电动交通工具用电池单元中的预锂化阳极的制作方法

电动交通工具用电池单元中的预锂化阳极
相关申请的交叉引用
1.本技术要求2018年12月14日提交的第16/220,965号美国专利申请的优先权，并将其内容以引用的方式全部并入于此，以用于所有目的。


背景技术：

2.电池可以包括向其连接的不同电气组件提供电力的电化学电池。


技术实现要素：

3.例如，本公开涉及电动交通工具中用于电池组的电池单元。
4.本公开的至少一方面涉及向电动交通工具提供电能的装置。该装置可以包括电池组。电池组可以放置在电动交通工具中为电动交通工具提供动力。该装置可以包括电池单元。电池单元可以设置在电池组中。电池单元可以具有壳体。壳体可以在电池单元的壳体内限定出空腔。电池单元可以具有电解质。电解质可以具有第一侧和第二侧。电解质可以在第一侧和第二侧之间传输离子。电解质可以设置在空腔中。电池单元可以具有阴极。阴极可以沿电解质的第一侧放置在空腔内。阴极可以电耦合到正极端子。阴极可以具有正电极容量。电池单元可以具有阳极。阳极可以沿电解质的第二侧设置在空腔中。阳极可以具有硅碳结构。在电池单元的初始充电循环前，硅碳结构可以掺杂锂材料。阳极的负电极容量比阴极的正电极容量大20
‑
50％。阳极可以电耦合到负极端子。
5.本公开的至少一方面涉及一种提供电池单元为电动交通工具提供动力的方法。该方法可以包括在电动交通工具中放置电池组为电动交通工具提供动力。该方法可以包括为电池组中的电池单元设置壳体。壳体可以在电池单元的壳体内限定出空腔。该方法可以包括在电池单元的空腔中设置电解质。电解质可以具有第一侧和第二侧以在第一侧和第二侧之间传输离子。该方法可以包括将阴极沿电解质的第一侧放置在电池单元的空腔中。阴极可以电耦合到正极端子。阴极可以具有正电极容量。该方法可以包括将阳极沿电解质的第二侧放置在空腔中。阳极可以电耦合到负极端子。阳极可以具有硅碳结构。在电池单元的初始充电循环前，硅碳结构可以掺杂锂材料。阳极的负电极容量比阴极的正电极容量大20
‑
50％。阳极可以电耦合到负极端子。
6.本公开的至少一方面涉及电动交通工具。电动交通工具可以包括一个或多个组件。电动交通工具可以包括为所述一个或多个组件提供动力的电池组。电动交通工具可以包括电池单元。电池单元可以设置在电池组中。电池单元可以具有壳体。壳体可以在电池单元的壳体内限定出空腔。电池单元可以具有电解质。电解质可以具有第一侧和第二侧。电解质可以在第一侧和第二侧之间传输离子。电解质可以设置在空腔中。电池单元可以具有阴极。阴极可以沿电解质的第一侧放置在空腔内。阴极可以电耦合到正极端子。阴极可以具有正电极容量。电池单元可以具有阳极。阳极可以沿电解质的第二侧设置在空腔中。阳极可以具有硅碳结构。在电池单元的初始充电循环前，硅碳结构可以掺杂锂材料。阳极的负电极容量比阴极的正电极容量大20
‑
50％。阳极可以电耦合到负极端子。
7.本公开的至少一方面涉及一种方法。该方法可以包括提供一种装置。该装置可以包括在电动交通工具中。该装置可以包括电池单元。电池单元可以设置在电池组中。电池单元可以具有壳体。壳体可以在电池单元的壳体内限定出空腔。电池单元可以具有电解质。电解质可以具有第一侧和第二侧。电解质可以在第一侧和第二侧之间传输离子。电解质可以设置在空腔中。电池单元可以具有阴极。阴极可以沿电解质的第一侧放置在空腔内。阴极可以电耦合到正极端子。阴极可以具有正电极容量。电池单元可以具有阳极。阳极可以沿电解质的第二侧设置在空腔中。阳极可以具有硅碳结构。在电池单元的初始充电循环前，硅碳结构可以掺杂锂材料。阳极的负电极容量比阴极的正电极容量大20
‑
50％。阳极可以电耦合到负极端子。
8.本公开的至少一方面涉及电池单元。电池单元可以为电动交通工具提供动力。电池单元可以放置在电池组中。电池组可以放置在电动交通工具中以至少部分地为电动交通工具提供动力。电池单元具有壳体，壳体在电池单元的壳体内限定出空腔。电池单元可以包括具有第一侧和第二侧的电解质，电解质在第一侧和第二侧之间传输离子。电解质可以设置在空腔中。电池单元可以包括沿电解质的第一侧放置在所述空腔中的阴极。阴极可以电耦合到正极端子。阴极可以具有正电极容量。电池单元可以包括沿电解质的第二侧设置在空腔中的阳极。阳极可以具有硅碳结构，在电池单元的初始充电循环前，硅碳结构可以掺杂锂材料。阳极的负电极容量比阴极的正电极容量大20
‑
50％。阳极可以电耦合到负极端子。
9.以下将详细讨论这些方面和其他方面以及实施方式。上述信息和以下详细描述包括各个方面和实施方式的实例，并为理解要求保护的方面和实施方式的性质和特征提供综述或框架。附图为各个方面和实施方式的详细说明和进一步理解，并入说明书并构成说明书的一部分。
附图说明
10.附图未按比例绘制。各图中相同的参考数字和标记表示相同的元件。为简洁起见，每个附图中未标示出每个元件。图中，
11.图1是为电动交通工具提供动力的示例性电池单元的等距横截面透视图；
12.图2是为电动交通工具提供动力的示例性电池单元的横截面框图；
13.图3是为电动交通工具提供动力的示例性装置的剖视图的框图；
14.图4是为电动交通工具提供动力的示例性装置的俯视图的框图；
15.图5是安装有电池组的示例性电动交通工具的剖视图的框图；
16.图6是组装电动交通工具电池组的电池单元的示例性方法的流程图；
17.图7是为电动交通工具的电池组提供电池单元的示例性方法的流程图。
具体实施方式
18.下文更详细地描述了与电动交通工具中电池组用电池单元相关的各种概念及其实施方式。在上文中引入并在下面详细讨论的各个概念可以任何方式实现。
19.本文描述了汽车配置用电动交通工具中电池组用电池单元。汽车配置包括任何类型交通工具内电气、电子、机械或机电设备的配置、设置或网络。汽车配置可以包括电动交通工具(electric vehicle,ev)中电池组用电池单元。电动交通工具可以包括汽车、小轿
车、摩托车、滑板车、客车、客用或商用卡车以及其他交通工具，如，航海或航空运输工具、飞机、直升机、潜艇、船只或无人机。电动交通工具可以为全自动、部分自动或无人的。
