CN110770956A - 电化学电池单元的堆叠式棱柱形架构 - Google Patents

电化学电池单元的堆叠式棱柱形架构 Download PDF

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Abstract

提供了一种电池单元系统和用于制造电池单元系统的方法。该电池单元系统包括电极堆，该电极堆包括具有第一阳极接片的第一阳极、具有与第一阳极接片横向偏移的第二阳极接片的第二阳极、具有第一阴极接片的第一阴极和具有与第一阴极接片横向偏移的第二阴极接片的第二阴极。

Description

电化学电池单元的堆叠式棱柱形架构
相关申请的交叉引用
本申请要求于2017年6月15日提交的题为“电化学电池单元的堆叠式棱柱形架构”的62/520,478号美国临时申请的优先权。上述申请的全部内容出于所有目的通过引用并入本文。
技术领域
本申请涉及一种电池单元系统和一种用于制造电池单元系统的方法。
背景技术和发明内容
寻找成本有效的增加电池容量的解决方案是一项重大挑战。随着对于电池电化学存储每千瓦时价格持续下降，需要制造容量更高的、更大的电池，这些电池也可用于高功率应用。许多类型的电化学电池单元具有“片”形式的电极，其中，正电极材料和负电极材料的片堆叠在一起并通过电绝缘的多孔间隔件片隔开。为了增加电池单元的总容量(例如，总可用能量)，可能需要片之间或电极之间紧密接触。
对于具有堆叠式棱柱形电池单元架构的高功率、低阻抗电化学电池单元，可能需要大的几何表面积。在制造包括堆叠式棱柱形电池单元的典型电池时，由电极单元层形成堆，电极单元层可包含锂离子或对二次电池或二次电池单元有用的其他电化学材料。当电极堆的电极在电池单元的整个寿命期间彼此保持非常紧密的接触时，电池可以达到期望的容量。但是，如果电极堆在片之间达到比期望接触少的接触，则片之间的张力或片与电池壳体之间的张力会因在电池循环期间在电池内生成的气体而产生。为了增加电池容量并提供期望的电极堆叠，已经提出了许多解决方案。
提出的一个示例在US 8,133,609中示出。其中，包括多个电池单元或板的电池具有从每个电池单元焊接到引线部分的接片，并且该引线部分由外壳保护。在US 6,159,631中示出了另一示例。其中，提供了位于电池单元外壳或壳体上的各种刻痕区域，以便在窄且可控的范围内释放过大的压力，从而避免在电池膨胀大的情况下发生爆炸。
然而，发明人在本文中已经确认这种系统与电池单元的分层、电池单元的焊接、壳体的制造和组装以及释放或安全排气的设计和制造有关的潜在问题。例如，具有高功率的堆叠式棱柱形电池单元的普通电池具有多个电池单元层或电极单元层。层数受限于将每层的接片或电极焊接在一起的焊接技术。具体地，包括在电池单元中的电极的数量受到暴露于焊接能量时电极接片的耐久性的限制。因此，随着电极数量增加，并且因此焊接所有电极所需的焊接强度增加，电极可能更易于退化(例如，熔化、变形等)。例如，当前的制造技术利用大的电极尺寸，层数通常小于60层，通常在20至30层的范围内。另外，由于壳体的制造限制，电池单元的厚度可以被限制为15mm。
此外，壳体对约束壳体材料可形成的深度施加了额外的限制。通常，壳体由铝形成，并且壳体的形状由铝金属片以与冲压金属片的方式类似的方式形成。然而，在常规的壳体形成过程中，铝或其他壳体材料被拉伸并且其厚度减小，从而减小了材料的强度。另外，先前的二次电池或可再充电电池不包括用来处理一个或多个电池单元的灾难性故障的安全阀或气体释放设备。
在一个实施例中，上述问题中的一些可以通过包括电极堆的电池单元系统至少部分地解决，该电极堆包括具有第一阳极接片的第一阳极、具有与第一阳极接片横向偏移的第二阳极接片的第二阳极、具有第一阴极接片的第一阴极和具有与第一阴极接片横向偏移的第二阴极接片的第二阴极。通过使极性相同的电极的接片偏移，如果需要，可以减少焊接组中的电极接片的数量。这样，可以在不过度增加电极接片组的厚度的情况下增加包括在电池单元中的电极的数量。因此，可以减小由强度增加的焊接引起的电极接片退化(例如，变形、熔化等)的风险。这样，如果需要，可以实现耐久性增加的更高功率的电池单元。
附图说明
图1示出了现有技术的电化学电池单元的示例。
图2A和图2B分别示出了电池单元系统中的阴极和阳极。
图3示出了电池单元系统中阳极的涂覆片材料。
图4示出了电池单元系统中阴极的涂覆片材料。
图5示出了电池单元系统中具有交错接片的电极堆。
图6示出了在电池单元系统中具有用于焊接的修整接片的电极堆。
图7示出了在电池单元系统中具有焊接的延伸接片的电极堆。
图8示出了在电池单元系统中具有顶部框架的电极堆。
图9示出了在电池单元系统中具有堆叠组件的结构框架。
图10示出了在电池单元系统中具有结构框架的电极堆。
图11示出了为减轻电池单元系统中的张力而设计的结构框架侧壁。
图12示出了在电池单元系统中围绕电极堆的保护壳体。
图13A和13B示出了电池单元系统中的保护壳体的不同视图。
图14示出了电池单元系统中的保护壳体的另一视图。
图15示出了电池单元系统中的焊接电极堆。
图16示出了在电池单元系统中具有填充口或排气口的袋顶部。
图17示出了在电池单元系统中安装在填充口或排气口中的破裂盘孔。
图18示出了电池单元系统中的电极堆图案的示例。
图19示出了电池单元系统中的层压袋的各层。
图20示出了用于制造电池单元系统的方法。
图2A至图17是按比例绘制的，但是如果需要，可以使用其他相对尺寸。
具体实施方式
