具有弹性柔顺壳体的可再充电电池的制作方法

背景

可再充电电池或二次电池以及包括多个单元(cell)的电池具有广泛的应用，需要持续改进电池性能。电池组设计中的常见问题在于电池组本身的机械设计，其中电池需要在其寿命期间调整电池的尺寸变化。这些尺寸变化可以是电池老化时电池尺寸的逐渐增加(即“膨胀”)的形式，或者是在每个循环过程期间电池尺寸的循环变化(即“呼吸”)的形式。例如，在pb-酸电池中，主要的尺寸变化通常是由于pb硫酸盐随着单元中的副反应逐渐积累而引起的膨胀。

锂离子单元通常包含根据嵌入原理操作的活性材料，其中li⁺以可逆方式移入和移出主体结构(例如石墨负极和层状过渡金属氧化物正极材料)，而不会引起主体材料的大的结构变化。在插入反应发生在两个电极上的锂离子单元的情况下，在循环(即呼吸)期间，存在相对小的尺寸变化(通常<0.5％的体积摆动)，因为li的部分摩尔体积在两个电极上都接近零。此外，不可逆膨胀(即膨胀)通常受到固体电解质界面(sei)层的缓慢生长的限制。根本上，在循环期间这些有限的尺寸变化为单元中的电化学反应提供了高度的可逆性；然而，有限的尺寸变化也限制了电极堆叠的能量密度，并且因此也限制了单元的能量密度。

普遍认为，能量密度的显著改进可以通过从纯插入主体反应迁移到操作期间涉及根本不同的物理过程的电极反应来实现，因为与插入相比，后面的反应允许更密集地存储li离子。在这些反应中的是转化反应、置换反应、合金化反应和金属沉积。然而，这些反应类型通常与电极材料内相对较大的结构变化(例如，≥5％的体积膨胀)相关联，并且因此与电池单元相关联。也就是说，单元有时据说会“呼吸”，作为充电和放电期间物理膨胀和收缩的特性。根本上，由于单元中的电化学反应引起的高度重复的体积膨胀和收缩将与单元组件(例如，电极堆叠、单元和电池包装疲劳)的更高比例的机械退化一致，导致单元、循环寿命、功率密度和安全操作的裕度的恶化，从而抵消能量密度的增加。

在常规插入电池的情况下，在其小得多的膨胀和收缩的情况下，已经存在多种尝试来减轻重复的单元呼吸(即，电池单元厚度的重复膨胀和收缩)的不利影响。通常，现有的电池组件以能量密度的代价来减轻呼吸的影响，因为它们提供空隙空间，容纳额外的材料以产生空隙(例如碳、聚合物)，或者提供机械支撑(例如厚壁、“拱形”或非线性角度)。例如，us5,879,831公开了一种允许单向膨胀的电池外壳设计，这种单向膨胀通过向该方向施加外部机械计数器来容易地补偿。在该模块中，电池在外部机械压缩下被束缚在模块束/压缩装置内，该模块束/压缩装置被优化以平衡由于膨胀引起的向外压力并提供额外的向内压缩以减小正极和负极之间的距离，从而增加总电池功率。产生的电池具有60wh/kg的能量密度。

在另一个实例中，us8,124,270和us8,298,700公开了一种电池外壳，其由金属和设置在电池外壳侧面上的薄板形成。薄板具有以适当间隔平行形成的多个肋状突出部分，用于在电池外壳的侧面和突出部分之间形成两端开口的空间。通过使突出部分之间的部分与电池外壳的侧面表面接触，将薄板结合至电池外壳的侧面。突出部分增加了电池外壳侧面的表面强度，从而抑制了电池外壳侧面由于电池内部压力引起的膨胀。类似地，us9,343,772公开了一种二次电池，包括电极组件；通常包围电极组件的加压保持器，该加压保持器具有至少一个侧壁，该侧壁具有面向外部的表面和面向内部的表面，其中面向外部的表面和面向内部的表面中的至少一个具有缓冲凹部；以及容纳电极组件和加压保持器的外壳。在另一个实例中，美国公开申请第2008/01234625a1号公开了一种密封的双极电池，其具有排列在单元堆叠中的多个电池单元并且具有承受单元堆叠施加的力的外壳。更具体地，可以通过在组装前以凹入的方式(使得外壳壁的至少一部分朝向单元堆叠成弧形)成形外壳壁的至少一部分来提供具有内置机械柔顺性的低成本外壳，该外壳可以在电池组装后向电极堆叠提供必要的机械预载力。

在又另一个实例中，us7,704,637公开了一种锂离子电池，其特征在于由非金属材料制成的多孔弹性体设置在正极组和负极组之间或者电极组和壳的内壁之间；并且弹性体呈片状或棒状的形状。弹性体的厚度为0.5mm-5.0mm，并且弹性体具有10％-80％的孔隙率。该电池可以有效地避免充电和放电循环期间壳的膨胀。

最后，美国公开申请第2011/0177377a1(dube)号公开了一种可膨胀电池组，该电池组具有通过连接装置连接的端板，该连接装置随着电池膨胀而弹性变形至预定极限并且然后塑性变形(不可逆)。该参考文献特别针对的用于通过连接装置的塑性变形调节的电池膨胀是电池在延长的时间段内老化时的膨胀(5％-7％)[参见dube,例如,para.0026]。

