CN109273758A - 具有电流优化型电子障碍的多极耳电极及包含其的电池 - Google Patents

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Abstract

锂电池单元以及包括该锂电池单元的电池组包括电解质以及阳极和阴极，阳极和阴极中的每一个包括集流体，并且具有：限定第一端和第二端的长度、宽度、设置在第一端和第二端之间的集流体上的主体材料或活性材料、从第一端延伸的第一极耳、从第二端延伸的第二极耳、从第一端纵向向内延伸的第一电子障碍物以及可选地从第二端纵向向内延伸的第二电子障碍物。电子障碍物包括其中阻止了或仅最低限度地促进了电子流动的区域。多个电池可以以平坦配置进行堆叠，并且多个阳极和阴极极耳可以通过相应的母线连接。电池单元可以是用于电动/混合动力车辆的电源。

Description

具有电流优化型电子障碍的多极耳电极及包含其的电池
引言
锂离子电池是指一类可重复充电的电池，其中锂离子在负电极(阳极)和正电极(阴极)之间移动。液体和聚合物电解质可以促进锂离子在阳极和阴极之间的移动。由于具有高能量密度和能够经历连续充放电循环的能力，锂离子电池越来越多地在国防、汽车和航空领域加以应用。
发明内容
提供了一种锂电池单元，该锂电池单元包括：电解质；设置在电解质内并包括集流体的阳极，该阳极具有限定第一端和第二端的长度、宽度、设置在第一端和第二端之间的阳极集流体上的阳极主体材料、从第一端延伸的第一极耳、从第二端延伸的第二极耳以及从第一端纵向向内延伸的第一阳极电子障碍物；以及设置在电解质内并包括集流体的阴极，该阴极具有限定第一端和第二端的长度、宽度、设置在第一端和第二端之间的阴极集流体上的阴极活性材料、从第一端延伸的第一极耳、从第二端延伸的第二极耳以及从第一端纵向向内延伸的第一阴极电子障碍物。阳极可以进一步包括从阳极第二端纵向向内延伸的第二阳极电子障碍物和/或从阴极第二端纵向向内延伸的第二阴极电子障碍物。阴极的第一极耳可以与阴极的第二极耳不对称和/或阳极的第一极耳可以与阳极的第二极耳不对称。第一阳极电子障碍物可以设置为比阳极第一极耳更靠近阳极第一端的宽度的中心和/或第一阴极电子障碍物可以设置为比阴极第一极耳更靠近阴极第一端的宽度的中心。第一阳极电子障碍物可以与第一阳极极耳邻接地设置和/或第一阴极电子障碍物可以与第一阴极极耳邻接地设置。第一阳极电子障碍物和/或第一阴极电子障碍物可以分别包括阳极集流体或阴极集流体中的狭缝。第一阳极电子障碍物和/或第一阴极电子障碍物可以分别包括基本上不具有阳极主体材料或阴极活性材料的区域。第一阳极电子障碍物和/或第一阴极电子障碍物可以分别通过阳极主体材料或阴极活性材料的激光烧蚀或金属刀片切口来形成。阳极和阴极可以进行堆叠，从而使得它们各自的长宽平面是基本上平坦的，同时阳极第一端设置在阴极第一端附近，并且，第一阳极电子障碍物可以设置在阳极第一极耳和阴极第一极耳之间和/或第一阴极电子障碍物可以设置在阳极第一极耳和阴极第一极耳之间。阴极的第一极耳可以与阴极的第二极耳不对称和/或阳极的第一极耳可以与阳极的第二极耳不对称。
提供了一种电池组，该电池组包括：多个阳极，其中每个阳极包括限定阳极第一端和阳极第二端的阳极长度、阳极宽度、从阳极第一端延伸的第一阳极极耳、从阳极第二端延伸的第二阳极极耳、从第一端纵向向内延伸的第一阳极电子障碍物以及从第二端纵向向内延伸的第二阳极电子障碍物；多个阴极，其中每个阴极包括限定阴极第一端和阴极第二端的阴极长度、阴极宽度、从阴极第一端延伸的第一阴极极耳、从阴极第二端延伸的第二阴极极耳、从第一端纵向向内延伸的第一阴极电子障碍物以及从第二端纵向向内延伸的第二阴极电子障碍物；将多个第一阳极极耳和多个第二阳极极耳连接到负极端子的阳极母线；以及将多个第一阴极极耳和多个第二阴极极耳连接到正极端子的阴极母线。阳极和阴极可以进行堆叠，从而使得它们各自的长宽平面是基本上平坦的。第一阳极电子障碍物和第二阳极电子障碍物中的每一个可以具有小于阳极长度的一半的长度，而第一阴极电子障碍物和第二阴极电子障碍物中的每一个可以具有小于阴极长度的一半的长度。第一阳极电子障碍物、第二阳极电子障碍物、第一阴极电子障碍物和第二阴极电子障碍物中的每个可以是狭缝。阳极和阴极中的一个或多个可以在纵向中心附近更厚。电池组可以是锂电池组。电池组可以是用于电动或混合动力车辆的电源。每个阳极可以具有至少2的长宽比，而每个阴极可以具有至少2的长宽比。
