TW202333413A - 用於電化學電池之保護層及其系統與方法 - Google Patents

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阿迪亞 曼達倫
羅伯特 Ｋ 羅森
布魯諾 A 韋德斯
羅伯特 Ｆ 基欽
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Abstract

一種二次電池總成包括具有分別對應於X、Y及Z軸之互相垂直之橫向、縱向及豎直軸的電極總成。限制安置於該電極總成之外表面上。該電極總成或該限制中之至少一者具有突出部，該突出部在由該X軸及該Y軸界定之X-Y平面中延伸且具有在該X-Y平面中之第一曲率半徑。電池殼體圍封該電極總成及該限制。殼體保護層安置於該突出部之至少一部分上方及該突出部與該電池殼體之間。該殼體保護層界定在該X-Y平面中之上覆於該第一曲率半徑之第二曲率半徑。該第二曲率半徑大於該第一曲率半徑以藉此減小該突出部對該電池殼體造成損害的可能性。

Description

用於電化學電池之保護層及其系統與方法
本發明之領域大體上係關於能量儲存技術，諸如電池技術。更特定而言，本發明之領域係關於用於諸如電化學電池之組件的電池組件之保護層、系統及方法，該等電化學電池例如鋰基二次電池。
鋰基二次電池歸因於其相對較高之能量密度、功率及貯藏壽命而變成所要能量源。鋰二次電池之實例包括非水性電池，諸如鋰離子及鋰聚合物電池。
諸如電池、燃料電池及電化電容器之已知能量儲存裝置典型地具有二維層狀架構，諸如平面或螺旋捲繞(亦即，凝膠卷)層壓結構，其中每一層壓物之表面面積大致等於其幾何佔用面積(忽略孔隙度及表面粗糙度)。
相較於層狀二次電池，三維二次電池可提供增加的容量及壽命。然而，生產此類三維二次電池在製造及成本上具有挑戰。
在二次電池之製造製程期間，銳邊、拐角或其他特徵可能產生易受損害的區域，其可能有損電池之功能性、安全性或輸出。因此，將需要生產三維電池，同時解決已知技術中之問題。
在一個實施例中，一種二次電池總成包含：電極總成，其具有分別對應於三維笛卡耳座標系統之X、Y及Z軸的互相垂直之橫向、縱向及豎直軸；限制，其安置於該電極總成之外表面上；該電極總成或該限制中之至少一者包含在由該X軸及該Y軸界定之X-Y平面中延伸的突出部，該突出部具有在該X-Y平面中之第一曲率半徑；電池殼體，其圍封該電極總成及該限制；及殼體保護層，其安置於該突出部之至少一部分上方及該突出部與該電池殼體之間，該殼體保護層界定在該X-Y平面中之上覆於該第一曲率半徑之第二曲率半徑，該第二曲率半徑大於該第一曲率半徑以藉此減小該突出部對該電池殼體造成損害的可能性。
在又一實施例中，一種二次電池包含：電極總成，其具有分別對應於三維笛卡耳座標系統之X、Y及Z軸的互相垂直之橫向、縱向及豎直軸；限制，其界定體積，該電極總成包含於該體積內；該電極總成或該限制中之至少一者界定在由該X軸及該Y軸界定之X-Y平面中延伸的至少一個突出部，該突出部具有在該X-Y平面中之第一曲率半徑；殼體保護層，其安置於該突出部之至少一部分上方及該突出部與電池殼體之間，該殼體保護層界定在該X-Y平面中之上覆於該第一曲率半徑之第二曲率半徑，該第二曲率半徑大於該第一曲率半徑以藉此減小該突出部對該電池殼體造成損害的可能性；且其中該電池殼體圍封該電極總成、限制及殼體保護層，且該電池殼體之至少一部分與該殼體保護層直接接觸。
在又一實施例中，一種製備供與二次電池一起使用之電池總成的方法包含：製備電極總成，該電極總成具有分別對應於三維笛卡耳座標系統之X、Y及Z軸的互相垂直之橫向、縱向及豎直軸；將該電極總成置放於由限制界定之體積內，使得該限制安置於該電極總成之外表面上方；其中該電極總成或該限制中之至少一者界定在由該X軸及該Y軸界定之X-Y平面中延伸的至少一個突出部，該突出部具有在該X-Y平面中之第一曲率半徑；在該突出部之至少一部分上方黏著殼體保護層，該殼體保護層界定在該X-Y平面中之上覆於該第一曲率半徑之第二曲率半徑，該第二曲率半徑大於該第一曲率半徑以藉此減小該突出部對電池殼體造成損害的可能性；以及將該電極總成、限制及殼體保護層圍封於該電池殼體內，使得該殼體保護層安置於該限制與該電池殼體之間。
在再一實施例中，一種製造二次電池之方法包含：製備電極總成，該電極總成具有分別對應於三維笛卡耳座標系統之X、Y及Z軸的互相垂直之橫向、縱向及豎直軸；將該電極總成置放於由限制界定之體積內，使得限制安置於該電極總成之外表面上方；其中該電極總成或該限制中之至少一者界定在由該X軸及該Y軸界定之X-Y平面中延伸的至少一個突出部，該突出部具有在該X-Y平面中之第一曲率半徑；在該至少一個突出部之至少一部分上方黏著殼體保護層，該殼體保護層界定在該X-Y平面中之上覆於該第一曲率半徑之第二曲率半徑，該第二曲率半徑大於該第一曲率半徑以藉此減小該突出部對電池殼體造成損害的可能性；將該電極總成、限制及殼體保護層圍封於該電池殼體內，使得該殼體保護層安置於該限制與該電池殼體之間；及真空密封該電池殼體。
相關申請之交叉參考
本申請案主張2021年3月31日申請之美國臨時專利申請案第63/168,392號的優先權，該申請案以全文引用的方式併入本文中。 定義
除非上下文另外清楚地指示，否則如本文中所使用，「一(a、an)」及「該」(亦即，單數形式)係指複數個指示物。舉例而言，在一種情況下，提及「電極」包括單一電極及複數個類似電極兩者。
如本文中所使用之「約」及「大致」係指加或減所陳述之值之10%、5%或1%。舉例而言，在一種情況下，約250 µm將包括225 µm至275 µm。藉助於其他實例，在一種情況下，約1,000 µm將包括900 µm至1,100 µm。除非另外指示，否則本說明書及申請專利範圍中所使用之表示數量(例如量測值及其類似者)等之所有數字應理解為在所有情況中皆經術語「約」修飾。因此，除非有相反指示，否則在以下說明書及所附申請專利範圍中所闡述之數值參數為近似值。每一數值參數應至少根據所報導之有效數位之數目且藉由應用一般捨位技術來解釋。
在二次電池的上下文中，如本文中所使用的「陽極」係指二次電池中之負電極。
如本文中所使用之「陽極材料」或「陽極活性」意謂適用作二次電池之負電極的材料。
在二次電池之上下文中，如本文中所使用的「陰極」係指二次電池中之正電極。
如本文中所使用之「陰極材料」或「陰極活性」意謂適用作二次電池之正電極的材料。
「轉化化學活性材料」或「轉化化學材料」係指在二次電池之充電及放電循環期間經歷化學反應的材料。
除非上下文另外清楚地指示，否則如本文中所使用之「相對電極」可指二次電池之與電極相對的負或正電極(陽極或陰極)。
在二次電池在充電與放電狀態之間循環之上下文中，如本文中所使用之「循環」係指使電池充電及/或放電以使循環中之電池自第一狀態(亦即，充電或放電狀態)移動至與第一狀態相對的第二狀態(亦即，若第一狀態為放電，則為充電狀態，或若第一狀態為充電，則為放電狀態)，且接著使電池移動回到第一狀態以完成循環。舉例而言，二次電池在充電與放電狀態之間的單一循環可包括，當在充電循環中時，使電池自放電狀態充電至充電狀態，且接著放電回到放電狀態以完成循環。單一循環亦可包括，當在放電循環中時，電池自充電狀態放電至放電狀態，且接著充電回到充電狀態以完成循環。
如本文中所使用之「電化學活性材料」意謂陽極活性或陰極活性材料。
除非上下文另外清楚地指示，否則如本文中所使用之「電極」可指二次電池之負或正電極(陽極或陰極)。
如本文中所使用之「電極集電器層」可指陽極(例如負)集電器層或陰極(例如正)集電器層。
除非上下文另外清楚地指示，否則如本文中所使用之「電極材料」可指陽極材料或陰極材料。
除非上下文另外清楚地指示，否則如本文中所使用之「電極結構」可指適用於電池中之陽極結構(例如負電極結構)或陰極結構(例如正電極結構)。
如本文中所使用之「縱向軸」、「橫向軸」及「豎直軸」係指互相垂直之軸(亦即，各自彼此正交)。舉例而言，如本文中所使用之「縱向軸」、「橫向軸」及「豎直軸」類似於用於界定三維態樣或定向之笛卡耳座標系統。因而，本文中所揭示主題之元件描述不限於用於描述元件之三維定向的一或多個特定軸。換言之，當提及所揭示主題之三維態樣時，軸可為可互換的。「弱化區」係指已經受諸如劃刻、切割、孔洞或類似者之處理操作之腹板的一部分，使得弱化區域之局部斷裂強度低於非弱化區域之斷裂強度。 詳細描述
本發明之實施例係關於用於電池(諸如，二次電池)之組件的保護層，其用於減少組件損壞的發生以維持電池之功能性、安全性及/或輸出。
參考圖1描述在施加保護層之前的電池總成100之一個合適實施例。如圖1中所說明，電池總成100包括一群鄰近電極子單元102。每一電極子單元102具有分別在X軸、Y軸及Z軸上的尺寸。X、Y及Z軸各自互相垂直，類似於笛卡耳座標系統。如本文中所使用，每一電極子單元102在Z軸上之尺寸可稱為「高度」，在X軸上之尺寸可稱為「長度」，且在Y軸上之尺寸可稱為「寬度」。電極子單元可組合成一或多個單位晶胞200 (圖2)。每一電極單位晶胞200包含至少一個陽極活性材料層104及至少一個陰極活性材料層106。陽極活性材料層104及陰極活性材料層106藉由隔板層108彼此電隔離。應瞭解，在本發明之合適實施例中，可在單個電池總成100中使用任何數目之電極子單元102，諸如1至200個或更多個子單元。
仍參考圖1，電池總成100包括匯流排110及112，其經由電極突片(或集電器突片) 120分別與每一電極子單元102之陽極活性層104及陰極活性層106電接觸。因此，圖1中所見之匯流排110可稱為陽極匯流排，且匯流排112可稱為陰極匯流排。在一個實施例中，可將可稱為限制之罩殼116應用於電池總成100之X-Y表面中之一者或兩者上。在圖1中所示之實施例中，在電池總成100已完全組裝後，殼體116包括一群穿孔118以促進電解質溶液之分佈或流動。
在一個實施例中，陽極活性層104及陰極活性層106中之每一者可為多層材料，包括例如電極集電器層(亦即，陽極集電器層或陰極集電器層)及在其至少一個主表面上之電化學活性材料層(亦即，陽極活性材料層或陰極活性材料層)，且在其他實施例中，陽極活性層及陰極活性層中之一或多者可為適當材料之單層。
參考圖2，描述電極單位晶胞200之個別層，電極單位晶胞200可與電極子單元102相同或類似。在一些實施例中，對於單位晶胞200中之每一者，隔板層108為適用作二次電池中之隔板的離子可滲透聚合編織材料。單位晶胞200之一個實施例的截面圖展示於圖2中。在此實施例中，電極子單元200包含呈堆疊形式之在中心之陽極集電器層206、陽極活性材料層104、隔板108、陰極活性材料層106及陰極集電器層210。在一替代實施例中，可交換陰極活性材料層106及陽極活性材料層104之置放，使得陰極活性材料層106朝著中心且陽極活性材料層在陰極活性材料層106遠端。在一個實施例中，單位晶胞200A在圖2之圖示中自右至左包括呈堆疊連續之陰極集電器210、陰極活性材料層106、隔板108、陽極活性材料層104及陽極集電器206。在一替代實施例中，單位晶胞200B在圖2之圖示中自左至右包括呈堆疊連續之隔板108、陰極活性材料層106之第一層、陰極集電器210、陰極活性材料層106之第二層、隔板108、陽極活性材料層104之第一層、陽極集電器206、陽極活性材料層104之第二層及隔板108。
