[0001] 政府权利
[0002] 本
发明是在政府支持下根据美国
能源部授予的DE-AR0000392进行的。在本发明中政府具有某些权利。
[0004] 本申请要求三个共同未决的临时
专利申请的优先权权益，如下：(i)2014年5月21日提交的题为“Electrochemical Cell with Enhanced Safety(具有增强安全性的
电化学电池)”且被分配序列号61/997,082的美国临时专利申请；(ii)2015年1月26日提交的题为“Lithium Ion Battery with Thermal Runaway Protection(具有热逃逸保护的
锂离子电池)”且被分配序列号62/107,630的美国临时专利申请；以及(iii)2015年1月26日提交的题为“Passive Insulation Materials(无源
隔热材料)”且被分配序列号62/107,845的美国临时专利申请。前述临时专利申请的全部内容通过引用结合于此。
技术领域
[0005] 本公开内容涉及锂离子电池，并且更具体而言，涉及具有改进的安全性和降低的制造成本的多芯锂离子电池。
背景技术
[0006] 由于如电动
汽车和
电网存储系统的应用以及如电动
自行车、不间断动
力电池系统和铅酸替换电池的其他多单元电池的应用的增长，对电化学动力电池单元(如锂离子电池)的需求日益增加。对这些应用而言，要求高
能量和功率
密度，但同样重要(如果不是更重要的)的是，要求低成本制造和提高的安全性以便能够实现广泛商业应用。还需要定制这些电池的能量功率比使其符合应用中的能量功率比。
[0007] 针对作为大型应用的电网存储和电动汽车，需要
串联和并联连接的多个电池单元的阵列。电池单元的供应商要么关注于大电池单元(本文中限定为每单个电池单元多于10Ah(安培小时))，要么关注于小电池单元(本文中限定为小于10Ah)。包含堆叠式或
层压式
电极的大电池单元(如棱柱形或
聚合物电池单元)由LG化学、AESC、ATL和其他供应商制造。
小电池单元(如18650或26650圆柱形电池单元、或者如183765或103450电池单元以及其他类似尺寸的棱柱形电池单元)由三洋、松下、EoneMoli、Boston-Power、Johnson Controls、Saft、BYD、金山等公司制造。这些小电池单元经常采用椭圆形或圆柱形的胶卷结构。一些小电池单元是类似于大电池单元具有堆叠式电极的聚合物电池单元，但容量较小。
[0008] 现有小单元电池和大单元电池都具有一些显著的缺点。关于小电池单元，如18650电池单元，它们具有通常被
外壳或‘罐’约束的缺点，这导致部分地由于机械
应力或
电解液匮乏而限制
循环寿命和使用寿命。随着锂离子电池被充电，电极膨胀。由于所述罐，电极的胶卷结构被约束，并且在胶卷结构中出现机械应力，这限制了它的生命周期。随着需要越来越多的存储容量，更有活性的
阳极和
阴极材料被插入给定体积的罐中，这导致电极上另外的机械应力。
[0009] 并且，增加在小电池单元中电解液的量的能力被限制，并且随着锂插层和脱层，电极运动将电解液从胶卷中挤出。这导致电极变得电解液匮乏，在功率耗用过程中产生锂离子的浓度梯度，以及电极干涸，从而产生副反应以及阻断离子路径的干燥区域，使得电池寿命降低。为了克服这些问题，特别是针对长寿命电池，使用者必须通过降低充电状态、限制电池单元的可用容量、或降低充电速率来在性能上折衷。
[0010] 在机械方面，小电池单元组装成大型阵列是困难且昂贵的。必须创建复杂的
焊接图案来使焊接故障的可能性最小。焊接故障导致更低的容量以及在有故障的焊接连接处潜在的加热。阵列中的电池单元越多，故障
风险越高且制造产率更低。这转化为更高的产品和保修成本。还存在不仅与在
焊缝和内部
短路中的故障问题而且与小电池单元的封装相关联的潜在安全问题。需要对小电池单元进行合适的封装以避免由于一个电池单元的故障引起的级联热逃逸。这种封装导致增加成本。
[0011] 对于大电池单元，缺点主要是围绕安全性、低容量和重量容量以及昂贵的制造方法。具有大面积电极的大电池单元相比较小的电池单元具有较低的制造产率。如果在大电池单元电极上存在
缺陷，则相比小电池单元的制造，更多的材料被浪费并且整体产率较低。例如，拿50AH电池单元与5Ah电池单元相比。50Ah电池单元中的缺陷相比5Ah电池单元产生
10倍的材料损失，即使在故障之间产生的Ah方面两种生产方法的缺陷以相同的速率出现。
[0012] 胶卷通常具有分别连接到阴极
集电器和阳极集电器的一对或多对接片。这些接片进而连接到正极
端子和负极端子。接片一般从胶卷延伸出一定的距离，这在电池单元中产生一些空隙空间，从而降低电池的
能量密度。此外，针对锂离子电池的高功率应用，如混合
电动车辆(HEV)，需要高
电流耗用。在这种情况下，一对接片可能不足以携带高电流负载，因为将在接片处产生过高
温度，造成安全问题。已经在
现有技术中提出了用于解决这些问题的各种解决方案。
[0013] 美国专利号6,605,382公开了用于阴极和阳极的多个接片。这些接片被连接到正
母线和负母线。由于接片通常焊接在阴极集电器和阳极集电器上，所以多个接片使胶卷制造(特别是卷绕工艺)很复杂，这增加了电池成本。此外，由于使接片焊接到集电器上的区域不具有活性材料涂层，所以多接片配置降低了电池的能量。
[0014] 为了解决由多个接片引起的这些问题，在锂离子胶卷中没有接片的解决方案已在该专利文献中提出并且目前用于高功率锂离子和超电容电池单元。这些解决方案的芯部件用于制造在胶卷的两端具有未涂覆的、裸露的阴极集电器和阳极集电器区域并且在这些端部处焊接过渡结构部件以收集电流。
[0015] 美国专利号8,568,916公开了采取Al和Cu盘形式的过渡集电器部件。这些盘通过金属带引线连接到正极端子和负极端子。类似的概念已在美国专利6,653,017、美国专利号8,233,267、美国专利公开号2010/0316897和美国专利公开号2011/0223455中被公开和教导。尽管这些公开内容可以免除来自胶卷中的阴极和阳极的接片，但用于将胶卷两端处的正集电器和负集电器连接至端子的附加装置是必需的，这仍在电池单元中留下空隙空间，虽然小于在具有接片的常规锂离子电池单元中的空隙空间。这损害电池单元的能量密度。
此外，这些解决方案仅用在单胶卷电池单元中。
[0016] 美国专利号6,605,382公开了一种正母线，其上连接有多个阴极接片，所述正母线直接焊接到一个盘上，所述盘进而焊接到
铝筒上。这消除了对罐底的需要，减少了电池单元的体积和重量。但该公开内容仅用于多接片系统。
[0017] 许多出版物已经公开了用于通过并联连接多个小电池单元来建立大容量单元的方法。这些解决方案的挑战在于合适地安排并配置电池单元接片和母线，并且它们受到低电池能量密度、低功率密度、高成本和低安全性的影响。在美国专利号8,088,509中，多个胶卷被
定位在单独的金属壳中。来自胶卷的接片连接至正母线和负母线。在美国专利号5,871,861中，多个单胶卷并联地连接。所述多个单胶卷的正极接片和负极接片连接到正母线和负母线。在WO 2013/122448中，公开了一种通过堆叠阴极板和阳极板形成的多个胶卷堆叠组成的锂离子电池单元。阴极接片和阳极接片被分别连接到正母线和负母线。在前述现有技术公开内容中，通过卷绕或电极堆叠形成的多个胶卷具有多个接片和母线并且被封装在金属壳中。
[0018] 在PCT/US 2013/064654中，已公开了新型的多芯锂离子结构。在这些结构之一中，多个胶卷被定位在针对单独的胶卷具有
内衬的壳体中。来自单独的胶卷的接片连接到正母线和负母线。
[0019] 针对大电池单元的另一个问题是安全性。在电池单元中释放的进入热逃逸过程中的能量与在热逃逸场景过程中残留在电池单元内部且可接近的电解液的量成正比。电池单元越大，可用于电解液的自由空间越大以便于充分地饱和电极结构。因为大电池单元每Wh的电解液量通常比小电池单元大，大单元电池在热逃逸过程中通常更剧烈并因此较不安全。自然地，任何热逃逸将取决于特定的场景，但是，通常，在灾难性事件的情况下，
燃料(电解液)越多，火势越强。此外，一旦大电池单元处于热逃逸模式，由电池单元产生的热量可诱发相邻电池单元中的热逃逸反应从而引起点燃整个
电池组的级联效应，带来对电池组和周围设备的巨大破坏以及针对使用者而言的不安全状况。
[0020] 例如，各种类型的电池单元已显示出在热逃逸条件下产生在600℃-900℃范围内的温度[Andrey W.Golubkov等人，Thermal-runaway experiments on consumer Li-ion batteries with metal-oxide and olivin-type cathodes(关于具有金属
氧化物和橄榄石型阴极的消费者锂离子电池的热逃逸实验)，RSC Adv.，2014，4，3633-3642]。这种高温可能会引燃附近的可燃物，从而造成火灾危险。升高的温度还可能会导致一些材料开始分解并产生气体。在这类事件期间产生的气体可能是有毒的和/或易燃的，从而进一步增加与不受控制的热逃逸事件相关联的危险。
[0021] 锂离子电池单元可能使用具有高挥发性和易燃性的有机电解液。这种电解液倾向于在150℃至200℃范围中起始的温度下分解，并且无论如何都具有显著的蒸气压力(即使是在分解开始之前)。一旦分解开始，就可能点燃所产生的气体混合物(通常为CO2、CH4、C2H4、C2H5F等的混合物)。在电解液的分解时产生这些气体导致压力增加并且这些气体通常被排到大气中；然而，此排气过程是危险的，因为用空气稀释这些气体可能引起易爆
燃料气体混合物的形成，所述易爆燃料气体混合物如果被点燃时可能回火进入所涉及的电池单元中从而点燃整个布置。
[0022] 已经提出将阻燃剂添加剂结合到电解液中或者使用固有不可燃的电解液，但是这可能损害锂离子电池单元的效率[E.Peter Roth等人，How Electrolytes Influence Battery Safety(电解液如何影响电池安全性)，The Electrochemical Society Interface，2012年夏，45-49]。
[0023] 应当指出，除了易燃气体之外，分解还可能释放有毒气体。
[0024] 在包括多个电池单元的电池中的热逃逸问题变得复杂，因为邻近的电池单元可能从事件中吸收足够的能量以上升超过其设计的
工作温度并因此被触发进入热逃逸。这可能导致连
锁反应，其中，随着一个电池单元引燃相邻电池单元，存储设备进入级联系列热逃逸。
[0025] 为了防止发生这种级联热逃逸事件，存储设备可以被设计成用于使存储的能量保持得足够低，或者在电池单元之间采用足够的隔离层以将它们与可能发生在相邻电池单元中的热事件隔离开，或其组合。前者严重限制了潜在地可以存储在这种设备中的能量的量。后者限制电池单元可被放置的紧密程度，从而限制了有效能量密度。
[0026] 目前存在由设计师采用的许多不同方法，以最大化能量密度同时防范级联热逃逸。一种方法是采用冷却机构，通过所述冷却机构，在热事件过程中释放的能量从受影响区域中被主动地去除并且在另一个
位置(通常在存储装置的外部)处被释放。此方法被认为是主动式保护系统，因为其成功依赖于使另一个系统的功能生效。这种系统对于失效是不安全的，因为它需要另一个系统的干预。冷却系统还为总能量存储系统增加重量，由此对于那些将能量存储系统用于提供运动的应用(例如，电动车辆)，降低了存储设备的有效性。冷却系统在存储设备内取代的空间还可以降低可以实现的潜在能量密度。
[0027] 所采用以防止级联热逃逸的第二种方法是在电池单元或电池单元集群之间结合足够的隔热量，从而使得在热事件过程中热量传递速率足够低，足以允许热量通过电池单元的整个热
质量扩散，通常是通过传导。这种方法被认为是一种被动方法，并且从安全性优势来看通常被认为是令人期望的。在这种方法中，隔热材料包含热量的能力，结合所需的隔热质量，指示了可以实现的能量密度的上限。
[0028] 第三种方法是通过使用
相变材料。这些材料在达到一定高温时经历吸热相变。吸热相变吸收生成的热量的一部分，并由此冷却局部区域。所述方法本质上也是被动的并且不依赖于外部机械系统来起作用。通常，针对电存储设备，这些
相变材料依赖于
碳氢化合物材料，例如，如蜡和
脂肪酸。这些系统冷却时是有效的，但本身是可燃的并因此一旦存储设备内发生着火这些系统对于防止热逃逸无益。
[0029] 用于防止级联热逃逸的第四种方法是通过结合膨胀材料。这些材料在特定温度以上膨胀产生炭，所述炭被设计为轻质的并在需要时提供隔热。这些材料在提供隔热益处时可以是有效的，但必须在存储设备的设计过程中考虑所述材料的膨胀。
[0030] 此外，在锂离子电池单元的热逃逸过程中，还包含LiPF6盐的碳酸盐电解液通常产生危险气体混合物，不仅有毒而且还易燃，如包括H2、CH4、C2H6、CO、CO2、O2等的气体。当将电池单元暴露于大气中时，这种混合物变得特别易燃。事实上，当在混合物中达到临界氧气浓度时，气体被点燃并可以回火进入电池单元中，从而点燃整个布置。
[0031] 当对小电池单元和大电池单元的性能参数相对于彼此进行比较时，可以发现，与大电池单元相比，小电池单元通常具有更高的重量(Wh/kg)和体积(Wh/L)容量。与大电池单元相比，使用容量和阻抗结合技术将多个小电池单元进行分组更加容易，并由此以更高效的方式匹配生产运行的整体分布。这在电池组大规模生产过程中导致更高的制造产率。此外，在容积高效阵列中安排小电池单元更加容易，所述阵列限制了电池组的例如由一个电池单元的内部短路点燃的级联逃逸反应(在安全问题领域中最常见的问题之一)。进一步地，使用小电池单元具有成本优势，因为行业中已经充分建立了在高产率下的生产方法并且故障率较低。机械是容易获得的，并且已经从制造系统中挤出了一些成本。
[0032] 另一方面，大电池单元的优点是对于电池组OEM而言易于组装，这可以体验到更稳健的大型结构，所述大型结构经常具有针对更易于使用的公共机
电连接器的空间以及明显更少的电池单元，从而使得在不必解决多个问题以及没有组装小电池单元阵列所需的专
门技能的情况下能够进行有效的电池组制造。
[0033] 为了利用使用小电池单元的益处来创建具有更大尺寸和更高功率/能量容量但具有更好安全性和更低制造成本(与大电池单元相比)的电池，已经开发了在多芯(MC)电池单元结构中的小电池单元的组件。
[0034] 由BYD股份有限公司开发的一个这种MC电池单元结构使用整合到由金属(铝、
铜合金或镍铬)制成的容器中的MC阵列。此阵列在以下文献中被描述：EP 1952475 A0、WO 2007/053990、US 2009/0142658 Al、CN 1964126 A。BYD结构仅使金属材料包围MC并因此具有如下缺点：在机械撞击过程中使尖锐物体穿透到芯中并引起局部短路。由于所有芯是在公共容器中(不是在单独的罐中)，其中，电解液在芯之间被共享，从制造缺陷或外部误用到MC结构的其他芯和破坏的任何单独的故障的传播都是可能的。这种电池单元是不安全的。
[0035] 用于在多个电化学电池单元的组装过程中防止热逃逸的方法已在US 2012/0003508 Al中描述。在该专利申请中描述的MC结构中，单独的电池单元被并联或串联连接，每个电池单元具有包含在其自己的罐中的胶卷结构。这些单独的电池单元然后被插入到填充有硬质
