CN110770928A - 低长宽比电池 - Google Patents

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Abstract

一种电化学电池包括：包括至少一对卷绕或堆叠的正极和负极的电极组件，包括绝缘软质柔性袋体的壳体，所述袋体封闭所述电极组件。所述电极组件以及每个正极和负极分别具有平行于一组公共正交轴测量的厚度、宽度和长度，其中(i)所述厚度表示每个正极和负极的最小尺寸，但表示整个所述电极组件的最大尺寸，(ii)所述宽度表示垂直于所述厚度的最大尺寸，以及(iii)所述电极组件的所述宽度与所述厚度的长宽比小于1。

Description

低长宽比电池
背景技术
可再充电电池或二次电池以及由多个电池组成的电池组具有广泛的应用，这需要电池性能的持续改进。电池组设计中的常见问题是电池组本身的机械设计。这是由于电池在其使用寿命期间需要适应电池的尺寸变化。这也可能是由于电池的尺寸随着电池老化而逐渐增大(“溶胀”)，也可能是由于电池在每个循环过程中尺寸的周期性变化(“呼吸”)。例如，在铅酸电池中，主要尺寸变化通常是由于硫酸铅的逐步积累引起的膨胀，这是电池内的一种副反应。
锂离子电池通常包含以嵌入原理工作的活性材料，其中Li+离子以可逆的方式进出主体结构(例如，石墨负极和层状过渡金属氧化物正极材料)，不会导致主体材料发生较大的结构变化。对于在两个电极上都发生嵌入反应的锂离子电池，因为两个电极上Li的部分摩尔体积接近零，所以在循环(“呼吸”)过程中尺寸变化相对较小(通常小于0.5％的体积波动)。此外，不可逆膨胀(“溶胀”)通常受固体电解质中间相(SEI)层的缓慢生长限制。从根本上讲，循环过程中这些有限的尺寸变化为电池中的电化学反应提供了高度的可逆性。然而，它也限制了电极堆栈的能量密度，因此也限制了电池的能量密度。
人们普遍认为，能量密度的显著提高可以通过从纯嵌入主体反应转移到在操作过程中涉及完全不同的物理过程的电极反应获得，因为与嵌入反应相比，后者反应允许更密集地存储锂离子。这些反应包括转化反应或置换反应、合金化反应和金属沉积。然而，这些反应类型通常与电极材料内部以及，因此电池单元内的相对较大的结构变化有关(例如，≥5％的体积膨胀)。即，有时将电池称为“呼吸”，以作为充电和放电期间物理膨胀和收缩的表征。从根本上说，由于电池中的电化学反应引起的高度重复的体积膨胀和收缩将与较高比例的电池组(例如，电极堆栈、电池和电池组件疲劳)的机械降解相一致，从而导致电池性能、循环寿命、功率密度和安全操作余量的退化，进而抵消了能量密度的增加。
锂离子电池的形状因素包括圆柱体(例如，18650或AA型)、纽扣电池(手表型)和棱柱形电池(手机型)。商业圆柱形可再充电锂离子电池(电池组)通常的长宽比a>1，其中a＝w/t，其中宽度w是平行于电极层的最大尺寸(平行于电极层的最大正交尺寸)，其中t是垂直于电极层的最大尺寸。众所周知选择这种高长宽比的原因是，卷绕式电池中的圆柱体的“端部”是开销(即，电池中的结构或体积对电池的存储容量没有贡献)。为了防止由于电池短路而导致的故障，其优点是绝缘体和电池的每个端部处的一个电极重叠。该重叠区域具有有限的最小尺寸，这增加了整个电池的大小，但没有贡献容量。电池堆栈中的最后一层(卷绕式电池的外圆柱壁)也有助于开销，但是最小尺寸更小。圆柱形卷绕电池通常在顶部也有安全装置，这进一步增加了开销。因此，为了使总体的电池开销最小化，对于给定的体积圆柱形电池的优点是在“末端”有极小的体积来容纳额外的结构。
授予Gaugler的美国专利号2012/0100406公开了将卷绕式锂离子电池装配到的锂金属纽扣形状因素(即硬质金属外壳)内的方法，该锂金属纽扣形状因素具有焊接到壳体上的连接器。授予Brilmyer的美国专利号8，728，651公开了一种长宽比小于1的螺旋卷绕阀控铅酸(“VRLA”)蓄电池。所公开的结构包括具有含水电解质和硬质聚合物或金属壳体的铅酸化学物质。
如图1所示，类似地，堆叠的电池通常具有>1的长宽比。电极组件堆栈的厚度(在所示方向上垂直测量，并与外部电池尺寸“厚度”对齐)小于堆栈的最小长度尺寸或最小宽度尺寸(与在堆叠中的任何单层的厚度进行正交测量)。同样，在堆叠式电池中，类似于圆柱形电池，各层的边缘会比顶部引入更高的开销，这是因为相继的正极层和负极层都具有绝缘体，该绝缘体通常会偏移以防止彼此短路。堆叠顶部/底部的密封/绝缘层引入了开销，但数量较少；同样，对于电池设计者来说，众所周知的是，堆叠式电池的宽度和长度大于其厚度是有利的。
