电化学多电池及其方法
【专利摘要】一种电化学多体蓄电池，可以包括：壳体，其包括多个同心的环形电池室；多个电化学蓄电池，其中所述多个环形电池的各个位于所述多个环形电池室的一者中，并且所述多个环形电池电气串联连接；以及导电电解质，其填充各个所述多个环形电池室。
【专利说明】
电化学多电池及其方法
技术领域
[0001]本公开内容涉及电化学多电池(electrochemical mult1-cell)及其方法，相对于传统装置，所述电化学多电池及其方法提供了等效或增强的电气性能和热性能并且降低了制造成本。
[0002]【背景技术】和
【发明内容】
[0003]为了生产具有低电阻抗的高功率圆柱形电化学电池，目前的生产技术包括:将多个导电极耳装配至-通常为焊接至-电极基板箔的沿着电极长度的多点处。为了降低电池阻抗，极耳的数量相应地增加。
[0004]在电化学蓄电池、电化学电容器、电解质电容器、干膜电容器和相似的电气装置的制造中，当前采用多个传统方法来进行非连续极耳的装配。非连续极耳的装配的传统方法包括:去除涂覆电极的两侧区域中的涂层并且将极耳焊接至暴露的未涂覆区域，随后将绝缘覆盖层覆盖在已焊接极耳和在电极上处于该极耳相对侧的暴露箔上。在其它传统方法中，可以通过部分涂覆电极面来避免涂层去除的步骤，从而留下未涂覆的无涂层电极边缘箔。此外，极耳可以贴附至未涂覆的电极区域、或者从未涂覆的电极区域切出并成形。然后，可以应用绝缘带以覆盖极耳，从而防止极耳边缘处的电气短路。用于提供电极至不具有非连续极耳的卷绕电极组件的电气连接的传统方法包括:将无涂层的边缘箔盲焊至极板。还可以通过机械压力将极板保持抵靠在未涂覆的电极箔边缘来提供电气连接。
[0005]这里，发明人意识到利用上述方法的潜在问题。即，利用非连续极耳，电流可以沿着电极流通至处于非连续点的所述极耳的小区域，因此产生由于高的局部欧姆加热、工作温度可能比电极的其余部分高得多的区域。此外，电池的安时(Ah)容量由于用于装配极耳的未涂覆区域而整体减少，并且在锂离子电池组化学环境的情况下未涂覆区域中的阳极至阴极容量比的局部差会引起局部锂电镀。此外，电池制造复杂度增加并且制造速度降低，从而需要实现涂层去除、极耳焊接和分接(tap)操作的附加功能，并且要求较大的财政投资以启动生产。此外，电池制造速度会被降低来进行涂层去除、极耳焊接和极耳分接，由此增加电池制造成本。
[0006]至少部分解决上述问题的一个途径包括一种电化学多体蓄电池，包括:壳体，其包括多个同心的环形电池室;多个电化学蓄电池，其中，
[0007]所述多个环形电池的各个位于所述多个环形电池室的一者中，以及所述多个环形电池电气串联连接;以及导电电解质，其填充各个所述环形电池室。
[0008]在另一实施例中，一种用于电化学多体蓄电池的方法，包括以下步骤:使多个电化学蓄电池的各个位于壳体的同心的环形室中，所述同心的环形室的数量与所述多个电化学蓄电池相对应；以及使所述多个电化学蓄电池的各个电气串联连接，其中，利用导电电解质填充各个所述环形室。
[0009]这样，相对于传统的电化学多体蓄电池，提供了具有非常大的形式并且提供等效或增强的电气性能和热性能以及降低的制造成本的电化学多体蓄电池。此外，可以在无需将极耳焊接至各个电极的情况下产生电化学多体蓄电池，由此缩短制造时间并降低成本。此外，可以利用电极箔和壳体端子之间的低阻抗电气连接来产生圆柱形电化学多体蓄电池。此外，可以提供低热电阻彼此关联并且组件共享有所增加的圆柱形电化学多体蓄电池，由此减少电化学多体蓄电池的组件数量并降低制造复杂度，减小每单位功率电化学多体蓄电池的尺寸，并且降低制造成本(这是由于组件数量及其处理减少以及制造复杂度降低所引起的)O
[0010]应当理解，上述
【发明内容】
是被提供来以简化形式介绍在【具体实施方式】部分进一步说明的概念的选择。并不意味着标识要求保护的主题的关键或必要特征，其中该要求保护的主题的范围由在【具体实施方式】之后的所附权利要求书来唯一定义。此外，要求保护的主题不限于解决以上或在本公开内容的任何部分中所述的任何缺点的实现。
【附图说明】
[0011]图1示意性示出电化学多电池的截面的分解立体图。
[0012]图2A、图2B分别示意性示出电化学蓄电池的涂覆电极的平面图和立体图。
[0013]图3A、图3B分别示意性示出电化学蓄电池的涂覆电极的平面图和立体图。
[0014]图4A、图4B、图4C和图4D示意性示出电化学蓄电池的卷芯的侧视图、截面图、端视图和立体图。
[0015]图4E示意性示出具有部分卷绕的电极片的圆柱形卷芯的端视图。
[0016]图5A示意性示出具有卷绕的电极片的圆柱形卷芯的端视图。
[0017]图5B示意性示出图5A的具有卷绕的电极片的圆柱形卷芯在截面5B-5B处所截取的截面图。
[0018]图5C示意性示出图5A的具有卷绕的电极片的圆柱形卷芯在截面5C-5C处所截取的截面图。
[0019]图6示意性示出卷绕处理期间的部分形成的电化学蓄电池的立体图。
[0020]图7示意性示出电化学多体蓄电池的截面图。
[0021]图8示意性示出电化学多体蓄电池的平面图。
[0022]图9示意性示出电化学多体蓄电池的分解截面立体图。
[0023]图10示意性示出电化学多体蓄电池的截面图。
[0024]图11示意性示出电化学多体蓄电池的顶视图。
[0025]图12A示意性示出电化学多体蓄电池的平面图。
[0026]图12B示意性示出图12A的电化学多体蓄电池在截面12B-12B处所截取的截面图。
[0027]图13A和图13B示意性示出电化学多体蓄电池的立体顶视图和底视图。
[0028]图14?图15示出电化学多体蓄电池的示例方法的流程图。
