CN118044008A - 电池堆 - Google Patents
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Abstract
公开了电池堆。在示例中，电池堆包括多个电化学电池单元。多个电化学电池单元中的每个包括阴极层、布置在阴极层上的电解质层和布置在电解质层上的阳极层。电池堆包括阴极集流体，阴极集流体包括至少第一部分和第二部分，第一部分布置在多个电化学电池单元的第一电化学电池单元的阴极层上，第二部分布置在多个电化学电池单元的第二电化学电池单元的阴极层上。在阴极集流体的第一部分和第二部分之间，阴极集流体包括中间部分，中间部分的至少一个表面涂覆有电绝缘涂层。还描述了制造电池堆的方法、功能化集流体及其制造方法以及电动设备。
Description
技术领域
本发明涉及包括多个电化学电池单元的电池堆、制造电池堆的方法、功能化集流体、制造功能化集流体的方法以及包括电池堆的电动设备。
背景技术
电化学电池单元，特别是二次固态电化学电池单元，在充电和放电循环中膨胀和收缩(例如电池单元经历体积变化)。当固态电化学电池单元的一个或多个部件是烧结部件时，电池单元厚度的变化尤其明显。
当提供在电池堆中电连接的多个电化学电池单元时，电化学电池单元在使用期间的膨胀和收缩导致不期望的效果。例如，电池单元厚度的变化增加了电池堆中电池单元短路、损坏电池单元之间的连接器或电池单元从其各自的集流体脱离的可能性。
发明内容
在本公开第一方面的示例中，提供了一种包括多个电化学电池单元的电池堆。多个电化学电池单元中的每个电化学电池单元包括阴极层、布置在阴极层上的电解质层和布置在电解质层上的阳极层。电池堆包括阴极集流体，阴极集流体包括至少第一部分和第二部分，第一部分布置在多个电化学电池单元的第一电化学电池单元的阴极层上，第二部分布置在多个电化学电池单元的第二电化学电池单元的阴极层上。在阴极集流体的第一部分和第二部分之间，阴极集流体包括中间部分，中间部分的至少一个表面涂覆有电绝缘涂层。
有利地，发明人已经发现根据第一方面的电池堆不容易短路、连接器损坏或集流体脱离，尽管在使用周期中电池单元的体积发生变化。
通常，涂覆有电绝缘涂层的中间部分的至少一个表面面向电池堆的电池单元。因为涂层是电绝缘涂层，集流体的中间部分和电池单元的电极之间的任何接触不太可能使电池堆短路。
在示例中，电池堆包括阳极集流体。阳极集流体包括至少第一部分和第二部分，第一部分布置在第一电化学电池单元的阳极层上，第二部分布置在多个电化学电池单元的第三电化学电池单元的阳极层上。在阳极集流体的第一部分和第二部分之间，阳极集流体包括中间部分，中间部分的至少一个表面涂覆有电绝缘涂层。
在示例中，阳极集流体的第一部分的第一表面邻接第一电化学电池单元的阳极层，并且阳极集流体的第一部分的与第一表面相对的第二表面邻接第二电化学电池单元的阳极层。
在示例中，阴极集流体的第二部分的第一表面邻接第二电化学电池单元的阴极层，阴极集流体的第二部分的与第一表面相对的第二表面邻接第三电化学电池单元的阴极层。
多个电池单元包括任何合适数量的电池单元，例如2、3、4、5、6、7或8个电池单元。电池单元“背对背”布置，使得第一电池单元的阴极与第二电池单元的阴极相对布置，跨过集流体的共享部分，等等。
在示例中，多个电池单元中的每个电化学电池单元具有在使用中在膨胀厚度和收缩厚度之间变化的厚度。膨胀厚度大于收缩厚度。当每个电化学电池单元的厚度为膨胀厚度时，阴极集流体的中间部分的电绝缘涂层邻接至少一个电化学电池单元的侧面。另外或替代地，当每个电化学电池单元的厚度为收缩厚度时，阴极集流体的中间部分的电绝缘涂层与至少一个电化学电池单元的侧面间隔开。
电池单元的电极以层的形式提供。层在第一维度(厚度)、第二维度(长度)和第三维度(宽度)上延伸。典型地，层的厚度是其最小尺寸，层的长度是其最大尺寸，尽管这不是必须的。在第一方面的示例中，层的第一维度(例如厚度)沿电池单元在电池堆中堆叠的方向上延伸。
在示例中，电池单元的每层具有基本相同的长度和/或基本相同的宽度。在示例中，各层的厚度不同。例如，阴极层的厚度大于电解质层和阳极层的厚度。较厚的阴极层通常提供具有较大能量密度的电池单元。在示例中，阳极层的厚度大于电解质层的厚度。
每个电池单元包括多个层。因此，在示例中，每个电池单元的长度和宽度对应于电池单元中每层的长度和宽度，每个电池单元的厚度对应于电池单元中各层的总厚度。在示例中，多个电池单元中的每个电池单元具有基本相同的厚度(由于电池单元的循环而发生体积变化)。
电池单元在循环过程中会发生体积变化。电池单元循环的体积变化导致电池单元的至少一层或多层的厚度变化。在示例中，体积变化还导致电池单元的一层或多层的长度和/或宽度变化。
在示例中，电池单元的阴极和/或阳极层在使用中表现出体积变化(例如，它们在充电和放电循环中膨胀和收缩)。在示例中，电池单元的电解质层在使用过程中不表现出体积变化。
当电池单元的一层或多层处于其最大体积范围时，电池单元的厚度为膨胀厚度。当电池单元的一层或多层处于其最小体积范围或小于最大体积范围的体积范围时，电池单元的厚度为收缩厚度。
