CN104054212B - 能够无线充电的线缆型二次电池 - Google Patents
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Abstract
本发明提供能够无线充电的线缆型二次电池。根据本发明的线缆型二次电池可以应用在无线充电方法中，由此与用电线充电的常规电池相比，可方便地充电；并且所述线缆型二次电池具有以卷绕形式构造的充电线圈，这可以克服由常规线缆型电池的形状造成的局部充电的问题。此外，所述充电线圈形成于包装中以充当增强材料，从而增强线缆型二次电池的机械性能。
Description
技术领域
本发明涉及可以自由改变形状的线缆型二次电池，更特别地涉及能够无线充电的线缆型二次电池。
本申请要求于2012年11月15日在韩国提交的韩国专利申请10-2012-0129656的优先权，通过参考将其公开内容并入本文中。
背景技术
二次电池为能够以化学形式储存能量并在需要时转化成电能的装置。也将二次电池称作可充电电池，因为其能够反复再充电。普通的二次电池包括铅蓄电池、NiCd电池、NiMH蓄电池、Li离子电池、Li离子聚合物电池等。当与一次性原电池相比时，二次电池不仅是更加经济有效的，而且是更加环境友好的。
目前将二次电池用于需要低电力的应用，例如用于使车辆启动的设备、移动装置、工具、不间断电源等。近来，随着无线通信技术的发展导致移动装置的普及，并甚至导致多种常规装置的移动化，对二次电池的需求急剧增加。还将二次电池用于环境友好的下一代车辆如混合动力车辆和电动车辆中以降低成本和重量并增加车辆的使用寿命。
通常，二次电池具有圆柱形、棱柱形或袋形。这与二次电池的制造方法相关，在所述方法中将由负极、正极和隔膜构成的电极组件安装在圆柱形或棱柱形金属壳或者铝层压片的袋形壳中，且利用电解质填充所述壳。因为在该方法中用于电极组件的预定安装空间是必要的，所以二次电池的圆柱形、棱柱形或袋形在开发各种形状的移动装置时是一种限制。因此，需要具有形状易于适应的新结构的二次电池。为了满足该需要，已经提出了开发长度对横截面直径之比非常大的线性电池。
线性电池由相对于电池的体积具有相对非常大的表面积的电极和集电器组成，由此与通常使用的其他种类的电池相比，引起电子流动的困难。
由于这个原因，当通过常规充电方法使用电线对线性电池进行充电时，充电可能仅在外部电线和集电器之间的接触部位进行，而不是在电池内的整个电极中进行。此外，在以高电流密度高速充电的情况下，电阻的影响可能相对增加，从而降低充电效果。
发明内容
技术问题
设计了本发明以解决上述问题，因此，本发明涉及提供一种线缆型二次电池，代替使用电线的常规充电方法，其可以通过在没有电线的情况下感应电池内的电流而无线充电。
技术方案
根据本发明的一个方面，提供一种能够无线充电的线缆型二次电池，其被构造成具有预定形状的水平横截面且纵向延伸并且包含：用于供给锂离子的芯，其包含电解质；内电极，其包含围绕所述用于供给锂离子的芯的外表面的开放结构的内集电器和围绕所述内集电器的表面的内电极活性材料层；隔离层，其围绕所述内电极的外表面以防止电极之间的短路；外电极，其围绕所述隔离层的外表面并包含外电极活性材料层和外集电器；以及包装，其围绕所述外电极的外表面并包含热收缩管层和以卷绕形式构造的充电线圈，所述充电线圈包含将所述内集电器与所述外集电器在其间电连接的二极管，并且所述充电线圈在其一端与所述外集电器电连接且在其另一端与所述内集电器电连接。
在本发明中，所述二极管可以从作为所述内集电器或所述外集电器的高电位集电器反向连接到作为所述外集电器或所述内集电器的低电位集电器。
当所述内电极为正极且所述外电极为负极时，所述二极管可以从所述内集电器反向连接到所述外集电器。或者，当所述外电极为正极且所述内电极为负极时，所述二极管可以从所述外集电器反向连接到所述内集电器。
在本发明中，在所述用于供给锂离子的芯中使用的电解质可以包括：使用碳酸亚乙酯(EC)、碳酸亚丙酯(PC)、碳酸亚丁酯(BC)、碳酸亚乙烯酯(VC)、碳酸二乙酯(DEC)、碳酸二甲酯(DMC)、碳酸甲乙酯(EMC)、甲酸甲酯(MF)、γ-丁内酯(γ-BL)、环丁砜、乙酸甲酯(MA)或丙酸甲酯(MP)的非水电解液；使用PEO、PVdF、PMMA、PAN或PVAc的凝胶聚合物电解质；和使用PEO、聚环氧丙烷(PPO)、聚乙撑亚胺(PEI)、聚环硫乙烷(polyethylene sulphide)(PES)或聚乙酸乙烯酯(PVAc)的固体电解质。
所述电解质还包含锂盐。
所述锂盐的实例包括LiCl、LiBr、LiI、LiClO4、LiBF4、LiB10Cl10、LiPF6、LiCF3SO3、LiCF3CO2、LiAsF6、LiSbF6、LiAlCl4、CH3SO3Li、CF3SO3Li、(CF3SO2)2NLi、氯硼烷锂、低级脂族碳酸锂、四苯基硼锂以及它们的混合物。
在本发明中，所述开放结构的内集电器可以为卷绕线、卷绕片或网眼的形式。
所述内集电器可由如下制成：不锈钢、铝、镍、钛、烧结碳或铜；在其表面上用碳、镍、钛或银处理过的不锈钢；铝-镉合金；在其表面上用导电材料处理过的不导电聚合物；或导电聚合物。
所述导电材料可选自聚乙炔、聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩、聚氮化硫、铟锡氧化物(ITO)、银、钯、镍以及它们的混合物。
