TWI900513B - 提供高功率和高能量密度的鋰離子電池與圓柱形電池以及提供該圓柱形電池的方法 - Google Patents

提供高功率和高能量密度的鋰離子電池與圓柱形電池以及提供該圓柱形電池的方法

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Abstract

描述了提供用於傳遞高功率、同時維持高能量密度的電池構造的系統和方法。實施例提供了圓柱形電池，這些圓柱形電池被配置成至少部分地通過在陰極和/或陽極的縱向邊緣的延伸長度上佈置用於相應陰極或陽極的電極材料的電極配置來傳遞高能量密度、同時具有高功率密度。電極配置可以提供沿該陰極或陽極中的至少一個的縱向邊緣佈置的連續長度的電極材料。另外或可替代地，電極配置可以提供具有電極材料的、沿該陽極或陰極中的至少一個的縱向邊緣間隔開的多個電極極耳。

Description

提供高功率和高能量密度的鋰離子電池與圓柱形電池以及提供該圓柱形電池的方法
發明領域
本發明總體上涉及電池，並且更具體地涉及被配置成提供高功率和高能量密度的電池。
發明背景
各種形式的電池的使用在當今世界已變得幾乎無處不在。隨著越來越多的可擕式設備或無繩設備(諸如電動工具(例如，鑽機、鋸、剪草機、鼓風機、砂光機等)、小型器具(例如，混合器、攪拌機、咖啡研磨機等)、通信設備(例如，智慧手機、個人數位助理等)、以及辦公設備(例如，電腦、平板電腦、印表機等))的廣泛使用，使用化學性質和配置不同的電池技術很常見。
近年來，鋰離子電池(LiB)配置在關於可擕式設備或無繩設備的使用方面已廣受歡迎。雖然LiB與諸如NiCd等電池配置相比可能提供的化學成分穩定性較低(例如，包含可燃電解質)，但是其能量密度高於許多可再充電電池配置(例如，NiCd)，LiB通常沒有記憶效應並且自放電率低，並因此提供了當今可擕式設備或無繩設備中常用的可再充電電池配置。
可擕式設備或無繩設備的尺寸和重量通常是重要的考量。由於車 載可再充電電池系統的尺寸和重量(通常包括呈電池組形式的多個單獨電池)通常對可擕式設備或無繩設備的整體尺寸和/或重量具有明顯的影響，因此可再充電電池的尺寸和重量在主機設備的設計中可能很重要。這種對尺寸和重量的考慮與對存儲和傳遞足以實現主機可擕式或無繩設備的有效和期望使用的功率需求相衝突。
發明概要
本發明涉及提供用於傳遞高功率、同時維持高能量密度的電池配置的系統和方法。本發明的實施例採用捲繞式配置提供能夠傳遞高能量密度並具有高功率密度的電池實施方式。實施例的鋰離子電池(LiB)實施方式例如傳遞大於110瓦時每千克(Wh/kg)的能量密度並且具有大於2千瓦每千克(kW/kg)的功率密度。
本發明的實施例的一種圓柱形電池實施方式包括陽極、陰極、電解質以及圓柱形殼體，其中，該陽極和陰極在該圓柱形殼體內以捲繞式配置並置，並且該電解質被佈置在以該捲繞式配置並置的陽極和陰極的相對表面之間。實施例的圓柱形電池被配置成根據本發明的概念至少部分地通過在陰極和/或陽極的縱向邊緣的延伸長度上佈置用於相應陰極或陽極的電極材料的電極配置來傳遞高能量密度、同時具有高功率密度。該陰極或陽極的縱向邊緣的、佈置電極材料的延伸長度可以例如包括超過該捲繞式配置的外圓周兩倍的長度、等於或大於該陰極或陽極的縱向邊緣長度的一半的長度、基本上等於該陰極或陽極的縱向邊緣長度的長度等。
根據一些實施例，在陰極和/或陽極的縱向邊緣的延伸長度上佈置用於相應陰極或陽極的電極材料的電極配置提供沿該陰極或陽極中的至少一個的縱向邊緣佈置的連續長度的電極材料，其中，該電極材料的連續長度是該陰極/陽極的捲繞式配置的外圓周尺寸的至少兩倍的長度。該連續長度的電極材料可 以例如沿該電極的縱向邊緣連續地聯接到該電池的圓柱形殼體的端子。根據本發明的概念，這種電池配置可以用於提供具有低阻抗、改善的結構穩定性等的圓柱形電池單體。
另外或可替代地，根據一些實施例，在陽極和/或陰極的縱向邊緣的延伸長度上佈置用於相應陽極或陰極的電極材料的電極配置提供具有電極材料的、沿該陽極或陰極中的至少一個的縱向邊緣間隔開的多個電極極耳，其中，具有電極材料的該多個電極極耳在該陽極/陰極的捲繞式配置的外圓周尺寸的至少兩倍的長度上間隔開。該多個電極極耳可以例如包括至少4個電極極耳(例如，4至10個電極極耳)，這些電極極耳在至少是該捲繞式配置的外圓周尺寸的整個長度上不均等地間隔開，其中，當相應陽極或陰極的平面主體以該捲繞式配置捲繞時，這些不均等間隔開的電極極耳被配置成並置排列。該多個電極極耳可以例如作為單個並置極耳單元聯接到該電池的圓柱形殼體的端子。這種電池配置可以用於提供具有相對較低阻抗的圓柱形電池單體，同時促進與電池端子的聯接。
