CN110178260A - 具有可压缩阴极的三维电池 - Google Patents
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Abstract
提供了一种在充电状态与放电状态之间循环的二次电池。该二次电池具有电极组件，该电极组件具有阳极结构群、阴极结构群、以及电绝缘微孔隔膜材料。该电极组件还具有一组电极约束件，该组电极约束件至少部分地约束电极组件的生长。阳极结构群的构件在二次电池处于充电状态时具有第一横截面积A1，并且在二次电池处于放电状态时具有第二横截面积A2，阴极结构群的构件在二次电池处于充电状态时具有第一横截面积C1，并且在二次电池处于放电状态时具有第二横截面积C2，其中A1大于A2，并且C1小于C2。
Description
技术领域
本公开一般地涉及在能量存储装置中使用的结构、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。
背景技术
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。
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。当电池单体放电时，载体离子从负电极中抽出并插入到正电极中。当电池单体充电时，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。
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。
因此，仍然存在提高具有趋于膨胀和收缩的电极的二次电池的可靠性和循环寿命的需求。
发明内容
因此，简言之，本公开的一方面涉及用于提高电池的能量密度、可靠性和循环寿命的约束结构的实现。
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、载体离子和非水液体电解质。所述电极组件具有阳极结构群(population)、阴极结构群、以及电隔离所述阳极结构群和所述阴极结构群的构件(member)的电绝缘微孔隔膜材料，其中所述阳极结构群和所述阴极结构群在纵向方向上以交替的顺序排列，所述阳极结构群的每个构件在所述二次电池处于充电状态时具有第一横截面积A1，并且在所述二次电池处于放电状态时具有第二横截面积A2，所述阴极结构群的每个构件在所述二次电池处于充电状态时具有第一横截面积C1，并且在所述二次电池处于放电状态时具有第二横截面积C2，并且所述阳极结构群和所述阴极结构群的构件的横截面积在与所述纵向方向平行的第一纵向平面中测量。所述电极组件还包括一组电极约束件，当所述二次电池在所述充电状态与所述放电状态之间循环时，所述一组电极约束件至少部分地约束所述电极组件在所述纵向方向上的生长。所述阴极结构群的每个构件具有阴极活性材料层，并且所述阳极结构群的每个构件具有阳极活性材料层，所述阳极活性材料层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阳极活性材料接受超过一摩尔载体离子的容量，对于所述阳极结构群的子集的每个构件，A1大于A2，并且对于所述阴极结构群的子集的每个构件，C1小于C2。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额定容量的25％。
根据另一方面，提供一种形成二次电池的方法，所述二次电池能够在充电状态与放电状态之间循环。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、载体离子和非水液体电解质。所述电极组件具有阳极结构群、阴极结构群、以及电隔离所述阳极结构群和所述阴极结构群的构件的电绝缘微孔隔膜材料。所述阳极结构群和所述阴极结构群的构件在纵向方向上以交替的顺序排列，并且所述阳极结构群的构件具有在所述二次电池充电时横截面积A扩大的阳极活性材料层。所述阴极结构群的构件包括具有横截面积C的可压缩阴极活性材料层，所述横截面积在与所述纵向方向平行的第一纵向平面中测量。所述方法包括：在初始形成阶段，对所述二次电池充电，使得所述阳极结构群的构件中的所述阳极活性材料层的横截面积的扩大压缩所述阴极结构群的所述可压缩阴极活性材料层，从而所述阴极结构群的子集的构件的横截面积从所述初始形成阶段之前的初始横截面积Ci减小到所述初始形成阶段之后的形成后横截面积Cf，所述形成后横截面积Cf小于所述初始形成阶段之前的初始横截面积Ci的95％。
根据又一方面，提供了一种形成二次电池的方法，所述二次电池能够在充电状态与放电状态之间循环。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、载体离子和非水液体电解质。所述电极组件具有阳极结构群、阴极结构群，以及电隔离所述阳极结构群和可压缩阴极结构群的构件的电绝缘微孔隔膜。所述阳极结构群和所述阴极结构群的构件在纵向方向上以交替的顺序排列，并且所述阳极结构群的构件具有在所述二次电池充电时横截面积A扩大的阳极活性材料层。所述阴极结构群的构件包括具有横截面积C的可压缩阴极活性材料层，所述横截面积在与所述纵向方向平行的第一纵向平面中测量。所述方法包括：在初始形成步骤，对所述二次电池充电，使得所述阳极结构群的构件中的所述阳极活性材料层的膨胀以这样的压力将所述微孔隔膜压靠在所述阴极结构的可压缩阴极活性材料层上：该压力使得所述可压缩阴极活性材料层的横截面积C缩小，同时还至少部分地将所述微孔隔膜粘附到所述阴极结构的所述可压缩阴极活性材料层和所述阳极结构的所述阳极活性材料层，其中，在所述二次电池放电并且所述阳极活性材料层的横截面积A缩小时，所述微孔隔膜到所述可压缩阴极活性材料层和所述阳极活性材料层的至少部分粘附导致所述可压缩阴极活性材料层的横截面积C的扩大。
根据再一方面，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、载体离子和非水液体电解质。所述电极组件具有阳极结构群、阴极结构群、以及电隔离所述阳极结构群和所述阴极结构群的构件的电绝缘微孔隔膜材料。所述电极组件还具有一组电极约束件，所述一组电极约束件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纵向方向上的生长。所述阳极结构群的构件具有阳极活性材料层，并且其中所述阳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阳极活性材料接受超过一摩尔载体离子的容量。所述阴极结构群的构件具有多孔阴极活性材料，其中在所述放电状态下由所述非水液体电解质占据的所述多孔阴极活性材料的体积V2大于在所述充电状态下由所述非水电解质占据的所述多孔阴极活性材料的体积V1。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额定容量的25％。
根据又一方面，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、载体离子和非水液体电解质。所述电极组件具有阳极结构群、阴极结构群，以及电隔离所述阳极结构群和所述阴极结构群的构件的电绝缘微孔隔膜材料。所述阳极结构群的构件具有阳极活性材料，所述阴极结构群的构件具有阴极活性材料。所述阴极结构群的构件在0.1C下具有至少5mA·h/cm2的面积容量，并且对于从充电状态至放电状态的放电，1C:C/10的倍率性能(rate capability)为至少80％。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额定容量的25％。
根据又一方面，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、载体离子和非水液体电解质。所述电极组件具有阳极结构群、阴极结构群、以及电隔离所述阳极结构群和所述阴极结构群的构件的电绝缘微孔隔膜材料，其中所述阳极结构群和所述阴极结构群的构件在纵向方向上以交替的顺序排列。所述阳极结构群的每个构件具有阳极活性材料层，所述阴极结构群的每个构件具有阴极活性材料层。所述阴极结构群的每个构件在所述二次电池处于充电状态时具有第一横截面积C1，并且在所述二次电池处于放电状态时具有第二横截面积C2，其中所述放电状态下的所述阴极结构的第二横截面积C2大于所述充电状态下的所述阴极结构的第一横截面积C1，并且其中在所述二次电池从所述充电状态被放电至所述放电状态时，所述阴极结构群的构件子集的第二横截面积C2与所述阴极结构群的所述构件子集的第一横截面积C1的比为至少1.05:1。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额定容量的25％。
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
图1A是具有阴极结构群和阳极结构群的电极组件的一个实施例的示意图。
图1B是具有阴极结构群和阳极结构群的电极组件的一个实施例的透视图。
图1C是具有阴极结构群和阳极结构群的电极组件的一个实施例的透视图以及第一纵向平面。
图1D是电极组件的实施例的截面图，其示出了阴极结构群和阳极结构群的横截面区域。
图1E是电极组件的实施例的截面图，其示出了阳极结构的相对表面区域；
图2A至2C是具有阴极结构群的电极组件的实施例的横截面图。
图3是阴极活性材料层的实施例的示意图。
图4A至4B是具有包括多孔的阴极活性材料层的阴极结构的电极组件的实施例的横截面图。
图5A至5H示出了电极组件的不同形状和尺寸的示例性实施例。
图6A示出了沿图1B所示的线A-A'截取的电极组件的实施例的横截面，并进一步示出了初级和二级生长约束系统的元件。
图6B示出了沿图1B所示的线B-B'截取的电极组件的实施例的横截面，并进一步示出了初级和二级生长约束系统的元件。
图6C示出了沿图1B所示的线B-B'截取的电极组件的实施例的横截面，并进一步示出了初级和二级生长约束系统的元件。
图6D示出了沿图1B所示的线A-A1'截取的电极组件的实施例的横截面。
图7示出了沿图1B所示的线A-A'截取的电极组件的实施例的横截面，进一步包括一组电极约束件，其中包括初级约束系统的一个实施例和二级约束系统的一个实施例。
图8示出了电极组件上方的多孔生长约束件的俯视图的一个实施例。
图9示出了具有可压缩阴极结构的能量存储装置或二次电池的实施例的分解图。
具体实施方式
定义
除非上下文另外清楚地指出，否则本文中所用的“一”、“一个”和“该”(即，单数形式)是指复数个指示物。例如，在一个实例中，对“电极”的提及包括单个电极和多个类似的电极。
如本文中使用的，“约”和“近似”是指所述值加或减10％、5％或1％。例如，在一个实例中，约250μm将包括225μm至275μm。作为另一示例，在一个实例中，约1000μm将包括900μm至1100μm。除非另外指出，否则在说明书和权利要求书中使用的表示量(例如，测量值等)等的全部数字应被理解为在全部情况下都由术语“约”来修饰。因此，除非相反指示，否则在以下说明书和所附权利要求书中阐述的数字参数是近似值。每个数字参数至少应当根据所报告的有效数字的数目和通过应用普通舍入技术来解释。
本文中在二次电池的上下文中使用的“面积容量”是指每单位面积的电池容量，其中面积是阳极结构的面向阴极结构的部分(忽略孔隙率)的几何面积，其是对二次电池中的所有阳极结构的总和。面积容量通常也在特定C速率(C-rate)(例如0.1C)下指定。例如，如果电池的额定容量在0.1C的C速率下为1000mA·h，并且每个阳极结构的面向每个阴极结构的部分的几何面积为250cm2，而且存在5个阳极结构(每个都有两个相对的面)，则面积容量是1000/(250×5×2)＝0.4mA·h/cm2。
本文中使用的“C速率”是指二次电池放电速率的量度，并且被定义为放电电流除以理论电流消耗，在该理论电流消耗下电池将在一小时内传送其标称额定容量。例如，1C的C速率指示使电池在1小时内放电的放电电流，2C指示使电池在1/2小时内放电的放电电流，C/2指示使电池在2小时内放电的放电电流等等。
本文中在二次电池状态的上下文中所使用的“充电状态”是指二次电池被充电至其额定容量的至少75％的状态。例如，电池可以被充电至其额定容量的至少80％，其额定容量的至少90％，甚至是其额定容量的至少95％，例如其额定容量的100％。
本文中在二次电池状态的上下文中使用的“放电状态”是指二次电池被放电至小于其额定容量的25％的状态。例如，电池可以被放电至小于其额定容量的20％，例如小于其额定容量的10％，甚至小于其额定容量的5％，例如其额定容量的0％。
本文中在二次电池在充电状态与放电状态之间的循环的上下文中使用的“循环”是指对电池进行充电和/或放电以使电池在从第一状态(即，充电或放电状态)到与第一状态相反的第二状态(即，如果第一状态是放电状态，则该状态是充电状态；如果第一状态是充电状态，则该状态是放电状态)的循环中移动，然后使电池移回第一状态以完成循环。例如，当在充电循环中时，二次电池在充电状态与放电状态之间的单个循环可包括将电池从放电状态充电至充电状态，然后进行放电以回到放电状态，从而完成该循环。当在放电循环中时，单个循环还可包括将电池从充电状态放电至放电状态，然后进行充电以回到充电状态，从而完成该循环。
本文中针对电极组件提及的“费雷特直径”被定义为限制电极组件的两个平行平面之间的距离，该距离是在垂直于这两个平面的方向上测得的。例如，电极组件在纵向方向上的费雷特直径是在纵向方向上测量的限制电极组件的两个平行平面之间的距离，这两个平行平面垂直于该纵向方向。作为另一示例，电极组件在横向方向上的费雷特直径是在横向方向上测量的限制电极组件的两个平行平面之间的距离，这两个平行平面垂直于该横向方向。作为又一示例，电极组件在垂直方向上的费雷特直径是在垂直方向上测量的限制电极组件的两个平行平面之间的距离，这两个平行平面垂直于该垂直方向。
如本文中关于电极结构(即，阳极结构和/或阴极结构)的至少一个尺寸(例如，宽度)、横截面积和/或体积的变化使用的，“反向相关”是指变化符号与反电极结构中的相同尺寸、横截面和/或体积的变化的符号相反。例如，对于阳极结构宽度的增加，与之反向相关的阴极结构宽度尺寸的变化将是阴极结构宽度的减小。作为另一示例，对于阳极结构横截面积的增加，与之反向相关的阴极结构横截面积的变化将是阴极结构横截面积的减小。类似地，对于阳极结构宽度的减小，与之反向相关的阴极结构宽度尺寸的变化将是阴极结构宽度的增加。作为另一示例，对于阳极结构横截面积的减小，与之反向相关的阴极结构横截面积的变化将是阴极结构横截面积的增加。作为另一示例，对于阴极结构宽度的增加，与之反向相关的阳极结构宽度尺寸的变化将是阳极结构宽度的减小。作为另一示例，对于阴极结构横截面积的增加，与之反向相关的阳极结构横截面积的变化将是阳极结构横截面积的减小。类似地，对于阴极结构宽度的减小，与之反向相关的阳极结构宽度尺寸的变化将是阳极结构宽度的增加。作为另一示例，对于阴极结构横截面积的减小，与之反向相关的阳极结构横截面积的变化将是阳极结构横截面积的增加。
本文中使用的“纵向轴”、“横向轴”和“垂直轴”是指相互垂直的轴(即，每个轴彼此正交)。例如，本文中使用的“纵向轴”、“横向轴”和“垂直轴”类似于用于定义三维方面或取向的笛卡尔坐标系。因此，本文中对本发明主题的要素的描述不限于用于描述要素的三维取向的一个或多个特定轴。换言之，当提及本发明主题的三维方面时，轴可以是可互换的。
本文中使用的“纵向方向”、“横向方向”和“垂直方向”是指相互垂直的方向(即，每个方向彼此正交)。例如，本文中使用的“纵向方向”、“横向方向”和“垂直方向”一般可以分别平行于用于定义三维方面或取向的笛卡尔坐标系的纵向轴、横向轴和垂直轴。
本文中在二次电池的充电状态和放电状态之间的循环的上下文中使用的“重复循环”是指从放电状态到充电状态，或从充电状态到放电状态的多于一次的循环。例如，在充电状态与放电状态之间的重复循环可包括从放电状态到充电状态的至少2次循环，例如从放电状态充电至充电状态，放电回到放电状态，再次充电至充电状态，最后放电回到放电状态。作为又一示例，充电状态和放电状态之间的至少2次重复循环可包括从充电状态放电至放电状态，充电回到充电状态，再次放电至放电状态并最终充电回到充电状态。作为另一示例，充电状态和放电状态之间的重复循环可包括循环至少5次、甚至从放电状态至充电状态循环至少10次。借助进一步的实例，充电状态和放电状态之间的重复循环可包括从放电状态至充电状态循环至少25、50、100、300、500、甚至1000次。
本文中在二次电池的上下文中使用的“倍率性能”是指第一C速率下的二次电池的容量与第二C速率下的二次电池的容量的比率，以百分比表示。例如，倍率性能可以根据Capacity1/Capacity2×100计算，其中Capacity1是在第一C速率(例如1C的C速率)下放电的容量，Capacity2是在第二C速率(C/10的C速率)下放电的容量，并且可以表示为针对指定的比率Cx:Cy计算的百分比，其中Cx是第一C速率，Cy是第二C速率。
本文中在二次电池的上下文中使用的“额定容量”是指二次电池的在一段时间内传送指定电流的容量，其是在标准温度条件(25℃)下测得的。例如，额定容量可以以安培·小时为单位被测量，其或者是通过针对指定的时间确定电流输出，或者是通过针对指定的电流确定可以输出电流的时间，并取电流和时间的乘积而测得的。例如，对于额定20安培·小时的电池，如果将电流指定在2安培用于额定，则可以将该电池理解为将持续10小时提供该电流输出的电池，相反，如果将时间指定在10小时用于额定，则可以将该电池理解为将在10小时的时间段中输出2安培的电池。具体而言，二次电池的额定容量可以被给出为指定放电电流下的额定容量，例如C速率，其中C速率是电池相对于其容量被放电的速率的量度。例如，1C的C速率指示使电池在1小时中放电的放电电流，2C指示使电池在1/2小时中放电的放电电流，C/2指示使电池在2小时中放电的放电电流等等。因此，例如，在1C的C速率下额定在20安培·小时的电池将持续1小时提供20安培的放电电流，而在2C的C速率下额定在20安培·小时的电池将持续半小时提供40安培的放电电流，并且在C/2的C速率下额定在20安培·小时的电池将在2小时内提供10安培的放电电流。
本文中在电极组件的尺寸的上下文中使用的“最大宽度”(WEA)对应于从电极组件在纵向方向上的纵向端面的相对点测量的电极组件的最大宽度。
本文中在电极组件的尺寸的上下文中使用的“最大长度”(LEA)对应于从电极组件在横向方向上的横向表面的相对点测量的电极组件的最大长度。
本文中在电极组件的尺寸的上下文中使用的“最大高度”(HEA)对应于从电极组件在横向方向上的横向表面的相对点测量的电极组件的最大高度。
如本文所用，“孔隙率”或“空隙率”是指体积中空隙在整个体积中的比例，可以表示为百分比。例如，阴极活性材料层的孔隙率是由该层中的空隙构成的体积在每个总体积中的分率。在二次电池的上下文中，在二次电池的充电和/或放电期间，阴极活性材料层中的空隙可以至少部分地被电解质(例如液体电解质)填充，因此，孔隙率或空隙率可以是该层中可能被电解质占据的体积分率的量度。
具体描述
一般而言，本公开的各方面涉及在充电状态与放电状态之间循环的能量存储装置100(请参见例如图9)，诸如在例如图1A至1B和/或图9中示出的二次电池102。二次电池102包括电池外壳104、位于电池外壳内的电极组件106、载体离子和非水液体电解质。在图1A所示的实施例中，电极组件106包括阳极结构110(即，负电极结构)的群、阴极结构112(即，正电极结构)的群和被设置为电隔离阳极结构110的群和阴极结构112的群的构件的电绝缘微孔隔膜130。
根据一个实施例，本公开的各方面涉及解决诸如二次电池102之类的能量存储装置100中在二次电池102在充电状态与放电状态之间循环时阳极结构110的群的构件膨胀和/或收缩的情况下，可能出现的问题。例如，阳极结构110可包括阳极活性材料层132(请参见例如图7)，该阳极活性材料层在二次电池102的充电期间接受载体离子(诸如通过被载体离子嵌入或合金化)，载体离子的量足以导致阳极结构的体积增加。现在参考图1A，示出了具有交替的一组阳极结构110和阴极结构120的三维电极组件106的实施例，这些阳极结构110和阴极结构120相互交错，该电极组件106具有通常与堆叠方向D平行(在图1A中被示出为与Y轴平行)的纵向轴AEA、通常与X轴平行的横向轴(未示出)、以及通常与Z轴平行的垂直轴(未示出)。这里示出的X、Y和Z轴是任意轴，仅用于示出其中各轴在参考空间中相互垂直的基组，并且不以任何方式将本文中的结构限制为特定取向。通常，在具有电极组件106的二次电池102的充电和放电循环时，载体离子分别在阳极和阴极结构110和112之间行进(例如通常在与Y轴平行的方向上，如图1A中示出的实施例中所示)，并且可以嵌入和/或移动到位于行进方向内的阳极结构110和阴极结构112中的一者或多者的阳极/阴极活性材料中。具体而言，在从放电状态移动到充电状态期间，载体离子(例如锂、钠、钾、钙、镁中的一者或多者)可以在电池中的正电极与负电极之间移动。在到达阳极结构时，载体离子然后可以嵌入到或合金化到电极材料中，从而增加该电极的尺寸和体积。相反，反过来从充电状态移动到放电状态可导致离子脱嵌或去合金化，从而使阳极结构收缩。这种合金化和/或嵌入以及去合金化和/或脱嵌可导致阳极结构的显著体积变化，这可导致在电极组件106中产生应变，这是因为在二次电池102的循环期间阳极结构110的群的构件发生膨胀，使得电极组件106出现整体宏观膨胀。因此，阳极结构110在充电和放电时的反复膨胀和收缩会导致在电极组件106中产生应变。
根据一个实施例，随着二次电池的循环而膨胀和/或收缩的阳极结构110包括阳极活性材料，当二次电池102从放电状态被充电至充电状态时，该阳极活性材料具有每摩尔阳极活性材料接受超过一摩尔载体离子的容量。作为另一示例，阳极活性材料可包括具有每摩尔阳极活性材料接受1.5摩尔或更多的载体离子的容量的材料，例如每摩尔阳极活性材料接受2.0摩尔或更多的载体离子，每摩尔阳极活性材料甚至接受2.5摩尔或更多的载体离子，例如每摩尔阳极活性材料接受3.5摩尔或更多的载体离子。被阳极活性材料接受的载体离子可以是锂、钾、钠、钙和镁中的至少一者。通过膨胀而提供这种体积变化的阳极活性材料的示例包括硅、铝、锡、锌、银、锑、铋、金、铂、锗、钯及其合金中的一者或多者。
根据一个实施例，二次电池102包括一组电极约束件108，该组电极约束件约束电极组件106的生长。被约束的电极组件106的生长可以是电极组件106的一个或多个尺寸的宏观增加，并且可能源于阳极结构110的群的构件的体积增加。在一个实施例中，该组电极约束件108包括初级生长约束系统151以减轻和/或减少电极组件106在纵向方向(即，在与Y轴平行的方向)上的生长、膨胀和/或增大中的至少一者，如在例如图1B中所示。例如，初级生长约束系统151可包括被配置为通过例如在电极组件106的纵向端面116、118处的相反膨胀来约束生长的结构。在一个实施例中，初级生长约束系统151包括第一和第二初级生长约束件154、156，它们在纵向方向上彼此分离，并且与至少一个初级连接构件162一起工作，该初级连接构件162将第一和第二初级生长约束件154、156连接在一起以抑制电极组件106在纵向方向上的生长。例如，第一和第二初级生长约束件154、156可以至少部分地覆盖电极组件106的第一和第二纵向端面116、118，并且可以与一个或多个连接构件162、164一起工作，连接构件162、164将初级生长约束件154、156相互连接以抵抗并抑制在反复充电和/或放电循环期间发生的电极组件106的任何生长。在另一实施例中，第一和第二初级生长约束件154、156中的一者或多者可以位于电极组件106的内部，并且可以与至少一个连接构件162一起工作以抑制纵向方向上的生长。下面更详细地提供对初级生长约束系统151的实施例和操作的进一步讨论。
此外，通过二次电池102的充电和放电过程的重复循环不仅会在电极组件106的纵向方向上(例如，图1A至1B中的Y轴)诱发生长和应变，而且还可在与纵向方向正交的方向上，例如在横向方向和垂直方向(例如，分别为图1A至1B中的X和Z轴)上，诱发生长和应变。此外，在某些实施例中，包含初级生长约束系统151以抑制一个方向上的生长甚至会加剧一个或多个其它方向上的生长和/或增大。例如，在设置初级生长约束系统151以抑制电极组件106在纵向方向上生长的情况下，充电和放电循环期间的载体离子的嵌入以及由此产生的电极结构增大可诱发一个或多个其它方向上的应变。具体而言，在一个实施例中，由电极生长/增大和纵向生长约束的组合产生的应变可导致电极组件106在垂直方向(例如，图1A至1B所示的Z轴)上，或甚至在横向方向(例如，图1A至1B所示的X轴)上的弯曲或其它故障。
因此，在本公开的一个实施例中，二次电池102不仅包括初级生长约束系统151，而且还包括至少一个二级生长约束系统152，该二级生长约束系统152可以与初级生长约束系统151一起工作以抑制电极组件106沿电极组件106的一个或多个轴的生长。例如，在一个实施例中，二级生长约束系统152可以被配置为与初级生长约束系统151互锁或以其它方式协同工作，从而使得电极组件106的整体生长受到抑制，以提高分别具有电极组件106以及初级和二级生长约束系统151和152的二次电池的性能并降低其故障发生率。在一个实施例中，二级生长约束系统152包括在第二方向上分离并且通过至少一个二级连接构件166连接的第一和第二二级生长约束件158、160，其中当二次电池循环时，该二级约束系统至少部分地抑制电极组件在与纵向方向正交的方向(例如，Z方向)上的生长。下面更详细地提供对初级和二级生长约束系统151和152之间的相互关系、以及它们抑制电极组件106的生长的操作的实施例的进一步讨论。
在本公开的一个实施例中，一组电极约束件108可以约束电极组件106的生长，使得阳极结构110的群的构件的生长(即，在具有电极组件106的二次电池102的充电期间)导致电极组件106的其它结构的压缩。例如，一组电极约束件108可以提供纵向约束，即，经由初级生长约束系统151，该纵向约束抑制电极组件106在纵向方向上的生长，使得在二次电池102的充电期间阳极结构110的群的构件在纵向方向上的膨胀对电极组件106中的阴极结构112的群的构件施加压缩力。也就是说，由于纵向约束件的存在，可以至少部分地防止阴极结构112的群的构件纵向地平移远离膨胀的阳极结构构件，结果是阳极结构110的群的构件的纵向膨胀使阴极结构112的群的构件压缩。根据又一实施例，该组电极约束件108可以约束电极组件106在与纵向方向正交的其它方向上的生长，例如在垂直方向(Z方向)和/或在横向方向(X方向)上的生长，使得阳极结构110的群的构件在充电期间的生长产生压缩力。具有该组电极约束件的电极组件106中的阳极结构110的群的构件的生长因此可以对电极组件的其它部件产生压缩力和/或压力，如果超过了力和/或压力故障极限，这可能导致这些部件出现故障。
在一个实施例中，通过提供能够膨胀和/或收缩的阴极结构112的群的构件(例如至少部分地与阳极结构110的群的构件的膨胀和/或收缩相关)，可以至少部分地适应受约束的电极组件106中的阳极结构110的群的构件的膨胀和/或收缩，从而减小电极组件106中的应变。例如，在一个实施例中，阴极结构112的群的构件能够以与阳极结构群的构件的至少一个尺寸的变化成反向相关的方式在至少一个尺寸上变化(例如，膨胀和/或收缩)。例如，在二次电池102的充电期间阳极结构110的群的构件的宽度尺寸和/或横截面积增加的情况下，阴极结构112的群的构件的宽度尺寸和/或横截面积能够收缩，以至少部分地适应阳极结构110的群的构件的尺寸变化。
在一个实施例中，阳极结构110的群的每个构件具有横截面积为A的横截面114，并且阴极结构112的群的每个构件具有横截面积为C的横截面114，其中横截面积在平行于纵向方向(即，平行于纵向轴AEA)的第一纵向平面113中测量，如例如在图1C和1D中所示。从图1D(其示出了沿纵向平面113截取的大致呈矩形的横截面)所示的实施例中可见，这种矩形横截面的阳极结构的横截面积A可以等于阳极结构110的高度HA乘以阳极结构的宽度WA，并且阴极结构112的横截面积C可以等于阴极结构110的高度HC乘以阴极结构112的宽度WC。替代地和/或附加地，可以针对具有不同于图1C至1D中所示的形状和/或横截面的电极计算横截面积114，例如通过本领域普通技术人员理解的适当横截面积确定方法。不限于此，在一个实施例中，可以通过使用扫描电子显微镜(SEM)技术识别感兴趣的阴极和/或阳极结构群的构件的横截面，在第一纵向平面113中计算横截面积。然后，可以使用本领域普通技术人员公知的方法获得通过SEM获得的横截面的横截面积，例如通过使用能够确定各种形状和对象的面积的可用软件程序，例如从National Institutes of Health可得的ImageJ软件(Java图像处理和分析)。在一个实施例中，通过SEM识别的图像中的横截面的面积通常可以使用软件程序，通过以计算的方式识别或手动识别SEM图像中的横截面的边界，对落入与该横截面对应的SEM图像的一部分的被识别的边界内的像素数量进行计数，以及输入图像比例(例如，图像中每像素的尺寸大小)来确定，从而计算所识别的横截面的面积。本领域普通技术人员公知的用于确定横截面积的其它方法也可被用于确定阳极和阴极结构群的一个或多个构件的横截面的面积。
因此，在一个实施例中，阳极结构110的群的构件和/或阴极结构112的群的构件的尺寸变化可以根据在第一纵向平面中测量的结构的横截面积的变化来确定。例如，在一个实施例中，阳极结构群的每个构件在二次电池处于充电状态时具有第一横截面积A1，并且在二次电池处于放电状态时具有第二横截面积A2，阴极结构群的每个构件在二次电池处于充电状态时具有第一横截面积C1，并且在二次电池处于放电状态时具有第二横截面积C2。因此，充电和放电时阳极结构群和/或阴极结构群的构件的尺寸和/或体积的变化可导致这样的组件：其中，对于阳极结构群的子集的每个构件，A1大于A2，并且对于阴极结构群的子集的每个构件，C1小于C2。也就是说，在二次电池充电时，阳极结构群的构件的横截面积从A1增加到A2，而阴极结构群的构件的横截面积从C2收缩到C1，并且在二次电池放电时，阳极结构群的构件的横截面积从A2减小到A1，而阴极结构群的构件的横截面积从C2增加到C1。因此，在一个实施例中，阴极结构群的构件的变化尺寸可以至少部分地适应阳极结构群的构件的尺寸和/或大小的增加和/或减小。
此外，阳极结构群的“子集”是指阳极结构群的至少一个构件，并且子集也可以与电极组件106中的阳极结构群中的构件的数量协同扩展。也就是说，阳极结构群的子集可以包括电极组件106中的阳极结构群的仅一个或全部构件，或者包括其间的任何数量的构件。类似地，阴极结构群的“子集”是指阴极结构群的至少一个构件，并且子集也可以与电极组件106中的阴极结构群中的构件的数量协同扩展。也就是说，阴极结构群的子集可以包括电极组件中的阴极结构群的仅一个或全部构件，或者包括其间的任何数量的构件。例如，阳极结构群或阴极结构群的子集可包括一个或两个或更多个构件。在一个实施例中，子集包括至少五个构件。在另一实施例中，子集包括至少10个构件。在又一实施例中，子集包括至少20个构件。在又一实施例中，子集包括至少50个构件。例如，在一个实施例中，群的子集可包括1至7个构件，例如2至6个构件，甚至3至5个构件。在又一实施例中，(阳极和/或阴极结构群的)子集可包括电极组件106中的构件总数的某百分比。例如，子集可包括电极组件中的构件(阳极和/或阴极构件)的至少10％，例如电极组件中的构件的至少25％，甚至至少50％，例如至少75％，甚至至少90％。
作为进一步的说明，在一个实施例中，阴极结构112的群的构件可以被理解为呈现出大小的变化，例如尺寸、横截面和/或体积的变化。例如，阴极结构112的群的构件可以呈现出在纵向方向(即，平行于纵向轴AEA)测量的每个阴极结构112的横截面积C或宽度WC的变化，从而至少部分地适应阳极结构110的膨胀/收缩。例如，在一个实施例中，阴极结构112的群的构件的宽度WC和/或横截面积C的变化可以至少部分地适应阳极结构110的群的构件的宽度WA和/或横截面积A的变化，例如在纵向方向上测量的宽度的变化和/或将宽度的至少一部分作为其尺寸的横截面的变化，出现此情况是因为阳极结构与阴极结构之间的载体离子行进方向上的载体离子的嵌入和/或合金化或脱嵌和去合金化，该行进方向通常可以是在纵向上。也就是说，在阳极结构110的群的构件在充电时宽度和/或横截面积增加的情况下，阴极结构112的群的构件可以在充电时宽度和/或横截面积减小，并且在阳极结构110的群的构件在放电时宽度和/或横截面积减小的情况下，阴极结构112的群的构件可以在放电时宽度和/或横截面积增加。在又一实施例中，在阳极结构110的群的构件的膨胀/收缩时，阴极结构112的群的构件的至少一个尺寸的变化可以被理解为在阴极结构112的群的构件的横截面积上产生总体变化，该变化与阳极结构群的构件的横截面积的变化反向相关。也就是说，在阳极结构110的群的构件在充电时横截面积增加的情况下，阴极结构112的群的构件在充电时的横截面可以减小，并且在阳极结构110的群的构件在放电时横截面积减小的情况下，阴极结构112的群的构件在放电时横截面积可以增加。在又一实施例中，在阳极结构110的群的构件膨胀/收缩时，阴极结构112的群的构件的至少一个尺寸的变化可以被理解为在阴极结构112的体积上产生总体变化，该变化与阳极结构群的构件的体积的变化反向相关。也就是说，在阳极结构110的群的构件在充电时体积增加的情况下，阴极结构112的群的构件在充电时体积减小，并且在阳极结构110的群的构件在放电时体积减小的情况下，阴极结构112的群的构件在放电时体积增加。
此外，在一个实施例中，阴极结构112的群的构件的至少一个尺寸(例如，宽度)、横截面和/或体积的变化的符号与阳极结构110的群的构件的至少一个尺寸、横截面和/或体积的变化的符号相反，使得大小的变化彼此反向相关。例如，对于在二次电池102的充电时宽度增加的阳极结构110的群的构件，宽度变化的符号将是从最终宽度WF减去初始宽度WI所得到的数的符号(WF-WI＝+ΔW)，该数是具有正号(+)的正数，因为阳极结构的WF大于WI。相反，对于在二次电池102的充电时宽度减小的阴极结构112的群的构件，宽度变化的符号将是WF-WI＝-ΔW，该数是具有负号(-)的负数，因为阴极结构的WF小于WI。然而，应注意，在充电和/或放电期间，阳极结构的ΔW的量值的绝对值不一定与阴极结构的ΔW的量值的绝对值相同。换句话说，充电期间阳极结构的膨胀程度不必等于阴极结构的收缩程度。例如，二次电池中的其它结构可以至少部分地适应阳极结构的膨胀，使得阴极结构的压缩小于将阴极结构压缩到完全适应阳极结构膨胀的完整范围的程度时的预期的压缩。对于放电而言也是如此，其中在放电过程期间，阴极结构的膨胀程度可以是不同于阳极结构的收缩程度的大小。因此，在阳极结构110的群的构件呈现出具有正号的宽度、横截面和/或体积的变化(例如，宽度增加)的情况下，阴极结构112的群的构件的宽度、横截面和体积的变化可与其反向相关(尽管可能具有不同的量值)，因此具有负号。相反，在阳极结构群的构件呈现出具有负号的宽度、横截面和/或体积的变化(例如，宽度减小)的情况下，阴极结构112的群的构件的宽度、横截面和/或体积的变化可与其反向相关(尽管可能具有不同的量值)，因此具有正号。通过提供至少一个尺寸(例如，宽度)、横截面和/或体积能够与阳极结构群的构件的膨胀和/或收缩相关地变化的阴极结构群的构件，可以减小由二次电池的多次循环期间的反复膨胀和收缩引起的电极组件106上的应变，从而提高二次电池102的寿命和性能。
作为进一步的说明，参考图2A至2C，其中示出了电极组件106的实施例，电极组件106具有在充电状态(图2A和2C)和放电状态(图2B)下都与阳极结构112的群的构件的膨胀/收缩相关地改变大小(例如，宽度、横截面积和/或体积)的阴极结构110的群的构件。在示出二次电池102的充电状态的图2A中，阳极结构110的群的构件具有宽度为WA1的横截面积A1，并且阴极结构112的群的构件具有宽度为WC1的横截面积C1。然而，当二次电池102被放电至如图2B所示的放电状态时，阳极结构110的群的构件的宽度减小以提供横截面积A2和宽度WA2，而阴极结构112的群的构件的宽度增加以提供横截面积C2和WC2，其中A2<A1，并且C2>C1，以及WA2<WA1，并且WC2>WC1。也就是说，阴极结构112的群的构件的大小变化可以与阳极结构110的群的构件的大小变化反向相关，这是因为当二次电池被放电时，阴极结构群构件的横截面积和/或宽度增加，而阳极结构群构件的横截面积和/或宽度减小(宽度变化的方向由图2B中的箭头示意性地示出)。当二次电池102从图2B所示的放电状态被充电至图2C所示的后续充电状态时，阳极和阴极结构110、112的群的构件呈现出横截面积和/或宽度的进一步变化，阳极结构群构件的横截面积增加到A3，其中A3<A2，阳极结构群构件的宽度增加到WA3，其中WA3>WA2，并且阴极结构群构件的横截面积减小到C3，其中C3<C2，阴极结构群构件的宽度减小到WC3，其中WC3<WC2，而在一些实施例中，图2C所示的后续充电状态下的阳极结构110的群的构件的横截面积A3和/或宽度WA3可以与图2A所示的初始充电状态下的阳极结构110的群的构件的相应的横截面积A1和/或宽度WA1相同，后续充电状态下的阳极结构110的群的构件的横截面积A3和/或宽度WA3也可以相对于初始充电状态下的阳极结构110的群的构件的横截面积A1和/或宽度WA1增加。也就是说，在某些实施例中，充电状态下的阳极结构110的群的构件的宽度、横截面积和/或体积可以在二次电池102在充电状态与放电状态之间反复循环期间增加。类似地，尽管在图2C所示的后续充电状态下的阴极结构112的群的构件的横截面积C3和/或宽度WC3可以与图3A所示的初始充电状态下的阴极结构112的群的构件的横截面积C3和/或宽度WC1相同，但是，后续充电状态下的阴极结构112的群的构件的横截面积C3和/或宽度WC3可以相对于初始充电状态下的阴极结构112的群的构件的相应的横截面积C3和/或宽度WC1减小。也就是说，在某些实施例中，充电状态下的阴极结构112的群的构件的宽度、横截面积和/或体积可以在二次电池102在充电状态与放电状态之间重复循环期间减小，例如以适应在二次电池102的重复循环期间可能发生的阳极结构110的群的构件的生长的增加。
因此，在一个实施例中，阴极结构112的群的构件在二次电池102处于充电状态时具有第一大小，例如第一尺寸和/或横截面积，并且在二次电池102处于放电状态时具有第二大小，例如第二尺寸和/或横截面积，其中第一尺寸和/或横截面积小于第二尺寸和/或横截面积。在又一实施例中，阴极结构112的大小的变化，例如尺寸和/或横截面积的变化可以与阳极结构110的群的构件的尺寸和/或横截面积的变化反向相关。例如，在一个实施例中，阴极结构112的群的至少一个构件在充电状态下可以具有不大于3×107μm2的第一横截面积C1。作为另一示例，在一个实施例中，阴极结构群的至少一个构件在充电状态下可以具有不大于1×107μm2的第一横截面积C1。作为另一示例，在一个实施例中，阴极结构群的至少一个构件在充电状态下可以具有不大于9.5×106μm2的第一横截面积C1。作为又一示例，在一个实施例中，阴极结构群的至少一个构件在充电状态下可以具有不大于8×106μm2的第一横截面积C1。作为又一示例，阴极结构群的至少一个构件在充电状态下可以具有不大于5×106μm2的第一横截面积C1。通常，充电状态下的阴极结构群的至少一个构件的第一横截面积C1可以是至少2×102μm2，例如，充电状态下的第一横截面积C1可以是至少2.5×102μm2，甚至至少3×102μm2。例如，第一横截面积C1可以在2×102μm2至3×107μm2的范围内，例如2.5×102μm2至9.5×106μm2，甚至在3×102μm2至8×106μm2的范围内。
此外，在一个实施例中，阴极结构群的至少一个构件在放电状态下可以具有至少1.01×102μm2的第二横截面积C2。作为另一示例，在一个实施例中，阴极结构群的至少一个构件在放电状态下可以具有至少1.05×102μm2的第二横截面积C2。作为另一示例，在一个实施例中，阴极结构群的至少一个构件在放电状态下可以具有至少1.0×103μm2的第二横截面积C2。作为另一示例，在一个实施例中，阴极结构群的至少一个构件在放电状态下可以具有至少1.05×103μm2的第二横截面积C2。作为另一示例，在一个实施例中，阴极结构群的至少一个构件在放电状态下可以具有至少1.1×103μm2的第二横截面积C2。通常，充电状态下的阴极结构群的至少一个构件的第二横截面积C2不超过1.5×1010μm2，例如，放电状态下的第二横截面积C2可以不超过1×107μm2，甚至可以不超过1×106μm2。例如，第二横截面积C2可以在1.01×102μm2至1.5×1010μm2的范围内，例如1.0×103μm2至1.0×107μm2，甚至在1.05×102μm2至1×106μm2的范围内。
在又一实施例中，在一个实施例中，阴极结构群的至少一个构件的放电状态下的阴极结构112的第二横截面积C2与充电状态下的阴极结构112的第一横截面积C1的比率为至少1.05:1。作为另一示例，在一个实施例中，阴极结构群的至少一个构件的阴极结构112的第二横截面积C2与阴极结构112的第一横截面积C1的比率为至少1.1:1。作为另一示例，在一个实施例中，阴极结构群的至少一个构件的阴极结构112的第二横截面积C2与阴极结构112的第一横截面积C1的比率为至少1.3:1。作为另一示例，在一个实施例中，阴极结构群的至少一个构件的阴极结构112的第二横截面积C2与阴极结构112的第一横截面积C1的比率为至少2:1。作为另一示例，在一个实施例中，阴极结构群的至少一个构件的阴极结构112的第二横截面积C2与阴极结构112的第一横截面积C1的比率为至少3:1。作为另一示例，在一个实施例中，阴极结构群的至少一个构件的阴极结构112的第二横截面积C2与阴极结构112的第一横截面积C1的比率为至少4:1。作为另一示例，在一个实施例中，阴极结构群的至少一个构件的阴极结构112的第二横截面积C2与阴极结构112的第一横截面积C1的比率为至少6:1。通常，第二横截面积C2与第一横截面积C1的比率不超过约15:1，甚至不超过10:1，例如不超过8:1。例如，在一个实施例中，阴极结构群的至少一个构件的阴极结构112的第二横截面积C2与阴极结构112的第一横截面积C1的比率可以在1.05:1至15:1的范围内。作为另一示例，在一个实施例中，阴极结构群的至少一个构件的阴极结构112的第二横截面积C2与阴极结构112的第一横截面积C1的比率可以在1.1:1至6:1的范围内。作为另一示例，在一个实施例中，阴极结构群的至少一个构件的阴极结构112的第二横截面积C2与阴极结构112的第一横截面积C1的比率可以在1.3:1至4:1的范围内。此外，在一个实施例中，第一横截面积C1相对于第二横截面积C2的收缩在2％收缩至90％收缩的范围内，例如5％收缩至75％收缩的范围内。也就是说，第一横截面积C1可以相对于C2收缩至少2％，例如相对于C2收缩至少5％，甚至至少10％，但是可以相对于C2收缩小于90％，例如相对于C2收缩小于80％，甚至小于75％。
此外，在一个实施例中，阳极结构110的群的至少一个构件在充电状态下可以具有至少100μm2的第一横截面积A1。作为另一示例，在一个实施例中，阳极结构群的至少一个构件在充电状态下可以具有至少1×103μm2的第一横截面积A1。作为又一示例，在一个实施例中，阳极结构群的至少一个构件在充电状态下可以具有至少4.5×103μm2的第一横截面积A1。作为又一示例，阳极结构群的至少一个构件在充电状态下可以具有至少6×103μm2的第一横截面积A1。作为另一示例，在一个实施例中，阳极结构群的至少一个构件在充电状态下可以具有至少8×103μm2的第一横截面积A1。通常，充电状态下的阳极结构群的至少一个构件的第一横截面积A1可以不超过1.5×107μm2，例如，充电状态下的第一横截面积A1可以不超过7.6×106μm2，甚至可以不超过5×106μm2。例如，第一横截面积A1可以在100μm2至1.5×107μm2的范围内，例如4.5×103μm2至7.6×106μm2的范围内，甚至在6×103μm2至5×106μm2的范围内。
此外，在一个实施例中，阳极结构群的至少一个构件在放电状态下具有不大于3×107μm2的第二横截面积A2。作为另一示例，在一个实施例中，阳极结构群的至少一个构件在放电状态下可以具有不大于1.5×107μm2的第二横截面积A2。作为另一示例，在一个实施例中，阳极结构群的至少一个构件在放电状态下可以具有不大于7.5×106μm2的第二横截面积A2。作为另一示例，阳极结构群的至少一个构件在放电状态下可以具有不大于5×106μm2的第二横截面积A2。作为另一示例，在一个实施例中，阳极结构群的至少一个构件在放电状态下可以具有不大于3×106μm2的第二横截面积A2。通常，充电状态下的阳极结构群的至少一个构件的第二横截面积A2将为至少500μm2，例如，放电状态下的第二横截面积A2可以是至少1.5×103μm2，甚至可以是至少3×103μm2。例如，第二横截面积A2可以在500μm2至3×107μm2的范围内，例如1.5×103μm2至7.5×106μm2的范围内，甚至在3×103μm2至5×106μm2的范围内。
在又一实施例中，在一个实施例中，阳极结构群的至少一个构件的充电状态下的阳极结构110的第一横截面积A1与放电状态下的阳极结构110的第二横截面积A2的比率为至少1.01:1。作为另一示例，在一个实施例中，阳极结构群的至少一个构件的阳极结构110的第一横截面积A1与阳极结构110的第二横截面积A2的比率为至少1.05:1。作为另一示例，在一个实施例中，阳极结构群的至少一个构件的阳极结构110的第一横截面积A1与阳极结构110的第二横截面积A2的比率为至少1.5:1。作为另一示例，在一个实施例中，阳极结构群的至少一个构件的阳极结构110的第一横截面积A1与阳极结构110的第二横截面积A2的比率为至少2:1。作为另一示例，在一个实施例中，阳极结构群的至少一个构件的阳极结构110的第一横截面积A1与阳极结构110的第二横截面积A2的比率为至少3:1。作为另一示例，在一个实施例中，阳极结构群的至少一个构件的阳极结构110的第一横截面积A1与阳极结构110的第二横截面积A2的比率为至少4:1。作为另一示例，在一个实施例中，阳极结构群的至少一个构件的阳极结构110的第一横截面积A1与阳极结构110的第二横截面积A2的比率为至少5:1。例如，在一个实施例中，阳极结构群的至少一个构件的阳极结构110的第一横截面积A1与阳极结构110的第二横截面积A2的比率可以在1.01:1至5:1的范围内。作为另一示例，在一个实施例中，阳极结构群的至少一个构件的阳极结构110的第一横截面积A1与阳极结构110的第二横截面积A2的比率可以在1.01:1至4:1的范围内。作为另一示例，在一个实施例中，阳极结构群的至少一个构件的阳极结构110的第一横截面积A1与阳极结构110的第二横截面积A2的比率可以在1.01:1至3:1的范围内，甚至在1.5:1至3:1的范围内。
