相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用

本申請(qǐng)要求于2014年11月5日提交的并且標(biāo)題為“electrochemicalcellshavingsemi-solidelectrodesandmethodsofmanufacturingthesame”的美國(guó)臨時(shí)專(zhuān)利申請(qǐng)序列no.62/075,373的優(yōu)先權(quán)和權(quán)益，該美國(guó)臨時(shí)專(zhuān)利申請(qǐng)的公開(kāi)的全部?jī)?nèi)容通過(guò)引用并入本文。

本文所描述的實(shí)施例一般涉及具有僅涂布在集流器的一側(cè)上的半固體電極的電化學(xué)電池、這種電化學(xué)電池的堆以及形成這種電化學(xué)電池堆的方法。

背景技術(shù)：

電池典型地由固體電極、分隔件、電解質(zhì)和輔助部件(諸如，例如，封裝、熱管理、電池平衡、將電流載流子固結(jié)到端子中)和/或其它這樣的部件構(gòu)造。電極典型地包括活性材料、導(dǎo)電材料、粘合劑以及其它添加劑。

用于制備電池的一些已知方法包括：用由溶解或者分散在溶劑中的活性材料、導(dǎo)電添加劑和粘合劑組成的漿料來(lái)涂布金屬襯底(例如，集流器)；使溶劑蒸發(fā)以及將經(jīng)干燥的固體基質(zhì)壓延至指定厚度。隨后切割電極、將電極與其它部件封裝在一起、用電解質(zhì)浸潤(rùn)以及隨后將整個(gè)封裝密封。

這種已知方法通常涉及復(fù)雜并且昂貴的制造步驟(諸如，澆鑄電極)以及僅適合于有限厚度的電極，例如，小于100μm(最終單側(cè)涂布厚度)。用于生產(chǎn)有限厚度的電極的這些已知方法導(dǎo)致了具有較低容量、較低能量密度以及高的非活性部件與活性材料比的電池。此外，已知電極配方中使用的粘合劑會(huì)增大迂曲度并且降低電極的離子導(dǎo)電性。

為了增大活性材料與非活性材料的比率，通常通過(guò)在集流器的兩側(cè)上都涂布電極活性材料(即，陽(yáng)極配方漿料和陰極配方漿料)來(lái)形成常規(guī)電化學(xué)電池。在電極(即，陽(yáng)極和陰極)之間設(shè)置分隔件以形成常規(guī)電化學(xué)電池?？梢詫⒍鄠€(gè)這樣的電化學(xué)電池堆疊在彼此的頂部(通常在其間設(shè)置有間隔物)以形成電化學(xué)電池堆。盡管這積極地影響活性材料與非活性材料的比率，但是這在制造處理中引入了復(fù)雜性。此外，裝配電化學(xué)電池所需要的時(shí)間會(huì)是顯著的。這會(huì)使電極材料對(duì)溫度波動(dòng)或者濕度的暴露增大，會(huì)使電極材料劣化以及從而降低電極的電子性質(zhì)。

因此，能量存儲(chǔ)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的耐久性目標(biāo)是開(kāi)發(fā)具有更長(zhǎng)循環(huán)壽命、提高的的能量密度、充電容量和總體性能的新的電化學(xué)電池和電極。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本文所描述的實(shí)施例一般涉及具有僅涂布在集流器的一側(cè)上的半固體電極。在一些實(shí)施例中，電化學(xué)電池包括僅涂布在正集流器的一側(cè)上的半固體正電極和僅涂布在負(fù)集流器的一側(cè)上的半固體負(fù)電極。在半固體正電極與半固體負(fù)電極之間設(shè)置分隔件。半固體正電極和半固體負(fù)電極中的至少一個(gè)可以具有至少大約250μm的厚度。

附圖說(shuō)明

圖1是根據(jù)實(shí)施例的電化學(xué)電池的示意性例示。

圖2是根據(jù)實(shí)施例的袋中的電化學(xué)電池的透視圖。

圖3示出了去除了袋的圖2的電化學(xué)電池。

圖4是圖3的電化學(xué)電池的分解視圖。

圖5示出了根據(jù)實(shí)施例的包括多個(gè)電化學(xué)電池的袋中的電化學(xué)電池堆。

圖6示出了去除了袋的圖5的電化學(xué)電池堆。

圖7示出了沿著如圖6所示的線aa得到的圖5所示的電化學(xué)電池堆的側(cè)截面。

圖8是根據(jù)實(shí)施例的包括具有基本上比其余正集流器和負(fù)集流器的接片更長(zhǎng)的接片的一個(gè)正集流器和一個(gè)負(fù)集流器的電化學(xué)電池堆的透視圖。

圖9是由圖8中的箭頭b所示的圖8的電化學(xué)電池堆的一部分的側(cè)視圖。

圖10示出了根據(jù)實(shí)施例的形成電化學(xué)電池堆的方法的示意性流程圖。

圖11a-11i例示了根據(jù)實(shí)施例的制造電化學(xué)電池的處理的步驟。

具體實(shí)施方式

隨著鋰離子電池技術(shù)的發(fā)展，消費(fèi)性電子電池在能量密度上逐漸地增大。所制造的電池的存儲(chǔ)能量或者充電容量是下列的函數(shù)：(1)活性材料的固有充電容量(mah/g)、(2)電極的體積(cm³)(即，電極厚度、電極面積和層(堆)的數(shù)量的乘積)以及(3)電極介質(zhì)中活性材料的裝載(例如，每cm³電極介質(zhì)的活性材料克數(shù))。因此，為了增強(qiáng)商業(yè)吸引力(例如，增大的能量密度和降低的成本)，通常希望增大面積充電容量(mah/cm²)。例如，可以通過(guò)利用具有較高固有充電容量的活性材料、增大活性電荷存儲(chǔ)材料在整個(gè)電極配方中的相對(duì)百分比(即，“裝載”)和/或增大在任何給定電池形狀因子中使用的電極材料的相對(duì)百分比來(lái)增大面積充電容量。換言之，增大活性電荷存儲(chǔ)部件(例如，電極)與非活性部件(例如，分隔件和集流器)的比率通過(guò)消除或者減少對(duì)電池的總體性能沒(méi)有貢獻(xiàn)的部件來(lái)增大電池的總體能量密度。實(shí)現(xiàn)增大面積充電容量以及因此減小非活性部件的相對(duì)百分比的一個(gè)方式是通過(guò)增大電極的厚度。

本文所描述的半固體電極可以：(i)由于半固體電極的減小的迂曲度和較高的電子導(dǎo)電性而被制作得更厚(例如，大于250μm-高達(dá)2,000μm或者甚至更大)，(ii)被制作成具有更高的活性材料裝載，以及(iii)通過(guò)利用較少設(shè)備的簡(jiǎn)化制造處理進(jìn)行制作。這些半固體電極可以以固定或者可流動(dòng)的配置形成以及減小非活性部件相對(duì)于活性部件的體積、質(zhì)量和成本貢獻(xiàn)，從而提高用半固體電極制作的電池的商業(yè)吸引力。在一些實(shí)施例中，本文所描述的半固體電極是無(wú)粘合劑的和/或不使用常規(guī)電池制造中使用的粘合劑。替代的，常規(guī)電極中通常由粘合劑占據(jù)的電極的體積現(xiàn)在由下列占據(jù)：1)電解質(zhì)，具有減小迂曲度和增大可得到的用于離子擴(kuò)散的總鹽的效果，從而對(duì)抗以高速率使用時(shí)厚的常規(guī)電極的典型的鹽耗盡效應(yīng)，2)活性材料，具有增大電池充電容量的效果，或者3)導(dǎo)電添加劑，具有增大電極的電子導(dǎo)電性的效果，從而對(duì)抗厚的常規(guī)電極的高內(nèi)部阻抗。本文所描述的半固體電極的減小的迂曲度和更高的電子導(dǎo)電性帶來(lái)了由半固體電極形成的電化學(xué)電池的優(yōu)秀的速率能力和充電容量。

