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CN115917775A - 具有一个或多个分段集流器的电化学电池及其制造方法 - Google Patents

具有一个或多个分段集流器的电化学电池及其制造方法 Download PDF

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CN115917775A
CN115917775A CN202180040010.6A CN202180040010A CN115917775A CN 115917775 A CN115917775 A CN 115917775A CN 202180040010 A CN202180040010 A CN 202180040010A CN 115917775 A CN115917775 A CN 115917775A
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electrode region
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CN202180040010.6A
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R·劳伦斯
太田直树
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24M Technologies Inc
Original Assignee
24M Technologies Inc
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Abstract

本文所述的实施例涉及具有被划分为多个片段的一个或多个集流器的电化学电池及其制造方法。被划分为多个片段的集流器包括基本平坦的导电材料，该导电材料包括连接区域和电极区域。电极区域包括限定多条电子流动路径的一个或多个分隔件。所述多条电子流动路径引导电子从电极区域到连接区域的流动。在一些实施例中，集流器包括被部署在电极区域和连接区域之间的熔断器区段。在一些实施例中，熔断器区段能够包括导电材料的薄条，使得导电材料的薄条在熔化温度下熔化并且基本上防止电子在电极区域和连接区域之间的移动。

Description

具有一个或多个分段集流器的电化学电池及其制造方法
相关申请的交叉引用
本申请要求于2020年6月4日提交的题为“Electrochemical Cell with One orMore Segmented Current Collectors and Methods of Making Same”的美国临时专利申请序列No.63/034,575的优先权和权益，其公开内容通过引用整体并入本文。
技术领域
本文描述的实施例涉及电化学电池中的热失控预防。
背景技术
电化学电池中的热失控会具有破坏性和危险的后果。当电化学电池中或在电化学电池中的点或部分处的内部发热速率超过可以排出热量的速率时，发生热失控。热失控会破坏电活性材料，并会潜在地对电化学电池附近的任何人造成危险或危及生命。虽然热失控会发生在许多不同的电化学电池化学物质中，但由于锂离子电化学电池组件的高反应性，热失控常常与锂离子电化学电池有关。如果电化学电池中或电化学电池的一部分中的温度足够高，那么会发生火灾和爆炸。电化学电池热失控的常见原因是短路事件。当一块导电材料与阳极和阴极都发生电接触时，会出现高电流和持续电流，从而导致温度快速增加和热失控。内置安全机制是防止电化学电池热失控的重要创新。
发明内容
本文所述的实施例涉及具有一个或多个被划分为片段的集流器的电化学电池及其制造方法。被划分为片段的集流器包括基本平坦的导电材料，该导电材料包括连接区域和电极区域。电极区域包括限定多条电子流动路径的一个或多个分隔件。多条电子流动路径引导电子在电极区域和连接区域之间的流动。在一些实施例中，集流器包括部署在电极区域和连接区域之间的熔断器区段。在一些实施例中，熔断器区段可以包括导电材料的薄条，使得导电材料的薄条在熔化温度下熔化并且基本上防止电子在电极区域和连接区域之间移动。在一些实施例中，导电材料的薄条可以在大于大约200℃的温度下熔化。在一些实施例中，基本平坦的集流器可以具有x轴和y轴，并且一个或多个分隔件可以基本上阻止电子在具有恒定y值的x方向上的移动。
附图说明
图1A-图1B示出了遭受短路事件的典型电化学电池的集流器。
图2是根据实施例的具有短路热失控预防机制的集流器的示意图。
图3A-图3C是根据实施例的具有短路热失控预防机制的集流器的图示。
图4A-图4F是根据实施例的具有短路热失控预防机制的集流器的图示。
图5是根据实施例的具有短路热失控预防机制的集流器的图示。
图6是根据实施例的具有短路热失控预防机制的集流器的图示。
图7是根据实施例的具有短路热失控预防机制的集流器的图示。
图8是根据实施例的具有短路热失控预防机制的电化学电池的图示。
具体实施方式
本文所述的实施例涉及具有一个或多个被划分为片段的集流器的电化学电池及其制造方法。电化学电池中的热失控常常是由引导电子流过短路点的短路事件造成的。这种行为的示例在图1A-图1B中示出。图1A示出了正常操作下典型电化学电池(未示出)的集流器100。集流器100包括连接区域110和电极区域120。连接区域110将集流器100和电化学电池连接到外部电路，而电极材料(未示出)部署在电极区域120上。如图所示，集流器100充当阴极集流器。在典型的放电期间，来自阳极集流器的电子经由外部电路转移到阴极集流器100。电子遵循流动路径A1从外部电路迁移到连接区域110和电极区域120。供参考，图1A-图1B包括具有x轴和y轴的坐标图。如图所示，集流器100被描绘为具有处于比电极区域120更高的y值的连接区域110。
图1B示出了集流器100在短路点150处发生短路事件。由于电子遵循最小电阻路径，因此来自阳极和阳极集流器(未示出)的电子迁移通过短路点150到阴极集流器100。电子沿着电子流动路径B1(被描绘为比电子流动路径A1更粗的线以表示更大的电子流动密度)从短路点150迁移到电极区域120，其中电子在阴极晶体结构中与迁移离子组合。集流器100不包括电子移动的屏障或障碍，因此电子可以自由地遵循阻力最小的路径移动并且在x方向和y方向上自由移动。在电子能够不受限制地移动通过集流器100的情况下，电子可以从短路点150在任何数量的直接电子流动路径B1中移动。换句话说，集流器100的电阻率基本上是各向同性的。通过短路点150的不受限制的电流流动可以激发集流器100的材料并且可以导致集流器100和电化学电池中的温度快速增加，潜在地导致热失控。将高温与电化学电池中电活性物质的反应性相结合会导致着火、火灾和/或爆炸。
