专利名称：具有嵌入的ic和电化学电池的卡的制作方法
技术领域：
本发明主要涉及包含嵌入式电池的卡，所述嵌入式电池在内部与同样嵌入卡内的电子器件连接。
背景技术：
最近，对于包含电子器件如集成电路(IC)的信息卡的需求日益增长。IC可以提供如检索、处理、传递和存储信息的功能。这种卡通常称作“智能卡”，在广泛领域内具有潜在应用，包括商业、运输、通信、认证和安全领域。
已知将电池引入卡中为内部电路提供电源。将电池引入到IC卡内允许存储更大量的数据，还允许提高处理能力。
由于对于大多数应用来说难以在一般信用卡的有限空间内提供所需能量，因此理想的是使用具有最高能量密度的电池类型。锂电池由于其高能量密度而被引入市场。锂在元素周期表上原子序数为3，在所有固体材料中具有最小的原子量和最高的能量密度。因此，锂是电池的优选材料，具有非常高的能量密度。锂电池是理想的选择，还因为与Ni-Cd和Ni-MH电池约1.5V的单位电池电压相比，锂电池具有至多约4.2V的高单位电池电压。
具有固体聚合物电解质的锂电池代表对具有液体电解质的锂电池的演变替代。固体聚合物电极通常是凝胶型电解质，在聚合物的孔隙中捕获溶剂和盐以提供离子导电的介质。典型的聚合物电解质包括聚环氧乙烷(PEO)、聚醚基聚合物和其他形成为凝胶的聚合物如聚丙烯腈(PAN)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)和聚偏氟乙烯(PVDF)。聚合物电解质通常用作隔膜，插在电池的阴极和阳极膜之间。
金属锂聚合物(LMP)可充电电池提供与Li离子电池相比改善的性能，尤其是更高的容量。LMP电池由三种主要的薄膜层压/组装而形成，所述三种主要的薄膜是包含聚合物和电化学活性物质如锂钒氧化物的混合物的正极膜、由聚合物和锂盐制得的电解质膜隔膜以及包含金属锂或锂合金的负极膜。
不幸的是，包括金属锂或锂离子电池的传统电池缺乏对于经受信用卡加工条件的稳定性，所述信用卡加工条件可包括125-140℃的温度、200-250psi的压力和5-15分钟的保持时间。经受上述卡层压条件的传统电池通常灾难性地失效或者工作参数发生很大变化而使它们不具实际用途。结果，虽然已将电池置于信用卡内部，但是使用了低温胶来将电池和卡粘合起来。
发明内容
IC卡包含至少一层塑料层、嵌入塑料层中的电池和至少一种电子器件。所述电池电连接至电子器件，从而为电子器件供电。所述电池包括阳极、阴极和置于阳极和阴极之间的至少一层聚合物基电解质(PME)隔膜。所述PME隔膜包含相互混合的聚酰亚胺、至少一种锂盐和至少一种溶剂。锂盐浓度优选为至少0.5摩尔锂每摩尔酰亚胺环，所述酰亚胺环由所述聚酰亚胺提供。所述PME是基本光学透明的。
用于本文时，与PME相关的术语“基本光学透明”是指通过以540nm的光对1密耳厚的标准膜进行标准浊度测试而测得材料为至少90％透明的(透光的)，优选至少95％，最优选为99％透明的。PME的高光学透明度证实包含各组分(聚酰亚胺、盐和溶剂)的PME的均相性，因为任何明显的相分离都将会降低光学透明度。
阳极可以包含锂离子嵌入物质或金属锂包括金属锂合金。聚酰亚胺每酰亚胺环的重复单元重量可以不超过350、不超过300或不超过250。聚酰亚胺在25℃可溶于选自N-甲基吡咯烷酮(NMP)、二甲基乙酰胺(DMAc)和二甲基甲酰胺(DMF)的至少一种溶剂。
25℃时PME的离子电导率为至少1×10-4S/cm，并且优选为至少3×10-4S/cm。
Li盐可选自多种盐。例如可以使用LiCl、LiBr、LiI、LiClO4、LiBF4、LiAsF6、LiPF6、LiCF3SO3、LiBOB、LiN(CF3SO2)2和二(三氟磺酰基)酰亚胺锂(LiTFSI)。
阴极可包含与嵌入物质混合的离子导电聚合物粘合剂。在该实施方案中，聚合物粘合剂可包含至少一种聚酰亚胺，包括与PME中相同的聚酰亚胺。
在至少250psi的压力下，于125℃加热至少5分钟之后，所述电池的开路电压(OCV)或容量可不表现出显著变化。本文中，在给定的热和/或压力循环之后，“开路电压(OCV)或容量没有显著变化”这一短语是指电池的开路电压和容量的变化不大于15％、优选小于10％、更优选小于5％。
例如，在经过压力为220psi、温度为140℃保持15分钟的典型信用卡层压加工之后，发现具有包含锂钒氧化物的阴极的金属锂电池的OCV变化1.4％，容量也出现同样小的下降。而且，利用PME形成的电池十分柔软并且可以超过ISO标准ISO/IEC10373和14443。
所述电池可以是原电池或二次电池。所述电池优选为双单元电池(bicell)。
IC卡可以利用包含围绕所述电池的封装材料的封装以形成密封式电池，所述封装材料通过内部粘合剂层压粘合至所述电池的所有外表面。在另一实施方案中，包括封装材料的封装围绕电池，并且使用具有开口以适应其内部电池的框架来形成密封式电池，其中电池置于开口内部。该实施方案提供高度平坦的电池，如整体的厚度均匀性在±1密耳范围内。
IC卡可以包含置于密封式电池和塑料层之间的外部粘合剂，以粘合所述密封式电池和塑料层，其中外部粘合剂在至少100℃的温度下活化。内部粘合剂可以用来密封电池，其中内部粘合剂的活化温度低于外部粘合剂的活化温度。IC卡可以具有整体±1密耳范围内的厚度均匀性。另外，IC卡可以符合根据ISO标准ISO/IEC 10373和14443的弯曲、挠曲和扭转的ISO测试标准，而不导致任何视觉上可察觉的分层。
形成包含嵌入式电子器件的卡的方法包括以下步骤提供包含阳极、阴极和至少一个置于阳极和阴极之间的聚合物基电解质(PME)隔膜的电池。PME隔膜包含相互混合的聚酰亚胺、至少一种锂盐和至少一种溶剂，所述PME为基本光学透明的。电池和至少一个电子器件嵌入至少一层塑料层中，所述电池电连接至电子器件。嵌入方法可以是层压方法，其中对于层压方法采用在至少200psi的压力下于至少110℃的温度下进行5分钟，经过该层压工艺，电池开路电压或容量的变化小于10％。在至少230psi的压力下，层压温度可以为至少130℃并保持至少10分钟，经过该层压工艺，电池开路电压或容量的变化还是小于10％。
嵌入方法可以包括注射成型方法，在经过温度为至少200℃、压力为至少1000psi的注射成型加工之后，电池开路电压或容量的变化小于10％。注射成型温度可以是至少250℃，压力可以是至少5000psi，经过该注射成型加工，电池开路电压或容量的变化小于10％。
电池可以通过仅层压两层而形成。在本发明该实施方案中，第一层是置于阴极上的PME，第二层是阳极。
结合附图阅读下面的详细描述，将会更全面地理解本发明及其特征和优点，其中图1(a)-(m)描述根据本发明实施方案的几种合适的聚酰亚胺的重复单元结构。
图2是描述根据本发明实施方案包含图1(m)中所示聚酰亚胺、锂盐LiTFSi(2.2x)和溶剂γ-丁内酯(GBL)的PME在20.5℃时的离子电导率和所得膜的组成的表。
图3(a)-(d)是包含图1(m)中所示聚酰亚胺和锂盐LiTFSi(2.2x)的PME的离子电导率分别与溶剂TMS、PC、GBL和NMP的溶剂量和温度的函数关系曲线。
