CN103875103A - 便携式电子设备的电池中的石墨烯集电器 - Google Patents

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Abstract

所公开的实施例提供了电池单元。所述电池单元包括含有石墨烯的阴极集电器、阴极活性材料、电解质、阳极活性材料和阳极集电器。所述石墨烯可以降低制造成本和/或增加所述电池单元的能量密度。

Description

便携式电子设备的电池中的石墨烯集电器
技术领域
本发明实施例涉及便携式电子设备的电池。更具体地讲，本发明实施例涉及便携式电子设备的电池的阳极集电器和/或阴极集电器中的石墨烯的使用。
背景技术
可再充电电池目前用于为多种便携式电子设备提供电力，所述便携式电子设备包括膝上型计算机、平板型计算机、移动电话、个人数字助理（PDA）、数字音乐播放器和无线电动工具。最常用类型的可再充电电池为锂电池，其可包括锂离子电池或锂聚合物电池。
锂聚合物电池通常包括被封装在柔性袋中的单元。此类袋通常重量轻且制造成本廉价。此外，这些袋可以根据各种单元尺寸进行定制，从而允许锂聚合物电池用于空间有限的便携式电子设备（诸如移动电话、膝上型计算机和/或数字相机）中。例如，通过将轧制电极和电解质封装在铝层合袋中，锂聚合物电池单元可以实现90%-95%的封装效率。然后，可以将多个袋并排放置在便携式电子设备内，并且串联地和/或并联地电耦合，以形成用于便携式电子设备的电池。
电池技术的最新进展还使得固态电池得以发展，其中电极和薄固体电解质层叠在非导电衬底的顶部上。因为固体电解质占据比能与之相比的锂离子电池和/或锂聚合物电池的液体电解质更少的空间和/或重量，所以固态电池可以具有比锂离子电池和/或锂聚合物电池更高的能量密度。此外，固态电池可能比常规的锂离子电池和/或锂聚合物电池更安全和/或更可靠。例如，在固态电池中使用不易燃的固体电解质可以允许固态电池避开液体电解质的危险，例如溢出、沸腾、放气和/或着火。
然而，与其他类型的电池相比，固态电池通常与较高的制造成本相关联。例如，固态电池的阴极集电器可能由昂贵金属（诸如金或铂）制成。此外，固态电池的层可能使用复杂的和/或昂贵的技术（例如真空沉积）形成。因此，对于固态电池的消费者应用来说，用于固态电池的制造技术可能成本过高。
发明内容
本发明所公开的实施例提供了电池单元。电池单元包括由石墨烯构成的阴极集电器、阴极活性材料、电解质、阳极活性材料和阳极集电器。石墨烯可以降低制造成本和/或增加电池单元的能量密度。
在一些实施例中，阳极集电器也由石墨烯构成。
在一些实施例中，阴极集电器设置在非导电衬底上。例如，阴极集电器可以沉积到非导电衬底上以形成固态电池单元。固态电池单元的电解质还可以为固体电解质。例如，固体电解质可以包括锂磷氮氧化物（LiPON）。此外，固态电池单元的阴极活性材料可以包括锂化合物，并且固态电池单元的阳极活性材料可以包括锂金属。
在一些实施例中，阴极集电器还包含聚酰胺层。聚酰胺层的厚度可以为约2微米，并且石墨烯的厚度可以为约1微米。
在一些实施例中，石墨烯沉积在聚酰胺层的一侧或两侧上。
在一些实施例中，阴极活性材料包括锂化合物，并且阳极活性材料包括石墨。例如，锂化合物和石墨可用于锂离子电池和/或锂聚合物电池单元的阴极和阳极活性材料中。
附图说明
图1示出了根据本发明所公开的实施例的电池单元的剖面图。
图2示出了根据本发明所公开的实施例的电池单元的俯视图。
图3示出了用于根据本发明所公开的实施例的电池单元的一组层。
