用于电化学电池的非导电材料的制作方法

专利名称：用于电化学电池的非导电材料的制作方法
用于电化学电池的非导电材料
相关申请
本申请根据35U. S. C. § 119(e)要求于2010年8月24日提交的题为“用于电化学电池的非导电材料”的美国临时专利申请序列号61/376，554的优先权，出于所有目的其全部内容通过引用并入本文。发明领域
通常描述了与在电化学电池中非导电材料的配置相关的制品、系统、和方法。
背景技术：
一个典型的电化学电池包括参与电化学反应的一个阴极和一个阳极。典型的电化学电池还包括电解质和多孔分隔物，其允许离子在电极之间传输，但不允许电子在它们之间传导。通过保持在阳极和阴极之间的电绝缘，通过从电化学电池的一个电极经过该装置到该电池的另一个电极传输电子，可以向一个外部装置供电。如果电绝缘性电解质失效，电子将直接在电池的阴极和阳极之间传输，而不是经过外部装置，这限制了电池的有效性。目前使用的许多电化学电池容易发生电绝缘性电解质失效(例如通过固体分隔物的失效)。 在电解质的周边失效是尤其普遍的。例如，如果电解质内分隔物材料的边缘是粗糙的或锯齿状的，阳极和阴极可能可以通过粗糙的边缘交换电子。当限定压强的各向异性力被施加到电池时，此问题会放大，因为阳极和阴极之间距离的减少可以增加电池内短路的可能性。
因此，需要改进的制品、系统、和方法。发明内容
提供了在电化学电池中使用的非导电材料(例如在电解质区域)和相关的系统和方法。在某些情况下，本发明的主题涉及相关的产品、一个特定问题的备选解决方案、和/ 或一个或多个系统和/或制品的多个不同的用途。
在一个方面,描述了一种方法。在一些实施例中，该方法可以包括，提供一种包括非导电材料层的多层结构，和包括远离非导电材料层取向的电极表面的一个基本上连续的电极，并限定第一电极表面部分和第二电极表面部分。该方法可以进一步包括，沿一条轴线折叠该多层结构使得该第一电极表面部分朝向该第二电极表面部分。
在另一个方面，提供了一种多层结构。在一些实施例中，通过多层结构本体截取的横截面包括具有第一极性的第一电极层部分；具有与第一极性相反的第二极性的第二电极层部分；具有第一极性的第三电极层部分；在该第一和第二电极层部分之间的第一非导电材料层部分；以及在该第二和第三电极部分之间的第二非导电材料层部分。在某些情况下， 该第一和第二非导电材料层部分是由非导电材料的第三部分直接连接。在某些情况下，在该第一和第二电极层部分之间的平均距离和/或该第二和第三电极层部分之间的平均距离小于约100微米。
在另一个方面， 描述了一种电化学电池。在一些实施例中，该电化学电池可以包括，具有第一极性的第一电极部分；具有与第一极性相反的第二极性的第二电极部分；具有第一极性的第三电极部分；以及基本上连续的非导电材料层，其具有在该第一电极部分和第二电极部分之间的第一部分、在该第二电极部分和第三电极部分之间的第二部分、以及直接接触该第一和第二部分的第三部分。在某些情况下，在该第一和第二电极层部分之间的平均距离和/或该第二和第三电极层部分之间的平均距离小于约100微米。
在某些情况下，电化学电池可以包括基板，该基板具有第一基板表面部分和背向该第一基板表面部分的第二基板表面部分；第一电极，该第一电极具有邻近该第一基板表面部分的第一部分和邻近该第二基板表面部分的第二部分；第二电极，该第二电极具有面向该第一电极的第一部分的第一表面部分和背向该第二电极的第一表面部分的第二表面部分；以及基本上连续的非导电材料层，其具有在该第一电极的第一部分和该第二电极的第一部分之间的第一部分、邻近第一电极的第二表面部分的第二部分、以及直接接触该第一和第二部分的第三部分。
在一些实施例中，电化学电池可以包括多层结构，该多层结构含有按所描述的顺序放置的如下层部分，任选地使任何数量的相同或不同材料的其它层插入所描述的层之间具有第一极性的第一电极层部分；具有第二极性的第二电极层部分；具有第二极性的第三电极层部分；和具有第一极性的第四电极层部分。在某些情况下，该第二电极层部分和该第三电极层部分是一个单一的、基本上连续的电极的部分，且在该第二和第三电极层部分的中间未放置具有第一极性的电极部分。
在结合附图考虑时，本发明的其他优点和新颖特征将从本发明的各种非限制性实施例的如下详细描述中变得明显。在本说明书和通过引用结合的文献包含冲突和/或不一致的披露的情况下，应以本说明书为准。如果两个或更多个通过引用结合的文献包含相对于彼此冲突和/或不一致的披露，那么应以生效日期较晚的文献为准。本文所披露的所有专利和专利申请出于所有目的通过引用结合在此。


本发明的非限制性实施例将通过参照附图举例的方式进行说明，其是示意性的， 而不是为了按比例绘制。在附图中，示出的每个相同或几乎相同的部件通常是由一个单一的数字表示。出于明晰的目的，在不需要图示说明来使本领域的普通技术人员了解本发明的情况下，没有在每一图式中标记出每一部件，也没有标记出所示本发明每一实施例的每一部件。在附图中
图1A-1D是根据一组实施例概括了一种多层结构的制造的示例性的横截面示意图2是根据一些实施例一种多层结构的示例性的横截面示意图3是根据一 些实施例多个多层结构的示例性的横截面示意图4A-4B是根据一组实施例的一种电化学电池的(A)示例性的横截面示意图和 (B)示例性的顶视示意图；以及
图5是一种电化学电池的示例性的横截面示意图。
详细说明
总体上描述了与在电化学电池中非导电材料的配置相关的制品、系统和方法以及相关的部件。某些本发明的电化学电池的配置包括一种非导电材料(例如作为电解质的一部分)，其被配置为包绕在一个电极的边缘，以防止电化学电池的短路。在一些实施例中，非导电材料层可以被安排成使得其包括第一和第二部分(电极每一侧一个)以及邻近电极的边缘的第三部分，该第三部分直接连接该第一和第二部分(且，在某些情况下，与该第一和第二部分基本上是连续的)。非导电材料层可以相对较薄，同时在阳极和阴极之间保持相对高的电绝缘，使其产生一个具有相对低的质量和/或体积的电化学电池。例如，上述安排可通过形成一个多层结构来形成，该多层结构包括电极和非导电材料层(例如作为涂层)，并折叠该多层结构，使得该非电导电材料覆盖所产生折痕的凸表面部分。
诸位发明人已经发现，在一些实施例中，特别有利的是在一个电极上形成非导电材料层(例如通过浇铸、蒸发沉积、旋涂或另一种方法)以形成多层结构。相比以下方法， 通过本方法产生多层结构可以是相对容易、快速和廉价的例如，在该方法中非导电材料层和电极作为单独的材料形成，并连接在一起以形成多层结构的方法，这可能需要电极和非导电材料的复杂的对齐。此外，相比以下系统，在电极上形成非导电材料层是相对容易、快速和廉价的在该系统中多个单独的电极放置或形成在非导电材料上，其也需要在两个电极附接和折叠过程中小心对齐。此外，在电极上形成非导电材料层也可以允许控制非导电材料的厚度。形成相对薄的非导电材料 层可以减少多层结构的体积和/或质量，从而增加所产生的电化学电池的比能量和能量密度。
诸位发明人还发现，当各向异性力(限定压强)被施加到电化学电池时，在阳极和阴极之间的短路会更普遍，因为阳极和阴极之间距离的减少可以增加电池内短路的可能性。授予Scordilis-Kelley等人的、于2009年8月4日提交的题为“在电化学电池中施加力”的美国专利公开号2010/0035128(出于所有目的其全部内容通过引用并入本文)中描述了在电化学电池施加力用以改进电极化学、形态、和/或其他特性，从而提高性能。在一个方面，本发明涉及如下的认识使用非导电材料的特定安排允许施加力到一个电化学电池，而不会在阳极和阴极之间产生短路。此外，本文中描述的非导电材料的配置可以降低反复的充电和放电循环后在电池内短路的概率(例如由于电极材料的溶解和重镀)。
图1A-1D包括示出了根据一组实施例安排一个非导电材料层的方法的示例性的横截面示意图。在图1A中，多层结构100包括彼此相邻定位的基板110和电极112。在一些实施例中，电极112可在基板110上形成。例如，电极112可能沉积到基板110上(例如，通过一种金属、金属的混合物或其它合适材料的真空沉积)。作为另一个例子，电极112 可通过浇铸法在基板110上形成(例如，通过在基板上沉积和干燥包括电极活性材料的浆料)。在其它实施例中，电极112和基板110可作为单独的实体形成，然后粘附或以其他方式连接在一起以形成图1A中示出的结构。在其它实施例中，基板110和电极112可能被提供作为一个预组装的多层结构。
在一些实施例中，如图1A中所示的一组实施例，电极112不完全覆盖基板110，相反地，基板110的边缘部分111暴露在外。此安排可用于形成电接触，例如，当基板在组装的电化学电池中进行支撑或用作集电器。然而，应当理解，在其他实施例中，电极112可以被安排成基本上完全覆盖基板110。
在图1B中，多层结构100进一步包括置于电极112附近的非导电材料层114，使得电极112是在非导电材料层114和基板110之间。正如在下面更详细描述的，在某些情况下，非导电材料层114可以形成从多层结构体100形成的电化学电池的电解质的全部或部分。在一些实施例中，非导电材料层114粘附到电极112。在某些情况下，非导电材料层 114的至少一部分共价键合到电极112。
在一些实施例中，非导电材料层114可在电极112上形成。例如，非导电材料层 114可施加在电极112上并在适当的位置形成，例如使用浇铸法(例如，通过在电极上沉积和干燥包括非导电材料的浆料)。例如，Carlson等人在PCT公开号W099/33125和Bagley 等人在美国专利号5，194，341中描述了用于进行此沉积的示例性的方法，出于所有目的其各自全部内容通过引用并入本文。在一些实施例中，非导电材料层可以通过以下方法沉积， 例如电子束蒸发、真空热蒸发、激光烧蚀法、化学气相沉积、热蒸发、等离子体辅助化学真空沉积、激光增强化学气相沉积、喷射蒸汽沉积和挤出。非导电材料层也可以通过旋涂技术沉积。例如，一种用于沉积交联聚合物层的方法包括闪蒸法，例如，如Yializis在美国专利号 4，954，371中所描述。例如，一种用于沉积包含锂盐的交联聚合物层的方法可包括闪蒸法， 例如，如Affinito等人在美国专利号5，681，615中所描述。用于沉积非导电材料层的技术取决于被沉积的材料的类型、层的厚度等。在一些实施例中，在电极上沉积非导电材料层可以是有利的，因为它可以允许沉积相对薄的非导电材料层，这可以减小最终的电化学电池的尺寸和重量。