在一个实施例中，阳极结构群的子集具有根据MAA和/或根据MLA和/或根据MOA测量的中值横截面积，在此使用的MAA是指多于一个阳极构件的横截面积的中值，在此使用的MLA是指沿着阳极构件的不同纵向平面处的横截面积的中值，在此使用的MOA是指MAA和MLA的中值。此外，阴极结构群的子集具有根据MAC和/或根据MLC和/或根据MOC测量的中值横截面积，在此使用的MAC是指多于一个阴极构件的横截面积的中值，在此使用的MLC是指沿着阴极构件的不同纵向平面处的横截面积的中值，在此使用的MOC是指MAC和MLC的中值。这些测量的进一步详细描述如下。
根据一个实施例，阳极结构群的子集具有中值横截面积MAA，阴极结构群的子集具有中值横截面积MAC，其中MAA和MAC分别是跨阳极结构群的子集和/或阴极结构群的子集测量的阳极结构群和阴极结构群的构件的横截面积A和C的中值。也就是说，MAA可以被理解为在第一纵向平面113中测量的阳极结构群的构件子集的中值横截面，MAC可以被理解为在第一纵向平面113中测量的阴极结构群的构件子集的中值横截面。也就是说，为了确定子集的中值横截面积MAA，确定该子集中的阳极结构群的每个构件的横截面积，然后计算这些横截面积的中值。类似地，为了确定子集的中值横截面积MAC，确定该子集中的阴极结构群的每个构件的横截面积，然后计算这些横截面积的中值。在一个实施例中，确定包括至少两个构件的子集的在第一纵向平面中测量的横截面积的中值。在另一实施例中，确定包括至少五个构件的子集的在第一纵向平面中测量的横截面积的中值。在另一实施例中，确定包括至少十个构件的子集的在第一纵向平面中测量的横截面积的中值。在另一实施例中，确定包括至少20个构件的子集的在第一纵向平面中测量的横截面积的中值。在另一实施例中，确定包括至少50个构件的子集的在第一纵向平面中测量的横截面积的中值。例如，在一个实施例中，群的子集包括1至7个构件，例如2至6个构件，甚至3至5个构件。在又一实施例中，群的子集可包括电极组件106中的构件总数的某百分比。例如，子集可包括电极组件中的构件的至少10％，例如构件的至少25％，甚至至少50％，例如电极组件中的构件的至少75％，甚至至少90％
在一个实施例中，阴极结构112的群的子集在充电状态下可以具有第一中值横截面积MAC1，其可以与充电状态下的阴极结构群的构件的第一横截面积C1的上述给出的值相同和/或相似。例如，在一个实施例中，阴极结构112的群的子集可以具有不大于3×107μm2的第一中值横截面积MAC1。作为另一示例，在一个实施例中，阴极结构112的群的子集在充电状态下可以具有不大于1×107μm2的第一中值横截面积MAC1。作为又一示例，在一个实施例中，阴极结构112的群的子集在充电状态下可以具有不大于9.03×106μm2的第一中值横截面积MAC1。作为又一示例，在一个实施例中，阴极结构112的群的子集在充电状态下可以具有不大于8×106μm2的第一中值横截面积MAC1。作为另一示例，在一个实施例中，阴极结构112的群的子集在充电状态下可以具有不大于5×106μm2的第一中值横截面积MAC1。通常，阴极结构群的子集的第一中值横截面积MAC1可以是至少2×102μm2，例如，阴极结构群的子集的第一中值横截面积MAC1可以是至少2.6×102μm2，例如，充电状态下的第一中值横截面积MAC1可以是至少3×102μm2。例如，第一中值横截面积MAC1可以在1×102μm2至3×107μm2的范围内，例如2.6×102μm2至9.03×106μm2，甚至在3×102μm2至8×106μm2的范围内。
此外，在一个实施例中，阴极结构112的群的子集在放电状态下可以具有第二中值横截面积MAC2，其可以与放电状态下的阴极结构群的构件的第二横截面积C2的上述给出的值相同和/或相似。例如，在一个实施例中，阴极结构112的群的子集在放电状态下可以具有至少1.01×102μm2的第二中值横截面积MAC2。作为另一示例，在一个实施例中，阴极结构112的群的子集在放电状态下可以具有至少1.05×102μm2的第二中值横截面积MAC2。作为另一示例，在一个实施例中，阴极结构112的群的子集在放电状态下可以具有至少1.05×103μm2的第二中值横截面积MAC2。作为另一示例，阴极结构112的群的子集在放电状态下可以具有至少1.1×103μm2的第二中值横截面积MAC2。作为另一示例，阴极结构112的群的子集在放电状态下可以具有至少1.5×103μm2的第二中值横截面积MAC2。通常，放电状态下的阴极结构群的子集的第二中值横截面积MAC2不超过1.5×1010μm2，例如，放电状态下的第二中值横截面积MAC2可以不超过9.5×106μm2，甚至可以不超过1×106μm2。例如，第二中值横截面积MAC2可以在1.01×102μm2至1.5×1010μm2的范围内，例如1.05×103μm2至9.5×106μm2，甚至在1.1×102μm2至1×106μm2的范围内。
在又一实施例中，阴极结构112的群的子集的放电状态下的第二中值横截面积MAC2与充电状态下的第一中值横截面积MAC1的比率可以与放电状态下的第二横截面积C2与充电状态下的第一横截面积C1的比率的上述给出的值相同和/或相似。例如，在一个实施例中，阴极结构群的子集具有至少1.05:1的放电状态下的第二中值横截面积MAC2与充电状态下的第一中值横截面积MAC1的比率。作为另一示例，在一个实施例中，阴极结构群的子集具有至少1.1:1的放电状态下的第二中值横截面积MAC2与充电状态下的第一中值横截面积MAC1的比率。作为另一示例，在一个实施例中，阴极结构群的子集具有至少1.3:1的放电状态下的第二中值横截面积MAC2与充电状态下的第一中值横截面积MAC1的比率。作为另一示例，在一个实施例中，阴极结构群的子集具有至少2:1的放电状态下的第二中值横截面积MAC2与充电状态下的第一中值横截面积MAC1的比率。作为另一示例，在一个实施例中，阴极结构群的子集具有至少3:1的放电状态下的第二中值横截面积MAC2与充电状态下的第一中值横截面积MAC1的比率。作为另一示例，在一个实施例中，阴极结构群的子集具有至少4:1的放电状态下的第二中值横截面积MAC2与充电状态下的第一中值横截面积MAC1的比率。作为另一示例，在一个实施例中，阴极结构群的子集具有至少6:1的放电状态下的第二中值横截面积MAC2与充电状态下的第一中值横截面积MAC1的比率。通常，子集的MAC2与MAC1的比率不超过约15:1，甚至不超过10:1，例如不超过8:1。例如，阴极结构群的子集具有可以在1.05:1至15:1的范围内的放电状态下的第二中值横截面积MAC2与充电状态下的第一中值横截面积MAC1的比率。作为另一示例，阴极结构群的子集具有可以在1.1:1至6:1的范围内的放电状态下的第二中值横截面积MAC2与充电状态下的第一中值横截面积MAC1的比率。作为另一示例，在一个实施例中，阴极结构群的子集具有可以在1.3:1至4:1的范围内的放电状态下的第二中值横截面积MAC2与充电状态下的第一中值横截面积MAC1的比率。作为另一示例，在一个实施例中，第一中值横截面积MAC1相对于第二中值横截面积MAC2的收缩可以在2％收缩至90％收缩的范围内，例如5％收缩至75％收缩。也就是说，阴极结构群的子集可以具有相对于第二中值横截面积MAC2收缩至少2％的第一中值横截面积MAC1，例如相对于第二中值横截面积MAC2收缩至少5％，甚至至少10％，但是可以相对于第二中值横截面积MAC2收缩小于90％，例如相对于第二中值横截面积MAC2收缩小于80％，甚至小于75％。
此外，在一个实施例中，阳极结构110的群的子集在充电状态下的第一中值横截面积MAA1可以与充电状态下的阳极结构群的构件的第一横截面积A1的上述给出的值相同和/或相似。例如，根据一个实施例，阳极结构110的群的子集在充电状态下可以具有至少100μm2的第一中值横截面积MAA1。作为另一示例，在一个实施例中，阳极结构110的群的子集在充电状态下可以具有至少1×103μm2的第一中值横截面积MAA1。作为又一示例，在一个实施例中，阳极结构110的群的子集在充电状态下可以具有至少4.7×103μm2的第一中值横截面积MAA1。作为又一示例，阳极结构110的群的子集在充电状态下可以具有至少6×103μm2的第一中值横截面积MAA1。作为又一示例，在一个实施例中，阳极结构110的群的子集在充电状态下可以具有至少8×103μm2的第一中值横截面积MAA1。通常，充电状态下的阳极结构群的子集的第一中值横截面积MAA1可以不超过1.5×107μm2，例如，充电状态下的第一中值横截面积MAA1可以不超过6.8×107μm2，甚至可以不超过5×106μm2。例如，充电状态下的第一中值横截面积MAA1可以在100μm2至1.5×107μm2的范围内，例如4.7×103μm2至6.8×106μm2，甚至在6×103μm2至5×106μm2的范围内。
此外，在一个实施例中，阳极结构110的群的子集在放电状态下的第二中值横截面积MAA2可以与放电状态下的阳极结构群的构件的第二横截面积A2的上述给出的值相同和/或相似。例如，在一个实施例中，阳极结构110的群的子集在放电状态下可以具有不大于3×107μm2的第二中值横截面积MAA2。作为另一示例，在一个实施例中，阳极结构110的群的子集在放电状态下可以具有不大于1.5×107μm2的第二中值横截面积MAA2。作为另一示例，在一个实施例中，阳极结构110的群的子集在放电状态下可以具有不大于7.1×106μm2的第二中值横截面积MAA2。作为另一示例，在一个实施例中，阳极结构110的群的子集在放电状态下可以具有不大于5×106μm2的第二中值横截面积MAA2。作为另一示例，在一个实施例中，阳极结构110的群的子集在放电状态下可以具有不大于3×106μm2的第二中值横截面积MAA2。通常，充电状态下的阳极结构群的子集的第二中值横截面积MAA2为至少1.5×103μm2，例如，放电状态下的第二中值横截面积MAA2可以是至少1.6×103μm2，甚至为至少3×103μm2。例如，放电状态下的第二中值横截面积MAA2可以在500μm2至3×107μm2的范围内，例如1.6×103μm2至7.1×106μm2，甚至在3×103μm2至5×106μm2的范围内。
在又一实施例中，阳极结构110的群的子集的充电状态下的第一中值横截面积MAA1与放电状态下的第二中值横截面积MAA2的比率可以与充电状态下的第一横截面积A1与放电状态下的第二横截面积A2的比率的上述给出的值相同和/或相似。例如，在一个实施例中，阳极结构群的子集具有至少1.01:1的充电状态下的第一中值横截面积MAA1与放电状态下的第二中值横截面积MAA2的比率。作为另一示例，在一个实施例中，阳极结构群的子集具有至少1.05:1的充电状态下的第一中值横截面积MAA1与放电状态下的第二中值横截面积MAA2的比率。作为另一示例，在一个实施例中，阳极结构群的子集具有至少1.5:1的充电状态下的第一中值横截面积MAA1与放电状态下的第二中值横截面积MAA2的比率。作为另一示例，在一个实施例中，阳极结构群的子集具有至少2:1的充电状态下的第一中值横截面积MAA1与放电状态下的第二中值横截面积MAA2的比率。作为另一示例，在一个实施例中，阳极结构群的子集具有至少3:1的充电状态下的第一中值横截面积MAA1与放电状态下的第二中值横截面积MAA2的比率。作为另一示例，在一个实施例中，阳极结构群的子集具有至少4:1的充电状态下的第一中值横截面积MAA1与放电状态下的第二中值横截面积MAA2的比率。作为另一示例，在一个实施例中，阳极结构群的子集具有至少5:1的充电状态下的第一中值横截面积MAA1与放电状态下的第二中值横截面积MAA2的比率。例如，在一个实施例中，阳极结构群的子集具有可以在1.01:1至5:1的范围内的充电状态下的第一中值横截面积MAA1与放电状态下的第二中值横截面积MAA2的比率。作为另一示例，在一个实施例中，阳极结构群的子集具有可以在1.01:1至4:1的范围内的充电状态下的第一中值横截面积MAA1与放电状态下的第二中值横截面积MAA2的比率。作为另一示例，在一个实施例中，阳极结构群的子集具有可以在1.01:1至3:1的范围内，甚至在1.5:1至3:1的范围内的充电状态下的第一中值横截面积MAA1与放电状态下的第二中值横截面积MAA2的比率。
在又一实施例中，阳极结构群的构件可以各自被理解为具有在横向方向上测量的长度LA，在纵向方向上测量的宽度WA，以及在垂直方向上测量的高度HA，如例如图1A所示。类似地，阴极结构群的构件可各自被理解为具有在横向方向上测量的长度LC，在纵向方向上测量的宽度WC，以及在垂直方向上测量的高度HC。阳极和阴极结构构件的长度LA和LC分别可以从每个构件的底部115a到顶部115b测量，如例如1C所示，其中底部115a靠近平面121，构件从该平面121延伸，顶部115b在平面121的远侧。此外，在一个实施例中，阳极结构群和/或阴极结构群的构件的长度LA和/或LC可以是构件的宽度和高度中的每一者的至少5倍(例如，构件的长度可以长于宽度或高度)。例如，构件的长度L(例如，LA或LC)与宽度W(例如，WA或WC)和高度H(例如，HA或HC)中的每一者的比率可以是至少10:1，甚至至少15:1，例如至少20:1。
根据一方面，阴极群和/或阳极群的至少一个构件的横截面积在第一纵向平面中测量，该第一纵向平面不仅平行于纵向方向，而且还与LA和LC中的一者或多者的方向正交。例如，参考图1C中的实施例，第一纵向平面113被示出为与堆叠方向(纵向方向)平行，同时也垂直于阳极结构群和阴极结构群的构件的长度方向，该长度方向是其中的实施例中示出的X方向。例如，根据一个实施例，第一纵向平面可以在Z-Y平面中，其中Y对应于与纵向方向平行的轴，Z对应于与纵向方向正交并且还与阳极结构群和阴极结构群的构件的长度LA和/或LC分别正交的轴。在又一实施例中，在其中测量横截面积的第一纵向平面位于在沿Y轴(例如纵向轴)旋转时偏离Z-Y平面小于15度的平面中。在又一实施例中，在其中测量横截面积的第一纵向平面位于在沿Y轴(例如纵向轴)旋转时偏离Z-Y平面小于45度的平面中。在又一实施例中，在其中测量横截面积的第一纵向平面位于在沿Y轴(例如纵向轴)旋转时偏离Z-Y平面大于45度并且偏离Z-Y平面小于90度的平面中。在又一实施例中，第一纵向平面在X-Y平面中，其中Y轴对应于与纵向方向平行的轴，X轴对应于与纵向轴正交并且还与阳极结构群和阴极结构群的构件的长度LA和LC分别平行的轴。此外，在一个实施例中，可以根据要进行的测量而选择第一纵向平面113沿阳极和/或阴极的长度LA或LC的位置。例如，在一个实施例中，第一纵向平面113可以沿阳极和/或阴极的长度L的大约一半定位在Z-Y平面中(例如，沿X方向上的长度的大约一半)，如图1C所示。在另一实施例中，第一纵向平面可以定位在更靠近阴极结构和/或阳极结构中的一者或多者的端部(例如，在X方向上更靠近阳极和/或阴极的基部或顶部)的Z-Y平面中。在又一实施例中，横截面积可以在与纵向方向平行的多个纵向平面113a、113b中测量。
根据又一实施例，阳极结构群的子集的至少一个构件可以具有中值横截面积MLA，该中值横截面积MLA是在与该构件的纵向方向平行的多个平面中测量的多个横截面积A的构件中值。类似地，阴极结构群的子集的至少一个构件可以具有中值横截面积MLC，该中值横截面积MLC是在与该构件的纵向方向平行的多个平面中测量的多个横截面积C的构件中值。例如，参考图1C，阳极结构群的构件的横截面积A可以在与该构件的纵向方向平行的多个平面113a、113b(例如，第一纵向平面113和一个或多个平面113a、113b)中测量。在一个实施例中，一个或多个其它平面113a、113b是平行于第一纵向平面113的平面，并且可以位于沿阳极长度的不同位置处(例如，位于X轴上的不同位置处)。因此，中值横截面积MLA可以被计算为在阳极结构群的构件的每个纵向平面中测量的横截面积A的中值。类似地，阴极结构群的构件的横截面积C可以在平行于该构件的纵向方向的多个平面113a、113b(例如，第一纵向平面113和一个或多个平面113a、113b)中测量。在一个实施例中，一个或多个其它平面113a、113b是平行于第一纵向平面113的平面，并且可以位于沿阴极长度的不同位置处(例如，位于X轴上的不同位置处)。因此，中值横截面积MLC可以被计算为在阴极结构群的构件的每个纵向平面中测量的横截面积C的中值。
在一个实施例中，中值横截面积MLA和MLC是分别在阳极和阴极结构群子集的至少两个纵向平面中测量的横截面积的中值横截面积。在一个实施例中，中值横截面积MLA和MLC是分别在阳极和阴极结构群子集的至少三个纵向平面中测量的横截面积的中值横截面积。在一个实施例中，中值横截面积MLA和MLC是分别在阳极和阴极结构群子集的至少五个纵向平面中测量的横截面积的中值横截面积。在一个实施例中，中值横截面积MLA和MLC是分别在阳极和阴极结构群子集的至少十个纵向平面中测量的横截面积的中值横截面积。此外，在一个实施例中，中值横截面积MLA和MLC可以是在彼此间隔开一预定长度的至少两个纵向平面中测量的横截面积的中值。例如，在一个实施例中，中值横截面积MLA和MLC是在彼此间隔开构件的长度LA和/或LC的至少10％(例如，沿X轴间隔开)的至少两个纵向平面中测量的构件的横截面积的中值。作为另一示例，在一个实施例中，中值横截面积MLA和MLC是在彼此间隔开构件的长度LA和/或LC的至少15％(例如，沿X轴间隔开)的至少两个纵向平面中测量的构件的横截面积的中值。作为另一示例，在一个实施例中，中值横截面积MLA和MLC是在彼此间隔开构件的长度LA和/或LC的至少20％(例如，沿X轴间隔开)的至少两个纵向平面中测量的构件的横截面积的中值。例如，在一个实施例中，中值横截面积MLA和MLC是在彼此间隔开构件的长度LA和/或LC的至少25％(例如，沿X轴间隔开)的至少两个纵向平面中测量的构件的横截面积的中值。作为另一示例，在一个实施例中，中值横截面积MLA和MLC是在彼此间隔开构件的长度LA和/或LC的至少30％(例如，沿X轴间隔开)的至少两个纵向平面中测量的构件的横截面积的中值。作为另一示例，在一个实施例中，中值横截面积MLA和MLC是在彼此间隔开构件的长度LA和/或LC的至少50％(例如，沿X轴间隔开)的至少两个纵向平面中测量的构件的横截面积的中值。作为另一示例，在一个实施例中，中值横截面积MLA和MLC是在彼此间隔开构件的长度LA和/或LC的至少75％(例如，沿X轴间隔开)的至少两个纵向平面中测量的构件的横截面积的中值。
因此，在一个实施例中，阳极结构群的子集的至少一个构件在二次电池处于充电状态时可以具有第一中值横截面积MLA1，并且在二次电池处于放电状态时具有第二中值横截面积MLA2，类似地，阴极结构群的子集的至少一个构件在二次电池处于充电状态时可以具有第一中值横截面积MLC1，并且在二次电池处于放电状态时具有第二中值横截面积MLC2，其中对于阳极结构群的子集的每个构件，MLA1大于MLA2，对于阴极群的子集的每个构件，MLC1小于MLC2。
在一个实施例中，阴极结构112的群的子集的至少一个构件在充电状态下可以具有第一中值横截面积MLC1，其可以与充电状态下的阴极结构群的构件的第一横截面积C1的上述给出的值相同和/或相似。例如，在一个实施例中，阴极结构112的群的子集的至少一个构件在充电状态下可以具有不大于3×107μm2的第一中值横截面积MLC1。作为另一示例，在一个实施例中，阴极结构112的群的子集的至少一个构件在充电状态下可以具有不大于1×107μm2的第一中值横截面积MLC1。作为又一示例，在一个实施例中，阴极结构112的群的子集的至少一个构件在充电状态下可以具有不大于9.03×106μm2的第一中值横截面积MLC1。作为又一示例，在一个实施例中，阴极结构112的群的子集的至少一个构件在充电状态下可以具有不大于8×106μm2的第一中值横截面积MLC1。作为另一示例，在一个实施例中，阴极结构112的群的子集的至少一个构件在充电状态下可以具有不大于5×106μm2的第一中值横截面积MLC1。通常，阴极结构群的子集的至少一个构件的第一中值横截面积MLC1可以是至少2×102μm2，例如，充电状态下的第一中值横截面积MLC1可以是至少2.6×102μm2，甚至至少3×102μm2。例如，充电状态下的第一中值横截面积MLC1可以在1×102μm2至3×107μm2的范围内，例如2.6×102μm2至9.03×106μm2，甚至在3×102μm2至8×106μm2的范围内。
此外，在一个实施例中，阴极结构112的群的子集的至少一个构件在放电状态下可以具有第二中值横截面积MLC2，其可以与放电状态下的阴极结构群的构件的第二横截面积C2的上述给出的值相同和/或相似。例如，在一个实施例中，阴极结构112的群的子集的至少一个构件在放电状态下可以具有至少1.01×102μm2的第二横截中值面积MLC2。作为另一示例，在一个实施例中，阴极结构112的群的子集的至少一个构件在放电状态下可以具有至少1.05×102μm2的第二中值横截面积MLC2。作为另一示例，在一个实施例中，阴极结构112的群的子集的至少一个构件在放电状态下可以具有至少1.05×103μm2的第二中值横截面积MLC2。作为另一示例，阴极结构112的群的子集的至少一个构件在放电状态下可以具有至少1.1×103μm2的第二中值横截面积MLC2。作为另一示例，在一个实施例中，阴极结构112的群的子集的至少一个构件在放电状态下可以具有至少1.5×103μm2的第二中值横截面积MLC2。通常，放电状态下的阴极结构群的子集的至少一个构件的第二中值横截面积MLC2不超过1.5×1010μm2，例如，放电状态下的至少一个构件的第二中值横截面积MLC2可以不超过9.5×106μm2，甚至可以不超过1×106μm2。例如，第二中值横截面积MLC2可以在1.01×102μm2至1.5×1010μm2的范围内，例如1.05×103μm2至9.5×106μm2，甚至在1.1×102μm2至1×106μm2的范围内。
在又一实施例中，阴极结构112的群的子集的至少一个构件可以具有放电状态下的第二中值横截面积MLC2与充电状态下的第一中值横截面积MLC1的比率，其与放电状态下的第二横截面积C2与充电状态下的第一横截面积C1的比率的上述给出的值相同和/或相似。例如，在一个实施例中，阴极结构群的子集的至少一个构件具有至少1.05:1的放电状态下的第二中值横截面积MLC2与充电状态下的第一中值横截面积MLC1的比率。作为另一示例，在一个实施例中，阴极结构群的子集的至少一个构件具有至少1.1:1的放电状态下的第二中值横截面积MLC2与充电状态下的第一中值横截面积MLC1的比率。作为另一示例，在一个实施例中，阴极结构群的子集的至少一个构件具有至少1.3:1的放电状态下的第二中值横截面积MLC2与充电状态下的第一中值横截面积MLC1的比率。作为另一示例，在一个实施例中，阴极结构群的子集的至少一个构件具有至少2:1的放电状态下的第二中值横截面积MLC2与充电状态下的第一中值横截面积MLC1的比率。作为另一示例，在一个实施例中，阴极结构群的子集的至少一个构件具有至少3:1的放电状态下的第二中值横截面积MLC2与充电状态下的第一中值横截面积MLC1的比率。作为另一示例，在一个实施例中，阴极结构群的子集的至少一个构件具有至少4:1的放电状态下的第二中值横截面积MLC2与充电状态下的第一中值横截面积MLC1的比率。作为另一示例，在一个实施例中，阴极结构群的子集的至少一个构件具有至少6:1的放电状态下的第二中值横截面积MLC2与充电状态下的第一中值横截面积MLC1的比率。通常，第二中值横截面积MLC2与第一中值横截面积MLC1的比率不超过约15:1，甚至不超过10:1，例如不超过8:1。例如，阴极结构群的子集的至少一个构件具有可以在1.05:1至15:1的范围内的放电状态下的第二中值横截面积MLC2与充电状态下的第一中值横截面积MLC1的比率。作为另一示例，阴极结构群的子集的至少一个构件具有可以在1.1:1至6:1的范围内的放电状态下的第二中值横截面积MLC2与充电状态下的第一中值横截面积MLC1的比率。作为另一示例，在一个实施例中，阴极结构群的子集的至少一个构件具有可以在1.3:1至4:1的范围内的放电状态下的第二中值横截面积MLC2与充电状态下的第一中值横截面积MLC1的比率。此外，在一个实施例中，第一中值横截面积MLC1相对于第二中值横截面积MLC2的收缩可以在2％收缩至90％收缩的范围内，例如5％收缩至75％收缩，甚至10％收缩至70％收缩。也就是说，第一中值横截面积MLC1可以相对于中值横截面积MLC2收缩至少2％，例如至少5％，甚至相对于MLC2收缩至少10％，但是可以相对于MLC2收缩小于90％，例如收缩小于80％，甚至相对于MLC2收缩小于75％，例如相对于MLC2收缩小于70％。
此外，在一个实施例中，阳极结构110的群的子集的至少一个构件在充电状态下可以具有第一中值横截面积MLA1，其可以与充电状态下的阳极结构群的构件的第一横截面积A1的上述给出的值相同和/或相似。例如，在一个实施例中，阳极结构110的群的子集的至少一个构件在充电状态下可以具有至少100μm2的第一中值横截面积MLA1。作为另一示例，在一个实施例中，阳极结构110的群的子集的至少一个构件在充电状态下可以具有至少1×103μm2的第一中值横截面积MLA1。作为又一示例，在一个实施例中，阳极结构110的群的子集的至少一个构件在充电状态下可以具有至少4.7×103μm2的第一中值横截面积MLA1。作为又一示例，在一个实施例中，阳极结构110的群的子集的至少一个构件在充电状态下可以具有至少6×103μm2的第一中值横截面积MLA1。作为另一示例，在一个实施例中，阳极结构110的群的子集的至少一个构件在充电状态下可以具有至少8×103μm2的第一中值横截面积MLA1。通常，充电状态下的阳极结构群的子集的至少一个构件的第一中值横截面积MLA1可以不超过1.5×107μm2，例如，充电状态下的至少一个构件的第一中值横截面积MLA1可以不超过6.8×107μm2，甚至可以不超过5×106μm2。例如，阳极结构110的群的子集的至少一个构件的第一中值横截面积MLA1可以在100μm2至1.5×107μm2的范围内，例如4.7×103μm2至6.8×106μm2，甚至在6×103μm2至5×106μm2的范围内。
此外，在一个实施例中，阳极结构110的群的子集的至少一个构件可以在放电状态下可以具有第二中值横截面积MLA2，其与充电状态下的阳极结构群的构件的第一横截面积A2的上述给出的值相同和/或相似。例如，阳极结构110的群的子集的至少一个构件在放电状态下可以具有不大于3×107μm2的第二中值横截面积MLA2。作为另一示例，在一个实施例中，阳极结构110的群的子集的至少一个构件在放电状态下可以具有不大于1.5×107μm2的第二中值横截面积MLA2。作为另一示例，在一个实施例中，阳极结构110的群的子集的至少一个构件在放电状态下可以具有不大于7.1×106μm2的第二中值横截面积MLA2。作为另一示例，在一个实施例中，阳极结构110的群的子集的至少一个构件在放电状态下可以具有不大于5×106μm2的第二中值横截面积MLA2。作为另一示例，在一个实施例中，阳极结构110的群的子集的至少一个构件在放电状态下可以具有不大于3×106μm2的第二中值横截面积MLA2。通常，充电状态下的阳极结构群的子集的至少一个构件的第二中值横截面积MLA2为至少1.5×103μm2，例如，放电状态下的至少一个构件的第二中值横截面积MLA2可以是至少1.6×103μm2，甚至为至少3×103μm2。例如，放电状态下的第二中值横截面积MLA2可以在500μm2至3×107μm2的范围内，例如1.6×103μm2至7.1×106μm2，甚至在3×103μm2至5×106μm2的范围内。
在又一实施例中，阳极结构110的群的子集的至少一个构件可以具有充电状态下的第一中值横截面积MLA1与放电状态下的第二中值横截面积MLA2的比率，其与充电状态下的第一横截面积A1与放电状态下的第二横截面积A2的比率的上述给出的值相同和/或相似。例如，在一个实施例中，阳极结构群的子集的至少一个构件具有至少1.01:1的充电状态下的第一中值横截面积MLA1与放电状态下的第二中值横截面积MLA2的比率。作为另一示例，在一个实施例中，阳极结构群的子集的至少一个构件具有至少1.05:1的充电状态下的第一中值横截面积MLA1与放电状态下的第二中值横截面积MLA2的比率。作为另一示例，在一个实施例中，阳极结构群的子集的至少一个构件具有至少1.5:1的充电状态下的第一中值横截面积MLA1与放电状态下的第二中值横截面积MLA2的比率。作为另一示例，在一个实施例中，阳极结构群的子集的至少一个构件具有至少2:1的充电状态下的第一中值横截面积MLA1与放电状态下的第二中值横截面积MLA2的比率。作为另一示例，在一个实施例中，阳极结构群的子集的至少一个构件具有至少3:1的充电状态下的第一中值横截面积MLA1与放电状态下的第二中值横截面积MLA2的比率。作为另一示例，在一个实施例中，阳极结构群的子集的至少一个构件具有至少4:1的充电状态下的第一中值横截面积MLA1与放电状态下的第二中值横截面积MLA2的比率。作为另一示例，在一个实施例中，阳极结构群的子集的至少一个构件具有至少5:1的充电状态下的第一中值横截面积MLA1与放电状态下的第二中值横截面积MLA2的比率。例如，在一个实施例中，阳极结构群的子集的至少一个构件具有可以在1.01:1至5:1的范围内的充电状态下的第一中值横截面积MLA1与放电状态下的第二中值横截面积MLA2的比率。作为另一示例，在一个实施例中，阳极结构群的子集的至少一个构件具有可以在1.01:1至4:1的范围内的充电状态下的第一中值横截面积MLA1与放电状态下的第二中值横截面积MLA2的比率。作为另一示例，在一个实施例中，阳极结构群的子集的至少一个构件具有可以在1.01:1至3:1的范围内，甚至在1.5:1至3:1的范围内的充电状态下的第一中值横截面积MLA1与放电状态下的第二中值横截面积MLA2的比率。
根据又一实施例，通过计算在每个构件的多个纵向平面中测量的横截面积的中值(例如，MLA和/或MLC)，然后取针对阳极结构群或阴极结构群的子集(例如，至少两个构件)测量的该值的中值，来分别测量阳极结构群或阴极结构群的子集的中值横截面积MOA和/或MOC。也就是说，MOA和/或MOC可以被理解为在多个纵向平面中并且跨多个阳极和/或阴极测量的横截面积的“总体”中值。计算该中值以获得MOA和/或MOC所跨的阳极和/或阴极的子集可以对应于上述任何子集。与上述MAA、MLA、MAC和MLC值类似，阳极结构群的子集在二次电池处于充电状态时具有第一中值横截面积MOA1，并且在二次电池处于放电状态时具有第二中值横截面积MOA2，阴极结构群的子集在二次电池处于充电状态时具有第一中值横截面积MOC1，并且在二次电池处于放电状态时具有第二中值横截面积MOC2，其中MOA1大于MOA2，MOC1小于MOC2。
在一个实施例中，阴极结构112的群的子集在充电状态下可以具有第一中值横截面积MOC1，其可以与充电状态下的阴极结构群的构件的第一横截面积C1的上述给出的值相同和/或相似。例如，在一个实施例中，阴极结构112的群的子集在充电状态下可以具有不大于3×107μm2的第一中值横截面积MOC1。作为另一示例，在一个实施例中，阴极结构112的群的子集在充电状态下可以具有不大于1×107μm2的第一中值横截面积MOC1。作为又一示例，在一个实施例中，阴极结构112的群的子集在充电状态下可以具有不大于9.03×106μm2的第一中值横截面积MOC1。作为又一示例，在一个实施例中，阴极结构112的群的子集在充电状态下可以具有不大于8×106μm2的第一中值横截面积MOC1。作为另一示例，在一个实施例中，阴极结构112的群的子集在充电状态下可以具有不大于5×106μm2的第一中值横截面积MOC1。通常，阴极结构群的子集的第一中值横截面积MOC1可以是至少2.0×106μm2，例如，充电状态下的第一中值横截面积MOC1可以是至少2.6×102μm2，甚至至少5×102μm2。例如，阴极结构群的子集的第一中值横截面积MOC1可以在1×102μm2至3×107μm2的范围内，例如2.6×102μm2至9.03×106μm2，甚至在3×102μm2至8×106μm2的范围内。
此外，在一个实施例中，阴极结构112的群的子集在放电状态下可以具有第二中值横截面积MOC2，其可以与放电状态下的阴极结构群的构件的第二横截面积C2的上述给出的值相同和/或相似。例如，在一个实施例中，阴极结构112的群的子集在放电状态下可以具有至少1.01×102μm2的第二中值横截面积MOC2。作为另一示例，在一个实施例中，阴极结构112的群的子集在放电状态下可以具有至少1.05×102μm2的第二中值横截面积MOC2。作为另一示例，在一个实施例中，阴极结构112的群的子集在放电状态下可以具有至少1.05×103μm2的第二中值横截面积MOC2。作为另一示例，阴极结构112的群的子集在放电状态下可以具有至少1.1×103μm2的第二中值横截面积MOC2。作为另一示例，阴极结构112的群的子集在放电状态下可以具有至少1.5×103μm2的第二中值横截面积MOC2。通常，放电状态下的阴极结构群的子集的第二中值横截面积MOC2不超过1.5×1010μm2，例如，放电状态下的第二中值横截面积MOC2可以不超过9.5×106μm2，甚至可以不超过1×106μm2。例如，放电状态下的阴极结构群的子集的第二中值横截面积MOC2可以在1.01×102μm2至1.5×1010μm2的范围内，例如1.05×103μm2至9.5×106μm2，甚至在1.1×102μm2至1×106μm2的范围内。
在又一实施例中，在一个实施例中，阴极结构112的群的子集可以具有放电状态下的第二中值横截面积MOC2与充电状态下的第一中值横截面积MOC1的比率，其与放电状态下的阴极结构群的构件的第二横截面积C2与充电状态下的阴极结构群的构件的第一横截面积C1的比率的上述给出的值相同和/或相似。例如，在一个实施例中，阴极结构群的子集具有至少1.05:1的放电状态下的第二中值横截面积MOC2与充电状态下的第一中值横截面积MOC1的比率。作为另一示例，在一个实施例中，阴极结构群的子集具有至少1.1:1的放电状态下的第二中值横截面积MOC2与充电状态下的第一中值横截面积MOC1的比率。作为另一示例，在一个实施例中，阴极结构群的子集具有至少1.3:1的放电状态下的第二中值横截面积MOC2与充电状态下的第一中值横截面积MOC1的比率。作为另一示例，在一个实施例中，阴极结构群的子集具有至少2:1的放电状态下的第二中值横截面积MOC2与充电状态下的第一中值横截面积MOC1的比率。作为另一示例，在一个实施例中，阴极结构群的子集具有至少3:1的放电状态下的第二中值横截面积MOC2与充电状态下的第一中值横截面积MOC1的比率。作为另一示例，在一个实施例中，阴极结构群的子集具有至少4:1的放电状态下的第二中值横截面积MOC2与充电状态下的第一中值横截面积MOC1的比率。作为另一示例，在一个实施例中，阴极结构群的子集具有至少6:1的放电状态下的第二中值横截面积MOC2与充电状态下的第一中值横截面积MOC1的比率。通常，第二中值横截面积MOC2与第一中值横截面积MOC1的比率不超过约15:1，不超过10:1，例如不超过8:1。例如，阴极结构群的子集具有可以在1.05:1至6:1的范围内的放电状态下的第二中值横截面积MOC2与充电状态下的第一中值横截面积MOC1的比率。作为另一示例，阴极结构群的子集具有可以在1.1:1至4:1的范围内的放电状态下的第二中值横截面积MOC2与充电状态下的第一中值横截面积MOC1的比率。作为另一示例，阴极结构群的子集具有可以在1.3:1至4:1的范围内的放电状态下的第二中值横截面积MOC2与充电状态下的第一中值横截面积MOC1的比率。此外，在一个实施例中，第一中值横截面积MOC1相对于第二中值横截面积MOC2的收缩可以在2％收缩至90％收缩的范围内，例如5％收缩至75％收缩，甚至10％收缩至70％收缩。也就是说，第一中值横截面积MOC1可以相对于中值横截面积MOC2收缩至少2％，例如至少5％，甚至相对于MOC2收缩至少10％，但是可以相对于MOC2收缩小于90％，例如小于80％，甚至相对于MOC2收缩小于75％，例如相对于MOC2收缩小于70％。
此外，在一个实施例中，阳极结构110的群的子集在充电状态下可以具有第一中值横截面积MOA1，其可以与充电状态下的阳极结构群的构件的第一横截面积A1的上述给出的值相同和/或相似。例如，在一个实施例中，阳极结构110的群的子集在充电状态下可以具有大于100的第一中值横截面积MOA1。作为另一示例，在一个实施例中，阳极结构110的群的子集在充电状态下可以具有至少100μm2的第一中值横截面积MOA1。作为又一示例，在一个实施例中，阳极结构110的群的子集在充电状态下可以具有至少1×103μm2的第一中值横截面积MOA1。作为又一示例，在一个实施例中，阳极结构110的群的子集在充电状态下可以具有至少4.7×103μm2的第一中值横截面积MOA1。作为另一示例，在一个实施例中，阳极结构110的群的子集在充电状态下可以具有至少6×103μm2的第一中值横截面积MOA1。作为另一示例，在一个实施例中，阳极结构110的群的子集在充电状态下可以具有至少8×103μm2的第一中值横截面积MOA1。通常，充电状态下的阳极结构群的子集的第一中值横截面积MOA1不超过1.5×107μm2，例如，充电状态下的第一中值横截面积MOA1可以不超过6.8×107μm2，甚至可以不超过5×106μm2。例如，充电状态下的第一中值横截面积MOA1可以在100μm2至1.5×107μm2的范围内，例如4.7×103μm2至6.8×106μm2，甚至在6×103μm2至5×106μm2的范围内。
此外，在一个实施例中，阳极结构110的群的子集在放电状态下可以具有第二中值横截面积MOA2，其与放电状态下的阳极结构群的构件的第二横截面积A2的上述给出的值相同和/或相似。例如，在一个实施例中，阳极结构110的群的子集在放电状态下可以具有不大于3.3×107μm2的第二中值横截面积MOA2。作为另一示例，在一个实施例中，阳极结构110的群的子集在放电状态下可以具有不大于1.5×107μm2的第二中值横截面积MOA2。作为另一示例，在一个实施例中，阳极结构110的群的子集在放电状态下可以具有不大于7.1×106μm2的第二中值横截面积MOA2。作为另一示例，在一个实施例中，阳极结构110的群的子集在放电状态下可以具有不大于5×106μm2的第二中值横截面积MOA2。作为另一示例，在一个实施例中，阳极结构110的群的子集在放电状态下可以具有不大于3×106μm2的第二中值横截面积MOA2。通常，充电状态下的阳极结构群的子集的第二中值横截面积MOA2为至少1.5×103μm2，例如，放电状态下的第二中值横截面积MOA2可以是至少1.6×103μm2，甚至为至少3×103μm2。例如，充电状态下的阳极结构群的子集的第二中值横截面积MOA2可以在500μm2至3×107μm2的范围内，例如1.6×103μm2至7.1×106μm2，甚至在3×103μm2至5×106μm2的范围内。
在又一实施例中，阳极结构110的群的子集可以具有充电状态下的第一中值横截面积MOA1与放电状态下的第二中值横截面积MOA2的比率，其与充电状态下的阳极结构群的构件的第一横截面积A1与放电状态下的阳极结构群的构件的第二横截面积A2的比率的上述给出的值相同和/或相似。例如，在一个实施例中，阳极结构群的子集具有至少1.01:1的充电状态下的第一中值横截面积MOA1与放电状态下的第二中值横截面积MOA2的比率。作为另一示例，在一个实施例中，阳极结构群的子集具有至少1.05:1的充电状态下的第一中值横截面积MOA1与放电状态下的第二中值横截面积MOA2的比率。作为另一示例，在一个实施例中，阳极结构群的子集具有至少1.5:1的充电状态下的第一中值横截面积MOA1与放电状态下的第二中值横截面积MOA2的比率。作为另一示例，在一个实施例中，阳极结构群的子集具有至少2:1的充电状态下的第一中值横截面积MOA1与放电状态下的第二中值横截面积MOA2的比率。作为另一示例，在一个实施例中，阳极结构群的子集具有至少3:1的充电状态下的第一中值横截面积MOA1与放电状态下的第二中值横截面积MOA2的比率。作为另一示例，在一个实施例中，阳极结构群的子集具有至少4:1的充电状态下的第一中值横截面积MOA1与放电状态下的第二中值横截面积MOA2的比率。作为另一示例，在一个实施例中，阳极结构群的子集具有至少5:1的充电状态下的第一中值横截面积MOA1与放电状态下的第二中值横截面积MOA2的比率。例如，在一个实施例中，阳极结构群的子集具有可以在1.01:1至4:1的范围内的充电状态下的第一中值横截面积MOA1与放电状态下的第二中值横截面积MOA2的比率。作为另一示例，在一个实施例中，阳极结构群的子集具有可以在1.01:1至3:1的范围内，甚至在1.5:1至3:1的范围内的充电状态下的第一中值横截面积MOA1与放电状态下的第二中值横截面积MOA2的比率。
在又一实施例中，在二次电池充电和/或放电时可发生的阳极结构群和/或阴极结构群的构件的大小变化被反映在阳极结构群和阴极结构群中的一者或多者的子集的宽度变化中。如上面也已类似地讨论的，阳极结构群的子集在二次电池处于充电状态时可以具有第一宽度WA1，并且在二次电池处于放电状态时可以具有第二宽度WA2，并且阴极结构群的子集在二次电池处于充电状态时可以具有第一宽度WC1，并且在二次电池处于放电状态时可以具有第二宽度WC2，其中WA1大于WA2，并且WC1小于WC2。在一个实施例中，宽度WA和WC通过测量第一纵向平面113被正交X-Y平面123二分(bisection)而形成的线上的点之间的距离来测量，其中Y轴平行于纵向，X轴分别平行于阳极结构群和阴极结构群的构件的长度LA和Lc的方向。例如，参考图1D所示，宽度可以沿着由纵向平面113被X-Y平面123二分而形成的线，从构件的第一侧上的第一点125a到构件的第二侧上的同一线上的第二点125b测量。在一个实施例中，X-Y平面123可以位于阳极结构群和/或阴极结构群的一个或多个构件的高度HA或HC的中点处，其中该高度在与阳极结构群和/或阴极结构群的构件的纵向方向和长度LA或LC的方向二者都正交的方向上测量。在另一实施例中，X-Y平面位于沿电极的高度(例如，HA和/或HC)的一位置处，该位置是阴极结构群和/或阳极结构群的构件的总高度H的25％至75％之间的任何位置。替代地和/或附加地，阳极结构群和/或阴极结构群的构件的宽度可以对应于在构件的宽度方向上(例如，沿着纵向轴)测量的构件的费雷特直径，其中费雷特直径是在宽度方向上限制构件的两个平行平面之间的距离，其是在平行于两个平面的方向上测量的。
因此，在一个实施例中，阴极结构112的群的子集在充电状态下具有不大于5000μm的第一宽度WC1。作为另一示例，在一个实施例中，阴极结构群的构件的子集在充电状态下具有不大于3000μm的第一宽度WC1。作为又一示例，在一个实施例中，阴极结构群的构件的子集在充电状态下具有小于1.9×103μm的第一宽度WC1。作为又一示例，在一个实施例中，阴极结构群的构件的子集在充电状态下具有不大于1000μm的第一宽度WC1。作为另一示例，在一个实施例中，阴极结构群的构件的子集在充电状态下具有不大于500μm的第一宽度WC1。通常，在充电状态下的第一宽度WC1将为至少2μm，例如至少5μm，甚至至少15μm。例如，在一个实施例中，阴极结构群的构件的子集在充电状态下可以具有在2μm至5000μm的范围内，例如5μm至1900μm，甚至15μm至1000μm的范围内的第一宽度WC1。
在一个实施例中，阴极结构群的构件的子集在放电状态下具有至少5μm的第二宽度WC2。作为另一示例，在一个实施例中，阴极结构群的构件的子集在放电状态下具有至少10μm的第二宽度WC2。作为另一示例，在一个实施例中，阴极结构群的构件的子集在放电状态下具有至少20μm的第二宽度WC2。作为另一示例，在一个实施例中，阴极结构群的构件的子集在放电状态下具有至少50μm的第二宽度WC2。作为另一示例，在一个实施例中，阴极结构群的构件的子集在放电状态下具有至少100μm的第二宽度WC2。通常，放电状态下的第二宽度WC2小于5,000μm，例如小于2,000μm，甚至小于1000μm。例如，在一个实施例中，阴极结构112的群的构件的子集在放电状态下具有在5μm至5,000μm，例如20μm至2,000μm，甚至50μm至1000μm的范围内的第二宽度WC2。
在又一实施例中，在一个实施例中，群子集的放电状态下的阴极结构112的第二宽度WC2与充电状态下的阴极结构112的第一宽度WC1的比率为至少1.05:1。作为另一示例，在一个实施例中，群子集的阴极结构112的第二宽度WC2与阴极结构112的第一宽度WC1的比率为至少1.1:1。作为另一示例，在一个实施例中，群子集的阴极结构112的第二宽度WC2与阴极结构112的第一宽度WC1的比率为至少1.3:1。作为另一示例，在一个实施例中，群子集的阴极结构112的第二宽度WC2与阴极结构112的第一宽度WC1的比率为至少2:1。作为另一示例，在一个实施例中，群子集的阴极结构112的第二宽度WC2与阴极结构112的第一宽度WC1的比率为至少3:1。作为另一示例，在一个实施例中，群子集的阴极结构112的第二宽度WC2与阴极结构112的第一宽度WC1的比率为至少4:1。作为另一示例，在一个实施例中，群子集的阴极结构112的第二宽度WC2与阴极结构112的第一宽度WC1的比率为至少6:1。通常，第二宽度WC2与第一宽度WC1的比率不超过15:1，例如不超过10:1，甚至不超过8:1。例如，在一个实施例中，群子集的阴极结构112的第二宽度WC2与阴极结构112的第一宽度WC1的比率可以在1.05:1至15:1的范围内。作为另一示例，在一个实施例中，群子集的阴极结构112的第二宽度WC2与阴极结构112的第一宽度WC1的比率可以在1.1:1至6:1的范围内。作为另一示例，在一个实施例中，群子集的阴极结构112的第二宽度WC2与阴极结构112的第一宽度WC1的比率可以在1.3:1至4:1的范围内。作为另一示例，在一个实施例中，第一宽度WC1相对于第二宽度WC2的收缩可以在2％收缩至90％收缩，例如5％收缩至75％收缩的范围内。也就是说，第一宽度WC1可以相对于第二中值宽度WC2收缩至少2％，例如相对于第二宽度WC2收缩至少5％，甚至至少10％，但是可以相对于第二宽度WC2收缩小于90％，例如相对于第二宽度WC2收缩小于80％，甚至小于75％。