在一個實施例中，陽極集電器層206可包含導電金屬，諸如銅、銅合金、碳、鎳、不鏽鋼或適用作陽極集電器層之任何其他材料。陽極活性材料層104可形成為陽極集電器層206之第一表面上的第一層及陽極集電器層206之第二相對表面上的第二層。在另一實施例中，陽極集電器層206與陽極活性材料層104可互混。第一表面及第二相對表面可稱為層之主表面或前表面及後表面。如本文中所使用，主表面係指由藉由材料在X軸方向(圖2中未示)上之長度及材料在Z軸方向上之高度形成的平面界定的表面。
在一個實施例中，陽極活性材料層104可各自具有至少約10 μm之厚度。舉例而言，在一個實施例中，陽極活性材料層104將(各自)在Y軸方向上具有至少約40 μm之寬度。藉助於其他實例，在一個此類實施例中，陽極活性材料層104將(各自)具有至少約80 μm之寬度。藉助於其他實例，在一個此類實施例中，陽極活性材料層104將各自具有至少約120 μm之寬度。然而，典型地，陽極活性材料層104將各自具有小於約60 μm或甚至小於約30 μm之寬度。如本文中所使用，術語厚度及寬度可互換使用以表示在Y軸方向上之量測。
一般而言，負電極活性材料(例如陽極活性材料)可選自由以下各者組成之群：(a)矽(Si)、鍺(Ge)、錫(Sn)、鉛(Pb)、銻(Sb)、鉍(Bi)、鋅(Zn)、鋁(Al)、鈦(Ti)、鎳(Ni)、鈷(Co)及鎘(Cd)；(b) Si、Ge、Sn、Pb、Sb、Bi、Zn、Al、Ti、Ni、Co或Cd與其他元素之合金或金屬間化合物；(c) Si、Ge、Sn、Pb、Sb、Bi、Zn、Al、Ti、Fe、Ni、Co、V或Cd之氧化物、碳化物、氮化物、硫化物、磷化物、硒化物及碲化物，及其混合物、複合物或含鋰複合物；(d) Sn之鹽及氫氧化物；(e)鈦酸鋰、錳酸鋰、鋁酸鋰、含鋰氧化鈦、鋰過渡金屬氧化物、ZnCo2O4；(f)石墨及碳之顆粒；(g)鋰金屬；及(h)其組合。
例示性陽極活性材料包括碳材料，諸如石墨及軟性或硬性碳，或石墨烯(例如單壁或多壁碳奈米管)，或能夠嵌入鋰或與鋰形成合金之一系列金屬、半金屬、合金、氧化物、氮化物及化合物中之任一者。能夠構成陽極材料之金屬或半金屬之特定實例包括石墨、錫、鉛、鎂、鋁、硼、鎵、矽、Si/C複合物、Si/石墨摻合物、氧化矽(SiOx)、多孔Si、金屬間Si合金、銦、鋯、鍺、鉍、鎘、銻、銀、鋅、砷、鉿、釔、鋰、鈉、石墨、碳、鈦酸鋰、鈀及其混合物。在一個例示性實施例中，陽極活性材料包含鋁、錫或矽，或其氧化物、其氮化物、其氟化物或其其他合金。在另一例示性實施例中，陽極活性材料包含矽或其合金或氧化物。
在一個實施例中，使陽極活性材料微結構化以提供顯著的空隙體積分數，從而隨著充電及放電過程期間鋰離子(或其他載體離子)併入至負電極活性材料中或離開負電極活性材料，適應體積膨脹及收縮。一般而言，陽極活性材料層104中之每一者之空隙體積分數為至少0.1。然而，典型地，陽極活性材料層中之每一者之空隙體積分數不大於0.8。舉例而言，在一個實施例中，陽極活性材料層104中之每一者之空隙體積分數為約0.15至約0.75。藉助於其他實例，在一個實施例中，陽極活性材料層104 (中之每一者)之空隙體積分數為約0.2至約0.7。藉助於其他實例，在一個實施例中，陽極活性材料層104中之每一者之空隙體積分數為約0.25至約0.6。
視微結構化陽極活性材料之組成及其形成方法而定，微結構化陽極活性材料可包含大孔、微孔或中孔材料層或其組合，諸如微孔與中孔之組合或中孔與大孔之組合。微孔材料之特徵典型地在於小於10 nm之細孔尺寸、小於10 nm之壁尺寸、1至50微米之細孔深度及一般藉由「多孔」及不規則外觀、不光滑壁及分支鏈細孔表徵之細孔形態。中孔材料之特徵典型地在於10至50 nm之細孔尺寸、10至50 nm之壁尺寸、1至100微米之細孔深度及一般藉由在某種程度上輪廓分明或樹枝狀的細孔之分支鏈細孔表徵之細孔形態。大孔材料之特徵典型地在於大於50 nm之細孔尺寸、大於50 nm之壁尺寸、1至500微米之細孔深度及可為不同直鏈、分支鏈或樹枝狀且有光滑或粗糙壁之細孔形態。另外，空隙體積可包含敞開或閉合的空隙或其組合。在一個實施例中，空隙體積包含敞開空隙，亦即，負電極活性材料含有在負電極活性材料之側表面處具有開口之空隙，鋰離子(或其他載體離子)可經由該等開口進入或離開陽極活性材料；例如，鋰離子可在離開陰極活性材料之後經由空隙開口進入陽極活性材料。在另一實施例中，空隙體積包含閉合空隙，亦即，陽極活性材料含有由陽極活性材料圍封之空隙。一般而言，敞開空隙可為載體離子提供更大界面表面面積，而閉合空隙往往不易受固體電解質界面影響，同時各自為載體離子進入後陽極活性材料之膨脹提供空間。在某些實施例中，因此，較佳地，陽極活性材料包含敞開及閉合的空隙之組合。
在一個實施例中，陽極活性材料包含多孔鋁、錫或矽或其合金、氧化物或氮化物。多孔矽層可例如藉由陽極化，藉由蝕刻(例如藉由將諸如金、鉑、銀或金/鈀之貴重金屬沈積於單晶矽之表面上且用氫氟酸與過氧化氫之混合物蝕刻表面)或藉由諸如圖案化化學蝕刻之此項技術中已知之其他方法形成。另外，多孔陽極活性材料將通常具有至少約0.1但小於0.8之孔隙度分數，且具有約1至約100微米的厚度。舉例而言，在一個實施例中，陽極活性材料包含多孔矽，具有約5至約100微米之厚度，且具有約0.15至約0.75之孔隙度分數。藉助於其他實例，在一個實施例中，陽極活性材料包含多孔矽，具有約10至約80微米之厚度，且具有約0.15至約0.7之孔隙度分數。藉助於其他實例，在一個此類實施例中，陽極活性材料包含多孔矽，具有約20至約50微米之厚度，且具有約0.25至約0.6之孔隙度分數。藉助於其他實例，在一個實施例中，陽極活性材料包含多孔矽合金(諸如矽化鎳)，具有約5至約100微米之厚度，且具有約0.15至約0.75之孔隙度分數。
在另一實施例中，陽極活性材料包含鋁、錫或矽或其合金之纖維。個別纖維可具有約5 nm至約10,000 nm之直徑(厚度尺寸)及通常對應於陽極活性材料之厚度的長度。矽之纖維(奈米線)可例如藉由化學氣相沈積或此項技術中已知之其他技術，諸如氣相液體固體(VLS)生長及固體液體固體(SLS)生長形成。另外，陽極活性材料將通常具有至少約0.1但小於0.8之孔隙度分數，且具有約1至約200微米的厚度。舉例而言，在一個實施例中，陽極活性材料包含矽奈米線，具有約5至約100微米之厚度，且具有約0.15至約0.75之孔隙度分數。藉助於其他實例，在一個實施例中，陽極活性材料包含矽奈米線，具有約10至約80微米之厚度，且具有約0.15至約0.7之孔隙度分數。藉助於其他實例，在一個此類實施例中，陽極活性材料包含矽奈米線，具有約20至約50微米之厚度，且具有約0.25至約0.6之孔隙度分數。藉助於其他實例，在一個實施例中，陽極活性材料包含矽合金(諸如矽化鎳)之奈米線，具有約5至約100微米之厚度，且具有約0.15至約0.75之孔隙度分數。
在又其他實施例中，負電極(亦即，電極或相對電極，取決於上下文)或陽極活性材料層104塗佈有選自由以下各者組成之群的粒狀鋰材料：穩定鋰金屬顆粒，例如碳酸鋰穩定鋰金屬粉末、矽酸鋰穩定鋰金屬粉末，或穩定鋰金屬粉末或墨水之其他源。粒狀鋰材料可藉由以約0.05至5 mg/cm 2，例如約0.1至4 mg/cm 2，或甚至約0.5至3 mg/cm 2之負載量將鋰粒狀材料噴射、負載或以其他方式安置於負電極活性材料層上而塗覆於陽極活性材料層104 (例如，負電極)上。鋰粒狀材料之平均粒度(D 50)可為5至200 µm，例如約10至100 µm、20至80 µm，或甚至約30至50 µm。平均粒度(D 50)可定義為對應於基於累積體積之粒度分佈曲線中之50%的粒度。可例如使用雷射繞射法量測平均粒度(D 50)。
一般而言，陽極集電器206將具有至少約10 3西門子/cm之電導率。舉例而言，在一個此類實施例中，陽極集電器將具有至少約10 4西門子/cm之導電率。藉助於其他實例，在一個此類實施例中，陽極集電器將具有至少約10 5西門子/cm之導電率。適用作陽極集電器206之例示性導電材料包括金屬，諸如銅、鎳、不鏽鋼、碳、鈷、鈦及鎢，及其合金。
再次參考圖2，在另一合適實施例中，單位晶胞200包括一或多個陰極集電器層210及一或多個陰極活性材料層106。陰極材料之陰極集電器層210可包含鋁、鋁合金、鈦或適用作陰極集電器層210之任何其他材料。陰極活性材料層106可形成為陰極集電器層210之第一表面上的第一層及陰極集電器層210之第二相對表面上的第二層。陰極活性材料層106可塗佈至陰極集電器層210之一側或兩側上。類似地，陰極活性材料層106可塗佈至陰極集電器層210之一個或兩個主表面上。在另一實施例中，陰極集電器層210與陰極活性材料層106可互混。
在一個實施例中，陰極活性材料層106將各自具有至少約20 μm之厚度。舉例而言，在一個實施例中，陰極活性材料層106將各自具有至少約40 μm之厚度。藉助於其他實例，在一個此類實施例中，陰極活性材料層將106將各自具有至少約60 μm之厚度。藉助於其他實例，在一個此類實施例中，陰極活性材料層106將各自具有至少約100 μm之厚度。然而，典型地，陰極活性材料層106將各自具有小於約90 μm或甚至小於約70 μm之厚度。
在一個實施例中，正電極(例如，陰極)材料可包含或可為嵌入型化學活性材料、轉化化學活性材料或其組合。
適用於本發明之例示性轉化化學材料包括但不限於S (或呈鋰化狀態之Li 2S)、LiF、Fe、Cu、Ni、FeF 2、FeO dF 3.2d、FeF 3、CoF 3、CoF 2、CuF 2、NiF 2，其中0 ≤ d ≤ 0.5，及其類似物。
例示性陰極活性材料亦包括廣泛範圍之嵌入型陰極活性材料中之任一者。舉例而言，對於鋰離子電池，陰極活性材料可包含選自過渡金屬氧化物、過渡金屬硫化物、過渡金屬氮化物、鋰過渡金屬氧化物、鋰過渡金屬硫化物之陰極活性材料，且可選擇性地使用鋰過渡金屬氮化物。此等過渡金屬氧化物、過渡金屬硫化物及過渡金屬氮化物之過渡金屬元素可包括具有d-殼或f-殼之金屬元素。此類金屬元素之特定實例為Sc、Y、鑭系元素、錒系元素、Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Mn、Tc、Re、Fe、Ru、Os、Co、Rh、Ir、Ni、Pb、Pt、Cu、Ag及Au。額外陰極活性材料包括LiCoO 2、LiNi 0.5Mn 1.5O 4、Li(Ni xCo yAl z)O 2、LiFePO 4、Li 2MnO 4、V 2O 5、氧硫化鉬、磷酸鹽、矽酸鹽、釩酸鹽、硫、含硫化合物、氧(空氣)、Li(Ni xMn yCo z)O 2及其組合。
