TW202337065A - 用於能量儲存裝置之縱向約束 - Google Patents

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艾司霍克 羅西里
姆拉里 拉瑪布拉曼尼安
布魯諾 A 韋德斯
賈德那 卡麥隆 戴爾斯
克力斯多夫 J 史賓德
傑佛瑞 馬修 何
哈洛德 Ｊ 三世 洛斯特
詹姆士 D 威爾擴克斯
約翰 F 瓦爾尼
金恆 李
尼洛夫 S 史霍
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亞登 琳 凡
肯 Ｓ 松林
傑瑞米 Ｊ 戴爾頓
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Abstract

本發明提供一種適於在一充電狀態與一放電狀態之間循環的能量儲存裝置，該能量儲存裝置包括一外殼、一電極總成及一處於該外殼內之非水性液體電解質，以及當該能量儲存裝置在該充電狀態與該放電狀態之間循環時在該電極總成上維持一壓力的一約束。

Description

用於能量儲存裝置之縱向約束
本發明大體上係關於用於能量儲存裝置之結構、併入此種結構之能量儲存裝置以及用於製造此種結構及能量裝置之方法。
搖椅式或***式二次電池組為能量儲存裝置之一個類型，其中諸如鋰、鈉、鉀、鈣、鎂或鋁離子之載體離子經由電解質在正電極與負電極之間運動。二次電池組可包括單一電池組電池或者已電耦合從而形成電池組之兩個或更多個電池組電池，其中各電池組電池包括正電極、負電極、微孔分隔器及電解質。
在搖椅式電池組電池中，正電極結構及負電極結構兩者均包括可***及抽取載體離子之材料。在電池放電時，自負電極抽取載體離子且***正電極中。在電池充電時，發生逆過程：自正電極抽取載體離子且***負電極中。
圖1顯示諸如非水性二次電池組之現有能量儲存裝置之電化學堆疊的橫截面視圖。電化學堆疊1在堆疊排列中包括正電極電流收集器3、正電活性材料層5、微孔分隔器7、負電極活性材料層9及負電極電流收集器11。各層具有在電極堆疊方向上(亦即，如圖1中所說明，在自正電極電流收集器3至負電極電流收集器11之方向上)量測且顯著小於各層之長度及寬度(分別在相互垂直且垂直於電極堆疊方向之方向上量測)的高度。現參考圖2，藉由圍繞中心軸19捲繞電化學堆疊而形成具有頂部15及底部17之捲筒13 (有時稱為「果凍卷」)；隨後將捲筒13塞入罐(未圖示)中且以非水性電解質填充以組裝二次電池組。如圖2中所說明，該等層之電極堆疊方向與中心軸19正交。
如圖1及圖2中所說明，諸如電池組、燃料電池及電化學電容之現有能量儲存裝置典型地具有二維層狀架構(例如，平坦或螺旋捲繞之層合物)，其中各層合物之表面積大致等於其幾何足跡(忽略孔隙度及表面粗糙度)。文獻中已提出三維電池組作為改良電池組容量及活性材料利用率之途徑。已提出三維架構可用於提供與二維層狀電池組架構相比更高之表面積及更高之能量。製造三維能量儲存裝置由於可由較小幾何面積獲得之增加量之能量而存在益處。參見例如Rust等人, WO2008/089110；及Long等人, "Three-Dimensional Battery Architectures," Chemical Reviews, (2004), 104, 4463-4492。
習知捲繞電池組(參見例如美國專利第6,090,505號及第6,235,427號及圖2)典型地具有塗佈於單一箔片上且在電池組裝前經壓縮之電極材料(活性材料、黏合劑、傳導助劑)。上面塗佈有電極之箔片典型地為電流收集路徑之一部分。在諸如18650或棱柱形電池之單一果凍卷式電池組中，電流收集箔以超音焊接於電極匯流排、凸舌、接頭等，從而將來自活性材料之電流經由電流收集箔及凸舌輸送至電池組外。視設計而定，可能沿單一果凍卷有多處或沿電流收集箔之一端或兩端中之一處存在凸舌。習知堆疊電池組袋式電池具有多個活性材料板(或箔)，其中隨後使各箔頂部上之區域聚集在一起且一起焊接於凸舌；其隨後將電流輸送至電池組囊袋外(參見例如美國專利公開案第2005/0008939號)。
然而，與二次電池組相關之挑戰之一為電池組之可靠性及循環壽命。舉例而言，鋰離子電池組之電極結構傾向於在電池組重複充電及放電時擴展(膨脹)及收縮，由此又可導致裝置之電短路及失效。
在本發明之各種態樣中，提供三維結構以用於諸如電池組、燃料電池及電化學電容之能量儲存裝置。有利的是，且根據本發明之一個態樣，可增加電極活性材料相對於能量儲存裝置之其他組分(亦即，能量儲存裝置之非活性材料組分)的比例。因此，包括本發明之三維結構的能量儲存裝置可具有增加之能量密度。對於所儲存之規定量之能量，其亦可提供比二維能量儲存裝置更高之能量擷取率，諸如藉由最小化或減少正電極與負電極之間的電子輸送距離及離子轉移。此等裝置可能更適用於小型化以及裝置可利用之幾何區域有限及/或能量密度需求高於層狀裝置可達成之能量密度的應用。
因此，簡而言之，根據本發明之一個態樣，提供一種適用於在一充電狀態與一放電狀態之間循環的能量儲存裝置。該能量儲存裝置包括一外殼、一電極總成及一處於該外殼內之非水性液體電解質，以及當該能量儲存裝置在該充電狀態與該放電狀態之間循環時在該電極總成上維持一壓力的一約束。該電極總成具有一電極結構群體、一反電極結構群體及一在該電極群體之構件與該反電極群體之構件之間的電絕緣微孔分隔器材料。該電極總成具有沿一縱向軸隔開的相對的第一縱向端面及第二縱向端面，以及圍繞該縱向軸且連接該第一縱向端面及該第二縱向端面之側表面，該第一縱向端面與該第二縱向端面之組合表面積小於該側表面與該第一縱向端面及該第二縱向端面之組合表面積的33%。該電極群體之構件及該反電極群體之構件在一平行於該電極總成內之該縱向軸的堆疊方向上以一交替順序排列。該約束具有第一壓縮構件及第二壓縮構件，該等壓縮構件由至少一個將該等壓縮構件拉向彼此之張緊構件連接，且該約束在該電極總成上在該堆疊方向上維持一壓力，該壓力超過該電極總成在相互垂直且垂直於該堆疊方向之兩個方向中之每一者上所維持的壓力。
根據本發明之又一態樣，提供一種適於在一充電狀態與一放電狀態之間循環的二次電池組，該二次電池組具有一電池組外殼、一電極總成及一處於該電池組外殼內之非水性液體電解質，以及當該二次電池組在該充電狀態與該放電狀態之間循環時在該電極總成上維持一壓力的一約束。該電極總成具有一電極結構群體、一反電極結構群體及一在該電極群體之構件與該反電極群體之構件之間的電絕緣微孔分隔器材料。該電極總成具有沿一縱向軸隔開的相對的第一縱向端面及第二縱向端面，以及圍繞該縱向軸且連接該第一縱向端面及該第二縱向端面之側表面，該第一縱向端面與該第二縱向端面之該表面積小於該電極總成之該表面積的33%。該電極群體之構件及該反電極群體之構件在一平行於該電極總成內之該縱向軸的堆疊方向上以一交替順序排列。該電極群體及該等反電極群體之該等構件在該第一縱向表面上之一投影標出一第一投影區域且該電極群體及該等反電極群體之該等構件在該第二縱向表面上之一投影標出一第二投影區域。該約束具有分別覆蓋該第一投影區域及該第二投影區域的第一壓縮構件及第二壓縮構件，該等壓縮構件由覆蓋該電極總成之該側表面且將該等壓縮構件拉向彼此之張緊構件連接；且該約束在該電極總成上在該堆疊方向上維持一壓力，該壓力超過該電極總成在相互垂直且垂直於該堆疊方向之兩個方向中之每一者上所維持的壓力。
其他目標及特徵將部分顯而易知且部分於下文中指出。
定義
除非上下文另外清楚指出，否則如本文中所使用之「一個」、「一種」及「該」(亦即，單數形式)係指複數指示物。舉例而言，在一種情況下，提及「一個電極」包括單一電極及多個類似電極。
如本文中所使用之「約」及「大致」係指所陳述之值加或減10%、5%或1%。舉例而言，在一種情況下，約250 μm將包括225 μm至 275 μm。再舉例而言，在一種情況下，約1,000 μm將包括900 μm至1,100 μm。除非另外指示，否則本說明書及申請專利範圍中所使用之表述數量(例如量測值及其類似物)等之所有數字應理解為在所有情況下均由術語「約」加以修飾。因此，除非有相反指示，否則以下說明書及所附申請專利範圍中所闡述之數值參數為近似值。各數值參數至少應按照所報導之有效數位之數值且藉由應用一般捨入技術來理解。
如本文中所使用之「充電狀態」在二次電池組狀態之上下文中係指二次電池組充電至其額定容量之至少75%的狀態。舉例而言，電池組可充電至其額定容量之至少80%、其額定容量之至少90%及甚至其額定容量之至少95%，諸如其額定容量之100%。
如本文中所使用之「放電狀態」在二次電池組狀態之上下文中係指二次電池組放電至少於其額定容量之25%的狀態。舉例而言，電池組可放電至少於其額定容量之20%，諸如少於其額定容量之10%及甚至少於其額定容量之5%，諸如其額定容量之0%。
如本文中所使用之「循環」在使二次電池組於充電狀態與放電狀態之間循環之上下文中係指使電池組充電及/或放電以使該電池組在循環中自呈充電或放電狀態之第一狀態移至與該第一狀態相對之第二狀態(亦即，若該第一狀態為放電狀態，則該第二狀態為充電狀態；或若該第一狀態為充電狀態，則該第二狀態為放電狀態)且隨後使該電池組移回該第一狀態以完成該循環。舉例而言，二次電池組在充電狀態與放電狀態之間的單一循環可包括使電池組自放電狀態充電至充電狀態，且隨後放電回到放電狀態以完成該循環。單一循環亦可包括使電池組自充電狀態放電至放電狀態，且隨後充電回到充電狀態，以完成該循環。
如本文中關於電極總成所提及之「Feret直徑」定義為限制該電極總成之兩個平行平面之間的距離，該距離係在與該兩個平面垂直之方向上量測。
如本文中所使用之「縱向軸」、「橫向軸」及「垂直軸」係指相互垂直之軸(亦即，各自與彼此正交)。舉例而言，如本文中所使用之「縱向軸」、「橫向軸」及「垂直軸」近乎於用於定義三維態樣或取向之笛卡爾座標系統。因而，對本發明標的物之元件之描述在本文中不限於用於描述該等元件之三維取向的特定軸。換言之，當提及本發明標的物之三維態樣時，該等軸可互換。
如本文中所使用之「縱向方向」、「橫向方向」及「垂直方向」係指相互垂直之方向(亦即，各自與彼此正交)。舉例而言，如本文中所使用之「縱向方向」、「橫向方向」及「垂直方向」可能分別大體上與用於定義三維態樣或取向之笛卡爾座標系統的縱向軸、橫向軸及垂直軸平行。
如本文中所使用之「重複循環」在於二次電池組之充電狀態與放電狀態之間循環的上下文中係指自放電狀態至充電狀態或自充電狀態至放電狀態循環超過一次。舉例而言，在充電狀態與放電狀態之間重複循環可包括自放電狀態至充電狀態循環至少2次，諸如在自放電狀態充電至充電狀態、放電回到放電狀態、再次充電至充電狀態且最終放電回到放電狀態中。作為又一實例，在充電狀態與放電狀態之間重複循環至少2次可包括自充電狀態放電至放電狀態、充電回到充電狀態、再次放電至放電狀態且最終充電回到充電狀態。再舉例而言，在充電狀態與放電狀態之間重複循環可包括自放電狀態至充電狀態循環至少5次及甚至循環至少10次。再舉例而言，在充電狀態與放電狀態之間重複循環可包括自放電狀態至充電狀態循環至少25次、50次、100次、300次、500次及甚至1000次。
如本文中所使用之「額定容量」在二次電池組之上下文中係指如在標準溫度條件(25℃)下所量測的二次電池組在一個時段內遞送電流之容量。舉例而言，可藉由測定規定時間之電流輸出或藉由測定規定電流及可輸出該電流之時間且取該電流與該時間之乘積來量測額定容量(A·h)。舉例而言，對於額定20 A·h之電池組，若規定額定電流為2安培，則該電池組可理解為將提供該輸出電流持續10小時之電池組，且相反，若規定額定時間為10小時，則該電池組可理解為將在該10小時期間輸出2安培的電池組。 [ 詳細描述 ]
一般而言，本發明之二次電池組包括一電池組外殼、一電極總成及一處於該電池組外殼內之非水性液體電解質，以及當該二次電池組在該充電狀態與該放電狀態之間循環時在該電極總成上維持一壓力的一約束。如先前所指出，在二次電池組形成及/或隨後二次電池組在充電狀態與放電狀態之間循環期間，電極總成內之電極及/或反電極可在堆疊電極及反電極之方向(亦即，電極堆疊方向)上擴展。此種擴展在電極總成包括數十個(或甚至更多個)堆疊電極及反電極時提出挑戰。有利的是，本發明之約束在電極總成上維持一壓力，從而在電池組形成期間及/或在電池組隨後於充電狀態與放電狀態之間循環期間抑制電極總成之擴展(在堆疊方向上)。另外，該約束進一步抑制該電極總成之可能由該約束施加在該電極總成之不同的表面上之壓力的差異引起的皺曲。
本發明之約束可實施於多種結構中之任一種中，包括例如電池組外殼本身、電池組外殼外部之結構、電池組外殼內部之結構，或甚至電池組外殼、電池組外殼內部之結構及/或電池組外殼外部之結構的組合。在一個此種實施例中，該電池組外殼為該約束之組件；換言之，在此實施例中，該電池組外殼單獨或與一或多個其他結構(在該電池組外殼內及/或外)組合在該電極結構上在該電極堆疊方向上施加一壓力，該壓力大於在該電極結構上在相互垂直且垂直於該電極堆疊方向之方向上施加的壓力。在另一實施例中，該約束不包括該電池組外殼，且除該電池組外殼以外之一或多個離散結構(在電池組外殼內及/或外)在該電極結構上在該電極堆疊方向上施加一壓力，該壓力大於在該電極結構上在垂直於該電極堆疊方向且相互垂直之方向上施加的壓力。
在一個例示性實施例中，該約束包括處於電池組外殼內之一或多個離散結構，該一或多個離散結構在該電極結構上在電極堆疊方向上施加一壓力，該壓力大於在該電極結構上在垂直於該電極堆疊方向且相互垂直之兩個方向上施加的壓力。
在一個例示性實施例中，該約束處於電池組外殼內且在該電極結構上在電極堆疊方向上施加一壓力，該壓力大於在該電極結構上在垂直於該電極堆疊方向且相互垂直之兩個方向上施加的壓力。
在一個例示性實施例中，該約束包括處於電池組外殼外之一或多個離散結構及處於電池組外殼內之一或多個離散結構，該一或多個離散結構之組合在該電極結構上在電極堆疊方向上施加一壓力，該壓力超過在該電極結構上在垂直於該電極堆疊方向且相互垂直之兩個方向上施加的壓力。
與該約束之位置(例如，在電池組外殼內部或外部，及/或由該外殼包括)無關，該約束與電池組外殼之組合較佳占據由電池組外殼之外表面界定之體積(亦即，電池組之位移體積)的不超過75%。舉例而言，在一個此種實施例中，該約束與電池組外殼之組合占據由電池組外殼之外表面界定之體積的不超過60%。再舉例而言，在一個此種實施例中，該約束及電池組外殼之組合占據由電池組外殼之外表面界定之體積的不超過45%。再舉例而言，在一個此種實施例中，該約束及電池組外殼之組合占據由電池組外殼之外表面界定之體積的不超過30%。再舉例而言，在一個此種實施例中，該約束及電池組外殼之組合占據由電池組外殼之外表面界定之體積的不超過20%。