【具体实施方式】
[0029]现在将通过示例并且参考以上列出的例示实施例来说明本公开的各方面。在一个或多个实施例中基本相同的组件、处理步骤和其它要素被统一标识，并且极少重复描述。然而，注意统一标识的要素也可能有一定程度的不同。还将注意，除非另外说明，否则本公开中包括的附图是示意性的并且通常未按比例绘制。或者，可以有意使附图所示的组件的各种绘制比例、高宽比和编号变形以使某些特征或关系更易看见。然而，图1、图5A-图5C、图6-图11、图12A、图12B、图13A和图13B是按比例绘制的，尽管可以使用其它相对尺寸。
[0030]本说明书涉及圆柱形电化学多体蓄电池(electrochemical storage mult1-cell)及其制造方法，与传统的圆柱形电化学多体蓄电池及其传统制造方法相比、提供了等效或改善的电气性能和热性能并且降低了制造成本。
[0031]图1示出电化学多体蓄电池的示例实施例的分解截面立体图。图2A、图2B、图3A和图3B分别示出电化学蓄电池的涂覆电极的平面图和立体图。图4A、图4B、图4C和图4D示出电化学蓄电池的示例圆柱形卷芯，并且图4E示出电化学蓄电池的示例圆柱形卷芯的端侧视图，该示例圆柱形卷芯具有部分卷绕的第一隔片和第二隔片以及部分卷绕的第一电极和第二电极。图5A示意性示出电化学蓄电池的端视图，并且图5B和图5C分别示意性示出图5A的电化学蓄电池在截面5B-5B和5C-5C处所截取的截面图。图6示出卷绕处理期间部分形成的电化学蓄电池的立体图。图8是电化学多体蓄电池的平面图，并且图7是图8的电化学多电池在截面7-7处所截取的截面图。图9示出电化学多体蓄电池的分解截面立体图。图10示意性示出电化学多体蓄电池的包括固定至壳体的盖的截面图。图11示意性示出电化学多体蓄电池的盖的平面图。图12A示意性示出电化学多体蓄电池壳体1200的平面图，并且图12B示意性示出图12A的壳体在截面12B-12B处所截取的截面。图13A和图13B示出电化学多体蓄电池的立体顶视图和底视图。图14?图15示出电化学多体蓄电池的示例方法的流程图。
[0032]用于生产具有低电阻抗的电化学多体蓄电池的方法传统上包括将多个导电极耳装配至各个电化学蓄电池的电极基板(箔)的沿着电极长度的多个点处。此外，装配至电极的极耳的数量增加，以相应地减少电化学蓄电池的阻抗。在电化学蓄电池、电化学电容器、电解质电容器、干膜电容器和相似的电气装置的制造中，当前采用非连续极耳装配的多个传统方法。在一个示例传统方法中，跨过电极两侧的宽度的电极涂层被中断或去除，从而使底层的金属基板箔暴露。然后将极耳焊接至该区域的暴露的箔。然后将诸如胶带等的绝缘覆盖层覆盖到所焊接的极耳区域和电极的相对侧的所暴露的箔上。在另一示例传统方法中，从电极边缘附近的小矩形区域的两侧去除电极涂层，从而使两侧上的底层箔暴露。将极耳焊接至先前清除的矩形区域中的所暴露的箔。将绝缘带或类似物涂敷至极耳焊接区域的两侧。在另一示例传统方法中，利用两侧均无涂层的暴露箔的无涂层边缘区域覆盖电极。将极耳焊接至该暴露箔区域并且可以利用胶带使极耳绝缘，以防止极耳尖缘处的电气短路。
[0033]使用装配至电极基板的非连续极耳的不利之处可能在于:电流流通至位于沿着电极的非连续点的极耳的小区域，从而产生工作温度由于高局部欧姆加热而比电极的其余部分高得多的区域，特别是在电池处于重电负荷下时更是如此。此外，电池Ah容量由于装配极耳所需的去除涂层的区域而整体减小。暴露区域中的电极(例如，阳极到阴极)容量比的局部差可能在锂离子电池化学的情况下产生锂镀的区域。此外，电池制造设备更加复杂，从而需要实现涂层去除、极耳焊接和分接操作的附加功能，并且要求更大财政投资以启动生产。此外，电池制造过程速度降低，以实现涂层去除、极耳焊接和极耳分接操作，如此增加了电池制造成本。
[0034]现在转向图1，图1示出电化学多体蓄电池(多电池)100的示例的分解截面图。多电池100包括具有多个非连续电池室132的壳体130、以及盖140。壳体130的形状可以是圆柱形，其中这多个电池室132各自包括其中同心形成的环形圆柱室。壳体130还可以容纳多个单体电化学蓄电池，其中这多个单体电化学蓄电池各自容纳在同心的电池室132之一中并且在大小上与同心的电池室132之一相对应。因此，电化学蓄电池可以是圆柱状以与在壳体130中同心形成的环形圆柱电池室132的尺寸相对应。图1示出电化学四体蓄电池的示例，其中该电化学四体蓄电池是包括容纳在壳体130的四个同心电池室132中的四个单体电化学蓄电池110、112、114和116的电化学多体蓄电池。作为示例，电化学四体蓄电池可以是大规格12V电化学四体蓄电池，其中各单体电化学蓄电池包括3V电化学蓄电池。
[0035]壳体130可以包括塑料壳体或其它非导电壳体材料。塑料壳体对于降低多电池的体积、降低多电池的成本并且方便经由模塑法和挤出法等制造多电池特征。壳体130可被设计成包括模塑至壳体中的互连母线(bus bars)插入件以将母线适当地定位在壳体130中。此外，非连续电池室132各自可以包含仅一个电化学蓄电池堆(极组(jellyroll)结构)。因此，收纳室132可以从机械上、电气化学上和环境上使各电化学蓄电池与邻接室中的电化学蓄电池隔离开。