所述导电聚合物可选自聚乙炔、聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩、聚氮化硫以及它们的混合物。
同时，所述隔离层可为电解质层或隔膜。
所述电解质层可包含选自如下的电解质：使用PEO、PVdF、PMMA、PAN或PVAc的凝胶聚合物电解质；和使用PEO、聚环氧丙烷(PPO)、聚乙撑亚胺(PEI)、聚环硫乙烷(PES)或聚乙酸乙烯酯(PVAc)的固体电解质。
所述电解质层可还包含锂盐。
所述锂盐可选自LiCl、LiBr、LiI、LiClO4、LiBF4、LiB10Cl10、LiPF6、LiCF3SO3、LiCF3CO2、LiAsF6、LiSbF6、LiAlCl4、CH3SO3Li、CF3SO3Li、(CF3SO2)2NLi、氯硼烷锂、低级脂族碳酸锂、四苯基硼锂以及它们的混合物。
所述隔膜可为由选自乙烯均聚物、丙烯均聚物、乙烯-丁烯共聚物、乙烯-己烯共聚物和乙烯-甲基丙烯酸酯共聚物的聚烯烃类聚合物制成的多孔基材；由选自聚酯、聚缩醛、聚酰胺、聚碳酸酯、聚酰亚胺、聚醚醚酮、聚醚砜、聚苯醚、聚苯硫醚和聚萘二甲酸乙二醇酯的聚合物制成的多孔基材；或由无机粒子与粘合剂聚合物的混合物制成的多孔基材。
在所述外电极中，所述外电极活性材料层可以形成为围绕所述隔离层的外表面，且所述外集电器可以形成为围绕所述外电极活性材料层的外表面；所述外集电器可以形成为围绕所述隔离层的外表面，且所述外电极活性材料层可以形成为围绕所述外集电器的外表面；所述外集电器可以形成为围绕所述隔离层的外表面，且所述外电极活性材料层可以形成为围绕所述外集电器的外表面且与所述隔离层接触；或所述外电极活性材料层可以形成为围绕所述隔离层的外表面，且所述外集电器可以形成为通过被覆盖在所述外电极活性材料层中而包含在所述外电极活性材料层内部并与所述隔离层间隔地围绕所述隔离层的外表面。
在本发明中，所述外集电器可为中空的，或者可以为线、卷绕线、卷绕片或网眼的形式。
所述外集电器可由如下制成：不锈钢、铝、镍、钛、烧结碳或铜；在其表面上用碳、镍、钛或银处理过的不锈钢；或铝-镉合金。
同时，所述包装可具有形成为围绕所述外电极的外表面的第一热收缩管层、通过卷绕形成为围绕所述第一热收缩管层的外表面的充电线圈、和形成为围绕所述充电线圈的外表面的第二热收缩管层；可具有形成为围绕所述外电极的外表面的第一热收缩管层、通过卷绕形成为围绕所述第一热收缩管层的外表面的充电线圈、和形成为围绕所述充电线圈的外表面并与所述第一热收缩管层接触的第二热收缩管层；或者可具有形成为围绕所述外电极的外表面的热收缩管层和通过卷绕形成为以与所述外电极间隔地围绕所述外电极的外表面的充电线圈。
在本发明中，所述热收缩管层可由选自聚烯烃树脂、聚酯树脂、含氟树脂及其混合物的任一种制成。
所述充电线圈可由如下制成：不锈钢、铝、镍、钛、烧结碳或铜；在其表面上用碳、镍、钛或银处理过的不锈钢；或铝-镉合金。
此外，所述充电线圈可具有10～500μm的厚度。
另外，所述充电线圈在所述线缆型二次电池中可以以1～100次/1mm单位长度的频率卷绕。
在本发明中，所述内电极可以为负极且所述外电极可以为正极，或者所述内电极可以为正极且所述外电极可以为负极。
当本发明的内电极为负极且外电极为正极时，所述内电极活性材料层可以包含选自如下的活性材料：天然石墨、人造石墨或碳质材料；锂-钛复合氧化物(LTO)，以及包括Si、Sn、Li、Zn、Mg、Cd、Ce、Ni和Fe的金属(Me)；所述金属的合金；所述金属的氧化物(MeOx)；所述金属和碳的复合物；以及它们的混合物，并且所述外电极活性材料层可以包含选自如下的活性材料：LiCoO2、LiNiO2、LiMn2O4、LiCoPO4、LiFePO4、LiNiMnCoO2、LiNi1-x-y-zCoxM1yM2zO2(其中M1和M2各自独立地选自：Al、Ni、Co、Fe、Mn、V、Cr、Ti、W、Ta、Mg和Mo，且x、y和z各自独立地为形成氧化物的元素的原子分数，其中0≤x<0.5，0≤y<0.5，0≤z<0.5，且x+y+z≤1)以及它们的混合物。
或者，当所述内电极为正极且所述外电极为负极时，所述内电极活性材料层可以包含选自如下的活性材料：LiCoO2、LiNiO2、LiMn2O4、LiCoPO4、LiFePO4、LiNiMnCoO2、LiNi1-x-y-zCoxM1yM2zO2(其中M1和M2各自独立地选自Al、Ni、Co、Fe、Mn、V、Cr、Ti、W、Ta、Mg和Mo，且x、y和z各自独立地为形成氧化物的元素的原子分数，其中0≤x<0.5、0≤y<0.5、0≤z<0.5且x+y+z≤1)以及它们的混合物，且所述外电极活性材料层可以包含选自如下的活性材料：天然石墨、人造石墨或碳质材料；锂-钛复合氧化物(LTO)，以及包括Si、Sn、Li、Zn、Mg、Cd、Ce、Ni和Fe的金属(Me)；所述金属的合金；所述金属的氧化物(MeOx)；所述金属和碳的复合物；以及它们的混合物。
另外，根据本发明的另一个方面，提供一种能够无线充电的线缆型二次电池，其被构造成具有预定形状的水平横截面且纵向延伸并且包含：两个以上的用于供给锂离子的芯，其包含电解质；两个以上的彼此平行排列的内电极，各内电极包含围绕各用于供给锂离子的芯的外表面的开放结构的内集电器和围绕所述内集电器的表面的内电极活性材料层；隔离层，其围绕所述内电极的外表面以防止电极之间的短路；外电极，其围绕所述隔离层的外表面并包含外电极活性材料层和外集电器；以及包装，其围绕所述外电极的外表面并包含热收缩管层和以卷绕形式构造的充电线圈，所述充电线圈包含将所述内集电器与所述外集电器在其间电连接的二极管，并且所述充电线圈在其一端与所述外集电器电连接且在其另一端与所述内集电器电连接。
