具有模块化汇流条组件的锂离子电池的制作方法
政府权利
本发明是在美国能源部授予的de-ar0000392的政府支持下完成的。政府拥有本发明的某些权利。
相关申请的交叉引用
本申请要求于2017年9月22日提交的转让号为62/561,927的临时专利申请的优先权，该临时专利申请的标题为“具有模块化汇流条组件的锂离子电池”。前述临时申请的内容通过引用并入本文。
本申请特此也通过引用整体并入以下专利申请：(i)标题为“锂离子电池”的第9,685,644号美国专利，(ii)标题为“具有热失控保护的锂离子电池”第2017/0214103号美国专利”和(iii)公开号为wo2017/106349标题为“用于锂离子电池的薄型压力断开装置”的pct申请。
本公开涉及锂离子电池，更具体地，涉及具有改善的安全性和降低的制造成本的多芯锂离子电池。更具体地，本公开涉及锂离子电池，其被设计成容纳变化的汇流条组件以提供串联和并联的果冻卷构造，从而在不改变基础电池设计和布局的情况下提供增加的电压或更高的容量。
背景技术：
最初将锂离子电池用作笔记本电脑、手机和其他便携式电子设备的电池。诸如电池电动汽车(bev)、插电式混合动力电动汽车(phev)和混合动力电动汽车(hev)之类的大型应用的增长，电动火车以及诸如电网储存(grid)、建筑、采矿和林业设备、叉车、其他驱动应用和铅酸替代品(lar)之类的其他大型系统进入市场，这是因为需要降低排放、降低汽油和电力成本以及限制排放。如今，在这些较大的电池应用中部署了各种各样的锂离子电池，从使用数千个较小的圆柱形和方形电池(例如18650和183765电池)到容量从1ah到7ah不等的电池，到几千个数百个较大的电池，例如容量为15ah至100ah的方形或聚合物电池。这些类型的电池是由panasonic、sony、sanyo、atl、jci、boston-power、sdi、lgchemical、sk、bak、byd、lishen、coslight和其他锂离子电池制造商生产的。
通常，行业需要提高能量密度以实现更长的运行时间，这对于电动车辆而言会导致电力范围的增加，对于电网储存系统而言，这意味着部署时间更长且更具成本效益。在电动车辆特别是bev和phev的情况下，随着更多的容量可以装入电池盒，增加的能量密度导致增加车辆的行驶里程的能力。较高的能量密度还导致每千瓦时成本降低的能力，因为非活性材料(如电池盒、接线、bms电子设备、紧固结构、冷却系统和其他组件)的每千瓦时成本更低。同样，对于其他电池系统(例如，电网储存)，市场需要更高的能量密度，尤其是在调峰应用(即支持在最高费用的高峰时段从公用事业公司购买的能量减少的应用)。同样，对于高能量密度，每千瓦时成本也更低，因为可以使用相对较少的不动产和每千瓦时不活动的组件。此外，对于人口稠密的地区，例如纽约、东京、上海和北京等大都市区，系统的大小需要最小化。有必要将电池系统安装到商业和住宅建筑物及容器中，以有助于降低电网峰值功率，从而降低电力成本并减少运行效率低下的峰值发电站(即仅在对电力需求很高的情况下才运行的发电站)。
与其他电池和电力输送技术相比，满足此类需求的锂离子电池必须变得成本更低，能量密度更高，才能在市场上具有竞争力。但是，由于锂离子电池的包装密度更高，因此存在一个电池因滥用而失效的风险，可能会导致整个系统的传播(级联)失控，并有爆炸和着火的危险。这种滥用可能来自外部事件，例如碰撞和火灾，也可能来自内部事件，例如由于充电电子设备故障导致的意外过充或由于制造过程中的金属微粒导致的内部短路。
需要寻找新的解决方案，其中滥用失败不会导致级联失控，从而使系统具有更高的能量密度和更低的成本。具有可靠的非级联属性的电池将能够降低电池组成本，至少部分是基于降低昂贵的包装结构。
还需要提高锂离子电池领域的制造效率和成本。例如，某些工业应用需要增加电压以满足产品要求，而其他工业应用则需要更高的能量容量。虽然底层锂离子组件的设计在高电压/高容量应用中可能相似，但可以将电池整体或部分串联(对于更高的电压)或将电池整体或部分(对于更高的电压)并联通常需要不同的电池设计，这会带来制造/库存成本以及单独实施的效率低下。
本公开提供解决以上概述的需求和缺点的有利设计。从下面的描述，特别是当结合附图、示例和实验数据阅读时，所公开的电池系统的附加特征、功能和益处将是显而易见的。
技术实现要素：
提供了用于锂离子电池的有利的壳体，该壳体尤其包括：
(i)限定用于容纳电化学单元的底部、侧壁和顶部或盖的容器或组件，(ii)放置在容器或组件中的多个电化学单元，以及(iii)放置在容器或组件中并与每个电化学单元的阳极和阴极电连通的汇流条。在示例性实施例中，电化学单元是“未密封的”，即与共享气氛连通。在替代实施例中，电化学单元可以被单独密封，或者可以包括提供密封功能的元件或区域，如果电化学单元内的条件需要将热量排放和/或释放到共享气氛中，则该功能被释放。
本公开的汇流条组件总体上限定了层压结构，该层压结构包括由非导电元件(或涂层)隔开的第一和第二导电结构。汇流条有利地用于将电化学单元的阳极互连到壳体外部的负极端子构件，并且将电化学单元的阴极互连到壳体外部的正极端子构件。
汇流条的导电方面可以由各种导电材料制成，例如金属材料、导电聚合材料及其组合。最常见的导电汇流条材料是铝、铜和镍。实际上，由于与这种金属材料相关的高导电率和低成本，所公开的汇流条的导电方面有利地由铝和铜制成。位于导电层之间的绝缘材料通常选自已知的非导电/绝缘材料，例如，非导电聚合物、陶瓷及其组合。示例性的绝缘材料包括聚乙烯、聚丙烯和聚四氟乙烯(例如，teflontm材料)。
对汇流条组件进行工程设计，以便将所需数量的电化学单元以并联构造放置，并将所需数量的电化学单元以串联构造放置。例如，对于包含三十(30)个电化学单元的锂离子电池，汇流条组件可以有效地定义10s-3p构造，即10个电池串联、3组并联。第二汇流条组件可以有效地为容器或组件内的同一电化学单元部署定义1s-30p构造。因此，通过提供多种汇流条组件设计，有利地可以提供具有不变的锂电池设计/布局的多种电压/容量选择。因此，可以在组装锂离子电池之后直到将汇流条引入到容器/组件中为止做出关于电压/容量的制造决定。可以在库存中保持多种汇流条设计，并且可以根据需要利用其来为锂离子电池提供所需的电压/容量特性。