提供了一种用于电动或混合动力车辆的电池组，该电池组包括多个堆叠的电池单元，其中每个电池单元包括：设置的阳极，该阳极包括限定第一端和第二端的长度、宽度、从第一端延伸的第一极耳、从阳极第二端延伸的第二阳极极耳、从第一端纵向向内延伸的第一阳极电子障碍物以及从第二端纵向向内延伸的第二阳极电子障碍物；以及阴极，该阴极设置在电解质内并且包括限定第一端和第二端的长度、宽度、从第一端延伸的第一极耳、从阴极第二端延伸的第二阴极极耳、从第一端纵向向内延伸的第一阴极电子障碍物以及从第二端纵向向内延伸的第二阴极电子障碍物，其中每个阳极的第一极耳与至少一个其他阳极的第一极耳重叠并接触，每个阳极的第二极耳与至少一个其他阳极的第二极耳重叠并接触，每个阴极的第一极耳与至少一个其他阴极的第一极耳重叠并接触，并且每个阴极的第二极耳与至少一个其他阴极的第二极耳重叠并接触，并且其中每个阳极具有至少1的长宽比，而每个阴极具有至少1的长宽比。第一阳极电子障碍物、第二阳极电子障碍物、第一阴极电子障碍物和第二阴极电子障碍物中的每个可以是狭缝。每个电池单元可以是锂电池单元。
通过以下对示例性实施例的详细描述以及附图，示例性实施例的其他目的、优点和新颖特征将变得更加明显。
附图说明
图1示出了根据一个或多个实施例的锂电池单元；
图2示出了根据一个或多个实施例的油电混合车辆的示意图；
图3A示出了根据一个或多个实施例的电极的俯视图；
图3B示出了根据一个或多个实施例的电极的俯视图；
图4A示出了根据一个或多个实施例的电池组的示意性侧视图；
图4B示出了根据一个或多个实施例的电池隔膜以及多个阳极和多个阴极的立体图；以及
图4C示出了根据一个或多个实施例的电池组的俯视图。
具体实施方式
在此描述了本公开的实施例。然而，应该理解，所公开的实施例仅仅是示例，并且其他实施例可以采取各种替代形式。附图并不一定是按比例绘制的；为了示出特定部件的细节，可能会将某些特征放大或最小化。因此，在此公开的具体结构性和功能性细节不应被解释为限制性的，而仅仅是作为用于教导本领域技术人员以各种方式采用本发明的代表性基础。如本领域普通技术人员将理解的，参考任何一个附图所示出和描述的各种特征可以与在一个或多个其他附图中所示的特征进行组合，由此产生没有明确示出或描述的实施例。所示特征的组合为典型应用提供了代表性实施例。然而，对于特定应用或实施方式而言，与本公开的教导相一致的特征的各种组合和修改可能是理想的。
图1示出了包括负电极(即阳极)11、正电极(即阴极)14、可操作地设置在阳极11和阴极14之间的电解质17以及隔膜18的锂电池单元10。例如，阳极11、阴极14和电解质17可以封装在容器19中，而容器19可以是硬质(例如金属)壳体或软质(例如聚合物)袋。阳极11和阴极14位于隔膜18的相对侧，隔膜18可以包括微孔聚合物或能够传导锂离子和可选的电解质(即液体电解质)的其他合适材料。例如，电解质可以包含聚合物或液体电解质溶液。液体电解质17可以包括溶解在非水性溶剂中的LiPF6、LiBF4和LiClO4等。聚合物电解质17可以包括一种或多种聚合物(诸如聚环氧乙烷(PEO)或聚丙烯腈等)以及一种或多种锂盐(例如LiPF6、LiBF4、LiClO4、LiSICON或LiPON等)。阳极11通常包括集流体12以及施加于其上的锂嵌入主体材料13。阴极14通常包括集流体15以及施加于其上的锂基活性材料16。在一个示例中，阳极11包括锂。在一个实施例中，阳极11包括锂，而阴极14包括硫。例如，活性材料16可以以比嵌入主体材料13更高的电势存储锂离子。与两个电极相关联的集流体12和15通过可中断的外部电路连接，该外部电路允许电流在电极之间通过，从而对锂离子的相关迁移实施电性平衡。尽管图1为了清楚起见示意性地示出了主体材料13和活性材料16，但主体材料13和活性材料16可以包括分别在阳极11和阴极14与电解质17之间的专用界面。