此外，在一个实施例中，阳极结构110的群的子集在充电状态下可以具有至少50μm的第一宽度WA1。作为另一示例，在一个实施例中，阳极结构群的构件的子集在充电状态下具有至少75μm的第一宽度WA1。作为另一示例，在一个实施例中，阳极结构群的构件的子集在充电状态下具有至少90μm的第一宽度WA1。作为另一示例，在一个实施例中，阳极结构群的构件的子集在充电状态下具有至少150μm的第一宽度WA1。作为另一示例，在一个实施例中，阳极结构群的构件的子集在充电状态下具有至少200μm的第一宽度WA1。通常，充电状态下的第一宽度WA1不超过2000μm，例如不超过1520μm，甚至不超过1000μm。例如，在一个实施例中，阳极结构110的群的构件的子集在充电状态下具有在50μm至2000μm，例如90μm至1520μm，甚至150μm至1000μm的范围内的第一宽度WA1。
在一个实施例中，阳极结构群的构件的子集在放电状态下具有不大于2500μm的第二宽度WA2。作为另一示例，在一个实施例中，阳极结构群的构件的子集在放电状态下具有不大于2000μm的第二宽度WA2。作为另一示例，在一个实施例中，阳极结构群的构件的子集在放电状态下具有不大于1500μm的第二宽度WA2。作为另一示例，在一个实施例中，阳极结构群的构件的子集在放电状态下具有不大于1000μm的第二宽度WA2。作为另一示例，在一个实施例中，阳极结构群的构件的子集在放电状态下具有不大于800μm的第二宽度WA2。通常，放电状态下的第二宽度WA2为至少15μm，例如至少30μm，甚至至少60μm。例如，在一个实施例中，阳极结构110的群的构件的子集在放电状态下具有在15μm至2500μm，例如30μm至1500μm，甚至60μm至1000μm的范围内的第二宽度WA2。
在又一实施例中，群子集的充电状态下的阳极结构110的第一宽度WA1与放电状态下的阳极结构110的第二宽度WA2的比率为至少1.01:1。作为另一示例，在一个实施例中，群子集的充电状态下的阳极结构110的第一宽度WA1与放电状态下的阳极结构110的第二宽度WA2的比率为至少1.05:1。作为另一示例，在一个实施例中，群子集的充电状态下的阳极结构110的第一宽度WA1与放电状态下的阳极结构110的第二宽度WA2的比率为至少1.5:1。作为另一示例，在一个实施例中，群子集的充电状态下的阳极结构110的第一宽度WA1与放电状态下的阳极结构110的第二宽度WA2的比率为至少2:1。作为另一示例，在一个实施例中，群子集的充电状态下的阳极结构110的第一宽度WA1与放电状态下的阳极结构110的第二宽度WA2的比率为至少3:1。作为另一示例，在一个实施例中，群子集的充电状态下的阳极结构110的第一宽度WA1与放电状态下的阳极结构110的第二宽度WA2的比率为至少4:1。作为另一示例，在一个实施例中，群子集的充电状态下的阳极结构110的第一宽度WA1与放电状态下的阳极结构110的第二宽度WA2的比率为至少5:1。例如，在一个实施例中，群子集的充电状态下的阳极结构110的第一宽度WA1与放电状态下的阳极结构110的第二宽度WA2的比率可以在1.0:1至5:1的范围内。作为另一示例，在一个实施例中，群子集的充电状态下的阳极结构110的第一宽度WA1与放电状态下的阳极结构110的第二宽度WA2的比率可以在1.01:1至4:1的范围内。作为另一示例，在一个实施例中，群子集的充电状态下的阳极结构110的第一宽度WA1与放电状态下的阳极结构110的第二宽度WA2的比率可以在1.01:1至3:1的范围内，甚至可以在1.5:1至3:1的范围内。
在一个实施例中，充电和放电状态下的阳极结构110和阴极结构112的构件的大小(例如尺寸和横截面积，例如上面描述的那些)是在已经执行二次电池102的初始形成阶段之后执行的充电和/或放电步骤中实现的。也就是说，在具有电极组件106的二次电池102的制造中，可以执行初始形成阶段，该初始形成阶段包括二次电池102的至少一个初始充电循环，该步骤可以在精心控制的条件(包括电流、温度和持续时间中的一者或多者)下执行，以促进在二次电池102的部件之间形成期望的结构和接触。初始形成阶段根据特定的电池结构和组成可以仅包括单个初始充电循环，或者可以包括多个充电循环，可以作为制造的最后阶段执行以使二次电池102达到其全部功率和/或容量。根据一个实施例，阳极和/或阴极结构的一个或多个尺寸也可以在初始形成阶段期间随着二次电池102被充电和/或放电而改变，这也在下面进一步详细讨论。因此，在一个实施例中，这里提到的阴极和阳极结构110、112的尺寸及其变化是在初始形成阶段之后的二次电池的充电和/或放电期间出现的尺寸及其变化。然而，在另一实施例中，这里提到的尺寸及其变化也可以对应于作为初始形成阶段的一部分而出现的尺寸及其变化。
在一个实施例中，阴极结构110的群的构件包括具有多孔结构的阴极活性材料层138，其中阴极活性材料层138的孔隙率可以根据在二次电池102的充电/放电时阴极结构112的膨胀/收缩而改变。例如，参考图3，阴极结构112的群的构件可包括阴极活性材料层138，阴极活性材料层138具有分布在材料的多孔基体(matrix)204中的阴极活性材料202，其中多孔基体204包括在其中形成的孔200和/或间隙。在图3所示的实施例中，阴极活性材料层138包括分散在多孔基体204中的阴极活性材料的颗粒202。阴极活性材料层138还可以可选地包括类似地分散在多孔基体204中的填料颗粒206。在所示的实施例中，多孔基体的孔隙率相对较高，并且多孔基体包括基体材料的网和/或链(strand)，这些网和/或链连接阴极活性材料的颗粒202和/或填料的颗粒206，其中在基体材料的相邻的网和/或链之间形成孔200和/或间隙。因此，在一个实施例中，多孔基体204可以被理解为充当将阴极活性材料的颗粒结合在一起以形成阴极活性材料层138的粘合剂。在另一实施例中，多孔基体204可以附加地和/或替代地包括基体材料的较厚部分，基体材料的该较厚部分颗粒202至少部分地、甚至完全地嵌入在基体材料的该较厚部分中，其中在该较厚的基体材料部分中形成孔。在某些实施例中，基体204的孔隙率(即空隙分数)可以与基体材料中的孔202和/或间隙的体积和/或数量相关，并且可以根据二次电池102的充电/放电状态而变化，也可以被选择以提供阴极活性材料层138的性能，如下面更详细地讨论的。
根据一个实施例，阴极结构112的群的构件的压缩和/或膨胀可导致阴极活性材料层138的压缩和/或膨胀，使得在阴极结构112的群的构件膨胀时，孔和/或间隙200的大小和/或数量增加；并且在阴极结构112的群的构件压缩时，大小和/或数量减小。也就是说，在二次电池102在充电状态与放电状态之间循环期间，阴极结构112的群的构件的压缩和/或膨胀导致阴极活性材料层138的孔隙率的变化。在图4A至4B所示的实施例中，阴极结构112的群的构件被示出为在图4A中处于充电状态且具有宽度WC1，在图4B中处于放电状态且具有宽度WC2，其中宽度WC2大于宽度WC1。类似地，图4B所示的放电状态下的阴极结构112的群的构件的横截面积C2高于图4A所示的充电状态下的横截面积C1。也就是说，阴极结构112的群的构件被示出为在图4A中处于更加压缩的状态，在图4B中被示出为处于更膨胀的状态，它们分别对应于例如二次电池102的充电状态和放电状态。应注意，图4A至4B进一步示出了具有阳极活性材料层132、阳极集电体136和阳极主干134的阳极结构110；位于阳极结构群构件110和阴极结构群构件112之间的隔膜130；以及具有阴极主干141和阴极集电体140的阴极结构112。然而，应理解，具有阳极和阴极结构110、112的电极组件106不限于此，还可以提供阳极和阴极结构的部件的其它结构和/或布置。从图4A至4B所示的实施例可以看出，随着阴极活性材料层138根据放电状态的增加的体积而膨胀，阴极结构112的群的构件从图4A所示的充电状态到图4B所示的放电状态的膨胀可导致孔和/或间隙200的大小和/或数量增加。相反，随着阴极活性材料层138被压缩为充电状态的缩小的体积，阴极结构112的群体的构件从图4B所示的放电状态到图4A所示的充电状态的收缩导致阴极活性材料层138的压缩以及孔隙和/或间隙的至少部分填充。
因此，在一个实施例中，阴极结构112的群的构件包括在二次电池102处于充电状态时具有第一孔隙率P1，并且在二次电池102处于放电状态时具有第二孔隙率P2的阴极活性材料层138，其中第一孔隙率小于第二孔隙率。例如，在一个实施例中，第一孔隙率可小于30％。作为另一示例，在一个实施例中，第一孔隙率可小于20％。作为另一示例，在一个实施例中，第一孔隙率可小于10％。作为另一示例，在一个实施例中，第一孔隙率可小于5％。例如，在一个实施例中，第一孔隙率可以在1％至30％的范围内。作为另一示例，在一个实施例中，第一孔隙率可以在2％至20％的范围内。作为另一示例，在一个实施例中，第一孔隙率可以在5％至10％的范围内。此外，在一个实施例中，放电状态下的第二孔隙率可以是至少50％。例如，在一个实施例中，第二孔隙率可以是至少60％。作为另一示例，在一个实施例中，第二孔隙率可以是至少70％。作为另一示例，在一个实施例中，第二孔隙率可以是至少75％。例如，在一个实施例中，第二孔隙率可以在50％至90％的范围内。作为另一示例，在一个实施例中，第二孔隙率可以在60％至80％的范围内。作为另一示例，在一个实施例中，第二孔隙率可以在70％至75％的范围内。阴极活性材料层138的孔隙率是阴极活性材料层138中的阴极活性材料202之间的孔和/或空隙200的体积与阴极活性材料层138的整个质量占据的体积的比率。
在又一实施例中，放电状态下的阴极活性材料层138的孔隙率P2与充电状态下的阴极活性材料层138的孔隙率P1的比率为至少1.1:1。作为另一示例，在一个实施例中，放电状态下的阴极活性材料层138的孔隙率P2与充电状态下的阴极活性材料层138的孔隙率P1的比率为至少1.5:1。作为另一示例，在一个实施例中，放电状态下的阴极活性材料层138的孔隙率P2与充电状态下的阴极活性材料层138的孔隙率P1的比率为至少2:1。作为另一示例，在一个实施例中，放电状态下的阴极活性材料层138的孔隙率P2与充电状态下的阴极活性材料层138的孔隙率P1的比率为至少5:1。作为另一示例，在一个实施例中，放电状态下的阴极活性材料层138的孔隙率P2与充电状态下的阴极活性材料层138的孔隙率P1的比率为至少10:1。作为另一示例，在一个实施例中，放电状态下的阴极活性材料层138的孔隙率P2与充电状态下的阴极活性材料层138的孔隙率P1的比率为至少15:1。例如，在一个实施例中，放电状态下的阴极活性材料层138的孔隙率P2与充电状态下的阴极活性材料层138的孔隙率P1的比率在2:1至30:1的范围内。例如，在一个实施例中，放电状态下的阴极活性材料层138的孔隙率P2与充电状态下的阴极活性材料层138的孔隙率P1的比率在3:1至20:1的范围内。作为另一示例，在一个实施例中，放电状态下的阴极活性材料层138的孔隙率P2与充电状态下的阴极活性材料层138的孔隙率P1的比率在5:1至15:1的范围内。
在一个实施例中，阴极活性材料层138包括颗粒202形式的阴极活性材料。例如，在一个实施例中，阴极活性材料包括过渡金属氧化物、过渡金属硫化物、过渡金属氮化物中的至少一种的颗粒202，可以选择性地使用锂-过渡金属氧化物、锂-过渡金属硫化物和锂-过渡金属氮化物。这些过渡金属氧化物、过渡金属硫化物以及过渡金属氮化物的过渡金属元素可包括具有d-壳层或f-壳层的金属元素。这种金属元素的具体示例是Sc、Y、镧系元素、锕系元素、Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Mn、Tc、Re、Fe、Ru、Os、Co、Rh、Ir、Ni、Pb、Pt、Cu、Ag和Au。另外的阴极活性材料包括LiCoO2、LiNi0.5Mn1.5O4、Li(NixCoyAl2)O2、LiFePO4、Li2MnO4、V2O5、氧硫化钼、磷酸盐、硅酸盐、钒酸盐及其组合。在一个实施例中，阴极活性材料层138包括至少40重量％的阴极活性材料202。例如，在一个实施例中，阴极活性材料层138包括至少50重量％的阴极活性材料。作为另一示例，在一个实施例中，阴极活性材料层138包括至少60重量％的阴极活性材料。例如，阴极活性材料层138可以包括重量百分比在40％至99％的范围内的阴极活性材料。例如，在一个实施例中，阴极活性材料层138中的阴极活性材料的重量百分比可以在50％至99％的范围内。此外，在一个实施例中，阴极活性材料层138包括至少一种填料，其也可以是颗粒的形式。例如，阴极活性材料层138可包括含有至少一种含碳材料的填料颗粒，所述含碳材料例如有：炭黑；含聚合物的珠粒，例如由下面的一种或多种材料形成的珠粒：聚乙烯、聚丙烯、聚偏二氟乙烯、聚四氟乙烯、聚丙烯酸、羧甲基纤维素、聚乙烯醇、淀粉、再生纤维素、二乙酰纤维素、羟丙基纤维素、聚氯乙烯、聚乙烯吡咯烷酮、聚丁二烯、聚环氧乙烷、聚丙烯酸酯、橡胶(例如乙烯-丙烯-二烯单体(EPDM)橡胶、磺化EPDM、氟化橡胶、丁苯橡胶(SBR))、聚丙烯腈(PAN)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚丙烯酸(PAA)、交联聚乙烯(PEX、XLPE)、聚乙烯(PE)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚苯醚(PPE)、聚氯乙烯(PVC)、聚偏二氯乙烯(PVDC)、聚酰胺(PA)、聚酰亚胺(PI)、聚碳酸酯(PC)、聚四氟乙烯(PTFE)、聚苯乙烯(PS)、聚氨酯(PU)、聚酯(PE)、丙烯腈丁二烯苯乙烯共聚物(ABS)、聚甲醛(POM)、聚砜(PES)、苯乙烯-丙烯腈(SAN)、乙烯乙酸乙烯酯(EVA)、苯乙烯马来酸酐(SMA)，它们的组合、以及弹性模量在1E-5GPa和10GPa之间并且在电池中是惰性的其它惰性聚合物。具体而言，可以通过特性的工程设计来选择这些材料的浓度和粒度，以实现预定的阴极结构的可压缩性。例如，在一个实施例中，为了获得具有可压缩性相对高的阴极活性材料层的阴极结构，可以在阴极活性材料层中以相对高的浓度提供具有相对低的弹性模量(杨氏模量)的聚合物。填料和/或阴极活性材料的颗粒可以分散在基体材料中，例如如图3所示。
在一个实施例中，阴极活性材料202包括平均粒度在0.1μm至500μm的范围内的颗粒(例如，阴极活性材料颗粒和填料颗粒中的一者或多者)。作为另一示例，在一个实施例中，阴极活性材料202包括加权平均粒度在0.15μm至300μm的范围内的颗粒。作为另一示例，在一个实施例中，阴极活性材料202包括平均粒度在0.2μm至200μm的范围内的颗粒。
在一个实施例中，阴极活性材料层138包括在阴极活性材料层的0.05重量％至20重量％的范围内的填料。作为另一示例，在一个实施例中，阴极活性材料层138包括在0.1重量％至10重量％的范围内的填料。作为另一示例，在一个实施例中，阴极活性材料层138包括在0.5重量％至5重量％的范围内的填料。
在又一实施例中，阴极活性材料层138中的阴极活性材料与填料的重量比在1.5:1至30:1的范围内。在又一实施例中，阴极活性材料层138中的阴极活性材料与填料的重量比在2:1至20:1的范围内。在又一实施例中，阴极活性材料层138中的阴极活性材料与填料的重量比在3:1至15:1的范围内。
根据一个实施例，阴极活性材料层138包括分散在聚合物材料的基体中的阴极活性材料颗粒和/或填料颗粒。在一个实施例中，阴极活性材料颗粒可以基本均匀地分散在整个聚合物材料基体中。或者，在另一实施例中，阴极活性材料颗粒可以非均匀地分散在整个聚合物材料基体中，例如在整个阴极活性材料层138中提供阴极活性材料的梯度，其中阴极活性材料层138的一侧上的颗粒密度高于阴极活性材料层的另一侧上的颗粒密度。在一个实施例中，聚合物材料可包括从包含偏二氟乙烯、六氟丙烯、四氟丙烯等中的至少一者的单体衍生的含氟聚合物。在另一实施例中，聚合物材料可以是聚烯烃，例如聚乙烯、聚丙烯或聚丁烯中的至少一者，具有变化的分子量和密度的任何范围。在另一实施例中，聚合物材料选自乙烯-二烯-丙烯三元共聚物、聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙二醇、聚乙酸乙烯酯、聚乙烯醇缩丁醛、聚缩醛和聚乙二醇二丙烯酸酯。在另一实施例中，聚合物材料选自甲基纤维素、羧甲基纤维素、苯乙烯橡胶、丁二烯橡胶、苯乙烯-丁二烯橡胶、异戊二烯橡胶、聚丙烯酰胺、聚乙烯醚、聚丙烯酸、聚甲基丙烯酸和聚环氧乙烷。在另一实施例中，聚合物材料选自丙烯酸酯、苯乙烯、环氧树脂和硅氧烷。在又一实施例中，聚合物材料可包括以下一者或多者：聚乙烯、聚丙烯、聚偏二氟乙烯、聚四氟乙烯、聚丙烯酸、羧甲基纤维素、聚乙烯醇、淀粉、再生纤维素、二乙酰纤维素、羟丙基纤维素、聚氯乙烯、聚乙烯吡咯烷酮、聚丁二烯、聚环氧乙烷、聚丙烯酸酯、橡胶(例如乙烯-丙烯-二烯单体(EPDM)橡胶、磺化EPDM、氟化橡胶、丁苯橡胶(SBR))、聚丙烯腈(PAN)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚丙烯酸(PAA)、交联聚乙烯(PEX、XLPE)、聚乙烯(PE)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚苯醚(PPE)、聚氯乙烯(PVC)、聚偏二氯乙烯(PVDC)、聚酰胺(PA)、聚酰亚胺(PI)、聚碳酸酯(PC)、聚四氟乙烯(PTFE)、聚苯乙烯(PS)、聚氨酯(PU)、聚酯(PE)、丙烯腈丁二烯苯乙烯共聚物(ABS)、聚甲醛(POM)、聚砜(PES)、苯乙烯-丙烯腈(SAN)、乙烯乙酸乙烯酯(EVA)、苯乙烯马来酸酐(SMA)，它们的组合、以及弹性模量在1E-5GPa和10GPa之间并且在电池中是惰性的其它惰性聚合物。具体而言，与上述填料颗粒类似地，可以通过特性的工程设计来选择这些材料的浓度，以实现预定的阴极结构的可压缩性。例如，在一个实施例中，为了获得具有可压缩性相对高的阴极活性材料层的阴极结构，可以在阴极活性材料层中以相对高的浓度提供具有相对低的弹性模量(杨氏模量)的聚合物。在另一实施例中，聚合物材料是上述聚合物中的两种或更多种的共聚物或混合物。
在一个实施例中，阴极结构112的群的构件具有在二次电池的充电/放电期间赋予良好性能的可压缩性。例如，在一个实施例中，阴极结构112的群的一个或多个构件可以在至少0.7MPa(100psi)的压力下呈现出至少5％的压缩，该压缩由(Dimension1-Dimension2)/(Dimension1-)×100定义，其中Dimension1是放电状态下的阴极结构的尺寸(例如宽度或横截面积)，Dimension2是充电状态下的阴极结构的尺寸。作为另一示例，阴极结构群的一个或多个构件可以在0.7MPa(100psi)的压力下呈现出至少10％的压缩。作为另一示例，阴极结构群的一个或多个构件可以在0.7MPa(100psi)的压力下呈现出至少25％的压缩。作为另一示例，阴极结构群的一个或多个构件可以在70MPa(10,000psi)的压力下呈现出至少5％的压缩。作为另一示例，阴极结构群的一个或多个构件可以在70MPa(10,000psi)的压力下呈现出至少10％的压缩。例如，在一个实施例中，阴极结构112的群的一个或多个构件可以在0.7MPa(100psi)的压力下呈现出在5％至75％的范围内的压缩。作为另一示例，在一个实施例中，阴极结构112的群的一个或多个构件可以在70MPa(10,000psi)的压力下呈现出在0.5％至75％的范围内的压缩。作为另一示例，在一个实施例中，阴极结构112的群的一个或多个构件可以在0.7MPa(100psi)的压力下呈现出在20％至50％的范围内的压缩。作为另一示例，在一个实施例中，阴极结构112的群的一个或多个构件可以在70MPa(10,000psi)的压力下呈现出在20％至50％的范围内的压缩。
在一个实施例中，阴极结构112的群的构件具有阴极活性材料层138，阴极活性材料层138具有既可压缩也为弹性的填料颗粒。也就是说，填料颗粒可包括诸如聚合物珠粒或如下其它材料的颗粒：所述其它材料可以通过阴极结构的压缩而压缩，并且具有允许颗粒在压缩之前至少部分地恢复其形状的弹性。在一个实施例中，具有预定弹性水平的填料颗粒可帮助促进阴极结构在二次电池放电期间的膨胀，而不会在二次电池充电期间过度抑制阴极结构的压缩。填料颗粒还可包括根据在0.1GPa至10Gpa，例如0.1GPa至4.1GPa，甚至2.5GPa至10Gpa的范围内的杨氏模量测量的弹性。
在一个实施例中，阴极结构112的群的构件具有阴极活性材料层138，阴极活性材料层138具有不可压缩的多孔填料颗粒。该填料颗粒可包括诸如中空微球、微纤维、微管、微圆柱、微骨架、以及在电池中兼容的其它微米级和纳米级物体形状和尺寸的结构。多孔填料颗粒可包括不可压缩材料，例如多孔陶瓷材料，或具有硬陶瓷胞的多孔材料，这种材料在提供多孔内部的同时还抵制压缩。这些多孔的不可压缩颗粒可用作电极基体中的电解质储存器。当电极处于其压缩形式时，存储在这些颗粒的孔隙中的电解质可用于降低基体电极的离子电阻。
根据一方面，用作电解质储存器的填料可以由陶瓷、聚合物、金属、金属氧化物或其它相容材料制成。填料颗粒的量、大小、形状和材料特性可以针对特定用途和电池在操作期间产生的压力而定制。
在一个实施例中，填料的可压缩性和孔隙率可以根据应用和电池在操作期间产生的压力而定制。在一个情况下，填料颗粒不能在由操作中的电池施加的压力下压缩，并且储存在填料颗粒内的电解质的体积在充电和放电期间没有明显变化。在其它实施例中，填料的可压缩性小于电极基体，因此，即使填料颗粒中的电解质体积在压缩状态下比在未压缩状态下小，它也大于基体中的电解质体积，从而提供离子导电性。
被设计用作电解质储存器的填料的孔隙率优选地较高，以便在电池操作期间使颗粒中的电解质的量最大化。优选地，孔隙率在体积上可以大于填料的60％，例如大于70％，大于80％，甚至大于90％。根据一方面，填料的孔径通常可以大于5nm，例如大于10nm，甚至大于50nm，以促进离子传输。
在一个实施例中，用于构成电解质储存器的填料可以由具有大于10GPa，例如大于50GPa，甚至大于100Gpa的根据杨氏模量的弹性的材料制成。
在一个实施例中，具有能够例如彼此反向相关地膨胀和/或收缩的阳极和阴极结构群构件110、112的二次电池102能够提供协同效应，同时赋予二次电池的相对高的面积容量和/或能量密度，以及相对高的放电速率(例如，由倍率性能测量)。例如，在某些方面，二次电池102能够在其压缩下保持阴极结构110的孔隙率。不限于任一特定理论，可以认为在二次电池102放电/充电时阴极结构112的群的构件的膨胀/收缩允许在不牺牲二次电池放电速率的情况下使用提供相对高的面积容量的阴极结构112。作为澄清，应注意，二次电池102的面积容量与可提供的每单位几何面积(即，阴极活性材料体积)的相对高的阴极体积相关。通常，每单位几何面积的相对高的阴极体积导致相对较高的面积容量。然而，与较薄的阴极相比，具有体积相对高的阴极的电池(例如在纵向方向上具有相对高的厚度的电池)也可能经历放电减少，这是因为与阴极表面相反，阴极内部存在较大量的阴极活性材料。然而，不受任何理论的限制，可以认为在阴极结构112具有相对高体积的情况下，阴极结构112的膨胀/收缩以及随着膨胀/收缩而发生的阴极活性材料层138的孔隙率的变化可以允许放电速率至少部分地补偿否则可能观察到的任何减少。也就是说，假设放电期间阴极的膨胀和阴极中增加的孔隙率可以促进电解质与阴极活性材料的接触，甚至在阴极的更内部的区域，从而有助于提高放电速率。因此，本公开的方面允许提供相对大的体积的阴极活性材料(相对于阴极结构、阳极结构和隔膜的总体积)，同时保持相对高的放电速率，并且因此保持二次电池的高倍率性能。
例如，在一个实施例中，二次电池的面积容量可以被确定为电池的阳极结构群的构件的每中值相对(opposing)表面积的电池容量，其中相对表面积是面向在堆叠方向上与阳极直接相邻的阴极表面的阳极表面的部分的面积。面积容量可以以mA·h/cm2为单位测量。例如，参考图1D，对向表面积OA可以是沿阳极长度LA的点126a和126b之间的阳极表面积的那部分乘以高度HA，其中，点126b是阳极的远端，点126a是刚好未达到阳极基部的点，位于面对的阴极112的远端的对面，因此126a和126b标记直接面向相对的阴极112表面的阳极表面区域的端部。因此，在一个实施例中，二次电池的面积容量在0.1C下为至少3mA·h/cm2。作为另一示例，在一个实施例中，二次电池的能量密度在0.1C下为至少5mA·h/cm2。作为另一示例，在一个实施例中，二次电池的能量密度在0.1C下为至少8mA·h/cm2。作为另一示例，在一个实施例中，二次电池的能量密度在0.1C下为至少10mA·h/cm2。作为另一示例，在一个实施例中，二次电池的能量密度在0.1C下为至少15mA·h/cm2。作为另一示例，在一个实施例中，二次电池的能量密度在0.1C下为至少20mA·h/cm2。作为另一示例，在一个实施例中，二次电池的能量密度在0.1C下为至少25mA·h/cm2。例如，在一个实施例中，二次电池102的能量密度在0.1C下在3至50mA·h/cm2的范围内。作为另一示例，在一个实施例中，二次电池102的能量密度在0.1C下在5至25mA·h/cm2的范围内。作为另一示例，在一个实施例中，二次电池102的能量密度在0.1C下在8至20mA·h/cm2的范围内。
在一个实施例中，二次电池102可以提供更高的放电速率，该放电速率可以根据二次电池的倍率性能来定量。二次电池的倍率性能是指第一C速率下的二次电池的容量与第二C速率下的二次电池的容量的比率，以百分比表示。例如，倍率性能可以根据Capacity1/Capacity2×100计算，其中Capacity1是在第一C速率(例如1C的C速率)下放电的容量，Capacity2是在第二C速率(C/10的C速率)下放电的容量，并且倍率性能可以被表示为针对指定的比率Cx:Cy计算的百分比，其中Cx是第一C速率，Cy是第二C速率。具体而言，倍率性能度量可以用作与较低速率相比，当二次电池以较高速率放电时，二次电池的放电速率的效率的量度。作为澄清，应注意，增加二次电池的放电速度导致产生阻抗和其它可以产生而对抗更高电流的力。因此，倍率性能可以是由于放电速率的变化而发生的容量变化的量度。在一个实施例中，二次电池能够提供1C:C/10为至少75％的倍率性能。作为另一示例，二次电池能够提供1C:C/10为至少80％的倍率性能。作为另一示例，二次电池可以提供1C：C/10的至少90％的倍率性能。作为另一示例，二次电池能够提供1C:C/10为至少95％的倍率性能。作为另一示例，二次电池能够提供2C:C/10为至少75％的倍率性能。作为另一示例，二次电池能够提供2C:C/10为至少80％的倍率性能。作为另一示例，二次电池能够提供2C:C/10为至少90％的倍率性能。作为另一示例，二次电池能够提供2C:C/10为至少95％的倍率性能。作为另一示例，二次电池能够提供5C:C/10为至少75％的倍率性能。作为另一示例，二次电池能够提供5C:C/10为至少80％的倍率性能。作为另一示例，二次电池能够提供5C:C/10为至少90％的倍率性能。作为另一示例，二次电池能够提供5C:C/10为至少95％的倍率性能。
在一个实施例中，二次电池的面积容量在0.1C下为至少3mA·h/cm2，并且1C/0.1C的倍率性能为至少75％。例如，在一个实施例中，二次电池的面积容量在0.1C下为至少5mA·h/cm2，并且1C/0.1C的倍率性能为至少75％，例如1C/0.1C的倍率性能为至少80％，甚至至少90％，例如95％。作为另一示例，在一个实施例中，二次电池的面积容量在0.1C下为至少8mA·h/cm2，并且1C/0.1C的倍率性能为至少75％，例如1C/0.1C的倍率性能为至少80％，甚至至少90％，例如95％。作为另一示例，在一个实施例中，二次电池的面积容量在0.1C下为至少10mA·h/cm2，并且1C/0.1C的倍率性能为至少75％，例如1C/0.1C的倍率性能为至少80％，甚至至少90％，例如95％。作为另一示例，在一个实施例中，二次电池的面积容量在0.1C下为至少15mA·h/cm2，并且1C/0.1C的倍率性能为至少75％，例如1C/0.1C的倍率性能为至少80％，甚至至少90％，例如95％。作为另一示例，在一个实施例中，二次电池的面积容量在0.1C下为至少20mA·h/cm2，并且1C/0.1C的倍率性能为至少75％，例如1C/0.1C的倍率性能为至少80％，甚至至少90％，例如95％。作为另一示例，在一个实施例中，二次电池的面积容量在0.1C下为至少25mA·h/cm2，并且1C/0.1C的倍率性能为至少75％，例如1C/0.1C的倍率性能为至少80％，甚至至少90％，例如95％。
在又一实施例中，不限于任一特定理论，可以认为具有膨胀/收缩阴极结构112的电极组件106能够提供电解质泵送效应，该效应增加电解质向阴极结构中的阴极活性材料的运动和流动，并且帮助保持具有阴极结构112的二次电池102的高放电速率。作为澄清，并且不限于任一特定理论，应注意，二次电池102中由电解质占据的体积包括由阴极和阳极结构112、110的群的构件之间的电解质占据的体积，并且还包括由于阳极结构110的群的构件中孔等的存在而引起的任何开放体积，以及由阴极结构112的群的构件的孔隙率导致的构件中的开放体积。当二次电池102被充电时，阳极结构110的群的构件中的任何孔逐渐地被嵌入的和/或相互合金化的载体离子填充，使得占据阳极结构110的群的构件的电解质的体积减小。此外，由这种嵌入和/或相互合金化导致的阳极结构110的群的构件大小的增加如上所述可以压缩阴极结构112的群的构件，从而减小阴极结构构件中的开孔体积，使得占据阴极结构112的电解质的体积在二次电池102被充电时减小。相反，二次电池102的放电可导致载体离子的脱嵌和/或去合金化，以在阳极结构中提供更多可用体积，并且还可导致阴极结构的膨胀，这可以增加阴极结构群的构件的孔/开放体积中的电解质的可用体积和孔隙率。也就是说，在充电状态下，电解质可以在阴极结构112的群的构件的孔中占据体积V1，该体积小于放电状态下阴极结构112的群的构件的孔中的体积V2。作为解释，并且不受任何理论的限制，可以认为当在充电状态与放电状态之间循环时，阴极结构112的群的构件中(甚至在阳极结构群中)的电解质的可用体积(在V1和V2之间)的这种变化可以提供电解质泵送效应，由此在循环期间搅拌电解质和/或将电解质“泵送”到阴极活性材料层138的孔中和孔周围。因此，将电解质“泵送”到阴极活性材料层138的孔中和孔周围可以使电解质与阴极活性材料接触，并且由于在放电过程中阴极活性材料与电解质的接触增加，可以提高阴极活性材料层的放电速率。放电状态下的阴极结构112的群的构件的孔的体积V2可以与放电状态下的阴极活性材料层138的孔隙率相关，充电状态下的阴极结构112的群的构件的孔的体积V1可以与充电状态下的阴极活性材料层138的孔隙率相关。在一个实施例中，放电状态下可用于的电解质的阴极活性材料层138的体积与充电状态下的体积的比率V2:V1可以是至少1.1:1。例如，在一个实施例中，比率V2:V1可以是至少1.5:1。例如，在一个实施例中，比率V2:V1可以是至少2:1。例如，在一个实施例中，比率V2:V1可以是至少5:1。作为另一示例，在一个实施例中，比率V2:V1可以是至少10:1。作为另一示例，在一个实施例中，比率V2:V1可以是至少15:1。例如，比率V2:V1可以在1.1:1至30:1，例如1.5:1至20:1，甚至3:1至15:1的范围内。在又一实施例中，还可以提供多孔填料颗粒以促进实现充电状态和/或放电状态中的一者或多者下的预定孔体积。
在又一实施例中，可以提供一种在充电状态与放电状态之间循环的二次电池的形成方法。根据一方面，该形成方法可包括至少一个初始形成充电步骤，在该步骤中，对二次电池102进行充电，使得阳极结构110的群的构件膨胀，结果，膨胀的阳极结构110压缩阴极结构112的群的构件。一般而言，该形成阶段可涉及在重新布置和/或优化内部结构和形态的条件下执行的一个或多个初始充电步骤，使得二次电池可以被充电至其额定容量。例如，该形成阶段可涉及在精心控制的电流、温度和持续时间的条件下执行的一个或多个充电步骤，例如以最小化二次电池中的阻抗并优化电解质与电极之间的接触。在一个实施例中，在形成阶段期间，阳极结构110的群的构件可以将阴极活性材料的可压缩层138压缩至小于初始形成阶段之前的阴极活性材料层138的原始尺寸的尺寸。因此，初始形成阶段可以提供阴极结构112的群的构件的原位形成，这些构件具有预定的大小、横截面积和/或体积、以及阴极活性材料在阴极结构群构件的阴极活性材料层138中的预定的密度、孔隙率和/或体积％。在一个实施例中，初始形成阶段压缩阴极结构112的群的子集，使得横截面积从初始形成步骤之前的初始横截面积Ci减小到初始形成阶段之后的形成后横截面积Cf，Cf小于初始横截面积Ci的95％。作为另一示例，在一个实施例中，初始形成阶段压缩阴极结构112的群的子集，使得横截面积从初始形成阶段之前的初始横截面积Ci减小到初始形成阶段之后的形成后横截面积Cf，Cf小于初始横截面积Ci的90％。作为另一示例，在一个实施例中，初始形成阶段压缩阴极结构112的群的子集，使得横截面积从初始形成阶段之前的初始横截面积Ci减小到初始形成阶段之后的形成后横截面积Cf，Cf小于初始横截面积Ci的80％。作为另一示例，在一个实施例中，初始形成阶段可以压缩阴极结构112的群的子集，使得横截面积从初始形成阶段之前的初始横截面积Ci减小到初始形成阶段之后的形成后横截面积Cf，Cf小于初始横截面积Ci的70％。通常，形成后横截面积Cf将是初始横截面积Ci的至少25％。例如，初始形成步骤可以将阴极结构112的群的子集压缩到横截面积Cf，横截面积Cf在Ci的25％至95％的范围内，例如在Ci的30％至80％的范围内，甚至在Ci的40％至60％的范围内。此外，根据一个实施例，上述根据MAC(例如，多于一个阴极构件的横截面积的中值)、MLC(例如，沿着阴极构件的不同纵向平面处的横截面积的中值)和/或MOC(例如，MAC和MLC的中值)测量的中值横截面积可被用于确定初始形成期间阴极结构的群的子集的压缩程度，并且可以将形成后的中值横截面积呈现为形成前的中值横截面积的百分比，该百分比与上述将Cf呈现为Ci的百分比的范围相似和/或相同。
此外，形成阶段可导致阳极结构群的构件的大小增加。例如，阳极结构群的子集的初始横截面积Ai可以增加到形成后的横截面面积Af，提供至少为1.1:1的Af:Ai的比率，例如至少1.3:1，甚至至少1.5:1。例如，比率Af:Ai可以是至少2:1，甚至可以是至少3:1，例如至少4:1，甚至至少5:1。例如，初始形成步骤之前的阴极结构群的子集的横截面积Ci可以在800μm2至8×106μm2的范围内，例如1000μm2至5×106μm2，甚至1500μm2至3×106μm2。与此形成对比，初始形成步骤之后的阴极结构群的子集的横截面积Cf可以在3500μm2至8×106μm2的范围内，例如4000μm2至5.05×106μm2，甚至500μm2至3×106μm2。此外，根据一个实施例，上述根据MAA(例如，多于一个阳极构件的横截面积的中值)、MLA(例如，沿着阳极构件的不同纵向平面处的横截面积的中值)和/或MOA(例如，MAA和MLA的中值)测量的中值横截面积可被用于确定初始形成阶段期间阳极结构的群的子集的膨胀程度，并且可以将形成后的中值横截面积呈现为形成前的中值横截面积的百分比，该百分比与上述Af与Ai的比率的范围相似和/或相同。
在又一实施例中，初始形成阶段可包括对二次电池102进行充电以压缩阴极活性材料层138来减小其孔隙率，和/或增加由阴极活性材料颗粒和/或填料占据的阴极活性材料层138的体积％(例如，以使阴极活性材料层致密化)。作为示例，在一个实施例中，初始形成阶段之前的阴极活性材料层138中的颗粒的体积％可以不大于50％，例如不大于30％，甚至不大于25％。相反，初始形成阶段之后的阴极活性材料层138中的颗粒的体积％可以是至少60％，例如至少75％，甚至至少85％，例如至少95％。
根据又一实施例，初始形成阶段可包括对二次电池102进行充电，使得阳极结构110的群的构件膨胀，并且以使得微孔隔膜至少部分地粘附到阴极结构群和阳极结构群的构件的压力将微孔隔膜130压靠在阴极结构112和/或阳极结构上。也就是说，在微孔隔膜130包括聚合物或能够至少部分地塑化和/或以其它方式粘附到阴极结构112和/或阳极结构110的群的构件的其它材料的情况下，微孔隔膜130压靠在构件上可导致隔膜和构件至少部分地彼此粘附。在一个实施例中，微孔隔膜至少部分地粘附到阴极结构和/或阳极结构构件可导致阴极结构构件在二次电池102的放电时膨胀。作为澄清，应注意，二次电池的充电导致阳极结构110的群的构件膨胀，并且该膨胀还可以拉伸与阳极结构构件相邻的弹性微孔隔膜130的部分。此外，当阳极结构110的群的构件在二次电池102的放电期间收缩时，弹性微孔隔膜也可收缩回到更松弛的状态，例如基本上与阳极结构群构件110的收缩轮廓共形(conformally)。然而，当隔膜130至少部分地粘附到构件时，隔膜的收缩还施加力以拉动至少部分地粘附到微孔隔膜的阴极结构112的群的构件的表面，从而导致构件的大小膨胀。也就是说，隔膜130至少部分地粘附到阴极结构112和/或阳极结构110的群的构件因此可导致在二次电池102的放电期间，阴极结构群构件112随着阳极结构110的群构件的收缩而同时膨胀，例如使得阴极结构群构件112的大小以与阳极结构群构件110的大小的收缩反向相关的方式膨胀。在一个实施例中，初始形成阶段包括对二次电池102进行充电，使得阳极结构110的群的构件膨胀，并以足以至少部分地将微孔隔膜130的表面处的微孔隔膜的聚合物材料融合到阴极结构112的阴极活性材料层138的接触表面处以及阳极结构112的接触表面处的聚合物基体材料的压力，将微孔隔膜130压靠在阴极结构112的群构件上，使得在二次电池102的循环期间，阴极活性材料层138在隔膜弯曲(flex)和/或收缩的同时膨胀和/或收缩。
在一个实施例中，初始形成阶段包括对二次电池进行充电，使得阳极结构群的构件膨胀，并施加压力以通过至少1,000psi的压力将微孔隔膜130压靠在阴极结构和/或阳极结构的群的构件上。在另一实施例中，在初始形成阶段期间以至少3,000psi的压力将微孔隔膜压靠在阴极结构群和/或阳极结构的构件上。在又一实施例中，在初始形成阶段期间以至少5,000psi的压力将微孔隔膜压靠在阴极结构群和/或阳极结构群的构件上。在又一实施例中，在初始形成阶段期间以至少10,000psi的压力将微孔隔膜压靠在阴极结构群和/或阳极结构群的构件上。
下面将进一步详细地描述具有可压缩阴极结构112的能量存储装置100(诸如二次电池102)及其部件的实施例。
电极组件
再次参考图1A至1B，在一个实施例中，交错电极组件106包括阳极结构110的群、阴极结构112的群、以及使得阳极结构110与阴极结构112电绝缘的电绝缘微孔隔膜130。在一个实施例中，阳极结构110包括阳极活性材料层132、支撑阳极活性材料层132的阳极主干134、以及阳极集电体136，阳极集电体可以是离子多孔集电体以允许离子通过，如图7中示出的实施例所示。类似地，在一个实施例中，阴极结构112包括阴极活性材料层138、阴极集电体140、以及支撑阴极集电体140和/或阴极活性材料层138中的一者或多者的阴极主干141，例如在图7中示出的实施例中所示。电绝缘微孔隔膜130允许载体离子在充电和/或放电过程中通过，以在电极组件106中的阳极结构110和阴极结构112之间行进。此外，应该理解，阳极和阴极结构110和112分别不限于本文所述的具体实施例和结构，并且还可以提供除了本文具体描述的之外的其它配置、结构和/或材料以形成阳极结构110和阴极结构112。例如，阳极和阴极结构110、112可以以这样的形式提供：其中，阳极和阴极结构基本上没有任何阳极和/或阴极主干134、141，例如在其中否则将包含主干的阳极和/或阴极结构110、112的区域替代地由阳极活性材料和/或阴极活性材料制成的情况下。
根据图1A至1B所示的实施例，阳极和阴极结构110和112的群的构件分别以交替顺序排列，交替顺序的方向对应于堆叠方向D。根据该实施例的电极组件106进一步包括相互垂直的纵向轴、横向轴和垂直轴，纵向轴AEA通常对应于或平行于电极和反电极结构群的构件的堆叠方向D。如图1A中的实施例所示，纵向轴AEA被示出为对应于Y轴，横向轴被示出为对应于X轴，并且垂直轴被示出为对应于Z轴。
此外，电极组件106具有在纵向方向上(即，沿y轴)测量的最大宽度WEA，由横向表面限定并在横向方向上(即，沿x轴)测量的最大长度LEA、以及也由横向表面限定并在垂直方向上(即，沿z轴)测量的最大高度HEA。最大宽度WEA可以被理解为对应于从电极组件106的纵向端面116、118的相对点测量的电极组件106的最大宽度，在纵向端面116、118处，电极组件在纵向方向上最宽。例如，参考图1A中的电极组件106的实施例。最大宽度WEA可以被理解为简单地对应于在纵向方向上测量的组件106的宽度。然而，参考图5H所示的电极组件106的实施例，可以看出，最大宽度WEA对应于从电极组件在纵向方向上最宽处的两个相对的点300a、300b测量的电极组件的宽度，与从电极组件106较窄处的相对的点301a、301b测量的宽度相反。类似地，最大长度LEA可以理解为对应于从电极组件在横向方向上最长处的电极组件106的横向表面142的相对点测量的电极组件的最大长度。再次参考图1A中的实施例，最大长度LEA可以简单地被理解为电极组件106的长度，而在图5H所示的实施例中，最大长度LEA对应于从电极组件在横向方向上最长处的两个相对的点302a、302b测量的电极组件的长度，与从电极组件较短处的相对的点303a、303b测量的长度相反。沿着类似的线，最大高度HEA可以被理解为对应于从电极组件在垂直方向上最高处的电极组件的横向表面143的相对点测量的电极组件的最大高度。也就是，在图1A所示的实施例中，最大高度HEA简单地是电极组件的高度。虽然未在图5H所示的实施例中具体示出，但是如果电极组件在纵向和横向方向中的一者或多者上的点处具有不同高度，则电极组件的最大高度HEA将被理解为对应于从电极组件在垂直方向上最高处的两个相对点测量的电极组件的高度，与从电极组件较短处的相对点测量的高度相反，这与针对最大宽度WEA和最大长度LEA类似地描述的一样。电极组件106的最大长度LEA、最大宽度WEA和最大高度HEA可以根据能量存储装置100及其预期用途而变化。例如，在一个实施例中，电极组件106可包括传统二次电池尺寸典型的最大长度LEA、最大宽度WEA和最大高度HEA。作为另一示例，在一个实施例中，电极组件106可包括薄膜电池尺寸典型的最大长度LEA、最大宽度WEA和最大高度HEA。
在一些实施例中，选择尺寸LEA、WEA和HEA以提供具有比沿垂直轴(Z轴)的最大高度HEA长的沿横向轴(X轴)的最大长度LEA和/或沿纵向轴(Y轴)的最大宽度WEA的电极组件106。例如，在图1A所示的实施例中，选择尺寸LEA、WEA和HEA以提供具有沿与电极结构堆叠方向D正交的横向轴(X轴)、以及沿与电极结构堆叠方向D重合的纵向轴(Y轴)的最大尺寸的电极组件106。即，最大长度LEA和/或最大宽度WEA可以大于最大高度HEA。例如，在一个实施例中，最大长度LEA与最大高度HEA的比率可以是至少2:1。作为另一示例，在一个实施例中，最大长度LEA与最大高度HEA的比率可以是至少5:1。作为另一示例，在一个实施例中，最大长度LEA与最大高度HEA的比率可以是至少10:1。作为另一示例，在一个实施例中，最大长度LEA与最大高度HEA的比率可以是至少15:1。作为另一示例，在一个实施例中，最大长度LEA与最大高度HEA的比率可以是至少20:1。不同维度的比率可以允许能量存储装置内的最佳配置，以最大化活性材料的量，从而增加能量密度。
在一些实施例中，可以选择最大宽度WEA以提供大于最大高度HEA的电极组件106的宽度。例如，在一个实施例中，最大宽度WEA与最大高度HEA的比率可以是至少2:1。作为另一示例，在一个实施例中，最大宽度WEA与最大高度HEA的比率可以是至少5:1。作为另一示例，在一个实施例中，最大宽度WEA与最大高度HEA的比率可以是至少10:1。作为另一示例，在一个实施例中，最大宽度WEA与最大高度HEA的比率可以是至少15:1。作为另一示例，在一个实施例中，最大宽度WEA与最大高度HEA的比率可以是至少20:1。
根据一个实施例，可以选择最大宽度WEA与最大长度LEA的比率，以使其在提供最佳配置的预定范围内。例如，在一个实施例中，最大宽度WEA与最大长度LEA的比率可以在1:5至5:1的范围内。作为另一示例，在一个实施例中，最大宽度WEA与最大长度LEA的比率可以在1:3至3:1的范围内。作为又一示例，在一个实施例中，最大宽度WEA与最大长度LEA的比率可以在1:2至2:1的范围内。
在图1A所示的实施例中，电极组件106具有第一纵向端面116和相对的第二纵向端面118，第二纵向端面118沿纵向轴AEA与第一纵向端面116分离。电极组件106进一步包括横向表面142，横向表面142至少部分地围绕纵向轴AEA，并且连接第一和第二纵向端面116、118。在一个实施例中，最大宽度WEA是沿纵向轴AEA从第一纵向端面116到第二纵向端面118测量的尺寸。类似地，最大长度LEA可以由横向表面142限定，并且在一个实施例中，可以是沿与纵向轴正交的横向轴从横向表面142的相对的第一区域和第二区域144测量的尺寸。在一个实施例中，最大高度HEA可以由横向表面142限定，并且可以沿与纵向轴正交的垂直轴从横向表面142的相对的第一区域和第二区域148、150测量。