在其它实施例中，非导电材料层114、基板110和电极112可作为单独实体形成，然后粘附或以其他方式连接到多层结构的其余部分。在其它实施例中，基板110、电极112和非导电材料层114可能被提供作为一个预组装的多层结构。
在一些实施例中，基板110、电极112和/或非导电材料层114 (或多层结构的其它层)可以是一个基本上连续的层。“基本上连续的”用来描述两个区段或层的结构之间的关系，是指这些区段或层之间的结构的任何区域本质上是与这些区段或层相同的。例如，一个基本上连续的材料片材，其自身折叠或围绕不同的材料折叠，可限定两个或多个区段，该两个或多个区段仍然是基本上连续的片材的一部分。
在一些实施例中，本发明所描述的基板110、电极112、非导电材料层114，和/或其他材料层可以是基本上无宏观不连续性。“基本上无宏观不连续性”的层，是不包括以下区域该区域具有的基本上平行于该层测量的最大横截面尺寸大于该层厚度、由不同于该层的其余部分的组成的材料(或材料混合物)组成。作为具体例子，基本上没有空隙的层可以是基本上无宏观不连续性。此外，如果在层内的孔的最大横截面尺寸是小于该层的厚度， 多孔材料层可以是基本上无宏观不连续性。然而，具有的孔径大于多孔材料层的厚度的一种多孔材料不是基本上无宏观不连续性。另外，包含疏松材料和具有最大横截面尺寸大于疏松材料内的该材料厚度的第二材料岛的材料将不是基本上无宏观不连续性。
如图1B中所示，非导电材料层114包括背向电极112和基板110的、基本上平面式的第一表面120和面向电极112和基板110的、基本上平面式的第二表面(在界面122 处)。此外，电极112包括面向非导电材料层114和背向基板110基本上平面式的第一表面(在界面122处)，以及面向基板110和背向非导电材料层114基本上平面式的第二表面 (在界面124处)。基板110包括面向电极112和非导电材料层114基本上平面式的第一表面(在界面124)以及背向电极112和非导电材料层114基本上平面式的第二表面126。
如本文所 用，当表面和物体基本上平行,而且垂直于含有该表面的材料本体延伸并从该材料本体远离的直线与该物体相交时，表面(或表面部分)被称为是“面向”一个物体。例如，第一表面(或第一表面部分)和第二表面(或第二表面部分)可以彼此面向，如果一条垂直于该第一表面并远离含有该第一表面的本体材料延伸的直线与该第二表面相交。一个表面和一个层可以彼此面向，如果一条垂直于该表面并远离含有该表面的本体材料延伸的直线与该层相交。一个表面可以面向另一个物体，当其与另一个物体相接触时，或当一个或多个中间材料置于该表面和其他物体之间时。例如，两个彼此面向的表面可以相接触，或可以包括一个或多个介于它们之间的中间材料。
如本文所用，当一个表面和一个物体基本上平行，并且没有垂直于含有该表面的材料本体延伸并从该材料本体远离的直线与该物体相交时，该表面(或表面部分)被称为是“背向”该物体。例如，第一表面(或第一表面部分)和第二表面(或第二表面部分) 可以彼此背向，如果没有垂直于该第一表面并远离含有该第一表面的本体材料延伸的直线与该第二表面相交。一个表面和一个层可以彼此背向，如果一条垂直于该表面并远离含有该表面的本体材料延伸的直线与该层相交。在一些实施例中，一个表面可以与另一个物体 (例如，另一个表面，一个层，等)大致平行，如果由该表面和该物体限定的最大角度小于约 10°，小于约5°，小于约2°，或小于约1°。
多层结构可以沿轴线折叠以形成折叠结构。在一些实施例中，该多层结构被折叠， 使得在电极表面的第一和第二部分(例如，背向非导电材料层的一个表面的第一和第二部分)彼此面向。例如，如在图1B-1C中所示的一组实施例中，图1B中的多层结构100沿轴线130 (其延伸入和出纸面)以箭头132的方向折叠，以形成如图1C所示的多层结构。电极112的表面部分124A和124B，在图1B中最初均背向非导电材料层114，已被重定向为图1C中的结构，使得它们彼此面向。如图1C中所示，表面部分124A和124B包括介于它们之间的中间材料(基板110)。然而，在其他实施例中，表面部分124A和124B可以是相接触的。
通过以这种方式折叠多层结构，非导电材料层的一部分136被安排成使得其在电极112的折叠边缘的凸的表面部分之上定向。在某些情况下，非导电材料层可以基本上覆盖电极112的边缘。在电极112的折叠边缘上具有一部分(如部分136)非导电材料可用于防止电极112和随后置于非导电材料层114上的电极之间的短路。
附加电极也可以包含在多层结构内。如图1D中所示的一组实施例中，电极140和 142置于非导电材料层114附近。当以这种方式安排时，非导电材料层包括介于电极112和 140之间的第一部分146和介于电极112和142之间的第二部分148。此外，第一和第二部分，分别是146和148，通过部分136直接连接。当不穿过具有基本上不同组成的区域可以画出连接两个部分或部件的直线时，两个部件或部件的部分被称为是“直接连接”或“直接接触”。如图1D中所示的一组实施例中，第一和第二部分146和148也基本上是连续的，虽然它们不需要在所有实施例中都是连续的。
电极140和142中的一者或两者可以在非导电材料层114上形成。例如，电极140 和/或142可能会沉积(例如，通过真空沉积)或浇铸(例如，以干浆)到材料层114上。 在其它实施例中，电极140和/或142可作为单独实体形成，然后粘附或以其他方式连接到多层结构。虽然在图1D中示出了两个附加电极140和142，但应当理解，在其它实施例中， 可以只有一个附加电极(例如，只有 电极140)包含在多层结构中。
在一些实施例中，电极140和/或电极142粘附到非导电材料层114。在某些情况下，至少电极140和/或电极142的一部分共价键合到非导电材料层114。
可以选择电极的极性以产生一种电化学电池。在一些实施例中，电极112可以是第一极性，而电极140(和142，如果存在的话)可以是第二、相反的极性。一般地，两个电极的极性相反，如果一个是阳极则另一个是阴极。例如，电极112可以是阳极而电极140 (和 142，如果存在的话)可以是阴极。在其他情况下，电极112可以是阴极而电极140 (和142， 如果存在的话)可以是阳极。
可以使用任何合适的技术与电极形成电接触。如图1D中所示的一组实施例，可以通过使用导电基板110与电极112形成电接触。基板110可以包含一种导电疏松材料或一种涂覆有导电材料的非导电疏松材料。可以通过分别将集电器144A和144B并入多层结构， 与电极140和/或142形成电接触。
应理解的是当一个部分(例如，层、结构、区域)是在另一部分“上”、“附近”、“上方”、“之上”、“叠加”或“由......支撑”，其可以直接在该部分上，或也可能存在中间部分(例如，层、结构、区域)。类似地，当一个部分是在另一部分“下”或“下面”时，它可以直接在该部分下，或也可能存在中间部分(例如，层、结构、区域)。一个部分与另一部分是“直接在......上”、“直接相邻”、“与......相接触”，或“由......直接支撑”，是指不存在中间部分。还应当理解，当一个部分被称为在另一部分“上”、“上方”、“附近”、“之上”、“叠加”、 “与......相接触”、“下”，或“由......支撑”，其可能覆盖该部分的全部或局部。
因此，应当理解，在图1A-1D中所示的实施例中，并且在本文所描述的其它实施例中，一个或多个附加层可置于介于图中所示的层之间。例如，一个或多个附加层可以置于基板110和电极112之间诸如，例如，释放层，其可以用来在折叠多层结构100之前移除基板， 如下所述。此外，可以在释放层和基板之间放置一个或多个附加层。此外，可以在多层结构的其他部件之间放置一个或多个层。例如，可以在集电器和电极层之间放置一个或多个底胶层，以促进各层之间粘合。合适的底胶层示例，在2008年10月23日提交题为“电池电极的底胶”的国际专利申请号为PCT/US2008/012042，发表于国际公开号Wo2009/054987的专利中描述，其全部内容通过引用并入本文。此外，可以在电极和非导电材料层之间放置一个或多个层。例如，可以在电极112和非导电材料层114之间，电极140和非导电材料层114 之间，和/或电极142和非导电材料层114之间放置一个或多个层。当然，在其他实施例中，基板110和电极112可以相接触，电极112和非导电材料层114可以相接触，非导电材料层114和电极140可以相接触，和/或非导电材料层114和电极142可以相接触。此外， 在某些情况下，电极140和/或142可以分别与集电器144A和144B相接触，而在另一些情况下，一种或多种材料可以置于电极140和其集电器之间和/或电极142和其集电器之间。
本发明的一些实施例涉及本文所述的部件(或其部分)的相对位置。在一些实施例中，多层结构(或含有多层结构的电化学电池)可以含有按所描述的顺序放置(例如，沿图1D中的箭头160)的如下层部分，任选地使任何数量的相同或不同材料的其它层插入所描述的层之间具有第一极性的第一电极层部分(例如，图1D中一部分电极140)，具有第二极性的第二电极层部分(例如，图1D中电极112在基板110上方的部分)，具有第二极性的第三电极层部分(例如，图1D中电极112在基板110下方的部分)，和具有第一极性的第四电极层部分(例如，图1D中一部分电极142)。在某些情况下，如图1D中所示的实施例，第二和第三电极层部分是一个单一的、基本上连续的电极的部分。此外，在某些情况下，介于第二和第三电极层部分之间不放置具有第一极性的电极部分。在图1D中，例如，只有基板110 (不是一个电极)置于第二电极层部分(例如，图1D中电极112在基板110上方的部分)和第三电极层部分(例如，图1D中电极112在基板110下方的部分)之间。