图4示出了用于根据本发明所公开的实施例的电池单元的一组层。
图5示出了根据本发明所公开的实施例的便携式电子设备。
在附图中，相似的附图标号是指相同的附图元件。
具体实施方式
呈现以下说明，以使得本领域的任何技术人员能够实现和使用所述实施例，并且在特定应用及其要求的上下文中提供以下说明。对于本领域的技术人员而言，本发明所公开的实施例的各种修改形式将是显而易见的，并且在不脱离本公开的精神和范围的情况下，本文定义的一般原理可以应用于其他实施例和应用。因此，本发明并不限于所示出的实施例，而是要符合与本文所公开的原理和特征一致的最宽范围。
在该具体实施方式中描述的数据结构和代码通常储存在计算机可读存储介质上，该计算机可读存储介质可以是能够存储由计算机系统使用的代码和/或数据的任何设备或介质。计算机可读存储介质包括但不限于：易失性存储器、非易失性存储器、磁存储设备和光学存储设备（例如，磁盘驱动器、磁带、CD（光盘）、DVD（数字多功能光盘或数字视频光盘））、或者现在已知或今后开发的能够存储代码和/或数据的其他介质。
在具体实施方式部分中描述的方法和工艺可实施为能够存储在如上所述的计算机可读存储介质中的代码和/或数据。当计算机系统读取和执行储存在计算机可读存储介质上的代码和/或数据时，计算机系统执行实施为数据结构和代码并存储在计算机可读存储介质中的方法和工艺。
此外，本文所述的方法和工艺可以包括在硬件模块或装置中。这些模块或装置可以包括但不限于：专用集成电路（ASIC）芯片、现场可编程门阵列（FPGA）、在特定时间执行特定软件模块或一段代码的专用或共享处理器、和/或现在已知的或今后开发的其他可编程逻辑器件。当硬件模块或装置被激活时，它们执行其中所包括的方法和工艺。
本发明所公开的实施例涉及电池单元。所述电池单元可以包含阴极集电器、阴极活性材料、电解质、阳极活性材料和阳极集电器。为了增加能量密度和/或降低电池的制造成本，阴极集电器和/或阳极集电器可以由石墨烯构成。例如，单层石墨烯可以代替更昂贵的和/或更厚的材料（例如金、铂、铝和/或铜）而用作电池单元中的集电器。此外，石墨烯可以代替多种电池（包括固态电池、锂离子电池和/或锂聚合物电池）中的阴极集电器和/或阳极集电器。
图1示出了根据本发明所公开的实施例的电池单元100的剖面图。如图1所示，电池单元100包括衬底102、阴极集电器104、阴极活性材料106、电解质108、阳极活性材料110和阳极集电器112。
更具体地讲，图1示出了固态电池单元100的剖面图。电池单元100的组件可以通过沉积多层不同的材料到衬底102上和/或彼此沉积来形成。例如，衬底102可以对应于非导电衬底，例如云母、聚酰胺和/或聚醚醚酮（PEEK）。真空沉积技术可用于将阴极集电器104作为铂层和/或金层沉积到衬底102上，并且将阳极集电器112作为铜层沉积到衬底102上。然后，可以使用溅射技术以将对应于阴极活性材料106的锂化合物沉积到阴极集电器104上，连同将对应于固体电解质108的锂磷氮氧化物（LiPON）薄膜沉积在阴极集电器104、阴极活性材料106、衬底102和/或阳极集电器112之上。然后，可以通过加热将锂层蒸发到LiPON上以形成阳极活性材料110。最后，电池单元100可以密封在诸如聚合物框架和/或柔性袋的保护性封装114中。
