CN115513533A - 三维电池的尺寸约束 - Google Patents

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CN115513533A CN202211106221.8A CN202211106221A CN115513533A CN 115513533 A CN115513533 A CN 115513533A CN 202211106221 A CN202211106221 A CN 202211106221A CN 115513533 A CN115513533 A CN 115513533A
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Abstract

本公开涉及三维电池的尺寸约束。提供在充电状态与放电状态间循环的二次电池，其包括电池外壳、电池外壳内的电极组件、载体离子、非水液体电解质和一组电极约束件。该组电极约束件包括初级约束系统，该系统具有第一和第二初级生长约束件和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，其中初级约束阵列约束电极组件在纵向方向上的生长，使得在二次电池的20个连续循环期间电极组件在纵向方向上的费雷特直径的任何增加小于20％。该组电极约束件还包括二级约束系统，二级约束系统具有通过至少一个二级连接构件连接的第一和第二二级生长约束件，二级约束系统在二次电池循环期间至少部分地约束电极组件在第二方向上的生长。

Description

三维电池的尺寸约束
本申请是申请日为2017年5月12日、PCT国际申请号为PCT/US2017/032355、中国国家阶段申请号为201780043543.3、发明名称为“三维电池的尺寸约束”的申请的分案申请。
相关申请的交叉引用
本申请是PCT申请，要求2016年5月13日提交的美国专利申请No.62/335,912的优先权益，并要求2016年11月16日提交的美国专利申请No.62/422,958的优先权益，这两个专利申请的全部内容通过引用并入本文。
技术领域
本公开一般地涉及在能量存储装置中使用的结构，涉及采用这种结构的能量存储装置、以及用于制造这种结构和能量装置的方法。
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电极和负电极之间移动。二次电池可包括单个电池单体(cell)，或者包括已被电耦合而形成电池的两个或更多个电池单体，每个电池单体包括正电极、负电极、微孔隔膜(separator)和电解质。
在摇椅式电池单体中，正电极和负电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，载体离子从负电极中抽出并插入到正电极中。当电池充电时，发生相反的过程：载体离子被从正电极中抽出并插入到负电极中。
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。
因此，仍然存在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的需求。
发明内容
因此，简言之，本公开的一方面涉及用于减轻或防止电极的宏观膨胀的约束结构的实现，从而提高电池的能量密度、可靠性和循环寿命。
根据一方面，提供了一种在充电状态与放电状态之间循环的二次电池，所述二次电池具有电池外壳、位于所述电池外壳内的电极组件、载体离子、非水液体电解质、以及一组电极约束件。所述电极组件具有相互垂直的纵向轴、横向轴和垂直轴、在纵向方向上彼此分离的第一纵向端面和第二纵向端面、以及围绕电极组件纵向轴AEA并连接所述第一纵向端面和所述第二纵向端面的横向表面，所述横向表面具有位于所述纵向轴的相反两侧上并在与所述纵向轴正交的第一方向上分离的相反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，LEA和WEA中的每一者与HEA的比率分别为至少2:1。所述电极组件具有电极结构群(population)、反电极结构群、以及电隔离所述电极群和所述反电极群的构件(member)的电绝缘微孔隔膜材料，所述电极结构群和所述反电极结构群的构件在所述纵向方向上以交替的顺序排列。所述电极结构群的每个构件具有电极活性材料层，并且所述反电极结构群的每个构件包括反电极活性材料层，其中所述电极活性材料具有在所述二次电池从放电状态被充电至充电状态时，每摩尔电极活性材料接受超过一摩尔载体离子的容量。所述一组电极约束件包括初级约束系统，所述初级约束系统包括第一和第二初级生长约束件和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，其中所述初级约束系统约束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(Feret diameter)的任何增加小于20％。所述一组电极约束件进一步包括二级约束系统，所述二级约束系统包括在第二方向上分离并通过至少一个二级连接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在所述二次电池的循环时至少部分地约束所述电极组件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。所述充电状态是所述二次电池的额定容量的至少75％，所述放电状态小于所述二次电池的所述额定容量的25％。
根据另一方面，提供了一种在充电状态与放电状态之间循环的二次电池，所述二次电池具有电池外壳、位于所述电池外壳内的电极组件、载体离子、非水液体电解质、以及一组电极约束件。所述电极组件具有相互垂直的纵向轴、横向轴和垂直轴、在纵向方向上彼此分离的第一纵向端面和第二纵向端面、以及围绕电极组件纵向轴AEA并连接所述第一纵向端面和所述第二纵向端面的横向表面，所述横向表面具有位于所述纵向轴的相反两侧上且在与所述纵向轴正交的第一方向上分离的相反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，LEA和WEA中的每一者与HEA的比率分别为至少2:1。所述电极组件进一步包括电极结构群、反电极结构群、以及电隔离所述电极群和反电极群的构件的电绝缘微孔隔膜材料，所述电极结构群和所述反电极结构群的构件在所述纵向方向上以交替的顺序排列。所述电极结构群的每个构件具有一电极活性材料层，并且所述反电极结构群的每个构件包括一反电极活性材料层，其中所述电极活性材料具有在所述二次电池从放电状态充电至充电状态时，每摩尔电极活性材料接受超过一摩尔载体离子的容量。所述一组电极约束件包括初级约束系统，所述初级约束系统包括第一和第二初级生长约束件和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，其中所述初级约束阵列约束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％。所述充电状态是所述二次电池的额定容量的至少75％，所述放电状态小于所述二次电池的所述额定容量的25％。
本公开的其它方面、特征和实施例将在以下描述和附图中部分地进行讨论和部分地显而易见。
附图说明
图1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1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1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1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1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6C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又一实施例。
图6D示出了多孔二级生长约束件和电极组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再一实施例。
图7示出了沿图1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，其中示出了由一组电极约束件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1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，其中反电极主干(backbone)用于组装该组电极约束件。
图9B示出了沿图1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，其中包括初级生长约束系统的另一实施例和二级生长约束系统的另一实施例，其中反电极集电体用于组装该组电极约束件。
图9C示出了沿图1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，其中包括初级生长约束系统的又一实施例和二级生长约束系统的又一实施例，其中反电极集电体用于组装该组电极约束件。
图10示出了沿图1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，其中包括初级生长约束系统的再一实施例和二级生长约束系统的再一实施例，其中反电极集电体用于组装该组电极约束件。
图11A示出了沿图1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，其中反电极主干用于通过凹口(notch)组装该组电极约束件。
图11B示出了沿图1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，其中包括初级生长约束系统的另一实施例和二级生长约束系统的另一实施例，其中反电极主干用于通过凹口组装该组电极约束件。
图11C示出了沿图1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，其中包括初级生长约束系统的又一实施例和二级生长约束系统的又一实施例，其中反电极主干用于通过凹口组装该组电极约束件。
图12A示出了沿图1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，其中反电极集电体用于通过凹口组装该组电极约束件。
图12B示出了沿图1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，其中包括初级生长约束系统的另一实施例和二级生长约束系统的另一实施例，其中反电极集电体用于通过凹口组装该组电极约束件。
图12C示出了沿图1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，其中包括初级生长约束系统的又一实施例和二级生长约束系统的又一实施例，其中反电极集电体用于通过凹口组装该组电极约束件。
图13A示出了沿图1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，其中反电极主干用于通过狭槽(slot)组装该组电极约束件。
图13B示出了沿图1所示的线A-A′截取的电极组件的实施例的来自图13A的插图横截面，进一步包括一组电极约束件，其中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，其中反电极主干用于通过狭槽组装该组电极约束件。
图13C示出了沿图1所示的线A-A′截取的电极组件的实施例的来自图13A的插图横截面，进一步包括一组电极约束件，其中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，其中反电极主干用于通过狭槽组装该组电极约束件。
图14示出了沿图1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，其中反电极集电体用于通过狭槽组装该组电极约束件。
图15A示出了沿图1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组电极约束件。
图15B示出了沿图1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，其中电极集电体用于组装该组电极约束件。
图16A示出了沿图1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，其中电极集电体用于通过凹口组装该组电极约束件。
图16B示出了沿图1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，其中包括初级生长约束系统的另一实施例和二级生长约束系统的另一实施例，其中电极集电体用于通过凹口组装该组电极约束件。
图16C示出了沿图1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，其中包括初级生长约束系统的又一实施例和二级生长约束系统的又一实施例，其中电极集电体用于通过凹口组装该组电极约束件。
图17示出了沿图1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，其中电极集电体用于通过狭槽组装该组电极约束件。
图18A示出了沿图1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，其中初级生长约束系统与二级生长约束系统混合并用于组装该组电极约束件。
图18B示出了沿图1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，其中包括初级生长约束系统的另一实施例和二级生长约束系统的另一实施例，其中初级生长约束系统与二级生长约束系统混合并用于组装该组电极约束件。
图19示出了沿图1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，其中初级生长约束系统与二级生长约束系统融合(fuse)并用于组装该组电极约束件。
图20示出了利用一组生长约束件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21示出了利用一组生长约束件的一个实施例的能量存储装置或二次电池的总体组装的流程图的实施例。
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“一电极”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。
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，在该理论电流消耗下电池将在一小时内传送其标称额定容量。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。
本文中针对电极组件提及的“费雷特直径”被定义为限制电极组件的两个平行平面之间的距离，该距离是在垂直于这两个平面的方向上测得的。例如，电极组件在纵向方向上的费雷特直径是在纵向方向上测量的限制电极组件的两个平行平面之间的距离，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在横向方向上测量的限制电极组件的两个平行平面之间的距离，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在垂直方向上测量的限制电极组件的两个平行平面之间的距离，这两个平行平面垂直于该垂直方向。
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度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。借助进一步的实例，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传送指定电流的容量，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。
一般而言，本公开涉及在充电状态与放电状态之间循环的能量存储装置100，诸如在例如图2A和/或图20中示出的二次电池102。二次电池102包括电池外壳104、位于电池外壳内的电极组件106、载体离子和非水液体电解质。二次电池102还包括一组电极约束件108，其约束电极组件106的生长。受约束的电极组件106的生长可以是电极组件106的一个或多个维度的宏观增加。
此外，一般而言，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)在电池中的正电极和负电极之间移动。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。因此，电极在充电和放电时的反复膨胀和收缩会导致在电极组件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的群和反电极结构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和反电极结构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反电极结构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和反电极结构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，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，例如组件中的反电极结构112和隔膜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1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162一起工作，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面116、118，并且可以与连接构件162、164一起工作，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151一起工作以抑制电极组件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工作，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，其量足以产生电子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摩尔或更多的载体离子，每摩尔电极活性材料甚至接受2.5或更多的载体离子，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、铝、锡、锌、银、锑、铋、金、铂、锗、钯中的一者或多者及其合金。
电极组件
再次参考图2A，在一个实施例中，交错电极组件106包括电极结构110的群、反电极结构112的群、以及使得电极结构110与反电极结构112电绝缘的电绝缘微孔隔膜130。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、以及电极集电体136，电极集电体可以是离子多孔集电体以允许离子通过，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、阳极主干和阳极集电体的阳极结构。类似地，在一个实施例中，反电极结构112包括反电极活性材料层138、反电极集电体140、以及支撑反电极集电体140和/或反电极活性材料层138中的一者或多者的反电极主干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，反电极结构112可包括阴极结构，该阴极结构包括阴极活性材料层、阴极集电体和阴极主干。电绝缘微孔隔膜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和反电极结构112之间行进。此外，应该理解，电极和反电极结构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和反电极结构112。例如，电极和反电极结构110、112可以以这样的形式提供：其中，电极和反电极结构基本上没有任何电极和/或反电极主干134、141，例如在其中否则将包含主干的电极和/或反电极结构110、112的区域替代地由电极活性材料和/或反电极活性材料制成的情况下。
根据图2A所示的实施例，电极和反电极结构的群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反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。
