СИСТЕМА ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ И ЕЕ ПАКЕТНАЯ СТРУКТУРА Российский патент 2020 года по МПК H01M2/08 H01M10/42 H01M10/52 

ПЕРЕКРЕСТНАЯ ССЫЛКА НА РОДСТВЕННУЮ ЗАЯВКУ

Данная заявка является частично продолжающей (CIP) по отношению к заявке на патент США № 15/806 940, поданной 8 ноября 2017, и заявке на патент США № 15/141 826, поданной 29 апреля 2016. Предыдущие заявки полностью включены в настоящий документ посредством ссылки.

ПРЕДПОСЫЛКИ К СОЗДАНИЮ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Область техники

Настоящее изобретение относится к пакетной структуре и связанной с ней системе электроснабжения, и в частности относится к пакетной структуре и связанной с ней системе электроснабжения, включающей абсолютно новый модуль электропроводности и обладающей отличной влагостойкостью и газоустойчивостью.

Предшествующий уровень техники

В производстве электронных устройств главными тенденциями являются портативность и беспроводная конструкция. Помимо разработки более легких, тонких и компактных конструкций, большое внимание также уделяется гибкости электроники. Как следствие, существует острая необходимость в системе электроснабжения, имеющей меньший объем и вес и большую плотность энергии. Однако в контексте продления срока службы и увеличения плотности энергии системы электроснабжения, первичная система электроснабжения очевидно не может удовлетворять потребностям современной электроники. Именно по этой причине вторичные системы электроснабжения, такие как система литиевой батареи, система топливного элемента, система солнечного элемента, стали основным направлением благодаря своей способности к перезарядке. В качестве примера приводится система литиевой батареи, потому что эта технология высоко развита.

На фиг. 1 показан современный элемент системы литиевой батареи. Основу структуры составляет разделительный слой, который проходит между катодным электродом и анодным электродом. Наружные электроды всей системы литиевой батареи, которые электрически соединяются с периферическими устройствами, по одному приваривают к выводам, расположенным в токосъемниках как катодного, так и анодного электродов. Как показано на фиг. 1, литиевая батарея 1 включает разделительный слой 11, первый слой 12 активного материала, второй слой 13 активного материала, первый токосъемный слой 14, второй токосъемный слой 15 и пакетный блок 16. Первый слой 12 активного материала проходит над разделительным слоем 11. Первый токосъемный слой 14 проходит над первым слоем 12 активного материала. Второй слой 13 активного материала проходит под разделительным слоем 11. Второй токосъемный слой 15 проходит под вторым слоем 13 активного материала. Пакетный блок 16 изолирует всю вышеупомянутую структуру укладки, за исключением двух выводов 141 и 151. Соответственно, когда литиевая батарея 1 снабжает электричеством электронное устройство 2 (плата, показанная на фиг. 1, является лишь одним из вариантов осуществления и не ограничивает электронное устройство 2), выводы 141 и 151 электрически соединяются с входными разъемами 21 и 22 питания электронного устройства 2, с тем чтобы электричество, хранящееся в литиевой батарее 1, передавалось на электронное устройство 2. После этого электричество передается в зону 23 элемента электронного устройства 2 по схеме. Упомянутая здесь зона 23 элемента может представлять собой разводку платы или смонтированные на поверхности элементы, то есть, обычно включает логическую схему, активные элементы и пассивные элементы и так далее. Однако электрические характеристики и показатели безопасности литиевой батареи 1 в значительной степени зависят от характеристик границы раздела между разделительным слоем 11 и первым слоем 12 активного материала и границы раздела между разделительным слоем 11 и вторым слоем 13 активного материала. В случае современной системы литиевой батареи для обеспечения хороших электрических характеристик и показателей безопасности системы литиевой батареи характеристики этих границ раздела регулируют либо методом твердотельного пакетирования, либо методом обмотки высокого напряжения. К сожалению, системам литиевой батареи, выполненным методом твердотельного пакетирования или методом намотки высокого напряжения, определенно недостает гибкости, и их даже невозможно согнуть. Если пакетированную батарею или намоточную батарею принудительно согнуть, это приведет к серьезным повреждениям границ раздела между разделительным слоем 11 и первым слоем 12 активного материала и разделительным слоем 11 и вторым слоем 13 активного материала.

В случае современного пакетного блока современной системы электроснабжения, будь то первичная система батареи или вторичная система батареи, большинство пакетов системы батареи имеют жесткие металлические кожухи, в том числе цилиндрические кожухи и призматические кожухи. Например, большинство систем батарей, используемых в современных ноутбуках, представляют собой литиевую батарею в форме 18650 цилиндров с жесткими металлическими кожухами; большинство систем батарей, используемых в современных портативных устройствах связи, представляют собой литиевую батарею в форме 383562 призм с жесткими металлическими кожухами. Преимущества жесткого металлического кожуха в том, что он защищает элемент батареи от внешнего усилия, а также уменьшает воздействие факторов внешней среды, таких как влага и кислород и так далее. Поэтому для терминальной электроники вторичные системы батареи в самом деле способны обеспечивать лучшие электрические характеристики и более высокие показатели безопасности, но фиксированный размер и жесткий кожух накладывают серьезные ограничения на совместимость с большинством электроники. Хотя для уменьшения сложностей с применением в современной электронике была разработана мягкая система литиевой батареи, данную мягкую систему литиевой батареи, в сравнении с системами литиевой батареи, включающими жесткие металлические пакеты, нужно изолировать процедурой горячего прессования, и граница раздела между металлическим выводом и мягким пакетом будет слабой, потому что материалом вывода является металл, а материалом мягкого пакета является термоизоляционный полимер. Естественно, показатели газоустойчивости, особенно в отношении кислорода, и влагостойкости мягкого пакета будут хуже, чем у жесткого металлического кожуха, изолированного запайкой. Кроме того, после нескольких зарядок и разрядок габариты всей системы батареи будут поочередно подвергаться расширению и усадке. Ввиду более слабого напряжения материала мягкого пакета, вторичная батарея с мягким пакетом не способна поддерживать собственные габариты, и данный недостаток будет ключевой проблемой для проектирования схем этой электроники.