在一些实施例中，多层结构(或含有多层结构的电化学电池)可以包含基板，该基板具有第一基板表面部分(例如，与电极112的表面部分124A相邻的基板表面部分)和背向该第一基板表面部分的第二基板表面部分(例如，与电极112的表面部分124B相邻的基板表面部分)O该多层结构也可以包含第一电极，该第一电极具有与该第一基板表面部分相邻的第一部分(例如，图1D中电极112在该基板上方的部分)和具有与该二基板表面部分相邻的第二部分(例如，图1D中电极112在该基板下方的部分)。此外，该多层结构可以包含第二电极(例如，图1D中电极140，虽然也可包括电极142，除了电极140以外或代替该电极)，其具有第一表面部分和第二表面部分，该第一表面部分面向第一电极的第一部分 (例如，在界面150A处的电极140的表面)，该第二表面部分背向该第二电极的第一表面部分(例如，面向顶集电器144A的电极140的表面)。此外,该多层结构可以包含一个基本上连续的非导电材料层(例如，图1D中的层114)，其具有第一部分、第二部分和第三部分， 该第一部分在第一电极的第一部分和第二电极的第一表面部分之间(例如，非导电材料层 114的部分146)，该第二部分与第一电极的第二表面部分相邻(例如，非导电材料层114的部分148)，该第三部分与第一和第二部分直接接触(例如，非导电材料层114的部分136)。
非导电材料层可以具有任何合适的厚度。在一些实施例中，可以采用相对薄的非导电材料层，这可以减少多层结构的体积和/或重量，从而提高使用该多层结构制造的电化学电池的比能量和能量密度。在一些实施例中，非导电材料层的平均厚度小于约100微米，小于约50微米，小于约20微米，小于约10微米，小于约5微米，小于约I微米，至少约 O.1微米且小于约100、50、20、10、5或I微米，至少约O. 5微米且小于约100、50、20、10、5或 I微米，或至少约I微米且小于约100、50、20、10或5微米。在某些情况下，电极112的最外表面(例如在图1C和ID的界面122处)和电极140和/或电极142的最内表面(例如分别在图1D的界面150A和150B处)之间的平均距离可以小于约100微米，小于约50微米，小于约20微米，小于约10微米，小于约5微米，小于约I微米，至少约O.1微米且小于约100、50、20、10、5或I微米，至少约O. 5微米且小于约100、50、20、10、5或I微米，或至少约I微米且小于约100、50、20、10或5微米。
在一些实施例中，该电极和该非导电材料层可以被构造和安排成使得，当将电压施加到该电极并跨过干燥非导电材料层时(即添加任何流体如一种液体电解质之前)，保持一个相对高的电阻。在某些情况下，当在阳极和阴极之间施加至少约I伏的电压时，干燥多层结构内的阳极和阴极之间的电阻是至少约100欧姆，至少约1000欧姆，至少约10千欧，至少约100千欧，至少约I兆欧，或至少约10兆欧。本领域的普通技术人员能够通过跨多层结构内的阳极和阴极之间的材料施加电压降来进行这样的测量，并用万用表测量所产生的电阻。在一些实施例中，上面概述的电阻可以在施加各向异性力期间(包括本文所描述的各向异性力限定的任何压强)保持。
在某些情况下 ，当在阳极和阴极之间施加至少约I伏的电压时，通过干燥非导电材料层的厚度(即添加任何流体如一种液体电解质之前)的电阻是至少约100欧姆，至少约1000欧姆，至少约10千欧，至少约100千欧，至少约I兆欧，或至少约10兆欧。本领域的普通技术人员能够通过沿非导电材料层的厚度施加电压降来进行这样的测量(例如，通过对背向彼此的非导电材料层的表面附加电极)，并用万用表测量所产生的电阻。在一些实施例中，上面概述的电阻可以在施加各向异性力期间(包括本文所描述的各向异性力限定的任何压强)保持。
非导电材料层可以包括能够使阳极和阴极彼此分离或绝缘的任何材料，以防止短路(例如在使用过程中如在电化学电池的充电和/或放电期间)，同时被构造和安排为允许在该阳极和该阴极之间传输离子。在一些实施例中，全部或部分非导电材料层可由以下材料形成，该材料的体积电阻率为至少约104，至少约105，至少约101(1，至少约IO15或至少约 IO20欧姆米。
在一些实施例中，非导电材料层可以是由多层结构形成的电化学电池的电解质。 在其他情况下，非导电材料层可以是与由多层结构形成的电化学电池的电解质相分离的层 (即电化学电池可以包括与非导电材料层相分离的电解质层)。
在一些实施例中，全部或部分非导电材料层可由固体电解质形成。除了使阳极与阴极电绝缘，固体电解质可以是传导离子的，从而允许离子在阳极和阴极之间转移。有用的固体聚合物电解质的例子包括，但不限于，那些包含选自下组一种或多种聚合物的电解质， 该组由以下各项组成聚醚类、聚环氧乙烷类、聚环氧丙烷类、聚酰亚胺类、聚磷腈类、聚丙烯腈类、聚硅氧烷类、前述聚合物的衍生物、前述聚合物的共聚物、前述聚合物的交联和网状结构，以及前述聚合物的共混物。
在一些实施例中，全部或部分非导电材料层可由凝胶形成。如本文所用，术语“凝胶”是指包含一种液体和一种粘合剂成分的三维网状物，其中该液体由该粘合剂夹带但不允许流过该粘合剂。当将液体施加到固体网状物，液体夹带在固体的三维网状物内时，可以形成凝胶。在某些情况下，凝胶内的三维网状物可包含夹带在聚合物(例如交联聚合物) 内的液体。本领域的普通技术人员能够确定凝胶以及固体与流体的其他组合(例如多孔分隔物和液体溶剂)之间的差异，例如，通过邻苯二甲酸二丁酯(DBP)吸收试验测量凝胶的吸收稳定性。一般来说，基于凝胶的粘合剂成分暴露于液体时，凝胶的重量将增加，而多孔分隔物的重量不会大幅提高。在一些实施例中，凝胶的粘合剂成分在基本上不存在大于约 10微米、或大于约I微米的孔下，能够吸收液体。在某些情况下，凝胶的粘合剂成分可以基本上没有孔。用在非导电材料层中的有用的凝胶聚合物的例子包括，但不限于，包含选自下组的一种或多种聚合物的那些，该组由以下各项组成聚环氧乙烷类、聚环氧丙烷类、聚丙烯腈类、聚硅氧烷类、聚酰亚胺类，聚磷腈类、聚醚类、磺化聚酰亚胺类、全氟化膜类(NAFI0N 树脂)、聚丁二烯聚乙二醇类、聚乙二醇二丙烯酸酯类、聚乙二醇二甲基丙烯酸酯类、前述聚合物的衍生物、前述聚合物的共聚物、前述聚合物的交联和网状结构，以及前述聚合物的共混物，和任选的一种或更多种增塑剂。
在一些实施例中，至少部分非导电材料可由部分或基本上填充了液体电解质的固体非导电材料形成。在一些这样的实施例中，部分或基本上填充了液体电解质的固体材料可以用作电化学电池的电解质。在一些实施例中，固体非导电材料可以是基本上不传导离子的。在其他情况下，固体非导电的可以是传导离子的，而液体电解质可用于产生具有增强的离子传导性(相对于组合的固体部分) 的组合结构。
多种固体非导电分隔物材料在本领域中是已知的。合适的固体多孔分隔物材料的例子包括，但不限于，聚烯烃类，例如，聚乙烯类和聚丙烯类，玻璃纤维滤纸类，以及陶瓷材料。适合在本发明中使用的分隔物或分隔物材料的进一步的例子是那些含有微孔干凝胶层，例如，微孔拟薄水铝石层，其可以提供作为一个独立的薄膜或通过直接涂布施加到电极之一上，如共同受让人Carlson等人在美国专利申请序列号08/995，089和09/215，112中所描述。除了其电解质功能，固体电解质和凝胶电解质也可以作为分隔物。
如上文所提及的，液体电解质可用于提高离子传导性。在一些实施例中，液体电解质可含有一种或多种离子电解质盐来增加离子传导性。用于本文所描述的电解质中的离子电解质盐的例子包括，但不限于，LiSCN, LiBr, LiI, LiClO4, LiAsF6, LiSO3CF3^ LiSO3CH3^ LiBF4, LiB (Ph) 4、LiPF6、LiC(SO2CF3)JP LiN (SO2CF3) 2。可能有用的其他电解质盐包括锂的多硫化物(Li2Sx)和有机离子多硫化物(LiSxR)n的锂盐，其中X是从I到20的整数，η是从 I到3的整数，R是一个有机基团，以及Lee等人在美国专利号5，538，812中披露的那些。 可以使用的离子锂盐在溶剂中的浓度范围是，例如，从约O. 2m至约2. Om(m是摩尔/千克溶剂)。在一些实施例中，使用介于约O. 5m至约1. 5m之间范围内的浓度。添加离子锂盐到溶剂中是可选的，因为Li/S电池放电时形成的锂硫化物或多硫化物通常向电解质提供离子传导性，这可能使离子锂盐的添加不必要。此外，如果使用离子N-O添加剂，如无机硝酸盐、 有机硝酸盐或无机亚硝酸盐，其可向电解质提供离子传导性，在这种情况下，不需要添加额外的离子锂盐电解质。
在一组实施例中使用非水基电解质,而在另一组实施例中使用水基电解质。有用的非水性液体电解质溶剂的例子包括但不限于，非水性有机溶剂，例如，N-甲基乙酰胺、乙腈、缩醛类、缩酮类、酯类、碳酸酯类、砜类、亚硫酸盐类、环丁砜类、脂族醚类、无环醚类、环醚类、聚乙烯醚类、聚醚类、磷酸酯类、硅氧烷类、二氧戊环类、N-烷基吡咯烷酮类、前述物质的取代形式，及其共混物。可以使用的无环醚类的例子包括但不限于，二乙醚、二丙醚、二丁醚、二甲氧基甲烷、三甲氧基甲烷、二甲氧基乙烷、二乙氧基乙烷、1，2-二甲氧基丙烷，和 1,3-二甲氧基丙烧。环醚的例子包括但不限于，四氢呋喃、四氢吡喃、2-甲基四氢呋喃、I, 4-二恶烷、1，3-二氧戊环和三恶烷。可以使用的聚醚的例子包括但不限于，二乙二醇二甲醚(二甘醇二甲醚)、三乙二醇二甲醚(三甘醇二甲醚)，四乙二醇二甲醚(四甘醇二甲醚)、 更高的甘醇二甲醚类、乙二醇二乙烯醚、二乙二醇二乙烯醚、三乙二醇二乙烯醚、二丙二醇二甲醚和丁二醇醚。可以使用的砜类的例子包括但不限于，环丁砜、3-甲基环丁砜和3-环丁烯砜。前述物质的氟化衍生物也可用作液体电解质溶剂。也可以使用本文中所描述的溶剂的混合物。
