CN103855405A - 电化学电池 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及电化学电池，包含：与阳极集电器（16）接触的阳极（20），与阴极集电器（18）接触的阴极（22），隔板（24），布置在阳极（20）和阴极（22）之间，其中阳极（20）布置在隔板（24）和阳极集电器（16）之间且其中阴极（22）布置在隔板（24）和阴极集电器（18）之间，其中阳极集电器（16）和阴极集电器（18）形成用于阳极（20）、阴极（22）和隔板（24）的组装的封装外壳（28）。

Description

电化学电池
技术领域
本发明涉及电化学电池领域，该电化学电池包含与阳极集电器接触的阳极且包含与阴极集电器接触的阴极。尤其是，本发明涉及具有大程度机械柔韧性特征的薄膜电池。
背景技术
在众多不同电池类型中，存在所谓的薄膜电池。这些电池由具有微米范围厚度的薄材料组成，允许总电池厚度处于1mm或更小的范围内。所以它们可以呈现小尺寸且因此可应用于大范围不同应用。一般来说，这种电池或电化学电池可以形成为任意形状。它们可以堆叠、并行使用且一般提供相当大的能量密度。
薄膜电化学电池还可以提供特定的机械柔韧性。因此，它们典型地一定程度地可弯曲且可柔性变形。该属性对于承受机械应力的可靠便携式产品（比如智能卡等）是尤其重要的。
电化学电池典型地包含阳极、阳极集电器、阴极、阴极集电器、在阳极和阴极之间延伸的隔板以及电解质。此外且为了提供所需的机械柔韧性，阳极和阴极集电器必须提供相应的柔性属性。因为集电器典型地布置在面对阳极和阴极部分的外侧，它们可以变得在电化学电池弯曲时尤其承受机械应力。
在实际应用中且尤其在多次弯曲或折叠操作之后，例如在约100或500次弯曲操作之后，常规集电器可能呈现裂缝结构或甚至可能倾向于至少在其表面显示损坏部分。这种集电器典型地基于金属箔形成因此倾向于响应于重复弯曲操作而劣化。
此外，常规电化学电池总是包含外壳和封装，例如聚合物/铝/聚合物叠层，以接收且封闭阳极集电器、阳极、隔板、电解质、阴极和阴极集电器的组件。对于将集电器与通过外壳延伸的连接器接头接触，必须提供集电器和连接器接头的相当精巧的相互互连。另外，连接器接头必须例如借助于聚合物套经过封装或外壳。连接器接头与电流收集器的互连是相当消耗空间的且限制了电化学电池的空间能量密度。
因此，本发明的目的是提供一种具有增加的体积能量密度的改进的电化学电池。在另一目标中，本发明应当提供较不倾向于或对重复弯曲或折叠操作较不敏感的柔性电化学电池。此外，电化学电池的内部结构应当是相当简单的、节省空间的且其产品应当是有成本效益的。
发明内容
在第一方面，本发明涉及电化学电池。电化学电池包含与阳极集电器接触的阳极且还包含与阴极集电器接触的阴极。而且，电化学电池包含布置在阳极和阴极之间的隔板以及电解质。尤其是，隔板夹置在阳极和阴极之间且阳极集电器和阴极集电器分别与阴极和阳极远离隔板的一侧相邻布置。换句话说，阳极布置在隔板和阳极集电器之间。相应地，阴极同样布置在隔板和阴极集电器之间。如上所述，还提供液体、凝胶状或固态类型的电解质，其有效地填充阴极和阳极之间的隔板的孔。
阳极集电器和阴极集电器形成用于阳极、阴极和隔板的机械组装的封装外壳。这样，电化学电池的常规外壳或封装可以有效地被阳极集电器和阴极集电器代替。尤其是，电化学电池的外壳由相互互连的阳极集电器和阴极集电器组成。除了其电学传导能力之外，阳极集电器和阴极集电器现在还提供机械稳定性和用于电化学电池的机械保护。