20.锂离子电池单元可以在电动交通工具或其他设置中用来为组件提供动力并为其存储电能。在锂离子电池单元中，充电期间，锂离子可以从正电极移动到负电极，放电期间，锂离子可以从负电极回到正电极。锂离子电池单元的每个组件可以至少部分包含锂材料或其他物质以运载锂离子通过电池单元。锂离子电池单元的阴极可以包括锂基氧化物材料。锂离子电池单元的电解质也可以包括溶解在液体中的盐或固体粉末形式的锂化合物，或可以包括聚合物材料。锂离子的阳极可以包括锂基或石墨。
21.在阳极中使用锂或石墨在锂离子电池单元的运行或续航中面临许多技术挑战。例如，随着电池单元重复充放电，锂材料可能在电池单元的阳极中积累。再者，锂材料分布不均可能引起锂的枝状生长。阳极中锂的枝状生长最终可能刺穿电解质并与阴极接触，使得电池单元短路或失效。另外，由于锂或石墨的能量容量(energy capacity)，电池单元的充电率(rate of charging)可能受到在阳极中使用锂基化合物或石墨的限制。存储的电能放电及消耗后，较慢的充电率可能阻碍电池单元的再利用。
22.结合使用其他材料如硅基化合物(例如，硅碳)可以减缓沿电池单元的阳极侧的锂的枝状生长并可以提高锂离子电池单元的充电率。在电池单元的阳极中包括硅可以通过吸收经电解质接收的锂离子来降低锂的枝状生长的可能性。与硅相比，锂基或石墨基阳极可能缺少吸收锂离子的能力。其次，使用硅可能提高电池单元的充电率。相对于锂基或石墨化合物，硅可以具有更高的能量密度。
23.相对于锂基或石墨阳极，将硅基化合物并入阳极中可以带来优点，但是，将硅基化合物并入锂离子电池单元的阳极中是很困难的。例如，硅基阳极可以沿阳极和电解质之间的表面吸收并消耗经电解质接收的锂离子，使得即使放电时，阳极保留的锂寄生不可逆。随着锂离子电池单元的循环充放电，固体电解质界面(solid electrolyte interface,sei)可能形成在硅基阳极和电解质之间。sei的形成可能增大通过电池单元的电阻，因此，降低了输出电能，也可能缩短电池单元的寿命。
24.另外，吸收经电解质接收的锂离子可能使得阳极的硅体积膨胀(例如，膨胀300％)。体积膨胀可能是因为阳极中硅的晶格结构内锂离子占用可能增大该结构中每个硅原子之间的间距。硅的膨胀可能导致电池单元体积增大，并最终使得阳极中的硅破裂。膨胀也可能导致包含电池单元内容物的壳体机械故障，并降低电池单元的寿命。高浓度硅可能加剧这些有害作用。
25.为了解决将硅并入阳极引起的技术挑战，具有合适参数的预锂化多孔硅碳(sic)结构可以用作锂离子电池单元的阳极。以硅基化合物为阳极的电池单元的负
‑
正容量比(negative
‑
to
‑
positive(np)capacity ratio)可以制作成在1.2到1.5之间。作为对比，负
‑
正容量比在1.0到1.1之间的电池单元具有较高的能量密度(合乎要求的性质)，而负
‑
正容量比在1.2到1.5之间的电池单元具有较低的能量密度(不合乎要求的性质)。电池单元能量密度降低可以由500mah/g到2500mah/g的范围内的阳极的比容量(specific capacity)抵消。然而，负
‑
正容量比在1.0到1.1之间的电池单元可能遭受在阳极和电解质之间累积的锂离子带来的寄生不可逆性。相比之下，具有较高负
‑
正容量比(1.2
‑
1.5)的电池单元可以减少寄生不可逆性的有害作用。
26.电池单元阳极中的硅碳结构可以以3％到50％之间的浓度进行预锂化，以补偿较高负
‑
正容量比(1.2
‑
1.5)引起的能量容量的降低。相比而言，具有较低负
‑
正容量比(1.0
‑
1.1)和硅基阳极的电池单元可以设计成低浓度或未预掺杂锂(例如，小于3％)，通过允许来自电解质的锂离子驻留在阳极中来应对膨胀。然而，预锂化剂量可以抵消引起寄生不可逆性的初始反应(例如，20％到30％)并且可以降低阳极镀锂的风险。锂剂量也可以提供锂库以增加阳极的能量容量。
27.将硅预掺杂锂可以使得锂离子电池单元中阳极厚度薄、密度低。硅结构可以是硅碳复合结构，考虑到降低体积膨胀，该复合结构可以是多孔纳米结构。在没有这种构造的阳极中，考虑到能量密度和导电率，阳极材料(例如，石墨或硅
‑
石墨)的密度可能高达1.6g/cc。然而，在硅碳阳极中，这些问题都可以通过预掺杂锂解决。因此，活性材料(例如，硅)的振实密度可以降低至1.3g/cc，从而允许电池单元充电锂化时一定程度的体积膨胀。活性材料的低振实密度可以降低硅的膨胀量(例如，30％到50％)，因为硅之间存在空间可供来自电解质的锂离子占据。也可以通过具有设置为800mah/cc到3000mah/cc的更高重量容量的活性材料来补偿低振实密度。这样，以这种方式配置的具有预锂化多孔硅碳(sic)结构的电池单元可以降低或消除寄生不可逆性和体积膨胀。
28.图1描述了为电动交通工具提供动力的电池单元100的等距截面图。电池单元100可以是为电动交通工具的组件提供动力的系统或装置的一部分，电动交通工具可以包括为电动交通工具或其他设备提供动力的电池组和其他组件。电池单元100可以是为电气组件(例如，电动交通工具的组件或安装在电动交通工具中的组件以外的其他组件)提供动力的锂离子电池单元。电池单元100可以是固态电池单元或非固态电池单元。电池单元100可以包括壳体105。壳体105可以包含在安装在电动交通工具中的电池模块、电池组或电池阵中。壳体105可以为任意形状。壳体105的形状可以为圆柱形，其具有圆形(例如，所示的)、椭圆形或长圆形基座等。壳体105的形状也可以为棱柱的，其具有多边形基座，如三角形、方形、矩形、五角型及六边形基座等。壳体105的长度(或高度)可以在65mm到120mm的范围内。壳体105的宽度(或所示圆柱形实例的直径)在18mm到45mm的范围内。壳体105的厚度可以在100mm到200mm的范围内。
29.电池单元100的壳体105可以包括具有不同电导率或热导率或其组合的一种或多种材料。电池单元100的壳体105用导电和导热材料可以包括金属材料，如铝、具有铜、硅、锡、镁、锰或锌的铝合金(例如，铝1000、4000或5000系列)、铁、铁碳合金(例如，钢)、银、镍、铜以及铜合金等。电池单元100的壳体105用电绝缘和导热材料可以包括陶瓷材料(例如，氮化硅、碳化钛、二氧化锆、氧化铍等)和热塑性材料(例如，聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯或尼龙)等。
