柔性薄电池及其制造方法

专利名称：柔性薄电池及其制造方法
技术领域：
本发明涉及到一种柔性薄电池和用于制造这样一种电池的方法。更特别地，本发明涉及到一种柔性薄电池，其中电极接触和电池外壳是一个整体。
背景技术：
柔性薄电池主要包含用于在电池电极和由电池供电的器件之间传输电流的接触。这些接触一般为接片形式，是一个或多个分立结构，其一端连接到电极活性材料或电极衬底，并从电池内部伸到电池外部。柔性薄电池一般还包括外壳或封装，它们沿电池的周边密封将电极、电解质和隔板元件包围起来。封装密封主要通过对可密封材料加热或加压或同时加热和加压，而将封装材料的相对表面连接在一起。
由于几个原因，接片在这种类型的结构中具有一定挑战性。其中接片与电极结构不是整体的，接片必须被粘附到电极结构上，通常采用焊接或粘接将接片连接到电极结构以使电流流动。这是一个复杂的工艺。此外，接片必须不仅和电极结构接触，而且也必须伸到电池外部超出封装或外壳而提供与将由电池供电的器件的连接点。接片从电池内部到电池封装的外部的延伸，在接片必须通过的区域中封装密封的效果可能受到损害。
因此，需要一种柔性薄电池，其中提供从电极到由电池供电器件的接触而不需要接片通过电池封装的密封区域。
发明概述提供一种薄的优选柔性的电池，它包括阳极、阴极以及包含在密封外壳或封装内的电解质，以及提供从电池到电池供电器件的电流的接触。接触与形成电池封装或外壳的材料是整体的，因此避免了接片通过电池封装或外壳的密封区域的要求。


图1是本发明的电池横截面视图。
图2是图1中电池的另一个视图。
图3是制造根据本发明的电池封装或外壳中使用的材料薄片的横截面视图。
图4A是图3的薄片另一个视图。
图4B是图3薄片的另一个视图。
图5是本发明的电池替换实施例的横截面视图。
图6是图5的电池另一个视图。
图7是制造根据本发明的如图5和图6所示电池封装或外壳中使用的材料薄片的横截面视图。
图8是图7中薄片的另一个视图。
图9是本发明的电池实施例的顶视图。
图10是图9中电池的横截面视图。
图11A是制造根据本发明如图9和图10所示电池封装或外壳中使用的材料薄片的横截面视图。
图11B是图11A的材料薄片的底视图。
优选实施例描述本发明的薄柔性无接片电池1的部件包括阳极3、阴极5、隔板7和包含在柔性薄电池封装、外壳或外套9之中的电解质。阳极3包含能与粘接剂和其它添加剂结合的电化学活性材料。这种材料可被粘附到诸如打孔或不打孔的金属箔、泡沫材料、丝网、筛网或其它本领域已知材料的衬底上。相似地，阴极5包含能与粘接剂和其它添加剂结合电化学活性材料。这种材料也可被粘附到诸如打孔或不打孔的金属箔、泡沫材料、丝网、筛网或其它本领域已知材料的衬底上。虽然本发明的优选实施例采用平面阳极和阴极，应该知道在不背离本发明的范围情况下，可以采用其它电极形状因子，如缠绕电极。
本发明的薄电池封装或外壳9的材料有几个功能。材料周边是可密封的，从而有效密封电池部件。材料也提供一个屏障，以防止电解质气体逸出电池，防止外部气体入侵和水分的进出，而且更重要地，提供一个导电表面。材料也有足够的耐久性以抗环境接触。这些性能既可以由单一材料满足，也可通过使用多种材料的集合体来实现。
这样一种合适的薄电池封装材料包括几个分立层的叠片。叠片包含导电层13，它夹在内部可加热或加压密封的聚合物层11和外部起保护性聚合物层15之间。将各独立层彼此结合的粘接或连接层也可存在于叠片中。由一侧上的保护性聚合物和相对侧上的被可加热或加压密封的聚乙烯或聚丙烯包围的金属箔构成的叠片是通常可得到的。这样的叠片可以从，例如，Pharma Center Shelbyville，Inc.，Shelbyville，Kentucky获得，产品牌号为97031；从日本的DaiNippon printing Co.，Ltd.，Tokyo得到，产品牌号为D-EL40E；而且也可从日本的Sumitomo Electric Inustries，Ltd.