含有折叠的电极和隔膜的电化学电池，包含该电化学电池的电池组及其制备方法
【技术领域】
[0001 ] 本申请要求2013年3月14日提交的美国专利申请第13/830,942号的优先权，该申请所公开的内容以不与本发明公开的内容相冲突的程度纳入。
[0002]本发明一般涉及电化学电池和包含该电池的电池。更具体的，本发明涉及:含有一个或多个折叠的电极和折叠的隔膜的电化学电池;包含所述电化学电池的电池组；以及制备所述电化学电池和电池组的方法。
【背景技术】
[0003]通常，电池组包括一个或多个电化学电池来储存电能。每个电化学电池包括阳极(电池放电过程中带负电荷的电极)、阴极(电池放电过程中带正电荷的电极)、阳极和阴极之间的电解质，通常电化学电池还包括在阳极和阴极之间的隔膜等，以保持阳极和阴极不会相互接触。
[0004]电化学电池能储存的电荷量与电化学系统有关，所述电化学系统是反应材料和非反应材料、可用于电化学反应的大量电极材料和/或电解质材料的组合。通常，可用的电极和/或电解质材料的量越大，电荷容量越大。此外，较大的电极表面积降低了电池的内部电阻，且可改善扩散过程，扩散过程的改善可在相对大的电流下对电池放电和充电并改善电池的其它充放电性质。提供带有额外电极表面的电化学电池并由此改善了电池性能的技术包括:将电池的层卷绕成圆柱形以形成卷绕电池，并将电池的多个层一层一层叠加到另一层的上面以形成层叠电池。
[0005]卷绕的电化学电池通常通过以下步骤形成:将阳极层、隔膜层和阴极层相互相邻分层放置，例如由各层的连续卷分层放置，随后将这些层卷绕以形成圆柱形结构。圆柱形结构可以展平，形成扁平的紧实结构(pack structure)，该结构可以更好地符合使用包含所述电池的电池组的器件的构造设计。由于卷绕电池可以通过材料的连续卷制得，因此制造卷绕电化学电池是相对便宜的制备具有相对高电荷容量和其它所需性质的电化学电池的方法。不过，卷绕电化学电池和包含该电池的电池组可能会经历在电池的充放电过程中由电池部分的体积改变所引起的压力和力的不均匀分布；当将卷绕电池压制成扁平紧实结构时尤其如此。压力这样改变可能会降低电池组的性能，电池组的安全性，和/或电池组的寿命O
[0006]通过以垂直层叠的方式放置多个结构形成层叠的电池，每个结构包括阳极层、隔膜层和阴极层。与卷绕电池相比，层叠的电池制造相对较贵，因为预切割或形成阳极层、隔膜层和阴极层的片材必须分别制备，随后再一层一层叠加到另一层上，这需要耗时的层与层之间的精确对齐。此外，精确放置每层所需的设备也是相对昂贵的。不过，采用此技术制备的电池和电池组在电池的充放电过程中任何电池体积改变所引起的力分布相对均匀。因此，与采用卷绕电池技术制备的相似电池相比，这样的电池可具有增强的性能、寿命和安全性。
[0007]另一种用于制备电化学电池的技术包括:采用z形折叠或手风琴状折叠电化学电池的一层或多层。采用z形折叠的技术与电池的卷绕层相比是有益的，因为折叠技术可在电池内允许更均匀的压力和力分布;不过，折叠电池层所需的设备和时间通常比卷绕电池层更多更长。折叠技术可优于层叠方法，因为至少电池的一些层可通过连续或半连续的片材得到，而层叠电池的所有层都是预切割的；不过，包括折叠层的电池中的压力分布可能没有层叠电池中的均匀。
[0008]2012年8月16日公布的，Schaefer等所著的美国专利公开第2012/0208066A1号，公开了一种用于制备电化学电池的电极堆叠的z形折叠技术。所公开的方法包括z形折叠的隔膜材料的连续层，以及插入在Z形折叠隔膜材料层之间的阴极板和阳极板。虽然在Schaefer等的专利中所公开的电化学电池相对于单纯层叠的电化学电池而言具有一些优势，但Schaefer等的电池仍然需要对电池的阳极和阴极板进行精确的成形和对齐。
[0009]2009年6月25日公开的，LG化学有限公司(LG CHEM.,LTD)的PCT公开第WO 2009/078632 A2号，公开了一种包括多个重叠的电化学电池的电池组，其中每个电池包括阴极、阳极和隔膜，在重叠的电化学电池之间放置有连续的隔膜片。虽然所公开的电池具有被隔膜材料的连续片包围的优势，但所述电池仍然需要对在隔膜材料的连续片顶部的阴极板、隔膜板和阳极板精确成形和对齐。