所公开的锂离子电池还可以包括与容器或组件相关联的压力断开装置。所公开的压力断开装置有利地响应于容器内超过预定压力阈值的压力累积而电隔离与锂离子电池相关联的电化学单元。所公开的容器还可以有利地包括用于从容器内释放压力的排气结构以及定位在排气结构附近的阻火器。
在本公开的示例性实施例中，提供了一种用于锂离子电池的壳体，该壳体尤其包括：(i)限定了底部、侧壁和顶部或盖的容器/组件，(ii)可偏转圆顶结构，以及(iii)定位在容器/组件外部的保险丝组件，该保险丝组件适于响应于容器/组件内的压力积累超过阈值压力水平而电隔离放置在容器内的锂离子电池组件。保险丝组件可以包括保险丝，该保险丝位于保险丝座内，该保险丝座位于容器外部。保险丝座可相对于容器/组件的侧壁安装。所公开的壳体可进一步包括相对于容器的侧壁邻近保险丝组件形成的排气结构和/或邻近排气结构定位的阻火器。
在本公开的示例性实施例中，可偏转圆顶直接安装到壳体。更特别地，可偏转圆顶安装在形成于壳体中的开口的内部(其底部、侧壁或顶部/盖)中，并且首先相对于安装到其上的壳体面弯曲成由壳体限定的内部容积。相对于壳体的外表面安装的保险丝组件有利地包括锤子或其他结构特征，该锤子或其他结构特征与可偏转圆顶的中心线对准，以当可偏转圆顶被壳体内的压力累积致动时促进它们之间的电连通。
可偏转圆顶可有利地包括厚度轮廓，由此可偏转圆顶在圆顶的中心线处或围绕其中心线限定更大的厚度，而在其径向向外限定较小的厚度。圆顶的中心线处和周围的较大厚度在可偏转圆顶与所公开的锤子或其他结构特征之间提供了优选的电连通路径，即，当可偏转圆顶由壳体内的增加的压力致动时。在由可偏转圆顶限定的较厚区域的径向外侧存在的较小厚度减小了从这种减小厚度的区域到锤子或其他结构特征的电弧的可能性。圆顶应进一步在尽可能低的压力下触发，并应在启动后迅速移动以提供最高的安全性。还要注意的是，当电流在可偏转圆顶和与保险丝组件相关的锤子或其他结构特征之间通过时，可偏转圆顶的中心线处及其周围的较大厚度有利地减小了烧穿的可能性。
在本公开的示例性实施例中，该多个锂离子芯(即，电化学单元)位于由支撑构件限定的不同腔中，但是没有单独密封。而是，每个电化学单元是开放的，并且与在壳体/容器内限定的共享气氛区域连通。结果，可能与单个电化学单元相关的任何压力累积被转移到共享气氛区域，从而减轻了压力的增加。以这种方式，本公开的压力断开装置(有利地与共享气氛区域压力连通)由于其尺寸较大(与安装在单个电化学单元上相比)可以在较低的阈值压力下操作(与不包含共享气氛区域的常规锂离子电池系统相比)。
本发明的压力断开装置的启动压力通常取决于锂离子电池的总体设计。但是，启动所公开的压力断开装置的壳体内的阈值压力通常为10psig或更高，并且通常在10–40psig的范围内。在还包括排气结构的实施例中，排气结构被启动以排气(即，从壳体释放加压气体)的压力通常比压力断开装置的启动压力大至少5psig。壳体本身的总压力额定值(即壳体可能失效的压力)通常设定为比启动排气结构的压力大至少5psig的压力。壳体的额定压力对于界面焊接和其他接头/开口(包括密封机构)尤其重要，在这些接头/开口处更容易发生故障。
在本公开的示例性压力断开装置中，锤子或其他结构元件相对于保险丝组件安装在安装平面中，并且包括有利地相对于安装平面朝可偏转圆顶延伸的部分。以这种方式，当需要启动压力断开装置时，减小了可偏转圆顶所需的行进距离。锤子或其他结构元件通常相对于保险丝组件的安装平面固定地安装在至少两个间隔开的位置。例如，锤子或其他结构装置可限定基本上u形的几何形状，从而使锤子与可偏转圆顶更接近。锤子或其他结构的u形几何形状的中心线通常与可偏转圆顶的中心线对齐，从而当通过壳体内压力的增加来驱动可偏转圆顶时，限定了优选的接触区域。
在示例性实施例中，可偏转圆顶安装在由壳体限定的平面的内部(例如，壳体的底部、侧壁或顶部/盖)，并且锤子或其他结构构件安装在由壳体限定的平面的外部。然而，锤子或其他结构元件限定了几何形状，例如u形几何形状，该几何形状跨过由壳体限定的平面延伸，并且因此至少部分地定位在该平面的内部。尽管特别考虑了用于锤子或其他结构元件的u形几何形状，但是也可以采用替代的几何形状，例如，抛物线形几何形状、具有基本平坦的接触区域的锯齿形几何形状等。
转向可以在本公开的示例性实施例中提供的排气结构，排气结构可以由刻痕线限定。阻火器可以有利地相对于容器/组件安装，从而跨过由容器/组件内部的排气结构限定的区域延伸。在示例性实施例中，阻火器可以采取网眼结构的形式，例如30us网眼。在其他示例性实施例中，阻火器可以由铜线制成。
本公开的排气结构可以适于响应于在大约10psi与140psi之间的排气压力而排气。容器的结构极限压力(p4)可能比排气压力大至少约百分之十。
支撑构件可以包括动能吸收材料。动能吸收材料可以由泡沫铝、陶瓷、陶瓷纤维和塑料中的一种形成。
可以设置多个腔衬，每个腔衬位于相应的锂离子芯构件与相应的腔的表面之间。腔衬可以限定聚合物和金属箔层压的袋。腔衬可以位于每个锂离子芯构件与相应的腔的表面之间。腔衬可以由塑料或铝材料形成。该多个腔衬可以形成为整体衬构件的一部分。
电解质通常包含在每个锂离子芯构件内。电解质可包括阻燃剂、气体发生剂和/或氧化还原梭。
每个锂离子芯构件包括阳极、阴极以及设置在每个阳极与阴极之间的隔板。电连接器位于容器内，并将芯构件电连接到容器外部的电端子。保险丝可以位于容器外部的电端子处或附近。
所公开的锂离子电池组件可被设计用于多种应用中，例如，在电池电动车(bev)、插电式混合动力车(phev)、混合动力车(hev)、电车、电网储存(grid)、建筑、采矿和林业设备、铲车、铅酸替代品(lar)、电子自行车(电动自行车)、便携式设备(例如医疗设备、院子、花园和园林绿化工具/设备、手动工具等)、以及通常使用多个锂离子电池的其他电池支持的设备和系统。
