CN113299967A - 用于能量存储设备的纵向约束 - Google Patents

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Abstract

一种用于在充电状态和放电状态之间循环的能量存储设备，能量存储设备包括外壳、电极组件和在外壳内的非水液体电解质、以及约束，约束随着能量存储设备在充电状态和放电状态之间循环维持电极组件上的压力。

Description

用于能量存储设备的纵向约束
本申请是申请日为2016年05月13日、申请号为201680039194.3、名称为"用于能量存储设备的纵向约束"的专利申请的分案申请。
技术领域
本公开通常涉及用于能量存储设备的结构，涉及包含这种结构的能量存储设备以及用于制造这种结构和能量设备的方法。
背景技术
摇椅或插入式二次电池是一种类型的能量存储设备，其中，诸如锂离子、钠离子、钾离子、钙离子、镁离子或铝离子的载体离子通过电解质在正极和负极之间移动。二次电池可以包括单个电池单元或已经电耦接以形成电池的两个或多个电池单元，其中，每个电池单元包括正极、负极、微孔隔膜以及电解质。
在摇椅式电池单元中，正极和负极结构都包括载体离子在其中插入和抽出的材料。当电池放电时，载体离子从负极抽出并插入到正极中。当电池充电时，发生相反的过程：载体离子从正极抽出并插入到负极中。
图1示出了现有能量存储设备(例如，非水、二次电池)的电化学堆叠(stack)的横截面图。电化学堆叠1包括以堆叠的方式的正极集流体3、正极活性材料层5、微孔隔膜7、负极活性材料层9和负极集流体11。每个层具有在电极堆叠方向上(即，如图1所示的从正极集流体3到负极集流体11的方向上)测量的高度，其显著地小于(例如，至少十倍小于)分别在相互垂直和垂直于电极堆叠方向的方向上测量的每个层的长度和宽度。现在参考图2，具有顶部15和底部17的卷13(有时被称为“凝胶卷”)通过围绕中心轴19卷绕电化学堆叠而形成；然后将卷13装入到罐(未示出)中，并填充非水电解质以组装二次电池。如图2所示，层的电极堆叠方向与中心轴19正交。
现有的能量存储设备(诸如电池、燃料电池以及电化学电容器)通常具有如图1和2所示的二维层状结构(例如，平面或螺旋卷绕的叠层)，其中，每个叠层的表面积大致等于其几何覆盖(忽略孔隙率和表面粗糙度)。文献中已经提出三维电池作为提高电池容量和活性材料利用率的方法。已经提出，与二维的层状电池结构相比，可以使用三维结构来提供更高的表面积和更高的能量。由于可以从小的几何区域获得的能量增加，制造三维能量存储设备是有益的。参见例如Rust等，WO2008/089110以及Long等，“Three-Dimensional BatteryArchitectures”，Chemical Reviews，(2004)，104,4463-4492。
传统的卷绕电池(参见例如美国专利号6,090,505和6,235,427以及图2)通常具有涂覆到单个箔上且在电池组装之前压缩的电极材料(活性材料、粘合剂、导电助剂)。在其上涂覆电极的箔通常是电流集合路径的部分。在诸如18650或方形电池的单个凝胶卷电池中，集流体箔被超声焊接到电极总线、接片(tab)、标签(tag)等，其将来自活性材料的电流通过集流体箔和接片运载到电池的外部。取决于设计，沿单个凝胶卷的多个位置中，或者沿集流体箔的一端或两端的一个位置可存在接片。常规的堆叠电池袋电池具有活性材料的多个板(或箔)，其中，每个箔的顶部上的区域随后被聚集并焊接在一起到接片；其然后将电流运载到电池袋的外部(参见例如美国专利公开号2005/0008939)。
然而，与二次电池相关的挑战之一是电池的可靠性和循环寿命。例如，锂离子电池的电极结构随着电池重复充电和放电而趋向于扩张(膨胀)和收缩，这又会导致设备的电短路和故障。
发明内容
在本公开的各个方面中，提供用于能量存储设备(例如电池、燃料电池和电化学电容器)的三维结构。有利地，根据本公开的一个方面，可以增加电极活性材料相对于能量存储设备的其它部件(即，能量存储设备的非活性材料部件)的比例。结果，包括本公开的三维结构的能量存储设备可以具有增加的能量密度。对于存储的特定量的能量，它们还可以提供比二维能量存储设备更高的能量取回速率，例如通过最小化或减少正极和负极之间的电子和离子转移的运输距离。这些设备可能更适合于小型化，并且适合于其中可用于设备的几何区域受到限制和/或能量密度要求高于采用层状设备可实现的要求的应用。
简而言之，因此，根据本公开的一个方面，提供了一种用于在充电状态和放电状态之间循环的能量存储设备。能量存储设备包括外壳、电极组件以及在外壳内的非水液体电解质，以及当能量存储设备在充电状态和放电状态之间循环时保持电极组件上的压力的约束。电极组件具有电极结构的组(population)、对电极结构的组以及在电极和对电极组的构件之间的电绝缘微孔隔膜材料。电极组件具有沿着纵向轴分开的相对的第一和第二纵向端表面以及围绕纵向轴并连接第一和第二纵向端表面的侧表面，第一和第二纵向端表面的组合表面积小于侧表面以及第一和第二纵向端表面的组合表面积的33％。电极组的构件和对电极组的构件在电极组件内的平行纵向轴的堆叠方向上以交替顺序设置。该约束具有通过将压缩构件朝向彼此拉动的至少一个拉紧构件连接的第一和第二压缩构件，并且该约束维持在堆叠方向上的电极组件上的压力，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的电极组件上维持的压力。
根据本公开的又一方面，提供了一种用于在充电状态和放电状态之间循环的二次电池，二次电池具有电池外壳、电极组件和电池外壳内的非水液体电解质、以及约束，该约束随着二次电池在充电状态和放电状态之间循环时维持电极组件上的压力。电极组件具有电极结构的组、对电极结构的组以及在电极和对电极组的构件之间的电绝缘微孔隔膜材料。电极组件具有沿纵向轴分开的相对的第一和第二纵向端表面，以及围绕纵向轴并连接第一和第二纵向端表面的侧表面，第一和第二纵向端表面的表面积小于电极组件的表面积的33％。电极组的构件和对电极组的构件在电极组件内的平行纵向轴的堆叠方向上以交替顺序设置。电极组和对电极组的构件在第一纵向表面上的投影包围第一投影区域，以及电极组和对电极组的构件在第二纵向表面上的投影包围第二投影区域。约束具有分别覆在第一和第二投影区域上面的第一和第二压缩构件，压缩构件通过覆在电极组件的侧表面上面的拉紧构件连接并且将压缩构件朝向彼此拉动，以及约束维持在堆叠方向上的电极组件上的压力，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的电极组件上维持的压力。
其它目的和特征将部分显而易见，并在下文中部分指出。
附图说明
图1是现有技术的二维能量存储设备(诸如锂离子电池)的电化学堆叠的电池的横截面。
图2是现有技术的二维能量存储设备(诸如锂离子电池)的卷绕电化学堆叠的电池的横截面。
图3A是具有三棱柱形状的本公开的电极组件的一个实施例的示意图。
图3B是具有平行六面体形状的本公开的电极组件的一个实施例的示意图。
图3C是具有矩形棱柱形状的本公开的电极组件的一个实施例的示意图。
图3D是具有五边形棱柱形状的本公开的电极组件的一个实施例的示意图。
图3E是具有六边形棱柱形状的本公开的电极组件的一个实施例的示意图。
图4是本公开的二次电池的一个实施例的示意性分解图。
图5A是图4的二次电池的电极组件的一个端部的示意性端视图。
图5B是图5A的电极组件的相对端部的示意性端视图。
图5C是图5A的电极组件的侧表面的示意性顶视图。
图5D是图5A的电极组件的相对侧表面的示意性底视图。
图6A是图4的二次电池的约束的示意性透视图。
图6B示出了具有采用内部压缩构件的约束的电极组件的横截面的实施例。
图6C示出了具有采用多个内部压缩构件的约束的电极组件的横截面的实施例。
图7是本公开的二次电池的替代实施例的示意性分解图。
图8是对于以展开形式的本公开的二次电池的电极组件的约束的替代实施例的示意图。
图9是在折叠之后的图8的约束的示意图。
图10A是本公开的二次电池的约束和电极组件的替代实施例的示意图。
图10B是图10A的约束和电极组件的放大图。
图11A是对于本公开的二次电池的电极组件的约束的替代实施例的示意图。
图11B是图11A的约束的放大图。
图12A是本公开的二次电池的电极组件的一个实施例的透视图，其中部分被剖开以示出内部结构。
图12B是图12A的电极组件的一个端部的端视图。
图12C是图12A的电极组件的相对端部的端视图。
图13是本公开的二次电池的一个替代实施例的透视图，其中部分被剖开以示出内部结构。
图14是本公开的二次电池的一个替代实施例的透视图，其中部分被剖开以示出内部结构。
图15是本公开的二次电池的一个替代实施例的透视图，其中部分被剖开以示出内部结构。
图16是本公开的约束和电极组件的一个替代实施例的横截面图。
对应的参考标记在整个附图中表示对应的部分。
具体实施方式
除非上下文另外清楚地指出，否则在此所用的“一个”、“一个”和“所述”(即，单数形式)是指复数指代物。例如，在一个实例中，对“一个电极”的提及包括单个电极和多个相似的电极。
如在此所用的“约”和“大约”是指所述值的正或者负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使用普通舍入技术来解释。
在二次电池的状态的情况下的在此所使用的“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％。
在二次电池的状态的情况下的在此所使用的“放电状态”是指二次电池放电到小于其额定容量的25％的状态。例如，电池可放电到小于其额定容量的20％，诸如小于其额定容量的10％，甚至小于其额定容量的5％，诸如其额定容量的0％。
在充电状态和放电状态之间的在二次电池的循环的情况下的在此所使用的“循环”是指充电和/或放电电池以使电池以循环的方式从充电状态或放电状态的第一状态移回到与第一状态相反的第二状态(即，如果第一状态是放电则为充电状态，如果第一状态是充电则为放电状态)，然后将电池移回到第一状态完成循环。例如，在充电状态和放电状态之间的二次电池的单个循环可以包括将电池从放电状态充电到充电状态，然后放电回到放电状态，以完成循环。单个循环还可以包括将电池从充电状态放电到放电状态，然后充电回到充电状态，以完成循环。
如在此相对于电极组件所称的“费雷特(Feret)直径”被定义为限制在垂直于两个平面的方向上测量的电极组件的两个平行平面之间的距离。
如在此所使用的“纵轴”、“横轴”和“垂直轴”是指相互垂直的轴(即，每个彼此正交)。例如，在此所使用的“纵轴”、“横轴”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。这样，在此的本发明主题的元件的描述不限于用于描述元件的三维取向的特定轴或多个轴。可选地，当涉及本发明主题的三维方面时，这些轴可以是可互换的。
如在此所使用的“纵向方向”、“横向方向”和“垂直方向”是指相互垂直的方向(即，每个彼此正交)。例如，在此使用的“纵向方向”、“横向方向”和“垂直方向”可以分别大致平行于用于定义三维方面或取向的笛卡尔坐标系的纵轴、横轴和垂直轴。
在二次电池的充电状态和放电状态之间在循环的情况下在此所使用的“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循环不止一次。例如，充电状态和放电状态之间的重复循环可以包括从放电状态到充电状态循环至少2次，例如从放电状态充电到充电状态，放电回到放电状态，再次充电到充电状态并最终放电回到放电状态。作为又一个示例，充电状态和放电状态之间的重复循环至少2次可以包括从充电状态放电到放电状态，充电回到充电状态，再次放电到放电状态并最终充电回到充电状态。作为进一步的示例，充电状态和放电状态之间的重复循环可以包括循环至少5次，甚至从放电状态到充电状态循环至少10次。作为进一步的示例，充电状态和放电状态之间的重复循环可以包括从放电状态到充电状态循环至少25、50、100、300、500以及甚至1000次。
在二次电池的情况下的在此所使用的“额定容量”是指如在标准温度条件(25℃)下所测量的，二次电池在一段时间内递送电流的能力。例如，可以以安培·小时为单位来测量额定容量，或者通过确定特定时间的电流输出，或者通过确定特定电流可以输出电流的时间，并且将电流和时间乘积。例如，对于额定电流为20安培·小时的电池，如果电流被指定为2安培的倍率，则电池可以被理解为能够提供10小时电流输出的电池，相反如果时间被指定在10小时的倍率，则电池可以被理解为在10小时期间将输出2安培的电池。
一般而言，本公开的二次电池包括电池外壳、电极组件以及在电池外壳内的非水液体电解质，以及当二次电池在充电状态和放电状态之间循环时维持电极组件上的压力的约束。如前所述，在形成二次电池和/或随后二次电池在充电状态和放电状态之间循环期间，电极组件内的电极和/或对电极可以沿着电极和对电极的堆叠方向(即，电极堆叠方向)膨胀。当电极组件包括数十个(或者甚至更多)堆叠的电极和对电极时，这样的膨胀带来了挑战。有利地，本公开的约束在电池的形成期间和/或随后电池在充电状态和放电状态之间的循环期间维持电极组件上的压力，其抑制电极组件的膨胀(在堆叠方向上)。另外，该约束进一步抑制了电极组件的屈曲，这可能由于通过约束而施加在电极组件的不同表面上的压力的差异而导致。
