电化学电池中力的应用的制作方法

专利名称：电化学电池中力的应用的制作方法
技术领域：
本发明涉及电化学电池，更具体涉及通过施加力来改善电化学电池性能的系统和方法。
背景技术：
典型的电化学电池具有参与电化学反应的阴极和阳极。有些电化学电池(例如， 可充电电池)可能发生充/放电循环，其涉及阳极表面上的金属(例如，锂金属)的剥离和 沉积以及伴随的阳极表面上的金属与其它电池组分(例如，电解质组分)的寄生反应，其中 金属在放电期间可从阳极表面扩散。该过程的效率和均勻性会影响电化学电池的有效运 作。在某些情况下，一个或多个电极的一个或多个表面可能在电化学电池经过反复的充/ 放电循环时变得不平坦，这往往是因为溶解在电解质中的离子不均勻的再沉积所致。一个 或多个电极的一个或多个表面的粗糙化可能会导致电池性能越来越差。因此，有必要改进组成和方法。

发明内容
本发明一般性涉及电化学电池，更具体涉及通过施加力来改善电化学电池性能的 系统和方法。本发明的主题在某些情况下涉及相关产品、特定问题的替代解决方案和/或 一个或多个系统和/或制品的多个不同用途。在某些实施方案中，本发明涉及一种电化学电池。在一组实施方案中，提供一种电 化学电池，其包括阴极；阳极，其包含锂作为阳极活性材料，所述阳极具有活性表面；和电 解质，其与所述阴极和所述阳极电化学连通。所述电池构造和设置为在所述电池的充电和 /或放电过程中的至少一个时段期间施加具有垂直于阳极活性表面的分量的各向异性力。在某些情况下，提供一种电化学电池，其包括阴极；阳极，所述阳极具有活性表 面；和非固体电解质，其与所述阴极和所述阳极电化学连通。所述电池可以构造和设置为在 所述电池的充电和/或放电过程中的至少一个时段期间施加具有垂直于阳极活性表面的 分量的各向异性力。在一些实施方案中，描述了一种制品。所述制品可以包括一种电化学电池，其包括 内部容积、与内部容积相邻的第一电极、与第一电极相邻的电解质和与电解质相邻的第二 电极。所述制品还可以包括位于电化学电池的内部容积中的膨胀元件以及围绕电化学电池 的外侧的至少一部分的收缩元件。在某些情况下，收缩元件构造和设置为对电化学电池的 最外表面施加力。在一些实施方案中，膨胀元件构造和设置为施加从电化学电池的内部体
7积径向向外的力。在某些情况下，电化学电池边界内的力的偏差低于电化学电池边界内的 中值力的约30%。在一组实施方案中，描述了一种包括多个电化学电池的制品。所述制品可以包 括第一电化学电池、第二电化学电池和围绕第一电池和第二电池的至少一部分的收缩元 件。在一些实施方案中，收缩元件都可以构造和设置为对第一和第二电池施加限定至少约 4. 9N/cm2压力的力。在某些情况下，可以提供一种电化学电池，其包括具有活性表面的阴极、具有活 性表面的阳极、以及与阴极和阳极电化学连通的电解质。阴极和阳极可具有屈服应力，其中 阴极和阳极其中之一的有效屈服应力大于另一个的屈服应力，使得垂直施加于阳极活性表 面和阴极活性表面之一的各向异性力使阴极和阳极之一的表面形态受到影响。在某些实施方案中，本发明涉及电能的储存和使用的方法。在一组实施方案中，所 述方法包括提供包括一种电化学电池，其包括阴极；阳极，其包含锂阳极活性材料，所述 阳极具有活性表面；和电解质，其与所述阴极和所述阳极电化学连通。该方法还可包括在所 述电池的充电和/或放电过程中的至少一个时段期间施加具有垂直于阳极活性表面的分 量的各向异性力。在一组实施方案中，所述方法包括提供包括一种电化学电池，其包括阴极；阳 极，所述阳极具有活性表面；和非固体电解质，其与所述阴极和所述阳极电化学连通。该方 法还可包括在所述电池的充电和/或放电过程中的至少一个时段期间施加具有垂直于所 述阳极活性表面的分量的各向异性力。当结合附图考虑以下具体说明时，本发明的其它方面、实施方案和特征将变得明 显易见。附图是示意性的，并非旨在按比例绘制。为了清楚简洁，没有在每幅附图中都标示 出所有组件，并且在对于本领域技术人员理解本发明并非必须图示的情况下，也没有示出 本发明每个实施方案中的所有组件。通过引用并入本发明的所有专利申请和专利均通过引 用全文并入。在发生矛盾时，以本说明书以及所包括的定义为准。


将参照附图利用实施例来说明本发明的非限制性实施方案，附图是示意性的，并 非旨在按比例绘制。在附图中，所示的每个相同或近似相同的组件用相同的附图标记表示。 为了清楚简洁，没有在每幅附图中都标示出所有组件，并且在对于本领域技术人员理解本 发明并非必须图示的情况下，也没有示出本发明每个实施方案中的所有组件。在附图中图1是根据一组实施方案的电化学电池的示意图；图2是根据另一组实施方案的电化学电池的示意图；图3是根据又一组实施方案的电化学电池的示意图；图4是在充放电期间施加各向异性力之后的阳极的SEM显微照片；图5是在没有施加各向异性力的情况下充放电之后的阳极的SEM显微照片；图6A-6D包括在充放电期间施加(a)0、(b)49、(c) 73. 5和(d)98N/cm2之后的阳极 的SEM显微照片；图7A-7D包括在充放电期间施加(a) 0、(b) 49、(c) 73. 5和(d) 98N/cm2之后的阳极 的SEM显微照片；
图8是根据另一实施方案的电化学电池组的示意图。
具体实施例方式本发明涉及施加力来提高电化学电池的性能。如本申请所述的施加于电化学电池 的一部分上的力可以减少电池的电极表面的不规则性或粗糙性，从而提高性能。在一些情况下，所述力可以包括具有垂直于电化学电池的阳极活性表面的分量的 各向异性力。在本文所述的实施方案中，电化学电池(例如，可充电电池)可能发生充/放 电循环，其涉及充电时阳极表面上的金属(例如，锂金属或下述的其它活性材料)的沉积 以及放电时阳极表面上的金属的反应，其中金属从阳极表面扩散。金属在阳极上的沉积均 勻性会影响电池性能。例如，当锂金属从阳极移除和/或再沉积在阳极上时，在某些情况下 下，会导致不平坦表面，例如在再沉积时可能不均勻沉积而形成粗糙表面。粗糙化表面可能 增加参与不期望化学反应的锂金属量，这会导致循环寿命下降和/或电池性能劣化。根据 本发明，已经发现对电化学电池施加力减少了这种现象并且改善了循环寿命下降和/或电 池性能。尽管本发明可以在类型广泛的电化学装置中找到用途，但是出于示例目的，仅在 图1中提供了一个这种装置的实例。在图1中，电化学电池的一般实施方案可包括阴极、阳 极和与阴极和阳极电化学连通的电解质层。在某些情况下，电池也可以包括容纳结构。在 某些情况下，组件可以组合成使得电解质处于堆叠构造的阴极和阳极之间。图1示出本发 明的电化学电池。在所示的实施方案中，电池10包括可形成在基板20的基本平坦表面上 的阴极30。虽然图1中的阴极和基板显示为具有平面构型，但是其它实施方案也可包括非 平面构型，如下所详述。阴极可以包含多种阴极活性材料。本文中所使用的术语“阴极活 性材料”是指与阴极相关的任意电化学活性材料。例如，阴极可以包含含硫材料，其中硫是 阴极活性物质。阴极活性材料的其它例子在下文中详细说明。在一些实施方案中，阴极30 包括至少一个活性表面(例如，表面32)。本文中所使用的术语“活性表面“是用来描述电 极的与电解质物理接触并且可发生电化学反应的表面。电解质40 (例如，包括多孔隔离材 料)可形成为与阴极30相邻。在一些实施方案中，电解质40可包括非固体电解质，其可以利用也可不利用多孔 隔离器引入。本文中所使用的术语“非固体”是指无法承受静态剪切应力的材料，当施加剪 切应力时，非固体经历持续和永久的变形。非固体的例子包括例如，液体、可变形凝胶等。阳 极层50可形成为与电解质40相邻并可与阴极30电连通。任选地，在一些实施方案中，电 池也可包括容纳结构56。阳极可包括多种阳极活性材料。本文中所使用的术语“阳极活性材料”是指与阳 极相关的任意电化学活性材料。例如，阳极可包括含锂材料，其中锂是阳极活性物质。阳 极活性材料的其它例子在下文中详细说明。在一些实施方案中，阳极50包括至少一个活 性表面(例如，表面5 。阳极50也可在位于阴极上30上的电解质层40上通过电解质形 成。当然，组件的方向可以变化，并应理解的是，存在其中层的方向变化使得例如阳极层或 电解质层首先形成在基板上的其它实施方案。任选地，可以存在附加层(未示出)，例如保 护电活性材料(例如，电极)免受电解质影响的多层结构，如Affinito等人2006年4月6 日提交的题为 “Rechargeable Lithium/Water, Lithium/Air Batteries” 的美国专利申请No. 