柔性薄電池及其製造方法
2023-08-02 03:33:51 2
專利名稱：柔性薄電池及其製造方法
技術領域：
本發明涉及到一種柔性薄電池和用於製造這樣一種電池的方法。更特別地，本發明涉及到一種柔性薄電池，其中電極接觸和電池外殼是一個整體。
背景技術：
柔性薄電池主要包含用於在電池電極和由電池供電的器件之間傳輸電流的接觸。這些接觸一般為接片形式，是一個或多個分立結構，其一端連接到電極活性材料或電極襯底，並從電池內部伸到電池外部。柔性薄電池一般還包括外殼或封裝，它們沿電池的周邊密封將電極、電解質和隔板元件包圍起來。封裝密封主要通過對可密封材料加熱或加壓或同時加熱和加壓，而將封裝材料的相對表面連接在一起。
由於幾個原因，接片在這種類型的結構中具有一定挑戰性。其中接片與電極結構不是整體的，接片必須被粘附到電極結構上，通常採用焊接或粘接將接片連接到電極結構以使電流流動。這是一個複雜的工藝。此外，接片必須不僅和電極結構接觸，而且也必須伸到電池外部超出封裝或外殼而提供與將由電池供電的器件的連接點。接片從電池內部到電池封裝的外部的延伸，在接片必須通過的區域中封裝密封的效果可能受到損害。
因此，需要一種柔性薄電池，其中提供從電極到由電池供電器件的接觸而不需要接片通過電池封裝的密封區域。
發明概述提供一種薄的優選柔性的電池，它包括陽極、陰極以及包含在密封外殼或封裝內的電解質，以及提供從電池到電池供電器件的電流的接觸。接觸與形成電池封裝或外殼的材料是整體的，因此避免了接片通過電池封裝或外殼的密封區域的要求。
圖1是本發明的電池橫截面視圖。
圖2是圖1中電池的另一個視圖。
圖3是製造根據本發明的電池封裝或外殼中使用的材料薄片的橫截面視圖。
圖4A是圖3的薄片另一個視圖。
圖4B是圖3薄片的另一個視圖。
圖5是本發明的電池替換實施例的橫截面視圖。
圖6是圖5的電池另一個視圖。
圖7是製造根據本發明的如圖5和圖6所示電池封裝或外殼中使用的材料薄片的橫截面視圖。
圖8是圖7中薄片的另一個視圖。
圖9是本發明的電池實施例的頂視圖。
圖10是圖9中電池的橫截面視圖。
圖11A是製造根據本發明如圖9和圖10所示電池封裝或外殼中使用的材料薄片的橫截面視圖。
圖11B是圖11A的材料薄片的底視圖。
優選實施例描述本發明的薄柔性無接片電池1的部件包括陽極3、陰極5、隔板7和包含在柔性薄電池封裝、外殼或外套9之中的電解質。陽極3包含能與粘接劑和其它添加劑結合的電化學活性材料。這種材料可被粘附到諸如打孔或不打孔的金屬箔、泡沫材料、絲網、篩網或其它本領域已知材料的襯底上。相似地，陰極5包含能與粘接劑和其它添加劑結合電化學活性材料。這種材料也可被粘附到諸如打孔或不打孔的金屬箔、泡沫材料、絲網、篩網或其它本領域已知材料的襯底上。雖然本發明的優選實施例採用平面陽極和陰極，應該知道在不背離本發明的範圍情況下，可以採用其它電極形狀因子，如纏繞電極。
本發明的薄電池封裝或外殼9的材料有幾個功能。材料周邊是可密封的，從而有效密封電池部件。材料也提供一個屏障，以防止電解質氣體逸出電池，防止外部氣體入侵和水分的進出，而且更重要地，提供一個導電錶面。材料也有足夠的耐久性以抗環境接觸。這些性能既可以由單一材料滿足，也可通過使用多種材料的集合體來實現。
這樣一種合適的薄電池封裝材料包括幾個分立層的疊片。疊片包含導電層13，它夾在內部可加熱或加壓密封的聚合物層11和外部起保護性聚合物層15之間。將各獨立層彼此結合的粘接或連接層也可存在於疊片中。由一側上的保護性聚合物和相對側上的被可加熱或加壓密封的聚乙烯或聚丙烯包圍的金屬箔構成的疊片是通常可得到的。這樣的疊片可以從，例如，Pharma Center Shelbyville，Inc.，Shelbyville，Kentucky獲得，產品牌號為97031；從日本的DaiNippon printing Co.，Ltd.，Tokyo得到，產品牌號為D-EL40E；而且也可從日本的Sumitomo Electric Inustries，Ltd.