此外，根据本发明的另一个方面，提供一种能够无线充电的线缆型二次电池，其被构造成具有预定形状的水平横截面且纵向延伸并且包含：两个以上的用于供给锂离子的芯，其包含电解质；两个以上的彼此平行排列的内电极，各内电极包含围绕各用于供给锂离子的芯的外表面的开放结构的内集电器、围绕所述内集电器的表面的内电极活性材料层和围绕所述内电极活性材料层的外表面以防止电极之间的短路的隔离层；外电极，其围绕所述内电极的外表面并包含外电极活性材料层和外集电器；以及包装，其围绕所述外电极的外表面并包含热收缩管层和以卷绕形式构造的充电线圈，所述充电线圈包含将所述内集电器与所述外集电器在其间电连接的二极管，并且所述充电线圈在其一端与所述外集电器电连接且在其另一端与所述内集电器电连接。
有利效果
根据本发明的线缆型二次电池可以应用在无线充电方法中，由此与用电线充电的常规电池相比，可方便地充电。
此外，根据本发明的线缆型二次电池具有以卷绕形式构造的充电线圈，这可以克服由常规线缆型电池的形状造成的局部充电的问题。
此外，充电线圈形成于包装中以充当增强材料，从而增强线缆型二次电池的机械性能。
附图说明
附图示出了本发明的优选实施方式，并与上述发明内容一起用于提供本发明的技术主旨的进一步理解。然而，不能将本发明解释为限于这些附图。
图1示出了根据本发明的一个实施方式的具有一个以网眼形式构造的内电极的线缆型二次电池。
图2示出了根据本发明的一个实施方式的具有一个以卷绕线形式构造的内电极的线缆型二次电池。
图3是根据本发明的一个实施方式的包含在包装中的二极管的示意图，其以符号显示。
图4是根据本发明的一个实施方式的包含在包装中的二极管的示意图，其以符号显示。
图5是示出根据本发明的一个实施方式的具有多个内电极的线缆型二次电池的横截面图。
图6是示出根据本发明的一个实施方式的具有多个内电极的线缆型二次电池的横截面图，所述内电极各自具有隔离层。
<附图标记>
100、200、300、400：线缆型二次电池
110、210、310、410：用于供给锂离子的芯
120、220、320、420：内集电器
130、230、330、430：内电极活性材料层
140、240、340、440：隔离层
150、250、350、450：外电极活性材料层
160、260、360、460：外集电器
170、270、370、470：热收缩管层
180、280、380、480：充电线圈
具体实施方式
下文中，将参考附图对本发明进行详细说明。在说明之前，应理解，不能将说明书和附属权利要求书中使用的术语解释为受限于普通的和词典的含义，而是应在使得本发明人可对术语进行适当定义以进行最好说明的原则的基础上，根据与本发明的技术方面相对应的含义和概念对所述术语进行解释。
在附图和实施方式中示出的构造只是仅用于说明性目的的优选实例，并不旨在限制本发明的范围，所以应理解，在不背离本发明的主旨和范围的情况下，可以对其完成其他等价物和修改。
图1显示根据本发明的一个实施方式的具有一个以网眼形式构造的内电极的线缆型二次电池，且图2显示根据本发明的一个实施方式的具有一个以卷绕线形式构造的内电极的线缆型二次电池。
此外，图3和图4各自为根据本发明的一个实施方式的包含在包装中的二极管的示意图，其以符号显示。
参考图1和图2，能够无线充电的线缆型二次电池100被构造具有预定形状的水平横截面且纵向延伸，其包含：用于供给锂离子的芯110，其包含电解质；内电极，其包含围绕用于供给锂离子的芯110的外表面的开放结构的内集电器120和围绕内集电器120的表面的内电极活性材料层130；隔离层140，其围绕内电极的外表面以防止电极之间的短路；外电极，其围绕隔离层140的外表面并包含外电极活性材料层150和外集电器160；以及包装，其围绕外电极的外表面并包含热收缩管层170和以卷绕形式构造的充电线圈180。充电线圈包含将内集电器与外集电器在其间电连接的二极管，并且充电线圈在其一端与外集电器电连接且在其另一端与内集电器电连接。
如本文中所用的，术语“水平横截面”可以指圆形或多边形。圆形形状包括具有完全对称的几何结构的圆形和具有不对称结构的椭圆形。多边形不限于任何特别形式，但其实例可以包括三角形、四边形、五边形和六边形。
本发明的线缆型二次电池具有水平横截面且具有在纵向上延伸的线性结构，因此具有柔性，因此其可自由改变形状。
常规线缆型二次电池具有插在内电极和外电极之间的电解质层。为了使电解质层将内电极与外电极隔开且防止短路，电解质层需要由具有一定程度的机械性能的凝胶型聚合物电解质或固体聚合物电解质制成。然而，这种凝胶型聚合物电解质或固体聚合物电解质不能提供作为锂离子来源的优异性能，因此由其制成的电解质层应具有增加的厚度以便充分地提供锂离子。电解质层中的这种厚度增加加宽了电极之间的间隔，使得电阻增加，从而劣化电池性能。