因为阳极集电器和阴极集电器直接形成电化学电池的封装外壳，连接器接头不再必须在电化学电池的封装外壳内与阳极集电器和/或阴极集电器互连。相反，阳极集电器和阴极集电器可以直接提供相应连接器接头或可以与相应连接器接头整体地形成。这样，可以节省连接器接头与集电器的互连通常所需的体积。实际上，阴极和阳极的大小可以相应地增加，而不增加电化学电池的外部尺寸。实际上，存储电容以及因此电化学电池的能量密度可以显著增加。
另外，通过借助于阳极集电器和阴极集电器取代电化学电池的外壳或封装，电化学电池的整体厚度可以减小。再者，对于固定总厚度的电池，电学能量密度可以进一步增加。但是厚度的减小可能还伴随着电化学电池的柔韧性的增加。
根据另一实施例，阳极集电器和阴极集电器借助于在阳极集电器和阴极集电器的外边缘之间延伸的密封相互粘合。典型地，密封在阳极集电器和阴极集电器之间夹置或挤压。典型地，阳极集电器和阴极集电器的外边缘关于彼此齐平且还可以相对于布置在其间的密封齐平。
密封包含用于电学分离阴极集电器和阳极集电器的基本上电学绝缘的材料。典型地，密封包含粘合剂，例如热熔胶，比如聚醋酸乙烯酯（PVA）或类似粘合剂。密封以及集电器及其相互互连是气体和液体密闭的，以防止布置在电化学电池中的电解质材料的蒸发或泄漏，且防止空气进入电池的渗透。
为了提供密封封装外壳，阳极集电器和阴极集电器借助于沿着其整个外部周界的密封相互粘合。
根据另一实施例，阳极集电器和阴极集电器中的至少一个包含非晶金属材料。优选地，阳极集电器和阴极集电器二者均包含非晶材料。
再者且根据另一优选实施例，阳极集电器和阴极集电器中的至少一个至少部分地由非晶金属材料组成。优选地，阳极集电器和阴极集电器二者均至少部分地或基本上完全由非晶金属材料、优选地由非晶金属合金组成。
因此，阳极集电器和/或阴极集电器可以包含大块非晶金属材料。优选地，这种非晶金属材料包含10-5欧姆*米的最大电阻率。此外，最大电阻率甚至可以处于10-6欧姆*米的范围内。因此，非晶金属材料可以提供良好或甚至极好的电学传导性。另外，与晶体金属材料相比，非晶金属材料具有较大程度的柔韧性特征。尤其是，与晶体金属材料的弹性限制相比，非晶金属材料的弹性限制一般远远更大。典型地，非晶金属材料的弹性限制比晶体金属材料的弹性限制大2至4倍。
包含或甚至由非晶金属材料组成的集电器的使用因此为阳极集电器和阴极集电器提供极好的弹性属性。
根据另一优选实施例，阳极集电器和阴极集电器中的至少一个包含小于25μm、小于15μm或甚至小于10μm的厚度。即使集电器可能相当薄，它们仍提供足够的机械稳定性以形成用于电化学电池的相当鲁棒的封装外壳。此外，集电器的厚度典型地影响集电器和电化学电池的柔韧性。另外，集电器的有限厚度允许电化学电池的更紧凑和节省空间的设计。
根据另一实施例，非晶金属材料包含Ni、Cr、Fe、Si、C、B的合金。另外或备选地，非晶金属合金可以包含以下材料中的至少一种或若干种：Ti、Zr、Cu、Mn、V、W、Al。
在优选实施例中，合金包含7-19重量%之间的Cr、4-5重量%之间的Fe、4.5-7.5重量%之间的Si、小于0.1重量%的C、1.4-4.0重量%之间的B以及71重量%和92重量%之间的Ni。非晶金属合金的典型实施例包含80.74重量%的Ni、7.0重量%的Cr、4.5重量%的Fe、4.5重量%的Si、0.06重量%的C以及3.2重量%的B。