图4是20℃时包含图1(m)中所示聚酰亚胺和锂盐(LiTFSi；2.2x)的PME的离子电导率与溶剂/聚酰亚胺之比的函数关系曲线，其中溶剂是GBL。
图5(a)是没有加入Li盐或任何溶剂的典型聚酰亚胺的FTIR数据。
图5(b)是典型Li盐的FTIR数据。
图5(c)是图5(a)所示FTIR数据的典型聚酰亚胺与图5(b)中所示FTIR数据的典型Li盐相互混合的FTIR数据，证明在约1630cm-1和1690cm-1之间出现双重吸收峰。
图6是包括可用于制备本文所提出的聚酰亚胺的二酐和芳香族二胺的表。
图7示出根据本发明实施方案形成准备封装的电化学双单元电池的组装工艺。
图8示出用于封装利用图7所示组装工艺生产的电化学双单元电池的组装工艺。
图9示出根据本发明实施方案，将密封式电化学双单元电池和电子柔性电路嵌入到PVC卡内部的组装工艺，其中所述密封式电化学双单元电池利用图8所示组装工艺生产。
图10(a)是证实PME无缺陷的SEM。
图10(b)是示出置于包含锂钒氧化物(LVO)的阴极层上的PME之间光滑均匀界面的SEM。
图11示出根据本发明的典型电池的充电/放电曲线，根据本发明的实施方案，所述电池包括锂钒氧化物阴极、金属Li阳极和PME隔膜。
具体实施例方式
本发明描述包含其中嵌入至少一种电子器件和电池的IC卡。所述电池电连接至电子器件，如集成电路，从而为电子器件供电。所述电池包含阳极、阴极和置于阳极和阴极之间的基本光学透明的电解质隔膜基体。
隔膜基体包括聚酰亚胺、锂盐和某种溶剂。所述锂盐的浓度为至少0.5摩尔锂每摩尔酰亚胺环，所述酰亚胺环由聚酰亚胺提供。所述溶剂一般是低分子量、低粘度的液体，其在低浓度时使聚酰亚胺溶胀并且在足够高浓度时允许所述聚酰亚胺、盐和溶剂得以均匀混合。用于本文时，基本光学透明的电解质隔膜基体称作“聚合物基电解质”或PME。
电池可以是锂离子电池和金属锂电池。不同于凝胶聚合物电解质，PME一旦形成，通常就没有游离溶剂或可辨认的孔隙。例如，使用具有50分辨率的SEM，不能辨认出PME中的孔隙。相反，溶剂与聚合物和锂盐结合而成为均相和基本光学透明的基体。另外，与聚合物仅提供机械支撑作用的传统凝胶聚合物不同，构成PME的聚合物、盐和溶剂都参与离子导电。
PME提供高的载流量、循环稳定性并且在宽的温度范围例如至少从-40℃至100℃内保持这种性能水平。例如，PME可以耐受高温高压而开路电压和容量变化很小，如通常在信用卡制造中所用的热层压加工中的条件，或者甚至是常用的注射成型加工中的条件。例如，信用卡组装中所用的热层压加工通常在约200-250psi的压力下在约115-150℃保持5-15分钟。层压可包括单阶热循环或多阶热循环。层压还可包括单阶压力循环或多阶压力循环。例如，在单阶热循环中，层压可以包括加热至单一温度如115℃，保持预定的单一时间段如5分钟。在多阶热循环中，层压可以包括在多个温度下进行分阶段加热，例如，加热至第一温度并保持第一时间段，随后加热至第二温度并保持第二时间段。同样，压力也可以根据需要分阶段提高。利用PME形成的电池的性能不会由于典型信用卡层压工艺的温度和压力条件而在开路电压(OCV)或容量方面发生显著变化。
本文中，在层压或成型加工之后，“OCV和容量没有显著变化”这一短语是指在层压或成型加工之后，包含PME的电池表现出OCV和容量变化小于15％、优选小于10％、更优选小于5％。
例如，在经过压力为220psi、温度为140℃保持15分钟的层压加工之后，发现具有包含锂钒氧化物的阴极的金属锂电池的OCV变化1.4％，容量也出现同样小的下降。而且，利用PME形成的电池十分柔软并且可以超过ISO标准ISO/IEC 10373和14443。
因此，PME基电池十分适合用在信用卡、智能标签和其他需要高温/高压层压加工并可以受益于板上电源的小型器件内部。关于本发明的信用卡和相关应用，由PME提供的电池对于机械和热应力的高稳定性使得根据本发明的电池可以耐受苛刻的信用卡加工条件。
PME通常基于一种或多种聚酰亚胺，与其他聚合物基电解质不同，其通过酰亚胺环和其他极性基团的存在来参与离子导电性。其他聚合物种类包括聚苯并咪唑和聚酰胺酰亚胺，所述聚合物包含具有可与锂盐络合并且参与离子导电的官能团的高极性基团。因此，这些聚合物种类还可以包括用于形成PME的物质。
聚酰亚胺是二胺和二酐之间缩聚反应的反应产物，该缩聚反应最初形成聚酰胺酸中间产物。二胺和二酐反应物之一或二者可以是二胺或二酐类物质的混合物。然后所述聚酰胺酸中间产物转化成完全酰亚胺化的聚酰亚胺。
由此形成的聚酰亚胺的性质取决于特定二胺和二酐单体的选择。通常认为聚酰亚胺具有高的热稳定性、化学稳定性和高的玻璃化转变温度，如200℃至400℃以上。
本发明已经确认与′672专利中所公开的那些聚酰亚胺所不同的聚酰亚胺，并发现向这些不同的聚酰亚胺中加入溶剂会导致PME的形成。本文所确认的一些聚酰亚胺是新型的合成聚合物。与′672中公开的聚合物不同，当与适当浓度的盐和溶剂结合时，本文公开的聚合物形成基本均相的基体材料(PME)。如上所述，通过PME所具有的高光学透明度证实PME的均相性，如实施例1中所示。相反，′672中公开的电解质是非均相混合物，这由其不透明性可证实，也在实施例1中示出，不透明表示各组分间的相分离。
通过定性地使某些聚合物参数与离子电导率相关，本发明人已经确认并合成了新型聚酰亚胺用于形成PME。酰亚胺环密度用来解释聚酰亚胺膜为什么在载有锂盐时表现出相当大的离子电导率，即使没有溶剂也是如此。每酰亚胺环的重复单元重量是酰亚胺环密度的一种测定方法，通过使各聚酰亚胺中整个重复单元的分子量除以各重复单元内酰亚胺环的数量来计算。
因为酰亚胺环提供高的电子密度，所以酰亚胺环可以为材料提供等效的高介电常数。因此，可以认为，酰亚胺环与锂离子之间的相互作用是决定PME离子电导率的因素。因而，出于进一步的考虑，通常可以通过首先计算在给定的聚酰亚胺中每分子重复单元中酰亚胺环(和较少量的其他高极性基团，如磺基、羰基和氰基)的数量来选择为用作PME而改进的聚酰亚胺。每单元重量中提供的酰亚胺环官能团越多，聚合物平均介电强度等效值就越高。较高的等效介电强度被认为通常导致盐相互作用改善，这可以提高PME的离子电导率。
作为替代方案，也可以计算称作每酰亚胺环的重复单元重量的大致为酰亚胺环密度的倒数的量来比较聚酰亚胺中酰亚胺环的相对浓度。当每酰亚胺环的重复重量减小时，构成重复单元的酰亚胺环也在总体上变得越来越多。因此，当每酰亚胺环的重复重量减小时，聚酰亚胺的等效介电常数和离子电导率通常增加。
提供高透氦性的聚酰亚胺通常可以产生更高的离子电导率并因此形成更好的PME。在25℃时，已经发现根据本发明的大多数聚酰亚胺所测得的He穿透性为至少20barrer。该He穿透性可以为至少25、30、35、40、45、50、55、60、65、70、75或80barrer或更多。
透氦性可以以下列建议的方式来测量。气体组分通过具有厚度(1)和面积(A)的给定薄膜的气体穿透性(GP)可以通过如下方法测定施加横贯所述薄膜的压力(p)，该压力等于所述气体组分的上游压力减去下游压力，并测量由此形成的在STP条件下透膜的稳态气体流速(f)。