相比之下，本发明的线缆型二次电池100具有包含电解质的用于供给锂离子的芯110，且本发明的内电极120具有开放结构的内集电器，其使得用于供给锂离子的芯110的电解质可通过内集电器120到达内电极活性材料层130和外电极活性材料层150。因此，不必过度地增加电解质层的厚度。此外，可以不采用电解质层作为必要部件，且因此，可以任选地仅使用隔膜。因此，本发明的线缆型二次电池具有包含电解质的用于供给锂离子的芯110，从而有助于电解质渗入电极活性材料中并最终有助于锂离子在电极中的供给和交换，由此显示优异的容量和循环特性。
此外，本发明的线缆型二次电池可以应用在通过使用外部磁场产生电流的无线充电方法中，由此与用电线充电的常规电池相比，可方便地充电。
所述无线充电方法可以通过使用微波或通过应用电磁感应来进行。
在本发明中，优选的是，应用电磁感应以通过在外部装置中流动的电流形成磁场。由此形成的磁场在线缆型二次电池的外集电器中产生感应电流，且随后该感应电流可以对线缆型二次电池充电。
另外，在本发明中，充电线圈形成于围绕电池以进行电池保护的包装中并充当增强材料，从而增强线缆型二次电池的机械性能。此外，充电线圈整体以卷绕形式包含在电池中，这可以克服由常规线缆型电池的形状造成的局部充电的问题。
参考图3和图4，为了实现良好的无线充电和放电，本发明的充电线圈包含将内集电器与外集电器在其间电连接的二极管，并且所述充电线圈在其一端与外集电器电连接且在其另一端与内集电器电连接。二极管从作为内集电器或外集电器的高电位集电器(正极集电器)反向连接到作为外集电器或内集电器的低电位集电器(负极集电器)。
也就是说，当内电极为正极且外电极为负极时，二极管从内集电器反向连接到外集电器。或者，当外电极为正极且内电极为负极时，二极管从外集电器反向连接到内集电器。因此，使用二极管而使得可良好地充电和放电。
同时，用于供给锂离子的芯110包含电解质，且所述电解质的实例可以包括但不特别限于：使用碳酸亚乙酯(EC)、碳酸亚丙酯(PC)、碳酸亚丁酯(BC)、碳酸亚乙烯酯(VC)、碳酸二乙酯(DEC)、碳酸二甲酯(DMC)、碳酸甲乙酯(EMC)、甲酸甲酯(MF)、γ-丁内酯(γ-BL)、环丁砜、乙酸甲酯(MA)或丙酸甲酯(MP)的非水电解液；使用PEO、PVdF、PMMA、PAN或PVAc的凝胶聚合物电解质；和使用PEO、聚环氧丙烷(PPO)、聚乙撑亚胺(PEI)、聚环硫乙烷(PES)或聚乙酸乙烯酯(PVAc)的固体电解质。
所述电解质还包含锂盐，且所述锂盐的优选实例包括LiCl、LiBr、LiI、LiClO4、LiBF4、LiB10Cl10、LiPF6、LiCF3SO3、LiCF3CO2、LiAsF6、LiSbF6、LiAlCl4、CH3SO3Li、CF3SO3Li、(CF3SO2)2NLi、氯硼烷锂、低级脂族碳酸锂、四苯基硼锂等。此外，用于供给锂离子的芯110可以仅由电解质组成，且在液体电解质的情况下，可以一起使用多孔载体。
本发明的内集电器为开放结构形式，从而促进用于供给锂离子的芯的电解质在其中渗透。本文使用的术语“开放结构”是指结构具有物质可以经其从结构内部自由地转移到结构外部的开放边界表面。这种开放结构形式可以为任何形式，只要其可以促进电解质的渗透即可。
在图1和图2中，开放结构的内集电器以网眼120或卷绕线220的形式示出，但并不限于此。或者，还可以使用卷绕片形式的开放结构的内集电器。
内集电器120、220优选由如下制成：不锈钢、铝、镍、钛、烧结碳或铜；在其表面上用碳、镍、钛或银处理过的不锈钢；铝-镉合金；在其表面上用导电材料处理过的不导电聚合物；或导电聚合物。
集电器用于收集由活性材料的电化学反应所产生的电子或供给电化学反应所需要的电子。通常，集电器由诸如铜或铝的金属制成。特别地，当集电器由在其表面上用导电材料处理过的不导电聚合物或导电聚合物制成时，集电器的柔性比由诸如铜或铝的金属制成的集电器的柔性相对更高。此外，可以使用聚合物集电器代替金属集电器以减轻电池的重量。
导电材料可包括聚乙炔、聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩、聚氮化硫、铟锡氧化物(ITO)、银、钯、镍等。导电聚合物可包括聚乙炔、聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩、聚氮化硫等。然而，用于集电器的不导电聚合物的种类没有特别限制。
在本发明中，内电极活性材料层130形成在内集电器120的表面上，从而围绕内集电器120的表面的外表面。由此，内集电器120的开放结构可以不暴露于内电极活性材料层130的外部，或者可以暴露于内电极活性材料层130的外部。例如，活性材料层可以形成在卷绕线形式的内集电器的表面上，或者可以卷绕具有形成在其上的电极活性层的线形式的内集电器。
同时，隔离层可以为电解质层或隔膜。
充当离子通道的电解质层可以由如下制成：使用PEO、PVdF、PVdF-HFP、PMMA、PAN或PVAc的凝胶型聚合物电解质；或者使用PEO、聚环氧丙烷(PPO)、聚乙撑亚胺(PEI)、聚环硫乙烷(PES)或聚乙酸乙烯酯(PVAc)的固体电解质。优选使用聚合物或陶瓷玻璃作为骨架形成固体电解质的基质。在典型的聚合物电解质的情况中，即使当满足离子电导率时，离子在反应速率方面仍非常缓慢地移动。因此，与固体电解质相比，优选使用有助于离子移动的凝胶型聚合物电解质。凝胶型聚合物电解质的机械性能差，因此可包含多孔载体或交联聚合物以改善差的机械性能。本发明的电解质层能够充当隔膜，由此可不使用另外的隔膜。
