阅读说明：本技术 用于改进电化学电池中的安全特征的系统和方法 (System and method for improving safety features in electrochemical cells ) 是由 福岛孝明 R·霍尔曼 R·巴扎雷拉 M·R·泰勒 太田直树 于 2018-02-01 设计创作，主要内容包括：本文描述的实施例总体上涉及用于改进电化学电池中的安全特征的系统和方法。尤其,如本文描述的系统和方法可以解决与电化学电池中的气体产生有关的安全问题。电化学电池包括壳体,所述壳体包括具有第一密封区域的第一部分和具有第二密封区域的第二部分。(Embodiments described herein relate generally to systems and methods for improving safety features in electrochemical cells. In particular, the systems and methods as described herein may address safety issues related to gas generation in electrochemical cells. An electrochemical cell includes a housing including a first portion having a first sealing region and a second portion having a second sealing region.)

用于改进电化学电池中的安全特征的系统和方法

相关申请的交叉参考

本申请要求享有2017年2月1日提交的题名为“Systems and Methods forImproving Safety Features in Electrochemical Cells”的美国临时专利申请序列No.62/453,197的优先权和权益，其全部公开内容通过参考包含于此。

背景技术

虽然锂离子电池(或电化学电池)已经变得普及，但是这些装置的消费者安全性也已经变得至关重要。在常规操作中，电化学反应在锂离子电池内部发生以发电。这些反应也产生副产物。尤其，在锂离子电池的形成、操作和储存期间产生的气态产物带来了巨大的技术挑战。在形成期间释放的气体需要额外的脱气过程，从而增加了生产成本。在形成的电池循环期间尤其是在过充电条件下的气体逸出，可以导致内部压力积聚、性能退化和潜在的安全故障。在储存期间尤其是在高温下的气体产生可以导致产品的保存期限缩短。由于潜在的有害尺寸变化和包装破损，对于包装在软箔层压塑料中的电池而言，困境也是具有挑战性的。

发明内容

本文描述的实施例总体上涉及用于改进电化学电池中的安全特征的系统和方法。尤其，本文描述的系统和方法可以解决与电化学电池中的气体产生有关的安全问题。

在某些实施例中，一种设备包括用于电化学电池的壳体，所述壳体包括具有第一密封区域的第一部分和具有第二密封区域的第二部分。所述壳体的所述第一部分可以被配置成部分地限定第一腔体，所述第一腔体被配置成接收阴极，并且所述壳体的所述第二部分可以被配置成部分地限定第二腔体，所述第二腔体被配置成接收阳极。在所述阴极与所述阳极之间布置有分离器，并且所述分离器被耦合到所述第一密封区域的一部分和所述第二密封区域的一部分。在所述第一密封部分的一部分与所述第二密封部分之间布置有流体流动路径，并且所述流体流动路径被配置成允许在所述电化学电池的操作期间产生的气体从所述第一腔体和所述第二腔体中的至少一个流到在所述壳体外侧的区域。

在某些实施例中，所述设备可以包括与所述第一腔体和所述第二腔体中的至少一个流体地耦合的第三腔体，所述第三腔体被配置成接收在所述电化学电池的操作期间产生的所述气体。在某些实施例中，所述第三腔体是在所述壳体的外部。在某些实施例中，所述第三腔体在第一配置中被流体地耦合到所述第一腔体和所述第二腔体中的至少一个，并且在第二配置中与所述第一腔体和所述第二腔体流体地隔离。在某些实施例中，所述第三腔体被配置成在所述第二配置中可从所述壳体去除。在某些实施例中，所述第三腔体具有介于所述壳体的容积的约5％至约50％之间的容积。

在某些实施例中，所述设备被配置成使得所述分离器延伸通过所述第一密封区域和所述第二密封区域以形成从所述第一腔体和所述第二腔体中的至少一个至在所述壳体外侧的所述区域的所述流体流动路径。在某些实施例中，形成所述流体流动路径的所述分离器的部分是多孔的。在某些实施例中，所述流体流动路径被配置成在不干扰所述电化学电池的正常操作的情况下流体地连通所述气体。在某些实施例中，所述分离器的所述多孔部分具有约1％至约90％的孔隙率。在某些实施例中，所述分离器的所述多孔部分具有尺寸为约1μm至约200μm的小孔。

在某些实施例中，所述设备包括用于电化学电池的壳体，所述壳体包括具有第一密封区域的第一部分和具有第二密封区域的第二部分。所述壳体的所述第一部分被配置成部分地限定第一腔体，所述第一腔体被配置成接收阴极，并且所述壳体的所述第二部分被配置成部分地限定第二腔体，所述第二腔体被配置成接收阳极。在所述阴极与所述阳极之间布置有分离器，并且所述分离器被耦合到所述第一密封区域的一部分和所述第二密封区域的一部分。

在某些实施例中，所述设备可以包括安全机构，所述安全机构被可操作地耦合到所述电化学电池并且被配置成当在所述第一腔体和所述第二腔体中的至少一个内的气体压力超过阈值时终止所述电化学电池的电气操作。在某些实施例中，所述安全机构可以包括所述壳体的变薄部分，所述变薄部分被配置成当在所述第一腔体和所述第二腔体中的至少一个内的气体压力超过所述阈值时打开。在某些实施例中，所述阈值气体压力是介于约5psi和约2000psi之间。在某些实施例中，所述阈值气体压力大于将使所述电化学电池突变地失效的预测气体压力的约40％。在某些实施例中，与所述壳体的其它部分相比，所述变薄部分具有小于约0.5的厚度比。

在某些实施例中，所述安全机构可以包括电路中断装置，所述电路中断装置被配置成当在所述第一腔体和所述第二腔体中的至少一个内的气体压力超过所述阈值时将所述电化学电池与电路断开。在某些实施例中，所述设备还包括电耦合到所述阴极的阴极突片(tab)和电耦合到所述阳极的阳极突片。在某些实施例中，所述电路中断装置可以包括形成在所述阴极突片和所述阳极突片中的至少一个中的狭窄部分，所述狭窄部分被配置成当在所述第一腔体和所述第二腔体中的至少一个内的气体压力超过所述阈值时破裂。