在另一方面中且根据另一实施例，阳极集电器和阴极集电器中的至少一个包含纤维加固塑料材料。优选地，阳极集电器和阴极集电器均包含纤维加固塑料材料。典型地，阳极集电器和阴极集电器包含一种类型的碳纤维加固聚合箔。尤其是，纤维加固塑料材料可以包含由渗透有热塑性环氧树脂体系的碳纤维制成的单向带。纤维例如是Toray T800H，但是可以使用任意比照类型纤维。这种纤维加固塑料材料的纤维面积重量可以在25至300g/m2的范围内。此外，标准纤维含量可以在60-65重量%的范围内。纤维加固塑料材料的挠曲模量的平均值可以在2000Mpa和5000MPa之间的范围内，优选大约3500MPa。挠曲强度的平均值可以在80Mpa和180MPa之间的范围内，优选大约130MPa。此外，最大负载处的张力的平均值可以约为5%至10%，优选约7%。
优选地，使用这种单向带的3层叠层，诸如单相叠层相互交叉取向，对应于[0°/90°/0°]叠层。这种3层叠层的面积密度将因此在75至900g/m2的范围内，但是优选地低于150g/m2。这种3层叠层在最大负载处具有约2.5%的张力。
根据另一优选实施例，纤维加固塑料材料的至少一个集电器包含小于100μm、小于50μm、优选地小于45μm的厚度。这样，纤维加固塑料材料提供为相当薄的箔，该箔提供大程度的匹配机械强度的柔韧性。
另外且根据另一实施例，纤维加固塑料材料至少部分地涂覆有金属层。金属层可以包含晶体金属或非晶金属结构。当使用Ni作为用于金属层的材料时，金属层的厚度典型地小于1μm，优选在200nm和400nm之间的范围中。
借助于金属层或涂层，借助于纤维强化塑料材料的至少部分涂层，可以增强集电器的电学传导性。此外，借助于金属层，可基本上减少相应集电器的渗透性，以防止电解质的泄漏或蒸发以及空气向电池的扩散。
根据另一方面且与阳极或阴极集电器的材料选择无关，阳极集电器和阴极集电器中的至少一个是弹性可变形的。在本上下文中，弹性变形意味着相应集电器相对于恢复力作用的临时变形。只要在相应集电器上不再存在外力影响，制备相应集电器的材料的弹性属性提供恢复力的重置，借助于此，可以获得相应集电器的初始形状和结构。
尤其有益的是，集电器或整个电化学电池的任意可想象的变形或弯曲不超出制备集电器的材料的弹性限制。由于集电器的弹性属性，集电器以及整个电化学电池可以变得承受重复的弯曲和折曲过程，而不劣化相应集电器的表面或结构，并且因此保持电池的功能。可以制备阳极集电器和/或阴极集电器的纤维加固塑料材料以及非晶金属材料均可以在500次或甚至更多的弯曲或折曲操作之后提供基本无劣化的结构或表面。
根据另一优选实施例，阳极集电器和阴极集电器中的至少一个基本无扭结可弯曲高达小于或等于20mm、15mm或甚至小于或等于10mm的弯曲半径。这种相当小的弯曲半径尤其借助于非晶金属材料或借助于如上所述的纤维加固塑料材料可获得，且用作阳极集电器和/或阴极集电器的材料。
因为这些特定材料大多是无扭结可弯曲的，因此可以执行重复和多次弯曲和折曲操作，而没有集电器的弹性或电学属性的任意损耗或可测量的劣化。缺少扭结的高度正面结果是电化学电池的内部层保持完整。扭结可以被认为是在局部上远远更小的弯曲半径，这将劣化阴极层和阳极层。
根据另一实施例，电化学电池还包含阳极连接器接头和阴极连接器接头。此处，阳极连接器接头和阴极连接器接头中的至少一个分别与阳极集电器或阴极集电器整体形成。因为集电器形成电化学电池心的封装外壳，因此不再需要电化学电池的外壳内的连接器接头和集电器的分离互连。此外，通过将连接器接头集成到相应的电流连接器，可以提供相当节省空间的布置以及电化学电池的直观简单的组装。