11/400, 781所详细描述的，其全文通过引用并入本文。此外，非平面设置、材料比例不同 于本实施方案的设置以及其它替代实施方案对于本发明都是有用的。当然，典型的电化学 电池也包括集电器、外部电路、外壳结构等。本领域技术人员熟知可与附图所示和下文所述 的一般示意布置一起使用的许多布置。虽然图1示出了排列成堆叠构型的电化学电池，但是应该理解的是，可以利用本 发明的原理将电化学电池装置构造成任意构型。例如，图2示出了设置为圆柱形的电化学 电池的截面图。在图2所示的实施方案中，电池100包括电极130、电解质140和电极150。 在一些实施方案中，电极130可以包括阳极，而电极150可以包括阴极，但在其它实施方案 中，该顺序可以颠倒。任选地，电池可以含有芯170，其可以是固体中空的或者含有通道。电 池100还包括活性表面132和152。任选地，在一些实施方案中，电池还可以包括容纳结构 156。如图2所示，电极130形成在芯170上，电解质140形成在电极130上，电极150形成 在电解质140上。然而，在一些实施方案中，电极130可以与芯170相邻，电解质140可以 与电极130相邻，和/或电极150可以与电解质140相邻，任选地在组件之间包括一个或更 多个介入材料段。在一组实施方案中，电极130可至少部分围绕芯170，电解质140可至少 部分围绕电极130，和/或电极150可至少部分围绕电解质140。如本文所使用的，如果仅 通过第二实体就可绘制围绕第一实体的封闭环，则第一实体被第二实体“至少部分围绕”， 但并不意味着第一实体必然被第二实体所完全包封。在另一组实施方案中，如图3所示，电化学电池具有折叠堆形状。图3所示的电 池200包括隔离阳极230和阴极250的电解质MO。图3中的电化学电池包括具有平行于 箭头沈0的三个折叠平面的电解质。在其它实施方案中，电化学电池可包括具有平行于箭 头沈0的任意数目折叠平面的电解质。任选地，在一些实施方案中，电池还可包括容纳结 构256。除了图1-3中所示的形状之外，本文所述的电化学电池还可具有任意其它形状，包 括但不限于棱柱形(例如，三角棱柱形、矩形棱柱形等)、“瑞士卷”、非平面堆等。其它构 型描述在Affinito等人于2006年4月6日提交的题为“Electrode Protection in both Aqueous and Non-Aqueous Electrochemical Cells, including Rechargeable Lithium Batteries”的美国专利申请No. 11/400,025中，其全部内容通过引用并入本文。如上所述，在一些实施方案中，本发明涉及电化学装置，其中利用施加力来提高装 置的性能。在一些实施方案中，所述力包括具有垂直于阳极活性表面的分量的各向异性力。 在平坦表面的情况下，所述力可以包括具有垂直于在力施加点处的表面的分量的各向异性 力。例如，参照图1，可沿箭头60的方向施加力。箭头62示出垂直于阳极50的活性表面 52的力分量。在弯曲表面例如凸表面或凹表面的情况下，所述力可包括具有垂直于在力施 加点处与弯曲表面正切的平面的分量的各向异性力。参照图2所示的圆柱形电池，可以沿 例如箭头180的方向对电池的外表面施加力。在一些实施方案中，可以例如沿箭头182的 方向从圆柱形电池的内部施加力。在一些实施方案中，在电化学电池的充电和/或放电过 程中的至少一个时段期间施加具有垂直于阳极活性表面的分量的各向异性力。在一些实施 方案中，所述力可以在一个时段或可在持续时间和/或频率方面变化的多个时段内连续施 加。在一些情况下，可以在任选地分布在阳极活性表面上的一个过更多个预定位置处施加 各向异性力。在一些实施方案中，在阳极活性表面上均勻施加各向异性力。“各向异性力”具有本领域的一般含义，是指并非在所有方向上都相等的力。在所有方向上都相等的力例如是流体或材料内的流体或材料的内压力，例如物体的内气压。并 非在所有方向上都相等的力的例子包括指向特定方向的力，例如桌上物体通过重力施加至 桌上的力。各向异性力的另一个例子包括围绕物体周长设置的带所施加的力。例如，橡胶 带或螺旋扣可施加围绕其所卷绕的物体的周长的力。然而，所述带不能对未接触该带的物 体外表面的任意部分施加任意方向的力。此外，当所述带沿第一轴扩展至超过第二轴的程 度时，所述带可在平行于第一轴的方向上施加大于沿平行于第二轴所施加的力。具有“垂直于表面例如阳极活性表面的分量”的力具有本领域技术人员所理解的 一般含义，并且包括例如至少部分沿基本垂直于表面自身施加的力。例如，在且物体置于水 平桌上且仅受重力影响的情况下，该物体施加基本完全垂直于桌面的力。如果该物体被强 迫横向穿过水平桌面，则其对桌所施加的力不完全垂直于水平面，而是包括垂直于桌面的 分量。本领域技术人员能够理解该术语的其它实例，尤其是本说明书中所应用的。在一些实施方案中，各向异性力可施加为使得力的大小在限定电化学电池横截面 的平面内的所有方向上都基本相等，但是平面外的方向上的力的大小与平面内的力的大小 基本不相等。例如，参照图2，可围绕电池100的外部设置圆柱形带，使得对电池施加朝向电 池中心轴(点190所标示并延伸进出横截面示意图表面的轴)的力(例如，力180)。在一 些实施方案中，朝向电池中心轴的力的大小不同于(例如，大于)沿平面外(例如，平行于 中心轴190)方向施加的力的大小。在一组实施方案中，本发明的电池构造和设置为在电池的充电和/或放电过程中 的至少一个时段期间施加具有垂直于阳极活性表面的分量的各向异性力。本领域技术人员 会理解其含义。在这种设置中，电池可形成为容器的一部分，其利用电池组装期间或之后所 施加的“负载”来施加这种力，或者在使用该电池期间由于电池自身的一个或更多个组件的 膨胀和/或收缩来施加这种力。在一些实施方案中，所施加的力的大小足以提高电化学电池的性能。在一些实施 方案中，阳极活性表面和各向异性力可以一起选择使得各向异性力影响阳极活性表面的形 态以抑制阳极活性表面面积经由充放电而增加，其中在除了不施加各向异性力外其它条件 基本相同的情况下，阳极活性表面面积经由充放电循环而大幅增加。本文中，“条件基本相 同”是指除了力的施加和/或大小之外的其它条件类似或相同。例如，其它条件相同可以指 相同的电池，但是其中不构造为(利用支架或其它连接)对目标电池施加各向异性力。本领域技术人员能够容易地共同选择阳极活性表面和各向异性力以实现本文所 述的结果。例如，当阳极活性表面相对较软时，垂直于阳极活性表面的力分量可选择得较 低。当阳极活性表面较硬时，垂直于阳极活性表面的力分量可较大。本领域技术人员能够 利用已知或预测的性质容易地选择阳极材料、合金、混合物等，或者容易地测试该表面的软 硬度并容易地选择电池构造技术和设置以提供实现本文所述效果的合适力。简单的测试可 以进行如下，例如，设置各自具有一系列垂直于活性表面的力(或具有垂直于活性表面的 分量的力)的一系列活性材料以在没有电池循环(用于预测电池循环期间的选定组合)或 具有电池循环的情况下，利用相关选择的观察结果来测定力对表面的影响。在一些实施方案中，在电池的充电和/或放电过程中的至少一个时段期间施加具 有垂直于阳极活性表面的分量的各向异性力至相对于不存在各向异性力的情况下的表面 积增加而言有效抑制阳极活性表面的表面积增加的程度。各向异性力的垂直于阳极活性表面的分量可以例如限定至少约4. 9、至少约9. 8、至少约24. 5、至少约49、至少约98、至少约 117. 6或至少约147牛顿/cm2的压力。在一些实施方案中，各向异性力的垂直于阳极活性 表面的分量可以例如限定低于约196、低于约147、低于约117. 6、低于约98、低于约49、低 于约24. 5、低于约9. 8牛顿/cm2的压力。在一些情况下，各向异性力的垂直于阳极活性表 面的分量可以限定约4. 9 约147牛顿/cm2、约49 约117. 6牛顿/cm2或约68. 6 约98 牛顿/cm2的压力。虽然力和压力在本文中一般分别以牛顿和牛顿/单位面积来表示，但是 力和压力也可以分别用公斤力和公斤力/单位面积的单位来表示。本领域技术人员熟悉公 斤力单位并且了解1公斤力等于约9. 8牛顿。在一些情况下，施加于电池上的一个或更多个力具有不垂直于阳极活性表面的分 量。