以下描述涉及具有堆叠式电化学电池单元电池(例如，堆叠式棱柱形电化学电池单元电池)的电池单元系统以及用于制造该电池单元系统的方法。将理解的是，可总体地论述图2A至图20。图2A至图15示出了电池单元系统550的组装的不同阶段。图16和图17示出了电池单元系统中的保护壳体的示例性构造。图18示出了可以包括在电池单元系统中的电极堆的各层的示例。图19示出了电池单元系统中保护壳体中的各层的示例。图20示出了用于制造电池单元系统的方法。此外，在图2A至图17中提供了轴X、Y和Z作为参考。在一个示例中，Z轴可以平行于重力轴，因此可以被称为竖直轴。另外，Y轴可以是横轴，而X轴可以是纵轴。然而，在其他示例中，所述轴可以具有替代的方位。
本文所述的堆叠式电池单元电池是对图1(现有技术)的改进。现有技术图1示出了具有多个阳极箔接片102和阴极箔接片104的电极堆100的示例。如图1所示，阳极箔接片102彼此在横向上对齐。阴极箔接片同样彼此在横向上对齐。
在本文的描述中，阳极是正电极，阴极是负电极。应当理解，负电极是常规电流通过其离开器件的电极，而正电极是常规电流通过其进入器件的电极。这样，在一些示例中，阳极和阴极通常可以被称为电极。
图3示出了示例性阳极300，其可以包括在诸如图5中所示的电极堆500的电极堆中。阳极300可以包括阳极涂层302，该阳极涂层302涂覆在被设计为收集电流的阳极电极片306的两侧上。阳极电极片306可以包括金属箔基板，并且涂层302可以包括电化学活性阳极材料(例如，电活性锂嵌入材料)，诸如金属锂、或钛酸锂、或天然石墨和人造石墨的混合物。因此，阳极300可以包括部分或全部被涂层302覆盖的金属箔基板(例如，阳极电极片306)。涂层302可以被施加在阳极电极片306的特定部分上，例如阳极电极片306的特定宽度上，而不是阳极电极片306的全部上，使得阳极电极片306的至少一部分可以保持未涂覆。因此，阳极300可包括包含涂层302的涂覆部分304和包含阳极电极片306并从涂覆部分304凸出的未涂覆部分308。然后，涂覆片材料可以沿着涂覆部分的交替边缘被切开，从而得到连续电极材料，其中暴露的未涂覆箔从电极的一个边缘上的涂覆区域延伸出特定宽度。
图4示出了可以包括在图5所示的电极堆500中的示例性阴极400。在一些示例中，阴极400也可以被称为正电极400。在一个示例中，阴极400的尺寸和构造可以与阳极300相似(它可以包括相似的尺寸并且可以被涂层部分地覆盖)。然而，在其他示例中，阴极400可以具有与阳极不同的尺寸、形状等。此外，阴极400由与阳极300不同的材料构成。特别地，阴极400可以包括专门制备的锂化磷酸铁粉末或锂化金属氧化物粉末、导电碳和聚合物粘合剂的混合物。具体地，阴极400可以包括涂覆在阴极涂层402中的阴极电极片406。阴极电极片406还可以包括金属箔集电器基板，类似于阳极300的阳极电极片306，而涂层402可以包括专门制备的粉末的不同混合物。特别地，阴极涂层402可以包括电化学活性阴极材料，例如以上提及的专门制备的锂化磷酸铁粉末或锂化金属氧化物粉末、导电碳和聚合物粘合剂的混合物。因此，阴极400可以以与阳极300类似的方式被制备，除了阳极和阴极的涂层不同。类似于阳极300上的涂层，涂层402可被施加在电极片406的特定部分上，例如电极片406的特定宽度上，而不是电极片406的全部上，使得电极片406的至少一部分可以保持未涂覆。因此，阴极400可包括包含涂层402的涂覆部分404和包含电极片406的未涂覆部分408。然后，涂覆片材料可以沿着涂覆部分的交替边缘被切开，从而得到连续电极材料，其中暴露的未涂覆箔从电极的一个边缘上的涂覆区域延伸出特定宽度。
因此，电极片306和406的未涂覆部分可以延伸超过涂层302和402并从涂层302和402凸出。如本文更详细地论述的，电极片306和406的凸出部分可修整为较窄的接片。在修整之后，这些变窄的、切割的未涂覆电极区域可被称为电极接片(如本文将更详细地描述的)。因此，修整后的电极片306和406可被称为电极接片212、216、220和224。
因此，涂覆的、压延的和切开的电极300和400的连续卷可以使用常规压印工艺(例如，钢直压模或紧密间隙冲压压膜)被冲压成期望的尺寸。冲压的电极形状也可以通过激光切割产生。在现有技术的棱柱形电池单元中，第一电极和第二电极各自在冲压之后剩余的箔接片将相同(见图1)，使得当堆叠到电池单元电极堆中时，第一电极的各个箔接片102将全部相对于电极堆的一个拐角对齐在单个位置上。同样，第二电极的所有冲压箔接片104将全部相对于电极堆的拐角一起对齐在不同的单个位置处。
现在参照图2A和图2B，作为对上述现有技术的改进，在此公开了电池单元系统。使用冲压技术将涂覆的、压延的和切开的电极材料的连续卷冲压成期望的尺寸，而阳极300和阴极400各自分别被冲压成两种不同的电极尺寸，剩余的箔接片位置不同，从而导致两个不同的冲压阴极202和204以及两个不同的冲压阳极206和208。冲压阴极202和204可以分别包括电极接片212和216。因此，第一阴极202可以包括第一阴极接片212，第二阴极204可以包括第二阴极接片216。类似地，第一阳极206可以包括第一阳极接片220，第二阳极208可以包括第二阳极接片224。如本文更详细地描述的，阴极202和204以及阳极206和208可以堆叠以形成电极堆(例如，图5所示的电极堆500)。具体地，多达150个电极(例如，阴极202和204和/或阳极206和208)可以堆叠在一起以形成电极堆。当堆叠时，电极可以彼此对齐，使得电极的端部对齐。因此，电极202、204、206和208的第一端201、205、211和215可以对齐，第二端204、207、213和217可以对齐。然而，在电极堆叠时，接片212、216、220和224可以彼此在横向上偏移，因此，接片212、216、220和224可以彼此不重叠。