在一些实施例中，对锂阳极有利的特定的液体电解质溶剂(例如，具有对锂相对低的反应性、良好的锂离子传导性，和/或相对低的多硫化物溶解度)包括但不限于，1，1- 二甲氧基乙烷(1，1-DME)、1，1- 二乙氧基乙烷、1，2- 二乙氧基乙烷、二乙氧基甲烷、二丁醚、茴香醚或苯甲醚、藜芦醚或1，2- 二甲氧基苯、1，3- 二甲氧基苯、叔丁氧基乙醚、2，5- 二甲氧基四氢呋喃、环戊酮乙二醇缩酮，及其组合。对阴极有利的特定的液体电解质的溶剂 (例如，具有相对高的多硫化物溶解度，和/或可以具 有高倍率放电能力和/或高硫利用率)包括但不限于，二甲氧基乙烷(DME，1，2-二甲氧基乙烷)或甘醇二甲醚、二甘醇二甲醚、三甘醇二甲醚、四乙二醇二甲醚、聚甘醇二甲醚类、环丁砜、1，3-二氧戊环(DOL)、四氢呋喃(THF)、乙腈，及其组合。
特定的溶剂混合物包括但不限于，1，3_ 二氧戊环和二甲氧基乙烷、1，3_ 二氧戊环和二乙二醇二甲醚、1，3_ 二氧戊环和三乙二醇二甲醚，以及1，3_ 二氧戊环和环丁砜。混合物中两种溶剂的的重量比可从约5比95至95比5变化。在一些实施例中，溶剂混合物包含二氧戊环(例如，按重量计大于40%的二氧戊环)。
在某些情况下，水性溶剂可以用作锂电池的电解质。水性溶剂可包括水，其可以含有其它成分如离子盐。在一些实施例中，电解质可以包括物种如氢氧化锂，或使电解质呈碱性的其他物种，以便减少电解质中氢离子的浓度。
在某些情况下，置于阳极和阴极之间的非导电材料层可以起到在施加的力或压强下将阳极(例如，阳极的基础电极层)从任何阴极粗糙度屏蔽的功能，保持在力或压强下阳极表面光滑，并通过保持多层在基础电极层和光滑的聚合物层之间受压来稳定阳极的任何多层结构(例如，陶瓷聚合物多层)。在一些这样的实施例中，聚合物层可选择顺性的，并具有平滑的表面。
如在其他地方所提及的，在一些实施例中，本文中所描述的多层结构可以是电化学电池的一部分。在某些情况下，多层结构可以是一个非可再充电电池或可再充电电池的一部分。在某些情况下，多层结构可以是锂电池，如锂硫电池的一部分。
本文中所描述的电极可以包括任何合适的电极活性材料。如本文所用，术语“电极活性材料”是指与电极相关的任何电化学活性物种。例如，“阴极活性材料”是指与阴极相关的任何电化学活性物种，而“阳极活性材料”是指与阳极相关的任何电化学活性物种。此外，本文中所描述的电极可以包括电极活性表面。如本文所用，术语“活性表面”是用来描述与电解质直接接触的电极的表面，并且在该活性表面可能会发生电化学反应。例如，在图1D中所示的一组实施例中，电极112包括在界面122处的活性表面，电极140包括在界面 150A处的活性表面，并且电极142包括在界面150B处的活性表面。
本文中所描述的一个或多个电极可用作电化学电池的阳极。阳极可以包括任何合适的阳极活性材料。在一些实施例中，阳极可以包括锂作为阳极活性材料。例如，阳极可以包括锂金属作为阳极活性材料。锂金属可以是如下形式，例如，已经沉积在基板上的锂金属箔或薄锂膜，如下文所述。锂也可以是以锂合金的形式，例如，锂锡合金或锂铝合金。术语 “合金”被赋予了其在本领域中的普通含义，是指两种或更多种元素的组合(例如固体，固体溶液)，其中至少一种元素是金属，并且其中所得的材料具有金属特性。
本文中所描述的许多实施例中，描述了锂可再充电电化学电池(包括锂阳极)，但是，应当理解可以使用任何类似的碱金属电池(碱金属阳极)。此外，在一些实施例中，可以使用基于非锂的阳极。此外，虽然本文主要披露了可再充电电化学电池，非可再充电(一次)电化学电池也旨在从本发明中受益。合金的其它安排、部件和优点的更多细节描述在美国专利申请序列号11/821, 576，2007年6月22日提交的题为“锂合金/硫电池”，作为美国专利公开号2008/0318128公开，其全部内容通过引用并入本文。
在某些实施例中，阳极的厚度可以从，例如约2至200微米变化。例如，阳极的厚度可以小于200微米、小于100微米、小于50微米、小于25微米、小于10微米或小于5微米。厚度的选择取决于多层结构和/或电化学电池的设计参数，如所希望的锂过量量值、循环寿命和阴极电极的厚度。在一个实施例中，阳极活性层的厚度是在约2至100微米的范围内(例如，约5至50微米，约5至25微米，或约10至25微米)。
阳极可以由在本领域中通常已知的多种方法中的任何一种沉积,例如物理或化学气相沉积法、挤出和电镀。合适的物理或化学气相沉积法的例子包括但不限于，热蒸发(包括但不限于，电阻、电感、辐射和电子束加热)、溅射(包括但不限于，二极管、DC磁控管、RF、 RF磁控管、脉冲、双磁控管、AC、MF和反应性)、化学气相沉积、等离子体增强化学气相沉积、 激光增强化学气相沉积、离子电镀、阴极电弧、喷气气相沉积，以及激光烧蚀。
层的沉积可以在真空或惰性气氛中进行，以尽量减少沉积层中的副反应，这些副反应可能将杂质引入到层或可能影响所希望的层形态。在一些实施例中，阳极活性层和多层结构的层以连续方式在一个多级沉积装置中沉积。
具体而言，用于将电活性材料如锂沉积到基板上的方法，包括热蒸发、溅射、喷射气相沉积和激光烧蚀等。替代性地，当阳极包括锂箔、或锂箔和基板时，这些可以通过在本领域中已知的层压成型工艺层叠在一起，以形成阳极层。
本文中所描述的在多层结构(和/或电化学电池)的阴极中使用的合适的阴极活性材料包括但不限于，电活性的过渡金属硫族化物、电活性的导电聚合物、和电活性含硫材料，及其组合。如本文所用，术语“硫族化物”涉及包含氧、硫和硒元素的一种或多种的化合物。合适的过渡金属硫族化物的例子包括但不限于，选自下组的过渡金属的电活性的氧化物、硫化物和硒化物，该组由以下各项组成Mn、V、Cr、T1、Fe、Co、N1、Cu、Y、Zr、Nb、Mo、Ru、 Rh、Pd、Ag、Hf、Ta、W、Re、Os和Ir。在一个实施例中，过渡金属硫族化物是选自由以下各项组成的组镍、锰、钴和钒的电活性氧化物以及铁的电活性硫化物。在一个实施例中，阴极活性层包括电活性导电聚合物。合适的电活性导电聚合物的例子包括但不限于，选自聚吡咯类、聚苯胺类、聚亚苯基类、聚噻吩类和聚乙炔类组成的组中的电活性和电导电性聚合物。
如本文所用的“电活性含硫材料”涉及包含任何形式的元素硫的阴极活性材料，其中该电化学活性涉及硫-硫共价键的断裂或形成。合适的电活性含硫材料包括但不限于， 元素硫和含有硫原子以及碳原子的有机材料，其可以是或不是聚合型的。合适的有机材料包括那些进一步包括杂原子、导电性聚合物链段、复合材料和导电性聚合物的材料。
在涉及Li/S系统的一些实施例中，处于其氧化形式的含硫材料包括多硫化物部分Sm，选自共价-Sm-、离子-Sm-部分和离子Sm2-部分组成的组中，其中m是等于或大于3的整数。在一个实施例中，含硫聚合物的多硫化物部分Sni中的m是等于或大于6的整数。在另一个实施例中，含硫聚合物的多硫化物部分Sm中的m是等于或大于8的整数。在另一个实施例中，含硫材料是一种含硫聚合物。在另一个实施例中，含硫聚合物有一个聚合物主链，多硫化物部分Sm作为侧基通过其一个或两个末端硫原子共价键合到聚合物主链。在又一实施例中，含硫聚合物有一个聚合物主链，多硫化物部分Sm通过多硫化物部分的末端硫原子的共价键合并入到聚合物主链中。
在一个实施例中，电活性含硫材料含有按重量计大于50%的硫。在另一个实施例中，电活性含硫材料含有按重量计大于75%的硫。在又一实施例中，电活性含硫材料含有按重量计大于90%的硫。
如本领域中已知的，本发明的实践中有用的电活性含硫材料的性质可能有很大的不同。在一个实施例中，电活性含硫材料包括元素硫。在另 一实施例中，电活性含硫材料包含元素硫和含硫聚合物的混合物。
在其它实施例中，本文中所描述的多层结构(和/或电化学电池)包括复合阴极。 该复合阴极可包括，例如，(a) 一种电活性含硫阴极材料，其中所述电活性含硫阴极材料，处于其氧化状态，包括化学式-Sm-的多硫化物部分，其中m是等于或大于3的整数，如本文所述，以及(b) —种电活性的过渡金属硫族化物。在一个实施例中，阴极包括电活性的含硫阴极材料、电活性的过渡金属硫族化物的混合物、和任选的粘合剂、电解质、和导电性的添加剂，其被沉积到一个集电器上。在另一实施例中，一个电活性的含硫阴极材料涂层被一个薄的凝聚性的薄膜涂层封装或浸溃，该薄膜涂层传输阳离子、阻滞阴离子还原产物的传输的过渡金属硫族化物组合物。在又一实施例中，阴极包括颗粒状电活性的含硫阴极材料，其单独涂覆有该传输阳离子、阻滞阴离子还原产物传输的过渡金属硫族化物组合物的包封层。 其他配置也是可能的。复合阴极的其它安排、部件和优点的更详细描述在美国专利公开号 2006/0115579，2006年I月13日提交的，题为“新型复合阴极，包含新型复合阴极的电化学电池，及其制造方法”，其全部内容通过引用并入本文。
阴极可进一步包括一种或多种导电填料，以提供增强的电子传导性。导电填料可提高材料的导电性能，并且可包括，例如，导电碳如炭黑(例如Vulcan XC72R炭黑、Printex XE2，或阿克苏诺贝尔公司Ketjen EC-600 JD)、石墨纤维、石墨原纤维、石墨粉末(例如 Fluka公司#50870)、活性炭纤维、碳织物、非活性碳纳米纤维。导电填料的其它非限制性例子包括金属涂覆的玻璃微粒、金属微粒、金属纤维、纳米微粒、纳米管、纳米线、金属薄片、金属粉末、金属纤维、金属网。在一些实施例中，导电填料可包括导电聚合物。合适的电活性的导电聚合物的例子包括但不限于，选自聚吡咯类、聚苯胺类、聚亚苯基类、聚噻吩类和聚乙炔类组成的组中的电活性和电子传导聚合物。本领域的普通技术人员已知的其它导电材料也可以被用作导电填料。如果存在，导电填料的量可能存在的范围为按阴极活性层重量计2%至30%。阴极还可以进一步包括其它添加剂，包括但不限于，金属氧化物、氧化铝、二氧化硅和过渡金属硫族化物。