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的纵向端面116、118的相对点测量的电极组件106的最大宽度，在纵向端面116、118处，电极组件在纵向方向上最宽。例如，参考图2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2A所示的实施例中，电极组件106具有第一纵向端面116和相对的第二纵向端面118，第二纵向端面118沿纵向轴AEA与第一纵向端面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从第一纵向端面116到第二纵向端面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的相对的第一区域和第二区域144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和四个反电极结构112。例如，电极和反电极结构群110和112的构件的交替的序列可以分别包括每个群的任意数量的构件，具体取决于能量存储装置100及其预期用途，并且电极和反电极结构群110和112的构件的交替的序列可以交错，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反电极结构群112的两个构件之间，除了当交替序列沿着堆叠方向D终止时。作为另一示例，在一个实施例中，反电极结构群112的每个构件可以位于电极结构群110的两个构件之间，除了当交替序列沿着堆叠方向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和反电极结构群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反电极结构构件112之间，N-1个反电极结构构件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/或反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迹(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/或反电极结构的表面积与其在假想背板中的几何足迹的比率可以是至少约5，至少约10，至少约50，至少约100，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，反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，电极群的构件和反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中电极和反电极结构110、112的交替序列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，或者反电极结构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，电极结构110和反电极结构112的交替序列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，反电极结构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/或反电极结构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和反电极结构112的交替序列可终止于电极结构110和反电极结构112的一个或多个子结构，其中所述子结构包括电极主干134、反电极主干141、电极集电体136、反电极集电体140、电极活性材料层132、反电极活性材料层138等，并且还可以通过以下方式终止：即，诸如隔膜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的纵向端部117、119可包括第一和第二纵向端面116、118，纵向端面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2A)，第一和第二横向端部145、147可以与一个或多个电极和/或反电极接头片(tab)190、192(请参见例如图20)接触，这些接头片可用于将电极和/或反电极结构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可包括反电极总线196，每个反电极结构112可以连接到反电极总线196，并且该反电极总线196汇集来自反电极结构群112的每个构件的电流。电极和/或反电极总线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/或反电极接头片192包括电极接头片延伸部191、193，这些延伸部与电极和/或反电极总线194、196电连接并基本上在电极和/或反电极总线194、196的整个长度上延伸。或者，电极和/或反电极接头片190、192可以沿总线194、196的长度直接连接到电极和/或反电极总线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/或反电极总线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/或反电极结构112设置有隔膜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。可以由隔膜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面116、118。例如，在一个实施例中，相对的纵向端面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面116、118，当被投影到平面上时，所述纵向端面116、118具有任何范围的二维形状。例如，纵向端面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面116、118和为平行四边形的横向表面142(即，在相对的纵向端面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面116和118，并且横向表面142包括四个平行四边形的(例如，矩形)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面116、118、以及包括连接纵向端面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面116、118、以及包括连接两个纵向端面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面116、118、以及包括连接两个纵向端面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面116、118、以及包括连接两个纵向端面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面116、118、以及包括连接两个纵向端面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面116、118、以及包括连接两个纵向端面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面116、118、以及包括连接两个纵向端面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，借助于电极和反电极结构110、112，电极组件106在纵向上具有金字塔形状，电极和反电极结构的长度在纵向轴上从电极组件106的第一长度朝着电极组件106的中部减小到电极组件106的纵向端部117、119处的第二长度。
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1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和反电极结构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隔膜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1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1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，它们协同工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发生的增长，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可以一起工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1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1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，所述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1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被配置为协同工作，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的一部分的反电极结构112的二次电池102重复循环时通过在堆叠方向D上施加超过由反电极结构112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。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，其在具有电极或反电极结构110、112的二次电池102的重复循环时通过在与堆叠方向D正交的第二方向上(例如，沿垂直轴(Z轴))施加超过由电极或反电极结构110、112分别在第二方向上产生的压力的压力来约束电极结构110和反电极结构112中的至少一者在第二方向上的生长。
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(by afactor of at least 3)。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面116、118以及在端面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垂直的平面中。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，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面116、118和连接端面的横向表面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的膨胀而施加到二次生长约束件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增长的刚度。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开的距离(例如，在纵向端部)比它们在初级约束件位于X-Z平面中的情况下分开的距离远得多，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，电极群和反电极群的构件在第一和第二纵向端面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的纵向端面116、118将处于不大于约10kPa的压缩负荷下(例如，对纵向端面中的每一者的总表面积求平均)。与电极群和反电极群的构件在纵向端面上的投影(即，投影的表面区域)重合的电极组件的纵向端面的区域也可以在上述压缩负荷下(对纵向端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1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反电极结构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，该约束压力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之间的纵向方向上。
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的表面区域的至少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生长的协同约束件。
图6A至6D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6D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/或反电极结构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和反电极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或反电极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可以被粘附到反电极结构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反电极112或其它内部结构的位置对应的接合区域178的列、以及位于反电极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反电极结构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可以分别被粘附到反电极结构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反电极112或其它内部结构的位置对应的接合区域178的行、以及位于反电极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反电极结构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6C所示的又一实施例中，示出了分别将第一和第二二级生长约束构件158、160连接到至少一个二级连接构件166的替代配置。更具体地说，二级生长约束件158、160的接合区域和非接合区域178、180被示出为关于沿纵向方向(Y轴)朝向电极组件106的中心定位的粘合轴AG对称。如该实施例所示，第一和第二二级生长约束件158、160分别被附接到包括电极110、反电极112或其它内部电极组件结构的二级连接构件166的端部，但接合区域和非接合区域的列不具有相同大小。也就是说，生长约束件158、160可以以交替或其它顺序选择性地被接合到内部二级连接构件166，使得非接合区域180的量超过接合区域178的量，例如以提供足够数量的为使电解质通过而开放的孔176。也就是说，根据要提供的接合到非接合区域的区域，第一和第二二级生长约束件158、160可以分别被接合到每个其它反电极112或构成二级连接构件166的其它内部结构，或者被接合到每个1+n结构(例如，反电极112)中的一者。
图6D示出了分别将第一和第二二级生长约束构件158、160连接到至少一个二级连接构件166的替代配置的又一实施例。在该版本中，第一和第二二级生长约束件158、160的接合区域和非接合区域178、180形成围绕粘合轴AG的列的非对称图案。也就是说，第一和第二二级生长约束件158、160可以以非对称的图案(例如，通过根据随机或其它非对称图案跳过对内部结构的粘附)粘附到与电极110或反电极112结构或其它内部结构对应的二级连接构件166。在所示实施例中的图案中，接合区域和非接合区域178、180形成不关于粘合轴AG对称的具有不同宽度的交替列。此外，虽然粘合轴AG在此被示出为在纵向方向(Y轴)上，但是粘合轴AG也可以沿着横向方向(X轴)，或者可以存在沿着纵向和横向方向的两个粘合轴，围绕这些轴，可以分别形成接合区域和非接合区域178、180的图案。类似地，对于关于图6A至6D描述和/或示出的每个图案，可以理解的是，沿着纵向方向(Y轴)示出的图案可以替代地沿着横向方向(X轴)形成，反之亦然，或者可以形成两个方向上的图案的组合。
在一个实施例中，第一或第二二级生长约束件158、160的接合区域178的沿着任何二级连接构件166和/或沿着第一或第二初级生长约束件154、156中的至少一者的面积与接合和非接合区域的沿着约束件的总面积的比率为至少50％，例如至少75％，甚至至少90％，例如100％。在另一实施例中，第一和第二二级生长约束件158、160分别可以以使得接合区域178中的孔176保持开放的方式被粘附到与电极110或反电极112结构或电极组件106的其它内部结构对应的二级连接构件166。也就是说，第一和第二二级生长约束件158、160分别可以被接合到二级连接构件166，使得生长约束件中的孔176不被用于将生长约束件粘附到连接构件的任何粘合剂或其它手段堵塞。根据一个实施例，第一和第二二级生长约束件158、160被分别连接到至少一个二级连接构件166，以提供具有生长约束件158、160的面积的至少5％的孔176的开放区域，甚至具有生长约束件158、160的面积的至少10％的孔176的开放区域，具有生长约束件158、160的面积的至少25％的孔176的开放区域，例如具有生长约束件158、160的面积的至少50％的孔176的开放区域。
虽然上述实施例的特征可以在于作为列沿着Y轴对齐的孔176，但本领域的技术人员将理解，孔176的特征可以在于在图6A至6D中沿着X轴成行定向，另外，粘合剂或其它粘合手段可以水平地或沿X轴施加以组装该组电极约束件108。此外，可以施加粘合剂或其它接合手段以产生网状气孔176。进一步地，上述粘合轴AG也可以水平地或沿X轴定向，以提供类似的对称和非对称粘附和/或接合图案。
此外，虽然上面已经将孔176和非接合区域180描述为沿Y轴成列对齐以及沿X轴成行对齐(即，以线性方式)，但是已经进一步构想孔176和/或非接合区域180可以以非线性方式布置。例如，在某些实施例中，孔176可以在第一和第二二级生长约束件158、160的整个表面内以非有组织的或随机的方式分布。因此，在一个实施例中，可以以任何方式施加粘合剂或其它粘合手段，只要所得结构具有不被过度堵塞的足够孔176，并且包含具有非堵塞孔176的非接合区域180即可。
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/或反电极结构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/或反电极结构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的反电极结构112(例如，阴极)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/或反电极结构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/或反电极结构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反电极结构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可以体现为反电极结构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1中的线A-A′截取的横截面8，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/或反电极结构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/或反电极结构112可以被理解为是可互换的。此外，隔膜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或反电极结构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、离子多孔电极集电体136、以及支撑电极活性材料层132和电极集电体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示出了具有反电极活性材料层138、反电极集电体140、以及支撑反电极活性材料层138和反电极集电体140的反电极主干141的反电极群112的构件。
不受任何特定理论的束缚(例如，如图7所示)，在某些实施例中，电极群110的构件包括电极活性材料层132、电极集电体136、以及支撑电极活性材料层132和电极集电体136的电极主干134。类似地，在某些实施例中，反电极群112的构件包括反电极活性材料层138、反电极集电体140、以及支撑反电极活性材料层138和反电极集电体140的反电极主干141。
虽然本文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的电极集电体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可包括与电极集电体136直接相邻的电极活性材料层132、以及与电极主干134直接相邻的电极集电体136。换言之，电极主干134可以被电极集电体136有效地包围，其中电极活性材料层132位于电极集电体136侧面(flank)并且与电极集电体136直接相邻。本领域的技术人员将理解，任何合适的电极群110和/或反电极群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经由隔膜130与反电极活性材料层138分离即可。另外，如果电极集电体136位于电极活性材料层132与隔膜130之间，则电极集电体136需要是离子可渗透的，并且如果反电极集电体140位于反电极活性材料层138与隔膜130之间，则反电极集电体140需要是离子可渗透的。
