一种柔性可折叠锂离子电池，其具有180度的操作弯曲半径而不会造成电力供应的中断。该锂离子电池包括孔隙率为大约70％至大约90％的高弹性海绵隔膜。该隔膜是基于聚合物的纤维毡，该纤维毡具有亚微米级直径的纤维。该海绵隔膜具有在大约5微米至大约50微米的范围内的厚度、大约100s/100ml至大约300s/100ml的透气度、大约350N至大约950N的抗穿刺度。第一电极和第二电极设置在该海绵隔膜的任一面上并且包括位于薄金属集电体上的活性材料。该海绵隔膜吸收有液体电解质。该电池可自身折叠而不造成电力损失。
【技术实现步骤摘要】
柔性可折叠锂离子电池相关申请的交叉引用本申请要求2017年4月10日提交的美国临时专利申请第62/602,010号以及2018年3月19日提交的美国非临时专利申请第15/924,999号的优先权，上述美国专利申请的公开内容通过引用并入本文。
本专利技术涉及柔性可再充电电池，并且更具体地涉及即使在折叠时也保持可操作的柔性锂离子电池，即它们具有180度的操作弯曲半径。
技术介绍
便携式电子设备的日益增长的使用对于为便携式设备供电的电池的制造商提出了挑战。特别是可穿戴电子设备需要薄且轻的电池以确保佩戴者的舒适性和安全性。随着可穿戴电子设备呈现更复杂的形状，需要能够与佩戴者身体一起弯曲和屈挠的电池。各种柔性电池已被描述。然而，这些电池倾向于包括各种刚性或脆性组分例如陶瓷隔膜，这类组分限制了这些电池可能弯曲的程度。因此，整个电池不可能做到在大幅变形或修改形状的情况下不损失电池的操作性能。因此，现有的柔性电池可能只能提供有限的弯曲度，例如允许的弯曲度只够形成手镯构造。这种电池不可折叠，也就是说，它们不具有180度的操作弯曲半径。
技术实现思路
因此，本专利技术提供一种柔性可折叠锂离子电池。该锂离子电池包括具有大约80%至大约90%的孔隙度的高弹性海绵隔膜。该隔膜是基于聚合物的纤维毡(fibermat)，其具有亚微米级直径的纤维。该海绵隔膜具有在大约5微米至大约50微米的范围内的厚度、大约100s/100ml至大约300s/100ml的透气度和大约350N至大约950N的抗穿刺度。第一电极设置在该海绵隔膜的第一面上并包括位于第一金属集电体的一面或两面上的第一活性材料，该第一金属集电体具有大约5微米至大约100微米的厚度。第二电极设置在该海绵隔膜的第二面并包括位于第二金属集电体的一面或两面上的第二活性材料，该第二金属集电体具有大约5微米至大约100微米的厚度。该海绵隔膜吸收有液体电解质。该可折叠电池具有最高180度的操作弯曲半径，而不会造成电力供应的中断。也就是说，该电池可自身折叠而不失去电力。附图说明图1示出根据一个实施方案的叠层电池结构。图2示出根据一个实施方案的卷芯电池结构。图3A和图3B示出海绵隔膜与现有技术的隔膜的结构对比。图4是用于专利技术实施方式的电池的高弹性海绵隔膜与一种具有相同应变率的市售隔膜的应力-应变曲线（线性部分）的比较。图5A示出本专利技术电池的电池循环，图5B示出市售隔膜电池的电池循环。图6A示出所公开的电池在折叠之前的开路电压，图6B示出折叠时的开路电压。图7A和图7B示出用于进行弯曲疲劳测试的装置。图8示出1000次弯曲循环的容量。图9A示出通过一把金属剪刀切割电池之前的电压水平，图9B示出切割电池时的电压，图9C示出切割电池后的电压。图10A示出本公开的电池在钉子穿刺前的开路电压，图10B示出钉子穿刺时的电压，图10C示出钉子穿刺后的电压。具体实施方式A.电池结构和组成图1示意性地示出根据本公开的一个方面的柔性可折叠锂离子电池的一部分的截面。本公开的所有电池具有180度的操作弯曲半径。