当电池堆的电池单元不处于其最大体积范围时(例如，不处于其膨胀厚度时)，阴极集流体的中间部分存在松弛，这意味着面向电池堆的电池单元的中间部分的表面与电池堆的电池单元间隔开(例如，在电池单元和面向电池单元的集流体的中间部分之间存在内腔)。中间部分的松弛允许电池单元膨胀，使得当电池堆的电池单元处于其最大体积范围(例如，其膨胀厚度)时，电池单元的电极基本上不从集流体分离。电池单元的膨胀通常使集流体的涂覆表面更靠近电池单元或与电池单元接触。因为涂层是电绝缘涂层，所以较少观察到通过集流体接触电池单元上的一系列电极的电池堆的短路。
在示例中，多个电化学电池单元是多个二次电化学电池单元。在示例中，多个电化学电池单元是多个固态电化学电池单元。
在示例中，电池堆设置在袋状电池单元中。
每个电池单元的阴极层包括阴极材料、主要由阴极材料组成或由阴极材料组成。在示例中，阴极材料包括、基本上由或由以下组成：锂钴氧化物(LiCoO2)，通常称为LCO锂锰氧化物(LiMn2O4)，通常称为LMO；钛酸锂(Li4Ti5O12–通常称为LTO)；锂镍锰钴氧化物(LiNi1-x-yMnxCoyO2)，通常称为NMC；磷酸铁锂(LiFePO4)，通常称为LFP；锂镍钴铝氧化物(LiNi1-x-yCoxAlyO2)，通常称为NCA；硫化锂(Li2S)；银钒氧化物(AgV2O5.5)，通常称为SVO；、或它们的组合。在示例中，阴极层是烧结的阴极层(例如阴极材料已经过烧结以提供阴极层)。在示例中，多个电池单元中的每个电池单元的阴极层具有基本相同的组成。
每个电池单元的阳极层包括阴极材料、主要由阴极材料组成或由阴极材料组成。在示例中，阳极材料包括硅、碳、氧化铟锡(ITO)、二氧化钼(MoO2)、钛酸锂(Li4Ti5O12-通常称为LTO)、锂合金、金属锂或其组合，或基本由其组成。在阳极包含碳的情况下，阳极包含任何合适的碳基材料。例如，阳极包括石墨、石墨烯、硬碳、活性炭和/或炭黑。在示例中，阳极层是烧结的阳极层(例如阳极材料已经过烧结以提供阳极层)。在示例中，多个电池单元中的每个电池单元的阳极层具有基本相同的组成。
电解质层通常包括陶瓷材料。在示例中，电解质层是结晶锂离子(“Li离子”)陶瓷。电解质层通常用作每个电池单元的阴极和阳极之间的隔离物，防止阳极和阴极直接接触从而使电池单元短路。
在示例中，电解质层电解质材料。电解质材料包括、基本上由或由以下组成：钙钛矿型锂离子导体；反钙钛矿型锂离子导体；石榴石型锂离子导体；钠超离子锂离子导体(钠硅)；与钠硅相关的锂离子导体；锂超离子导体(锂硅)；与锂硅相关的锂离子导体；硫代锂硅；硫代锂硅相关的锂离子导体；锂磷氧氮化物(LiPON)；相关的无定形玻璃状锂离子导体或其组合。在特定的示例中，电解质材料包括锂磷氧氮化物(LiPON)，LiPON具有以下化学式：LixPOyNz其中x＝2y+3z-5，并且x<4。在示例中，电解质层包含按层干重计至少50wt％、80wt％、90wt％、95wt％或99wt％的LiPON。在一些示例中，电解质基本上由LiPON组成或由LiPON组成。
在示例中，每个集流体(阳极集流体和阴极集流体)是金属箔(例如，铜、钨、铂、镍、不锈钢)、金属网、聚合物膜上的金属膜或足够导电的二氧化硅层、或任何其他已知的基底或阻挡层。在示例中，集流体是包括折叠(或弯曲)的片材。
电绝缘涂层是任何合适的材料，例如电绝缘树脂或涂料。尽管该元件被称为“涂层”，但是它是根据任何合适的方法提供到集流体中间部分的表面上的，该方法是添加的和/或减去的，并且“涂层”仅表示电绝缘材料覆盖或布置在集流体中间部分的至少一部分表面上。
在本公开第二方面的示例中，提供了一种制造包括多个电化学电池单元的电池堆的方法。该方法包括提供阴极集流体和提供布置在阴极集流体第一部分表面上的第一阴极。该方法还包括提供布置在第一阴极上的第一电解质，提供布置在第一电解质上的第一阳极，以及提供阳极集流体，使得第一阳极布置在阳极集流体的第一部分的第一表面上。该方法还包括提供布置在阳极集流体的第一部分的第二表面上的第二阳极，该第二表面与第一表面相对，以及提供布置在第二阳极上的第二电解质。该方法还包括提供布置在阴极集流体的第二部分的第一表面上的第二阴极，并折叠阴极集流体，使得第二阴极布置在第二电解质上。在阴极集流体的第一部分和第二部分之间，阴极集流体包括中间部分，中间部分的至少一个表面涂覆有电绝缘涂层。
如本文所用，“折叠”包括弯曲材料的平坦部分，使得该部分不再平坦。例如，邻近折叠(或弯曲)部分的材料部分不共面。折叠的方向可以参考材料的表面来定义。例如，沿材料的第一表面折叠包括使邻近折叠(或弯曲)部分的材料部分靠得更近。
阴极和阳极集流体的中间部分(以及其上的电绝缘涂层，当存在时)具有合适的柔性和/或延展性，以使得能够在电池堆的制造过程中折叠，并避免集流体由于电池单元的重复体积变化而失效。