泡沫(包括阻燃添加剂)的容器中。用于生产和限制能量密度的这些安全措施是昂贵的，部分原因是由于缓和
型材料的过高成本。
[0036] 另一种MC结构在专利申请US 2010/0190081 Al和WO 2007/145441 Al中描述，其公开了使用具有多个电池单元的两个或更多个堆叠型二次电池，通过单个电池提供两个或更多个
电压。在这种布置中，单个电池单元在外壳内并使用隔膜串联连接。串联元件仅创建具有更高电压的电池单元，但不解决相比规律堆叠型单电压电池单元的任何安全性或成本问题。
[0037] 这些MC类型电池相比大单元电池提供某些优点；然而，它们在安全性和成本方面仍具有某些缺点。此外，从提高锂离子电池能量密度、降低成本以及提高安全性的
角度来看，为降低成本和提高性能，期望的是：(i)免除接片和内衬，(ii)使正集电器与正母线两者整合在一起，(iii)使负集电器与负母线两者整合在一起以及(iv)允许在正集电器和母线处的快速热耗散。
[0038] 发明概述
[0039] 本公开内容提供了有利的多芯锂离子电池结构，所述结构具有降低的生产成本和提高的安全性，同时提供了大尺寸电池单元的益处，如这种电池阵列的简易组装以及定制功率能量比的能力。在此公开的有利系统在多芯电池单元结构和多单元电池模
块中具有适用性。由本领域技术人员理解的是，下面描述的锂离子结构也可在大多数情况下用于使用活性芯(如胶卷)和电解液的其他电化学单元。潜在的替代性实现方式包括超级电容器，如在美国专利号8,233,267中描述的那些，以及镍金属氢化物电池或缠绕铅酸电池系统。
[0040] 在示例性实施方案中，提供一种锂离子电池，所述锂离子电池包括连接到源自其阳极电极和阴极电极的正和负集电器的多个芯组件。所述锂离子电池包括多个胶卷、正和负集电器以及金属壳。在一个实施方案中，胶卷具有直接焊接到负或正母线上的至少一个裸露集电区，所述负或正母线电接合多个胶卷。在另一个实施方案中，胶卷的裸露集电区中的至少一个裸露集电区被直接焊接到周围壳结构上，而无需使用母线进行所述连接。在这种情况下，壳体用作母线。这可以要么通过将所述卷直接焊接在壳(即，金属罐)上要么通过使用套筒结构来完成，其中，底部装配的具有焊接胶卷的母线进而焊接到罐结构上。针对锂离子电池，裸露的阳极集电器通常为Cu箔并且裸露的阴极集电器通常为Al箔。其上焊接有裸露电极的金属板被称为负母线(或NBB)，并且在胶卷中连接裸露阴极的母线端被称为正母线(或PBB)。在一个实施方案中，存在对应于NBB的每个单独的胶卷的位置的狭缝开口，以允许用于电解液填充的开口。这对于一些情况允许电解液由胶卷本身包含并且无需额外的包含电解液的部件，如金属或塑料内衬。在另一个示例性实施方案中，提供一种单芯电化学组件，其中，NBB和PBB分别焊接到胶卷中裸露的阳极和阴极电流端。狭缝开口可设置在NBB中。所述组件插入金属套筒中。PBB可以焊接到金属套筒的壁上作为金属壳的底部。
[0041] 根据本公开内容，示例性多芯锂离子电池还被描述为具有密封外壳，其中，
支撑件布置在所述密封外壳内。所述支撑件包括多个腔以及布置在所述多个腔中的相应腔内的多个锂离子芯件。存在多个腔内衬，每个腔内衬定位在所述锂离子芯件中的相应锂离子芯件与所述腔中的相应腔的表面之间。所述支撑件包括
动能吸收材料并且所述动能吸收材料由泡沫铝、陶瓷和塑料之一形成。存在由塑料或铝材料形成的腔内衬并且所述多个腔内衬形成为整体内衬构件的一部分。代替塑料内衬，还可以使用开放铝圆柱套筒或罐结构来包含芯件。还包括包含在这些芯中的每一个芯内的电解液并且所述电解液包括阻燃剂、气体发生剂和氧化还原梭中的至少一者。每个锂离子芯件包括阳极、阴极和布置在每个阳极与阴极之间的隔膜。还包括在所述密封外壳内的电连接器，所述电连接器将所述芯件电连接到所述密封外壳外部的电端子。所述电连接器包括两根母线，第一母线使所述芯件的所述阳极与所述外壳外部的所述端子的正极端子构件互连，并且第二母线使所述芯件的所述阴极与所述外壳外部的所述端子的负极端子构件互连。
[0042] 在本公开内容的另一个方面，所述芯件并联连接或串联连接。替代性地，第一组芯件并联连接，且第二组芯件并联连接，并且所述第一组芯件与所述第二组芯件串联连接。所述支撑件呈蜂窝状结构的形式。所述动能吸收材料包括可压缩介质。所述外壳包括具有可压缩元件的壁，所述可压缩元件当由于撞击所述壁的力而被压缩时造成所述锂离子电池的电短路。在所述支撑件中的所述腔及其相应芯件的形状为圆柱形、椭圆形和棱柱形之一。所述腔中的至少一个腔及其相应芯件具有与其他腔及其相应芯件不同的形状。
[0043] 在本公开内容的另一个方面，所述芯件中的至少一个芯件具有高功率特性并且所述芯件中的至少一个芯件具有高能量特性。所述芯件的所述阳极由相同的材料形成并且所述芯件的所述阴极由相同的材料形成。每个隔膜构件可以包括陶瓷涂层，并且每个阳极和每个阴极可以包括陶瓷涂层。所述芯件中的至少一个芯件包括的阳极和阴极之一具有的厚度与其他芯件的阳极和阴极的厚度不同。至少一个阴极包括化合物A至M材料组中的至少两种材料。每个阴极包括表面改性剂。每个阳极包括锂金属或者碳或
石墨之一。每个阳极包括
硅。每个芯件包括
轧制的阳极、阴极和隔膜结构或者每个芯件包括堆叠式阳极、阴极和隔膜结构。
[0044] 在本公开内容的另一个方面，所述芯件具有基本上相同的电容量。所述芯件中的至少一个芯件具有与其他芯件不同的电容量。所述芯件中的至少一个芯件被优化用于功率存储并且所述芯件中的至少一个芯件被优化用于能量存储。还包括用于将每个阳极电连接到所述第一母线的接片以及用于将每个阴极电连接到所述第二母线的接片，其中，每个接片包括用于当已经超过预定电流时中断流过每个所述接片的电流的装置。所述第一母线包括靠近所述阳极之间与所述第一总线的每个互连点的熔丝元件，并且所述第二母线包括靠近所述阴极之间与所述第二总线的每个互连点的熔丝元件，用于当已经超过预定电流时中断流过所述熔丝元件的电流。还包括围绕所述芯件中的每个芯件的保护套筒并且每个保护套筒布置在所述腔的外部，所述腔包含其相应芯件。
[0045] 在本公开内容的又另一个方面，包括感测线，所述感测线与所述芯件电互连、被配置成用于使所述芯件的电监测和平衡成为可能。所述密封外壳包括阻燃剂构件并且所述阻燃剂构件包括固定到所述外壳的外部的阻燃剂网状材料。
[0046] 在另一个实施方案中，描述了包括密封外壳的多芯锂离子电池。支撑件被布置在所述密封外壳内，所述支撑件包括多个腔，其中，所述支撑件包括动能吸收材料。存在布置在所述多个腔中的相应腔内的多个锂离子芯件。还包括多个腔内衬，每个腔内衬定位在所述锂离子芯件中的相应锂离子芯件与所述腔中的相应腔的表面之间。所述腔内衬由塑料或铝材料形成，并且所述多个腔内衬形成为整体内衬构件的一部分。所述动能吸收材料由泡沫铝、陶瓷和塑料之一形成。
[0047] 在本公开内容的另一个方面，存在包含在每个芯内的电解液并且所述电解液包括阻燃剂、气体发生剂和氧化还原梭中的至少一者。每个锂离子芯件包括阳极、阴极和布置在每个阳极与阴极之间的隔膜。还包括在所述外壳内的电连接器，所述电连接器将所述芯件电连接到所述密封外壳外部的电端子。所述电连接器包括两根母线，第一母线使所述芯件的所述阳极与所述外壳外部的所述端子的正极端子构件互连，并且第二母线使所述芯件的所述阴极与所述外壳外部的所述端子的负极端子构件互连。所述芯件可以并联连接。所述芯件可以串联连接。第一组芯件可以并联连接，且第二组芯件可以并联连接，并且所述第一组芯件可以与所述第二组芯件串联连接。
[0048] 另一个方面，所述支撑件呈蜂窝状结构的形式。所述动能吸收材料包括可压缩介质。所述锂外壳包括具有可压缩元件的壁，所述可压缩元件当由于撞击所述壁的力而被压缩时造成所述锂离子电池的电短路。在所述支撑件中的所述腔及其相应芯件的形状为圆柱形、椭圆形和棱柱形之一。所述腔中的至少一个腔及其相应芯件具有与其他腔及其相应芯件相比不同的形状。所述芯件中的至少一个芯件可以具有高功率特性并且所述芯件中的至少一个芯件可以具有高能量特性。所述芯件的所述阳极可以由相同的材料形成并且所述芯件的所述阴极可以由相同的材料形成。每个隔膜构件可以包括陶瓷涂层。每个阳极和每个阴极可包括陶瓷涂层。所述芯件中的至少一个芯件可以包括的阳极和阴极之一具有的厚度与其他芯件的阳极和阴极的厚度相比不同。
[0049] 在又另一个方面，至少一个阴极包括化合物A至M材料组中的至少两种材料。每个阴极可以包括表面改性剂。每个阳极包括锂金属、碳、石墨或硅。每个芯件可以包括轧制的阳极、阴极和隔膜结构。每个芯件可以包括堆叠式阳极、阴极和隔膜结构。所述芯件可以具有基本上相同的电容量。所述芯件中的至少一个芯件可以具有与其他芯件相比不同的电容量。所述芯件中的至少一个芯件可以被优化用于功率存储并且所述芯件中的至少一个芯件可以被优化用于能量存储。
[0050] 在本公开内容的另一个方面，还包括用于将每个阳极电连接到所述第一母线的接片以及用于将每个阴极电连接到所述第二母线的接片，其中，每个接片包括用于当已经超过预定电流时中断流过每个所述接片的电流的装置/机制/结构。所述第一母线可以包括靠近所述阳极之间与所述第一总线的每个互连点的熔丝元件，以及和/或靠近所述阴极之间与所述第二总线的每个互连点的熔丝元件，用于当已经超过预定电流时中断流过所述熔丝元件的电流。可以还包括围绕所述芯件中的每个芯件的保护套筒并且每个保护套筒可以布置在所述腔的外部，所述腔包含其相应芯件。
[0051] 在本公开内容的另一个实施方案中，感测线与所述芯件电互连、被配置成用于使所述芯件的电监测和平衡成为可能。所述密封外壳可以包括阻燃剂构件并且所述阻燃剂构件可以包括固定到所述外壳的外部的阻燃剂网状材料。
[0052] 在另一个实施方案中，描述了一种多芯锂离子电池，所述多芯锂离子电池包括密封外壳，其具有锂离子电池单元区域以及在所述外壳内部的共享气氛区域。支撑件布置在所述密封外壳的所述锂离子电池单元区域内，并且所述支撑件包括多个腔，每个腔具有朝所述共享气氛区域开放的端部。提供了多个锂离子芯件，每个锂离子芯件具有布置在所述多个腔的相应腔内的阳极和阴极，其中，所述阳极和所述阴极经由所述腔的所述开放端部暴露于所述共享气氛区域并且所述阳极和所述阴极沿着其长度基本上被所述腔包围。所述支撑件可以包括动能吸收材料。所述动能吸收材料由泡沫铝、陶瓷和塑料之一形成。
[0053] 另一个方面，存在多个腔内衬，每个腔内衬定位在所述锂离子芯件中的相应锂离子芯件与所述腔中的相应腔的表面之间。所述腔内衬可以由塑料或铝材料形成。所述多个腔内衬可形成为整体内衬构件的一部分。电解液包含在所述芯中的每个芯内并且所述电解液可以包括阻燃剂、气体发生剂和氧化还原梭中的至少一者。每个锂离子芯件包括阳极、阴极和布置在每个阳极与阴极之间的隔膜。在所述外壳内存在电连接器，所述电连接器将所述芯件电连接到所述密封外壳外部的电端子。所述电连接器包括两根母线，第一母线使所述芯件的所述阳极与所述外壳外部的所述端子的正极端子构件互连，并且第二母线使所述芯件的所述阴极与所述外壳外部的所述端子的负极端子构件互连。
[0054] 在又一个方面，所述芯件并联连接或者所述芯件串联连接。替代性地，第一组芯件并联连接，且第二组芯件并联连接，并且所述第一组芯件与所述第二组芯件串联连接。
[0055] 在另一个实施方案中，描述一种锂离子电池并且所述锂离子电池包括密封外壳以及布置在所述密封外壳内的至少一个锂离子芯件。所述锂离子芯件包括阳极和阴极，其中，所述阴极包括选自化合物A至M中的至少两种化合物。可以仅存在一个锂离子芯件。所述密封外壳可以是聚合物袋或者所述密封外壳可以是金属筒。每个阴极可以包括选自化合物B、C、D、E、F、G、L和M中的至少两种化合物，并且还可以包括表面改性剂。每个阴极可以包括选自化合物B、D、F、G和L中的至少两种化合物。所述电池可以被充电到比4.2V更高的电压。每个阳极可以包括碳和石墨之一。每个阳极可以包括硅。
[0056] 在又另一个实施方案中，一种锂离子电池被描述为具有密封外壳以及布置在所述密封外壳内的至少一个锂离子芯件。所述锂离子芯件包括阳极和阴极。在所述外壳内的电连接器将所述至少一个芯件电连接至所述密封外壳外部的电端子；其中，所述电连接器包括用于当已经超过预定电流时中断流过所述电连接器的电流的装置/机构/结构。所述电连接器包括两根母线，第一母线使所述芯件的所述阳极与所述外壳外部的所述端子的正极端子构件互连，并且第二母线使所述芯件的所述阴极与所述外壳外部的所述端子的负极端子构件互连。所述电连接器还可以包括用于将每个阳极电连接到所述第一母线的接片和/或用于将每个阴极电连接到所述第二母线的接片，其中，每个接片包括用于当已经超过预定电流时中断流过每个所述接片的电流的装置/机构/结构。所述第一母线可以包括靠近所述阳极之间与所述第一总线的每个互连点的熔丝元件，并且所述第二母线可以包括靠近所述阴极之间与所述第二总线的每个互连点的熔丝元件，用于当已经超过预定电流时中断流过所述熔丝元件的电流。
[0057] 本公开内容还提供锂离子电池，所述锂离子电池尤其包括提供有利的吸热功能的材料，所述吸热功能例如通过管理热量/温度条件以及降低潜在热逃逸情况的可能性和/或强度而有助于电池的安全性和/或
稳定性。在本公开内容的示例性实施方式中，所述吸热材料/系统包括结合了产生无机气体的吸热材料的陶瓷基体。所公开的吸热材料/系统可以以各种方式并且以各种
水平结合到锂电池中，如在下面更详细描述的。
[0058] 在使用中，所公开的吸热材料/系统运行，使得如果温度上升到超过预定水平(例如，与正常操作相关联的最大水平)，则所述吸热材料/系统用于提供一个或多个功能以实现防止和/或最小化热逃逸可能性的目的。例如，所公开的吸热材料/系统可以有利地提供以下功能中的一种或多种功能：(i)隔热(尤其是在高温下)；(ii)能量吸收；(iii)全部或部分地排出从与所述吸热材料/系统相关联的吸热反应中产生的气体；(iv)升高所述电池结构内的总压力；(v)通过排出在与所述吸热材料/系统相关联的所述吸热反应过程中产生的气体而去除从所述电池系统吸收的热量；和/或(vi)稀释有毒气体(如果存在的话)并将其从所述电池系统(全部地或部分地)安全地逐出。进一步指出，与所述吸热反应相关联的排出气体稀释电解气体以提供机会来延缓或消除与所述电解气体相关联的着火点和/或可燃性。
[0059] 所公开的吸热材料/系统的隔热特性，在将其应用到锂离子电池系统的不同阶段处，其属性组合是有利的。在作为制成状态中，所述吸热材料/系统在小幅温度上升期间或在热事件的初始段落期间提供隔热。在这些相对低的温度下，隔热功能用来容纳热生成，同时允许受限的传导以将
热能慢慢扩散到整个热质量。在这些低温下，所述吸热材料/系统材料被选择和/或被设计成不经历任何产生吸热气体的反应。这提供了一个窗口，以允许温度偏移而不引起对隔
热层和/或锂离子电池总体的任何永久性损坏。针对锂离子类型存储设备，与偏移或低水平上升相关联的一般范围为60℃至200℃。通过选择在指出的温度范围内抵抗吸热反应的无机吸热材料/系统，可以提供如下锂离子电池，使得在期望的高温下引发第二吸热功能。因此，根据本公开内容，通常期望的是，与所公开的吸热材料/系统相关联的吸热反应首先在从60℃到显著高于200℃的温度范围内引发。用于根据本公开内容使用的示例性吸热材料/系统包括但不限于：
[0060] 表1
[0061]
[0062] 这些吸热材料通常含有羟基或水合组分，有可能结合其他碳酸盐或