为了便于说明，仅示出电极群110的三个构件和反电极群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和反电极群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示出了使电极活性材料层132与反电极活性材料层138电绝缘的微孔隔膜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电体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/或反电极结构112中的至少一者(例如电极和/或反电极主干134、141，电极和/或反电极集电体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/或反电极结构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/或反电极结构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的整体增长，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的电极集电体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电体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电体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电体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，电极集电体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隔膜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电体。当被设置于电极活性材料层132和隔膜130之间时，电极集电体136可以通过使来自电极集电体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；由于电极集电体136将电流分布到面对隔膜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。
电极集电体136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，电极集电体136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中的电极集电体136的另一侧上的紧邻隔膜层130之间移动。相对来说，当存在在装置100中存储能量的外加电流或对装置100进行放电的外加负荷时，电极集电体136的导电率大于其离子传导率。例如，当存在在装置100中存储能量的外加电流或对装置100进行放电的外加负荷时，电极集电体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中存储能量的外加电流或对装置100进行放电的外加负荷时，电极集电体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中存储能量的外加电流或对装置100进行放电的外加负荷时，电极集电体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中存储能量的外加电流或对装置100进行放电的外加负荷时，电极集电体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中存储能量的外加电流或对装置100进行放电的外加负荷时，电极集电体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中存储能量的外加电流或对装置100进行放电的外加负荷时，例如当二次电池102正在充电或放电时，电极集电体136的离子传导率与相邻隔膜层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中存储能量的外加电流或对装置100进行放电的外加负荷时，电极集电体136的离子传导率(对于载体离子)是隔膜层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中存储能量的外加电流或对装置100进行放电的外加负荷时，电极集电体136的离子传导率(对于载体离子)与隔膜层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中存储能量的外加电流或对装置100进行放电的外加负荷时，电极集电体136的离子传导率(对于载体离子)与隔膜层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中存储能量的外加电流或对装置100进行放电的外加负荷时，电极集电体136的离子传导率(对于载体离子)与隔膜层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中存储能量的外加电流或对装置100进行放电的外加负荷时，电极集电体136的离子传导率(对于载体离子)与隔膜层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，电极集电体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中存储能量的外加电流或对装置100进行放电的外加负荷时，电极集电体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中存储能量的外加电流或对装置100进行放电的外加负荷时，电极集电体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中存储能量的外加电流或对装置100进行放电的外加负荷时，电极集电体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中存储能量的外加电流或对装置100进行放电的外加负荷时，电极集电体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中存储能量的外加电流或对装置100进行放电的外加负荷时，电极集电体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，电极集电体层136的厚度(即，在一个实施例中，中间夹着电极集电体层136的隔膜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)取决于层136的组成和电化学堆叠的性能规格。通常，当电极集电体层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，电极集电体层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，电极集电体层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，电极集电体层136的厚度在约0.5至约3微米的范围内。通常，电极集电体层136的厚度优选地大致均匀。例如，在一个实施例中，电极集电体层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，电极集电体层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，电极集电体层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，电极集电体层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，电极集电体层136是电极活性材料层132的单独的阳极集电体。换言之，电极结构主干134可包括阳极集电体。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电体。
反电极结构群
再次参考图7，反电极结构群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。反电极结构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。
反电极群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，反电极群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，反电极群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，反电极群112的构件具有约25mm至约100mm的LCES。
反电极群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，反电极群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，反电极群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，反电极群112的每个构件的WCES将在约0.05mm至约1mm的范围内。
反电极群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，反电极群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，反电极群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，反电极群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，反电极结构群112的每个构件可包括反电极结构主干141，其具有平行于Z轴的垂直轴ACESB。反电极结构主干141还可包括关于垂直轴ACESB围绕反电极结构主干141的反电极活性材料层138。换言之，反电极结构主干141为反电极活性材料层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。在某些实施例中，反电极活性材料层138在载体离子插入到电极活性材料层132中时膨胀，并在载体离子从反电极活性材料层138抽出时收缩。例如，在一个实施例中，反电极活性材料层138可以是阳极活性的。作为另一示例，在一个实施例中，反电极活性材料层138可以是阳极活性的。反电极结构主干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)。反电极结构主干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。
反电极结构主干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，反电极结构主干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，反电极结构主干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，反电极结构主干141将具有约20mm至约100mm的LCESB。
反电极结构主干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，每个反电极结构主干141通常具有至少1微米的WCESB。例如，在一个实施例中，每个反电极结构主干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，每个反电极结构主干141的WCESB将在约1至约50微米的范围内。
反电极结构主干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，反电极结构主干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，反电极结构主干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，每个反电极结构主干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，每个反电极结构主干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，每个反电极结构主干141的HCESB将在约0.1mm至约1mm的范围内。
根据应用，反电极结构主干141可以是导电的或绝缘的。例如，在一个实施例中，反电极结构主干141可以是导电的并且可包括用于反电极活性材料138的反电极集电体140。在一个这样的实施例中，反电极结构主干141包括具有至少约103西门子/厘米的导电率的反电极集电体140。作为另一示例，在一个这样的实施例中，反电极结构主干141包括具有至少约104西门子/厘米的导电率的反电极集电体140。作为另一示例，在一个这样的实施例中，反电极结构主干141包括具有至少约105西门子/厘米的导电率的反电极集电体140。在其它实施例中，反电极结构主干141是相对不导电的。例如，在一个实施例中，反电极结构主干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，反电极结构主干141具有小于10-1西门子/厘米的导电率。
在某些实施例中，反电极结构主干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、钛和钨包含在反电极结构主干141中。在一个示例性实施例中，反电极结构主干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，反电极活性材料层138可具有至少一微米的厚度。然而，一般而言，反电极活性材料层138的厚度不超过200微米。例如，在一个实施例中，反电极活性材料层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，反电极活性材料层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，反电极活性材料层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，反电极活性材料层138可具有约5至约50微米的厚度。
在某些实施例中，反电极集电体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隔膜130到反电极活性材料层138的移动，并具有足够的导电性以使其能够充当集电体。无论是否被置于反电极活性材料层138与隔膜130之间，反电极集电体140都可以通过使来自反电极集电体140的电流跨反电极活性材料层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，从而减少循环期间反电极活性材料层138中的应力；由于反电极集电体140将电流分布到面对隔膜130的反电极活性材料层138的表面，因此在载体离子浓度最大的情况下，反电极活性材料层138对载体离子的反应将是最大的。
反电极集电体140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，反电极集电体140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反电极活性材料层138与电化学堆叠或电极组件106中的反电极集电体140的另一侧上的紧邻的隔膜层130之间移动。相对来说，当存在在装置100中存储能量的外加电流或对装置100进行放电的外加负荷时，反电极集电体140的导电率大于其离子传导率。例如，当存在在装置100中存储能量的外加电流或对装置100进行放电的外加负荷时，反电极集电体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中存储能量的外加电流或对装置100进行放电的外加负荷时，反电极集电体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中存储能量的外加电流或对装置100进行放电的外加负荷时，反电极集电体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中存储能量的外加电流或对装置100进行放电的外加负荷时，反电极集电体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中存储能量的外加电流或对装置100进行放电的外加负荷时，反电极集电体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中存储能量的外加电流或对装置100进行放电的外加负荷时，例如当能量存储装置100或二次电池102正在充电或放电时，反电极集电体140的离子传导率与相邻隔膜层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中存储能量的外加电流或对装置100进行放电的外加负荷时，反电极集电体140的离子传导率(对于载体离子)是隔膜层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中存储能量的外加电流或对装置100进行放电的外加负荷时，反电极集电体140的离子传导率(对于载体离子)与隔膜层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中存储能量的外加电流或对装置100进行放电的外加负荷时，反电极集电体140的离子传导率(对于载体离子)与隔膜层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中存储能量的外加电流或对装置100进行放电的外加负荷时，反电极集电体140的离子传导率(对于载体离子)与隔膜层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中存储能量的外加电流或对装置100进行放电的外加负荷时，反电极集电体140的离子传导率(对于载体离子)与隔膜层130的离子传导率(对于(阳极集电体层)载体离子)的比率为至少2:1。
在一个实施例中，反电极集电体140的导电率也显著大于反电极活性材料层138的导电率。例如，在一个实施例中，当存在在装置100中存储能量的外加电流或对装置100进行放电的外加负荷时，反电极集电体140的导电率与反电极活性材料层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中存储能量的外加电流或对装置100进行放电的外加负荷时，反电极集电体140的导电率与反电极活性材料层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中存储能量的外加电流或对装置100进行放电的外加负荷时，反电极集电体140的导电率与反电极活性材料层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中存储能量的外加电流或对装置100进行放电的外加负荷时，反电极集电体140的导电率与反电极活性材料层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中存储能量的外加电流或对装置100进行放电的外加负荷时，反电极集电体140的导电率与反电极活性材料层138的导电率的比率为至少10,000:1。
在某些实施例中，反电极集电体层140的厚度(即，在一个实施例中，中间夹着反电极集电体层140的隔膜130和阴极活性材料层(例如，反电极活性材料层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，当反电极集电体层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，反电极集电体层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，反电极集电体层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，反电极集电体层140的厚度在约0.5至约3微米的范围内。通常，反电极集电体层140的厚度优选地大致均匀。例如，在一个实施例中，反电极集电体层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，反电极集电体层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，反电极集电体层140具有小于约15％的厚度不均匀性。在一些实施例中，反电极集电体层140具有小于约10％的厚度不均匀性。
在一个实施例中，反电极集电体层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，反电极集电体层140是反电极活性材料层138的单独的阴极集电体。换言之，反电极结构主干141可包括阴极集电体140。然而，在某些其它实施例中，反电极结构主干141可以可选地不包括阴极集电体140。