Как показано на фиг. 1, разделительный слой 11 между первым слоем 12 активного материала и вторым слоем 13 активного материала главным образом используется для предотвращения прямого соединения между первой электродной подложкой (включающей первый слой 12 активного материала и первый токосъемный слой 14) и второй электродной подложкой (включающей второй слой 13 активного материала и второй токосъемный слой 15). Если первая электродная подложка напрямую соединится со второй электродной подложкой, у литиевой батареи 1 возникнет проблема внутреннего короткого замыкания. Однако, поскольку внутри литиевой батареи 1 все-таки нужна миграция ионов, материал разделительного слоя 11 должен быть электрически изолированным и при этом пористым, поэтому наиболее популярными материалами разделительного слоя 11 являются PVC, PC и любые другие полимеры. Кроме того, в соответствии с температурой стеклования и температурой размягчения разных полимеров или одного полимера с разными молекулярными массами, частичная структура полимера может меняться в пределах определенного диапазона температуры. Поэтому, когда внутренняя температура системы батареи повышается из-за внутреннего короткого замыкания или внешнего короткого замыкания или в силу любых других причин, структура разделительного слоя 11 будет меняться, блокируя пути миграции ионов внутри литиевой батареи 1, чтобы избежать реакций при высокой температуре и дополнительно снизить вероятность взрыва литиевой батареи 1. Если в силу определенных причин внутренняя температура литиевой батареи 1 продолжит повышаться, структура разделительного слоя 11 будет полностью плавиться, пока внутренняя температура не достигнет 150º - 180º. В этом случае расплавленный разделительный слой 11 не сможет обеспечить никаких барьеров между первой электродной подложкой и второй электродной подложкой, поэтому литиевую батарею 1 полностью замкнет, и она даже может загореться или взорваться. Очевидно, современный разделительный слой 11 представляет серьезную угрозу безопасности литиевой батареи 1.

Помимо упомянутых выше недостатков, наиболее важный заключается в том, что почти все схемы и элементы проектируются гибкими, чтобы соответствовать гибким устройствам, а система батареи - нет. До настоящего времени гибкость системы батареи не могла сосуществовать с хорошими электрическими характеристиками и показателями безопасности. В то же время, трудно добиться того, чтобы габариты системы батареи отвечали требованиями повышения компактности и уменьшения толщины, поэтому в большинстве электроники приходится оставлять место для системы батареи, и из-за этого становится гораздо труднее уменьшать габариты электроники.

В документе, поданном от имени Nakamura и соавторов (JP 09-283387), раскрывается электрический двухслойный конденсатор. Согласно абзацу [0016] в документе Nakamura и соавторов, уплотнение и электродную пластину скрепляют термопластичным клеем. Поэтому после отверждения уплотнение не является гибким, особенно после процесса отверждения под давлением и температурой.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Цель данного изобретения состоит в предоставлении пакетной структуры и связанной с ней системы электроснабжения. Пакет, о котором говорится в данном изобретении, выполняет функцию рамы изоляции, не допуская попадания снаружи влаги и газа, чтобы те не оказывали негативного влияния на химические и электрические реакции, протекающие в блоке электроснабжения.

Другая цель данного изобретения состоит в предоставлении пакетной структуры и связанной с ней системы электроснабжения. Рама изоляции может быть быстро и точно выполнена на первой подложке и второй подложке путем трафаретной печати или нанесения покрытия. Пакетная структура, о которой говорится в данном изобретении, может быть изготовлена в условиях более высокой производительности и скорости производства.

Цель данного изобретения состоит в предоставлении пакетной структуры и связанной с ней системы электроснабжения. Система электроснабжения способна устанавливать прямое электрическое соединение с наружными электрическими элементами, поэтому количество элементов, используемых в электронике, может быть уменьшено, и габариты электроники можно сделать компактнее, а также тоньше.

Цель данного изобретения состоит в предоставлении пакетной структуры и связанной с ней системы электроснабжения. Пакетную структуру можно интегрировать с блоком электроснабжения, чтобы сократить используемые материалы, а также может быть снижена технологическая себестоимость электроники.

Цель данного изобретения состоит в предоставлении пакетной структуры и связанной с ней системы электроснабжения. Если система электроснабжения подвергнется воздействию внешних сил, блок электроснабжения будет немедленно отделен от пакетной структуры с образованием защитного размыкания цепи, поэтому у системы электроснабжения повышенные показатели безопасности.

Другая цель данного изобретения состоит в предоставлении пакетной структуры и связанной с ней системы электроснабжения. Пакетную структуру можно интегрировать с блоком электроснабжения, чтобы сократить общее количество границ раздела внутри системы электроснабжения, понизив внутреннее сопротивление системы электроснабжения, а также повысив электрические характеристики системы электроснабжения.

В целях реализации вышесказанного данное изобретение раскрывает пакетную структуру и связанную с ней систему электроснабжения. Гибкая рама изоляции используется для изоляции пространства между первой подложкой и второй подложкой, чтобы блок электроснабжения, размещенный в этом пространстве, был полностью изолирован от наружных влаги и газа для обеспечения электрических характеристик и показателей безопасности системы электроснабжения. По меньшей мере одна из первой подложки и второй подложки может представлять собой плату и электрически соединяться с периферийной электроникой, чтобы количество элементов, используемых в электронике, можно было сократить, добившись более компактной и тонкой конструкции.