，Tokyo得到，产品牌号为L-NY-A1-TRPP-L。具有乙烯丙烯酸(EAA)可加热密封层的叠片可从Pharma Center Shelbyville，Inc.买到，产品牌号为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热密封层的叠片。其中，合适的叠片及相关的密封层将根据其中将使用的电解质的类型选择，这是本领域已知的。不透性的金属箔层可以是任何种类的金属，例如像铝、镍、铜和不锈钢。保护性聚合物层优选为聚酯或尼龙，但是其它聚合体材料如聚丙烯或聚乙烯也可能用于该层。
本发明的电池的阳极-阴极电极活性材料可以是任何公知的各种合适电化学偶，如锌-二氧化锰，锂-黄铁矿，锂-二氧化锰，锂-硫以及本领域技术人员已知的其他电化学偶。已知的适当的添加剂，包括结合剂和导体，在不背离本发明范围的情况下，可被包含在活性材料配方中。电解质和隔板将根据各种因素选择，如电极形状因子、电池化学和材料稳定性，所有这些如同本领域技术人员通常实践的一样。
在本发明的优选实施例中，阳极3的全部或至少一部分与封装或外壳9的第一导电层13的至少一个表面电接触。阴极5的全部或至少一部分与封装或外壳9的第二导电层13的至少一个表面电接触。根据化学或其它电池属性，导电层13对于阳极和阴极可以是同一种材料，或者对于阳极和阴极可以用不同的导电层13材料，这一点本领域技术人员会了解。对于本申请的目的，当电流能在阳极和封装的导电层之间通过时阳极与封装的导电层的一个表面电接触，并且当电流能在阴极和封装的导电层之间通过时阴极与封装的导电层的一个表面电接触。这种电接触可通过电极和封装9的导电层13之间的紧密和直接的物理接触提供，或通过使用在电极和封装9的导电层13暴露的内表面之间延伸的导电中间层材料(也就是内部接片或材料的内层)提供。导电中间层材料对于避免各电池部件之间直接的腐蚀反应或其它不希望的反应可能是理想的。
电极共用一个界面区域，在该区域中，通常插入隔板7以防止电极间的电连接和由此导致的电池内部短路，这一点是本领域所已知的。隔板材料可以包括凝胶、纸、聚合物、多孔膜、织物材料和非织物材料，并且将根据电池化学和结构及工作参数选择隔板材料，这一点是本领域已知的。本领域的技术人员也会了解此处描述的本发明也可采用共面电极布置，其中电极间的界面区域包含足够的空间从而防止从一个电极到另一个电极的电子流，从而不需要分立的隔板部件。
电池部件(阳极、阴极、隔板、电解质)被引入局部密封的封装中。至少一个电极和内部接触表面之间的电接触既可在沿两层包装材料9的预定边缘完成封装的剩余密封以形成一个边缘密封区17之前进行也可在之后进行。
在如图1和2所示的一个实施例中，柔性电池的至少一个接触由封装9中的开口19形成，从而使和电极与之电接触的表面相对的导电层13的表面一部分暴露到外部环境。导电层13的这个表面，其一部分暴露到外部环境，此处将称为外部接触表面13a。在该实施例中，开口19或出口优选位于密封周边内的电池中间部分中。虽然图示为圆形开口，本领域技术人员会了解其它形状也是可以的。可使用这种结构形成阳极和阴极的接触。
与外部接触表面13a相对的导电层13的表面和本发明的柔性电池的一电极电接触。与电极电接触的导电层13的这个表面此处将称为内部接触表面13b。在本发明的一个优选实施例中，通过直接把电极活性材料淀积到导电层13的内部接触表面13b上来建立电极和内部接触表面13b之间的电接触。这样的淀积可通过各种印刷技术，或滚涂法，或粉末涂层法或气相淀积方法，或在电极和导电层13的内部接触表面之间建立紧密且直接物理接触的其它手段产生。也可通过在电极和内部导电表面13b之间粘附一段或多段导电材料以形成内部接片或内部导电层来建立电接触。这种电接触优选是，例如，当电极材料和导电层13产生直接接触而发生不利反应的情况。
