CN113196532A - 具有内部熔断器的储能装置中的电池连接器和金属化膜组件 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种储能装置，包括负极、正极、在所述负极和所述正极之间的至少一个隔膜、电解质、与所述负极和所述正极中的至少一个接触的至少一个金属化薄膜集流体、附接到所述至少一个金属化薄膜集流体的至少一个极耳，其中所述至少一个金属化薄膜集流体包括具有顶部表面和底部表面的聚合物基板层，其中第一金属化层放置在聚合物基板顶层上，并且第二金属化层附接到所述聚合物基板底层，其中所述集流体显示出焊接块，使得所述第一金属化层和第二金属化层的至少一部分相互接触。

Description

具有内部熔断器的储能装置中的电池连接器和金属化膜组件
技术领域
本发明技术涉及锂电池制品的结构组件和物理特性的改进。本发明技术涉及具有内部熔断器的储能装置中的电池连接器和金属化膜组件，所述储能装置使用薄的金属化表面复合集流体(例如，铝和/或铜)、高收缩率材料、在暴露于高温下变成非导电的材料、及其组合。此类改进通过在目标锂电池内提供表面上的内部熔断器(防止由于短路而导致的不良高温结果)而给予承受目标锂电池本身中的某些缺陷(枝晶、意外电涌等)的能力。包括此类改进的电池制品及其使用方法也被包括在本发明之内。
背景技术
例如，标准的锂离子电池例如易于发生与短路有关的某些现象，并因此经历了发生高温和最终燃烧。已经发现，与电池组件有关的结构问题导致了此类问题。
锂电池作为众多产品中的电源在世界各地仍然很流行。从充电式电动工具到电动汽车，再到无处不在的蜂窝电话(如平板电脑、手持计算机等)，(不同离子类型的)锂电池由于可靠性、上面提到的可再充电性和使用寿命长而被用作主要电源。然而，利用如此广泛使用的电源会带来某些问题，其中一些已被证明越来越严重。值得注意的是，安全问题已经暴露出来，其中，无论是否由于最初的制造问题或与时间有关的退化问题，这种锂电池中的某些缺陷会在短路事件期间引起容易产生点火电位。基本上，已经发现导电材料的内部缺陷会在这种电池结构内产生不希望的高热量并最终引起火灾。其结果是，从手持计算机装置(三星Galaxy Note 7，作为一个臭名昭著的情况)到整架飞机(波音787)，使用锂电池的某些产品都被禁止销售和/或使用，直到已经提供了在其中和与其一起使用的受损锂电池的解决方案为止(甚至达到在某些地区禁止任何飞机使用三星Galaxy Note 7的程度)。甚至电动汽车特斯拉(Tesla)生产线也出现了锂电池组件的显著问题，这引起了头条新闻，即昂贵的汽车由于电池问题而如火球般爆炸。因此，与此类锂电池问题相关的广泛召回或全面禁令至今仍然存在，因此迫切需要克服此类问题。
这些问题主要是由于制造问题而存在的，无论是制成的单个电池组件还是这样的组件本身被配置成单个电池。通过仔细观察，锂电池目前由六种主要组件制成：正极材料；涂覆有正极材料的正负极集流体(如铝箔)；负极材料；涂覆有负极材料的负极集流体(如铜箔)；位于每个负极与正极层之间且通常由塑料材料制成的隔膜；和电解质，所述电解质作为使其他材料饱和的导电性有机溶剂，从而提供在所述负极与所述正极之间传导离子的机制。这些材料通常在罐(如现有技术图1所示)中缠绕在一起或者堆叠在一起。还有许多其他配置可以用于此类电池生产目的，包括软包电池、方形电池、纽扣电池、圆柱形电池、缠绕的方形电池、缠绕的软包电池，这样的例子不胜枚举。这些电池在正确制作和轻拿轻放的情况下可以为数千次充放电循环的各种应用提供能量，而不会发生任何明显的安全事故。然而，如上所述，某些事件，特别是某些缺陷会导致内部导电材料之间的内部短路，从而导致发热和内部热失控，这已知是此类锂电池内火灾的最终原因。如上所述，此类事件可能还由内部缺陷引起，包括电池内金属颗粒的存在、集流体材料上的毛刺、隔膜中的细点或孔(无论是在后续加工期间包含的，还是在后续加工过程中引起的)、电池层的未对准(留出“开口”而产生的不希望导电性)、渗透到电池中的外部碎屑(如撞击行驶中的车辆的道路碎屑)、电池单元本身的破碎和/或不稳定(例如，由于事故)、为密闭空间中的电池单元充电等。一般而言，这些类型的缺陷已知会导致在负极与正极之间产生小的电子导电路径。当发生此类事件时，如果随后对电池进行充电，则这种导电路径可能会导致电池单元的放电，这最终产生过多的热量，从而损害电池结构并危及由此供电的底层装置。结合作为电池电解质的易燃有机溶剂材料的存在(其通常对于电池可操作性而言是必需的)，这种过多的热量已显示出会引起其点燃，从而最终造成非常危险的情况。此类问题至少一旦开始就很难控制，并已导致对消费者的严重伤害。通过提供在以这种方式不损害易燃有机电解质的情况下输送电能的电池，肯定可以避免这种潜在的灾难性情况。
内部的过多热量的产生可能进一步造成塑料隔膜的收缩，从而使它从电池上移开、分离或以其他方式增大电池内的短路面积。在这种情况下，电池内更大暴露的短路面积可能导致持续的电流并增加其中的热量，从而导致高温事件，这会对电池单元造成重大损坏，包括爆裂、通风，乃至火焰和火灾。
这样的损坏由于着火和更坏的后果的可能性会很快出现而尤其成问题，并可能导致电池以及潜在的底层装置遭受爆炸，从而也给用户带来重大危险。
(多种类型的)锂电池特别容易出现与短路有关的问题。如上所述，典型的电池倾向于在高温暴露下显示出增加的放电速率，从而有时会导致如上所述的不受控制的(失控)燃烧和着火。由于这些可能性，某些法规已经生效，以管理此类电池物品的实际使用、存储，乃至运输。当然，实现适当协议以防止与短路相关的失控事件的能力是非常重要的。然而，至于如何实际解决此类问题，特别是当从无数供应商以及全球许多不同地点提供零件生产时，仍然存在问题。
有些人已磨练试图提供适当的和/或改进的隔膜作为帮助减轻这种锂电池着火的可能性的方法。低的熔点和/或收缩率的塑料膜似乎为这种电池着火事件产生更高的电势。于是，通常的想法是在这样的隔膜材料上包括某些涂层，而不降低其在实际使用期间的电解质隔离能力。因此，例如，陶瓷颗粒已被用作聚丙烯和/或聚乙烯膜涂层，作为提高此类膜的尺寸稳定性(例如，提高熔点)的手段。还包括粘合剂聚合物作为改善陶瓷颗粒之间的内聚力和对塑料膜(膜)的粘附力的成分。然而，实际上，赋予陶瓷颗粒涂层的整个膜结构的热增加已经发现相对较低，因此使得这种隔膜问题的主要因素是实际的隔膜材料本身。
其结果是，已经至少在一定程度上设计并实施了与聚乙烯和聚丙烯多孔膜(其构成这种典型的陶瓷涂覆的隔膜的基层)相比更加热稳定的隔膜材料。这些低收缩率、尺寸稳定的隔膜在暴露于至少200℃的温度(高达250℃、300℃，乃至更高的温度)下呈现出小于5％的收缩率，远优于裸露的聚合物膜所呈现的高收缩率(在150℃下大于大约40％)和陶瓷涂膜的高收缩率(在180℃下大于20％)(此类收缩率测试比较提供于现有技术图2中)。当发生短路时，此类低收缩率的材料可能会改变目标电池单元内部的热降解机制。一般来说，在这种电池单元中发生短路时，将总是产生热量。如果隔膜没有由于此类短路事件而收缩，则将继续产生并“积聚”热量，直到电池内的另一种材料降解为止。这种现象已通过行业标准的钉渗透测试进行了模拟。例如，即使使用包括对位芳族聚酰胺纤维并且显示出高达550℃的收缩稳定性的隔膜，该目标测试电池仍显示出短路的趋势，并具有独特的内部结果。在这样的处理之后，对这种电池进行更仔细的研究，其中，将电池打开，将过量的电解质蒸发，用环氧树脂填充电池，然后以垂直于钉的方式切开，将其留在电池中。然后使用背散射电子成像(BEI)进行扫描电子显微镜图像，其能够映射不同的电池元件以显示这种钉穿透活性的效果。这些在现有技术图3和图3A中示出。
在现有技术图3中，注意到铜层始终比铝层更靠近钉。还注意到，高稳定性隔膜在电极之间仍然完好无损。现有技术图3A示出了一个铝层的端部的更高放大倍数，其示出了它以破裂的灰质层结束。用BEI对此进行了研究，结果表明生成的物质实际上是氧化铝，一种绝缘陶瓷。这些证据得出了这样的结论：当隔膜本身是热稳定时，铝集流体会氧化，从而有效地断开电路(其结果是，一旦形成绝缘氧化铝，就会停止任何短路)。一旦电路断开，电流将停止流动，并且不再产生热量，从而使工艺逆转，如果隔膜的稳定性较差，则会导致热失控。
然而，这种可能的解决方案限于仅仅以更低收缩率特性的隔膜来替换。尽管这样简单的解决方案似乎很有价值，但是仍然存在其他制造程序和特定的组件(如陶瓷涂覆的隔膜类型)，它们已经被广泛使用并且可能很难用公认的电池产品代替。因此，尽管利用并包括热稳定的隔膜具有明显的好处，但是仍然可能发生不希望的电池着火，特别是当陶瓷涂覆的隔膜产品被认为对于这种目的而言安全时。因此，已经确定，除了利用这种高热稳定的隔膜材料之外，还存在至少另一种单独的内部电池单元结构机构，其可以补救或至少减少由于内部短路而产生热量的机会。在这种情况下，由于事实上的内部熔断器的形成而使完整的内部电路停止，在这种电池单元内发生短路不会导致有害的高温损坏。然而，到目前为止，在锂电池领域中还没有提出能够轻松解决这些问题的技术。本发明提供了使得锂电池单元在多个市场中极其安全且可靠的这样非常合乎需要的解决方法。
进一步特别感兴趣的是考虑适当地允许电荷从目标锂离子电池传导到外部电源。通常，这是通过利用极耳来实现的，该极耳接触并固定在集流体上，或者可能以某种方式固定在负极和正极集流体上，以提供所需的外部电导特性。所述极耳表面上用作与这种内部电池组件的接触，并且出于这种导电性的目的，通过接触点延伸到电池单元壳体的外部。因此，所述极耳必须保持在适当的位置并且不能与集流体脱离，并且允许毫不减弱地接近外部电源，而又不能在内部移位或与外部脱离。由于在锂离子电池领域内没有关于这种薄膜集流体的公开，因此同样也没有尝试改善或优化这种极耳连接问题。当然，标准类型的极耳是众所周知的，并与标准电池单元的大型集流体连接；但是，这并未提供任何保护薄膜集流体作用(例如，内部熔断器)的考虑，同时仍提供总体上尺寸稳定的结果以防止由于结构泄露而造成的电池故障。
尤为重要的是能够焊接到极耳的能力，所述极耳由附接到较厚的电绝缘材料(例如，塑料)层的金属薄层组成。将固体金属极耳焊接到固体金属箔仅需要表面连接，然后这允许将电连接到整个相对的箔或极耳。但是，当集流体的两个面通过支撑绝缘层而电隔离时，与单侧的表面连接无效，留下另一侧电隔离。因此，在目前的锂离子电池领域或工业中，没有任何关于这种效果的讨论或公开。然而，本发明克服了这种模式，且提供了迄今为止在相关行业中尚未探索和/或尚未了解到的结果。
因此，需要一种新型且改进的具有内部熔断器的储能装置中的电池连接器和金属化膜组件，所述储能装置可以使用薄的金属化表面复合集流体(例如，铝和/或铜)、高收缩率材料、在暴露于高温下变成非导电的材料、及其组合。对此，本发明技术基本上满足该需求。在此方面，根据本发明技术的具有内部熔断器的储能装置中的电池连接器和金属化膜组件基本上背离现有技术的传统概念和设计，如此处理提供了主要为如下目的而开发的装置：使用薄的金属化表面复合集流体(例如，铝和/或铜)、高收缩率材料、在暴露于高温下变成非导电的材料、及其组合。
发明内容
鉴于已知类型锂电池连接器的上述固有缺点，本发明技术提供一种具有内部熔断器的储能装置中的改进的电池连接器和金属化膜组件，并且克服了现有技术中的上述缺点和不足。由此，本发明技术的一般目的(随后将更详细地描述)是提供一种新型且改进的具有内部熔断器的储能装置中的电池连接器和金属化膜组件、以及具有上述现有技术的所有优点和许多新特征的方法，所述许多新特征导致获得不能被(单独或者任何组合的)现有技术预料、赋予显而易见性、教导或甚至暗示的具有内部熔断器的储能装置中的电池连接器和金属化膜组件。
本发明技术的一个方面可以包括一种锂电池单元，所述锂电池单元包括必需的极耳引线以允许从其内部向外为目标装置提供电能，这可能是一种重大意义的提供，因为电极的薄特性以及潜在地电极材料的两侧可能相互不导电。本发明技术中所提供的是，结合上述内部熔断器特征显示出足够安全水平，同时显示出在使用期间保持在原位的拉伸强度以及为实现这种电导性结果而用薄膜金属化集电体完全覆盖的极耳。这种极耳还提供用于必要接触的有效焊接，并且耐安培性和耐高温性达到令人惊讶的水平，以实现基本的内部熔断器结果，并具有对外部设备的上述足够导电性。通过这种极耳引线组件和焊接结构，为该行业提供锂电池领域内的进一步改进。
另外，本发明技术的内部熔断器开发表现出极薄的集电体结构，其进一步允许在单个电池内重复折叠的可能性。这种折叠可能性提供了连接集流体的两侧的能力，集流体的两侧可以通过位于两个导电层之间的聚合物层而电绝缘，无需过多的内部重量和/或电池体积要求。表面上地，折叠式集电体在保持内部熔断器特性，同时允许这种功率增加，从而潜在地允许在任何大小量的电池中进行任意数量的功率增加，而无需上述过多的重量和体积要求，从而创造出用于不同目的的、具有目标性高功率水平且尽可能高安全性利益的新型电池制品。