前面已經相當廣泛地概述了本發明的特徵和技術優點，以便可以更好地理解下面對本發明的詳細描述。以下將描述形成本發明的申請專利範圍的主題的本發明的附加特徵和優點。本領域技術人員應當理解，所披露的構思和具體實施例可以容易地用作修改或設計用於實現本發明的相同目的其他結構的基礎。本領域技術人員還應當認識到，這樣的等效構造不脫離所附申請專利範圍中闡述的本發明的精神和範圍。當結合附圖考慮時，從下面的描述中將更好地理解被認為是本發明的特性的新穎特徵(關於其組織和操作方法兩者)以及另外的目的和優點。然而，應當清楚地理解，每個圖僅僅是為了說明性和描述性目的而提供的，並且不旨在作為本發明的限制的限定。
100,200:電極配置
110,210,LC:陰極
111,211:電極構件
120,220,LA:陽極
121:電極構件
130:圓柱形殼體
131:正端子
211a~211n,221a~221n,221A~221H:電極極耳
230:圓柱形殼體
231:正端子
301:電解質
1B/2B:線
LAE,LCE:長度
為了更徹底的理解本發明，現在結合附圖參考以下描述，在附圖 中：圖1A至圖1C示出了根據本發明的實施例的使用被配置用於提供減小的電池阻抗的連續電極構件來實施電池單體構造技術的電池配置；圖2A至圖2C示出了根據本發明的實施例的使用被配置用於提供減小的電池阻抗的多個電極極耳來實施電池單體構造技術的電池配置；以及圖3示出了根據本發明的實施例的由具有電極配置的陽極和陰極的捲繞式配置形成的圓柱形電池單體，該電極配置在陰極和/或陽極的縱向邊緣的延伸長度上佈置用於相應陰極或陽極的電極材料。
較佳實施例之詳細說明
在製造各種形式的電池時所使用的電池單體構造技術通常導致電池具有少於期望的特性。例如，在典型的操作條件下，由當前電池配置中電極層之間的介面處以及與集流體的接觸處的電接觸電阻引起的能量損失可能高達電池總能量流的20%。因此，根據本發明的實施例提供的電池配置實施被配置成減小電池阻抗的電池單體構造。
圖1A至圖1C以及圖2A至圖2C示出了實施提供減小的電池阻抗的電池單體構造技術的電池配置的實施例。圖1A至圖1C的電池配置100和圖2A至圖2C的電池配置200包括陰極(在圖1A至圖1C中被示為陰極110並且在圖2A至圖2C中被示為陰極210)和陽極(在圖1A至圖1C中被示為陽極120並且在圖2A至圖2C中被示為陽極220)，該陰極和該陽極中的每一個都可以由適當材料的平面主體形成。在鋰離子電池(LiB)實施方式中，例如，陰極110和210可以包括塗覆有鋰氧化物合金或鋰化合物或由其形成的平面主體(例如，薄片或面板)，該鋰氧化物合金或鋰化合物諸如鈷酸鋰(LiCoO2)、鎳鈷錳酸鋰(LiNixMnyCozO2(x+y+z=1)或NMC)、鎳鈷鋁酸鋰(LiNixCoyAlzO2(x+y+z=1))、聚陰離子(例如諸如，磷 酸鋰鐵(LiFePO4))、尖晶石(諸如錳酸鋰(LiMn2O4、Li2MnO或LMO))等。在這種LiB實施方式中，陽極120和220可以包括具有石墨(C6)、石墨烯(例如，石墨烯封裝的矽(Si)納米顆粒)、矽或氧化矽等的平面主體(例如，薄片或面板)。
本發明的實施例採用捲繞式配置或圓柱形配置提供能夠傳遞高能量密度並具有高功率密度的電池實施方式。本發明的實施例的圓柱形電池實施方式包括陽極、陰極、電解質以及圓柱形殼體。因此，電池配置100和200的陰極110和210以及陽極120和220優選地如圖3所示的那樣縱向地捲繞在一起以形成電池單體。在捲繞式配置中，陽極120/220與陰極110/210面向螺旋線並置，從而呈現具有在圖3中表示為CO的外圓周的圓柱形電池單體。儘管未在圖1A至圖1C以及圖2A至圖2C示出電解質(在圖3中被示為電解質301)，但是其被佈置在以捲繞式配置並置的陽極和陰極的相對表面之間。在LiB實施方式中，例如，電解質301可以包括有機溶劑、聚合物電解質、陶瓷固體電解質、離子液體電解質等。根據本發明的實施例，電解質301可以包括有機溶劑中的鋰鹽，該有機溶劑諸如含有鋰離子絡合物(例如，陰離子鹽，諸如六氟磷酸鋰(LiPF6)、六氟砷酸鋰(LiAsF6)、高氯酸鋰(LiClO4)、四氟硼酸鋰(LiBF4)、三氟甲磺酸鋰(LiCF3SO3)等)的有機碳酸鹽(例如，碳酸乙烯酯或碳酸二乙酯)。
