CN101194385B - 原电池 - Google Patents
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Abstract
本发明包括一种原电池，具有至少一个正的和至少一个负的电极(5，6)，其中该正的和负的电极并排地布置在不导电的平面衬底(1)上，并通过离子导电的电解质(7)相互连接。在此，通过将多个、优选大量正的和负的电极成对地并排布置在该衬底上，可以使相应的单个电池相互连接。
Description
本发明涉及一种具有至少一个正电极和至少一个负电极的原电池以及一种用于制造这种原电池的方法。
原电池和电池在不同的实施中是公知的。对此还有所谓的印刷电池，其中功能部分、特别是电极和印制导线被印到相应的衬底上。
在常规的印刷电池中，泄电器(Ableiter)位于不同的层面中。有两个集电极层面、两个电极层面和一个分离器层面。这种电池在US4,119,770中有所记载。电池单元被构造为不同部件的堆垛(Stapel)，其中电流泄漏器位于电池单元的上侧或下侧。多个电池单元被堆垛成电池。在此下面电池单元的负极与上面电池单元的正极自动连接。
在US 4,195,121中描述了柔性电极。所述电极由活性材料、导电材料和有机粘结剂组成。作为粘结剂建议乙烯-丙稀酸。
在JP 60155866中披露了另一种电池单元。这种电池单元每个都包括一个具有被层压的阳极或阴极的泄电器。在纤维网中凝胶化的电解质位于其间。稠化剂是羟乙基纤维素。
US 4,623,598说明了一种用于扁电池的接触装置。外壳膜由分成两半的导电层和位于外部的绝缘层组成。通过绝缘层中的两个窗使导电层的一部分或另一部分连接。该外壳膜围绕电极堆垛如此被安装，使得导电膜的一部分接触阳极，另一部分接触阴极。
US 5,652,043描述了一种具有水电解质的开口式电池单元。由吸湿性材料、离子导电的物质和可溶于水的聚合物组成的电解质位于电极之间，所述聚合物通过粘接作用固住电极。所述电池单元在通常的气候条件下不会变干。此外可能产生的气体可以被排放到环境中，由此防止电池单元膨胀。
US 5,897,522说明了在US 5,652,043中所述的扁电池单元在诸如计时器、注入器(Infusor)、温度计、糖传感器和电子游戏机的不同薄设备中的使用。在WO 0062365中描述了对扁电池的进一步改进。这里实施到电池中或电池上的芯片改善了功能性。该芯片通过DC/DC转换器补偿电压波动。
所有所提及的构造都具有传统的堆垛结构，其中功能层(通常为五层)上下叠置。
因此本发明提出以下任务：对已有的原电池(galvanischesElement)和电池的构造加以改进。特别是应该提供尽可能薄的或扁的电池，所述电池具有尽可能简单的结构。在此相应的电池也应该可以尽可能简单地予以制造。
该任务通过具有权利要求1的特征的原电池和具有权利要求16的特征的方法得以实现。该原电池或该方法的优选实施形式在从属权利要求2至15或从属权利要求17中述及。因此通过参考说明书的内容来作出所有权利要求的条文。
在本发明的原电池中，至少一个正的和至少一个负的电极并排布置在不导电的平面衬底上并且通过离子导电的电解质相互连接。平面衬底优选地是膜，其中进一步优选使用塑料膜。
通过并排布置正的和负的电极，原电池的功能部分基本上被上下叠置在三个层面中。在此是不导电的平面衬底、布置在该衬底上的电极和离子导电的电解质，所述电解质相互连接并且在此至少部分地覆盖两个电极。因此可以实现原电池的在总计非常扁且薄的构造。在该考察中，电极的层面被理解为平面，其中电极在其方面当然可由不同的部分构成，例如由相应的泄电器/集电极以及活性电极材料构成。这在下面还将更详细地予以阐述。
在通常情况下，正的和负的电极只布置在平面衬底的一侧，这同样在下面还将予以说明。然而根据本发明，同样也可以将正的和负的电极布置在平面衬底的两侧，以便通过这种方式实现原电池的相应其它构造。但在此根据本发明决定性是使正的和负的电极并排布置(且并非在不同层面中上下叠置)。