根据一个方面，本发明技术可以包括一种储能装置，所述储能装置包括负极、正极、在所述负极和所述正极之间的至少一种聚合物隔膜、电解质、与负极和正极中的至少一个接触的至少一种金属化薄膜集流体、以及附接到所述至少一种金属化薄膜集流体的至少一个极耳。所述至少一个金属化薄膜集流体包括具有顶部表面和底部表面的聚合物基板层。第一金属化层放置在聚合物基板顶层上，并且第二金属化层附接到所述聚合物基板底层。所述集流体显示出焊接块，使得所述第一金属化层和第二金属化层的至少一部分相互接触。
根据另一方面，本发明技术可以包括一种储能装置，所述储能装置包括负极、正极、在所述负极和所述正极之间的至少一个隔膜、电解质、与所述负极和所述正极中的至少一个接触的至少一个金属化薄膜集流体、附接到所述至少一个金属化薄膜集流体的至少一个极耳。所述至少一个金属化薄膜集流体包括具有顶部表面和底部表面的聚合物基板，其中第一金属化层附接到聚合物基板顶层，并且所述极耳放置所述聚合物基板底层上。所述集流体显示出焊接块，使得所述第一金属化层的至少一部分与所述极耳接触。
根据再一方面，本发明技术可以包括一种与包括负极和正极的储能装置一起使用的集流体极耳系统。所述集流体极耳系统可以包括与所述负极和所述正极中的至少一个接触的至少一个集流体、至少一个极耳和一个或多个焊接块。所述集流体与所述负极和所述正极中的至少一个接触。所述集流体可以包括具有顶部表面和底部表面的聚合物基板层。第一金属化层可以附接到所述聚合物基板顶层，并且第二金属化层可以附接到所述聚合物基板底层。所述极耳可以附接到聚合物基板顶部表面或者聚合物基板底部表面。所述焊接块展示在所述集流体上，使得所述极耳分别与第一金属化层的至少一部分或者第二金属化层的至少一部分接触。所述焊接块可以被配置为移动聚合物基板层，使得第一金属化层和第二金属化层接触。
根据再另一方面，本发明技术可以包括一种生产锂离子电池的方法，所述方法包括以下步骤：a)提供具有至少一个金属化基板的电极，所述金属化基板具有离子存储材料的涂层；b)提供对电极；c)将所述电极和对电极彼此相对地层叠，并在所述电极和所述对电极之间插入隔膜组件；d)提供包括电接触组件的包装材料，其中所述接触包括在所述包装材料内存在的部分和在所述包装材料外存在的部分；e)将所述电接触与所述金属化基板电连接；f)在所述包装材料内引入至少一种具有离子的液体电解质；和g)密封所述包装材料。步骤e)中的所述电连接包括如下工艺，借由该工艺将所述金属化基板的至少一个金属层按压通过所述金属化基板的聚合物基板，以由所述电接触形成电阻小于1欧姆的电连接。
根据再另一方面，本发明技术可以包括一种生产锂离子电池的集流极耳的方法。所述方法包括将第一金属化层附接到集流体的聚合物基板的顶层，以及将第二金属化层附接到集流体的聚合物基板的底层。将所述集流体与负极和正极中的至少一个接触。将极耳的一部分焊接至第一金属化层和第二金属化层之一，使得形成将所述极耳分别与第一金属化层和第二金属化层接触的焊接块。
本发明技术的一些或全部实施例可以包括通过焊接块附接至所述集流体的所述金属化层的至少一个电连接极耳。
在一些或全部实施例中，所述焊接块可以与所述负极和所述正极之一相关联。
在一些或全部实施例中，所述极耳通过所述焊接块电连接到所述负极或所述正极。
本一些或全部实施例可以包括在所述焊接上提供的增强件。
在一些或全部实施例中，所述金属化膜包括多达25层。
在一些或全部实施例中，所述极耳是多个极耳，多达25个。
在一些或全部实施例中，至少一些金属层被挤压通过相邻的集流体，以接触不与所述挤压的金属化层面对面接触的其它集流体的金属化层。
在一些或全部实施例中，所述焊接块为多个焊接块，所述多个焊接块呈现出完全填充、稀疏填充、部分网格交错或部分网格对齐的图案。
在一些或全部实施例中，所述焊接块包括线形、截棱锥形、圆棱锥形或球形的焊接块形状。
在一些或全部实施例中，所述聚合物基板层包括多层金属化膜结构，聚合物基板在各金属膜之间，并且所述多层金属化膜结构的最底部的金属化膜是第二金属化层。所述多层金属化膜结构被配置为通过焊接块来操控，以将所述多层金属化膜结构在焊接界面处连接在一起。
在一些或全部实施例中，所述焊接块被配置为通过所述多层金属化膜结构产生围绕所述焊接块的渐变轮廓，以促进全焊接压力应用。所述焊接块的渐变轮廓可以包括在焊接块的顶部边缘升高的周边。
已经(相当泛泛地)阐述了本发明技术的特征，使得紧接的详细描述可以更好地被理解以及本发明对现有技术的贡献更好地被察觉。
当结合附图并且在阅读本发明技术的优选(但仅是解释性)实施方式时，本发明技术的许多目的、特征和有点将对本领域技术人员来说是非常的。关于此，在详细解释本发明技术的目前实施方式之前，应当理解的是，本发明技术不限于其适用于在以下描述中阐述或者在附图中图示的组件的构造细节以及布置。本发明技术能够是其它实施方式以及以各种方式实践和实施。此外，应当理解的是，此处使用的名词和术语是用于描述的目的并且不应该认为限制性的。
因此，本领域技术人员将会理解到，本发明公开所基于的概念可以容易地用作其它结构、用于实施本发明技术的几个目的的方法和系统的设计基础。因此重要的是，权利要求书被认为包括截至目前的这样的等同构造，因为它们没有偏离本发明技术的精神和范围。
本发明技术的另一目的是，提供一种具有内部熔断器的储能装置中的改进的电池连接器和金属化膜组件，其可以容易地且有效率地制造和市场化。
本发明技术的再另一目的是，提供一种具有内部熔断器的储能装置中的改进的电池连接器和金属化膜组件，其在材料和劳力方面具有低的制造成本，因此其易于低价销售给消费者，由此使具有内部熔断器的储能装置中的这种电池连接器和金属化膜组件对于消费者是可商购获得的。
本发明技术的另一目的是，提供具有内部熔断器的储能装置中的新型电池连接器和金属化膜组件，其在现有技术的装置和方法中提供一些优势，而同时克服了一些通常伴随的缺点。
本发明技术的再另一目的是，提供具有内部熔断器的储能装置中的电池连接器和金属化膜组件，其使用薄的金属化表面复合集流体(例如，铝和/或铜)、高收缩率材料、在暴露于高温下变成非导电的材料、及其组合。
这些与本发明技术的其它目的、以及表现本发明特征的各种新颖性特征被在本发明公开后附的权利要求书中特别地指出并且形成本发明公开的一部分。为了更好地理解本发明技术、由其使用获得的操作优点和特定目的，应当参考附图以及其中描述了本发明技术的实施方式的描述性内容。
附图说明
当考虑了如下详细描述时，将会更好地被理解本发明技术，并且除了上文阐述的目的以外的目的将会变得显而易见。这样的描述参考随后的附图，其中：
图1是卷绕电池(如18650电池)的结构的现有技术示意图。
图2是根据NASA/TM-2010-216099“NASA先进锂离子电池的电池隔膜表征和评估程序(Battery Separator Characterization and Evaluation Procedures for NASA'sAdvanced Lithium Ion Batteries)”第3.5节(其通过引用而并入本文)测量的通过几种锂离子电池隔膜的动态机械分析所测得的收缩作为温度的函数的现有技术示意图。包括的有第一代隔膜(Celgard PP，Celgard三层)、第二代隔膜(陶瓷PE)和第三代隔膜(银、金、银AR)。
图3是已经经历钉穿透测试的软包电池的横截面的扫描电子显微图(SEM)的现有技术示意图。这些层是由BEI(背散射电子成像)映射的铝和铜。钉在左侧是竖直的。在每种情况下，铝层均已从钉上缩回，从而留下了氧化铝的“皮”，即绝缘体。
图3A是图3所示的图像的一个层的放大的现有技术示意图。它示出了氧化铝层的特写图像，并且还揭示了隔膜完全没有收缩且仍将电极分开到非常边缘。
图4是本发明中所使用的金属化膜的示意图，其中导电材料的薄层在外部，并且中央基板是在热失控所需的温度下热不稳定的层。该基板可以是熔化层、收缩层、溶解层、氧化层或在100℃至500℃之间的温度下发生热不稳定性的其他层。
图5是通常在12至20微米之间的厚铝集流体的现有技术示意图。
图5A是本发明中所使用的金属化膜的示意图，其示出了在每侧上具有1微米厚铝的14微米厚的基板。在本发明集流体的情况下，它不能承载与短路相关的高电流，而厚电流技术却是能做到并且做到了。
图6和图6A示出了比较例1-2分别在被热烙铁的尖端触碰之后的图像。比较例在触碰热烙铁之后没有变化。
图7、7A和7B示出了实施例1-3分别被热烙铁的尖端触碰之后的图像。
实施例1-3均显示出如本公开中对于待金属化的基板描述的收缩。
图8、8A和8B示出了实施例4-6分别在被热烙铁的尖端触碰之后的图像。实施例4显示出如本公开中对于待金属化的基板描述的收缩。实施例5具有在加热下会溶解在锂离子电解质中的纤维。实施例6是热稳定基板的实例，其需要薄的导电层以起到本发明的作用。
图9、9A和9B是横截面的不同放大倍数的SEM图，并且一个示出了实施例9中描述的一种集流体的一种可能实施方式的金属化表面。这种金属显然比原始的20微米厚的基板要薄得多。
图10、10A是短路后的比较例3和4的光学显微照片，其示出了短路周围区域的烧蚀但没有孔。
图11和图11A是在短路之后实施例14的两个区域的光学显微照片，其示出了由短路的高电流密度引起的材料中的透明孔。
图12示出了用于下述实施例的集流体的尺寸和形状的示意图。
图13示出了作为一个潜在的优选实施例的具有焊接的极耳的单层集流体的侧面透视图。
图14描绘了作为另一个潜在的优选实施例的具有胶带粘结的极耳的单层集流体的侧面透视图。
图15描绘了作为另一个可能的优选实施例的具有用订书钉钉住的极耳的单层集流体的侧面透视图。
图16示出了作为另一潜在优选实施例的单层集流体的侧面透视图，其中，该集流体具有单个圆形的折叠以及胶带粘结的极耳。
图17示出了作为另一潜在优选实施例的单层集流体的侧面透视图，其中，该集流体具有双圆形的折叠和胶带粘结的极耳。
图18描绘了作为另一个潜在的优选实施例的具有两个平行焊接的极耳的单层集流体的侧面透视图。
图19描绘了作为另一个潜在的优选实施例的具有单个折叠的焊接极耳的单层集流体的侧面透视图。
图20示出了作为另一潜在优选实施例的具有双圆形的折叠和焊接的极耳的单层集流体的侧面透视图。
图21示出了作为另一潜在优选实施例的具有双圆形折叠和焊接的极耳的多个单层集流体的侧面透视图。
图22示出了作为另一个潜在的优选实施例的具有双圆形折叠和两个相对的焊接极耳的多个单层集流体的侧面透视图。
图23示出了作为另一潜在优选实施例的与多个Z形折叠夹持的极耳接触的多个单层集流体的侧面透视图。
图24示出了具有聚合物基板和两个单独的金属化膜和单个焊接的复合集电体的前透视图。
图25示出了具有聚合物基板和两个单独的金属化膜以及附接的良好连接的极耳的复合集电体的侧面透视图
图26是焊接集电体/聚合物基板复合体的100微米长度透视(如图25所示)的高倍电子显微镜横截面剖视图。
图26A是图26的复合体的50微米长度透视剖视图。
图27示出了具有聚合物基板和两个单独的金属化膜以及附接的良好连接的极耳的复合集电体的侧面透视图。
图27A是在金属化薄膜、聚合物基板和极耳之间的界面的500微米部分(如图27中所示的焊接位置)的高倍电子显微镜横截面图。
图27B是图27的界面的100微米部分。
图28示出了具有聚合物基板和多层金属化膜及附接到其上的焊接极耳的复合集电体的侧面透视图。
图28A是焊接的多层金属化薄膜/聚合物基板的复合体(如图28所示的)的500微米长度透视的高倍电子显微镜横截面图。
图28B是图28A的复合体的200微米长度透视图。
图29示出了焊接到极耳的多层金属化膜集电体的侧面分解视图。
图30示出了包括金属化薄膜集电体和焊接极耳复合体的刚性塑料外壳电池的透明侧视图。
图31示出了具有包括焊接的极耳的凝胶卷复合集流体的圆柱形电池的侧面透明图。
图32示出了包括金属化薄膜集流体和焊接的极耳复合体的软袋外壳电池的侧面透明视图。
图33示出了具有金属化薄膜集电体和焊接极耳的多层电池复合体的前透视图。
图33A是图33的电池复合体的不同侧的透视图。
图34示出了与本发明的金属化薄膜集电体和极耳相关联的可选择焊接结构的不同的可能实施例。
图35示出了完全填充的焊接网格结构的可能实施例。
图35A示出了稀疏填充的焊接网格结构的可能实施例。
图36示出了部分交错的焊接网格结构的可能实施例。
图37示出了部分对准的焊接网格结构的可能实施例。
图38示出了具有顶侧焊接的集电体和极耳电池复合体的侧视图。
图39示出了具有薄膜侧焊接的集电体和极耳电池复合体的侧视图。
图40示出了单个折叠的焊接极耳和集电体复合体的侧视图。
图41示出了多层集电体和多个极耳复合体的部分分解侧视图。
图42示出了包括分离的熔断器结构的电极和焊接极耳的复合体的侧视图。
图43示出了具有用于附接的胶带的集电体/电极/极耳复合体的一部分的侧视图。