根據本發明的概念，圖1A至圖1C以及圖2A至圖2C的實施例的示例性電池配置被配置用於傳遞高功率、同時維持高能量密度。特別地，圖1A至圖1C的電池配置100和圖2A至圖2C的電池配置200提供這樣的電極配置：該電極配置在陰極和/或陽極的縱向邊緣的延伸長度上提供用於相應陰極或陽極的電極材料。例如，陰極110和210可以包括塗覆有鋰氧化物合金或其他鋰化合物的導電板或箔材料(例如，鋁)基板，而陽極120和220可以包括塗覆有石墨(C6)、石墨烯(例如，石墨烯封裝的矽(Si)納米顆粒)、矽或氧化矽等的導電板或箔材料(例如，銅)基板。如從下面的討論中可以更好地理解，圖1A至圖1C的電池配置100提供 了可以關於電池陽極和/或陰極而使用的連續電極(例如，延伸超出相應陰極和/或陽極塗層材料的導電板材的連續條帶)設計。在另一個實施方式中，圖2A至圖2C的電池配置200提供了可以關於電池陽極和/或陰極而使用的多個電極極耳(例如，延伸超過相應陰極和/或陽極塗層材料的導電板材的突起的、帶凹槽的、圓齒狀等實例)設計。在實施例的電池配置100和200中，陰極(LC)或陽極(LA)的縱向邊緣的、佈置電極材料的延伸長度可以例如包括超過捲繞式配置的外圓周兩倍的長度(即，陰極電極的長度LCE和陽極電極的長度LAE均>2˙CO)。佈置本發明的實施例的電極材料的延伸長度可以例如包括等於或大於該陰極或陽極的縱向邊緣長度的一半的長度、基本上等於該陰極或陽極的縱向邊緣長度的長度等。
電池配置100的電極設計可以例如用於特定電池實施方式的陽極120和陰極110中的任一者或兩者。另外或可替代地，電池配置200的電極設計可以用於特定電池實施方式的陽極220和陰極210中的任一者或兩者。在一些電池實施方式中，例如，可以關於陽極或陰極中的任一者來使用電池配置100的電極設計，同時可以關於陰極或陽極中的另一者來使用電池配置200的電極設計。這種混合的電極設計配置可以例如用於提供具有減小阻抗的電池配置，同時適應關於將陽極或陰極之一的電極附接或以其他方式聯接到電池的對應端子的製造挑戰。
已經大體描述了電極配置在陰極和/或陽極的縱向邊緣的延伸長度上佈置用於相應陰極或陽極的電極材料的電池配置，將參考圖1A至圖1C更詳細地描述其中關於電池陽極和/或陰極而使用連續電極設計的示例性實施例。在如圖1A所展示的示例中，陰極110包括平面主體，該平面主體具有沿該陰極平面主體的縱向邊緣佈置的電極構件111，其中，該電極構件包括連續長度的電極材料。進一步地，在如圖1A所展示的示例中，陽極120包括平面主體，該平面主體具有沿該陽極平面主體的縱向邊緣佈置的電極構件121，其中，該電極構件包括 連續長度的電極材料。
電池配置100的陰極110和陽極120可以沿陰極平面主體和陽極平面主體的縱向軸線捲繞成捲繞式配置，以提供具有如圖3所示的尺寸為CO的外圓周的圓柱形電池單體。根據本發明的實施例，電極構件111的連續長度的電極材料的長度是捲繞式配置的外圓周尺寸的至少兩倍。例如，如圖1A所示，電極構件111的長度可以等於(例如，電極構件111可以延伸陰極長度的全部範圍)或基本上等於(例如，電極構件111可以延伸略小於陰極長度的長度，例如，至少為陰極長度的90%，以便於處理陰極、製造電池等)陰極平面主體的縱向邊緣的長度。類似地，如圖1A所示，電極構件121的長度可以等於(例如，電極構件121可以延伸陽極長度的全部範圍)或基本上等於(例如，電極構件121可以延伸略小於陽極長度的長度，例如，至少為陽極長度的90%，以便於處理陽極、製造電池等)陽極平面主體的縱向邊緣的長度。
圖1B以略微等距透視圖示出了沿圖3的線1B/2B-1B/2B的局部截面視圖，以使電極材料的同心螺旋部分可見。如在圖1B中可以看出，電極構件111的電極材料(陰極110)延伸超過陽極120的同心螺旋部分的端部，這些同心螺旋部分在陰極和陽極被捲繞成捲繞式配置時與陰極110的同心螺旋部分交錯。電極構件111因此被定位(例如，遠離陽極120)以形成為電極單元，該電極單元用於聯接到其中佈置有圓柱形電池單體的圓柱形電池殼體的端子。例如，如圖1C的局部截面視圖所展示的，捲繞式配置的陰極110和陽極120可以佈置在圓柱形殼體130內，並且陰極110可以聯接到被佈置在該圓柱形殼體的端部處的正端子131(陽極120類似地聯接到負端子，未示出)。因為電極構件111沿陰極110的縱向長度的可觀長度延伸(例如，陰極電極的長度是至少大於兩倍CO的長度(LCE>2˙CO)，並且在所展示的示例中是等於或基本上等於陰極長度的長度)，因此電極構件111提供促進具有低阻抗的圓柱形電池單體的配置，並且因此提供了高功率 和高能量密度的電池配置。
應當理解，儘管為了簡化說明未在圖1C中示出電解質301，但是其被佈置在以捲繞式配置並置的陽極120和陰極110的相對表面之間。雖然在圖1C中也未示出，可以在陽極120的外表面與圓柱形殼體130的內表面之間施加黏合劑，以用於固定圓柱形電池單體以防止其在電池內移動。