在某些实施例中，所述设备被配置成使得所述阴极被电耦合到阴极集电器并且所述安全机构被配置成当在所述第一腔体和所述第二腔体中的至少一个内的气体压力超过所述阈值时将所述阴极与所述阴极集电器和所述分离器中的至少一个物理地分离，由此终止所述电化学电池的电气操作。

在某些实施例中，所述设备被配置成使得所述阳极被电耦合到阳极集电器并且所述安全机构被配置成当在所述第一腔体和所述第二腔体中的至少一个内的气体压力超过所述阈值时将所述阳极与所述阳极集电器和所述分离器中的至少一个物理地分离，由此终止所述电化学电池的电气操作。

在某些实施例中，所述设备包括用于电化学电池的壳体，所述壳体包括具有第一密封区域的第一部分和具有第二密封区域的第二部分。所述壳体的所述第一部分被配置成部分地限定第一腔体，所述第一腔体被配置成接收阴极，并且所述壳体的所述第二部分被配置成部分地限定第二腔体，所述第二腔体被配置成接收阳极。在所述阴极与所述阳极之间布置有分离器，并且所述分离器被耦合到所述第一密封区域和所述第二密封区域，所述分离器的一部分延伸通过所述第一密封区域和所述第二密封区域以产生从所述第一腔体和所述第二腔体中的至少一个至在所述壳体外侧的区域的流体流动路径。

在某些实施例中，形成所述流体流动路径的所述分离器的部分是多孔的。在某些实施例中，所述分离器的所述多孔部分具有约1％至约90％的孔隙率。在某些实施例中，所述分离器的所述多孔部分具有尺寸为约1μm至约200μm的小孔。在某些实施例中，所述分离器的所述多孔部分被配置成允许在所述电化学电池的操作期间产生的气体从所述第一腔体和所述第二腔体中的至少一个流到在所述壳体外侧的所述区域。在某些实施例中，所述流体流动路径被配置成在不干扰所述电化学电池的正常操作的情况下流体地连通所述气体。在某些实施例中，在所述电化学电池的形成期间、在所述电化学电池的正常操作期间以及当在所述壳体内的气体压力超过阈值时这三种情况中的至少一种情况下形成所述气体。在某些实施例中，所述阈值气体压力是介于约5psi和约2000psi之间。在某些实施例中，所述阈值气体压力大于将使所述电化学电池突变地失效的预测气体压力的约40％。

附图说明

图1A至图1C示出根据实施例的电化学电池的示意图，所述电化学电池包括用于释放在电池的操作期间产生的气体的通气口。

图2A至图2C示出根据实施例的电化学电池的示意图，所述电化学电池使用多孔分离器以释放在电池的操作期间产生的气体。

图3示出根据实施例的电化学电池的示意图，所述电化学电池包括辅助袋以吸收气体和调节电池内的气体压力。

图4A至图4C示出根据实施例的电化学电池的示意图，所述电化学电池包括单袋电路中断装置以保护电池免受由于气体产生引起的过压。

图5示出根据实施例的电化学电池的示意图，所述电化学电池包括在电池外壳内的针以保护电池免受过压。

图6A至图6C示出根据某些实施例的采用电极的分层的安全机构的示意图。

具体实施方式

本文描述的实施例总体上涉及用于改进电化学电池中的安全特征的系统和方法。尤其，本文描述的系统和方法可以改进相对于电化学电池中的气体产生的安全性。

由于电解质分解而导致的气体产生通常是高性能可再充电电池的主要问题之一，尤其是基于锂离子(“Li-ion”)的电池。例如，由于电解质溶剂的氧化和还原而导致的连续析气是在高压LiN1_0.5Mn_1.5O₄/石墨袋式电池中发生。另外，电解质中的金属溶解和由高电势引起的分解产物可以对气体产生有不利影响，尤其是在第一次充电循环中(即，在石墨固体-电解质界面层形成期间)。

在锂离子电池的各种设计之中，袋式电池被广泛地使用，这是因为它们是柔性的和轻质的，并且可以实现较高的包装效率(例如，约90％至95％)。在典型的袋式电池中，导电箔突片被焊接到电极并且被密封到袋，以将袋的正极和负极端子带到袋的外侧。

在袋式电池中，气体产生可以导致肿胀，并且来自肿胀的压力可以使电池盖破裂而打开并且在某些情况下使显示器或电子电路断开。照惯例，制造商添加多余的薄膜而在袋式电池的外侧创造“气囊”以在第一次充电期间容纳气体。然后，气囊可以被切断，并且包装作为整饰工艺的一部分被释放。然而，这种方法并未解决在后续充电期间尤其是在将电池交付给客户之后的气体积聚的问题。

在某些实施例中，一种设备包括用于电化学电池的壳体，所述壳体包括具有第一密封区域的第一部分和具有第二密封区域的第二部分。所述壳体的所述第一部分可以被配置成部分地限定第一腔体，所述第一腔体被配置成接收阴极，并且所述壳体的所述第二部分可以被配置成部分地限定第二腔体，所述第二腔体被配置成接收阳极。在所述阴极与所述阳极之间布置有分离器，并且所述分离器被耦合到所述第一密封区域的一部分和所述第二密封区域的一部分。在所述第一密封部分的一部分与所述第二密封部分之间布置有流体流动路径，并且所述流体流动路径被配置成允许在所述电化学电池的操作期间产生的气体从所述第一腔体和所述第二腔体中的至少一个流到在所述壳体外侧的区域。

在某些实施例中，所述设备可以包括与所述第一腔体和所述第二腔体中的至少一个流体地耦合的第三腔体，所述第三腔体被配置成接收在所述电化学电池的操作期间产生的所述气体。在某些实施例中，所述第三腔体是在所述壳体的外部。在某些实施例中，所述第三腔体在第一配置中被流体地耦合到所述第一腔体和所述第二腔体中的至少一个，并且在第二配置中与所述第一腔体和所述第二腔体流体地隔离。在某些实施例中，所述第三腔体被配置成在所述第二配置中可从所述壳体去除。在某些实施例中，所述第三腔体具有介于所述壳体的容积的约5％至约50％之间的容积。