本公开的约束可以体现在包括以下的一系列结构中的任意一个：例如，电池外壳自身、电池外壳外部的结构、电池外壳内部的结构、或者甚至电池外壳、电池外壳内部的结构和/或电池外壳外部的结构的组合。在一个这样的实施例中，电池外壳是约束的部件；换句话说，在该实施例中，电池外壳单独或与一个或多个其它结构(在电池外壳内和/或外部)结合在电极堆叠方向上的电极结构上施加压力，该压力大于在相互垂直且垂直于电极堆叠方向的方向上的电极结构上施加的压力。在另一个实施例中，约束不包括电池外壳以及除了电池外壳以外的一个或多个分立结构(在电池外壳内和/或外部)，施加在电极堆叠方向上的电极结构上的压力大于在垂直于电极堆叠方向并且相互垂直的方向上的电极结构上施加的压力。
在一个示例性实施例中，约束包括在电池外壳内的一个或多个分立结构，分立结构在电极堆叠方向上的电极结构上施加压力，该压力超过垂直于电极堆叠方向并且相互垂直的两个方向上的电极结构上施加的压力。
在一个示例性实施例中，约束在电池外壳内，并且在电极堆叠方向的电极结构上施加压力，该压力超过在垂直于电极堆叠方向并且相互垂直的两个方向上的电极结构上施加的压力。
在一个示例性实施例中，约束包括电池外壳外部的一个或多个分立结构以及电池外壳内的一个或多个分立结构，分立结构结合地在电极堆叠方向的电极结构上施加压力，该压力超过垂直于电极堆叠方向并且相互垂直的两个方向上的电极结构上施加的压力。
独立于约束的位置(例如，在电池外壳的内部或外部、和/或被外壳包含)，约束和电池外壳结合地且优选地占据不超过由电池外壳的外表面限制的体积(即电池的置换体积)的75％。例如，在一个这样的实施例中，约束和电池外壳结合地占据不超过由电池外壳的外表面限制的体积的60％。作为进一步的示例，在一个这样的实施例中，约束和电池外壳结合地占据不超过由电池外壳的外表面限制的体积的45％。作为进一步的示例，在一个这样的实施例中，约束和电池外壳结合地占据不超过由电池外壳的外表面限制的体积的30％。作为进一步的示例，在一个这样的实施例中，约束和电池外壳结合地占据不超过由电池外壳的外表面限制的体积的20％。
本公开的电极组件通常包括两个相对的纵向端表面(沿着电极组件的纵向轴分开)和在两个相对的纵向端表面之间延伸的侧表面(其围绕纵向轴)。通常，纵向端表面可以是平面的或非平面的。例如，在一个实施例中，相对的纵向端表面是凸面的。作为进一步的示例，在一个实施例中，相对的纵向端表面是凹面的。作为进一步的示例，在一个实施例中，相对的纵向端表面是大致平面的。
当投影到平面上时，相对的纵向端表面也可以具有任何范围的二维形状。例如，纵向端表面可以独立地具有平滑的弯曲形状(例如，圆形、椭圆形、双曲线或抛物线)，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且包括一个或多个线和顶点。类似地，电极组件的侧表面可以是平滑的弯曲形状(例如，电极组件具有圆形、椭圆形、双曲线或抛物线横截面形状)，或者侧表面可以包括连接在顶点处的两个或更多个面(例如，电极组件可以具有多边形横截面)。例如，在一个实施例中，电极组件具有圆柱形、椭圆柱形、抛物柱形或双曲柱形形状。作为进一步的示例，在一个这样的实施例中，电极组件可以具有棱柱形状，具有相同尺寸和形状的相对的纵向端表面以及平行四边形形状的侧表面(即，在相对的纵向端表面之间延伸的面)。作为进一步的示例，在一个这样的实施例中，电极组件具有对应于三角棱柱的形状，电极组件具有两个相对的三角形纵向端表面以及包括在两个纵向端表面之间延伸的三个平行四边形(例如，矩形)的侧表面。作为进一步的示例，在一个这样的实施例中，电极组件具有对应于矩形棱柱的形状，电极组件具有两个相对的矩形纵向端表面以及包括四个平行四边形(例如，矩形)面的侧表面。通过进一步的示例，在一个这样的实施例中，电极组件具有对应于五棱柱、六棱柱等的形状，其中电极组件分别具有两个五边形、六边形等的相对的纵向端表面以及分别包括五个、六个等的平行四边形(例如，矩形)面的侧表面。
现在参考图3A-3E，对于电极组件120，示意性地示出了几个示例性几何形状。在图3A中，电极组件120具有三角形棱柱形状，其中具有沿纵向轴A分开的相对的第一和第二纵向端表面122、124，以及包括连接纵向端表面且围绕纵向轴A的三个矩形面的侧表面(未标出)。在3B中，电极组件120具有平行六面体形状，其中具有沿纵向轴A分开的相对的第一和第二平行四边形纵向端表面122、124，以及包括连接两个纵向端表面且围绕纵向轴A的四个平行四边形形状的面的侧表面(未标出)。在图3C中，电极组件120具有矩形棱柱形状，其中具有沿纵向轴A分开的相对的第一和第二矩形纵向端表面122、124，以及包括连接两个纵向端表面且围绕纵向轴A的四个矩形面的侧表面(未标示)。在图3D中，电极组件120具有五边形棱柱形状，其中具有沿纵向轴A分开的相对的第一和第二五边形纵向端表面122、124，以及包括连接两个纵向端表面且围绕纵向轴A的五个矩形面的侧表面(未标示)。在图3E中，电极组件120具有六边形棱柱形状，其中具有沿纵向轴A分开的相对的第一和第二六边形纵向端表面122、124，以及包括连接两个纵向端表面且围绕纵向轴A的六个矩形面的侧表面(未标出)。
独立于电极组件的总体几何形状，电极组件的相对的第一纵向端表面和第二纵向端表面具有小于电极组件的总表面积的50％的组合表面积(即，总表面积为电极组件的第一和第二纵向端表面的表面积与侧表面的表面积总和)。例如，图3A-3E中的每个的电极组件120的第一和第二相对的纵向端表面122、124都具有组合表面积(即，第一和第二纵向端表面的表面积的总和)，该表面积分别小于三角形棱柱(图3A)、平行六面体(图3B)、矩形棱柱(图3C)、五边形棱柱(图3D)或六边形棱柱(图3E)的总表面积的50％。例如，在一个这样的实施例中，电极组件的相对的第一和第二纵向端表面具有小于电极组件的总表面的33％的表面积。作为进一步示例，在一个这样的实施例中，电极组件的相对的第一和第二纵向端表面具有小于电极组件的总表面的25％的表面积。作为进一步示例，在一个这样的实施例中，电极组件的相对的第一和第二纵向端表面具有小于电极组件的总表面的20％的表面积。作为进一步示例，在一个这样的实施例中，电极组件的相对的第一和第二纵向端表面具有小于电极组件的总表面的15％的表面积。作为进一步示例，在一个这样的实施例中，电极组件的相对的第一和第二纵向端表面具有小于电极组件的总表面的10％的表面积。
在一些实施例中，电极组件是矩形棱柱，并且第一和第二相对的纵向端表面具有小于侧表面的至少两个相对面的组合表面积(即，连接相对的纵向端表面的两个相对的矩形侧面的表面积的总和)的组合表面积。在一些实施例中，电极组件是矩形棱柱，矩形棱柱具有第一和第二相对的纵向端表面以及包括两对相对的表面(面)的侧表面，并且两个相对的纵向端表面具有小于由侧表面包括的两对相对的面中的至少一对的组合表面积的组合表面积。在一些实施例中，电极组件是矩形棱柱，矩形棱柱具有两个相对的第一和第二纵向端表面以及包括两对相对表面(面)的侧表面，并且两个相对的纵向端表面具有小于由侧表面包括的两对相对面中的每一对的组合表面积的组合表面积。
通常，电极组件包括沿与电极组件的纵向轴(参见例如图3A-3E)重合的方向(即，电极堆叠方向)堆叠的电极组和对电极组。换句话说，电极和对电极沿从电极组件的第一相对纵向端表面延伸到第二相对纵向端表面的方向进行堆叠。在一个实施例中，电极组的构件和/或对电极组的构件本质上是层状的(参见例如图1和图2)。在另一个实施例中，电极组的构件和/或对电极组的构件本质上是非层状的；换句话说，在一个实施例中，电极和/或对电极组的构件从假想背板(例如，基本上与电极组件的表面重合的平面)充分延伸，以具有比背板中构件的几何尺寸(即，投影)高出两倍的表面积(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尺寸的比例可以是至少约5、至少约10、至少约50、至少约100、或者甚至至少约500。然而，通常，该比例将在约2和约1000之间。在一个这样的实施例中，电极组的构件本质上是非层状的。作为进一步示例，在一个这样的实施例中，对电极组的构件本质上是非层状的。作为进一步示例，在一个这样的实施例中，电极组的构件和对电极组的构件本质上是非层状的。
在包含电极组件的二次电池的形成期间和/或在循环期间，电极组件在纵向方向上(例如，在与图3A-3E中的每个中的纵向轴A平行的方向上)的膨胀可以是受到本公开的约束的抑制。一般而言，约束包括通过拉紧构件(适于覆在电极组件的侧表面上面)连接的压缩构件(分别适于覆在第一投影区域和第二投影区域上面)。拉紧构件倾向于将压缩构件朝向彼此拉动，从而向电极组件的相对的第一和第二纵向端表面施加压缩力，这又抑制了电极组件在纵向方向上(其与如在此进一步描述的电极堆叠方向重合)的膨胀。另外，在电池形成之后，约束在纵向方向(即，电极堆叠方向)的电极组件上施加压力，该压力超过在彼此相互垂直且垂直于纵向方向的两个方向中的每个方向上的电极组件上维持的压力。
现在参考图4，可以看到本公开的二次电池的一个实施例的分解图，通常以100表示。二次电池包括电池外壳102和电池外壳102内的电极组件120的集110，每个电极组件具有第一纵向端表面122、相对的第二纵向端表面124(沿着纵向轴(未示出)与第一纵向端表面122分开，纵向轴平行于图4的假想笛卡尔坐标系的“Y轴”)、以及包括侧面123、125、126、127(参见图12A)的侧表面。每个电极组件包括电极结构的组和对电极结构的组，电极结构和对电极结构在电极堆叠方向D上的每个电极组件内相对于彼此堆叠(参见，例如图12A)；换句话说，电极和对电极结构的组被设置成交替的电极和对电极系列，其中系列在第一和第二纵向端表面122、124之间沿方向D前进(参见例如图12A；如图4所示，电极堆叠方向D平行于图4的假想笛卡尔坐标系的Y轴)。此外，各个电极组件120内的电极堆叠方向D垂直于集110内的电极组件120的集合的堆叠方向(即，电极组件堆叠方向)；换句话说，电极组件在集110内的方向上相对于彼此设置，该方向垂直于单个电极组件内的电极堆叠方向D(例如，电极组件堆叠方向是与假想笛卡尔坐标系的Z轴对应的方向，而各个电极组件内的电极堆叠方向D是与假想笛卡尔坐标系的Y轴对应的方向)。
接片141、142伸出电池外壳，并提供集110的电极组件和能量供应或消费者(未示出)之间的电连接。更具体地，在该实施例中，接片141电连接到接片延伸部143(使用例如导电胶)，并且接片延伸部143电连接到由每个电极组件120所包括的电极。类似地，接片142电连接到接片延伸部144(使用例如导电胶)，并且接片延伸部144电连接到由每个电极组件120所包括的对电极。
图4所示实施例中的每个电极组件120都具有相关联的约束130以抑制纵向方向(即电极堆叠方向D)上的膨胀。每个约束130包括分别覆在第一和第二纵向端表面122、124上面的压缩构件132、134(参见图5A和5B)，以及分别覆在侧面123、125上面的拉紧构件133、135(参见图5C和5D)。拉紧构件133、135将压缩构件132、134朝向彼此拉动，并且压缩构件132、134向相对的第一和第二纵向端表面122、124施加压缩力。结果，在电池的形成和/或充电状态和放电状态之间的电池的循环期间，电极组件在纵向方向上的膨胀被抑制。此外，约束130在纵向方向(即，电极堆叠方向D)的电极组件上施加压力，该压力超过相互垂直于彼此并且垂直于纵向方向(如图所示，纵向方向对应于所示的假想笛卡尔坐标系的“Y”轴的方向，并且彼此相互垂直并且与垂直于纵向方向的两个方向分别对应于所示的假想笛卡尔坐标系的X轴和Z轴的方向)的两个方向中的任一方向上的电极结构上维持的压力。
现在参考图5A、图5B、图5C和图5D，图4的实施例中的每个电极组件120具有与以下的矩形棱柱的几何形状相对应的几何形状：具有尺寸为X1×Z1的第一和第二纵向端表面122、124，具有尺寸为X1×Y1的侧面123、125以及具有尺寸为Y1×Z1的侧面126、127(其中，X1、Y1和Z1分别是在对应于笛卡尔坐标系的X、Y和Z轴的方向上测量的尺寸)。第一和第二纵向端表面122、124因此具有与X1和Z1的乘积相对应的表面积，侧面123、125各自具有与X1和Y1的乘积相对应的表面积，以及侧面126、127各自具有与Y1和Z1乘积相对应的表面积。根据本公开的一个方面，第一和第二纵向端表面的表面积的总和小于电极组件的总表面的表面积的33％，其中电极组件是矩形棱柱，并且第一和第二纵向端表面的组合表面积等于(X1*Z1)+(X1*Z1)，并且侧表面的表面积等于(X1*Y1)+(X1*Y1)+(Y1*Z1)+(Y1*Z1)。例如，在一个这样的实施例中，第一和第二纵向端表面的表面积的总和小于电极组件的总表面的表面积的25％，其中第一和第二纵向端表面的组合表面积等于(X1*Z1)+(X1*Z1)，并且电极组件的总表面等于(X1*Y1)+(X1*Y1)+(Y1*Z1)+(Y1*Z1)+(X1*Z1)+(X1*Z1)。