阴极还可以包括粘合剂。粘合剂材料的选择可以在很宽的范围内变化，只要它相对于阴极中的其他材料是惰性的。在一些实施例中，粘合剂材料可以是聚合物型材料。聚合物粘合剂材料的例子包括但不限于，聚偏二氟乙烯(PVDF)基聚合物，如聚(偏二氟乙烯)(PVDF)，PV 2及其与六氟乙烯、四氟乙烯、三氟氯乙烯的共聚物和三元共聚物，聚(氟乙烯)、聚四氟乙烯(PTFE)、乙烯-四氟乙烯共聚物(ETFE)、聚丁二烯、氰乙基纤维素、羧甲基纤维素及其与丁苯橡胶的共混物、聚丙烯腈、乙烯-丙烯-二烯(EPDM)橡胶、乙烯-丙烯-二烯三元共聚物、丁苯橡胶(SBR)，聚酰亚胺或乙烯-乙酸乙烯酯共聚物。在某些情况下，粘合剂材料可基本上溶于水性流体载体，并且可以包括但不限于，纤维素衍生物、典型地是甲基纤维素(MC)、羧甲基纤维素(CMC)和羟丙基甲基纤维素(HPMC)、聚乙烯醇(PVA)、 聚丙烯酸盐、聚丙烯酰胺(PA)、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)和聚氧化乙烯(PEO)。在一组实施例中，粘合剂材料是聚(乙烯-共-丙烯-共-5-亚甲基-2-降冰片烯)(EPMN)，其对电池部件可以是化学中性的(例如惰性的)，包括多硫化物。也可以使用可UV固化的丙烯酸酯、 可UV固化的甲基丙烯酸酯和可热固化的二乙烯醚。如果存在，粘合剂的量可能存在的范围为按阴极活性层重量计2%至30%。在一些实施例中，本文中所描述的阴极包括一个导电性多孔支撑结构和基本上包含在支撑结构的孔内的多个包含硫(例如作为活性物种)的颗粒。
某些实施例可包括多层结构和/或电化学装置，其中施加力用于提高该装置的性能。在电化学电池中施加力的优点的描述见例如，美国专利申请序列号12/535，328,2009 年8月4日提交，作为美国专利公开号2010/0035128公开，题为“在电化学电池中施加力”; 美国专利申请序列号12/727，862，2010年3月19日提交，题为“锂电池的阴极”;美国专利申请序列号12/862, 581，2010年8月24日提交，题为“包含含硫多孔结构的电化学电池”; 美国专利申请序列号12/862，563，2010年8月24日提交，题为“包含含硫多孔结构的电化学电池”；美国专利申请序列号12/862, 551，2010年8月24日提交，题为“包含含硫多孔结构的电化学电池”，和美国专利申请序列号:12/862，576，2010年8月24日提交的，题为“包含含硫多孔结构的电化学电池”。例如，施加力到电化学电池(和/或多层结构)可能会降低一个或多个电极的一个或多个表面的粗糙度的量，这可以改善电池的循环寿命和性能。在某些情况下，该力可提供电极的导电材料之间的改进的导电性(例如在阴极中的碳)。在一些实施例中，在施加力限定本文中所描述的任何范围内的压强，和/或使用本文中所描述的任何施加力的方法期间，本文中所描述的多层结构和/或电化学电池可包括本文中所描述的任何非导电材料层的厚度、电极间距和/或非导电材料层的电阻性能。
在一些实施例中，可以施加各向异性力使得力的一个分量垂直于电极(例如阳极，如锂阳极)的活性表面。参照图1D，在箭头181的方向可施加一个力。箭头182示出了该力的分量，该力垂直于在界面150A处的电极140的活性表面和在界面150B处的电极 142活性表面(以及在界面122的顶部和底部部分的电极112的表面活性)。在弯曲表面的情况下，例如，凹面或凸面，该力可以包括各向异性力，其一个分量在施加该力的点垂直于与弯曲表面相切的平面。
在一些实施例中，具有一个垂直于阳极的活性表面的分量的各向异性力在电化学电池的充电和/或放电过程中的至少一个周期的时间的过程中施加。在一些实施例中,可在一个周期的时间内，或在多个周期的时间内连续施加该力，其持续时间和/或频率可能会发生变化。在某些情况下，可在一个或多个预先确定的位置，任选地分布在阳极的活性表面，施加各向异性力。在一些实施例中，各向异性力均匀地施加在一个或多个阳极的活性表面。
“各向异性力”被赋予了其在本领域中的普通含义，是指并非在所有方向上相等的力。在所有方向上相等的力是例如，流体或材料内的流体或材料的内部压强，如一个物体的内部气体压强。并非在所有方向上相等的力的例子包括定向在特定方向上的力，如桌上的物体经由重力施加在桌上的力。各向异性力的另一个例子包括由围绕一个物体的周边安排的带件施加的力。例如，橡胶带或螺丝扣可以向被其包裹的物体周围施加力。然而，该带件可能不向不与该带接触的物体的外表面的任何部分施加任何直接的力。此外，当该带沿第一轴线扩展至比第二轴线更大的程度时，该带在平行于该第一轴线的方向上施加的力可以比平行于该第二轴线所施加的力更大。
具有一个分量垂直于表面的力，例如阳极的活性表面，被赋予了其在本领域的普通技术人员应理解的普通含义包括，例如，一个力，其自身的至少一部分施用在大致垂直于该表面的方向上。那些普通技术人员可以理解这些术语，特别适用本文献所描述的其他例子。
在一些实施例中，可以施加各向异性力使得在限定电化学电池(和/或多层结构)的截面的一个平面内的所有方向的力的大小是大致相等，但平面外的方向上的力的大小基本上不等于在平面内的力的大小。
在一组实施例中，本文中所描述的电池(其可以包括本文中所描述的多层结构) 被构造和安排，以在电池的充电和/或放电过程中的至少一个周期的时间期间，施加具有一个垂直于阳极活性表面的分量的各向异性力。那些本领域的普通技术人员将会理解这一点的含义。在此安排中，电池(和/或多层结构)可作为一个容器的一部分，该容器凭借在电池的组装期间或之后施加的“负荷”，或在电池的使用过程中施加这样的力，结果是电池本身的一个或多个部分的膨胀和/或收缩。
在一些实施例中，本文中所描述的电化学电池可以配置成使得其在施加各向异性力期间不短路(例如，在使用过程中如在电化学电池的充电和/或放电过程中，同时施加本文中所描述的任何各向异性力)。在一些实施例中，本文中所描述的电化学电池在使用过程中和在施加各向异性力期间不短路(例如，本文中所描述的任何力)超过至少I个、至少2 个、至少5个、至少10个、至少50个、或至少100个充电和放电循环。如本文所用，“充电和放电循环”是指其中一个电池从0%到100%充电状态(SOC)的充电和从100%到0% SOC 的放电的过程。在本领域的普通技术人员能够确定一个电化学电池是否短路，例如，通过测量电化学电池的开路电压(OCV)。在一些实施例中，本文中所描述的电化学电池可以被操作，使得其不具有大于I伏/小时的开路电压降(或使得它们不具有大于100毫伏/小时、 大于10毫伏/小时、大于I毫伏/小时、或大于O.1毫伏/小时的OCV下降)超过至少I 个、至少2个、至少5个、至少10个、至少50个、或至少100个充电和放电循环(例如在施加本文中所描述的任何各向异性力期间)。
在一些实施例中，所施加的力的大小足够大，以提高电化学电池的性能。在某些情况下，阳极活性表面和各向异性力可以共同选择，使得各向异性力影响阳极活性表面的表面形态，以通过充电和放电抑制阳极活性表面积增加，其中在不存在各向异性力，但在其他方面基本上相同的条件下，阳极活性表面积通过充电和放电循环在更大程度上增加。在此上下文中，“基本上相同的条件下，”是指除了力的施加和/或大小以外相似或相同的条件。 例如，其他方面都相同的条件可能是指一个相同的电池(和/或多层结构)，但它不构造成 (例如通过托架或其它连接)对目标电池施加各向异性力。
在一些实施例中，在电池的充电和/或放电过程中的至少一个周期的时间期间， 施加具有一个垂直于阳极活性表面的分量的各向异性力，相对于不存在各向异性力的表面积增加，在一定程度上有效地抑制阳极活性表面的表面积增加。垂直于阳极活性表面的各向异性力的分量可以，例如，限定压强为至少约4. 9、至少约9. 8、至少约24. 5、至少约49、 至少约78、至少约98、至少约117. 6、至少约147、至少约175、至少约200、至少约225、或至少约250牛顿每平方厘米。在一些实施例中，垂直于阳极活性表面的各向异性力的分量可以，例如，限定压强为小于约250、小于约225、小于约196、小于约147、小于约117. 6、小于约98、低于约49、小于约24. 5、或小于约9. 8牛顿每平方厘米。在某些情况下，垂直于阳极活性表面的各向异性力的分量可以，例如，限定压强介于约4. 9和约147牛顿每平方厘米之间、介于约49和约117. 6牛顿每平方厘米之间、介于约68. 6和约98牛顿每平方厘米之间、 介于约78和约108牛顿每平方厘米之间、介于约4. 9和约250牛顿每平方厘米之间、介于约49和约250牛顿 每平方厘米之间、介于约80和约250牛顿每平方厘米之间、介于约90和约250牛顿每平方厘米之间，或介于约100和约250牛顿每平方厘米之间。根据某些实施例，施加各向异性力(限定这里所概述的任何压强)不会引起电化学电池的短路(例如在使用过程中，如在电化学电池的充电和/或放电过程中)，如上所述。在一些实施例中， 电化学电池可以进行至少I个、至少2个、至少5个、至少10个、至少50个、或至少100个充电和放电循环，而施加各向异性力时(限定本文中所描述的任何压强)没有短路。在一些实施例中，力或压强可以从外部施加到电池，如本文所述。虽然本文中所描述的力和压强一般是分别以牛顿和牛顿每单位面积为单位，力和压强也可以分别表示成以千克-力(kgf) 和千克-力每单位面积为单位。本领域的普通技术人员熟悉基于千克-力的单位，并且应理解，I千克-力相当于约9. 8牛顿。