在提供低阻抗電池實施方式中，實施例的電極構件111沿該電極構件的縱向邊緣連續地聯接到圓柱形殼體130的正端子131。例如，在將陰極110和陽極120捲繞成捲繞式配置之後，可以關於電極構件111的電極材料的遠端邊緣施加平滑工藝，以針對電極構件111的電極材料的同心螺旋部分提供均勻的高度。這種平滑可以包括修整電極材料、將同心部分中的多個相鄰同心部分壓縮在一起、折疊或滾動同心部分中的壓縮在一起的相鄰同心部分、摩擦裸箔以形成經壓縮的均勻平面/表面等。圖1C例如展示了這樣的示例：其中，通過平滑工藝將電極構件111的電極材料的所有相鄰同心部分壓縮在一起(例如，聚集)並對其進行折疊，從而提供呈現均勻表面的低阻抗電極構件以連續地聯接到正端子131。電極材料的壓縮在一起的同心部分可以例如進行雷射焊接和/或以其他方式導電地彼此附接(例如，釺焊、導電環氧樹脂等)。另外或可替代地，由電極材料的壓縮在一起的同心部分提供的均勻表面可以通過雷射焊、點焊、電阻焊等和/或其他導電附接方式(例如，釺焊、導電環氧樹脂等)連續地連接到對應的表面，諸如正端子131的表面。
應當理解，儘管圖1C所展示的示例示出了電極構件111的電極材料直接聯接到正端子131的表面，但是根據本發明的實施例，電極構件111與正端子131之間的聯接可以是間接的。例如，電池監測電子器件(例如，過充電保護電路系統和/或深度放電保護電路系統)可以被佈置在圓柱形電池單體與圓柱形殼體的一個或多個端子之間。在這種實施例中，由電極材料的壓縮在一起的同心部 分提供的均勻表面可以連續地連接到中間電池監測電子器件的表面(例如，環形跡線)。
儘管圖1B和圖1C的局部截面視圖展示了圓柱形電池單體的、電極構件111在其處延伸的端部，但是應當理解，圓柱形電池單體的與圖1A的示例相對應的另一個端部類似地提供電極構件121在其處延伸的端部。因此，如以上關於電極構件111所描述的，可以關於電極構件121的電極材料施加平滑工藝，並且將電極構件121的電極材料連續地連接到對應的表面，諸如負端子的表面。
可以理解，根據圖1A至圖1C的示例，連續長度的電極構件110將陰極111的可觀部分聯接到正端子131，並且連續長度的電極構件121將陽極120的可觀部分聯接到負端子(未示出)。這種實施方式提供了具有低阻抗的圓柱形電池單體配置(例如，在示例性LiB實施方式中，交流內部電阻(ACIR)<5毫歐姆，並且直流內部電阻(DCIR)<10毫歐姆)。此外，根據本發明的實施例聚集的連續長度的電極材料針對佈置在電池殼體內的圓柱形電池單體提供了改善的結構穩定性。
已經描述了使用連續電極設計的實施例，將參照圖2A至圖2C詳細描述其中關於電池陽極和/或陰極而使用多極耳電極設計的示例性實施例。在如圖2A所展示的示例中，陰極210包括具有沿陰極平面主體的縱向邊緣佈置的電極極耳211a至211n(例如，導電板材的突起的、帶凹槽的、圓齒狀等實例)的平面主體，其中，這些電極極耳包括至少4個電極極耳。進一步地，在如圖2A所展示的示例中，陽極220包括具有沿陽極平面主體的縱向邊緣佈置的電極極耳221a至221n的平面主體，其中，這些電極極耳包括至少4個電極極耳。針對陰極和/或陽極提供的至少4個電極極耳可以例如對應於陰極/陽極在以捲繞式配置捲繞時的同心轉數(例如，陰極的平面主體完成6轉的捲繞式配置可以包括6個電極極耳)。在實施例的圓柱形電池實施方式中，使用8至9個沿基本上等於陰極/陽極長度的 長度佈置的電極極耳來提供最優電池阻抗減小(例如，添加額外的電極極耳可能並不會明顯使阻抗減小得更多)。儘管圖2A的示例示出了相同數量的電極極耳211a至211n和電極極耳221a至221n，但是本發明的實施例可以關於陰極和電極而使用不同數量的電極極耳。
電池配置200的陰極210和陽極220可以沿陰極平面主體和陽極平面主體的縱向軸線捲繞成捲繞式配置，以提供具有如圖3所示的尺寸為CO的外圓周的圓柱形電池單體。根據本發明的實施例，散佈電極極耳211a至211n的電極材料的長度是捲繞式配置的外圓周尺寸的至少兩倍的長度(即，佈置陰極電極的長度LCE和佈置陽極電極的長度LAE均>2˙CO)。例如，如圖2A所示，電極極耳211a至211n可以在等於(例如，電極極耳211a至211n的散佈可以延伸陰極長度的全部範圍)或基本上等於(例如，電極極耳211a至211n的散佈可以延伸略小於陰極長度的長度，例如，至少為陰極長度的90%，以在捲繞式配置時促進極耳的並置對齊)陰極平面主體的縱向邊緣長度的長度上散佈。類似地，如圖2A所示，電極極耳221a至221n可以在等於(例如，電極極耳221a至221n的散佈可以延伸陽極長度的全部範圍)或基本上等於(例如，電極極耳221a至221n的散佈可以延伸略小於陽極長度的長度，例如，至少為陽極長度的90%，以在捲繞式配置時促進極耳的並置對齊)陽極平面主體的縱向邊緣長度的長度上散佈。