该实施例中的每个约束130包括分别覆在第一和第二纵向端表面122、124上面的压缩构件132、134，以及将压缩构件朝向彼此拉动的至少一个拉紧构件。例如，约束可以包括分别覆在侧表面的侧面123、125上面的拉紧构件133、135。通常，压缩构件132、134在第一和第二纵向端表面122、124上(即，在电极堆叠方向D上)施加压力，该压力超过电极组件的侧面123、125上以及侧面126、127上(即，彼此相互垂直且垂直于电极堆叠方向的两个方向中的每个方向上)维持的压力。例如，在一个这样的实施例中，约束在第一和第二纵向端表面122、124上(即，在电极堆叠方向D上)施加压力，该压力超过垂直于电极堆叠方向且相互垂直的两个方向中的至少一个或甚至两个方向的电极组件上维持的压力的至少3倍。作为另一个示例，在一个这样的实施例中，约束在第一和第二纵向端表面122、124上(即，在电极堆叠方向D上)施加压力，该压力超过垂直于电极堆叠方向且相互垂直的两个方向中的至少一个或甚至两个方向的电极组件上维持的压力的至少4倍。作为另一个示例，在一个这样的实施例中，约束在第一和第二纵向端表面122、124上(即，在电极堆叠方向D上)施加压力，该压力超过垂直于电极堆叠方向且相互垂直的两个方向中的至少一个或甚至两个方向的电极组件上维持的压力的至少5倍。
现在参考图6A，在一个实施例中，约束130可以源于具有长度L1、宽度W1以及厚度t1的薄片107。为了形成约束，薄片107被简单地缠绕在电极结构120周围(参见图4和图5A-5D)并且在折叠线113处折叠以包围(enclose)电极结构。边缘115、117彼此重叠，并彼此焊接、粘合或以其它方式彼此固定以形成约束，该约束包括压缩构件132、134(压缩构件134包括一旦彼此固定的重叠边缘115、177)和拉紧构件133、135。在该实施例中，约束具有对应于薄片107的置换体积(即，L1、W1和t1的乘积)的体积。
薄片107可以包括能够将期望的力施加到电极结构的宽范围的相容材料中的任何一种。通常，约束通常将包括具有至少10000psi(>70MPa)的极限拉伸强度的材料，其与电池电解质相容，在电池的浮动(floating)或阳极电势下不会显着腐蚀，以及在45℃下不显着反应或失去机械强度。例如，约束可以包括宽范围的金属、合金、陶瓷、玻璃、塑料或其组合(即，复合材料)中的任何一种。在一个示例性实施例中，约束包括金属，诸如不锈钢(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(无氧、硬)、镍；然而，通常，当约束包括金属时，通常优选以限制腐蚀和在电极和对电极之间产生电短路的方式结合。在另一个示例性实施例中，约束包括陶瓷，诸如氧化铝(例如，烧结的或Coorstek AD96)、氧化锆(例如，Coorstek YZTP)、氧化钇稳定的氧化锆(例如，ENrG
Figure BDA0003077276840000161
)。在另一个示例性实施例中，约束包括诸如Schott D263钢化玻璃的玻璃。在另一个示例性实施例中，约束包括塑料，诸如聚醚醚酮(PEEK)(例如，Aptiv 1102)、具有碳的PEEK(例如，Victrex 90HMF40或Xycomp 1000-04)、具有碳的聚苯硫醚(PPS)(例如，TepexDynalite 207)、具有30％玻璃的聚醚醚酮(PEEK)(例如，Victrex 90HMF40或Xycomp 1000-04)、聚酰亚胺(例如，
Figure BDA0003077276840000162
)。在另一个示例性实施例中，约束包括复合材料，诸如E玻璃标准纤维/环氧树脂，0度、E玻璃UD/环氧树脂，0度、Kevlar标准纤维/环氧树脂，0度、Kevlar UD/环氧树脂，0度、碳标准纤维/环氧树脂，0度、碳UD/环氧树脂，0度、Toyobo
Figure BDA0003077276840000163
HM纤维/环氧树脂。在另一个示例性实施例中，约束包括纤维，诸如Kevlar 49芳纶纤维、S玻璃纤维、碳纤维、Vectran UM LCP纤维、Dyneema、Zylon。
约束的厚度(t1)将取决于一系列因素，包括例如约束的结构的材料、电极组件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，约束将包括具有在约10微米至约100微米范围内的厚度的薄片。例如，在一个这样的实施例中，约束包括具有约30μm的厚度的不锈钢片薄片(例如，SS316)。作为另一个示例，在另一个这样的实施例中，约束包括具有约40μm厚度的铝薄片(例如，7075-T6)。作为另一个示例，在另一个这样的实施例中，约束包括具有约30μm厚度的氧化锆薄片(例如，Coorstek YZTP)。作为另一个示例，在另一个这样的实施例中，约束包括具有约75μm厚度的E玻璃UD/环氧树脂0度薄片。作为另一个示例，在另一个这样的实施例中，约束包括以>50％组装(packing)密度的12μm碳纤维。
在某些实施例中，约束的压缩构件和/或拉紧构件包括多孔材料。通常，多孔材料将允许电解质容易地接近电极组件。例如，在一些实施例中，压缩构件和/或拉紧构件可以具有至少0.25的空隙率。作为另一个示例，在一些实施例中，压缩构件和/或拉紧构件可以具有至少0.375的空隙率。作为另一个示例，在一些实施例中，压缩构件和/或拉紧构件可以具有至少0.5的空隙率。作为另一个示例，在一些实施例中，压缩构件和/或拉紧构件可以具有至少0.625的空隙率。作为另一个示例，在一些实施例中，压缩构件和/或拉紧构件可以具有至少0.75的空隙率。
在又一个实施例中，约束130包括在电极组件120内部的一个或多个压缩构件。例如，现在参考图6B，示出了具有含有内部压缩构件132a的约束130的电极组件120的实施例的横截面。在图6B所示的实施例中，约束130可以包括分别在电极组件120的纵向端表面122、124处的第一和第二压缩构件132、134。然而，另外地和/或可选地，约束130可以进一步包括至少一个内部压缩构件132a，内部压缩构件132a位于电极组件的除了纵向端表面122、124以外的内部区域处。内部压缩构件132a可连接到拉紧构件133、135以将压缩压力施加到在内部压缩构件132a与另一压缩构件(例如在电极组件120的纵向端表面122、124处的一个或多个压缩构件132、134和/或与一个或多个其它内部压缩构件132)之间的电极组件120的一部分。参考图6B中所示的实施例，可以提供内部压缩构件132a，该内部压缩构件132a沿纵向轴(堆叠方向D)分别远离电极组件120的第一和第二纵向端表面122、124间隔开，例如朝向电极组件120的中心区域。内部压缩构件132a可以在远离电极组件端表面122、124的内部位置处连接到拉紧构件133、135。在一个实施例中，除了在电极组件端表面122、124处设置有压缩构件132、134之外，在远离端表面122、124的内部位置处设置有至少一个内部压缩构件132a。在另一个实施例中，约束130包括在电极组件120的内部位置处的内部压缩构件132a，其与纵向端表面122、124内部地间隔开，在纵向端表面122、124处具有或不具有压缩构件132、134的情况下。在又一个实施例中，约束130包括在电极组件的内部位置处的内部压缩构件132a，其与纵向端表面122、124内部地间隔开，在纵向端表面122、124处不具有压缩构件132、134的情况下。在一个实施例中，内部压缩构件132a可以被理解为与压缩构件132、134中的一个或多个和/或另一个内部压缩构件132a一起起作用，以在内部压缩构件132a与压缩构件132、134位于的地方的电极组件120的纵向表面122、124之间的纵向方向上的电极组件120的每个部分上施加压缩压力，和/或在内部压缩构件132a和另一个内部压缩构件132a之间的纵向方向上的电极组件120的部分上施加压缩压力。在一个版本中，内部压缩构件132a中的至少一个包括电极或对电极结构151、152的至少部分，如下面进一步详细描述的。例如，内部压缩构件132a可以包括对电极活性材料、隔膜、电极集流体、对电极集流体、电极主干和对电极主干的至少部分。
根据一个实施例，如上所述，约束130可以包括内部压缩构件132a，内部压缩构件132a是电极组件106的内部结构的一部分，诸如电极151和/或对电极结构152的一部分。在一个实施例中，通过在电极组件120内的结构之间提供压缩，紧密约束的结构可以实现为由电极结构120的生长所产生的张力充分地补偿。例如，在一个实施例中，一个或多个内部压缩构件132可以在电极组件120的纵向端表面122、124处与压缩构件132、134一起起作用，以通过经由连接拉紧构件133、135彼此处于拉紧，以约束平行于纵向方向的方向上的生长。在又一个实施例中，电极结构151(例如，阳极结构)的生长可以通过经由对应于对电极结构152(例如，阴极)的部分的一个或多个内部压缩构件132a的压缩被抵消，其经由拉紧构件133、135彼此处于拉紧。
通常，在某些实施例中，约束130的部件可以分别实施为电极组件120内的电极151和/或对电极结构152，不仅提供有效的约束，而且在不过度增加具有电极组件120的二次电池的尺寸的情况下，更有效地利用电极组件120的体积。例如，在一个实施例中，约束130可以包括附着到充当内部压缩构件132a的一个或多个电极结构151和/或对电极结构152的拉紧构件133、135。作为进一步的示例，在某些实施例中，至少一个内部压缩构件132a可以被实施为电极结构151的组。作为进一步的示例，在某些实施例中，至少一个内部压缩构件132a可以被实施为对电极结构152的组。
现在参考图6C中，示出了具有垂直轴(Z轴)、纵轴(Y轴)和横轴(X轴)的笛卡尔坐标系；其中，X轴定向成从页面的平面出来；并且如上所述的堆叠方向D的指定与Y轴共平行。更具体地，图7示出了具有约束130的电极组件120的横截面，该约束130具有在其纵向表面处的压缩构件132、134以及至少一个内部压缩构件132a。约束130包括压缩构件132、134以及实施为电极结构151的组和/或对电极结构体152的组的内部压缩构件；因此，在该实施例中，至少一个内部压缩构件132a、电极结构151和/或对电极结构152可以被理解为是可互换的。而且，隔膜150也可以形成内部压缩构件132a的一部分。更具体地，图6C中所示出的是对应于电极151或对电极结构152的内部压缩构件132a的齐平(flush)连接的一个实施例。齐平连接可进一步包括在拉紧构件133、135与内部压缩构件132a之间的其它方式粘附的粘合层182。粘合层182将内部压缩构件132a固定到拉紧构件133、135，以使得内部压缩构件132a可以与其它压缩构件(诸如其它内部压缩构件或在电极组件120的纵向端表面的压缩构件)维持拉紧。
在图6C中进一步示出，在一个实施例中，电极组151的构件具有电极活性材料层160、电极集流体163(诸如离子多孔电极集流体)以及支撑电极活性材料层160和电极集流体163的电极主干165。类似地，在一个实施例中，如图6C所示，对电极组152的构件具有对电极活性材料层167、对电极集流体169以及支撑对电极活性材料层167和对电极集流体169的对电极主干171。
不受任何特定理论(例如，如图6C所示)的束缚的情况下，在某些实施例中，电极组151的构件包括电极活性材料层160、电极集流体163和支撑电极活性材料层160和电极集流体163的电极主干165。类似地，在某些实施例中，对电极组152的构件包括对电极活性材料层167、对电极集流体169以及支撑对电极活性材料层167和对电极集流体169的对电极主干171。在一个实施例中，电极和对电极结构151、152中的任何一个的至少一部分，诸如集流体163、169、主干165、171、对电极活性材料层167以及隔膜130可以用作部分或整个内部压缩构件132a，诸如通过连接到拉紧构件133、135或以其它方式与一个或多个其它内部或外部压缩构件132、134处于拉紧状态。在一个实施例中，内部压缩构件132a可以连接到拉紧构件133、135，通过粘合、焊接、结合、粘附或类似的连接方式中的至少一个。尽管图6C中示出的实施例描述了对应于电极和对电极结构151、152的内部压缩构件132a(即，电极和对电极结构两者通过连接到拉紧构件133、135而彼此处于拉紧状态)，在替代实施例中，电极和/或对电极结构中的仅一个用作内部压缩构件132a，和/或电极或对电极结构151、152中的仅一部分可用作内部压缩构件132a，诸如通过被粘附到拉紧构件133、135。例如，在一个实施例中，诸如电极集流体163和/或对电极集流体152中的至少一个可用作内部压缩构件132，诸如通过被粘附到拉紧构件133、135。