支撑构件可以采取蜂窝结构的形式。该容器可以包括具有可压缩元件的壁，该壁在由于力冲击壁时被压缩时会造成锂离子电池的电短路。限定在支撑构件及其相应的芯构件中的腔可以呈圆柱形、长方形或棱柱形。根据前述权利要求中任一项所述的锂离子电池，其中，容器在内部区域中包括阻燃构件。
所公开的锂离子电池可包括阻燃构件，例如，固定在容器外部的阻燃网状材料。
所公开的锂离子电池可以包括例如在陶瓷基体内的一种或多种吸热材料。吸热材料可以是产生无机气体的吸热材料。吸热材料可以能够在与邻近一个或多个锂离子芯构件相关联的较高正常工作温度以上的温度下提供绝热性能。可以选择吸热材料以在较高的正常操作温度和较高的阈值温度之间进行一个或多个吸热反应，在该温度以上，锂离子芯构件易于热失控。与吸热材料相关的吸热反应可能导致气体逸出。
吸热材料可以被包括在陶瓷基体内，并且陶瓷基体可以表现出足够的孔隙率以允许由与吸热材料相关的吸热反应产生的气体排出，从而从中吸热。参见例如授予onnerud等人的us2017/0214103，其内容先前通过引用并入本文。可以采用替代材料来提供抗热失控的保护，例如
所公开的锂离子电池可以包括排气结构，该排气结构至少部分地基于与吸热材料相关的吸热反应而被致动。锂离子电池可包括与壳体相关联的压力断开装置。压力断开装置可以有利地包括基于可偏转圆顶的启动机构。基于可偏转圆顶的启动机构可以被构造和确定尺寸以防止烧穿。通过(i)增加基于圆顶的启动机构的质量，(ii)将材料(例如箔)添加到基于圆顶的启动机构中，或者(iii)其组合，可以防止烧穿。
基于圆顶的启动机构和/或添加到基于圆顶的启动机构的材料的增加的质量可以使用与用于制造基于圆顶的启动机构相同的材料。与用于制造基于圆顶的启动机构的材料相比，基于圆顶的启动机构和/或添加到基于圆顶的启动机构的材料增加的质量也可以使用与用于制造基于圆顶的启动机构不同类型的材料(至少部分)。
基于圆顶的启动机构的设计(例如，结构、几何形状和/或厚度/质量的材料)可以有效地至少部分地根据基于圆顶的启动机构将在目标触发压力下作出响应的速度来避免烧穿。
在本公开的另外的示例性实施例中，提供了一种锂离子电池，该锂离子电池包括：(i)限定底部、侧壁和顶面的容器；(ii)与容器相关联的可偏转圆顶结构，以及(iii)包括保险丝的保险丝组件，保险丝位于相对于容器在外部定位的电端子处或附近。响应于容器内超过阈值压力水平的压力累积，保险丝可适于电隔离定位在容器内的锂离子电池组件。保险丝可以位于保险丝座内。所公开的锂离子电池还可以包括排气结构，该排气结构适于响应于大约10psi与140psi之间的排气压力而排气。
从下面的详细描述中，尤其是结合附图阅读时，本公开的附加特征、功能和益处将变得显而易见。
附图说明
为了帮助本领域技术人员制造和使用所公开的组件、系统和方法，请参考附图，在附图中：
图1是根据本公开的具有第一示例性汇流条的示例性多芯锂离子电池的分解立体图；
图2是根据本公开的图1的示例性多芯锂离子电池的俯视图(去掉盖)。
图3是根据本公开的图1和2的组装的示例性多芯锂离子电池的立体图；
图4是根据本公开的具有第二示例性汇流条的替代性示例性多芯锂离子电池的分解立体图；
图5是根据本公开的图4的替代性示例性多芯锂离子电池的俯视图(去掉盖)；
图6是根据本公开的图4和图5的组装的示例性多芯锂离子电池的立体图；以及
图7是根据本公开的示例性电化学单元的顶部立体图。
具体实施方式
为了克服上述问题并在包括大型棱柱形电池在内的各种尺寸的范围内实现安全可靠的棱柱形电池，本发明提供了有利的设计，其尤其提供了制造效率和成本优势。本文公开的设计可以组合使用和/或可以全部或部分实现以实现期望的棱柱形电池系统。对于本领域技术人员将显而易见的是，所公开的设计具有广泛的适用性并在许多应用中提供了明显的好处，包括设计用于电池电动车(bev)的锂离子电池系统、插电式混合动力车电动汽车(phev)、混合动力电动汽车(hev)、电动火车、电网储存(grid)、建筑、采矿和林业设备、叉车、铅酸替代品(lar)、电子自行车(电动自行车)、便携式设备(例如医疗设备、院子、花园和园林绿化工具/设备、手动工具等)以及其他通常使用多个锂离子电池的电池支持的设备和系统。举例来说，在便携式设备的一般领域中，所公开的设计可以用于包括串联电化学单元(例如10s系统)的构造中，以传递更高的电压例如48v，并适应重复的启动/停止操作。本文公开的汇流条组件允许选择锂离子电池的期望电压/容量参数，而无需在电池容器或组件内重新设计和/或重新放置电化学单元。
尽管所公开的设计/系统主要是在使用一系列独立的果冻卷的锂离子电池的背景下进行描述的，例如在通过引用并入本文的专利文件中所描述的，但是本领域技术人员应当理解，所公开的设计和解决方案还可以部署在包装一个或多个电池(例如由aesc、lg制造的那些电池)或包装具有一个或多个未分离的扁平缠绕或堆叠的电极结构(例如由sdi、atl和panasonic制造的电极结构)的标准棱形电池的其他棱柱形和其他圆柱状电池系统中。所公开的设计/系统也可以用于封装密封的锂离子电池的模块。
参照图1-3，提供了根据本公开的第一示例性锂离子电池实施例的示意图。首先参考图1，提供了示例性多芯锂离子电池100的分解图。在图2中提供了锂离子电池100的俯视图(去掉了盖)，在图3中提供了示例性锂离子电池的组装图。
电池100包括外罐或外壳102，该外罐或外壳102限定了用于容纳以下组件的内部区域：
·壳体或支撑结构106，其限定了多个(30)间隔开的、基本为圆柱形的区域或腔，这些区域或腔的形状和尺寸设计成容纳果冻卷/果冻卷套筒子组件；
·多个(30个)果冻卷110，即电化学单元，其构造和尺寸设计成位于支撑结构106中限定的圆柱形区域内；
·基本矩形的顶盖120，其构造和尺寸设计成与外罐102配合以将前述组件封装在其中。
·一体式汇流条116，其包括便于端子接触的凸缘部分116a、116b；