本發明之電極總成一般包括兩個相對的縱向端面(沿該電極總成之縱向軸隔開)及一在該兩個相對的縱向端面之間延伸的側表面(圍繞該縱向軸)。一般而言，該等縱向端面可為平坦的或非平坦的。舉例而言，在一個實施例中，該等相對的縱向端面為凸出的。再舉例而言，在一個實施例中，該等相對的縱向端面為凹入的。再舉例而言，在一個實施例中，該等相對的縱向端面為實質上平坦的。
當投影於平面上時，該等相對的縱向端面亦可具有多種二維形狀中之任一種。舉例而言，該等縱向端面可獨立地具有平滑曲線形狀(例如圓形、橢圓形、雙曲線形或拋物線形)，其可獨立地包括一系列線及頂點(例如多邊形)，或其可獨立地包括平滑曲線形狀且包括一或多個線及頂點。類似地，該電極總成之側表面可為平滑曲線形狀(例如該電極總成具有圓形、橢圓形、雙曲線形或拋物線形橫截面形狀)，或該側表面可包括兩個或更多個面，該等面在頂點處連接(例如，該電極總成可具有多邊形橫截面)。舉例而言，在一個實施例中，該電極總成具有圓柱、橢圓柱、拋物柱或雙曲柱形狀。再舉例而言，在一個此種實施例中，該電極總成可具有棱柱形狀，該電極總成具有相同尺寸及形狀的相對的縱向端面及一平行四邊形側表面(亦即，在該等相對的縱向端面之間延伸的面)。再舉例而言，在一個此種實施例中，該電極總成具有對應於三角棱柱之形狀，該電極總成具有兩個相對的三角形縱向端面及一由三個平行四邊形(例如矩形)組成且在該兩個縱向端面之間延伸的側表面。再舉例而言，在一個此種實施例中，該電極總成具有對應於矩形棱柱之形狀，該電極總成具有兩個相對的矩形縱向端面及一包括四個平行四邊形(例如矩形)面的側表面。再舉例而言，在一個此種實施例中，該電極總成具有對應於五角棱柱、六角棱柱等之形狀，其中該電極總成分別具有兩個五角形、六角形等相對的縱向端面及一分別包括五個、六個等平行四邊形(例如矩形)面的側表面。
現參考圖3A至圖3E，示意性地說明電極總成120之若干例示性幾何形狀。在圖3A中，電極總成120具有三角棱柱形狀，該形狀具有沿縱向軸A隔開的相對的第一縱向端面122及第二縱向端面124，以及包括連接該等縱向端面之三個矩形面且圍繞縱向軸A的側表面(未標記)。在圖3B中，電極總成120具有平行六面體形狀，該形狀具有沿縱向軸A隔開的相對的第一平行四邊形縱向端面122及第二平行四邊形縱向端面124，以及包括連接該兩個縱向端面之四個平行四邊形面且圍繞縱向軸A的側表面(未標記)。在圖3C中，電極總成120具有矩形棱柱形狀，該形狀具有沿縱向軸A隔開的相對的第一矩形縱向端面122及第二矩形縱向端面124，以及包括連接該兩個縱向端面之四個矩形面且圍繞縱向軸A的側表面(未標記)。在圖3D中，電極總成120具有五角棱柱形狀，該形狀具有沿縱向軸A隔開的相對的第一五角形縱向端面122及第二五角形縱向端面124，以及包括連接該兩個縱向端面之五個矩形面且圍繞縱向軸A的側表面(未標記)。在圖3E中，電極總成120具有六角棱柱形狀，該形狀具有沿縱向軸A隔開的相對的第一六角形縱向端面122及第二六角形縱向端面124，以及包括連接該兩個縱向端面之六個矩形面且圍繞縱向軸A的側表面(未標記)。
與該電極總成之總體幾何形狀無關，該電極總成之相對的第一縱向端面及第二縱向端面具有一組合表面積，該組合表面積小於該電極總成之總表面積(亦即，該總表面積為該第一縱向端面及該第二縱向端面之表面積與該電極總成側表面之表面積的總和)的50%。舉例而言，圖3A至圖3E中之每一者的電極總成120之相對的第一縱向端面122及第二縱向端面124具有一組合表面積(亦即，該第一縱向端面與該第二縱向端面之表面積的總和)，該組合表面積分別小於三角棱柱(圖3A)、平行六面體(圖3B)、矩形棱柱(圖3C)、五角棱柱(圖3D)或六角棱柱(圖3E)之總表面積的50%。舉例而言，在一個此種實施例中，該電極總成之相對的第一縱向端面與第二縱向端面具有一表面積，該表面積小於該電極總成之總表面的33%。再舉例而言，在一個此種實施例中，該電極總成之相對的第一縱向端面及第二縱向端面具有一表面積，該表面積小於該電極總成之總表面的25%。再舉例而言，在一個此種實施例中，該電極總成之相對的第一縱向端面及第二縱向端面具有一表面積，該表面積小於該電極總成之總表面的20%。再舉例而言，在一個此種實施例中，該電極總成之相對的第一縱向端面及第二縱向端面具有一表面積，該表面積小於該電極總成之總表面的15%。再舉例而言，在一個此種實施例中，該電極總成之相對的第一縱向端面及第二縱向端面具有一表面積，該表面積小於該電極總成之總表面的10%。
在一些實施例中，該電極總成為矩形棱柱，且相對的該第一縱向端面與該第二縱向端面具有一組合表面積，該組合表面積小於該側表面之至少兩個相對的面的組合表面積(亦即，連接該等相對的縱向端面之兩個相對的矩形側面之表面積的總和)。在一些實施例中，該電極總成為矩形棱柱，該矩形棱柱具有相對的第一縱向端面及第二縱向端面及一包括兩對相對的表面(面)的側表面，且該兩個相對的縱向端面具有一組合表面積，該組合表面積小於該側表面所包括的兩對相對的面中之至少一對的組合表面積。在一些實施例中，該電極總成為矩形棱柱，該矩形棱柱具有兩個相對的第一縱向端面及第二縱向端面及一包括兩對相對的表面(面)的側表面，且該兩個相對的縱向端面具有一組合表面積，該組合表面積小於該側表面所包括的兩對相對的面中之每一對的組合表面積。
一般而言，該電極總成包括堆疊於與該電極總成之縱向軸一致的方向(亦即，電極堆疊方向)上的一電極群體及一反電極群體(參見例如圖3A至圖3E)。換言之，該等電極及反電極堆疊於自該電極總成之相對的第一縱向端面延伸至第二縱向端面的方向上。在一個實施例中，該電極群體之構件及/或該反電極群體之構件本質上為片狀(參見例如圖1及圖2)。在另一實施例中，該電極群體之構件及/或該反電極群體之構件本質上為非片狀；換言之，在一個實施例中，該電極及/或反電極群體之構件自假想底板(例如，實質上與該電極總成之表面一致的平面)充分地延伸，以具有大於該等構件在該底板中之幾何足跡(亦即，投影)之兩倍的表面積(忽略孔隙度)。在某些實施例中，非片狀(亦即，三維)電極及/或反電極結構與其在該假想底板中之幾何足跡的比率可為至少約5、至少約10、至少約50、至少約100或甚至至少約500。然而，一般而言，該比率將在約2與約1000之間。在一個此種實施例中，該電極群體之構件本質上為非片狀。再舉例而言，在一個此種實施例中，該反電極群體之構件本質上為非片狀。再舉例而言，在一個此種實施例中，該電極群體之構件及該反電極群體之構件本質上為非片狀。
可藉由本發明之約束在併入該電極總成之二次電池組形成期間及/或循環期間抑制該電極總成在縱向方向上(例如，在圖3A至圖3E中之每一者中，在平行於縱向軸A之方向上)之擴展。一般而言，該約束包括由張緊構件(適於覆蓋該電極總成之側表面)連接之壓縮構件(分別適於覆蓋該第一投影面積及該第二投影面積)。該等張緊構件傾向於將該等壓縮構件拉向彼此且從而向該電極總成之相對的第一縱向端面及第二縱向端面施加一壓縮力，由此又抑制該電極總成在縱向方向(其與如本文中進一步描述之電極堆疊方向一致)上擴展。另外，在電池組形成之後，該約束在該電極總成上在縱向方向(亦即，電極堆疊方向)上施加一壓力，該壓力超過在該電極總成上在相互垂直且垂直於該縱向方向之兩個方向中之每一者上所維持的壓力。
現參考圖4，可見一般以100指示之本發明二次電池組之一個實施例的分解視圖。該二次電池組包括電池組外殼102及處於該電池組外殼102內之一組110電極總成120，該等電極總成各自具有一第一縱向端面122、一相對的第二縱向端面124 (沿平行於圖4之假想笛卡爾座標系統之「Y軸」的縱向軸(未圖示)與第一縱向端面122隔開)及一包括側面123、125、126、127之側表面(參見圖12A)。各電極總成包括一電極結構群體及一反電極結構群體，該電極結構群體及該反電極結構群體相對於彼此堆疊在各電極總成內(參見例如圖12A)之電極堆疊方向D上；換言之，該電極結構群體及該反電極結構群體排列於電極與反電極之交替序列中，其中該等序列在第一縱向端面122與第二縱向端面124之間在方向D上進展(參見例如圖12A；如圖4中所說明，電極堆疊方向D平行於圖4之假想笛卡爾座標系統之Y軸)。另外，個別電極總成120內之電極堆疊方向D垂直於組110內堆疊多個電極總成120之方向(亦即，電極總成堆疊方向)；換言之，該等電極總成相對於彼此安置在組110內垂直於個別電極總成內之電極堆疊方向D的方向上(例如，該電極總成堆疊方向在對應於假想笛卡爾座標系統之Z軸的方向上，而個別電極總成內之電極堆疊方向D在對應於假想笛卡爾座標系統之Y軸的方向上)。
凸舌141、142自該電池組外殼凸出且在組110之電極總成與能量供應或使用者(未圖示)之間提供電連接。更特定言之，在此實施例中，凸舌141電連接於凸舌延伸143 (例如，使用電傳導性膠水)，且凸舌延伸143電連接於各電極總成120所包括之電極。類似地，凸舌142電連接於凸舌延伸144 (例如，使用電傳導性膠水)，且凸舌延伸144電連接於各電極總成120所包括之反電極。
在圖4中所說明之實施例中，各電極總成120具有相聯約束130以抑制在縱向方向(亦即，電極堆疊方向D)上之擴展。各約束130包括分別覆蓋第一縱向端面122及第二縱向端面124之壓縮構件132、134 (參見圖5A及圖5B)以及分別覆蓋側面123、125之張緊構件133、135 (參見圖5C及圖5D)。張緊構件133、135將壓縮構件132、134拉向彼此，且壓縮構件132、134向相對的第一縱向端面122及第二縱向端面124施加壓縮力。結果，在電池組形成及/或於充電狀態與放電狀態之間循環期間，電極總成在縱向方向上之擴展得以抑制。另外，約束130在該電極總成上在縱向方向(亦即，電極堆疊方向D)上施加一壓力，該壓力超過在該電極總成上在相互垂直且垂直於該堆疊方向之兩個方向中之任一者上所維持的壓力(如所說明，該縱向方向對應於所說明之假想笛卡爾座標系統之「Y」軸方向，且相互垂直且垂直於該堆疊方向之該兩個方向分別對應於X軸方向及Z軸方向)。
現參考圖5A、圖5B、圖5C及圖5D，圖4之實施例中的各電極總成120具有對應於矩形棱柱之幾何形狀，其中第一縱向端面122及第二縱向端面124具有尺寸X1×Z1，側面123、125具有尺寸X1×Y1，且側面126、127具有尺寸Y1×Z1 (其中X1、Y1及Z1為在分別對應於笛卡爾座標系統之X軸、Y軸及Z軸的方向上所量測之尺寸)。第一縱向端面122及第二縱向端面124因此具有對應於X1與Z1之乘積的表面積，側面123、125各自具有對應於X1與Y1之乘積的表面積，且側面126、127各自具有對應於Y1與Z1之乘積的表面積。根據本發明之一個態樣，第一縱向端面與第二縱向端面之表面積之總和小於該電極總成之總表面之表面積的33%，其中該電極總成為矩形棱柱且該第一縱向端面與該第二縱向端面之組合表面積等於(X1 * Z1) + (X1 * Z1)，且該側表面之表面積等於(X1 * Y1) + (X1 * Y1) + (Y1 * Z1) + (Y1 * Z1)。舉例而言，在一個此種實施例中，第一縱向端面與第二縱向端面之表面積之總和小於該電極總成之總表面之表面積的25%，其中該第一縱向端面與該第二縱向端面之組合表面積等於(X1 * Z1) + (X1 * Z1)，且該電極總成之總表面積等於(X1 * Y1) + (X1 * Y1) + (Y1 * Z1) + (Y1 * Z1) + (X1 * Z1) + (X1 * Z1)。
在此實施例中，各約束130包括分別覆蓋第一縱向端面122及第二縱向端面124之壓縮構件132、134，及至少一個將該等壓縮構件拉向彼此之張緊構件。舉例而言，該約束可包括分別覆蓋側表面之側面123、125的張緊構件133、135。一般而言，壓縮構件132、134對第一縱向端面122及第二縱向端面124施加一壓力(亦即，在電極堆疊方向D上)，該壓力超過在該電極總成之側面123、125上及側面126、127上(亦即，在相互垂直於彼此且垂直於該電極堆疊方向之兩個方向中之每一者上)所維持的壓力。舉例而言，在一個此種實施例中，該約束在第一縱向端面122及第二縱向端面124上施加一壓力(亦即，在該電極堆疊方向D上)，該壓力超過在該電極總成上在垂直於該電極堆疊方向且相互垂直之兩個方向中之至少一者或甚至兩者上所維持的壓力至少3倍。再舉例而言，在一個此種實施例中，該約束在第一縱向端面122及第二縱向端面124上施加一壓力(亦即，在該電極堆疊方向D上)，該壓力超過在該電極總成上在垂直於該電極堆疊方向且相互垂直之兩個方向中之至少一者或甚至兩者上所維持的壓力至少4倍。再舉例而言，在一個此種實施例中，該約束在第一縱向端面122及第二縱向端面124上施加一壓力(亦即，在該電極堆疊方向D上)，該壓力超過在該電極總成上在垂直於該電極堆疊方向且相互垂直之兩個方向中之至少一者或甚至兩者上所維持的壓力至少5倍。
現參考圖6A，在一個實施例中，約束130可來源於具有長度L1、寬度W1及厚度t1之片材107。為了形成該約束，將片材107簡單捲繞在電極結構120周圍(參見圖4及圖5A至圖5D)且在摺疊線113處摺疊以圍閉該電極結構。邊緣115、117彼此重疊且焊接、膠合或以其他方式固定至彼此，以形成包括壓縮構件132、134 (在固定至彼此後，壓縮構件134包括重疊邊緣115、177)及張緊構件133、135之約束。在此實施例中，該約束具有對應於片材107之位移體積(亦即，L1、W1及t1之乘積)的體積。
片材107可包括能夠向電極結構施加所要力之多種相容性材料中之任一種。一般而言，該約束典型地將包括具有至少10,000 psi (＞70 MPa)之極限抗張強度、與電池組電解質相容、在電池組之浮動電位或陽極電位下不會顯著受腐蝕且在45℃下不會顯著起反應或損失機械強度之材料。舉例而言，該約束可包括多種金屬、合金、陶瓷、玻璃、塑膠或其組合(亦即，複合材料)中之任一種。在一個例示性實施例中，約束包括金屬，諸如不銹鋼(例如SS 316、440C或440C硬)、鋁(例如，鋁7075-T6、硬H18)、鈦(例如，6Al-4V)、鈹、鈹銅(硬)、銅(無O2、硬)、鎳；然而，一般而言，當該約束包括金屬時，以限制腐蝕且防止在電極與反電極之間產生電短路之方式將其併入一般較佳。在另一例示性實施例中，該約束包括陶瓷，諸如氧化鋁(例如燒結型或Coorstek AD96)、氧化鋯(例如Coorstek YZTP)、氧化釔-穩定氧化鋯(例如ENrG E-Strate®)。在另一例示性實施例中，該約束包括玻璃，諸如Schott D263強化玻璃。在另一例示性實施例中，該約束包括塑膠，諸如聚醚醚酮(PEEK) (例如，Aptiv 1102)、含碳PEEK (例如，Victrex 90HMF40或Xycomp 1000-04)、含碳聚苯硫(PPS) (例如，Tepex Dynalite 207)、含30%玻璃之聚醚醚酮(PEEK) (例如，Victrex 90HMF40或Xycomp 1000-04)、聚醯亞胺(例如Kapton®)。在另一例示性實施例中，該約束包括複合材料，諸如E級玻璃標準織物/環氧樹脂0度、E級玻璃不織布/環氧樹脂0度、凱夫拉標準織物/環氧樹脂0度、凱夫拉不織布/環氧樹脂0度、碳標準織物/環氧樹脂0度、碳不織布/環氧樹脂0度、東洋紡公司Zylon® HM纖維/環氧樹脂。在另一例示性實施例中，該約束包括纖維，諸如凱夫拉爾49聚芳醯胺纖維、S級玻璃纖維、碳纖維、Vectran UM LCP纖維、Dyneema、Zylon。