30.电池单元100的壳体105可以具有至少一个侧表面，如顶表面110和底表面115。顶表面110可以对应于壳体105的顶侧面。顶表面110可以是壳体105的一个完整部分。顶表面110可以与壳体105分离并添加到壳体105的顶侧面。底表面115可以对应于壳体105的底侧面，并可以在顶表面110的对面。底表面115可以对应于壳体105的顶侧面。底表面115可以是壳体105的一个完整部分。顶表面110可以与壳体105分离并添加到壳体105的顶侧面。电池单元100的壳体105可以具有至少一个纵表面，如侧壁120。侧壁120可以在壳体的顶表面110和底表面115之间延伸。侧壁120可以具有其上的凹部(在此有时也称为颈部或卷曲区域)。
顶表面110、底表面115和侧壁120可以限定壳体105中的空腔125。空腔125可以对应于壳体105内的空白空间、区域或体积，以容纳电池单元100的内容物。空腔125的范围在壳体105的顶表面110、底表面115和侧壁120内。
31.电池单元100可以包括至少一个阴极层130(本文有时也称为阴极)。阴极层130可以位于、设置于或以其他方式放置于壳体105限定的空腔125中。阴极层130的至少一部分可以与侧壁120的内侧接触或齐平。阴极层130的至少一部分可以与底表面115的内侧接触或齐平。阴极层130可以从电池单元100输出常规电流并可以在电池单元100运行期间接收电子。阴极层130也可以在电池单元100运行期间释放锂离子。阴极层130可以包括固体阴极材料，如锂基氧化物材料或磷酸盐。阴极层130可以包括钴酸锂(licoo2)、磷酸铁锂(lifepo4)、锂锰氧化物(limn2o4)、锂镍锰钴氧化物(lini
x
mn
y
co
z
o2)及锂镍钴铝氧化物(linicoalo2)，和其他锂基材料。阴极层130的长度(或高度)可以在50mm到120mm的范围内。阴极层130的宽度可以在50mm到2000mm的范围内。阴极层130的区域载荷可以在5mg/cm2到50mg/cm2的范围内。阴极层130的厚度可以在5μm到200μm的范围内。
32.电池单元100可以包括至少一个阳极层135(本文有时也称为阳极)。阳极层135可以位于、设置于或以其他方式放置于壳体105限定的空腔125中。阳极层135的至少一部分可以与侧壁120的内侧接触或齐平。阳极层135的至少一部分可以与底表面115的内侧接触或齐平。阳极层135可以接收输入到电池单元100的常规电流并在电池单元100的运行(例如，电池单元100的充放电)期间输出电子。阳极层135可以包括固体阳极材料。例如，阳极层135可以包括硅碳(碳化硅)材料。阳极层135的长度(或高度)在50mm到120mm的范围内。阳极层135的宽度在50mm到2000mm的范围内。阳极层135的区域载荷可以在1mg/cm2到50mg/cm2的范围内。阳极层135的厚度可以在5μm到200μm的范围内。
33.电池单元100可以包括电解质层140(本文有时也称为固体电解质)。电解质层140可以位于、设置于或以其他方式放置于壳体105限定的空腔125中。电解质层140的至少一部分可以与侧壁120的内侧接触或齐平。电解质层140的至少一部分可以与底表面115的内侧接触或齐平。电解质层140可以设置在阳极层135和阴极层130之间将阳极层135和阴极层130分离。电解质层140可以在阳极层135和阴极层130之间传输离子。电解质层140可以在电池单元100的运行期间将阳离子从阳极层135传输到阴极层130。电解质层140可以在电池单元100的运行期间将阴离子(例如，锂离子)从阴极层130传输到阳极层135。电解质层140的长度(或高度)在50mm到115mm的范围内。电解质层140的宽度在50mm到2000mm的范围内。电解质层140的厚度可以在10μm到100μm的范围内。
34.电解质层140可以包括固体电解质材料。电解质层140可以包括陶瓷电解质材料，如锂磷氧氮(li
x
po
y
n
z
)、锂锗磷酸盐硫(li
10
gep2s
12
)、lgps组(例如li
a
si
b
p
c
s
d
cl
e
、li
a
p
c
s
d
和li
a
ge
b
p
c
s
d
)材料、锂超离子导体(例如li
2 2x
zn1‑
x
geo4)、钛酸镧锂(li
a
la
b
ti
c
o
d
)、锂锆酸镧(li
a
la
b
zr
c
o
d
)、氧化钇稳定氧化锆(ysz)、nasicon(na3zr2si2po
12
)、β
‑
氧化铝固体电解质(base)、钙钛矿陶瓷(例如，钛酸锶(srtio3))等。电解质层140可以包括聚合物电解质材料，如聚丙烯腈(pan)、聚氧化乙烯(peo)、聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)、聚偏二氟乙烯等。电解质层140可以包括玻璃电解质材料，如硫化锂
‑
五硫化磷(li2s
‑
p2s5)、硫化锂
‑
硫化硼(li2s
‑
b2s3)以及硫化锡
‑
五硫化磷(sns
‑
p2s5)。电解质材料140可以包括陶瓷电解质材料、聚合物电解质材料、玻璃电解质材料等的任意组合。电解质层140可以包括膜以容纳溶解在有机溶
剂中的液体电解质材料。电解质层140的膜可以存储并维持溶解在有机溶剂中的液体电解质材料。用于电解质层140的液体电解质材料可以包括四氟硼酸锂(libf4)、六氟磷酸锂(lipf6)、高氯酸锂((liclo4)等。用于电解质层140的有机溶剂可以包括碳酸二甲酯(dmc)、碳酸亚乙酯(ec)、碳酸二乙酯(dec)等。
35.电池单元100可以包括至少一个中心支座145。中心支座145可以位于、设置于或以其他方式放置于壳体105限定的空腔125中。中心支座145的至少一部分可以与侧壁120的内侧接触或齐平。中心支座145的至少一部分可以与底表面115的内侧接触或齐平。中心支座145可以位于阳极层135、阴极层130或电解质层140限定的中空内。中空内的中心支座145可以以层叠形式包裹阳极层135、阴极层130或电解质层140的任意结构或构件。中心支座145可以包括电绝缘材料，并且不能作为电池单元100的正极端子或负极端子。电池单元100也可以缺少或不包括中心支座145。