在另一实施例中，布置在阳极和阴极之间的隔板包含延伸出阳极和/或阴极的外边缘的外边缘。借助于其外边缘，隔板可以啮合或可以与密封和/或与至少一个阳极集电器或阴极集电器互连。优选地，隔板被挤压或压紧在密封以及阳极集电器或阴极集电器中的一个之间。这样，可以在一个步骤中与借助于密封的阳极集电器和阴极集电器的相互组装和互连一同获得隔板的组装和固定。
在另一实施例中，电化学电池被设计为主和从电池。电化学电池可以特别针对各种应用目的设计。尤其是，电化学电池可以在时钟或手表中、在智能卡或蜂窝电话中应用。
附图说明
在下文中，将参考附图描述本发明的实施例，在附图中：
图1示出电化学电池的示意性侧视图，
图2示出通过根据图1的电化学电池的纵向剖面，
图3示出沿着根据图1的B-B线的平面剖面，以及
图4示出沿着根据图1的C-C线的平面剖面。
具体实施方式
如图1-4说明的电化学电池10包含与阴极22接触的基本上平面形状的阴极集电器18。与阴极集电器18相反，阴极22与隔板24相连，以从阳极20分离阴极22。因此，阴极22和阳极20在其间夹置隔板24。如图2所示，阳极20还与阳极集电器16接触。电化学电池还包含填充阳极20、阴极22和隔板24的孔的电解质。电解质例如可以通过碳酸亚乙酯和六氟化锂的混合物形成。典型地，隔板24可以由多孔聚丙烯制成。
从图1和2变得进一步明显的是，阳极集电器16和阴极集电器18直接形成电化学电池10的封装外壳28。这样，不再需要用于接收阳极集电器16或阴极集电器18的分离的封装或外壳。此外，阳极集电器16可以与连接器接头12整体地形成。相应地从图2的剖面可以显见，阴极集电器18也可以与相应的阴极连接器接头14整体地形成。
阴极集电器18、阴极22、隔板24、阳极20和阳极集电器16的夹置结构和组件借助于完全在阳极集电器16和阴极集电器18的外边缘28、30附近延伸的密封26保持在一起。在根据图3的剖面说明中，仅指示阳极集电器16的下边缘28。
在图4中，阴极集电器18的相应下边缘30完全覆盖有密封26或密封材料。从根据图4的剖面还可以看出，阴极22被隔板24在圆周上封装，该隔板24在阳极20和阴极22之间延伸。此外，如图2所示，隔板24延伸超出阴极22的侧边缘且与支撑阴极22的阴极集电器18直接互连。如图2所示，隔板24的外边缘32在密封26和阴极集电器18之间被挤压或压紧。
密封26典型地包含比如PVA的热熔胶且提供阳极集电器16和阴极集电器18之间的密封。此外，阳极集电器16和阴极集电器18也是液体和气体密闭的，因此基本上是不可穿透的，以防止布置在集电器16、18之间的电解质的蒸发或泄漏。
因为连接器接头12、14整体地形成且集成到封装外壳28中，因此无需引导连接器接头通过电化学电池的封装。此外，由阳极集电器16、阴极集电器18、隔板24和密封26的封装形成的几乎整个内部空间可以基本上填充形成阳极20和阴极22的电化学活性材料。这样，可以增强整个电化学电池10的能量密度和功率密度。
阳极集电器16和阴极集电器18由柔性可变形材料、优选地非晶金属合金制成。备选地，阳极集电器16和阴极集电器18可以包含或可以由纤维加固塑料材料组成，其可以最终涂覆以例如Ni的金属层或比如石墨烯的其他导电材料、或一些氧化物（例如IZO）、或一些导电聚合物（比如PEDOT）以增强其电学传导性。
使用用于制造阳极集电器16和/或阴极集电器18的材料的所述选择，集电器和/或整个电化学电池的整体柔韧性可以允许以无扭结方式高达小于或等于20mm、15mm或甚至小于或等于10mm的弯曲半径的弯曲和折曲操作。甚至使用这种小弯曲半径，可以执行至少500或更多次大量弯曲或折曲操作，而不明显劣化集电器16、18的电学或机械属性。