再次参考图4，为了完成二次电池100的制造，电池外壳102被填充有非水电解质(未示出)，并且盖104被折叠(沿着折叠线106)并被密封到上表面108。当完全组装时，密封的二次电池占据由它的外表面约束的体积(即，置换体积)，二次电池外壳102占据与电池的置换体积(包括盖104)相对应的体积减去其内部体积(即，由内表面103A、103B、103C、103D、103E和盖104约束的棱柱体积)，并且集110的每个约束130占据与其相应的置换体积相对应的体积。因此，组合地，电池外壳和约束占据不超过由电池外壳的外表面约束的体积(即，电池的置换体积)的75％。例如，在一个这样的实施例中，约束和电池外壳组合占据不超过由电池外壳的外表面约束的体积的60％。作为进一步的示例，在一个这样的实施例中，约束和电池外壳组合占据不超过由电池外壳的外表面约束的体积的45％。作为进一步的示例，在一个这样的实施例中，约束和电池外壳组合占据不超过由电池外壳的外表面约束的体积的30％。作为进一步的示例，在一个这样的实施例中，约束和电池外壳组合占据不超过由电池外壳的外表面约束的体积的20％。
为了便于在图4中示出，二次电池100包括电极组件的仅一个集110，并且该集仅包括六个电极组件120。实际上，二次电池可以包括多于一集的电极组件，其中每个集相对于彼此横向设置(例如，位于图4的笛卡尔坐标系的X-Y平面内的相对方向上)，或者每个集相对于彼此垂直设置(例如，在基本上平行于图4的笛卡尔坐标系的Z轴的方向上)。另外，在这些实施例中的每一个实施例中，电极组件的集中的每集可以包括一个或多个电极组件。例如，在某些实施例中，二次电池可以包括一集、两集或多集的电极组件，每个这样的集包括一个或多个电极组件(例如，每个这样的集内的1、2、3、4、5、6、10、15或多个电极组件)，并且当电池包括两个或多个这样的集时，这些集可以相对于包括二次电池的其它集的电极组件横向地或垂直地设置。在这些各种实施例中的每一个实施例中，每个单独的电极组件可以具有其自己的约束(即，电极组件和约束之间的1：1关系)，两个或多个电极组件可以具有共同的约束(即，对于两个或多个电极组件的单个约束)，或两个或多个电极组件可共享约束的部件(即，两个或多个电极组件可具有共同的压缩构件和/或拉紧构件)。
现在参考图12A，在一个示例性实施例中，电极组件120包括第一和第二纵向端表面121、122以及包括侧面123、124、125、126的侧表面。电极组件120还包括电极结构151的组和对电极结构152的组，它们在平行纵向轴A的电极堆叠方向D上堆叠，在相对的第一和第二纵向端表面121、122之间延伸。电极和对电极结构151、152以交替顺序来堆叠(例如，互相交叉)，其中基本上电极组的每个构件在对电极组的两个构件之间，并且基本上对电极组的每个构件在电极组的两个构件之间。例如，除了交替串联(series)中的第一和最后一个电极或对电极结构之外，在一个实施例中，交替串联中的每个电极结构在两个对电极结构之间，并且串联中的每个对电极结构在两个电极结构之间。另外，在假想背板(例如，分别为侧面126、127)中，非层状电极和对电极结构的表面积与它们各自的几何覆盖的比例可以是如前所述的至少约5、至少约10、至少约50、至少约100、或甚至至少约500。
如图12A所示，除了一个例外，电极结构的组的每个构件151在对电极组的两个构件152之间，并且除了一个例外，对电极结构的组的每个构件152在电极结构的组的两个构件151之间。更一般地说，在一个实施例中，电极和对电极组各自都具有N个构件，N-1个电极组构件中的每一个在两个对电极结构之间，N-1个对电极组构件中的每一个在电极结构之间，并且N至少为2。例如，在一个实施例中，N至少为4(如图4所示)、至少5、至少10、至少25、至少50或甚至至少100。
现在参考图12B和图12C，电极和对电极组的构件在第一纵向端表面122上的投影包围第一投影区域162，并且电极和对电极组的构件在第二纵向端表面124上的投影包围第二投影区域164。通常，第一和第二投影区域162、164将通常分别包括第一和第二纵向端表面122、124的表面区域的相当大的部分。例如，在一个实施例中，第一和第二投影区域各自分别包括第一和第二纵向端表面的表面区域的至少50％。作为另一个示例，在一个这样的实施例中，第一和第二投影区域各自分别包括第一和第二纵向端表面的表面区域的至少75％。作为另一个示例，在一个这样的实施例中，第一和第二投影区域分别包括第一和第二纵向端表面的表面区域的至少90％。
电极和对电极组的构件包括能够吸收和释放载体离子(诸如锂、钠、钾、钙、镁或铝离子)的电活性材料。在一些实施例中，电极结构组的构件151包括阳极活性电活性材料(有时称为负极)，并且对电极结构组的构件152包括阴极活性电活性材料(有时称为正极)。在其它实施例中，电极结构组的构件151包括阴极活性电活性材料，并且对电极结构组的构件152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或单体电极。
示例性的阳极活性电活性材料包括碳材料，诸如石墨和软碳或硬碳，或能够与锂形成合金的一系列金属、半金属、合金、氧化物和复合物中的任何一种。能够构成阳极材料的金属或半金属的具体示例包括锡、铅、镁、铝、硼、镓、硅、铟、锆、锗、铋、镉、锑、银、锌、砷、铪、钇和钯。在一个示例性实施例中，阳极活性材料包括铝、锡或硅、或其氧化物、其氮化物、其氟化物或其它其合金。在另一个示例性实施例中，阳极活性材料包括硅或其合金。
示例性的阴极活性材料包括宽范围的阴极活性材料中的任何一种。例如，对于锂离子电池，阴极活性材料可以包含选自过渡金属氧化物、过渡金属硫化物、过渡金属氮化物、锂-过渡金属氧化物、锂-过渡金属硫化物以及锂-过渡金属氮化物的阴极材料可以被选择性地使用。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。其它阴极活性材料包括LiCoO2、LiNi0.5Mn1.5O4、Li(NixCoyAl2)O2、LiFePO4、Li2MnO4、V2O5、氧硫化钼、磷酸盐、硅酸盐、钒酸盐及其组合。
在一个实施例中，阳极活性材料被微结构化以提供显着的空隙体积分数以适应在充电和放电过程期间随着锂离子(或其它载体离子)结合到或离开负极活性材料而引起的体积膨胀和收缩。通常，负极活性材料的空隙体积分数为至少0.1。然而，通常负极活性材料的空隙体积分数不大于0.8。例如，在一个实施例中，负极活性材料的空隙体积分数为约0.15至约0.75。作为另一个示例，在一个实施例中，负极活性材料的空隙体积分数为约0.2至约0.7。作为另一个示例，在一个实施例中，负极活性材料的空隙体积分数为约0.25至约0.6。
取决于微结构化的负极活性材料的组成及其形成的方法，微结构化的负极活性材料可包含大孔、微孔或介孔材料层或其组合，诸如微孔和介孔的组合或介孔和大孔的组合。微孔材料通常特征在于：小于10nm的孔尺寸，小于10nm的壁尺寸，1-50微米的孔深度，以及通常以“海绵状”和不规则外观、不光滑的壁并且分支孔为特征的孔形态。介孔材料通常特征在于：10-50nm的孔尺寸，10-50nm的壁尺寸，1-100微米的孔深度，以及通常以稍微明确限定的分支孔或树枝状孔为特征的孔形态。大孔材料通常特征在于：大于50nm的孔尺寸，大于50nm的壁尺寸，1-500微米的孔深度，以及可以变化的、连续的、分支或树枝状，且光滑或粗糙壁的孔形态。另外，空隙体积可以包括开放的或封闭的空隙或其组合。在一个实施例中，空隙体积包括开放空隙，即，负极活性材料包含在负极活性材料的侧表面处具有开口的空隙，锂离子(或其它载体离子)可通过该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。在另一个实施例中，空隙体积包括封闭的空隙，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，而封闭的空隙往往不易受固体电解质界面的影响，而每一个在载体离子进入时为负极活性材料的膨胀提供空间。因此，在某些实施例中，优选负极活性材料包括开放和封闭空隙的组合。
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(100)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。
在另一个实施例中，负极活性材料包括铝、锡或硅或者其合金的纤维。单个纤维可以具有约5nm至约10,000nm的直径(厚度尺寸)和通常对应于负极活性材料的厚度的长度。硅的纤维(纳米线)可以通过以下方法形成：例如通过化学气相沉积或本领域已知的其它技术，诸如汽液固(VLS)生长和固液固(SLS)生长。此外，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，负极活性材料包括硅纳米线，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。作为另一个示例，在一个实施例中，负极活性材料包括硅纳米线，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。作为另一个示例，在一个实施例中，负极活性材料包括硅合金(诸如硅化镍)的纳米线，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，电极组的构件包括电极活性材料层、电极集流体以及支撑电极活性材料层和电极集流体的电极主干。类似地，在一个实施例中，对电极组的构件包括对电极活性材料层、对电极集流体以及支撑对电极活性材料层和对电极集流体的对电极主干。
在一个实施例中，电极组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)，并且纵向轴(AE)在通常垂直于交替顺序的电极结构和对电极结构前进的方向的方向上。另外，电极组的每个构件具有沿纵向轴(AE)测量的长度(LE)，在交替顺序的电极结构和对电极结构前进的方向上测量的宽度(WE)，以及垂直于测量的长度(LE)和宽度(WE)的每个方向的方向上测量的高度(HE)。电极组的每个构件还具有周长(PE)，该周长对应于垂直于其纵向轴的平面中的电极的投影的侧的长度的总和。
电极组的构件的长度(LE)将根据能量存储设备及其预期使用而变化。然而，通常，电极组的构件将通常具有在约5mm至约500mm范围内的长度(LE)。例如，在一个这样的实施例中，电极组的构件具有约10mm至约250mm的长度(LE)。作为另一个示例，在一个这样的实施例中，电极组的构件具有约25mm至约100mm的长度(LE)。
电极组的构件的宽度(WE)也将根据能量存储设备及其预期使用而变化。然而，通常，电极组的每个构件将通常具有在约0.01mm至2.5mm的范围内的宽度(WE)。例如，在一个实施例中，电极组的每个构件的宽度(WE)将在约0.025mm至约2mm的范围内。作为另一个示例，在一个实施例中，电极组的每个构件的宽度(WE)将在约0.05mm至约1mm的范围内。
电极组的构件的高度(HE)也将根据能量存储设备及其预期使用而变化。然而，通常，电极组的构件将通常具有在约0.05mm至约10mm的范围内的高度(HE)。例如，在一个实施例中，电极组的每个构件的高度(HE)将在约0.05mm至约5mm的范围内。作为另一个示例，在一个实施例中，电极组的每个构件的高度(HE)将在约0.1mm至约1mm的范围内。
电极组的构件的周长(PE)将根据能量存储设备及其预期使用而类似地变化。然而，通常，电极组的构件将通常具有在约0.025mm至约25mm范围内的周长(PE)。例如，在一个实施例中，电极组的每个构件的周长(PE)将在约0.1mm至约15mm的范围内。作为另一个示例，在一个实施例中，电极组的每个构件的周长(PE)将在约0.5mm至约10mm的范围内。
通常，电极组的构件具有基本上大于其宽度(WE)和其高度(HE)中的每一个的长度(LE)。例如，在一个实施例中，对于电极组的每个构件，LE与WE和HE中的每一个的比率分别至少为5:1(即，分别地，LE与WE的比率至少为5:1，分别地，LE与HE的比率至少为5:1)。作为另一个示例，在一个实施例中，LE与WE和HE中的每一个的比率至少为10:1。作为另一个示例，在一个实施例中，LE与WE和HE中的每一个的比率至少为15:1。作为另一个示例，在一个实施例中，对于电极组的每个构件，LE与WE和HE中的每一个的比率至少为20:1。
另外，通常优选的是，电极组的构件具有基本上大于其周长(PE)的长度(LE)；例如，在一个实施例中，对于电极组的每个构件，LE与PE的比率分别至少为1.25:1。作为另一个示例，在一个实施例中，对于电极组的每个构件，LE与PE的比率分别至少为2.5:1。作为另一个示例，在一个实施例中，对于电极组的每个构件，LE与PE的比率分别至少为3.75:1。
在一个实施例中，电极组的构件的高度(HE)与宽度(WE)的比率分别为至少0.4:1。例如，在一个实施例中，对于电极组的每个构件，HE与WE的比率将分别为至少2:1。作为另一个示例，在一个实施例中，HE与WE的比率将分别为至少10:1。作为另一个示例，在一个实施例中，HE与WE的比率将分别至少为20:1。然而，通常，HE与WE的比率通常分别小于1000：1。例如，在一个实施例中，HE与WE的比率将分别小于500:1。作为另一个示例，在一个实施例中，HE与WE的比率将分别小于100:1。作为另一个示例，在一个实施例中，HE与WE的比率将分别小于10:1。作为另一个示例，在一个实施例中，对于电极组的每个构件，HE与WE的比率将分别在约2:1至约100:1的范围内。
