用于锂-离子电池的单元的可折叠柔性组装以及具有基于碳的导电材料的集电器制造技术

一种用于锂‑离子电池（200）的单元（100）的可折叠柔性组装，包括：‑包含电解质的隔板（11），‑位于隔板（11）的第一侧上的一系列n个物理地分离的负电极（13）和位于隔板（11）的第二侧上的一系列n个物理地分离的正电极（12）‑第一集电器（21），其包括连续地覆盖所述系列的负电极（13）以确保所有所述负电极（13）之间的电连接的层‑第二集电器（22），其包括连续地覆盖所述系列的正电极（12）以便确保所有所述正电极（12）之间的电连接的层。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于锂-离子电池的单元的可折叠柔性组装以及具有基于碳的导电材料的集电器
本专利技术涉及锂-离子电池，特别是薄的印刷锂-离子电池。其更具体地，涉及用于锂-离子电池的单元的可折叠柔性组装、包括单元的这种组装的锂-离子电池、用于锂-离子电池的集电器以及这种集电器的制造方法。锂-离子电池或Li-离子电池（通常缩写为LIB）是可再充电电池的一种类型，其中锂离子在放电期间从负电极移动到正电极，并且在充电时返回。与不可再充电锂电池相比，Li离子电池使用插入的锂化合物作为一种电极材料。允许离子移动的电解质和两个电极是锂-离子电池单元的组成部件。锂-离子电池在家用电子设备中是常见的。它们是用于便携式电子设备、电动工具、医疗装备的可再充电电池的最流行类型中的一种，其具有高能量密度、微小记忆效应和低自放电。对于较重的装备，诸如运输的两轮（自行车、摩托自行车）或四轮（电动或混合动力机动车辆）装置和车辆、军事和航空航天应用，并且现在还对于物联网（IoT）或电子可穿戴设备，LIB也变得流行。在那方面，递送适当能量密度的特定形式因子和基于轻重量的电池的需要不断增长。通常，柔性电池可用于期望电池应当能够变形或弯曲的所有应用中，例如为了填充混合动力或电动车中的空的空间或用于供应除了在刚性Li离子电池的所有常规应用中之外的柔性电子设备。常规的锂离子（Li离子）电池包括至少一个负电极（阳极）和至少一个正电极（阴极），在负电极和正电极之间存在固体电解质或浸渍有液体电解质的隔板。液体电解质例如由选择用于优化离子运输和离解的溶剂中的溶液中的锂盐组成。特别地，在锂-离子电池中，每个电极通常包括集电器（通常为金属基板），在该集电器上沉积包括相对于锂是活性的材料的复合材料、执行粘合剂（例如偏二氟乙烯（PVdF）共聚物）角色的聚合物、赋予电子导电性的试剂（例如炭黑）和溶剂。在电池的操作期间，锂离子从电极中的一个通过电解质传递到另一个。在电池放电期间，一定量的锂与来自电解质的正电极活性材料反应，并且等效的量从负电极活性材料引入到电解质中，因此锂浓度在电解质中保持恒定。锂到正电极中的插入通过经由外部电路从负电极供应电子来补偿。在充电期间，这些现象以相反的方式发生。柔性Li离子电池的操作与上述用于常规Li离子电池的操作相同。然而，为了获得柔性或可折叠电池，需要另外开发包括集电器的层，其不仅具有良好电性质而且在其中那些层的材料对基板具有强粘附性，这使得可能避免在弯曲电池之后出现这些材料/层的裂纹或甚至脱离。壳体的不存在给出软包单元和软包电池，存在最高的重量能量密度。然而，对于许多实际应用，当它们的荷电状态（SOC）水平高时，并且对于软包电池或软包单元是其部分的电池组的总体结构稳定性和机械保护而言，它们仍然需要外部容纳装置来防止膨胀。在那方面，那些电池使用柔韧的，即柔性封装或外部壳体。因此，本专利技术涉及以软包形式（即软的、平的和柔性的主体）的Li离子单元和电池。除了别的以外，这种类型的Li离子单元和电池大量地用于手机中；并且通常也被称为Li离子聚合物电池或锂聚合物电池。本专利技术还涉及一种用于这种Li离子电池的集电器，其由替代集电器箔的改进的复合材料制成，该复合材料形成易于在基板上可转移的材料，以用于集电器的简单制造方法。相关技术描述Choi，S.等人的《Shape-ReconfigurableAluminum-AirBatteries”，Adv.Funct.Mater.1702244（2017）文章存在了一种可变形的金属-空气电池，其中手风琴状配置与覆盖在其面之一上的纤维素基板一起使用，其中物理上分离的电极形成交替地正电极（阴极）和负电极（阳极）的一系列电极。在那种情况下，通过使用外电极连接多个铝-空气单元来应用电池组折叠概念。这样的配置在制造和组装方面相对复杂。US20160315352涉及使用刚性Origami（诸如Miura折叠）折叠的常规平面电池的制造，从而实现高度的拉伸和弯曲。如文献中已知的，电池的外层由于弯曲和拉伸应力而最暴露于损坏。