36.图2为用于为电动交通工具提供动力的电池单元100的横截面图。如图所示，电池单元100可以包括至少一个正极端子200。正极端子200可以对应于一端，在电池单元100运行(例如，电池单元100的充放电)期间，常规电流可以在该端从电池单元100输出，在该端接收电子。正极端子200可以限定在壳体105的任意位置，如顶表面110、底表面115和侧壁120。例如，正极端子200可以沿壳体105的顶表面110限定。正极端子200可以对应于壳体105的顶表面110的至少一部分。正极端子200可以电耦合到壳体105的顶表面110的至少一部分。正极端子200可以电耦合到壳体105的空腔130内放置的阴极层135。
37.电池单元100可以包括至少一个正极接合元件(bonding element)205。正极接合元件205可以对应于导电线。用于正极接合元件205的导电材料可以包括金属材料，如铝、具有铜、硅、锡、镁、锰或锌的铝合金(例如，铝1000、4000或5000系列)、铁、铁碳合金(例如，钢)、银、镍、铜以及铜合金等。正极接合元件205可以部分地在壳体105限定的空腔125中延伸。正极接合元件205可以对应于电池单元100的正极端子200。正极接合元件205可以把放置在壳体105的空腔125中的阴极层130电耦合到正极端子200以将常规电流运输到阴极层130。
38.电池单元100可以包括至少一个正极导电层210。正极导电层210可以放置或设置在阴极层130的一端，阴极层130放置在壳体105的空腔125中。正极导电层210可以至少部分地与阴极层130的一部分(例如，所示出的顶端或沿纵侧)物理接触。正极导电层210可以将正极接合元件205电耦合到放置在壳体105的空腔125中的阴极层130。正极导电层210可以贴附、焊接、粘贴或以其他方式连接到正极接合元件205。电池单元100运行期间，正极导电层210可以将常规电流运送到阴极层130中。正极导电层210用导电材料可以包括金属材料，如铝、具有铜、硅、锡、镁、锰或锌的铝合金(例如，铝1000、4000或5000系列)、铁、铁碳合金(例如，钢)、银、镍、铜以及铜合金等。用于正极导电层210的导电材料也可以包括碳基材料，如石墨、碳纤维等。
39.电池单元100可以包括至少一个负极端子215。负极端子215可以对应于一端，在电池单元100运行期间，常规电流在该端被接收到电池单元100中，电子在该端被释放。负极端子215可以限定在壳体105的任意位置，如顶表面110、底表面115和侧壁120。例如，负极端子215可以沿壳体105的侧壁120限定。负极端子215可以对应于壳体105的侧壁120的至少一部分。负极端子215可以电耦合到壳体105的侧壁120的至少一部分。负极端子215可以电耦合
到壳体105的空腔125内放置的阳极层135。
40.电池单元100可以包括至少一个负极接合元件220。负极接合元件220可以对应于导电线。用于负极接合元件220的导电材料可以包括金属材料，如铝、具有铜、硅、锡、镁、锰或锌的铝合金(例如，铝1000、4000或5000系列)、铁、铁碳合金(例如，钢)、银、镍、铜以及铜合金等。负极接合元件220可以部分地在壳体105限定的空腔125中延伸。负极接合元件220可以对应于电池单元100的负极端子215。负极接合元件220可以将壳体105的空腔125中放置的阳极层135与负极端子215电耦合以将常规电流运出阳极层135。
41.电池单元100可以包括至少一个负极导电层225。负极导电层225可以放置或设置在阳极层135的一端，阳极层135放置在壳体105的空腔125中。负极导电层225可以至少部分地与阳极层135的一部分(例如，所示的顶端或沿纵侧)物理接触。负极导电层225可以将负极接合元件220电耦合到放置在壳体105的空腔125中的阳极层135。负极导电层225可以贴附、焊接、粘贴或以其他方式连接到负极接合元件220。电池单元100运行期间，负极导电层225可以将常规电流运送出阳极层135。负极导电层225的导电材料可以包括金属材料，如具有铜、硅、锡、镁、锰或锌的铝合金(例如，铝1000、4000或5000系列)、铁、铁碳合金(例如，钢)、银、镍、铜以及铜合金等。用于负极导电层225的导电材料也可以包括碳基材料，如石墨、碳纤维等。
42.电池单元100可以具有设置在壳体105的空腔125中的一组阴极层130、一组阳极层135和一组电解质层140。所述的一组阴极层130、一组阳极层135和一组电解质层140可以连续、堆叠或交替设置。至少一个电解质层140可以分隔一个阴极层130和一个阳极层135。至少一个阴极层130和至少一个阳极层135可以不通过位于阴极层130和阳极层135之间的电解质140而分隔。至少一个阴极层130和至少一个阳极层135可以彼此相邻。所述一组阴极层130和一组阳极层135可以相互连续电耦合。每个阴极层130可以电耦合到一个阳极层135。每个阳极层135可以电耦合到一个阴极层130。每个阴极层130、每个阳极层135和每个电解质层140可以纵向设置在空腔125中。每个阴极层130、每个阳极层135和每个电解质层140可以至少部分地从底表面115延伸到顶表面110。每个阴极层130、每个阳极层135和每个电解质层140可以侧向设置在空腔125内。每个阴极层130、每个阳极层135和每个电解质层140可以至少部分地从一侧壁120延伸到另一侧壁120。
43.电解质层140可以包括至少一个第一侧230。第一侧230可以对应于电解质层140的一个表面。第一侧230可以对应于面向阴极层130的表面。阴极层130可以至少部分地沿电解质层140的第一侧230放置在空腔125中。阴极层130的至少一侧可以与电解质层140的第一侧230的至少一部分接触或齐平。阴极层130可以通过第一侧230电耦合到电解质层140。在电池单元100的运行期间(例如，充放电)，阴极层130可以通过第一侧230将锂材料释放到电解质层140中。阴极层130释放的锂材料可以作为阳离子通过电解质层140移动并向电解质层140的另一侧上的阳极层135移动。
