接触元件处封装系统增强的电池技术方案

本发明专利技术涉及电池，特别是包括新型封装系统的薄膜电池。的薄膜电池。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】接触元件处封装系统增强的电池


[0001]本专利技术涉及电池，特别是薄膜电池，更具体地说，涉及保护电池的封装系统。本专利技术提出了一种新颖的封装系统，可以更有效地保护接触元件附近的电池区域。更具体地说，本专利技术涉及可以以这种方式封装的锂离子电池领域。本专利技术还涉及一种制造薄膜电池的新方法，所述薄膜电池具有新颖的结构和封装，使它们具有特别低的自放电率和更长的使用寿命。

技术介绍

[0002]由于氧气和水分会导致电池性能下降，因此，为了具有较长的使用寿命，某些类型的电池，特别是某些类型的薄膜电池需要进行封装。特别是锂离子电池对水分非常敏感。市场要求产品的使用寿命在10年以上；因此，必须提供封装以确保达到这种寿命要求。
[0003]薄膜锂离子电池是包括电极和电解质层的厚度通常是大约1μm至大约10μm的多层堆叠。它们可以包括多个单元电池的堆叠。这些电池被认为对自放电很敏感。根据电极的位置，特别是与多层电池电极边缘的距离远近和切口的清洁度，可能在端部出现漏电流，即导致电池性能下降的爬电短路。如果电解质膜很薄，这种现象会加剧。
[0004]这些固态薄膜锂离子电池通常使用具有锂金属层的阳极。在电池的充电和放电循环期间，可以看到阳极材料的体积明显变化。更具体地说，在充电和放电循环过程中，部分锂金属转化为锂离子，锂离子嵌入到阴极材料的结构中，伴随阳极体积减小。这种体积的周期性变化会使电极和电解质层之间的机械和电气接触变差。这会降低电池在其使用寿命期间的性能。
[0005]阳极材料体积的周期性变化也会引起单元电池体积的周期性变化。因此，它会在封装系统上产生周期性应力，这容易引发裂缝，从而导致封装系统丧失不渗透性(或甚至丧失完整性)。这种现象是电池在其寿命期间性能降低的又一个原因。
[0006]更具体地说，锂离子电池的活性材料对空气，特别是水分，非常敏感。移动的锂离子与痕量水自发反应形成LiOH，导致电池的日历老化。所有锂离子导电电解质和插入材料均不与水分反应。例如，Li4Ti5O
12
在与大气或微量水接触时性能不会下降。相比之下，一旦以Li
4+x
Ti5O
12
(其中x>0)形式填充锂，插入的剩余锂(x)对大气比较敏感，并与微量水自发反应形成LiOH。因此，反应后的锂不再可用于储存电力，导致电池容量损失。
[0007]为了防止锂离子电池的活性材料接触空气和水，并防止此类老化，必须使用封装系统对其进行保护。文献中描述了许多薄膜电池的封装系统。
[0008]美国专利文献No.2002/0071989描述了一种用于固态薄膜电池的封装系统，包括选自氧化铝(Al2O3)、二氧化硅(SiO2)、氮化硅(Si3N4)、碳化硅(SiC)、氧化钽(Ta2O5)和无定形碳的第一介电材料层、第二介电材料层和设置在第二层上并覆盖整个电池的不渗透密封层的堆叠。
[0009]美国专利文件No.5561004描述了多种保护薄膜锂离子电池的系统。第一种提出的系统包括覆盖沉积在电池活性组件上的铝膜的聚对二甲苯层。但是，这种防止空气和水蒸
气扩散的系统只能在大约一个月内有效。第二种提出的系统包括交替的聚对二甲苯层(500nm厚)和金属层(约50nm厚)。该文件指出，优选在这些电池上再涂一层紫外线固化(UV
‑
固化)的环氧树脂涂层，降低电池被大气因素降解的速度。
[0010]申请人还在国际专利文献WO 2019/215410中提出了旨在分别形成阳极和阴极接触元件的各层的示例。在第一示例中，第一薄层通过ALD沉积，并且特别是金属层。此外，提供了第二银填充环氧树脂层。在第二个示例中，第一层是石墨填充材料，而第二层包括从纳米粒子填充油墨获得的铜金属。
[0011]根据现有技术，大多数锂离子电池被封装在金属化聚合物箔(称为“袋”)中，所述箔围绕电池单元并在连接器极耳处热封。这些封装相对灵活，因此电池的正极和负极连接嵌入到用于密封电池周围封装的热封聚合物中。然而，聚合物箔之间的这种焊接并非完全不透大气气体，因为大气气体相对可透过热封电池的聚合物。渗透率随着温度的升高而增加，从而加速老化。
[0012]然而，这些暴露在大气中的焊缝的表面积仍然很小，其余的封装是由夹在这些聚合物箔之间的铝箔形成的。通常，将两个铝箔组合以最大限度地减少孔存在的影响，这些孔在这些铝箔中的每一个铝箔中构成缺陷。每条上出现两个缺陷对齐的概率大大降低。
[0013]这些封装技术保证了在正常使用条件下，表面积10x20cm2的10Ah电池的日历寿命约为10至15年。如果电池暴露在高温下，此寿命可以减少到不到5年，这对于许多应用来说是不够的。类似的技术可用于其他电子元件，例如电容器和有源元件。
[0014]因此，需要用于封装薄膜电池和其他电子元件的系统和方法，保护元件免受空气、水分和温度的影响。封装系统必须是不渗透和密封的，必须完全封装和覆盖部件或电池，并且还必须允许相反极性的电极边缘电隔离，以防止任何爬电短路。
[0015]本专利技术的一个目的是至少部分克服上文所述的现有技术的一些缺陷。
[0016]本专利技术的另一个目的是提供寿命非常长和自放电率低的锂离子电池。