該約束之厚度(t1)將視多種因素而定，包括例如該約束之構造材料、該電極總成之總體尺寸，以及電池組陽極及陰極之組成。在一些實施例中，舉例而言，該約束將包括一厚度處於約10至約100微米之範圍內的片材。舉例而言，在一個此種實施例中，該約束包括具有約30 µm之厚度的不銹鋼片(例如SS316)。再舉例而言，在另一此種實施例中，該約束包括具有約40 µm之厚度的鋁片(例如7075-T6)。再舉例而言，在另一此種實施例中，該約束包括具有約30 µm之厚度的氧化鋯片(例如Coorstek YZTP)。再舉例而言，在另一此種實施例中，該約束包括具有約75 µm之厚度的E級玻璃不織布/環氧樹脂0度片材。再舉例而言，在另一此種實施例中，該約束包括填充密度＞50%之12 µm碳纖維。
在某些實施例中，該約束之壓縮構件及/或張緊構件包括多孔材料。一般而言，多孔材料將允許電解質容易地進出電極總成。舉例而言，在一些實施例中，該(等)壓縮構件及/或該(等)張緊構件可具有至少0.25之空隙分數。再舉例而言，在一些實施例中，該(等)壓縮構件及/或該(等)張緊構件可具有至少0.375之空隙分數。再舉例而言，在一些實施例中，該(等)壓縮構件及/或該(等)張緊構件可具有至少0.5之空隙分數。再舉例而言，在一些實施例中，該(等)壓縮構件及/或該(等)張緊構件可具有至少0.625之空隙分數。再舉例而言，在一些實施例中，該(等)壓縮構件及/或該(等)張緊構件可具有至少0.75之空隙分數。
在另一實施例中，約束130包括處於電極總成120內部之一或多個壓縮構件。舉例而言，現參考圖6B，顯示存在具有內部壓縮構件132a之約束130的電極總成120之一個實施例的橫截面。在圖6B中所示之實施例中，該約束130可包括分別處於電極總成120之縱向端面122、124上的第一壓縮構件132及第二壓縮構件134。然而，另外及/或替代地，約束130可進一步包括位於電極總成之內部區域上而非位於縱向端面122、124上的至少一個內部壓縮構件132a。內部壓縮構件132a可連接於張緊構件133、135，以便在電極總成120中介於內部壓縮構件132a與另一壓縮構件(諸如處於電極總成120之縱向端面122、124上的壓縮構件132、134中之一或多者，及/或存在一或多個其他內部壓縮構件132)之間的部分上施加壓縮壓力。參考圖6B中所示之實施例，可提供沿縱向軸(堆疊方向D)分別相對於電極總成120之第一縱向端面122及第二縱向端面124間隔一定距離，諸如直至電極總成120之中心區域的內部壓縮構件132a。內部壓縮構件132a可相對於電極總成端面122、124在內部位置上連接於張緊構件133、135。在一個實施例中，除電極總成端面122、124上所提供之壓縮構件132、134以外，亦提供相對於端面122、124處於內部位置上之至少一個內部壓縮構件132a。在另一實施例中，約束130包括處於電極總成120中自縱向端面122、124向內間隔一定距離之內部位置上的內部壓縮構件132a，而縱向端面122、124上存在或不存在壓縮構件132、134。在又一實施例中，約束130包括處於電極總成中自縱向端面122、124向內間隔一定距離之內部位置上的內部壓縮構件132a，而縱向端面122、124上不具有壓縮構件132、134。在一個實施例中，內部壓縮構件132a可理解為與壓縮構件132、134中之一或多者及/或另一內部壓縮構件132a協同作用，以便在電極總成120中處於縱向方向上且介於內部壓縮構件132a與電極總成120之縱向表面122、124之間的各部分上施加壓縮壓力，其中壓縮構件132、134可位於電極總成120中處於縱向方向上且介於內部壓縮構件132a與另一內部壓縮構件132a之間的部分上及/或在該部分上施加壓縮壓力。在一種型式中，內部壓縮構件132a中至少一者包括電極或反電極結構151、152之至少一部分，如以下更詳細描述。舉例而言，內部壓縮構件132a可包括反電極活性材料、分隔器、電極電流收集器、反電極電流收集器、電極主幹及反電極主幹中之至少一部分。
根據一個實施例，如以上所論述，約束130可包括內部壓縮構件132a，其為電極總成106之內部結構之一部分，諸如電極151及/或反電極結構152之一部分。在一個實施例中，藉由在電極總成120內之結構之間提供壓縮，可實現緊密壓縮之結構，從而充分地補償由電極結構120之生長產生的應變。舉例而言，在一個實施例中，一或多個內部壓縮構件132可與電極總成120之縱向端面122、124上的壓縮構件132、134協同作用，以藉由經由連接張緊構件133、135而使彼此處於張力下來約束在平行於縱向方向之方向上的生長。在又一實施例中，可藉由經由對應於反電極結構152 (例如陰極)中經由張緊構件133、135而使彼此處於張力下之部分的一或多個內部壓縮構件132a所致的壓縮來對抗電極結構151 (例如陽極結構)之生長。
一般而言，在某些實施例中，約束130之組件可分別實施為電極總成120內之電極151及/或反電極結構152，從而不僅提供有效約束而且更有效地利用電極總成120之體積，而不過度增加具有電極總成120之二次電池組的尺寸。舉例而言，在一個實施例中，約束130可包括連接於充當內部壓縮構件132a之一或多個電極結構151及/或反電極結構152的張緊構件133、135。再舉例而言，在某些實施例中，至少一個內部壓縮構件132a可實施為電極結構群體151。再舉例而言，在某些實施例中，至少一個內部壓縮構件132a可實施為反電極結構群體152。
現參考圖6C，顯示具有垂直軸(Z軸)、縱向軸(Y軸)及橫向軸(X軸)之笛卡爾座標系統以供參考；其中該X軸定向為自頁面平面向外；且如以上所描述之名稱堆疊方向D與該Y軸共平行。更特定言之，圖7顯示具有約束130之電極總成120的橫截面，該約束具有處於該電極總成之縱向表面上的壓縮構件132、134，及至少一個內部壓縮構件132a。約束130包括壓縮構件132、134，以及實施為電極結構群體151及/或反電極結構群體152之內部壓縮構件；因此，在此實施例中，至少一個內部壓縮構件132a、電極結構151及/或反電極結構152可理解為可互換的。此外，分隔器150亦可形成內部壓縮構件132a之一部分。更特定言之，圖6C中說明對應於電極151或反電極結構152之內部壓縮構件132a之內嵌式連接的一個實施例。內嵌式連接可進一步包括介於張緊構件133、135與內部壓縮構件132a之間的其他黏附手段之膠水層182。膠水層182將內部壓縮構件132a黏貼至張緊構件133、135，使得可將內部壓縮構件132a與其他壓縮構件(諸如其他內部壓縮構件或處於電極總成120之縱向端面上的壓縮構件)維持在張力下。
圖6C中進一步說明，在一個實施例中，電極群體151之構件具有電極活性材料層160、電極電流收集器163 (諸如離子多孔電極電流收集器)，以及負載電極活性材料層160及電極電流收集器163之電極主幹165。類似地，在一個實施例中，圖6C中說明反電極群體152之構件具有反電極活性材料層167、反電極電流收集器169，以及負載反電極活性材料層167及反電極電流收集器169之反電極主幹171。
不受任何特定理論束縛(例如，如圖6C中)，在某些實施例中，電極群體151之構件包括電極活性材料層160、電極電流收集器163，以及負載電極活性材料層160及電極電流收集器163之電極主幹165。類似地，在某些實施例中，反電極群體152之構件包括反電極活性材料層167、反電極電流收集器169，以及負載反電極活性材料層167及反電極電流收集器169之反電極主幹171。在一個實施例中，電極結構151及反電極結構152中之任一者的至少一部分，諸如電流收集器163、169、主幹165、171、反電極活性材料層167以及分隔器130，可充當部分或整個內部壓縮構件132a，諸如藉由連接於張緊構件133、135或以其他方式與一或多個其他內部或外部壓縮構件132、134一起處於張力下。在一個實施例中，內部壓縮構件132a可藉由膠黏、焊接、鍵結、黏附或類似連接手段中之至少一種而連接於張緊構件133、135。儘管圖6C中所示之實施例描繪對應於電極結構151及反電極結構152之內部壓縮構件132a (亦即，電極結構及反電極結構兩者藉由連接於張緊構件133、135而與彼此一起處於張力下)，在替代實施例中，電極結構及/或反電極結構中僅一者充當內部壓縮構件132a，及/或僅電極結構151及/或反電極結構152之一部分可充當內部壓縮構件132a，諸如藉由黏附於張緊構件133、135。舉例而言，在一個實施例中，電流收集器，諸如電極電流收集器163及/或反電極電流收集器152中之至少一者，可充當內部壓縮構件132，諸如藉由黏附於張緊構件133、135。
再次參考圖4，為了完成二次電池組100之製造，以非水性電解質(未圖示)填充電池組外殼102且將蓋板104摺起(沿摺疊線106)並密封於上表面108。當完全組裝時，經密封之二次電池組占據由其外表面界定之體積(亦即，位移體積)，二次電池組外殼102占據對應於電池組(包括蓋板104)之位移體積減去其內部體積(亦即，由內表面103A、103B、103C、103D、103E及蓋板104界定之棱柱體積)的體積，且組110之各約束130占據對應於其個別位移體積之體積。因此，電池組外殼及約束之組合占據由電池組外殼之外表面界定之體積(亦即，電池組之位移體積)的不超過75%。舉例而言，在一個此種實施例中，該約束及電池組外殼之組合占據由電池組外殼之外表面界定之體積的不超過60%。再舉例而言，在一個此種實施例中，該約束及電池組外殼之組合占據由電池組外殼之外表面界定之體積的不超過45%。再舉例而言，在一個此種實施例中，該約束及電池組外殼之組合占據由電池組外殼之外表面界定之體積的不超過30%。再舉例而言，在一個此種實施例中，該約束及電池組外殼之組合占據由電池組外殼之外表面界定之體積的不超過20%。
在圖4中，出於容易說明之目的，二次電池組100僅包括一個電極總成組110且該組僅包括六個電極總成120。實際上，該二次電池組可包括多於一組電極總成，其中各組相對於彼此側向(例如，在處於圖4之笛卡爾座標系統之X-Y面內的相對方向上)或相對於彼此垂直(例如，在實質上平行於圖4之笛卡爾座標系統之Z軸的方向上)安置。另外，在此等實施例中之每一者中，各電極總組成可包括一或多個電極總成。舉例而言，在某些實施例中，該二次電池組可包括一組、兩組或更多組電極總成，其中各個此種組包括一或多個電極總成(例如，各個此種組內1、2、3、4、5、6、10、15或更多個電極總成)，且當該電池組包括兩個或更多個此種組時，該等組可相對於構成該二次電池組之其他各組電極總成橫向或垂直安置。在此等不同的實施例中之每一者中，各個別電極總成可具有其自身之約束(亦即，電極總成與約束之間為1:1關係)，兩個以上電極總成可具有一個共用約束(亦即，單一約束用於兩個或更多個電極總成)，或者兩個或更多個電極總成可共用一個約束之多個組件(亦即，兩個以上或更多個電極總成可具有一個共用壓縮構件及/或多個張緊構件)。
現參考圖12A，在一個例示性實施例中，電極總成120包括第一縱向端面121及第二縱向端面122，以及一包括側面123、124、125、126之側表面。電極總成120進一步包括一電極結構群體151及一反電極結構群體152，該等結構堆疊在平行於在相對的第一縱向端面121與第二縱向端面122之間延伸的縱向軸A的電極堆疊方向D上。電極結構151及反電極結構152堆疊在交替序列中(例如交錯)，其中實質上電極群體之各構件介於反電極群體之兩個構件之間，且實質上反電極群體之各構件介於電極群體之兩個構件之間。舉例而言且除了交替序列中之第一個及最後一個電極或反電極結構，在一個實施例中，該等交替序列中之各電極結構介於兩個反電極結構之間且該等序列中之各反電極結構介於兩個電極結構之間。另外，如先前所指出，非層狀電極及反電極結構之表面積與其在假想底板(分別例如側面126、127)中之個別幾何足跡之比可為至少約5、至少約10、至少約50、至少約100或甚至至少約500。
如圖12A中所說明，除了一個例外，電極結構群體之各構件151介於反電極群體之兩個構件152之間，且除了一個例外，反電極結構群體之各構件152介於電極結構群體之兩個構件151之間。更一般而言，在一個實施例中，電極及反電極群體各自具有N個構件，N-1個電極群體構件各自介於兩個反電極結構之間，N-1個反電極群體構件各自介於電極結構之間，且N為至少2。舉例而言，在一個實施例中，N為至少4 (如圖4中所說明)、至少5、至少10、至少25、至少50或甚至至少100。
現參考圖12B及圖12C，電極及反電極群體之構件在第一縱向端面122上之投影標出第一投影區域162，且電極及反電極群體之構件在第二縱向端面124上之投影標出第二投影區域164。一般而言，第一投影區域162及第二投影區域164典型地將分別包括第一縱向端面122及第二縱向端面124之顯著分數之表面區域。舉例而言，在一個實施例中，第一投影區域及第二投影區域各自分別包括該第一縱向端面及該第二縱向端面之表面區域的至少50%。再舉例而言，在一個此種實施例中，第一投影區域及第二投影區域各自分別包括該第一縱向端面及該第二縱向端面之表面區域的至少75%。再舉例而言，在一個此種實施例中，第一投影區域及第二投影區域各自分別包括該第一縱向端面及該第二縱向端面之表面區域的至少90%。
電極及反電極群體之構件包括能夠吸收及釋放諸如鋰、鈉、鉀、鈣、鎂或鋁離子之載體離子的電活性材料。在一些實施例中，電極結構群體之構件151包括陽極活性電活性材料(有時稱為負電極)，且反電極結構群體之構件152包括陰極活性電活性材料(有時稱為正電極)。在其他實施例中，電極結構群體之構件151包括陰極活性電活性材料，且反電極結構群體之構件152包括陽極活性電活性材料。在本段中所敘述之實施例及實例中之每一者中，負電極活性材料可為顆粒聚集物電極或整體電極。
例示性陽極活性電活性材料包括碳材料，諸如石墨及軟碳或硬碳；或多種金屬、半金屬、合金、氧化物及能夠與鋰形成合金之化合物中的任一種。能夠構成陽極材料之金屬或半金屬的特定實例包括錫、鉛、鎂、鋁、硼、鎵、矽、銦、鋯、鍺、鉍、鎘、銻、銀、鋅、砷、鉿、釔及鈀。在一個例示性實施例中，陽極活性材料包括鋁、錫或矽或其氧化物、其氮化物、其氟化物或其其他合金。在另一例示性實施例中，陽極活性材料包括矽或其合金。