GP＝(f1)/(Ap)
Gp的优选单位是(cm2)(sec)-1(cmHg)，其中1barrer定义为GP乘以1010。
可以认为，PME的最大离子电导率通常在聚酰亚胺/盐/溶剂组合形成完全均相、透明的基体时产生。由于相分离将增加PME内的曲折性，因此预期任何相分离都会减小离子电导率值。
在给定温度下PME的最大电解质电导率通常在聚酰亚胺/盐/溶剂基体具有在规定范围内的比例时产生。最佳的盐浓度通常为聚酰亚胺的每摩尔酰亚胺环0.5-2.0摩尔Li。太少的盐通常不能提供足够数量的有助于电荷转移的离子。太多的盐通常导致相不稳定性和聚酰亚胺的可能沉淀，并由此而丧失均相性，这可以由光学透明度的丧失来证实。
可以认为，溶剂充当聚合物溶胀剂以使主链稍微分开并且因此获得更大的离子扩散系数。溶剂还用作离子的溶剂化载体。通常选择溶剂还使其在所选电池类型的限制内也是稳定的。例如，对于锂离子型电池，溶剂必须在最大为金属锂的还原电势下是稳定的。根据在某些所需温度下的所期望的电导率或基体的软化点，可以优化溶剂的量。可以从γ-丁内酯(GBL)、碳酸异丙烯酯、N-甲基吡咯烷酮(NMP)、四氢噻吩-1，1-二氧化物(TMS)、聚碳酸酯(PC)和二甲基甲酰胺(DMF)中选择溶剂。
图1(a)-(m)描述根据本发明实施方案的几种聚酰亚胺的重复单元结构。称作聚酰亚胺A的聚合物重复单元如图1(a)所示。该聚酰亚胺可通过使PMDA[89-32-7]与TMMDA[4037-98-7]反应形成。该高分子量聚合物在可在有限的数小时内溶于NMP，因此不会产生含有锂盐的电解质。
本文中称作聚酰亚胺B的聚合物重复单元如图1(b)所示，该聚酰亚胺可通过使90摩尔％PMDA[89-32-7]、10摩尔％6FDA[1107-00-2]的二酐和二胺TMMDA[4037-98-7]反应形成。所形成的聚合物可以以20wt％的浓度无限期地溶于NMP中。
本文中称作聚酰亚胺C的聚合物重复单元如图1(c)中所示，该聚酰亚胺可通过使85.7摩尔％PMDA[89-32-7]、14.3摩尔％6FDA[1107-00-2]和TMMDA[4037-98-7]反应形成。所形成的聚合物可以以20wt％的浓度无限期地溶于NMP中。
本文中称作聚酰亚胺D的聚合物重复单元如图1(d)中所示，该聚酰亚胺可通过使80摩尔％PMDA[89-32-7]、20摩尔％PSDA[2540-99-0]和TMMDA[4037-98-7]反应形成。所形成的聚合物可以以20wt％的浓度无限期地溶于NMP中。
本文称作聚酰亚胺E的聚合物重复单元如图1(e)中所示，该聚酰亚胺可通过使BPDA[2421-28-5]和3，6-二氨基均四甲苯[3102-87-2]反应形成。所形成的聚合物可以以20wt％的浓度无限期地溶于NMP中。
本文称作聚酰亚胺F的聚合物重复单元如图1(f)中所示，该聚酰亚胺可通过使6FDA[1107-00-2]和3，6-二氨基均四甲苯[3102-87-2]反应形成。所形成的聚合物可以以20wt％的浓度无限期地溶于NMP中，并且还可溶于丙酮、GBL、DMAc和DMF中。
本文称作聚酰亚胺G的聚合物重复单元如图1(g)中所示，该聚酰亚胺可通过使PSDA[2540-99-0]和TMMDA[4037-98-7]反应形成。所形成的聚合物可以以20wt％的浓度无限期地溶于NMP中，并且可溶于GBL中。
本文称作聚酰亚胺H的聚合物重复单元如图1(h)中所示，该聚酰亚胺可通过使6FDA[1107-00-2]和TMMDA[4037-98-7]反应形成。所形成的聚合物可以以20wt％的浓度无限期地溶于NMP中，并且可溶于丙酮、GBL、DMAc和DMF中。
本文称作聚酰亚胺I的聚合物重复单元如图1(i)中所示，该聚酰亚胺可通过使BPDA[2421-28-5]和4，4’-(9-亚芴基)二苯胺[15499-84-0]反应形成。所形成的聚合物可以以20wt％的浓度无限期地溶于NMP中。
本文称作聚酰亚胺J的聚合物重复单元如图1(j)中所示，该聚酰亚胺可通过使PMDA[89-32-7]、33.3摩尔％TMPDA[22657-64-3]和66.7摩尔％TMMDA[4037-98-7]反应形成。所形成的聚合物可以以20wt％的浓度无限期地溶于NMP中。
本文称作聚酰亚胺K的聚合物重复单元如图1(k)中所示，该聚酰亚胺可通过使PMDA[89-32-7]和DAMs[3102-70-3]反应形成。所形成的聚合物仅以短暂时间溶于NMP中。
本文称作聚酰亚胺L的聚合物重复单元如图1(1)中所示，该聚酰亚胺可通过使PMDA[89-32-7]和4-异丙基-m-苯二胺[14235-45-1]反应形成。所形成的聚合物可以以20wt％的浓度无限期地溶于NMP中。
本文称作聚酰亚胺M的聚合物重复单元如图1(m)中所示，该聚酰亚胺可通过使PMDA[89-32-7]、33.3摩尔％DAMs[3102-70-3]和66.7摩尔％TMMDA[4037-98-7]反应形成。所形成的聚合物可以以20wt％的浓度无限期地溶于NMP中。
PME包含至少一种锂盐。高的PME离子电导率通常利用高的盐含量来实现，所述高的盐含量例如对于聚酰亚胺聚合物的每摩尔酰亚胺环约0.5-2.0摩尔Li。然而，锂盐的浓度可以是聚酰亚胺的每摩尔酰亚胺环0.6、0.7、0.8、0.9、1.0、1.1、1.2、1.3、1.4、1.5、1.6、1.7、1.8、1.9、2.0、2.1、2.2、2.3、2.3、2.4或2.5摩尔Li。
本文中还将盐的浓度描述为盐的重量与不包括盐的聚合物(如聚酰亚胺)重量之比。例如，1×浓度对应于盐和聚合物等量，而2×的盐浓度对应于两倍于聚合物浓度的盐浓度。锂盐通常可以是现有技术中所知的任何锂盐。优选地，锂盐选自LiCl、LiBr、LiI、Li(ClO4)、Li(BF4)、Li(PF6)、Li(AsF6)、Li(CH3CO2)、Li(CF3SO3)、Li(CF3SO2)2N、Li(CF3SO2)3、Li(CF3CO2)、Li(B(C6H5)4)、Li(SCN)和Li(NO3)、二(三氟磺酰基)酰亚胺锂(LiTFSi)、LiBOB和LiSCN。优选地，所述盐是Li(PF6)或LiTFSi。
不同于图1中所示的典型结构的聚酰亚胺结构可以是用于形成PME基体的好的候选物。好的PI应表现的特征如在NMP(或其他适当的溶剂)中的溶解度为至少20wt％以及低的每酰亚胺环的重复单元重量可以是第一标准。但是，当与高浓度的可用于电池应用的锂盐结合时，PI本身的溶解性或溶液稳定性不易预测。
通过简单观察聚合物重复单元结构通常不能确定其溶液中的行为。但是，可以从观察结构中确定聚合物是否可能结晶，或在固态时具有高的相对密度还是低的相对密度。聚酰亚胺优选是非结晶、低密度重复结构的，因为它们最有可能是易溶的。但是，将单一侧基从甲基变成乙基会导致PI的特性从有用变成无用。为了找出用于电池应用的作为替代方案的聚酰亚胺，一种建议的筛选程序是选择已知本身在溶剂中具有良好的溶解性的聚酰亚胺，然后设法引入0.5摩尔Li/酰亚胺环或更大浓度的锂盐，并且观察(i)所得PI/盐/溶剂溶液在几小时内是否透明和均相以及(ii)当大部分溶剂(如95％)蒸发掉时，由该溶液浇铸的膜是否保持基本透明。