对电极组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)，并且纵向轴(ACE)在通常垂直于交替顺序的电极结构和对电极结构前进的方向的方向上。另外，对电极组的每个构件具有沿纵向轴(ACE)测量的长度(LCE)，在交替顺序的电极结构和对电极结构前进的方向上测量的宽度(WCE)，以及垂直于测量的长度(LCE)和宽度(WCE)的每个方向的方向上测量的高度(HCE)。对电极组的每个构件还具有周长(PCE)，该周长对应于垂直于其纵向轴的平面中的对电极的投影的侧的长度的总和。
对电极组的构件的长度(LCE)将根据能量存储设备及其预期使用而变化。然而，通常，对电极组的每个构件将通常具有约5mm至约500mm范围内的长度(LCE)。例如，在一个这样的实施例中，对电极组的每个构件具有约10mm至约250mm的长度(LCE)。作为另一个示例，在一个这样的实施例中，对电极组的每个构件具有约25mm至约100mm的长度(LCE)。
对电极组的构件的宽度(WCE)也将根据能量存储设备及其预期使用而变化。然而，通常，对电极组的构件通常将具有在约0.01mm至2.5mm范围内的宽度(WCE)。例如，在一个实施例中，对电极组的每个构件的宽度(WCE)将在约0.025mm至约2mm的范围内。作为另一个示例，在一个实施例中，对电极组的每个构件的宽度(WCE)将在约0.05mm至约1mm的范围内。
对电极组的构件的高度(HCE)也将根据能量存储设备及其预期使用而变化。然而，一般而言，对电极组的构件通常将具有在约0.05mm至约10mm的范围内的高度(HCE)。例如，在一个实施例中，对电极组的每个构件的高度(HCE)将在约0.05mm至约5mm的范围内。作为另一个示例，在一个实施例中，对电极组的每个构件的高度(HCE)将在约0.1mm至约1mm的范围内。
对电极组的构件的周长(PCE)也将根据能量存储设备及其预期使用而变化。然而，一般而言，对电极组的构件通常将具有在约0.025mm至约25mm范围内的周长(PCE)。例如，在一个实施例中，对电极组的每个构件的周长(PCE)将在约0.1mm至约15mm的范围内。作为另一个示例，在一个实施例中，对电极组的每个构件的周长(PCE)将在约0.5mm至约10mm的范围内。
通常，对电极组的每个构件具有基本上大于宽度(WCE)并且基本上大于其高度(HCE)的长度(LCE)。例如，在一个实施例中，对于对电极组的每个构件，LCE与WCE和HCE中的每一个的比率分别至少为5:1(即，分别地，LCE与WCE的比率至少为5:1，分别地，LCE与HCE的比率至少为5:1)。作为另一个示例，在一个实施例中，对于对电极组的每个构件，LCE与WCE和HCE中的每一个的比率至少为10:1。作为另一个示例，在一个实施例中，对于对电极组的每个构件，LCE与WCE和HCE中的每一个的比率至少为15:1。作为另一个示例，在一个实施例中，对于对电极组的每个构件，LCE与WCE和HCE中的每一个的比率至少为20:1。
另外，通常优选的是，对电极组的构件具有基本上大于其周长(PCE)的长度(LCE)；例如，在一个实施例中，对于对电极组的每个构件，LCE与PCE的比率分别至少为1.25:1。作为另一个示例，在一个实施例中，对于对电极组的每个构件，LCE与PCE的比率分别至少为2.5:1。作为另一个示例，在一个实施例中，对于对电极组的每个构件，LCE与PCE的比率分别至少为3.75:1。
在一个实施例中，对电极组的构件的高度(HCE)与宽度(WCE)的比率分别至少为0.4:1。例如，在一个实施例中，对于对电极组的每个构件，HCE与WCE的比率将分别至少为2:1。作为另一个示例，在一个实施例中，对于对电极组的每个构件，HCE与WCE的比率将分别至少为10:1。作为另一个示例，在一个实施例中，对于对电极组的每个构件，HCE与WCE的比率将分别至少为20:1。然而，通常，对于电极组的每个构件，HCE与WCE的比率通常将分别小于1000:1。例如，在一个实施例中，对于对电极组的每个构件，HCE与WCE的比率将分别小于500:1。作为另一个示例，在一个实施例中，HCE与WCE的比率将分别小于100:1。作为另一个示例，在一个实施例中，HCE与WCE的比率将分别小于10:1。作为另一个示例，在一个实施例中，对于对电极组的每个构件，HCE与WCE的比率将分别在约2:1至约100:1的范围内。
再次参考图12A，电绝缘隔膜层153围绕并电隔离电极结构组的每个构件151与对电极结构组的每个构件152。电绝缘隔膜层153通常将包括可被非水电解质渗透的微孔隔膜材料；例如，在一个实施例中，微孔隔膜材料包含具有至少50埃的直径的孔，更通常地，约2500埃的范围内的直径，孔隙率为约25％至约75％的范围内，更通常地，约35-55％的范围内。此外，微孔隔膜材料渗透有非水电解质以允许载体离子在电极和对电极组的相邻构件之间传导。在一个实施例中，例如，并且忽略微孔隔膜材料的孔隙率，在充电或放电期间用于离子交换，在电极结构组的构件151与对电极结构组的最近构件152(即，“相邻对”)之间的电绝缘隔膜材料层153的至少70vol％是微孔隔膜材料；换言之，微孔隔膜材料构成电极结构组的构件151与对电极结构组的最近构件152之间的电绝缘材料的至少70vol％。作为另一个示例，在一个实施例中，忽略微孔隔膜材料的孔隙率，微孔隔膜材料分别构成电极结构组和对电极结构组的构件151和构件152的相邻对之间的电绝缘隔膜材料层的至少75vol％。作为另一个示例，在一个实施例中，并且忽略微孔隔膜材料的孔隙率，微孔隔膜材料分别构成电极结构组和对电极结构组的构件151和构件152的相邻对之间的电绝缘隔膜材料层的至少80vol％。作为另一个示例，在一个实施例中，并且忽略微孔隔膜材料的孔隙率，微孔隔膜材料分别构成电极结构组和对电极结构组的构件151和构件152的相邻对之间的电绝缘隔膜材料层的至少85vol％。作为另一个示例，在一个实施例中，并且忽略微孔隔膜材料的孔隙率，微孔隔膜材料分别构成电极结构组和对电极结构组的构件151和构件152的相邻对之间的电绝缘隔膜材料层的至少90vol％。作为另一个示例，在一个实施例中，并且忽略微孔隔膜材料的孔隙率，微孔隔膜材料分别构成电极结构组和对电极结构组的构件151和构件152的相邻对之间的电绝缘隔膜材料层的至少95vol％。作为另一个示例，在一个实施例中，并且忽略微孔隔膜材料的孔隙率，微孔隔膜材料分别构成电极结构组和对电极结构组的构件151和构件152的相邻对之间的电绝缘隔膜材料层的至少99vol％。
在一个实施例中，微孔隔膜材料包括颗粒材料和粘合剂，并且具有至少约20vol％的孔隙率(空隙率)。微孔隔膜材料的孔将具有至少50埃的直径，并将通常落入约250至2500埃的范围内。微孔隔膜材料通常将具有小于约75％的孔隙率。在一个实施例中，微孔隔膜材料具有至少约25vol％的孔隙率(空隙率)。在一个实施例中，微孔隔膜材料将具有约35-55％的孔隙率。
用于微孔隔膜材料的粘合剂可以选自宽范围的无机或聚合物材料。例如，在一个实施例中，粘合剂是选自包括以下的组的无机材料：硅酸盐、磷酸盐、铝酸盐、硅铝酸盐以及氢氧化物(诸如氢氧化镁、氢氧化钙等)。例如，在一个实施例中，粘合剂是源自包含偏二氟乙烯、六氟丙烯、四氟丙烯等的单体的含氟聚合物。在另一个实施例中，粘合剂是聚烯烃，诸如聚乙烯、聚丙烯或聚丁烯，其具有任何范围的不同分子量和密度。在另一个实施例中，粘合剂选自包括以下的组：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，粘合剂选自包括以下的组：甲基纤维素、羧甲基纤维素、苯乙烯橡胶、丁二烯橡胶、苯乙烯-丁二烯橡胶、异戊二烯橡胶、聚丙烯酰胺、聚乙烯醚、聚丙烯酸、聚甲基丙烯酸和聚环氧乙烷。在另一个实施例中，粘合剂选自包括以下的组：丙烯酸酯、苯乙烯、环氧树脂和硅氧烷。在另一个实施例中，粘合剂是两种或多种前述聚合物的共聚物或共混物。
微孔隔膜材料所包含的颗粒材料也可以选自宽范围的材料。通常，这种材料在工作温度下具有相对较低的电子和离子电导率，并且在与微孔隔膜材料接触的电池电极或集流体的工作电压下不会腐蚀。例如，在一个实施例中，颗粒材料具有小于1×10-4S/cm的载体离子(例如，锂)的电导率。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的载体离子的电导率。作为另一个实施例，在一个实施例中，颗粒材料具有小于1×10-6S/cm的载体离子的电导率。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、热解法二氧化硅、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，例如参见P.Aroraand J.Zhang，"Battery Separators"Chemical Reviews 2004,104,4419-4462。在一个实施例中，颗粒材料将具有约20nm至2微米的平均粒径，更通常地，200nm至1.5微米。在一个实施例中，颗粒材料将具有约500nm至1微米的平均粒径。
在一个替代实施例中，微孔隔膜材料所包含的颗粒材料可以通过诸如烧结、粘合、固化等技术来结合，同时保持电解质进入所需的空隙率以为电池的功能提供离子导电性。
微孔隔膜材料可以被沉积，例如通过电泳沉积颗粒隔膜材料，其中颗粒通过表面能量(诸如静电吸引力或范德华力)被结合，浆料沉积(包括旋涂或喷涂)颗粒隔膜材料，丝网印刷，浸涂和静电喷涂沉积。粘合剂可以包括在沉积过程中；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，在溶解的粘合剂材料存在下进行电泳沉积，或与粘合剂和绝缘颗粒进行共同电泳沉积等。可选地或附加地，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，颗粒材料可以分散在有机粘合剂溶液中并浸涂或喷涂，然后干燥、熔融或交联粘合剂材料以提供粘合强度。
在组装的能量存储设备中，微孔隔膜材料渗透有适合用作二次电池电解质的非水电解质。通常，非水电解质包含溶于有机溶剂中的锂盐。示例性锂盐包括无机锂盐，诸如LiClO4、LiBF4、LiPF6、LiAsF6、LiCl以及LiBr；以及有机锂盐，诸如LiB(C6H5)4、LiN(SO2CF3)2、LiN(SO2CF3)3、LiNSO2CF3、LiNSO2CF5、LiNSO2C4F9、LiNSO2C5F11、LiNSO2C6F13以及LiNSO2C7F15。溶解锂盐的示例性有机溶剂包括环状酯、链状酯、环状醚和链状醚。环酯的具体示例包括碳酸丙烯酯、碳酸亚丁酯、γ-丁内酯、碳酸亚乙烯酯、2-甲基-γ-丁内酯、乙酰-γ-丁内酯和γ-戊内酯。链状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。环状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。链状醚的具体示例包括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。
再次参考图12A、12B和12C，分别与到纵向端表面162、164上的电极和对电极组的构件的投影重合(即，“投影表面区域”)的电极组件的纵向端表面的区域122、124，将承受约束130(参见图4)施加的显着压缩载荷。例如，在一个实施例中，与到纵向端表面上的电极和对电极组的构件的投影重合的电极组件的纵向端表面的区域将每个承受至少0.7kPa的压缩载荷(分别在第一和第二投影表面区域中的每一个的表面区域之上的平均)。作为另一个示例，在一个这样的实施例中，与到纵向端表面上的电极和对电极组的构件的投影重合的电极组件的纵向端表面的区域将每个承受至少1.75kPa的压缩载荷(分别在第一和第二投影表面区域中的每一个的表面区域之上的平均)。作为另一个示例，在一个这样的实施例中，与到纵向端表面上的电极和对电极组的构件的投影重合的电极组件的纵向端表面的区域将每个承受至少2.8kPa的压缩载荷(分别在第一和第二投影表面区域中的每一个的表面区域之上的平均)。作为另一个示例，在一个这样的实施例中，与到纵向端表面上的电极和对电极组的构件的投影重合的电极组件的纵向端表面的区域将每个承受至少3.5kPa的压缩载荷(分别在第一和第二投影表面区域中的每一个的表面区域之上的平均)。作为另一个示例，在一个这样的实施例中，与到纵向端表面上的电极和对电极组的构件的投影重合的电极组件的纵向端表面的区域将每个承受至少5.25kPa的压缩载荷(分别在第一和第二投影表面区域中的每一个的表面区域之上的平均)。作为另一个示例，在一个这样的实施例中，与到纵向端表面上的电极和对电极组的构件的投影重合的电极组件的纵向端表面的区域将每个承受至少7kPa的压缩载荷(分别在第一和第二投影表面区域中的每一个的表面区域之上的平均)。作为另一个示例，在一个这样的实施例中，与到纵向端表面上的电极和对电极组的构件的投影重合的电极组件的纵向端表面的区域将每个承受至少8.75kPa的压缩载荷(分别在第一和第二投影表面区域中的每一个的表面区域之上的平均)。然而，通常，与到纵向端表面上的电极和对电极组的构件的投影重合的电极组件的纵向端表面的区域将每个承受不大于约10kPa的压缩载荷(分别在第一和第二投影表面区域中的每一个的表面区域之上的平均)。在前述示例性实施例中的每一个中，当电池被充电到其额定容量的至少约80％时，本公开的二次电池的纵向端表面将经历这种压缩载荷。