一般而言，陰極集電器210將具有至少約10 3西門子/cm之電導率。舉例而言，在一個此類實施例中，陰極集電器210將具有至少約10 4西門子/cm之導電率。藉助於其他實例，在一個此類實施例中，陰極集電器210將具有至少約10 5西門子/cm之導電率。適用作陰極集電器210之例示性導電材料包括金屬，諸如鋁、鎳、鈷、鈦及鎢，及其合金。
再次參考圖2，在一個實施例中，電絕緣隔板層108適用於使陽極活性材料層104之每一部件與陰極活性材料層106之每一部件電隔離。電絕緣隔板層108將通常包括可由非水性電解質滲透之微孔隔板材料；舉例而言，在一個實施例中，微孔隔板材料包括細孔，該等細孔具有至少50 Å，更典型地在約2,500 Å範圍內之直徑，及在約25%至約75%範圍內，更典型地在約35%至55%範圍內之孔隙度。
在一個實施例中，電絕緣隔板材料層108將各自具有至少約4 μm之厚度。舉例而言，在一個實施例中，電絕緣隔板材料層108將各自具有至少約8 μm之厚度。藉助於其他實例，在一個此類實施例中，電絕緣隔板材料層108將各自具有至少約12 μm之厚度。藉助於其他實例，在一個此類實施例中，電絕緣隔板材料層108將各自具有至少約15 μm之厚度。在另一實施例中，電絕緣隔板材料層108將各自具有至少約25 μm之厚度。在另一實施例中，電絕緣隔板材料層108將各自具有至少約50 μm之厚度。然而，典型地，電絕緣隔板材料層108將各自具有小於約12 μm或甚至小於約10 μm之厚度。
一般而言，用於隔板層108之隔板材料可選自具有在單位晶胞之正活性材料與負活性材料之間傳導載體離子之能力的廣泛範圍之隔板材料。舉例而言，隔板材料可包含可由液體非水性電解質滲透的微孔隔板材料。替代地，隔板材料可包含能夠在單位晶胞之正電極與負電極之間傳導載體離子的凝膠或固體電解質。
在一個實施例中，隔板材料可包含聚合物基電解質。例示性聚合物電解質包括PEO基的聚合物電解質、聚合物陶瓷複合物電解質、聚合物陶瓷複合物電解質及聚合物陶瓷複合物電解質。
在另一實施例中，隔板材料可包含氧化物基電解質。例示性氧化物基電解質包括鈦酸鋰鑭(Li 0.34La 0.56TiO 3)、Al摻雜的鋯酸鋰鑭(Li 6.24La 3Zr 2Al 0.24O 11.98)、Ta摻雜的鋯酸鋰鑭(Li 6.4La 3Zr 1.4Ta 0.6O 12)及磷酸鋰鋁鈦(Li 1.4Al 0.4Ti 1.6(PO 4) 3)。
在另一實施例中，隔板材料可包含固體電解質。例示性固體電解質包括硫化物基電解質，諸如鋰錫磷硫化物(Li 10SnP 2S 12)、鋰磷硫化物(β-Li 3PS 4)及鋰磷硫氯化物碘化物(Li 6PS 5Cl 0.9I 0.1)。
在一個實施例中，隔板材料包含微孔隔板材料，該微孔隔板材料包含粒狀材料及黏結劑且具有至少約20體積%之孔隙度(空隙分數)。微孔隔板材料之細孔將具有至少50 Å之直徑，且將通常處於約250至2,500 Å範圍內。微孔隔板材料將通常具有小於約75%之孔隙度。在一個實施例中，微孔隔板材料具有至少約25體積%之孔隙度(空隙分數)。在一個實施例中，微孔隔板材料將具有約35%至55%之孔隙度。
微孔隔板材料之黏結劑可選自廣泛範圍的無機或聚合材料。舉例而言，在一個實施例中，黏結劑為選自由以下各者組成之群的有機材料：矽酸鹽、磷酸鹽、鋁酸鹽、鋁矽酸鹽及氫氧化物，諸如氫氧化鎂、氫氧化鈣等。舉例而言，在一個實施例中，黏結劑為衍生自含有偏二氟乙烯、六氟丙烯、四氟丙烯及其類似者之單體之氟聚合物。在另一實施例中，黏結劑為具有不同分子量及密度範圍中之任一者之聚烯烴，諸如聚乙烯、聚丙烯或聚丁烯。在另一實施例中，黏結劑選自由以下各者組成之群：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、聚乙烯醇縮丁醛、聚縮醛及聚乙二醇二丙烯酸酯。在另一實施例中，黏結劑選自由以下各者組成之群：甲基纖維素、羧甲基纖維素、苯乙烯橡膠、丁二烯橡膠、苯乙烯-丁二烯橡膠、異戊二烯橡膠、聚丙烯醯胺、聚乙烯醚、聚丙烯酸、聚甲基丙烯酸及聚氧化乙烯。在另一實施例中，黏結劑選自由以下各者組成之群：丙烯酸酯、苯乙烯、環氧樹脂及聚矽氧。在另一實施例中，黏結劑為前述聚合物中之兩者或更多者之共聚物或摻合物。
微孔隔板材料所包含之粒狀材料亦可選自廣泛範圍的材料。一般而言，此類材料在操作溫度下具有相對較低電子及離子導電率且並不在接觸微孔隔板材料之電池電極或集電器之操作電壓下腐蝕。舉例而言，在一個實施例中，粒狀材料具有小於1×10 -4S/cm之載體離子(例如鋰)之導電率。藉助於其他實例，在一個實施例中，粒狀材料具有小於1×10 − 5S/cm之載體離子之導電率。藉助於其他實例，在一個實施例中，粒狀材料具有小於1×10 − 6S/cm之載體離子之導電率。例示性粒狀材料包括粒狀聚乙烯、聚丙烯、TiO 2-聚合物複合物、二氧化矽氣凝膠、煙霧狀二氧化矽、矽膠、二氧化矽水凝膠、二氧化矽乾凝膠、二氧化矽溶膠、膠態二氧化矽、氧化鋁、二氧化鈦、氧化鎂、高嶺土、滑石、矽藻土、矽酸鈣、矽酸鋁、碳酸鈣、碳酸鎂，或其組合。舉例而言，在一個實施例中，粒狀材料包含粒狀氧化物或氮化物，諸如TiO 2、SiO 2、Al 2O 3、GeO 2、B 2O 3、Bi 2O 3、BaO、ZnO、ZrO 2、BN、Si 3N 4、Ge 3N 4。參見例如P. Arora及J. Zhang, 「Battery Separators」 Chemical Reviews 2004, 104, 4419-4462。在一個實施例中，粒狀材料將具有約20 nm至2微米，更典型地200 nm至1.5微米之平均粒度。在一個實施例中，粒狀材料將具有約500 nm至1微米之平均粒度。
在一替代實施例中，微孔隔板材料所包含之粒狀材料可能受諸如燒結、黏結、固化等技術束縛，同時維持電解質進入所要之空隙分數以提供電池功能之離子導電率。
在組裝的能量儲存裝置(諸如，電池總成100)中，微孔隔板材料由適用作二次電池電解質之非水性電解質滲透。通常，非水性電解質包含鋰鹽及/或溶解於有機溶劑及/或溶劑混合物中之鹽的混合物。例示性鋰鹽包括無機鋰鹽，諸如LiClO 4、LiBF 4、LiPF 6、LiAsF 6、LiCl及LiBr；及有機鋰鹽，諸如LiB(C 6H 5) 4、LiN(SO 2CF 3) 2、LiN(SO 2CF 3) 3、LiNSO 2CF 3、LiNSO 2CF 5、LiNSO 2C 4F 9、LiNSO 2C 5F 11、LiNSO 2C 6F 13及LiNSO 2C 7F 15。使鋰鹽溶解之例示性有機溶劑包括環酯、鏈酯、環醚及鏈醚。環酯之特定實例包括碳酸伸丙酯、碳酸伸丁酯、γ-丁內酯、碳酸伸乙烯酯、2-甲基-γ-丁內酯、乙醯基-γ-丁內酯及γ-戊內酯。鏈酯之特定實例包括碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、碳酸二丁酯、碳酸二丙酯、碳酸甲基乙酯、碳酸甲基丁酯、碳酸甲基丙酯、碳酸乙基丁酯、碳酸乙基丙酯、碳酸丁基丙酯、丙酸烷基酯、丙二酸二烷基酯，及乙酸烷基酯。環醚之特定實例包括四氫呋喃、烷基四氫呋喃、二烷基四氫呋喃、烷氧基四氫呋喃、二烷氧基四氫呋喃、1,3-二氧雜環戊烷、烷基-1,3-二氧雜環戊烷，及1,4-二氧雜環戊烷。鏈醚之特定實例包括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、二乙二醇二烷基醚、三乙二醇二烷基醚，及四乙二醇二烷基醚。
在一個實施例中，微孔隔板層108可由包括鋰鹽與高純度有機溶劑之混合物的非水性有機電解質滲透。此外，電解質可為使用聚合物電解質或固體電解質之聚合物。
進一步參考圖1及圖2，在一個實施例中，匯流排110及112經由各別電極或相對電極(例如，陽極或陰極，視具體情況而定)之匯流排開口(圖中未示)置放以將陽極集電器206彼此並聯連接(在包含多個電極子單元之電池中)，且匯流排中之另一者在包含多個單位晶胞200之電池中將陰極集電器210彼此並聯連接。在一個實施例中，匯流排110、112經焊接或在焊接之前以其他方式電耦接至分別向下摺疊之集電器突片120。在一個實施例中，匯流排110為銅匯流排且焊接至陽極集電器層206之陽極突片，且匯流排112為鋁匯流排且焊接至陰極集電器層210之陰極突片。然而，在其他實施例中，匯流排110、112可為允許電池總成100如本文中所描述運行的任何合適之導電材料。焊接可使用雷射焊機、摩擦焊接、超音波焊接或用於將匯流排110及112焊接至電極突片120的任何合適之焊接方法進行。在一個實施例中，匯流排110及112中之每一者分別與陽極及陰極的所有電極突片120電接觸。
如本文中所提及，陽極群之部件包含至少陽極集電器206及陽極活性材料層104。在一些實施例中，陽極群之部件包含陽極集電器206及安置於陽極集電器206之每一主表面上之陽極活性材料層104。陽極群部件之部件之長度將視能量儲存裝置及其預期用途而變化。然而，一般而言，陽極群之部件將通常具有在約5 mm至約500 mm範圍內之長度。舉例而言，在一個此類實施例中，陽極群之部件具有約10 mm至約250 mm之長度。藉助於其他實例，在一個此類實施例中，陽極群之部件具有約25 mm至約100 mm之長度。
陽極群之部件之寬度(Y軸範圍)亦將視能量儲存裝置及其預期用途而變化。然而，一般而言，陽極群之每一部件將通常具有在約0.01 mm至2.5 mm範圍內之寬度。舉例而言，在一個實施例中，陽極群之每一部件之寬度將在約0.025 mm至約2 mm範圍內。藉助於其他實例，在一個實施例中，陽極群之每一部件之寬度將在約0.05 mm至約1 mm範圍內。
陽極群之部件之高度(Z軸範圍)亦將視能量儲存裝置及其預期用途而變化。然而，一般而言，陽極群之部件將通常具有在約0.05 mm至約25 mm範圍內之高度。舉例而言，在一個實施例中，陽極群之每一部件之高度將在約0.05 mm至約5 mm範圍內。藉助於其他實例，在一個實施例中，陽極群之每一部件之高度將在約0.1 mm至約1 mm範圍內。根據一個實施例，陽極群之部件包括一或多個具有第一高度之第一電極部件及一或多個具有除第一高度以外的第二高度之第二電極部件。在又一實施例中，一或多個第一電極部件及一或多個第二電極部件之不同高度可經選擇以適應電極總成之預定形狀，諸如沿著縱向及/或橫向軸中之一或多者具有不同高度之電極總成形狀，及/或以提供二次電池之預定效能特性。根據另一實施例，陽極群之部件包括一或多個具有第一寬度之第一電極部件及一或多個具有除第一寬度以外之第二寬度的第二電極部件。在又一實施例中，一或多個第一電極部件及一或多個第二電極部件之不同寬度可經選擇以適應電極總成之預定形狀，諸如具有不同寬度之電極總成形狀及/或以提供二次電池的預定效能特性。根據又一實施例，陽極群之部件包括一或多個具有第一長度之第一電極部件及一或多個具有除第一長度以外之第二長度的第二電極部件。在又一實施例中，一或多個第一電極部件及一或多個第二電極部件之不同長度可經選擇以適應電極總成之預定形狀，諸如具有不同長度之電極總成形狀及/或以提供二次電池的預定效能特性。