在电化学电池中使用热失控保护机制可以降低着火的风险。较低的点火风险既是经济优势，也是安全优势。热失控预防机制可以防止电化学材料被高温或点火事件破坏。这在经济上是有利的，因为需要更少的更换零件。此外，热失控预防可以使完全组装的电化学电池的运输更加安全。电池运输常常是安全问题的根源，因为电化学电池容易因运输造成的碰撞和干扰而着火、起火和/或爆炸。结合热失控保护可以增加运输完全组装的电池的便利性，减少现场电池构建的需要。
目前存在几种机制用于防止电化学电池中的热失控。常见的策略是向电化学电池添加绝缘材料。可以将绝缘材料或者添加到单个电化学电池的内部或者添加到串联或并联连接的电化学电池之间的层。使用绝缘材料会出现能量/功率密度和比能量/功率方面的问题。包括使用一个电化学电池或电化学电池系统的大多数应用具有有限量的用于电化学电池的空间。例如，电动汽车常常采用标准尺寸的外壳，其中装有电化学电池。当本可以由电活性材料占据的空间的一部分被绝缘材料占据时，电化学电池的能量密度和功率密度降低。即使在空间最不重要的应用中，绝缘材料仍然会增加电化学电池或电化学电池系统的质量。这是不会增加电化学电池中的能量的增加的质量。因此，绝缘材料阻碍电化学电池或电化学电池系统的比能量和比功率。
通过经一个或多个分隔件将集流器划分为多个片段，可以引导电子的流动，使得电子必须遵循的到达或离开短路点的路径不再是直线。划分电化学电池的集流器可以使到短路点的路径更加曲折。沿着通往短路点的间接路径可以减少电化学电池中的短路电流。短路电流的这种减少可以限制和减缓温度增加。此外，具有内部或内置热失控保护机制的电化学电池可以在不增加电化学电池质量的情况下解决热失控问题。
在一些实施例中，分段的集流器设计可以应用于阳极集流器。在一些实施例中，分段的集流器设计可以应用于阴极集流器。在一些实施例中，分段的集流器设计可以应用于阳极集流器和阴极集流器两者。在一些实施例中，分段的集流器设计可以应用于堆叠棱柱形电化学电池、缠绕棱柱形电化学电池、圆柱形电化学电池或任何其它电化学电池设计。
在一些实施例中，本文所述的集流器可以包括呈基板、片或箔形式或任何其它形状因子的导电材料。在一些实施例中，集流器可以包括金属(诸如铝、铜、锂、镍、不锈钢、钽、钛、钨、钒或其混合物、组合或合金)。在其它实施例中，集流器可以包括非金属材料，诸如碳、碳纳米管或金属氧化物(例如，TiN、TiB2、MoSi2、n-BaTiO3、Ti2O3、ReO3、RuO2、IrO2等)。在一些实施例中，集流器可以包括部署在上面提到的金属和非金属材料中的任何一种上的导电涂层。在一些实施例中，导电涂层可以包括基于碳的材料、导电金属和/或非金属材料，包括复合材料或层状材料。
在一些实施例中，本文所述的电化学电池可以包括半固体阴极和/或半固体阳极。在一些实施例中，本文所述的半固体电极可以是无粘合剂的和/或可以使用比常规蓄电池制造中通常使用的更少的粘合剂。本文所述的半固体电极可以配制为浆料，使得电解质包括在浆料配方中。这与常规电极(例如，压延电极)形成对比，其中一般一旦电化学电池被部署在容器(例如，袋或罐)中就将电解质添加到电化学电池。
在一些实施例中，本文所述的电极材料可以是可流动的半固体或冷凝液体组合物。在一些实施例中，可流动的半固体电极可以包括电化学活性材料(阳极或阴极颗粒或微粒)和可选地导电材料(例如，碳)在非水性液体电解质中的悬浮液。在一些实施例中，活性电极颗粒和导电颗粒可以共悬浮在电解质中以产生半固体电极。在一些实施例中，本文所述的电极材料可以包括常规电极材料(例如，包括锂金属)。
2013年3月15日提交的题为“Electrochemical Slurry Compositions andMethods for Preparing Same”的美国专利No.9,484,569、于2015年11月4日提交的题为“Electrochemical Cells Having Semi-Solid Electrodes and Methods ofManufacturing the Same”的美国专利公开No.2016/0133916(以下简称“'916公开”)、2013年4月29日提交的题为“Semi-Solid Electrodes Having High Rate Capability”的美国专利No.8,993,159(以下简称“'159专利”)以及于2016年6月17日提交的题为“SinglePouch Battery Cells and Methods of Manufacture”美国专利No.10,181,587(以下简称“'587专利”)中描述了集流器、电极、电解质溶液以及可用于制备它们的方法和材料的示例，这些文献的全部公开内容通过引用并入本文。
如在本说明书中使用的，单数形式“一”、“一个”和“该”包括复数指示物，除非上下文另有明确规定。因此，例如，术语“构件”旨在表示单个构件或构件的组合，“材料”旨在表示一种或多种材料或其组合。
当与“圆柱形”、“线性”和/或其它几何关系结合使用时，术语“基本上”旨在传达这样定义的结构名义上是圆柱形、线性等。作为一个示例，支撑构件的被描述为“基本上线性”的部分旨在传达，虽然该部分的线性是期望的，但是一些非线性可能出现在“基本上线性”部分中。这种非线性可能由制造公差或其它实践考虑(诸如，例如，施加到支撑构件的压力或力)引起。因此，由术语“基本上”修饰的几何构造包括在所述几何构造的正负5％的公差内的这种几何特性。例如，“基本上线性”部分是定义轴线或中心线的在线性的正负5％以内的部分。
如本文所使用的，术语“集合”和“多个”可以指代若干特征或具有若干部分的单个特征。例如，当提及电极集合时，该电极集合可以被认为是具有若干部分的一个电极，或者该电极集合可以被认为是若干个不同的电极。此外，例如，当提及多个电化学电池时，该多个电化学电池可以被认为是若干个不同的电化学电池或具有若干部分的一个电化学电池。因此，部分集合或多个部分可以包括彼此连续或不连续的若干部分。多个颗粒或多种材料也可以由若干个单独生产并随后(例如，经由混合、粘合剂或任何合适的方法)结合在一起的物品制成。
如本文所使用的，术语“半固体”是指为液相和固相的混合物的材料，例如，诸如颗粒悬浮液、浆液、胶体悬浮液、乳液、凝胶、或胶束。