圖2B以略微等距透視圖示出了沿圖3的線1B/2B-1B/2B的局部截面視圖，以使同心電極極耳的部分可見。如在圖2B中可以看出，在捲繞成捲繞式配置時，陰極210的電極極耳211a至211n的電極材料延伸超過陽極220的縱向邊緣的端部。因此，電極極耳211a至211n被定位成用於聯接到其中佈置有圓柱形電池單體的圓柱形電池殼體的端子。例如，如圖2C的局部截面視圖所展示的，捲繞式配置的陰極210和陽極220可以佈置在圓柱形殼體230內，並且陰極210可以聯接到被佈置在該圓柱形殼體的端部處的正端子231(陽極220類似地聯接到負 端子，未示出)。因為電極極耳211a至211n沿陰極210的縱向長度的可觀長度(例如，至少是大於兩倍CO的長度(LCE>2˙CO)，並且在所展示的示例中是等於或基本上等於陰極長度的長度)散佈，因此電極極耳211a至211n提供促進具有相對較低阻抗的圓柱形電池單體的配置，並且因此提供了相對較高功率和較高能量密度的電池配置。
應當理解，儘管為了簡化說明未在圖2C中示出電解質301，但是其被佈置在以捲繞式配置並置的陽極220和陰極210的相對表面之間。在圖2C中也未示出，可以在陽極220的外表面與圓柱形殼體230的內表面之間施加黏合劑(例如，膨脹帶、膠水、膠帶等)，以用於固定圓柱形電池單體以防止其在電池內移動。
在提供相對較低阻抗的電池實施方式中，實施例的電極極耳211a至211n共同聯接到圓柱形殼體230的正端子231。例如，電極極耳211a至211n優選地在捲繞式配置的外圓周尺寸的至少兩倍的整個長度上不均等地間隔開(例如，在整個長度LCE和/或LAE上不均等地間隔開，其中，LCE和LAE均>2˙CO)，其中，當陰極210的平面主體以捲繞式配置捲繞時，不均等間隔開的第一電極極耳被配置成並置排列。在將陰極210和陽極220捲繞成捲繞式配置之後，可以關於電極極耳211a至211n的電極材料的遠端邊緣施加平滑工藝，以針對並置的電極極耳211a至211n的電極材料提供均勻的高度。這種平滑可以包括修整電極材料、將電極極耳中的多個相鄰電極極耳壓縮在一起、折疊或滾動電極極耳中的壓縮在一起的相鄰電極極耳等。圖2C例如展示了這樣的示例：其中，通過平滑工藝將所有並置的電極極耳211a至211n壓縮在一起(例如，聚集)並對其進行折疊，從而提供呈現均勻表面的低阻抗並置極耳單元以聯接到正端子231。電極材料的壓縮在一起的各部分可以例如進行雷射焊接和/或以其他方式導電地彼此附接(例如，釺焊、導電環氧樹脂等)。另外或可替代地，由電極材料的壓縮在一起的各部分提供的 均勻表面可以通過雷射焊、點焊、電阻焊等和/或其他導電附接方式(例如，釺焊、導電環氧樹脂等)連接到對應的表面，諸如正端子231的表面。
應當理解，儘管圖2C所展示的示例示出了電極極耳211a至211n的電極材料直接聯接到正端子231的表面，但是根據本發明的實施例，電極極耳211a至211n與正端子231之間的聯接可以是間接的。例如，電池監測電子器件(例如，過充電保護電路系統和/或深度放電保護電路系統)可以被佈置在圓柱形電池單體與圓柱形殼體的一個或多個端子之間。在這種實施例中，由電極材料的壓縮在一起的各部分提供的均勻表面可以連接到中間電池監測電子器件的表面(例如，焊盤)。
儘管圖2B和圖2C的局部截面視圖展示了圓柱形電池單體的、電極極耳211a至211n在其處延伸的端部，但是應當理解，圓柱形電池單體的與圖2A的示例相對應的另一個端部類似地提供電極極耳221a至221n在其處延伸的端部。因此，如以上關於電極極耳211a至211n所描述的，可以關於電極極耳221a至221n的電極材料施加平滑工藝，並且將電極極耳221a至221n的電極材料連接到對應的表面，諸如負端子的表面。
可以理解，根據圖2A至圖2C的示例，電極極耳211a至211n將陰極210的可觀部分聯接到正端子231，並且電極極耳221a至221n將陽極220的可觀部分聯接到負端子(未示出)。這種實施方式提供具有相對較低阻抗的圓柱形電池單體的配置。
根據本發明的實施例，一種用於根據上述電池配置100和200提供圓柱形電池實施方式的方法包括將陽極(例如，陽極120或220)的平面主體和陰極(例如，陰極110或210)的平面主體以捲繞式配置並置，並且在並置的陽極平面主體和陰極平面主體的相對表面之間佈置電解質(例如，電解質301)。如上所述，陽極或陰極中的至少一個包括在該捲繞式配置的外圓周(例如，CO)尺寸的至少兩倍 的長度上沿該平面主體的縱向邊緣佈置電極材料的電極配置(例如，電極構件111、電極構件121、電極極耳211a至211n、和/或電極極耳221a至221n)。該電極配置可以例如包括具有連續長度的電極材料的電極構件，該連續長度至少是捲繞式配置的外圓周尺寸的兩倍(例如，第一電極材料的連續長度可以等於或基本上等於第一平面主體的縱向邊緣的長度)。作為另一個示例，電極配置可以包括具有電極材料的、在捲繞式配置的外圓周尺寸的至少兩倍的長度上間隔開的多個電極極耳(例如，該多個電極極耳可以包括在至少是捲繞式配置的外圓周尺寸的兩倍的整個長度上不均等地間隔開的至少4個電極極耳，其中，當平面主體以捲繞式配置捲繞時，不均等間隔開的電極極耳被配置成並置排列)。