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轴隔开的相反的外表面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/或反电极结构群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/或反电极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，所示的电极集电体136)的顶部1052和底部1054以及反电极结构群112(即，所示的反电极集电体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，反电极结构群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，反电极结构群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、以及反电极主干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，反电极主干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，反电极主干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/或反电极结构群112的至少一部分和/或隔膜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/或反电极结构112的任何部分之外，电极结构110和/或反电极结构112的任何部分和/或隔膜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/或反电极结构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)。
经由反电极结构的连接
现在参考图9A至9C，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；隔膜130、以及如上所述且与Y轴平行堆叠方向D的指定。更具体地说，图9A至9C分别示出了沿图1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9C中的每一者所示，非附接的电极结构110可包括位于其顶部与第一二级生长约束件158之间、以及位于其底部与第二二级生长约束件160之间的电极间隙1084。换言之，在某些实施例中，每个电极结构110的顶部和底部1052、1054可以具有位于第一和第二二级生长约束件158、160之间的间隙。此外，在图9C所示的某些实施例中，电极结构110的顶部1052可以与第一二级生长约束件158接触但不被附接到其上，电极结构110的底部1054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，电极结构110的顶部1052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电极结构110的底部1054可以与第二二级生长约束件160(未示出)接触但不附接到其上。
更具体地说，在一个实施例中，如图9A所示，多个反电极主干141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1160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的多个反电极主干112可包括相对于附接的反电极主干141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的多个反电极主干141可包括相对于附接的反电极主干141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的两个反电极主干141，其中两个附接的反电极主干141位于一个电极结构110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的两个反电极主干141，这两个附接的反电极主干141位于两个或更多个电极结构110以及一个或多个非附接的反电极主干141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的两个或更多个反电极主干141，其中这两个或更多个附接的反电极主干141可以单独地被指定为附接的反电极主干141A、附接的反电极主干141B、附接的反电极主干141C和附接的反电极主干141D。附接的反电极主干141A和附接的反电极主干141B可以位于(1+x)电极结构110的侧面，附接的反电极主干141B和附接的反电极主干141C可以位于(1+y)电极结构110的侧面，并且附接的反电极主干141C和附接的反电极主干141D可以位于(1+z)电极结构110的侧面，其中任何两个附接的反电极主干141A至141D之间的电极结构110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反电极主干141而被进一步隔开。换言之，如上所述，可以将任意数量的反电极主干141附接到第一二级生长约束件158和第二二级生长约束件160，其中在任何两个附接的反电极主干141之间可包括由非附接的反电极主干141隔开的任何不相等数量的电极结构110。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，多个反电极集电体140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1160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的多个反电极集电体140可包括相对于被附接的反电极集电体140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的多个反电极集电体140可包括相对于被附接的反电极集电体140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的两个反电极集电体140，其中这两个被附接的反电极集电体140位于一个电极结构110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的两个反电极集电体140，这两个附接的反电极集电体140位于两个或更多个电极结构110以及一个或多个非附接的反电极集电体140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的两个或更多个反电极集电体140，其中这两个或更多个附接的反电极集电体140可以单独被指定为附接的反电极集电体140A、附接的反电极集电体140B、附接的反电极集电体140C和附接的反电极集电体140D。附接的反电极集电体140A和附接的反电极集电体140B可以位于(1+x)电极结构110的侧面，附接的反电极集电体140B和附接的反电极集电体140C可以位于(1+y)电极结构110的侧面，并且附接的反电极集电体140C和附接的反电极集电体140D可以位于(1+z)电极结构110的侧面，其中任何两个附接的反电极集电体140A至140D之间的电极结构110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反电极集电体140而被进一步隔开。换言之，如上所述，可以将任何数量的反电极集电体140附接到第一二级生长约束件158和第二二级生长约束件160，其中在任意两个附接的反电极集电体140之间可包括由非附接的反电极集电体140隔开的任何不相等数量的电极结构110。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着图案已被预期。
现在参考图10，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；如上所述，堆叠方向D被指定与Y轴平行。更具体地说，图10示出了沿图1中的线A-A′的横截面，如上所述，具有经由胶层182被附接到第一和第二二级生长约束件158、160的第一和第二初级生长约束件154、166。此外，在一个实施例中，示出了经由胶层182而被分别附接到第一和第二二级生长约束件158、160的多个反电极集电体140。更具体地说，多个反电极集电体140可包括球根状或狗骨形横截面。换言之，反电极集电体140可以相对于反电极主干141的顶部1072和底部1074之间的中点附近的集电体140的宽度，在反电极主干141的顶部1072和底部1074附近具有增加的集电体140宽度。也就是说，朝着集电体140的顶部的反电极集电体140宽度的球根状横截面可以朝着反电极集电体140的中部逐渐变细，然后再次增加，以提供朝着反电极集电体140的底部的球根状横截面。因此，胶层182的应用可以围绕反电极集电体140的球根状或狗骨形部分并且如上所述，将反电极集电体140附接到第一和第二二级生长约束件158、160。在该实施例中，与本文所述的其它实施例相比，球根状或狗骨形反电极集电体140可以提供增大的与第一和第二二级生长约束件158、160的附接强度。图10还示出了上述每个具有对应的电极间隙1084的电极结构110、以及隔膜130。此外，在该实施例中，多个反电极集电体140可以按照上述对称或非对称图案被附接。此外，在该实施例中，如上所述，电极结构110可以与第一和第二二级生长约束件158、160接触但不被附接到其上。
经由胶层182将反电极结构112附接到第一和第二二级生长约束件158、160的另一模式包括在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内使用凹口。现在参考图11A至11C，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；隔膜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11A至11C分别示出了沿图1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11A至11C中的每一者所示，非附接的电极结构110可包括位于其顶部与第一二级生长约束件158之间、以及位于其底部与第二二级生长约束件160之间的电极间隙1084，如上面更详细地描述的。
更具体地说，在一个实施例中，如图11A所示，多个反电极主干141可以经由凹口1060a和1062a以及胶层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，如上所述，在某些实施例中，经由凹口1060a、1062a而被附接到第一和第二二级生长约束件158、160的多个反电极主干141可包括相对于附接的反电极主干141关于粘合轴AG的对称图案。如上所述，在某些实施例中，经由凹口1060a、1062a而被附接到第一和第二二级生长约束件158、160的多个反电极主干141可包括相对于附接的反电极主干141关于粘合轴AG的非对称或随机图案。
在某些实施例中，凹口1060a、1062a可以具有在第一和第二二级生长约束件158、160内的深度。例如，在一个实施例中，凹口1060a或1062a可以具有在第一和第二二级生长约束件158、160内的深度，该深度为第一和第二二级生长约束件158、160的高度(即，该实施例中的第一和第二二级生长约束件的高度可以类似于上述H158和H160)的25％。作为另一示例，在一个实施例中，凹口1060a或1062a可以具有在第一和第二二级生长约束件158、160内的深度，该深度为第一和第二二级生长约束件158、160的高度(即，该实施例中的第一和第二二级生长约束件的高度可以类似于上述H158和H160)的50％。作为另一示例，在一个实施例中，凹口1060a或1062a可以具有在第一和第二二级生长约束件158、160内的深度，该深度为第一和第二二级生长约束件158、160的高度(即，该实施例中的第一和第二二级生长约束件的高度可以类似于上述H158和H160)的75％。作为另一示例，在一个实施例中，凹口1060a或1062a可以具有在第一和第二二级生长约束件158、160内的深度，该深度为第一和第二二级生长约束件158、160的高度(即，该实施例中的第一和第二二级生长约束件的高度可以类似于上述H158和H160)的90％。换言之，多个反电极主干141的每个构件可包括有效地衔接并延伸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中的高度HCESB，并且在凹口实施例中，多个反电极主干141的每个构件可以经由胶层182而被附接到第一二级生长约束件158的凹口1060a和第二二级生长约束件160的凹口1062a中。
此外，图11A至11C还示出了用于在凹口实施例中粘合多个反电极主干141的不同实施例。例如，在图11A所示的一个实施例中，多个反电极主干141可以经由反电极主干顶部1072和反电极主干底部1074而被粘合182。作为另一示例，在图11B所示的一个实施例中，多个反电极主干141可以经由反电极主干141的横向表面而被粘合182。作为另一示例，在图11C所示的一个实施例中，多个反电极主干141可以经由反电极主干141的顶部1072、底部1074和横向表面而被粘合182。
此外，用于经由胶层182将反电极结构112附接到第一和第二二级生长约束件158、160的另一模式也包括使用在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内的凹口1060a和1062a。现在参考12A至12C，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；隔膜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12A至12C分别示出了沿图1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12A至12C中的每一者所示，非附接的电极结构110可包括位于其顶部1052与第一二级生长约束件158之间、以及位于其底部1054与第二二级生长约束件160之间的电极间隙1084，如上面更详细地描述的。
更具体地说，在一个实施例中，如图12A所示，多个反电极集电体140可以经由凹口1060a和1062a以及胶层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，在某些实施例中，如上所述，经由凹口1060a、1062a而被附接到第一和第二二级生长约束件158、160的多个反电极集电体140可包括相对于附接的反电极集电体140关于粘合轴AG的对称图案。在某些实施例中，如上所述，经由凹口1060a、1062a而被附接到第一和第二二级生长约束件158、160的多个反电极集电体140可包括相对于附接的反电极集电体140关于粘合轴AG的非对称或随机图案。
在某些实施例中，凹口1060a、1062a可以具有在第一和第二二级生长约束件158、160内的深度。例如，在一个实施例中，凹口1060a或1062a可以具有在第一和第二二级生长约束件158、160内的深度，该深度为第一和第二二级生长约束件158、160的高度(即，该实施例中的第一和第二二级生长约束件的高度可以类似于上述H158和H160)的25％。作为另一示例，在一个实施例中，凹口1060a或1062a可以具有在第一和第二二级生长约束件158、160内的深度，该深度为第一和第二二级生长约束件158、160的高度(即，该实施例中的第一和第二二级生长约束件的高度可以类似于上述H158和H160)的50％。作为另一示例，在一个实施例中，凹口1060a或1062a可以具有在第一和第二二级生长约束件158、160内的深度，该深度为第一和第二二级生长约束件158、160的高度(即，该实施例中的第一和第二二级生长约束件的高度可以类似于上述H158和H160)的75％。作为另一示例，在一个实施例中，凹口1060a或1062a可以具有在第一和第二二级生长约束件158、160内的深度，该深度为第一和第二二级生长约束件158、160的高度(即，该实施例中的第一和第二二级生长约束件的高度可以类似于上述H158和H160)的90％。换言之，多个反电极集电体140的每个构件可以有效地衔接并延伸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中(类似于上述高度HCESB)，并且在凹口实施例中，多个反电极集电体140的每个构件可以经由胶层182而被附接到第一二级生长约束件158的凹口1060a和第二二级生长约束件160的凹口1062a中。
此外，图12A至12C还示出了用于在凹口实施例中粘合多个反电极集电体140的不同实施例。例如，在图12A所示的一个实施例中，多个反电极集电体140可以经由反电极集电体顶部1486和反电极集电体底部1488而被粘合182。作为另一示例，在图12B所示的一个实施例中，多个反电极集电体140可以经由反电极集电体140的横向表面(类似于上述反电极主干141的横向表面)而被粘合182。作为另一示例，在图12C所示的一个实施例中，多个反电极集电体140可以经由反电极集电体140的顶部1486、底部1488和横向表面而被粘合182。
在某些实施例中，多个反电极主干141或多个反电极集电体140可以经由第一二级生长约束件158和第二二级生长约束件160中的每一者内的狭槽，通过互锁连接实施方式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。现在参考图13A至13C以及14，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；隔膜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13A至图13C以及图14分别示出了沿图1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13A至图13C以及图14中的每一者所示，非附接的电极结构110可包括位于其顶部1052与第一二级生长约束件158之间、以及位于其底部1054与第二二级生长约束件160之间的电极间隙1084，如上面更详细地描述的。
更具体地说，在图13A所示的一个实施例中，多个反电极主干141可以经由狭槽1060b和1062b以及胶层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。因此，在某些实施例中，如上所述，经由狭槽1060b和1062b而被附接到第一和第二二级生长约束件158、160的多个反电极主干141可包括相对于附接的反电极主干141关于粘合轴AG的对称图案。在某些实施例中，如上所述，经由狭槽1060b和1062b而被附接到第一和第二二级生长约束件158、160的多个反电极主干141可包括相对于附接的反电极主干141关于粘合轴AG的非对称或随机图案。
在某些实施例中，第一二级生长约束件158和第二二级生长约束件160中的每一者内的狭槽1060b和1062b可以分别延伸穿过第一二级生长约束件158和第二二级生长约束件160，以便在互锁实施例中接收多个反电极主干141。换言之，多个反电极主干141包括高度HCESB，该高度HCESB如上所述经由狭槽1060b衔接并完全延伸穿过第一二级生长约束件高度H158、以及如上所述经由狭槽1062b衔接并完全延伸穿过上述第二二级生长约束件高度H160，从而在互锁实施例中与第一二级生长约束件158和第二二级生长约束件160互锁。在某些实施例中，胶层182可用于附接或加强多个反电极主干141的横向表面与狭槽1060b、1062b之间的互锁连接。
更具体地说，如图13B至13C所示，狭槽1060b和1062b可以由纵横比表征。例如，在图13B所示的某些实施例中，狭槽1060b可包括第一尺寸S1和第二尺寸S2，第一尺寸S1被定义为反电极主干141的顶部1072与第一二级生长约束件158的外表面1064之间的距离，第二尺寸S2被定义为上述反电极主干141的两个横向表面之间的距离。因此，例如，在一个实施例中，S1可以是与上述二级生长约束件高度H158和H160相同和/或相似的尺寸，其又可以具有相对于反电极结构高度HCES选择的高度。例如，在一个实施例中，S1可以小于反电极高度HCES的50％。作为另一示例，在一个实施例中，S1可以小于反电极高度HCES的25％。作为另一示例，在一个实施例中，S1可以小于反电极高度HCES的10％，例如小于反电极高度HCES的5％。因此，对于在0.05mm至10mm的范围内的反电极高度HCES，S1可以具有在0.025mm至0.5mm的范围内的值。此外，在一个实施例中，S2可以是至少1微米。作为另一示例，在一个实施例中，S2通常不超过500微米。作为另一示例，在一个实施例中，S2可以在1至约50微米的范围内。因此，例如，在一个实施例中，纵横比S1:S2可以在0.05至500的范围内。作为另一示例，在一个实施例中，纵横比S1:S2可以在0.5至100的范围内。
此外，如图13C所示，狭槽1062b可包括第一尺寸S3和第二尺寸S4，第一尺寸S3被定义为反电极主干141的底部1074与第二二级生长约束件160的外表面1066之间的距离，第二尺寸S4被定义为上述反电极主干141的两个横向表面之间的距离。在一个实施例中，S3可以是与上述二级生长约束件高度H158和H160相同和/或相似的尺寸，其又可以具有相对于反电极结构高度HCES选择的高度。例如，在一个实施例中，S3可以小于反电极高度HCES的50％。作为另一示例，在一个实施例中，S3可以小于反电极高度HCES的25％。作为另一示例，在一个实施例中，S3可以小于反电极高度HCES的10％，例如小于反电极高度HCES的5％。此外，在一个实施例中，S2可以是至少1微米。作为另一示例，在一个实施例中，S2通常不超过500微米。作为另一示例，在一个实施例中，S2可以在1至约50微米的范围内。因此，例如，在一个实施例中，纵横比S3:S4可以在0.05至500的范围内。作为另一示例，在一个实施例中，纵横比S3:S4可以在0.5至100的范围内。