如上所述，阴极接片212和216可以从阴极电极片406延伸出来，该阴极电极片406已经被切割成图2A所示的示例性尺寸。因此，阴极接片212和216可以具有相似的(例如，相同的)组成，并且可以具有相似的(例如，相同的)尺寸、形状和/或几何形状，除了当阴极202和204彼此对齐时，它们彼此在横向上偏移。换句话说，阴极202和204的凸出电极片306可被不同地切割，以使得它们分别得到的阴极接片212和216彼此偏移，并且如图5所示堆叠时不重叠。当堆叠在电极堆(例如，图5中所示的电极堆500)中时，阴极202和204可以通过分别对齐阴极202和204的第一端201和205而彼此对齐。如图2A的示例所示，相比于阴极202和204的第二端203和207，接片212和216可分别被布置为更靠近阴极202和204的第一端201和205。与相同电荷的电极接片对齐的先前电池单元堆相比，偏移的阳极接片组以及阴极接片组可减小接片堆的厚度。减小接片堆的厚度进而可减少用于焊接接片堆的能量。结果，如果需要，可以减小由焊接强度增加引起的电池单元堆退化(例如，不希望的变形、熔化等)的可能性。结果，电池系统的尺寸可增加，而不会将接片堆的厚度过度地增加到不期望的值以上。
因此，阴极接片212可以与阴极202的第一端201隔开由第一接片偏移210限定的距离。类似地，阴极接片216可以与阴极204的第一端205隔开由第二接片偏移214限定的距离。然而，第二接片偏移214可以大于(例如，更大的距离)第一接片偏移210。这样，相比于阴极202的阴极接片212与阴极202的第一端201隔开的距离，阴极204的接片216可以与阴极204的第一端205隔开更大的距离。具体地，第二接片偏移的大小可以设置成使得：当阴极202和204通过使它们的第一端201和205以及第二端203和207彼此对齐来彼此对齐时，使接片216不与任何阴极接片212重叠。
图2B示出了与图2A所示的阴极接片间距相似的电极接片间距，除了图2B示出了阳极206和208的电极接片间距。因此，阳极206和208的阳极接片220和224分别可以与阴极接片212和216具有相似(例如，相同)的尺寸、形状和/或几何形状，除了与阴极202和204的接片212和216不同，相比于阳极206和208的第一端211和215，阳极206和208的阳极接片220和224可以与阳极206和208的第二端213和217相隔更近。
因此，电极接片220可以与阳极206的第二端213隔开由第一接片偏移218限定的距离。类似地，阳极接片224可以与阳极208的第二端217隔开由第二接片偏移222限定的距离。然而，第二接片偏移222可以大于第一接片偏移218。这样，相比于阳极206的接片220与阳极206的第二端213隔开的距离，阳极208的接片224可与阳极208的第二端217隔开更大的距离。具体地，第二接片偏移222的大小可以设置成使得：当阳极206和208通过使它们的第一端211和215以及第二端213和217彼此对齐来彼此对齐时，使接片224不与任何接片220重叠。
当接片偏移时，偏移接片的侧面250彼此分开，使得它们在横向上隔开。此外，在图2A和图2B中所示的接片的顶侧252具有相似的高度。然而，在其他示例中，接片的顶侧252可以具有不相等的高度。此外，在其他示例中，第一阳极接片组与第二阳极接片组的偏移量可与阴极接片组之间的偏移量不同。
在电极堆叠过程中，两个不同的阴极202和204以及两个不同的阳极206和208可以交替地堆叠，并且可以通过绝缘的多孔间隔件材料被隔开。相同极性电极的冲压接片之间的横向偏移根据每个电极的冲压宽度和位置的公差与堆叠位置公差的总和来确定，使得可以在每种类型的电极接片之间保持较小的间隙。
现在参照图5，其示出了包括电极堆500和结构框架501的电池单元系统550。电池单元系统550还可以包括保护壳体，例如图12所示并且在本文更详细论述的层压袋1200。图5还示出了形成电极堆500的阴极202和204以及阳极206和208。虽然在一个示例中，电极堆500可以分别包括第一阴极202和第二阴极204，和/或分别包括第一阳极206和第二阳极208。将理解的是，在其他示例中，电极堆500可以包括两个以上的阳极和/或阴极。
电极可以通过结构框架501保持在适当位置。因此，当堆叠时，电极202、204、206和208的接片212、216、220和224可以形成四个不同的接片组，每组包括相同类型的电极。然而，在一些示例中，箔接片可以重新布置成任何期望的顺序。因此，第一电极接片组502可以包括第一阴极202的接片212，第二电极接片组504可以包括第二阴极204的接片216，第三电极接片组506可以包括第一阳极206的接片220，第四电极接片组508可以包括第二阳极208的接片224。在一些示例中，电极接片组502、504、506和508各自可以包括多个相应类型的电极接片。此外，在一些示例中，每个组可以包括相同数量的电极接片。然而，在其他示例中，电极接片组可以包括不同数量的电极接片。例如，多达150个电极可以堆叠在电极堆500中。然而，由于电极堆包括彼此偏移的两个不同的阴极接片组和彼此偏移的两个不同的阳极接片组，所以与所有阴极接片彼此对齐并且所有阳极接片彼此对齐的方法相比，每个组中的接片的数量可减少。
在另外的示例中，两个以上的偏移阳极接片和/或偏移阴极接片可使用在电极堆中。因此，两个以上的偏移正电极组和两个以上的偏移负电极组可使用在电极堆中。通过增加电极堆中使用的偏移接片的数量，包括在电极堆中的电极的数量可增加。
在一个示例中，组装电极堆500可以包括利用专用堆叠机。专用堆叠机包括多孔间隔件材料的连续片，连续片围绕交替堆叠的电极(例如，阴极和阳极)折叠成“Z”形，从而形成具有四个不同的箔接片组的交替的阴极和阳极的矩形或棱柱形电极堆500，箔接片组延伸超出电极堆的单个边缘上的间隔件的边缘或从电极堆的相对侧延伸出来。作为示例，电极堆500可以在交替电极被Z形包裹之后被包裹在多孔间隔件材料中。多孔间隔件材料使得阳极和阴极可隔开，以减小阳极和阴极之间不需要的相互作用(例如，短路)的可能性，同时允许离子电荷载流子的传输。应当理解，已考虑到电极堆500的其他制造技术。