本发明的电解质层可还包含锂盐。锂盐可以改善离子导电率和响应时间。锂盐的非限制性实例可以包括LiCl、LiBr、LiI、LiClO4、LiBF4、LiB10Cl10、LiPF6、LiCF3SO3、LiCF3CO2、LiAsF6、LiSbF6、LiAlCl4、CH3SO3Li、CF3SO3Li、(CF3SO2)2NLi、氯硼烷锂、低级脂族碳酸锂和四苯基硼锂。
隔膜的实例可以包括但不限于：由选自乙烯均聚物、丙烯均聚物、乙烯-丁烯共聚物、乙烯-己烯共聚物和乙烯-甲基丙烯酸酯共聚物的聚烯烃类聚合物制成的多孔基材；由选自聚酯、聚缩醛、聚酰胺、聚碳酸酯、聚酰亚胺、聚醚醚酮、聚醚砜、聚苯醚、聚苯硫醚和聚萘二甲酸乙二醇酯中的聚合物制成的多孔基材；或由无机粒子和粘合剂聚合物的混合物制成的多孔基材。其中，为了使得用于供给锂离子的芯的锂离子转移到外电极，优选使用与由选自如下的聚合物制成的多孔基材相对应的无纺布隔膜：聚酯、聚缩醛、聚酰胺、聚碳酸酯、聚酰亚胺、聚醚醚酮、聚醚砜、聚苯醚、聚苯硫醚和聚萘二甲酸乙二醇酯。
在本发明中，可以根据与隔离层接触的外电极活性材料层和外集电器的布置，以各种实施方式形成外电极。
如图1中所示，外电极具有形成为围绕隔离层140的外表面的外电极活性材料层150和形成为围绕外电极活性材料层150的外表面的外集电器160。
此外，根据本发明的其他实施方式，线缆型二次电池的外电极可以以如下结构形成：具有形成为围绕隔离层的外表面的外集电器和形成为围绕外集电器的外表面的外电极活性材料层的结构；具有形成为围绕隔离层的外表面的外集电器和形成为围绕外集电器的外表面且与隔离层接触的外电极活性材料层的结构；或具有形成为围绕隔离层的外表面的外电极活性材料层和形成为通过被覆盖在外电极活性材料层中而包含在外电极活性材料层内部并与隔离层间隔地围绕隔离层的外表面的外集电器。
在本发明中，外集电器的形式没有特别限制。例如，外集电器可为中空的，或可以为线、卷绕线、卷绕片或网眼的形式。外集电器可由如下制成：不锈钢、铝、镍、钛、烧结碳或铜；在其表面上用碳、镍、钛或银处理过的不锈钢；或铝-镉合金。
同时，包装可具有形成为围绕外电极的外表面的第一热收缩管层、通过卷绕形成为围绕第一热收缩管层的外表面的充电线圈、和形成为围绕充电线圈的外表面的第二热收缩管层；可具有形成为围绕外电极的外表面的第一热收缩管层、通过卷绕形成为围绕第一热收缩管层的外表面的充电线圈、和形成为围绕充电线圈的外表面并与第一热收缩管层接触的第二热收缩管层；或者可具有形成为围绕外电极的外表面的热收缩管层和通过卷绕形成为以与外电极间隔地围绕外电极的外表面的充电线圈。
如本文中所用的，热收缩管层是指在受热时收缩而紧密地包封具有不同形状或尺寸的末端或物质的管层。这种热收缩管主要由聚合物树脂制成并用于绝缘或其他目的。在本发明中，根据期望的目的可适当使用由各种材料制成并具有各种形式的市售热收缩管。一般来说，由于在热收缩之前通过使用自动涂布机将热收缩管插入锂离子电池中，所以有必要使热收缩管具有使得其开口可以打开并自支撑的硬度。此外，收缩过程优选在低温下、例如在70～200℃、优选70～120℃的温度下进行，以避免锂离子电池的热损伤。热收缩管可由聚烯烃如聚乙烯和聚丙烯、聚酯如聚对苯二甲酸乙二醇酯、含氟树脂如聚偏二氟乙烯和聚四氟乙烯，或它们的混合物制成。
充电线圈可由如下制成：不锈钢、铝、镍、钛、烧结碳或铜；在其表面上用碳、镍、钛或银处理过的不锈钢；或铝-镉合金。
此外，充电线圈可具有10～500μm的厚度。
另外，充电线圈在线缆型二次电池中可以以1～100次/1mm单位长度的频率卷绕。
一般来讲，二次线圈可能受其横截面积及其卷绕频率影响。因此，当以二次线圈形式的外集电器满足这种数值范围时，有效地产生感应电流而使得线缆型二次电池可以无线充电。
内电极可以为负极且外电极可以为正极。或者，内电极可以为正极且外电极可以为负极。
在本发明中，电极活性材料使得离子可移动通过集电器，且通过离子的相互作用如离子进入和离开电解质层的嵌入/脱嵌来造成离子的移动。
这种电极活性材料层可分成负极活性材料层和正极活性材料层。
具体地，当内电极为负极且外电极为正极时，内电极活性材料层变为负极活性材料层且可以由选自如下的活性材料制成：天然石墨、人造石墨或碳质材料；锂-钛复合氧化物(LTO)，以及包括Si、Sn、Li、Zn、Mg、Cd、Ce、Ni和Fe的金属(Me)；所述金属的合金；所述金属的氧化物(MeOx)；所述金属和碳的复合物；以及它们的混合物，并且外电极活性材料层变为正极活性材料层且可以由选自如下的活性材料制成：LiCoO2、LiNiO2、LiMn2O4、LiCoPO4、LiFePO4、LiNiMnCoO2、LiNi1-x-y-zCoxM1yM2zO2(其中M1和M2各自独立地选自：Al、Ni、Co、Fe、Mn、V、Cr、Ti、W、Ta、Mg和Mo，且x、y和z各自独立地为形成氧化物的元素的原子分数，其中0≤x<0.5，0≤y<0.5，0≤z<0.5，且x+y+z≤1)以及它们的混合物。
或者，当内电极为正极且外电极为负极时，内电极活性材料层变为正极活性材料层且外电极活性材料层变为负极活性材料层。
下文中，将参考图2简要说明根据本发明一个实施方式的线缆型二次电池及其制造。