·与汇流条116和外部bms连接器121电连通的电池管理系统(bms)119；
·相对于外罐102安装的排气组件200；以及
·阳极端子308和阴极端子310相对于外罐102从外部安装。
值得注意的是，定位在支撑件106内的果冻卷110限定了多芯组件，该多芯组件通常在外罐102和顶盖120内共享顶部空间，但是彼此不并排连通。因此，与任何一个或多个果冻卷110的操作相关的压力和/或温度的任何累积将散布在共享的顶部空间中，并且将在必要时通过与所公开的电池系统相关的安全特征来解决。然而，与第一果冻卷110相关联的电解质通常不与相邻的果冻卷110连通，因为由壳体106限定的基本上圆柱形的区域通常被设计成从侧面到侧面将果冻卷110彼此隔离。可以提供围绕果冻卷110并且安装在支撑件106的腔内的套筒，其可以进一步有助于在相邻的果冻卷110之间进行左右电解质隔离。
特别着重于本公开的汇流条组件，应注意，所公开的汇流条的阳极和阴极部分被集成到单个组件中。阳极部分和阴极部分通过中间绝缘元件彼此电隔离。如图2的俯视图所示，示例性汇流条116包括用于电连接至各个电化学单元的阳极和阴极的电连接/焊接点。因此，如图2所示，沿汇流条116隔开了基本上圆形的连接点/焊接点402，以便于电连接到每个电化学单元110上定义的位于中心的电连接点/区域，例如镍连接区域404(参见图7)。
汇流条116被有利地设计成使得适当的导电部分(即汇流条116的阳极或阴极部分)与电化学单元110的电连接区域电连通。在本文描述的示例性实施例中，镍连接区域404对应于电化学单元110的阴极，并且在连接/焊接点402处与汇流条116的阴极部分电连通(并且与汇流条116的阳极部分电隔离)。汇流条116的一部分可以有利地由铜制成。
同样如图2所示，沿汇流条116隔开基本上椭圆形的连接点/焊接点406，以便于电连接到每个电化学单元110上定义的凸缘状电连接区域，例如铝连接区域408(见图7)。在本文所述的示例性实施例中，铝凸缘区域408对应于电化学单元110的阳极，并且在该处与汇流条116的阳极部分电连通(并且与汇流条116的阴极部分电隔离)。汇流条116的阳极部分可以有利地由铝制成。
应当理解，与限定汇流条116的连接区域相关联的圆形/椭圆形几何形状是说明性的，并且本公开不受限于或不仅限于这种几何形状。而是，用于汇流条116相对于电化学单元的电连接的连接区域可以基本上采用任何几何形状，并且对于阴极和阳极连接两者可以是相同的，这对于本领域技术人员而言是显而易见的。然而，重要的是制造汇流条使得在阴极和阳极部分之间存在电隔离，并且相对于电化学单元的阴极/阳极部分的电连接的完整性被离散地保持，即，汇流条的阳极部分仅与电化学单元的阳极电连通，而汇流条的阴极部分仅与电化学单元的阴极电连通。
如上所述，汇流条的导电方面可以由各种导电材料制成，例如，金属材料、导电聚合物材料及其组合。最常见的导电汇流条材料是铝、铜和镍。由于与这种金属材料相关的高导电率和低成本，所公开的汇流条的导电方面可以有利地由铝和铜制成。位于导电层之间的绝缘材料通常选自已知的非导电/绝缘材料，例如，非导电聚合物、陶瓷及其组合。示例性的绝缘材料包括聚乙烯、聚丙烯和聚四氟乙烯(例如，teflontm材料)。
用于特定锂离子电池实现的汇流条的选择通常由各种参数指导。例如，根据本申请，由锂离子电池传递的容量/电压指导各个电化学单元相对于彼此电连接的方式。另外，例如，考虑到电化学单元的设计以及电导率/电阻参数，材料的选择可能受耐腐蚀性的影响。此外，汇流条的设计可能受到电池整体尺寸和容量的影响，例如，以确保汇流条的大小/尺寸适当，从而为适用的电流密度等提供可靠和安全的操作。
如图2所示，示例性汇流条116支持并提供结合了串行和并行属性的电池构造，特别是10s-3p构造。因此，当电池100用汇流条116实现时，串联构造的电化学单元产生更高的电压，并且该构造的并联方面有助于更大的容量。
值得注意的是，提供了bms系统119以管理电池100内的电状况。根据本公开，bms系统119有利地定位在罐或外壳102内，并且位于限定在电化学单元“上方”的共享气氛区域123中，即基于内部条件，在适当的时候在每个电化学单元能够排放到的共享体积或区域中。排气组件200和pdd组件300通常还与共享气氛区域123连通以促进锂离子电池100的安全操作。bms系统119与外部bms连接器121电连通，该外部bms连接器121通常促进与处理器/处理系统的连接，处理器/处理系统可以接收反映锂离子电池100内部状况的数据，基于此类数据提供控制信号和由处理器/处理系统操作的控制软件，并且鉴于定位在其中的电化学单元110的串行连接性，通常可以管理锂离子电池100的操作，如本领域中已知的。
转向图4-6，锂离子电池500与以上参考图1至图3在此描述的锂离子电池100相同，除了两个例外：(i)锂离子电池500包括与汇流条116相比具有不同设计的汇流条516，以及(ii)锂离子电池500不包括bms系统。缺少bms系统是可能的，因为锂离子电池的构造对应于1s-30p构造，并且在此类电池构造中通常不需要bms系统。
进一步参考图5，汇流条516包括用于连接至电化学单元的阴极和阳极的电连接点。与汇流条116一样，基本上圆形的连接点602沿汇流条516间隔开，以利于与在电化学单元110上限定的居中定位的电连接点/区域(例如，镍连接区域404)进行电连接(见图7)，椭圆形连接点/焊接点606沿着汇流条516间隔开，以便于电连接到在每个电化学单元110上限定的凸缘状电连接区域，例如铝连接区域408(见图7)。与汇流条116一样，图5的汇流条516是包括阴极部分和阳极部分的多层层压结构。因此，以与锂离子电池100的设计类似的方式在锂离子电池500中离散地实现电连接。然而，在汇流条516中表现出电连接的方式与在汇流条116中表现出的本质上不同，使得利用汇流条516和锂离子电池100实现完全平行的构造。