本领域的技术人员将会知道，上文所描述的材料和/或技术可以使制备电池单元100比其他类型的电池（例如锂离子电池和/或锂聚合物电池）显著更昂贵。例如，与锂离子电池和/或锂聚合物电池中的铝阴极集电器相比，电池单元100中金和/或铂阴极集电器104可以与更高的材料成本相关联。相似地，用于形成电池单元100的真空沉积和/或溅射技术可以比用于制造锂离子电池和/或锂聚合物电池的堆叠、轧制和/或密封技术更复杂和/或更昂贵。因此，对于在诸如膝上型计算机、移动电话、平板型计算机、便携式媒体播放器和/或数字相机的便携式电子设备中使用电池单元100来说，电池单元100的制造成本可能过高。
在一个或多个实施例中，通过用石墨烯代替阴极集电器104和/或阳极集电器112中使用的金属来降低电池单元100的制造成本。更具体地讲，具有高电导率和/或拉伸强度的石墨烯单层可以作为阴极集电器104和/或阳极集电器112沉积在衬底102上，代替诸如铂、金和/或铜之类的金属。例如，石墨烯单层可以在铜箔和/或镍箔上形成，并通过使箔溶解在溶液中并将溶液喷射在衬底102上而转移到衬底102上。石墨烯单层可以在溶液蒸发之后保持在衬底102上。在石墨烯单层沉积到衬底102上之后，电池单元100的剩余部分可以通过将阴极活性材料106、电解质108、阳极活性材料110和/或封装114设置在衬底102和/或石墨烯单层之上而形成。
石墨烯还可用于其他类型的电池（例如锂离子电池和/或锂聚合物电池）的阴极集电器和/或阳极集电器中。如下文所述，石墨烯可以通过减少阴极集电器和/或阳极集电器的厚度来增加电池的能量密度。
图2示出了根据本发明所公开的实施例的电池单元200的俯视图。电池单元200可以对应于用于为便携式电子设备供电的锂聚合物电池。电池单元200包含凝胶卷（jelly roll）202，凝胶卷202含有卷绕在一起的多个层，所述多个层包括具有活性涂层的阴极、分隔体和具有活性涂层的阳极。更具体地讲，凝胶卷202可以包括被一条分隔体材料带（如，导电聚合物电解质）分隔开的一条阴极材料带（如，涂布有锂化合物的铝箔）和一条阳极材料带（如，涂布有碳的铜箔）。如下面结合图3-4所述，石墨烯可用于代替阴极和/或阳极中的金属以增加电池单元200的能量密度。然后，阴极、阳极和分隔体层可以卷绕在芯轴上以形成螺旋形卷绕结构。凝胶卷在本领域中是已知的并且将不再进一步描述。
在组装电池单元200的过程中，凝胶卷202被包封在柔性袋中，所述柔性袋是通过沿着折叠线212折叠柔性片材而形成的。例如，柔性片材可以由具有聚合物膜（例如聚丙烯和/或聚乙烯）的铝构成。在折叠柔性片材之后，例如可以通过沿着侧面密封部210和沿着平台密封部208施加热来密封柔性片材。
凝胶卷202还包括耦合到阴极和阳极的一组导电引片206。导电引片206可以延伸穿过袋中的密封部（例如，使用密封带204形成的密封部）以向电池单元200提供端子。然后，导电引片206可用于电耦合电池单元200与一个或多个其他的电池单元，以形成电池组。例如，电池组可以通过以串联、并联或串并联配置来耦合电池单元而形成。
图3示出了用于根据本发明所公开的实施例的电池单元的一组层。电池单元可以对应于用于为诸如移动电话、膝上型计算机、平板型计算机、便携式媒体播放器和/或数字相机的便携式电子设备供电的锂离子电池和/或锂聚合物电池。可以卷绕层以形成用于电池单元的凝胶卷，例如图2的凝胶卷202。作为另外一种选择，层可用于形成其他类型的电池单元结构，例如双单元结构。
层可以包括阴极集电器302、阴极活性材料304、分隔体306、阳极活性材料308和阳极集电器310。如上所述，阴极集电器302可以为铝箔，阴极活性材料304可以为锂化合物（如，锂钴氧化物），阳极集电器310可以为铜箔，阳极活性材料308可以为碳（如，石墨），并且分隔体306可以包括聚丙烯和/或聚乙烯。