例如，在附图1中，力60不垂直于阳极活性表面52，并且力60包括基本平行于阳极活 性表面52的分量64。此外，在一些情况下，可对电池施加基本平行于阳极活性表面52的力 66。在一组实施方案中，所有施加的各向异性力在垂直于阳极活性表面方向上的分量之和 大于在不垂直于阳极活性表面的方向上的任意分量的之和。在一些实施方案中，所有施加 的各向异性力在垂直于阳极活性表面方向上的分量之和比在平行于阳极活性表面的方向 上的任意分量之和大至少约5 %、至少约10 %、至少约20 %、至少约35 %、至少约50 %、至少 约75%、至少约90%、至少约95%、至少约99%或至少约99. 9%。在一些实施方案中，阴极和阳极具有屈服应力，其中阴极和阳极其中之一的有效 屈服应力大于其中另一个的屈服应力，使得垂直施加于阳极活性表面和阴极活性表面之一 的表面上的各向异性力导致阴极和阳极之一的表面形态受到影响。在一些实施方案中，各 向异性力的垂直于阳极活性表面的分量为阳极材料的屈服应力的约20% 约200%、阳极 材料的屈服应力的约50% 约120%或阳极材料的屈服应力的约80% 约100%。本文所述的各向异性力可利用本领域任意已知的方法施加。在一些实施方案中， 所述力可以利用压缩弹簧施加。例如，参照图1，电化学电池10可位于任选封闭的容纳结构 56中，容纳结构56具有位于表面M和相邻的容纳结构壁之间的一个或更多个压缩弹簧以 产生具有沿箭头62方向的分量的力。在一些实施方案中，所述力可以通过将一个或更多个 压缩弹簧置于容纳结构之外使得弹簧位于容纳结构的外表面58和另一表面(例如，桌面、 另一容纳结构的内表面、相邻电池等)之间来施加。所述力可以利用其它元件(在容纳结构 的内部或外部)来施加，所述元件包括但不限于膜片式弹簧垫圈(Belleville washer), 机用螺钉、气动装置和/或重量。例如，在一组实施方案中，一个或更多个电池设置在两个 板(例如，金属板)之间。可以利用装置(例如，机用螺钉、弹簧等)经由所述板对电池或 电池组的末端施加压力。在使用机用螺钉的情况下，例如，电池可在旋转螺钉时在所述板之 间被压缩。作为另一实例，在一些实施方案中，可将一个或更多个楔子置于电池(或围绕电 池的容纳结构)表面和固定表面(例如，桌面、另一容纳结构的内表面、相邻电池等)之间。 所述各向异性力可通过对楔子(例如通过旋转机用螺钉)施加力以驱动在电池和相邻固定 表面之间的楔子来施加。在一些情况下，可以在将电池插入容纳结构之间对其进行预压缩，使得在插入容 纳结构之后，电池可膨胀以产生对电池的净力。例如，图2的圆柱形电池可以预压缩再插入 容纳结构156内。然后，容纳结构可在电池膨胀时提供针对圆柱形电池外表面的力。这种 设置在圆柱形电池能够承受相对高的压力变化的情况下可能是有利的。在该实施方案中，容纳结构可具有相对高的强度(例如，至少约lOOMPa、至少约200MPa、至少约500MPa或至 少约IGPa)。此外，容纳结构可具有相对高的弹性模量(例如，至少约lOGPa、至少约25GPa、 至少约50GPa或至少约IOOGPa)。容纳结构可包括例如铝、钛或任意其它合适材料。在一些情况下，本文所述的任意力可施加至成组的多个电化学电池。本文中所使 用的电化学电池“组”是指其中多个电池以基本上电池重复的模式例如相互叠加的模式排 列的构型。在一些情况下，电池可以设置为使得组中的每个电池的至少一个表面基本平行 于组中每个其它电池的至少一个表面，例如一个电池的一个特定组件(例如，阳极)的表面 基本平行于每个其它电池的相同组件的相同表面。例如，图8包括电化学电池10的组的示 意图。在一些实施方案中，电池可彼此直接接触，但是在一些情况下，在组中的电池之间可 设置一个以上的间隔器。电化学电池组可包含任意数目的电池(例如，至少2个、至少3个、 至少5个、至少10个、至少25个、至少100个或更多)。在一些实施方案中，收缩元件可围绕电池或电池组的至少一部分。在一些情况下， 收缩元件可构造和设置为在电池或电池组内施加具有垂直于至少一个阳极活性表面的分 量的各向异性力，其限定至少约4. 9、至少约9. 8、至少约24. 5、至少约49、至少约98、至少 约117. 6、至少约147、低于约196、低于约147、低于约117. 6、低于约98、低于约49、低于约 24. 5、低于约9. 8、约4. 9 约147、约49 约117. 6或约68. 6 约98牛顿/cm2的压力。在一些实施方案中，收缩元件可包括带(橡胶带、螺旋扣带等)。使用收缩元件的 一个示例性实施方案示于图8中。在该组实施方案中，收缩元件320围绕电池组10。在一 些实施方案中，所述带可通过例如粘合剂、U形钉、夹子、螺旋扣或任意其它合适方法固定至 电池或电池组上。在一些情况下，所述带包括螺旋扣带(例如Kevlar螺旋扣带)并且通过 拉紧所述带并固定螺旋扣来施加力。在一些情况下，所述带是连续的弹性带。在一些情况 下，在弹性带被张开并设置为围绕电池之后，可经由所述带的弹性收缩来施加力。作为具体 实例，可以通过将带材料冷却至其马氏体转变温度以下并使所述带塑性变形(例如，经由 扩展)以将其套在电池或电池组上来安装所述带。当回到操作温度时，所述带可收缩至其 变形前的形状，由此所述带可施加力。收缩元件可包含具有产生期望力所必须的弹性量的任意材料。弹性材料的固体 带的尺寸可调整为使其在被施加于一个或更多个电池的外表面并松弛之后提供所需的外 压力。在一些情况下，收缩元件可包括聚合物材料。收缩元件可包括例如Desmopau 392 (Bayer MaterialScience, Leverkusen, Germany 制造的聚酯聚氨酯)、Estane (The Lubrizol Corporation, ffickliffe, Ohio 制造的工程聚合物)、Kevlar (DuPont, Wilmington,Delaware制造的合成纤维)。在一些实施方案中，收缩元件可包括形状记忆合 金(例如镍钛合金(NiTi))，其可在材料所处温度变化时膨胀或收缩。在一些情况下，收缩 元件可包括热缩管，例如聚酯膜和/或纤维。在一些实施方案中，用于对电池或电池组施加力的元件(例如收缩元件、膨胀元 件等)的质量密度相对低。利用具有相对低的质量密度的元件，电池或电池组的能量密度 和比能量可保持相对高。在一些实施方案中，用于对电池或电池组施加力的制品的质量密 度低于约10g/cm3、低于约5g/cm3、低于约3g/cm3、低于约lg/cm3、低于约0. 5g/cm3、低于约 0. lg/cm3、约 0. lg/cm3 约 10g/cm3、约 0. lg/cm3 约 5g/cm3 或约 0. lg/cm3 约 3g/cm3。在一些实施方案中，在电池和另一电池之间或在电池和收缩元件之间可包括压力分配组件。这种压力分配组件可允许在整个电池或电池组中施加均勻的力。在一些情况下， 压力分配组件包括端盖。端盖的形状可选择为将所述带施加的线性力转变成横过例如阳极 活性区域的均勻力。例如，在图8中，可以在电池组和所述带之间设置任选的盖310。图8 所示的盖包括圆端，其可例如用于降低所述带在角落和边缘处与电池组的分离并提高力分 配的均勻性。所述盖可包括任意合适的材料，包括例如金属(例如铝)、碳纤维、塑料等。在 一些实施方案中，端盖相对易于形成或机械加工成复杂形状。在一些实施方案中，所述端盖的质量密度可以相对低。例如，所述端盖的质量密度 可低于约5g/cm3、低于约3g/cm3、低于约lg/cm3、低于约0. 5g/cm3、低于约0. lg/cm3、约0. Ig/ cm3 约10g/cm3、约0. lg/cm3 约5g/cm3或约0. lg/cm3 约3g/cm3。此外，所述端盖可具 有任意合适的刚度。例如，在一些情况下，所述端盖的刚度可以高于50GPa。压力分配组件的另一例子包括设置在两个电池之间的间隔器。电池间的间隔器可 用于降低可能例如由于个体电池的几何制造偏差所导致的应力集中。例如，电池的平坦度 可因电池而异。作为另一例子，在一些情况下，一个或更多个电池的相对侧可能不是完美平 行的。在图8所示的该组实施方案中，已经在电池10之间插入了任选的间隔器330。间隔 器可包括任意合适的材料，其包括例如金属(例如铝)、金属泡沫、碳复合材料、碳泡沫、塑 料等。在一些实施方案中，间隔器相对易于形成或机械加工成复杂形状。间隔器还可具有任意合适的厚度。