CN109148935A - 用于电化学电池堆的夹持设备 - Google Patents

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Abstract

提供了一种用于电化学电池堆的夹持设备。夹持设备可以包括第一板和第二板。第二板可以相对于第一板是可定位的，以使第一板和第二板之间的空间的大小可以设置成接收电化学电池堆。夹持设备还可以包括将第一板和第二板连接的连接构件。第一板和第二板的至少一个可以是远离另一板移动。连接构件可以具有第一端部和第二端部。夹持设备还可以包括设置在第一端部和第二端部之间的弹性构件。

Description

用于电化学电池堆的夹持设备
技术领域
本公开通常涉及夹持设备。尤其是，本公开涉及用于电化学电池堆的夹持设备。
背景技术
锂离子电池通常包括在阳极和阴极之间的分离部和/或电解液。在一些电池中，分离部、阴极和阳极材料各自地形成片或薄膜。阴极、分离部和阳极的片随后被与分离阴极和阳极(例如电极)堆叠或卷制，以形成电池。对于将被卷制的阴极、分离部和阳极，每个片必须是十分易变形的或柔性的，以便在没有故障(例如裂缝、揉碎、机械故障等)的情况下被卷制。通常的电极包括在导电金属(例如，铝和铜)上的电化学活性材料层。例如，碳可以随着非活化的粘合剂沉积在集电器上(例如铜片)。经常使用碳，因为其具有优秀电化学性质并且还可以导电。电极可以被卷制或切割成片，这些片然后被层置成堆。堆具有交替的电化学活性材料，分离部位于电化学活性材料之间。
为了增加锂离子电池的容量的和重量的能量密度，硅已经作为用于阴极的活性材料。但是，在循环期间，阳极活性物质中的硅粒子随充电而膨胀。该膨胀可以使用作集电器的金属箔变形。因为电池堆的层限制在紧密区域中，所以该膨胀可以使金属箔弯曲或变形，因此减小电池堆中的层之间的接触面积。因此，电池接收和释放电荷的能力可能被严重地影响。因此，防止电极变形可以用于减小不可逆的容量和改进循环寿命。
发明内容
在某些实施方式中，提供一种用于电化学电池堆的夹持设备。夹持设备可以包括第一板和相对于第一板可定位的第二板，以使第一板和夹持设备之间的空间的大小可以设置成接收电化学电池堆。夹持设备还可以包括将第一板和第二板连接的连接构件。第一板和第二板的至少一个可以是远离另一板移动。连接构件还可以具有第一端部和第二端部。而且，夹持设备可以包括设置在第一端部和第二端部之间的弹性构件。
在一些实施方式中，第一板和第二板之间的距离变化可以与电化学电池堆的膨胀相关。连接构件的两个端部的至少一个配置为设定在电化学电池堆施加的压力。夹持设备还可以配置为减小电化学电池堆中的电极依据充电而发生的变形。另外，弹性构件可以配置为在电化学电池堆充电期间被压缩，从而减小通过第一板和第二板施加在电化学电池堆上的压力的增加。减小压力的增加可以产生在电化学电池堆上的大体恒定的压力。
在一些实施方式中，弹性构件配置为在电化学电池堆充电期间被压缩，从而减小因为电化学电池堆的膨胀在电化学电池堆上的压力的变化。弹性构件可以包括弹簧、活塞、弹性带、气动活塞或泡沫。连接构件可以包括紧固件、弹簧夹或C形夹。第一端部或第二端部的至少一个可以包括多个螺母或多个紧固件头。
在进一步的实施方式中，提供减小电化学电池堆中的电极的变形的方法。方法包括将电化学电池堆设置在第一板和第二板之间；以及调节连接构件的端部，以设定在电化学电池堆上的施加压力。
在一些实施方式中，方法可以包括充电电化学电池堆。此外，在第一次充电电化学电池堆之前，电化学电池堆可以设置在第一板和第二板之间。方法还可以包括在电池化成或电池预处理之后移除电化学电池堆。
附图说明
图1是根据本文描述的某些实施方式的用于电化学电池堆的示例性夹持设备的照片；
图2是图1所示的示例性夹持设备的略图；
图3A是作为放置在固定间隙夹持设备中的电化学电池堆的电池膨胀的函数的电化学电池堆上的压力的图表；
图3B是作为本文描述的某些实施方式的夹持设备中的电化学电池堆的电池膨胀的函数的电化学电池堆上的压力的图表；