由于可以將本文所描述的半固體電極制作得基本上比常規(guī)電極厚，因此相對(duì)于由包括常規(guī)電極的電化學(xué)電池堆形成的類(lèi)似電池，在由包括半固體電極的電化學(xué)電池堆形成的電池中活性材料(即，半固體陰極和/或陽(yáng)極)與非活性材料(即，集流器和分隔件)的比率能夠高得多。這基本上增大了包括本文所描述的半固體電極的電池的總充電容量和能量密度。在2015年3月31日授予的標(biāo)題為“semi-solidelectrodeshavinghighratecapability”的美國(guó)專(zhuān)利no.8,993,159(也稱(chēng)為“第‘159專(zhuān)利”)、2014年3月10日提交的標(biāo)題為“asymmetricbatteryhavingasemi-solidcathodeandhighenergydensityanode”的美國(guó)專(zhuān)利公開(kāi)no.2014/0315097(也稱(chēng)為“第‘097公開(kāi)”)和2014年7月21日提交的標(biāo)題為“semi-solidelectrodeswithgelpolymeradditive”的美國(guó)專(zhuān)利公開(kāi)no.2015/0024279(也稱(chēng)為“第’279公開(kāi)”)中，對(duì)利用厚半固體電極及其各種配方的電化學(xué)電池的示例進(jìn)行了描述，這些專(zhuān)利的全部公開(kāi)內(nèi)容通過(guò)引用并入本文。

將本文所描述的半固體電極配制為漿料，使得在漿料配方中包括電解質(zhì)。這與常規(guī)電極相反，例如經(jīng)壓延的電極，在常規(guī)電極中一旦電化學(xué)電池已經(jīng)被設(shè)置在容器(例如，袋或者罐)中，電解質(zhì)就通常被添加到電化學(xué)電池。半固體電極對(duì)周?chē)h(huán)境暴露較長(zhǎng)的時(shí)間周期會(huì)增加電解質(zhì)的蒸發(fā)，從而影響電化學(xué)電池的物理特性(例如，可流動(dòng)性)和/或電特性(例如，導(dǎo)電性、充電容量、能量密度等等)。另外，周?chē)h(huán)境中的濕氣還會(huì)不利地影響電解質(zhì)的性能。因此，以最短的時(shí)間量裝配包括本文所描述的半固體電極的電化學(xué)電池以限制電解質(zhì)蒸發(fā)和/或劣化將是有益處的。然而，在一些實(shí)例中，將半固體電極設(shè)置在集流器(例如，金屬箔)的兩側(cè)上會(huì)花費(fèi)大量的時(shí)間。另外，為了由這種電化學(xué)電池形成電化學(xué)電池堆，通常在相鄰的電化學(xué)電池之間設(shè)置間隔物，這會(huì)進(jìn)一步增加電化學(xué)電池中所包括的半固體電極暴露于周?chē)髿獾臅r(shí)間。

本文所描述的電化學(xué)電池的實(shí)施例包括僅涂布在集流器的一側(cè)上的半固體電極。僅涂布集流器的一側(cè)減小制造復(fù)雜度以及與涂布集流器的兩側(cè)相關(guān)聯(lián)的時(shí)間。然后可以通過(guò)堆疊電化學(xué)電池使得相鄰電化學(xué)電池的集流器彼此鄰接以容易地形成電化學(xué)電池堆。例如，第一電化學(xué)電池中所包括的正集流器的未涂布側(cè)可以鄰接第二電化學(xué)電池中所包括的正集流器的未涂布側(cè)。類(lèi)似地，第一電化學(xué)電池中所包括的負(fù)集流器的未涂布側(cè)可以鄰接第三電化學(xué)電池中所包括的負(fù)集流器的未涂布側(cè)等等。這可以進(jìn)一步減小用于形成電化學(xué)電池堆的時(shí)間量，從而使電極對(duì)周?chē)h(huán)境的暴露最小化。由于還可以使水滲透最小化，所以形成電化學(xué)電池所需要的短裝配時(shí)間還減少半固體電極的電解質(zhì)蒸發(fā)和/或劣化。

在一些實(shí)施例中，電化學(xué)電池包括僅涂布在正集流器的一側(cè)上的半固體正電極和僅涂布在負(fù)集流器的一側(cè)上的半固體負(fù)電極。在半固體正電極與半固體負(fù)電極之間設(shè)置離子滲透膜。半固體正電極和半固體負(fù)電極中的至少一個(gè)具有至少大約250μm的厚度。在一些實(shí)施例中，正集流器和/或負(fù)集流器可以包括金屬箔，例如，鋁箔或者銅箔。在一些實(shí)施例中，電化學(xué)電池可以設(shè)置在真空密封袋中。

在一些實(shí)施例中，形成電化學(xué)電池堆的方法包括僅在正集流器的一側(cè)上涂布半固體陰極以及僅在負(fù)集流器的一側(cè)上涂布半固體陽(yáng)極。在半固體陰極與半固體陽(yáng)極之間設(shè)置分隔件以形成第一電化學(xué)電池。與第一電化學(xué)電池基本上類(lèi)似地形成第二電化學(xué)電池。此外，與第一電化學(xué)電池基本上類(lèi)似地形成第三電化學(xué)電池等等。在第一電化學(xué)電池上設(shè)置第二電化學(xué)電池，使得第二電化學(xué)電池的正集流器的未涂布側(cè)設(shè)置在第一電化學(xué)電池的正集流器的未涂布側(cè)上。類(lèi)似地，在第一電化學(xué)電池上設(shè)置第三電化學(xué)電池，使得第三電化學(xué)電池的負(fù)集流器的未涂布側(cè)設(shè)置在第一電化學(xué)電池的負(fù)集流器的未涂布側(cè)上，從而形成電化學(xué)電池堆。在一些實(shí)施例中，可以充分地減小形成電化學(xué)電池堆所需要的時(shí)間周期，使得第一電化學(xué)電池、第二電化學(xué)電池和第三電化學(xué)電池中的任何一個(gè)的半固體陰極和/或半固體陽(yáng)極中所包括的電解質(zhì)的蒸發(fā)最小化。

半固體電極的混合和形成通常包括：(i)原材料輸送和/或進(jìn)料、(ii)混合、(iii)混合漿料輸送、(iv)分配和/或擠壓以及(v)形成。在一些實(shí)施例中，可以同時(shí)和/或利用同一件設(shè)備執(zhí)行處理中的多個(gè)步驟。例如，可以利用擠壓機(jī)同時(shí)執(zhí)行漿料的混合和輸送。處理中的每個(gè)步驟都可以包括一個(gè)或者多個(gè)可能的實(shí)施例。例如，可以手動(dòng)地或者通過(guò)各種處理設(shè)備中的任何一個(gè)執(zhí)行過(guò)程中的每個(gè)步驟。每個(gè)步驟還可以包括一個(gè)或者多個(gè)子過(guò)程，以及可選地包括監(jiān)控處理質(zhì)量的檢查步驟。

在一些實(shí)施例中，可以選擇處理?xiàng)l件以生產(chǎn)具有至少大約0.80、至少大約0.90、至少大約0.95或者至少大約0.975的混合指數(shù)的制備漿料。在一些實(shí)施例中，可以選擇處理?xiàng)l件以生產(chǎn)具有至少大約10^-6s/cm、至少大約10^-5s/cm、至少大約10^-4s/cm、至少大約10^-3s/cm或者至少大約10^-2s/cm的電子導(dǎo)電性的制備漿料。在一些實(shí)施例中，可以選擇處理?xiàng)l件以生產(chǎn)具有在室溫下小于大約100000pa-s、小于大約10000pa-s或者小于大約1000pa-s(全都處于1000s^-1的表觀剪切速率)的表觀粘度的制備漿料。在一些實(shí)施例中，可以選擇處理?xiàng)l件以生產(chǎn)具有如本文所描述的兩個(gè)或者更多個(gè)性質(zhì)的制備漿料。在2013年3月15日提交的標(biāo)題為“electrochemicalslurrycompositionsandmethodsforpreparingthesame”的美國(guó)專(zhuān)利公開(kāi)no.2013/0337319(也稱(chēng)為“第‘319公開(kāi)”)中對(duì)可以用于制備本文所描述的半固體電極組合物的系統(tǒng)和方法的示例進(jìn)行描述，該美國(guó)專(zhuān)利公開(kāi)的全部公開(kāi)內(nèi)容通過(guò)引用并入本文。

如此處使用的，術(shù)語(yǔ)“大約”和“近似”通常意指加或者減所述值的10％，例如，大約250μm將包括225μm至275μm，大約1000μm將包括900μm至1100μm。