在该文档中提出的折叠技术在该方向上不带来益处，并且不解决基于特定形式因子的电池的需要。WO2016092888涉及在多个薄或小尺寸的所有固态电池中划分的电池，所有固态电池安装在可折叠基板上，从而增加整个系统的折叠特性。在这种情况下，限制电池的外表面的潜在损坏，但是制造过程并且特别是封装步骤由于要制造多个单元而不是时间有效的。此外，在这种情况下，也不解决基于特定形式因子的电池的需要。CN104751938公开了一种用于基于乙基纤维素粘合剂和铝（Al）、银（Ag）导电颗粒的太阳能单元的导电浆料。即使使用Al和Ag作为导电颗粒也可以适用于电池应用，然而Ag的高成本和基于水的稳定Al油墨的生产中的技术挑战限制了所提及的用于大规模生产的材料的使用。CN102329538涉及基于乙基纤维素和炭黑（CB）颗粒的导电油墨：该导电油墨可以用作到锂离子电池的集电器上的导电层，以便增加该集电器和下一层之间的粘附力，并且还减少内部电阻，然而，该导电层不充当集电器，而是充当增加电池的总重量和制造步骤的数量的另外的层，这也不保证形式因子方面的自由度。JP2014199742公开了一种使用纳米原纤化纤维素作为增稠剂以便避免电极和集电器之间的分层的导电浆料。在这种情况下，纳米原纤化纤维素的使用限于用作负电极的涂层的加工，而不限于在充当集电器的导电油墨中的使用。其它现有技术文献报道了纤维素衍生物作为导电油墨配方中的关键组分的使用，参见来自Hoeng等人的文章“Useofnanocelluloseinprintedelectronics:areview”，Nanoscale8，13131-13154（2016）。而且，在来自Koga，H.等人的文章“Transparent,Conductive,andPrintableCompositesConsistingofTEMPO-OxidizedNanocelluloseandCarbonNanotube”，Biomacromolecules14，1160-1165（2013）中，报道了纳米原纤化纤维素在基于碳纳米管的油墨的合成中的使用，其适用于制造可适用于电子设备中的柔性导电膜。由Koga等人描述的导电油墨与集电器的可能形成不一致，这显著地是由于如所描述的油墨的非常低的粘度。本专利技术的目的是提出一种用于锂-离子电池的单元的可折叠柔性组装、用于锂-离子电池的集电器和锂-离子电池，还具有是已知解决方案的替代方案的相关联的制造方法。本专利技术的另一目的是提出一种用于锂-离子电池的单元的可折叠柔性组装、用于锂-离子电池的集电器和锂-离子电池，还具有避开或减轻已知解决方案的一个或多个缺点的相关联的制造方法。本专利技术的第一方面是提供一种解决方案，其中增加和最大化单元或电池的组装的每单位表面的能量密度。根据第一方面的本专利技术的另一个目的是提供一种解决方案，该解决方案不增加层的数量，即印刷层的数量，这意味着提供一种解决方案，其本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于锂-离子电池（200）的单元（100）的可折叠柔性组装，其包括：/n-隔板（11），所述隔板（11）由包含电解质的中心带形成，并且当以平坦配置时限定在第一端（11c）与第二端（11d）之间的纵向方向（X，X'），/n-一系列n个负电极（13），其位于所述隔板（11）的第一侧上并且沿所述纵向方向设置，相邻电极对的每个负电极（13）沿与所述纵向方向正交的负电极（13）分离线与所述相邻电极对的另一个负电极（13）物理地分离，其中n为等于或大于二的整数，/n-一系列n个正电极（12），其位于所述隔板（11）的第二侧上并且在纵向方向上设置，相邻电极对的每个正电极（12）沿与所述纵向方向正交的正电极（12）分离线与所述相邻电极对的另一个正电极（12）物理地分离，/n*其中每个负电极（13）对应于相对的正电极（12），/n*其中所述隔板（11）的一部分、位于所述隔板（11）的所述第一侧上的每个负电极（13）和位于所述隔板（11）的所述第二侧上的对应正电极（12）形成单独单元（40a、40b、40c），/n*其中每个所述正电极（12）分离线对应于相对的负电极（13）分离线，每个所述正电极（12）分离线（32）在两个相邻的单独单元（40a、40b、40c）之间利用所述对应的相对负电极（13）分离线（33）形成折叠区（30），/n-第一集电器（21），其包括连续地覆盖所述一系列负电极（13）以便确保所有所述负电极（13）之间的电连接的层/n-第二集电器（22），其包括连续地覆盖所述一系列正电极（12）以便确保所有所述正电极（12）之间的电连接的层。/n...