图4是在电化学电池堆中弯曲的阳极的照片；
图5是放置在本文描述的某些实施方式的夹持设备中的电化学电池堆的未弯曲阳极的照片；以及
图6示出减小电化学电池堆中的电极的变形的示例方法。
具体实施方式
目前在可再充电锂离子电池中使用的阳极电极通常具有约200毫安小时每克的比容量(包括金属箔集电器、导电添加剂、和粘合剂)。石墨，在大部分锂离子电池阳极中使用的活性物质，具有372毫安小时每克(mAh/g)的理论能量密度。比较而言，硅具有4200mAh/g的高理论容量。但是，硅依据锂的嵌入膨胀超过300％。因为该膨胀，包括硅的阳极应该被允许膨胀，同时保持硅粒子之间的电接触。但是，因为电化学电池堆膨胀，该膨胀可能是不均匀的，导致电池堆中厚度变化和畸形。
本公开描述了电化学电池堆的夹持设备的某些实施方式，配置为减少依据充电而在电池堆中膨胀的电极畸形。电池堆可以包括石墨、基于硅、基于锡、或基于其他合金的电极。例如，夹持设备可以包括第一板和第二板。第二板可以是相对于第一板可定位的，以使第一板和第二板之间的空间的大小设置成接收电化学电池堆。夹持设备还可以包括将第一板和第二板连接的连接构件。第一板和第二板的至少一个可以是远离另一板移动。例如，第一板和第二板的至少一个可以绕连接构件移动。
如果第一板和第二板的至少一个不是远离另一板可移动的，第一板和第二板可以在电池堆上根据充电期间电池堆的膨胀而施加增大压力。不受控制得离开，如果达到足够高的压力，电池堆可能被损坏，例如电池堆短路。但是，在某些实施方式中，因为第一板和第二板的至少一个可以是远离另一板可移动的，所以通过第一板和第二板在电池堆上施加的一些压力可以被减轻并且还可以被控制。
例如，在一些实施方式中，当电池堆膨胀时，第一板和第二板的仅一个板是可移动的。在其他实施方式中，当电池堆膨胀时，两个板都是可移动的。第一板和第二板之间的距离变化可以与电池堆的膨胀关联。
在一些实施方式中，连接构件可以具有第一端部和第二端部。夹持设备还可以包括设置在第一端部和第二端部之间的弹性构件。连接构件的两个端部的至少一个配置为设置在电池堆施加的压力。例如，弹性构件可以配置为在电池堆充电期间被压缩。因为弹性构件被压缩，通过第一板和第二板施加在电池堆上的压力中的增加可以被减小。在某些情况下，通过第一板和第二板的压力中减小的增加可以导致电池堆上压力的轻微变化(或大体恒压)，并且从而减小因不均匀的膨胀而产生的电池堆的厚度变化和/或畸形。
如本文中所描述的，夹持设备的某些实施方式可以包括第一板和第二板。在一些实施方式中，第一板可以由与第二板大体相同的材料制成。在其他实施方式中，第一板可以由与第二板不同的材料制成。这些材料可以包括金属(例如碳钢或铝)和/或聚合物(例如聚丙烯或环氧树脂)。这些材料还可以包括绝缘材料。第一板和第二板的至少一个的横截面形状可以是正方形、矩形、环形、卵形、或多边形(例如五边形、六边形、八边形等)。第二板可以相对于第一板定位，以便在第一板和第二板之间存在空间。因为空间的大小可以设置成接收电化学电池堆，所以第一板和第二板的尺寸的大小与形状可以被设置，以便能够在第一板和第二板之间容纳电池堆。因此，第一板和第二板的尺寸可以取决于电池堆的大小和形状。此外，第一板和第二板的厚度的大小可以设置成减少依据电池堆充电而发生的第一板和第二板的弯曲。例如，第一板和第二板的厚度可以在约0.5cm和约0.8cm之间，例如约0.6cm、约0.65cm、或约0.7cm。在一些实施方式中，第一板的形状和尺寸可以与第二板的形状和尺寸大体相同。在其他实施方式中，第一板的形状和尺寸可以不同于第二板的形状和尺寸。
在一些实施方式中，，第一板和第二板之间的空间的大小可以设置成接收多于一个的电池堆。例如，多个电池堆可以在第一板和第二板之间并排放置或者上下堆叠。在该实施方式中，多个电池堆可以使用相同的夹持设备(例如，相同的弹性构件以保持电池堆上的类似的或大体相同的设定压力)。此外，夹持设备还可以包括比第一板和第二板多的板，例如上下堆叠的多个板。两个板之间的空间的大小可以设置成每个都接收至少一个电池堆。在该实施方式中，几个电池堆也可以使用相同的弹性构件。因此，多个电池堆可以放置在第一板和第二板之间，具有或没有附加板和/或间隔件。