在一些情况下，间隔器的平均厚度可为低于约 10mm、低于约5mm、低于约1mm、低于约500微米或低于约250微米。在一些实施方案中，间 隔器的厚度可为约100微米 约10mm、约100微米 约1mm、250微米 约10mm、约250微 米 约Imm或约500微米 约2mm。在一些实施方案中，间隔器的相对表面可以是高度平行的。例如，在一些实施方案 中，间隔器与第一电池接触的第一表面和间隔器与第二电池接触的第二表面之间的距离偏 差在间隔器的宽度上低于约1mm、低于约500微米、低于约100微米、低于约50微米、低于约 25微米、低于约10微米或低于约1微米，按照基本平行于从第一电池的质心到第二电池的 质心所画矢量(例如，图8中的线340)来测量。在一些情况下，电池组中的间隔器的质量密度可以相对低。例如，间隔器的质量 密度可低于约5g/cm3、低于约2g/cm3、低于约lg/cm3、低于约0. 5g/cm3、低于约0. lg/cm3、约 0. lg/cm3 约 10g/cm3、约 0. lg/cm3 约 5g/cm3 或约 0. lg/cm3 约 2g/cm3。此外，间隔器 可具有相对高的刚度。例如，在一些实施方案中，间隔器的刚度可以高于lOGPa。本领域技术人员能够进行试验以确定待用于电池或电池组的端盖或间隔器的合 适的尺寸、形状和构成材料。例如，如果端盖或间隔器材料具有足够的刚度，则形状的简单 几何优化就足以确定其性质。在其它情况下，可能需要更复杂的应力/应变计算以在端盖 和/或间隔器与其最终变形形状平衡之后确保压力分布基本均勻。使用收缩元件不限于平坦电池几何结构。在一些情况下，收缩元件可用于对圆柱 形电化学电池或棱柱形(例如三角棱柱、矩形棱柱等)电化学电池施加力。例如，在图2的 该组实施方案中，任选的收缩元件181可以围绕电池设置，使得其围绕电化学电池外部的 至少一部分。收缩元件可用于对电化学电池的最外表面(例如，图2中的表面182或表面 184)施加力。以上所述的任意收缩元件均可用作圆柱形电池、棱柱形电池或其它这样的电池中的收缩元件。例如，在一些实施方案中，相同或不同卷绕材料的一个或更多个卷绕体可置于 电池的外表面上。在一些实施方案中，卷绕材料具有相对高的强度。卷绕材料也可具有相 对高的弹性模量。在一些情况下，可使用诸如聚酯膜和织物的热缩管。在一些情况下，收缩 元件包括尺寸适合当其在电池外表面上松弛之后提供所需外部压力的弹性材料。在一些实施方案中，电池可包括在电池的内部容积(例如，图2中的中空芯170) 中的膨胀元件(例如膨胀芯轴)。膨胀元件可构造和设置为从电化学电池的内部容积径向 向外例如沿图2中的箭头182的方向施加力。在一些实施方案中，膨胀元件和收缩元件可 构造和设置为使得电化学电池边界内的力的偏差低于约30%、低于约20%、低于约10%或 低于约5 %的电化学电池边界内的中值力。在一些实施方案中，这种力的分布可以例如通过 选择膨胀元件和收缩元件使得对电池施加基本相等的内部力和外部力来实现。在一些实施方案中，除了施加内部压力之外，可以将施加外部压力和互补的卷绕 机制结合以实现在可接受的约束内的径向压力分布。例如，适当的辊隙卷绕(例如，利用轧 辊)可产生从电池的内直径处为107. 9N/cm2到电池的外直径处为ON/cm2变化的径向压力 分布。收缩元件可构造和设置为产生在内直径处为ON/cm2和在外直径处为78. 5N/cm2的 力。这样两个分布的叠加可得到98N/cm2且偏差为士 19.6N/cm2的平均压力施加。在一些 实施方案中，压力分配元件(例如端盖、间隔器等)和用于对电池或电池组施加力的元件 (例如，带、心轴等)的总体积可以相对低。通过采用小体积，组合件的能量密度可保持相对 高。在一些情况下，压力分配元件和用于对电池或电池组施加力的元件的体积之和包括小 于约10%、小于约5%、小于约2%、小于约1%、小于约0.5%、小于约0. 1%、约0. 约 10 %、约0. 1 % 约5 %、约0. 1 % 约2 %或约0. 1 % 约1 %的电池或电池组的体积。在一些情况下，本文所述的电池在充放电过程中可改变尺寸(例如，溶胀)。当选 择施加各向异性力的方法时，在一些实施方案中，可能期望的是，选择当电池在充放电过程 中改变形状和/或尺寸时产生相对恒定的力的方法。在一些情况下，这种选择类似于选择 具有低有效弹簧常数(例如，“软”弹簧)的系统。例如，当使用压缩弹簧施加各向异性力 时，在电池循环过程中，具有相对低弹簧常数的弹簧产生的力可比具有相对高弹簧常数的 弹簧所产生的力更为恒定。在使用弹性带的情况下，在电池循环过程中，具有相对高弹性的 带所产生的各向异性力可比具有相对低弹性的带所产生的力更为恒定。在利用机用螺钉施 加力的一些实施方案中，使用软螺钉(例如，黄铜、聚合物等)可能是有利的。在一些应用 中，例如，机用螺钉可选择为覆盖期望范围的压缩，但螺钉本身可以是软的。在一些实施方案中，本发明的电解池置于容纳结构中，并且具有垂直于阳极活性 表面的分量的各向异性力的至少一部分是由于电解池相对于容纳结构膨胀而产生的。在一 些情况下，容纳结构足够刚性使得其在电解池膨胀期间不变形，从而得到施加于电池上的 力。电解池可由于各种现象而溶胀。例如，在一些情况下，电解池可产生热膨胀。在一些实 施方案中，电解池可由于电池的充电和/或放电而溶胀。例如，在一些情况下，部分放电的 电池可置于容纳结构中。当对该部分放电的电池充电时，电池可溶胀。这种膨胀可能受到 容纳结构尺寸的限制，导致施加各向异性力。在一些情况下，电池可由于在电解池的多孔组件中吸收液体而溶胀。例如，在一 些实施方案中，干燥的多孔电解池可置于容纳结构中。该干燥的多孔电解池然后可被浸泡 (利用，用液体电解质)。在一些情况下，电解质性质(例如，表面张力)和电解电池性质(例如，多孔腔的尺寸)可选择为使得当电解池被电解质润湿时，产生期望水平的毛细压力。一 旦润湿，则电极堆将溶胀，因而产生各向异性力。当平衡时，容纳结构施加至电解池上的各 向异性力将等于由于毛细压力而得到的力。本文所述的容纳结构可包括各种形状，其包括但不限于圆柱形、棱柱形(例如，三 角棱柱形、矩形棱柱形等)、立方体形或任意其它形状。在一些实施方案中，容纳结构的形状 可选择为使得容纳结构平行于电解电池的外表面。例如，在一些情况下，容纳结构可具有圆 柱形，其可由于例如围绕核容纳圆柱形电解电池。在其它情况下，容纳结构可具有棱柱形以 围绕类似形状的棱柱形电解电池。在一些实施方案中，本发明涉及以下发现，S卩如本文所述的力施加可允许在电化 学电池内使用较少量的阳极活性材料(例如，锂)和/或电解质，其相对于在不施加力的基 本相同的电池中使用的量而言。在不施加本文所述的力的电池中，在一些情况下，阳极活性 材料(例如，锂金属)可能在电池的充放电循环过程中不均勻地再沉积在阳极上，形成粗糙 表面。在一些情况下，这可导致涉及阳极材料的一种或更多种不期望反应的速率增加。这 些不期望反应可在多次充放电循环之后稳定化和/或开始自限制，使得基本没有额外的阳 极活性材料被消耗并且电池可利用剩余的活性材料工作。对于不施加本文所述的力的电池 而言，这种“稳定化”经常只在大量阳极活性材料已被消耗并且电池性能已经劣化之后才达 到。因此，在未施加如本文所述的力的一些情况下，经常在电池内引入相对大量的阳极活性 材料和电解质以补偿在活性材料消耗期间的材料损失，从而保持电池性能。因此，施加如本文所述的力可减少和/或防止活性材料消耗，使得不必在电化学 电池中包含大量的阳极活性材料和/或电解质。例如，可以在使用电池之前或在电池寿命 的早期(例如，少于5次充放电循环)对电池施加力，使得在电池充电或放电时，很少或基 本不消耗活性材料。通过减少和/或消除对于在电池充放电期间的活性材料损失补偿的需 要，可以使用相对少量的阳极活性材料来制造如本文所述的电池和装置。在一些实施方案 中，本发明涉及包括在其寿命中充放电少于5次的电化学电池的装置，其中所述电池包括 阳极、阴极和电解质，其中阳极包含的阳极活性材料的量不多于在电池的一次完全充放电 过程中可被电离的阳极活性材料的量的5倍。在一些情况下，阳极包含的锂的量不多于在 电池的一次完全充放电过程中可被电离的锂的量的4倍、3倍、2倍或1. 5倍。在一些情况下，本发明涉及包括电化学电池的装置，其中所述电池包含阳极活性 材料、阴极活性材料和电解质，其中阳极中的阳极活性材料与阴极中的阴极活性材料的摩 尔比小于约5 1、小于约3 1、小于约2 1或小于约1.5 1。例如，电池可包含锂作 为阳极活性材料，包含硫作为阴极活性材料，其中Li S的摩尔比小于约5 1，在一些情 况下，Li S的摩尔比小于约3 1、小于约2 1或小于约1.5 1。在一些实施方案中， 阳极活性材料(例如，锂)与阴极活性材料的重量比可小于约2 1、小于约1.5 1、小于 约1.25 1或小于约1.1 1。例如，电池可包含锂作为阳极活性材料，包含硫作为阴极 活性材料，其中Li S的重量比小于约2 1、小于约1.5 1、小于约1.25 1或小于约 1. 1 1。使用较少量的阳极活性材料和/或电解质材料可有利地允许电化学电池或其一 部分的厚度减少。在一些实施方案中，阳极层和电解质层一起具有500微米的最大厚度。 在一些情况下，阳极层和电解质层一起具有400微米、300微米、200微米或在一些情况下为