一般而言，陽極群之部件具有大體上大於其寬度及其高度中之每一者的長度(X軸範圍)。舉例而言，在一個實施例中，對於陽極群之每一部件，長度與寬度及高度中之每一者的比率分別為至少5:1 (亦即，長度與寬度的比率分別為至少5:1，且長度與高度的比率分別為至少5:1)。藉助於其他實例，在一個實施例中，長度與寬度及高度中之每一者的比率為至少10:1。藉助於其他實例，在一個實施例中，長度與寬度及高度中之每一者的比率為至少15:1。藉助於其他實例，在一個實施例中，對於陽極群之每一部件，長度與寬度及高度中之每一者的比率為至少20:1。
在一個實施例中，陽極群之部件之高度與寬度的比率分別為至少0.4:1。舉例而言，在一個實施例中，對於陽極群之每一部件，高度與寬度的比率將分別為至少2:1。藉助於其他實例，在一個實施例中，高度與寬度的比率將分別為至少10:1。藉助於其他實例，在一個實施例中，高度與寬度的比率將分別為至少20:1。然而，典型地，高度與寬度的比率將通常分別小於1,000:1。舉例而言，在一個實施例中，高度與寬度的比率將分別小於500:1。藉助於其他實例，在一個實施例中，高度與寬度的比率將分別小於100:1。藉助於其他實例，在一個實施例中，高度與寬度的比率將分別小於10:1。藉助於其他實例，在一個實施例中，對於陽極群之每一部件，高度與寬度的比率將分別在約2:1至約100:1範圍內。
如本文中所提及，陰極群之部件包含至少陰極集電器210及陰極活性材料層106。陰極群之部件之長度將視能量儲存裝置及其預期用途而變化。然而，一般而言，陰極群之每一部件將通常具有在約5 mm至約500 mm範圍內之長度。舉例而言，在一個此類實施例中，陰極群之每一部件具有約10 mm至約250 mm之長度。藉助於其他實例，在一個此類實施例中，陰極群之每一部件具有約25 mm至約100 mm之長度。
陰極群之部件之寬度(Y軸範圍)亦將視能量儲存裝置及其預期用途而變化。然而，一般而言，陰極群之部件將通常具有在約0.01 mm至2.5 mm範圍內之寬度。舉例而言，在一個實施例中，陰極群之每一部件的寬度將在約0.025 mm至約2 mm範圍內。藉助於其他實例，在一個實施例中，陰極群之每一部件的寬度將在約0.05 mm至約1 mm範圍內。
陰極群之部件之高度(Z軸範圍)亦將視能量儲存裝置及其預期用途而變化。然而，一般而言，陰極群之部件將通常具有在約0.05 mm至約25 mm範圍內之高度。舉例而言，在一個實施例中，陰極群之每一部件之高度將在約0.05 mm至約5 mm範圍內。藉助於其他實例，在一個實施例中，陰極群之每一部件的高度將在約0.1 mm至約1 mm範圍內。根據一個實施例，陰極群之部件包括一或多個具有第一高度之第一陰極部件及一或多個具有除第一高度以外的第二高度之第二陰極部件。在又一實施例中，一或多個第一陰極部件及一或多個第二陰極部件之不同高度可經選擇以適應電極總成之預定形狀，諸如沿著縱向及/或橫向軸中之一或多者具有不同高度之電極總成形狀，及/或以提供二次電池之預定效能特性。根據另一實施例，陰極群之部件包括一或多個具有第一寬度之第一電極部件及一或多個具有除第一寬度以外的第二寬度之第二電極部件。在又一實施例中，一或多個第一電極部件及一或多個第二電極部件之不同寬度可經選擇以適應電極總成之預定形狀，諸如具有不同寬度之電極總成形狀及/或以提供二次電池的預定效能特性。根據又一實施例，陰極群之部件包括一或多個具有第一長度之第一電極部件及一或多個具有除第一長度以外的第二長度之第二電極部件。在又一實施例中，一或多個第一電極部件及一或多個第二電極部件之不同長度可經選擇以適應電極總成之預定形狀，諸如具有不同長度之電極總成形狀及/或以提供二次電池的預定效能特性。
一般而言，陰極群之每一部件具有大體上大於其寬度且大體上大於其高度之長度(X軸範圍)。舉例而言，在一個實施例中，對於陰極群之每一部件，長度與寬度及高度中之每一者的比率分別為至少5:1 (亦即，長度與寬度的比率分別為至少5:1，且長度與高度的比率分別為至少5:1)。藉助於其他實例，在一個實施例中，對於陰極群之每一部件，長度與寬度及高度中之每一者的比率為至少10:1。藉助於其他實例，在一個實施例中，對於陰極群之每一部件，長度與寬度及高度中之每一者的比率為至少15:1。藉助於其他實例，在一個實施例中，對於陰極群之每一部件，長度與寬度及高度中之每一者的比率為至少20:1。
在一個實施例中，陰極群之部件之高度與寬度的比率分別為至少0.4:1。舉例而言，在一個實施例中，對於陰極群之每一部件，高度與寬度的比率將分別為至少2:1。藉助於其他實例，在一個實施例中，對於陰極群之每一部件，高度與寬度的比率將分別為至少10:1。藉助於其他實例，在一個實施例中，對於陰極群之每一部件，高度與寬度的比率將分別為至少20:1。然而，典型地，對於陽極群之每一部件，高度與寬度的比率將通常分別小於1,000:1。舉例而言，在一個實施例中，對於陰極群之每一部件，高度與寬度的比率將分別小於500:1。藉助於其他實例，在一個實施例中，高度與寬度的比率將分別小於100:1。藉助於其他實例，在一個實施例中，高度與寬度的比率將分別小於10:1。藉助於其他實例，在一個實施例中，對於陰極群之每一部件，高度與寬度的比率將分別在約2:1至約100:1範圍內。
在一個實施例中，陽極集電器206亦具有大體上大於負電極活性材料層104之電導率的電導率。應注意，負電極活性材料層104可與陽極活性材料層104相同或類似。舉例而言，在一個實施例中，當存在用以將能量儲存於裝置中的所施加電流或用以使裝置放電的所施加負載時，陽極集電器206之電導率與陽極活性材料層104之電導率的比率為至少100:1。藉助於其他實例，在一些實施例中，當存在用以將能量儲存於裝置中之所施加電流或用以使裝置放電的所施加負載時，陽極集電器206之電導率與陽極活性材料層104之電導率的比率為至少500:1。藉助於其他實例，在一些實施例中，當存在用以將能量儲存於裝置中的所施加電流或用以使裝置放電的所施加負載時，陽極集電器206之電導率與負電極活性材料層104之電導率的比率為至少1000:1。藉助於其他實例，在一些實施例中，當存在用以將能量儲存於裝置中的所施加電流或用以使裝置放電的所施加負載時，陽極集電器206之電導率與陽極活性材料層104之電導率的比率為至少5000:1。藉助於其他實例，在一些實施例中，當存在用以將能量儲存於裝置中之所施加電流或用以使裝置放電的所施加負載時，陽極集電器206之電導率與陽極活性材料層104之電導率的比率為至少10,000:1。
一般而言，陰極集電器層210可包含金屬，諸如鋁、碳、鉻、金、鎳、NiP、鈀、鉑、銠、釕、矽與鎳之合金、鈦或其組合(參見A. H. Whitehead及M. Schreiber, Journal of the Electrochemical Society, 152(11) A2105-A2113 (2005)之「Current collectors for positive electrodes of lithium-based batteries」)。藉助於其他實例，在一個實施例中，陰極集電器層210包含金或其合金，諸如矽化金。藉助於其他實例，在一個實施例中，陰極集電器層210包含鎳或其合金，諸如矽化鎳。
現參考圖3。圖3為在殼體保護層或外包裝置放於電池總成上之前的電池總成300 (其可與電池總成100相同或類似)之放大部分細節透視圖。電池總成300包括電極總成301，其包含在Y軸方向上以堆疊式配置組織之一群電極子單元302 (其可與子單元102相同或類似)。電極子單元302中之每一者包含至少電極電流導電層、包含電極活性材料(例如，陽極活性材料層)之電極層、隔板層、包含相對電極活性材料(例如，陰極活性材料層)之相對電極層，及相對電極集電器層。
在一個合適實施例中，電極總成301圍封於由限制316界定之體積(在一些實施例中，其可與罩殼116相同或類似)內。在一個實施例中，限制316包含不鏽鋼，諸如SS 316、440C或440C硬性。在其他實施例中，限制包含鋁(例如，鋁7075-T6，硬性H18等)、鈦(例如，6Al-4V)、鈹、鈹銅(硬性)、銅(無O 2，硬性)、鎳、其他金屬或金屬合金、複合物、聚合物、陶瓷(例如，氧化鋁(例如，燒結或Coorstek AD96)、氧化鋯(例如，Coorstek YZTP)、氧化釔穩定氧化鋯(例如，ENrG E-Strate®))、玻璃、強化玻璃、聚醚醚酮(PEEK) (例如，Aptiv 1102)、具有碳之PEEK (例如，Victrex 90HMF40或Xycomp 1000-04)、具有碳之聚苯硫醚(PPS) (例如，Tepex Dynalite 207)、具有30%玻璃的聚醚醚酮(PEEK) (例如，Victrex 90HMF40或Xycomp 1000-04)、聚醯亞胺(例如，Kapton®)、E玻璃標準織物/環氧樹脂 0度(E Glass Std Fabric/Epoxy,0 deg)、E玻璃UD/環氧樹脂 0度(E Glass UD/Epoxy,0 deg)、克維拉標準織物/環氧樹脂 0度(Kevlar Std Fabric/Epoxy,0 deg)、克維拉UD/環氧樹脂 0度(Kevlar UD/Epoxy,0 deg)、碳標準織物環氧樹脂 0度(Carbon Std Fabric/Epoxy,0 deg)、碳UD/環氧樹脂 0度(Carbon UD/Epoxy,0 deg)、東洋紡Zylon® HM纖維/環氧樹脂(Toyobo Zylon® HM Fiber/Epoxy)、克維拉49芳綸纖維(Kevlar 49 Aramid Fiber)、S玻璃纖維、碳纖維、維克特綸UM LCP纖維(Vectran UM LCP Fiber)、迪尼瑪(Dyneema)、柴隆(Zylon)或其他合適的材料。