在一些实施方式中，连接构件延伸通过第一板和/或第二板中的孔。例如，连接构件可以是具有能够耦接第一板和第二板的纵向长度的任何延伸结构。在一些实施方式中，连接构件安装于或位于第一板或第二板中。例如，连接构件可以是柱/杆，其一端安装在第一板或第二板中。或者，连接构件可以是螺丝或具有螺纹部分的柱，其直接拧入第一板或第二板中。在其他实施方式中，连接构件延伸通过第一板中的第一孔和第二板中的第二孔。在一些实施方式中，连接构件可以是紧固件，诸如螺丝、螺栓、或杆/柱。在一些实施方式中，杆/柱可以包括或不包括螺纹部分或纹理部分。在其他实施方式中，连接构件可以包括夹子，例如C形夹。在一些实施方式中，夹持设备可以包括一个或多个连接构件。
在一些实施方式中，第一端部和第二端部独立地是螺母、头部(例如，螺钉头、螺栓头或等同物)、柱夹、板(例如第一板或第二板、或附加的第三板)、或C形夹的一部分。端部还配置为防止一个活多个可活动板与连接构件分离。在一些实施方式中，端部配置为在第一板和第二板之间的电池堆上设定施加压力。例如，设定压力可以考虑，例如帮助补偿电池堆的不均匀的厚度变化。在使用多个连接构件的实施方式中，通过一个连接构件设定的压力可以不同于另一连接构件设定的压力。
夹持设备还可以包括设置在第一端部和第二端部之间的弹性构件。弹性构件可以设置在第一板和第一端部之间、第二板和第二端部之间、或第一板和第二板之间。弹性构件可以具有弹簧常数，并且可以是膨胀构件或压缩构件。在弹性构件设置在第一板和第一端部之间和/或在第二板和第二端部之间的一些实施方式中，弹性构件可以是压缩构件，配置成推动第一板或第二板分别远离第一端部或第二端部。在弹性构件设置在第一板和第二板之间的一些实施方式中，弹性构件可以是膨胀构件，配置为彼此面对的拉动第一板和第二板或者在两个板上施加压力以使两个板被彼此面向的推动。在一些实施方式中，弹性构件可以包括弹簧(包括膨胀弹簧和压缩弹簧)、活塞、弹性带、气动活塞或泡沫。在一些实施方式中，弹性带(例如橡皮带可以设置在第一板和第二板周围。弹性带可以配置为：依据电化学电池堆的膨胀，允许第一板和第二板的至少一个远离另一板移动。第一板或第二板的至少一个可以配置为压缩弹性带，以设定电池堆上的施加压力。
在另一实施方式中，两个端部可以包括C形夹的一部分，将两个板保持在彼此相对的固定位置处。第三板和弹性构件可以插入在两个固定板之间。
图1是根据本文描述的某些实施方式的示例性夹持设备的照片。图2是图1所示的示例性夹持设备略图，该示例性夹持设备可用于在循环期间限制和施加电池堆上的压力。夹持设备200可以包括第一板210和第二板220。第二板220可以是相对于第一板210可定位的，以使第一板210和第二板220之间的空间230的大小设置成接收电化学电池堆240。夹持设备200还可以包括连接构件250(例如螺纹杆)，将第一板210连接至第二板220。第一板210和第二板220的至少一个可以是远离另一板可移动。例如，当电池堆240膨胀时，第二板220可以沿连接构件250向上移动。在一些实施方式中，第一板210也可以是绕连接构件250可移动的。例如，当电池堆240膨胀时，第一板210可以沿连接构件250向下移动。
连接构件250可以具有第一端部(在与255相对的端部上)和第二端部255(例如螺栓头)。夹持设备200还可以包括设置在第一端部和第二端部255之间的弹性构件260(例如弹簧)。当夹持设备200内的电池堆240在循环期间膨胀时，弹性构件260可以允许第二板220沿连接构件250移动至与第一板210有关的距离。第一板210和第二板220之间距离的变化可以与电池堆240的膨胀关联。