，Tokyo得到，產品牌號為L-NY-A1-TRPP-L。具有乙烯丙烯酸(EAA)可加熱密封層的疊片可從Pharma Center Shelbyville，Inc.買到，產品牌號為95014。或者由Ludlow Coated Products of Homer，Louisana得到具有乙烯甲基丙酸烯共聚物或聚乙烯甲基丙烯酸共聚物可加熱密封層的疊片。其中，合適的疊片及相關的密封層將根據其中將使用的電解質的類型選擇，這是本領域已知的。不透性的金屬箔層可以是任何種類的金屬，例如像鋁、鎳、銅和不鏽鋼。保護性聚合物層優選為聚酯或尼龍，但是其它聚合體材料如聚丙烯或聚乙烯也可能用於該層。
本發明的電池的陽極-陰極電極活性材料可以是任何公知的各種合適電化學偶，如鋅-二氧化錳，鋰-黃鐵礦，鋰-二氧化錳，鋰-硫以及本領域技術人員已知的其他電化學偶。已知的適當的添加劑，包括結合劑和導體，在不背離本發明範圍的情況下，可被包含在活性材料配方中。電解質和隔板將根據各種因素選擇，如電極形狀因子、電池化學和材料穩定性，所有這些如同本領域技術人員通常實踐的一樣。
在本發明的優選實施例中，陽極3的全部或至少一部分與封裝或外殼9的第一導電層13的至少一個表面電接觸。陰極5的全部或至少一部分與封裝或外殼9的第二導電層13的至少一個表面電接觸。根據化學或其它電池屬性，導電層13對於陽極和陰極可以是同一種材料，或者對於陽極和陰極可以用不同的導電層13材料，這一點本領域技術人員會了解。對於本申請的目的，當電流能在陽極和封裝的導電層之間通過時陽極與封裝的導電層的一個表面電接觸，並且當電流能在陰極和封裝的導電層之間通過時陰極與封裝的導電層的一個表面電接觸。這種電接觸可通過電極和封裝9的導電層13之間的緊密和直接的物理接觸提供，或通過使用在電極和封裝9的導電層13暴露的內表面之間延伸的導電中間層材料(也就是內部接片或材料的內層)提供。導電中間層材料對於避免各電池部件之間直接的腐蝕反應或其它不希望的反應可能是理想的。
電極共用一個界面區域，在該區域中，通常插入隔板7以防止電極間的電連接和由此導致的電池內部短路，這一點是本領域所已知的。隔板材料可以包括凝膠、紙、聚合物、多孔膜、織物材料和非織物材料，並且將根據電池化學和結構及工作參數選擇隔板材料，這一點是本領域已知的。本領域的技術人員也會了解此處描述的本發明也可採用共面電極布置，其中電極間的界面區域包含足夠的空間從而防止從一個電極到另一個電極的電子流，從而不需要分立的隔板部件。
電池部件(陽極、陰極、隔板、電解質)被引入局部密封的封裝中。至少一個電極和內部接觸表面之間的電接觸既可在沿兩層包裝材料9的預定邊緣完成封裝的剩餘密封以形成一個邊緣密封區17之前進行也可在之後進行。
在如圖1和2所示的一個實施例中，柔性電池的至少一個接觸由封裝9中的開口19形成，從而使和電極與之電接觸的表面相對的導電層13的表面一部分暴露到外部環境。導電層13的這個表面，其一部分暴露到外部環境，此處將稱為外部接觸表面13a。在該實施例中，開口19或出口優選位於密封周邊內的電池中間部分中。雖然圖示為圓形開口，本領域技術人員會了解其它形狀也是可以的。可使用這種結構形成陽極和陰極的接觸。
與外部接觸表面13a相對的導電層13的表面和本發明的柔性電池的一電極電接觸。與電極電接觸的導電層13的這個表面此處將稱為內部接觸表面13b。在本發明的一個優選實施例中，通過直接把電極活性材料澱積到導電層13的內部接觸表面13b上來建立電極和內部接觸表面13b之間的電接觸。這樣的澱積可通過各種印刷技術，或滾塗法，或粉末塗層法或氣相澱積方法，或在電極和導電層13的內部接觸表面之間建立緊密且直接物理接觸的其它手段產生。也可通過在電極和內部導電錶面13b之間粘附一段或多段導電材料以形成內部接片或內部導電層來建立電接觸。這種電接觸優選是，例如，當電極材料和導電層13產生直接接觸而發生不利反應的情況。