在某些实施例中，所述设备被配置成使得所述分离器延伸通过所述第一密封区域和所述第二密封区域以形成从所述第一腔体和所述第二腔体中的至少一个至在所述壳体外侧的所述区域的所述流体流动路径。在某些实施例中，形成所述流体流动路径的所述分离器的部分是多孔的。在某些实施例中，所述流体流动路径被配置成在不干扰所述电化学电池的正常操作的情况下流体地连通所述气体。在某些实施例中，所述分离器的所述多孔部分具有约1％至约90％的孔隙率。在某些实施例中，所述分离器的所述多孔部分具有尺寸为约1μm至约200μm的小孔。

在某些实施例中，所述设备包括用于电化学电池的壳体，所述壳体包括具有第一密封区域的第一部分和具有第二密封区域的第二部分。所述壳体的所述第一部分被配置成部分地限定第一腔体，所述第一腔体被配置成接收阴极，并且所述壳体的所述第二部分被配置成部分地限定第二腔体，所述第二腔体被配置成接收阳极。在所述阴极与所述阳极之间布置有分离器，并且所述分离器被耦合到所述第一密封区域的一部分和所述第二密封区域的一部分。

在某些实施例中，所述设备可以包括安全机构，所述安全机构被可操作地耦合到所述电化学电池并且被配置成当在所述第一腔体和所述第二腔体中的至少一个内的气体压力超过阈值时终止所述电化学电池的电气操作。在某些实施例中，所述安全机构可以包括所述壳体的变薄部分，所述变薄部分被配置成当在所述第一腔体和所述第二腔体中的至少一个内的气体压力超过所述阈值时打开。在某些实施例中，所述阈值气体压力是介于约5psi和约2000psi之间。在某些实施例中，所述阈值气体压力大于将使所述电化学电池突变地失效的预测气体压力的约40％。在某些实施例中，与所述壳体的其它部分相比，所述变薄部分具有小于约0.5的厚度比。

在某些实施例中，所述安全机构可以包括电路中断装置，所述电路中断装置被配置成当在所述第一腔体和所述第二腔体中的至少一个内的气体压力超过所述阈值时将所述电化学电池与电路断开。在某些实施例中，所述设备还包括电耦合到所述阴极的阴极突片和电耦合到所述阳极的阳极突片。在某些实施例中，所述电路中断装置可以包括形成在所述阴极突片和所述阳极突片中的至少一个中的狭窄部分，所述狭窄部分被配置成当在所述第一腔体和所述第二腔体中的至少一个内的气体压力超过所述阈值时破裂。

在某些实施例中，所述设备被配置成使得所述阴极被电耦合到阴极集电器并且所述安全机构被配置成当在所述第一腔体和所述第二腔体中的至少一个内的气体压力超过所述阈值时将所述阴极与所述阴极集电器和所述分离器中的至少一个物理地分离，由此终止所述电化学电池的电气操作。

在某些实施例中，所述设备被配置成使得所述阳极被电耦合到阳极集电器并且所述安全机构被配置成当在所述第一腔体和所述第二腔体中的至少一个内的气体压力超过所述阈值时将所述阳极与所述阳极集电器和所述分离器中的至少一个物理地分离，由此终止所述电化学电池的电气操作。

在某些实施例中，所述设备包括用于电化学电池的壳体，所述壳体包括具有第一密封区域的第一部分和具有第二密封区域的第二部分。所述壳体的所述第一部分被配置成部分地限定第一腔体，所述第一腔体被配置成接收阴极，并且所述壳体的所述第二部分被配置成部分地限定第二腔体，所述第二腔体被配置成接收阳极。在所述阴极与所述阳极之间布置有分离器，并且所述分离器被耦合到所述第一密封区域和所述第二密封区域，所述分离器的一部分延伸通过所述第一密封区域和所述第二密封区域以产生从所述第一腔体和所述第二腔体中的至少一个至在所述壳体外侧的区域的流体流动路径。

在某些实施例中，形成所述流体流动路径的所述分离器的部分是多孔的。在某些实施例中，所述分离器的所述多孔部分具有约1％至约90％的孔隙率。在某些实施例中，所述分离器的所述多孔部分具有尺寸为约1μm至约200μm的小孔。在某些实施例中，所述分离器的所述多孔部分被配置成允许在所述电化学电池的操作期间产生的气体从所述第一腔体和所述第二腔体中的至少一个流到在所述壳体外侧的所述区域。在某些实施例中，所述流体流动路径被配置成在不干扰所述电化学电池的正常操作的情况下流体地连通所述气体。在某些实施例中，在所述电化学电池的形成期间、在所述电化学电池的正常操作期间以及当在所述壳体内的气体压力超过阈值时这三种情况中的至少一种情况下形成所述气体。在某些实施例中，所述阈值气体压力是介于约5psi和约2000psi之间。在某些实施例中，所述阈值气体压力大于将使所述电化学电池突变地失效的预测气体压力的约40％。

在某些实施例中，一种电化学电池结构被设计成用于去除电池形成阶段中的过量气体。在某些实施例中，一种电化学电池结构被放置成具有策略性放置的通气孔，所述通气孔被设计成用于减轻由在电化学电池的正常操作条件期间产生的气体引起的增大的压力。在某些实施例中，一种电化学电池结构用在层压的电极内的工程分离器策略性地密封，所述层压的电极被设计成用于减轻由在电化学电池的正常操作条件期间产生的气体引起的增大的压力。在某些实施例中，采用一种安全机构以使电极分层来处理超过预定压力阈值的电化学电池。在某些实施例中，采用一种安全机构以包括工程熔丝来终止在连接器突片处的电连接，用于处理超过预定压力阈值的电化学电池。在某些实施例中，采用一种安全机构以通过在罐式电池或包括袋式电池的电池架中采用策略性放置的针来防止电化学电池中的突变故障。

如本文所使用的，术语“约”和“大约”通常意味着所阐述的值的加或减10％，例如，约250μm将包含225μm至275μm，并且大约1000μm将包含900μm至约1100μm。

图1A至图1C示出电化学电池100的示意图，所述电化学电池100包括气体排放孔(也被简称为通气孔)以解决电池中的气体产生和潜在高压。该方法可以在其生产和使用寿命的各个阶段处使用。