夹持设备200的第二端部255可以配置为压缩弹性构件260。因此，连接构件250的第二端部255可以配置为设置电池堆240上的施加压力，例如通过使螺栓头变紧或变松。在图2所示的示例性夹持设备200中，连接构件250包括四个螺栓255。每个螺栓255可以被独立地变紧或变松。因此，每个弹性构件260可以被独立地压缩，以设定电池堆240上的施加压力，例如以减少通过第一板210和第二板220施加在电池堆240上的施加压力的增加和/或以减少因为电池堆240的膨胀在电池堆240上压力的变化。
通过施加考虑依据膨胀厚度变化的压力，可以获得更一致的电化学行为。在一些实施方式中，压力中的变化可以被减小，以便施加压力稍微变化或大体不变。图5是放在本文描述的某些实施方式的夹持设备中的电化学电池堆中的未弯曲阳极的照片。
在各实施方式中，如图2的示例性实施方式所示，连接构件250可以包括多个连接构件。例如，连接构件250包括四个螺纹杆251，四个螺纹杆251延伸通过至少第二板220的角内的孔215。第一板210可以具有螺纹，并且连接构件250可以直接螺纹拧入第一板210中。在一些实施方式中，螺栓可以设置在第一板210之下。第一板210可以在连接构件250上是可移动的。如本文中描述的，可以考虑其他连接构件250。
而且，虽然图1和2所示的夹持设备200包括设置在第一板210的角中且延伸通过第二板220中的孔的四个单独连接构件250，但是连接构件250可以包括少于四个(例如，三个、两个或一个)的连接构件或者多于四个(例如，五个、六个、七个、八个等)的连接构件，这些连接构件设置在第一板210和第二板220的任何位置周围(例如不必须在角中)。举例来说，除了或代替在第一板210和第二板220的角内，可以存在沿第一板210和第二板220的一个或多个边缘设置的附加连接构件250。在其他实施方式中，可以有少于四个的连接构件250(例如两个连接构件250)设置在彼此相对侧上。在某些这种实施方式中，连接构件250可以具有与第一板210和第二板220的尺寸(例如长度)大体类似的尺寸(例如宽度或主轴)。各种结构都是可能的。
图1和2示出包括多个弹簧的弹性构件260。弹簧设置在第一端部和第二端部之间。在该实施例中，弹簧还设置在第二端部255(例如螺栓头)和第二板220之间。当夹持设备200内的电池堆240在循环期间膨胀时，弹簧可以允许第二板220沿连接构件250(例如螺栓)移动一定距离(例如，与电池堆240的膨胀关联)。螺栓头可以配置为压缩弹簧。例如，可以通过变紧或变松螺栓头来调节弹簧上的力负载，以设定电池堆240上的施加压力。在一些实施方式中，可以变紧螺栓头，直到弹簧达到期望长度，其可以与电池堆240上的施加压力相关联。通过压缩弹性构件260，还可以调节第二板220相对于第一板210的位置。在某些实施方式中，对于两个或多个连接构件250，施加压力可以是不同的。此外，在膨胀之前，第二板220相对于第一板210的调节后的位置不必处于相同的位置。在一些实施方式中，每个弹簧的长度例如可以由卡尺测量以增加一致性。
如本文描述的，通过第一板210和第二板220施加在电池堆240上的压力中的增加可以被减小。在一些实施方式中，压力中减小的增加可以使电池堆240上的施加压力稍微变化或大体不变的。在一些实施方式中，如果施加压力太高(例如，大于约400psi)，电解液可能被从电池堆240中挤出。也可能引起电池堆240的部件其他破坏，包括电池堆240的短路。相反地，在一些实施方式中，如果施加压力过低(例如，对于某软包电池，小于约10和40psi之间的压力)，可能不会包含集电器的弯曲并且集电器的电极箔可能变形。在各实施方式中，电池堆240上的施加压力可以是约10psi和约400psi之间，约20psi和约400psi之间，约30psi和约400psi之间，约40psi和约300psi之间，约50psi和约300psi之间，约60psi和约300psi之间，约70psi和约300psi之间，约80和约300psi之间，约90psi和约300psi之间，或约100psi和约200psi之间。
