TW202304044A - 使用金屬化膜集流體的無極耳電池 - Google Patents

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Abstract

本發明提供了一種使用金屬化膜集流體的無極耳電池。本發明的電池包括不存在任何焊接極耳的內部熔絲元件的鋰電池單元，用於從鋰電池單元的內部向外部導電以向該裝置供電。本發明的鋰離子(液體電解質)電池結構使用薄金屬化膜集流體作為導電極耳，該導電極耳在整個電池內部提供從一個電極到另一個電極的完全導電性，並且具有用於液體電解質流動的足夠空間。因此，這樣的薄金屬化膜集流體以同時提供外部電導性的簡化方式提供具有低電荷失控電勢、低內阻和高導熱性的安全特徵。

Description

使用金屬化膜集流體的無極耳電池
本發明提供了一種具有內部熔絲元件並且不存在用於從鋰電池單元的內部向外部導電以向該裝置供電的任何焊接極耳。本發明公開了使用薄金屬化膜集流體作為導電極耳的鋰離子電池構造，該薄金屬化膜集流體在整個電池內部提供從一個電極到另一個電極的完全導電性，並具有用於液體電解質流動的足夠空間。因此，這樣的薄金屬化膜集流體提供具有低熱失控電勢、低內阻和高導熱率的安全特徵以及同時提供外部電導率的簡化方式。
此外，本發明屬於鋰電池製品的結構元件和物理特性的改進。例如，標準鋰離子電池容易發生與短路有關的某些現象，結果是經歷了高溫發生以及最終著火。已經發現與電池組件有關的結構問題造成了這樣的問題。本發明提供的改進包括使用薄金屬化表面複合集流體（例如，鋁和/或銅）、高收縮率材料、暴露於高溫下變得不導電的材料、以及它們的組合。這樣的改進使得能夠通過在鋰電池本身內提供表面上防止由短路引起的不希望的高溫的內部熔絲來抵抗目標鋰電池內的某些缺陷（枝晶、意外的電湧等）。本發明還包括電池製品以及使用包括這種改進的電池製品的方法。
特別感興趣和重要的是提供一種鋰電池單元，該鋰電池單元不需要極耳引線用於從其內部向外部導電以向該裝置供電，由於電極的薄的特性，這可能是一個不平凡的設置，並且潛在地電極材料的兩側可能彼此不導電。在本發明中，提供了一種無極耳結構，其與上述內部熔絲特性結合顯示出足夠的安全級別，同時在使用期間顯示出增加的導電性能。這種無極耳電池還設有足夠尺寸和構造的電極以及薄的集流體，以允許具有增加表面積的頂部和底部接觸，從而允許整個電池的徹底導電，不僅通過例如從頂端點到底端點的路徑，而且在頂端和底端之間具有更高的接觸水準以允許外部電接入。與薄膜電流導體相結合，這種結構的鋰離子（液體電解質）電池還顯示出足以獲得基本內部熔絲結果的安培數和耐溫水平，同時具有上述連接到外部裝置的足夠的電導率。採用這種無極耳薄集流體電池，得到的動力電池表現出高導電率、低內阻和高導熱率，這是鋰電池技術中的顯著改進。
此外，本發明公開了內部熔絲發展，顯示出極薄的集流體結構，進一步允許在單個單元電池內其重複折疊的可能性。這種折疊可能性提供了連接集流體兩側的能力，否則集流體可能被位於兩個導電層之間的聚合物層電絕緣，而不需要過多的內部重量和/或電池體積要求。表面上，折疊式集流體在保持內部熔絲特性的同時允許這種高電流能力，潛在地允許在任何數量的尺寸電池內都具有非常高的功率，而不需要上述過多的重量和體積要求，從而產生具有目標高功率水準和盡可能高的安全益處的用於不同目的的新電池製品。
鋰電池在世界範圍內一直作為無數產品中的電源而流行。從可充電的電動工具到電動汽車，到普遍存在的蜂窩電話（以及類似的平板電腦、手持電腦等），由於可靠性、上述可充電性和使用壽命，鋰電池（不同離子類型的）被用作主要電源。然而，使用這種廣泛使用的電源會帶來某些問題，其中一些問題已經證明是越來越嚴重的。值得注意的是，安全問題已經被揭示，其中無論由於初始製造問題還是與時間相關的退化問題，在這樣的鋰電池中的某些缺陷都導致在短路事件期間對著火電位的敏感性。基本上，已經發現導電材料的內部缺陷在這樣的電池結構內產生不希望的高熱，並且最終著火。結果，某些使用鋰電池的產品，從掌上型電腦化裝置（Samsong Galaxy Note 7作為一種臭名昭著的情況的情況）到整個飛機（Boeing 787）的銷售和/或使用已經被禁止（甚至達到了Samsong Galaxy Note 7在某些地區已禁止搭乘任何飛機的程度），直到已經提供了對其中所使用的以及與其一起使用的受損鋰電池的解決方案。甚至電動汽車的特斯拉（Tesla）系列也已經顯示出鋰電池組件的顯著問題，導致由於電池問題而爆炸的諸如火球之類的昂貴車輛的頭條新聞。因此，對於這樣的鋰電池問題，當今仍然存在廣泛的撤銷或完全禁止，這導致了對克服這樣的問題的顯著需求。
這些問題主要是由於製造問題而存在的，不管是就所製造的單個電池組件而言，還是由於這樣的組件被構造為單個電池本身。更深入地，鋰電池目前由六個主要元件製成，陰極材料、其上塗覆有陰極材料的陰極集流體（例如，鋁箔）、陽極材料、其上塗覆有陽極材料的陽極集流體（例如，銅箔）、位於每個陽極和陰極層之間且通常由塑膠材料製成的隔膜、以及作為使其它材料飽和的導電有機溶劑的電解質，由此提供了離子在陽極和陰極之間傳導的機制。這些材料通常一起捲繞成罐，如現有技術圖1所示或堆疊。有許多其它構造並且可用於這種電池生產目的，包括小袋電池、棱柱電池、硬幣電池、圓柱電池、捲繞棱柱電池捲繞小袋電池等。當這些電池單元被正確地製造和溫和地處理時，可以在數千次充放電迴圈中為各種應用提供能量，而沒有任何明顯的安全事故。然而，如上所述，某些事件，特別是某些缺陷會導致內部導電材料之間的內部短路，這會導致發熱和內部熱失控，已知這是這些鋰電池內部火災的最終原因。這些事件還可以由以下因素引起：如上所述，內部缺陷包括在電池記憶體在金屬顆粒；集流體材料上的毛刺；隔膜上的細斑點或孔（無論在隨後的處理過程中是否包括或引起）；電池層的未對準（留下“開口”以產生不希望的導電率）；穿透電池的外部碎屑（例如，撞擊移動車輛的道路碎屑）；電池本身的擠壓和/或不穩定（例如。由於事故）；在有限空間中對電池充電等。一般而言，這些類型的缺陷已知會導致在陽極和陰極之間產生小的電子傳導路徑。當這樣的事件發生時，導電通路然後可能導致電池放電，通過該放電最終產生過量的熱量，從而損害電池結構並危害由其供電的下層裝置。與作為電池電解質的可燃性有機溶劑材料（其通常是電池可操作性所必需的）的存在相結合，已經表明這種過熱導致其著火，最終產生非常危險的情況。這樣的問題至少在一開始就很難控制，並且對消費者造成了很大的傷害。通過提供一種在不以這種方式損害可燃性有機電解質的同時輸送電能的電池，當然可以避免這種潛在的災難情況。
內部過熱的產生可進一步引起塑膠隔膜的收縮，使其脫離、分離或以其它方式增加電池內短路的面積。在這種情況下，電池內較大的暴露短路區域可能導致持續的電流和增加的加熱，導致高溫事件，該高溫事件對電池造成顯著的損害，包括爆裂、排氣，甚至火焰和火災。這樣的損壞尤其有問題，因為著火的可能性和更壞的可能性很快就會出現，並且可能導致電池和潛在的下面的裝置遭受爆炸，使使用者也處於重大的危險中。
鋰電池（許多不同類型的）特別容易受到與短路有關的問題的影響。如上所述，典型的電池具有隨著高溫暴露而顯示出增加的放電速率的傾向，導致不受控制（失控）的發光和著火。由於這些可能性，已經實施了某些規定來管理這種電池製品的實際使用、儲存，甚至運輸。當然，實現適當協議以防止與短路相關的這種失控事件的能力是非常重要的。然而，仍然存在如何實際控制這種問題的問題，特別是當元件生產由無數供應商和世界上許多不同的地方提供時。
一些人在嘗試提供適當和/或改進的隔膜作為幫助緩解這種鋰電池起火的可能性的手段進行了深入研究。低熔點和/或收縮率的塑膠薄膜似乎為這種電池發生起火創造了更高的可能性。一般的思想是在這種隔膜材料上包括某些塗層，而在實際使用過程中不降低其電解液分離能力。因此，例如，陶瓷顆粒已經被用作聚丙烯和/或聚乙烯膜塗層，作為增加這種膜的尺寸穩定性（例如，增加熔點）的手段。還包括粘合劑聚合物作為改進陶瓷顆粒之間的粘合性以及與塑膠膜（膜）的粘合性的組分。然而，實際上，已經發現賦予具有陶瓷顆粒塗層的整個膜結構的熱增加相對較低，從而使得這種隔膜問題的主要因素是實際的隔膜材料本身。
結果，至少在一定程度上已經設計和實施了隔膜材料，其熱穩定性遠高於組成這種典型的陶瓷塗覆隔膜的基層的聚乙烯和聚丙烯多孔膜。這些低收縮率、尺寸穩定的隔膜在暴露於至少200℃的溫度（高達250、300，甚至更高的溫度），遠優於僅僅聚合物膜（在150℃下收縮約40%）和陶瓷塗膜（在180℃下收縮大於20%）所表現出的高收縮率（在現有技術圖2中提供了這種收縮測量比較）。當發生短路時，這種低收縮率材料可以改變靶電池內部的熱降解機理。一般而言，一旦在這樣的電池單元內發生短路，將總是產生熱量。如果隔膜相對於這種短路事件不收縮，則將繼續產生熱量並“積累”，直到電池內的另一種材料劣化。這種現象已經用工業標準的釘子穿透試驗來模擬。例如，即使使用包括對位芳族聚醯胺纖維並顯示出高達550℃的收縮穩定性的隔膜，該測試電池也顯示出具有獨特內部結果的短路傾向。在這樣的處理之後更緊密地研究了這樣的電池，其中打開電池，蒸發過量的電解質，用環氧樹脂填充電池，然後垂直於留在電池中的釘子分段。然後使用背散射電子成像(BEI)進行掃描電子顯微鏡圖像，這使得能夠映射不同的電池元件以顯示這種釘子穿透活性的影響。這些在現有技術圖3A和3B中示出。
在現有技術圖3A中注意到，銅層始終比鋁層更靠近釘子。還注意到，高穩定性隔膜在電極之間仍然是完整的。現有技術圖3B顯示出一個鋁層的端部的較高放大率圖像，顯示出它終止於一層開裂的灰質層。用BEI對此進行了研究，結果顯示得到的物質實際上是氧化鋁，即一種絕緣陶瓷。這種證據得出結論，即當隔膜本身是熱穩定的時，鋁集流體將會氧化，從而有效地斷開電路（結果，一旦形成絕緣氧化鋁，就停止任何短路）。一旦電路斷開，電流就停止流動，不再產生熱量，這反轉了使用不太穩定的隔膜而導致熱失控的過程。
然而，這種可能的解決方案限於簡單地單獨更換具有較低收縮率特性的隔膜。儘管這種簡單的解決方案看起來很有價值，但仍有其它製造過程和特定的元件（例如，陶瓷塗覆隔膜類型）被廣泛使用，並且很難從接受的電池產品中替代。因此，儘管使用和包括熱穩定的隔膜具有明顯的好處，但是仍然可能發生不希望的電池起火，特別是當陶瓷塗覆的隔膜產品被認為對這種目的是安全的時。因此，已經確定，除了使用這種高度熱穩定的隔膜材料之外，還存在至少另一種單獨的內部電池單元結構機制，其可以彌補或至少減少由於內部短路而產生熱的機會。在這種情況下，在這種電池單元內短路的發生不會導致有害的高溫損壞，這是由於通過實際上的內部熔絲產生而停止完成的內部電路。然而，到目前為止，在鋰電池技術中還沒有一種容易解決這些問題的方法。本發明提供了這樣一種非常理想的治癒方法，使得鋰電池單元在多個市場中非常安全和可靠。
進一步特別感興趣的是考慮適當地允許電荷從該鋰離子電池傳導到外部源。這一般是通過使用與集流體接觸並固定在集流體上的極耳來實現的，或者可能以某種方式與陽極集流體和陰極集流體兩者接觸並固定在一起，以與外部電源一起提供所需的電導性能。該極耳表面上起到與該內部電池組件的接觸作用，並延伸到具有用於該導電目的的接觸點的該電池單元殼體的外部。因此，極耳必須保持在適當的位置，並且不從集流體脫離，並且允許不受限制地接近外部電源，而不會再次從內部脫離或從外部與外部脫離。由於在鋰離子電池領域中沒有關於這種薄膜集流體的公開，同樣也沒有試圖改善或優化這種極耳連接問題。當然，標準類型的極耳是眾所周知的，並且與標準電池單元的大集流體連接；然而，這不提供任何關於保護薄膜集流體（例如，內部熔絲）的效果的考慮，同時仍然提供總體上尺寸穩定的結果以保護電池免受由於結構折衷而引起的電池故障。特別重要的是能夠焊接到極耳上，該極耳由連接到較厚的電絕緣材料層如塑膠上的金屬薄層組成。將實心金屬極耳焊接到實心金屬箔上只需要表面連接，這就允許電連接到整個相對的箔或極耳上。然而，當集流體的兩個面被支撐絕緣層電隔離時，使與單側的表面連接無效，留下另一側電隔離。因此，在目前的鋰離子電池技術或工業中沒有討論或公開達到這樣的效果。然而，本發明克服了這樣的範例，並提供了迄今為止在相關行業內未被探索和/或被理解的結果。
鋰電池單元通常總體上具有兩種基本構造，即捲繞或堆疊形式。捲繞結構是公知的，並且提供圓柱形或膠輥（棱柱形）形式（以硬或軟殼結構形式）。堆疊結構是已知地描述為在電池殼體的限制內具有堆疊系列中的不同元件（陽極、集電極、隔膜、陰極）。如上所述，這種典型的電池構造使用標準的單片或至少相對較厚的集流體，當然這些集流體增加了整個電池的重量，但也造成了上述缺點（高內阻、短路時的失控充電電位等）。這樣的標準構造還利用極耳從內部向外部提供導電性，以用於電力傳遞的目的。捲繞電池通常具有直接焊接到集流體上的極耳，集流體焊接到可從電池外部接近的電極上。堆疊電池通常具有焊接到集流體堆疊上的極耳，該極耳或者焊接到可從電池外部接近的電極上，或者以可從電池外部接近的方式將極耳本身密封到殼體內。在兩種情況下，都存在從集流體到達電池外部的直接焊接連接。
然而，令人遺憾的是，兩種極耳方案都顯示出顯著的困難和缺點。例如，捲繞結構需要從一些電極材料到電池蓋處的該極耳的長路徑長度（例如，因為捲繞要求導電性流經電池內的每個捲繞直到到達用於外部電力傳遞的極耳）。這種遠距離傳送產生了高內阻，其可能會損害電導率的水準，並且嚴重地限制了電池本身的效率。對於堆疊的電池構造，包括多級元件需要更多數量/級別的焊接，以將該極耳固定就位，從而有效地向外傳遞電力。這種增加的複雜性至少增加了製造的總成本，並且如果焊接隨著時間而減弱，則如果不是全部損失，則會導致導電率降低。總之，對於兩種標準的鋰離子電池結構，這種結構必須提供有效和可靠的長期（可再充電的）發電和轉移。迄今為止，在改進方面很少發現這些問題。