从图1至图3与图4至图6的比较可以明显看出，通过用汇流条516简单地替换汇流条116，可以实现根本上不同的锂离子电池。还可以设计/实现替代的汇流条构造，从而产生更多的锂离子电池变化，即不同的串联/并联构造，而无需重新设计或更换电池的内部组件(可能包含/不包含bms系统)。通过将阳极和阴极连接都放置在电化学单元的同一端上(即，从图1和图4的角度看在“顶部”)，可以使用单个汇流条进行阳极/阴极连接，从而在既定的锂离子电池尺寸范围内，进一步简化了汇流条的互换性。
根据本公开的示例性实施例，设计、制造和库存了传递不同电池构造/特性的多个汇流条设计。此后，可以制造锂离子电池组件，该组件尤其包括所公开的外罐、内部支撑件和多个电化学单元。所述子组件将与每个汇流条设计一起操作，并且基于从多个选择中对期望的汇流条的选择，可以制造提供期望的电压/容量的锂离子电池。
参考图7，电化学单元110可包括用于将电解质引入电化学单元的孔径或孔410。可以将填充孔410定位成在将汇流条定位在其上方之后允许电解质填充操作，尽管示例性实施例考虑了在将汇流条定位成与电化学单元电连通之前的电解质填充操作。在示例性实施例中，在电化学单元内建立真空，并且至少部分地基于电化学单元内的真空条件通过填充孔410抽吸电解质。可以在引入电解质之后将塞子施加到填充孔410，并且可以基于电化学单元内的预定条件，例如预定压力、预定温度或其组合，使这种塞子失效。塞子可以由各种材料制成，例如蜡。
尽管图7的示例性电化学单元110总体上描绘了基本上密封的电化学单元/果冻卷，但是应该理解，本公开具体地考虑了包括未密封和打开的电化学单元/果冻卷的锂离子电池，这样，当放置在罐中时，每个电化学单元/果冻卷与罐中限定的共享气氛/区域连通。在这方面，参考标题为“锂离子电池”的第9,685,644号美国专利，及其对电化学单元/果冻卷与之连通的“共享气氛”的描述。’644专利先前通过引用并入本文。
在此参照图1至图3的锂离子电池100描述与所公开的锂离子电池相关的示例性安全特征，并且包括排气组件200和压力断开装置(pdd)组件300。还示出了相应的安全特征并将其结合到图4至图6的替代锂离子电池500中，这对于本领域技术人员而言是显而易见的。根据示例性电池100，排气组件200和pdd组件300的操作部件沿着外罐102的壁安装/定位。然而，可以实现排气组件200和/或pdd组件300和/或一个或两者的替代定位(全部或部分)，而不背离本公开的精神/范围，这对本公开的本领域技术人员而言是显而易见的。所公开的排气组件和pdd组件的附加特征、功能和益处(除了下文所述的那些之外)在标题为“用于锂离子电池的薄型压力断开装置”的pct公开号wo2017/106349中公开，该专利先前通过引用并入本文。
外罐或外壳102的壁通常限定开口。横跨该开口安装有阻火器202和排气盘204。密封件例如通过排气转接环保持在阻火器202和排气盘204的区域中。可以采用各种安装机构将排气转接环固定到壁上，例如，焊接、粘合剂、机械安装结构等(包括其组合)。值得注意的是，排气盘204必须相对于壁密封地接合，并且可以例如通过刻痕线和/或相对于顶壁减小的厚度原位形成，如本领域中已知的。
如果单个果冻卷(或多个果冻卷)发生故障，可能会产生大量气体(约10升)，并且该气体既热(约250-300℃)又易燃。发生排气后，该气体可能会在多果冻卷壳体的外部点燃。为了防止火焰前锋进入壳体，可以提供网孔以充当阻火器202，并且可以有利地将其放置或定位在排气区域上方。该筛网的作用是将排出气流的温度降低到其自燃温度以下。由于筛网用作热交换器，因此较大的表面积和较小的开口会散发更多的热量，但是减小筛网的开口面积会增加排气在筛网上的作用力。
关于电池100的电气方面，通常提供竖立的铜端子，该铜端子用作所公开的锂离子电池的阳极，并且其构造和尺寸设计成通过在外罐或外壳102的壁中形成的开口向上延伸。直立端子与汇流条116的铜部分和外壳102内部的法兰部分116a电连通。直立铜端子的上端位于保险丝座302内，保险丝座302可以定义为沿着外罐/外壳102的壁安装的基本上矩形的非导电(例如聚合物)结构。直立端子通过保险丝304与端子接触面电连通。
保险丝304定位在保险丝座302内并且在外罐/外壳102的外部，与直立的铜端子电连通。可以提供端子螺钉以相对于保险丝座302固定保险丝304，并且直立的端子和保险丝部件可以通过保险丝盖在保险丝座302内电隔离。
基本上为u形的端子310限定了间隔的凸缘表面，该间隔的凸缘表面与外罐/外壳102的壁电连接并安装接触。在外壳102内部的汇流条116的铝汇流条部分与外罐/外壳102电连通，由此建立与端子310的电连通。端子310可以采用各种几何形式，这对于本领域技术人员而言是显而易见的。端子310通常由铝制成，并且用作所公开的锂离子电池的阴极。
因此，阳极端子接触面308和阴极端子310以并排的关系定位在外壳102的壁上并且可用于电连接，从而允许从电池100向期望的应用提供能量。
参照示例性的pdd组件300，相对于在外罐/外壳102的壁中限定的另一开口定位导电圆顶。最初将圆顶相对于外罐/外壳102向内弯曲，并由此定位为通过其向外/向上偏转来响应外罐内压力的增加。圆顶可以通过通常相对于壁焊接的圆顶转接环相对于壁安装。在示例性实施例中并且为了易于制造，圆顶转接环可被预焊接到圆顶的外围，从而由于圆顶转接环提供的增加的表面积而促进与相对于壁安装圆顶相关的焊接操作。
在使用中并且响应于由外罐/外壳102和顶盖120限定的组件内的压力累积，圆顶将相对于外罐/外壳102的壁向上挠曲。在充分向上挠曲时，即，基于与电池100相关联的内部压力达到阈值水平，使隔离锤与端子接触面的下侧接触，该端子接触面的下侧与保险丝座302内的保险丝304电连通。隔离锤之间的接触(导电)完成电路并使保险丝302“熔断”，从而使电路与位于由外罐102和顶盖120限定的组件内的多芯组件断开。电流绕过外罐102。值得注意的是，所有pdd组件300的可操作组件-除了可偏转圆顶312外-有利地位于外罐102和顶盖120的外部。