图2是具有热失控预防机制的集流器200的示意图。集流器200包括连接区域210和电极区域220。连接区域210将集流器200电连接到外部电路(未示出)。电极材料(未示出)被部署在电极区域220上。电极区域220包括分隔件230，分隔件230将电极区域220划分为第一子区240a和第二子区240b(统称为子区域240)。在一些实施例中，集流器200可以包括连接区域210与电极区域220之间的熔断器区段260。
在一些实施例中，连接区域210和电极区域220可以是同一块材料的两个不同部分。在一些实施例中，连接区域210可以直接耦合到电极区域220。在一些实施例中，连接区域210可以经由机械压缩、使用导电膏、化学连接、焊接、铜焊、锡焊、压接或任何其它合适的耦合手段耦合到电极区域220。
在一些实施例中，分隔件230可以简单地是电极区域220中的切口，其防止电子在从第一子区域240a到第二子区域240b的直接路径中移动。在一些实施例中，第一子区域240a可以与第二子区域240b电隔离。在一些实施例中，第一子区域240a可以与第二子区域240b电绝缘。在一些实施例中，第一子区域240a不直接耦合到第二子区域240b。在一些实施例中，分隔件230可以用简单的刀片切割。在一些实施例中，分隔件230可以经由冲切、激光切割或任何其它减材处理技术来切割。在一些实施例中，分隔件230可以经由电沉积、丝网印刷或任何其它合适的加材处理技术在集流器200中实现。在一些实施例中，分隔件230可以延伸到电极区域220的边缘。在一些实施例中，分隔件230可以是不延伸到电极区域220的任何边缘的切口。如图所示，电极区域220包括一个分隔件230。在一些实施例中，电极区域220可以包括多个分隔件230。
在一些实施例中，电极区域220可以包括两个分隔件230、三个分隔件230、四个分隔件230、五个分隔件230、六个分隔件230、七个分隔件230、八个分隔件230、九个分隔件230或十个分隔件230。在一些实施例中，电极区域220可以包括至少大约一个分隔件230、至少大约两个分隔件230、至少大约三个分隔件230、至少大约四个分隔件230、至少大约五个分隔件230、至少大约六个分隔件230、至少大约七个分隔件230、至少大约八个分隔件230、至少大约九个分隔件230、至少大约十个分隔件230、至少大约20个分隔件230、至少大约30个分隔件230、至少大约40个分隔件230、至少大约50个分隔件230、至少大约60个分隔件230、至少大约70个分隔件230、至少大约80个分隔件230或至少大约90个分隔件230。在一些实施例中，电极区域220可以包括不多于大约100个分隔件230、不多于大约90个分隔件230、不多于大约80个分隔件230、不多于大约70个分隔件230、不多于大约60个分隔件230、不多于大约50个分隔件230、不多于大约40个分隔件230、不多于大约30个分隔件230、不多于大约20个分隔件230、不多于大约十个分隔件230、不多于大约九个分隔件230、不多于大约八个分隔件230、不多于大约七个分隔件230、不多于大约六个分隔件230、不多于大约五个分隔件230、不多于大约四个分隔件230、不多于大约三个分隔件230，或不多于大约两个分隔件230。上面引用的数量的分隔件230的组合也是可能的(例如，至少大约一个分隔件230且不多于大约100个分隔件230或至少大约五个分隔件230且不多于大约50个分隔件230)，包括其间的所有值和范围。在一些实施例中，电极区域220可以包括大约一个分隔件230、大约两个分隔件230、大约三个分隔件230、大约四个分隔件230、大约五个分隔件230、大约六个分隔件230、大约七个分隔件230、大约八个分隔件230、大约九个分隔件230、大约十个分隔件230、大约20个分隔件230、大约30个分隔件230、大约40个分隔件230、大约50个分隔件230、大约60个分隔件230、大约70个分隔件230、大约80个分隔件230、大约90个分隔件230，或大约100个分隔件230。
如图所示，电极区域220包括两个子区域240。在一些实施例中，电极区域220可以包括三个子区域240、四个子区域240、五个子区域240、六个子区域240、七个子区域240、八个子区域240、九个子区域240或十个子区域240。在一些实施例中，电极区域220可以包括至少大约两个子区域240、至少大约三个子区域240、至少大约四个子区域240、至少大约五个子区域240、至少大约六个子区域240、至少大约七个子区域240、至少大约八个子区域240、至少大约九个子区域240、至少大约十个子区域240、至少大约20个子区域240、至少大约30个子区域240、至少大约40个子区域240、至少大约50个子区域240、至少大约60个子区域240、至少大约70个子区域240、至少大约80个子区域240，或至少大约90个子区域240。在一些实施例中，电极区域220可以包括不多于大约100个子区域240、不多于大约90个子区域240、不多于大约80个子区域240、不多于大约70个子区域240、不多于大约60个子区域240、不多于大约50个子区域240、不多于大约40个子区域240、不多于大约30个子区域240、不多于大约20个子区域240、不多于大约十个子区域240个、不多于大约九个子区域240个、不多于大约八个子区域240个、不多于大约七个子区域240个、不多于大约六个子区域240个、不多于大约五个子区域240、不多于大约四个子区域240，或者不多于大约三个子区域240。上面引用的数量的子区域240的组合也是可能的(例如，至少大约两个子区域240且不多于大约100个子区域或至少大约五个子区域240且不多于大约50个子区域240)，包括其间的所有值和范围。在一些实施例中，电极区域220可以包括大约两个子区域240、大约三个子区域240、大约四个子区域240、大约五个子区域240、大约六个子区域240、大约七个子区域240、大约八个子区域240、大约九个子区域240、大约十个子区域240、大约20个子区域240、大约30个子区域240、大约40个子区域240、大约50个子区域240、大约60个子区域240、大约70个子区域240、大约80个子区域240、大约90个子区域240或大约100个子区域240。在一些实施例中，子区域240中的一个或多个可以直接耦合到连接区域210。例如，“直接耦合”可以指两块材料物理上彼此接触。在一些实施例中，子区域240中的一个或多个可以是与连接区域210相同的一块材料的一部分。