根據用於提供圓柱形電池實施方式的方法的實施例，可以關於電極配置實施平滑工藝，以提供均勻的表面從而聯接到圓柱形電池的對應端子。以捲繞式配置捲繞的、並置的陽極平面主體和陰極平面主體可以佈置在圓柱形電池的圓柱形殼體(例如，圓柱形殼體130或圓柱形殼體230)內，以及該圓柱形殼體的相應端子(例如，聯接到正端子131的電極構件111、聯接到負端子的電極構件121、聯接到正端子231的電極極耳211a至211n、和/或聯接到負端子的電極極耳221a至221n)的至少一個的電極材料內。將電極材料聯接到端子可以例如包括將電極構件聯接到圓柱形殼體的端子，使得該電極構件沿具有連續長度的電極材料的電極構件的縱向邊緣連續地連接。作為另一個示例，將電極材料聯接到端子可以包括將多個電極極耳作為單個並置極耳單元聯接到圓柱形殼體的端子。
可以使用用於提供與以上示例一致的圓柱形電池實施方式的方法來提供根據本發明的實施例的鋰離子電池(LiB)實施方式。根據這種方法提供的LiB(例如，使用電池配置100和200之一的LiB)被配置用於傳遞大於110瓦時每千克(Wh/kg)的能量密度並且具有大於2千瓦每千克(kW/kg)的功率密度。
使用實施根據本發明的實施例提供減小的電池阻抗的電池單體構 造技術的電池配置提供的電池非常適合用於構造高功率和高能量密度電池組的各種配置。例如，根據本發明的實施例的電池可以用於採用以下方式來構造具有多個單獨圓柱形電池單體的電池組：5串聯1並聯(5S1P)的構造、5串聯2並聯(5S2P)的構造、7串聯2並聯(7S2P)的構造、10串聯1並聯(10S1P)的構造、10串聯2並聯(10S2P)的構造、10串聯3並聯(10S3P)的構造、20串聯1並聯(20S1P)的構造、20串聯2並聯(20S2P)的構造、20串聯3並聯(20S3P)的構造、以及其他多種電池構造。
下表示出了採用21700格式的5Ah電池單體的特性，這些電池單體是根據以上示例使用連續長度的電極材料配置實施的並且已經被製成最大充電電壓為21V的5S1P構造的電池組。
由其構造成的、提供高功率和高能量密度的電池和電池組非常適合用於各種可擕式設備或無繩設備，諸如電動工具(例如，鑽機、鋸、剪草機、鼓風機、砂光機等)、小型器具(例如，混合器、攪拌機、咖啡研磨機等)、通信設備(例如，智慧手機、個人數位助理等)、以及辦公設備(例如，電腦、平板電腦、 印表機等)。例如，這種電池和電池組的改進的功率密度特性和能量密度特性有助於延長這種可擕式設備或無繩設備、可擕式設備或無繩設備中功率增加的電動機和/或其他部件等的使用。另外或可替代地，這種電池和電池組的改進的功率密度特性和能量密度特性使可擕式設備或無繩設備較便利或便於減小尺寸和/或重量。
儘管已經參考在各種可擕式設備或無繩設備中的使用描述了根據本發明的概念實施的電池和電池組的實施例，但是應當理解，這種電池和電池組的使用不限於此。根據本文的概念被配置成提供高功率和高能量密度的電池和電池組可以例如用於為諸如電動車輛、備用/不斷電供應系統供應器等設備供電。
儘管已經詳細描述了本發明及其優點，但是應當理解，在不脫離由所附申請專利範圍限定的本發明的精神和範圍的情況下，本文可以進行各種改變、替換和變更。此外，本申請的範圍不旨在限於說明書中描述的過程、機器、製造、物質組成、裝置、方法和步驟的具體實施例。如本領域普通技術人員從本發明的披露內容中將容易理解的，根據本發明可以利用目前存在或以後將要開發的、執行基本相同的功能或實現與本文所描述的相應實施例基本相同的結果的過程、機器、製造、物質組成、裝置、方法、或步驟。因此，所附申請專利範圍旨在將這樣的過程、機器、製造、物質組成、裝置、方法或步驟包括在其範圍內。
此外，本申請的範圍不旨在限於說明書中描述的過程、機器、製造、物質組成、裝置、方法和步驟的具體實施例。
(無)

Claims (25)

  1. 一種鋰離子電池(LiB)，包括： 陽極； 陰極； 電解質；以及 圓柱形殼體，其中，該陽極和該陰極在該圓柱形殼體內以捲繞式配置並置，在該捲繞式配置中該陽極與陰極每一者包含一與另一者的同心螺旋部分相交錯的同心螺旋部分，其中該電解質被佈置在以該捲繞式配置的陽極和陰極的相對表面之間， 沿著鋰離子電池之一第一電極之第一縱向邊緣佈置的一第一電極配置之一連續電極元件，其中該第一電極是該陽極或該陰極，且該鋰離子電池之一第二電極是該陽極或是該陰極中另一者，該連續電極元件包含超過一長度之連續長度的第一電極材料，該長度超過該捲繞式配置的外圓周兩倍的長度，且該連續電極元件材料延伸超出在捲繞式配置中與第二電極相交錯之該第一電極之該同心螺旋部分的一第一端，其中該連續長度之第一電極材料之相鄰同心部分是被壓縮在一起，形成一經壓縮的均勻表面，該均勻表面是直接連接到該圓柱形殼體之一負端子或一正端子，以及 沿著該第二電極之一第二縱向邊緣佈置之一第二電極配置的多個電極極耳，該多個電極極耳包含第二電極材料的突起件，其在超過該捲繞式配置的外圓周兩倍的長度之一長度全體上是不均等地間隔開，且該多個電極極耳延伸超出在捲繞式配置中與第一電極相交錯之該第二電極之該同心螺旋部分的一第二端，其中該第二電極材料的突起件之相鄰同心部分是被壓縮在一起，形成一經壓縮單一突起單元，該突起單元具有交錯排列之該多個突起件，且連接到電池監測電子器件之一焊盤，該電池監測電子器件是佈置在該第二電極與該圓柱形殼體之該負端子或該正端子中的另一者之間，其中， 該第一電極配置與該第二電極配置架構該鋰離子電池，以傳遞大於110瓦時每千克(Wh/kg)，並以大於2千瓦每千克(kW/kg)進行放電。