技术实现思路

[0017]本专利技术所述的封装系统优选是刚性类型的。由于最初选择的材料，电池单元具有刚性且尺寸稳定。因此，根据本专利技术获得的封装系统是有效的。
[0018]本专利技术提供生产一种可以在和优选在真空中沉积的封装系统。
[0019]本专利技术所述的电池不含聚合物；但是，它们可以包含离子液体。更具体地说，它们是固态或“准固态”类型，在这种情况下，它们包括基于纳米限制离子液体的电解质。从电化学的角度来看，这种纳米限制的液体电解质表现得像液体，因为它为由此导电的阳离子提供良好的流动性。从结构的角度来看，这种纳米限制的液体电解质表现得不像液体，因为它仍然是纳米限制的，即使在真空和/或高温下处理也不再能够逸出。本专利技术所述包含纳米限制离子液体基电解质的电池因此可以进行真空处理和/或进行真空和高温处理对其进行封装。为了在封装前进行浸渍，可以通过切割暴露层的边缘；浸渍后，这些边缘通过电接触被封闭。本专利技术所述的方法也非常适用于覆盖介孔表面。
[0020]上述目的中的至少一个目的通过下文所述的本专利技术的至少一个目的实现。本专利技术提出的目的涉及所附权利要求所述的电池、其制造方法和能量消耗装置。
[0021]本专利技术的第一个目的是提供一种电池，包括：
[0022]‑
至少一个单元电池，所述单元电池依次包括阳极集电基板、阳极层、电解质材料层或浸渍电解质的隔离层、阴极层和阴极集电基板；
[0023]‑
封装系统，覆盖所述单元电池的至少部分外周，所述封装系统包括：
[0024]沉积在电池上的至少一个第一覆盖层(2)，优选选自聚对二甲苯、聚对二甲苯F、聚酰亚胺、环氧树脂、丙烯酸酯、含氟聚合物、硅树脂、聚酰胺、溶胶
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凝胶二氧化硅、有机二氧本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.电池，包括：
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至少一个单元电池，所述单元电池依次包括阳极集电基板、阳极层、电解质材料层或浸渍电解质的隔离层、阴极层和阴极集电基板；
‑
封装系统，覆盖所述单元电池的至少部分外周，所述封装系统包括：沉积在电池上的至少一个第一覆盖层(2)，优选选自聚对二甲苯、聚对二甲苯F、聚酰亚胺、环氧树脂、丙烯酸酯、含氟聚合物、硅树脂、聚酰胺、溶胶
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凝胶二氧化硅、有机二氧化硅和/或它们的混合物，至少一个由电绝缘材料制造的第二覆盖层(3)，通过原子层沉积法沉积在所述第一覆盖层的外围，应该理解的是，所述至少一个第一覆盖层和至少一个第二覆盖层的序列可以重复z次，其中z≥1，并且所沉积的封装系统的最后一层是通过原子层沉积法沉积的由电绝缘材料制造的所谓第二覆盖层(3)；
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至少一个阳极接触元件，其能够在所述单元电池和外部导电元件之间形成电接触，所述电池包括定义至少一个阳极连接区的接触表面；以及
‑
至少一个阴极接触元件，其能够与外部导电元件进行电接触，所述电池包括定义至少一个阴极连接区的接触表面；所述电池的特征在于：每个阳极接触元件和每个阴极接触元件包括：
‑