概述

本文描述了具有弹性柔顺壳体的可再充电电池和用于操作这些电池的方法，其中设备和方法的各种实施方案可以包括下文描述的元件、特征和步骤中的一些或全部。

具有弹性柔顺壳体的可再充电电池包括：壳体，所述壳体包括一对基本上刚性的端板以及弹性柔顺结构(即，其经历主要是弹性而不是塑性的变形，其中基本上刚性的端板比弹性柔顺结构更加刚性——即，当经历相同的力时，基本上刚性的端板比弹性柔顺结构呈现出更小的梁弯曲变形)。弹性柔顺结构连接端板，使得端板在基本彼此平行的相应平面中取向(即，端板类似地沿着相应的正交轴线取向，使得相应端板的相应长度和宽度界定了彼此平行的平面)，并且界定了它们之间的间隙。可再充电电池还包括至少一个电池单元，所述至少一个电池单元容纳在壳体中、处于端板之间的间隙中，其中电池单元包括阳极、阴极以及在阳极和阴极之间的隔板，其中阳极和阴极中的每一个具有沿其最短尺寸的厚度。弹性柔顺结构连接刚性端板并且包括弹性部件，所述弹性部件在循环期间沿着平行于最大尺寸变化方向的轴线呈现出大于3％，并且在特定的实施方案中大于5％的弹性膨胀，以适应在电池充电和放电的每个循环期间的膨胀和收缩(即，电池的“呼吸”)。

可再充电电池的实施方案包括用于电池单元组件的壳体，其中壳体被构造成在充电和放电循环期间可逆地适应电池的大于5％的膨胀和收缩(即弹性-而不是塑性-柔顺性)。电池组件，包括呈现出非弹性柔顺性(或在充电和放电循环期间不能可逆地适应电池的>5％的膨胀和收缩)的材料和构造的壳体，可能遭受快速的容量衰减和功率密度的损失。虽然不受任何特定操作模式的限制，但是认为由非弹性柔顺材料形成的电池组件的大于5％的体积膨胀/收缩可以对应于增加的电极间间隙、电极厚度和电池电阻，从而导致快速容量衰减和倍率性能(ratecapability)的损失。

在特定的实施方案中，可再充电电池是包括串联或并联连接的多个棱柱形单元的可再充电锂电池，棱柱形单元被封装在弹性柔顺壳体中，该弹性柔顺壳体能够在正交于单元内的电极堆叠层的方向上提供大于0.08mpa的单轴力(即堆叠压力)(其中施加的堆叠力可以被施加以便在整个电池充电和放电循环期间是基本均匀的)，并且能够在正交于单元内的电极堆叠层的方向上提供例如大于>5％的弹性位移。在一些实施方案中，单轴力在充电期间单调增加，并且然后在放电循环期间单调减少。在其他实施方案中，在充电和放电循环期间，单轴力变化很小或者接近恒定。

在本发明的实施方案中，单元可以是“锂离子”单元，包括合金化或转换阳极，诸如si阳极或siox阳极。在另外的实施方案中，单元可以是任何金属阳极单元。在另一个实施方案中，阳极可以全部或部分地包括导电的、离子非活性材料，诸如cu。在本发明的实施方案中，单元可以是可再充电的锂金属单元。在又另一个实施方案中，阳极或阴极可以依赖于多于一种反应模式和活性材料。在本发明的实施方案中，单元可以包括转换阴极。在本发明的实施方案中，单元可以具有液体电解质。在本发明的另一个实施方案中，单元可以具有固体电解质。在本发明的又另一个实施方案中，单元可以具有凝胶电解质。在仍另一个实施方案中，单元可以依赖于多于一种电解质以提供离子路径(例如阳极电解液、阳极保护膜和阴极电解液)。

如本文描述的具有弹性柔顺结构16的可再充电电池的实施方案可以提供多种优点。例如，电池的实施方案可以以弹性(可恢复)方式适应大于5％的呼吸。与传统的金属和塑料外壳相比，电池还可以是轻质的小体积构造，以便保持单元的高能量密度和比能量。如本文描述的，刚性端板的使用还可以在电池单元的表面提供硬度，从而使得在整个电池单元中的堆叠压力均匀性至少恒定或是高的。如本文描述的弹性柔顺结构的使用还可以提供机械强度，保护单元免受刺穿、掉落等。

附图简述

图1和图2分别示出了呈收缩放电状态(左)和呈膨胀充电状态(右)的单个电池单元12的透视图和侧视图，其中呈放电状态的单元的厚度tds小于呈充电状态的单元的厚度tch。

图3是电池部件的一个实施方案的分解透视图(组装前)，包括多个棱柱形电池单元12、刚性端板14和呈弹簧16’形式的弹性柔顺结构，弹性柔顺结构允许端板14随着单元12在充电和放电期间膨胀和收缩(即呼吸)时弹性位移。