硫酸盐。替代性材料包括非水合碳酸盐、
硫酸盐和
磷酸盐。常见实例将是
碳酸氢钠，碳酸氢钠在50℃以上分解以产生碳酸钠、二氧化碳和水。如果与锂离子电池相关联的热事件确实导致温度上升超过所选的产生吸热气体的材料的吸热反应的活化温度，则所公开的吸热材料/系统材料将有利地开始吸收热能并由此为锂离子电池系统提供冷却以及隔热两者。可能的能量吸收的量通常取决于结合到配方中的产生吸热气体的材料的量和类型，以及吸热材料/系统相对于锂离子电池内的能量产生源的整体设计/定位。针对给定应用，选择吸热材料/系统的准确添加量以及类型以与隔热材料配合工作，从而使得吸收的热量足以允许隔热材料将剩余截留的热量传导给能量存储装置/锂离子电池的整个热质量。通过以受控的方式将热量分配给整个热质量，相邻电池单元的温度可保持在临界分解或着火温度以下。然而，如果流过隔热材料中的热量太大(即，能量传导超过
阈值水平)，那么在质量总体上能够耗散所存储的热量之前相邻电池单元将达到分解或着火温度。
[0063] 在考虑到这些参数的情况下，与本公开内容相关联的材料被设计和/或被选择为隔热抵抗在锂离子电池系统的典型热事件的整个温度范围上的过度收缩而是热稳定的，所述温度范围可以达到超过900℃的温度。此隔热相关的要求与许多隔热材料形成对比，所述隔热材料基于低熔点玻璃
纤维、
碳纤维或者在300℃以上温度处大幅收缩且甚至点燃的填充物。此隔热相关的要求还将本文公开的隔热材料与膨胀材料进行区分，因为目前公开的材料不要求将设备部件设计成用于承受膨胀压力。因此，不像使用相变材料的其他储能隔热系统，本公开内容的吸热材料/系统不是有机的并因此当在高温下暴露于氧气时不进行燃烧。此外，通过所公开的吸热材料/系统生成气体(具有除去热量和稀释来自能量存储设备/锂离子电池系统的任何有毒气体的双重目的)在控制和/或避免热逃逸情况方面是特别有利的。
[0064] 根据示例性实施方案，期望的是，所公开的吸热材料/系统为其所用于的能量存储设备/锂离子电池提供机械强度和稳定性。所公开的吸热材料/系统可以具有较高的孔隙率，即，允许材料稍微可压缩的孔隙率。这在组装过程中可以是有益的，因为部件可以被压配在一起，从而导致非常紧密保持的封装。这进而提供汽车、航空航天和工业环境所期望的耐振动和撞击性。
[0065] 值得注意的是，所公开的吸热材料/系统的机械属性通常在发生具有足以引发吸热反应的幅度的热事件的情况下发生变化。例如，与吸热反应相关联的气体生成可以减弱吸热材料/系统用于维持初始组装压力的机械能力。然而，经历具有这种幅度的热事件的能量存储设备/锂离子电池将通常不再适合工作，并且因此，机械属性的变化可为大多数应用所接受。根据本公开内容的示例性实现方式，与吸热反应相关联的气体生成留下多孔隔热基体。
[0066] 由所公开的产生吸热气体的吸热材料/系统产生的气体包括(但不限于)CO2、H2O和/或其组合。这些气体的释放提供了一系列后续的和/或相关联的功能。首先，在正常工作温度上限与更高阈值温度(超过该阈值温度则能量存储设备/锂离子电池容易被不受控制地排气/热逃逸影响)之间产生气体可以有利地用作强制打开用于能量存储设备/锂离子电池的排气系统的手段。
[0067] 所述气体的产生可以用于在热事件过程中部分地稀释所产生的任何毒性和/或
腐蚀性蒸气。一旦
通风系统启动，释放的气体还用于随着其通过排气系统退出设备而将热量携带出去。由所公开的吸热材料/系统产生气体还可以帮助迫使任何有毒气体通过排气系统离开能量存储设备/锂离子电池。此外，通过稀释在热逃逸期间形成的任何气体，减小了点燃所述气体的可能性。
[0068] 吸热材料/系统可以以各种方式并且以各种水平结合和/或实现为能量存储设备/锂离子电池系统的一部分。例如，所公开的吸热材料/系统可通过如干压、
真空成型、渗透和直接注射的工艺来结合。此外，所公开的吸热材料/系统可以被定位在能量存储设备/锂离子电池内的一个或多个位置处，以提供期望的温度/能量控制功能。
[0069] 所公开的能量存储系统和方法的附加有利特征、功能和实现方式将从下面描述的示例性实施方案中特别是当结合
附图进行阅读时显而易见。
附图说明
[0070] 基于阅读以下通过非限制性实例给出的并且参照附图所做的描述将更好地理解本公开内容的系统和方法，在附图中：
[0071] 图1A是根据本公开内容的多芯锂离子电池的分解透视图。
[0072] 图1B是根据本公开内容的多芯锂离子电池的横剖面图。
[0073] 图1C是根据本公开内容的支撑件的示例性能量吸收材料的应力-应变曲线图。
[0074] 图1D是根据本公开内容的多芯锂离子电池的另一个实施方案的横剖面图。
[0075] 图2是根据本公开内容的多个支撑件配置的俯视图。
[0076] 图3是根据本公开内容的多芯锂离子电池的另一个实施方案的透视图。
[0077] 图4是根据本公开内容的具有混合椭圆形和圆柱形腔的支撑件的另一个实施方案的透视图。
[0078] 图5是根据本公开内容的棱柱形缠绕式和堆叠式芯件的透视图。
[0079] 图6A描绘了根据本公开内容的并联/串联连接的多芯锂离子电池。
[0080] 图6B是根据本公开内容的并联/串联连接的多芯锂离子电池的透视图。
[0081] 图7A是根据本公开内容的外壳的蛋盒形壁的横剖面图。
[0082] 图7B是根据本公开内容的在对壁进行机械撞击过程中外壳的蛋盒形壁的横剖面图。
[0083] 图8是根据本公开内容的胶卷的展开图。
[0084] 图9是根据本公开内容的具有未涂覆区域的阳极和阴极的展开图。
[0085] 图10A是根据本公开内容的具有Cu NBB和Al PBB的多芯组件的直观图。
[0086] 图10B是根据本公开内容的具有Cu NBB和Al PBB的多芯组件的顶侧图。
[0087] 图11是示例性实施方案中在Al壳的底壁上焊接有Al PBB的多芯锂离子组件的横剖面图。
[0088] 图12是另一个示例性实施方案中在Al套筒壁上焊接有Al PBB的多芯锂离子组件的横剖面图。
[0089] 图13A是另一示例性实施方案中具有用于胶卷的壳体的多芯锂离子组件的横剖面图。
[0090] 图13B是图13A的示例性外壳的顶侧图。
[0091] 图14A是根据本公开内容的具有Cu NBB和Al PBB单芯组件的另一个示例性实施方案的直观图。
[0092] 图14B是根据本公开内容的单芯锂离子组件的另一示例性实施方案的横剖面图。
[0093] 图14C是根据本公开内容的用于单芯锂离子组件的Cu NBB的俯视图。
[0094] 图15A是如在实例2中描述的多芯锂离子组件的透视横剖面图。
[0095] 图15B是如在比较实例2中描述的多芯锂离子组件的透视横剖面图。
[0096] 图16A是如在实例3中描述的单芯锂离子组件的透视横剖面图。
[0097] 图16B是如在比较实例3中描述的单芯锂离子组件的透视横剖面图。
[0098] 示例性实施方案的描述
[0099] 在图1A和图1B中，示出了具有胶卷芯结构和圆柱形状的锂离子芯件102a-j的多芯(MC)阵列100。各种形状和尺寸的离子芯件可以结合本公开内容使用并且在下面描述了某些示例性形状和尺寸。存在一组导电接片104连接到每个芯件102a-j的阴极以及一组导电接片106连接到每个芯件102a-j的阳极。接片104也连接到阴极母线108并且接片106连接到阳极母线110。使用
点焊或
激光焊接技术将阴极接片104和阳极接片106焊接到的母线108、110上。母线108、110分别与MC外壳116外部的负极端子112和正极端子114互连。在这种配置中，所有离子芯件102a-j并联连接，但是它们可以如将对本领域技术人员显而易见的在其他配置中串联连接。
[0100] 图1B的MC外壳116被气密密封。可以作为外壳116的一部分或作为单独部件的支撑结构120被构造成使得离子芯件可以以足够间距被容纳，从而使得在充电和放电反应期间可以发生有限的膨胀，由此防止单独离子芯件的机械相互作用。优选地，外壳116由塑料或陶瓷材料制成，但也可以由金属制成。如果使用金属，则暴露的
钢不是优选的，并且任何钢制容器将需要涂覆有惰性金属，如镍。优选金属是铝、镍或其他对所使用的化学品而言惰性的金属。许多类型的塑料和陶瓷，只要它们对化学和电化学环境是惰性的。塑料和陶瓷的实例是聚丙烯、聚乙烯、氧化铝、氧化锆。外壳116可包括固定于所述外壳外部的阻燃剂网格，用于防止火焰到达所述外壳内部。
[0101] 在外壳116内在锂离子芯区域118中是电绝缘支撑件120，所述支撑件可以由陶瓷、塑料(如，聚丙烯、聚乙烯)或其他材料(如泡沫铝)制成。支撑件120必须充分可
变形/压缩，以便当发生撞击时保护芯件免受损坏。此外，期望的是，通过在电池的充电和放电期间分
散热量、创造均匀的温度分布、以及通过在灾难性故障(如引起一个芯件的热逃逸的内部短路)期间分散热量来针对应用定制热传导率。适当的散热属性将限
制芯间级联逃逸的可能性。支撑件还可以对电解液有吸收性，如果所述电解液在芯件误用期间应被排出，所述电解液可被约束在支撑件中。
[0102] 可变形的且吸收动能的支撑件120在示例性实现方式中是令人期望的，因为它将撞击
载荷分散在更大的区域之上以减小在每个芯件102a-j处的局部变形的量，从而降低了电短路的可能性。动能吸收材料的实例是泡沫(如泡沫铝、塑料泡沫)、多孔陶瓷结构、蜂窝状结构、或其他开放式结构、纤维填充
树脂以及酚类材料。用于塑料和树脂材料的纤维填料的实例可以是玻璃纤维或碳纤维。包含铝的能量吸收器的实例是具有开孔或封孔的泡沫铝、铝蜂窝状结构以及如AltucoreTM和CrashLiteTM材料的工程材料。由于支撑件在撞击、碰撞或其他机械误用过程中坍塌，重要的是，尽可能地保护芯免受刺穿，以避免机械诱发的内部短路。这创建更安全的结构。
[0103] 能量吸收器是一类材料，所述材料通常通过压缩或以相对恒定的应力在延伸距离上偏转且不回弹来吸收动力机械能。
弹簧执行有些类似的功能，但它们回弹，因此它们是能量存储设备，而不是能量吸收器。一旦施加的应力超过动能吸收器材料的“压碎平台”(参见图1C的150)时，能量吸收器将开始在相当恒定的应力下压缩到材料应变的约50％-70％。应力/应变曲线的这个延伸段限定了理想能量吸收器的行为。在此区域中，曲线下的区域代表应力x应变的积，或“功”。在有限大小的实际能量吸收材料块中(如支撑件120)，这将被表示为：
[0104] 力x位移
[0105] 认识到
[0106] 力(磅)x位移(英尺)＝功(英尺磅)
[0107] 且
[0108] 功(英尺磅)＝动能(英尺磅)
[0109] 压缩支撑件120将做的功相当于可能撞击支撑件120的质量的动能。当被设计为具有适当的厚度和压缩强度时，如将对本领域技术人员明显的是，支撑件120可以由动能吸收材料制成，所述动能吸收材料能够例如在电动车辆碰撞过程中吸收撞击电池的所有动能。最重要的是，支撑件120中的货物(即，锂离子芯件102a-j)将永远不会遇见比(以下限定的)材料的压碎强度更高的力。因此，通过利用恒定的力在受控的距离上吸收撞击质量的能量，受保护的结构(即，锂离子芯件102a-j)将不必忍受在质量直接撞击所述结构的情况下将发生的具有潜在灾难性结果的集中的高能量/高力撞击。
[0110] 当负载被施加到由能量吸收材料制成的结构上时，所述结构最初将根据
杨氏模量方程弹性地屈服。然而，在泡沫Al的这个特定实例中，在应变的约4％-6％处(图1C的152)，取决于结构尺寸，将以相对恒定的应力开始连续地屈曲和坍塌。针对此泡沫Al材料，取决于材料的初始相对密度，此恒定的坍塌将行进至应变的约50％-70％(图1C的154)。此时，随着能量吸收材料进入“致密化”阶段，应力/应变曲线将开始上升。应力/应变曲线中材料从弹性过渡到塑性形变阶段的点定义了材料的“压碎强度”。
[0111] 曲线在4％-6％的过渡与50％-70％的应变(
覆盖材料的可能应变值的约45％-65％)之间的长的、相对平坦的部分被称为“压碎平台”。动能吸收材料的此独特的特性使得它们对于吸收撞击质量的动能同时保护携带的货物非常有用。
[0112] 为了进一步保护芯件，可以添加由金属、陶瓷或塑料制成的圆柱形材料作为围绕芯结构的套筒121(图1A)。此套筒可以要么直接添加到内衬材料外部上包围单独的芯，要么被施加在支撑件中的腔结构内部。这防止尖锐物体刺穿芯。虽然在图中仅示出一个套筒，将容易理解的是，每个芯件都将包括套筒。
[0113] 支撑件120可以替代性地被设计成具有开放区域160(如图1D中所示)，所述开放区域包含填充材料162。填充材料的实例是不规则或规则形状的介质，所述介质可以是中空的或致密的。中空介质的实例是金属、陶瓷或塑料球，所述介质可被制成在不同的压力下可压缩并且其目的在于作为能量吸收器工作以用于碰撞保护。具体实例是铝空心球、氧化铝或氧化锆的陶瓷
研磨介质以及聚合物空心球。
[0114] 支撑件120还可以被优化，以贯穿支撑件迅速传送热量并贯穿电池均匀地分散热量或者限制芯间的热量暴露(如果一个芯在误用过程中经历热逃逸)。除了更高的安全性之外，这将通过限制最大运行温度来提高电池寿命并且使电池可以没有
热管理或具有被动的热管理。最重要的是，由于材料的优化的热传递属性以及破坏火焰传播的能力，支撑件120的热特性帮助防止从有故障的芯件到其他芯件的故障传播。由于所述材料还是吸收性的，所以它可以将
泄漏的电解液吸收到材料中，这可以帮助减少灾难性故障的严重程度。
[0115] 支撑件120通过以下各项增加MC电池的整体安全性：a)允许离子芯件102a-j的分布以针对安全性和高能量密度两个方面对电池进行优化，b)阻止离子芯件102a-j的快速热传播，而同时允许冷却，c)为离子芯件102a-j和
反应性化学物质提供保护性的碰撞和撞击吸收结构，以及d)使用一种广泛认可的通过阻止火焰的防火材料。
[0116] 圆柱形腔122形成在支撑件120中以用于容纳锂离子芯件102a-i，每个腔一个芯。在这种配置中，圆柱形腔122具有开口126，其直径比锂离子芯件102的直径略大。开口126面向且暴露于外壳116内的共享气氛区域128。在不具有单独的小外壳(如在活性芯件之间气密性地提供
密封件的罐或聚合物袋)的情况下，芯件的阳极/阴极还直接暴露于共享环境区域128。消除罐装芯件不仅降低了制造成本，而且增加了安全性。在芯件故障且引起火灾的情况下，排出的气体能够占据共享环境区域128，这与本将在典型的单独‘罐装’芯件中可用的体积相比显著地提供了更多的体积。随着罐装芯件压力增大，相比本发明更有可能发生爆炸，本发明提供了供气体占据的更大体积以及因此提供了减小的压力累积。此外，罐通常在比本发明的结构更高的压力下破裂，从而利用本发明导致较温和的故障模式。
[0117] 在每个腔122内放置薄腔内衬124，所述薄腔内衬被定位在支撑件120与锂离子芯件102a-i之间。通常，所有腔内衬(在这个情况下，对应于腔数量的10个腔内衬)形成为整体腔内衬构件124'的一部分。内衬优选地由聚丙烯、聚乙烯、或针对电解液而言是化学惰性的任何其他塑料制成。内衬也可以由陶瓷或金属材料制成的，尽管这些都成本较高且非优选。然而，在支撑件是导电的情况下，内衬必须是电绝缘的，以将芯件与支撑件电隔绝开。腔内衬由于多个原因是重要的。首先，它们是水分和电解液不可渗透的。其次，它们可以含有阻燃剂，所述阻燃剂可以淬灭火焰，并且第三，它们允
许可容易密封的塑料材料将电解液包含在气密密封件内。
[0118] 在