根据本发明的一个实施方式的线缆型二次电池200包含：用于供给锂离子的芯210，其包含电解质；内电极，其包含围绕用于供给锂离子的芯210的外表面的开放结构的内集电器220和围绕内集电器220的表面的内电极活性材料层230；隔离层240，其围绕内电极的外表面以防止电极之间的短路；外电极，其包含围绕隔离层240的外表面的外电极活性材料层250和围绕外电极活性材料层250的外表面的外集电器260；以及围绕外电极的外表面的第一热收缩管层270、通过卷绕形成为围绕第一热收缩管层的外表面的充电线圈280和围绕充电线圈的外表面的另外的第二热收缩管层270′。
首先，使用挤出机以线的形式提供聚合物电解质以制备用于供给锂离子的芯210。此外，用于供给锂离子的芯210可以通过提供中空的内电极并在所述内电极的中心引入非水电解液来形成或者可以通过提供包含保护涂层等的电池组件并在所述电池组件中包含的内电极支撑体的中心引入非水电解液来形成。或者，用于供给锂离子的芯210可以通过提供由海绵材料制成的线形式的载体并向其中引入非水电解液来制备。
随后，提供线形式的内集电器220并将其卷绕在用于供给锂离子的芯210上，且通过在卷绕线形式的内集电器220的表面上进行涂布而形成内电极活性材料层230。所述涂布可以通过各种常规方法，例如通过电镀法或阳极氧化法来进行。此外，为了维持恒定的间隔，可以通过使用挤出机的挤出涂布间断地涂布含活性材料的电极浆料。另外，可以利用浸渍涂布或使用挤出机的挤出涂布来涂布含活性材料的电极浆料。
随后，形成由聚合物电解质层组成的隔离层240以围绕内电极活性材料层230。形成作为电解质层的隔离层240的方法不受特别限制，但优选使用挤出涂布法以由于线性线缆型二次电池的性质而促进制造过程。
在通过涂布电解质而形成的隔离层240的外表面上，通过涂布形成外电极活性材料层250。内电极活性材料层230的涂布方法可以同样地应用于外电极活性材料层250。
然后，在外电极活性材料层250的外表面上形成中空外集电器260。在本发明中，作为外集电器，可使用网眼、卷绕线或卷绕片形式的集电器。此时，可以将外电极活性材料层首先形成在外集电器上，随后涂布在隔离层上以形成外电极。例如，在卷绕片形式的集电器的情况下，可以将外电极活性材料层首先形成在片形式的集电器上，接着切割成具有预定尺寸的片，从而制备片形式的外电极。随后，可以将所制备的片形式的外电极卷绕在隔离层的外表面上，使得外电极活性材料层与隔离层接触，从而在隔离层上形成外电极。
作为另一方法，在外电极的形成中，可以首先以围绕隔离层的外表面的方式形成外集电器，随后以围绕外集电器的外表面的方式形成外电极活性材料层。
接着，形成热收缩管层270以围绕电极组件的外表面。所述热收缩管层为保护电极不受空气中的水分和外部冲击影响的绝缘体。
然后，通过围绕热收缩管层270的外表面来卷绕充电线圈280，其中充电线圈280的一端与外集电器连接并且充电线圈的另一端与内集电器在其另一端连接，从而通过介于内集电器与外集电器之间的二极管将两者电连接。
最后，形成另外的热收缩管层270′以围绕充电线圈280的外表面。
下文中，将参考图5和图6简要说明本发明的另一个实施方式。
参考图5，根据本发明的一个实施方式的线缆型二次电池300包含：两个以上的用于供给锂离子的芯310，其包含电解质；两个以上的彼此平行排列的内电极，各内电极包含围绕各用于供给锂离子的芯310的外表面的开放结构的内集电器320和围绕内集电器320的表面的内电极活性材料层330；隔离层340，其围绕内电极的外表面以防止电极之间的短路；外电极，其围绕隔离层340的外表面并包含外电极活性材料层350和外集电器360；以及包装，其围绕外电极的外表面并包含热收缩管层370和以卷绕形式构造的充电线圈380，所述充电线圈包含将内集电器与外集电器在其间电连接的二极管，并且所述充电线圈在其一端与外集电器电连接且在其另一端与内集电器电连接。
在上文所示的具有多个内电极的线缆型二次电池中，外电极可采用如上所述的各种结构。
此外，参考图6，根据本发明的一个实施方式的线缆型二次电池400包含：两个以上的用于供给锂离子的芯410，其包含电解质；两个以上的彼此平行排列的内电极，各内电极包含围绕各用于供给锂离子的芯410的外表面的开放结构的内集电器420、围绕内集电器420的表面的内电极活性材料层430和围绕内电极活性材料层430的外表面以防止电极之间的短路的隔离层440；外电极，其围绕内电极的外表面并包含外电极活性材料层450和外集电器460；以及包装，其围绕外电极的外表面并包含热收缩管层和以卷绕形式构造的充电线圈，所述充电线圈包含将内集电器与外集电器在其间电连接的二极管，并且所述充电线圈在其一端与外集电器电连接并且在其另一端与内集电器电连接。
外电极可以采用各种结构，包括：具有形成为围绕内电极的外表面的外电极活性材料层和形成为围绕外电极活性材料层的外表面的外集电器的结构，例如，具有形成为围绕内电极的外表面的外集电器和形成为围绕外集电器的外表面的外电极活性材料层的结构；具有形成为围绕内电极的外表面的外集电器和形成为围绕外集电器的外表面且与内电极接触的外电极活性材料层的结构；或具有形成为围绕内电极的外表面的外电极活性材料层和形成为通过被覆盖在外电极活性材料层中而包含在外电极活性材料层内部并与内电极间隔地围绕内电极的外表面的外集电器的结构。
如已经提到的，线缆型二次电池300和400包含具有电连接内集电器和外集电器的二极管的连接器，从而实现期望程度的无线充电和放电。连接器的二极管从作为内集电器或外集电器的高电位集电器(正极集电器)反向连接到作为外集电器或内集电器的低电位集电器(负极集电器)。