Первый электрод включает первый слой активного материала и первый токосъемник. Первый токосъемник находится в прямом контакте с первым слоем активного материала и включает первую область изоляции. Второй электрод включает второй слой активного материала и второй токосъемник. Второй токосъемник находится в прямом контакте со вторым слоем активного материала и включает вторую область изоляции. Гибкая рама изоляции расположена между первой областью изоляции первого токосъемника и второй областью изоляции второго токосъемника. Гибкая рама изоляции используется для скрепления первого токосъемника со вторым токосъемником, чтобы обеспечить замкнутое пространство для аккумулирования первого активного материала, второго активного материала и разделительного слоя.

Гибкая рама изоляции включает два первых силиконовых слоя и второй силиконовый слой. Первые силиконовые слои, главным образом, содержат химическую формулу I:

Второй силиконовый слой, главным образом, содержит химическую формулу II:

И первые силиконовые слои, и второй силиконовый слой содержат химическую формулу I и химическую формулу II. Это решает проблему пузырьков или беспрепятственного отслоения подложки. В отвержденном слое модифицированного силикона натяжение на границе раздела и полярность силикона модифицированы, чтобы повысить адгезию для разных материалов. Более того, рама изоляции остается гибкой после изоляции и может полностью соответствовать размещенному внутри гибкому блоку электроснабжения. И, разумеется, пакетная структура может отвечать требованиям гибкой электроники.

Дополнительный объем применимости настоящего изобретения станет очевидным из подробного описания, приводимого далее. Однако следует понимать, что подробное описание и конкретные примеры, представляя предпочтительные варианты осуществления изобретения, приводятся исключительно в иллюстративных целях, поскольку из этого подробного описания специалисты в области техники смогут без труда вывести различные изменения и модификации в пределах объема и сущности изобретения.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

Настоящее изобретение станет понятнее из приводимого ниже подробного описания, имеющего исключительно иллюстративные цели и, таким образом, не ограничивающего настоящее изобретение, и где:

На фиг. 1 показан пример элемента системы литиевой батареи предшествующего уровня техники.

На фиг. 2A показана пакетная структура системы электроснабжения настоящего изобретения.

На фиг. 2B показан вид в поперечном разрезе, выполненном по линии A-A’ на фиг. 2A.

На фиг. 3 показан вариант осуществления, в котором первая подложка пакетной структуры служит в качестве платы настоящего изобретения.

На фиг. 4A показан вариант осуществления, в котором проводящая поверхность подложки служит в качестве токосъемного слоя настоящего изобретения.

На фиг. 4B показан вариант осуществления, в котором проводящая поверхность подложки не служит в качестве токосъемного слоя настоящего изобретения.

На фиг. 5A показан вид в поперечном разрезе системы электроснабжения, в которой многослойный электрод помещен внутрь пакетной структуры настоящего изобретения.

На фиг. 5B показан вид в поперечном разрезе системы электроснабжения, в которой электрод намоточного типа помещен внутрь пакетной структуры настоящего изобретения.

На фиг. 6A показан вариант осуществления, в котором два терминала системы электроснабжения расположены на двух разных подложках настоящего изобретения.

На фиг. 6B показан вариант осуществления, в котором два терминала системы электроснабжения расположены на одной подложке настоящего изобретения.

На фиг. 7 показаны результаты теста на старение для пакетной структуры предшествующего уровня техники и для настоящей пакетной структуры, причем тест на старение проводился при температуре 60º и относительной влажности 95%.

На фиг. 8 показан вид в поперечном разрезе, выполненном по линии A-A’ на фиг. 2A.

На фиг. 9A показана первая проводящая поверхность первой подложки настоящего изобретения, демонстрирующая вариант осуществления первой области изоляции.

На фиг. 9B показана вторая проводящая поверхность второй подложки настоящего изобретения, демонстрирующая вариант осуществления второй области изоляции.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

На фиг. 2A показан общий вид пакетной структуры системы электроснабжения данного изобретения, и на фиг. 2B показан вид в поперечном разрезе, выполненном по линии A-A’ на фиг. 2A. Пакетная структура 31 данного изобретения используется для размещения блока 32 электроснабжения. Пакетная структура 31 включает первую подложку 311, вторую подложку 312 и раму 313 изоляции. Пакетную структуру 31 можно подвергать прямому воздействию факторов окружающей среды, и она обладает способностью сопротивляться внешним силам и проникновению влаги. Первая подложка 311 содержит по меньшей мере одну первую проводящую поверхность 311a, и вторая подложка 312 содержит по меньшей мере одну вторую проводящую поверхность 312a. Рама 313 изоляции окружает кромки между первой подложкой 311 и второй подложкой 312, так что в пределах рамы 313 изоляции, первой подложки 311 и второй подложки 312 образуется пространство S. Пространство S используется для размещения блока 32 электроснабжения.

Блок 32 электроснабжения электрически соединен с первой проводящей поверхностью 311a первой подложки 311, а также соединен со второй проводящей поверхностью 312a второй подложки 312. Рама 313 изоляции включает два первых силиконовых слоя 313a и второй силиконовый слой 313b. Два первых силиконовых слоя 313a скрепляются с первой подложкой 311 и второй подложкой 312, соответственно. То есть, первая подложка 311 и вторая подложка 312 скрепляются с одним из первых силиконовых слоев 313a, соответственно. Второй силиконовый слой 313b проходит между двумя первыми силиконовыми слоями 313a, склеивая два первых силиконовых слоя 313a, то есть, первый силиконовый слой 313a, скрепленный с первой подложкой 311, и первый силиконовый слой 313a, скрепленный со второй подложкой 312, скрепляются друг с другом посредством второго силиконового слоя 313b.