主体材料13可以包括可以充分地经历锂离子嵌入、脱嵌和合金化且同时用作锂离子电池10的负极端子的任何锂主体材料。主体材料13还可以包括聚合物粘合剂材料，以便在结构上将锂主体材料保持在一起。例如，在一个实施例中，主体材料13可以包括在聚偏氟乙稀(PVdF)、乙烯丙烯二烯单体(EPDM)橡胶、羧甲氧基纤维素(CMC)和苯乙烯1,3-丁二烯聚合物(SBR)中的一种或多种中混合的石墨。石墨和碳材料被广泛地用来形成负电极(因为它表现出有利的锂离子嵌入和脱嵌性质)，是相对非活性的，并且可以存储数量能产生相对高能量密度的锂离子。其他材料也可以用于形成主体材料13，例如包括钛酸锂、硅、氧化硅、锡和氧化锡中的一种或多种。阳极集流体12可以包括铜、铝、不锈钢或本领域技术人员已知的任何其他适当的导电材料。阳极集流体12可以用高导电材料(包括导电碳黑、石墨、碳纳米管、碳纳米纤维、石墨烯和气相生长碳纤维(VGCF)等中的一种或多种)进行处理(例如涂覆)。
活性材料16可以包括可以充分地经历锂嵌入和脱嵌且同时用作锂离子电池10的正极端子的任何锂基活性材料。活性材料16还可以包括聚合物粘合剂材料，以便在结构上将锂基活性材料保持在一起。一类常见的可以用来形成活性材料16的已知材料是层状锂过渡金属氧化物。例如，在各种实施例中，活性材料16可以包括在聚偏二氟乙烯(PVdF)、乙烯丙烯二烯单体(EPDM)橡胶、羧基甲氧基纤维素(CMC)和苯乙烯1,3-丁二烯聚合物(SBR)中的至少之一中混合的尖晶石型锂锰氧化物(LiMn2O4)、锂钴氧化物(LiCoO2)、镍-锰-钴氧化物[Li(NixMnyCoz)O2]或者锂铁聚阴离子氧化物(例如锂铁磷酸盐(LiFePO4)或锂铁氟磷酸盐(Li2FePO4F))中的一种或多种。也可以使用除了刚刚提及的那些以外的其他锂基活性材料。这些替代材料包括但不限于锂镍氧化物(LiNiO2)、锂铝锰氧化物(LixAlyMn1-yO2)和锂钒氧化物(LiV2O5)，在此仅仅列出一些。阴极集流体15可以由铝或技术人员已知的任何其他适当的导电材料形成，并且可以按照箔片或格栅形状形成。阴极集流体15可以用高导电材料(包括导电碳黑、石墨、碳纳米管、碳纳米纤维、石墨烯和气相生长碳纤维(VGCF)等中的一种或多种)进行处理(例如涂覆)。
任何可以在阳极11和阴极14之间传导锂离子的适当电解质溶液都可以在电池单元10中使用。在一个实施例中，电解质溶液可以是包括溶解于有机溶剂或有机溶剂混合物中的锂盐的非水性液体电解质溶液。技术人员知道许多可以在电池单元10中使用的非水性液体电解质溶液以及怎样制备或购买到它们。可以溶解于有机溶剂中以形成非水性液体电解质溶液的锂盐的非限制性列表包括LiClO4、LiAlCl4、LiI、LiBr、LiSCN、LiBF4、LiB(C6H5)4、LiAsF6、LiCF3SO3、LiN(CF3SO2)2、LiPF6及其混合物。这些和其他类似的锂盐可以溶解在各种各样的有机溶剂中，例如但不限于环状碳酸酯(碳酸亚乙酯、碳酸亚丙酯、碳酸亚丁酯)、无环碳酸酯(碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、碳酸乙基甲基酯)、脂肪族羧酸酯(甲酸甲酯、乙酸甲酯、丙酸甲酯)、γ-内酯(γ-丁内酯、γ-戊内酯)、链结构醚(1,2-二甲氧基乙烷、1,2-二乙氧基乙烷、乙氧基甲氧基乙烷)、环醚(四氢呋喃、2-甲基四氢呋喃)及其混合物。