已經進行了某些嘗試，以提供緩解這種困難的一些手段，儘管在實際市場實用性方面幾乎沒有表現。例如，特斯拉在美國公開的專利申請US20/0144676中示出了一種直接從集流體到電極進行電連接的機制，該機制可以是電池的情況，也可以不是電池的情況。這種直接連接允許非常好的導電性，提供低的內阻並且還具有良好的內部導熱性。然而，從潛在短路到電池其餘部分的這樣高的內部電導率和短的直接電路徑會導致增加的安全隱患，因為電池可以很快地放電到任何潛在短路中。因此，如果可能的話，清楚地需要避免這樣的危險。
如本發明所示和在上面引用的在先申請中，已經顯示用於集流體應用的金屬化膜增加了鋰電池單元中的安全性。已經提出了其它類型的金屬化膜（例如，由CATL提出），但是這些公開認為這些金屬化膜元件需要高的內阻水準，從而提供了安全特徵，但是犧牲了電池有效性和效率。
因此，非常希望具有降低在高安全性金屬化膜集電單元中的內阻的機制。然而，特斯拉沒有滿足這種安全等級，而CATL給出了與使用金屬化膜集流體的低內阻電池相反的教導。
另外，應該注意到，特斯拉公開了某些無極耳電池設計（儘管沒有增加安全級別）。然而，這種特斯拉無極耳設計依賴於（厚的、實心的金屬）集流體在邊緣的非常有序的折疊和彎曲。在使用金屬化膜（薄）集流體的情況下，正如現在所公開的，不是顯而易見的是，無極耳設計能夠可靠地與金屬化膜集流體的兩個金屬化側接觸，或者使得在該集流體之間具有足夠的空間以允許液體電解質充分通過。因此，在現有技術中沒有為無極耳鋰離子電池提供必要水準的安全性和組合的低電阻。本發明克服了這些缺陷。
本發明的一個明顯優點是能夠通過結構元件提供當內部短路發生時斷開導電通路的機制，阻止或大大減少可能在目標電池單元內產生熱量的電流的流動。另一個優點是能夠在鋰電池單元內提供這種保護結構形式，這也為整個電池單元的製造、運輸和使用提供了有益的重量和成本改進。因此，另一個優點是在目標電池單元內產生和保持內部熔絲結構，直到必要時需要啟動它。另一個優點是通過使用薄膜基集流體來提供較輕重量的電池，該薄膜基集流體在短路或類似事件期間防止熱失控。還有另一個優點是能夠在電池內使用易燃有機電解質材料，而在短路或類似情況下沒有任何明顯的引燃該電解質材料的傾向。另一個優點是能夠使用可燃性電極材料如鋰金屬，而在短路或類似情況下不容易引燃。另一個明顯的優點是能夠提供一種無極耳結構，以避免焊接的必要性，從而將電池內部產生的電力從電池外部傳遞出去。還有另一個優點是能夠提供一種低內阻電池，該電池具有從一個電極到另一個電極的整個電導率（而不是僅通過圓形或捲繞結構）。另一個優點是能夠有效地擴展捲繞電池結構中的薄膜集流體（特別是，雖然不是必需的），為了使這樣的延伸元件在電池的正極/負極或一個電極處被擠壓，用於改善集電極區域之間的內部接觸（再次，為了更有效和完全的整個電導）。
因此，本發明的公開內容包括一種儲能裝置，其包括陽極、陰極、存在於該陽極和該陰極之間的至少一個聚合物或織物隔膜、電解質以及與該陽極和該陰極中的至少一個接觸的至少一個集流體；其中該陽極或該陰極插入在該集流體的至少一部分與該隔膜之間，其中該集流體包括塗覆在聚合物材料襯底上的導電材料，其中該集流體在該儲能裝置的工作電壓下在暴露短路的接觸點處停止導電，其中該電壓至少為2.0伏。一種實例是接觸點處的電流密度為0.1安培/mm 2，尖端尺寸為1mm 2或更小。當然，對於較大的電池，所需的閾值電流密度可以更高，並且該電池可以僅在至少0.3安培/mm 2，例如，至少0.6安培/mm 2，或者甚至至少1.0安培/mm 2的電流密度下停止導電。這種塗覆的聚合物材料襯底還應當具有至多25微米的總厚度，如下文更詳細地描述的。本發明還包括在儲能裝置內使用這種有益的集流體元件的方法（無論電池，例如，鋰離子電池、電容器等）。
此外，本發明公開了一種鋰離子電池，包括具有正極和負極的殼體，該殼體中還包括： i）陽極集流體； ii）陽極； iii）陰極集流體； iv）陰極； v）隔膜；和 vi）液體電解質， 其中該陽極作為塗層存在於該陽極集流體上， 其中該陰極作為塗層存在於該陰極集流體上， 其中該隔膜介於該陽極和該陰極之間並且與該陽極和該陰極接觸， 其中該陽極集流體與該殼體的該負極電連接， 其中該陰極集流體與該殼體的該正極電連接， 其中該陽極集流體和該陰極集流體中的至少一個的長度大於該陽極塗層或該陰極塗層的長度，使得該陽極集流體和該陰極集流體中的該至少一個的至少一部分暴露以與該殼體的該負極或該正極之一接觸， 其中該陽極、該陽極集流體、該陰極、該陰極集流體、該隔膜和該液體電解質被密封在該殼體箱中，該正極和該負極各自電連接到該殼體的外部， 其中該陽極集流體或該陰極集流體中的至少一個包括含有聚合物的金屬化膜，導電層塗覆在該聚合物層的兩側， 其中該金屬化膜通過由於該暴露的金屬化膜集流體的擠壓而在其中存在的至少一個褶皺連接到該正極或負極中的一個或兩個，以及 其中該金屬化膜不通過焊接連接與負極或正極連接。
此外，這種獨特的電池（例如，鋰離子液體電解質）可以包括這樣的構造，其中正極或負極（或兩者）集流體的金屬化膜的每一側與該殼體的任一電極直接接觸。同樣，這樣的金屬化膜可以在該集流體的兩側呈現金屬化。這樣的金屬化膜可以另外以允許褶皺或擠壓部分（與殼體或其極接觸）的方式暴露、以這樣隨機的方式形成連接，從而具有供液體電解質在整個電池殼體中移動的足夠空間/空隙。因此，這種金屬化膜的暴露被認為是電池殼體內的陽極、陰極、隔膜和集流體的內部複合物的延伸部或突出部，使得存在1~3毫米的暴露的金屬化膜，以在接觸和密封時與殼體或極（負極和/或正極）接觸（因此被殼體或極折疊/擠壓）。在功能上，暴露的集流體的長度必須足夠大，以允許折疊和擠壓，使得金屬化膜集流體的兩側直接與殼體或極接觸，因此長度低於1mm可能僅適合於非常小的電池。因此，大於0.2mm或0.5mm的暴露集流體的長度也可以起作用，特別是在小容量的電池中，例如，具有小於1安培-小時容量或小於0.5安培-小時容量的電池中。另外，長度必須足夠短，以使集流體不繞過隔膜與另一電極的集流體接觸。大於3mm的長度在某些電池幾何形狀和具有某些隔膜位置中是可接受的，只要滿足所述條件。因此，對於大尺寸的電池，例如，具有大於5安培-小時容量，或大於10安培-小時容量，或大於25安培-小時容量的電池，暴露長度小於5mm，或7mm，或甚至10mm可以提供足夠的性能。以這種方式，只要突出的金屬化膜超過空間量（為了允許這樣的折疊/擠壓），殼體或極之間可用於這樣的折疊/擠壓的空間將為0.5~2.5毫米。根據電池的幾何形狀和尺寸，可以使用其它尺寸的空間，只要它們提供從折疊或擠壓的金屬化膜集流體的每一側到殼體或極的直接接觸，也不允許折疊或擠壓的金屬化膜從相對的電極與集流體直接接觸。因此，接觸這種突出的金屬化膜的殼體或極可以是任何類型的結構，以允許通過這種擠壓/折疊操作產生任意數量的隨機接觸。因此，光滑的、螺旋的或其它類型的圖案（網格，柵格等）可以用於這樣的目的。
另外，這裡可以包括與上述相同的基礎電池結構，其中集流體位於重複電極組件（複合物）內，該重複電極元件（複合物）具有其延伸部或突出部的第一和第二相對側，其中與電極或殼體部分的接觸產生至少一個褶皺，該集流體的第一側與該電極或殼體部分接觸，同時與至少一個褶皺接觸，該集流體的第二側與相同的該極或殼體部分接觸。此外，擠壓表面（極或殼體部分）必須包括本質上導電的部分，其具有100,000西門子/米的最小導電率，或者甚至大於1百萬西門子/米。同樣，集流體的這種褶皺可以以隨機的方式相對於擠壓表面（殼體部分或極）折疊，並且集流體的分開的層可以這樣的方式被擠壓，使得集流體的至少多個層彼此相互接觸，並且其中至少一個褶皺與殼體部分或極接觸。另外，同樣的基礎電池裝置可以包括相同的結構考慮，其中擠壓的集流體包括多個通道或空隙，用於液體電解質流動通過以用於電極接觸的目的。
另外，由於涉及上述的金屬化膜集流體，可以在非常短的時間內或在非常小的尖端探針中支持大得多的電流密度。在這種情況下，較大的電流如5安培，或10安培，或甚至15安培，可以在非常短的時間週期內連接（例如，小於1秒，可選地小於0.1秒，或甚至小於1毫秒(0.001s)]。在本發明中，雖然可以測量較大的電流，但是這種電流的傳遞時間足夠短，使得傳遞的總能量非常小，不足以產生足夠的熱量以在目標電池單元內引起熱失控事件。例如，已知傳統結構電池中的短路在4.2伏上產生10安培持續30秒，結果將1200焦耳的能量輸送到這樣的電池中的小局部區域。所得的測量結果可將該電池的1克截面的溫度提高約300的，溫度高到足以不僅熔化存在於其中的常規隔膜材料，而且還使整個電池進入失控熱狀態，如上所述，這可能導致存在於其中的電解質材料的上述損害以及不僅對該電池而且對存在於其中的裝置/器具以及周圍環境的潛在破壞。因此，當然可能的是，縮短短路持續時間以及將在該短路內相關的傳遞的能量水準降低至低焦耳測量的能力可以避免熱失控（以及與之相關的潛在災害），如果不是完全防止的話。例如，然後，將集流體內的短路停留時間減少到1毫秒或更短，可以隨後將輸送能量的量減少到低至0.04焦耳（與1200焦耳相反，如上所述的，例如，在該電池的1克局部區域內導致過高的300區或更高的文圖）。因此，這樣的低水準只會在這樣的1克電池局部區域內產生0.01部的溫度升高，從而防止目標電池內的熱失控，因此防止整個電池內的熱失控。
因此，本發明的另一個顯著優點是向電池提供集流體，該集流體極大地限制了通過探針尖端施加到目標集流體表面的電流水準的輸送時間（以便可控地類比內部製造缺陷、枝晶、或引起該電池內部短路的外部事件的影響）小於1秒，優選小於0.01秒，更優選小於1毫秒，最優選甚至小於100微秒，特別是對於大得多的電流。當然，這樣的電流將限於電池的內部電壓，其可以是5.0V、或4.5V、或4.2V或更小，例如，4.0V或3.8V，但最小為2.0V。
這種新穎的集流體元件實際上與當今鋰（和其它類型）電池和儲能裝置中通常使用和發現的那些元件相反。本發明提供了標準集流體，其為導電金屬結構，例如，厚度被認為提供了在製造過程中經受所需的強度的鋁和/或銅板。這些金屬的強度需要遠遠超過電池的電需要的厚度。例如，電池的電需要決定了約500nm的鋁的金屬厚度，而能夠經受住製造過程的最薄實心箔鋁是約10µm。然而，似乎實際上已經誤解了這樣的觀點，特別是因為現在的儲能裝置中普遍存在的厚板實際上將支持任何電流，當短路發生時，典型的低阻抗電池能夠輸送電流，因此如果發生這樣的情況且當發生這樣的情況時，會極大地有助於熱失控溫度。例如，這種短路可能由陽極和陰極之間的枝晶形成引起。這種變形（無論是在製造時還是在製造過程中或由於長期使用而引起的，因此電位降低）可以使電壓意外地從陽極傳遞到陰極，從而產生電流的增加，因此在這樣發生的位置處產生溫度的增加。實際上，引起缺陷的一個潛在短路源是毛刺，當這些厚的典型集流體在多個產品的重複製造過程中（如現在常用的）用磨損的刀片切開或切割時，這些毛刺在這些厚的典型集流體的邊緣上形成。它已經被重複地分析和理解，然而，標準集流體材料僅僅表現出產生持久短路和允許溫度升高的傾向，並且進一步允許在這樣的情況下存在的電流繼續通過該裝置，從而允許不受阻礙的產生和移動，而不留下使電流減小的手段，從而使溫度水準增加。這個問題直接導致失控的高溫結果；如果沒有任何內部手段來阻止這種情況的發生，那麼火災發生的可能性以及最終的裝置損壞和破壞的可能性通常是即將發生的。另外，標準集流體的電流路徑（充電方向）在短路事件之前和期間都保持相當靜止，基本上表現出與預期的電荷從陰極到陽極，然後沿集流體在特定方向上的水準移動相同的電勢移動。然而，由於短路，該電流路徑不能防止或至少不能減少或延遲這種電荷運動，換言之，不能在整個電池本身中以失控的方式快速放電。與這種快速放電相關的高溫相結合導致上述的災難問題（火災，爆炸等）。
相反且再次，對於鋰電池的典型結構和構造而言，是高度出乎意料的和違反直觀的，至少使用本發明的集流體導致極高的電流密度測量（由於導電元件的厚度減小），並且在短路的情況下防止電荷移動（例如，沒有電荷方向）。換言之，在符合本發明所公開的集流體元件的特定結構限制的情況下，電流密度增加到使得材料不能保持完整並且通過蒸發而發生故障的程度。如上所述，引起該導體故障所需的能量總量很低，並且導致由所述事件產生的非常低的溫度。與這種集流體元件的其它結構考慮相結合，即實際上缺少與這種導電材料層接觸的尺寸穩定的聚合物材料，導電材料在其上的充電點立即氧化，留下例如鋁或銅氧化物這兩種不導電材料。由於這種暫態不導電材料的產生，短路電荷似乎消失，因為沒有可供其移動的方向。因此，如現在所述的集流體，內部短路的發生導致電流的立即停止，有效地利用了由這種短路產生的立即高溫來產生阻擋進一步電荷移動。因此，在儲能裝置的整個主體中缺少另外的電流（當然與短路相關）將這種不希望的事件降低至短路完全被包含的程度，此後不產生失控電流或高溫結果，而且可能最重要的是，集流體由於其初始和保護目的而保持可行，因為當儲能裝置（電池等）按預期操作時，存在的局部非導電材料不會引起任何明顯的電流減小。此外，不導電材料產生的相對較小的區域在集流體上留下顯著的表面積等，以便在不需要任何修復、替換或其它補救措施的情況下進一步利用。當然，不總是出現這種情況，但是沒有某些預防措施和校正，如現在所公開的那樣，確保這種情況的需要實際上保持遠高於通常可接受的高溫折衷和破壞事件的可能性。因此，由於整個集流體在短路條件下的不穩定性，整個集流體成為二維電熔絲，通過利用高電流的暫態效應來破壞集流體在短路點傳導電流的能力，從而防止與短路相關的潛在的災難性高電流。
關於這樣新穎的合成集流體的優點是允許的，該集流體可以通過多個不同的選擇提供類似的最終結果。在這些可選構造的任一種中，這裡所述的這種集流體在外表上起到目標儲能裝置（例如，鋰電池、電容器等）內的內部熔絲的作用。然而，在每種情況下（可選），都存在含有聚合物層的集流體，該聚合物層在其一側或兩側上被金屬化，其中至少一個金屬化側與目標儲能裝置的陽極或陰極接觸。然後一種選擇是集流體的整個金屬化（塗覆）聚合物襯底的總厚度小於20微米，潛在地優選小於15微米，更優選小於10微米，所有電阻測量值小於1歐姆/平方，潛在地優選小於0.1歐姆/平方，更優選小於50毫歐姆/平方。典型的集流體可以表現出這些特徵，但是這樣做的重量遠高於用增強聚合物襯底製造的集流體，並且沒有本發明公開的變型的固有安全優點。例如，10微米厚的銅箔可以重量為90g/m 2。然而，鍍銅膜的重量可小至50g/m 2，或甚至低至30g/m 2，或甚至小於20g/m 2，同時提供電池工作所需的足夠的電性能。然而，在該可選擇的結構中，非常薄的組分還允許短路以與金屬塗層反應，並且相對於產生的總電阻水準，由於在這樣的短時間內電流尖峰導致的溫度過高，金屬氧化物的局部區域立即阻止了任何進一步的電流移動。
