CN105556734A - 含有折叠的电极和隔膜的电化学电池，包含该电化学电池的电池组及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

公开了一种包括折叠电极层和折叠的隔膜的电化学电池，一种包括所述电化学电池的电池组，以及形成所述电化学电池和电池的方法。所述电极层以第一方向折叠，所述隔膜以第二方向折叠，所述第一方向和第二方向是相互正交的。

Description

含有折叠的电极和隔膜的电化学电池，包含该电化学电池的电池组及其制备方法
技术领域
本申请要求2013年3月14日提交的美国专利申请第13/830,942号的优先权，该申请所公开的内容以不与本发明公开的内容相冲突的程度纳入。
本发明一般涉及电化学电池和包含该电池的电池。更具体的，本发明涉及：含有一个或多个折叠的电极和折叠的隔膜的电化学电池；包含所述电化学电池的电池组；以及制备所述电化学电池和电池组的方法。
背景技术
通常，电池组包括一个或多个电化学电池来储存电能。每个电化学电池包括阳极(电池放电过程中带负电荷的电极)、阴极(电池放电过程中带正电荷的电极)、阳极和阴极之间的电解质，通常电化学电池还包括在阳极和阴极之间的隔膜等，以保持阳极和阴极不会相互接触。
电化学电池能储存的电荷量与电化学***有关，所述电化学***是反应材料和非反应材料、可用于电化学反应的大量电极材料和/或电解质材料的组合。通常，可用的电极和/或电解质材料的量越大，电荷容量越大。此外，较大的电极表面积降低了电池的内部电阻，且可改善扩散过程，扩散过程的改善可在相对大的电流下对电池放电和充电并改善电池的其它充放电性质。提供带有额外电极表面的电化学电池并由此改善了电池性能的技术包括：将电池的层卷绕成圆柱形以形成卷绕电池，并将电池的多个层一层一层叠加到另一层的上面以形成层叠电池。
卷绕的电化学电池通常通过以下步骤形成：将阳极层、隔膜层和阴极层相互相邻分层放置，例如由各层的连续卷分层放置，随后将这些层卷绕以形成圆柱形结构。圆柱形结构可以展平，形成扁平的紧实结构(packstructure)，该结构可以更好地符合使用包含所述电池的电池组的器件的构造设计。由于卷绕电池可以通过材料的连续卷制得，因此制造卷绕电化学电池是相对便宜的制备具有相对高电荷容量和其它所需性质的电化学电池的方法。不过，卷绕电化学电池和包含该电池的电池组可能会经历在电池的充放电过程中由电池部分的体积改变所引起的压力和力的不均匀分布；当将卷绕电池压制成扁平紧实结构时尤其如此。压力这样改变可能会降低电池组的性能，电池组的安全性，和/或电池组的寿命。
通过以垂直层叠的方式放置多个结构形成层叠的电池，每个结构包括阳极层、隔膜层和阴极层。与卷绕电池相比，层叠的电池制造相对较贵，因为预切割或形成阳极层、隔膜层和阴极层的片材必须分别制备，随后再一层一层叠加到另一层上，这需要耗时的层与层之间的精确对齐。此外，精确放置每层所需的设备也是相对昂贵的。不过，采用此技术制备的电池和电池组在电池的充放电过程中任何电池体积改变所引起的力分布相对均匀。因此，与采用卷绕电池技术制备的相似电池相比，这样的电池可具有增强的性能、寿命和安全性。
另一种用于制备电化学电池的技术包括：采用z形折叠或手风琴状折叠电化学电池的一层或多层。采用z形折叠的技术与电池的卷绕层相比是有益的，因为折叠技术可在电池内允许更均匀的压力和力分布；不过，折叠电池层所需的设备和时间通常比卷绕电池层更多更长。折叠技术可优于层叠方法，因为至少电池的一些层可通过连续或半连续的片材得到，而层叠电池的所有层都是预切割的；不过，包括折叠层的电池中的压力分布可能没有层叠电池中的均匀。
2012年8月16日公布的，Schaefer等所著的美国专利公开第2012/0208066A1号，公开了一种用于制备电化学电池的电极堆叠的z形折叠技术。所公开的方法包括z形折叠的隔膜材料的连续层，以及***在z形折叠隔膜材料层之间的阴极板和阳极板。虽然在Schaefer等的专利中所公开的电化学电池相对于单纯层叠的电化学电池而言具有一些优势，但Schaefer等的电池仍然需要对电池的阳极和阴极板进行精确的成形和对齐。
2009年6月25日公开的，LG化学有限公司(LGCHEM.,LTD)的PCT公开第WO2009/078632A2号，公开了一种包括多个重叠的电化学电池的电池组，其中每个电池包括阴极、阳极和隔膜，在重叠的电化学电池之间放置有连续的隔膜片。虽然所公开的电池具有被隔膜材料的连续片包围的优势，但所述电池仍然需要对在隔膜材料的连续片顶部的阴极板、隔膜板和阳极板精确成形和对齐。
1997年1月17日公开的，Kazuhiro所著的日本专利公开第09017441A号，公开了一种具有z形折叠的阳极层和z形折叠的阴极层的方形电池，其中用隔膜材料的连续涂层直接涂覆阴极层。所述电池还包括垂直和水平延伸的集流体(currentcollector)以防止极性片位移。据称所述集流体具有不需要电极上凸出部的优势。不过，Kazuhiro所公开的集流体显著增加了电池的重量和体积。此外，所述涂覆的阴极和包含这样的阴极的电池被认为是相对难于制造的。
虽然已经开发了用于电化学电池中多层的z形折叠或手风琴状折叠技术，该技术仍然包括额外的步骤，相对困难的制造步骤(即对齐多个板)，和/或额外增加电池的体积和重量。因此，需要改善的电化学电池和电池组以及制备所述电池和电池组的方法。
