可再充电蓄电池的制作方法

可再充电蓄电池
1.相关申请数据
2.本技术要求2020年12月15日提交的并且标题为“rechargeable battery”的美国临时专利申请序号63/125,821的优先权的权益，该美国临时专利申请通过引用以其整体并入本文。
3.公开内容领域
4.本公开内容总体上涉及可再充电蓄电池(rechargeable battery)。特别地，本公开内容涉及包括多于一个电池(cell)的蓄电池芯组(battery core pack)。
5.背景
6.锂金属蓄电池(lithium metal battery cell)的一般结构包括结合到铜集电器的锂金属阳极和结合到铝集电器的金属氧化物阴极。在阳极和阴极之间是隔板(separator)，该隔板允许锂金属离子来回移动。在阴极和阳极之间可以使用多种不同的电解质溶液。当这种类型的蓄电池放电时，锂金属离子从阳极被剥离，并通过隔板行进到阴极。在充电期间，离子流是反向的，并且金属离子被重新镀覆回到阳极上。然而，如本领域中熟知的，li金属的重新镀覆通常不均匀，导致在几次放电/充电循环之后形成从阳极表面延伸出来的枝晶。如果不加以控制，则枝晶生长可能刺穿隔板，并在相对较少的循环之后导致电池短路。当发生这种情况时，蓄电池大大劣化。
7.从阳极镀覆和剥离金属离子还导致单独的电池收缩，并且然后随着金属离子被剥离并且然后被重新镀覆而膨胀。其他蓄电池类型例如使用石墨或si石墨阳极的锂离子蓄电池，也基于离子剥离和重新镀覆起作用，并且因此可能经历显著的体积膨胀，并在重新镀覆时经历有问题的枝晶生长。
8.已经进行了许多尝试来减轻与枝晶生长相关联的问题。例如，标题为“thermal management system and method for a solid-state energy storing device”的美国专利第6,087,036号公开了采用锂金属阳极和钒氧化物阴极以及非特定锂聚合物电解质的电池结构。根据该公开内容，对电池施加在5psi-100psi的范围内的恒定或变化的压缩力连同主动冷却可以通过约束和冷却电池结构来提供改进的结果。作为另一个实例，标题为“electrolytes with lithium difluoro(oxalato)borate and lithium tetrafluoroborate salts for lithium metal and anode-free cells”的美国专利公开第2020/0220220a1号公开了实验的结果，其中使用具有电解质的无阳极电池声称增加了循环寿命，电解质具有二氟(草酸)硼酸锂(lidfob)和四氟硼酸锂(libf4)的盐组合以及碳酸二乙酯(dec)和氟代碳酸亚乙酯(fec)的溶剂组合。提到了变化的电池压力，然而，实验结果主要是在100psi或更低的压力下获得的。此外，标题为“electrochemical cell stacks and associated components”的美国专利公开第2021/0151815a1号公开了这样的电池，该电池包括在从至少10kgf/cm2(约140psi)和至至少40kgf/cm2(约570psi)的范围内的压力下的绝热层和导热层。该公开内容声称改进的结果，但没有提供关于可以用于实现所声称的改进的电解质盐或溶剂的细节。
9.因此，尽管进行了许多改进尝试，如上面引用的参考文献所证明的，但特别是在锂
金属电池中用于控制枝晶生长的当前技术仍然不太令人满意。需要新的解决方案来延长蓄电池循环寿命。
10.公开内容概述
11.在一种实施方式中，本公开内容涉及一种蓄电池芯组，该蓄电池芯组包括：多于一个电池，其形成电池堆叠，每个电池包括至少一个阳极和至少一个阴极，其中金属离子在放电期间从阳极剥离并在充电期间重新镀覆在阳极上；以及安全壳结构(containment structure)，其至少部分地围绕电池堆叠，其中安全壳结构在电池堆叠上施加至少约100psi的基本上均匀的表面压力。
12.在又一种实施方式中，本公开内容涉及一种控制金属蓄电池或金属离子蓄电池的阳极上的枝晶生长的方法，其中电池包括至少一个平面阳极和至少一个平面阴极，并且其中材料在电池放电期间从阳极剥离，并在电池充电期间重新镀覆在阳极上。该方法包括将多于一个电池组装成电池堆叠；将电池堆叠定位在安全壳结构内，该安全壳结构至少部分地围绕电池堆叠；以及跨过电池堆叠的电池和安全壳结构施加并保持至少约100psi的基本上均匀的最小表面压力。
13.在一些实施方案中，除了基本上均匀之外，电池堆叠上的表面压力保持为基本恒定的压力。在其他实施方案中，基本上均匀且恒定的压力在约100psi-500psi的范围内，并且在其他实施方案中更优选地在约200psi-300psi的范围内。