在一些实施例中，通过应用外部施加的(在一些实施例中，同轴的)压强，电极层的表面在循环过程中可以增强(例如对于锂，锂的苔藓状或粗糙表面的发展可能得以减少或消除)。在一些实施例中，外部施加的压强可以选择为大于形成电极材料层的材料的屈服应力。例如，对于含锂的电极材料，电池可能是在一个外部施加的具有限定压强的分量的各向异性力下，该压强为至少约8kgf/cm2、至少约9kgf/cm2、或至少约10kgf/cm2。这是因为锂的屈服应力是约7-8kgf/cm2。因此，在大于这个值的压强(例如同轴压强)下，苔藓状Li 或者任何所有的表面粗糙度可得以减少或抑制。锂表面粗糙度可能会模仿按压它的表面。 因此，在至少约8kgf/m2、至少约9kgf/cm2或至少约10kgf/cm2的外部施加压强下循环时，当按压表面是平滑的时，锂表面可以随着循环变得更平滑。如本文所述，该按压表面可通过选择合适的材料放置在阳极和阴极之间来改性。例如，在某些情况下，在施加压强期间，通过使用本文中所描述的非导电材料层，可以增加锂表面(或其它活性电极材料的表面)的平滑度。
在某些情况下，施加到电池的一个或多个力具有不垂直于阳极的活性表面的分量。例如，在图1中，力184是不垂直于在界面150A处的电极140和在界面150B处的电极142的活性表面。在一组实施例中，在垂直于阳极活性表面的方向上的所有施加的各向异性力的分量的总和大于在不垂直于阳极活性表面的方向上的任何分量的总和。在一些实施例中，在垂直于阳极活性表面的方向上的所有施加的各向异性力的分量的总和是比平行于阳极活性表面的方向上的任何分量的总和大至少约5%、至少约10%、至少约20%、至少约35%、至少大于约50%、至少约75%、至少约90%、至少约95%、至少约99%、或至少约 99. 9%。
在一些实施例中，阴极和阳极具有屈服应力，其中阴极和阳极之一的有效屈服应力大于另一者的屈服应力，使得施加的垂直于阳极活性表面和阴极活性表面之一的表面的各向异性力导致阴极和阳极之一的表面形态受到影响。在一些实施例中，垂直于阳极活性表面的各向异性力的分量是介于阳极材料的屈服应力约20%和约200%之间、介于阳极材料的屈服应力约50%和约120%之间、介于阳极材料的屈服应力约80%和约120%之间、 介于阳极材料的屈服应力约80%和约100%之间、介于阳极材料的屈服应力约100%和约 300 %之间、介于阳极材料的屈服应力约100 %和约200 %之间、介于阳极材料的屈服应力约100%和约120%之间。
可以使用在本领域中已知的 任何方法施加本文中所描述的各向异性力。在一些实施例中，可以使用压缩弹簧。可以采用其他元件(无论是在包容结构的内部或外部)包括但并不限于蝶型垫圈、机用螺钉、气动装置和/或配重物，等等施加力。在某些情况下，电池被插入到包容结构之前可以预压缩，并且被插入到包容结构时，它们可能会膨胀以在电池上产生一个净力。施加这样的力的合适的方法详细描述在，例如授予Scordilis-Kelley 等人的、于2008年8月5日提交的题为“在电化学电池中施加力”的美国临时申请号 61/086，329，和授予Scordilis Kelley等人的、于2009年8月4日提交的题为“在电化学电池中施加力”的美国专利申请号12/535，328，其全部内容通过弓I用并入本文。
本文所描述的制造的多层结构和电化学电池的某些现有方法涉及向最终并入到电化学电池的基板上沉积电极部件。该基板通常具有足够的厚度和/或由合适的材料形成，以与电极制造工艺兼容。例如，作为电活性材料的包含锂金属的电极的制造可能涉及在相对高温和高速率下真空沉积锂金属，这将导致某些基板弯曲，除非该基板由某些材料制成或具有足够的厚度。然而，如果基板并入电池，有些适用于这样的制造步骤的基板可能最终降低电池的性能。比如，厚基板可能防止弯曲，并因此允许沉积一个厚层的电活性材料， 但可能会降低电池的比能量密度。此外，某些并入到电化学电池的基板，可以在循环过程中与化学物种发生不利的反应。为了纠正这些问题，本文所描述的某些实施例中可能涉及，使用释放层使电极与基板分开的电极制造方法，在将该电极组装到电化学电池期间或之后， 该基板然后可以从该电极除去。例如，图2含有在折叠多层结构之前除去基板110的电化学电池的横截面示意图。在这组实施例中，可以通过集电器210使电极112形成电接触。集电器210可以通过，例如，释放层形成或通过将另一个层(例如，一个薄金属层)置于释放层之上形成。有利地，这样的方法可以允许当制造电极时使用与当基板并入到电化学电池时相比更多种类的基板和/或更极端的加工条件。从电化学电池中除去基板还可以减少不利反应的数量，这些反应可能在循环过程在电池中发生。
在本文中所描述的一些实施例中，一个电极或一个电化学电池包含一个或多个释放层。本文中所描述的释放层被构造和安排成具有以下特征中的一个或多个对第一层 (例如，集电器，或在其它实施例中，基板或其它层)有相对良好的粘合性，但对第二层(例如，基板，或在其它实施例中，集电器或其他层)有相对中等或差的粘合性；高的机械稳定性以便于分层而无需机械解体；高的热稳定性；对加工条件的高的相容性(例如，在释放层顶部沉积层，以及与用来形成释放层的技术的相容性)。如果释放层并入到电化学电池，释放层可以是薄的(例如，小于约10微米)，以降低电池的整体重量。释放层也应该光滑并具有均匀的厚度，以便于在释放层顶部形成均匀的层。此外，释放层应该在电解质中稳定，并且不应该干扰电极的结构完整性，以便电化学电池具有高的电化学“容量”或能量存储能力 (即，降低了容量衰减)。使用释放层，以从电化学电池的一个或多个部件中去除基板，在美国专利申请号12/862，513，2010年8月24日提交，题为“电化学电池的释放系统”中详细描述。
基板和/或释放层可以由，例如，金属、陶瓷、聚合物，或它们的组合形成。因此，该基板和/或释放层可以是导电的、半导电的或绝缘的。在一些实施例中，该基板和/或释放层包含导电金属或导电聚合物。例如，如果释放层也作为并入电化学电池的集电器，则该释放层可由适合于作为集电器使用的材料形成，如在下面更详细描述。在一些实施 例中，基板和/或释放层包括聚合型材料。在某些情况下，基板和/或释放层的聚合型材料的至少一部分是交联的；在其他情况下，该一种或多种聚合物材料基本上是未交联的。聚合物材料的实例包括，例如，含羟基的聚合物，如聚乙烯醇，聚乙烯醇缩丁醛，聚乙烯醇缩甲醛，乙酸乙烯酯-乙烯醇共聚物，乙烯-乙烯醇共聚物，和乙烯醇-甲基丙烯酸甲酯共聚物。
释放层的厚度可在从约O.1微米至约50微米的范围变化。比如，释放层的厚度可以介于O. 1-1微米厚之间，介于O.1和2微米厚之间，介于O.1和3微米厚之间，介于1-5 微米厚之间，介于5-10微米厚之间，介于5-20微米厚之间，或介于10-50微米厚之间。在某些实施例中，释放层的厚度是，例如，约10微米或更小，约7微米或更小，约5微米或更小，约3微米或更小，约2. 5微米或更小，约2微米或更小，约1. 5微米或更小，约I微米或更小，或约O. 5微米或更小。相对较厚的释放层可能适合于释放层没有并入电化学电池的应用场合(例如，其与载体基板一起释放)，而当其中释放层并入电化学电池是可能希望相对较薄的释放层。
此外，基板可具有任何合适的厚度。例如，基板的厚度可以约5微米或更大，约15 微米或更大，约25微米或更大，约50微米或更大，约75微米或更大，约100微米或更大，约 200微米或更大的，约500微米或更大，或约I毫米或更大。在某些情况下，基板的厚度等于或大于形成于该基板上的释放层的厚度。相对厚的基板可能适合于基板没有并入最终组装的电化学电池的应用场合(例如，在电池制造过程中通过使用释放层将其释放)。在某些实施例中，基板并入电化学电池，在某些这样的实例中，使用相对较薄的基板是合适的。
电化学电池和/或多层结构可以包括任何合适的集电器。在某些情况下，该集电器置于与电化学电池和/或多层结构内的电极直接相邻。集电器是有益的，其有效地收集整个电极产生的电流，并提供一个用于附接通向外部电路的电接触件的有效的表面。许多种不同的集电器在本领域中是已知的。合适的集电器可以包括，例如，金属箔类(例如，铝箔)，聚合物膜类，金属化聚合物膜类(例如，镀铝的塑料薄膜，例如镀铝的聚酯膜)，导电高分子膜类，具有导电涂层的聚合物膜类，具有导电金属涂层的导电聚合物膜类，以及有导电粒子分散其中的聚合物薄膜类。
在一些实施例中，集电器包括一种或多种导电金属，如铝、铜、铬、不锈钢和镍。例如，集电器可含有铜金属层。任选的另一种导电金属层，如钛可以置于铜层上。钛可能促进铜层粘合到另一种材料，例如电活性材料层。其他集电器可包括，例如，多孔金属、金属网、 金属栅、多孔金属栅、金属纤维、织造碳织物、织造碳网、非织造碳网、和碳毡。此外，集电器可以是电化学惰性的。然而，在其它实施例中，集电器可以包含电活性材料。例如，集电器可以包含用作电活性材料层的材料(例如，如本文所述的作为阳极或阴极的那些)。
集电器可以通过任何合适的方法置于表面上(例如，释放层的一个表面)，如层叠、溅射和气相沉积。在某些情况下，集电器作为市售的与电 化学电池和/或多层结构部件层叠的片材被提供。在其他情况下，集电器在电极的制造过程中通过将导电材料沉积在合适的表面上形成。