在示例中，该方法还包括提供布置在阴极集流体的第二部分的第二表面上的第三阴极，该第二表面与第一表面相对，提供布置在第三阴极上的第三电解质，提供布置在第三电解质上的第三阳极；以及折叠阳极集流体，使得第三阳极布置在阳极集流体的第二部分的第一表面上。在阳极集流体的第一部分和第二部分之间，阳极集流体包括中间部分，中间部分的至少一个表面涂覆有电绝缘涂层。
在示例中，阳极集流体沿长度延伸，折叠阳极集流体包括基本垂直于其长度折叠阳极集流体。在示例中，阳极集流体的长度是阳极集流体的最大长度(例如，长度大于阳极集流体的厚度和宽度)。
在示例中，阴极集流体沿长度延伸，折叠阴极集流体包括基本垂直于其长度折叠阴极集流体。在示例中，阴极集流体的长度是阴极集流体的最大长度(例如，长度大于阴极集流体的厚度和宽度)。
在示例中，同时提供第一阳极层和第一电解质层。在示例中，提供阳极集流体使得第一阳极布置在阳极集流体的第一部分的第一表面上和提供布置在阳极集流体的第一部分的第二表面上的第二阳极同时进行。例如，第一阳极层和第一电解质层作为功能化阳极集流体的一部分提供。
在示例中，提供布置在第一阴极上的第一电解质，提供布置在第一电解质上的第一阳极，提供阳极集流体使得第一阳极布置在阳极集流体的第一部分的第一表面上，提供布置在阳极集流体的第一部分的第二表面上的第二阳极，第二表面与第一表面相对，和提供布置在第二阳极上的第二电解质是同时进行的，例如通过在第一阴极上提供功能化阳极集流体(下文将进一步描述)。
在示例中，提供布置在第三阴极上的第三电解质、提供布置在第三电解质上的第三阳极以及折叠阳极集流体使得第三阳极布置在阳极集流体的第二部分的第一表面上是同时进行的，例如通过沿着功能化阳极的中间部分折叠功能化阳极集流体。
在本发明第三方面的示例中，提供了一种功能化集流体，包括集流体层和多个电极，每个电极邻接集流体层第一表面的相应部分。每个电极与多个电极中的其他电极间隔开。
根据本公开，功能化集流体是其上布置有在电池堆中执行功能的材料的集流体。
在示例中，功能化集流体包括另外多个电极，每个电极邻接集流体层的第二表面的相应部分，第二表面与第一表面相对。典型地，集流体层的厚度从第二表面延伸到第一表面。
在示例中，集流体的第一表面上的多个电极中的每个电极与集流体的第二表面上的另外多个电极中的相应电极相对布置。例如，设置在集流体的第一表面上的第一电极与设置在集流体的第二表面上的第二电极相对设置。
在示例中，集流体的第一表面上的多个电极中的每个电极与集流体的第二表面上的相应电极具有基本相同的长度、厚度和宽度。
在示例中，功能化集流体包括在第一表面上的多个电极中的一些或每个电极之间的电绝缘涂层。在示例中，功能化集流体还包括位于第二表面上的多个电极中的一些或每个电极之间的电绝缘涂层。
在示例中，多个电极是多个阳极或者是多个阴极。在示例中，多个电极中的每个电极在与集流体层相对的电极表面上包括电解质层。
如上所述，功能化集流体用于制造电池堆的方法中。
在本公开的另一方面的示例中，提供了一种制造功能化集流体的方法。该方法包括提供集流体层，并在集流体层的第一表面上提供多个电极，每个电极与多个电极中的其他电极间隔开。
提供多个电极包括任何合适的方法，例如丝网印刷、沉积等。
在示例中，沉积包括物理气相沉积。物理气相沉积(PVD)是真空沉积的一个示例，指的是一种过程，其中冷凝材料被蒸发，然后至少一些蒸发材料在基底上冷凝以提供冷凝层。PVD的示例包括热沉积(也称为蒸发沉积)和溅射。
在示例中，沉积包括化学气相沉积。化学气相沉积(CVD)是真空沉积的一个示例，指的是将衬底暴露于一种或多种挥发性前体的过程，所述前体在衬底表面上反应和/或分解以产生层。CVD的示例包括低压化学气相沉积(LPCVD)和等离子体增强化学气相沉积(PECVD)。
在示例中，沉积包括电泳沉积。电泳沉积是指悬浮在液体介质中的胶体颗粒在电场(电泳)的影响下迁移并沉积在基底上的过程。电泳沉积的示例包括电涂、电沉积、电泳涂覆和电泳涂漆。
在示例中，沉积包括铸造。铸造的示例包括喷射铸造、薄板铸造和旋转铸造。在示例中，沉积包括丝网印刷。
在示例中，部分电极材料被沉积以在集流体的第一表面上提供电极材料的离散部分(例如，集流体的第一表面被掩蔽以仅暴露第一表面的被供应电极材料的部分)。在其他示例中，沉积电极材料以在集流体的第一表面上提供电极材料的连续部分，并且移除部分电极材料以在集流体上提供电极材料的离散部分。根据任何合适的方法(例如烧蚀)去除部分电极材料。
在示例中，提供多个电极包括在集流体的第一表面上提供电极材料，并烧结电极材料以提供烧结电极。
在示例中，集流体的第二表面以与第一表面相同的方式用电极功能化，加以必要的修正。
在示例中，电绝缘涂层被提供给设置在第一和/或第二表面上的电极之间的集流体的第一和/或第二表面的一个或多个中间部分。电绝缘涂层根据任何合适的方法提供，例如上文描述的任何沉积工艺。涂层不一定通过涂覆工艺提供。例如，通过添加工艺(例如，基本上仅在一个或多个中间部分的第一和/或第二表面上沉积电绝缘材料)和/或通过减去工艺(例如，在集流体和可选的电极上沉积电绝缘材料，并通过例如烧蚀去除部分电绝缘材料)为一个或多个中间部分提供电绝缘涂层。