参考数字列表
10 电化学电池
12 连接器接头
14 连接器接头
16 集电器
18 集电器
20 阳极
22 阴极
24 隔板
26 密封
28 边缘
30 边缘
32 边缘

Claims (18)

1.一种电化学电池，该电化学电池包含：
-与阳极集电器（16）接触的阳极（20），
-与阴极集电器（18）接触的阴极（22），
-隔板（24），布置在所述阳极（20）和所述阴极（22）之间，其中所述阳极（20）布置在所述隔板（24）和所述阳极集电器（16）之间并且其中所述阴极（22）布置在所述隔板（24）和所述阴极集电器（18）之间，
-其中所述阳极集电器（16）和所述阴极集电器（18）形成用于阳极（20）、阴极（22）和隔板（24）的组装的封装外壳（28）。
2.根据权利要求1所述的电化学电池，还包含填充所述阳极（20）、所述阴极（22）和所述隔板（24）的孔的电解质。
3.根据权利要求1所述的电化学电池，其中所述阳极集电器（16）和所述阴极集电器（18）借助于在所述阳极集电器（16）和所述阴极集电器（18）的外边缘（28，30）之间延伸的密封（26）相互粘合。
4.根据权利要求1所述的电化学电池，其中阳极集电器（16）和阴极集电器（18）中的至少一个包含非晶金属材料。
5.根据权利要求4所述的电化学电池，其中阳极集电器（16）和阴极集电器（18）中的至少一个至少部分由非晶金属材料制成。
6.根据权利要求4所述的电化学电池，其中阳极集电器（16）和阴极集电器（18）中的至少一个包含小于25μm、小于15μm或小于10μm的厚度。
7.根据权利要求4所述的电化学电池，其中所述非晶金属材料包含Ni、Cr、Fe、Si、C、B的合金。
8.根据权利要求1所述的电化学电池，其中阳极集电器（16）和阴极集电器（18）中的至少一个包含纤维加固塑料材料。
9.根据权利要求8所述的电化学电池，其中纤维加固塑料材料的纤维是碳纤维。
10.根据权利要求8或9所述的电化学电池，其中阳极集电器（16）和阴极集电器（18）中的至少一个包含小于100μm的厚度。
11.根据权利要求8所述的电化学电池，其中所述纤维加固塑料材料至少部分地涂覆有金属层或其他电学传导涂层材料。
12.根据权利要求11所述的电化学电池，其中电学传导涂层材料是导电氧化物或导电聚合物。
13.根据权利要求12所述的电化学电池，其中导电氧化物是氧化铟锌或导电聚合物是PEDOT。
14.根据权利要求1所述的电化学电池，其中阳极集电器（16）和阴极集电器（18）中的至少一个可弹性变形高达等于10mm的曲率半径。
15.根据权利要求14所述的电化学电池，其中阳极集电器（16）和阴极集电器（18）中的至少一个基本上无扭结地可弯曲高达小于或等于20mm、15mm或10mm的弯曲半径。
16.根据权利要求1所述的电化学电池，还包含阳极连接器接头（12）和阴极连接器接头（14），其中阳极连接器接头（12）和阴极连接器接头（14）中的至少一个分别与所述阳极集电器（16）或与所述阴极集电器（19）整体形成。
17.根据权利要求1所述的电化学电池，其中所述隔板（24）包含延伸超出所述阳极（20）和/或阴极（22）的外边缘的外边缘（32），以与所述密封（26）和/或阳极集电器（16）和阴极集电器（18）中的至少一个啮合。
18.根据权利要求1所述且被设计为主或从电池的电化学电池。
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