用于能量存储设备的纵向约束制造技术

一种用于在充电状态和放电状态之间循环的能量存储设备，能量存储设备包括外壳、电极组件和在外壳内的非水液体电解质、以及约束，约束随着能量存储设备在充电状态和放电状态之间循环维持电极组件上的压力。

Longitudinal constraints for energy storage devices

An energy storage device used to circulate between the charging state and the discharge state. The energy storage device includes a shell, an electrode assembly, and a non water liquid electrolyte in the shell, and constraints, and the pressure is restrained as the energy storage device circulate the electrode assembly between the charging state and the discharge state.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于能量存储设备的纵向约束
本公开通常涉及用于能量存储设备的结构，涉及包含这种结构的能量存储设备以及用于制造这种结构和能量设备的方法。
技术介绍
摇椅或插入式二次电池是一种类型的能量存储设备，其中，诸如锂离子、钠离子、钾离子、钙离子、镁离子或铝离子的载体离子通过电解质在正极和负极之间移动。二次电池可以包括单个电池单元或已经电耦接以形成电池的两个或多个电池单元，其中，每个电池单元包括正极、负极、微孔隔膜以及电解质。在摇椅式电池单元中，正极和负极结构都包括载体离子在其中插入和抽出的材料。当电池放电时，载体离子从负极抽出并插入到正极中。当电池充电时，发生相反的过程：载体离子从正极抽出并插入到负极中。图1示出了现有能量存储设备(例如，非水、二次电池)的电化学堆叠(stack)的横截面图。电化学堆叠1包括以堆叠的方式的正极集流体3、正极活性材料层5、微孔隔膜7、负极活性材料层9和负极集流体11。每个层具有在电极堆叠方向上(即，如图1所示的从正极集流体3到负极集流体11的方向上)测量的高度，其显著地小于(例如，至少十倍小于)分别在相互垂直和垂直于电极堆叠方向的方向上测量的每个层的长度和宽度。现在参考图2，具有顶部15和底部17的卷13(有时被称为“凝胶卷”)通过围绕中心轴19卷绕电化学堆叠而形成；然后将卷13装入到罐(未示出)中，并填充非水电解质以组装二次电池。如图2所示，层的电极堆叠方向与中心轴19正交。现有的能量存储设备(诸如电池、燃料电池以及电化学电容器)通常具有如图1和2所示的二维层状结构(例如，平面或螺旋卷绕的叠层)，其中，每个叠层的表面积大致等于其几何覆盖(忽略孔隙率和表面粗糙度)。文献中已经提出三维电池作为提高电池容量和活性材料利用率的方法。已经提出，与二维的层状电池结构相比，可以使用三维结构来提供更高的表面积和更高的能量。由于可以从小的几何区域获得的能量增加，制造三维能量存储设备是有益的。参见例如Rust等，WO2008/089110以及Long等，“Three-DimensionalBatteryArchitectures”，ChemicalReviews，(2004)，104,4463-4492。传统的卷绕电池(参见例如美国专利号6,090,505和6,235,427以及图2)通常具有涂覆到单个箔上且在电池组装之前压缩的电极材料(活性材料、粘合剂、导电助剂)。在其上涂覆电极的箔通常是电流集合路径的部分。在诸如18650或方形电池的单个凝胶卷电池中，集流体箔被超声焊接到电极总线、接片(tab)、标签(tag)等，其将来自活性材料的电流通过集流体箔和接片运载到电池的外部。取决于设计，沿单个凝胶卷的多个位置中，或者沿集流体箔的一端或两端的一个位置可存在接片。常规的堆叠电池袋电池具有活性材料的多个板(或箔)，其中，每个箔的顶部上的区域随后被聚集并焊接在一起到接片；其然后将电流运载到电池袋的外部(参见例如美国专利公开号2005/0008939)。然而，与二次电池相关的挑战之一是电池的可靠性和循环寿命。例如，锂离子电池的电极结构随着电池重复充电和放电而趋向于扩张(膨胀)和收缩，这又会导致设备的电短路和故障。