制造过程中，腔122可以同时填充有电解液，并且然后在继续制造工艺过程同时形成并针对容量进行分级。形成过程包括：将电池单元充电到恒定电压(通常为4.2V)，并且然后令所述电池单元停留在此电位持续12-48小时。容量分级发生在充电/放电过程中，其中，电池单元被完全放电至较低的电压(如2.5V)，然后被充电至最高电压(通常在4.2-4.5V的范围内)，并且随后再次放电，此时对容量进行记录。由于充电/放电过程的低效率，可能需要多次充电/放电循环来获得准确的容量分级。
[0119] 腔内衬由于其与芯的滑动配合使得能够将精确且一致的电解液量引入每个芯件中。一种完成填充的方法是利用外壳116中的通孔，所述外壳然后可以在电解液已被引入腔中并被处理后而被填充和密封。取决于密度和周围多孔材料，具有约3Ah容量的胶卷式芯件将需要约4-8g的电解液。完成电解液填充从而使得贯穿卷均等地润湿整个胶卷而不容许干燥区。优选的是，每个芯件从芯到芯具有等量的电解液，其变化在0.5g内，并且甚至更优选地在0.1g内以及还甚至更优选地在0.05g内。所述变化随着电解液的总量来调整，并且通常小于电解液总量的5％或甚至更优选地小于1％。将组件放置在真空中有助于此填充工艺并且对于完全且均等地润湿电极至关重要。
[0120] 支撑件120中的腔122的大小、间距、形状和数量可以被调整和优化，以实现所期望的电池工作特性，同时仍实现上述安全特征，如缓解芯件102之间/当中的故障传播。
[0121] 如图2所示，支撑件220a-h可以具有不同数量(优选地从7变化为11)的腔以及不同的配置(包括如在支撑件220d和220h的情况下具有不同大小的腔的支撑件)。腔的数量总是大于2并且除了支撑件的几何形状和胶卷尺寸之外，并非具体限制在上端部。腔的实际数量通常从2到30。腔可以均匀地分布(如在支撑件220f中)，或者它们可以交错安排(如在支撑件220g的情况下)。图2中还示出针对所描绘的每个支撑件220a-h的腔直径以及可以被插入腔中的芯件的直径。此外，示出了针对每个配置的以安培时(Ah)为单位的容量。
[0122] 也可以使用不同形状的腔和芯件。如图3所示，支撑件320包括腔322，所述腔具有椭圆形状用于容纳类似形状的芯件302。在图4中，支撑件420具有椭圆形腔422和圆柱形腔402的混合以用于容纳类似形状的芯件(未示出)。
[0123] 在图5中，示出芯件502a的适用于本发明的另一种形状。这是一个胶卷结构，但具有棱柱形状，而不是如前所述的圆柱形或椭圆形。芯件包括阳极530a、阴极532a和电绝缘隔膜534a。虽然在先前的附图中未描绘，但每个芯件包括在阳极与阴极之间的隔膜。芯件502b的形状也可以是棱柱形，然而，使用叠层构造，包括阳极530b、阴极532b和隔膜534b。
[0124] 到目前为止，芯件已被示出为并联电连接，然而，它们可以串联地或者并联和串联相组合地连接。如图6所示，存在与插入的胶卷芯件602一起的支撑件620(由泡沫铝或聚合物泡沫制成)。为清楚起见，用于芯件连接到母线的接片未示出，但存在。负极电池端子连接器640电连接到较
低电压母线642。正极电池端子连接器644电连接到较高电压母线646。相邻块母线648和650并联地连接在其对应行中的每个芯件。每根母线642、644、648和650在芯件的对侧上具有互补母线，所述互补母线未示出。每根并行母线通过三个
接线柱652单独地串联连接，允许串联
电路径。感测线缆654a-654e被定位在每个电独特点上，允许检测串联系统中每个并联链接的胶卷电压点两端的电压电平。这些
导线也可用于提供平衡电流，以使芯件在充电和放电过程中保持在相同的电荷状态并连接到馈通触点656。电池单元平衡系统领域的技术人员将意识到本发明的具有串联连接芯的单元内的这种连接的目的。
[0125] 图6B示出容纳所述支撑件320的外壳616。外壳616由塑料盖658和箱660组成，所述箱通过
超声波焊接被气密密封。在外壳616的与
盖子658一侧相对的端部是馈通感测触点656。从盖658延伸的是负极电池端子连接器640和正极电池端子连接器644。可以理解的是，关于连接器感测触点的位置的各种布置可以由本领域技术人员实现，并且同样那些不同的串联或并行布置的电池单元可以用于本发明的目的。
[0126] 在金属盖的情况下，它是利用焊接方法(如激光焊接)封闭的，并且在塑料的情况下，可以使用
粘合剂(胶)，或者可以使用热或超声焊接方法，或者其任意组合。这提供了恰当密封的MC电池。胶卷在外壳内并联或串联连接。
[0127] 所有馈通、感测、功率、压力等等需要被气密密封。所述气密密封件应承受超过或等于约1atm的内部压力以及还有真空，优选大于1.2atm。排气孔还可以容纳在容器上，设定为比密封件所允许的更低的内部压力。
[0128] 另一种提供平衡和感测能力的方法是具有单独的连接器，所述单独的连接器提供来自单独芯件的每个正极端子和负极端子的外部引线从而允许容器外部的连接器与每个单独的芯件相连接。平衡电路检测串联电池单元的电压或电荷状态的失衡，并将提供本领域技术人员已知的被动或主动平衡手段。连接引线出于提供来自电池的功率的目的与提供来自电池单元的前导电流的装置的端子分开并且通常仅当电池单元在一个容器内串联连接时被使用。感测引线可以可选地在容器外熔断，以避免使功率电流通过感测电路流过单独的胶卷。
[0129] 外壳116、616可以被配置成具有蛋盒形壁700(图7A)，从而使得当对外壳上进行机械撞击时，MC电池可以在外壳外部短路。由铝制成的壁700的蛋盒形部分702
接触由聚乙烯塑料制成的非导电材料704的板(撞击之前)。由铝或其他导电材料制成的第二板706位于塑料板704的下方。蛋盒形材料702被连接到MC电池的负极或正极并且另一导电板706连接到相反的极。如在碰撞过程中在壁上的撞击、钉子刺穿或非正常压力下，蛋盒形壁702压缩从而使得塑料板704被穿透并与导电板706的外部接触点708a-d接触(图7B)，造成MC电池中的外部电短路。
[0130] 如上所述，单独的芯件通常通过内部母线连接。有时，母线公共接头可以是金属线或塑料包覆线。它也可以是实心金属，如铜、铝或镍。此母线串联或并联连接多个芯件，并且具有在多芯件结构中将电流传送至连接器的能力，从而允许至多芯阵列的外部连接。在外部母线的情况下，将需要来自每个胶卷通过外壳的单独的馈通连接器。
[0131] 无论使用内部还是外部母线，它们可以被构造成用于在芯件间提供熔丝。这可以以各种方式来实现，包括创建母线的横截面被限制为只承载一定电流的区域，或通过限制将芯件连接到母线的接片的尺寸。可以在一个
冲压件中或其他金属成形技术，或者通过使用连接母线部分与熔丝布置的第二部分来构造母线或接片。例如，如果使用铜母线的两个长方形横截面，其中，10个芯件的阳极接片和阴极接片连接至每根母线，每根母线具有10mm2的横截面表面积，则母线上的至少一个区域可以被制造成具有与母线的其余部分相比减小的表面积。这提供了一个位置，在所述位置处发生熔断并且载流能力被限制。此熔丝区域可以在母线的一个或多个点处，优选地在各芯件之间，但最有效地在许多电池单元的情况中在中点处。如果即将发生外部短路，此熔丝将限制芯件的加热并且可能避免热逃逸。
此外，在芯件内部短路的情况下，无论是由于制造缺陷还是由于在误用事件期间的外部刺穿，如钉子，所述钉子刺穿进入芯件引起电池的内部短路，这种熔丝布置可以通过关闭到其他并联芯的故障芯而限制传送到内部短路的电流量。
[0132] 外壳内的空白空间可以填充有撞击吸收材料，如泡沫或其他结构，所述结构允许对芯件的较小撞击，从而进一步减小内部短路的风险。此强化也可以对外壳提供偏移内部容纳物的自振
频率的手段，从而提供增加的撞击和振动耐受性以及机械寿命。填充材料应优选地含有阻燃剂材料，所述阻燃剂材料将允许熄灭在电池单元的热逃逸过程中可能发生的任何火焰或者在相同热逃逸过程中的
熔化，从而接收过多的热量并限制电池单元的加热。这在灾难性事件的情况下提供了提高的安全性。阻燃剂的实例可在公开工程文献和手册中找到，如由Hanser Gardner Publications出版社出版的聚
氨酯手册或者如US 5198473中所描述的。除了聚氨酯泡沫之外，环氧脂泡沫或玻璃纤维羊毛和类似非化学或电化学活性的材料也可以用作外壳内的空白空间中的填充材料。具体地，由塑料、金属或陶瓷制成的中空的或致密的球或不规则形状颗粒可以用作低成本填料。在中空球的情况下，这些将在多芯电池的碰撞场景中提供用于能量吸收的附加手段。在特殊情况下，支撑件是泡沫铝。在另一个特殊情况下，支撑件是铝密度在10％-25％的致密泡沫铝。在又另一个特殊情况下，泡沫铝中的孔隙的平均直径小于1mm。在另外的示例性实现方式中，如下面更详细描述的吸热材料/系统可以有利地结合到外壳内的空白空间中或以其他方式与之相关联。
[0133] 针对MC电池仅具有并联布置的芯件的情况，所述芯件可以包含对功率优化的一个或多个芯件以及对能量优化的一个或多个芯件。在另一个特殊情况下，MC电池可以具有其阳极和阴极使用某些材料的一些芯件以及利用阳极和阴极使用不同材料的其他芯件。在又另一个特殊的情况下，阳极或阴极可以具有不同厚度的电极。具有变化的电极厚度、阴极或阳极活性材料或电极配方的任何组合可以组合在并联串中，其目标是定制电池的能量功率比。一些芯件可被配置成承受快速功率脉冲，而其他芯件可被优化用于高能量存储，从而提供能够处理高功率脉冲同时具有高能量含量的电池。然而，重要的是，所述芯件具有电化学匹配的化学物质，以便提供在所选化学物质的电压窗口中的化学稳定性。
[0134] 例如，LiCoO2阴极可以与LiNi0.8Coo.15Al0.05O2阴极相匹配，只要使用4.2V的上限电位以及约2V至2.5V的下限电位，然而，随着电位上升超过4.2V，例如，达到4.3V，例如镁掺杂的LiCoO2材料应不与NCA材料相匹配，因为所述NCA材料在更高电压下降解。然而，在后者实例中，只要上限电位限制为4.2V就可以混合这两种材料。本发明的一个目的是在正确的电压范围内使用共混的阴极材料并且本
发明人已经发现对于高能量或高功率特别有用的某些组合，稍后在
说明书中详述。
[0135] 功率和能量优化可以通过或者调整电极配方，如使用更高程度的导电添加剂用于增加的电导率，或者通过使用不同厚度的电极而发生。此外，能量芯可以具有一组活性材料(阴极和阳极)并且功率芯可以具有另一种类型的材料。当使用这种方法时，优选的是，材料具有匹配的电压范围，如2.5-4.2V或者在高电压组合的情况下为2.5V-4.5V，以便避免分解。在Li离子多芯电池中每个隔离的芯件的上限电压被表征为高于4.2V并且典型地低于5V。
[0136] 下面是可与本发明结合使用的阳极、阴极、隔膜和电解液的描述。
[0137] 阳极
[0138] 这些芯件的阳极通常是在锂离子或锂聚合物电池中通常发现的并且在文献中描述的那些，如，石墨、掺杂碳、硬碳、非晶碳、硅(如硅纳米颗粒或Si柱或具有碳的分散硅)、
锡、锡合金、Cu6Sn5、Li、金属箔衬底上沉积的Li、具有Li的Si、石墨中混合的Li
金属粉末、
钛酸锂、及其任何混合物。阳极供应商包括，例如，Morgan Carbon、Hitachi Chemical、Nippon Carbon、BTR Energy、JFE Chemical、Shanshan、Taiwan Steel、Osaka Gas、Conoco、FMC Lithium、Mitsubishi Chemical。本发明不局限于任何特定的阳极化合物。
[0139] 阴极
[0140] 用于胶卷的阴极通常是行业标准的那些以及还有一些新的高压混合物，其在下面更详细地描述。这些新的阴极可以用在MC结构中或者单单元电池中，其中，阳极/阴极结构包含在密封的金属筒或密封的聚合物袋内。由于工业可用的阴极材料的丰富性，关于每个材料组的材料种类在此被称为“化合物”；每种化合物可以具有一系列组成并且由于
晶体结构、化学组成、电压范围适合性或材料组成和梯度变化的相似性被分组。合适的单独的材料的实例为LixCoO2(被称为化合物A)、LixMzCowO2(化合物B，其中，M选自Mg、Ti和Al并且部分地取代晶格中的Co或Li并且以Z＝0-5％、典型地W是接近1的范围添加，适用于高于4.2V的充电)、LixNiaMnbCocO2(特别地，约a＝l/3、b＝l/3、c＝l/3(化合物C)和a＝0.5、b＝0.3、c＝0.2(化合物D)的组合，以及其Mg取代的化合物(都被分组到化合物E下))。
[0141] 另一个实例是LixNidCoeAlfO2(化合物F)及其Mg取代的衍
生物LixMgyNidCoeAlfO2(化合物G)，其中，在特定情况下d＝0.8、e＝0.15、f＝0.05，但是d、e和f可以改变几个百分点，y的范围是0到0.05。单独的阴极材料的又另一个实例是LixFePO4(化合物H)、LixCoPO4(化合物I)、LiMnPO4(化合物J)以及LixMn2O4(化合物K)。在所有这些化合物中，典型地发现过量的锂(x>1)，但X可以从约0.9变化至1.1。一类特别适合于高电压、当高于4.2V充电时具有高容量的材料是例如由Thackeray等人在美国专利号7,358,009中描述的并且从BASF和TODA可商购的所谓分层的层状材料(化合物L)。
[0142] 由Thackeray最初描述的化合物可被制成在高于4.2V的电压下是稳定的。这些阴极中的一些在高于4.2V(使用石墨作为阳极的标准最高电压)的高电压下是稳定的，并且那些材料可优选地进行混合。虽然在本发明中可以使用上述材料之一，但是优选的是，将选自B、C、D、E、F、G、I、J和L的材料化合物中的两种或更多种进行混合。具体地，化合物B、D、F、G和L的两种或更多种组分混合物是优选的。对于非常高能量密度的配置，(B和L)或(B和G)或(G和L)的混合物是最有益的，并且当这些混合物被制成为薄电极时还可以实现高功率。薄(功率)和厚(能量)电极可以进入芯件用于定制能量与功率比，同时具有相同的合适的电压范围和化学性质。
[0143] 一种特别新的阴极，所谓的芯壳梯度(CSG)材料(称为化合物M)，与其壳相比在其芯处具有不同的组成。例如，Ecopro(
网站www.ecopro.co.kr或http://ecopro.co.kr/xe/？mid＝emenu31，截止日期2010-10-01)或专利公开(Publn.)号PCT/KR 2007/001729，其在产品资料中将此类化合物M材料描述为“CSG材料”(芯壳梯度)，如xLi[Ni0.8Co0.1Mn0.1]O2(l-x)Li[Ni0.46Co0.23Mn0.31]O2，并且另一种M类型化合物也由Y-K Sun在ElectrochimicaActa，卷55，期28，第8621-8627页中描述，并且对M类型化合物的第三描述可以在Nature Material
8(2009)，第320-324页(YK Sun等人的文章)中找到，其描述了具有相似组成的CSG材料，但整体式＝Li(Ni0.8Co0.1Mn0.1O2，梯度浓度＝Li(Ni0.8-xCo0.1+yMn0.1+z，其中，0