14.在另一种实施方式中，本公开内容涉及一种蓄电池芯组，该蓄电池芯组包括：多于一个电池，其形成电池堆叠，每个电池包括至少一个阳极和至少一个阴极，其中金属离子在放电期间从阳极剥离并在充电期间重新镀覆在阳极上；以及安全壳结构，其至少部分地围绕电池堆叠，其中安全壳结构向电池堆叠的电池施加至少200psi的至少基本上均匀且恒定的表面压力。
15.在仍另一种实施方式中，本公开内容涉及一种蓄电池芯组，该蓄电池芯组包括：电池堆叠，其包括至少四个电池，该电池在30％soc具有至少约590wh/l的芯组能量密度并且在至少100次充电/放电循环中具有大于2.5ah的放电容量，每个电池具有约25mg/cm2和至约31mg/cm2的负载水平，并且包括至少一个阴极和至少一个锂金属阳极，所述阴极由通式为li
xmy
oz的层状或尖晶石氧化物材料形成，其中m是包括co、mn、ni、v、fe或cr的过渡金属，所述锂金属阳极在放电状态下具有在10μm-100μm的范围内的厚度；电解质，其包含在每个电池中，所述电解质包含一种或更多种选自由以下项组成的组的锂盐：双(氟磺酰基)酰亚胺锂、双(三氟甲磺酰基)酰亚胺锂、六氟磷酸锂、双(草酸)硼酸锂、二氟(草酸)硼酸锂、高氯酸锂和四氟硼酸锂，其中锂盐以从0.1m至8.0m的浓度范围存在；以及安全壳结构，其至少部分地围绕电池堆叠，其中安全壳结构向电池堆叠的电池施加在约200psi至约300psi的范围内的至少基本上均匀且恒定的表面压力。
16.在又一种实施方式中，本公开内容涉及一种蓄电池芯组，该蓄电池芯组包括：多于一个电池，其形成电池堆叠，每个电池包括至少一个阳极、至少一个含锂阴极和电解质，所述电解质包含与一种或更多种溶剂组合的浓度范围为从0.1m至8.0m的一种或更多种锂盐，该锂盐至少包括双(氟磺酰基)酰亚胺锂，所述溶剂选自由以下项组成的组：碳酸乙基甲酯、氟代碳酸亚乙酯、1,2-二乙氧基乙烷、1,2-(1,1,2,2-四氟乙氧基)乙烷、1,4-二噁烷和二甲基氨磺酰氟；以及安全壳结构，其至少部分地围绕电池堆叠，其中安全壳结构向电池堆叠的
电池施加至少200psi的至少基本上均匀且恒定的表面压力。
17.在仍又一种实施方式中，本公开内容涉及一种控制金属蓄电池或金属离子蓄电池的阳极上的枝晶生长的方法，其中电池包括至少一个平面阳极和至少一个平面阴极，并且其中材料在电池放电期间从阳极剥离，并在电池充电期间重新镀覆在阳极上。该方法包括将多于一个电池组装成电池堆叠；将电池堆叠定位在安全壳结构内，安全壳结构至少部分地围绕电池堆叠；以及跨过电池堆叠的电池和安全壳结构施加并保持至少约200psi的基本上均匀的最小表面压力。
18.附图简述
19.出于说明本公开内容的目的，附图示出了一种或更多种实施方案的各方面。然而，应该理解，本公开内容不限于附图中所示的精确布置和工具，在附图中：
20.图1是根据本公开内容的恒压蓄电池装置的实施方案的透视图；
21.图2是如可以在本公开内容的实施方案中使用的蓄电池的示意性横截面图；
22.图3呈现了用于本文公开的方法和设备的恒定力弹簧的两种不同实施方案的透视图；
23.图4是对于本公开内容的实施方案，在恒定电池面压力的范围内，蓄电池放电容量相对于循环寿命的图；
24.图5a和图5b分别是在25mg/cm2和31mg/cm2的负载水平的蓄电池放电容量相对于循环寿命的图；
25.图6是本公开内容的另一种可选择的实施方案的透视图；
26.图7是图6的实施方案的分解透视图；以及
27.图8是图6和图7所示的实施方案的纵向横截面图；
28.详细描述
29.已知锂金属蓄电池中锂金属阳极表面上的锂枝晶生长导致短路和电池性能的普遍劣化。这些负面影响可以在相对较少的放电/充电循环之后出现。本公开内容呈现了电池面压力控制技术以及其他技术，该电池面压力控制技术提供更均匀的锂镀覆和剥离，并且抑制枝晶锂生长以延长蓄电池的寿命。在一种实施方案中，提供了用于模块或蓄电池组中的单个电池或多于一个电池的基本上均匀的恒定压力的机械上约束的系统。虽然本公开内容以锂金属电池为例，但如普通技术人员将理解的，本文包含的关于鼓励更均匀镀覆和剥离以及抑制枝晶阳极表面生长的技术的教导也适用于其他金属蓄电池类型和金属离子蓄电池类型。
30.在一种实施方案中，如图1所图示的，外壳结构100向一个或更多个电池114施加均匀且恒定的压力，使得压力跨过电池的表面被均匀地保持，并且在电池充电/放电循环中压力几乎没有变化。通常，均匀恒定的电池表面压力应保持高于至少约200psi。在一些实施方案中，所施加的均匀且基本上恒定的压力将是在约200psi和300psi之间的压力。