如此處使用的，術(shù)語(yǔ)“半固體”指的是為液相和固相的混合的材料，例如，諸如顆粒懸浮液、膠態(tài)懸浮液、乳狀液、凝膠或者膠束。

如此處使用的，術(shù)語(yǔ)“活性化碳網(wǎng)絡(luò)”和“網(wǎng)狀碳”涉及電極的一般定性狀態(tài)。例如，具有活性化碳網(wǎng)絡(luò)(或者網(wǎng)狀碳)的電極使得電極內(nèi)的碳顆粒相對(duì)于彼此呈現(xiàn)單個(gè)顆粒形態(tài)和布置，便于顆粒之間以及通過(guò)電極的厚度和長(zhǎng)度的電接觸和導(dǎo)電性。相反地，術(shù)語(yǔ)“非活性化碳網(wǎng)絡(luò)”和“非網(wǎng)狀碳”涉及其中碳顆粒作為單個(gè)顆粒島或者多顆粒團(tuán)聚島存在的電極，單個(gè)顆粒島或者多顆粒團(tuán)聚島可能不是充分連接以提供通過(guò)電極的充足的電傳導(dǎo)的。

圖1示出了電化學(xué)電池100的示意性例示。電化學(xué)電池100包括正集流器110和負(fù)集流器120。半固體陰極140設(shè)置在正集流器110上，以及半固體陽(yáng)極150設(shè)置在負(fù)集流器120上。分隔件130設(shè)置在半固體陰極140與半固體陽(yáng)極150之間。半固體陰極140和半固體陽(yáng)極150中的至少一個(gè)具有至少大約250μm的厚度，例如，在大約250μm至大約2000μm的范圍內(nèi)。

正集流器110和負(fù)集流器120可以是在電池的工作條件下是電子地導(dǎo)電和電化學(xué)地非活性的任何集流器。用于鋰電池的典型集流器包括以片或者網(wǎng)的形式或者它們的任何組合用于負(fù)集流器120的銅、鋁或者鈦以及用于正集流器110的鋁?？梢赃x擇集流器材料以在電化學(xué)電池100的半固體陰極140和半固體陽(yáng)極150的工作電勢(shì)下是穩(wěn)定的。例如，在非水鋰系統(tǒng)中，正集流器110可以包括鋁或者涂布有相對(duì)于li/li+在2.5-5.0v的工作電勢(shì)處并不電化學(xué)溶解的導(dǎo)電材料的鋁。這種材料包括鉑、金、鎳、導(dǎo)電金屬氧化物(諸如，氧化釩)和碳。負(fù)集流器120可以包括銅或者不與鋰、碳和/或包括設(shè)置在另一個(gè)導(dǎo)體上的這種材料的涂層形成合金或者金屬間化合物的其它金屬。正集流器110和負(fù)集流器120中的每個(gè)都可以具有小于大約20微米的厚度，例如，大約1微米、2微米、3微米、4微米、5微米、6微米、7微米、8微米、9微米、10微米、12微米、14微米、16微米或者18微米，包括其間的所有范圍。使用這種薄的正集流器110和負(fù)集流器120可以大大地減少電化學(xué)電池100的成本和總重量。

電化學(xué)電池100中所包括的半固體陰極140和半固體陽(yáng)極150由分隔件130分開(kāi)。分隔件130可以是能夠離子傳輸?shù)娜魏纬Ｒ?guī)膜(即，離子滲透膜)。在一些實(shí)施例中，分隔件130是允許離子通過(guò)其傳輸?shù)牟煌敢耗?，即固體或者凝膠離子導(dǎo)體。在一些實(shí)施例中，分隔件130是用液體電解質(zhì)浸漬的多孔聚合物膜，允許離子在電活性材料的半固體陰極140與半固體陽(yáng)極150之間穿梭，同時(shí)防止電子傳遞。在一些實(shí)施例中，分隔件130是微孔膜，防止形成半固體陰極140和半固體陽(yáng)極150組合物的顆粒穿過(guò)膜。在一些實(shí)施例中，分隔件130是單或者多層微孔分隔件，可選地具有在某個(gè)溫度之上熔斷或者“切斷”以使得它不再傳輸工作離子的能力，其中工作離子的類(lèi)型是鋰離子電池工業(yè)中使用的和本領(lǐng)域技術(shù)人員公知的類(lèi)型。在一些實(shí)施例中，分隔件130可以包括其中鋰鹽被復(fù)合以提供鋰導(dǎo)電性的聚氧化乙烯(peo)聚合物，或者作為質(zhì)子導(dǎo)體的nafion^tm膜(質(zhì)子導(dǎo)體)。例如，peo基電解質(zhì)可以被用作分隔件130，該分隔件130無(wú)針孔并且是固態(tài)離子導(dǎo)體，可選地用其它膜(諸如，作為支撐層的玻璃纖維分隔件)來(lái)穩(wěn)固。peo還可以在正氧化還原組合物或者負(fù)氧化還原組合物中用作漿料穩(wěn)定劑、分散劑等等。peo在與典型的烷基碳酸酯基電解質(zhì)接觸時(shí)是穩(wěn)定的。這在正電極處的電池電勢(shì)相對(duì)于li金屬小于大約3.6v的磷酸鹽基電池化學(xué)物質(zhì)中尤其有用。根據(jù)需要，可以提高氧化還原電池的工作溫度以改善膜的離子導(dǎo)電性。

半固體陰極140可以包括離子存儲(chǔ)固相材料，該離子存儲(chǔ)固相材料可以包括例如活性材料和/或?qū)щ姴牧?。離子存儲(chǔ)固相材料的量可以在大約0％至大約80％(按體積)的范圍內(nèi)。陰極140可以包括活性材料，諸如，例如，含鋰化合物(例如，磷酸鐵鋰(lfp)licoo2、摻雜有mg的licoo2、linio2、li(ni、co、al)o2(稱(chēng)為“nca”)、li(ni、mn、co)o2(稱(chēng)為“nmc”)、limn2o4以及其衍生物等等)。陰極140還可以包括導(dǎo)電材料，諸如，例如，石墨、碳粉、熱解碳、碳黑、碳纖維、碳微纖維、碳納米管(cnt)、單壁cnt、多壁cnt、包括“巴基球(buckyball)”的富勒烯碳、石墨烯片和/或石墨烯片的聚集物、任何其它導(dǎo)電材料、合金或者它們的組合。陰極140還可以包括非水液體電解質(zhì)，諸如，例如，碳酸亞乙酯、碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、ssde或者本文所描述的任何其它電解質(zhì)或者它們的組合。

在一些實(shí)施例中，半固體陽(yáng)極150還可以包括離子存儲(chǔ)固相材料，該離子存儲(chǔ)固相材料可以包括例如活性材料和/或?qū)щ姴牧?。離子存儲(chǔ)固相材料的量可以在大約0％至大約80％(按體積)的范圍內(nèi)。半固體陽(yáng)極150可以包括陽(yáng)極活性材料，諸如，例如，鋰金屬、碳、嵌有鋰的碳、氮化鋰、鋰合金以及形成硅、鉍、硼、鎵、銦、鋅、錫、氧化錫、銻、鋁、氧化鈦、鉬、鍺、錳、鈮、釩、鉭、金、鉑、鐵、銅、鉻、鎳、鈷、鋯、釔、氧化鉬、氧化鍺、氧化硅、碳化硅、任何其它材料或者它們的合金的化合物的鋰合金，以及它們的任何其它組合。

半固體陽(yáng)極150還可以包括導(dǎo)電材料，該導(dǎo)電材料可以是含碳材料，諸如，例如，石墨、碳粉、熱解碳、碳黑、碳纖維、碳微纖維、碳納米管(cnt)、單壁cnt、多壁cnt、包括“巴基球”的富勒烯碳、石墨烯片和/或石墨烯片的聚集物、任何其它含碳材料或者它們的組合。在一些實(shí)施例中，半固體陽(yáng)極150還可以包括非水液體電解質(zhì)，諸如，例如，碳酸亞乙酯、碳酸二甲酯、碳酸二乙酯或者本文所描述的任何其它電解質(zhì)或者它們的組合。

