CN104425828A - 薄和柔性电化学电池 - Google Patents

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Abstract

薄和柔性电化学电池。公开了具有至少一个正电极、至少一个负电极和布置在电极之间的至少一个隔离物的电化学电池。电池特征在于,电极中的至少一个电极包括第一较粗的网和第二较细的网。第一和第二网至少在以下中不同:第一网由具有比组成第二网的细丝更大的直径的细丝组成,和/或第一网具有网开口,其具有比第二网的开口更大的开口宽度的网开口。然而,这两个网都是由单丝构成的编织网。第一和/或第二网的细丝涂覆有导电材料并用作至少一个电极的电流收集器。

Description

薄和柔性电化学电池
本发明涉及薄和柔性电化学电池,特别是通过印刷或狭缝模具式涂覆技术产生的电池。
术语“电池组”最初意指串联连接的多个电化学电池。然而,单个电化学电池现在也被频繁地称为电池组。在电池组的放电期间,由两个电气地耦合但物理地分离的子反应构成的能量供应化学反应发生。在比较低的氧化还原电位处发生的一个子反应在负电极处继续进行,而在比较高的氧化还原电位处的子反应在正电极处继续进行。在放电期间,电子通过氧化过程在负电极处被释放,导致电子经由外部负载流到占电子的对应数量的正电极。减少过程因此在正电极处发生。同时,对应于电极反应的离子电流出现在电池内。通过离子导电电解液来实现这个离子电流。在二次电池和电池组中,这个放电反应是可逆的,且因此可能反转化学能到电能的转换,其在放电期间出现。如果在这个上下文中使用术语“阳极”和“阴极”,则电极一般根据其放电功能而被命名。在这样的电池中,负电极因此是阳极,且正电极是阴极。
对于增加数量的应用,需要比常规电池组更柔性和重量轻的薄电池组。常常通过印刷技术来生产非常薄的电池组。然而,印刷电极常常是易碎的,且倾向于在机械应力和运动下断裂。
存在对具有更灵活的设计且针对机械撞击、弯曲和折叠更有抵抗力的新类型的薄电池组的明显需要。
这个目的由具有权利要求1的特征的电化学电池实现。本发明的电池的优选实施例在从属权利要求2到12中被指示。所有权利要求的用语因此通过引用被合并到本描述中。
像常规电池一样,根据本发明的电化学电池的具有至少一个正电极、至少一个负电极和布置在电极之间的至少一个隔离物。电池的电极中的至少一个电极,优选地所有电极包括电流收集器。
与常规电池相反,电池的电极中的至少一个电极包括第一较粗的网和第二较细的网。第一和第二网至少在下列特征中的至少一个特征中不同:
- 细丝直径:优选地,第一网由具有比组成第二网的细丝更大的直径的细丝组成。
- 网开口:优选地,第一网具有网开口,其具有比第二网的开口更大的开口宽度。
例如,第一网具有每厘米26个细丝,细丝直径是120微米(μm),网开口是265 μm且厚度是223 μm,其中第二网具有每厘米43个细丝,细丝直径是61 μm,网开口是170 μm且总厚度是105 μm。
通常第一网具有带有较大直径的细丝以及具有较大开口宽度的网开口。
网中的至少一个网涂覆有导电材料。所涂覆的细丝充当至少一个电极的电流收集器。在第一优选实施例中,第二网涂覆有导电材料,其中第一网未被涂覆。在第二优选实施例中,第一和第二网都涂覆有导电材料。优选地,网的细丝完全被导电材料的连续层密封。
如果两个网都涂覆有导电材料,则优选地,涂层由相同的导电材料组成。
重要的是,第一和第二网都是单丝编织网。那意味着网中的每一个网是由具有相同直径和相同化学性质的同样的丝构成的编织网。
优选地,第一和/或第二网的网开口填充有电化学活性材料。换句话说,优选地,网被嵌入包括电化学活性材料和(如果可适用)像粘接剂和/或导电剂的附加的电极成分的基质中。
已经惊人地发现的是,通过将第一和第二网合并到至少一个电极中,显著地改进了电极的柔韧性和电阻,而没有对电极的其它特性(像容量或内阻)的消极影响。第一网具有占据大量电化学活性材料的能力,其中涂覆有导电材料的第二网能够充当具有高导电性的电流收集器。
填充网开口的电化学活性材料优选地选自由锌、二氧化锰、金属氢化物和氢氧化镍组成的组。
第一和/或第二网的丝优选地由塑料组成,其中塑料更优选地选自由聚酰胺塑料、聚酯塑料、聚烯烃塑料(像聚丙烯和聚醚醚酮塑料)组成的组。在特别优选的实施例中,第一和第二网都由聚酰胺塑料组成。