在堆叠之后，如图5所示，可将接片组502、504、506和508的接片修整、成形、弯曲、折叠等成为期望的形状(例如，最终形状)，其示例在图6中示出。图6示出了从堆叠机移出之后的电极堆500，其中电极堆500被放置在结构框架501(例如，夹具)中，并且延伸的接片组502、504、506和508被成形和修整为期望的形状(例如，最终形状)和尺寸，其为在焊接电池单元延伸接片之后可能具有的形状和尺寸。如图6所示，修整和成形的接片组在本文中可以称为成形接片组602、604、606和608。因此，接片组602、604、606和608是在焊接之前已经修整和成形为所期望的形状的接片组502、504、506、508。包括负电极接片的负电极组602和604可以统称为阴极接片612，而正电极组606和608可以统称为阳极接片614。在某些情况下，可以采用小的超声波预焊接将接片保持为期望的形状，用于合并和延伸接片焊接。
如图6所示，接片组502、504、506和508可被修整为使得：所得的接片612和614可以分别包括竖直焊接表面603和605，其可以直接焊接到延伸接片，如图所示并在本文参照图7更详细地描述。
图6还示出了电池单元系统550的前侧650、后侧652、顶侧654、底侧656、第一侧面658和第二侧面660。结构框架501可以部分地包围电极堆500。具体地，结构框架501向下延伸到系统的前侧650、后侧652、第一侧面658和第二侧面660。这样，结构框架501可以为电池单元系统550提供结构加固。
转到图18，示出了用于在电池单元系统1850中形成电极堆1800的一般堆叠顺序。电池单元系统1850可以是如图2A至图17所示的电池单元系统550的示例。电极堆1800可以根据以下模式进行布置：间隔件材料1802/第一电极1804/间隔件材料1802/第二电极1806/间隔件材料1802/第三电极1808/间隔件材料1802/第四电极1810等，逐次类推。在该非限制性示例中，元件1804、1806、1808和1810可以对应于图2A和图2B中所示的第一正电极、第一负电极、第二正电极和第二负电极中的任何一个。然而，已考虑到其他堆叠顺序。此外，应当理解，图18所示的电池单元堆叠模式可以根据需要重复多次。在一些示例中，所述模式可以重复20至60次。作为示例，由最底部的间隔件材料1802指示(底部和顶部由与电极堆相邻的箭头区分)，该电极堆可以在顶部以间隔件材料层开始，而在底部以更低(例如，最后)的间隔件材料层结束。
作为示例，参照图18，可以重复采用的堆叠顺序是：间隔件/第一阳极/间隔件/第一阴极/间隔件/第二阳极/间隔件/第二阴极。然而，如上所述，可以采用其他堆叠序列。另外，作为示例，可以在整个电极堆中使用一个或多个堆叠顺序。作为另一示例，在堆叠并重复堆叠顺序多次之后，可以使用间隔件材料层，使得电极堆以间隔件材料层开始和结束。作为另一示例，在堆叠之后，可以将间隔件的后缘用胶带固定在适当位置以在随后的电池单元制造步骤中保持其位置。
现在参照图7，在接片成形和修整之后，至少两个接片组的每个对(例如，图6的612和614)可以被焊接到第一延伸接片702和第二延伸接片704，在一个示例中，第一延伸接片和第二延伸接片的宽度可以至少等于电极接片宽度加上两个接片组612和614之间的间隙的两倍。采用两次单独的超声波焊接将两个电极接片组合并为单个延伸接片。在一种情况下，可以用单个焊接头(welding horn)同时完成两次焊接。该焊接可以在两个阳极接片组上和在阳极延伸接片上以及还在两个阴极接片组上和在阴极延伸接片上分开进行。作为示例，两个阳极接片组614可以焊接到阳极延伸接片704，两个阴极接片组612可以焊接到阴极延伸接片702。延伸接片702和704允许不同的偏移接片组被电耦接。
在一些示例中，接片612和614可以被分别夹在延伸接片702与电极接片支撑件706之间，以及延伸接片704与电极接片支撑件708之间。然而，在其他示例中，可以将接片直接焊接到延伸接片，而无需电极接片支撑件。在其他示例中，可以将图6所示的各个接片组602和604焊接到图7所示的延伸接片702和704，然后将图6所示的接片组606和608焊接到图7所示的延伸接片702和704。这样的处理可用于在添加接片支撑件706和708之前合并接片组，并且可提供更耐用的电极组件。
电极接片支撑件706和708增加了接片组件的结构完整性，从而减小了在电池使用和/或制造期间发生接片损坏的可能性。结果，增加了电池单元系统的耐久性。在所示的示例中，电极接片支撑件706和708各自分别包括狭缝710和712，延伸接片702和704可以延伸通过狭缝710和712。然而，已考虑到其他电极接片支撑件轮廓。另外，在一个示例中，电极接片支撑件706和/或708可以包括电绝缘聚合物材料714。电绝缘聚合物材料714可以被设计为在延伸接片702和704与诸如保护壳体的部件之间提供电绝缘，如本文更详细地描述的。此外，在一些示例中，电极接片支撑件706和708可以与保护壳体一体地形成，或者直接物理地耦接到保护壳体。
另外，在一个示例中，阴极接片612可以包括镀镍的铜材料，阳极接片614可以包括铝材料。然而，在其他示例中，附加或替代材料可以包括在阳极和/或阴极接片中。