现在参考图14，在另一实施例中，多个反电极集电体140可以经由狭槽1060b和1062b以及胶层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。因此，在某些实施例中，如上所述，经由狭槽1060b、1062b而被附接到第一和第二二级生长约束件158、160的多个反电极集电体140可包括相对于附接的反电极集电体140关于粘合轴AG的对称图案。在某些实施例中，如上所述，经由狭槽1060b、1062b而被附接到第一和第二二级生长约束件158、160的多个反电极集电体140可包括相对于附接的反电极集电体140关于粘合轴AG的非对称或随机图案。
在某些实施例中，第一二级生长约束件158和第二二级生长约束件160中的每一者内的狭槽1060b和1062b可以分别延伸穿过第一二级生长约束件158和第二二级生长约束件160，以便在另一互锁实施例中接收多个反电极集电体140。换言之，多个反电极集电体140可以有效地衔接并完全延伸穿过第一二级生长约束件158和第二二级生长约束件160(类似于上述高度HCESB)，并且可以在另一互锁实施例中经由胶层182而被附接到狭槽1060b和1062b中。
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也可以被独立地附接到第一和第二二级生长约束件158、160。现在参考图15A至15B，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；隔膜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15A至15B分别示出了沿图1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15A至15B中的每一者所示，非附接的反电极结构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之间的反电极间隙1086。换言之，在某些实施例中，每个反电极结构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15A至15B还示出了：反电极结构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，反电极结构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，反电极结构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反电极结构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15A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位于一个反电极结构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位于两个或更多个反电极结构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)反电极结构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)反电极结构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)反电极结构112的侧面，其中任何两个附接的电极主干134A至134D之间的反电极结构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反电极结构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15B所示，多个电极集电体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的多个电极集电体136可包括相对于附接的电极集电体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的多个电极集电体136可包括相对于附接的电极集电体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的两个电极集电体136，其中这两个附接的电极集电体136位于一个反电极结构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的两个电极集电体136，这两个附接的电极集电体136位于两个或更多个电极结构112以及一个或多个非附接的电极集电体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电体136，其中这两个或更多个附接的电极集电体136可以被单独指定为附接的电极集电体136A、附接的电极集电体136B、附接的电极集电体136C和附接的电极集电体136D。附接的电极集电体136A和附接的电极集电体136B可以位于(1+x)反电极结构112的侧面，附接的电极集电体136B和附接的电极集电体136C可以位于(1+y)反电极结构112的侧面，并且附接的电极集电体136C和附接的电极集电体136D可以位于(1+z)反电极结构110的侧面，其中任何两个附接的电极集电体136A至136D之间的反电极结构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电体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电体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电体136之间可包括由非附接的电极集电体136隔开的任何不相等数量的反电极结构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着图案已被预期。
用于经由胶层182将电极结构110附接到第一和第二二级生长约束件158、160的另一模式包括使用在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内的凹口1060a和1062a。现在参考16A至16C，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；隔膜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16A至16C分别示出了沿图1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16A至16C中的每一者所示，非附接的反电极结构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之间的反电极间隙1086，如上面更详细地描述的。
更具体地说，在一个实施例中，如图16A所示，多个电极集电体136可以经由凹口1060a和1062a以及胶层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，在某些实施例中，如上所述，经由凹口1060a、1062a而被附接到第一和第二二级生长约束件158、160的多个电极集电体136可包括相对于附接的电极集电体136关于粘合轴AG的对称图案。在某些实施例中，如上所述，经由凹口1060a、1062a而被附接到第一和第二二级生长约束件158、160的多个电极集电体136可包括相对于附接的电极集电体136关于粘合轴AG的非对称或随机图案。
在某些实施例中，凹口1060a、1062a可以具有在第一和第二二级生长约束件158、160内的深度。例如，在一个实施例中，凹口1060a、1062a可以具有在第一和第二二级生长约束件158、160内的深度，该深度为第一和第二二级生长约束件158、160的高度(即，该实施例中的第一和第二二级生长约束件的高度可以类似于上述H158和H160)的25％。作为另一示例，在一个实施例中，凹口1060a、1062a可以具有在第一和第二二级生长约束件158、160内的深度，该深度为第一和第二二级生长约束件158、160的高度(即，该实施例中的第一和第二二级生长约束件的高度可以类似于上述H158和H160)的50％。作为另一示例，在一个实施例中，凹口1060a、1062a可以具有在第一和第二二级生长约束件158、160内的深度，该深度为第一和第二二级生长约束件158、160的高度(即，该实施例中的第一和第二二级生长约束件的高度可以类似于上述H158和H160)的75％。作为另一示例，在一个实施例中，凹口1060a、1062a可以具有在第一和第二二级生长约束件158、160内的深度，该深度为第一和第二二级生长约束件158、160的高度(即，该实施例中的第一和第二二级生长约束件的高度可以类似于上述H158和H160)的90％。换言之，多个电极集电体136的每个构件可以有效地衔接并延伸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内(类似于上述高度HCESB)，并且在凹口实施例中，多个电极集电体136的每个构件可以经由胶层182而被附接到第一二级生长约束件158的凹口1060a和第二二级生长约束件160的凹口1062a中。
此外，图16A至16C还示出了用于在凹口实施例中粘合多个电极集电体136的不同实施例。例如，在图16A所示的一个实施例中，多个电极集电体136可以经由电极集电体顶部1892和电极集电体底部1894而被粘合182。作为另一示例，在图16B所示的一个实施例中，多个电极集电体136可以经由电极集电体136的横向表面(类似于上述电极主干134的横向表面)而被粘合182。作为另一示例，在图16C所示的一个实施例中，多个电极集电体136可以经由电极集电体136的顶部1892、底部1894和横向表面而被粘合182。
在某些实施例中，多个电极集电体136可以经由第一二级生长约束件158和第二二级生长约束件160中的每一者内的狭槽1060b、1062b，通过互锁连接实施方式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。现在参考图17，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；隔膜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17示出了沿图1中的线A-A′的横截面，其中如上所述，第一初级生长约束件154和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17所示，非附接的反电极结构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之间的反电极间隙1086，如上面更详细地描述的。
更具体地说，在图17所示的一个实施例中，多个电极集电体136可以经由狭槽1060b和1062b以及胶层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。因此，在某些实施例中，如上所述，经由狭槽1060b和1062b而被附接到第一和第二二级生长约束件158、160的多个电极集电体136可包括相对于附接的电极集电体136关于粘合轴AG的对称图案。在某些实施例中，如上所述，经由狭槽1060b和1062b而被附接到第一和第二二级生长约束件158、160的多个电极集电体136可包括相对于附接的电极集电体136关于粘合轴AG的非对称或随机图案。
在某些实施例中，第一二级生长约束件158和第二二级生长约束件160中的每一者内的狭槽1060b和1062b可以延伸穿过第一二级生长约束件158和第二二级生长约束件160，以便在互锁实施例中接收多个电极集电体136。换言之，多个电极集电体136可以有效地衔接并完全延伸穿过第一二级生长约束件158和第二二级生长约束件160(类似于上述高度HCESB)，并且可以在另一互锁实施例中经由胶层182而被附接到狭槽1060b和1062b。
经由初级生长约束件的连接
在另一实施例中，受约束的电极组件106可以包括一组电极约束件108，其中二级连接构件166包括第一和第二初级生长约束件154、156，并且仍然同时约束电极组件106在纵向方向(即，沿Y轴)和/或堆叠方向D、以及垂直方向上(即，沿Z轴)的生长。现在参考图18A至18B，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；隔膜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18A至18B分别示出了沿图1中的线A-A′的一组电极约束件108的横截面，该组电极约束件108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、以及体现为第一初级生长约束件154和/或第二初级生长约束件156的二级连接构件166；因此，在该实施例中，二级连接构件166、第一初级生长约束件154和第二初级生长约束件156是可互换的。此外，在该实施例中，如上所述，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，在该实施例中，如上所述，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。
如上所述，第一初级生长约束件154和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。换言之，在图18A至18B所示的实施例中，该组电极约束件108包括第一初级连接构件162和第二初级连接构件164，第一初级连接构件162在混合实施例中可以是第一二级生长约束件158，第二初级连接构件164在混合实施例中可以第二二级生长约束件160。这样，当约束纵向方向上的生长时，第一和第二初级连接构件162、164分别处于张紧状态，并且当约束垂直方向上的生长时，还可以分别用作第一和第二二级生长约束件158、160(即，压缩构件)。
更具体地说，在图18A所示的一个实施例中，非附接的电极结构110和非附接的反电极结构1128可以包括位于每个其顶部(即，1052和1068)与第一二级生长约束件158之间、以及每个其底部(即，1054和1070)与第二二级生长约束件160之间的相应的电极间隙1084和相应的反电极间隙1086，如上面更详细地描述的。
更具体地说，在图18B所示的一个实施例中，该组电极约束件108还包括与混合的第一二级生长约束件158/第一初级连接构件162、以及混合的第二二级生长约束件160/第二初级连接构件164二者都相邻的第二隔膜130a。
融合约束系统
在一些实施例中，一组电极约束件108可以被融合在一起。例如，在一个实施例中，初级生长约束系统151可以与二级生长约束系统152融合。作为另一示例，在一个实施例中，二级生长约束系统152可以与初级生长约束系统151融合。换言之，在单体型系统中，初级生长约束系统151的各方面(例如，第一和第二初级生长约束件154、156)可以与二级生长约束系统152的各方面(例如，第一和第二级级生长约束件158、160)共存(即，可以与之融合)。现在参考图19，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；隔膜130，以及如上与Y轴平行的所述堆叠方向D的指定。更具体地说，图19示出了沿图1中的线A-A′的融合电极约束件108的横截面，该融合电极约束件108包括与二级生长约束系统152的一个实施例融合的初级生长约束系统151的一个实施例。
图19还示出了在一个实施例中，具有电极活性材料层132和电极集电体136的电极群110的构件。类似地，在一个实施例中，图19示出了具有反电极活性材料层138和反电极集电体140的反电极群112的构件。为了便于说明，仅示出电极群110的两个构件和反电极群112的三个构件；然而，如上所述，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和反电极群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。更具体地说，如上所述，图19的融合实施例中示出了二级连接构件166可以实现为电极和/或反电极主干134、141，但是如上所述，每一者可以融合到第一和第二二级生长约束件158、160中的每一者。类似地，第一初级生长约束件154和第二初级生长约束件156可以被分别融合到第一和第二二级生长约束件158、160，从而最终形成融合的或单体的约束件108。
二次电池
现在参考图20，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具有第一纵向端面116、相对的第二纵向端面118(即，沿所示的笛卡尔坐标系的Y轴与第一纵向端面116隔开)。每个电极组件106包括电极结构群110和反电极结构群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和反电极结构群112以电极110和反电极112的交替序列布置，其中如上所述，这些序列在第一和第二纵向端面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20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20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所包含的反电极112。
图20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20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/或反电极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20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/或反电极接头片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20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20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20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20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和反电极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，ENrG
Figure BDA0003841319680001161
)。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包括塑料，例如聚醚醚酮(PEEK)(例如，Aptiv 1102)、带碳PEEK(例如，Victrex90HMF40或Xycomp 1000-04)、带碳聚苯硫醚(PPS)(例如，Tepex Dynalite207)、带30％玻璃的聚醚醚酮(PEEK)(例如，Victrex 90HMF40或Xycomp 1000-04)、聚酰亚胺(例如，
Figure BDA0003841319680001162
)。在另一示例性实施例中，初级生长约束系统151包括复合物，例如E GlassStd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 BDA0003841319680001163
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母线上。
电极群110和反电极群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(有时被称为负电极)，并且反电极结构群112的构件包括阴极活性电活性材料(有时被称为正电极)。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，并且反电极结构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，负电极活性材料可以是颗粒聚集体电极或单片电极。
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电极活性材料所导致的体积膨胀和收缩。一般而言，负电极活性材料的空隙体积率至少为0.1。然而，一般而言，负电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，负电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，负电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，负电极活性材料的空隙体积率为约0.25至约0.6。