這種新型集流體的另一種可能的替代方案是提供溫度依賴性金屬（或金屬化）材料，該材料或者在短路期間因熱源收縮，或者在特定的材料位置處容易降解成不導電材料（例如，由鋁集流體產生的氧化鋁，作為一種實例和以上以不同的方式提到的）。以這種方式，集流體變得熱脆弱，與當今使用的對高溫非常熱穩定的鋁和銅集流體形成鮮明的對比。其結果是，具有較低固有熔化溫度的金屬合金可以在較低短路電流密度下降解，提高了本發明公開的鋰基儲能裝置的安全優勢。另一種選擇是通過在纖維或膜上塗覆一層導電材料（例如，銅或鋁）來製造集流體，該纖維或膜在相對低的溫度下表現出相對高的收縮率。這些實例包括熔融溫度低於250℃，甚至200℃的熱塑性薄膜，並且可以包括聚對苯二甲酸乙二醇酯、尼龍、聚乙烯或聚丙烯作為非限制性實例。實現這種結果的另一種可能方式是在纖維或膜上通過塗覆一層導電材料（例如，銅或鋁）來製造集流體，如上所述的，當該材料被加熱到與電池的工作溫度相比相對較高的溫度，但是與可能導致熱失控的溫度相比較低的溫度時，該材料可以溶脹或溶解在電解質中。可在鋰離子電解質中膨脹的這種聚合物的實例包括聚偏二氟乙烯和聚丙烯腈，但是本領域技術人員已知的還有其它聚合物。實現這種可選擇的內部電熔絲產生工藝的另一種方法是在襯底上塗覆在加熱下可氧化的金屬如鋁，其總金屬厚度遠低於通常用於鋰電池的厚度。例如，當今使用的非常薄的鋁集流體可以是20微米厚。總共小於5微米的塗層厚度將更快地斷開電路，並且小於2微米，甚至小於1微米將更快地斷開電路。甚至，實現導電通路中斷的另一種方法是提供具有有限導電率的集流體，該集流體將在短路周圍的高電流密度中退化，類似於目前在商業熔絲中發現的退化。這可以通過提供電阻率大於5毫歐姆/平方，或10毫歐姆/平方，或潛在地優選大於20毫歐姆/平方，或潛在地更優選大於50毫歐姆/平方的集流體來實現。這些措施可以施加在兩面被塗覆的材料的一面上、或者在兩面上。對於被設計為高功率的電池，可以進一步區別地選擇使用不同電阻率的集流體，與被設計為較低功率和較高能量的電池相比，該電池可以使用相對低的電阻；和/或該電池可以使用相對高的電阻。實現導電通路中斷的另一種方法是提供一種如下集流體，該集流體在遠低於鋁的溫度下氧化成非導電材料，從而使集流體在隔膜退化之前在短路區域變得惰性。某些鋁的合金將比鋁本身更快地氧化，並且這些合金將使導電通路更快地或在更低的溫度下劣化。作為可能的替代方案，可以在這樣的薄層容量中使用任何類型的金屬，並且顯示出導電性，包括但不限於金、銀、釩、銣、銥、銦、鉑等（基本上，由於具有非常薄的層，與這種金屬使用相關的成本可以大大降低而不犧牲導電性，並且還允許在短路或類似事件期間保護免受熱失控電勢的影響）。同樣，可以使用不同金屬的層，或者甚至可以使用沉積在分離的層元件內或作為分離的層元件的金屬的離散區域。當然，這種塗覆的集流體襯底的一側也可以包括與相對側不同的金屬種類，並且與之相比也可以具有不同的層厚度。
改善電池電性能的一種方法是確保塗覆的集流體包括兩個導電的塗覆側面，表面上允許從一面上的塗層到另一面上的塗層的導電性。這樣的結果例如對於未塗覆的聚合物膜是不可能的。然而，已經認識到，這樣的雙面電導率通過以下步驟來實現：作為一種非限制性實例，包含一定百分比的導電纖維的非織造織物、或載有導電材料的非織造物、或由導電材料（例如，碳纖維或金屬纖維）製成的非織造物、或如上所述的含有塗覆有導電材料的纖維（例如，表面具有金屬塗層的纖維）的非織造物。另一種具有上下導電性的新型薄集流體材料可以是已製成導電的膜，例如，通過使用固有的導電材料（例如，導電聚合物如聚乙炔、聚苯胺或聚乙烯吡咯烷酮），或通過在薄膜製造期間或之後裝載導電材料（例如，石墨或石墨烯或金屬顆粒或纖維）。另外，另一種可能的雙面薄集流體材料是具有小穿孔的聚合物襯底，在金屬化過程中側面塗覆有金屬（鋁或銅）。從一側到另一側產生的這種導電性將不需要與導電塗層一樣導電。
因此，表面上包含相同集流體結果和物理性能的這種可選結構包括：a）其中塗覆的聚合物襯底的總厚度小於20微米，電阻小於1歐姆/平方；b）包含塗覆在含有聚合物材料的襯底上的導電材料的集流體，其中聚合物材料在225聚下的熱收縮至少為5%；c）其中集流體金屬化聚合物材料在電池的電解質中溶脹，這種溶脹隨著聚合物材料的加熱而增加；d）其中當施加到聚合物襯底上時，集流體導電材料的總厚度小於5微米；e）其中集流體的電導率在10毫歐姆/方塊和1歐姆/方塊之間；和f）其中集流體的金屬化聚合物襯底具有至多60%的孔隙率。在具有於225率下1小時後的熱收縮率小於5%的隔膜的儲能裝置中使用任何這些可供選擇的結構也在本發明的範圍之內。在此也包括這種類型的儲能裝置（電池、電容器等）的整體利用（使用方法）。
雖然本發明的主要優點是提高了電池的安全性，但是如上所述，還具有其它優點，包括通過相對於這種集流體元件減少的金屬重量來減輕整個儲能裝置的重量。同樣，使用薄的金屬化塗覆的聚合物層，特別是具有低尺寸穩定性特徵的聚合物層用於這種電池製品中的集流體是完全違反直覺的。本行業內的目前思維模式仍然認為需要更大量的實際金屬和/或絕緣體元件來實現所需的保護結果（特別是來自潛在的短路事件）。現已出乎意料地認識到，不僅這種範例是不正確的，而且對鋰電池等內部短路問題的有效補救辦法是減少金屬量，而不是增加金屬量並將其與熱不穩定的基礎層耦合。因此，它不僅（再次，高度出乎意料地）實現了具有這樣的不穩定基層的薄金屬層提供了在短路期間抵抗和有效地阻止放電事件的能力，整體效果不僅是這樣的更安全和更可靠的結果，而且顯著地降低了這樣的組件的整體重量和體積。因此，在儲能產品（電池等）中具有較低的重量和體積要求的改進性能的意想不到的好處比最初理解的更符合行業。
作為進一步解釋，鋁的密度為2.7g/cm 3，在20微米厚時重量為54g/m 2。然而，在10微米厚的聚丙烯膜（密度0.9g/cm 3)上以1微米塗覆的相同金屬的重量為11.7g/m 2。這種集流體重量的降低可以降低整個目標儲能裝置（例如，電池）的重量、增加移動性、增加燃料里程或電範圍，並且通常提高移動電應用的價值。
另外，由於膜的高強度，上述實例也可以做得更薄，與20微米的厚度相比，總厚度為11微米，例如，再次減小電池的體積，從而有效地增加能量密度。以這種方式，可以製造總厚度小於15微米，優選小於12微米，更優選小於10微米，最優選小於8微米的集流體，並將其用於這種目的和功能。
鋁的體電阻率為2.7×10 -8歐姆-米以及銅的體電阻率為1.68×10 -8歐姆-米，薄塗層可以做的小於1歐姆/平方，或小於0.5歐姆/平方，或甚至小於0.1歐姆/平方，或小於0.05歐姆/平方。這些導電塗層的厚度可以小於5微米，優選小於3微米，更優選小於2微米，潛在地最優選甚至小於1微米。當市場上普遍使用的標準材料含有10微米或更多的金屬時，使用更少的金屬就可以獲得合適的性能，這是非常違反直覺的。實際上，典型的存儲裝置中存在的大多數金屬被包括以提供用於高速和自動化處理的合適的機械性能。本發明的優點之一是使用密度低得多的聚合物材料來提供機械性能，由於集流體不能支援由內部電短路引起的危險的高電流密度並導致熱失控、冒煙和起火，因此允許將金屬厚度降低到電池的安全性水準得以提高。
另外，這些導電層可以由多層製成。例如，鋁層可以是由銅薄層塗覆的基層。以這種方式，體導電率可以由鋁提供，其重量輕、價格昂貴，並且可以容易地通過氣相沉積技術沉積。銅可以為陽極提供附加的導電性和鈍化，同時不增加顯著的附加成本和重量。所述實例僅僅是為了舉例說明，本領域的技術人員可以提供許多其它多層導電結構，其中任何一個都是本發明的優異實例。
這些薄的金屬塗層通常會導致比通常使用的鋁或銅集流體更高的電阻，這提供了本發明的區別特徵。這種新穎的合適的集流體可製成大於10毫歐姆/方塊，優選大於20毫歐姆/方塊，更優選大於50毫歐姆/方塊，並且潛在地最優選大於100毫歐姆/方塊。另外，如果隔膜具有高的熱穩定性，用上述熱弱集流體製造的電池可以更安全，例如，在高溫下潛在地表現出低收縮，包括在200包下暴露1小時後，優選在250，下暴露1小時後，以及潛在地更優選在300，下暴露1小時後收縮率小於5%。現有的隔膜由熔融溫度為138溫的聚乙烯和熔融溫度為164烯的聚丙烯製成。這些材料在150烯下表現出大於50%的收縮率，如圖2所示。這樣的結果對於這裡所述的薄集流體來說太高了。為了解決這樣的問題，已經認識到，使用某些隔膜是必要的，該隔膜在150的下根據NASA-TM-2010-216099第3.5節測量的收縮小於50%，或者甚至小於30%，或者小於10%。即使陶瓷塗覆的隔膜在相對適中的溫度下也顯示出顯著的收縮，或者完全破裂，或者在180在下收縮到20%以上。因此，希望使用在測試過程中不破裂的隔膜，當在相同的測試標準下測量時，在180相（至少）暴露下也不會收縮超過20%，更優選不會收縮超過10%。最優選的實施方式是使用當暴露於200選或250選，或甚至300至的溫度時收縮小於10%的隔膜。
對於這些金屬化襯底中的任何一個，希望具有低的厚度以有助於增加電池的能量密度。可以使用任何方法來獲得這樣的厚度，包括壓延、壓縮、熱壓，或者甚至以減小總厚度的方式從表面燒蝕材料。這些減薄工藝可以在金屬化之前或之後進行。因此，希望金屬化襯底的總厚度小於25微米，優選小於20微米，更優選小於16微米，並且潛在地最優選小於14微米。商業用聚酯膜的厚度最多為3微米，甚至更低為1.2微米。這些類型可以用作合適的襯底，並且允許集流體的總厚度小於10微米，優選小於6微米，更優選小於4微米。這樣的超薄集流體（具有如上所述的適當的導電性和通用性）可以允許更高的能量密度，並具有改進的安全性能，這是迄今為止尚未發現的結果。
對於這些金屬化襯底，也希望具有低的重量。這可以通過使用低密度聚合物材料來實現，例如，聚烯烴或其它低密度聚合物，包括聚乙烯、聚丙烯和聚甲基戊烯，這些僅作為實例。也可以通過在襯底中具有開孔結構或甚至通過使用低基重襯底來實現。因此，用於襯底材料中的聚合物的密度可以小於1.4g/cm 3，優選小於1.2g/cm 3，潛在地更優選小於1.0g/cm 3。此外，襯底材料的面密度可以小於20g/m 2，優選小於16g/m 2，潛在地最優選小於14g/m 2。另外，金屬塗覆的聚合物襯底的面密度可以小於40g/m 2，優選小於30g/m 2，更優選低於25g/m 2，最優選小於20g/m 2。
用多孔聚合物襯底也可以實現低重量。然而，對於這些材料，孔隙率不能太高，因為這樣會導致低強度和高厚度，從而有效地破壞所涉及的目標的目的。因此，這樣的襯底的孔隙率將低於約60%，優選低於50%，潛在地更優選低於40%。由於固體材料可用於這種類型的塗覆金屬的集流體，因此對孔隙率沒有下限。
需要高強度以使材料能夠高速加工成電池。這可以通過使用伸長聚合物來實現，該伸長聚合物可以由拉伸纖維或由單軸或雙軸拉伸膜來獲得。
如下在附圖中所示，根據本發明製造並根據本發明提供儲能裝置（無論是電池、電容器、超級電容器等），其中提供了至少一個在短路接觸陰極、陽極、或兩個分別與兩者接觸的集流體、以及隔膜和電解質（存在並密封在標準（合適的）儲能裝置容器內）後表現出與不明顯的電流移動相關特性的集流體。陰極、陽極、容器、電解質、隔膜（在一些情況下）、元件大部分都是標準的。然而，這裡和本發明所使用的集流體，如所公開的，不僅在本領域中是新的和未經探索的，而且作為實際的儲能裝置元件是違反直觀的。迄今為止，在電池技術中也不存在進一步使用這種集流體（特別是薄金屬化膜）作為連接極耳（換言之，代替焊接極耳結構）。這些問題在下面再次詳細描述。
如上所述，為了減少電池單元（特別是鋰離子可再充電類型，但其它也是可能的，當然）內熱失控的機會（如果不是完全阻止），需要一種裝置來具體地使其中的任何短路基本上在短時間記憶體在，在該集流體內或集流體上的停留時間減少，並最終表現出最小焦耳水準（即，小於10，優選小於1，最優選小於0.01）的最終能級。然後，在這種情況下，如前面提到的，從陽極到陰極且通過隔膜的電通路，在薄導電集流體就位的情況下，以及存在有機易燃電解質，已經觀察到低重量、薄的集流體允許這樣一種理想的結果，特別是在集流體表面的惡意電荷的耗散方面，並且沒有明顯的溫度升高（使得電解質組分的著火即將發生）。令人驚奇的是，不受任何特定科學解釋或理論的約束，據信薄集流體材料的導電性質允許短路電荷僅到達薄導電集流體，並立即產生在集流體表面的金屬與電荷之間反應的短持續時間高能事件，由此在集流體表面上的特定點處形成金屬氧化物。該金屬氧化物為進一步的電活性提供絕緣，所施加的電流瞬間耗散，在集電極本身內留下潛在的變形，但是存在上述金屬氧化物以保護在該特定位置處不受任何進一步的電荷活性的影響。因此，剩餘的集流體是完整的，並且可以提供與以前相同的能力，從而進一步對任何更多的潛在短路或類似現象提供這樣的保護。例如，在現有技術電池產品中熱失控的情況下，陽極、陰極、集流體和隔膜包括電通路，該電通路產生熱量並提供火花以點燃電池以回應短路（作為示例）。因此，離子輸送易燃電解質的進一步存在允許與這種意外電荷相關的高溫結果的有效危險。本質上，在現有技術的集流體處產生的熱量導致電解質材料內的初始電化學反應，最終導致電解質材料本身的失控著火。因此，本發明公開的創造性集流體在用於包括這種易燃電解質的電池單元時特別有價值。作為實例，這樣的電解質通常包括有機溶劑如碳酸鹽，包括碳酸丙烯酯、碳酸亞乙酯、碳酸乙基甲酯、碳酸二乙酯和碳酸二甲酯等。這些電解質通常以上述材料的混合物的形式存在，並且可能與包括各種類型的添加劑的其它溶劑材料一起存在。這些電解質還具有鋰鹽組分，其實例是六氟磷酸鋰LiPF 6。這樣的電解質在電池工業中是優選的，但是，如所指出的，可能會造成危險情況。同樣，所公開的集流體與其它電池組件一起顯著且令人驚奇地解決了這些問題。