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种用于锂-离子电池（200）的单元（100）的可折叠柔性组装，其包括：
-隔板（11），所述隔板（11）由包含电解质的中心带形成，并且当以平坦配置时限定在第一端（11c）与第二端（11d）之间的纵向方向（X，X'），
-一系列n个负电极（13），其位于所述隔板（11）的第一侧上并且沿所述纵向方向设置，相邻电极对的每个负电极（13）沿与所述纵向方向正交的负电极（13）分离线与所述相邻电极对的另一个负电极（13）物理地分离，其中n为等于或大于二的整数，
-一系列n个正电极（12），其位于所述隔板（11）的第二侧上并且在纵向方向上设置，相邻电极对的每个正电极（12）沿与所述纵向方向正交的正电极（12）分离线与所述相邻电极对的另一个正电极（12）物理地分离，
*其中每个负电极（13）对应于相对的正电极（12），
*其中所述隔板（11）的一部分、位于所述隔板（11）的所述第一侧上的每个负电极（13）和位于所述隔板（11）的所述第二侧上的对应正电极（12）形成单独单元（40a、40b、40c），
*其中每个所述正电极（12）分离线对应于相对的负电极（13）分离线，每个所述正电极（12）分离线（32）在两个相邻的单独单元（40a、40b、40c）之间利用所述对应的相对负电极（13）分离线（33）形成折叠区（30），
-第一集电器（21），其包括连续地覆盖所述一系列负电极（13）以便确保所有所述负电极（13）之间的电连接的层
-第二集电器（22），其包括连续地覆盖所述一系列正电极（12）以便确保所有所述正电极（12）之间的电连接的层。


2.根据权利要求1所述的单元（100）的组装，其中n是奇整数。


3.根据权利要求1或2所述的单元（100）的组装，其中所述一系列n个负电极（13）沿所述纵向方向（X.X'）以平行配置设置，并且其中所述一系列n个正电极（12）沿所述纵向方向（X.X'）以平行配置设置。


4.根据权利要求1、2或3所述的单元（100）的组装，其中所述第一集电器（21）和所述第二集电器（22）中的至少一个包括延伸超过所述一系列负电极或正电极的端部分。


5.根据权利要求1至4中任一项所述的单元（100）的组装，其中，当单元（100）的所述组装以平坦配置时，所述折叠区（30）沿所述纵向方向（X.X'）延伸一距离，所述距离的范围在所述单元（40a、40b、40c）沿所述纵向方向（X.X'）测量的宽度的25%至100%之间。