31.外壳结构100包括两个平行的金属板104、106，这两个平行的金属板104、106将一个或更多个蓄电池114夹在它们之间。四个金属杆(shaft)108被定位在外壳结构的四个拐角中。金属杆108被固定到垂直于板取向的底板104上，并以紧密的滑动配合穿过顶板106中的对准孔，以形成引导柱，以保持两个板之间的平行度。在一种实施方案中，弹簧110位于杆上并被调节以施加至少基本上均匀的压力。设置一种弹簧固定系统112，该弹簧固定系统
112允许通过拧紧或松开弹簧固定系统来调节所施加的压力。在优选的实施方案中，选择在一定距离范围内提供线性压力概况的弹簧。可选择地，例如图3所示的恒定力拉伸弹簧116a、116b可以被布置成通过在板之间的电池的膨胀和收缩的预期范围内施加恒定力来将两个板拉在一起。
32.图2示意性地图示出了如在本文公开的实施方案中使用的示例性电池114。图2仅图示出了电池114的一些基本功能部件。电池的真实世界实例通常将使用缠绕的构造或堆叠的构造来体现，该构造包括其他部件，诸如电气端子、密封件、热关闭层和/或通风口，以及其他部件，为了便于说明，这些部件在图2中没有示出。在图示出的实例中，电池114包括间隔开的阴极208和阳极204，以及一对对应的相应集电器203、205。介电隔板212被定位在阴极208和阳极204之间，以将阴极和阳极电分离，但允许锂离子、包括特殊配制的添加剂的电解质216的离子通过，特殊配制的添加剂与如上文描述的均匀且至少基本上恒定的压力的施加相结合有助于抑制枝晶生长。隔板可以是多孔的。隔板212和/或阴极208和阳极204中的一个、另一个或两者还可以浸渍有电解质216，包括其添加剂。电池114包括容器220，该容器220容纳集电器203、205、阴极208、阳极204、隔板212和电解质216。
33.在电解质216的形成中，可以使用溶剂，诸如线性碳酸酯(碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、碳酸乙基甲基酯)；环状碳酸酯(碳酸亚乙酯、碳酸亚丙酯、氟代碳酸亚乙酯、碳酸亚乙烯酯)；线性醚(甲基丙基醚、甲基丁基醚、乙基丙基醚、乙基丁基醚、丙基丁基醚、二乙醚、二丙基醚和二丁基醚、1,2-二乙氧基乙烷、1,2-二甲氧基乙烷，1,2-二丙氧基乙烷和1,2-二丁氧基乙烷、双(2-甲氧基乙基)醚、2-乙氧基乙醚、1,2-(1,1,2,2-四氟乙氧基)乙烷和1,1,2,2-四氟乙基2,2,3,3-四氟丙基醚)；环醚(1,3-二氧戊环、1,4-二噁烷、1,3-二噁烷、四氢吡喃、四氢呋喃、2,4-二甲基四氢呋喃、2-甲基四氢呋喃、3-甲基四氢呋喃、2-乙基-5-甲基四氢呋喃)；酯(甲酸甲酯、甲酸乙酯、乙酸甲酯、乙酸乙酯)；磺酰基物质(sulfonyl)(n,n-二甲基氨磺酰氟)；和磷酸酯(磷酸三乙酯)。每种电解质可以包含单一溶剂或两种或更多种溶剂的混合物，每种溶剂按体积计或按重量计或按摩尔比率计在从100％至0.2％的范围内。在一些实例中，如果每种溶剂按体积计或按重量计或按摩尔比率计的范围为从100％至30％，则可能是更优选的。
34.此外，锂盐可以与上述溶剂组合，诸如：双(氟磺酰基)酰亚胺锂、双(三氟甲磺酰基)酰亚胺锂、六氟磷酸锂、双(草酸)硼酸锂、二氟(草酸)硼酸锂、高氯酸锂、四氟硼酸锂。可以使用浓度范围为从0.1m至8.0m的单一盐或多于一种盐。在一些实施方案中，从1.5m至4.5m的锂盐浓度范围是优选的。
35.以下是电解质216的制剂(formulation)的说明性实例：
36.电解质实例a：盐为双(氟磺酰基)酰亚胺锂，溶剂混合物为碳酸乙基甲基酯和氟代碳酸亚乙酯，电解质制剂是在以70:30的体积比的碳酸乙基甲基酯和氟代碳酸亚乙酯中的2m双(氟磺酰基)酰亚胺锂。
37.电解质实例b：盐为双(氟磺酰基)酰亚胺锂，溶剂混合物为1,2-二乙氧基乙烷和1,2-(1,1,2,2-四氟乙氧基)乙烷，电解质制剂是在1,2-二乙氧基乙烷(60体积％)与1,2-(1,1,2,2-四氟乙氧基)乙烷(40体积％)中的3.6m双(氟磺酰基)酰亚胺锂。
38.电解质实例c：盐为双(氟磺酰基)酰亚胺锂，溶剂混合物为1,4-二噁烷、1,2-二乙氧基乙烷和1,2-(1,1,2,2-四氟乙氧基)乙烷，电解质制剂是在以21.7％:78.3％的体积比
的1,4-二噁烷和1,2-二乙氧基乙烷(70体积％)与1,2-(1,1,2,2-四氟乙氧基)乙烷(30体积％)中的4.09m双(氟磺酰基)酰亚胺锂。
39.电解质实例d：盐为双(氟磺酰基)酰亚胺锂，溶剂为二甲基氨磺酰氟，电解质制剂是在二甲基氨磺酰氟(100体积％)中的2.5m双(氟磺酰基)酰亚胺锂。