16100微米的最大厚度。在一些实施方案中，如本文所述施加力可在电化学电池反复循环之后得到改善的 容量。例如，在一些实施方案中，在电池交替充放电3次之后，电池在第三次循环结束后表 现出至少约50 %、至少约80 %、至少约90 %或至少约95 %的电池初始容量。在一些情况下， 在电池交替充放电10次之后，电池在第10次循环结束后表现出至少约50%、至少约80%、 至少约90%或至少约95%的电池初始容量。在其它情况下，在电池交替充放电25次之后， 电池在第25次循环结束后表现出至少约50%、至少约80%、至少约90%或至少约95%的 电池初始容量。在本发明的电化学电池的阴极中用作阴极活性材料的合适电活性材料包括但不 限于电活性过渡金属硫族化物、电活性导电聚合物、硫、碳和/或其组合。本文所使用的术 语“硫族化物”涉及包含氧、硫、硒元素中的一种或更多种的化合物。合适的过渡金属硫族 化物的例子包括但不限于选自 Mn、V、Cr、Ti、Fe、Co、Ni、Cu、Y、Zr、Nb、Mo、Ru、Rh、Pd、Ag、 Hf、Ta、W、Re、Os和Ir的过渡金属的电活性氧化物、硫化物和硒化物。在一个实施方案中， 过渡金属硫族化物选自镍、锰、钴和钒的电活性氧化物以及铁的电活性硫化物。在一个实施 方案中，阴极包括以下材料中的一种或更多种二氧化锰、碘、铬酸银、氧化银和五氧化钒、 氧化铜、氧磷酸铜、硫化铅、硫化铜、硫化铁、铋酸铅、三氧化铋、二氧化钴、氯化铜和碳。在其 它实施方案中，阴极活性层包含电活性导电聚合物。合适的电活性导电聚合物的例子包括 但不限于选自聚吡咯、聚苯胺、聚苯撑、聚噻吩和聚乙炔的电活性和电子导电聚合物。导电 聚合物的例子包括聚吡咯、聚苯胺和聚乙炔。在一些实施方案中，用作本文所述的电化学电池中的阴极活性材料的电活性材料 包括电活性含硫材料。本文所使用的“电活性含硫材料”涉及包含任意形式的单质硫的阴极 活性材料，其中电化学活性涉及硫原子或部分的氧化还原。用于本发明实施的电活性含硫 材料的性质可如本领域已知的那样广泛变化。例如，在一个实施方案中，电活性含硫材料包 括单质硫。在另一实施方案中，电活性含硫材料包括单质硫和含硫聚合物的混合物。因此， 合适的电活性含硫材料可包括但不限于单质硫和包含硫原子和碳原子的有机材料，其可以 是或可以不是聚合的。合适的有机材料包括还包含杂原子、导电聚合物链段、复合材料和导 电聚合物的有机材料。在一些实施方案中，阴极可包含一种或更多种粘合剂材料(例如，聚合物、多孔二 氧化硅溶胶-凝胶等)。 含硫聚合物的例子包括描述在=Skotheim等人的美国专利5，601，947和 5，690，702 ；Skotheim 等人的美国专利 5，529，860 和 6，117，590 ；2001 年 3 月 13 日授予 的Gorkovenko等人为共同受让人的美国专利6，201，100和PCT公报WO 99/33130中的那 些。其它合适的含多硫键的电活性含硫材料描述在Skotheim等人的美国专利5，441，831 ； Perichaud等人的美国专利4，664，991 ；和Naoi等人的美国专利5，723，230,5, 783，330、 5，792，575和5，882，819中。电活性含硫材料的其它例子包括含二硫基的那些，如例如在 Armand等人的美国专利4，739，018 ；De Jonghe等人的美国专利4，833，048和4，917，974 ； Visco等人的美国专利5，162，175和5，516，598以及Oyama等人的美国专利5，324，599中 所述。 在一个实施方案中，阴极活性层的电活性含硫材料包含超过50wt%的硫。在另一实施方案中，电活性含硫材料包含超过75wt%的硫。在又一实施方案中，电活性含硫材料包 含超过90wt%的硫。本发明的阴极活性层可包含约20 IOOwt%的电活性含硫材料(例如，在从阴极 活性层中移除适量的溶剂之后和/或在所述层被适当固化之后测量)。在一个实施方案中， 阴极活性层中的电活性含硫材料的量为阴极活性层的5-30wt%。在另一实施方案中，阴极 活性层中的电活性含硫材料的量为阴极活性层的20 90wt%。用于制备阴极(以及本文所述电池的其它组件)的合适的液体介质(例如，溶剂) 包括含水液体、非水液体及其混合物。在一些实施方案中，可以使用例如水、甲醇、乙醇、异 丙醇、丙醇、丁醇、四氢呋喃、二甲氧基乙烷、丙酮、甲苯、二甲苯、乙腈、环己烷及其混合物的 液体。当然，也可以根据需要使用其它合适的溶剂。可通过本领域已知的方法制备正电极层。例如，一种合适的方法包括以下步骤 (a)将如本文所述的电活性含硫材料分散或悬浮在液体介质中；(b)任选地在步骤(a)的混 合物中加入导电填料和/或粘合剂；(c)将得自步骤(b)的组合物混合以分散电活性含硫 材料；(d)将得自步骤(c)的组合物浇铸在合适的基板上；和(e)从得自步骤(d)的组合物 中移除部分或全部液体以提供阴极活性层。在一些实施方案中，相对于阴极显著可压缩的电池，使用抗压缩的阴极可提高电 池性能。不希望受限于任何理论，使用弹性且相对高可压缩的阴极可实现在施加各向异性 力期间液体电解质排空。液体电解质从阴极排空可导致在电解电池工作期间功率输出下 降。例如，在一些情况下，甚至在各向异性力相对小(例如，具有限定约68. 6N/cm2压力的垂 直于阳极活性表面的分量的各向异性力)时或当各向异性力具有其它大小，例如如前所述 参照垂直于阳极活性表面的各向异性力的分量的极值和范围时，即可观察到电解电池的功 率输出下降。在施加压缩力的过程中，可压缩程度可与孔隙率变化即阴极的空体积变化相 关。在一些实施方案中，可能期望在电池工作期间限制阴极孔隙率的变化。例如，在本发明 的一些实施方案中，阴极的孔隙率在电池工作期间的下降可低于10%、低于6%、低于4%、 低于2%、低于1%、低于0.5%、低于0. 或更低。亦即，在电池使用期间，阴极承受的压 缩力可减少总空隙体积或电解质可进入的其它总体积，以上述百分数表示，其中阴极制造 为提供合适的抗压缩性。可利用各种方法提高阴极的刚性(抗压缩性)。在一些实施方案中，电解质的类型 和阴极中的孔尺寸可一起选择为使得通过电解质和阴极孔的相互作用提供的所得毛细力 来抵抗阴极的变形。这种效果可能在例如小的电解电池中特别有用。作为另一例子，可通 过在阴极中引入增强纤维(例如，连接碳颗粒)来提高阴极的刚性。在一些情况下，可在阴 极中引入粘合剂以提供刚性。在其它实施方案中，可以通过将活性材料(例如，网状M泡 沫)注入轻薄的超结构中来制造内在刚硬的阴极。用作本文所述的电化学电池的阳极中的阳极活性材料的合适的电活性材料包括 但不限于锂金属例如锂箔和沉积在导电衬底上的锂以及锂合金(例如，锂-铝合金和 锂-锡合金)。虽然这些是优选的负电极材料，但是集电器也可与其它电池化学品一起使 用。在一些实施方案中，阳极可包含一种或更多种粘合剂材料(例如，聚合物等)。在衬底上沉积负电极材料(例如，碱金属电极例如锂电极)的方法可包括诸如热 蒸发、溅射、射流气相沉积和激光烧蚀的方法。作为替代方案，当阳极包含锂箔或者锂箔和衬底时，可通过本领域已知的层合方法将这些层合在一起以形成阳极。在一个实施方案中，阳极活性层的电活性含锂材料包含超过50wt%的锂。在另一 实施方案中，阳极活性层的电活性含锂材料包含超过75wt %的锂。在又一实施方案中，阳极 活性层的电活性含锂材料包含超过90wt %的锂。