具有一个或多个分段集流器的电化学电池及其制造方法技术

本文所述的实施例涉及具有被划分为多个片段的一个或多个集流器的电化学电池及其制造方法。被划分为多个片段的集流器包括基本平坦的导电材料，该导电材料包括连接区域和电极区域。电极区域包括限定多条电子流动路径的一个或多个分隔件。所述多条电子流动路径引导电子从电极区域到连接区域的流动。在一些实施例中，集流器包括被部署在电极区域和连接区域之间的熔断器区段。在一些实施例中，熔断器区段能够包括导电材料的薄条，使得导电材料的薄条在熔化温度下熔化并且基本上防止电子在电极区域和连接区域之间的移动。区域和连接区域之间的移动。区域和连接区域之间的移动。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】具有一个或多个分段集流器的电化学电池及其制造方法
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求于2020年6月4日提交的题为“Electrochemical Cell with One or More Segmented Current Collectors and Methods of Making Same”的美国临时专利申请序列No.63/034,575的优先权和权益，其公开内容通过引用整体并入本文。


[0003]本文描述的实施例涉及电化学电池中的热失控预防。

技术介绍

[0004]电化学电池中的热失控会具有破坏性和危险的后果。当电化学电池中或在电化学电池中的点或部分处的内部发热速率超过可以排出热量的速率时，发生热失控。热失控会破坏电活性材料，并会潜在地对电化学电池附近的任何人造成危险或危及生命。虽然热失控会发生在许多不同的电化学电池化学物质中，但由于锂离子电化学电池组件的高反应性，热失控常常与锂离子电化学电池有关。如果电化学电池中或电化学电池的一部分中的温度足够高，那么会发生火灾和爆炸。电化学电池热失控的常见原因是短路事件。当一块导电材料与阳极和阴极都发生电接触时，会出现高电流和持续电流，从而导致温度快速增加和热失控。内置安全机制是防止电化学电池热失控的重要创新。