該集流體將顯示出其實用性的一種方式是在以下測試中。具有電壓和電流限制的電流源可以被設置為與所討論的儲能裝置的工作電壓相似的電壓限制。然後可以調節電流，並且在兩種配置下測試集流體。在第一種中，已知寬度的集流體的短路帶通過兩個接觸樣品整個寬度的金屬連接器接觸。可以提高電流源的電流限制，以查看是否對材料承載電流的能力有限制，其可以被測量為總電流除以寬度，得到A/cm的結果，在此被表示為水準電流密度。第二種配置是將電流源的地接觸到全寬度金屬觸點之一，然後接觸探針的尖端，大約0.25mm 2，以沿集流體的帶至某位置處。如果電流太高，它將燒壞局部區域，並且沒有電流流動。如果電流對於集流體不是太高，那麼直到電流源極限的全電流將流動。結果是以A/mm 2表示的電流極限，這裡被表示為垂直電流密度。這樣，在兩種配置下都能達到大電流的集流體與現有技術相似，並且集流體在全寬度下接觸時能夠支持水準電流，但是在點接觸時不支持類似的垂直電流，這將是這裡所描述的本發明的一種實例。
例如，可能希望集流體能夠支持0.1A/cm、或0.5A/cm、或1A/cm、或2A/cm、或甚至5A/cm的水準電流密度。並且對於能夠支援如上所述的水準電流密度的集流體，希望不支持0.1A/mm 2、或0.5A/mm 2、或1A/mm 2、或2A/mm 2甚至5A/mm 2的垂直電流密度。
如上所述，通常在鋰離子電池單元內還存在極耳焊接，以將內部元件（特別是集流體）連接在一起，從而連接到極耳引線用於將電荷轉移到外部源。然而，同樣，如前所述，這樣的極耳引線和外部連接在捲繞和/或堆疊結構中具有明顯的缺陷，特別是在從一個電極到另一個電極的充電能力的限制方面。因此，需要開發允許安全措施（減少失控電荷電勢）、允許低電阻（用於電荷優化）的改進，以及增加通過整個電池而不是通過作為有限路徑的一系列捲繞元件/堆疊結構的實際電荷輸送的可能性。迄今為止，本發明允許在鋰離子電池工業的狀態中缺少這種有益的改進。
然後，在這種情況下，不需要明確依賴於任何特定的科學基礎或理論實現了如下：用暴露且延伸的薄膜（金屬化膜）集流體部分替換焊接極耳（該極耳與電池殼體內的極耳無論是通過超聲波、機械、電氣或其它類型的連接而進行連接，並且向外通向其電極/殼體端/箱體）提供了足夠的電荷傳導能力，以進行電池操作。然而，通過利用這種集流體的被擠壓的暴露的延伸部（或突出部），還認識到不僅以這種方式有足夠的電導率，而且通過集流體元件從一個接觸極到另一個所述電池殼體（殼體）的整個導電極的能力，而不是需要極耳在一個極上來提供初始充電能力實現這種水準的出乎意料的有益優化，在最終到達相對的極耳之前，電導在整個集流體的整個長度（無論是卷起的還是堆疊的）上延伸。相反，令人驚奇的是，實現了延伸、突出、和/或以這種方式暴露的集流體部分的存在和操作，特別是對於在此詳細描述的薄金屬化膜，允許最終實際上產生極耳替代物，其為這種鋰離子電池（包括那些具有液體電解質和潛在膠凝的、聚合物的或固體的電解質）提供較大的電導水準，從而總體上提供更可靠和有效的結果。然後，這種集流體的延伸部基本上包括但不限於，提供捲繞或堆疊的內部電池（至少電極、集流體和隔膜），其可被引入到電池箱體（殼體）內，並且在其限定範圍內被強制到一個極（或殼體端）上以操縱或擠壓，當如此操縱或擠壓時，暴露的集流體端既與集流體自身的電極接觸，又與集流體自身的其它區域接觸。因此，這樣的擠壓產生了具有隨機圖案的可延展膜的褶皺，當然，也可以利用電池箱體（殼體）的某些擠壓表面來產生實際圖案。因此，這些集流體折疊導致接觸，再次，電極在初始引入時壓靠在殼體的內表面上，從而與殼體或至少一種相對於殼體表面存在的材料導電接觸（因為擠壓表面必須包括本身導電的部分，如製造商和/或用戶所需）。然後，這些褶皺還朝向內部電池組件彎曲，使得所討論的集流體相對於由於這種擠壓/操作過程而產生的褶皺顯示出與自身（或存在於其中的另一個可能的集流體）的接觸。在任何情況下，由於在平面、薄的、金屬化的膜集流體上存在兩個相對的側面，無論是捲繞的還是堆疊的，在電池殼體內以這種方式存在其暴露的延伸部或突出部，使得在進行這種操作/擠壓步驟時，這種不同的、相對側面可以彼此隨機地接觸。這樣的能力被認為有助於在使用過程中電池本身的上述電荷電導率的增加以及低電阻特性，從而允許出乎意料的電池功率轉移的良好最大化。結合其中存在的薄膜集流體的優點，提供了這樣的以前無法達到的電導率和低電阻水準，以及高熱導率，同時具有極高的安全效果。因此，迄今為止，這樣的電池（例如，具有這樣的鋰離子構型的易燃液體電解質）滿足在該鋰離子電池工業中未滿足的安全性和有效性水準。
在先前的無極耳電池設計的實例中，例如，由特斯拉實施的那些無極耳電池設計，必須非常小心才能使暴露的集流體有序地折疊，使得在折疊過程中它不接觸相對的集流體，這僅由非常薄的隔膜保護。令人驚奇且有益於金屬化膜集流體，允許更隨機的折疊和擠壓，因為在折疊或擠壓的金屬化膜集流體與對置電極或集流體接觸的少見情況下，由於金屬化膜集流體不能保持短路周圍的高電流密度，這樣的短路將燒壞並停止導電（因此不再維持短路）。
當然，另一個優勢是取消了金屬極耳，金屬極耳會增加電池的重量、體積、成本和內部短路的可能性。
這裡提到的集流體可以包括塗層以在該集流體上形成陽極或陰極（如上所述）。為了允許暴露的金屬化膜端部的延伸部/突出部發生這樣的擠壓過程，將提供這樣的塗層，該塗層不覆蓋整個所述的集流體。以這種方式，陽極或陰極元件塗層將以這樣一種方式浸漬、擠壓、鍍覆等，所述方式提供這樣一種塗層，即，至少為此目的留有未暴露的磨邊條。這樣的暴露（非塗覆）可以沿著這樣的集流體邊緣在1~3毫米的任何地方或如前所述的其它尺寸上允許均勻（至少基本上均勻）的距離，從而允許在相同距離的目標電池內潛在地擠壓延伸部。如果電池是捲繞型的，基本上提供了圓柱形電池箱/殼體，則這種塗覆的集流體的典型結構形式將是在電池複合體內捲繞以提供多種同心形狀的細長矩形。因此，塗覆部分限於這樣的非邊緣區域，應該明顯的是，隔膜同樣以與塗覆的集流體相同的基本形狀設置，延伸超過與其塗覆部分對齊的點，但不是延伸到金屬化膜集流體的全部範圍。以這種方式，提供該集流體的未塗覆的延伸部/突出部，用於所需的擠壓過程（因此完全替換任何焊接的或類似的極耳元件）。對於捲繞成形，應當明顯的是，內部電池複合體加入電解質（例如，液體、凝膠、聚合物或固體）的電極/集流體/隔膜，將具有任何單獨的幾何形狀，但是最可能是圓形的（因此可能是優選的）。集流體將包括超出集流體的塗覆部分和其中存在的隔膜的邊緣/邊界的延伸部，使得1~3毫米（對於捲繞結構而言）的未塗覆的金屬化膜集流體元件從這樣的複合體延伸出來，以便與電池的殼體/箱體一起操作（再次避免了對焊接或類似極耳結構的任何需要）。
因此，從電極的中心看，隔膜必須延伸超過相對的電極塗層和相對的電極集流體，並且這樣的延伸長度必須足以防止在金屬化膜集流體被擠壓或折疊之後從金屬化膜集流體的顯著短路。這樣的長度將最合理地大於0.25mm，或0.5mm，或大於1mm。另外，金屬化膜集流體必須延伸經過隔膜的端部，以允許接觸電極或殼體。對於小於1安培-小時的小電池，該延伸部也可以大於0.25mm，但是對於較大電池，優選的是較長的長度，通常大於0.5mm或1mm。當然，通常太長的長度會佔用很大的空間並產生額外的重量，因此應當小於20mm，或者最好小於10mm，或者甚至小於5mm。
在電池設計中，一個電極是無極耳的，而另一個電極帶有極耳是可能的，有時是有益的。一種這樣的有益設計可以具有用於一個電極的具有無極耳連接的金屬化鋁或銅膜，並且另一個電極可以是具有無極耳或極耳連接裝置的金屬箔。以這種方式，金屬化膜集流體將提供額外的安全保護以防止損壞或內部短路，同時金屬箔提供導熱性以將電池內部的任何熱量傳送到外部冷卻裝置。使用這作為非限制性實例，可以設想集流體、極耳和無極耳連接裝置的其它有益組合。
因此，與內部電池複合體的集流體的延伸部相關的擠壓/操作過程提供了產生表面積以及集流體與擠壓表面（電勢極/殼體）接觸的隨機側面暴露的能力。箱體/殼體的內部尺寸要求，相對於集流體的延伸部限定一個有限的空間（在其頂部和底部），以確保集流體延伸部的完全操作/擠壓以及與導電擠壓表面或與至少一個用於當電池被密封時的電荷轉移的導電元件（因此準備用作電源）完全接觸。因此，只要該間隔小於該集流體延伸部在至少一個端部上的邊緣長度（然而，優選地在該頂部和底部兩者上相對於該方向和該集流體延伸部的長度）。延伸部的範圍為1~3毫米（當然，儘管可以實現更長的延伸部，但是應當理解的是，太長的長度會導致整體的耐衝擊性和導電性），當從電極塗層的邊緣測量時，電池殼體/箱體的空間應允許至少0.5毫米的擠壓量（因此在集流體的延伸部內產生褶皺）。因此，可以使用尺寸為約0.5~2.5毫米的空間。當然，電池殼體/箱體的其餘垂直側面應當具有與內部電池複合材料的捲繞或堆疊結構幾乎相同的尺寸，以在其中提供緊密配合。將內部電池複合物放置在目標電池殼體/箱體中可能需要一定量的力以確保其整體裝配在其中，並提供必要程度的擠壓以確保獲得適當的導電性以及保持集流體延伸部的結構穩定性（換言之，沒有影響這樣結果的撕破或損害）。因此，如果需要的話，密封步驟也允許發生集流體延伸部頂部邊緣的電勢。這樣的密封通常在鋰電池製造過程中進行，儘管如上所述具有用於引入整個內部電池複合材料的增加的壓力應用的潛力。在卷芯的一側或兩側施加連續的力也是有益的，因此，電池設計可包括提供力的橡膠或泡沫墊圈，提供力的彈簧或金屬夾具，或提供力以保持卷芯與極或殼體接觸的其它裝置。
以這種方式，該密封電池允許電荷從內部通過相對於電極貫穿存在的電解質（例如，液體、凝膠、聚合物或固體）傳導，從而通過擠壓/操作的集流體（在其擠壓邊緣處未塗覆的薄金屬化膜）接收電荷。這些電極可以連接到需要電力的裝置上，通常是通過產生並傳導通過集流體的內部電荷來進行的，並且根據需要直接轉移到電池殼體/電極上。由於能夠通過電極而不是通過在任一端具有焊接（等）極耳的有限路徑，通過整個集流體進行充電，因此提供了一種更有效和更高效的電池。
另外，正如此處提到的，擠壓/操作過程隨機（或者，有時以圖案形式）在集流體的可延展金屬化膜邊緣中產生褶皺的能力，還通過相同集流體的不同側在電極/殼體介面處（或可能在這樣的介面之前但在電極或電極的外部）彼此接觸提供有益的結果。對於矩形或圓形的平坦、薄的金屬化膜，如上所述，當存在於捲繞或堆疊的鋰離子電池中時，這種不同的側面通常被限制為缺少任何確定的導電接觸。這種延伸能力以及因此通過擠壓/操作過程折疊或折疊產生，允許在本發明的平臺內的不同集流體側之間的有利的受控或隨機接觸。因此，如前所述，潛在地提供了出乎意料的良好的優勢，其中電轉移（電導）移動通過整個集流體，而不是僅僅從初始輥或堆疊部分到末端的路徑。換句話說，由於捲繞電池具有一個或多個矩形集流體，該矩形集流體的一端處於向外的位置，並且被捲繞以在箱體/殼體內形成整個捲繞結構，除了沿整個捲繞結構外，集流體沒有提供任何其它電導途徑。相反，這裡所述的集流體的擠壓邊緣允許來自集流體的引線暴露於所公開的電池內相同元件的不同部分和側面。而且，該結構結果使得電導率（無論是電導率還是熱導率）極高、電阻極低，並且安全性極高（薄膜收集器開始）是鋰離子電池行業中迄今為止未知的。這種A-B（就集流體側面而言，一側認為是A，另一側認為是B）在工業中不作為具有這種結果的極耳替換。
如上所述，可以使用的擠壓表面可以是任何類型，其允許安全和可靠地操作集流體延伸部，以及以某種方式允許這樣的擠壓延伸部通過箱體/殼體向外傳導產生電的能力。當然，典型的電極/箱體/殼體材料可用於此目的。擠壓表面可以是在為此目的的任何結構和/或圖案中，包括但不限於完全光滑的表面、螺旋表面、晶格結構表面（例如，以晶格結構形式具有凹痕和/或刻蝕）、網格結構，以及任何類似的幾何或隨機結構和/或圖案。這樣的表面可以產生集流體延伸部的某些定向操作，從而在延伸部內形成潛在有效和/或優選的折疊圖案。因此，這樣的圖案等可以給製造商/用戶帶來更多的好處。例如，固定導體的鬆弛端，從而促進實現良好導電所需的隨機擠壓。
另外，由於它涉及液體電解質（特別是在某些碳基易燃溶劑中的鋰基電解質），這樣的擠壓延伸部結構本身可以為液體在整個電池中的移動提供路徑和/或空隙。或者，擠壓表面還可以提供圖案，該圖案可以在集流體延伸部內產生空隙、孔洞、凹陷等，該圖案至少提供其中用於液體電解質流動的增加的空間/區域的外觀。換言之，這樣的擠壓過程不會對液體電解質自身的流動引起任何阻礙。
就薄膜集流體本身而言，這種鋰離子電池薄膜由於其獨特的品質可能需要某些獨特的處理步驟。然而，也可以採用本領域公知的許多處理步驟。通常，生產具有本發明膜的鋰離子電池的方法包括以下步驟： a. 提供具有至少一個能夠保持離子存儲材料塗層的金屬化襯底的電極； b. 提供對電極； c. 用介於該電極和該對電極之間的隔膜元件使該電極和對電極彼此相對分層，並延伸通過該電極和對電極上的任何離子存儲材料塗層，以及延伸通過該隔膜的金屬化膜集流體； d. 提供包括電觸點元件的封裝材料，其中該觸點包括位於該封裝材料內部的部分和位於該封裝材料外部的部分； e. 將該電觸點與該金屬化襯底電連接； f. 在該封裝材料內引入至少一種內部具有離子的液體電解質；和 g. 密封該封裝材料。
另外，提供包括其未塗覆邊緣的集流體元件，該方法可以被修改為包括在如上所述的f和g之間的擠壓/操作步驟，如本發明通篇所述。通過以這種方式產生折疊的集流體延伸部，在密封時（步驟g），最終的電池製品顯示出本領域中意想不到的改進的特性（電導率和熱導率、低電阻和高安全水準）。術語“電池”意欲以這種方式包括任何類型的發電或電儲能裝置，無論超級電容器、電池等，因此這樣的術語意欲包括任何這樣的製品和/或裝置。
金屬化襯底可以是本發明中所述的任何襯底。