电化学电池100包括布置在阴极集电器112上的阴极110(也被称为阴极材料)、布置在阳极集电器122上的阳极120(也被称为阳极材料)以及布置在它们之间的分离器130。阴极110、阴极集电器112、阳极120、阳极集电器122和分离器130的组件可以基本被容纳在袋140中，所述袋140沿着密封周边142密封。阴极突片115可以被电连接到阴极集电器112并且延伸超出袋140以用于与外部电路连接。类似地，阳极突片125被电连接到阳极集电器115并且延伸超出袋140以用于与外部电路连接。在某些实施例中，阴极突片115可以是从密封周边142延伸出的阴极集电器112的一部分，并且阳极突片125可以是从密封周边142延伸出的阳极集电器122的一部分。换句话说，阴极突片115和阳极突片125可以与它们相应的集电器成一体地形成。袋140可以将电化学电池100与电池模块或电池组中的相邻的一个或多个电池分离，由此减轻缺陷传播和火灾危险。电化学电池100还包括位于袋140的阴极侧上的通气孔145，以释放在电化学电池100的测试和/或操作期间产生的气体，由此调节袋140内的压力。

在某些实施例中，阴极材料110可以包括例如镍钴铝(NCA)、核壳梯度(Core ShellGradient)(CSG)、基于尖晶石的锂离子(LMO)、磷酸铁锂(LFP)、钴基锂离子(LCO)和镍钴锰(NCM)等。

阳极材料120可以选自各种材料。在某些实施例中，阳极材料120包括碳基材料，包括但不限于，硬碳、碳纳米管、碳纳米纤维、多孔碳和石墨烯。在某些实施例中，阳极材料120包括钛基氧化物，包括但不限于，尖晶石Li₄Ti₅O₁₂(LTO)和二氧化钛(TiO₂，二氧化钛)。在某些实施例中，阳极材料120包括合金或非合金材料，包括但不限于，硅、一氧化硅(SiO)、锗和氧化锡(SnO₂)。在某些实施例中，阳极材料120包括过渡金属化合物(例如，氧化物、磷化物、硫化物和氮化物)。过渡化合物的通式可以被写为M_xN_y，其中M可以选自铁(Fe)、钴(Co)、铜(Cu)、锰(Mn)和镍(Ni)，并且N可以选自氧(O)、磷(P)、硫(S)和氮(N)。

在某些实施例中，阳极材料120包括金属间化合物。金属间化合物可以基于表达式MM’，其中M是一种金属元素，并且M’是不同的金属元素。金属间化合物还可以包括两种以上的金属元素。金属间化合物的M原子可以是例如Cu、Li和Mn，并且金属间化合物的M’元素可以是例如Sb。示例性金属间化合物包括Cu₂Sb、Li₂CuSb和Li₃Sb等。在一个示例中，阳极材料中的金属间化合物可以具有完全无序的结构，其中M或M’原子以随机方式排列。在另一个示例中，阳极材料中的金属间化合物具有部分无序的结构，其中晶格中的M或M’原子以非随机方式排列。

在某些实施例中，阳极材料120可以是多孔的，从而增大表面积和提高在所得电极中的锂嵌入反应的速率。在一个示例中，阳极材料120包括多孔Mn₂O₃，其可以通过例如MnCO₃微球的热分解来制备。在另一个示例中，阳极材料120包括多孔碳纤维，其通过例如对聚丙烯腈和聚(l-丙交酯)的共混溶液静电纺丝并且继而通过碳化来制备。在某些实施例中，可以通过使用多孔集电器实现或增大阳极材料120的孔隙率。例如，阳极材料120可以包括Cu₂Sb，其被均匀地沉积在多孔泡沫结构上，以具有一定程度的孔隙率。

在某些实施例中，阳极材料120或阴极材料110中的至少一个可以包括半固体或凝聚的离子存储液体反应物。术语“半固体”是指该材料是液相和固相的混合物，例如，半固体、颗粒悬浮液、胶体悬浮液、乳液、凝胶或胶束。“冷凝的离子存储液体”或“冷凝的液体”是指液体不仅仅是如在水性流动池阴极电解液或阳极电解液的情况下的溶剂，而且是液体本身是氧化还原活性的。这种液体形式也可以用作为稀释剂或溶剂的另一种非氧化还原活性液体稀释或混合，包括与这种稀释剂混合以形成包含离子存储液体的低熔点液相、乳液或胶束。在某些实施例中，半固体电极组成物(在本文中也被称为“半固体悬浮液”和/或“浆液”)可以包括电化学活性剂(阳极颗粒和/或阴极颗粒)和任选的电子导电颗粒的悬浮液。阴极颗粒和导电颗粒被共悬浮在电解质中以产生阴极半固体。阳极颗粒和导电颗粒被共悬浮在电解质中以产生阳极半固体。由于施加的压力、重力或在半固体上施加力的其它实施的场，并且可选地借助于机械振动，半固体能够流动。利用半固体悬浮液的电池的示例在题名为“SEMI-SOLID ELECTRODES HAVING HIGH RATE CAPABILITY”的美国专利No.9,362,583中描述，其全部公开内容通过参考包含于此。

在某些实施例中，集电器112和122中的一个或两个可以包括导电衬底。在一个示例中，导电衬底包括金属材料，例如，铝、铜、锂、镍、不锈钢、钽、钛、钨、钒或它们的组合或合金。在另一个示例中，导电衬底包括非金属材料，例如，碳、碳纳米管或金属氧化物(例如，TiN、TiB₂、MoSi₂、n-BaTiO₃、Ti₂O₃、ReO₃、RuO₂、IrO₂等)。

在某些实施例中，集电器112和122中的一个或两个可以包括具有一个或多个表面涂层的基础衬底，从而改进集电器的机械、热、化学或电学性质。在一个示例中，集电器上的一个或多个涂层可以被配置成减少腐蚀和改变粘附特性(例如，分别为亲水或疏水涂层)。在另一个示例中，集电器上的一个或多个涂层可以包括高导电率的材料，以改进基础衬底的总电荷传输。在又一个示例中，涂层可以包括高导热率的材料，以促进基础衬底的散热和保护电池免受过热。在又一个示例中，涂层可以包括耐热或阻燃材料以防止电池发生火灾。在又一个示例中，涂层可以被配置成粗糙的，从而增大表面积和/或与阳极材料的粘附性。在又一个示例中，涂层可以包括具有与阳极材料的良好粘附或胶合性质的材料。