图4是呈放电状态的图3的电池10的透视图。

图5是呈充电状态的图3和图4的电池10的透视图。

图6是类似于图3的分解透视图的电池10的分解透视图(组装前)，除了弹性带16”代替图3中示出的弹簧16’用作该实施方案中的弹性柔顺结构之外。

图7是呈放电状态的图6的电池10的透视图。

图8是呈充电状态的图6和图7的电池10的透视图。

图9是类似于图3的分解透视图的电池10的分解透视图(组装前)，除了编织结构16”’环绕刚性端板14和电池单元12，以允许端板14随着单元12在每个充电和放电循环期间膨胀和收缩(即呼吸)时弹性位移之外。

图10是呈放电状态的图9的电池10的透视图。

图11是呈充电状态的图9和图10的电池10的透视图。

图12和图13提供了呈放电状态(图12)和呈充电状态(图13)的电池10的示意性截面图，其中电池10在充电后的厚度的膨胀示出为h，并且其中弹性柔顺结构16在拐角处的曲率半径基本接近于零。

图14和图15提供了呈放电状态(图14)和呈充电状态(图15)的电池10的示意性截面图，再次电池10在充电后的厚度的膨胀示出为h，并且其中弹性柔顺结构16在拐角处的曲率半径基本上大于零。

图16绘制了电池10的放电能量作为循环次数的函数，电池10具有基本上无弹性的电池壳体(封装以200w放电的多个单元)。

图17绘制了具有弹性电池壳体的电池(包括弹性柔顺结构16并封装以200w放电的多个单元)的放电能量作为循环次数的函数。

图18绘制了具有非弹性壳体的电池的膨胀和收缩，其中一组电池单元12在充电循环内呼吸接近10％，并且其中壳体收缩(在放电期间)显著小于其在充电循环期间初始膨胀的量。以初始厚度的百分比计的电池膨胀20和电池电压22两者的图被示出为时间(以小时计)的函数。

图19绘制了具有弹性壳体的电池(包括弹性柔顺结构16)在充电和放电循环内的膨胀和收缩，其中一组电池单元12呼吸接近10％，并且其中壳体收缩(在放电期间)接近其初始膨胀(在充电期间)的100％。

图20描绘了在具有弹性壳体的电池(包括弹性柔顺结构16并封装多个单元)组装时测量单轴力期间的力图。

在附图中，相同的参考符号指的是贯穿不同视图的相同或相似的部件；并且撇号被用来区分共享相同的参考数字的相同项或不同项实施方案的多个实例。附图不一定按比例，而是将重点放在图示出下文讨论的范例中的特定原则。对于包括文本(单词、参考符号和/或数字)的任何附图，没有文本的附图的替代版本应被理解为本公开内容的一部分；并且没有这样的文本的正式替换附图可以被替换。

详细描述

本发明的各个方面的前述和其他特征和优点从本发明的更广泛的范围内的各种概念和具体实施方案的下面的更具体的描述中将是明显的。上文引入的并且在下文更详细地讨论的主题的各个方面可以以多种方式中的任何方式来实现，因为主题并不限于实施方式的任何特定的方式。主要为了说明性目的提供了具体实施方式和应用的实例。

除非本文另有定义、使用或表征，否则本文使用的术语(包括技术术语和科学术语)将被解释为具有与它们在相关领域的上下文中被接受的含义一致的含义，并且不要以理想化的或过于正式的意义来解释，除非本文明确这样定义。例如，如果引用了特定的组合物，则该组合物可以是基本上(尽管不是完全)纯的，因为实际和不完美的现实可能适用；例如，至少微量杂质(例如，少于1％或2％)的潜在存在可以被理解为在描述的范围内。同样，如果特定的形状被引用，则该形状意图包括来自理想形状的不完美变型，例如，由于制造公差。本文表示的百分比或浓度可以是根据重量或体积。除非另有说明，否则下文描述的过程、程序和现象可以在环境压力(例如，约50kpa-120kpa——例如，约90kpa-110kpa)和温度(例如-20℃至50℃——例如，约10℃-35℃)发生。

在机械设计的描述中，我们区分了“刚性”、“弹性”和“塑性”的部件。如将容易理解的，真实世界的部件示出了混合的行为(除了弹性响应之外的有限变形和有限塑性变形)，但是术语“弹性”用于描述产生设计的大部分弹性响应的部件；“塑性”或“非弹性”可以用于描述经历变形的部件，当去除应变时，该变形的相当大部分不可逆；并且“刚性”或“基本上刚性的”用于描述具有不超过弹性部件的弹性响应的弹性响应的部件。除非本文中另有明确叙述，否则任何对“基本平行”的提及应理解为指的是由端板形成的平面相对于彼此的取向，使得它们平行或几乎平行，诸如在一扎或一束平面中，但不正交。端板的平面被界定为使得其取向近似垂直于施加大部分单轴压缩单元或单元堆叠组件所需的方向。

虽然术语第一、第二、第三等可以在本文中用来描述各种元件，但这些元件不应被这些术语限制。这些术语仅仅用来将一个元件与另一个元件区分开。因此，下文讨论的第一元件可以被称为第二元件，而不偏离示例性实施方案的教导。

为了便于描述，在本文中可以使用空间相对的术语，诸如“上方”、“下方”、“左边”、“右边”、“前部”、“后部”以及相似术语，来描述一个元件与另一个元件的关系，如附图所示。将理解，除了本文描述且附图中描绘的取向之外，空间相对的术语以及图示出的配置意图涵盖在使用或操作中的设备的不同取向。例如，如果附图中的设备被翻转，则被描述为在其他元件或特征“下方”或“之下”的元件将被取向为在其他元件或特征的“上方”。因此，示例性术语“上方”可以涵盖上方和下方两个取向。该设备可以以其他方式取向(例如，旋转90度或以其他取向)，并且本文使用的空间相对描述词被相应地解释。