现在参照图8，在焊接延伸接片之后，组装包含电极堆的结构框架501。在一个示例中，在单个电池单元面上具有正接片和负接片两者的电池单元配置中，在该面上可以仅存在单个模制框架组件。在另一示例中，如果接片从电极堆的相对侧延伸出来，则可以使用两个模制框架组件。结构框架501可包括至少一个支撑件804(例如，聚合物支撑件)。在所示示例中，支撑件804具有带有倒角边的基本上为三角形的横截面，以匹配层压袋封装的最终形状。然而，已考虑到其他轮廓的支撑件804。另外，支撑件804包括两个狭槽805和807，其尺寸设置成使延伸接片702和704能够穿过支撑件的中心区域。在一个示例中，结构框架501可以被制造为两个匹配的半部，然后通过将两个模制框架半部卡扣装配或压装在一起而组装到电池单元的带接片的侧面上。此外，在一个示例中，支撑件804可以是注模成型的。另外，在所示的示例中，支撑件804在ZY平面中具有三角形的横截面。因此，支撑件804可以在竖直方向上逐渐变窄。然而，在其他示例中，已考虑到并可以使用其他形状的支撑件804。例如，支撑件804可以具有矩形的横截面，或者支撑件可以包括弯曲的(例如，凸的或凹的)部分。此外，支撑件804可以附接(例如，焊接、粘合、机械耦接、其组合等)到结构框架501的基座806。
接下来参照图9，其示出被组装并提供为使接片和电极堆与层压袋封装材料的内表面机械分离的结构框架501(例如，内部盒)，从而使层压袋免受因在处理或在电池应用环境中的后续环境暴露期间的撞击、振动或冲击造成的机械损坏和电绝缘损失。结构框架可以通过注模成型制造成两个独立的半部904和906，并可以通过压装或卡扣装配组装到已焊接的电极堆上。另外，进一步增强的结构框架可包括在结构框架501的一个面909上的厚度减小区域908，从而形成嵌入凹槽以向层压袋的热密封接缝提供机械释放，这可以应用于下一组装步骤中。在一个示例中，结构框架501可以是注模成型的。然而，已考虑到其他框架制造技术。
然后，可以将结构框架501封装和/或真空密封在保护壳体内。在一个示例中，保护壳体可以是层压袋，例如图12所示的层压袋1200，其具有带有嵌入接缝释放凹槽的内部保护结构，如上所述。然而，已考虑到其他类型的保护壳体，例如具有更大刚度的壳体。
层压袋1900的示例在图19中示出。将理解，层压袋1900是包括在电池单元系统550中的前述层压袋1200的示例。图19所示的层压袋1900可以包括至少两层，并且在一些示例中，可以包括四个功能层，以形成具有至少一个金属层的可热密封的层压材料，其减少(例如，防止)水分进入具有无水电解质的成品电化学电池单元中。最内层1902可以是粘合到铝层1904的可热密封聚烯烃，例如聚丙烯，该铝层1904可以粘合到另一聚合物层1906(例如，尼龙层)，该聚合物层进而可以粘合到外层1908(例如，聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)层)。作为示例，层1902、1904、1906和1908可以基于最终使用设计目标根据需要重新布置。层压袋1900可以被包括在电池单元系统1950中。将理解的是，电池单元系统1950可以是图2A至图18所示的电池单元系统550的示例。在一个示例中，层压袋1900可包括一个或多个壁，其适应电解质活化期间发生的膨胀。此外，在这样的示例中，层压袋的壁在电解质活化之后可以是基本平直的，并且在电解质活化之前可以向内弯曲。这样，袋可适应膨胀以减小袋和/或电池单元损坏的可能性。
现在转到图10，作为另一示例，组装电池单元系统550可以可选地包括首先围绕焊接的电极堆组件的外部组装结构框架501，以使电极堆边缘在组装和使用期间免受机械损坏，以及使电极堆边缘免受电池单元组件被真空密封时产生的外部压力(例如，至少14.6磅/平方英寸(psi)的压力)。内部框架可以至少包括围绕电极堆的已焊接接片区域布置的保护框架。结构框架的顶侧可具有基本上为三角形的横截面形状，并且在端部具有渐窄的边缘1002、1004，以与折叠的层压袋封装的形状匹配。可选地，结构框架501可以被延伸以防止电极堆的边缘和角落与层压袋材料的内表面直接接触，从而防止由对内部可热密封聚合物层的机械损坏造成的内部电绝缘损失，并防止铝层与电化学活性电极电接触。
在一个示例中，内部结构框架可以被制造成两个匹配的半部，每个框架半部之间具有柔性间隙，如图9和图10所示。结构框架501的厚度减小区域908允许成品电池单元和电极堆在电池单元的电化学活化、形成和脱气过程中沿着正常厚度方向被按压。施加这种按压是为了消除电极和间隔件表面之间的气泡，这些气泡是电池单元的电化学形成过程的副产物，电化学形成过程例如为阳极SEI形成、与电池单元中残留水分的反应和/或产生气态副产物的其他寄生化学反应。柔性间隙还允许在电池单元充电和放电期间电池单元厚度由于电荷状态改变引起的电极膨胀而增加/减少。例如，结构框架(例如，内部制造的支撑框架)可以通过对化学上相容的聚合物(例如聚丙烯、聚乙烯、聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)和/或聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET))进行注模成型来制造。
现在转向图11，作为示例，为了适应在电池单元电解质活化、形成、和使用期间发生的电极堆膨胀，结构框架501和/或保护壳体的竖直侧壁1104(本文将更详细地论述)，可以向内朝着电池单元的中心线1110逐渐变窄，从而允许额外材料适应电池单元的膨胀和收缩。额外材料减小了电池单元系统中起皱和破裂的可能性。当电池单元在电池的正常循环期间膨胀(如1106所示)时，额外材料可以减轻压力，以免损坏中央接缝。然后，可以将电极堆和框架组件封装在层压袋内。作为另一示例，可以使用结构框架501的向内侧逐渐变窄的上述特征，以便减轻电池的其他边缘或面上的压力。因此，电池的其他边缘或面可以具有向内逐渐变窄的侧面。