限制316包含通常沿著X-Y平面對準的第一封蓋320 (亦即，第一初級生長限制)及電池總成300之相對側上的第二封蓋(亦即，第二初級生長限制) (圖3中未展示，但與第一封蓋320大體上相同且通常在322處指示)，該第二封蓋在Z軸方向上與第一封蓋320分隔開，亦通常沿著X-Y平面對準，從而具有在Z軸方向上量測之厚度t1 (圖3A)。限制316之厚度(t 1)可取決於一系列因素，包括例如限制316之建構材料、電極總成301之總體尺寸及電極與相對電極之組成。在一些實施例中，舉例而言，限制316將包含具有在約10至約100微米的範圍內之厚度t 1之片。舉例而言，在一個此類實施例中，限制316包含具有約30 µm之厚度之不鏽鋼片(例如，SS316)。藉助於其他實例，在另一實施例中，限制316包含具有約40 µm之厚度之鋁片(例如，7075-T6)。藉助於其他實例，在另一實施例中，限制316包含具有約30 µm之厚度之氧化鋯片(例如，Coorstek YZTP)。藉助於其他實例，在另一實施例中，限制316包含具有約75 µm之厚度之E玻璃UD/環氧樹脂0度片。藉助於其他實例，在另一此類實施例中，限制316包含＞50%裝填密度下之12 µm碳纖維。第一封蓋320及第二封蓋322中之每一者可包含一或多個特徵315，其可經由切口、孔或其類似者形成為凹痕。在一個實施例中，特徵315促進電池總成300諸如自外部鋰箔片電極(圖中未示)預鋰化。在此類實施例中，特徵315允許鋰穿過其擴散以促進預鋰化。在一個實施例中，存在在X-Z平面中延伸之第三封蓋324 (亦即，第一次級生長限制)及在Y軸方向上分隔開之相對第三封蓋，及在X-Z平面中延伸之第四封蓋326 (例如，第二次級生長限制)及在Y軸方向上分隔開之相對第四封蓋。在所示實施例中，第三封蓋324由第一封蓋320之已在第一拐角328處摺疊的摺疊部分界定，且第四封蓋326由第二封蓋322之已在第二拐角329處摺疊的摺疊部分界定。第一拐角328及第二拐角329可為圓角的或有角度之拐角。在一個實施例中，第一拐角328及第二拐角329為90度至100度之角度。在其他實施例中，第三及第四封蓋可為單個封蓋。在一個實施例中，第一次級生長限制324或第一初級生長限制320連接至單位晶胞群之子集之電極及相對電極結構的表面(例如，上表面)，且第二初級生長限制322或第二次級生長限制326連接至單位晶胞群之子集之電極及相對電極結構的其他表面(例如，下表面)。
在一個實施例中，罩殼邊緣間隙338界定於第三限制324與第四限制326之間，具有在Z軸方向上界定的間隙距離。在一個實施例中，第三限制324與第四限制326之間的罩殼邊緣間隙338在Z軸方向上的間隙距離小於或等於電池總成300之Z軸厚度的50%。應注意，電池總成300之相對側可包括類似於第三限制324及第四限制326之限制。第三限制包含沿著X軸及Z軸界定之翼片邊緣330，且第四限制包含沿著X軸及Z軸界定之第二翼片邊緣332。
第一封蓋320及第二封蓋322中之每一者可包含沿著通常與Y軸對準之邊緣形成的一或多個凹口334或焊盤336。在一個實施例中，凹口334或焊盤336之大小、形狀、間距及數量中之一或多者基於製造條件或限度而判定。在一個實施例中，凹口334或焊盤336可藉由自用於第一封蓋320及第二封蓋322之製造製程的材料備料使第一封蓋320或第二封蓋322之機械加工、衝壓製程或拆開更容易來促進可製造性。此外，電池總成300包括電耦接至電極子單元302中之一者之匯流排310。歸因於用於限制316之材料厚度t 1，限制包含在Z軸方向上自電極結構301突出之邊緣表面340。類似地，翼片邊緣330及332中之一或多者在Y軸方向上自電池總成300突出。另外，匯流排310在匯流排邊緣342處在X軸方向上自電池之側表面344突出。在一些情況下，突出邊緣可產生可擊穿電池之電池封裝700 (圖7)的摩擦或高應力區域。此等突出區域可稱為潛在擊穿點，歸因於其比非突出部分更高之引起擊穿外殼之可能性。
為促進減少或抵消擊穿點引起殼體(例如外殼或袋)斷裂或擊穿之可能性，參考圖4描述殼體保護層450。在一個實施例中，殼體保護層(PPL) 450安置於電池總成400之周邊之至少一部分周圍(如沿著X軸及Y軸行進)。電池總成400可與電池總成300相同或類似。PPL 450具有高度PL H及寬度PL W。在施加至電池總成400之周邊之前，PPL 450可通常包含腹板或帶，其具有顯著大於其寬度PL W之長度及高度PL H。在實施例中，PPL 450可包含聚合物，諸如聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚乙烯(PE)、乙烯丙烯酸(EAA)、乙烯甲基丙烯酸(EMAA)或功能衍生物或共聚物或其組合中的一或多者。在一個實施例中，用於PPL 450之聚合物為彈性材料。在一個實施例中，PPL高度PL H大體上等於電池總成400之在Z軸方向上的高度B H，使得其能夠覆蓋電池總成400之整個高度。額外參考圖8，應注意，在施加至電池總成400之前，PPL 450具有厚度t 2，其範圍在25 µm至500 µm內，諸如25 µm、50 µm、75 µm、100 µm、125 µm、150 µm、175 µm、200 µm、225 µm、250 µm、275 µm、300 µm、325 µm、350 µm、375 µm、400 µm、425 µm、450 µm、475 µm或500 µm。
進一步參考圖4，電池總成400具有四個小面F 1至F 4及兩個主面F 5、F 6。應注意，在圖4中，主面F 6位於電池總成400之底側上。在一個實施例中，PPL 450施加至小表面F 1及F 2中之至少兩者，其方式為使得PPL 450在Y軸及Z軸方向上大體上覆蓋整個小表面F 1及F 2。因此，PPL 450覆蓋翼片邊緣330及332。參考圖4A及圖4B，圖4A為在施加PPL 450之前之表面F 1的相片，且圖4B為在施加PPL 450之後之同一表面F 1的相片。在此實施例中，PPL 450為包含聚合物之透明層。
參考圖4C及圖4D，圖4C為在施加PPL 450之前之表面F 2的相片，且圖4D為在施加PPL 450之後之同一表面F 2的相片。在此實施例中，PPL 450為包含聚合物之透明層。在此實施例中，電池總成400包括：電極總成401，其可與電極總成301相同或類似；及匯流排410，其可與匯流排110、112相同或類似。
PPL 450可施加至電池總成400之面F 1至F 6中的一或多者，以覆蓋作為潛在擊穿點之突起部415中的任一者。參考圖4E及圖4F，說明PPL 450覆蓋於具有擊穿點PP 1至PP X之突起部415上方，且因此增大曲率半徑。每一突出部415具有在擊穿點PP 1至PP X處之第一曲率半徑R 1。然而，在上覆於曲率半徑R 1之點處，PPL 450具有大於第一曲率半徑R 1之在X-Y平面中的第二曲率半徑R 2。因此，藉由用PPL 450覆蓋突起部415之擊穿點，如圖4F中所說明，X-Y平面中之擊穿點上方的第二曲率半徑R 2可相較於第一半徑R 1有效地增大，因此減小由突出部之擊穿點相對於殼體(例如殼體層500、600)施加的壓力，且因此促進對殼體之擊穿的減少或抵消。舉例而言，一系列擊穿點PP 1至PP X可為匯流排110、112、集電器突片120、限制316之邊緣或類似者之拐角。
在一個實施例中，PPL 450最初呈具有高度PL H、厚度t 2及長度PL L之細長腹板形式(圖8)。在施加PPL 450至電池總成400之一或多個面F 1至F 6之前，可藉由任何合適的手段將PPL 450切割至所要長度及/或高度以便覆蓋面F 1至F 6之所要部分。舉例而言，在一個實施例中，將PPL 450切割至與面F 1在Y軸方向上之長度大體上相同的長度PL L。在切割之後，PPL 450置放於面F 1上且使用熱量、壓力及時間中的一或多者黏著至面F 1。在一個合適實施例中，使用熱熔接設備來將PPL 450熱熔接至沿著面F 1之所要位置。在一個實施例中，PPL 450熱熔接至面F 1之長度之至少80%或大於80%。然而，在其他實施例中，PPL 450可熱熔接至面F 1之長度之任何量，諸如1%至100%。在又其他實施例中，PPL 450在沿著面F 1之長度的一或多個離散點處熱熔接。在一些實施例中，取決於包含PPL 450之材料，PPL 450可在不使用任何額外黏著劑的情況下熱熔接或以其他方式黏著至面F 1。然而，在其他實施例中，面F 1與PPL 450之間使用黏著層以將PPL 450黏著至面F 1。在又其他實施例中，PPL 450為具有鄰近於面F 1之至少一個黏著層的多層材料。以類似方式，可使用相同或類似製程將PPL 450切割且黏著至面F 1至F 6中之任一者或全部。在又一實施例中，PPL 450切割至等於面F 1至F 4之長度之總和(例如電池總成400之圓周)的長度，且PPL 450接著圍繞圓周包裹(例如，面F 1至F 4中的每一者，且接著黏著至此等面)。
在一個實施例中，高度PL H大體上等於施加有PPL 450之電池總成400之面的高度B H。然而，在其他實施例中，高度PL H可小於其所施加之電池總成400之面的高度B H。然而，典型地，高度PL H應為用以覆蓋此等面上之任何潛在擊穿點的足夠高度。在再一實施例中，在施加至電池總成400之前，高度PL H大於其將施加之電池總成400之面的高度B H。在此實施例中，PPL 450之遠端邊緣801、802 (圖8)可在電池總成400之額外面上方包裹且與該額外面接觸。舉例而言，在一個實施例中，PPL 450可如上文所描述黏著至面F 1，但接著遠端邊緣801、802包裹或摺疊以使得其分別黏著至面F 5及F 6之至少一部分(圖9)。
現參考圖5至圖7。在施加PPL 450之後，電池總成400置放於電池封裝700內以形成完整電池760。在實施例中，電池封裝包含第一殼體層500及第二殼體層600。第一及第二殼體層中的每一者可包含可撓性或半可撓性材料，諸如鋁、聚合物或類似者。在一個實施例中，第一殼體層500及第二殼體層600中的一或多者包含多層鋁聚合物材料、塑膠或類似者。在一個實施例中，第一殼體層500及第二殼體層600中的一或多者包含層壓於金屬基板(諸如鋁)上之聚合物材料。
在圖5中所說明的實施例中，電池總成400置放於第一殼體層500上，使得限制316之主面F 6與第一殼體層500接觸。在一個實施例中，電池總成400置放於形成在第一殼體層500內之凹槽502內。凹槽502經大小設定及塑形以匹配於電池總成400之外表面大小及形狀。在一個實施例中，第二殼體層600置放於電池總成400上方，使得限制316之主面F 5與第二殼體層600接觸。第二殼體層600可經定位(諸如藉由在置放方向P 1上移動)，以便覆蓋整個主面F 5及凹槽502。導電端子705及707保持未由第一殼體保護層500及第二殼體保護層600覆蓋。在恰當置放第二殼體保護層600之後，第一殼體保護層500及第二殼體保護層600沿著密封邊緣S 1(由圖7中之虛線表示)密封。在一個實施例中，可在密封之前或之後修整第一殼體保護層500及第二殼體保護層600之過量材料。第一殼體保護層500及第二殼體保護層600可藉由焊接、熱密封、黏著劑、其組合或類似者沿著密封邊緣S 1密封。在另一實施例中，第一殼體保護層500及第二殼體保護層600可沿著密封邊緣S 1之三個側密封，從而在其中產生凹穴。在此類實施例中，電池總成400可置放於凹穴內，且密封邊緣S 1之最終邊緣隨後密封。在一個實施例中，使用熱壓密封該密封邊緣S 1，熱壓將經控制溫度及壓力施加至密封邊緣S 1，使得第一殼體層500及第二殼體層600沿著密封邊緣S 1黏著或熔融在一起。在另一實施例中，在密封過程期間將真空施加至電池總成400，以抽空由空氣或其他氣體佔據之任何過量體積。密封邊緣經歷熱壓之時間可經控制且取決於針對第一殼體層500及第二殼體層600而選擇之材料。一旦密封整個電池總成400，則密封的第一殼體層500及第二殼體層600形成電池封裝700。在密封後，取決於所要應用，電池封裝700為液密及/或氣密的。端子705、707保持暴露，且未由電池封裝700覆蓋，以允許使用者將端子連接至待供電之裝置，或連接至電池充電器。