在改进方案中，本发明的原电池具有印制导线，所述印制导线用作泄电器/集电极并且合理地和优选地布置在平面衬底和原本的电极或(电化学的)活性电极材料之间。
所述印制导线可以以不同的方式来实现。因此一方面可能和优选的是，使用导电膜、特别是金属膜作为这种印制导线。另一方面，印制导线优选地可以是薄的金属层，所述薄的金属层可借助于通常的金属化方法被施加到衬底上。最后作为特别优选的变型方案还要强调，印制导线作为可印刷的糊剂被施加到衬底上。这种糊剂也可以是通常所谓的导电粘接剂。在本发明原电池的优选实施形式中，电极或电极材料自身作为可印刷的糊剂被施加到衬底上。通过该变型方案可以特别良好地实现本发明的已述优点。相应的糊剂可以比较简单地采用标准方法被施加到相应的衬底上，而且恰恰也作为薄的层，这根据本发明是优选的。
在本发明的原电池中，正的和负的电极布置在一个层面中，然而在空间上相互分隔。正的与负的电极的电连接仅仅通过离子导电的电解质来实现。在这种布置中，一方面绝对必要的是，正的和负的电极不接触。另一方面合理的是，不使两个电极之间的间隔选得过大，以确保尽可能节省空间的构造。与此对应地，如果将至少一个正的和至少一个负的电极以1μm至10mm的相互间隔布置在衬底上，则在本发明中是优选的。在该范围内，100μm和1mm之间的间隔是优选的。
根据本发明，如果使用凝胶状电解质作为离子导电的电解质，则同样是优选的。采用这种电解质可以特别简单地实现平面构造、特别是薄的平面构造。为了给予凝胶状电解质改善的机械稳定性，根据本发明，如果使电解质固定或者稳定在纤维网(Vlies)中，则是进一步优选的。在改进方案中，电解质根据本发明优选地作为层、特别是薄层而存在。必须如此布置该层，使得该层确保在正电极和负电极之间的必需的导电性。在此，电解质在这些情况下通常至少部分地覆盖电极，以便提供足够的导电性。在此，如果电解质或电解质层完全覆盖正的和负的电极或者尤其甚至超出相应的电极面，则是进一步优选的。电解质层的这种布置也可以在制造技术上以简单的方式实现。
在改进方案中，在本发明的原电池中可以设有另一塑料膜，该塑料膜(基于开头所述的由三个层面组成的层结构)布置在电解质的层面上方并因此至少部分地覆盖电解质和/或电极。这里如果完全覆盖电解质和电极，则也是优选的。
所述另一塑料膜一方面对电解质/电极具有保护功能，以保护所述电解质/电极免受机械损伤或所不希望的物质进入或气候影响，另一方面该另一塑料膜总计给予原电池改善的机械稳定性。
在具有另一塑料膜的这种构造中，如果该塑料膜与衬底一起形成一种外壳，所述外壳密封地包围电解质和电极。这还将结合附图加以更详细的说明。
作为该另一塑料膜的替代方案，也可以以其它方式实现相应的保护或相应的稳定化，例如通过在电解质的层面上施加、优选地印上膜或相应的层。该层通常也由塑料构成，即至少基于聚合物。
如果在不导电的平面衬底上布置多个、尤其是大量正的和的负电极，则存在本发明原电池的一种特别优选的变形方案。合理地特别是成对地实现该布置，即分别一个正的和分别一个负的电极成对地并排布置。通过这种方式可使多个或者许多(具有正的和负的电极)单个电池单元相互连接。这种观点以后还将结合附图更加详细地说明。
在最后提及的优选实施形式中，衬底特别是具有印制导线，其中布置在衬底上的电极(即多个或者大量电极)通过所述印制导线以串联和/或并联电路的形式连接。关于这些印制导线的施加可参阅和参考结合泄电器/集电极所作的以上说明。
如上所述，用于制造原电池的本发明方法的特征在于，将电极或形成电极的功能部分施加到用作衬底的无限带上。通过这种方式可以制造大量分别具有正的和负的电极的单个电池单元，其中必要时可以将用于(以串联或者并联方式)连接所述单个电池单元的相应印制导线集成到该方法中。