在一些實(shí)施例中，半固體陰極140和/或半固體陽(yáng)極150可以包括以微粒形式懸浮在非水液體電解質(zhì)中的活性材料以及可選地導(dǎo)電材料。在一些實(shí)施例中，半固體陰極140和/或半固體陽(yáng)極150顆粒(例如，陰極顆?；蛘哧?yáng)極顆粒)可以具有至少大約1μm的有效直徑。在一些實(shí)施例中，陰極顆?；蛘哧?yáng)極顆粒具有在大約1μm與大約10μm之間的有效直徑。在一些實(shí)施例中，陰極顆粒或者陽(yáng)極顆粒具有至少大約10μm或者更大的有效直徑。在一些實(shí)施例中，陰極顆粒或者陽(yáng)極顆粒具有小于大約1μm的有效直徑。在一些實(shí)施例中，陰極顆粒或者陽(yáng)極顆粒具有小于大約0.5μm的有效直徑。在一些實(shí)施例中，陰極顆?；蛘哧?yáng)極顆粒具有小于大約0.25μm的有效直徑。在一些實(shí)施例中，陰極顆?；蛘哧?yáng)極顆粒具有小于大約0.1μm的有效直徑。在一些實(shí)施例中，陰極顆粒或者陽(yáng)極顆粒具有小于大約0.05μm的有效直徑。在其它實(shí)施例中，陰極顆?；蛘哧?yáng)極顆粒具有小于大約0.01μm的有效直徑。

在一些實(shí)施例中，半固體陰極140可以包括大約20％至大約80％(按體積)的活性材料。在一些實(shí)施例中，半固體陰極140可以包括大約40％至大約75％(按體積)、大約50％至大約75％(按體積)、大約60％至大約75％(按體積)或者大約60％至大約80％(按體積)的活性材料。

在一些實(shí)施例中，半固體陰極140可以包括大約0％至大約25％(按體積)的導(dǎo)電材料。在一些實(shí)施例中，半固體陰極140可以包括大約1.0％至大約6％(按體積)、大約6％至大約12％或者大約2％至大約15％(按體積)的導(dǎo)電材料。

在一些實(shí)施例中，半固體陰極140可以包括大約20％至大約70％(按體積)的電解質(zhì)。在一些實(shí)施例中，半固體陰極140可以包括大約30％至大約60％、大約40％至大約50％或者大約20％至大約40％(按體積)的電解質(zhì)。

在一些實(shí)施例中，半固體陽(yáng)極150可以包括大約20％至大約80％(按體積)的活性材料。在一些實(shí)施例中，半固體陽(yáng)極150可以包括大約40％至大約75％(按體積)、大約50％至大約75％、大約60％至大約75％或者大約60％至大約80％(按體積)的活性材料。

在一些實(shí)施例中，半固體陽(yáng)極150可以包括大約0％至大約20％(按體積)的導(dǎo)電材料。在一些實(shí)施例中，半固體陽(yáng)極150可以包括大約1％至大約10％、大約1％至大約6％、大約0.5％至大約2％(按體積)、大約2％至大約6％或者大約2％至大約4％(按體積)的導(dǎo)電材料。

在一些實(shí)施例中，半固體陽(yáng)極150可以包括大約20％至大約70％(按體積)的電解質(zhì)。在一些實(shí)施例中，半固體陽(yáng)極150可以包括大約30％至大約60％、大約40％至大約50％或者大約20％至大約40％(按體積)的電解質(zhì)。

在第‘159專(zhuān)利、2014年5月13日授予的標(biāo)題為“highenergydensityredoxflowdevice”的美國(guó)專(zhuān)利no.8,722,226(也稱(chēng)為“第226專(zhuān)利”)以及2010年12月16日提交的標(biāo)題為“highenergydensityredoxflowdevice”的美國(guó)專(zhuān)利公開(kāi)no.2011/0200848(也稱(chēng)為“第‘848公開(kāi)”)中，對(duì)可以在半固體陰極140和/或半固體陽(yáng)極150組合物、其各種配方以及由其形成的電化學(xué)電池中使用的活性材料、導(dǎo)電材料和/或電解質(zhì)的示例進(jìn)行了描述，這些專(zhuān)利的全部公開(kāi)通過(guò)引用并入本文。

在一些實(shí)施例中，半固體陽(yáng)極150還可以包括大約1％至大約30％(按體積)的高容量材料。這種高容量材料可以包括例如硅、鉍、硼、鎵、銦、鋅、錫、銻、鋁、氧化鈦、鉬、鍺、錳、鈮、釩、鉭、鐵、銅、金、鉑、鉻、鎳、鈷、鋯、釔、氧化鉬、氧化鍺、氧化硅、碳化硅、任何其它高容量材料或者它們的合金以及它們的任何組合。在一些實(shí)施例中，半固體可以包括大約1％至大約5％(按體積)、大約1％至大約10％(按體積)或者大約1％至大約20％(按體積)的高容量材料。在第‘097公開(kāi)中對(duì)半固體陽(yáng)極150、其各種配方以及由其形成的電化學(xué)電池中所包括的高容量材料的示例進(jìn)行描述。

盡管本文將電化學(xué)電池100描述為包括半固體陰極140和半固體陽(yáng)極150，但是，在一些實(shí)施例中，電化學(xué)電池100可以?xún)H包括一個(gè)半固體電極。例如，在一些實(shí)施例中，陰極140可以是半固體陰極而陽(yáng)極150可以是常規(guī)固體陽(yáng)極(例如，高容量固體陽(yáng)極)。類(lèi)似地，在一些實(shí)施例中，陰極140可以是固體陰極而陽(yáng)極150可以是半固體陽(yáng)極。

在一些實(shí)施例中，半固體陰極140和/或半固體陽(yáng)極150中的至少一個(gè)中所包括的電解質(zhì)可以包括凝膠聚合物添加劑的大約0.1％至大約1％(按重量)。在第‘279公開(kāi)中對(duì)半固體陰極140和/或半固體陽(yáng)極150配方以及由其形成的電化學(xué)電池中所包括的凝膠聚合物添加劑的示例進(jìn)行描述。

在一些實(shí)施例中，陰極140和/或陽(yáng)極150半固體懸浮液最初會(huì)是可流動(dòng)的，以及可以通過(guò)“固定”使其變得不可流動(dòng)。在一些實(shí)施例中，可以通過(guò)光聚合的作用執(zhí)行固定。在一些實(shí)施例中，通過(guò)具有由半固體陰極和/或半固體陽(yáng)極形成的電化學(xué)電池100的未填充的正和/或負(fù)電活性區(qū)透射的波長(zhǎng)的電磁輻射的作用來(lái)執(zhí)行固定。在一些實(shí)施例中，可以通過(guò)加熱使半固體懸浮液固定。在一些實(shí)施例中，將一個(gè)或者多個(gè)添加劑添加至半固體懸浮液以促進(jìn)固定。

在一些實(shí)施例中，通過(guò)“塑化”使得可注射并且可流動(dòng)的半固體陰極140和/或半固體陽(yáng)極150變得不可流動(dòng)。在一些實(shí)施例中，通過(guò)添加稀釋劑、增稠劑和/或塑化劑來(lái)改變可注射并且可流動(dòng)的半固體懸浮液的流變性質(zhì)。在一些實(shí)施例中，這些劑提高可加工性以及有助于在流動(dòng)條件和正電活性區(qū)及負(fù)電活性區(qū)填充操作下保持半固體懸浮液的組成均勻性。在一些實(shí)施例中，將一個(gè)或者多個(gè)添加劑添加至可流動(dòng)半固體懸浮液以調(diào)節(jié)其流動(dòng)性質(zhì)以適應(yīng)處理要求。

負(fù)和/或正離子存儲(chǔ)材料是用于工作離子的存儲(chǔ)主體，意指所述材料可以在材料的所有其它成分在電解質(zhì)中保持基本上不可溶解的同時(shí)吸收或者釋放工作離子，由于電解質(zhì)沒(méi)有被電化學(xué)組合物產(chǎn)品污染，因此采用負(fù)和/或正離子存儲(chǔ)材料的系統(tǒng)特別地有利。另外，在使用非水電化學(xué)組合物時(shí)，采用負(fù)和/或正鋰離子存儲(chǔ)材料的系統(tǒng)特別地有利。

在一些實(shí)施例中，半固體離子存儲(chǔ)氧化還原組合物包括被證明能在常規(guī)鋰離子電池中工作的材料。在一些實(shí)施例中，正半固體電活性材料包含鋰正電活性材料，以及鋰陽(yáng)離子在負(fù)電極與正電極之間穿梭，嵌入到液體電解質(zhì)中懸浮的固體主體顆粒中。