图2是描述根据本发明实施方案的聚酰亚胺基PME在20.5℃时的离子电导率和相应膜组成的表，所述聚酰亚胺基PME包含图1(m)中所示聚酰亚胺、锂盐LiTFSi(2.2x)和溶剂GBL。PME膜的室温离子电导率值根据利用复阻抗分析仪所测得的阻抗来计算。在1MHz-0.1Hz的频率范围内利用复阻抗分析仪进行测量。以奈奎斯特图(Nyquistplot)的实轴截距作为膜的电阻值R，或通过将响应曲线的高频部分外推至实轴得到膜的电阻值R。还可以在LCR计上以固定频率10kHz进行测量，此时可以直接读出电阻值。利用下列公式计算离子电导率C(西门子/厘米)＝t/R×10-4其中t是膜厚度，以微米计，R是所测得的膜电阻，以欧姆计。
如图2中所示，对于所测试的PME，20.5℃时对于1×的盐浓度而言最大离子电导率为约1×10-4S/cm，对于2.2×的浓度而言最大离子电导率为约4×10-4S/cm，其中PME膜含有37.9％的GBL。在图2所示的表的下部示出为1.0、1.4、1.8和2.2×的盐浓度提供1×10-4S/cm的电导率所需要的最低溶剂水平。
图2中溶剂的范围表述为溶剂/PI之比并且为约1-约2。在较低值时，可以任意定义相关的“足够高”的电导率，如1.0E-4S/cm。根据盐的浓度不同，发现最大电导率在溶剂/PI之比为1.5-2.0时出现。
接近2的溶剂/PI上限通过PME的机械特性来调节。在高的溶剂/PI之比下，PME膜变得非常柔软并且不能在扩大的温度范围内用作电池的隔膜。事实上，用于金属锂电池时，溶剂应选择为对金属锂适度稳定、高沸点(＞150℃)、能够溶解所选盐和溶胀PI的溶剂，并且最后它应具有低粘度，从而提高盐/溶剂组合本身以及PME的电导率。
为了最优化相应的PI、盐和溶剂的浓度，下面将描述所建议的程序。在第一步中，挑选可溶于适当溶剂如NMP或GBL的PI种类。除图1(k)中所示的聚酰亚胺之外的图1中所示的全部聚酰亚胺均可溶于NMP。在第二步中，挑选所需要的锂盐并选择初始浓度，例如所选PI提供的每个酰亚胺环一个锂离子的质量比。然后，溶剂浓度可以从约0.8的溶剂/PI之比变化至2.0，同时测量其间几个溶剂/PI数据点的离子电导率。这可以在更高和更低的盐浓度点进行重复。通常有几个PI/盐/溶剂的重量组合能提供相似的离子电导率，例如在系数2以内。
图3(a)-(d)是包含图1(m)中所示聚酰亚胺和锂盐LiTFSi(2.2x)的PME的离子电导率分别与溶剂TMS、PC、GBL和NMP的溶剂量和温度的函数关系曲线。由于盐的含量是2.2×，因此这些曲线通常不能显示出明确的电导率最大值，结果，为提供最大的离子电导率所需的溶剂量很大并且通常是不实际的。
图4是20℃时包含图1(m)中所示聚酰亚胺和锂盐(LiTFSi；2.2x)的PME的离子电导率与溶剂/聚酰亚胺之比的函数关系曲线，其中溶剂是GBL。可以看出随溶剂与聚酰亚胺之比提高直至约1.5的GBL/聚酰亚胺之比，离子电导率增加，其中离子电导率在约7×10-4S/cm的值处达到稳定。
基于聚酰亚胺的PME的离子电导率被认为同聚酰亚胺与碱金属盐相结合的程度相关，尤其是Li盐。这种结合可能与在聚酰亚胺和盐的极性基团(如酰亚胺和苯)之间形成的络合有关。通过测量与盐混合时聚合物所显示的吸收频率并且将该数据与聚酰亚胺和盐本身所显示的吸收频率相比，可以发现这种结合的证据。
对于聚酰亚胺，特征吸收频率被认为与构成聚酰亚胺主链的酰亚胺环和苯环有关。对于酰亚胺环而言这些吸收峰在约1778cm-1和1721cm-1处，对于苯环而言则在730cm-1处。一般的Li盐，包括LiPF6、LiBOB、LiI和LiTFSi在这些频率处均没有表现出吸收，并且在约1630cm-1和1690cm-1之间也没有任何吸收峰。但是，当某些与Li盐强烈结合的聚酰亚胺与这些盐混合时，由此形成的聚酰亚胺/盐膜出现了很强的双重吸收峰，第一个峰在约1672cm-1处，第二个峰在约1640cm-1处。
当聚酰亚胺膜中有高浓度的盐，例如至少33wt％时，存在第一吸收频率，但是并不随着盐浓度的增加而明显变化。因此，假如提供足够的盐浓度，该峰可用于表明相互作用。第二峰的强度几乎和Li离子浓度与酰亚胺环之比成比例并且可用于评估聚酰亚胺和盐之间的相互作用程度。
除聚酰亚胺之外的由于多键共轭而具有高的相对局部的电子密度(如与聚酰亚胺中酰亚胺环相邻处的电子密度相当)和电荷分离电势的聚合物可形成聚合物/盐络合物，并显示基于所形成的络合物的特征吸收峰，前提是它们都是可溶的。因此，吸收光谱如FTIR可用于鉴别这些具有用作PME时形成络合物的证据的可溶性非聚酰亚胺聚合物。
图5(a)是没有加入Li盐或任何溶剂的图1(c)中所示的示例性聚酰亚胺的FTIR数据。与酰亚胺环相关的吸收峰出现在约1778cm-1和1721cm-1处，对于苯环而言则出现在730cm-1处。该聚酰亚胺在约1630-1690cm-1之间没有出现任何可检测的吸收峰。
一般的Li盐，包括LiPF6、LiBOB、LiI、和LiTFSi在1630和1690cm-1之间均没有表现出吸收。图5(b)表示LiBOB的FTIR，证实在约1630和1690cm-1之间没有红外吸收。
图5(c)示出与LiBOB混合的图1(c)中所示聚酰亚胺的FTIR，由此形成的聚酰亚胺电解质出现了很强的双重吸收峰，第一个峰在约1672cm-1处，第二个峰在约1640cm-1处。
因此，由根据本发明的示例性PME得到的FTIR测试结果提供锂盐与聚酰亚胺的酰亚胺环一起形成络合的证据。这可能是在干膜中聚酰亚胺/锂盐组合没有表观结构或结晶度的一个主要原因。根据平坦的DSC曲线可以表明缺乏结晶度。PME膜不管是作为自支撑膜还是作为涂层膜，都是光学透明的，这也被认为是锂盐和聚酰亚胺之间相互作用的证据。
卡用电池可以是原电池或可充电电池。所述电池可以利用锂离子或金属锂阳极。对于可充电电池而言，卡用电池可以提供本领域所公知的无接点充电操作，例如可以利用电感耦合经合适的接收设备所提供的空气由外部电源提供能量以给电池充电。
在优选实施方案中，形成具有PME的金属锂电池。在该实施方案中，阳极可由锂金属或锂合金形成。锂合金可以包括锂-铝、锂-铝-硅、锂-铝-镉、锂-铝-铋、锂-铝-锡或锂-钛氧化物。这些锂合金中的锂含量可为至多99.98wt％。阳极中的锂总含量基于所需的电池容量。
金属锂电池的阴极材料可包括离子导电聚合物粘合剂如本文所述聚酰亚胺、导电材料(如石墨)和电化学活性物质。电化学活性物质优选选自MnO2、各种锂钒氧化物(LixVyOz)、锂过渡金属氧化物如LixMnyOz(例如LiMn2O4)、LiCoO2、LiNiO2、Li4Ti5O12、LiVxOy和其他物质如金属硫化物(例如TiS2)和LiFePO4。同样，Li离子电池中的阴极和阳极优选包含聚酰亚胺作为粘结基体，如本文所公开的那些。对于Li离子或金属锂电池而言，阳极、阴极和PME隔膜可以都包含相同或不同的聚酰亚胺。
聚酰亚胺通常通过使一种或多种二胺和一种或多种二酐单体发生逐步缩聚反应而制备。优选的二胺和二酐如图6所示。