離子存儲材料可以是例如鋰離子電池的陰極或陽極材料，這在本領域中是眾所周知的。陰極材料可以包括鈷酸鋰LiCoO 2、磷酸鐵鋰LiFePO 4、鋰錳氧化物LiMn 2O 4、鋰鎳錳鈷氧化物LiNi xMn yCo zO 2、鋰鎳鈷氧化鋁LiNi xCo yAl zO 2或上述物質的混合物或本領域已知的其它材料。陽極材料可以包括石墨、鈦酸鋰Li 4Ti 5O 12、硬碳、錫、矽或其混合物或本領域已知的其它材料，包括鋰金屬。另外，對於陽極，還包括“無陽極”電池的概念，其中陽極是通過對電池充電，在用作陽極的陽極集流體上形成鋰金屬層而形成的。另外，離子存儲材料可以包括用於其它儲能裝置如超級電容器中的那些材料。在這樣的超級電容器中，離子存儲材料將包括活性炭、活性炭纖維、碳化物衍生的碳、碳氣凝膠、石墨、石墨烯、石墨烯和碳納米管。塗覆方法可以是本領域公知的任何塗覆方法。刀套輥和槽模用於鋰離子電池的常用塗覆工藝，但是也可以使用其它工藝，包括化學鍍。在塗覆過程中，離子存儲材料通常與其它材料混合，包括粘合劑如聚偏二氟乙烯或羧甲基纖維素，或其它成膜聚合物。混合物中的其它添加劑包括炭黑和其它導電添加劑。
對電極包括具有與離子存儲材料不同的電化學電勢的其它電極材料。通常，如果離子存儲材料是鋰離子正極材料，則對電極將由鋰離子負極材料製成。在離子存儲材料是鋰離子陰極材料的情況下，對電極可以是鋰離子陽極材料。在離子存儲材料是超級電容器材料的情況下，對電極可以由超級電容器材料製成，或者在一些情況下由鋰離子陽極或鋰離子陰極材料製成。在每種情況下，對電極將包括塗覆在集流體材料上的離子存儲材料，該集流體材料可以是金屬箔，或如本發明中的金屬化膜。
在形成層過程中，本發明的電極與對電極形成層，其中電極材料彼此面對面，且在它們之間具有多孔隔膜。如本領域所公知的，電極可以塗覆在兩面，且由本發明的電極和對電極形成的電極堆疊與每層之間的隔膜交替。可選地，如本領域中也已知的，電極材料條帶可以如上所述堆疊，然後捲繞成圓柱體。
封裝材料可以包括硬包裝，例如，用於圓柱形電池的罐、扁平的硬盒或聚合物袋。在每種情況下，必須有兩種通過箱體進行電接觸的裝置，它們可以保持在不同的電壓下並且可以傳導電流。在一些情況下，箱體自身的一部分形成一個裝置，而另一部分是與第一部分電隔離的殼體的不同部分。在其它情況下，殼體可以是非導電的，但是允許兩個金屬導體突出穿過殼體，通常被稱作極耳。
液體電解質通常是極性溶劑和鋰鹽的組合/混合物。如上所述，常用的極性溶劑包括碳酸丙烯酯、碳酸亞乙酯、碳酸二甲酯、碳酸二乙酯，但也可以使用其它極性溶劑，包括離子液體或甚至水。在該工業中通常使用的鋰鹽包括但不限於LiPF 6、LIPF 4、LiBF 4、LiClO 4和其它。電解質還可以包含本領域中已知的添加劑。在許多情況下，該電解質可以是易燃的，其中本發明的金屬化襯底集流體的安全特徵可以有利地防止危險的熱失控事件，該危險的熱失控事件導致電池和電池外部的火災和損壞。
為利 貴審查委員了解本發明之技術特徵、內容與優點及其所能達到之功效，茲將本發明配合附圖及附件，並以實施例之表達形式詳細說明如下，而其中所使用之圖式，其主旨僅為示意及輔助說明書之用，未必為本發明實施後之真實比例與精準配置，故不應就所附之圖式的比例與配置關係解讀、侷限本發明於實際實施上的申請範圍，合先敘明。
在本發明的描述中，需要理解的是，術語「中心」、「橫向」、「上」、「下」、「左」、「右」、「頂」、「底」、「內」、「外」等指示的方位或位置關係為基於圖式所示的方位或位置關係，僅是為了便於描述本發明和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構造和操作，因此不能理解為對本發明的限制。
如上所述的，本發明是重大的轉變且與鋰電池（和其它儲能裝置）行業內所採取的所有先前的理解和補救措施相反。相反地，這裡所述的新裝置提供了許多迄今為止在所述領域內還沒有被探索過的有益結果和性能，更不必提到意想不到的有益結果和性能。最初，儘管作為比較，重要的是注意到現有裝置與目前公開並在此廣泛覆蓋的那些裝置之間所涉及的嚴格差別。
短路事件實施例
比較例1
磷酸鐵鋰電池的負極來自中國GB系統（GB Systems）。去除鋁極耳作為商用集流體的實例，測量厚度、面密度和電阻，如下表1所示。然後用熱烙鐵接觸鋁箔5秒，用紅外溫度計測量其溫度為500~525℉。將烙鐵接觸集流體沒有影響。測量厚度、面密度和電阻。將材料放入175℃的烘箱中30分鐘，測量收縮率。拍攝照片並包括在圖6中。圖5提供了這種對比電池中傳統集流體的示意圖。
比較例2
磷酸鐵鋰電池的正極獲自中國GB系統（GB Systems）。去除銅極耳作為商用集流體的實例，測量厚度、面密度和電阻，如下表1中所示的。然後以與實施例1相同的方式用熱烙鐵接觸銅箔。將烙鐵接觸集流體沒有影響。測量厚度、面密度和電阻。將該材料放入175℃的烘箱中30分鐘，測量收縮率。拍攝照片並包括在圖6中。如比較例1所示，圖5提供了這種電池的內部結構的示意圖。集流體的厚度很大，因為它是單片金屬結構，而不是現在所公開的薄膜型。
實施例1
聚丙烯鋰電池隔膜材料獲自MTI公司。該材料由Celgard製造，產品編號為2500。測量厚度、面密度和電阻，如下表1所示。然後以與實施例1相同的方式用熱烙鐵接觸隔膜。將溫度計接觸集流體產生了小孔。測量直徑並包括在表1中。測量厚度、面密度和電阻。將材料放入175℃的烘箱中30分鐘，測量收縮率。拍攝照片並包括在圖7中。
實施例2
陶瓷塗覆的聚乙烯鋰電池隔膜材料獲自MTI公司。測量厚度、面密度和電阻，如下表1所示。然後以與實施例1相同的方式用熱烙鐵接觸隔膜。將烙鐵接觸集流體產生小孔。測量直徑並包括在表1中。測量厚度、面密度和電阻。將材料放入175量的烘箱中30分鐘，測量收縮率。拍攝照片並包括在圖7a中。
實施例3
陶瓷塗覆的聚丙烯鋰電池隔膜材料獲自MTI公司。測量厚度、面密度和電阻，如下表1所示。然後以與實施例1相同的方式用熱烙鐵接觸隔膜。將烙鐵接觸集流體產生小孔。測量直徑並包括在表1中。測量厚度、面密度和電阻。將材料放入175量的烘箱中30分鐘，測量收縮率。拍攝照片並包括在圖7b中。
實施例4
鍍鋁的雙軸取向聚酯膜獲自全箔有限公司（All Foils Inc.），其被設計用於充氦氣的聚會氣球。鋁塗層使氦氣保持更長的時間，從而為聚會氣球提供更長的持續升起。測量厚度、面密度和電阻，如下表1所示。然後以與實施例1相同的方式用熱烙鐵接觸該膜。將烙鐵接觸集流體產生小孔。測量直徑並包括在表1中。測量厚度、面密度和電阻。將材料放入175℃的烘箱中30分鐘，測量收縮率。拍攝照片並包括在圖8中。與比較例1的市售鋁集流體相比，該材料薄65%、輕85%，並且還遠離熱量，這在具有內部短路的鋰離子電池中將具有破壞內部短路的效果。
實施例5
獲得幻彩銀（Dreamweaver Silver）25，一種商用鋰離子電池隔膜。它由纖維素、聚丙烯腈納米纖維和聚酯微纖維的共混物在造紙工藝中製成，並壓延至低厚度。然後以與實施例1相同的方式用熱烙鐵接觸隔膜。將烙鐵接觸集流體不會產生孔。測量厚度、面密度和電阻。將該材料置於175生的烘箱中30分鐘，測量收縮率。與現有技術比較例#3至5相比，這些材料的優點在於它們在熱存在下不熔化或收縮，因此在具有內部短路的鋰離子電池中，不會後退而產生甚至更大的內部短路。如圖8a 中所示。
實施例6
獲得幻彩金（Dreamweaver Gold）20，一種商用原型鋰離子電池隔膜。它由纖維素、對芳族聚醯胺納米纖維和聚酯微纖維的共混物在造紙工藝中製成，並壓延至低厚度。然後以與實施例1相同的方式用熱烙鐵接觸隔膜。如圖8b所示，將烙鐵接觸集流體不會產生孔。測量厚度、面密度和電阻。將該材料放入175℃的烘箱中30分鐘，測量收縮率。與現有技術的隔膜相比，該隔膜的優點與實施例2相同。 表 1
實施例 材料 厚度 面密度 電阻 收縮率(175℃) 焊料尖端 孔尺寸
比較例1 鋁 30μm 80g/m 2 ＜0.1毫歐姆/方塊 0% 無孔
比較例2 銅 14μm 125g/m 2 ＜0.1毫歐姆/方塊 0% 無孔
實施例1 PP 24μm 14g/m 2 無限 熔化的 7.5μm
實施例2 PP陶瓷 27μm 20g/m 2 無限 熔化的 2μm/1μm
實施例3 PE陶瓷 27μm 20g/m 2 無限 熔化的 5μm/2μm
實施例4 鍍鋁PET 13μm 12g/m 2 6.3歐姆/方塊 33% 2μm
實施例5 纖維共混物 27μm 16g/m 2 無限 2% 無孔
實施例6 纖維共混物 23μm 16g/m 2 無限 0% 無孔
比較例1-2是現有的集流體材料，顯示出非常低的電阻、高的面密度和在暴露於熱焊料尖端時沒有反應或者在175℃下的沒有任何收縮。
實施例1-3是具有無限電阻、低面密度和暴露於175℃或熱焊料尖端時熔化的材料。它們是根據本發明的用於金屬化的優良襯底。
實施例4是鍍鋁聚合物膜的實例，當暴露於175℃或熱焊料尖端時，該膜顯示出適度的電阻、低的面密度和收縮。它是根據本發明的電位陰極集流體複合膜的實例。實際上，如在其它實施例中所示，可能希望為更大功率的電池提供更高水準的金屬塗層。
實施例5-6是具有無限電阻、低面密度，但是當暴露於175℃或熱焊料尖端時具有非常低的收縮率的材料。當金屬化塗層的厚度足夠薄使得金屬化塗層在與短路相關的高電流條件下會劣化時，它們是本發明聚合物襯底的實施例。另外，纖維素納米纖維和聚酯微纖維將在遠低於目前實際使用的金屬集流體的熔化溫度的溫度下氧化、收縮和燒蝕。
實施例5另外由纖維-聚丙烯腈製成，在暴露于傳統的碳酸鋰離子電解質時膨脹，這也是本發明聚合物襯底的一種實例，使得在熱下增加溶脹且在金屬化塗層中產生裂紋，這將破壞導電路徑，通過消除或大大減少集流體在暴露於電池內的熱時的均勻導電路徑來提高電池的安全性。
實施例7
使用金屬間坩堝和鋁粒將實施例5中使用的材料放置在MBraun真空沉積系統的沉積位置。將腔室抽真空至3×10 -5毫巴。增加功率直到鋁熔化，然後設定功率以使沉積速率為3Å/秒。沉積進行1小時，四個樣品在沉積板上旋轉。重複該過程三次，因此總沉積時間為4小時。測量樣品的重量、厚度和電阻（DC和1kHz，在相距1英寸的電極之間測量的1英寸條帶），如下表2所示。還使用Hioki 3555電池HiTester在1kHz、探針尖端相距1″下測量點電阻。加入的鋁的重量由在該過程中加入的重量除以樣品面積計算。將其除以材料的密度，得到塗層的平均厚度。
實施例8
採用Tappi T206工藝將具有平坦橫截面的聚對苯二甲酸乙二醇酯微纖維製成20g/m 2的手動片材，製成非織造聚合物襯底。然後使用250℉的硬化鋼輥在10 m/min、2000 lbs/英寸的壓力下壓延這些手動片材。根據實施例7的方法對該材料進行金屬化，並進行相同的測量，並在表8中報告。
實施例9
按照實施例7的方法沉積實施例5的材料，不同的是以5Å/秒的設定進行60分鐘的塗覆。在相同的程式下，將樣品翻轉並塗覆在背面上。在掃描電子顯微鏡(SEM)下，在表面和橫截面上對這些材料成像，圖像示於圖9A、9B和9C中。
實施例10
按照實施例9的方法製備材料，不同的是在每個面上的沉積僅為20分鐘。
實施例11
製備實施例8的聚合物襯底，不同的是該片材不是壓延的。鋁在每側上的沉積為5Å/秒，持續20分鐘。因為這些材料沒有被壓延，所以孔隙率非常高，以薄的塗層重量得到非常高的電阻值。將實施例11與實施例8進行比較，顯示出壓延的好處，這是出乎意料的高。 表2
樣品 添加的重量 DC電阻 1 kHz電阻 1 kHz點電阻 平均塗層厚度
單位 g/m 2 歐姆/方塊 歐姆/方塊 歐姆 微米
實施例7 3.5 0.7 0.5 0.1 1.3
實施例8 2.0 7 7 0.4 0.7
實施例9 2.2     0.2 0.8
實施例10 0.8     1.7 0.3
實施例11 0.8     100 0.3
實施例12
用97% NCM陰極材料(NCM523，由BASF公司獲得）、1%炭黑和2% PVDF粘合劑在N-甲基-2-吡咯烷酮溶液中的混合物，塗覆實施例9的塗覆鋁的聚合物襯底。塗層重量為12.7mg/cm 2，厚度為71微米。將該材料切割成適合於2032硬幣電池，並與塗覆在銅箔集流體上的石墨陽極配對(6mg/cm 2、96.75%石墨(BTR)、0.75%炭黑、5% SBR和1% CMC)。通過如下步驟來製備單層紐扣電池，即通過將陽極、隔膜(Celgard 2320）和NCM塗覆材料放入電池中，充滿電解質(60 µL, EC:DEC:DMC = 4:4:2體積比 + 2w.% VC中含1.0M的LiPF 6），並通過捲曲殼體來密封電池。為了獲得足夠的電導率，將實施例9中塗覆有鋁的聚合物襯底的一部分不塗覆陰極材料並折疊以接觸硬幣電池的殼體，從而完成導電通路。電池通過在0.18mA的恒定電流下充電至4.2V，然後在恒定電壓(4.2V)下充電直至電流降至0.04mA而形成。在0.37mA下，電池在4.2V和3.0V之間迴圈三次，得到1.2 mAh的平均放電容量。
實施例13
除了所用的隔膜是幻彩銀20之外，根據該工藝和使用實施例12的材料製備電池。電池通過在0.18mA的恒定電流下充電至4.2V，然後在恒定電壓(4.2V)下充電直至電流降至0.04mA而形成。在0.37mA下，電池在4.2V和3.0V之間迴圈三次，得到0.8 mAh的平均放電容量。因此，在所述實施例和前述實施例中，工作的可再充電鋰離子電池的鋁厚度小於1微米。
比較例3
比較例1的鋁極耳（大約2cm×4cm）通過接觸樣品整個寬度的金屬連接器連接到電流源的地線。電壓限制設定為4.0V，並且電流限制為1.0A。首先將連接到電流源的高電壓的探針首先與接觸樣品的整個寬度的金屬連接器觸碰，然後多次觸碰鋁極耳，在1.0A產生短路。探針的尖端約為0.25mm 2。當在整個寬度上接觸時，電流正常流動。在將探針與極耳初始觸碰時，產生火花，指示非常高的初始電流密度。在集流體中產生的缺陷有時僅導致孔洞，而在其它時間有燒蝕，但是集流體保持完整。在所有情況下，電路都保持1.0A電流流動的短路。拍攝燒蝕缺陷的顯微照片，無孔，如圖10所示。將電流源極限設定為5.0 A、3.0 A、0.6A、0.3A和0.1A下重複該實驗，在所有情況下，當在集流體的整個寬度上接觸時和使用大約0.25mm 2尖端尺寸的點探針時，結果都是在測試電流極限下的連續電流。
比較例4