在本公开的又一方面的示例中，提供了一种包括本文所述电池堆的电动设备。电动设备是从包括电池单元或电池堆的电路中提取电能的任何设备，将来自电池单元或电池堆的电能转换成其他形式的能量，例如机械功、热、光等。在示例中，电动设备是智能手机、手机、个人数字助理、收音机播放器、音乐播放器、摄像机、平板电脑、笔记本电脑、军事通信、军事照明、军事成像、卫星、飞机、微型飞行器、混合动力电动车辆、插电式混合动力电动车辆、全电动车辆、电动滑板车、水下车辆、船、轮船、电动花园拖拉机、无人驾驶航空无人机、无人驾驶飞机、遥控汽车、机器人玩具、真空吸尘器(例如机器人真空吸尘器)、机器人园艺工具、机器人建筑设施、机器人警报系统、机器人老龄护理单元、机器人儿童护理单元、电钻、电动割草机、电动真空吸尘器、电动金属加工研磨机、电热枪、电动压力机膨胀工具、电锯或切割机、电动打磨机和抛光机、电动剪切机和冲牙器、电动刳刨机、电动牙刷，电动吹风机、电动干手器、全球定位系统(GPS)设备、激光测距仪、手电筒、电动路灯、备用电源、不间断电源或其他便携式或固定式电子设备。在特定示例中，电动设备是车辆。
在此描述的与本公开的一个方面相关的特征结合其他方面被明确公开到它们兼容的程度。
本发明的其它特征和优点将从下面参照附图对本发明优选实施例的描述中变得显而易见，这些描述仅作为示例给出。
附图说明
图1是根据示例的电池堆的横截面示意图。
图2A是根据示例的电池堆的横截面示意图，该横截面沿第一平面截取；图2B是图2A所示电池堆的横截面示意图，该横截面沿着与第一平面正交的第二平面截取。
图3是根据示例的电池堆的横截面示意图。
图4A是图3所示电池堆的第一视图的示意图；图4B是图3所示电池堆的第二视图的示意图，第二视图与第一视图正交。电池堆的电化学电池单元具有收缩的厚度。
图5A是图3所示电池堆的第一视图的示意图；图4B是图3所示电池堆的第二视图的示意图，第二视图与第一视图正交。电池堆的电化学电池单元具有膨胀的厚度。
图6、7和8是根据示例的功能化集流体的部分的横截面示意图。
图9A是根据示例的方法的示意性流程图，描绘了该方法中各点处的材料的横截面，该横截面沿第一平面截取；图9B是图9A中描述的方法的示意性流程图，横截面沿着与第一平面正交的第二平面截取。
图10是根据示例的方法的示意性流程图，描绘了该方法中各点处的材料的横截面。
图11是根据示例的电动设备的示意图。
具体实施方式
图1是包括多个电化学电池单元1、2的电池堆100的一个示例的横截面示意图。在该示例中，多个电化学电池单元1、2包括第一电池单元1和第二电池单元。每个电池单元1、2包括阴极层12、22、邻接阴极层12、22的电解质层14、24以及邻接电解质层14、24的阳极层16、26。
电池堆100包括阴极集流体110，阴极集流体110包括第一部分112和第二部分114。第一部分112邻接第一电池单元1的阴极层12。第二部分114邻接第二电池单元2的阴极层22。
在阴极集流体110的第一部分112和第二部分114之间，阴极集流体110包括具有面向电池单元的表面的中间部分116。面向电池单元1、2的中间部分116的表面涂覆有电绝缘涂层118。
图1的电池堆100还包括阳极集流体150，其邻接第一电池单元1的阳极层16和第二电池单元的阳极层26；第一电池单元1的阳极层16邻接阳极集流体150的表面，第二电池单元2的阳极层26邻接阳极集流体150的相对表面。
电池单元以“背对背”方式布置，使得用作第一电池单元1的阳极集流体的阳极集流体150的一部分也用作第二电池单元2的阳极集流体，等等。图中所示的所有电池堆以这种“背对背”的方式布置。
图2A和2B是电池堆200的另一个示例的横截面示意图。图2A所示的横截面是沿着第一平面截取的，而图2B所示的横截面是沿着与第一平面正交的第二平面A-A截取的。
图2A和2B所示的电池堆200包括多个电池单元1、2、3，这些电池单元包括第一电池单元1、第二电池单元2和第三电池单元3。第一电池单元1和第二电池单元2对应于图1所示的第一电池单元1和第二电池单元2。
电池堆200包括阴极集流体210，阴极集流体210包括第一部分212和第二部分214。第一部分212邻接第一电池单元1的阴极层12。第二部分214邻接第二电池单元2的阴极层22。在该示例中，阴极集流体210的第二部分214也邻接第三电池单元3的阴极层32；第二电池单元2的阴极层22邻接阴极集流体210的第二部分214的表面，第三电池单元3的阴极层32邻接阴极集流体210的第二部分214的相对表面。
在阴极集流体210的第一部分212和第二部分214之间，阴极集流体210包括具有面向电池单元的表面的中间部分216。面向电池单元1、2、3的中间部分216的表面涂覆有电绝缘涂层218。
电池堆200还包括阳极集流体250，阳极集流体250包括第一部分252和第二部分254。第一部分252邻接第一电池单元的阳极层16。第二部分256邻接第三电池单元3的阳极层36。
在阳极集流体250的第一部分252和第二部分254之间，阳极集流体250包括具有面向电池单元的表面的中间部分256。面向电池单元1、2、3的中间部分256的表面涂覆有电绝缘涂层258。