例示性陰極活性材料包括多種陰極活性材料中之任一種。舉例而言，對於鋰離子電池組，陰極活性材料可包括選自過渡金屬氧化物、過渡金屬硫化物、過渡金屬氮化物、鋰-過渡金屬氧化物、鋰-過渡金屬硫化物及鋰-過渡金屬氮化物之陰極材料，可選擇性地加以使用。此等過渡金屬氧化物、過渡金屬硫化物及過渡金屬氮化物之過渡金屬元素可包括具有d殼層或f殼層之金屬元素。此種金屬元素之特定實例為Sc、Y、鑭系元素、錒系元素、Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Mn、Tc、Re、Fe、Ru、Os、Co、Rh、Ir、Ni、Pb、Pt、Cu、Ag及Au。其他陰極活性材料包括LiCoO2、LiNi0.5Mn1.5O4、Li(NixCoyAl2)O2、LiFePO4、Li2MnO4、V2O5、氧硫化鉬、磷酸鹽、矽酸鹽、釩酸鹽及其組合。
在一個實施例中，陽極活性材料經微結構化以提供顯著空隙體積分數，從而當鋰離子或其他載體離子)在充電及放電過程期間併入或離開負電極活性材料時適應體積擴展及收縮。一般而言，負電極活性材料之空隙體積分數為至少0.1。然而，典型地，負電極活性材料之空隙體積分數不大於0.8。舉例而言，在一個實施例中，負電極活性材料之空隙體積分數為約0.15至約0.75。再舉例而言，在一個實施例中，負電極活性材料之空隙體積分數為約0.2至約0.7。再舉例而言，在一個實施例中，負電極活性材料之空隙體積分數為約0.25至約0.6。
視微結構化負電極活性材料之組成及其形成方法而定，微結構化負電極活性材料可包括大孔、微孔或中孔材料層或其組合，諸如微孔與中孔之組合或中孔與大孔之組合。典型地，微孔材料之特徵在於小於10 nm之孔隙尺寸、小於10 nm之壁尺寸、1-50微米之孔隙深度及一般以「海綿狀」不規則外觀、不平滑壁及分枝孔隙為特徵之孔隙形態。典型地，中孔材料之特徵在於10-50 nm之孔隙尺寸、10-50 nm之壁尺寸、1-100微米之孔隙深度及一般以在一定程度上為有明顯邊界或樹枝狀孔隙之分枝孔隙為特徵的孔隙形態。典型地，大孔材料之特徵在於大於50 nm之孔隙尺寸、大於50 nm之壁尺寸、1-500微米之孔隙深度及可為變化、筆直、分枝或樹枝狀平滑或粗糙壁孔隙之孔隙形態。另外，空隙體積可包括開放或閉合空隙或其組合。在一個實施例中，空隙體積包括開放空隙，亦即，負電極活性材料含有空隙，該等空隙在負電極活性材料之側表面上具有開口，鋰離子(或其他載體離子)可經由該等開口進入或離開負電極活性材料；舉例而言，鋰離子可在離開正電極活性材料之後經由該等空隙開口進入負電極活性材料。在另一實施例中，空隙體積包括閉合空隙，亦即，負電極活性材料含有空隙，該等空隙被負電極活性材料圍閉。一般而言，開放空隙可對載體離子提供較大界面表面積，而閉合空隙傾向於對固體電解質界面不太敏感，但各自提供空間以供負電極活性材料在載體離子進入後擴展。因此，在某些實施例中，負電極活性材料較佳包括開放及閉合空隙之組合。
在一個實施例中，負電極活性材料包括多孔鋁、錫或矽或其合金。舉例而言，可藉由陽極化、藉由蝕刻(例如，藉由在單晶矽之(100)表面上沈積諸如金、鉑、銀或金/鈀之貴金屬，且用氫氟酸與過氧化氫之混合物蝕刻該表面)或藉由此項技術中已知的其他方法(諸如圖案化化學蝕刻)來形成多孔矽層。另外，多孔負電極活性材料一般將具有至少約0.1但小於0.8之孔隙度分數，且具有約1至約100微米之厚度。舉例而言，在一個實施例中，負電極活性材料包括多孔矽，具有約5至約100微米之厚度，且具有約0.15至約0.75之孔隙度分數。再舉例而言，在一個實施例中，負電極活性材料包括多孔矽，具有約10至約80微米之厚度，且具有約0.15至約0.7之孔隙度分數。再舉例而言，在一個此種實施例中，負電極活性材料包括多孔矽，具有約20至約50微米之厚度，且具有約0.25至約0.6之孔隙度分數。再舉例而言，在一個實施例中，負電極活性材料包括多孔矽合金(諸如矽化鎳)，具有約5至約100微米之厚度，且具有約0.15至約0.75之孔隙度分數。
在另一實施例中，負電極活性材料包括鋁、錫或矽或其合金之纖維。個別纖維可具有約5 nm至約10,000 nm之直徑(厚度維度)及一般對應於負電極活性材料之厚度的長度。舉例而言，可藉由化學氣相沈積或此項技術中已知的其他技術(諸如氣-液-固(VLS)生長及固-液-固(SLS)生長)來形成矽纖維(奈米線)。另外，負電極活性材料一般將具有至少約0.1但小於0.8之孔隙度分數，且具有約1至約200微米之厚度。舉例而言，在一個實施例中，負電極活性材料包括矽奈米線，具有約5至約100微米之厚度，且具有約0.15至約0.75之孔隙度分數。再舉例而言，在一個實施例中，負電極活性材料包括矽奈米線，具有約10至約80微米之厚度，且具有約0.15至約0.7之孔隙度分數。再舉例而言，在一個此種實施例中，負電極活性材料包括矽奈米線，具有約20至約50微米之厚度，且具有約0.25至約0.6之孔隙度分數。再舉例而言，在一個實施例中，負電極活性材料包括矽合金(諸如矽化鎳)奈米線，具有約5至約100微米之厚度，且具有約0.15至約0.75之孔隙度分數。
在一個實施例中，電極群體之構件包括電極活性材料層、電極電流收集器，以及負載電極活性材料層及電極電流收集器之電極主幹。類似地，在一個實施例中，反電極群體之構件包括反電極活性材料層、反電極電流收集器，以及負載反電極活性材料層及反電極電流收集器之反電極主幹。
在一個實施例中，電極群體之各構件具有底部、頂部及縱向軸(AE)，該縱向軸自其底部延伸至頂部且在大體上垂直於電極結構及反電極結構交替序列之進展方向的方向上。另外，電極群體之各構件具有沿縱向軸(AE)量測之長度(LE)、在電極結構及反電極結構交替序列之進展方向上量測的寬度(WE)及在垂直於長度(LE)及寬度(WE)量測方向中之每一者的方向上量測的高度(HE)。電極群體之各構件亦具有對應於電極在與其縱向軸正交之平面上之投影的邊長之總和的周長(PE)。
電極群體構件之長度(LE)將視能量儲存裝置及其預定用途而變化。然而，一般而言，電極群體構件典型地將具有在約5 mm至約500 mm之範圍內的長度(LE)。舉例而言，在一個此種實施例中，電極群體構件具有約10 mm至約250 mm之長度(LE)。再舉例而言，在一個此種實施例中，電極群體構件具有約25 mm至約100 mm之長度(LE)。
電極群體構件之寬度(WE)亦將視能量儲存裝置及其預定用途而變化。然而，一般而言，電極群體之各構件典型地將具有在約0.01 mm至2.5 mm之範圍內的寬度(WE)。舉例而言，在一個實施例中，電極群體之各構件之寬度(WE)將在約0.025 mm至約2 mm之範圍內。再舉例而言，在一個實施例中，電極群體之各構件之寬度(WE)將在約0.05 mm至約1 mm之範圍內。
電極群體構件之高度(HE)亦將視能量儲存裝置及其預定用途而變化。然而，一般而言，電極群體之構件典型地將具有在約0.05 mm至約10 mm之範圍內的高度(HE)。舉例而言，在一個實施例中，電極群體之各構件之高度(HE)將在約0.05 mm至約5 mm之範圍內。再舉例而言，在一個實施例中，電極群體之各構件之高度(HE)將在約0.1 mm至約1 mm之範圍內。
電極群體構件之周長(PE)將類似地視能量儲存裝置及其預定用途而變化。然而，一般而言，電極群體構件典型地將具有在約0.025 mm至約25 mm之範圍內的周長(PE)。舉例而言，在一個實施例中，電極群體之各構件之周長(PE)將在約0.1 mm至約15 mm之範圍內。再舉例而言，在一個實施例中，電極群體之各構件之周長(PE)將在約0.5 mm至約10 mm之範圍內。
一般而言，電極群體之構件具有實質上大於其寬度(WE)及其高度(HE)中之每一者的長度(LE)。舉例而言，在一個實施例中，對於電極群體之各構件，LE與WE及HE中每一者之比分別為至少5:1 (亦即，LE與WE之比分別為至少5:1，且LE與HE之比分別為至少5:1)。再舉例而言，在一個實施例中，LE與WE及HE中每一者之比為至少10:1。再舉例而言，在一個實施例中，LE與WE及HE中每一者之比為至少15:1。再舉例而言，在一個實施例中，對於電極群體之各構件，LE與WE及HE中每一者之比為至少20:1。
另外，電極群體之構件具有實質上大於其周長(PE)之長度(LE)一般較佳；舉例而言，在一個實施例中，對於電極群體之各構件，LE與PE之比分別為至少1.25:1。再舉例而言，在一個實施例中，對於電極群體之各構件，LE與PE之比分別為至少2.5:1。再舉例而言，在一個實施例中，對於電極群體之各構件，LE與PE之比分別為至少3.75:1。
在一個實施例中，電極群體之構件的高度(HE)與寬度(WE)之比分別為至少0.4:1。舉例而言，在一個實施例中，對於電極群體之各構件，HE與WE之比將分別為至少2:1。再舉例而言，在一個實施例中，HE與WE之比將分別為至少10:1。再舉例而言，在一個實施例中，HE與WE之比將分別為至少20:1。然而，典型地，HE與WE之比一般將分別小於1,000:1。舉例而言，在一個實施例中，HE與WE之比將分別小於500:1。再舉例而言，在一個實施例中，HE與WE之比將分別小於100:1。再舉例而言，在一個實施例中，HE與WE之比將分別小於10:1。再舉例而言，在一個實施例中，對於電極群體之各構件，HE與WE之比將分別在約2:1至約100:1之範圍內。
反電極群體之各構件具有底部、頂部及縱向軸(ACE)，該縱向軸自其底部延伸至頂部且在大體上垂直於電極結構及反電極結構交替序列之進展方向的方向上。另外，反電極群體之各構件具有沿縱向軸(ACE)量測之長度(LCE)、在電極結構及反電極結構交替序列之進展方向上量測的寬度(WCE)及在垂直於長度(LCE)及寬度(WCE)量測方向中之每一者的方向上量測的高度(HCE)。反電極群體之各構件亦具有對應於反電極在與其縱向軸正交之平面上之投影的邊長之總和的周長(PCE)。
反電極群體之構件之長度(LCE)將視能量儲存裝置及其預定用途而變化。然而，一般而言，反電極群體之各構件典型地將具有在約5 mm至約500 mm之範圍內的長度(LCE)。舉例而言，在一個此種實施例中，反電極群體之各構件具有約10 mm至約250 mm之長度(LCE)。再舉例而言，在一個此種實施例中，反電極群體之各構件具有約25 mm至約100 mm之長度(LCE)。
反電極群體構件之寬度(WCE)亦將視能量儲存裝置及其預定用途而變化。然而，一般而言，反電極群體之構件典型地將具有在約0.01 mm至2.5 mm之範圍內的寬度(WCE)。舉例而言，在一個實施例中，反電極群體之各構件之寬度(WCE)將在約0.025 mm至約2 mm之範圍內。再舉例而言，在一個實施例中，反電極群體之各構件之寬度(WCE)將在約0.05 mm至約1 mm之範圍內。
反電極群體構件之高度(HCE)亦將視能量儲存裝置及其預定用途而變化。然而，一般而言，反電極群體之構件典型地將具有在約0.05 mm至約10 mm之範圍內的高度(HCE)。舉例而言，在一個實施例中，反電極群體之各構件之高度(HCE)將在約0.05 mm至約5 mm之範圍內。再舉例而言，在一個實施例中，反電極群體之各構件之高度(HCE)將在約0.1 mm至約1 mm之範圍內。
反電極群體構件之周長(PCE)亦將視能量儲存裝置及其預定用途而變化。然而，一般而言，反電極群體之構件典型地將具有在約0.025 mm至約25 mm之範圍內的周長(PCE)。舉例而言，在一個實施例中，反電極群體之各構件之周長(PCE)將在約0.1 mm至約15 mm之範圍內。再舉例而言，在一個實施例中，反電極群體之各構件之周長(PCE)將在約0.5 mm至約10 mm之範圍內。
一般而言，反電極群體之各構件具有實質上大於其寬度(WCE)且實質上大於其高度(HCE)之長度(LCE)。舉例而言，在一個實施例中，對於反電極群體之各構件，LCE與WCE及HCE中每一者之比分別為至少5:1 (亦即，LCE與WCE之比分別為至少5:1，且LCE與HCE之比分別為至少5:1)。再舉例而言，在一個實施例中，對於反電極群體之各構件，LCE與WCE及HCE中每一者之比為至少10:1。再舉例而言，在一個實施例中，對於反電極群體之各構件，LCE與WCE及HCE中每一者之比為至少15:1。再舉例而言，在一個實施例中，對於反電極群體之各構件，LCE與WCE及HCE中每一者之比為至少20:1。
另外，反電極群體之構件具有實質上大於其周長(PCE)之長度(LCE)一般較佳；舉例而言，在一個實施例中，對於反電極群體之各構件，LCE與PCE之比分別為至少1.25:1。再舉例而言，在一個實施例中，對於反電極群體之各構件，LCE與PCE之比分別為至少2.5:1。再舉例而言，在一個實施例中，對於反電極群體之各構件，LCE與PCE之比分別為至少3.75:1。
在一個實施例中，反電極群體之構件的高度(HCE)與寬度(WCE)之比分別為至少0.4:1。舉例而言，在一個實施例中，對於反電極群體之各構件，HCE與WCE之比將分別為至少2:1。再舉例而言，在一個實施例中，對於反電極群體之各構件，HCE與WCE之比將分別為至少10:1。再舉例而言，在一個實施例中，對於反電極群體之各構件，HCE與WCE之比將分別為至少20:1。然而，典型地，對於電極群體之各構件，HCE與WCE之比一般將分別小於1,000:1。舉例而言，在一個實施例中，對於反電極群體之各構件，HCE與WCE之比將分別小於500:1。再舉例而言，在一個實施例中，HCE與WCE之比將分別小於100:1。再舉例而言，在一個實施例中，HCE與WCE之比將分別小於10:1。再舉例而言，在一個實施例中，對於反電極群體之各構件，HCE與WCE之比將分別在約2:1至約100:1之範圍內。
再次參考圖12A，電絕緣分隔器層153圍繞電極結構群體之各構件151且使其與反電極結構群體之各構件152電絕緣。電絕緣分隔器層153典型地將包括可滲透有非水性電解質之微孔分隔器材料；舉例而言，在一個實施例中，微孔分隔器材料包括具有至少50 Å、更典型地在約2,500 Å之範圍內的直徑及在約25%至約75%之範圍內、更典型地在約35%至55%之範圍內的孔隙度的孔隙。另外，微孔分隔器材料滲透有非水性電解質，以允許載體離子在電極及反電極群體之相鄰構件之間傳導。在一個實施例中，舉例而言且忽略微孔分隔器材料之孔隙度，介於電極結構群體構件151與最相近反電極結構群體構件152 (亦即，「相鄰配對」)之間以用於在充電或放電期間進行離子交換之電絕緣分隔器材料層153的至少70體積%為微孔分隔器材料；換言之，微孔分隔器材料構成電極結構群體構件151與最相近反電極結構群體構件152之間的電絕緣材料的至少70體積%。再舉例而言，在一個實施例中且忽略微孔分隔器材料之孔隙度，微孔分隔器材料分別構成電極結構群體構件151與反電極結構群體構件152中相鄰配對之間的電絕緣分隔器材料層的至少75體積%。再舉例而言，在一個實施例中且忽略微孔分隔器材料之孔隙度，微孔分隔器材料分別構成電極結構群體構件151與反電極結構群體構件152中相鄰配對之間的電絕緣分隔器材料層的至少80體積%。再舉例而言，在一個實施例中且忽略微孔分隔器材料之孔隙度，微孔分隔器材料分別構成電極結構群體構件151與反電極結構群體構件152中相鄰配對之間的電絕緣分隔器材料層的至少85體積%。再舉例而言，在一個實施例中且忽略微孔分隔器材料之孔隙度，微孔分隔器材料分別構成電極結構群體構件151與反電極結構群體構件152中相鄰配對之間的電絕緣分隔器材料層的至少90體積%。再舉例而言，在一個實施例中且忽略微孔分隔器材料之孔隙度，微孔分隔器材料分別構成電極結構群體構件151與反電極結構群體構件152中相鄰配對之間的電絕緣分隔器材料層的至少95體積%。再舉例而言，在一個實施例中且忽略微孔分隔器材料之孔隙度，微孔分隔器材料分別構成電極結構群體構件151與反電極結構群體構件152中相鄰配對之間的電絕緣分隔器材料層的至少99體積%。