在某些实施例中，基本上电极组件的整个纵向端表面将承受显着的压缩载荷(并且不一定仅仅是第一和第二投影表面区域)。例如，在一些实施例中，通常，电极组件的纵向端表面中的每一个将承受至少0.7kPa的压缩载荷(分别在纵向端表面中的每一个的总表面区域之上的平均)。例如，在一个实施例中，电极组件的纵向端表面中的每一个将承受至少1.75kPa的压缩载荷(分别在纵向端表面中的每一个的总表面区域之上的平均)。作为另一个示例，在一个这样的实施例中，电极组件的纵向端表面中的每一个将承受至少2.8kPa的压缩载荷(分别在纵向端表面中的每一个的总表面区域之上的平均)。作为另一个示例，在一个这样的实施例中，电极组件的纵向端表面中的每一个将承受至少3.5kPa的压缩载荷(分别在纵向端表面中的每一个的总表面区域之上的平均)。作为另一个示例，在一个这样的实施例中，电极组件的纵向端表面中的每一个将承受至少5.25kPa的压缩载荷(分别在纵向端表面中的每一个的总表面区域之上的平均)。作为另一个示例，在一个这样的实施例中，电极组件的纵向端表面中的每一个将承受至少7kPa的压缩载荷(分别在纵向端表面中的每一个的总面表区域之上的平均)。作为另一个示例，在一个这样的实施例中，电极组件的纵向端表面中的每一个将承受至少8.75kPa的压缩载荷(分别在纵向端表面中的每一个的总表面区域之上的平均)。然而，通常，电极组件的纵向端表面将承受不大于约10kPa的压缩载荷(分别在纵向端表面中的每一个的总表面区域之上的平均)。在前述示例性实施例中的每一个中，当电池被充电到其额定容量的至少约80％时，电极组件的纵向端表面将经历这种压缩载荷。
在一个实施例中，电极组件的第一和第二纵向端表面中的每一个承受至少100psi的压缩载荷。例如，在一个实施例中，第一和第二纵向端表面中的每一个承受至少200psi的压缩载荷。作为另一个示例，在一个实施例中，第一和第二纵向端表面中的每一个承受至少300psi的压缩载荷。作为另一个示例，在一个实施例中，第一和第二纵向端表面中的每一个承受至少400psi的压缩载荷。作为又一个示例，在一个实施例中，第一和第二纵向端表面中的每一个承受至少500psi的压缩载荷。作为另一个示例，在一个实施例中，第一和第二纵向端表面中的每一个承受至少600psi的压缩载荷。作为又一个示例，在一个实施例中，第一和第二纵向端表面中的每一个承受至少700psi的压缩载荷。作为又一个示例，在一个实施例中，第一和第二纵向端表面中的每一个承受至少800psi的压缩载荷。作为另一个示例，在一个实施例中，第一和第二纵向端表面中的每一个承受至少900psi的压缩载荷。在又一个示例中，第一和第二纵向端表面中的每一个承受至少1000psi的压缩载荷。
再次参考图4和5A、5B、5C和5D，并且根据本公开的一个方面，拉紧构件133、135优选地相对靠近侧表面，以抑制响应于施加到纵向端表面的压缩力的电极组件的屈曲。在图5A-5D所示的实施例中，例如，拉紧构件133、135分别接触侧面123、125。然而，在其它实施例中，拉紧构件与侧表面之间可能存在间隙。然而，通常，拉紧构件与电极组件的侧表面之间的距离小于电极组件的最小费雷特直径的50％，其中费雷特直径在与拉紧构件和电极组件的侧表面之间的距离相同的方向上测量。作为另一个示例，在一个这样的实施例中，拉紧构件与电极组件的侧表面之间的距离小于电极组件的最小费雷特直径的40％，其中费雷特直径在与拉紧构件和电极组件的侧表面之间的距离相同的方向上测量。作为另一个示例，在一个这样的实施例中，拉紧构件与电极组件的侧表面之间的距离小于电极组件的最小费雷特直径的30％，其中费雷特直径在与拉紧构件和电极组件的侧表面之间的距离相同的方向上测量。作为另一个示例，在一个这样的实施例中，拉紧构件与电极组件的侧表面之间的距离小于电极组件的最小费雷特直径的20％，其中费雷特直径在与拉紧构件和电极组件的侧表面之间的距离相同的方向上测量。作为另一个示例，在一个这样的实施例中，拉紧构件与电极组件的侧表面之间的距离小于电极组件的最小费雷特直径的10％，其中费雷特直径在与拉紧构件和电极组件的侧表面之间的距离相同的方向上测量。作为另一个示例，在一个这样的实施例中，拉紧构件与电极组件的侧表面之间的距离小于电极组件的最小费雷特直径的5％，其中费雷特直径在与拉紧构件和电极组件的侧表面之间的距离相同的方向上测量。
现在参考图7，可以看到本公开的二次电池的一个替代实施例的分解图，总体上以100指示。二次电池包括电池外壳102和电池外壳102内的电极组件120的集110，电极组件中的每一个具有第一纵向端表面122，相对的第二纵向端表面124(沿着平行于图7的假想笛卡尔坐标系“Y轴”的纵向轴(未示出)与第一纵向端表面122分开)，以及侧表面包括侧面123、125、126、127(参见图4)。与图4所示的实施例相比，在该实施例中，单独的约束130在集110的电极组件中的每一个的第一和第二纵向表面上施加压缩力。如前所述，集110内的电极组件中的每一个的相对的第一和第二纵向端表面的组合表面区域小于分别在该集内的电极组件中每一个的总表面区域的50％。约束130的拉紧构件倾向于将压缩构件朝彼此拉动，从而向集110内的每个电极组件的相对的第一和第二纵向端表面中的每一个施加压缩力，这反过来抑制纵向方向(其与如在此之前所述的每个电极组件的电极堆叠方向重合)上的集110内的每个电极组件的膨胀。另外，在电池形成之后，约束在纵向方向(即，电极堆叠方向)的集110内的每个电极组件上施加压力，该压力超过在彼此相互垂直且垂直于纵向方向的两个方向中的任一方向上的每个相应的电极组件上维持的压力。
现在参考图8、9、10A和10B，在一个替代实施例中，约束130由包含狭槽109、连接区域111和折叠区域113的薄片107形成。为了形成约束，薄片107被简单地缠绕在电极结构120周围(在图9中示出，而没有电极结构120)，沿着折叠区域113折叠，并且重叠的边缘115、117被彼此焊接、粘合或者以其它方式固定，以形成包括压缩构件132、134(压缩构件134其包括一旦彼此固定的重叠边缘115、177)和拉紧构件133、135的约束。在一个这样的实施例中，约束130在堆叠方向D上被拉伸以使连接区域111置于拉紧下，这反过来导致压缩力施加到纵向端表面122、124。在替代实施例中，替代拉伸连接区域111以使其置于拉紧，连接区域在电极组件之上安装之前被预拉紧。在另一替代实施例中，连接区域111在电极组件之上安装时不是最初处于拉紧，而是电池的形成导致电极组件膨胀并在连接拉紧构件中引起拉紧(即，自拉紧)。
现在参考图11A和图11B，在一个替代实施例中，约束130除了狭槽109和连接区域111之外还包括一个或多个蛇形拉紧构件121。蛇形拉紧构件121在那些实施例中提供第二拉紧力，其中该力在形成期间比在循环期间更大。在这样的实施例中，直构件在形成期间提供更大的阻力和屈服，而蛇形拉紧构件在循环期间施加较小的拉紧。如前所述，约束130可以通过以下来形成：在电极结构120周围缠绕薄片107，将其沿着折叠区域113折叠，并固定重叠的边缘115、117(图11A和图11B中示出，而没有电极结构20)。当薄片107缠绕在电极结构周围时，约束130在堆叠方向D上被拉伸以将连接区域111和蛇形拉紧构件121置于拉紧下，这反过来在堆叠方向D上的电极结构120上施加压缩力。
通常，具有高强度和刚度的约束可以抑制电池形成期间的电极组件的快速生长，而具有低得多的强度和刚度的约束允许由于在不同充电状态下遇到的锂化变化的电极组件体积的改变。另外，具有较低的刚度和较高的预载荷(或启动载荷)的约束通过维持阴极和阳极之间的最小力来帮助控制电池的阻抗。根据本公开的一个实施例来解决这些竞争性需求的一种方法是从两个部件构造约束。这些部件可以由以下中的任一制成(i)具有不同几何形状的相似材料或(ii)具有不同弹性模量和相同几何形状的材料，(iii)弹性模量和几何性质的某些组合以实现期望的刚度。在这两种情况下，第一部件(“元件1”)利用比第二部件(“元件2”)更高的刚度设计(材料或几何驱动)，并且弹性地以及然后塑性地变形，但是在载荷下不破裂，它在电池形成期间经历。元件2将优选仅弹性地变形。在这两种情况下，第一元件应当防止第二元件通过包封第二元件或者以其它方式支撑第二元件比它自身更多地位移。
在一个实施例中，约束包括位于电极组件的纵向表面和压缩构件之间的可弹性变形的材料。在该实施例中，可弹性变形的材料弹性地变形以适应电极的膨胀，并随着电极收缩弹性地恢复到其原始厚度和形状。结果，随着电极和/或对电极在二次电池的循环期间膨胀和收缩，可以在纵向方向上的电极组件上维持最小的力。
现在参考图16，在一个示例性实施例中，约束130包括第一和第二元件136、137。在该实施例中，压缩构件132分别包括第一和第二元件136、137的压缩区域132A、132B，其覆在纵向端表面122上面，以及压缩构件134分别包括第一和第二元件136、137的压缩区域134A和134B，其覆在纵向端表面124上面。另外，拉紧构件133分别包括第一和第二元件136、137的拉紧构件区域133A、133B，其覆在侧面123上面，以及拉紧构件135分别包括第一和第二元件136、137的拉紧构件区域135A和135B，其侧面125。在该示例性实施例中，第一元件136用于限制在电池形成或电池循环期间电极组件的最大生长，而元件137用于在放电状态期间的电极堆叠方向D的方向上的维持预载荷。在该示例性实施例中，元件136在形成之前没有预载荷(在电极组件上不施加力)。元件137被预载荷到电极组件上，以在第一和第二纵向端表面122、124上施加压缩力。随着电极组件膨胀(例如，在充电步骤期间，在载体离子结合时含硅阳极膨胀)，元件136上的力由于其较高的刚度而迅速增长，而较低的刚度元件137上的力由于其位移受到元件136的限制而缓慢上升。在一定的力之上，元件136将屈服或从弹性移动到塑性(永久)变形，而元件137保持在弹性范围内。随着力的不断上升，元件136的长度永久地增加。之后，当力减小到较小值时(例如，在放电步骤期间，在载体离子脱出时含硅阳极收缩)，元件136已经永久变形并且可能不再接触电极组件120，并且元件137可以返回到其初始预载荷水平附近。
现在参考图13，在一个替代实施例中，二次电池100包括电池外壳102和电池外壳102内的电极组件120的集。如前所述，电极组件中的每一个具有第一纵向端表面和沿着纵向轴分开的相对的第二纵向端表面，以及围绕纵向轴的侧表面(参见图4和12A)。另外，该集具有相关联的约束130，该约束130包括顶部约束构件130T和底部约束构件130B以抑制该集内的电极组件中的每一个的电极堆叠方向D上的膨胀。顶部约束构件130T和底部约束构件130B分别包括互锁接片(tab)132D、132C，其组合地构成压缩构件132。顶部约束构件130T和底部约束构件130B分别包括互锁接片，其组合地构成压缩构件134(未示出)。如在其它实施例中，压缩构件中的每一个向相对的第一和第二纵向端表面施加压缩力，并且拉紧构件包括如前所述的狭槽109和连接区域111。
现在参考图14，在一个替代实施例中，二次电池100包括电池外壳102、电池外壳102内的电极组件的集(未示出)、以及相关联的约束130以抑制在电极堆叠方向上的该集内的电极组件中的每一个的膨胀。约束130包括分别包封电极组件的集的分别第一和第二纵向半部的第一和第二壳体130R、130L。如在其它实施例中，包括元件132E和132F的第一压缩构件132覆在集内的电极组件的第一纵向端表面(未示出)上面，第二压缩构件(未示出)覆在集内的电极组件的第二纵向端表面(未示出)上面，以及覆在电极组件的侧表面上面的拉紧构件。如在其它实施例中，压缩构件中的每一个向相对的第一和第二纵向端表面施加压缩力，并且拉紧构件包括如前所述的狭槽109和连接区域111。
现在参考图15，在一个替代实施例中，二次电池100包括电池外壳102、电池外壳102内的电极组件120的集、以及相关联的约束130以抑制电极堆叠方向上的集内的电极组件中的每一个的膨胀。约束130包括环绕每个电极组件的一系列带(band)151以及插入在带151与集内的每个电极组件120的第一和第二纵向端表面(未示出)之间的帽153。在该实施例中，覆在纵向端表面上面的带的部分和帽构成本公开的压缩构件，并且覆在电极组件的侧表面上面的带的部分构成拉紧构件。如在其它实施例中，如前所述，压缩构件中的每一个向相对的第一和第二纵向端表面施加压缩力。
在下面编号为1-122的其它实施例中，本公开的方面包括：