以與比較例3相同的方式測試類似尺寸的比較例2的銅極耳。當在整個寬度上接觸時，電流正常流動。在將探針與極耳初始觸碰時，產生火花，指示非常高的初始電流密度。在集流體中產生的缺陷有時僅導致孔洞，而在其它時間有燒蝕，但是集流體保持完整。在所有情況下，電路都保持0.8A電流流動的短路。拍攝燒蝕缺陷的顯微照片，無孔，如圖10a所示。將電流源極限設定為5.0A、3.0A、0.6A、0.3A和0.1A下重複該實驗，在所有情況下，當在集流體的整個寬度上接觸時和使用大約0.25mm 2尖端尺寸的點探針時，結果都是在測試電流極限下的連續電流。
實施例14
使用與比較例3-4相同的方法測試具有相似尺寸的實施例7的本發明塗覆鋁的聚合物襯底。當在整個寬度上接觸時，電流正常流動。在探頭直接接觸本發明的集流體的每種情況下，產生的火花少得多，並且電流在初始火花之後停止流動，留下開路。在所有情況下，所產生的缺陷都是孔。孔的幾個實施例的顯微照片示於圖11A和11B中。將電流源極限設定為5.0A、3.0A、0.6A、0.3A和0.1A下重複該實驗，在所有情況下，當通過全寬度連接器接觸時，獲得電流連續流動，而當由探針直接接觸本發明的集流體實例時，沒有電流流過本發明的實例。
所示的關鍵發明是，當如比較例3-4和實施例14中那樣暴露于短路時，現有技術的結果是持續的短路，而本發明材料的結果是開路且沒有持續的電流流動（即沒有明顯的電流移動）。因此，現有技術的短路會產生並確實產生熱量，該熱量會熔化隔膜、溶解SEI層，並導致電池熱失控，從而點燃電解質。本發明的集流體的開路不會產生熱量，因此提供了一種如下電池，該電池能夠支援內部短路而不允許熱失控以及由此產生的煙、熱和火焰。
實施例15和16以及比較例5和6
在10微米聚對苯二甲酸乙二醇酯膜上用卷對卷工藝製備兩個金屬化膜。在該方法中，將薄膜卷放置在真空金屬化生產機器（其實施例是TopMet4450，可由Applied Materials公司購得）中，並將腔室抽真空至低壓。輥以高速（例如，50m/min）通過含有熔融鋁的加熱舟。在含有熔融鋁的加熱舟上方是沉積在膜上的鋁煙羽，沉積速率由速度和鋁溫度控制。通過多道生產約500m長和70cm寬的輥，直到鋁塗層為~300nm。重複該塗覆過程以塗覆膜的另一面，得到了在本發明中如實施例15所用的最終產品（圖4a的本發明集流體描繪了在所述實施例中使用的集流體）。實施例16因此以相同的方式生產，除了舟中的金屬是銅（圖5B的描繪表示了在本發明結構中使用的集流體）。測量各膜的基重、厚度和電導率，並在下表3中報告。通過減去13.8g/m 2（10微米聚對苯二甲酸乙二醇酯膜的基重）計算塗層重量。“計算的塗層厚度”通過如下方式來計算，即將塗層重量除以材料密度(鋁為2.7g/cm 3，銅為8.96g/cm 3），並且假設在每一面上具有相等的塗層。
比較例5是商業上獲得的17微米厚的鋁箔。比較例6是商業上獲得的50微米厚的銅箔。比較例7是商業上獲得的9微米厚的銅箔。 表3
樣品 基重 塗層重量 厚度 DC電阻 計算的塗層厚度
單位 g/m 2 g/m 2 微米 歐姆 微米
實施例15 17 3 11 0.081 0.5
實施例16 24 10 11 0.041 0.5
比較例5 46   17    
比較例6 448   50    
比較例7 81   9    
實施例15、實施例16、比較例5和比較例6進一步測試其承受非常高電流密度的能力。製造一種將半徑為0.51mm(24 AWG規格）的拋光銅線保持與集流體膜或箔接觸的測試裝置。將待測膜或箔接地，使鋁觸點與待測膜或箔保持接觸，接觸面積大於1平方釐米。探針與0.335歐姆的高功率400W電阻器串聯，並連接到電壓HY3050EX電源，該電源被設置為控制電流。將待測量的集流體放置在該裝置中，其中拋光的導線在零輸入電流下與集流體的表面接觸。電流以0.2安培的增量增加，並在每次增量時保持在30秒，同時測量電阻兩端的電壓。當電壓降為零時，表明電流不再流動，表明樣品故障。測試實施例15、實施例16、比較例5和比較例6中的每一個。實施例15在7A（兩次測量的平均值）下出現故障。實施例16在10.2A（兩次測量的平均值）下出現故障。比較例5和比較例6都沒有在低於20A時出現故障。實施例15和實施例16都顯示出了集流體中半徑大於1mm的孔，而比較例5或6都沒有顯示出對箔的任何損傷。在所述實施例測試中，有利的是具有不能承載大於20A、或優選大於15A、或更優選大於12A的電流的集流體。
在另一個測試中，旨在模擬使用本發明的集流體作為將電池的電極堆疊連接到使用中的電子器件（電池內部或外部）的極耳，實施例15和16以及比較例5和6沿著條帶進行電流容量測試。為了製備用於測試的樣品，將集流體切割成如圖12所示的形狀：其由4釐米×1釐米（4cm×1 cm）的材料條帶組成，條帶的端部終止于邊長4釐米的截短直角等腰三角形。測試件的每個三角形通過一片接觸表面積＞1cm的鋁接觸。一側通過400W、0.335歐姆電阻連接，該電路連接到電壓HY3050EX電源。測量電阻兩端的電壓以測量電流，並且當該電壓降為零時，該器件顯示出故障。對於每次測試，將該元件與被設置為零電流的電源連接，然後以0.2A的增量增加，並且允許在每次新電壓下靜置30秒，直到樣品故障且流動的電流降為零。該測試被配置為使得金屬化集流體可以在金屬化集流體的一側或兩側上通過接觸被測量。故障時的電流示於下表4中。對於在4cm×1cm條帶中測試的材料，通過將可流動的電流量限制在低於20A、或優選低於15A、或更優選低於10A，每個都具有單面或雙面接觸來提供內部熔絲將是有利的。 表 4
樣品 單面故障電壓 雙面故障電壓
單位 V V
實施例15          2.7          4.5
實施例16           24           10
比較例 5 20 A以下無故障 20 A以下無故障
比較例6 20 A以下無故障 20 A以下無故障
實施例17-19和比較例8
通過用電極材料塗覆實施例15和16的標準箔集流體和金屬化PET膜集流體來製備電池。使用BASF NMC523(97%)、炭黑（2%）和PVDF(1%)在NMP溶劑中製備NMC 523陰極材料，並塗覆在鋁集流體（15微米鋁集流體）上，實施例15的基重為220g/m 2，對應的陰極負載密度為3.3mAh/cm 2。通過在NMP溶劑中使用石墨BTR-918S(94%)、炭黑（5%）和PVDF(1%)製備陽極材料，並以118g/m 2塗覆在銅集流體（18微米銅集流體）上，對應的陽極負載密度為4.0mAh/cm 2。製備四個雙面陰極、三個雙面陽極和兩個單面陽極。這些電池用Celgard 2500隔膜堆疊以形成小袋電池，然後用電解質填充小袋電池並且設計容量1Ah密封。通過箔材料的不同組合製備四種類型的電池，並且在C/10和C/5（即0.1A和0.2A)下測量容量。電池通過在100mA充電至4.2V，並保持在4.2V直到電流降至10mA形成。然後稱取完全形成的電池，並通過C/10放電，然後C/10充電和C/5放電來測試容量。這些結果列於下表5中。 表 5
樣品 陽極集流體 陰極集流體 電池重量 C/10容量 C/5容量
單位     克 mAh mAh
比較例8 鋁箔 銅箔 27 924 615
實施例17 實施例15 銅箔 26.8 1049 751
實施例18 鋁箔 實施例16 24.7 1096 853
實施例19 實施例15 實施例16 24.7 1057 848
因此，已經證明，上述實施例顯示了防止含電解質電池內的熱失控所需的厚度、金屬塗層和導電性結果，由此不僅提供了一種更安全和可靠的電池類型，而且提供了一種比以前需要更少內部重量元件、而不犧牲安全性且實際上提高了安全性的電池類型。
無極耳結構
如上所述，提供儲能裝置（更不用說電池了（尤其是鋰可充電類型電池））的一般方式包括將具有極耳連接的內部電極結構（或多個結構），以從內部向外部傳輸電荷（用於與外部裝置的連接能力）。然而，已經認識到，這種帶極耳的能量產生/存儲裝置至少在最大功率傳輸方面表現出某些缺陷或至少限制。現在已經認識到，無極耳結構不僅是可能的，而且同時產生具有低阻抗的出乎意料地有效的大功率輸出。這種無極耳結構基本上包括使用具有薄膜集流體的內部電池（或儲能裝置）元件，該薄膜集流體以延伸的形式設置在陽極和陰極（以及隔膜）的邊緣之外。然後，在製造目標電池（或其它類型）裝置時，可以隨機方式“擠壓”（即操作）這種延伸的集流體。在這種工藝中，延伸的集流體與其它元件（陽極、隔膜、陰極，當然可以存在多個）對齊，然後引入電池隔斷（至少有端板和蓋子），並在端板與延伸的集流體接觸的情況下將電池組件壓入其中，以便提供用於開始這種“擠壓”動作的表面。重要的是，在電池（儲能裝置）的隔斷記憶體在“擠壓空間”，以允許集流體被適當地“擠壓”，從而提供集流體的操作側的隨機圖案，使得在這種擠壓結果之後，相對的延伸邊緣可能會與另一個延伸邊緣接觸。還重要的是，在這種電池形成（和集流體“擠壓”）之後，防止任何陽極和陰極彼此接觸。同樣，由於存在可燃性有機液體電解質（如上所述在本發明內容中提供的任何電解質），電池的最終“擠壓”端必須允許這種液體電解質容易地和徹底地流過其整個部分。這樣的“擠壓”結果因此僅存在於與端板接觸的電池（儲能裝置）的端部，從而允許其餘的元件在使用期間和之後保持基本相同的形狀和構造。圖12和13提供了作為實施例的可能的隨機擠壓的導電集流體薄膜視圖的實施方式。圖12中值得注意的是凝膠捲芯形式的延伸集電膜的不同側面，以及這樣的側面（A和B）相對於其暴露表面的接觸能力。圖13示出了不同的“擠壓”結果實施方式，其中A和B側彼此相鄰地暴露，用於層與層之間的接觸能力。這樣的“擠壓的”結構因此使得整個電池與標準的帶極耳的凝膠捲芯結構相比具有更完全的導電性。換言之，如上面提到的，標準的凝膠捲芯構造將需要電荷以在傳送通過極耳結構之前沿著從電極的一端到另一端的整個捲繞路徑；這至少在電導率方面限制了總的傳輸能力，因為電荷必須以這種方式沿著該路徑。已經認識到，“擠壓”結構（沒有任何極耳存在）允許電荷從一個頂邊（端板）通過該凝膠捲芯結構穩定地遷移到另一個頂邊，而不需要流經整個凝膠捲芯通道。因此，端板也可以作為產生的電荷的導體，與單個極耳結構相比，潛在地更大的表面積（其是比極耳更大的結構，在隨時間的穩定性和彈性以及使用上也可以更可靠）。這種“擠壓”結果還允許低阻抗（與特斯拉公開內容相反，在該內容中，這種電池的工作完全需要高讀數）。
圖14提供了具有施加到其上的電極塗層以示出延伸部構造的延伸薄膜集流體的凝膠捲芯結構的部分等軸側視圖。如所指出的，並且與圖12和13所示的“擠壓”結構有關，捲繞（凝膠捲芯）集流體的A側和B側具有一定的延伸距離，以允許在引入電池中並與目標端板接觸時產生“擠壓”結果。圖15示出了具有與陽極相關聯的底邊（集流體延伸部）和與陰極相關聯的頂邊（集流體延伸部）的全凝膠捲芯電池組件側視圖。然後，採用這種結構，將引入兩個相對的端板，同時將塗覆的內部電極結構放置在圓柱形電池殼體內；因此，兩個端板“擠壓”相對的邊緣以形成如圖12和/或13的結構，而不需要用於外部電荷接入的一個或多個極耳。
圖16提供了在電池殼體（外部電池殼體）的限制內引入凝膠捲芯結構用於擠壓延伸的（暴露的）集流體的更好的視圖，在所述特定的非限制性呈現中，卷芯結構向下通向導電表面（端板）。
圖19提供了用於圓柱形電池（儲能裝置）的光滑邊緣端板100的一個可能實施方式的等軸側視圖。端板100包括底邊110，其允許以導電方式與外部裝置（未示出）接觸。頂面130為延伸的集流體提供了“擠壓”表面。這樣的頂面130包括垂直的外周邊緣140，其允許放置電池罐（殼體）的邊緣以駐留和連接，同時外周表面120提供了放置這樣的電池罐（殼體）的底邊。因此，這樣的光滑邊緣的端板100以這種方式提供了一種類型的實施方式，用於延伸集流體的隨機“擠壓”結果。
圖20提供了用於延伸集流體的不同類型的隨機“擠壓”的螺旋槽端板200的另一個可能實施方式的等軸側視圖。這樣的端板200包括用於與外部裝置接觸的底邊210（如上用於導電）。螺旋槽230提供了從內部設置的起始點250的多次螺旋，同時不斷地從那裡向外延伸到最終的終止位置260。這樣的螺旋槽230允許頂面220、頂面290具有內部垂直邊緣240，其允許可能地與延伸的集流體對準，以與光滑邊緣（圖20的端板100）不同的方式“擠壓”集流體。同樣，螺旋端板200包括用於放置待放置和連接的圓柱形電池罐（殼體）邊緣的外邊緣280和用於在這樣的電池殼體邊緣處的緊密配合的垂直邊緣130。當然應當理解的是，雖然示出了螺旋槽端板200，但這僅僅是本發明範圍內的一個潛在實施方式。也可以使用和/或跟隨和/或引入具有任何形狀和開槽佈局和/或構造的具有任何程度的導電性的其它端板結構。
如上所述，在可再充電鋰離子電池中這種“擠壓的”端部薄膜金屬化集流體電極的可行性要求在最大電壓輸送方面有效，從而低電壓降，因此相關的低內部電池電阻水準（以及進一步的低阻抗結果）。這樣的測量結果將指示電荷的產生和轉移，而不需要極耳，其結果是低電阻也允許較高的電壓傳遞和產生低溫（由於低電阻，所以基本上產生低溫）。如圖12-16所示的這種圓柱形電池也被測量了這種電壓降特性。電池內的“擠壓空間”對於這些具有1、2、3和4mm的不同集流體延伸部測量值的器件被標準化為0.5mm。利用這種“擠壓”的集流體結果，電池顯示出從陽極到陰極的某些電壓電平，從而提供上述電荷產生和傳輸能力，進一步具有薄膜金屬化集流體在輕重量方面的其它優點，可能更重要的是，更可靠的安全級別（再次如上面更詳細地描述的）。表6提供了關於螺旋端板的測量結果（例如，如圖21中所示），其對電池內的“擠壓空間”和其中存在的延伸薄膜金屬化集流體進行測量。在這樣的表（和下面的其它表）中，術語“I表示阻抗（以安培為單位），1、2、3和4mm的測量結果表示在目標電池的“擠壓空間”內的集流體延伸部的長度，V表示對具有這種特性的每個電池測量的電壓降。表6中的這種測量結果進一步以圖17中的圖形示出。 表6 電壓降測量 具有0.5mm“擠壓空間”的隨機化擠壓結果的螺旋端板圓柱形電池
  螺旋端板、5mm 擠壓空間
I 1mm 2mm 3mm 4mm