在本方法的优选实施形式中，无限带(Endlosband)已经配备有电极的泄电器/集电极，这总体上明显简化了该方法过程。此外在本发明的方法中，如果将电极以糊剂形式、特别是可印刷的糊剂形式施加、优选地印到衬底或相应的泄电器上。
迄今的实施形式再次阐明了与本发明相关的优点。在将原电池构造为单个电池单元时得到薄得多且总体上不复杂的构造的优点，因为可以减少布置有功能部件的层面的数量。所有电接触都处于一个层面中，使得取消经由不同的层面、特别是经由相互远离的层面的耗费的贯通接触(Durchkontaktieren)。此外本发明可以以简单的方式相互连接多个或者许多单个电池单元。在此，一方面可能的是，将多个或者许多电极已经成对地布置在不导电的平面衬底上并在该衬底上已经设置用于连接单个电池单元的相应印制导线。另一方面可能的是，使已经制造的单个电池单元固定在另一载体膜上并通过相应的接触剂相互连接，其中所述另一载体膜已经具有用于连接单个电池单元所必需的印制导线。这里为了固定可以使用通常的粘附胶接剂，通常的导电粘接剂或导电漆、例如相应的含银导电粘接剂典型地用于接触。在使由多个或者许多单个电池单元组成的整个电池完备之后，最后可以使用(另一)覆盖膜将该整个电池覆盖。该整个电池例如可以被粘接或层压。由此使这种电池(如同在已述的另一塑料膜的情况下)在机械方面稳定和免受外界影响，例如气候影响。电池的电接触在载体膜上伸出，并且可以以机械方式或者同样利用导电粘接剂被分接。
与现有技术的原电池相比，本发明的原电池不仅以单个电池单元的形式、而且以由多个或者许多单个电池单元连接成的电池的形式特别薄且必要时特别柔韧。因此本发明的原电池可以特别良好地用于希望微小厚度和必要时高柔韧性的这种应用，即例如所谓的SmartCard(智能卡)或SmartTag(智能标签)中。
本发明的其它特征由附图以及与从属权利要求有关的优选实施形式的以下说明得到。在这种情况下，各个特征分别本身或多个相互组合地在本发明的实施形式中得以实现。所述的特殊实施形式只用于说明和用于更好地理解本发明，并且无论如何都不应理解为限制性的。下述的附图也是本说明书的组成部分，对此这通过明确的参考来确证。
在附图中示出：
图1示出作为具有并排的电极的单个电池单元的本发明原电池的示意性结构；
图2示出具有三个单个电池单元的本发明原电池的示意性结构；
图3示出具有(串联和并联的)四个单个电池单元的本发明原电池的示意性结构；
图4示出用于将单个电池单元建立在用作衬底的无限带上的生产工艺的示意性片段。
图1示出以所谓单个电池单元形式的本发明原电池。在此，在不导电的薄塑料膜2形式的平面衬底1上施加所谓的集电极/泄电器3、4。这些集电极/泄电器以导电糊剂(优选地银、铜、镍、铝、铟、铋或石墨)的形式已被施加在衬底1上并接着被干燥。这种糊剂通常可以含有聚合物形式的粘合剂。
如开头所述，对集电极/泄电器3、4的施加不限于导电糊剂的施加。集电极/泄电器3、4以可比较的方式可以是薄的导电膜(金属膜、填充有导电材料的塑料膜)。优选通过冷或热粘接实现这些膜与衬底1的连接。此外集电极/泄电器3、4也可以通过通常的金属化方法(真空沉积、溅射、电镀沉积)来制备。
根据图1，在集电极3上施加有阴极5(即相应的电极材料)。所述施加优选借助于可印刷的糊剂(Paste)来进行。但也可以施加单独制造的阴极膜。在集电极4上施加有阳极6(即相应的电极材料)。不仅阴极5而且阳极6都与集电极/泄电器3、4电接触。在原电池的相应整个构造的情况下，这里松的陈列(Aufliegen)可能就已足够了。也可以在集电极/泄电器3、4和电极5、6之间设置固定连接。
通过网状结构或纤维网8固定的凝胶状电解质7位于电极(带有泄电器3的阴极5；带有泄电器4的阳极6)上。在此，带有纤维网8的电解质7覆盖阴极5和阳极6的活性电极材料。