Далее (см. фиг. 9A), первая проводящая поверхность 311a первой подложки 311 содержит первую область 311b изоляции, которая определена по контуру первой проводящей поверхности 311a. Остальная площадь первой проводящей поверхности 311a первой подложки 311, окруженная первой областью 311b изоляции, нужна, в первую очередь, для обеспечения площади контакта для первого слоя активного материала. Один из первых силиконовых слоев 313a скрепляется с первой областью 311b изоляции. Рассмотрим фиг. 9B. Вторая проводящая поверхность 312a второй подложки 312 содержит вторую область 312b изоляции, которая определена по контуру второй проводящей поверхности 312a. Другой из первых силиконовых слоев 313a скрепляется со второй областью 312b изоляции. Остальная площадь второй проводящей поверхности 312a второй подложки 312, окруженная второй областью 312b изоляции, нужна, в первую очередь, для обеспечения площади контакта для второго слоя активного материала.

Чтобы выполнить первые силиконовые слои 313a и второй силиконовый слой 313b с разной адгезионной способностью, используются разные присадки или формулы, меняющие адгезионную способность первых силиконовых слоев 313a и второго силиконового слоя 313b. Натяжение на границе раздела и полярность силикона первого силиконового слоя 313a модифицируются в зависимости от материалов первой проводящей поверхности 311a и второй проводящей поверхности 312a, чтобы повысить адгезию для разных материалов. Увеличивается адгезионная сила первой адгезии 313a между поверхностями с разными материалами, например, металлическими подложками и силиконом, т.е. вторым силиконовым слоем 313b. Как следствие, первые силиконовые слои 313a прочно закрепляются между первой подложкой 311 и второй подложкой 312. С другой стороны, второй силиконовый слой 131b используется для скрепления двух первых силиконовых слоев 313a. Как следствие, увеличивается адгезионная сила второй адгезии 313b между поверхностями с одинаковыми материалами или свойствами. Таким образом, первая подложка 311 и вторая подложка 312 прочно скрепляются посредством первых силиконовых слоев 313a и второго силиконового слоя 313b. И пространство S, образующееся в пределах рамы 313 изоляции, первой подложки 311 и второй подложки 312, будет полностью изолировано от наружных влаги и газа для обеспечения электрических характеристик и показателей безопасности системы электроснабжения.

Первые силиконовые слои 313a, главным образом, содержат химическую формулу I:

Второй силиконовый слой 313b, главным образом, содержит химическую формулу II:

И первые силиконовые слои 313a, и второй силиконовый слой 313b содержат химическую формулу I и химическую формулу II.

Количества химической формулы I в каждом из первых силиконовых слоев 313a превышают количества химической формулы II в каждом из первых силиконовых слоев 313a. Количества химической формулы II во втором силиконовом слое 313b превышают количества химической формулы I во втором силиконовом слое 313b.

Также, количества химической формулы II во втором силиконовом слое 313b превышают количества химической формулы II в первых силиконовых слоях 313a на 0,1% - 60% в массо-объемном соотношении. Первые силиконовые слои 313a модифицированы увеличением доли силикона добавочного типа и/или добавлением в силикон эпоксидной смолы, акриловой кислоты или их сочетания.

В качестве примера способа выполнения, первые силиконовые слои 313a выполняют на первой проводящей поверхности 311a первой подложки 311 и второй проводящей поверхности 312a второй подложки 312, соответственно, например, методом трафаретной печати или методом нанесения покрытия. Затем, в следующем процессе, характеристики поверхности первой проводящей поверхности 311a и второй проводящей поверхности 312a модифицируют, чтобы повысить способность к связыванию со вторыми силиконовыми слоями 313b. Иными словами, первые силиконовые слои 313a можно рассматривать как поверхностно-модифицированный слой первой подложки 311 и второй подложки 312, соответственно. Также первые силиконовые слои 313a скрепляют по их внутренним контурам первой проводящей поверхности 311a и второй проводящей поверхности 312a.

Затем для отверждения медленно выполняют полимеризацию. Поскольку одна сторона первых силиконовых слоев 313a свободна и процесс отверждения выполняется медленно, образующийся газ может быть отведен. Также, первые силиконовые слои 313a модифицируются в зависимости от материалов первой проводящей поверхности 311a первой подложки 311 и второй проводящей поверхности 312a второй подложки 312, соответственно. На границах раздела между первыми силиконовыми слоями 313a и первой подложкой 311 и первыми силиконовыми слоями 313a и второй подложкой 312 создаются благоприятные для адгезии условия.

Второй силиконовый слой 313b расположен на одном из первых силиконовых слоев 313a. Затем первую подложку 311 и вторую подложку 312, вместе со вторыми силиконовыми слоями 313b и первым силиконовым слоем 313a, комбинируют. Эту полимеризацию выполняют в два этапа, чтобы добиться прочного связывания. Дополнительно, с процессом полимеризации может комбинироваться процедура прессования. Температура термической обработки первого этапа ниже температуры термической обработки второго этапа. Продолжительность термической обработки первого этапа превышает продолжительность термической обработки второго этапа. При более низкой температуре первого этапа химическая формула II вторых силиконовых слоев 313b выступает доминантным компонентом, образуя кристаллическую структуру во вторых силиконовых слоях 313b. Поскольку толщина вторых силиконовых слоев 313b небольшая, эта кристаллическая структура по существу рассматривается как основная влагозащитная структура вторых силиконовых слоев 313b. Кристаллическая структура может повышать влагозащитную способность границ раздела между вторыми силиконовыми слоями 313b и любым из первых силиконовых слоев 313a. Это очень важный параметр для пакетной структуры системы электроснабжения, такой как литиевая батарея.