在该示例中，阳极集流体的第一部分252也邻接第二电池单元2的阳极层26，第一电池单元1的阳极层16邻接阳极集流体250的第一部分252的表面，并且第二电池单元2的阳极层26邻接阳极集流体250的第一部分252的相对表面。
图3至5B描绘了根据另一个示例的电池堆300。在该示例中，堆300由大致正方形的层制成，并且可以说具有正面、两侧和背面。图3是通过平行于正面的第一平面截取的电池堆300的横截面；图4A是从与图3相同的方向看去的电池堆300的正视图。图4B是从垂直于图4A视图的方向看去的电池堆300的侧视图(例如电池堆300逆时针旋转90度)。在该示例中，电池堆300包括多个电池单元1、2、3、4、5、6、7、8，包括八个电池单元。
在图3至5B所示的每个电池堆中，每个电池单元包括如图1、2A和2B所示的阴极层、电解质层和阳极层。为了清楚起见，图3至5B中省略了阴极层、电解质层和阳极层的附图标记。
电池堆300包括阴极集流体310，阴极集流体310包括邻接第一电池单元1和第八电池单元8的阴极层的第一部分312和邻接第二电池单元2和第三电池单元3的阴极层的第二部分314。在第一部分312和第二部分314之间，阴极集流体310包括第一中间部分316，第一中间部分316具有面向电池堆的第一侧上的电池单元的表面。面向电池单元1、2的第一中间部分316的表面涂覆有电绝缘涂层318。
阴极集流体310还包括邻接第四电池单元4和第五电池单元5的阴极层的第三部分320。在第二部分314和第三部分320之间，阴极集流体310包括第二中间部分322，第二中间部分322具有面向电池堆的第二侧上的电池单元的表面。面向电池单元3、4的第二中间部分322的表面涂覆有电绝缘涂层324。第二中间部分322布置在电池堆300的与第一中间部分316相对的一侧。
阴极集流体310还包括邻接第六电池单元6和第七电池单元7的阴极层的第四部分326。在第三部分320和第四部分326之间，阴极集流体310包括第三中间部分328，第三中间部分328具有面向电池堆的第一侧上的电池单元的表面。面向电池单元5、6的第三中间部分328的表面涂覆有电绝缘涂层330。第三中间部分330布置在电池堆300的与第二中间部分322相对的一侧上；第三中间部分330与第一中间部分310布置在电池堆300的同一侧。
电池堆300包括阳极集流体350，阳极集流体350包括邻接第一电池单元1和第二电池单元2的阳极层的第一部分352和邻接第三电池单元3和第四电池单元4的阳极层的第二部分354。在第一部分352和第二部分354之间，阳极集流体350包括第一中间部分356，第一中间部分356具有面向电池堆的正面上的电池单元的表面。面向电池单元2、3的第一中间部分356的表面涂覆有电绝缘涂层358。
阳极集流体350还包括邻接第五电池单元5和第六电池单元6的阳极层的第三部分360。在第二部分354和第三部分360之间，阳极集流体350包括第二中间部分362，第二中间部分362具有面向电池堆的背面上的电池单元的表面。面向电池单元4、5的第二中间部分251的表面涂覆有电绝缘涂层364。第二中间部分362布置成与第一中间部分356相对。
阳极集流体350还包括邻接第七电池单元7的阳极层的第四部分366。在第三部分360和第四部分366之间，阳极集流体350包括第三中间部分368，第三中间部分368具有面向电池堆的正面的表面。面向电池单元6、7的第三中间部分368的表面涂覆有电绝缘涂层370。第三中间部分368与第二中间部分364相对布置；第三中间部分368布置在电池堆300的正面，相对低于第一中间部分356。
设想了包括更多电池单元的电池堆，电池单元以与图中所示相同的方式电连接，其中涂覆有电绝缘涂层的集流体的中间部分横跨电池堆交替布置。
电池堆300的电池单元在充电和放电循环中膨胀和收缩(例如，每个电池单元的阴极、电解质和阳极层中的至少一个或每个在充电和放电循环中膨胀和收缩)。电池堆300在图3、4A和4B中被描述为包括具有收缩厚度的电池单元。在这些示例中，阴极集流体310和阳极集流体350的中间部分316、322、330、256、362、368与电池堆300的电池单元间隔开(即中间部分的电绝缘涂层不沿着中间部分的大部分表面邻接电池堆300的电池单元)。
电池堆300在图5A和5B中被描述为包括具有膨胀厚度的电池单元。在这些示例中，阴极集流体310和阳极集流体350的电绝缘涂层中间部分316、322、330、256、362、368邻接电池堆300的电池单元。
图6、7和8描绘了根据示例的功能化集流体的部分。图6的功能化集流体600包括集流体层602和多个电极604、606，每个电极邻接集流体层602的第一表面608的相应部分。
功能化集流体600具有沿第一维度650的厚度、沿第二维度660的长度和沿第三维度670的宽度。在该示例中，功能化集流体600在第二维度660中沿其长度具有最大范围，在第一维度650中沿其厚度具有最小范围。