在一个实施例中，微孔聚合物隔膜18可以包括聚烯烃。聚烯烃可以是均聚物(由单一的单体组分得到)或杂聚物(由一种以上的单体组分得到)，两者都是直链的或支链的。如果使用了由两种单体组分得到的杂聚物，则聚烯烃可以采取任何共聚物链排列，包括嵌段共聚物或无规共聚物的那些共聚物链排列。如果聚烯烃是由两种以上单体组分得到的杂聚物，情况同样适用。在一个实施例中，聚烯烃可以为聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)或者PE和PP的共混物。除此之外，隔膜18可以可选地采用包括陶瓷型氧化铝(例如Al2O3)和锂化沸石型氧化物中的一种或多种的材料进行陶瓷涂覆。锂化沸石型氧化物可以改善锂离子电池(如电池单元10)的安全性和循环寿命性能。
微孔聚合物隔膜18可以是由干法或湿法制造的单层或多层层压品。例如，在一个实施例中，单层聚烯烃可以构成微孔聚合物隔膜18的全部。然而，在另一个示例中，相似或不相似聚烯烃的多个离散层可以组装成微孔聚合物隔膜18。除了聚烯烃之外，微孔聚合物隔膜18还可以包括其他聚合物，例如但不限于聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚偏二氟乙烯(PVdF)和/或聚酰胺(尼龙)。聚烯烃层以及任何其他可选的聚合物层可以作为纤维层进一步包括在微孔聚合物隔膜18中，由此有助于为微孔聚合物隔膜18提供适当的结构特征和孔隙率特征。技术人员毫无疑问地知道和理解许多可以用来制造微孔聚合物隔膜18的可用聚合物和商用产品，以及许多可以用来生产微孔聚合物隔膜18的制备方法。
电池单元10通常通过在阳极11和阴极14之间可逆地传递锂离子来运转。锂离子在充电期间从阴极14移动到阳极11，并且在放电期间从阳极11移动到阴极14。放电开始时，阳极11包含高浓度的嵌入锂离子，而阴极14相对耗尽，并且在这种情况下在阳极11和阴极14之间建立闭合的外部电路会使得嵌入锂离子从阳极11中提取出去。所提取的锂原子在离开电极-电解质界面处的嵌入主体时分裂为锂离子和电子。借助于离子传导性电解质17，锂离子从阳极11通过隔膜18的微孔传送到阴极14，与此同时，电子从阳极11通过外部电路传送到阴极14，以便平衡整个电化学电池。这种通过外部电路的电子流可以被利用来供给到负载设备，直到负电极中的嵌入锂水平下降到可行水平或停电需求以下。箭头表示，电流流出阳极11并且电流流入阴极14，因此，电池单元10显示为充电状态。
电池单元10可以在其可用电量的部分放电或全部放电之后进行再充电。为了对锂离子电池单元进行充电或重新供电，外部电源(未示出)连接到正电极和负电极，以驱动电池放电电化学反应的逆向效果。也就是说，在充电期间，外部电源提取存在于阴极14中的锂离子，由此产生锂离子和电子。由电解质溶液将锂离子穿过隔膜运送回阳极11，并且将电子通过外部电路驱动回阳极11。锂离子和电子最终在负电极处重新聚集，从而为其补充嵌入锂，以实现未来的电池单元放电。
可以利用锂离子电池单元10，或者包括串联和/或并联连接的多个电池单元10的电池模块或电池组，来向相关联的负载设备可逆地供给电力和能量。锂离子电池还可以用在各种消费电子设备(例如，笔记本电脑、照相机以及移动/智能电话)、军用电子设备(例如，无线电、矿山探测器以及热武器)、飞行器以及卫星等中。锂离子电池、模块和组可以包含在诸如油电混合车辆(HEV)、电池电动车辆(BEV)、插电式HEV或增程式电动车辆(EREV)的车辆中，以产生足够的动力和能量来操作车辆的一个或多个系统。例如，电池单元、模块和组可以与汽油或柴油内燃机结合地使用来推进车辆(例如在油电混合车辆中)，或者可以单独地用来推进车辆(例如在电池供电的车辆中)。