僅在正集流器110的一側(cè)上涂布半固體陰極140。類(lèi)似地，僅在負(fù)集流器120的一側(cè)上涂布半固體陽(yáng)極150。例如，可以使用任何其它合適的方法將半固體電極澆鑄、滴涂、按壓、輥壓或者以其它方式設(shè)置在集流器上。僅將半固體電極涂布在集流器的一側(cè)上可以大大減少用于形成電化學(xué)電池100的時(shí)間周期。這可以大大減小半固體陰極140和/或半固體陽(yáng)極150漿料配方中所包括的電解質(zhì)的蒸發(fā)。此外，可以使電解質(zhì)對(duì)周?chē)h(huán)境中存在的濕氣的暴露最小化，從而防止電解質(zhì)的劣化。

可以在電池堆中設(shè)置多個(gè)電化學(xué)電池100以形成電化學(xué)電池堆。例如，電化學(xué)電池100可以是第一電化學(xué)電池100。電池堆可以包括第二電化學(xué)電池(未示出)和第三電化學(xué)電池(未示出)。第二電化學(xué)電池和第三電化學(xué)電池中的每個(gè)都可以與第一電化學(xué)電池100基本上類(lèi)似。可以在第一電化學(xué)電池100中所包括的正集流器110的未涂布表面上設(shè)置第二電化學(xué)電池中所包括的正集流器110的未涂布表面。類(lèi)似地，可以在第一電化學(xué)電池100中所包括的負(fù)集流器120的未涂布表面上設(shè)置第三電化學(xué)電池中所包括的負(fù)集流器120的未涂布表面?？梢栽陔姵囟阎邪ㄈ魏螖?shù)量的電化學(xué)電池100。堆疊如本文所描述的多個(gè)電化學(xué)電池100顯著地減少了形成電化學(xué)電池堆所需要的時(shí)間。這可以使如本文所描述的電解質(zhì)的蒸發(fā)和/或劣化最小化。

圖2-4示出了包括正集流器210和負(fù)集流器220的電化學(xué)電池200。半固體陰極240設(shè)置在正集流器210上，以及半固體陽(yáng)極250設(shè)置在負(fù)集流器220上。分隔件230設(shè)置在半固體陰極240與半固體陽(yáng)極250之間。電化學(xué)電池200設(shè)置在袋260中。

可以由金屬箔(例如，銅箔或者鋁箔)或者關(guān)于電化學(xué)電池200中所包括的正集流器210描述的任何其它材料來(lái)形成正集流器210。正集流器210可以具有在大約20μm至大約40μm范圍內(nèi)的厚度，例如，大約25μm、大約30μm或者大約35μm，包括其間的所有范圍。在一些實(shí)施例中，正集流器210可以具有小于大約20μm的厚度，例如，大約5μm、6μm、7μm、8μm、9μm、10μm、12μm、14μm、16μm或者大約18μm，包括其間的所有范圍。正集流器210包括與正引線214耦接的接片212。在一些實(shí)施例中，可以將接片212切成期望長(zhǎng)度以用于與正引線214耦接。正引線可以是導(dǎo)電金屬(例如，銅或者鋁)條，其中可以使用任何合適的方法(例如，超聲波焊接、夾緊(clamping)、卷邊(clamping)、膠帶等等)將正引線耦接至接片212。當(dāng)將電化學(xué)電池200設(shè)置在袋260中時(shí)，將環(huán)216圍繞正引線214的一部分纏繞并且與袋260的邊緣對(duì)準(zhǔn)。因此，當(dāng)將袋260密封時(shí)，環(huán)216確保袋260是可熱密封的。環(huán)216可以由絕緣材料(例如，選擇塑料(諸如surlyn))或者任何其它合適的材料形成。

可以由金屬箔(例如，銅或者鋁箔)或者關(guān)于電化學(xué)電池200中所包括的負(fù)集流器220描述的任何其它材料來(lái)形成負(fù)集流器220。負(fù)集流器220可以具有在大約20μm至大約40μm的范圍內(nèi)的厚度，例如，大約25μm、大約30μm或者大約35μm，包括其間的所有范圍。在一些實(shí)施例中，負(fù)集流器220可以具有小于大約20μm的厚度，例如，大約5μm、6μm、7μm、8μm、9μm、10μm、12μm、14μm、16μm或者大約18μm，包括其間的所有范圍。負(fù)集流器220還包括與負(fù)引線224耦接的接片222。在一些實(shí)施例中，可以將接片222切成期望長(zhǎng)度以用于與負(fù)引線224耦接。負(fù)引線224可以與正引線214基本上類(lèi)似，以及在此不另外詳細(xì)地描述。當(dāng)將電化學(xué)電池200設(shè)置在袋260中時(shí)，將環(huán)226圍繞負(fù)引線224的一部分纏繞并且與袋260的邊緣對(duì)準(zhǔn)。因此，當(dāng)將袋260密封時(shí)，環(huán)226確保袋260是可熱密封的。環(huán)226可以由絕緣材料(例如，選擇塑料(諸如surlyn))或者任何其它合適的材料形成。

分隔件230可以是離子滲透膜以及可以由關(guān)于電化學(xué)電池200中所包括的分隔件230所描述的材料中的任何一個(gè)形成。分隔件230可以具有大約10μm至大約30μm的厚度，例如，大約15μm、大約20μm或者大約25μm，包括其間的所有范圍。

將半固體陰極240設(shè)置(例如，涂布)在正集流器210的接近分隔件230的第一表面上。使正集流器210的遠(yuǎn)離分隔件230的第二表面不被涂布。類(lèi)似地，將半固體陽(yáng)極250設(shè)置(例如，涂布)在負(fù)集流器220的接近分隔件230的第一表面上。使負(fù)集流器220的遠(yuǎn)離分隔件230的第二表面不被涂布。換言之，僅將半固體陰極240和半固體陽(yáng)極250分別地涂布在正集流器210的一側(cè)和負(fù)集流器220的一側(cè)上。僅涂布一側(cè)減少了制備電化學(xué)電池200所需要的時(shí)間。這可以減少半固體陰極240和/或半固體陽(yáng)極250配方中所包括的電解質(zhì)的蒸發(fā)和/或劣化(例如，由于環(huán)境濕度)?？梢允褂萌珀P(guān)于電化學(xué)電池100中所包括的半固體陰極140和半固體陽(yáng)極15所描述的任何組分(例如，活性材料和/或?qū)щ姴牧?、電解質(zhì)、添加劑、凝膠聚合物等等)分別地配制半固體陰極240和半固體陽(yáng)極250。另外，半固體陰極240和/或半固體陽(yáng)極250中的每個(gè)都可以具有至少大約250μm的厚度。例如，半固體陰極240和/或半固體陽(yáng)極250可以具有在大約250μm至大約2000μm范圍內(nèi)的厚度。

可以將所制備的電化學(xué)電池200真空密封在棱柱形的袋260中，棱柱形的袋260可以提供電化學(xué)電池200材料與環(huán)境的氣密隔離。因此，袋260可以用來(lái)避免有害物質(zhì)(諸如，電解質(zhì)溶劑和/或腐蝕性鹽)泄漏至周?chē)h(huán)境，以及可以防止水和/或氧氣滲透到電池中。袋260的其它功能可以包括例如內(nèi)部層的壓縮封裝、為了安全性和處理的電壓隔離以及電化學(xué)電池200組件的機(jī)械保護(hù)。

典型的袋材料可以包括層壓材料(例如，多層片材)，該層壓材料形成為例如兩個(gè)或者三個(gè)固體膜狀層并且由粘著劑接合在一起。如此處使用的單詞“層壓材料”還可以指代沒(méi)有化學(xué)地粘合到彼此的材料層。例如，層可以彼此面接觸并且使用其它耦接方法(諸如，例如，熱密封)進(jìn)行耦接。在一些實(shí)施例中，袋260可以由聚丙烯(例如，鑄塑丙烯)形成。在一些實(shí)施例中，可以形成具有包括多層層壓片材的殼體或者袋的電化學(xué)電池，該多層層壓片材至少包括用塑料材料形成的第一層或者內(nèi)層和用電子導(dǎo)電材料形成的第二層，以使得多層片材可以被用作電池的電化學(xué)功能元件。例如，在一些實(shí)施例中，袋的電子導(dǎo)電材料(例如，金屬箔)可以被用作電池的集流器。在一些實(shí)施例中，金屬箔可以被用作穿透接片。因此，除充當(dāng)封裝材料以外，電池袋的(一個(gè)或者多個(gè))多層片材或者層壓片材可以被用作電池的電化學(xué)功能材料。在2014年11月17日提交的標(biāo)題為“electrochemicalcellsandmethodsofmanufacturingthesame”的美國(guó)專(zhuān)利公開(kāi)no.2015/0171406(也稱(chēng)為“第‘406公開(kāi)”)中，對(duì)制造具有包括多層層壓片材的殼體或者袋的電化學(xué)電池的系統(tǒng)、設(shè)備和方法進(jìn)行了描述，該美國(guó)專(zhuān)利公開(kāi)的全部公開(kāi)內(nèi)容通過(guò)引用并入本文。