[0036]如以下进一步所述，各单体电化学蓄电池可以包括卷绕圆柱形卷芯并被圆柱形卷芯支撑的电极片和隔片，其中所卷绕的电极片和隔片形成极组结构。电极片可以包括部分涂布的导电基板(箔)，其中该部分涂布的导电基板(箔)包括未涂布的导电边缘之间的涂布中央部。未涂布的导电边缘可被形成为相对于圆柱形卷芯的轴方向上的外部突出极耳。此夕卜，所述极耳可以沿着箔、以使得在将电极片和隔片卷绕到圆柱形卷芯上时相对于圆筒形卷芯的中心轴在角度上联合定位(angularly co_located)的方式被定位。在将电极片卷绕到圆柱形卷芯之前，通过将极耳沿着电极片的长度间隔开，可以形成多组在角度上联合定位的极耳。在示例电化学多体蓄电池100中，极耳106包括两组径向相对的在角度上联合定位的极耳，并且极耳102包括从极耳106偏移90°的两组径向相对的在角度上联合定位的极耳(在图1中示出仅一个组)。90°的偏移可以增加位于电极片上的极耳的制造重复性和精度，以辅助提高制造效率。例如，将在角度上联合定位的极耳组偏移90°以外的角度，可能会提高制造复杂度、以及/或者增加制造缺陷的数量。此外，将在角度上联合定位的极耳组偏移90°以外的角度，可能会增大邻接且相对的联合定位极耳组(co-located groups oftabs)之间的间隔，从而可能增加热生成并且可能会降低第一电极片和第二电极片的联合定位极耳组之间的电弧或短路的风险。
[0037]联合定位极耳组可以是以下方面的相应组:各组中的各极耳可以包括沿着极组结构中的各卷绕电极层的相同角弧长度的极耳。此外，在角度上联合定位的极耳组对可以关于圆柱形卷芯，以例如在完全径向相对的几度内的大致径向相对的方式、或者彼此完全径向相对的方式形成。此外，电化学蓄电池100的任意轴端处的极耳的组可以在角度上对准。注意，极耳形状可以是圆形的、有角的、正方形的、矩形的、三角形的、齿形的或其它这种形状，并且不必局限于通过物理切出材料所形成的特征。
[0038]电化学多体蓄电池100还可以包括盖140，其中该盖140在附接至壳体130的情况下，流体隔离各个室132。盖140可以包括高电流阴互连端子144，并且电化学多体蓄电池100还可以包括高电流阳互连端子136。
[0039]电化学电池的极组结构可以包括卷绕圆柱形芯540的涂布的第一电极片和第二电极片以及第一隔片和第二隔片(在图5中笼统描述为520)，以形成无需将非连续极耳焊接至单体电极的低电气阻抗的电化学蓄电池。如图4B的示例所示，如以下将进一步所述，电化学蓄电池的圆柱形芯400可以具有诸如六边形中心等的钥式中心，从而可以有助于方便将圆柱形芯拆装到卷绕芯轴并且可以有助于在卷绕期间使芯转动。
[0040]现在转向图2A和图2B，图2A和图2B示出用于形成第一电极片200的方法中的步骤。在一个示例中，第一电极可以包括阳极。然而，作为代替，第一电极可以包括阴极、正电极或负电极。在锂离子电化学蓄电池的阳极的情况下，第一电极可以包括在连续涂布处理中涂布到金属箔基板的两侧上的电活性锂嵌入材料或金属锂涂层。可以涂覆特定宽度230的涂层，从而留出涂布部分之间的箔的未涂布边缘部分224。在涂敷了涂层之后，可以烤干并压延具有涂布面的电极。然后，涂布的片材可以沿着涂布部分的交替边缘220被分切，这样得到从电极片200的一个边缘上的涂布区域210延伸了特定宽度230的、具有箔的暴露未涂布边缘部分224的连续电极材料。第一电极片200还包括箔的宽度240的未涂布边缘部分224。[0041 ] 现在转向图3A和图3B，图3A和图3B示出用于形成第二电极片300的方法中的步骤。在一个示例中，第二电极可以包括阴极。然而，作为代替，第二电极可以包括阳极、正电极或负电极。在锂离子电化学蓄电池的阴极的情况下，第二电极可以包括专门准备的锂铁磷酸盐粉、导电碳和高分子粘合剂的混合物。可以在连续涂布处理中将该混合物涂布到金属箔基板的两侧上以形成第二电极300。可以涂覆特定宽度330的涂层，从而留出涂布部分之间的箔的未涂布边缘部分324。在涂敷涂层之后，可以烤干和压延具有涂布面的电极。然后，涂布片材可以沿着涂布部分的交替边缘320被分切，这样得到从电极300的一个边缘上的涂布区域310延伸特定宽度330的、具有箔的暴露未涂布边缘部分324的连续电极材料。第一电极片300还包括箔的宽度340的未涂布边缘部分324。
[0042]现在转向图4A?图4D，图4A?图4D示出电化学蓄电池的圆柱形卷芯400的示例。圆柱形卷芯400可以包括中空中心芯410。圆柱形卷芯的长度可以小于第一电极片和第二电极片的宽度，使得电极片的边缘沿轴方向突出到圆柱形卷芯400的端部以外。圆柱形卷芯400还可以包括金属芯或塑料芯、以及壁402。壁402可以足够厚以向极组结构及其卷绕提供结构支撑，同时足够薄使得可以将电化学蓄电池插入电池室132其中之一中。因此，圆柱形卷芯400的内径406可以足够大以将电化学蓄电池插入电池室132其中之一中。图4A示出圆柱形卷芯400的侧视图，并且图4B示出通过圆柱形卷芯400的中心轴408而沿着截面4B-4B所截取的圆柱形卷芯400的截面图。
[0043]现在转向图4E，图4E示出具有部分卷绕的电极片和隔片的圆柱形卷芯400的端视图。如上所述，圆柱形卷芯400可以包括中空的中心芯410。如图4E所示，第一隔片450、第一电极片452、第二隔片454和第二电极片456可以按该顺序卷绕圆柱形卷芯400。电极片和隔片的部分卷绕层460形成电化学蓄电池的卷绕外部直径480。第一隔片450、第二隔片454可以包括非导电材料。例如，第一隔片450、第二隔片454可以包括高分子材料。
[0044]为了组装电化学蓄电池极组结构，可以将中空的塑料或金属材质的圆柱形卷芯400放置或装配在卷绕机的轴上。第一隔片450和第二隔片454的横向边缘可以沿着芯的轴长度居中，并且使用胶带固定至芯。然后，可以使圆柱形卷芯400转动至少一周。第一电极横向边缘可以位于第一隔片和第二隔片之间平行于圆柱形卷芯轴410的位置。然后，可以使卷芯转动一周，由此使第一电极片452困于并固定在第一隔片450和第二隔片454之间。接着，第二电极片456可以位于第二隔片454与已卷绕在芯上的第一隔片450之间平行于圆柱形卷芯轴410的位置。然后，可以使圆柱形卷芯连续转动，直到第一电极片和第二电极片的期望长度已卷绕到极组结构为止、以及/或者实现了最终整体卷绕直径480为止。图4E还示出分别绕圆柱形卷芯400按层卷绕的第一隔片450和第二隔片454以及第一电极片452和第二电极片456。
