电池隔板的制作方法

专利名称：电池隔板的制作方法
技术领域：
本发明涉及电池隔板。此外，本发明涉及可印刷电池隔板及其在 印刷电池中的使用。
背景技术：
在本领域中存在可以使用印刷技术来制造的薄的柔性电池。薄的 柔性电池需要有分隔装置，诸如将两个电池极分隔开以便防止短路的 隔板。用于薄的柔性电池的隔板的 一 个示例是可以施加于电池的各极
之间的滤纸。然而，在诸如电池单元(cell)的巻到巻印刷生产那样 的批量生产的方法中，施加隔板的步骤不准确且緩慢，导致更昂贵的 电池。有利的是具有诸如通过印刷隔板来克服这些问题的改进方法。 然而，印刷的技术使用液体油墨，并且由于隔板通常是固体或半固体， 所以此类隔板元件的印刷成问题。
因此，期望具有容易、自然产生且便宜的形成隔板的方法。此外， 期望具有可以结合到电池的批量生产中的印刷隔板的方法。本发明提 供了此类隔板和包括该隔^反的电池。


现在详细地参考附图，应强调的是所示的细节是举例说明并仅用 于本发明优选实施例的说明性讨论的目的，并且是为了提供被认为是 本发明的原理和概念方面的最有用且容易理解的说明而提出的。在这 点上，并不试图比基本理解本发明所需更详细地示出本发明的结构细 节，与附图 一起采用的说明使得可以如何在实践中体现本发明的若干 形式对于本领域的技术人员来说显而易见。
图la示出根据本发明 一个实施例的包括隔板的电池的示意图； 图lb示出根据本发明一个实施例的包括隔板的电池的示意图； 图lc示出根据本发明一个实施例的包括隔板的共面取向的电池 的示意图ld示出根据本发明一个实施例的包括隔板的共面取向的电池
6的示意图2示出根据本发明一个实施例的制造印刷隔板的方法的流程
图3示出根据本发明一个实施例的制造隔板的方法的流程图 图4示出根据本发明一个实施例的形成隔板的方法的流程图 图5示出根据本发明一个实施例的制造包括隔板的电池的方法的 流程图6示出根据本发明一个实施例的制造包括隔板的电池的方法的 流程图7示出根据本发明一个实施例的制造包括隔板的电池的方法的 流程图8示出根据本发明一个实施例的制造包括隔板的共面电池的方 法的流程流程图；以及
图10示出对于具有根据本发明实施例的印刷隔板的电池和具有 纸隔板的电池比较随时间推移的容量的图表。
具体实施例方式
本发明涉及电池隔板及其制造方法。此外，本发明涉及包括印刷电 池隔板的电池及其制造方法。
在一个实施例中，本发明提供一种电池隔板,该电池隔板包括非电 解质聚合物层与多价金属离子的反应产物，该非电解质聚合物包括离子 交联官能团。
在进一步的实施例中，本发明提供一种就地形成电池隔板的方法， 该方法包括施加包括聚合物的非电解质层，使得聚合物与多价金属离子 反应而形成包括聚合物金属离子产物的隔板，并且其中，多价金属离子 是电池成分层的一部分。
在另外的实施例中，本发明提供一种电池，其包括至少第一极材料 层；极性与第一极材料相反的至少第二极材料层；设置在第一极材料与 第二极材料之间的至少电解质层；以及至少一个隔板，其中，直接在第 一极材料上或在其附近就地形成该隔板，使得隔板在第 一极与第二极之间是非等距离的。
在另一实施例中，本发明提供一种电池，其包括第一极材料；极性
与第一极材料相反的第二极材料；其中，第一极材料与第二极材料以关 于彼此间隔开的方式共面；与第一极和第二极接触的电解质；以及覆盖 或部分地覆盖第一极材料，但基本不覆盖或部分地覆盖第二极材料的隔板。
在更进 一 步的实施例中，本发明提供 一 种制造薄的柔性电池的方 法，该方法包括向第一衬底上施加第一极材料层；向第一极层上施加 至少一个电解质层；向第二衬底上施加第二极材料层；以及(a)向第 二极层上施加隔板形成聚合物的非电解质层，其中，第二极包括多价金 属，该多价金属与隔板形成聚合物反应而形成包括多价金属与聚合物的 反应产物的隔板层；或者(b) (i)向第二极层上施加电解质层；其中， 电解质层中的至少 一个包括与非电解质隔板形成聚合物反应而形成隔 板的多价金属；以及(ii)向一个电解质层上施加非电解质隔板形成聚 合物层以形成包括多价金属与聚合物的反应产物的隔板；以及接触第一 衬底并将其层压到第二衬底，使得隔板的层被设置在第一极层与第二极 层之间。
在替代实施例中，本发明提供一种形成电池的方法，该方法包括 向基层衬底上施加第一极材料；在第一极材料上施加隔板；在将隔板施 加在第 一极材料上之后在同一平面中且以关于第 一极材料间隔开的方 式在基层衬底上施加极性与第 一极材料相反的第二极材料；以及施加电 解质；其中，隔板不覆盖或部分地覆盖第二极材料。
参考附图可以更透彻地理解根据本发明的隔板和包括该隔板的电 池原理和操作。附图示出了本发明的非限制性实施例。
隔板