图7的功能化阴极集流体700包括阴极集流体层702和多个阴极704、706，每个阴极邻接阴极集流体层702的第一表面708的相应部分。阴极集流体700包括另外多个阴极710、712，每个阴极邻接阴极集流体层702的第二表面714的相应部分。在该示例中，第一表面708上的每个阴极704、706与阴极集流体层702的第二表面714上的相应阴极710、712相对布置。
在布置在阴极集流体层702的第一表面708上的每个阴极704、706之间，第一表面708涂覆有电绝缘涂层718。类似地，在阴极集流体层702的第二表面716上的每个阴极710、712之间，第二表面716涂覆有电绝缘涂层718。在其他示例中(未示出)，电绝缘涂层仅设置在阴极集流体层702的表面708、716之一上。在示例中，阴极集流体层702的电绝缘部分对应于图1至5B的电池堆中所示的阴极集流体的中间部分。
在示例中(未示出)，每个阴极704、706、710、712邻接各自的电解质层。每个电解质层具有与其对应的阴极层基本相同的长度和宽度，使得电解质层涂覆阴极层的与阴极集流体层702相对的表面。
功能化阴极集流体700具有沿第一维度750的厚度、沿第二维度760的长度和沿第三维度770的宽度。在该示例中，功能化集流体700(或至少阴极集流体层702)在第二维度760中沿其长度具有最大范围，在第一维度750中沿其厚度具有最小范围。
图8的功能化阳极集流体800包括阳极集流体层802、多个阳极804、806和多个电解质层810、812，每个阳极804、806邻接阳极集流体层802的第一表面808的相应部分，每个电解质层810、812邻接相应的阳极804、806。阳极集流体800包括另外多个阳极814、816，每个阳极邻接阳极集流体层802的第二表面818的相应部分，以及另外多个电解质层820、822，每个电解质层邻接另外多个阳极的相应阳极814、816。在该示例中，第一表面808上的阳极804、806、814、816中的每个与阳极集流体层802的第二表面818上的相应阳极814、816相对布置。
在布置在阳极集流体层802的第一表面808上的每个阳极804、806之间，第一表面808涂覆有电绝缘涂层824。类似地，在阳极集流体层802的第二表面818上的每个阳极814、816之间，第二表面818涂覆有电绝缘涂层826。在其他示例中(未示出)，电绝缘涂层仅设置在阳极集流体层802的表面808、818之一上。在示例中，阳极集流体层702的电绝缘部分对应于图1至5B的电池堆中所示的阳极集流体的中间部分。
在图8的示例中，每个电解质层810、812、820、822具有与其对应的阳极基本相同的长度和宽度，使得电解质层涂覆与阳极集流体层802相对的阳极层的表面。
功能化阳极集流体800具有沿第一维度850的厚度、沿第二维度860的长度和沿第三维度870的宽度。在该示例中，功能化阳极集流体800(或至少阳极集流体层802)在第二维度860中沿其长度具有最大范围，在第一维度850中沿其厚度具有最小范围。
在示例中，图6、7和8的功能化集流体600、700、800沿着集流体层的表面包括其他电极(未示出)。
图9A是制造电池堆的方法900的示例的示意性流程图，描绘了该方法中各点处的材料横截面，这些横截面是沿着第一平面截取的；图9B的示意性流程图描绘了相同的方法900，截面是沿着与第一平面正交的第二平面截取的。
方法900采用如图7所示的功能化集流体700和如图8所示的功能化阳极集流体800。图9A所示的横截面是沿图7所示的相同的平面截取的，例如沿阴极集流体800的厚度和长度延伸的平面。在整个方法900中，功能化阳极集流体800与功能化阴极集流体700正交布置(例如，在其基本平坦的形式中，功能化阳极集流体800在与功能化阴极集流体700延伸的长度正交的方向上沿其长度延伸)。因此，图9B所示的横截面是沿着与图8所示相同的平面截取的，例如沿着阳极集流体800的厚度和长度延伸的平面。换句话说，在所述方法900中，功能化阴极集流体700的第一维度750(功能化阴极集流体700沿该尺寸具有厚度)对应于功能化阳极集流体800的第一维度850(功能化阳极集流体800沿该尺寸具有厚度)；功能化阴极集流体700的第二维度760(功能化阴极集流体700沿该尺寸具有长度)对应于功能化阳极集流体800的第三维度870(功能化阳极集流体800沿该尺寸具有宽度)；并且功能化阴极集流体700的第三维度770(功能化阴极集流体700沿其具有宽度)对应于功能化阳极集流体800的第二维度860(功能化阳极集流体800沿其具有长度)。
在该示例中，制造电池堆的方法900包括提供功能化集流体700。方法900还包括提供902功能化阳极集流体800，使得功能化阳极集流体800的电解质层810邻接功能化阴极集流体700的阴极706。
