ГИБКАЯ ЛИТИЕВАЯ БАТАРЕЯ Российский патент 2020 года по МПК H01M10/52 H01M10/585 H01M2/16 H01M4/66 

ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к конструкции батареи, в частности к гибкой литиевой батарее.

Предшествующий уровень техники

Различные носимые электронные устройства разработаны в соответствии с потребностями людей в современных технологиях. В связи с необходимостью заставить носимые электронные устройства соответствовать тенденциям малой толщины и веса, распределение пространства в электронных устройствах становится важной проблемой. Гибкая батарея, которая может быть размещена на неплоских поверхностях, может быть одним из решений этой проблемы. На фигуре 1 показано поперечное сечение конструкции обычной гибкой литиевой батареи. Как показано, такая гибкая литиевая батарея 10 включает в себя первый токоприемный слой 12, второй токоприемный слой 14 и клеевую рамку 16, расположенную между первым токоприемным слоем 12 и вторым токоприемным слоем 14, чтобы сформировать замкнутое пространство 18. Первый слой активного материала 20, электроизолирующий слой 22 и второй слой активного материала 24 последовательно расположены в замкнутом пространстве 18. Слой электрохимической системы 26 образован первым слоем активного материала 20, электроизолирующим слоем 22 и вторым слоем активного материала 24. Первый слой активного материала 20 контактирует с первым токоприемным слоем 12, а второй слой активного материала 24 контактирует со вторым токоприемным слоем 14. Гибкая литиевая батарея 10 характеризуется тем, что вся эта конструкция может подвергаться динамическому изгибу. Однако во время изгиба токоприемные слои 12, 14 легко отделяются от соседних слоев активного материала 20, 24, вызывая короткое замыкание.

Принимая во внимание вышеупомянутые факторы, изобретение предлагает совершенно новую гибкую литиевую батарею для преодоления вышеупомянутых проблем.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Основной задачей этого изобретения является создание гибкой литиевой батареи, и гибкий связывающий слой расположен между токоприемным слоем и слоем активного материала, чтобы избежать короткого замыкания, вызванного разделением токоприемного слоя и слоя активного материала во время изгибания батареи.

Также еще одной целью данного изобретения является создание гибкой литиевой батареи. Слой электрохимической системы и гибкий связывающий слой герметично закрыты в замкнутом пространстве, которое образуется первым токоприемным слоем, вторым токоприемным слоем и клеевой рамкой.

Для реализации вышеизложенного данное изобретение раскрывает гибкую литиевую батарею. Батарея включает в себя первый токоприемный слой и второй токоприемный слой, причем первый токоприемный слой имеет первую внешнюю поверхность и первую внутреннюю поверхность, а второй токоприемный слой имеет вторую внешнюю поверхность и вторую внутреннюю поверхность, и клеевая рамка расположена между первой внутренней поверхностью и второй внутренней поверхностью. Клеевая рамка имеет замкнутую структуру, и ее верхняя и нижняя поверхности приклеены к первой внутренней поверхности и второй внутренней поверхности, соответственно. Следовательно, клеевая рамка, первый токоприемный слой и второй токоприемный слой образуют замкнутое пространство. Слой электрохимической системы и, по крайней мере, один гибкий связывающий слой расположены в этом замкнутом пространстве и прилегают к внутренней поверхности клеевой рамки. Слой электрохимической системы включает в себя первый слой активного материала, второй слой активного материала и электроизолирующий слой, расположенный между первым слоем активного материала и вторым слоем активного материала. Гибкий связывающий слой расположен между первой внутренней поверхностью и первым слоем активного материала и/или между второй внутренней поверхностью и вторым слоем активного материала. Гибкий связывающий слой состоит из клейкой основы и электропроводящей добавки, причем клейкая основа состоит из линейно структурированного коллоида и стереоскопически структурированного коллоида.