При более высокой температуре второго этапа химическая формула I вторых силиконовых слоев 313b выступает доминантным компонентом и обладает более высокой способностью к связыванию, чем химическая формула II. Как следствие, вторые силиконовые слои 313b и первые силиконовые слои 313a прочно связываются между собой. Предпочтительно, температура термической обработки первого этапа ниже температуры термической обработки второго этапа на 30 - 70 градусов C. Продолжительность термической обработки первого этапа превышает продолжительность термической обработки второго этапа на 80 - 300 секунд. Чтобы не допустить деформирования вторых силиконовых слоев 313b в ходе вышеупомянутого процесса, вторые силиконовые слои 313b дополнительно включают прокладку. Прокладка включает частицы диоксида кремния, частицы оксида титана или их сочетание.

Поскольку вторые силиконовые слои 313b расположены между первыми силиконовыми слоями 313a, которые выполнены из такого же или по существу такого же материала, т.е. силикона, адгезионная сила между ними велика. Несмотря на то, что образуется газ, адгезионную структуру нелегко ослабить. Также, силикон не такой плотный, как первая подложка 311 и вторая подложка 312. Если смотреть под микроскопом, отверстия внутри силикона крупнее, чем в материалах первой подложки 311 и второй подложки 312. Хотя при отверждении вторые силиконовые слои 313b расположены между первыми силиконовыми слоями 313a, образующийся газ легко отводится из первых силиконовых слоев 313a, и не происходит его беспрепятственного накопления с образованием пузырьков. Силы межмолекулярного взаимодействия между вторыми силиконовыми слоями 313b и первыми силиконовыми слоями 313a равны. Газовые потоки внутри равномерны. Пузырьки газа не будут беспрепятственно сливаться с образованием больших пузырей. Как следствие, на границах разделах между первыми силиконовыми слоями 313a и вторыми силиконовыми слоями 313b создаются благоприятные для адгезии условия. Границам раздела между первыми силиконовыми слоями 313a и первой подложкой 311 и первыми силиконовыми слоями 313a и второй подложкой 312 обеспечена лучшая межфазная адгезия, чем у обычных границ раздела.

По меньшей мере одна из первой подложки 311 и второй подложки 312 представляет собой плату, такую как печатная плата, многослойная плата и гибкая печатная плата и так далее, или металлический слой. Неважно, первая подложка 311 или вторая подложка 312, но по меньшей мере одна из первой подложки 311 и второй подложки 312 должна включать проводящую поверхность (первую проводящую поверхность 311a и/или вторую проводящую поверхность 312a) для электрического соединения с блоком 32 электроснабжения, размещенным внутри пакетной структуры 31, чтобы электрическая энергия, генерируемая блоком 32 электроснабжения, накапливалась проводящей поверхностью (первой проводящей поверхностью 311a и/или второй проводящей поверхностью 312a), а также чтобы накапливаемая электрическая энергия могла передаваться на плату в соответствии с разными механическими решениями. Например, на фиг. 3 показан один из возможных вариантов осуществления, где в случае подложки (здесь, в качестве примера, первой подложке 311), выполняющей функцию платы и включающей одну проводящую поверхность (здесь, в качестве примера, первую проводящую поверхность 311a), накапливаемая электрическая энергия может напрямую передаваться на плату (первую подложку 311) проводящей поверхностью (первой проводящей поверхностью 311a). В случае подложки (здесь, в качестве примера, вторая подложка 312) только включающей одну проводящую поверхность (здесь, в качестве примера, вторую проводящую поверхность 312a), накапливаемая электрическая энергия передается посредством электрического соединения между двумя подложками (первой подложкой 311 и второй подложкой 312). Наконец, в блоке 32 электроснабжения образуется полный замкнутый контур, и электрическая энергия может передаваться на элемент 5, расположенный на плате (первая подложка 311). Если и первая подложка 311, и вторая подложка 312 представляют собой платы, электрическое соединение между первой подложкой 311 и второй подложкой 312 не только используется для обеспечения электрической энергии, но также выполняет функцию электрического пути для элементов, расположенных на первой подложке 311 и второй подложке 312. Однако помимо выполнения функции плат, первая подложка 311 и вторая подложка 312 также могут выполнять функции металлических подложек, стеклянных подложек, композитных подложек, например, металлополимерных композитных подложек, и так далее.

Упомянутый выше блок 32 электроснабжения включает по меньшей мере два электродных слоя 321 и 322 и по меньшей мере один разделительный слой 323. Два электродных слоя 321 и 322 расположены таким образом, чтобы быть в прямом контакте с рамой 313 изоляции (как показано на фиг. 2B). В другом варианте осуществления один из двух электродных слоев 321,322 расположен таким образом, чтобы быть в прямом контакте с рамой 313 изоляции (как показано на фиг. 8), обычно анодный электродный слой. На фиг. 8 электродный слой 321, который не находится в прямом контакте с рамой 313 изоляции, это обычно катодный электродный слой. Также, часть первой проводящей поверхности 311a находится между рамой 313 изоляции и электродным слоем 321, потому что электродный слой 321 не находится в прямом контакте с рамой 313 изоляции. Блок 32 электроснабжения представляет собой литий-ионный слой с проводящей функцией для литиевого элемента.

Первые силиконовые слои 313a используются для поддержки блока 32 электроснабжения, чтобы добиться уравновешенного напряженного соотношения между электродными слоями 321, 322. Поэтому толщина первых силиконовых слоев 313a близка к толщине электродных слоев 321, 322. Толщина каждого из первых силиконовых слоев 313a находится в диапазоне от 70 процентов до 90 процентов по отношению к сумме толщины разделительного слоя 323 и первого слоя активного материала (электродный слой 321) или по отношению к сумме толщины разделительного слоя 323 и второго слоя активного материала (электродный слой 322). Предпочтительно, толщина каждого из первых силиконовых слоев 313a находится в диапазоне от 80 процентов до 85 процентов по отношению к сумме толщины разделительного слоя 323 и первого слоя активного материала (электродный слой 321) или по отношению к сумме толщины разделительного слоя 323 и второго слоя активного материала (электродный слой 322).

