122n、阳极集电器(CC)段130m、130n、阳极段132m、132n、电解质填料134m、134n、隔膜片段(SSS)136m、136n、电解质填料138m、138n、阴极段140m、140n、阴极集电器段142m、142n以及阴极限流器144m、144n。在一些示例中，电池单元段可仅具有一个限流器。例如，电池单元段114m可仅包括阳极限流器122m(或者仅包括阴极限流器144m)而非包括限流器122m和144m二者。
负电极120经由相应阳极限流器122m、122n电连接到相应电池单元段114m、114n，阳极限流器122m、122n还电连接到相应阳极集电器段130m、130n。限流器(例如，限流器122m、122n、144m和144n)可包括将电流限制为最大量的一个或更多个电气组件。示例限流器包括但不限于保险丝、正温度系数(PTC)限流器和断路器。如果流过保险丝的电流超过保险丝的电流极限，则保险丝可使得电池单元段被完全电隔离。PTC限流器可具有随着PTC限流器的温度升高而增加的电阻。由于PTC限流器的电阻随着温度而增加，所以PTC限流器可将电流限制为指定的值，因此保护电池单元段。另外，PTC限流器的电阻可随着PTC限流器的温度下降而减小，因此PTC限流器可继续用作限流装置。断路器可包括电气开关，如果流过断路器的电流超过断路器的电流极限，则电气开关可断开以将电池单元段电隔离。
当发生涉及电池单元段的故障状况(例如，内部短路)时，限流器可有条件地隔离电池单元段。例如，如果在电池单元段114m内发生内部短路，则相对大量的电流可流过电池单元段114m。在这种发生内部短路的状况下，阳极限流器122m和/或阴极限流器144m可有条件地将电池单元段114m电隔离。使用限流器有条件地将电池单元段隔离的其它示例也是可能的。
集电器段130m、130n、142m、142n可从电池100接收电子并将电子提供给将电池100连接到电负载110的电路，或者反之亦然。在一些示例中，集电器段130m、130n、142m、142n中的一些或全部可与其它段的相邻集电器电绝缘。
作为分段集电器130和相应电池单元段114m、114n的部分的阳极集电器段130m、130n电连接到相应阳极段132m、132n。相应阳极段132m、132n通过相应电解质填料134m、134n、隔膜片段136m、136n和电解质填料138m、138n与相应阴极段140m、140n分隔。电解质填料134m、134n、138m、138n可帮助离子在电池的电极之间的转移。相应阴极段140m、140n可电连接到相应阴极集电器段142m、142n。阴极集电器段142m、142n电连接到相应阴极限流器144m、144n，阴极限流器144m、144n还将相应电池单元段114m、114n电连接到正电极150。
电池100的绝缘体可在电池100的组件之间化学绝缘和/或电绝缘或者阻止电流流动。作为示例，绝缘体124和126将电池单元段114m与相邻电池单元段电绝缘；例如，绝缘片126将电池单元段114m与电池单元段114n电绝缘。电池100的其它组件可充当绝缘体；例如，容器128可将电池单元段114n与电池100外部的环境电绝缘以及以其它方式保护电池单元段114n免受电池100外部的环境影响。
隔膜片段136m、136n可由一种或更多种隔膜材料制成，并且在电池100内允许离子流动的同时对形成在电池单元段的阳极段和阴极段之间的电路提供一些保护。然而，如果隔膜片段136m、136n中的任一个未能防止相应阳极段132m、132n与相应阴极段140m、140n之间形成短路时，相应电池单元段114m、114n的相应阳极限流器122m、122n和/或相应阴极限流器144m、144n可限制由如今短路的电池单元段提供的电流的量。
在一些示例中，电池100可以是锂离子电池。在这些锂离子示例中，诸如阳极段132m、132n的阳极可由诸如嵌锂化合物的一种或更多种阳极材料制成，包括但不限于钴酸锂、磷酸铁锂、锂锰氧化物和锂镍锰钴氧化物以及可能其它材料；例如，包括石墨、铜箔、锡、混合稀土金属合金的碳质材料。其它锂电池可使用金属锂作为阳极材料。在这些锂离子示例中，诸如阴极段140m、140n的阴极可由一种或更多种阴极材料制成，包括但不限于二氧化锰、一氟化碳、二硫化铁、亚硫酰氯、氯化溴、二氧化硫、磺酰氯和碳。另外，在这些锂离子示例中，用作电解质填料的示例材料包括但不限于高氯酸锂、碳酸亚丙酯、二甲氧基乙烷、四氟硼酸锂、γ-丁酮、二氧戊环、二甲氧基乙烷、四氢化铝锂、亚硫酰氯、溴化锂、二氧化硫和乙腈。在其它示例中，可在锂离子电池中使用不同的阳极、电解质和/或阴极材料。
