CN107240671A - 柔性电极和柔性电芯 - Google Patents

柔性电极和柔性电芯 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种柔性电极和柔性电芯。本发明柔性电极包括集流体和涂设在所述集流体表面的电极材料层，所述电极材料层是由若干段电极材料层组成，相邻两段电极材料层之间具有间隔。本发明柔性电芯包括正极和负极以及层叠于所述正极和负极之间的隔膜，所述正极为本发明正极柔性电极，所述负极为本发明负极柔性电极，且所述正极所含的若干段正极材料层与所述负极所含的若干段负极材料层一一对应设置。本发明柔性电极组装成电池后，封装形成的电池则是由所述密封区间串联的电池单体构成，由于密封区间没有电极材料，因此，封装形成的电池可以在密封区间处折叠，赋予电池柔性。

Description

柔性电极和柔性电芯
技术领域
本发明属于电池技术领域，具体的是涉及一种柔性电极和柔性电芯。
背景技术
随着科技的进步，在电子产品极大丰富的同时各类电子产品小型化趋势日益明显。特别是在可穿戴设备、医疗器械、精密仪器仪表等领域，对电子产品中的关键部件如电路板、电池等提出了更高的要求。
例如随着智能穿戴设备的流行，越来越多人选择智能穿戴设备，但是智能穿戴设备存在结构上的缺陷，穿戴设备在弧形位置不能安装电池，导致智能穿戴设备整体电池的能量较低。现有的智能穿戴设备由于多数是贴合人体设计，需要反正的弯折，但是现有的锂离子二次电池不反复弯折，从而由于电池的局限性严重制约了柔性电子产品特别是智能穿戴设备的发展。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种柔性电极和含有所述柔性电极的柔性电芯，以及解决现有锂离子二次电池不反复弯折的不足。
为了实现上述发明目的，本发明的一方面，提供了一种柔性电极。所述柔性电极包括集流体和涂设在所述集流体表面的电极材料层，所述电极材料层是由若干段电极材料层组成，相邻两段电极材料层之间具有间隔。
本发明的另一方面，提供了一种柔性电芯。所述柔性电芯包括正极和负极以及层叠于所述正极和负极之间的隔膜，所述正极为本发明柔性电极，且本发明柔性电极所含的集流体为正极集流体，电极材料层为正极材料层；所述负极为本发明柔性电极，且本发明柔性电极所含的集流体为负极集流体，电极材料层为负极材料层；且所述正极所含的若干段正极材料层与所述负极所含的若干段负极材料层一一对应设置。
与现有技术相比，本发明柔性电极将所含的电极材料层分段涂设在集流体上，且相邻两段电极材料层之间具有间隔。这样，当将正极本发明柔性电极与负极本发明柔性电极按照各段正极电极材料层与各段负极电极材料层一一对应设置组装成电池后，并将正负极所含的间隔区间与隔膜以及壳体形成密封区间，正极所含的若干段正极材料层与所述负极所含的若干段负极材料层以及壳体形成电池单体，被封装形成的电池则是由所述密封区间串联的电池单体构成，由于密封区间没有电极材料，因此，封装形成的电池可以在密封区间处折叠，赋予电池柔性。
本发明柔性电芯由于是由包括正极本发明柔性电极和负极本发明柔性电极构成，这样，将本发明柔性电芯按照要求封装电池后，封装形成的电池具有可以折叠的密封区间，从而赋予电池柔性。
附图说明
图1是本发明实施例柔性电极的前视图；
图2是本发明实施例柔性电极一结构的主视图；
图3是本发明实施例柔性电极另一结构的主视图；
图4是本发明实施例柔性电芯的结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
一方面，本发明实施例提供了一种柔性电极。所述柔性电极结构如图1至3所示，柔性电极01包括集流体1和涂设在集流体1表面的电极材料层2。