还此外，在本公开内容中，当元件被称为是在另一元件“上”、“连接到”另一元件、“耦合到”另一元件、或与另一元件“接触”时，它可以是直接在另一元件上、连接到另一元件、耦合到另一元件或与另一元件接触，或者中间元件可以存在，除非另有说明。

本文使用的术语用于描述特定的实施方案的目的，并且不意图限制示例性实施方案。如本文使用的，除非上下文另有指示，否则单数形式，诸如“一(a)”和“一(an)”意图还包括复数形式。此外，术语“包括(includes)”、“包含(including)”、“包括(comprises)”和“包含(comprising)”指定所陈述的元件或步骤的存在，但不排除一个或更多个其他元件或步骤的存在或附加。

此外，本文中标识的各种部件可以以组装和成品的形式提供；或者可以将部件中的一些或全部包装在一起并作为带有使用说明(例如，以书面、视频或音频形式)的配套组件(kit)销售，以供消费者组装和/或修改来生产成品。

包括能够弹性柔顺的材料壳体和构造的电池组件能够生产具有显著更高的能量密度的电池，因为用于实现高能量密度的化学变化基本上对应于大的(即>5％)的体积变化。在一个实施方案中，电池单元包括可再充电锂金属单元。

在特定的实施方案中，可再充电电池包括串联或并联连接的多个棱柱形单元。棱柱形单元被封装在能够在正交于单元内的电极堆叠层的方向上提供大于0.08mpa的单轴力(即堆叠压力)(即使当单元放电并呈收缩状态时)，并且能够在正交于单元内的电极堆叠层的方向上提供至少5％的弹性位移的外壳内。在一些实施方案中，弹性柔顺结构提供平行于在膨胀和收缩期间发生的位移的压缩力，其中弹性柔顺结构的力常数在至少15lbs/mm(即，至少约380lbs/in、或66,500n/m)和至少150lbs/mm(即，至少约3,800lbs/in或665,000n/m)之间。在其他实施方案中，弹性柔顺结构提供平行于在膨胀和收缩期间发生的位移的压缩力，其中弹性柔顺结构的力常数在至少1.5lbs/mm(6,650n/m)和至多约700lbs/mm(3.11x10⁶n/m)之间。

图1和图2中提供了单个电池单元12的实施方案的两个透视图，分别描绘了在充电和放电期间单元12在厚度尺寸上的膨胀和收缩。电池单元12包括两个端子——即阳极(例如由石墨或由锂硅合金诸如li22si6形成)和阴极(例如由锂过渡金属氧化物形成)，它们浸入有利于锂离子转移的电解质溶液(例如有机溶剂中的锂盐)中。隔板(例如，渗透膜)位于阳极和阴极之间，以将阳极和阴极隔开，允许电荷传输，同时防止短路。锂离子在放电期间从阳极穿过隔板移动到阴极，并且在充电时逆转这种传输。呈放电或收缩状态的单元12的厚度被称为tds，而呈充电或膨胀状态的单元12的厚度被称为tch。一般来说，tds<tch，如图1和图2中示出的。

封装一个或更多个棱柱形单元12的电池壳体部件(包括端板14和弹性柔顺结构16)的实施方案的示意图以分解图(图3)示出，在放电期间收缩(图4)，而在充电状态下膨胀(图5)。将两个刚性端板14施加到多个单元12的表面，以便在单元12的膨胀和收缩期间，跨过单元表面的整个长度尺寸(在图2的取向上垂直测量)和宽度尺寸(正交于图2的图纸测量)保持厚度尺寸(在图2的取向上水平测量)的均匀性。刚性端板14可以由金属、塑料、陶瓷或碳纤维材料或两种或更多种这些材料的组合形成，并且可以呈例如蜂窝结构或编织纤维的形式(以提高硬度和刚度)。因此，刚性端板14被设计成随着厚度尺寸增加和减小而保持基本平行，因为它们通过一组弹簧16’连接在一起，在该实施方案中弹簧16’起到弹性柔顺结构的作用；弹簧16’能够在单元12的充电和放电期间发生的膨胀和收缩(即呼吸)期间实现弹性位移。

封装一个或更多个棱柱形单元12的电池壳体部件的另一个实施方案的示意图以分解图(图6)示出，在放电期间收缩(图7)，而在膨胀状态下充电(图8)。将刚性端板14施加到单元12的外表面，以便在膨胀和收缩期间跨过单元外表面的整个长度尺寸和宽度尺寸保持厚度尺寸的均匀性。在每次充电和放电呼吸循环的情况下，刚性端板14随着厚度尺寸增加和减少而基本上保持彼此平行，因为刚性端板14通过一组弹性带16”连接在一起，该弹性带16”在该实施方案中充当弹性柔顺结构，使得能够在充电和放电期间分别发生的膨胀和收缩期间实现弹性位移。可以由其整体或部分地形成弹性带的材料的非限制性实例(例如，作为复合材料的组分)，包括以下中的一种或更多种：橡胶、尼龙、乙烯类、塑料、玻璃、金属、碳或陶瓷。在一些实施方案中，弹性带包括前述材料的编织纤维，可以形成致密或多孔的连续模具，或者可以注入另一种类型的一种或更多种材料中(例如，注入橡胶的尼龙、注入塑料的碳纤维等)。将容易理解，鉴于尺寸膨胀(即，单元厚度在充电状态和放电状态之间的变化：tch-tdis)，可以选择弹性材料以实现待施加到单元的特定的期望范围的弹性力。在特定的实施方案中，弹性部件包括一个弹性带或多个弹性带，其中至少一个弹性带安装在阳极和阴极的较长边中的至少一个的旁边。

