CN111684638A - 电极组件及二次电池 - Google Patents

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Abstract

提供了具有电极组件的二次电池的实施例。二次电池可包括具有堆叠的一系列层的电极组件，该堆叠的一系列层在堆叠的系列的单元基元构件中的电极层和对电极层之间具有偏移。可为约束件的组提供初级约束系统，该初级约束系统具有在纵向方向上彼此分离并通过至少一个初级连接构件连接的第一和第二初级生长约束件，并且二级约束系统包括在第二方向上分离并通过堆叠的一系列层的构件连接的第一和第二二级生长约束件。初级约束系统可至少部分地限制电极组件在纵向方向上的生长，并且二级约束系统可至少部分地限制在与纵向方向正交的第二方向上的生长。

Description

电极组件及二次电池
技术领域
本公开通常涉及在诸如二次电池的能量存储装置中使用的电极组件。
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极和负电极之间移动。二次电池可包括单个电池基元(cell)，或者包括已被电耦合而形成电池的两个或更多个电池基元，每个电池基元包括正极、负电极、微孔分隔体(separator)和电解质。
在摇椅式电池基元中，正极和负极都包括在其中插入和抽出载体离子的材料。当电池放电时，载体离子从负极中抽出并插入到正极中。当电池充电时，发生相反的过程：载体离子被从正极中抽出并插入到负极中。
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。可能发生的另一个问题是，例如，由于在制造、使用或运输过程中电池上的物理或机械应力而导致的电极对准的不匹配可能导致电池短路和故障。
因此，仍然需要在电池循环期间控制电极的膨胀和收缩，以提高电池的可靠性和循环寿命。还需要控制电极对准和结构，这在不过度增加电池占用面积的情况下改善电池的机械稳定性。
此外，仍然需要可靠且有效的制造这种电池的方法。即，需要有效的制造方法，以提供具有电极组件的电池，该电极组件具有仔细控制的对准，并且在电池循环期间电极组件的膨胀受到控制。
发明内容
本公开的一个方面涉及一种用于在充电状态和放电状态之间循环的二次电池，该二次电池包括电池外壳、电极组件和电池外壳内的锂离子、以及电极约束件的组，其中
(a)所述电极组件具有分别对应于虚构的三维笛卡尔坐标系的x轴、y轴和z轴的相互垂直的横向轴、纵向轴和垂直轴、在所述纵向方向上彼此分离的第一纵向端部表面和第二纵向端部表面、以及围绕电极组件纵向轴AEA并连接所述第一纵向端部表面和所述第二纵向端部表面的横向表面，所述横向表面具有位于所述纵向轴的相对侧上并在与所述纵向轴正交的第一方向上分离的相对的第一区域和第二区域，所述电极组件具有在所述纵向方向上测量的最大宽度WEA，由所述横向表面限定并且在所述横向方向上测量的最大长度LEA、以及由所述横向表面限定并且在所述垂直方向上测量的最大高度HEA，其中，所述最大长度LEA和所述最大宽度WEA与所述最大高度HEA的比率至少为2:1
(b)所述电极组件包括在所述电极组件内在与所述纵向轴平行的堆叠方向上堆叠的一系列层，其中，所述堆叠的一系列层包括负极活性材料层群、负极集流体层群、分隔体材料层群、正极活性材料层群、以及正极集流体材料层群，其中
(i)所述负极活性材料层群中的每个构件具有长度LE、高度HE、以及宽度WE，所述长度LE对应于在所述负极活性材料层的第一和第二相对横向端部表面之间的所述横向方向上测量的所述负极活性材料层的费雷特直径，以及所述高度HE对应于在所述负极活性材料层的第一和第二相对垂直端部表面之间的所述垂直方向上测量的所述负极活性材料层的费雷特直径，以及所述宽度WE对应于在所述负极活性材料层的第一和第二相对表面之间在所述纵向方向上测量的所述负极活性材料层的费雷特直径，其中，LE与HE和WE的比率至少为5:1；
(ii)所述正极活性材料层群中的每个构件具有长度LC、高度HC、以及宽度WC，所述长度LC对应于在所述正极活性材料层的第一和第二相对横向端部表面之间的所述横向方向上测量的所述正极活性材料层的费雷特直径，以及所述高度HC对应于在所述正极活性材料层的第一和第二相对垂直端部表面之间在所述垂直方向上测量的所述正极活性材料层的费雷特直径，以及所述宽度WC对应于在所述正极活性材料层的第一和第二相对表面之间在所述纵向方向上测量的所述正极活性材料层的费雷特直径，其中，LC与HC和WC的比率至少为5:1
(iii)所述负极活性材料层群的构件包括具有至少60wt％的负极活性材料的颗粒材料、小于20wt％的导电助剂、和粘合剂材料，并且其中，所述负极活性材料包括含硅材料，
(c)所述电极约束件的组包括初级约束系统和二级约束系统，其中
(i)所述初级约束系统包括第一和第二生长约束件以及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以至少部分地限制所述电极组件在所述纵向方向上的生长，以及
(ii)所述二级约束系统包括在第二方向上分离并通过所述堆叠的一系列层的构件连接的第一和第二二级生长约束件，其中，所述二级约束系统至少部分地限制所述电极组件在所述二次电池循环时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，以及
(iii)所述初级约束系统在所述堆叠方向上维持在所述电极组件上的压力，所述压力超过在相互垂直且垂直于所述堆叠方向的两个方向中的每个方向上维持在所述电极组件上的压力，以及
(d)所述电极组件包括单元基元群，其中，每个单元基元包括所述电极集流体层群的第一构件的单元基元部分、对所述载体离子是离子可渗透的所述分隔体群的构件、所述电极活性材料层群的第一构件、所述对电极集流体群的第一构件的单元基元部分以及所述对电极活性材料层群的第一构件，其中，(aa)所述电极活性材料层群的所述第一构件靠近所述分隔体的第一侧，并且所述对电极材料层群的所述第一构件靠近所述分隔体的相对的第二侧，(bb)所述分隔体使所述电极活性材料层群的所述第一构件与所述对电极活性材料层群的所述第一构件电隔离，并且载体离子在所述电池的所述充电状态和所述放电状态之间的循环期间，经由每个这样的单元基元的所述分隔体，主要在所述电极活性材料层群的所述第一构件和所述对电极活性材料层群的所述第一构件之间进行交换，以及(cc)在每个单元基元内，
a.所述电极和所述对电极活性材料层的所述第一垂直端部表面位于所述电极组件的相同侧，所述电极活性材料的所述第一相对垂直端部表面的中值垂直位置在X-Z平面中沿着所述电极活性材料层的所述长度LE的2D图绘出了第一垂直端部表面图EVP1，所述对电极活性材料层的所述第一相对垂直端部表面的中值垂直位置在所述X-Z平面中沿所述对电极活性材料层的所述长度LC的2D图绘出了第一垂直端部表面图CEVP1，其中，对于所述第一对电极活性材料层的所述长度LC的至少60％：(i)在所述垂直方向上测得的所述图EVP1和CEVP1之间的分离距离SZ1的绝对值为1000μm≥|SZ1|≥5μm，(ii)对于所述电极和对电极活性材料层的所述第一垂直端部表面之间，所述对电极活性材料层的所述第一垂直端部表面相对于所述电极活性材料层的所述第一垂直端部表面向内设置，
b.所述电极和对电极活性材料层的所述第二垂直端部表面位于所述电极组件的相同侧，并且分别与所述电极和对电极活性材料层的所述第一垂直端部表面相对，所述电极活性材料层的所述第二相对垂直端部表面的中值垂直位置在所述X-Z平面中沿着所述电极活性材料层的所述长度LE的2D图描绘了第二垂直端部表面图EVP2，所述对电极活性材料层的所述第二相对垂直端部表面的中值垂直位置在所述X-Z平面中沿所述对电极活性材料层的所述长度LC的2D图绘出了第二垂直端部表面图CEVP2，其中，对于所述对电极活性材料层的所述长度LC的至少60％：(i)在所述垂直方向上测得的所述图EVP2和CEVP2之间的分离距离SZ2的绝对值为1000μm≥|SZ2|≥5μm，以及(ii)对于所述电极和对电极活性材料层的所述第二垂直端部表面之间，所述对电极活性材料层的所述第二垂直端部表面相对于所述电极活性材料层的所述第二垂直端部表面向内设置。
本公开的另一方面涉及一种用于在充电状态和放电状态之间循环的二次电池，该二次电池包括电池外壳、电极组件和电池外壳内的载体离子、以及电极约束件的组，其中
(a)所述电极组件具有分别对应于虚构的三维笛卡尔坐标系的x轴、y轴和z轴的相互垂直的横向轴、纵向轴和垂直轴、在所述纵向方向上彼此分离的第一纵向端部表面和第二纵向端部表面、以及围绕电极组件纵向轴AEA并连接所述第一纵向端部表面和所述第二纵向端部表面的横向表面，所述横向表面具有位于所述纵向轴的相对侧上并在与所述纵向轴正交的第一方向上分离的相对的第一区域和第二区域，所述电极组件具有在所述纵向方向上测量的最大宽度WEA，由所述横向表面限定并且在所述横向方向上测量的最大长度LEA、以及由所述横向表面限定并且在所述垂直方向上测量的最大高度HEA，其中，所述最大长度LEA和/或所述最大宽度WEA大于所述最大高度HEA，
(b)所述电极组件包括所述电极组件内在与所述纵向轴平行的堆叠方向上堆叠的一系列层，其中，所述堆叠的一系列层包括负极活性材料层群、负极集流体层群、分隔体材料层群、正极活性材料层群、以及正极集流体材料层群，其中
(i)所述负极活性材料层群中的每个构件具有长度LE、高度HE、以及宽度WE，所述长度LE对应于在所述负极活性材料层的第一和第二相对横向端部表面之间的所述横向方向上测量的所述负极活性材料层的费雷特直径，以及所述高度HE对应于在所述负极活性材料层的第一和第二相对垂直端部表面之间的所述垂直方向上测量的所述负极活性材料层的费雷特直径，以及所述宽度WE对应于在所述负极活性材料层的第一和第二相对表面之间在所述纵向方向上测量的所述负极活性材料层的费雷特直径，其中，所述LE与所述HE和所述WE的比率至少为5:1；
(ii)所述正极材料层群中的每个构件具有长度LC、高度HC、以及宽度WC，所述长度LC对应于在所述正极活性材料层的第一和第二相对横向端部表面之间的所述横向方向上测量的所述正极活性材料层的费雷特直径，以及所述高度HC对应于在所述正极活性材料层的第一和第二相对垂直端部表面之间在所述垂直方向上测量的所述正极活性材料层的费雷特直径，以及所述宽度WC对应于在所述正极活性材料层的第一和第二相对表面之间在所述纵向方向上测量的所述正极活性材料层的费雷特直径，其中，LC与HC和WC的比率至少为5:1
(iii)所述负极活性材料层群的构件包括具有至少60wt％的负极活性材料的颗粒材料、小于20wt％的导电助剂、和粘合剂材料，
(c)所述电极约束件的组包括初级约束系统和二级约束系统，其中
(i)所述初级约束系统包括第一和第二生长约束件以及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以至少部分地限制所述电极组件在所述纵向方向上的生长，以及
(ii)所述二级约束系统包括在第二方向上分离并通过所述堆叠的一系列层的构件连接的第一和第二二级生长约束件，其中，所述二级约束系统至少部分地限制所述电极组件在所述二次电池循环时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，以及
(iii)所述初级约束系统在所述堆叠方向上维持在所述电极组件上的压力，所述压力超过在相互垂直且垂直于所述堆叠方向的两个方向中的每个方向上维持在所述电极组件上的压力，以及
(d)所述堆叠的一系列层包括具有在所述横向方向上彼此间隔开的相对端部表面的层，其中，由于所述层在所述相对端部表面处的伸长和缩小，所述层的多个相对端部表面表现出在所述横向方向上定向的塑性变形和断裂。
本公开的其他方面、特征和实施例在以下描述和附图中将部分地被讨论并且部分地将是显而易见的。
附图说明
图1A是与电极组件一起使用的约束系统的一个实施例的透视图。
图1B是用于二次电池的三维电极组件的一个实施例的示意图。
图1C是图1B的电极组件的插入截面图。
图1D是沿着图1B中的线E截取的图1B的电极组件的截面图。
图2A是三维电极组件的一个实施例的示意图。
图2B至2C是三维电极组件的一个实施例的示意图，示出了约束配置和扩展配置中的阳极结构群构件。
图3A至3H示出了电极组件的不同形状和尺寸的示例性实施例。
图4A示出了沿图1A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4B示出了沿图1A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4C示出了沿图1A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5示出了沿图1A所示的线A-A1'截取的电极组件的实施例的横截面。
图6A示出了电极组件之上的多孔二级生长约束件的俯视图的一个实施例、以及用于将二级生长约束件粘附到电极组件的一个实施例。
图6B示出了电极组件之上的多孔二级生长约束件的俯视图的一个实施例、以及用于将二级生长约束件粘附到电极组件的另一实施例。
图7示出了沿图1A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8A至8B示出了根据一个实施例的力示意图，其中示出了由电极约束件的组施加到电极组件上的力、以及在包含电极组件的电池的重复循环时由电极结构施加的力。
图9A示出了沿图1A所示的线A-A'截取的电极组件的实施例的横截面，其进一步包括电极约束件的组，包括初级生长约束系统的一个实施例和二级生长约束系统的一个实施例，其中电极主干用于组装该电极约束件的组。
图9B示出了沿图1A所示的线A-A'截取的电极组件的实施例的横截面，其进一步包括电极约束件的组，包括初级生长约束系统的一个实施例和二级生长约束系统的一个实施例，其中电极集流体用于组装电极约束件的组。
图10示出了利用生长约束件的组的一个实施例的能量存储装置或二次电池的实施例的分解图。
图11A至11C示出了用于确定电极和对电极活性材料层的垂直端部表面之间的垂直偏移和/或分离距离SZ1和SZ2的实施例。
图12A至12C示出了用于确定电极和对电极活性材料层的横向端部表面之间的横向偏移和/或分离距离SX1和SX2的实施例。
图13A至13B示出了根据其费雷特直径确定电极和/或对电极活性材料层的高度HE、HC和长度LE、LC的实施例。
图14A至14H示出了具有电极和对电极活性材料层的单元基元的实施例的在Z-Y平面上的横截面，其中二者具有和不具有垂直偏移和/或分离距离。
图15A至15F示出了具有电极和对电极活性材料层的单元基元的实施例的在Y-X平面上的横截面，其中二者具有和不具有横向偏移和/或分离距离。
图16A至16B示出了具有电极和/或对电极汇流条的电极组件的实施例。图16A'-16B'示出了图16A-16F在X-Y平面上截取的各个横截面。
图17示出了具有电极和对电极结构的交替布置的二次电池的实施例。
图18A至18B示出了具有辅助电极的电极组件的实施例的在Z-Y平面上的横截面。
图19是在去除负极子单元的端部之后暴露集流体端之前和之后的负极子单元的图像的示意图，并且示出了由于去除集流体端部处的端部部分而导致集流体端部的部分处的塑性变形。
当结合附图考虑时，根据以下详细描述，本发明主题的其它方面、实施例和特征将变得显而易见。附图是示意性的，并非旨在按比例绘制。为了清楚起见，并非每个元件或部件都在每个图中被标记，也并非示出本发明主题的每个实施例的每个元件或部件，其中图示并非是本领域普通技术人员理解本发明主题所必需的。
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。作为进一步的示例，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。
如本文在二次电池的上下文中使用的“阳极”是指二次电池中的负极。
如本文使用的“阳极活性”是指适合用于二次电池的阳极的材料。
如本文在二次电池的上下文中使用的“阴极”是指二次电池中的正极。
如本文使用的“阴极活性”是指适用于二次电池的阴极的材料。
本文中在二次电池的状态的上下文中所使用的“充电状态”是指二次电池被充电到其额定容量的至少75％的状态。例如，电池可以被充电到其额定容量的至少80％、其额定容量的至少90％、甚至是其额定容量的至少95％，诸如其额定容量的100％。
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(draw)，在该理论电流消耗下电池将在一小时内输出其标称额定容量。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。
如本文中针对电极组件、电极活性材料层和/或对电极活性材料层提及的“费雷特直径”被定义为限制结构(即，电极组件电极活性材料层和/或对电极活性材料层)的两个平行平面之间的距离，该距离是在垂直于两个平面的方向上测量的。例如，电极组件在纵向方向上的费雷特直径是限制电极组件的两个平行平面之间在纵向方向上测量的距离，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限制电极组件的两个平行平面之间在横向方向上测量的距离，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限制电极组件的两个平行平面之间在垂直方向上测量的距离，这两个平行平面垂直于该垂直方向。作为又一示例，电极活性材料层在横向方向上的费雷特直径是限制电极活性材料层的两个平行平面之间在横向方向上测量的距离，这两个平行平面垂直于横向方向。作为又一示例，电极活性材料层在垂直方向上的费雷特直径是限制电极活性材料层的两个平行平面之间在垂直方向上测量的距离，这两个平行平面垂直于垂直方向。作为另一示例，对电极活性材料层在横向方向上的费雷特直径是限制对电极活性材料层的两个平行平面之间在横向方向上测量的距离，这两个平行平面垂直于横向方向。作为又一示例，对电极活性材料层在垂直方向上的费雷特直径是限制对电极活性材料层的两个平行平面之间在垂直方向上测量的距离，这两个平行平面垂直于垂直方向。
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。借助进一步的示例，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和甚至1000次。
本文中在二次电池的上下文中使用的“额定容量”是指二次电池在一段时间内输出指定电流的容量，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部表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。
如本文使用的“形心(Centroid)”是指平面对象的几何中心，其是对象中所有点的算术平均位置。在n维空间中，形心是对象在所有坐标方向上所有点的平均位置。为了描述本文的对象的形心，例如，负极子单元和正极子单元以及负极活性材料层和正极活性材料层、对象可以被有效地视为2-D对象，使得形心有效地与对象的质心相同。例如，正极子单元或负极子单元的形心、或正极活性材料层或负极活性材料层的形心可以有效地与其质心相同。
详细描述
通常，本公开的各个方面针对例如如图1B、2A和/或图20所示能量存储装置100(诸如二次电池102)及其制造方法，该二次电池102在充电和放电状态之间循环。二次电池102包括电池壳104、电极组件106以及载体离子，并且还可以在电池壳内包含非水液体电解质。二次电池102还可以包括一组电极约束件108，其限制电极组件106的生长。被约束的电极组件106的生长可是电极组件106的一个或多个尺寸的宏观增大。
本公开的各个方面还提供了电极活性材料层和对电极活性材料层在垂直方向和横向方向上减小的偏移和/或分离距离，其可以在不过度增加二次电池短路或故障的风险的情况下改善二次电池的存储容量，如下详细描述的。本公开的各方面还可提供制造二次电池和/或制造具有减小的足印的二次电池的高能量密度的结构和构造的方法。
此外，在某些实施例中，本公开的各个方面包括三维约束结构，当被包含在诸如电池、电容器、燃料电池等的能量存储装置100中时，该三维约束结构提供特别的优点。在一个实施例中，约束结构具有被选择为抵抗电极组件106的生长、增大和/或膨胀中的至少一者的配置和/或结构，否则当二次电池102在充电状态与放电状态之间重复循环时可能发生上述情况。具体而言，在从放电状态移动到充电状态时，载体离子(例如锂、钠、钾、钙和镁中的一种或多种)在电池中的正极和负极之间移动。在到达电极时，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，从而使电极收缩。这种合金化和/或嵌入以及去合金化和/或脱嵌可导致电极的体积显著变化。在又一个实施例中，载体离子脱离电极的传输可以增加电极的尺寸，例如，通过增加剩余材料层(例如，采用LCO和一些其他材料)的静电排斥。可导致二次电池102增大的其他机制可以包括例如在电极上SEI的形成、电解质和其他成分的分解、甚至气体形成。因此，电极在充电和放电时的反复膨胀和收缩以及其它增大机制会导致在电极组件106中产生应变，这会使得二次电池的性能降低并最终甚至导致二次电池的故障。
参考图2A至2C，可以描述根据本公开的实施例的电极组件106的重复膨胀和/或收缩的影响。图2A示出了三维电极组件106的实施例，其具有电极结构110的群和对电极结构112的群(例如，分别为阳极结构群和阴极结构群)。该实施例中的三维电极组件106提供交替的一组电极结构110和对电极结构112，它们相互交错，并且在图2A所示的实施例中，具有与Y轴平行的纵向轴AEA、与X轴平行的横向轴(未示出)、以及与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。在具有电极组件106的二次电池102的充电和放电循环时，载体离子分别在电极和对电极结构110和112之间行进，例如通常在与Y轴平行的方向上，如图2A中示出的实施例中所示，并且可以嵌入到位于行进方向内的电极结构110和对电极结构112中的一者或多者的电极材料中。载体离子嵌入和/或合金化到电极材料中的效果可以在图2B至2C所示的实施例中看到。具体而言，图2B示出了其中电极结构110处于相对未膨胀状态的电极组件106的实施例，例如在二次电池106在充电状态与放电状态之间重复循环之前。作为比较，图2C示出了具有在二次电池重复循环预定循环次数之后的电极结构110的电极组件106的实施例。如该图所示，由于载体离子嵌入和/或合金化到电极材料中或者如上所述的其它机制，电极结构110的尺寸可在堆叠方向(例如，Y方向)上显著增加。电极结构110的尺寸也可在另一方向上显著增加，例如在Z方向上(图2C中未示出)。此外，电极结构110的尺寸增加可导致电极组件内部结构变形，例如组件中的对电极结构112和分隔体130的变形，以适应电极结构110的膨胀。电极结构110的膨胀最终可导致电极组件106在其纵向端部处凸出和/或翘曲，如图2C所示的实施例中示出的(以及在其它方向，例如在Z方向上的顶面和底面处)。因此，由于充电和放电过程期间的载体离子的嵌入和脱嵌，根据一个实施例的电极组件106可沿组件106的纵向(Y轴)以及其它轴呈现出明显的膨胀和收缩。
因此，在一个实施例中，提供初级生长约束系统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1A中所示。例如，初级生长约束系统151可包括被配置为通过在电极组件106的纵向端部表面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162一起操作，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部表面116、118，并且可以与连接构件162、164一起操作，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重复充电和/或放电循环期间发生的电极组件106中的任何生长。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2A中的Y轴)诱发生长和应变，而且如上所述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2A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2A所示的Z轴)上，或甚至在横向方向(例如，图2A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151一起操作以抑制电极组件106沿电极组件106的多个轴的生长。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操作，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。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。
如上所述，约束电极组件106的生长意味着电极组件106的一个或多个维度的整体宏观增加受到约束。也就是说，可以约束电极组件106的整体生长，使得即使电极组件106内的一个或多个电极的体积变化可能在充电和放电循环期间以更小(例如，微观)尺度发生，也可以控制电极组件106的一个或多个尺寸沿(X、Y和Z轴)的增加。电极体积的微观变化可以经由例如扫描电子显微镜(SEM)观察到。虽然该组电极约束件108能够在微观层面上抑制一些单独的电极生长，但是仍然可能发生某种生长，尽管该生长可以至少受到约束。充电/放电时各个电极的体积变化虽然可以是每个单独的电极在微观层面上的微小变化，但仍然具有这样的附加效应：该附加效应导致在充电状态与放电状态之间的循环中，整个电极组件106在宏观层面上发生相对较大的体积变化，从而可能引起电极组件106中的应变。
根据一个实施例，在与电极组件106的阳极对应的电极结构110中使用的电极活性材料包括在二次电池102的充电期间载体离子插入到电极活性材料时膨胀的材料。例如，电极活性材料可包括在二次电池充电期间接受载体离子(例如通过使载体离子嵌入或合金化，其量足以产生电极活性材料的体积增加)的阳极活性材料。例如，在一个实施例中，当二次电池102从放电状态被充电至充电状态时，电极活性材料可包括具有每摩尔电极活性材料接受超过一摩尔载体离子的容量的材料。作为另一示例，电极活性材料可包括具有每摩尔电极活性材料接受1.5摩尔或更多摩尔的载体离子的容量的材料，例如每摩尔电极活性材料接受2.0摩尔或更多摩尔的载体离子，每摩尔电极活性材料甚至接受2.5摩尔或更多摩尔的载体离子，例如每摩尔电极活性材料接受3.5摩尔或更多摩尔的载体离子。由电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电极活性材料的示例包括硅(例如，SiO)、铝、锡、锌、银、锑、铋、金、铂、锗、钯及其合金和化合物中的一者或多者。例如，在一个实施例中，电极活性材料可包括呈颗粒形式的含硅材料，例如颗粒硅、颗粒氧化硅及其混合物中的一种或多种。在又一个实施例中，电极活性材料可包括表现出较小甚至可忽略的体积变化的材料。例如，在一个实施例中，电极活性材料可包括诸如石墨的含碳材料。在又一个实施例中，电极结构包括锂层，其用作电极活性材料层。
本公开的又一实施例可以包括包括电极组件106的能量存储装置100，诸如二次电池102和/或用于其的结构，其不包括约束系统，或者由除了本文描述的一组电极约束件108之外的约束系统约束。
电极组件
再次参考图1B和图2A，在一个实施例中，电极组件106包括电极结构110的群、对电极结构112的群以及将电极结构110与对电极结构112电绝缘的电绝缘分隔体130。在一个示例中，如图1B所示，电极组件包括一系列堆叠的层800，该堆叠的层800包括交替布置的电极结构110和对电极结构。图1C是示出具有图1B的电极组件106的二次电池的插图，以及图1D是具有图1B的电极组件106的二次电池的横截面。作为又一示例，在如图2A所示的实施例中，电极组件106包括叉指电极组件106，该叉指电极组件106具有相互叉指的电极和对电极结构。
此外，如本文所使用的，对于使用术语“电极”，诸如“电极结构”或“电极活性材料”，描述的材料或结构的每个实施例，应当理解的是，这种结构和/或材料在某些实施例中可以对应于“负极”的结构和/或材料，诸如“负极结构”或“负极活性材料”。类似地，如本文中所使用的，对于使用术语“对电极”，诸如“对电极结构”或“对电极活性材料”，描述材料或结构的每个实施例，应当理解的是，这种结构和/或材料在某些实施例中可以对应于“正极”的结构和/或材料，诸如“正极结构”或“正极活性材料”。也就是说，在合适的情况下，针对电极和/或对电极描述的任何实施例可以对应于其中电极和/或对电极具体为负极和/或正极的相同实施例，包括分别地它们的相应结构和材料。
在一个实施例中，电极结构110包括电极活性材料层132、支撑电极活性材料层132的电极主干134、以及电极集流体136，电极集流体可以是离子多孔集流体以允许离子通过，如图7中示出的实施例所示。例如，在一个实施例中，电极结构110可包括具有阳极活性材料层、阳极主干和阳极集流体的阳极结构。在又一个实施例中，如图1B所示，电极结构110可包括具有阳极集流体136和阳极活性材料层132的阳极结构。例如，阳极集流体136可包括设置在一个或多个阳极活性材料层之间的阳极集流体层。在又一个实施例中，电极结构110可以包括单层材料，例如锂片状电极。类似地，在一个实施例中，对电极结构112包括对电极活性材料层138、对电极集流体140、以及支撑对电极集流体140和/或对电极活性材料层138中的一者或多者的对电极主干141，例如在图7中示出的实施例中所示。例如，在一个实施例中，对电极结构112可包括阴极结构，该阴极结构包括阴极活性材料层、阴极集流体和阴极主干。在又一个实施例中，对电极结构110可包括具有阴极集流体140和阴极活性材料层138的阴极结构，如图1B所示。电绝缘微孔分隔体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中的电极结构110和对电极结构112之间行进。此外，应该理解，电极和对电极结构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/或材料以形成电极结构110和对电极结构112。例如，电极和对电极结构110、112可以以这样的形式提供：其中，电极和对电极结构基本上没有任何电极和/或对电极主干134、141，如图1B的情况，和/或例如在其中否则将包含主干的电极和/或对电极结构110、112的区域替代地由电极活性材料和/或对电极活性材料制成的情况下。
根据图1B和2A所示的实施例，电极和对电极结构的群110和112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对电极结构群的构件的堆叠方向D。如图2A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。虽然本文参考图2A来描述各种特征，包括针对二次电池和电极组件的尺寸和轴，但应当理解，这种描述也适用于本文其他附图中所描绘的实施例，包括图1B至1E的实施例。
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的纵向端部表面116、118的相对点测量的电极组件106的最大宽度，在纵向端部表面116、118处，电极组件在纵向方向上最宽。例如，参考图2A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3H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2A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3H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2A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3H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2A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1B和2A所示的实施例中，电极组件106具有第一纵向端部表面116和相对的第二纵向端部表面118，第二纵向端部表面118沿纵向轴AEA与第一纵向端部表面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部表面116、118。在一个实施例中，最大宽度WEA是沿纵向轴AEA从第一纵向端部表面116到第二纵向端部表面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144和第二区域146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2A所示的实施例仅示出了四个电极结构110和四个对电极结构112，以及在图1B中仅示出了有限数量的电极结构110和对电极结构。在一个实施例中，电极和对电极结构群110和112的构件的交替的顺序可以分别包括每个群的任意数量的构件，取决于能量存储装置100及其预期用途，并且电极和对电极结构群110和112的构件的交替的顺序可以交错，例如，如图2A所示。作为另一示例，在一个实施例中，电极结构群110的每个构件可以位于对电极结构群112的两个构件之间，除了当交替顺序沿着堆叠方向D终止时。作为另一示例，在一个实施例中，对电极结构群112的每个构件可以位于电极结构群110的两个构件之间，除了当交替顺序沿着堆叠方向D终止时。作为另一示例，在一个实施例中，并且更一般地说，电极结构群110和对电极结构群112各自具有N个构件，N-1个电极结构构件110中的每一者位于两个对电极结构构件112之间，N-1个对电极结构构件112中的每一者位于两个电极结构构件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，电极和/或对电极群的构件从假想的背板(例如，与电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印(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)电极和/或对电极结构的表面积与其在假想背板中的几何足印的比率可以是至少约5，至少约10，至少约50，至少约100，和/或甚至至少约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，电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，对电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，电极群的构件和对电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中电极和对电极结构110、112的交替顺序沿纵向方向以对称的方式分别终止，例如电极结构110在纵向方向上终止于电极组件106的每个端部117、119，或者对电极结构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，电极110和对电极结构112的交替顺序可以沿纵向方向以非对称的方式终止，例如电极结构110终止于纵向轴AEA的一端117，以及对电极结构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处具有电极结构110和/或对电极结构112中的一者或多者的子结构。作为示例，根据一个实施例，电极结构110和对电极结构112的交替顺序可终止于电极110和对电极结构112的一个或多个子结构，其中子结构包括电极主干134、对电极主干141、电极集流体136、对电极集流体140、电极活性材料层132、对电极活性材料层138等，并且还可以通过以下方式终止：即，诸如分隔体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的纵向终端117、119可包括第一和第二纵向端部表面116、118，纵向端部表面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1B和2A)，第一和第二横向端部145、147可以与一个或多个电极和/或对电极接头片(tab)190、192(请参见例如图20)接触，这些接头片可用于将电极和/或对电极结构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2A)，每个电极结构110可以连接到该电极总线194，并且该电极总线194汇集来自电极结构群110的每个构件的电流。类似地，电极组件106可包括对电极总线196，每个对电极结构112可以连接到对电极总线196，并且该对电极总线196汇集来自对电极结构群112的每个构件的电流。电极和/或对电极总线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电极结构110、112的整个长度上延伸。在图20所示的实施例中，电极接头片190和/或对电极接头片192包括电极接头片延伸部191、193，这些延伸部与电极和/或对电极总线194、196电连接并基本上在电极和/或对电极总线194、196的整个长度上延伸。或者，电极和/或对电极接头片190、192可以沿总线194、196的长度直接连接到电极和/或对电极总线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，电极和/或对电极总线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，每个电极结构110和/或对电极结构112设置有分隔体材料制成的顶部和底部涂层，如图2A所示，其中涂层在垂直方向上形成电极组件106的终端149、153。可以由分隔体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部表面116、118。例如，在一个实施例中，相对的纵向端部表面116、118可以是凸形的。作为另一示例，在一个实施例中，相对的纵向端部表面116、118可以是凹形的。作为另一示例，在一个实施例中，相对的纵向端部表面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部表面116、118，当被投影到平面上时，所述纵向端部表面116、118具有任何范围的二维形状。例如，纵向端部表面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可具有棱柱形状，具有相同尺寸和形状的相对的纵向端部表面116、118和为平行四边形的横向表面142(即，在相对的纵向端部表面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部表面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部表面116和118以及包括四个平行四边形(例如，矩形)面的横向表面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部表面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3A至3H，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3A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部表面116、118、以及包括连接纵向端部表面116、118且围绕纵向轴AEA的三个矩形面的横向表面142。在图3B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部表面116、118、以及包括连接两个纵向端部表面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3C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部表面116、118、以及包括连接两个纵向端部表面116、118且围绕纵向轴AEA的四个矩形面的横向表面142。在图3D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部表面116、118、以及包括连接两个纵向端部表面116、118且围绕纵向轴AEA的五个矩形面的横向表面142。在图3E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部表面116、118、以及包括连接两个纵向端部表面116、118且围绕纵向轴AEA的六个矩形面的横向表面142。在图3E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部表面116、118、以及包括连接两个纵向端部表面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3F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部表面116、118、以及包括连接两个纵向端部表面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3H中，借助于电极和对电极结构110、112，电极组件106在纵向方向上具有金字塔形状，电极和对电极结构的长度在纵向轴上从朝着电极组件106的中部的第一长度减小到电极组件106的纵向端部117、119处的第二长度。