发明内容
本发明公开的内容一般涉及电化学电池，包含该电池的电池组，以及制备所述电池和电池组的方法。更具体的，公开内容的多个实施方式涉及包括第一电极(如阳极或阴极)、第二电极(如阴极或阳极)以及在第一电极和第二电极之间的隔膜的电化学电池，其中所述第一电极、第二电极和隔膜中的两个或多个包括z形折叠或手风琴状折叠。例如，根据多个实施方式的示例性的电池包括以第一方向折叠的z形折叠的第一电极(阳极或阴极)，和以第二方向z形折叠的z形折叠的隔膜，所述第二方向与第一方向正交。或者，示例性的电池包括沿第一方向z形折叠的第一电极以及以第二方向z形折叠的第二电极和隔膜的组合，所述第二方向与第一方向正交。如下文更详细的表述，本发明公开的电化学电池相对于现有技术具有优势，包括相对简单和低成本的制造、高的能量密度和安全性。
根据本文公开的多个实施方式，电化学电池包括第一电极层、覆盖所述第一电极层的隔膜层(所述隔膜层在其自身上以第一方向折叠返回，以形成第一隔膜部分、第二隔膜部分和两部分之间的开口)、以及包含平板的第二电极(其中所述平板在第一隔膜部分和第二隔膜部分之间)。所述第一电极层以第二方向在所述隔膜层上方折叠，所述第二方向与第一方向正交，以形成在第一隔膜部分下面的第一个第一电极部分和在第二隔膜部分上面的第二个第一电极部分。根据这些实施方式的各个方面，电化学电池包括多个(例如大于2个)第一电极部分、隔膜部分和平板，所述第一电极层和隔膜层各自形成z形折叠层。根据这些实施方式的其它方面，所述第一电极层包含活性阴极材料，该阴极材料可被修补涂覆(patchcoated)到基材上。根据可选的方面，所述第一电极层含有活性阳极材料。根据其它方面，所述折叠的隔膜在所述平板与折叠的第一电极层部分重叠的区域中与所述平板部分重叠，以防止第一电极层和第二电极板之间短路。折叠层的使用使得以例如第一电极层材料和隔膜层材料的连续或半连续卷、带或网的形式的原材料制备电池相对简单和便宜，第二电极板的使用使得电池的形成具有相对均匀的压力分布。
根据公开的其它实施方式，制备电化学电池的方法包括以下步骤：将隔膜层以与第一电极层正交的方向放置在第一电极层上；将该隔膜层在其自身上折叠返回以形成第一隔膜部分、第二隔膜部分和两部分间的第一开口，将第二隔膜部分上方的第一电极层折叠以形成在第一隔膜部分下面的第一个第一电极部分和在第二隔膜部分上面的第二个第一电极部分，以及将第二电极材料的第一片材放置在所述开口中。这些步骤可重复用于所需数量的第一电极、第二电极和隔膜部分，以获得所需的电化学电池或电池组性质。根据这些实施方式的示例性的方面，放置第一片材的步骤发生在在第二隔膜部分上方折叠第一电极层的步骤之前。根据可选的方面，放置第一片材的步骤发生在在第二隔膜部分上方折叠第一电极层的步骤之后。根据其它方面，所述方法还包括在第一电极层的第一部分的下面或在电化学电池的底部提供隔膜部分的步骤。以及，根据其它方面，所述方法还包括在第一电极材料顶部的上面或在电化学电池的顶端提供隔膜部分。根据其它方面，所述方法还包括通过第一电极层的折叠部分与第一电极层形成接触的步骤。根据其它方面，所述方法包括使用在第二电极板上的接触区域或部位与第二电极形成接触的步骤，所述第二电极板没有被活性电极材料覆盖。以及，根据这些实施方式的其它方面，所述方法包括将第一电极层的折叠部分切割以形成边缘部分，并在边缘部分处或附近与第一电极形成接触的步骤。
根据公开内容的其它实施方式，电化学电池包括含有第一个第一电极部分的第一电极层；在第一电极层上面的第二电极层，所述第二电极层包含含有活性材料的第一表面和第二表面；以及部分在第二表面上面的隔膜层，其中将第二电极层和隔膜层的组合在其自身上以第一方向折叠返回，并在该组合上方以第二方向折叠第一电极层以形成第二个第一电极部分，所述第一方向和第二方向相互正交。根据这些实施方式的各个方面，电化学电池包括多个第一电极部分和组合部分，这样第一电极层与第二电极层和隔膜层的组合共同形成了z形折叠层。根据这些实施方式的其它方面，所述第一电极层包含活性阴极材料。根据可选的方面，所述第一电极层含有活性阳极材料。根据其它方面，将所述隔膜层和第二电极层在偏移位置折叠以形成不被所述隔膜层覆盖的第二电极层的接触区域或部位。根据其它方面，所述组合的折叠隔膜层在第二电极被第一电极层重叠的区域与第二电极层重叠，以防止第一和第二电极层之间短路。根据其它方面，所述第一和/或第二表面被活性材料部分涂覆。根据其它方面，所述第二电极层含有一个或多个接触区域或部分。根据其它方面，所述第一电极层包含在所述层的顶部表面和底部表面上的活性材料。根据其它方面，所述电化学电池包括在电化学电池的底部和/或电化学电池的顶部上的隔膜层的部分。