參考圖1至圖10描述本發明之方法(例如圖10中所示之方法1000)。最初，在1002處，提供電池總成，諸如電池總成400，其包括製備的電極總成。在1004處，將諸如限制316之限制設置於電極總成上方，如上文所描述。電極總成及限制一起界定一或多個擊穿點。為促進減少或抵消擊穿點引起外殼斷裂或擊穿之可能性，殼體保護層450設置於擊穿點上方。在一個實施例中，殼體保護層(PPL) 450安置/黏著於電池總成400之周邊之至少一部分上方(如沿著X軸及Y軸行進)。電池總成400可與電池總成300相同或類似。在施加至電池總成400之周邊之前，PPL 450可呈細長腹板或帶形式，其具有顯著大於其寬度PL W之長度及高度PL H。
在一個實施例中，PPL 450施加至小表面F 1及F 2中之至少兩者，其方式為使得PPL 450在Y軸及Z軸方向上大體上覆蓋整個小表面F 1及F 2。可手動地或使用自動機械設備來施加PPL 450。在一個實施例中，可以覆蓋限制之翼片邊緣330及332之方式施加PPL 450。
在實施例中，PPL 450可施加至電池總成400之面F 1至F 6中的一或多者，以理想地覆蓋任何擊穿點。舉例而言，參考圖4E及圖4F，說明PPL 450以使得其覆蓋於擊穿點PP 1至PP X上方且因此增大曲率半徑之方式施加。藉由用PPL 450覆蓋擊穿點，如圖4F中所說明，擊穿點上方之曲率半徑可有效地增大，因此減少由擊穿點相對於殼體(例如殼體層500、600)施加之壓力，且因此促進對殼體之擊穿的減少或抵消。舉例而言，一系列擊穿點PP 1至PP X可為匯流排110、112、集電器突片120、限制316之邊緣或類似者之拐角。
在一個實施例中，方法1000涉及使用PPL 450，其最初呈具有高度PL H、厚度t 2及長度PL L之細長腹板形式(圖8)。在此實施例中，在將PPL 450施加至電池總成400之一或多個面F 1至F 6之前，可在1006處藉由任何合適的手段(諸如使用機械裝置(例如刀)、雷射、噴水或類似者)將PPL 450切割至所要長度及/或高度以便覆蓋面F 1至F 6之所要部分。舉例而言，在一個實施例中，將PPL 450切割至與面F 1在Y軸方向上之長度大體上相同的長度PL L。在切割之後，在1008處，PPL 450置放於面F 1上且使用熱量、壓力及時間中的一或多者黏著至面F 1。在一個合適實施例中，使用熱熔接設備來將PPL 450熱熔接至沿著面F 1之所要位置。在一個實施例中，PPL 450熱熔接至面F 1之長度之至少80%或大於80%。然而，在其他實施例中，PPL 450可熱熔接至面F 1之長度之任何量，諸如1%至100%。在又其他實施例中，PPL 450在沿著面F 1之長度的一或多個離散點處熱熔接。在一些實施例中，取決於包含PPL 450之材料，PPL 450可在不使用任何額外黏著劑的情況下熱熔接或以其他方式黏著至面F 1。然而，在其他實施例中，面F 1與PPL 450之間使用黏著層以將PPL 450黏著至面F 1。以類似方式，可使用相同或類似製程將PPL 450切割且黏著至面F 1至F 6中之任一者或全部。在又一實施例中，PPL 450切割至等於面F 1至F 4之長度之總和(例如電池總成400之圓周)的長度，且PPL 450接著圍繞圓周(例如面F 1至F 4中的每一者)包裹且接著黏著至此等面。在又一實施例中，PPL 450包含可拉伸材料，且切割至小於等於面F 1至F 4之長度之總和(例如電池總成400之圓周)的長度，且PPL 450接著伸展且圍繞圓周(例如面F 1至F 4中的每一者)包裹且接著黏著至此等面。
在方法1000之一個實施例中，高度PL H大體上等於施加有PPL 450之電池總成400之面的高度B H。然而，在其他實施例中，高度PL H可小於其所施加之電池總成400之面的高度B H。然而，典型地，高度PL H應為用以覆蓋此等面上之任何潛在擊穿點的足夠高度。在再一實施例中，在施加至電池總成400之前，高度PL H大於其將施加之電池總成400之面的高度B H。在此實施例中，PPL 450之遠端邊緣801、802 (圖8)可在電池總成400之額外面上方包裹以與該額外面接觸。舉例而言，在一個實施例中，PPL 450如上文所描述黏著至面F 1，但接著遠端邊緣801、802包裹或摺疊以使得其分別黏著至面F 5及F 6之至少一部分(圖9)。
在施加PPL 450之後，在1010處，電池總成400置放於電池封裝700 (例如電池殼體)內以形成完整電池760。在實施例中，電池封裝700包含第一殼體層500及第二殼體層600。第一及第二殼體層中的每一者可包含可撓性或半可撓性材料，諸如鋁、聚合物或類似者。在一個實施例中，第一殼體層500及第二殼體層600中的一或多者包含多層鋁聚合物材料、塑膠或類似者。
在方法1000之一個實施例中，電池總成400置放於第一殼體層500上，使得限制316之主面F 6與第一殼體層500接觸。在一個實施例中，電池總成400置放於形成在第一殼體層500內之凹槽502內。凹槽502經大小設定及塑形以匹配於電池總成400之外表面大小及形狀。在一個實施例中，第二殼體層600置放於電池總成400上方，使得限制316之主面F 5與第二殼體層600接觸。第二殼體層600可經定位(諸如藉由在置放方向P 1上移動)，以便覆蓋整個主面F 5及凹槽502。導電端子705及707保持未由第一殼體保護層500及第二殼體保護層600覆蓋。在恰當置放第二殼體保護層600之後，第一殼體保護層500及第二殼體保護層600沿著密封邊緣S 1(由圖7中之虛線表示)密封。在一個實施例中，可在密封之前或之後修整第一殼體保護層500及第二殼體保護層600之過量材料。
在一個實施例中，第一及第二殼體保護層接著藉由焊接、熱密封、黏著劑、其組合或類似者沿著密封邊緣S 1密封。在另一實施例中，第一殼體保護層500及第二殼體保護層600沿著密封邊緣S 1之三個側密封，從而在其中產生凹穴。在此類實施例中，電池總成400置放於凹穴內，且密封邊緣S 1之最終邊緣隨後密封。一旦密封整個電池總成400，則密封的第一殼體層500及第二殼體層600界定電池封裝700。在密封後，取決於所要應用，電池封裝700為液密及/或氣密的。端子705、707保持暴露，且未由電池封裝700覆蓋，以允許使用者將端子連接至待供電之裝置，或連接至電池充電器。
儘管提供以下實施例以說明本發明之態樣，但實施例並不意欲為限制性的且亦可提供其他態樣及/或實施例。
實施例1. 一種二次電池總成，其包含：電極總成，其具有分別對應於三維笛卡耳座標系統之X、Y及Z軸的互相垂直之橫向、縱向及豎直軸；限制，其安置於電極總成之外表面上；電極總成或限制中之至少一者包含在由X軸及Y軸界定之X-Y平面中延伸的突出部，該突出部具有在X-Y平面中之第一曲率半徑；電池殼體，其圍封電極總成及限制；及殼體保護層，其安置於突出部之至少一部分上方及突出部與電池殼體之間，該殼體保護層界定在X-Y平面中之上覆於第一曲率半徑之第二曲率半徑，該第二曲率半徑大於該第一曲率半徑以藉此減小突出部對電池殼體造成損害的可能性。
實施例2. 如實施例1之二次電池總成，其中電極總成包含矩形稜柱形狀。
實施例3. 如任一先前實施例之二次電池總成，其中電極總成圍封於由限制界定之體積內，且限制包含與電極總成之電極或相對電極之至少一個表面接觸的第一初級生長限制，且第一初級生長限制界定突出部。
實施例4. 如任一先前實施例之二次電池總成，限制進一步包含與第一初級生長限制間隔開之第二初級生長限制，該第二初級生長限制與電極總成之電極或相對電極的不同表面接觸。
實施例5. 如任一先前實施例之二次電池總成，限制進一步包含與電極總成之電極或相對電極之第二表面接觸的第一次級生長限制。
實施例6. 如任一先前實施例之二次電池總成，限制進一步包含與第一次級生長限制間隔開且與電極總成之電極或相對電極之第三表面接觸的第二次級生長限制。
實施例7. 如任一先前實施例之二次電池總成，其進一步包含第一匯流排及第二匯流排，且其中第一匯流排或第二匯流排之一部分界定突出部。
實施例8. 如任一先前實施例之二次電池總成，其中殼體保護層安置於第一匯流排及第二匯流排中之至少一者上方。
實施例9. 如任一先前實施例之二次電池總成，其中殼體保護層包含聚合物。
實施例10. 如任一先前實施例之二次電池總成，其中聚合物包含聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚乙烯(PE)、乙烯丙烯酸(EAA)、乙烯甲基丙烯酸(EMAA)或其功能衍生物或共聚物中之至少一者。
實施例11. 如任一先前實施例之二次電池總成，其中：電極總成包含具有六個矩形面之矩形稜柱形形狀；且限制包含與矩形面中之至少三者接觸的第一封蓋及與矩形面中之至少三個其他者接觸之與第一封蓋間隔開的第二封蓋，且其中限制界定突出部。
實施例12. 如實施例11之二次電池總成，其中第一封蓋包含延伸穿過第一封蓋之整個高度尺寸的一群穿孔，且其中穿孔之至少一部分界定突出部。
實施例13. 如任一先前實施例之二次電池總成，其中第二封蓋包含延伸穿過第二封蓋之整個高度尺寸的一群穿孔，且其中第二封蓋之穿孔之至少一部分界定突出部。
實施例14. 如任一先前實施例之二次電池總成，其中殼體保護層大體上覆蓋矩形面中之至少兩者。
實施例15. 一種二次電池，其包含：電極總成，其具有分別對應於三維笛卡耳座標系統之X、Y及Z軸的互相垂直之橫向、縱向及豎直軸；限制，其界定體積，電極總成包含於體積內；電極總成或限制中之至少一者界定在由X軸及Y軸界定之X-Y平面中延伸的至少一個突出部，突出部具有在X-Y平面中之第一曲率半徑；殼體保護層，其安置於突出部之至少一部分上方及突出部與電池殼體之間，該殼體保護層界定在X-Y平面中之上覆於第一曲率半徑之第二曲率半徑，該第二曲率半徑大於該第一曲率半徑以藉此減小突出部對電池殼體造成損害的可能性；且其中電池殼體圍封電極總成、限制及殼體保護層，且電池殼體之至少一部分與殼體保護層直接接觸。
實施例16. 如實施例15之二次電池，其中殼體保護層熱熔接至電極總成或限制中之至少一者。