已经发现单体反应物的纯度很重要。已知芳族二胺是空气敏感的。因此，纯化处理通常包括去除部分被氧化的二胺物质。纯化之后，芳族二胺通常变成白色。但是，难于得到绝对纯净的二胺，并且通常也没有必要。已经发现从醇和水的混合物中重结晶二胺既有效又满足需要。由于用于结晶的水不容易在室温下去除，因此收集到的晶体优选在真空中干燥。
二酐也优选进行纯化并且可利用至少两种方法纯化。优选的纯化方法是从乙酸酐中重结晶。乙酸酐关闭活性酐环。但是去除所产生的乙酸有时是困难的。利用醚或MTBE洗涤可用来去除残余的乙酸。二酐晶体通常需要在真空烘箱中干燥。可替代的方法是使用无水乙醇快速清洗晶体以去除打开的酐环，然后在真空烘箱中快速干燥洗涤过的粉末。这种方法可用于纯化进料纯度为至少约96％的BPDA。
缩聚反应进行至聚酰胺酸阶段。1摩尔二胺与约1.005-1.01当量的二酐反应。过量的二酐通常优选用于保证二酐反应物作为反应产物的端基，二酐过量保证聚合物链以酐端基终止，这已知可以最大化聚合物产物的稳定性。另外，这种过量补偿了能与酐基反应的微量的水。
溶液优选为约15-20wt％，均溶于NMP。二胺通常首先溶解，优选在氮气中，但是不要求所有二胺都这样。然后加入二酐。因为存在某种程度的反应热，所以大规模的反应优选分批加入二酐，并且理想的是将温度保持在40℃以下。例如，如果具有良好的初始混合，50克的小规模反应可以一次全部加入二酐。
二酐溶解通常要远慢于二胺。对于小规模的反应，进行反应最好和最简单的方法是使用带有聚四氟乙烯密封盖的圆柱形广口瓶。开始时可以用手摇晃该广口瓶，然后置于低速运转的转动机上以使广口瓶平稳转动。反应最好在室温下进行二到十二小时。一旦初始反应完成，这通过基本恒定的溶液颜色和粘度来确定，该溶液就准备进行酰亚胺环闭环反应。
从聚酰胺酸形成聚酰亚胺的化学反应可以利用1.1当量的乙酸酐/酰亚胺环和1当量的作为闭环催化剂的吡啶来进行。可以加入吡啶并且继续转动直到混合。乙酸酐可促使部分酰胺酸聚合物沉淀。
聚合物在加热之前应该再溶解。需要小心地将广口瓶加热至大于80℃但小于90℃。最好利用烘箱并且不时地取出广口瓶进行摇晃。充分加热60分钟或者加热到颜色彻底改变。将该广口瓶置于转动机上并在转动的同时冷却。一旦溶液恢复到室温，就得到溶于NMP中的完全酰胺化的聚合物。但是，该溶液通常还含有一些残余吡啶、乙酸，并且可能含有一些乙酸酐。希望该溶液在合理的时期内是稳定的。
从小规模反应中收集产物的优选方法是在甲醇中沉淀聚合物。这除去负载溶剂和没有反应的痕量单体。结合所观测的粘度，它还可用于评估聚合的质量。良好的高分子量聚酰亚胺会在甲醇中干净地沉淀，很少或者毫无浑浊。粘度应该很高(例如8000-10,000cp)。
沉淀的聚合物优选洗涤两次或者更多次，直到吡啶的气味微弱。然后可以使该聚合物在通风橱(hood)中空气干燥几个小时，然后在真空箱中125℃干燥过夜。甲醇的体积优选是约一加仑每100克聚合物。
在较大的规模中，可用水来去除溶剂或痕量物质。但是，对于此目的，水的有效性低于甲醇。如果在大量的聚合物中使用了水，则优选在干燥之前用甲醇进行最终浸渍。
在本发明的另一方面，该方面优选用于形成卡用电池，公开了两单元电池的组装。两单元组装包括用PME涂覆电极以形成电极/隔膜和随后与阳极进行组装。
在传统的“凝胶”电解质技术中，电化学活性物质、导电碳和粘合剂的阴极浆料在混合溶剂(bulk solvent)中混合，其中溶剂用作粘合剂材料的增塑剂。在集流体基材上涂覆所述浆料，并除去混合溶剂。阳极通常是含碳的，并由石墨、粘合剂和增塑溶剂的浆料制得。在集流体上涂覆后除去混合溶剂。隔膜涂覆为自支撑膜，由非离子导电聚合物粘合剂、无机支撑填料和增塑溶剂的浆料形成。阴极、隔膜和阳极置于一起并在热和压力下层压。然后将剩余的增塑剂通过抽提方法除去，其中抽提方法通常使用热溶剂。取出该电池，将液体电解质引入该体系以填充由于除去增塑剂而形成的“孔隙”。然后，将电池封装在箔封装材料中。因此，传统的组装工艺包括三个分离单元的连接。
相反，在双单元电池(two piece battery)组装中，活性物质、导电碳、聚酰亚胺粘合剂和锂盐的阴极浆料在混合溶剂中混合。在金属集流体基材上涂覆该浆料并除去溶剂。随后，所涂覆的阴极用PME涂覆，所述PME包含聚酰亚胺、锂盐和混合溶剂的混合物，然后干燥以除去溶剂，并为了电导率而保留有效量的溶剂，如与聚酰亚胺加盐的比为5-50wt％。此时，所涂覆的阴极已经成为阴极和PME隔膜。然后将阳极层置于涂覆PME的阴极上，从而仅使用两个单元而提供电池组装。
图7示出与上述双单元电池(two component battery)组装工艺相关的优选组装“折叠”工艺。如上所述，首先在阴极集流体上提供涂覆PME的阴极。在将阳极置于PME隔膜/阴极上之前，在步骤710中，将用于粘合目的少量溶剂喷涂至涂覆PME的阴极表面。然后，在步骤720中，将Li阳极，如面积稍小于涂覆PME的阴极的面积的金属锂条置于涂覆PME的阴极上。作为替代方案，对于石墨阳极来说，阳极也可以涂覆、干燥，然后覆盖在涂覆PME的阴极上。然后在步骤730中将阳极接头片如镍接头片置于阳极上。随后，在步骤740中，通过将涂覆PME的阴极包裹在金属锂阳极(或石墨阳极)上，如图7所示，进行电池折叠。在步骤750中，得到准备封装的具有阳极接头片的双单元电池755。双单元电池具有两倍于传统电池的容量，同时具有与传统电池相同的占用空间。
图8示出封装由图7所示组装工艺生产的电化学双单元电池755的组装工艺，其中在图8上方重复图7所示组装工艺步骤以便于参考。虽然将图8所示工艺应用于双单元电池，但是所述方法绝不限于双单元电池。例如，根据本发明的标准电池可以如图8所示进行封装。
在步骤810中，封装框架材料用合适的压延机压平，其中框架材料为诸如PET的材料，具有与电池本身基本上相同的厚度以适用于电池。在步骤820中，使用冲孔(window punch)等技术在稍大于将要插入的电池755的框架材料中形成开口。在步骤820中还示出了可以形成的对位孔。
接头片密封剂用于封装框架材料或预先应用于接头片条。在步骤830中，阴极接头片被放入、切断并与框架材料接触。然后将具有低温热密封剂和水分阻挡层的下部封装材料应用于框架。内部的热密封剂层不仅使其自身热密封，还与电池集流体强烈结合的材料，优选在约90℃-100℃之间起作用。然后，在步骤840中，优选取出电池755并置于对封装框架冲孔所形成的空腔中，并置于与框架底部相连的下部封装材料上。下部封装材料优选在将电池755置于其上之前加热(例如90℃)以促进粘合。然后，在步骤850中应用可以是与下部封装材料组成相同的具有低温热密封剂和水分阻挡层的上部封装材料。任选地，下部和上部封装材料的外部可以包含粘合剂材料，用于诸如将密封式电池插入信用卡中的应用。
不使用传统的收缩(step-down)密封工艺所用的周围密封，而是在步骤860中将电池的整个表面与封装材料的周边一起加热层压，以形成最终的双单元电池865，该电池具有整体基本上相同的厚度尺寸。虽然仅示出一个双单元电池的组装，但是图8中所示的组装工艺可以在单一封装中封装一个或多个电池单元。在足以产生均匀的热密封而不会太高以致使电池和/或封装变形的压力下、于层压温度如110℃进行5-15秒，以提供层压，形成最终的双单元电池865。双单元电池865基本一致的厚度便于与卡如信用卡集成，也减少表面缺陷。
