[發明專利]低長寬比電池

在審

• 申請號: 201880034347.4
• 申請日: 2018-05-24
• 公開（公告）號: CN110770928A
• 公開（公告）日: 2020-02-07
• 發明（設計）人: D·伊格爾沙姆;C·費舍爾;R·多伊
• 申請（專利權）人: 維金電力系統有限公司
• 主分類號: H01M2/02
• 分類號: H01M2/02;H01M10/0525;H01M10/054
• 代理公司: 11336 北京市磐華律師事務所
• 代理人: 劉娟

一種電化學電池包括：包括至少一對卷繞或堆疊的正極和負極的電極組件，包括絕緣軟質柔性袋體的殼體，所述袋體封閉所述電極組件。所述電極組件以及每個正極和負極分別具有平行于一組公共正交軸測量的厚度、寬度和長度，其中(i)所述厚度表示每個正極和負極的最小尺寸，但表示整個所述電極組件的最大尺寸，(ii)所述寬度表示垂直于所述厚度的最大尺寸，以及(iii)所述電極組件的所述寬度與所述厚度的長寬比小于1。

背景技術

可再充電電池或二次電池以及由多個電池組成的電池組具有廣泛的應用，這需要電池性能的持續改進。電池組設計中的常見問題是電池組本身的機械設計。這是由于電池在其使用壽命期間需要適應電池的尺寸變化。這也可能是由于電池的尺寸隨著電池老化而逐漸增大(“溶脹”)，也可能是由于電池在每個循環過程中尺寸的周期性變化(“呼吸”)。例如，在鉛酸電池中，主要尺寸變化通常是由于硫酸鉛的逐步積累引起的膨脹，這是電池內的一種副反應。

鋰離子電池通常包含以嵌入原理工作的活性材料，其中Li+離子以可逆的方式進出主體結構(例如，石墨負極和層狀過渡金屬氧化物正極材料)，不會導致主體材料發生較大的結構變化。對于在兩個電極上都發生嵌入反應的鋰離子電池，因為兩個電極上Li的部分摩爾體積接近零，所以在循環(“呼吸”)過程中尺寸變化相對較小(通常小于0.5％的體積波動)。此外，不可逆膨脹(“溶脹”)通常受固體電解質中間相(SEI)層的緩慢生長限制。從根本上講，循環過程中這些有限的尺寸變化為電池中的電化學反應提供了高度的可逆性。然而，它也限制了電極堆棧的能量密度，因此也限制了電池的能量密度。

人們普遍認為，能量密度的顯著提高可以通過從純嵌入主體反應轉移到在操作過程中涉及完全不同的物理過程的電極反應獲得，因為與嵌入反應相比，后者反應允許更密集地存儲鋰離子。這些反應包括轉化反應或置換反應、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部以及，因此電池單元內的相對較大的結構變化有關(例如，≥5％的體積膨脹)。即，有時將電池稱為“呼吸”，以作為充電和放電期間物理膨脹和收縮的表征。從根本上說，由于電池中的電化學反應引起的高度重復的體積膨脹和收縮將與較高比例的電池組(例如，電極堆棧、電池和電池組件疲勞)的機械降解相一致，從而導致電池性能、循環壽命、功率密度和安全操作余量的退化，進而抵消了能量密度的增加。

鋰離子電池的形狀因素包括圓柱體(例如，18650或AA型)、紐扣電池(手表型)和棱柱形電池(手機型)。商業圓柱形可再充電鋰離子電池(電池組)通常的長寬比a>1，其中a＝w/t，其中寬度w是平行于電極層的最大尺寸(平行于電極層的最大正交尺寸)，其中t是垂直于電極層的最大尺寸。眾所周知選擇這種高長寬比的原因是，卷繞式電池中的圓柱體的“端部”是開銷(即，電池中的結構或體積對電池的存儲容量沒有貢獻)。為了防止由于電池短路而導致的故障，其優點是絕緣體和電池的每個端部處的一個電極重疊。該重疊區域具有有限的最小尺寸，這增加了整個電池的大小，但沒有貢獻容量。電池堆棧中的最后一層(卷繞式電池的外圓柱壁)也有助于開銷，但是最小尺寸更小。圓柱形卷繞電池通常在頂部也有安全裝置，這進一步增加了開銷。因此，為了使總體的電池開銷最小化，對于給定的體積圓柱形電池的優點是在“末端”有極小的體積來容納額外的結構。

授予Gaugler的美國專利號2012/0100406公開了將卷繞式鋰離子電池裝配到的鋰金屬紐扣形狀因素(即硬質金屬外殼)內的方法，該鋰金屬紐扣形狀因素具有焊接到殼體上的連接器。授予Brilmyer的美國專利號8，728，651公開了一種長寬比小于1的螺旋卷繞閥控鉛酸(“VRLA”)蓄電池。所公開的結構包括具有含水電解質和硬質聚合物或金屬殼體的鉛酸化學物質。