實施例17. 如任一先前實施例之二次電池，其中殼體保護層包含聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚乙烯(PE)、乙烯丙烯酸(EAA)、乙烯甲基丙烯酸(EMAA)或其功能衍生物或共聚物中之至少一者。
實施例18. 如任一先前實施例之二次電池，其中電池殼體包含鋁。
實施例19. 如任一先前實施例之二次電池，其中電極總成為具有至少六個矩形面之矩形稜柱形形狀，且殼體保護層安置於矩形面中之至少四者上方。
實施例20. 如任一先前實施例之二次電池，其中殼體保護層具有25 µm至500 µm之厚度。
實施例21. 如任一先前實施例之二次電池，其中殼體保護層之在Z軸方向上量測的高度大體上等於電極總成之在Z軸方向上量測的高度。
實施例22. 如任一先前實施例之二次電池，其中殼體保護層沿著殼體保護層之在x軸方向上量測之長度的至少80%熱熔接。
實施例23. 如任一先前實施例之二次電池，其中殼體保護層沿著殼體保護層之在X軸方向上量測之長度的至少95%熱熔接。
實施例24. 如任一先前實施例之二次電池，其中電極總成包含選自由以下各者組成之群的陽極活性材料：(a)矽(Si)、鍺(Ge)、錫(Sn)、鉛(Pb)、銻(Sb)、鉍(Bi)、鋅(Zn)、鋁(Al)、鈦(Ti)、鎳(Ni)、鈷(Co)及鎘(Cd)；(b) Si、Ge、Sn、Pb、Sb、Bi、Zn、Al、Ti、Ni、Co或Cd與其他元素之合金或金屬間化合物；(c) Si、Ge、Sn、Pb、Sb、Bi、Zn、Al、Ti、Fe、Ni、Co、V或Cd之氧化物、碳化物、氮化物、硫化物、磷化物、硒化物及碲化物，及其混合物、複合物或含鋰複合物；(d) Sn之鹽及氫氧化物；(e)鈦酸鋰、錳酸鋰、鋁酸鋰、含鋰氧化鈦、鋰過渡金屬氧化物、ZnCo 2O 4；(f)石墨及碳之顆粒；(g)鋰金屬；及(h)其組合。
實施例25. 如任一先前實施例之二次電池，其中電極總成包含選自由以下各者組成之群的陽極活性材料：矽(Si)、鍺(Ge)、錫(Sn)、鉛(Pb)、銻(Sb)、鉍(Bi)、鋅(Zn)、鋁(Al)、鈦(Ti)、鎳(Ni)、鈷(Co)及鎘(Cd)。
實施例26. 如任一先前實施例之二次電池，其中電極總成包含選自由以下各者組成之群的陽極活性材料：Si、Ge、Sn、Pb、Sb、Bi、Zn、Al、Ti、Ni、Co或Cd與其他元素之合金及金屬間化合物。
實施例27. 如任一先前實施例之二次電池，其中電極總成包含選自由以下各者組成之群的陽極活性材料：Si、Ge、Sn、Pb、Sb、Bi、Zn、Al、Ti、Fe、Ni、Co、V及Cd之氧化物、碳化物、氮化物、硫化物、磷化物、硒化物及碲化物。
實施例28. 如任一先前實施例之二次電池，其中電極總成包含選自由以下各者組成之群的陽極活性材料：Si之氧化物、碳化物、氮化物、硫化物、磷化物、硒化物及碲化物。
實施例29. 如任一先前實施例之二次電池，其中電極總成包含選自由以下各者組成之群的陽極活性材料：矽及矽之氧化物及碳化物。
實施例30. 如任一先前實施例之二次電池，其中電極總成包含含有鋰金屬之陽極活性材料。
實施例31. 如任一先前實施例之二次電池，其中電極總成包含選自由石墨及碳組成之群的陽極活性材料。
實施例32. 如任一先前實施例之二次電池，其中在殼體內，二次電池進一步包含非水性有機電解質。
實施例33. 如任一先前實施例之二次電池，其中在殼體內，二次電池進一步包含含有鋰鹽與有機溶劑之混合物的非水性電解質。
實施例34. 如任一先前實施例之二次電池，其中在殼體內，二次電池進一步包含聚合物電解質。
實施例35. 如任一先前實施例之二次電池，其中在殼體內，二次電池進一步包含固體電解質。
實施例36. 如任一先前實施例之二次電池，其中在殼體內，二次電池進一步包含選自由硫化物基電解質組成之群的固體電解質。
實施例37. 如任一先前實施例之二次電池，其中在殼體內，二次電池進一步包含選自由以下各者組成之群的固體電解質：鋰錫磷硫化物(Li 10SnP 2S 12)、鋰磷硫化物(β-Li 3PS 4)及鋰磷硫氯化物碘化物(Li 6PS 5Cl 0.9I 0.1)。
實施例38. 如任一先前實施例之二次電池，其中在殼體內，二次電池進一步包含聚合物基於電解質。
實施例39. 如任一先前實施例之二次電池，其中在殼體內，二次電池進一步包含選自由以下各者組成之群的聚合物電解質：PEO基聚合物電解質、聚合物陶瓷複合物電解質(固體)、聚合物陶瓷複合物電解質及聚合物陶瓷複合物電解質。
實施例40. 如任一先前實施例之二次電池，其中在殼體內，二次電池進一步包含選自由氧化物基電解質組成之群的固體電解質。
實施例41. 如任一先前實施例之二次電池，其中在殼體內，二次電池進一步包含選自由以下各者組成之群的固體電解質：鈦酸鋰鑭(Li 0.34La 0.56TiO 3)、Al摻雜的鋯酸鋰鑭(Li 6.24La 3Zr 2Al 0.24O 11.98)、Ta摻雜的鋯酸鋰鑭(Li 6.4La 3Zr 1.4Ta 0.6O 12)及磷酸鋰鋁鈦(Li 1.4Al 0.4Ti 1.6(PO 4) 3)。
實施例42. 如任一先前實施例之二次電池，其中電極總成之電極活性材料及相對電極材料中的一者為選自由嵌入化學正電極及轉化化學正電極組成之群的陰極活性材料。
實施例43. 如任一先前實施例之二次電池，其中電極總成之電極活性材料及相對電極材料中的一者為包含嵌入化學正電極材料之陰極活性材料。
實施例44. 如任一先前實施例之二次電池，其中電極總成之電極活性材料及相對電極材料中的一者為包含轉化化學正電極活性材料之陰極活性材料。
實施例45. 如任一先前實施例之二次電池，其中電極總成之電極活性材料及相對電極材料中的一者為選自由以下各者組成之群的陰極活性材料：S (或呈鋰化狀態之Li 2S)、LiF、Fe、Cu、Ni、FeF 2、FeO dF 3.2d、FeF 3、CoF 3、CoF 2、CuF 2、NiF 2，其中0 ≤ d ≤ 0.5。
實施例46. 一種製備供與二次電池一起使用之電池總成的方法，該方法包含：製備電極總成，該電極總成具有分別對應於三維笛卡耳座標系統之X、Y及Z軸的互相垂直之橫向、縱向及豎直軸；將電極總成置放於由限制界定之體積內，使得限制安置於電極總成之外表面上方；其中電極總成或限制中之至少一者界定在由X軸及Y軸界定之X-Y平面中延伸的至少一個突出部，該突出部具有在X-Y平面中之第一曲率半徑；在突出部之至少一部分上方黏著殼體保護層，該殼體保護層界定在X-Y平面中之上覆於第一曲率半徑之第二曲率半徑，該第二曲率半徑大於該第一曲率半徑以藉此減小突出部對電池殼體造成損害的可能性；以及將電極總成、限制及殼體保護層圍封於電池殼體內，使得殼體保護層安置於限制與電池殼體之間。
實施例47. 如實施例46之方法，其中黏著包含施加熱量至殼體保護層。
實施例48. 如實施例47之方法，其中在至少一個突出部上方黏著殼體保護層包含增大突出部之至少一個潛在擊穿點上方的半徑。
實施例49. 如任一先前實施例之方法，其中在至少一個突出部上方黏著殼體保護層包含在電極總成之至少四個面上方拉伸殼體保護層。
實施例50. 一種製造二次電池之方法，其包含：製備電極總成，該電極總成具有分別對應於三維笛卡耳座標系統之X、Y及Z軸的互相垂直之橫向、縱向及豎直軸；將電極總成置放於由限制界定之體積內，使得限制安置於電極總成之外表面上方；其中電極總成或限制中之至少一者界定在由X軸及Y軸界定之X-Y平面中延伸的至少一個突出部，該突出部具有在X-Y平面中之第一曲率半徑；在至少一個突出部之至少一部分上方黏著殼體保護層，該殼體保護層界定在X-Y平面中之上覆於第一曲率半徑之第二曲率半徑，該第二曲率半徑大於該第一曲率半徑以藉此減小突出部對電池殼體造成損害的可能性；將電極總成、限制及殼體保護層圍封於電池殼體內，使得殼體保護層安置於限制與電池殼體之間；及真空密封電池殼體。
實施例51. 如實施例50之方法，其中殼體保護層包含聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚乙烯(PE)、乙烯丙烯酸(EAA)、乙烯甲基丙烯酸(EMAA)或其功能衍生物或共聚物中之至少一者，且黏著包含施加熱量至殼體保護層。
實施例52. 如任一先前實施例之方法，其中黏著包含沿著殼體保護層之在X軸方向上量測之長度的至少80%熱熔接殼體保護層。
實施例53. 如任一先前實施例之方法，其中黏著包含施加熱量及壓力至殼體保護層。
實施例54. 一種二次電池，其包含：電極總成，其具有分別對應於三維笛卡耳座標系統之X、Y及Z軸的互相垂直之橫向、縱向及豎直軸，電極總成包含單位晶胞群、電極匯流排及相對電極匯流排，其中單位晶胞群之部件包含電極結構、隔板結構及相對電極結構，其中(a)電極結構包含電極活性材料層、電極集電器，且(b)相對電極集電器包含相對電極活性材料層，相對電極集電器及電極結構經由電極集電器並聯電連接至電極匯流排且相對電極結構經由相對電極集電器並聯電連接至相對電極匯流排；限制，其界定體積，電極總成包含於體積內；電極總成或限制中之至少一者界定在由X軸及Y軸界定之X-Y平面中延伸的至少一個突出部，突出部具有在X-Y平面中之第一曲率半徑；殼體保護層，其安置於突出部之至少一部分上方及突出部與電池殼體之間，殼體保護層界定在X-Y平面中之上覆於第一曲率半徑之第二曲率半徑，第二曲率半徑大於第一曲率半徑以藉此減小突出部對電池殼體造成損害的可能性；且其中電池殼體圍封電極總成、限制及殼體保護層，且電池殼體之至少一部分與殼體保護層直接接觸。
實施例55. 如實施例54之電極總成，其中電極總成具有在縱向方向上彼此分隔開之第一縱向末端表面及第二縱向末端表面，及包圍電極總成縱向軸且連接第一及第二縱向末端表面之側表面，單位晶胞群在縱向方向上串聯堆疊。
實施例56. 如任一前述實施例之電極總成，其中電極總成具有稜柱形形狀。
實施例57. 如任一前述實施例之電極總成，其中限制包含：(i)第一及第二初級生長限制，其在縱向方向上分隔開；及(ii)第一及第二次級生長限制，其在豎直方向上分隔開且連接第一及第二初級生長限制，其中(iii)第一次級生長限制進一步連接至單位晶胞群之子集之電極及相對電極結構的上部末端表面，且(iv)第二次級生長限制進一步連接至單位晶胞群之子集之電極及相對電極結構的下部末端表面。
此書面說明書使用實例來揭示本發明，包括最佳模式，且亦使得任何熟習此項技術者能夠實踐本發明，包括製造且使用任何裝置或系統且執行任何所併入之方法。本發明之可獲專利範疇係藉由申請專利範圍所界定，且可包括熟習此項技術者所想到之其他實例。若此等其他實例具有並非不同於申請專利範圍字面語言之構成要素，或若該等其他實例包括與申請專利範圍字面語言無實質差異之等效構成要素，則該等實例意欲在申請專利範圍之範疇內。