“卷绕棱柱形”电池具有两种结构的元件(卷绕电池制造较便宜，但许多应用中具有优选的扁平形状因数)。再次，市售电池的具有垂直于各层的最大尺寸(即其厚度t，在图1中垂直测量并且垂直于各层的最大尺寸，即各层的长度l和宽度w)小于平行于各层的最大尺寸。
发明内容
本文描述了低长宽比电池以及涉及该电池的方法，其中该设备和方法的各种实施例可以包括以下描述的一些或全部元件、特征和步骤。
该装置的实施例涉及堆叠式或螺旋卷绕式电池单元，例如长宽比(a)小于1的高能非水电池。
本公开的电化学电池包括电极组件，所述电极组件包括至少一对卷绕或堆叠的正极和负极，壳体包括封闭所述电极组件的绝缘软质柔性袋体。所述电极组件以及每个正极和负极分别具有平行于一组公共的正交测量的厚度、宽度和长度，其中(i)所述厚度表示每个正极和负极的最小尺寸，但表示整个所述电极组件的最大尺寸，(ii)所述宽度表示垂直于所述厚度的最大尺寸，以及(iii)所述电极组件的所述宽度与所述厚度的长宽比小于1。
所述壳体包括绝缘软质柔性袋体，其能够适应封闭的电极组件的>5％的呼吸。
附图说明
图1是由负极12、隔板14和正极16组成的常规层压电池结构示意图
图2和图3提供了在具有平面形状的电池10中施加膨胀和堆叠压力之前(图2)和之后(图3)的示意图。膨胀(堆叠24的膨胀)涉及电极和/或壳体22的曲率。因此，施加堆叠压力的力因此受到在梁弯曲结构中的电极或壳体22的屈服点强度的限制。
图4和图5提供了本公开的电池10中的膨胀力和堆叠压力的示意图。现在膨胀(堆叠24的膨胀)涉及电极12和16或壳体22的延伸。现在，施加堆叠压力的力被单轴延伸中的电极12/16或壳体22的屈服点强度所限制。
图6是具有软质袋体26的堆叠电极12和16的示意图，该软质袋体26示出为没有凸片。
图7是具有软质袋体26的堆叠电极的示意图，该软质袋体26示出为具有电极连接18和20。
图8和图9是在软质袋体26中堆叠电池的照片图像。
图10示出了一种电池的示例，其中壳体包括与所述袋体26成一体的导电板30和32。
图11示出了“卷绕棱柱形”电池10的各层的“跑道”排列。
图12示出了由于密封而产生多余区域的卷绕棱柱形电池的俯视图。
图13示出了由于密封件28而产多余区域34的纽扣电池(卷绕电池)的俯视图。
图14示出了“无接缝”的示例，其中暴露出顶部触点以用于“纽扣电池”替换，并且减少了死区。
图15示出了“无接缝”的示例，其中暴露出底部触点以用于“纽扣电池”替换，并且减少了死区。
在附图中，贯穿不同的视图相同的附图标记指代相同或相似的部分。撇号用于区分同一项目的多个示例或共享相同附图标记的项目的不同实施例。附图不一定按比例绘制；相反，在下面讨论的示例中重点放在说明特定原理上。对于包括文本(单词、参考字符和/或数字)的任何附图，没有文本的附图的替代版本应被理解为是本公开的一部分；并可以用没有此类文字的正式替换图纸代替。
具体实施方式
通过对本发明的更大范围内的各种概念和特定实施例的更具体的描述，本发明的各个方面的前述和其他特征以及优点将变得显而易见。可以以多种方式中的任何一种来实现上面介绍的主题和下面更详细讨论的主题的各个方面，因为主题不限于任何特定的实现方式。主要出于说明性目的而提供了特定实现和应用的示例。
除非本文另外定义、使用或表征，否则本文中使用的术语(包括技术术语和科学术语)应被解释为具有与其在相关领域中所接受的含义一致的含义，而不能解释是理想化或过于形式化的意义(除非本文明确定义)。例如，如果引用了特定的成分，则成分可能是实质上(尽管不是很完美)纯净的，因为可能存在实际和不完美的现实。例如，可能存在至少微量杂质(例如，小于1％或2％)可以理解为在说明书的范围内。同样，如果参考了某个特定形状，则该形状应包括例如由于制造公差而导致与理想形状的不完美变化。本文表达的百分比或浓度可以重量或体积计。下述过程、规程和现象可能在环境压力(例如，大约50-120kPa或大约90-110kPa)和温度(例如，-20至50℃或大约10-35℃)下发生，除非另有说明。
尽管本文可以使用术语第一、第二、第三等来描述各种元件，但是这些元件不受这些术语的限制。这些术语仅用于将一个元素与另一个元素区分开。因此，在不脱离示例性实施例的教导的情况下，下面讨论的第一元件可以被称为第二元件。