图44示出了具有多层集电体和电极以及用于焊接极耳的缠绕胶带连接的电池复合体的侧视图。
图45示出了具有多层集电体和电极以及用于焊接极耳的夹持胶带连接的电池复合体的侧视图。
相同的附图标记在整个附图中指代相同的部分。
具体实施方式
本发明的显著优点是能够通过结构部件提供如下机制：当发生内部短路时中断导电路径，从而停止或极大地减少可能在目标电池单元内产生热量的电流。
另一个优点是能够在锂电池单元中提供这种保护性结构形式的能力，这还为整个电池的制造、运输和使用提供了有益的重量和成本改进。因此，另一个优点是，在目标电池单元内产生和保持内部熔断器结构，直到需要激活它为止。另一个优点是通过利用薄膜基集流体来提供重量更轻的电池，该集流体可以防止在短路或类似事件期间热失控。另一个优点是能够利用电池内的易燃有机电解质材料而在短路或类似事件期间没有任何明显的点火可能性。另一个明显的优点是能够提供足够的导电极耳部件，其焊接或以其他方式与内部熔断器集流体接触，特别是同时与集流体的上表面和下表面两者接触。另一个优点是能够在本发明公开的薄集流体部件内形成折叠的能力，以便允许在多个电流电导内部结构的串联中累积发电，从而提供鲁棒的按需电池结果而无需进行过多的重量或体积测量。
因此，本发明公开内容包括一种储能装置，所述储能装置包括负极、正极、在所述负极与所述正极之间的至少一种聚合物隔膜或织物隔膜、电解质以及与所述负极和所述正极中的至少一个接触的至少一个集流体；其中，所述负极或所述正极插入所述集流体的至少一部分与所述隔膜之间，其中，所述集流体包括涂覆在聚合物材料基底上的导电材料，并且其中，在所述能量存储装置的工作电压下，所述集流体在暴露的短路的接触点处停止导电，其中，所述电压为至少2.0伏。一个实例是接触点处的电流密度为0.1安培/平方毫米，尖端尺寸为1平方毫米以下。当然，对于较大的电池，所需的阈值电流密度可以更高，并且电池可能仅以至少0.3安培/mm2，例如，至少0.6安培/mm2，甚至至少1.0安培/mm2的电流密度停止导电。这样的涂覆聚合物材料基板也应表现出至多25微米的总厚度，如下文更详细描述的。在本公开内容中，还包括在储能装置(无论是否是例如锂离子电池、电容器等)内利用这种有益的集流体组件的方法。此外，这样的薄膜集流体电池制品还可以设置有至少一个极耳，该至少一个极耳通过沿着所述集流体的长度方向间隔排列的2～50个焊接(可以是均匀间隔和均匀尺寸)与基础薄膜集流体接触，其中，将所述至少一个极耳放置在所述薄膜上，使得所述至少一个极耳具有与所述薄膜集流体的覆盖表面接触的暴露的顶部表面或底部表面，其中，所述焊接表现出导电材料从所述薄膜集流体的暴露的顶部表面穿过所述极耳到所述薄膜集流体的覆盖表面的布置。本文还包括利用以上公开的多个集流体，其可以折叠以提供在单个电池制品内串联连接的单独的发电区域。
另外，可以在很短的时间内或在很小的带尖探针中支持更大的电流密度。在这种情况下，可以在很短的时间段内(例如，小于1秒、或者小于0.1秒、或者甚至小于1毫秒(0.001秒))连接较大的电流如5安培或10安培，或者甚至15安培。在本发明内，虽然有可能测量较大的电流，但是用于这样电流的传递时间足够短，使得所传递的总能量非常小并且不足以产生足够的热量以引起在目标电池内热失控事件。例如，已知传统架构电池单元中的短路会在4.2伏电压下产生30秒钟的10安培电流，其结果是将1200焦耳的能量传递到这种电池内的微小局部区域。该结果测量可以使目标电池的1克部分的温度升高约300℃，该温度足够高，不仅熔化其中存在的常规隔膜材料，而且可以使整个电池单元处于失控的热状态。如上所述的，这可能会导致其中存在的电解质材料受到上述损害，以及导致不仅对目标电池而且对其中存在目标电池的装置或器具以及周围环境的潜在破坏。因此，肯定存在如下可能性，缩短短路持续时间以及将在该短路内所获得的相关传递能量水平降低至低焦耳测量值，可以避免热失控(以及与此相关的潜在灾难)，如果没有完全防止。例如，将集流体内的短路停留时间降低至1毫秒以下，可以随后将传递的能量降低至0.04焦耳(与上述的1200焦耳相对应，例如，在目标电池的1克局部区域内导致300℃或更高的过高温度)。这种低水平在电池的这种1克局部区域内仅仅产生0.01℃的温度升高，从而防止了在目标电池内以及整个电池内的热失控。
因此，本发明的另一个显著优点是为电池提供一种电池集流体，所述集流体极大地限制了通过探针尖端施加到目标集流体表面的电流水平的传递时间(以便可控地模拟内部制造缺陷、枝晶或外部事件的效果，这些导致目标电池内部短路)至小于1秒，优选小于0.01秒，更优选小于1毫秒，最优选、或许甚至小于100微秒，特别是对于较大的电流。当然，这样的电流将会受限于所述电池的内部电压，该内部电压可能是5.0V、4.5V、或4.2V或更低，例如，4.0V或3.8V，但最小值为2.0V。
这种新颖集流体部件实际上与当今在锂电池(和其他类型电池)以及储能装置中通常使用和发现的那些相反。提供的标准集流体是导电金属结构，例如铝和/或铜面板，其厚度被认为可以为幸免于制造工艺的损坏而必须的强度。这些金属的强度需要远超该电池的电需求的厚度。例如，电池的电需求要求金属厚度为500nm数量级的铝，而可以幸免于制造工艺损坏的最薄固体金属箔铝为大约10μm。
然而，似乎这种想法实际上已经被误解了，特别是因为当今储能设备中普遍使用的厚面板实际上支持任何电流，典型的低阻抗电池可以在发生短路时发生热失控温度，而且如果发生这种情况以及在发生这种情况时也会大大加剧失控温度。例如，这种短路可能是由负极和正极之间的枝状晶形成引起。此类畸形(无论是在在制造中或制造期间或由于长期使用而引起，由此导致电位损失)可能允许电压意外地从负极传递到正极，从而导致电流增加，进而导致在发生此类情况的位置处温度升高。实际上，导致缺陷的短路的一个潜在原因是，在多个产品的重复制造过程(如当今常见)中，当这些厚的典型集流体的边缘被磨损的刀片割缝或切割时，会在这些厚的典型集流体的边缘上形成毛刺。然而，已经反复分析和理解的是，标准集流体材料仅表现出火花倾向并且允许温度升高，并且进一步允许在这种情况下存在的电流继续通过装置，从而允许不受约束的产生和运动，没有手段阻止电流增加以及由此阻止温度水平增加。这个问题直接导致失控的高温结果；在没有任何内部手段来制止这种情形的情况下，有可能发生火灾并最终烧毁设备通常是紧迫的。此外，在短路事件之前和期间，标准集流体的电流路径(充电方向)保持相当静态，基本上表现出与预期的从正极到负极然后沿集流体在一个特定方向水平移动相同的电荷的电位移动。然而，在短路的情况下，该电流路径无法防止或至少阻止或延迟这种电荷移动，换言之，允许在整个电池自身中以失控的方式快速放电。与这种快速放电相关的高温会导致上述灾难性问题(火灾、爆炸等)。
相反地并且再次，对于锂电池的典型结构和构造而言，是高度出乎意料和违反直觉的，至少使用本发明的集流体会导致极高的电流密度测量值(由于减小的导电元件的厚度)，并且在发生短路时防止电荷移动(例如，无电荷方向)。换句话说，在本文中所公开的集流体部件具有特定的结构限制的情况下，电流密度增加到如此程度，使得所述材料不能保留为接触并且通过蒸发而失效。
如以上所讨论的，引起这种导体失效所必需的总能量是低的，并且由该事件导致非常低的温度。结合这种集流体部件的其他结构考虑，即实际缺乏与这种导电材料层接触的尺寸稳定的聚合物材料，所述导电材料在其上的充电点处立即被氧化，从而留下例如氧化铝或氧化铜这两种非导电材料。对于这种瞬时的非导电材料的产生，由于没有可用于其移动的方向，所以短路电荷似乎消散了。因此，对于现在所述的集流体，内部短路的发生导致电流的立即停止，有效地利用了由这种短路引起的立即的高温结果，从而产生了阻碍进一步电荷运动的屏障。这样，在整个储能装置的主体中缺少进一步的电流(当然，与短路有关)将这种不希望的事件减弱到这样的程度，使得短路被完全抑制，此后没有发生失控电流或高温的结果，并且也许最重要的是，集流体在其初始和保护目的上仍然可行，因为当储能设备(电池等)按预期方式运行时，存在的局部非导电材料不会导致电流的任何明显减少。此外，非导电材料产生的相对较小的区域在集流体上留下了较大的表面积等，以进一步利用而无需维修、更换或其他补救措施。确保这种情况当然并不总是会发生，但是如现在公开的那样，在没有某些预防措施和纠正措施的情况下，发生这种高温危害和破坏事件的可能性实际上仍然远远高于普遍接受的水平。因此，整个集流体由于其在短路条件下的不稳定性而变成了二维电熔断器，通过利用大电流的瞬时效应破坏了集流体在短路点处传导电流的能力，从而防止了与短路相关的潜在灾难性高电流。
相对于可以提供的这种新型获得的集流体而言，允许这样的优点，该集流体可以通过许多不同的选择而具有相似的最终结果。在这些可选择的构造中的任何一种中，本文所述的集流体表面上充当目标储能装置(例如，锂电池、电容器等)内的内部熔断器。然而，在每种情况(可选择的情况)下，存在一种集流体包括聚合物层，该聚合物层在其一侧或两侧被金属化，并且至少一个金属化侧与目标储能装置的负极或正极接触。然后一种可选择方案是，所述集流体的整个金属化(涂覆的)聚合物基板的总厚度全部小于20微米，可能优选小于15微米，并且可能更优选小于10微米，电阻测量值都小于1欧姆/□，可能优选小于0.1欧姆/□，并且可能更优选小于50毫欧姆/□。典型的集流体可以表现出这些特征，但是其重量要比用增强聚合物基板制成的集流体高得多，并且没有当前公开的变型的固有安全优势。例如，厚度为10微米的铜箔的重量为90g/m2。但是，铜箔的重量可以低至50g/m2，或者甚至低至30g/m2，或者甚至小于20g/m2，所有都同时提供电池运行所需的足够的电气性能。然而，在该可选择的结构中，非常薄的部件还允许短路以与金属涂层发生反应，并且相对于所产生的总电阻水平，由于在短路期间的电流尖峰导致过高的温度，金属氧化物的局部区域可立即阻止任何进一步的电流从其中移动。
这种新型集流体的另一种可能的选择方案是提供一种依赖于温度的金属(或金属化)材料，该材料在短路期间会因热源而收缩，或者在特定的材料位置容易降解为非导电材料(例如，作为一个示例，由铝集流体转化为氧化铝，以及如上面以不同方式间接提及的)。以这种方式，所述集流体变得热脆弱，这与当今使用的对高温相当热稳定的铝和铜集流体形成鲜明对比。其结果是，具有较低固有熔化温度的金属的合金可以在较低的短路电流密度下降解，从而改善了本发明所公开的基于锂的能量装置的安全性优势。另一种选择是通过在相对低温下表现出相对高收缩率的纤维或膜上涂覆导电材料(例如铜或铝)层来生产集流体。这些的实例包括熔融温度低于250℃或甚至低于200℃的热塑性膜，并且可以包括作为非限制性实例的聚对苯二甲酸乙二醇酯、尼龙、聚乙烯或聚丙烯。实现这种结果的另一种可能的方式是通过在纤维或薄膜上涂覆一层导电材料(例如铜或铝)来制造集流体，该纤维或膜在将材料加热到与电池的操作温度相比相对高但与可能导致热失控的温度相比低的温度时会溶胀或溶解在电解质中。能够在锂离子电解质中溶胀的这种聚合物的实例包括聚偏二氟乙烯和聚丙烯腈，但是还有本领域技术人员所熟知的其他聚合物。实现这种可选择的内部电熔断器产生工艺的另一种方式是在基板上涂覆在加热下可以氧化的金属(例如铝)，其总金属厚度比通常用于锂电池的总金属厚度低得多。例如，如今使用的非常薄的铝集流体可以为20微米厚。总共小于5微米的涂层厚度将使电路中断更快，而小于2微米或甚至小于1微米的涂层厚度将使电路中断更加快。实现导电路径中断的另一种方式是提供具有有限导电性的集流体，其将在围绕短路的高电流密度下降解，其类似于如今在商业熔断器中发现的降解。这可以通过为集流体提供大于5毫欧姆/□或10毫欧姆/□，或者可能优选地大于20毫欧姆/□，或者可能更优选大于50毫欧姆/□的水平的电阻来实现。这些测量值可以在两侧涂覆的材料的一侧或两侧。对于设计用于高功率的电池，还可以区别地选择使用不同电阻的集流体，与设计用于较低功率和较高能量的电池相比，该电池可以使用相对低的电阻；和/或可以使用相对高的电阻。实现导电路径中断的再一种方式是提供一种在远低于铝的温度下氧化成非导电材料的集流体，从而使集流体在隔膜降解之前在短路的区域变得惰性。某些铝合金的氧化速度会比铝本身更快，并且这些合金会导致导电路径更快或在较低温度下劣化。作为可能的选择方案，可以使用具有这种薄层容量且显示出导电性的任何类型的金属，包括但不限于：金、银、钒、铷、铱、铟、铂等(基本上，通过使用非常薄的层，与这种金属的使用相关的成本可以在不牺牲导电性的情况下大大降低，并且仍然允许在短路或类似事件期间免受热失控电位的影响)。同样，可以使用不同金属的层，或者甚至可以利用沉积在分离层组件中或作为分离层组件的金属的离散区域。当然，这种涂覆的集流体基板的一侧也可以包括与相对侧不同的金属品种，并且相比之下也可以具有不同的层厚度。