根据某些实施方式的夹持设备200还可以包括在第一板210和第二板220之间的界面材料(未示出)。例如，界面材料可以放置在电池堆240和第一板210和第二板220的至少一个之间。界面材料可以符合电池堆240的表面，并且可以由聚乙烯片、聚丙烯片、PTFE片、纸、纸板、天然橡胶、硅橡胶、泡沫或毡制成。界面材料可以有助于压力更均匀地传播。另外，界面材料可以减小和/或大体消除由在电池堆240的最后部分压缩的弹性构件260的力所引起的损坏。该界面材料还可以允许附加调节，以解决导致循环期间不均匀压力的电池厚度变化。
通过比较在可调节夹持设备中被循环的电化学电池和在固定间隙夹持设备中循环的电池，可以看到允许施加压力调节的夹持设备(即可调节夹持设备)的优点。当固定间隙夹持设备使用时，电池堆限制在固定的空间。当电池堆在循环期间膨胀时，在电池堆上施加的力/压力将随着增加的膨胀而快速地增加。循环期间的膨胀通常是不均匀的，导致电池堆的厚度变化，从而可能引起不均匀压力施加于电池堆上。例如，通过固定间隙夹持设备循环的电池组具有约12％的放电容量的标准偏差，而根据本文中描述的某些实施方式的通过夹持设备200循环的电池组具有约3％的放电容量的标准偏差。
作为可调节夹持设备中循环期间的电池膨胀的函数的电池上的力(因此，施加压力)可以与固定间隙夹持装置中循环期间的相比较。图3A是作为固定间隙夹持设备中电池膨胀的函数的电化学电池堆上的力的图表。如图3A所示，当充电期间电池堆膨胀时，通过夹持设备施加于电池堆上的力(因此，压力)依据膨胀快速增加(明显变化)。在示例的实施方式，力的增加不是线性的，但是大体可用指数函数表示。在电池的部分上的高压力可以损坏电池，可能引起故障，诸如电池的短路和/或破裂。
图3B示出作为可调节夹持设备中电池膨胀的函数的电化学电池堆上的压力的图表。当电池充电期间膨胀时，与固定间隙夹持设备中的电池相比，施加于电池堆上的力的增加是非常慢的(稍微变化)。在一些实施方式中，力的增加是大体线性的，但是具有低斜率。在其他实施方式中，电池堆上的力可以在电池膨胀期间是大体恒定的。
如本文描述的，减小通过两个板在电池堆240上的施加压力的增加可以使得电池堆240上的施加压力依据膨胀考虑电池堆240的厚度变化。在某些情况下，电池堆240上的施加压力的增加可以被减小，因此依据电池膨胀，施加压力稍微变化或变得大体恒定。施加压力增加的减小可以产生更一致的电化学行为。
如本文描述的，夹持设备200的各实施方式可以通过减小/减慢通过第一板210和第二板220施加压力的增加和/或通过减小施加压力的变化，来减小因电池堆240的膨胀在电极或集电器箔上的弯曲量和变形量。如图4可以看出的，铜箔跟随电池堆的循环而起皱或变形。如图5所示，当在夹持设备200中电池堆循环时，铜箔上的起皱或变形量可以被极大地最小化。而且，某些实施方式的夹持设备200可以被留在电池堆240上，基本不会影响电池堆240的循环寿命。已经在包含基于硅的电极和石墨电化学电池的电化学电池上测试了某些实施方式。
图6示出减小电化学电池堆中的电极或集电器的变形的示例方法。在示例方法300中，如步骤310所示，方法300可以包括设置夹持设备200。夹持设备200可以是如图1和2所示的夹持设备200并且是如本文描述的。方法300还可以包括将电化学电池堆240设置在第一板210和第二板220之间。而且，方法300可以包括调节连接构件250的端部255，以设定电化学电池堆240上的施加压力。举例来说，电化学电池堆240上的施加压力可以被设定成帮助补偿电池堆240充电期间的不均匀厚度变化。因此，可以减小集电器的弯曲量和变形量。例如参见图5。
在一些方法中，使用夹持设备200的时间可能是重要的。例如，为了减小电极或集电器箔的变形，可以在首次充电发生(例如，亦称为化成充电)之前夹持电池堆240。如果在首次化成充电发生后第一次使用夹持设备200，集电器箔可能不可逆地变形(例如，可能不能回到其原始的几何形状)。因此，在某些实施方式中，方法300还可以包括在第一次充电电池堆240之前将电池堆240设置在第一板210和第二板220之间。