为了清楚起见，图1A所示的实施例仅示出了四个阳极结构110和四个阴极结构112。例如，阳极和阴极结构群110和112的构件的交替的序列可以分别包括每个群的任意数量的构件，具体取决于能量存储装置100及其预期用途，并且阳极和阴极结构群110和112的构件的交替的序列可以交错，例如，如图1A所示。作为另一示例，在一个实施例中，阳极结构110的群的每个构件可以位于阴极结构112的群的两个构件之间，除了当交替序列沿着堆叠方向D终止时。作为另一示例，在一个实施例中，阴极结构112的群的每个构件可以位于阳极结构110的群的两个构件之间，除了当交替序列沿着堆叠方向D终止时。作为另一示例，在一个实施例中，并且更一般地说，阳极结构110的群和阴极结构112的群各自具有N个构件，N-1个阳极结构构件110中的每一者位于两个阴极结构构件112之间，N-1个阴极结构构件112中的每一者位于两个阳极结构构件110之间，并且N至少为2。作为另一示例，在一个实施例中，N至少为4。作为另一示例，在一个实施例中，N至少为5。作为另一示例，在一个实施例中，N至少为10。作为另一示例。在一个实施例中，N至少为25。作为另一示例，在一个实施例中，N至少为50。作为另一示例，在一个实施例中，N至少为100或更多。在一个实施例中，阳极和/或阴极群的构件从假想的背板(例如，与阳极组件的表面基本上重合的平面)充分延伸，以具有大于背板中构件的几何足迹(即投影)的两倍的表面积(忽略孔隙率)。在某些实施例中，非层状(即，三维)阳极和/或阴极结构的表面积与其在假想背板中的几何足迹的比率可以是至少约5，至少约10，至少约50，至少约100，甚至至少约500。然而，该比率通常在约2和约1000之间。在一个这样的实施例中，阳极群的构件本质上是非层状的。作为另一示例，在一个这样的实施例中，阴极群的构件本质上是非层状的。作为另一示例，在一个这样的实施例中，阳极群的构件和阴极群的构件本质上是非层状的。
根据一个实施例，电极组件106具有纵向端部117、119，电极组件106在纵向端部117、119处终止。根据一个实施例，电极组件106中阳极和阴极结构110、112的交替序列沿纵向方向以对称的方式分别终止，例如阳极结构110在纵向方向上终止于电极组件106的每个端部117、119，或者阴极结构112在纵向方向上终止于电极组件106的每个端部117、119。在另一实施例中，阳极结构110和阴极结构112的交替序列可以沿纵向方向以非对称的方式终止，例如阳极结构110终止于纵向轴AEA的一端117，阴极结构112终止于纵向轴AEA的另一端119。根据又一实施例，电极组件106可以通过以下方式终止：即，在电极组件106的一个或多个端部117、119处具有阳极结构110和/或阴极结构112中的一者或多者的子结构。作为示例，根据一个实施例，阳极结构110和阴极结构112的交替序列可终止于阳极结构110和阴极结构112的一个或多个子结构，其中所述子结构包括阳极主干134、阴极主干141、阳极集电体136、阴极集电体140、阳极活性材料层132、阴极活性材料层138等，并且还可以通过以下方式终止：即，诸如隔膜130的结构、以及电极组件106的每个纵向端部117、119处的结构可以是相同的(对称的)或不同的(非对称的)。电极组件106的纵向端部117、119可包括第一和第二纵向端面116、118，纵向端面116、118与第一和第二初级生长约束件154、156接触以约束电极组件106的整体生长。
根据又一实施例，电极组件106具有第一和第二横向端部145、147(请参见例如图1A)，第一和第二横向端部145、147可以与一个或多个电极和/或反电极接头片(tab)190、192(请参见例如图9)接触，这些接头片可用于将电极和/或反电极结构110、112电连接到负载和/或电压源(未示出)。例如，电极组件106可包括电极总线194(请参见例如图1A)，每个阳极结构110可以连接到该电极总线194，并且该电极总线194汇集来自阳极结构110的群的每个构件的电流。类似地，电极组件106可包括阴极总线196，每个阴极结构112可以连接到阴极总线196，并且该阴极总线196汇集来自阴极112的群的每个构件的电流。阳极和/或阴极总线194、196各自具有在方向D上测量的长度，并且该长度基本上在一系列交错的阳极结构110、112的整个长度上延伸。在图9所示的实施例中，阳极接头片190和/或阴极接头片192包括电极接头片延伸部191、193，这些延伸部与阳极和/或阴极总线194、196电连接并基本上在阳极和/或阴极总线194、196的整个长度上延伸。或者，阳极和/或阴极接头片190、192可以沿总线194、196的长度直接连接到阳极和/或阴极总线194、196，例如其端部或中间位置，而不需要接头片延伸部191、193。因此，在一个实施例中，阳极和/或阴极总线194、196可以在横向方向上形成电极组件106的终端145、147的至少一部分，并且将电极组件连接到接头片190、192，以便电连接到负载和/或电压源(未示出)。此外，在又一实施例中，电极组件106包括沿垂直(Z)轴设置的第一和第二终端149、153。例如，根据一个实施例，每个阳极结构110和/或阴极结构112设置有隔膜材料制成的顶部和底部涂层，如图1A所示，其中涂层在垂直方向上形成电极组件106的终端149、153。可以由隔膜材料的涂层形成的终端149、153可包括沿垂直轴的横向表面142的第一和第二表面区域148、150，其可以被设置为与第一和第二二级生长约束件158、160接触以约束垂直方向上的生长。
通常，电极组件106可包括平面、共面或非平面的纵向端面116、118。例如，在一个实施例中，相对的纵向端面116、118可以是凸形的。作为另一示例，在一个实施例中，相对的纵向端面116、118可以是凹形的。作为另一示例，在一个实施例中，相对的纵向端面116、118是基本上平面的。在某些实施例中，电极组件106可包括相对的纵向端面116、118，当被投影到平面上时，所述纵向端面116、118具有任何范围的二维形状。例如，纵向端面116、118可以独立地具有平滑的弯曲形状(例如，圆形、椭圆形、双曲线形或抛物线形)，它们可以独立地包括一系列线和顶点(例如，多边形)，或者它们可以独立地包括平滑的弯曲形状并包括一个或多个线和顶点。类似地，电极组件106的横向表面142可以是平滑的弯曲形状(例如，电极组件106可以具有圆形、椭圆形、双曲线形或抛物线形的横截面形状)或者横向表面142可包括两个或更多个在顶点处连接的线(例如，电极组件106可以具有多边形横截面)。例如，在一个实施例中，电极组件106具有圆柱形、椭圆柱形、抛物柱形或双曲柱形。作为另一示例，在一个这样的实施例中，电极组件106可以具有棱柱形状，具有相同尺寸和形状的相对的纵向端面116、118和为平行四边形的横向表面142(即，在相对的纵向端面116和118之间延伸的面)。作为另一示例，在一个这样的实施例中，电极组件106具有对应于三角棱柱的形状，电极组件106具有两个相对的三角形纵向端面116和118以及由在两个纵向端部之间延伸的三个平行四边形(例如，矩形)组成的横向表面142。作为另一示例，在一个这样的实施例中，电极组件106具有对应于矩形棱柱的形状，电极组件106具有两个相对的矩形纵向端面116和118，并且横向表面142包括四个平行四边形的(例如，矩形)面。作为另一示例，在一个这样的实施例中，电极组件106具有对应于五角棱柱、六角棱柱等的形状，其中电极组件106具有两个分别为五边形、六边形等的相对的纵向端面116和118和分别包括五个、六个等的平行四边形(例如，矩形)面的横向表面。
现在参考图5A至5H，示意性地示出了电极组件106的若干示例性几何形状。更具体地说，在图5A中，电极组件106具有三角棱柱形状，其具有沿纵向轴AEA分离的相对的第一和第二纵向端面116、118、以及包括连接纵向端面116、118且围绕纵向轴AEA的三个矩形面的横向表面142。在图5B中，电极组件106具有平行六面体形状，其具有沿纵向轴AEA分离的相对的第一和第二平行四边形纵向端面116、118、以及包括连接两个纵向端面116、118且围绕纵向轴AEA的四个平行四边形面的横向表面142。在图5C中，电极组件106具有矩形棱柱形状，其具有沿纵向轴AEA分离的相对的第一和第二矩形纵向端面116、118、以及包括连接两个纵向端面116、118且围绕纵向轴AEA的四个矩形面的横向表面142。在图5D中，电极组件106具有五角棱柱形状，其具有沿纵向轴AEA分离的相对的第一和第二五边形纵向端面116、118、以及包括连接两个纵向端面116、118且围绕纵向轴AEA的五个矩形面的横向表面142。在图5E中，电极组件106具有六角棱柱形状，其具有沿纵向轴AEA分离的相对的第一和第二六边形纵向端面116、118、以及包括连接两个纵向端面116、118且围绕纵向轴AEA的六个矩形面的横向表面142。在图5F中，电极组件具有方形锥体截锥形状，其具有沿纵向轴AEA分离的相对的第一和第二方形端面116、118、以及包括连接两个纵向端面116、118且围绕纵向轴AEA的四个梯形面的横向表面142，其中梯形面沿纵向轴在尺寸上逐渐变细，从第一表面116处的较大尺寸变为第二表面118处的较小尺寸，并且第二表面的尺寸小于第一表面的尺寸。在图5G中，电极组件具有五角锥体截锥形状，其具有沿纵向轴AEA分离的相对的第一和第二方形端面116、118、以及包括连接两个纵向端面116、118且围绕纵向轴AEA的五个梯形面的横向表面142，其中梯形面沿纵向轴在尺寸上逐渐变细，从第一表面116处的较大尺寸变为第二表面118处的较小尺寸，并且第二表面的尺寸小于第一表面的尺寸。在图5H中，借助于电极和反电极结构110、112，电极组件106在纵向上具有金字塔形状，电极和反电极结构的长度在纵向轴上从电极组件106的第一长度朝着电极组件106的中部减小到电极组件106的纵向端部117、119处的第二长度。
电极约束件
在一个实施例中，提供一组电极约束件108，其约束电极组件106的整体宏观生长，如例如图1A至1B所示。该组电极约束件108能够约束电极组件106沿一个或多个维度的生长，例如以减少电极组件106的增大和变形，从而提高具有该组电极约束件108的能量存储装置100的可靠性和循环寿命。如上所述，不限于任一特定理论，可以认为在二次电池102的充电和/或放电期间在阳极结构110和阴极结构112之间行进的载体离子能够插入到阳极活性材料中，从而导致阳极活性材料和/或阳极结构110膨胀。阳极结构110的这种膨胀可导致电极和/或电极组件106变形和增大，从而损害电极组件106的结构完整性，和/或增加电短路或其它故障的可能性。在一个示例中，在能量存储装置100的循环期间阳极活性材料层132的过度增大和/或膨胀和收缩可导致阳极活性材料的碎片从阳极活性材料层132脱离和/或分层，从而损害能量存储装置100的效率和循环寿命。在又一示例中，阳极活性材料层132的过度增大和/或膨胀和收缩可导致阳极活性材料破坏电绝缘微孔隔膜130，从而导致电极组件106的电短路以及其它故障。因此，该组电极约束件108抑制了这种否则可能在充电状态与放电状态之间循环时发生的增大或生长，从而提高了能量存储装置100的可靠性、效率和/或循环寿命。
根据一个实施例，该组电极约束件108包括初级生长约束系统151，以约束电极组件106沿纵向轴(例如，图1A至1B中的Y轴)的生长和/或增大。在另一实施例中，该组电极约束件108可包括二级生长约束系统152，其约束沿垂直轴(例如，图1中的Z轴)的生长。在又一实施例中，该组电极约束件108可包括三级生长约束系统155，其约束沿横向轴(例如，图4C中的X轴)的生长。在一个实施例中，该组电极约束件108分别包括初级生长和二级生长约束系统151、152，和甚至三级生长约束系统155，它们协同工作以同时约束一个或多个方向上的生长，例如沿纵向和垂直轴(例如，Y轴和Z轴)，甚至同时沿所有纵向、垂直和横向轴(例如，Y，Z和X轴)的生长。例如，初级生长约束系统151可以约束在充电状态与放电状态之间的循环期间否则会沿电极组件106的堆叠方向D发生的增长，而二级生长约束系统152可以约束会沿垂直轴发生的增大和生长，以防止电极组件106在垂直方向上发生弯曲或其它变形。作为另一示例，在一个实施例中，二级生长约束系统152可以减少否则会通过对由初级生长约束系统151施加的生长的限制而加剧的沿垂直轴的增大和/或膨胀。三级生长约束系统155还可以可选地减少循环过程中可能发生的沿横向轴的增大和/或膨胀。也就是，根据一个实施例，初级生长约束系统和二级生长约束系统151、152和可选的三级生长约束系统155可以一起工作以协作地约束电极组件106的多维生长。
参见图6A至6B，其中示出了一组电极约束件108的实施例，其具有用于电极组件106的初级生长约束系统151和二级生长约束系统152。图6A示出了沿纵向轴(Y轴)截取的图1中的电极组件106的横截面，使得所得到的2-D横截面通过垂直轴(Z轴)和纵向轴(Y轴)示出。图6B示出了沿横向轴(X轴)截取的图1中的电极组件106的横截面，使得所得到的2-D横截面通过垂直轴(Z轴)和横向轴(X轴)示出。如图6A所示，初级生长约束系统151通常可以分别包括第一和第二初级生长约束件154、156，它们沿纵向(Y轴)彼此分离。例如，在一个实施例中，第一和第二初级生长约束件154、156分别包括至少部分地或者甚至完全地覆盖电极组件106的第一纵向端面116的第一初级生长约束件154、以及至少部分地或者甚至完全地覆盖电极组件106的第二纵向端面118的第二初级生长约束件156。在又一版本中，第一和第二初级生长约束件154、156中的一者或多者可以在电极组件106的纵向端部117、119的内部，例如当初级生长约束件中的一者或多者包括电极组件106的内部结构时。初级生长约束系统151可以进一步包括至少一个初级连接构件162，其连接第一和第二初级生长约束件154、156并且可以具有平行于纵向方向的主轴。例如，初级生长约束系统151可以分别包括第一和第二初级连接构件162、164，它们沿与纵向轴正交的轴彼此分离，例如如该实施例中所示，沿垂直轴(Z轴)彼此分离。第一和第二初级连接构件162、164分别可用于将第一和第二初级生长约束件154、156分别连接到彼此，并分别使第一和第二初级生长约束件154、156保持彼此张紧，以约束沿电极组件106的纵向轴的生长。
根据一个实施例，包括初级生长约束系统151的该组电极约束件108能够约束电极组件106在纵向方向(即，电极堆叠方向D)上的生长，使得在二次电池在充电状态与放电状态之间的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％。作为另一示例，在一个实施例中，初级生长约束系统151能够约束电极组件106在纵向方向上的生长，使得在二次电池的30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％。作为另一示例，在一个实施例中，初级生长约束系统151能够约束电极组件106在纵向方向上的生长，使得在二次电池的50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％。作为另一示例，在一个实施例中，初级生长约束系统151能够约束电极组件106在纵向方向上的生长，使得在二次电池的80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％。作为另一示例，在一个实施例中，初级生长约束系统151能够约束电极组件106在纵向方向上的生长，使得在二次电池的100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％。作为另一示例，在一个实施例中，初级生长约束系统151能够约束电极组件106在纵向方向上的生长，使得在二次电池的200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％。作为另一示例，在一个实施例中，初级生长约束系统151能够约束电极组件106在纵向方向上的生长，使得在二次电池的300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％。作为另一示例，在一个实施例中，初级生长约束系统151能够约束电极组件106在纵向方向上的生长，使得在二次电池的500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％。作为另一示例，在一个实施例中，初级生长约束系统151能够约束电极组件106在纵向方向上的生长，使得在二次电池的800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％。作为另一示例，在一个实施例中，初级生长约束系统151能够约束电极组件106在纵向方向上的生长，使得在二次电池的1000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％。作为另一示例，在一个实施例中，初级生长约束系统151能够约束电极组件106在纵向方向上的生长，使得在二次电池的2000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％。作为另一示例，在一个实施例中，初级生长约束系统151能够约束电极组件106在纵向方向上的生长，使得在二次电池的3000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％。作为另一示例，在一个实施例中，初级生长约束系统151能够约束电极组件106在纵向方向上的生长，使得在二次电池的5000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％。作为另一示例，在一个实施例中，初级生长约束系统151能够约束电极组件106在纵向方向上的生长，使得在二次电池的8000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％。作为另一示例，在一个实施例中，初级生长约束系统151能够约束电极组件106在纵向方向上的生长，使得在二次电池的10000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％。
在又一实施例中，包括初级生长约束系统151的该组电极约束件108能够约束电极组件106在纵向方向上的生长，使得在二次电池10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10％。作为另一示例，在一个实施例中，初级生长约束系统151能够约束电极组件106在纵向方向上的生长，使得在二次电池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10％。作为另一示例，在一个实施例中，初级生长约束系统151能够约束电极组件106在纵向方向上的生长，使得在二次电池30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10％。作为另一示例，在一个实施例中，初级生长约束系统151能够约束电极组件106在纵向方向上的生长，使得在二次电池的50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10％。作为另一示例，在一个实施例中，初级生长约束系统151能够约束电极组件106在纵向方向上的生长，使得在二次电池的80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10％。作为另一示例，在一个实施例中，初级生长约束系统151能够约束电极组件106在纵向方向上的生长，使得在二次电池的100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10％。作为另一示例，在一个实施例中，初级生长约束系统151能够约束电极组件106在纵向方向上的生长，使得在二次电池的200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10％。作为另一示例，在一个实施例中，初级生长约束系统151能够约束电极组件106在纵向方向上的生长，使得在二次电池的300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10％。作为另一示例，在一个实施例中，初级生长约束系统151能够约束电极组件106在纵向方向上的生长，使得在二次电池的500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10％。作为另一示例，在一个实施例中，初级生长约束系统151能够约束电极组件106在纵向方向上的生长，使得在二次电池在充电状态与放电状态之间的800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10％。作为另一示例，在一个实施例中，初级生长约束系统151能够约束电极组件106在纵向方向上的生长，使得在二次电池的1000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10％。作为另一示例，在一个实施例中，初级生长约束系统151能够约束电极组件106在纵向方向上的生长，使得在二次电池的2000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10％。作为另一示例，在一个实施例中，初级生长约束系统151能够约束电极组件106在纵向方向上的生长，使得在二次电池的3000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10％。作为另一示例，在一个实施例中，初级生长约束系统151能够约束电极组件106在纵向方向上的生长，使得在二次电池的5000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10％。作为另一示例，在一个实施例中，初级生长约束系统151能够约束电极组件106在纵向方向上的生长，使得在二次电池的8000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10％。作为另一示例，在一个实施例中，初级生长约束系统151能够约束电极组件106在纵向方向上的生长，使得在二次电池的10000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10％。
在又一实施例中，包括初级生长约束系统151的该组电极约束件108能够约束电极组件106在纵向方向上的生长，使得在二次电池的5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5％。作为另一示例，在一个实施例中，初级生长约束系统151能够约束电极组件106在纵向方向上的生长，使得在二次电池10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5％。作为另一示例，在一个实施例中，初级生长约束系统151能够约束电极组件106在纵向方向上的生长，使得在二次电池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5％。作为另一示例，在一个实施例中，初级生长约束系统151能够约束电极组件106在纵向方向上的生长，使得在二次电池的30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5％。作为另一示例，在一个实施例中，初级生长约束系统151能够约束电极组件106在纵向方向上的生长，使得在二次电池的50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5％。作为另一示例，在一个实施例中，初级生长约束系统151能够约束电极组件106在纵向方向上的生长，使得在二次电池的80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5％。作为另一示例，在一个实施例中，初级生长约束系统151能够约束电极组件106在纵向方向上的生长，使得在二次电池的100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5％。作为另一示例，在一个实施例中，初级生长约束系统151能够约束电极组件106在纵向方向上的生长，使得在二次电池的200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5％。作为另一示例，在一个实施例中，初级生长约束系统151能够约束电极组件106在纵向方向上的生长，使得在二次电池的300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5％。作为另一示例，在一个实施例中，初级生长约束系统151能够约束电极组件106在纵向方向上的生长，使得在二次电池在充电状态与放电状态之间的500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5％。作为另一示例，在一个实施例中，初级生长约束系统151能够约束电极组件106在纵向方向上的生长，使得在二次电池的800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5％。作为另一示例，在一个实施例中，初级生长约束系统151能够约束电极组件106在纵向方向上的生长，使得在二次电池在充电状态与放电状态之间的1000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5％。作为另一示例，在一个实施例中，初级生长约束系统151能够约束电极组件106在纵向方向上的生长，使得在二次电池在充电状态与放电状态之间的2000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5％。作为另一示例，在一个实施例中，初级生长约束系统151能够约束电极组件106在纵向方向上的生长，使得在二次电池的3000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5％。作为另一示例，在一个实施例中，初级生长约束系统151能够约束电极组件106在纵向方向上的生长，使得在二次电池的5000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5％。作为另一示例，在一个实施例中，初级生长约束系统151能够约束电极组件106在纵向方向上的生长，使得在二次电池的8000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5％。在一个实施例中，初级生长约束系统151能够约束电极组件106在纵向方向上的生长，使得在二次电池的10000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5％。
在又一实施例中，包括初级生长约束系统151的该组电极约束件108能够约束电极组件106在纵向方向上的生长，使得在二次电池的每个循环期间，电极组件在纵向方向上的费雷特直径的任何增加小于1％。作为另一示例，在一个实施例中，初级生长约束系统151能够约束电极组件106在纵向方向上的生长，使得在二次电池5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1％。作为另一示例，在一个实施例中，初级生长约束系统151能够约束电极组件106在纵向方向上的生长，使得在二次电池10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1％。作为另一示例，在一个实施例中，初级生长约束系统151能够约束电极组件106在纵向方向上的生长，使得在二次电池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1％。作为另一示例，在一个实施例中，初级生长约束系统151能够约束电极组件106在纵向方向上的生长，使得在二次电池的30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1％。作为另一示例，在一个实施例中，初级生长约束系统151能够约束电极组件106在纵向方向上的生长，使得在二次电池的50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1％。作为另一示例，在一个实施例中，初级生长约束系统151能够约束电极组件106在纵向方向上的生长，使得在二次电池的80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1％。作为另一示例，在一个实施例中，初级生长约束系统151能够约束电极组件106在纵向方向上的生长，使得在二次电池的100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1％。作为另一示例，在一个实施例中，初级生长约束系统151能够约束电极组件106在纵向方向上的生长，使得在二次电池的200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1％。作为另一示例，在一个实施例中，初级生长约束系统151能够约束电极组件106在纵向方向上的生长，使得在二次电池的300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1％。作为另一示例，在一个实施例中，初级生长约束系统151能够约束电极组件106在纵向方向上的生长，使得在二次电池在充电状态与放电状态之间的500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1％。作为另一示例，在一个实施例中，初级生长约束系统151能够约束电极组件106在纵向方向上的生长，使得在二次电池的800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1％。作为另一示例，在一个实施例中，初级生长约束系统151能够约束电极组件106在纵向方向上的生长，使得在二次电池在充电状态与放电状态之间的1000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1％。作为另一示例，在一个实施例中，初级生长约束系统151能够约束电极组件106在纵向方向上的生长，使得在二次电池在充电状态与放电状态之间的2000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1％。作为另一示例，在一个实施例中，初级生长约束系统151能够约束电极组件106在纵向方向上的生长，使得在二次电池的3000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1％。作为另一示例，在一个实施例中，初级生长约束系统151能够约束电极组件106在纵向方向上的生长，使得在二次电池在充电状态与放电状态之间的5000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1％。作为另一示例，在一个实施例中，初级生长约束系统151能够约束电极组件106在纵向方向上的生长，使得在二次电池的8000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1％。在一个实施例中，初级生长约束系统151能够约束电极组件106在纵向方向上的生长，使得在二次电池的10000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1％。
充电状态意味着二次电池102被充电至其额定容量的至少75％，例如其额定容量的至少80％，甚至其额定容量的至少90％，例如其额定容量的至少95％，甚至其额定容量的100％。放电状态意味着二次电池被放电至低于其额定容量的25％，例如低于其额定容量的20％，甚至低于10％，例如低于5％，甚至其额定容量的0％。此外，应注意，二次电池102的实际容量可随时间和电池经历的循环次数而变化。也就是说，虽然二次电池102最初可以呈现出接近其额定容量的实际测量容量，但是电池的实际容量将随着时间的推移而降低，其中当从充电状态至放电状态的过程中测量的实际容量降至低于额定容量的80％时，二次电池102被视为处于寿命终点。
在图6A和6B中进一步示出，该组电极约束件108可以进一步包括二级生长约束系统152，该二级生长约束系统152通常可包括第一和第二二级生长约束件158、160，它们分别沿着与纵向方向正交的第二方向(例如在所示的实施例中沿垂直轴(Z轴))彼此分离。例如，在一个实施例中，第一二级生长约束件158至少部分地跨电极组件106的横向表面142的第一区域148延伸，并且第二二级生长约束件160至少部分地跨电极组件106的横向表面142的与第一区域148相对的第二区域150延伸。在又一版本中，第一和第二二级生长约束件154、156中的一者或多者可以在电极组件106的横向表面142的内部，例如当二级生长约束件中的一者或多者包括电极组件106的内部结构时。在一个实施例中，第一和第二二级生长约束件158、160分别通过至少一个二级连接构件166连接，该二级连接构件166可以具有平行于第二方向的主轴，例如垂直轴。二级连接构件166可用于分别连接第一和第二二级生长约束件158、160并使其保持彼此张紧，以抑制电极组件106沿着与纵向方向正交的方向的生长，例如抑制在垂直方向上(例如，沿Z轴)的生长。在图6A所示的实施例中，所述至少一个二级连接构件166可以对应于第一和第二初级生长约束件154、156中的至少一者。然而，二级连接构件166不限于此，并且可以替代地和/或附加地包括其它结构和/或配置。
根据一个实施例，包括二级生长约束系统152的该组约束件能够约束电极组件106在与纵向方向正交的第二方向(例如垂直方向(Z轴))上的生长，使得在二次电池的20个连续循环期间，电极组件在第二方向上的费雷特直径的任何增加小于20％。作为另一示例，在一个实施例中，二级生长约束系统152能够约束电极组件106在第二方向上的生长，使得在二次电池的30个连续循环期间，电极组件在第二方向上的费雷特直径的任何增加小于20％。作为另一示例，在一个实施例中，二级生长约束系统152能够约束电极组件106在第二方向上的生长，使得在二次电池的50个连续循环期间，电极组件在第二方向上的费雷特直径的任何增加小于20％。作为另一示例，在一个实施例中，二级生长约束系统152能够约束电极组件106在第二方向上的生长，使得在二次电池的80个连续循环期间，电极组件在第二方向上的费雷特直径的任何增加小于20％。作为另一示例，在一个实施例中，二级生长约束系统152能够约束电极组件106在第二方向上的生长，使得在二次电池的100个连续循环期间，电极组件在第二方向上的费雷特直径的任何增加小于20％。作为另一示例，在一个实施例中，二级生长约束系统152能够约束电极组件106在第二方向上的生长，使得在二次电池的200个连续循环期间，电极组件在第二方向上的费雷特直径的任何增加小于20％。作为另一示例，在一个实施例中，二级生长约束系统152能够约束电极组件106在第二方向上的生长，使得在二次电池的300个连续循环期间，电极组件在第二方向上的费雷特直径的任何增加小于20％。作为另一示例，在一个实施例中，二级生长约束系统152能够约束电极组件106在第二方向上的生长，使得在二次电池的500个连续循环期间，电极组件在第二方向上的费雷特直径的任何增加小于20％。作为另一示例，在一个实施例中，二级生长约束系统152能够约束电极组件106在第二方向上的生长，使得在二次电池的800个连续循环期间，电极组件在第二方向上的费雷特直径的任何增加小于20％。作为另一示例，在一个实施例中，二级生长约束系统152能够约束电极组件106在第二方向上的生长，使得在二次电池的1000个连续循环期间，电极组件在第二方向上的费雷特直径的任何增加小于20％。作为另一示例，在一个实施例中，二级生长约束系统151能够约束电极组件106在第二方向上的生长，使得在二次电池的2000个连续循环期间，电极组件在第二方向上的费雷特直径的任何增加小于20％。作为另一示例，在一个实施例中，二级生长约束系统152能够约束电极组件106在第二方向上的生长，使得在二次电池的3000个连续循环期间，电极组件在第二方向上的费雷特直径的任何增加小于20％。作为另一示例，在一个实施例中，二级生长约束系统152能够约束电极组件106在第二方向上的生长，使得在二次电池的5000个连续循环期间，电极组件在第二方向上的费雷特直径的任何增加小于20％。作为另一示例，在一个实施例中，二级生长约束系统152能够约束电极组件106在第二方向上的生长，使得在二次电池的8000个连续循环期间，电极组件在第二方向上的费雷特直径的任何增加小于20％。作为另一示例，在一个实施例中，二级生长约束系统152能够约束电极组件106在第二方向上的生长，使得在二次电池在充电状态与放电状态之间的10000个连续循环期间，电极组件在第二方向上的费雷特直径的任何增加小于20％。
在实施例中，包括二级生长约束系统152的该组约束件能够约束电极组件106在第二方向上的生长，使得在二次电池在充电状态与放电状态之间的10个连续循环期间，电极组件在第二方向上的费雷特直径的任何增加小于10％。作为另一示例，在一个实施例中，二级生长约束系统152能够约束电极组件106在第二方向上的生长，使得在二次电池的20个连续循环期间，电极组件在第二方向上的费雷特直径的任何增加小于10％。作为另一示例，在一个实施例中，二级生长约束系统152能够约束电极组件106在第二方向上的生长，使得在二次电池的30个连续循环期间，电极组件在第二方向上的费雷特直径的任何增加小于10％。作为另一示例，在一个实施例中，二级生长约束系统152能够约束电极组件106在第二方向上的生长，使得在二次电池的50个连续循环期间，电极组件在第二方向上的费雷特直径的任何增加小于10％。作为另一示例，在一个实施例中，二级生长约束系统152能够约束电极组件106在第二方向上的生长，使得在二次电池的80个连续循环期间，电极组件在第二方向上的费雷特直径的任何增加小于10％。作为另一示例，在一个实施例中，二级生长约束系统152能够约束电极组件106在第二方向上的生长，使得在二次电池的100个连续循环期间，电极组件在第二方向上的费雷特直径的任何增加小于10％。作为另一示例，在一个实施例中，二级生长约束系统152能够约束电极组件106在第二方向上的生长，使得在二次电池的200个连续循环期间，电极组件在第二方向上的费雷特直径的任何增加小于10％。作为另一示例，在一个实施例中，二级生长约束系统152能够约束电极组件106在第二方向上的生长，使得在二次电池的300个连续循环期间，电极组件在第二方向上的费雷特直径的任何增加小于10％。作为另一示例，在一个实施例中，二级生长约束系统152能够约束电极组件106在第二方向上的生长，使得在二次电池的500个连续循环期间，电极组件在第二方向上的费雷特直径的任何增加小于10％。作为另一示例，在一个实施例中，二级生长约束系统152能够约束电极组件106在第二方向上的生长，使得在二次电池的800个连续循环期间，电极组件在第二方向上的费雷特直径的任何增加小于10％。作为另一示例，在一个实施例中，二级生长约束系统152能够约束电极组件106在第二方向上的生长，使得在二次电池的1000个连续循环期间，电极组件在第二方向上的费雷特直径的任何增加小于10％。作为另一示例，在一个实施例中，二级生长约束系统152能够约束电极组件106在第二方向上的生长，使得在二次电池的2000个连续循环期间，电极组件在第二方向上的费雷特直径的任何增加小于10％。作为另一示例，在一个实施例中，二级生长约束系统152能够约束电极组件106在第二方向上的生长，使得在二次电池的3000个连续循环期间，电极组件在第二方向上的费雷特直径的任何增加小于10％。作为另一示例，在一个实施例中，二级生长约束系统152能够约束电极组件106在第二方向上的生长，使得在二次电池的5000个连续循环期间，电极组件在第二方向上的费雷特直径的任何增加小于10％。作为另一示例，在一个实施例中，二级生长约束系统152能够约束电极组件106在第二方向上的生长，使得在二次电池的8000个连续循环期间，电极组件在第二方向上的费雷特直径的任何增加小于10％。作为另一示例，在一个实施例中，二级生长约束系统152能够约束电极组件106在第二方向上的生长，使得在二次电池的10000个连续循环期间，电极组件在第二方向上的费雷特直径的任何增加小于10％。
在实施例中，包括二级生长约束系统152的该组约束件能够约束电极组件106在第二方向上的生长，使得在二次电池在充电状态与放电状态之间的5个连续循环期间，电极组件在第二方向上的费雷特直径的任何增加小于5％。作为另一示例，在一个实施例中，二级生长约束系统152能够约束电极组件106在第二方向上的生长，使得在二次电池的10个连续循环期间，电极组件在第二方向上的费雷特直径的任何增加小于5％。作为另一示例，在一个实施例中，二级生长约束系统152能够约束电极组件106在第二方向上的生长，使得在二次电池的20个连续循环期间，电极组件在第二方向上的费雷特直径的任何增加小于5％。作为另一示例，在一个实施例中，二级生长约束系统152能够约束电极组件106在第二方向上的生长，使得在二次电池的30个连续循环期间，电极组件在第二方向上的费雷特直径的任何增加小于5％。作为另一示例，在一个实施例中，二级生长约束系统152能够约束电极组件106在第二方向上的生长，使得在二次电池的50个连续循环期间，电极组件在第二方向上的费雷特直径的任何增加小于5％。作为另一示例，在一个实施例中，二级生长约束系统152能够约束电极组件106在第二方向上的生长，使得在二次电池的80个连续循环期间，电极组件在第二方向上的费雷特直径的任何增加小于5％。作为另一示例，在一个实施例中，二级生长约束系统152能够约束电极组件106在第二方向上的生长，使得在二次电池的100个连续循环期间，电极组件在第二方向上的费雷特直径的任何增加小于5％。作为另一示例，在一个实施例中，二级生长约束系统152能够约束电极组件106在第二方向上的生长，使得在二次电池的200个连续循环期间，电极组件在第二方向上的费雷特直径的任何增加小于5％。作为另一示例，在一个实施例中，二级生长约束系统152能够约束电极组件106在第二方向上的生长，使得在二次电池的300个连续循环期间，电极组件在第二方向上的费雷特直径的任何增加小于5％。作为另一示例，在一个实施例中，二级生长约束系统152能够约束电极组件106在第二方向上的生长，使得在二次电池的500个连续循环期间，电极组件在第二方向上的费雷特直径的任何增加小于5％。作为另一示例，在一个实施例中，二级生长约束系统152能够约束电极组件106在第二方向上的生长，使得在二次电池的800个连续循环期间，电极组件在第二方向上的费雷特直径的任何增加小于5％。作为另一示例，在一个实施例中，二级生长约束系统152能够约束电极组件106在第二方向上的生长，使得在二次电池的1000个连续循环期间，电极组件在第二方向上的费雷特直径的任何增加小于5％。作为另一示例，在一个实施例中，二级生长约束系统152能够约束电极组件106在第二方向上的生长，使得在二次电池的2000个连续循环期间，电极组件在第二方向上的费雷特直径的任何增加小于5％。作为另一示例，在一个实施例中，二级生长约束系统152能够约束电极组件106在第二方向上的生长，使得在二次电池的3000个连续循环期间，电极组件在第二方向上的费雷特直径的任何增加小于5％。作为另一示例，在一个实施例中，二级生长约束系统152能够约束电极组件106在第二方向上的生长，使得在二次电池的5000个连续循环期间，电极组件在第二方向上的费雷特直径的任何增加小于5％。作为另一示例，在一个实施例中，二级生长约束系统152能够约束电极组件106在第二方向上的生长，使得在二次电池的8000个连续循环期间，电极组件在第二方向上的费雷特直径的任何增加小于5％。作为另一示例，在一个实施例中，二级生长约束系统151能够约束电极组件106在第二方向上的生长，使得在二次电池的10000个连续循环期间，电极组件在第二方向上的费雷特直径的任何增加小于5％。