方法900还包括沿着阴极704、706之间的部分沿其宽度折叠904功能化阴极集流体700，其中阴极集流体702的第一表面708涂覆有电绝缘涂层716，使得功能化阴极集流体700的另一阴极704邻接功能化阳极集流体800的第二电解质层822。特别地，另一阴极704的表面(与阴极704邻接的阴极集流体层702的部分相对)与另一电解质层822的基本上全部表面(与下面的阳极816邻接的阳极集流体层802的部分相对)接触。折叠功能化阴极集流体700，使得阴极集流体702的第一表面708上的电绝缘涂层716面向通过折叠接触的阴极704和电解质层822。功能化的阴极集流体700被折叠，使得阴极710暴露在电池堆的最高点。在功能化集流体700、800的电极具有收缩厚度(或不具有膨胀厚度)的情况下，功能化阴极集流体700被折叠，使得阴极集流体702的第一表面708上的电绝缘涂层716与通过折叠接触的阴极704和电解质层822间隔开。
方法900还包括沿着阳极704、806之间的部分沿其宽度折叠906功能化阳极集流体800，其中阳极集流体802的第一表面812涂覆有电绝缘涂层824，使得功能化阳极集流体800的又一电解质层808邻接功能化阴极集流体700的阴极710，阴极710在正在形成的电池堆中最高点。具体地，功能化阳极集流体800的电解质层808的表面(与下面的阳极804邻接的阳极集流体层802的部分相对的表面)与阴极710的基本上全部表面(与阴极710邻接的阴极集流体层702的部分相对的表面)接触。功能化阳极集流体800被折叠，使得阳极集流体802的第一表面812上的电绝缘涂层824面向通过折叠接触的阴极710和电解质层808。功能化阳极集流体800被折叠，使得电解质层820暴露在电池堆的最高点。在功能化集流体700、800的电极具有收缩厚度(或不具有膨胀厚度)的情况下，功能化阳极集流体800被折叠，使得阳极集流体802的第一表面812上的电绝缘涂层824与通过折叠接触的阴极710和电解质层808间隔开。
功能化阳极集流体和功能化阴极集流体沿着阴极或阳极之间的材料部分(如适用)具有合适的柔性和/或延展性，以使得功能化阳极集流体或功能化阴极集流体能够在该方法期间折叠。
如图9A和9B所示，通过进一步交替地将集流体向电池堆折叠，可以在电池堆中提供更多的电池单元。
图10是根据示例的方法的示意性流程图，描绘了制造功能化集流体600的方法中各点的材料横截面。该方法包括提供具有第一表面608的集流体层602，以及在集流体层602的第一表面608上提供1002多个电极604、606。电极604、606中的每个与多个电极中的其他电极606、604隔开。在该示例中，提供1002多个电极包括将电极材料丝网印刷到集流体层602的第一表面608上，并烧结电极材料以提供烧结电极604、606。在进行烧结之前，对应于多个电极中的每个电极的电极材料沉积在第一表面608上，使得进行单个烧结步骤以在单个烧结步骤中提供多个电极中的所有烧结电极604、606。在所描绘的示例中，在丝网印刷中使用掩模(未示出)，使得只有对应于烧结电极604、606的电极材料被提供给第一表面。在其他示例中(未示出)，集流体层602的第一表面608基本上完全涂覆有电极材料，然后移除部分电极材料以提供电极材料的离散部分。通常，烧结基本上完全覆盖第一表面608的电极材料，然后移除(例如烧蚀)部分烧结电极以提供离散电极604、606。
图10描绘了仅将集流体的一个表面功能化。在示例中(未示出)，通过在第二表面610上应用上述方法来功能化第二表面610。
在示例中(未示出)，该方法包括向设置在第一和/或第二表面上的电极604、606之间的集流体602的第一表面608和/或第二表面610的一个或多个中间部分提供电绝缘涂层。
图11是根据示例的电动设备的示意图。电动设备1100包括图1所示的电池堆100。在其他示例(未示出)中，电池堆是图2A和2B所示的电池堆200，或者是图3至5B所示的电池堆300。
电动设备包括元件1102，该元件将来自电池堆100的电能转换成另一种形式的能量(例如机械功、热、光等)。电池堆100和元件1102通过一个或多个电导管1104连接，在示例中，电导管1104形成电路。
上述实施例应被理解为本发明的说明性示例。设想了本发明的进一步实施例。应当理解，关于任何一个实施例描述的任何特征可以单独使用，或者与所描述的其他特征结合使用，并且还可以与任何其他实施例的一个或多个特征结合使用，或者与任何其他实施例的任何组合结合使用。此外，在不脱离所附权利要求中限定的本发明的范围的情况下，也可以采用上面没有描述的等同物和修改。
Claims (22)
1.一种电池堆，包括多个电化学电池单元，所述多个电化学电池单元的每个电化学电池单元包括：
阴极层；
电解质层，布置在所述阴极层上；和
阳极层，布置在所述电解质层上；
所述电池堆包括：
阴极集流体，至少包括第一部分和第二部分，
所述第一部分布置在所述多个电化学电池单元的第一电化学电池单元的阴极层上，
所述第二部分布置在所述多个电化学电池单元的第二电化学电池单元的阴极层上；
其中，在所述阴极集流体的第一部分和第二部分之间，所述阴极集流体包括中间部分，所述中间部分的至少一个表面涂覆有电绝缘涂层。
2.根据权利要求1所述的电池堆，包括阳极集流体，所述阳极集流体至少包括第一部分和第二部分，
所述第一部分布置在所述第一电化学电池单元的阳极层上，
所述第二部分布置在所述多个电化学电池单元的第三电化学电池单元的阳极层上；