为了便于描述，在本文中可以使用空间相对术语，例如“上方”，“下方”，“左侧”，“右侧”，“在前面”，“在后面”等。如图中所示，将其转移到另一个元素。应当理解，除了本文所述和附图所示的方位以外，空间上相对的术语以及所示的配置还可以涵盖设备在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的装置被翻转，则被描述为在其他元件或特征“以下”或“之下”的元件将被定向为在其他元件或特征“之上”。因此，示例性术语“在...上方”可以包括上方和下方两个方位。该装置可以以其他方式定向(例如，旋转90度或以其他定向)，并且在此使用的空间相对描述语被相应地解释。
更进一步，在本公开中，当一个元件被称为在另一个元件“上”、“连接到”、“耦合到”、“与……接触”等时，除非另有说明，该元件可以与另一个元件或中间元件上连接、耦合或接触。
本文中使用的术语是出于描述特定实施例的目的，并且不旨在限制示例性实施例。如本文所使用的单数形式，例如“一个”和“一种”，也包括复数形式，除非上下文另有指示。另外，术语“包括”、“包含”指定了所述元件或步骤的存在，但不排除一个或更多个其他元件或步骤的存在或增加。
在各种实施例中，电池设计具有布置在软的、不导电的袋式电池封装中的低长宽比电池。电池可以具有正方形、圆形或其他形状的横截面。电极堆叠的厚度大于宽度，并以柔性袋形式而不是硬罐形式布置，以便在电化学循环过程中适应>5％的可逆膨胀和收缩。将软质柔性袋体(例如，比电极组件顺应性高一个数量级以上)与低长宽比的电池单元结合使用可以提供各种优势，包括通过充电和放电来适应堆叠的呼吸和膨胀、更大的外形灵活性、更简单的电池组装以及更低的组件成本。
如本文所使用的，电极组件的厚度ta与图1中的正极16和负极12的厚度ta(垂直)平行。电极组件的厚度ta近似等于构成棱柱形电极组件的堆叠电极12和16的平均厚度he。如本文所用的，电极组件的宽度wa对应于电极组件在垂直于厚度ta的方向上的最大尺寸。长宽比定义为电极组件的宽度与厚度之比(wa/ta)。根据本发明的实施例，长宽比wa/ta<1。
如本文所用，电池的“外壳”指棱柱形或圆柱形电池上的外在壳。在具有壳体的典型电池中，壳体可包括厚度为100-300μm的铝金属。在本系统中，这种壳体应该与软质袋体进行对比，软质袋体可以包括聚合物层和铝(Al)箔的层压板，其中Al厚度通常为3至30μm。因此，生产给定的软质袋体尺寸变化所需的机械力远小于产生相应的壳体尺寸变化所需的机械力。例如，典型的Al的模量为68.9GPa，因此在200μm厚的外壳中产生0.1％拉伸应变所需的拉力为14N/mm(外壳的每毫米长度)，而在6μm厚的箔片中产生0.1％延伸所需的力是0.41N/mm。需要注意的是，在受到梁弯曲力的作用下，由于位移现在取决于厚度的平方，因此袋体与外壳之间的差异甚至更大。
电化学电池单元的一些实施例包括在非水电解质中具有金属正极的设计构造。该设计适用于例如，Mg、Li或其他用于高能量密度电池的高容量金属正极。如本文所用，“高能量密度”是指>600Wh/1。电池设计的优点归因于金属正极电池(例如，Li和Mg)以及锂离子电池。
在设计要包含在装置中的电池时，通常的目标是使电池尽可能薄和平坦。薄电池可以更有效地将电池装配到电子封装中。该低长宽比还允许将电池装配到非常薄的电子设备中。最小化整个装置的厚度已经成为设计消费电子产品和类似装置的重要目标。
参照图2-图5，示意图示出了由于堆叠“膨胀”而导致的电极堆叠24的膨胀是如何根据堆叠构造产生不同的力。在每个堆叠24内，各层类似地平行于一组共同的正交轴取向，使得各层的各自的长度和宽度限定彼此平行的平面。如本文所用，“膨胀”涉及电极12和16和/或壳体22的曲率，并且等于整个电池10的垂直于堆叠24(即垂直于图2和图3中12/16电极的平面，这些平面沿每一层水平延伸，并垂直进入页面)的尺寸膨胀的百分比，在可比较的充电状态之间进行测量(即在周期1下完全放电与在周期n下完全放电，或同样地完全充满电)。在图2和图3的实施例中施加堆叠压力的力受到梁弯曲配置中电极12和16或壳体22的屈服点强度的限制。如图4和图5所示，膨胀(堆叠24的膨胀)现在涉及电极12和16或壳体22的延伸；现在，施加堆叠压力的力被单轴延伸的电极12和16或壳体22的屈服点强度所限制。
