高能量密度可变形电池的制作方法

相关申请的交叉引用

本申请要求于2018年3月9日提交的美国临时申请no.62/640,770；于2018年11月21日提交的no.62/770,395；于2018年11月28日提交的no.62/772,422；于2018年11月28日提交的no.62/772,432；以及于2018年11月30日提交的no.62/773,673的权益，这些申请通过引用并入，如同以其整体在本文中公开。

关于联邦政府资助的研究或开发的声明

本发明是在国家科学基金会授予的1420634政府资助下完成的。政府拥有本发明中的某些权利。

背景技术：

近年来，诸如智能手表之类的可穿戴电子产品的快速发展增加了对高性能、无缝兼容的柔性电池的需求。它们几乎可以用在生活的每个方面，诸如医疗保健、军事、显示器等等。当前的柔性电池设计不足以处理苛刻但常见的变形折叠同时仍维持商业电池所具有的高能量密度和具有成本效益的制造。

另外，高性能可拉伸电池是可拉伸设备的关键部件。但是，同时具有高可拉伸性和高能量密度二者是挑战性的。可拉伸性对于医疗、感测、显示器和可穿戴设备极具吸引力，因为可拉伸设备可以顺应性地应用于人体和具有任意形状的其它表面。由于可拉伸电池可以与其它可拉伸部件无缝集成并提供稳定电力，因此非常期望可拉伸电池。

锂离子电池(lib)由于其高能量密度而在用于为电子设备供电方面具有吸引力，但是实现具有足够灵活性的可以同时维持高能量密度的lib仍然是一项重大挑战。近年来，大量的精力投入开发可伸缩的lib。已经论证了基于pdms和其它可拉伸聚合物的设备，但它们的能量密度较低。屈曲碳结构(例如，碳纳米纤维、碳纳米管)也显示出了可拉伸性，但是对应的能量密度仍然不令人满意。

技术实现要素：

本公开的一些实施例针对一种可变形的能量存储设备，即使在变形期间，该能量存储设备也仍然提供与商业电池相当的稳定电力。在一些实施例中，该能量存储设备包括轴向结构，该轴向结构包括两个或更多个刚性能量存储单元。在一些实施例中，刚性能量存储单元包括多个折叠层。在一些实施例中，多个折叠层包括阳极层、阴极层、第一集电体(currentcollector)层、第二集电体层和一个或多个分隔物(separator)层。在一些实施例中，能量存储设备包括包围两个或更多个刚性能量存储单元的壳体以及在该壳体内的电解质材料。在一些实施例中，壳体包括镀铝袋。

在一些实施例中，一个或多个分隔物层包括聚乙烯、聚丙烯或其组合。在一些实施例中，阳极层包括石墨。在一些实施例中，第一集电体层部署在阳极层上方。在一些实施例中，第一集电体层包括铜。在一些实施例中，第一分隔物层部署在阳极层和阴极层之间。在一些实施方式中，第二集电体层部署在阴极层和第二分隔物层之间。在一些实施例中，第二集电体层包括铝。在一些实施例中，阴极层包括锂。

在一些实施例中，能量存储设备包括将相邻的刚性能量存储单元分开的导电柔性部件。在一些实施例中，导电柔性部件包括带层。在一些实施例中，导电柔性部件包括部署在两个带层之间的金属层。

在一些实施例中，能量存储设备包括轴向骨干(backbone)，并且多个折叠层围绕骨干至少缠绕一次。在一些实施例中，两个或更多个刚性能量存储单元包括折叠到彼此上的多个层，使得能量存储设备采用大致之字形的构造。在一些实施例中，导电柔性部件包括一个或多个折叠部，从而使得导电柔性部件能够从第一长度延伸到第二长度。在一些实施例中，能量存储设备被构造为使得l/a在0.30和1.0之间，其中l是导电柔性部件的长度，并且a是与导电柔性部件相邻的刚性能量存储单元的能量存储长度。