在一个实施例中，本发明提供一种电池隔板，其可以包括聚合物产 物，诸如但不限于适当聚合物与多价金属的络合物，该络合物可以称为 聚合物反应产物或聚合物金属离子产物。在某些实施例中，适当的聚合 物是非电解质聚合物，使得聚合物或包括聚合物的组成物或层在与多价 金属反应之前将不会被本领域的技术人员视为电解质。在某些实施例 中，聚合物反应产物具有至少 一种隔板形成聚合物阴离子或盐和至少一种多价金属阳离子。在一个非限制性示例中，反应产物具有至少一种丙 烯酸聚合物阴离子或盐和至少 一种过渡金属阳离子。在替代实施例中， 本发明提供一种至少 一种隔板形成阳离子和至少 一种多价金属阴离子 的聚合物反应产物。在此类实施例中，适当的多价金属阴离子是形成聚 合物产物的多价金属阴离子，其不溶于电池电解质，并且是交联多价金 属阴离子。带电的聚合物官能团可以是侧基或端基。
本文所用的术语"隔板"包括但不限于用于防止电池的极之间的物 理和/或电接触的装置或元件。隔板可以是多孔隙的以促进离子的运动， 且可以是不导电的。在某些电池中，隔板可以是多孔隙的以促进水的运 动。
本文所用术语"聚合物"或"适当聚合物"或"隔板形成聚合物"
电解质接触时稳定的任何适当聚合物。通常，电荷是负的。可选地，聚 合物可以带正电。该术语包括任何适当形式的聚合物，诸如为溶液、乳 液或分散体形式。该术语还包括聚合物，其在化学上与稳定剂关联/粘结 /络合，并且其中，聚合物可以不带电，但稳定剂带电。
适当隔板形成聚合物的非限制性示例包括丙烯酸聚合物或乙烯基 聚合物。进一步的示例包括聚氨酯和丙烯酰胺。适当丙烯酸聚合物的非
限制性示例包括但不限于Joncryl 661和Joncryl FLX 5000。乙烯基聚合 物的非限制性示例包括乙烯醇的酯的聚合物，诸如曱酸乙烯酯、丙酸乙 烯酯、醋酸乙烯酯和丁酸乙烯。在某些实施例中，聚合物包括至少一个 交联官能团，其中，所述至少一个交联官能团可以处于电离状态。在某 些实施例中，聚合物可以与水相容和/或溶于水且可以是水基乳液。聚合 物可以是酸性官能聚合物。
隔板形成聚合物可以处于酸性或碱性环境下以促进官能团的电离 和阴离子形成。可选地，环境可以是中性的。隔板形成聚合物可以是诸 如例如还可以包括至少 一种添加剂的油墨等混合物的 一 部分。添加剂的 非限制性示例包括消泡剂、表面活性剂、干燥增强剂、增粘剂、流变剂、 均化剂、聚结剂、润湿剂、增塑剂、溶剂及其组合。可以使用本领域中 已知的任何适当消泡剂、表面活性剂、干燥增强剂、增粘剂、流变剂、 均化剂、聚结剂、润湿剂、增塑剂、以及溶剂。通常，添加剂在化学上 与聚合物相容。适当干燥增强剂的非限制性示例是诸如丙二醇或适当的烷醇衍生物等有机溶剂。适当润湿剂的非限制性示例是二醇。
多价金属可以是具有至少两个化合价的任何适当的带正电金属，例 如过渡金属。非限制性示例包括锌、锰、钛、紹、铬、铁、镍、铜、钇、 银、柏、金、锡、锆、汞和鴒及其组合。多价金属可以是卣化物、氧化 物、氢氧化物、碳酸盐或醋酸盐中的至少一个的形式。通常，所使用的 多价金属是不与电池单元的电特性负面沖突的多价金属。可以将多价金 属包括在至少一个电池部件中或至少一个电池部件的一部分中。适当的 电池部件包括电解质层、正极、负极及其组合。在一个非限制性示例中， 起反应而形成隔板的 一部分的多价金属是锌离子，其由电池的锌极的材 料形成。在替代实施例中，形成隔板的一部分的多价金属是来自电解质 的氯化锌的锌离子。在进一步的实施例中，隔板多价金属可以是来自极 与来自电解质的锌离子的混合物。
在较不优选实施例中，本发明的隔板可以包括单价金属。结果得到 的隔板是非最优的，因为单价金属可能不形成网络。
本发明的隔板可以是任何适当形式，诸如但不限于膜(film)或凝
胶或半固体或沉淀物或其组合。隔板可以具有任何适当厚度。在某些实
施例中，厚度为约1微米至约IOO微米，然而，可以有更薄和更厚的隔
板。隔板的厚度与隔板形成聚合物的量和印刷参数有关。
通常，形成的隔板是多孔隙的，且可以具有任何适当的孔隙度。在
某些实施例中，所形成隔板的孔隙的尺寸大于约10微米。在一个实施 例中，隔板的孔隙的尺寸为约20微米至约50微米。孔隙的数量、尺寸 和形状根据所使用的干燥技术而不同。同样地，用每种干燥技术的所形 成隔板的晶体结构可以不同。
本发明提供了一种隔板，其可以是多孔隙、柔性和均匀的，且其可 以以高精度和均匀度覆盖电极区域以防止短路。在某些实施例中，可以 用隔板形成聚合物与多价金属之间的反应的时间/速度来控制隔板膜的 均匀度和特性，诸如通过使用干燥技术和温度控制以及通过使用添加剂 和控制添加剂的量。在某些实施例中，隔板可以包括添加剂，使用添加 剂是为了有利于期望的挠性程度。可以根据所使用的隔板形成聚合物、 添加剂和溶剂的主要成分(backbone)来确定所形成隔板的强度。
包括本发明的隔板的电池的结构在一个实施例中，本发明提供了一种包括如上文和下文所述的隔板 的电池。在某些实施例中，该电池可以是薄的柔性电池。本文所使用的 术语"电池，，包括但不限于可以存储能量且可以以电形式来提供能量的 任何适当器件。该术语包括将化学能转化为电能且可以在连接在电路中 时产生电流的器件。电池可以包括至少一个或多个电化电池，其包括原 电池、电解电池和燃3牛电池。