封装一个或更多个棱柱形单元12的电池壳体部件的又另一个实施方案的示意图以分解图(图9)示出，在放电期间收缩(图10)，而在充电状态下膨胀(图11)。将两个刚性端板14施加到单元12的外表面，以便当单元在充电和放电期间呼吸时，在膨胀和收缩期间跨过单元表面的整个长度尺寸和宽度尺寸保持厚度尺寸的均匀性。刚性端板14随着厚度尺寸在充电期间增加而在放电期间减小而保持基本上彼此平行，因为它们通过编织结构16”’连接在一起，编织结构16”’包括例如金属、塑料、预浸料(即预浸渍有基质材料诸如环氧树脂的纤维)、陶瓷、或碳纤维或硼硅酸盐玻璃纤维中的一种或更多种。编织结构16”’(a)环绕电池单元12和端板14的整个周边，(b)围绕整个电池单元12和端板14编织在一起，或(c)两者的组合。包含编织结构的纤维的直径可以小于几毫米，例如0.5mm、1mm、2mm、5mm等。编织可以是任何种类的(例如，平纹、缎纹、斜纹、纱罗、交叉编织、鱼形编织或单向编织)。编织可以以非零°且非90°角度，例如约45°交叉；并且该角度将影响编织结构16”’的弹性，并且因此影响编织结构膨胀和收缩的程度。编织可以注入有额外材料，例如塑料、粘合剂、环氧树脂、丙烯酸类、氨基甲酸酯或硅树脂，以形成复合基质。在特定的实施方案中，编织结构16”’沿着电池的侧面提供至少11％的柔顺性，并且在电池的顶部和底部提供0％的柔顺性(在图12-图15的取向上)。编织还可以包括编织结构16”’的多层(例如三层)(例如包装)，以促进膨胀/收缩的均匀性。编织结构16”’的更多层/包装增加了弹性柔顺结构的回复力。该构造不仅能够在单元12在充电和放电期间的膨胀和收缩期间实现弹性位移，而且降低了拐角处的应力集中，在拐角处刚性端板14与弹性柔顺结构16接合。在特定的实施方案中，在编织结构环绕刚性端板14的拐角处可能出现的应力集中可以通过使刚性端板14的拐角变圆或者通过以其他方式在拐角处扩展编织结构16”’的曲率半径或者通过以其他方式将端板成形为沿着它们的边缘提供不均匀的厚度来减小。在其他的特定实施方案中，通过相对于棱柱形单元12的宽度减小刚性端板14的宽度来减小应力集中可能是有用的。

从电池10的该实施方案的俯视图或仰视图提供了示意图，示出了当单元在图12中放电(呈收缩状态)和在图13中充电(呈膨胀状态)时封装一个或更多个棱柱形单元12的电池壳体18(包括刚性端板14和弹性柔顺结构16)。如图12和图13中示出的，将两个基本上刚性的端板14施加到单元12的外表面，以便在每个呼吸循环的膨胀和收缩期间，跨过单元表面的整个长度尺寸(正交于图12和图13中示出的取向上的页面的平面)和宽度尺寸w保持厚度尺寸t的均匀性。刚性端板14随着厚度尺寸t在充电期间增加而在放电期间减小而保持基本平行，因为基本上刚性的端板14通过弹性材料(例如弹簧、弹性带或材料编织带)连接在一起，弹性材料形成弹性柔顺结构16并且可以环绕电池单元12和端板14的整个周边，或者围绕整个电池单元12和端板14编织在一起，或者两者的组合。因此，弹性柔顺结构16能够在每个充电和放电循环期间显示的膨胀和收缩期间实现弹性位移，同时降低基本上刚性的端板14与弹性柔顺结构16接合的拐角处的应力集中。图12的描绘代表了非限制性实例，其中在弹性柔顺结构16和刚性端板14之间形成的拐角处的曲率半径基本上接近于零，使得由tch–tds＝h表示的位移可以单独通过弹性柔顺结构16的膨胀来调整。