0.13且0面层＝Li(Ni0.46Co0.23Mn0.31)O2。可以在WO 2012/011785A2中找到进一步的描述，所述专利描述了被描述为Lix1[Nil-yl-zl-wCoy1MnzlMwl]O2(其中，在上式中，0.9[0144] 优选的是，M化合物可以进一步具有Li含量，所述Li含量可能约为1，但可以在几个百分点内变化，并且优选的是所述Li或Ni/Mn/Co化合物可以用Mg、Al和第一行过渡金属取代，通过优化，并且优选的是，将如上所述的这些M化合物中的一种或多种与化合物B、C、D、E、F、G、L共混以用于锂离子电池中。很可能是，芯化合物M材料可含有最高90％的镍以及低至5％的钴和最高40％的Mn，并且所述梯度然后将从这些边界组成之一到低至10％的Ni、90％的钴和50％的Mn。
[0145] 通常，可以通过使用在本发明内描述的用于阳极和阴极的化合物或共混物的薄电极来实现高功率。当从铝箔
测量电极涂层厚度时，厚电极典型地被认为是厚度高于60μm且最高约200μm，而较薄的电极(即，小于60μm)对高功率锂离子电池配置而言更好。典型地，对于高功率，在电极配方中使用更多的碳黑添加剂以使其更加导电。阴极化合物可以从几个材料供应商购买，如Umicore、BASF、TODA Kogyo、Ecopro、Nichia、MGL、Shanshan和Mitsubishi Chemical。化合物M，可从Ecopro获得且在其产品资料中被描述为CSG材料(如xLi[Ni0.8Co0.1Mn0.1]O2(l-x)Li[Ni0.46Co0.23Mn0.31]O2)，并且另一种M类型化合物也由Y-K Sun在ElectrochimicaActa，卷55，期28，第8621-8627页中描述，所有这些可以优选地与上述化合物共混。
[0146] 作为两种或更多种化合物共混到高电压阴极中的化合物A-M可以优选地涂覆有表面改性剂。当使用表面改性剂时，虽然不是必要的但优选的是每种化合物涂覆有相同的表面改性剂。表面改性剂有助于提高阴极混合物的第一循环效率以及
倍率性能。此外，有效寿命通过施用表面改性材料得以改进。表面改性剂的实例为Al2O3、Nb2O5、ZrO2、ZnO、MgO、TiO2、金属氟化物(如AlF3)、金属磷酸盐(如AlPO4和CoPO4)。此类表面改性化合物已经在先前文献[J.Liu等人，Materials Chemistry期刊20(2010)3961-3967；ST Myung等人，Materials Chemistry17(2005)3695-3704；S.T.Myung等人，Physical Chemistry期刊C 111(2007)4061-4067；ST Myung等人，Physical Chemistry期刊C 1154(2010)4710-4718；BC Park等人，Power Sources期刊178(2008)826-831；J.Cho等人，Electrochemical Society期刊151(2004)A1707-A1711]中进行了描述，但从来没有报道与共混的阴极在高于4.2V的电压下结合。具体地，有益的是共混表面改性的化合物B、C、D、E、F、G、L和M用于高于4.2V的操作。
[0147] 将阴极材料与粘合剂和
炭黑(如科琴黑)或其他导电添加剂混合。N-甲基吡咯烷
酮(NMP)典型地用于溶解所述粘合剂并且聚偏二氟乙烯(PVDF)是锂离子的优选粘合剂，而锂聚合物类型可以具有其他粘合剂。阴极浆料被混合至稳定的
粘度并且在本领域中是众所周知的。上述化合物A-M及其共混物在此有时统称为“阴极活性材料”。类似地，阳极化合物被称为阳极活性材料。
[0148] 阴极电极可以通过以下方式制造：混合，例如，阴极化合物，如以上化合物A-M的共混物或单独的化合物，以约94％的阴极活性材料和约2％的碳黑以及3％的PVDF粘合剂。碳黑可以是科琴黑、Super P、
乙炔黑以及可从多个供应商(包括AkzoNobel、Timcal和Cabot)获得的其他导电添加剂。通过将这些组分与NMP
溶剂混合来制造浆料，并且然后将所述浆料涂覆到约20微米厚的铝箔的两侧上并在约100℃-130℃下干燥到所希望的厚度和面积重量。然后用辊将此电极压延至希望的厚度和密度。
[0149] 类似地制备阳极，但是在石墨的情况下，典型地使用约94％-96％的阳极活性材料，而PVDF粘合剂是4％。有时，丁苯
橡胶(SBR)粘合剂用于与CMC混合的阴极，并且对于所述类型的粘合剂，典型地可以使用约98％的更高相对量的阳极活性材料。对于阳极，炭黑有时可以用来提高倍率性能。阳极可以涂覆在约10微米的铜箔上。
[0150] 本领域技术人员将能够容易地将上述组合物进行混合用于功能电极。
[0151] 为了限制在充电和放电期间的电极膨胀，聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)和碳的纤维材料可以任选地被添加到电极配方中。在电极配方中，其他膨胀技术使用惰性陶瓷颗粒，如SiO2、TiO2、ΖrO2或Al2O3。通常，阴极的密度为3g/cm3到4g/cm3、优选地3.6g/cm3到3.8g/cm3，3 3 3 3
并且石墨阳极为1.4g/cm到1.9g/cm、优选地1.6g/cm到1.8g/cm，这是通过压制实现的。
[0152] 隔膜
[0153] 隔膜通常采取插入阳极与阴极电极之间并应具有高Li离子渗透性以及在拉伸和横向方向的高强度和高穿透强度的电绝缘膜的形式。孔径典型地是0.01到1微米并且厚度是5微米到50微米。典型地使用非织造聚烯
烃，例如聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)或PP/PE/PP结构的片材。可以将典型地由Al2O3组成的陶瓷施用到所述膜上以改进加热时的收缩并改进针对内部短路的保护。此外，阴极或阳极可以类似地涂覆有陶瓷。隔膜可以从行业中的多个供应商采购，包括Celgard、SK、Ube、Asahi Kasei、Tonen/Exxon和WScope。
[0154] 电解液
[0155] 在行业中典型地发现包含溶剂和盐的电解液。溶剂典型地在DEC(碳酸二乙酯)、EC(碳酸乙烯酯)、EMC(碳酸甲乙酯)、PC(碳酸丙烯酯)、DMC(碳酸二甲酯)、1,3-二噁烷、EA(乙酸乙酯)、四氢呋喃(THF)之间选择。盐在LiPF6、LiClO4、LiAsF6、LiBF4之间选择，用于电解液中的含硫或酰亚胺的化合物包括LiCFSO3、LiN(CF3SO2)2、LiN(CF3CF2SO2)2、或通过将SO2鼓泡通过预混电解液(如EC/EMC/DMC(1:1:1比率)和1M LiPF6)的简单的磺化。其他盐是LiBOB(双
草酸硼酸锂)、TEATFB(四乙基铵四氟硼酸盐)、TEMABF4(三乙基甲基铵四氟硼酸盐)。还可以使用用于有效的SEI形成、气体产生、阻燃特性或氧化还原穿梭能力的添加剂，包括BP(联苯)、FEC、吡啶、三乙基
亚磷酸酯、三
乙醇胺、乙二胺、六磷三酰胺、硫、PS(亚硫酸丙烯酯)、ES(亚硫酸乙烯酯)、TPP(三苯基磷酸酯)、铵盐、含卤素的溶剂如四氯化碳或三氟乙烯以及附加地CO2气体，以改进高温存储特性。对于固体/凝胶或聚合物电解液，PVDF、PVDF-HFP、EMITFSI、LiTFSI、PEO、PAN、PMMA、PVC、这些聚合物的任何共混物可以与其他电解液组分一起使用以提供凝胶电解液。电解液供应商包括Cheil、Ube、Mitsubishi Chemical、BASF、Tomiyama、Guotsa-Huasong和Novolyte。
[0156] 存在用于超级电容器(具有电化学双层的那些)和标准锂离子电池二者的电解液。对于那些电解液，可以将一个或多个超级电容器芯与一个或多个常规的Li离子芯件在外壳中混合，使得所述超级电容器部件用作功率
试剂起作用并且所述Li离子芯件作为
能量收集剂起作用。
[0157] 实例1
[0158] 在此实例中，将一组5个圆柱形的胶卷型芯件并联连接到两个公共母线(正极和负极)上，与图1所示的MC电池配置类似，但具有仅一半多的芯件。负极连接器被连接到从所述胶卷的阳极箔(铜)延伸的接片上，具有涂覆的石墨电极，并且被连接到所述胶卷的阴极箔(铝)的正极连接器具有化合物M和化合物F的共混氧化物电极结构。由镍制成的阳极接片和由铝制成的阴极接片使用点焊或激光焊接技术焊接到母线上。外壳和支撑构件由塑料材料(聚乙烯)制成。对于此实例，使用具有18mm直径的圆柱形腔和具有稍小直径(17.9mm)的胶卷芯件。外壳和盖子由
超声波焊接在一起的塑料材料制成，并且由此产生气密密封。另一个外壳和盖子实例可以由铝制成，具有结合的排气孔和端子馈通结构，从而将阳极和阴极母线连接到电池单元上的正极和负极端子上。
[0159] 如上所述，本领域的技术人员可以选择和改变芯件的特性，实现高能量或高功率芯。下面所示的表概述了三个实例，具有上述的5芯件实例的不同芯组成和可以实现的MC电池的不同特性。在此实例中，将一组5个圆柱形的胶卷型芯件并联连接到两个公共母线(正极和负极)上，与图 1所示的MC电池配置类似，但具有仅一半多的芯件。负极连接器被连接到从所述胶卷的阳极箔(铜)延伸的接片上，具有涂覆的石墨电极，并且被连接到所述胶卷的阴极箔(铝)的正极连接器具有化合物M和化合物F的共混氧化物电极结构。由镍制成的阳极接片和由铝制成的阴极接片使用点焊或激光焊接技术焊接到母线上。外壳和支撑构件由塑料材料(聚乙烯)制成。对于此实例，使用具有18mm直径的圆柱形腔和具有稍小直径(17.9mm)的胶卷芯件。外壳和盖子由超声波焊接在一起的塑料材料制成，并且由此产生气密密封。
[0160] 如上所述，本领域的技术人员可以选择和改变芯件的特性，实现高能量或高功率芯。下面所示的表(表2)概述了三个实例，具有上述的5芯件实例的不同芯组成和可以实现的MC电池的不同特性。
[0161] 表2
[0162]
[0163] 本公开内容还提供有利的能量存储装置/锂离子电池实施方式，其尤其包括提供有利吸热功能的材料，所述吸热功能例如通过管理热量/温度条件以及降低潜在热逃逸情况的可能性和/或强度而有助于电池的安全性和/或稳定性。
[0164] 为了比较的目的，没有产生吸热气体的材料的常规隔热物在热逃逸期间的性能显著地劣于具有本公开内容的一种或多种吸热材料的隔热物的性能。对于锂离子存储装置，200℃-250℃的温度范围被认为对于热逃逸的开始是危险的。
[0165] 在包括分别容纳于以下项的六(6)个5Ah锂离子电池单元的免维护电池构造的比较测试中：
[0166] ●包括根据本公开内容的吸热材料的隔热物[参考M1-也参见下表3]；以及[0167] ●没有吸热材料的隔热物[参考M2-真空成型的且热粘合板]；
[0168] 将单电池单元损坏来诱导所述电池单元和相邻电池单元的逃逸和测量的温度。得到了下表3的结果：
[0169]
[0170]
[0171] 这些结果清楚地表明由包括所公开的吸热材料引起的：
[0172] ●受损(事件)电池单元的最高温度的显著降低(25％)；以及
[0173] ●邻近电池单元的最高温度的显著降低(60％或更多)。
[0174] 应该注意到，具有吸热材料时，相邻的电池单元保持远低于200℃，而没有吸热材料时，相邻的电池单元的温度接近或超过200℃。
[0175] 本公开内容的隔热材料总体上包括陶瓷隔热基质组合无机吸热材料，所述无机吸热材料被选择为在高于能量存储装置/锂离子电池的正常操作温度、但是低于易于导致由于加热的热逃逸的预定温度的温度下产生排气。
[0176] 根据本公开内容的示例性实施方案，吸热材料的量是高于零并且处于对于提供载热和气体稀释效果有效的量。低至按重量计1％的产生吸热气体的材料可以取决于装置设计而有效，但是将典型地需要和/或希望更高的量。
[0177] 典型地，陶瓷基质与吸热材料的比率可以在按重量计1:19至9:1的范围内，并且优选在按重量计1:9至6:4的范围内。可以在不脱离本公开内容的精神或范围的情况下实施替代的相对水平，条件是在能量存储装置/锂离子电池内实现所希望的功能。
[0178] 陶瓷基质典型地包括无机纤维和粘合剂，并且可以包括颗粒材料。颗粒材料在性质上可以是微孔的，并且可以包括
热解陶瓷、
遮光剂及其混合物。所述粘合剂可以包括液体粘合剂、干式粘合剂或两者，并且可以是无机的、有机的或两者。可以存在遮光剂并且，取决于产品形式，所述吸热材料/系统可以包括水或其他溶剂作为成分。
[0179] 典型的但非限制性的配方在下面的表4中描述：
[0180] 表4
[0181]
[0182]
[0183] 其中上述组分占组合物的大于60％、大于70％、大于80％或大于90％。这些组分的比例可以根据产品形式而有所不同。
[0184] 无机纤维总体上起到提供结构强度、隔热特性和防止在高温下收缩的作用。纤维给予的结构强度允许隔热材料抵抗可能在正常操作期间或在热事件期间引起过度开裂的弯曲应力。由于纤维不是有机的或纯碳基的，它们不会燃烧并且因此不会有助于放热产生。在升高的温度偏移期间，与在低于900℃的温度(即在热事件期间经常达到的温度)下燃烧或熔融的那些不同，纤维将总体上由于它们的耐火性质用于将基质保持在一起。根据本公开内容可以使用的纤维包括陶瓷、E-玻璃、S-玻璃、多晶、磷酸、
浸出二氧化硅、
石英或氧化锆纤维。取决于设计标准，无机纤维可以不存在，但是典型地以3％或更多的量存在。
[0185] 微孔隔热材料典型地包括无机氧化物，其中孔径是如此小以致所述材料由于
对流而干扰气体的
平均自由程，同时还通过使颗粒之间的接触点最小化而使传导最小化。用于微孔材料的典型材料是陶瓷氧化物粉末，例如热解二氧化硅、热解氧化铝、热解氧化锆或其混合物。本公开内容的示例性实施方式所必需的微孔材料的量总体上是能量存储/电池组件的性质的函数。根据本公开内容，微孔材料可以以0％(即，不存在)至具有最高达60％微孔材料的实施方案的水平包括在所公开的吸热材料/系统中。微孔组分的目的总体上是将受影响的电池单元隔离到以下的水平：向外流动的热通量足够低，使得其可以通过传导被传送通过整个组件而不会使受影响的电池单元之外的任何点升高超
过热着火点。例如，如果能量存储装置/电池的整体设计包括充分隔热的相对小的电池单元和/或能量存储装置/电池的特征在于相对低的能量容量，则将需要非常少的(如果有的话)微孔材料。在这种情况下，陶瓷纤维基质材料的隔热特性可能是足够的。然而，如果隔热的电池单元包含高水平的潜在热能，则相对高量的微孔材料可能是必要的和/或希望的，以防止相邻电池单元升高到高于着火温度，同时如果温度变得足够高还为吸热材料反应并吸收能量提供时间。
[0186] 遮光剂是在温度上升到
辐射热量的水平的热缩锻条件期间可以增强隔热材料的性能的组分。对遮光剂的需要总体上与以上微孔组分的描述类似取决于能量存储装置/电池的热量释放特性。如果热事件期间的温度足够高以达到辐射热量温度，则遮光剂将有助于减缓所产生的任何辐射热量的传送。在本申请中，微孔材料、纤维基质或其组合它们本身都不能有效抵抗辐射热量传递。常见的遮光剂材料包括TiO2、硅、氧化铝、粘土(可用作遮光剂和粘合剂二者)、SiC和重金属氧化物。这些遮光剂在热事件期间在正常操作温度下或甚至在更低温度下不提供根据本公开内容的任何功能。这些遮光剂往往是高成本和非常致密的并且，因此增加了存储装置/电池的重量。取决于能量存储单元/电池的设计和热事件期间热释放的性质，遮光剂添加的范围通常为0至30％。