如本文所用，“呼吸”等于在同一周期的相反电荷状态(即在周期n完全放电，与在周期n+1完全充电)之间测得的整个电池10的垂直于电池堆叠24的尺寸膨胀百分比(即垂直于电极12/16的平面)。呼吸可能由于放电状态和充电状态之间的层厚度变化而发生，包括但不限于由于金属层的电镀引起的厚度增加，由于插层而引起的厚度增大或减小，以及由于机械压力变化而引起的厚度增大或减小。膨胀可能由多种机理引起，包括但不限于以下原因：循环期间由于电解质与正极或负极之间的反应而引起的层膨胀，包括在正极和负极均形成固体电解质中间相(SEI)；在固定电荷状态下材料密度的变化，包括但不限于材料孔隙率的增加，例如随着渐进式循环而增加的电镀正极的表面积；并继续将电解质吸收到形成电极或隔板的材料(尤其是聚合物)中。
由这种膨胀引起的恢复力是这种膨胀在电池元件中产生的变形的结果。随着层间距的增加，最长尺寸与层厚度平行的方向的电池元件不得不沿其最长尺寸增加，而最长尺寸与层厚度垂直的方向的电池元件不必沿其最长尺寸增加。如图2和图3所示，在常规的平面构造电池中，这通常导致电池10的层弯曲。与电池10的呼吸和膨胀相反的恢复力是垂直于层的电池-壳元件中的张力，加上垂直于层的厚度的电池-壳元件中的梁弯曲力。因此，作用在层上的压缩堆叠压力主要取决于其最长尺寸平行于各层的厚度的电池元件的数量和间隔。具有平行于层厚度的最长尺寸的电池元件之间的间隔越小，这些元件的拉伸模量越大，则在呼吸和膨胀过程中施加的电池堆叠压力越大(例如，堆叠压力大于0.5MPa、大于1.0MPa或甚至大于2.0MPa)。
在特定实施例中，这些层被配置为与常规布置成直角，使得每层的长度和宽度(即最大尺寸)被布置成垂直于堆叠24的最大尺寸(即厚度)。现在通过膨胀和呼吸使电池壳体22的最大和最坚固的元件处于张力状态。处于拉伸应变的电池元件之间的间距(平行于层的厚度)最小。类似地，承受梁弯曲力的元件的长度现在最小化了。根据附图可以看出，在图3和图5中施加的堆叠压力之间的差非常大。另外，还清楚的是，随着整个电池10变薄，这种差异变得更加重要。
螺旋卷绕式电池10中，其中电极缠绕可以通过将电极12和16以及隔板14缠绕在缠绕芯轴上产生，并且在缠绕中心处留有轴向空腔，电池元件平行于(或同轴)各层(例如，围绕螺旋的外半径延伸)必须增加长度以适应电池10的半径的增加(即层间距的增加)。因此，在该构造中，通常用作集电器的常规金属箔用于施加堆叠压力。在常规的软质袋卷绕电池10中，电池10的长宽比大于平行于堆叠24各层的方向的长宽比[圆柱形半径(或与层堆叠保持一致的维度)]。然而，在本文描述的设备中，该比率是倒置的，并且电池10可以被设计为具有最小可能的厚度，以允许具有非常高的堆叠压力的非常薄的电池设计。
在本领域中，对于某些电化学系统，众所周知追求高堆叠压力。例如，据报道，当堆叠压力高时，二次锂金属电池具有优异的循环特性。加拿大专利No.1，190，279描述了锂金属正极的循环如何受到电池堆叠压力的影响，并明确规定在电池外部需要“施加电池堆叠压力的装置”。然而，用于施加电池堆叠压力的夹具和类似装置消耗相当大的体积，从而降低了被提供堆叠压力的电池的总能量密度。类似地，Hirai等人在《电解质对加压电极堆锂循环效率的影响》(141 J.Electrochem.Soc，611-614(1994年3月))中公开了在锂金属正极电池中实现最佳循环时电池堆叠压力的重要性。同样，本文公开了通过外部装置施加的堆叠压力。理想的结果将是在没有这种外部装置的情况下实现电池堆叠力的电池设计。
同样地，在本领域中，已知由于循环的尺寸变化引起的不期望的机械效应，包括电池组件材料的应变、应力断裂、疲劳和应力开裂，所以期望在循环过程中使电池的尺寸变化最小。同样，在本领域中已知通过正堆叠压力以施加与该尺寸变化相反的机械压缩力可以使尺寸变化最小。然而，向电池10施加堆叠压力涉及在电池10外部的附加机械部件。
同样地，在本领域中，已知可以在大电池中通过卷绕电池构造(例如在18650电池中)实现堆叠压力。在这种圆柱形结构中，可以认为18650电池的坚硬外壳提供了压缩力。但是，18650电池的最小尺寸为18毫米(直径)，这对于需要使用薄电池(例如<10毫米)为设备供电的应用而言太大了。
因此，本文描述的实施例可以提供这样的堆叠压力，并且减小具有小尺寸且是不仅仅由刚性部件构成的电池中的尺寸变化(通过呼吸)。
一种包括金属正极螺旋缠绕电池的示例，允许减少在背景技术中提到的由于重叠引起的开销。通过在电池的末端覆盖暴露的金属正极32，可以显着减小电池的体积[例如，包裹10微米(μm)的金属箔而不是包裹150μm的有源正极]。此外，电池10的该部分实际上循环一些容量，从而有助于电池的性能。
