一种无隔膜的柔性电池的制作方法

本发明涉及电池领域，尤其涉及一种无隔膜的柔性电池。

背景技术：

传统锂离子电池被称为“摇椅式电池”，主要由正极、负极、隔膜和电解质组成，正极材料是含锂的化合物，负极通常是一种层状结构的材料，电解质也是含锂的。充电过程中，正极材料浅层的锂离子在电场作用下，从晶格脱出，插入到负极的层间空隙中；放电过程中，负极中的锂离子自发的脱出，回到正极材料中。传统锂离子电池实现充放电，一要正负极材料之间必须存在电位差，二要有电场，此外，传统锂离子电池结构中要有隔膜，用以使电池的正负极分隔开来，防止两极接触而短路。

技术实现要素：

基于此，本发明的目的在于，提供一种无隔膜的柔性电池，无需担心电池在使用过程中正负极触碰而引起的短路，从而可去掉传统电池中的隔膜，实现电池柔性化。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：一种无隔膜的柔性电池，包括柔性绝缘基片、两个导电金属层、正电极薄膜、负电极薄膜、电解质、封装胶和外电路；所述两个导电金属层分别位于所述柔性绝缘基片表面，且互不接触；所述正电极薄膜和负电极薄膜之间存在电位差，其分别位于所述两个导电金属层表面，且互不接触；所述电解质包覆于所述正电极薄膜、负电极薄膜和两个导电金属层的周围，且填充于所述正电极薄膜和负电极薄膜之间以及两个导电金属层之间的空隙；所述封装胶包覆于所述电解质外围；所述外电路与所述两个导电金属层电连接。

本发明的充放电原理是：充电时，在导电金属层中的电流驱动下，位于正电极薄膜内部和电解质中的离子沿着电流方向迁移至负电极薄膜内，直至负电极薄膜无法再容纳离子，此时充电完毕；放电时，由于正负电极薄膜存在浓度差和电位差，使得离子自发地从负电极薄膜脱出扩散至电解质和正电极薄膜内，直至正负电极薄膜和电解质中的离子浓度相等，此时放电完毕。

相对于现有技术，本发明在结构上采用扁平化设计，使得本发明的电池可以在各种弯折的情况下，无需担心电池在使用过程中正负极触碰而引起的短路，从而可以去掉传统电池中的隔膜层，进而实现电池柔性化。本发明具备结构简单，成本较低，安全性高的特点，有望在电池领域有良好的应用前景。

进一步地，所述外电路包括充放电切换开关、电源开关、电源和用电器，所述充放电切换开关包括充电档和放电档；当所述充放电切换开关位于充电档且所述电源开关闭合时，所述两个导电金属层与电源串联形成充电回路；当所述充放电切换开关位于放电档且所述电源开关断开时，所述两个导电金属层与用电器串联形成放电回路。

进一步地，所述正、负电极薄膜分别为两种可以注入离子的薄膜。

进一步地，所述离子为氢离子、锂离子、钠离子或钾离子。

进一步地，所述电解质为含有与所述正、负电极薄膜中同种离子的液体电解质或凝胶体电解质。

进一步地，所述正、负电极薄膜的厚度均为180～220nm。

进一步地，所述正、负电极薄膜的面积均为0.8～1.2cm²。

进一步地，所述正、负电极薄膜之间的距离为0.8～1.2cm。

进一步地，所述正电极薄膜材料为钴酸锂或磷酸铁锂；所述负电极薄膜材料为锂片、硅片、石墨烯或石墨片。

进一步地，所述柔性绝缘基片为硅胶或塑料。

为了更好地理解和实施，下面结合附图详细说明本发明。

附图说明

图1为实施例的无隔膜的柔性电池的结构示意图。

图2为实施例的无隔膜的柔性电池的短路电流与时间的对应关系图。

图3为实施例的无隔膜的柔性电池的开路电压与时间的对应关系图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

请参阅图1，其为本实施例的无隔膜的柔性电池的结构示意图。所述无隔膜的柔性电池包括柔性绝缘基片10、两个导电金属层20、正电极薄膜31、负电极薄膜32、电解质40、封装胶50和外电路60。

所述两个导电金属层20分别位于所述柔性绝缘基片10表面，且互不接触。本实施例中，所述两个导电金属层20并排设于所述柔性绝缘基片10表面的两侧，两者之间形成一定距离的空隙。所述柔性绝缘基片可以为硅胶或塑料。