可以將本文所描述的多個(gè)電化學(xué)電池200或者任何其它電化學(xué)電池設(shè)置在電化學(xué)電池堆中以例如形成電化學(xué)電池?，F(xiàn)在參考圖5-7，示出了電化學(xué)電池堆3000，該電化學(xué)電池堆3000包括設(shè)置在其中的多個(gè)電化學(xué)電池?？梢詫㈦娀瘜W(xué)電池堆設(shè)置在袋360(例如，真空密封袋)中，該袋360與關(guān)于圖2-4描述的袋260基本上類(lèi)似，以及因此，在此不另外詳細(xì)地描述。

電化學(xué)電池堆3000中所包括的多個(gè)電化學(xué)電池中的每個(gè)(例如，第二電化學(xué)電池300b(圖6))都可以與電化學(xué)電池100或者200基本上類(lèi)似。多個(gè)電化學(xué)電池中所包括的集流器中的每個(gè)都包括接片。例如，如圖6所示，第二電化學(xué)電池300b的正集流器310b(圖7)包括接片312b，以及第二電化學(xué)電池300b的負(fù)集流器320b包括接片322b。多個(gè)電化學(xué)電池中所包括的正集流器的接片中的每個(gè)都在正卡箍313中耦接在一起，該正卡箍313然后被耦接至正引線314。在一些實(shí)施例中，正集流器的接片中的每個(gè)都可以彼此彎折以形成正卡箍313。在一些實(shí)施例中，可以將正卡箍313中所包括的接片切成期望長(zhǎng)度以用于與正引線314耦接。在一些實(shí)施例中，朝著電池內(nèi)部設(shè)置的電池300中所包括的正集流器310和/或負(fù)集流器320可以具有基本上比最外面的電化學(xué)電池300中所包括的正集流器310的接片312和/或負(fù)集流器320的接片322短的接片。例如，電化學(xué)電池300c中所包括的正集流器310c的接片可以基本上分別地比電化學(xué)電池300a和300b中所包括的正集流器310a和310b的接片更長(zhǎng)。類(lèi)似地，電化學(xué)電池300a中所包括的負(fù)集流器320a的接片可以基本上分別地比電化學(xué)電池300b和300c中所包括的負(fù)集流器320b和320c的接片更長(zhǎng)。在這種實(shí)施例中，可以例如通過(guò)超聲波焊接、夾緊、卷邊、膠帶等等將較短的接片耦接至較長(zhǎng)的接片以形成卡箍(即，卡箍313和323)。最外面的正集流器和最外面的負(fù)集流器(例如，正集流器310c和負(fù)集流器310a)的較長(zhǎng)接片可以隨后耦接至正引線314和負(fù)引線324。以這種方式，可以減少形成接片需要的材料的量，從而降低電化學(xué)電池300的成本和/或總重量。在一些實(shí)施例中，最內(nèi)部的電化學(xué)電池300的正集流器310和負(fù)集流器的接片可以比電化學(xué)電池堆3000中所包括的其余電化學(xué)電池的正集流器310和負(fù)集流器320的接片310和320長(zhǎng)。在一些實(shí)施例中，包括較長(zhǎng)接片的正集流器310和/或負(fù)集流器320可以基本上比電化學(xué)電池堆3000中所包括的其它電化學(xué)電池300中所包括的正集流器310和/或負(fù)集流器320厚。在一些實(shí)施例中，正集流器310和/或負(fù)集流器320中的每個(gè)都可以具有可以足夠長(zhǎng)(例如，大約分別地與最外面的正集流器310和最外面的負(fù)集流器320的正接片312和負(fù)接片322相同的長(zhǎng)度)以延伸到袋360外的接片。在這種實(shí)施例中，例如，可以例如通過(guò)超聲波焊接、夾緊、卷邊、膠帶等等將正集流器310中的每個(gè)的接片耦接在一起以形成正卡箍(例如，卡箍313)。類(lèi)似地，如本文所描述的，可以將負(fù)集流器320中的每個(gè)的接片耦接在一起以形成負(fù)卡箍(例如，卡箍323)。如本文所描述的，正卡箍(包括正集流器中的每個(gè)的接片)和負(fù)卡箍(包括負(fù)集流器中的每個(gè)的接片)可以延伸到袋外，以及可以用于與電化學(xué)電池堆3000電氣地接口接合。換言之，在這種實(shí)施例中，電化學(xué)電池堆3000可以直接地經(jīng)由正卡箍和負(fù)卡箍電氣地耦接至外部電子組件，使得正引線314和負(fù)引線324并不被包括在在電化學(xué)電池堆中。

正引線314可以是導(dǎo)電金屬(例如，銅或者鋁)條，可以使用任何合適的方法(例如，超聲波焊接、夾緊、卷邊、膠帶等等)將正引線314耦接至正卡箍313。當(dāng)電化學(xué)電池300設(shè)置在袋360中時(shí)，將環(huán)316圍繞正引線314的一部分纏繞并且與袋360的邊緣對(duì)準(zhǔn)。因此，當(dāng)將袋360密封時(shí)，環(huán)316確保袋360是可熱密封的。環(huán)316可以由絕緣材料(例如，選擇塑料(諸如surlyn))或者任何其它合適材料形成。類(lèi)似地，將多個(gè)電化學(xué)電池中所包括的負(fù)集流器的接片中的每個(gè)在負(fù)卡箍323中耦接在一起，該負(fù)卡箍323隨后耦接至負(fù)引線324。在一些實(shí)施例中，負(fù)集流器的接片中的每個(gè)都可以彼此彎折以形成負(fù)卡箍323。在一些實(shí)施例中，可以將負(fù)卡箍323中所包括的接片切成期望長(zhǎng)度以用于與正引線314耦接。負(fù)引線324可以與正引線314基本上類(lèi)似，以及因此在此不另外的詳細(xì)的描述。此外，當(dāng)將電化學(xué)電池300設(shè)置在袋360中時(shí)，將環(huán)326圍繞負(fù)引線324的一部分纏繞并且與袋360的邊緣對(duì)準(zhǔn)。環(huán)326可以與環(huán)316基本上類(lèi)似，以及因此在此不另外詳細(xì)地描述。

圖7示出了沿著線aa(圖6)得到的電化學(xué)電池堆3000的一部分的側(cè)截面。電化學(xué)電池堆3000的部分包括第一電化學(xué)電池300a、第二電化學(xué)電池300b和第三電化學(xué)電池300c。第一電化學(xué)電池300a包括第一正集流器310a、第一負(fù)集流器320a和第一分隔件330a。僅將第一半固體陰極340a設(shè)置在第一正集流器310a的面向第一分隔件330a的一側(cè)上。類(lèi)似地，僅將第一半固體陽(yáng)極350a設(shè)置在第一負(fù)集流器320a的面向第一分隔件330a的一側(cè)上。第一分隔件330a設(shè)置在第一半固體陰極340a與第一半固體陽(yáng)極350a之間。

第二電化學(xué)電池300b包括第二正集流器310b、第二負(fù)集流器320b和第二分隔件330b。僅將第二半固體陰極340b設(shè)置在第二正集流器310b的面向第二分隔件330b的一側(cè)上。類(lèi)似地，僅將第二半固體陽(yáng)極350b設(shè)置在第二負(fù)集流器320b的面向第二分隔件330b的一側(cè)上。第二分隔件330b設(shè)置在第二半固體陰極340b與第二半固體陽(yáng)極350b之間。