在本发明的另一个方面中，可实行连续制造根据本发明的电池封装材料的方法。如图3和4所示，导电层13的连续薄片在导电层13的连续薄片的一个表面上选择性涂敷一层保护性聚合物15，并在导电层13的连续薄片的相对表面上选择性涂敷一层热敏或压力敏粘接剂11。正如此处所用的，选择性涂敷是指通过各种本领域技术人员已知的方法在表面上淀积预定形状的材料，它包括但不限于上面讨论的各种印刷技术，或滚涂法，或粉末涂层法或气相淀积方法。在图4a中，通过将保护性聚合物15选择性涂敷到导电层13的一个表面上形成端口19，用圆圈表示。图4b表示导电层13的薄片的相对表面，其中适合于电极材料淀积的区域，在图4b中表示为区域B，用长方形示出，它通过将热敏或压力敏感粘接剂11选择性涂敷到导电层薄片的表面上形成。薄片的进一步加工包括将电极活性材料淀积到为淀积而形成的区域上，还包括引入组装电池或电池的一部分所要求或需要的其它层，如隔板或其它中间层。
根据本发明，可通过将要形成电池外壳材料的各种材料层切成小片然后将各层叠加在一起来进行另一种产生图形化的薄片的方法。这样导电层13的内部和外部接触表面可被暴露，适于建立电池接触。这样制造的外壳材料可被进一步加工，例如将电极活性材料淀积到为淀积而形成的区域上，并引入组装电池所要求或需要的其它电池部件，如隔板或其它层。
在如图5和图6所示的另一个实施例中，柔性电池的至少一个外部接触21是通过将导电层13的一部分延伸到电池的密封边17之外并将延伸在电池的密封边17外的导电层13的一部分暴露到外部环境形成的。形成外部接触21的导电层13的暴露部分优选包括导电层13的单个表面13a。该表面可以是但不必须是与密封边17内的电极电接触的导电层13的表面13b。在该实施例中，如图5和6所示，暴露到外部环境而形成外部接触21的表面13a也是与电极材料电接触的表面13b，使封装材料的下层延伸超过密封边17，从而为外部接触21提供支撑。或者，可通过暴露导电层13的相对表面的至少一部分(未示出)，或通过暴露导电层13的两个相对表面的至少一部分(未示出)来形成接触21。在不偏离本发明的范围的情况下，可用这些结构中的任何一种形成阳极和阴极的接触。
在本发明的另一个方面，可实行根据上述公开的另一个实施例的电池包装材料的连续制造方法。如图7和8所示，导电层13的连续薄片在导电层13连续薄片的一个表面上连续涂敷一层保护性聚合物15，而在相对表面上选择性涂敷一层热敏或压力敏感粘接剂11。通过选择涂敷热敏或压力敏感粘接剂11以形成可用于淀积电极材料的区域(图8中表示为区域B)和用作外部接触表面的第二区域，图8中表示为区域A，从而形成被暴露的外部和内部接触表面13a和13b。该方法还有一个优点就是只需要在封装材料薄片的单个表面上进行选择涂敷工艺，因为本发明的电池封装装随后可通过将切割自两个薄片或相同薄片的片适当接合而形成。薄片的进一步加工可包括淀积电极材料到为淀积而形成的区域上，以及引入其它层，如电池组件或其一部分希望或要求的隔板或其它中间层。
在本发明的又一个实施例中，形成电池的阳极和阴极外部接触表面，从而使接触表面分别朝向同一方向，使这种交互的且具有潜在优势的设计和定位为与电池接触相一致的器件接触创造条件。在本实施例中，如图9和10所示，制造电池外壳或封装材料的第一薄片用于一个电极外部接触25；制造第二薄片用于另一个电极外部接触27。第一薄片可以如图7和图8所示，而第二薄片如图11和12所示。在本实施例中，如图7和图8所示，第一薄片的外部暴露接触表面13b是和内部接触表面13a相同的表面。但是，在第二薄片中，外部暴露的接触表面13b和该薄片的内部接触表面13a相对。优选在和暴露的外部接触面13a相对的导电层13的表面上淀积保护性材料29。