涂覆网的导电材料优选地是金属材料,更优选地是选自由镍、铜、铝和铁或这些金属中的至少一个金属的合金(例如不锈钢)组成的组。特别优选地是用于锌电极的铜涂层和用于二氧化锰、金属氢化物和氢氧化镍电极的镍涂层。
涂层还可包括多于一层导电材料。例如为了增加网导电性,第一层铜(例如通过磁控管溅射)和第二层镍(例如通过电镀沉积)可随后被沉积在网的细丝上。
可通过像溅射、PVD、化学还原或电沉积的工艺将涂层施加在网的细丝上。
涂层的厚度优选地在10 nm和2 μm之间的范围内。
优选地,第一网的细丝的直径是第二网的细丝的直径的至少1.5倍,优选地在2倍和50倍之间。
第一网的细丝优选地具有在40 μm和500 μm之间的范围内、更优选地在61 μm和260 μm之间的范围内的直径(直径范围指的是没有涂层的裸露细丝的直径)。
此外,优选地,第二网的细丝具有在15 μm和300 μm之间的范围内、优选地在27 μm和145 μm之间的范围内的直径(直径范围指的是没有涂层的裸露细丝的直径)。
第一网的网开口的开口宽度优选地是第二网的网开口的开口宽度的至少1.1倍,优选地在1.5倍和100倍之间。
在优选实施例中,包括第一和第二网和/或隔离物的至少一个电极被配置为层。优选地,电极和隔离物被配置为层复合物,其中电极与隔离物二维地接触。可例如通过层压工艺来联接电极和隔离物。电极和隔离物层的厚度优选地在150 μm和1000 μm之间的范围内。
在至少一个电极中,第一和第二网优选地被布置在彼此顶部上的堆叠状布置中。优选地,第一网与第二网二维地接触。甚至更优选地,网例如通过粘合剂接合、通过层压特别是通过热熔层压、通过缝或通过超声密封固定到彼此,从而形成包括两个网层的织物。
为了得到这样的织物,反应聚氨酯可在若干点上或沿着线布置在第一和第二网之间,后面是在层压装置中的压力处理和例如在烤炉中的反应聚氨酯的固化。
第一较粗的网优选地面向隔离物层。
为了得到根据本发明的电化学电池,由所述第一和第二网组成的织物可例如使用丝网印刷或狭缝模具式涂覆技术来套印有或涂覆有包含所述电化学活性材料附加的电极成分之一的浆糊或油墨加工制剂,从而填充第一和第二网的网开口。在随后的步骤中,如在DE 102010018071中描述的电解液/隔离物组合可经由丝网印刷工艺或狭缝模具式涂覆施加在所得到的电极的顶部上。所得到的电极-隔离物-复合物可与适当的反电极相组合。
本发明的另外的特征可结合从属权利要求从优选实施例的下面描述得到。所描述的优选实施例仅仅为了说明的目的并为了给出对本发明的更好理解,且并不以任何方式构成限制。
附图说明
图1示意性地示出穿过织物的优选示例的横截面,该织物适合于作为根据本发明的电化学电池的电流收集器并包括两个网层。第一较粗的网(A)和/或第二较细的网(B)都涂覆有导电材料,例如镍或铜。在优选实施例中,两个网(较细和较粗的)是单丝编织网并由聚酰胺组成。通过在层压工艺中组合第一和第二网来生产织物。涂层优选地在层压之后被施加至网,但在一些情况下也提前被施加至网。
图2示意性地示出穿过织物的替换的优选示例的横截面,该织物适合于作为根据本发明的电化学电池的电流收集器并包括两个网层。第一较粗的网(A)未被金属化。第二较细的网(B)涂覆有导电材料,例如镍或铜。在优选实施例中,两个网(较细和较粗的)是单丝编织网并由聚酰胺组成。通过在层压工艺中组合第一和第二网来生产织物。涂层优选地在层压之前被施加至第二网(B)。
图3示出图2的织物,其中网(A)的网开口填充有电化学活性材料(D)。电化学活性材料可以是包含锌、二氧化锰、金属氢化物和氢氧化镍等的浆糊或油墨加工制剂。
图4示意性地示出穿过根据本发明的电化学电池的优选示例的横截面。相反极性的第一和第二电极经由隔离物层(E)被连接。优选地经由丝网印刷或狭缝模具式涂覆来产生隔离物层。第一电极包括电化学活性材料(D),第二电极包括电化学活性材料(F)。这两个电极包括图2的织物,其中在这两种情况下织物布置成使得较粗的网(A)面向隔离物层(E)。电化学活性材料(D)和(F)被印刷并涂覆到织物上,从而填充至少较粗的网的网开口。
这两个电极和隔离物被壳体(G)围住。壳体的开口端被密封剂(H)密封或封闭,所述密封剂(H)是例如聚硅氧烷化合物。两个织物,特别是涂覆有导电材料的网(C) 通过密封剂被引导到电池的外部部分,从而提供接触区域(I)。