图la示出根据本发明一个实施例的包括隔板的电池的示意图。电 池10可以是具有任何尺寸或形状的任何适当电池。在图la所示的实施 例中，电池10是薄的柔性电池，其可以打开和关闭。该电池可以包括 至少一个正极12、至少一个负极14 (极性与极12相反)、电解质16 和隔板18。电池10可以包括水、隔板形成聚合物阴离子和多价金属阳 离子。
正极12的特征可以在于本领域中已知的任何适当的不溶电活性极 物质层。在某些实施例中，正极材料可以包括诸如过渡金属等可以形成 或包括过渡金属离子的多价金属。非限制性示例可以包括二氧化锰、氧 化银、氧化镍、氧化铅、氧化铜、以及氧化汞。正极12还可以包括任 何适当的添加剂，诸如本领域中已知的粘合剂和溶剂等。在某些实施例 中，正极12的多价金属可以不与诸如丙烯酸聚合物等隔板形成聚合物 起反应，或者可以对其进行处理以促进与隔板形成聚合物的不反应性。
负极14的特征可以在于如本领域中已知的任何适当的不溶电活性 极物质层。在某些实施例中，负极材料可以包括可以形成或包括多价金 属离子的多价金属。非限制性示例包括锌、铝、镁、镉、铁、铂、银、 石墨、铜和金。负极14还可以包括任何适当的添加剂，诸如本领域中 已知的粘合剂和溶剂。
电解质16可以包括一个或多个电解质层且可以包括任何适当的电 解质成分，诸如电活性可溶材料及诸如潮解剂和增粘剂等其它添加剂。 在某些实施例中，电解质可以包括多价金属，诸如但不限于过渡金属， 其可以形成或包括诸如过渡金属离子等多价金属离子。可以包括在本发 明的电解质中的多价金属成分的非限制性示例包括氯化锌、氟化锌、溴 化锌、卣化镍、卣化钛、钒卣化物、铁面化物、多价金属氧化物、多价 金属氢氧化物、多价金属碳酸盐、多价金属醋酸盐和任何适当的多价金 属盐。在一个实施例中，电解质16包括氯化锌。
ii隔板18可以包括诸如但不限于丙烯酸聚合物等隔板形成聚合物与
诸如上文在题为"隔板"的部分中描述的过渡金属等多价金属的反应产 物。通常，控制隔板形成以得到具有促进最佳电池功能的渗透性的隔板。
在图la所示的实施例中，将隔板18设置在电解质的一个极层上，使得 其被设置在电解质16中并与两个极12、 14等距离。
图lb示出了根据本发明一个实施例的电池50，其中，将隔板18 设置在极之一上。如上文所述，隔板18包括隔板形成聚合物与多价金 属的反应产物。在图lb的实施例中，将隔板18设置在极14上。将隔 板18设置在极14上的电池50可以具有高内电阻和低电池容量的性质。 在某些实施例中，可以修改条件以防止所形成的隔板18将在该隔板18 上形成的极14完全密封。在一个非限制性示例中，可以使用隔板18的 极快干燥。在其中在极之一上形成隔层18的实施例中，该隔板在两个 极12、 14之间可以不是等距离的。在图中未示出的替代实施例中，电 池可以包括设置在极12而不是极14上的隔板18。
在一个实施例中(图中未示出)，电池可以包括多个隔板，使得可 以在极12上设置一个隔板18,且可以在极14上设置第二隔板；或者可 以在极12、 14之一上设置一个隔板，且可以在电解质上设置第二隔板。
在一个实施例中(图中未示出)，其中已用包含多价金属的溶液将 极12或极14预湿，并将隔板形成聚合物设置在预湿的极上或附近，可 以在预湿的极上或接近预湿的极而形成隔板18,使得隔板18可以在极 12、 14之间不是等距离的。
图lc示出根据本发明实施例的电池80,其中，电池极12、 14为共 面并排取向，且隔板18被设置在两个极12、 14 (图lc所示)上或在极 12、 14之间(图lc中未示出)。如上文对于图la所述，隔板18包括 隔板形成聚合物与多价金属的反应产物。
图ld示出根据本发明实施例的电池90，其中，电池极12、 14为共 面并排取向且隔板18被设置在一个极中。在图ld中，将隔板设置在极 14上。隔板18可以完全覆盖或部分地覆盖在其上形成该隔板18的极。 以这种方式，可以将隔板配置为掩蔽或涂覆极。隔板可以基本上不覆盖 另一电池极12。隔板可以是通过如上文所述的多价金属与隔板形成聚合 物的反应而通过印刷或涂布技术所形成的隔板。在图ld所示的实施例 中，隔板18不限于上文所述的本发明的隔板，即隔板形成聚合物与多价金属的产物，而是可以是任何适当的隔板，其可以是或者可以不是可 印刷的，例如但不限于滤纸。本发明还包括替代实施例，其中，隔板18
在极12上形成且基本不覆盖电池极14。
在某些实施例中，可以根据以下性质中的至少 一 个来确定和/或预先
确定电池的性质隔板的厚度、隔板的孔隙度、所使用的隔板形成聚合 物的量、所使用的隔板形成聚合物的特性、多价金属、以及隔板的位置。 在某些实施例中，包括本发明的隔板的电池的导电性与隔板孔隙度和隔 板厚度有关。以这种方式，可以设计具有预定性质的电池。