图14和图15分别提供了来自电池10的实施方案的俯视图或仰视图的示意图，示出了在放电(收缩状态)和充电(膨胀状态)期间封装一个或更多个棱柱形单元12的电池壳体部件。将两个刚性端板14施加到单元12的表面，以便在膨胀和收缩期间跨过单元表面的整个长度尺寸和宽度尺寸w保持厚度尺寸t的均匀性。刚性端板14随着厚度尺寸t增加和减小保持基本平行，因为它们通过弹性柔顺结构16的弹性材料(例如弹簧、弹性带或材料编织带)连接在一起，弹性材料可以环绕电池单元12和端板14的整个周边，或者围绕整个电池单元12和端板14编织在一起，或者两者的组合。该构造能够在电池单元12在充电和放电期间发生的膨胀和收缩期间实现弹性位移，同时降低了在刚性端板14的拐角与弹性柔顺结构16接合的点处的应力集中。上文的描绘代表了非限制性实例，其中在弹性侧和刚性侧之间形成的拐角处的曲率半径显著大于零，使得由tch–tds＝h表示的位移通过弹性柔顺结构16的膨胀和曲率半径r的减小来调整，其中r≥0.25h。

图16中绘制了电池10的一个实施方案的放电能量，该电池10部分地包括封装以200w放电的多个电池单元12的非弹性电池壳体18，其中可以看到放电能量从第一次放电循环中的超过150wh下降到第十五次放电循环中的刚好超过110wh，这清楚地表示了显著的下降。

相反，图17中绘制了电池10的一个实施方案的放电能量，该电池10部分地包括包含弹性柔顺结构16、封装以200w放电的多个电池单元12的电池壳体18，其中放电能量的下降比如图16中示出的在非弹性壳体的情况下观察到的下降少得多。从图17明显看出，放电能量在15次循环中仅从约158wh下降到约147wh。

图18绘制了具有非弹性壳体18的电池10的一个实施方案的膨胀和收缩20(定义为从充电开始到充电完成和随后放电期间观察到的初始厚度值的位移)。一组电池单元12的呼吸通过充电和放电接近该组厚度的10％，如整个循环中绘制的电池电压22所反映的。在该实施方案中，电池10的非弹性壳体18仅收缩(在放电的情况下)其初始膨胀的约80％，从而呈现出相当大量的非弹性柔顺性，其中相当大部分呼吸没有在单次充电和放电循环中恢复。

图19绘制了具有包括弹性柔顺结构16的壳体18的电池的一个实施方案的膨胀和收缩。在该实施方案中，一组电池单元12通过充电和放电的呼吸为该组厚度的约10％。电池10的该实施方案的包括弹性柔顺结构16的弹性壳体18收缩(在放电的情况下)其初始膨胀的接近100％，证明了高回复力和弹性柔顺性，其中呼吸膨胀的大部分随着每次充电和放电循环中的收缩而恢复。

在组装包括弹性柔顺结构16(例如，由图17和图19公开的弹性柔顺结构16)的电池的实施方案时，平行于在充电和放电期间观察到的膨胀和收缩期间发生的位移，堆叠压力大于约0.06mpa至大于约0.08mpa。例如，图20描绘了组装后在约4平方英寸(26cm²)的面积上测量的一组相似构造(总共8个单元)的单轴力图。测量的力为41lbs(182n)，因此该力相当于大于10psi或0.069mpa的压力。

不同的配置可以用来利用不同应用中的不同优势。例如，在可再充电电池10用于无人驾驶的航空交通工具(uav--例如，飞行无人机)(例如，为无人驾驶的航空交通工具供电)的情况下，使用弹簧16’作为弹性柔顺结构16可能是有利的，因为最小化该结构的重量通常比最小化该结构的体积更重要。

在另一方面，在可再充电电池10用于无人驾驶的水下交通工具(uuv)的情况下，使用弹性带16”作为弹性柔顺结构16可能是有利的，因为uuv的密度可以更容易地与水的密度匹配。

与本文的教导一致的另外的实例在以下编号的条款中提出：

1.一种具有弹性柔顺壳体的可再充电电池，包括：

壳体，所述壳体包括一对基本上刚性的端板以及弹性柔顺结构，所述弹性柔顺结构连接所述基本上刚性的端板，使得所述基本上刚性的端板在彼此基本平行的相应平面中取向并界定它们之间的间隙；和

至少一个电池单元，所述至少一个电池单元容纳在所述壳体中、处于所述基本上刚性的端板之间的间隙中，其中所述电池单元包括阳极、阴极以及在所述阳极和所述阴极之间的隔板，其中所述阳极和所述阴极中的每一个具有沿其最短尺寸的厚度，

其中所述弹性柔顺结构连接所述基本上刚性的端板，并且包括弹性部件，所述弹性部件沿着正交于所述基本上刚性的端板所取向的平面的轴线呈现出大于3％的弹性膨胀。

2.如条款1所述的可再充电电池，其中所述弹性柔顺结构环绕所述基本上刚性的端板。

3.如条款2所述的可再充电电池，其中所述阳极和所述阴极中的至少一个被配置成用于当离子在所述阳极和所述阴极之间转移时经由厚度的膨胀或收缩来位移，其中所述弹性柔顺结构和所述基本上刚性的端板的边缘——其中所述弹性柔顺结构环绕所述基本上刚性的端板——具有在膨胀或收缩期间发生的位移的至少四分之一的曲率半径。

4.如条款1或2所述的可再充电电池，其中所述基本上刚性的端板在各自所取向的相应平面中具有小于或等于平行于所述基本上刚性的端板的宽度测量的所述至少一个电池单元的宽度的宽度。