Второй силиконовый слой 313b выполняет в данном изобретении функцию связывающего слоя, и его толщина является заданным значением, которое не меняется в зависимости от первых силиконовых слоев 313a. Толщина вторых силиконовых слоев 313b составляет 0,5 мкм - 2,5 мкм. Если толщина вторых силиконовых слоев 313b будет слишком мала, т.е. меньше 0,5 мкм, адгезия будет слишком слабой. Если толщина вторых силиконовых слоев 313b будет слишком велика, т.е. больше 2,5 мкм, эффект водного барьера будет слишком слабым. Предпочтительно, толщина вторых силиконовых слоев 313b составляет 1 мкм - 2 мкм.

Каждый разделительный слой 323 проходит между двумя смежными электродными слоями 321 и 322. Одно из назначений разделительного слоя 323 состоит в том, чтобы не допускать прямого соединения электродного слоя 321 с электродным слоем 322. Электродные слои 321 и 322 и разделительный слой 323 смочены электролитом, включающим жидкофазный электролит, гелевый электролит и твердофазный электролит. Материалы разделительного слоя 323 включают полимеры, керамику или стекловолокно.

Электродный слой 321 включает слой A1 активного материала, и электродный слой 322 включает слой A2 активного материала. Как показано на фиг. 4A, первая подложка 311 включает первую проводящую поверхность 311a, выполняющую функцию первого токосъемника, и вторая подложка 312 включает вторую проводящую поверхность 312a, выполняющую функцию второго токосъемника. Слой A1 активного материала находится в прямом контакте с или выполнен на первой проводящей поверхности 311a первой подложки 311, и слой A2 активного материала находится в прямом контакте с или выполнен на второй проводящей поверхности 312a второй подложки 312. То есть, между слоем A1 активного материала и первой проводящей поверхностью 311a первой подложки 311 больше нет никаких других структур; между слоем A2 активного материала и второй проводящей поверхностью 312a второй подложки 312 тоже больше нет никаких других структур. Способ выполнения слоев A1 и A2 активного материала может включать непосредственное выполнение слоев A1 и A2 активного материала на проводящей поверхности 311a и 312a и закрепление слоев A1 и A2 активного материала на проводящей поверхности 311a и 312a при помощи механического решения, такого как вакуумная изоляция. Вне зависимости от применяемого способа выполнения, электрическая энергия, генерируемая слоями A1 и A2 активного материала, может напрямую передаваться на проводящую поверхность 311a и 312a первой подложки 311 и 312 (в этом варианте осуществления обе подложки 311 и 312 выполняют функцию платы). На фиг. 4B показанные токосъемные слои являются независимыми компонентами, в отличие от токосъемных слоев, показанных на фиг. 4A, которые являются одной частью подложек. Токосъемные слои C1 и C2, показанные на фиг. 4B, являются независимыми компонентами, тогда как проводящие поверхности 311a и 312a подложек 311 и 312 выполняют функцию токосъемных слоев, показанных на фиг. 4B. В варианте осуществления, показанном на фиг. 4B, определение электродного слоя 321 включает слой A1 активного материала и токосъемный слой C1, и слой A1 активного материала выполнен на токосъемном слое C1. Определение электродного слоя 322 включает слой A2 активного материала и токосъемный слой C2, и слой A2 активного материала выполнен на токосъемном слое C2. Электрическое соединение между блоком 32 электроснабжения и пакетной структурой 31 реализуется за счет прямого соединения между токосъемными слоями C1 и C2 и проводящими поверхностями 311a и 312a подложек 311 и 312 или за счет непрямого соединения между токосъемными слоями C1 и C2 и проводящими поверхностями 311a и 312a подложек 311 и 312. Упомянутое здесь непрямое соединение может быть реализовано за счет использования дополнительных токоведущих проводов, выводов или любых других проводящих компонентов, таких как металлическая рейка, тонкий металлический лист и так далее, для обеспечения электрического соединения между токосъемными слоями C1 и C2 и проводящими поверхностями 311a и 312a подложек 311 и 312.

Соответственно, пакетная структура 31 данного изобретения электрически соединена с блоком 32 электроснабжения, и электрическое соединение между блоком 32 электроснабжения и пакетной структурой 31 может быть прямым электрическим соединением или непрямым электрическим соединением. Такое решение для пакетной структуры 31 и блока 32 электроснабжения может не только значительно увеличить площадь контакта электрического соединения, но и значительно снизить сопротивление блока 32 электроснабжения. В то же время, в случае повреждения системы 3 электроснабжения при ударе, падении или проникновении гвоздей и так далее, слои A1 и A2 активного материала электродных слоев 321 и 322 и/или токосъемные слои C1 и C2 электродных слоев 321 и 322 будут немедленно отделены от электродных слоев 321 и 322 на случай частичного повышения температуры или нарушения структуры. Таким образом, электрическое соединение между блоком 32 электроснабжения и пакетной структурой 31 будет полностью разорвано, то есть, вся система 3 электроснабжения придет в состояние разомкнутой цепи, чтобы химические реакции внутри блока 32 электроснабжения прекратились, и не произошло взрыва или возгорания системы 3 электроснабжения из-за опасных цепных реакций, которые могут возникнуть внутри блока 32 электроснабжения.

Упомянутая конфигурация блока 32 электроснабжения может представлять собой структуру укладки одного катодного электродного слоя 321, одного разделительного слоя 323 и одного анодного электродного слоя 322 или представлять собой структуру укладки нескольких катодных электродных слоев 321, нескольких разделительных слоев 323 и нескольких анодных электродных слоев 322, как показано на фиг. 5A. Также, конфигурация блока 32’ электроснабжения может представлять собой намоточную структуру, как показано на фиг. 5B. Разумеется, конфигурация блока 32 электроснабжения, о котором говорится в данном изобретении, может представлять собой любой вид структуры без ограничения, потому что основное различие между данным изобретением и предшествующим уровнем техники состоит в электрическом соединении между блоком 32 электроснабжения и пакетной структурой 31, тогда как между современной системой электроснабжения и современной пакетной структурой нет никакого электрического соединения.