电池100的绝缘体(例如，绝缘体124、126)可由一个或更多个电绝缘材料(包括但不限于聚氯乙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚丙烯、四氟乙烯、聚烯烃、陶瓷、棉、尼龙、聚酯、玻璃、木材和木制品(例如，纸板或纸张))组成。其它绝缘片和/或材料也是可以的。电池100的隔膜(例如，隔膜片段136m、136n)可由隔膜材料制成，其中隔膜材料可以是与上述电绝缘材料相同的材料。
在设计电池100时，可确定每单元的电池单元段的最小数量。考虑到对于持续时间τ，段的最大允许电流为Imax，超过Imax的段可能遭受加速的热降解或损坏，其中特定电池的Imax和τ的值可根据该特定电池的化学组成以实验方式确定。然后，如果单元容量为C，则可使用下式来确定单元的电池单元段的最小数量n：Imax和/或τ也可用于为各个段选择限流器。
图2是传统电池单元200的框图。电池单元200包括层叠的片210、220、230和240，其可被卷成圆柱体以形成圆柱形单元或者被折叠成矩形块以形成棱柱形单元。电池单元200可包括可由一种或更多种电绝缘材料制成的绝缘体或隔膜片210、可由一种或更多种阳极材料制成的阳极片220、可由一种或更多种隔膜材料制成的隔膜片230、以及可由一种或更多种阴极材料制成的阴极片240。上面在图1的上下文中列出了示例电绝缘材料、阳极材料、隔膜材料和阴极材料。在电池单元200中，绝缘体或隔膜片210可保护电池单元200免受电池外部的环境的影响，阳极片220可充当阳极，阴极片240可充当阴极，并且隔膜片230可在允许电池单元200内的离子流动的同时对形成在阳极片220和阴极片240之间的电路提供一些保护。
在电池100和200中，绝缘体和隔膜不同，因为绝缘体不允许锂离子流动，而隔膜允许锂离子流动。以电池200为例，如果在电池200中不存在绝缘体或隔膜片210，并且如果片220、230和240从左至右卷起，则阳极片220可触碰阴极片240，然后电池200将不能操作。如果绝缘体或隔膜片210作为隔膜片存在，并且如果片210、220、230和240从左至右卷起以形成电池200，则阴极层和阳极层将在其内侧和外侧具有隔膜，从而得到具有双侧反应的可工作电池。如果绝缘体或隔膜片210作为绝缘片存在，并且如果片210、220、230和240从左至右卷起以形成电池200，则阳极片220和阴极片240中的每一个在一侧具有隔膜层，在另一侧具有绝缘体层，从而避免了双侧反应。
图3是向电负载110提供电流380的电池单元200的图。当电池单元200正向电负载310提供电流(作为电流380)时，电池单元200可被认为处于放电模式。在处于放电模式时，锂离子(Li+)(图3中示出为黑色圆圈)从阳极片220通过电解质填料320、隔膜片230和电解质填料330流到阴极片240；即，如图3所示从左向右流动。
电池单元200可包括两个电极：负电极340，其可以是在电池单元200处于放电模式时从电池单元200朝着电负载310的电子流370的源；和正电极350，其可以是在电池单元200处于放电模式时从电池单元200朝着电负载310的电流380的源。电池单元200还可包括容器360以对电池外部的环境提供保护。
电池单元200可如上所述处于放电模式，或者处于充电模式。当电池单元200处于充电模式时，电池单元200的锂离子在与图3所示相反的从阴极片240到阳极片220的方向上移动；即，在图3中锂离子从右到左。当电池单元200处于充电模式时，与电池单元200处于放电模式时相比，电流380使其流动方向反转。
图4是基于均匀锂离子流410向电负载310提供电流380的电池单元200的图。在放电模式下操作的电池单元200的正常状况下，均匀锂离子流410在图4中从左到右从阳极片220穿过电解质填料320、隔膜片230和电解质填料330行进以到达阴极片240。在充电模式下操作的电池单元200的正常状况下，均匀锂离子流410反转；即，均匀锂离子流410在图4中从右到左行进。
图5是基于扭曲的锂离子流510向电负载310提供电流380的电池单元200的图。当电池单元200正在放电模式下操作时，可能发生使均匀锂离子流扭曲的故障。一个这种故障是涉及退化区域520中的锂析出(plating)的退化机制。如果如图5所示在电池单元200的退化区域520中发生锂析出，则锂析出可导致从阳极片220经由隔膜片230和电解质填料320、330到阴极片240的扭曲的锂离子流510。扭曲的锂离子流510可导致电流密度的局部最大值，例如在扭曲的锂离子流510与退化区域520的交叉点处的更高电流密度区域530。