5.如条款1-4中任一项所述的可再充电电池，其中所述壳体具有基本上圆柱形的形状。

6.如条款1-5中任一项所述的可再充电电池，其中所述弹性柔顺结构提供了平行于在膨胀和收缩期间发生的位移的大于0.06mpa的压力。

7.如条款1-5中任一项所述的可再充电电池，其中所述弹性柔顺结构提供了平行于在膨胀和收缩期间发生的位移的具有至少6,650n/m的力常数的压缩力。

8.如条款1-7中任一项所述的可再充电电池，其中所述阳极包括以下中的至少一种：(a)金属；(b)合金；和(c)包含选自li、na、mg、al和ca的元素的金属间化合物。

9.如条款1-8中任一项所述的可再充电电池，其中所述阳极至少部分地包括硅和锂。

10.如条款1-9中任一项所述的可再充电电池，其中所述阴极和所述阳极中的至少一个包括如下材料，所述材料被配置为经历插入反应、合金化、嵌入、歧化、转化反应或其组合。

11.如条款1-10中任一项所述的可再充电电池，其中所述电解质包括固体。

12.如条款1-10中任一项所述的可再充电电池，其中所述电解质包括液体。

13.如条款1-10中任一项所述的可再充电电池，其中所述电解质包括凝胶。

14.如条款1-13中任一项所述的可再充电电池，其中所述阳极和所述阴极中的每一个具有基本上矩形的横截面，所述基本上矩形的横截面具有包括正极端子和负极端子的一对较长边和一对较短边，其中所述较长边和所述较短边两者正交于所述阳极和所述阴极的厚度。

15.如条款14所述的可再充电电池，其中所述弹性部件包括一个螺旋缠绕的弹簧或多个螺旋缠绕的弹簧，其中至少一个弹簧安装在所述阳极和所述阴极的较长边中的至少一个的旁边。

16.如条款15所述的可再充电电池，其中所述螺旋缠绕的弹簧围绕至少一个电池单元。

17.如条款1-14中任一项所述的可再充电电池，其中所述弹性部件包括围绕至少一个电池单元的弹性带。

18.如条款1-14中任一项所述的可再充电电池，其中所述弹性部件包括至少一层编织结构。

19.如条款18所述的可再充电电池，其中所述编织结构包括以下类型的纤维中的至少一种：碳纤维、金属纤维、硼硅酸盐纤维、塑料纤维和陶瓷纤维。

20.如条款18或19所述的可再充电电池，其中所述编织结构被嵌入基质中以形成复合织物，其中所述基质包括以下中的至少一种：塑料、粘合剂、环氧树脂和树脂。

21.如条款18-20中任一项所述的可再充电电池，其中所述纤维相对于所述阳极和所述阴极的厚度以非零°和非90°角度交叉编织。

22.如条款1-21中任一项所述的可再充电电池，其中所述弹性柔顺结构沿着正交于所述基本上刚性的端板所取向的平面的轴线呈现出大于5％的弹性膨胀。

23.一种用于操作具有弹性柔顺性的可再充电电池的方法，包括：

提供可再充电电池，所述可再充电电池包括：(a)壳体，所述壳体包括在所述可再充电电池的相对端的一对基本上刚性的端板以及弹性柔顺结构，所述弹性柔顺结构沿着所述可再充电电池的相对侧延伸并连接所述基本上刚性的端板，使得所述基本上刚性的端板在彼此基本平行的相应平面中取向并界定它们之间的间隙；和(b)至少一个电池单元，所述至少一个电池单元容纳在所述壳体中、处于所述基本上刚性的端板之间的间隙中，其中所述电池单元包括阳极、阴极以及在所述阳极和所述阴极之间的隔板，其中所述阳极和所述阴极中的每一个具有沿其最短尺寸的厚度，并且其中所述隔板允许离子在充电期间从所述阴极传递至所述阳极，其中连接所述基本上刚性的端板的所述弹性柔顺结构包括弹性部件；

在电池放电期间，使电子在所述可再充电电池外部从所述阳极流向所述阴极，其中所述阳极随着电子从所述阳极流出而释放锂离子，其中所述阳极的厚度随着锂离子的释放而收缩，并且其中释放的锂离子从所述阳极通过所述隔板流向所述阴极；

通过使锂离子从所述阴极通过所述隔板流向所述阳极对所述可再充电电池再充电，所述阳极的厚度随着所述锂离子流向所述阳极而膨胀；以及

在所述可再充电电池放电和再充电的情况下，所述弹性柔顺结构膨胀和收缩以产生跨过在所述基本上刚性的端板之间的所述间隙的距离的至少3％的变化。

24.如条款23所述的方法，其中所述弹性柔顺结构包括以下中的至少一种：螺旋缠绕的弹簧、弹性带和具有相对于所述阳极的厚度以非零°和非90°纤维取向交叉编织的纤维的编织结构；并且其中所述弹性柔顺结构的膨胀和收缩由以下中的至少一种提供：所述螺旋缠绕的弹簧的卷绕和展开；所述弹性带的膨胀和收缩；以及经由改变所述编织结构中的交叉编织的纤维之间的角度来膨胀和收缩。

25.如条款23或24所述的方法，其中当所述弹性柔顺结构呈膨胀状态和呈收缩状态两者时，所述弹性柔顺结构拉动所述基本上刚性的端板，以沿着正交于所述基本上刚性的端板所取向的平面的轴线在所述电池单元上提供压缩负载。