用于本文时，“整个电池基本相同的厚度尺寸”是指所封装电池的整个面积上的厚度为±1密耳。得到表现为单一层压层的具有封装的整体层压电池865。
虽然未在图8中示出，但是可以采用不使用框架的收缩密封工艺。相反，使用弹性体层压板装置。这允许封装材料与电池的整个表面紧密接触，封装材料颈缩成侧密封面，此处封装材料自身层压。
图9示出根据本发明实施方案，将密封式双单元电池865和电子柔性电路嵌入到PVC卡内部的组装工艺，其中所述密封式双单元电池865利用图8所示组装工艺生产。为了将最终的密封式电池插入到卡中，将粘合剂如三聚氰胺或PET涂覆在铝箔保护层外部。然而，如果如上所述，上部和下部封装材料在其外部包含粘合剂，就不需要该步骤。该“外部”粘合剂优选在与如上所述内部热密封层相比更高的温度下起密封作用，如在100℃-140℃起作用。配制外部粘合剂，使其与外部电池封装材料和工业标准信用卡PVC或其他类似片材均能良好粘合。
在图9所示的优选实施方案中，随后在步骤910中，将双单元电池865和柔性电路980置于PVC分离芯915和920之间，所述分离芯915和920形成适合容纳双单元电池865和柔性电路980的口袋。两单元电池865可以在将其置于PVC芯间之前或之后连接至柔性电路980。PVC芯915和920中的口袋优选碾压、模塑、冲压或成型至同等深度，使得双单元电池865和柔性电路980伸入到每个PVC芯中达相同距离。图形印刷层925和930贴附在与双单元电池865和柔性电路980相对的各PVC芯915和925的侧面，所述图形印刷层925和930各自具有2密耳的PVC覆盖层935、940以保护油墨。
随后对各组成部分进行用于信用卡工业的标准热层压加工，例如温度为125℃-140℃，压力为200-250psi，保持时间为5-15分钟。电池855和柔性电路980层压至PVC卡内部，PVC(或其他卡材料)自身层压以形成作为单一制件的卡片单元制件(card cell article)，因为其通过层压而整体结合在一起。通常，最终的卡片单元包括嵌入的电池865和柔性单元980，整个卡面积上的厚度均匀性在±1密耳范围内。因此，一旦冷却并加工成最终的卡，从卡的表面观察实际上是看不到嵌入的电池的，即使能看见，也只有非常细微的“装配标记”。
已经发现，包括根据本发明的电池的IC卡器件耐受严格的ISO测试。特别地，根据本发明的卡片单元已经证明符合根据ISO标准ISO/IEC 10373和14443的弯曲、挠曲和扭转的严格的ISO测试标准，而不引起任何可检测的分层。而且，经过ISO测试，双单元电池865和柔性电路980都是从卡外部不可见的，从而证实卡片单元没有表面损伤。
根据本发明的PME所提供的高热稳定性允许根据本发明的电池在上述苛刻条件下层压，并且在工作特性方面表现出微小变化，如OCV变化小于2％，容量也是同样小的变化。经受上述卡层压条件的传统电池通常会灾难性地失效或工作参数发生很大变化而使它们没有实际用途。
此外，一旦卡片单元是柔性的，则电池、封装体和PVC就都一起移动，因为它们通过层压结合在一起。因此，挠曲不会在卡的表面上产生可观察到的褶皱、凸起、边缘效应或起伏。
上面描述了几种新型封装方法。电池封装材料层压至整个电池。先前的层压文献仅仅公开了电池某一部分的层压。另外，本发明描述了使用外部粘合剂层压电池和卡材料如PVC。由于传统电池耐受典型信用卡层压加工条件的不稳定性，用于将电池嵌入卡内的现有粘结技术通常使用低温固化胶。使用不同活化温度的粘合剂(与封装单元的内部相比，封装单元的外部需要更高温度的粘合剂)进行电池封装以及将电池集成到卡中使得可以通过封装层压机来加工外部具有粘合剂的封装材料，从而在不引起外部粘合剂材料污染机器和工具的情况下组装电池，并保持卡层压工艺的完整性。最后，安装框架以包围电池，使得生产出基本平坦的电池，有利于集成至卡中。
实施例通过下面具体的实施例进一步描述本发明。提供这些实施例仅用于说明并不应以任何方式理解为限制本发明的范围或内容。
实施例1与根据本发明的示例性PME与市售聚酰亚胺/盐/溶剂的光学透明性测试比较该实施例的目的是通过所证实的透光性来证明由与锂盐具有强烈相互作用的聚酰亚胺形成的PME的均相特性。从图1(b)、(c)和(m)中所示的聚酰亚胺中产生PME膜，同时生产Matrimid 5218p/盐/溶剂用于比较。PME和Matrimid基膜在干净的聚对苯二甲酸乙二醇酯支撑膜上从NMP中浇铸形成，并在真空烘箱中在120℃下干燥三小时。残余的溶剂量为大约4wt％。所有的PME组成和Matrimid配方均为32％聚酰亚胺、64％LiTFSi，其余为少量溶剂。所有的测试均利用540nm的光进行。
如上表所示，当锂盐浓度为64％时，Matrimid聚酰亚胺没有形成透明均相的组合物。而且甚至在基本更低的盐浓度时，Matrimid聚酰亚胺也没有形成透明均相的组合物，如在浓度为0.5摩尔锂盐每酰亚胺环时，所述酰亚胺环由聚酰亚胺提供。包含浓度为0.5摩尔(或更少)锂盐每摩尔酰亚胺环的锂盐的聚酰亚胺通常不能达到足够的最小离子电导率以用作电化学电池的电解质隔膜，所述酰亚胺环由聚酰亚胺提供的。
虽然上文仅提供了在图1(b)、(c)和(m)中所示的聚酰亚胺的数据，但是已经表明，在图1(a)-(m)中所示的所有聚酰亚胺均形成了具有上文所示聚酰亚胺(b)、(c)和(m)的光学特征的均相、透明膜。这种PME性质是使薄膜稳定性和离子导电性最大化所需要的。
实施例2由于PME是均相的或接近均相的基体材料，利用PME所形成的电池表现出暴露于高温高压下的独特操作能力，并仍保持其性能特征。电池组装通常在高温(如140℃)高压(如125psi)下进行约10分钟，因此随后暴露于相似或更不苛刻的条件下不会影响根据本发明所制造的电池。重要的是，已经发现根据本发明的电池可以耐受与上述电池组装条件相比明显更为苛刻的条件。
典型的制卡技术需要在液压施加250psi以上的压力的情况下，于125℃热压5分钟或更长时间。根据本发明的电池已经证实在该工艺之后具有全部功能，经过典型的层压加工，其开路电压(OCV)或容量不发生显著变化。相反，目前可得的其他电池技术在传统的层压加工后将不能工作(或短时工作)或极大地损失容量和/或OCV。
根据本发明的电池可以耐受比典型的层压加工更为苛刻的条件。例如，对根据本发明的电池进行注射成型加工，观察该电池是否能够耐受注射成型加工中的条件。研究了成型聚合物聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)和聚氯乙烯(PVC)的封装根据本发明的电池的注射成型工艺。PET成型在295℃下进行，PVC在200℃进行，二者的成型压力均为5000psi。两个测试表明根据本发明包含PME、金属锂阳极和含LVO阴极的电池完全耐受各注射成型工艺，而容量或OCV没有显著变化。