在某些实施例中，集电器112和122中的一个或两个可以包括具有粗糙表面的导电衬底，从而改进阳极材料与集电器之间的机械、电和热接触。集电器的粗糙表面可以增大阳极材料与集电器之间的物理接触面积，由此增大阳极材料与集电器的粘附性。增大的物理接触面积还可以改进集电器与阳极材料之间的电接触和热接触(例如，降低的电阻和热阻)。

在某些实施例中，集电器112和122中的一个或两个可以包括多孔集电器，例如，金属丝网。金属丝网(在此也被称为网格)可以包括任何数量的细丝线，其可以使用合适的工艺以各种构型组装，例如是通过编织、编结、针织等生成的规则图案或结构，或者是通过随机地分布线和通过焊接、粘合剂或其它合适技术将其连结而生成的更随机的图案或结构。而且，包括网格的线可以是任何合适的材料。例如，在某些实施例中，线是金属的，例如，钢、铝、铜、钛或任何其它合适的金属。在其它实施例中，线可以是导电的非金属材料，例如，碳纳米纤维或任何其它合适的材料。在某些实施例中，线可以包括涂层。例如，涂层可以被配置成减少腐蚀和增强或降低粘附特性(例如，分别为亲水或疏水涂层)。多孔集电器的示例在题名为“SEMI-SOLID ELECTRODE CELL HAVING A POROUS CURRENT COLLECTOR ANDMETHODS OF MANUFACTURE”的美国专利公开No.U.S.2013/0065122A1中描述，其全部公开内容通过参考包含于此。

在某些实施例中，分离器130可以是较薄的微孔膜，其将阳极110与阴极110电隔离，但允许离子在放电和充电期间穿过两个电解质之间的小孔。在某些实施例中，分离器130包括热塑性聚合物，例如，聚烯烃、聚氯乙烯、尼龙、碳氟化合物和聚苯乙烯等。在某些实施例中，分离器130包括聚烯烃材料，其包括例如聚乙烯、超高分子量聚乙烯、聚丙烯、聚丁烯、聚甲基戊烯、聚异戊二烯、其共聚物以及其组合物。示例性组合物可以包括但不限于，含有以下聚乙烯、超高分子量聚乙烯和聚丙烯中的两种或更多种的混合物，以及前述物质与共聚物诸如乙烯-丁烯共聚物和乙烯-己烯共聚物的混合物。

电化学电池100中的袋140基本包括阴极110、阴极集电器112、阳极120、阳极集电器122和分离器130。袋140可以将电化学电池100与相邻的电化学电池物理地分离，从而减轻或消除缺陷传播并且在电池制造期间便于电化学电池100的容易搬运。当借助半固体电极工作时，袋140还可以降低在电池制造中有时产生火花的可能焊接过程期间的可燃电解质着火的可能性。

在某些实施例中，阴极110、阴极集电器112、阳极120、阳极集电器122和分离器130被密封在袋140中(例如，经由真空密封)。在这些实施例中，袋140仍然可以减少或消除暴露于可以点燃电解质的火花(例如，来自焊接过程)的机会。可以在焊接过程之后执行最终密封步骤以将一个或多个单袋电池单元(single pouch battery cells)密封到外部袋或包装中，在这种情况下，外部袋或包装可以用作湿度控制。利用单袋电池单元的电池架构的示例在题名为“SINGLE POUCH BATTERY CELLS AND METHODS OF MANUFACTURE”的美国专利申请公开No.U.S.2017-0025646A1中描述，其全部公开内容通过参考包含于此。

在某些实施例中，袋140包括三层结构，即，夹在外层和内层之间的中间层，其中内层与电极和电解质接触。例如，外层可以包括尼龙基聚合物膜。内层可以包括聚丙烯(PP)聚合物膜，其可以是耐酸腐蚀的或耐其它电解质腐蚀的，并且是不溶于电解质溶剂中的。中间层可以包括铝(Al)箔。该结构使袋具有较高的机械柔韧性和强度。

在某些实施例中，袋140的外层包括聚合物材料，例如聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)、尼龙、高密度聚乙烯(HDPE)、取向聚丙烯(o-PP)、聚乙烯氯化物(PVC)，聚酰亚胺(PI)、聚砜(PSU)及其组合物。

在某些实施例中，袋140的中间层包括金属层(箔、衬底、膜等)，其包括铝(Al)、铜(Cu)、不锈钢(SUS)、它们的合金及其组合物。

在某些实施例中，袋140的内层包括诸如流延聚丙烯(c-PP)、聚乙烯(PE)、乙烯醋酸乙烯酯(EVA)及其组合物的材料。

在某些实施例中，袋140包括双层结构，即，外层和内层。在某些实施例中，外层可以包括PET、PBT或如上所述的其它材料。在某些实施例中，内层可以包括PP、PE或上述其它材料。

在某些实施例中，袋140可以包括防水层和/或阻气层。在某些实施例中，阻挡层可以包括金属层和/或氧化层。在某些实施例中，可以有益的是袋140包括氧化层，这是因为氧化层倾向于是绝缘的并且可以防止电池内的短路。

在某些实施例中，在袋140内可以仅有一个(或两个)单元电池的组件，袋140可以基本比通常用于多堆电池单元的袋薄。在某些实施例中，袋140可以具有小于200μm、小于100μm或小于50μm的厚度。在某些实施例中，袋140的厚度可以被定义为形成袋140的膜的厚度。

在某些实施例中，袋140的厚度可以取决于至少两个方面。在某些实施例中，可以期望的是在所得电池单元中实现较高能量密度，在这种情况下，由于在电池单元内的空间的较大部分可以为电极材料保留，所以较薄的袋可以是有帮助的。在某些实施例中，可以期望的是维持或改进袋140的安全优势。在某些实施例中，较厚的袋可以有助于例如减少火灾危险。在某些实施例中，袋厚度可以被量化为由袋材料占据的容积与电池单元的总容积的比率。在某些实施例中，就如上文定义的比率而言，袋厚度可以为约5％至约40％。在某些实施例中，就如上文定义的比率而言，袋厚度可以为约10％至约30％。

在某些实施例中，电化学电池100的厚度(包括袋140的厚度和电极的厚度)可以为约300μm至约3mm(例如，约300μm、约400μm、约500μm、约1mm、约2mm或约3mm，包括其间的任何值和子范围)。