电极/对电极分离距离
在一个实施例中，电极组件106具有电极结构110和对电极结构112，其中在邻近的电极结构和对电极结构110、112中，电极活性材料层132和对电极材料层138之间在高度(垂直方向)和/或长度(横向方向)上的偏移被选择在预定范围内。通过说明的方式，图14A描绘了电极组件106的截面的实施例，该电极组件106包括电极结构110的电极活性材料层132，其与对电极结构112的对电极活性材料层138相邻，并且其间具有微孔分隔体130。在所示的该截面图中，电极活性材料层132在z方向上的高度大致等于对电极活性材料层138在z方向上的高度。具有相同高度的电极活性材料层132和对电极活性材料层138的结构在层之间匹配载体离子容量的方面可以具有益处，从而提高了具有相等高度层的二次电池102的存储容量，但这样相等高度层也会有问题。具体地，对于具有高度过度靠近电极活性材料层132的高度的对电极活性材料层138，载体离子可能被吸引到电极活性材料层132的垂直端部表面500、和/或形成电极结构110的一部分的电极集流体136的暴露部分。结果可能是析出载体离子和/或形成枝晶，最终可能导致性能下降和/或电池故障。尽管可以相对于电极活性材料层34减小阴极活性材料层138的高度以减轻该问题，但是尺寸上的过度不平等影响二次电池的存储容量和功能。此外，即使当在层138、132之间提供偏移或分离距离时，也可能是以下情况：例如在二次电池106的使用或运输期间，机械震击或碰撞具有这些层的二次电池可能移动并改变层138、132的对准，使得层之间的任何原始偏移和/或分离距离变得可以忽略或甚至消除。
相应地，本公开的各方面针对以下发现：通过提供一组约束件108(例如与本文所述的任何实施例相对应的一组约束件)，即使在二次电池的正常使用或运输过程中遇到的物理和机械应力下，也可以维持电极结构110和对电极结构112中的层138、132之间的对准。因此，可以选择足够小的预定偏移和/或分离距离以提供二次电池106的良好存储容量，同时还降低电池短路或故障的风险，其中预定偏移小至5μm，通常不多于500μm。
参考图14A-14H，描述了根据本公开的其他方面。具体地，应注意，电极组件106包括电极结构110的群、电极集流体136的群、分隔体130的群、对电极结构112的群、对电极集流体140的群、以及单元基元504的群。如参考图1B和2A所示，电极和对电极结构群的构件在纵向方向上以交替的顺序排列。电极结构110的群的每个构件包括电极集流体136和电极活性材料层132，电极活性材料层132的长度LE对应于在电极活性材料层的第一和第二相对横向端部表面502a、b之间在横向方向测量的费雷特直径(例如，参见图15A)，高度HE对应于在电极活性材料层132的第一和第二相对垂直端部表面500a、b之间在垂直方向测量的电极活性材料层的费雷特直径，该高度是在电极活性材料层的相对的第一和第二垂直端部表面500a，b之间沿垂直方向测量的(例如，参见图17)。电极结构110的每个构件还具有电极活性材料层132，该电极活性材料层132的宽度WE对应于在电极活性材料层的第一和第二相对表面之间的纵向方向上测量的电极活性材料层132的费雷特直径(例如，参见图14A)。对电极结构群中的每个构件还包括对电极集流体140和对电极活性材料层138，该对电极活性材料层138的长度LC对应于在对电极活性材料层138的第一和第二相对横向端部表面503a、b之间的横向方向上测量的对电极活性材料的费雷特直径(例如，参见图15A)，以及高度HC对应于在对电极活性材料层138的第一和第二相对的垂直端部表面501a、501b之间的垂直方向上测量的费雷特直径(例如，参见图17)。对电极结构群112的每个构件还具有对电极活性材料层138，该对电极活性材料层138的宽度WC对应于在电极活性材料层的第一和第二相对表面之间的纵向方向上测量的对电极活性材料层138的费雷特直径(例如，参见图14A)。
如上所限定，电极活性材料层132在横向方向上的费雷特直径是在垂直于横向方向上限制电极活性材料层的两个平行平面之间在横向方向上测量的距离。电极活性材料层132在垂直方向上的费雷特直径是在垂直于垂直方向上限制电极活性材料层的两个平行平面之间在垂直方向上测量的距离。对电极活性材料层138在横向方向上的费雷特直径是在垂直于横向方向上限制对电极活性材料层的两个平行平面之间在横向方向上测量的距离。对电极活性材料层138在垂直方向上的费雷特直径是在垂直于垂直方向上限制对电极活性材料层的两个平行平面之间在垂直方向上测量的距离。为了解释的目的，图13A和13B描绘了在单个2D平面中确定的电极活性材料层132和/或对电极活性材料层138的费雷特直径。具体而言，图13A描绘了沿Z-Y平面截取的电极活性材料层132和/或对电极活性材料层的2D切片。在z方向(垂直方向)上限制层的两个平行的X-Y平面(505a，505b)之间的距离对应于该平面中的层H的高度(即，HE或HC)。即，垂直方向上的费雷特直径可以理解为对应于该层的最大高度的量度。虽然图13A中的描述仅是对于2D切片而言，出于解释的目的，可以理解，在3D空间中，垂直方向上的费雷特直径不限于单个切片，而是在垂直方向上彼此分离的X-Y平面505a、505b之间的距离，X-Y平面505a、505b限制了其中的三维层。同样，图13B描绘了沿X-Z平面截取的电极活性材料层132和/或对电极活性材料层138的2D切片。在x方向(横向方向)上限制层的两个平行的Z-Y平面(505c，505d)之间的距离对应于平面中的层L(即，LE或LC)的长度。即，横向方向上的费雷特直径可以理解为对应于该层的最大长度的量度。虽然图13B中的描述仅是对于2D切片而言，出于解释的目的，可以理解的是，在3D空间中，横向方向上的费雷特直径不限于单个切片，而是在横向方向上彼此分离的Z-Y平面505c、505d之间的距离，Z-Y平面505c、505d限制了其中的三维层。电极活性材料层和/或对电极活性材料在纵向方向上的费雷特直径可以类似地获得，以便获得电极活性材料层132的宽度WE和/或对电极活性材料层138的宽度WC。
在一个实施例中，如在本文其他地方所描述的，电极组件106可以理解为具有相互垂直的分别对应于虚构的三维笛卡尔坐标系的x、y和z轴的横向轴、纵向轴和垂直轴，在纵向方向上彼此分离的第一纵向端部表面和第二纵向端部表面，以及围绕电极组件纵向轴AEA并连接第一纵向端部表面和第二纵向端部表面的横向表面，该横向表面具有位于纵向轴的相对侧上并在与纵向轴正交的第一方向上分离的相对的第一区域和第二区域，电极组件具有在纵向方向上测量的最大宽度WEA，由横向表面限定并且在横向方向上测量的最大长度LEA、以及由横向表面限定并且在垂直方向上测量的最大高度HEA。
再次参考图14A至图14H，可以看出，每个单元基元504包括电极集流体群的第一电极集流体136的单元基元部分、对载体离子是离子可渗透的分隔体130(例如，包括多孔材料的分隔体)、电极群中的一个构件的第一电极活性材料层132、对电极集流体群的第一对电极集流体140的单元基元部分、以及对电极群的一个构件的第一对电极活性材料层138。在一个实施例中，在单元基元群中的连续和/或相邻构件504a、504b、504c的情况下(例如，如图18A所示)，电极集流体136和/或对电极集流体的至少一部分可以在单元之间(504a和504b、以及504b和504c)共享。例如，参考图18A，可以看出，单元基元504a和504b共享对电极集流体140，而单元基元504b和504c共享电极集流体136。在一个实施例中，每个单元基元包括1/2的共享集流体，尽管也可以提供其他结构布置。根据又一个实施例，对于在电极组件106的纵向端部处形成终端单元基元的一部分的集流体，单元基元504可以包括非共享集流体，并且因此包括整个集流体作为基元的一部分。
此外，再次参考图14A至图14H以及图18A的单元基元，可以看出，在每个单元基元504内，第一电极活性材料层132a靠近分隔体130的第一侧506a，并且第一对电极材料层138a靠近分隔体130的相对的第二侧506b。如图18A的实施例所示，电极结构110包括在纵向方向上形成单元基元504a的一部分的第一电极活性材料层132a以及形成下一个相邻的单元基元的一部分的第二电极活性材料层132b二者。类似地，对电极结构112包括在纵向方向上形成单元基元504a一部分的第一对电极活性材料层138a以及形成下一个相邻的单元基元504b的一部分的第二对电极活性材料层138b。分隔体130将第一电极活性材料层132a与第一对电极活性材料层138a电隔离，并且在电池在充电和放电状态之间循环期间，载体离子经由每个这样的单元基元504的分隔体130在第一电极活性材料层132a与第一对电极活性材料138a层之间交换。
为了进一步阐明每个单元基元504中的第一电极活性材料层132a和第一对电极活性材料层138a之间的偏移和/或分离距离，请参考图11A-C和12A-C。具体地，参考图11A-C，描述了在垂直方向上的偏移和/或分离距离。如在该实施例的图11A中所示，电极和对电极活性材料层132、138的第一垂直端部表面500a、501a在电极组件106的相同侧。此外，电极活性材料132的第一相对垂直端部表面500a的中值垂直位置在X-Z平面中沿着电极活性材料层的长度LE的2D图绘出了第一垂直端部表面图EVP1。也就是说，如参考图11C所示，对于沿着横向方向(X)的每个ZY平面，可以这样确定电极活性材料层132的垂直端部表面500a的中值垂直位置(z位置)，即，获取ZY平面的特定横向位置(例如，X1、X2、X3等)处的作为y的函数的该表面的z位置的中值。图11C总体描绘了线的示例，其示出了在选定的x切片(例如，在X1处的切片)处的特定ZY平面的垂直端部表面500a的中值垂直位置(z位置)。(请注意，图11C总体上描述了垂直端表面的中值垂直位置(图的顶部和底部的虚线)的确定，即，电极活性材料层132的第一垂直端表面500a和第二垂直端表面500b的中值垂直位置的确定，和/或对电极活性材料层138的第一垂直端部表面501a和第二垂直端部表面501b的中值垂直位置的确定。)图11B描绘了一个实施例，其中沿着电极活性材料的长度LE(即，沿着长度LE的每个x位置X1、X2、X3处)所确定的该中值垂直位置的2D图绘出了第一垂直端部表面图EVP1，第一垂直端部表面图EVP1对应于作为x(例如，在X1、X2、X3等处)的函数绘制的中值垂直位置(z位置)。例如，对于对应于在电极活性材料层的第一横向端处的X0E至在电极活性材料层的第二横向端处的XLE的x位置，可以将电极活性材料层132的垂直端部表面500a的中值垂直位置绘制为x(横向位置)的函数，其中XLE-XL0等价于电极活性材料层132在横向方向上的费雷特直径(电极活性材料层132的长度LE)。
类似地，在对电极活性材料层138的第一相对端部表面501a的情况下，对电极活性材料层138的第一相对垂直端部表面501a的中值垂直位置在X-Z平面中沿对电极活性材料层138的长度LC的2D图绘出了第一垂直端部表面图CEVP1。再次参考图11C，可以理解，对于沿横向方向的每个ZY平面，可以这样确定对电极活性材料层138的垂直端部表面501a的中值垂直位置(z位置)，即，通过获取在该ZY平面的特定横向位置(例如，X1、X2、X3等)处的作为y的函数该表面的z位置的中值。图11C一般描绘了线的示例，其示出了在所选x切片(例如，在X1处的切片)处的特定YZ平面的垂直端部表面501a的中值垂直位置(z位置)。图11B描绘了一个实施例，其中沿着对电极活性材料的长度LC(即，沿着长度LC的每个x位置X1、X2、X3处)所确定的该中值垂直位置的2D图描绘了第一垂直端部表面图CEVP1，第一垂直端部表面图CEVP1对应于作为x(例如，在X1、X2、X3等处)的函数绘制的中值垂直位置(z位置)。例如，对于对应于在对电极活性材料层的第一横向端处的X0c至在对电极活性材料层的第二横向端处的XLc的x位置，可以将对电极活性材料层138的垂直端部表面501a的中值垂直位置绘制为x(横向位置)的函数，其中XLc-XL0等价于对电极活性材料层138在横向方向上的费雷特直径(对电极活性材料层138的长度LC)。
此外，电极活性材料层132和对电极活性材料层138的第一垂直表面500a、501a之间的垂直间隔的偏移和/或分离距离要求：对于第一对电极活性材料层的长度LC的至少60％：(i)在垂直方向上测得的曲线EVP1和CEVP1之间的分离距离SZ1的绝对值为1000μm≥|SZ1|≥5μm。另外，在一个实施例中，要求，对于第一对电极活性材料层的长度LC的至少60％：(ii)对于电极和对电极活性材料层132、138的第一垂直端部表面500a、500b之间，对电极活性材料层的第一垂直端部表面相对于电极活性材料层的第一垂直端部表面向内(例如，沿508向内)设置。即，通过参考图11B，可以看出，对于第一对电极活性材料层138的长度LC的至少60％，即，对于从X0C到XLC的位置x的至少60％(对电极活性材料层在横向方向上的费雷特直径的60％)，分离距离SZ1的绝对值要求不大于1000μm，并且不小于5μm，该分离距离SZ1的绝对值对应于沿x的任何给定点处的曲线EVP1和CEVP1之间的距离。此外，可以看出，对于第一对电极活性材料层138的长度LC的至少60％，即，对于从X0C到XLC的位置x的至少60％(对电极活性材料层在横向方向上的费雷特直径的60％)，对电极活性材料层的第一垂直端部表面相对于电极活性材料层的第一垂直端部表面向内设置。
在一个实施例中，SZ1的绝对值可以≥5μm，例如≥10μm、≥15μm、≥20μm、≥35μm、≥45μm、≥50μm、≥75μm、≥100μm、≥150μm以及≥200μm。在另一个实施例中，SZ1的绝对值可以≤1000微米，例如≤500μm、例如≤475μm、≤425μm、≤400μm、≤375μm、≤350μm、≤325μm、≤300μm以及≤250μm。在一个实施例中，SZ1的绝对值可以遵循关系：1000μm≥|SZ1|≥5μm，和/或500μm≥|SZ1|≥10μm，和/或250μm≥|SZ1|≥20μm。在又一实施例中，对于单元基元中的对电极活性材料层132的宽度WE的费雷特直径，SZ1的绝对值可以在5×WE≥|SZ1|≥0.05×WE的范围内。此外，在一个实施例中，|SZ1|的任何上述值和/或关系可以适用于第一对电极活性材料层的长度LC的60％以上，例如第一对电极活性材料层的长度LC的至少65％、至少70％、至少75％、至少80％、至少85％、至少90％、甚至至少95％。
此外，对于从X0C到XLC的位置x的至少60％(对电极活性材料层在横向方向上的费雷特直径的60％)，对电极活性材料层的第一垂直端部表面相对于电极活性材料层的第一垂直端部表面向内设置。即，可以将电极活性材料层132理解为，对于对电极活性材料层的长度LC的至少60％，具有比对电极活性材料层130更靠近横向表面的中值垂直位置(如图11C所示，对于指定的X切片，在YZ平面中的z上的位置)。换句话说，对电极活性材料层138可以理解为具有沿着电极组件106的向内方向508比电极活性材料层132的中值垂直位置更远的中值垂直位置(如图11C所示，对于指定的X切片，在YZ平面中的z上的位置)。电极活性材料层132相对于对电极活性材料层138的这种垂直偏移也可以关于图11A中的实施例看到，图11A示出了电极材料层132的高度超过对电极活性材料层138的高度，以及图11B的曲线示出了电极活性材料层132的中值垂直位置EVP1沿横向方向超过对电极活性材料层的中值垂直位置CEVP1。在一个实施例中，对于第一对电极活性材料层的长度LC的60％以上，例如第一对电极活性材料层的长度LC的至少65％、至少70％、至少75％、至少80％、至少85％、至少90％、甚至至少95％，对电极活性材料层的第一垂直端部表面相对于电极活性材料层的第一垂直端部表面向内设置。
在一个实施例中，相对于电极和对电极活性材料层132、138的第一垂直端部表面500a、501a的分离距离Sz1上述的关系，同样可以确定电极和对电极活性材料层132、138的第二垂直表面500b、501b的分离距离的关系(例如，如图18A所示)。即，第二垂直端部表面500b和501b彼此在电极组件106的相同侧上，并且分别与电极和对电极活性材料层132、138的第一垂直端部表面500a、501a相对。此外，类似于上面给出的关于分离距离和/或偏移Sz1的描述，电极活性材料132的第二相对垂直端部表面500b的中值垂直位置在X-Z平面中沿着电极活性材料层的长度LE方向的2D图描绘了第二垂直端部表面图EVP2。也就是说，如参考图11A-C所示，对于沿横向方向的每个YZ平面，可以这样确定电极活性材料层132的第二垂直端部表面500b的中值垂直位置(z位置)，即，通过获取在该YZ平面的特定横向位置(例如，X1、X2、X3等)处的作为y的函数的该表面的z位置的中值。图11C一般地描绘了线的示例，其示出了在选定的x切片(例如，在X1处的切片)处的特定YZ平面的第二垂直端部表面500b的中值垂直位置(z位置)。图11B描绘了一个实施例，其中沿着电极活性材料的长度LE(即，沿着长度LE的每个x位置X1、X2、X3处)所确定的该中值垂直位置的2D图绘出了第二垂直端部表面图EVP2，第二垂直端部表面图EVP2对应于作为x(例如，在X1、X2、X3等处)的函数绘制的中值垂直位置(z位置)。例如，对于对应于在电极活性材料层的第一横向端处的X0E至在电极活性材料层的第二横向端处的XLE的x位置，可以将电极活性材料层132的第二垂直端部表面500b的中值垂直位置绘制为x(横向位置)的函数，其中XLE-XL0等价于电极活性材料层132在横向方向上的费雷特直径(电极活性材料层132的长度LE)。
类似地，在对电极活性材料层138的第二相对端部表面501b的情况下，对电极活性材料层138的第二相对垂直端部表面501b的中值垂直位置在X-Z平面中沿对电极活性材料层138的长度LC的2D图绘出了第二垂直端部表面图CEVP2。再次参考图11A至11C，可以理解，对于沿横向方向的每个YZ平面，可以这样确定对电极活性材料层138的第二垂直端部表面501b的中值垂直位置(z位置)确定，即，获取在该YZ平面的特定横向位置(例如，X1、X2、X3等)处的作为y的函数的该表面的z位置的中值考。图11C一般地描绘了线的示例，其示出了在所选x切片(例如，在X1处的切片)处的特定YZ平面的第二垂直端部表面501b的中值垂直位置(z位置)。图11B描绘了一个实施例，其中沿着对电极活性材料的长度LC(即，沿着长度LC的每个x位置X1、X2、X3处)所确定的该中值垂直位置的2D图描绘了第二垂直端部表面图CEVP2，第二垂直端部表面图CEVP2对应于作为x(例如，在X1、X2、X3等处)的函数绘制的中值垂直位置(z位置)。例如，对于对应于在对电极活性材料层的第一横向端处的X0c至在对电极活性材料层的第二横向端处的XLc的x位置，可以将对电极活性材料层138的第二垂直端部表面501b的中值垂直位置绘制为x(横向位置)的函数，其中XLc-XL0等价于对电极活性材料层138在横向方向上的费雷特直径(对电极活性材料层138的长度LC)。
此外，电极活性材料层132和对电极活性材料层138的第二垂直表面500b、501b之间的垂直间隔的偏移和/或分离距离要求，对于第一对电极活性材料层的长度LC的至少60％：(i)在垂直方向上测得的图EVP2和CEVP2之间的分离距离SZ2的绝对值为1000μm≥|SZ2|≥5μm。另外，在一个实施例中，要求，对于第一对电极活性材料层的长度LC的至少60％：(ii)对于电极和对电极活性材料层132、138的第二垂直端部表面500b、501b之间，对电极活性材料层的第二垂直端部表面相对于电极活性材料层的第二垂直端部表面向内设置。即，通过参考图11B，可以看出，分离距离SZ2的绝对值要求不大于1000μm，并且不小于5μm，这对于第一对电极活性材料层138的长度LC的至少60％，即对于位置x从X0C到XLC的至少60％(对电极活性材料层在横向方向上的费雷特直径的60％)，该分离距离SZ2的绝对值对应于沿x的任何给定点处的图EVP2和CEVP2之间的距离。此外，可以看出，对于第一对电极活性材料层138的长度LC的至少60％，即位置x从X0C到XLC的至少60％(对电极活性材料层在横向方向上的费雷特直径的60％)，对电极活性材料层的第二垂直端部表面相对于电极活性材料层的第二垂直端部表面向内设置。
在一个实施例中，SZ2的绝对值可以≥5μm，例如≥10μm、≥15μm、≥20μm、≥35μm、≥45μm、≥50μm、≥75μm、≥100μm、≥150μm以及≥200μm。在另一个实施例中，SZ2的绝对值可以≤1000微米，例如≤500μm、例如≤475μm、≤425μm、≤400μm、≤375μm、≤350μm、≤325μm、≤300μm以及≤250μm。在一个实施例中，SZ2的绝对值可以遵循关系：1000μm≥|SZ2|≥5μm，和/或500μm≥|SZ2|≥10μm，和/或250μm≥|SZ2|≥20μm。在又一实施例中，对于单元基元中的对电极活性材料层132的宽度WE的费雷特直径，SZ2的绝对值可以在5×WE≥|SZ2|≥0.05×WE的范围内。此外，在一个实施例中，|SZ2|的任何上述值和/或关系可以适用于第一对电极活性材料层的长度LC的60％以上，例如第一对电极活性材料层的长度LC的至少65％、至少70％、至少75％、至少80％、至少85％、至少90％、甚至至少95％。此外，以上针对SZ2描述的值和/或关系可以与针对SZ1的那些相同和/或不同，和/或可适用于与针对SZ1不同的长度LC的百分比。
此外，对于位置x从X0C到XLC的至少60％(对电极活性材料层在横向方向上的费雷特直径的60％)，对电极活性材料层的第二垂直端部表面相对于电极活性材料层的第二垂直端部表面向内设置。即，可以将电极活性材料层132理解为，对于电极活性材料层的长度LC的至少60％，具有比对电极活性材料层130更靠近横向表面的中值垂直位置(如图11C所示，对于指定的X切片，在YZ平面中的z上的位置)。换句话说，对电极活性材料层138可以理解为具有沿着电极组件106的向内方向508比电极活性材料层132的中值垂直位置更远的中值垂直位置(如图11C所示，对于指定的X切片，在YZ平面中的z上的位置)。电极活性材料层132相对于对电极活性材料层138的这种垂直偏移也可以关于图11A中的实施例看到，图11A示出了电极材料层132的高度超过对电极活性材料层138的高度，以及图11B的曲线示出了电极活性材料层132的中值垂直位置EVP2沿横向方向低于对电极活性材料层的中值垂直位置CEVP2。在一个实施例中，对于第一对电极活性材料层的长度LC的60％以上，例如第一对电极活性材料层的长度LC的至少65％、至少70％、至少75％、至少80％、至少85％、至少90％、甚至至少95％，对电极活性材料层的第二垂直端部表面相对于电极活性材料层的第一垂直端部表面向内设置。
此外，在一个实施例中，电极组件106还包括在每个单元基元中的电极和对电极活性材料层132、138的横向端部之间的横向偏移和/或分离距离。参考图12A至12C，描述了在横向方向上的偏移和/或分离距离。如在该实施例的图12A中所示，电极和对电极活性材料层132、138的第一横向端部表面502a、503a在电极组件106的相同侧(也参见图15A-15F)。此外，电极活性材料132的第一相对横向端部表面502a的中值横向位置在X-Z平面中沿着电极活性材料层的高度HE的2D图绘出了第一横向端部表面图ETP1。也就是说，如参考图12A所示，对于沿着垂直方向的每个YX平面，可以这样确定电极活性材料层132的横向端部表面502a的中值横向位置(x位置)，即，通过获取YX平面的特定垂直位置(例如，Z1、Z2、Z3等)处的作为y的函数的该表面的x位置的中值。图23C总体描绘了线的示例，其示出了在选定的z切片(例如，在Z1处的切片)处的特定YX平面的第一横向端部表面502a的中值横向位置(x位置)。(请注意，图23C总体上描述了横向端表面的中值横向位置(图的顶部和底部的虚线)的确定，即，电极活性材料层132的第一横向端表面5002a和第二横向端表面5002b的中值横向位置的确定，和/或对电极活性材料层138的第一横向端部表面503a和第二横向端部表面503b的中值横向位置的确定。)图12B描绘了一个实施例，其中沿着电极活性材料的高度HE(即，沿着高度HE的每个z位置Z1、Z2、Z3处)所确定的该中值横向位置的2D图绘出了第一横向端部表面图ETP1，第一横向端部表面图ETP1对应于作为z(例如，在Z1、Z2、Z3等处)的函数绘制的中值横向位置(x位置)。例如，对于对应于在电极活性材料层的第一垂直端处的Z0E至在电极活性材料层的第二垂直端处的ZHE的z位置，可以将电极活性材料层132的横向端部表面502a的中值横向位置绘制为z(垂直位置)的函数，其中ZHE-Z0E等于电极活性材料层132在垂直方向上的费雷特直径(电极活性材料层132的高度HE)。
类似地，在对电极活性材料层138的第一横向端部表面503a的情况下，对电极活性材料层138的第一相对横向端部表面503a的中值横向位置在X-Z平面中沿对电极活性材料层138的高度HC的2D图绘出了第一横向端部表面图CETP1。再次参考图12A-C，可以理解，对于沿垂直方向的每个YX平面，可以这样确定对电极活性材料层138的横向端部表面503a的中值横向位置(x位置)，即，通过获取该YX平面的特定垂直位置(例如，Z1、Z2、Z3等)处的作为y的函数的该表面的x位置的中值。图23C总体描绘了线的示例，其示出了在所选z切片(例如，在Z1处的切片)处的特定YX平面的横向端部表面503a的中值横向位置(x位置)。图12B描绘了一个实施例，其中沿着对电极活性材料的高度HC(即，沿着高度HC的每个z位置Z1、Z2、Z3处)所确定的该中值横向位置的2D图描绘了第一横向端部表面图CETP1，第一横向端部表面图CETP1对应于作为z(例如，在Z1、Z2、Z3等处)的函数绘制的中值横向位置(x位置)。例如，对于对应于在对电极活性材料层的第一垂直端处的Z0c至在对电极活性材料层的第二垂直端处的ZHc的z位置，可以将对电极活性材料层138的横向端部表面503a的中值横向位置绘制为z(垂直位置)的函数，其中ZHc-Z0c等价于对电极活性材料层138在垂直方向上的费雷特直径(对电极活性材料层138的高度HC)。
此外，电极活性材料层132和对电极活性材料层138的第一横向表面502a、502b之间的横向间隔的偏移和/或分离距离要求对于第一对电极活性材料层的高度HC的至少60％：(i)在垂直方向上测得的图ETP1和CETP1之间的分离距离SX1的绝对值为1000μm≥|SX1|≥5μm。另外，在一个实施例中，要求对于第一对电极活性材料层的高度HC的至少60％：(ii)对于电极和对电极活性材料层132、138的第一横向端部表面502a、502b之间，对电极活性材料层的第一横向端部表面相对于电极活性材料层的第一横向端部表面向内设置。即，通过参考图12B，可以看出，对于第一对电极活性材料层138的高度HC的至少60％，即，对于从Z0C到ZHC的位置z的至少60％(对电极活性材料层在垂直方向上的费雷特直径的60％)，分离距离SX1的绝对值要求不大于1000μm，并且不小于5μm，该分离距离SX1的绝对值对应于沿z的任何给定点处的曲线ETP1和CETP1之间的距离。此外，可以看出，对于第一对电极活性材料层138的高度HC的至少60％，即从Z0C到ZHC的位置z至少60％(对电极活性材料层在垂直方向上的费雷特直径的60％)，对电极活性材料层的第一横向端部表面相对于电极活性材料层的第一横向端部表面向内设置。
在一个实施例中，SX1的绝对值可以≥5μm，例如≥10μm、≥15μm、≥20μm、≥35μm、≥45μm、≥50μm、≥75μm、≥100μm、≥150μm以及≥200μm。在另一个实施例中，SX1的绝对值可以≤1000微米，例如≤500μm、例如≤475μm、≤425μm、≤400μm、≤375μm、≤350μm、≤325μm、≤300μm以及≤250μm。在一个实施例中，SX1的绝对值可以遵循关系：1000μm≥|SX1|≥5μm，和/或500μm≥|SX1|≥10μm，和/或250μm≥|SX1|≥20μm。在又一实施例中，对于单元基元中的对电极活性材料层132的宽度WE的费雷特直径，SX1的绝对值可以在5×WE≥|SX1|≥0.05×WE的范围内。此外，在一个实施例中，|SX1|的任何上述值和/或关系可以适用于对电极活性材料层的高度HC的60％以上，例如对电极活性材料层的高度HC的至少65％、至少70％、至少75％、至少80％、至少85％、至少90％、甚至至少95％。此外，以上针对SX1描述的值和/或关系可以与针对SZ1和/或SZ2的那些相同和/或不同。
此外，对于从Z0C到ZHC的位置z的至少60％(对电极活性材料层在垂直方向上的费雷特直径的60％)，对电极活性材料层的第一横向端部表面相对于电极活性材料层的第一横向端部表面向内设置。即，可以将电极活性材料层132理解为，对于对电极活性材料层的高度HC的至少60％，具有比对电极活性材料层130更靠近横向表面的中值横向位置(如图23C所示，对于指定的Z切片，在XY平面中的x上的位置)。换句话说，对电极活性材料层138可以理解为具有沿着电极组件106的向内方向510比电极活性材料层132的中值横向位置更远的中值横向位置(如图23C所示，对于指定的X切片，在XY平面中的x上的位置)。电极活性材料层132相对于对电极活性材料层138的这种横向偏移也可以相对于图12A中的实施例看到，图12A示出了电极材料层132的长度超过对电极活性材料层138的长度，以及图12B的图示出了电极活性材料层132的中值横向位置ETP1沿垂直方向超过对电极活性材料层的中值横向位置CETP1。在一个实施例中，对于第一对电极活性材料层的高度HC的多于60％，例如第一对电极活性材料层的高度HC的至少65％、至少70％、至少75％、至少80％、至少85％、至少90％、甚至至少95％，对电极活性材料层的第一横向端部表面相对于电极活性材料层的第一横向端部表面向内设置。此外，沿着其中对电极活性材料比电极活性材料更向内的高度HC的百分比与第二横向端部表面相比在第一横向端部表面处可以不同。
在一个实施例中，对于电极和对电极活性材料层132、138的第二横向表面502b、503b的分离距离的关系(例如，如图15A至15F所示)，同样可以确定上述针对关于电极和对电极活性材料层132、138的第一横向端部表面502a、503a的分离距离SX1描述的关系。即，第二横向端部表面502b和503b彼此在电极组件106的相同侧上，并且分别与电极和对电极活性材料层132、138的第一横向端部表面502a、503a相对。此外，类似于上面给出的关于分离距离和/或偏移SX1的描述，电极活性材料132的第二相对横向端部表面502b的中值横向位置在X-Z平面中沿着电极活性材料层的高度HE的2D图描绘了第二横向端部表面图ETP2。也就是说，如参考图12A-C所示，对于沿垂直方向的每个YX平面，可以这样确定电极活性材料层132的第二横向端部表面502b的中值横向位置(x位置)，即，通过获取在该YX平面的特定垂直位置(例如，Z1、Z2、Z3等)处的作为y的函数的该表面的x位置的中值。图23C总体描绘了线的示例，其示出了在选定的切片(例如，在Z1处的切片)处的特定YX平面的第二横向端部表面502b的中值横向位置(x位置)。图12B描绘了一个实施例，其中沿着电极活性材料的高度HE(即，沿着高度HE的每个z位置Z1、Z2、Z3处)所确定的该中值横向位置的2D图绘出了第二横向端部表面图ETP2，第二横向端部表面图ETP2对应于作为z(例如，在Z1、Z2、Z3等处)的函数绘制的中值横向位置(x位置)。例如，对于对应于在电极活性材料层的第一垂直端处的Z0E至在电极活性材料层的第二垂直端处的ZHE的z位置，可以将电极活性材料层132的第二横向端部表面502b的中值横向位置绘制为z(垂直位置)的函数，其中ZHE-Z0E等价于电极活性材料层132在垂直方向上的费雷特直径(电极活性材料层132的高度HE)。
类似地，在对电极活性材料层138的第二相对横向端部表面503b的情况下，对电极活性材料层138的第二相对横向端部表面503b的中值横向位置在X-Z平面中沿对电极活性材料层138的高度HC的2D图绘出了第二横向端部表面图CETP2。再次参考图12A至12C，可以理解，对于沿垂直方向的每个YX平面，可以这样确定对电极活性材料层138的第二横向端部表面503b的中值横向位置(x位置)，即，通过获取在该YX平面的特定垂直位置(例如，Z1、Z2、Z3等)处的作为y的函数的该表面的z位置的中值。图23C总体描绘了线的示例，其示出了在所选z切片(例如，在Z1处的切片)处的特定YX平面的第二横向端部表面503b的中值横向位置(x位置)。图12B描绘了一个实施例，其中沿着对电极活性材料的高度HC(即，沿着高度HC的每个z位置Z1、Z2、Z3处)所确定的该中值横向位置的2D图描绘了第二横向端部表面图CETP2，第二横向端部表面图CETP2对应于作为z(例如，在Z1、Z2、Z3等处)的函数绘制的中值横向位置(x位置)。例如，对于对应于在对电极活性材料层的第一横向端处的Z0c至在对电极活性材料层的第二横向端处的ZHc的z位置，可以将对电极活性材料层138的第二横向端部表面503b的中值横向位置绘制为z(垂直位置)的函数，其中ZHc-X0c等价于对电极活性材料层138在垂直方向上的费雷特直径(对电极活性材料层138的高度HC)。
此外，电极活性材料层132和对电极活性材料层138的第二横向表面502b、503b之间的横向间隔的偏移和/或分离距离要求，对于第一对电极活性材料层的高度HC的至少60％：(i)在垂直方向上测得的曲线ETP2和CETP2之间的分离距离SX2的绝对值为1000μm≥|SX2|≥5μm。另外，在一个实施例中，要求，对于第一对电极活性材料层的高度HC的至少60％：(ii)对于电极和对电极活性材料层132、138的第二横向端部表面502b、503b之间，对电极活性材料层的第二横向端部表面相对于电极活性材料层的第二横向端部表面向内设置。即，通过参考图12B，可以看出，对于第一对电极活性材料层138的高度HC的至少60％，即，从Z0C到ZHC的位置z的至少60％(对电极活性材料层在垂直方向上的费雷特直径的60％)，分离距离SX2的绝对值要求不大于1000μm，并且不小于5μm，该分离距离SX2的绝对值对应于沿z的任何给定点处的图ETP2和CETP2之间的距离。此外，可以看出，对于第一对电极活性材料层138的高度HC的至少60％，即从Z0C到ZHC的位置z至少60％(对电极活性材料层在垂直方向上的费雷特直径的60％)，对电极活性材料层的第二横向端部表面相对于电极活性材料层的第二横向端部表面向内设置。
在一个实施例中，SX2的绝对值可以≥5μm，例如≥10μm、≥15μm、≥20μm、≥35μm、≥45μm、≥50μm、≥75μm、≥100μm、≥150μm以及≥200μm。在另一个实施例中，SX2的绝对值可以≤1000微米，例如≤500μm、例如≤475μm、≤425μm、≤400μm、≤375μm、≤350μm、≤325μm、≤300μm以及≤250μm。在一个实施例中，SX2的绝对值可以遵循关系：1000μm≥|SX2|≥5μm，和/或500μm≥|SX2|≥10μm，和/或250μm≥|SX2|≥20μm。在又一实施例中，对于单元基元中的对电极活性材料层132的宽度WE的费雷特直径，SX2的绝对值可以在5×WE≥|SX2|≥0.05×WE的范围内。此外，在一个实施例中，|SX2|的任何上述值和/或关系可以适用于对电极活性材料层的高度HC的多余60％，例如对电极活性材料层的高度HC的至少65％、至少70％、至少75％、至少80％、至少85％、至少90％、甚至至少95％。此外，以上针对SX2描述的值和/或关系可以与针对SX1、SZ1和/或SZ2的那些相同和/或不同。
此外，对于从Z0C到ZHC的位置z的至少60％(对电极活性材料层在垂直方向上的费雷特直径的60％)，对电极活性材料层的第二横向端部表面相对于电极活性材料层的第二横向端部表面向内设置。即，可以将电极活性材料层132理解为，对于对电极活性材料层的高度HC的至少60％，具有比对电极活性材料层130更靠近横向表面的中值横向位置(如图23C所示，对于指定的Z切片，在XY平面中的x上的位置)。换句话说，对电极活性材料层138可以理解为具有沿着电极组件106的向内方向510比电极活性材料层132的中值横向位置更远的中值横向位置(如图23C所示，对于指定的X切片，在XY平面中的x上的位置)。电极活性材料层132相对于对电极活性材料层138的这种横向偏移也可以关于图12A中的实施例看到，图12A示出了电极材料层132的长度超过对电极活性材料层138的长度，以及图12B的图示出了电极活性材料层132的中值横向位置ETP2沿垂直方向低于对电极活性材料层的中值横向位置CETP2。在一个实施例中，对于第一对电极活性材料层的高度HC的多余60％，例如第一对电极活性材料层的高度HC的至少65％、至少70％、至少75％、至少80％、至少85％、至少90％、甚至至少95％，对电极活性材料层的第二横向端部表面相对于电极活性材料层的第二横向端部表面向内设置。此外，沿着其中对电极活性材料比电极活性材料更向内的高度HC的百分比与第二横向端部表面相比在第一横向端部表面处可以不同。
根据一个实施例，可以通过提供一组电极约束件108来维持在垂直和/或横向方向上的偏移和/或分离距离，该组电极约束件108能够维持和稳定化每个单元基元中的电极活性材料层132和对电极活性材料层138的对准，甚至稳定化电极结构110和对电极结构112在电极组件106中相对于彼此的位置。在一个实施例中，电极约束件108的组包括本文所述的任何那些，包括其任何组合或部分。例如，在一个实施例中，该组电极约束件108包括初级约束系统151，该初级约束系统151包括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162，第一和第二初级生长约束件154、156在纵向方向上彼此分离，并且至少一个初级连接构件162连接第一和第二初级生长约束件154、156，其中初级约束系统151限制电极组件106在纵向方向上的生长，使得电极组件在二次电池的连续20个循环中在纵向方向上的费雷特直径的任何增加小于20％。在又一个实施例中，该组电极约束件108还包括二级约束系统152，该二级约束系统152包括在第二方向上分离并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，其中二级约束系统155在二次电池106循环时，至少部分地限制了电极组件106在第二方向上的生长，该第二方向与纵向方向正交。该组电极约束件108的其他实施例在下面描述。