技术实现思路

[0005]本文所述的实施例涉及具有一个或多个被划分为片段的集流器的电化学电池及其制造方法。被划分为片段的集流器包括基本平坦的导电材料，该导电材料包括连接区域和电极区域。电极区域包括限定多条电子流动路径的一个或多个分隔件。多条电子流动路径引导电子在电极区域和连接区域之间的流动。在一些实施例中，集流器包括部署在电极区域和连接区域之间的熔断器区段。在一些实施例中，熔断器区段可以包括导电材料的薄条，使得导电材料的薄条在熔化温度下熔化并且基本上防止电子在电极区域和连接区域之间移动。在一些实施例中，导电材料的薄条可以在大于大约200℃的温度下熔化。在一些实施例中，基本平坦的集流器可以具有x轴和y轴，并且一个或多个分隔件可以基本上阻止电子在具有恒定y值的x方向上的移动。
附图说明
[0006]图1A
‑
图1B示出了遭受短路事件的典型电化学电池的集流器。
[0007]图2是根据实施例的具有短路热失控预防机制的集流器的示意图。
[0008]图3A
‑
图3C是根据实施例的具有短路热失控预防机制的集流器的图示。
[0009]图4A
‑
图4F是根据实施例的具有短路热失控预防机制的集流器的图示。
[0010]图5是根据实施例的具有短路热失控预防机制的集流器的图示。
[0011]图6是根据实施例的具有短路热失控预防机制的集流器的图示。
[0012]图7是根据实施例的具有短路热失控预防机制的集流器的图示。
[0013]图8是根据实施例的具有短路热失控预防机制的电化学电池的图示。
具体实施方式
[0014]本文所述的实施例涉及具有一个或多个被划分为片段的集流器的电化学电池及其制造方法。电化学电池中的热失控常常是由引导电子流过短路点的短路事件造成的。这种行为的示例在图1A
‑
图1B中示出。图1A示出了正常操作下典型电化学电池(未示出)的集流器100。集流器100包括连接区域110和电极区域120。连接区域110将集流器100和电化学电池连接到外部电路，而电极材料(未示出)部署在电极区域120上。如图所示，集流器100充当阴极集流器。在典型的放电期间，来自阳极集流器的电子经由外部电路转移到阴极集流器100。电子遵循流动路径A1从外部电路迁移到连接区域110和电极区域120。供参考，图1A
‑
图1B包括具有x轴和y轴的坐标图。如图所示，集流器100被描绘为具有处于比电极区域120更高的y值的连接区域110。
[0015]图1B示出了集流器100在短路点150处发生短路事件。由于电子遵循最小电阻路径，因此来自阳极和阳极集流器(未示出)的电子迁移通过短路点150到阴极集流器100。电子沿着电子流动路径B1(被描绘为比电子流动路径A1更粗的线以表示更大的电子流动密度)从短路点150迁移到电极区域120，其中电子在阴极晶体结构中与迁移离子组合。集流器100不包括电子移动的屏障或障碍，因此电子可以自由地遵循阻力最小的路径移动并且在x方向和y方向上自由移动。在电子能够不受限制地移动通过集流器100的情况下，电子可以从短路点150在任何数量的直接电子流动路径B1中移动。换句话说，集流器100的电阻率基本上是各向同性的。通过短路点150的不受限制的电流流动可以激发集流器100的材料并且可以导致集流器100和电化学电池中的温度快速增加，潜在地导致热失控。将高温与电化学电池中电活性物质的反应性相结合会导致着火、火灾和/或爆炸。
[0016]在电化学电池中使用热失控保护机制可以降低着火的风险。较低的点火风险既是经济优势，也是安全优势。热失控预防机制可以防止电化学材料被高温或点火事件破坏。这在经济上是有利的，因为需要更少的更换零件。此外，热失控预防可以使完全组装的电化学电池的运输更加安全。电池运输常常是安全问题的根源，因为电化学电池容易因运输造成的碰撞和干扰而着火、起火和/或爆炸。结合热失控保护可以增加运输完全组装的电池的便利性，减少现场电池构建的需要。
[0017]目前存在几种机制用于防止电化学电池中的热失控。常见的策略是向电化学电池添加绝缘材料。可以将绝缘材料或者添加到单个电化学电池的内部或者添加到串联或并联连接的电化学电池之间的层。使用绝缘材料会出现能量/功率密度和比能量/功率方面的问题。包括使用一个电化学电池或电化学电池系统的大多数应用具有有限量的用于电化学电池的空间。例如，电动汽车常常采用标准尺寸的外壳，其中装有电化学电池。当本可以由电活性材料占据的空间的一部分被绝缘材料占据时，电化学电池的能量密度和功率密度降低。即使在空间最不重要的应用中，绝缘材料仍然会增加电化学电池或电化学电池系统的质量。这是不会增加电化学电池中的能量的增加的质量。因此，绝缘材料阻碍电化学电池或电化学电池系统的比能量和比功率。
[0018]通过经一个或多个分隔件将集流器划分为多个片段，可以引导电子的流动，使得
的部分旨在传达，虽然该部分的线性是期望的，但是一些非线性可能出现在“基本上线性”部分中。这种非线性可能由制造公差或其它实践考虑(诸如，例如，施加到支撑构件的压力或力)引起。因此，由术语“基本上”修饰的几何构造包括在所述几何构造的正负5％的公差内的这种几何特性。例如，“基本上线性”部分是定义轴线或中心线的在线性的正负5％以内的部分。
[0026]如本文所使用的，术语“集合”和“多个”可以指代若干特征或具有若干部分的单个特征。例如，当提及电极集合时，该电极集合可以被认为是具有若干部分的一个电极，或者该电极集合可以被认为是若干个不同的电极。此外，例如，当提及多个电化学电池时，该多个本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种设备，包括：基本平坦的导电材料，包括连接区域和电极区域，电极区域包括限定多条电子流动路径的分隔件，所述多条电子流动路径被配置为引导电子从电极区域到连接区域的流动。2.如权利要求1所述的设备，还包括：熔断器区段，被部署在电极区域和连接区域之间。3.如权利要求2所述的设备，其中熔断器区段包括导电材料的薄条。4.如权利要求3所述的设备，其中导电材料的薄条在大于大约200℃的温度下熔化。5.如权利要求4所述的设备，其中导电材料的薄条的熔化至少部分地抑制连接区域和电极区域之间的电子流动。6.如权利要求3所述的设备，其中导电材料的薄条具有介于大约50μm和大约1mm之间的宽度。7.如权利要求1所述的设备，其中基本平坦的导电材料具有x轴和y轴，并且多个分隔件基本上抑制电子在具有恒定y值的x方向上的移动。8.如权利要求1所述的设备，其中在短路事件期间，设备的平均温度增加小于大约25℃。9.如权利要求1所述的设备，其中所述多条电子流动路径中的每条电子流动路径在电极区域的子区域上，所述子区域中的每个子区域不直接彼此耦合。10.如权利要求1所述的设备，其中电极区域包括多个分隔件。11.一种电化学电池，包括：阳极集流器，具有连接区域和电极区域，电极区域包括分隔件，分隔件将电极区域划分为多个子区域，所述多个子区域不直接彼此耦合；阳极，被部署在阳极集流器上；阴极集流器，具有左侧和右侧；阴极，被部署在阴极集流器上；以及分离件，被部署在阳极和阴极之间。12.如权...

【专利技术属性】
技术研发人员：R，
申请(专利权)人：二四M技术公司，
类型：发明
国别省市：