40.电解质216可以包括添加剂诸如氧化还原穿梭添加剂，其可以是本领域中已知的多种氧化还原穿梭添加剂中的任何一种。合适的氧化还原穿梭添加剂的实例包括2,5-二叔丁基-1,4-双(2-甲氧基乙氧基)苯(dbbb)、2,5-二叔丁基-1,4-双(甲氧基)苯(ddb)、2,5-二叔丁基-1,4-双(2,2,2-三氟乙氧基)苯(dbdfb)、2,5-二叔丁基-1,4-双(2,2,3,3-四氟丙氧基)苯(dbtfp)、2,5-二叔丁基-1,4-双(4,4,4,3,2,2-六氟丁氧基)苯(dbhfb)、2,7-二乙酰基噻蒽、2.7-二溴噻蒽、2,7-二异丁酰基噻蒽、2-乙酰基噻蒽、2,5-二氟-1,4-二甲氧基苯(dfdb)、2-(五氟苯基)-四氟-1,3,2-苯并二氧杂硼杂环戊烯(2-(pentafluorophenyl)-tetrafluoro-1,3,2-benzodioxaborole)、li2b12f12、四乙基-2,5-二叔丁基-1,4-亚苯基二磷酸酯(tedbpdp)、1,4-双[双(1-甲基乙基)氧膦基]-2,5-二甲氧基苯(bpdb)、1,4-双[双(1-甲基)氧膦基]-2,5-二氟-3,6-二甲氧基苯(bpdfdb)、五氟苯基-四氟苄基-1,2-二氧代硼烷(pfptfbdb)、二茂铁及它们的衍生物、吩噻嗪衍生物、n,n-二烷基-二氢吩嗪、2,2,6,6-四甲基哌啶基氧化物(tempo)、li2b
12h12-xfx
(x＝9和12)。
[0041]
阴极208和阳极204可以包括与锂金属离子和电解质216兼容的多种不同结构和材料。集电器203、205中的每一个可以由任何合适的导电材料诸如铜或铝，或其任何组合制成。隔板212可以由任何合适的多孔介电材料诸如多孔聚合物以及其他制成。
[0042]
阴极208可以由多种材料形成，所述多种材料诸如通式为li
xmy
oz的材料，其中m是过渡金属，诸如co、mn、ni、v、fe或cr，并且x、y、z被选择成满足化合价要求。在一种或更多种实施方案中，阴极是层状或尖晶石氧化物材料，其选自包括以下项的组：licoo2、li(ni
1/3
mn
1/3
co
1/3
)o2、li(ni
0.8
co
0.15
al
0.05
)o2、limn2o4、li(mn
1.5 ni
0.5
)2o4、或它们的富锂形式。在一种或更多种实施方案中，阴极材料是licoo2(相对于li金属充电至4.4v)、nca或ncm(622，811)(相对于li金属充电至4.30v)。
[0043]
阳极204可以是薄的锂金属阳极，该薄的锂金属阳极在放电状态下具有在10μm-100μm、或20μm-80μm、或40μm-60μm的范围内的厚度。尽管图2示意性地示出了与集电器203相邻的阳极204，但阳极材料，例如锂金属的片材或膜，可以被设置在集电器的两侧。在另一个实例中，电池114可以具有无阳极设计，其中电池仅包括阳极集电器203和阴极208。锂离子在初始电池充电期间沉积在阳极集电器203上以形成锂阳极204。关于电池114的示例性材料和构造的另外的信息可以在通过引用以其整体并入本文的标题为“high energy density,high power density,high capacity,and room temperature capable
‘
anode-free’rechargeable batteries”的pct公开号wo 2017/214276中找到。
[0044]
图4示出了当电池放置在均匀的、至少基本上恒定的压力下时如本文所公开的电池的放电容量相对于循环寿命。压力被均匀地施加到电池的两个表面。示出了，当施加的压力在上面指定的范围内时，枝晶生长被很好地约束，并且循环寿命的数量略有变化。因此，为了获得更大数量的循环寿命，高于至少200psi的施加到每个电池的表面的压力是控制枝晶生长的临界压力。在施加到电池的两个表面上的基本上均匀的压力处于临界压力或高于临界压力的情况下，电池的循环寿命被改进，表明枝晶生长被基本上均匀的压力有效地抑
制。在一些实施方案中，基本上均匀的压力导致不大于约+/-20psi的跨过电池的面的压力变化。在其他实施方案中，基本上均匀的压力可以跨过电池的面仅变化约+/-13psi，并且在一些情况下变化少至+/-5psi。如在图5a和图5b中进一步图示出的，蓄电池放电容量在接近300次充电/放电循环的循环寿命上基本上保持均匀，并且恒定的电池面压力保持在临界范围内，如上面针对在约25mg/cm2至约31mg/cm2的负载水平的电池所解释的。如本领域中所理解的，负载水平是指每面积的阴极活性材料的量。假设占地面积(长度x宽度)保持相同，那么负载水平随着阴极的深度(厚度)(外表面到集电器)而变化。