在一些实施例中，熔断器区段260可以包括将连接区域210连接到电极区域220的材料的一个或多个薄部分(或熔断器)。在一些实施例中，熔断器可以由与连接区域210和电极区域220相同的材料构成。在一些实施例中，熔断器可以足够薄，使得它们的温度增加比连接区域210或电极区域220的块状材料快得多。这种更快的温度增加是由于电子通过细熔断器的瓶颈以及由此产生的熔断器中原子的激发。在一些实施例中，熔断器可由熔化温度低于连接区域210或电极区域220的熔化温度的材料构成。在一些实施例中，熔断器可以在规定温度或温度范围内熔化，使得连接区域210和电极区域220之间的进一步接触被消除或基本消除。
在一些实施例中，熔断器可以在至少大约100℃、至少大约150℃、至少大约200℃、至少大约250℃、至少大约300℃、至少大约300℃、至少大约350℃、至少大约400℃、至少大约450℃、至少大约500℃、至少大约550℃、至少大约600℃、至少大约650℃、至少大约700℃、至少大约750℃、至少大约800℃、至少大约850℃、至少大约900℃、至少大约950℃、至少大约1,000℃、至少大约1,050℃、至少大约1,100℃、至少大约1,150℃、至少大约1,200℃、至少大约1,250℃、至少大约1,300℃、至少大约1,350℃、至少大约1,400℃或至少大约1,450℃的温度下熔化。在一些实施例中，熔断器可以在不多于大约1,500℃、不多于大约1,450℃、不多于大约1,400℃、不多于大约1,350℃、不多于大约1,300℃、不多于大约1,250℃，不多于大约1,200℃，不多于大约1,150℃，不多于大约1,100℃、不多于大约1,050℃、不多于大约1,000℃、不多于大约950℃、不多于大约900℃、不多于大约850℃、不多于大约800℃、不多于大约750℃、不多于大约700℃、不多于大约650℃、不多于大约600℃、不多于大约550℃、不多于大约500℃、不多于大约450℃、不多于大约400℃、不多于大约350℃、不多于大约300℃、不多于大约250℃、不多于大约200℃或不多于大约150℃的温度下熔化。上面引用的熔断器熔化温度的组合也是可能的(例如，至少大约100℃且不多于大约1,500℃或至少大约200℃且不多于大约600℃)，包括其间的所有值和范围。在一些实施例中，熔断器可以在大约100℃、大约150℃、大约200℃、大约250℃、大约300℃、大约350℃、大约400℃、大约450℃、大约500℃、大约550℃、大约600℃、大约650℃、大约700℃、大约750℃、大约800℃、大约850℃、大约900℃、大约950℃、大约1,000℃、大约1,050℃、大约1,100℃、大约1,150℃、大约1,200℃、大约1,250℃、大约1,300℃、大约1,350℃、大约1,400℃、大约1,450℃或大约1,500℃的温度下熔化。
在一些实施例中，集流器200的平均温度可以由于短路事件而增加小于大约100℃、小于大约95℃、小于大约90℃、小于大约85℃、小于大约80℃、小于大约75℃、小于大约70℃、小于大约65℃、小于大约60℃、小于大约55℃、小于大约50℃、小于大约45℃、小于大约40℃、小于大约35℃、小于大约30℃、小于大约25℃、小于大约20℃、小于大约15℃、小于大约10℃、小于大约5℃、小于大约4℃、小于大约3℃、小于大约2℃或小于大约1℃，包括其间的所有值和范围。
图3A-图3C示出了根据实施例的具有短路热失控预防机制的电化学电池(未显示)的集流器300。集流器300包括连接区域310和电极区域320。如图所示，电极区域320包括分隔件330a、330b、330c、330d、330e、330f、330g(统称为分隔件330)，它们将电极区域划分为子区域340a、340b、340c、340d、340e、340f、340g、340h(统称为子区域340)。图3A示出了集流器300，没有描绘任何电子移动。图3B示出了集流器300，描绘了电化学电池正常放电期间的电子移动。如图所示，集流器300充当阴极集流器，因为电子从阳极和阳极集流器迁移到阴极和阴极集流器，然后沿着电子流动路径A3(表示为虚线)移动通过集流器300。图3C示出了集流器300在内部短路点350处发生短路事件。由于电子遵循电阻最小的路径，因此它们无法穿过分隔件330并遵循从内部短路点350沿着电子流动路径B3(表示为虚线)的更迂回的路径。如图所示，分隔件330引导从内部短路点350通过子区域340e到达连接区域310并且然后到电极区域320的不同子区域340的大部分电子流动路径B3。这条迂回路径可以产生瓶颈效应，它减慢电子从短路点的流动(并因此减慢通过电化学电池的电流)并减少由于短路事件引起的温度增加。换句话说，集流器300的电阻率是各向异性的并且分隔件330可以感应电阻以限制电流超过由电化学电池的离子电阻施加的限制。
为了参考，图3A-图3C包括具有x轴和y轴的坐标图。如图所示，集流器300被描绘为具有处于比电极区域320更高的y值的连接区域310。如图所示，分隔件330被垂直且对角地布置。在一些实施例中，集流器300可以包括一个或多个水平布置的分隔件330。在一些实施例中，分隔件330可以抑制或基本上抑制电子在具有恒定y值的x方向上的移动。在一些实施例中，分隔件330可以抑制或基本上抑制电子在具有恒定x值的y方向上的移动。如图所示，分隔件330延伸至电极区域320的底部边缘。在一些实施例中，分隔件330可以在未延伸至电极区域320的底部边缘之前停止。如图所示，分隔件330被布置为一系列的直线切口。在一些实施例中，分隔件330可以是半圆形切口、螺旋切口或任何其它形状因子的形式以在短路的情况下延长电子流动路径B3。
在一些实施例中，集流器300、连接区域310、电极区域320、分隔件330和子区域340可以与分别如上文参考图2所述的集流器200、连接区域210、电极区域220、分隔件230和子区域240相同或基本相似。