形成电池隔板的方法
技术领域：
本发明提供了一种形成电池隔板的方法。该方法是基于隔板形成聚 合物的阴离子团与多价金属阳离子之间的反应的方法。可以被干燥成交 联膜的含酸乳液聚合物的过渡金属盐交联在本领域中是已知的。本 (instant)申请的发明人发现可以将这类反应修改以就地形成电池隔板， 使得隔板可以使用例如印刷技术而自动形成。
如上所述，该方法还可以包括隔板形成聚合物的阳离子团与多价金 属阴离子团之间的反应。
两种隔板形成团可以起反应而形成沉淀的产物。可以如下描绘此反
应
其中，P是聚合物； X是聚合物的阴离子团；以及 M是多价金属。
该反应可以是自发的且可以是即时的。在某些实施例中，可以控制 反应，诸如但不限于反应速率和反应程度(extent)。控制参数的非限 制性示例包括调节溶液的pH值。可以通过诸如使用热量、空气加热或 IR而由干燥程序来影响隔板膜的性能。反应的产物可以沉淀并可以起 到电池隔板的作用。
根据本发明的形成电池隔板的方法包括施加隔板形成聚合物，使得 聚合物和/或隔板形成聚合物或聚合物稳定剂的电离团可以与作为电池 部件层的 一部分的多价金属和或多价金属离子反应而形成隔板。通常，聚合物包括可以与多价金属反应而形成可以被配置为隔板的产物的交 联功能。该聚合物可以是自交联聚合物。在某些实施例中，将聚合物施 加到包括多价金属的电池部件上。可以将聚合物施加于电极层上，该电 极层可以是干的或湿的，或者可以将聚合物施加于电解质层上。在一个 实施例中，通过任何适当的印刷或涂布技术来执行施加。在某些实施例 中，多价金属离子的量超过聚合物的表面量。
本文所用的术语'印刷，包括但不限于促进施加且可以促进通过各 种技术的任何一种在表面上再现图案的施加方法，所述各种技术诸如但 不限于丝绸印刷、胶版印刷、喷射印刷、层压、材料蒸发和粉末分散及 喷印、汽相沉积、光刻、压花、扩散和丝网印刷。印刷可以使用任何适 当的形式和/或要被施加的组合物的配方。印刷元件的技术可以消除^f吏用 额外的附件或施加装置。
本发明提供了 一种使用诸如隔板形成聚合物层和包括多价金属的 层等反应性成份层的施加来形成隔板的方法。此类方法促进使用印刷技 术的层的施加和同质隔板在电池单元中的适当位置上的形成。如果要将 隔板形成聚合物和电解质中的多价金属混合并添加在一起，则隔板将沉 淀析出并将妨碍或阻止印刷。在其中将隔板形成聚合物与包括多价金属 的极材料添加并混合在一起的实施例中，将存在电池的短路。同样地， 添加形成电池单元的隔板及其它部件的成分的方法和顺序是重要的，以 便实现印刷隔板的方法和形成具有隔板的工作电池单元的方法。
本发明的方法提供了 一种可以是均匀的且可以以高精度和均匀度 覆盖电极区域以防止短路的隔板。该隔板是多孔隙的，促进良好的电特
性，诸如但不限于ocv、 ccv、内电阻、阻抗和电池容量。可以人工地
或使用诸如巻到巻生产线等自动化工艺来执行该方法，本发明提供了 一 种制造隔板的方法，其中，可以以良好或最佳的配准和厚度来印刷隔板。
图2示出根据本发明一个实施例的形成电池隔板的方法的流程图。 可以将隔板形成聚合物层施加于电解质层上102，其中，隔板形成聚合 物可以是如上文所述的。该聚合物可以是促进聚合物官能团的电离的聚 合物的水溶液或乳液。在某些实施例中，电解质层可以包括如本文所述 的至少一种多价金属离子。在一个非限制性示例中，电解质可以包括氯 化锌，氯化锌包括锌离子。多价金属离子可以与所施加的隔板形成聚合 物的阴离子反应而形成沉淀物104。该沉淀物可以具有可以促进隔板功能的任何适当物理形式(physical form)。在某些实施例中，隔板是膜。 可以通过任何适当的方法来完成施加。示例包括点月交(dispensing )、 喷涂、使用泡沫和印刷及其组合。诸如丙烯酸聚合物等的所施加的隔板 形成聚合物的厚度对隔板和电池的功能来说是重要的。在该层过厚的实 施例中，电池单元的电阻将非常高。在该层过薄的实施例中，结果得到 的隔板可能包括洞和/或可能不足以防止负极与正极之间的接触。在一个 实施例中，所形成的隔板的厚度为约IO微米至约150微米。在一个实 施例中，隔板厚度为约50微米至约90微米。在一个实施例中，隔板厚 度约为80微米。
在使用印刷的实施例中，可以将如上文所述的添加剂添加到隔板形 成聚合物以帮助印刷并得到最佳隔板形成。可以将添加剂添加并与隔板 形成聚合物混合在一起以促进油墨的生产。
图3示出了根据本发明一个实施例的形成电池隔板的替代方法的流 程图。可以将如上文所述将隔板形成聚合物层施加于电池电极上110。 在某些实施例中，该电极的层可以包括至少一种多价金属。在一个非限 制性示例中，电极可以包括锌。电极可以包括多价金属离子和/或可以由 多价金属形成的多价金属离子。在一个非限制性示例中，可以被包括在 隔板形成聚合物中的水与锌电极之间的反应可以促进锌离子的形成。