[0045]第一电极和第二电极的宽度都可以大于第一隔片和第二隔片的宽度，但都可以包括小于或等于第一隔片和第二隔片的宽度的涂布宽度。此外，第二电极可以包括略窄于第一电极的涂布宽度的涂布宽度。这样，隔片可以机械上和电气上使卷绕圆柱形卷芯的第一电极和第二电极的涂布面分开。
[0046]在卷绕处理期间，可以切除或修剪电极片的未涂布导电边缘部分的部分，从而留出从电极片的涂布区域向外部(沿轴方向)突出的极耳。这样，极耳可以由电极片一体地构成，而无需使单独的非连续极耳焊接至电极片、且无需去除涂层的一部分以使基板箔暴露。极耳可以以特定模式(pattern)或相对于转动的卷绕角度的频率形成，从而在固化步骤期间并且在焊接步骤之前创建随后机械自由变形(例如，固化和/或压紧)的一系列联合定位的极耳组(例如，极耳106)。固化步骤和焊接步骤可以用于使第一电极片的卷绕层彼此电气连接，使第二电极片的卷绕层彼此电气连接，并且使第一电极片和第二电极片的卷绕层电气连接至电化学蓄电池的端子。
[0047]可以基于卷绕芯轴转动角度来进行电极片切割处理。这样，各卷绕层中的极耳可以径向对准并且在角度上联合定位，以使得第一电极片和第二电极片的后续层中的极耳可以在极组结构中形成向外部突出的极耳的多层组，该极组结构从电池的外表面处的卷绕电极片层一直延伸至圆柱形卷芯的外表面处的卷绕电极片层。
[0048]可以控制极耳的长度，以创建覆盖在极组结构的各层电极材料中包括的角度的自由弧长度的极耳，所述各层电极材料中包括的角度大于或等于2弧度(114.6°)且小于180°(例如，小于弧度)。在另一示例中，可以控制极耳的长度，以创建覆盖在极组结构的各层电极材料中包括的角度的自由弧长度的极耳，所述各层电极材料中包括的角度大于或等于2弧度(114.6°)且小于178°。可以基于总的卷绕芯轴转动角度来控制、或者可以基于极组结构的卷绕角度、材料厚度和卷绕直径(或半径)中的一个或多个来控制极耳的长度。
[0049]现在转向图6，图6示出在将第一电极片和第二电极片以及第一隔片和第二隔片卷绕到圆柱形卷芯630期间、部分组装的电化学蓄电池600的立体图。部分组装的电化学蓄电池600包括电极片(例如，第一电极片或第二电极片)的涂布宽度610、该电极片的未涂布边缘部640、以及卷绕以形成部分极组结构650的隔片620(例如，第一隔片或第二隔片)。尽管在图6中没有明确示出，部分组装的电化学蓄电池600可以包括部分卷绕以形成部分极组结构650的第一电极片和第二电极片这两者以及第一隔片和第二隔片这两者。涂布宽度610可以小于或等于隔片620的宽度，以确保隔片620电气地和机械地分离第一电极片与第二电极片。
[0050]未涂布边缘部640可以包括多个极耳670。极耳670可以是在将电极片卷绕到圆柱形卷芯630上之前或卷绕到圆柱形卷芯630之时、通过修剪出或切出未涂布导电边缘部的所述极耳之间的部分而形成。如图6所示，极耳670的形状通常长且窄。此外，极耳670的长度690随着卷绕到圆柱形芯上的电极片的长度的增加而增加(并且极耳670之间的间距694增加)，使得在使电极片卷绕到圆柱形卷芯630上时，极耳670可以相对于圆柱形卷芯630在角度上联合定位。如上所述，极耳的长度可以对应于在将电极片卷绕到圆柱形卷芯630上时、覆盖包括大于或等于2弧度的角度的弧长度。此外，连续的极耳670的纵向中心线696可以以使得在卷绕在圆柱形卷芯630上时相对180°的方式被间隔开，并且在从电池的外表面处的卷绕电极片层一直延伸至圆柱形卷芯的外表面处的卷绕电极片层的极组结构中形成向外部突出的极耳的多层组。这样，防止了用以使用冲压成形工艺来校正由于传统方法而产生的极耳长度的均匀性的二次修剪操作，由此降低了制造成本和复杂度。
[0051]如图6所示，极耳670在卷绕以形成极组结构时，可以轴向突出到圆柱形卷芯630夕卜。圆柱形卷芯630的轴长度可以小于第一电极片和第二电极片的宽度，以使得电极片的一体形成的未涂布边缘部640和极耳670突出到圆柱形卷芯630的端部以外。这样，电极片的与极耳670邻接的一部分可以向着圆柱形卷芯630或远离圆柱形卷芯630而发生变形、压紧或固化，以使第一电极片和第二电极片跟与极组结构的第一端654邻接的壳体的导电插入件电气连接。此外，第一电极片和第二电极片的未涂布边缘部可以突出到圆柱形卷芯的第一端654处的端部以外，以使第一电极片电气连接至第一导电插入件并且使第二电极片电气连接至第二导电插入件。这样，第一电极片还可以电气连接至电化学蓄电池的第一端子，并且第二电极片还可以电气连接至电化学蓄电池的第二端子。
[0052]可以通过逻辑控制激光切割、高压非导电研磨介质切割、机械模切或者通过其它公知的工业切割或打孔处理来进行极耳形成切割处理。可以继续卷绕处理，直到卷绕了第一电极片和第二电极片的最终长度、以及/或者卷绕了最终卷绕直径为止。然后，可以使极组额外转动一周或多周，以利用第一隔片和/或第二隔片整体覆盖极组结构的外层，并且可以利用一层或多层胶带来固定极组的外层。该胶带与第一隔片和/或第二隔片相比可以具有相同的宽度或略宽。将得到的极组结构和卷芯从卷绕机芯轴移除。