在本發明的另一個方面中，可實行連續製造根據本發明的電池封裝材料的方法。如圖3和4所示，導電層13的連續薄片在導電層13的連續薄片的一個表面上選擇性塗敷一層保護性聚合物15，並在導電層13的連續薄片的相對表面上選擇性塗敷一層熱敏或壓力敏粘接劑11。正如此處所用的，選擇性塗敷是指通過各種本領域技術人員已知的方法在表面上澱積預定形狀的材料，它包括但不限於上面討論的各種印刷技術，或滾塗法，或粉末塗層法或氣相澱積方法。在圖4a中，通過將保護性聚合物15選擇性塗敷到導電層13的一個表面上形成埠19，用圓圈表示。圖4b表示導電層13的薄片的相對表面，其中適合於電極材料澱積的區域，在圖4b中表示為區域B，用長方形示出，它通過將熱敏或壓力敏感粘接劑11選擇性塗敷到導電層薄片的表面上形成。薄片的進一步加工包括將電極活性材料澱積到為澱積而形成的區域上，還包括引入組裝電池或電池的一部分所要求或需要的其它層，如隔板或其它中間層。
根據本發明，可通過將要形成電池外殼材料的各種材料層切成小片然後將各層疊加在一起來進行另一種產生圖形化的薄片的方法。這樣導電層13的內部和外部接觸表面可被暴露，適於建立電池接觸。這樣製造的外殼材料可被進一步加工，例如將電極活性材料澱積到為澱積而形成的區域上，並引入組裝電池所要求或需要的其它電池部件，如隔板或其它層。
在如圖5和圖6所示的另一個實施例中，柔性電池的至少一個外部接觸21是通過將導電層13的一部分延伸到電池的密封邊17之外並將延伸在電池的密封邊17外的導電層13的一部分暴露到外部環境形成的。形成外部接觸21的導電層13的暴露部分優選包括導電層13的單個表面13a。該表面可以是但不必須是與密封邊17內的電極電接觸的導電層13的表面13b。在該實施例中，如圖5和6所示，暴露到外部環境而形成外部接觸21的表面13a也是與電極材料電接觸的表面13b，使封裝材料的下層延伸超過密封邊17，從而為外部接觸21提供支撐。或者，可通過暴露導電層13的相對表面的至少一部分(未示出)，或通過暴露導電層13的兩個相對表面的至少一部分(未示出)來形成接觸21。在不偏離本發明的範圍的情況下，可用這些結構中的任何一種形成陽極和陰極的接觸。
在本發明的另一個方面，可實行根據上述公開的另一個實施例的電池包裝材料的連續製造方法。如圖7和8所示，導電層13的連續薄片在導電層13連續薄片的一個表面上連續塗敷一層保護性聚合物15，而在相對表面上選擇性塗敷一層熱敏或壓力敏感粘接劑11。通過選擇塗敷熱敏或壓力敏感粘接劑11以形成可用於澱積電極材料的區域(圖8中表示為區域B)和用作外部接觸表面的第二區域，圖8中表示為區域A，從而形成被暴露的外部和內部接觸表面13a和13b。該方法還有一個優點就是只需要在封裝材料薄片的單個表面上進行選擇塗敷工藝，因為本發明的電池封裝裝隨後可通過將切割自兩個薄片或相同薄片的片適當接合而形成。薄片的進一步加工可包括澱積電極材料到為澱積而形成的區域上，以及引入其它層，如電池組件或其一部分希望或要求的隔板或其它中間層。
在本發明的又一個實施例中，形成電池的陽極和陰極外部接觸表面，從而使接觸表面分別朝向同一方向，使這種交互的且具有潛在優勢的設計和定位為與電池接觸相一致的器件接觸創造條件。在本實施例中，如圖9和10所示，製造電池外殼或封裝材料的第一薄片用於一個電極外部接觸25；製造第二薄片用於另一個電極外部接觸27。第一薄片可以如圖7和圖8所示，而第二薄片如圖11和12所示。在本實施例中，如圖7和圖8所示，第一薄片的外部暴露接觸表面13b是和內部接觸表面13a相同的表面。但是，在第二薄片中，外部暴露的接觸表面13b和該薄片的內部接觸表面13a相對。優選在和暴露的外部接觸面13a相對的導電層13的表面上澱積保護性材料29。