根据公开的其它实施方式，制备电化学电池的方法包括以下步骤：将第二电极层和隔膜层的组合放置在第一电极层的第一个第一电极部分上面，所述组合放置的方向与第一电极层的方向正交；将所述组合在其自身上折叠返回以形成第一组合部分和第二组合部分；以及在第二组合部分上方折叠第一电极层以形成在组合的第二部分上面的第二个第一电极部分。根据这些实施方式的示例性方面，所述方法包括形成额外的第一电极和组合部分以得到所需的电化学电池和电池组性质的步骤。根据其它方面，所述方法还包括在电化学电池的底部和/或电化学电池的顶部提供隔膜材料的步骤。根据其它方面，所述方法包括提供包含基材和在基材上面的活性材料的间歇部分的第二电极层的步骤。根据其它方面，所述方法还包括提供包含基材和在基材上面的活性材料的间歇部分的第二电极层的步骤，所述基质包括一个或多个接触区域或部位，所述接触区域或部位至少部分没有被活性材料涂覆。根据其它方面，所述方法包括通过第一电极层的折叠部分与第一电极形成接触的步骤。根据其它方面，所述方法包括将第一电极层的折叠部分切割以形成边缘部分，以及在边缘部分处或附近与第一电极形成接触的步骤。根据这些实施方式的其它方面，所述方法还包括以下步骤：形成与第二电极的接触区域或部位以提供使用凸出部、集流体或母线或其它接触部件的机会。
根据公开的其它实施方式，电化学电池包括第一电极层；在第一电极层上面的第二电极层，所述第二电极层包含含有活性材料的第一表面和含有活性材料的第二表面；部分在第一表面上面的第一隔膜层；和部分在第二表面上面的第二隔膜层，其中第一隔膜层、第二电极层和第二隔膜层的组合覆盖第一电极层的第一部分，所述第一电极层在所述组合上方正交折叠以形成第一电极层的第二部分。电化学电池可含有任意数量的第一电极部分和组合部分以得到所需的电化学电池或电池组性质。根据这些实施方式的各个方面，所述第一电极层包含活性阴极材料，所述第二电极层包含活性阳极材料。根据可选的方面，所述第一电极层包含活性阳极材料，所述第二电极层包含活性阴极材料。所述第一电极层可包括部分涂覆了活性材料的顶表面和/或底表面。示例性的电池可在电化学电池的底部和/或顶部包含隔膜材料。根据其它示例性的方面，所述第二电极层包含一个或多个可用于凸起或接触的接触区域或部位，其中所述接触区域或部位至少部分没有被活性电极材料覆盖。
根据公开的其它实施方式，形成电化学电池的方法包括以下步骤：将第一隔膜层、第二电极层和第二隔膜层的组合以与第一电极层正交的方向放置在第一电极层的一个部分上面，并且在所述组合上方以与所述组合正交的方向折叠第一电极层。这些步骤可重复直至形成所需数量的第一电极部分和组合部分。根据其它方面，所述方法还包括在电化学电池的底部提供隔膜部分和/或在电化学电池的顶部提供隔膜部分材料的步骤。根据其它方面，所述方法包括通过第一电极层的折叠部分形成与第一电极的接触区域或部位的步骤。根据其它方面，所述方法包括将第一电极层的折叠部分切割以形成边缘部分，以及在边缘部分处或附近与第一电极层形成接触的步骤。根据这些实施方式的其它方面，所述方法还包括用例如适用于凸起的接触区域或部位与第二电极形成接触的步骤。
根据公开的其它实施方式，电池组包含一个或多个本文公开的电化学电池。所述电池组还可包括外壳和接线端子。
以及，根据其它实施方式，形成电池组的方法包括本文所述的形成电化学电池的方法。所述方法还可包括以下步骤：向一个或多个电化学电池提供接线端子，并将所述一个或多个电化学电池包入。
附图简要描述
结合附图进一步描述本发明的示例性实施方式，附图中：
图1说明根据本公开内容的示例性实施方式的电化学电池的一部分。
图2说明了图1说明的电化学电池部分的截面图。
图3说明根据本公开内容的示例性实施方式的形成电化学电池的方法。
图4说明根据本公开内容的其它示例性实施方式的电化学电池的一部分。
图5说明了图4所示的电化学电池部分的截面图。
图6说明根据本公开内容的示例性实施方式的示例性的折叠前的第一电极层、第二电极层和隔膜层。
图7说明根据本公开内容的示例性实施方式的形成电化学电池的另一种方法。
图8说明根据本公开内容的其它示例性实施方式的电化学电池的一部分。
图9说明了图8所示的电化学电池部分的截面图。
图10说明根据示例性实施方式的其它示例性的折叠前的第一电极层、第二电极层和隔膜层。
图11说明根据本公开内容的示例性实施方式的形成电化学电池的另一种方法。
图12说明根据本公开内容的其它示例性实施方式的电化学电池的一部分的截面图。
图13说明了图12所示的电化学电池部分的另一视图。
图14(a)和(b)说明根据本公开内容的示例性实施方式的示例性的折叠前的第一电极层、第二电极层和隔膜层。
图15说明根据本公开内容的示例性实施方式的形成电化学电池的另一种方法。
应理解，这些图不必按比例绘制。例如，附图中某些要素的尺寸可以相对其它要素放大，有助于更好地理解本发明的这些说明性实施方式。
本发明优选实施方式详述
下面提供的本发明内容的示例性实施方式的描述只是示例性的，且只用于举例说明；下面的描述无意于限制本文公开的发明的范围。
如下文更详细的描述，示例性的电化学电池和包含本文公开的电池的电池组优于那些包含卷绕或层叠电池的电化学电池。此外，本文所述的电化学电池与其它含有一层或多层z形折叠层的电化学电池相比，制造相对简单，具有相对高的能量密度，并且安全。下文所述的电化学电池可与各种电化学电池技术一起使用，包括锂离子电池、锂聚合物电池、镍金属氢化物电池、锂硫电池、锂空气电池、锂氧电池等等。
图1和2说明了根据本公开内容的示例性实施方式的电化学电池100的一部分，其包括第一电极层102、隔膜层104、以及第二电极板106。虽然没有示出，但电化学电池还可包括合适的电解质，和/或与第一电极层102和/或一个或多个第二电极板106的接触。此外，本文所述的电化学电池或其部分可包括图中没有示出的额外电极层和隔膜层。