本文使用的术语“操作弯曲半径”是指电池可以弯曲到仍然能产生电力而不造成操作中断的弯曲程度。180度的操作弯曲半径意味着电池可以完全自身折叠，同时仍然产生电力。在图1中，元件5表示包括第一集电体521、第二集电体531和隔膜51的电池(battery)的电池单元(singlecell)。第一集电体521可以选自金属，如铝。铝可以是具有大约5微米至大约100微米的厚度的片材。活性材料522可以涂覆在铝片的一面或两面上以形成阴极。活性材料可以选自例如LiCoO2、LiMn2O4、Li2MnO3、LiNiMnCoO2、LiNiCoAlO2、LiFePO4或LiNi0.5Mn1.5O4，但是也可以使用其它活性材料及其混合物。第二集电体可以选自金属，如铜。铜可以是具有大约5微米至大约100微米的厚度的片材。活性材料532可以涂覆在铜片的一面或两面上以形成阳极。用于阳极的活性材料包括碳基活性材料，如石墨、碳纳米管、石墨烯、硅、硅/碳复合材料、锗、锡、金属氧化物、金属氢化物及它们的混合物。隔膜51位于集电体之间，防止集电体相互接触。隔膜51是高度多孔的高弹性聚合物纤维毡海绵，不管电池弯曲、折叠、切割或异物刺入，该海绵的回弹力都足以维持集电体521和531的分离。本文所用的术语“海绵”是指在保留液体的同时又能保持回弹力的多孔性、吸收性且弹性的结构。海绵在变形后恢复到其原来的形状。即，只要保持外力，就可以将海绵挤压到更小的区域中；一旦外力消除，海绵就恢复其原来的形状和体积。该隔膜作为海绵，能牢固地保持液体电解质，但是当电池外壳被刺穿或切割时，该隔膜也保持充分的吸收能力以将液体电解质保持在无泄漏状态，从而防止有害电解质的逸出。此外，海绵隔膜的回弹力能使电极在机械伤害（例如切割和穿刺）之后返回到其适当的分开的位置，从而使整体结构具有自恢复特性。本文使用的术语“自恢复”是指这样一种电池结构，该电池结构可以在机械伤害之后返回到其原始配置，使得在机械伤害引起的电力中断之后电力继续产生。海绵隔膜由于其海绵特性而能恢复到原来的形状和体积，从而使整个电池结构能够自恢复。电池中使用的电解质可以包括一种或多种有机溶剂，例如碳酸亚乙酯、碳酸二甲酯和碳酸二乙酯中的一者或多者。溶于溶剂中的是一种或多种锂盐，如LiPF6、LiBF4或LiClO4。通常基于被选择用于阴极和阳极的活性材料来调节电解质的组成。尽管图1示出的是基于组件堆层结构的电池的电池单元，但是可以形成组件的层并且将其卷成所谓的“卷芯”结构，如图2所示。在图2中，隔膜层51不仅位于每个“电池单元”层的阴极和阳极之间，而且还位于相邻电池单元层之间以防止电极之间短路，从而产生可自行恢复的整体有柔性且有回弹力的结构。海绵隔膜可以由亚微米级纤维的毡形成。在一个方面，纤维可以具有大约100nm至300nm之间的直径。孔隙率可以为约60％至约90％、平均孔径小于约1微米。具体地、亚微米级纤维可以由聚合物如聚偏氟乙烯（PVDF）、聚酰亚胺（PI）、聚酰胺（PA）、聚丙烯腈（PAN）、聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）、聚(偏氟乙烯-六氟丙烯)（PVDF-HFP）、（偏氟乙烯-三氟氯乙烯）共聚物（PVDF-co-CTFE）或其混合物制成。在另一个实施方案中，海绵隔膜可以是非织造聚合物纤维毡，其中聚合物纤维是第一聚合物材料和第二聚合物材料的复合材料。第一聚合物材料可以包括聚（偏氟乙烯）（PVDF）、聚酰亚胺（PI）、聚酰胺（PA）或聚丙烯腈（PAN）。第二聚合物材料可以包括聚乙二醇（PEG）、聚丙烯腈（PAN）、聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）、聚偏氟乙烯（PVDF）、聚(偏氟乙烯-六氟丙烯)（PVDF-HFP）或（偏氟乙烯-三氟氯乙烯）共聚物（PVDF-co-CTFE），其中第二聚合物材料不同于第一聚合物材料。