本發明的電池或電池組的陽極電極和陰極電極優選通過將電極活性材料直接粘接到導電層的一個暴露表面形成，該導電層也作為電池外殼或封裝材料。電極活性材料被粘接到被暴露的導電錶面上，在該導電錶面上或通過去除預定位置處的覆蓋層材料或選擇性塗敷覆蓋層材料到導電材料的表面上建立覆蓋層的不連續性。電極活性材料可以是印刷到已暴露的導電錶面上的可印墨水形式。或者，活性材料是滾塗到已被選擇性暴露的導電錶面上的漿料形式。或者，活性材料可以是熔化形式並適當地分散到導電錶面上。或者活性材料可以以膏狀施加到導電錶面。或者，活性材料還可以以固態箔的形式通過冷焊、超聲波焊、導電粘接劑等粘接到導電錶面。如上所述活性材料澱積到導電層13的導電內表面上後，接著進行加壓步驟，以增強活性材料到導電錶面的粘附力，增加活性材料的密度，或獲得其它有益性能。技術人員應該明白多種材料和方法可用來在電極活性材料和已被選擇性暴露的導電錶面之間形成導電接觸。
實例1電極組件由陽極、陰極和隔板構成。陰極由組合成漿料並立即被滾塗到鋁箔的兩側上的黃鐵礦，導體和結合劑構成，形成37mm×39.5mm×.17mm的平板。陽極由38mm×38mm×.152mm鋰箔片構成。退火的鎳接片一端被冷焊到鋰箔上。然後圍繞組合的鋰箔和鎳接片組件加熱密封Celgard 2400隔板，留下一部分鎳接片伸到隔板密封邊外。取一片從Pharma Center Shelbyville公司購買的產品牌號為95014的疊片形成內部陽極接觸，並有選擇地去除一部分熱密封層以使鋁層的內表面暴露。使鎳接片的伸出端與被暴露的鋁表面直接接觸，從而建立內部陽極接觸。取第二片上述疊片並有選擇地去除一部分熱密封層以暴露鋁層內表面形成內部陰極接觸。然後使上述陰極條和該暴露的鋁表面直接接觸，從而建立內部陰極接觸。通過有選擇地去除每片上的一部分保護性聚合物層使導致外部接觸埠的鋁層相對外表面暴露而形成外部陽極和陰極接觸。
電極和隔板以及兩片疊片通過沿一部分邊緣加熱密封被連接在一起，形成一個開口電池袋。將一克包含9.14wt.％LiI(碘化鋰)，63.05wt.％DIOX，27.63wt.％DME和.18wt.％DMI的適當非水電解質導入袋中，其中DIOX是1，3-二氧戊環，DME是1，2-二甲氧基乙烷，而DMI是3，5-二甲基異惡唑(dimethylisoxazole)。然後將袋口加熱密封。外部陽極和陰極接觸位於袋的密封邊內。對袋裝電池的主要表面加壓以確保所有電池元件的良好接觸。然後將外部接觸連接負載，使電池在連續7mA的引流下放電至.9伏特。在導電材料不需要穿過密封區由袋內到達袋外的情況下，可獲得66％的放電效率。
實例2將陽極、陰極、隔板和相關內部接片如實例1組裝在一起。如實例1中一樣，用於陽極和陰極的內部接觸由兩片不同的疊片形成。如實例1。通過將兩片分開的片加熱密封在一起形成裝有電池元件的開口袋，並將電解質引入開口袋中。然後將袋中開口加熱密封。在每片疊片伸到袋密封邊之外的部分上形成外部陽極和陰極接觸。有選擇地去除保護性聚合物層或可加熱密封聚合物層或二者的材料，以暴露疊片的導電鋁層的一個或兩個表面。施加壓力到袋裝電池的主表面以確保所有電池元件之間的良好接觸。然後將外部接觸連接到負載，使電池在連續7mA的引流下放電至.9伏特。在導電材料不需要穿過密封區域由袋內到達袋外的情況下，可獲得72％的放電效率。
雖然上面只描述了本發明的幾個實施例，但應該明白可以做許多修改而不背離本發明的宗旨和範圍。例如，雖然前面有關薄的、更優選的是柔性的電池的討論主要針對耦合到單個陰極的單個陽極進行的，但本領域技術人員知道，在電池內可以組裝任意數量的陽極和陰極對，或並聯或串聯，或既有並聯又有串聯，而不背離本發明的範圍。
權利要求
1.一種電池，包含陽極電極、陰極電極、電解質、至少一個外部電極接觸和沿至少一部分電池周邊密封的電池殼，所述電池殼包含導電材料，所述外部電極接觸由所述導電材料形成。
2.權利要求1的電池，其中電池殼進一步包括可密封材料。
3.權利要求2的電池，其中電池殼進一步包括保護性聚合物材料。
4.權利要求3的電池，其中可密封材料和導電材料以及保護性聚合物材料是鬆散材料。