本公开的一些实施例针对一种制造能量存储设备的方法。在一些实施例中，该方法包括形成包括多个层的轴向结构。在一些实施例中，该方法包括在第一位置处将多个层一次或多次折叠到其自身上，以产生刚性能量存储单元和相邻的导电柔性部件。在一些实施例中，该方法包括在附加的位置处将层一次或多次折叠到其自身上，以产生具有相邻的柔性部件的附加的刚性能量存储单元。在一些实施例中，该方法包括将轴向结构密封在镀铝壳体中。

本公开的一些实施例针对一种制造能量存储设备的方法。在一些实施例中，该方法包括提供包括第一电极层和第二电极层的轴向结构。在一些实施例中，该方法包括切割轴向结构以产生从轴向骨干延伸的多个分支。在一些实施例中，该方法包括围绕轴向骨干缠绕多个分支，以提供两个或更多个刚性能量存储单元以及将相邻的刚性能量存储单元分开的导电柔性部件。在一些实施例中，该方法包括用带层在导电可拉伸部件处层压轴向骨干。在一些实施例中，该方法包括将轴向结构密封在包括电解质材料的镀铝壳体中。

附图说明

附图示出了为了说明本发明的目的而公开的主题的实施例。但是，应当理解的是，本申请不限于附图中所示的精确布置和手段，其中：

图1a是根据本公开的一些实施例的高能量密度可变形电池的示意性表示；

图1b是根据本公开的一些实施例的高能量密度可变形电池的示意性表示；

图1c是根据本公开的一些实施例的高能量密度可变形电池的示意性表示；

图2a是根据本公开的一些实施例的高能量密度可变形电池的示意性表示；

图2b是根据本公开的一些实施例的高能量密度可变形电池的示意性表示；

图2c是根据本公开的一些实施例的高能量密度可变形电池的示意性表示；

图2d是根据本公开的一些实施例的高能量密度可变形电池的示意性表示；

图3是根据本公开的一些实施例的高能量密度可变形电池的示意性表示；

图4是根据本公开的一些实施例的用于制造高能量密度可变形电池的方法的图表；

图5是根据本公开的一些实施例的用于制造高能量密度可变形电池的方法的图表；以及

图5是根据本公开的一些实施例的处于变形的高能量密度可变形电池的图像。

具体实施方式

现在参考图1a，所公开的主题的一些方面包括具有轴向结构102的能量存储设备100。在一些实施例中，能量存储装置100包括沿着轴向结构102布置的两个或更多个刚性能量存储单元104。在一些实施例中，能量存储装置100包括多个能量存储单元104。在一些实施例中，导电柔性部件106将相邻的刚性能量存储单元104分开。现在参考图1b，在一些实施例中，能量存储设备100被构造为使得l/a在0.30和1.0之间，其中l是导电柔性部件106的长度，并且a是与导电柔性部件相邻的刚性能量存储单元104的能量存储长度。

现在参考图1c，在一些实施例中，轴向结构102包括多个层108。在一些实施例中，多个层包括阳极层110、阴极层112、第一集电体层114、第二集电体层116、一个或多个分隔物层118、一个或多个带层120或其组合。在一些实施例中，阳极层110包括石墨。在一些实施例中，第一集电体层114部署在阳极层110上方。在一些实施例中，第一集电体层114包括铜。在一些实施例中，第一分隔物层118a部署在阳极层110和阴极层112之间。在一些实施例中，阴极层112包括锂。在一些实施例中，阴极层112由锂金属、锂化合物或化学上相似的材料或其组合组成。在一些实施例中，阴极层112由licoo2、li(nixcoymnz)o2、lifepo4、li4ti5o12或其组合组成。在一些实施例中，一个或多个分隔物层118包括聚乙烯、聚丙烯或其组合。在一些实施例中，第二集电体层116部署在阴极层112上。在一些实施例中，第二集电体层116部署在阴极层112和第二分隔物层118b之间。在一些实施例中，第二集电体层116包括铝。在一些实施例中，导电柔性部件106包括部署在多个带层120之间的金属层。在一些实施例中，导电柔性部件106包括部署在两个带层120之间的金属层。