[0053]现在转向图5A，图5A示出电化学蓄电池极组结构的端视图，该电化学蓄电池极组结构包括具有以附图标记520笼统示出的卷绕的电极片和卷绕的隔片的圆柱形卷芯540。第一电极(例如，阳极或阴极)可以包括在第一电极片中形成的径向相对的多层组的极耳522，而第二电极(例如，阴极或阳极)可以包括第二电极片中形成的径向相对的多层组的极耳526。可以由一个或多个卷绕隔片层550包围卷绕的极组结构的外表面。尽管示出径向相对的四组极耳，但电化学蓄电池极组结构可以包括至少两组的多层极耳。90°的偏移可以增加位于电极片上的极耳的制造重复性和精度，以辅助提高制造效率。例如，使在角度上联合定位的极耳组偏移90°以外的角度可以增加制造复杂度、以及/或者增加制造缺陷的数量。此夕卜，使在角度上联合定位的极耳组偏移90°以外的角度可以增加邻接且相对的联合定位的极耳组之间的间隔，从而可能增加热生成、并且可能降低第一电极片和第二电极片的联合定位的极耳组之间的电弧或短路的风险。
[0054]现在转向图5B和图5C，图5B和图5C示出在截面5B-5B和5C-5C处所截取的图5A的电化学蓄电池极组结构的截面图。可以在第一电极片和第二电极片其中之一中形成多层组的极耳522，而可以在第一电极片和第二电极片中的另一电极片中形成多层组的极耳526。
[0055]现在转向图7，图7示出在图8的截面7-7处所截取的电化学多体蓄电池的部分截面图。电化学多体蓄电池700包括包含四个室714的壳体710。四个室714各自包括电化学蓄电池720。此外，电化学蓄电池720可以更厚，包括向电化学多体蓄电池700的内部702的更多数量的卷绕层，而电化学蓄电池720可以更薄，包括向电化学多体蓄电池700的外部704的更少数量的卷绕层。这样，由于卷芯和电化学蓄电池720的直径从电化学多体蓄电池的外部704向内部720减小，因此各电化学蓄电池720的体积可能大致等同。各电化学蓄电池720可以包括多层组的极耳730，其中各组的极耳730从各单体电化学蓄电池720的一个卷绕电极片的多层延伸出。可以固化各电极的极耳，从而将极耳压紧成处于与共用壳体710的多个金属芯面(例如，导电插入件)760其中之一紧密接触。可以将所暴露并压紧的极耳焊接至导电插入件760，以在第一电池的第一电极和与第一电池邻接的第二电池的第二电极之间形成低电阻电气和热连接。第一电极和第二电极分别可以包括正电极和负电极，或者第一电极和第二电极分别可以包括负电极和正电极。作为示例，将所压紧的极耳焊接至导电插入件760可以包括超声振动焊接、或者诸如激光焊接或电子束焊接等的熔接焊接。
[0056]如图7所示，可以将导电插入件760(例如，总线)插入在室714的壁的顶端750内、与顶端750邻接、以及/或者插入顶端750处。可以确定导电插入件760的大小(例如，厚度、长度)以维持电化学多体蓄电池的电流负载，并且可以将导电插入件配置在电化学多体蓄电池中以减少形成导电插入件时的材料量。在一个不例中，导电插入件760和764可以分别形成电化学蓄电池700的正端子和负端子。此外，顶端750可被成形或开槽以与壳体盖的底侧的槽或成形特征相对应，从而使得能够将壳体盖密封并固定至壳体710并且使得能够进行室714的机械和电化学隔离。电化学多体蓄电池700还可以包括用于使电化学多体蓄电池700串联连接至另一电化学多体蓄电池、或者用于使电化学多体蓄电池700连接至外部能量槽的高电流阳互连端子790。可以使用互连锁销(latch)794来辅助确保电化学多体蓄电池组件。确保互连锁销794可以包括根据机械耦合生成可听咔嗒声，从而可以帮助确保组件与其期望位置配合。
[0057]现在转向图8，图8示出电化学多体蓄电池700的平面图。在图8的示例中，电化学多体蓄电池700包括电化学四体蓄电池，其中该电化学四体蓄电池包括容纳在壳体710的室714中的四个同心电化学蓄电池720。电化学多体蓄电池700可以包括端子760和764，端子760和764分别可以为正端子和负端子、或者分别可以为负端子和正端子。电化学多体蓄电池700还可以包括由单体电化学蓄电池720的电极片的未涂布导电边缘构成的径向相对的多层极耳组对。将邻接的电化学蓄电池720的多层组的极耳焊接，可以使一个电化学蓄电池的电极电气连接至邻接的电化学蓄电池的相对极性的电极。这样，可以形成邻接的电池之间的低电阻电气和热连接。因此，除将多层组的极耳730焊接至导电插入件以外，壳体室714可以机械地和电气地隔离各电化学蓄电池720。在图7?图8的示例电化学四体蓄电池中，可以在与各多层组的极耳相对应的多个位置(例如，16个位置830、832)处进行焊接。可以将邻接的同心电化学蓄电池的极耳的多层组的邻接对820焊接至壳体710的共同导电插入件，以在邻接的同心电化学蓄电池之间形成低电阻电气和热连接。此外，一些焊接件832(例如，利用图8的位置5、8、15、16示出)可用于使单体电化学蓄电池720连接至端子(例如，正端子和负端子)760、764。此外，一些焊接件832(例如，利用图8的位置15、16示出)可用于提供壳体710至壳体盖940的连接。
[0058]在完成将极耳组焊接至导电插入件之后，如图9所示，可以将壳体盖940装配至共用壳体930的开口端。壳体盖940可以包括塑料壳体盖，以降低材料成本并且便于壳体盖的成形特征的制造。此外，可以利用环氧树脂、胶、焊接(超声、激光或能量束)或者使用机械装配特征(例如，联锁机械扣)将壳体盖940附接至壳体930，由此确保各电池932中的电解质流体被流体隔离并且不能混合。阳互连端子936和阴互连端子944可以包括盖940的顶面处的高电流互连端子，并且电化学多体蓄电池900的底面可以使得电化学多体蓄电池900能够与用于能量流经组件的高电流容量电气连接。在一个示例中，互连端子936、944可以包括Radsok?端子。如图9所示，盖940的顶面和多电池900的底面可以是平的，使得多个多电池组件能够经由阳互连端子936和阴互连端子944串联堆叠并电气连接至预定电压或12V的预定容量。此外，由于需要维护或替换的单体多电池组件可以从堆简单地拔除并且通过插入新多电池组件来替换，因此阳互连端子936和阴互连端子944的定位以及电化学多体蓄电池900的可堆叠性可以促进多电池堆的现场维护。