不需要中间或附件结构来支撑本公开的ppd和/或排气结构。实际上，根据本公开的实施例，仅需要相对于电池内部的一个附加开口，即，用于容纳铜端子的通过的开口。所公开的电池系统的简单性和制造/组装容易性改善了所公开的电池系统的可制造性和成本参数。更进一步，pdd和排气组件相对于所公开的电池的罐和/或盖的直接安装进一步增强了所公开的电池的低轮廓。低轮廓是指在输送例如30ah或更高的高容量电池系统时，容纳所公开的pdd和排气安全结构/系统所需的减小的体积或空间。
示例性多芯锂离子电池系统/组件
在本公开的示例性实施例中，在多芯锂离子电池容器的盖中限定了排气结构。如果达到排气压力，排气结构会沿刻痕线发生瞬时断裂，从而随着排气结构相对于金属挡板的偏转，从排气孔-并通过30目阻火器释放压力/气体，即排气结构的未刻划区域。
根据本公开的有利的多芯锂离子电池结构提供了降低的生产成本和改进的安全性，同时提供了更大尺寸的电池的益处，例如易于组装这种电池的阵列以及具有调节功率与能量比的能力。本文公开的有利系统在多芯电池结构和多单元电池模块中具有适用性。本领域技术人员可以理解，以下所述的锂离子结构在大多数情况下也可以用于使用诸如果冻卷和电解质之类的活性芯的其他电化学单元。潜在的替代实施例包括超级电容器，例如第8,233,267号美国专利中所述的超级电容器以及镍金属氢化物电池或缠绕式铅酸电池系统。
根据本公开，还描述了示例性的多芯锂离子电池，该多芯锂离子电池具有密封壳体，并且支撑构件设置在该密封壳体内。支撑构件包括多个腔和设置在该多个腔中的相应腔内的多个锂离子芯构件。存在多个腔衬，每个腔衬位于相应的锂离子芯构件与相应的腔的表面之间。支撑构件包括动能吸收材料，并且动能吸收材料由泡沫铝、陶瓷和塑料中的一种形成。存在由塑料或铝材料形成的腔衬，并且该多个腔衬形成为整体式衬构件的一部分。代替塑料衬，也可以使用敞开的铝制圆柱形套筒或罐结构来容纳芯构件。还包括包含在每个芯内的电解质，并且该电解质包括阻燃剂、气体发生剂和氧化还原梭中的至少一种。每个锂离子芯构件包括阳极、阴极以及设置在每个阳极与阴极之间的隔板。在所述壳体内还包括电连接器，电连接器将芯构件电连接到密封壳体外部的电端子。
在本公开的另一方面，芯构件并联连接或串联连接。或者，第一组芯构件并联连接，第二组芯构件并联连接，并且第一组芯构件与第二组芯构件串联连接。支撑构件为蜂窝结构的形式。动能吸收材料包括可压缩介质。壳体包括具有可压缩元件的壁，当由于力冲击壁而将其压缩时，该可压缩元件造成锂离子电池的电短路。支撑构件及其相应的芯构件中的腔是圆柱形、长方形和棱柱形之一。腔中的至少一个及其对应的芯构件可具有与其他腔及其相应的芯构件不同的形状。
在本公开的另一方面，芯构件中的至少一个具有高功率特性，并且芯构件中的至少一个具有高能量特性。芯构件的阳极由相同的材料形成，并且芯构件的阴极由相同的材料形成。每个隔板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。芯构件中的至少一个包括与另一个芯构件的阳极和阴极的厚度不同的厚度的阳极和阴极之一。至少一个阴极包括化合物a至m组材料中的至少两个。每个阴极包括表面改性剂。每个阳极包括锂金属或碳或石墨之一。每个阳极包括锶金属或碳或石墨之一。每个芯构件包括卷绕的阳极、阴极和隔板结构，或者每个芯构件包括堆叠的阳极、阴极和隔板结构。
在本公开的另一方面，芯构件具有基本相同的电容量。与其他芯构件相比，芯构件中的至少一个具有不同的电容量。芯构件中的至少一个被优化用于功率储存，并且芯构件中的至少一个被优化用于能量储存。
在本公开的又一方面，包括与芯构件电互连的感测线，该感测线构造成使得能够实现芯构件的电监视和平衡。密封壳体包括阻燃构件，并且阻燃构件包括固定到壳体外部的阻燃网状材料。
在另一个实施例中，描述了一种包括密封壳体的多芯锂离子电池。支撑构件布置在密封壳体内，该支撑构件包括多个腔，其中该支撑构件包括动能吸收材料。有多个锂离子芯构件布置在该多个腔中的相应腔内。还包括多个腔衬，每个腔衬位于相应的锂离子芯构件与相应的腔的表面之间。腔衬由塑料或铝材料(例如，聚合物和金属箔层压袋)形成，并且该多个腔衬可以形成为整体式衬构件的一部分。动能吸收材料由泡沫铝、陶瓷和塑料中的一种形成。
在本公开的另一方面，在每个芯内包含电解质，并且该电解质包括阻燃剂、气体发生剂和氧化还原梭中的至少一种。每个锂离子芯构件包括阳极、阴极以及设置在每个阳极与阴极之间的隔板。在壳体内还包括电连接器，该电连接器将芯构件电连接到密封壳体外部的电端子。芯构件可以并联连接。芯构件可以串联连接。第一组芯构件可以并联连接，第二组芯构件可以并联连接，并且第一组芯构件可以与第二组芯构件串联连接。
在另一方面，支撑构件为蜂窝结构的形式。动能吸收材料包括可压缩介质。锂壳体包括具有可压缩元件的壁，当由于力冲击壁而将其压缩时，该可压缩元件造成锂离子电池的电短路。支撑构件及其相应的芯构件中的腔是圆柱形、长方形和棱柱形之一。与其他腔及其对应的芯构件相比，腔中的至少一个及其对应的芯构件可具有不同的形状。芯构件中的至少一个可以具有高功率特性，并且芯构件中的至少一个可以具有高能量特性。芯构件的阳极可以由相同的材料形成，并且芯构件的阴极可以由相同的材料形成。每个隔板构件可包括陶瓷涂层。每个阳极和每个阴极可以包括陶瓷涂层。芯构件中的至少一个可以包括与其他芯构件的阳极和阴极的厚度相比具有不同厚度的阳极和阴极之一。
在另一方面，至少一个阴极包括化合物a至m组材料中的至少两个。每个阴极可包括表面改性剂。每个阳极包括锂金属、碳、石墨或硅。每个芯构件可包括卷绕的阳极、阴极和隔板结构。每个芯构件可包括堆叠的阳极、阴极和隔板结构。芯构件可具有基本相同的电容量。与其他芯构件相比，芯构件中的至少一个可以具有不同的电容量。芯构件中的至少一个可以被优化用于功率储存，并且芯构件中的至少一个可以被优化用于能量储存。
在本公开的另一实施例中，感测线与芯构件电互连，该感测线构造成使得能够实现芯构件的电监视和平衡。密封壳体可包括阻燃构件，并且阻燃构件可包括固定到壳体外部的阻燃网状材料。