在制造电池后处理电池时(例如，帮助电池在其整个寿命很好地执行)，电池化成发生。很多时候，电池化成可以是指电池的首次充电。在某些情况下，电池化成操作可以是更加复杂的。例如，电池化成可以包括以C/20的速率对电池充电，通过C/2的速率充电使电池循环三次，将电压保持在充电电压(例如4.2v)直到电流跌至C/20，然后以C/5的速率进行放电。通过本文描述的某些实施方式，当夹持住电池时，可以实现这些类型的操作。对于具有好的聚合物粘着技术的软包电池或罐电池，可以在电池的预处理完成后，移除夹持设备。对于没有充分的聚合物粘着技术的软包电池或罐电池，夹持设备可以保持在电池上，例如，施加压力可以与预处理期间相同或者可以被减小。在移除夹持设备之前可以使用的其他电池预处理情况包括对电池的以下处理，包括加热、按压、和/或加热和按压。
在一些实施方式中，在第一板210和第二板220之间设置电池堆240可以包括设置包括具有硅的电极的电池堆240。在其他实施方式中，在第一板210和第二板220之间设置电池堆240可以包括设置包括具有石墨的电极的电池堆240。另外，有可能对于每个夹持设备200包括一个以上的电池堆240。例如，一个以上的电池堆240可以并排放置或放置在多层中，只要电池堆240上的压力可以被保持。因此，在第一板210和第二板220之间设置电池堆240可以包括在第一板210和第二板220之间设置第二电池堆。
上面已经描述了各实施方式。虽然参照这些具体的实施方式已经描述了本发明，但是这些描述意为示例性的，而非限制性的。在不脱离如权利要求限定的本发明的实际精神和范围的情况下，本领域的技术人员可以进行各种变形和应用。

Claims (13)

1.一种形成电池的方法，所述方法包括：
设置夹持设备；
将所述电池设置在所述夹持设备的第一板和所述夹持设备的第二板之间；
调节与所述夹持设备的第一板和所述夹持设备的第二板联接的连接构件的端部，以设定在所述电池上的施加压力；
在所述电池膨胀时，允许所述第一板和所述第二板中的至少一个远离另一个移动；以及
在电池化成或电池预处理之后从所述电池移除所述夹持设备。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括对所述电池充电。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，在第一次对所述电池充电之前，将所述电池设置在所述第一板与所述第二板之间。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，设置所述电池包括在所述第一板与所述第二板之间设置第二电池。
5.根据权利要求1所述的方法，进一步包括在所述电池与所述第一板和所述第二板中的至少一个之间设置界面材料。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述界面材料配置为符合所述电池的表面。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述施加压力在约10psi至约400psi之间。
8.根据权利要求7所述的方法，其中所述施加压力在约40psi至约300psi之间。
9.根据权利要求8所述的方法，其中所述施加压力在约90psi至约300psi之间。
10.根据权利要求9所述的方法，其中所述施加压力在约100psi至约200psi之间。
11.根据权利要求1所述的方法，其中，所述电池包括含硅的阳极。
12.根据权利要求1所述的方法，其中，所述电池包括含石墨的阳极。
13.根据权利要求1所述的方法，其中所述电池是锂离子电池。
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