图2示出了包括电池组20和相关部件的油电混合车辆1的示意图。电池组(诸如电池组20)可以包括多个电池单元10。例如，多个电池单元10可以并联连接以形成组，并且多个组可以串联连接。本领域技术人员将理解，利用本文公开的电池单元架构，任何数量的电池单元连接配置都是可行的，并且还将进一步认识到，车辆应用并不限于所描述的车辆架构。电池组20可以向牵引逆变器2提供能量，而牵引逆变器2将直流(DC)电池电压转换为由驱动电机3用来推进车辆1的三相交流(AC)信号。发动机5可以用于驱动发电机4，发电机4又可以提供能量，由此经由逆变器2向电池组20进行再充电。外部(例如电网)电力也可以用于经由附加电路(未示出)对电池组20进行再充电。例如，发动机5可以包括汽油或柴油发动机。
图3A示出了适用于阳极11和/或阴极14的示例性电极30的俯视图。电极30的特征在于宽度W和长度L，长度L限定第一端31和第二端32。例如，长度L和宽度W限定顶面和底面。电极30的尺寸就长度L和宽度W方面进行了描述，这些尺寸适用于集流体或者与适合的涂层组合的集流体(例如锂嵌入主体材料或锂基活性材料)，这是因为后者在应用于前者时将被调整为基本上相同的长度和宽度尺寸。由长度L和宽度W限定的电极30是示出为矩形，但是其他形状也是可行的，例如，其中长度L包括平均长度且宽度W包括平均宽度的卵形。
电极30还包括从第一端31延伸的第一极耳33和从第二端32延伸的第二极耳34。特别地，第一极耳33和第二极耳34从电极30的集流体延伸并与其电连接。例如，极耳可以被定义为电极的不包括活性材料或主体材料的一部分。第一极耳33和第二极耳34可以包括与电极30的集流体相同或相似的构造材料，或者可以包括任何其他适合的导电材料。如下面将要描述的，第一极耳33和第二极耳34的宽度可以小于电极30的宽度W。例如，电极30(包括第一极耳33和第二极耳34)可以具有单件式构造。第一极耳33和第二极耳34可以大致上彼此相对，并且如图3A所示可以对称地设置在第一端31和第二端32处。替代地，如图3B所示，第一极耳33和第二极耳34可以不对称地设置在第一端31和第二端32处，从而例如适应包含电极30的多个电池单元的封装和/或改进电气特性。
如图3A和图3B所示，电极30还包括第一电子障碍物35和可选的第二电子障碍物36。在一些实施例中，电极30包括第一电子障碍物35和可选的第二电子障碍物36。通过中断在整个电极上移动的电子的最短流动路径，电子障碍物有利地使电流密度遍布电极。因此，电子障碍物在整个电极中提供改善的电流分布。电子障碍物包括其中阻止了或仅最低限度地促进了电子流动的区域。在一些实施例中，电子障碍物包括狭缝。在特定实施例中，电子障碍物包括电极的集流体中的狭缝。在一些实施例中，电子障碍物包括其中不存在或基本上不存在活性材料或主体材料的集流体区域。在这样的实施例中，可以通过活性材料或主体材料的激光烧蚀或金属刀片切口从电极形成电子障碍物。在一些实施例中，电极可以在电极的纵向中心附近更厚，以便适应由一个或多个电子障碍物引起的电流密度增加。
第一电子障碍物35可以从第一端31纵向向内延伸，而第二电子障碍物36可以从第一端32纵向向内延伸。如图3B所示，对于具有不对称极耳的电极来说，相应电极侧的电子障碍物可以设置为比相应极耳更加靠近电极宽度的中心。在一些实施例中，可以将电子障碍物设置为与同一电极侧的电极极耳邻接。例如，第一电子障碍物35可以设置为与第一电极极耳33邻接和/或第二电子障碍物36可以设置为与第二电极极耳34邻接。电子障碍物在电极上的位置可以由电池单元中的阳极/阴极对的取向决定。特别地，阳极和阴极可以堆叠来使得它们各自的长宽平面是基本上平面的，并且阳极第一端设置在阴极第一端附近。在这样的实施例中，阳极和/或阴极的电子障碍物可以设置为使得它位于阳极第一极耳和阴极第一极耳之间。类似地，阳极和/或阴极的第二电子障碍物可以设置为使得它位于阳极第二极耳和阴极第二极耳之间。