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，二次电池包括电池外壳、电极组件和电池外壳内的非水液体电解质、以及约束，该约束随着二次电池在充电状态和放电状态之间循环维持电极组件上的压力，电极组件包括电极结构的组、对电极结构的组以及在电极和对电极组的构件之间的电绝缘微孔隔膜材料，其中
电极组件具有沿着纵向轴分开的相对的第一和第二纵向端表面，以及围绕纵向轴并连接第一和第二纵向端表面的侧表面，第一和第二纵向端表面的表面积小于电极组件的表面积的33％，
电极组的构件和对电极组的构件在电极组件内的平行纵向轴的堆叠方向上以交替顺序设置，
电极组和对电极组的构件在第一纵向表面上的投影包围第一投影区域，以及电极组和对电极组的构件在第二纵向表面上的投影包围第二投影区域，
约束包括分别覆在第一和第二投影区域上面的第一和第二压缩构件，压缩构件通过覆在电极组件的侧表面上面并且将压缩构件朝向彼此拉动的拉紧构件而连接，以及
约束维持在堆叠方向上的电极组件上的压力，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的电极组件上维持的压力。
实施例2：
根据实施例1的二次电池，其中，约束向第一和第二投影区域中的每一个施加至少0.7kPa的平均压缩力，分别在第一和第二投影区域的表面区域之上的平均。
实施例3：
根据实施例1的二次电池，其中，约束向第一和第二投影区域中的每一个施加至少1.75kPa的平均压缩力，分别在第一和第二投影区域的表面区域之上的平均。
实施例4：
根据实施例1的二次电池，其中，约束向第一和第二投影区域中的每一个施加至少2.8kPa的平均压缩力，分别在第一和第二投影区域的表面区域之上的平均。
实施例5：
根据实施例1的二次电池，其中，约束向第一和第二投影区域中的每一个施加至少3.5kPa的平均压缩力，分别在第一和第二投影区域的表面区域之上的平均。
实施例6：
根据实施例1的二次电池，其中，约束向第一和第二投影区域中的每一个施加至少5.25kPa的平均压缩力，分别在第一和第二投影区域的表面区域之上的平均。
实施例7：
根据实施例1的二次电池，其中，约束向第一和第二投影区域中的每一个施加至少7kPa的平均压缩力，分别在第一和第二投影区域的表面区域之上的平均。
实施例8：
根据实施例1的二次电池，其中，约束向第一和第二投影区域中的每一个施加至少8.75kPa的平均压缩力，分别在第一和第二投影区域的表面区域之上的平均。
实施例9：
根据实施例1的二次电池，其中，约束向第一和第二投影区域中的每一个施加至少10kPa的平均压缩力，分别在第一和第二投影区域的表面区域之上的平均。
实施例10：
根据前述实施例中任一项的二次电池，其中，第一和第二纵向端表面的表面积小于电极组件的表面积的25％。
实施例11：
根据前述实施例中任一项的二次电池，其中，第一和第二纵向端表面的表面积小于电极组件的表面积的20％。
实施例12：
根据前述实施例中任一项的二次电池，其中，第一和第二纵向端表面的表面积小于电极组件的表面积的15％。
实施例13：
根据前述实施例中任一项的二次电池，其中，第一和第二纵向端表面的表面积小于电极组件的表面积的10％。
实施例14：
根据前述实施例中任一项的二次电池，其中，约束和外壳具有小于由电池外壳包围的体积的60％的组合体积。
实施例15：
根据前述实施例中任一项的二次电池，其中，约束和外壳具有小于由电池外壳包围的体积的45％的组合体积。
实施例16：
根据前述实施例中任一项的二次电池，其中，约束和外壳具有小于由电池外壳包围的体积的30％的组合体积。
实施例17：
根据前述实施例中任一项的二次电池，其中，约束和外壳具有小于由电池外壳包围的体积的20％的组合体积。
实施例18：
根据前述实施例中任一项的二次电池，其中，电极组的每个构件具有底部、顶部、长度LE、宽度WE、高度HE以及从每个这样的构件的底部延伸到顶部并且通常横向于堆叠方向的方向上的中心纵向轴AE，电极组的每个构件的长度LE在其中心纵向轴AE的方向上测量，电极组的每个构件的宽度WE在堆叠方向上测量，以及电极组的每个构件的高度HE在垂直于每个这样的构件的中心纵向轴AE以及垂直于堆叠方向的方向上测量，LE与电极组的每个构件的WE和HE中的每一个的比率分别至少为5:1，电极组的每个构件的HE与WE的比率分别在0.4:1和1000:1之间。
实施例19：
根据前述实施例中任一项的二次电池，其中，微孔隔膜材料包括颗粒材料和粘合剂，具有至少20vol％的空隙率，并且被非水液体电解质渗透。
实施例20：
根据前述实施例中任一项的二次电池，其中，拉紧构件足够靠近侧表面以当二次电池在充电状态与放电状态之间循环时抑制电极组件的屈曲。
实施例21：
根据前述实施例中任一项的二次电池，其中，拉紧构件与侧面之间的距离小于电极组件的最小费雷特直径的50％，其中，费雷特直径在与拉紧构件和电极组件的侧表面之间的距离相同的方向上测量。
实施例22：
根据前述实施例中任一项的二次电池，其中，拉紧构件与侧面之间的距离小于电极组件的最小费雷特直径的40％，其中费雷特直径在与拉紧构件和电极组件的侧表面之间的距离相同的方向上测量。
实施例23：
根据前述实施例中任一项的二次电池，其中，拉紧构件与侧面之间的距离小于电极组件的最小费雷特直径的30％，其中费雷特直径在与拉紧构件和电极组件的侧表面之间的距离相同的方向上测量。
实施例24：
根据前述实施例中任一项的二次电池，其中，拉紧构件与侧面之间的距离小于电极组件的最小费雷特直径的20％，其中费雷特直径在与拉紧构件和电极组件的侧表面之间的距离相同的方向上测量。
实施例25：
根据前述实施例中任一项的二次电池，其中，拉紧构件与侧面之间的距离小于电极组件的最小费雷特直径的10％，其中费雷特直径在与拉紧构件和电极组件的侧表面之间的距离相同的方向上测量。
实施例26：
根据前述实施例中任一项的二次电池，其中，拉紧构件与侧面之间的距离小于电极组件的最小费雷特直径的5％，其中费雷特直径在与拉紧构件和电极组件的侧表面之间的距离相同的方向上测量。
实施例27：
根据前述实施例中任一项的二次电池，其中，第一和第二纵向端表面中的每一个承受至少100psi的压缩载荷。
实施例28：
根据前述实施例中任一项的二次电池，其中，第一和第二纵向端表面中的每一个承受至少200psi的压缩载荷。
实施例29：
根据前述实施例中任一项的二次电池，其中，第一和第二纵向端表面中的每一个承受至少300psi的压缩载荷。
实施例30：
根据前述实施例中任一项的二次电池，其中，第一和第二纵向端表面中的每一个承受至少400psi的压缩载荷。
实施例31：
根据前述实施例中任一项的二次电池，其中，第一和第二纵向端表面中的每一个承受至少500psi的压缩载荷。
实施例32：
根据前述实施例中任一项的二次电池，其中，第一和第二纵向端表面中的每一个承受至少600psi的压缩载荷。
实施例33：
根据前述实施例中任一项的二次电池，其中，第一和第二纵向端表面中的每一个承受至少700psi的压缩载荷。
实施例34：
根据前述实施例中任一项的二次电池，其中，其中，第一和第二纵向端表面中的每一个承受至少800psi的压缩载荷。
实施例35：
根据前述实施例中任一项的二次电池，其中，第一和第二纵向端表面中的每一个承受至少900psi的压缩载荷。
实施例36：
根据前述实施例中任一项的二次电池，其中，第一和第二纵向端表面中的每一个承受至少1000psi的压缩载荷。
实施例37：
根据前述实施例中任一项的二次电池，其中，二次电池具有额定容量，并且当二次电池被充电到其额定容量的至少80％时，第一和第二纵向端表面承受这种压缩载荷。
实施例38：
根据前述实施例中任一项的二次电池，其中，电极结构包括阳极活性电活性材料，并且对电极结构包括阴极活性电活性材料。
实施例39：
根据前述实施例中任一项的二次电池，其中，电极结构包括包含硅的阳极活性电活性材料，并且对电极结构包括阴极活性电活性材料。
实施例40：
根据前述实施例中任一项的二次电池，其中，二次电池包括电极组件的集，该集包括至少两个电极组件。
实施例41：
根据实施例1-39中任一项的二次电池，其中，二次电池包括至少两个电极组件的集，并且随着二次电池在充电状态和放电状态之间循环，约束维持集内的电极组件上的压力。
实施例42：
根据实施例1-39中任一项的二次电池，其中，二次电池包括至少两个电极组件的集，并且二次电池包括相应数量的约束，其中，并且随着二次电池在充电状态和放电状态之间循环，约束中的每一个维持集内的电极组件中的一个上的压力。
实施例43：
根据前述实施例中任一项的二次电池，其中，电极组件包括至少5个电极结构和至少5个对电极结构。
实施例44：
根据前述实施例中任一项的二次电池，其中，电极组件包括至少10个电极结构和至少10个对电极结构。
实施例45：
根据前述实施例中任一项的二次电池，其中，电极组件包括至少50个电极结构和至少50个对电极结构。
实施例46：
根据前述实施例中任一项的二次电池，其中，电极组件包括至少100个电极结构和至少100个对电极结构。
实施例47：
根据前述实施例中任一项的二次电池，其中，电极组件包括至少500个电极结构和至少500个对电极结构。
实施例48：
根据前述实施例中任一项的二次电池，其中，约束包括具有至少10000psi(>70MPa)的极限拉伸强度的材料。
实施例49：
根据前述实施例中任一项的二次电池，其中，约束包括与电池电解质相容的材料。
实施例50：
根据前述实施例中任一项的二次电池，其中，约束包括在电池的浮动或阳极电势下不会显着腐蚀的材料。
实施例51：
根据前述实施例中任一项的二次电池，其中，约束包括在45℃下不显着反应或失去机械强度的材料。
实施例52：
根据前述实施例中任一项的二次电池，其中，约束包括金属、金属合金、陶瓷、玻璃、塑料或其组合。
实施例53：
根据前述实施例中任一项的二次电池，其中，约束包括具有厚度在约10微米至约100微米范围内的材料的薄片。
实施例54：
根据前述实施例中任一项的二次电池，其中，约束包括具有厚度在约30微米至约75微米范围内的材料的薄片。
实施例55：
根据前述实施例中任一项的二次电池，其中，约束包括>50％组装密度的碳纤维。
实施例56：
根据前述实施例中任一项的二次电池，其中，压缩构件在第一和第二纵向端表面上施加压力，该压力超过相互垂直且垂直于堆叠方向的两个方向中的每一个方向上的电极组件上维持的压力的至少3倍。
实施例57：
根据前述实施例中任一项的二次电池，其中，压缩构件在第一和第二纵向端表面上施加压力，该压力超过相互垂直且垂直于堆叠方向的两个方向中的每一个方向上的电极组件上维持的压力的至少3倍。
实施例58：
根据前述实施例中任一项的二次电池，其中，压缩构件在第一和第二纵向端表面上施加压力，该压力超过相互垂直且垂直于堆叠方向的两个方向中的每一个方向上的电极组件上维持的压力的至少4倍。
实施例59：
根据前述实施例中任一项的二次电池，压缩构件在第一和第二纵向端表面上施加压力，该压力超过相互垂直且垂直于堆叠方向的两个方向中的每一个方向上的电极组件上维持的压力的至少5倍。
实施例60：
一种用于在充电状态和放电状态之间循环的能量存储设备，能量存储设备包括外壳、电极组件和外壳内的非水液体电解质、以及约束，该约束随着能量存储设备在充电状态和放电状态之间循环维持电极组件上的压力，电极组件包括电极结构的组、对电极结构的组以及在电极和对电极组的构件之间的电绝缘微孔隔膜材料，其中
电极组件具有沿着纵向轴分开的相对的第一和第二纵向端表面，以及围绕纵向轴并连接第一和第二纵向端表面的侧表面，第一和第二纵向端表面的组合表面积小于侧表面以及第一和第二纵向端表面的组合表面积的33％，
电极组的构件和对电极组的构件在电极组件内的平行纵向轴的堆叠方向上以交替顺序设置，
约束包括通过将压缩构件朝向彼此拉动的至少一个拉紧构件连接的第一和第二压缩构件，以及
约束维持在堆叠方向上的电极组件上的压力，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的电极组件上维持的压力。
实施例61：
根据实施例60的能量存储设备，其中，能量存储设备是二次电池。
实施例62：
根据实施例60的能量存储设备，其中，约束包括覆在电极组件的纵向端表面上面的第一和第二压缩构件。
实施例63：
根据前述实施例中任一项的能量存储设备，其中，约束包括在纵向端表面内部的至少一个压缩构件。
实施例64：
根据前述实施例中任一项的能量存储设备，其中，电极组和对电极组的构件在第一纵向表面上的投影包围第一投影区域，并且电极组和对电极组的构件在第二纵向表面上的投影包围第二投影区域，并且其中，第一和第二投影区域各自分别包括第一和第二纵向端表面的表面区域的至少50％。
实施例65：
根据前述实施例中任一项的能量存储设备，其中，电极组和对电极组的构件在第一纵向表面上的投影包围第一投影区域，并且电极组和对电极组的构件在第二纵向表面上的投影包围第二投影区域，并且其中，约束向第一和第二投影区域中的每一个施加至少0.7kPa的平均压缩力，分别在第一和第二投影区域的表面区域之上的平均。
实施例66：
根据前述实施例中任一项的能量存储设备，其中，约束向第一和第二投影区域中的每一个施加至少1.75kPa的平均压缩力，分别在第一和第二投影区域的表面区域之上的平均。
实施例67：