本发明的电池或电池组的阳极电极和阴极电极优选通过将电极活性材料直接粘接到导电层的一个暴露表面形成，该导电层也作为电池外壳或封装材料。电极活性材料被粘接到被暴露的导电表面上，在该导电表面上或通过去除预定位置处的覆盖层材料或选择性涂敷覆盖层材料到导电材料的表面上建立覆盖层的不连续性。电极活性材料可以是印刷到已暴露的导电表面上的可印墨水形式。或者，活性材料是滚涂到已被选择性暴露的导电表面上的浆料形式。或者，活性材料可以是熔化形式并适当地分散到导电表面上。或者活性材料可以以膏状施加到导电表面。或者，活性材料还可以以固态箔的形式通过冷焊、超声波焊、导电粘接剂等粘接到导电表面。如上所述活性材料淀积到导电层13的导电内表面上后，接着进行加压步骤，以增强活性材料到导电表面的粘附力，增加活性材料的密度，或获得其它有益性能。技术人员应该明白多种材料和方法可用来在电极活性材料和已被选择性暴露的导电表面之间形成导电接触。
实例1电极组件由阳极、阴极和隔板构成。阴极由组合成浆料并立即被滚涂到铝箔的两侧上的黄铁矿，导体和结合剂构成，形成37mm×39.5mm×.17mm的平板。阳极由38mm×38mm×.152mm锂箔片构成。退火的镍接片一端被冷焊到锂箔上。然后围绕组合的锂箔和镍接片组件加热密封Celgard 2400隔板，留下一部分镍接片伸到隔板密封边外。取一片从Pharma Center Shelbyville公司购买的产品牌号为95014的叠片形成内部阳极接触，并有选择地去除一部分热密封层以使铝层的内表面暴露。使镍接片的伸出端与被暴露的铝表面直接接触，从而建立内部阳极接触。取第二片上述叠片并有选择地去除一部分热密封层以暴露铝层内表面形成内部阴极接触。然后使上述阴极条和该暴露的铝表面直接接触，从而建立内部阴极接触。通过有选择地去除每片上的一部分保护性聚合物层使导致外部接触端口的铝层相对外表面暴露而形成外部阳极和阴极接触。
电极和隔板以及两片叠片通过沿一部分边缘加热密封被连接在一起，形成一个开口电池袋。将一克包含9.14wt.％LiI(碘化锂)，63.05wt.％DIOX，27.63wt.％DME和.18wt.％DMI的适当非水电解质导入袋中，其中DIOX是1，3-二氧戊环，DME是1，2-二甲氧基乙烷，而DMI是3，5-二甲基异恶唑(dimethylisoxazole)。然后将袋口加热密封。外部阳极和阴极接触位于袋的密封边内。对袋装电池的主要表面加压以确保所有电池元件的良好接触。然后将外部接触连接负载，使电池在连续7mA的引流下放电至.9伏特。在导电材料不需要穿过密封区由袋内到达袋外的情况下，可获得66％的放电效率。
实例2将阳极、阴极、隔板和相关内部接片如实例1组装在一起。如实例1中一样，用于阳极和阴极的内部接触由两片不同的叠片形成。如实例1。通过将两片分开的片加热密封在一起形成装有电池元件的开口袋，并将电解质引入开口袋中。然后将袋中开口加热密封。在每片叠片伸到袋密封边之外的部分上形成外部阳极和阴极接触。有选择地去除保护性聚合物层或可加热密封聚合物层或二者的材料，以暴露叠片的导电铝层的一个或两个表面。施加压力到袋装电池的主表面以确保所有电池元件之间的良好接触。然后将外部接触连接到负载，使电池在连续7mA的引流下放电至.9伏特。在导电材料不需要穿过密封区域由袋内到达袋外的情况下，可获得72％的放电效率。
虽然上面只描述了本发明的几个实施例，但应该明白可以做许多修改而不背离本发明的宗旨和范围。例如，虽然前面有关薄的、更优选的是柔性的电池的讨论主要针对耦合到单个阴极的单个阳极进行的，但本领域技术人员知道，在电池内可以组装任意数量的阳极和阴极对，或并联或串联，或既有并联又有串联，而不背离本发明的范围。
权利要求
1.一种电池，包含阳极电极、阴极电极、电解质、至少一个外部电极接触和沿至少一部分电池周边密封的电池壳，所述电池壳包含导电材料，所述外部电极接触由所述导电材料形成。
2.权利要求1的电池，其中电池壳进一步包括可密封材料。
3.权利要求2的电池，其中电池壳进一步包括保护性聚合物材料。
4.权利要求3的电池，其中可密封材料和导电材料以及保护性聚合物材料是松散材料。
5.权利要求4的电池，其中电池壳为叠片，所述叠片包含所述可密封材料的第一层，所述保护性聚合物材料的第二层，以及位于所述第一和第二层之间的一层导电材料。