[0045]
根据本公开内容的蓄电池组可以可选地包括柔顺垫，该柔顺垫被放置在每个电池之间或被放置在选择的电池之间，诸如例如在四电池堆叠的第一电池和第二电池之间以及第三电池和第四电池之间。柔顺垫是间隔物，该间隔物意图在充电期间均匀地分布电池膨胀压力，并在放电期间推回电池。在另外的替代方案中，冷却垫可以放置在选择的电池之间以帮助散热，诸如在四电池堆叠实例中的第二电池和第三电池之间散热。通常，柔顺垫的x-y尺寸可以对应于电池的尺寸，而柔顺垫的厚度由电池的膨胀程度确定，并在允许的蓄电池组体积的变量和垫的硬度额定值之间进行优化，以将电池面压力控制在期望的水平，例如控制在200psi或高于200psi，如本文其他地方描述的。在一个实例中，柔顺垫可以由尺寸为约2.8英寸
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1.8英寸、厚度为约0.625英寸的聚氨酯片材制成，并且这样的垫可以允许20％的电池膨胀。合适的聚氨酯片材性质的实例在下面的表1中提供。
[0046][0047]
冷却垫可以包括具有高热导率的薄的金属片材，诸如铜或铝。例如，通过将冷却垫的边缘暴露于环境条件或通过附接到散热器，热量可以辐射消散。可选择地，冷却垫可以包括材料的片材，该材料的片材设置有用于冷却流体在其中循环的小的通道。
[0048]
在一种可选择的实施方案中，根据本公开内容的可再充电蓄电池组可以采用五个柔顺垫，每个柔顺垫夹在电池114之间和/或在电池114与外壳结构100的板104、106中的一个之间。在该可选择的实施方案的一个实例中，柔顺垫的长度为约58mm并且宽度为约48mm。每个柔顺垫具有近似3.175mm(0.125英寸)的厚度。类似地，垫可以由具有光滑表面纹理和如上面的表1中确定的材料性质的聚氨酯片材材料制成。本文描述的五垫实施方案可以提供在30％soc(充电状态)具有＞350wh/kg的重量能量密度和＞590wh/l的体积能量密度的电池。
[0049]
转向图6、图7和图8，在另外的可选择的实施方案中，蓄电池组610包括如上面描述形成的多于一个电池614。在所图示的实例中，提供了约束在一对端板622之间的12个电池，然而，可以提供更多或更少的电池。一个或更多个线性或恒定力偏置构件624导致端板622向电池614的堆叠施加连续的约束力。弹性构件624可以在蓄电池被充电(膨胀)时储存能量，并且在如上文所描述的该对端板622之间恒定地保持选择的压缩力。偏置构件624被选
择为在端板622上施加至少基本上恒定的力，该力导致高于至少100psi并且更优选地高于至少约200psi的临界均匀且至少基本上恒定的电池表面压力，其中在一些实施方案中，所施加的均匀且基本上恒定的压力将是在约100psi-500psi之间，并且更优选地在约200psi和300psi之间的压力，如先前所解释的。
[0050]
为了在膨胀和收缩期间跨过电池面保持基本上均匀的表面压力，端板622各自设置有四个轴环(collar)626，在长度方向上的每侧上有两个轴环626。每个轴环626设置有孔，以紧密地容纳插入其中的引导构件628。引导构件628可以滑入轴环626的孔中，并在其间实现间隙配合。这可以限制在宽度方向上的膨胀，并在蓄电池组610的两侧上施加均匀分布的压力。如果在电池堆叠的膨胀或收缩中经历偏心负载，则轴环626的长度被设定尺寸为足以抵抗与引导构件628的结合或过度摩擦。例如，在一个实例中，引导构件628由抗拉强度为600kpsi、弹性模量为34mpsi的复合环氧树脂结构构成。在该实例中，引导构件的长度可以为约3.70英寸(94mm)，并且重量可以为约1.2克。
[0051]
前文是对本公开内容的说明性实施方案的详细描述。应当注意，在本说明书及其所附权利要求中，除非另有明确说明或指示，否则诸如在短语“x、y和z中的至少一个”和“x、y和z中的一个或更多个”中使用的连词语言应该被理解为意味着连词列表中的每一项目可以在不包括该列表中的每一个其他项目时以任何数量出现或者以任何数量与连词列表中的任何或所有其他项目组合出现，每个项目还可以任何数量出现。应用此一般规则，在连词列表由x、y和z组成的前面实例中的连词短语应各自涵盖：x中的一个或更多个；y中的一个或更多个；z中的一个或更多个；x中的一个或更多个以及y中的一个或更多个；y中的一个或更多个以及z中的一个或更多个；x中的一个或更多个以及z中的一个或更多个；以及x中的一个或更多个、y中的一个或更多个以及z中的一个或更多个。
