[发明专利]具有弹性柔顺壳体的可再充电电池

说明书

具有弹性柔顺壳体的可再充电电池包括壳体和至少一个电池单元。壳体包括一对基本上刚性的端板以及弹性柔顺结构，所述弹性柔顺结构连接端板，使得端板在彼此基本平行的相应平面内取向并界定它们之间的间隙。每个电池单元容纳在壳体中、处于端板之间的间隙中，并且包括阳极、阴极以及在阳极和阴极之间的隔板。弹性柔顺结构连接端板并且包括弹性部件，所述弹性部件沿着正交于端板所取向的平面的轴线呈现出大于3％的弹性膨胀。

背景

可再充电电池或二次电池以及包括多个单元(cell)的电池具有广泛的应用，需要持续改进电池性能。电池组设计中的常见问题在于电池组本身的机械设计，其中电池需要在其寿命期间调整电池的尺寸变化。这些尺寸变化可以是电池老化时电池尺寸的逐渐增加(即“膨胀”)的形式，或者是在每个循环过程期间电池尺寸的循环变化(即“呼吸”)的形式。例如，在Pb-酸电池中，主要的尺寸变化通常是由于Pb硫酸盐随着单元中的副反应逐渐积累而引起的膨胀。

锂离子单元通常包含根据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体结构(例如石墨负极和层状过渡金属氧化物正极材料)，而不会引起主体材料的大的结构变化。在插入反应发生在两个电极上的锂离子单元的情况下，在循环(即呼吸)期间，存在相对小的尺寸变化(通常0.5％的体积摆动)，因为Li的部分摩尔体积在两个电极上都接近零。此外，不可逆膨胀(即膨胀)通常受到固体电解质界面(SEI)层的缓慢生长的限制。根本上，在循环期间这些有限的尺寸变化为单元中的电化学反应提供了高度的可逆性；然而，有限的尺寸变化也限制了电极堆叠的能量密度，并且因此也限制了单元的能量密度。

普遍认为，能量密度的显著改进可以通过从纯插入主体反应迁移到操作期间涉及根本不同的物理过程的电极反应来实现，因为与插入相比，后面的反应允许更密集地存储Li离子。在这些反应中的是转化反应、置换反应、合金化反应和金属沉积。然而，这些反应类型通常与电极材料内相对较大的结构变化(例如，≥5％的体积膨胀)相关联，并且因此与电池单元相关联。也就是说，单元有时据说会“呼吸”，作为充电和放电期间物理膨胀和收缩的特性。根本上，由于单元中的电化学反应引起的高度重复的体积膨胀和收缩将与单元组件(例如，电极堆叠、单元和电池包装疲劳)的更高比例的机械退化一致，导致单元、循环寿命、功率密度和安全操作的裕度的恶化，从而抵消能量密度的增加。

在常规插入电池的情况下，在其小得多的膨胀和收缩的情况下，已经存在多种尝试来减轻重复的单元呼吸(即，电池单元厚度的重复膨胀和收缩)的不利影响。通常，现有的电池组件以能量密度的代价来减轻呼吸的影响，因为它们提供空隙空间，容纳额外的材料以产生空隙(例如碳、聚合物)，或者提供机械支撑(例如厚壁、“拱形”或非线性角度)。例如，US 5,879,831公开了一种允许单向膨胀的电池外壳设计，这种单向膨胀通过向该方向施加外部机械计数器来容易地补偿。在该模块中，电池在外部机械压缩下被束缚在模块束/压缩装置内，该模块束/压缩装置被优化以平衡由于膨胀引起的向外压力并提供额外的向内压缩以减小正极和负极之间的距离，从而增加总电池功率。产生的电池具有60Wh/kg的能量密度。