返回图14A至图14H，描述了关于垂直分离距离和/或偏移的单元基元504的各种不同构造。在所示的实施例中，一组约束件108的一部分位于层132的至少一个垂直端，并且可以连接到单元基元504的一个或多个结构。例如，该组电极约束件108包括第一和第二二级生长约束件158、160，并且该生长约束件可以连接到单元基元中结构的垂直端。在如图14A所示的实施例中，第一和第二生长约束件158、160通过将单元基元的结构接合到约束件158、160的粘合层516附接(图1A的剖视图示出了上部约束件158)。在图14A中，电极集流体136的垂直端、分隔体层130和对电极集流体140通过粘合层516接合到第一和第二生长约束件158、160。因此，如下面进一步详细描述的，电极集流体136、分隔体层130和对电极集流体140中的一个或多个可以单独地或共同地充当连接第一和第二生长约束件的二级连接构件166，以约束电极组件106的生长。图14B示出了另一实施例，其中，单元基元504的所有电极集流体136、分隔体层130和对电极集流体140均接合到第一和第二二级生长约束件158、160。可选地，可以将结构的一些接合到第一二级生长约束件158，而将另一些接合到第二二级生长约束件。在如图14C所示的实施例中，电极集流体136和分隔体层130的垂直端都接合到第一和第二二级生长约束件158、160，而对电极集流体140在垂直方向上接触第一和第二生长约束件之前终止。在如图14D至图14E所示的实施例中，电极集流体136和对电极集流体140的垂直端接合至第一和第二二级生长约束件158、160，而分隔体130在垂直方向接触第一和第二生长约束件之前终止。在如图14F所示的实施例中，电极集流体136的垂直端接合到第一和第二二级生长约束件158、160，而分隔体130和对电极集流体140在垂直方向上接触第一和第二生长约束件之前终止。在如图14G至图14H所示的实施例中，对电极集流体140的垂直端接合到第一和第二二级生长约束件158、160，而分隔体130和电极集流体136在垂直方向上接触第一和第二生长约束件之前终止。
此外，在一个实施例中，单元基元504可以包括一个或多个绝缘体构件514，其布置在电极活性材料层132和/或对电极活性材料层的第一和第二垂直表面中的一个或多个之间。绝缘体构件514可以是电绝缘的，以抑制单元基元504中的结构之间的短路。绝缘体构件还可以是非离子渗透的，或者至少比分隔体130的离子渗透低，以阻止载体离子通过。即，可以提供绝缘体构件514以使电极和对电极活性材料层132、138的垂直表面绝缘，以免析出(plating out)、形成枝晶和/或其他电化学反应，否则暴露的表面可能容易受到该电化学反应的影响，从而延长具有带有绝缘构件514的单元基元504的二次电池102的寿命。例如，绝缘构件514的离子渗透性和/或离子电导可以小于在相同的单元基元504中所设置的分隔体130的离子渗透性和/或离子电导。例如，绝缘构件514可具有与下面进一步描述的载体离子绝缘材料层674相同和/或相似的对载体离子的渗透性和/或电导。绝缘构件514可以由多种不同的材料制成，包括陶瓷、聚合物、玻璃及其组合和/或其复合物。
在图14A所示的实施例中，单元基元504不具有绝缘构件514，因为电极和对电极活性材料层132、138的第一垂直端部表面500a、501a的垂直尺寸z都与第一二级生长约束件158接近，甚至基本与第一二级生长约束件158齐平。第二垂直端部表面500b、501b可以类似地在相对的垂直方向(未示出)上到达第二二级生长约束件160。在某些实施例中，即使在电极和对电极活性材料层132、138中的一个或多个的垂直表面上没有设置绝缘构件514，单元基元也可以包括预定的垂直偏移Sz1和Sz2，如上所述。因此，在一方面，如图14A所示的实施例即使未设置绝缘构件514，也可以具有偏移Sz1和/或Sz2(未明确示出)。
图14B所示的实施例示出了单元基元504，其在电极和对电极活性材料层的第一垂直端部表面500a、501a之间具有明显偏移Sz1，和/或在电极和对电极活性材料层的第二垂直端部表面500a、501a之间具有明显偏移Sz2(未示出)。在该实施例中，绝缘构件514设置在对电极活性材料层138的第一垂直端部表面501a与第一二级生长约束件158的内表面之间，和/或在对电极活性材料层138的第二垂直端部表面501b和第二二级生长约束件160的内表面之间(未示出)。尽管在图14B所示的2D Z-Y平面中未示出，绝缘构件515可以基本上并且甚至整个地在对电极活性材料层138的垂直表面上延伸，例如在纵向方向(y方向)和横向方向(x方向–进入图14B中的页面)延伸，以覆盖一个或多个垂直表面501a、b。此外，在图14B所示的实施例中，绝缘体构件514设置在对电极活性材料层138的一个纵向端部处的分隔体130和另一纵向端部处对电极集流体140之间，和/或由对电极活性材料层138的一个纵向端部处的分隔体130和另一纵向端部处对电极集流体140来限定。
图14C所示的实施例也示出了单元基元504，其在电极和对电极活性材料层的第一垂直端部表面500a、501a之间具有明显偏移Sz1，和/或在电极和对电极活性材料层的第二垂直端部表面500b、501b之间具有明显偏移Sz2(未示出)。同样在该实施例中，绝缘构件514设置在对电极活性材料层138的第一垂直端部表面500a与第一二级生长约束件158的内表面之间，和/或在对电极活性材料层138的第二垂直端部表面501b和第二二级生长约束件160的内表面之间(未示出)。尽管在图14C所示的2D Z-Y平面中未示出，绝缘构件515可以基本上并且甚至整个地在对电极活性材料层138的垂直表面上延伸，例如在纵向方向(y方向)和横向方向(x方向–进入图14C中的页面)延伸，以覆盖一个或多个垂直表面501a、b。此外，在图14C所示的实施例中，绝缘体构件514在对电极活性材料层的一个纵向端处由分隔体130限定，但在另一纵向端处在对电极集流体140的垂直表面516a上延伸。即，绝缘构件可朝着邻近的单元基元结构(例如，邻近的单元基元结构的相邻的对电极活性材料层138)纵向延伸并邻接邻近的单元基元结构。在一个实施例中，绝缘构件514可通过越过将相邻单元基元504a、504b中的层138分离的对电极集流体140，并且越过邻近的基元中的相邻的对电极活性材料层138的垂直表面，而延伸跨过相邻的对电极活性材料层138的一个或多个垂直表面501a、b。即，绝缘构件514可以通过横越将单元基元504a、b在纵向方向上彼此分离的对电极集流体140的垂直表面而延伸跨过第一单元基元504a中的对电极活性材料层138的一个或多个垂直表面501a、b，并且可以延伸跨过与第一单元基元504a相邻的第二单元基元504b中的对电极活性材料层138的一个或多个垂直表面501a、b。
图14D所示的实施例示出了单元基元504，其中绝缘构件514设置在对电极活性材料层138的第一垂直端部表面500a与第一二级生长约束件158的内表面之间和/或在对电极活性材料层138的第二垂直端部表面500b和第二二级生长约束件160的内表面之间(未示出)，并且绝缘构件514还在分隔体130的一个或多个垂直表面518a、b上延伸，以同样覆盖电极活性材料层138的一个或多个垂直端部表面500a、500b。即，绝缘构件514也设置在电极活性材料层132的第一垂直端部表面500a与第一二级生长约束件158的内表面之间，和/电极活性材料层132的第二垂直端部表面500b与第二二级生长约束件160的内表面之间(未示出)(以及在第一和第二二级生长约束件158、160与分隔体130的垂直表面518a、b之间的空间中)。尽管在图14D所示的2D Z-Y平面中未示出，绝缘构件515可以基本上并且甚至完全在电极和对电极活性材料层132、138的垂直表面上延伸，例如在纵向方向(y方向)和横向方向(x方向–进入图14D中的页面)，以覆盖一个或多个垂直表面500a、b、501a、b。此外，在图14D所示的实施例中，绝缘体构件514设置在单元基元504的一个纵向端部处的电极集流体136和另一纵向端部处对电极集流体140之间，和/或由单元基元504的一个纵向端部处的电极集流体136和另一纵向端部处对电极集流体140来限定。
图14D中所示的实施例未清楚地示出电极和对电极活性材料层的第一垂直端部表面500a、501a之间的偏移SV1，和/或电极和对电极活性材料层的第二垂直端部表面500a、501a之间的偏移SV2，但是还可以通过包括如本文所述的垂直偏移Sz1和/或Sz2中的一个或多个来修改图14D中描绘的实施例的各方面。例如，图14E所示的实施例可以包括与图14D相同和/或相似的结构，由于绝缘构件514不仅覆盖对电极活性材料层138的一个或多个垂直端部表面501a、b，而且覆盖电极活性材料层132的一个或多个垂直端部表面500a、b。然而，图14E示出了电极活性材料层132的垂直端部表面500a、b与对电极活性材料层138的垂直端部表面501a、b之间的明显垂直偏移和/或分离距离Sz1。因此，如实施例所示，绝缘构件514包括：在电极活性材料层132的第一和第二垂直端部表面500a、b上在绝缘构件514的内垂直表面和外垂直表面之间测量的第一厚度T1，以及在对电极活性材料层138的第一和第二垂直端部表面501a、b上在绝缘构件514的内垂直表面和外垂直表面之间测量的第二厚度T2，第一厚度T1小于第二厚度T2。另外，虽然仅示出了单个绝缘构件514，但是也可能设置多个绝缘构件514，例如在电极活性材料层上具有第一厚度T1的第一构件，以及在对电极活性材料层138上具有第二厚度T2的第二绝缘构件514。图14F所示的实施例类似于图14E所示的实施例，一个或多个绝缘构件514具有分别关于在电极活性材料层和对电极活性材料层的垂直端部表面上的布置的厚度T1和T2。然而，在该实施例中，绝缘构件514在对电极集流体140的一个或多个垂直表面516上延伸，并且甚至可以延伸以覆盖相邻的单元基元中的表面，如上面参考图14C所述。
图14G所示的实施例示出了单元基元504，其中绝缘构件514设置在对电极活性材料层138的第一垂直端部表面500a与第一二级生长约束件158的内表面之间，和/或在对电极活性材料层138的第二垂直端部表面500b与第二二级生长约束件160的内表面之间(未示出)，并且还在分隔体130的一个或多个垂直表面518a、b上延伸，以同样覆盖电极活性材料层138的一个或多个垂直端部表面500a、500b。即，绝缘构件514也设置在电极活性材料层132的第一垂直端部表面500a与第一二级生长约束件158的内表面之间，和/电极活性材料层132的第二垂直端部表面500b与第二二级生长约束件160的内表面之间(未示出)(以及在第一和第二二级生长约束件158、160与分隔体130的垂直表面518a、b之间的空间中)。尽管在图14D所示的2D Z-Y平面中未示出，绝缘构件515可以基本上并且甚至完全在电极和对电极活性材料层132、138的垂直表面上延伸，例如在纵向方向(y方向)和横向方向(x方向–进入图14D中的页面)，以覆盖一个或多个垂直表面500a、b、501a、b。此外，在图14G所示的实施例中，绝缘体构件514由在单元基元504的一个纵向端部处的对电极集流体140限定，但是在另一纵向方向上在电极集流体136的一个或多个垂直端部表面520上延伸。例如，类似于上述图14C，绝缘构件514可朝着邻近的单元基元结构(例如，邻近的单元基元结构的相邻的电极活性材料层132)纵向延伸并邻接该邻近的单元基元结构。在一个实施例中，绝缘构件514可通过越过将相邻单元基元504a、504b中的层138分离的电极集流体136，并且越过邻近的单元中的相邻的电极活性材料层132的垂直表面，而延伸跨过相邻的电极活性材料层132的一个或多个垂直表面500a、b。即，绝缘构件514可以通过横越将单元基元504a、b在纵向方向上彼此分离的对电极集流体140的垂直端部表面520a、b而延伸跨过第一单元基元504a中的电极活性材料层132的一个或多个垂直表面500a、b，并且可以延伸跨过与第一单元基元504a相邻的第二单元基元504b中的电极活性材料层132的垂直表面500a、b
图14G中所示的实施例未清楚地示出电极和对电极活性材料层的第一垂直端部表面500a、501a之间的偏移SZ1，和/或电极和对电极活性材料层的第二垂直端部表面500a、501a之间的偏移SZ2，但是还可以通过包括如本文所述的垂直偏移Sz1和/或Sz2中的一个或多个来修改图14G中描绘的实施例的各方面。例如，图14H所示的实施例可以包括与图14G相同和/或相似的结构，由于绝缘构件514不仅覆盖对电极活性材料层138的一个或多个垂直端部表面501a、b，而且覆盖电极活性材料层132的一个或多个垂直端部表面500a、b。然而，图14H示出了电极活性材料层132的垂直端部表面500a、b与对电极活性材料层138的垂直端部表面501a、b之间的明显垂直偏移和/或分离距离SV1。相应地，在所示的实施例中，绝缘构件514包括：在电极活性材料层132的第一和第二垂直端部表面500a、b上在绝缘构件514的内垂直表面和外垂直表面之间测量的第一厚度T1，以及在对电极活性材料层138的第一和第二垂直端部表面501a、b上在绝缘构件514的内垂直表面和外垂直表面之间测量的第二厚度T2，第一厚度T1小于第二厚度T2。另外，虽然仅示出了单个绝缘构件514，但是也可能设置多个绝缘构件514，例如在电极活性材料层上具有第一厚度T1的第一构件，以及在对电极活性材料层138上具有第二厚度T2的第二绝缘构件514。
参考图15A至图15F，描述了具有或不具有绝缘构件514和/或横向偏移SX1和SX2的单元基元504的其他实施例。在图15A所示的实施例中，电极活性材料层132和138被示出为不具有可辨别的(横向偏移SX1和/或SX2，尽管上述偏移和/或分离距离可以沿着x轴设置，例如，如在图15B的实施例中所示。如经由Y-X平面中的2D切片所示，如图15A所示的单元基元504包括电极集流体136、电极活性材料层132、分隔体130、对电极活性材料层138和对电极集流体140。尽管图15A中的实施例不包括绝缘构件514，但是可以看出电极集流体136延伸越过电极和对电极活性材料层132、138的第二横向端部502b、503b，并且可以连接到电极汇流条600，例如，如图16A-16F所示。类似地，对电极集流体140延伸越过电极和对电极活性材料层132、138的第一横向端部502a、503a，并且可以连接到对电极汇流条602，例如，如图16A-16F所示。
参考图15B所示的实施例，示出了具有在对电极活性材料层138的横向表面503a、b的至少一个上延伸的绝缘构件514的单元基元构造。在所示的实施例中，绝缘构件514设置在对电极活性材料层138的任一横向端，并且位于单元基元504的一个纵向端处的对电极集流体140与单元基元的另一个纵向端处的分隔体130之间，并由位于单元基元504的一个纵向端上的对电极集流体140与单元基元的另一个纵向端的分隔体130限定。在所示的实施例中，绝缘构件具有与电极活性材料层132的长度LE匹配的横向范围，并且通过在横向方向上具有与电极活性材料层相同的长度的分隔体与电极活性材料层132隔开。在一个实施例中，绝缘构件514在x方向上的横向范围可以与横向分离距离和/或偏移SX1、SX2相同，如图15B所示。另外，虽然在图15B所示的2D Y-X平面中未示出，绝缘构件同样可以在z方向上(例如沿着对电极活性材料层138的高度HE)并且在相对的垂直端部表面501a、b之间延伸。
图15C所示的实施例同样示出了具有在对电极活性材料层138的横向表面503a、b的至少一个上延伸的绝缘构件514的单元基元构造。在所示的实施例中，绝缘构件514设置在对电极活性材料层138的任一横向端，并在单元基元504的至少一个纵向端具有分隔体层130。在另一纵向端，至少一个绝缘构件进一步由对电极集流体140限定。然而，至少一个绝缘构件514也可以在单元基元504的另一纵向端处在对电极集流体140的横向表面522a、b上延伸。即，绝缘构件514可以在纵向方向上延伸越过对电极活性材料层138的横向端部表面以覆盖对电极集流体140，并且甚至可以延伸以覆盖相邻的单元基元的对电极活性层的横向表面。在如图15B1所示的实施例中，绝缘构件514具有与电极活性材料层132的长度LE匹配的横向范围，并且通过在横向方向上具有与电极活性材料层132相同的长度的分隔体与电极活性材料层132隔开。在一个实施例中，绝缘构件514在x方向上的横向范围可以与横向分离距离和/或偏移SX1、SX2相同，如图15C所示。另外，虽然在图15C所示的2D Y-X平面中未示出，绝缘构件同样可以在z方向上延伸，例如沿着对电极活性材料层138的高度HE，并且在相对的垂直端部表面501a、b之间延伸。除了对电极集流体140的长度延伸越过绝缘构件514的横向表面，并且集流体136的长度也延伸越过电极活性材料层的横向端部表面之外，图15E的构造与图15C类似。
图15D所示的实施例示出了具有在电极活性材料层132和对电极活性材料层138两者的横向表面502a、b、503a、b中的至少一个上延伸的绝缘构件514的单元基元构造。在所示的实施例中，绝缘构件514设置在电极和对电极活性材料层132、138的任一横向端处。绝缘构件设置在一个纵向端上的电极集流体136与另一纵向端上的对电极集流体140之间，并由一个纵向端上的电极集流体136与另一纵向端上的对电极集流体140限定。绝缘构件514可以在分隔体130的横向端部表面524a、b上延伸，以越过电极和对电极层132、138的横向表面。在图15D所示的实施例中，绝缘构件514具有与在一个横向端上的电极集流体136的长度和在另一横向端上的对电极集流体140的长度匹配的横向范围。在所示的实施例中，电极和对电极活性材料层132、138没有示出为具有横向偏移和/或分离距离，尽管也可以设置分离距离和/或偏移。另外，虽然在图15D所示的2D Y-X平面中未示出，绝缘构件也可以在z方向上延伸，例如沿着对电极活性材料层138的高度HE，并且在相对的垂直端部表面501a、b之间延伸。
图15F所示的实施例同样示出了具有在对电极活性材料层138的横向表面503a、b的至少一个上延伸的绝缘构件514的单元基元构造。在所示的实施例中，绝缘构件514设置在对电极活性材料层138的任一横向端。绝缘构件514覆盖电极和对电极活性材料层两者的横向表面，并且设置在一个纵向端上的电极集流体136与在另一端的至少一个横向端处的对电极集流体140之间，由在一个纵向端上的电极集流体136与在另一端的至少一个横向端处的对电极集流体140限定。在所示的实施例中，绝缘构件进一步在分隔体130的横向表面524a、b上、电极和对电极活性材料层132、138之间延伸，以在这些表面上延伸。在所示的实施例中，绝缘构件514具有从电极活性材料层132的垂直端部表面延伸的第一横向厚度T1，以及具有从对电极活性材料层138的垂直端部表面延伸的第二横向厚度T2其中，第二横向厚度大于第一横向厚度。在一个实施例中，第二厚度T2的横向范围减去第一厚度T1的差可以等价于横向偏移和/或分离距离SX1和/或SX2。此外，在所示的实施例中，至少一个绝缘构件514也可以在单元基元504的纵向端之一处的对电极集流体138的横向表面522a、b之一上延伸。即，绝缘构件514可在纵向上延伸越过对电极活性材料层138的横向端部表面以覆盖对电极集流体140，并且甚至可延伸以覆盖邻近的单元基元的对电极活性材料层的横向表面。另一方面，在对电极活性材料层的相对的横向端部处的绝缘构件514可以由对电极集流体限定，使得对电极集流体在横向方向上的长度超过绝缘构件514的横向厚度。在另一纵向端上，绝缘构件514由电极集流体136限定，其中绝缘构件的横向厚度在一个横向端处满足电极集流体136的横向长度，并且电极集流体136在另一横向端处超过绝缘构件的横向厚度。另外，虽然在图15C所示的2D Y-X平面中未示出，绝缘构件也可以在z方向上延伸，例如沿着对电极活性材料层138的高度HE，并且在相对的垂直端部表面501a、b之间延伸。
此外，应注意，为了确定电极活性材料层和/或对电极活性材料层132和138的第一和第二垂直和/或横向端部表面，仅这些层包含可参与每个单元基元504中的电化学反应的电极和/或对电极活性材料的那些部分被认为是活性材料层132、138的一部分。也就是说，如果电极或对电极活性材料进行了改性以使其不再充当电极或对电极活性材料，例如通过用离子绝缘材料覆盖活性材料，则作为电化学单元基元的参与者的该材料已被有效去除的部分不算作电极活性和/或对电极活性材料层132、138的一部分。
电极和对电极汇流条
在一个实施例中，二次电池102包括电极汇流条600和对电极汇流条602(例如，如图17所示)中的一个或多个，以分别从电极集流体136和对电极集流体收集电流。如关于具有上面的偏移和/或分离距离的实施例类似地描述的，电极组件106可以包括电极结构群、电极集流体群、分隔体群、对电极结构群、对电极集流体群、单元基元群，其中电极和对电极结构群的构件在纵向方向上以交替顺序排列。此外，电极结构群的每个构件包括电极集流体和电极活性材料层，电极活性材料层具有长度LE、高度HE、以及宽度WE，该长度LE对应于在电极活性材料层的第一和第二相对横向端部表面之间的横向方向上测量的电极活性材料层的费雷特直径，以及该高度HE对应于在电极活性材料层的第一和第二相对垂直端部表面之间的垂直方向上测量的电极活性材料层的费雷特直径，以及该宽度WE对应于在电极活性材料层的第一和第二相对表面之间在纵向方向上测量的电极活性材料层的费雷特直径。而且，对电极结构群的每个构件包括对电极集流体和对电极活性材料层，该对电极活性材料层具有长度LC、高度HC、以及宽度WC，该长度LC对应于在对电极活性材料层的第一和第二相对横向端部表面之间的横向方向上测量的对电极活性材料层的费雷特直径，以及该高度HC对应于在对电极活性材料层的第一和第二相对垂直端部表面之间在垂直方向上测量的对电极活性材料层的费雷特直径，以及该宽度WC对应于在对电极活性材料层的第一和第二相对表面之间在纵向方向上测量的对电极活性材料层的费雷特直径。
此外，如本文其他地方所描述的，在一个实施例中，电极组件具有分别对应于虚构的三维笛卡尔坐标系的x轴、y轴和z轴的相互垂直的横向轴、纵向轴和垂直轴、在纵向方向上彼此分离的第一纵向端部表面和第二纵向端部表面、以及围绕电极组件纵向轴AEA并连接所述第一纵向端部表面和所述第二纵向端部表面的横向表面，该横向表面具有位于纵向轴的相对侧上并在与纵向轴正交的第一方向上分离的相对的第一区域和第二区域，电极组件具有在纵向方向上测量的最大宽度WEA，由横向表面限定并且在横向方向上测量的最大长度LEA、以及由横向表面限定并且在垂直方向上测量的最大高度HEA。
参考图17，电极结构群110的每个构件包括电极集流体136，以收集来自电极活性材料层132的电流，该电极集流体至少部分地沿着电极活性材料层132的长度LE在横向方向上延伸，并且该电极集流体包括延伸越过对电极活性材料层138的第一横向端部表面503a的电极集流体端604。此外，对电极结构群112中的每个构件包括对电极集流体140，以收集来自对电极活性材料层138的电流，对电极集流体140至少部分地沿着对电极活性材料层132的长度LC在横向方向上延伸，并包括在横向方向上延伸越过电极活性材料层的第二横向端部表面502b的对电极集流体端606(例如，也如图15A所示)。在图17所示的实施例中，电极和对电极集流体136、140被夹在相邻的电极活性材料层(在电极结构110的情况下)或相邻的对电极活性材料层(在对电极结构112的情况下)之间。然而，集流体也可以是表面集流体，其存在于电极和/或对电极活性材料层的面对电极和对电极结构110、112之间的分隔体130的表面的至少一部分上。此外，在如图17所示的实施例中，电极汇流条600和对电极汇流条602设置在电极组件106的相对的横向侧上，其中电极集流体端604在一个横向端处电连接和/或物理连接到电极汇流条600，并且对电极集流体端606在相对的横向端处电连接和/或物理连接到对电极汇流条602。
同样，如上类似所述，电极组件的每个单元基元504包括电极集流体群的第一电极集流体的单元基元部分、电极群的一个构件的第一电极活性材料层、对载体离子具有离子可渗透的分隔体、对电极群的一个构件的第一对电极活性材料层、以及对电极集流体群的第一对电集流体的单元基元部分，其中(aa)第一电极活性材料层靠近分隔体的第一侧，并且第一对电极材料层靠近分隔体的相对的第二侧，并且(bb)分隔体将第一电极活性材料层与第一对电极活性材料层电隔离，并且在电池的充电和放电状态之间的循环期间，载体离子主要经由每个这样的单元基元的分隔体在第一电极活性材料层和第一对电极活性材料层之间进行交换。
参考图16A，其示出了汇流条的实施例，该汇流条可以是电极汇流条600或对电极汇流条602(根据是将电极集流体还是将对电极集流体附接至其)。也就是说，图16A可以被理解为描绘了适合于电极汇流条600或对电极汇流条602的结构。关于电极汇流条600示出了图16A'，但是，应当理解，这里描述的相同结构也适用于对电极汇流条602，如本文所述，即使没有具体示出。二次电池可包括单个电极汇流条600和单个对电极汇流条602，以分别连接到电极组件106的所有电极集流体和对电极集流体，和/或可以设置多个汇流条和/或对电极汇流条。例如，在图16A被理解为示出了电极汇流条600的实施例的情况下，可以看出，电极汇流条600包括至少一个导电段608，该导电段608被配置为电连接到电极集流体群136，并且在纵向方向(Y方向)在电极组件106的第一和第二纵向端部表面116、118之间延伸。导电段608包括第一侧面610和相对的第二侧面614，该第一侧面610具有面对对电极活性材料层136的第一横向端部表面503a的内表面612，以及相对的第二侧面614具有外表面616。此外，导电段608可选地包括沿纵向方向间隔开的多个孔618。电极汇流条600的导电段608相对于电极集流体端604布置，使得电极集流体端604至少部分地延伸越过导电段608的厚度，以与其电连接。可以在内表面612和外表面616之间测量导电段608的总厚度t，并且电极集流体端部608可以延伸至少一段距离到导电段的厚度中，例如通过孔618，并且可以甚至完全延伸越过导电段的厚度(即，延伸越过在横向方向测量的厚度t)。虽然在图16A中描绘了具有单个导电段608的电极汇流条600，但是某些实施例还可包括多个导电段。
此外，在图16A被理解为示出了对电极汇流条602的实施例的情况下，可以看出，对电极汇流条602包括至少一个导电段608，该至少一个导电段608被配置为电连接到对电极集流体群140，并且在纵向方向(y方向)上在电极组件106的第一和第二纵向端部表面116、118之间延伸。导电段608包括第一侧面610和相对的第二侧面614，该第一侧面610具有面对电极活性材料层136的第二横向端部表面502b的内表面612，以及相对的第二侧面614具有外表面616。此外，导电段608可选地包括沿纵向方向间隔开的多个孔618。电极汇流条600的导电段608相对于对电极集流体端606布置，使得对电极集流体端606至少部分地延伸越过导电段608的厚度，以与其电连接。可以在内表面612和外表面616之间测量导电段608的总厚度t，并且对电极集流体端部606可以延伸至少一段距离到导电段的厚度中，例如通过孔618，并且可以甚至完全延伸越过导电段的厚度(即，延伸越过在横向方向测量的厚度t)。虽然在图16A中描绘了具有单个导电段608的对电极汇流条602，但是某些实施例还可包括多个导电段。
此外，根据一个实施例，具有汇流条和对电极汇流条600、602的二次电池102还包括一组电极约束件，例如本文所述的任何约束件。例如，在一个实施例中，该组电极约束件108包括初级约束系统151，该初级约束系统151包括第一和第二初级生长约束件154、156和至少一个初级连接构件162，第一和第二初级生长约束件154、156在纵向方向上彼此分离，并且至少一个初级连接构件162连接第一和第二初级生长约束件154、156，其中初级约束系统151限制电极组件106在纵向方向上的生长，使得电极组件在二次电池的连续20个循环中在纵向方向上的费雷特直径的任何增加小于20％。在又一个实施例中，一组电极约束件108还包括二级约束系统152，该二级约束系统152包括在第二方向上分离并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，其中在二次电池106循环时，二级约束系统155至少部分地在第二方向限制电极组件106的生长，该第二方向与纵向方向正交。以下描述了一组电极约束件108的其他实施例。
参考图16A描述了电极汇流条600和/或对电极汇流条602的其他实施例。在一个实施例中，如图16A所示，电极汇流条600包括导电段608，该导电段608具有沿纵向方向间隔开的多个孔618，其中多个孔618中的每一个被配置为允许一个或多个电极集流体端604至少部分地延伸穿过其中，以将一个或多个电极集流体端604电连接到电极汇流条600。类似地，对电极汇流条602可以包括导电段608，该导电段608包括沿纵向方向间隔开的多个孔618，其中多个孔618中的每一个被配置为允许一个或多个对电极集流体端606至少部分地延伸穿过其中，以将一个或多个对电极集流体端606电连接到对电极汇流条602。参考图16A'的切面，可以看出，在电极汇流条一个侧面，电极结构110的集流体136延伸越过电极活性材料层132的第一横向表面502a，并且延伸穿过形成在导电段中的孔618。电极集流体端604连接到电极汇流条600的外表面616。类似地，尽管未具体示出，但是在对电极汇流条602所在的另一横向端上，对电极结构112的电极集流体140延伸越过对电极活性材料层138的第二横向表面503b，并且延伸穿过形成在导电段中的孔618。对电极集流体端606连接到对电极汇流条600的外表面616。
此外，尽管在一个实施例中，电极汇流条和对电极汇流条600、602两者均可以包括多个孔618，在又一实施例中，仅电极汇流条600包括孔618，并且在另一实施例中，仅对电极汇流条602包括孔618。在又一个实施例中，二次电池可包括电极汇流条和对电极汇流条二者，而在其他实施例中，二次电池可仅包括电极汇流条或对电极汇流条，并通过其他机制从剩余的集流体中收集电流。在如图16A和16A'所示的实施例中，孔618被示出为尺寸被确定为允许电极集流体或对电极集流体从中穿过。虽然在一个实施例中，孔被定定尺寸并被配置为仅允许单个集流体通过每个孔，但是在又一实施例中，孔可被定尺寸以允许多于一个电极集流体136和/或对电极集流体140穿过其中。此外，在如图16A和16A'所示的实施例中，电极集流体端和/或对电极集流体端完全延伸穿过一个或多个孔618，并且端部604、606朝着电极汇流条和/或对电极汇流条的外表面616弯曲，以附接到在孔618之间的外表面电极汇流条和/或对电极汇流条的部分622。端部604、608还可以和/或可选地连接到导电段608的其他部分，例如在垂直方向上位于孔上方或下方的导电段的部分，和/或连接到孔618本身的内表面624。
在如图16B和图16B'所示的实施例中，电极集流体端部和/或对电极集流体端部604、606完全延伸穿过一个或多个孔618，并且端部朝着电极汇流条和/或对电极汇流条的外表面616弯曲。然而，在该实施例中，集流体端部中的至少一个或多个在纵向方向上至少部分地延伸到相邻孔618或延伸越过相邻孔618(例如，如图16B'所示越过相邻孔)，以附接到单独的电极集流体端和/或对电极集流体端。即，电极和/或对电极集流体的端部可以彼此附接。在又一个实施例中，也如图16B'所示，电极集流体端部和/或对电极集流体端部在第一端部区域624处附接到孔618之间的电极汇流条和/或对电极汇流条的外表面616的部分622，并在第二端部区域626处附接到另一单独的电极集流体端和/或对电极集流体端。
在一个实施例中，电极集流体端604和/或对电极集流体端606通过粘合剂、熔焊(welding)、压接(crimping)、钎焊中的至少一个、通过铆钉、机械压力/摩擦、夹紧和软焊(soldering)从而附接到以下中的一个或多个：电极汇流条和/或对电极汇流条的外表面的部分622、和/或单独的电极集流体端和/或对电极集流体端(诸如延伸穿过相邻孔的相邻集流体)。端部604、604也可以经由这种附接而连接到电极汇流条和/或对电极汇流条的其他部分，例如孔618的内表面624或汇流条的其他部分。此外，根据优选实施例，可以选择彼此附接而不是仅附接到汇流条的集流体端的数量。例如，在一个实施例中，在给定的群中，电极集流体端和对电极集流体端中的每个分别附接到电极和/或对电极汇流条600、602的外表面616的部分622。在又一个实施例中，电极集流体端部和/或对电极集流体端部中的至少一些彼此附接(例如，通过延伸穿过孔，然后沿纵向朝向或越过相邻的孔，以连接到延伸穿过相邻孔的相邻集流体)，而电极集流体端和/或对电极集流体端中的至少一个附接到电极汇流条和/或对电极汇流条的外表面的一部分(例如，以在彼此附接的汇流条和集流体端之间提供电连接。在又一个实施例中，群中的所有集流体可单独连接到汇流条，而不必连接到其他集流体端。
在又一实施例中，电极集流体端和/或对电极集流体端具有附接到汇流条和/或对电极汇流条的表面(例如外表面)的表面区域(例如第一区域624)。例如，电极集流体端和/或对电极集流体端具有附接到电极汇流条和/或对电极汇流条的外表面以及汇流条和/或对电极汇流条的孔618的内表面624中的至少一个的表面区域。在一个实施例中，电极汇流条和/或对电极汇流条的一个或多个端部可包括附接到汇流条和/或对电极汇流条的内表面612的表面区域。可以根据要选择的用于将端部附接到电极和/或对电极汇流条的附接类型来选择连接表面区域的尺寸。在一个实施例中，例如，如图16A'和图16B'所示，电极汇流条和/或对电极汇流条包括:在靠近电极和/或对电极的横向端的内表面612上的绝缘材料层628、以及在与内表面相对的外表面616上的导电材料层(例如，导电段608)。绝缘材料层628可包括设置在电极和/或对电极活性材料层132、138的横向表面和汇流条之间的绝缘构件514，如本文其他地方所述，和/或可包括沿汇流条内表面单独的绝缘材料层632以将电极组件与汇流条的导电段绝缘。
在一个实施例中，可以选择电极和/或对电极集流体136、140的材料和/或物理特性，以提供与汇流条的良好电接触，同时还赋予电极组件良好的结构稳定性。例如，在一个实施例中，电极集流体端604和/或对电极集流体端606(以及可选地，电极和/或对电极集流体的至少一部分以及甚至全部)包括与制成电极汇流条和/或对电极汇流条的材料相同的材料。例如，在汇流条和/或对电极汇流条包括铝的情况下，电极和/或对电极集流体也可以包括铝。在一个实施例中，电极集流体端和/或对电极集流体端包括选自铝、铜、不锈钢、镍、镍合金、碳及其组合/合金中的任何一种。此外，在一个实施例中，电极集流体端和/或对电极集流体端包括导电率相对接近电极汇流条和/或对电极汇流条的材料的电导率的材料，和/或电极和/或对电极集流体可以包括与电极和/或对电极汇流条相同的材料。
在又一个实施例中，电极集流体和/或对电极集流体的端部延伸穿过电极汇流条和/或对电极汇流条的孔618，并向着电极汇流条和/或对电极汇流条的外表面616向后弯曲以附接到其上，并且其中弯曲以附接到外表面的端部区域624基本上是平坦的，例如如图16A和16A'所示。
在一个实施例中，电极集流体和/或对电极集流体136、140在横向方向上分别沿着电极材料层的长度LE和/或对电极材料层的长度LC延伸至少50％，其中LE和LC如上所述定义。例如，在一个实施例中，电极集流体和/或对电极集流体在横向方向上分别沿着电极材料层的长度LE和/或对电极材料层的长度LC延伸至少60％。在另一个实施例中，电极集流体和/或对电极集流体在横向方向上分别沿着电极材料层的长度LE和/或对电极材料层的长度LC延伸至少70％。在又一个实施例中，电极集流体和/或对电极集流体在横向方向上分别沿着电极材料层的长度LE和/或对电极材料层的长度LC延伸至少80％。在另一实施例中，电极集流体和/或对电极集流体在横向方向上分别沿着电极材料层的长度LE和/或对电极材料层的长度LC延伸至少90％。
此外，在一个实施例中，电极集流体和/或对电极集流体在垂直方向上分别沿电极材料层的高度HE和/或对电极材料层的高度HC延伸至少50％，其中HE和HC的如上所述定义。例如，在一个实施例中，电极集流体和/或对电极集流体在垂直方向上分别沿电极材料层的高度HE和/或对电极材料层的高度HC延伸至少60％。在另一个实施例中，电极集流体和/或对电极集流体在垂直方向上分别沿电极材料层的高度HE和/或对电极材料层的高度HC延伸至少70％。在又一个实施例中，电极集流体和/或对电极集流体在垂直方向上分别沿电极材料层的高度HE和/或对电极材料层的高度HC延伸至少80％。在另一实施例中，电极集流体和/或对电极集流体在垂直方向上分别沿电极材料层的高度HE和/或对电极材料层的高度HC延伸至少90％。
根据又一实施例的方面，参考图18A和图18B，电极组件106包括垂直电极集流体端640和垂直对电极集流体端642中的至少一个，它们延伸越过相邻的电极活性材料层132和/或对电极活性材料层138的第一和第二垂直表面500a、b、501a、b中的一个或多个。在一个实施例中，垂直集流体端640、642也可以至少部分地涂覆有载体离子绝缘材料，如下面进一步详细描述的，以减少载体离子在暴露的垂直集流体端上的短路和/或析出的可能性。
根据一个实施例，对于电极群的构件和对电极群的构件中的至少一个，(I)电极结构群110中的每个构件包括电极集流体136，以从电极活性材料层132收集电流，电极集流体136在垂直方向上至少部分地沿着电极活性材料层132的高度HE延伸，并且包括以下中的至少一个，(a)第一垂直电极集流体端640a，其延伸越过电极活性材料层132的第一垂直端部表面500a，和(b)第二垂直电极集流体端640b，其延伸越过电极活性材料层132的第二垂直端部表面500b，和/或(II)对电极结构群112的每个构件包括对电极集流体140，以从对电极活性材料层138收集电流，对电极集流体140在垂直方向上至少部分地沿着对电极活性材料层138的高度HC延伸，并且包括以下中的至少一个，(a)第一垂直对电极集流体端642a，其沿垂直方向延伸越过对电极活性材料层138的第一垂直端部表面501a，和(b)第二垂直电极集流体端642b，其延伸越过电极活性材料层138的第二垂直端部表面501b。参考图18A所示的实施例，可以看出，电极集流体136和对电极集流体140的垂直端640a、b、642a、b延伸越过电极活性和对电极活性材料层132、138的第一和第二垂直端部表面。
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/或放电期间在电极结构110和对电极结构112之间行进的载体离子能够插入到电极活性材料中，从而导致电极活性材料和/或电极结构110膨胀。电极结构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。在一个实例中，在能量存储装置100的循环期间电极活性材料层132的过度增大和/或膨胀和收缩可导致电极活性材料的碎片从电极活性材料层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，电极活性材料层132的过度增大和/或膨胀和收缩可导致电极活性材料破坏电绝缘微孔分隔体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1A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，它们协同操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发生的生长，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151和二级生长约束系统152和可选的三级生长约束系统155可以一起操作以协作地约束电极组件106的多维生长。