图6是具有扩大的退化区域610的电池单元200的图。如果在图4的上下文中提及的锂析出增加，则在电池单元200中可能出现扩大的退化区域。例如，如果电池单元200长时间暴露于相对高的热，则穿过电极340、350、隔膜片230和电解质填料320、330的扭曲的锂离子流的效果可扩张。然后，图5的退化区域520可生长为图6的扩大的退化区域610。随着扩大的退化区域610扩张，图5的更高电流密度区域530也可扩张成为扩张的更高电流密度区域620。
图7是在扩大的退化区域710中具有短通道(SC)720的电池单元200的图。如果扩大的退化区域610继续生长；即，电池单元200继续暴露于相对高的热，以变成扩大的退化区域710，则扩大的退化区域710可最终桥接阳极片220和阴极片240，从而通过扩大的退化区域710导致短通道720。
短通道720可与电池单元200内的电子流730形成闭合电流回路。一旦短通道720形成并且电子流730开始，则相对较少的电子可作为电子流370流到电负载310。另外，短通道720内的电子流730中的一些电子可被从电解质填料320、330被吸引到扩大的退化区域710的锂离子732、734中和。电子流730中到达电负载310的电子的实际数量可取决于短通道720的电阻和电负载310的电阻。因此，可能难以利用电池单元200外部(即，在其外部)的感测电路检测诸如短通道720的内部短路。
图8是在电池单元200正在正常放电模式下操作时向电负载310提供电子流370的电池单元200的阳极片220和阴极片240的图。在正常放电模式下，可在负电极810(可充当集电器)处从电池单元200的阳极片220收集电子。电子可作为电子流730通过电负载310流到正电极820(可充当集电器)。到达正电极820的电子可穿过阴极片240均匀地分布。在放电模式中，锂离子流(图8中未示出)可在阳极片220处开始，继续穿过隔膜片(例如，隔膜片230)，并到达阴极片240。
图9是当电池单元200具有短通道910时电池单元200的阳极片220和阴极片240的图。在具有诸如短通道910的内部短路的放电模式下，就像电池单元200处于正常放电模式时一样，可在负电极810处从电池单元200的阳极片220收集电子。然而，当电池单元200具有内部短路时，电子可经由短通道910流到阴极片240，而非流到电负载310，从而导致流过电负载310的受抑制的电子流920。到达阴极片240的电子可在正电极820处被收集并遍及阴极片240分布，如从短通道910到阴极片240并通过正电极820的箭头所指示。通常，通过短通道910的电阻远小于通过电负载310的电阻，因此大多数(如果不是全部的话)电子流过短通道910，而非流过电负载310，导致受抑制的电子流920。
图10是根据示例实施方式的电池100的电池单元112c的分段阳极片1010和负电极1040的图。如图1和图10至图13中所指示，电池单元112c是具有n个电池单元段(n>1)的分段电池单元。在图10中，阳极片1010的段被示出为阳极段1020a、1020b、1020c、1020d、1020e、1020f、1020g、1020h…1020n。阳极段通过绝缘体1024a、1024b、1024c、1024d、1024e、1024f、1024g、1024h…1024n彼此电绝缘。例如，阳极段1020b通过绝缘体1024a与阳极段1020a电绝缘并通过绝缘体1024b与阳极段1020c电绝缘。
阳极段1020a、1020b、1020c、1020d、1020e、1020f、1020g、1020h…1020n连接到阳极集电器1030，阳极集电器1030被分段以使得阳极集电器1030的各段连接到阳极片1010的对应段。此外，阳极集电器1030的各段与其它阳极集电器段电隔离并且经由阳极限流器(ACL)连接到负电极1040。例如，图10示出：阳极片1010的阳极段1020a连接到阳极集电器1030的阳极集电器段1032a，阳极集电器段1032a还连接到阳极限流器1022a，并且阳极限流器1022a还连接到负电极1040。图10还示出阳极集电器1030的各段通过绝缘体1024a、1024b、1024c、1024d、1024e、1024f、1024g、1024h…1024n与其它阳极集电器段电绝缘；例如，阳极集电器段1032a通过绝缘体1024a与相邻阳极集电器段1032b分隔。