电联结线可延伸穿过袋体26的至少一个密封件28。与传统的将连接器焊接至金属罐壳体相比，这种构造更易于制造。该构造还可以更便宜地生产并且允许较低的电池厚度(其中电池的厚度是电池的最小尺寸)。
根据本发明的实施例的低长宽比电池形状因数可以具有以下配置之一：
(i)低长宽比的棱柱形电池(电极12和16以及隔板14的层垂直于电池10的薄尺寸堆叠)；
(ii)卷绕的棱柱形电池(各层沿着平行于最小电池尺寸的轴卷绕)；或
(iii)配置在袋体26中的扁平圆柱形纽扣电池。
参照图6、图7和图10的实施例，电极组件可包括多个堆叠的电极(即，堆叠的正极16和负极12对)。电极对的数量可以在1到10、1到20、1到100或1到1000的范围内。可以确定每个正极16和每个负极12的尺寸，以使总面积乘以每单位面积的容量与设计装置所需的总容量相匹配。例如，每个电极12和16可以具有从5mm至100mm的范围中选择的宽度we；从10mm至50mm的范围内选择高度(长度)le；以及选自10μm至300μm的范围的厚度te。可以在每个正极16和负极12之间的中间空间中设置隔板，以防止短路。隔板14可选自具有多孔电绝缘材料的成分，绝缘材料包括但不限于多孔聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、多孔陶瓷涂层或诸如陶瓷涂覆的多孔聚乙烯的组合。
如本文所使用的，电极组件的厚度ta对应于正极16和负极12对的最小尺寸。此外，堆叠的厚度是构成电池的电极组件的所有正极和负极对的累积厚度。电极组件的厚度ta大约等于构成电极组件的电极12和16的平均复合长度le。如本文所用，电极组件的宽度wa对应于在垂直于电极组件厚度ta的方向上的电极组件的最大尺寸。长宽比定义为电极组件的宽度与厚度(wa/ta)的比值。根据本文所述的实施例，长宽比wa/ta小于1。
每个正极16和/或每个负极12可以是金属、合金或金属间化合物。例如，正极16可以包括电化学活性金属，该电化学活性金属包括I族元素和/或II族元素(例如，Li或Mg)。正极16或负极12中的至少一个可以包括被配置为经历插入反应、嵌入反应、歧化反应、转化反应或其组合的材料。例如，正极16可以包括被配置为与电化学活性物质进行嵌入反应的材料，例如石墨与锂的嵌入反应。替代地，正极16可以包括被配置为进行诸如硅到硅-锂的转化反应的材料。替代性地，正极16可以配置为进行转化反应的材料，该转化反应例如是将硅转化为硅锂。或者，正极16可以是电化学惰性的集电器，其被配置为使得金属形式的电化学活性正极物质板沉积到集电器上。这种系统的示例包括在惰性铜集电器上镀镁或锂。
负极12可以包括被配置为进行嵌入反应的材料，例如Mg插层。允许Mg插层的负极组合物包括但不限于V2O5、Mn2O4和一系列有机化合物，例如二甲氧基苯醌(“DMBQ”)。其他金属的插层负极包括但不限于众所周知的锂插层化合物，例如锂钴氧化物(“LCO”)、锂锰镍钴氧化物(“NMC”)以及锂锰氧化物(“LMO”)。替代性地或另外地，负极可以包括被配置为进行转化反应的材料，例如
Figure BDA0002286758340000111
在特定的实施方案中，电解质可以是LiAsF6-2-甲基四氢呋喃(2MeTHF)/甲酸甲酯(MF)、LiAsF6-2MeTHF/四氢呋喃(THF)、LiAsF6-碳酸亚乙酯(EC)/碳酸亚丙酯(PC)或LiAsF6-EC/2MeTHF。
还参照图8和图9，包括电绝缘的软质(柔性)袋体26的壳体，该壳体封闭电极组件。在常规的袋式电池中，袋式电池层平行于外部电池尺寸“厚度”堆叠。在各种实施例中，电池的结构可以与常规电池的结构类似，不同之处在于各层的方向使其厚度与外部电池的尺寸“厚度”正交；并且电池层在水平方向上(而不是垂直)堆叠布置(在图6、图7和图10所示的方向上)，其中层的取向使得它们的厚度正交于外部电池尺寸“厚度”(即垂直于整个电池10的最小尺寸)。
参考图7，适合用于本发明的实施例的袋体26包括包裹在堆叠24周围的绝缘袋材料和电极连接18和20(在本文中也称为“电连接器”或“导电接线片”)，电极连接18和20暴露在袋体26的两个半部之间的密封件28处。正极电极连接20和负极电极连接18均可从密封件28露出。