图4A-图4F示出了根据实施例的具有短路热失控预防机制的电化学电池(未示出)的集流器400。集流器400包括连接区域410和电极区域420。如图所示，电极区域420包括分隔件430a、430b、430c、430d、430e、430f、430g(统称为分隔件430)，它们将电极区域划分为子区域440a、440b、440c、440d、440e、440f、440g、440h(统称为子区域440)。集流器400包括熔断器区段460。熔断器区段460包括孔462a、462b、462c、462d、462e、462f、462g(统称为孔462)和熔断器464a、464b、464c、464d、464e、464f、464g、464h(统称为464熔断器)。图4A示出集流器400而没有描绘任何电子移动。图4B示出了集流器400，描绘了电化学电池正常放电期间的电子移动。如图所示，集流器400充当阴极集流器，因为电子从阳极和阳极集流器迁移到阴极到阴极集流器，然后沿着电子流动路径A4(表示为虚线)移动通过集流器400。
图4C-图4D示出了在内部短路点450处经受短路事件的集流器400。由于电子遵循电阻最小的路径，因此它们无法穿过分隔件430并遵循从内部短路点450沿着电子流动路径B4(表示为虚线)的更迂回的路径。如图4C中所示，分隔件430引导从内部短路点450通过子区域440e、通过熔断器464e、到连接区域410、然后通过熔断器464a、464b、464c、464d、464f、464g和464h返回到子区域440a、440b、440c、440d、440f、440g和440h的大部分电子流动路径B4。在一些实施例中，熔断器464可以经由选择性地移除集流器400的部分来形成。在一些实施例中，可以选择性地移除连接区域410和/或电极区域420的部分，使得只有材料的薄部分保留以形成熔断器464。当电子移动穿过熔断器464并且熔断器464温度增加时，电子变得有瓶颈。熔断器464基本上薄，使得当电子从内部短路点450移动时它们可以比集流器400的块体材料更快地升温。如图所示，最显著的电子传输穿过熔断器464e。在一些实施例中，熔断器464e的温度比其它熔断器464中的任一个都增加得更快，使得熔断器464e在其它熔断器464中的任一个之前熔化。图4D示出了在熔断器464e的温度已经足够显著增加使得熔断器464e已经熔化之后的集流器400。如图4D中所示，内部短路点450基本上与除了子区段440e之外的每个子区段440电隔离。这显著减少了被电化学激活的电极面积并可以显著减少由短路事件引起的任何热失控效应。
图4E-图4F示出了在外部短路时经受短路事件的集流器400。如图所示，电子遵循由于外部短路的电阻最小的路径。如图4E中所示，分隔件430将大部分电子流动路径B4从连接区域410上的外部短路穿过熔断器464引导至电极区域420的不同子区域440。当电子移动穿过熔断器464并且熔断器464温度增加时，电子变得有瓶颈。熔断器464基本上薄，使得当电子由于外部短路移动时，它们可以比集流器400的块体材料更快地升温。图4F示出了在每个熔断器464的温度已经显著增加到足以使每个熔断器464已经熔化之后的集流器400。这将连接区域410与电极区域420隔离开，使得电化学电池被禁用。通过熔化熔断器464来禁用电化学电池可以显著减少由短路事件引起的任何热失控效应。在一些实施例中，熔断器464中的至少一个可以熔化。在一些实施例中，熔断器464的一部分可以熔化。在一些实施例中，所有或基本上所有的熔断器464都可以熔化。
为了参考，图4A-图4F包括具有x轴和y轴的坐标图。如图所示，集流器400被描绘为具有处于比电极区域420更高的y值的连接区域410。如图所示，分隔件430被垂直且对角地布置。在一些实施例中，集流器400可以包括一个或多个水平布置的分隔件430。在一些实施例中，分隔件330可以抑制或基本上抑制电子在具有恒定y值的x方向上的移动。在一些实施例中，分隔件430可以抑制或基本上抑制电子在具有恒定x值的y方向上的移动。如图所示，分隔件430延伸至电极区域420的底部边缘。在一些实施例中，分隔件430可以在未延伸到电极区域420的底部边缘之前停止。如图所示，分隔件430被布置为一系列的直线切口。在一些实施例中，分隔件430可以是半圆形切口、螺旋切口或任何其它形状因子的形式以在短路的情况下延长电子流动路径B4。
在一些实施例中，孔462可以用简单的刀片切割。在一些实施例中，孔462可以经由模切、激光切割、钻孔或任何其它减材处理技术来切割。在一些实施例中，孔462可以经由电沉积、丝网印刷或任何其它合适的加材处理技术在集流器400中实现。
在一些实施例中，每个熔断器464可以具有至少大约50μm、至少大约100μm、至少大约150μm、至少大约200μm、至少大约250μm、至少大约300μm、至少大约350μm、至少大约400μm、至少大约450μm、至少大约500μm、至少大约550μm、至少大约600μm、至少大约650μm、至少大约700μm、至少大约750μm、至少大约800μm、至少大约850μm、至少大约900μm、至少大约950μm、至少大约1mm、至少大约2mm、至少大约3mm、至少大约4mm、至少大约5mm、至少大约6mm、至少大约7mm、至少大约8mm、至少大约9mm、至少大约10mm、至少大约11mm、至少大约12mm、至少大约13mm、至少大约14mm、至少大约15mm、至少大约16mm、至少大约17mm、至少大约18mm或至少大约19mm的宽度(即，沿着x轴)。在一些实施例中，熔断器464可以具有不多于大约20mm、不多于大约19mm、不多于大约18mm、不多于大约17mm、不多于大约16mm、不多于大约15mm、不多于大约14mm、不多于大约13mm、不多于大约12mm、不多于大约11mm、不多于大约10mm、不多于大约9mm、不多于大约8mm、不多于大约7mm、不多于大约6mm、不多于大约5mm、不多于大约4mm、不多于大约3mm、不多于大约2mm、不多于大约1mm、不多于大约950μm、不多于大约900μm、不多于大约850μm、不多于大约800μm、不多于大约750μm、不多于大约700μm、不多于大约650μm、不多于大约600μm、不多于大约550μm、不多于大约500μm、不多于大约450μm、不多于大约400μm、不多于大约350μm、不多于大约300μm、不多于大约250μm、不多于大约200μm、不大于大约150μm或不大于大约100μm的宽度。上面引用的每个熔断器464的宽度的范围的组合也是可能的(例如，至少大约50μm且不多于大约20mm或至少大约500μm且不多于大约1mm)，包括其间的所有值和范围。在一些实施例中，每个熔断器464可以具有大约50μm、大约100μm、大约150μm、大约200μm、大约250μm、大约300μm、大约350μm、大约400μm、大约450μm、大约500μm、大约550μm、大约600μm、大约650μm、大约700μm、大约750μm、大约800μm、大约850μm、大约900μm、大约950μm、大约1mm、大约2mm、大约3mm、大约4mm、大约5mm、大约6mm、大约7mm、大约8mm、大约9mm、大约10mm、大约11mm、大约12mm、大约13mm、大约14mm、大约15mm，大约16mm、大约17mm、大约18mm、大约19mm或大约20mm的宽度。