在实施例中，包括二级生长约束系统152的该组约束件能够约束电极组件106在第二方向上的生长，使得在二次电池的每个循环期间，电极组件在第二方向上的费雷特直径的任何增加小于1％。作为另一示例，在一个实施例中，二级生长约束系统152能够约束电极组件106在第二方向上的生长，使得在二次电池的5个连续循环期间，电极组件在第二方向上的费雷特直径的任何增加小于1％。作为另一示例，在一个实施例中，二级生长约束系统152能够约束电极组件106在第二方向上的生长，使得在二次电池的10个连续循环期间，电极组件在第二方向上的费雷特直径的任何增加小于1％。作为另一示例，在一个实施例中，二级生长约束系统152能够约束电极组件106在第二方向上的生长，使得在二次电池的20个连续循环期间，电极组件在第二方向上的费雷特直径的任何增加小于1％。作为另一示例，在一个实施例中，二级生长约束系统152能够约束电极组件106在第二方向上的生长，使得在二次电池的30个连续循环期间，电极组件在第二方向上的费雷特直径的任何增加小于1％。作为另一示例，在一个实施例中，二级生长约束系统152能够约束电极组件106在第二方向上的生长，使得在二次电池的50个连续循环期间，电极组件在第二方向上的费雷特直径的任何增加小于1％。作为另一示例，在一个实施例中，二级生长约束系统152能够约束电极组件106在第二方向上的生长，使得在二次电池的80个连续循环期间，电极组件在第二方向上的费雷特直径的任何增加小于1％。作为另一示例，在一个实施例中，二级生长约束系统152能够约束电极组件106在第二方向上的生长，使得在二次电池的100个连续循环期间，电极组件在第二方向上的费雷特直径的任何增加小于1％。作为另一示例，在一个实施例中，二级生长约束系统152能够约束电极组件106在第二方向上的生长，使得在二次电池的200个连续循环期间，电极组件在第二方向上的费雷特直径的任何增加小于1％。作为另一示例，在一个实施例中，二级生长约束系统152能够约束电极组件106在第二方向上的生长，使得在二次电池的300个连续循环期间，电极组件在第二方向上的费雷特直径的任何增加小于1％。作为另一示例，在一个实施例中，二级生长约束系统152能够约束电极组件106在第二方向上的生长，使得在二次电池的500个连续循环期间，电极组件在第二方向上的费雷特直径的任何增加小于1％。作为另一示例，在一个实施例中，二级生长约束系统152能够约束电极组件106在第二方向上的生长，使得在二次电池的800个连续循环期间，电极组件在第二方向上的费雷特直径的任何增加小于1％。作为另一示例，在一个实施例中，二级生长约束系统152能够约束电极组件106在第二方向上的生长，使得在二次电池的1000个连续循环期间，电极组件在第二方向上的费雷特直径的任何增加小于1％。作为另一示例，在一个实施例中，二级生长约束系统152能够约束电极组件106在第二方向上的生长，使得在二次电池的2000个连续循环期间，电极组件在第二方向上的费雷特直径的任何增加小于1％。作为另一示例，在一个实施例中，二级生长约束系统152能够约束电极组件106在第二方向上的生长，使得在二次电池在充电状态与放电状态之间的3000个连续循环期间，电极组件在第二方向上的费雷特直径的任何增加小于1％。作为另一示例，在一个实施例中，二级生长约束系统152能够约束电极组件106在第二方向上的生长，使得在二次电池的5000个连续循环期间，电极组件在第二方向上的费雷特直径的任何增加小于1％。作为另一示例，在一个实施例中，二级生长约束系统152能够约束电极组件106在第二方向上的生长，使得在二次电池的8000个连续循环期间，电极组件在第二方向上的费雷特直径的任何增加小于1％。作为另一示例，在一个实施例中，二级生长约束系统151能够约束电极组件106在第二方向上的生长，使得在二次电池的10000个连续循环期间，电极组件在第二方向上的费雷特直径的任何增加小于1％。
图6C示出了一组电极约束件108的实施例，其进一步包括三级生长约束系统155，以约束电极组件在与纵向方向和第二方向垂直的第三方向(例如横向(X)方向)上的生长。可以除了初级和二级生长约束系统151、152之外还设置三级生长约束系统155，以在三个维度上约束电极组件106的整体生长，和/或可以与初级或二级生长约束系统151、152中的一者组合地设置三级生长约束系统155以在两个维度上约束电极组件106的整体生长。图6C示出了沿横向轴(X轴)截取的图1A中的电极组件106的横截面，使得所得到的2D横截面通过垂直轴(Z轴)和横向轴(X轴)示出。如图6C所示，三级生长约束系统155通常可包括第一和第二三级生长约束件157、159，它们分别沿着第三方向(例如横向方向(X轴))彼此分离。例如，在一个实施例中，第一三级生长约束件157至少部分地跨电极组件106的横向表面142的第一区域144延伸，并且第二三级生长约束件159至少部分地跨电极组件106的横向表面142的在横向方向上与第一区域144相对的第二区域146延伸。在又一版本中，第一和第二三级生长约束件157、159中的一者或多者可以在电极组件106的横向表面142的内部，例如当三级生长约束件中的一者或多者包括电极组件106的内部结构时。在一个实施例中，第一和第二三级生长约束件157、159分别通过至少一个三级连接构件165连接，所述三级连接构件165可以具有平行于第三方向的主轴。三级连接构件165可用于分别连接第一和第二三级生长约束件157、159并使其保持彼此张紧，以抑制电极组件106沿着与纵向方向正交的方向的生长，例如抑制在横向方向上(例如，沿X轴)的生长。在图6C所示的实施例中，所述至少一个三级连接构件165可以对应于第一和第二二级生长约束件158、160中的至少一者。然而，三级连接构件165不限于此，并且可以替代地和/或附加地包括其它结构和/或配置。例如，在一个实施例中，所述至少一个三级连接构件165可以对应于第一和第二初级生长约束件154、156(未示出)中的至少一者。
根据一个实施例，具有三级生长约束系统155的该组约束件能够约束电极组件106在与纵向方向正交的第三方向(例如横向方向(X轴))上的生长，使得在二次电池的20个连续循环期间，电极组件在第三方向上的费雷特直径的任何增加小于20％。作为另一示例，在一个实施例中，三级生长约束系统155能够约束电极组件106在第三方向上的生长，使得在二次电池的30个连续循环期间，电极组件在第三方向上的费雷特直径的任何增加小于20％。作为另一示例，在一个实施例中，三级生长约束系统155能够约束电极组件106在第三方向上的生长，使得在二次电池的50个连续循环期间，电极组件在第三方向上的费雷特直径的任何增加小于20％。作为另一示例，在一个实施例中，三级生长约束系统155能够约束电极组件106在第三方向上的生长，使得在二次电池的80个连续循环期间，电极组件在第三方向上的费雷特直径的任何增加小于20％。作为另一示例，在一个实施例中，三级生长约束系统155能够约束电极组件106在第三方向上的生长，使得在二次电池的100个连续循环期间，电极组件在第三方向上的费雷特直径的任何增加小于20％。作为另一示例，在一个实施例中，三级生长约束系统155能够约束电极组件106在第三方向上的生长，使得在二次电池的200个连续循环期间，电极组件在第三方向上的费雷特直径的任何增加小于20％。作为另一示例，在一个实施例中，三级生长约束系统155能够约束电极组件106在第三方向上的生长，使得在二次电池的300个连续循环期间，电极组件在第三方向上的费雷特直径的任何增加小于20％。作为另一示例，在一个实施例中，三级生长约束系统155能够约束电极组件106在第三方向上的生长，使得在二次电池的500个连续循环期间，电极组件在第三方向上的费雷特直径的任何增加小于20％。作为另一示例，在一个实施例中，三级生长约束系统155能够约束电极组件106在第三方向上的生长，使得在二次电池的800个连续循环期间，电极组件在第三方向上的费雷特直径的任何增加小于20％。作为另一示例，在一个实施例中，三级生长约束系统155能够约束电极组件106在第三方向上的生长，使得在二次电池的1000个连续循环期间，电极组件在第三方向上的费雷特直径的任何增加小于20％。作为另一示例，在一个实施例中，三级生长约束系统155能够约束电极组件106在第三方向上的生长，使得在二次电池的2000个连续循环期间，电极组件在第三方向上的费雷特直径的任何增加小于20％。作为另一示例，在一个实施例中，三级生长约束系统155能够约束电极组件106在第三方向上的生长，使得在二次电池的3000个连续循环期间，电极组件在第三方向上的费雷特直径的任何增加小于20％。作为另一示例，在一个实施例中，三级生长约束系统155能够约束电极组件106在第三方向上的生长，使得在二次电池的5000个连续循环期间，电极组件在第三方向上的费雷特直径的任何增加小于20％。作为另一示例，在一个实施例中，三级生长约束系统155能够约束电极组件106在第三方向上的生长，使得在二次电池的8000个连续循环期间，电极组件在第三方向上的费雷特直径的任何增加小于20％。作为另一示例，在一个实施例中，三级生长约束系统155能够约束电极组件106在第三方向上的生长，使得在二次电池的10000个连续循环期间，电极组件在第三方向上的费雷特直径的任何增加小于20％。
在一个实施例中，具有三级生长约束系统155的该组约束件能够约束电极组件106在第三方向上的生长，使得在二次电池的10个连续循环期间，电极组件在第三方向上的费雷特直径的任何增加小于10％。作为另一示例，在一个实施例中，三级生长约束系统155能够约束电极组件106在第三方向上的生长，使得在二次电池的20个连续循环期间，电极组件在第三方向上的费雷特直径的任何增加小于10％。作为另一示例，在一个实施例中，三级生长约束系统155能够约束电极组件106在第三方向上的生长，使得在二次电池的30个连续循环期间，电极组件在第三方向上的费雷特直径的任何增加小于10％。作为另一示例，在一个实施例中，三级生长约束系统155能够约束电极组件106在第三方向上的生长，使得在二次电池的50个连续循环期间，电极组件在第三方向上的费雷特直径的任何增加小于10％。作为另一示例，在一个实施例中，三级生长约束系统155能够约束电极组件106在第三方向上的生长，使得在二次电池的80个连续循环期间，电极组件在第三方向上的费雷特直径的任何增加小于10％。作为另一示例，在一个实施例中，三级生长约束系统155能够约束电极组件106在第三方向上的生长，使得在二次电池的100个连续循环期间，电极组件在第三方向上的费雷特直径的任何增加小于10％。作为另一示例，在一个实施例中，三级生长约束系统155能够约束电极组件106在第三方向上的生长，使得在二次电池的200个连续循环期间，电极组件在第三方向上的费雷特直径的任何增加小于10％。作为另一示例，在一个实施例中，三级生长约束系统155能够约束电极组件106在第三方向上的生长，使得在二次电池的300个连续循环期间，电极组件在第三方向上的费雷特直径的任何增加小于10％。作为另一示例，在一个实施例中，三级生长约束系统155能够约束电极组件106在第三方向上的生长，使得在二次电池的500个连续循环期间，电极组件在第三方向上的费雷特直径的任何增加小于10％。作为另一示例，在一个实施例中，三级生长约束系统152能够约束电极组件106在第三方向上的生长，使得在二次电池的800个连续循环期间，电极组件在第三方向上的费雷特直径的任何增加小于10％。作为另一示例，在一个实施例中，三级生长约束系统155能够约束电极组件106在第三方向上的生长，使得在二次电池的1000个连续循环期间，电极组件在第三方向上的费雷特直径的任何增加小于10％。作为另一示例，在一个实施例中，三级生长约束系统155能够约束电极组件106在第三方向上的生长，使得在二次电池的2000个连续循环期间，电极组件在第三方向上的费雷特直径的任何增加小于10％。作为另一示例，在一个实施例中，三级生长约束系统155能够约束电极组件106在第三方向上的生长，使得在二次电池的3000个连续循环期间，电极组件在第三方向上的费雷特直径的任何增加小于10％。作为另一示例，在一个实施例中，三级生长约束系统155能够约束电极组件106在第三方向上的生长，使得在二次电池在充电状态与放电状态之间的5000个连续循环期间，电极组件在第三方向上的费雷特直径的任何增加小于10％。作为另一示例，在一个实施例中，三级生长约束系统155能够约束电极组件106在第三方向上的生长，使得在二次电池的8000个连续循环期间，电极组件在第三方向上的费雷特直径的任何增加小于10％。作为另一示例，在一个实施例中，三级生长约束系统155能够约束电极组件106在第三方向上的生长，使得在二次电池的10000个连续循环期间，电极组件在第三方向上的费雷特直径的任何增加小于10％。
在一个实施例中，具有三级生长约束系统155的该组约束件能够约束电极组件106在第三方向上的生长，使得在二次电池的5个连续循环期间，电极组件在第三方向上的费雷特直径的任何增加小于5％。作为另一示例，在一个实施例中，三级生长约束系统155能够约束电极组件106在第三方向上的生长，使得在二次电池的10个连续循环期间，电极组件在第三方向上的费雷特直径的任何增加小于5％。作为另一示例，在一个实施例中，三级生长约束系统155能够约束电极组件106在第三方向上的生长，使得在二次电池的20个连续循环期间，电极组件在第三方向上的费雷特直径的任何增加小于5％。作为另一示例，在一个实施例中，三级生长约束系统155能够约束电极组件106在第三方向上的生长，使得在二次电池的30个连续循环期间，电极组件在第三方向上的费雷特直径的任何增加小于5％。作为另一示例，在一个实施例中，三级生长约束系统155能够约束电极组件106在第三方向上的生长，使得在二次电池的50个连续循环期间，电极组件在第三方向上的费雷特直径的任何增加小于5％。作为另一示例，在一个实施例中，三级生长约束系统155能够约束电极组件106在第三方向上的生长，使得在二次电池的80个连续循环期间，电极组件在第三方向上的费雷特直径的任何增加小于5％。作为另一示例，在一个实施例中，三级生长约束系统155能够约束电极组件106在第三方向上的生长，使得在二次电池的100个连续循环期间，电极组件在第三方向上的费雷特直径的任何增加小于5％。作为另一示例，在一个实施例中，三级生长约束系统155能够约束电极组件106在第三方向上的生长，使得在二次电池的200个连续循环期间，电极组件在第三方向上的费雷特直径的任何增加小于5％。作为另一示例，在一个实施例中，三级生长约束系统155能够约束电极组件106在第三方向上的生长，使得在二次电池的300个连续循环期间，电极组件在第三方向上的费雷特直径的任何增加小于5％。作为另一示例，在一个实施例中，三级生长约束系统155能够约束电极组件106在第三方向上的生长，使得在二次电池的500个连续循环期间，电极组件在第三方向上的费雷特直径的任何增加小于5％。作为另一示例，在一个实施例中，三级生长约束系统152能够约束电极组件106在第三方向上的生长，使得在二次电池的800个连续循环期间，电极组件在第三方向上的费雷特直径的任何增加小于5％。作为另一示例，在一个实施例中，三级生长约束系统155能够约束电极组件106在第三方向上的生长，使得在二次电池的1000个连续循环期间，电极组件在第三方向上的费雷特直径的任何增加小于5％。作为另一示例，在一个实施例中，三级生长约束系统155能够约束电极组件106在第三方向上的生长，使得在二次电池的2000个连续循环期间，电极组件在第三方向上的费雷特直径的任何增加小于5％。作为另一示例，在一个实施例中，三级生长约束系统155能够约束电极组件106在第三方向上的生长，使得在二次电池的3000个连续循环期间，电极组件在第三方向上的费雷特直径的任何增加小于5％。作为另一示例，在一个实施例中，三级生长约束系统155能够约束电极组件106在第三方向上的生长，使得在二次电池的5000个连续循环期间，电极组件在第三方向上的费雷特直径的任何增加小于5％。作为另一示例，在一个实施例中，三级生长约束系统155能够约束电极组件106在第三方向上的生长，使得在二次电池的8000个连续循环期间，电极组件在第三方向上的费雷特直径的任何增加小于5％。作为另一示例，在一个实施例中，三级生长约束系统155能够约束电极组件106在第三方向上的生长，使得在二次电池的10000个连续循环期间，电极组件在第三方向上的费雷特直径的任何增加小于5％。
在一个实施例中，具有三级生长约束系统155的该组约束件能够约束电极组件106在第三方向上的生长，使得在二次电池的每个循环期间，电极组件在第三方向上的费雷特直径的任何增加小于1％。作为另一示例，在一个实施例中，三级生长约束系统155能够约束电极组件106在第三方向上的生长，使得在二次电池的5个连续循环期间，电极组件在第三方向上的费雷特直径的任何增加小于1％。作为另一示例，在一个实施例中，三级生长约束系统155能够约束电极组件106在第三方向上的生长，使得在二次电池的10个连续循环期间，电极组件在第三方向上的费雷特直径的任何增加小于1％。作为另一示例，在一个实施例中，三级生长约束系统155能够约束电极组件106在第三方向上的生长，使得在二次电池的20个连续循环期间，电极组件在第三方向上的费雷特直径的任何增加小于1％。作为另一示例，在一个实施例中，三级生长约束系统155能够约束电极组件106在第三方向上的生长，使得在二次电池的30个连续循环期间，电极组件在第三方向上的费雷特直径的任何增加小于1％。作为另一示例，在一个实施例中，三级生长约束系统155能够约束电极组件106在第三方向上的生长，使得在二次电池的50个连续循环期间，电极组件在第三方向上的费雷特直径的任何增加小于5％。作为另一示例，在一个实施例中，三级生长约束系统155能够约束电极组件106在第三方向上的生长，使得在二次电池的80个连续循环期间，电极组件在第三方向上的费雷特直径的任何增加小于1％。作为另一示例，在一个实施例中，三级生长约束系统155能够约束电极组件106在第三方向上的生长，使得在二次电池的100个连续循环期间，电极组件在第三方向上的费雷特直径的任何增加小于1％。作为另一示例，在一个实施例中，三级生长约束系统155能够约束电极组件106在第三方向上的生长，使得在二次电池的200个连续循环期间，电极组件在第三方向上的费雷特直径的任何增加小于1％。作为另一示例，在一个实施例中，三级生长约束系统155能够约束电极组件106在第三方向上的生长，使得在二次电池的300个连续循环期间，电极组件在第三方向上的费雷特直径的任何增加小于1％。作为另一示例，在一个实施例中，三级生长约束系统155能够约束电极组件106在第三方向上的生长，使得在二次电池的500个连续循环期间，电极组件在第三方向上的费雷特直径的任何增加小于1％。作为另一示例，在一个实施例中，三级生长约束系统152能够约束电极组件106在第三方向上的生长，使得在二次电池的800个连续循环期间，电极组件在第三方向上的费雷特直径的任何增加小于1％。作为另一示例，在一个实施例中，三级生长约束系统155能够约束电极组件106在第三方向上的生长，使得在二次电池在充电状态与放电状态之间的1000个连续循环期间，电极组件在第三方向上的费雷特直径的任何增加小于1％。作为另一示例，在一个实施例中，三级生长约束系统155能够约束电极组件106在第三方向上的生长，使得在二次电池的2000个连续循环期间，电极组件在第三方向上的费雷特直径的任何增加小于1％。作为另一示例，在一个实施例中，三级生长约束系统155能够约束电极组件106在第三方向上的生长，使得在二次电池的3000个连续循环期间，电极组件在第三方向上的费雷特直径的任何增加小于1％。作为另一示例，在一个实施例中，三级生长约束系统155能够约束电极组件106在第三方向上的生长，使得在二次电池的5000个连续循环期间，电极组件在第三方向上的费雷特直径的任何增加小于1％。作为另一示例，在一个实施例中，三级生长约束系统155能够约束电极组件106在第三方向上的生长，使得在二次电池的8000个连续循环期间，电极组件在第三方向上的费雷特直径的任何增加小于1％。作为另一示例，在一个实施例中，三级生长约束系统155能够约束电极组件106在第三方向上的生长，使得在二次电池的10000个连续循环期间，电极组件在第三方向上的费雷特直径的任何增加小于1％。
根据一个实施例，初级和二级生长约束系统151、152和可选的三级生长约束系统155被配置为协同工作，使得初级生长约束系统151的多个部分协作地充当二级生长约束系统152的一部分，和/或二级生长约束系统152的多个部分协作地充当初级生长约束系统151的一部分，并且初级和/或二级约束系统151、152中任一者的多个部分也分别可以协作地充当三级生长约束系统的一部分，反之亦然。例如，在图6A和6B所示的实施例中，初级生长约束系统151的第一和第二初级连接构件162、164分别可以用作第一和第二二级生长约束件158、160的至少一部分或甚至其整个结构，第一和第二二级生长约束件158、160约束与纵向方向正交的第二方向上的生长。在又一实施例中，如上所述，第一和第二初级生长约束件154、156中的一者或多者分别可以用作一个或多个二级连接构件166，以分别连接第一和第二二级生长约束件158、160。相反，第一和第二二级生长约束件158、160的至少一部分分别可以充当初级生长约束系统151的第一和第二初级连接构件162、164，并且在一个实施例中，二级生长约束系统152的至少一个二级连接构件166可以分别充当第一和第二初级生长约束件154、156中的一者或多者。在又一实施例中，初级生长约束系统151的第一和第二初级连接构件162、164的至少一部分和/或二级生长约束系统152的至少一个二级连接构件166分别可以用作第一和第二三级生长约束件157、159的至少一部分或甚至其整个结构，第一和第二三级生长约束件157、159约束与纵向方向正交的横向方向上的生长。在又一实施例中，第一和第二初级生长约束件154、156和/或第一和第二二级生长约束件158、160中的一者或多者分别可以用作一个或多个三级连接构件166，以分别连接第一和第二三级生长约束件157、159。相反，第一和第二三级生长约束件157、159的至少一部分可以分别充当初级生长约束系统151的第一和第二初级连接构件162、164，和/或在一个实施例中，二级生长约束系统152的至少一个二级连接构件166和三级生长约束系统155的至少一个三级连接构件165可以分别充当第一和第二初级生长约束件154、156中的一者或多者，和/或第一和第二二级生长约束件158、160中的一者或多者。替代地和/或附加地，初级和/或二级和/或三级生长约束件可包括协作地约束电极组件106的生长的其它结构。因此，初级和二级生长约束系统151、152和可选的三级生长约束系统155可以共用对电极组件106的生长施加约束的部件和/或结构。
在一个实施例中，该组电极约束件108可包括诸如初级和二级生长约束件、以及初级和二级连接构件之类的结构，它们是位于电池外壳104的外部和/或内部的结构，或者可以是电池外壳104本身的一部分。例如，该组电极约束件108可包括结构的组合，该组合包括电池外壳104以及其它结构部件。在一个这样的实施例中，电池外壳104可以是初级生长约束系统151和/或二级生长约束系统152的部件；换言之，在一个实施例中，电池外壳104单独或与一个或多个其它结构(在电池外壳104内部和/或外部，例如初级生长约束系统151和/或二级生长约束系统152)组合地约束电极组件106在电极堆叠方向D上和/或在与堆叠方向D正交的第二方向上的生长。例如，初级生长约束件154、156和二级生长约束件158、160中的一者或多者可包括位于电极组件内部的结构。在另一实施例中，初级生长约束系统151和/或二级生长约束系统152不包括电池外壳104，而是替代地，除电池外壳104之外的一个或多个分立结构(位于电池外壳104的内部和/或外部)约束电极组件106在电极堆叠方向D上和/或在与堆叠方向D正交的第二方向上的生长。在具有电极组件106的能量存储装置100或二次电池的重复循环期间，该组电极约束件108可以以大于由电极组件106的生长和/或增大所施加的压力的压力来约束电极组件106。
在一个示例性实施例中，初级生长约束系统151包括位于电池外壳104内的一个或多个分立结构，其在具有作为电极组件106的一部分的阳极结构110的二次电池102的重复循环时通过施加超过由阳极结构110在堆叠方向D上产生的压力的压力来约束阳极结构110在堆叠方向D上的生长。在另一示例性实施例中，初级生长约束系统151包括位于电池外壳104内的一个或多个分立结构，其在具有作为电极组件106的一部分的阴极结构112的二次电池102重复循环时通过在堆叠方向D上施加超过由阴极结构112在堆叠方向D上产生的压力的压力来约束阳极结构110在堆叠方向D上的生长。二级生长约束系统152可以类似地包括位于电池外壳104内的一个或多个分立结构，其在具有阳极或阴极结构110、112的二次电池102的重复循环时通过在与堆叠方向D正交的第二方向上(例如，沿垂直轴(Z轴))施加超过由阳极或阴极结构110、112分别在第二方向上产生的压力的压力来约束阳极结构110和阴极结构112中的至少一者在第二方向上的生长。
在又一实施例中，初级生长约束系统151的第一和第二初级生长约束件154、156通过在电极组件106的第一和第二纵向端面116、118上(即，在纵向方向上)施加压力来约束电极组件106的生长，该压力超过由第一和第二初级生长约束件154、156将在与纵向方向正交的方向上施加到电极组件106的其它表面(例如电极组件106的横向表面142的沿横向轴和/或垂直轴相对的第一区域和第二区域)上的压力的压力。也就是说，第一和第二初级生长约束件154、156可以在纵向方向(Y轴)上施加压力，该压力超过由此在与其正交的方向(例如横向(X轴)方向和垂直(Z轴)方向)上产生的压力。例如，在一个这样的实施例中，初级生长约束系统151通过第一和第二纵向端面116、118上(即，在堆叠方向D上)的压力来约束电极组件106的生长，该压力超过了由初级生长约束系统151在垂直于堆叠方向D的两个方向中的至少一个方向或甚至全部两个方向上保持在电极组件106上的压力至少2倍(by afactor of at least 3)。作为另一示例，在一个这样的实施例中，初级生长约束系统151通过第一和第二纵向端面116、118上(即，在堆叠方向D上)的压力来约束电极组件106的生长，该压力超过了由初级生长约束系统151在垂直于堆叠方向D的两个方向中的至少一个方向或甚至全部两个方向上保持在电极组件106上的压力至少3倍。作为另一示例，在一个这样的实施例中，初级生长约束系统151通过第一和第二纵向端面116、118上(即，在堆叠方向D上)的压力来约束电极组件106的生长，该压力超过了在垂直于堆叠方向D的两个方向中的至少一个方向或甚至全部两个方向上保持在电极组件106上的压力至少4倍。
类似地，在一个实施例中，初级生长约束系统151的第一和第二二级生长约束件158、160通过在与纵向方向正交的第二方向上在电极组件106的横向表面142的第一和第二相对的区域(例如沿垂直轴148、150(即，在垂直方向上)的第一和第二相对表面区域)上施加压力来约束电极组件106的生长，该压力超过由第一和第二二级生长约束件158、160分别将在与第二方向正交的方向上施加到电极组件106的其它表面上的压力。也就是说，第一和第二二级生长约束件158、160可以分别在垂直方向(Z轴)上施加压力，该压力超过由此在与其正交的方向(例如横向(X轴)方向和纵向(Y轴)方向)上产生的压力。例如，在一个这样的实施例中，二级生长约束系统152通过第一和第二相对的表面区域148、150上(即，在垂直方向上)的压力来约束电极组件106的生长，该压力超过了由二级生长约束系统152在垂直于垂直方向的两个方向中的至少一个方向或甚至全部两个方向上保持在电极组件106上的压力至少2倍。作为另一示例，在一个这样的实施例中，二级生长约束系统152通过第一和第二相对的表面区域148、150上(即，在垂直方向上)的压力来约束电极组件106的生长，该压力超过了由二级生长约束系统152在垂直于垂直方向的两个方向中的至少一个方向或甚至全部两个方向上保持在电极组件106上的压力至少3倍。作为另一示例，在一个这样的实施例中，二级生长约束系统152通过第一和第二相对的表面区域148、150上(即，在垂直方向上)的压力来约束电极组件106的生长，该压力超过了在垂直于垂直方向的两个方向中的至少一个方向或甚至全部两个方向上保持在电极组件106上的压力至少4倍。
在又一实施例中，三级生长约束系统155的第一和第二三级生长约束件157、159分别通过在与纵向方向和第二方向正交的方向上在电极组件106的横向表面142的第一和第二相对区域(例如分别沿横向轴161、163(即，在横向方向上)的第一和第二相对表面区域)施加压力来约束电极组件106的生长，该压力超过由三级生长约束系统155将在与横向方向正交的方向上施加到电极组件106的其它表面上的压力。也就是说，第一和第二三级生长约束件157、159分别可以在横向方向(X轴)上施加压力，该压力超过由此在与其正交的方向(例如垂直(Z轴)方向和纵向(Y轴)方向)上产生的压力。例如，在一个这样的实施例中，三级生长约束系统155通过第一和第二相对的表面区域144、146上(即，在横向方向上)的压力来约束电极组件106的生长，该压力超过了由三级生长约束系统155在垂直于横向方向的两个方向中的至少一个方向或甚至全部两个方向上保持在电极组件106上的压力至少2倍。作为另一示例，在一个这样的实施例中，三级生长约束系统155通过第一和第二相对的表面区域144、146上(即，在横向方向上)的压力来约束电极组件106的生长，该压力超过了由三级生长约束系统155在垂直于横向方向的两个方向中的至少一个方向或甚至全部两个方向上保持在电极组件106上的压力至少3倍。作为另一示例，在一个这样的实施例中，三级生长约束系统155通过第一和第二相对的表面区域144、146上(即，在横向方向上)的压力来约束电极组件106的生长，该压力超过了在垂直于横向方向的两个方向中的至少一个方向或甚至全部两个方向上保持在电极组件106上的压力至少4倍。
在一个实施例中，该组电极约束件108(其可包括初级生长约束系统151、二级生长约束系统152和可选的三级生长约束系统155)被配置为沿电极组件106的两个或三个维度(例如，沿纵向方向和垂直方向，以及可选地沿横向方向)对电极组件106施加压力，其中该组电极约束件108沿着纵向方向施加的压力大于该组电极约束件108在与纵向方向正交的方向(例如，Z和X方向)中的任一者上施加的任何压力。也就是说，当由构成该组电极约束件108的初级、二级和可选的三级生长约束系统151、152、155分别施加的压力加在一起时，沿纵向轴施加到电极组件106上的压力超过在与纵向轴正交的方向上施加到电极组件106上的压力。例如，在一个这样的实施例中，该组电极约束件108在第一和第二纵向端面116、118上(即，在堆叠方向D上)施加压力，该压力超过了由该组电极约束件108在垂直于堆叠方向D的两个方向中的至少一个方向或甚至全部两个方向上保持在电极组件106上的压力至少2倍。作为另一示例，在一个这样的实施例中，该组电极约束件108在第一和第二纵向端面116、118上(即，在堆叠方向D上)施加压力，该压力超过了由该组电极约束件108在垂直于堆叠方向D的两个方向中的至少一个方向或甚至全部两个方向上保持在电极组件106上的压力至少3倍。作为另一示例，在一个这样的实施例中，该组电极约束件108在第一和第二纵向端面116、118上(即，在堆叠方向D上)施加压力，该压力超过了在垂直于堆叠方向D的两个方向中的至少一个方向或甚至全部两个方向上保持在电极组件106上的压力至少4倍。
根据一个实施例，第一和第二纵向端面116、118分别具有小于整个电极组件106的总表面积的预定量的组合表面积。例如，在一个实施例中，电极组件106的几何形状可以与具有第一和第二纵向端面116、118以及在端面116、118之间延伸的横向表面142的矩形棱柱的几何形状相对应，横向表面142构成电极组件106的剩余表面并且具有在X方向上相对的表面区域144、146(即，矩形棱柱的侧面)以及在Z方向上相对的表面区域148、150(即，矩形棱镜的顶面和底面，其中X、Y和Z分别是在对应于X、Y和Z轴的方向上测量的尺寸)。因此，总表面积是由横向表面142覆盖的表面积(即，在X和Z方向上相对的表面144、146、148和150的表面积)加上第一和第二纵向端面116、118的表面积的总和。根据本发明的一方面，第一和第二纵向端面116、118的表面积的和小于电极组件106的总表面的表面积的33％。例如，在一个这样的实施例中，第一和第二纵向端面116、118的表面积的和小于电极组件106的总表面的表面积的25％。作为另一示例，在一个实施例中，第一和第二纵向端面116、118的表面积的和小于电极组件106的总表面的表面积的20％。作为另一示例，在一个实施例中，第一和第二纵向端面116、118的表面积的和小于电极组件106的总表面的表面积的15％。作为另一示例，在一个实施例中，第一和第二纵向端面116、118的表面积的和小于电极组件106的总表面的表面积的10％。
在又一实施例中，电极组件106被配置为使得电极组件106在与堆叠方向(即，纵向方向)正交的平面中的投影的表面积小于电极组件106在其它正交平面中的投影的表面积。例如，参考图1A所示的电极组件106的实施例(例如，矩形棱柱)，可以看出，电极组件106在与堆叠方向正交的平面(即，X-Z平面)中的投影的表面积对应于LEA×HEA。类似地，电极组件106在Z-Y平面中的投影对应于WEA×HEA，并且电极组件106在X-Y平面中的投影对应于LEA×WEA。因此，电极组件106被配置为使得堆叠方向与具有最小表面积的投影所在的平面相交。因此，在图2的实施例中，电极组件106被定位成使得堆叠方向与对应于HEA×LEA的最小表面积投影所在的X-Z平面相交。也就是说，电极组件被定位成使得具有最小表面积(例如，HEA×LEA)的投影与堆叠方向正交。
在又一实施例中，二次电池102可包括堆叠在一起以形成电极堆叠的多个电极组件106，并且可受到一个或多个共用电极约束件的约束。例如，在一个实施例中，初级生长约束系统151和二级生长约束系统152中的一者或多者的至少一部分可以由形成电极组件堆叠的多个电极组件106共用。作为另一示例，在一个实施例中，形成电极组件堆叠的多个电极组件可以在垂直方向上受到二级生长约束系统152的约束，二级生长约束系统152具有在堆叠的顶部电极组件106处的第一二级生长约束件158和在堆叠的底部电极组件106处的第二二级生长约束件160，使得形成堆叠的多个电极组件106在垂直方向上受到共用二级生长约束系统的约束。类似地，也可以共用初级生长约束系统151的部分。因此，在一个实施例中，类似于上述单电极组件，电极组件106的堆叠在与堆叠方向(即，纵向方向)正交的平面中的投影的表面积小于电极组件106的堆叠在其它正交平面中的投影的表面积。也就是说，多个电极组件106可以被配置为使得堆叠方向(即，纵向方向)与这样的平面相交和正交：该平面具有的电极组件106的堆叠的投影是电极组件堆叠的所有其它正交投影中的最小投影。
根据一个实施例，电极组件106进一步包括阳极结构110，阳极结构110被配置为使得阳极结构110在与堆叠方向(即，纵向方向)正交的平面中的投影的表面积大于电极结构100在其它正交平面中的投影的表面积。例如，参考图1A和7所示的实施例，阳极110中的每一个可以被理解为具有在横向方向上测量的长度LA、在纵向方向上测量的宽度WA、以及在垂直方向上测量的高度HA。因此，在如图1A和图7所示的X-Z平面中的投影具有表面积LA×HA，在Y-Z平面中的投影具有表面积WA×HA，1可以X-Y平面中的投影具有表面积LA×WA。其中，与具有最大表面积的投影对应的平面是被选择为与堆叠方向正交的平面。类似地，阳极110也可以被配置为使得阳极活性材料层132在与堆叠方向正交的平面中的投影的表面积大于电极活性材料层在其它正交平面中的投影的表面积。例如，在图1A和图7所示的实施例中，阳极活性材料层可以具有在横向方向上测量的长度LAA、在纵向方向上测量的宽度WAA、以及在垂直方向上测量的高度HAA，可以根据这些项计算投影的表面积(在阳极结构和/或阳极活性材料层132的尺寸沿一个或多个轴变化的情况下，LA、LAA、WA、WAA、HA和HAA也可以对应于这些尺寸的最大值)。在一个实施例中，通过将阳极结构110定位成使得具有阳极结构110和/或阳极活性材料层132的最大投影表面积的平面与堆叠方向正交，可以实现如下配置：其中，具有最大的阳极活性材料表面积的阳极结构110的表面面向载体离子的行进方向，因此在由于嵌入和/或合金化而在充电状态与放电状态之间的循环期间经历最大生长。
在一个实施例中，阳极结构110和电极组件106可以被配置为使得阳极结构110和/或阳极活性材料层132的最大表面积投影、以及电极组件106的最小表面积投影同时在与堆叠方向垂直的平面中。例如，在图1A和7所示的情况下，阳极活性材料层132的在阳极活性材料层132的X-Z平面(LAA×HAA)中的投影是最大的，阳极结构110和/或阳极活性材料层132相对于电极组件的最小表面积投影(LEA×HEA)定位，使得这两个投影的投影平面都与堆叠方向正交。也就是，具有阳极结构110和/或阳极活性材料的最大表面积投影的平面与具有电极组件106的最小表面积投影的平面平行(和/或在同一平面内)。以这样的方式，根据一个实施例，最可能经历最大体积生长的阳极结构的表面——即，具有最大含量的阳极活性材料层的表面，和/或与二次电池的充电/放电期间的载体离子的行进方向相交(例如，正交)的表面——面向具有最小表面积的电极组件106的表面。提供这种配置的一个优点可能是，用于在该最大生长方向上(例如，沿纵向轴)进行约束的生长约束系统可以通过本身具有与电极组件106的其它表面的面积相比相对小的表面积的生长约束件来实现，从而减小实现用于约束电极组件生长的约束系统所需的体积。
在一个实施例中，约束系统108占电极组件106和约束系统108的组合体积的相对低的体积％。也就是说，电极组件106可以被理解为具有由其外表面限定的体积(即，置换体积)，即，由第一和第二纵向端面116、118和连接端面的横向表面42包围的体积。位于电极组件106外部(即，位于纵向端面116、118和横向表面的外部)的约束系统108的部分(例如第一和第二初级生长约束件154、156位于电极组件106的纵向端部117、119处、以及第一和第二二级生长约束件158、160位于横向表面142的相对端部处)，约束系统108的部分类似地占据对应于约束系统部分的置换体积的体积。因此，在一个实施例中，该组电极约束件108的外部部分(其可包括初级生长约束系统151的外部部分(即，位于外部的第一和第二初级生长约束件154、156中以及至少一个初级连接构件中的任一者、或其外部部分)、以及二级生长约束系统152的外部部分(即，位于外部的第一和第二二级生长约束件158、160和至少一个二级连接构件中的任一者、或其外部部分))占电极组件106和该组电极约束件108的外部部分的总组合体积的80％以下。作为另一示例，在一个实施例中，该组电极约束件的外部部分占电极组件106和该组电极约束件的外部部分的总组合体积的60％以下。作为又一示例，在一个实施例中，该组电极约束件106的外部部分占电极组件106和该组电极约束件的外部部分的总组合体积的40％以下。作为又一示例，在一个实施例中，该组电极约束件106的外部部分占电极组件106和该组电极约束件的外部部分的总组合体积的20％以下。在又一实施例中，初级生长约束系统的外部部分(即，位于外部的第一和第二初级生长约束件154、156以及至少一个初级连接构件中的任一者、或其外部部分)占电极组件106和初级生长约束系统151的外部部分的总组合体积的40％以下。作为另一示例，在一个实施例中，初级生长约束系统151的外部部分占电极组件106和初级生长约束系统151的外部部分的总组合体积的30％以下。作为又一示例，在一个实施例中，初级生长约束系统151的外部部分占电极组件106和初级生长约束系统151的外部部分的总组合体积的20％以下。作为又一示例，在一个实施例中，初级生长约束系统151的外部部分占电极组件106和初级生长约束系统151的外部部分的总组合体积的10％以下。在又一实施例中，二级生长约束系统152的外部部分(即，位于外部的第一和第二二级生长约束件158、160以及至少一个二级连接构件中的任一者、或其外部部分)占电极组件106和二级生长约束系统152的外部部分的总组合体积的40％以下。作为另一示例，在一个实施例中，二级生长约束系统152的外部部分占电极组件106和二级生长约束系统152的外部部分的总组合体积的30％以下。作为又一示例，在一个实施例中，二级生长约束系统152的外部部分占电极组件106和二级生长约束系统152的外部部分的总组合体积的20％以下。作为又一示例，在一个实施例中，二级生长约束系统152的外部部分占电极组件106和二级生长约束系统152的外部部分的总组合体积的10％以下。
根据一个实施例，阳极群和阴极群的构件在第一和第二纵向端面116、118上的投影限定(circumscribe)第一和第二投影区域2002a、2002b。一般而言，第一和第二投影区域2002a、2002b通常分别包括第一和第二纵向端面122、124的表面积的大部分。例如，在一个实施例中，第一和第二投影区域中的每一者分别包括第一和第二纵向端面的表面积的至少50％。作为另一示例，在一个这样的实施例中，第一和第二投影区域中的每一者分别包括第一和第二纵向端面的表面积的至少75％。作为另一示例，在一个这样的实施例中，第一和第二投影区域中的每一者分别包括第一和第二纵向端面的表面积的至少90％。
在某些实施例中，电极组件106的纵向端面116、118将处于显著压缩负荷下。例如，在一些实施例中，电极组件106的纵向端面116、118中的每一者将处于至少0.7kPa的压缩负荷下(例如，对纵向端面中的每一者的总表面积求平均)。例如，电极组件106的纵向端面116、118中的每一者将处于至少1.75kPa的压缩负荷下(例如，对纵向端面中的每一者的总表面积求平均)。作为另一示例，在一个这样的实施例中，电极组件106的纵向端面116、118中的每一者将处于至少2.8kPa的压缩负荷下(例如，对纵向端面中的每一者的总表面积求平均)。作为另一示例，在一个这样的实施例中，电极组件106的纵向端面116、118中的每一者将处于至少3.5kPa的压缩负荷下(例如，对纵向端面中的每一者的总表面积求平均)。作为另一示例，在一个这样的实施例中，电极组件106的纵向端面116、118中的每一者将处于至少5.25kPa的压缩负荷下(例如，对纵向端面中的每一者的总表面积求平均)。作为另一示例，在一个这样的实施例中，电极组件106的纵向端面116、118中的每一者将处于至少7kPa的压缩负荷下(例如，对纵向端面中的每一者的总表面积求平均)。作为另一示例，在一个这样的实施例中，电极组件106的纵向端面116、118中的每一者将处于至少8.75kPa的压缩负荷下(例如，对纵向端面中的每一者的总表面积求平均)。然而，一般而言，电极组件106的纵向端面116、118将处于不大于约10k Pa的压缩负荷下(例如，对纵向端面中的每一者的总表面积求平均)。与电极群和反电极群的构件在纵向端面上的投影(即，投影的表面区域)重合的电极组件的纵向端面的区域也可以在上述压缩负荷下(对纵向端面中的每一者的总表面积求平均)。在上述每个示例性实施例中，电极组件106的纵向端面116、118在具有电极组件106的能量存储装置100被充电至其额定容量的至少约80％时将经历这种压缩负荷。
根据一个实施例，二级生长约束系统152能够通过施加预定值的约束力来约束电极组件106在垂直方向(Z方向)上的生长，而不使生长约束件过度偏斜(skew)。例如，在一个实施例中，二级生长约束系统152可以通过向相对的垂直区域148、150施加大于1,000psi的约束力以及小于0.2mm/m的偏斜来约束电极组件106在垂直方向上的生长。作为另一示例，在一个实施例中，二级生长约束系统152可以通过向相对的垂直区域148、150以小于5％的位移(displacement)施加小于或等于10,000psi的约束力以及小于0.2mm/m的偏斜来约束电极组件106在垂直方向上的生长。作为另一示例，在一个实施例中，二级生长约束系统152可以通过向相对的垂直区域148、150以小于3％的位移施加小于或等于10,000psi的约束力以及小于0.2mm/m的偏斜来约束电极组件106在垂直方向上的生长。作为另一示例，在一个实施例中，二级生长约束系统152可以通过向相对的垂直区域148、150以小于1％的位移施加小于或等于10,000psi的约束力以及小于0.2mm/m的偏斜来约束电极组件106在垂直方向上的生长。作为另一示例，在一个实施例中，在50次电池循环后，二级生长约束系统152可以通过向垂直方向上相对的垂直区域148、150以小于15％的位移施加小于或等于10,000psi的约束力以及小于0.2mm/m的偏斜来约束电极组件106在垂直方向上的生长。作为另一示例，在一个实施例中，在150次电池循环后，二级生长约束系统152可以通过向垂直方向上相对的垂直区域148、150以小于5％的位移施加小于或等于10,000psi的约束力以及小于0.2mm/m的偏斜来约束电极组件106在垂直方向上的生长。
现在参考图6D，以沿图1B所示的线A-A'截取的横截面示出了具有一组电极约束件108的电极组件106的实施例。在图6D所示的实施例中，初级生长约束系统151可包括分别位于电极组件106的纵向端面116、118处的第一和第二初级生长约束件154、156，并且二级生长约束系统152包括分别位于电极组件106的横向表面142的相对的第一和第二表面区域148、150处的第一和第二二级生长约束件158、160。根据该实施例，第一和第二初级生长约束件154、156可以用作至少一个二级连接构件166，以连接第一和第二二级生长约束件158、160并且在与纵向方向正交的第二方向(例如，垂直方向)上保持彼此张紧的生长约束件。然而，附加地和/或替代地，二级生长约束系统152可包括位于电极组件106的除纵向端面116、118之外的区域处的至少一个二级连接构件166。此外，所述至少一个二级连接构件166可以被理解为充当第一和第二初级生长约束件154、156中的至少一者，其位于电极组件的纵向端部116、118的内部并且可以与另一内部初级生长约束件和/或电极组件106的纵向端部116、118处的初级生长约束件一起作用以约束生长。参考图6D所示的实施例，可以提供二级连接构件166，其沿着纵向轴远离电极组件106的第一和第二纵向端面116、118，例如朝向电极组件106的中央区域。二级连接构件166可以在电极组件端面116、118的内部位置处分别连接第一和第二二级生长约束件158、160，并且可以在该位置处在二级生长约束件158、160之间处于张紧状态。在一个实施例中，除了在电极组件端面116、118处设置的一个或多个二级连接构件166之外，还设置了在端面116、118的内部位置处连接二级生长约束件158、160的二级连接构件166，例如也用作纵向端面116、118处的初级生长约束件154、156的二级连接构件166。在另一实施例中，二级生长约束系统152包括位于与纵向端面116、118间隔开的内部位置处的与第一和第二二级生长约束件158、160连接的一个或多个二级连接构件166，在纵向端面116、118处具有或不具有二级连接构件166。根据一个实施例，内部二级连接构件166也可以被应理解为充当第一和第二初级生长约束件154、156。例如，在一个实施例中，内部二级连接构件166中的至少一者可包括阳极或阴极结构110、112的至少一部分，如下面进一步详细描述的。