在另一个实施例中，描述了一种多芯锂离子电池，其包括密封壳体，在壳体的内部具有锂离子电池区域和共享气氛区域。支撑构件设置在密封壳体的锂离子电池区域内，并且该支撑构件包括多个腔，每个腔的一端向共享气氛区域敞开。提供了多个锂离子芯构件，每个锂离子芯构件具有布置在该多个腔中的相应腔中的阳极和阴极，其中，阳极和阴极通过腔的开口端暴露于共享气氛区域，阳极和阴极基本上沿其长度被腔包围。支撑构件可以包括动能吸收材料。动能吸收材料由泡沫铝、陶瓷和塑料中的一种形成。
在另一方面，存在多个腔衬，每个腔衬位于相应的锂离子芯构件与相应的腔的表面之间。腔衬可以由塑料或铝材料形成。该多个腔衬可以形成为整体衬构件的一部分。电解质包含在每个芯内，并且电解质可以包括阻燃剂、气体发生剂和氧化还原梭中的至少一种。每个锂离子芯构件包括阳极、阴极以及设置在每个阳极与阴极之间的隔板。壳体内有电连接器，将芯件电连接到密封壳体外部的电端子上。
在又一方面，芯构件并联连接或芯构件串联连接。或者，第一组芯构件并联连接，第二组芯构件并联连接，并且第一组芯构件与第二组芯构件串联连接。
在另一实施例中，描述了一种锂离子电池，该锂离子电池包括密封壳体和设置在该密封壳体内的至少一个锂离子芯构件。锂离子芯构件包括阳极和阴极，其中阴极包括选自化合物a至m的至少两种化合物。可以仅存在一个锂离子芯构件。密封壳体可以是聚合物袋，或者密封壳体可以是金属罐。每个阴极可以包括选自化合物b、c、d、e、f、g、l和m的至少两种化合物，并且可以进一步包括表面改性剂。每个阴极可包括选自化合物b、d、f、g和l的至少两种化合物。电池可被充电至高于4.2v的电压。每个阳极可包括碳和石墨之一。每个阳极可以包括锶。
在又一个实施例中，描述了一种锂离子电池，其具有密封壳体和设置在该密封壳体内的至少一个锂离子芯构件。锂离子芯构件包括阳极和阴极。壳体内的电连接器将至少一个芯构件电连接到密封壳体外部的电端子；其中电连接器包括用于在已经超过预定电流时中断通过电连接器的电流流动的装置/机构/结构。
本发明还提供了锂离子电池，该锂离子电池尤其包括提供有利的吸热功能的材料，吸热功能例如通过管理热量/温度条件并降低潜在的热失控条件的可能性和/或大小来有助于电池的安全和/或稳定性。在本公开的示例性实施例中，吸热材料/系统包括结合有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和以各种水平结合到锂电池中，如下文更详细地描述。
在使用中，所公开的吸热材料/系统的工作方式是，如果温度升高到预定水平以上，例如与正常运行相关的最高水平，则吸热材料/系统的作用是提供一种或多种功能，以防止和/或将热失控的可能性降至最低。例如，所公开的吸热材料/系统可以有利地提供以下一种或多种功能：(i)隔热(特别是在高温下)；(ii)吸收能量；(iii)排放全部或部分由与吸热材料/系统相关的吸热反应产生的气体，(iv)提高电池结构内的总压力；(v)通过排放与吸热材料/系统相关的吸热反应过程中产生的气体，从电池系统中除去吸收的热量，和/或(vi)稀释有毒气体(如果存在)及其安全排出(全部或部分)。还应注意，与吸热反应相关的排出气体稀释了电解质气体，从而提供了推迟或消除与电解质气体相关的着火点和/或可燃性的机会。
所公开的吸热材料/系统的热绝缘特性在其应用于锂离子电池系统的不同阶段的性能组合方面是有利的。在制成状态下，吸热材料/系统在温度小幅上升或热事件的初始阶段提供隔热。在这些相对较低的温度下，绝缘功能可抑制热量的产生，同时允许有限的传导将热能缓慢扩散至整个热质。在这些低温下，选择和/或设计吸热材料/系统材料以使其不发生任何吸热气体产生反应。这提供了一个允许温度偏移的窗口，而不会对绝缘和/或整个锂离子电池造成任何永久性损害。对于锂离子类型的储存设备，与偏移或低电平上升相关的一般范围在60℃至200℃之间。通过选择在所述温度范围内抗吸热反应的无机吸热材料/系统，可以提供锂离子电池，其在期望的升高的温度下引发第二吸热功能。因此，根据本发明，通常期望首先在60℃至明显高于200℃的温度范围内引发与所公开的吸热材料/系统相关的吸热反应。根据本公开使用的示例性吸热材料/系统包括但不限于以下表3中列出的那些。
表3
第一列：矿物质三水菱镁矿石膏粉八水合磷酸镁氢氧化铝菱镁矿片钠铝石氢氧化镁碳酸镁低水合物勃姆石氢氧化钙
第二列：化学式
第三列：大约开始分解
这些吸热材料通常包含羟基或含水成分，可能与其他碳酸盐或硫酸盐结合使用。替代材料包括无水碳酸盐、硫酸盐和磷酸盐。一个常见的例子是碳酸氢钠，它在50℃以上分解，得到碳酸钠、二氧化碳和水。如果与锂离子电池相关的热事件确实导致温度升高到所选吸热气体发生材料的吸热反应的活化温度以上，则所公开的吸热材料/系统材料将有利地开始吸收热能，并且从而为锂离子电池系统提供冷却和隔热。可能的能量吸收量通常取决于配方中掺入的吸热气体发生材料的数量和类型以及吸热材料/系统相对于锂离子电池内能量产生源的总体设计/位置。选择给定应用的吸热材料/系统的确切添加量和类型，使其与绝缘材料协同工作，以使吸收的热量足以使绝缘材料将残留的热量传导至能量储存设备/锂离子电池的整个热质量。通过以受控方式将热量分配到整个热质量，可以将相邻电池的温度保持在临界分解或着火温度以下。但是，如果流过绝缘材料的热量过大，即能量传导超过阈值水平，则在整体质量可以散发储存的热量之前，相邻的电池将达到分解或着火温度。
考虑到这些参数，与本公开相关联的绝缘材料被设计和/或选择为在锂离子电池系统的典型热事件的整个温度范围内具有热稳定性以防止过度收缩，该温度可达到超过900℃。与绝缘相关的要求与许多基于低熔点玻璃纤维、碳纤维或填料的绝缘材料形成鲜明对比，后者在300℃以上的温度下会大量收缩甚至起火。与绝缘相关的要求还使本文所公开的绝缘功能与膨胀材料区别开来，因为当前公开的材料不需要设计装置部件来承受膨胀压力。因此，与使用相变材料的其他储能绝缘系统不同，本公开的吸热材料/系统不是有机的，因此当暴露于高温下的氧气时不会燃烧。此外，通过所公开的吸热材料/系统释放气体，其双重目的是从能量储存设备/锂离子电池系统中去除热量并稀释任何有毒气体，在控制和/或避免热失控条件方面特别有利。