[0059]现在转向图10，图10示出包括壳体710和附接至壳体710的壳体盖940的电化学四体蓄电池700的部分截面图。如附图标记750所示，电池室714的壁的顶端的开槽或成形特征相应地适合壳体盖940的底层的开槽或成形特征。此外，在焊接位置(例如，由图8的位置15、16所示)处，与壳体盖940—体的母线1050可以被定位以经由接入窗1046匹配，从而便于壳体盖940的对准、以及将母线1060焊接至壳体710的相应母线760。接入窗1046可以具有足够的大小以使得能够进行激光接入，从而使两个相对的母线接合或焊接到一起。可以在盖940的制造期间形成接入窗1046。在一个示例中，可以经由注塑成型来制造盖940 ο在母线的激光焊接之后，可以密封接入窗1046以确保电化学多体蓄电池的密封性。母线1060可以包括铜或其它导电材料。
[0060]现在转向图11，图11示出包括附接至多电池壳体的顶部的壳体盖940的电化学多体蓄电池1100的平面图。壳体盖940可以包括跨壳体盖940呈径向和角度分布且与各壳体室相对应的填充口 1110。可以将电解质电荷量经由填充口 1110输送至多电池的各壳体室中。可以将完整量的电解质电荷量保持在壳体的垂直电解质填充通道1210和水平电解质填充通道1212中。这样，用电解质填充多电池的时间缩短，并且可以使多电池中的电解质的分布变均匀。此外，可以通过压力和/或真空、振动和加热来便于到壳体室和内部的电极片中的电解质的浸泡和吸收。壳体710的突起1270可以包括阳互连端子。可以通过适当加压并且焊接塑料填充塞来密封电解质填充口。在形成电化学多体蓄电池之后，可以对多电池进行浸焊、喷塑、物理气相沉积(PVD)或金属溅射处理，以使整个多电池组件气密。图13A和13B示出包括阳互连端子790的气密密封的多电池1300的顶部立体图和底部立体图。
[0061]这里所述的电化学多体蓄电池是在无需将非连续极耳焊接至各电极片的情况下形成的。因此，制造时间缩短并且简化，并且产品卷绕和电池组件设备所用的资金投资减少。此外，根据电极片一体地形成极耳使得能够将箔的极耳焊接至壳体的导电插入件，并且由此除提供向邻接的电化学蓄电池的电气连接外，还提供机械支撑。这样，不使用传统方法中的非连续电极极耳和用于使非连续电极极耳绝缘的带，从而减少了制造总零件计数，由此简化了制造。多电池的机械鲁棒性还可能增加，这是因为极组结构可以在壳体室壁、圆柱形卷芯和壳体盖之间被压紧并紧密支撑。
[0062]如这里所述，可以提供电化学多体蓄电池的一个示例，包括:壳体，其包括多个同心的环形电池室;多个电化学蓄电池，其中，所述多个环形电池各自位于所述多个环形电池室之一中，以及所述多个环形电池电气串联连接；以及导电电解质，其填充各个所述环形电池室。所述多个环形电池室各自包括:第一电极片和第二电极片，其卷绕圆柱形芯而形成极组结构，其中所述第一电极片和所述第二电极片各自包括平行于所述极组结构的端面的未涂布导电边缘和所述未涂布导电边缘之间的涂布相对面；以及第一隔片和第二隔片，其机械地和电气地使所述第一电极片和所述第二电极片的所述涂布相对面分离，并且机械地和电气地使所述圆柱形芯和所述第一电极片的所述涂布相对面分离，其中，所述未涂布导电边缘包括极耳，所述极耳是通过切除所述未涂布导电边缘的所述极耳之间的部分而形成，所述极耳轴向向外突出，并且所述极耳在形成所述极组结构时相对于所述圆柱形芯在角度上联合定位。所述壳体确切地包括四个同心的环形电池室。可以设置电化学多体蓄电池，还包括:所述未涂布导电边缘的被压紧的在角度上联合定位的极耳，其中，所述被压紧的在角度上联合定位的极耳彼此电气连接。可以设置电化学多体蓄电池，还包括盖，其中所述多个电池室各自与附接至所述壳体的所述盖流体隔离。
[0063 ] 现在转向图14，图14示出电化学蓄电池的示例方法1400。方法1400以在步骤1410中形成电极片而开始。形成电极片可以包括在步骤1412中将金属片基板的两侧涂布特定宽度，从而在特定宽度的涂布部之间留出未涂布部。在步骤1414中，方法1400可以烤干和压延涂布片基板，以使涂布基板固化和/或平滑并齐平。接着，方法1400在步骤1416中可以沿着涂布部的交替边缘分切涂布片，由此形成电极。涂布的组成可以依赖于电极的性质。例如，锂离子电化学蓄电池的阳极可以包括在连续涂布处理中被涂布到金属箔基板的两侧上的电活性锂嵌入材料或金属锂涂层。作为另一示例，锂离子电化学蓄电池的阴极可以包括锂铁磷酸盐粉、导电碳和高分子粘合剂的混合物。方法1400还可以用于其它类型的电化学蓄电池，并且不限于锂离子电化学蓄电池。
[0064]继续到步骤1418，方法1400判断是否要形成另一电极。如果要形成另一电极，则方法1400返回至步骤1412;否则，方法1400继续步骤1420，其中在步骤1420中，装配电极片。在步骤1422中，方法1400选择卷芯并且将该卷芯装配在卷绕机上。作为示例，卷芯可以包括诸如具有圆形截面的圆柱形卷芯540等的中空圆柱形卷芯。