在一個實施例中，微孔分隔器材料包括顆粒材料及黏合劑，且具有至少約20體積%之孔隙度(空隙分數)。微孔分隔器材料之孔隙將具有至少50 Å之直徑且典型地將屬於約250至2,500 Å之範圍內。微孔分隔器材料典型地將具有小於約75%之孔隙度。在一個實施例中，微孔分隔器材料具有至少約25體積%之孔隙度(空隙分數)。在一個實施例中，微孔分隔器材料將具有約35%至55%之孔隙度。
用於微孔分隔器材料之黏合劑可選自多種無機或聚合材料。舉例而言，在一個實施例中，該黏合劑為選自由以下各項組成之群的有機材料：矽酸鹽、磷酸鹽、鋁酸鹽、鋁矽酸鹽及氫氧化物，諸如氫氧化鎂、氫氧化鈣等。舉例而言，在一個實施例中，該黏合劑為來源於含有偏二氟乙烯、六氟丙烯、四氟丙烯及其類似物之單體的含氟聚合物。在另一實施例中，該黏合劑為具有多種不同的分子量及密度中之任一種的聚烯烴，諸如聚乙烯、聚丙烯或聚丁烯。在另一實施例，該黏合劑係選自由以下各項組成之群：乙烯-二烯-丙烯三聚物、聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙二醇、聚乙酸乙烯酯、聚乙烯丁醛、聚縮醛及聚乙二醇二丙烯酸酯。在另一實施例，該黏合劑係選自由以下各項組成之群：甲基纖維素、羧甲基纖維素、苯乙烯橡膠、丁二烯橡膠、苯乙烯-丁二烯橡膠、異戊二烯橡膠、聚丙烯醯胺、聚乙烯醚、聚丙烯酸、聚甲基丙烯酸及聚氧化乙烯。在另一實施例中，該黏合劑係選自由以下各項組成之群：丙烯酸酯、苯乙烯、環氧樹脂及矽酮。在另一實施例中，該黏合劑為兩種或更多種上述聚合物之共聚物或摻合物。
該微孔分隔器材料所包括之顆粒材料亦可選自多種材料。一般而言，此種材料在操作溫度下具有反較低之電子及離子傳導率且在接觸該微孔分隔器材料之電池組電極或電流收集器的操作電壓下不受腐蝕。舉例而言，在一個實施例中，該顆粒材料對於載體離子(例如鋰)具有小於1×10-4 S/cm之傳導率。再舉例而言，在一個實施例中，該顆粒材料對於載體離子具有小於1×10-5 S/cm之傳導率。再舉例而言，在一個實施例中，該顆粒材料對於載體離子具有小於1×10-6 S/cm之傳導率。例示性顆粒材料包括顆粒聚乙烯、聚丙烯、TiO2-聚合物複合材料、二氧化矽氣凝膠、煙霧二氧化矽、矽膠、二氧化矽水凝膠、二氧化矽乾凝膠、二氧化矽溶膠、膠態二氧化矽、氧化鋁、二氧化鈦、氧化鎂、高嶺土、滑石、矽藻土、矽酸鈣、矽酸鋁、碳酸鈣、碳酸鎂或其組合。舉例而言，在一個實施例中，該顆粒材料包括顆粒氧化物或氮化物，諸如TiO2、SiO2、Al2O3、GeO2、B2O3、Bi2O3、BaO、ZnO、ZrO2、BN、Si3N4、Ge3N4。參見例如P. Arora及J. Zhang, 「Battery Separators」 Chemical Reviews 2004, 104, 4419-4462)。在一個實施例中，該顆粒材料將具有約20 nm至2微米、更典型地200 nm至1.5微米之平均粒度。在一個實施例中，該顆粒材料將具有約500 nm至1微米之平均粒度。
在一替代實施例中，該微孔分隔器材料所包括之顆粒材料可藉由諸多技術結合，諸如燒結、黏合、固化等，同時維持電解質進入所需之空隙分數以提供離子傳導率，從而實現電池組之運作。
舉例而言，可藉由電泳沈積顆粒分隔器材料(其中藉由諸如靜電引力或凡得瓦爾力之表面能使粒子聚結)、漿液沈積(包括旋塗或噴塗)顆粒分隔器材料、網版印刷、浸塗及靜電噴霧沈積來沈積微孔分隔器材料。沈積方法中可包括黏合劑；舉例而言，該顆粒材料可與在溶劑蒸發後會沈澱之溶解黏合劑一起進行漿液沈積、在溶解黏合劑存在下進行電泳沈積、或與黏合劑及絕緣粒子等一起共電泳沈積。替代地或另外，可在粒子沈積至電極結構中或上之後添加黏合劑；舉例而言，該顆粒材料可分散在有機黏合劑溶液中且進行浸塗或噴塗，隨後乾燥、熔融或使黏合材料交聯以提供黏附強度。
在一組裝能量儲存裝置中，該微孔分隔器材料滲透有適合用作二次電池組電解質之非水性電解質。典型地，該非水性電解質包括溶解於有機溶劑中之鋰鹽。例示性鋰鹽包括無機鋰鹽，諸如LiClO4、LiBF4、LiPF6、LiAsF6、LiCl及LiBr；及有機鋰鹽，諸如LiB(C6H5)4、LiN(SO2CF3)2、LiN(SO2CF3)3、LiNSO2CF3、LiNSO2CF5、LiNSO2C4F9、LiNSO2C5F11、LiNSO2C6F13及LiNSO2C7F15。用於溶解鋰鹽之例示性有機溶劑包括環酯、鏈酯、環醚及鏈醚。環酯之特定實例包括碳酸伸丙酯、碳酸伸丁酯、γ-丁內酯、碳酸伸乙烯酯、2-甲基-γ-丁內酯、乙醯基-γ-丁內酯及γ-戊內酯。鏈酯之特定實例包括碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、碳酸二丁酯、碳酸二丙酯、碳酸甲酯乙酯、碳酸甲酯丁酯、碳酸甲酯丙酯、碳酸乙酯丁酯、碳酸乙酯丙酯、碳酸丁酯丙酯、丙酸烷基酯、丙二酸二烷基酯及乙酸烷基酯。環醚之特定實例包括四氫呋喃、烷基四氫呋喃、二烷基四氫呋喃、烷氧基四氫呋喃、二烷氧基四氫呋喃、1,3-二噁烷、烷基-1,3-二噁烷及1,4-二噁烷。鏈醚之特定實例包括1,2-二甲氧基乙烷、1,2-乙氧基乙烷、***、乙二醇二烷基醚、二乙二醇二烷基醚、三乙二醇二烷基醚及四乙二醇二烷基醚。
再次參考圖12A、圖12B及圖12C，電極總成之縱向端面122、124中分別與電極及反電極群體之構件在縱向端面162、164上之投影一致的區域(亦即，「投影表面區域」)將處於由約束130施加之顯著壓縮負載下(參見圖4)。舉例而言，在一個實施例中，電極總成之縱向端面中與電極及反電極群體之構件在該等縱向端面上之投影一致的區域將各自處於至少0.7 kPa之壓縮負載下(分別在第一投影表面區域及第二投影表面區域各自之表面區域上取平均值)。再舉例而言，在一個此種實施例中，電極總成之縱向端面中與電極及反電極群體之構件在該等縱向端面上之投影一致的區域將各自處於至少1.75 kPa之壓縮負載下(分別在第一投影表面區域及第二投影表面區域各自之表面區域上取平均值)。再舉例而言，在一個此種實施例中，電極總成之縱向端面中與電極及反電極群體之構件在該等縱向端面上之投影一致的區域將各自處於至少2.8 kPa之壓縮負載下(分別在第一投影表面區域及第二投影表面區域各自之表面區域上取平均值)。再舉例而言，在一個此種實施例中，電極總成之縱向端面中與電極及反電極群體之構件在該等縱向端面上之投影一致的區域將各自處於至少3.5 kPa之壓縮負載下(分別在第一投影表面區域及第二投影表面區域各自之表面區域上取平均值)。再舉例而言，在一個此種實施例中，電極總成之縱向端面中與電極及反電極群體之構件在該等縱向端面上之投影一致的區域將各自處於至少5.25 kPa之壓縮負載下(分別在第一投影表面區域及第二投影表面區域各自之表面區域上取平均值)。再舉例而言，在一個此種實施例中，電極總成之縱向端面中與電極及反電極群體之構件在該等縱向端面上之投影一致的區域將各自處於至少7 kPa之壓縮負載下(分別在第一投影表面區域及第二投影表面區域各自之表面區域上取平均值)。再舉例而言，在一個此種實施例中，電極總成之縱向端面中與電極及反電極群體之構件在該等縱向端面上之投影一致的區域將各自處於至少8.75 kPa之壓縮負載下(分別在第一投影表面區域及第二投影表面區域各自之表面區域上取平均值)。然而，一般而言，電極總成之縱向端面中與電極及反電極群體之構件在該等縱向端面上之投影一致的區域將各自處於不超過約10 kPa之壓縮負載下(分別在第一投影表面區域及第二投影表面區域各自之表面區域上取平均值)。在各個上述例示性實施例中，本發明二次電池組之縱向端面將在對該電池組充電至其額定容量之至少約80%時經歷此種壓縮負載。
在某些實施例中，實質上該電極總成之整個縱向端面將處於顯著壓縮負載下(而未必僅第一投影表面區域及第二投影表面區域)。舉例而言，在一些實施例中，一般而言，該電極總成之各縱向端面將處於至少0.7 kPa之壓縮負載下(分別在各縱向端面之總表面區域上取平均值)。舉例而言，在一個實施例中，該電極總成之各縱向端面將處於至少1.75 kPa之壓縮負載下(分別在各縱向端面之總表面區域上取平均值)。再舉例而言，在一個此種實施例中，該電極總成之各縱向端面將處於至少2.8 kPa之壓縮負載下(分別在各縱向端面之總表面區域上取平均值)。再舉例而言，在一個此種實施例中，該電極總成之各縱向端面將處於至少3.5 kPa之壓縮負載下(分別在各縱向端面之總表面區域上取平均值)。再舉例而言，在一個此種實施例中，該電極總成之各縱向端面將處於至少5.25 kPa之壓縮負載下(分別在各縱向端面之總表面區域上取平均值)。再舉例而言，在一個此種實施例中，該電極總成之各縱向端面將處於至少7 kPa之壓縮負載下(分別在各縱向端面之總表面區域上取平均值)。再舉例而言，在一個此種實施例中，該電極總成之各縱向端面將處於至少8.75 kPa之壓縮負載下(分別在各縱向端面之總表面區域上取平均值)。然而，一般而言，該電極總成之縱向端面將處於不超過約10 kPa之壓縮負載下(分別在各縱向端面之總表面區域上取平均值)。在各個上述例示性實施例中，該電極總成之縱向端面將在對該電池組充電至其額定容量之至少約80%時經歷此種壓縮負載。
在一個實施例中，該電極總成之第一縱向端面及第二縱向端面各自處於至少100 psi之壓縮負載下。舉例而言，在一個實施例中，該第一縱向端面及該第二縱向端面各自處於至少200 psi之壓縮負載下。再舉例而言，在一個實施例中，該第一縱向端面及該第二縱向端面各自處於至少300 psi之壓縮負載下。再舉例而言，在一個實施例中，該第一縱向端面及該第二縱向端面各自處於至少400 psi之壓縮負載下。又舉例而言，在一個實施例中，該第一縱向端面及該第二縱向端面各自處於至少500 psi之壓縮負載下。再舉例而言，在一個實施例中，該第一縱向端面及該第二縱向端面各自處於至少600 psi之壓縮負載下。又舉例而言，在一個實施例中，該第一縱向端面及該第二縱向端面各自處於至少700 psi之壓縮負載下。又舉例而言，在一個實施例中，該第一縱向端面及該第二縱向端面各自處於至少800 psi之壓縮負載下。再舉例而言，在一個實施例中，該第一縱向端面及該第二縱向端面各自處於至少900 psi之壓縮負載下。在又一實例中，該第一縱向端面及該第二縱向端面各自處於至少1000 psi之壓縮負載下。
再次參考圖4及圖5A、圖5B、圖5C及圖5D，且根據本發明之一個態樣，張緊構件133、135較佳相對較接近於側表面，從而抑制電極總成響應於施加至該等縱向端面之壓縮力而皺曲。在圖5A至圖5D中所說明之實施例中，舉例而言，張緊構件133、135分別接觸側面123、125。然而，在其他實施例中，該等張緊構件與該側表面之間可能存在間隙。然而，一般而言，介於該等張緊構件與該電極總成之側表面之間的距離小於該電極總成之最小Feret直徑之50%，其中該Feret直徑係在與介於該等張緊構件與該電極總成之該側表面之間的距離相同的方向上量測。再舉例而言，在一個此種實施例中，介於該等張緊構件與該電極總成之側表面之間的距離小於該電極總成之最小Feret直徑之40%，其中該Feret直徑係在與介於該等張緊構件與該電極總成之該側表面之間的距離相同的方向上量測。再舉例而言，在一個此種實施例中，介於該等張緊構件與該電極總成之側表面之間的距離小於該電極總成之最小Feret直徑之30%，其中該Feret直徑係在與介於該等張緊構件與該電極總成之該側表面之間的距離相同的方向上量測。再舉例而言，在一個此種實施例中，介於該等張緊構件與該電極總成之側表面之間的距離小於該電極總成之最小Feret直徑之20%，其中該Feret直徑係在與介於該等張緊構件與該電極總成之該側表面之間的距離相同的方向上量測。再舉例而言，在一個此種實施例中，介於該等張緊構件與該電極總成之側表面之間的距離小於該電極總成之最小Feret直徑之10%，其中該Feret直徑係在與介於該等張緊構件與該電極總成之該側表面之間的距離相同的方向上量測。再舉例而言，在一個此種實施例中，介於該等張緊構件與該電極總成之側表面之間的距離小於該電極總成之最小Feret直徑之5%，其中該Feret直徑係在與介於該等張緊構件與該電極總成之該側表面之間的距離相同的方向上量測。
現參考圖7，可見一般以100指示之本發明二次電池組之一個替代實施例的分解視圖。該二次電池組包括電池組外殼102及處於該電池組外殼102內之一組110電極總成120，各電極總成具有第一縱向端面122、相對的第二縱向端面124 (沿平行於圖7之假想笛卡爾座標系統之「Y軸」的縱向軸(未圖示)與第一縱向端面122隔開)及包括側面123、125、126、127之側表面(參見圖4)。與圖4中所說明之實施例相反，在此實施例中，個別約束130在組110之各電極總成之第一縱向表面及第二縱向表面上施加壓縮力。如先前所描述，組110內之各電極總成之相對的第一縱向端面及第二縱向端面之組合表面積分別小於該組內之各電極總成之總表面積的50%。約束130之張緊構件傾向於將該等壓縮構件拉向彼此且從而向組110內之各電極總成之相對的第一縱向端面及第二縱向端面各施加一壓縮力，由此又抑制組110內之各電極總成在縱向方向(其與如本文中先前描述之各電極總成之電極堆疊方向一致)上擴展。另外，且在電池組形成之後，該約束在縱向方向(亦即，電極堆疊方向)上對組110內之各電極總成施加一壓力，該壓力超過在各個別電極總成上在相互垂直且垂直於該縱向方向之兩個方向中的任一者上所維持的壓力。