44.电解质层140可以包括至少一个第二侧235。第二侧235可以对应于电解质层130的另一表面。第二侧235可以对应于面向阳极层135的表面。阳极层135可以至少部分地沿电解质层140的第二侧235放置在空腔125中。阳极层135的至少一侧可以与电解质层140的第二侧235的至少一部分接触或齐平。阳极层135可以通过第二侧235电耦合到电解质层140。在电池单元100的运行期间，阳极层135可以经由第二侧235接收通过电解质层140传输的锂材
料。
45.阴极层130和阳极层135之间，负正容量比(negative
‑
to
‑
positive(np)capacity ratio)可以在1.2到1.5的范围内。负正容量比可以为阴极层130的正电极容量和阳极层135的负电极容量的比值。正电极容量是指阴极层130的单位质量(比容量或重量容量)、单位面积(面积容量)或体积(体积容量)可以搬运的潜在电流(potential current)的量。正电极容量可以与充电期间阴极层130释放的锂离子的量有关。负电极容量是指阳极层135的单位质量(比容量或重量容量)、单位面积(面积容量)或体积(体积容量)可以搬运的潜在电流的量。负电极容量可以与充电期间阳极层135接收的锂离子的量有关。阴极层130的正电极容量在3.0mah/cm2到10mah/cm2之间。阳极层135的负电极容量在500mah/g到2500mah/g之间(比容量)或至少在3.5mah/cm2到10mah/cm2之间(面积容量)。阳极层135的负电极容量可以比阴极层130的正电极容量大20％到50％。相比之下，对于np容量比在1.0到1.1之间的电池单元而言，负电极容量可以在350mah/g到4200mah/g(比容量)之间或低于10mah/cm2(面积容量)。
46.通过将np容量比从均等(例如，1.0到1.1范围)增大到高于单位值(例如，1.2到1.5范围)，阳极层135可以具有加载到负极导电层225上的更大的负电极容量。再者，更高的负电极容量可以使得阳极层135的硅碳结构吸收并消耗更多的通过电解质层140接收的锂离子。这样，引起锂材料累积在阳极层135和电解质层140之间的寄生不可逆性的反应可以降低或消除。再者，设置为1.2到1.5的np容量比可以降低阳极层135和电解质层140之间形成电解质界面(sei)的可能性以及沿阳极层135和负极导电层225镀锂的可能性。然而，整个电池单元100的能量密度可能会降低，这是由于np容量比增加以及阴极层130和阳极层135的容量的更大的不匹配。np容量比设置在1.0到1.1之间的电池单元的能量密度可以在500wh/l到750wh/l或600mah/cc到800mah/cc之间。相比之下，np容量比设置在1.2到1.5之间的电池单元的能量密度可以在750到1000wh/l或800mah/cc到200mah/cc之间。在不考虑本文所述的电池单元100的额外配置的情况下，增加的np容量比引起的能量密度的降低可能被认为不可取。
47.阳极层135可以具有或可以包括硅碳(sic)(在此也称为碳化硅)结构以容纳体积膨胀和寄生不可逆。阳极层135的硅碳结构可以是具有任何晶格结构的任何多形体，如立方体(3c(β))或六面体(4h或6h(α))。硅碳结构可以包括硅和碳物质。阳极层135的硅碳结构的硅碳比可以在10w％到100w％之间。阳极层135的硅碳结构的至少一侧可以与电解质层140的第二侧235齐平或接触。阳极层135的硅碳结构可以与电解质层140通过第二侧235相接。阳极层135的硅碳结构可以通过第二侧235与电解质层140电耦合。电池单元100充电期间，阳极层135的硅碳结构可以通过电解质层140的第二侧235接收锂离子。
48.在电池单元100的初始运行(例如，充电或放电)之前，阳极层135的硅碳结构可以掺杂锂材料以增大电池单元100的能量密度。阳极层135的硅碳结构可以使用各种技术掺杂锂材料，如物理固
‑
固反应或电化学锂化等。阳极层135的硅碳结构可以包括或可以注入或掺杂具有锂的固体电解质材料。例如，阳极层135的活性材料可以混合有比例为0w％到50w％之间的固体电解质材料。固体电解质材料可以包括，例如，lgps族材料(例如，li
a
si
b
p
c
s
d
cl
e
,li
a
p
c
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d
,和li
a
ge
b
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)、锂超离子导体(例如，li
2 2x
zn1‑
x
geo4)、钛酸镧锂(li
a
la
b
ti
c
o
d
)、锆酸镧锂(li
a
la
b
zr
c
o
d
)等。在np容量比接近单位值(例如，1.0到1.1)的电池
单元中，即使具有硅和石墨的阳极最初可以没有锂或具有较少的锂(例如，小于3％)以容纳通过电解质接收的锂。另一方面，高于单位值(例如，1.2到1.5)的np容量比可以允许更多的锂沉积在阳极层135中，同时也保持或增加能量密度。随着锂材料的掺杂，阳极135中活性材料的量可以增加，电池单元100的能量密度可以在750wh/l到1000wh/l或800mah/cc到1200mah/cc之间。阳极层135的硅碳结构中的锂材料的总量可以在3到50％之间。锂材料的最小密度可以设置为增加能量密度。锂材料的最大密度可以设置为使得锂被吸收到硅碳结构中以降低阳极层135和电解质层140之间形成寄生不可逆性的可能性。阳极层135中沉积的锂材料的总量可以取决于硅碳结构中硅碳比。随着掺杂，阳极层135的硅碳结构的锂含量充电容量为15mah/g到1250mah/g(有时也称为锂含量负电极容量)。