当电池100处于正常放电模式时，在分段阳极集电器1030处从阳极片1010的阳极段1020a、1020b、1020c、1020d、1020e、1020f、1020g、1020h…1020n收集电子。所收集的电子从分段阳极集电器1030流过阳极限流器1022a、1022b、1022c、1022d、1022e、1022f、1022g、1022h、…1022n到负电极1040。这些电子流在图10中通过从阳极片1010到阳极集电器1030的箭头、从阳极集电器1030通过阳极限流器1022a…1022n到负电极1040的箭头示出。电子然后从负电极1040流到电负载110，然后作为电子流1050流到阴极片(示出于图11)。
图11是根据示例实施方式的电池单元112c的分段阴极片1110和正电极1140的图。如图1和图10至图13中所指示，电池单元112c具有n个电池单元段(n>1)。在图11中，阴极片1110的段被示出为阴极段1120a、1120b、1120c、1120d、1120e、1120f、1120g、1120h…1120n。阴极段通过绝缘体1124a、1124b、1124c、1124d、1124e、1124f、1124g、1124h…1124n彼此电绝缘。例如，阴极段1120b通过绝缘体1124a与阴极段1120a电绝缘，并且通过绝缘体1124b与阴极段1120c电绝缘。在一些示例中，绝缘体1024a、1024b、1024c、1024d、1024e、1024f、1024g、1024h、…1024n可以是与相应绝缘体1124a、1124b、1124c、1124d、1124e、1124f、1124g、1124h、…1124n相同的绝缘体的一部分；即，绝缘片(或者绝缘体的其它配置)可具有分隔阳极片1010的阳极段的一端和分隔阴极片1110的阴极段的另一端，而绝缘片也可分隔电解质填料层和隔膜，因此确保没有电子、离子和/或物质流过绝缘体。
阴极段1120a、1120b、1120c、1120d、1120e、1120f、1120g、1120h…1120n连接到阴极集电器1130，阴极集电器1130被分段以使得阴极集电器1130的各段连接到阴极片1110的对应段。此外，阴极集电器1130的各段经由阴极限流器(CCL)连接到正电极1140。例如，图11示出：阴极片1110的阴极段1120a连接到阴极集电器1130的阴极集电器段1132a，阴极集电器段1132a还连接到阴极限流器1122a，并且阴极限流器1122a还连接到正电极1140。图11还示出阴极集电器1130的各段通过绝缘体1124a、1124b、1124c、1124d、1124e、1124f、1124g、1124h、…1124n与其它阴极集电器段电绝缘；例如，阴极集电器段1132a通过绝缘体1124a与相邻阴极集电器段1132b分隔。
当电池100处于正常放电模式时，电子从阳极片1010作为电子流1150流到正电极1140。正电极1140处的电子然后流过阴极限流器1122a、1122b、1122c、1122d、1122e、1122f、1122g、1122h、…1122n到分段阴极集电器1130，然后从集电器段流到阴极片1110的阴极段1120a、1120b、1120c、1120d、1120e、1120f、1120g、1120h、…1120n。这些电子流在图11中通过如下的箭头示出：即从电子流1150从电负载110到正电极1140，流过阴极限流器1122a…1122n，继续到阴极集电器1130，然后到阴极片1110的阴极段1120a…1120n的箭头。
电池100的电池单元段(例如，电池单元112c的段)可包括阳极片1010的阳极段和阴极片1110的阴极段。例如，电池100的一个电池单元段可包括：(a)阳极段1020a、阳极集电器段1032a和连接到负电极1040的阳极限流器1022a；以及(b)阴极段1120a、阴极集电器段1132a和连接到正电极1140的阴极限流器1122a。电池100的其它示例电池单元段可包括对应成对的阳极段和阴极段(例如，阳极段1020b与阴极段1120b配对)、成对的阳极集电器段和阴极集电器段(例如，附接到阳极段1020b的阳极集电器段与附接到阴极段1120b的阴极集电器段配对)以及成对的阳极限流器和阴极限流器(例如，阳极限流器1022b与阴极限流器1122b配对)，如图10和图11所示。
需要注意的是，尽管图10至图13关于电池单元112c没有示出隔膜和电解质填料，如关于图1的电池单元段114m、114n所示，电池100可包括隔膜和电解质填料。另外，电池单元112c的非电极组件(包括但不限于阳极片1010和阴极片1110、集电器1030和1130、限流器1022a、1022b、…1022n和1122a、1122b…1122n以及任何隔膜和电解质填料)可被适当地封装并密封到诸如容器128的容器中；例如，用作电池单元。然后，电池100的电极(例如，负电极1040和正电极1140)可至少部分地在容器外部以允许与电池单元112c的电连接。