改善电池的电性能的一种方式会是确保涂覆的集流体包括两个导电的涂覆侧，从而表面上允许从一侧的涂层到另一侧的涂层具有导电性。例如，对于未涂覆的聚合物膜来说，这样的结果是不可能的。然而，已经认识到，作为一个非限制性实例，可以通过包括一定百分比的导电纤维的无纺布，或装载有导电材料的无纺布，或由导电材料(如碳纤维或金属纤维)制成的无纺布，或如上所述的含有涂覆有导电材料的纤维(如表面上具有金属涂层的纤维)的无纺布来实现这样的双面电导通量(conductivity throughput)。另一种类型的显示出顶部到底部的导电性的新型薄集流体材料可以是例如通过利用固有的导电材料(例如，导电聚合物如聚乙炔、聚苯胺或聚乙烯吡咯烷)或者经由在膜制造过程中或之后负载导电材料(如石墨或石墨烯或金属颗粒或纤维)而变成导电的膜。另外，另一种可能的双面薄集流体材料是在金属化过程中具有小的穿孔且其侧面涂有金属(铝或铜)的聚合物基板。从一侧到另一侧的这种导电性将不需要像导电涂层一样的导电性。
因此，表面上获得相同的集流体结果和物理特性的此类可选择配置包括：a)涂覆的聚合物基板的总厚度小于20微米，而电阻小于1欧姆/□；b)集流体包括涂覆在包含聚合物材料的基板上的导电材料，其中该聚合物材料在225℃下显示出至少5％的热收缩率；c)集流体金属化的聚合物材料在电池的电解质中溶胀，这种溶胀随着聚合物材料被加热而增加；d)集流体导电材料在涂覆至聚合物基板时的总厚度小于5微米；e)集流体的电导率为10毫欧姆/□至1欧姆/□；以及f)集流体的金属化聚合物基板显示出最高60％的孔隙率。在具有于225℃下1小时后显示出小于5％的热收缩率的隔膜的储能装置中利用这些可选择配置中的任何一种也将在本发明的范围内。这种类型的储能装置(电池、电容器等)的整体利用率(使用方法)也包含在本发明中。
尽管本发明的主要优点是增强电池的安全性，但还有如上所述的其他优点，包括通过减少与这种集流体组件有关的金属重量而减少了整个储能装置的重量。再次，将薄金属化涂覆的聚合物层(特别是尺寸稳定性低)用于这种电池制品内的集流体是完全相违背的。该行业的目前习惯仍然是这个思路：需要较大量的实际金属和/或绝缘体组件来实现所需的保护效果(尤其免于潜在的短路事件)。现在已经出乎意料地意识到，这种范例不仅是不正确的，而且对锂电池内部短路问题等的有效补救是减少而不是增加金属的量，并且将其与热不稳定的基层耦合。因此，再次不仅非常出乎意料地意识到，具有这种不稳定基层的薄金属层提供了抵抗并且有效阻止在短路期间的放电事件的能力，总体效果不仅是更安全且更可靠的结果，而且是此类组件的整体重量和体积大大降低。因此，在储能产品(电池等)中重量和体积要求降低的改进特性的出乎意料的好处与最初理解的相比更符合该行业。
作为进一步的解释，密度为2.7g/cm3的20微米厚的铝的重量为54g/m2。然而，在10微米厚的聚丙烯膜(密度0.9g/cm3)上以1微米涂覆的相同金属的重量为11.7g/m2。集流体的这种重量减小可以减小整个目标储能装置(例如电池)的重量，从而增加机动性，增加燃料里程或电范围，并且总体上提高移动电应用的价值。
另外，由于薄膜的高强度，上述实例也可以被制成更薄，例如11微米的总厚度，与20微米相比再次减小了电池的体积，从而有效地增加了能量密度。以此方式，可以制造总厚度小于15微米，优选小于12微米，更优选小于10微米，并且最优选小于8微米的集流体，并将其用于这种目的和功能。铝的体积电阻率为2.7×10-8欧姆·米，铜的体积电阻率为1.68×10-8欧姆·米，薄涂层可以被制成小于1欧姆/□或小于0.5欧姆/□，或者甚至小于0.1欧姆/□或小于0.05欧姆/□。这些导电涂层的厚度可以小于5微米，优选小于3微米，更优选小于2微米，可能最优选甚至小于1微米。非常相违背的是，当市场上通用的标准材料含有10微米或更厚的金属时，通过使用少得多的金属可以获得合适的性能。实际上，典型的存储装置中存在的大多数金属都被包括在内，以为高速和自动化处理提供合适的机械性能。本发明的优点之一是使用密度低得多的聚合物材料来提供机械性能，从而使金属厚度减小到使电池安全性提高的水平，这是因为集流体无法承载由内部电气短路造成的并且导致热失控、冒烟和起火的高度危险的高电流密度。
另外，这些导电层可以由多层制成。例如，铝层可以是被铜薄层涂覆的基层。以这种方式，可以由轻质、廉价且能够容易地通过气相沉积技术进行沉积的铝来提供体导电性。铜可以为负极提供额外的导电性和钝化，而不会增加明显的额外成本和重量。给出该实例仅是为了举例说明，并且本领域技术人员可以提供许多其他的多层导电结构，其中任何一种都是本发明的优异实施例。
这些薄金属涂层通常将导致与常规实践中的铝或铜集流体中的电阻相比更高的电阻，从而相比之下提供了本发明的显著特征。此类新颖的合适集流体可以被制成大于10毫欧姆/□，优选大于20毫欧姆/□，更优选大于50毫欧姆/□，可能最优选甚至大于100毫欧姆/□。
另外，如果隔膜具有高的热稳定性，如在高温下可能显示出低收缩率，包括在暴露于200℃的温度下一小时后，优选在暴露于250℃下一小时后，并且可能更优选在暴露于300℃的温度下一小时后小于5％的收缩率，则用上述热弱集流体制成的电池可以变得更加安全。现有的隔膜由熔融温度为138℃的聚乙烯和熔融温度为164℃的聚丙烯制成。如图2所示的，这些材料显示出在150℃下大于50％的收缩率；这样的结果对于利用如本发明所述的薄集流体而言太高。为了补救这个问题，已经认识到，利用在根据NASA TM-201O-216099第3.5节测量的在150℃下收缩小于50％，甚至小于30％或小于10％的某些隔膜是必要的。即使是陶瓷涂覆的隔膜，在相对适中的温度下也会显示出明显的收缩，在180℃下会完全断裂或收缩大于20％。因此，期望利用在根据相同的测试标准进行测量时在180℃(至少)的暴露条件下没有断裂并且没有超过20％的收缩、更优选没有超过10％收缩的隔膜。最优选的实施方式是利用当暴露于200℃或250℃，或者甚至300℃的温度时收缩小于10％的隔膜。
对于这些金属化基板中的任何一者，希望具有低厚度以促进增加电池的能量密度。这种厚度可以通过使用任何手段来获得，包括压延、压缩、热压乃至以减小总厚度的方式烧蚀表面的材料。这些减薄工艺可以在金属化之前或之后进行。因此，希望具有小于25微米，优选小于20微米，更优选小于16微米，可能最优选小于14微米的金属化基板的总厚度。已经实现了商业聚酯薄膜具有至多3微米乃至更低为1.2微米的厚度。这些类型可以用作合适的基板，并且允许集流体的总厚度小于10微米，优选小于6微米，更优选小于4微米。这样的超薄集流体(具有如上所述以及贯穿全文的合适导电性)可以允许更高的能量密度并具有改善的安全性能，这是迄今为止尚未探索的结果。
还希望这些金属化基板具有轻重量。可以通过使用仅作为示例的低密度聚合物材料(如聚烯烃)或其他低密度聚合物(包括聚乙烯、聚丙烯和聚甲基戊烯)，就可以实现这一点。它也可以通过在基板中具有开孔结构或甚至通过利用低基重基板来实现。因此，基板中使用的聚合物的密度可以小于1.4g/cm3，优选小于1.2g/cm3，可能更优选小于1.0g/cm3。而且，基板材料的面密度可以小于20g/m2，优选小于16g/m2，可能最优选小于14g/m2。另外，金属涂覆的聚合物基板材料的面密度可以小于40g/m2，优选小于30g/m2，更优选小于25g/m2，可能最优选小于20g/m2。
多孔聚合物基板也可以实现低重量。然而，孔隙率对于这些材料而言不能太高，因为这样会导致强度低和厚度大，从而实际上无法实现所涉及目标的目的。因此，这种基板材料显示出低于约60％，优选低于50％的孔隙率，可能更优选低于40％。由于固体材料可以用于这种类型的金属涂覆的集流体，因此孔隙率没有下限。
需要高强度来将材料高速加工成电池。可以通过使用细长的聚合物(来自拉长的纤维，或者来自单轴或双轴拉长的膜)来实现这一点。
如下面的附图描述所示的，根据本发明制造并因此提供一种储能装置(无论是否是电池、电容器、超级电容器等)，其中，显示出与在短路之后没有明显的电流运动相关的特性的至少一个集流体接触正极、负极，或者两个单独的集流体接触正极和负极两者，以及隔膜和电解质均存于并密封在标准(合适的)储能装置容器中。在大多数情况下，正极、负极、容器、电解质以及某些情况下的隔膜组件都是标准组件。然而，如本文所公开的，在此和在本文中利用的集流体不仅在本领域内是新颖的并且尚未被探索，而且作为实际的储能装置组件是相违背的。再次在下面对此进行更详细的描述。
如上所述的，为了减少(如果不能完全防止)电池单元(特别是锂离子可充电类型，当然也可能是其他类型)内的热失控的机会，需要一种手段来使其中的任何短路基本存在于短时间内，减少在目标集流体内或在目标集流体上的停留时间，并最终显示出最小焦耳水平的最终能级(即，小于10，优选小于1，最优选小于0.01)。然后，在这种情况下，并且如前所述的，存在从负极到正极并通过隔膜(薄的导电集流体就位)的电路径以及有机可燃电解质，已经观察到低重量的、薄的集流体允许这样的理想结果，特别是就集流体表面上的流氓电荷(rogue charge)耗散以及没有使电解质组分即将点燃的明显温度升高而言。令人惊讶地且不受任何具体科学解释或理论所束缚，据信薄的集流体材料的导电性质允许短路电荷仅到达薄的导电集流体，并且立即产生持续时间短的高能量事件，其在集流体表面的金属与电荷本身之间发生反应，从而在集流体表面的该特定点上形成金属氧化物。金属氧化物为进一步的电活动提供了绝缘，并且施加的电流瞬间消散，从而在集流体自身内部留下了潜在的变形，但是存在上述金属氧化物以防止在该特定位置处的任何进一步电荷活动。因此，剩余的集流体是完整的并且可以提供与之前相同的能力，从而进一步为任何更多潜在的短路或类似现象提供这种保护。作为实例，在现有技术的电池产品中热失控的情况下，负极、正极、集流体和隔膜包括电路径，其产生热量并提供火花而点燃与短路有关的电池。因此，进一步存在离子传输可燃电解质允许具有与这种意外电荷相关的高温结果的有效危险。本质上，在现有技术的集流体处产生的热量引起电解质材料内的初始电化学反应，从而最终导致电解质材料本身的失控点燃。因此，当在包括这种易燃电解质的电池单元中使用时，本发明公开的创造性的集流体特别有价值。举例来说，这样的电解质则通常包括有机溶剂，如碳酸酯，包括碳酸亚丙酯、碳酸亚乙酯、碳酸甲乙酯、碳酸二乙酯和碳酸二甲酯等。这些电解质通常以上述材料的混合物形式存在，并且可能与其他溶剂材料(包括各种类型的添加剂)一起存在。这些电解质还具有锂盐成分，其实例为六氟磷酸锂LiPF6。这样的电解质在电池工业中是优选的，但是如上所述确实可能导致危险情况。同样，与其他电池组件相关联的这种本发明的集流体显著且令人惊讶地补救了这些问题。
这种集流体将发挥其效用的一种方式是在以下测试中。具有电压和电流极限的电流源可以被设置成与所讨论的储能装置的操作电压类似的电压极限。然后可以调节电流，并在两种配置下测试集流体。在第一种配置中，已知宽度的集流体的短条接触通过接触样品的整个宽度的两个金属连接器。可以提高电流源的电流极限以查看材料承载电流的能力是否存在极限，其可被测量为总电流除以宽度，从而得出以A/cm为单位的结果，在本发明中被指定为水平电流密度。第二种配置是使电流源的接地与全宽度金属触点之一接触，然后沿集流体条的位置触碰探针的尖端(约0.25mm2)。如果电流过高，则它会烧坏局部区域，并且不会有电流流动。如果电流对于集流体而言不是太高，则高达电流源极限的全电流将流动。结果是以A/mm2为单位的电流极限，其在本文中被称为垂直电流密度。以这种方式，在两种配置下均能达到高电流的集流体将类似于现有技术，并且当在全宽度接触时可以承载水平电流但无法承载点接触下的类似垂直电流的集流体将是本文描述的本发明实例。
例如，可以期望集流体能够承载0.1A/cm或0.5A/cm，或者1A/cm或2A/cm，或者甚至5A/cm的水平电流密度。而对于可以承载上述水平电流密度的集流体，希望不能承载0.1A/mm2或0.5A/mm2或1A/mm2或2A/mm2乃至5A/mm2的垂直电流密度。
如上所述，在锂离子电池单元中通常还存在极耳焊接，以将内部部件(特别是集流体)结合在一起，从而连接到用于将电荷转移到外部源的极耳引线。在这种情况下，对于极薄类型的集流体而言，至关重要的是，这样的极耳引线有效地接触内部金属化膜集流体并且充分地保持位置以接触外部源。此外，由于上述的有效性以及出乎意料的优良金属化薄膜集流体允许电池单元本身所需要的操作，还有提供内部熔断器特性以防止在可能的问题(枝状晶形成等等)期间失控电流的能力，这样的极耳必须不得显示出任何程度的位移或者抑制自身相同的潜在失控电荷的失灵。换句话说，内部熔断结果的有效性必须不得因极耳问题而被撤消或损害。令人惊奇地是，已经确定通过这种极耳部件允许获得这种所需要的特性。