[0187] 根据本公开内容的示例性实施方案，吸热材料成分提供显著的益处。已知大多数能量存储装置/锂离子电池在60℃或更低温度下工作良好。本公开内容的所公开的吸热材料/系统通常被设计和/或选择为在高于此温度但优选足够低开始它们相应的一种或多种吸热反应，以使得这些吸热材料/系统可以在热事件的初始时刻开始吸收在此种事件期间产生的热能以使受影响的电池单元和相邻的电池单元的温度升高最小化。当超过高于正常操作温度的设定水平时，吸热材料吸收热量并放出气体。放出的气体用于稀释、中和并且带走热量。此外，突然产生的热量可用于发出
信号或使能量存储装置中的排气孔开始排气。所需要或希望的吸热材料的量总体上取决于装置配置、能量密度和隔热材料组分的其余部分的热导率。设想具有按重量计76％或更多产生吸热气体的材料的吸热材料/系统，但是在不脱离本公开内容的精神或范围的情况下可以采用不同的比率和/或范围。
[0188] 还可以调节产生吸热气体的材料的量以实现所希望的气体产生体积，并且类型的选择可用于设定应发生吸热的气体产生的温度。在高度隔热的系统中，可能希望更高的温度，而在较不隔热的系统中，可能需要更低的温度以防止相邻的电池单元的温度达到临界着火温度。将满足这些要求的典型的无机吸热材料包括但不限于以下吸热材料：
[0189] 表5
[0190]
[0191] 如以上指出的，这些吸热材料典型地含有羟基或水合的组分，有可能与其他碳酸盐或硫酸盐组合。替代性材料包括非水合的碳酸盐、硫酸盐和磷酸盐。常见实例将是碳酸氢钠，碳酸氢钠在高于50℃分解以产生碳酸钠、二氧化碳和水。
[0192] 在本公开内容的另一个实施方案中，多芯电化学组件中的胶卷或封闭胶卷单元可以位于壳体中(参见例如所附临时专利申请的图6中的壳体20)，其中单独的胶卷或封闭胶卷单元由壳材料或壳材料的组合分开。可商购的封闭胶卷单元的实例是18650、183765、26650和可从公司诸如Sanyo、Panasonic、Sony、Samsung、LG、Boston-Power以及许多其他公司获得的其他类型的Li离子电池单元。每一个胶卷或封闭胶卷单元被壳体材料部分地或完全地包围。使用壳体的目的之一是通过在热滥用时延迟胶卷之间的热传播来增加安全性。
壳体的另一个目的是通过吸收以其他方式由冲击能量、外部穿透引起的损坏、防止振动对结构的损坏(提及少数机械故障)来机械地保护胶卷或封闭胶卷单元。所述壳体可具有不同的配置和形式。它可以是块体中的圆柱形孔，其中单独的胶卷可以保持在这些孔中。它可以是插入胶卷之间，或包裹单独的胶卷以将它们分开、保持它们在适当位置并且提供一些机械支撑的板、织物垫或网。壳体材料可以是
金属泡沫，如铝泡沫、镍泡沫和
不锈钢泡沫。这些泡沫的供应商包括Cymat和ERG。它还可以是固体、多孔或微孔陶瓷，例如氧化铝，基于
硅酸盐的陶瓷和ZrO2等。材料的供应商包括ERG、CeramaTec、Morgan Advanced Materials、Saint Gobain、Zircar和Coors。具体材料包括但不限于以下销售商：材料类型；CeramTec：
多孔Al2O3-SiO2
复合材料(V 38氧化铝)：96％Al2O3；ZIRCAR CERAMICS：微孔SiO2-SiC复合材料(MICROSIL)：SiO2：85％，SiC：15％；Morgan Advanced Materials：微孔陶瓷(Min-K、BTU-BLOCK和Kaowoo)：Kaowoo：Al2O3-SiO2；Refractory Specialties：微孔陶瓷(MicroCell)：
MicroCell S：Al2O3-SiO2 10％-35％，其他55％；Induceramic：多孔陶瓷(TC1250、TC1600和TC1750)：Al2O3-SiO2复合材料(Al2O3，在TC1250中：45％，在TC1600中：72％，并且在TC1750中：96％)。壳体材料还可以是金属和碳材料，如Al、不锈钢、Ni、石墨和碳复合材料。此外，它可以是聚合物材料，如聚乙烯、聚丙烯、乙烯和丙烯共聚物和特氟隆。在本发明的一个实施方案中，将至少一种吸热剂结合到壳体材料中以形成复合壳体材料。这种吸热剂可以作为复合材料穿过材料定位在所述材料的孔中，或定位在所述材料壳体内部的袋中。吸热剂将通过化学反应或物理转化从在某一转变温度下具有增强温度的胶卷吸收热量。化学吸热材料的一个实例是碳酸氢钠。当温度高于50℃时，它吸
热分解成碳酸钠，二氧化碳和水。
[0193] 在本公开内容的另外的示例性实施方案中，将多种吸热材料结合到同一能量存储装置/锂离子电池中，其中成分吸热材料在不同的温度下开始它们相应的吸热反应。例如，碳酸氢钠可以与Al(OH)3[也称为ATH(三水合铝)]组合以提供根据本公开内容的双重响应吸热材料/系统。在这样的示例性实施方式中，可以预期碳酸氢钠在略高于50℃开始吸收能量并且放出气体，而ATH将不开始吸收能量和放出气体直到系统温度达到约180℃到200℃。因此，根据本公开内容具体地设想吸热材料可以是单一材料或吸热材料的混合物。
[0194] 应当指出，一些材料具有多于一个的分解温度。例如，以上提到为具有在220℃到240℃范围内开始的分解温度的水菱镁矿分步分解：首先通过在约220℃释放结晶水；然后在约330℃通过氢氧根离子分解释放更多的水；然后在约350℃释放二氧化碳。然而，这些分解中的步骤是固定的并且不允许控制在什么温度下吸收热量以及在什么温度下产生气体。
[0195] 通过使用具有不同分解温度的两种或更多种吸热材料的混合物，与单独使用一种材料相比，可以在更宽的温度范围内控制冷却效果。所述两种或更多种吸热材料可以包含一种或多种非产生吸热气体的材料组合一种或多种产生气体的材料。
[0196] 通过使用在不同分解温度下放出气体的两种或更多种吸热材料的混合物，可以在比单独使用一种材料更宽的温度范围内控制气体的产生。因此，所使用的吸热材料的数量和性质可以定制以给出定制的吸热和气体放出曲线。通过混合不同的吸热材料的此类吸热和气体放出曲线的定制允许控制温度和压力的演变以满足使用所述材料的设备的设计要求。
[0197] 隔热物的粘合剂相可以本质上是无机的或有机的，但优选是无机的。所述粘合剂相的目的是提供足够的结构完整性以组装所述装置、在正常操作期间将电池单元保持在适当位置、并且任选地在热事件期间提供机械稳定性。粘合剂的类型和量可以变化以允许对于组装和工作状态机械性能所必需的希望
刚度。将允许高度柔性的隔热材料的粘合剂的实例是天然和/或合成的胶乳材料。可使用一种或多种
淀粉以产生更刚性的构造。热固性粘合剂也可以使用，尤其当利用高水平的微孔性时。对于其中有机粘合剂不是所希望的那些应用，则有利地使用无机粘合剂，例如但不限于硅酸钠、硅酸
钾、胶态二氧化硅和胶态氧化铝。一种或多种
耐火粘土，例如
高岭土，也可以用作一种或多种粘合剂。这些粘土还含有水，所述水在高度升高的温度下以吸热方式挥发，从而在所公开的系统中提供进一步的益处。取决于所使用的成型过程，所有无机粘合剂可以以溶液/悬浮液或干燥形式加入所述隔热材料中。
[0198] 应当注意，并非关于本公开内容的吸热材料/系统公开的所有成分材料都与通常应用的制造路线相容。为此，特定能量存储装置/电池的设计要求可以决定必要的和/或希望的制造路线。在为特定的应用选择一种或多种制造方法时，应当注意：
[0199] a.脆性材料不如在机械滥用期间能够变形而没有裂纹的材料那么好。因此，使所公开的吸热材料/系统的脆性最小化并增加其可变形性的制造方法和配方是总体上优选的。
[0200] b.从不能够穿透胶卷并且引起内部短路的角度，与硬材料相比，软材料总体上是优选的。另一方面，硬材料可能增加强度，从而可以减轻碰碎并且保护胶卷。因此，在制造所公开的吸热材料/系统中优化所指出的软/硬属性的平衡的制造方法和配方是总体上优选的。
[0201] c.一旦电池单元或模块变形，希望的是，即使在碰碎之后，吸热保护也尽可能均匀，使得热保护是完整的。因此，提供均匀性的制造方法和配方是总体上优选的。
[0202] d.如果吸热材料/系统包含水并且要与对水敏感的能量存储装置一起使用，则在相关的电存储装置的正常操作温度下与所述吸热材料/系统相关的水的
蒸汽压力希望是低的。
[0203] e.包括多个电存储装置的装置的不同区域可能需要不同水平的吸热材料，并且因此可以应用在其范围内具有不同吸热材料浓度的材料。例如，所述材料可包括：
[0204] o表面区域，所述表面区域具有比所述材料主体内区域更高的吸热材料浓度；和/或
[0205] o表面区域，所述表面区域具有比所述材料的不同表面区域更高的吸热材料浓度[0206] 通过举例，下面描述四种示例性制造方法/配方的组合。然而，本公开内容不受这些示例性形式限制或不限于这些示例性形式。
[0207] 干压
[0208] 根据本公开内容的所公开的吸热材料/系统的一种示例性制造方法是首先将成分干共混在一起并且然后在高压下将它们压制成所希望的初始形状，直到形成微孔结构。如果希望高的生坯强度，则可以在所述共混步骤中加入干的热固性粘合剂，在这种情况下，在以下温度下保持所述形状，这些温度低于将由吸热材料放出气体的温度，但高到足以
固化所述热固性粘合剂。这可以在压制步骤期间亦或之后进行。一旦完成，可以将所得形状
机械加工成规定的设计。用于此制造路线的典型配方以下给出。
[0209] 表6
[0210] 典型的干压的形状的配方
[0211]材料类别 WT.％
陶瓷粉末 0-60wt％
遮光剂 0-30wt％
吸热材料 10wt％-60wt％
干式粘合剂 0-10wt％
纤维 3wt％-15wt％
[0212] 预成型体的渗透
[0213] 在根据本公开内容的所公开的吸热材料/系统的替代示例性制造方法中，在以下过程中形成产品，在所述过程中将纤维组分首先预成型为形状(预成型体)，并且然后随后用含有其余成分的悬浮液渗透。
[0214] 所述预成型体可以使用通常应用的由其他工业(例如纸浆模塑，纸和陶瓷纤维形状)所采用的真空成形技术来产生。在这些过程中，将纤维组分在液体中的稀悬浮液(浆料)暴露于筛网，在筛网上随着液体(典型地水)被抽吸通过，这些浆料成分累积。所述浆料的浓度变化以匹配所使用的过程和纤维特性。有机或无机粘合剂也可以结合到此步骤中。一旦形状(或扁平材料)增长到所希望的厚度，将其从悬浮液中移出并且干燥，直到获得足够的处理强度和开放孔隙率以允许渗透。
[0215] 渗透可以通过将所述预成型体(或扁平材料)浸入本公开内容的剩余非纤维成分的悬浮液中来完成。在所述过程中毛细管作用将所述悬浮液吸入孔隙中、替换空气。如果需要的话，可以通过施加真空亦或压力来辅助渗透。然后将经渗透的部分干燥以除去水。一旦水被除去，粘合剂(如果存在的话)将变硬。然后，如果需要的话，所得到的材料可以进一步机械加工和/或加工，或者如果合适的话原样使用。
[0216] 此制造路线适宜于生产具有高吸热材料负载的配方，容易实现80％负载并且仍然可延伸至更高负载。表7示出了典型的纤维预成型体的干成分(提及液体粘合剂时，这是指液体粘合剂的固化残余物)。
[0217] 表7
[0218] 典型的纤维预成型体配方(干)
[0219]材料类别 WT.％
陶瓷氧化物粉末 -
遮光剂 -
吸热材料 -
干式粘合剂 0-10wt％
液体粘合剂 10wt％-40wt％
纤维 50％-90％
[0220] 下面的表8示出了典型的渗透悬浮液(提及液体粘合剂时，这是指在固化之前的液体粘合剂)。
[0221] 表8
[0222] 典型的渗透悬浮液
[0223]材料类别 WT.％
陶瓷氧化物粉末 -
遮光剂 0-20wt％
吸热材料 4wt％-85wt％
干式粘合剂 0-5wt％
液体粘合剂 0-40wt％
纤维 -
水 15wt％-45wt％
[0224] 通过此制造路线产生的本公开内容的所得最终形状的典型组成在下文给出(提及液体粘合剂时，这是指液体粘合剂的固化残余物)。
[0225] 表9
[0226] 经渗透部分的典型最终配方
[0227]材料类别 WT.％
陶瓷氧化物粉末 -
遮光剂 0-16wt％
吸热材料 32wt％-80wt％
干式粘合剂 0-5wt％
液体粘合剂 2wt％-40wt％
纤维 10wt％-18wt％
[0228] 真空成型
[0229] 渗透技术的一个特征是存在非纤维成分的浓度梯度。所述浓度是在外表面上最大并且朝向中心减小。这是由隔热基质引起的，所述隔热基质充当
过滤器并且限制渗透物(当其行进远离表面时)。用于减少不均匀分布的一种方法是在一个步骤中形成具有所有成分的所公开的吸热材料/系统。在此示例性真空成型制造方法中，将所有成分材料引入初始稀浆料悬浮液中。然后通过通常应用于纸浆模塑、纸和陶瓷纤维工业中的标准真空成型技术将所述悬浮液成型为所希望的形状(或扁平材料)。然后将所得到的部分或纸张干燥并且可以将其如所制成的使用、或进一步机械加工。
[0230] 这种技术具有产生更均匀形状的优点，但是不太适合于生产具有非常高的非纤维成分负载的配方。这是由于干扰悬浮液被拉过的能力的成形筛网的堵塞。因此，这种技术更适用于薄的产品，例如纸，或横截面的厚度小于10mm的近净形状。使用水悬浮液总体上排除使用热解氧化物，因为这些材料一旦暴露于水就不能产生微孔结构。
[0231] 下表10示出了排除工艺用水之外的典型真空成型的形状的化学品，并且其中提及液体粘合剂时，这是指未固化的液体粘合剂。
[0232] 表10
[0233] 典型的真空成型的形状的化学品
[0234]材料类别 WT.％
陶瓷氧化物粉末 -
遮光剂 0-30wt％
吸热材料 10wt％-85wt％
干式粘合剂 0-10wt％
液体粘合剂 3wt％-15wt％
纤维 3wt％-60wt％
[0235] 可模制产品
[0236] 根据本公开内容的吸热材料/系统还可以被制成为用于形成能量存储装置/电池的组件的而不是处于制品形式的可模制材料。可模制版本的制造典型地开始于在混合器中湿混合多种成分，直到充分混合(例如，持续约10分钟)。此时可以加入
杀生物剂以防止储存期间霉菌生长。如果需要，可以包括pH调节剂。一旦混合完成后，然后可以将可模制产品在组装之前
包装到填缝管或筒中用于储存和分配。在组装期间，可以将可模制材料注射、压入或以其他方式放置到待隔热的区域中并且将所得组件干燥以除去水。典型地，如果使用无机粘合剂，则所述干燥部分将非常紧密地粘附到非隔热部件上，从而增加装置的结构完整性。这样的可模制材料在干燥后需要很少或没有额外的机械加工。
[0237] 在下面表11中给出了可模制生产方法的典型配方。由于热解陶瓷氧化物的性质，它们一般不能用水湿处理，因此这种制造方法通常排除将它们结合到本公开内容的实施方式中。
[0238] 表11
[0239] 典型的可模制配方
[0240]成分 WT.％
陶瓷氧化物粉末 -
遮光剂 0-15wt％
吸热材料 10wt％-60wt％
粘土粘合剂 0-10wt％
液体粘合剂 5wt％-60wt％
纤维 0-10wt％
添加的液体(例如，水) 0-70wt％
[0241] 应当指出，存在的液体可以包括液体粘合剂和/或还包括添加的液体。添加的液体中可以包括用于液体粘合剂的固化剂。
[0242] 其他形式
[0243] 材料可以处于是化学和/或机械发泡的泡沫的形式。已知泡沫陶瓷用于隔热目的[例如美国专利号4,596,834]并且吸热材料可以包括泡沫的成分的一部分和/或随后浸渍到泡沫中。类似于可模制组合物的组合物可以是发泡的。
[0244] 典型的组合物
[0245] 下面给出了已经证明提供根据本公开内容的有效吸热特性/功能的示例性组合物。
[0246] 表12
[0247]
[0248]
[0249] 成型材料的性质