多价金属离子可以与所施加的隔板形成聚合物的阴离子反应而形 成沉淀物112。该沉淀物可以是可以有利于隔板功能的任何物理形式。
为了避免重复，可以如上文对于图2所述的那样完成施加。应注意 的是湿隔板形成聚合物层到干电池电极层上的印刷比图2所描述的实施 例容易，在图2所描述的实施例中，将湿隔板形成聚合物印刷到湿电解 质上。
在某些实施例中，可以使用任何适当的干燥技术来干燥隔板114。 干燥技术的非限制性示例包括IR、空气烘箱和烘芯板。可以在适当的温 度下干燥隔板。在某些实施例中，温度在IOO'C以上。干燥可以促进更 好的电性能和更快的处理时间。热量和千燥的施加可以停止或中断隔板 形成聚合物与多价金属离子的反应，使反应无法完成并形成无孔隙产 物。期望隔板产物部分地交联，使得其形成为具有足够的孔隙。
图4示出根据本发明实施例的形成电池隔板的进 一 步替代方法的流 程图。可以诸如但不限于通过润湿来激活电池电极层120，其中，电极可以包括多价金属。本文所用的术语'激活，指的是促进或催化电池电 极上和/或电池电极中的多价金属离子的形成。可以用电解质来润湿电池 电极。本文所用的术语'润湿'指的是施加包含多价金属的溶液，诸如 但不限于可以是稀释液体电解质的电解质。在一个非限制性示例中，可 以按照诸如约1比约10的比例用蒸馏水来稀释氯化锌。可以将经稀释 的电解质施加至其被电极材料吸收的程度，但是其中电极在视觉上可能 看起来是干的。可以用电解质来浸湿电极。可以通过例如使用印花或海 绵或喷涂来实现润湿，并可以施加至电极层不会纟皮认为是干的、而是#1 电解质浸湿的程度。在替代实施例中，可以将电极油墨与低百分比的诸
如ZnO等的多价金属氧化物混合在一起。诸如电极润湿等的活化可以促 进电极的激发(initiating)，以便电池将工作且润湿还可以促进多 <介金 属离子的形成。润湿还可以促进隔板形成聚合物与来自电解质的多价金 属离子之间的反应，而不是与电池电极的多价金属的反应。此外，润湿 可以促进孔隙的形成。
可以将隔板形成聚合物层施加于预先激活的诸如润湿电极122上， 其中该聚合物可以如上文所述。多价金属离子可以与所施加的隔板形成 聚合物的阴离子反应而形成沉淀物124。沉淀物可以具有可以促进隔板 功能的任何物理形式。
可以用上文对于图2所描述的任何适当方法来完成施加，诸如通过 使用适当的印刷技术。
在图4中描述的方法的某些实施例中，可以使用任何适当的干燥技 术来干燥隔板126。干燥技术的非限制性示例包括IR、空气烘箱和烘芯 板。干燥可以促进更好的电性能和更快的处理时间。
形成包括本发明的隔板的电池的方法
图5示出根据本发明实施例的形成电池的方法的流程图。可以使用 印刷技术来制造该电池。可以向第 一基层衬底施加阳极电活性不溶物质 层140。可以向该阳极电活性不溶物质层施加电解质层142。电解质可 以如本文所述且可以包括多价金属离子。在一个非限制性实施例中，电 解质可以包括锌离子。可以向该电解质层施加隔^^形成聚合物层144， 其中，隔板形成聚合物如本文所述。如图2中所述，隔板形成聚合物可 以与电解质中的多价金属离子反应而形成隔板146。可以向第二基层衬底施加阴极电活性不溶物质层150。可以向该阴
极电活性不溶物质层添加电解质层152。
本发明不限于如上文对于图5所述的其中在阳极电解质上形成隔板 的实施例，而是替代地或另外地，可以预期施加于阴极层的电解质可以 包括多价金属，并且可以向该电解质层施加隔板形成聚合物。
第一基层衬底可以与第二基层衬底接触并与其层压在一起以形成 电池154,使得阳极和阴极为共面取向，隔板被i殳置在才及层之间。
在某些实施例中，该方法可以包括施加阳极电流收集器层138和阴 极集流器层148。在某些实施例中，该方法还可以包括施加端子。该方 法还可以包括施加层压层以保护电池或控制如何根据所使用的施加来 打开或关闭电池。该方法可以包括密封电池单元的进一步步骤。
图6示出根据本发明替代实施例的形成电池的方法的流程图。可以 向第一基层衬底施加阳极电活性不溶物质层162。可以向该阳极电活性 不溶物质层施加隔板形成聚合物层164,其中，隔板形成聚合物可以如 本文所述。如图3所述，隔板形成聚合物可以与由阳极电活性材料形成 的多价金属离子反应而形成电池隔板层166。可以将隔板干燥(流程图 中未示出)。
可以向第二基层衬底施加阴极电活性不溶物质层170。可以向该阴 极电活性不溶物质层添加至少一个电解质层172。所述至少一个电解质 层可以在量和/或厚度上等效于两层电解质。电解质层的厚度可以控制所 形成的电池的性质，诸如电阻。
本发明还包括其中执行该方法的步骤以便在阴极而不是阳极上形 成隔板的实施例。
第 一基层衬底可以与第二基层衬底接触并与其层压在一起以形成 电池174,使得阳极和阴极为共面取向，隔板被设置在极层之间。
