[发明专利]低长宽比电池

说明书

一种电化学电池包括：包括至少一对卷绕或堆叠的正极和负极的电极组件，包括绝缘软质柔性袋体的壳体，所述袋体封闭所述电极组件。所述电极组件以及每个正极和负极分别具有平行于一组公共正交轴测量的厚度、宽度和长度，其中(i)所述厚度表示每个正极和负极的最小尺寸，但表示整个所述电极组件的最大尺寸，(ii)所述宽度表示垂直于所述厚度的最大尺寸，以及(iii)所述电极组件的所述宽度与所述厚度的长宽比小于1。

背景技术

可再充电电池或二次电池以及由多个电池组成的电池组具有广泛的应用，这需要电池性能的持续改进。电池组设计中的常见问题是电池组本身的机械设计。这是由于电池在其使用寿命期间需要适应电池的尺寸变化。这也可能是由于电池的尺寸随着电池老化而逐渐增大(“溶胀”)，也可能是由于电池在每个循环过程中尺寸的周期性变化(“呼吸”)。例如，在铅酸电池中，主要尺寸变化通常是由于硫酸铅的逐步积累引起的膨胀，这是电池内的一种副反应。

锂离子电池通常包含以嵌入原理工作的活性材料，其中Li+离子以可逆的方式进出主体结构(例如，石墨负极和层状过渡金属氧化物正极材料)，不会导致主体材料发生较大的结构变化。对于在两个电极上都发生嵌入反应的锂离子电池，因为两个电极上Li的部分摩尔体积接近零，所以在循环(“呼吸”)过程中尺寸变化相对较小(通常小于0.5％的体积波动)。此外，不可逆膨胀(“溶胀”)通常受固体电解质中间相(SEI)层的缓慢生长限制。从根本上讲，循环过程中这些有限的尺寸变化为电池中的电化学反应提供了高度的可逆性。然而，它也限制了电极堆栈的能量密度，因此也限制了电池的能量密度。

人们普遍认为，能量密度的显著提高可以通过从纯嵌入主体反应转移到在操作过程中涉及完全不同的物理过程的电极反应获得，因为与嵌入反应相比，后者反应允许更密集地存储锂离子。这些反应包括转化反应或置换反应、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部以及，因此电池单元内的相对较大的结构变化有关(例如，≥5％的体积膨胀)。即，有时将电池称为“呼吸”，以作为充电和放电期间物理膨胀和收缩的表征。从根本上说，由于电池中的电化学反应引起的高度重复的体积膨胀和收缩将与较高比例的电池组(例如，电极堆栈、电池和电池组件疲劳)的机械降解相一致，从而导致电池性能、循环寿命、功率密度和安全操作余量的退化，进而抵消了能量密度的增加。

锂离子电池的形状因素包括圆柱体(例如，18650或AA型)、纽扣电池(手表型)和棱柱形电池(手机型)。商业圆柱形可再充电锂离子电池(电池组)通常的长宽比a>1，其中a＝w/t，其中宽度w是平行于电极层的最大尺寸(平行于电极层的最大正交尺寸)，其中t是垂直于电极层的最大尺寸。众所周知选择这种高长宽比的原因是，卷绕式电池中的圆柱体的“端部”是开销(即，电池中的结构或体积对电池的存储容量没有贡献)。为了防止由于电池短路而导致的故障，其优点是绝缘体和电池的每个端部处的一个电极重叠。该重叠区域具有有限的最小尺寸，这增加了整个电池的大小，但没有贡献容量。电池堆栈中的最后一层(卷绕式电池的外圆柱壁)也有助于开销，但是最小尺寸更小。圆柱形卷绕电池通常在顶部也有安全装置，这进一步增加了开销。因此，为了使总体的电池开销最小化，对于给定的体积圆柱形电池的优点是在“末端”有极小的体积来容纳额外的结构。

授予Gaugler的美国专利号2012/0100406公开了将卷绕式锂离子电池装配到的锂金属纽扣形状因素(即硬质金属外壳)内的方法，该锂金属纽扣形状因素具有焊接到壳体上的连接器。授予Brilmyer的美国专利号8，728，651公开了一种长宽比小于1的螺旋卷绕阀控铅酸(“VRLA”)蓄电池。所公开的结构包括具有含水电解质和硬质聚合物或金属壳体的铅酸化学物质。