参见图4A至4B，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4A示出了沿纵向轴(Y轴)截取的图1A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4B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2-D横截面通过垂直轴(Z轴)和横向轴(X轴)示出。如图4A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的第一纵向端部表面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的第二纵向端部表面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最初可以表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4A和4B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4A所示的实施例中，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4C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4C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4C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4C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被配置为协同操作，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4A和4B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。在另一个实施例中，初级和二级生长约束系统，以及可选地还有三级生长约束系在电池外壳内，该电池外壳可以是密封的电池外壳，例如气密密封的电池外壳。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的一部分的电极结构110的二次电池102的重复循环时通过施加超过由电极结构110在堆叠方向D上产生的压力的压力来约束电极结构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的一部分的对电极结构112的二次电池102重复循环时通过在堆叠方向D上施加超过由对电极结构112在堆叠方向D上产生的压力的压力来约束对电极结构112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，其在具有电极或对电极结构110、112的二次电池102的重复循环时通过在第二方向上分别施加超过由电极或对电极结构110、112在第二方向上产生的压力的压力来约束电极结构110和对电极结构112中的至少一者在与堆叠方向D正交的第二方向上(例如，沿垂直轴(Z轴))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部表面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部表面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。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部表面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部表面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部表面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部表面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部表面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，第一和第二纵向端部表面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部表面116、118以及在端部表面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部表面116、118的表面积的总和。根据本发明的一方面，第一和第二纵向端部表面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，第一和第二纵向端部表面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，第一和第二纵向端部表面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，第一和第二纵向端部表面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，第一和第二纵向端部表面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2A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2A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进一步包括电极结构110，电极结构110被配置为使得电极结构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2和7所示的实施例，电极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LES、在纵向方向上测量的宽度WES、以及在垂直方向上测量的高度HES。因此，在如图2和图7所示的X-Z平面中的投影具有表面积LES×HES，在Y-Z平面中的投影具有表面积WES×HES，并且在X-Y平面中的投影具有表面积LES×WES。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，电极110也可以被配置为使得电极活性材料层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2和图7所示的实施例中，电极活性材料层可以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，可以根据这些项计算投影的表面积(在电极结构和/或电极活性材料层132的尺寸沿一个或多个轴变化的情况下，LES、LA、WES、WA、HES和HA也可以对应于这些尺寸的最大值)。在一个实施例中，通过将电极结构110定位成使得具有电极结构100和/或电极活性材料层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，具有最大的电极活性材料表面积的电极结构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，电极结构110和电极组件106可以被配置为使得电极结构110和/或电极活性材料层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正交的平面中。例如，在图2和7所示的情况下，电极活性材料层132的在电极活性材料层132的X-Z平面(LA×HA)中的投影是最大的，电极结构110和/或电极活性材料层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，具有电极结构110和/或电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电极结构的表面——即，具有最大含量的电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，该组约束件能够抵抗在二次电池在充电和放电状态之间循环期间由电极组件施加的大于或等于2MPa的压力。在另一个实施例中，该组约束件能够抵抗在二次电池在充电和放电状态之间循环期间由电极组件施加的大于或等于5MPa的压力。在另一个实施例中，该组约束件能够抵抗在二次电池在充电和放电状态之间循环期间由电极组件施加的大于或等于7MPa的压力。在又一个实施例中，该组约束件能够抵抗在二次电池在充电和放电状态之间循环期间由电极组件施加的大于或等于10MPa的压力。该组约束件基本上能够抵抗和承受这种压力，而不会破坏该组约束件或使该组约束件故障。此外，在一些实施例中，该组约束件能够抵抗压力，同时还在二次电池102中提供相对小的体积，如下所述。
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部表面116、118和连接端部表面的横向表面42包围的体积。位于电极组件106外部(即，位于纵向端部表面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，该组电极约束件108的部分所占据的相对低的体积的合理性可以通过参考图8A和8B所示的力示意图来理解。图8A描绘了示出由于电极活性材料层132的体积增加而在二次电池102的循环期间施加到第一和第二初级生长约束件154、156上的力的实施例。箭头198b示出了由电极活性材料层132在其膨胀时施加的力，其中w示出由于电极活性材料层132的生长而施加到第一和第二初级生长约束件154、156上的负荷，P示出由于电极活性材料层132的体积增加而施加到第一和第二初级生长约束件154、156上的压力。类似地，图8B描绘了示出由于电极活性材料层132的体积增加而在二次电池102的循环期间施加到第一和第二二级生长约束件158、160上的力的实施例。箭头198a示出了由电极活性材料层132在其膨胀时施加的力，其中w示出由于电极活性材料层132的生长而施加到第一和第二二级生长约束件158、160上的负荷，P示出由于电极活性材料层132的体积增加而施加到第一和第二二级生长约束件158、160上的压力。当在二次电池的循环期间电极活性材料各向同性地(即，在所有方向上)膨胀并且因此每个方向上的压力P都相同时，每个方向上施加的负荷w是不同的。作为解释，参考图8A和8B所示的实施例，可以理解，第一或第二初级生长约束件154、156上的X-Z平面中的负荷与P×LES×HES成比例，其中P是由于电极活性材料层132的膨胀而施加到初级生长约束件154、156上的压力，LES是电极结构110在横向方向上的长度，HES是电极结构110在垂直方向上的高度。类似地，第一或第二二级生长约束件158、160上的X-Y平面中的负荷与P×LES×WES成比例，其中P是由于电极活性材料层132的膨胀而施加到二级生长约束件158、160上的压力，LES是电极结构110在横向方向上的长度，WES是电极结构110在纵向方向上的宽度。在提供三级约束系统的情况下，第一或第二三级生长约束件157、159上的Y-Z平面中负荷与P×HES×WES成比例，其中P是由于电极活性材料层132的膨胀而施加到三级生长约束件157、159上的压力，HES是电极结构110在垂直方向上的高度，WES是电极结构在纵向方向上的宽度。因此，在LES大于WES和HES的情况下，Y-Z平面中的负荷将是最小的，并且在HES>WES的情况下，X-Y平面中的负荷将小于X-Z平面中的负荷，这意味着X-Z平面具有在正交平面当中容纳的最大负荷。
此外，根据一个实施例，如果在X-Z平面中的负荷最大的情况下在该平面中提供初级约束件，而不是在X-Y平面中提供初级约束件，则X-Z平面中的初级约束件所需的体积可能比初级约束件在X-Y平面中的情况下初级约束件所需的体积小得多。这是因为，如果初级约束件在X-Y平面中而不是X-Z平面中，则约束件需要厚得多，以便具有所需的抑制生长的刚度。特别地，如下文进一步详细描述的，随着初级连接构件之间的距离增加，屈曲偏转(buckling deflection)也会增加，并且应力也增加。例如，控制由初级生长约束件154、156的弯曲引起的偏转的等式可以写成：
δ＝60wL4/Eh3
其中w＝由于电极膨胀而施加到初级生长约束件154、156上的总分布负荷；L＝初级连接构件158、160之间沿垂直方向的距离；E＝初级生长约束件154、156的弹性模量，h＝初级生长约束件154、156的厚度(宽度)。由于电极活性材料132的膨胀而施加到初级生长约束件154、156上的应力可以使用以下等式计算：
σ＝3wL2/4h2
其中w＝由于电极活性材料层132的膨胀而施加到初级生长约束件154、156上的总分布负荷；L＝初级连接构件158、160之间沿垂直方向的距离；并且h＝初级生长约束件154、156的厚度(宽度)。因此，如果初级生长约束件位于X-Y平面中，并且如果初级连接构件分离的距离(例如，在纵向端部)比它们在初级约束件位于X-Z平面中的情况下分离的距离远得多，这可意味着初级生长约束件需要更厚，因此占据的体积比它们在位于X-Z平面中的情况下占据的体积大。
根据一个实施例，电极群和对电极群的构件在第一和第二纵向端部表面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部表面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部表面的表面积的至少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部表面的表面积的至少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部表面的表面积的至少90％。
在某些实施例中，电极组件106的纵向端部表面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的纵向端部表面116、118中的每一者将处于至少0.7kPa的压缩负荷下(例如，对纵向端部表面中的每一者的总表面积求平均)。例如，电极组件106的纵向端部表面116、118中的每一者将处于至少1.75kPa的压缩负荷下(例如，对纵向端部表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的纵向端部表面116、118中的每一者将处于至少2.8kPa的压缩负荷下(例如，对纵向端部表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的纵向端部表面116、118中的每一者将处于至少3.5kPa的压缩负荷下(例如，对纵向端部表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的纵向端部表面116、118中的每一者将处于至少5.25kPa的压缩负荷下(例如，对纵向端部表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的纵向端部表面116、118中的每一者将处于至少7kPa的压缩负荷下(例如，对纵向端部表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的纵向端部表面116、118中的每一者将处于至少8.75kPa的压缩负荷下(例如，对纵向端部表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的纵向端部表面116、118将处于不大于约10k Pa的压缩负荷下(例如，对纵向端部表面中的每一者的总表面积求平均)。与电极群和对电极群的构件在纵向端部表面上的投影(即，投影的表面区域)重合的电极组件的纵向端部表面的区域也可以在上述压缩负荷下(对纵向端部表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的纵向端部表面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1000psi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5，以沿图1A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5所示的实施例中，初级生长约束系统151可以包括分别位于电极组件106的纵向端部表面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的除纵向端部表面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5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部表面116、118，例如朝向电极组件106的中央区域。二级连接构件166可以在电极组件端部表面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，除了在电极组件端部表面116、118处设置的一个或多个二级连接构件166之外，还设置了在端部表面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，例如也用作纵向端部表面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包括位于与纵向端部表面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，在纵向端部表面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电极或对电极结构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5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的纵向端部表面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106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的纵向端部表面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，该部分在纵向方向上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。
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将小于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的表面积的至少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6A，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20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。例如，如图4A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5，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。
图6A至6B示出了将第一和第二二级生长约束件158、160中的一者或多者固定到一个或多个二级连接构件166的实施例。图6A至6B提供了在电极组件106的横向表面142的上表面区域148之上具有第一二级生长约束件158的电极组件106的实施例的俯视图。还示出了沿纵向轴(Y轴)间隔开的第一和第二初级生长约束件154、156。还示出了可以与电极结构110和/或对电极结构112的至少一部分对应的二级连接构件166。在所示的实施例中，第一二级生长约束件158在其中具有孔176，以允许电解质和载体离子到达电极110和对电极112结构。如上所述，在某些实施例中，第一和第二初级生长约束件154、156分别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。因此，在所示的版本中，第一和第二二级生长约束件158、160可以分别在电极组件106的周边连接到第一和第二初级生长约束件154、156。然而，在一个实施例中，第一和第二二级生长约束件158、160也可以经由作为内部二级连接构件166的二级连接构件166而被连接。在所示的版本中，第一二级生长约束件158包括其中生长约束件158被接合到下伏的内部二级连接构件166的接合区域178，并且还包括其中生长约束件158未被接合到下伏的二级连接构件166非接合区域180，以便以接合区域178的列与非接合区域180的区域交替的形式在生长约束件158和下伏的二级连接构件166之间提供接触区域168。在一个实施例中，非接合区域180还包含允许电解质和载体离子通过的开放孔176。根据一个实施例，第一和第二二级生长约束件158、160分别被粘附到二级连接构件166，该二级连接构件166包括电极110或对电极112结构的至少一部分，或电极组件106的其它内部结构。在一个实施例中，第一和第二二级生长约束件158、160可以被粘附到电极结构110和/或对电极结构112或形成二级连接构件166的其它内部结构的顶端和底端，以形成与约束件被粘附到电极结构110和/或对电极112或其它内部结构的位置对应的接合区域178的列、以及位于对电极112或其它内部结构之间的非接合区域180的列。此外，第一和第二二级生长约束件158、160分别可以被接合或粘附到电极结构110和/或对电极结构112或形成至少一个二级连接构件166的其它结构，使得孔176至少在非接合区域180中保持开放，并且还可以被粘附，使得接合区域178中的孔176可以保持相对开放，以允许电解质和载体离子通过。
在如图6B所示的又一实施例中，第一和第二二级生长约束件158、160分别在电极组件106的周边被连接到第一和第二初级生长约束件154、156，并且还可以经由作为内部二级连接构件166的二级连接构件166而被连接。在所示的版本中，第一二级生长约束件158包括其中生长约束件158被接合到下伏的内部二级连接构件166的接合区域178，并且还包括其中生长约束件158未被接合到下伏的二级连接构件166的非接合区域180，以便以接合区域178的行与非接合区域180的区域交替的形式在生长约束件158和下伏的二级连接构件166之间提供接触区域168。在该实施例中，这些接合区域和非接合区域178、180可以跨二级连接构件166的尺寸延伸，此延伸如图6B所示可以在横向方向(X轴)上，这与图6A中沿纵向方向(Y轴)相反。或者，接合区域和非接合区域178、180可以以预定图案跨纵向和横向方向延伸。在一个实施例中，非接合区域180还包含允许电解质和载体离子通过的开放孔176。在一个实施例中，第一和第二二级生长约束件158、160可以分别被粘附到电极结构110和/或对电极结构112或形成二级连接构件166的其它内部结构的顶端和底端，以形成与生长约束件被粘附到电极结构110和/或对电极112或其它内部结构的位置对应的接合区域178的行、以及位于对电极112或其它内部结构之间的非接合区域180的区域。此外，第一和第二二级生长约束件158、160可以分别被接合或粘附到电极结构110和/或对电极结构112或形成至少一个二级连接构件166的其它结构，使得孔176至少在非接合区域180中保持开放，并且还可以被粘附，使得接合区域178中的孔176可以保持相对开放，以允许电解质和载体离子通过。
二级约束系统子架构
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(例如电极110和/或对电极结构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电极结构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是电极110和/或对电极结构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的电极结构110(例如，负极集流体层)连接二级生长约束件158、160，抵消电极结构110(例如，阳极结构)的生长。在又一实施例中，可以通过经由用作二级连接构件166的对电极结构112(例如，正极集流体层)连接二级生长约束件158、160，抵消电极结构110(例如，阳极结构)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内的电极结构110和/或对电极结构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内的电极结构110和/或对电极结构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电极结构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对电极结构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可以被体现为电极结构的群110。作为另一示例，在某些实施例中，至少一个二级连接构件166可以体现为对电极结构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1A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、以及体现为电极结构110的群和/或对电极结构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、电极结构110和/或对电极结构112可以被理解为是可互换的。此外，分隔体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示出了对应于电极结构110或对电极结构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和二级连接构件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，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，具有电极活性材料层132、离子多孔电极集流体136、以及支撑电极活性材料层132和电极集流体136的电极主干134的电极群110的构件。类似地，在一个实施例中，图7示出了具有对电极活性材料层138、对电极集流体140、以及支撑对电极活性材料层138和对电极集流体140的对电极主干141的对电极群112的构件。
在某些实施例中(例如，如图7所示)，电极群110的构件包括电极活性材料层132、电极集流体136、以及支撑电极活性材料层132和电极集流体136的电极主干134。在另一个实施例中，如图1B所示，电极群110的构件包括电极活性材料层132以及设置在相邻的电极活性材料层132之间的电极集流体136。类似地，在某些实施例中(例如，在图7中)，对电极群112的构件包括对电极活性材料层138、对电极集流体140、以及支撑对电极活性材料层138和对电极集流体140的对电极主干141。在另一个实施例中，如图1B所示，对电极群112的构件包括对电极活性材料层138和设置在相邻的电极活性材料层138之间的对电极集流体140。
虽然本文在图7中已经示出和描述了电极群110的构件包括与电极主干134直接相邻的电极活性材料层132、以及与电极主干134和电极活性材料层132直接相邻并有效包围电极主干134和电极活性材料层132的电极集流体136，但是本领域的技术人员将理解，已经构想了电极群110的其它布置。例如，在一个实施例(未示出)中，电极群110可包括与电极集流体136直接相邻的电极活性材料层132、以及与电极主干134直接相邻的电极集流体136。换言之，电极主干134可以被电极集流体136有效地包围，其中电极活性材料层132位于电极集流体136侧面(flank)并且与电极集流体136直接相邻。在另一个实施例中，如图1B所示，电极群110的构件包括电极活性材料层132和设置在相邻的电极活性材料层132之间的电极集流体136。本领域的技术人员将理解，任何合适的电极群110和/或对电极群112的配置都可以应用于本文所述的发明主题，只要电极活性材料层132经由分隔体130与对电极活性材料层138分离即可。另外，如果电极集流体136位于电极活性材料层132与分隔体130之间，则电极集流体136需要是离子可渗透的，并且如果对电极集流体140位于对电极活性材料层138与分隔体130之间，则对电极集流体140需要是离子可渗透的。
为了便于说明，仅示出电极群110的三个构件和对电极群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可包括电极群110和对电极群112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(和图1B)示出了使电极活性材料层132与对电极活性材料层138电绝缘的微孔分隔体130。
如上所述，在某些实施例中，电极结构群110中的每个构件可以在电解质(未示出)内的载体离子(未示出)插入到电极结构110中时膨胀，并且在载体离子从电极结构110抽出时收缩。例如，在一个实施例中，电极结构110可以是阳极活性的。作为另一示例，在一个实施例中，电极结构110可以是阴极活性的。
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流体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电极结构110和/或对电极结构112中的至少一者(例如电极和/或对电极主干134、141，电极和/或对电极集流体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，例如电极结构100和/或对电极结构112的群的端部，同时使用胶水或其它粘合材料将电极结构110和/或对电极结构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。
图8A至8B示出根据一个实施例的力示意图，示出了由一组电极约束件108施加到电极组件106上的力、以及在包含电极组件106的二次电池102的重复循环期间由电极结构110施加的力。如图8A至8B所示，由于离子(例如，Li)嵌入和/或合金化到电极结构110的电极活性材料层132中，通过二次电池102的充电和放电的重复循环可以导致电极结构110(例如电极结构110的电极活性材料层132)的生长。因此，由于电极结构110的体积增加，电极结构110可以在垂直方向上施加相反的力198a，并且在纵向方向上施加相反的力198b。尽管没有具体示出，但是由于体积的变化，电极结构110也可以在横向方向上施加相反的力。为了抵消这些力并且约束电极组件106的整体生长，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，其具有位于电极组件106的纵向端部117、119处的第一和第二初级生长约束件154、156，这些约束件在纵向方向上施加力200a以抵消由电极结构110施加的纵向力198b。类似地，在一个实施例中，该组电极约束件108包括二级生长约束系统152，其具有位于沿电极组件106的垂直方向的相对表面处的第一和第二二级生长约束件158、160，这些约束件在垂直方向上施加力200b以抵消由电极结构110施加的垂直力198a。此外，作为第一和第二生长约束系统151、152中的一者或多者的替代或补充，也可以提供三级生长约束系统155(未示出)以在横向方向上施加反作用力以抵消由电极组件106中的电极结构110的体积变化所施加的横向力。因此，该组电极约束件108能够至少部分地抵消在充电和放电之间的循环期间由电极结构110的体积变化导致由电极结构110施加的力，从而可以控制和约束电极组件106的整体宏观生长。
电极结构群
再次参考图7，电极结构群110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。电极结构110还包括长度LES、宽度WES和高度HES。长度LES由横向表面限定并沿X轴测量。宽度WES由横向表面限定并沿Y轴测量，高度HES沿垂直轴AES或Z轴从顶部1052到底部1054测量。
电极群110的构件的LES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，电极群110的构件通常具有约5mm至约500mm的范围内的LES。例如，在一个这样的实施例中，电极群110的构件具有约10mm至约250mm的LES。作为另一示例，在一个这样的实施例中，电极群110的构件具有约20mm至约100mm的LES。
电极群110的构件的WES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，电极群110的每个构件通常具有约0.01mm至2.5mm的范围内的WES。例如，在一个实施例中，电极群110的每个构件的WES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，电极群110的每个构件的WES将在约0.05mm至约1mm的范围内。
电极群110的构件的HES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，电极群110的构件通常具有约0.05mm至约10mm的范围内的HES。例如，在一个实施例中，电极群110的每个构件的HES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，电极群110的每个构件的HES将在约0.1mm至约1mm的范围内。
在另一实施例中，电极结构群110的每个构件可包括电极结构主干134，其具有平行于Z轴的垂直轴AESB。电极结构主干134还可包括关于垂直轴AESB围绕电极结构主干134的电极活性材料层132。换言之，电极结构主干134为电极活性材料层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。在其他实施例中，如图1B的实施例所示，电极集流体136可以为电极活性材料层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。也就是说，在某些实施例中，电极集流体136可以用作电极结构主干。在某些实施例中，电极活性材料层132在载体离子插入到电极活性材料层132中时膨胀，并在载体离子从电极活性材料层132抽出时收缩。例如，在一个实施例中，电极活性材料层132可以是阳极活性的。作为另一示例，在一个实施例中，电极活性材料层132可以是阴极活性的。电极结构主干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)。电极结构主干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。
电极结构主干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，电极结构主干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，电极结构主干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，电极结构主干134将具有约20mm至约100mm的LESB。根据一个实施例，电极结构主干134可以是充当至少一个连接构件166的电极结构110的子结构。
电极结构主干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，每个电极结构主干134通常具有至少1微米的WESB。例如，在一个实施例中，每个电极结构主干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，每个电极结构主干134的WESB将在约1至约50微米的范围内。
电极结构主干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，电极结构主干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，电极结构主干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，每个电极结构主干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，每个电极结构主干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，每个电极结构主干134的HESB将在约0.1mm至约1mm的范围内。
根据应用，电极结构主干134可以是导电的或绝缘的。例如，在一个实施例中，电极结构主干134可以是导电的并且可包括用于电极活性材料132的电极集流体136。在一个这样的实施例中，电极结构主干134包括具有至少约103西门子/厘米的导电率的电极集流体136。作为另一示例，在一个这样的实施例中，电极结构主干134包括具有至少约104西门子/厘米的导电率的电极集流体136。作为另一示例，在一个这样的实施例中，电极结构主干134包括具有至少约105西门子/厘米的导电率的电极集流体136。在其它实施例中，电极结构主干134是相对不导电的。例如，在一个实施例中，电极结构主干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，电极结构主干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，电极结构主干134具有小于10-1西门子/厘米的导电率。
在某些实施例中，电极结构主干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、钛和钨包含到电极结构主干134中。在一个示例性实施例中，电极结构主干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，电极活性材料层132可具有至少一微米的厚度。然而，一般而言，电极活性材料层132的厚度不超过500微米，例如不超过200微米。例如，在一个实施例中，电极活性材料层132可具有约1至50微米的厚度。作为另一示例，在一个实施例中，电极活性材料层132可具有约2至约75微米的厚度。作为另一示例，在一个实施例中，电极活性材料层132可具有约10至约100微米的厚度。作为另一示例，在一个实施例中，电极活性材料层132可具有约5至约50微米的厚度。
在某些实施例中，电极集流体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分隔体130到电极活性材料层132的移动，并具有足够的导电性以使其能够充当集流体。在电极集流体136位于电极活性材料层132和分隔体130之间的实施例中，电极集流体136可以通过使来自电极集流体136的电流跨电极活性材料层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，从而减少循环期间电极活性材料层132中的应力；由于电极集流体136将电流分布到面对分隔体130的电极活性材料层132的表面，因此在载体离子浓度最大的情况下，电极活性材料层132对载体离子的反应将是最大的。