而且，到那种水平，人们意识到，薄膜集流体实际上允许极耳有效且牢固地焊接到其上，并且具有实际上允许薄膜两侧导电的能力。极耳本身实际上比每个单独的集流体更厚，并且当放置成彼此接触时，所述焊接可以进行至如下深度，即相对于焊接本身的形状和深度部分地穿过极耳材料的深度。然而，令人惊讶的结果是，所述焊接实际上可以以薄的“流”或类似的形式穿过极耳，从而允许通过这种焊接材料到极耳的导电。以这种方式，产生了有限但有效的导电路径，从而不仅允许在焊接位置到极耳(以及然后从电池单元壳体之外到外部源)所需要的导电，而且提供了限制在每个焊接位置通过这种导电流产生的实际安培数和温度的手段。这样的结果允许在发生短路(枝晶形成等)的情况下对来自金属化膜集流体的失控导电进行前述控制，因为电荷将在实际集流体表面停止并且不提供用于失控电荷的其他途径。因此，可以沿着极耳部件(沿着集流体延伸)的长度以例如多达五个、彼此均匀地间隔开的距离提供所述焊接，从而允许从箔集流体到极耳的有效导电性，通过电池盒连接到外部电源。因此，所述焊接的有限数量也减少了可能的失控电荷位点的数量，尽管每个显示出有限的安培数，但是在某些情况下，这种水平的倍数显示会增加。但是，对于大功率或大电流电池，可以增加每个极耳的焊接的数量，以适应电池有效应用所需要的大量电流。在这种情况下，可能需要更多数量的焊接，每个极耳可能需要多达10或20，甚至50个焊接。在功率非常高或电流非常大的电池的极少数情况下，甚至可能需要进行超过50的焊接。另外，所述焊接提供了基础强度，以防止极耳在使用过程中移动。稳定性和刚度是确保电池整体正常运行所必需的。在这方面，有限的焊接确实提供了一定水平的可靠性，而在其上添加的拉胶带(如应用于集流体膜上)也同样有助于防止此类潜在问题。
实际上，金属化薄膜集流体对于防止短路期间的失控电荷具有出乎意料的好处。然而，为了允许电池单元在外部有效地导电而需要极耳引线与这样的集流体充分接触，要求如下结构状况，即允许这种金属化薄集流体膜使用标准的极耳组件。如上所述的，能够通过合适的焊接来确定集流体膜和极耳两者的适当尺寸以进行有效的附接和接触，从而使电流有效地通过以进行电池操作，同时仍表现出适当的低失控电势的能力，这被证明是困难的，特别是考虑到当今技术水平上特定且可接受的厚整体式集流体组件。这种出乎意料的有效结果(尤其是按上述确定的极耳接触和拉伸强度特性)赋予了完整的锂离子电池，其可以为其他组件提供减轻的重量或更大的内部容量而不会牺牲电池的发电能力，同时在短路事件期间提供全面防止电荷失控。
另外，重要的是能够利用迄今未探索的焊接操作和方法在包含发电电池的薄金属化薄膜集流体中的此类金属导体(再次是极耳)和电极之间提供有效和可靠的连接。对于这样的有效连接的需求不仅需要赋予此类电池安全性(使用本文所述的薄膜集流体)，而且还需要从电极到外界的重要导电性(换句话说，就是要适当且有效地利用这种功率发电单元，即电池、电容器等)。可以用上述容器以及不限于金属化的塑料袋、金属罐和刚性/半刚性的塑料外壳来配置和构造的这种功率电池将用金属化薄膜集流体再次显示出极大地改善的热失控潜力。因此，对于实际的功能目的，特别是在利用薄膜材料提供这种可靠和安全的连接的复杂性方面，非常需要这种功率电池与外部接触之间的合适连接。
为此且再次，除了以上对金属化薄膜金属化集流体的描述和公开以及一般极耳可能性之外，已经实现某些焊接构造和实际的焊接工具为这种独特的动力电池结构提供了这种有益且出人意料的有效极耳-电极连接。特别重要的电池(动力电池)类型包括但不限于小袋、圆柱、棱柱形和凝胶卷型结构，因为这些类型的电池在某些行业中最为普遍，且还允许目标设备具有更多的多功能性。
这种独特的焊接方法和操作的动力学以特定的配置实现了金属化薄膜集流体，特别是具有至少一层金属化薄膜的集流体，该金属化薄膜集流体具有至少两个被聚合物基底隔开的金属化层。然后所述焊接必须被赋予这样的结构，使得所述焊接的焊接块(divot)从第一金属化层挤压通过所述聚合物基板并且到达第二金属化层。以这种方式，使用合适的焊接砧座在所述集流体的对象区域内产生一定的三维焊接块，使得顶部(第一)金属化层与下部(第二)金属化层接触，所述聚合物基底相对于焊接块移动并且在两个金属化层的限定范围内，所得的焊接结构将被聚合物基底分隔的顶部金属化层和下部金属化层保持在所述焊接区域之外。利用该焊接结果，因此可获得在集流体和极耳结构之间建立这种连接的能力，而不会失去在目标单元内薄膜集流体本身的必要安全益处。当然，这也可以应用于仅在一侧上金属化的膜，并且期望与聚合物基板另一侧上的部件(例如，极耳或随后的金属化薄膜集流体的金属化侧)电接触。在这种情况下，然后必须施加焊接，使得焊接的焊接块从金属化层挤压穿过聚合物基板到需要与之进行电接触的部件。
因此，将极耳材料包含在焊接中可以使焊接砧压过极耳并以相同方式移动集流体(同样，被聚合物基板隔开的至少两个金属化层的薄膜)，因此同时在极耳和集流体内产生用于两个结构之间的连接能力的焊接块，以形成用于导电目的的复合体。也可以在这种薄膜集流体的顶部或底部上进行这样的极耳焊接附接，从而允许极耳基本上以任一方式同时与顶部和底部金属化层连接。因此，通过在集流体上进一步包括电极(涂层或其他方式)能够实现将整个功率电池结构(至少是电极/集流体)合适地且有效地连接到目标极耳的能力，用于进一步提供在这种改进的安全性(薄膜集流体)功率电池外部的导电性。同时并有效地从集流体(两个金属化薄膜层)到这样的用于外部电力传输的极耳的导电性的能力允许整体功能，就此而言，可以适当地利用这种安全的电池装置，该装置迄今尚未开发。如果没有对基础集流体的两个金属化膜层进行有效的焊接操作，则基本上将阻碍这种功率传递。当然，如上所述的，集流体可以是单个聚合物基板的多层结构，该单个聚合物基板的多层结构在每个这样的结构中分隔两个金属化层，换句话说，根据需要重复具有顶部金属化膜和底部金属化膜的薄膜聚合物基板的单元；根据其最终用途，至少有一个这样的基础结构可以彼此层叠的任意数量，最多达到12-15个或更多。这样的多个基本结构将要求相同的必需焊接连接，至少一个基本基板/顶部和底部金属化膜结构用于目标电池的功能。焊接在一起的金属化膜的层数可以是15个，也可以更高，多达25个，甚至50个。如果数量过多，则金属化膜被挤压以与下面的层接触的距离可能变得非常大，因此，堆叠中的最大层数可能少于250，或优选小于100，或甚至更优选小于50。
为了在薄膜集流体(再次，具有顶部和底部金属化膜的聚合物基底以及存在至少一种这样的结构)与极耳之间的这种连接目的，可以采用一个以上的焊接。这样的焊接可以设置在集流体的小区域内(因此为极耳)，或者可以以其图案的相同三维结构的重复焊接块提供，或者可以以图案化或随机配置的不同三维结构的形式提供。此外，也可以采用相同的三维焊接结构的随机配置。这种焊接的重要性在于，在极耳和集流体之间赋予适当和有效的连接，同时允许薄膜保持与其相关的所需安全性方面(降低热失控的倾向)，同时仍保持适当的转移电荷的能力并且由此保持电池本身具有通向外部的导电性。这样的焊接结构允许以下三维结构，该三维结构允许极耳和集流体的有限区域与一定均匀位移的聚合物基板接触，从而允许顶部和底部金属化膜层与极耳彼此接触，以及操控与这种顶部和底部金属化层触点的接触。多个焊接块允许按需增加电导率以及增加表面积连接，以使极耳和集流体之间的连接更加可靠。这样的三维焊接块可以由任何数量的焊接砧结构制成，包括但不限于矩形(线性)三维砧、球形(或半球形)、截头棱锥(具有正方形的底部和较小的正方形的顶部)、圆形棱锥(顶部带有弯曲边缘)等。这种结构赋予焊接块，该焊接块使顶部金属化层(或底部金属化层，这取决于实际焊接的位置，无论是在集流体的顶部还是底部)向下变形而没有破坏该膜以及与底部金属化层的某些区域的接触，同时聚合物基板移动但保持与被操作的金属化膜层接触，以提供抵靠其被操作区域的作用力，用于在这种焊接操作之后实现尺寸稳定性。如上所述的，这样的焊接可以单独设置在此类极耳/集流体复合结构内，或者可以应用多个，用于增加两个复合组件之间的表面积接触，或者均匀地、随机地、完全(在某个区域中)、或者稀疏地应用(在一个区域内)。再次，在这种情况下，赋予目标功率电池内的集流体结构的安全性方面同时允许与极耳进行合适且有效的连接以实现导电目的的能力是最重要的。因此，薄膜集流体可以预料不到地以极佳的这种最终效果被用于在具有极耳的焊接操作中。
这样的焊接操作可以利用超声、热施加(例如，通过砧座)或压力施加(同样，通过利用砧座)。这样的施加可以包括在网格内同时使用单个砧座或多个砧座，该网格也被施加至极耳和集流体/电极体的特定区域以及被施加至极耳和集流体/电极体的特定区域上(如上所述)。因此，这种焊接能力允许许多其他以前从未探索过的有益机会。这些包括将多个集流体和多个极耳配置为完全或单独焊接在一起的可能性。单个极耳也可以通过焊接连接到集流体的多个层，从而允许在这样的多层结构内连接这样的顶层金属化层和底层金属化层(至少两个，并且任意数量，例如，最多25个)。同样，如果需要，可以采用集流体和极耳的交错配置，也不会损害安全性或功率传输。这样的电极极耳可以具有扩大的区域以允许更多的焊接，以便出于导电性和/或连接目的而具有更大的表面积。另外，极耳/电极连接可以与极耳的变窄区域结合以提供“内置”电池熔断器。这种电池熔断器也可以赋予这种能力，从而在更大程度上提高安全性。也可以在集流体膜层之间插入附加的金属层，以帮助这种膜堆叠之间的焊接能力(特别是存在多层，最多约25层)。
此外，关于极耳本身(也称为电连接器电连接器)，如上所述的，将这样的组件焊接到电极上，然后再连接到其他电池组件(在容器内)或附接到(并且可能通过)目标电池外壳，从而用作与外部装置连接(即向其传输功率)的外部电极。
如上所述的，可以在目标复合电池结构的顶部(极耳侧)或底部(集流体膜侧)进行焊接操作和焊接工艺。在这种情况下，焊接可能来自极耳侧(通过在其表面上利用活动式变幅杆装置)，而砧座(不动)压在薄膜侧(如上所述的)。但是，可以采用相反的方式，将砧座压入极耳，并且在薄膜侧下方使用活动的角形(以提供最终使砧座压靠的光滑结构)。在上述任一情况下，相对于薄金属化集流体而言，都允许赋予用于连接和粘附目的所需的焊接块的能力，用于通过所述极耳从外部进行这样的安全、可靠和有效的连接。
此外，相对于迄今为止尚未在任何薄膜集流体情况下进行探索的焊接堆叠构造，已经实现了提供进一步有益的焊接容量的能力。例如，可以使用单个极耳，该极耳具有至少一个，并且没有任何限制，多达约25个金属化膜层。相反地，也许可以使用具有1到约25个金属化膜层的多个极耳，作为一种非限制性的可能性，在金属化膜层堆叠的顶部和底部存在极耳，这是一种非限制性的可能性。可选地，然后根据需要和/或期望，也可以将这些多个极耳均匀地或稀疏地分布在整个金属化膜层(集流体)堆叠中。这允许为安全(低热失控倾向)的电池提供了多种不同的结果以及发电和转移的可能性。
另外，然后可以利用单个接片，该单个接片的长度足以在薄膜集流体(或其多层)上及其周围折叠，并且基本上不仅焊接到薄膜集流体上，而且基本上焊接到自身上(像夹持电极的夹子一样起作用)。
如上所述的，多次焊接的使用有助于为由此产生的复合体的整体强度提供充分的连接，并且有助于从功率电池外部通过极耳增加电导潜力。所使用的焊接次数可以被编号以达到电池的最大电流，超过该电流该焊接将失效并断开与极耳的连接。可以根据需要在任意一个电极(阳极或阴极)进行这种焊接(任意数量)；或者也可以根据需要同时在两个电极上使用相同或不同数量的焊接。
就这种焊接容量而言，还有潜力(有时需要)确保集流体/电极与极耳之间的这种连接，这种连接在焊接本身之外被增强。换句话说，由于焊接强度降低导致此类组件之间可能会分离，这可能会损害整个电池的功能。为了进一步提高和增强其发电和转移的益处，可以采用这种安全的(薄集流体)结构、胶带、夹具及其可能的组合来补充焊接本身。
这种锂离子电池薄膜由于其独特的品质而可能需要某些独特的处理步骤。然而，也可以采用本领域中众所周知的许多处理步骤。通常，制造本发明膜的锂离子电池的方法包括以下步骤：
a.提供具有至少一个金属化基板的电极，其具有离子存储材料涂层；
b.提供对电极；
c.使所述电极和所述对电极彼此相对地层叠，并在所述电极与所述对电极之间插入隔膜组件；
d.提供包括电接触组件的封装材料，其中，所述接触包括存在于所述封装材料内部的部分和存在于所述封装材料外部的部分；
e.将所述电接触与所述金属化基板电连接；
f.将至少一种带有离子的液体电解质引入所述封装材料内部；和
g.密封所述封装材料。
金属化基板可以是如本公开描述的任何基板。
如本领域所公知的，离子存储材料可以例如是锂离子电池的正极或负极材料。正极材料可以包括氧化钴锂LiCoO2、磷酸铁锂LiFePO4、锰酸锂LiMn2O4、锂镍锰钴氧化物LiNixMnyCozO2、锂镍钴铝氧化物LiNixCOyAlzO2，或以上的混合物，或本领域已知的其他物质。负极材料可以包括石墨、钛酸锂Li4Ti5O12、硬碳、锡、硅或其混合物，或本领域已知的其他材料。另外，离子存储材料可以包括在其他储能装置(如超级电容器)中使用的那些。在这种超级电容器中，离子存储材料将包括：活性炭、活性炭纤维、碳化物衍生的碳、碳气凝胶、石墨、石墨烯、石墨烯和碳纳米管。