转到图12，在示出的示例中，电池单元系统包括层压袋1200形式的保护壳体。然而，如先前所论述的，已考虑到其他合适类型的保护壳体。
如图12所示，层压袋1200可以形成为矩形横截面形状，并且一部分(例如，端部)可以折叠并热密封。这样，在示出的示例中，热接缝1202沿着层压袋向下延伸(例如，竖直延伸)。这样，可以形成层压袋的封闭端。此外，如图10所示，热接缝1202可以与结构框架501中的厚度减小区域908对齐。这样，在一个示例中，热接缝1202可与厚度减小区域908配合。然而，将理解的是，在其他示例中，热接缝1202可被置于其他位置。
另外，在一些示例中，与电极堆的尺寸相同的实心矩形定型夹具1206可被布置在层压袋内部，以保持期望的矩形形状，同时一端可被折叠并热密封。
层压袋的组装顺序的一个示例可以如下：层压袋材料可以取自连续卷，并且首先被卷成管状形式，其中重叠部分的宽度为2至20mm。作为示例，重叠部分的宽度可以为10mm。重叠部分可以使用平直加热棒进行热密封，并被折叠为相对于未密封的表面保持平直。
在一个示例中，袋折叠可包括在袋的两个窄侧各自上移动三角形区域，同时相对于袋的窄侧壁的垂直方向按压袋的长面。另外，袋1200可以沿着与袋封装的侧壁边缘相邻的窄宽度被选择性地热密封。在一些示例中，在该步骤中中心区域可不被密封，以允许在将来的组装步骤期间填充电解质。
现在转到图13A和图13B，在折叠并热密封层压袋1200的底部封闭端之后，可以去除矩形整型夹具1206，并且可以将接片背对袋封装的封闭端插入电极堆和模制塑料框架组件。拐角三角形折叠可以与底部封闭端三角形折叠类似的方式完成。顶部开口端可被按压，并且袋可被热密封到电极接片支撑件706和708以及袋的相对面上，从而在电池单元的顶部接片端处形成密封。填充口也可以包含在该构思中。该特征可以与注模成型的保护框架集成在一起，也可以作为与层压袋材料或框架融合在一起的独立部件。可以将结构框架的周围区域热密封至袋的内部聚合物层，从而形成不漏气的密封。另外，层压袋1200的未修整端部1306可以用于电池单元填充和气体形成收集。
图14示出了层压袋1200的另一视图，该层压袋1200具有层压袋的另一未修整端部1306。
图15示出了在已添加结构框架或整型夹具之前添加结构框架或添加保护壳体(例如，层压袋)之前的电极焊接堆的可选视图。
现在转到图16，层压袋1200中的口1602(例如，填充口)可以模制有内螺纹或外螺纹，并且用于形成过程中电池单元的电解质填充和/或脱气，从而与当前的形成过程相比，减少了在制造中使用的袋材料的数量。在一些情况下，包含填充/脱气口可以将用于形成电池单元的层压袋材料的量减少40％(与形成没有填充/脱气口的电池单元相比)。当前的形成过程利用由额外长度的袋材料形成的完整气体体积，从而产生额外的内部空隙体积，以容纳在初始电池单元形成过程中产生的气体。
转到图17，上述填充口可以包含层压袋1200中的孔/破裂盘1702，这可以帮助管理减压，从而在工作条件或在电池单元在正常工作条件外运行或处理的极端条件(例如，对电池的物理损坏、暴露于极热等)下提供受控的排气。
参照图17，在形成之后，可以将电池单元真空脱气并密封。在当前处理中，多余的袋材料可以在真空密封步骤中被修整并丢弃。电池单元可以在此脱气步骤期间通过集成的填充口进行真空脱气。在脱气后，填充口可以通过例如热密封塞或螺纹塞的多种方法进行密封。作为示例，可以进一步提高在恶劣条件下电池单元的安全性，并将减压孔安装在填充口密封塞中。填充口可具有孔帽塞，其会在特定压力下破裂或打开，以控制电池单元的气体排出率，从而减小暴露于恶劣条件期间爆炸或着火的可能性。在一些情况下，添加塞子或盘可以结合上述密封方法，而不限于热密封或螺纹连接。作为示例，受控的排气还可以结合袋上的刻痕或铸痕狭槽，以在热密封失败之前破裂。作为示例，袋的刻痕或铸痕可以添加到袋上的任何期望位置。
应当理解，附图示出了具有相对布置的各个部件的示例性构造。如果示出为彼此直接接触或直接耦接，则至少在一个示例中，这样的元件可以分别被称为直接接触或直接耦接。类似地，至少在一个示例中，彼此邻近或彼此相邻示出的元件可以分别彼此邻近或彼此相邻。作为示例，彼此布置为共享面的接触的组件可以被称为处于面共享接触。作为另一示例，在至少一个示例中，彼此隔开布置而之间仅具有间隔而没有其他组件的元件可以被称为彼此这样。作为另一示例，彼此上方/下方、彼此相对侧或彼此左侧/右侧示出的元件可以相对于彼此被称为这样。此外，如图中所示，在至少一个示例中，最顶部的元件或元件的地点可以被称为组件的“顶部”，而最底部的元件或元件的地点可以被称为组件的“底部”。如本文所使用的，顶部/底部、上部/下部、上方/下方可以相对于附图的竖直轴，并且用于描述附图中的元件相对于彼此的定位。这样，在一个示例中，在其他元件上方示出的元件竖直地位于其他元件上方。作为另一示例，在附图内描绘的元件的形状可以被称为具有那些形状(例如，诸如圆形、直、平面、弯曲、倒圆、倒角、成角度等)。此外，在至少一个示例中，示出为彼此相交的元件可以被称为相交元件或彼此相交。更进一步，在一个示例中，示出为在另一元件内或示出为在另一元件外的元件可以被称为这样。
图20示出了用于制造电池单元系统的方法2000。方法2000可用于制造以上关于图2A至图19描述的电池单元系统。然而，在其他示例中，该方法可以用于制造其他合适的电池单元系统。此外，方法2000可以作为指令存储在可由处理器执行的存储器(例如，非暂时性存储器)中。
在2001，该方法包括形成具有偏移阳极接片和偏移阴极接片的电极堆。将理解的是，在一些示例中，电极堆可以包括交替的阴极和阳极，在它们之间布置有间隔件片。具体地，阳极和阴极可以按照以下的堆叠顺序形成在电极堆中：第一电极、第一多孔间隔件材料层、第一阴极、第二多孔间隔件材料层等。形成电极堆可以包括步骤2002至2004。