[0052]
可以在不偏离本公开内容的精神和范围的情况下做出多种修改和添加。上述多种实施方案中的每一种实施方案的特征可以适当地与其他所描述的实施方案的特征组合，以便在相关联的新的实施方案中提供特征组合的多样性。此外，虽然前文描述多个单独的实施方案，但是本文描述的内容仅仅是对本公开内容的原理的应用的说明。此外，虽然本文的特定方法可以被说明和/或描述为以特定顺序执行，但是在本领域技术范围内，排序是高度可变的以实现本公开内容的方面。因此，本描述意味着仅作为实例，而不是以其他方式限制本公开内容的范围。
[0053]
已经在上面公开并在附图中图示出示例性的实施方案。本领域技术人员将理解，在不背离本公开内容的精神和范围的情况下，可以对本文具体公开的内容做出多种改变、省略和添加。

技术特征：
1.一种蓄电池芯组，包括：多于一个电池，其形成电池堆叠，每个电池包括至少一个阳极和至少一个阴极，其中金属离子在放电期间从所述阳极剥离并在充电期间重新镀覆在所述阳极上；以及安全壳结构，其至少部分地围绕所述电池堆叠，其中所述安全壳结构向所述电池堆叠的所述电池施加至少200psi的至少基本上均匀且恒定的表面压力。2.根据权利要求1所述的蓄电池芯组，其中所述基本上均匀的表面压力在约200psi至约300psi的范围内。3.根据权利要求3所述的蓄电池芯组，其中所述阴极是通式为li
x
m
y
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的层状或尖晶石氧化物材料，其中m是包括co、mn、ni、v、fe或cr的过渡金属。4.根据任一前述权利要求所述的蓄电池芯组，其中每个电池包含电解质，所述电解质包含一种或更多种选自由以下项组成的组的锂盐：双(氟磺酰基)酰亚胺锂、双(三氟甲磺酰基)酰亚胺锂、六氟磷酸锂、双(草酸)硼酸锂、二氟(草酸)硼酸锂、高氯酸锂和四氟硼酸锂。5.根据权利要求4所述的蓄电池芯组，其中所述锂盐至少包括双(氟磺酰基)酰亚胺锂。6.根据权利要求4或权利要求5所述的蓄电池芯组，其中所述锂盐以从0.1m至8.0m的浓度范围存在。7.根据权利要求6所述的蓄电池芯组，其中所述锂盐以从1.5m至4.5m的浓度范围存在。8.根据任一前述权利要求所述的蓄电池芯组，其中所述电池在至少100次充电/放电循环中保持大于2.5ah的放电容量。9.根据任一前述权利要求所述的蓄电池芯组，包括至少四个电池，所述电池在30％soc具有至少约590wh/l的芯组能量密度。10.根据任一前述权利要求所述的蓄电池芯组，其中所述阳极包括锂金属。11.一种蓄电池芯组，包括：电池堆叠，其包括至少四个电池，所述电池在30％soc具有至少约590wh/l的芯组能量密度并且在至少100次充电/放电循环中具有大于2.5ah的放电容量，每个所述电池具有约25mg/cm2和至约31mg/cm2的负载水平并且包括至少一个阴极和至少一个锂金属阳极，所述阴极由通式为li
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的层状或尖晶石氧化物材料形成，其中m是包括co、mn、ni、v、fe或cr的过渡金属，所述锂金属阳极在放电状态下具有在10μm-100μm的范围内的厚度；电解质，其包含在每个所述电池中，所述电解质包含一种或更多种选自由以下项组成的组的锂盐：双(氟磺酰基)酰亚胺锂、双(三氟甲磺酰基)酰亚胺锂、六氟磷酸锂、双(草酸)硼酸锂、二氟(草酸)硼酸锂、高氯酸锂和四氟硼酸锂，其中所述锂盐以从0.1m至8.0m的浓度范围存在；以及安全壳结构，其至少部分地围绕所述电池堆叠，其中所述安全壳结构向所述电池堆叠的所述电池施加在约200psi至约300psi的范围内的至少基本上均匀且恒定的表面压力。12.根据权利要求4-11中任一项所述的蓄电池芯组，其中所述电解质还包含一种或更多种选自由以下项组成的组的溶剂：线性碳酸酯；环状碳酸酯；线性醚；环醚、酯、磺酰基物质和磷酸酯。13.根据权利要求12所述的蓄电池芯组，其中每种溶剂以按体积计或按重量计或按摩尔比率计在从100％至0.2％范围内的浓度存在。14.根据权利要求12或权利要求13所述的蓄电池芯组，其中所述线性碳酸酯选自由以