涂布工艺可以是本领域通常已知的任何涂布工艺。刮刀辊(Knife-over-roll)和槽模是锂离子电池常用的涂布工艺，但也可以使用其他工艺(包括化学镀)。在涂布工艺中，通常将离子存储材料与其他材料混合，包括粘合剂如聚偏二氟乙烯或羧甲基纤维素，或其他成膜聚合物。混合物的其他添加剂包括炭黑和其他导电添加剂。
对电极包括具有与离子存储材料不同的电化学势的其他电极材料。通常，如果离子存储材料是锂离子负极材料，则对电极将由锂离子正极材料制成。在离子存储材料是锂离子正极材料的情况下，对电极可以是锂离子负极材料。在离子存储材料是超级电容器材料的情况下，对电极可以由超级电容器材料制成，或者在某些情况下可以由锂离子负极或锂离子正极材料制成。在各种情况下，对电极将包括涂覆在集流体材料上的离子存储材料，其可以是金属箔或如本发明中的金属化膜。
在层叠工艺中，将本发明的电极与对电极层叠，而使电极材料彼此面对并且在它们之间有多孔隔膜。如本领域中通常已知的，电极可被涂覆在两侧上，并且由本发明的电极和对电极形成的电极堆叠与在每层之间的隔膜交替。可替代地，如本领域中还已知的，电极材料的条可以如上所述进行堆叠，然后缠绕成圆柱体。
封装材料可以包括硬包装，如用于圆柱形电池的罐、扁平的硬壳体或聚合物袋。在每种情况下，必须有两种通过壳体进行电接触的机构，其能够保持不同的电压并且能够传导电流。在某些情况下，壳体的一部分本身形成一个机构，而另一部分是壳体与第一部分电隔离的不同部分。在其他情况下，所述壳体可能是不导电的，但允许两个金属导体突出穿过外壳，通常被称为极耳(tab)。
连接该机构以与金属化基板电接触能够包括常用的方法，如焊接、胶带粘结、夹持、订书钉装订、铆接或其他机械方式。因为金属化基板的金属可以非常薄，所以为了实现允许大电流流动的界面，通常需要面对面的接触，从而产生在通过壳体进行电接触的机构与金属化基板之间较大的表面积。为了承载足够的电流，该表面积应大于1平方毫米(10-12平方米)，但可能需要大于3平方毫米，甚至为5平方毫米，或更优选为10平方毫米。
当然，除了面对面接触，该焊接还可能包括如下接触，即通过挤压薄金属层穿过塑料层以接触先前在所述塑料层的另一侧上的金属接触，这可以通过超声波焊接或其他焊接方法而产生的焊接块的形式。
液体电解质通常是极性溶剂与锂盐的组合/混合物。如上所述，常用的极性溶剂包括碳酸亚丙酯、碳酸亚乙酯、碳酸二甲酯、碳酸二乙酯，但是可以使用其他极性溶剂，包括离子液体或甚至是水。该行业中通常使用的锂盐包括但不限于：LiPF6、LiPF4、LiBF4、LiClO4等。电解质还可以含有本领域已知的添加剂。在许多情况下，电解质可以是易燃的，其中本发明的金属化基板集流体的安全特征能够有利地防止导致点燃以及对电池和电池外部的损害的危险热失控事件。
以下的描述和实施例仅是本公开的潜在实施方式的代表。本领域普通技术人员将很好地理解本公开的范围及其在以下所附权利要求书中的范围。
如上所述的，本发明是重大转变，并且与锂电池(和其他储能装置)行业内进行的所有先前的理解和补救措施是相违背的。相反，本文描述的新颖装置提供了在该领域内迄今为止尚未探索的(更不用说预料不到的)许多有益结果和特性。最初，虽然作为比较，重要的是要注意在现有装置与本发明当前公开并且广义涵盖的装置之间涉及的明显差异。
短路事件实施例
比较例1
磷酸铁锂电池的正极获自中国的GB系统公司(GB Systems)。铝极耳被移除作为商业集流体的实例，并且测量了厚度、面密度和电阻，其在下面的表1中示出。然后使铝箔触碰热烙铁5秒钟，使用红外测温仪测得温度为500℉至525℉。对烙铁触碰集流体没有任何影响。测量厚度、面密度和电阻。将该材料放置在175℃的烘箱中30分钟，并测量收缩率。拍摄照片，如图6所示的。图5提供了这种比较电池内的传统集流体的表现。
比较例2
磷酸铁锂电池的负极获自中国的GB系统公司(GB Systems)。铜极耳被移除作为商业集流体的实例，并且测量了厚度、面密度和电阻，其在下面的表1中示出。然后，以与比较例1相同的方式，用热烙铁触碰铜箔。对烙铁触碰集流体没有任何影响。测量厚度、面密度和电阻。将该材料放置在175℃的烘箱中30分钟，并测量收缩率。拍摄照片，如图6所示的。与比较例1相同，图5提供了这种电池的内部结构的代表。集流体的厚度是重要的，因为它是单片金属结构，而不是如本发明所公开的薄型。
实施例1
聚丙烯锂电池隔膜材料获自MTI公司(MTI Corporation)。该材料由Celgard制造，产品编号为2500。测量厚度、面密度和电阻，其在以下表1中示出。然后，以与比较例1相同的方式，用热烙铁触碰隔膜。用温度计触碰集流体以产生小孔。测量该直径并将其包含在表1中。测量厚度、面密度和电阻。将该材料放置在175℃的烘箱中30分钟，并测量收缩率。拍摄照片，如图7所示的。
实施例2
陶瓷涂覆的聚乙烯锂电池隔膜材料获自MTI公司(MTI Corporation)。测量厚度、面密度和电阻，其在以下表1中示出。然后，以与实施例1相同的方式，用热烙铁触碰隔膜。用烙铁触碰集流体以产生小孔。测量该直径并将其包含在表1中。测量厚度、面密度和电阻。将该材料放置在175℃的烘箱中30分钟，并测量收缩率。拍摄照片，如图7A所示的。
实施例3
陶瓷涂覆的聚丙烯锂电池隔膜材料获自MTI公司(MTI Corporation)。测量厚度、面密度和电阻，其在以下表1中示出。然后，以与实施例1相同的方式，用热烙铁触碰隔膜。用烙铁触碰集流体以产生小孔。测量该直径并将其包含在表1中。测量厚度、面密度和电阻。将该材料放置在175℃的烘箱中30分钟，并测量收缩率。拍摄照片，如图7B所示的。
实施例4
镀铝的双轴取向聚酯膜获自All Foils公司，其设计用于充氦气的派对气球。铝涂层可以保持氦气更长的时间，从而为派对气球提供更长的持久升高(loft)。测量厚度、面密度和电阻，其在以下表1中示出。然后，以与实施例1相同的方式，用热烙铁触碰该膜。用烙铁触碰集流体以产生小孔。测量该直径并将其包含在表1中。测量厚度、面密度和电阻。将该材料放置在175℃的烘箱中30分钟，并测量收缩率。拍摄照片，如图8所示的。与比较例1中市售的铝集流体相比，该材料更薄65％，更轻85％，并且还撤退热量，该热量在内部短路的锂离子电池中会具有中断内部短路的作用。
实施例5
获得了Dreamweaver Silver 25，一种市售的锂离子电池隔膜。它是在造纸工艺中由纤维素与聚丙烯腈纳米纤维和聚酯微纤维的共混物制成，并且压延成低厚度。然后，以与实施例1相同的方式，用热烙铁触碰隔膜。用温度计触碰集流体没有产生孔。测量厚度、面密度和电阻。将该材料放置在175℃的烘箱中30分钟，并测量收缩率。与现有技术的比较例3-5相比，这些材料具有以下优点：它们在热量的存在下不会熔化或收缩，因此在内部短路的锂离子电池中不会退缩，从而形成更大的内部短路。如图8A所示的。
实施例6
获得了Dreamweaver Gold 20，一种市售的原型锂离子电池隔膜。它是在造纸工艺中由纤维素与对位芳族聚酰胺纳米纤维和聚酯微纤维的共混物制成，并且压延成低厚度。然后，以与实施例1相同的方式，用热烙铁触碰隔膜。用温度计触碰集流体没有产生孔，如图8B所示的。测量厚度、面密度和电阻。将该材料放置在175℃的烘箱中30分钟，并测量收缩率。与现有技术隔膜相比，该隔膜的优点与实施例2相同。
表1
Figure BDA0003050453230000341
比较例1-2是现有的集流体材料，其显示出非常低的电阻、高的面密度并且在暴露于热烙铁尖端下没有反应或在175℃下没有任何收缩。
实施例1-3是具有无限的电阻、具有低的面密度并且在暴露于175℃或热烙铁尖端下熔化的材料。它们是根据本发明的用于金属化的优异基板。
实施例4是镀铝聚合物膜的实例，其显示出适中的电阻、低的面密度并在暴露于175℃或热烙铁尖端时收缩。它是根据本发明的潜在正极集流体复合膜的实例。在实践中，并且如进一步的实施例所示的，可能希望为更高功率的电池赋予更高水平的金属涂层。
实施例5-6是具有无限的电阻、具有低的面密度但在暴露于175℃或热烙铁尖端时具有非常低收缩率的材料。当金属化涂层的厚度足够薄使得金属化涂层将在与短路相关的高电流条件下劣化时，它们是本发明的聚合物基板的实例。另外，纤维素纳米纤维和聚酯微纤维将在远低于目前实际的金属集流体的熔融温度的温度下氧化、收缩和烧蚀。
实施例5另外由聚丙烯腈纤维制成，其在暴露于传统的锂离子碳酸盐电解质时会溶胀，这也是本发明的聚合物基板的实例，使得溶胀会在加热下增加并且在金属化涂层中产生使导电路径中断裂的裂纹，从而通过消除或大大减少集流体在暴露于电池内热量下的均匀导电路径来提高电池的安全性。
实施例7
使用金属间化合物坩埚和铝粒料将实施例5中使用的材料放置在MBraun真空沉积系统的沉积位置中。将腔室抽空至3×10-5毫巴。增大功率直到铝熔化，然后设置功率以使沉积速率为3埃/秒。沉积进行1小时，四个样品在沉积板上旋转。重复该工艺3次，使得总沉积时间为4小时。测量样品的重量、厚度和电阻(DC和1kHz，在相距1英寸的电极之间测量的1英寸条带)，这些结果在以下表2中示出。点电阻也通过使用Hioki 3555Battery HiTester在1kHz且探针尖端分开1英寸的情况下进行测量。添加的铝的重量是通过在工艺中添加的重量除以样品面积计算的。这除以材料的密度即可得出涂层的平均厚度。
实施例8
通过取用具有扁平横截面的聚对苯二甲酸乙二醇酯并且使用Tappi T206的工艺制得20g/m2的手抄纸(hand sheet)，来制备无纺布聚合物基板。然后，使用250℉的硬化钢辊以10米/分钟和2000磅/英寸的压力压延这些手抄纸。根据实施例7的方法使该材料金属化，并且进行相同的测量并记录在表8中。
实施例9
除了涂覆以5埃/秒的设定速率进行60分钟，根据实施例7的方法沉积根据实施例5的材料。将样品翻转并且以相同的程序涂覆在背面上。在扫描电子显微镜(SEM)下使这些材料的表面和横截面成像，并且图像示于图9、9A和9B中。
实施例10
除了在每侧上的沉积仅20分钟，根据实施例9的步骤来制备材料。
实施例11
除了片材未压延，制备实施例8的聚合物基板。在每侧上以5埃/秒的沉积速率持续20分钟的铝沉积。因为材料没有压延，所以孔隙率非常高，从而得到很高的电阻值和薄的涂层重量。实施例11与实施例8的比较显示出压延的益处，其出乎意料地高。
表2
样品 增加的重量 DC电阻 1kHz电阻 1kHz点电阻 平均涂层厚度
单位 g/m<sup>2</sup> 欧姆/□ 欧姆/□ Ω 微米
实施例7 3.5 0.7 0.5 0.1 1.3
实施例8 2.0 7 7 0.4 0.7
实施例9 2.2 0.2 0.8
实施例10 0.8 1.7 0.3
实施例11 0.8 100 0.3
实施例12
用N-甲基-2-吡咯烷酮的溶液中的97％的NCM正极材料(NCM523，获自BASF公司)、1％的炭黑和2％的PVDF粘合剂的混合物涂覆来自实施例9的铝涂覆的聚合物基板。在71微米的厚度下，涂层重量为12.7mg/cm2。将该材料切割成适合2032纽扣电池，并且将其与涂覆在铜箔集流体上的石墨负极(6mg/cm2、96.75％的石墨(BTR)、0.75％的炭黑、1.5％的SBR和1％的CMC)配对。通过将负极、隔膜(Celgard 2320)和NCM涂层材料放入电池中，充入电解质(60μL，在EC:DEC:DMC＝4:4:2vol+2w.％VC中的1.0M LiPF6)并通过压接外壳而密封电池来制备单层纽扣电池。为了获得足够的导电性，使来自实施例9的铝涂覆的聚合物基板的一部分未被涂覆正极材料，并折叠以接触纽扣电池的外壳，从而完成了导电路径。通过以0.18mA的恒定电流充电至4.2V，然后以恒定电压(4.2V)充电直至电流降至0.04mA来形成电池。使电池在0.37mA的电流下在4.2V和3.0V之间循环三次，并且得到1.2mAh的平均放电容量。
实施例13
除了所使用的隔膜是Dreamweaver Silver 20，根据该程序并使用实施例12的材料来制造电池。通过以0.18mA的恒定电流充电至4.2V，然后以恒定电压(4.2V)充电直至电流降至0.04mA来形成电池。使电池在0.37mA的电流下在4.2V和3.0V之间循环三次，并且得到0.8mAh的平均放电容量。因此，在该实例和先前实例中，工作中的可再充电锂离子电池被制成小于1微米的铝厚度。
比较例3