第一电极层102和隔膜层104是相互正交z形折叠的，因此第一电极层102与隔膜层104正交，并且，第一电极层102中的折叠116与隔膜层104中的折叠120正交。如本文中所用的，术语“正交”是指90度或基本为90度，这样所述第一电极层和隔膜层可以相互z形折叠。
与相似的由卷绕电池得到的扁平紧实的电化学电池相比，电化学电池100被认为具有较少的由电池的充电和放电引起的非均匀压力分布，也因此被认为更为安全。此外，由于只有一个电极以平板形式提供，因此与层叠电池相比，电池100的制造相对简单且较便宜。此外，如下文所示的更详细说明，将平板106放置在折叠的隔膜层104中形成的开口中，因此与用于形成层叠的或相似电池的传统的拾取-放置(pick-and-place)技术相比，平板106的对齐相对简单。
再次参考图1和2，电化学电池100包括在第一个第一电极部分114上面的第一隔膜部分108和第二隔膜部分110。通过将隔膜层104在其自身上折叠返回形成隔膜部分108和110，从而在隔膜部分108和110之间形成开口112。将第二电极板106放置在开口112中。隔膜层104的折叠边可用作平板106的边缘导向或限位。隔膜层104可与平板106的部分重叠(例如超出其宽度)，所述平板106的部分与第一电极层102重叠，以防止层102和平板106之间短路，从而改善电池100和包含所述电池的电池组的性能和安全性。电池100可包括任何所需数量的第一电极部分、隔膜部分和第二电极板；所示的电池包括4个第一电极部分、9个隔膜部分、以及4个第二电极板。
与第一电极层102的接触可在部位116处或附近形成。为了促进接触的形成，部位116可从隔膜层104和平板106向外伸出。所述的伸出可在电池100的一边(如图所示)或两边。
与平板106的接触可在平板106的边缘处或附近形成。例如，可在接触区域或部位122处与平板106形成接触。
根据这些实施方式的示例性方面，第一电极层102包含活性阳极材料，第二电极板106包含活性阴极材料。或者，第一电极层102包含活性阴极材料，第二电极板包含活性阳极材料。示例性的合适的活性阴极材料包括：电活性过度金属硫属化物、电活性导电聚合物和电活性含硫材料，以及它们的组合。合适的活性阳极材料包括：锂金属，如锂箔和沉积在基材(如塑料薄膜)上的锂，和锂合金，如锂-铝合金和锂-锡合金。各种活性材料还可包括粘合剂、填料和导电材料。例如，阴极活性材料可包括电活性硫材料而阳极可包括锂。
第一电极层102可包括在基材顶表面和底表面上的连续或非连续的活性电极材料膜，例如载体箔，或者是活性材料的固体膜或箔。或者，层102可包括层叠结构或复合物，例如2010年8月10日公开的Affinito等人的，名为《在水性和非水性电化学电池(包括可充电的锂电池)中的电极保护(ElectrodeProtectioninBothAqueousandNon-AqueousElectrochemicalCells,IncludingRechargeableLithiumBatteries)》的美国专利第7,771,870号，以及2012年6月12日公开的Skotheim等人的，名为《用于电化学电池的锂阳极(LithiumAnodesforElectrochemicalCells)》的美国专利第8,197,971号中所公开的结构，两篇文献的内容通过引用以不与本发明公开的内容相冲突的程度纳入本文。在非连续膜的情况中，可在折叠的部位116中省略活性电极材料。
相似的，平板106可在基材(例如集流体)的两个表面上含有连续的或非连续的活性电极材料的层，或者是材料的固体片材。根据示例性的方面，平板106包括基材(如集流体)，所述基质上涂覆有活性电极材料。为了促进与平板106的接触形成以及减少第一电极层102与第二电极板106之间的短路机会，平板106可包括接触区域或部位122，其延伸超出第一电极层102与第二电极平板106的重叠处，所述区域或部位至少部分没有被活性电极材料涂覆。
可用适用于作为电化学电池隔膜的任何材料形成隔膜层104。例如，层104可包括固体不导电或绝缘材料，所述固体不导电或绝缘材料将阳极和阴极相互分隔或绝缘。所述隔膜可含有孔，其可部分或基本被电解质填充。此外，隔膜层可包括部分覆盖区域122的部位118。
本领域已知多种隔膜材料。合适的固体多孔隔膜材料的示例包括但不限于，聚烯烃，例如，聚乙烯和聚丙烯、玻璃纤维滤纸，和陶瓷材料。适用于本文所述的电池的隔膜和隔膜材料的其它例子是包含多微孔干凝胶(xerogel)层(例如，多微孔假勃姆石层)的那些，其可作为自立式薄膜的形式或通过直接涂覆施涂至电极之一上来提供。固体电解质除了其允许离子在阳极和阴极之间传输的电解质功能以外，还可作为隔膜。
图3说明了形成电池100的示例性的方法300。方法300包括以下步骤：将隔膜层放置在第一电极层的一部分上(步骤302)，将所述隔膜层折叠以形成开口(步骤304)，将第一电极在隔膜层上折叠(步骤306)，以及将第二电极材料的片材放置在所述开口中(步骤308)。虽然显示了从第一电极材料开始，但示例性的方法可从折叠的隔膜层或从隔膜材料的一部分开始，因此隔膜部分在电池的底部。相似的，方法300可包括在电化学电池的顶部形成隔膜部分。
步骤302包括将隔膜层以与第一电极层正交的方向放置。隔膜层和第一电极层都可从连续或半连续供给中得到，例如相应材料的带、卷或网。