集电器可具有任何合适的厚度。例如，集电器的厚度可以是，例如，介于O.1和O. 5 微米厚之间，介于O.1和O. 3微米厚之间，介于O.1和2微米厚之间，介于1-5微米厚之间， 介于5-10微米厚之间，介于5-20微米厚之间，或介于10-50微米厚之间。在某些实施例中， 集电器的厚度是，例如，约20微米或更小，约12微米或更小，约10微米或更小，约7微米或更小，约5微米或更小，约3微米或更小，约I微米或更小，约O. 5微米或更小，或约O. 3微米或更小。在一些实施例中，在电极的制造过程中使用释放层，可以允许形成或使用一个非常薄的集电器，它可以降低电池(和/或多层结构)的整体重量，从而增加了电池的能量密度。在一些实施例中，多个多层结构可以堆叠在彼此的顶部，以形成具有相对于单个多层结构而言较高电压的电化学电池(例如，在电串联的情况下)，或具有更高的容量和电流处理能力(例如，在电并联的情况下)。例如，在图3中示出的一组实施例中，两个多层结构已被堆叠在彼此的顶部，以形成堆叠300。在一些实施例中，堆叠的多层结构可以包括至少2个、至少3个、至少4个、至少5个、至少10个、至少50个、至少100个,或更多的多层结构。美国临时专利申请序列号61/376,554，2010年8月24日提交，题为“用于电化学电池的非导电材料”，出于所有目的其全部内容通过引用并入本文。此外，以下文献出于所有目的其全部内容通过引用并入本文美国专利号7，247，408，2001年5月23日提交，题为“用于电化学电池的锂阳极材料”；美国专利号5，648，187，1996年3月19日提交，题为“用于锂聚合物电池的稳定阳极材料”；美国专利号5，961，672，1997年7月7日提交，题为“用于锂聚合物电池的稳定阳极材料”；美国专利号5，919，587，1997年5月21日提交，题为“新型复合阴极，包含新型复合阴极的电化学电池，和其制造方法”，美国专利申请序列号=11/400, 781，2006年4月6日提交，作为美国公开号2007-0221265公开，题为“可充电锂电池/水，锂/空气电池”；国际专利申请序列号PCT/US2008/009158，2008年7月29日提交，作为国际公开号W0/2009017726公开，题为“锂电池的膨胀抑制”；美国专利申请序列号12/312,764，2009年5月26日提交，作为美国公开号2010-0129699公开，题为“电解质的分离”；国际专利申请序列号PCT/US2008/012042，2008年10月23日提交，作为国际公开号W0/2009054987公开，题为“用于电池电极的底胶”；美国专利申请序列号12/069,335，2008年2月8日提交，作为美国公开号2009-0200986公开，题为“用于能量储存装置的保护电路”；美国专利申请序列号11/400，025，2006年4月6日提交，作为美国公开号2007-0224502公开，题为“在水性和非水性电化学电池，包括可充电锂离子电池的电极保护”；美国专利申请序列号11/821，576，2007年6月22日提交，作为美国公开号2008/0318128，题为“锂合 金/硫电池”公开；专利申请序列号11/111, 262，2005年4月20号提交，作为美国公开号2006-0238203公开，题为“锂硫可充电电池电量计的系统和方法”；美国专利申请序列号11/728, 197，2007年3月23日提交，作为美国公开号2008-0187663公开，题为“可聚合单体和非可聚合载体溶剂/盐混合物/溶液的共闪蒸”；国际专利申请序列号PCT/US2008/010894，2008年9月19日提交，作为国际公开号W0/2009042071公开，题为“用于锂离子电池的电解质添加剂及相关方法”；国际专利申请序列号=PCT/US2009/000090，2009年I月8日提交，作为国际公开号W0/2009/089018公开，题为“多孔电极和相关方法”;美国专利申请序列号12/535，328，2009年8月4日提交，作为美国公开号2010/0035128公开，题为“在电化学电池中施加力”;美国专利申请序列号12/727, 862，2010年3月19日提交，题为“用于锂电池的阴极”，美国专利申请序列号:12，471，095，2009年5月22日提交，题为“封闭样品架和在受控大气环境下进行微观分析的方法”;美国专利申请序列号12/862，513，2010年8月24日提交，题为“用于电化学电池的释放系统”；(要求临时专利申请序列号61/236，322，2009年8月24日提交，题为“用于电化学电池的释放系统”的优先权)；美国专利申请号12/862，581，2010年8月24日提交，题为“包含多孔结构包含硫的电化学电池”[事务所案卷号S1583. 70024US01];美国专利申请序列号12/862，563，2010年8月24日提交，题为“包含多孔结构包含硫的电化学电池”事务所案卷号[S1583. 70029US00];美国专利申请序列号12/862, 551，2010年8月24日提交，题为“包含多孔结构包含硫的电化学电池”[事务所案卷号S1583. 70030US00];美国专利申请序列号12/862, 576，2010年8月24日提交，题为“包含多孔结构包含硫的电化学电池”[事务所案卷号S1583. 70031US00];美国专利申请序列号61/385, 343，2010年9月22日提交，题为“低电解质电化学电池”；美国专利申请序列号13/033，419，2011年2月23日提交，题为“用于能量储存装置的多孔结构”；美国专利申请序列号12/862，528，2010年8月24日提交，题为“电化学电池”;和美国临时专利申请序列号61/498，339，2011年6月17日提交，题为“用于电极的电镀技术”。本文所公开的所有其他专利和专利申请也出于所有目的其全部内容通过弓I用并入本文。下面的实施例旨在示出本发明的某些实施例，但不举例说明本发明的全部范围。实例I本实例描述了电化学电池的制造和使用，该电化学电池包含涂覆有非导电材料层的电极并将其折叠以形成电池。在这个例子中，采用锂阳极和硫阴极。要生产非导电材料涂覆的阳极，导电的0.1微米厚的Cu层沉积在50微米厚的聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)基板上。此外，一个25微米厚的锂层真空沉积在该结构上。接着，该叠材料涂覆了 9微米厚的聚合物/SiO2复合非导电材料。非导电复合材料是通过涂覆和UV固化具有以下组成的混合物而创造的缩水甘油基丁基醚(83. 5wt% )，双苯
-F(IOwt% )，光引发剂 PC-2506(2wt% )，和 TS-720 二氧化硅(4. 5wt% )。涂覆了一层具有上述组合物的混合物后，将样品以轮转速度3ft/min通过UV光下。涂覆后和固化后的层一旦干燥后，进行电阻测量。具有面积47cm2的抛光表面的铜块置于涂覆的表面上。连接到铜块和锂阳极的万用表显示开路或电阻(即，高于IO8欧姆的电阻。对于9微米厚的层，这相当于电阻大于5. 22 * 101°欧姆米，使用如下的公式计算
权利要求
1.一种方法，包括提供一种多层结构，该多层结构包括一个非导电材料层，一个基本上连续的电极，该电极包括远离该非导电材料层取向的一个电极表面并限定一个第一电极表面部分和一个第二电极表面部分；并且沿一条轴线折叠该多层结构使得该第一电极表面部分朝向该第二电极表面部分。
2.根据权利要求1所述的方法，其中该非导电材料层和该电极相接触。
3.根据权利要求1所述的方法，其中该非导电材料层和该电极之间包括至少一种中间材料。
4.根据权利要求1所述的方法，其中提供该多层结构包括放置该非导电材料层和电极使其彼此相邻，以形成该多层结构。
5.根据权利要求1所述的方法，其中该电极为阳极。
6.根据权利要求1所述的方法，其中该电极为阴极。
7.根据权利要求4所述的方法，其中放置该非导电材料层和电极使其彼此相邻包括在该电极上形成该非导电材料层。
8.根据权利要求1所述的方法，其中该暴露的电极表面的第一部分与该暴露的电极表面的第二部分相接触。
9.根据权利要求1所述的方法，其中该暴露的电极表面的第一部分与该暴露的电极表面的第二部分隔开。
10.根据权利要求1所述的方法，进一步包括邻近该暴露的涂层表面的至少一部分放置一个第二电极，其中该第一电极具有第一极性，并且该第二电极具有与该第一极性相反的第二极性。
11.根据权利要求1所述的方法，其中该电极是在基板上形成。
12.根据权利要求11所述的方法，其中该基板是导电的。
13.根据权利要求10所述的方法,进一步包括施加一个各向异性力，其一个分量垂直于该第一和/或第二电极的活性表面。
14.根据权利要求13所述的方法，其中当跨过该第一和第二电极施加的电压为至少约 I伏时，该第一和第二电极之间的电阻为至少约100欧姆。
15.根据权利要求13所述的方法，其中该各向异性力限定的压强为至少约4.9牛顿每平方厘米。
16.一种多层结构，其中通过该结构的本体截取的横截面包括具有第一极性的一个第一电极层部分；具有与该第一极性相反的第二极性的一个第二电极层部分；具有该第一极性的一个第三电极层部分；在该第一和第二电极层部分之间的一个第一非导电材料层部分；以及在该第二和第三电极部分之间的第二非导电材料层部分，其中该第一和第二非导电材料层部分是由非导电材料的一个第三部分直接连接；以及在该第一和第二电极层部分之间的平均距离和/或在该第二和第三电极层部分之间的平均距呙小于约100微米。
17.根据权利要求16所述的多层结构，其中该第一、第二和第三非导电材料层部分各 自是一个基本上连续的非导电材料层的一部分。
18.根据权利要求16所述的多层结构，其中这些电极层部分中的至少一个是阳极的一 部分。
19.根据权利要求18所述的多层结构，其中该阳极包括锂。
20.根据权利要求16所述的多层结构，其中该第一和第三电极层部分是阳极的一部 分，该第二电极层部分是阴极的一部分。
21.根据权利要求16所述的多层结构，其中这些电极层部分中的至少一个是阴极的一 部分。
22.根据权利要求21所述的多层结构，其中该阴极包括硫。
23.根据权利要求16所述的多层结构，其中该第一和第三电极层部分是阴极的一部 分，该第二电极层部分是阳极的一部分。
24.根据权利要求16所述的多层结构，其中该第一和第二电极层部分之间的平均距离 小于约100微米。
25.根据权利要求16所述的多层结构，其中该第一和第二电极层部分之间的平均距离 小于约50微米。