电子障碍物可以具有不同的形状和长度。如图3A所示，电子障碍物可以是矩形的，或者可以基本上是矩形的。如图3B所示，电子障碍物可以是三角形的。正如本领域技术人员在阅读本公开之后将会理解的，电子障碍物的其他形状和配置是同样可行的。在一些实施例中，电子障碍物的长度小于电极长度的一半。在公共电极的两个电子障碍物是不对称的一些实施例中，电子障碍物的长度可以超过电极长度的一半。
图4A示出了包括多个阳极11和阴极14的电池组20的示意性侧视图，每个阳极11和阴极14由隔膜18隔离。为了清楚起见，示出了没有电子障碍物35和36的阳极11和阴极14。电池组20可以包括多个电池单元10，其中每个电池单元10包括阳极11和阴极14。通常，每个阳极11和阴极14或者替代地每个电池单元10使得每个电极的长宽平面是基本上平行的(即在10度内)。与其他电极配置相比(例如在“凝胶卷”中发现的缠绕或卷绕电极)，这种堆叠取向带来了强度及热量优势。在一些实施例中，电池单元10或多个阳极11和阴极14可以使用如图4B所示的Z型隔膜18'。为了接收一个或多个阳极11和阴极14，单个Z型隔膜18'可以折叠一次或多次。具体而言，一个或多个折痕形成了多个隔膜18'分部，其中每个分部可以位于两个电极之间(例如，在阳极11和阴极14之间)。对于任意数量的折痕n，隔膜18'将包括n+1个分部。隔膜(如隔膜18')可以例如提高制造效率。
多个阴极14可以经由第一阴极母线33'在电池第一端31处电连接并且经由第二阴极母线34'在电池第二端32处电连接。多个阳极11可以经由第一阳极母线33”在电池第一端31处电连接并且经由第二阳极母线34”在电池第二端32处电连接。每根母线可以通过电极的相应极耳电连接到各个电极。具体地，第一阴极母线33'可以连接到电池第一端31处的一个或多个第一阴极极耳33C，并且第二阴极母线34'可以在电池第二端32处连接到一个或多个第二阴极极耳34C。类似地，第一阳极母线33”可以连接到电池第一端31处的一个或多个第一阳极极耳33A，并且第二阳极母线34”可以在电池第二端32处连接到一个或多个第二阳极极耳34A。如图所示，每根母线电连接到壳体19内部的多个电极，并且从壳体19向外延伸，以实现与各种其他电路(未示出)的电连接。在其他实施例中，来自一个或多个电极的一个或多个电池极耳可以延伸到壳体19的外部，并在那里与相应的母线相连接。母线33'和34'各自连接到相应的正极电池端子37，而母线33”和34”各自连接到相应的负极电池端子38。在一些实施例中，母线33'和34'各自连接到公共的正极电池端子(未示出)和/或母线33”和34”各自连接到公共的负极电池端子(未示出)。
在一些实施例中，包括多个阳极和多个阴极的电池组20可以配置为实现以下项中的一项或多项：每个阳极的第一极耳与至少一个其他阳极的第一极耳重叠和接触，每个阳极的第二极耳与至少一个其他阳极的第二极耳重叠和接触，每个阴极的第一极耳与至少一个其他阴极的第一极耳重叠和接触，并且每个阴极的第二极耳与至少一个其他阴极的第二极耳重叠和接触。图4C示出了包括多个阳极11和多个阴极14的这种电池组20的俯视图。图4C仅出于说明的目的将电池组20示出为包括三个阳极11和三个阴极14，并且这样的图示并不意图将电池组限制为少于3个阳极11和阴极14或者多于三个阳极11和阴极14。如图所示，三个阳极中的每一个阳极包括阳极第一极耳(31A*、31A**和31A***)，并且三个阴极中的每一个阴极包括阴极第一极耳(31C*、31C**和31C***)。如图所示，连续的阳极第一极耳重叠，并且连续的阴极第一极耳重叠。类似配置在电池组20的第二端32(未示出)处是可行的。在一些实施例中，一个或多个阳极第一极耳可以与多个其他阳极第一极耳重叠和/或一个或多个阴极第一极耳可以与多个阴极第一极耳重叠。类似配置在电池组20的第二端32(未示出)处是可行的。这样的配置能够实现电池单元10的简单且高效的电连接，并且允许将极耳设计成使电性能和热性能最大化。此外，重叠的极耳可以使电池组20的制造变得简单。例如，可以对极耳进行激光焊接或超声波焊接。一旦多个极耳结合在了一起，母线就可以电连接到单一的点或者少量的点，从而建立与电池组20的电连接。