6.根据权利要求1至5中任一项所述的单元（100）的组装，其中形成所述第一和第二集电器（21、22）的所述层包括：
-至少两种导电材料，所述导电材料在以下材料之中：基于碳的材料和水溶性或水分散性导电聚合物，所述导电材料包括至少一种基于碳的材料并且具有相对于所述集电器（21、22）的总重量从约70至99.5每重量%的范围内的总量，
-至少一种粘合剂，所述粘合剂包含木质纤维素材料，所述木质纤维素材料选自由以下材料构成的分组：纤维素纤维、精制纤维素纤维、纤维素微纤丝或微纤维化纤维素（MFC）、纤维素纳米纤丝和木质素，其具有相对于所述集电器（21、22）的所述总重量从约0.5至30重量%的范围内的量。


7.根据权利要求6所述的单元（100）的组装，其中所述至少两种导电材料是基于碳的材料。


8.根据权利要求7所述的单元（100）的组装，其中所述至少两种导电材料至少包括炭黑和石墨粉末。


9.根据权利要求7所述的单元（100）的组装，其中所述至少两种导电材料包括炭黑。


10.根据权利要求9所述的单元（100）的组装，其中所述炭黑根据相对于固体颗粒的混合物的总重量从约2.5至5每重量%的范围内的总量来存在。


11.根据权利要求6至10中任一项所述的单元（100）的组装，其中所述至少两种导电材料包括石墨粉末。


12.根据权利要求11所述的单元（100）的组装，其中所述石墨粉末根据相对于所述集电器（21、22）的总重量高于90每重量%的总量来存在。


13.根据权利要求6至12中任一项所述的单元（100）的组装，其中所述至少一种粘合剂包括根据相对于所述集电器（21、22）的总重量范围从1至3每重量%的总量来存在的木质纤维素材料。


14.根据权利要求6至13中任一项所述的单元（100）的组装，还包括抗絮凝剂，所述抗絮凝剂包括根据相对于所述集电器（21、22）的总重量的范围从0.5至5每重量%的总量来存在的木质纤维素材料。


15.根据权利要求14所述的单元（100）的组装，其中所述抗絮凝剂是羧甲基纤维素（CMC），并且所述粘合剂是微纤化纤维素（MFC）。


16.一种锂-离子电池（200），其包括根据权利要求1至15中任一项所述的单元（100）的组装，所述单元（100）的组装像手风琴一样在由对应的正电极（12）分离线（32）和负电极（13）分离线（33）对形成的至少一个折叠线周围折叠，其中每个折叠包含至少一个单独单元（40a、40b，40c），其中其还包括柔性外覆盖物（110），所述柔性外覆盖物（110）限定包含单元（100）的所述手风琴状折叠组装的内部空间（118）。


17.根据权利要求16所述的锂离子-电池（200），其中每个折叠包含单个单独单元（40a、40b、40c）。


18.根据权利要求16至17中任一项所述的锂-离子电池（200），其中所述柔性外覆盖物（110）包括两个相邻的片状物，所述两个相邻的片状物相对于彼此可折叠以形成沿其相应边缘彼此附接的两个相对的外壁，由此限定用于单元（100）的所述组装的所述内部空间（118）。


19.根据权利要求18所述的锂-离子电池（200），其中包含在所述内部空间（118）中的单元（100）的所述组装在与所述外覆盖物（110）的所述两个相对的外壁正交的方向上被压缩。


20.根据权利要求18或19所述的锂-离子电池（200），其中所述内部空间（118）是气密密封的。


21.根据权利要求16至20中任一项所述的锂-离子电池（200），其中所述柔性外覆盖物（110）的至少一个片状物的内面被电连接器的内部部分覆盖，所述电连接器与单元（100）的所述组装的所述第一集电器（21）或所述第二集电器（22）电连接。


22.根据权利要求21所述的锂-离子电池（200），其中所述电连接器包括延伸超过所述内部空间（118）的极限以便形成连接凸片的外部部分。


23.根据权利要求16至22中任一项所述的锂-离子电池（200），其中所述锂-离子电池（200）的厚度包括在100微米和10毫米之间。


24.集电器（21、22），包括：
-至少两种导电材料，所述导电材料在以下材料之中：基于碳的材料和水溶性或水分散性导电聚合...

【专利技术属性】
技术研发人员：O厄尔巴拉戴，A莫斯塔西奥，S弗里克，C波斯哈德，
申请(专利权)人：瑞士CSEM电子显微技术研发中心，
类型：发明
国别省市：瑞士;CH