这种线缆型二次电池300和400具有由多个电极组成的内电极，从而使得可控制正极和负极之间的平衡并防止短路。
Claims (29)
1.一种能够无线充电的线缆型二次电池，其被构造成具有预定形状的水平横截面且纵向延伸，并且包含：
用于供给锂离子的芯，其包含电解质；
内电极，其包含围绕所述用于供给锂离子的芯的外表面的开放结构的内集电器和围绕所述内集电器的表面的内电极活性材料层；
隔离层，其围绕所述内电极的外表面以防止电极之间的短路；
外电极，其围绕所述隔离层的外表面并包含外电极活性材料层和外集电器；以及
包装，其围绕所述外电极的外表面并包含热收缩管层和以卷绕形式构造的充电线圈，所述充电线圈包含将所述内集电器与所述外集电器在其间电连接的二极管，并且所述充电线圈在其一端与所述外集电器电连接且在其另一端与所述内集电器电连接。
2.根据权利要求1所述的能够无线充电的线缆型二次电池，其中所述二极管从作为所述内集电器或所述外集电器的高电位集电器反向连接到作为所述外集电器或所述内集电器的低电位集电器。
3.根据权利要求2所述的能够无线充电的线缆型二次电池，其中当所述内电极为正极并且所述外电极为负极时，所述二极管从所述内集电器反向连接到所述外集电器，或者
当所述外电极为正极并且所述内电极为负极时，所述二极管从所述外集电器反向连接到所述内集电器。
4.根据权利要求1所述的能够无线充电的线缆型二次电池，其中所述电解质选自：使用碳酸亚乙酯(EC)、碳酸亚丙酯(PC)、碳酸亚丁酯(BC)、碳酸亚乙烯酯(VC)、碳酸二乙酯(DEC)、碳酸二甲酯(DMC)、碳酸甲乙酯(EMC)、甲酸甲酯(MF)、γ-丁内酯(γ-BL)、环丁砜、乙酸甲酯(MA)或丙酸甲酯(MP)的非水电解液；使用PEO、PVdF、PMMA、PAN或PVAc的凝胶聚合物电解质；以及使用PEO、聚环氧丙烷(PPO)、聚乙撑亚胺(PEI)、聚环硫乙烷(PES)或聚乙酸乙烯酯(PVAc)的固体电解质。
5.根据权利要求1所述的能够无线充电的线缆型二次电池，其中所述电解质还包含锂盐。
6.根据权利要求5所述的能够无线充电的线缆型二次电池，其中所述锂盐选自LiCl、LiBr、LiI、LiClO4、LiBF4、LiB10Cl10、LiPF6、LiCF3SO3、LiCF3CO2、LiAsF6、LiSbF6、LiAlCl4、CH3SO3Li、(CF3SO2)2NLi、四苯基硼锂以及它们的混合物。
7.根据权利要求1所述的能够无线充电的线缆型二次电池，其中所述开放结构的内集电器为卷绕线、卷绕片或网眼的形式。
8.根据权利要求1所述的能够无线充电的线缆型二次电池，其中所述内集电器由如下制成：不锈钢、铝、镍、钛、烧结碳或铜；在其表面上用碳、镍、钛或银处理过的不锈钢；铝-镉合金；在其表面上用导电材料处理过的不导电聚合物；或导电聚合物。
9.根据权利要求8所述的能够无线充电的线缆型二次电池，其中所述导电材料选自聚乙炔、聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩、聚氮化硫、铟锡氧化物(ITO)、银、钯、镍以及它们的混合物。
10.根据权利要求8所述的能够无线充电的线缆型二次电池，其中所述导电聚合物选自聚乙炔、聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩、聚氮化硫以及它们的混合物。
11.根据权利要求1所述的能够无线充电的线缆型二次电池，其中所述隔离层为电解质层或隔膜。
12.根据权利要求11所述的能够无线充电的线缆型二次电池，其中所述电解质层包含选自如下的电解质：使用PEO、PVdF、PMMA、PAN或PVAc的凝胶聚合物电解质；和使用PEO、聚环氧丙烷(PPO)、聚乙撑亚胺(PEI)、聚环硫乙烷(PES)或聚乙酸乙烯酯(PVAc)的固体电解质。
13.根据权利要求11所述的能够无线充电的线缆型二次电池，其中所述电解质层还包含锂盐。
14.根据权利要求13所述的能够无线充电的线缆型二次电池，其中所述锂盐选自LiCl、LiBr、LiI、LiClO4、LiBF4、LiB10Cl10、LiPF6、LiCF3SO3、LiCF3CO2、LiAsF6、LiSbF6、LiAlCl4、CH3SO3Li、(CF3SO2)2NLi、四苯基硼锂以及它们的混合物。
15.根据权利要求11所述的能够无线充电的线缆型二次电池，其中所述隔膜为由选自乙烯均聚物、丙烯均聚物、乙烯-丁烯共聚物、乙烯-己烯共聚物和乙烯-甲基丙烯酸酯共聚物的聚烯烃类聚合物制成的多孔基材；由选自聚酯、聚缩醛、聚酰胺、聚碳酸酯、聚酰亚胺、聚醚醚酮、聚醚砜、聚苯醚、聚苯硫醚和聚萘二甲酸乙二醇酯的聚合物制成的多孔基材；或由无机粒子与粘合剂聚合物的混合物制成的多孔基材。
16.根据权利要求1所述的能够无线充电的线缆型二次电池，其中在所述外电极中，
所述外电极活性材料层形成为围绕所述隔离层的外表面，且所述外集电器形成为围绕所述外电极活性材料层的外表面；
所述外集电器形成为围绕所述隔离层的外表面，且所述外电极活性材料层形成为围绕所述外集电器的外表面；
所述外集电器形成为围绕所述隔离层的外表面，且所述外电极活性材料层形成为围绕所述外集电器的外表面且与所述隔离层接触；或
所述外电极活性材料层形成为围绕所述隔离层的外表面，且所述外集电器形成为通过被覆盖在所述外电极活性材料层中而包含在所述外电极活性材料层内部并与所述隔离层间隔地围绕所述隔离层的外表面。