图12是根据示例实施方式的分段阳极片1010和负电极1040的图，其示出用于电池单元112c的失效和隔离的电池单元段1220的开路阳极限流器1222。开路阳极限流器1222可包括禁止电流流过开路阳极限流器1222的开路。图12示出当在包括阳极段1020h的电池单元段1220中发生内部短路(示出为短通道1210)时，在放电模式下操作时电池单元112c的阳极片1010的示例。如果在电池100正在放电时在电池单元段1220内出现短通道1210，则从阳极段1020h流动的大多数(如果不是全部的话)电子将流过阳极限流器1022h，超过流过阳极限流器1022h允许的最大电流量。超过允许的最大电流量可导致阳极限流器1022h断开(即，具有开路)并且变为开路阳极限流器1222。一旦阳极限流器1022h断开以变为开路阳极限流器1222，开路阳极限流器1222就将电池单元段1220电隔离。同时，包括阳极段1020a、1020b、1020c、1020d、1020e、1020f、1020g和1020n的其它电池单元段继续正常地操作。
因此，短通道1210的存在导致电池单元段1220失效。此外，由于短通道1210的结果开路阳极限流器1222打开使得电池单元段1220被电隔离。因此，开路阳极限流器1222可基于电池单元段1220内的短路的发生(例如，电池单元段1220中出现短通道1210)有条件地将电池单元段1220电隔离。
图13是根据示例实施方式的分段阴极片1110和正电极1140的图，其示出用于电池单元112c的失效并隔离的电池单元段1220的开路阴极限流器1322。开路阴极限流器1322可包括禁止电流流过开路阴极限流器1322的开路。图13示出当在包括阴极段1120h的电池单元段1220中发生内部短路(示出为短通道1210)时，在放电模式下操作时电池单元112c的阴极片1110的示例。如果在电池100正在放电时在电池单元段1220内出现短通道1210，则流到阴极段1120h的大多数(如果不是全部的话)电子将流过阴极限流器1122h，超过流过阴极限流器1122h允许的最大电流量。超过允许的最大电流量可导致阴极限流器1122h断开并变为开路阴极限流器1322。一旦阴极限流器1122h断开以变为开路阴极限流器1322，开路阴极限流器1322就将电池单元段1220电隔离。同时，包括阴极段1120a、1120b、1120c、1120d、1120e、1120f、1120g和1120n的其它电池单元段可继续正常地操作。
因此，短通道1210的存在导致电池单元段1220失效。此外，由于短通道1210的结果开路阳极限流器1322打开使电池单元段1220被电隔离。因此，开路阴极限流器1322可基于电池单元段1220内的短路的发生(例如，电池单元段1220中出现短通道1210)有条件地将电池单元段1220电隔离。
此外，通过打开故障电池单元段的限流器(例如，电池单元段1220的开路阳极限流器1222和/或开路阴极限流器1322)电池100可从在一个(或者在其它情况下，多个)故障电池单元段中形成的短通道恢复，同时任何无故障电池单元段可继续正常地操作。因此，即使发生故障(例如，短通道或其它短路)，电池100也有可能可提供至少有限量的电力。另外，由于故障电池单元段1220与其它电池单元段电隔离，短通道1210将扩张到电池100的其它电池单元段的可能性降低。
图14是利用根据示例实施方式的电池来储存电力的方法1400的流程图。方法1400可利用诸如电池100的分段电池来实现。方法1400可开始于方框1410，其中电池可储存电力。电池可包括一个或更多个单元。各个单元可包括多个电池单元段，其中各个电池单元段可包括：阳极段、阴极段以及一个或更多个限流器，例如上面在至少图1和图10至图13的上下文中所讨论的。
在一些实施方式中，所述一个或更多个限流器中的限流器可包括保险丝，例如上面在至少图1的上下文中所讨论的。在其它实施方式中，所述一个或更多个限流器可包括电连接到阳极段的限流器和电连接到阴极段的限流器中的至少一个，例如上面在至少图1和图10至图13的上下文中所讨论的。
