高能量密度可变形电池制造技术

公开了一种能量存储设备，其包括具有两个或更多个刚性能量存储单元和将相邻的刚性能量存储单元分开的导电柔性部件的轴向结构。刚性能量存储单元包括多个折叠层，包括阳极层、阴极层、第一集电体层、第二集电体层、一个或多个分隔物层以及一个或多个带层。通过在沿着轴向结构的多个位置处将多个层一次或多次折叠到其自身上来产生相邻的刚性能量存储单元。然后将轴向结构与电解质材料一起密封在镀铝壳体中。凭借通过柔性部件连接的折叠的刚性能量存储段，该能量存储设备表现出高能量密度、高可折叠性和出色的电化学性能。导电柔性部件以与脊柱中椎骨之间的软骨髓类似的方式起作用，从而提供出色的整体柔性。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】高能量密度可变形电池相关申请的交叉引用本申请要求于2018年3月9日提交的美国临时申请No.62/640,770；于2018年11月21日提交的No.62/770,395；于2018年11月28日提交的No.62/772,422；于2018年11月28日提交的No.62/772,432；以及于2018年11月30日提交的No.62/773,673的权益，这些申请通过引用并入，如同以其整体在本文中公开。关于联邦政府资助的研究或开发的声明本专利技术是在国家科学基金会授予的1420634政府资助下完成的。政府拥有本专利技术中的某些权利。
技术介绍
近年来，诸如智能手表之类的可穿戴电子产品的快速发展增加了对高性能、无缝兼容的柔性电池的需求。它们几乎可以用在生活的每个方面，诸如医疗保健、军事、显示器等等。当前的柔性电池设计不足以处理苛刻但常见的变形折叠同时仍维持商业电池所具有的高能量密度和具有成本效益的制造。另外，高性能可拉伸电池是可拉伸设备的关键部件。但是，同时具有高可拉伸性和高能量密度二者是挑战性的。可拉伸性对于医疗、感测、显示器和可穿戴设备极具吸引力，因为可拉伸设备可以顺应性地应用于人体和具有任意形状的其它表面。由于可拉伸电池可以与其它可拉伸部件无缝集成并提供稳定电力，因此非常期望可拉伸电池。锂离子电池(LIB)由于其高能量密度而在用于为电子设备供电方面具有吸引力，但是实现具有足够灵活性的可以同时维持高能量密度的LIB仍然是一项重大挑战。近年来，大量的精力投入开发可伸缩的LIB。已经论证了基于PDMS和其它可拉伸聚合物的设备，但它们的能量密度较低。屈曲碳结构(例如，碳纳米纤维、碳纳米管)也显示出了可拉伸性，但是对应的能量密度仍然不令人满意。
技术实现思路
本公开的一些实施例针对一种可变形的能量存储设备，即使在变形期间，该能量存储设备也仍然提供与商业电池相当的稳定电力。在一些实施例中，该能量存储设备包括轴向结构，该轴向结构包括两个或更多个刚性能量存储单元。在一些实施例中，刚性能量存储单元包括多个折叠层。在一些实施例中，多个折叠层包括阳极层、阴极层、第一集电体(currentcollector)层、第二集电体层和一个或多个分隔物(separator)层。在一些实施例中，能量存储设备包括包围两个或更多个刚性能量存储单元的壳体以及在该壳体内的电解质材料。在一些实施例中，壳体包括镀铝袋。在一些实施例中，一个或多个分隔物层包括聚乙烯、聚丙烯或其组合。在一些实施例中，阳极层包括石墨。在一些实施例中，第一集电体层部署在阳极层上方。在一些实施例中，第一集电体层包括铜。在一些实施例中，第一分隔物层部署在阳极层和阴极层之间。在一些实施方式中，第二集电体层部署在阴极层和第二分隔物层之间。在一些实施例中，第二集电体层包括铝。在一些实施例中，阴极层包括锂。在一些实施例中，能量存储设备包括将相邻的刚性能量存储单元分开的导电柔性部件。在一些实施例中，导电柔性部件包括带层。在一些实施例中，导电柔性部件包括部署在两个带层之间的金属层。在一些实施例中，能量存储设备包括轴向骨干(backbone)，并且多个折叠层围绕骨干至少缠绕一次。在一些实施例中，两个或更多个刚性能量存储单元包括折叠到彼此上的多个层，使得能量存储设备采用大致之字形的构造。在一些实施例中，导电柔性部件包括一个或多个折叠部，从而使得导电柔性部件能够从第一长度延伸到第二长度。在一些实施例中，能量存储设备被构造为使得L/a在0.30和1.0之间，其中L是导电柔性部件的长度，并且a是与导电柔性部件相邻的刚性能量存储单元的能量存储长度。本公开的一些实施例针对一种制造能量存储设备的方法。在一些实施例中，该方法包括形成包括多个层的轴向结构。在一些实施例中，该方法包括在第一位置处将多个层一次或多次折叠到其自身上，以产生刚性能量存储单元和相邻的导电柔性部件。在一些实施例中，该方法包括在附加的位置处将层一次或多次折叠到其自身上，以产生具有相邻的柔性部件的附加的刚性能量存储单元。在一些实施例中，该方法包括将轴向结构密封在镀铝壳体中。本公开的一些实施例针对一种制造能量存储设备的方法。在一些实施例中，该方法包括提供包括第一电极层和第二电极层的轴向结构。在一些实施例中，该方法包括切割轴向结构以产生从轴向骨干延伸的多个分支。在一些实施例中，该方法包括围绕轴向骨干缠绕多个分支，以提供两个或更多个刚性能量存储单元以及将相邻的刚性能量存储单元分开的导电柔性部件。在一些实施例中，该方法包括用带层在导电可拉伸部件处层压轴向骨干。在一些实施例中，该方法包括将轴向结构密封在包括电解质材料的镀铝壳体中。附图说明附图示出了为了说明本专利技术的目的而公开的主题的实施例。但是，应当理解的是，本申请不限于附图中所示的精确布置和手段，其中：图1A是根据本公开的一些实施例的高能量密度可变形电池的示意性表示；图1B是根据本公开的一些实施例的高能量密度可变形电池的示意性表示；图1C是根据本公开的一些实施例的高能量密度可变形电池的示意性表示；图2A是根据本公开的一些实施例的高能量密度可变形电池的示意性表示；图2B是根据本公开的一些实施例的高能量密度可变形电池的示意性表示；图2C是根据本公开的一些实施例的高能量密度可变形电池的示意性表示；图2D是根据本公开的一些实施例的高能量密度可变形电池的示意性表示；图3是根据本公开的一些实施例的高能量密度可变形电池的示意性表示；图4是根据本公开的一些实施例的用于制造高能量密度可变形电池的方法的图表；图5是根据本公开的一些实施例的用于制造高能量密度可变形电池的方法的图表；以及图5是根据本公开的一些实施例的处于变形的高能量密度可变形电池的图像。具体实施方式现在参考图1A，所公开的主题的一些方面包括具有轴向结构102的能量存储设备100。在一些实施例中，能量存储装置100包括沿着轴向结构102布置的两个或更多个刚性能量存储单元104。在一些实施例中，能量存储装置100包括多个能量存储单元104。在一些实施例中，导电柔性部件106将相邻的刚性能量存储单元104分开。现在参考图1B，在一些实施例中，能量存储设备100被构造为使得L/a在0.30和1.0之间，其中L是导电柔性部件106的长度，并且a是与导电柔性部件相邻的刚性能量存储单元104的能量存储长度。现在参考图1C，在一些实施例中，轴向结构102包括多个层108。在一些实施例中，多个层包括阳极层110、阴极层112、第一集电体层114、第二集电体层116、一个或多个分隔物层118、一个或多个带层120或其组合。在一些实施例中，阳极层110包括石墨。在一些实施例中，第一集电体层114部署在阳极层110上方。在一些实施例中，第一集电体层114包括铜。在一些实施例中，第一分隔物层118A部署在阳极层110和阴极层112之间。在一些实施例中，阴极层112包括锂。在一些实施例中，阴极层112由锂金属、锂化合物或化学上相本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种能量存储设备，包括：/n轴向结构，包括包含多个折叠层的两个或更多个刚性能量存储单元；以及/n导电柔性部件，将相邻的刚性能量存储单元分开。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20180309 US 62/640,770;20181121 US 62/770,395;20181.一种能量存储设备，包括：
轴向结构，包括包含多个折叠层的两个或更多个刚性能量存储单元；以及
导电柔性部件，将相邻的刚性能量存储单元分开。