在2002，该方法包括形成具有多个阳极接片的多个阳极，其中多个阳极接片包括与第二阳极接片组横向偏移的第一阳极接片组。
接下来，在2004，该方法包括形成具有多个阴极接片的多个阴极，其中，多个阴极接片包括与第二阴极接片组横向偏移的第一阴极接片组。与具有对齐的接片的电池堆相比，横向偏移的阴极接片组以及阳极接片组可减小接片的厚度。从而，可以减少焊接接片组所需的焊接能量。因此，减小了焊接期间电极接片(例如，阳极接片和阴极接片)退化(例如，熔化、变形等)的可能性。
在2006，该方法包括将第一延伸接片焊接到第一阳极接片组和第二阳极接片组。接下来，在2008，该方法包括将第二延伸接片焊接到第一阴极接片组和第二阴极接片组。
另外，在一些示例中，该方法可以包括步骤2010、2012、2014和/或2016。在2010，该方法包括将第一电极接片支撑件附接到第一阳极接片组和第二阳极接片组，并且在2012，该方法包括将第二电极接片支撑件附接到第一阴极接片组和第二阴极接片组。
在2014，该方法包括将电极堆置于结构框架中。结构框架可以至少部分地围绕电极堆。此外，在一个示例中，结构框架可以包括允许第一支撑接片和第二支撑接片延伸穿过其中的开口。另外，在一个示例中，结构框架可由聚合物材料模制而成。
在2016，该方法包括将结构框架和电极堆置于保护壳体内。在一个示例中，保护壳体可以是层压袋，因此，在这样的示例中，该方法可以包括：围绕电极堆和支撑框架折叠层压袋，并热密封层压袋。在一个示例中，在折叠并热密封层压袋之后，层压袋可通过脱气口进行脱气。在脱气后，脱气口可被密封。这样，不需要的气体可以从系统中移除，从而减小了保护壳体的尺寸。因此，可以提高电池单元系统的紧凑性。
在以下段落中将进一步描述本发明。在一个方面，提供了一种包括电池堆的电池单元系统，该电极堆包括具有第一阳极接片的第一阳极、具有与第一阳极接片横向偏移的第二阳极接片的第二阳极、具有第一阴极接片的第一阴极、以及具有与第一阴极接片横向偏移的第二阴极接片的第二阴极。
在另一方面，提供了一种用于制造电池单元系统的方法。该方法包括：形成具有多个阳极接片的多个阳极，其中，多个阳极接片包括与第二阳极接片组横向偏移的第一阳极接片组；形成具有多个阴极接片的多个阴极，其中，多个阴极接片包括与第二阴极接片组横向偏移的第一阴极接片组；将第一延伸接片焊接到第一阳极接片组和第二阳极接片组；以及将第二延伸接片焊接到第一阴极接片组和第二阴极接片组。在一个示例中，该方法可以进一步包括将第一电极接片支撑件附接到第一阳极接片组和第二阳极接片组；以及将第二电极接片支撑件附接到第一阴极接片组和第二阴极接片组。在另一示例中，该方法可以进一步包括将多个阴极和多个阳极置于至少部分地围绕多个阴极和多个阳极的保护壳体和结构框架中的至少一个中。
在另一方面，提供了一种电化学电池单元，该电化学电池单元包括：包括第一负电极接片的多个第一负电极；包括第二负电极接片的多个第二负电极，其中，第二负电极接片与第一负电极接片偏移；包括第一正电极接片的多个第一正电极；以及包括第二正电极接片的多个第二正电极。
在另一方面，提供了一种电化学电池单元，该电化学电池单元包括：形成正电极组的第一正电极和第二正电极；以及形成负电极组的第一负电极和第二负电极，其中每个电极被多孔间隔件材料层隔开，每个电极具有接片宽度和偏移，使得不同电极的接片不重叠，并且正电极组的至少两个电极焊接在一起，负电极组的至少两个电极焊接在一起。
在另一方面，提供了一种用于电化学电池单元的内部框架，该内部框架包括电极接片支撑件，该电极接片支撑件包括用于容纳电化学电池单元的阳极和阴极的两个狭槽，其中，电极接片支撑件阻止阳极和阴极的横向移动。
在另一方面，提供了一种电化学电池单元，该电化学电池单元包括对齐的电极堆，该堆包括彼此偏移的至少四个电极接片组。
在任何一个方面或这些方面的组合中，电极堆还可包括依次布置在第一阳极、第一阴极、第二阳极和第二阴极各个之间的多孔间隔件。
在任何一个方面或这些方面的组合中，电池单元系统还可包括第一延伸接片，该第一延伸接片焊接到第一阳极接片和第二阳极接片并且在第一阳极接片和第二阳极接片之间横向延伸。
在任何一个方面或这些方面的组合中，电池单元系统还可包括第二延伸接片，该第二延伸接片焊接到第一阴极接片和第二阴极接片并且在第一阴极接片和第二阴极接片之间横向延伸。
在任何一个方面或这些方面的组合中，电池单元系统还可包括电极接片支撑件，其中，该电极接片支撑件装配在第一阳极和第二阳极和/或第一阴极和第二阴极以及第一延伸接片和第二延伸接片中的一个或多个上，并为第一延伸接片和第二延伸接片提供机械支撑。
在任何一个方面或这些方面的组合中，电极接片支撑件可包括电绝缘的聚合物材料，并且在第一接片和/或延伸接片与保护壳体之间提供电隔离。
在任何一个方面或这些方面的组合中，电极接片支撑件可包括用于容纳第一延伸接片和第二延伸接片的第一狭槽和第二狭槽，其中，第一延伸接片和第二延伸接片延伸穿过电极接片支撑件中的第一狭槽和第二狭槽。
在任何一个方面或这些方面的组合中，电池单元系统可以包括至少部分地围绕第一和第二阳极以及第一和第二阴极的结构框架。
在任何一个方面或这些方面的组合中，电极接片支撑件可以整体地形成在保护壳体内，或者直接物理耦接到保护壳体。
在任何一个方面或这些方面的组合中，结构框架可包括一个或多个壁，所述一个或多个壁是柔性的并且朝着电极堆向内弯曲，使得所述一个或多个壁适应在电解质活化期间发生的膨胀。
在任何一个方面或这些方面的组合中，结构框架可包括一个或多个面，所述面具有与保护壳体的热接缝配合的厚度减小的凹入区域。