更具体地说，关于图6D所示的实施例，二级生长约束系统152可包括覆盖电极组件106的横向表面142的上部区域148的第一二级生长约束件158、以及覆盖电极组件106的横向表面142的下部区域150的相对的第二二级生长约束件160，第一和第二二级生长约束件158、160在垂直方向上(即，沿Z轴)彼此分离。另外，二级生长约束系统152可以进一步包括与电极组件106的纵向端面116、118间隔开的至少一个内部二级连接构件166。内部二级连接构件166可平行于Z轴对齐，并且分别连接第一和第二二级生长约束件158、160，以保持生长约束件彼此张紧并形成二级约束系统152的至少一部分。在一个实施例中，在具有电极组件的能量存储装置100或二次电池102的重复充电和/或放电期间，至少一个内部二级连接构件166(单独地或者与位于电极组件106的纵向端面116、118处的二级连接构件166一起)可以在第一和第二二级生长约束件158、160之间在垂直方向上(即，沿Z轴)处于张紧状态，以减少电极组件106在垂直方向上的生长。此外，在如图5所示的实施例中，该组电极约束件108进一步包括初级生长约束系统151，其在电极组件106的纵向端部117、119处分别具有第一和第二初级生长约束件154、156，第一和第二初级生长约束件154、156在电极组件106的上下横向表面区域148、150处通过第一和第二初级连接构件162、164而被连接。在一个实施例中，二级内部连接构件166本身可以被理解为与第一和第二初级生长约束件154、156中的一者或多者合作起作用，以在电极组件106的每个部分上施加约束压力，该约束压力位于二级内部连接构件166与第一和第二初级生长约束件154、156可以分别所在的电极组件106的纵向端部117、119之间的纵向方向上。
在一个实施例中，初级生长约束系统151和二级生长约束系统152中的一者或多者包括分别包含多个约束构件的第一和第二初级生长约束件154、156和/或第一和第二二级生长约束件158、160。也就是说，初级生长约束件154、156和/或二级生长约束件158、160中的每一者可以是单个单一构件，或者多个构件可用于构成生长约束件中的一者或多者。例如，在一个实施例中，第一和第二二级生长约束件158、160分别可包括分别沿电极组件横向表面142的上表面区域和下表面区域148、150延伸的单个约束构件。在另一实施例中。第一和第二二级生长约束件158、160分别包括跨横向表面的相对的表面区域148、150延伸的多个构件。类似地，初级生长约束件154、156也可以由多个构件制成，或者可以分别包括位于每个电极组件纵向端部117、119处单个单一构件。为了保持初级生长约束件154、156和二级生长约束件158、160中每一者之间的张紧，提供了连接构件(例如，162、164、165、166)以通过在生长约束件之间对电极组件106施加压力的方式，将包括生长约束件的一个或多个构件连接到相对的生长约束构件。
在一个实施例中，二级生长约束系统152的至少一个二级连接构件166形成与第一和第二二级生长约束件158、160的接触区域168、170，以保持生长约束件的彼此张紧。接触区域168、170是这样的区域：其中，至少一个二级连接构件166的端部172、174处的表面分别触碰和/或接触第一和第二二级生长约束件158、160，例如其中，至少一个二级连接构件166的一端的表面分别粘附或粘合到第一和第二二级生长约束件158、160。接触区域168、170可以位于每个端部172、174处，并且可以跨第一和第二二级生长约束件158、160的表面区域延伸，以在它们之间提供良好的接触。接触区域168、170在二级连接构件166与生长约束件158、160之间提供纵向方向(Y轴)上的接触，并且接触区域168、170也可以在横向方向(X轴)上延伸，以提供良好的接触和连接以保持第一和第二二级生长约束件158、160彼此之间张紧。在一个实施例中，接触区域168、170提供了按(per)电极组件106在纵向方向上的WEA，一个或多个二级连接构件166在纵向方向(Y轴)上与生长约束件158、160的全部接触区域(例如，所有区域168的总和、以及所有区域170的总和)的比率至少为1％。例如，在一个实施例中，按电极组件106在纵向方向上的WEA，一个或多个二级连接构件166在纵向方向(Y轴)上与生长约束件158、160的全部接触区域的比率至少为2％。作为另一示例，在一个实施例中，按电极组件106在纵向方向上的WEA，一个或多个二级连接构件166在纵向方向(Y轴)上与生长约束件158、160的全部接触区域的比率至少为5％。作为另一示例，在一个实施例中，按电极组件106在纵向方向上的WEA，一个或多个二级连接构件166在纵向方向(Y轴)上与生长约束件158、160的全部接触区域的比率至少为10％。作为另一示例，在一个实施例中，对于纵向方向上的电极组件106的每WEA，一个或多个二级连接构件166在纵向方向(Y轴)上与生长约束件158、160的全部接触区域的比率至少为25％。作为另一示例，在一个实施例中，按电极组件106在纵向方向上的WEA，一个或多个二级连接构件166在纵向方向(Y轴)上与生长约束件158、160的全部接触区域的比率至少为50％。通常，按电极组件106在纵向方向上的WEA，一个或多个二级连接构件166在纵向方向(Y轴)上与生长约束件158、160的全部接触区域的比率小于100％，例如小于90％，或甚至小于75％，因为一个或多个连接构件166通常不具有跨整个纵向轴延伸的接触区域168、170。然而，在一个实施例中，二级连接构件166与生长约束件158、160的接触区域168、170可以跨横向轴(X轴)的大部分延伸，并且甚至可以跨电极组件106在横向方向上的整个LEA延伸。例如，按电极组件106在横向方向上的LEA，一个或多个二级连接构件166在横向方向(X轴)上与生长约束件158、160的全部接触区域(例如，所有区域168的总和、以及所有区域170的总和)的比率可以至少为约50％。作为另一示例，按电极组件106在纵向方向上的LEA，一个或多个二级连接构件166在横向方向(X轴)上与生长约束件158、160的全部接触区域的比率可以至少为约75％。作为另一示例，按电极组件106在纵向方向上的LEA，一个或多个二级连接构件166在横向方向(X轴)上与生长约束件158、160的全部接触区域的比率可以至少为约90％。作为另一示例，按电极组件106在纵向方向上的LEA，一个或多个二级连接构件166在横向方向(X轴)上与生长约束件158、160的全部接触区域的比率可以至少为约95％。
根据一个实施例，一个或多个二级连接构件166与第一和第二二级生长约束件158、160之间的接触区域168、170足够大以在具有电极组件106的能量存储装置100或二次电池102的循环期间提供生长约束件158、160之间的充分保持力和张紧度。例如，接触区域168、170可以形成与构成电极组件106的横向表面142的表面积的至少2％——例如电极组件106的横向表面142的表面积的至少10％，甚至电极组件106的横向表面142的表面积的至少20％——的每个生长约束件158、160的接触区域。作为另一示例，接触区域168、170可以形成与构成电极组件106的横向表面142的表面积的至少35％，甚至电极组件106的横向表面142的表面积的至少40％的每个生长约束件158、160的接触区域。例如，对于具有上下相对的表面区域148、150的电极组件106，至少一个二级连接构件166可以沿着上下相对的表面区域148、150的表面区域的至少5％，例如沿着上下相对的表面区域148、150的表面积的至少10％，甚至沿着上下相对的表面区域148、150的表面积的至少20％，形成与生长约束件158、160的接触区域168、170。作为另一示例，对于具有上下相对的表面区域148、150的电极组件106，至少一个二级连接构件166可以沿着上下相对的表面区域148、150的表面区域的至少40％，例如沿着上下相对的表面区域148、150的表面积的至少50％，形成与生长约束件158、160的接触区域168、170。通过在至少一个连接构件166和构成相对于电极组件106的全部表面区域的最小表面区域的生长约束件158、160之间形成接触，可以提供生长约束件158、160之间的适当张紧度。此外，根据一个实施例，接触区域168、170可以由单个二级连接构件166提供，或者全部接触区域可以是由多个二级连接构件166——例如位于电极组件106的纵向端部117、119处的一个或多个二级连接构件166，和/或与电极组件106的纵向端部117、119间隔开的一个或多个内部二级连接构件166——提供的多个接触区域168、170的总和。
此外，在一个实施例中，初级和二级生长约束系统151、152(以及可选的三级生长约束系统)能够约束电极组件106在纵向方向上以及与纵向方向正交的第二方向(例如垂直方向(Z轴))上(以及可选地在第三方向上，例如沿X轴)的生长，以约束电极组件的体积增加％。
在某些实施例中，初级和二级生长约束系统151、152中的一者或多者分别包括其中具有孔的构件，例如由多孔材料制成的构件。例如，参考图8，示出了电极组件106之上的二级生长约束件158的俯视图，该二级生长约束件158可包括孔176，孔176允许电解质通过，以便进入至少部分地被二级生长约束件158覆盖的电极组件106。在一个实施例中，第一和第二二级生长约束件158、160具有位于其中的孔176。在另一实施例中，第一和第二初级生长约束件154、156以及第一和第二二级生长约束件158、160中的每一者具有位于其中的孔176。在又一实施例中，第一和第二二级生长约束件158、160中的仅一者或仅一部分在其中包含孔。在又一实施例中，第一和第二初级连接构件162、164中的一者或多者和至少一个二级连接构件166在其中包含孔。提供孔176可以是有利的，例如，当能量存储装置100或二次电池102包含在电池外壳104中堆叠在一起的多个电极组件106时，以允许电解质在例如如图9所示的实施例中描绘的二次电池102中的不同电极组件106之间流动。例如，在一个实施例中，构成初级和二级生长约束系统151、152的至少一部分的多孔构件可以具有至少0.25的空隙率。作为另一示例，在一些实施例中，构成初级和二级生长约束系统151、152的至少一部分的多孔构件可以具有至少0.375的空隙率。作为另一示例，在一些实施例中，构成初级和二级生长约束系统151、152的至少一部分的多孔构件可以具有至少0.5的空隙率。作为另一示例，在一些实施例中，构成初级和二级生长约束系统151、152的至少一部分的多孔构件可以具有至少0.625的空隙率。作为另一示例，在一些实施例中，构成初级和二级生长约束系统151、152的至少一部分的多孔构件可以具有至少0.75的空隙率。
在一个实施例中，该组电极约束件108可以被组装和固定以通过将初级生长约束系统151的部件粘附、接合和/或胶合到二级生长约束系统152的部件来约束电极组件106的生长。例如，初级生长约束系统151的部件可以被胶合、焊接、接合或以其它方式粘附并固定到二级生长约束系统152的部件。如例如6A所示，第一和第二初级生长约束件154、156分别可以分别被粘附到第一和第二初级连接构件162、164，第一和第二初级连接构件162、164也可以用作第一和第二二级生长约束件158、160。相反，第一和第二二级生长约束件158、150可以分别被粘附到至少一个二级连接构件166，该二级连接构件166用作第一和第二初级生长约束件154、156中的至少一者，例如电极组件106的纵向端部117、119处的生长约束件。参考图6D，第一和第二二级生长约束件158、160也可以分别被粘附到作为与纵向端部117、119间隔开的内部连接构件166的至少一个二级连接构件166。在一个实施例中，通过将初级和二级生长约束系统151、152的部分彼此固定，可以提供对电极组件106生长的协同约束件。
约束系统子架构
根据一个实施例，如上所述，第一和第二二级生长约束件158、160中的一者或多者可以分别经由作为电极组件106的内部结构的一部分(例如阳极结构110和/或阴极结构112的一部分)的二级连接构件166而被连接在一起。在一个实施例中，通过经由电极组件106内的结构提供约束件之间的连接，可以实现紧密约束的结构，该紧密约束的结构充分地补偿由阳极结构110的生长产生的应变。例如，在一个实施例中，第一和第二二级生长约束件158、160分别可以通过被放置为经由连接构件166而彼此张紧来约束与纵向方向正交的方向(例如垂直方向)上的生长，其中连接构件166是阳极结构110和/或阴极结构112的一部分。在又一实施例中，可以通过经由用作二级连接构件166的阴极结构112连接二级生长约束件158、160，抵消阳极结构110的生长。
通常，在某些实施例中，初级生长约束系统151和二级生长约束系统152的部件可以被附接到电极组件106内的阳极结构110和/或阴极结构112，并且二级生长约束系统152的部件也可以实现为电极组件106内的阳极结构110和/或阴极结构112，不仅提供有效的约束，而且还更有效地利用电极组件106的体积，而不过分增加具有电极组件106的能量存储装置110或二次电池102的尺寸。例如，在一个实施例中，初级生长约束系统151和/或二级生长约束系统152可以被附接到一个或多个阳极结构110。作为另一示例，在一个实施例中，初级生长约束系统151和/或二级生长约束系统152可以被附接到一个或多个阴极结构112。作为另一示例，在某些实施例中，至少一个二级连接构件166可以被体现为阳极结构110的群。作为另一示例，在某些实施例中，至少一个二级连接构件166可以体现为阴极结构112的群。
现在参考图7，示出了用于参考的笛卡尔坐标系，该坐标系具有垂直轴(Z轴)、纵向轴(Y轴)和横向轴(X轴)；其中X轴被定向为从页平面出来；如上所述，堆叠方向D的指定与Y轴同向平行。更具体地说，图7示出了一组电极约束件108沿图1B中的线A-A'截取的横截面，包括初级生长约束系统151的一个实施例和二级生长约束系统152的一个实施例。初级生长约束系统151包括上述第一初级生长约束件154和第二初级生长约束件156、以及上述第一初级连接构件162和第二初级连接构件164。二级生长约束系统152包括第一二级生长约束件158、第二二级生长约束件160、以及体现为阳极结构110的群和/或阴极结构112的群的至少一个二级连接构件166；因此，在该实施例中，至少一个二级连接构件166、阳极结构110和/或阴极结构112可以被理解为是可互换的。此外，隔膜130还可以形成二级连接构件166的一部分。此外，如上所述，在该实施例中，第一初级连接构件162和第一二级生长约束件158是可互换的。此外，如上所述，在该实施例中，第二初级连接构件164和第二二级生长约束件160是可互换的。更具体地说，图7示出了对应于阳极结构110或阴极结构112的二级连接构件166与第一二级生长约束件158和第二二级生长约束件160的齐平连接的一个实施例。齐平连接还可包括位于第一二级生长约束件158和二级连接构件166之间的胶层182、位于第二二级生长约束件160和二级接构件166之间的胶层182。胶层182将第一二级生长约束件158固定到二级连接构件166，并将第二二级生长约束件160固定到二级连接构件166。
并且，第一和第二初级生长约束件154、156、第一和第二初级连接构件162、164、第一和第二二级生长约束件158、160、以及至少一个二级连接构件166中的一者或多者能够以多个区段1088或部分的形式提供，这些区段或部分可以被接合在一起以形成单个构件。例如，如图7所示的实施例中所示，第一二级生长约束件158以主中间区段1088a和朝向电极组件106的纵向端部117、119定位的第一和第二端部区段1088b的形式提供，其中中间区段1088a通过被设置为连接区段1088的连接部1089——例如形成在区段1088中的凹口(notch)，其可以被互连以将区段1088彼此接合——而被连接到每个第一和第二端部区段1088b。可以类似地以多个区段1088的形式提供第二二级生长约束件160，这些区段1088可以被连接在一起以形成约束件，如图7所示。在一个实施例中，二级生长约束件158、160、至少一个初级连接构件162和/或至少一个二级连接构件166中的一者或多者也可以以多个区段1088的形式提供，这些区段1088可以经由诸如凹口之类的连接部而被连接在一起以形成完整构件。根据一个实施例，经由凹口或其它连接部将区段1088连接在一起可以在区段被连接时提供由多个区段形成的构件的预张紧。
在图7中进一步示出了，在一个实施例中，具有阳极活性材料层132、离子多孔阳极集电体136、以及支撑阳极活性材料层132和阳极集电体136的阳极主干134的阳极群110的构件。类似地，在一个实施例中，图7示出了具有阴极活性材料层138、阴极集电体140、以及支撑阴极活性材料层138和阴极集电体140的阴极主干141的阴极群112的构件。
虽然本文已经示出和描述了阳极群110的构件包括与阳极主干134直接相邻的阳极活性材料层132、以及与阳极主干134和阳极活性材料层132直接相邻并有效包围阳极主干134和阳极活性材料层132的阳极集电体136，但是本领域的技术人员将理解，已经构想了阳极群110的其它布置。例如，在一个实施例(未示出)中，阳极群110可包括与阳极集电体136直接相邻的阳极活性材料层132、以及与阳极主干134直接相邻的阳极集电体136。换言之，阳极主干134可以被阳极集电体136有效地包围，其中阳极活性材料层132位于阳极集电体136侧面(flank)并且与阳极集电体136直接相邻。本领域的技术人员将理解，任何合适的阳极群110和/或阴极群112的配置都可以应用于本文所述的发明主题，只要阳极活性材料层132经由隔膜130与阴极活性材料层138分离即可。另外，如果阳极集电体136位于阳极活性材料层132与隔膜130之间，则阳极集电体136需要是离子可渗透的，并且如果阴极集电体140位于阴极活性材料层138与隔膜130之间，则阴极集电体140需要是离子可渗透的。
为了便于说明，仅示出阳极群110的三个构件和阴极群112的四个构件；然而，在实践中，使用本文的发明主题的能量存储装置100或二次电池102可包括阳极110和阴极112的群的其它构件，具体取决于上述能量存储装置100或二次电池102的应用。更进一步地，图7示出了使阳极活性材料层132与阴极活性材料层138电绝缘的微孔隔膜130。
此外，为了分别连接第一和第二二级生长约束件158、160，约束件158、160可以通过合适的方式，例如通过所示的胶合，或者通过被焊接，例如通过被焊接到集电体136、140，而被附接到至少一个连接构件166。例如，第一和/或第二二级生长约束件158、160分别可以通过粘合、胶合、接合、焊接等中的至少一种而被附接到与阳极结构110和/或阴极结构112中的至少一者(例如阳极和/或阴极主干134、141，阳极和/或阴极集电体136、140中的至少一者)对应的二级连接构件166。根据一个实施例，第一和/或第二二级生长约束件158、160可以通过以下方式被附接到二级连接构件166：即，将第一和/或第二二级生长约束件158、160机械地挤压到一个或多个二级连接构件166的端部，例如阳极结构100和/或阴极结构112的群的端部，同时使用胶水或其它粘合材料将阳极结构110和/或阴极结构112的一个或多个端部粘附到第一和/或第二二级生长约束件158、160中的至少一者。
阳极结构群
再次参考图7，阳极结构110的群的每个构件还可包括与第一二级生长约束件158相邻的顶部1052、与第二二级生长约束件160相邻的底部1054、以及围绕平行于Z轴的垂直轴AES(未标记)的横向表面(未标记)，该横向表面连接顶部1052和底部1054。阳极结构110还包括长度LA、宽度WA和高度HA。长度LA由横向表面限定并沿X轴测量。宽度WA由横向表面限定并沿Y轴测量，高度HA沿垂直轴AES或Z轴从顶部1052到底部1054测量。
阳极110的群的构件的LA将根据能量存储装置100或二次电池102及其预期用途而变化。然而，一般而言，阳极110的群的构件通常具有约5mm至约500mm的范围内的LA。例如，在一个这样的实施例中，阳极110的群的构件具有约10mm至约250mm的LA。作为另一示例，在一个这样的实施例中，阳极110的群的构件具有约20mm至约100mm的LA。
阳极110的群的构件的WA也将根据能量存储装置100或二次电池102及其预期用途而变化。然而，一般而言，阳极110的群的每个构件通常具有约0.01mm至2.5mm的范围内的WA。例如，在一个实施例中，阳极110的群的每个构件的WA将在约0.025mm至约2mm的范围内。作为另一示例，在一个实施例中，阳极110的群的每个构件的WA将在约0.05mm至约1mm的范围内。
阳极110的群的构件的HA也将根据能量存储装置100或二次电池102及其预期用途而变化。然而，一般而言，阳极110的群的构件通常具有约0.05mm至约10mm的范围内的HA。例如，在一个实施例中，阳极110的群的每个构件的HA将在约0.05mm至约5mm的范围内。作为另一示例，在一个实施例中，阳极110的群的每个构件的HA将在约0.1mm至约1mm的范围内。
在另一实施例中，阳极结构110的群的每个构件可包括阳极结构主干134，其具有平行于Z轴的垂直轴AESB。阳极结构主干134还可包括关于垂直轴AESB围绕阳极结构主干134的阳极活性材料层132。换言之，阳极结构主干134为阳极活性材料层132提供机械稳定性，并且可以为初级生长约束系统151和/或二级约束系统152提供附接点。在某些实施例中，阳极活性材料层132在载体离子插入到阳极活性材料层132中时膨胀，并在载体离子从阳极活性材料层132抽出时收缩。阳极结构主干134还可包括与第一二级生长约束件158相邻的顶部1056、与第二二级生长约束件160相邻的底部1058、以及围绕垂直轴AESB并连接顶部1056和底部1058的横向表面(未标记)。阳极结构主干134还包括长度LESB、宽度WESB和高度HESB。长度LESB由横向表面限定并沿X轴测量。宽度WESB由横向表面限定并沿Y轴测量，高度HESB沿Z轴从顶部1056到底部1058测量。
阳极结构主干134的LESB将根据能量存储装置100或二次电池102及其预期用途而变化。然而，一般而言，阳极结构主干134通常具有约5mm至约500mm的范围内的LESB。例如，在一个这样的实施例中，阳极结构主干134将具有约10mm至约250mm的LESB。作为另一示例，在一个这样的实施例中，阳极结构主干134将具有约20mm至约100mm的LESB。根据一个实施例，阳极结构主干134可以是充当至少一个连接构件166的阳极结构110的子结构。
阳极结构主干134的WESB也将根据能量存储装置100或二次电池102及其预期用途而变化。然而，一般而言，每个阳极结构主干134通常具有至少1微米的WESB。例如，在一个实施例中，每个阳极结构主干134的WESB基本上较厚，但通常不会具有超过500微米的厚度。作为另一示例，在一个实施例中，每个阳极结构主干134的WESB将在约1至约50微米的范围内。
阳极结构主干134的HESB也将根据能量存储装置100或二次电池102及其预期用途而变化。然而，一般而言，阳极结构主干134典型地具有至少约50微米，更典型地至少约100微米的HESB。此外，一般而言，阳极结构主干134典型地具有不大于约10,000微米，更典型地不大于约5,000微米的HESB。例如，在一个实施例中，每个阳极结构主干134的HESB将在约0.05mm至约10mm的范围内。作为另一示例，在一个实施例中，每个阳极结构主干134的HESB将在约0.05mm至约5mm的范围内。作为另一示例，在一个实施例中，每个阳极结构主干134的HESB将在约0.1mm至约1mm的范围内。
根据应用，阳极结构主干134可以是导电的或绝缘的。例如，在一个实施例中，阳极结构主干134可以是导电的并且可包括用于阳极活性材料132的阳极集电体136。在一个这样的实施例中，阳极结构主干134包括具有至少约103西门子/厘米的导电率的阳极集电体136。作为另一示例，在一个这样的实施例中，阳极结构主干134包括具有至少约104西门子/厘米的导电率的阳极集电体136。作为另一示例，在一个这样的实施例中，阳极结构主干134包括具有至少约105西门子/厘米的导电率的阳极集电体136。在其它实施例中，阳极结构主干134是相对不导电的。例如，在一个实施例中，阳极结构主干134具有小于10西门子/厘米的导电率。作为另一示例，在一个实施例中，阳极结构主干134具有小于1西门子/厘米的导电率。作为另一示例，在一个实施例中，阳极结构主干134具有小于10-1西门子/厘米的导电率。
在某些实施例中，阳极结构主干134可包括任何可成形的材料，例如金属、半导体、有机物、陶瓷和玻璃。例如，在某些实施例中，材料包括诸如硅和锗之类的半导体材料。然而，可替代地，也可以将碳基有机材料或金属，例如铝、铜、镍、钴、钛和钨包含到阳极结构主干134中。在一个示例性实施例中，阳极结构主干134包括硅。例如，硅可以是单晶硅、多晶硅、非晶硅或其组合。
在某些实施例中，阳极活性材料层132可以具有至少一微米的厚度。然而，一般而言，阳极活性材料层132的厚度典型地不超过200微米。例如，在一个实施例中，阳极活性材料层132可以具有约1至50微米的厚度。作为另一示例，在一个实施例中，阳极活性材料层132可以具有约2至约75微米的厚度。作为另一示例，在一个实施例中，阳极活性材料层132可以具有约10至约100微米的厚度。作为另一示例，在一个实施例中，阳极活性材料层132可以具有约5至约50微米的厚度。
在某些实施例中，阳极集电体136包括离子可渗透导体材料，其对载体离子具有足够的离子渗透性以促进载体离子从隔膜130到阳极活性材料层132的移动，并具有足够的导电性以使其能够充当集电体。当被设置于阳极活性材料层132和隔膜130之间时，阳极集电体136可以通过使来自阳极集电体136的电流跨阳极活性材料层132的表面分布来促进更均匀的载体离子传输。这反过来可以促进载体离子的更均匀的插入和抽出，从而减少循环期间阳极活性材料层132中的应力；由于阳极集电体136将电流分布到面对隔膜130的阳极活性材料层132的表面，因此在载体离子浓度最大的情况下，阳极活性材料层132对载体离子的反应将是最大的。
阳极集电体136包括离子可渗透导体材料，该材料既能传导离子又能导电。换言之，阳极集电体136具有适用于载体离子的厚度、导电率和离子传导率，其促进载体离子在离子可渗透导体层的一侧上的紧邻阳极活性材料层132与电化学堆叠或电极组件106中的阳极集电体136的另一侧上的紧邻隔膜层130之间移动。相对来说，当存在在装置100中存储能量的外加电流或对装置100进行放电的外加负荷时，阳极集电体136的导电率大于其离子传导率。例如，当存在在装置100中存储能量的外加电流或对装置100进行放电的外加负荷时，阳极集电体136的导电率与离子传导率(对于载体离子)的比率通常为至少1,000:1。作为另一示例，在一个这样的实施例中，当存在在装置100中存储能量的外加电流或对装置100进行放电的外加负荷时，阳极集电体136的导电率与离子传导率(对于载体离子)的比率为至少5,000:1。作为另一示例，在一个这样的实施例中，当存在在装置100中存储能量的外加电流或对装置100进行放电的外加负荷时，阳极集电体136的导电率与离子传导率(对于载体离子)的比率为至少10,000:1。作为另一示例，在一个这样的实施例中，当存在在装置100中存储能量的外加电流或对装置100进行放电的外加负荷时，阳极集电体136的导电率与离子传导率(对于载体离子)的比率为至少50,000:1。作为另一示例，在一个这样的实施例中，当存在在装置100中存储能量的外加电流或对装置100进行放电的外加负荷时，阳极集电体136的导电率与离子传导率(对于载体离子)的比率为至少100,000:1。
在一个实施例中，当存在在装置100中存储能量的外加电流或对装置100进行放电的外加负荷时，例如当二次电池102正在充电或放电时，阳极集电体136的离子传导率与相邻隔膜层130的离子传导率相当。例如，在一个实施例中，当存在在装置100中存储能量的外加电流或对装置100进行放电的外加负荷时，阳极集电体136的离子传导率(对于载体离子)是隔膜层130的离子传导率的至少50％(即，比率为0.5:1)。作为另一示例，在一些实施例中，当存在在装置100中存储能量的外加电流或对装置100进行放电的外加负荷时，阳极集电体136的离子传导率(对于载体离子)与隔膜层130的离子传导率(对于载体离子)的比率为至少1:1。作为另一示例，在一些实施例中，当存在在装置100中存储能量的外加电流或对装置100进行放电的外加负荷时，阳极集电体136的离子传导率(对于载体离子)与隔膜层130的离子传导率(对于载体离子)的比率为至少1.25:1。作为另一示例，在一些实施例中，当存在在装置100中存储能量的外加电流或对装置100进行放电的外加负荷时，阳极集电体136的离子传导率(对于载体离子)与隔膜层130的离子传导率(对于载体离子)的比率为至少1.5:1。作为另一示例，在一些实施例中，当存在在装置100中存储能量的外加电流或对装置100进行放电的外加负荷时，阳极集电体136的离子传导率(对于载体离子)与隔膜层130的离子传导率(对于载体离子)的比率为至少2:1。
在一个实施例中，阳极集电体136的导电率还显著大于阳极活性材料层132的导电率。例如，在一个实施例中，当存在在装置100中存储能量的外加电流或对装置100进行放电的外加负荷时，阳极集电体136的导电率与阳极活性材料层132的导电率的比率为至少100:1。作为另一示例，在一些实施例中，当存在在装置100中存储能量的外加电流或对装置100进行放电的外加负荷时，阳极集电体136的导电率与阳极活性材料层132的导电率的比率为至少500:1。作为另一示例，在一些实施例中，当存在在装置100中存储能量的外加电流或对装置100进行放电的外加负荷时，阳极集电体136的导电率与阳极活性材料层132的导电率的比率为至少1000:1。作为另一示例，在一些实施例中，当存在在装置100中存储能量的外加电流或对装置100进行放电的外加负荷时，阳极集电体136的导电率与阳极活性材料层132的导电率的比率为至少5000:1。作为另一示例，在一些实施例中，当存在在装置100中存储能量的外加电流或对装置100进行放电的外加负荷时，阳极集电体136的导电率与阳极活性材料层132的导电率的比率为至少10,000:1。
在某些实施例中，阳极集电体层136的厚度(即，在一个实施例中，中间夹着阳极集电体层136的隔膜130和阳极活性材料层之间的最短距离)取决于层136的组成和电化学堆叠的性能规格。通常，当阳极集电体层136是离子可渗透导体层时，它将具有至少约300埃的厚度。例如，在一些实施例中，其厚度可以在约300至800埃的范围内。然而，更典型地，其厚度大于约0.1微米。通常，离子可渗透导体层的厚度不大于约100微米。因此，例如在一个实施例中，阳极集电体层136的厚度在约0.1至约10微米的范围内。作为另一示例，在一些实施例中，阳极集电体层136的厚度在约0.1至约5微米的范围内。作为另一示例，在一些实施例中，阳极集电体层136的厚度在约0.5至约3微米的范围内。通常，阳极集电体层136的厚度优选地大致均匀。例如，在一个实施例中，阳极集电体层136优选地具有小于约25％的厚度不均匀性。在某些实施例中，厚度变化甚至更小。例如，在一些实施例中，阳极集电体层136具有小于约20％的厚度不均匀性。作为另一示例，在一些实施例中，阳极集电体层136具有小于约15％的厚度不均匀性。在一些实施例中，离子可渗透导体层具有小于约10％的厚度不均匀性。
在一个实施例中，阳极集电体层136是离子可渗透导体层，其包括有助于实现离子渗透性和导电性的导电组分和离子传导组分。通常，导电组分包括呈网状或图案化表面、膜形式的连续导电材料(例如，连续金属或金属合金)，或包含连续导电材料(例如，连续金属或金属合金)的复合材料。另外，离子传导组分通常包括孔，例如网孔的间隙、包含材料层的图案化金属或金属合金之间的间隔、金属膜中的孔、或具有足够载体离子扩散性的固态离子导体。在某些实施例中，离子可渗透导体层包括沉积的多孔材料、离子传输材料、离子反应材料、复合材料或物理多孔材料。例如，如果是多孔的，离子可渗透导体层可以具有至少约0.25的空隙率。然而，一般而言，空隙率典型地不超过约0.95。更典型地，当离子可渗透导体层是多孔的时，空隙率可以在约0.25至约0.85的范围内。在一些实施例中，例如，当离子可渗透导体层是多孔的时，空隙率可以在约0.35至约0.65的范围内。
在图7所示的实施例中，阳极集电体层136是电极活性材料层132的单独的阳极集电体。换言之，阳极结构主干134可包括阳极集电体。然而，在某些其它实施例中，阳极结构主干134可以可选地不包括阳极集电体。
阴极结构群
再次参考图7，阴极结构112的群的每个构件还可包括与第一二级生长约束件158相邻的顶部1068、与第二二级生长约束件160相邻的底部1070、以及围绕与Z轴平行的垂直轴ACES(未标记)的横向表面(未标记)，该横向表面连接顶部1068和底部1070。阴极结构112还包括长度LC、宽度WC和高度HC。长度LC由横向表面限定并沿X轴测量。宽度WC由横向表面限定并沿Y轴测量，高度HC沿垂直轴ACES或Z轴从顶部1068到底部1070测量。
阴极112的群的构件的LC将根据能量存储装置100或二次电池102及其预期用途而变化。然而，一般而言，阴极112的群的构件通常具有约5mm至约500mm的范围内的LC。例如，在一个这样的实施例中，阴极112的群的构件具有约10mm至约250mm的LC。作为另一示例，在一个这样的实施例中，阴极112的群的构件具有约25mm至约100mm的LC。
阴极112的群的构件的WC也将根据能量存储装置100或二次电池102及其预期用途而变化。然而，一般而言，阴极112的群的每个构件通常具有约0.01mm至2.5mm的范围内的WC。例如，在一个实施例中，阴极112的群每个构件的WC将在约0.025mm至约2mm的范围内。作为另一示例，在一个实施例中，阴极112的群每个构件的WC将在约0.05mm至约1mm的范围内。
阴极112的群的构件的HC也将根据能量存储装置100或二次电池102及其预期用途而变化。然而，一般而言，阴极112的群的构件通常具有约0.05mm至约10mm的范围内的HC。例如，在一个实施例中，阴极112的群的每个构件的HC将在约0.05mm至约5mm的范围内。作为另一示例，在一个实施例中，阴极112的群的每个构件的HC将在约0.1mm至约1mm的范围内。
在另一实施例中，阴极结构112的群的每个构件可包括阴极结构主干141，其具有平行于Z轴的垂直轴ACESB。阴极结构主干141还可包括关于垂直轴ACESB围绕阴极结构主干141的阴极活性材料层138。换言之，阴极结构主干141为阴极活性材料层138提供机械稳定性，并且可以为初级生长约束系统151和/或二级约束系统152提供附接点。阴极结构主干141还可包括与第一二级生长约束件158相邻的顶部1072、与第二二级生长约束件160相邻的底部1074、以及围绕垂直轴ACESB并连接顶部1072和底部1074的横向表面(未标记)。阴极结构主干141还包括长度LCESB、宽度WCESB和高度HCESB。长度LCESB由横向表面限定并沿X轴测量。宽度WCESB由横向表面限定并沿Y轴测量，高度HCESB沿Z轴从顶部1072到底部1074测量。
阴极结构主干141的LCESB将根据能量存储装置100或二次电池102及其预期用途而变化。然而，一般而言，阴极结构主干141通常具有约5mm至约500mm的范围内的LCESB。例如，在一个这样的实施例中，阴极结构主干141将具有约10mm至约250mm的LCESB。作为另一示例，在一个这样的实施例中，阴极结构主干141将具有约20mm至约100mm的LCESB。
阴极结构主干141的WCESB也将根据能量存储装置100或二次电池102及其预期用途而变化。然而，一般而言，每个阴极结构主干141通常具有至少1微米的WCESB。例如，在一个实施例中，每个阴极结构主干141的WCESB基本上较厚，但通常不会具有超过500微米的厚度。作为另一示例，在一个实施例中，每个阴极结构主干141的WCESB将在约1至约50微米的范围内。
阴极结构主干141的HCESB也将根据能量存储装置100或二次电池102及其预期用途而变化。然而，一般而言，阴极结构主干141典型地具有至少约50微米，更典型地至少约100微米的HCESB。此外，一般而言，阴极结构主干141典型地具有不大于约10,000微米，更典型地不大于约5,000微米的HCESB。例如，在一个实施例中，每个阴极结构主干141的HCESB将在约0.05mm至约10mm的范围内。作为另一示例，在一个实施例中，每个阴极结构主干141的HCESB将在约0.05mm至约5mm的范围内。作为另一示例，在一个实施例中，每个阴极结构主干141的HCESB将在约0.1mm至约1mm的范围内。
根据应用，阴极结构主干141可以是导电的或绝缘的。例如，在一个实施例中，阴极结构主干141可以是导电的并且可包括用于阴极活性材料138的阴极集电体140。在一个这样的实施例中，阴极结构主干141包括具有至少约103西门子/厘米的导电率的阴极集电体140。作为另一示例，在一个这样的实施例中，阴极结构主干141包括具有至少约104西门子/厘米的导电率的阴极集电体140。作为另一示例，在一个这样的实施例中，阴极结构主干141包括具有至少约105西门子/厘米的导电率的阴极集电体140。在其它实施例中，阴极结构主干141是相对不导电的。例如，在一个实施例中，阴极结构主干141具有小于10西门子/厘米的导电率。作为另一示例，在一个实施例中，阴极结构主干141具有小于1西门子/厘米的导电率。作为另一示例，在一个实施例中，阴极结构主干141具有小于10-1西门子/厘米的导电率。
在某些实施例中，阴极结构主干141可包括任何可成形的材料，例如金属、半导体、有机物、陶瓷和玻璃。例如，在某些实施例中，材料包括诸如硅和锗之类的半导体材料。然而，可替代地，也可以使碳基有机材料或金属，例如铝、铜、镍、钴、钛和钨包含在阴极结构主干141中。在一个示例性实施例中，阴极结构主干141包括硅。例如，硅可以是单晶硅、多晶硅、非晶硅或其组合。
在某些实施例中，阴极活性材料层138可以具有至少一微米的厚度。然而，典型地，阴极活性材料层138的厚度不会超过200微米。例如，在一个实施例中，阴极活性材料层138可以具有约1至50微米的厚度。作为另一示例，在一个实施例中，阴极活性材料层138可以具有约2至约75微米的厚度。作为另一示例，在一个实施例中，阴极活性材料层138可以具有约10至约100微米的厚度。作为另一示例，在一个实施例中，阴极活性材料层138可以具有约5至约50微米的厚度。
在某些实施例中，阴极集电体140包括离子可渗透导体，其对载体离子具有足够的离子渗透性以促进载体离子从隔膜130到阴极活性材料层138的移动，并具有足够的导电性以使其能够充当集电体。无论是否位于阴极活性材料层138和隔膜130之间，阴极集电体140都以通过使来自阴极集电体140的电流跨阴极活性材料层138的表面分布来促进更均匀的载体离子传输。这反过来可以促进载体离子的更均匀的插入和抽出，从而减少循环期间阴极活性材料层138中的应力；由于阴极集电体140将电流分布到面对隔膜130的阴极活性材料层138的表面，因此在载体离子浓度最大的情况下，阴极活性材料层138对载体离子的反应将是最大的。
阴极集电体140包括离子可渗透导体材料，该材料既能传导离子又能导电。换言之，阴极集电体140具有适用于载体离子的厚度、导电率和离子传导率，其促进载体离子在离子可渗透导体层的一侧上的紧邻阴极活性材料层138与电化学堆叠或电极组件106中的阴极集电体140的另一侧上的紧邻隔膜层130之间移动。相对来说，当存在在装置100中存储能量的外加电流或对装置100进行放电的外加负荷时，阴极集电体140的导电率大于其离子传导率。例如，当存在在装置100中存储能量的外加电流或对装置100进行放电的外加负荷时，阴极集电体140的导电率与离子传导率(对于载体离子)的比率通常为至少1,000:1。作为另一示例，在一个这样的实施例中，当存在在装置100中存储能量的外加电流或对装置100进行放电的外加负荷时，阴极集电体140的导电率与离子传导率(对于载体离子)的比率为至少5,000:1。作为另一示例，在一个这样的实施例中，当存在在装置100中存储能量的外加电流或对装置100进行放电的外加负荷时，阴极集电体140的导电率与离子传导率(对于载体离子)的比率为至少10,000:1。作为另一示例，在一个这样的实施例中，当存在在装置100中存储能量的外加电流或对装置100进行放电的外加负荷时，阴极集电体140的导电率与离子传导率(对于载体离子)的比率为至少50,000:1。作为另一示例，在一个这样的实施例中，当存在在装置100中存储能量的外加电流或对装置100进行放电的外加负荷时，阴极集电体140的导电率与离子传导率(对于载体离子)的比率为至少100,000:1。
在一个实施例中，当存在在装置100中存储能量的外加电流或对装置100进行放电的外加负荷时，例如当能量存储装置100或二次电池102正在充电或放电时，阴极集电体140的离子传导率与相邻隔膜层130的离子传导率相当。例如，在一个实施例中，当存在在装置100中存储能量的外加电流或对装置100进行放电的外加负荷时，阴极集电体140的离子传导率(对于载体离子)是隔膜层130的离子传导率的至少50％(即，比率为0.5:1)。作为另一示例，在一些实施例中，当存在在装置100中存储能量的外加电流或对装置100进行放电的外加负荷时，阴极集电体140的离子传导率(对于载体离子)与隔膜层130的离子传导率(对于载体离子)的比率为至少1:1。作为另一示例，在一些实施例中，当存在在装置100中存储能量的外加电流或对装置100进行放电的外加负荷时，阴极集电体140的离子传导率(对于载体离子)与隔膜层130的离子传导率(对于载体离子)的比率为至少1.25:1。作为另一示例，在一些实施例中，当存在在装置100中存储能量的外加电流或对装置100进行放电的外加负荷时，阴极集电体140的离子传导率(对于载体离子)与隔膜层130的离子传导率(对于载体离子)的比率为至少1.5:1。作为另一示例，在一些实施例中，当存在在装置100中存储能量的外加电流或对装置100进行放电的外加负荷时，阴极集电体140的离子传导率(对于载体离子)与隔膜层130的离子传导率(对于(阳极集电体层)载体离子)的比率为至少2:1。
在一个实施例中，阴极集电体140的导电率也显著大于阴极活性材料层138的导电率。例如，在一个实施例中，当存在在装置100中存储能量的外加电流或对装置100进行放电的外加负荷时，阴极集电体140的导电率与阴极活性材料层138的导电率的比率为至少100:1。作为另一示例，在一些实施例中，当存在在装置100中存储能量的外加电流或对装置100进行放电的外加负荷时，阴极集电体140的导电率与阴极活性材料层138的导电率的比率为至少500:1。作为另一示例，在一些实施例中，当存在在装置100中存储能量的外加电流或对装置100进行放电的外加负荷时，阴极集电体140的导电率与阴极活性材料层138的导电率的比率为至少1000:1。作为另一示例，在一些实施例中，当存在在装置100中存储能量的外加电流或对装置100进行放电的外加负荷时，阴极集电体140的导电率与阴极活性材料层138的导电率的比率为至少5000:1。作为另一示例，在一些实施例中，当存在在装置100中存储能量的外加电流或对装置100进行放电的外加负荷时，阴极集电体140的导电率与阴极活性材料层138的导电率的比率为至少10,000:1。
在某些实施例中，阴极集电体层140的厚度(即，在一个实施例中，中间夹着阴极集电体层140的隔膜130和阴极活性材料层138之间的最短距离)取决于层140的组成和电化学堆叠的性能规格。通常，当阴极集电体层140是离子可渗透导体层时，它将具有至少约300埃的厚度。例如，在一些实施例中，其厚度可以在约300至800埃的范围内。然而，更典型地，其厚度大于约0.1微米。通常，离子可渗透导体层的厚度不大于约100微米。因此，例如在一个实施例中，阴极集电体层140的厚度在约0.1至约10微米的范围内。作为另一示例，在一些实施例中，阴极集电体层140的厚度在约0.1至约5微米的范围内。作为另一示例，在一些实施例中，阴极集电体层140的厚度在约0.5至约3微米的范围内。通常，阴极集电体层140的厚度优选地大致均匀。例如，在一个实施例中，阴极集电体层140优选地具有小于约25％的厚度不均匀性。在某些实施例中，厚度变化甚至更小。例如，在一些实施例中，阴极集电体层140具有小于约20％的厚度不均匀性。作为另一示例，在一些实施例中，阴极集电体层140具有小于约15％的厚度不均匀性。在一些实施例中，阴极集电体层140具有小于约10％的厚度不均匀性。
在一个实施例中，阴极集电体层140是离子可渗透导体层，其包括有助于实现离子渗透性和导电性的导电组分和离子传导组分。通常，导电组分包括呈网状或图案化表面、膜形式的连续导电材料(例如，连续金属或金属合金)，或包含连续导电材料(例如，连续金属或金属合金)的复合材料。另外，离子传导组分通常包括孔，例如网孔的间隙、包含材料层的图案化金属或金属合金之间的间隔、金属膜中的孔、或具有足够载体离子扩散性的固态离子导体。在某些实施例中，离子可渗透导体层包括沉积的多孔材料、离子传输材料、离子反应材料、复合材料或物理多孔材料。例如，如果是多孔的，离子可渗透导体层可以具有至少约0.25的空隙率。然而，一般而言，空隙率典型地不超过约0.95。更典型地，当离子可渗透导体层是多孔的时，空隙率可以在约0.25至约0.85的范围内。在一些实施例中，例如，当离子可渗透导体层是多孔的时，空隙率可以在约0.35至约0.65的范围内。
在图7所示的实施例中，阴极集电体层140是阴极活性材料层138的单独的阴极集电体。换言之，阴极结构主干141可包括阴极集电体140。然而，在某些其它实施例中，阴极结构主干141可以可选地不包括阴极集电体140。