在某些实施例中，袋140包括可以更薄的单层更低成本的材料。在某些实施例中，可以更薄的更低成本的材料可以是聚丙烯或是聚烯烃的组合物，其可以使用热或压力(例如，热熔合或真空密封)被密封在一起。

在某些实施例中，袋140包括单层阻燃材料，从而防止火灾危险从一个单袋电池单元传播到另一个。在某些实施例中，袋140包括防气材料，从而防止由一个单袋电池单元释放的气体传播到另一个，由此减少缺陷传播。

袋140中的通气孔145可以以各种方式产生。在某些实施例中，通气孔145可以由袋140的阴极侧上的变薄部分产生。当在袋140内生成气体并且气体压力相应地增大时，增大的压力可以破开袋上的变薄部分，从而在袋140中形成开口(即，通气孔)。

变薄部分的厚度可以取决于可以产生通气孔145的所需阈值压力。在某些实施例中，阈值压力可以为约5psi至约2000psi(例如，约5psi、约10psi、约20psi、约50psi、约100psi、约200psi、约500psi、约1000psi或约2000psi，包括其间的任何值和子范围)。在某些实施例中，阈值压力可以为约10psi至约1000psi(例如，约10psi、约20psi、约50psi、约100psi、约200psi、约500psi或约1000psi，包括其间的任何值和子范围)。在某些实施例中，阈值压力可以为约2psi至约50psi(例如，约20psi、约30psi、约40psi或约50psi，包括其间的任何值和子范围)。

在某些实施例中，变薄部分可以具有小于100μm(例如，约100μm、约90μm、约80μm、约70μm、约60μm、约50μm、约40μm、约30μm、约20μm或约10μm，包括其间的任何值和子范围)的厚度。在某些实施例中，变薄部分的厚度与袋140中的其它部分的厚度相比的比率可以小于0.5(例如，约0.5、约0.4、约0.3、约0.2或约0.1，包括期间的任何值和子范围)。

在某些实施例中，通气孔145可以由指定部分产生，所述指定部分由与袋140的其它部分中的材料不同的材料制成。例如，所述指定部分可以由更软的材料制成，使得袋140内的增大的压力可以优先地和选择性地破坏该指定部分。

通气孔145可以具有各种形状。在某些实施例中，通气孔145可以是圆形的。在某些实施例中，通气孔145可以是椭圆形的。在某些实施例中，通气孔145可以是矩形的或正方形的。在某些实施例中，通气口145可以是袋140中的窄条开口。

在某些实施例中，通气孔145可以具有约1μm至约1mm的横向尺寸(例如，约1μm、约5μm、约10μm、约20μm、约50μm、约100μm、约200μm、约500μm或约1mm，包括其间的任何值和子范围)。在某些实施例中，通气孔145的面积可以为约1μm²至约1mm²(例如，约1μm²、约5μm²、约10μm²、约20μm²、约50μm²、约100μm²、约200μm²、约500μm²或约1mm²，包括其间的任何值和子范围)。

图1A至图1C为了说明目的而仅示出一个通气孔145。在实践中，电化学电池100可以包括一个以上的通气孔145。在某些实施例中，电化学电池100可以包括通气孔阵列。

在某些实施例中，电化学电池100可以包括位于袋140的底部处的一个或多个通气孔145(与突片115和125的侧相对)。在某些实施例中，通气孔145可以位于袋140的侧边缘处。在某些实施例中，通气孔145可以位于袋140的阴极侧的前表面上。

在某些实施例中，通气孔145还可以包括支撑结构，例如，由刚性材料制成的十字形，以保持通气孔145打开。例如，袋140可以由柔软材料制成，并且通气孔145可以倾向于塌陷。使用支撑结构可以保持通气孔145打开。

在某些实施例中，通气孔145可以是可密封的。例如，在袋140内的压力下降回到安全水平之后，通气孔145可以塌陷回到密封状态。

图2A至图2C示出电化学电池200的示意图，所述电化学电池200使用延伸超出袋的密封周边的多孔分离器，从而释放袋内产生的气体。电化学电池200包括布置在阴极集电器212上的阴极210、布置在阳极集电器222上的阳极220以及布置在它们之间的分离器230。阴极210、阴极集电器212、阳极220、阳极集电器222和分离器230的组件基本被容纳在袋240中，所述袋240沿着密封周边242密封。阴极突片215被电连接到阴极集电器212并且延伸超出袋240以用于与外部电路连接。类似地，阳极突片225被电连接到阳极集电器215并且延伸超出袋240以用于与外部电路连接。

在某些实施例中，电化学电池200中的分离器230是多孔的，并且多孔分离器的至少一部分延伸超出密封周边242，如图2C中所示。在这种情况下，袋240内的气体可以通过穿过多孔分离器230而缓慢地逸出袋240，从而防止袋240内的压力过量。

气体释放速率(也被称为气体泄漏速率)可以取决于分离器230的若干参数，包括分离器230的孔隙率、分离器230的孔径以及分离器230的厚度。

在某些实施例中，分离器230的孔隙率可以为约1％至约90％(例如，约1％、约2％、约5％、约10％、约20％、约50％、约60％、约70％、约80％或约90％，包括其间的任何值和子范围)。

在某些实施例中，多孔分离器中的小孔的尺寸可以为约1μm至约200μm(例如，约1μm、约2μm、约5μm、约10μm、约20μm、约50μm、约100μm、约150μm或约200μm，包括其间的任何值和子范围)。

在某些实施例中，分离器230的厚度可以为约10μm至约1mm(例如，约10μm、约20μm、约50μm、约100μm、约200μm、约500μm、约750μm或约1mm，包括其间的任何值和子范围)。

在某些实施例中，分离器230的延伸超出密封周边242的部分可以具有约100μm至约5mm(例如，约100μm、约200μm、约500μm、约1mm、约2mm或约5mm，包括其间的任何值和子范围)的长度。在某些实施例中，分离器230的延伸超出密封周边242的部分可以是分离器230的总长度的约1％至约25％(例如，约1％、约2％、约5％、约10％、约15％、约20％或约25％，包括其间的任何值和子范围)。