(安培) (V) (V) (V) (V)
1 0.029 0.023 0.023 0.023
2 0.050 0.045 0.045 0.045
3 0.078 0.067 0.067 0.067
4 0.105 0.094 0.094 0.094
5 0.133 0.116 0.116 0.116
6 0.154 0.138 0.138 0.138
7 0.182 0.160 0.160 0.160
8 0.209 0.182 0.182 0.182
9 0.236 0.204 0.204 0.209
10 0.264 0.226 0.231 0.231
12 0.313 0.275 0.275 0.275
14 0.368 0.319 0.319 0.324
16 0.417 0.368 0.368 0.368
18 0.472 0.412 0.412 0.412
20 0.527 0.455 0.461 0.461
22 0.576 0.505 0.505 0.510
24 0.631 0.548 0.554 0.554
因此，這樣的結果表明：在不需要將電荷從電池傳遞到外部裝置的極耳的情況下顯示出有效的電池單元能力。
表7涉及平滑端板（圖19），具有與表6相同的集流體延伸部和“擠壓空間”測量結果。結果以圖表形式示於圖18中。 表7 電壓降測量 具有0.5mm結擠壓空間”的隨機化擠壓結果的平滑端板圓柱形電池
  平滑端板、5mm 擠壓空間
I 1mm 2mm 3mm 4mm
(安培) (V) (V) (V) (V)
1 0.023 0.023 0.023 0.023
2 0.050 0.045 0.045 0.045
3 0.072 0.067 0.072 0.072
4 0.100 0.089 0.094 0.094
5 0.127 0.111 0.116 0.116
6 0.149 0.133 0.143 0.138
7 0.176 0.154 0.165 0.160
8 0.198 0.176 0.187 0.182
9 0.226 0.204 0.209 0.209
10 0.247 0.226 0.236 0.231
12 0.302 0.269 0.280 0.275
14 0.351 0.313 0.330 0.324
16 0.401 0.357 0.379 0.368
18 0.450 0.401 0.423 0.417
20 0.499 0.45 0.472 0.466
22 0.554 0.494 0.521 0.510
24 0.603 0.537 0.570 0.559
因此，這樣的測量結果示出了如上所述的這種集流體“擠壓”圓柱形電池的可行性。
表8示出了不同端板結構在“擠壓”集流體電池兩端的電阻方面的測量結果。術語“CC”是指下面的集流體，R是電阻。 表8 電阻測量 具有0.6mm的擠壓空間”的隨機化擠壓結果的不同端板圓柱形電池
CC延伸部長度，每側(mm) 端板設計 R, 用DMM測量(毫歐)
1 螺旋 10
2 螺旋 12
3 螺旋 15
4 螺旋 16
0    
1 光滑 10
2 光滑 13
3 光滑 7
4 光滑 4
這樣的電阻測量結果表明優異的能量傳輸結果。
圖21示出了不同的可能實施方式的視圖，並因此示出了用於無極耳裝置的凝膠捲芯電極結構300的類型。在這個可能的實施方式中，卷芯結構不是圓柱形的，因此表明這種卷芯結構可以是任何類型和形狀的。在所述結構中，示出了圍繞捲繞的陽極320的電極塗層310和具有延伸集流體340的隔膜330。圖22示出了引入電池殼體410內的相同的凝膠捲芯電極300，其具有用於與陽極、隔膜和集流體340的“擠壓”接觸的帶有頂面430的光滑端板420。存在外周邊緣440和垂直側壁450用於與電池殼體邊緣接觸。光滑端板420提供與成品電池外部的導電性。
圖23示出了具有與圖22相同的基本凝膠捲芯電極300和電池殼體410但是具有帶槽端板460的電池結構400。這樣的端板460提供了與以前一樣的外部裝置的導電能力，但是具有用於不同“擠壓”結果的具有間斷平行凹槽480的頂面470 /具有相關垂直側壁490的水準外周邊緣表面495提供如上所述的電池殼體/盒接觸。
圖24示出了作為內部電池組件的不同的電極結構500（堆疊電池電極）。這種堆疊結構具有集流體520的多個重複對齊的元件（這裡每個這樣的集流體如上所述延伸）、塗層510、陽極530和隔膜540。圖25類似上述的圖，示出了通過如下方式的全電池裝置600的結構，即將電極結構500引入到電池殼體610內，並且通過用於電池殼體接觸和連接的具有頂部“擠壓”表面630、外周水準邊緣640和垂直側壁650的平滑端板620密封。如上所述的，端板620的底邊提供了外部導電性。
如圖23所示，圖26中提供的是電池殼體610內具有堆疊的電極結構500的電池結構700，但是其具有頂面720、平行槽730以及用於電池殼體連接的水準外周邊緣740和垂直側壁750的帶槽端板710。因此，該帶槽端板710提供了延伸的集流體的不同的隨機“擠壓”結果，並且還允許外部導電。
除了上述凝膠捲芯和堆疊的電池電極結構之外，在本發明的範圍內，還可以有任何數量的不同的可能的電極結構。圖33和34中示出了另一個可能的實施方式，其中電極800以偏移配置示出。在圖33中，例如，陽極820（具有外部塗層810）和陰極880不僅僅通過隔膜890分隔，而且陽極820和陰極880與陰極880的橫向和縱向邊緣對齊偏移，在這種情況下，陰極880的橫向和縱向邊緣延伸超過陽極820的兩種邊緣（表示為橫向距離850）；隔膜890的橫向和縱向邊緣830、集流體840延伸超過陽極的兩個邊緣；隔膜890的隔膜890縱向邊緣延伸超過陰極880的縱向邊緣；以及陰極880的橫向邊緣延伸超過隔膜890的橫向邊緣。集流體840延伸超過所有其它元件（陽極820、陰極880和隔膜890）的所有邊緣（表示為與陰極的距離860）。偏移對齊允許在集流體擠壓之後更可靠地防止陽極和陰極之間的任何接觸，其在橫向和縱向中的每一個方向上的延伸也允許在這樣的堆疊電池偏移電極結構內的四個方向操作集流體。這樣的結構能力使得薄膜集流體獲得安全性的充分益處，如在整個文中所討論的，並且進一步的益處是去除任何用於外部導電能力的極耳，並且在整個電極上更完全地進行電荷轉移，而不必擔心在“擠壓”這種電池結構之後，在其使用過程中陽極/陰極相互作用。
圖34示出了如在電池封裝內擠壓的堆疊電池偏移配置1000的不同表示類型。顯示出帶隔膜1060以及集流體1020的偏置陽極1040和陰極1050具有擠壓空間1030，以允許用於產生這種集流體操作的足夠面積。陰極1050與陽極1040偏移一定距離1010，以確保即使在這樣的元件的端部進行操作時，陽極1040和陰極1050之間也不會接觸。因此，用於集流體1020的擠壓空間1030對於允許在本發明討論的範圍內被操作的集流體1020具有足夠的面積是非常重要的。如上所述，這樣的擠壓空間的距離將小於集流體的實際延伸，以確保集流體將填充這樣的空間並保持與導電端板以及根據需要發生電荷轉移的電極元件接觸。
圖35示出了以隨機方式（例如，與平滑端板接觸）擠壓的堆疊電池集流體端部的照片。圖36示出了用於比較的非隨機擠壓的堆疊電池集流體。任一個在本發明的範圍內都是可行的。
測試這種堆疊單元電池，用於確定上述圓柱形類型的可行性測量值。表9提供了具有平滑端板的堆疊電池（如圖24所示）的電壓降（阻抗）測量值。圖27中提供了其圖形表示。表10所述的1.1mm的堆疊電池（具有平滑端板）內的“擠壓空間”。結果以圖28中的圖表表示。表11和12分別所述的具有0.6mm和1.1mm“擠壓空間”測量值的堆疊電池內的帶槽端板。這些表分別示出了如圖29和30中的圖形格式。這些結果顯示出具有這些“擠壓的”薄膜金屬化膜集流體的這種堆疊電池的可行性。 表9 電壓降測量 具有0.6mm“擠壓空間”的隨機化擠壓結果的平滑端板堆疊電池
I 1mm R 2mm R 3mm R
(安培) (V) (歐姆) (V) (歐姆) (V) (歐姆)
1 0.029 0.029 0.023 0.023 0.034 0.034
2 0.061 0.031 0.050 0.025 0.072 0.036
3 0.094 0.031 0.072 0.024 0.111 0.037
4 0.122 0.031 0.094 0.024 0.143 0.036
5 0.154 0.031 0.122 0.024 0.182 0.036
6 0.182 0.030 0.143 0.024 0.220 0.037
7 0.215 0.031 0.165 0.024 0.253 0.036
8 0.247 0.031 0.193 0.024 0.291 0.036
9 0.275 0.031 0.215 0.024 0.324 0.036
10 0.308 0.031 0.236 0.024 0.357 0.036
12 0.368 0.031 0.286 0.024 0.428 0.036
14 0.428 0.031 0.335 0.024 0.494 0.035
16 0.488 0.031 0.384 0.024 0.570 0.036
18 0.548 0.030 0.428 0.024 0.636 0.035
20 0.609 0.030 0.477 0.024 0.702 0.035
22 0.663 0.030 0.527 0.024 0.773 0.035
24 0.713 0.030 0.576 0.024 0.833 0.035
表10 電壓降測量 具有1.1mm”擠壓空間”的隨機化擠壓結果的平滑端板堆疊電池
  平滑端板 (1.1mm)      
I 1mm R 2mm R 3mm R
(安培) (V) (歐姆) (V) (歐姆) (V) (歐姆)
1     0.029 0.029 0.056 0.056
2     0.056 0.028 0.111 0.056
3     0.089 0.030 0.165 0.055
4     0.116 0.029 0.220 0.055
5     0.143 0.029 0.275 0.055
6     0.171 0.029 0.330 0.055
7     0.204 0.029 0.384 0.055
8     0.231 0.029 0.439 0.055
9     0.258 0.029 0.494 0.055
10     0.286 0.029 0.548 0.055
12     0.346 0.029 0.647 0.054
14     0.406 0.029 0.745 0.053
16     0.461 0.029 0.838 0.052
18     0.516 0.029 0.948 0.053
20     0.576 0.029 1.107 0.055
22     0.631 0.029 1.228 0.056
24     0.691 0.029 1.315 0.055
表11 電壓降測量 具有0.5mmm擠壓空間”的隨機化擠壓結果的帶槽端板堆疊電池
    帶槽端板 (0.5mm擠壓)  
I 1mm R 2mm R 3mm R
(安培) (V) (歐姆) (V) (歐姆) (V) (歐姆)
1 0.029 0.029 0.023 0.023 0.029 0.029
2 0.056 0.028 0.050 0.025 0.056 0.028
3 0.083 0.028 0.072 0.024 0.089 0.030
4 0.111 0.028 0.100 0.025 0.116 0.029
5 0.138 0.028 0.122 0.024 0.149 0.030
6 0.165 0.028 0.143 0.024 0.176 0.029
7 0.193 0.028 0.171 0.024 0.204 0.029
8 0.220 0.028 0.193 0.024 0.236 0.030
9 0.247 0.027 0.220 0.024 0.264 0.029
10 0.275 0.028 0.242 0.024 0.297 0.030
12 0.330 0.028 0.291 0.024 0.357 0.030
14 0.384 0.027 0.340 0.024 0.412 0.029
16 0.444 0.028 0.390 0.024 0.472 0.030
18 0.499 0.028 0.439 0.024 0.532 0.030
20 0.554 0.028 0.488 0.024 0.592 0.030
22 0.609 0.028 0.537 0.024 0.652 0.030
24 0.663 0.028 0.587 0.024 0.707 0.029
表12 電壓降測量 具有1.1mmm擠壓空間”的隨機化擠壓結果的帶槽端板堆疊電池 帶槽端板（1.1mm擠壓空間）
I 1mm R 2mm R 3mm R
(安培) (V) (歐姆) G(V) (歐姆) G(V) (歐姆)
1     0.045 0.045 0.034 0.034
2     0.083 0.042 0.061 0.031
3     0.127 0.042 0.094 0.031
4     0.165 0.041 0.127 0.032
5     0.209 0.042 0.160 0.032
6     0.247 0.041 0.193 0.032
7     0.291 0.042 0.226 0.032
8     0.330 0.041 0.258 0.032
9     0.362 0.040 0.291 0.032
10     0.401 0.040 0.319 0.032
12     0.472 0.039 0.384 0.032
14     0.543 0.039 0.450 0.032
16     0.625 0.039 0.488 0.031