通过与样品的整个宽度接触的金属连接器，将比较例1的铝极耳(约2cm×4cm)连接到电流源的接地。将电压极限设置为4.0V，并且将电流极限设置为1.0A。使连接到电流源的高电压的探针首先触碰与样品整个宽度接触的金属连接器，然后多次触碰铝极耳，从而在1.0A下产生短路。探针的尖端具有约0.25mm2的面积。当沿着整个宽度进行接触时，电流正常流动。在探针初次触碰极耳时，会产生火花，这表明非常高的初始电流密度。集流体中的所得缺陷有时仅会导致孔，而在其他时候会出现烧蚀，但集流体仍完好无损。在所有情况下，电路保持1.0A流动的短路。显微照片拍摄无孔的烧蚀缺陷，并且示于图10。将电流源限值设置为5.0、3.0、0.6A，0.3A和0.1A，重复进行实验，并且在所有情况下，当沿集流体的整个宽度接触时和当使用尖端尺寸约为0.25mm2的点探针时，结果都是在测试电流限值下有连续电流。
比较例4
以与比较例3相同的方式测试相似尺寸的比较例2的铜极耳。当沿着整个宽度进行接触时，电流正常流动。在探针初次触碰极耳时，会产生火花，这表明非常高的初始电流密度。集流体中的所得缺陷有时仅会导致孔，而在其他时候会出现烧蚀，但集流体仍完好无损。在所有情况下，电路保持0.8A流动的短路。显微照片拍摄无孔的烧蚀缺陷，并且示于图10A。将电流源限值设置为5.0、3.0、0.6A，0.3A和0.1A，重复进行实验，并且在所有情况下，当沿集流体的整个宽度接触时和当使用尖端尺寸约为0.25mm2的点探针时，结果都是在测试电流限值下有连续电流。
实施例14
使用与比较例3-4相同的方法测试具有相似尺寸的实施例7的本发明的铝涂覆的聚合物基板材料。当沿着整个宽度进行接触时，电流正常流动。在探针直接触碰本发明的集流体的各种情况下，产生的火花要少得多，并且电流在初始火花之后停止流动，从而留下开路。在所有情况下，最终的缺陷都是孔。孔的几个实例的显微照片示于图11和图11A。将电流源限值设置为5.0、3.0、0.6A、0.3A和0.1A，重复进行实验，并且在所有情况下，当沿集流体的整个宽度进行接触时，结果都是电流连续流动；并且当探针直接接触本发明的集流体实例时，没有电流流过本发明的实例。
所示的关键发明是，当如比较例3-4和实施例14中那样经受短路时，对于现有技术，其结果是持续的短路；而使用本发明的材料，其结果是开路，而没有持续的电流流动(即，没有明显的电流运动)。因此，现有技术的短路能够并且确实会产生热量，该热量会熔化隔膜，溶解SEI层并且导致电池的热失控。本发明的集流体的开路将不会产生热量，因此提供了一种能够承载内部短路而不会导致热失控以及由此产生的烟、热量和火焰的电池。
实施例15和16以及比较例5和6
在卷对卷工艺中，在10微米的聚对苯二甲酸乙二醇酯膜上制造两个金属化薄膜。在该工艺中，将膜的卷放置在真空金属化生产机器中(其实例是可从Applied Materials获得的Top Met 4450)，然后将腔室抽真空至低压。使该卷以例如50m/min的高速度通过盛有熔融铝的加热舟皿。在盛有熔融铝的加热舟皿上方是一团铝烟，其沉积在膜上，并且沉积速率受速度和铝温度所控制。通过多道工艺直到铝涂层为约300nm，来制造约500m长和70cm宽的卷。重复涂布工艺以涂覆该膜的另一面，所得产物在本文中用作实施例15(图4的本发明的集流体是在该实施例中使用的集流体的图示)。因此，除了舟皿中的金属是铜，以相同的方式制造实施例16(并且图5B的示意图代表了在本发明结构中使用的集流体)。测量了每个膜的基重、厚度和电导率，并将其记录在下表3中。通过减去10微米的聚对苯二甲酸乙二醇酯膜的基重13.8g/m2来计算涂层重量。通过将涂层重量除以材料的密度(铝为2.7g/cm3，铜为8.96g/cm3)，并且假设在两面均等，来计算“计算的涂层厚度”。
比较例5是市售的17微米厚的铝箔。比较例6是市售的50微米厚的铜箔。比较例7是市售的9微米厚的铜箔。
表3
样品 基础重量 涂层重量 厚度 DC电阻 计算的涂层厚度
单位 g/m<sup>2</sup> g/m<sup>2</sup> 微米 Ω 微米
实施例15 17 3 11 0.081 0.5
实施例16 24 10 11 0.041 0.5
比较例5 46 17
比较例6 448 50
比较例7 81 9
对实施例15、实施例16、比较例5和比较例6进行进一步的测试，以测试其承载非常高的电流密度的能力。制备测试设备，其将使半径为0.51mm(24AWG规格)的抛光铜线接触集流体膜或箔。用保持与被测试的膜或箔接触的铝触点将被测试膜或箔接地，并且接触面积大于1平方厘米。探针与阻值为0.335欧姆的大功率400W电阻器串联连接，并且连接至设置为控制电流的Volteq HY3050EX电源。将要测量的集流体放置在装备(setup)中，使抛光线在零输入电流下与集流体表面接触。电流以0.2安培的增量增加，并且每次增量保持30秒，同时测量跨过电阻器的电压。当电压降至零(表明不再有电流流过)时，表明样品有故障。对实施例15、实施例16、比较例5和比较例6分别进行测试。实施例15在7A(两次测量的平均值)下有故障。实施例16在10.2A(两次测量的平均值)下有故障。比较例5和比较例6均在低于20A下没有故障。实施例15和实施例16均显示出集流体中半径大于1mm的孔，而比较例5或6均未显示出对箔的任何损坏。在该示例测试中，有利的是具有不能承载大于20A、或优选大于15A、或更优选大于12A的电流的集流体。
在旨在模拟使用这些本发明的集流体作为将电池的电极堆叠与使用中的电子装置(在电池内部或外部)连接的极耳的另一测试中，实施例15和16以及比较例5和6进行了沿着条的电流容量测试。为了制备用于测试的样品，将集流体切成图12所示的形状，其由4厘米×1厘米(4cm×1cm)的材料条组成，条的末端以边长4cm的截头直角等腰三角形结尾。测试件的每个三角形通过接触表面积大于1cm的铝零件进行接触。一侧通过400W的0.335欧姆的电阻器进行连接，并且该电路连接到Volteq HY3050EX电源。沿着电阻器测量电压以测量电流，并且该零件显示出当该电压降至零时出现故障。对于每个测试，将零件与设置为零电流的电源连接，然后以0.2A的增量增加，并在每个新电压下静置30秒，直到样品故障并且电流降至零。所述测试被配置成使得可以在金属化集流体的一侧或两侧接触的情况下测量金属化集流体。故障电流如下面的表4所示。对于以4cm×1cm条测试的材料，有利的是通过将可流动的电流量分别限制为低于20A，或优选低于15A，或更优选低于10A来提供内部熔断器，每个都有单面或双面接触。
表4
样品 单面故障电压 单面故障电压
单位 V V
实施例15 2.7 4.5
实施例16 24 10
比较例5 低于20A无故障 低于20A无故障
比较例6 低于20A无故障 低于20A无故障
通过用电极材料涂覆来自实施例15和16的标准箔集流体和金属化PET膜集流体来制造电池。使用在NMP溶剂中的BASF NMC523(97％)、炭黑(2％)和PVDF(1％)来制备NMC 523正极材料，将其涂覆在铝集流体(15微米铝集流体)，实施例15以220g/m2的基重(对应于3.3mAh/cm2的正极负载密度)进行涂覆。使用在NMP溶剂中的石墨BTR-918S(94％)、炭黑(5％)和PVDF(1％)来制备负极材料，并且以118g/m2的速度(对应于4.0mAh/cm2的负极负载密度)将其涂覆在铜集流体(18微米铜集流体)上。制备了四个双面正极，以及三个双面负极和两个单面负极。将它们与Celgard 2500隔膜堆叠在一起，以形成小的软包电池，然后将其装满电解质并且以1Ah的设计容量密封。通过箔材料的不同组合来制造四种类型的电池，并且容量在C/10和C/5(即，0.1A和0.2A)下测量。通过以100mA充电至4.2V来形成电池，并且将其保持在4.2V直到电流降至10mA。然后称重完全形成的电池，并且通过以C/10放电，然后以C/10充电和以C/5放电来测试容量。这些结果示于下表5。
表5
Figure BDA0003050453230000411
因此，已经表明，以上提供的实施例显示出以防止含电解质的电池内的热失控所需的可取的厚度、金属涂层和电导率结果，从而不仅提供了更安全且更可靠的类型，而且还提供了在不牺牲安全性(但实际上在此方面有所改进)的情况下需要比以往少得多的内部重量组件的类型。
如上所述的，不仅具有提供这样薄的集流体(作为锂电池制品内的内部熔断器)的能力，而且具有确保所产生的电压转移到目标电池单元外部的极耳结构的必要益处都落入本发明内。另外，进一步利用上述的集流体的有益薄结构的能力使其自身适用于目标电池制品本身范围内的任何数量的无数构造，从而潜在地产生全部具有有益的内部熔断器组件的累积功率水平。这些在图12-22中更详细地讨论。
图13示出了单个薄膜电流极耳/具有金属化膜层614和下部非金属层616的集流体600。还提供了导电极耳610(通向电池的外部功率传输部件)，与集流体垂直对齐，并且通过焊接612连接到集流体。图14示出了类似的集流体620，但是极耳622具有胶带624，该胶带将极耳622连接到集流体634以实现这种导电目的。如上所述的，极耳/集流体620具有金属化的膜层626和下部非金属层632。胶带部件622设置在极耳的外表面628上，并通向集流体的非金属层626，其提供了剪切强度粘合剂质量以使极耳保持固定并以合适的方式用于导电目的。
图15提供了不同的极耳/集流体640，其示出了将极耳642连接到单个薄集流体648(具有金属化膜层644和下部非金属层650)的不同方式，通过利用导电订书钉部件646将两个部件连接起来。
图18同样包括具有相同类型的上表面758和下表面762的扁平极耳/集流体750。在这种情况下，极耳752、754被提供为两个平行的结构，其与集流体762的上表面758和下表面760都接触。这种极耳752、754包括用于连接至两个表面758、758以及与两个表面758、758连接的焊接756。图17示出了与图16类似的结构780，但是具有保持在位的单一折叠的极耳794，其通过具有两个延伸的叉齿782、784(从其中引出折叠的极耳794)的焊接786与集流体792的两个表面788、790。
这种扁平集流体结构允许具有紧凑电池结构的典型电池结构(例如，如图1中所示的)。图16示出了单个折叠710极耳/集流体700，其具有附接至金属化膜表面712(如上所述，其覆盖非金属层708)的单个胶带粘结的极耳702。以这种方式，尽管需要从扁平结构稍微增加电池尺寸，但单折叠710集流体704赋予增加电池单元内发电量的能力。图17示出了利用相同的薄结构集流体724的双折叠732极耳/集流体720。因此，这种双折叠732进一步提供了连接集流体724的两侧面726、728的能力，否则该集流体可能会被位于两个导电层之间的聚合物膜而电绝缘。极耳722附接在集流体表面730处，用于这种双重折叠732的导电性目的。图20示出了焊接到双重折叠的810极耳/集流体800的焊接804的极耳802，因此表现出与上述的作为集流体806的一部分连接电绝缘层808、812的相同能力，但是具有更安全的焊接804在以下位置，从而对于电力传输目的而言更可靠且可能更有效。图21由此示出了具有多个(在此为五个)这种双圆形折叠856的集流体826、828、830、832、834的复合极耳/多个集流体结构820，其具有金属化的薄膜层858、860、862、864、866和下部的非金属层846、848、850、852、854，它们串联连接用于甚至连接电绝缘层的更大能力，由此通过单个极耳822来实现导电性，所述单个极耳822用焊接824与顶部双圆形折叠式集流体826连接用于导电。焊接极耳822也牢固地保持在位置用于提高可靠性目的。在图22中提供了相对的第二焊接906的极耳904，其也具有这样的多个多圆形折叠938的集流体阵列908、910、912、914、916保持在位置。这样的极耳/集流体结构900允许增加发电量，而无需通过配置并且与两个外部集流体908、916连接的两个极耳902、904来增加对象电池单元的体积重量，如前文所述的。如上所述的，金属化膜层940、942、944、946、948与相对的非金属层928、930、932、934、936一起提供，其与其他此类集流体实例一样存在。最后，作为又一个非限制性示例的极耳/集流体结构960，将多个Z形折叠972的极耳962夹持到一系列平行的扁平薄集流体964、966、968、970(此处为四个)(如上所述)，具有金属化膜层974、978、982、986和下部非金属层976、980、982、984的金属层，再次提供了一系列不同的方式来产生累积功率，尽管具有扁平的薄集流体964、966、968、970(用作多个内部熔断器)。
图13和22的这种结构由此允许与立式锂电池的内部熔断器部件进行不同的外部连接。
图24示出了薄膜集流体的单焊接复合体1010，其具有中间聚合物基板1015和顶部金属化膜1012、底部金属化膜1014、具有所示的焊接方向1018的焊接块1020以及所述顶部金属化膜1012和底部金属化膜1014的界面1022。聚合物基板1015从焊接块1020处向外操纵，以允许顶部金属化膜1012和底部金属化膜1014之间的界面1022连接。通常需要使用较小的功率和更大的压力来仔细控制焊接参数，以移动聚合物而不破坏金属。