在某些实施例中，分离器230的仅一部分是多孔的。例如，在密封周边242周围的部分可以是多孔的，而分离器230的其它部分可以是无孔的。袋240内的气体可以通过分离器230的多孔部分逸出。该局部的多孔段可以减少对分离器230的正常功能的可能干扰。

在某些实施例中，分离器230可以包括多层结构，以在分离器内构建气体可渗透路径。在这种情况下，袋240内的气体可以从袋240经由气体可渗透路径释放。

在某些实施例中，分离器230可以包括用颗粒或纤维涂覆的基层。颗粒涂层可以是可透气的。结果，袋240内的气体可以经由分离器230的表面上的颗粒涂层释放。在某些实施例中，颗粒可以包括陶瓷颗粒或/和纤维。在某些实施例中，陶瓷颗粒可以包括Al₂O₃、TiO₂、ZrO₂、AlO(OH)和/或AlF₃等的颗粒。

在某些实施例中，分离器230可以包括用其它塑料颗粒和纤维涂覆的基层。塑料涂层可以是可透气的。结果，袋240内的气体可以经由分离器230的表面上的颗粒涂层释放。在某些实施例中，颗粒可以包括聚酰亚胺(PI)、聚酰胺-酰亚胺(PAI)、聚醚醚酮(PEEK)、聚醚砜(PES)、聚苯硫醚(PPS)和/或苯酚聚合物等。

在某些实施例中，颗粒粒度可以为约1μm至约200μm(例如，约1μm、约2μm、约5μm、约10μm、约20μm、约50μm、约100μm、约150μm或约200μm，包括其间的任何值和子范围)。

在某些实施例中，颗粒涂层的厚度可以为约1μm至约200μm(例如，约1μm、约2μm、约5μm、约10μm、约20μm、约50μm、约100μm、约150μm或约200μm，包括其间的任何值和子范围)。

图3示出电化学电池300的正视图，所述电化学电池300包括用于调节气体压力的脱气尾部(也被称为辅助袋)。电化学电池300包括布置在阴极集电器312上的阴极(从正视图看不到)、布置在阳极集电器上的阳极(从正视图看不到)以及布置在它们之间的分离器。阴极、阴极集电器312、阳极、阳极集电器和分离器的组件基本被容纳在袋340中，所述袋340沿着密封周边342密封。阴极突片315被电连接到阴极集电器312并且延伸超出袋340以用于与外部电路连接。类似地，阳极突片325被电连接到阳极集电器并且延伸超出袋340以用于与外部电路连接。

袋340包括脱气尾部345，其与容纳阴极和阳极的袋340的其余部分流体连通。在阴极中产生的气体可以被容纳在脱气尾部345中，从而调节袋340内的气体压力。

在某些实施例中，脱气尾部345与袋340的其余部分直接连通。在某些实施例中，脱气尾部345可以通过压力调节膜来与袋340的其余部分分离。袋340中的过量气体压力可以推开压力调节膜并且将气体释放到脱气尾部345中。在某些实施例中，在脱气尾部345与袋340的其余部分之间的边界可以被部分地密封。例如，可以在脱气尾部345与袋340的其余部分之间的边界处施加一系列密封点。在某些实施例中，袋340可以延伸超过/越过阴极箔突片和阳极箔突片，脱气尾部345被定位在阴极突片与阳极突片之间或被定位在阴极突片或阳极突片周围。

脱气尾部345可以具有各种形状。在某些实施例中，脱气尾部345可以是矩形(包括正方形)的。在某些实施例中，脱气尾部345可以是圆形的。在某些实施例中，脱气尾部345可以是椭圆形的。在某些实施例中，脱气尾部345可以是多边形的。

在某些实施例中，脱气尾部345与袋340之间的容积比(即，脱气尾部345与整个袋340的容积的比率)可以为约5％至约50％(例如，约5％、约10％、约15％、约20％、约25％、约30％、约35％、约40％、约45％或约50％，包括其间的任何值和子范围)。

在某些实施例中，脱气尾部345可以被配置成吸收阴极中产生的气体的20％。在某些实施例中，脱气尾部345可以被配置成吸收阴极中产生的气体的30％。在某些实施例中，脱气尾部345可以被配置成吸收阴极中产生的气体的40％。在某些实施例中，脱气尾部345可以被配置成吸收阴极中产生的气体的50％。在某些实施例中，脱气尾部345可以被配置成吸收阴极中产生的气体的60％。

在某些实施例中，脱气尾部345和袋340可以由相同的材料制成。在某些实施例中，脱气尾部345和袋340可以由不同的材料制成。例如，袋340可以由耐热材料制成，而脱气尾部345可以由耐压或柔韧材料制成。

在某些实施例中，脱气尾部345可以在两个突片315和325之间被布置在袋340的顶部处(如图3中所示)。在某些实施例中，脱气尾部345可以与两个突出部315和325相对地布置在袋340的底部处。在某些实施例中，脱气尾部345可以被布置在袋340的左侧和/或右侧上。在某些实施例中，脱气尾部345可以被布置在袋340的前侧和/或后侧上。在某些实施例中，脱气尾部345可以在阴极或阳极外侧被布置在袋340的顶部处。

在某些实施例中，电化学电池300可以仅包括一个脱气尾部。在某些实施例中，电化学电池300可以包括多于一个的脱气尾部。例如，电化学电池300可以包括在两个突片315和325之间的第一脱气尾部(如图3中所示)和在袋340的底部处的第二脱气尾部。在某些实施例中，电化学电池300可以包括：在袋340的左侧上的第一脱气尾部和在袋340的右侧上的第二脱气尾部。

图4A至图4C示出电化学电池400的示意图，所述电化学电池400包括在袋内的电路中断装置(CID)以保护电池400免受过压。电化学电池400包括布置在阴极集电器412上的阴极(从正视图看不到)、布置在阳极集电器上的阳极(从正视图看不到)以及布置在它们之间的分离器。阴极、阴极集电器412、阳极、阳极集电器和分离器的组件基本被容纳在袋440中，所述袋440沿着密封周边442密封。阴极突片415被电连接到阴极集电器412并且延伸超出袋440以用于与外部电路连接。类似地，阳极突片425被电连接到阳极集电器并且延伸超出袋440以用于与外部电路连接。