[0250] 以上描述是指形成形状，包括扁平的形状，例如板和纸张。用于本申请的这些形状可以具有特定形式。例如，所述形状可以包括：
[0251] ●具有凹部的材料主体，所述凹部成型为容纳能量存储装置/电池或其单元；
[0252] ●具有多个凹部的材料主体，每个凹陷成型为接收能量存储装置/电池或其单元；
[0253] ●具有两个或更多个带有不同吸热材料浓度的区域的材料；
[0254] ●具有产生吸热气体的材料的梯度的材料；
[0255] ●包括具有比材料主体内的区域更高吸热材料浓度的材料表面区域的材料；
[0256] ●包括具有比材料的不同表面区域更高吸热材料浓度的材料表面区域的材料。
[0257] 参考所公开的吸热材料/系统的示例性实施方式，应指出其在能量存储装置/锂离子电池内的定位/位置通常被选择为有助于本文所述的希望的能量吸收/传递功能，而不需要干扰与这种能量存储装置/锂离子电池相关联的
基础能量产生和存储。此外，总体上希望的是所公开的吸热材料/系统被定位/放置为以允许具有相关的排气功能性的有效气体连通，从而允许迅速并且有效地使由本公开内容的一个或多个吸热反应产生的气体副产物脱气。
[0258] 例如，如图1A、1B和1D所示，考虑了所公开的吸热材料/系统可以沿着分隔相邻电池单元的壁和/或沿着单独电池单元的顶面和/或底面整体或部分地定位/放置。类似地，参照图2，所公开的吸热材料/系统可以沿着分隔相邻电池单元的壁和/或沿着单独电池单元的顶面和/或底面整体或部分地定位/放置。参照图3和5，所公开的吸热材料/系统可以在所公开的胶卷内和/或沿着分隔相邻电池单元的壁和/或沿着单独电池单元的顶面和/或底面整体或部分地定位/放置。参照图6A，所公开的吸热材料/系统可以沿着分隔相邻电池单元的壁和/或沿着单独电池单元的顶面和/或底面整体或部分地定位/放置。
[0259] 因此，可以使用所公开的吸热材料/系统，使得它们整体或部分地包围一个或多个单独的密封电池单元，并且特别是一个或多个包括单个胶卷的密封电池单元，例如18650电池单元、183765电池单元等。所述电池单元可以串联、并联或以其组合连接。此外，所公开的吸热材料/系统可用于在具有共同气氛的开放容器中包括多个胶卷的能量储存装置/锂离子电池中。
[0260] 应当指出，与所公开的能量存储装置/锂离子电池相关联的排气功能可以采用对压力和/或温度敏感的单个排气元件、或者对压力和/或温度敏感的多个排气元件的形式。排气元件可以运行以在高于3巴的压力下开始排气，并且在示例性实施方式中，在5-15巴范围内的压力下开始排气，但是操作压力释放参数的选择可能受到具体能量存储装置/锂电池的设计和操作的影响。更具体而言，所公开的排气口可以操作以在约15psi到200psi，优选地约30psi到170psi，更优选地约60psi到140psi的预定阈值压力水平下开始排气。
[0261] 在本公开内容的另外的示例性实施方案中，所述一个或多个排气元件可以包括被全部或部分地设计为防止回火到电池单元中的阻焰器。例如，可以采用金属丝网形状的阻焰器，但是可以采用替代的设计和/或几何形状，如将对本领域技术人员容易清楚的。
[0262] 进一步可以考虑的是在包括多个排气元件的实施方式的情况下，排气元件的操作可以通过在整个装置/电池内的其他排气元件的响应动作而整体或部分地触发。例如，第一排气元件的排气功能的致动可以自动触发与装置/电池相关联的一个或多个其他排气元件的排气功能。此外，可以提供多个排气元件，其特征在于不同的排气阈值，使得第一排气元件可以在第一温度和/或压力下致动，而第二排气元件可以在高于第一温度/压力的第二温度和/或压力下致动。
[0263] 进一步指出，与所述一个或多个吸热反应相关联的排出气体稀释电解液气体以提供机会来延缓或消除与所述电解液气体相关联的着火点和/或可燃性。电解液气体的稀释是高度有利的并且代表与本公开内容的系统和方法相关的另一优点。[参见E.P.Roth和C.J.Orendorff，“电解液如何影响电池安全性(How Electrolytes Influence Battery Safety)，”The Electrochemical Society Interface，2012夏，第45-49页。]
[0264] 在实施所公开的吸热材料/系统中，考虑了不同的配方和/或量可以与多芯电池单元结构中的不同电池单元相关联。例如，中心定位的电池单元可以聚集并配备有吸热材料/系统，基于内部电池单元可能比外部电池单元更早地经历滥用温度的可能性，所述吸热材料/系统在与外部电池单元相比更低的温度下引发一个或多个吸热反应。
[0265] 应指出的是，当所公开的吸热材料/系统被包括在暴露于电解液的电池单元内部(例如通过部分蒸气压)时，水从吸热材料/系统到胶卷的转移是有限的和/或不存在的，因为与吸热材料/系统相关的水是化学键合的。在吸热材料/系统全部或部分地被定位/放置在这些电池单元内部的实施方式中，重要的是限制水暴露于电解液。如果吸热材料/系统包含水，则与吸热材料/系统相关的水的蒸气压应该是低的，以限制对电解液功能的潜在干扰。确实，水到电解液的不转移对于确保下面的电池单元的功能性不会由于所公开的吸热材料/系统的存在而受到损害是重要的。这个特征对于其中芯对在其他气密密封的电池单元内的一般气氛开放的那些配置是尤其重要的。
[0266] 值得指出的是，即使在与所公开的吸热材料/系统相关的吸热材料已被消耗，即与这种吸热材料相关的一个或多个吸热反应已经消耗了所有可用的吸热材料之后，所公开的吸热材料/系统由于与吸热材料/系统相关的其他隔热组分继续向所述能量存储装置/锂离子电池提供有利的隔热功能。
[0267] 转向本公开内容的其他有利方面，可以提供可再充电的电
化学能量存储电池单元，该电池单元使用具有至少一个胶卷、一个负母线、一个正母线和壳的多芯电化学组件。如本文中所使用的胶卷是指电池中的最小的、独立的电化学能量存储单元，包括阴极、阳极和隔膜。胶卷801(图8)包括阴极804、阳极802和隔膜806。在锂离子电池中，阴极和阳极活性材料总体上分别涂覆在铝箔集电器和铜箔集电器的两侧，在两个集电箔的一个边缘处具有未涂覆区域803和805(图9)。阴极中未涂覆的Al箔区域和阳极中未涂覆的Cu箔区域分别位于胶卷的两端。所述隔膜覆盖电极涂覆区域并延伸以覆盖两个未涂覆区域的一部分，以防止阴极与阳极之间的短路。为了最大化胶卷的重量和体积能量密度，最好保持未涂覆区域的最小宽度，k1和k2。然而，当k1和k2太小时，保持良好的电极对准和良好的焊接将会是一个挑战。适当地是保持k1和k2大于0.1mm并且小于相应的阳极或阴极集电器的全宽的50％。
典型的优选范围为1-4mm。
[0268] 在本公开内容的一个实施方案中，仅阴极被制造为未涂覆区域(k2)并且阳极使用至少一个接片来连接到NBB上。对于这种情况，阳极电极涂层延伸遍及集电器箔的全宽。隔膜的宽度覆盖了所有阳极但不是所有的阴极未涂覆区。仅在阴极边缘中具有未涂覆区域并且在阳极上具有一个或多个接片的胶卷在本文中称为“胶卷A”。
[0269] 虽然Cu和Al箔是用于锂离子电池的最常用的集电器，但是在文献中也已经报道了并且可以使用其他类型的集电器。例如，使用镍箔作为阳极集电器(Y.Yun等人，Electrochimica Acta，第54卷，7227(2009))。在本公开内容中，这些集电器包括在Li离子电池中使用的所有类型的集电器材料和形式，而不限于Al和Cu箔。除了箔，它们可以采取网、布等形式。
[0270] 图10A中示出了包括并联连接的多个胶卷的示例性多芯电化学组件。胶卷的未涂覆的铜箔803的端部焊接在铜板807(NBB)上，该铜板同时用作单独胶卷的集电器和所有胶卷的接合母线。类似地，胶卷的未涂覆的铝箔805的端部焊接在铝板808(PBB)上。NBB和PBB允许胶卷的高电流耗用，具有减少的热产生，部分地充当
散热片。此外，由于不需要额外的母线，所以所述设计减少了多芯电化学组件的重量、空隙空间和成本。
[0271] 对于由多个胶卷A组成的多芯电化学组件，只有这些阴极未涂覆的端部焊接在PBB上。阳极接片焊接在负母线上。这种类型的多芯组件在能量密度方面次于具有NBB和PBB的组件，但是可以在布局结构需要接片的特殊情况下使用。
[0272] 在NBB中，存在对应于单独胶卷的多个狭缝开口809，以允许电解液填充。为了允许有效的电解液填充，狭缝开口的长度更好地接近胶卷的直径。由于胶卷的一端焊接在PBB上并且胶卷被包含电解液的绝缘带包裹，所以可以使通过狭缝开口填充的电解液完全自包含在胶卷中。这样的布置可以允许消除用于每个单独胶卷的任何电解液约束部件，例如金属壳，例如罐、或者塑料内衬，这些部件根据本文公开的实施方案是任选的。在某些情况下，这种电解液约束内衬或罐是必要的。在一个实施方案中，电解液包含在单独封闭的胶卷电池单元中。封闭的胶卷电池单元包括胶卷和电解液，它们被气密密封在金属、塑料或陶瓷容器中，以防止电解液泄漏到组件中。对于具有固体聚合物电解液、凝胶聚合物电解液或
薄膜固体离子电解液的一些胶卷技术，不需要在组件中的电解液填充过程。因而，不需要在NBB中的电解液填充开口。
[0273] NBB和PBB的大小需要能够覆盖胶卷的所有端部。因此，NBB和PBB的形状总体上取决于胶卷的足迹，并且不限于矩形。NBB和PBB的厚度通常由以下等式 1确定(参见：http://www.copperinfo.co.uk/busbars/pub22-copper-for-busbars/sec3.htm)：
[0274]
[0275] 其中，I＝电流(安培)；A＝截面面积(mm2)；p＝导体周长(mm)；θ＝导体与环境空气之间的温差(℃)；α＝导体在室温下的
电阻温度系数(每℃)；ρ＝导体在室温下的
电阻率(μΩcm)。
[0276] 用于讨论中的实施方案的合适的NBB或PBB材料需要是(i1)良好的导电体；(2)电化学稳定的；(3)对电解液是化学惰性的，并且(4)可以容易地且牢固地附接或安装在胶卷中的非涂覆端部上。例如，镍板适合于是NBB。优选的材料是Cu和Al分别作为NBB和PBB。
[0277] NBB和PBB通过焊接或导电粘合剂附接到胶卷的未涂覆端部上。导电粘合剂在储存和操作期间必须是电化学和化学稳定的。焊接方法由于在储存和操作期间较不可能不稳定是优选的。可以使用各种焊接技术将NBB和PBB焊接在胶卷的端部上，包括但不限于激光焊接、超声波焊接和
电阻焊接(点焊)技术。优选的技术是激光焊接。
[0278] 在一个实施方案中，将多芯组件放置在金属壳810(图11)中。金属壳可以是铝、钢、不锈钢或通常用于电池中的其他材料。PBB 808作为正极端子812a焊接在金属壳的底部上。金属连接件，如铜棒，连接到作为负极端子812b的NBB上。绝缘层910放置在壳盖900与NBB之间。在绝缘层910中存在对应于NBB中的狭缝开口809的开口811，以允许电解液填充。所述电池单元最终被气密密封。由于PBB焊接在金属壳的底部，因此PBB与金属壳之间的接触面积与PBB相同。因此，PBB和金属壳实际上充当散热片，以使得能够快速耗尽在多芯组件中产生的热量，从而提高组装安全性。
[0279] 在另一个实施方案中，胶卷组件也可以放置在金属套筒810中。PBB气密地焊接在金属套筒中用作壳底部的开放端部之一的壁上(图12)。虽然套筒的金属具有多种选择，但Al更好保证良好的焊接。PBB的尺寸需要精确地适配套筒底部以确保良好的密封。如果PBB的计算厚度远小于金属套筒的壁厚，则优选的厚度是套筒壁厚度以确保良好的机械性能。PBB作为电池单元的金属壳的一部分进一步减少重量和空隙空间。此外，由于PBB被焊接在金属套筒中，所以所述壳可以充当散热片，以使得能够快速耗尽多芯组件中产生的热量，从而提高组装安全性。
[0280] 还在另一个实施方案中，在多芯电化学组件中的胶卷或封闭胶卷电池单元可以位于壳体820(图13)中，其中单独的胶卷或封闭的胶卷电池单元由壳材料或壳材料的组合分开。可商购的封闭胶卷电池单元的实例是18650、183765、26650和可从诸如Sanyo、Panasonic、Sony、Samsung、LG、Boston-Power和许多其他公司获得的其他类型的Li离子电池单元。每一个胶卷或封闭胶卷电池单元被壳体材料部分地或完全地包围。使用壳体的目的之一是通过在热滥用时延迟胶卷之间的热传播来增加安全性。壳体的另一个目的是通过吸收以其他方式由冲击能量、外部穿透引起的损坏、防止振动对结构的损坏(提及少数机械故障)来机械地保护胶卷或封闭的胶卷电池单元。该壳体可具有不同的配置和形式。它可以是块体中的圆柱形孔，其中单独胶卷可以保持在这些孔中。它可以是插入胶卷之间，或包裹单独的胶卷以将它们分开、保持它们在适当位置并且提供一些机械支撑的板、织物垫或网。壳体材料可以是金属泡沫，如铝泡沫，镍泡沫和不锈钢泡沫。这些泡沫的供应商包括Cymat和ERG。它还可以是固体、多孔或微孔陶瓷，例如氧化铝，基于硅酸盐的陶瓷和ZrO2等。材料的供应商包括ERG、CeramaTec、Morgan Advanced Materials、Saint Gobain、Zircar和Coors。具体材料包括但不限于以下供应商：材料类型；CeramTec：多孔Al2O3-SiO2复合材料(V 38氧化铝)：96％Al2O3；ZIRCAR陶瓷：微孔SiO2-SIC复合材料(MICROSIL)：SiO2：85％，SiC：15％：Morgan Advanced Materials：微孔陶瓷(Min-K、BTU-BLOCK和Kaowoo)：Kaowoo：
Al2O3SiO2；耐火特制品：微孔陶瓷(MicroCell)：MicroCell S：Al2O3-SiO2 10％-35％，其他
55％；Induceramic：多孔陶瓷(TC1250、TC1600和TC1750)：Al2O3-SiO2复合材料(Al2O3，在TC1250中：45％，在TC1600中：72％，在TC1750中：96％)。壳体材料还可以是金属和碳材料，例如Al、不锈钢、Ni、石墨和碳复合材料。此外，它可以是聚合物材料，如聚乙烯、聚丙烯、乙烯和丙烯共聚物和特氟隆。在本发明的一个实施方案中，将至少一种吸热剂结合到壳体材料中以形成复合壳体材料。这种吸热剂可以作为复合材料穿过材料定位在所述材料的孔中，或定位在所述材料壳体内部的袋中。吸热剂将通过化学反应或物理转化从在某一转变温度下具有增强温度的胶卷吸收热量。如以上指出的，化学吸热材料的一个实例是碳酸氢钠。当温度高于100℃时，它吸热分解成碳酸钠、二氧化碳和水。如上所述，根据本发明可以有利地使用其他吸热系统/材料。
[0281] 在另一个实施方案中，单个胶状锂离子电池由Cu和Al集电盘813和814组成。它们分别焊接在Cu未涂覆的端部和Al未涂覆的端部处。这个单一芯组件放置在金属套筒810(图14A和14B)中。在Cu集电盘813中形成狭缝开口809(图14C)。Al集电盘814被气密地焊接在形成Al罐的底部的金属套筒上。这消除了连接正极集电器和正极端子的金属引线，减少了电池单元的重量和空隙空间并增加了能量密度。它还使得能够快速耗尽电池单元中产生的热量，从而提高电池单元的安全性。虽然用于套筒的金属有多种选择，Al更好地确保良好的焊接。顶盖在电解液填充后也被气密地密封。