  2. 如請求項1所述的鋰離子電池，其中， 該陽極或該陰極中的至少一個包括沿一第一平面主體的一第一縱向軸線以該捲繞式配置捲繞的該第一平面主體，且 該陽極或該陰極中的另一個包括沿一第二平面主體的一第二縱向軸線以該捲繞式配置捲繞的該第二平面主體。
  3. 如請求項2所述的鋰離子電池，其中， 該第一電極配置是沿該第一縱向邊緣連續地聯接到該圓柱形殼體之該負端子或該正端子，且 該陰極包含以氧化鋰合金塗覆的導電材料，且該陽極包含以石墨塗覆的導電材料。
  4. 如請求項2所述的鋰離子電池，其中， 在超過該捲繞式配置的外圓周兩倍的長度之該長度全體上是不均等地間隔開之第二電極材料的該等突起件，當該第一平面主體以該捲繞式配置捲繞時，是被配置成並置排列。
  5. 如請求項1所述的鋰離子電池，其中， 該鋰離子電池是形成電池組的多個鋰離子電池之一者，並且 該多個鋰離子電池中的每個鋰離子電池被配置用於傳遞大於110瓦時每千克(Wh/kg)，並以大於2千瓦每千克(kW/kg)進行放電。
  6. 如請求項5所述的鋰離子電池，其中，該多個鋰離子電池包括選自由以下各項組成的組的電池組構造： 10串聯1並聯(10S1P)的構造； 10串聯2並聯(10S2P)的構造； 10串聯3並聯(10S3P)的構造；以及 20串聯3並聯(20S3P)的構造。
  7. 一種圓柱形電池，包括： 陽極； 陰極； 電解質；以及 圓柱形殼體，其中： 該陽極和該陰極在該圓柱形殼體內以捲繞式配置並置，在捲繞式配置中該陽極與陰極每一者包含一與另一者的同心螺旋部分相交錯的同心螺旋部分， 該電解質被佈置在以該捲繞式配置並置的陽極和陰極的相對表面之間， 該陽極或該陰極中的至少一個包括一第一平面主體，該第一平面主體沿該該第一平面主體的一第一縱向軸線以該捲繞式配置捲繞，其中該圓柱形電池之一第一電極是陽極或該陰極，該圓柱形電池之一第二電極是該陽極或是該陰極中另一者，以及 該第一電極包括沿著沿該第一平面主體的一第一縱向邊緣佈置之一第一電極配置的一連續電極元件，該連續電極元件包含超過一長度之連續長度的第一電極材料，該長度超過該捲繞式配置的外圓周兩倍的長度，且該連續電極元件材料延伸超出在捲繞式配置中與第二電極相交錯之該第一電極之該同心螺旋部分的一端，其中該連續長度之第一電極材料的相鄰同心部分是被壓縮在一起，形成一經壓縮的均勻表面，該均勻表面是直接連接到該圓柱形殼體之一負端子或一正端子，以及 該第二電極包括沿著該第二電極之一第二縱向邊緣佈置之一第二電極配置的多個電極極耳，該多個電極極耳包含第二電極材料的突起件，其在超過該捲繞式配置的外圓周兩倍的長度全體上是不均等地間隔開，且該多個電極極耳延伸超出在捲繞式配置中與第一電極相交錯之該第二電極之該同心螺旋部分的一第二端，其中該第二電極材料的突起件之相鄰同心部分是被壓縮在一起，形成一經壓縮單一突起單元，該突起單元具有交錯排列之該多個突起件，且連接到電池監測電子器件之一焊盤，該電池監測電子器件是佈置在該第二電極與該圓柱形殼體之該負端子或該正端子中的另一者之間，其中， 該第一電極配置與該第二電極配置架構該圓柱形電池，以傳遞大於110瓦時每千克(Wh/kg)，並以大於2千瓦每千克(kW/kg)進行放電。
  8. 如請求項7所述的圓柱形電池，其中，該第一電極配置沿具有該連續長度的第一電極材料的該第一電極配置的縱向邊緣連續地連接到該圓柱形殼體的負端子或正端子。
  9. 如請求項7所述的圓柱形電池，其中，該第二電極配置包括： 在超過該捲繞式配置的外圓周兩倍的長度之該長度全體上不均等地間隔開之第二電極材料的該等突起件，在當該第一平面主體以該捲繞式配置捲繞時，是被配置成並置排列。
  10. 如請求項7所述的圓柱形電池，其中， 該圓柱形電池是鋰離子電池(LiB)， 該圓柱形電池是形成電池組的多個圓柱形電池之一，其中，該多個圓柱形電池中的每個圓柱形電池被配置用於該電池組傳遞大於110瓦時每千克(Wh/kg)的能量，並以大於2千瓦每千克(kW/kg)進行放電。