在其它实施方式中，各个电池单元段还可包括一个或更多个集电器，例如上面在至少图1和图10至图13的上下文中所讨论的。在这些实施方式中的一些中，所述一个或更多个集电器可包括电连接到阳极段的阳极集电器和电连接到阴极段的阴极集电器中的至少一个，例如上面在至少图1和图10至图13的上下文中所讨论的。在这些实施方式中的其它中，所述一个或更多个集电器中的特定集电器可电连接到电极，例如上面在至少图1和图10至图13的上下文中所讨论的。特别是，该特定集电器可使用所述一个或更多个限流器中的特定限流器电连接到电极，例如上面在至少图1和图10至图13的上下文中所讨论的。在另外的实施方式中，各个电池单元段还可包括电连接到所述一个或更多个限流器中的限流器的所述一个或更多个集电器中的集电器，例如上面在至少图1和图10至图13的上下文中所讨论的。特别是，各个电池单元段还可包括电连接到阳极片的阳极集电器和电连接到阳极集电器的阳极限流器，例如上面在至少图1、图10和图12的上下文中所讨论的。在另外的实施方式中，各个电池单元段还可包括电连接到阴极片的阴极集电器和电连接到阴极集电器的阴极限流器，例如上面在至少图1、图11和图13的上下文中所讨论的。
在方框1420，可基于特定电池单元段内的短路的发生有条件地将特定电池单元段电隔离，例如上面在至少图1、图12和图13的上下文中所讨论的。
在一些实施方式中，有条件地将特定电池单元段电隔离可包括利用电连接到特定电池单元段的阳极段的限流器来有条件地将特定电池单元段电隔离，例如上面在至少图1和12的上下文中所讨论的。
在其它实施方式中，有条件地将特定电池单元段电隔离可包括利用电连接到特定电池单元段的阴极段的限流器来有条件地将特定电池单元段电隔离，例如上面在至少图1和图13的上下文中所讨论的。
在另外的实施方式中，方法1400还可利用一个或更多个绝缘片将特定电池单元段与多个电池单元段中的一个或更多个其它电池单元段电隔离，例如上面在至少图1、图12和图13的上下文中所讨论的。
在其它实施方式中，方法1400还可包括：利用一个或更多个电极将多个电池单元段中的至少两个电池单元段电连接，例如上面在至少图1和图10至图13的上下文中所讨论的。特别是，至少两个电池单元段中的特定电池单元段可包括以下中的至少一个：阳极集电器，其电连接到阳极段并电连接到所述一个或更多个电极中的负电极；以及阴极集电器，其电连接到阴极段并电连接到所述一个或更多个电极中的正电极，例如上面在至少图1和图10至图13的上下文中所讨论的。在另外的示例中，阳极集电器可经由所述一个或更多个限流器中的阳极限流器电连接到负电极；并且阴极集电器可经由所述一个或更多个限流器中的阴极限流器电连接到正电极，例如上面在至少图1和图10至图13的上下文中所讨论的。
图15是利用根据示例实施方式的电池来提供电力的方法1500的流程图。方法1500可利用诸如电池100的分段电池来实现。方法1500可开始于方框1510，其中电池可向负载提供电力。电池可包括一个或更多个单元。各个单元可包括多个电池单元段，其中各个电池单元段可包括阳极段、阴极段以及一个或更多个限流器，例如上面在至少图1和图10至图13的上下文中所讨论的。
在一些实施方式中，所述一个或更多个限流器中的限流器可包括保险丝，例如上面在至少图1的上下文中所讨论的。在其它实施方式中，所述一个或更多个限流器可包括电连接到阳极段的限流器和电连接到阴极段的限流器中的至少一个，例如上面在至少图1和图10至图13的上下文中所讨论的。
在其它实施方式中，各个电池单元段还可包括一个或更多个集电器，例如上面在至少图1和图10至图13的上下文中所讨论的。在这些实施方式中的一些中，所述一个或更多个集电器可包括电连接到阳极段的阳极集电器和电连接到阴极段的阴极集电器中的至少一个，例如上面在至少图1和图10至图13的上下文中所讨论的。
在另外的示例中，所述一个或更多个集电器中的特定集电器可电连接到电极，例如上面在至少图1和图10至图13的上下文中所讨论的。在另外的示例中，特定集电器可利用所述一个或更多个限流器中的特定限流器来电连接到电极，例如上面在至少图1和图10至图13的上下文中所讨论的。
在另外的示例中，各个电池单元段还可包括电连接到所述一个或更多个限流器中的限流器的所述一个或更多个集电器中的集电器，例如上面在至少图1和图10至图13的上下文中所讨论的。特别是，各个电池单元段还可包括电连接到阳极片的阳极集电器以及电连接到阳极集电器的阳极限流器，例如上面在至少图1、图10和图12的上下文中所讨论的。各个电池单元段还可包括电连接到阴极片的阴极集电器和电连接到阴极集电器的阴极限流器，例如上面在至少图1、图11和图13的上下文中所讨论的。
在方框1520，可基于特定电池单元段内的短路的发生有条件地将特定电池单元段电隔离，例如上面在至少图1、图12和图13的上下文中所讨论的。
在一些实施方式中，有条件地将特定电池单元段电隔离可包括利用电连接到特定电池单元段的阳极段的限流器和电连接到特定电池单元段的阴极段的限流器中的一个来有条件地将特定电池单元段电隔离，例如上面在至少图1、图12和图13的上下文中所讨论的。