При этом линейно структурированный коллоид производится из линейного полимера. Линейный полимер выбирают из поливинилиденфторида (PVDF), поливинилиденфторид-гексафторпропилена (PVDF-HFP), политетрафторэтена (PTFE), клея на основе акриловой кислоты, эпоксидной смолы, полиэтиленоксида (PEO), полиакрилонитрила (PAN), карбоксиметилцеллюлозы (CMC), стирол-бутадиена (SBR), полиметилакрилата, полиакриламида, поливинилпирролидона (PVP) или их комбинации.

При этом стереоскопически структурированный коллоид производится из поперечно связанного полимера. Поперечно связанный полимер выбирают из эпоксидной смолы, акрилово-кислотной смолы, полиакрилонитрила (PAN) или их комбинаций с сетчатой структурой или полиимида (PI) и его производных с лестничной структурой.

При этом весовое соотношение электропроводящей добавки к клейкой основе составляет от 1:1 до 7:3.

При этом весовое отношение электропроводящей добавки к стереоскопически структурированному коллоиду составляет от 5:2 до 7:3.

При этом весовое отношение линейно структурированного коллоида к стереоскопически структурированному коллоиду составляет от 3:2 до 9:1.

При этом толщина гибкого связывающего слоя составляет 4 - 10 мкм.

При этом форма электропроводящей добавки является сферической, трубчатой или листовидной, или же их комбинацией.

При этом электропроводящая добавка со сферической формой является техническим углеродом.

При этом средний размер электропроводящей добавки сферической формы составляет 40 нм.

При этом площадь поверхности электропроводящей добавки сферической формы составляет 60-300 м²/г.

При этом электропроводящая добавка с трубчатой формой представляет собой углеродную трубку.

При этом диаметр электропроводящей добавки трубчатой формы составляет 5-150 нм, а длина электропроводящей добавки с трубчатой формой составляет 5-20 нм.

При этом площадь поверхности электропроводящей добавки трубчатой формы составляет 20-400 м²/г.

При этом электропроводящая добавка листовидной формы представляет собой графит, графен или их комбинацию.

При этом средний размер частиц электропроводящей добавки с листовидной формой составляет 3,5 нм.

При этом площадь поверхности электропроводящей добавки листовидной формы составляет 20 м²/г.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Фигура 1 представляет собой вид в поперечном разрезе обычной гибкой литиевой батареи.

Фигура 2 представляет собой принципиальную схему одного варианта осуществления гибкой литиевой батареи по данному изобретению.

Фигура 3 - увеличенный вид части фигуры 2 этого изобретения.

Фигура 4 - принципиальная схема еще одного варианта осуществления гибкой литиевой батареи по данному изобретению.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Изобретение представляет собой гибкую литиевую батарею, решающую проблему короткого замыкания, вызываемого разделением токоприемного слоя и слоя активного материала во время изгибания батареи.

Со ссылкой на фигуру 2, как показано, гибкая литиевая батарея 30 в соответствии с данным изобретением в основном состоит из первого токоприемного слоя 12, второго токоприемного слоя 14, клеевой рамки 16 и слоя электрохимической системы 26. Первый токоприемный слой 12 имеет первую внешнюю поверхность a и первую внутреннюю поверхность b. Второй токоприемный слой 14 имеет вторую внешнюю поверхность c и вторую внутреннюю поверхность d. Клеевая рамка 16 расположена между первой внутренней поверхностью b и второй внутренней поверхностью d. Точнее, клеевая рамка 16 имеет замкнутую структуру, и ее верхняя и нижняя поверхности приклеены к первой внутренней поверхности b первого токоприемного слоя 12 и второй внутренней поверхности d второго токоприемного слоя 14, соответственно. Следовательно, замкнутое пространство 18 образовано клеевой рамкой 16, первым токоприемным слоем 12 и вторым токоприемным слоем 14. Слой электрохимической системы 26 расположен в замкнутом пространстве 18 и рядом с внутренней поверхностью e клеевой рамки 16. В направлении от первого токоприемного слоя 12 ко второму токоприемному слою 14 слой электрохимической системы 26 включает в себя первый слой активного материала 20, второй слой активного материала 24 и электроизолирующий слой 22, расположенный между первым слоем активного материала 20 и вторым слоем активного материала 24. Первый гибкий связывающий слой 32 расположен между первой внутренней поверхностью b и первым слоем активного материала 20. Как и в случае с первым слоем активного материала 20, первый гибкий связывающий слой 32 примыкает к внутренней поверхности e клеевой рамки 16. Первый гибкий связывающий слой 32 состоит из клейкой основы и электропроводящей добавки 34, с клейкой основой, состоящей из линейно структурированного коллоида и стереоскопически структурированного коллоида.