如图所示，熔断器区段460包括七个孔462。在一些实施例中，熔断器区段460可以包括一个孔462、两个孔462、三个孔462、四个孔462、五个孔462、六个孔462、八个孔孔462、九个孔462或十个孔462。在一些实施例中，熔断器区段460可以包括至少大约一个孔462、至少大约两个孔462、至少大约三个孔462、至少大约四个孔462、至少大约五个孔462、至少大约六个孔462、至少大约七个孔462、至少大约八个孔462、至少大约九个孔462、至少大约十个孔462、至少大约20个孔462、至少大约30个孔462、至少大约40个孔462、至少大约50个孔462、至少大约60个孔462、至少大约70个孔462、至少大约80个孔462或至少大约90个孔462。在一些实施例中，熔断器区段460可以包括不多于大约100个孔462、不多于大约90个孔462、不多于大约80个孔462、不多于大约70个孔462、不多于大约60个孔462、不多于大约50个孔462、不多于大约40个孔462、不多于大约30个孔462、不多于大约20个孔462、不多于大约十个孔462、不多于大约九个孔462、不多于大约八个孔462、不多于大约七个孔462、不多于大约六个孔462、不多于大约五个孔462、不多于大约四个孔462、不多于大约三个孔462或不多于大约两个孔462。上述数量的孔462的组合也是可能的(例如，至少大约一个孔462且不多于大约100个孔462或至少大约五个孔462且不多于大约50个孔462)，包括其间的所有值和范围。在一些实施例中，熔断器区段460可以包括大约一个孔462、大约两个孔462、大约三个孔462、大约四个孔462、大约五个孔462、大约六个孔462、大约七个孔462、大约八个孔462、大约九个孔462、大约十个孔462、大约20个孔462、大约30个孔462、大约40个孔462、大约50个孔462、大约60个孔462、大约70个孔462、大约80个孔462、大约90个孔462或大约100个孔462。
在一些实施例中，熔断器464可以包括导电材料的一个或多个薄条。如图所示，熔断器区段460包括八个熔断器464。在一些实施例中，熔断器区段460可以包括一个熔断器464、两个熔断器464、三个熔断器464、四个熔断器464、五个熔断器464、六个熔断器464、七个熔断器464、九个熔断器464，或十个熔断器464。在一些实施例中，熔断器区段460可以包括至少大约一个熔断器464、至少大约两个熔断器464、至少大约三个熔断器464、至少大约四个熔断器464、至少大约五个熔断器464，至少大约六个熔断器464、至少大约七个熔断器464、至少大约八个熔断器464、至少大约九个熔断器464、至少大约十个熔断器464、至少大约20个熔断器464、至少大约30个熔断器464、至少大约40个熔断器464、至少大约50个熔断器464、至少大约60个熔断器464、至少大约70个熔断器464、至少大约80个熔断器464或至少大约90个熔断器464。在一些实施例中，熔断器区段460可以包括不多于大约100个熔断器464、不多于大约90个熔断器464、不多于大约80个熔断器464、不多于大约70个熔断器464、不多于大约60个熔断器464、不多于大约50个熔断器464、不多于大约40个熔断器464、不多于大约30个熔断器464、不多于大约20个熔断器464、不多于大约10个熔断器464、不多于大约九个熔断器464、不多于大约八个熔断器464、不多于大约七个熔断器464、不多于大约六个熔断器464，不多于大约五个熔断器464，不多于大约四个熔断器464、不多于大约三个熔断器464或不多于大约两个熔断器464。上面引用的数量的熔断器464的组合也是可能的(例如，至少大约一个熔断器464且不多于大约100个熔断器464或至少大约五个熔断器464且不多于大约50个熔断器464)，包括其间的所有值和范围。在一些实施例中，熔断器区段分460可以包括大约一个熔断器464、大约两个熔断器464、大约三个熔断器464、大约四个熔断器464、大约五个熔断器464、大约六个熔断器464、大约七个熔断器464、大约八个熔断器464、大约九个熔断器464、大约十个熔断器464、大约20个熔断器464、大约30个熔断器464、大约40个熔断器464、大约50个熔断器464、大约60个熔断器464、大约70个熔断器464、大约80个熔断器464、大约90个熔断器464或大约100个熔断器464。
在一些实施例中，集流器400、连接区域410、电极区域420、分隔件430、子区域440和熔断器区段460可以分别与如上文参考图2所述的集流器200、连接区域210、电极区域220、分隔件230、子区域240和熔断器区段260相同或基本相似。在一些实施例中，集流器400、连接区域410、电极区域420、分隔件430和子区域440可以分别与如上文参考图3所述的集流器300、连接区域310、电极区域320、分隔件330和子区域340相同或基本相似。
图5示出了根据实施例的具有短路热失控预防机制的电化学电池(未示出)的集流器500。集流器500包括连接区域510和电极区域520。如图所示，电极区域520包括分隔件530a、530b、530c、530d、530e、530f、530g(统称为分隔件530)，它们将电极区域划分为子区域540a、540b、540c、540d、540e、540f、540g、540h(统称为子区域540)。集流器500包括熔断器区段560。如图所示，分隔件530可以延伸到熔断器区段560中。在一些实施例中，分隔件530可以延伸到连接区域510中。熔断器区段560包括突片562a、562b、562c、562d、562e、562f、562g、562h(统称为突片562)和熔断器564a、564b、564c、564d、564e、564f、564g、564h(统称为熔断器564)。
