[發明專利]具有彈性柔順殼體的可再充電電池

有效

• 申請號: 201780084293.8
• 申請日: 2017-11-27
• 公開（公告）號: CN110915053B
• 公開（公告）日: 2023-05-12
• 發明（設計）人: 克里斯多佛·費舍爾;托馬斯·吉盧利;大衛·伊格爾沙姆;羅伯特·多伊
• 申請（專利權）人: 維金電力系統有限公司
• 主分類號: H01M10/0585
• 分類號: H01M10/0585;H01M10/0525;H01M50/107;H01M50/14;H01M50/179
• 代理公司: 北京市磐華律師事務所 11336
• 代理人: 高偉

具有彈性柔順殼體的可再充電電池包括殼體和至少一個電池單元。殼體包括一對基本上剛性的端板以及彈性柔順結構，所述彈性柔順結構連接端板，使得端板在彼此基本平行的相應平面內取向并界定它們之間的間隙。每個電池單元容納在殼體中、處于端板之間的間隙中，并且包括陽極、陰極以及在陽極和陰極之間的隔板。彈性柔順結構連接端板并且包括彈性部件，所述彈性部件沿著正交于端板所取向的平面的軸線呈現出大于3％的彈性膨脹。

背景

可再充電電池或二次電池以及包括多個單元(cell)的電池具有廣泛的應用，需要持續改進電池性能。電池組設計中的常見問題在于電池組本身的機械設計，其中電池需要在其壽命期間調整電池的尺寸變化。這些尺寸變化可以是電池老化時電池尺寸的逐漸增加(即“膨脹”)的形式，或者是在每個循環過程期間電池尺寸的循環變化(即“呼吸”)的形式。例如，在Pb-酸電池中，主要的尺寸變化通常是由于Pb硫酸鹽隨著單元中的副反應逐漸積累而引起的膨脹。

鋰離子單元通常包含根據嵌入原理操作的活性材料，其中Li⁺以可逆方式移入和移出主體結構(例如石墨負極和層狀過渡金屬氧化物正極材料)，而不會引起主體材料的大的結構變化。在插入反應發生在兩個電極上的鋰離子單元的情況下，在循環(即呼吸)期間，存在相對小的尺寸變化(通常0.5％的體積擺動)，因為Li的部分摩爾體積在兩個電極上都接近零。此外，不可逆膨脹(即膨脹)通常受到固體電解質界面(SEI)層的緩慢生長的限制。根本上，在循環期間這些有限的尺寸變化為單元中的電化學反應提供了高度的可逆性；然而，有限的尺寸變化也限制了電極堆疊的能量密度，并且因此也限制了單元的能量密度。

普遍認為，能量密度的顯著改進可以通過從純插入主體反應遷移到操作期間涉及根本不同的物理過程的電極反應來實現，因為與插入相比，后面的反應允許更密集地存儲Li離子。在這些反應中的是轉化反應、置換反應、合金化反應和金屬沉積。然而，這些反應類型通常與電極材料內相對較大的結構變化(例如，≥5％的體積膨脹)相關聯，并且因此與電池單元相關聯。也就是說，單元有時據說會“呼吸”，作為充電和放電期間物理膨脹和收縮的特性。根本上，由于單元中的電化學反應引起的高度重復的體積膨脹和收縮將與單元組件(例如，電極堆疊、單元和電池包裝疲勞)的更高比例的機械退化一致，導致單元、循環壽命、功率密度和安全操作的裕度的惡化，從而抵消能量密度的增加。

在常規插入電池的情況下，在其小得多的膨脹和收縮的情況下，已經存在多種嘗試來減輕重復的單元呼吸(即，電池單元厚度的重復膨脹和收縮)的不利影響。通常，現有的電池組件以能量密度的代價來減輕呼吸的影響，因為它們提供空隙空間，容納額外的材料以產生空隙(例如碳、聚合物)，或者提供機械支撐(例如厚壁、“拱形”或非線性角度)。例如，US?5,879,831公開了一種允許單向膨脹的電池外殼設計，這種單向膨脹通過向該方向施加外部機械計數器來容易地補償。在該模塊中，電池在外部機械壓縮下被束縛在模塊束/壓縮裝置內，該模塊束/壓縮裝置被優化以平衡由于膨脹引起的向外壓力并提供額外的向內壓縮以減小正極和負極之間的距離，從而增加總電池功率。產生的電池具有60Wh/kg的能量密度。