現參考圖8、圖9、圖10A及圖10B，在一替代實施例中，約束130係由含有狹縫109、連接區111及摺疊區113之片材107形成。為了形成該約束，將片材107簡單地捲繞在電極結構120周圍(圖9中所說明者不具有電極結構120)，沿摺疊區113摺疊，且將重疊之邊緣115、117焊接、膠合或以其他方式固定於彼此，以形成包括壓縮構件132、134 (壓縮構件134包括固定於彼此之重疊邊緣115、177)及張緊構件133、135之約束。在一個此種實施例中，約束130在堆疊方向D上伸展以便使連接區111處於張力下，由此又將壓縮力施加於縱向端面122、124。在一替代實施例中，作為使連接區111伸展以使其處於張力下之替代，連接區在安裝於電極總成上之前經預張緊。在另一替代實施例中，連接區111在安裝於電極總成上時起初未處於張力下，而是相反，電池組之形成引起電極總成擴展且在連接張緊構件中誘導張力(亦即，自張緊)。
現參考圖11A及圖11B，在一個替代實施例中，約束130包括一或多個蛇形張緊構件121以及狹縫109及連接區111。在該力在形成期間比在循環期間大的彼等實施例中，蛇形張緊構件121提供二次張力。在此種實施例中，筆直構件在形成期間提供較大阻力及屈服，而蛇形張緊構件在循環期間施加較小張力。如先前所描述，約束130可藉由將片材107捲繞在電極結構120周圍，將其沿摺疊區113摺疊且固定重疊邊緣115、117來形成(圖11A及圖11B中所說明者不具有電極結構20)。由於片材107捲繞在電極結構周圍，故約束130在堆疊方向D上伸展從而使連接區111及蛇形張緊構件121處於張力下，由此又在電極結構120上在堆疊方向D上施加壓縮力。
一般而言，具有高強度及剛性之約束可在電池組形成期間抑制電極總成快速生長，而具有低得多的強度及剛性之約束允許由於在不同的充電狀態下所遭遇之鋰化變化所致的電極總成體積變化。另外，具有較低剛性及高預負載(或起始負載)之約束有助於藉由在陰極與陽極之間維持最小力來控制電池阻抗。根據本發明之一個實施例，用於解決此等競爭要求之一種方法為由兩個組件來構造約束。此等組件可由以下各物製造：(i)具有不同的幾何形狀之類似材料；或(ii)具有不同的彈性模數及相同的幾何形狀之材料；(iii)彈性模數與幾何形狀性質之一些組合，以達成所要剛性。在兩種情況下，第一組件(「元件1」)利用與第二組件(「元件2」)相比具有更高剛性之設計(材料或幾何形狀驅動)，且依序發生彈性及塑性變形，但不會在其於電池組形成期間經歷之負載下斷裂。元件2較佳將僅發生彈性變形。在兩種情況下，第一元件將藉由封閉第二元件或以其他方式負載第二元件來防止第二元件位移超過其本身。
在一個實施例中，該約束包括位於電極總成之縱向表面與壓縮構件之間的彈性可變形材料。在此實施例中，彈性可變形材料發生彈性變形以適應電極擴展且在電極收縮時彈性地恢復其原始厚度及形狀。結果，當電極及/或相對電極在二次電池組循環期間擴展及收縮時，可在電極總成上在縱向方向上維持最小力。
現參考圖16，在一個例示性實施例中，約束130包括第一元件136及第二元件137。在此實施例中，壓縮構件132包括分別屬於第一元件136及第二元件137且覆蓋縱向端面122之壓縮區132A、132B，且壓縮構件134包括分別屬於第一元件136及第二元件137且覆蓋縱向端面124之壓縮區134A及134B。另外，張緊構件133包括分別屬於第一元件136及第二元件137且覆蓋側面123之張緊構件區133A、133B，且張緊構件135包括分別屬於第一元件136及第二元件137且覆蓋側面125之張緊構件區135A及135B。在此例示性實施例中，第一元件136用來在電池形成或電池循環期間限制電極總成之最大生長，而元件137用來在電極堆疊方向D上在放電狀態期間維持預負載。在此例示性實施例中，元件136在形成前不具有預負載(不對電極總成施加力)。元件137與電極總成相抵預加負載以便在第一縱向端面122及第二縱向端面124上施加壓縮力。當電極總成擴展時(例如當含矽陽極在充電步驟期間在併入載體離子後擴展時)，元件136上之力由於其高剛性而快速增長，而較低剛性元件137上之力由於其位移受元件136限制而緩慢升高。在高於某一力時，元件136將屈服或自彈性變形移至塑性(永久)變形，而元件137仍在彈性範圍內。當力持續升高時，元件136之長度永久增加。此後，當該力降至較低值時(例如，當含矽陽極在放電步驟期間在載體離子解除***後收縮時)，元件136已永久變形且不再能接觸電極總成120，而元件137可恢復至接近其初始預負載水準。
現參考圖13，在一個替代實施例中，二次電池組100包括電池組外殼102及處於該電池組外殼102內之一組電極總成120。如先前所描述，各電極總成具有沿縱向軸隔開的第一縱向端面及相對的第二縱向端面，以及圍繞該縱向軸之側表面(參見圖4及圖12A)。另外，該組具有包括頂部約束構件130T及底部約束構件130B之相聯約束130，以抑制該組內之各電極總成在電極堆疊方向D上之擴展。頂部約束構件130T及底部約束構件130B分別包括聯鎖凸舌132D、132C，該等凸舌組合構成壓縮構件132。頂部約束構件130T及底部約束構件130B分別包括聯鎖凸舌，該等凸舌組合構成壓縮構件134 (未圖示)。如在其他實施例中，各壓縮構件對相對的第一縱向端面及第二縱向端面施加壓縮力，且張緊構件包括狹縫109及連接區111，如先前所描述。
現參考圖14，在一個替代實施例中，二次電池組100包括電池組外殼102、處於電池組外殼102內之一組電極總成(未圖示)及用於抑制該組內之各電極總成在電極堆疊方向上擴展的相聯約束130。約束130包括第一殼體130R及第二殼體130L，該等殼體分別包封分別屬於該組電極總成之第一縱向部分及第二縱向部分。如在其他實施例中，包括元件132E及132F之第一壓縮構件132覆蓋該組內之電極總成的第一縱向端面(未圖示)，第二壓縮構件(未圖示)覆蓋該組內之電極總成的第二縱向端面(未圖示)，且張緊構件覆蓋該等電極總成之側表面。如在其他實施例中，各壓縮構件對相對的第一縱向端面及第二縱向端面施加壓縮力，且張緊構件包括狹縫109及連接區111，如先前所描述。
現參考圖15，在一個替代實施例中，二次電池組100包括電池組外殼102、處於電池組外殼102內之一組電極總成120及用於抑制該組內之各電極總成在電極堆疊方向上擴展的相聯約束130。約束130包括環繞各電極總成之一系列帶材151及插在帶材151與該組內各電極總成120之第一縱向端面及第二縱向端面(未圖示)之間的蓋帽153。在此實施例中，該等帶材之覆蓋該等縱向端面之部分及該等蓋帽構成本發明之壓縮構件，且該等帶材之覆蓋該等電極總成之側表面的部分構成本發明之張緊構件。如在其他實施例中，各壓縮構件如先前所描述對相對的第一縱向端面及第二縱向端面施加壓縮力。
在以下編號1至122之其他實施例中，本發明之態樣包括：
實施例1.  一種適於在一充電狀態與一放電狀態之間循環的二次電池組，該二次電池組包括一電池組外殼、一電極總成及一處於該電池組外殼內之非水性液體電解質，以及當該二次電池組在該充電狀態與該放電狀態之間循環時在該電極總成上維持一壓力的一約束，該電極總成包括一電極結構群體、一反電極結構群體及一在該電極群體之構件與該反電極群體之構件之間的電絕緣微孔分隔器材料，其中
該電極總成具有沿一縱向軸隔開的相對的第一縱向端面及第二縱向端面，以及圍繞該縱向軸且連接該第一縱向端面及該第二縱向端面之側表面，該第一縱向端面與該第二縱向端面之表面積小於該電極總成之表面積的33%；
該電極群體之構件及該反電極群體之構件在一平行於該電極總成內之該縱向軸的堆疊方向上以一交替順序排列；
該電極群體及該等反電極群體之該等構件在該第一縱向表面上之一投影標出一第一投影區域且該電極群體及該等反電極群體之該等構件在該第二縱向表面上之一投影標出一第二投影區域；
該約束包括分別覆蓋該第一投影區域及該第二投影區域的第一壓縮構件及第二壓縮構件，該等壓縮構件由覆蓋該電極總成之該側表面且將該等壓縮構件拉向彼此之張緊構件連接；且
該約束在該電極總成上在該堆疊方向上維持一壓力，該壓力超過該電極總成在相互垂直且垂直於該堆疊方向之兩個方向中之每一者上所維持的壓力。
實施例2.  如實施例1之二次電池組，其中該約束對該第一投影區域及該第二投影區域中之每一者分別施加在該第一投影區域及該第二投影區域之表面區域上平均為至少0.7 kPa之平均壓縮力。
實施例3.  如實施例1之二次電池組，其中該約束對該第一投影區域及該第二投影區域中之每一者分別施加在該第一投影區域及該第二投影區域之該表面區域上平均為至少1.75 kPa之平均壓縮力。
實施例4.  如實施例1之二次電池組，其中該約束對該第一投影區域及該第二投影區域中之每一者分別施加在該第一投影區域及該第二投影區域之該表面區域上平均為至少2.8 kPa之平均壓縮力。
實施例5.  如實施例1之二次電池組，其中該約束對該第一投影區域及該第二投影區域中之每一者分別施加在該第一投影區域及該第二投影區域之該表面區域上平均為至少3.5 kPa之平均壓縮力。
實施例6.  如實施例1之二次電池組，其中該約束對該第一投影區域及該第二投影區域中之每一者分別施加在該第一投影區域及該第二投影區域之該表面區域上平均為至少5.25 kPa之平均壓縮力。
實施例7.  如實施例1之二次電池組，其中該約束對該第一投影區域及該第二投影區域中之每一者分別施加在該第一投影區域及該第二投影區域之該表面區域上平均為至少7 kPa之平均壓縮力。
實施例8.  如實施例1之二次電池組，其中該約束對該第一投影區域及該第二投影區域中之每一者分別施加在該第一投影區域及該第二投影區域之該表面區域上平均為至少8.75 kPa之平均壓縮力。
實施例9.  如實施例1之二次電池組，其中該約束對該第一投影區域及該第二投影區域中之每一者分別施加在該第一投影區域及該第二投影區域之該表面區域上平均為至少10 kPa之平均壓縮力。
實施例10.  如前述實施例中任一者之二次電池組，其中該第一縱向端面與該第二縱向端面之該表面積小於該電極總成之該表面積的25%。
實施例11.  如前述實施例中任一者之二次電池組，其中該第一縱向端面與該第二縱向端面之該表面積小於該電極總成之該表面積的20%。
實施例12.  如前述實施例中任一者之二次電池組，其中該第一縱向端面與該第二縱向端面之該表面積小於該電極總成之該表面積的15%。
實施例13.  如前述實施例中任一者之二次電池組，其中該第一縱向端面與該第二縱向端面之該表面積小於該電極總成之該表面積的10%。
實施例14.  如前述實施例中任一者之二次電池組，其中該約束及該外殼具有小於該電池組外殼所圍閉之體積之60%的一組合體積。
實施例15.  如前述實施例中任一者之二次電池組，其中該約束及該外殼具有小於該電池組外殼所圍閉之體積之45%的一組合體積。
實施例16.  如前述實施例中任一者之二次電池組，其中該約束及該外殼具有小於該電池組外殼所圍閉之體積之30%的一組合體積。
實施例17.  如前述實施例中任一者之二次電池組，其中該約束及該外殼具有小於該電池組外殼所圍閉之體積之20%的一組合體積。
實施例18.  如前述實施例中任一者之二次電池組，其中該電極群體之各構件具有一底部、一頂部、一長度LE、一寬度WE、一高度HE及一中心縱向軸AE，該中心縱向軸AE自各個此種構件之該底部延伸至該頂部且處於大體上在該堆疊方向之橫向之一方向上，該電極群體之各構件之該長度LE係在其中心縱向軸AE之該方向上量測，該電極群體之各構件之該寬度WE係在該堆疊方向上量測，且該電極群體之各構件之該高度HE係在垂直於各個此種構件之該中心縱向軸AE且垂直於該堆疊方向的一方向上量測，該電極群體之各構件之LE與WE及HE中之每一者的比率分別為至少5:1，該電極群體之各構件之HE與WE之比率分別介於0.4:1與1000:1之間。
實施例19.  如前述實施例中任一者之二次電池組，其中該微孔分隔器材料包括一顆粒材料及一黏合劑，具有至少20體積%之一空隙分數，且經該非水性液體電解質滲透。
實施例20.  如前述實施例中任一者之二次電池組，其中該等張緊構件足夠地接近該側表面以便當該二次電池組在充電狀態與放電狀態之間循環時抑制該電極總成之皺曲。
實施例21.  如前述實施例中任一者之二次電池組，其中介於該等張緊構件與該側面之間的距離小於該電極總成之最小Feret直徑之50%，其中該Feret直徑係在與介於該等張緊構件與該電極總成之該側表面之間的該距離相同的方向上量測。
實施例22.  如前述實施例中任一者之二次電池組，其中介於該等張緊構件與該側面之間的該距離小於該電極總成之該最小Feret直徑之40%，其中該Feret直徑係在與介於該等張緊構件與該電極總成之該側表面之間的該距離相同的方向上量測。
實施例23.  如前述實施例中任一者之二次電池組，其中介於該等張緊構件與該側面之間的該距離小於該電極總成之該最小Feret直徑之30%，其中該Feret直徑係在與介於該等張緊構件與該電極總成之該側表面之間的該距離相同的方向上量測。
實施例24.  如前述實施例中任一者之二次電池組，其中介於該等張緊構件與該側面之間的該距離小於該電極總成之該最小Feret直徑之20%，其中該Feret直徑係在與介於該等張緊構件與該電極總成之該側表面之間的該距離相同的方向上量測。
實施例25.  如前述實施例中任一者之二次電池組，其中介於該等張緊構件與該側面之間的該距離小於該電極總成之該最小Feret直徑之10%，其中該Feret直徑係在與介於該等張緊構件與該電極總成之該側表面之間的該距離相同的方向上量測。
實施例26.  如前述實施例中任一者之二次電池組，其中介於該等張緊構件與該側面之間的該距離小於該電極總成之該最小Feret直徑之5%，其中該Feret直徑係在與介於該等張緊構件與該電極總成之該側表面之間的該距離相同的方向上量測。
實施例27.  如前述實施例中任一者之二次電池組，其中該第一縱向端面及該第二縱向端面各自處於至少100 psi之一壓縮負載下。
實施例28.  如前述實施例中任一者之二次電池組，其中該第一縱向端面及該第二縱向端面各自處於至少200 psi之一壓縮負載下。
實施例29.  如前述實施例中任一者之二次電池組，其中該第一縱向端面及該第二縱向端面各自處於至少300 psi之一壓縮負載下。
實施例30.  如前述實施例中任一者之二次電池組，其中該第一縱向端面及該第二縱向端面各自處於至少400 psi之一壓縮負載下。
實施例31.  如前述實施例中任一者之二次電池組，其中該第一縱向端面及該第二縱向端面各自處於至少500 psi之一壓縮負載下。
實施例32.  如前述實施例中任一者之二次電池組，其中該第一縱向端面及該第二縱向端面各自處於至少600 psi之一壓縮負載下。
實施例33.  如前述實施例中任一者之二次電池組，其中該第一縱向端面及該第二縱向端面各自處於至少700 psi之一壓縮負載下。
實施例34.  如前述實施例中任一者之二次電池組，其中該第一縱向端面及該第二縱向端面各自處於至少800 psi之一壓縮負載下。
實施例35.  如前述實施例中任一者之二次電池組，其中該第一縱向端面及該第二縱向端面各自處於至少900 psi之一壓縮負載下。
實施例36.  如前述實施例中任一者之二次電池組，其中該第一縱向端面及該第二縱向端面各自處於至少1000 psi之一壓縮負載下。