根据微结构化负电极活性材料的组成及其形成方法，微结构化负电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，负电极活性材料包含在负电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电极活性材料；例如，锂离子可在离开正电极活性材料之后通过空隙开口进入负电极活性材料。在另一实施例中，空隙体积包括闭合的空隙，即，负电极活性材料包含被负电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电极活性材料的膨胀提供空间。因此，在某些实施例中，优选地负电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，负电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，多孔负电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，负电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，负电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，负电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，负电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，负电极活性材料包括铝、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)和通常对应于负电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，负电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，负电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，负电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，负电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，负电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和反电极结构112的交替序列行进的方向。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)，在其中电极结构和反电极结构的交替序列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。
反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反电极结构的交替序列行进的方向。另外，反电极群的每个构件具有沿纵向轴(ACE)测量的长度(LCE)，在其中电极结构和反电极结构的交替序列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)。反电极群的每个构件还具有周长(PCE)，该周长对应于反电极在与其纵向轴正交的平面中的投影的边长之和。
反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，反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，反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，反电极群的每个构件具有约25mm至约100mm的长度(LCE)。
反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，反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，反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，反电极群的每个构件的宽度(WCE)在约0.05mm至约1mm的范围内。
反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，反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，反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，反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，反电极群的构件包括具有第一高度的一个或多个第一反电极构件、以及具有不同于第一高度的第二高度的一个或多个第二反电极构件。例如，在一个实施例中，一个或多个第一反电极构件可以具有被选择为允许反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，一个或多个第一反电极构件的高度可以足以使得第一反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，例如当第一反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，一个或多个第二反电极构件可具有小于一个或多个第一反电极构件的高度，使得例如一个或多个第二反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反电极构件和一个或多个第二反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。
反电极群的构件的周长(PCE)也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，反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，反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，反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，反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，对于反电极群的每个构件，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，对于反电极群的每个构件，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，对于反电极群的每个构件，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，对于反电极群的每个构件，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，反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，对于反电极群的每个构件，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，对于反电极群的每个构件，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，对于反电极群的每个构件，LCE与PCE的比率为至少3.75:1。
在一个实施例中，反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，对于反电极群的每个构件，HCE与WCE的比率为至少2:1。作为另一示例，在一个实施例中，对于反电极群的每个构件，HCE与WCE的比率为至少10:1。作为另一示例，在一个实施例中，对于反电极群的每个构件，HCE与WCE的比率为至少20:1。然而，一般而言，对于反电极群的每个构件，HCE与WCE的比率通常小于1,000:1。例如，在一个实施例中，对于反电极群的每个构件，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，对于反电极群的每个构件，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，负电极群的每个构件所包括的负电极集电体层136具有的长度LNC是包括该负电极集电体的构件的长度LNE的至少50％。作为另一示例，在一个实施例中，负电极群的每个构件所包括的负电极集电体层136具有的长度LNC是包括该负电极集电体的构件的长度LNE的至少60％。作为另一示例，在一个实施例中，负电极群的每个构件所包括的负电极集电体层136具有的长度LNC是包括该负电极集电体的构件的长度LNE的至少70％。作为另一示例，在一个实施例中，负电极群的每个构件所包括的负电极集电体层136具有的长度LNC是包括该负电极集电体的构件的长度LNE的至少80％。作为另一示例，在一个实施例中，负电极群的每个构件所包括的负电极集电体136具有的长度LNC是包括该负电极集电体的构件的长度LNE的至少90％。
在一个实施例中，正电极群的每个构件所包括的正电极集电体140具有的长度LPC是包括该正电极集电体的构件的长度LPE的至少50％。作为另一示例，在一个实施例中，正电极群的每个构件所包括的正电极集电体140具有的长度LPC是包括该正电极集电体的构件的长度LPE的至少60％。作为另一示例，在一个实施例中，正电极群的每个构件所包括的正电极集电体140具有的长度LPC是包括该正电极集电体的构件的长度LPE的至少70％。作为另一示例，在一个实施例中，正电极群的每个构件所包括的正电极集电体140具有的长度LPC是包括该正电极集电体的构件的长度LPE的至少80％。作为另一示例，在一个实施例中，正电极群的每个构件所包括的正电极集电体140具有的长度LPC是包括该正电极集电体的构件的长度LPE的至少90％。
在一个实施例中，负电极集电体层136包括离子可渗透导体材料，其既能传导离子又能导电。换言之，负电极集电体层具有适用于载体离子的厚度、导电率和离子传导率，其促进载体离子在离子可渗透导体层的一侧上的紧邻电极活性材料层与电化学堆叠中的负电极集电体层的另一侧上的紧邻隔膜层之间移动。相对来说，当存在在装置中存储能量的外加电流或对装置进行放电的外加负荷时，负电极集电体层的导电率大于其离子传导率。例如，当存在在装置中存储能量的外加电流或对装置进行放电的外加负荷时，负电极集电体层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，当存在在装置中存储能量的外加电流或对装置进行放电的外加负荷时，负电极集电体层的导电率与离子传导率(对于载体离子)的比率通常为至少5,000:1。作为另一示例，在一个这样的实施例中，当存在在装置中存储能量的外加电流或对装置进行放电的外加负荷时，负电极集电体层的导电率与离子传导率(对于载体离子)的比率通常为至少10,000:1。作为另一示例，在一个这样的实施例中，当存在在装置中存储能量的外加电流或对装置进行放电的外加负荷时，负电极集电体层的导电率与离子传导率(对于载体离子)的比率通常为至少50,000:1。作为另一示例，在一个这样的实施例中，当存在在装置中存储能量的外加电流或对装置进行放电的外加负荷时，负电极集电体层的导电率与离子传导率(对于载体离子)的比率通常为至少100,000:1。
在其中负电极集电体136包括既能传导离子又能导电的离子可渗透导体材料的那些实施例中，当施加电流以在装置中存储能量或施加负荷以对装置进行放电时，例如当二次电池正在充电或放电时，负电极集电体136的离子传导率可以与相邻隔膜层的离子传导率相当。例如，在一个实施例中，当存在在装置中存储能量的外加电流或对装置进行放电的外加负荷时，负电极集电体136的离子传导率(对于载体离子)是隔膜层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，当存在在装置中存储能量的外加电流或对装置进行放电的外加负荷时，负电极集电体136的离子传导率(对于载体离子)与隔膜层的离子传导率(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，当存在在装置中存储能量的外加电流或对装置进行放电的外加负荷时，负电极集电体136的离子传导率(对于载体离子)与隔膜层的离子传导率(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，当存在在装置中存储能量的外加电流或对装置进行放电的外加负荷时，负电极集电体136的离子传导率(对于载体离子)与隔膜层的离子传导率(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，当存在在装置中存储能量的外加电流或对装置进行放电的外加负荷时，负电极集电体136的离子传导率(对于载体离子)与隔膜层的离子传导率(对于载体离子)的比率为至少2:1。
在一个实施例中，负电极集电体136的导电率还显著大于负电极活性材料层的导电率。例如，在一个实施例中，当存在在装置中存储能量的外加电流或对装置进行放电的外加负荷时，负电极集电体136的导电率与负电极活性材料层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，当存在在装置中存储能量的外加电流或对装置进行放电的外加负荷时，负电极集电体136的导电率与负电极活性材料层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，当存在在装置中存储能量的外加电流或对装置进行放电的外加负荷时，负电极集电体136的导电率与负电极活性材料层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，当存在在装置中存储能量的外加电流或对装置进行放电的外加负荷时，负电极集电体136的导电率与负电极活性材料层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，当存在在装置中存储能量的外加电流或对装置进行放电的外加负荷时，负电极集电体136的导电率与负电极活性材料层的导电率的比率为至少10,000:1。
在该实施例中的负电极集电体136的厚度(即，中间夹着负电极集电体层136的隔膜与负电极活性材料层之间的最短距离)取决于该层的组成和电化学堆叠的性能规格。通常，当负电极集电体层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，负电极集电体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，负电极集电体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，负电极集电体136的厚度在约0.5至约3微米的范围内。通常，负电极集电体136的厚度优选地大致均匀。例如，在一个实施例中，负电极集电体136优选地具有小于约25％的厚度不均匀性，其中厚度不均匀性被定义为该层的最大厚度减去该层的最小厚度的量除以平均层厚度。在某些实施例中，厚度变化甚至更小。例如，在一些实施例中，负电极集电体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，负电极集电体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。
在一个优选实施例中，负电极集电体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。
当被置于负电极活性材料层与隔膜之间时，负电极集电体136可以通过使来自电极集电体的电流跨电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，从而减少循环期间电极活性材料中的应力；由于负电极集电体136将电流分布到面对隔膜的负电极活性材料层的表面，因此在载体离子浓度最大的情况下，负电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，负电极集电体136和负电极活性材料层的位置可以颠倒。
根据一个实施例，正电极的每个构件具有正电极集电体140，其例如可以被设置在正电极主干与正电极活性材料层之间。此外，负电极集电体136和正电极集电体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AH Whitehead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，正电极集电体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，正电极集电体140包括镍或其合金，例如硅化镍。
在备选实施例中，正电极集电体层和正电极活性材料层的位置可以颠倒，例如使得正电极集电体层位于隔膜层与正电极活性材料层之间。在这样的实施例中，紧邻正电极活性材料层的正电极集电体140包括离子可渗透导体，其具有结合负电极集电体层描述的组成和结构；也就是说，正电极集电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，正电极集电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电极集电体层的一侧上的紧邻正电极活性材料层与电化学堆叠中的正电极集电体层的另一侧上的紧邻隔膜层之间移动。在该实施例中，相对来说，当存在在装置中存储能量的外加电流或对装置进行放电的外加负荷时，正电极集电体层的导电率大于其离子传导率。例如，当存在在装置中存储能量的外加电流或对装置进行放电的外加负荷时，正电极集电体层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，当存在在装置中存储能量的外加电流或对装置进行放电的外加负荷时，正电极集电体层的导电率与离子传导率(对于载体离子)的比率通常为至少5,000:1。作为另一示例，在一个这样的实施例中，当存在在装置中存储能量的外加电流或对装置进行放电的外加负荷时，正电极集电体层的导电率与离子传导率(对于载体离子)的比率通常为至少10,000:1。作为另一示例，在一个这样的实施例中，当存在在装置中存储能量的外加电流或对装置进行放电的外加负荷时，正电极集电体层的导电率与离子传导率(对于载体离子)的比率通常为至少50,000:1。作为另一示例，在一个这样的实施例中，当存在在装置中存储能量的外加电流或对装置进行放电的外加负荷时，正电极集电体层的导电率与离子传导率(对于载体离子)的比率通常为至少100,000:1。
电绝缘隔膜层130可以围绕电极结构110群的每个构件和反电极结构112群的每个构件，并且使电极结构110群的每个构件与反电极结构112群的每个构件电隔离。电绝缘隔膜层130通常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，微孔隔膜材料可以被非水电解质渗透，以允许载体离子在电极群和反电极群的相邻构件之间传导。在某些实施例中，例如，忽略微孔隔膜材料的孔隙率，用于充电或放电循环期间的离子交换的在电极结构110群的构件与反电极结构112群的最近构件(即，“相邻对”)之间的电绝缘隔膜材料的至少70体积％是微孔隔膜材料；换言之，微孔隔膜材料构成在电极结构110群的构件和反电极112结构群的最近构件之间的电绝缘材料层的至少70体积％。作为另一示例，在一个实施例中，忽略微孔隔膜材料的孔隙率，微孔隔膜材料构成在电极结构110群的构件和反电极结构112群的构件的相邻对之间的电绝缘隔膜材料的至少75体积％。作为另一示例，在一个实施例中，忽略微孔隔膜材料的孔隙率，微孔隔膜材料构成在电极结构110群的构件和反电极结构112群的构件的相邻对之间的电绝缘隔膜材料层的至少80体积％。作为另一示例，在一个实施例中，忽略微孔隔膜材料的孔隙率，微孔隔膜材料构成在电极结构110群的构件和反电极结构112群的构件的相邻对之间的电绝缘隔膜材料层的至少85体积％。作为另一示例，在一个实施例中，忽略微孔隔膜材料的孔隙率，微孔隔膜材料构成在电极结构110群的构件和反电极结构112群的构件的相邻对之间的电绝缘隔膜材料层的至少90体积％。作为另一示例，在一个实施例中，忽略微孔隔膜材料的孔隙率，微孔隔膜材料构成在电极结构110群的构件和反电极结构112群的构件的相邻对之间的电绝缘隔膜材料层的至少95体积％。作为另一示例，在一个实施例中，忽略微孔隔膜材料的孔隙率，微孔隔膜材料构成在电极结构110群的构件和反电极结构112群的构件的相邻对之间的电绝缘隔膜材料层的至少99体积％。
在一个实施例中，微孔隔膜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)。微孔隔膜材料的孔具有至少50埃的直径，并且通常在约250至2,500埃的范围内。微孔隔膜材料通常具有小于约75％的孔隙率。在一个实施例中，微孔隔膜材料具有至少约25体积％的孔隙率(空隙率)。在一个实施例中，微孔隔膜材料具有约35％至55％的孔隙率。
用于微孔隔膜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、四氟丙烯等的单体的含氟聚合物。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、聚甲基丙烯酸和聚氧化乙烯。在另一个实施例中，粘合剂选自：丙烯酸酯、苯乙烯、环氧树脂和硅氧烷。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传导率，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)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。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传导性。