17.根据权利要求1所述的能够无线充电的线缆型二次电池，其中所述外集电器为中空的，或者为线、卷绕片或网眼的形式。
18.根据权利要求1所述的能够无线充电的线缆型二次电池，其中所述外集电器由如下制成：不锈钢、铝、镍、钛、烧结碳或铜；在其表面上用碳、镍、钛或银处理过的不锈钢；或铝-镉合金。
19.根据权利要求1所述的能够无线充电的线缆型二次电池，其中所述包装具有形成为围绕所述外电极的外表面的第一热收缩管层、通过卷绕形成为围绕所述第一热收缩管层的外表面的充电线圈、和形成为围绕所述充电线圈的外表面的第二热收缩管层；形成为围绕所述外电极的外表面的第一热收缩管层、通过卷绕形成为围绕所述第一热收缩管层的外表面的充电线圈、和形成为围绕所述充电线圈的外表面并与所述第一热收缩管层接触的第二热收缩管层；或者形成为围绕所述外电极的外表面的热收缩管层和通过卷绕形成为以与所述外电极间隔地围绕所述外电极的外表面的充电线圈。
20.根据权利要求1所述的能够无线充电的线缆型二次电池，其中所述热收缩管层由选自聚烯烃树脂、聚酯树脂、含氟树脂及其混合物的任一种制成。
21.根据权利要求1所述的能够无线充电的线缆型二次电池，其中所述充电线圈由如下制成：不锈钢、铝、镍、钛、烧结碳或铜；在其表面上用碳、镍、钛或银处理过的不锈钢；或铝-镉合金。
22.根据权利要求1所述的能够无线充电的线缆型二次电池，其中所述充电线圈具有10～500μm的厚度。
23.根据权利要求1所述的能够无线充电的线缆型二次电池，其中所述充电线圈在所述线缆型二次电池中以1～100次/1mm单位长度的频率卷绕。
24.根据权利要求1所述的能够无线充电的线缆型二次电池，其中所述内电极为负极并且所述外电极为正极，或所述内电极为正极并且所述外电极为负极。
25.根据权利要求1所述的能够无线充电的线缆型二次电池，其中当所述内电极为负极并且所述外电极为正极时，
所述内电极活性材料层包含选自如下的活性材料：碳质材料；锂-钛复合氧化物(LTO)，以及包括Si、Sn、Li、Zn、Mg、Cd、Ce、Ni和Fe的金属(Me)；所述金属的合金；所述金属的氧化物(MeOx)；所述金属与碳的复合物；以及它们的混合物，并且
所述外电极活性材料层包含选自如下的活性材料：LiCoO2、LiMn2O4、LiCoPO4、LiFePO4、LiNiMnCoO2、LiNi1-x-y-zCoxM1yM2zO2以及它们的混合物，其中M1和M2各自独立地选自Al、Ni、Co、Fe、Mn、V、Cr、Ti、W、Ta、Mg和Mo，并且x、y和z各自独立地为形成氧化物的元素的原子分数，其中0≤x<0.5，0≤y<0.5，0≤z<0.5，并且x+y+z≤1。
26.根据权利要求1所述的能够无线充电的线缆型二次电池，其中当所述内电极为正极并且所述外电极为负极时，
所述内电极活性材料层包含选自如下的活性材料：LiCoO2、LiMn2O4、LiCoPO4、LiFePO4、LiNiMnCoO2、LiNi1-x-y-zCoxM1yM2zO2以及它们的混合物，其中M1和M2各自独立地选自Al、Ni、Co、Fe、Mn、V、Cr、Ti、W、Ta、Mg和Mo，并且x、y和z各自独立地为形成氧化物的元素的原子分数，其中0≤x<0.5，0≤y<0.5，0≤z<0.5，并且x+y+z≤1，并且
所述外电极活性材料层包含选自如下的活性材料：碳质材料；锂-钛复合氧化物(LTO)，以及包括Si、Sn、Li、Zn、Mg、Cd、Ce、Ni和Fe的金属(Me)；所述金属的合金；所述金属的氧化物(MeOx)；所述金属与碳的复合物；以及它们的混合物。
27.根据权利要求17所述的能够无线充电的线缆型二次电池，其中所述线为卷绕线。
28.一种能够无线充电的线缆型二次电池，其被构造成具有预定形状的水平横截面且纵向延伸并且包含：
两个以上的用于供给锂离子的芯，其包含电解质；
两个以上的彼此平行排列的内电极，各内电极包含围绕各用于供给锂离子的芯的外表面的开放结构的内集电器和围绕所述内集电器的表面的内电极活性材料层；
隔离层，其围绕所述内电极的外表面以防止电极之间的短路；
外电极，其围绕所述隔离层的外表面并包含外电极活性材料层和外集电器；以及
包装，其围绕所述外电极的外表面并包含热收缩管层和以卷绕形式构造的充电线圈，所述充电线圈包含将所述内集电器与所述外集电器在其间电连接的二极管，并且所述充电线圈在其一端与所述外集电器电连接且在其另一端与所述内集电器电连接。
29.一种能够无线充电的线缆型二次电池，其被构造成具有预定形状的水平横截面且纵向延伸并且包含：
两个以上的用于供给锂离子的芯，其包含电解质；
两个以上的彼此平行排列的内电极，各内电极包含围绕各用于供给锂离子的芯的外表面的开放结构的内集电器、围绕所述内集电器的表面的内电极活性材料层和围绕所述内电极活性材料层的外表面以防止电极之间的短路的隔离层；
外电极，其围绕所述内电极的外表面并包含外电极活性材料层和外集电器；以及
包装，其围绕所述外电极的外表面并包含热收缩管层和以卷绕形式构造的充电线圈，所述充电线圈包含将所述内集电器与所述外集电器在其间电连接的二极管，并且所述充电线圈在其一端与所述外集电器电连接且在其另一端与所述内集电器电连接。
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