100:電池總成 102:電極子單元 104:陽極活性材料層 106:陰極活性材料層 108:隔板層 110:匯流排 112:匯流排 116:罩殼 118:穿孔 120:電極突片 200:單位晶胞 200A:單位晶胞 200B:單位晶胞 206:陽極集電器層 210:陰極集電器層 300:電池總成 301:電極總成 302:電極子單元 310:匯流排 315:特徵 316:限制 320:第一封蓋 322:第二封蓋 324:第三封蓋 326:第四封蓋 328:第一拐角 329:第二拐角 330:翼片邊緣 332:翼片邊緣 334:凹口 336:焊盤 338:罩殼邊緣間隙 340:邊緣表面 342:匯流排邊緣 344:側表面 400:電池總成 401:電極總成 410:匯流排 415:突起部 450:殼體保護層 500:殼體層 502:凹槽 600:殼體層 700:電池封裝 705:導電端子 707:導電端子 760:電池 801:遠端邊緣 802:遠端邊緣 1000:方法 1002:步驟 1004:步驟 1006:步驟 1008:步驟 1010:步驟 B H:高度 D-D:截面線 F 1~F 4:小面 F 5:主面 F 6:主面 P 1:置放方向 PL H:高度 PL L:長度 PL W:寬度 PP 1~PP X:擊穿點 R 1:曲率半徑 R 2:曲率半徑 S 1:密封邊緣 t 1:厚度 t 2:厚度
圖1為根據本發明之在施加保護層之前具有剖視圖部分之電池總成的一個合適實施例之前透視圖。
圖2為自圖1之電極總成之截面線D-D截取的截面圖。
圖3為根據本發明之在限制內之電池總成的放大部分透視圖。
圖3A為根據本發明之限制之實施例的透視圖。
圖4為根據本發明之一實施例的包括殼體保護層之電池總成的透視圖。
圖4A及圖4C為在將殼體保護層施加於其上之前的電池總成之一面的相片。
圖4B及圖4D為根據本發明之在施加殼體保護層之後的圖4A及圖4C之電池總成之面的相片。
圖4E為根據本發明之在施加殼體保護層之前的電池總成之示意性剖面圖。
圖4F為根據本發明之在施加殼體保護層之後的圖4E之電池總成之示意性剖面圖。
圖5為部分置放於電池殼體內之電池總成之透視圖。
圖6為包括電池殼體之第二封蓋之圖5的電池總成之透視圖。
圖7為在密封於電池殼體內之後的完整電池之剖面圖。
圖8為殼體保護層之腹板之一部分的透視圖。
圖9為本發明之電池總成上之殼體保護層的實施例的透視圖。
圖10為根據本發明之製備包括殼體保護層之電池總成的方法的示意圖。
400:電池總成
415:突起部
450:殼體保護層
F1:小面
R1:曲率半徑
R2:曲率半徑

Claims (32)

  1. 一種二次電池總成，其包含： 電極總成，其具有分別對應於三維笛卡耳座標系統之X、Y及Z軸的互相垂直之橫向、縱向及豎直軸； 限制，其安置於該電極總成之外表面上； 該電極總成或該限制中之至少一者包含在由該X軸及該Y軸界定之X-Y平面中延伸的突出部，該突出部具有在該X-Y平面中之第一曲率半徑； 電池殼體，其圍封該電極總成及該限制；及 殼體保護層，其安置於該突出部之至少一部分上方及該突出部與該電池殼體之間，該殼體保護層界定在該X-Y平面中之上覆於該第一曲率半徑之第二曲率半徑，該第二曲率半徑大於該第一曲率半徑以藉此減小該突出部對該電池殼體造成損害的可能性。
  2. 如請求項1之二次電池總成，其中該電極總成包含具有六個矩形面之矩形稜柱形形狀，其中該突出部位於該等矩形面中之一者上。
  3. 如請求項1之二次電池總成，其中該電極總成圍封於由該限制界定之體積內，且該限制包含與該電極總成之電極或相對電極之至少一個表面接觸的第一初級生長限制，且該第一初級生長限制界定該突出部。
  4. 如請求項3之二次電池總成，該限制進一步包含與該第一初級生長限制間隔開之第二初級生長限制，該第二初級生長限制與該電極總成之該電極或該相對電極的不同表面接觸。
  5. 如請求項3之二次電池總成，該限制進一步包含與該電極總成之該電極或該相對電極之第二表面接觸的第一次級生長限制。
  6. 如請求項5之二次電池總成，該限制進一步包含與該第一次級生長限制間隔開且與該電極總成之該電極或該相對電極之第三表面接觸的第二次級生長限制。
  7. 如請求項1之二次電池總成，其進一步包含第一匯流排及第二匯流排，且其中該第一匯流排或該第二匯流排之一部分界定該突出部。
  8. 如請求項7之二次電池總成，其中該殼體保護層安置於該第一匯流排及該第二匯流排中之至少一者上方。
  9. 如請求項1之二次電池總成，其中該殼體保護層包含聚合物。
  10. 如請求項9之二次電池總成，其中該聚合物包含聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚乙烯(PE)、乙烯丙烯酸(EAA)、乙烯甲基丙烯酸(EMAA)或其功能衍生物或共聚物中之至少一者。
  11. 如請求項1之二次電池總成，其中： 該電極總成包含具有六個矩形面之矩形稜柱形形狀；及 該限制包含與該等矩形面中之至少三者接觸的第一封蓋及與該等矩形面中之至少三個其他者接觸的與該第一封蓋間隔開的第二封蓋，且其中該限制界定該突出部。
  12. 如請求項11之二次電池總成，其中該第一封蓋包含延伸穿過該第一封蓋之整個高度尺寸的一群穿孔，且其中該等穿孔之至少一部分界定該突出部。
  13. 如請求項12之二次電池總成，其中該第二封蓋包含延伸穿過該第二封蓋之整個高度尺寸的一群穿孔，且其中該第二封蓋之該等穿孔之至少一部分界定該突出部。
  14. 如請求項11之二次電池總成，其中該殼體保護層大體上覆蓋該等矩形面中之至少兩者。
  15. 一種二次電池，其包含： 電極總成，其具有分別對應於三維笛卡耳座標系統之X、Y及Z軸的互相垂直之橫向、縱向及豎直軸； 限制，其界定體積，該電極總成包含於該體積內； 該電極總成或該限制中之至少一者界定在由該X軸及該Y軸界定之X-Y平面中延伸的至少一個突出部，該突出部具有在該X-Y平面中之第一曲率半徑； 殼體保護層，其安置於該突出部之至少一部分上方及該突出部與電池殼體之間，該殼體保護層界定在該X-Y平面中之上覆於該第一曲率半徑之第二曲率半徑，該第二曲率半徑大於該第一曲率半徑以藉此減小該突出部對該電池殼體造成損害的可能性；及 其中該電池殼體圍封該電極總成、限制及殼體保護層，且該電池殼體之至少一部分與該殼體保護層直接接觸。
  16. 如請求項15之二次電池，其中該殼體保護層熱熔接至該電極總成或該限制中之至少一者。
  17. 如請求項15之二次電池，其中該殼體保護層包含聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚乙烯(PE)、乙烯丙烯酸(EAA)、乙烯甲基丙烯酸(EMAA)或其功能衍生物或共聚物中之至少一者。
  18. 如請求項15之二次電池，其中該電池殼體包含鋁。
  19. 如請求項15之二次電池，其中該電極總成為具有至少六個矩形面之矩形稜柱形形狀，且該殼體保護層安置於該等矩形面中之至少四者上方。
  20. 如請求項15之二次電池，其中該殼體保護層具有25 µm至500 µm之厚度。
  21. 如請求項15之二次電池，其中該殼體保護層之在該Z軸方向上量測的高度大體上等於該電極總成之在該Z軸方向上量測的高度。
  22. 如請求項15之二次電池，其中該殼體保護層沿著該殼體保護層之在該x軸方向上量測之長度的至少80%熱熔接。
  23. 如請求項22之二次電池，其中該殼體保護層沿著該殼體保護層之在該X軸方向上量測之長度的至少95%熱熔接。
  24. 如請求項15之二次電池，其中該電極總成包含選自由以下各者組成之群的陽極活性材料：(a)矽(Si)、鍺(Ge)、錫(Sn)、鉛(Pb)、銻(Sb)、鉍(Bi)、鋅(Zn)、鋁(Al)、鈦(Ti)、鎳(Ni)、鈷(Co)及鎘(Cd)；(b) Si、Ge、Sn、Pb、Sb、Bi、Zn、Al、Ti、Ni、Co或Cd與其他元素之合金或金屬間化合物；(c) Si、Ge、Sn、Pb、Sb、Bi、Zn、Al、Ti、Fe、Ni、Co、V或Cd之氧化物、碳化物、氮化物、硫化物、磷化物、硒化物及碲化物，及其混合物、複合物或含鋰複合物；(d) Sn之鹽及氫氧化物；(e)鈦酸鋰、錳酸鋰、鋁酸鋰、含鋰氧化鈦、鋰過渡金屬氧化物、ZnCo 2O 4；(f)石墨及碳之顆粒；(g)鋰金屬；及(h)其組合。
  25. 一種製備供與二次電池一起使用之電池總成的方法，該方法包含： 製備電極總成，該電極總成具有分別對應於三維笛卡耳座標系統之X、Y及Z軸的互相垂直之橫向、縱向及豎直軸； 將該電極總成置放於由限制界定之體積內，使得該限制安置於該電極總成之外表面上方； 其中該電極總成或該限制中之至少一者界定在由該X軸及該Y軸界定之X-Y平面中延伸的至少一個突出部，該突出部具有在該X-Y平面中之第一曲率半徑； 在該突出部之至少一部分上方黏著殼體保護層，該殼體保護層界定在該X-Y平面中之上覆於該第一曲率半徑之第二曲率半徑，該第二曲率半徑大於該第一曲率半徑以藉此減小該突出部對電池殼體造成損害的可能性；及 將該電極總成、限制及殼體保護層圍封於該電池殼體內，使得該殼體保護層安置於該限制與該電池殼體之間。
  26. 如請求項25之方法，其中該黏著包含施加熱量至該殼體保護層。
  27. 如請求項25之方法，其中在至少一個突出部上方黏著該殼體保護層包含增大該突出部之至少一個潛在擊穿點上方的半徑。
  28. 如請求項25之方法，其中在該至少一個突出部上方黏著該殼體保護層包含在該電極總成之至少四個面上方拉伸該殼體保護層。
  29. 一種製造二次電池之方法，其包含： 製備電極總成，該電極總成具有分別對應於三維笛卡耳座標系統之X、Y及Z軸的互相垂直之橫向、縱向及豎直軸； 將該電極總成置放於由限制界定之體積內，使得該限制安置於該電極總成之外表面上方； 其中該電極總成或該限制中之至少一者界定在由該X軸及該Y軸界定之X-Y平面中延伸的至少一個突出部，該突出部具有在該X-Y平面中之第一曲率半徑； 在該至少一個突出部之至少一部分上方黏著殼體保護層，該殼體保護層界定在該X-Y平面中之上覆於該第一曲率半徑之第二曲率半徑，該第二曲率半徑大於該第一曲率半徑以藉此減小該突出部對電池殼體造成損害的可能性； 將該電極總成、限制及殼體保護層圍封於該電池殼體內，使得該殼體保護層安置於該限制與該電池殼體之間；及 真空密封該電池殼體。
  30. 如請求項29之方法，其中該殼體保護層包含聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚乙烯(PE)、乙烯丙烯酸(EAA)、乙烯甲基丙烯酸(EMAA)或其功能衍生物或共聚物中之至少一者，且該黏著包含施加熱量至該殼體保護層。
  31. 如請求項29之方法，其中該黏著包含沿著該殼體保護層之在該X軸方向上量測之長度的至少80%熱熔接該殼體保護層。
  32. 如請求項29之方法，其中該黏著包含施加熱量及壓力至該殼體保護層。
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