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，然后被干燥、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，非水电解质包括溶解在有机溶剂中的锂盐。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。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。
此外，根据一个实施例，包括微孔隔膜130以及其它电极110和/或反电极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的膨胀的情况下也工作的配置和组成。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的材料的抗压强度)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。
影响初级连接构件设计的变量
许多变量可以影响至少一个初级连接构件158(例如图8A中示出的实施例所示的第一和第二初级连接构件158、160)的设计。在一个实施例中，初级连接构件158、160可以提供足够的抵抗力以抵消否则可导致初级生长约束件154、156相互远离地平移(移动分开)的力。在一个实施例中，控制初级连接构件158、160上的拉伸应力的等式可以写成：
σ＝PL/2t
其中P＝由于电极活性材料层132的膨胀而施加到初级生长约束件上的压力；L＝沿垂直方向的初级连接构件158、160之间的距离；t＝连接构件158、160在垂直方向上的厚度。
影响二级生长约束件设计的变量
许多变量可影响例如图8B中示出的实施例所示的第一和第二二级生长约束件158、160的设计。在一个实施例中，影响二级生长约束件158、160的设计的变量与影响初级生长约束件154、156的变量类似，但是变换到正交方向。例如，在一个实施例中，控制由于二级生长约束件158、160的弯曲导致的偏转的等式可以写成：
δ＝60wy4/Et3
其中w＝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上的总分布负荷；y＝纵向方向上的二级连接构件166(例如，充当二级连接构件166的第一和第二初级生长约束件154、156)之间的距离；E＝二级生长约束件158、160的弹性模量；t＝二级生长约束件158、160的厚度。在另一实施例中，二级生长约束件158、160上的应力可以写成：
σ＝3wy2/4t2
其中w＝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上的总分布负荷；y＝沿纵向方向的二级连接构件154、156之间的距离；t＝二级生长约束件158、160的厚度。
影响二级连接构件设计的变量
许多变量可影响至少一个二级连接构件166(例如图8B中示出的实施例所示的第一和第二二级连接构件154、156)的设计。在一个实施例中，类似于初级连接构件158、160上的拉伸应力，二级连接构件154、156上的拉伸应力可以写成如下：
σ＝Py/2h
其中P＝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；y＝沿纵向方向的连接构件154、156之间的距离；h＝纵向方向上的二级连接构件154、156的厚度。
在一个实施例中，用于二级生长约束件158、160的至少一个连接构件166不位于电极组件106的纵向端部117、119处，而是可以替代地位于电极组件106内部。例如，反电极结构112的一部分可以用作将二级生长约束件158、160彼此连接的二级连接构件166。在至少一个二级连接构件166是内部构件并且在二级连接构件166的任一侧发生电极活性材料层132的膨胀的情况下，该内部二级连接构件166上的拉伸应力可以计算如下：
σ＝Py/h
其中P＝由于电极活性材料的膨胀而施加到位于内部第一和第二二级连接构件166(例如，在纵向方向上彼此分开的反电极结构112)之间的二级生长约束件158、160的区域上的压力；y＝纵向方向上的内部二级连接构件166之间的距离；h＝纵向方向上的内部二级连接构件166的厚度。根据该实施例，内部二级连接构件166(例如，反电极结构112)的仅一半厚度有助于约束由一侧上的电极活性材料引起的膨胀，而内部二级连接构件166的另一半厚度有助于约束由另一侧上的电极活性材料引起的膨胀。
示例
示例1
本示例示出了制造具有一组约束件108的电极组件106的方法的示例。这里将图21称为该方法的实施例。
在该示例中，在步骤S1中，分别制造阳极和阴极主干134、141。然后如步骤S2所示，通过在阳极主干134上形成阳极活性材料132(例如含硅材料)来制造阳极110。在步骤S3，分别制造阳极和阴极集电体136、140。如步骤S4所示，制造一组约束件108。在步骤S5中，将用于形成隔膜130的材料沉积在阳极集电体136的侧面上。在步骤S6中，通过在阳极结构110和阴极主干141之间沉积材料来形成阴极活性材料138。最后，在步骤S7中，将电极组件106连接到接头片、封装、填充电解质并密封。根据一个实施例，在步骤S5和S6中沉积隔膜130和/或阴极活性材料138之前在步骤S4中一组约束件108的制造可以改善阳极结构110对该组约束件108的粘附性，不会像在将隔膜130和/或阴极活性材料138提供给电极组件106之后形成该组约束件108那样存在多余的残留物。
提供以下实施例以说明本公开的各方面，但是这些实施例并不旨在是限制性的，还可以提供其它方面和/或实施例。
实施例1.一种在充电状态与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、位于所述电池外壳内的电极组件、载体离子、非水液体电解质，还包括一组电极约束件，其中
所述电极组件具有相互垂直的纵向轴、横向轴和垂直轴、在所述纵向方向上彼此分离的第一纵向端面和第二纵向端面、以及围绕电极组件纵向轴AEA并连接所述第一纵向端面和所述第二纵向端面的横向表面，所述横向表面具有位于所述纵向轴的相反两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，LEA和WEA中的每一者与HEA的比率分别为至少2:1，
所述电极组件进一步包括电极结构群、反电极结构群、以及电隔离所述电极群和所述反电极群的构件的电绝缘微孔隔膜材料，所述电极结构群和所述反电极结构群的构件在所述纵向方向上以交替序列排列，
所述电极结构群的每个构件包括电极活性材料层，并且所述反电极结构群的每个构件包括反电极活性材料层，其中所述电极活性材料具有在所述二次电池从放电状态被充电至充电状态时，每摩尔电极活性材料接受超过一摩尔载体离子的容量，
所述一组电极约束件包括初级约束系统，所述初级约束系统包括第一和第二初级生长约束件和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，其中所述初级约束系统约束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％，
所述一组电极约束件进一步包括二级约束系统，所述二级约束系统包括在第二方向上分离并通过至少一个二级连接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在所述二次电池的循环期间至少部分地约束所述电极组件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，
所述充电状态是所述二次电池的额定容量的至少75％，所述放电状态小于所述二次电池的所述额定容量的25％。
实施例2.根据实施例1所述的二次电池，其中所述初级约束阵列约束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30个连续循环期间，所述电极组件的在所述纵向方向上的费雷特直径的任何增加小于20％。
实施例3.根据实施例1所述的二次电池，其中所述初级约束阵列约束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，所述电极组件的在所述纵向方向上的费雷特直径的任何增加小于20％。
实施例4.根据实施例1所述的二次电池，其中所述初级约束阵列约束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80个连续循环期间，所述电极组件的在所述纵向方向上的费雷特直径的任何增加小于20％。
实施例5.根据实施例1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约束到小于20％。
实施例6.根据实施例1所述的二次电池，其中所述初级约束阵列约束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1000个连续循环期间，所述电极组件的在所述纵向方向上的费雷特直径的任何增加小于20％。
实施例7.根据前述任一实施例所述的二次电池，其中所述初级约束阵列约束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，所述电极组件的在所述纵向方向上的费雷特直径的任何增加小于10％。
实施例8.根据前述任一实施例所述的二次电池，其中所述初级约束阵列约束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，所述电极组件的在所述纵向方向上的费雷特直径的任何增加小于10％。
实施例9.根据前述任一实施例所述的二次电池，其中所述初级约束阵列约束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30个连续循环期间，所述电极组件的在所述纵向方向上的费雷特直径的任何增加小于10％。
实施例10.根据前述任一实施例所述的二次电池，其中所述初级约束阵列约束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，所述电极组件的在所述纵向方向上的费雷特直径的任何增加小于10％。
实施例11.根据前述任一实施例所述的二次电池，其中所述初级约束阵列约束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80个连续循环期间，所述电极组件的在所述纵向方向上的费雷特直径的任何增加小于10％。
实施例12.根据前述任一实施例所述的二次电池，其中所述初级约束阵列约束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100个连续循环期间，所述电极组件的在所述纵向方向上的费雷特直径的任何增加小于10％。
实施例13.根据前述任一实施例所述的二次电池，其中所述初级约束阵列约束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5个连续循环期间，所述电极组件的在所述纵向方向上的费雷特直径的任何增加小于5％。
实施例14.根据前述任一实施例所述的二次电池，其中所述初级约束阵列约束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，所述电极组件的在所述纵向方向上的费雷特直径的任何增加小于5％。
实施例15.根据前述任一实施例所述的二次电池，其中所述初级约束阵列约束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，所述电极组件的在所述纵向方向上的费雷特直径的任何增加小于5％。
实施例16.根据前述任一实施例所述的二次电池，其中所述初级约束阵列约束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30个连续循环期间，所述电极组件的在所述纵向方向上的费雷特直径的任何增加小于5％。
实施例17.根据前述任一实施例所述的二次电池，其中所述初级约束阵列约束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，所述电极组件的在所述纵向方向上的费雷特直径的任何增加小于5％。
实施例18.根据前述任一实施例所述的二次电池，其中所述初级约束阵列约束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80个连续循环期间，所述电极组件的在所述纵向方向上的费雷特直径的任何增加小于5％。
实施例19.根据前述任一实施例所述的二次电池，其中所述初级约束阵列约束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每个循环期间，所述电极组件的在所述纵向方向上的费雷特直径的任何增加小于1％。
实施例20.根据前述任一实施例所述的二次电池，其中所述二级生长约束系统约束所述电极组件在所述第二方向上的生长，使得在所述二次电池的重复循环时在20个连续循环期间，所述电极组件的在所述第二方向上的费雷特直径的任何增加小于20％。
实施例21.根据前述任一实施例所述的二次电池，其中所述二级生长约束系统约束所述电极组件在所述第二方向上的生长，使得在所述二次电池的10个连续循环期间，所述电极组件的在所述第二方向上的费雷特直径的任何增加小于10％。
实施例22.根据前述任一实施例所述的二次电池，其中所述二级生长约束系统约束所述电极组件在所述第二方向上的生长，使得在所述二次电池的5个连续循环期间，所述电极组件的在所述第二方向上的费雷特直径的任何增加小于5％。
实施例23.根据前述任一实施例所述的二次电池，其中所述二级生长约束系统约束所述电极组件在所述第二方向上的生长，使得在所述二次电池的每个循环期间，所述电极组件的在所述第二方向上的费雷特直径的任何增加小于1％。
实施例24.根据前述任一实施例所述的二次电池，其中所述第一初级生长约束件至少部分地覆盖所述电极组件的所述第一纵向端面，并且所述第二初级生长约束件至少部分地覆盖所述电极组件的所述第二纵向端面。
实施例25.根据前述任一实施例所述的二次电池，其中所述电极组件在与所述堆叠方向正交的平面中的投影的表面积小于所述电极组件在其它正交平面中的投影的表面积。
实施例26.根据前述任一实施例所述的二次电池，其中电极结构在与所述堆叠方向正交的平面中的投影的表面积大于所述电极结构在其它正交平面中的投影的表面积。
实施例27.根据前述任一实施例所述的二次电池，其中在所述二次电池在充电状态与放电状态之间循环之前，所述初级生长约束系统的至少一部分被预拉紧，以在所述纵向方向上向所述电极组件的至少一部分上施加压缩力。
实施例28.根据前述任一实施例所述的二次电池，其中所述初级约束系统包括第一和第二初级连接构件，所述第一和第二初级连接构件在所述第一方向上彼此分离并且连接所述第一和第二初级生长约束件。
实施例29.根据前述任一实施例所述的二次电池，其中所述第一初级连接构件是所述第一二级生长约束件，所述第二初级连接构件是所述第二二级生长约束件，并且所述第一初级生长约束件或所述第二初级生长约束件是所述第一二级连接构件。
实施例30.根据前述任一实施例所述的二次电池，其中所述至少一个二级连接构件包括沿着所述纵向轴在所述电极组件的纵向第一和第二端部内的构件。
实施例31.根据前述任一实施例所述的二次电池，其中所述至少一个二级连接构件包括所述电极和反电极结构中的一者或多者的至少一部分。
实施例32.根据前述任一实施例所述的二次电池，其中所述至少一个二级连接构件包括电极主干结构和反电极主干结构中的至少一者的一部分。
实施例33.根据前述任一实施例所述的二次电池，其中所述至少一个二级连接构件包括电极集电体和反电极集电体中的一者或多者的一部分。
实施例34.根据前述任一实施例所述的二次电池，其中所述第一和第二初级生长约束件中的至少一者沿着所述纵向轴在所述电极组件的纵向第一和第二端部内。
实施例35.根据前述任一权利要求所述的二次电池，其中所述第一和第二初级生长约束件中的至少一者包括所述电极和反电极结构中的一者或多者的至少一部分。
实施例36.根据前述任一实施例所述的二次电池，其中所述第一和第二初级生长约束件中的至少一者包括电极主干结构和反电极主干结构中的至少一者的一部分。
实施例37.根据前述任一实施例所述的二次电池，其中所述第一和第二初级生长约束件中的至少一者包括电极集电体和反电极集电体中的一者或多者的一部分。
实施例38.根据前述任一实施例所述的二次电池，进一步包括三级约束系统，所述三级约束系统包括在第三方向上分离并通过至少一个三级连接构件连接的第一和第二三级生长约束件，其中在将所述二次电池从所述放电状态充电至所述充电状态时，所述三级约束系统约束所述电极组件在所述第三方向上的生长，所述第三方向与所述纵向方向和第二方向正交。
实施例39.根据前述任一实施例所述的二次电池，其中所述电极活性材料是阳极活性的，所述反电极活性材料是阴极活性的。
实施例40.根据前述任一实施例所述的二次电池，其中所述电极结构群的每个构件包括主干。
实施例41.根据前述任一实施例所述的二次电池，其中所述反电极结构群的每个构件包括主干。
实施例42.根据前述任一实施例所述的二次电池，其中所述二级约束系统通过大于1000psi的约束力和小于0.2mm/m的偏斜来约束所述电极组件在所述垂直方向上的生长。
实施例43.根据前述任一实施例所述的二次电池，其中在小于或等于10,000psi和小于0.2mm/m的偏斜下以小于5％的位移，所述二级生长约束件约束所述电极组件在所述垂直方向上的生长。
实施例44.根据前述任一实施例所述的二次电池，其中在小于或等于10,000psi和小于0.2mm/m的偏斜下以小于3％的位移，所述二级生长约束件约束所述电极组件在所述垂直方向上的生长。
实施例45.根据前述任一实施例所述的二次电池，其中在小于或等于10,000psi和小于0.2mm/m的偏斜下以小于1％的位移，所述二级生长约束件约束所述电极组件在所述垂直方向上的生长。
实施例46.根据前述任一实施例所述的二次电池，其中在50次电池循环之后，在小于或等于10,000psi和小于0.2mm/m的偏斜下以小于15％的位移，所述二级生长约束件约束所述电极组件在所述垂直方向上的生长。
实施例47.根据前述任一实施例所述的二次电池，其中在150次电池循环之后，在小于或等于10,000psi和小于0.2mm/m的偏斜下以小于5％的位移，所述二级生长约束件约束所述电极组件在所述垂直方向上的生长。
实施例48.根据前述任一实施例所述的二次电池，其中所述反电极结构群的构件包括与所述第一二级生长约束件相邻的顶部、与所述第二二级生长约束件相邻的底部、平行于从所述顶部延伸到所述底部的所述垂直方向并且沿着所述垂直方向的垂直轴ACES、围绕所述垂直轴ACES并连接所述顶部和所述底部的横向电极表面、长度LCES、宽度WCES和高度HCES，所述横向电极表面具有位于所述垂直轴的相反两侧上并在与所述垂直轴正交的第一方向上分离的相对的第一区域和第二区域，所述长度LCES由所述横向电极表面限定并在所述横向方向上测量，所述宽度WCES由所述横向电极表面限定并在所述纵向方向上测量，所述高度HCES在所述垂直轴ACES的方向上从所述顶部到所述底部测量，其中
所述第一和第二二级生长约束件各自包括内表面和相反的外表面，每一者的所述内表面和所述外表面基本上共面，并且所述第一和第二二级生长约束件中的每一者的所述内表面和所述相反的外表面之间的距离限定每一者的高度，该高度在所述垂直方向上从每一者的所述内表面到所述外表面测量，每一者的所述内表面被附接到所述电极结构群的所述顶部和所述底部。
实施例49.根据前述任一实施例所述的二次电池，其中所述第一和第二二级生长约束件中的每一者的内表面包括凹口，并且所述反电极结构群的高度HCES延伸到所述凹口中并被附接在所述凹口内，所述凹口具有沿着所述垂直方向限定的深度，该深度是所述第一和第二二级生长约束件的高度的25％。
实施例50.根据前述任一实施例所述的二次电池，其中所述第一和第二二级生长约束件中的每一者的内表面包括凹口，并且所述反电极结构群的高度HCES延伸到所述凹口中并被附接在所述凹口内，所述凹口具有沿着所述垂直方向限定的深度，该深度是所述第一和第二二级生长约束件的高度的50％。
实施例51.根据前述任一实施例所述的二次电池，其中所述第一和第二二级生长约束件中的每一者的内表面包括凹口，并且所述反电极结构群的高度HCES延伸到所述凹口中并被附接在所述凹口内，所述凹口具有沿着所述垂直方向限定的深度，该深度是所述第一和第二二级生长约束件的高度的75％。
实施例52.根据前述任一实施例所述的二次电池，其中所述第一和第二二级生长约束件中的每一者的内表面包括凹口，并且所述反电极结构群的高度HCES延伸到所述凹口中并被附接在所述凹口内，所述凹口具有沿着所述垂直方向限定的深度，该深度是所述第一和第二二级生长约束件的高度的90％。
实施例53.根据前述任一实施例所述的二次电池，其中所述第一和第二二级生长约束件中的每一者包括狭槽，并且所述反电极结构群的高度延伸穿过所述狭槽并被附接在所述狭槽内，从而在所述第一和第二二级生长约束件中的每一者与所述电极结构群之间形成互锁连接。
实施例54.根据前述任一实施例所述的二次电池，其中所述电极结构群的构件包括与所述第一二级生长约束件相邻的顶部、与所述第二二级生长约束件相邻的底部、平行于从所述顶部延伸到所述底部的所述垂直方向并且沿着所述垂直方向的垂直轴AES、围绕所述垂直轴AES并连接所述顶部和所述底部的横向电极表面、长度LES、宽度WES和高度HES，所述横向电极表面具有位于所述垂直轴的相反两侧上并在与所述垂直轴正交的第一方向上分离的相对的第一区域和第二区域，所述长度LES由所述横向电极表面限定并在所述横向方向上测量，所述宽度WES由所述横向电极表面限定并在所述纵向方向上测量，所述高度HES在所述垂直轴AES的方向上从所述顶部到所述底部测量，其中