26.根据权利要求16所述的多层结构，其中该第一和第二电极层部分之间的平均距离 小于约20微米。
27.根据权利要求16所述的多层结构，其中该第一和第二电极层部分之间的平均距离 小于约10微米。
28.根据权利要求16所述的多层结构，其中该第一和第二电极层部分之间的平均距离 小于约5微米。
29.根据权利要求16所述的多层结构，其中该第一和第二电极层部分之间的平均距离 小于约1微米。
30.根据权利要求16所述的多层结构，其中该第二和第三电极层部分之间的平均距离 小于约100微米。
31.根据权利要求16所述的多层结构，其中该第二和第三电极层部分之间的平均距离 小于约50微米。
32.根据权利要求16所述的多层结构，其中该第二和第三电极层部分之间的平均距离 小于约20微米。
33.根据权利要求16所述的多层结构，其中该第二和第三电极层部分之间的平均距离 小于约10微米。
34.根据权利要求16所述的多层结构，其中该第二和第三电极层部分之间的平均距离 小于约5微米。
35.根据权利要求16所述的多层结构，其中该第二和第三电极层部分之间的平均距离 小于约1微米。
36.根据权利要求16所述的多层结构,其中该第一和/或第二非导电材料层部分中的 至少一个共价键合到该第一、第二和/或第三电极层部分中的至少一个。
37.根据权利要求36所述的多层结构,其中该第一和/或第二非导电材料层部分中的至少一个共价键合到该第二电极层部分。
38.根据权利要求16所述的多层结构,其中该第一和/或第二非导电材料层部分中的至少一个包括在第二电极层部分上形成的一个涂层。
39.根据权利要求16所述的多层结构,其中该第一和/或第二非导电材料层部分中的至少一个包括一种聚合物。
40.根据权利要求16所述的多层结构，进一步包括在该第二电极层部分的两部分之间的一个集电器。
41.根据权利要求40所述的多层结构，其中该集电器包括一个基板，在该基板上形成该第二电极层。
42.根据权利要求16所述的多层结构，其中该第一电极层部分和该第二电极层部分中的至少一个与该非导电材料层相接触。
43.根据权利要求16所述的多层结构，其中该第一电极层部分和该第二电极层部分中的至少一个与该非导电材料层隔开。
44.根据权利要求16所述的多层结构，其中该多层结构是电化学电池的一部分。
45.根据权利要求16所述的多层结构,其中该多层结构是可再充电电池的一部分。
46.根据权利要求16所述的多层结构，其中该多层结构被配置为使得具有一个垂直于该第一、第二和/或第三电极层的活性表面的分量的一个各向异性力被施加到该多层结构。
47.根据权利要求46所述的多层结构，其中，当跨过该第一和第二电极层施加的电压为至少约I伏时，该第一和第二电极层之间的电阻为至少约100欧姆。
48.根据权利要求46所述的多层结构，其中该各向异性力限定的压强为至少约4.9牛顿每平方厘米。
49.一种电化学电池，包括具有第一极性的一个第一电极部分；具有与该第一极性相反的第二极性的一个第二电极部分；具有该第一极性的一个第三电极部分；以及一个基本上连续的非导电材料层，该非导电材料层具有在该第一电极部分和第二电极部分之间的一个第一部分、在该第二电极部分和第三电极部分之间的一个第二部分、以及直接接触该第一和第二部分的一个第三部分，其中在该第一和第二电极层部分之间的平均距离和/或该第二和第三电极层部分之间的平均距离小于约100微米。
50.根据权利要求49所述的电化学电池，其中该非导电材料层在干燥时展现的电阻为至少约IO5欧姆米。
51.根据权利要求49所述的电化学电池,其中该第一和第三电极部分是阳极的一部分，该第二电极部分是阴极的一部分。
52.根据权利要求49所述的电化学电池,其中该第一和第三电极部分是阴极的一部分，该第二电极部分是阳极的一部分。
53.根据权利要求49所述的电化学电池,其中该第一电极部分和第二电极部分之间的平均距离小于约100微米。
54.根据权利要求49所述的电化学电池，其中该第二电极部分和第三电极部分之间的平均距离小于约100微米。
55.根据权利要求49所述的电化学电池，其中该非导电材料层共价键合到该第二电极部分。
56.根据权利要求49所述的电化学电池,其中该非导电材料层包括在该第二电极部分上形成的一个涂层。
57.根据权利要求49所述的电化学电池,其中该第一电极部分、第二电极部分和第三电极部分中的至少一个与该非导电材料层相接触。
58.根据权利要求49所述的电化学电池,其中该第一和第三电极部分中的至少一个是基本上平面式的。
59.根据权利要求49所述的电化学电池，其中该电化学电池被配置为，使得具有一个垂直于该第一、第二和/或第三电极的活性表面的分量的一个各向异性力被施加到该电化学电池。
60.根据权利要求59所述的电化学电池，其中在使用过程中，该电化学电池在施加该各向异性力期间不短路。
61.根据权利要求59所述的电化学电池，其中该各向异性力限定的压强为至少约4.9 牛顿每平方厘米。
62.一种电化学电池，包括一个基板，该基板具有一个第一基板表面部分和背向该第一基板表面部分的一个第二基板表面部分；一个第一电极，该第一电极具有邻近该第一基板表面部分的一个第一部分和邻近该第二基板表面部分的一个第二部分；一个第二电极，该第二电极具有面向该第一电极的第一部分的一个第一表面部分和背向该第二电极的第一表面部分的一个第二表面部分；以及一个基本上连续的非导电材料层，该非导电材料层具有在该第一电极的第一部分和该第二电极的第一部分之间的一个第一部分、邻近该第一电极的第二表面部分的一个第二部分、以及直接接触该第一和第二部分的一个第三部分。
63.根据权利要求62所述的电化学电池，其中，当该第一和第二电极之间施加的电压为至少约I伏时，该电化学电池的电阻为至少约100欧姆。
64.根据权利要求62所述的电化学电池，其中该基板是导电的。
65.根据权利要求62所述的电化学电池,其中该第一电极与该基板相接触。
66.根据权利要求62所述的电化学电池,其中至少一种中间材料置于该第一电极和该基板之间。
67.根据权利要求62所述的电化学电池,其中该非导电材料层与该第一电极相接触。
68.根据权利要求62所述的电化学电池,其中该非导电材料层包括一个基本上连续的、置于该第一电极上的层。
69.根据权利要求62所述的电化学电池，其中该电化学电池被配置成使得具有一个垂直于该第一和/或第二电极的活性表面的分量的一个各向异性力被施加到该电化学电池。
70.根据权利要求69所述的电化学电池，其中在使用过程中，该电化学电池在施加该各向异性力期间不短路。
71.根据权利要求69所述的电化学电池，其中该各向异性力限定的压强为至少约4.9 牛顿每平方厘米。
72.—种电化学电池，包含多层结构，该多层结构含有按所描述的顺序放置的如下层部分，任选地使任何数量的相同或不同材料的其它层插入所描述的层之间具有第一极性的一个第一电极层部分；具有第二极性的一个第二电极层部分；具有该第二极性的一个第三电极层部分；以及具有该第一极性的一个第四电极层部分，其中该第二电极层部分和该第三电极层部分是一个单一的、基本上连续的电极的多个部分，以及其中在该第二和第三电极层部分之间未放置具有该第一极性的电极部分。
73.根据权利要求72所述的电化学电池，进一步包括在该第一电极层部分和第二电极层部分之间的一个非导电材料层部分。
74.根据权利要求72所述的电化学电池，进一步包括在该第三电极层部分和第四电极层部分之间的一个非导电材料层部分。
75.根据权利要求72所述的电化学电池，进一步包括在该第一电极层部分与第二电极层部分之间的一个第一非导电材料层部分和在该第三电极层部分与第四电极层部分之间的一个第二非导电材料层部分。
76.根据权利要求75所述的电化学电池，其中该第一和第二非导电材料层部分直接连接。
77.根据权利要求75所述的电化学电池,其中该第一和第二非导电材料层部分各自是一个基本上连续的层的一部分。
78.根据权利要求72所述的电化学电池，进一步包括在该第二电极层部分和第三电极层部分之间的一个第一基板部分。
79.根据权利要求78所述的电化学电池，进一步包括在该第一基板部分和第二电极层部分之间的一个第二基板部分。
80.根据权利要求79所述的电化学电池,其中该第一和第二基板部分各自是一个基本上连续的基板的一部分。
81.根据权利要求72所述的电化学电池，其中该电化学电池被配置为使得具有一个垂直于第一电极层部分、第二电极层部分、第三电极层部分和/或第四电极层部分的活性表面的分量的一个各向异性力被施加到该电化学电池。
82.根据权利要求81所述的电化学电池，其中在使用过程中，该电化学电池在施加该各向异性力期间不短路。
83.根据权利要求81所述的电化学电池，其中该各向异性力限定的压强为至少约4.9 牛顿每平方厘米。
全文摘要
总体上描述了与在电化学电池中非导电材料的配置相关的制品、系统和方法以及相关的部件。某些本发明的电化学电池的配置包括一种非导电材料(例如作为电解质的一部分)，其被配置为包绕在一个电极的边缘周围，以防止电化学电池的短路。在一些实施例中，非导电材料层可以被安排成使得其包括第一和第二部分(电极每一侧一个)，以及邻近电极的边缘的第三部分，该第三部分直接连接该第一和第二部分(且，在某些情况下，基本上是与该第一和第二部分连续的)。非导电材料层可以相对较薄，同时在阳极和阴极之间保持相对高的电绝缘，使其产生一个具有相对低的质量和/或体积的电化学电池。例如，上述安排可通过形成一个多层结构来形成，该多层结构包括电极和非导电材料层(例如作为一个涂层)，并折叠该多层结构，使得该非电导电材料覆盖所产生的折痕的凸表面部分。
文档编号H01M2/10GK103069609SQ201180040865
公开日2013年4月24日 申请日期2011年8月24日 优先权日2010年8月24日
发明者尤里·V·米哈利克, 约翰·D·阿菲尼托, 伊戈尔·科瓦列夫, 赖利·奥克斯·朔克 申请人:赛昂能源有限公司