第三電化學(xué)電池300c包括第三正集流器310c、第三負(fù)集流器320c和第三分隔件330c。僅將第三半固體陰極340c設(shè)置在第三正集流器310c的面向第三分隔件330c的一側(cè)上。類(lèi)似地，僅將第三半固體陽(yáng)極350c設(shè)置在第三負(fù)集流器320c的面向第三分隔件330c的一側(cè)上。第三分隔件330c設(shè)置在第三半固體陰極340c與第三半固體陽(yáng)極350c之間。

第一電化學(xué)電池300a、第二電化學(xué)電池300b和第三電化學(xué)電池300c可以基本上彼此相似。電化學(xué)電池堆3000中所包括的電化學(xué)電池中的每個(gè)中所包括的正集流器、負(fù)集流器和分隔件可以由關(guān)于電化學(xué)電池100中所包括的正集流器110、負(fù)集流器120和分隔件130所描述的任何材料形成。此外，可以使用關(guān)于電化學(xué)電池100中所包括的半固體陰極140和半固體陽(yáng)極150所描述的任何材料或者方法對(duì)電化學(xué)電池堆3000的電化學(xué)電池中的每個(gè)中所包括的半固體陰極和半固體陽(yáng)極進(jìn)行配制。

在第一電化學(xué)300a上設(shè)置第二電化學(xué)電池300b，使得第二正集流器310b的未涂布側(cè)與第一正集流器310a的未涂布側(cè)相鄰并且鄰接。類(lèi)似地，在第一電化學(xué)電池300a上設(shè)置第三電化學(xué)電池300c，使得第三負(fù)集流器320c的未涂布側(cè)與第一負(fù)集流器320a的未涂布側(cè)相鄰并且鄰接。盡管電化學(xué)電池堆3000被示出為包括八個(gè)電化學(xué)電池(圖6)，但是可以在電化學(xué)電池堆3000中包括任何數(shù)量的電化學(xué)電池。盡管此處未示出，但是在一些實(shí)施例中，可以在每個(gè)相鄰的電化學(xué)電池之間設(shè)置間隔物(例如，電絕緣和/或熱絕緣間隔物)。在一些實(shí)施例中，間隔物可以被配置為在電化學(xué)電池堆3000中所包括的電化學(xué)電池中的每個(gè)上施加堆壓力。合適的間隔物可以包括例如泡沫墊、橡膠墊、塑料片材、紙或者紙板條等等。

與常規(guī)電化學(xué)電池堆相比，電化學(xué)電池堆3000可以在較小的時(shí)間段內(nèi)形成。這可以使電解質(zhì)的蒸發(fā)和/或劣化最小化，如本文所描述的。當(dāng)與包括如本文所描述的涂布在集流器兩側(cè)上的半固體電極的類(lèi)似大小的電化學(xué)電池堆相比較時(shí)，電化學(xué)電池堆3000可以具有較小的活性材料與非活性材料比率。然而，與包括涂布在集流器兩側(cè)上的常規(guī)電極的常規(guī)電化學(xué)電池堆相比，電化學(xué)電池堆仍然可以具有較高的活性材料與非活性材料比率。這是由于與通常不可以制作得比大約200μm更厚的常規(guī)電極相比，半固體電極可以制作得厚得多，例如在大約250μm至大約2000μm的范圍內(nèi)。因此，與產(chǎn)生相當(dāng)?shù)哪芰棵芏群统潆娙萘康某Ｒ?guī)電化學(xué)電池堆相比，電化學(xué)電池堆3000可以用電化學(xué)電池堆3000中所包括的較少數(shù)量的電化學(xué)電池(例如，電化學(xué)電池300)產(chǎn)生期望的能量密度和充電容量。此外，電化學(xué)電池堆300中所包括的單側(cè)涂布的電化學(xué)電池300可以包括常規(guī)電池中不包括的安全性或者保護(hù)性特性。例如，可以圍繞電化學(xué)電池堆3000中所包括的集流器(即，正集流器310和負(fù)集流器320)的邊緣設(shè)置安全性周界或者壁，以保護(hù)半固體陰極230和半固體陽(yáng)極240。另外，可以容許電化學(xué)電池堆3000中所包括的相鄰電化學(xué)電池之間的輕微不對(duì)準(zhǔn)，以使得與常規(guī)電化學(xué)電池堆相比可以以較短的時(shí)間量形成電化學(xué)電池堆3000。

在一些實(shí)施例中，電化學(xué)電池堆可以包括多個(gè)包括多個(gè)正集流器和負(fù)集流器的電池堆。多個(gè)正集流器中的一個(gè)和多個(gè)負(fù)集流器中的一個(gè)可以具有基本上比其余集流器的接片更長(zhǎng)的接片，并且該接片可以延伸到電化學(xué)電池袋外用于與外部電子設(shè)備接口接合以使得不需要引線。例如，現(xiàn)在參考圖8，示出了電化學(xué)電池堆4000，該電化學(xué)電池堆4000包括設(shè)置在其中的多個(gè)電化學(xué)電池?？梢詫㈦娀瘜W(xué)電池堆4000設(shè)置在袋(未示出)(例如，真空密封袋)中，該袋可以與關(guān)于圖2-4描述的袋260基本上類(lèi)似。

電化學(xué)電池堆4000中所包括的多個(gè)電化學(xué)電池中的每個(gè)都可以與電化學(xué)電池100、200或者300基本上類(lèi)似，以及因此在此不另外詳細(xì)地描述。多個(gè)電化學(xué)電池中所包括的集流器中的每個(gè)都包括接片。例如，如圖8所示，最外面的正集流器410b可以包括基本上比其余正集流器的接片更長(zhǎng)的接片412b?？梢詫⒄髌鞯慕悠诳ü?13中耦接在一起，以及可以使用耦接機(jī)構(gòu)413(諸如，例如，超聲波焊接、夾緊、卷邊、膠帶等等)將正集流器的接片耦接至彼此。類(lèi)似地，最外面的負(fù)集流器420a可以包括基本上比其余負(fù)集流器的接片更長(zhǎng)的接片422a?？梢詫⒇?fù)集流器的接片在卡箍423中耦接在一起,以及可以使用耦接機(jī)構(gòu)425(諸如，例如，超聲波焊接、夾緊、卷邊、膠帶等等)將負(fù)集流器的接片耦接至彼此。以這種方式，正集流器和負(fù)集流器的接片中的每個(gè)都電子地耦接至彼此，使得正集流器410b的接片412b和負(fù)集流器420b的接片422a延伸到卡箍外以及延伸到袋外，其中，正集流器410b的接片412b和負(fù)集流器420b的接片422a中的每個(gè)都基本上比其余的接片更長(zhǎng)。因此，正接片412b和負(fù)接片422a可以用于與外部電子設(shè)備電子接口接合，以使得不使用任何額外的組件(例如，引線)。

進(jìn)一步擴(kuò)展，圖9示出了由圖8中的箭頭b示出的電化學(xué)電池堆4000的一部分的側(cè)視圖，包括負(fù)集流器的卡箍。電化學(xué)電池堆包括8個(gè)電池堆，8個(gè)電池堆中的每個(gè)都包括正集流器和負(fù)集流器。如圖9所示，電化學(xué)電池堆4000包括8個(gè)負(fù)集流器422a-h。將集流器在卡箍423中接合在一起，以及使用如本文所描述的耦接機(jī)構(gòu)425將集流器耦接至彼此。負(fù)集流器420a(圖8)的負(fù)接片422a可以基本上比其余負(fù)集流器的負(fù)接片422b-h更長(zhǎng)。因此，接片422a可以延伸到卡箍外以及延伸到用于封裝電化學(xué)電池堆4000的袋外。以這種方式，接片422a可以用于將電化學(xué)電池堆4000與外部電子設(shè)備接口接合，使得電化學(xué)電池堆4000中所包括的負(fù)集流器中的每個(gè)經(jīng)由接片422a與外部電子設(shè)備電子通信。因此，不使用外部耦接組件(例如，負(fù)引線)，這使得制造更簡(jiǎn)單并且降低成本。