正电极和/或负电极可任选包含与合适的电解质有利地相互作用的一个或更多 层，例如Mikhaylik等人于2006年12月4日提交的题为“S印aration of Electrolytes，， 的美国临时申请序列号60/872，939中所述的那些，其全部内容通过引用并入本文。用于电化学电池或电池组中的电解质可用作储存和输送离子的介质，在固体电解 质和凝胶电解质的特定情况下，这些材料可额外用作阳极和阴极之间的隔离器。可以使用 能够储存和输送离子的任意液体、固体或凝胶材料，只要该材料有利于在阳极和阴极之间 输送离子(例如，锂离子)即可。电解质是非电子导电的以防止在阳极和阴极之间短路。在 一些实施方案中，电解质可包括非固体电解质。电解质可包含一种或更多种离子电解质盐以提供离子导电性以及一种或更多种 液体电解质溶剂、凝胶聚合物材料或聚合物材料。合适的非水电解质可包括有机电解质， 其包括选自液体电解质、凝胶聚合物电解质和固体聚合物电解质的一种或更多种材料。用 于锂电池的非水电解质的例子记载在Dorniney的Lithium Batteries, New Materials, Developments and Perspectives, Chapter 4, pp.137-165, Elsevier, Amsterdam(1994) 中。凝胶聚合物电解质和固体聚合物电解质的例子记载在Alamgir等人的Lithium Batteries, New Materials, Developments and Perspectives, Chapter 3, pp. 93—136, Elsevier, Amsterdam(1994)中。在本文所述的电池中可使用的多相电解质组合物记载在 2006年12月4日提交的美国临时申请序列号60/872，939中。有用的非水液体电解质溶剂 的例子包括但不限于非水有机溶剂，例如N-甲基乙酰胺、乙腈、缩醛、缩酮、酯、碳酸盐、砜、 亚硫酸盐、环丁砜、脂肪醚、环醚、聚乙烯醚类(glymes)、聚醚、磷酸酯、硅氧烷、二氧戊环、 N-烷基吡咯烷酮、前述物质的取代形式以及它们的共混物。前述物质的氟化衍生物也可用 作液体电解质溶剂。在一些情况下，含水溶剂可用作锂电池的电解质。含水溶剂可包括水，其可含有其 它组分例如离子盐。如上所述，在一些实施方案中，电解质可包括诸如氢氧化锂的物质或者 使电解质呈碱性的其它物质，以降低电解质中氢离子的浓度。液体电解质溶剂也可用作凝胶聚合物电解质即包含一种或更多种形成半固体网 络的聚合物的电解质的增塑剂。有用的凝胶聚合物电解质的例子包括但不限于包含一种 或更多种聚合物和任选的一种或更多种增塑剂的那些，所述聚合物选自聚环氧乙烷、聚环 氧丙烷、聚丙烯腈、聚硅氧烷、聚酰亚胺、聚磷腈、聚醚、磺化聚酰亚胺、全氟化膜(NAFI0N树 脂)、聚乙二醇二乙烯基醚、聚乙二醇二丙烯酸酯、聚乙二醇二甲基丙烯酸酯、前述物质的衍 生物、前述物质的共聚物、前述物质的交联和网络结构以及它们的共混物。在一些实施方案 中，凝胶聚合物电解质包含10 20体积％、20 40体积％、60 70体积％、70 80体 积％、80 90体积％或90 95体积％的多相电解质。在一些实施方案中，可使用一种或更多种固体聚合物来形成电解质。有用的固体 聚合物电解质的例子包括但不限于包含选自聚醚、聚环氧乙烷、聚环氧丙烷、聚酰亚胺、聚 磷腈、聚丙烯腈、聚硅氧烷、前述物质的衍生物、前述物质的共聚物、前述物质的交联和网络结构以及它们的共混物的一种或更多种聚合物的那些。除了电解质溶剂、凝胶化试剂和本领域已知用于形成电解质的聚合物之外，电解 质还可包括也为本领域已知的一种或更多种离子电解质盐以提高离子电导率。用于本发明的电解质中的离子电解质盐的例子包括但不限于LiSCN、LiBr, Lil、 LiClO4, LiAsF6, LiS03CF3、LiS03CH3、LiBF4, LiB (Ph) 4、LiPF6, LiC (SO2CF3) 3 和 LiN(SO2CF3) 2。 其它可用的电解质盐包括多硫化锂(Li2Sx)和有机离子多硫化物的锂盐(LiSxR)n，其中χ为 1 20的整数，η为1 3的整数，R为有机基团，这些公开在Lee等人的美国专利5，538，812 中。在一些实施方案中，电化学电池还可包括插入在阴极和阳极之间的隔离器。隔离 器可以是使阳极和阴极彼此隔离或绝缘以防止短路的固体非导电或绝缘材料，其允许在阳 极和阴极之间输送离子。在一些实施方案中，多孔隔离器可以透过电解质。隔离器的孔可以部分或基本填充有电解质。隔离器可以提供为在电池制造过程中 插入阳极和阴极之间的多孔自立膜。作为替代方案，多孔隔离器膜可直接施加至一个电极 的表面，例如Carlson等人的PCT公报W099/33125和Bagley等人的美国专利5，194，341 中所述。本领域已知多种隔离器材料。合适的固体多孔隔离器材料的例子包括但不限于 聚烯烃例如聚乙烯(例如，Tonen Chemical Corp制造的SETELA )和聚丙烯、玻璃纤维滤 纸和陶瓷材料。例如，在一些实施方案中，隔离器包括微孔聚乙烯膜。适合用于本发明中的 隔离器和隔离器材料的其它例子为包括微孔干凝胶层例如微孔拟薄水铝石层的那些，其可 提供为自立膜或直接涂覆施加在一个电极上，如作为共同受让人的Carlson等人的美国专 利6，153，337和6，306，545中所述。固体电解质和凝胶电解质也可用作除其电解质功能之 外的隔离器。以下申请分别通过引用全文并入本文=Scordilis-KeIley等人于2008年8月5日 提交的题为“Application of Force in Electrochemical Cells”的美国临时专利申请序 列号 61/086，329。以下实施例旨在说明本发明的特定实施方案，但并非示例性示出本发明的全部范围。实施例1在该实施例中，在电池的充电和/或放电过程中的至少一个时段期间施加具有垂 直于阳极活性表面的分量的各向异性力。阳极活性表面和各向异性力一起选择为使得所述 各向异性力影响阳极活性表面的表面形态以抑制阳极活性表面面积通过充放电而增加。如 实施例2中所示，在没有各向异性力但其它条件基本相同的情况下，阳极活性表面面积通 过充放电循环大幅增加。在本实施例中，使用锂金属(> 99. 9% Li,2mil厚的箔，可得自Chemetall-Foote Corp. ,Kings Mountain,NC)作为阳极。电解质包含13. 2份的二(三氟甲烷磺酰基)酰亚 胺锂(酰亚胺锂可得自3M Corporation，St. Paul，MN)、1. 1份的在1，3-二氧戊环中的硝酸 锂(可得自Aldrich Chemical Company，Milwaukee，WI)，其中水含量低于50ppm。所用的多 孔隔膜为16 μ m SETELA (聚烯烃隔膜的商标，可得自Tonen Chemical Corporation, Tokyo, Japan，也可得自 Exxon Mobil Chemical Company, Films Division，Pittsford，NY)。
将上述组件堆叠成阳极/隔膜/阴极的层状结构，其中液体电解质填充隔膜的孔 区域以形成电极面积为约16cm2的棱柱电池。在用镀铝柔性封装(来自Sumitomo)密封之 后，将电池储存M小时并置于具有压缩弹簧的钢板之间。所述电池构造和设置为在电池的 充电和/或放电过程中的至少一个时段期间施加具有垂直于阳极活性表面的分量的各向 异性力。在本实施例中，各向异性力限定98N/cm2的压力。对这些电池在18mA下进行充放电循环30次持续4小时，包括放电和充电(恒定 容量循环相当于41. 5% Li D0D)。然后，将电池分解并利用扫描电子显微镜评价电极的形 态以及利用差示扫描量热法测量剩余的金属锂。图4包括在施加98N/cm2之后经30次循环 的锂阳极的SEM显微照片。所得的阳极致密且保持其原厚度，并且其主要由锂金属构成。实施例2在本实施例中，将与实施例1中所用电池相同的电化学电池进行充电和放电。在 本实施例中，在没有各向异性力的情况下对电化学电池进行充电和放电。此外，电池的工作 条件与实施例1所列举的基本相同。采用如实施例1中相同的分析，发现在没有各向异性力但其它条件基本相同的情 况下进行循环之后，阳极活性表面面积通过充放电循环而大幅增加。图5包括在没有各向 异性力的情况下充放电之后的锂阳极的SEM显微照片。所得的阳极非常多孔，厚度超过两 倍，并且主要由分解产物而不是金属锂构成。