现在参考图2a-图2d，在一些实施例中，层108中的至少一些被折叠成堆(stack)以限定刚性能量存储单元104。在这些实施例中，刚性能量存储单元104包括多个折叠层108'。在一些实施例中，多个折叠层108'是层108的折叠版本。在一些实施例中，多个折叠层108'是折叠到其自身上的层108。在一些实施例中，能量存储设备100包括轴向骨干122。在一些实施例中，轴向骨干122包括层108、层108'或其组合。在一些实施例中，多个折叠层108'围绕轴向骨干122缠绕，这将在下面更详细地讨论。

现在具体参考图2b，在一些实施例中，能量存储设备200b包括轴向结构202b。能量存储设备200b包括多个刚性能量存储单元204b。刚性能量存储单元204b由多个折叠层208b'组成，这些折叠层208b'例如通过围绕轴向骨干222b缠绕层208b至少一次而折叠。刚性能量存储单元204b可以具有任何合适的形状，例如卵形、圆形、多面体、之字形等或其组合。在一些实施例中，多个层208b被设置在具有从轴向骨干222b延伸的一个或多个齿部分224b的梳状结构中。在一些实施例中，首先堆叠多个层208b，以便对准相邻层的轴向骨干222b。然后将齿部分224b缠绕在轴向骨干222b周围，以限定刚性能量存储单元204b。在一些实施例中，导电柔性部件206b部署在相邻的刚性能量存储单元204b之间。在一些实施例中，导电柔性部件206b包括部署在多个带层之间的金属层。

现在具体参考图2c，在一些实施例中，能量存储设备200c包括轴向结构202c。能量存储设备200c包括多个刚性能量存储单元204c。刚性能量存储单元204c由折叠到彼此上的多个折叠层208c'构成。在一些实施例中，多个层208c折叠到彼此上，使得能量存储设备200c采用大致之字形的构造。在一些实施例中，导电柔性部件206c部署在相邻的刚性能量存储单元204c之间。在一些实施例中，导电柔性部件206c包括部署在一个或多个带层220c之间的金属层。

现在参考图2d，在一些实施例中，能量存储设备200d包括轴向结构202d。能量存储设备200d包括至少两个刚性能量存储单元204d。如以上所讨论的，刚性能量存储单元202d由例如根据本公开中其它地方讨论的各种实施例组装的多个折叠层208d'组成。刚性能量存储单元204d可以具有任何合适的形状，例如卵形、圆形、多面体、之字形等或其组合。在一些实施例中，导电柔性部件206d部署在相邻的刚性能量存储单元204d之间。在一些实施例中，导电柔性部件206d包括部署在多个带层220d之间的金属层。在一些实施例中，导电柔性部件206d包括一个或多个折叠部226d，从而使导电柔性部件能够从第一长度拉伸到第二长度。

在不希望受理论束缚的情况下，能量存储设备100的可拉伸性取决于导电柔性部件106(拉伸长度，l)与能量存储单元104(能量存储长度，a)的相对尺寸。在压缩状态下：

l＝2nr+2r

其中n是周期数，并且r是弯曲半径。n的最小值是1。

在拉伸状态下，导电柔性部件206d的长度l被l替换。

l＝πr(n+1)+n(h-4r)+2r(n-1)

可拉伸性可以被定义为：

相对能量密度可以被定义为：

最大应变：

其中t是具有带层120的导电柔性部件106的厚度。在一些示例性实施例中，t＝0.270mm。当r等于0.75mm时，ε＝18.0％，而当r等于1mm时，ε＝13.5％。