步骤304中，将隔膜层折叠以形成两个隔膜部分，在两部分之间有开口。所述隔膜层可使用例如移动辊、刀或其它器件折叠。驱动和移动机理可用例如凸轮控制和/或线性机械、电气化或磁力驱动器来进行。
在步骤306中，在顶部隔膜部分上折叠第一电极层，以形成第一电极层的另一部分。所述第一电极层可采用上述与隔膜层有关的相同技术来折叠和移动。
在步骤308中，将第二电极板放置在隔膜层的两部分之间形成的开口中。步骤308可在步骤306之前或之后进行。
步骤302-308可重复进行直到形成所需数量的第一电极部分、隔膜部分和第二电极板。随后可将所述电池压扁以减少电池的体积并形成扁平的部位(例如部位116和120)。
如上所述，方法300还可包括在电化学电池的底部和/或顶部提供隔膜材料的步骤。在电池的顶部和/或底部提供隔膜材料可为电池提供与其它电池和/或电池组件额外的隔离。
方法300还可任选地包括以下步骤：与第一电极层形成接触(步骤310)和/或与第二电极板形成接触(步骤312)。在步骤310中，与第一电极层102的接触可在第一电极层102的折叠的部位116处形成，所述接触可通过例如使用渗透装置以产生贯通层的孔，随后通过该孔形成导电接触来形成。当第一电极层包括含有不导电材料的复合物或层叠物时，该技术可能是特别有用的。或者，可在折叠的部位切割第一电极层以形成边缘，与第一电极层的接触可在边缘处或附近形成。或者，如果层是导电的，接触可直接与层完成。与第二电极板的接触可通过例如焊接、粘合和/或机械渗透技术在第二电极材料板的接触区域或部位上形成。
图4和5说明了根据公开内容的其它实施方式的另一种电化学电池400的一部分，图6说明了电池400的起始层。电化学电池400包括第一电极层402、隔膜层404和第二电极层406。所有的层是折叠的，且可源自连续源。因此，电池400的制造相对简单且便宜。此外，由于所有层都折叠，所述电池较少有可能在电池内经历非均匀压力分布，因此所述电池与相似的扁平紧实电池相比相对安全。
第一电极层402可包括上述与层102相关的任何材料。例如，层402可包括用电极活性材料涂覆了双面的基材。或者，层402可包括电极活性材料的固体片材或含有电极活性材料的复合物或层叠物。如下文与层406有关的叙述，层402可包括或不包括间歇接触区域或部位(例如在基材，例如载体箔上)。
相似的，隔膜层404可包括上述与隔膜层104相关的任何材料。如图6所示，为了防止第一电极层402与第二电极层406接触，隔膜层404可延伸超过层406的宽度，而避开区域416的部分。根据一些示例性的实施方式，将层404直接涂覆在层406上。或者，可将层406的材料涂覆在层404上。
第二电极层406可包括上述与平板106相关的任何材料。不过，在电池400中，层406是连续层而不是平板形式。层406可以是固体材料或可含有涂覆在基材上的电极活性材料。例如，层406可包括基材412(例如集流体)，且用活性材料414在其一侧间歇涂覆。层406还可包括接触区域或部位416，其可至少部分未涂覆活性材料，因此可在区域416的未涂覆部分形成接触。如图6中的最佳说明，区域416可由层406的一部分形成，该部分与层406的其它部分相比宽度更大。根据各种示例性的实施方式，第一和第二电极层的交叠足印包括相对于正电极足印较大的负电极足印。
在说明的实施例中，电池400包括第一个第一电极部分408和在第一个第一电极部分408上面的第二电极层406与隔膜层404的组合410。组合410以相对于第一电极层402正交的方向放置，并在其自身上折叠返回，这样组合410的隔膜层404在第一电极层402和第二电极层406之间。组合410的折叠(例如沿线418)产生了两个相邻的第二电极部分，这增加了电池的额外体积。不过，电池结构使得第一电极、隔膜和第二电极材料的连续源从例如各自材料的卷、带或网得到，这使得电池400的制造相对简单和便宜，而不需要电极材料的单独片材的精确放置或切割。
与电池100相似，电池400可包括与第一电极层和第二电极层的接触。与第一电极层402和第二电极层406的接触可包括任何合适的形式，包括上述与电极层102和106相关的接触。
图7说明根据本公开内容的其它实施方式的形成电化学电池400的方法700。方法700包括如下步骤：将第二电极层和隔膜层的组合放在第一电极层的第一个第一电极部分上面(步骤702)，将所述组合在其自身上折叠返回以形成第一组合部分和第二组合部分(步骤704)，以及在第二组合部分上方折叠第一电极层以形成在第二组合部分上面的第二个第一电极部分(步骤706)，以及任选地包括以下步骤：与第一电极层形成接触(步骤708)和/或与第二电极层形成接触(步骤710)。虽然显示了从第一电极材料开始，但示例性的方法也可从隔膜层或从隔膜部分开始，因此隔膜部分在电池的底部。相似的，方法700可包括在电化学电池的顶部形成隔膜部分。
步骤702包括以下步骤：将第二电极层和隔膜层的组合以与第一电极层正交的方向放在第一电极层的第一部分上面。第二电极层与隔膜层的组合可源自单一源(例如卷、带或网)，或者第二电极层和隔膜层可源自分开的源，这种情况下，分开的层在步骤704之前合并。