[0065]方法1400继续步骤1424，其中在步骤1424中，第一隔片和第二隔片附接至卷芯的外曲面，并且卷芯转动以将第一隔片和第二隔片在卷芯上卷绕至少一周。第一隔片和第二隔片的宽度边缘可以平行于圆柱形芯的中心轴，以使得第一隔片和第二隔片的连续层以均匀平行的方式卷绕卷芯。此外，第一电极片可以定位成卷绕层的未涂布边缘部可以突出到卷芯的第一端之外。
[0066]在步骤1426中，第一电极片位于与卷芯邻接的第一隔片和第二隔片的未卷绕端之间，并且卷芯转动以将第一电极片在卷芯上卷绕至少一周。第一电极片的横向边缘可以位于平行于圆柱形芯的中心轴的位置，以使得第一电极片的连续层以均匀平行的方式卷绕卷芯。在步骤1428中，第二电极片位于第二隔片的表面上，并且卷芯转动以将第二电极片在卷芯上卷绕至少一周。这样，第一隔片和第二隔片电气地和机械地使第一电极片和第二电极片的涂布宽度分离。第二电极片的横向边缘可以位于平行于圆柱形芯的中心轴的位置，以使得第二电极片的连续层以均匀平行的方式卷绕卷芯。此外，第二电极片可被定位成卷绕层的未涂布边缘部可以突出到卷芯的第一端以外。在步骤1430中，该方法可以进入方法1500，其中在方法1500中描述卷绕、固化和四电池组件。
[0067]现在转向图15，方法1400继续到方法1500，其中方法1500包括卷绕和组装电气连接。在步骤1510中，进行卷绕处理。作为示例，可以在连续卷绕机上执行卷绕处理1510，并且该卷绕处理1510可以由计算机控制器执行。在步骤1512中，使卷芯转动以连续卷绕电极片和隔片，从而形成电化学蓄电池的极组结构。在步骤1514中，在卷芯转动的情况下，可以从电极片的未涂布边缘部切出极耳、或者极耳可以由未涂布边缘部一体构成。如上所述，极耳的长度和极耳之间的间距可以是根据圆柱形芯半径、电极片和隔片的厚度、以及要卷绕的电极片和隔片的长度(或卷绕的极组结构的最终半径)预先确定的。此外，极耳的长度可以基于卷绕芯轴角度，并且可以对应于在将电极片卷绕在圆柱形卷芯630上时覆盖包括等于或大于2弧度(且小于180度)的角度的弧长度。在另一示例中，可以控制极耳的长度以在极组结构的各层电极材料中创建自由弧长度的极耳，该自由弧长度覆盖包括等于或大于2弧度(114.6°)且小于178°的角度。此外，连续极耳670的纵向中心线696可以间隔开，使得这些极耳在卷绕在圆柱形卷芯630的情况下相对180° (例如，径向相对)，并且在从电化学蓄电池的外表面径向一直延伸至圆柱形卷芯630的外表面的极组结构中形成多层组的极耳730。
[0068]此外，角卷绕速度可以对应于形成极耳的速度，其中该形成处理通过逻辑控制的激光切割、高压非导电研磨介质切割、机械模切或其它公知的工业切割和/或打孔处理来进行。方法1500继续到步骤1516，其中在步骤1516中，判断是否达到最终的极组结构直径(例如，电化学蓄电池电极直径)。可选地，在步骤1516中，方法1500可以判断是否达到卷绕的电极片的最终长度。否则，方法1500返回至步骤1512，其中在步骤1512中，继续卷芯的转动。[0069 ] 如果在步骤1516中达到了最终极组结构直径，则方法1500继续到步骤1518，其中在步骤1518中，卷芯的最后一次转动完成以利用隔片其中之一包围电化学蓄电池的外表面。在步骤1520中，利用胶带固定包括隔片的电化学蓄电池的外层，并且将卷芯以及所卷绕的电化学蓄电池电极片从卷绕机去除。
[0070]方法1500继续到步骤1530，其中在步骤1530中，判断是否可以形成附加电池。对于包括数量N个电池的电化学多体蓄电池，可以在步骤1530中形成附加电池，直到形成了第N个电池为止。例如，如果在电化学四体蓄电池中形成了少于四个电池，则方法1500在步骤1530之后返回至步骤1422。如果不形成附加电池，则方法1500继续到步骤1540，其中在步骤1540中，组装多电池。
[0071]在步骤1542中，将单体电化学蓄电池(极组结构)插入或装载到相应的壳体室。可以调整单体电化学蓄电池的大小呈同心状，从而在装载到壳体中的情况下形成同心电池。在步骤1544中，电化学蓄电池的多层组的极耳向着壳体的邻接导电插入件被固化并压紧，并且将这些多层组的极耳焊接至该邻接导电插入件以使单体电池中的电极片的层彼此电气连接，并且电气连接至相反极性的邻接电池的电极。在步骤1546中，将壳体盖附接至壳体，其中附接包括胶合、机械耦合和焊接，以确保电池室被电化学地和机械地隔离。在步骤1548中，可以对多电池组件进行浸焊、喷塑、物理气相沉积(PVD)或金属溅射处理以使多电池组件整体气密密封。在步骤1548中，方法1500和方法1400结束。
[0072]如这里所述，可以提供一种用于制造电化学多体蓄电池的方法，包括以下步骤:使多个电化学蓄电池各自位于壳体中的同心的环形室内，所述同心的环形室的数量与所述多个电化学蓄电池的数量相对应；以及使所述多个电化学蓄电池相互电气串联连接，其中，利用导电电解质填充各个所述环形电池室。可以设置所述方法，还包括以下步骤:通过以下操作来形成所述多个电化学蓄电池中的各个电化学蓄电池:使第一电极片和第二电极片卷绕圆柱形芯以形成极组结构，所述第一电极片和所述第二电极片各自包括平行于所述极组结构的端面的未涂布导电边缘、以及所述未涂布导电边缘之间的涂布相对面，使第一隔片和第二隔片以处于所述第一电极片和所述第二电极片之间的形式卷绕所述圆柱形芯，从而使得所述第一电极片和所述第二电极片的所述涂布相对面机械地和电气地分离、并且使得所述圆柱形芯和所述涂布相对面机械地和电气地分离，以及从所述第一电极片和所述第二电极片的所述未涂布导电边缘中切除一部分以形成极耳，所述极耳轴向向外突出，所述极耳在形成所述极组结构时相对于所述圆柱形芯在角度上联合定位。