尽管必须根据焊接节点、金属层厚度、聚合物厚度以及金属和聚合物材料类型的确切配置，通过实验确定确切的功率和压力，但是通常的确与纯金属焊接相比更低的功率和更高的压力将会产生如在本公开的该附图和其他附图中所显示的期望的配置。图24示出了单个理想节点的轮廓。在实践中，将存在许多节点，并且可以将其配置为具有不同的横截面和节点配置，如图34、35、35A、36和37中所示出的。理想的效果是通过改变节点的几何形状和加工参数如功率、频率和压力(如果是超声焊接)或温度和压力(如果是热焊接)来最大化界面1022。
图25示出了极耳1032和薄膜集流体(图24中的1010)的焊接复合体1030，所述薄膜集流体(图24中的1010)具有顶部金属化膜1012、聚合物基板1015和底部金属化膜1014。如图24中所示的，顶部施加的焊接1020移动聚合物基板1015用于金属化膜1012、1014接触。极耳1032同样相对于焊接方向1034与顶部膜1012接触，用于连接1032和集流体(图24中的1010)从而允许从底部膜通过顶部膜1012到极耳1032的导电性。
为了在实际的结构定义中示出实际的潜在实施例，图26和26A示出了金属化膜1012、聚合物基板1015和底膜1014的这种复合体的焊接界面的显微照片(分别为100和50微米的长度)。以在两种材料1013之间产生连接的方式，焊接方向1018挤压金属膜1012穿过聚合物基板1015至底膜1014。这种连接1013允许顶层薄膜1012和底膜1014之间的发生渗透，以促进和优化从金属化膜1012到极耳(例如，图27中的1042)的的导电性，用于改善电池操作。
图27示出了极耳/集流体复合体1040具有与图24相同的集流体(1010)和与底膜层连接1014连接的极耳1042。通过应用于集流体顶部膜1012的顶部焊接1020，聚合物基板1015移动以允许顶部膜1012和底部膜1014形成界面，从而允许金属化膜1012、1014和极耳1042之间的导电性。图27A和27B示出了底部膜和极耳之间的焊接界面的界面显微照片，其示出了其中的清晰轮廓。图27B特别地示出了极耳和与在焊接过程中来自金属化膜的金属碎屑的底部膜焊接层界面。
图28示出了极耳/集流体复合体2040具有与图24中的集流体(1010)类似的顶部薄膜金属化膜集流体2042和与多层金属化膜结构2046(具有在各层之间的聚合物基板)的底部膜层连接的极耳2044。这样的层可以被挤出以在极耳顶部2044本身上形成这样的多层结构2046。层2046包括顶层2042，具有与图24所示的膜结构(1010)相同的膜结构。多层2042、2046通过焊接块2048操控以在焊接界面2049处将多层2042、2046连接在一起。此外，通过多个薄膜集流体层2042、20436，焊接块2048可以以围绕整个焊接块2048产生渐变轮廓2047的方式应用，从而有助于通过多个集流体层2042、2046施加完整的焊接压力。通过这样的轮廓2047，进一步产生了在焊接块2048的顶部边缘产生升起的外周边缘2045。所获得的复合体2040因此允许所有金属化薄膜集电体层2042、2046到极耳2044的导电性，以便在电池内进一步利用以进行外部电源传输。图28A和28B提供了与图28相同的复合体结构的显微照片。最显著的是顶部集流体层2042和在薄膜结构之下的多层2046。焊接界面2049连接这样的多个集流体层2042、2046到极耳2044。还存在围绕焊接块2047的可见轮廓2047，其具有升高的外围边缘。在图28B中，焊接界面2049显示了在聚合物基板内存在膜集流体部分，以允许不仅顶部薄膜集流体层2042和极耳2044之间的导电性，而且还允许在多个集流体层2046与极耳2044之间的导电性。如上所述的，这种复合体2040允许通过这样的极耳2044从电池向外传输电能。
图29提供了极耳1054的不同的可能复合体1050，顶部金属化膜1052和多层金属化薄膜集流体1058通过焊接1056相互连接1056，从而允许此类金属化膜具1058、1052具有到极耳1054的导电性。
图30、31和32示出了利用焊接的极耳到薄集流体功率单元的不同类型电池装置。图30显示了具有硬质塑料容器1062、功率电池1066和连接的外部极耳1064用于进一步连接到设备(未显示)的电池1060。图31显示了具有容器1072、功率电池(电极/集流体)1074和扩展的极耳1076的圆柱形电池1070。图32显示了具有袋装容器1082、功率电池1084以及连接的外部极耳1086用于与外部设备(未示出)接触的袋式电池1080。
图33和33A显示了具有多个极耳1098、多个电极/集流体层1096、顶部极耳1094以及顶部电极集流层1092(如本文所述的全部焊接在一起)的功率电池复合体1090。
图34、35、35A、36和37涉及用于在目标极耳/电池复合体内利用并赋予焊接块形状和结构焊接砧座结构和图案/构造的不同潜在实施例。图34示出了许多不同的可能砧座结构实施例1100。一个是具有在三维度上矩形结构的线性1102结构。还显示了截棱锥三维结构1108(从方形边缘到较小的方形顶部的变窄斜坡)、截圆锥结构1106和球形结构1104(带肋的外围)。这样的三维砧座1100因此可以在复合集流体(图24的1010)和/或集流体和极耳(图25的1020)内用超声波、热或仅施加压挤压，以在集流体薄膜和极耳之间赋予所需的界面。图35示出了重复截棱锥结构1110的一种可能实施方式，在一个完整的网格中以类似的样式进行焊接。图35A示出了出于相同的目的稀疏填充的截棱锥砧1120的网格的另一可能实施例。图36和37涉及用于目标复合体的图案化应用(交错的，与对齐方式相对应的)的截棱锥1130、1140的网格的均匀性。因此，关于向下按压顶部膜(图24中的1012)以与底部膜(图24中的1014)接触，以及关于用于连接和导电目的光滑的焊接(图24中的1020)，如在此讨论和描述的，这样的三维砧可以用于操纵聚合物基板(例如，图24中的1015)。
图38和39示出了顶部焊接(图38)和底部焊接(图39)的不同潜在实施例。图38显示了焊接复合体1150，其具有极耳1154、金属化膜1152、顶部焊接方向1154以及连接金属化膜1152与极耳1154表面处理的焊接1156。
图39示出了焊接复合体1160，其具有极耳1164m金属化膜1162、底部焊接方向1164以及连接金属化膜1162与极耳1164的表面处理的焊接1166。
图40示出了焊接复合体1170的可能实施例，其具有单一折叠的极耳1174(具有单个弯折1175)、集流体/电极1172、以及在极耳1174和集流体/电极1172之间的多个焊接1176、以及用于将极耳附接到自身的末端焊接1178。图41示出了焊接复合体1180的可能实施例。焊接复合体1180为交错的金属化薄膜集流体1182和交错的极耳1184，具有多个焊接1186用于将这样的集流体1182和极耳1184连接一起。在此配置中，每个集流体1182的每个金属面与至少一个极耳1184面对面接触。图42示出了焊接的复合体1190的可能实施例，其具有连接到熔断器区域1198的电极/集流体1192，在熔断器区域1198处在有限的焊接区域内1196内焊接到极耳1194。这些实施例提供了一些显示与具有薄膜集流体的这种焊接技术有关的各种可获得的功能。
图43、44和45提供了关于补充功能电池复合体内的这种焊接操作的增强件的可能实施例的描述。图43示出了焊接复合体1200，其具有相对的电极1202、1204(具有极耳1208)、增强胶带1206以及用于这样增强能力的另外重叠体1210。图44示出了多层焊接复合体1220，其具有多个薄膜1224、顶层薄膜1222和焊接的极耳1226。再次在极耳焊接(未显示)处施加增强胶带1228以增加施加的压力，用于增强在这种焊接区域上的能力。图45示出了多层焊接复合体1230，其具有多个薄膜1234、顶层薄膜1232以及焊接的极耳1236。在焊接界面施加的是增强此类焊接的夹子(未显示)。因此，可以通过许多不同的可能替代方案来实现这种焊接的增强。
通过这种独特且迄今尚未探索的焊接、焊接图案、本身不同的焊接类型，甚至用于增强安全性、可靠性和有效性的增强材料，提供了一种新颖方法，即在锂离子(及类似)电池、电容器、功率电池等内利用薄金属化薄膜集流体，以实现有效的功率传输和降低热失控的可能性。
已经详细描述了本发明，很明显本领域的技术人员将能够对其做出变型和修改而不脱离本发明的范围。因此，本发明的范围应仅由所附的权利要求书来确定。

Claims (15)

1.一种储能装置，包括负极、正极、在所述负极和所述正极之间的至少一个隔膜、电解质、与所述负极和所述正极中的至少一个接触的至少一个金属化薄膜集流体、附接到所述至少一个金属化薄膜集流体的至少一个极耳，其中所述至少一个金属化薄膜集流体包括具有顶部表面和底部表面的聚合物基板层，其中第一金属化层放置在聚合物基板顶层上，并且第二金属化层附接到所述聚合物基板底层，其中所述集流体显示出焊接块，使得所述第一金属化层和第二金属化层的至少一部分相互接触。
2.根据权利要求1所述的储能装置，其中，所述装置还包括至少一个电连接极耳，所述电连接极耳通过所述焊接块附接到所述集流体的金属化层。
3.根据权利要求1所述的储能装置，其中，所述焊接块与所述负极和所述正极之一相关联。
4.根据权利要求3所述的储能装置，其中，所述极耳通过所述焊接块电连接到所述负极或所述正极。
5.根据权利要求1所述的储能装置，其中，在所述焊接上提供增强件。
6.根据权利要求1所述的储能装置，其中，所述金属化膜包括最多25层。
7.根据权利要求6所述的储能装置，其中，多个极耳最多25个。
8.根据权利要求6所述的储能装置，其中，至少一些金属层被挤压通过相邻的集流体，以接触不与所述挤压的金属层面对面接触的其它集流体的金属化层。
9.根据权利要求1所述的储能装置，其中，存在多个焊接块，所述多个焊接块呈现出完全填充、稀疏填充、部分网格交错或部分网格对齐的图案。
10.根据权利要求1所述的储能装置，其中，所述焊接块形状是线形、截棱锥形、圆棱锥形或球形。
11.一种储能装置，包括负极、正极、在所述负极和所述正极之间的至少一个隔膜、电解质、与所述负极和所述正极中的至少一个接触的至少一个金属化薄膜集流体、以及附接到所述至少一个金属化薄膜集流体的至少一个极耳，其中所述至少一个金属化薄膜集流体包括具有顶部表面和底部表面的聚合物基板层，其中第一金属化层附接到聚合物基板顶层，并且所述极耳放置所述聚合物基板底层上，其中所述集流体显示出焊接块，使得所述第一金属化层的至少一部分与所述极耳接触。
12.一种与包括负极和正极的储能装置一起使用的集流体极耳系统，所述集流体极耳系统包括：
与所述负极和所述正极中的至少一个接触的至少一个集流体，所述集流体包括具有顶部表面和底部表面的聚合物基板层，其中，第一金属化层附接到所述聚合物基板顶层，并且第二金属化层附接到所述聚合物基板底层；
附接到所述聚合物顶部表面或者所述聚合物底部表面的至少一个极耳；和
一个或多个焊接块，其显示在所述集流体上，使得所述极耳分别与第一金属化层的至少一部分或者第二金属化层的至少一部分接触；
其中，所述焊接块被配置为移动聚合物基板层，使得第一金属化层和第二金属化层接触。
13.根据权利要求12的系统，其中，所述聚合物基板层包括多层金属化膜结构，聚合物基板在各金属膜之间，并且所述多层金属化膜结构的最底部金属化膜是第二金属化层，其中所述多层金属化膜结构被配置为通过所述焊接块来操控以将所述多层金属化膜结构在焊接界面处连接一起。
14.根据权利要求13的系统，其中，所述焊接块被配置为通过所述多层金属化膜结构产生围绕所述焊接块的渐变轮廓，以促进全焊接压力应用，其中所述焊接块的渐变轮廓包括在焊接块的顶部边缘升高的周边。
15.一种生产锂离子电池的方法，包括以下步骤：
a)提供具有至少一个金属化基板的电极，所述金属化基板具有离子存储材料的涂层；
b)提供对电极；
c)将所述电极和对电极彼此相对地层叠，在所述电极和所述对电极之间插入隔膜组件；
d)提供包括电接触组件的包装材料，其中所述接触包括在所述包装材料内存在的部分和在所述包装材料外存在的部分；
e)将所述电接触与所述金属化基板电连接；
f)在所述包装材料内引入至少一种具有离子的液体电解质；和
g)密封所述包装材料；
其中，步骤e)中的所述电连接包括如下工艺，借由该工艺将所述金属化基板的至少一个金属层按压通过所述金属化基板的聚合物基板，以由所述电接触形成电阻小于1欧姆的电连接。
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