如图所示，突片562没有从集流器500上移除，而是在电化学电池的操作期间保持在原位。在一些实施例中，突片562可以包括围绕形状的外周的切口。在一些实施例中，形状可以包括矩形、椭圆形、圆形、正方形或任何其它形状因子或其组合。如图所示，突片562包括围绕矩形的三个边延伸的切口。在一些实施例中，突片562可以包括围绕一个或多个形状的整个周边延伸的切口。在这种情况下，构成突片562的集流器500的材料可以保持在适当位置(例如，如果集流器500被层压到电极材料，那么经由层压)。在不从集流器500移除材料的情况下在熔断器区段560中包括切口可以创建熔断器几何形状而无需物理地移除集流器500的部件。这种几何形状可以创建导致熔断的电路径。通过创建突片562的这种几何形状，突片562可以被调谐以在或大约在给定的电流水平下打开。突片562的特定几何形状还可以避免在集流器500的制造过程中移除金属碎片的需要并且降低金属碎片进入完成的电化学电池(可能造成安全隐患)的风险。此外，突片562可以减小由突片562造成的熔断器的横截面积并防止热量沉到熔断器区段560(即，促进更快熔断)。
图6示出了根据实施例的具有短路热失控预防机制的电化学电池(未示出)的集流器600。集流器600包括连接区域610和电极区域620。如图所示，电极区域620包括分隔件630a、630b、630c、630d、630e、630f、630g(统称为分隔件630)，它们将电极区域划分为子区域640a、640b、640c、640d、640e、640f、640g、640h(统称为子区域640)。集流器600包括熔断器区段660。如图所示，分隔件630可以延伸到熔断器区段660中。在一些实施例中，分隔件630可以延伸到连接区域610中。熔断器区段660包括切口662a、662b、662c、662d、662e、662f、662g、662h(统称为切口662)和熔断器664a、664b、664c、664d、664e、664f、664g、664h(统称为熔断器664)。
如图所示，切口662具有加号或十字形。在一些实施例中，切口662可以具有星形、X形或任何其它合适的形状或其组合。通过对切口662使用开放形状，可以减小由切口662产生的熔断器的横截面，而不会显著中断散热。这种设计可以在更快的熔断和减少过多的热量积聚之间取得平衡。
图7示出了根据实施例的具有短路热失控预防机制的电化学电池(未示出)的集流器700。集流器700包括连接区域710和电极区域720。如图所示，电极区域720包括分隔件730a、730b、730c、730d、730e、730f、730g(统称为分隔件730)，它们将电极区域划分为子区域740a、740b、740c、740d、740e、740f、740g、740h(统称为子区域740)。集流器700包括熔断器区段760。如图所示，分隔件730延伸到连接区域710中。将分隔件730延伸到连接区域710中会产生电子流动的瓶颈。在一些实施例中，分隔件730可以延伸到连接区域710中大约50μm、大约100μm、大约200μm、大约300μm、大约400μm、大约500μm、大约600μm、大约700μm、大约800μm、大约900μm、大约1mm、大约2mm、大约3mm、大约4mm、大约5mm、大约6mm、大约71mm、大约8mm、大约9mm、大约1cm、大约2cm、大约3cm、大约4cm或大约5cm，包括其间的所有值和范围。
图8示出了根据实施例的具有短路热失控预防机制的电化学电池8000。电化学电池8000包括阳极集流器800和阴极集流器900。阳极集流器800包括阳极连接区域810和阳极区域820。阴极集流器900包括阴极连接区域910和阴极区域920。阳极材料805被部署在阳极集流器800的阳极区域820上。阴极材料905被部署置在阴极集流器900的阴极区域920上。分离件870被部署在阳极材料805和阴极材料905之间。如图所示，短路感应器856感应阳极内部短路点850和阴极内部短路点950。
在一些实施例中，阳极集流器800可以是分段的集流器，其可以帮助防止电化学电池8000中的热失控。在一些实施例中，阴极集流器900可以是分段的集流器，其可以帮助防止电化学电池8000中的热失控。在一些实施例中，阳极集流器800和阴极集流器900都可以是分段的集流器，这可以帮助防止电化学电池8000中的热失控。在一些实施例中，阳极集流器800可以与上面分别参考图2、图3A-图3C、图4A-图4F、图5、图6或图7所述的集流器200、集流器300、集流器400、集流器500、集流器600、集流器700相同或基本相似。在一些实施例中，阴极集流器800可以与上面分别参考图2、图3A-图3C、图4A-图4F、图5、图6或图7所述的集流器200、集流器300、集流器400、集流器500、集流器600或集流器700相同或基本相似。
各种概念可以被实施为一种或多种方法，其至少一个示例已经被提供。作为该方法的一部分执行的动作可以以任何合适的方式排序。因而，可以构造实施例，其中以与所示出的次序不同的次序执行动作，即使在说明性实施例中被示为顺序动作，其也可以包括同时执行一些动作。换句话说，应该理解的是，这样的特征可能不一定限于特定的执行次序，而是可以以与本公开一致的方式以串行、异步、并发、并行、同时、同步等执行任意数量的线程、进程、服务、服务器等。照此，这些特征中的一些可能是相互矛盾的，因为它们不能在单个实施例中同时存在。类似地，一些特征适用于创新的一个方面，而不适用于其它方面。
此外，本公开可以包括目前未描述的其它创新。申请人保留对此类创新的所有权利，包括实施此类创新、提交附加申请、延续、部分延续、分案等的权利。照此，应当理解的是，本公开的优点、实施例、示例、功能、特征、逻辑、操作、组织、结构、拓扑和/或其它方面不应被视为对由实施例所限定的本公开的限制或对实施例的等同物的限制。取决于个人和/或企业用户的特定期望和/或特点，数据库配置和/或关系模型、数据类型、数据传输和/或网络框架、语法结构等，本文公开的技术的各种实施例可以如本文所描述的那样以使得能够实现很大的灵活性和定制的方式来实现。
如本文所定义和使用的，所有定义都应当被理解为控制词典定义、通过引用并入的文档中的定义和/或所定义术语的普通含义。
如本文所使用，在特定实施例中，当在数值之前时，术语“大约”或“近似”指示该值的加或减10％的范围。在提供值的范围的情况下，应理解为，除非上下文另有明确规定，否则每个中间值，到下限的单位的十分之一、在那个范围的上限和下限之间以及在那个所述范围中的任何其它所述或中间值都涵盖在本公开内。这些更小范围的上限和下限可以独立地包括在更小范围内，这也涵盖在本公开内容之内，但要遵守所述范围内的任何明确排除的限值。在所述范围包括一个或两个限值的情况下，排除那些所包括的限值中的一个或两个的范围也包括在本公开中。