圖10例示了示出用于制備包括多個(gè)電化學(xué)電池的電化學(xué)電池堆的示例性方法400的流程圖。方法400包括將半固體陰極涂布在正集流器402的一側(cè)上。半固體陰極可以包括例如半固體陰極140、240或者本文所描述的任何其它半固體陰極。合適的正集流器可以包括例如正集流器110、210或者本文所描述的任何其它正集流器。隨后將半固體陽(yáng)極僅涂布在負(fù)集流器404的一側(cè)上。半固體陽(yáng)極可以包括本文所描述的半固體陽(yáng)極中的任何一個(gè)，例如，半固體陽(yáng)極150、250或者本文所描述的任何其它半固體陽(yáng)極。合適的負(fù)集流器可以包括例如負(fù)集流器120、220或者本文所描述的任何其它負(fù)集流器。將分隔件(例如，分隔件130、230或者本文所描述的任何其它分隔件)設(shè)置在半固體陰極與半固體陽(yáng)極之間以形成第一電化學(xué)電池406。以與第一電化學(xué)電池408基本上相同的方式形成第二電化學(xué)電池。此外，以與第一電化學(xué)電池410基本上相同的方式形成第三電化學(xué)電池。第一電化學(xué)電池、第二電化學(xué)電池和第三電化學(xué)電池中的每個(gè)都可以與電化學(xué)電池100、200或者本文所描述的任何其它電化學(xué)電池基本上類(lèi)似。

為了形成電化學(xué)電池堆，將第二電化學(xué)電池設(shè)置在第一電化學(xué)電池上，使得第二電化學(xué)電池的正集流器的未涂布側(cè)設(shè)置在(例如，鄰近或者鄰接)第一電化學(xué)電池412的正集流器的未涂布側(cè)上。接著，將第三電化學(xué)電池設(shè)置在(例如，鄰近或者鄰接)第一電化學(xué)電池上，使得第三電化學(xué)電池的負(fù)集流器的未涂布側(cè)設(shè)置在第一電化學(xué)電池的負(fù)集流器的未涂布側(cè)上以形成電化學(xué)電池堆。電化學(xué)電池堆可以與電化學(xué)電池堆3000或者本文所描述的任何其它電化學(xué)電池堆基本上類(lèi)似。在一些實(shí)施例中，形成電化學(xué)電池堆所需要的時(shí)間段可以充分地小，使得第一電化學(xué)電池、第二電化學(xué)電池和第三電化學(xué)電池中的任何一個(gè)的半固體陽(yáng)極或半固體陰極中所包括的電解質(zhì)的蒸發(fā)大大減少。

在一些實(shí)施例中，方法400可以可選地包括將第一間隔物設(shè)置在第一電化學(xué)電池的正集流器與第二電化學(xué)電池的正集流器之間，和/或?qū)⒌诙g隔物設(shè)置在第三電化學(xué)電池的負(fù)集流器與第一電化學(xué)電池的負(fù)集流器之間。間隔物可以包括熱絕緣和/或電絕緣材料，諸如，例如，泡沫墊、橡膠墊、塑料片材、紙或者紙板條等等。

圖11a-11i例示了根據(jù)實(shí)施例的制造具有僅涂布在集流器的一側(cè)上的半固體電極的電化學(xué)電池500的處理中的各種步驟。如圖11a所示，將框架562(也稱(chēng)為“間隔物框架”)設(shè)置到包括電力連接接片512的集流器510上。可以將集流器510放置在保持器565(此處也稱(chēng)為“集流器保持器”)上，例如，該保持器可以可選地經(jīng)由跨過(guò)保持器565表面的多個(gè)小孔(未示出)施加真空以便將集流器510保持在適當(dāng)位置?？蚣?62具有開(kāi)口575，當(dāng)將該開(kāi)口575放置在集流器510頂部上時(shí)，開(kāi)口575可以暴露下面的集流器510。

圖11b例示了將電極漿料540設(shè)置到由框架562的開(kāi)口575限定的集流器510的暴露部分上。開(kāi)口575限定完成的電極540的表面面積，以及框架562的厚度限定完成的電極540的厚度。圖11c和11d示出了將電極漿料540沿著集流器510的暴露部分的表面平滑化或者散布。在一些實(shí)施例中，可以將刀片580(此處也稱(chēng)作“刮刀”)或者直邊儀器用于散布電極漿料540。在一些實(shí)施例中，刀片580和/或保持器565可以可操作地耦接至振動(dòng)源(未示出)以便在電極漿料540沉積或者平滑化期間使刀片580或者保持器565振動(dòng)。振動(dòng)可以促進(jìn)在漿料沉積步驟期間或者之后分散半固體電極材料540。

可選地，儀器(未示出)，諸如例如使用非接觸測(cè)量技術(shù)中的任一種的光學(xué)工具或者任何分析工具，用于檢查散布的電極漿料540的表面形態(tài)以及可選地測(cè)量散布的電極漿料540的表面均勻性(例如，厚度)，其中非接觸測(cè)量技術(shù)包括光學(xué)或者激光干涉、橢圓對(duì)稱(chēng)法或者光學(xué)或激光掃描探針。當(dāng)?shù)镀?80散布電極漿料540時(shí)，可以在原位部署非接觸儀器。

在散布電極漿料540之后，如圖11e所示，可以移除框架562，僅留下已經(jīng)被散布到集流器510的暴露部分上的電極540的部分。如圖11f所例示的，可以在電極540上放置分隔件530以使得分隔件530覆蓋電極540。

上面圖11a-圖11f中例示的制造步驟包括了將電極沉積到集流器上的步驟。通過(guò)示例的方式，電極540可以是陰極以及集流器510可以是正集流器?？梢灾貜?fù)圖11a-11e所示的制造步驟以將半固體陽(yáng)極550設(shè)置到負(fù)集流器520上。然而，由于在電化學(xué)電池500中使用單個(gè)分隔件530，因此僅在半固體陰極沉積步驟或者半固體陽(yáng)極沉積步驟中的一個(gè)上執(zhí)行圖11f中例示的制造步驟。

如圖11g所示，一旦半固體陰極540和半固體陽(yáng)極550兩者都被設(shè)置到它們各自的集流器510和520上，則可以將半固體陰極540和半固體陽(yáng)極550對(duì)準(zhǔn)，以使得如所例示的半固體陰極540和半固體陽(yáng)極550面向彼此并且在彼此的頂部上，僅由分隔件530分隔開(kāi)。如圖所示，因?yàn)榘牍腆w陽(yáng)極550在負(fù)集流器520的下側(cè)上，所以不能看到半固體陽(yáng)極550。所裝配的電極堆與圖3所示的例示類(lèi)似。

如在圖11h中最佳示出的，電化學(xué)電池500包括設(shè)置在袋560內(nèi)部的陰極-分隔件-陽(yáng)極的單個(gè)的堆，該袋560隨后被真空566以及熱567密封以形成如圖11i處所示的完成的電化學(xué)電池500。然而，正集流器510包括電力連接接片512，負(fù)集流器520包括電力連接接片522。袋560中的完成的電化學(xué)電池500可以與圖2所示電化學(xué)電池200基本上類(lèi)似。在一些實(shí)施例中，可以堆疊多個(gè)電化學(xué)電池500以形成電化學(xué)電池堆，該電化學(xué)電池堆可以與圖5-7中例示的電化學(xué)電池堆3000基本上類(lèi)似。

盡管以上已經(jīng)對(duì)系統(tǒng)、方法和設(shè)備的各種實(shí)施例進(jìn)行了描述，但是應(yīng)當(dāng)理解，它們僅僅通過(guò)示例的方式呈現(xiàn)，而不是通過(guò)限制的方式呈現(xiàn)。其中上面描述的方法和步驟指示按某個(gè)順序發(fā)生的某些事件，具有本公開(kāi)的權(quán)益的本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到，可以改變某些步驟的排序以及這種修改是根據(jù)本發(fā)明的變型的。另外，在可能的情況下，可以在并行處理中同時(shí)執(zhí)行某些步驟，以及如上所述地順序地執(zhí)行某些步驟。盡管已經(jīng)具體示出和描述了實(shí)施例，但是應(yīng)當(dāng)理解，可以進(jìn)行各種形式和細(xì)節(jié)的改變。

例如，盡管已經(jīng)將各種實(shí)施例描述為具有特定特性和/或組件的組合，但是具有來(lái)自本文所描述的實(shí)施例中的任何一個(gè)的任何特性和/或組件的任何組合或者子組合的其它實(shí)施例也是可以的。例如，盡管電化學(xué)電池的一些實(shí)施例被描述為是棱柱形的，但是，在其它實(shí)施例中，電化學(xué)電池可以是彎曲的、彎折的、波浪形的或者具有任何其它形狀。另外，還可以改變各種組件的特定配置。例如，各種組件的大小和特定形狀可以與所示實(shí)施例不同，同時(shí)仍然提供如本文所描述的功能。