根据前述实施例中任一项的能量存储设备，其中，约束向第一和第二投影区域中的每一个施加至少2.8kPa的平均压缩力，分别在第一和第二投影区域的表面区域之上的平均。
实施例68：
根据前述实施例中任一项的能量存储设备，其中，约束向第一和第二投影区域中的每一个施加至少3.5kPa的平均压缩力，分别在第一和第二投影区域的表面区域之上的平均。
实施例69：
根据前述实施例中任一项的能量存储设备，其中，约束向第一和第二投影区域中的每一个施加至少5.25kPa的平均压缩力，分别在第一和第二投影区域的表面区域之上的平均。
实施例70：
根据前述实施例中任一项的能量存储设备，其中，约束向第一和第二投影区域中的每一个施加至少7kPa的平均压缩力，分别在第一和第二投影区域的表面区域之上的平均。
实施例71：
根据前述实施例中任一项的能量存储设备，其中，约束向第一和第二投影区域中的每一个施加至少8.75kPa的平均压缩力，分别在第一和第二投影区域的表面区域之上的平均。
实施例72：
根据前述实施例中任一项的能量存储设备，其中，约束向第一和第二投影区域中的每一个施加至少10kPa的平均压缩力，分别在第一和第二投影区域的表面区域之上的平均。
实施例73：
根据前述实施例中任一项的能量存储设备，其中，第一和第二纵向端表面的组合表面积小于电极组件的表面积的25％。
实施例74：
根据前述实施例中任一项的能量存储设备，其中，第一和第二纵向端表面的组合表面积小于电极组件的表面积的20％。
实施例75：
根据前述实施例中任一项的能量存储设备，其中，第一和第二纵向端表面的组合表面积小于电极组件的表面积的15％。
实施例76：
根据前述实施例中任一项的能量存储设备，其中，第一和第二纵向端表面的组合表面积小于电极组件的表面积的10％。
实施例77：
根据前述实施例中任一项的能量存储设备，其中，约束和外壳具有小于由外壳包围的体积的60％的组合体积。
实施例78：
根据前述实施例中任一项的能量存储设备，其中，约束和外壳具有小于由外壳包围的体积的45％的组合体积。
实施例79：
根据前述实施例中任一项的能量存储设备，其中，约束和外壳具有小于由外壳包围的体积的30％的组合体积。
实施例80：
根据前述实施例中任一项的能量存储设备，其中，约束和外壳具有小于由外壳包围的体积的20％的组合体积。
实施例81：
根据前述实施例中任一项的能量存储设备，其中，电极组的每个构件具有底部、顶部、长度LE、宽度WE、高度HE以及从每个这样的构件的底部延伸到顶部并且通常横向于堆叠方向的方向上的中心纵向轴AE，电极组的每个构件的长度LE在其中心纵向轴AE的方向上测量，电极组的每个构件的宽度WE在堆叠方向上测量，以及电极组的每个构件的高度HE在垂直于每个这样的构件的中心纵向轴AE以及垂直于堆叠方向的方向上测量，LE与电极组的每个构件的WE和HE中的每一个的比率分别至少为5:1，电极组的每个构件的HE与WE的比率分别在0.4:1和1000:1之间。
实施例82：
根据前述实施例中任一项的能量存储设备，其中，微孔隔膜材料包括颗粒材料和粘合剂，具有至少20vol％的空隙率，并且被非水液体电解质渗透。
实施例83：
根据前述实施例中任一项的能量存储设备，其中，拉紧构件足够靠近侧表面以当能量存储设备在充电状态与放电状态之间循环时抑制电极组件的屈曲。
实施例84：
根据前述实施例中任一项的能量存储设备，其中，拉紧构件与侧面之间的距离小于电极组件的最小费雷特直径的50％。
实施例85：
根据前述实施例中任一项的能量存储设备，其中，拉紧构件与侧面之间的距离小于电极组件的最小费雷特直径的40％。
实施例86：
根据前述实施例中任一项的能量存储设备，其中，拉紧构件与侧面之间的距离小于电极组件的最小费雷特直径的30％。
实施例87：
根据前述实施例中任一项的能量存储设备，其中，拉紧构件与侧面之间的距离小于电极组件的最小费雷特直径的20％。
实施例88：
根据前述实施例中任一项的能量存储设备，其中，拉紧构件与侧面之间的距离小于电极组件的最小费雷特直径的10％。
实施例89：
根据前述实施例中任一项的能量存储设备，其中，拉紧构件与侧面之间的距离小于电极组件的最小费雷特直径的5％。
实施例90：
根据前述实施例中任一项的能量存储设备，其中，第一和第二纵向端表面中的每一个承受至少100psi的压缩载荷。
实施例91：
根据前述实施例中任一项的能量存储设备，其中，第一和第二纵向端表面中的每一个承受至少200psi的压缩载荷。
实施例92：
根据前述实施例中任一项的能量存储设备，其中，第一和第二纵向端表面中的每一个承受至少300psi的压缩载荷。
实施例93：
根据前述实施例中任一项的能量存储设备，其中，第一和第二纵向端表面中的每一个承受至少400psi的压缩载荷。
实施例94：
根据前述实施例中任一项的能量存储设备，其中，第一和第二纵向端表面中的每一个承受至少500psi的压缩载荷。
实施例95：
根据前述实施例中任一项的能量存储设备，其中，第一和第二纵向端表面中的每一个承受至少600psi的压缩载荷。
实施例96：
根据前述实施例中任一项的能量存储设备，其中，第一和第二纵向端表面中的每一个承受至少700psi的压缩载荷。
实施例97：
根据前述实施例中任一项的能量存储设备，其中，第一和第二纵向端表面中的每一个承受至少800psi的压缩载荷。
实施例98：
根据前述实施例中任一项的能量存储设备，其中，第一和第二纵向端表面中的每一个承受至少900psi的压缩载荷。
实施例99：
根据前述实施例中任一项的能量存储设备，其中，第一和第二纵向端表面中的每一个承受至少1000psi的压缩载荷。
实施例100：
根据前述实施例中任一项的能量存储设备，其中，能量存储设备具有额定容量，并且当能量存储设备被充电到其额定容量的至少80％时，第一和第二纵向端表面承受这种压缩载荷。
实施例101：
根据前述实施例中任一项的能量存储设备，其中，电极结构包括阳极活性电活性材料，并且对电极结构包括阴极活性电活性材料。
实施例102：
根据前述实施例中任一项的能量存储设备，其中，电极结构包括包含硅的阳极活性电活性材料，并且对电极结构包括阴极活性电活性材料。
实施例103：
根据前述实施例中任一项的能量存储设备，其中，能量存储设备包括电极组件的集，该组包括至少两个电极组件。
实施例104：
根据实施例60-103中任一项的能量存储设备，其中，能量存储设备包括至少两个电极组件的集，并且随着能量存储设备在充电状态和放电状态之间循环，约束维持集内的电极组件上的压力。
实施例105：
根据实施例1-60-103中任一项的能量存储设备，其中，能量存储设备包括至少两个电极组件的集，并且能量存储设备包括相应数量的约束，其中，并且随着能量存储设备在充电状态和放电状态之间循环，约束中的每一个维持集内的电极组件中的一个上的压力。
实施例106：
根据前述实施例中任一项的能量存储设备，其中，电极组件包括至少5个电极结构和至少5个对电极结构。
实施例107：
根据前述实施例中任一项的能量存储设备，其中，电极组件包括至少10个电极结构和至少10个对电极结构。
实施例108：
根据前述实施例中任一项的能量存储设备，其中，电极组件包括至少50个电极结构和至少50个对电极结构。
实施例109：
根据前述实施例中任一项的能量存储设备，其中，电极组件包括至少100个电极结构和至少100个对电极结构。
实施例110：
根据前述实施例中任一项的能量存储设备，其中，电极组件包括至少500个电极结构和至少500个对电极结构。
实施例111：
根据前述实施例中任一项的能量存储设备，其中，约束包括具有至少10000psi(>70MPa)的极限拉伸强度的材料。
实施例112：
根据前述实施例中任一项的能量存储设备，其中，约束包括与电解质相容的材料。
实施例113：
根据前述实施例中任一项的能量存储设备，其中，约束包括在能量存储设备的浮动或阳极电势下不会显着腐蚀的材料。
实施例114：
根据前述实施例中任一项的能量存储设备，其中，约束包括在45℃下不显着反应或失去机械强度的材料。
实施例115：
根据前述实施例中任一项的能量存储设备，其中，约束包括金属、金属合金、陶瓷、玻璃、塑料或其组合。
实施例116：
根据前述实施例中任一项的能量存储设备，其中，约束包括具有厚度在约10微米至约100微米范围内的材料的薄片。
实施例117：
根据前述实施例中任一项的能量存储设备，其中，约束包括具有厚度在约30微米至约75微米范围内的材料的薄片。
实施例118：
根据前述实施例中任一项的能量存储设备，其中，约束包括>50％组装密度的碳纤维。
实施例119：
根据前述实施例中任一项的能量存储设备，其中，压缩构件在第一和第二纵向端表面上施加压力，该压力超过相互垂直且垂直于堆叠方向的两个方向中的每一个方向上的电极组件上维持的压力的至少3倍。
实施例120：
根据前述实施例中任一项的能量存储设备，其中，压缩构件在第一和第二纵向端表面上施加压力，该压力超过相互垂直且垂直于堆叠方向的两个方向中的每一个方向上的电极组件上维持的压力的至少3倍。
实施例121：
根据前述实施例中任一项的能量存储设备，其中，压缩构件在第一和第二纵向端表面上施加压力，该压力超过相互垂直且垂直于堆叠方向的两个方向中的每一个方向上的电极组件上维持的压力的至少4倍。
实施例122：
根据前述实施例中任一项的能量存储设备，压缩构件在第一和第二纵向端表面上施加压力，该压力超过相互垂直且垂直于堆叠方向的两个方向中的每一个方向上的电极组件上维持的压力的至少5倍。
在不脱离本公开的范围的情况下，可以在以上文章、组合和方法中作出各种改变，意图是包含在以上描述中并且在附图中示出的全部内容应当被解释为说明性的而不是限制意义。
诸如顶部、底部、左、右等的全部方向描述符仅用于相对于附图的容易参考，而不意味着限制。

Claims (10)

1.一种用于在充电状态和放电状态之间循环的能量存储设备，所述能量存储设备包括外壳、电极组件和所述外壳内的非水液体电解质、以及约束，所述约束随着所述能量存储设备在所述充电状态和所述放电状态之间循环维持所述电极组件上的压力，所述电极组件包括电极结构的组、对电极结构的组以及在电极和对电极组的构件之间的电绝缘微孔隔膜材料，其中
所述电极组件具有沿纵向轴分开的相对的第一纵向端表面和第二纵向端表面，以及围绕所述纵向轴并连接所述第一纵向端表面和所述第二纵向端表面的侧表面，所述第一纵向端表面和所述第二纵向端表面的组合表面积小于所述侧表面以及所述第一纵向端表面和所述第二纵向端表面的组合表面积的33％，
所述电极组的构件和所述对电极组的构件在所述电极组件内的平行所述纵向轴的堆叠方向上以交替顺序设置，
所述约束包括通过将压缩构件朝向彼此拉动的至少一个拉紧构件而连接的第一压缩构件和第二压缩构件，以及
所述约束维持在所述堆叠方向上的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的所述电极组件上维持的压力。
2.根据权利要求1所述的能量存储设备，其中，所述能量存储设备是二次电池。
3.根据权利要求1所述的能量存储设备，其中，所述约束包括覆在所述电极组件的纵向端表面上面的第一压缩构件和第二压缩构件。
4.根据前述权利要求中任一项所述的能量存储设备，其中，所述约束包括在所述纵向端表面内部的至少一个压缩构件。
5.根据前述权利要求中任一项所述的能量存储设备，其中，所述电极组和所述对电极组的所述构件在所述第一纵向表面上的投影包围第一投影区域，并且所述电极组和所述对电极组的所述构件在所述第二纵向表面上的投影包围第二投影区域，并且其中，所述第一投影区域和所述第二投影区域各自分别包括所述第一纵向端表面和所述第二纵向端表面的表面区域的至少50％。
6.根据前述权利要求中任一项所述的能量存储设备，其中，所述电极组和所述对电极组的所述构件在所述第一纵向表面上的投影包围第一投影区域，并且所述电极组和所述对电极组的所述构件在所述第二纵向表面上的投影包围第二投影区域，并且其中，所述约束向所述第一投影区域和所述第二投影区域中的每一个投影区域施加至少0.7kPa的平均压缩力，分别在所述第一投影区域和所述第二投影区域的表面区域之上的平均。
7.根据前述权利要求中任一项所述的能量存储设备，其中，所述约束向所述第一投影区域和所述第二投影区域中的每一个投影区域施加至少1.75kPa的平均压缩力，分别在所述第一投影区域和所述第二投影区域的表面区域之上的平均。
8.根据前述权利要求中任一项所述的能量存储设备，其中，所述约束向所述第一投影区域和所述第二投影区域中的每一个投影区域施加至少2.8kPa的平均压缩力，分别在所述第一投影区域和所述第二投影区域的表面区域之上的平均。
9.根据前述权利要求中任一项所述的能量存储设备，其中，所述约束向所述第一投影区域和所述第二投影区域中的每一个投影区域施加至少3.5kPa的平均压缩力，分别在所述第一投影区域和所述第二投影区域的表面区域之上的平均。
10.根据前述权利要求中任一项所述的能量存储设备，其中，所述约束向所述第一投影区域和所述第二投影区域中的每一个投影区域施加至少5.25kPa的平均压缩力，分别在所述第一投影区域和所述第二投影区域的表面区域之上的平均。
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