實施例37.  如前述實施例中任一者之二次電池組，其中該二次電池組具有一額定容量且當對該二次電池組充電至其額定容量之至少80%時，該第一縱向端面及該第二縱向端面處於此種壓縮負載下。
實施例38.  如前述實施例中任一者之二次電池組，其中該等電極結構包括一陽極活性電活性材料且該等反電極結構包括一陰極活性電活性材料。
實施例39.  如前述實施例中任一者之二次電池組，其中該等電極結構包括包含矽之一陽極活性電活性材料且該等反電極結構包括一陰極活性電活性材料。
實施例40.  如前述實施例中任一者之二次電池組，其中該二次電池組包括一組電極總成，該組包括至少兩個電極總成。
實施例41.  如實施例1至39之二次電池組，其中該二次電池組包括一組至少兩個電極總成，且當該二次電池組在該充電狀態與該放電狀態之間循環時，該約束在該組內之該等電極總成上維持一壓力。
實施例42.  如實施例1至39之二次電池組，其中該二次電池組包括一組至少兩個電極總成，且該二次電池組包括一相應數目之約束，其中當該二次電池組在該充電狀態與該放電狀態之間循環時，該等約束中之每一者在該組內之該等電極總成中之一者上維持一壓力。
實施例43.  如前述實施例中任一者之二次電池組，其中該電極總成包括至少5個電極結構及至少5個反電極結構。
實施例44.  如前述實施例中任一者之二次電池組，其中該電極總成包括至少10個電極結構及至少10個反電極結構。
實施例45.  如前述實施例中任一者之二次電池組，其中該電極總成包括至少50個電極結構及至少50個反電極結構。
實施例46.  如前述實施例中任一者之二次電池組，其中該電極總成包括至少100個電極結構及至少100個反電極結構。
實施例47.  如前述實施例中任一者之二次電池組，其中該電極總成包括至少500個電極結構及至少500個反電極結構。
實施例48.  如前述實施例中任一者之二次電池組，其中該約束包括具有至少10,000 psi (＞70 MPa)之一極限抗張強度的一材料。
實施例49.  如前述實施例中任一者之二次電池組，其中該約束包括與該電池組電解質相容之一材料。
實施例50.  如前述實施例中任一者之二次電池組，其中該約束包括在該電池組之浮動電位或陽極電位下不會顯著受腐蝕之一材料。
實施例51.  如前述實施例中任一者之二次電池組，其中該約束包括在45℃下不會顯著起反應或損失機械強度之一材料。
實施例52.  如前述實施例中任一者之二次電池組，其中該約束包括金屬、金屬合金、陶瓷、玻璃、塑膠或其一組合。
實施例53.  如前述實施例中任一者之二次電池組，其中該約束包括一厚度在約10至約100微米之範圍內的一材料片。
實施例54.  如前述實施例中任一者之二次電池組，其中該約束包括一厚度在約30至約75微米之範圍內的一材料片。
實施例55.  如前述實施例中任一者之二次電池組，其中該約束包括填充密度＞50%之碳纖維。
實施例56.  如前述實施例中任一者之二次電池組，其中該等壓縮構件在該第一縱向端面及該第二縱向端面上施加一壓力，該壓力超過在該電極總成上在相互垂直且垂直於該堆疊方向之兩個方向中之每一者上所維持的該壓力至少3倍。
實施例57.  如前述實施例中任一者之二次電池組，其中該等壓縮構件在該第一縱向端面及該第二縱向端面上施加一壓力，該壓力超過在該電極總成上在相互垂直且垂直於該堆疊方向之兩個方向中之每一者上所維持的該壓力至少3倍。
實施例58.  如前述實施例中任一者之二次電池組，其中該等壓縮構件在該第一縱向端面及該第二縱向端面上施加一壓力，該壓力超過在該電極總成上在相互垂直且垂直於該堆疊方向之兩個方向中之每一者上所維持的該壓力至少4倍。
實施例59.  如前述實施例中任一者之二次電池組，其中該等壓縮構件在該第一縱向端面及該第二縱向端面上施加一壓力，該壓力超過在該電極總成上在相互垂直且垂直於該堆疊方向之兩個方向中之每一者上所維持的該壓力至少5倍。
實施例60.  一種適於在一充電狀態與一放電狀態之間循環的能量儲存裝置，該能量儲存裝置包括一外殼、一電極總成及一處於該外殼內之非水性液體電解質，以及當該能量儲存裝置在該充電狀態與該放電狀態之間循環時在該電極總成上維持一壓力的一約束，該電極總成包括一電極結構群體、一反電極結構群體及一在該電極群體之構件與該反電極群體之構件之間的電絕緣微孔分隔器材料，其中
該電極總成具有沿一縱向軸隔開的相對的第一縱向端面及第二縱向端面，以及圍繞該縱向軸且連接該第一縱向端面及該第二縱向端面之側表面，該第一縱向端面與該第二縱向端面之組合表面積小於該側表面與該第一縱向端面及該第二縱向端面之組合表面積的33%；
該電極群體之構件及該反電極群體之構件在一平行於該電極總成內之該縱向軸的堆疊方向上以一交替順序排列；
該約束包括第一壓縮構件及第二壓縮構件，該等壓縮構件由至少一個將該等壓縮構件拉向彼此之張緊構件連接；且
該約束在該電極總成上在該堆疊方向上維持一壓力，該壓力超過該電極總成在相互垂直且垂直於該堆疊方向之兩個方向中之每一者上所維持的壓力。
實施例61.  如實施例60之能量儲存裝置，其中該能量儲存裝置為一二次電池組。
實施例62.  如實施例60之能量儲存裝置，其中該約束包括覆蓋該電極總成之該等縱向端面的第一壓縮構件及第二壓縮構件。
實施例63.  如前述實施例中任一者之能量儲存裝置，其中該約束包括至少一個處於該等縱向端面內部之壓縮構件。
實施例64.  如前述實施例中任一者之能量儲存裝置，其中該電極群體及該等反電極群體之該等構件在該第一縱向表面上之一投影標出一第一投影區域且該電極群體及該等反電極群體之該等構件在該第二縱向表面上之一投影標出一第二投影區域，且其中該第一投影區域及該第二投影區域各自分別包括該第一縱向端面及該第二縱向端面之表面區域的至少50%。
實施例65.  如前述實施例中任一者之能量儲存裝置，其中該電極群體及該等反電極群體之該等構件在該第一縱向表面上之一投影標出一第一投影區域且該電極群體及該等反電極群體之該等構件在該第二縱向表面上之一投影標出一第二投影區域，且其中該約束對該第一投影區域及該第二投影區域中之每一者分別施加在該第一投影區域及該第二投影區域之表面區域上平均為至少0.7 kPa之平均壓縮力。
實施例66.  如前述實施例中任一者之能量儲存裝置，其中該約束對該第一投影區域及該第二投影區域中之每一者分別施加在該第一投影區域及該第二投影區域之該表面區域上平均為至少1.75 kPa之平均壓縮力。
實施例67.  如前述實施例中任一者之能量儲存裝置，其中該約束對該第一投影區域及該第二投影區域中之每一者分別施加在該第一投影區域及該第二投影區域之該表面區域上平均為至少2.8 kPa之平均壓縮力。
實施例68.  如前述實施例中任一者之能量儲存裝置，其中該約束對該第一投影區域及該第二投影區域中之每一者分別施加在該第一投影區域及該第二投影區域之該表面區域上平均為至少3.5 kPa之平均壓縮力。
實施例69.  如前述實施例中任一者之能量儲存裝置，其中該約束對該第一投影區域及該第二投影區域中之每一者分別施加在該第一投影區域及該第二投影區域之該表面區域上平均為至少5.25 kPa之平均壓縮力。
實施例70.  如前述實施例中任一者之能量儲存裝置，其中該約束對該第一投影區域及該第二投影區域中之每一者分別施加在該第一投影區域及該第二投影區域之該表面區域上平均為至少7 kPa之平均壓縮力。
實施例71.  如前述實施例中任一者之能量儲存裝置，其中約束對該第一投影區域及該第二投影區域中之每一者分別施加在該第一投影區域及該第二投影區域之該表面區域上平均為至少8.75 kPa之平均壓縮力。
實施例72.  如前述實施例中任一者之能量儲存裝置，其中該約束對該第一投影區域及該第二投影區域中之每一者分別施加在該第一投影區域及該第二投影區域之該表面區域上平均為至少10 kPa之平均壓縮力。
實施例73.  如前述實施例中任一者之能量儲存裝置，其中該第一縱向端面與該第二縱向端面之該組合表面積小於該電極總成之表面積的25%。
實施例74.  如前述實施例中任一者之能量儲存裝置，其中該第一縱向端面與該第二縱向端面之該組合表面積小於該電極總成之該表面積的20%。
實施例75.  如前述實施例中任一者之能量儲存裝置，其中該第一縱向端面與該第二縱向端面之該組合表面積小於該電極總成之該表面積的15%。
實施例76.  如前述實施例中任一者之能量儲存裝置，其中該第一縱向端面與該第二縱向端面之該組合表面積小於該電極總成之該表面積的10%。
實施例77.  如前述實施例中任一者之能量儲存裝置，其中該約束及該外殼具有小於該外殼所圍閉之體積之60%的一組合體積。
實施例78.  如前述實施例中任一者之能量儲存裝置，如前述申請專利範圍中任一項之能量儲存裝置，其中該約束及該外殼具有小於該外殼所圍閉之體積之45%的一組合體積。
實施例79.  如前述實施例中任一者之能量儲存裝置，其中該約束及該外殼具有小於該外殼所圍閉之體積之30%的一組合體積。
實施例80.  如前述實施例中任一者之能量儲存裝置，其中該約束及該外殼具有小於該外殼所圍閉之體積之20%的一組合體積。
實施例81.  如前述實施例中任一者之能量儲存裝置，其中該電極群體之各構件具有一底部、一頂部、一長度LE、一寬度WE、一高度HE及一中心縱向軸AE，該中心縱向軸AE自各個此種構件之該底部延伸至該頂部且處於大體上在該堆疊方向之橫向之一方向上，該電極群體之各構件之該長度LE係在其中心縱向軸AE之該方向上量測，該電極群體之各構件之該寬度WE係在該堆疊方向上量測，且該電極群體之各構件之該高度HE係在垂直於各個此種構件之該中心縱向軸AE且垂直於該堆疊方向的一方向上量測，該電極群體之各構件之LE與WE及HE中之每一者的比率分別為至少5:1，該電極群體之各構件之HE與WE之比率分別介於0.4:1與1000:1之間。
實施例82.  如前述實施例中任一者之能量儲存裝置，其中該微孔分隔器材料包括一顆粒材料及一黏合劑，具有至少20體積%之一空隙分數，且經該非水性液體電解質滲透。
實施例83.  如前述實施例中任一者之能量儲存裝置，其中該等張緊構件足夠地接近該側表面以便當該能量儲存裝置在充電狀態與放電狀態之間循環時抑制該電極總成之皺曲。
實施例84.  如前述實施例中任一者之能量儲存裝置，其中介於該等張緊構件與該側面之間的距離小於該電極總成之最小Feret直徑之50%。
實施例85.  如前述實施例中任一者之能量儲存裝置，其中介於該等張緊構件與該側面之間的該距離小於該電極總成之該最小Feret直徑之40%。
實施例86.  如前述實施例中任一者之能量儲存裝置，其中介於該等張緊構件與該側面之間的該距離小於該電極總成之該最小Feret直徑之30%。
實施例87.  如前述實施例中任一者之能量儲存裝置，其中介於該等張緊構件與該側面之間的該距離小於該電極總成之該最小Feret直徑之20%。
實施例88.  如前述實施例中任一者之能量儲存裝置，其中介於該等張緊構件與該側面之間的該距離小於該電極總成之該最小Feret直徑之10%。
實施例89.  如前述實施例中任一者之能量儲存裝置，其中介於該等張緊構件與該側面之間的該距離小於該電極總成之該最小Feret直徑之5%。
實施例90.  如前述實施例中任一者之能量儲存裝置，其中該第一縱向端面及該第二縱向端面各自處於至少100 psi之一壓縮負載下。
實施例91.  如前述實施例中任一者之能量儲存裝置，其中該第一縱向端面及該第二縱向端面各自處於至少200 psi之一壓縮負載下。
實施例92.  如前述實施例中任一者之能量儲存裝置，其中該第一縱向端面及該第二縱向端面各自處於至少300 psi之一壓縮負載下。
實施例93.  如前述實施例中任一者之能量儲存裝置，其中該第一縱向端面及該第二縱向端面各自處於至少400 psi之一壓縮負載下。
實施例94.  如前述實施例中任一者之能量儲存裝置，其中該第一縱向端面及該第二縱向端面各自處於至少500 psi之一壓縮負載下。
實施例95.  如前述實施例中任一者之能量儲存裝置，其中該第一縱向端面及該第二縱向端面各自處於至少600 psi之一壓縮負載下。
實施例96.  如前述實施例中任一者之能量儲存裝置，其中該第一縱向端面及該第二縱向端面各自處於至少700 psi之一壓縮負載下。
實施例97.  如前述實施例中任一者之能量儲存裝置，其中該第一縱向端面及該第二縱向端面各自處於至少800 psi之一壓縮負載下。
實施例98.  如前述實施例中任一者之能量儲存裝置，其中該第一縱向端面及該第二縱向端面各自處於至少900 psi之一壓縮負載下。
實施例99.  如前述實施例中任一者之能量儲存裝置，其中該第一縱向端面及該第二縱向端面各自處於至少1000 psi之一壓縮負載下。
實施例100.  如前述實施例中任一者之能量儲存裝置，其中該能量儲存裝置具有一額定容量且當對該能量儲存裝置充電至其額定容量之至少80%時，該第一縱向端面及該第二縱向端面處於此種壓縮負載下。
實施例101.  如前述實施例中任一者之能量儲存裝置，其中該等電極結構包括一陽極活性電活性材料且該等反電極結構包括一陰極活性電活性材料。
實施例102.  如前述實施例中任一者之能量儲存裝置，其中該等電極結構包括包含矽之一陽極活性電活性材料且該等反電極結構包括一陰極活性電活性材料。
實施例103.  如前述實施例中任一者之能量儲存裝置，其中該能量儲存裝置包括一組電極總成，該組包括至少兩個電極總成。
實施例104.  如實施例60至103中任一者之能量儲存裝置，其中該能量儲存裝置包括一組至少兩個電極總成，且當該能量儲存裝置在該充電狀態與該放電狀態之間循環時，該約束在該組內之該等電極總成上維持一壓力。
實施例105.  如實施例1至60至103中任一者之能量儲存裝置，其中該能量儲存裝置包括一組至少兩個電極總成，且該能量儲存裝置包括一相應數目之約束，其中當該能量儲存裝置在該充電狀態與該放電狀態之間循環時，該等約束中之每一者在該組內之該等電極總成中之一者上維持一壓力。
實施例106.  如前述實施例中任一者之能量儲存裝置，其中該電極總成包括至少5個電極結構及至少5個反電極結構。
實施例107.  如前述實施例中任一者之能量儲存裝置，其中該電極總成包括至少10個電極結構及至少10個反電極結構。
實施例108.  如前述實施例中任一者之能量儲存裝置，其中該電極總成包括至少50個電極結構及至少50個反電極結構。
實施例109.  如前述實施例中任一者之能量儲存裝置，其中該電極總成包括至少100個電極結構及至少100個反電極結構。
實施例110.  如前述實施例中任一者之能量儲存裝置，其中該電極總成包括至少500個電極結構及至少500個反電極結構。
實施例111.  如前述實施例中任一者之能量儲存裝置，其中該約束包括具有至少10,000 psi (＞70 MPa)之一極限抗張強度的一材料。
實施例112.  如前述實施例中任一者之能量儲存裝置，其中該約束包括與該電解質相容之一材料。