5.權利要求4的電池，其中電池殼為疊片，所述疊片包含所述可密封材料的第一層，所述保護性聚合物材料的第二層，以及位於所述第一和第二層之間的一層導電材料。
6.權利要求5的電池，其中所述第一和第二層中至少一層是不連續的。
7.權利要求6的電池，其中第一層在所述電池密封邊內的一位置處是不連續的，從而暴露所述導電材料的第一表面，並且其中被暴露的第一表面的至少一部分與一電極電接觸。
8.權利要求7的電池，其中第二層在所述電池密封邊內的一位置處是不連續的，從而暴露導電材料的第二表面，並且被暴露的第二表面的至少一部分形成外部接觸。
9.權利要求7的電池，其中第一層在電池的密封邊外的一位置處也是不連續的，從而還暴露所述導電材料在密封邊外的第一表面，並且密封邊緣外的被暴露的第一表面的至少一部分形成外部接觸。
10.權利要求7的電池，其中第二層在所述電池的密封邊外的一位置處是不連續的，從而暴露所述導電材料的第二表面，密封邊外的被暴露的第二表面的至少一部分形成外部接觸。
11.權利要求8的電池，其中通過從所述導電材料的第一表面去除一部分密封材料形成第一層中的不連續性；並通過從所述導電材料的第二表面去除一部分保護性聚合物材料形成第二層中的不連續性。
12.權利要求8的電池，其中通過將密封材料有選擇地澱積到所述導電材料的第一表面上而形成第一層中的不連續性；並通過將保護性聚合物材料有選擇地澱積到所述導電材料的第二表面上而形成第二層中的不連續性。
13.權利要求9的電池，其中通過從所述導電材料的第一表面去除密封材料形成第一層中的不連續性。
14.權利要求9的電池，其中通過將密封材料有選擇地澱積到所述導電材料的第一表面上而形成第一層中的不連續性。
15.權利要求10的電池，其中通過從所述導電材料的第一表面去除一部分密封材料形成第一層中的不連續性；並通過從所述導電材料的第二表面去除一部分保護性聚合物材料形成第二層中的不連續性。
16.權利要求10的電池，其中通過將密封材料有選擇地澱積到所述導電材料的第一表面上而形成第一層中的不連續性；並通過將保護性聚合物材料有選擇地澱積到所述導電材料的第二表面上而形成第二層中的不連續性。
17.權利要求12的電池，其中，密封材料的選擇性澱積和保護性聚合物材料的選擇性澱積通過將密封材料印刷到導電層的第一表面上以及將保護性聚合物材料印刷到導電層的第二表面上來實現。
18.權利要求14的電池，其中通過將密封材料印刷到導電層的第一表面上實現密封材料的選擇性澱積。
19.權利要求16的電池，其中密封材料的選擇性澱積和保護性聚合物材料的選擇性澱積通過將密封材料印刷到導電層的第一表面上以及將保護性聚合物材料印刷到導電層的第二表面上來實現。
20.權利要求7的電池，其中電極和導電材料表面之間的電接觸通過將活性電極材料印刷到導電層的暴露表面上實現。
21.一種組裝電池的方法，包含以下步驟提供包含導電材料和可密封材料的封裝材料，暴露導電材料第一表面的一部分；暴露導電材料第二表面的一部分，將陽極、陰極和電解質包圍在封裝材料中，提供電極和第一表面間的電接觸，並沿周邊密封封裝材料以使所述第二表面在電池外部。
22.權利要求21的方法，其中暴露導電材料的第一和第二表面的一部分的所述步驟包括從導電材料表面去除覆蓋材料。
23.權利要求21的方法，其中暴露導電材料的第一和第二表面的一部分的所述步驟包括在導電材料的表面上有選擇地塗敷覆蓋材料。
全文摘要
包括陽極(3)、陰極(5)和隔板(7)的無接片電池容納在密封封裝(9)中。電池的封裝材料包含導電材料(13)、保護性聚合物材料(15)和密封材料(11)。導電材料內表面的至少一部分被暴露，以在至少一個電極和導電材料之間形成內部接觸。導電材料的外表面的至少一部分也被暴露，以形成電極和器件之間的外部接觸。
文檔編號H01M10/40GK1557029SQ02818439
公開日2004年12月22日 申請日期2002年9月20日 優先權日2001年9月21日
發明者R·蘭甘, F·費德裡克斯, R 蘭甘, 呂錕慫 申請人:永備電池有限公司