技术实现思路
在本公开的各个方面中，提供用于能量存储设备(例如电池、燃料电池和电化学电容器)的三维结构。有利地，根据本公开的一个方面，可以增加电极活性材料相对于能量存储设备的其它部件(即，能量存储设备的非活性材料部件)的比例。结果，包括本公开的三维结构的能量存储设备可以具有增加的能量密度。对于存储的特定量的能量，它们还可以提供比二维能量存储设备更高的能量取回速率，例如通过最小化或减少正极和负极之间的电子和离子转移的运输距离。这些设备可能更适合于小型化，并且适合于其中可用于设备的几何区域受到限制和/或能量密度要求高于采用层状设备可实现的要求的应用。简而言之，因此，根据本公开的一个方面，提供了一种用于在充电状态和放电状态之间循环的能量存储设备。能量存储设备包括外壳、电极组件以及在外壳内的非水液体电解质，以及当能量存储设备在充电状态和放电状态之间循环时保持电极组件上的压力的约束。电极组件具有电极结构的组(population)、对电极结构的组以及在电极和对电极组的构件之间的电绝缘微孔隔膜材料。电极组件具有沿着纵向轴分开的相对的第一和第二纵向端表面以及围绕纵向轴并连接第一和第二纵向端表面的侧表面，第一和第二纵向端表面的组合表面积小于侧表面以及第一和第二纵向端表面的组合表面积的33％。电极组的构件和对电极组的构件在电极组件内的平行纵向轴的堆叠方向上以交替顺序设置。该约束具有通过将压缩构件朝向彼此拉动的至少一个拉紧构件连接的第一和第二压缩构件，并且该约束维持在堆叠方向上的电极组件上的压力，该压力超过在相互垂直且垂直于堆叠方向的两个方向中的每个方向上的电极组件上维持的压力。根据本公开的又一方面，提供了一种用于在充电状态和放电状态之间循环的二次电池，二次电池具有电池外壳、电极组件和电池外壳内的非水液体电解质、以及约束，该约束随着二次电池在充电状态和放电状态之间循环时维持电极组件上的压力。电极组件具有电极结构的组、对电极结构的组以及在电极和对电极组的构件之间的电绝缘微孔隔膜材料。电极组件具有沿纵向轴分开的相对的第一和第二纵向端表面，以及围绕纵向轴并连接第一和第二纵向端表面的侧表面，第一和第二纵向端表面的表面积小于电极组件的表面积的33％。电极组的构件和对电极组的构件在电极组件内的平行纵向轴的堆叠方向上以交替顺序设置。电极组和对电极组的构件在第一纵向表面上的投影包围第一投影区域，以及电极组和对电极组的构件在第二纵向表面上的投影包围第二投影区域。约束具有分别覆在第一和第二投影区域上面的第一和第二压缩构件，压缩构件通过覆在电极组件的侧表面上面的拉紧构件连接并且将压缩构件朝向彼此拉动，以及约束维持在堆叠方向上的电极组件上的压力，该压力超过在相互垂直且垂直于堆叠方向的两个方向中的每个方向上的电极组件上维持的压力。其它目的和特征将部分显而易见，并在下文中部分指出。附图说明图1是现有技术的二维能量存储设备(诸如锂离子电池)的电化学堆叠的电池的横截面。图2是现有技术的二维能量存储设备(诸如锂离子电池)的卷绕电化学堆叠的电池的横截面。图3A是具有三棱柱形状的本公开的电极组件的一个实施例的示意图。图3B是具有平行六面体形状的本公开的电极组件的一个实施例的示意图。图3C是具有矩形棱柱形状的本公开的电极组件的一个实施例的示意图。图3D是具有五边形棱柱形状的本公开的电极组件的一个实施例的示意图。图3E是具有六边形棱柱形状的本公开的电极组件的一个实施例的示意图。图4是本公开的二次电池的一个实施例的示意性分解图。图5A是图4的二次电池的电极组件的一个端部的示意性端视图。图5B是图5A的电极组件的相对端部的示意性端视图。图5C是图5A的电极组件的侧表面的示意性顶视图。图5D是图5A的电极组件的相对侧表面的示意性底视图。图6A是图4的二次电池的约束的示意性透视图。图6B示出了具有采用内部压缩构件的约束的电极组件的横截面的实施例。图6C示出了具有采用多个内部压缩构件的约束的电极组件的横截面的实施例。