通过示例的方式，假设r可以是0.75mm或1mm，a是10mm，并且h是5mm。然后，作为整数的n变化。利用图2d中所示的设计，给定弯曲半径r等于0.75mm，并且当l/a的比值为0.30时，可拉伸性可以达到大约29％，并且对应的能量密度是采用常规封装的电池的大约77％。

现在参考图3，能量存储设备100包括壳体128，壳体128包围两个或更多个刚性能量存储单元104。在一些实施例中，壳体124包括电解质材料，例如碳酸亚乙酯/碳酸二乙酯(1:1体积/体积)中的lipf6。在一些实施例中，壳体124包括袋子。在一些实施例中，袋子包括铝层。

现在参考图4，本公开的一些方面包括制造能量存储设备的方法400。在402处，形成包括多个层的轴向结构。在404处，将多个层在第一位置处一次或多次折叠到其自身上，从而在第一位置处产生刚性能量存储单元。在406处，将多个层在附加位置处一次或多次折叠到其自身上，以在附加位置处产生附加的刚性能量存储单元。在一些实施例中，在附加位置处将层一次或多次折叠到其自身上产生了呈之字形构造的具有相邻的柔性部件的附加的刚性能量存储单元。如上面所讨论的，在一些实施例中，导电柔性部件与刚性能量存储单元相邻并且连接相邻的刚性能量存储单元。在一些实施例中，在408处，用带层层压相邻的柔性部件。在一些实施例中，导电柔性部件包括部署在多个(例如，至少两个)带层之间的金属层。在410处，将轴向结构密封在壳体(例如，镀铝袋)中。

现在参考图5，在一些实施例中，方法500包括在502处提供包括第一电极层和第二电极层的轴向结构。如以上所讨论的，在一些实施例中，第一电极层是包括石墨的阳极层，并且第二电极层是包括锂的阴极层。在504处，切割轴向结构以产生从轴向骨干延伸的多个分支。在506处，将多个分支围绕轴向骨干缠绕，以提供两个或更多个刚性能量存储单元以及将相邻的刚性能量存储单元分开的导电柔性部件。在508处，用带层在导电可拉伸部件处层压轴向骨干。在510处，将轴向结构密封在包括电解质材料的镀铝壳体中。

本公开的方法和系统的优点在于，因为它们凭借通过导电柔性部件连接的折叠的刚性能量存储段而表现出高能量密度(275wh/l，是其常规对应物的96.4％)、高可折叠性和优异的电化学性能。导电柔性部件以与脊柱中椎骨之间的软骨髓类似的方式起作用，从而为整个设备提供了出色的柔性。即使在施加各种机械变形的情况下，也可以实现多个循环上的稳定循环，其中初始放电容量为151mahg^-1并且保留性(retention)为94.3％。

具有可控几何形状的可折叠电池易于制造为可与不同设备兼容。另外，在制造这些电池中使用的所有材料已被证明不昂贵。最终，设备还经受了连续动态机械负载测试的考验，并且因此被证实与常规电池设计相比在机械上鲁棒得多。现在参考图6，根据本公开的一些实施例的可折叠电池已被示出为17个led供电，并且即使在照明期间具有连续的机械变形，led的亮度保持稳定。即使以大电流密度(范围为0.5c至3c)，电池的性能也非常好。

本公开的系统的优点还在于它们使可拉伸部件与能量存储部件解耦。因此，可以同时实现高能量密度和高可拉伸性。在一些实施例中，带仅被施加到导电柔性部件，因此不会导致能量存储单元中的冗余体积，并且对体积能量密度几乎没有影响。

虽然已经关于所公开的主题的实施例描述和说明了所公开的主题，但是本领域技术人员应当理解的是，所公开的实施例的特征可以被组合、重新布置等，以在本发明的范围内产生附加的实施例，并且在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以在其中和对其进行各种其它的改变、省略和添加。