在一个实施例中，第一二级生长约束件158和第二二级生长约束件160各自可分别包括内表面1060和1062、以及沿z轴隔开的相反的外表面1064和1066，从而限定第一二级生长约束件158的高度H158和第二二级生长约束件160的高度H160。根据本公开的各方面，增加第一和/或第二二级生长约束件158、160的高度可以增加约束件的刚度，但是也可能需要增加的体积，从而导致包含电极组件106和该组约束件108的能量存储装置100或二次电池102的能量密度降低。因此，可以根据约束件材料特性、抵消由电极100的预定膨胀产生的压力所需的约束件强度、以及其它因素来选择约束件158、160的厚度。例如，在一个实施例中，第一和第二二级生长约束件高度H158和H160分别可小于高度HES的50％。作为另一示例，在一个实施例中，第一和第二二级生长约束件高度H158和H160分别可小于高度HES的25％。作为另一示例，在一个实施例中，第一和第二二级生长约束件的高度H158和H160分别可小于高度HES的10％。作为另一示例，在一个实施例中，第一和第二二级生长约束件的高度H158和H160分别可小于高度HES的约5％。在一些实施例中，第一二级生长约束件的高度H158和第二二级生长约束件的高度H160可以不同，并且用于第一和第二二级生长约束件158、160中的每一者的材料也可以是不同的。
在某些实施例中，内表面1060和1062可包括适于将阳极结构110的群和/或阴极结构112的群附接到其上的表面特征，并且外表面1064和1066可包括适于多个受约束电极组件106的堆叠的表面特征(即，在图7内推断，但为清楚起见未示出)。例如，在一个实施例中，内表面1060和1062或外表面1064和1066可以是平面的。作为另一示例，在一个实施例中，内表面1060和1062或外表面1064和1066可以是非平面的。作为另一示例，在一个实施例中，内表面1060和1062以及外表面1064和1066可以是平面的。作为另一示例，在一个实施例中，内表面1060和1062以及外表面1064和1066可以是非平面的。作为另一示例，在一个实施例中，内表面1060和1062以及外表面1064和1066可以是基本上平面的。
如本文其它地方所述，用于将实现为阳极结构110和/或阴极结构112的至少一个二级连接构件166附接到内表面1060和1062的模式可以根据能量存储装置100或二次电池102及其预期用途而变化。作为图7所示的一个示例性实施例，阳极结构110的群(即，所示的阳极集电体136)的顶部1052和底部1054以及阴极结构112的群(即，所示的阴极集电体140)的顶部1068和底部1070可以经由胶层182而被附接到第一二级生长约束件158的内表面1060和第二二级生长约束件160的内表面1062。或者，在某些实施例中，仅阳极集电体136或者仅阴极集电体140可以被附接以充当至少一个二级连接构件166，或者，阳极结构和/或阴极结构的另一子结构可以充当至少一个二级连接构件166。类似地，第一初级生长约束件154的顶部1076和底部1078以及第二初级生长约束件156的顶部1080和底部1082可以经由胶层182而被附接到第一二级生长约束件158的内表面1060和第二二级生长约束件160的内表面1062。
换言之，在图7所示的实施例中，阳极结构110的群的顶部1052和底部1054包括有效地衔接第一二级生长约束件158的内表面1060和第二二级生长约束件160的内表面1062的高度HES，并且在齐平的实施例中，阳极结构110的群的顶部1052和底部1054可以经由胶层182而被附接到第一二级生长约束件158的内表面1060和第二二级生长约束件160的内表面1062。另外，阴极结构112的群的顶部1068和底部1070包括有效地衔接第一二级生长约束件158的内表面1060和第二二级生长约束件160的内表面1062的高度HCES，并且在齐平的实施例中，阴极结构112的群的顶部1068和底部1070可以经由胶层182而被附接到第一二级生长约束件158的内表面1060和第二二级生长约束件160的内表面1062。
此外，在另一示例性实施例中，阳极主干134的顶部1056和底部1058、以及阴极主干141的顶部1072和底部1074可以经由胶层182(未示出)而被附接到第一二级生长约束件158的内表面1060和第二二级生长约束件160的内表面1062。类似地，第一初级生长约束件154的顶部1076和底部1078、以及第二初级生长约束件156的顶部1080和底部1082可以经由胶层182(未针对本段中描述的实施例示出)而被附接到第一二级生长约束件158的内表面1060和第二二级生长约束件160的内表面1062。换言之，电极主干134的顶部1056和底部1058包括有效地衔接第一二级生长约束件158的内表面1060和第二二级生长约束件160的内表面1062的高度HESB，并且在齐平的实施例中，阳极主干134的顶部1056和底部1058可以经由胶层182而被附接到第一二级生长约束件158的内表面1060和第二二级生长约束件160的内表面1062。另外，阴极主干141的顶部1072和底部1074包括有效地衔接第一二级生长约束件158的内表面1060和第二二级生长约束件160的内表面1062的高度HCESB，在齐平的实施例中，阴极主干141的顶部1072和底部1074可以经由胶层182而被附接到第一二级生长约束件158的内表面1060和第二二级生长约束件160的内表面1062。
因此，在一个实施例中，阳极结构110的群和/或阴极结构112的群的至少一部分和/或隔膜130可以用作一个或多个二级连接构件166以将二级生长约束系统152中的第一和第二二级生长约束件158、160彼此连接，从而提供紧凑且节省空间的约束系统，以约束电极组件106在其循环期间的生长。根据一个实施例，除了在充电和放电循环期间体积增大的阳极结构110和/或阴极结构112的任何部分之外，阳极结构110和/或阴极结构112的任何部分和/或隔膜130可以用作一个或多个二级连接构件166。也就是说，阳极结构110和/或阴极结构112的该部分(例如导致电极组件106的体积变化的阳极活性材料132)通常不用作该组电极约束件108的一部分。在一个实施例中，分别作为初级生长约束系统151的一部分提供的第一和第二初级生长约束件154、156进一步抑制纵向方向上的生长，并且还可以用作二级连接构件166以连接二级生长约束系统152的第一和第二二级生长约束件158、160，从而提供用于约束阳极生长/增大的协作、协同约束系统(即，一组电极约束件108)。
二次电池
现在参考图9，其中示出了二次电池102的一个实施例的分解图。如上所述，二次电池102包括电池外壳104和位于电池外壳104内的一组电极组件106a，每个电极组件106具有第一纵向端面116、相对的第二纵向端面118(即，沿所示的笛卡尔坐标系的Y轴与第一纵向端面116隔开)。每个电极组件106包括阳极结构110的群和阴极结构112的群，它们在每个电极组件106内沿着堆叠方向D相对于彼此堆叠；换言之，阳极结构110的群和阴极结构112的群以阳极110和阴极112的交替序列布置，其中如上所述，这些序列在第一和第二纵向端面116、118之间沿着堆叠方向D前进(请参见例如图2；如图2和图9所示，堆叠方向D与所示的笛卡尔坐标系的Y轴平行)。另外，各个电极组件106内的堆叠方向D垂直于组106a内的电极组件106的集合的堆叠方向(即，电极组件堆叠方向)；换言之，电极组件106沿着与各个电极组件106内的堆叠方向D垂直的组106a内的方向彼此相对地设置(例如，电极组件堆叠方向是与所示的笛卡尔坐标系的Z轴对应的方向，而各个电极组件106内的堆叠方向D是与所示的笛卡尔坐标系的Y轴对应的方向)。
虽然图9所示的实施例中描绘的该组电极组件106a包含具有相同一般尺寸的单独的电极组件106，但是这些单独的电极组件106中的一者或多者也可以并且/或可替代地在其至少一个维度上具有与组106a中的其它电极组件106不同的尺寸。例如，根据一个实施例，堆叠在一起以形成设置在二次电池102中的组106a的电极组件106可以在每个组件106的纵向方向(即，堆叠方向D)上具有不同的最大宽度WEA。根据另一实施例，组成设置在二次电池102中的堆叠组106a的电极组件106可以沿着与纵轴正交的横轴具有不同的最大长度LEA。作为另一示例，在一个实施例中，堆叠在一起以形成二次电池102中的一组电极组件106a的每个电极组件106具有沿纵向轴的最大宽度WEA和沿横向轴的最大长度LEA，WEA和LEA被选择以提供面积LEA×WEA，该面积沿着这样的方向减小：电极组件106沿该方向被堆叠在一起以形成一组电极组件106a。例如，每个电极组件106的最大宽度WEA和最大长度LEA可以被选择为小于在组件106沿着其被堆叠的第一方向上与其相邻的电极组件106的最大宽度WEA和最大长度LEA，并且大于在与第一方向相反的第二方向上与其相邻的电极组件106的最大宽度WEA和最大长度LEA，以使得电极组件106被堆叠在一起以形成具有金字塔形状的一组电极组件106a的二次电池102。或者，每个电极组件106的最大长度LEA和最大宽度WEA可以被选择为向堆叠的电极组件组106a提供不同形状和/或配置。一个或多个电极组件106的最大垂直高度HEA也可以并且/或可替代地被选择为不同于该组106a中的其它组件106，并且/或者提供具有预定形状和/或配置的堆叠组106a。
接头片190、192从电池外壳104突出并提供组106a中的电极组件106与能量源或能量消耗者(未示出)之间的电连接。更具体地说，在该实施例中，接头片190被电连接到接头片延伸部191(例如，使用导电胶)，并且接头片延伸部191被电连接到每个电极组件106所包含的电极110。类似地，接头片192被电连接到接头片延伸部193(例如，使用导电胶)，并且接头片延伸部193被电连接到每个电极组件106所包含的反电极112。
图9所示的实施例中的每个电极组件106可以具有关联的初级生长约束系统151，以约束纵向方向(即，堆叠方向D)上的生长。或者，在一个实施例中，构成组106a的多个电极组件106可以共用初级生长约束系统151的至少一部分。在所示的实施例中，每个初级生长约束系统151包括：第一和第二初级生长约束件154、156，其可以如上所述分别覆盖第一和第二纵向端面116、118；以及第一和第二相对的初级连接构件162、164，其可以如上所述分别覆盖横向表面142。第一和第二相对的初级连接构件162、164可以将第一和第二初级生长约束件154、156拉向彼此，或者可以说，帮助约束电极组件106在纵向方向上的生长，并且初级生长约束件154、156可以分别向相对的第一和第二纵向端面116、118施加压缩或约束力。因此，在电池102的形成和/或电池102在充电状态与放电状态之间循环的期间，电极组件106在纵向方向上的膨胀受到抑制。另外，初级生长约束系统151在纵向方向(即，堆叠方向D)上对电极组件106施加压力，该压力超过在彼此相互垂直且与纵向方向垂直的两个方向中的任一方向上保持在电极组件106上的压力(例如，如所图示的，纵向方向对应于所示的笛卡尔坐标系的Y轴的方向，并且彼此相互垂直且与纵向方向垂直的两个方向对应于所示的笛卡尔坐标系的X轴和Z轴的方向)。
此外，图9所示的实施例中的每个电极组件106可以具有关联的二级生长约束系统152，以约束垂直方向上的生长(即，电极组件106、阳极110和/或阴极112在垂直方向上(即，沿着笛卡尔坐标系的Z轴)的膨胀)。或者，在一个实施例中，构成组106a的多个电极组件106共用二级生长约束系统152的至少一部分。每个二级生长约束系统152包括：第一和第二二级生长约束件158、160，其可以分别覆盖相应的横向表面142；以及至少一个二级连接构件166，分别如上面更详细地描述的。分别如上面更详细描述的，二级连接构件166可以将第一和第二二级生长约束件158、160拉向彼此，或者换言之，帮助约束电极组件106在垂直方向上的生长，并且第一和第二二级生长约束件158、160可以分别对横向表面142施加压缩或约束力。因此，在电池102的形成和/或电池102在充电状态与放电状态之间循环的期间，电极组件106在垂直方向上的膨胀受到抑制。另外，二级生长约束系统152在垂直方向(即，平行于笛卡尔坐标系的Z轴)上对电极组件106施加压力，该压力超过在彼此相互垂直并且与垂直方向垂直的两个方向中的任一方向上保持在电极组件106上的压力(例如，如所图示的，垂直方向对应于所示的笛卡尔坐标系的Z轴的方向，并且彼此相互垂直并且与垂直方向垂直的两个方向分别对应于所示的笛卡尔坐标系的X轴和Y轴的方向)。
另外，图9所示的实施例中的每个电极组件106可以具有关联的初级生长约束系统151——以及关联的二级生长约束系统152——以约束纵向方向和垂直方向上的生长，如上面更详细地描述的。此外，根据某些实施例，阳极和/或阴极接头片190、192以及接头片延伸部191、193可以用作三级生长约束系统155的一部分。例如，在某些实施例中，接头片延伸部191、193可以沿着相对的横向表面区域144、146延伸，以用作三级约束系统155的一部分，例如第一和第二三级生长约束件157、159。接头片延伸部191、193可以在电极组件106的纵向端部117、119处被连接到初级生长约束件154、156，使得初级生长约束件154、156用作至少一个三级连接构件165，该三级连接构件165使得接头片延伸部191、193处于彼此张紧状态以沿着横向方向压缩电极组件106，并分别用作第一和第二三级生长约束件157、159。相反，根据一个实施例，接头片190、192和/或接头片延伸部191、193也可分别用作分别用于第一和第二初级生长约束件154、156的第一和第二初级连接构件162、164。在又一实施例中，接头片190、192和/或接头片延伸部191、193可以用作二级生长约束系统152的一部分，例如通过形成连接二级生长约束件158/160的至少一个二级连接构件166的一部分。因此，接头片190、192和/或接头片延伸部191、193可通过用作初级和二级约束系统151、152中的一者或多者的一部分和/或通过形成三级生长约束系统155的一部分(以在与初级和二级生长约束系统151、152中的一者或多者所约束的方向正交的方向上约束电极组件106)，来帮助约束电极组件106的整体宏观生长。
为了完成二次电池102的组装，电池外壳104被填充有非水电解质(未示出)，并且将盖104a(沿折叠线FL)折叠，将其密封到上表面104b。当完全组装时，密封的二次电池102占据由其外表面限定的体积(即，置换体积)，二次电池外壳104占据与电池(包括盖104a)的置换体积减去其内部体积(即，由内表面104c、104d、104e、104f、104g和盖104a限定的棱柱体积)而对应的体积，并且组106a的每个生长约束系统151、152占据与其相应置换体积对应的体积。因此，电池外壳104和生长约束系统151、152组合起来占据的体积不超过由电池外壳104的外表面限定的体积(即，电池的置换体积)的75％。例如，在一个这样的实施例中，生长约束系统151、152和电池外壳104组合起来占据的体积不超过由电池外壳104的外表面限定的体积的60％。作为另一示例，在一个这样的实施例中，约束系统151、152和电池外壳104组合起来占据的体积不超过由电池外壳104的外表面限定的体积的45％。作为另一示例，在一个这样的实施例中，约束系统151、152和电池外壳104组合起来占据的体积不超过由电池外壳104的外表面限定的体积的30％。作为另一示例，在一个这样的实施例中，约束系统151、152和电池外壳104组合起来占据的体积不超过由电池外壳104的外表面限定的体积的20％。
为了便于在图9中图示，二次电池102仅包括电极组件106的一个组106a，并且该组106a仅包括六个电极组件106。实际上，二次电池102可包括多于一个的电极组件组106a，其中每个组106a相对于彼此横向设置(例如，在图9的笛卡尔坐标系的X-Y平面内的相关方向上)或者相对于彼此垂直设置(例如，在基本平行于图9的笛卡尔坐标系的Z轴的方向上)。另外，在这些实施例的每一者中，每个电极组件组106a可包括一个或多个电极组件106。例如，在某些实施例中，二次电池102可包括一组、两组或更多组电极组件106a，其中每个这样的组106a包括一个或多个电极组件106(例如，每个这样的组106a内包括1、2、3、4、5、6、10、15或更多个电极组件106)，并且，当电池102包括两个或更多个这样的组106a时，组106a可以相对于二次电池102中包括的其它组电极组件106a横向地或垂直地设置。在这些各种实施例中的每一者中，每个单独的电极组件106如上所述可以具有自己的生长约束件(即，电极组件106与约束系统151、152之间存在1:1关系)，两个或更多个电极组件106可以具有上述公共生长约束系统151、152(即，一组约束件108用于两个或更多个电极组件106)，或者两个或更多个电极组件106可以共用生长约束系统151、152的部件(即，两个或更多个电极组件106可以具有公共压缩构件(例如，第二二级生长约束件158)和/或张紧构件166(例如，在上述融合实施例中)。
其它电池部件
在某些实施例中，上述包括初级生长约束系统151和二级生长约束系统152的一组电极约束件108可以由具有长度L1、宽度W1和厚度t1的片材(sheet)2000制成，如例如图9所示。更具体地说，为了形成初级生长约束系统151，可以将片材2000缠绕在电极组件106上并在边缘2001处折叠以包围电极组件106。或者，在一个实施例中，片材2000可以缠绕在通过堆叠形成电极组件组106a的多个电极组件106上。片材的边缘彼此重叠，并且被相互焊接、胶合或以其它方式固定在一起以形成初级生长约束系统151，该初级生长约束系统151包括第一初级生长约束件154和第二初级生长约束件156、以及第一初级连接构件162和第二初级连接构件164。在该实施例中，初级生长约束系统151具有与片材2000的置换体积(即，L1、W1和t1的乘积)对应的体积。在一个实施例中，至少一个初级连接构件在堆叠方向D上拉伸以使该构件处于张紧状态，这导致由第一和第二初级生长约束件施加压缩力。或者，至少一个二级连接构件可以在第二方向上拉伸以使该构件处于张紧状态，这导致由第一和第二二级生长约束件施加压缩力。在备选实施例中，替代使连接构件拉伸以使其处于张紧状态，可以在电极组件之上和/或电极组件中安装之前，使初级和二级生长约束系统中的一者或多者的连接构件和/或生长约束件或其它部分预张紧。在另一备选实施例中，在安装到电极组件中和/或电极组件之上时，初级和二级生长约束系统中的一者或多者的连接构件和/或生长约束件或其它部分并非最初处于张紧状态，而是电池的形成导致电极组件膨胀并在诸如连接构件和/或生长约束件的初级和/或二级生长约束系统的部分中引起张紧(即，自张紧)。
片材2000可包括能够向电极组件106施加所需力的大范围相容材料中的任一种。一般而言，初级生长约束系统151通常包括具有至少10,000psi(>70MPa)的极限拉伸强度的材料，也就是与电池电解质相容(compatible)，不会在电池102的浮动或阳极电势下严重腐蚀，并且在45℃，甚至最高达70℃下不会发生显著反应或失去机械强度。例如，初级生长约束系统151可包括各种金属、合金、陶瓷、玻璃、塑料中的任一种或其组合(即，复合物)。在一个示例性实施例中，初级生长约束系统151包括金属，例如不锈钢(例如，SS 316、440C或440C硬)、铝(例如，铝7075-T6、硬H18)、钛(例如，6Al-4V)、铍、铍铜(硬)、铜(不含O2，硬)、镍；然而，一般而言，当初级生长约束系统151包括金属时，该金属通常优选地以限制腐蚀并限制在阳极110和阴极112之间产生电短路的方式被包含。在另一示例性实施例中，初级生长约束系统151包括陶瓷，例如氧化铝(例如，烧结的或Coorstek AD96)、氧化锆(例如，Coorstek YZTP)、氧化钇稳定的氧化锆(例如，ENrG)。在另一示例性实施例中，初级生长约束系统151包括玻璃，例如Schott D263回火玻璃。在另一示例性实施例中，初级生长约束系统151包括塑料，例如聚醚醚酮(PEEK)(例如，Aptiv 1102)、带碳PEEK(例如，Victrex 90HMF40或Xycomp 1000-04)、带碳聚苯硫醚(PPS)(例如，Tepex Dynalite 207)、带30％玻璃的聚醚醚酮(PEEK)(例如，Victrex 90HMF40或Xycomp 1000-04)、聚酰亚胺(例如，)。在另一示例性实施例中，初级生长约束系统151包括复合物，例如E GlassStd织物/环氧树脂，0deg；E玻璃UD/环氧树脂，0deg；Kevlar Std织物/环氧树脂，0deg；Kevlar UD/环氧树脂，0deg；Carbon Std织物/环氧树脂，0deg；Carbon UD/环氧树脂，0deg；ToyoboHM纤维/环氧树脂。在另一示例性实施例中，初级生长约束系统151包括纤维，例如Kevlar 49芳纶纤维、S玻璃纤维、碳纤维、Vectran UM LCP纤维、Dyneema、Zylon。
初级生长约束系统151的厚度(t1)取决于一系列因素，这些因素包括例如初级生长约束系统151的构造材料、电极组件106的总体尺寸、以及电池阳极和阴极的组成。在一些实施例中，例如，初级生长约束系统151包括厚度在约10微米至约100微米的范围内的片材。例如，在一个这样的实施例中，初级生长约束系统151包括厚度为约30μm的不锈钢板(例如，SS316)。作为另一示例，在另一这样的实施例中，初级生长约束系统151包括厚度为约40μm的铝板(例如，7075-T6)。作为另一示例，在另一这样的实施例中，初级生长约束系统151包括厚度为约30μm的氧化锆片(例如，Coorstek YZTP)。作为另一示例，在另一这样的实施例中，初级生长约束系统151包括厚度为约75μm的E玻璃UD/环氧树脂0deg片。作为另一示例，在另一这样的实施例中，初级生长约束系统151包括>50％堆密度(packing density)的12μm碳纤维。
不限于任何特定理论，本文所述的用于粘合的方法可包括胶合、焊接、接合、烧结、加压接触、钎焊、热喷涂结合、夹紧或其组合。粘合可包括用导电材料接合材料，导电材料为例如导电环氧树脂、导电弹性体、填充有导电金属的绝缘有机胶的混合物，例如镍填充环氧树脂、碳填充环氧树脂等。导电糊膏可以用于将材料接合在一起，并且接合强度可以通过温度(烧结)、光(UV固化、交联)、化学固化(基于催化剂的交联)来设计。接合工艺可包括线接合、带式接合、超声波接合。焊接工艺可包括超声波焊接、电阻焊接、激光束焊接、电子束焊接、感应焊接和冷焊。这些材料的接合也可以通过使用涂覆工艺(例如，诸如等离子喷涂、火焰喷涂、电弧喷涂之类的热喷涂)将材料接合在一起来执行。例如，可以使用镍的热喷涂作为胶料将镍网或铜网接合到镍母线上。
阳极110的群和阴极112的群的构件可以包括能够吸收和释放载体离子(例如锂、钠、钾、钙、镁或铝离子)的电活性材料。在一些实施例中，阳极结构110的群的构件包括阳极活性电活性材料(有时被称为负电极)，并且阴极结构112的群的构件包括阴极活性电活性材料(有时被称为正电极)。在该段落中所述的每个实施例和示例中，负电极活性材料可以是颗粒聚集体电极或单片电极。
示例性的阳极活性电活性材料包括碳材料，例如石墨和软碳或硬碳，或能够与锂形成合金的一系列金属、半金属、合金、氧化物和复合物中的任何一种。能够构成阳极材料的金属或半金属的具体示例包括锡、铅、镁、铝、硼、镓、硅、铟、锆、锗、铋、镉、锑、银、锌、砷、铪、钇和钯。在一个示例性实施例中，阳极活性材料包括铝、锡或硅、或其氧化物、其氮化物、其氟化物或其它其合金。在另一个示例性实施例中，阳极活性材料包括硅或其合金。
示例性阴极活性材料包括多种阴极活性材料中的任一种。例如，对于锂离子电池，阴极活性材料可包括选自过渡金属氧化物、过渡金属硫化物、过渡金属氮化物的阴极材料，可以选择性地使用锂-过渡金属氧化物、锂-过渡金属硫化物和锂-过渡金属氮化物。这些过渡金属氧化物、过渡金属硫化物以及过渡金属氮化物的过渡金属元素可包括具有d-壳层或f-壳层的金属元素。这种金属元素的具体示例是Sc、Y、镧系元素、锕系元素、Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Mn、Tc、Re、Fe、Ru、Os、Co、Rh、Ir、Ni、Pb、Pt、Cu、Ag和Au。另外的阴极活性材料包括LiCoO2、LiNi0.5Mn1.5O4、Li(NixCoyAl2)O2、LiFePO4、Li2MnO4、V2O5、氧硫化钼、磷酸盐、硅酸盐、钒酸盐及其组合。
在一个实施例中，阳极活性材料被微结构化以提供较大的空隙体积率来适应由锂离子(或其它载体离子)在充电和放电过程期间进入或离开负电极活性材料所导致的体积膨胀和收缩。一般而言，阳极活性材料的空隙体积率至少为0.1。然而，一般而言，负电极活性材料的空隙体积率不大于0.8。例如，在一个实施例中，负电极活性材料的空隙体积率为约0.15至约0.75。作为另一示例，在一个实施例中，阳极活性材料的空隙体积率为约0.2至约0.7。作为另一示例，在一个实施例中，阳极活性材料的空隙体积率为约0.25至约0.6。
根据微结构化阳极活性材料的组成及其形成方法，微结构化阳极活性材料可包括大孔、微孔或介孔材料层或其组合，例如微孔和介孔的组合、或介孔和大孔的组合。微孔材料的特征通常在于孔尺寸小于10nm，壁尺寸小于10nm，孔深度为1-50微米，并且孔形态通常以“海绵状”和不规则外观为特征，壁不光滑、以及具有分枝孔。介孔材料的特征通常在于孔尺寸为10-50nm，壁尺寸为10-50nm，孔深度为1-100微米，并且孔形态通常以某种程度上明确限定的分支孔或树枝状孔为特征。大孔材料的特征通常在于孔尺寸大于50nm，壁尺寸大于50nm，孔深度为1-500微米，并且孔形态可以是变化的、直的、分枝的或树枝状的、壁光滑或粗糙的。另外，空隙体积可包括开放或闭合的空隙或其组合。在一个实施例中，空隙体积包括开放的空隙，即，阳极活性材料包含在阳极活性材料的横向表面处具有开口的空隙，锂离子(或其它载体离子)可通过这些空隙进入或离开阳极活性材料；例如，锂离子可在离开阴极活性材料之后通过空隙开口进入阳极活性材料。在另一实施例中，空隙体积包括闭合的空隙，即，阳极活性材料包含被阳极活性材料包围的空隙。通常，开放的空隙可以为载体离子提供更大的界面表面积，而闭合的空隙往往不太容易受到固体电解质界面的影响，而每一者在载体离子进入时都为负电极活性材料的膨胀提供空间。因此，在某些实施例中，优选地阳极活性材料包括开放的空隙和闭合的空隙的组合。
在一个实施例中，阳极活性材料包括多孔铝、锡或硅或其合金。多孔硅层可以例如通过以下方法形成：阳极氧化、蚀刻(例如，通过在单晶硅的表面上沉积诸如金、铂、银或金/钯的贵金属，并且用氢氟酸和过氧化氢混合物蚀刻表面)，或通过本领域已知的其它方法(诸如图案化的化学蚀刻)。另外，多孔阳极活性材料通常将具有至少约0.1但小于0.8的孔隙率，并具有约1至约100微米的厚度。例如，在一个实施例中，阳极活性材料包括多孔硅，具有约5至约100微米的厚度，并具有约0.15至约0.75的孔隙率。作为另一个示例，在一个实施例中，阳极活性材料包括多孔硅，具有约10至约80微米的厚度，并具有约0.15至约0.7的孔隙率。作为另一个示例，在一个实施例中，阳极活性材料包括多孔硅，具有约20至约50微米的厚度，并且具有约0.25至约0.6的孔隙率。作为另一个示例，在一个实施例中，阳极活性材料包括多孔硅合金(诸如硅化镍)，具有约5至约100微米的厚度，具有约0.15至约0.75的孔隙率。
在另一实施例中，阳极活性材料包括铝、锡或硅或其合金的纤维。单根纤维可以具有约5nm至约10,000nm的直径(厚度尺寸)和通常对应于阳极活性材料的厚度的长度。硅纤维(纳米线)例如可以通过化学气相沉积或本领域公知的其它技术(例如气液固相(VLS)生长和固液固相(SLS)生长)形成。另外，阳极活性材料通常具有至少约0.1但小于0.8的孔隙率，并且具有约1至约200微米的厚度。例如，在一个实施例中，阳极活性材料包含硅纳米线，具有约5至约100微米的厚度，并且具有约0.15至约0.75的孔隙率。作为另一示例，在一个实施例中，阳极活性材料包含硅纳米线，具有约10至约80微米的厚度，并且具有约0.15至约0.7的孔隙率。作为另一示例，在一个这样的实施例中，阳极活性材料包含硅纳米线，具有约20至约50微米的厚度，并且具有约0.25至约0.6的孔隙率。作为另一示例，在一个实施例中，阳极活性材料包含硅合金(例如硅化镍)纳米线，具有约5至约100微米的厚度，并且具有约0.15至约0.75的孔隙率。
在一个实施例中，阳极110的群的每个构件具有底部、顶部、以及从其底部延伸到顶部的纵向轴(AE)，该纵向轴所在的方向大致垂直于其中阳极结构110和阴极结构112的交替序列行进的方向。另外，阳极110的群的每个构件具有沿阳极的纵向轴(AE)测量的长度(LA)，在其中阳极结构和阴极结构的交替序列行进的方向上测量的宽度(WA)、以及在与长度(LA)和宽度(WA)的测量方向中的每一者垂直的方向上测量的高度(HA)。阳极群的每个构件还具有周长(PA)，该周长对应于电极在与其纵向轴正交的平面中的投影的边长之和。长度LA、宽度WA和高度HA的示例性值在上面详细进行了讨论。
根据一个实施例，阳极群的构件包括具有第一高度的一个或多个第一阳极构件、以及具有不同于第一高度的第二高度的一个或多个第二阳极构件。例如，在一个实施例中，一个或多个第一阳极构件可以具有被选择为允许阳极构件在垂直方向(Z轴)上接触二级约束系统的一部分的高度。例如，一个或多个第一阳极构件的高度可以足以使得第一阳极构件沿垂直轴在第一和第二二级生长约束件158、160之间延伸并且接触第一和第二二级生长约束件158、160，例如当第一阳极构件中的至少一者或其子结构用作二级连接构件166时。此外，根据一个实施例，一个或多个第二阳极构件可以具有小于一个或多个第一阳极构件的高度，使得例如一个或多个第二阳极构件没有充分延伸至接触第一和第二二级生长约束件158、160二者。在又一实施例中，可以选择一个或多个第一阳极构件和一个或多个第二阳极构件的不同高度以适应电极组件106的预定形状(例如沿着纵向轴和/或横向轴中的一者或多者具有不同高度的电极组件形状)和/或为二次电池提供预定的性能特性。
阳极群的构件的周长(PA)将类似地根据能量存储装置及其预期用途而变化。然而，一般而言，阳极群的构件通常具有约0.025mm至约25mm的范围内的周长(PA)。例如，在一个实施例中，阳极群的每个构件的周长(PA)在约0.1mm至约15mm的范围内。作为另一示例，在一个实施例中，阳极群的每个构件的周长(PA)在约0.5mm至约10mm的范围内。
通常，阳极群的构件具有的长度(LA)基本上大于其宽度(WA)和高度(HA)中的每一者。例如，在一个实施例中，对于阳极群的每个构件，LA与WA和HA中的每一者的比率为至少5:1(即，LA与WA的比率为至少5:1，LA与HA的比率为至少5:1)。作为另一示例，在一个实施例中，LA与WA和HA中的每一者的比率为至少10:1。作为另一示例，在一个实施例中，LA与WA和HA中的每一者的比率为至少15:1。作为另一示例，在一个实施例中，对于阳极群的每个构件，LA与WA和HE中的每一者的比率为至少20:1。
另外，通常优选地，阳极群的构件具有的长度(LA)基本上大于其周长(PA)；例如，在一个实施例中，对于阳极群的每个构件，LA与PA的比率为至少1.25:1。作为另一示例，在一个实施例中，对于阳极群的每个构件，LA与PA的比率为至少2.5:1。作为另一示例，在一个实施例中，对于阳极群的每个构件，LA与PA的比率为至少3.75:1。
在一个实施例中，阳极群的构件的高度(HA)与宽度(WA)的比率为至少0.4:1。例如，在一个实施例中，对于阳极群的每个构件，HA与WA的比率为至少2:1。作为另一示例，在一个实施例中，HA与WA的比率为至少10:1。作为另一示例，在一个实施例中，HA与WA的比率为至少20:1。然而，一般而言，HA与WA的比率通常小于1,000:1。例如，在一个实施例中，HA与WA的比率小于500:1。作为另一示例，在一个实施例中，HA与WA的比率小于100:1。作为另一示例，在一个实施例中，HA与WA的比率小于10:1。作为另一示例，在一个实施例中，对于阳极群的每个构件，HA与WA的比率在约2:1至约100:1的范围内。
阴极群的每个构件具有底部、顶部、以及从其底部延伸到顶部的纵向轴(ACE)，该纵向轴所在的方向大致垂直于其中阳极结构和阴极结构的交替序列行进的方向。另外，阴极群的每个构件具有沿纵向轴(ACE)测量的长度(LC)，在其中阳极结构和阴极结构的交替序列行进的方向上测量的宽度(WC)、以及在与长度(LC)和宽度(WC)的每个测量方向中的每一者垂直的方向上测量的高度(HC)。阴极群的每个构件还具有周长(PC)，该周长对应于阴极在与其纵向轴正交的平面中的投影的边长之和。
根据一个实施例，阴极群的构件包括具有第一高度的一个或多个第一阴极构件、以及具有不同于第一高度的第二高度的一个或多个第二阴极构件。例如，在一个实施例中，一个或多个第一阴极构件可以具有被选择为允许阴极构件在垂直方向(Z轴)上接触二级约束系统的一部分的高度。例如，一个或多个第一阴极构件的高度可以足以使得第一阴极构件沿垂直轴在第一和第二二级生长约束件158、160之间延伸并且接触第一和第二二级生长约束件158、160，例如当第一阴极构件中的至少一者或其子结构用作二级连接构件166时。此外，根据一个实施例，一个或多个第二阴极可以具有小于一个或多个第一阴极构件的高度，使得例如一个或多个第二阴极构件没有充分延伸至接触第一和第二二级生长约束件158、160二者。在又一实施例中，可以选择一个或多个第一阴极构件和一个或多个第二阴极构件的不同高度以适应电极组件106的预定形状(例如沿着纵向轴和/或横向轴中的一者或多者具有不同高度的电极组件形状)和/或为二次电池提供预定的性能特性。
阴极群的构件的周长(PC)也将类似地根据能量存储装置及其预期用途而变化。然而，一般而言，阴极群的构件通常具有在约0.025mm至约25mm的范围内的周长(PC)。例如，在一个实施例中，阴极群的每个构件的周长(PC)在约0.1mm至约15mm的范围内。作为另一示例，在一个实施例中，阴极群的每个构件的周长(PC)在约0.5mm至约10mm的范围内。
通常，阴极群的每个构件具有的长度(LC)基本上大于其宽度(WC)并且基本上大于其高度(HC)。例如，在一个实施例中，对于阴极群的每个构件，LC与WC和HC中的每一者的比率为至少5:1(即，LC与WC的比率为至少5:1，LC与HC的比率为至少5:1)。作为另一示例，在一个实施例中，对于阴极群的每个构件，LC与WC和HC中的每一者的比率为至少10:1。作为另一示例，在一个实施例中，对于阴极群的每个构件，LC与WC和HC中的每一者的比率为至少15:1。作为另一示例，在一个实施例中，对于阴极群的每个构件，LC与WC和HC中的每一者的比率为至少20:1。
另外，通常优选地，阴极群的构件具有的长度(LC)基本上大于其周长(PC)；例如，在一个实施例中，对于阴极群的每个构件，LC与PC的比率为至少1.25:1。作为另一示例，在一个实施例中，对于阴极群的每个构件，LC与PC的比率为至少2.5:1。作为另一示例，在一个实施例中，对于阴极群的每个构件，LC与PC的比率为至少3.75:1。
在一个实施例中，阴极群的构件的高度(HC)与宽度(WC)的比率为至少0.4:1。例如，在一个实施例中，对于阴极群的每个构件，HC与WC的比率为至少2:1。作为另一示例，在一个实施例中，对于阴极群的每个构件，HC与WC的比率为至少10:1。作为另一示例，在一个实施例中，对于阴极群的每个构件，HC与WC的比率为至少20:1。然而，一般而言，对于阴极群的每个构件，HC与WC的比率通常小于1,000:1。例如，在一个实施例中，对于阴极群的每个构件，HC与WC的比率小于500:1。作为另一示例，在一个实施例中，HC与WC的比率小于100:1。作为另一示例，在一个实施例中，HC与WC的比率小于10:1。作为另一示例，在一个实施例中，对于阴极群的每个构件，HC与WC的比率在约2:1至约100:1的范围内。
在一个实施例中，阳极群的每个构件所包括的阳极集电体层136具有的长度LNC是包括该阳极集电体的构件的长度LNE的至少50％。作为另一示例，在一个实施例中，阳极群的每个构件所包括的阳极集电体层136具有的长度LNC是包括该阳极集电体的构件的长度LNE的至少60％。作为另一示例，在一个实施例中，阳极群的每个构件所包括的阳极集电体层136具有的长度LNC是包括该阳极集电体的构件的长度LNE的至少70％。作为另一示例，在一个实施例中，阳极群的每个构件所包括的阳极集电体层136具有的长度LNC是包括该阳极集电体的构件的长度LNE的至少80％。作为另一示例，在一个实施例中，阳极群的每个构件所包括的阳极集电体136具有的长度LNC是包括该阳极集电体的构件的长度LNE的至少90％。
在一个实施例中，阴极群的每个构件所包括的阴极集电体140具有的长度LPC是包括该阴极集电体的构件的长度LPE的至少50％。作为另一示例，在一个实施例中，阴极群的每个构件所包括的阴极集电体140具有的长度LPC是包括该阴极集电体的构件的长度LPE的至少60％。作为另一示例，在一个实施例中，阴极群的每个构件所包括的阴极集电体140具有的长度LPC是包括该阴极集电体的构件的长度LPE的至少70％。作为另一示例，在一个实施例中，阴极群的每个构件所包括的阴极集电体140具有的长度LPC是包括该阴极集电体的构件的长度LPE的至少80％。作为另一示例，在一个实施例中，阴极群的每个构件所包括的阴极集电体140具有的长度LPC是包括该阴极集电体的构件的长度LPE的至少90％。
在一个实施例中，当被置于阳极活性材料层与隔膜之间时，阳极集电体136可以通过使来自阳极集电体的电流跨阳极活性材料层的表面分布来促进更均匀的载体离子传输。这反过来可以促进载体离子的更均匀的插入和抽出，从而减少循环期间阳极活性材料中的应力；由于阳极集电体136将电流分布到面对隔膜的阳极活性材料层的表面，因此在载体离子浓度最大的情况下，阳极活性材料层对载体离子的反应是最大的。在又一实施例中，阳极集电体136和阳极活性材料层的位置可以颠倒。
根据一个实施例，阴极结构群的每个构件具有阴极集电体140，其例如可以被设置在阴极主干与阴极活性材料层之间。此外，阳极集电体136和阴极集电体140中的一者或多者可包括金属，例如铝、碳、铬、金、镍、NiP、钯、铂、铑、钌、硅镍合金、钛或其组合(请参见AHWhitehead和M.Schreiber的“Current collectors for positive electrodes oflithium-based batteries”，Journal of the Electrochemical Society，152(11)A2105-A2113(2005))。作为另一示例，在一个实施例中，阴极集电体140包括金或其合金，例如硅化金。作为另一示例，在一个实施例中，阴极集电体140包括镍或其合金，例如硅化镍。
在备选实施例中，阴极集电体层和阴极活性材料层的位置可以颠倒，例如使得阴极集电体层位于隔膜层与阴极活性材料层之间。在这样的实施例中，紧邻阴极活性材料层的阴极集电体140包括离子可渗透导体，其具有结合阳极集电体层描述的组成和结构；也就是说，阴极集电体层包括既能传导离子又能导电的离子可渗透导体材料层。在该实施例中，阴极集电体层具有适用于载体离子的厚度、导电率和离子传导率，其促进载体离子在阴极集电体层的一侧上的紧邻阴极活性材料层与电化学堆叠中的阴极集电体层的另一侧上的紧邻隔膜层之间移动。
电绝缘隔膜层130可以围绕阳极结构110的群的每个构件和阴极结构112的群的每个构件，并且使阳极结构110的群的每个构件与阴极结构112的群的每个构件电隔离。电绝缘隔膜层130通常包括可被非水电解质渗透的微孔隔膜材料；例如，在一个实施例中，微孔隔膜材料包括这样的孔：这些孔具有至少为50埃、更典型地在约2,500埃的范围内的直径，以及在约25％至约75％的范围内、更典型地地在约35％至55％的范围内的孔隙率。另外，微孔隔膜材料可以被非水电解质渗透，以允许载体离子在阳极群和阴极群的相邻构件之间传导。在某些实施例中，例如，忽略微孔隔膜材料的孔隙率，用于充电或放电循环期间的离子交换的在阳极结构110的群的构件与阴极结构112的群的最近构件(即，“相邻对”)之间的电绝缘隔膜材料的至少70体积％是微孔隔膜材料；换言之，微孔隔膜材料构成在阳极结构110的群的构件和阴极结构112的群的最近构件之间的电绝缘材料层的至少70体积％。作为另一示例，在一个实施例中，忽略微孔隔膜材料的孔隙率，微孔隔膜材料构成在阳极结构110的群的构件和阴极结构112的群的构件的相邻对之间的电绝缘隔膜材料的至少75体积％。作为另一示例，在一个实施例中，忽略微孔隔膜材料的孔隙率，微孔隔膜材料构成在阳极结构110的群的构件和阴极结构112的群的构件的相邻对之间的电绝缘隔膜材料层的至少80体积％。作为另一示例，在一个实施例中，忽略微孔隔膜材料的孔隙率，微孔隔膜材料构成在阳极结构110的群的构件和阴极结构112的群的构件的相邻对之间的电绝缘隔膜材料层的至少85体积％。作为另一示例，在一个实施例中，忽略微孔隔膜材料的孔隙率，微孔隔膜材料构成在阳极结构110的群的构件和阴极结构112的群的构件的相邻对之间的电绝缘隔膜材料层的至少90体积％。作为另一示例，在一个实施例中，忽略微孔隔膜材料的孔隙率，微孔隔膜材料构成在阳极结构110的群的构件和阴极结构112的群的构件的相邻对之间的电绝缘隔膜材料层的至少95体积％。作为另一示例，在一个实施例中，忽略微孔隔膜材料的孔隙率，微孔隔膜材料构成在阳极结构110的群的构件和阴极结构112的群的构件的相邻对之间的电绝缘隔膜材料层的至少99体积％。
在一个实施例中，微孔隔膜材料包含颗粒材料和粘合剂，并且具有至少约20体积％的孔隙率(空隙率)。微孔隔膜材料的孔具有至少50埃的直径，并且通常在约250至2,500埃的范围内。微孔隔膜材料通常具有小于约75％的孔隙率。在一个实施例中，微孔隔膜材料具有至少约25体积％的孔隙率(空隙率)。在一个实施例中，微孔隔膜材料具有约35％至55％的孔隙率。
用于微孔隔膜材料的粘合剂可从宽范围的无机或聚合材料中选择。例如，在一个实施例中，粘合剂是有机材料，其选自：硅酸盐、磷酸盐、铝酸盐、硅铝酸盐以及氢氧化物(诸如氢氧化镁、氢氧化钙等)。例如，在一个实施例中，粘合剂是源自包含偏二氟乙烯、六氟丙烯、四氟丙烯等的单体的含氟聚合物。在另一实施例中，粘合剂是聚烯烃，例如聚乙烯、聚丙烯或聚丁烯，其具有任何范围的不同分子量和密度。在另一实施例中，粘合剂选自：乙烯-二烯-丙烯三元共聚物、聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙二醇、聚乙酸乙烯酯、聚乙烯醇缩丁醛、聚缩醛和聚乙二醇二丙烯酸酯。在另一实施例中，粘合剂选自：甲基纤维素、羧甲基纤维素、苯乙烯橡胶、丁二烯橡胶、苯乙烯-丁二烯橡胶、异戊二烯橡胶、聚丙烯酰胺、聚乙烯醚、聚丙烯酸、聚甲基丙烯酸和聚氧化乙烯。在另一实施例中，粘合剂选自：丙烯酸酯、苯乙烯、环氧树脂和硅氧烷。在另一实施例中，粘合剂是前述聚合物中的两种或更多种的共聚物或混合物。
微孔隔膜材料所包含的颗粒材料也可以选自宽范围的材料。通常，这种材料在工作温度下具有相对较低的电子和离子传导率，并且在与微孔隔膜材料接触的电池电极或集流体的工作电压下不会腐蚀。例如，在一个实施例中，颗粒材料具有小于1×10-4S/cm的载体离子(例如，锂)传导率。作为另一示例，在一个实施例中，颗粒材料具有小于1×10-5S/cm的载体离子传导率。作为另一示例，在一个实施例中，颗粒材料具有小于1×10-6S/cm的载体离子传导率。示例性的颗粒材料包括颗粒状聚乙烯、聚丙烯、TiO2-聚合物复合材料、二氧化硅气凝胶、煅制二氧化硅、硅胶、二氧化硅水凝胶、二氧化硅干凝胶、二氧化硅溶胶、胶体二氧化硅、氧化铝、二氧化钛、氧化镁、高岭土、滑石、硅藻土、硅酸钙、硅酸铝、碳酸钙、碳酸镁或它们的组合。例如，在一个实施例中，颗粒材料包括诸如TiO2、SiO2、Al2O3、GeO2、B2O3、Bi2O3、BaO、ZnO、ZrO2、BN、Si3N4、Ge3N4的颗粒氧化物或氮化物。参见例如P.Arora和J.Zhang，″Battery Separators″Chemical Reviews 2004,104,4419-4462。在一个实施例中，颗粒材料的平均粒径为约20nm至2微米，更典型地，200nm至1.5微米。在一个实施例中，颗粒材料的平均粒径为约500nm至1微米。
在一个备选实施例中，微孔隔膜材料所包含的颗粒材料可以通过诸如烧结、粘合、固化等技术来结合，同时保持电解质进入所需的空隙率以为电池的功能提供离子传导性。
微孔隔膜材料可以被沉积，例如通过电泳沉积颗粒隔膜材料，其中颗粒通过表面能量(诸如静电吸引力或范德华力)被结合，浆料沉积(包括旋涂或喷涂)颗粒隔膜材料，丝网印刷，浸涂和静电喷涂沉积。粘合剂可以被包括在沉积工艺中；例如，颗粒材料可以与在溶剂蒸发时沉淀的溶解的粘合剂进行浆料沉积，在存在溶解的粘合剂材料的情况下进行电泳沉积，或与粘合剂和绝缘颗粒进行共同电泳沉积等。替代地或附加地，可以在颗粒沉积到电极结构中或到电极结构上之后添加粘合剂；例如，颗粒材料可以被分散在有机粘合剂溶液中并被浸涂或喷涂，然后被干燥、熔融或交联粘合剂材料以提供粘合强度。
在组装后的能量存储装置中，微孔隔膜材料渗透有适合用作二次电池电解质的非水电解质。通常，非水电解质包括溶解在有机溶剂中的锂盐。示例性锂盐包括无机锂盐，例如LiClO4、LiBF4、LiPF6、LiAsF6、LiCl和LiBr；以及有机锂盐，例如LiB(C6H5)4、LiN(SO2CF3)2、LiN(SO2CF3)3、LiNSO2CF3、LiNSO2CF5、LiNSO2C4F9、LiNSO2C5F11、LiNSO2C6F13和LiNSO2C7F15。用于溶解锂盐的示例性有机溶剂包括环酯、链酯、环醚和链醚。环酯的具体示例包括碳酸亚丙酯、碳酸亚丁酯、γ-丁内酯、碳酸亚乙烯酯、2-甲基-γ-丁内酯、乙酰基-γ-丁内酯和γ-戊内酯。链酯的具体示例包括碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、碳酸二丁酯、碳酸二丙酯、碳酸甲乙酯、碳酸甲丁酯、碳酸甲丙酯、碳酸乙丁酯、碳酸乙丙酯、碳酸丁丙酯、丙酸烷基酯、丙二酸二烷基酯和乙酸烷基酯。环醚的具体示例包括四氢呋喃、烷基四氢呋喃、二烷基四氢呋喃、烷氧基四氢呋喃、二烷氧基四氢呋喃、1,3-二氧戊环、烷基-1,3-二氧戊环和1,4-二氧戊环。链醚的具体示例包括1,2-二甲氧基乙烷、1,2-二乙氧基乙烷、二乙醚、乙二醇二烷基醚、二甘醇二烷基醚、三甘醇二烷基醚和四甘醇二烷基醚。