实施例3扫描电子显微镜(SEM)照片用来评价根据本发明的PME的形貌以及PME和锂钒氧化物(LVO)/聚酰亚胺阴极膜之间的界面。图10(a)示出PME自身的两(2)张SEM照片，每一张均证实为基本无缺陷和无孔隙的膜。显示的PME膜的厚度均为约75μm。
图10(b)示出置于锂钒氧化物/聚酰亚胺阴极层(55μm)上的PME膜(20μm)之间界面的SEM。下方图片是图10(b)上方所示界面的放大图。所示界面非常均匀光滑。
实施例4图11示出根据本发明的典型电池的充电/放电曲线，根据本发明的实施方案，该电池包括锂钒氧化物(LVO)阴极、金属Li阳极和PME隔膜。该电池容量为25mAh。y轴代表电池电压，x轴代表总时间。该电池证实在300小时以上的循环期间具有良好的循环稳定性。
虽然已经图示和描述了本发明优选实施方案，但本发明显然并不限于此。对本领域的技术人员而言，在不偏离权利要求中所述的本发明的实质和范围的情况下，可以进行多种修改、变动、变化、替代等。
实施方案1是IC卡，包括至少一层塑料层；嵌入在所述塑料层内的电池和至少一个电子器件，所述电池电连接至所述电子器件，以给所述电子器件供电；所述电池包括阳极；阴极；和至少一个置于所述阳极和所述阴极之间的聚合物基电解质(PME)隔膜，所述PME隔膜包含相互混合的聚酰亚胺、至少一种锂盐和至少一种溶剂，所述PME为基本光学透明的。实施方案2是实施方案1的IC卡，其中所述阳极包括锂离子嵌入物质。
实施方案3是实施方案1的IC卡，其中所述阳极包括金属锂。实施方案4是实施方案1的IC卡，其中所述阳极包括金属锂合金阳极。实施方案5是实施方案1的IC卡，其中所述聚酰亚胺每酰亚胺环的重复单元重量不超过350。实施方案6是实施方案1的IC卡，其中所述聚酰亚胺每酰亚胺环的重复单元重量不超过300。实施方案7是实施方案1的IC卡，其中所述聚酰亚胺每酰亚胺环的重复单元重量不超过250。
实施方案8是实施方案1的IC卡，其中所述聚酰亚胺在25℃时可溶于选自N-甲基吡咯烷酮(NMP)、二甲基乙酰胺(DMAc)以及二甲基甲酰胺(DMF)的至少一种溶剂。实施方案9是实施方案1的IC卡，其中所述PME的离子电导率在25℃时为至少1×10-4S/cm。实施方案10是实施方案1的IC卡，其中所述PME的离子电导率在25℃时为至少3×10-4S/cm。实施方案11是实施方案1的IC卡，其中所述锂盐为选自LiCl、LiBr、LiI、LiClO4、LiBF4、LiAsF6、LiPF6、LiCF3SO3、LiBOB、LiN(CF3SO2)2和二(三氟磺酰基)酰亚胺锂(LiTFSi)中的一种。实施方案12是实施方案1的IC卡，其中所述阴极包括与嵌入物质混合的离子导电聚合物粘合剂。实施方案13是实施方案12的IC卡，其中所述聚合物粘合剂包含至少一种聚酰亚胺。实施方案14是实施方案1的IC卡，其中所述电池在至少250psi的压力下于125℃加热至少5分钟后，开路电压和容量的变化小于10％。实施方案15是实施方案1的IC卡，其中所述电池在至少250psi的压力下于125℃加热至少5分钟后，开路电压和容量的变化小于5％。实施方案16是实施方案1的IC卡，其中所述电池是原电池。实施方案17是实施方案1的IC卡，其中所述电池是二次电池。实施方案18是实施方案1的IC卡，其中所述电池是双单元电池。实施方案19是实施方案1的IC卡，其中所述锂盐的浓度为至少0.5摩尔锂每摩尔酰亚胺环，所述酰亚胺环由所述聚酰亚胺提供。实施方案20是实施方案1的IC卡，还包括包含围绕所述电池的封装材料的封装，以形成密封式电池，所述封装材料利用外部粘合剂层压至所述电池的所有外表面。
实施方案21是实施方案1的IC卡，还包括包含围绕所述电池的封装材料的封装和具有开口以适应其内部所述电池的框架，以形成密封式电池，其中所述电池置于所述开口内部。实施方案22是实施方案21的IC卡，其中所述密封式电池具有整体±1密耳范围内的厚度均匀性。实施方案23是实施方案22的IC卡，还包括置于所述密封式电池和所述塑料层之间的外部粘合剂，以粘合所述密封式电池和所述塑料层，其中所述外部粘合剂在至少100℃的温度下起作用。实施方案24是实施方案23的IC卡，其中内部粘合剂密封所述电池，其中所述内部粘合剂的活化温度低于所述外部粘合剂的活化温度。实施方案25是实施方案24的IC卡，其中所述IC卡具有整体±1密耳范围内的厚度均匀性。实施方案26是实施方案1的IC卡，其中所述IC卡符合根据ISO标准ISO/IEC 10373和14443的弯曲、挠曲和扭转的ISO测试标准，而不导致任何视觉上可察觉的分层。
实施方案27是形成包含嵌入式电子器件的卡的方法，包括以下步骤提供包含阳极、阴极和至少一种置于所述阳极和所述阴极之间的聚合物基电解质(PME)隔膜，所述PME隔膜包含相互混合的聚酰亚胺、至少一种锂盐和至少一种溶剂，所述PME为基本光学透明的；和将所述电池和至少一个电子器件嵌入到至少一层塑料层中，所述电池电连接至所述电子器件。
实施方案28是实施方案27的方法，其中所述锂盐的浓度为至少0.5摩尔锂每摩尔酰亚胺环，所述酰亚胺环由所述聚酰亚胺提供。实施方案29是实施方案27的方法，其中所述嵌入工艺包括层压工艺，其中所述层压工艺在至少200psi的压力下，于至少110℃的温度保持至少5分钟，所述电池在所述层压工艺之后，开路电压和容量的变化小于10％。实施方案30是实施方案27的方法，其中所述层压工艺在至少230psi的压力下，于至少130℃的温度保持至少10分钟，所述电池在所述层压工艺之后，开路电压和容量的变化小于10％。实施方案31是实施方案27的方法，其中所述嵌入工艺包括注射成型工艺，所述电池在所述注射成型加工之后，开路电压和容量的变化小于10％。实施方案32是实施方案31的方法，其中所述注射成型加工采用至少200℃的温度和至少1000psi的压力。实施方案33是实施方案32的方法，其中所述温度为至少250℃，所述压力为至少5000psi。实施方案34是实施方案27的方法，其中所述阳极包含锂离子嵌入物质。
实施方案35是实施方案27的方法，其中所述阳极包含金属锂。实施方案36是实施方案27的方法，其中所述阴极包含与嵌入物质相互混合的离子导电聚合物粘合剂。实施方案37是实施方案36的方法，其中所述聚合物粘合剂包含至少一种聚酰亚胺。实施方案38是实施方案37的方法，其中所述电池通过仅层压两层而形成，第一层为置于所述阴极上的所述PME，第二层为所述阳极。
权利要求
1.IC卡，包含至少一层塑料层；嵌入在所述塑料层内的电池和至少一个电子器件，所述电池电连接至所述电子器件，以给所述电子器件供电；所述电池包含阳极；阴极；和至少一个置于所述阳极和所述阴极之间的聚合物基电解质(PME)隔膜，所述PME隔膜包含相互混合的聚酰亚胺、至少一种锂盐和至少一种溶剂，所述PME基本光学透明。
2.权利要求1的IC卡，其中所述阳极包含锂离子嵌入物质、金属锂或金属锂合金。
3.权利要求1的IC卡，其中所述聚酰亚胺每酰亚胺环的重复单元重量不超过350。
4.权利要求1的IC卡，其中所述聚酰亚胺每酰亚胺环的重复单元重量不超过300。
5.权利要求1的IC卡，其中所述聚酰亚胺每酰亚胺环的重复单元重量不超过250。