Claims (12)

1.一种电化学电池,其具有至少一个正电极、至少一个负电极和布置在电极之间的至少一个隔离物,其中电极中的至少一个电极包括第一较粗的网和第二较细的网的层,其中:
· 所述第一网和所述第二网是单丝编织网,以及
· 所述第一网由具有比组成所述第二网的细丝更大的直径的细丝组成,
和/或
· 其中所述第一网具有网开口,所述网开口具有比所述第二网的开口更大的开口宽度,以及
· 所述第一网和/或所述第二网的细丝涂覆有导电材料并用作所述至少一个电极的电流收集器。
2.根据权利要求1的电化学电池,其中,所述第一网和/或所述第二网的细丝由塑料组成,其中所述塑料优选地选自由聚酰胺塑料、聚酯塑料、聚烯烃塑料和聚醚醚酮塑料组成的组。
3.根据权利要求1的电化学电池,其中,所述导电材料是金属材料,优选地是选自由镍、铜、铝和铁或这些金属中的至少一个金属的合金组成的组的金属。
4.根据权利要求1的电化学电池,其中,所述第一网的细丝的直径是所述第二网的细丝的直径的至少1.5倍,优选地在2倍和50倍之间。
5.根据权利要求1的电化学电池,其中,所述第一网的细丝具有在40 μm和500 μm之间的范围内、优选地在61 μm和260 μm之间的范围内的直径。
6.根据权利要求1的电化学电池,其中,所述第二网的细丝具有在15 μm和300 μm之间的范围内、优选地在27 μm和145 μm之间的范围内的直径。
7.根据权利要求1的电化学电池,其中,所述第一网的网开口的开口宽度是所述第二网的网开口的开口宽度的至少1.1倍,优选地在1.5倍和100倍之间。
8.根据权利要求1的电化学电池,其中,包括所述第一网和所述第二网及所述隔离物的所述至少一个电极被配置为层。
9.根据权利要求8的电化学电池,其中,所述层的厚度在150 μm和1000 μm之间的范围内。
10.根据权利要求8的电化学电池,其中,电极的侧面之一与所述隔离物二维地接触。
11.根据权利要求8的电化学电池,其中,所述第一网和所述第二网被布置在彼此顶上的堆叠状布置中,其中优选地,所述第一网与所述第二网二维地接触。
12.根据权利要求8的电化学电池,其中,所述第一网面向隔离物层。
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