此外，电池单元的能量密度可以受到层的相对厚度影响。例如，电池单元的活性组分可以包括100微米厚的阴极活性材料304层和阳极活性材料308层。另一方面，非活性组分可以包括15微米厚的铝阴极集电器302、16-20微米厚的聚丙烯分隔体306，以及10微米厚的铜阳极集电器310。电池单元中非活性组分的存在可以降低电池单元的能量密度，同时非活性组分的厚度可以由与非活性组分相关联的制造工艺限定。
为了增加电池单元的能量密度，阴极集电器302和/或阳极集电器310可以由石墨烯代替金属箔而构成。更具体地讲，石墨烯的高的载流容量和拉伸强度可以提供厚度为1埃至几微米，而不是10-15微米的阴极集电器302和/或阳极集电器310的聚集电荷功能性。
例如，石墨烯单层可以直接地沉积在阴极活性材料304和/或阳极活性材料308上，以形成阴极集电器302和/或阳极集电器310。作为另外一种选择，阴极集电器302和/或阳极集电器310可以通过将石墨烯沉积到2微米厚的聚酰胺层的一侧上而形成。然后，聚酰胺层可以设置在阴极活性材料304（如，其中石墨烯面朝下）的上方，使得沉积的石墨烯接触阴极活性材料304。相似地，聚酰胺层可以允许沉积的石墨烯接触阳极活性材料308的方式设置在阳极活性材料308（如，其中石墨烯面朝上）的下方。如将在下文结合图4更详细的讨论，石墨烯还可以沉积在聚酰胺层的两侧上以形成用于电池单元的双面集电器。
图4示出了用于根据本发明所公开的实施例的电池单元的一组层。与图3的电池单元一样，层可用于锂离子电池和/或锂聚合物电池单元中。此外，层可以堆叠和/或卷绕以形成凝胶卷、双单元和/或其他电池单元结构。
具体地讲，图4的电池单元包括两个阴极活性材料402-404层、两个分隔体406-408层、以及两个阳极活性材料410-412层。阴极活性材料402-404可以包含锂化合物，分隔体406-408可以包含聚丙烯和/或聚乙烯，并且阳极活性材料410-412可以包含碳。分隔体406-408层可以由单片分隔体材料通过以下方式形成：将片材放置在两个阳极活性材料410-412层的下面，在阳极活性材料410的顶部之上折叠片材，并将两个阴极活性材料402-404层放置在折叠部分之上。
此外，两个集电器分别夹在阴极活性材料402-404层与阳极活性材料410-412层之间。如图4所示，每个集电器均包括两侧均被石墨烯418-424覆盖的聚酰胺414-416层。石墨烯418-424层可以另外在聚酰胺414-416层的末端处连接在一起以代替两个不同的集电器而形成连续集电器。例如，阴极集电器可以包括聚酰胺414和石墨烯418-420层，而阳极集电器可以包括聚酰胺416和石墨烯422-424层。石墨烯418-420层可以连接至聚酰胺416的右侧，从而允许阴极集电器将电流引导至两个阴极活性材料402-404层，并引导来自两个阴极活性材料402-404层的电流。相似地，石墨烯422-424层可以连接至聚酰胺416的右侧，从而允许阳极集电器将电流引导至两个阳极活性材料410-412层，并引导来自两个阳极活性材料410-412层的电流。
阴极集电器和阳极集电器的组合可以允许集电器占据电池单元内类似的金属集电器的厚度的一部分。因此，集电器的减缩厚度可以增加电池单元的能量密度并有利于便携式电子设备与电池单元一起使用。例如，总共1微米的石墨烯418-424可以沉积到2微米厚的聚酰胺414-416层上以形成3微米厚的用于电池单元的阴极集电器和/或阳极集电器。相比之下，制备的铝阴极集电器的最小厚度可以为15微米，并且制备的铜阳极集电器的最小厚度可以为10微米。