电极集流体136可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，电极集流体136可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电极活性材料层132与电化学堆叠或电极组件106中的电极集流体136的另一侧上的紧邻分隔体层130之间移动。在又一个实施例中，电极集流体136可包括导电的导体材料，而与任何离子传导性无关(例如，该材料可以具有或不具有离子传导性)，例如在电极集流体136形成电极结构110的内部主干，如图1B所示。在这样的实施例中，电极集流体可以内部地定位在电极结构100内，使得其不抑制载体离子向负极活性材料的移动，因此传导离子的能力可能不是必需的。相对来说，当存在在装置100中存储能量的施加电流或对装置100进行放电的施加负荷时，电极集流体136的导电率大于其离子传导率。例如，当存在在装置100中存储能量的施加电流或对装置100进行放电的施加负荷时，电极集流体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中存储能量的施加电流或对装置100进行放电的施加负荷时，电极集流体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中存储能量的施加电流或对装置100进行放电的施加负荷时，电极集流体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中存储能量的施加电流或对装置100进行放电的施加负荷时，电极集流体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中存储能量的施加电流或对装置100进行放电的施加负荷时，电极集流体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中存储能量的施加电流或对装置100进行放电的施加负荷时，例如当二次电池102正在充电或放电时，电极集流体136的离子传导率与相邻分隔体层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中存储能量的施加电流或对装置100进行放电的施加负荷时，电极集流体136的离子传导率(对于载体离子)是分隔体层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中存储能量的施加电流或对装置100进行放电的施加负荷时，电极集流体136的离子传导率(对于载体离子)与分隔体层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中存储能量的施加电流或对装置100进行放电的施加负荷时，电极集流体136的离子传导率(对于载体离子)与分隔体层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中存储能量的施加电流或对装置100进行放电的施加负荷时，电极集流体136的离子传导率(对于载体离子)与分隔体层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中存储能量的施加电流或对装置100进行放电的施加负荷时，电极集流体136的离子传导率(对于载体离子)与分隔体层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，电极集流体136的导电率还显著大于电极活性材料层132的导电率。例如，在一个实施例中，当存在在装置100中存储能量的施加电流或对装置100进行放电的施加负荷时，电极集流体136的导电率与电极活性材料层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中存储能量的施加电流或对装置100进行放电的施加负荷时，电极集流体136的导电率与电极活性材料层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中存储能量的施加电流或对装置100进行放电的施加负荷时，电极集流体136的导电率与电极活性材料层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中存储能量的施加电流或对装置100进行放电的施加负荷时，电极集流体136的导电率与电极活性材料层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中存储能量的施加电流或对装置100进行放电的施加负荷时，电极集流体136的导电率与电极活性材料层132的导电率的比率为至少10,000:1。
在某些实施例中，电极集流体层136在纵向方向上的厚度(即，在一个实施例中，中间夹着电极集流体层136的分隔体130和阳极活性材料层(例如，电极活性材料层132)之间的最短距离，或者，如在图1B中的实施例那样，在将电极集流体夹在其间的相邻的电极活性材料层之间所测量的厚度)取决于层136的组成和电化学堆叠的性能规格。通常，当电极集流体层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，电极集流体层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，电极集流体层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，电极集流体层136的厚度在约0.5至约3微米的范围内。在其他实施例中，包括其中电极集流体层136是电极结构110的内部结构，诸如夹在相邻的电极活性材料层之间的内部层(例如，如图1B所示的实施例)，厚度通常可以如针对离子可渗透导体层所描述的那样，并且可以更通常在小于20微米的范围内，例如在2微米到20微米、6微米到18微米的范围内，和/或8微米到14微米的范围内。即，电极集流体的厚度可以小于20微米，例如小于18微米，并且甚至小于14微米，并且通常可以至少为2微米，例如至少为6微米，甚至至少为8微米。通常，电极集流体层136的厚度可以优选地大致均匀。例如，在一个实施例中，电极集流体层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，电极集流体层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，电极集流体层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，电极集流体层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具有至少约0.25的空隙率。然而，一般而言，空隙率通常不超过约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，电极集流体层136是电极活性材料层132的单独的阳极集流体。换言之，电极结构主干134可包括阳极集流体。然而，在某些其它实施例中，电极结构主干134可以可选地不包括阳极集流体。在另外的其他实施例中，例如如图1B所示，电极集流体层136是电极结构110的内部结构，并且可以用作电极结构110的芯或主干结构，电极活性材料层132设置在内部电极集流体层136的相对侧上。
对电极结构群
再次参考图7，对电极结构群112的每个构件也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。对电极结构112还包括长度LCES、宽度WCES和高度HCES。长度LCES由横向表面限定并沿X轴测量。宽度WCES由横向表面限定并沿Y轴测量，高度HCES沿垂直轴ACES或Z轴从顶部1068到底部1070测量。
对电极群112的构件的LCES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，对电极群112的构件通常具有在约5mm至约500mm的范围内的LCES。例如，在一个这样的实施例中，对电极群112的构件具有约10mm至约250mm的LCES。作为另一示例，在一个这样的实施例中，对电极群112的构件具有约25mm至约100mm的LCES。
对电极群112的构件的WCES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，对电极群112的每个构件通常具有在约0.01mm至2.5mm的范围内的WCES。例如，在一个实施例中，对电极群112的每个构件的WCES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，对电极群112的每个构件的WCES将在约0.05mm至约1mm的范围内。
对电极群112的构件的HCES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，对电极群112的构件通常具有在约0.05mm至约10mm的范围内的HCES。例如，在一个实施例中，对电极群112的每个构件的HCES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，对电极群112的每个构件的HCES将在约0.1mm至约1mm的范围内。
在另一实施例中，对电极结构群112的每个构件可包括对电极结构主干141，其具有平行于Z轴的垂直轴ACESB。对电极结构主干141还可包括关于垂直轴ACESB围绕对电极结构主干141的对电极活性材料层138。换言之，对电极结构主干141为对电极活性材料层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。在又一个实施例中，如图1B所示，对电极集流体140可以为对电极活性材料层138提供机械稳定性，并且可以为初级生长约束系统151和/或二级生长约束系统152提供附接点。也就是说，在某些实施例中，对电极集流体140可以用作对电极结构主干。在某些实施例中，对电极活性材料层138在载体离子插入到对电极活性材料层138中时膨胀，并在载体离子从对电极活性材料层138抽出时收缩。例如，在一个实施例中，对电极活性材料层138可以是阳极活性的。作为另一示例，在一个实施例中，对电极活性材料层138可以是阳极活性的。对电极结构主干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)。对电极结构主干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。
对电极结构主干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，对电极结构主干141通常具有在约5mm至约500mm的范围内的LCESB。例如，在一个这样的实施例中，对电极结构主干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，对电极结构主干141将具有约20mm至约100mm的LCESB。
对电极结构主干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，每个对电极结构主干141通常具有至少1微米的WCESB。例如，在一个实施例中，每个对电极结构主干141的WCESB基本上更厚，但通常不具有超过500微米的厚度。作为另一示例，在一个实施例中，每个对电极结构主干141的WCESB将在约1至约50微米的范围内。
对电极结构主干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，对电极结构主干141通常具有至少约50微米，更通常地至少约100微米的HCESB。此外，一般而言，对电极结构主干141通常具有不大于约10,000微米，更通常地不大于约5,000微米的HCESB。例如，在一个实施例中，每个对电极结构主干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，每个对电极结构主干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，每个对电极结构主干141的HCESB将在约0.1mm至约1mm的范围内。
根据应用，对电极结构主干141可以是导电的或绝缘的。例如，在一个实施例中，对电极结构主干141可以是导电的并且可包括用于对电极活性材料138的对电极集流体140。在一个这样的实施例中，对电极结构主干141包括具有至少约103西门子/厘米的导电率的对电极集流体140。作为另一示例，在一个这样的实施例中，对电极结构主干141包括具有至少约104西门子/厘米的导电率的对电极集流体140。作为另一示例，在一个这样的实施例中，对电极结构主干141包括具有至少约105西门子/厘米的导电率的对电极集流体140。在其它实施例中，对电极结构主干141是相对不导电的。例如，在一个实施例中，对电极结构主干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，电极结构主干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，对电极结构主干141具有小于10-1西门子/厘米的导电率。
在某些实施例中，对电极结构主干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、钛和钨包含在对电极结构主干141中。在一个示例性实施例中，对电极结构主干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，对电极活性材料层138可具有至少一微米的厚度。然而，一般而言，对电极活性材料层138的厚度不超过200微米。例如，在一个实施例中，对电极活性材料层138可具有约1至50微米的厚度。作为另一示例，在一个实施例中，对电极活性材料层138可具有约2至约75微米的厚度。作为另一示例，在一个实施例中，对电极活性材料层138可具有约10至约100微米的厚度。作为另一示例，在一个实施例中，对电极活性材料层138可具有约5至约50微米的厚度。
在某些实施例中，对电极集流体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分隔体130到对电极活性材料层138的移动，并具有足够的导电性以使其能够充当集流体。无论是否被置于对电极活性材料层138与分隔体130之间，对电极集流体140都可以通过使来自对电极集流体140的电流跨对电极活性材料层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，从而减少循环期间对电极活性材料层138中的应力；由于对电极集流体140将电流分布到面对分隔体130的对电极活性材料层138的表面，因此在载体离子浓度最大的情况下，对电极活性材料层138对载体离子的反应将是最大的。
对电极集流体140可包括离子可渗透导体材料，其既能渗透离子又能导电。换言之，对电极集流体140可具有用于载体离子的厚度、导电率和离子传导率，其有助于载体离子在离子可渗透导体层的一侧上的紧邻的对电极活性材料层138与电化学堆叠或电极组件106中的对电极集流体140的另一侧上的紧邻的分隔体层130之间移动。在又一个实施例中，对电极集流体140可包括导电的导体材料，而与任何离子传导性无关(例如，该材料可以具有或不具有离子传导性)，例如在对电极集流体140形成对电极结构111的内部主干，如图1B所示。在这样的实施例中，电极集流体可以内部地定位在电极结构100内，使得其不抑制载体离子向负极活性材料的移动，因此传导离子的能力可能不是必需的。相对来说，当存在在装置100中存储能量的施加电流或对装置100进行放电的施加负荷时，对电极集流体140的导电率大于其离子传导率。例如，当存在在装置100中存储能量的施加电流或对装置100进行放电的施加负荷时，对电极集流体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中存储能量的施加电流或对装置100进行放电的施加负荷时，对电极集流体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中存储能量的施加电流或对装置100进行放电的施加负荷时，对电极集流体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中存储能量的施加电流或对装置100进行放电的施加负荷时，对电极集流体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中存储能量的施加电流或对装置100进行放电的施加负荷时，对电极集流体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中存储能量的施加电流或对装置100进行放电的施加负荷时，例如当能量存储装置100或二次电池102正在充电或放电时，对电极集流体140的离子传导率与相邻分隔体层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中存储能量的施加电流或对装置100进行放电的施加负荷时，对电极集流体140的离子传导率(对于载体离子)是分隔体层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中存储能量的施加电流或对装置100进行放电的施加负荷时，对电极集流体140的离子传导率(对于载体离子)与分隔体层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中存储能量的施加电流或对装置100进行放电的施加负荷时，对电极集流体140的离子传导率(对于载体离子)与分隔体层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中存储能量的施加电流或对装置100进行放电的施加负荷时，对电极集流体140的离子传导率(对于载体离子)与分隔体层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中存储能量的施加电流或对装置100进行放电的施加负荷时，对电极集流体140的离子传导率(对于载体离子)与分隔体层130的离子传导率(对于(阳极集流体层)载体离子)的比率为至少2:1。
在一个实施例中，对电极集流体140的导电率也显著大于对电极活性材料层138的导电率。例如，在一个实施例中，当存在在装置100中存储能量的施加电流或对装置100进行放电的施加负荷时，对电极集流体140的导电率与对电极活性材料层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中存储能量的施加电流或对装置100进行放电的施加负荷时，对电极集流体140的导电率与对电极活性材料层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中存储能量的施加电流或对装置100进行放电的施加负荷时，对电极集流体140的导电率与对电极活性材料层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中存储能量的施加电流或对装置100进行放电的施加负荷时，对电极集流体140的导电率与对电极活性材料层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中存储能量的施加电流或对装置100进行放电的施加负荷时，对电极集流体140的导电率与对电极活性材料层138的导电率的比率为至少10,000:1。
在某些实施例中，对电极集流体层140的厚度(即，在一个实施例中，中间夹着对电极集流体层140的分隔体130和阴极活性材料层(例如，对电极活性材料层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，当对电极集流体层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，对电极集流体层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，对电极集流体层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，对电极集流体层140的厚度在约0.5至约3微米的范围内。在其他实施例中，包括其中对电极集流体层140是对电极结构112的内部结构，诸如夹在相邻的对电极活性材料层之间的内部层(例如，如图1B所示的实施例)，厚度通常可以如针对离子可渗透导体层所描述的那样，并且可以更通常在小于20微米的范围内，例如在2微米到20微米、6微米到18微米的范围内，和/或8微米到14微米的范围内。即，对电极集流体的厚度可以小于20微米，例如小于18微米，并且甚至小于14微米，并且通常可以至少为2微米，例如至少为6微米，甚至至少为8微米。通常，对电极集流体层140的厚度优选地大致均匀。例如，在一个实施例中，对电极集流体层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，对电极集流体层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，对电极集流体层140具有小于约15％的厚度不均匀性。在一些实施例中，对电极集流体层140具有小于约10％的厚度不均匀性。
在一个实施例中，对电极集流体层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，对电极集流体层140是对电极活性材料层138的单独的阴极集流体。换言之，对电极结构主干141可包括阴极集流体140。然而，在某些其它实施例中，对电极结构主干141可以可选地不包括阴极集流体140。在另外的其他实施例中，例如如图1B所示，电极集流体层136是电极结构110的内部结构，并且可以用作电极结构110的芯或主干结构，电极活性材料层132设置在内部电极集流体层136的相对侧上。
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轴隔开的相对的外表面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可包括适于将电极结构群110和/或对电极结构群112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，用于将实现为电极结构110和/或对电极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，电极结构群110(即，所示的电极集流体136)的顶部1052和底部1054以及对电极结构群112(即，所示的对电极集流体140)的顶部1068和底部1070可以经由胶层182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，电极结构群110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，电极结构群110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，对电极结构群112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，对电极结构群112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，电极主干134的顶部1056和底部1058、以及对电极主干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，电极主干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，对电极主干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，对电极主干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，电极结构群110和/或对电极结构群112的至少一部分和/或分隔体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电极结构110和/或对电极结构112的任何部分之外，电极结构110和/或对电极结构112的任何部分和/或分隔体130可以用作一个或多个二级连接构件166。也就是说，电极结构110和/或对电极结构112的该部分(例如导致电极组件106的体积变化的电极活性材料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，从而提供用于约束电极生长/增大的协作、协同约束系统(即，一组电极约束件108)。
经由电极结构的连接
在下面描述的备选实施例中，电极结构110也可以被独立地分别附接到第一和第二二级生长约束件158、160。现在参考图9A至9B，其中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；分隔体130、以及如上所述与Y轴平行的堆叠方向D的指定。更具体地说，图9A至9B分别示出了沿图1A中的线A-A'的横截面，其中如上所述，每个第一初级生长约束件154和每个第二初级生长约束件156可以经由胶层182而被附接到第一二级生长约束件158和第二二级生长约束件160。在某些实施例中，如图9A至9B中的每一者所示，非附接的对电极结构112可包括位于其顶部1068与第一二级生长约束件158之间、以及位于其底部1070与第二二级生长约束件160之间的对电极间隙1086。换言之，在某些实施例中，每个对电极结构112的顶部1068和底部1070可以具有位于第一和第二二级约束件158、160之间的间隙1086。此外，在某些实施例中，图9A至9B还示出了：对电极结构112的顶部1068可以与第一二级生长约束件158接触但不被附接到其上，对电极结构112的底部1070可以与第二二级生长约束件160接触但不被附接到其上，或者，对电极结构112的顶部1068可以与第一二级生长约束件158接触但不被附接到其上并且对电极结构112的底部1070可以与第二二级生长约束件160(未示出)接触但不被附接到其上。
更具体地说，在一个实施例中，如图9A所示，多个电极主干134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。在某些实施例中，被附接到第一和第二二级生长约束件158、160的多个电极主干134可包括相对于附接的电极主干134关于粘合轴AG的对称图案。在某些实施例中，被附接到第一和第二二级生长约束件158、160的多个电极主干134可包括相对于附接的电极主干134关于粘合轴AG的非对称或随机图案。在某些实施例中，电极主干134可以包括电极集流体136，和/或可以提供电极集流体136来代替电极主干，例如如图1B所示的实施例中所示。
在一个示例性实施例中，第一对称附接图案单元可包括上述附接到第一二级生长约束件158和第二二级生长约束件160的两个电极主干134，其中这两个附接的电极主干134位于一个对电极结构112的侧面。因此，第一对称附接图案单元可以根据需要沿着堆叠方向D重复，具体取决于能量存储装置100或二次电池102及其预期用途。在另一示例性实施例中，第二对称附接图案单元可包括上述附接到第一二级生长约束件158和第二二级生长约束件160的两个电极主干134，这两个附接的电极主干134位于两个或更多个对电极结构112以及一个或多个非附接的电极主干134的侧面。因此，第二对称附接图案单元可以根据需要沿着堆叠方向D重复，具体取决于能量存储装置100或二次电池102及其预期用途。本领域的技术人员将理解的其它示例性对称附接图案单元已被预期。
在一个示例性实施例中，第一非对称或随机附接图案可包括上述附接到第一二级生长约束件158和第二二级生长约束件160的两个或更多个电极主干134，其中这两个或更多个附接的电极主干134可以被单独指定为附接的电极主干134A、附接的电极主干134B、附接的电极主干134C和附接的电极主干134D。附接的电极主干134A和附接的电极主干134B可以位于(1+x)对电极结构112的侧面，附接的电极主干134B和附接的电极主干134C可以位于(1+y)对电极结构112的侧面，并且附接的电极主干134C和附接的电极主干134D可以位于(1+z)对电极结构112的侧面，其中任何两个附接的电极主干134A至134D之间的对电极结构112的总量(即，x、y或z)是不相等的(即，x≠y≠z)，并且可以通过非附接的电极主干134而被进一步隔开。换言之，如上所述，可以将任何数量的电极主干134附接到第一二级生长约束件158和第二二级生长约束件160，其中任何两个附接的电极主干134之间可包括由非附接的电极主干134隔开的任何不相等数量的对电极结构112。本领域的技术人员将理解的其它示例性的非对称或随机附接图案已被预期。
更具体地说，在一个实施例中，如图9B所示，多个电极集流体136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。在某些实施例中，附接到第一和第二二级生长约束件158、160的多个电极集流体136可包括相对于附接的电极集流体136关于粘合轴AG的对称图案。在某些实施例中，附接到第一和第二二级生长约束件158、160的多个电极集流体136可包括相对于附接的电极集流体136关于粘合轴AG的非对称或随机图案。
在一个示例性实施例中，第一对称附接图案单元可包括上述附接到第一二级生长约束件158和第二二级生长约束件160的两个电极集流体136，其中这两个附接的电极集流体136位于一个对电极结构112的侧面。因此，第一对称附接图案单元可以根据需要沿着堆叠方向D重复，具体取决于能量存储装置100或二次电池102及其预期用途。在另一示例性实施例中，第二对称附接图案单元可包括上述附接到第一二级生长约束件158和第二二级生长约束件160的两个电极集流体136，这两个附接的电极集流体136位于两个或更多个对电极结构112以及一个或多个非附接的电极集流体136的侧面。因此，第二对称附接图案单元可以根据需要沿着堆叠方向D重复，具体取决于能量存储装置100或二次电池102及其预期用途。本领域的技术人员将理解的其它示例性对称附接图案单元已被预期。
在一个示例性实施例中，第一非对称或随机附接图案可包括上述附接到第一二级生长约束件158和第二二级生长约束件160的两个或更多个电极集流体136，其中这两个或更多个附接的电极集流体136可以被单独指定为附接的电极集流体136A、附接的电极集流体136B、附接的电极集流体136C和附接的电极集流体136D。附接的电极集流体136A和附接的电极集流体136B可以位于(1+x)对电极结构112的侧面，附接的电极集流体136B和附接的电极集流体136C可以位于(1+y)对电极结构112的侧面，并且附接的电极集流体136C和附接的电极集流体136D可以位于(1+z)对电极结构112的侧面，其中任何两个附接的电极集流体136A至136D之间的对电极结构112的总量(即，x、y或z)是不相等的(即，x≠y≠z)，并且可以通过非附接的电极集流体136而被进一步隔开。换言之，如上所述，可以将任何数量的电极集流体136附接到第一二级生长约束件158和第二二级生长约束件160，其中任何两个附接的电极集流体136之间可包括由非附接的电极集流体136隔开的任何不相等数量的对电极结构112。本领域的技术人员将理解的其它示例性的非对称或随机附接图案已被预期。
二次电池
现在参考图10，其中示出了具有本公开的多组电极约束件108a的二次电池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具有第一纵向端部表面116、相对的第二纵向端部表面118(即，沿所示的笛卡尔坐标系的Y轴与第一纵向端部表面116隔开)。每个电极组件106包括电极结构群110和对电极结构群112，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，电极结构群110和对电极结构群112以电极110和对电极112的交替顺序布置，其中如上所述，这些顺序在第一和第二纵向端部表面116、118之间沿着堆叠方向D前进(请参见例如图2A；如图2A和图10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10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所包含的对电极112。
图10所示的实施例中的每个电极组件106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部表面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部表面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，如图所示，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10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、电极110和/或对电极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，如图所示，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10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，电极和/或对电极接头片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10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10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10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10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/或生长约束件和/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和/或二级生长约束系统155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和/或二级生长约束系统可包括各种金属、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和/或二级生长约束系统155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和/或二级生长约束系统155包括金属时，该金属通常优选地以限制腐蚀并限制在电极110和对电极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和/或二级生长约束系统155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，ENrGE-
Figure GDA0002629054310001391
)。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和/或二级生长约束系统155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，Victrex90HMF40或Xycomp 1000-04)、聚酰亚胺(例如，
Figure GDA0002629054310001392
)。在另一示例性实施例中，初级生长约束系统151和/或二级生长约束系统包括复合物，例如EGlass Std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；Toyobo
Figure GDA0002629054310001393
HM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和/或二级生长约束系统155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。
不受任何特定理论的束缚，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。粘合可以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汇流条上。
电极群110和对电极群112的构件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，电极结构群110的构件包括阳极活性电活性材料(有时被称为负极)，并且对电极结构群112的构件包括阴极活性电活性材料(有时被称为正极)。在其它实施例中，电极结构群110的构件包括阴极活性电活性材料，并且对电极结构112群的构件包括阳极活性电活性材料。在该段落中所述的每个实施例和示例中，负极活性材料可以是颗粒聚集体电极、由颗粒材料形成的电极活性材料(例如通过形成颗粒材料的浆料并浇铸成层状)，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石墨、锡、铅、镁、铝、硼、镓、硅、Si/C复合材料、Si/石墨混合物、SiOx、多孔硅、金属间硅合金、铟、锆、锗、铋、镉、锑、银、锌、砷、铪、钇、锂、钠、石墨、碳、钛酸锂、钯及其混合物。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、氧化硅、或其合金。
在又一个实施例中，阳极活性材料可包括锂金属、锂合金、碳、石油焦、活性炭、石墨、硅化合物、锡化合物及其合金。在一个实施例中，阳极活性材料包括：碳、例如非石墨化碳、石墨基碳等；金属复合氧化物，例如LixFe2O3(0≦x≦1)、LixWO2(0≦x≦1)、SnxMe1-xMe'yOz(Me：Mn、Fe、Pb、Ge；Me'：Al、B、P、Si、元素周期表中1族、2族和3族中的元素、卤素；0<x≦1；1≦y≦3；1≦z≦8)等；锂金属；锂合金；硅基合金；锡基合金；金属氧化物，例如SnO、SnO2、PbO、PbO2、Pb2O3、Pb3O4、Sb2O3、Sb2O4、Sb2O5、GeO、GeO2、Bi2O3、Bi2O4、Bi2O5等；导电聚合物，例如聚乙炔等；Li-Co-Ni基材料等。在一个实施例中，阳极活性材料可包括碳基活性材料，该碳基活性材料包括诸如天然石墨、合成石墨等的晶体石墨，以及诸如软碳、硬碳等的无定形碳。适用于阳极活性材料的碳材料的其他示例可以包括石墨、Kish石墨、热解碳、中间相沥青基碳纤维、中间相碳微球、中间相沥青、石墨化碳纤维和高温烧结碳(例如石油或焦油沥青衍生的焦炭)。在一个实施例中，负极活性材料可包括氧化锡、硝酸钛和硅。在另一个实施例中，负极可包括锂金属(例如锂金属膜)、或锂合金(例如锂与选自Na、K、Rb、Cs、Fr、Be、Mg、Ca、Sr、Ba、Ra、Al和Sn的一种或多种金属的合金)。在又一个实施例中，阳极活性材料可包括能够与锂合金化和/或嵌入锂的金属化合物，例如Si、Al、C、Pt、Sn、Pb、Ir、Ni、Cu、Ti、Na、K、Rb、Cs、Fr、Be、Ca、Sr、Sb、Ba、Ra、Ge、Zn、Bi、In、Mg、Ga、Cd、Si合金、Sn合金、Al合金等；能够掺杂和去掺杂锂离子的金属氧化物，例如SiOv(0<v<2)、SnO2、氧化钒或锂钒氧化物；包括金属化合物和碳材料的复合物，例如Si-C复合物或Sn-C复合物。例如，在一个实施例中，能够与锂合金化/嵌入锂的材料可以是：金属，例如锂、铟、锡、铝或硅、或者它们的合金；过渡金属氧化物，例如Li4/3Ti5/3O4或SnO；碳质材料，例如人造石墨、石墨碳纤维、树脂煅烧碳、热分解气相生长碳、软木(corks)、中间相炭微球(MCMB)、糠醇树脂煅烧碳、多并苯、沥青基碳纤维、气相生长碳纤维或天然石墨。在又一个实施例中，负极活性材料可包括适合于载体离子(例如钠或镁)的组合物。例如，在一个实施例中，负极活性材料可包括层状碳质材料；以及设置在该层状碳质材料的层之间的式NaxSny-zMz的组合物，其中M是Ti、K、Ge、P或其组合，并且0<x≤15、1≤y≤5以及0≤z≤1。
在一个实施例中，负极活性材料可进一步包括导电材料和/或导电助剂，例如碳基材料，炭黑、石墨、石墨烯、活性炭、碳纤维、炭黑(例如乙炔黑、Ketjen黑、槽黑、炉黑、灯黑、热炭黑等)；导电纤维，例如碳纤维、金属纤维等；导电管，例如碳纳米管等；金属粉，例如氟化碳粉、铝粉、镍粉等；导电晶须，例如氧化锌、钛酸钾等；导电金属氧化物，例如氧化钛等；或导电材料，例如聚苯衍生物等。另外，还可以使用金属纤维(例如金属网)；金属粉(例如铜、银、镍和铝)；或者有机导电材料(例如聚苯衍生物)。在又一个实施例中，可以提供粘合剂，例如以下中的一种或多种：聚乙烯、聚环氧乙烷、聚丙烯、聚四氟乙烯(PTFE)、聚偏氟乙烯(PVDF)、丁苯橡胶、四氟乙烯-全氟烷基乙烯基醚共聚物、偏二氟乙烯-六氟丙烯共聚物、偏二氟乙烯-三氟氯乙烯共聚物、乙烯-四氟乙烯共聚物、聚三氟氯乙烯、偏二氟乙烯-五氟丙烯共聚物、丙烯-四氟乙烯共聚物、乙烯-三氟氯乙烯共聚物、偏二氟乙烯-六氟丙烯-四氟乙烯共聚物、偏二氟乙烯-全氟甲基乙烯基醚-四氟乙烯共聚物、乙烯-丙烯酸共聚物等，粘合剂可以单独使用或混合使用。