可以设置所述方法，其中，使所述多个电化学蓄电池相互电气串联连接包括:压紧在角度上联合定位的所述极耳，以使所述多个电化学蓄电池中的一个电化学蓄电池的第一电极的所述未涂布导电边缘电气连接至所述多个电化学蓄电池中的邻接电化学蓄电池的第二电极的所述未涂布导电边缘。可以设置所述方法，其中，使所述多个电化学蓄电池相互电气串联连接还包括:将所述压紧的极耳焊接至所述壳体的导电插入件，以使所述多个电化学蓄电池中的一个电化学蓄电池的所述第一电极的所述未涂布导电边缘电气连接至所述多个电化学蓄电池中的邻接电化学蓄电池的所述第二电极的所述未涂布导电边缘。可以设置所述方法，还包括以下步骤:通过浸焊、喷塑、物理气相沉积以及金属溅射处理中的一个或多个来使所述电化学多电池气密密封。可以设置所述方法，还包括以下步骤:使所述环形电池室相互流体隔离。可以设置所述方法，其中，所述多个电化学蓄电池包括四个电化学蓄电池，并且所述电化学多体蓄电池包括电化学四体蓄电池。
[0073]尽管在电化学蓄电池中所使用的电极材料的连续(例如，辊对辊)加工存在许多优点，但本公开内容也适合批处理加工。此外，尽管说明了锂离子电化学蓄电池的示例，但这里所述的电化学蓄电池及其方法和系统也适用于其它类型的电化学蓄电池。
[0074]最后，应当理解，以上所述的物、系统和方法是本公开的实施方式，S卩非限制性示例，对其许多变化和扩展也被考虑。因此，本公开包括在此描述的物、系统和方法的所有新颖和非明显的组合和子组合、及其任何和全部等效方案。
【主权项】
1.一种电化学多体蓄电池，包括: 壳体，其包括多个同心的环形电池室； 多个电化学蓄电池；以及 导电电解质，其填充各个所述环形电池室， 其中，所述多个环形电池各自位于所述多个环形电池室之一中，以及所述多个环形电池电气串联连接。2.根据权利要求1所述的电化学多体蓄电池，其中，所述多个环形电池室各自包括: 第一电极片和第二电极片，其卷绕圆柱形芯而形成极组结构，其中所述第一电极片和所述第二电极片各自包括平行于所述极组结构的端面的未涂布导电边缘、以及所述未涂布导电边缘之间的涂布相对面；以及 第一隔片和第二隔片，其机械地和电气地使所述第一电极片和所述第二电极片的所述涂布相对面分离，并且机械地和电气地使所述圆柱形芯和所述第一电极片的所述涂布相对面分离， 其中，所述未涂布导电边缘包括极耳，所述极耳是通过切除所述未涂布导电边缘的所述极耳之间的部分而形成，所述极耳轴向向外突出，并且所述极耳在形成所述极组结构时相对于所述圆柱形芯在角度上联合定位。3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述圆柱形芯包括塑料芯。4.根据权利要求1至3中任一项所述的电化学多体蓄电池，其中， 所述电化学多体蓄电池还包括所述未涂布导电边缘的被压紧的在角度上联合定位的极耳， 所述被压紧的在角度上联合定位的极耳彼此电气连接。5.根据权利要求1至4中任一项所述的电化学多体蓄电池，其中，所述壳体包括四个同心的环形电池室。6.根据权利要求1至5中任一项所述的电化学多体蓄电池，其中， 所述电化学多体蓄电池还包括盖， 所述多个电池室各自与附接至所述壳体的所述盖流体隔离。7.—种用于制造电化学多体蓄电池的方法，包括以下步骤: 使多个电化学蓄电池各自位于壳体中的同心的环形室内，所述同心的环形室的数量与所述多个电化学蓄电池的数量相对应;以及 使所述多个电化学蓄电池相互电气串联连接， 其中，利用导电电解质填充各个所述环形电池室。8.根据权利要求7所述的方法，其中，还包括通过以下操作来形成所述多个电化学蓄电池中的各个电化学蓄电池: 使第一电极片和第二电极片卷绕圆柱形芯以形成极组结构，所述第一电极片和所述第二电极片各自包括平行于所述极组结构的端面的未涂布导电边缘、以及所述未涂布导电边缘之间的涂布相对面， 使第一隔片和第二隔片以处于所述第一电极片和所述第二电极片之间的形式卷绕所述圆柱形芯，从而使得所述第一电极片和所述第二电极片的所述涂布相对面机械地和电气地分离、并且使得所述圆柱形芯和所述涂布相对面机械地和电气地分离，以及 从所述第一电极片和所述第二电极片的所述未涂布导电边缘中切除部分以形成极耳，所述极耳轴向向外突出，所述极耳在形成所述极组结构时相对于所述圆柱形芯在角度上联合定位。9.根据权利要求7至8中任一项所述的方法，其中，使所述多个电化学蓄电池相互电气串联连接包括: 压紧在角度上联合定位的所述极耳，以使所述多个电化学蓄电池中的一个电化学蓄电池的第一电极的所述未涂布导电边缘电气连接至所述多个电化学蓄电池中的邻接电化学蓄电池的第二电极的所述未涂布导电边缘。10.根据权利要求7至9中任一项所述的方法，其中，使所述多个电化学蓄电池相互电气串联连接还包括: 将所述压紧的极耳焊接至所述壳体的导电插入件，以使所述多个电化学蓄电池中的一个电化学蓄电池的所述第一电极的所述未涂布导电边缘电气连接至所述多个电化学蓄电池中的邻接电化学蓄电池的所述第二电极的所述未涂布导电边缘。11.根据权利要求7至10中任一项所述的方法，其中，还包括以下步骤: 通过浸焊、喷塑、物理气相沉积以及金属溅射处理中的一个或多个来使所述电化学多电池气密密封。12.根据权利要求7至11中任一项所述的方法，其中，还包括以下步骤: 使所述环形电池室相互流体隔离。13.根据权利要求7至12中任一项所述的方法，其中， 所述多个电化学蓄电池包括四个电化学蓄电池，并且 所述电化学多体蓄电池包括电化学四体蓄电池。
【文档编号】H01M10/0587GK105900261SQ201580004087
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2015年1月9日
【发明人】J·E·道森, M·伊加茨
【申请人】A123系统有限责任公司