袋体26可通过将袋式电池的两半热压在一起而被密封，从而形成流动且连接两半的熔融层。电极连接18和20在穿过密封件28的点包裹在附加的聚合物层内，从而在该点处有多余的聚合物在热熔过程中流动。软质袋体26可以由层压材料(例如，聚合物/铝/聚合物层)制成。合适的袋材料和密封聚合物是众所周知的并且可商购。例如，袋体26的成分可以是位于日本的Showa Denko或Dai Nippon Printing制造的铝层压板。在特定实施例中，软质袋体26可具有约50至200μm的厚度以及高达8.0mm的拉伸(拉伸或成形)深度。
另外，在特定实施例中，多层袋体26可包括尼龙层、铝箔层和浇铸聚丙烯(CPP)层。袋体26可以是具有客户指定的层厚度的多层，并且可以包括聚对苯二甲酸乙二酯(PET)层。合适的密封聚合物是聚四氟乙烯(PTFE)。这种构造制造的袋体26是柔性的[即，具有类似于上述用于包装的现有层压箔的抗弯刚度(具有相同的数量级)]。相对于先前使用的刚性罐，刚性罐两侧被绝缘环隔开。不限于特定的实施方式，“软质袋体”可以被定义为用于电极组件的外壳，其中该外壳的壁是不渗透气体和液体的，并提供高电阻率和化学惰性，同时还允许高度弹性和塑性变形。
参照图10，在一些实施例中，壳体可包括与袋体26成一体的一个或更多个导电板30和32。在这样的实施例中，导电材料可以包括与用于集电器的材料类似的材料，例如铝、铜或不锈钢。替代地，导电材料可以包括选择与电解质兼容的任何导体。一个或更多个导电板30和32可以形成用于与电池内部的负极12和正极16电连接的装置。一个或更多个导电板30和32可以是柔性的(例如，可以是薄铝箔的形式)，或者导电板可以是刚性的，以便为电池组件提供机械支撑。
参照图11-图13(其中电极组件厚度ta是沿着穿过电池中心的轴在整个电池上测量的，并且与附图平面内电极的长度和宽度的局部方向垂直，且其宽度wa与附图平面垂直)根据该装置的实施例的卷绕的棱柱形电池10具有长宽比(wa/ta)<1。如图11所示，当从上方观察时，卷绕的棱柱形电池10可以具有层的“跑道”布置。当从侧面看时，常规卷绕的棱柱形电池具有类似的层布置。因此，图11的配置是传统的卷绕棱柱形电池的侧视图，但它是本文描述的实施例的俯视图。
特别地，参考图12是卷绕棱柱形电池的俯视图和图6是剖视图。卷绕棱柱形电池10可包括第一电极(例如，正极16)和第二电极(例如，负极12)，并且在第一电极16和第二电极12之间放置卷绕棱柱形电池10呈椭圆形的“跑道”形状的隔板14。隔板14可包括聚丙烯、聚乙烯或其他电绝缘的聚合物，或者可包括陶瓷材料的涂层，例如氧化铝或其他电绝缘的材料；或者隔板14可以包括多个这些部件的组合。隔板14可以是多孔的，以允许液体电解质渗透通过该材料，其中液体电解质包含在电池10中，并允许电化学活性物质从正极16传输到负极12。卷绕的数量可以在1至1，000的范围内，并且通常可以在10-500的范围内，并且在特定实施例中，卷绕的数量在50-200的范围内。
参照图13和图6，扁平的圆柱形纽扣电池10可以具有螺旋缠绕的正极16和负极12对。该配置的俯视图在图13中示出，图6是剖视图。隔板14可以布置在正极16和负极12之间以防止短路，并且可以具有与前段中所述的相同的组成和特性。
在本发明的各种实施例中，非水电解质可填充电池10并与电极组件接触。非水流体电解质可包含至少一种活性阳离子，例如Mg+2离子、Al+3离子、Ca+2离子、Sr+2离子、Ba+2离子、Li+离子、Na+离子、K+离子、Rb+离子、Cs+离子和鎓离子。可选地，非水流体电解质可包括对称或不对称的铝基或硼基阴离子。
所述非水流体电解质可以包括浓度为0.5M至其饱和浓度的盐或盐的组合。
在另一个实施方案中，非水流体电解质可包含阴离子，例如六氟磷酸根、双(三氟磺酰基)酰亚胺、氟磺酰亚胺、双(草酸铝酸根)铝酸、二氟-草酸铝酸根、二氟-草酸硼酸根或双(草酸)硼酸根，双(丙二酸)硼酸酯、双(全氟频哪醇)硼酸酯、四氟硼酸酯、三硼酸酯(B3O7 5-)、四硼酸酯(B4O9 6-)、偏硼酸酯(BO2 -)及其组合。
非水流体电解质可包括LiPF6、Mg[BF2(C2O4)]2、Mg[B(C2O4)2]2、LiBF2(C2O4)、LiB(C2O4)2、NaBF2(C2O4)和NaB(C2O4)2，或其组合。
参照图14和图15，在一些实施例中，可以将没有接缝的袋体26与硬套筒36结合使用以减小死区34。代替电极连接18和20延伸穿过接缝，可以暴露顶部触点和/或底部触点(电极12和16)。