Слой электрохимической системы 26 и первый гибкий связывающий слой 32 полностью герметизированы в первом токоприемном слое 12, втором токоприемном слое 14 и клеевой рамке 16. А клеевая рамка 16 остается гибким герметизирующим клеем после реакций полимеризации. Следовательно, слой электрохимической системы 26 и первый гибкий связывающий слой 32 не могут быть легко повреждены даже после многократных сгибаний.

Весовое соотношение электропроводящей добавки к клейкой основе составляет от 1:1 до 7:3. Весовое отношение электропроводящей добавки к стереоскопически структурированному коллоиду составляет от 5:2 до 7:3. Весовое отношение линейно структурированного коллоида к стереоскопически структурированному коллоиду составляет от 3:2 до 9:1. Толщина первого гибкого связывающего слоя 32 составляет 4-10 мкм.

Электропроводящая добавка 34 имеет сферическую, трубчатую или листовидную форму, или же их комбинацию. Например, когда электропроводящая добавка 34 имеет сферическую форму, электропроводящая добавка 34 может являться техническим углеродом. Средний размер частиц сферической формы электропроводящей добавки 34 составляет 40 нм. Площадь поверхности электропроводящей добавки 34 сферической формы составляет 60-300 м²/г. Когда электропроводящая добавка 34 имеет трубчатую форму, электропроводящая добавка 34 может быть углеродной трубкой. Диаметр электропроводящей добавки трубчатой формы составляет 5-150 нм, а длина электропроводящей добавки трубчатой формы составляет 5-20 нм. Площадь поверхности электропроводящей добавки трубчатой формы составляет 20-400 м²/г. Когда электропроводящая добавка 34 имеет листовидную форму, электропроводящая добавка 34 может быть графитом, графеном или их комбинацией. Средний размер частиц электропроводящей добавки 34 листовидной формы составляет 3,5 нм. Площадь поверхности электропроводящей добавки листовидной формы составляет 20 м²/г.

Линейно структурированный коллоид производится из линейного полимера с определенной гибкостью. Линейный полимер выбирается из поливинилиденфторида (PVDF), поливинилиденфторид-гексафторпропилена (PVDF-HFP), политетрафторэтена (PTFE), клея акриловой кислоты, эпоксидной смолы, полиэтиленоксида (PEO), полиакрилонитрила (PAN), карбоксиметилцеллюлозы (CMC), стирол-бутадиена (SBR), полиметилакрилата, полиакриламида, поливинилпирролидона (PVP) или же их комбинаций.

Стереоскопически структурированный коллоид производится из поперечно связанного полимера. Поперечно связанный полимер выбран из эпоксидной смолы, акрилово-кислотной смолы, полиакрилонитрила (PAN) или же их комбинаций с сетчатой ​​структурой или полиимида (PI) и его производных с лестничной структурой.

Согласно данному изобретению, используются такие характеристики поперечно связанного полимера, как хорошая термическая стабильность и термическая устойчивость. Во время термической обработки в процессе сборки гибкой батареи, такой как процесс горячего прессования, поскольку поперечно связанный полимер может выдерживать высокие температуры без плавления, и по сравнению с линейным полимером поперечно связанный полимер имеет большую степень стереоскопически структурированного ветвления, то в условиях обработки высокими температурами (или высокими температурами и высоким давлением) поперечно связанный полимер может препятствовать кристаллизации линейного полимера. Следовательно, размер кристаллов и степень кристалличности линейного полимера ограничены. Пространственные препятствия, вызванные кристаллизацией, уменьшаются, так что ионы могут проходить более свободно.