[0282] 如之前指出的，根据本公开内容，胶卷可以采取各种形状，例如圆柱形、椭圆形和矩形，并且它们不限于任何特定的形状。它们可以通过卷绕电极和隔膜形成，或者通过堆叠电极和隔膜形成。胶卷的直径、厚度和长度的大小取决于胶卷的设计容量。胶卷尺寸越大，胶卷具有越高的容量。在多芯组件中，胶卷可以具有不同的尺寸和形状，只要胶卷的两端可以焊接在NBB和PFF上。此外，在多芯锂离子组件中的胶卷可以具有不同的化学物质或具有不同的电解液，只要它们的电化学窗匹配并且胶卷的两端可以焊接到NBB和PBB上。
[0283] 胶卷中的阳极涂层由阳极活性材料、导电添加剂和粘合剂组成。导电添加剂是碳黑、石墨中的一种或组合。粘合剂材料是聚合物材料。最常用的粘合剂材料是SBR和CMC或PVDF的混合物。阳极活性材料是通常在Li离子或Li聚合物电池中发现的并且在文献中描述的那些，例如石墨、掺杂碳、硬碳、
无定形碳、硅(例如硅纳米颗粒或Si柱或具有碳的分散硅)、锡、锡合金、Cu6Sn5、Li、在金属箔基材上沉积的Li、具有Li的Si、在石墨中混合入Li金属粉末、钛酸锂及其任何混合物。本发明不限于任何特定的阳极化合物。
[0284] 典型的阳极由石墨、导电碳和SBR/CMC粘合剂组成。阳极中的典型组成是：石墨80重量％-98重量％，导电碳0-2重量％和粘合剂1重量％-10重量％。涂层厚度取决于设计的胶卷容量。涂层越厚，单位面积中的负载阳极容量越高。在市场上大多数商业锂离子电池中，涂覆的阳极厚度为50-200微米。最常用的集电器是具有厚度为8-20微米的铜箔。
[0285] 胶卷中的阴极涂层由阴极活性材料、导电添加剂和粘合剂组成。导电添加剂是碳黑、石墨中的一种或组合。粘合剂材料是聚合物材料。最常见的粘合剂材料是PVDF。阴极活性材料是在充电和放电期间具有吸收和
解吸锂离子的能力并且具有比锂金属相对更高的电极电位的那些。
[0286] 合适的单独的阴极材料的实例为LixCoO2(被称为化合物A)、LixMzCowO2(化合物B，其中，M选自Mg、Ti和Al并且部分地取代晶格中的Co或Li并且以Z＝0％-5％、典型地W是接近1的范围添加，适用于高于4.2V的充电)、LixNiaMnbCocO2(特别地，约a＝l/3、b＝l/3、c＝l/3(化合物C)和a＝0.5、b＝0.3、c＝0.2(化合物D)的组合，以及其Mg取代的化合物(两者都被分组到化合物E下))。另一个实施是LixNidCoeAlfO2(化合物F)及其Mg取代的衍生物LixMgyNidCoeAlfO2(化合物G)，其中，在特殊情况下d＝0.8、e＝0.15、f＝0.05，但是d、e和f可以改变几个百分比，y的范围是0到0.05。单独阴极材料的又另一个实例是LixFePO4(化合物H)、LixCoPO4(化合物I)、LixMnPO4(化合物J)和LixMn2O4(化合物K)。在所有这些化合物中，典型地发现过量的锂(x>1)，但X可以从约0.9变化至1.1。
[0287] 一类特别适合于高电压、当高于4.2V充电时具有高容量的材料是例如由Thackeray等人在美国专利号7,358,009中描述的并且从BASF和TODA可商购的所谓分层的层状材料(化合物L)。由Thackeray最初描述的化合物可被制成在高于4.2V的电压下是稳定的。这些阴极中的一些在高于4.2V(使用石墨作为阳极的标准最高电压)的高电压下是稳定的，并且那些材料可优选地进行混合。
[0288] 虽然根据本公开内容可以使用上述材料之一，但是优选的是，将选自B、C、D、E、F、G、I、J和L的两种或更多种材料化合物进行混合。具体地，化合物B、D、F、G和L中的两种或更多种组分混合物是优选的。对于非常高的能量密度的配置，(B和L)或(B和G)或(G和L)的混合物是最有益的，并且当这些混合物被制成为薄电极时还可以实现高功率。薄(功率)和厚(能量)电极可以进入胶卷以定制能量与功率比，同时具有相同的合适的电压范围和化学性质。涂层的常见厚度在60-200微米的范围内。基于阴极活性材料LixNiaMnbCocO2(化合物C或D)的阴极涂层的典型组成具有70％-98％的阴极活性材料、25％-1％的导电碳和20％-1％的PVDF粘合剂的重量比。
[0289] 隔膜用作插入在阳极与阴极之间并且应当具有对Li离子的高渗透性以及在拉伸和横向方向上的高强度和高穿透强度的电绝缘膜。孔径典型地是0.01到1微米并且厚度是5微米到50微米。典型地使用非织造聚烯烃，例如聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)或PP/PE/PP结构的片材。可以将典型地由Al2O3组成的陶瓷施用到该膜上以改进加热时的收缩并改进针对内部短路的保护。此外，阴极或阳极可以类似地涂覆有陶瓷。然而，在聚合物Li离子电池或固体Li离子电池中，不存在隔膜。相反，固体聚合物电解液膜、凝胶聚合物电解液膜或固体离子薄膜夹在阴极与阳极之间以提供离子导电和电绝缘。
[0290] 在工业中典型地发现电解液包含溶剂和盐。溶剂典型地在DEC(碳酸二乙酯)、EC(碳酸乙烯酯)、EMC(碳酸甲乙酯)、PC(碳酸丙烯酯)、DMC(碳酸二甲酯)、1,3-二氧戊环、EA(乙酸乙酯)，四氢呋喃(THF)之间进行选择。盐在LiPF6、LiClO4、LiAsF6、LiBF4之间选择，用于电解液中的含硫或酰亚胺的化合物包括LiCF2O3、LiN(CF3SO2)2、LiN(CF3CF2SO2)2、或通过将SO2鼓泡通过预混电解液，如EC/5EMC/DMC(1:1:1比率)和1M LiPF6的普通磺化。其他盐是LiBOB(二草酸硼酸锂)、TEATFB(四乙基铵四氟硼酸盐)、TEMABF4(三乙基甲基铵四氟硼酸盐)。还可以使用用于有效的SEI形成、气体产生、阻燃特性或氧化还原穿梭能力的添加剂，包括BP(联苯)、FEC、吡啶、三乙基亚磷酸酯、三乙醇胺、乙二胺、六磷三酰胺、硫、PS(亚硫酸丙烯酯)、ES(亚硫酸乙烯酯)、TPP(三苯基磷酸酯)、铵盐、含卤素的溶剂如四氯化碳或三氟乙烯以及附加地CO2气体，以改进高温储存特性。对于固体/凝胶或聚合物电解液，PVDF、PVDF-HFP、EMITFSI、LiTFSI、PEO、PAN、PMMA、PVC、这些聚合物的任何共混物可以与其他电解液组分一起使用以提供凝胶电解液。电解液供应商包括Cheil、Ube、三菱化学公司、巴斯夫公司、Tomiyama、Guotsa-Huasong、以及Novolyte。
[0291] 其他实例和对比实例
[0292] 下面给出了一组所描述的关于如何实施本公开内容的假设实验和方法，其中结果数据来自性能模型结果：
[0293] 实例2
[0294] 将具有人造石墨/导电碳/PVDF粘合剂重量比为95％/1％/4％的固体组合物的阳极糊剂涂覆在10μm厚的Cu箔的两侧上。糊剂介质溶剂是NMP。铜箔宽度为82mm。涂层宽度为80mm，其在箔的一个边缘处留下2mm的未涂覆区域。涂覆后，将电极在150℃加热5分钟以除去溶剂。将干燥的电极压制到达到1.55g/cc的压制电极密度。
[0295] 将具有LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2/导电碳/PVDF粘合剂重量比为94％/3％/3％的固体组合物的阴极糊剂涂覆在20μm厚的Al箔的两侧上。糊剂介质溶剂是NMP。Al箔宽度为82mm。涂层宽度为80mm，其在箔的一个边缘处留下2mm的未涂覆区域。涂覆后，将电极在150℃加热5分钟以除去溶剂。将干燥的电极压制到达到3.55g/cc的压制电极密度。阳极和阴极的第1次循环的充电容量比为1.12。具有Al箔的阴极厚度为约166μm，并且具有Cu箔的阳极厚度为约196μm。
[0296] 将25μm厚的聚乙烯隔膜插入所述阴极与阳极之间。隔膜的宽度为82mm。隔膜覆盖阴极和阳极涂覆区域并且延伸1mm以分别覆盖Cu未涂覆区域和Al未涂覆区域。阴极和阳极涂覆区域精确地彼此面对(图15和16)。将电极和隔膜层压体在卷绕机上卷绕，以形成具有84mm卷高度和23mm直径的胶卷。
[0297] 将六个胶卷安排成一行，在每个单独的相邻胶卷之间具有1mm的间隙。使用激光焊接机将Cu未涂覆区域的端部焊接在长度为144mm、宽度为23mm和厚度为2mm的Cu NBB上。在Cu NBB中存在六个22.5mm宽的狭缝开口。每个狭缝开口的中心对应于胶卷的中心。将5个1mm厚的具有84mm的长度和23.5mm的宽度的聚丙烯板插入胶卷之间的间隙中。然后将该半组件插入Al厚度为1mm的Al套筒中。套筒具有的长度为148mm，宽度为26.5mm，并且高度为
87mm。将胶卷的Al未涂覆端部通过激光焊接机焊接在Al PBB上。Al PBB具有的长度为
148mm，宽度为26.5mm。Al PBB焊接在Al套筒的底部，以确保气密密封。将两个具有89mm高度和24.5mm宽度的聚丙烯板插入在端部胶卷与两个窄Al壳壁之间。将两个长度为144mm、宽度为87mm的0.5mm厚的聚丙烯片材插入胶卷与两个宽的Al壳壁之间。将5mm直径的Cu棒焊接在作为负极端子的Cu NBB上。将具有144mm长度和23.5mm宽度的聚丙烯板放置在顶盖与Cu NBB之间。在这个板中存在对应于Cu NBB中的狭缝开口的六个直径为2mm的孔。将具有1mm厚度的顶部Al盖通过激光焊接机焊接在Al套筒上，以确保气密密封。在顶盖中安排有电解液填充孔和排气口(图15A)。使用真空填充法将基于EC/DMC/EMC(1:1:1)LiPF6的1M电解液填充到胶卷中。
[0298] 将多芯锂离子组件用3A恒定电流初始充电到4.1V用于形成。形成后，在顶盖中的孔由类似尺寸的金属球密封。将多芯锂离子组件用6A恒定电流充电到4.2V，随后在4.2V下的恒定电压充电，直到电流达到0.6A。放电容量通过恒定电流放电至2.75V确定。从这种类型的方法建模的测试结果列于表13中。可以看出，在实例1中的多芯Li离子组件具有比对比实例2更高的容量、更高的能量和更高的体积和重量能量密度。
[0299] 对比实例2
[0300] 阴极和阳极配方、Al和Cu箔厚度、电极制造工艺、隔膜、和胶卷制造工艺与实例2中的相同。在对比实例1中，Al箔宽度为72mm，并且阴极涂覆区域宽度为72.5mm。Cu箔宽度为74.5mm并且涂覆区域宽度也为74.5mm。隔膜宽度为76.5mm。阴极和阳极压制密度分别为
3.55g/cc和1.55g/cc。阳极和阴极的第1次循环的充电容量比为1.16。具有Al箔的阴极厚度为约166μm，并且具有Cu箔的阳极厚度为约209μm。胶卷具有76.5mm的高度和23mm的直径。胶卷具有两个接片-用于阴极的Al和用于阳极的Cu。这些接片分别具有与Al集电器箔和Cu集电器箔相同的厚度，并且具有78.5mm的长度和5mm的宽度。胶卷上方的两个接片的长度为
2mm。
[0301] 将六个胶卷插入六个聚丙烯内衬内，其中空腔直径为23mm，高度为78.5mm并且壁厚为0.5mm。然后将这个组件插入长度为148mm、高度为90mm、宽度为26.5mm并且壁厚度为1mm的Al壳中。Al母线具有130mm的长度，10mm的宽度和9mm的厚度。并且Cu母线具有130mm的长度，10mm的宽度和5mm的厚度。使用激光焊接机将胶卷的Al接片焊接到Al母线上，并且将Cu接片焊接到Cu母线上(图16B)。Al和Cu母线定位在聚丙烯内衬中并且在它们之间放置一件丙烯块以使母线绝缘。将具有六个2mm孔的聚丙烯板放置在母线与壳的顶盖之间，所述孔对应于每个单独的胶卷并且具有1mm的厚度、146mm的长度以及24.5mm的宽度。将带有排气口和六个电解液填充孔的顶盖气密地焊接。将与实例2相同的电解液通过真空填充法填充到胶卷中。
[0302] 将多芯锂离子组件用3A恒定电流初始充电到4.1V用于形成。形成后，在顶盖中的孔由金属球密封。将多芯锂离子组件用6A恒定电流充电到4.2V，随后在4.2V下的恒定电压充电，直到电流达到0.6A。放电容量通过恒定电流放电至2.75V确定。来自该模型的测试结果列于表13中。
[0303] 表13
[0304] 实例2 对比实例2 实例3 对比实例3
单位容量(Ah) 34.85 33.48 5.207 5.036
单位能量(Wh) 125.5 120.5 18.7 18.1
单位重量(g) 730.1 725.9 87.8 86.2
单位体积(mL) 356.9 356.9 40.1 40.1
单位密度(Wh/kg) 171.8 166.0 213.4 210.3
单位密度(Wh/L) 351.6 337.7 467.9 452.6
[0305] 实例3
[0306] 实例3中的胶卷与实例2中的相同，除了以下差异之外：(i)阴极Al箔宽度为63mm并且涂覆区域宽度为61mm；(ii)阳极Cu箔宽度也为63mm并且涂覆区域宽度为61mm；(iii)隔膜宽度为63mm；并且(iv)胶卷高度为65mm并且直径为24.8mm。
[0307] 使用激光焊接机将直径为24.8mm且厚度为0.5mm的Cu盘，NBB，焊接到胶卷的Cu未涂覆端部上。24mm狭缝开口是Cu盘。使用激光焊接机将直径为27mm且厚度为1mm的Al盘，PBB，焊接到胶卷的Al未涂覆端部上。将该组件插入直径为27mm，高度为69mm并且壁厚度为1mm的Al套筒中。使用激光焊接机将PBB焊接到底部Al套筒上。将NBB焊接到在Al套筒的顶盖上的负极端子上。在顶盖与NBB之间放置直径为25mm，厚度为1mm并且在中心具有2mm孔的聚丙烯盘。将具有电解液填充孔和排气口的1mm厚的Al顶盖焊接到Al套筒上以确保气密密封。
将实例2中的相同电解液真空填充到胶卷中(图16A)。
[0308] 将单芯锂离子电池单元用0.5A的恒定电流初始充电到4.1V用于形成。形成后，在顶盖中的孔由金属球密封。用1A恒定电流充电至4.2V，然后在4.2V下的恒定电压充电，直到电流达到0.1A。放电容量通过恒定电流放电至2.75V确定。来自该模型的测试结果列于表13中。实例3具有比对比实例3更高的容量、更高的能量以及更高的体积和重量能量密度。
[0309] 对比实例3
[0310] 对比实例3中的胶卷与对比实例2中的相同，除外以下差异之外：(i)阴极Al箔宽度为60mm并且涂覆区域宽度为60mm；(ii)阳极Cu箔宽度也为62mm并且涂覆区域宽度为62mm；(iii)隔膜宽度为64mm；(iv)胶卷高度为64mm并且直径为24.8mm；并且(v)Al接片和Cu接片具有64mm的长度和5mm的宽度。胶卷上方的两个接片的长度为3mm。
[0311] 将胶卷插入高度为69mm，直径为27mm并且壁厚为1mm的Al罐中。将直径为25mm，厚度为1mm并在中心具有2mm孔的聚丙烯盘放置在顶盖与胶卷之间。将Cu和Al这两个接片焊接到顶盖上的负和正极端子上。将具有电解液填充孔和排气口的1mm厚的Al顶盖焊接到Al罐上以确保气密密封。将实例2中相同的电解液真空填充到胶卷中(图16B)
[0312] 将单芯锂离子电池单元用0.5A的恒定电流初始充电到4.1V用于形成。形成后，在顶盖中的孔由金属球密封。用1A恒定电流充电至4.2V，然后在4.2V下的恒定电压充电，直到电流达到0.1A。放电容量通过恒定电流放电至2.75V确定。测试结果在表13中列出。
[0313] * * * * * * * * * * * * *
[0314] 如将对本领域技术人员容易清楚的，本公开内容可体现为其他特定形式而不脱离其精神或基本特征。因此，本发明的这些实施方案在所有方面都被视为是说明性的而不是限制性的。