26.如条款25所述的方法，其中由所述弹性柔顺结构提供的所述压缩负载在所述弹性柔顺结构的整个膨胀和收缩中基本上是一致的。

27.如条款25或26所述的方法，其中由所述弹性柔顺结构提供的所述压缩负载的平均值对应于至少6,650n/m的力常数。

28.如条款23-27中任一项所述的方法，其中在所述可再充电电池放电和再充电的情况下，所述弹性柔顺结构沿着平行于所述阳极的厚度的轴线膨胀和收缩，以产生跨过在所述基本上刚性的端板之间的间隙的距离的至少10％的变化。

29.如条款23-28中任一项所述的方法，其中在所述可再充电电池放电和再充电的情况下，所述弹性柔顺结构膨胀和收缩以产生跨过在所述基本上刚性的端板之间的所述间隙的距离的至少5％的变化。

30.如条款23-29中任一项所述的方法，其中当所述可再充电电池被再充电时，所述锂离子电镀到所述阳极上。

31.如条款23-30中任一项所述的方法，其中所述基本上刚性的端板在所述弹性柔顺结构的膨胀和收缩期间保持基本上不变形。

32.如条款23-31中任一项所述的方法，其中所述弹性柔顺结构在每个循环期间弹性膨胀和收缩一定的距离，所述距离大于所述可再充电电池在多于5个循环的再充电和放电期间的塑性膨胀的总距离。

33.如条款23-32中任一项所述的方法，其中即使当所述可再充电电池完全放电时，所述弹性柔顺结构保持张力，并且向所述电池单元施加堆叠压力。

34.一种电池供电的电子设备，包括：

i)具有弹性柔顺壳体的可再充电电池，其中所述可再充电电池包括：

a)壳体，所述壳体包括一对基本上刚性的端板以及弹性柔顺结构，所述弹性柔顺结构连接所述基本上刚性的端板，使得所述基本上刚性的端板彼此基本平行并界定它们之间的间隙；

b)至少一个电池单元，所述至少一个电池单元容纳在所述壳体中、处于所述基本上刚性的端板之间的间隙中，其中所述电池单元包括阳极、阴极以及在所述阳极和所述阴极之间的隔板，其中所述阳极和所述阴极中的每一个具有沿其最短尺寸的厚度，并且其中所述隔板允许离子在充电期间从所述阴极穿过所述隔板传递至所述阳极；

c)与所述阴极电耦合的正极端子；和

d)与所述阳极电耦合的负极端子，

其中所述弹性柔顺结构连接所述基本上刚性的端板，并且包括弹性部件，所述弹性部件沿着正交于所述基本上刚性的端板所取向的平面的轴线呈现出大于3％的弹性膨胀；

ii)从所述正极端子延伸的导电返回路径；

iii)从所述负极端子延伸的导电输送路径；和

iv)至少一个与所述导电返回路径耦合和与所述导电输送路径耦合的电动机构。

35.如条款34所述的电池供电的电子设备，其中所述电动机构包括至少一个感应电动机。

36.如条款35所述的电池供电的电子设备，其中所述电动机构包括转子，并且其中所述电池供电的电子设备是飞行无人机。

37.如条款34-36中任一项所述的电池供电的电子设备，其中所述可再充电电池的特征在于条款1-22中任一项。

在描述本发明的实施方案中，为了清楚起见，使用特定的术语。为了描述的目的，特定的术语意图至少包括以类似的方式操作来实现类似结果的技术以及功能的等同物。此外，在本发明的特定实施方案包括多个系统元件或方法步骤的一些实例中，那些元件或步骤可以用单一元件或步骤代替。同样地，单一元件或步骤可以用服务相同目的的多个元件或步骤代替。此外，在本文为本发明的实施方案指定了各种性质的参数或其他值的情况下，那些参数或值可以向上或向下调整1/100、1/50、1/20、1/10、1/5、1/3、1/2、2/3、3/4、4/5、9/10、19/20、49/50、99/100等(或向上调整1、2、3、4、5、6、8、10、20、50、100等的因子)，或以其四舍五入的近似值向上或向下调整，除非另有说明。此外，虽然本发明已经参考其特定实施方案被示出和描述，本领域技术人员将理解，在形式和细节上的各种替代和改变可以在其中做出而不偏离本发明的范围。此外，其他方面、功能和优点也在本发明的范围内；并且本发明的全部实施方案不必实现全部的优点或具有上文描述的全部特性。此外，在本文中与一个实施方案结合讨论的步骤、元件和特征同样可以与其他实施方案结合使用。贯穿全文引用的包括引用文本、期刊论文、专利、专利申请等的参考文献的内容在此通过引用以其整体并入，用于所有目的；并且来自这些参考文献和本公开内容的实施方案、特征、特性和方法的所有适当的组合可以被包括在本发明的实施方案中。此外，在背景部分中标识的部件和步骤对于本公开内容是不可或缺的，并且可以与在本发明的范围内的本公开内容中别处描述的部件和步骤结合使用或替代它们。在阶段以特定的顺序被列举的方法权利要求(或其中方法在别处被列举)中-为了易于参考带或不带被添加的排序的前缀字符-各阶段不应被解释为在时间上限于它们被列举的顺序，除非通过术语和措辞另有说明或暗示。