在某些实施例中，该方法可以包括施加阳极集流器层160和阴极集 流器层168。在某些实施例中，该方法还可以包括施加端子。该方法还 可以包括施加层压层以保护电池或控制如何根据所使用的施加来打开 或关闭电池。该方法可以包括密封电池单元的进一步步骤。
图7示出根据本发明实施例的形成电池的又一种方法的流程图。可 以向第一基层衬底施加包括多价金属的阳极电活性不溶物质层182。可 以如上文在图4中所述的那样激活该阳极电活性不溶物质层184。诸如阳极润湿等激活可以促进电极的激发和多价金属离子的形成。可以向激
活的该阳极电活性不溶物质层施加隔板形成聚合物层186，其中，聚合 物如本文所述。如图4所述，隔板形成聚合物可以与由阳极电活性材料 形成的多价金属离子反应而形成电池隔板层188。可以将隔板干燥(流 程图中未示出)。
可以向第二基层衬底施加阴极电活性不溶物质层192。可以向该阴 极电活性不溶物质层添加至少一个电解质层194。该电解质层可以在量 和/或厚度上等效于两层电解质。
第 一基层衬底可以与第二基层衬底接触并与其层压在一起以形成 电池196，使得阳极和阴极为共面取向，隔板被设置在才及层之间。
在某些实施例中，该方法可以包括施加阳极集流器层180和阴才及集 流器层190。在某些实施例中，该方法还可以包括施加端子。该方法还 可以包括施加层压层以保护电池或控制如何根据所使用的施加来打开 或关闭电池。该方法可以包括密封电池单元的进一步步骤。
图5、图6和图7描述了两个基层衬底的施加。本发明还包括在那 些图中详述的相同方法，但只使用一个基层衬底。在只使用一个基层村 底的实施例中，可能需要结合诸如通过掩蔽来防止极之间的交叉污染的 方法。
本发明还提供了制造具有印刷隔板的薄的柔性电池的方法，其中电 池电极为共面取向。图8示出根据本发明实施例的形成共面取向的电池 的方法的流程图。可以使用印刷技术来制造该电池。可以向基层衬底施 加诸如阳极电活性不溶物质的第 一极物质200和诸如阴才及电活性不溶物 质的第二极物质202，所述第一极物质和第二极物质关于彼此间隔开以 限定两个极之间的间隙。可以向阳极电活性不溶物质和阴极电活性不溶 物质层施加电解质层204，其中，该电解质包括如上文所述的多价金属。 向该电解质层施加适当的隔板形成聚合物层206，其中，该聚合物如本 文所述。隔板形成聚合物可以如上文所述与来自电解质的多价金属反应 而形成电池隔板层208。
可以采用关闭电池单元的任何适当方法210。在一个实施例中，可 以通过折叠基层衬底或可替代地通过施加第二基层衬底来关闭电池单 元，该第二基层衬底可以与第一基层衬底接触并与其层压在一起以形成 电池，使得阳极和阴极为并排取向。
18在某些实施例中，该电池可以包括阴极集流器层和阳极集流器层。 该电池还可以包括端子。该电池还可以包括层压层以保护电池或控制如 何根据所使用的施加来打开或关闭电池。该方法可以包括密封电池单元 的进一步步骤。
在制造具有隔板的其中电池极为共面取向的薄的柔性电池的方法
的替代实施例中，可以只在一个极上形成隔板。图9示出#4居本发明此
类实施例的形成共面取向的电池的方法的流程图。可以向基层衬底施加
负极电活性不溶物质250。在一个非限制性示例中，负极物质是锌。可 以通过例如印刷技术向干负极或已如上文所述#皮激活的负极施加隔板 形成聚合物层252，其中，该聚合物如本文所述。聚合物可以如上文所 述与干极或激活电极的多价金属反应而形成隔板层254。隔板层可以完 全或部分地覆盖负极。
然后可以向基层衬底施加关于负极间隔开的正极电活性不溶物质 256。印刷共面配置的电池时遇到的问题是两种极材料的交叉污染。本 发明提供了这种污染的解决方案。在负极上形成的隔板可以起到防止负 极-故正极材料污染的掩蔽的作用。这样，还可以印刷例如3V电池的电 池，其中，使用印刷技术来施加多个负极，在每个负极上印刷适当的多 孔隙聚合物，并且在已在每个负极上形成隔板之后，可以以与负才及正确 (correct)间隔开的方式印刷多个正极。
可以向电极层上施加电解质层258。如上文在图8中所述，可以采 用关闭电池单元的任何适当方法260。该电池可以包括本领域中已知的 或如上文所述的集流器及其它电池部件。
在图9的说明中，在负极上形成隔板。本发明并不意图局限于在负 极上的形成隔板。本发明还包括只在正极上形成隔板的实施例。
现在对以下示例进行参考，其连同上述说明 一起以非限制性的方式 举例说明本发明。
示例1-包括改性丙烯酸系共聚物的铵盐的隔板形成聚合物油墨的制备 在室温下将诸如可从Bass Resins B.V.(约70- 85 % )获得的改性 丙烯酸系共聚物的铵盐与诸如可从Bass Resins B.V.(约5 ~ 25 % )获得 的低酸值树脂溶液、诸如有机溶剂等润湿剂、诸如适当的有机溶剂等的 消泡剂和聚结剂混合以形成液体油墨。示例2-隔板形成聚合物油墨的制备
在室温下将约70%至约85%的范围内的丙烯酸乳液与约1%至约10%的范围内的丙烯酸树脂混合。向此混合物添加约10%至约20%的范围内的适当有机溶剂和约1 %至约5%的范围内的添加剂以形成油墨。