實施例113.  如前述實施例中任一者之能量儲存裝置，其中該約束包括在該能量儲存裝置之浮動電位或陽極電位下不會顯著受腐蝕之一材料。
實施例114.  如前述實施例中任一者之能量儲存裝置，其中該約束包括在45℃下不會顯著起反應或損失機械強度之一材料。
實施例115.  如前述實施例中任一者之能量儲存裝置，其中該約束包括金屬、金屬合金、陶瓷、玻璃、塑膠或其一組合。
實施例116.  如前述實施例中任一者之能量儲存裝置，其中該約束包括一厚度在約10至約100微米之範圍內的一材料片。
實施例117.  如前述實施例中任一者之能量儲存裝置，其中該約束包括一厚度在約30至約75微米之範圍內的一材料片。
實施例118.  如前述實施例中任一者之能量儲存裝置，其中該約束包括填充密度＞50%之碳纖維。
實施例119.  如前述實施例中任一者之能量儲存裝置，其中該等壓縮構件在該第一縱向端面及該第二縱向端面上施加一壓力，該壓力超過在該電極總成上在相互垂直且垂直於該堆疊方向之兩個方向中之每一者上所維持的該壓力至少3倍。
實施例120.  如前述實施例中任一者之能量儲存裝置，其中該等壓縮構件在該第一縱向端面及該第二縱向端面上施加一壓力，該壓力超過在該電極總成上在相互垂直且垂直於該堆疊方向之兩個方向中之每一者上所維持的該壓力至少3倍。
實施例121.  如前述實施例中任一者之能量儲存裝置，其中該等壓縮構件在該第一縱向端面及該第二縱向端面上施加一壓力，該壓力超過在該電極總成上在相互垂直且垂直於該堆疊方向之兩個方向中之每一者上所維持的該壓力至少4倍。
實施例122.  如前述實施例中任一者之能量儲存裝置，其中該等壓縮構件在該第一縱向端面及該第二縱向端面上施加一壓力，該壓力超過在該電極總成上在相互垂直且垂直於該堆疊方向之兩個方向中之每一者上所維持的該壓力至少5倍。
由於可在不背離本發明之範疇的情況下對以上製品、組合物及方法進行各種變化，故意欲以上描述中所含有的及所附圖式中所顯示的所有實物均應解釋為說明性的且不具有限制性意義。
所有方向描述語，諸如頂部、底部、左、右等，僅出於容易參考圖式之目的而使用且不意欲作為限制。
1:電化學堆疊 3:正電極電流收集器 5:正電活性材料層 7:微孔分隔器 9:負電極活性材料層 11:負電極電流收集器 13:捲筒 15:頂部 17:底部 19:中心軸 100:二次電池組 102:電池組外殼 103A:內表面 103B:內表面 103C:內表面 103D:內表面 103E:內表面 104:蓋板 106:摺疊線 107:片材 108:上表面 109:狹縫 110:一組電極總成 111:連接區 113:摺疊線；摺疊區 115:邊緣 117:邊緣 120:電極總成 121:蛇形張緊構件 122:第一縱向端面；縱向端面 123:側面 124:第二縱向端面；縱向端面 125:側面 126:側面 127:側面 130:約束 130B:底部約束構件 130L:第二殼體 130R:第一殼體 130T:頂部約束構件 132:壓縮構件 132a:內部壓縮構件 132A:壓縮區 132B:壓縮區 132C:聯鎖凸舌 132D:聯鎖凸舌 132E:元件 132F:元件 133:張緊構件 133A:張緊構件區 133B:張緊構件區 134:壓縮構件 134A:壓縮區 134B:壓縮區 135:張緊構件 135A:張緊構件區 135B:張緊構件區 136:第一元件 137:第二元件 141:凸舌 142:凸舌 143:凸舌延伸 144:凸舌延伸 150:分隔器 151:電極結構(群體) 152:反電極結構(群體) 153:電絕緣分隔器層；蓋帽 160:電極活性材料層 162:第一投影區域 164:第二投影區域 167:反電極活性材料層 169:反電極電流收集器 171:反電極主幹 182:膠水層 A:縱向軸 D:電極堆疊方向 L1:長度 t1:厚度 W1:寬度 X 1:尺寸 Y 1:尺寸 Z 1:尺寸
圖1為諸如鋰離子電池組之先前技術二維能量儲存裝置之電化學堆疊之電池的橫截面。
圖2為諸如鋰離子電池組之先前技術二維能量儲存裝置之捲繞電化學堆疊之電池的橫截面。
圖3A為具有三角棱柱形狀之本發明電極總成之一個實施例的示意圖。
圖3B為具有平行六面體形狀之本發明電極總成之一個實施例的示意圖。
圖3C為具有矩形棱柱形狀之本發明電極總成之一個實施例的示意圖。
圖3D為具有五角棱柱形狀之本發明電極總成之一個實施例的示意圖。
圖3E為具有六角棱柱形狀之本發明電極總成之一個實施例的示意圖。
圖4為本發明二次電池組之一個實施例的示意性分解視圖。
圖5A為圖4之二次電池組之電極總成之一端的示意性端視圖。
圖5B為圖5A之電極總成之相對端的示意性端視圖。
圖5C為圖5A之電極總成之側表面的示意性頂視圖。
圖5D為圖5A之電極總成之相對側表面的示意性底視圖。
圖6A為圖4之二次電池組之約束的示意性透視圖。
圖6B說明存在具有內部壓縮構件之約束的電極總成之橫截面的一個實施例。
圖6C說明存在具有多個內部壓縮構件之約束的電極總成之橫截面的一個實施例。
圖7為本發明二次電池組之一個替代實施例的示意性分解視圖。
圖8為用於本發明二次電池組之電極總成且呈展開形式之約束的一個替代實施例的示意圖。
圖9為圖8之約束在摺疊後之示意圖。
圖10A為本發明二次電池組之約束及電極總成之一個替代實施例的示意圖。
圖10B為圖10A之約束及電極總成的放大視圖。
圖11A為用於本發明二次電池組之電極總成的約束的一個替代實施例的示意圖。
圖11B為圖11A之約束的放大視圖。
圖12A為本發明二次電池組之電極總成之一個實施例的透視圖，其中拆開諸多部分以顯示內部構造。
圖12B為圖12A之電極總成之一端的端視圖。
圖12C為圖12A之電極總成之相對端的端視圖。
圖13為本發明二次電池組之一個替代實施例的透視圖，其中拆離部分以顯示內部構造。
圖14為本發明二次電池組之一個替代實施例的透視圖，其中拆離部分以顯示內部構造。
圖15為本發明二次電池組之一個替代實施例的透視圖，其中拆離部分以顯示內部構造。
圖16為本發明之約束及電極總成之一個替代實施例的橫截面視圖。
相應參考字元指示圖式中之相應部分。
120:電極總成
122:第一縱向端面
124:第二縱向端面
A:縱向軸

Claims (22)

  1. 一種適於在一充電狀態與一放電狀態之間循環的二次電池組，該二次電池組包括： 一電池外殼(102)、一電極總成(120)及一處於該電池外殼內之非水性液體電解質，以及當該二次電池組在該充電狀態與該放電狀態之間循環時在該電極總成上維持一壓力的一約束(130)，該電極總成包括至少五個電極結構(151)之群體、至少五個反電極結構(152)之群體及在該電極群體之構件與該反電極群體之構件之間的電絕緣分隔器材料(153)，其中 該電極總成具有沿一縱向軸隔開的相對的第一縱向端面(122)及第二縱向端面(124)，以及圍繞該縱向軸且連接該第一縱向端面及該第二縱向端面之側表面(123、125、126、127)，該第一縱向端面與該第二縱向端面之表面積小於該電極總成之表面積的33%； 該電極群體之構件及該反電極群體之構件在一平行於該電極總成內之該縱向軸的堆疊方向上以一交替順序排列，且其中該電極群體之各構件具有一底部、一頂部、一長度L E、一寬度W E、一高度H E及一中心縱向軸A E，該中心縱向軸A E自各個此種構件之該底部延伸至該頂部且處於大體上在該堆疊方向之橫向之一方向上，該電極群體之各構件之該長度L E係在其中心縱向軸A E之該方向上量測，該電極群體之各構件之該寬度W E係在該堆疊方向上量測，且該電極群體之各構件之該高度H E係在垂直於各個此種構件之該中心縱向軸A E且垂直於該堆疊方向的一方向上量測，該電極群體之各構件之L E與W E及H E中之每一者的比率分別為至少5:1，該電極群體之各構件之H E與W E之比率分別介於0.4:1與1000:1之間； 該電極群體及該等反電極群體之該等構件在該第一縱向表面上之一投影標出一第一投影區域(162)且該電極群體及該等反電極群體之該等構件在該第二縱向表面上之一投影標出一第二投影區域(164)； 該約束包括分別覆蓋該第一投影區域及該第二投影區域之第一壓縮構件(132)及第二壓縮構件(134)，且至少一個壓縮構件係處於該等縱向端面內部(132a)，該等壓縮構件由至少一個之張緊構件(133、135)連接，該等張緊構件覆蓋該電極總成之縱向表面且將該第一壓縮構件及第二壓縮構件拉向彼此；且 該約束在該電極總成上在該堆疊方向上維持一壓力，該壓力超過該電極總成在相互垂直且垂直於該堆疊方向之兩個方向中之每一者上所維持的壓力， 其中該等電極結構包括包含矽之陽極活性電活性材料且該等反電極結構包括陰極活性電活性材料。
  2. 如請求項1之二次電池組，其中該第一縱向端面與該第二縱向端面之表面積小於該電極總成之表面積的25%、20%或10%。
  3. 如請求項1之二次電池組，其中該約束及該外殼具有小於該電池外殼所圍閉之體積之60%、45%、30%或20%的組合體積。
  4. 如請求項1之二次電池組，其中該電絕緣分隔器材料包含微孔分隔器材料，其包括顆粒材料及黏合劑，且具有至少20體積%之空隙分數。
  5. 如請求項1之二次電池組，其中該第一縱向端面及該第二縱向端面係各自處於至少100 psi、至少200 psi、至少300 psi、至少400 psi、至少500 psi、至少600 psi、至少700 psi、至少800 psi、至少900 psi，或至少1000 psi之壓縮負載下。
  6. 如請求項1之二次電池組，其中該二次電池組具有一額定容量，且當對該二次電池組充電至其額定容量之至少80%時，該第一縱向端面及該第二縱向端面處於此種壓縮負載下。
  7. 如請求項1之二次電池組，其中i)該電極總成包括至少10個電極結構及至少10個反電極結構，ii)該電極總成包括至少50個電極結構及至少50個反電極結構，iii)該電極總成包括至少100個電極結構及至少100個反電極結構，或iv)該電極總成包括至少500個電極結構及至少500個反電極結構。
  8. 如請求項1之二次電池組，其中該約束包括具有至少10,000 psi (＞70 MPa)之極限抗張強度的材料。
  9. 如請求項1之二次電池組，其中該約束包括金屬、金屬合金、陶瓷、玻璃、塑膠或其組合。
  10. 如請求項1之二次電池組，其中該約束包括厚度在約10至約100微米或約30至約75微米之範圍內的材料片。
  11. 如請求項1之二次電池組，其中該約束包括填充密度＞50%之碳纖維。
  12. 如請求項1之二次電池組，其中該第一壓縮構件及該第二壓縮構件在該第一縱向端面及該第二縱向端面上施加一壓力，該壓力超過在該電極總成上在相互垂直且垂直於該堆疊方向之兩個方向中之每一者上所維持的壓力之至少3倍、至少4倍或至少5倍。
  13. 一個適用於二次電池之電極總成(120)及約束(130)之組合，該電極總成包括至少五個電極結構(151)之群體、至少五個反電極結構(152)之群體及在該電極群體之構件與該反電極群體之構件之間的電絕緣分隔器材料(153)，其中 該電極總成具有沿一縱向軸隔開的相對的第一縱向端面(122)及第二縱向端面(124)，以及圍繞該縱向軸且連接該第一縱向端面及該第二縱向端面之側表面(123、125、126、127)，該第一縱向端面與該第二縱向端面之表面積小於該電極總成之表面積的33%； 該電極群體之構件及該反電極群體之構件在一平行於該電極總成內之該縱向軸的堆疊方向上以一交替順序排列，且其中該電極群體之各構件具有一底部、一頂部、一長度L E、一寬度W E、一高度H E及一中心縱向軸A E，該中心縱向軸A E自各個此種構件之該底部延伸至該頂部且處於大體上在該堆疊方向之橫向之一方向上，該電極群體之各構件之該長度L E係在其中心縱向軸A E之該方向上量測，該電極群體之各構件之該寬度W E係在該堆疊方向上量測，且該電極群體之各構件之該高度H E係在垂直於各個此種構件之該中心縱向軸A E且垂直於該堆疊方向的一方向上量測，該電極群體之各構件之L E與W E及H E中之每一者的比率分別為至少5:1，該電極群體之各構件之H E與W E之比率分別介於0.4:1與1000:1之間； 該電極群體及該等反電極群體之該等構件在該第一縱向表面上之一投影標出一第一投影區域(162)且該電極群體及該等反電極群體之該等構件在該第二縱向表面上之一投影標出一第二投影區域(164)； 該約束包括分別覆蓋該第一投影區域及該第二投影區域之第一壓縮構件(132)及第二壓縮構件(134)，且至少一個壓縮構件係處於該等縱向端面內部(132a)，該等壓縮構件由至少一個之張緊構件(133、135)連接，該等張緊構件覆蓋該電極總成之縱向表面且將該第一壓縮構件及第二壓縮構件拉向彼此；且 該約束在該電極總成上在該堆疊方向上維持一壓力，該壓力超過該電極總成在相互垂直且垂直於該堆疊方向之兩個方向中之每一者上所維持的壓力， 其中該等電極結構包括包含矽之陽極活性電活性材料且該等反電極結構包括陰極活性電活性材料。
  14. 如請求項13之組合，其中該第一縱向端面與該第二縱向端面之表面積小於該電極總成之表面積的25%、20%或10%。
  15. 如請求項13之組合，其中該電絕緣分隔器材料包含微孔分隔器材料，其包括顆粒材料及黏合劑，且具有至少20體積%之空隙分數。
  16. 如請求項13之組合，其中該第一縱向端面及該第二縱向端面係各自處於至少100 psi、至少200 psi、至少300 psi、至少400 psi、至少500 psi、至少600 psi、至少700 psi、至少800 psi、至少900 psi，或至少1000 psi之壓縮負載下。
  17. 如請求項13之組合，其中i)該電極總成包括至少10個電極結構及至少10個反電極結構，ii)該電極總成包括至少50個電極結構及至少50個反電極結構，iii)該電極總成包括至少100個電極結構及至少100個反電極結構，或iv)該電極總成包括至少500個電極結構及至少500個反電極結構。
  18. 如請求項13之組合，其中該約束包括具有至少10,000 psi (＞70 MPa)之極限抗張強度的材料。
  19. 如請求項13之組合，其中該約束包括金屬、金屬合金、陶瓷、玻璃、塑膠或其組合。
  20. 如請求項13之組合，其中該約束包括厚度在約10至約100微米或約30至約75微米之範圍內的材料片。
  21. 如請求項13之組合，其中該約束包括填充密度＞50%之碳纖維。
  22. 如請求項13之組合，其中該第一壓縮構件及該第二壓縮構件在該第一縱向端面及該第二縱向端面上施加一壓力，該壓力超過在該電極總成上在相互垂直且垂直於該堆疊方向之兩個方向中之每一者上所維持的壓力之至少3倍、至少4倍或至少5倍。
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