第一和第二聚合物材料的重量比可以在约3:1至约1:1、更具体地约3:1至约2:1、更具体地约3:1至约3:2的范围内，并且更具体地是约3:1。PVDF由于其优异的耐化学性和良好的热稳定性而被广泛用于制造超滤膜和微滤膜。纯PVDF聚合物具有较高的熔点和结晶度，并具有良好的机械性能。然而，它仅可溶于有限种类的溶剂本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种柔性可折叠锂离子电池，其具有自恢复能力，其特征在于，包括：具有大约70%至大约90%的孔隙度的高弹性海绵隔膜，所述海绵隔膜包括非织造聚合物纤维毡，所述纤维具有亚微米级直径，所述海绵隔膜具有在大约5微米至大约50微米的范围内的厚度、大约100s/100ml至大约300s/100ml的透气度、大约350N至大约950N的抗穿刺度，所述海绵隔膜在被外力变形后恢复其原始的形状和体积；设置在所述海绵隔膜的第一面上的第一电极，所述第一电极包括具有大约5微米至大约100微米的厚度的第一集电体且包括位于所述第一集电体的一面或两面上的第一活性材料，所述第一活性材料包括锂；设置在所述海绵隔膜的第二面上的第二电极，所述第二电极包括具有大约5微米至大约100微米的厚度的第二集电体且包括位于所述第二集电体的一面或两面上的第二活性材料；被所述海绵隔膜吸收的液体电解质；其中所述电池具有最高180度的操作弯曲半径，而不会造成所述电池的电力供应中断。
【技术特征摘要】
2017.04.10 US 62/602010;2018.03.19 US 15/9242991.一种柔性可折叠锂离子电池，其具有自恢复能力，其特征在于，包括：具有大约70%至大约90%的孔隙度的高弹性海绵隔膜，所述海绵隔膜包括非织造聚合物纤维毡，所述纤维具有亚微米级直径，所述海绵隔膜具有在大约5微米至大约50微米的范围内的厚度、大约100s/100ml至大约300s/100ml的透气度、大约350N至大约950N的抗穿刺度，所述海绵隔膜在被外力变形后恢复其原始的形状和体积；设置在所述海绵隔膜的第一面上的第一电极，所述第一电极包括具有大约5微米至大约100微米的厚度的第一集电体且包括位于所述第一集电体的一面或两面上的第一活性材料，所述第一活性材料包括锂；设置在所述海绵隔膜的第二面上的第二电极，所述第二电极包括具有大约5微米至大约100微米的厚度的第二集电体且包括位于所述第二集电体的一面或两面上的第二活性材料；被所述海绵隔膜吸收的液体电解质；其中所述电池具有最高180度的操作弯曲半径，而不会造成所述电池的电力供应中断。2.根据权利要求1所述的柔性可折叠锂离子电池，其特征在于，所述海绵隔膜的聚合物纤维包括聚偏氟乙烯。3.根据权利要求1所述的柔性可折叠锂离子电池，其特征在于，所述海绵隔膜的聚合物纤维包括聚偏氟乙烯和聚(偏氟乙烯-六氟丙烯)。4.根据权利要求1所述的柔性可折叠锂离子电池，其特征在于，所述纤维具有大约100nm至大约300nm之间的直径。5.根据权利要求1所述的柔性可折叠锂离子电池，其特征在于，所述第一集电体是铝，所述第二集电体是铜。6.根据权利要求1所述的柔性可折叠锂离子电池，其特征在于...
【专利技术属性】
技术研发人员：刘晨敏，郭志豪，路胜博，
申请(专利权)人：纳米及先进材料研发院有限公司，
类型：发明
国别省市：中国香港,81
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