示例3 -根据本发明实施例的包括就地形成的隔板的电池的制备
将两个集流器印刷到两个聚酯衬底上。集流器包括由Power Paper有限公司制造的集流器层油墨2501, P/N 0002.25.01。然后将集流器烘干。在集流器之一的顶部印刷由Power Paper有限公司制造的锌阳极油墨2101 ， P/N 0002.21.01。在第二集流器的顶部印刷由Power Paper有限公司制造的阴极二氧化锰基料(based)油墨2201， P/N 0002.22.01 。
将阳极油墨层印刷到在示例1中制备的隔板形成聚合物油墨上。通过锌离子与聚合物阴离子之间的反应就地形成多孔隙隔板。将该层加热并干燥。
将由Power Paper有限公司制造的电解质油墨2301, P/N 0002.23.01
印刷到阴极层上。
然后通过将阳极衬底与阴极衬底层压在一起来组装电池。
示例4 -具有根据本发明的实施例而形成的隔板的电池的容量与具有纸隔板的电池的容量比较
根据示例3来制备电池并与包括纸隔板的类似电池比较容量。在室温下培制(incubate)电池并在6个月的存储期内在0.2 mA的放电电流下测量容量。结果的图表在图10中示出。图表示出具有印刷隔板的电池表现出与具有纸隔板的电池相当的容量。
示例5-包括根据本发明的实施例而就地形成的隔板的电池的制备，其中，电极为共面配置
将两个集流器以关于彼此间隔开地方式印刷到聚酯衬底上。集流器包括由Power Paper有限公司制造的集流器层油墨2501, P/N 0002.25.01 。然后将集流器烘干。在集流器之一的顶部印刷由Power Paper有限^^司制造的锌阳极油墨2101, P/N 0002.21.01。将在示例1中制备的隔板形成聚合物油墨印刷到阳极油墨层上。通过锌离子与聚合物阴离子之间的 反应在阳极上就地形成多孔隙隔板。将该层加热并干燥。
在第二集流器的顶部印刷由power Paper有限公司制造的阴极二氧 化锰基料油墨2201， P/N 0002.22.01。
然后，将由Power Paper有限公司制造的电解质油墨"01, P/N 0002.23.01印刷到掩蔽阳极层和阴极上。
然后，将电池密封。
在45。C下将在示例5中制造的电池的6个样本放置在加速存储装置 中2天。在0.4 mA/cn^的放电电流下测量到1.8mAh/cn^的容量。OCV 为3.04V。
详细构造和布置。本发明包括其它实施例并能够以各种方式来实现或实 施。而且，还应理解的是本文所采用的措辞和术语仅仅是出于说明的目 的，不应将其理解为限制性的。
2权利要求
1.一种电池隔板，包括非电解质聚合物层与多价金属离子的反应产物，所述非电解质聚合物包括离子交联官能团。
2. 根据权利要求1所述的电池隔板，其中，所述聚合物是溶液形 式的聚合物和分散体形式的聚合物中的至少 一 个。
3. 根据权利要求1所述的电池隔板，其中，所述聚合物包括阴离 子交联官能团。
4. 根据权利要求1所述的电池隔板，其中，所述电池隔板包括孔 隙，并且其中，孔隙的尺寸大于10微米。
5. 根据权利要求2所述的电池隔板，其中，所述分散体包括稳定 剂，并且其中，聚合物和稳定剂中的至少一个带电。
6. 根据权利要求1所述的电池隔板，其中，所述聚合物是水相容的。
7. 根据权利要求1所述的电池隔板，其中，所述聚合物是丙烯酸 聚合物。
8. 根据权利要求1所述的电池隔板，其中，所述多价金属是过渡 金属。
9. 根据权利要求1所述的电池隔板，其中，所述多价金属源自于 电池部件的一部分。
10. 根据权利要求9所述的电池隔板，其中，所述电池部件包括 电解质层和电极层中的至少一个。
11. 根据权利要求10所述的电池隔板，其中，所述电池部件是电 极层，并且其中，所述电极层被激活。
12. 根据权利要求1所述的电池隔板，其中，所述隔板是膜、半 固体和沉淀物中的至少一个。
13. 根据权利要求2所述的电池隔板，其中，所述聚合物溶液还 包4舌至少一种添加剂。
14. 根据权利要求13所述的电池隔板，其中，所述至少一种添加 剂是消泡剂、表面活性剂、干燥增强剂、流变剂、均化剂、聚结剂、 增粘剂、润湿剂、溶剂及其组合中的至少一个。
15. 根据权利要求1所述的电池隔板，其中，所述隔板被设置在 电池电极和电解质层中的至少一个上。
16. —种就地形成电池隔板的方法，包括施加包括聚合物的非电 解质层，使得聚合物与多价金属离子反应而形成包括聚合物金属离子 产物的隔板，并且其中，多价金属离子是电池部件层的一部分。
17. 根据权利要求16所述的方法，其中，通过印刷或涂布技术来 执行所述施加。
18. 根据权利要求16所述的方法，其中，所述聚合物被施加于包 括多价金属的电池部件层上。
19. 根据权利要求16所述的方法，其中，所述聚合物包括阴离子 交联官能团且所述多价金属带正电。