所述正电极薄膜31和负电极薄膜32之间存在电位差，其分别位于所述两个导电金属层20表面，且互不接触。本实施例中，正电极薄膜31和负电极薄膜32分别覆盖于一个导电金属层20表面，且正电极薄膜31和负电极薄膜32的面积不超过导电金属层20的面积，从而所述正电极薄膜31和负电极薄膜32之间也形成一定距离的空隙。优选的，所述正电极薄膜31和负电极薄膜32的厚度均为180～220nm、面积均为0.8～1.2cm²，两者之间的距离为0.8～1.2cm。所述正电极薄膜31和负电极薄膜32分别为两种可以注入离子的薄膜材料，所述离子可以为氢离子、锂离子、钠离子或钾离子。

所述电解质40包覆于所述正电极薄膜31、负电极薄膜32和两个导电金属层20的周围，且填充于所述正电极薄膜31和负电极薄膜32之间以及两个导电金属层20之间的空隙。本实施例中，所述电解质40为含有与所述正电极薄膜31和负电极薄膜32中同种离子的液体电解质或凝胶体电解质。

所述封装胶50包覆于所述电解质40外围。本实施例中，所述封装胶可以为硅胶或塑料。

所述外电路60与所述两个导电金属层20电连接。本实施例中，所述外电路60包括充放电切换开关61、电源开关62、电源63和用电器64，所述充放电切换开关61的两端分别通过导线与两个导电金属层20电连接，所述充放电切换开关包括充电档61a和放电档61b；当所述充放电切换开关61位于充电档61a且所述电源开关62闭合时，所述两个导电金属层20与电源63串联形成充电回路；当所述充放电切换开关61位于放电档61b且所述电源开关62断开时，所述两个导电金属层20与用电器64串联形成放电回路。此外，在充电时，当无电流流过所述充放电切换开关61时，所述充放电切换开关61自动断开，以保持电量不发生漏电。所述电源开关62用于电池充电，并在充满电时自动断开，防止过充，保护电池。

本实施例的无隔膜的柔性电池的工作过程包括充电过程和放电过程，具体如下：

(1)充电过程：将充放电切换开关61切换至充电档61a，同时将电源开关62闭合，从而在两个导电金属层20中产生电流，在电流的作用下，正电极薄膜31内部和电解质40中的离子沿着电流方向迁移至负电极薄膜32内部，直至负电极薄膜32无法再容纳离子，此时充电完毕，充放电切换开关61自动断开，然后再把电源开关62断开。

(2)放电过程：将充放电切换开关61切换至放电档61b，与用电器64电连接，由于正电极薄膜31和负电极薄膜32存在浓度差和电位差，使得离子自发地从负电极薄膜32脱出，扩散至电解质40和正电极薄膜31内；与此同时，电子从外电路中迁移，产生电流供用电器64工作，直至正电极薄膜31、负电极薄膜32与电解质40中的离子浓度相等，此时电池电量耗尽。

本实施例中，正电极薄膜和负电极薄膜的厚度均为200nm，面积大小为1cm²，两个电极薄膜之间的距离为1cm。为了直观了解本发明的技术效果，采用了电流表直接测量无隔膜的柔性电池的放电过程中的电流与电压变化。使用电流表短接电池进行放电，并每隔一段时间检测电池的电压和电流输出大小。请参阅图2和图3，其分别为放电过程中的短路电流、开路电压与时间的对应关系图。在整个放电过程中，电流最高为80μa，且随着时间增加，短路电流逐渐减少，在300秒后电流降为20μa左右；同样在放电过程中，所测得开路电压最高为0.62v，随着时间增加，开路电压逐渐降低，50秒后电压降为0.45v左右，在后续的30秒内，电池电压处于稳定状态，没有发生变化。上述测试结果充分证明了本发明从原理上、技术上均能实现作为能源电池的基本功能与技术效果，在新能源领域拥有广泛的应用前景。

相对于现有技术，本发明在结构上采用扁平化设计，使得本发明的电池可以在各种弯折的情况下，无需担心电池在使用过程中正负极触碰而引起的短路，从而可以去掉传统电池中的隔膜层，进而实现电池柔性化。本发明具备结构简单，成本较低，安全性高的特点，有望在电池领域有良好的应用前景。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。