在步骤704中，将隔膜层和第二电极层的组合移动并在其自身上折叠返回(例如，使用上述与步骤304和306有关的任何技术)，因此所述隔膜层在第一电极层和第二电极层之间。当将所述组合折叠，就形成了第一组合部分和第二组合部分。
接着，在步骤706中，将第一电极层移动并在所述组合的第二部分上方以与所述组合正交的方向折叠返回(例如，使用上述与步骤304和306有关的任何技术)。如图4和5所示，第一电极层的折叠可形成延伸部位420以促进与第一电极层的接触形成。
步骤702-706可重复进行直到形成所需数量的第一电极部分、隔膜部分和第二电极部分。随后可将所述电池压扁以减少电池的体积并形成扁平的部位(例如部位420)。随后可采用上述与步骤310和312相关的相同或相似技术在步骤708、710中形成与第一和第二电极层的接触。
图12和13说明了根据公开内容的其它实施方式的另一种电化学电池1200的一部分，图14(a)和(b)说明了可用于形成电池1200的起始层。电化学电池1200与电池400相似，电池1200包括第一电极层1202、隔膜层1204和第二电极层1206，这些层都可采用用于形成层402-406的相应材料形成。
电化学电池1200可根据图15所示的方法1500形成，该方法与方法700相似，不同之处在于方法1500通过以下步骤开始：将第一电极层放置在第二电极层和隔膜层的组合上面(步骤1502)，将所述组合在其自身上折叠返回以形成第一组合部分和第二组合部分(步骤1504)，以及在第二组合部分上方折叠第一电极层以形成在第二组合部分上面的第二个第一电极部分(步骤1506)，以及任选地包括以下步骤：与第一电极层形成接触(步骤1508)和/或与第二电极层形成接触(步骤1510)。采用本文所述的任何技术，可在部位或区域1214内形成与第一电极层的接触，可在部位或区域1212内形成与第二电极层的接触。
根据说明的实施例，隔膜层1204和第二电极层1206在偏移位置折叠；隔膜层1204可在线1208标注的区域折叠，第二电极层可在线1210所示的区域折叠，从而形成接触区域或部位1212，其不包括隔膜层1204材料。在图14(a)中，仅为了说明目的，所示隔膜层从第二电极层处偏移；隔膜层可直接覆盖第二电极206，并可与第二电极206交叠以对电池提供额外的保护，如图14(b)所示。在这种情况下，可在方法1500中引入隔膜层作为分隔带。方法1500的剩余步骤可与方法700的相应步骤相同或相似。在接触部位或区域1212内不含有隔膜层材料可能是有优势的，因为隔膜材料的缺失促进形成与第二电极层1206的电学接触，且其减少了电池1200的重量，也因此增加了电池的能量密度。此技术特别适用于这样的电池：其中第一电极层1202包含阴极材料，被隔膜层1204覆盖的第二电极层1206包含阳极材料，这是因为这样的设计提供了第一电极层1202与隔膜层1204足够的重叠，并且减少了缺失重叠和/或重叠失效，因此减少了其它所需的质量措施。
图8-10说明了根据本公开内容的其它实施方式的另一个电化学电池800的一部分以及其组件。电池800与电池400相似，不同之处在于，电池800包括第二电极层与第一和第二隔膜层的组合。结构中包括额外隔膜层使得形成电化学电池而不需要将所述组合在其自身上折叠返回。
电化学电池800包括第一电极层802、第一隔膜层804、第二电极层806和第二隔膜层808。所有的层是折叠的，且可源自连续源或半连续源。因此，电池800的制造相对简单且便宜。此外，由于所有层都折叠，与例如扁平紧实电池相比，所述电池较少有可能在电池内经历非均匀压力分布，因此所述电池与相似的扁平紧实电池相比相对安全。此外，所述设计允许用隔膜材料覆盖电极，从而为电池提供额外的安全性。
第一电极层802可包括上述与层102和402相关的任何材料。例如，层802可包括用电极活性材料涂覆了双面的基材。或者，层802可包括电极活性材料的固体片材或含有电极活性材料的复合物或层叠物。如下文与层406有关的叙述，层802可包括或不包括间歇接触区域或部位(例如在载体箔或基材上)。隔膜层804、808可包括上述与隔膜层104和404相关的任何材料，其可是隔膜层或者直接涂覆在层406上。相似的，第二电极层806可包括上述与层406相关的任何材料，且可包括如上文所述的活性材料818的非连续涂层和接触区域或部位；不过，由于电池800包括两层隔膜材料，根据示例性的电池，层806包括在两个表面上的电极活性材料818；例如在基质820上的活性材料818的部位。
在说明的实施例中，电池800包括第一个第一电极部分810和在第一个第一电极部分810上面的第一隔膜层804、第二电极层806与第二隔膜层808的组合812。组合812以与第一电极层802正交的方向放置，因此组合812的第一隔膜层804在第一个第一电极部分810和第二电极层806的第一表面的活性材料之间，而第二隔膜层808在第二电极层的第二表面和第一电极层814的第二部分之间，所述第一电极层的第二部分是通过将第一电极层802在组合812上方折叠形成的。
图10更详细地说明了第一电极层802与组合812。在说明的实施例中，隔膜层804、808更宽并覆盖第二电极层806，除了层806的部位816，该部位只有部分被覆盖。图10中的虚线显示了在各层中的折叠部位。
电池800可包括与层802和/或层806的接触。所述接触可与上述与电池100和400相关的接触相同或相似。