2.如权利要求1所述的设备，其中，所述多个折叠层包括阳极层、阴极层、第一集电体层、第二集电体层和一个或多个分隔物层。


3.如权利要求2所述的设备，其中：
所述阳极层包括石墨；
所述第一集电体层部署在所述阳极层上方，所述第一集电体层包括铜；
第一分隔物层部署在所述阳极层和所述阴极层之间；
第二集电体层部署在所述阴极层和第二分隔物层之间，其中，所述第二集电体层包括铝；以及
所述阴极层包括锂。


4.如权利要求2所述的设备，其中，所述一个或多个分隔物层包括聚乙烯、聚丙烯或其组合。


5.如权利要求1所述的设备，还包括包围所述两个或更多个刚性能量存储单元的壳体，以及在所述壳体内的电解质材料。


6.如权利要求5所述的设备，其中，所述壳体包括镀铝袋。


7.如权利要求1所述的设备，其中，所述设备包括轴向骨干，并且所述多个折叠层围绕骨干缠绕至少一次。


8.如权利要求1所述的设备，其中，所述两个或更多个刚性能量存储单元包括折叠到彼此上的多个层，使得所述能量存储设备采用大致之字形构造。


9.如权利要求1所述的设备，其中，所述导电柔性部件包括一个或多个折叠部，从而使得所述导电柔性部件能够从第一长度拉伸到第二长度。


10.如权利要求9所述的设备，其中，所述设备被构造为使得L/a在0.30与1.0之间，其中，L是所述导电柔性部件的长度，并且a是与所述导电柔性部件相邻的刚性能量存储单元的能量存储长度。


11.如权利要求1所述的设备，其中，所述导电柔性部件包括带层。


12.如权利要求11所述的设备，其中，所述导电柔性部件包括部署在两个带层之间的金属层。


13.一种制造能量存储设备的方法，包括：...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨远，钱果裕，陈曦，廖湘标，石昌民，王天洋，
申请(专利权)人：纽约市哥伦比亚大学理事会，
类型：发明
国别省市：美国;US