图4B示出阴极突片415包括在两个规则部分之间的颈部部分415c：顶部部分415a和底部部分415b。与其它部分415a和415b相比，颈部部分415c具有减小的宽度。图4C示出袋440由通过加热密封而密封的两个膜440a和440b制成。顶部部分415a被耦合到第一膜440a的顶部密封区域442a，并且底部部分415b被耦合到第二膜440b的底部密封区域442b。如图4C中所示，顶部密封区域442a位于颈部部分415c的上方，并且底部密封区域442b位于颈部部分415c的下方。因此，当在袋440内产生气体时，气体可以填充袋内的任何空间，直到密封区域(442a和442b)为止。由于顶部密封区域442高于底部密封区域442b，所以气体可以进入膜440a与颈部部分415c之间的空间中。然而，因为该区域超出密封区域442b，所以气体不会进入颈部部分415c与底部密封区域442b之间的空间中。结果，气体可以施加与颈部部分415c垂直的力。当力高于阈值时，该力可以破坏颈部部分415c并且将电化学电池400与外部电路断开，从而保护电池400以及外部电路。

在某些实施例中，颈部部分415c与顶部部分415a/底部部分415b的宽度比可以为约0.1至约0.9(例如，约0.1、约0.2、约0.3、约0.4、约0.5、约0.6、约0.7、约0.8或约0.9，包括其间的任何值和子范围)。

在某些实施例中，颈部部分415c的绝对宽度可以为约200μm至约2mm(例如，约200μm、约300μm、约500μm、约750μm、约1mm、约1.2mm、约1.4mm、约1.6mm、约1.8mm或约2mm，包括其间的任何数值和子范围)。

在某些实施例中，颈部部分415c的长度可以为约1mm至约10mm(例如，约1mm、约2mm、约3mm、约4mm、约5mm、约6mm、约7mm、约8mm、约9mm或约10mm，包括其间的任何数值和子范围)。

在某些实施例中，颈部部分415c和顶部部分415a/底部部分415b可以由相同材料制成。在某些实施例中，颈部部分415c可以由第一材料制成，并且顶部部分415a/底部部分415b可以由与第一材料不同的第二材料制成。与第二材料相比，第一材料可以具有较小的机械强度，从而在外力作用下促进颈部部分415c的破裂。

在某些实施例中，颈部部分415c可以包括将顶部部分415a与底部部分415b连接的一个桥部。在某些实施例中，颈部部分415c可以包括将顶部部分415a与底部部分415b连接的多个桥部。

图5示出电化学电池500的侧视图，所述电化学电池500包括针以用于保护电池500免受过压。电化学电池500包括布置在阴极集电器512上的阴极510、布置在阳极集电器522上的阳极520以及布置在它们之间的分离器530。阴极510、阴极集电器512、阳极520、阳极集电器522和分离器530的组件可以被配置成基本容纳在袋540中。袋540又被配置成基本容纳在壳体550中。可以朝向电池500的阴极侧在壳体550的内壁上布置有多个针555。当袋540由于袋540内的气体产生而胀大时，针555可以打开袋540，从而防止电池500免受过压。

在某些实施例中，针555可以由一种或多种金属制成。在某些实施例中，针555可以由塑料制成。在某些实施例中，针555可以由本领域中已知的任何其它刚性材料制成。

在某些实施例中，针555可以仅包括一个针。在某些实施例中，针555可以包括多个针。

在某些实施例中，针555的长度可以为约0.5mm至约5mm(例如，约0.5mm、约1mm、约2mm、约3mm、约4mm或约5mm，包括其间的任何值和子范围)。

图6A至图6C示出根据某些实施例的安全机构，所述安全机构采用电极的分层以用于处理超过预定压力阈值的电化学电池。在图6A至图6C中，电化学电池600包括布置在阴极集电器612上的阴极610、布置在阳极集电器622上的阳极620以及布置在它们之间的分离器630。阴极610、阴极集电器612、阳极620、阳极集电器622和分离器630的组件可以被配置成基本容纳在袋640中。

图6B示出袋640内的压力增大超过预设压力阈值。在这种情况下，袋640可以胀大，并且阳极620可以从分离器630分开，由此使阳极620与阴极610电断开。在这种情况下，可以防止电化学电池600进一步充电。在某些实施例中，阴极610可以被配置成当袋640内的压力增大超过预设压力阈值时与分离器630分开，由此将阴极610与阳极620电断开并且防止电化学电池600进一步放电。在某些实施例中，阴极610和阳极620中的至少一个可以被配置成当袋640内的压力增大超过预设压力阈值时与阴极集电器612和阳极集电器622中的至少一个分开，由此将阴极610与阳极620电断开并且防止电化学电池600进一步充电和/或放电。

图6C还示出袋640内的内部压力超过阈值压力。在图6C中，阳极的一部分620a保持耦合到阳极集电器622并且与分离器630分开，而阳极的另一部分620b保持附接到分离器630。这还可以至少部分地将电化学电池600与外部电路断开并且保护电化学电池600。在该机构中，叠片620a的第一区域可以被策略性地设计成从第一表面(例如，集电器)分层，而叠片620b的第二区域可以被配置成从第二表面(例如，分离器630)分层，从而分离阴极610和阳极620，使它们不保持电化学或电接触。换句话说，安全机构被设计成将阴极610和阳极620物理地分离，使它们是电化学电池600或操作为电化学电池600。叠片620a的第一区域可以包括阴极610的第一部分、阳极620的第一部分或两者。叠片620b的第二区域可以包括阴极610的第二部分、阳极620的第二部分或两者。

在某些实施例中，阴极610或阳极620的第一部分可以使用第一粘合剂被粘附到阴极集电器612或阳极集电器622，并且可以使用第二粘合剂被粘附到分离器630，使得阴极610或阳极620的第一部分被配置成优选地从分离器630分层。在某些实施例中，第一粘合剂和第二粘合剂的使用可以颠倒成使得阴极610或阳极620的第二部分被配置成优选地从阴极集电器612或阳极集电器622分层。

尽管上面的描述参考每个附图单独地讨论了保护措施，但是对于一个电池可以使用多于一个的措施。例如，一个电池可以包括通气孔(如图1A至图1C中所示)和多孔分离器(如图2A至图2C中所示)两者。在另一个示例中，一个电池可以包括脱气尾部(如图3中所示)和CID(如图4A至图4C中所示)两者。任何其它组合也是可能的。