根据示例性实施例，所公开的吸热材料/系统期望地向使用它们的能量储存装置/锂离子电池提供机械强度和稳定性。所公开的吸热材料/系统可以具有高孔隙率，即允许材料稍微压缩的孔隙率。这可以在组装期间受益，因为可以将零件压装在一起，从而获得非常牢固的包装。这又提供了汽车、航空航天和工业环境所需的抗振动和冲击性能。
值得注意的是，如果热事件发生的程度足以引发吸热反应，则所公开的吸热材料/系统的机械性能通常会改变。例如，与吸热反应相关的气体的放出会降低吸热材料/系统维持初始组装压力的机械能力。然而，经历这种程度的热事件的能量储存设备/锂离子电池通常将不再适合使用，因此，机械性能的变化对于大多数应用来说都是可以接受的。根据本公开的示例性实施例，与吸热反应相关的气体的逸出留下了多孔绝缘基质。
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。这些气体的逸出提供了一系列随后的和/或相关的功能。首先，在较高的正常工作温度和较高的阈值温度之间产生气体可以有利地用作强制能量储存设备/锂离子电池的排气系统打开的手段，高于该阈值温度，能量储存装置/锂离子电池容易受到不受控的放电/热失控，。
气体的产生可用于部分稀释在热事件期间产生的任何有毒和/或腐蚀性蒸气。一旦排气系统启动，释放的气体通过排气系统从设备中排出时，也会起到热能的作用。所公开的吸热材料/系统产生的气体还有助于迫使任何有毒气体通过排气系统从能量储存装置/锂离子电池中排出。另外，通过稀释在热失控期间形成的任何气体，降低了点燃气体的可能性。
吸热材料/系统可以以各种方式和各种水平被结合和/或实现为能量储存装置/锂离子电池系统的一部分。例如，所公开的吸热材料/系统可以通过诸如干压、真空成型、渗透和直接注射的方法来结合。此外，所公开的吸热材料/系统可以位于能量储存设备/锂离子电池内的一个或多个位置中，以提供期望的温度/能量控制功能。
根据本公开的用于相对于罐/容器固定盖的优选的机械密封是双缝。双缝是通过边缘折叠的特定图案将顶部或底部连接到罐的侧壁的手段。双缝接头可以承受很大的内部压力，并将顶部和侧壁紧密地绑在一起，但是由于接头需要极端的弯曲，因此要缝在一起的两个法兰必须足够薄–对于铝板，可以采用厚度小于0.5mm的双缝接头。如果电池的工作压力需要较厚的盖或罐，则必须采取措施以确保将这些较厚构件的接缝法兰厚度减小到0.5mm或更小，以使双缝成为密封罐的可能方法。
密封机构的整体设计及其对容器结构设计参数(整体尺寸、材料厚度和机械性能)的依赖性是高度相互依赖的，因为它们会影响对尤其是内部压力还有外部载荷的机械响应。这进而也影响排气和压力断开结构。某些密封机制(例如低成本双缝)只能在排气压力较低时使用。其他密封机制(例如激光焊接)更加坚固，但在不限制容器的情况下仍取决于极限压力。材料的特性和尺寸取决于所选择的实现密封的方法。这些相互依赖关系很复杂，它们在设计空间中的关系也不直观。发明人发现，当优化大型锂离子电池的功能和成本时，某些结构特别有用。
一个主要目标是在电池正常工作条件下限制容器尺寸的整体增长。该增长量高度取决于容器的长度和宽度、顶部的厚度以及顶部封口与容器壁的连接方法(有关固定容器尺寸的位移的厚度影响示例，请参见图8至图10)。对于矩形容器，平面图尺寸(盖的长度和宽度)越大，盖就必须越厚，以满足工作压力下的变形极限。根据用于承受压力载荷的矩形板的最大挠度的控制方程式(图7)，挠度与固定边界尺寸的厚度成反立方关系，并且挠度名义上是板的ling尺寸的5阶函数。随着容器尺寸的改变，这驱使人们非常迅速地增加盖的厚度。随着重量和体积的增加，这是不希望的。此外，边界处的应力随着厚度平方的倒数而减小，这将有利于减小在密封接头的容器的最关键区域处的应力。也可以通过增加支撑来限制壁或盖的有效跨度，从而减少盖和/或壁内的位移和应力，支撑形式可以是将盖连接到基座或将相对的壁彼此连接在一起。这些连接点将有效缩短图1中方程式中的a或b尺寸，从而对容器的位移与压力曲线产生积极影响(请参见图11)。这些结果在将盖焊接到容器壁上的概念中起到了很好的作用，但是对于将盖机械地连接到容器上成为了重大的设计挑战。机械连接过程要求容器壁和/或盖保持在一定厚度以下，以允许所需的机械变形，从而将盖机械锁定并密封到容器上。
机械接头(包括双缝和压接)可能需要盖和容器壁比抵抗电池的工作压力所需的壁板薄得多。这些限制可以通过许多机械方法(例如，压印、机加工、熨烫等)来减轻，以改变接头局部的材料厚度。一旦减小厚度以利于连接，则必须分析和优化连接处的新应力。在允许压力高于工作压力的过载情况下，必须进一步解决和考虑这些相同的问题。如其他地方所概述的，必须考虑4种压力状态，工作压力极限由容器在其工作环境中的变形极限控制。对于容器，一旦压力超出正常的电池操作极限，则将事件视为异常，因此对容器提出了新的要求。一旦容器退出工作压力状态，就放宽了容器膨胀的限制，但是现在要求盖到容器壁的接合处所包含的压力超过了方案4中设定的值，在此情况下，容器通过内置在容器中的排气装置释放内部压力。在过压情况下，接头中的应力成为主要设计特征，必须考虑激光焊接盖的热影响区中强度变化的可能性，以及由于采用机械方法制成的接头所需的厚度减小而导致的强度变化方法。这些设计折衷是复杂且不明显的，需要对材料、制造工艺和连接方法有充分的了解，并且这些要求在容器的制造过程中会相互影响。
在另一个示例中，所公开的壳体和/或盖的至少一部分可以由隔热矿物材料(例如，
尽管已经参考示例性实施例描述了本公开，但是本公开不限于此类示例性实施例。相反，在不脱离本公开的精神或范围的情况下，可以采用各种修改、改进和/或替代实施例。
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