实施例3图6A-D包括在30次充电/放电循环之后的各个沉积的锂金属阳极的SEM显微照 片。图6A中的阳极在没有各向异性力的情况下循环，而图6B、C和D中的阳极在分别施加 限定49、73. 5和98N/cm2压力的力的情况下循环。从显微照片可见，随着所施加力的增加， 所得的锂金属阳极的厚度和孔隙率下降。图7A-D包括在30次充电/放电循环之后的各个剥离的锂金属阳极的SEM显微照 片。图7A中的阳极在没有各向异性力的情况下循环，而图7B、C和D中的阳极在分别施加 限定49、73. 5和98N/cm2压力的力的情况下循环。同样地，随着所施加力的增加，所得的锂 金属阳极的厚度和孔隙率下降。虽然本文已经描述和图示了本发明的多个实施方案，但是本领域技术人员很容易 预见到用于实现本文所述的功能和/或获得本文所述的结果和/或一个或更多个本文所述 的优点的各种其它手段和/或结构，并且所有这样的变化和/或调整均被认为在本发明的 范围之内。更一般而言，本领域技术人员很容易认识到本文所述的所有参数、尺寸、材料和 构型均是示例性的并且实际的参数、尺寸、材料和构型取决于采用本发明教导的的具体应 用。本领域技术人员仅仅利用常规实验就会识别或能够区别本文所述的本发明具体实施方 案的许多等同方案。因此，应该理解的是，前述实施方案仅为例举并且在所附权利要求书及 其等同技术方案的范围内，本发明可以采取所不同于所描述或所要求保护的方式实施。本 发明涉及本文所述的各个单独的技术特征、系统、制品、材料、试剂盒和/或方法。此外，只 要这样的技术特征、系统、制品、材料、试剂盒和/或方法不相互矛盾，则两个或更多个这样 的技术特征、系统、制品、材料、试剂盒和/或方法的组合也包括在本发明的范围之内。除非有明确的相反指示，否则本说明书和权利要求书中没有限定数量词应理解为 指“至少一个”。
本说明书和权利要求书中用到的表述“和/或”应理解为指所连接的要素中的“任 一或二者”，即要素有时联合存在、有时不相连地存在。除“和/或”从句明确指出的要素外， 其它要素也可任选存在，无论与那些明确指出的要素相关还是不相关。因此，作为非限制性 的实例，当与开放式用语如“包含”一起使用时，“A和/或B”在一个实施方案中可仅指A没 有B (任选包括B之外的要素)；在另一个实施方案中可仅指B没有A(任选包括A之外的 要素)；而在又一个实施方案中可指A和B (任选包括其它要素)；等等。本说明书和权利要求书中所用的“或”应理解为具有与上面定义的“和/或”相同 的含义。例如，在列表中分开列举项目时，“或”或“和/或”应理解为包括性的，即包括多 个要素或要素列表中的至少一个但也包括一个以上，并任选包括另外的未列出的项目。只
有明确相反的术语例如“仅......之一”或“只有......之一”或当在权利要求书中使用
“由......组成”时才是指包括多个要素或要素列表中的恰好一个要素。通常，当前面有排
他性的术语如“任一”、“......中之一”、“仅......中之一”或“......中确切之一”时，
本文中用到的术语“或”应仅理解为表示排他的或者(即“一个或另一个而非二者”)。用 于权利要求书中时，“基本由......组成”应具有其在专利法领域中所用的普通含义。本说明书和权利要求书中指代一个或多个要素的列表所用到的表述“至少一个” 应理解为意指选自要素列表中任何一个或多个要素中的至少一个要素，但不一定包括要素 列表内明确列出的至少每一个要素，也不排除要素列表中要素的任何组合。在该定义下，除 要素列表内由表述“至少一个”所明确指出的要素外的要素也可任选存在，而无论其与那些 明确指出的要素相关还是不相关。因此，作为非限制性的实例，“A和B中的至少一个”(或 等价于“A或B中的至少一个”或等价于“A和/或B中的至少一个”在一个实施方案中可指 至少一个、任选包括一个以上A而无B存在(并任选包括B之外的要素)；在另一个实施方 案中可指至少一个、任选包括一个以上B而无A存在(并任选包括A之外的要素)；而在又 一个实施方案中可指至少一个、任选包括一个以上A和至少一个、任选包括一个以上B (并 任选包括其他要素)；等。在权利要求书和以上说明书中，所有过渡词语如“包含”、“包括”、“带有”、“具 有”、“含有”、“涉及”、“持有”等均应理解为开放式的，即指包括但不限于。仅过渡词语
“由......组成”和“基本由......组成”分别对应于封闭或半封闭式的过渡词语，如美国
专利局专利审查程序手册第2111. 03部分中所规定的。
权利要求
1.一种电化学电池，包括 阴极；阳极，其包含锂作为阳极活性材料，所述阳极具有活性表面；和 电解质，其与所述阴极和所述阳极电化学连通；其中所述电池构造和设置为在所述电池的充电和/或放电过程中的至少一个时段期 间施加具有垂直于阳极活性表面的分量的各向异性力。
2.根据权利要求1所述的电化学电池，其中所述锂材料包括锂合金。
3.根据权利要求1所述的电化学电池，其中所述各向异性力均勻施加在所述阳极活性表面上。
4.根据权利要求1所述的电化学电池，其中所述阴极包含碳和硫。
5.根据权利要求1所述的电化学电池，其中所述阴极包含阴极活性材料和粘合剂材料。
6.根据权利要求1所述的电化学电池，其中所述电化学电池为圆柱形的。
7.根据权利要求6所述的电化学电池，其中圆柱形的所述电化学电池设置在圆柱形容 纳结构内。
8.根据权利要求1所述的电化学电池，其中所述阴极包含阴极活性材料，并且所述阳 极中的阳极活性材料量与所述阴极中的阴极活性材料量之摩尔比低于1.5 1。
9.根据权利要求1所述的电化学电池，其还包括在所述阳极和所述阴极之间的多孔隔1 " ο
10.根据权利要求1所述的电化学电池，其还包括在所述阳极和所述阴极之间的可渗 透所述电解质的隔离器。
11.根据权利要求10所述的电化学电池，其中所述隔离器包括微孔聚乙烯膜。
12.根据权利要求1所述的电化学电池，其中所述电池构造和设置为在所述电池的充 电和/或放电过程中的至少一个时段期间施加具有垂直于所述阳极活性表面的分量的各 向异性力，所述分量限定低于约147N/cm2的压力，所述阳极活性表面和所述各向异性力一 起选择为使得所述各向异性力影响所述阳极活性表面的表面形态以抑制阳极活性表面面 积通过充放电而增加，并且其中在不存在所述各向异性力但其它条件基本相同的情况下， 所述阳极活性表面面积通过充放电循环而更大程度地增加。
13.根据权利要求1所述的电化学电池，其中所述电池构造和设置为在所述电池的充 电和/或放电过程中的至少一个时段期间施加具有垂直于所述阳极活性表面的分量的各 向异性力，所述分量限定至少约4. 9N/cm2的压力。
14.根据权利要求1所述的电化学电池，其中所述电池构造和设置为在所述电池的充 电和/或放电过程中的至少一个时段期间施加具有垂直于所述阳极活性表面的分量的各 向异性力，所述分量限定约4. 9N/cm2 约147N/cm2的压力。
15.一种电化学电池，包括 阴极；阳极，所述阳极具有活性表面；和非固体电解质，其与所述阴极和所述阳极电化学连通；其中所述电池构造和设置为在所述电池的充电和/或放电过程中的至少一个时段期间施加具有垂直于阳极活性表面的分量的各向异性力。
16.根据权利要求15所述的电化学电池，其中所述电池构造和设置为在所述电池的充 电和/或放电过程中的至少一个时段期间施加具有垂直于所述阳极活性表面的分量的各 向异性力，所述分量限定低于约147N/cm2的压力，所述阳极活性表面和所述各向异性力一 起选择为使得所述各向异性力影响所述阳极活性表面的表面形态以抑制阳极活性表面面 积通过充放电而增加，并且其中在不存在所述各向异性力但其它条件基本相同的情况下， 所述阳极活性表面面积通过充放电循环而更大程度地增加。
17.根据权利要求15所述的电化学电池，其中所述电池构造和设置为在所述电池的充 电和/或放电过程中的至少一个时段期间施加具有垂直于所述阳极活性表面的分量的各 向异性力，所述分量限定至少约4. 9N/cm2的压力。
18.根据权利要求15所述的电化学电池，其中所述电池构造和设置为在所述电池的充 电和/或放电过程中的至少一个时段期间施加具有垂直于所述阳极活性表面的分量的各 向异性力，所述分量限定约4. 9N/cm2 约147N/cm2的压力。
19.一种电化学电池，包括阴极，其具有活性表面；阳极，其具有活性表面；和电解质，其与所述阴极和所述阳极电化学连通；其中所述阴极和所述阳极具有屈服应力，其中所述阴极和所述阳极其中之一的有效屈 服应力大于其中另一个的屈服应力，使得垂直施加于阳极活性表面和阴极活性表面之一的 各向异性力使所述阴极和所述阳极之一的表面形态受到影响。