在任何一个方面或这些方面的组合中，电池单元系统还可包括保护壳体，该保护壳体包括接收电解质和/或排气的口。
在任何一个方面或这些方面的组合中，负电极接片和正电极接片可以彼此偏移。
在任何一个方面或这些方面的组合中，电极可以具有相同的尺寸，使得当堆叠时，电极的边缘除了接片之外彼此对齐。
在任何一个方面或这些方面的组合中，当电极堆叠以形成阵列时，接片可以偏移。
在任何一个方面或这些方面的组合中，电化学电池还可包括电极接片延伸穿过的结构框架。
在任何一个方面或这些方面的组合中，结构框架限制电极接片的横向移动。
在任何一个方面或这些方面的组合中，电化学电池单元还可包括从电极接片延伸并焊接到电极接片的电极延伸接片。
在任何一个方面或这些方面的组合中，至少四个电极接片组可以焊接到两个电极延伸接片，并且其中至少四个电极接片组各自只可焊接到两个电极延伸接片之一。
在任何一个方面或这些方面的组合中，至少四个电极接片组可以包括至少两个负电极接片组和至少两个正电极接片组。
在任何一个方面或这些方面的组合中，至少四个电极接片组可包括焊接到延伸接片的竖直折叠部分。
在任何一个方面或这些方面的组合中，电化学电池还可包括注模框架。
在任何一个方面或这些方面的组合中，电化学电池还可包括多层层压袋。
在任何一个方面或这些方面的组合中，电化学电池还可包括用于将电解质填充到电化学电池单元和/或使电化学电池单元脱气的多用口。
在任何一个方面或这些方面的组合中，可以将具有匹配极性的偏移接片焊接到电极组接片，然后可以焊接到延伸接片。
在任何一个方面或这些方面的组合中，阳极接片可以包括镀镍的铜，阴极接片可以包括铝。
在任何一个方面或这些方面的组合中，电极接片支撑件可具有三角形的横截面。
本公开的主题包括本文公开的各种系统和配置以及其他特征、功能和/或属性的所有新颖且非显而易见的组合和子组合。
以下权利要求特别指出了被认为是新颖和非显而易见的某些组合和子组合。这些权利要求可以提到“一个”元件或“第一”元件或其等同物。这些权利要求应理解为包括一个或多个这样的元件的结合，既不要求也不排除两个或更多个这样的元件。所公开的特征、功能、元件和/或特性的其他组合和子组合可以通过修改本权利要求或通过在该申请或相关申请中提出新的权利要求来要求保护。这些权利要求，无论是否与原始权利要求的范围相比更宽、更窄、相同或不同，也被认为包括在本公开的主题内。

Claims (15)

1.一种电池单元系统，包括：
电极堆，包括：
第一阳极，具有第一阳极接片；
第二阳极，具有与所述第一阳极接片横向偏移的第二阳极接片；
第一阴极，具有第一阴极接片；以及
第二阴极，具有与所述第一阴极接片横向偏移的第二阴极接片。
2.根据权利要求1所述的电池单元系统，其中，所述电极堆还包括布置在所述第一阳极、所述第一阴极、所述第二阳极和所述第二阴极各个之间的多孔间隔件。
3.根据权利要求1所述的电池单元系统，还包括第一延伸接片，
所述第一延伸接片焊接到所述第一阳极接片和所述第二阳极接片，并且在所述第一阳极接片和所述第二阳极接片之间横向延伸。
4.根据权利要求3所述的电池单元系统，还包括第二延伸接片，
所述第二延伸接片焊接到所述第一阴极接片和所述第二阴极接片，并且在所述第一阴极接片和所述第二阴极接片之间横向延伸。
5.根据权利要求4所述的电池单元系统，还包括电极接片支撑件，
其中，所述电极接片支撑件装配在所述第一阳极和所述第二阳极和/或所述第一阴极和所述第二阴极以及所述第一延伸接片和所述第二延伸接片中的一个或多个上，并为所述第一延伸接片和所述第二延伸接片提供机械支撑。
6.根据权利要求5所述的电池单元系统，其中，所述电极接片支撑件包括电绝缘的聚合物材料，并且在所述第一接片和/或所述延伸接片与保护壳体之间提供电隔离。
7.根据权利要求5所述的电池单元系统，其中，所述电极接片支撑件包括用于容纳所述第一延伸接片和所述第二延伸接片的第一狭槽和第二狭槽，所述第一延伸接片和所述第二延伸接片延伸穿过所述电极接片支撑件中的所述第一狭槽和所述第二狭槽。
8.根据权利要求5所述的电池单元系统，其中，所述电极接片支撑件一体地形成在保护壳体内，或者直接物理耦接到所述保护壳体。
9.根据权利要求1所述的电池单元系统，还包括结构框架，
所述结构框架至少部分地围绕所述第一阳极和所述第二阳极以及所述第一阴极和所述第二阴极。
10.根据权利要求9所述的电池单元系统，其中，
所述结构框架包括一个或多个壁，
所述一个或多个壁是柔性的并且朝着所述电极堆向内弯曲，使得所述一个或多个壁适应在电解质活化期间发生的膨胀。
11.根据权利要求9所述的电池单元系统，其中，所述结构框架包括具有凹入区域的一个或多个面，所述凹入区域的减小的厚度与保护壳体的热接缝配合。
12.根据权利要求1所述的电池单元系统，还包括保护壳体，所述保护壳体包括接收电解质和/或排气的口。
13.一种用于制造电池单元系统的方法，包括：
形成具有多个阳极接片的多个阳极，其中，所述多个阳极接片包括与第二阳极接片组横向偏移的第一阳极接片组；
形成具有多个阴极接片的多个阴极，其中，所述多个阴极接片包括与第二阴极接片组横向偏移的第一阴极接片组；
将第一延伸接片焊接到所述第一阳极接片组和所述第二阳极接片组；以及
将第二延伸接片焊接到所述第一阴极接片组和所述第二阴极接片组。
14.根据权利要求13所述的方法，还包括：
将第一电极接片支撑件附接到所述第一阳极接片组和所述第二阳极接片组；以及
将第二电极接片支撑件附接到所述第一阴极接片组和所述第二阴极接片组。
15.根据权利要求13所述的方法，还包括：
将所述多个阴极和所述多个阳极置于至少部分地围绕所述多个阴极和所述多个阳极的保护壳体和结构框架中的至少一个中。
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