图11说明了一种形成例如电池800的电化学电池的方法1100。方法1100包括以下步骤：将第一隔膜层、第二电极层和第二隔膜层的组合放置在第一电极层上方(步骤1102)，在所述组合上方折叠第一电极层(步骤1104)，以及任选地包括以下步骤：与第一电极层形成接触(步骤1106)和/或与第二电极层形成接触(步骤1108)。虽然说明了从第一电极层开始，但方法1100可从所述组合开始，因此底层是隔膜层；这样提供了额外的电池隔离。同样，所述方法可以在顶层的组合层结束，以在电池的顶部提供电学隔离。或者，其它隔膜部分可在电池的底部和/或顶部形成，以提供额外的电池隔离。
步骤1102包括以下步骤：将第二电极层和两个隔膜层的组合以相对于第一电极层正交的方向放置在第一个第一电极层部分上方。第一隔膜层、第二电极层与第二隔膜层的组合可源自单一源(例如卷、带或网)，或者可源自分开的源，这种情况下，分开的层在步骤1104之前合并。根据一个实施例，第一电极层源自连续源，第二电极与第一和第二隔膜层被预切割成所需的长度。
在步骤1104中，将第一电极层在组合上方以与组合正交的方向折叠返回，以形成在组合上面的第二个第一电极部分。
步骤1102－1104可根据上述与方法300和700相关的任何折叠和移动技术进行。这些步骤可重复直至在电池内形成所需数量的第一电极部分和组合部分。随后可将所述电池压扁以减少电池的体积并产生适用于与第一电极层形成接触的扁平的部位(例如部位820)。
与层820和/或806的接触在步骤1106和1108中形成，所述步骤可与上述步骤310、312和708、710相同或相似。
通过引用多个示例性实施方式和实施例，在上文描述了本发明。应理解，本文所示和所述的具体实施方式用于说明本发明的示例性实施方式，并不意在限制本发明的范围。应认识到，可对本文所述的实施方式做出变化和修改而不偏离本发明的范围。这些和其它变化和修改都意在包括在本发明的范围之内。

Claims (53)

1.一种电化学电池，其包括:
第一电极层；
在第一电极层附近的隔膜层，所述隔膜层在其自身上方以第一方向折叠返回以形成第一隔膜部分、第二隔膜部分和两部分之间的开口；以及
第二电极板，其中所述板在第一隔膜部分和第二隔膜部分之间，
其中，所述第一电极层以与第一方向正交的第二方向在所述隔膜层上折叠，以形成在第一隔膜部分下方的第一个第一电极部分和在第二隔膜部分上方的第二个第一电极部分。
2.如权利要求1所述的电化学电池，其特征在于，所述第一电极层包含活性阴极材料，所述第二电极包含活性阳极材料。
3.如权利要求1所述的电化学电池，其特征在于，所述第一电极层包含活性阳极材料，所述第二电极包含活性阴极材料。
4.如权利要求1所述的电化学电池，其特征在于，所述电化学电池含有的第一电极部分、隔膜部分和板都多于2个。
5.如权利要求1所述的电化学电池，其特征在于，所述板包括未被电极活性材料涂覆的部分。
6.一种形成电化学电池的方法，所述方法包括以下步骤：
将隔膜层以与第一电极层正交的方向放置在第一电极层的第一部分上；
将所述隔膜层在其自身上方折叠返回，以形成第一隔膜部分、第二隔膜部分和在两部分之间的第一开口；
将所述第一电极层在所述第二隔膜部分上折叠，以形成在第一隔膜部分下面的第一个第一电极层部分和在第二隔膜部分上面的第二个第一电极部分；以及
将包括第二电极材料的第一片材放置在所述开口中。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述方法还包括以下步骤：形成一种电化学电池，其包含大于2个的以下各组件：第一电极部分、隔膜部分和板。
8.如权利要求6所述的方法，其特征在于，放置第一片材的步骤发生在在第二隔膜部分上折叠第一电极层的步骤之前。
9.如权利要求6所述的方法，其特征在于，放置第一片材的步骤发生在在第二隔膜部分上折叠第一电极层的步骤之后。
10.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述方法还包括在第一个第一电极部分下方提供隔膜部分的步骤。
11.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述方法还包括在所述电化学电池的顶部提供隔膜部分的步骤。
12.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述方法还包括通过第一电极层的折叠部分与第一电极层形成接触的步骤。
13.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述方法还包括在板的接触区域与第二电极层形成接触的步骤。
14.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述方法还包括将第一电极层的折叠部分切割以形成边缘部分并与第一电极层形成接触的步骤。
15.一种电化学电池，其包括:
含有第一电极部分的第一电极层；
在第一电极层上面的第二电极层，所述第二电极层包括含有活性材料的第一表面和第二表面；以及
部分覆盖所述第二表面的隔膜层，
其中，第二电极层和隔膜层的组合在其自身上方以第一方向折叠返回，所述第一电极层在所述组合上方以第二方向折叠，以形成第二个第一电极部分，其中所述第一方向和第二方向是相互正交的。