49.阳极层135的硅碳结构可以为多孔结构，多孔结构具有通过该结构限定的一组开口。阳极层135多孔硅碳结构可以容纳预掺杂锂材料。在电池单元100的运行期间，阳极层135的多孔硅碳结构也可以容纳通过电解质层140接收的锂离子。例如，从电解质层140将锂离子接收到阳极层135中时，锂离子可以占据两个硅或碳原子之间的位置。这样，阳极层135的硅碳结构的孔隙度可以降低通过硅吸收锂导致的体积膨胀的可能性或体积膨胀量。随着体积膨胀量的降低，可以保留和维持电池单元100的壳体105的结构完整性，因此，延长了电池单元100的寿命。阳极层135的硅碳结构的孔隙率可以在5％到40％的范围内。通过阳极层135的硅碳结构的每个开口的宽度(或直径)可以在1μm到30μm的范围内。阳极层135的硅碳结构为纳米结构。例如，阳极层135的硅碳结构可以包括一组纳米级部分。每个部分可以包括硅碳材料。硅碳结构的开口可以限定在至少两个纳米级部分之间。每个纳米级部分可以为任何形状的硅碳的同素异形体，如球形、片状或芯/壳状等。每个纳米级部分的高度可以在1μm到30μm的范围内。每个纳米级部分的宽度(或直径)可以在1μm到30μm的范围内。每个纳米级部分的长度可以在1μm到30μm的范围内。
50.随着锂材料预掺杂而使得阳极层135中的能量密度更高，可以降低阳极层135的密度以适应体积膨胀。硅碳结构阳极材料135的密度(有时也称为振实(tapped)密度或堆积(bulk)密度)可以在0.5g/cm3到2.3g/cm3之间。在不预掺杂锂材料或不使用硅碳结构的情况下，这种电池单元的阳极可以具有更高的振实密度，其目的在于维持或增加电池单元的能量密度。例如，具有石墨阳极的电池单元的电极密度可以为1.65g/cm3，而具有石墨
‑
硅的电池单元的电极密度可以在1.4g/cm3到2.33g/cm3之间。通过掺杂，阳极135的电极密度可以减小。以这种方式，由于有容纳从电解质层140接收的锂的更多的空间，阳极层135的低振实密度可以降低硅吸收锂所导致的体积膨胀量。另外，由于振实密度低，更多活性材料(例如，锂)可以添加到阳极层135的硅碳结构。阳极层135的负电极容量在800mah/cm3到3000mah/cm3的范围内。
51.将电池单元100的特征与没有相同配置(具有纳米结构硅碳的阳极层135)的电池单元做如下对比：阳极类型结构阳极容量电流密度石墨阳极整体(bulk)350mah/g小于6mah/cm2石墨
‑
硅阳极整体(bulk)350
‑
4200mah/g小于6mah/cm2纳米结构硅碳阳极预锂化多孔结构500
‑
2500mah/g大于3.5mah/cm2阳极类型负
‑
正容量比总锂含量可充电锂含量电极密度
石墨阳极1.0
–
1.100小于1.65石墨
‑
硅阳极1.0
–
1.1001.4
‑
2.33纳米结构硅碳阳极1.2
‑
1.53
‑
50％15
‑
1250mah/g小于1.3
52.该配置的结果是，5mah/cm2下，75％充电状态(soc)下电池单元100可以具有增加的3c充电限制。作为对比，5mah/cm2下，70％充电状态下具有石墨阳极的电池单元可以具有1.5c充电限制。5mah/cm2下，70％充电状态下具有石墨
‑
硅阳极的电池单元可以具有1.5c充电限制。电池单元100也可以具有500次循环后85％的改善的循环寿命，而具有石墨阳极的电池单元可以具有500次循环后70％的循环寿命，具有石墨
‑
硅阳极的电池单元可以具有500次循环后65％的循环寿命。概括：阳极类型5mah/cm2下充电率限制1000cy 1c/1c rt下循环寿命石墨阳极1.5c soc 70％70石墨
‑
硅阳极1.5c soc 75％65纳米结构硅碳阳极3c soc 75％85
53.图3为用于为电动交通工具提供动力的系统或装置300的横截面图。装置300可以包括电池模块305(以及电池模块305的每个组件)。电池模块305可以将一组电池单元105容纳在电动交通工具中。电池模块305可以为系统或装置300的一部分。电池模块305可以为任意形状。电池模块305的形状可以为圆柱形，其具有圆形、椭圆形或长圆形基座等。电池模块305的形状也可以为棱柱的，其具有多边形基座，如三角形、方形、矩形(例如，所示的)、五角型及六边形基座等。电池模块305的长度可以在10cm到200cm的范围内。电池模块305的宽度可以在10到200cm的范围内。电池模块305的高度可以在65mm到100cm的范围内。
54.电池模块305可以包括至少一个电池盒310和封盖元件320。电池盒310可以与封盖元件320分离。电池盒310可以包括或限定一组容置器(holder)315。每个容置器315可以为或包括由电池盒310限定的中空或中空部分。每个容置器315可以储藏、包含、存储或容纳至少一个电池单元100。电池盒310可以包括至少一种导电或导热材料或其组合。封盖元件320可以将一组电池单元100支撑或固定在每个容置器315中。封盖元件320的至少一侧(例如，底侧)可以与电池盒310的至少一侧(例如，顶侧)机械耦合。
55.电池盒310和封盖元件320之间，电池模块305可以包括至少一个正极集电器(current collector)325、至少一个负极集电器330和至少一个电绝缘层335。正极集电器325和负极集电器330可以包括导电材料为电动交通工具中其他电气组件提供电力。正极集电器325(有时也称为正汇流排)可以通过接合元件340连接或以其他方式电耦合到容纳在一组容置器315中的每个电池单元100的正极导电层210。接合元件340的一端可以通过正极接合元件205以粘接、焊接、连接、附接或以其他方式电耦合到电池单元100的正极导电层230。负极集电器330(有时也称为负汇流排)可以通过接合元件345连接或以其他方式电耦合到容纳在一组容置器315中的每个电池单元100的负极导电层225。接合元件345可以通过负极接合元件220以粘接、焊接、连接、附接或以其他方式电耦合到电池单元100的负极导电层225。
56.正极集电器325和负极集电器330可以通过电绝缘层335相互分离。电绝缘层335可以包括间隙，使得连接到正极集电器325的正极接合元件340和连接到负极集电器330的负极接合元件330通过或与其适配。电绝缘层335可以部分或完全跨过电池盒310和封盖元件