其中，在所述阳极集流体的第一部分和第二部分之间，所述阳极集流体包括中间部分，所述中间部分的至少一个表面涂覆有电绝缘涂层。
3.根据权利要求2所述的电池堆，其中所述阳极集流体的第一部分的第一表面邻接所述第一电化学电池单元的阳极层，并且所述阳极集流体的第一部分的与所述第一表面相对的第二表面邻接所述第二电化学电池单元的阳极层。
4.根据权利要求2或3所述的电池堆，其中所述阴极集流体的第二部分的第一表面邻接所述第二电化学电池单元的阴极层，并且所述阴极集流体的第二部分的与所述第一表面相对的第二表面邻接所述第三电化学电池单元的阴极层。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的电池堆，其中所述多个电池单元中的每个电化学电池单元的厚度在使用中在膨胀厚度和收缩厚度之间变化，所述膨胀厚度大于所述收缩厚度；并且其中
当每个电化学电池单元的厚度为所述膨胀厚度时，所述阴极集流体的中间部分的电绝缘涂层邻接至少一个所述电化学电池单元的侧面；且/或
当每个电化学电池单元的厚度为所述收缩厚度时，所述阴极集流体的中间部分的电绝缘涂层与至少一个所述电化学电池单元的侧面间隔开。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的电池堆，其中所述多个电化学电池单元是多个二次电化学电池单元。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的电池堆，其中所述多个电化学电池单元是多个固态电化学电池单元。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的电池堆，其中所述电池堆设置在袋状电池单元中。
9.一种制造电池堆的方法，所述电池堆包括多个电化学电池单元，所述方法包括：
提供阴极集流体；
提供布置在所述阴极集流体的第一部分的表面上的第一阴极；
提供布置在所述第一阴极上的第一电解质；
提供布置在所述第一电解质上的第一阳极；
提供阳极集流体，使得所述第一阳极布置在所述阳极集流体的第一部分的第一表面上；
提供布置在所述阳极集流体的第一部分的第二表面上的第二阳极，所述第二表面与所述第一表面相对；
提供布置在所述第二阳极上的第二电解质；
提供布置在所述阴极集流体的第二部分的第一表面上的第二阴极；
折叠所述阴极集流体，使得所述第二阴极布置在所述第二电解质上；
其中，在所述阴极集流体的第一部分和第二部分之间，所述阴极集流体包括中间部分，所述中间部分的至少一个表面涂覆有电绝缘涂层。
10.根据权利要求9所述的方法，进一步包括：
提供布置在所述阴极集流体的第二部分的第二表面上的第三阴极，所述第二表面与所述第一表面相对；
提供布置在所述第三阴极上的第三电解质；
在所述阳极集流体的第二部分的第一表面上提供第三阳极；和
折叠所述阳极集流体，使得所述第三阳极布置在所述第三电解质上；
其中，在所述阳极集流体的第一部分和第二部分之间，所述阳极集流体包括中间部分，所述中间部分的至少一个表面涂覆有电绝缘涂层。
11.根据权利要求10所述的方法，其中所述阳极集流体沿长度延伸，并且折叠所述阳极集流体包括基本垂直于其长度折叠所述阳极集流体。
12.根据权利要求9至11中任一项所述的方法，其中所述阴极集流体沿长度延伸，并且折叠所述阴极集流体包括基本垂直于其长度折叠所述阴极集流体。
13.根据权利要求9至12中任一项所述的方法，其中同时进行提供第一阳极层和第一电解质层。
14.根据权利要求9至13中任一项所述的方法，其中提供所述阳极集流体使得所述第一阳极布置在所述阳极集流体的第一部分的第一表面上的步骤和提供布置在所述阳极集流体的第一部分的第二表面上的第二阳极的步骤同时进行。
15.一种功能化集流体，包括：
集流体层；和
多个电极，每个所述电极邻接所述集流体层的第一表面的相应部分；
其中每个所述电极与多个电极中的其他电极间隔开。
16.根据权利要求15所述的功能化集流体，包括另外多个电极，每个所述电极邻接所述集流体层的第二表面的相应部分，所述第二表面与所述第一表面相对。
17.根据权利要求16所述的功能化集流体，其中所述集流体的第一表面上的多个电极中的每个电极与所述集流体的第二表面上的另外多个电极中的相应电极相对布置。
18.根据权利要求15至17中任一项所述的功能化集流体，包括在所述第一表面上的多个电极中的每个电极之间的电绝缘涂层。
19.根据权利要求15至18中任一项所述的功能化集流体，其中所述多个电极是多个阳极或多个阴极。
20.根据权利要求15至19中任一项所述的功能化集流体，其中所述多个电极中的每个电极在与所述集流体层相对的电极的表面上包括电解质层。
21.一种制造功能化集流体的方法，所述方法包括：
提供集流体层；和
在所述集流体层的第一表面上提供多个电极，每个电极与所述多个电极中的其他电极间隔开。
22.一种电动设备，包括根据权利要求1至9中任一项所述的电池堆。
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