6.权利要求1的IC卡，其中所述聚酰亚胺在25℃时可溶于选自N-甲基吡咯烷酮(NMP)、二甲基乙酰胺(DMAc)以及二甲基甲酰胺(DMF)的至少一种溶剂。
7.权利要求1的IC卡，其中所述PME的离子电导率在25℃时为至少1×10-4S/cm。
8.权利要求1的IC卡，其中所述PME的离子电导率在25℃时为至少3×10-4S/cm。
9.权利要求1的IC卡，其中所述锂盐为选自LiCl、LiBr、LiI、LiClO4、LiBF4、LiAsF6、LiPF6、LiCF3SO3、LiBOB和LiN(CF3SO2)2中的至少一种。
10.权利要求1的IC卡，其中所述锂盐的浓度为至少0.5摩尔锂每摩尔酰亚胺环，所述酰亚胺环由所述聚酰亚胺提供。
11.权利要求1的IC卡，其中所述阴极包含与嵌入物质混合的离子导电聚合物粘合剂。
12.权利要求11的IC卡，其中所述聚合物粘合剂包含至少一种聚酰亚胺。
13.权利要求1的IC卡，其中所述电池在至少200psi的压力下、于110℃加热至少5分钟后，OCV和容量没有显著变化。
14.权利要求1的IC卡，其中所述电池在至少200psi的压力下、于125℃加热至少5分钟后，OCV和容量没有显著变化。
15.权利要求1的IC卡，其中所述电池在至少250psi的压力下、于140℃加热至少10分钟后，OCV和容量没有显著变化。
16.权利要求1的IC卡，其中所述电池在至少125psi的压力下、于110℃加热后，开路电压和容量的变化小于15％。
17.权利要求1的IC卡，其中所述电池在至少1,000psi的压力下、于至少200℃加热注射成型后，开路电压和容量的变化小于15％。
18.权利要求1的IC卡，其中所述电池是原电池。
19.权利要求1的IC卡，其中所述电池是二次电池。
20.权利要求1的IC卡，其中所述电池是双单元电池。
21.权利要求1的IC卡，还包含含有围绕所述电池的封装材料的封装，以形成密封式电池。
22.权利要求1的IC卡，还包含含有围绕所述电池的封装材料的封装，以形成密封式电池，所述封装材料层压至所述电池的所有外表面。
23.权利要求1的IC卡，还包含含有围绕所述电池的封装材料的封装，以形成密封式电池，其中外部粘合剂置于密封式电池和材料层之间，以粘合所述密封式电池和塑料层。
24.权利要求1的IC卡，还包含含有围绕所述电池的封装材料的封装，并且还包含具有开口以适应其内部所述电池的框架，以形成密封式电池，其中所述电池置于所述开口内部。
25.权利要求20的IC卡，其中所述密封式电池提供整体±1密耳范围内的厚度均匀性。
26.权利要求21的IC卡，还包含置于所述密封式电池和所述塑料层之间的外部粘合剂，以粘合所述密封式电池和所述塑料层，其中所述外部粘合剂在至少100℃的温度下起作用。
27.权利要求26的IC卡，其中内部粘合剂密封所述电池，其中所述内部粘合剂的活化温度低于所述外部粘合剂的活化温度。
28.权利要求1的IC卡，其中所述IC卡符合根据ISO标准ISO/IEC 10373和14443的弯曲、挠曲和扭转的ISO测试标准，而不导致任何视觉上可察觉的分层。
29.权利要求1的IC卡，其中电子器件是柔性电路。
30.权利要求24的IC卡，其中塑料层包含具有口袋的两个分离芯，其中所述电池是双单元电池，并且其中电子器件是柔性电路。
31.IC卡，包含至少一层塑料层；嵌入在所述塑料层内的电池和至少一个电子器件，所述电池电连接至所述电子器件，以给所述电子器件供电；所述电池包括阳极；阴极；和至少一个置于所述阳极和所述阴极之间的聚合物基电解质(PME)隔膜，所述PME隔膜包含相互混合的具有可与锂盐络合并参与离子导电的高极性基团的聚合物、至少一种锂盐和至少一种溶剂，所述PME基本光学透明。
32.IC卡，包含至少一层塑料层；嵌入在所述塑料层内的电池和至少一个电子器件，所述电池电连接至所述电子器件，以给所述电子器件供电；所述电池包括阳极；阴极；和至少一个置于所述阳极和所述阴极之间的聚合物基电解质(PME)隔膜，所述PME隔膜包含聚酰亚胺和至少一种锂盐，所述PME基本光学透明。
33.一种形成包含嵌入式电子器件的卡的方法，包括以下步骤提供包含阳极、阴极和至少一个置于所述阳极和所述阴极之间的聚合物基电解质(PME)隔膜的电池，所述PME隔膜包含相互混合的聚酰亚胺、至少一种锂盐和至少一种溶剂，所述PME为基本光学透明的；和将所述电池和至少一个电子器件嵌入到至少一层塑料层中，所述电池电连接至所述电子器件。
34.权利要求33的方法，其中所述锂盐的浓度为至少0.5摩尔锂每摩尔酰亚胺环，所述酰亚胺环由所述聚酰亚胺提供。
35.权利要求33的方法，其中所述嵌入加工包括层压加工，其中所述层压加工采用在至少200psi的压力下，于至少110℃的温度保持至少5分钟，所述电池在所述层压加工之后，开路电压和容量的变化小于10％。
36.权利要求35的方法，其中所述层压加工采用在至少230psi的压力下，于至少130℃的温度保持至少10分钟，所述电池在所述层压加工之后，开路电压和容量的变化小于10％。
37.权利要求33的方法，其中所述嵌入加工包括注射成型加工，所述电池在所述注射成型加工之后，开路电压和容量的变化小于10％。
38.权利要求37的方法，其中所述注射成型加工采用至少200℃的温度和至少1000psi的压力。
39.权利要求38的方法，其中所述温度为至少250℃，所述压力为至少5000psi。
40.权利要求33的方法，其中所述阳极包含锂离子嵌入物质。
41.权利要求33的方法，其中所述阳极包含金属锂。
42.权利要求33的方法，其中所述阴极包含与嵌入物质相互混合的离子导电聚合物粘合剂。
43.权利要求42的方法，其中所述聚合物粘合剂包含至少一种聚酰亚胺。
44.权利要求33的方法，其中所述电池通过仅层压两层而形成，第一层为置于所述阴极上的所述PME，第二层为所述阳极。
45.权利要求33的方法，其中电池是双单元电池。
46.权利要求33的方法，其中电池是密封式电池，并且该电池还包含置于密封式电池和塑料层之间的粘合剂，以粘合密封式电池和塑料层，其中外部粘合剂在至少100℃的温度下起作用。
47.权利要求46的方法，其中内部粘合剂密封所述电池，其中所述内部粘合剂的活化温度低于所述外部粘合剂的活化温度。
48.权利要求46的方法，其中所述电池是密封式电池，并且该密封式电池置于可以容纳所述电池的框架开口内。
全文摘要
IC卡，包括至少一层塑料层(915)、嵌入在塑料层(915)内的电池(865)和至少一个电子器件(980)。电池(865)与电子器件(980)电连接，以给器件(980)供电。电池(865)包含阳极、阴极和置于阳极和阴极之间的至少一个聚合物基电解质(PME)隔膜。PME隔膜包含相互混合的聚酰亚胺、至少一种锂盐和至少一种溶剂。PME是基本光学透明的，并且对于高温和高压如通常用于热压加工或注射成型的加工条件稳定。
文档编号B32B37/00GK1788345SQ200480013051
公开日2006年6月14日 申请日期2004年5月12日 优先权日2003年5月13日
发明者格伦·C·温斯利, 斯科特·古斯塔夫森, 克雷格·R·内尔森 申请人:瑟利寇公司