20.一种电能储存和使用的方法，包括提供一种电化学电池，其包括阴极；阳极，其包含锂阳极活性材料，所述阳极具有活性表面；和电解质，其与所述阴极和所述阳极电化学连通；以及在所述电池的充电和/或放电过程中的至少一个时段期间施加具有垂直于阳极活性 表面的分量的各向异性力。
21.根据权利要求20所述的方法，其中所述各向异性力的垂直于所述阳极活性表面的 分量为所述阳极材料的屈服应力的约20% 约200%。
22.根据权利要求20所述的方法，其中所述各向异性力的垂直于所述阳极活性表面的 分量为所述阳极材料的屈服应力的约50% 约120%。
23.根据权利要求20所述的方法，其中所述各向异性力的垂直于所述阳极活性表面的 分量为所述阳极材料的屈服应力的约80% 约100%。
24.根据权利要求20所述的方法，其中所述各向异性力的垂直于所述阳极活性表面的 分量限定约4. 9N/cm2 约147N/cm2的压力。
25.根据权利要求20所述的方法，其中所述各向异性力的垂直于所述阳极活性表面的 分量限定约49N/cm2 约117. 6N/cm2的压力。
26.根据权利要求20所述的方法，其中所述各向异性力的垂直于所述阳极活性表面的 分量限定约68. 6N/cm2 约98N/cm2的压力。
27.根据权利要求20所述的方法，其中所述阳极活性表面和所述各向异性力一起选择 为使得所述各向异性力影响所述阳极活性表面的表面形态以抑制阳极活性表面面积通过 充放电而增加，并且其中在不存在所述各向异性力但其它条件基本相同的情况下，所述阳 极活性表面面积通过充放电循环而更大程度地增加。
28.根据权利要求20所述的方法，其中利用压缩弹簧施加所述各向异性力。
29.根据权利要求20所述的方法，其中利用膜片式弹簧垫圈施加所述各向异性力。
30.根据权利要求20所述的方法，其中利用气动装置施加所述各向异性力。
31.根据权利要求20所述的方法，其中经由热膨胀施加所述各向异性力。
32.根据权利要求20所述的方法，其中所述电化学电池设置在容纳结构内；和通过使所述电化学电池相对于所述容纳结构溶胀来施加所述各向异性力。
33.根据权利要求32所述的方法，其中所述电化学电池具有圆柱形状。
34.根据权利要求32所述的方法，其中所述电化学电池具有三角棱柱形状。
35.根据权利要求32所述的方法，其中所述电化学电池具有矩形棱柱形状。
36.根据权利要求32所述的方法，其中所述电化学电池由于所述电池的充电和/或放 电而溶胀。
37.根据权利要求20所述的方法，还包括通过对所述电池交替放电和充电，使所述电 池循环至少3次，其中在第3次循环结束时，所示电池表现出所述电池的初始容量的至少 80%。
38.根据权利要求20所述的方法，还包括通过对所述电池交替放电和充电，使所述电 池循环至少10次，其中在第10次循环结束时，所示电池表现出所述电池的初始容量的至少 80%。
39.根据权利要求20所述的方法，还包括通过对所述电池交替放电和充电，使所述电 池循环至少25次，其中在第25次循环结束时，所述电池表现出所述电池的初始容量的至少 80%。
40.根据权利要求20所述的方法，还包括在所述电池的充电和/或放电过程中的至少 一个时段期间施加具有垂直于所述阳极活性表面的分量的各向异性力，其程度为相对于没 有所述各向异性力时所述阳极活性表面的表面积增加而言有效抑制所述阳极活性表面的 表面积增加。
41.一种电能的储存和利用的方法，包括提供一种电化学电池，其包括阴极；阳极，所述阳极具有活性表面；和非固体电解质，其与所述阴极和所述阳极电化学连通；和在所述电池的充电和/或放电过程中的至少一个时段期间施加具有垂直于阳极活性 表面的分量的各向异性力。
42.根据权利要求41所述的方法，还包括在所述电池的充电和/或放电过程中的至少 一个时段期间施加具有垂直于所述阳极活性表面的分量的各向异性力，其程度为相对于没 有所述各向异性力时所述阳极活性表面的表面积增加而言有效抑制所述阳极活性表面的表面积增加。
43.根据权利要求41所述的方法，其中所述非固体电解质包括液体。
44.一种制品，包括 第一电化学电池； 第二电化学电池；和围绕所述第一电化学电池和所述第二电化学电池的至少一部分的收缩元件，其中所 述收缩元件构造和设置为对所述第一电化学电池和所述第二电化学电池施加限定至少约 4. 9N/cm2压力的力。
45.根据权利要求44所述的制品，其中所述第一电化学电池包括第一电解质，所述第 二电化学电池包括第二电解质，并且所述第一电解质和所述第二电解质的至少其一包括非 固体电解质。
46.根据权利要求44所述的制品，还包括位于所述第一电化学电池和所述第二电化学 电池之间的间隔器。
47.根据权利要求44所述的制品，其中所述第一电化学电池包括具有阳极活性材料的第一阳极， 所述第二电化学电池包括具有阳极活性材料的第二阳极，和 所述第一阳极和所述第二阳极的至少其一包含锂作为阳极活性材料。
48.根据权利要求47所述的制品，其中锂阳极活性材料包括锂合金。
49.根据权利要求44所述的制品，其中所述第一电化学电池包括具有阳极活性表面的第一阳极， 所述第二电化学电池包括具有阳极活性表面的第二阳极，和所述收缩元件构造和设置为在所述电池的充电和/或放电过程中的至少一个时段期 间施加具有垂直于第一阳极活性表面和第二阳极活性表面的分量的各向异性力，所述分量 限定至少约49N/cm2压力。
50.根据权利要求44所述的电化学电池，其中所述第一电化学电池包括第一阴极，所 述第二电化学电池包括第二阴极，并且所述第一阴极和所述第二阴极的至少其一包含碳和 硫ο
51.一种制品，包括电化学电池，其包括内部容积、与所述内部容积相邻的第一电极、与所述第一电极相邻 的电解质和与所述电解质相邻的第二电极；位于所述电化学电池的内部容积中的膨胀元件；和 围绕所述电化学电池的外侧的至少一部分的收缩元件，其中 所述收缩元件构造和设置为对所述电化学电池的最外表面施加力， 所述膨胀元件构造和设置为施加从所述电化学电池的内部容积径向向外的力，和 在所述电化学电池的边界内的力的偏差小于在所述电化学电池的边界内的中值力的 约 30%。
52.根据权利要求51所述的制品，其中所述电解质包括非固体电解质。
53.根据权利要求52所述的制品，其中所述非固体电解质包括液体。
54.根据权利要求51所述的制品，其中在所述电化学电池的边界内的力的偏差小于在所述电化学电池的边界内的中值力的约20 %。
55.根据权利要求51所述的制品，其中在所述电化学电池的边界内的力的偏差小于在 所述电化学电池的边界内的中值力的约10%。
56.根据权利要求51所述的制品，其中在所述电化学电池的边界内的力为约4.9N/ cm2 约 147N/cm2。
57.根据权利要求51所述的电化学电池，其中所述电化学电池为圆柱形的。
58.根据权利要求51所述的电化学电池，其中所述电化学电池具有棱柱形。
59.根据权利要求51所述的电化学电池，其中所述第一电极形成在所述内部容积上， 所述电解质形成在所述第一电极上，并且所述第二电极形成在所述电解质上。
全文摘要
本发明涉及施加力以提高电化学电池的性能。在一些情况下，所述力可包括具有垂直于电化学电池的阳极活性表面的分量的各向异性力。在本文所述的实施方案中，电化学电池(例如，可充电电池)可能发生充/放电循环，其涉及充电时在阳极表面上的金属(例如，锂金属)的沉积以及放电时在阳极表面上的金属的反应，其中金属从阳极表面扩散。金属在阳极上的沉积均匀性会影响电池性能。例如，当锂金属再沉积在阳极上时，在某些情况下，会不均匀沉积形成粗糙表面。粗糙化表面可能增加参与不期望化学反应的锂金属量，这会导致循环寿命下降和/或电池性能劣化。根据本发明，已经发现对电化学电池施加力减少了这种现象并且改善了循环寿命下降和/或电池性能。
文档编号H01M4/58GK102144324SQ200980134869
公开日2011年8月3日 申请日期2009年8月4日 优先权日2008年8月5日
发明者伊戈尔·科瓦列夫, 克里斯多佛·T·S·坎贝尔, 威廉·F·维尔克宁, 尤里·V·米哈利克, 查里克莱亚·斯科尔迪利斯-凯利, 洛韦尔·D·琼斯, 约翰·A·马顿斯, 约翰·D·阿菲尼托 申请人:赛昂能源有限公司