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以包括具有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、硫、硫化合物、氧气(空气)、Li(NixMnyCoz)O2、及其组合。此外，用于阴极活性材料层的化合物可以包括进一步包含金属氧化物或金属磷酸盐的含锂化合物，例如包括锂、钴和氧的化合物(例如，LiCoO2)，包括锂、锰和氧的化合物(例如，LiMn2O4)和包括锂铁和磷酸盐的化合物(例如，LiFePO)。在一个实施例中，阴极活性材料包括锂锰氧化物、锂钴氧化物、锂镍氧化物、锂铁磷酸盐或由上述氧化物的组合形成的复合氧化物中的至少一种。在另一个实施例中，阴极活性材料可包括以下中的一种或多种：锂钴氧化物(LiCoO2)、锂镍氧化物(LiNiO2)等、或具有一种或多种过渡金属的取代化合物；锂锰氧化物，例如Li1+xMn2-xO4(其中，x为0至0.33)，LiMnO3、LiMn2O3、LiMnO2等；锂铜氧化物(Li2CuO2)；氧化钒，例如LiV3O8、LiFe3O4、V2O5、Cu2V2O7等；化学式为LiNi1-xMxO2(其中，M＝Co、Mn、Al、Cu、Fe、Mg、B或Ga，x＝0.01至0.3)的Ni位点型锂镍氧化物；化学式为LiMn2-xMxO2(其中M＝Co、Ni、Fe、Cr、Zn或Ta，x＝0.01至0.1)或Li2Mn3MO8(其中M＝Fe、Co、Ni、Cu或Zn)的锂锰复合氧化物；LiMn2O4，其中一部分Li被碱土金属离子取代；二硫复合物；Fe2(MoO4)3等。在一个实施例中，阴极活性材料可包括具有式2的橄榄石晶体结构的锂金属磷酸盐：Li1+aFe1-xM'x(PO4-b)Xb，其中M'是选自Al、Mg、Ni、Co、Mn、Ti、Ga、Cu、V、Nb、Zr、Ce、In、Zn中的至少一种，以及Y，X是选自F、S和N中的至少一种，-0.5≤a≤+0.5，0≤x≤0.5，并且0≤b≤0.1，例如LiFePO4、Li(Fe,Mn)PO4、Li(Fe,Co)PO4、Li(Fe,Ni)PO4等中的至少一种。在一个实施例中，阴极活性材料包括LiCoO2、LiNiO2、LiMnO2、LiMn2O4、LiNi1-yCoyO2、LiCo1-yMnyO2、LiNi1-yMnyO2(0≤y≤1)、Li(NiaCobMnc)O4(0＜a＜2、0<b<2、0<c<2和a+b+c＝2)、LiMn2-zNizO4、LiMn2-zCozO4(0<z<2)、LiCoPO4和LiFePO4或其两种或多种的混合物中的至少一种。
在另一个实施例中，阴极活性材料可包括元素硫(S8)、硫系化合物或其混合物。硫系化合物可以具体地为Li2Sn(n≥1)，有机硫化合物、碳硫聚合物((C2Sx)n：x＝2.5至50，n≥2)等。在又一个实施例中，阴极活性材料可以包括锂和锆的氧化物。
在另一个实施例中，阴极活性材料可包括锂和金属的至少一种复合氧化物，可以使用例如钴、锰，镍或它们的组合，并且其示例为LiaA1-bMbD2(其中，0.90≤a≤1和0≤b≤0.5)；LiaE1-bMbO2-cDc(其中0.90≤a≤1，0≤b≤0.5，以及0≤c≤0.05)；LiE2-bMbO4-cDc(其中，0≤b≤0.5，以及0≤c≤0.05)；LiaNi1-b-cCobMcDa(其中，0.90≤a≤1，0≤b≤0.5，0≤c≤0.05，以及0<a≤2)；LiaNi1-b-cCobMcO2-aXa(其中，0.90≤a≤1，0≤b≤0.5，0≤c≤0.05，以及0<a<2)；LiaNi1-b-cCobMcO2-aX2(其中0.90≤a≤1，0≤b≤0.5，0≤c≤0.05，以及0<a<2)；LiaNi1-b-cMnbMcDa(其中，0.90≤a≤1，0≤b≤0.5，0≤c≤0.05，以及0<a≤2)；LiaNi1-b- cMnbMcO2-aXa(其中，0.90≤a≤1，0≤b≤0.5，0≤c≤0.05，以及0<a<2)；LiaNi1-b-cMnbMcO2-aX2(其中，0.90≤a≤1，0≤b≤0.5，0≤c≤0.05，以及0<a<2)；LiaNibEcGdO2(其中，0.90≤a≤1、0≤b≤0.9、0≤c≤0.5以及0.001≤d≤0.1)；LiaNibCocMndGeO2(其中，0.90≤a≤1、0≤b≤0.9、0≤c≤0.5、0≤d≤0.5以及0.001≤e≤0.1)；LiaNiGbO2(其中，0.90≤a≤1以及0.001≤b≤0.1)；LiaCoGbO2(其中，0.90≤a≤1以及0.001≤b≤0.1)；LiaMnGbO2(其中，0.90≤a≤1以及0.001≤b≤0.1)；LiaMn2GbO4(其中，0.90≤a≤1以及0.001≤b≤0.1)；QO2；QS2；LiQS2；V2O5；LiV2O5；LiX'O2；LiNiVO4；Li(3-f)J2(PO4)3(0≤f≤2)；Li(3-f)Fe2(PO4)3(0≤f≤2)；和LiFePO4。上式中，A为Ni、Co、Mn或其组合；M为Al、Ni、Co、Mn、Cr、Fe、Mg、Sr、V、稀土元素或其组合；D为O、F、S、P或其组合；E为Co、Mn或其组合；X为F、S、P或其组合；G为Al、Cr、Mn、Fe、Mg、La、Ce、Sr、V或其组合；Q为Ti、Mo、Mn或其组合；X'为Cr、V、Fe、Sc、Y或其组合；以及J为V、Cr、Mn、Co、Ni、Cu或其组合。例如，可以使用LiCoO2、LiMnxO2x(x＝1或2)、LiNi1-xMnxO2x(0＜x＜1)、LiNi1-x-yCoxMnyO2(0≤x≤0.5，0≤y≤0.5)或FePO4。在一个实施例中，阴极活性材料包括以下中的至少一种：锂化合物(例如锂钴氧化物、锂镍氧化物、锂镍钴氧化物、锂镍钴铝氧化物、锂镍钴锰氧化物、锂锰氧化物或锂铁磷酸盐)、硫化镍；硫化铜；硫；氧化铁；或氧化钒。
在一个实施例中，阴极活性材料可包括含钠的材料，例如以下中的至少一种：式为NaMl aO2的氧化物，例如NaFeO2、NaMnO2、NaNiO2或NaCoO2；或者式为NaMn1-aMl aO2的氧化物，其中M1是至少一种过渡金属元素，并且0≤a<1。代表性的正极活性材料包括Na[Ni1/2Mn1/2]O2、Na2/3[Fe1/2Mn1/2]O2等；由Na0.44Mn1-aMl aO2表示的氧化物；由Na0.7Mn1-aMl aO2.05表示的的氧化物(其中M1为至少一种过渡金属元素，且0≤a<1)；由NabM2 cSi12O30表示的氧化物(其中M2为至少一种过渡金属元素，2≤b≤6，且2≤c≤5)，例如Na6Fe2Si12O30或Na2Fe5Si12O；由NadM3 eSi6O18表示的氧化物(其中M3为至少一种过渡金属元素，3≤d≤6，且1≤e≤2)，例如Na2Fe2Si6O18或Na2MnFeSi6O18；由NafM4 gSi2O6表示的氧化物，例如Na2FeSiO6(其中M4是选自过渡金属元素、镁(Mg)和铝(Al)中的至少一种元素，1≤f≤2和1≤g≤2)；磷酸盐，例如NaFePO4、Na3Fe2(PO4)3、Na3V2(PO4)3、Na4Co3(PO4)2P2O7等；硼酸盐，例如NaFeBO4或Na3Fe2(BO4)3；由NahM5F6表示的氟化物，例如Na3FeF6或Na2MnF6(其中M5为至少一种过渡金属元素，且2≤h≤3)；氟磷酸盐，例如Na3V2(PO4)2F3、Na3V2(PO4)2FO2等。正极活性材料不限于前述内容，可以使用本领域中使用的任何合适的正极活性材料。在一个实施例中，正极活性材料优选包括层状氧化物阴极材料，例如NaMnO2、Na[Ni1/2Mn1/2]O2和Na2/3[Fe1/2Mns1/2]O2；磷酸盐阴极，例如Na3V2(PO4)3和Na4Co3(PO4)2P2O7，或氟磷酸盐阴极，例如Na3V2(PO4)2F3和Na3V2(PO4)2FO2。
在一个实施例中，负极集流体136可包括合适的导电材料，例如金属材料。例如，在一个实施例中，负极集流体可包括以下中的至少一种：铜、镍、铝、不锈钢、钛、钯、焙烧炭素、煅烧碳、铟、铁、镁、钴、锗、锂、用碳、镍、钛、银、铝镉合金和/或其其他合金经表面处理的铜或不锈钢的材料。作为另一示例，在一个实施例中，负极集流体包括以下中的至少一种：铜、不锈钢、铝、镍、钛、焙烧炭素、用碳、镍、钛、银、铝镉合金和/或其其他合金经表面处理的铜或不锈钢的材料。在一个实施例中，负极集流体包括铜和不锈钢中的至少一种。
在一个实施例中，正极集流体140可包括合适的导电材料，例如金属材料。在一个实施例中，正极集流体包括以下中的至少一种：不锈钢、铝、镍、钛、焙烧炭素、烧结碳、用碳、镍、钛、银、和/或其合金经表面处理的铝或不锈钢的材料。在一个实施例中，正极集流体包括铝。
在另一个实施例中，阴极活性材料可进一步包含一种或多种导电助剂和/或粘合剂，其例如可以是针对本文中的阳极活性材料描述的任何导电助剂和/或粘合剂中的任何一个。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极活性材料所导致的体积膨胀和收缩。一般而言，负极活性材料的空隙体积率至少为0.1。然而，一般而言，负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，负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，负极活性材料的空隙体积率为约0.25至约0.6。
根据微结构化负极活性材料的组成及其形成方法，微结构化负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，负极活性材料包含在负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负极活性材料；例如，锂离子可在离开正极活性材料之后通过空隙开口进入负极活性材料。在另一实施例中，空隙体积包括闭合的空隙，即，负极活性材料包含被负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极活性材料的膨胀提供空间。因此，在某些实施例中，优选地负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，负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，多孔负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，负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，负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，负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，负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，负极活性材料包括铝、锡或硅或其合金的纤维。单根纤维可具有约5nm至约10,000nm的直径(厚度尺寸)和通常对应于负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，负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，负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，负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，负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，负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，电极110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电极结构110和对电极结构112的交替顺序行进的方向。另外，电极110群的每个构件具有沿电极的纵向轴(AE)测量的长度(LE)，在其中电极结构和对电极结构的交替顺序行进的方向上测量的宽度(WE)、以及在与长度(LE)和宽度(WE)的测量方向中的每一者垂直的方向上测量的高度(HE)。电极群的每个构件还具有周长(PE)，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。
电极群的构件的长度(LE)将根据能量存储装置及其预期用途而变化。然而，一般而言，电极群的构件通常具有在约5mm至约500mm的范围内的长度(LE)。例如，在一个这样的实施例中，电极群的构件具有约10mm至约250mm的长度(LE)。作为另一示例，在一个这样的实施例中，电极群的构件具有约25mm至约100mm的长度(LE)。
电极群的构件的宽度(WE)也将根据能量存储装置及其预期用途而变化。然而，一般而言，电极群的每个构件通常具有在约0.01mm至2.5mm的范围内的宽度(WE)。例如，在一个实施例中，电极群的每个构件的宽度(WE)在约0.025mm至约2mm的范围内。作为另一示例，在一个实施例中，电极群的每个构件的宽度(WE)在约0.05mm至约1mm的范围内。
电极群的构件的高度(HE)也将根据能量存储装置及其预期用途而变化。然而，一般而言，电极群的构件通常具有约0.05mm至约10mm的范围内的高度(HE)。例如，在一个实施例中，电极群的每个构件的高度(HE)在约0.05mm至约5mm的范围内。作为另一示例，在一个实施例中，电极群的每个构件的高度(HE)在约0.1mm至约1mm的范围内。根据一个实施例，电极群的构件包括具有第一高度的一个或多个第一电极构件、以及具有不同于第一高度的第二高度的一个或多个第二电极构件。例如，在一个实施例中，一个或多个第一电极构件可以具有被选择为允许电极构件在垂直方向(Z轴)上接触二级约束系统的一部分的高度。例如，一个或多个第一电极构件的高度可以足以使得第一电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，例如当第一电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，一个或多个第二电极构件可具有小于一个或多个第一电极构件的高度，使得例如一个或多个第二电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电极构件和一个或多个第二电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。
电极群的构件的周长(PE)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，电极群的构件通常具有约0.025mm至约25mm的范围内的周长(PE)。例如，在一个实施例中，电极群的每个构件的周长(PE)在约0.1mm至约15mm的范围内。作为另一示例，在一个实施例中，电极群的每个构件的周长(PE)在约0.5mm至约10mm的范围内。
通常，电极群的构件具有的长度(LE)基本上大于其宽度(WE)和高度(HE)中的每一者。例如，在一个实施例中，对于电极群的每个构件，LE与WE和HE中的每一者的比率为至少5:1(即，LE与WE的比率为至少5:1，LE与HE的比率为至少5:1)。作为另一示例，在一个实施例中，LE与WE和HE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，LE与WE和HE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，对于电极群的每个构件，LE与WE和HE中的每一者的比率为至少20:1。
另外，通常优选地，电极群的构件具有的长度(LE)基本上大于其周长(PE)；例如，在一个实施例中，对于电极群的每个构件，LE与PE的比率为至少1.25:1。作为另一示例，在一个实施例中，对于电极群的每个构件，LE与PE的比率为至少2.5:1。作为另一示例，在一个实施例中，对于电极群的每个构件，LE与PE的比率为至少3.75:1。
在一个实施例中，电极群的构件的高度(HE)与宽度(WE)的比率为至少0.4:1。例如，在一个实施例中，对于电极群的每个构件，HE与WE的比率为至少2:1。作为另一示例，在一个实施例中，HE与WE的比率为至少10:1。作为另一示例，在一个实施例中，HE与WE的比率为至少20:1。然而，一般而言，HE与WE的比率通常小于1,000:1。例如，在一个实施例中，HE与WE的比率小于500:1。作为另一示例，在一个实施例中，HE与WE的比率小于100:1。作为另一示例，在一个实施例中，HE与WE的比率小于10:1。作为另一示例，在一个实施例中，对于电极群的每个构件，HE与WE的比率在约2:1至约100:1的范围内。
对电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电极结构和对电极结构的交替顺序行进的方向。另外，对电极群的每个构件具有沿纵向轴(ACE)测量的长度(LCE)，在其中电极结构和对电极结构的交替顺序行进的方向上测量的宽度(WCE)、以及在与长度(LCE)和宽度(WCE)的每个测量方向中的每一者垂直的方向上测量的高度(HCE)。对电极群的每个构件还具有周长(PCE)，该周长对应于对电极在与其纵向轴正交的平面中的投影的边长之和。
对电极群的构件的长度(LCE)将根据能量存储装置及其预期用途而变化。然而，一般而言，对电极群的每个构件通常具有在约5mm至约500mm的范围内的长度(LCE)。例如，在一个这样的实施例中，对电极群的每个构件具有约10mm至约250mm的长度(LCE)。作为另一示例，在一个这样的实施例中，对电极群的每个构件具有约25mm至约100mm的长度(LCE)。
对电极群的构件的宽度(WCE)也将根据能量存储装置及其预期用途而变化。然而，一般而言，对电极群的每个构件通常具有约0.01mm至2.5mm的范围内的宽度(WCE)。例如，在一个实施例中，对电极群的每个构件的宽度(WCE)在约0.025mm至约2mm的范围内。作为另一示例，在一个实施例中，对电极群的每个构件的宽度(WCE)在约0.05mm至约1mm的范围内。
对电极群的构件的高度(HCE)也将根据能量存储装置及其预期用途而变化。然而，一般而言，对电极群的构件通常具有约0.05mm至约10mm的范围内的高度(HCE)。例如，在一个实施例中，对电极群的每个构件的高度(HCE)在约0.05mm至约5mm的范围内。作为另一示例，在一个实施例中，对电极群的每个构件的高度(HCE)在约0.1mm至约1mm的范围内。根据一个实施例，对电极群的构件包括具有第一高度的一个或多个第一对电极构件、以及具有不同于第一高度的第二高度的一个或多个第二对电极构件。例如，在一个实施例中，一个或多个第一对电极构件可以具有被选择为允许对电极构件在垂直方向(Z轴)上接触二级约束系统的一部分的高度。例如，一个或多个第一对电极构件的高度可以足以使得第一对电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，例如当第一对电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，一个或多个第二对电极构件可具有小于一个或多个第一对电极构件的高度，使得例如一个或多个第二对电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对电极构件和一个或多个第二对电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。
对电极群的构件的周长(PCE)也将根据能量存储装置及其预期用途而变化。然而，一般而言，对电极群的构件通常具有在约0.025mm至约25mm的范围内的周长(PCE)。例如，在一个实施例中，对电极群的每个构件的周长(PCE)在约0.1mm至约15mm的范围内。作为另一示例，在一个实施例中，对电极群的每个构件的周长(PCE)在约0.5mm至约10mm的范围内。
通常，对电极群的每个构件具有的长度(LCE)基本上大于其宽度(WCE)并且基本上大于其高度(HCE)。例如，在一个实施例中，对于对电极群的每个构件，LCE与WCE和HCE中的每一者的比率为至少5:1(即，LCE与WCE的比率为至少5:1，LCE与HCE的比率为至少5:1)。作为另一示例，在一个实施例中，对于对电极群的每个构件，LCE与WCE和HCE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，对于对电极群的每个构件，LCE与WCE和HCE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，对于对电极群的每个构件，LCE与WCE和HCE中的每一者的比率为至少20:1。
另外，通常优选地，对电极群的构件具有的长度(LCE)基本上大于其周长(PCE)；例如，在一个实施例中，对于对电极群的每个构件，LCE与PCE的比率为至少1.25:1。作为另一示例，在一个实施例中，对于对电极群的每个构件，LCE与PCE的比率为至少2.5:1。作为另一示例，在一个实施例中，对于对电极群的每个构件，LCE与PCE的比率为至少3.75:1。
在一个实施例中，对电极群的构件的高度(HCE)与宽度(WCE)的比率为至少0.4:1。例如，在一个实施例中，对于对电极群的每个构件，HCE与WCE的比率为至少2:1。作为另一示例，在一个实施例中，对于对电极群的每个构件，HCE与WCE的比率为至少10:1。作为另一示例，在一个实施例中，对于对电极群的每个构件，HCE与WCE的比率为至少20:1。然而，一般而言，对于对电极群的每个构件，HCE与WCE的比率通常小于1,000:1。例如，在一个实施例中，对于对电极群的每个构件，HCE与WCE的比率小于500:1。作为另一示例，在一个实施例中，HCE与WCE的比率小于100:1。作为另一示例，在一个实施例中，HCE与WCE的比率小于10:1。作为另一示例，在一个实施例中，对于对电极群的每个构件，HCE与WCE的比率在约2:1至约100:1的范围内。
在一个实施例中，负极群的每个构件所包括的负极集流体层136具有的长度LNC是包括该负极集流体的构件的长度LNE的至少50％。作为另一示例，在一个实施例中，负极群的每个构件所包括的负极集流体层136具有的长度LNC是包括该负极集流体的构件的长度LNE的至少60％。作为另一示例，在一个实施例中，负极群的每个构件所包括的负极集流体层136具有的长度LNC是包括该负极集流体的构件的长度LNE的至少70％。作为另一示例，在一个实施例中，负极群的每个构件所包括的负极集流体层136具有的长度LNC是包括该负极集流体的构件的长度LNE的至少80％。作为另一示例，在一个实施例中，负极群的每个构件所包括的负极集流体136具有的长度LNC是包括该负极集流体的构件的长度LNE的至少90％。
在一个实施例中，正极群的每个构件所包括的正极集流体140具有的长度LPC是包括该正极集流体的构件的长度LPE的至少50％。作为另一示例，在一个实施例中，正极群的每个构件所包括的正极集流体140具有的长度LPC是包括该正极集流体的构件的长度LPE的至少60％。作为另一示例，在一个实施例中，正极群的每个构件所包括的正极集流体140具有的长度LPC是包括该正极集流体的构件的长度LPE的至少70％。作为另一示例，在一个实施例中，正极群的每个构件所包括的正极集流体140具有的长度LPC是包括该正极集流体的构件的长度LPE的至少80％。作为另一示例，在一个实施例中，正极群的每个构件所包括的正极集流体140具有的长度LPC是包括该正极集流体的构件的长度LPE的至少90％。
在某些实施例中，通过被置于负极活性材料层与分隔体之间，负极集流体136可以通过使来自负极集流体的电流跨负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，从而减少循环期间负极活性材料中的应力；由于负极集流体136将电流分布到面对分隔体的负极活性材料层的表面，因此在载体离子浓度最大的情况下，负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，负极集流体136和负极活性材料层的位置可以颠倒，例如如图1B所示。
根据一个实施例，正极的每个构件具有正极集流体140，其例如可以被设置在正极主干与正极活性材料层之间。此外，负极集流体136和正极集流体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，正极集流体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，正极集流体140包括镍或其合金，例如硅化镍。在又一个实施例中，正极集流体140可设置在相邻的正极活性材料层136之间，例如如图1B所示。
在备选实施例中，正极集流体层和正极活性材料层的位置可以颠倒，例如使得正极集流体层位于分隔体层与正极活性材料层之间。在这样的实施例中，紧邻正极活性材料层的正极集流体140包括离子可渗透导体，其具有结合负极集流体层描述的组成和结构；也就是说，正极集流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，正极集流体层具有适用于载体离子的厚度、导电率和离子传导率，其促进载体离子在正极集流体层的一侧上的紧邻正极活性材料层与电化学堆叠中的正极集流体层的另一侧上的紧邻分隔体层之间移动。
电绝缘分隔体层130可以围绕电极结构110群的每个构件和对电极结构112群的每个构件，并且使电极结构110群的每个构件与对电极结构112群的每个构件电隔离。电绝缘分隔体层130通常包括可被非水电解质渗透的微孔分隔体材料；例如，在一个实施例中，微孔分隔体材料包括这样的孔：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，微孔分隔体材料可以被非水电解质渗透，以允许载体离子在电极群和对电极群的相邻构件之间传导。在某些实施例中，例如，忽略微孔分隔体材料的孔隙率，用于充电或放电循环期间的离子交换的在电极结构110群的构件与对电极结构112群的最近构件(即，“相邻对”)之间的电绝缘分隔体材料的至少70体积％是微孔分隔体材料；换言之，微孔分隔体材料构成在电极结构110群的构件和对电极112结构群的最近构件之间的电绝缘材料的至少70体积％。作为另一示例，在一个实施例中，忽略微孔分隔体材料的孔隙率，微孔分隔体材料构成在电极结构110群的构件和对电极结构112群的构件的相邻对之间的电绝缘分隔体材料的至少75体积％。作为另一示例，在一个实施例中，忽略微孔分隔体材料的孔隙率，微孔分隔体材料构成在电极结构110群的构件和对电极结构112群的构件的相邻对之间的电绝缘分隔体材料层的至少80体积％。作为另一示例，在一个实施例中，忽略微孔分隔体材料的孔隙率，微孔分隔体材料构成在电极结构110群的构件和对电极结构112群的构件的相邻对之间的电绝缘分隔体材料层的至少85体积％。作为另一示例，在一个实施例中，忽略微孔分隔体材料的孔隙率，微孔分隔体材料构成在电极结构110群的构件和对电极结构112群的构件的相邻对之间的电绝缘分隔体材料层的至少90体积％。作为另一示例，在一个实施例中，忽略微孔分隔体材料的孔隙率，微孔分隔体材料构成在电极结构110群的构件和对电极结构112群的构件的相邻对之间的电绝缘分隔体材料层的至少95体积％。作为另一示例，在一个实施例中，忽略微孔分隔体材料的孔隙率，微孔分隔体材料构成在电极结构110群的构件和对电极结构112群的构件的相邻对之间的电绝缘分隔体材料层的至少99体积％。
在一个实施例中，微孔分隔体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)。微孔分隔体材料的孔具有至少50埃的直径，并且通常在约250至2,500埃的范围内。微孔分隔体材料通常具有小于约75％的孔隙率。在一个实施例中，微孔分隔体材料具有至少约25体积％的孔隙率(空隙率)。在一个实施例中，微孔分隔体材料具有约35％至55％的孔隙率。
用于微孔分隔体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、四氟丙烯等的基元的含氟聚合物。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。在另一个实施例中，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、聚丙烯腈、聚偏二氟乙烯聚丙烯腈和聚环氧乙烷。在另一个实施例中，粘合剂选自：丙烯酸酯、苯乙烯、环氧树脂和聚硅酮。其他合适的粘合剂可以选自：聚偏二氟乙烯-共-六氟丙烯、聚偏二氟乙烯-共-三氯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚丙烯腈、聚乙烯吡咯烷酮、聚乙酸乙烯酯、聚乙烯-共-乙酸乙烯酯、聚环氧乙烷、乙酸纤维素、乙酸丁酸纤维素、乙酸丙酸纤维素、氰基乙基支链淀粉、氰基乙基聚乙烯醇、氰基乙基纤维素、氰基乙基蔗糖、支链淀粉、羧甲基纤维素、丙烯腈-苯乙烯-丁二烯共聚物、聚酰亚胺或它们的混合物。在又一个实施例中，粘合剂可以选自聚偏二氟乙烯-六氟丙烯、聚偏二氟乙烯-三氯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚丙烯腈、聚乙烯吡咯烷酮、聚乙酸乙烯酯、乙烯-乙酸乙烯酯共聚物、聚环氧乙烷、乙酸纤维素、乙酸丁酸纤维素、丙酸乙酸纤维素、氰乙基支链淀粉、氰乙基聚乙烯醇、氰乙基纤维素、氰乙基蔗糖、支链淀粉、羧甲基纤维素、丙烯腈苯乙烯丁二烯共聚物、聚酰亚胺、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚对苯二甲酸丁二醇酯、聚酯、聚甲醛、聚酰胺、聚醚醚酮、聚醚砜、聚苯醚、聚苯硫醚、聚乙烯萘和/或其组合。在另一个实施例中，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。
微孔分隔体材料所包含的颗粒材料也可以选自宽范围的材料。通常，这种材料在操作温度下具有相对较低的电子和离子传导率，并且在与微孔分隔体材料接触的电池电极或集流体的操作电压下不会腐蚀。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。其他合适的颗粒可包括BaTiO3、Pb(Zr，Ti)O3(PZT)、Pb1-xLaxZr1-yTiyO3(PLZT)、PB(Mg3Nb2/3)O3-PbTiO3(PMN-PT)、二氧化铪(HfO2)、SrTiO3、SnO2、CeO2、MgO、NiO、CaO、ZnO、ZrO2、Y2O3、Al2O3、TiO2、SiC或它们的混合物。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，微孔分隔体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。
微孔分隔体材料可以被沉积，例如通过电泳沉积颗粒分隔体材料，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)颗粒分隔体材料，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，微孔分隔体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和/或溶剂混合物中的锂盐和/或盐的混合物。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。作为又一个示例，电解质可包含溶解在其中的钠离子，例如NaClO4、NaPF6、NaBF4、NaCF3SO3、NaN(CF3SO2)2、NaN(C2F5SO2)2、NaC(CF3SO2)3中的任何一种或多种。可以类似地提供镁和/或钾的盐。例如，可以提供镁盐，例如氯化镁(MgCl2)、溴化镁(MgBr2)或碘化镁(MgI2)、和/或可以是选自以下中的至少一种镁盐：高氯酸镁(Mg(ClO4)2)、硝酸镁(Mg(NO3)2)、硫酸镁(MgSO4)、四氟硼酸镁(Mg(BF4)2)、四苯硼酸镁(Mg(B(C6H5)4)2、六氟磷酸镁(Mg(PF6)2)、六氟砷酸镁(Mg(AsF6)2)、全氟烷基磺酸镁((Mg(Rf1SO3)2)，其中Rf1为全氟烷基)、全氟烷基磺酰亚胺镁(Mg((Rf2SO2)2N)2，其中Rf2是全氟烷基)、以及六烷基二硅叠氮化镁((Mg(HRDS)2)，其中R是烷基)。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、碳酸亚乙酯、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。
在又一个实施例中，二次电池102可以包括电解质，该电解质可以是有机液体电解质、无机液体电解质、固体聚合物电解质、凝胶聚合物电解质、无机固体电解质、熔融型无机电解质等中的任何一种。在又一个实施例中，当电解质是固体电解质时，固体电解质本身能够在电极之间提供绝缘以及载体离子穿过其中，从而可以不需要单独的分隔体层。即，在某些实施例中，固体电解质可以代替在本文的实施例中描述的分隔体130。在一个实施例中，固体聚合物电解质可包括由聚环氧乙烷(PEO)基、聚乙酸乙烯酯(PVA)基、聚乙酸乙烯酯(PEI)基、聚偏二氟乙烯(PVDF)基、聚丙烯腈(PAN)基、LiPON和聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)基的聚合物或共聚物形成的聚合物中的任何一种。在另一个实施例中，可以提供硫化物基的固体电解质，例如包括锂和/或磷中的至少一种(例如Li2S和P2S5中的至少一种)的硫化物基的固体电解质，和/或其他硫化物(例如SiS2、GeS2、Li3PS4、Li4P2S7、Li4SiS4、Li2S-P2S5和50Li4SiO4.50Li3BO3和/或B2S3)。固体电解质的其他实施例可包括锂(Li)的氮化物、卤化物和硫酸盐，例如Li3N、LiI、Li5NI2、Li3N-LiI-LiOH、LiSiO4、LiSiO4-LiI-LiOH、Li2SiS3、Li4SiO4、Li4SiO4-LiI-LiOH、以及Li3PO4–Li2S–SiS2。
此外，根据一个实施例，包括微孔分隔体130以及其它电极110和/或对电极112结构的二次电池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电极活性材料132的膨胀的情况下也操作的配置和组成。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。
电极约束件参数
根据一个实施例，该组电极约束件108的设计取决于以下参数:(i)由于电极活性材料层132的膨胀而施加到该组电极约束件108的部件上的力；(ii)抵消由电极活性材料层132的膨胀施加的力所需的该组电极约束件108的强度。例如，根据一个实施例，由于电极活性材料的膨胀而施加到系统上的力取决于沿特定方向的横截电极面积。例如，在纵向方向上施加的力与电极长度(LE)乘以电极高度(HE)成比例；在垂直方向上施加的力与电极长度(LE)乘以电极宽度(WE)成比例；在横向方向上施加的力与电极宽度(WE)乘以电极高度(HE)成比例。
初级生长约束件154、156的设计可取决于多个变量。初级生长约束件154、156约束由电极活性材料层132在纵向方向上的膨胀导致的电极组件106的宏观生长。在图8A所示的实施例中，初级生长约束件154、156与至少一个初级连接构件158(例如，第一和第二初级连接构件158和160)协同作用，以约束具有电极活性材料层132的电极结构110的生长。在约束生长时，至少一个连接构件158使初级生长约束件154、156彼此处于张紧状态，使得它们施加压缩力以抵消由电极活性材料层132的生长施加的力。根据一个实施例，当力施加到初级生长约束件154、156上时，根据初级连接构件158的拉伸强度，初级生长约束件154、156可以执行以下至少一个动作:(i)彼此远离地平移(沿纵向方向移动分开)；(ii)厚度压缩；以及(iii)沿纵向方向弯曲和/或偏转以适应该力。初级生长约束件154、156彼此远离的平移程度可取决于初级连接构件158、160的设计。初级生长约束件154、156可压缩的量是初级生长约束材料特性(例如，形成初级生长约束件154、156的材料的压缩强度)的函数。根据一个实施例，初级生长约束件154、156可弯曲的量取决于以下项：(i)由电极结构110在纵向方向上的生长施加的力，(ii)初级生长约束件154、156的弹性模量；(iii)初级连接构件158、160在垂直方向上的距离；以及(iv)初级生长约束件154、156的厚度(宽度)。在一个实施例中，初级生长约束件154、156的最大偏转可能发生在初级连接构件158、160之间的生长约束件154、156在垂直方向上的中点处。偏转随着初级连接构件158、160之间沿垂直方向的距离的四次幂而增加，随着约束材料模量线性减小，并且随着初级生长约束件厚度(宽度)的三次幂减小。控制由初级生长约束件154、156的弯曲引起的偏转的等式可以写成：
δ＝60wL4/Eh3
其中w＝由于电极膨胀而施加到初级生长约束件154、156上的总分布负荷；L＝沿垂直方向的初级连接构件158、160之间的距离；E＝初级生长约束件154、156的弹性模量；h＝初级生长约束件154、156的厚度(宽度)。
在一个实施例中，由于电极活性材料132的膨胀而引起的初级生长约束件154、156上的应力可以使用以下等式计算：
σ＝3wL2/4h2
其中w＝由于电极活性材料层132的膨胀而施加到初级生长约束件154、156上的总分布负荷；L＝沿垂直方向的初级连接构件158、160之间的距离；h＝初级生长约束件154、156的厚度(宽度)。在一个实施例中，初级生长约束件154、156上的最高应力位于初级生长约束件154、156与初级连接构件158、160的附接点处。在一个实施例中，应力随着初级连接构件158、160之间的距离的平方而增加，并且随着初级生长约束件154、156的厚度的平方而减小。
锂离子二次电池
再次参考图1B，在一个实施例中，提供了一种锂离子二次电池，其包括含硅的电极活性材料。锂离子二次电池102能够在充电和放电状态之间循环，并且该二次电池包括电池外壳104、电极组件106以及电池外壳内的包括锂离子的载体离子和一组电极约束件108。在该实施例中，二次电池的电极组件具有分别对应于虚构的三维笛卡尔坐标系的x轴、y轴和z轴的相互垂直的横向轴、纵向轴和垂直轴、在纵向方向上彼此分离的第一纵向端部表面116和第二纵向端部表面118、以及围绕电极组件纵向轴AEA并连接第一纵向端部表面和第二纵向端部表面的横向表面142(例如，图2A中所示)，横向表面具有位于纵向轴的相对侧上并在与所述纵向轴正交的第一方向上分离的相对的第一区域和第二区域，电极组件具有在纵向方向上测量的最大宽度WEA，由横向表面限定并且在横向方向上测量的最大长度LEA、以及由横向表面限定并且在垂直方向上测量的最大高度HEA，其中，最大长度LEA和最大宽度WEA与最大高度HEA的比率至少为2:1(例如，图2A中所示)。
根据一个实施例，电极组件106包括在与电极组件106内的纵向轴平行的堆叠方向上堆叠的一系列层800，其中堆叠的一系列层800包括负极活性材料层群132、负极集流体层群136、分隔体材料层群130、正极活性材料层群138、以及正极集流体群140。根据实施例，负极活性材料层群中的每个构件具有长度LE、高度HE、以及宽度WE，该长度LE对应于在负极活性材料层132的第一和第二相对横向端部表面之间的横向方向上测量的负极活性材料层132的费雷特直径，以及该高度HE对应于在负极活性材料层132的第一和第二相对垂直端部表面之间的垂直方向上测量的负极活性材料层132的费雷特直径，以及该宽度WE对应于在负极活性材料层132的第一和第二相对表面之间在纵向方向上测量的负极活性材料层132的费雷特直径，其中，LE与HE和WE的比率至少为5:1。此外，正极活性材料层群138中的每个构件具有长度LC、高度HC、以及宽度WC，该长度LC对应于在正极活性材料层的第一和第二相对横向端部表面之间的横向方向上测量的正极活性材料层138的费雷特直径，以及该高度HC对应于在正极活性材料层138的第一和第二相对垂直端部表面之间在垂直方向上测量的正极活性材料层138的费雷特直径，以及该宽度WC对应于在正极活性材料层的第一和第二相对表面之间在纵向方向上测量的正极活性材料层的费雷特直径，其中，LC与HC和WC的比率至少为5:1。
在一个实施例中，为锂离子二次电池提供的电极约束件108的组包括初级约束系统151和二级约束系统155。初级约束系统151包括第一和第二初级生长约束件154、156和至少一个初级连接构件162，第一和第二初级生长约束件在纵向方向上彼此分离，并且至少一个初级连接构件将第一和第二初级生长约束件连接以至少部分地限制电极组件在纵向方向上的生长。二级约束系统155包括第一和第二二级生长约束件158、160，该第一和第二生长约束件在第二方向上分离并且由堆叠的一系列层800中的构件连接，其中二级约束系统155在二次电池循环时至少部分地限制电极组件在第二方向上的生长，第二方向与纵向方向正交。例如，参考图1B，第一和第二二级生长约束件158、160可以通过以下中的任一个或多个彼此连接：负极集流体层群136中的构件、正极集流体层群140的构件、负极活性材料层群132的构件、正极活性材料层群138的构件、分隔体层群130的构件或其任意组合。参考图1B和29A-D，在一个实施例中，第一和第二二级生长约束件158、160可以经由负极集流体层群136和/或正极集流体层群140的构件中的一个或多个来连接。此外，根据一个实施例，初级约束系统在堆叠方向上维持在电极组件上的压力，该压力超过在相互垂直且垂直于堆叠方向的两个方向中的每个方向上维持在电极组件上的压力。