此外，根据一个实施例，包括微孔隔膜130以及其它阳极结构110和/或阴极结构112的二次电池102的部件包括允许这些部件甚至在二次电池102充电和放电期间发生阳极活性材料132的膨胀的情况下也工作的配置和组成。也就是说，这些部件可以被构造为使得这些部件由于在其充电/放电期间的电极活性材料132的膨胀而导致的故障在可接受的极限内。
通过引用的并入
本文提及的所有公开和专利，包括下面列出的各项，出于所有目通过引用将其全部内容并入本文中，就好像每个单独的公开或专利通过引用被具体地、分别地并入。在冲突的情况下，本申请(包括本文中的任何定义)将进行控制。
等同物
虽然已经讨论了具体实施例，但是以上说明书是说明性的而非限制性的。许多变化在本领域的技术人员阅读本说明书之后将变得显而易见。应该通过参考权利要求及其全部的等同物范围、以及说明书和这些变化来确定实施例的全部范围。
除非另有说明，否则在说明书和权利要求中使用的表示成分、反应条件等的量的所有数字应被理解为在所有情况下均由术语“约”修饰。因此，除非有相反的指示，否则本说明书和所附权利要求书中列出的数值参数是近似值，其可以根据试图获得的所需特性而变化。
Claims (197)
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以及位于所述电池外壳内的电极组件、载体离子和非水液体电解质，其中所述电极组件包括阳极结构群、阴极结构群以及电隔离所述阳极结构群和所述阴极结构群的构件的电绝缘微孔隔膜材料，其中所述阳极结构群和所述阴极结构群在纵向方向上以交替的顺序排列，所述阳极结构群的每个构件在所述二次电池处于充电状态时具有第一横截面积A1，并且在所述二次电池处于放电状态时具有第二横截面积A2，所述阴极结构群的每个构件在所述二次电池处于充电状态时具有第一横截面积C1，并且在所述二次电池处于放电状态时具有第二横截面积C2，并且所述阳极结构群和所述阴极结构群的构件的横截面积在与所述纵向方向平行的第一纵向平面中测量；
所述电极组件还包括一组电极约束件，当所述二次电池在所述充电状态与所述放电状态之间循环时，所述一组电极约束件至少部分地约束所述电极组件在所述纵向方向上的生长；
所述阴极结构群的每个构件包括阴极活性材料层，并且所述阳极结构群的每个构件包括阳极活性材料层，所述阳极活性材料层具有在所述二次电池从放电状态被充电至充电状态时，每摩尔阳极活性材料接受超过一摩尔载体离子的容量，
对于所述阳极结构群的子集的每个构件，A1大于A2，并且对于所述阴极结构群的子集的每个构件，C1小于C2；以及
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％。
2.根据前述任一权利要求所述的二次电池，其中所述阳极结构群的子集在所述二次电池处于充电状态时具有第一中值横截面积MAA1且在所述二次电池处于放电状态时具有第二中值横截面积MAA2，并且所述阴极结构群的子集在所述二次电池处于充电状态时具有第一中值横截面积MAC1且在所述二次电池处于放电状态时具有第二中值横截面积MAC2，其中MAA1大于MAA2，并且MAC1小于MAC2。
3.根据前述任一权利要求所述的二次电池，其中所述阳极结构群的子集包括至少两个构件，所述阴极结构群的子集包括至少两个构件。
4.根据前述任一权利要求所述的二次电池，其中所述阳极结构群的子集包括至少五个构件，所述阴极结构群的子集包括至少五个构件。
5.根据前述任一权利要求所述的二次电池，其中所述阳极结构群的子集包括整个阳极结构群的至少10％，所述阴极结构群包括整个阴极结构群的至少10％。
6.根据前述任一权利要求所述的二次电池，其中所述阳极结构群的子集包括整个阳极结构群的至少25％，所述阴极结构群包括整个阴极结构群的至少25％。
7.根据前述任一权利要求所述的二次电池，其中所述阳极结构群的子集包括整个阳极结构群的至少50％，所述阴极结构群包括整个阴极结构群的至少50％。
8.根据前述任一权利要求所述的二次电池，其中所述阳极结构群的子集包括整个阳极结构群的至少75％，所述阴极结构群包括整个阴极结构群的至少75％。
9.根据前述任一权利要求所述的二次电池，其中所述阳极结构群的子集包括整个阳极结构群的至少90％，所述阴极结构群包括整个阴极结构群的至少75％。
10.根据前述任一权利要求所述的二次电池，其中所述阳极结构群的子集包括3至5个构件，所述阴极结构群包括3至5个构件。
11.根据前述任一权利要求所述的二次电池，其中阳极结构群的构件包括长度LA，阴极结构群的构件包括长度LC，长度从所述构件的底部延伸到所述构件的顶部，所述底部靠近所述构件从其中延伸的平面，并且所述顶部远离所述平面，并且其中所述第一纵向平面垂直于长度LA和LC的方向。
12.根据前述任一权利要求所述的二次电池，其中所述阴极群的每个构件包括正交的高度HC、宽度WC和长度LC方向，并且其中长度LC对高度HC和宽度WC中的每一者的比率为至少5:1。
13.根据前述任一权利要求所述的二次电池，其中所述阴极群的每个构件包括正交的高度HC、宽度WC和长度LC方向，并且其中长度LC对高度HC和宽度WC中的每一者的比率为至少10:1。
14.根据权利要求13所述的二次电池，其中所述纵向平面位于Z-Y平面中，其中Y对应于与所述纵向方向平行的轴，Z对应于与所述纵向轴正交并且还分别与所述阳极结构群和所述阴极结构群的构件的长度LA和LC正交的轴。
15.根据权利要求13所述的二次电池，其中所述纵向平面位于在沿Y轴旋转时偏离Z-Y平面小于15度的平面中，其中Y轴对应于与所述纵向方向平行的轴，Z对应于与所述纵向轴正交并且还分别与所述阳极结构群和所述阴极结构群的构件的长度LA和LC正交的轴。
16.根据权利要求13所述的二次电池，其中所述纵向平面位于在沿Y轴旋转时偏离Z-Y平面小于45度的平面中，其中Y轴对应于与所述纵向方向平行的轴，Z对应于与所述纵向轴正交并且还分别与所述阳极结构群和所述阴极结构群的构件的长度LA和LC正交的轴。
17.根据权利要求13所述的二次电池，其中所述纵向平面位于在沿Y轴旋转时偏离Z-Y平面大于45度但小于90度的平面中，其中Y轴对应于与所述纵向方向平行的轴，Z对应于与所述纵向轴正交并且还分别与所述阳极结构群和所述阴极结构群的构件的长度LA和LC正交的轴。
18.根据权利要求13所述的二次电池，其中所述纵向平面位于XY平面中，其中Y轴对应于与所述纵向方向平行的轴，并且X轴对应于与所述纵向轴正交并且还分别与所述阳极结构群和所述阴极结构群的构件的长度LA和LC平行的轴。
19.根据前述任一权利要求所述的二次电池，其中所述阳极结构群的子集的至少一个构件在所述二次电池处于充电状态时具有第一中值横截面积MLA1，在所述二次电池处于放电状态时具有第二中值横截面积MLA2，并且所述阴极结构群的子集的至少一个构件在所述二次电池处于充电状态时具有第一中值横截面积MLC1，在所述二次电池处于放电状态时具有第二中值横截面积MLC2，其中对于每个构件，所述中值横截面积MLA1、MLA2、MLC1和MLC2在与所述纵向方向平行的多个纵向平面中测量，并且
其中对于所述阳极结构群的子集的每个构件，MLA1大于MLA2，并且对于所述阴极结构群的子集的每个构件，MLC1小于MLC2。
20.根据前述任一权利要求所述的二次电池，其中所述中值横截面积MLA1、MLA2、MLC1和MLC2是针对所述阳极结构群和所述阴极结构群的子集在至少三个纵向平面中测量的中值横截面积。
21.根据前述任一权利要求所述的二次电池，其中所述中值横截面积MLA1、MLA2、MLC1和MLC2是针对所述阳极结构群和所述阴极结构群的子集在至少五个纵向平面中测量的中值横截面积。
22.根据前述任一权利要求所述的二次电池，其中所述中值横截面积MLA1、MLA2、MLC1和MLC2是针对所述阳极结构群和所述阴极结构群的子集在至少十个纵向平面中测量的中值横截面积。
23.根据前述任一权利要求所述的二次电池，其中所述中值横截面积MLA1、MLA2、MLC1和MLC2是针对所述阳极结构群和所述阴极结构群的子集在至少两个彼此相隔所述构件的长度L的至少约10％的纵向平面中测量的中值横截面积。
24.根据前述任一权利要求所述的二次电池，其中所述中值横截面积MLA1、MLA2、MLC1和MLC2是针对所述阳极结构群和所述阴极结构群的子集在至少两个彼此相隔所述构件的长度L的至少约15％的纵向平面中测量的中值横截面积。
25.根据前述任一权利要求所述的二次电池，其中所述中值横截面积MLA1、MLA2、MLC1和MLC2是针对所述阳极结构群和所述阴极结构群的子集在至少两个彼此相隔所述构件的长度L的至少约20％的纵向平面中测量的中值横截面积。
26.根据前述任一权利要求所述的二次电池，其中所述中值横截面积MLA1、MLA2、MLC1和MLC2是针对所述阳极结构群和所述阴极结构群的子集在至少两个彼此相隔所述构件的长度L的至少约50％的纵向平面中测量的中值横截面积。
27.根据前述任一权利要求所述的二次电池，其中所述中值横截面积MLA1、MLA2、MLC1和MLC2是针对所述阳极结构群和所述阴极结构群的子集在至少两个彼此相隔所述构件的长度L的至少约75％的纵向平面中测量的中值横截面积。
28.根据前述任一权利要求所述的二次电池，其中C1的范围为2×102μm2至3×107μm2。
29.根据前述任一权利要求所述的二次电池，其中C1的范围为2.5×102μm2至9.5×106μm2。
30.根据前述任一权利要求所述的二次电池，其中C2的范围为1.0×103μm2至1.0×107μm2。
31.根据前述任一权利要求所述的二次电池，其中C2的范围为1.01×102μm2至1.5×1010μm2。
32.根据前述任一权利要求所述的二次电池，其中A1的范围为100μm2至1.5×107μm2。
33.根据前述任一权利要求所述的二次电池，其中A1的范围为4.5×103μm2至7.6×106μm2。
34.根据前述任一权利要求所述的二次电池，其中A2的范围为500μm2至3×107μm2。
35.根据前述任一权利要求所述的二次电池，其中A2的范围为1.5×103μm2至7.5×106μm2。
36.根据前述任一权利要求所述的二次电池，其中所述C2与C1的比率为至少1.05:1。
37.根据前述任一权利要求所述的二次电池，其中所述C2与C1的比率为至少1.1:1。
38.根据前述任一权利要求所述的二次电池，其中所述C2与C1的比率为至少1.3:1。
39.根据前述任一权利要求所述的二次电池，其中所述C2与C1的比率为至少2:1。
40.根据前述任一权利要求所述的二次电池，其中所述C2与C1的比率为至少3:1。
41.根据前述任一权利要求所述的二次电池，其中所述C2与C1的比率为至少4:1。
42.根据前述任一权利要求所述的二次电池，其中所述C2与C1的比率为至少6:1。
43.根据前述任一权利要求所述的二次电池，其中所述A1与A2的比率为至少1.01:1。
44.根据前述任一权利要求所述的二次电池，其中所述A1与A2的比率为至少1.05:1。
45.根据前述任一权利要求所述的二次电池，其中所述A1与A2的比率为至少1.5:1。
46.根据前述任一权利要求所述的二次电池，其中所述A1与A2的比率为至少2:1。
47.根据前述任一权利要求所述的二次电池，其中所述A1与A2的比率为至少3:1。
48.根据前述任一权利要求所述的二次电池，其中所述A1与A2的比率为至少4:1。
49.根据前述任一权利要求所述的二次电池，其中所述A1与A2的比率为至少5:1。
50.根据权利要求2至49中任一项所述的二次电池，其中所述阳极结构群的子集的第一中值横截面积MAA1在100μm2至1.5×107μm2的范围内，并且所述阳极结构群的子集的第二中值横截面积MAA2在500μm2至3×107μm2的范围内。
51.根据权利要求2至50中任一项所述的二次电池，其中所述阳极结构群的子集的第一中值横截面积MAA1在4.7×103μm2至6.8×106μm2的范围内，并且所述阳极结构群的子集的第二中值横截面积MAA2在1.6×103μm2至7.1×106μm2的范围内。
52.根据权利要求2至51中任一项所述的二次电池，其中所述阴极结构群的子集的第二中值横截面积MAC2在1.01×102μm2至1.5×1010μm2的范围内，并且所述阴极结构群的子集的第一中值横截面积MAC1在1×102μm2至3×107μm2的范围内。
53.根据权利要求2至52中任一项所述的二次电池，其中所述阴极结构群的子集的第二中值横截面积MAC2在1.05×103μm2至9.5×106μm2的范围内，并且所述阴极结构群的子集的第一中值横截面积MAC1在2.6×102μm2至9.03×106μm2的范围内。
54.根据权利要求2至53中任一项所述的二次电池，其中所述阳极结构群的子集的第一中值横截面积MAA1与所述阳极结构群的子集的第二中值横截面积MAA2的比率为至少1.01:1。
55.根据权利要求2至54中任一项所述的二次电池，其中所述阳极结构群的子集的第一中值横截面积MAA1与所述阳极结构群的子集的第二中值横截面积MAA2的比率为至少1.05:1。
56.根据权利要求2至55中任一项所述的二次电池，其中所述阳极结构群的子集的第一中值横截面积MAA1与所述阳极结构群的子集的第二中值横截面积MAA2的比率为至少1.5:1。
57.根据权利要求2至56中任一项所述的二次电池，其中所述阳极结构群的子集的第一中值横截面积MAA1与所述阳极结构群的子集的第二中值横截面积MAA2的比率为至少3:1。
58.根据权利要求2至57中任一项所述的二次电池，其中所述阳极结构群的子集的第一中值横截面积MAA1与所述阳极结构群的子集的第二中值横截面积MAA2的比率为至少4:1。
59.根据权利要求2至58中任一项所述的二次电池，其中所述阳极结构群的子集的第一中值横截面积MAA1与所述阳极结构群的子集的第二中值横截面积MAA2的比率为至少5:1。
60.根据权利要求2至59中任一项所述的二次电池，其中所述阴极结构群的子集的第二中值横截面积MAC2与所述阴极结构群的子集的第一中值横截面积MAC1的比率为至少1.05:1。
61.根据权利要求2至60中任一项所述的二次电池，其中所述阴极结构群的子集的第二中值横截面积MAC2与所述阴极结构群的子集的第一中值横截面积MAC1的比率为至少1.1:1。
62.根据权利要求2至61中任一项所述的二次电池，其中所述阴极结构群的子集的第二中值横截面积MAC2与所述阴极结构群的子集的第一中值横截面积MAC1的比率为至少1.3:1。
63.根据权利要求2至62中任一项所述的二次电池，其中所述阴极结构群的子集的第二中值横截面积MAC2与所述阴极结构群的子集的第一中值横截面积MAC1的比率为至少2:1。
64.根据权利要求2至63中任一项所述的二次电池，其中所述阴极结构群的子集的第二中值横截面积MAC2与所述阴极结构群的子集的第一中值横截面积MAC1的比率为至少3:1。
65.根据权利要求2至64中任一项所述的二次电池，其中所述阴极结构群的子集的第二中值横截面积MAC2与所述阴极结构群的子集的第一中值横截面积MAC1的比率为至少4:1。
66.根据权利要求2至65中任一项所述的二次电池，其中所述阴极结构群的子集的第二中值横截面积MAC2与所述阴极结构群的子集的第一中值横截面积MAC1的比率为至少6:1。
67.根据权利要求19至66中任一项所述的二次电池，其中所述阳极结构群的子集的第一中值横截面积MLA1在100μm2至1.5×107μm2的范围内，并且所述阳极结构群的子集的第二中值横截面积MLA2在500μm2至3×107μm2的范围内。
68.根据权利要求19至67中任一项所述的二次电池，其中所述阳极结构群的子集的第一中值横截面积MLA1在4.7×103μm2至6.8×106μm2的范围内，并且所述阳极结构群的子集的第二中值横截面积MLA2在1.6×103μm2至7.1×106μm2的范围内。
69.根据权利要求19至68中任一项所述的二次电池，其中所述阴极结构群的子集的第二中值横截面积MLC2在1.01×102μm2至1.5×1010μm2的范围内，并且所述阴极结构群的子集的第一中值横截面积MLC1在1×102μm2至3×107μm2的范围内。
70.根据权利要求19至69中任一项所述的二次电池，其中所述阴极结构群的子集的第二中值横截面积MLC2在1.05×103μm2至9.5×106μm2的范围内，并且所述阴极结构群的子集的第一中值横截面积MLC1在2.6×102μm2至9.03×106μm2的范围内。
71.根据权利要求19至70中任一项所述的二次电池，其中所述阳极结构群的子集的第一中值横截面积MLA1与所述阳极结构群的子集的第二中值横截面积MLA2的比率为至少1.01:1。
72.根据权利要求19至71中任一项所述的二次电池，其中所述阳极结构群的子集的第一中值横截面积MLA1与所述阳极结构群的子集的第二中值横截面积MLA2的比率为至少1.05:1。
73.根据权利要求19至72中任一项所述的二次电池，其中所述阳极结构群的子集的第一中值横截面积MLA1与所述阳极结构群的子集的第二中值横截面积MLA2的比率为至少1.5:1。
74.根据权利要求19至73中任一项所述的二次电池，其中所述阳极结构群的子集的第一中值横截面积MLA1与所述阳极结构群的子集的第二中值横截面积MLA2的比率为至少2:1。
75.根据权利要求19至74中任一项所述的二次电池，其中所述阳极结构群的子集的第一中值横截面积MLA1与所述阳极结构群的子集的第二中值横截面积MLA2的比率为至少3:1。
76.根据权利要求19至75中任一项所述的二次电池，其中所述阳极结构群的子集的第一中值横截面积MLA1与所述阳极结构群的子集的第二中值横截面积MLA2的比率为至少4:1。
77.根据权利要求19至76中任一项所述的二次电池，其中所述阳极结构群的子集的第一中值横截面积MLA1与所述阳极结构群的子集的第二中值横截面积MLA2的比率为至少5:1。
78.根据权利要求19至77中任一项所述的二次电池，其中所述阴极结构群的子集的第二中值横截面积MLC2与所述阴极结构群的子集的第一中值横截面积MLC1的比率为至少1.1:1。
79.根据权利要求19至78中任一项所述的二次电池，其中所述阴极结构群的子集的第二中值横截面积MLC2与所述阴极结构群的子集的第一中值横截面积MLC1的比率为至少1.3:1。
80.根据权利要求19至79中任一项所述的二次电池，其中所述阴极结构群的子集的第二中值横截面积MLC2与所述阴极结构群的子集的第一中值横截面积MLC1的比率为至少2:1。
81.根据权利要求19至80中任一项所述的二次电池，其中所述阴极结构群的子集的第二中值横截面积MLC2与所述阴极结构群的子集的第一中值横截面积MLC1的比率为至少3:1。
82.根据权利要求19至81中任一项所述的二次电池，其中所述阴极结构群的子集的第二中值横截面积MLC2与所述阴极结构群的子集的第一中值横截面积MLC1的比率为至少4:1。
83.根据权利要求19至82中任一项所述的二次电池，其中所述阴极结构群的子集的第二中值横截面积MLC2与所述阴极结构群的子集的第一中值横截面积MLC1的比率为至少6:1。
84.根据权利要求19至83中任一项所述的二次电池，其中所述阳极结构群的构件子集在所述二次电池处于充电状态时具有第一中值横截面积MOA1，并且在所述二次电池处于放电状态时具有第二中值横截面积MOA2，对于具有至少两个构件的子集，所述第一中值横截面积MOA1是针对所述子集的每个构件在与所述纵向方向平行的多个纵向平面中测量的横截面积的中值，对于具有至少两个构件的子集，所述第二中值横截面积MOA2是针对所述子集的每个构件在与所述纵向方向平行的多个纵向平面中测量的横截面积的中值，
其中所述阴极结构群的构件子集在所述二次电池处于充电状态时具有第一中值横截面积MOC1，并且在所述二次电池处于放电状态时具有第二中值横截面积MOC2，对于具有至少两个构件的子集，所述第一中值横截面积MOC1是针对所述子集的每个构件在与所述纵向方向平行的多个纵向平面中测量的横截面积的中值，对于具有至少两个构件的子集，所述第二中值横截面积MOC2是针对所述子集的每个构件在与所述纵向方向平行的多个纵向平面中测量的横截面积的中值，并且
其中MOA1大于MOA2，并且MOC1小于MOC2。
85.根据权利要求84所述的二次电池，其中所述阳极结构群的子集的第一中值横截面积MOA1在100μm2至1.5×107μm2的范围内，并且所述阳极结构群的子集的第二中值横截面积MOA2在500μm2至3×107μm2的范围内。
86.根据权利要求84至85中任一项所述的二次电池，其中所述阳极结构群的子集的第一中值横截面积MOA1在4.7×103μm2至6.8×10×106μm2的范围内，并且所述阳极结构群的子集的第二中值横截面积MOA2在1.6×103μm2至7.1×106μm2的范围内。
87.根据权利要求84至86中任一项所述的二次电池，其中所述阴极结构群的子集的第二中值横截面积MOC2在1.01×102μm2至1.5×1010μm2的范围内，并且所述阴极结构群的子集的第一中值横截面积MOC1在1×102μm2至3×107μm2的范围内。
88.根据权利要求84至87中任一项所述的二次电池，其中所述阴极结构群的子集的第二中值横截面积MOC2在1.05×103μm2至9.5×106μm2的范围内，并且所述阴极结构群的子集的第一中值横截面积MOC1在2.6×102μm2至9.03×106μm2的范围内。
89.根据权利要求84至88中任一项所述的二次电池，其中所述阳极结构群的子集的第一中值横截面积MOA1与所述阳极结构群的子集的第二中值横截面积MOA2的比率为至少1.01:1。
90.根据权利要求84至89中任一项所述的二次电池，其中所述阳极结构群的子集的第一中值横截面积MOA1与所述阳极结构群的子集的第二中值横截面积MOA2的比率为至少1.05:1。
91.根据权利要求84至90中任一项所述的二次电池，其中所述阳极结构群的子集的第一中值横截面积MOA1与所述阳极结构群的子集的第二中值横截面积MOA2的比率为至少1.5:1。
92.根据权利要求84至91中任一项所述的二次电池，其中所述阳极结构群的子集的第一中值横截面积MOA1与所述阳极结构群的子集的第二中值横截面积MOA2的比率为至少2:1。
93.根据权利要求84至92中任一项所述的二次电池，其中所述阳极结构群的子集的第一中值横截面积MOA1与所述阳极结构群的子集的第二中值横截面积MOA2的比率为至少3:1。
94.根据权利要求84至93中任一项所述的二次电池，其中所述阳极结构群的子集的第一中值横截面积MOA1与所述阳极结构群的子集的第二中值横截面积MOA2的比率为至少4:1。
95.根据权利要求84至94中任一项所述的二次电池，其中所述阳极结构群的子集的第一中值横截面积MOA1与所述阳极结构群的子集的第二中值横截面积MOA2的比率为至少5:1。
96.根据权利要求84至95中任一项所述的二次电池，其中所述阴极结构群的子集的第二中值横截面积MOC2与所述阴极结构群的子集的第一中值横截面积MOC1的比率为至少1.05:1。
97.根据权利要求84至96中任一项所述的二次电池，其中所述阴极结构群的子集的第二中值横截面积MOC2与所述阴极结构群的子集的第一中值横截面积MOC1的比率为至少1.1:1。
98.根据权利要求84至97中任一项所述的二次电池，其中所述阴极结构群的子集的第二中值横截面积MOC2与所述阴极结构群的子集的第一中值横截面积MOC1的比率为至少1.3:1。
99.根据权利要求84至98中任一项所述的二次电池，其中所述阴极结构群的子集的第二中值横截面积MOC2与所述阴极结构群的子集的第一中值横截面积MOC1的比率为至少2:1。
100.根据权利要求84至99中任一项所述的二次电池，其中所述阴极结构群的子集的第二中值横截面积MOC2与所述阴极结构群的子集的第一中值横截面积MOC1的比率为至少3:1。
101.根据权利要求84至100中任一项所述的二次电池，其中所述阴极结构群的子集的第二中值横截面积MOC2与所述阴极结构群的子集的第一中值横截面积MOC1的比率为至少4:1。
102.根据权利要求84至101中任一项所述的二次电池，其中所述阴极结构群的子集的第二中值横截面积MOC2与所述阴极结构群的子集的第一中值横截面积MOC1的比率为至少6:1。
103.根据前述任一权利要求所述的二次电池，其中所述阳极结构群的构件在所述二次电池处于充电状态时具有第一宽度WA1，在所述二次电池处于放电状态时具有第二宽度WA2，并且其中所述阴极结构群的构件在所述二次电池处于充电状态时具有第一宽度WC1，在所述二次电池处于放电状态时具有第二宽度WC2，并且其中对于所述阳极结构群的子集，WA1大于WA2，对于所述阴极结构群的子集，WC1小于WC2，宽度WA1、WA2、WC1和WC2在所述纵向方向上测量。
104.根据权利要求103所述的二次电池，其中在所述纵向平面被正交的XY平面二分而形成的线处测量宽度，其中Y轴平行于所述纵向方向，并且X轴平行于所述阳极结构群和所述阴极结构群的构件的长度LA和LC的方向。
105.根据权利要求103至104中任一项所述的二次电池，其中所述XY平面位于所述阴极结构的高度H的中点处，高度在与所述纵向方向以及所述阳极结构群和所述阴极结构群的构件的长度LA和LC的方向都正交的方向上测量。
106.根据权利要求103所述的二次电池，其中所述XY平面位于沿所述阴极结构的高度的一位置处，该位置是所述阴极结构的总高度H的25％至75％中的任何位置，高度在与所述纵向方向以及所述阳极结构群和所述阴极结构群的构件的长度LA和LC的方向都正交的方向上测量。
107.根据权利要求103至106中任一项所述的二次电池，其中所述第一宽度WA1在50μm至2000μm的范围内，所述第二宽度WA2在15μm至2500μm的范围内。
108.根据权利要求103至107中任一项所述的二次电池，其中所述第一宽度WA1在90μm至1520μm的范围内，所述第二宽度WA2在30μm至1500μm的范围内。
109.根据权利要求103至108中任一项所述的二次电池，其中所述第一宽度WC1在2μm至5000μm的范围内，所述第二宽度WC2在5μm至5000μm的范围内。
110.根据权利要求103至109中任一项所述的二次电池，其中所述第一宽度WC1在5μm至1900μm的范围内，所述第二宽度WC2在20μm至2000μm的范围内。
111.根据权利要求103至110中任一项所述的二次电池，其中WA1与WA2的比率为至少1.01:1。
112.根据权利要求103至111中任一项所述的二次电池，其中WA1与WA2的比率为至少1.05:1。
113.根据权利要求103至112中任一项所述的二次电池，其中WA1与WA2的比率为至少1.5:1。
114.根据权利要求103至113中任一项所述的二次电池，其中WA1与WA2的比率为至少2:1。
115.根据权利要求103至114中任一项所述的二次电池，其中WA1与WA2的比率为至少3:1。
116.根据权利要求103至115中任一项所述的二次电池，其中WA1与WA2的比率为至少4:1。
117.根据权利要求103至116中任一项所述的二次电池，其中WA1与WA2的比率为至少5:1。
118.根据权利要求103至117中任一项所述的二次电池，其中WC2与WC1的比率为至少1.1:1。
119.根据权利要求103至118中任一项所述的二次电池，其中WC2与WC1的比率为至少1.3:1。
120.根据权利要求103至119中任一项所述的二次电池，其中WC2与WC1的比率为至少2:1。
121.根据权利要求103至120中任一项所述的二次电池，其中WC2与WC1的比率为至少3:1。
122.根据权利要求103至121中任一项所述的二次电池，其中WC2与WC1的比率为至少4:1。
123.根据权利要求103至122中任一项所述的二次电池，其中WC2与WC1的比率为至少6:1。
124.根据前述任一权利要求所述的二次电池，其中所述阴极结构群的构件包括多孔的阴极活性材料层，并且其中所述阴极活性材料层在所述二次电池处于充电状态时具有第一孔隙率P1，在所述二次电池处于放电状态时具有第二孔隙率P2，所述第一孔隙率P1小于所述第二孔隙率P2。
125.根据权利要求124所述的二次电池，其中所述第一孔隙率P1不大于30％，所述第二孔隙率P2为至少约50％。
126.根据权利要求124至125中任一项所述的二次电池，其中所述第一孔隙率P1不大于20％，所述第二孔隙率P2为至少约60％。
127.根据权利要求124至126中任一项所述的二次电池，其中所述第一孔隙率P1不大于10％，所述第二孔隙率P2为至少约70％。
128.根据权利要求124至127中任一项的二次电池，其中所述第二孔隙率P2与所述第一孔隙率P1的比率为至少1.1:1。
129.根据权利要求124至128中任一项的二次电池，其中所述第二孔隙率P2与所述第一孔隙率P1的比率为至少1.5:1。
130.根据权利要求124至129中任一项的二次电池，其中所述第二孔隙率P2与所述第一孔隙率P1的比率为至少2:1。
131.根据权利要求124至130中任一项的二次电池，其中所述第二孔隙率P2与所述第一孔隙率P1的比率为至少5:1。
132.根据前述任一权利要求所述的二次电池，其中所述二次电池在0.1C下具有至少5mA·h/cm2的面积容量。
133.根据前述任一权利要求所述的二次电池，其中所述二次电池在0.1C下具有至少8mA·h/cm2的面积容量。
134.根据前述任一权利要求所述的二次电池，其中所述二次电池在0.1C下具有至少10mA·h/cm2的面积容量。
135.根据前述任一权利要求所述的二次电池，其中所述二次电池在0.1C下具有至少15mA·h/cm2的面积容量。
136.根据前述任一权利要求所述的二次电池，其中所述二次电池在0.1C下具有至少20mA·h/cm2的面积容量。
137.根据前述任一权利要求所述的二次电池，其中所述二次电池在0.1C下具有至少25mA·h/cm2的面积容量。
138.根据权利要求132至137中任一项所述的二次电池，其中所述二次电池具有1C:C/10为至少75％的倍率性能。
139.根据权利要求132至138中任一项所述的二次电池，其中所述二次电池具有1C:C/10为至少80％的倍率性能。
140.根据权利要求132至139中任一项所述的二次电池，其中所述二次电池具有1C:C/10为至少95％的倍率性能。
141.根据前述任一权利要求所述的二次电池，其中所述阴极结构群的构件包括具有分散在基体中的颗粒的阴极活性材料层。
142.根据权利要求138所述的二次电池，其中所述阴极活性材料层包括分散在包含聚合物材料的基体中的选自以下项之一的阴极活性材料的颗粒：过渡金属氧化物、过渡金属硫化物、过渡金属氮化物、锂-过渡金属氧化物、锂-过渡金属硫化物、以及锂-过渡金属氮化物。
143.根据权利要求141至142中任一项所述的二次电池，其中所述阴极活性材料层进一步包括散布有所述阴极活性材料的填料颗粒，所述填料颗粒包括碳颗粒和含聚合物珠粒中的至少一者。
144.根据前述任一权利要求所述的二次电池，其中所述微孔隔膜材料包括柔性膜，所述柔性膜具有散布在聚合物基体中的绝缘颗粒。
145.根据前述任一权利要求所述的二次电池，其中所述阴极结构群的构件在psi为100时呈现出横截面积C减小至少5％。
146.根据前述任一权利要求所述的二次电池，其中所述阴极结构群的构件在psi为100时呈现出横截面积C减小至少25％。
147.根据前述任一权利要求所述的二次电池，其中所述阴极结构群的构件在psi为100时呈现出横截面积C减小至少50％。
148.根据前述任一权利要求所述的二次电池，其中所述阴极结构群的构件在psi为100时呈现出横截面积C减小至少75％。
149.根据前述任一权利要求所述的二次电池，其中所述一组电极约束件包括：
初级约束系统，其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在所述二次电池的循环期间至少部分地约束所述电极组件在所述纵向方向上的生长。
150.根据权利要求149所述的二次电池，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的任何增加小于20％。
151.根据权利要求149至150中任一项所述的二次电池，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50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％。
152.根据权利要求149至151中任一项所述的二次电池，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100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％。
153.根据权利要求149至152中任一项所述的二次电池，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1000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％。
154.根据权利要求149至153中任一项所述的二次电池，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的任何增加小于5％。
155.根据前述任一权利要求所述的二次电池，其中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。
156.根据权利要求155所述的二次电池，其中所述二级生长约束系统约束所述电极组件在所述第二方向上的生长，使得在所述二次电池的反复循环时在20个连续循环期间，所述电极组件在所述第二方向上的费雷特直径的任何增加小于20％。
157.根据权利要求155至156中任一项所述的二次电池，其中所述二级生长约束系统约束所述电极组件在所述第二方向上的生长，使得在所述二次电池的10个连续循环期间，所述电极组件的在所述第二方向上的费雷特直径的任何增加小于10％。
158.根据权利要求155至157中任一项所述的二次电池，其中所述二级生长约束系统约束所述电极组件在所述第二方向上的生长，使得在所述二次电池的5个连续循环期间，所述电极组件的在所述第二方向上的费雷特直径的任何增加小于5％。
159.一种形成在充电状态与放电状态之间循环的二次电池的方法，所述二次电池包括电池外壳以及位于所述电池外壳内的电极组件、载体离子和非水液体电解质，所述电极组件具有阳极结构群、阴极结构群、以及电隔离所述阳极结构群和所述阴极结构群的构件的电绝缘微孔隔膜材料，其中所述阳极结构群和所述阴极结构群的构件在纵向方向上以交替的顺序排列，并且其中所述阳极结构群的构件包括在所述二次电池充电时横截面积A扩大的阳极活性材料层，所述阴极结构群的构件包括具有横截面积C的可压缩阴极活性材料层，所述横截面积在与所述纵向方向平行的第一纵向平面中测量，所述方法包括：在初始形成阶段，对所述二次电池充电，使得所述阳极结构群的构件中的所述阳极活性材料层的横截面积的扩大压缩所述阴极结构群的所述可压缩阴极活性材料层，使得所述阴极结构群的子集的构件的横截面积从所述初始形成阶段之前的初始横截面积Ci减小到所述初始形成阶段之后的形成后横截面积Cf，所述形成后横截面积Cf小于所述初始形成阶段之前的所述初始横截面积Ci的95％。
160.根据权利要求159所述的方法，其中所述形成后横截面积Cf小于所述初始横截面积Ci的90％。
161.根据权利要求159至160中任一项所述的方法，其中所述形成后横截面积Cf小于所述初始横截面积Ci的80％。
162.根据权利要求159至161中任一项所述的方法，其中所述形成后横截面积Cf小于所述初始横截面积Ci的70％。
163.根据权利要求159至162中任一项所述的方法，其中所述阴极结构群的构件包括可压缩阴极活性材料层，所述阴极活性材料层包括在聚合物材料基体中的阴极活性材料颗粒，并且其中所述可压缩阴极活性材料层从所述阴极活性材料层中的颗粒的第一体积％压缩到所述阴极活性材料层中的颗粒的第二体积％，第二体积％高于第一体积％。
164.根据权利要求159至163中任一项所述的方法，其中所述微孔隔膜包括含有聚合物材料的柔性膜，并且其中所述初始形成阶段以至少部分地将所述微孔隔膜粘附到所述阴极结构群和所述阳极结构群的构件的压力将所述微孔隔膜压靠在所述阴极结构和所述阳极结构上。
165.根据权利要求159至164中任一项所述的方法，其中所述初始形成步骤以至少1,000psi的压力将所述微孔隔膜压靠在所述阴极结构和所述阳极结构上。
166.根据权利要求159至165中任一项所述的方法，其中所述初始形成步骤以至少3,000psi的压力将所述微孔隔膜压靠在所述阴极结构和所述阳极结构上。
167.根据权利要求159至166中任一项所述的方法，其中所述初始形成步骤以至少10,000psi的压力将所述微孔隔膜压靠在所述阴极结构和所述阳极结构上。
168.一种形成在充电状态与放电状态之间循环的二次电池的方法，所述二次电池包括电池外壳以及位于所述电池外壳内的电极组件、载体离子和非水液体电解质，所述电极组件具有阳极结构群、阴极结构群、以及电隔离所述阳极结构群和可压缩阴极结构群的构件的电绝缘微孔隔膜，其中所述阳极结构群和所述阴极结构群的构件在纵向方向上以交替的顺序排列，并且其中所述阳极结构群的构件包括在所述二次电池充电时横截面积A扩大的阳极活性材料层，所述阴极结构群的构件包括具有横截面积C的可压缩阴极活性材料层，所述横截面积在与所述纵向方向平行的第一纵向平面中测量，所述方法包括：
在初始形成步骤，对所述二次电池充电，使得所述阳极结构群的构件中的所述阳极活性材料层的膨胀以这样的压力将所述微孔隔膜压靠在所述阴极结构的所述可压缩阴极活性材料层上：该压力使得所述可压缩阴极活性材料层的横截面积C缩小，同时还至少部分地将所述微孔隔膜粘附到所述阴极结构的所述可压缩阴极活性材料层和所述阳极结构的所述阳极活性材料层；
其中，在所述二次电池放电并且所述阳极活性材料层的横截面积A缩小时，所述微孔隔膜到所述可压缩阴极活性材料层和所述阳极活性材料层的至少部分粘附导致所述可压缩阴极活性材料层的横截面积C的扩大。
169.一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以及位于所述电池外壳内的电极组件、载体离子和非水液体电解质，其中所述电极组件包括阳极结构群、阴极结构群、以及电隔离所述阳极结构群和所述阴极结构群的构件的电绝缘微孔隔膜材料，所述电极组件还包括一组电极约束件，所述一组电极约束件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纵向方向上的生长，
所述阳极结构群的构件包括阳极活性材料，并且其中所述阳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，每摩尔阳极活性材料接受超过一摩尔载体离子的容量，
所述阴极结构群的构件包括多孔阴极活性材料，其中在所述放电状态下由所述非水液体电解质占据的所述多孔阴极活性材料的体积V2大于在所述充电状态下由所述非水电解质占据的所述多孔阴极活性材料的体积V1，
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额定容量的25％。
170.根据权利要求169的二次电池，其中由所述非水液体电解质占据的所述多孔阴极活性材料的体积V2与V1的比率为至少1.1:1。
171.根据权利要求169至179中任一项所述的二次电池，其中由所述非水液体电解质占据的所述多孔阴极活性材料的体积V2与V1的比率为至少1.5:1。
172.根据权利要求169至171中任一项所述的二次电池，其中由所述非水液体电解质占据的所述多孔阴极活性材料的体积V2与V1的比率为至少2:1。
173.根据权利要求169至172中任一项所述的二次电池，其中由所述非水液体电解质占据的所述多孔阴极活性材料的体积V2与V1的比率为至少5:1。
174.根据权利要求169至173中任一项所述的二次电池，其中由所述非水液体电解质占据的所述多孔阴极活性材料的体积V2与V1的比率为至少10:1。
175.根据权利要求169至174中任一项所述的二次电池，其中由所述非水液体电解质占据的所述多孔阴极活性材料的体积V2与V1的比率为至少15:1。
176.一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以及位于所述电池外壳内的电极组件、载体离子和非水液体电解质，其中所述电极组件包括阳极结构群、阴极结构群、以及电隔离所述阳极结构群和所述阴极结构群的构件的电绝缘微孔隔膜材料，所述阳极结构群的构件包括阳极活性材料，所述阴极结构群的构件包括阴极活性材料，所述阴极结构群的构件在0.1C下具有至少5mA·h/cm2的面积容量，对于从充电状态至放电状态的放电，1C:C/10的倍率性能为至少80％，
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额定容量的25％。
177.根据权利要求176所述的二次电池，其中所述面积容量在0.1C下为至少8mA·h/cm2。
178.根据权利要求176至177中任一项所述的二次电池，其中所述面积容量在0.1C下为至少10mA·h/cm2。
179.根据权利要求176至178中任一项所述的二次电池，其中所述面积容量在0.1C下为至少15mA·h/cm2。
180.根据权利要求176至179中任一项所述的二次电池，其中所述面积容量在0.1C下为至少20mA·h/cm2。
181.根据权利要求176至180中任一项所述的二次电池，其中所述面积容量在0.1C下为至少25mA·h/cm2。
182.根据权利要求176至181中任一项所述的二次电池，其中对于从充电状态至放电状态的放电，所述二次电池的1C:C/10的倍率性能为至少90％。
183.根据权利要求176至182中任一项所述的二次电池，其中对于从充电状态至放电状态的放电，所述二次电池的1C:C/10的倍率性能为至少95％。
184.一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以及位于所述电池外壳内的电极组件、载体离子和非水液体电解质，其中
所述电极组件包括阳极结构群、阴极结构群、以及电隔离所述阳极结构群和所述阴极结构群的构件的电绝缘微孔隔膜材料，其中所述阳极结构群和所述阴极结构群的构件在纵向方向上以交替的顺序排列；
所述阳极结构群的每个构件包括阳极活性材料层，所述阴极结构群的每个构件包括阴极活性材料层；
所述阴极结构群的每个构件在所述二次电池处于充电状态时具有第一横截面积C1，并且在所述二次电池处于放电状态时具有第二横截面积C2，其中所述放电状态下的所述阴极结构的第二横截面积C2大于所述充电状态下的所述阴极结构的第一横截面积C1，并且其中在所述二次电池从所述充电状态被放电至所述放电状态时，所述阴极结构群的构件子集的第二横截面积C2与所述阴极结构群的构件子集的第一横截面积C1的比率为至少1.05:1；
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额定容量的25％。
185.根据权利要求184所述的二次电池，其中所述第二横截面积C2与所述第一横截面积C1的比率在1.05:1至15:1的范围内。
186.根据权利要求184至185中任一项所述的二次电池，其中所述第二横截面积C2与所述第一横截面积C1的比率在1.05:1至6:1的范围内。
187.根据前述任一权利要求所述的二次电池，其中所述电极组件进一步包括一组电极约束件，所述一组电池约束件在所述二次电池在所述充电状态与所述放电状态之间循环时至少部分地约束所述电极组件在所述纵向方向上的生长。
188.根据前述任一权利要求所述的二次电池，其中所述一组电极约束件包括：
初级约束系统，其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纵向方向上的生长。
189.根据前述任一权利要求所述的二次电池，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的任何增加小于20％。
190.根据前述任一权利要求所述的二次电池，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50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％。
191.根据前述任一权利要求所述的二次电池，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100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％。
192.根据前述任一权利要求所述的二次电池，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1000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％。
193.根据前述任一权利要求所述的二次电池，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的任何增加小于5％。
194.根据前述任一权利要求所述的二次电池，其中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第二方向上的生长，所述第二方向与所述纵向方向正交。
195.根据前述任一权利要求所述的二次电池，其中所述二级生长约束系统约束所述电极组件在所述第二方向上的生长，使得在所述二次电池的反复循环时在20个连续循环期间，所述电极组件在所述第二方向上的费雷特直径的任何增加小于20％。
196.根据前述任一权利要求所述的二次电池，其中所述二级生长约束系统约束所述电极组件在所述第二方向上的生长，使得在所述二次电池的10个连续循环期间，所述电极组件在所述第二方向上的费雷特直径的任何增加小于10％。
197.根据前述任一权利要求所述的二次电池，其中所述二级生长约束系统约束所述电极组件在所述第二方向上的生长，使得在所述二次电池的5个连续循环期间，所述电极组件在所述第二方向上的费雷特直径的任何增加小于5％。
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