电极30的双极耳式设计与一个或多个电子障碍物相结合可以被锂金属电池(例如Li-S电池)和锂离子电池加以利用，并为其提供许多有利的优点，包括改进(即更均匀)的电流分布、散热增强、电阻降低以及锂电镀风险的减小或消除等。一般情况下，锂离子易于减少会在锂基电池内产生不利的锂电镀的风险。例如，在高充电电流下，阳极的Li+离子传输速率可以超过Li+离子可以嵌入到阳极主体材料中的速率。因此，作为锂离子还原优先于嵌入的条件，Li+可以沉积为金属Li。在高电流快速充电、低环境温度下充电且锂离子移动减慢以及车辆再生制动(即，从车辆制动捕获能量并用于对附属电池(诸如电池20)进行充电)期间，此问题可能变得特别明显。锂电镀会以多种方式使电池性能恶化，并且缩短电池的使用寿命和降低耐用性。特别地，游离锂离子的还原导致了电池单元内不可逆的容量损失，并且不均匀的树枝状电镀会引起两个配对电极之间的短路。特别地，不均匀的电流分布可以导致或者加剧锂电镀。如本文所述，具有特定纵横比的双极耳电极的优点能够实现更高的充电/放电速率(即，更高的放电电流)，同时具备最小的或降低的锂电镀风险。
当电极的特征是较高的长宽纵横比时，本文所述的双极耳电极(例如，30)和包括一个或多个电子障碍物(例如，35和36)的电池(例如，电池单元10、电池组20)是特别有利的。特别地，电极30可以包括大于1的纵横比。在一些实施例中，电极30包括大于约2的纵横比。在一些实施例中，电极30包括大于约2.5的纵横比。在一些实施例中，电极30包括大于或等于约3的纵横比。在一个示例中，电极30可以包括约2.5至约10或约3至约8的纵横比。在一个示例中，电极30的集流体可以包括约300mm至约600mm的长度和约50mm至约100mm的宽度。在这样的实施例中，集流体可以包括大致高达约0.03mm或者约0.005mm至约0.025mm的厚度。当将电极组合物(例如，阳极主体材料或阴极活性材料)施加到电极的顶面和/或底面时，电极可以具有高达约0.5mm或者约0.05mm至约0.5mm的总厚度。
尽管双极耳设计略微降低了包含电极30的电池的势能密度，但电极30的尺寸(即纵横比)带来了高强度和高效散热，而两个极耳也改善了电特性，例如均匀的当前密度。电子障碍物改善了整个电极的电流分布，提高了性能并且延长了电子寿命。此外，在各种应用中，细长的电池形状(即可选的高纵横比电极)提供了更出色的封装优势，这是因为单个电极30可以取代两个端对端定向的较小电极，由此减少因内部极耳造成的空间浪费。
尽管以上描述了示例性实施例，但是这些实施例并不旨在描述权利要求所包含的所有可能的形式。说明书中使用的词语是描述性词语而非限制性词语，并且应该理解的是，在不脱离本公开的精神和范围的情况下，可以做出各种改变。如前所述，各种实施例的特征可以进行组合，从而形成本发明的可能未被明确描述或示出的其他实施例。虽然各种实施例可能已被描述为提供了优点或者描述为就一个或多个期望特性而言优于其他实施例或现有技术实施方式，但本领域普通技术人员认识到的是，为了实现期望的整体系统属性，可能会在一个或多个特征或特性方面做出妥协，这具体取决于具体的应用程序和实施方式。这些属性可以包括但不限于成本、强度、耐用性、生命周期成本、适销性、外观、包装、尺寸、服务能力、重量、可制造性、易于组装性等。因此，被描述为就一个或多个特性而言不如其他实施例或现有技术实施方式理想的实施例并没有位于本公开的范围之外，并且对于特定应用而言可能是理想的。

Claims (10)

1.一种锂电池单元，包括：
电解质；
设置在所述电解质内并包括集流体的阳极，所述阳极具有限定第一端和第二端的长度、宽度、设置在所述第一端和所述第二端之间的所述阳极集流体上的阳极主体材料、从所述第一端延伸的第一极耳、从所述第二端延伸的第二极耳以及从所述第一端纵向向内延伸的第一阳极电子障碍物；以及