6.权利要求5的电池，其中所述第一和第二层中至少一层是不连续的。
7.权利要求6的电池，其中第一层在所述电池密封边内的一位置处是不连续的，从而暴露所述导电材料的第一表面，并且其中被暴露的第一表面的至少一部分与一电极电接触。
8.权利要求7的电池，其中第二层在所述电池密封边内的一位置处是不连续的，从而暴露导电材料的第二表面，并且被暴露的第二表面的至少一部分形成外部接触。
9.权利要求7的电池，其中第一层在电池的密封边外的一位置处也是不连续的，从而还暴露所述导电材料在密封边外的第一表面，并且密封边缘外的被暴露的第一表面的至少一部分形成外部接触。
10.权利要求7的电池，其中第二层在所述电池的密封边外的一位置处是不连续的，从而暴露所述导电材料的第二表面，密封边外的被暴露的第二表面的至少一部分形成外部接触。
11.权利要求8的电池，其中通过从所述导电材料的第一表面去除一部分密封材料形成第一层中的不连续性；并通过从所述导电材料的第二表面去除一部分保护性聚合物材料形成第二层中的不连续性。
12.权利要求8的电池，其中通过将密封材料有选择地淀积到所述导电材料的第一表面上而形成第一层中的不连续性；并通过将保护性聚合物材料有选择地淀积到所述导电材料的第二表面上而形成第二层中的不连续性。
13.权利要求9的电池，其中通过从所述导电材料的第一表面去除密封材料形成第一层中的不连续性。
14.权利要求9的电池，其中通过将密封材料有选择地淀积到所述导电材料的第一表面上而形成第一层中的不连续性。
15.权利要求10的电池，其中通过从所述导电材料的第一表面去除一部分密封材料形成第一层中的不连续性；并通过从所述导电材料的第二表面去除一部分保护性聚合物材料形成第二层中的不连续性。
16.权利要求10的电池，其中通过将密封材料有选择地淀积到所述导电材料的第一表面上而形成第一层中的不连续性；并通过将保护性聚合物材料有选择地淀积到所述导电材料的第二表面上而形成第二层中的不连续性。
17.权利要求12的电池，其中，密封材料的选择性淀积和保护性聚合物材料的选择性淀积通过将密封材料印刷到导电层的第一表面上以及将保护性聚合物材料印刷到导电层的第二表面上来实现。
18.权利要求14的电池，其中通过将密封材料印刷到导电层的第一表面上实现密封材料的选择性淀积。
19.权利要求16的电池，其中密封材料的选择性淀积和保护性聚合物材料的选择性淀积通过将密封材料印刷到导电层的第一表面上以及将保护性聚合物材料印刷到导电层的第二表面上来实现。
20.权利要求7的电池，其中电极和导电材料表面之间的电接触通过将活性电极材料印刷到导电层的暴露表面上实现。
21.一种组装电池的方法，包含以下步骤提供包含导电材料和可密封材料的封装材料，暴露导电材料第一表面的一部分；暴露导电材料第二表面的一部分，将阳极、阴极和电解质包围在封装材料中，提供电极和第一表面间的电接触，并沿周边密封封装材料以使所述第二表面在电池外部。
22.权利要求21的方法，其中暴露导电材料的第一和第二表面的一部分的所述步骤包括从导电材料表面去除覆盖材料。
23.权利要求21的方法，其中暴露导电材料的第一和第二表面的一部分的所述步骤包括在导电材料的表面上有选择地涂敷覆盖材料。
全文摘要
包括阳极(3)、阴极(5)和隔板(7)的无接片电池容纳在密封封装(9)中。电池的封装材料包含导电材料(13)、保护性聚合物材料(15)和密封材料(11)。导电材料内表面的至少一部分被暴露，以在至少一个电极和导电材料之间形成内部接触。导电材料的外表面的至少一部分也被暴露，以形成电极和器件之间的外部接触。
文档编号H01M10/40GK1557029SQ02818439
公开日2004年12月22日 申请日期2002年9月20日 优先权日2001年9月21日
发明者R·兰甘, F·费德里克斯, R 兰甘, 吕锟怂 申请人:永备电池有限公司