在带有纤维网8的电解质7上是另一塑料膜2，该塑料膜一方面完全覆盖电解质7并且另一方面还超出电解质7的尺寸。通过这种方式由衬底1和塑料膜2形成位于衬底1和塑料膜2之间的功能部件、即原本的电极(5，3；6，4)用的密封封闭的外壳。
图1明显示出本发明原电池的经改善的薄的构造。原本的构造只包含三个(上下叠置的)层面，即衬底1的层面、电极(带有泄电器3的阴极5；带有泄电器4的阳极6，并排布置)的层面和电极层上方的电解质层面。在图1中示出了具有四个层面的优选实施形式，其中在电解质的层面上方，另一塑料膜2形成自身的层面并与衬底1一起形成带有功能部件的原本的两个层面用的密封封闭的外壳。
图2示出原电池(电池)的示意结构，其中带有成对并排的电极的三个单个电池单元(即根据图1的三个单个电池单元)通过导电轨(印制导线(Leiterbahn)9)相互连接。由此可以实现较高的电压。这种串联电路可以导致具有30V和更高电压的原电池，所述原电池根据本发明可以特别成本低廉且简单地予以制造。
根据图3示出了在具有成对并排的电极的四个单个电池单元(见图1)情况下原电池(电池)的示意结构。在此这四个单个电池单元既串联又并联。通过这种构造可以获得不同的总电压和容量或载荷。
图4以示意方式示出本发明生产过程的片段。在此本发明原电池可以在构造为无限带的衬底12(载体带)上单行地(如所示)或者也可以多行地(未示出)无限地来制造。用作集电极/泄电器的印制导线10和11在单个电池单元的原本的制造工艺之前已经被施加在衬底12上。然后(如结合图1所述)将原本的电极或相应的电极材料在为此所设置的位置处被施加到印制导线10和11上。接下来施加电解质，所述电解质作为凝胶状电解质通过纤维网来稳定。基于对图1的提示，在图4中原本的电极和电解质未标有附图标记。最后，在电解质上方施加覆盖膜13形式的另一塑料膜，该另一塑料膜在衬底12上与该衬底一起以外壳的形式封闭单个电池单元。最终，所述单个电池单元在必要时可以重新被拆单，或者也可以被输送给多个其它的加工步骤。
在该方面还应提及，根据图4且此外可以完全通常地由自粘接膜来制造衬底12以及覆盖膜13。这一方面易于将覆盖膜施加到分别制备的单个电池单元上。另一方面必要时在将所制造的单个电池单元拆单之后可以直接通过粘接将衬底12安装到例如印制电路板上，而无需附加的粘接剂。
实例
为了制造1.5V电池系，如下采取措施用以制造在图1中所示的原电池。在此在该情况下目的旨在实现锌炭电池系。该系统仅仅以示例性方式被提及，但其特征在于比较低的成本。
首先，为衬底和用作覆盖膜的另一塑料膜提供相应的膜。这里，优选具有低气体和水蒸气扩散率的塑料膜，即特别是由PET、PP或PE构成。只要考虑稍后将这些薄膜应相互热封，所提供的基膜可以利用低熔性的其它材料来遮盖。这里例如可以是由基于PE的共聚物构成的熔化粘接剂。
于是首先为了提供负电极(阳极)而将导电粘接剂(基于银、铜或石墨)形式的集电极印到衬底上。对于正电极(阴极)来说，可以将基于银、镍或石墨的导电粘接剂称为集电极/泄电器材料，所述导电粘接剂同样被印上。
如果要提供特别薄的集电极/泄电器，那么也提供真空涂层。在这种情况下，作为集电极/泄电器，在高真空下，对于阳极汽化渗镀铜并且对于阴极汽化渗镀镍。
接下来将用于阳极的电极材料印到相应的集电极/泄电器上。为此优选地采用丝网印刷方法。该电极材料是由锌粉、合适的粘合剂和合适的溶剂构成的锌糊剂。同样以相应的方式使用用于将阴极材料印到另一集电极/泄电器上的糊剂。该阴极材料由作为导电材料的软锰矿(MnO2)、炭黑和/或石墨以及合适的粘合剂和合适的溶剂构成。这里也优选地以丝网印刷方法来制作。
最后，在另一方法步骤中施加电解质。电解质优选地为凝胶状糊剂。该糊剂例如由氯化锌水溶液组成，其中该溶液可以完全或部分地被预干燥。同样优选地通过印刷方法来施加电解质。电解质(如在图1中所示)优选地全面覆盖两个电极。如同样在图1中所示，电解质可以通过纤维网状或网状材料来增强和稳定。