上述可再充电电池单元通常可用于任何类型的电子设备。例如，图5示出了便携式电子设备500，其包括处理器502、存储器504和显示器508，它们均由电池506供电。便携式电子设备500可以对应于膝上型计算机、移动电话、PDA、平板型计算机、便携式媒体播放器、数字相机和/或其他类型的电池供电的电子设备。电池506可以对应于包括一个或多个电池单元的电池组。每个电池单元均可以包括阴极集电器、阴极活性材料、电解质、阳极活性材料和阳极集电器。阴极集电器和/或阳极集电器可以包含石墨烯。此外，石墨烯可以沉积在非导电衬底上和/或聚酰胺层的一侧或两侧上。
上述各种实施例的描述仅是出于示例和说明的目的而呈现。它们并非意图进行穷举或将本发明限制于所公开的形式。因此，多个修改和变型形式对于本领域中的实际工作技术人员来说将是显而易见的。另外，上述公开并非意图限制本发明。

Claims (20)

1.一种电池单元，包括：
包含石墨烯的阴极集电器；
阴极活性材料；
电解质；
阳极活性材料；以及
阳极集电器。
2.根据权利要求1所述的电池单元，其中，所述阳极集电器包含石墨烯。
3.根据权利要求1所述的电池单元，其中，所述阴极集电器设置在非导电衬底上。
4.根据权利要求3所述的电池单元，其中，所述电解质是固体电解质。
5.根据权利要求4所述的电池单元，其中，所述固体电解质包括锂磷氮氧化物（LiPON）。
6.根据权利要求3所述的电池单元，
其中，所述阴极活性材料包括锂化合物，并且
其中，所述阳极活性材料包括锂金属。
7.根据权利要求1所述的电池单元，其中，所述阴极集电器还包括聚酰胺层。
8.根据权利要求7所述的电池单元，
其中，所述聚酰胺层为约2微米厚，并且
其中，所述石墨烯为约1微米厚。
9.根据权利要求7所述的电池单元，其中，所述石墨烯沉积在所述聚酰胺层的一侧或两侧上。
10.根据权利要求7所述的电池单元，
其中，所述阴极活性材料包括锂化合物，并且
其中，所述阳极活性材料包括石墨。
11.一种便携式电子设备，包括：
一组由电池组供电的组件；以及
所述电池组，包括：
电池单元，包括：
包含石墨烯的阴极集电器；
阴极活性材料；
电解质；
阳极活性材料；以及
阳极集电器。
12.根据权利要求11所述的便携式电子设备，其中，所述阳极集电器包含石墨烯。
13.根据权利要求11所述的便携式电子设备，其中，所述阴极集电器设置在非导电衬底上。
14.根据权利要求13所述的便携式电子设备，其中，所述电解质为固体电解质。
15.根据权利要求14所述的便携式电子设备，其中，所述固体电解质包括锂磷氮氧化物（LiPON）。
16.根据权利要求13所述的便携式电子设备，
其中，所述阴极活性材料包括锂化合物，并且
其中，所述阳极活性材料包括锂金属。
17.根据权利要求11所述的便携式电子设备，其中，所述阴极集电器还包括聚酰胺层。
18.根据权利要求17所述的便携式电子设备，
其中，所述聚酰胺层为约2微米厚，并且
其中，所述石墨烯为约1微米厚。
19.根据权利要求17所述的便携式电子设备，其中，所述石墨烯沉积在所述聚酰胺层的一侧或两侧上。
20.根据权利要求17所述的便携式电子设备，
其中，所述阴极活性材料包括锂化合物，并且
其中，所述阳极活性材料包括石墨。
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