18     0.702 0.039 0.587 0.033
20     0.751 0.038 0.658 0.033
22     0.828 0.038 0.724 0.033
24     0.899 0.037 0.795 0.033
進行進一步的測量以確定與堆疊電池內的實際端板結構相關的阻抗。表13提供了與0.5mm“擠壓空間”和不同的集流體延伸部長度相關的結果。圖31還提供了這種結果的視圖。表14提供了關於具有不同端板結構的1.1mm“擠壓空間”的結果，圖32提供了其圖形結果。 表13
  0.5mm擠壓空間
  1mm 2mm 3mm
平滑 0.030 0.024 0.036
帶槽 0.028 0.024 0.029
表14
  1.1mm擠壓空間
  2 3
平滑 0.029 0.055
帶槽 0.040 0.032
這樣的測量結果表明存在“擠壓的”薄金屬化膜集流體的電池單元是有效和可靠的。具有這種獨特的且迄今為止未被探索的電極結構，該電極結構具有隨機擠壓延伸部的薄膜集流體，作為示例，提供了在目標電池或儲能裝置內彼此可能接觸的不同集流體側，以及偏移元件配置以避免在形成期間在集流體操作之後的陽極/陰極接觸，提供了可靠、更安全和更徹底的導電裝置。可以存在任何類型的電解質，只要存在延伸的和“擠壓的”薄膜集流體，包括易燃的液體有機電解質、膠凝電解質和可能的固體電解質（雖然在此公開中沒有意圖在這些電解質之間是等效的，但是潛在地優選為液體易燃電解質）。因此，提供了一種在鋰離子（等）電池、電容器、動力電池等中使用薄金屬化膜集流體以有效地傳輸功率和降低熱失控電勢的新方法。
以上僅為本發明之較佳實施例，並非用來限定本發明之實施範圍，如果不脫離本發明之精神和範圍，對本發明進行修改或者等同替換，均應涵蓋在本發明申請專利範圍的保護範圍當中。
100:端板 110:底邊 120:外周表面 130:頂面 140:外周邊緣 200:螺旋槽端板 210:底邊 220:頂面 230:螺旋槽 240:內部垂直邊緣 260:終止位置 130:垂直邊緣 280:外邊緣 290:頂面 300:凝膠捲芯電極 310:電極塗層 320:陽極 330:隔膜 340:頂面 400:電池結構 410:電池殼體 420:光滑端板 430:頂面 440:外周邊緣 450:垂直側壁 460:端板 470:頂面 480:平行凹槽 490:垂直側壁 495:水準外周邊緣表面 500:電極結構 510:塗層 520:集流體 530:陽極 540:隔膜 600:全電池裝置 610:電池殼體 620:端板 630:表面 640:外周水準邊緣 650:垂直側壁 700:電池結構 710:帶槽端板 720:頂面 730:平行槽 740:外周邊緣 750:垂直側壁 800:電極 810:外部塗層 820:陽極 830:縱向邊緣 840:集流體 850:距離 860:距離 880:陰極 890:隔膜 1000:堆疊電池偏移配置 1010:距離 1020:集流體 1030:擠壓空間 1040:陽極 1050:陰極 1060:隔膜
圖1是對捲繞電池（如18650電池）的結構的現有技術描述。 圖2是通過對幾個鋰離子電池隔膜的動態力學分析測量的收縮作為溫度的函數的現有技術描述，如根據NASA/TM-2010-216099“用於NASA先進鋰離子電池的電池隔膜表徵和評估過程”所測量的，所述文獻在此引入作為參考，第3.5節。包括第一代隔膜（Celgard PP，Celgard三層）、第二代隔膜（陶瓷PE）和第三代隔膜（銀、金、銀AR）。 圖3A是已經歷釘子釘入測試的袋電池的橫截面的掃描電子顯微照片(SEM)的現有技術描述。該層是由BEI（背散射電子成像）映射的鋁和銅。該釘子在左側是垂直的。在每種情況下，鋁層已經從釘子中退出，留下氧化鋁的“表層”，即絕緣體。 圖3B是圖3A所示的圖像中將多層中的一層放大的現有技術描述。它示出了氧化鋁層的貼近，並且還示出了隔膜完全沒有收縮並且仍然將電極分離到最邊緣。 圖4描述了在本發明中使用的金屬化膜，其中導電材料的薄層在外側，並且中心襯底是在熱失控所需的溫度下熱不穩定層。該襯底可以是熔化層、收縮層、溶解層、氧化層或在100-500℃的溫度下會發生熱不穩定性的其它層。 圖5A是厚鋁集流體的現有技術描述，通常厚度在12~20微米之間。 圖5B描述了在本發明中使用的金屬化膜，示出了每側具有1微米鋁的微米厚襯底。在本發明集流體的情況下，它不能承受與短路相關的大電流，而厚集流體技術是這樣的。 圖6A和6B示出了比較例1-2的圖像，每一個為在被熱烙鐵的尖端接觸之後的圖像。比較例在與熱烙鐵接觸後不發生變化。 圖7A、7B和7C示出了實施例1-3的圖像，每一個為在被熱烙鐵的尖端接觸之後的圖像。實施例1-3都顯示出如本發明中所述的待金屬化的襯底的收縮。 圖8A、8B和8C示出了實施例4-6的圖像，每一個為在被熱烙鐵的尖端接觸之後的圖像。實施例4顯示出待金屬化的襯底如本發明中所述的那樣收縮。實施例5具有在熱下溶解在鋰離子電解質中的纖維。實施例6是熱穩定襯底的實例，它需要薄的導電層來起到本發明的作用。 圖9A、9B和9C是橫截面以不同放大率的SEM，並且如實施例9中所述的，示出了一個集流體的一種可能實施方式的金屬化表面。金屬明顯薄于原來的20微米厚的襯底。 圖10A和10B是比較例3和4在短路後的光學顯微照片，示出了短路但沒有孔的周圍區域的燒蝕。 圖11A和11B是實施例14短路後的兩個區域的光學顯微照片，示出了由短路的高電流密度引起的材料中的清晰孔洞。 圖12示出了在引入到捲繞電池中之前隨機擠壓的集流體表面的照片。 圖13示出了在引入到捲繞電池中之前擠壓的集流體表面的另一個方向圖案的不同照片。 圖14是在擠壓步驟以及引入到捲繞電池中之前具有底端集流體延伸部的內部電池複合體的側視圖。 圖15是在擠壓步驟和引入到捲繞電池中之前具有集流體的頂部和底部延伸部的內部電池複合體的側視圖。 圖16是在擠壓步驟和密封之前在電池箱體/殼體內引入如圖14所示的內部電池複合體的側透視圖。 圖17是具有用於擠壓目的的螺旋端板的不同集流體結構的一系列電池單元的電導能力的圖。 圖18是具有用於擠壓目的的平滑端板的不同集流體結構的一系列電池單元的電導能力的圖。 圖19是平滑邊緣的電池端板的可能實施方式的等軸側視圖。 圖20是螺旋邊緣的電池端板的可能實施方式的等軸側視圖。 圖21是無極耳電池的凝膠捲芯電極結構的可能實施方式的內部元件的等軸側視圖。 圖22是具有光滑邊緣端板的無極耳凝膠捲芯電池的可能實施方式的分解視圖的等軸側視圖。 圖23是具有帶槽端板的無極耳凝膠捲芯電池的可能實施方式的分解視圖的等軸側視圖。 圖24是無極耳電池的堆疊電池電極結構的可能實施方式的內部元件的等軸側視圖。 圖25是具有平滑邊緣端板的無極耳堆疊電池電極結構電池的可能實施方式的分解視圖的等軸側視圖。 圖26是具有帶槽端板的無極耳堆疊電池電極結構電池的可能實施方式的分解視圖的等軸側視圖。 圖27是一系列具有不同集流體結構、用於擠壓目的的平滑端板以及電池限制內0.6mm擠壓空間的無極耳堆疊單元電池的電導能力的圖。 圖28是一系列具有不同集流體結構、用於擠壓目的的平滑端板以及電池限制內1.1mm擠壓空間的無極耳堆疊單元電池的電導能力的圖。 圖29是一系列具有不同集流體結構、用於擠壓目的的帶槽端板以及電池限制內0.5mm擠壓空間的無極耳堆疊單元電池的電導能力的圖。 圖30是一系列具有不同集流體結構、用於擠壓目的的帶槽端板以及電池限制內1.1mm擠壓空間的無極耳堆疊單元電池的電導能力的圖。 圖31是對具有平滑端板和帶槽端板的不同電極延伸部以及不同電池限制內的0.5mm擠壓空間的無極耳堆疊單元電池的阻抗測量結果的比較的圖。 圖32是對具有平滑端板和帶槽端板的不同電極延伸部以及不同電池限制內的1.1mm擠壓空間的無極耳堆疊單元電池的阻抗測量結果的比較的圖。 圖33是在電池形成和擠壓以形成電導之前具有不同陽極、陰極、隔膜和薄膜集流體的偏移配置的無極耳堆疊電池電極結構的內部元件的局部側視圖。 圖34是在電池封裝記憶體在偏置陽極和陰極的的擠壓集流體的側視圖。 圖35示出了在引入到堆疊單元電池中之前隨機擠壓的集流體表面的照片。 圖36示出了在引入到堆疊電池中之前非隨機擠壓的集流體表面的照片。

Claims (13)

  1. 一種鋰離子電池，包括具有正極和負極的殼體，該殼體中還包括： i）陽極集流體； ii）陽極； iii）陰極集流體， iv）陰極； v）隔膜；和 vi）電解質， 其中該陽極存在於該陽極集流體上， 其中該陰極存在於該陰極集流體上， 其中該隔膜介於該陽極和該陰極之間並且與該陽極和該陰極接觸， 其中該陽極集流體與該殼體的該負極電連接， 其中該陰極集流體與該殼體的該正極電連接， 其中該陽極集流體和該陰極集流體中的至少一個包括含有聚合物層的金屬化膜，導電層塗覆在該聚合物層的兩側，並且該聚合物層具有這樣的長度，使得該陽極集流體和該陰極集流體中的至少一部分暴露，以用於與該殼體的該正極和該負極之一接觸， 其中該陽極、該陽極集流體、該陰極、該陰極集流體、該隔膜和該電解質被密封在該殼體箱中，該正極和該負極各自電連接到該殼體的外部， 其中該金屬化膜通過由於該暴露的金屬化膜集流體的擠壓而在其中存在的至少一個褶皺連接到該正極或該負極，以及 其中該金屬化膜不通過焊接連接與負極或正極連接。
  2. 如請求項1所述之鋰離子電池，其中，陽極或陰極或兩個集流體的該金屬化膜的每一側與該殼體的任一極直接接觸。
  3. 如請求項1所述之鋰離子電池，其中，該金屬化膜在該集流體的兩側呈現出金屬化。
  4. 如請求項1所述之鋰離子電池，其中，該金屬化膜以允許褶皺或擠壓部分以隨機的圖案產生連接的方式暴露，該隨機圖案具有用於液體電解質在整個該電池殼體中移動的足夠的空間/空隙。
  5. 如請求項1所述之鋰離子電池，其中，金屬化膜的這種暴露是該電池殼體內的陽極、陰極、隔膜和集流體的內部複合物的延伸部或突出部，該延伸部或突出部使得在暴露的金屬化膜集流體的至少一個部分中，在接觸和密封時存在與該殼體或該正極/負極接觸的金屬化膜的暴露長度為1~3毫米。
  6. 如請求項5所述之鋰離子電池，其中，該殼體或該正極/負極與該金屬化膜之間可用於這種褶皺/擠壓的空間為0.5~2.5毫米，其中，該金屬化膜延伸部或突出部的長度超過可用的該褶皺/擠壓空間。
  7. 如請求項5所述之鋰離子電池，其中，與該金屬化膜延伸部或突出部接觸的該殼體或該正極/負極是允許通過這種擠壓/褶皺操作而產生任意數量的隨機接觸的結構。
  8. 如請求項7所述之鋰離子電池，其中，該結構是平滑構造、螺旋構造、點陣形構造或網格形構造。
  9. 一種鋰離子電池，包括具有正極和負極的殼體，該殼體中還包括： i）陽極集流體； ii）陽極； iii）陰極集流體； iv）陰極； v）隔膜；和 vi）電解質， 其中該陽極存在於該陽極集流體上， 其中該陰極存在於該陰極集流體上， 其中該隔膜介於該陽極和該陰極之間並且與該陽極和該陰極接觸， 其中該陽極集流體與該殼體的該負極電連接， 其中該陰極集流體與該殼體的該正極電連接， 其中該陽極集流體和該陰極集流體中的至少一個包括含有聚合物層的金屬化膜，導電層塗覆在該聚合物層的兩側，並且該聚合物層具有這樣的長度，使得該陽極集流體和該陰極集流體中的該至少一個的至少一部分暴露，以用於與該殼體的該負極和該正極之一接觸， 其中該陽極集流體和該陰極集流體中的至少一個包括第一暴露側和相對的第二暴露側， 其中該陽極、該陽極集流體、該陰極、該陰極集流體、該隔膜和該液體電解質被密封在該殼體箱中，該正極和該負極各自電連接到該殼體的外部， 其中該金屬化膜通過由於該暴露的金屬化膜集流體的擠壓而在其中存在的至少一個褶皺連接到該正極或該負極， 其中該至少一個集流體的該暴露的金屬化膜通過該至少一個集流體的第一側的至少一個褶皺與該正極/負極或殼體部分接觸，同時通過該集流體的第二側的至少一個褶皺與相同的該正極/負極或殼體部分接觸，以及 其中該金屬化膜不通過焊接連接與負極或正極連接。
  10. 如請求項9所述之鋰離子電池，其中，該正極/負極或殼體部分本質上是導電的。
  11. 如請求項9所述之鋰離子電池，其中，該集流體暴露部分的該褶皺中的任一個倚靠該殼體部分或該正極/負極以隨機圖案褶皺。
  12. 如請求項9所述之鋰離子電池，其中，該集流體包括彼此接觸的多個層，並且其中該集流體的至少一個褶皺與該殼體部分或該正極/負極接觸。
  13. 一種鋰離子電池，包括具有正極和負極的殼體，該殼體中還包括： i）陽極集流體； ii）陽極； iii）陰極集流體； iv）陰極； v）隔膜；和 vi）電解質， 其中該陽極作為塗層存在於該陽極集流體上， 其中該陰極作為塗層存在於該陰極集流體上， 其中該隔膜介於該陽極和該陰極之間並且與該陽極和該陰極接觸， 其中該陽極集流體與該殼體的該負極電連接， 其中該陰極集流體與該殼體的該正極電連接， 其中該陽極集流體和該陰極集流體中的至少一個包括含有聚合物層的金屬化膜，導電層塗覆在該聚合物層的兩側，並且該聚合物層具有這樣的長度，使得該陽極集流體和該陰極集流體中的該至少一個的至少一部分暴露，以用於與該殼體的該負極和正極之一接觸， 其中該陽極集流體和該陰極集流體中的至少一個包括第一暴露側和相對的第二暴露側， 其中該陽極、該陽極集流體、該陰極、該陰極集流體、該隔膜和該液體電解質被密封在該殼體箱中，該正極和該負極各自電連接到該殼體的外部， 其中該金屬化膜通過由於該暴露的金屬化膜集流體的擠壓而在其中存在的至少一個褶皺連接到該正極或該負極， 其中該至少一個集流體的該暴露的金屬化膜通過該至少一個集流體的第一側的至少一個褶皺與該正極/負極或該殼體部分接觸，同時通過該集流體的第二側的至少一個褶皺與相同的該正極/負極或該殼體部分接觸， 其中，當該暴露的金屬化膜集流體與該正極/負極或該外殼部分接觸時，該暴露的金屬化膜集流體在其中具有用於液體電解質從中流過的通路或空隙，以及 其中該金屬化膜不通過焊接連接與負極或正極連接。
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