根据实例，如此制得的单个电池单元于是借助于第二(另一)塑料膜覆盖，即按照外壳的类型被封闭。如所述，这优选地借助于热封方法来进行。如结合图4所讨论的，同样可以优选地使用自粘接膜用于衬底和其它塑料膜。这也能够特别简单地将单个电池单元或者由多个单个电池单元组成的电池施加到待供应以电流的单元的相应基体上。
Claims (22)
1.电池，具有至少一个正的和至少一个负的电极(5，6)，所述电极并排地布置在不导电的平面衬底(1)上，并通过能离子导电的电解质(7)相互连接，其中所述至少一个正的电极包括二氧化锰电极并且其中所述至少一个负的电极包括锌电极。
2.如权利要求1所述的电池，其特征在于，平面衬底(1)是膜。
3.如权利要求2所述的电池，其特征在于，所述膜是塑料膜。
4.如权利要求1或2中任一项所述的电池，其特征在于，所述电池具有用作泄电器(3，4)的印制导线，所述印制导线布置在所述衬底(1)和所述至少一个正的和至少一个负的电极(5，6)之间。
5.如权利要求4所述的电池，其特征在于，所述电池具有导电膜作为印制导线。
6.如权利要求5所述的电池，其特征在于，所述导电膜是金属膜。
7.如权利要求4所述的电池，其特征在于，所述电池具有薄金属层作为印制导线，所述金属层能借助于通常的金属化方法被施加到所述衬底上。
8.如权利要求4所述的电池，其特征在于，所述印制导线作为可印刷的糊剂被施加到所述衬底上。
9.如权利要求1-3中任一项所述的电池，其特征在于，所述至少一个正的和至少一个负的电极作为可印刷的糊剂被施加到所述衬底上。
10.如权利要求1-3中任一项所述的电池，其特征在于，所述至少一个正的电极和所述至少一个负的电极以相互1μm-10mm的间隔布置在所述衬底上。
11.如权利要求10所述的电池，其特征在于，相互的间隔在100μm-1mm之间。
12.如权利要求1-3中任一项所述的电池，其特征在于，所述电解质是凝胶状电解质。
13.如权利要求中1-3任一项所述的电池，其特征在于，所述电解质被固定在纤维网(8)中。
14.如权利要求1-3中任一项所述的电池，其特征在于，所述电解质作为完全覆盖所述至少一个正的和至少一个负的电极的层存在。
15.如权利要求1-3中任一项所述的电池，其特征在于，所述电池具有另一塑料膜(2)，该另一塑料膜至少部分地覆盖所述电解质(7)和/或所述至少一个正的和至少一个负的电极(5，6)。
16.如权利要求15所述的电池，其特征在于，所述另一塑料膜完全地覆盖所述电解质(7)和/或所述至少一个正的和至少一个负的电极(5，6)。
17.如权利要求15所述的电池，其特征在于，所述另一塑料膜与所述衬底形成外壳，该外壳密封地包围所述电解质和所述至少一个正的和至少一个负的电极。
18.如权利要求1-3中任一项所述的电池，其特征在于，所述电池具有多个成对地并排布置在所述衬底上的正的和负的电极。
19.如权利要求1-3中任一项所述的电池，其特征在于，所述电池具有大量的成对地并排布置在所述衬底上的正的和负的电极。
20.如权利要求1-3中任一项所述的电池，其特征在于，所述衬底具有印制导线(9)，布置在所述衬底上的电极通过所述印制导线以串联和/或并联电路的形式连接。
21.用于制造电池的方法，所述电池包括：
-至少一个正的和至少一个负的电极，所述电极并排地布置在不导电的平面衬底上，并通过能离子导电的电解质相互连接，其中所述至少一个正的电极包括二氧化锰电极并且其中所述至少一个负的电极包括锌电极，
-泄电器，所述泄电器布置在所述衬底和所述至少一个正的和至少一个负的电极之间，
其中，将电极施加到用作所述衬底的无限带上，所述无限带连贯地配备有所述泄电器。
22.如权利要求21所述的方法，其特征在于，印上所述电极。
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