下项组成的组：碳酸二甲酯、碳酸二乙酯和碳酸乙基甲基酯。15.根据权利要求14所述的蓄电池芯组，其中所述线性碳酸酯是碳酸二甲酯或碳酸乙基甲基酯中的一种或组合。16.根据权利要求12或权利要求13所述的蓄电池芯组，其中所述环状碳酸酯选自由以下项组成的组：碳酸亚乙酯、碳酸亚丙酯、氟代碳酸亚乙酯和碳酸亚乙烯酯。17.根据权利要求16所述的蓄电池芯组，其中所述环状碳酸酯是碳酸亚乙酯、碳酸亚丙酯或碳酸亚乙烯酯中的一种或多于一种的组合。18.根据权利要求12或权利要求13所述的蓄电池芯组，其中所述线性醚选自由以下项组成的组：甲基丙基醚、甲基丁基醚、乙基丙基醚、乙基丁基醚、丙基丁基醚、二乙醚、二丙基醚和二丁基醚、1,2-二乙氧基乙烷、1,2-二甲氧基乙烷、1,2-二丙氧基乙烷和1,2-二丁氧基乙烷、双(2-甲氧基乙基)醚、2-乙氧基乙醚、1,2-(1,1,2,2-四氟乙氧基)乙烷和1,1,2,2-四氟乙基2,2,3,3-四氟丙醚。19.根据权利要求12或权利要求13所述的蓄电池芯组，其中所述环醚选自由以下项组成的组：1,3-二氧戊环、1,4-二噁烷、1,3-二噁烷、四氢吡喃、四氢呋喃、2,4-二甲基四氢呋喃、2-甲基四氢呋喃、3-甲基四氢呋喃和2-乙基-5-甲基四氢呋喃。20.根据权利要求12或权利要求13所述的蓄电池芯组，其中所述酯选自由以下项组成的组：甲酸甲酯、甲酸乙酯、乙酸甲酯和乙酸乙酯。21.根据权利要求12或权利要求13所述的蓄电池芯组，其中所述磺酰基物质是n,n-二甲基氨磺酰氟。22.根据权利要求12或权利要求13所述的蓄电池芯组，其中所述磷酸酯是磷酸三乙酯。23.根据权利要求12或权利要求13所述的蓄电池芯组，其中：每个电池包含电解质，所述电解质包含一种或更多种选自由以下项组成的组的锂盐：双(氟磺酰基)酰亚胺锂、双(三氟甲磺酰基)酰亚胺锂、六氟磷酸锂、二氟(草酸)硼酸锂和高氯酸锂；所述线性碳酸酯选自由以下项组成的组：碳酸二甲酯和碳酸乙基甲基酯，并且所述环状碳酸酯选自由以下项组成的组：碳酸亚乙酯、碳酸亚丙酯和碳酸亚乙烯酯。24.根据权利要求1-10中任一项所述的蓄电池芯组，其中每个电池包含电解质溶液，所述电解质溶液选自由以下项组成的组：a.双(氟磺酰基)酰亚胺锂的盐以及碳酸乙基甲基酯和氟代碳酸亚乙酯的溶剂混合物，其中所述电解质的制剂是在以70:30的体积比的碳酸乙基甲基酯和氟代碳酸亚乙酯中的2m双(氟磺酰基)酰亚胺锂；b.双(氟磺酰基)酰亚胺锂的盐以及1,2-二乙氧基乙烷和1,2-(1,1,2,2-四氟乙氧基)乙烷的溶剂混合物，其中所述电解质的制剂是在1,2-二乙氧基乙烷(60体积％)与1,2-(1,1,2,2-四氟乙氧基)乙烷(40体积％)中的3.6m双(氟磺酰基)酰亚胺锂；c.双(氟磺酰基)酰亚胺锂的盐，并且溶剂混合物是1,4-二噁烷、1,2-二乙氧基乙烷和1,2-(1,1,2,2-四氟乙氧基)乙烷，其中所述电解质的制剂是在以21.7％:78.3％的体积比的1,4-二噁烷和1,2-二乙氧基乙烷(70体积％)与1,2-(1,1,2,2-四氟乙氧基)乙烷(30体积％)中的4.09m双(氟磺酰基)酰亚胺锂；以及d.双(氟磺酰基)酰亚胺锂的盐和二甲基氨磺酰氟的溶剂，其中所述电解质的制剂是在
二甲基氨磺酰氟(100体积％)中的2.5m双(氟磺酰基)酰亚胺锂。25.一种蓄电池芯组，包括：多于一个电池，其形成电池堆叠，每个电池包括至少一个阳极、至少一个含锂阴极和电解质，所述电解质包含与一种或更多种溶剂组合的浓度范围为从0.1m至8.0m的一种或更多种锂盐，所述锂盐至少包括双(氟磺酰基)酰亚胺锂，所述溶剂选自由以下项组成的组：碳酸乙基甲基酯、氟代碳酸亚乙酯、1,2-二乙氧基乙烷、1,2-(1,1,2,2-四氟乙氧基)乙烷、1,4-二噁烷和二甲基氨磺酰氟；以及安全壳结构，其至少部分地围绕所述电池堆叠，其中所述安全壳结构向所述电池堆叠的所述电池施加至少200psi的至少基本上均匀且恒定的表面压力。26.根据权利要求25所述的蓄电池芯组，其中所述至少一个阳极包括包含锂金属的阳极。27.根据权利要求25或权利要求26所述的蓄电池芯组，其中所述阴极是具有通式li
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的材料，其中m是包括co、mn、ni、v、fe或cr的过渡金属。28.根据任一前述权利要求所述的蓄电池芯组，其中所述电池具有约25mg/cm2和至约31mg/cm2的阴极负载水平。29.根据任一前述权利要求所述的蓄电池芯组，其中至少一个柔顺垫被设置在至少两个电池之间。30.根据权利要求29所述的蓄电池芯组，其中所述柔顺垫包括肖氏硬度在约40-90之间并且巴肖氏弹性在约22％-40％之间的聚氨酯片材材料。31.根据任一前述权利要求所述的蓄电池芯组，还包括设置在两个电池之间的冷却垫。32.根据任一前述权利要求所述的蓄电池芯组，其中所述安全壳结构包括：第一端板和第二端板，在所述第一端板和所述第二端板之间界定空间以容纳所述电池堆叠；以及至少一个恒定力偏置构件，其被配置成通过所述端板向所述电池堆叠施加所述表面压力。33.