在又一个实施例中，锂离子二次电池102可以包括在相同单元基元504内的负极活性材料层132和正极材料层138之间的偏移，如本文其他地方所讨论的。例如，在一个实施例中，电极组件106包括单元基元群504，其中，每个单元基元504包括电极集流体层群的第一构件的单元基元部分、对载体离子是离子可渗透的分隔体群的构件、电极活性材料层群的第一构件、对电极集流体群的第一构件的单元基元部分以及对电极活性材料层群的第一构件。电极活性材料层群的第一构件靠近分隔体层的第一侧，并且对电极材料层群的第一构件靠近分隔体层的相对的第二侧。分隔体使电极活性材料层群的第一构件与对电极活性材料层群的第一构件电隔离，并且载体离子在电池的充电和放电状态之间的循环期间，经由每个这样的单元基元的分隔体，主要在电极活性材料层群的第一构件和对电极活性材料层群的第一构件之间进行交换。
此外，根据一个实施例，在每个单元基元内，电极和对电极活性材料层的第一垂直端部表面位于电极组件的相同侧，电极活性材料的第一相对垂直端部表面的中值垂直位置在X-Z平面中沿着电极活性材料层的长度LE的2D图绘出了第一垂直端部表面图EVP1，对电极活性材料层的第一相对垂直端部表面的中值垂直位置在X-Z平面中沿对电极活性材料层的长度LC的2D图绘出了第一垂直端部表面图CEVP1，其中对于第一对电极活性材料层的长度LC的至少60％：(i)在垂直方向上测得的图EVP1和CEVP1之间的分离距离SZ1的绝对值为1000μm≥|SZ1|≥5μm，(ii)对于电极和对电极活性材料层的第一垂直端部表面之间，对电极活性材料层的第一垂直端部表面相对于电极活性材料层的第一垂直端部表面向内设置。
此外，根据一个实施例，在每个单元基元内，电极和对电极活性材料层的第二垂直端部表面位于电极组件的相同侧，并且分别与电极和对电极活性材料层的第一垂直端部表面相对，电极活性材料层的第二相对垂直端部表面的中值垂直位置在X-Z平面中沿着电极活性材料层的长度LE的2D图描绘了第二垂直端部表面图EVP2，对电极活性材料层的第二相对垂直端部表面的中值垂直位置在X-Z平面中沿对电极活性材料层的长度LC的2D图绘出了第二垂直端部表面图CEVP2，其中对于对电极活性材料层的长度LC的至少60％：(i)在垂直方向上测得的图EVP2和CEVP2之间的分离距离SZ2的绝对值为1000μm≥|SZ2|≥5μm，以及(ii)对于电极和对电极活性材料层的第二垂直端部表面之间，对电极活性材料层的第二垂直端部表面相对于电极活性材料层的第二垂直端部表面向内设置。
根据另一个实施例，在每个单元基元内，电极和对电极活性材料层的第一横向端部表面在电极组件的相同侧，电极活性材料层的第一相对横向端部表面的中值横向位置在X-Z平面中沿着电极活性材料层的高度HE的2D图绘出了第一横向端部表面图ETP1，对电极的第一相对横向端部表面的中值横向位置在X-Z平面中沿对电极活性材料层的高度HC的2D图绘出了第一横向端部表面图CETP1，其中，对于对电极活性材料层的高度HC的至少60％：(i)在横向方向上测得的图ETP1和CETP1之间的分离距离SX1的绝对值为1000μm≥|SX1|≥5μm，以及(ii)对于电极和对电极活性材料层的第一横向端部表面之间，对电极活性材料层的第一横向端部表面相对于电极活性材料层的第一横向端部表面向内设置。此外，电极和对电极活性材料层的第二横向端部表面在电极组件的相同侧上，并且分别与电极和对电极活性材料层的第一横向端部表面相对，电极活性材料层的第二相对横向端部表面的中值横向位置在X-Z平面中沿着电极活性材料层的高度HE的2D图描绘了第二横向端部表面图ETP2，对电极的第二相对横向端部表面的中值横向位置在X-Z平面中沿对电极活性材料层的高度HC的2D图绘出了第二横向端部表面图CETP2，其中，对于对电极活性材料层的高度HC的至少60％：(i)在横向方向上测得的图ETP2和CETP2之间的分离距离SX2的绝对值为1000μm≥|SX2|≥5μm，以及(ii)对于电极和对电极活性材料层的第二横向端部表面之间，对电极活性材料层的第二横向端部表面相对于电极活性材料层的第二横向端部表面向内设置。
在又一个实施例中，锂离子二次电池102可以是根据本文所述的任何制造方法制造的，例如通过其中设置有负极和/或正极片和/或子单元的弱化区域作为制造过程的一部分的制造方法来制造。因此，在某些实施例中，堆叠的一系列层800包括具有在横向方向上彼此间隔开的相对端部表面的层，其中，由于在相对的端部表面处的材料层的伸长和缩小，该层的相对端部表面表现出在横向方向上定向的塑性变形和断裂。例如，参考图19，在一个实施例中，负极和/或正极集流体层136、140中的一个或多个包括具有区域705的相对端部表面978a、b、982a、b，该区域705由于在靠近区域705的弱化区域处的分离而表现出塑性变形和断裂。
在一个实施例中，锂离子二次电池包括负极活性材料层群的构件，该构件包括具有至少60wt％的负极活性材料的颗粒材料、小于20wt％的导电助剂和粘合剂材料。在一个实施例中，负极活性材料层群的构件包括具有至少80wt％的负极活性材料的颗粒材料。在另一个实施例中，负极活性材料层群的构件包括具有至少90wt％的负极活性材料的颗粒材料。在又一实施例中，负极活性材料层群的构件包括具有至少95wt％的负极活性材料的颗粒材料。此外，在一个实施例中，负极活性材料层群的构件包括小于10wt％的导电助剂和至少1wt％的导电助剂。在一个实施例中，包括含硅材料的电极活性材料包括硅、氧化硅及其混合物中的至少一种。例如，在一个实施例中，电极活性材料层包括含硅颗粒状电极活性材料的压实体(compact)。在另一个实施例中，负极活性材料层群的构件包括导电助剂，其包括铜、镍和碳中的至少一种。在另一个实施例中，正极活性材料层群的构件包括正极活性材料，该正极活性材料包括含有锂以及钴和镍中的至少一种的过渡金属氧化物材料。
在一个实施例中，其中在第二方向上分离的第一和第二二级生长约束件通过包括负极集流体层群136的构件的堆叠的一系列层800的构件彼此连接，如图1B-1D和29A-D所示。例如，参考图1B，在第二方向上分离的第一和第二二级生长约束件可以通过包括负极集流体层群136的构件的堆叠的一系列层800彼此连接，并且其中负极集流体层136形成它们为其一部分的电极结构110的负极主干层。即，负极集流体层群136的构件可以形成电极结构110的主干，其中在其表面上设置至少一个负极活性材料层132，负极集流体层群136的构件甚至可以形成电极结构110的芯，其中在其两个相对的表面上设置电极活性材料层132。
根据一个实施例，用于连接第一和第二二级约束件158、160的负极集流体层136的构件(例如，用作连接构件166)可包括具有合适电导率以及足以抵抗过度压缩的抗压强度的材料，例如铜和不锈钢中的一种或多种，以及在一个实施例中，负极集流体层136由铜膜形成。还可以选择负极集流体的厚度以提供用于整个层的合适电导率以及抗压强度，例如至少2微米的厚度，但是通常小于20微米，例如6微米至18微米，和/或8微米至14微米。
在一个实施例中，负极集流体层群的构件包括含铜层，并且堆叠的一系列层800包括堆叠顺序的负极集流体层群的构件，其中负极活性材料层群的构件设置在负极集流体层的相对侧上。在又一个实施例中，负极活性材料层群的构件包括颗粒状的含硅材料的压实体，并且负极活性材料层群的构件设置在形成负极主干的含铜负极集流体的相对侧上。此外，根据一个实施例，电极活性材料层群的构件包括至少2.5mm，例如至少3mm的高度尺寸HE。
根据又一个实施例，锂离子二次电池包括在第二方向上分离的第一和第二二次生长约束件，它们通过堆叠的一系列层800的构件彼此连接，该堆叠的一系列层800包括正极集流体层群140的构件。类似于上面的负极集流体，可以选择正极集流体的材料和特性以提供合适的电导率，同时还赋予足够的抗压强度以抵抗过度压缩。在一个实施例中，正极集流体层的构件包括铝。正极集流体的厚度可以为至少2微米，但通常小于20微米，例如6微米至18微米，和/或8微米至14微米。
根据又一个实施例，锂离子二次电池包括在第二方向上分离的第一和第二二次生长约束件，它们通过包括负极活性材料层群132的构件的堆叠的一系列层800的构件彼此连接。在又一个实施例中，第一和第二二级生长约束件通过包括正极活性材料层群的构件的堆叠的一系列层的构件彼此连接。在又一个实施例中，第一和第二二级生长约束件通过包括分隔体材料层群的构件的堆叠的一系列层的构件彼此连接。也就是说，除了正极集流体层群中的至少一些构件之外，以及甚至除了分隔体材料层群中的至少一些构件之外，或者除了构成堆叠的一系列层800的层的一些其他组合之外，还可以经由负极集流体层群的构件，将第一和第二二级生长约束件彼此连接。
在某些实施例中，如上所述，可以将包含电极组件106的电池外壳104气密密封。此外，一组电极约束件的至少一部分甚至全部可以在气密密封的外壳内，例如初级约束系统和二级约束系统中的一个或多个，或其至少一部分。根据又一个实施例，二次电池可以进一步包括三级约束系统，以如上所述在第三方向上(例如在X方向上)进行约束，三级约束系统的至少一部分或甚至全部设置在密封的外壳内。
根据一个实施例，锂离子二次电池包括一组约束件108，其能够将生长约束到如上所述的范围。例如，在一个实施例中，其中初级约束系统限制电极组件在纵向方向上的生长，使得电极组件在二次电池的连续20个循环中在纵向方向上的费雷特直径的任何增加小于20％，其中二次电池的充电状态至少为二次电池的额定容量的75％，而二次电池的放电状态小于二次电池的额定容量的25％。在另一个实施例中，初级约束阵列限制电极组件在纵向方向上的生长，使得电极组件在二次电池的连续50个循环中在纵向方向上的费雷特直径的任何增加小于20％。在又一个实施例中，在二次电池的100个连续循环中，初级约束阵列将电极组件在纵向方向上的生长限制为小于20％。在另一个实施例中，初级约束阵列限制电极组件在纵向方向上的生长，使得电极组件在二次电池的连续10个循环中在纵向方向上的费雷特直径的任何增加小于10％。在又一个实施例中，初级约束阵列限制电极组件在纵向方向上的生长，使得电极组件在二次电池的连续30个循环中在纵向方向上的费雷特直径的任何增加小于10％。在另一个实施例中，初级约束阵列限制电极组件在纵向方向上的生长，使得电极组件在二次电池的连续80个循环中在纵向方向上的费雷特直径的任何增加小于10％。在又一个实施例中，初级约束阵列限制电极组件在纵向方向上的生长，使得电极组件在二次电池的连续5个循环中在纵向方向上的费雷特直径的任何增加小于5％。在另一个实施例中，根据前述权利要求中的任一项所述的二次电池，其中，初级约束阵列限制电极组件在纵向方向上的生长，使得电极组件在二次电池的连续20个循环中在纵向方向上的费雷特直径的任何增加小于5％。在另一个实施例中，初级约束阵列限制电极组件在纵向方向上的生长，使得电极组件在二次电池的连续50个循环中在纵向方向上的费雷特直径的任何增加小于5％。在另一个实施例中，初级约束阵列限制电极组件在纵向方向上的生长，使得电极组件在二次电池的每个循环中在纵向方向上的费雷特直径的任何增加小于1％。此外，在一个实施例中，二级生长约束系统限制电极组件在第二方向上的生长，使得电极组件在二次电池的反复循环的20个循环中在第二方向上的费雷特直径的任何增加小于20％。在另一个实施例中，二级生长约束系统限制电极组件在第二方向上的生长，使得电极组件在二次电池的连续5个循环中在第二方向上的费雷特直径的任何增加小于5％。在又一个实施例中，二级生长约束系统限制电极组件在第二方向上的生长，使得电极组件在二次电池的每个循环中在第二方向上的费雷特直径的任何增加小于1％。
示例
本示例说明了一种用于制造用于二次电池102具有一组约束件108的电极组件106的方法。根据本公开的方面，用于形成电极组件106和/或二次电池102的过程的具体示例在下面提供。提供这些示例是出于说明本公开的方面的目的，并且非旨在进行限制。
示例1：具有喷涂分隔体的LMO/Si
在该示例中，在被用作电极集流体136的Cu箔的两面上涂覆包含Si的电极活性材料层132。用于电极活性材料层132的合适的活性含Si材料的示例可以包括Si、Si/C复合材料、Si/石墨混合物、SiOx、多孔Si和金属间Si合金。将分隔体材料喷涂在含Si电极活性材料层132的顶部上。将含硅电极活性材料层/Cu箔/分隔体组合物切成预定的长度和高度(例如，预定的LE和HE)，以形成电极结构110。此外，可以使Cu箔的区域暴露(例如，不被含Si的电极活性材料层132涂覆)，以提供可连接到电极汇流条600的横向电极集流体端。
此外，包括含锂的金属氧化物(LMO)(例如锂钴氧化物(LCO)、锂镍钴铝氧化物(NCA)、锂镍锰钴氧化物(NMC)、或其组合)的对电极活性材料层138被涂覆在作为对电极集流体140而设置的Al箔的两侧。将分隔体材料喷涂在含LMO的对电极活性材料层138的顶部上。将含LMO的对电极活性材料层/Al箔/分隔体组合切成预定的长度和高度(例如，预定的LE和HE)，以形成对电极结构110。此外，可以使Al箔的区域暴露(例如，不被含LMO的对电极活性材料层13138涂覆)，以提供可连接到对电极汇流条602的横向对电极集流体端。阳极结构110和阴极结构112与分隔体层以交替的方式堆叠以形成分隔体/Si/Cu箔/Si/分隔体/LMO/Al箔/LMO/分隔体的重复结构。同样，在最终的堆叠结构中，对电极活性材料层138可以相对于电极活性材料层132具有垂直和/或横向偏移，如本文中已经描述的。
在堆叠时，电极集流体的横向端可通过例如插入穿过汇流条中的孔和/或槽而附接到电极汇流条。类似地，对电极集流体的横向端可通过例如插入穿过对电极汇流条中的孔和/或槽而附接到对电极汇流条。例如，每个集流体和/或对集流体端部可以被单独地插入单独的孔中，或者多个端部可以被插入穿过相同的孔。可以通过诸如熔焊(welding)(例如，缝合(stich)、激光、超声)等的合适的附接方法将端部附接到汇流条。
此外，切割约束材料(例如，玻璃纤维/环氧树脂复合材料或其他材料)以匹配堆叠的电极组件106的XY尺寸，以在电极组件的垂直端提供第一和第二二级生长约束。约束件可以在其中设置有孔，以允许电解质自由流动到堆叠的电极(例如，如图6C和6D所示的实施例中所示)。而且，垂直约束件可以附接到电极和/或对电极结构110、112的预定数量的“主干”，在该示例中，其可以是形成电极和对电极集流体136、140的Cu和/或Al箔。第一和第二垂直约束件可以例如经由诸如环氧树脂的粘合剂附接到预定数量的电极和/或对电极集流体136、140的垂直端。
整个电极组件、约束件、汇流条和接头片延伸件可以被设置在外包装材料中，例如金属化的层压袋(pouch)中。该袋是密封的，汇流条端穿过袋密封件之一伸出。或者，组件被设置在罐中。汇流条延伸件附接到罐的正极和负极连接件。罐通过焊接或压接方法密封。
在又一个实施例中，在将组件放置在该袋中之前，将能够释放Li的第三辅助电极放置在顶部约束系统的外部。可替代地，附加的Li释放电极也被放置在底部约束系统的外部。辅助电极中的一个或两个都连接到接头片。该系统可以最初通过对电极与对电极充电来形成。在完成形成过程之后，可以打开该袋，可以移除辅助电极，然后将该袋重新密封。
提供以下实施例以说明本公开的各个方面，尽管这些实施例并非旨在进行限制，并且也可以提供其他方面和/或实施例。
实施例1.一种用于在充电状态和放电状态之间循环的二次电池，该二次电池包括电池外壳、电极组件和电池外壳内的锂离子、以及一组电极约束件，其中
(a)电极组件具有分别对应于虚构的三维笛卡尔坐标系的x轴、y轴和z轴的相互垂直的横向轴、纵向轴和垂直轴、在纵向方向上彼此分离的第一纵向端部表面和第二纵向端部表面、以及围绕电极组件纵向轴AEA并连接所述第一纵向端部表面和所述第二纵向端部表面的横向表面，该横向表面具有位于所述纵向轴的相对侧上并在与所述纵向轴正交的第一方向上分离的相对的第一区域和第二区域，电极组件具有在纵向方向上测量的最大宽度WEA，由该横向表面限定并且在横向方向上测量的最大长度LEA、以及由所述横向表面限定并且在垂直方向上测量的最大高度HEA，其中，最大长度LEA和最大宽度WEA与最大高度HEA的比率至少为2:1。
(b)电极组件包括电极组件内在与纵向轴平行的堆叠方向上堆叠的一系列层，其中，堆叠的一系列层包括负极活性材料层群、负极集流体层群、分隔体材料层群、正极活性材料层群、以及正极集流体材料层群，其中
(i)负极活性材料层群中的每个构件具有长度LE、高度HE、以及宽度WE，该长度LE对应于在负极活性材料层的第一和第二相对横向端部表面之间的横向方向上测量的负极活性材料层的费雷特直径，以及该高度HE对应于在负极活性材料层的第一和第二相对垂直端部表面之间的垂直方向上测量的费雷特直径，以及该宽度WE对应于在负极活性材料层的第一和第二相对表面之间在纵向方向上测量的负极活性材料层的费雷特直径，其中，LE与HE和WE的比率至少为5:1；
(ii)正极活性材料层群中的每个构件具有长度LC、高度HC、以及宽度WC，该长度LC对应于在正极活性材料层的第一和第二相对横向端部表面之间的横向方向上测量的正极活性材料层的费雷特直径，以及该高度HC对应于在正极活性材料层的第一和第二相对垂直端部表面之间在垂直方向上测量的正极活性材料层的费雷特直径，以及该宽度WC对应于在正极活性材料层的第一和第二相对表面之间在纵向方向上测量的正极活性材料层的费雷特直径，其中，LC与HC和WC的比率至少为5:1
(iii)负极活性材料层群的构件包括具有至少60wt％的负极活性材料的颗粒材料、小于20wt％的导电助剂和粘合剂材料，并且其中，负极活性材料包括含硅材料，
(c)该电极约束件的组包括初级约束系统和二级约束系统，其中
(i)初级约束系统包括第一和第二生长约束件以及至少一个初级连接构件，第一和第二初级生长约束件在纵向方向上彼此分离，并且至少一个初级连接构件连接第一和第二初级生长约束件以至少部分地限制电极组件在纵向方向上的生长，以及
(ii)二级约束系统包括在第二方向上分离并通过堆叠的一系列层的构件连接的第一和第二二级生长约束件，其中，该二级约束系统至少部分地限制电极组件在二次电池循环时在第二方向上的生长，第二方向与纵向方向正交，以及
(iii)初级约束系统在堆叠方向上维持在电极组件上的压力，该压力超过在相互垂直且垂直于堆叠方向的两个方向中的每个方向上维持在电极组件上的压力，以及
(d)该电极组件包括单元基元群，其中，每个单元基元包括电极集流体层群的第一构件的单元基元部分、对载体离子是离子可渗透的分隔体群的构件、电极活性材料层群的第一构件、对电极集流体群的第一构件的单元基元部分以及对电极活性材料层群的第一构件，其中，(aa)电极活性材料层群的第一构件靠近分隔体的第一侧，并且对电极材料层群的第一构件靠近分隔体的相对的第二侧，(bb)该分隔体使电极活性材料层群的第一构件与对电极活性材料层群的第一构件电隔离，并且载体离子在电池的充电和放电状态之间的循环期间，经由每个这样的单元基元的分隔体，主要在电极活性材料层群的第一构件和对电极活性材料层群的第一构件之间进行交换，以及(cc)在每个单元基元内，
a.电极和对电极活性材料层的第一垂直端部表面位于电极组件的相同侧，电极活性材料的第一相对垂直端部表面的中值垂直位置在X-Z平面中沿着电极活性材料层的长度LE的2D图绘出了第一垂直端部表面图EVP1，对电极活性材料层的第一相对垂直端部表面的中值垂直位置在X-Z平面中沿对电极活性材料层的长度LC的2D图绘出了第一垂直端部表面图CEVP1，其中，对于第一对电极活性材料层的长度LC的至少60％：(i)在垂直方向上测得的曲图EVP1和CEVP1之间的分离距离SZ1的绝对值为1000μm≥|SZ1|≥5μm，(ii)对于电极和对电极活性材料层的第一垂直端部表面之间，对电极活性材料层的第一垂直端部表面相对于电极活性材料层的第一垂直端部表面向内设置，
b.电极和对电极活性材料层的第二垂直端部表面位于电极组件的相同侧，并且分别与电极和对电极活性材料层的第一垂直端部表面相对，电极活性材料层的第二相对垂直端部表面的中值垂直位置在X-Z平面中沿着电极活性材料层的长度LE的2D图描绘了第二垂直端部表面图EVP2，对电极活性材料层的第二相对垂直端部表面的中值垂直位置在X-Z平面中沿对电极活性材料层的长度LC的2D图绘出了第二垂直端部表面图CEVP2，其中，对于对电极活性材料层的长度LC的至少60％：(i)在垂直方向上测得的图EVP2和CEVP2之间的分离距离SZ2的绝对值为1000μm≥|SZ2|≥5μm，以及(ii)对于电极和对电极活性材料层的第二垂直端部表面之间，对电极活性材料层的第二垂直端部表面相对于电极活性材料层的第二垂直端部表面向内设置。
实施例2.根据实施例1所述的二次电池，其中，堆叠的一系列层包括具有在横向方向上彼此间隔开的相对端部表面的层，其中，由于该层在相对端部表面处的伸长和缩小，该层的多个相对端部表面表现出在横向方向上定向的塑性变形和断裂。
实施例3.根据实施例1-2中任一项所述的二次电池，其中，在每个单元基元内，
c.电极和对电极活性材料层的第一横向端部表面在电极组件的相同侧，电极活性材料层的第一相对横向端部表面的中值横向位置在X-Z平面中沿着电极活性材料层的高度HE的2D图绘出了第一横向端部表面图ETP1，对电极的第一相对横向端部表面的中值横向位置在X-Z平面中沿对电极活性材料层的高度HC的2D图绘出了第一横向端部表面图CETP1，其中，对于对电极活性材料层的高度HC的至少60％：(i)在横向方向上测得的图ETP1和CETP1之间的分离距离SX1的绝对值为1000μm≥|SX1|≥5μm，以及(ii)对于电极和对电极活性材料层的第一横向端部表面之间，对电极活性材料层的第一横向端部表面相对于电极活性材料层的第一横向端部表面向内设置，以及
d.电极和对电极活性材料层的第二横向端部表面在电极组件的相同侧上，并且分别与电极和对电极活性材料层的第一横向端部表面相对，电极活性材料层的第二相对横向端部表面的中值横向位置在X-Z平面中沿着电极活性材料层的高度HE的2D图描绘了第二横向端部表面图ETP2，对电极的第二相对横向端部表面的中值横向位置在X-Z平面中沿对电极活性材料层的高度HC的2D图绘出了第二横向端部表面图CETP2，其中，对于对电极活性材料层的高度HC的至少60％：(i)在横向方向上测得的图ETP2和CETP2之间的分离距离SX2的绝对值为1000μm≥|SX2|≥5μm，以及(ii)对于电极和对电极活性材料层的第二横向端部表面之间，对电极活性材料层的第二横向端部表面相对于电极活性材料层的第二横向端部表面向内设置。
实施例4.一种用于在充电状态和放电状态之间循环的二次电池，该二次电池包括电池外壳、电极组件和电池外壳内的载体离子、以及一组电极约束件，其中
(a)电极组件具有分别对应于虚构的三维笛卡尔坐标系的x轴、y轴和z轴的相互垂直的横向轴、纵向轴和垂直轴、在纵向方向上彼此分离的第一纵向端部表面和第二纵向端部表面、以及围绕电极组件纵向轴AEA并连接所述第一纵向端部表面和所述第二纵向端部表面的横向表面，所述横向表面具有位于该纵向轴的相对侧上并在与该纵向轴正交的第一方向上分离的相对的第一区域和第二区域，该电极组件具有在所述纵向方向上测量的最大宽度WEA，由所述横向表面限定并且在横向方向上测量的最大长度LEA、以及由所述横向表面限定并且在垂直方向上测量的最大高度HEA，其中，最大长度LEA和/或最大宽度WEA大于最大高度HEA。
(b)该电极组件包括该电极组件内在与纵向轴平行的堆叠方向上堆叠的一系列层，其中，堆叠的一系列层包括负极活性材料层群、负极集流体层群、分隔体材料层群、正极活性材料层群、以及正极集流体材料层群，其中
(i)负极活性材料层群中的每个构件具有长度LE、高度HE、以及宽度WE，该长度LE对应于在负极活性材料层的第一和第二相对横向端部表面之间的横向方向上测量的负极活性材料层的费雷特(Feret)直径，以及该高度HE对应于在负极活性材料层的第一和第二相对垂直端部表面之间在垂直方向上测量的负极活性材料层的费雷特直径，以及该宽度WE对应于在负极活性材料层的第一和第二相对表面之间在纵向方向上测量的负极活性材料层的费雷特直径，其中，LE与HE和WE的比率至少为5:1；
(ii)正极材料层群中的每个构件具有长度LC、高度HC、以及宽度WC，该长度LC对应于在正极活性材料层的第一和第二相对横向端部表面之间的横向方向上测量的正极活性材料层的费雷特直径，以及该高度HC对应于在正极活性材料层的第一和第二相对垂直端部表面之间在垂直方向上测量的正极活性材料层的费雷特直径，以及该宽度WC对应于在正极活性材料层的第一和第二相对表面之间在纵向方向上测量的正极活性材料层的费雷特直径，其中，LC与HC和WC的比率至少为5:1
(iii)负极活性材料层群的构件包括具有至少60wt％的负极活性材料的颗粒材料、小于20wt％的导电助剂和粘合剂材料，
(c)电极约束件的组包括初级约束系统和二级约束系统，其中
(i)初级约束系统包括第一和第二生长约束件以及至少一个初级连接构件，第一和第二初级生长约束件在纵向方向上彼此分离，并且至少一个初级连接构件连接第一和第二初级生长约束件以至少部分地限制电极组件在纵向方向上的生长，以及
(ii)该二级约束系统包括在第二方向上分离并通过堆叠的一系列层的构件连接的第一和第二二级生长约束件，其中，二级约束系统至少部分地限制电极组件在二次电池循环时在第二方向上的生长，第二方向与纵向方向正交，以及
(iii)初级约束系统在堆叠方向上维持在电极组件上的压力，该压力超过在相互垂直且垂直于堆叠方向的两个方向中的每个方向上维持在电极组件上的压力，以及
(d)堆叠的一系列层包括具有在横向方向上彼此间隔开的相对端部表面的层，其中，由于该层在相对端部表面处的伸长和缩小，该层的多个相对端部表面表现出在横向方向上定向的塑性变形和断裂。
实施例5.根据实施例4所述的二次电池，其中，电极组件包括单元基元群，其中，每个单元基元包括电极集流体层群的第一构件的单元基元部分、对载体离子是离子可渗透的分隔体群的构件、电极活性材料层群的第一构件、对电极集流体群的第一构件的单元基元部分以及对电极活性材料层群的第一构件，其中，(aa)电极活性材料层群的第一构件靠近分隔体的第一侧，并且对电极材料层群的第一构件靠近分隔体的相对的第二侧，(bb)分隔体使电极活性材料层群的第一构件与对电极活性材料层群的第一构件电隔离，并且载体离子在电池的充电和放电状态之间的循环期间，经由每个这样的单元基元的分隔体，主要在电极活性材料层群的第一构件和对电极活性材料层群的第一构件之间进行交换，以及(cc)在每个单元基元内，
a.电极和对电极活性材料层的第一垂直端部表面位于电极组件的相同侧，电极活性材料的第一相对垂直端部表面的中值垂直位置在X-Z平面中沿着电极活性材料层的长度LE的2D图绘出了第一垂直端部表面图EVP1，对电极活性材料层的第一相对垂直端部表面的中值垂直位置在X-Z平面中沿对电极活性材料层的长度LC的2D图绘出了第一垂直端部表面图CEVP1，其中，对于第一对电极活性材料层的长度LC的至少60％：(i)在垂直方向上测得的图EVP1和CEVP1之间的分离距离SZ1的绝对值为1000μm≥|SZ1|≥5μm，(ii)对于电极和对电极活性材料层的第一垂直端部表面之间，对电极活性材料层的第一垂直端部表面相对于电极活性材料层的第一垂直端部表面向内设置，
b.电极和对电极活性材料层的第二垂直端部表面位于电极组件的相同侧，并且分别与电极和对电极活性材料层的第一垂直端部表面相对，电极活性材料层的第二相对垂直端部表面的中值垂直位置在X-Z平面中沿着电极活性材料层的长度LE的2D图描绘了第二垂直端部表面图EVP2，对电极活性材料层的第二相对垂直端部表面的中值垂直位置在X-Z平面中沿对电极活性材料层的长度LC的2D图绘出了第二垂直端部表面图CEVP2，其中对于对电极活性材料层的长度LC的至少60％：(i)在垂直方向上测得的图EVP2和CEVP2之间的分离距离SZ2的绝对值为1000μm≥|SZ2|≥5μm，以及(ii)对于电极和对电极活性材料层的第二垂直端部表面之间，对电极活性材料层的第二垂直端部表面相对于电极活性材料层的第二垂直端部表面向内设置。
实施例6.根据实施例4至5中任一项所述的二次电池，其中，电极组件包括单元基元群，其中，每个单元基元包括电极集流体层群的第一构件的单元基元部分、对载体离子是离子可渗透的分隔体群的构件、电极活性材料层群的第一构件、对电极集流体群的第一构件的单元基元部分以及对电极活性材料层群的第一构件，其中，(aa)电极活性材料层群的第一构件靠近分隔体的第一侧，并且对电极材料层群的第一构件靠近分隔体的相对的第二侧，(bb)分隔体使电极活性材料层群的第一构件与对电极活性材料层群的第一构件电隔离，并且载体离子在电池的充电和放电状态之间的循环期间，经由每个这样的单元基元的分隔体，主要在电极活性材料层群的第一构件和对电极活性材料层群的第一构件之间进行交换，以及(cc)在每个单元基元内，
c.电极和对电极活性材料层的第一横向端部表面在电极组件的相同侧，电极活性材料层的第一相对横向端部表面的中值横向位置在X-Z平面中沿着电极活性材料层的高度HE的2D图绘出了第一横向端部表面图ETP1，对电极的第一相对横向端部表面的中值横向位置在X-Z平面中沿对电极活性材料层的高度HC的2D图绘出了第一横向端部表面图CETP1，其中，对于对电极活性材料层的高度HC的至少60％：(i)在横向方向上测得的图ETP1和CETP1之间的分离距离SX1的绝对值为1000μm≥|SX1|≥5μm，以及(ii)对于电极和对电极活性材料层的第一横向端部表面之间，对电极活性材料层的第一横向端部表面相对于电极活性材料层的第一横向端部表面向内设置，以及
d.电极和对电极活性材料层的第二横向端部表面在电极组件的相同侧上，并且分别与电极和对电极活性材料层的第一横向端部表面相对，电极活性材料层的第二相对横向端部表面的中值横向位置在X-Z平面中沿着电极活性材料层的高度HE的2D图描绘了第二横向端部表面图ETP2，对电极的第二相对横向端部表面的中值横向位置在X-Z平面中沿对电极活性材料层的高度HC的2D图绘出了第二横向端部表面图CETP2，其中，对于对电极活性材料层的高度HC的至少60％：(i)在横向方向上测得的图ETP2和CETP2之间的分离距离SX2的绝对值为1000μm≥|SX2|≥5μm，以及(ii)对于电极和对电极活性材料层的第二横向端部表面之间，对电极活性材料层的第二横向端部表面相对于电极活性材料层的第二横向端部表面向内设置。
实施例7.一种用于在充电状态和放电状态之间循环的二次电池，该二次电池包括电池外壳、电极组件和电池外壳内的锂离子、以及一组电极约束件，其中
(a)电极组件具有分别对应于虚构的三维笛卡尔坐标系的x轴、y轴和z轴的相互垂直的横向轴、纵向轴和垂直轴、在纵向方向上彼此分离的第一纵向端部表面和第二纵向端部表面、以及围绕电极组件纵向轴AEA并连接所述第一纵向端部表面和所述第二纵向端部表面的横向表面，所述横向表面具有位于所述纵向轴的相对侧上并在与所述纵向轴正交的第一方向上分离的相对的第一区域和第二区域，所述电极组件具有在所述纵向方向上测量的最大宽度WEA，由所述横向表面限定并且在横向方向上测量的最大长度LEA、以及由所述横向表面限定并且在垂直方向上测量的最大高度HEA，其中，最大长度LEA和最大宽度WEA与最大高度HEA的比率至少为2:1。
(b)电极组件包括电极组件内在与纵向轴平行的堆叠方向上堆叠的一系列层，其中，堆叠的一系列层包括负极活性材料层群、负极集流体层群、分隔体材料层群、正极活性材料层群、以及正极集流体材料层群，其中
(i)负极活性材料层群中的每个构件具有长度LE、高度HE、以及宽度WE，该长度LE对应于在负极活性材料层的第一和第二相对横向端部表面之间在横向方向上测量的负极活性材料层的费雷特直径，以及该高度HE对应于在负极活性材料层的第一和第二相对垂直端部表面之间在垂直方向上测量的费雷特直径，以及该宽度WE对应于在负极活性材料层的第一和第二相对表面之间在纵向方向上测量的负极活性材料层的费雷特直径，其中，LE与HE和WE的比率至少为5:1；
(ii)正极活性材料群层中的每个构件具有长度LC、高度HC、以及宽度WC，该长度LC对应于在正极活性材料层的第一和第二相对横向端部表面之间的横向方向上测量的正极活性材料层的费雷特直径，以及该高度HC对应于在正极活性材料层的第一和第二相对垂直端部表面之间在垂直方向上测量的正极活性材料层的费雷特直径，以及该宽度WC对应于在正极活性材料层的第一和第二相对表面之间在纵向方向上测量的正极活性材料层的费雷特直径，其中，LC与HC和WC的比率至少为5:1
(iii)负极活性材料层群的构件包括具有至少60wt％的负极活性材料的颗粒材料、小于20wt％的导电助剂和粘合剂材料，并且其中，负极活性材料包括含硅材料，
(c)电极约束件的组包括初级约束系统和二级约束系统，其中
(i)初级约束系统包括第一和第二生长约束件以及至少一个初级连接构件，第一和第二初级生长约束件在纵向方向上彼此分离，并且至少一个初级连接构件连接第一和第二初级生长约束件以至少部分地限制电极组件在纵向方向上的生长，以及
(ii)二级约束系统包括在第二方向上分离并通过堆叠的一系列层的构件连接的第一和第二二级生长约束件，其中，二级约束系统至少部分地限制电极组件在二次电池循环时在第二方向上的生长，第二方向与纵向方向正交，以及
(iii)初级约束系统在堆叠方向上维持在电极组件上的压力，该压力超过在相互垂直且垂直于堆叠方向的两个方向中的每个方向上维持在电极组件上的压力，以及
(d)电极组件包括单元基元群，其中，每个单元基元包括电极集流体层群的第一构件的单元基元部分、对载体离子是离子可渗透的分隔体群的构件、电极活性材料层群的第一构件、对电极集流体群的第一构件的单元基元部分以及对电极活性材料层群的第一构件，其中，(aa)电极活性材料层群的第一构件靠近分隔体的第一侧，并且对电极材料层群的第一构件靠近分隔体的相对的第二侧，(bb)分隔体使电极活性材料层群的第一构件与对电极活性材料层群的第一构件电隔离，并且载体离子在电池的充电和放电状态之间的循环期间，经由每个这样的单元基元的分隔体，主要在电极活性材料层群的第一构件和对电极活性材料层群的第一构件之间进行交换，以及(cc)在每个单元基元内，
c.电极和对电极活性材料层的第一横向端部表面在电极组件的相同侧，电极活性材料层的第一相对横向端部表面的中值横向位置在X-Z平面中沿着电极活性材料层的高度HE的2D图绘出了第一横向端部表面图ETP1，对电极的第一相对横向端部表面的中值横向位置在X-Z平面中沿对电极活性材料层的高度HC的2D图绘出了第一横向端部表面图CETP1，其中，对于对电极活性材料层的高度HC的至少60％：(i)在横向方向上测得的图ETP1和CETP1之间的分离距离SX1的绝对值为1000μm≥|SX1|≥5μm，以及(ii)对于电极和对电极活性材料层的第一横向端部表面之间，对电极活性材料层的第一横向端部表面相对于电极活性材料层的第一横向端部表面向内设置，以及
d.电极和对电极活性材料层的第二横向端部表面在电极组件的相同侧上，并且分别与电极和对电极活性材料层的第一横向端部表面相对，电极活性材料层的第二相对横向端部表面的中值横向位置在X-Z平面中沿着电极活性材料层的高度HE的2D图描绘了第二横向端部表面图ETP2，对电极的第二相对横向端部表面的中值横向位置在X-Z平面中沿对电极活性材料层的高度HC的2D图绘出了第二横向端部表面图CETP2，其中，对于对电极活性材料层的高度HC的至少60％：(i)在横向方向上测得的图ETP2和CETP2之间的分离距离SX2的绝对值为1000μm≥|SX2|≥5μm，以及(ii)对于电极和对电极活性材料层的第二横向端部表面之间，对电极活性材料层的第二横向端部表面相对于电极活性材料层的第二横向端部表面向内设置。
实施例8.根据实施例7所述的二次电池，其中，堆叠的一系列层包括具有在横向方向上彼此间隔开的相对端部表面的层，其中，由于该层在相对端部表面处的伸长和缩小，该层的多个相对端部表面表现出在横向方向上定向的塑性变形和断裂。
实施例9.根据实施例7-8中任一项所述的二次电池，其中，在每个单元基元内，
a.电极和对电极活性材料层的第一垂直端部表面位于电极组件的相同侧，电极活性材料的第一相对垂直端部表面的中值垂直位置在X-Z平面中沿着电极活性材料层的长度LE的2D图绘出了第一垂直端部表面图EVP1，对电极活性材料层的第一相对垂直端部表面的中值垂直位置在X-Z平面中沿对电极活性材料层的长度LC的2D图绘出了第一垂直端部表面图CEVP1，其中，对于第一对电极活性材料层的长度LC的至少60％：(i)在垂直方向上测得的图EVP1和CEVP1之间的分离距离SZ1的绝对值为1000μm≥|SZ1|≥5μm，(ii)对于电极和对电极活性材料层的第一垂直端部表面之间，对电极活性材料层的第一垂直端部表面相对于电极活性材料层的第一垂直端部表面向内设置，
b.电极和对电极活性材料层的第二垂直端部表面位于电极组件的相同侧，并且分别与电极和对电极活性材料层的第一垂直端部表面相对，电极活性材料层的第二相对垂直端部表面的中值垂直位置在X-Z平面中沿着电极活性材料层的长度LE的2D图描绘了第二垂直端部表面图EVP2，对电极活性材料层的第二相对垂直端部表面的中值垂直位置在X-Z平面中沿对电极活性材料层的长度LC的2D图绘出了第二垂直端部表面图CEVP2，其中，对于对电极活性材料层的长度LC的至少60％：(i)在垂直方向上测得的图EVP2和CEVP2之间的分离距离SZ2的绝对值为1000μm≥|SZ2|≥5μm，以及(ii)对于电极和对电极活性材料层的第二垂直端部表面之间，对电极活性材料层的第二垂直端部表面相对于电极活性材料层的第二垂直端部表面向内设置。
实施例10.根据实施例1-9中任一项所述的二次电池，其中，负极活性材料层群的构件包括具有至少80wt％的负极活性材料的颗粒材料。
实施例11.根据实施例1-10中任一项所述的二次电池，其中，负极活性材料层群的构件包括具有至少90wt％的负极活性材料的颗粒材料。
实施例12.根据实施例1-11中任一项所述的二次电池，其中，负极活性材料层群的构件包括具有至少95wt％的负极活性材料的颗粒材料。
实施例13.根据实施例1-12中任一项所述的二次电池，其中，包括含硅材料的电极活性材料包括硅、氧化硅及其混合物中的至少一种。
实施例14.根据实施例1-13中任一项所述的二次电池，其中负极活性材料层群的构件包括小于10％的导电助剂。
实施例15.根据实施例1-14中任一项所述的二次电池，其中，负极活性材料层群的构件包括导电助剂，导电助剂包括铜、镍和碳中的至少一种。
实施例16.根据实施例1-15中任一项所述的二次电池，其中，正极活性材料层群的构件包括过渡金属氧化物材料，所述过渡金属氧化物材料包含锂以及钴和镍中的至少一种。
实施例17.根据实施例1-16中任一项所述的二次电池，其中，在第二方向上分离的第一和第二二级生长约束件通过包括负极集流体层群的构件的堆叠的一系列层的构件彼此连接。
实施例18.根据实施例1-17中任一项所述的二次电池，其中，在第二方向上分离的第一和第二二级生长约束件通过包括负极集流体层群的构件的堆叠的一系列层的构件彼此连接，以及其中，负极集流体层包括负极主干层。
实施例19.根据实施例1-18中任一项所述的二次电池，其中，在第二方向上分离的第一和第二二级生长约束件通过包括负极集流体层群的构件的堆叠的一系列层的构件彼此连接，其中，对于负极集流体层群的每个构件，负极集流体层构件具有设置在其表面上的负极活性材料层群的构件。
实施例20.根据实施例1-19中的任一项所述的二次电池，其中，在第二方向上分离的第一和第二二级生长约束件通过包括负极集流体层群的构件的堆叠的一系列层的构件彼此连接，以及其中，负极集流体层群的构件包括在堆叠的一系列层中设置在其两个相对表面上的负极活性材料层群的构件。
实施例21.根据实施例1-20中任一项所述的二次电池，其中，负极集流体层群的构件包括铜和不锈钢中的一种或多种。
实施例22.根据实施例1-21中任一项所述的二次电池，其中，负极集流体层群的构件包括沿堆叠方向测量的小于20微米且至少2微米的厚度。
实施例23.根据实施例1-22中任一项所述的二次电池，其中，负极集流体层群的构件包括沿堆叠方向测量的在6至18微米范围内的厚度。
实施例24.根据实施例1-23中任一项所述的二次电池，其中，负极集流体层群的构件包括沿堆叠方向测量的在8至14微米范围内的厚度。
实施例25.根据实施例1-24中任一项所述的二次电池，其中，在第二方向上分离的第一和第二二级生长约束件通过包括正极集流体层群的构件的堆叠的一系列层的构件彼此连接。