Пакетная структура 31 включает по меньшей мере два терминала T1 и T2. Один конец терминала T1 электрически соединен с катодным электродным слоем 321 блока 32 электроснабжения, а другой конец терминала T1 находится на первой подложке 311 пакетной структуры 31 и выполняет функцию точки соединения для соединения с периферийными устройствами (не показано). Один конец терминала T2 электрически соединен с анодным электродным слоем 322 блока 32 электроснабжения, а другой конец терминала T2 находится на второй подложке 312 пакетной структуры 31 и выполняет функцию точки соединения для соединения с периферийными устройствами (не показано). Терминалы T1 и T2 могут находиться на одной и той же подложке 311 или 312 или находиться на разных подложках 311 или 312. Как показано на фиг. 6A, терминал T1 находится на первой подложке 311, а терминал T2 находится на второй подложке 312. Электродный слой 321 электрически соединен с терминалом T1 благодаря электрическому соединению между проводящей поверхностью 311a подложки 311 и электродным слоем 321 блока 32 электроснабжения. Электродный слой 322 электрически соединен с терминалом T2 за счет электрического соединения между проводящей поверхностью 312a подложки 312 и электродным слоем 322 блока 32 электроснабжения. А электрические соединения между терминалом T1 и электродом 321 и между терминалом T2 и электродом 322 могут быть реализованы прямой разводкой платы или любыми проводящими компонентами. На фиг. 6B, два терминала T1 и T2 находятся на одной и той же подложке 311 или 312, поэтому электродные слои 321 и 322 по отдельности электрически соединены с терминалами T1 и T2 за счет электрического соединения между проводящими поверхностями 311a и 312a подложек 311 и 312 и электродными слоями 321 и 322 блока 32 электроснабжения. Благодаря этому, посредством проводящего элемента 6, такого как токопроводящий клей, электрическая энергия, генерируемая электродным слоем 321 подложки 311, может передаваться от терминала T1 на проводящей поверхности 311a подложки 311 к терминалу T2 на проводящей поверхности 312a подложки 312.

Упомянутая выше пакетная структура, главным образом, имеет четыре функции. Первая функция состоит в том, чтобы полностью изолировать систему электроснабжения внутри пакетной структуры. Как всем известно, систему электроснабжения необходимо пропитывать большим количеством электролита, чтобы электрохимические реакции, протекающие внутри системы электроснабжения, можно было использовать для работы. К счастью, полярности рамы изоляции и электролита отличаются друг от друга, поэтому после выполнения первых силиконовых слоев на двух подложках и выполнения второго силиконового слоя на по меньшей мере одном первом силиконовом слое адгезионные слои, на которые попал электролит, все равно можно будет скреплять друг с другом, потому что электролит, попавший на адгезионные слои, будет отталкиваться. Благодаря этому способность первого силиконового слоя к адгезии с подложкой и способность первого силиконового слоя к адгезии со вторым силиконовым слоем не ухудшится, даже если систему электроснабжения пропитают большим количеством электролита. Кроме того, за счет отталкивания электролита и адгезионных слоев, большая часть электролита останется внутри системы электроснабжения в ходе процесса прессования. Вторая функция состоит в том, чтобы понижать вероятность образования металлического лития. Основная причина этого в том, что материалом рамы изоляции является не металл, а полимер. Поскольку электрохимические реакции протекают при приблизительно 0 В, ионы лития вполне могут образовывать металлический литий, если ионы лития будут контактировать с металлическим материалом, таким как медь или никель. Третья функция состоит в том, чтобы обеспечивать высокую степень гибкости даже после процесса теплового отверждения. Поскольку материалом рамы изоляции, главным образом, является силикон, этот материал не относится к термопластичным материалам, и поэтому рама изоляции сможет сохранять гибкость даже при тепловой обработке. Четвертая функция состоит в том, чтобы повышать влагостойкость. Также, рама изоляции является своего рода гидрофобным компонентом. Поскольку рама изоляции гидрофобна, влага внутри рамы изоляции может переноситься только диффузией. Только когда влага полностью диффундирует в раму изоляции, то есть, когда концентрация влаги в раме изоляции дойдет до предела насыщения, влага сможет постепенно проникать в систему электроснабжения внутри пакетной структуры. Следовательно, рама изоляции способствует снижению скорости проникновения влаги. Как показано на фиг. 7, в сравнении с предшествующим уровнем техники, в условиях теста на старение, проводимого при температуре 60º и относительной влажности 95%, пакетная структура данного изобретения демонстрирует более высокое содержание влаги по итогам первого 7-дневного теста, но зато демонстрирует гораздо меньшее содержание влаги по итогам 14-дневного теста, а также 21-дневного теста. Согласно этому тесту на старение, первый 7-дневный результат может считаться эквивалентным одному году эксплуатации пакетной структуры при нормальных условиях (пакетная структура работает при комнатной температуре и влажности в течение одного года), а 14-дневный результат и 21-дневный результат эквивалентны двум годам эксплуатации и трем годам эксплуатации, соответственно. Очевидно, что пакетная структура демонстрирует лучшую влагостойкость при долгосрочной эксплуатации.

Поскольку две подложки пакетной структуры прямо или опосредованно выполняют функции токосъемников системы электроснабжения, система электроснабжения может быть напрямую интегрирована с платой, и также может обрабатываться обычной печатной платой (PCB) или с помощью процессов поверхностного монтажа (SMT). Например, система электроснабжения может быть принята в качестве элемента SMT, чтобы при изготовлении системы электроснабжения можно было применять SMT-процессы, и, разумеется, производственные затраты могут быть снижены. Кроме того, поскольку поверхности подложек могут использоваться для размещения некоторых периферийных электронных элементов или электрических схем, габариты электроники могут быть гораздо компактнее и тоньше.