320限定的空间。电绝缘层335的顶面可以与封盖元件320的底面接触或齐平。电绝缘层335的底面可以与电池盒310的顶面接触或齐平。电绝缘层335可以包括任何电绝缘材料或介电材料，如空气、氮、六氟化硫(sf6)、陶瓷、玻璃和塑料(例如，聚硅氧烷)等以将正极集电器325从负极集电器330分离。
57.图4描述了在电动交通工具中支持多个电池单元100的系统或装置300的电池模块305的电池盒310的俯视图。电池模块305可以限定或包括一组容置器315。每个容置器315的形状可以与电池单元100的壳体105的形状匹配。每个容置器315的形状可以为圆柱形，其具有圆形(例如，所示的)、椭圆形或长圆形基座等。每个容置器315的形状也可以为棱柱的，其具有多边形基座，如三角形、方形、矩形、五角型及六边形基座等。在整个电池模块305中，每个容置器315的形状可以不同或可以相同。例如，一些容置器315可以为六边形，而其他容置器可以为圆形。每个容置器315的尺寸可以比容纳在其中的电池单元100的尺寸大。每个容置器315的长度可以在10到300mm之间。每个容置器315的宽度可以在10到300mm之间。每个容置器315的高度(或深度)可以在65mm到100cm之间。
58.图5描述了安装有电池组505的电动交通工具500的截面图。电动交通工具500可以是电动汽车(例如，图中所示)、混合动力车、摩托车、滑板车、客车、客用或商用卡车以及其他类型的交通工具，如海上或空中运输工具、飞机、直升机、潜水艇、船或无人机等。电动交通工具500可以包括至少一个底盘510(例如，框架、内框或支撑结构)。底盘510可以支撑电动交通工具500的各个组件。底盘510可以跨越电动交通工具500的前部515(例如，罩或盖部)、本体部520以及后部525(例如，后备箱部)。电池组505可以安装或放置在电动交通工具500中。电池组505可以安装在电动交通工具500的底盘510上并位于前部515、本体部520(如图5所示)，或后部525中。
59.电动交通工具500可以包括至少一个电池组505。电池组505可以是装置300的一部分。电池组505可以是系统或装置300的一部分。电池组505可以容纳、包含或以其他方式包括一组一个或多个电池模块305等。例如，电池组505中电池模块305的数量可以在1到24个之间。电池组505可以为任何形状。电池组505的形状可以为圆柱形，其具有圆形、椭圆形或长圆形基座等。电池组505的形状也可以为棱柱的，其具有多边形基座，如三角形、方形、矩形(例如，如图所示)、五角型及六边形基座等。电池组505的长度可以在100cm到500cm之间。电池组505的宽度可以在100cm到400cm之间。电池组505的高度可以在70mm到1000mm之间。
60.电动交通工具500可以包括一个或多个组件530。所述的一个或多个组件530可以包括电动引擎、娱乐系统(例如，收音机、显示屏和音响系统)、车载诊断系统以及电控单元(ecu)(例如，引擎控制模块、传输控制模块、刹车控制模块以及本体控制模块)等。所述一个或多个组件530可以安装在电动交通工具500的前部515、本体部520或后部525中。安装在电动交通工具500中的电池组505可以通过至少一个正极集电器535和至少一个负极集电器540为所述一个或多个组件530提供电力。正极集电器535和负极集电器540可以连接或以其他方式电耦合到电动交通工具500的其他电气组件以提供电力。正极集电器535(例如，正汇流排)可以连接或以其他方式电耦合到电池组505中每个电池模块305的每个正极集电器535。负极集电器540(例如，负汇流排)可以连接或以其他方式电耦合到电池组505中每个电池模块305的每个负极集电器330。
61.图6描述了电动交通工具中为电池组提供电池单元的方法。结合上述图1
‑
5,可以
使用任何系统、装置或电池单元来实现或执行方法600的功能。方法600可以包括布置电池组505(act 605)。电池组505可以安装、设置或以其他方式布置在电动交通工具500中。电池组505可以容纳、包含或包括一组电池模块305。电池组505可以为电动交通工具500的一个或多个组件530存储电力。电池组505可以通过正极集电器535和负极集电器540向一个或多个组件530提供电力。
62.方法600可以包括设置电池单元100(act610)。电池单元100可以为锂离子电池单元。电池单元100可以存储或包含在电池组1005中包括的电池模块800的容置器315中。电池单元100可以包括壳体105。壳体105可以由具有圆形、长圆形或椭圆形基座的圆柱体外壳或具有多边形基座的菱形外壳组成。壳体105可以包括顶表面110、底表面115和侧壁120。壳体105可以具有容纳电池单元105的内容物的空腔125。壳体105内的空腔125可以由顶表面110、底表面115和侧壁120限定。
63.方法600可以包括设置电解质层140(act615)。电解质层140可以包括固体电解质材料或液体电解质材料。电解质层140的材料可以使用沉积技术形成，如化学沉积(例如，化学气相沉积(cvd))或原子层沉积(ald)或物理沉积(例如，分子束外延(mbe)或物理气相沉积(pvd))。对于液体电解质，电解质层140的材料可以在有机溶剂中弄湿或溶解。电解质层140可以送入、插入或以其他方式放入电池单元100的壳体105的空腔125中。电解质层140可以至少部分跨越电池单元100的壳体105的顶表面110、底表面115和侧壁120。
64.方法600可以设置阴极层130(act620)。阴极层130可以使用沉积技术形成，如化学沉积(例如，化学气相沉积(cvd))或原子层沉积(ald)或物理沉积(例如，分子束外延(mbe)或物理气相沉积(pvd))。阴极层135可以包括固体阴极材料，如锂基氧化物材料或磷酸盐。阴极层130可以放置或插入到电池单元100的壳体105的空腔125中。阴极层130可以至少部分沿电解质层140的第一侧230布置。阴极层130可以输出常规电流到电池单元100。阴极层130可以电耦合到正极导电层210，正极导电层210也插入到电池单元105的壳体110的空腔125中。