上面参照附图描述了所公开的实施方式，附图中可示出所公开的实施方式中的一些但非全部。实际上，若干不同的实施方式可被描述并且不应被解释为限于本文所阐述的实施方式。相反，这些实施方式被描述以使得本公开是彻底和完整的，并且至少将本公开传达给本领域技术人员。
本公开不受限于本申请中所描述的特定实施方式，其旨在作为各方面的例示。对于本领域技术人员而言将显而易见的是，在不脱离其精神和范围的情况下可进行许多修改和变化。除了本文所列举的那些之外，在本公开的范围内的功能上等同的方法和设备将从以上描述而显而易见。这些修改和变化旨在落入所附权利要求书的范围内。
另外，所公开的流程图中的各个方框可表示被连线以执行处理中的特定逻辑功能的电路。本领域技术人员将理解，另选实现方式包括在本公开的示例实施方式的范围内，其中根据所涉及的功能，功能可不按所示或所讨论的顺序执行，包括基本上同时执行或以相反的顺序执行。
另外，本公开包括根据以下条款的示例：
条款1.一种电池，该电池包括：
一个或更多个单元，各个单元包括多个电池单元段，各个电池单元段包括：
阳极段,
阴极段，以及
一个或更多个限流器，其被配置为基于电池单元段内的短路的发生有条件地将电池单元段电隔离。
条款2.根据条款1所述的电池，其中，所述一个或更多个限流器中的限流器包括保险丝。
条款3.根据条款1所述的电池，其中，所述一个或更多个限流器包括下列项中的至少一个：
电连接到阳极段的限流器；以及
电连接到阴极段的限流器。
条款4.根据条款1所述的电池，其中，各个电池单元段还包括：
一个或更多个绝缘片，其将该电池单元段与所述多个电池单元段中的一个或更多个其它电池单元段电隔离。
条款5.根据条款1所述的电池，其中，各个电池单元段还包括一个或更多个集电器。
条款6.根据条款5所述的电池，其中，所述一个或更多个集电器包括下列项中的至少一个：
电连接到阳极段的阳极集电器；以及
电连接到阴极段的阴极集电器。
条款7.根据条款5所述的电池，其中，所述一个或更多个集电器中的特定集电器电连接到电极。
条款8.根据条款7所述的电池，其中，所述特定集电器利用所述一个或更多个限流器中的特定限流器电连接到所述电极。
条款9.根据条款5所述的电池，其中，各个电池单元段还包括：
所述一个或更多个集电器中的、电连接到所述一个或更多个限流器中的限流器的集电器。
条款10.根据条款9所述的电池，其中，各个电池单元段还包括：
电连接到阳极段的阳极集电器；以及
电连接到阳极集电器的阳极限流器。
条款11.根据条款9所述的电池，其中，各个电池单元段还包括：
电连接到阴极段的阴极集电器；以及
电连接到阴极集电器的阴极限流器。
条款12.根据条款1所述的电池，其中，所述多个电池单元段中的至少两个电池单元段利用一个或更多个电极电连接。
条款13.根据条款12所述的电池，其中，所述至少两个电池单元段中的特定电池单元段包括下列项中的至少一个：
电连接到阳极段并且电连接到所述一个或更多个电极中的负电极的阳极集电器；以及
电连接到阴极段并且电连接到所述一个或更多个电极中的正电极的阴极集电器。
条款14.根据条款13所述的电池，其中，阳极集电器经由所述一个或更多个限流器中的阳极限流器电连接到负电极；并且
其中，阴极集电器经由所述一个或更多个限流器中的阴极限流器电连接到正电极。
条款15.一种方法，该方法还包括以下步骤：
利用电池来储存电力，该电池包括：
一个或更多个单元，各个单元包括多个电池单元段，各个电池单元段包括：
阳极段，
阴极段，以及
一个或更多个限流器；以及
基于特定电池单元段内的短路的发生有条件地将所述特定电池单元段电隔离。
条款16.根据条款15所述的方法，其中，有条件地将特定电池单元段电隔离的步骤包括：利用电连接到所述特定电池单元段的阳极段的限流器来有条件地将所述特定电池单元段电隔离。
条款17.根据条款15所述的方法，其中，有条件地将特定电池单元段电隔离的步骤包括：利用电连接到所述特定电池单元段的阴极段的限流器来有条件地将所述特定电池单元段电隔离。
条款18.根据条款15所述的方法，该方法还包括以下步骤：
利用一个或更多个绝缘片将所述特定电池单元段与所述多个电池单元段中的一个或更多个其它电池单元段电隔离。
条款19.一种方法，该方法还包括以下步骤：
利用电池来向负载提供电力，该电池包括：
一个或更多个单元，各个单元包括多个电池单元段，各个电池单元段包括：
阳极段，
阴极段，以及
一个或更多个限流器；以及
基于特定电池单元段内的短路的发生有条件地将所述特定电池单元段电隔离。
条款20.根据条款19所述的方法，其中，有条件地将特定电池单元段电隔离的步骤包括：利用下列项中的至少一个有条件地将所述特定电池单元段电隔离：
电连接到所述特定电池单元段的阳极段的限流器，以及
电连接到所述特定电池单元段的阴极段的限流器。