16.如权利要求15所述的电化学电池，其特征在于，所述电化学电池包含大于2个的以下各组件：第一电极部分、第二电极部分和隔膜部分。
17.如权利要求15所述的电化学电池，其特征在于，所述第二表面用活性材料间歇涂覆。
18.如权利要求15所述的电化学电池，其特征在于，所述第二电极层包括接触区域。
19.如权利要求15所述的电化学电池，其特征在于，所述第一电极层在顶表面和底表面含有活性材料。
20.如权利要求15所述的电化学电池，其特征在于，所述电化学电池包括在电化学电池的底部的隔膜层的部分。
21.如权利要求15所述的电化学电池，其特征在于，所述电化学电池包括在电化学电池的顶部的隔膜层的部分。
22.一种形成电化学电池的方法，所述方法包括以下步骤：
将第二电极层和隔膜层的组合放置在第一电极层的第一个第一电极部分的上面，所述组合的方向与所述第一电极层的方向正交；
将所述组合在其自身上折叠返回，以形成第一组合部分和第二组合部分；以及
将第一电极层在第二组合部分上方折叠，以形成在第二组合部分上面的第二个第一电极部分。
23.如权利要求22所述的方法，其特征在于，所述方法还包括以下步骤：形成一种电化学电池，其包含大于2个的以下各组件：第一电极部分和组合部分。
24.如权利要求22所述的方法，其特征在于，所述方法还包括在所述电化学电池的底部提供隔膜材料的步骤。
25.如权利要求22所述的方法，其特征在于，所述方法还包括在所述电化学电池的顶部提供隔膜材料的步骤。
26.如权利要求22所述的方法，其特征在于，所述放置步骤包括提供含有基材和在基材上面的电极活性材料的间歇部分的第二电极层。
27.如权利要求22所述的方法，其特征在于，所述放置步骤包括提供包含含有一个或多个接触区域的基材的第二电极层。
28.如权利要求22所述的方法，其特征在于，所述方法还包括与所述第二电极层形成接触的步骤。
29.如权利要求22所述的方法，其特征在于，所述方法还包括与所述第一电极层形成接触的步骤。
30.如权利要求22所述的方法，其特征在于，所述方法还包括通过第一电极层的折叠部分与第一电极层形成接触的步骤。
31.如权利要求22所述的方法，其特征在于，所述方法还包括将第一电极层的折叠部分切割以形成边缘部分并与第一电极层形成接触的步骤。
32.一种电化学电池，其包括:
第一电极层；
在第一电极层上面的第二电极层，所述第二电极层包括含有活性材料的第一表面和含有活性材料的第二表面；
部分覆盖所述第一表面的第一隔膜层；以及
部分覆盖所述第二表面的第二隔膜层，
所述第一隔膜层、第二电极层和第二隔膜层的组合覆盖第一个第一电极部分，且
所述第一电极层在所述组合上方正交折叠以形成第二个第一电极部分。
33.如权利要求32所述的电化学电池，其特征在于，所述第一电极层包含活性阴极材料，所述第二电极层包含活性阳极材料。
34.如权利要求32所述的电化学电池，其特征在于，所述第一电极层包含活性阳极材料，所述第二电极层包含活性阴极材料。
35.如权利要求32所述的电化学电池，其特征在于，所述电化学电池包含大于2个的以下各组件：第一电极部分、第二电极部分和隔膜部分。
36.如权利要求32所述的电化学电池，其特征在于，所述第一表面用活性材料部分涂覆。
37.如权利要求32所述的电化学电池，其特征在于，所述第二表面用活性材料部分涂覆。
38.如权利要求32所述的电化学电池，其特征在于，所述电化学电池的底层含有隔膜材料。
39.如权利要求32所述的电化学电池，其特征在于，所述电化学电池的顶层含有隔膜材料。
40.如权利要求32所述的电化学电池，其特征在于，所述第二电极层包括一个或多个接触区域。
41.一种形成电化学电池的方法，所述方法包括以下步骤：
将第一隔膜层、第二电极层和第二隔膜层的组合以与第一电极层正交的方向放置在第一电极层的第一个第一电极部分的上面；以及
在所述组合的上方以与所述组合正交的方向折叠所述第一电极层。
42.如权利要求41所述的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：形成一种电化学电池，其包含大于2个的以下各组件：第一电极部分和组合部分。
43.如权利要求41所述的方法，其特征在于，所述方法还包括在第一个第一电极部分下面提供隔膜部分的步骤。
44.如权利要求41所述的方法，其特征在于，所述方法还包括在所述电化学电池的顶部提供隔膜部分的步骤。
45.如权利要求41所述的方法，其特征在于，所述方法还包括与所述第一电极层形成接触的步骤。
46.如权利要求41所述的方法，其特征在于，所述方法还包括与所述第二电极层形成接触的步骤。
47.如权利要求41所述的方法，其特征在于，所述方法还包括将第一电极层的折叠部分切割以形成边缘部分并与第一电极层形成接触的步骤。
48.一种包含如权利要求1所述的电化学电池的电池组。
49.一种包含如权利要求15所述的电化学电池的电池组。
50.一种包含如权利要求32所述的电化学电池的电池组。
51.一种形成电池组的方法，其包含如权利要求6所述的方法。
52.一种形成电池组的方法，其包含如权利要求22所述的方法。
53.一种形成电池组的方法，其包含如权利要求41所述的方法。
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