根据权利要求32所述的蓄电池芯组，其中所述安全壳结构还包括：引导开口，其在所述端板上；以及引导构件，其延伸穿过所述引导开口以至少基本上保持所述端板平行对准。34.根据权利要求32或权利要求33所述的蓄电池芯组，其中所述偏置构件是恒定力偏置构件。35.一种控制金属蓄电池或金属离子蓄电池的阳极上的枝晶生长的方法，其中所述电池包括至少一个平面阳极和至少一个平面阴极，并且其中材料在电池放电期间从所述阳极剥离并在电池充电期间重新镀覆在所述阳极上，所述方法包括：将多于一个电池组装成电池堆叠；将所述电池堆叠定位在安全壳结构内，所述安全壳结构至少部分地围绕所述电池堆叠；以及跨过所述电池堆叠的所述电池和所述安全壳结构施加并保持至少约200psi的基本上均匀的最小表面压力。36.根据权利要求35所述的方法，其中所述施加并保持基本上均匀的最小表面压力包
括将基本上均匀的表面压力保持在约200psi至约300psi的范围内。37.根据权利要求35或权利要求36所述的方法，其中所述组装包括将阴极放置在具有通式为li
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的层状或尖晶石氧化物材料的所述电池堆叠中，其中m是包括co、mn、ni、v、fe或cr的过渡金属。38.根据权利要求35-37中任一项所述的方法，其中所述组装包括用电解质填充所述电池，所述电解质包含一种或更多种选自由以下项组成的组的锂盐：双(氟磺酰基)酰亚胺锂、双(三氟甲磺酰基)酰亚胺锂、六氟磷酸锂、二氟(草酸)硼酸锂和高氯酸锂。39.根据权利要求38所述的方法，其中所述锂盐包括双(氟磺酰基)酰亚胺锂。40.根据权利要求38或权利要求39所述的方法，其中所述组装还包括提供以从0.1m至8.0m的浓度范围的所述锂盐。41.根据权利要求35-40中任一项所述的方法，还包括在至少100次充电/放电循环中对所述蓄电池进行充电和放电，同时保持大于2.5ah的放电容量。42.根据权利要求41所述的方法，还包括在所述至少100次充电/放电循环中在30％soc保持至少约590wh/l的能量密度，其中电池堆叠包括至少四个电池。43.根据权利要求38-42中任一项所述的方法，其中所述电解质还包含一种或更多种选自由以下项组成的组的溶剂：线性碳酸酯；环状碳酸酯；线性醚；环醚、酯、磺酰基物质和磷酸酯。44.根据权利要求43所述的方法，还包括在所述电解质中提供按体积计或按重量计或按摩尔比率计在从100％至30％范围内的浓度的所述溶剂。45.根据权利要求43或权利要求44所述的方法，其中所述线性碳酸酯选自由以下项组成的组：碳酸二甲酯、碳酸二乙酯和碳酸乙基甲基酯。46.根据权利要求45所述的方法，其中所述线性碳酸酯是碳酸二甲酯和碳酸乙基甲基酯中的一种或组合。47.根据权利要求43或权利要求44所述的方法，其中所述环状碳酸酯选自由以下项组成的组：碳酸亚乙酯、碳酸亚丙酯、氟代碳酸亚乙酯和碳酸亚乙烯酯。48.根据权利要求47所述的方法，其中所述环状碳酸酯是碳酸亚乙酯、碳酸亚丙酯和碳酸亚乙烯酯中的一种或组合。49.根据权利要求43或权利要求44所述的方法，其中所述线性醚选自由以下项组成的组：甲基丙基醚、甲基丁基醚、乙基丙基醚、乙基丁基醚、丙基丁基醚、二乙醚、二丙基醚和二丁基醚、1,2-二乙氧基乙烷、1,2-二甲氧基乙烷、1,2-二丙氧基乙烷和1,2-二丁氧基乙烷、双(2-甲氧基乙基)醚、2-乙氧基乙醚、1,2-(1,1,2,2-四氟乙氧基)乙烷和1,1,2,2-四氟乙基2,2,3,3-四氟丙醚。50.根据权利要求43或权利要求44所述的方法，其中所述环醚选自由以下项组成的组：1,3-二氧戊环、1,4-二噁烷、1,3-二噁烷、四氢吡喃、四氢呋喃、2,4-二甲基四氢呋喃、2-甲基四氢呋喃、3-甲基四氢呋喃和2-乙基-5-甲基四氢呋喃。51.根据权利要求43或权利要求44所述的方法，其中所述酯选自由以下项组成的组：甲酸甲酯、甲酸乙酯、乙酸甲酯和乙酸乙酯。52.根据权利要求43或权利要求44所述的方法，其中所述磺酰基物质是n,n-二甲基氨磺酰氟。
53.根据权利要求43或权利要求44所述的方法，其中所述磷酸酯是磷酸三乙酯。54.根据权利要求35-53中任一项所述的方法，其中所述组装还包括将包含锂金属的阳极放置在所述电池堆叠中。

技术总结
公开了采用特定电解质溶液和最小电池面压力的蓄电池芯组和用于使枝晶生长最小化并增加金属蓄电池和金属离子蓄电池的循环寿命的方法。的方法。的方法。


技术研发人员：南映圭 刘彬 魏紫 王文韬 李熙京 金光春
受保护的技术使用者：麻省固能控股有限公司
技术研发日：2021.12.15
技术公布日：2023/8/31