第一电连接层，设置在至少阳极连接区和至少阴极连接区上，该第一电连接层包括填充导电颗粒的材料，优选填充导电颗粒的聚合物树脂和/或通过溶胶
‑
凝胶法获得的材料，更优选填充石墨的聚合物树脂；
‑
第二电连接层，其包括设置在填充导电颗粒的第一材料层上的金属箔。2.根据前述权利要求所述的电池，其中所述金属箔是自支撑型的，所述金属箔优选施加到所述第一电连接层上。3.根据前述权利要求中任一项所述的电池，其中所述金属箔通过轧制或电镀制备。4.根据前述权利要求中任一项所述的电池，其特征在于，所述金属箔的厚度在5至200微米之间，所述金属箔特别是由以下材料之一制造：镍、不锈钢、铜、钼、钨、钒、钽、钛、铝、铬和包含它们的合金。5.根据前述权利要求中任一项所述的电池，其特征在于，所述阳极接触元件和阴极接触元件中的每个都包括第三电连接层，所述第三电连接层包括设置在所述第二电连接层上的导电油墨。6.根据前述权利要求中任一项所述的电池，进一步包括：
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至少部分由导电材料制造的电连接支撑件，所述支撑件设置在单元电池的端面附近；
‑
电绝缘装置，使所述连接支撑件的两个较远区域能够彼此绝缘，这些较远区域形成各自的电连接路径；
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所述阳极接触元件使每个单元电池的第一侧面能够与第一电连接路径电连接，而所述阴极接触元件使每个单元电池的第二侧面能够与第二电连接路径电连接。7.根据权利要求6所述的电池，其中所述电连接支撑件是单层类型的，特别是金属网格或硅中间层。
8.根据权利要求6所述的电池，其中所述电连接支撑件是多层类型的，包括多个层，其中一层布置在另一层下方，所述支撑件特别是印刷电路板类型。9.一种制造电池的方法，所述电池包括：
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至少一个单元电池，所述单元电池依次包括阳极集电基板、阳极层、电解质材料层或浸渍电解质的隔离层、阴极层和阴极集电基板；
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封装系统，覆盖所述单元电池的至少部分外周；
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至少一个阳极接触元件，其能够在所述至少一个单元电池和外部导电元件之间形成电接触，所述电池包括定义至少一个阳极连接区的接触表面；以及
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至少一个阴极接触元件，其能够与外部导电元件进行电接触，所述电池包括定义至少一个阴极连接区的接触表面；所述制造方法包括：a)提供至少一个阳极集电基板箔，下文称为阳极箔，所述阳极集电基板箔涂覆阳极层，并任选涂覆一层电解质材料层或浸渍电解质的隔离层，b)提供至少一个阴极集电基板箔，下文称为阴极箔，所述阴极集电基板箔涂覆阴极层，并任选涂覆一层电解质材料层或浸渍电解质的隔离层，应该理解的是，所述阳极箔和阴极箔中的至少一个涂覆一层电解质材料层或浸渍电解质的隔离层，c)制备至少一个阳极箔和至少一个阴极箔交替的堆叠(I)，以依次获得至少一个阳极集电基板...

【专利技术属性】
技术研发人员：F，
申请(专利权)人：ITEN公司，
类型：发明
国别省市：