20. 根据权利要求16所述的方法，其中，所述电池部件层包括电 解质层或电极层。
21. 根据权利要求20所述的方法，其中，所述电池部件层是电极 层，并且还包括在施加聚合物之前预先激活所述电极层。
22. 根据权利要求21所述的方法，其中，所述预先激活包括用包 括多价金属的溶液润湿。
23. 根据权利要求16所述的方法，其中，所述聚合物是溶液形式 的聚合物或分散体形式的聚合物中的至少 一个。
24. 根据权利要求16所述的方法，其中，所述多价金属是锌。
25. 根据权利要求23所述的方法，其中，所述聚合物还包括至少 一种添加剂，并且其中，所述至少一种添加剂是消泡剂、表面活性剂、 干燥增强剂、流变剂、均化剂、聚结剂、润湿剂、溶剂及其组合中的 至少一个。
26. 根据权利要求16所述的方法，其中，控制所述施加和反应以 促进形成具有预定性质的隔板，并且其中，所述预定性质是膜均匀度、 孔隙度、导电性、厚度和强度中的至少一个。
27. 根据权利要求16所述的方法，还包括隔板的干燥。
28. —种电池，包括 至少一个第一极材料层；极性与第一极材料相反的至少一个第二极材料层； 设置在第 一极材料与第二极材料之间的至少 一个电解质层；以及 至少一个隔板，其中，在第一极材料上就地形成隔板，使得隔板 在第 一极与第二极之间是非等距离的。
29. 根据权利要求28的电池，其中，所述隔板包括非电解质聚合 物层与多价金属离子的反应产物，所述非电解质聚合物包括离子交联 官能团。
30. 根据权利要求28所述的电池，其中，所述电池是薄的且柔性的。
31. 根据权利要求28所述的电池，其中，第一极材料和第二极材 料中的至少 一个包括锌，且所述至少 一个电解质层包括氯化锌。
32. —种电池，包括 第一极材料；极性与第一极材料相反的第二极材料；其中，第 一极材料与第二极材料以彼此间隔开的方式共面；与第一极和第二极接触的电解质；以及隔板，其覆盖或部分地覆盖第一极材料，但基本上不覆盖或部分 地覆盖第二极材料。
33. 根据权利要求32所述的电池，其中，所述隔板包括非电解质 聚合物层与多价金属离子的反应产物，所述非电解质聚合物包括离子 交联官能团。
34. 根据权利要求32所述的电池，其中，所述电池是薄的且柔性的。
35. 根据权利要求32所述的电池，其中，至少一个第一极材料包 括锌，且所述电解质包括氯化锌。
36. —种制造薄的柔性电池的方法，包括 向第 一衬底上施加第 一极材料层； 向该第一极层上施加至少一个电解质层； 向第二衬底上施加第二极材料层；以及或者(a) 向第二极材料层上施加隔板形成聚合物的非电解质层，其中， 第二极材料包括多价金属，该多价金属与隔板形成聚合物反应以形成包 括多价金属与聚合物的反应产物的隔板层；或者(b) (i)向第二极材料层上施加电解质层；其中，电解质层中的至少 一个包括与非电解质隔板形成聚合物反应以形成隔板的多价金属；以及(ii)向电解质层的一个层上施加非电解质隔板形成聚合物层以 形成包括多价金属与聚合物的反应产物的隔板层；以及使第一衬底接触并层压到第二衬底，使得隔板层被设置在第一极层 与第二极层之间。
37. 根据权利要求36所述的方法，其中，在(a)中，通过在施加 聚合物层之前用稀释的电解质润湿来激活第二极材料层。
38. 根据权利要求36所述的方法，其中，通过印刷方法来执行所 述施力口 。
39. 根据权利要求36所述的方法，其中，(a)还包括将聚合物层 加热以加速隔4反层的形成。
40. 根据权利要求36所述的方法，其中，(a)还包括干燥隔板层。
41. 一种形成电池的方法，包:^舌 向基层村底上施加第一极材料； 在第 一极材料上施加隔板；在第 一极材料上施加隔板之后，在同一平面中以关于第 一极材料间 隔开的方式在基层衬底上施加极性与第一极材料相反的第二极材料；以 及施加电解质；其中，所述隔板不覆盖或部分地覆盖第二极材料。
42. 4艮据权利要求41所述的方法，其中，施加隔板包括在第一极 材料层上施加隔板形成聚合物层，其中，所述第一极材料包括多价金属， 并且其中，所述隔板形成聚合物与多价金属反应以形成隔板。
43. 根据权利要求41所述的方法，还包括通过在施加隔板形成聚 合物层之前用多价金属的溶液润湿极来激活第一极。
44. 根据权利要求41所述的方法，其中，通过印刷技术来执行所 述施力口 。
全文摘要
本发明是涉及包括聚合物与多价金属的反应产物的电池隔板。本发明还提供了一种形成电池隔板的方法，包括施加诸如丙烯酸聚合物等聚合物，使得其与电池部件层中的多价金属反应而形成隔板。在某些实施例中，通过印刷技术来执行施加。此外，本发明涉及包括本发明的隔板的电池及其制造方法。
文档编号H01M2/16GK101682012SQ200780051458
公开日2010年3月24日 申请日期2007年12月18日 优先权日2006年12月18日
发明者B·尼灿, S·列维 申请人:纸型电池有限公司