65.方法600可以包括设置阳极层135(act625)。阳极层135可以具有任何晶格结构的任何多形体的硅碳(sic)结构。阳极层135的硅碳结构可以使用沉积技术形成，如化学沉积(例如，化学气相沉积(cvd))或原子层沉积(ald)或物理沉积(例如，分子束外延(mbe)或物理气相沉积(pvd))。阳极层135的硅碳结构可以通过铣削(milling)和热处理工艺形成。阳极层135的硅碳结构可以制造成负电极容量在500mah/g到2500mah/g(比容量)之间或在3.5mah/cm2到10mah/cm2(面积容量)之间。阳极层135的硅碳结构可以制造成密度为1.3g/cm3。另外，阳极层135的硅碳结构可以通过使用各种技术，例如物理固
‑
固反应或电化学锂化等，掺杂锂材料。阳极层135的硅碳结构可以掺杂到总含量在3到50％之间。阳极层135的硅碳结构可以掺杂到锂含量充电容量在15mah/g到1250mah/g之间。
66.图7描述了为电动交通工具中电池组提供电池单元的方法700。结合上述图1
‑
5,可以使用任何系统、装置或电池单元来实现或执行方法700的功能。方法700可以包括提供装置300(act705)。装置300可以安装在电动交通工具500中。装置300可以包括设置在电动交通工具500中的电池组505以为电动交通工具500的一个或多个组件530提供动力。电池组505可以包括一个或多个电池模块305。装置300可以包括一组电池单元100。每个电池单元100可以设置在电池模块305中。电池单元100可以包括壳体105。壳体105可以包括顶表面
110、底表面115和侧壁120。顶表面100、底表面115和侧壁120可以限定空腔125。
67.在壳体105限定的空腔125中，电池单元100可以具有电解质层140。电解质层140可以具有第一侧230和第二侧235，并且在第一侧230和第二侧235之间传输离子。电池单元100可以包括沿电解质层140的第一侧230设置在壳体105的空腔125中的阴极层130。阴极层130可以通过正极导电层210电耦合到电池单元100的正极端子。电池单元100可以具有沿电解质层140的第二侧235设置在壳体105的空腔125中的阳极层135。阳极层135具有硅碳结构。硅碳结构可以是多孔纳米结构。在电池单元100的初始充电循环前，阳极层135的硅碳结构可以掺杂锂。硅碳结构的锂的总含量可以在3％到50％之间。阳极层135的锂材料充电容量可以在15mah/g到1250mah/g之间。阳极层135的硅碳结构的密度可以小于1.3g/cm3。阳极层135的负电极容量比阴极层130的正电极容量大20％到50％。阳极层135可以通过负极导电层225电耦合到电池单元100的负极端子。
68.尽管在附图中以特定顺序描述了操作，不要求这些操作以所示特定顺序或先后顺序进行，而且不要求执行所有描述的操作。所述动作可以以不同顺序进行。
69.现已描述了一些示例性实施方式，很明显，通过实例方式呈现，所述描述仅是示例性的而非限制性的。尤其是，尽管许多所示实例涉及方法动作或系统元素的特定组合，这些动作和元素可以以其他方式结合来实现相同目的。与一个实施方式相关的动作、元素和特征并不旨在被排除在其他实施方式类似作用外。
70.本文所使用的措辞和术语是出于描述的目的，而不应被视为是限制性的。使用“包括”、“具有”、“包含”、“涉及”、“特征是”及“特征在于”及其变化形式意欲涵盖其后所列的条目、其等同物、以及另外的条目，以及由后列的条目组成的可选实施方式。在一个实施方式中，所述系统和方法由所述元素、动作或组件中的一个、不止一个的各种组合或所有构成。
71.任何以单数形式提及的所述系统和方法的实施方式或元素或动作可以涵盖包含多个元素的实施方式，任何以复数方式提及的所述实施方式或元素或动作也可以涵盖仅包含单数元素的实施方式。以单数或复数形式提及的意图不是将本发明公开的系统或方法、其组件、动作、或元素限制为单数或复数的构造。提及基于任何信息、动作或元素的任何动作或元素可以包括该动作或元素至少部分基于任何信息、动作或元素的实施方式。
72.所公开的任何实施方式可以与任何其他实施方式或实施例相结合，“一个实施方式”、“一些实施方式”、“一种实施方式”等不相互排斥并且其意图是指示与该实施方式相关的特定特征、结构或特征可以包括在至少一个实施方式或实施例中。所用的这些术语未必都涉及相同实施方式。任何实施方式可以以与所述方面和实施方式一致的任何方式与任何其他实施方式包含地或排他地相结合。.
73.关于“或”可以理解为包含，因此，任何使用“或”描述的术语表示单个、多于一个、以及所有所述术语。例如，关于“a和b中的至少一个”可以包括只有“a”或只有“b”以及“a”和“b”都有。与“包括”或其他开放式术语连用的这些参考可以包括额外的项目。
74.当附图、详细描述、或任何权利要求中的技术特征后跟随附图标记时，包括这些附图标记是为了更好地理解附图、详细描述和权利要求。因此，附图标记的有无都对任何权利要求元素的范围没有限制作用。
75.在实质上不脱离所述主题的教导和优点的情况下，可以对所述元素和动作做出修改，如不同元件的大小、尺寸、结构、形状和比列的改变、参数值、安装设置、材料使用、颜色
和方位。举例来说，所示一体形成的元件可以由多个部件或元件构成，可以颠倒或以其他方式改变元件的位置，可以改变或改动独立元件的性质或数量或位置。可在不脱离本公开的范围的情况下在所公开的元件和操作的设计、操作条件和布置方面进行其他取代、修改、改变和省略。
76.在不脱离其特征的情况下，所述系统和方法能以其他特定形式实施。例如，可以颠倒正极和负极电气特征的描述。例如，描述为负极元件的元件也可以配置为正极元件，描述为正极元件的元件也可以配置为负极元件。另外，相对平行、垂直、竖直或其他的定位或位置描述包括纯竖直、平行或垂直定位的正负10％或正负10度之内的变化。除非另有明确说明，关于“近似”、“约”、“大致”或其他表程度的术语包括所给量度、单位或范围正负10％的变化。耦合的元件可以直接或通过中间元件以电气、机械、或物理方式相互耦合。所述系统和方法的范围由附加权利要求而非前述说明指明，在权利要求的含义和等同范围内的改变也包括在内。