所述第一和第二二级生长约束件各自包括内表面和相反的外表面，每一者的所述内表面和所述外表面基本上共面，并且所述第一和第二二级生长约束件中的每一者的所述内表面和所述相反的外表面之间的距离限定每一者的高度，该高度在所述垂直方向上从每一者的所述内表面到所述外表面测量，每一者的所述内表面被附接到所述电极结构群的所述顶部和所述底部。
实施例55.根据前述任一实施例所述的二次电池，其中所述第一和第二二级生长约束件中的每一者的内表面包括凹口，并且所述电极结构群的高度HES延伸到所述凹口中并被附接在所述凹口内，所述凹口具有沿着所述垂直方向限定的深度，该深度是所述第一和第二二级生长约束件的高度的25％。
实施例56.根据前述任一实施例所述的二次电池，其中所述第一和第二二级生长约束件中的每一者的内表面包括凹口，并且所述电极结构群的高度HES延伸到所述凹口中并被附接在所述凹口内，所述凹口具有沿着所述垂直方向限定的深度，该深度是所述第一和第二二级生长约束件的高度的50％。
实施例57.根据前述任一实施例所述的二次电池，其中所述第一和第二二级生长约束件中的每一者的内表面包括凹口，并且所述电极结构群的高度HES延伸到所述凹口中并被附接在所述凹口内，所述凹口具有沿着所述垂直方向限定的深度，该深度是所述第一和第二二级生长约束件的高度的75％。
实施例58.根据前述任一实施例所述的二次电池，其中所述第一和第二二级生长约束件中的每一者的内表面包括凹口，并且所述电极结构群的高度HES延伸到所述凹口中并被附接在所述凹口内，所述凹口具有沿着所述垂直方向限定的深度，该深度是所述第一和第二二级生长约束件的高度的90％。
实施例59.根据前述任一实施例所述的二次电池，其中所述第一和第二二级生长约束件中的每一者包括狭槽，并且所述电极结构群的高度延伸穿过所述狭槽并被附接在所述狭槽内，从而在所述第一和第二二级生长约束件中的每一者与所述电极结构群之间形成互锁连接。
实施例60.根据前述任一实施例所述的二次电池，其中所述一组电极约束件进一步包括融合的二级约束系统，所述融合的二级约束系统包括在第二方向上分离并且与至少一个第一二级连接构件融合的第一和第二二级生长约束件。
实施例61.根据前述任一实施例所述的二次电池，其中所述反电极结构群的构件包括与所述第一二级生长约束件相邻的顶部、与所述第二二级生长约束件相邻的底部、平行于从所述顶部延伸到所述底部的所述垂直方向并且沿着所述垂直方向的垂直轴ACES、围绕所述垂直轴ACES并连接所述顶部和所述底部的横向电极表面、长度LCES、宽度WCES和高度HCES，所述横向电极表面具有位于所述垂直轴的相反两侧上并在与所述垂直轴正交的第一方向上分离的相对的第一区域和第二区域，所述长度LCES由所述横向电极表面限定并在所述横向方向上测量，所述宽度WCES由所述横向电极表面限定并在所述纵向方向上测量，所述高度HCES在所述垂直轴ACES的方向上从所述顶部到所述底部测量，其中
所述第一和第二二级生长约束件各自包括内表面和相反的外表面，每一者的所述内表面和所述外表面基本上共面，并且所述第一和第二二级生长约束件中的每一者的所述内表面和所述相反的外表面之间的距离限定每一者的高度，该高度在所述垂直方向上从每一者的所述内表面到所述外表面测量，每一者的所述内表面被融合到所述反电极结构群的所述顶部和所述底部。
实施例62.根据前述任一实施例所述的二次电池，其中所述电极结构群的构件包括与所述第一二级生长约束件相邻的顶部、与所述第二二级生长约束件相邻的底部、平行于从所述顶部延伸到所述底部的所述垂直方向并且沿着所述垂直方向的垂直轴AES、围绕所述垂直轴AES并连接所述顶部和所述底部的横向电极表面、长度LES、宽度WES和高度HES，所述横向电极表面具有位于所述垂直轴的相反两侧上并在与所述垂直轴正交的第一方向上分离的相对的第一区域和第二区域，所述长度LES由所述横向电极表面限定并在所述横向方向上测量，所述宽度WES由所述横向电极表面限定并在所述纵向方向上测量，所述高度HES在所述垂直轴AES的方向上从所述顶部到所述底部测量，其中
所述第一和第二二级生长约束件各自包括内表面和相反的外表面，每一者的所述内表面和所述外表面基本上共面，并且所述第一和第二二级生长约束件中的每一者的所述内表面和所述相反的外表面之间的距离限定每一者的高度，该高度在所述垂直方向上从每一者的所述内表面到所述外表面测量，每一者的所述内表面被融合到所述电极结构群的所述顶部和所述底部。
实施例63.根据前述任一实施例所述的二次电池，其中电极结构和反电极结构中的至少一者包括与所述第一二级生长约束件相邻的顶部、与所述第二二级生长约束件相邻的底部、平行于从顶部延伸到底部的所述垂直方向并且沿着所述垂直方向的垂直轴AES、围绕所述垂直轴并连接顶部和底部的横向电极表面，所述横向电极表面具有由所述横向电极表面限定并在所述纵向方向上测量的宽度WES，其中
所述宽度WES从邻近所述顶部的第一宽度逐渐变细到第二宽度，所述第二宽度在所述顶部和所述底部之间的沿着所述垂直轴的一区域处小于所述第一宽度。
实施例64.根据前述任一实施例所述的二次电池，其中所述至少一个二级连接构件与所述电极组件的纵向端部处的所述第一和第二初级生长约束件中的至少一者对应。
实施例65.根据前述任一实施例所述的二次电池，其中所述电绝缘微孔隔膜材料包括颗粒材料和粘合剂，具有至少20体积％的空隙率，并且被所述非水液体电解质渗透。
实施例66.根据前述任一实施例所述的二次电池，其中所述载体离子选自锂、钾、钠、钙和镁。
实施例67.根据前述任一实施例所述的二次电池，其中所述非水液体电解质包含溶解在有机溶剂中的锂盐。
实施例68.根据前述任一实施例所述的二次电池，其中所述第一和第二二级生长约束件各自包括小于所述电极或反电极的高度的50％的厚度。
实施例69.根据前述任一实施例所述的二次电池，其中所述第一和第二二级生长约束件各自包括小于所述电极或反电极的高度的20％的厚度。
实施例70.根据前述任一实施例所述的二次电池，其中所述第一和第二二级生长约束件各自包括小于所述电极或反电极的高度的10％的厚度。
实施例71.根据前述任一实施例所述的二次电池，其中如扫描电子显微镜(SEM)所测量的，所述一组电极约束件抑制在所述载体离子插入到所述电极活性材料时所述电极活性材料层在所述垂直方向上的膨胀。
实施例72.根据前述任一实施例所述的二次电池，其中所述第一和第二初级生长约束件向所述第一和第二纵向端部中的每一者施加分别在所述第一和第二纵向端部的表面积上平均的至少0.7kPa的平均压缩力。
实施例73.根据前述任一实施例所述的二次电池，其中所述第一和第二初级生长约束件向所述第一和第二纵向端部中的每一者施加分别在所述第一和第二纵向端部的表面积上平均的至少1.75kPa的平均压缩力。
实施例74.根据前述任一实施例所述的二次电池，其中所述第一和第二初级生长约束件向所述第一和第二纵向端部中的每一者施加分别在所述第一和第二纵向端部的表面积上平均的至少2.8kPa的平均压缩力。
实施例75.根据前述任一实施例所述的二次电池，其中所述第一和第二初级生长约束件向所述第一和第二纵向端部中的每一者施加分别在所述第一和第二纵向端部的表面积上平均的至少3.5kPa的平均压缩力。
实施例76.根据前述任一实施例所述的二次电池，其中所述第一和第二初级生长约束件向所述第一和第二纵向端部中的每一者施加分别在所述第一和第二纵向端部的表面积上平均的至少5.25kPa的平均压缩力。
实施例77.根据前述任一实施例所述的二次电池，其中所述第一和第二初级生长约束件向所述第一和第二纵向端部中的每一者施加分别在所述第一和第二纵向端部的表面积上平均的至少7kPa的平均压缩力。
实施例78.根据前述任一实施例所述的二次电池，其中所述第一和第二初级生长约束件向所述第一和第二纵向端部中的每一者施加分别在所述第一和第二投影纵向端部的表面积上平均的至少8.75kPa的平均压缩力。
实施例79.根据前述任一实施例所述的二次电池，其中所述第一和第二初级生长约束件向所述第一和第二纵向端部中的每一者施加分别在所述第一和第二纵向端部的表面积上平均的至少10kPa的平均压缩力。
实施例80.根据前述任一实施例所述的二次电池，其中所述第一纵向端面和所述第二纵向端面的表面积小于所述电极组件的表面积的25％。
实施例81.根据前述任一实施例所述的二次电池，其中所述第一纵向端面和所述第二纵向端面的表面积小于所述电极组件的表面积的20％。
实施例82.根据前述任一实施例所述的二次电池，其中所述第一纵向端面和所述第二纵向端面的表面积小于所述电极组件的表面积的15％。
实施例83.根据前述任一实施例所述的二次电池，其中所述第一纵向端面和所述第二纵向端面的表面积小于所述电极组件的表面积的10％。
实施例84.根据前述任一实施例所述的二次电池，其中所述约束件和外壳具有小于由所述电池外壳包围的体积的60％的组合体积。
实施例85.根据前述任一实施例所述的二次电池，其中所述约束件和外壳具有小于由所述电池外壳包围的体积的45％的组合体积。
实施例86.根据前述任一实施例所述的二次电池，其中所述约束件和外壳具有小于由所述电池外壳包围的体积的30％的组合体积。
实施例87.根据前述任一实施例所述的二次电池，其中所述约束件和外壳具有小于由所述电池外壳包围的体积的20％的组合体积。
实施例88.根据前述任一实施例所述的二次电池，其中当所述二次电池被充电至其额定容量的至少80％时，所述第一纵向端面和所述第二纵向端面处于压缩负荷下。
实施例89.根据前述任一实施例所述的二次电池，其中所述二次电池包括电极组件组，所述组包括至少两个电极组件。
实施例90.根据前述任一实施例所述的二次电池，其中所述电极组件包括至少5个电极结构和至少5个反电极结构。
实施例91.根据前述任一实施例所述的二次电池，其中所述电极组件包括至少10个电极结构和至少10个反电极结构。
实施例92.根据前述任一实施例所述的二次电池，其中所述电极组件包括至少50个电极结构和至少50个反电极结构。
实施例93.根据前述任一实施例所述的二次电池，其中所述电极组件包括至少100个电极结构和至少100个反电极结构。
实施例94.根据前述任一实施例所述的二次电池，其中所述电极组件包括至少500个电极结构和至少500个反电极结构。
实施例95.根据前述任一实施例所述的二次电池，其中所述初级和二级约束系统中的至少一者包括具有至少10,000psi(>70MPa)的极限拉伸强度的材料。
实施例96.根据前述任一实施例所述的二次电池，其中所述初级和二级约束系统中的至少一者包括与所述电池的电解质相容的材料。
实施例97.根据前述任一实施例所述的二次电池，其中所述初级和二级约束系统中的至少一者包括在所述电池的浮动或阳极电势下不显著腐蚀的材料。
实施例98.根据前述任一实施例所述的二次电池，其中所述初级和二级约束系统中的至少一者包括在45℃下不显著反应或丧失机械强度的材料。
实施例99.根据前述任一实施例所述的二次电池，其中所述初级和二级约束系统中的至少一者包括在70℃下不显著反应或丧失机械强度的材料。
实施例100.根据前述任一实施例所述的二次电池，其中所述初级和二级约束系统中的至少一者包括金属、金属合金、陶瓷、玻璃、塑料或其组合。
实施例101.根据前述任一实施例所述的二次电池，其中所述初级和二级约束系统中的至少一者包括厚度在约10微米至约100微米的范围内的材料片。
实施例102.根据前述任一实施例所述的二次电池，其中所述初级和二级约束系统中的至少一者包括厚度在约30微米至约75微米的范围内的材料片。
实施例103.根据前述任一实施例所述的二次电池，其中所述初级和二级约束系统中的至少一者包括>50％堆密度的碳纤维。
实施例104.根据前述任一实施例所述的二次电池，其中所述第一和第二初级生长约束件向所述第一纵向端面和所述第二纵向端面施加压力，该压力超过了在彼此垂直并且垂直于所述堆叠方向的两个方向中的每个方向上保持在所述电极组件上的压力至少2倍。
实施例105.根据前述任一实施例所述的二次电池，其中所述第一和第二初级生长约束件向所述第一纵向端面和所述第二纵向端面施加压力，该压力超过了在彼此垂直并且垂直于所述堆叠方向的两个方向中的每个方向上保持在所述电极组件上的压力至少2倍。
实施例106.根据前述任一实施例所述的二次电池，其中所述第一和第二初级生长约束件向所述第一纵向端面和所述第二纵向端面施加压力，该压力超过了在彼此垂直并且垂直于所述堆叠方向的两个方向中的每个方向上保持在所述电极组件上的压力至少3倍。
实施例107.根据前述任一实施例所述的二次电池，其中所述第一和第二初级生长约束件向所述第一纵向端面和所述第二纵向端面施加压力，该压力超过了在彼此垂直并且垂直于所述堆叠方向的两个方向中的每个方向上保持在所述电极组件上的压力至少4倍。
实施例108.根据前述任一实施例所述的二次电池，其中位于所述电极组件外部的所述一组电极约束件的部分占所述电极约束件的外部部分和所述电极组件的总组合体积的80％以下。
实施例109.根据前述任一实施例所述的二次电池，其中位于所述电极组件外部的所述初级生长约束系统的部分占所述初级生长约束系统的外部部分和所述电极组件的总组合体积的40％以下。
实施例110.根据前述任一实施例所述的二次电池，其中位于所述电极组件外部的所述二级生长约束系统的部分占所述二级生长约束系统的外部部分和所述电极组件的总组合体积的40％以下。
实施例111.根据前述任一实施例所述的二次电池，其中所述电极群和所述反电极群的构件在所述第一纵向端面上的投影限定第一投影区域，并且所述电极群和所述反电极群的构件在所述第二纵向端面上的投影限定第二投影区域，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面和所述第二纵向端面的表面积的至少50％。
实施例112.根据前述任一实施例所述的二次电池，其中所述第一和第二初级生长约束件在所述二次电池在充电状态与放电状态之间的重复循环时根据以下公式偏转：
δ＝60wL4/Eh3
其中w是在所述二次电池在充电状态与放电状态之间重复循环时施加到所述第一和第二初级生长约束件上的总分布负荷，L是所述垂直方向上第一和第二初级连接构件之间的距离，E是所述第一和第二初级生长约束件的弹性模量，h是所述第一和第二初级生长约束件的厚度。
实施例113.根据前述任一实施例所述的二次电池，其中在所述二次电池在充电状态与放电状态之间重复循环时，所述第一和第二初级生长约束件上的应力如下：
σ＝3wL2/4h2
其中w是在所述二次电池在充电状态与放电状态之间重复循环时施加到所述第一和第二初级生长约束件上的总分布负荷，L是所述垂直方向上第一和第二初级连接构件之间的距离，h是所述第一和第二初级生长约束件的厚度。
实施例114.根据前述任一实施例所述的二次电池，其中所述第一和第二初级连接构件上的拉伸应力如下：
σ＝PL/2t
其中P是在所述二次电池在充电状态与放电状态之间重复循环时由于所述第一和第二初级生长约束件而施加的压力，L是沿所述垂直方向所述第一和第二初级连接构件之间的距离，t是在所述垂直方向上所述第一和第二初级连接构件的厚度。
实施例115.根据前述任一实施例所述的二次电池，其中在所述二次电池在充电状态与放电状态之间的重复循环时所述第一和第二二级生长约束件根据以下公式偏转：
δ＝60wy4/Et3
其中w是在所述二次电池在充电状态与放电状态之间重复循环时施加到所述第一和第二二级生长约束件上的总分布负荷，y是所述纵向方向上所述第一和第二二级连接构件之间的距离，E是所述第一和第二二级生长约束件的弹性模量，t是所述第一和第二二级生长约束件的厚度。
实施例116.根据前述任一实施例所述的二次电池，其中所述第一和第二二级生长约束件上的应力如下：
σ＝3wy2/4t2
其中w是在所述二次电池在充电状态与放电状态之间重复循环时施加到所述第一和第二二级生长约束件上的总分布负荷，y是沿所述纵向方向所述第一和第二二级连接构件之间的距离，t是所述第一和第二二级生长约束件的厚度。
实施例117.根据前述任一实施例所述的二次电池，其中所述第一和第二二级连接构件上的拉伸应力如下：
σ＝Py/2h
其中P是在所述二次电池重复循环时施加到所述第一和第二二级生长约束件上的压力，y是沿所述纵向方向所述第一和第二二级连接构件之间的距离，h是在所述纵向方向上所述第一和第二二级连接构件的厚度。
实施例118.根据前述任一实施例所述的二次电池，其中内部二级连接构件上的拉伸应力如下：
σ＝Py/h
其中P是在所述二次电池在充电状态与放电状态之间循环时，由于内部第一和第二二级连接构件之间的区域上的电极活性材料的膨胀而施加到所述第一和第二二级生长约束件上的压力，y是沿所述纵向方向所述内部第一和第二二级连接构件之间的距离，h是在所述纵向方向上所述内部第一和第二二级连接构件的厚度。
实施例119.一种在充电状态与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、位于所述电池外壳内的电极组件、载体离子、非水液体电解质，还包括一组电极约束件，其中
所述电极组件具有相互垂直的纵向轴、横向轴和垂直轴、在所述纵向方向上彼此分离的第一纵向端面和第二纵向端面、以及围绕电极组件纵向轴AEA并连接所述第一纵向端面和所述第二纵向端面的横向表面，所述横向表面具有位于所述纵向轴的相反两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，LEA和WEA中的每一者与HEA的比率分别为至少2:1，
所述电极组件进一步包括电极结构群、反电极结构群、以及电隔离所述电极群和所述反电极群的构件的电绝缘微孔隔膜材料，所述电极结构群和所述反电极结构群的构件在所述纵向方向上以交替序列排列，
所述电极结构群的每个构件包括电极活性材料层，并且所述反电极结构群的每个构件包括反电极活性材料层，其中所述电极活性材料具有在所述二次电池从放电状态被充电至充电状态时，每摩尔电极活性材料接受超过一摩尔载体离子的容量，
所述一组电极约束件包括初级约束系统，所述初级约束系统包括第一和第二初级生长约束件和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，其中所述初级约束阵列约束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％，
所述充电状态是所述二次电池的额定容量的至少75％，所述放电状态小于所述二次电池的所述额定容量的25％。
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 (10)

1.一种在充电状态与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、位于所述电池外壳内的电极组件、载体离子，还包括一组电极约束件，其中
所述电极组件具有相互垂直的纵向轴、横向轴和垂直轴、在纵向方向上彼此分离的第一纵向端面和第二纵向端面、以及围绕电极组件纵向轴AEA并连接所述第一纵向端面和所述第二纵向端面的横向表面，所述横向表面具有位于所述纵向轴的相反两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，LEA和WEA中的每一者与HEA的比率分别为至少2:1，
所述电极组件进一步包括电极结构群、反电极结构群、以及电隔离所述电极结构群和所述反电极结构群的构件的电绝缘隔膜材料，所述电极结构群和所述反电极结构群的构件在所述纵向方向上以交替序列排列，
所述电极结构群的每个构件包括电极活性材料层，并且所述反电极结构群的每个构件包括反电极活性材料层，
所述一组电极约束件包括初级约束系统，所述初级约束系统包括第一初级生长约束件和第二初级生长约束件以及至少一个初级连接构件，所述第一初级生长约束件和所述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初级生长约束件和所述第二初级生长约束件，其中所述初级约束系统约束所述电极组件在所述纵向方向上的生长，
所述一组电极约束件进一步包括二级约束系统，所述二级约束系统包括在第二方向上分离并通过至少一个二级连接构件连接的第一二级生长约束件和第二二级生长约束件，其中所述二级约束系统在所述二次电池的循环期间至少部分地约束所述电极组件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，
其中所述至少一个二级连接构件包括沿着所述纵向轴在所述电极组件的所述第一纵向端面和所述第二纵向端面内的构件。
2.根据权利要求1所述的二次电池，其中所述充电状态是所述二次电池的额定容量的至少75％，所述放电状态小于所述二次电池的所述额定容量的25％。
3.根据权利要求1所述的二次电池，还包括位于所述电池外壳内的非水液体电解质。
4.根据权利要求1所述的二次电池，其中所述电绝缘微孔隔膜材料是微孔的。
5.根据权利要求1所述的二次电池，其中所述电极活性材料具有在所述二次电池从放电状态被充电至充电状态时，每摩尔电极活性材料接受超过一摩尔载体离子的容量。
6.根据权利要求1所述的二次电池，其中所述初级约束系统约束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％。
7.根据权利要求1所述的二次电池，其中所述初级约束系统约束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30个连续循环期间，所述电极组件的在所述纵向方向上的费雷特直径的任何增加小于20％。
8.根据权利要求1所述的二次电池，其中所述初级约束系统约束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，所述电极组件的在所述纵向方向上的费雷特直径的任何增加小于20％。
9.根据权利要求1所述的二次电池，其中所述初级约束系统约束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80个连续循环期间，所述电极组件的在所述纵向方向上的费雷特直径的任何增加小于20％。
10.根据权利要求1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，所述初级约束系统将所述电极组件在所述纵向方向上的生长约束到小于20％。
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