  11. 一種用於提供圓柱形電池的方法，該方法包括： 將圓柱形電池之陽極的第一平面主體和陰極的第二平面主體以捲繞式配置並置，在該捲繞式配置中該陽極與陰極每一者包含一與另一者的同心螺旋部分相交錯的同心螺旋部分，並且在並置的該第一平面主體和該第二平面主體的相對表面之間佈置電解質，其中，該圓柱形電池之一第一電極是該陽極或該陰極，該圓柱形電池之一第二電極是該陽極或是該陰極中另一者，其中， 該第一電極包括沿著沿該第一平面主體或該第二平面主體的一第一縱向邊緣佈置之一第一電極配置的一連續電極元件，該連續電極元件包含一超過一長度之連續長度的第一電極材料，該長度超過該捲繞式配置的外圓周兩倍的長度，且該連續電極元件延伸超出在捲繞式配置中與第二電極相交錯之該第一電極之該同心螺旋部分的一第一端，其中該連續長度之第一電極材料之相鄰同心部分是被壓縮在一起，形成一經壓縮的均勻表面，該均勻表面是直接連接到該圓柱形電池之一負端子或一正端子，以及 該第二電極包括沿著該第一平面本體或該第二平面本體之一第二縱向邊緣佈置之一第二電極配置的多個電極極耳，該多個電極極耳包含第二電極材料的突起件，其在超過該捲繞式配置的外圓周兩倍的長度之一長度全體上是不均等地間隔開，且該多個電極極耳延伸超出在捲繞式配置中與第一電極相交錯之該第二電極之該同心螺旋部分的一第二端，其中該第二電極材料的突起件之相鄰同心部分是被壓縮在一起，形成一經壓縮單一突起單元，該突起單元具有交錯排列之該多個突起件，且連接到電池監測電子器件之一焊盤，該電池監測電子器件是佈置在該第二電極與該圓柱形電池之該正端子或該負端子中的另一者之間，其中該第一電極配置與該第二電極配置架構該圓柱形電池，以傳遞大於110瓦時每千克(Wh/kg)，並以大於2千瓦每千克(kW/kg)進行放電， 將該第一與第二陰極平面主體佈置在圓柱形殼體內；以及 將該陽極或該陰極中的該至少一個的電極材料聯接到該圓柱形電池的該正端子或該負端子。
  12. 如請求項11所述的方法，其中該第一電極材料的連續長度基本上等於該第一平面主體的該第一縱向邊緣的長度。
  13. 如請求項11所述的方法，其中將該電極材料聯接到該負端子或正端子包括： 將該第一電極配置聯接到該圓柱形電池的該負端子或該正端子，使得該第一電極配置沿具有該連續長度的電極材料的該第一電極配置的該第一縱向邊緣連續地連接。
  14. 如請求項11所述的方法，其中， 該多個電極極耳包含至少8個該第二電極之突起件，以及 將該電極材料聯接到該端子包括： 將該突起單元聯接到連接到電池監測電子器件之該焊盤，該電池監測電子器件是佈置在該第二電極與該圓柱形電池之該負端子或該正端子之間。
  15. 如請求項2所述的鋰離子電池，其中在該第一電極捲繞成該捲繞式配置之前，該第一電極材料是沿著該第一電極之該第一縱向邊緣配置。
  16. 如請求項11所述的方法，其進一步包含 平滑化該第一電極材料的一遠端邊緣，其中該平滑化該電極材料的該遠端邊緣包含： 修整該電極材料之一部分， 將多個相鄰同心部分壓縮在一起，以及 折疊或滾動同心螺旋部分中的被壓縮在一起的相鄰同心螺旋部分，以形成經壓縮的均勻表面。
  17. 如請求項1所述的鋰離子電池，其中該鋰離子電池是形成一電池組之多個鋰離子電池中的一個，且其中該多個鋰離子電池包括選自由以下各項組成的群的電池組構造： 10串聯1並聯(10S1P)的構造； 10串聯2並聯(10S2P)的構造；以及 10串聯3並聯(10S3P)的構造。
  18. 如請求項1所述的鋰離子電池，其中該鋰離子電池是形成一電池組之多個鋰離子電池中的一個，且其中該多個鋰離子電池包括20串聯3並聯(20S3P)的構造。
  19. 如請求項11所述的方法，其進一步包含： 形成一包含多個圓柱形電池的電池組，該電池組包括該圓柱形電池，其中該電池組包含20串聯3並聯(20S3P)的構造。
  20. 如請求項1所述的鋰離子電池，其中該連續電極元件之連續長度是大於在該捲繞式配置的外圓周尺寸的兩倍，且小於該第一電極之該第一縱向邊緣的長度。
  21. 如請求項1所述的鋰離子電池，其中該連續電極元件之連續長度是大於在該捲繞式配置的外圓周尺寸的兩倍，且是該第一電極之該第一縱向邊緣的之長度的一半。
  22. 如請求項7所述的圓柱形電池，其中該連續電極元件之連續長度是大於在該捲繞式配置的外圓周尺寸的兩倍，且小於該第一電極之該第一縱向邊緣的長度。
  23. 如請求項7所述的圓柱形電池，其中該連續電極元件之連續長度是大於在該捲繞式配置的外圓周尺寸的兩倍，且是該第一電極之該第一縱向邊緣的之長度的一半。
  24. 如請求項11所述的方法，其中該連續電極元件之該連續長度是大於在該捲繞式配置的外圓周尺寸的兩倍，且小於該第一電極之該第一縱向邊緣的長度。
  25. 如請求項11所述的方法，其中該連續電極元件之連續長度是大於在該捲繞式配置的外圓周尺寸的兩倍，且是該第一電極之該第一縱向邊緣的之長度的一半。
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