После ознакомления с описанным таким образом изобретением будет очевидно, что одно и то же можно варьировать множеством разных способов. Такие варианты не должны рассматриваться как выход за пределы сущности и объема изобретения, и все такие модификации, как будет очевидно специалисту в области техники, должны быть включены в объем приводимой далее формулы изобретения.

Изобретение относится к пакетной структуре и связанной с ней системе электроснабжения. Система электроснабжения содержит первый электрод, второй электрод, разделительный слой и гибкую раму изоляции. Гибкая рама изоляции склеивает первый токосъемник со вторым токосъемником, причем гибкая рама изоляции содержит: два первых силиконовых слоя, где каждый из первых силиконовых слоев, главным образом, содержит первый силикон, имеющий главную цепь «Si-C-C-Si-O», где второй силиконовый слой, главным образом, содержит второй силикон, имеющий главную цепь «Si-O-Si». Толщина каждого из первых силиконовых слоев находится в диапазоне от 70 процентов до 90 процентов по отношению к сумме толщины разделительного слоя и первого слоя активного материала. Изобретение позволяет создавать систему электроснабжения, имеющую меньший объем и вес и большую плотность энергии. 14 з.п. ф-лы, 14 ил.

1. Система электроснабжения, содержащая:

первый электрод, включающий первый слой активного материала и первый токосъемник, который находится в прямом контакте с первым слоем активного материала и включает первую область изоляции;

второй электрод, включающий второй слой активного материала и второй токосъемник, который находится в прямом контакте со вторым слоем активного материала и включает вторую область изоляции;

разделительный слой, проходящий между слоем первого электрода и второго электрода; и

гибкую раму изоляции, расположенную между первой областью изоляции первого токосъемника и второй областью изоляции второго токосъемника, где гибкая рама изоляции склеивает первый токосъемник со вторым токосъемником, для обеспечения замкнутого пространства для аккумулирования первого активного материала, второго активного материала и разделительного слоя, причем гибкая рама изоляции содержит:

два первых силиконовых слоя, причем один из первых силиконовых слоев склеивается с первой областью изоляции первого токосъемника, а второй из первых силиконовых слоев склеивается со второй областью изоляции второго токосъемника, где каждый из первых силиконовых слоев, главным образом, содержит первый силикон, имеющий главную цепь «Si-C-C-Si-O»

и

второй силиконовый слой, проходящий между двумя первыми силиконовыми слоями, склеивая их между собой, где второй силиконовый слой, главным образом, содержит второй силикон, имеющий главную цепь «Si-O-Si»,

где и первые силиконовые слои, и второй силиконовый слой содержат силиконы, имеющие главную цепь «Si-C-C-Si-O» и главную цепь «Si-O-Si»;

где толщина каждого из первых силиконовых слоев находится в диапазоне от 70 процентов до 90 процентов по отношению к сумме толщины разделительного слоя и первого слоя активного материала или по отношению к сумме толщины разделительного слоя и второго слоя активного материала.

2. Система электроснабжения по п. 1, отличающаяся тем, что первая область изоляции первого токосъемника определена по контуру первого токосъемника, и вторая область изоляции второго токосъемника определена по контуру второго токосъемника.

3. Система электроснабжения по п. 1, отличающаяся тем, что по меньшей мере один из первого токосъемника и второго токосъемника представляет собой металлический слой печатной платы.

4. Система электроснабжения по п. 1, отличающаяся тем, что первый слой активного материала находится в прямом контакте с гибкой рамой изоляции и второй слой активного материала не контактирует с гибкой рамой изоляции.

5. Система электроснабжения по п. 4, отличающаяся тем, что первый слой активного материала представляет собой слой анодного активного материала, и второй слой активного материала представляет собой слой катодного активного материала.

6. Система электроснабжения по п. 4, отличающаяся тем, что второй токосъемник находится между гибкой рамой изоляции и вторым слоем активного материала.

7. Система электроснабжения по п. 1, отличающаяся тем, что первые силиконовые слои модифицированы посредством увеличения доли силикона добавочного типа.

8. Система электроснабжения по п. 1, отличающаяся тем, что первые силиконовые слои модифицированы посредством добавления в силикон эпоксидной смолы, акриловой кислоты или их комбинации.

9. Система электроснабжения по п. 1, отличающаяся тем, что второй силиконовый слой дополнительно содержит прокладку, где прокладка включает частицы диоксида кремния, частицы оксида титана или их комбинацию.

10. Система электроснабжения по п. 1, отличающаяся тем, что количества химической формулы II во втором силиконовом слое превышают количества химической формулы II в каждом из первых силиконовых слоев на 0,1% - 60% в массо-объемном соотношении.

11. Система электроснабжения по п. 1, отличающаяся тем, что толщина второго силиконового слоя составляет от 0,5 мкм до 2,5 мкм.

12. Система электроснабжения по п. 11, отличающаяся тем, что толщина второго силиконового слоя составляет от 1 мкм до 2 мкм.

13. Система электроснабжения по п. 1, отличающаяся тем, что толщина каждого из первых силиконовых слоев находится в диапазоне от 75 процентов до 80 процентов по отношению к сумме толщины разделительного слоя и первого слоя активного материала или по отношению к сумме толщины разделительного слоя и второго слоя активного материала.

14. Система электроснабжения по п. 1, отличающаяся тем, что второй силиконовый слой имеет влагозащитную кристаллическую структуру.

15. Система электроснабжения по п. 1, отличающаяся тем, что толщина второго силиконового слоя представляет собой заданное значение, и это заданное значение не меняется в зависимости от толщины первого силиконового слоя.