如本文中在说明书和实施例中使用的短语“和/或”应被理解为表示如此结合的元素中的“任一个或两者”，即，在一些情况下结合地存在并且在其它情况下分离地存在的元素。用“和/或”列出的多个元素应当以相同的方式来理解，即，如此连接的元素中的“一个或多个”。除了由“和/或”子句具体识别的元素之外，还可以可选地存在其它元素，无论与那些具体识别出的元素相关还是无关。因此，作为非限制性示例，当与诸如“包括”之类的开放式语言结合使用时，对“A和/或B”的引用在一个实施例中可以仅指A(可选地包括除B以外的元素)；在另一个实施例中，仅指B(可选地包括除A以外的元素)；在又一个实施例中，指A和B(可选地包括其它元素)；等等。
如在说明书和实施例中在本文使用的，“或”应当被理解为具有与如上定义的“和/或”相同的含义。例如，当将列表中的项目分开时，“或”或“和/或”应解释为包含性的，即，包括多个元素或元素列表中的至少一个，但也包括多于一个，以及(可选)附加未列出的项目。仅明确相反地指示的术语，诸如“仅一个”或“恰好一个”，或当在实施例中使用时，“由...组成”，将指仅包括多个元素或元素列表中的一个元素。一般而言，如本文所使用的术语“或”仅当签名有排他性术语(诸如“任一个”、“其中一个”、“仅其中一个”或“恰好其中一个”)时才应为解释为指示排他性替代(即，“两个中的一个或另一个，但不是两者”)。当在实施例中使用时，“基本上由...组成”应具有在专利法领域中使用的普通含义。
如在本文的说明书和实施例中所使用的，短语“至少一个”是指一个或多个元素的列表，应当被理解为是指选自元素列表中的一个或多个元素中的至少一个元素，但不一定包括元素列表中具体列出的每个元素中的至少一个，并且不排除元素列表中元素的任何组合。这个定义还允许除了短语“至少一个”所指代的元件列表中特别识别出的元素以外的元素可以可选地存在，无论与那些具体识别出的元素有关还是无关。因此，作为非限制性示例，“A和B中的至少一个”(或等效地，“A或B中的至少一个”，或等效地“A和/或B中的至少一个”)可以在一个实施例中指至少一个，可选地包括多于一个A，不存在B(并且可选地包括除B以外的元素)；在另一个实施例中，指至少一个，可选地包括多于一个B，不存在A(并且可选地包括除A以外的元素)；在又一个实施例中，指至少一个，可选地包括多于一个A，以及至少一个，可选地包括多于一个B(并且可选地包括其它元素)；等等。
在实施例以及以上说明书中，所有过渡短语，诸如“包括”、“包含”、“携带”、“具有”、“含有”、“涉及”、“保持”、“由……组成”等应被理解为开放式的，即，表示包括但不限于。如美国专利局专利审查程序手册第2111.03节中所述，仅过渡短语“由...组成”和“基本上由...组成”才应分别是封闭的或半封闭的过渡短语。
虽然以上已经概述了本公开的具体实施例，但是许多替代方案、修改和变化对于本领域技术人员而言将是显而易见的。因而，本文阐述的实施例旨在是说明性的，而不是限制性的。在不脱离本公开的精神和范围的情况下，可以进行各种改变。在上述方法和步骤指示以一定次序发生的某些事件的情况下，受益于本公开的本领域普通技术人员将认识到，可以修改某些步骤的次序，并且这种修改是根据本发明的变化。此外，某些步骤可以在可能的时候在并行过程中并发地执行，以及如上所述顺序地执行。已经特别示出并描述了实施例，但是应该理解的是，可以进行形式和细节上的各种改变。

Claims (22)

1.一种设备，包括：
基本平坦的导电材料，包括连接区域和电极区域，电极区域包括限定多条电子流动路径的分隔件，所述多条电子流动路径被配置为引导电子从电极区域到连接区域的流动。
2.如权利要求1所述的设备，还包括：
熔断器区段，被部署在电极区域和连接区域之间。
3.如权利要求2所述的设备，其中熔断器区段包括导电材料的薄条。
4.如权利要求3所述的设备，其中导电材料的薄条在大于大约200℃的温度下熔化。
5.如权利要求4所述的设备，其中导电材料的薄条的熔化至少部分地抑制连接区域和电极区域之间的电子流动。
6.如权利要求3所述的设备，其中导电材料的薄条具有介于大约50μm和大约1mm之间的宽度。
7.如权利要求1所述的设备，其中基本平坦的导电材料具有x轴和y轴，并且多个分隔件基本上抑制电子在具有恒定y值的x方向上的移动。
8.如权利要求1所述的设备，其中在短路事件期间，设备的平均温度增加小于大约25℃。
9.如权利要求1所述的设备，其中所述多条电子流动路径中的每条电子流动路径在电极区域的子区域上，所述子区域中的每个子区域不直接彼此耦合。
10.如权利要求1所述的设备，其中电极区域包括多个分隔件。
11.一种电化学电池，包括：
阳极集流器，具有连接区域和电极区域，电极区域包括分隔件，分隔件将电极区域划分为多个子区域，所述多个子区域不直接彼此耦合；
阳极，被部署在阳极集流器上；
阴极集流器，具有左侧和右侧；
阴极，被部署在阴极集流器上；以及
分离件，被部署在阳极和阴极之间。
12.如权利要求11所述的电化学电池，其中连接区域直接耦合到所述多个子区域。
13.如权利要求11所述的电化学电池，其中阳极集流器包括邻接连接区域和电极区域的熔断器区域。
14.如权利要求13所述的电化学电池，其中熔断器区域包括导电材料的薄条。
15.如权利要求14所述的设备，其中导电材料的薄条在大于大约200℃的温度下熔化。
16.如权利要求11所述的电化学电池，其中在短路事件期间，设备的平均温度增加小于大约25℃。
17.如权利要求11所述的电化学电池，其中电极区域包括多个分隔件。
18.一种方法，包括：
将第一集流器的电极区域切割成多个子区段，所述多个子区段中的每个子区段与相邻的子区段电绝缘，所述多个子区段中的每个子区段电耦合到连接区域；
在第一集流器的电极区域上部署第一电极；
在第二集流器上部署第二电极；以及
在第二电极上部署第一电极，分离件定位在第二电极与第一电极之间以形成电化学电池。
19.如权利要求18所述的方法，还包括：
在连接区域和电极区域之间的熔断器区域中形成多个孔，使得所述多个孔形成邻接连接区域和电极区域的导电材料的薄条。
20.如权利要求19所述的方法，其中形成所述多个孔是经由冲切、激光切割或钻孔中的至少一种。
21.如权利要求19所述的方法，其中形成所述多个孔是经由电沉积或丝网印刷中的至少一种。
22.如权利要求19所述的方法，还包括：
向电化学电池施加电流，使得导电材料的薄条熔化，从而抑制电子在连接区域和电极区域之间的流动。
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