[0010]1997年I月17日公开的，Kazuhiro所著的日本专利公开第09017441 A号，公开了一种具有z形折叠的阳极层和z形折叠的阴极层的方形电池，其中用隔膜材料的连续涂层直接涂覆阴极层。所述电池还包括垂直和水平延伸的集流体(current collector)以防止极性片位移。据称所述集流体具有不需要电极上凸出部的优势。不过，Kazuhiro所公开的集流体显著增加了电池的重量和体积。此外，所述涂覆的阴极和包含这样的阴极的电池被认为是相对难于制造的。
[0011]虽然已经开发了用于电化学电池中多层的z形折叠或手风琴状折叠技术，该技术仍然包括额外的步骤，相对困难的制造步骤(即对齐多个板)，和/或额外增加电池的体积和重量。因此，需要改善的电化学电池和电池组以及制备所述电池和电池组的方法。
【发明内容】
[0012]本发明公开的内容一般涉及电化学电池，包含该电池的电池组，以及制备所述电池和电池组的方法。更具体的，公开内容的多个实施方式涉及包括第一电极(如阳极或阴极)、第二电极(如阴极或阳极)以及在第一电极和第二电极之间的隔膜的电化学电池，其中所述第一电极、第二电极和隔膜中的两个或多个包括z形折叠或手风琴状折叠。例如，根据多个实施方式的示例性的电池包括以第一方向折叠的z形折叠的第一电极(阳极或阴极)，和以第二方向z形折叠的z形折叠的隔膜，所述第二方向与第一方向正交。或者，示例性的电池包括沿第一方向z形折叠的第一电极以及以第二方向z形折叠的第二电极和隔膜的组合，所述第二方向与第一方向正交。如下文更详细的表述，本发明公开的电化学电池相对于现有技术具有优势，包括相对简单和低成本的制造、高的能量密度和安全性。
[0013]根据本文公开的多个实施方式，电化学电池包括第一电极层、覆盖所述第一电极层的隔膜层(所述隔膜层在其自身上以第一方向折叠返回，以形成第一隔膜部分、第二隔膜部分和两部分之间的开口)、以及包含平板的第二电极(其中所述平板在第一隔膜部分和第二隔膜部分之间)。所述第一电极层以第二方向在所述隔膜层上方折叠，所述第二方向与第一方向正交，以形成在第一隔膜部分下面的第一个第一电极部分和在第二隔膜部分上面的第二个第一电极部分。根据这些实施方式的各个方面，电化学电池包括多个(例如大于2个)第一电极部分、隔膜部分和平板，所述第一电极层和隔膜层各自形成z形折叠层。根据这些实施方式的其它方面，所述第一电极层包含活性阴极材料，该阴极材料可被修补涂覆(patch coated)到基材上。根据可选的方面，所述第一电极层含有活性阳极材料。根据其它方面，所述折叠的隔膜在所述平板与折叠的第一电极层部分重叠的区域中与所述平板部分重叠，以防止第一电极层和第二电极板之间短路。折叠层的使用使得以例如第一电极层材料和隔膜层材料的连续或半连续卷、带或网的形式的原材料制备电池相对简单和便宜，第二电极板的使用使得电池的形成具有相对均匀的压力分布。
[0014]根据公开的其它实施方式，制备电化学电池的方法包括以下步骤:将隔膜层以与第一电极层正交的方向放置在第一电极层上;将该隔膜层在其自身上折叠返回以形成第一隔膜部分、第二隔膜部分和两部分间的第一开口，将第二隔膜部分上方的第一电极层折叠以形成在第一隔膜部分下面的第一个第一电极部分和在第二隔膜部分上面的第二个第一电极部分，以及将第二电极材料的第一片材放置在所述开口中。这些步骤可重复用于所需数量的第一电极、第二电极和隔膜部分，以获得所需的电化学电池或电池组性质。根据这些实施方式的示例性的方面，放置第一片材的步骤发生在在第二隔膜部分上方折叠第一电极层的步骤之前。根据可选的方面，放置第一片材的步骤发生在在第二隔膜部分上方折叠第一电极层的步骤之后。根据其它方面，所述方法还包括在第一电极层的第一部分的下面或在电化学电池的底部提供隔膜部分的步骤。以及，根据其它方面，所述方法还包括在第一电极材料顶部的上面或在电化学电池的顶端提供隔膜部分。根据其它方面，所述方法还包括通过第一电极层的折叠部分与第一电极层形成接触的步骤。根据其它方面，所述方法包括使用在第二电极板上的接触区域或部位与第二电极形成接触的步骤，所述第二电极板没有被活性电极材料覆盖。以及，根据这些实施方式的其它方面，所述方法包括将第一电极层的折叠部分切割以形成边缘部分，并在边缘部分处或附近与第一电极形成接触的步骤。
[0015]根据公开内容的其它实施方式，电化学电池包括含有第一个第一电极部分的第一电极层;在第一电极层上面的第二电极层，所述第二电极层包含含有活性材料的第一表面和第二表