Электропроводящая добавка 34 способна улучшить характеристики электропроводности между первым слоем активного материала 20 и первым токоприемным слоем 12. Пространство, необходимое для заполнения линейно структурированным коллоидом и стереоскопически структурированным коллоидом, дополнительно уменьшается благодаря присутствию электропроводящей добавки 34. Например, пространство, которое необходимо заполнить линейно структурированным коллоидом и стереоскопически структурированным коллоидом, будет шагом Т между двумя соседними электропроводящими добавками 34. Следовательно, кристаллизация, вызванная тепловой обработкой или обработкой давлением линейно структурированного коллоида, может быть эффективно исключена для повышения гибкости, как показано на фигуре 3.

Ссылаясь на фигуру 3, когда батарея изгибается под воздействием внешней силы, электропроводящая добавка 34 может также служить в качестве точки приложения нагрузки для первого гибкого связывающего слоя 32. То есть, когда объем электропроводящей добавки 34 мал, а количество частиц внутри нее достаточно велико, количество точек приложения нагрузки относительно велико. Таким образом, деформация связывающего слоя между любыми двумя точками приложения нагрузки значительно снижается по сравнению с деформацией клейкой основы без добавления электропроводящей добавки 34. С учетом вышеизложенного, условия адгезии первого гибкого связывающего слоя 32 с первой внутренней поверхностью b первого токоприемного слоя 12 и первым слоем активного материала 20 значительно улучшаются.

Хотя электропроводящая добавка 34 и связывающий слой, описанные выше, присутствуют только на одной стороне электроизолирующего слоя 22 гибкой литиевой батареи 30, специалисты в данной области техники также могут расположить ту же конструкцию и на другой стороне. Например, как показано на фигуре 4, второй гибкий связывающий слой 36 может быть расположен между второй внутренней поверхностью d и вторым слоем активного материала 24 отдельно или же вместе с первым гибким связывающим слоем 32. Состав второго гибкого связывающего слоя 36 такой же, как у первого гибкого связывающего слоя 32.

Таким образом, очевидно, что описанное здесь изобретение можно изменять разными способами. Такие изменения не должны рассматриваться как отклонение от сущности и объема изобретения, и все такие модификации, которые будут очевидны для специалистов в данной области техники, предназначены для включения в объем нижеследующей формулы изобретения.

Изобретение относится к области электротехники, а именно к гибкой литиевой батарее, которая может решить проблему короткого замыкания, вызываемого разделением токоприемного слоя и слоя активного материала во время изгибания батареи. В предложенной батарее, содержащей первый токоприемный слой и второй токоприемный слой, причем первый токоприемный слой имеет первую внешнюю поверхность и первую внутреннюю поверхность, а второй токоприемный слой имеет вторую внешнюю поверхность и вторую внутреннюю поверхность, между первой внутренней поверхностью и второй внутренней поверхностью расположена клеевая рамка для образования герметичного и закрытого пространства, в котором расположен слой электрохимической системы, причем слой электрохимической системы содержит первый слой активного материала, второй слой активного материала и электроизолирующий слой, расположенный между первым слоем активного материала и вторым слоем активного материала, и имеется гибкий связывающий слой, расположенный между первой внутренней поверхностью и первым слоем активного материала и/или между второй внутренней поверхностью и вторым слоем активного материала, причем этот гибкий связывающий слой состоит из клейкой основы и электропроводящей добавки, где клейкая основа состоит из линейно структурированного коллоида и стереоскопически структурированного коллоида. Повышение надежности работы батареи при ее многократном сгибании является техническим результатом изобретения. 16 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Гибкая литиевая батарея, содержащая:

первый токоприемный слой, имеющий первую внешнюю поверхность и первую внутреннюю поверхность;

второй токоприемный слой, имеющий вторую внешнюю поверхность и вторую внутреннюю поверхность;