实施例26.根据实施例1-25中任一项所述的二次电池，其中，正极集流体层的构件包括铝。
实施例27.根据实施例1-26中任一项所述的二次电池，其中，正极集流体层的构件包括沿堆叠方向测量的小于20微米且至少2微米的厚度。
实施例28.根据实施例1-27中任一项所述的二次电池，其中，正极集流体层的构件包括沿堆叠方向测量的在6至18微米范围内的厚度。
实施例29.根据实施例1-28中任一项所述的二次电池，其中，正极集流体层的构件包括沿堆叠方向测量的在8至14微米范围内的厚度。
实施例30.根据实施例1-29中任一项所述的二次电池，其中，在第二方向上分离的第一和第二二级生长约束件通过包括负极活性材料层群的构件堆叠的一系列层的构件彼此连接。
实施例31.根据实施例1-30中任一项所述的二次电池，其中，在第二方向上分离的第一和第二二级生长约束件通过包括正极活性材料层群的构件的堆叠的一系列层的构件彼此连接。
实施例32.根据实施例1-31中任一项所述的二次电池，其中，在第二方向上分离的第一和第二二级生长约束件通过包括分隔体材料层群的构件的堆叠的一系列层的构件彼此连接。
实施例33.根据实施例1-32中任一项所述的二次电池，其中，外壳是气密密封的。
实施例34.根据实施例1至33中任一项所述的二次电池，其中，约束件的组在电池外壳内。
实施例35.根据实施例1-34中任一项所述的二次电池，其中，初级约束系统在电池外壳内。
实施例36.根据实施例1-35中任一项所述的二次电池，其中，二级约束系统在电池外壳内。
实施例37.根据实施例1-36中任一项所述的二次电池，还包括三级约束系统，所述三级约束系统包括第一和第二三级生长约束件以及至少一个三级连接构件，所述第一和第二三级生长约束件在与纵向和第二方向正交的第三方向上彼此分离，以及至少一个三级连接构件连接第一和第二三级生长约束件，以至少部分地限制电极组件在第三方向上的生长。
实施例38.根据实施例1-37中任一项所述的二次电池，其中，三级约束系统在电池外壳内。
实施例39.根据权利要求1-38中任一项所述的二次电池，其中，分隔体材料层包括聚合物电解质、或者包括液体电解质从中穿过的微孔分隔体材料。
实施例40.根据实施例1-39中任一项所述的二次电池，其中，电极活性材料包括含硅颗粒状电极活性材料的压实体。
实施例41.根据实施例1-40中任一项所述的二次电池，其中，负极集流体层群的构件包括含铜层，并且其中，堆叠的一系列层包括堆叠顺序的负极集流体层群的构件，其中负极活性材料层群的构件设置在负极集流体层的相对侧上。
实施例42.根据实施例1-41中任一项所述的二次电池，其中，负极活性材料层群的构件包括颗粒状的含硅材料的压实体，并且其中，所述构件设置在形成负极主干的含铜负极集流体的相对侧上。
实施例43.根据实施例1-42中任一项所述的二次电池，其中，电极活性材料层群的构件包括至少2.5mm的高度尺寸HE。
实施例44.根据实施例1-43中任一项所述的二次电池，其中，电极活性材料层群的构件包括至少3mm的高度尺寸HE。
实施例45.根据实施例1-44中任一项所述的二次电池，其中，所述负极集流体具有被熔焊到导电汇流条的纵向相对端。
实施例46.根据实施例1-45中任一项所述的二次电池，其中，正极集流体群的构件包括含铝材料。
实施例47.根据实施例1-46中任一项所述的二次电池，其中，初级约束系统约限制电极组件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20％，其中，二次电池的充电状态至少为二次电池额定容量的75％，并且二次电池的放电状态小于二次电池额定容量的25％。
实施例48.根据实施例1-47中任一项所述的二次电池，其中，初级约束阵列限制电极组件在纵向方向上的生长，使得在二次电池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％。
实施例49.根据实施例1-48中任一项所述的二次电池，其中，在二次电池的100个连续循环期间，初级约束阵列将电极组件在纵向方向上的生长限制为小于20％。
实施例50.根据实施例1-49中任一项所述的二次电池，其中，初级约束阵列限制电极组件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20％。
实施例51.根据实施例1-50中任一项所述的二次电池，其中，初级约束阵列限制电极组件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％。
实施例52.根据实施例1-51中任一项所述的二次电池，其中，初级约束阵列限制电极组件在纵向方向上的生长，使得在二次电池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％。
实施例53.根据实施例1-52中任一项所述的二次电池，其中，初级约束阵列限制电极组件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5％。
实施例54.根据实施例1-53中任一项所述的二次电池，其中，初级约束阵列限制电极组件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％。
实施例55.根据实施例1-54中任一项所述的二次电池，其中，初级约束阵列限制电极组件在纵向方向上的生长，使得在二次电池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％。
实施例56.根据实施例1-55中任一项所述的二次电池，其中，初级约束阵列限制电极组件在纵向方向上的生长，使得在二次电池每个循环期间，电极组件在纵向方向上的费雷特直径的任何增加小于1％。
实施例57.根据实施例1-56中任一项所述的二次电池，其中，二级生长约束系统限制电极组件在第二方向上的生长，使得在二次电池重复循环的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％。
实施例58.根据实施例1-57中任一项所述的二次电池，其中，二级生长约束系统限制电极组件在第二方向上的生长，使得在二次电池5个连续循环期间，电极组件在第二方向上的费雷特直径的任何增加小于5％。
实施例59.根据实施例1-58中任一项所述的二次电池，其中，二级生长约束系统限制电极组件在第二方向上的生长，使得在二次电池每个循环期间，电极组件在第二方向上的费雷特直径的任何增加小于1％。
实施例60.根据实施例1-59中任一项所述的二次电池，其中，该约束件的组能够抵抗在二次电池在充电和放电状态之间循环期间由电极组件施加的大于或等于2MPa的压力。
实施例61.根据实施例1-60中任一项所述的二次电池，其中，该约束件的组能够抵抗在二次电池在充电和放电状态之间循环期间由电极组件施加的大于或等于5MPa的压力。
实施例62.根据实施例1-61中任一项所述的二次电池，其中，该约束件的组能够抵抗在二次电池在充电和放电状态之间循环期间由电极组件施加的大于或等于7MPa的压力。
实施例63.根据实施例1-62中任一项所述的二次电池，其中，该约束件的组能够抵抗在二次电池在充电和放电状态之间循环期间由电极组件施加的大于或等于10MPa的压力。
实施例64.根据实施例1-63中任一项所述的二次电池，其中，位于电极组件外部的该电极约束件的组的部分占电极组件和电极约束件的外部部分的总组合体积的80％以下。
实施例65.根据实施例1-64中任一项所述的二次电池，其中，位于电极组件外部的初级生长约束系统的部分占电极组件和初级生长约束系统的外部部分的总组合体积的40％以下。
实施例66.根据实施例1-65中任一项所述的二次电池，其中，位于电极组件外部的二级生长约束系统的部分占电极组件和二级生长约束系统的外部部分的总组合体积的40％以下。
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 (50)

1.一种用于在充电状态和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、电极组件和所述电池外壳内的锂离子、以及电极约束件的组，其中
(a)所述电极组件具有分别对应于虚构的三维笛卡尔坐标系的x轴、y轴和z轴的相互垂直的横向轴、纵向轴和垂直轴、在所述纵向方向上彼此分离的第一纵向端部表面和第二纵向端部表面、以及围绕电极组件纵向轴AEA并连接所述第一纵向端部表面和所述第二纵向端部表面的横向表面，所述横向表面具有位于所述纵向轴的相对侧上并在与所述纵向轴正交的第一方向上分离的相对的第一区域和第二区域，所述电极组件具有在所述纵向方向上测量的最大宽度WEA，由所述横向表面限定并且在所述横向方向上测量的最大长度LEA、以及由所述横向表面限定并且在所述垂直方向上测量的最大高度HEA，其中，所述最大长度LEA和所述最大宽度WEA与所述最大高度HEA的比率至少为2:1，
(b)所述电极组件包括在所述电极组件内在与所述纵向轴平行的堆叠方向上堆叠的一系列层，其中，所述堆叠的一系列层包括负极活性材料层群、负极集流体层群、分隔体材料层群、正极活性材料层群、以及正极集流体材料层群，其中
(i)所述负极活性材料层群中的每个构件具有长度LE、高度HE、以及宽度WE，所述长度LE对应于在所述负极活性材料层的第一和第二相对横向端部表面之间的所述横向方向上测量的所述负极活性材料层的费雷特直径，以及所述高度HE对应于在所述负极活性材料层的第一和第二相对垂直端部表面之间的所述垂直方向上测量的所述负极活性材料层的费雷特直径，以及所述宽度WE对应于在所述负极活性材料层的第一和第二相对表面之间在所述纵向方向上测量的所述负极活性材料层的费雷特直径，其中，LE与HE和WE的比率至少为5:1；
(ii)所述正极活性材料层群中的每个构件具有长度LC、高度HC、以及宽度WC，所述长度LC对应于在所述正极活性材料层的第一和第二相对横向端部表面之间的所述横向方向上测量的所述正极活性材料层的费雷特直径，以及所述高度HC对应于在所述正极活性材料层的第一和第二相对垂直端部表面之间在所述垂直方向上测量的所述正极活性材料层的费雷特直径，以及所述宽度WC对应于在所述正极活性材料层的第一和第二相对表面之间在所述纵向方向上测量的所述正极活性材料层的费雷特直径，其中，LC与HC和WC的比率至少为5:1
(iii)所述负极活性材料层群的构件包括具有至少60wt％的负极活性材料的颗粒材料、小于20wt％的导电助剂和粘合剂材料，并且其中，所述负极活性材料包括含硅材料，
(c)所述电极约束件的组包括初级约束系统和二级约束系统，其中
(i)所述初级约束系统包括第一和第二生长约束件以及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以至少部分地限制所述电极组件在所述纵向方向上的生长，以及
(ii)所述二级约束系统包括在第二方向上分离并通过所述堆叠的一系列层的构件连接的第一和第二二级生长约束件，其中，所述二级约束系统至少部分地限制所述电极组件在所述二次电池循环时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，以及
(iii)所述初级约束系统在所述堆叠方向上维持在所述电极组件上的压力，所述压力超过在相互垂直且垂直于所述堆叠方向的两个方向中的每个方向上维持在所述电极组件上的压力，以及
(d)所述电极组件包括单元基元群，其中，每个单元基元包括所述电极集流体层群的第一构件的单元基元部分、对所述载体离子是离子可渗透的所述分隔体群的构件、所述电极活性材料层群的第一构件、所述对电极集流体群的第一构件的单元基元部分以及所述对电极活性材料层群的第一构件，其中，(aa)所述电极活性材料层群的所述第一构件靠近所述分隔体的第一侧，并且所述对电极材料层群的所述第一构件靠近所述分隔体的相对的第二侧，(bb)所述分隔体使所述电极活性材料层群的所述第一构件与所述对电极活性材料层群的所述第一构件电隔离，并且载体离子在所述电池的所述充电状态和所述放电状态之间的循环期间，经由每个这样的单元基元的所述分隔体，主要在所述电极活性材料层群的所述第一构件和所述对电极活性材料层群的所述第一构件之间进行交换，以及(cc)在每个单元基元内，
a.所述电极和所述对电极活性材料层的所述第一垂直端部表面位于所述电极组件的相同侧，所述电极活性材料的所述第一相对垂直端部表面的中值垂直位置在X-Z平面中沿着所述电极活性材料层的所述长度LE的2D图绘出了第一垂直端部表面图EVP1，所述对电极活性材料层的所述第一相对垂直端部表面的中值垂直位置在所述X-Z平面中沿所述对电极活性材料层的所述长度LC的2D图绘出了第一垂直端部表面图CEVP1，其中，对于所述第一对电极活性材料层的所述长度LC的至少60％：(i)在所述垂直方向上测得的所述图EVP1和CEVP1之间的分离距离SZ1的绝对值为1000μm≥|SZ1|≥5μm，(ii)对于所述电极和对电极活性材料层的所述第一垂直端部表面之间，所述对电极活性材料层的所述第一垂直端部表面相对于所述电极活性材料层的所述第一垂直端部表面向内设置，
b.所述电极和对电极活性材料层的所述第二垂直端部表面位于所述电极组件的相同侧，并且分别与所述电极和对电极活性材料层的所述第一垂直端部表面相对，所述电极活性材料层的所述第二相对垂直端部表面的中值垂直位置在所述X-Z平面中沿着所述电极活性材料层的所述长度LE的2D图描绘了第二垂直端部表面图EVP2，所述对电极活性材料层的所述第二相对垂直端部表面的中值垂直位置在所述X-Z平面中沿所述对电极活性材料层的所述长度LC的2D图绘出了第二垂直端部表面图CEVP2，其中，对于所述对电极活性材料层的所述长度LC的至少60％：(i)在所述垂直方向上测得的所述图EVP2和CEVP2之间的分离距离SZ2的绝对值为1000μm≥|SZ2|≥5μm，以及(ii)对于所述电极和对电极活性材料层的所述第二垂直端部表面之间，所述对电极活性材料层的所述第二垂直端部表面相对于所述电极活性材料层的所述第二垂直端部表面向内设置。
2.根据权利要求1所述的二次电池，其中，所述堆叠的一系列层包括具有在所述横向方向上彼此间隔开的相对端部表面的层，其中，由于所述层在所述相对端部表面处的伸长和缩小，所述层的多个相对端部表面表现出在所述横向方向上定向的塑性变形和断裂。
3.根据权利要求1-2中任一项所述的二次电池，其中，在每个单元基元内，
c.所述电极和对电极活性材料层的所述第一横向端部表面在所述电极组件的相同侧，所述电极活性材料层的所述第一相对横向端部表面的中值横向位置在所述X-Z平面中沿着所述电极活性材料层的所述高度HE的2D图绘出了第一横向端部表面图ETP1，所述对电极的所述第一相对横向端部表面的中值横向位置在所述X-Z平面中沿所述对电极活性材料层的所述高度HC的2D图绘出了第一横向端部表面图CETP1，其中，对于所述对电极活性材料层的所述高度HC的至少60％：(i)在所述横向方向上测得的所述图ETP1和CETP1之间的分离距离SX1的绝对值为1000μm≥|SX1|≥5μm，以及(ii)对于所述电极和对电极活性材料层的所述第一横向端部表面之间，所述对电极活性材料层的所述第一横向端部表面相对于所述电极活性材料层的所述第一横向端部表面向内设置，以及
d.所述电极和对电极活性材料层的所述第二横向端部表面在所述电极组件的相同侧上，并且分别与所述电极和对电极活性材料层的所述第一横向端部表面相对，所述电极活性材料层的所述第二相对横向端部表面的中值横向位置在所述X-Z平面中沿着所述电极活性材料层的所述高度HE的2D图描绘了第二横向端部表面图ETP2，所述对电极的所述第二相对横向端部表面的中值横向位置在所述X-Z平面中沿所述对电极活性材料层的所述高度HC的2D图绘出了第二横向端部表面图CETP2，其中，所述对电极活性材料层的所述高度HC的至少60％：(i)在所述横向方向上测得的所述图ETP2和CETP2之间的分离距离SX2的绝对值为1000μm≥|SX2|≥5μm，以及(ii)对于所述电极和对电极活性材料层的所述第二横向端部表面之间，所述对电极活性材料层的所述第二横向端部表面相对于所述电极活性材料层的所述第二横向端部表面向内设置。
4.一种用于在充电状态和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、电极组件和所述电池外壳内的载体离子、以及电极约束件的组，其中
(a)所述电极组件具有分别对应于虚构的三维笛卡尔坐标系的x轴、y轴和z轴的相互垂直的横向轴、纵向轴和垂直轴、在所述纵向方向上彼此分离的第一纵向端部表面和第二纵向端部表面、以及围绕电极组件纵向轴AEA并连接所述第一纵向端部表面和所述第二纵向端部表面的横向表面，所述横向表面具有位于所述纵向轴的相对侧上并在与所述纵向轴正交的第一方向上分离的相对的第一区域和第二区域，所述电极组件具有在所述纵向方向上测量的最大宽度WEA，由所述横向表面限定并且在所述横向方向上测量的最大长度LEA、以及由所述横向表面限定并且在所述垂直方向上测量的最大高度HEA，其中，所述最大长度LEA和/或所述最大宽度WEA大于所述最大高度HEA，
(b)所述电极组件包括所述电极组件内在与所述纵向轴平行的堆叠方向上堆叠的一系列层，其中，所述堆叠的一系列层包括负极活性材料层群、负极集流体层群、分隔体材料层群、正极活性材料层群、以及正极集流体材料层群，其中
(i)所述负极活性材料层群中的每个构件具有长度LE、高度HE、以及宽度WE，所述长度LE对应于在所述负极活性材料层的第一和第二相对横向端部表面之间的所述横向方向上测量的所述负极活性材料层的费雷特直径，以及所述高度HE对应于在所述负极活性材料层的第一和第二相对垂直端部表面之间的所述垂直方向上测量的所述负极活性材料层的费雷特直径，以及所述宽度WE对应于在所述负极活性材料层的第一和第二相对表面之间在所述纵向方向上测量的所述负极活性材料层的费雷特直径，其中，所述LE与所述HE和所述WE的比率至少为5:1；
(ii)所述正极材料层群中的每个构件具有长度LC、高度HC、以及宽度WC，所述长度LC对应于在所述正极活性材料层的第一和第二相对横向端部表面之间的所述横向方向上测量的所述正极活性材料层的费雷特直径，以及所述高度HC对应于在所述正极活性材料层的第一和第二相对垂直端部表面之间在所述垂直方向上测量的所述正极活性材料层的费雷特直径，以及所述宽度WC对应于在所述正极活性材料层的第一和第二相对表面之间在所述纵向方向上测量的所述正极活性材料层的费雷特直径，其中，LC与HC和WC的比率至少为5:1
(iii)所述负极活性材料层群的构件包括具有至少60wt％的负极活性材料的颗粒材料、小于20wt％的导电助剂和粘合剂材料，
(c)所述电极约束件的组包括初级约束系统和二级约束系统，其中
(i)所述初级约束系统包括第一和第二生长约束件以及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以至少部分地限制所述电极组件在所述纵向方向上的生长，以及
(ii)所述二级约束系统包括在第二方向上分离并通过所述堆叠的一系列层的构件连接的第一和第二二级生长约束件，其中，所述二级约束系统至少部分地限制所述电极组件在所述二次电池循环时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，以及
(iii)所述初级约束系统在所述堆叠方向上维持在所述电极组件上的压力，所述压力超过在相互垂直且垂直于所述堆叠方向的两个方向中的每个方向上维持在所述电极组件上的压力，以及
(d)所述堆叠的一系列层包括具有在所述横向方向上彼此间隔开的相对端部表面的层，其中，由于所述层在所述相对端部表面处的伸长和缩小，所述层的多个相对端部表面表现出在所述横向方向上定向的塑性变形和断裂。
5.根据权利要求4所述的二次电池，其中，所述电极组件包括单元基元群，其中，每个单元基元包括所述电极集流体层群的第一构件的单元基元部分、对所述载体离子是离子可渗透的所述分隔体群的构件、所述电极活性材料层群的第一构件、所述对电极集流体群的第一构件的单元基元部分以及所述对电极活性材料层群的第一构件，其中，(aa)所述电极活性材料层群的所述第一构件靠近所述分隔体的第一侧，并且所述对电极材料层群的所述第一构件靠近所述分隔体的相对的第二侧，(bb)所述分隔体使所述电极活性材料层群的所述第一构件与所述对电极活性材料层群的所述第一构件电隔离，并且载体离子在所述电池的所述充电状态和所述放电状态之间的循环期间，经由每个这样的单元基元的所述分隔体，主要在所述电极活性材料层群的所述第一构件和所述对电极活性材料层群的所述第一构件之间进行交换，以及(cc)在每个单元基元内，
a.所述电极和所述对电极活性材料层的所述第一垂直端部表面位于所述电极组件的相同侧，所述电极活性材料的所述第一相对垂直端部表面的中值垂直位置在X-Z平面中沿着所述电极活性材料层的所述长度LE的2D图绘出了第一垂直端部表面图EVP1，所述对电极活性材料层的所述第一相对垂直端部表面的中值垂直位置在所述X-Z平面中沿所述对电极活性材料层的所述长度LC的2D图绘出了第一垂直端部表面图CEVP1，其中，对于所述第一对电极活性材料层的所述长度LC的至少60％：(i)在所述垂直方向上测得的所述图EVP1和CEVP1之间的分离距离SZ1的绝对值为1000μm≥|SZ1|≥5μm，(ii)对于所述电极和对电极活性材料层的所述第一垂直端部表面之间的距离，所述对电极活性材料层的所述第一垂直端部表面相对于所述电极活性材料层的所述第一垂直端部表面向内设置，
b.所述电极和对电极活性材料层的所述第二垂直端部表面位于所述电极组件的相同侧，并且分别与所述电极和对电极活性材料层的所述第一垂直端部表面相对，所述电极活性材料层的所述第二相对垂直端部表面的中值垂直位置在所述X-Z平面中沿着所述电极活性材料层的所述长度LE的2D图描绘了第二垂直端部表面图EVP2，所述对电极活性材料层的所述第二相对垂直端部表面的中值垂直位置在所述X-Z平面中沿所述对电极活性材料层的所述长度LC的2D图绘出了第二垂直端部表面图CEVP2，其中对于所述对电极活性材料层的所述长度LC的至少60％：(i)在所述垂直方向上测得的所述图EVP2和CEVP2之间的分离距离SZ2的绝对值为1000μm≥|SZ2|≥5μm，以及(ii)对于所述电极和对电极活性材料层的所述第二垂直端部表面之间，所述对电极活性材料层的所述第二垂直端部表面相对于所述电极活性材料层的所述第二垂直端部表面向内设置。
6.根据权利要求4至5中任一项所述的二次电池，其中，所述电极组件包括单元基元群，其中，每个单元基元包括所述电极集流体层群的第一构件的单元基元部分、对所述载体离子是离子可渗透的所述分隔体群的构件、所述电极活性材料层群的第一构件、所述对电极集流体群的第一构件的单元基元部分以及所述对电极活性材料层群的第一构件，其中，(aa)所述电极活性材料层群的所述第一构件靠近所述分隔体的第一侧，并且所述对电极材料层群的所述第一构件靠近所述分隔体的相对的第二侧，(bb)所述分隔体使所述电极活性材料层群的所述第一构件与所述对电极活性材料层群的所述第一构件电隔离，并且载体离子在所述电池的所述充电状态和所述放电状态之间的循环期间，经由每个这样的单元基元的所述分隔体，主要在所述电极活性材料层群的所述第一构件和所述对电极活性材料层群的所述第一构件之间进行交换，以及(cc)在每个单元基元内，
c.所述电极和对电极活性材料层的所述第一横向端部表面在所述电极组件的相同侧，所述电极活性材料层的所述第一相对横向端部表面的中值横向位置在所述X-Z平面中沿着所述电极活性材料层的所述高度HE的2D图绘出了第一横向端部表面图ETP1，所述对电极的所述第一相对横向端部表面的中值横向位置在所述X-Z平面中沿所述对电极活性材料层的所述高度HC的2D图绘出了第一横向端部表面图CETP1，其中，对于所述对电极活性材料层的所述高度HC的至少60％：(i)在所述横向方向上测得的所述图ETP1和CETP1之间的分离距离SX1的绝对值为1000μm≥|SX1|≥5μm，以及(ii)对于所述电极和对电极活性材料层的所述第一横向端部表面之间，所述对电极活性材料层的所述第一横向端部表面相对于所述电极活性材料层的所述第一横向端部表面向内设置，以及
d.所述电极和对电极活性材料层的所述第二横向端部表面在所述电极组件的相同侧上，并且分别与所述电极和对电极活性材料层的所述第一横向端部表面相对，所述电极活性材料层的所述第二相对横向端部表面的中值横向位置在所述X-Z平面中沿着所述电极活性材料层的所述高度HE的2D图描绘了第二横向端部表面图ETP2，所述对电极的所述第二相对横向端部表面的中值横向位置在所述X-Z平面中沿所述对电极活性材料层的所述高度HC的2D图绘出了第二横向端部表面图CETP2，其中，对于所述对电极活性材料层的所述高度HC的至少60％：(i)在所述横向方向上测得的所述图ETP2和CETP2之间的分离距离SX2的绝对值为1000μm≥|SX2|≥5μm，以及(ii)对于所述电极和对电极活性材料层的所述第二横向端部表面之间，所述对电极活性材料层的所述第二横向端部表面相对于所述电极活性材料层的所述第二横向端部表面向内设置。
7.一种用于在充电状态和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、电极组件和所述电池外壳内的锂离子、以及电极约束件的组，其中
(a)所述电极组件具有分别对应于虚构的三维笛卡尔坐标系的x轴、y轴和z轴的相互垂直的横向轴、纵向轴和垂直轴、在所述纵向方向上彼此分离的第一纵向端部表面和第二纵向端部表面、以及围绕电极组件纵向轴AEA并连接所述第一纵向端部表面和所述第二纵向端部表面的横向表面，所述横向表面具有位于所述纵向轴的相对侧上并在与所述纵向轴正交的第一方向上分离的相对的第一区域和第二区域，所述电极组件具有在所述纵向方向上测量的最大宽度WEA，由所述横向表面限定并且在所述横向方向上测量的最大长度LEA、以及由所述横向表面限定并且在所述垂直方向上测量的最大高度HEA，其中，所述最大长度LEA和所述最大宽度WEA与所述最大高度HEA的比率至少为2:1。
(b)所述电极组件包括所述电极组件内在与所述纵向轴平行的堆叠方向上堆叠的一系列层，其中，所述堆叠的一系列层包括负极活性材料层群、负极集流体层群、分隔体材料层群、正极活性材料层群、以及正极集流体材料层群，其中
(i)所述负极活性材料层群中的每个构件具有长度LE、高度HE、以及宽度WE，所述长度LE对应于在所述负极活性材料层的第一和第二相对横向端部表面之间的所述横向方向上测量的所述负极活性材料层的费雷特直径，以及所述高度HE对应于在所述负极活性材料层的第一和第二相对垂直端部表面之间的所述垂直方向上测量的费雷特直径，以及所述宽度WE对应于在所述负极活性材料层的第一和第二相对表面之间在所述纵向方向上测量的所述负极活性材料层的费雷特直径，其中，LE与HE和WE的比率至少为5:1；
(ii)所述正极活性材料层群中的每个构件具有长度LC、高度HC、以及宽度WC，所述长度LC对应于在所述正极活性材料层的第一和第二相对横向端部表面之间的所述横向方向上测量的所述正极活性材料层的费雷特直径，以及所述高度HC对应于在所述正极活性材料层的第一和第二相对垂直端部表面之间在所述垂直方向上测量的所述正极活性材料层的费雷特直径，以及所述宽度WC对应于在所述正极活性材料层的第一和第二相对表面之间在所述纵向方向上测量的所述正极活性材料层的费雷特直径，其中，LC与HC和WC的比率至少为5:1，
(iii)所述负极活性材料层群的构件包括具有至少60wt％的负极活性材料的颗粒材料、小于20wt％的导电助剂和粘合剂材料，并且其中，所述负极活性材料包括含硅材料，
(c)所述电极约束件的组包括初级约束系统和二级约束系统，其中
(i)所述初级约束系统包括第一和第二生长约束件以及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以至少部分地限制所述电极组件在所述纵向方向上的生长，以及
(ii)所述二级约束系统包括在第二方向上分离并通过所述堆叠的一系列层的构件连接的第一和第二二级生长约束件，其中，所述二级约束系统至少部分地限制所述电极组件在所述二次电池循环时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，以及
(iii)所述初级约束系统在所述堆叠方向上维持在所述电极组件上的压力，所述压力超过在相互垂直且垂直于所述堆叠方向的两个方向中的每个方向上维持在所述电极组件上的压力，以及
(d)所述电极组件包括单元单群体，其中，每个单元基元包括所述电极集流体层群的第一构件的单元基元部分、对所述载体离子是离子可渗透的所述分隔体群的构件、所述电极活性材料层群的第一构件、所述对电极集流体群的第一构件的单元基元部分以及所述对电极活性材料层群的第一构件，其中，(aa)所述电极活性材料层群的所述第一构件靠近所述分隔体的第一侧，并且所述对电极材料层群的所述第一构件靠近所述分隔体的相对的第二侧，(bb)所述分隔体使所述电极活性材料层群的所述第一构件与所述对电极活性材料层群的所述第一构件电隔离，并且载体离子在所述电池的所述充电状态和所述放电状态之间的循环期间，经由每个这样的单元基元的所述分隔体，主要在所述电极活性材料层群的所述第一构件和所述对电极活性材料层群的所述第一构件之间进行交换，以及(cc)在每个单元基元内，
c.所述电极和对电极活性材料层的所述第一横向端部表面在所述电极组件的相同侧，所述电极活性材料层的所述第一相对横向端部表面的中值横向位置在所述X-Z平面中沿着所述电极活性材料层的所述高度HE的2D图绘出了第一横向端部表面图ETP1，所述对电极的所述第一相对横向端部表面的中值横向位置在所述X-Z平面中沿所述对电极活性材料层的所述高度HC的2D图绘出了第一横向端部表面图CETP1，其中，对于所述对电极活性材料层的所述高度HC的至少60％：(i)在所述横向方向上测得的所述图ETP1和CETP1之间的分离距离SX1的绝对值为1000μm≥|SX1|≥5μm，以及(ii)对于所述电极和对电极活性材料层的所述第一横向端部表面之间，所述对电极活性材料层的所述第一横向端部表面相对于所述电极活性材料层的所述第一横向端部表面向内设置，以及
d.所述电极和对电极活性材料层的所述第二横向端部表面在所述电极组件的相同侧上，并且分别与所述电极和对电极活性材料层的所述第一横向端部表面相对，所述电极活性材料层的所述第二相对横向端部表面的中值横向位置在所述X-Z平面中沿着所述电极活性材料层的所述高度HE的2D图描绘了第二横向端部表面图ETP2，所述对电极的所述第二相对横向端部表面的中值横向位置在所述X-Z平面中沿所述对电极活性材料层的所述高度HC的2D图绘出了第二横向端部表面图CETP2，其中，对于所述对电极活性材料层的所述高度HC的至少60％：(i)在所述横向方向上测得的所述图ETP2和CETP2之间的分离距离SX2的绝对值为1000μm≥|SX2|≥5μm，以及(ii)对于所述电极和对电极活性材料层的所述第二横向端部表面之间，所述对电极活性材料层的所述第二横向端部表面相对于所述电极活性材料层的所述第二横向端部表面向内设置。
8.根据权利要求7所述的二次电池，其中，所述堆叠的一系列层包括具有在所述横向方向上彼此间隔开的相对端部表面的层，其中，由于所述层在所述相对端部表面处的伸长和缩小，所述层的多个相对端部表面表现出在所述横向方向上定向的塑性变形和断裂。
9.根据权利要求7-8中任一项所述的二次电池，其中，在每个单元基元内，
a.所述电极和对电极活性材料层的所述第一垂直端部表面位于所述电极组件的相同侧，所述电极活性材料的所述第一相对垂直端部表面的中值垂直位置在所述X-Z平面中沿着所述电极活性材料层的所述长度LE的2D图绘出了第一垂直端部表面图EVP1，所述对电极活性材料层的所述第一相对垂直端部表面的中值垂直位置在所述X-Z平面中沿所述对电极活性材料层的所述长度LC的2D图绘出了第一垂直端部表面图CEVP1，其中，对于所述第一对电极活性材料层的所述长度LC的至少60％：(i)在所述垂直方向上测得的所述图EVP1和CEVP1之间的分离距离SZ1的绝对值为1000μm≥|SZ1|≥5μm，(ii)对于所述电极和对电极活性材料层的所述第一垂直端部表面之间，所述对电极活性材料层的所述第一垂直端部表面相对于所述电极活性材料层的所述第一垂直端部表面向内设置，
b.所述电极和对电极活性材料层的所述第二垂直端部表面位于所述电极组件的相同侧，并且分别与所述电极和对电极活性材料层的所述第一垂直端部表面相对，所述电极活性材料层的所述第二相对垂直端部表面的中值垂直位置在所述X-Z平面中沿着所述电极活性材料层的所述长度LE的2D图描绘了第二垂直端部表面图EVP2，所述对电极活性材料层的所述第二相对垂直端部表面的中值垂直位置在所述X-Z平面中沿所述对电极活性材料层的所述长度LC的2D图绘出了第二垂直端部表面图CEVP2，其中，对于所述对电极活性材料层的所述长度LC的至少60％：(i)在所述垂直方向上测得的所述图EVP2和CEVP2之间的分离距离SZ2的绝对值为1000μm≥|SZ2|≥5μm，以及(ii)对于所述电极和对电极活性材料层的所述第二垂直端部表面之间，所述对电极活性材料层的所述第二垂直端部表面相对于所述电极活性材料层的所述第二垂直端部表面向内设置。
10.根据权利要求1-9中任一项所述的二次电池，其中，所述负极活性材料层群的构件包括具有至少80wt％的负极活性材料的颗粒材料。
11.根据权利要求1-10中任一项所述的二次电池，其中，所述负极活性材料层群的构件包括具有至少90wt％的负极活性材料的颗粒材料。
12.根据权利要求1-11中任一项所述的二次电池，其中，所述负极活性材料层群的构件包括具有至少95wt％的负极活性材料的颗粒材料。
13.根据权利要求1-12中任一项所述的二次电池，其中，包括所述含硅材料的所述电极活性材料包括硅、氧化硅及其混合物中的至少一种。
14.根据权利要求1-13中任一项所述的二次电池，其中，所述负极活性材料层群的构件包括小于10％的导电助剂。
15.根据权利要求1-14中任一项所述的二次电池，其中，所述负极活性材料层群的构件包括导电助剂，所述导电助剂包括铜、镍和碳中的至少一种。
16.根据权利要求1-15中任一项所述的二次电池，其中，所述正极活性材料层群的构件包括过渡金属氧化物材料，所述过渡金属氧化物材料包含锂以及钴和镍中的至少一种。
17.根据权利要求1-16中任一项所述的二次电池，其中，在所述第二方向上分离的所述第一和第二二级生长约束件通过包括所述负极集流体层群的构件的所述堆叠的一系列层的构件彼此连接。
18.根据权利要求1-17中任一项所述的二次电池，其中，在所述第二方向上分离的所述第一和第二二级生长约束件通过包括所述负极集流体层群的构件的所述堆叠的一系列层的构件彼此连接，以及其中，所述负极集流体层包括负极主干层。
19.根据权利要求1-18中任一项所述的二次电池，其中，在所述第二方向上分离的所述第一和第二二级生长约束件通过包括所述负极集流体层群的构件的所述堆叠的一系列层的构件彼此连接，其中，对于所述负极集流体层群的每个构件，所述负极集流体层构件具有设置在其表面上的所述负极活性材料层群的构件。
20.根据权利要求1-19中的任一项所述的二次电池，其中，在所述第二方向上分离的所述第一和第二二级生长约束件通过包括所述负极集流体层群的构件的所述堆叠的一系列层的构件彼此连接，以及其中，所述负极集流体层群的构件包括在所述堆叠的一系列层中设置在其两个相对表面上的所述负极活性材料层群的构件。
21.根据权利要求1-20中任一项所述的二次电池，其中，所述负极集流体层群的构件包括铜和不锈钢中的一种或多种。
22.根据权利要求1-21中任一项所述的二次电池，其中，所述负极集流体层群的构件包括沿所述堆叠方向测量的小于20微米且至少2微米的厚度。
23.根据权利要求1-22413-436中任一项所述的二次电池，其中，所述负极集流体层群的构件包括沿所述堆叠方向测量的在6至18微米范围内的厚度。
24.根据权利要求1-23413-437中任一项所述的二次电池，其中，所述负极集流体层群的构件包括沿所述堆叠方向测量的在8至14微米范围内的厚度。
25.根据权利要求1-24中任一项所述的二次电池，其中，在所述第二方向上分离的所述第一和第二二级生长约束件通过包括所述正极集流体层群的构件的所述堆叠的一系列层的构件彼此连接。
26.根据权利要求1-25中任一项所述的二次电池，其中，所述正极集流体层的构件包括铝。
27.根据权利要求1-26中任一项所述的二次电池，其中，所述正极集流体层的构件包括沿所述堆叠方向测量的小于20微米且至少2微米的厚度。
28.根据权利要求1-27中任一项所述的二次电池，其中，所述正极集流体层的构件包括沿所述堆叠方向测量的在6至18微米范围内的厚度。
29.根据权利要求1-28中任一项所述的二次电池，其中，所述正极集流体层的构件包括沿所述堆叠方向测量的在8至14微米范围内的厚度。
30.根据权利要求1-29中任一项所述的二次电池，其中，在所述第二方向上分离的所述第一和第二二级生长约束件通过包括所述负极活性材料层群的构件的所述堆叠的一系列层的构件彼此连接。
31.根据权利要求1-30中任一项所述的二次电池，其中，在所述第二方向上分离的所述第一和第二二级生长约束件通过包括所述正极活性材料层群的构件的所述堆叠的一系列层的构件彼此连接。
32.根据权利要求1-31中任一项所述的二次电池，其中，在所述第二方向上分离的所述第一和第二二级生长约束件通过包括所述分隔体材料层群的构件的所述堆叠的一系列层的构件彼此连接。
33.根据权利要求1-32中任一项所述的二次电池，其中，所述外壳是气密密封的。
34.根据权利要求1至33中任一项所述的二次电池，其中，所述约束件的组在所述电池外壳内。
35.根据权利要求1-34中任一项所述的二次电池，其中，所述初级约束系统在所述电池外壳内。
36.根据权利要求1-35中任一项所述的二次电池，其中，所述二级约束系统在所述电池外壳内。
37.根据权利要求1-36中任一项所述的二次电池，还包括三级约束系统，所述三级约束系统包括第一和第二三级生长约束件以及至少一个三级连接构件，所述第一和第二三级生长约束件在与所述纵向方向和所述第二方向正交的第三方向上彼此分离，以及所述至少一个三级连接构件连接所述第一和第二三级生长约束件，以至少部分地限制所述电极组件在所述第三方向上的生长。
38.根据权利要求1-37中任一项所述的二次电池，其中，所述三级约束系统在所述电池外壳内。
39.根据权利要求1-38中任一项所述的二次电池，其中，所述分隔体材料层包括聚合物电解质、或者包括液体电解质从中通过的微孔分隔体材料。
40.根据权利要求1-39中任一项所述的二次电池，其中，所述电极活性材料包括所述含硅颗粒状电极活性材料的压实体。
41.根据权利要求1-40中任一项所述的二次电池，其中，所述负极集流体层群的所述构件包括含铜层，并且其中，所述堆叠的一系列层包括堆叠顺序的所述负极集流体层群的构件，其中，所述负极活性材料层群的构件设置在所述负极集流体层的相对侧上。
42.根据权利要求1-41中任一项所述的二次电池，其中，所述负极活性材料层群的构件包括颗粒状的含硅材料的压实体，并且其中，所述构件被设置在形成负极主干的含铜负极集流体的相对侧上。
43.根据权利要求1-42中任一项所述的二次电池，其中，所述电极活性材料层群的构件包括至少2.5mm的高度尺寸HE。
44.根据权利要求1-43中任一项所述的二次电池，其中，所述电极活性材料层群的构件包括至少3mm的高度尺寸HE。
45.根据权利要求1-44中任一项所述的二次电池，其中，所述负极集流体具有被熔焊到导电汇流条的纵向相对端。
46.根据权利要求1-45中任一项所述的二次电池，其中，所述正极集流体群的构件包括含铝材料。
47.根据权利要求1-46中任一项所述的二次电池，其中，所述初级约束系统约限制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％，其中，所述二次电池的所述充电状态至少为所述二次电池额定容量的75％，并且所述二次电池的所述放电状态小于所述二次电池额定容量的25％。
48.根据权利要求1-47中任一项所述的二次电池，其中，所述初级约束阵列限制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％。
49.根据权利要求1-48中任一项所述的二次电池，其中，在所述二次电池的100个连续循环期间，所述初级约束阵列将所述电极组件在所述纵向方向上的生长限制为小于20％。
50.根据权利要求1-49中任一项所述的二次电池，其中，所述初级约束阵列限制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10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％。
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