设置在所述电解质内并包括集流体的阴极，所述阴极具有限定第一端和第二端的长度、宽度、设置在所述第一端和所述第二端之间的所述阴极集流体上的阴极活性材料、从所述第一端延伸的第一极耳、从所述第二端延伸的第二极耳以及从所述第一端纵向向内延伸的第一阴极电子障碍物。
2.一种电池组，包括：
多个阳极，其中每个阳极包括限定阳极第一端和阳极第二端的阳极长度、阳极宽度、从所述阳极第一端延伸的第一阳极极耳、从所述阳极第二端延伸的第二阳极极耳、从所述第一端纵向向内延伸的第一阳极电子障碍物以及从所述第二端纵向向内延伸的第二阳极电子障碍物；
多个阴极，其中每个阴极包括限定阴极第一端和阴极第二端的阴极长度、阴极宽度、从所述阴极第一端延伸的第一阴极极耳、从所述阴极第二端延伸的第二阴极极耳、从所述第一端纵向向内延伸的第一阴极电子障碍物以及从所述第二端纵向向内延伸的第二阴极电子障碍物；
将所述多个第一阳极极耳和多个第二阳极极耳连接到负极端子的阳极母线；以及
将所述多个第一阴极极耳和所述多个第二阴极极耳连接到正极端子的阴极母线；
其中所述阳极和所述阴极可以进行堆叠，从而使得它们各自的长宽平面是基本上平坦的。
3.一种用于电动或混合动力车辆的电池组，包括：
多个堆叠的电池单元，每个电池单元包括：
设置的阳极，所述阳极包括限定第一端和第二端的长度、宽度、从所述第一端延伸的第一极耳、从所述阳极第二端延伸的第二阳极极耳、从所述第一端纵向向内延伸的第一阳极电子障碍物以及从所述第二端纵向向内延伸的第二阳极电子障碍物；以及
阴极，所述阴极设置在所述电解质内并且包括限定第一端和第二端的长度、宽度、从所述第一端延伸的第一极耳、从所述阴极第二端延伸的第二阴极极耳、从所述第一端纵向向内延伸的第一阴极电子障碍物以及从所述第二端纵向向内延伸的第二阴极电子障碍物；
其中每个阳极的所述第一极耳与至少一个其他阳极的所述第一极耳重叠并接触，每个阳极的所述第二极耳与至少一个其他阳极的所述第二极耳重叠并接触，每个阴极的所述第一极耳与至少一个其他阴极的所述第一极耳重叠并接触，并且每个阴极的所述第二极耳与至少一个其他阴极的所述第二极耳重叠并接触，并且其中每个阳极具有至少1的长宽比，而每个阴极具有至少1的长宽比。
4.根据上述权利要求中任一项所述的电池，其中所述阴极的所述第一极耳与所述阴极的所述第二极耳不对称和/或所述阳极的所述第一极耳与所述阳极的所述第二极耳不对称。
5.根据上述权利要求中任一项所述的电池，其中所述第一阳极电子障碍物设置为比所述阳极第一极耳更靠近所述阳极第一端的所述宽度的中心和/或所述第一阴极电子障碍物设置为比所述阴极第一极耳更靠近所述阴极第一端的所述宽度的中心。
6.根据上述权利要求中任一项所述的电池，其中所述第一阳极电子障碍物和/或所述第一阴极电子障碍物分别包括所述阳极集流体或所述阴极集流体中的狭缝。
7.根据上述权利要求中任一项所述的电池，其中所述第一阳极电子障碍物和/或第一阴极电子障碍物分别包括基本上不具有阳极主体材料或阴极活性材料的区域。
8.根据上述权利要求中任一项所述的电池，其中所述阳极和所述阴极进行堆叠，从而使得它们各自的长宽平面是基本上平坦的，同时所述阳极第一端设置在所述阴极第一端附近，并且其中所述第一阳极电子障碍物设置在所述阳极第一极耳和所述阴极第一极耳之间和/或所述第一阴极电子障碍物设置在所述阳极第一极耳和所述阴极第一极耳之间。
9.根据上述权利要求中任一项所述的电池，其中所述第一阳极电子障碍物和所述第二阳极电子障碍物中的每一个具有小于所述阳极长度的一半的长度，而所述第一阴极电子障碍物和所述第二阴极电子障碍物中的每一个具有小于所述阴极的所述长度的一半的长度。
10.根据上述权利要求中任一项所述的电池，其中所述阳极和所述阴极中的一个或多个在所述纵向中心附近更厚。
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