клеевую рамку, которая закрыта и расположена между первой внутренней поверхностью и второй внутренней поверхностью, причем верхняя поверхность и нижняя поверхность клеевой рамки приклеены к первой внутренней поверхности и второй внутренней поверхности соответственно, и посредством клеевой рамки, первого токоприемного слоя и второго токоприемного слоя формируется замкнутое пространство; а также

слой электрохимической системы, расположенный в замкнутом пространстве и рядом с внутренней поверхностью клеевой рамки, причем слой электрохимической системы включает в себя первый слой активного материала, второй слой активного материала и электроизолирующий слой, расположенный между первым слоем активного материала и вторым слоем активного материала;

характеризующаяся тем, что гибкий связывающий слой расположен между первой внутренней поверхностью и первым слоем активного материала и/или между второй внутренней поверхностью и вторым слоем активного материала, причем гибкий связывающий слой прилегает к внутренней поверхности клеевой рамки и состоит из клейкой основы и по крайней мере одной электропроводящей добавки, соединенной с ней, причем клейкая основа состоит из линейно структурированного коллоида и стереоскопически структурированного коллоида.

2. Гибкая литиевая батарея по п. 1, в которой линейно структурированный коллоид выполнен из линейного полимера, причем линейный полимер выбран из поливинилиденфторида (PVDF), поливинилиденфторид-гексафторпропилена (PVDF-HFP), политетрафторэтена (PTFE), клея акриловой кислоты, эпоксидной смолы, полиэтиленоксида (PEO), полиакрилонитрила (PAN), карбоксиметилцеллюлозы (CMC), стирол-бутадиена (SBR), полиметилакрилата, полиакриламида, поливинилпирролидона (PVP) или их комбинаций.

3. Гибкая литиевая батарея по п. 1, в которой стереоскопически структурированный коллоид выполнен из поперечно связанного полимера, причем поперечно связанный полимер выбран из эпоксидной смолы, акрилово-кислотной смолы, полиакрилонитрила (PAN) или их комбинаций с сетчатой структурой или полиимида (PI) и его производных с лестничной структурой.

4. Гибкая литиевая батарея по п. 1, в которой весовое отношение электропроводящей добавки к клейкой основе составляет от 1:1 до 7:3.

5. Гибкая литиевая батарея по п. 1, в которой весовое отношение электропроводящей добавки к стереоскопически структурированному коллоиду составляет от 5:2 до 7:3.

6. Гибкая литиевая батарея по п. 1, в которой весовое отношение линейно структурированного коллоида к стереоскопически структурированному коллоиду составляет от 3:2 до 9:1.

7. Гибкая литиевая батарея по п. 1, в которой толщина гибкого связывающего слоя составляет 4-10 мкм.

8. Гибкая литиевая батарея по п. 1, в которой электропроводящая добавка имеет сферическую, трубчатую или листовидную форму или их комбинацию.

9. Гибкая литиевая батарея по п. 8, в которой электропроводящая добавка сферической формы является техническим углеродом.

10. Гибкая литиевая батарея по п. 8, в которой средний размер частиц электропроводящей добавки сферической формы составляет 40 нм.

11. Гибкая литиевая батарея по п. 10, в которой площадь поверхности электропроводящей добавки сферической формы составляет 60-300 м²/г.

12. Гибкая литиевая батарея по п. 8, в которой электропроводящая добавка трубчатой формы является углеродной трубкой.

13. Гибкая литиевая батарея по п. 8, в которой диаметр электропроводящей добавки трубчатой формы составляет 5-150 нм, а длина электропроводящей добавки трубчатой формы составляет 5-20 нм.

14. Гибкая литиевая батарея по п. 13, в которой площадь поверхности электропроводящей добавки трубчатой формы составляет 20-400 м²/г.

15. Гибкая литиевая батарея по п. 8, в которой электропроводящая добавка листовидной формы является графитом, графеном или их комбинацией.

16. Гибкая литиевая батарея по п. 8, в которой средний размер частиц электропроводящей добавки листовидной формы составляет 3,5 нм.

17. Гибкая литиевая батарея по п. 16, в которой площадь поверхности электропроводящей добавки листовидной формы составляет 20 м²/г.