图7是本公开的二次电池的替代实施例的示意性分解本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于在充电状态和放电状态之间循环的能量存储设备，所述能量存储设备包括外壳、电极组件和所述外壳内的非水液体电解质、以及约束，所述约束随着所述能量存储设备在所述充电状态和所述放电状态之间循环维持所述电极组件上的压力，所述电极组件包括电极结构的组、对电极结构的组以及在电极和对电极组的构件之间的电绝缘微孔隔膜材料，其中所述电极组件具有沿纵向轴分开的相对的第一纵向端表面和第二纵向端表面，以及围绕所述纵向轴并连接所述第一纵向端表面和所述第二纵向端表面的侧表面，所述第一纵向端表面和所述第二纵向端表面的组合表面积小于所述侧表面以及所述第一纵向端表面和所述第二纵向端表面的组合表面积的33％，所述电极组的构件和所述对电极组的构件在所述电极组件内的平行所述纵向轴的堆叠方向上以交替顺序设置，所述约束包括通过将压缩构件朝向彼此拉动的至少一个拉紧构件而连接的第一压缩构件和第二压缩构件，以及所述约束维持在所述堆叠方向上的所述电极组件上的压力，所述压力超过在相互垂直且垂直于所述堆叠方向的两个方向中的每个方向上的所述电极组件上维持的压力。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.05.14 US 62/161,6211.一种用于在充电状态和放电状态之间循环的能量存储设备，所述能量存储设备包括外壳、电极组件和所述外壳内的非水液体电解质、以及约束，所述约束随着所述能量存储设备在所述充电状态和所述放电状态之间循环维持所述电极组件上的压力，所述电极组件包括电极结构的组、对电极结构的组以及在电极和对电极组的构件之间的电绝缘微孔隔膜材料，其中所述电极组件具有沿纵向轴分开的相对的第一纵向端表面和第二纵向端表面，以及围绕所述纵向轴并连接所述第一纵向端表面和所述第二纵向端表面的侧表面，所述第一纵向端表面和所述第二纵向端表面的组合表面积小于所述侧表面以及所述第一纵向端表面和所述第二纵向端表面的组合表面积的33％，所述电极组的构件和所述对电极组的构件在所述电极组件内的平行所述纵向轴的堆叠方向上以交替顺序设置，所述约束包括通过将压缩构件朝向彼此拉动的至少一个拉紧构件而连接的第一压缩构件和第二压缩构件，以及所述约束维持在所述堆叠方向上的所述电极组件上的压力，所述压力超过在相互垂直且垂直于所述堆叠方向的两个方向中的每个方向上的所述电极组件上维持的压力。2.根据权利要求1所述的能量存储设备，其中，所述能量存储设备是二次电池。3.根据权利要求1所述的能量存储设备，其中，所述约束包括覆在所述电极组件的纵向端表面上面的第一压缩构件和第二压缩构件。4.根据前述权利要求中任一项所述的能量存储设备，其中，所述约束包括在所述纵向端表面内部的至少一个压缩构件。5.根据前述权利要求中任一项所述的能量存储设备，其中，所述电极组和所述对电极组的所述构件在所述第一纵向表面上的投影包围第一投影区域，并且所述电极组和所述对电极组的所述构件在所述第二纵向表面上的投影包围第二投影区域，并且其中，所述第一投影区域和所述第二投影区域各自分别包括所述第一纵向端表面和所述第二纵向端表面的表面区域的至少50％。6.根据前述权利要求中任一项所述的能量存储设备，其中，所述电极组和所述对电极组的所述构件在所述第一纵向表面上的投影包围第一投影区域，并且所述电极组和所述对电极组的所述构件在所述第二纵向表面上的投影包围第二投影区域，并且其中，所述约束向所述第一投影区域和所述第二投影区域中的每一个投影区域施加至少0.7kPa的平均压缩力，分别在所述第一投影区域和所述第二投影区域的表面区域之上的平均。7.根据前述权利要求中任一项所述的能量存储设备，其中，所述约束向所述第一投影区域和所述第二投影区域中的每一个投影区域施加至少1.75kPa的平均压缩力，分别在所述第一投影区域和所述第二投影区域的表面区域之上的平均。8.根据前述权利要求中任一项所述的能量存储设备，其中，所述约束向所述第一投影区域和所述第二投影区域中的每一个投影区域施加至少2.8kPa的平均压缩力，分别在所述第一投影区域和所述第二投影区域的表面区域之上的平均。9.根据前述权利要求中任一项所述的能量存储设备，其中，所述约束向所述第一投影区域和所述第二投影区域中的每一个投影区域施加至少3.5kPa的平均压缩力，分别在所述第一投影区域和所述第二投影区域的表面区域之上的平均。