尽管本文已公开了各方面和实施方式，但是对于本领域技术人员而言，其它方面和实施方式将是显而易见的。

Claims (12)

1.一种电池，该电池包括：
一个或更多个电池单元，各个电池单元包括在所述电池单元内部的多个电池单元段、用作阳极的分段阳极片、用作阴极的分段阴极片、负电极和正电极，其中，各个电池单元段包括：
阳极段，其为所述分段阳极片的分段；
阴极段，其为所述分段阴极片的分段；
一个或更多个绝缘片，所述一个或更多个绝缘片被配置为将每个电池单元段与所述多个电池单元段中的相邻电池单元段电绝缘并且化学绝缘；以及
一个或更多个限流器，所述一个或更多个限流器中的每一个电连接到所述负电极和所述阳极段，或者连接到所述正电极和所述阴极段，其中，所述一个或更多个限流器被配置为当所述电池单元段内发生短路时将所述电池单元段与所述一个或更多个限流器电连接到的所述负电极或所述正电极电隔离。
2.根据权利要求1所述的电池，其中，各个电池单元段还包括一个或更多个集电器。
3.根据权利要求2所述的电池，其中，所述一个或更多个集电器包括下列项中的至少一个：
电连接到所述阳极段的阳极集电器；以及
电连接到所述阴极段的阴极集电器。
4.根据权利要求2所述的电池，其中，所述一个或更多个集电器中的特定集电器电连接到电极，并且其中，所述特定集电器利用所述一个或更多个限流器中的特定限流器电连接到所述电极。
5.根据权利要求2所述的电池，其中，各个电池单元段还包括：
所述一个或更多个集电器中的、电连接到所述一个或更多个限流器中的限流器的集电器。
6.根据权利要求5所述的电池，其中，各个电池单元段还包括：
电连接到所述阳极段的阳极集电器；
电连接到所述阳极集电器的阳极限流器；
电连接到所述阴极段的阴极集电器；以及
电连接到所述阴极集电器的阴极限流器。
7.根据权利要求1所述的电池，其中，所述多个电池单元段中的至少两个电池单元段利用一个或更多个电极电连接，并且其中，所述至少两个电池单元段中的特定电池单元段包括下列项中的至少一个：
电连接到所述阳极段并电连接到所述一个或更多个电极中的负电极的阳极集电器；以及
电连接到所述阴极段并电连接到所述一个或更多个电极中的正电极的阴极集电器。
8.根据权利要求7所述的电池，其中，所述阳极集电器经由所述一个或更多个限流器中的阳极限流器电连接到所述负电极；并且
其中，所述阴极集电器经由所述一个或更多个限流器中的阴极限流器电连接到所述正电极。
9.一种利用电池储存电力的方法，该方法包括以下步骤：
利用所述电池储存电力，所述电池包括：
一个或更多个电池单元，其中，各个电池单元包括在所述电池单元内部的多个电池单元段、用作阳极的分段阳极片、用作阴极的分段阴极片、负电极和正电极，其中，各个电池单元段包括：
阳极段，其为所述分段阳极片的分段；
阴极段，其为所述分段阴极片的分段；以及
一个或更多个绝缘片，所述一个或更多个绝缘片将每个电池单元段与所述多个电池单元段中的相邻电池单元段电和化学二者绝缘；
一个或更多个限流器，所述一个或更多个限流器中的每一个电连接到所述负电极和所述阳极段，或者连接到所述正电极和所述阴极段；以及
当在特定电池单元段内发生短路时，由所述一个或更多个限流器将所述特定电池单元段与所述一个或更多个限流器电连接到的所述负电极或所述正电极电隔离。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，将所述特定电池单元段电隔离的步骤包括：利用电连接到所述特定电池单元段的所述阳极段的限流器来将所述特定电池单元段电隔离。
11.根据权利要求9所述的方法，其中，将所述特定电池单元段电隔离的步骤包括：利用电连接到所述特定电池单元段的所述阴极段的限流器来将所述特定电池单元段电隔离。
12.一种利用电池提供电力的方法，该方法包括以下步骤：
利用所述电池向负载提供电力，所述电池包括：
一个或更多个电池单元，各个电池单元包括在所述电池单元内部的多个电池单元段、用作阳极的分段阳极片、用作阴极的分段阴极片、负电极和正电极，其中，各个电池单元段包括：
阳极段，其为所述分段阳极片的分段；
阴极段，其为所述分段阴极片的分段；
一个或更多个绝缘片，所述一个或更多个绝缘片将每个电池单元段与所述多个电池单元段中的相邻电池单元段电和化学二者绝缘；以及
一个或更多个限流器，所述一个或更多个限流器中的每一个电连接到所述负电极和所述阳极段，或者连接到所述正电极和所述阴极段；以及
当在特定电池单元段内发生短路时，由所述一个或更多个限流器将所述特定电池单元段与所述一个或更多个限流器电连接到的所述负电极或所述正电极电隔离。
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