与当前教导相一致的其他示例列在下列编号的条款中：
1.电极组件，所述电极组件包括至少一对卷绕或堆叠的正极和负极，其中所述电极组件以及每个正极和负极分别具有平行于一组公共正交轴测量的厚度、宽度和长度，其中(i)所述厚度表示每个正极和负极的最小尺寸，但表示整个所述电极组件的最大尺寸，(ii)所述宽度表示垂直于所述厚度的最大尺寸，以及(iii)所述电极组件的所述宽度与所述厚度的尺寸比小于1；以及
壳体，所述壳体包括绝缘软质柔性袋体，所述袋体封闭所述电极组件。
2.根据条款1所述的电化学电池，其中所述袋体包括密封件，所述电化学电池还包括与所述电极组件电连接并贯穿所述密封件的电连接器。
3.根据条款2所述的电化学电池，其中所述电连接器包括导电片。
4.根据条款1或2所述的电化学电池，其中所述壳体还包括与所述袋体集成在一起的导电板。
5.根据条款1-4中任一项所述的电化学电池，还包括与所述电极组件接触的非水电解质。
6.根据条款1-5中任一项所述的电化学电池，其中所述袋体包括铝箔和至少两个聚合物层。
7.根据条款1-6任一项所述的电化学电池，其中所述正极包括选自I族元素和II族元素组成的组中的电化学活性金属。
8.根据条款7所述的电化学电池，其中所述电化学活性金属选自Li、Na和Mg组成的组。
9.根据条款7所述的电化学电池，其中所述电化学活性金属的至少一部分在所述电化学电池充电期间电沉积在阳极上以及在所述电化学电池放电期间电溶解。
10.根据条款1-9任一项所述的电化学电池，其中所述负极包括选自配置为经历插入反应、嵌入反应、歧化反应、转化反应以及两种反应的结合的材料。
11.根据条款1-9任一项所述的电化学电池，其中所述负极包括有机化合物。
12.根据条款1-9任一项所述的电化学电池，其中所述负极包括选自以下的材料：锂钴氧化物(“LCO”)、锂锰镍钴氧化物(“NMC”)以及锂锰氧化物(“LMO”)。
13.根据条款1-12任一项所述的电化学电池，其中在所述电化学电池循环期间，至少部分所述负极的组合物的沉积在所述正极上。
14.根据条款1-13任一项所述的电化学电池，其中所述电极组件的能量密度为600Wh/l。
15.根据条款1-14任一项所述的电化学电池，其中所述电极组件在一个充电和放电循环中经历大于百分之五的膨胀和收缩。
16.根据条款1-5任一项所述的电化学电池，其中所述壳体具有长度、宽度和长度，其中所述厚度是所述壳体的最小尺寸，以及其中所述电极组件的厚度平行于所述壳体的长度、宽度及其组合中的至少一个。
17.根据条款1-15任一项所述的电化学电池，其中所述壳体具有代表其最小尺度的厚度，以及其中所述电极组件的所述厚度与所述壳体的厚度正交。
18.根据条款1-17任一项所述的电化学电池，还包括位于所述电极组件以及所述袋体之间的硬套管。
19.一种电池供电的设备，包括：
可再充电电池，所述可再充电电池包括电极组件，所述电极组件包括至少一对卷绕或堆叠的正极和负极，其中所述电极组件以及每个正极和负极分别具有平行于一组公共正交轴测量的厚度、宽度和长度，其中(i)所述厚度表示每个正极和负极的最小尺寸，但表示整个所述电极组件的最大尺寸，(ii)所述宽度表示垂直于所述厚度的最大尺寸，以及(iii)所述电极组件的所述宽度与所述厚度的尺寸比小于1；以及
壳体，所述壳体包括绝缘软质柔性袋体，所述袋体封闭所述电极组件。
20.根据条款19所述的电池供电的设备，其中所述可再充电电池的厚度小于10mm。
在描述本发明的实施例时，为了清晰起见使用了特定的术语。为了描述的目的，特定的术语旨在至少包括以类似方式操作达到类似结果的技术和功能的同等设备。另外，一些情况下本发明的特定实施例包括多个系统元件或方法步骤，这些元件或步骤可以用单个元件或步骤代替。同样，单个元件或步骤可以用具有相同目的的多个元件或步骤代替。此外，在本文中对于本发明的实施例在指定用于各种性质的参数或其他值的情况下，可以将这些参数或值上调或下调l/100th、l/50th、l/20th、l/10th、l/5th、1/3rd、1/2、2/3rd、3/4th、4/5th、9/10th、19/20th、49/50th、99/100th等(或乘以1、2、3、4、5、6、8、10、20、50、100等)，或四舍五入后的近似值，除非另有说明。此外，尽管已经参考本发明的特定实施例示出并描述了本发明，但是本领域技术人员应当理解，在不脱离本发明的范围的情况下，可以在形式和细节上进行各种替换和变更。