10.根据前述权利要求中任一项所述的能量存储设备，其中，所述约束向所述第一投影区域和所述第二投影区域中的每一个投影区域施加至少5.25kPa的平均压缩力，分别在所述第一投影区域和所述第二投影区域的表面区域之上的平均。11.根据前述权利要求中任一项所述的能量存储设备，其中，所述约束向所述第一投影区域和所述第二投影区域中的每一个投影区域施加至少7kPa的平均压缩力，分别在所述第一投影区域和所述第二投影区域的表面区域之上的平均。12.根据前述权利要求中任一项所述的能量存储设备，其中，所述约束向所述第一投影区域和所述第二投影区域中的每一个投影区域施加至少8.75kPa的平均压缩力，分别在所述第一投影区域和所述第二投影区域的表面区域之上的平均。13.根据前述权利要求中任一项所述的能量存储设备，其中，所述约束向所述第一投影区域和所述第二投影区域中的每一个投影区域施加至少10kPa的平均压缩力，分别在所述第一投影区域和所述第二投影区域的表面区域之上的平均。14.根据前述权利要求中任一项所述的能量存储设备，其中，所述第一纵向端表面和所述第二纵向端表面的所述组合表面积小于所述电极组件的表面积的25％。15.根据前述权利要求中任一项所述的能量存储设备，其中，所述第一纵向端表面和所述第二纵向端表面的所述组合表面积小于所述电极组件的表面积的20％。16.根据前述权利要求中任一项所述的能量存储设备，其中，所述第一纵向端表面和所述第二纵向端表面的所述组合表面积小于所述电极组件的表面积的15％。17.根据前述权利要求中任一项所述的能量存储设备，其中，所述第一纵向端表面和所述第二纵向端表面的所述组合表面积小于所述电极组件的表面积的10％。18.根据前述权利要求中任一项所述的能量存储设备，其中，所述约束和所述外壳具有小于由所述外壳包围的体积的60％的组合体积。19.根据前述权利要求中任一项所述的能量存储设备，其中，所述约束和所述外壳具有小于由所述外壳包围的体积的45％的组合体积。20.根据前述权利要求中任一项所述的能量存储设备，其中，所述约束和所述外壳具有小于由所述外壳包围的体积的30％的组合体积。21.根据前述权利要求中任一项所述的能量存储设备，其中，所述约束和所述外壳具有小于由所述外壳包围的体积的20％的组合体积。22.根据前述权利要求中任一项所述的能量存储设备，其中，所述电极组的每个构件具有底部、顶部、长度LE、宽度WE、高度HE以及从每个这样的构件的所述底部延伸到所述顶部并且通常横向于所述堆叠方向的方向上的中心纵向轴AE，所述电极组的每个构件的所述长度LE在其中心纵向轴AE的方向上测量，所述电极组的每个构件的所述宽度WE在所述堆叠方向上测量，以及所述电极组的每个构件的所述高度HE在垂直于每个这样的构件的所述中心纵向轴AE以及垂直于所述堆叠方向的方向上测量，LE与所述电极组的每个构件的WE和HE中的每一个的比率分别至少为5:1，所述电极组的每个构件的HE与WE的比率分别在0.4:1和1000:1之间。23.根据前述权利要求中任一项所述的能量存储设备，其中，所述微孔隔膜材料包括颗粒材料和粘合剂，具有至少20vol％的空隙率，并且被所述非水液体电解质渗透。24.根据前述权利要求中任一项所述的能量存储设备，其中，所述拉紧构件足够靠近所述侧表面以当所述能量存储设备在所述充电状态与所述放电状态之间循环时抑制所述电极组件的屈曲。25.根据前述权利要求中任一项所述的能量存储设备，其中，所述拉紧构件与侧面之间的距离小于所述电极组件的最小费雷特直径的50％，其中，所述费雷特直径在与所述拉紧构件和所述电极组件的所述侧表面之间的距离相同的方向上测量。26.根据前述权利要求中任一项所述的能量存储设备，其中，所述拉紧构件与侧面之间的距离小于所述电极组件的最小费雷特直径的40％，其中，所述费雷特...

【专利技术属性】
技术研发人员：R·S·布萨卡，A·拉希里，M·拉马苏布拉马尼亚，B·A·瓦尔德斯，G·C·戴尔斯，C·J·斯宾特，G·M·霍，H·J·鲁斯特三世，J·D·威尔科克斯，J·F·瓦尔尼，K·H·李，N·沙阿，R·J·孔特雷拉斯，L·范埃尔登，K·S·马苏巴雅士，J·J·达尔顿，
申请(专利权)人：艾诺维克斯公司，
类型：发明
国别省市：美国,US