更进一步地，其他方面、功能和优点也在本发明的披露范围内。并且，本发明的所有实施例不一定必须获得所有优点或具有上述所有特征。另外，本文结合实施例讨论的步骤、元件和特征可以同样地与其他实施例结合使用。贯穿全文引用的参考文献的内容，包括参考文献、期刊文章、专利、专利申请等，出于所有目的通过引用整体并入本文。以及来自这些参考文献和本公开的实施例、特性、特征和方法的所有适当组合也可以包括在本发明的实施例中。更进一步，在背景技术部分中标识的组件和步骤对于本公开而言是必不可少的，并且可以在本发明的范围内与本公开中其他地方描述的组件和步骤结合使用或替代。在方法权利要求(或方法在其他地方引用的方法)中，以特定顺序叙述的步骤(添加或不添加顺序的前导字符以方便参考)，除非另有规定或由术语和措词暗示，否则不得将各阶段解释为暂时限于其引用顺序。

Claims (20)

1.一种电化学电池，包括：
电极组件，所述电极组件包括至少一对卷绕或堆叠的正极和负极，其中所述电极组件以及每个正极和负极分别具有平行于一组公共正交轴测量的厚度、宽度和长度，其中(i)所述厚度表示每个正极和负极的最小尺寸，但表示整个电极组件的最大尺寸，(ii)所述宽度表示垂直于所述厚度的最大尺寸，以及(iii)所述电极组件的所述宽度与所述厚度的长宽比小于1；以及
壳体，所述壳体包括绝缘软质柔性袋体，所述袋体封闭所述电极组件。
2.根据权利要求1所述的电化学电池，其中所述袋体包括密封件，所述电化学电池还包括与所述电极组件电连接并延伸穿过所述密封件的电连接器。
3.根据权利要求2所述的电化学电池，其中所述电连接器包括导电片。
4.根据权利要求1所述的电化学电池，其中所述壳体还包括与所述袋体集成在一起的导电板。
5.根据权利要求1所述的电化学电池，还包括与所述电极组件接触的非水电解质。
6.根据权利要求1所述的电化学电池，其中所述袋体包括铝箔和至少两个聚合物层。
7.根据权利要求1所述的电化学电池，其中所述正极包括选自I族元素和II族元素组成的组中的电化学活性金属。
8.根据权利要求7所述的电化学电池，其中所述电化学活性金属选自Li、Na和Mg组成的组。
9.根据权利要求7所述的电化学电池，其中所述电化学活性金属的至少一部分在所述电化学电池充电期间电沉积在阳极上以及在所述电化学电池放电期间电溶解。
10.根据权利要求1所述的电化学电池，其中所述负极包括选自配置为经历插入反应、嵌入反应、歧化反应、转化反应以及两种反应的结合的材料。
11.根据权利要求1所述的电化学电池，其中所述负极包括有机化合物。
12.根据权利要求1所述的电化学电池，其中所述负极包括选自以下的材料：锂钴氧化物(“LCO”)、锂锰镍钴氧化物(“NMC”)以及锂锰氧化物(“LMO”)。
13.根据权利要求1所述的电化学电池，其中在所述电化学电池循环期间，至少部分所述负极的组合物的沉积在所述正极上。
14.根据权利要求1所述的电化学电池，其中所述电极组件的能量密度为600Wh/l。
15.根据权利要求1所述的电化学电池，其中所述电极组件在一个充电和放电循环中经历大于百分之五的膨胀和收缩。
16.根据权利要求1所述的电化学电池，其中所述壳体具有长度、宽度和长度，其中所述厚度是所述壳体的最小尺寸，以及其中所述电极组件的厚度平行于所述壳体的所述长度、所述宽度及其组合中的至少一个。
17.根据权利要求1所述的电化学电池，其中所述壳体具有代表其最小尺度的厚度，以及其中所述电极组件的所述厚度与所述壳体的所述厚度正交。
18.根据权利要求1所述的电化学电池，还包括位于所述电极组件以及所述袋体之间的硬套管。
19.一种电池供电的设备，包括：
可再充电电池，所述可再充电电池包括电极组件，所述电极组件包括至少一对卷绕或堆叠的正极和负极，其中所述电极组件以及每个正极和负极分别具有平行于一组公共正交轴测量的厚度、宽度和长度，其中(i)所述厚度表示每个正极和负极的最小尺寸，但表示整个所述电极组件的最大尺寸，(ii)所述宽度表示垂直于所述厚度的最大尺寸，以及(iii)所述电极组件的所述宽度与所述厚度的长宽比小于1；以及
壳体，所述壳体包括绝缘软质柔性袋体，所述袋体封闭所述电极组件。
20.根据权利要求19所述的电池供电的设备，其中所述可再充电电池的厚度小于10mm。
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