其中，上述柔性电极01所含的集流体1可以是电池领域中常规的集流体，如锂离子电池常用的集流体，具体可以是正极集流体或者负极集流体。
上述柔性电极01所含的电极材料层2是由若干段电极材料层2n(n≥2)，如图1至3中所示的电极材料层21、电极材料层22、电极材料层23、、、电极材料层2n组成，相邻两段电极材料层之间具有间隔，如图1至3中所示的间隔11、间隔12、间隔13、、、间隔1n组成。这样，若干段电极材料层2n将集流体1分成若干区间，具体的是涂设有若干段电极材料层2n的电极材料层区间1n’，如电极材料层区间11’、电极材料层区间12’、电极材料层区间13’、、、电极材料层区间1n’，和相邻电极材料层区间的间隔区间1n，如间隔区间11、间隔区间12、间隔区间13、、、间隔区间1n。
另外，图1至3所述的电极材料层2仅仅上述柔性电极01的一种结构而已，该电极材料层2优选的是在集流体1相对的两个表面上均涂设电极材料层2构成上述柔性电极01。
在上述各实施例中，作为本发明的一实施例，所述相邻两段电极材料层之间的所述间隔宽度为2-6mm。该间隔宽度能够赋予含有该上述柔性电极的电池可以在该间隔处弯折，赋予电池良好的柔性。当然，该间隔宽度也可以大于0小于2，这样的间隔由于较小，组装成柔性电芯和电池后，由于无电极材料的区间较小，会使得电池可以弯折的弧度相对较小。当然，该间隔宽度也可以大于6，这样的间隔由于较大，当集流体长度一定的情况下，组装成柔性电芯和电池后，由于无电极材料的区间较大，虽然可以使得电池可以弯折的弧度相对较大，但是会由于组装的含有电极材料层的电池单体数量较小，使得电池能量密度较小。因此，可以根据实际的电池应用需要，进行调整相邻两段电极材料层之间的所述间隔宽度，使得组装的电芯和电池既有合理的弯折幅度又有高的能量密度。
在另一实施例中，所述若干段电极材料层中对每一段电极材料层的宽度为8-12mm，所述电极材料层的厚度可以根据电池实际应用的容量和厚度要求进行调整，如电极材料层可以是55-140μm。通过对每一段电极材料层的宽度和厚度进行控制，赋予电池良好的电化学性能，如高能量密度。
在上述各实施例的基础上，上述柔性电极01可以是正极柔性电极也可以是负极柔性电极。
在一实施例中，上述柔性电极01为如图4中的正极柔性电极02时，柔性电极01所含的集流体1为正极集流体021，如可以是铝箔，如为厚度为12-14μm的铝箔，当然也可以是其他常用的正极集流体材料。柔性电极01所含的电极材料层2为正极材料层022。其中，在一实施例中，正极集流体单面的该正极材料层022的厚度可以为55-120μm。另外，正极材料层022也是由若干段正极材料层组成，相邻两段正极材料层之间具有间隔。在具体实施例中，所述正极材料层022包括正极活性材料、导电剂、正极粘结剂。该正极活性材料、导电剂、正极粘结剂含量的比例可以是常规锂离子电池正极活性层中的比例。其中，所述正极活性材料可以但不仅仅为钴酸锂(如LC800D)、三元正极材料(如PC10)、磷酸铁锂(如XC-116)、锰酸锂(如LMO-HB,)中的至少一种，所述正极粘结剂可以但不仅仅为PVDF(如HSV-900)、丙烯酸酯(如LA133)中的至少一种，所述导电剂可以但不仅仅为碳纳米管(CNT-S)、导电碳黑(Super-p)中的至少一种。
上述正极柔性电极制备方法可以是按照如下方法制备：
将上述正极材料层022所含的组分配制成正极浆料，将所述正极浆料分段涂设在正极集流体021上，经过后续的对辊后碾压至工艺厚度、制片等工艺处理。其中，涂设的方法可以是喷涂法或是转移涂布法等。
在一实施例中，上述柔性电极01为负极柔性电极03时，柔性电极01所含的集流体1为负极集流体031，如可以是铜箔，如为厚度为8-10μm的铜箔，当然也可以是其他常用的负极集流体材料。柔性电极01所含的电极材料层2为负极材料层032。其中，在一实施例中，负极集流体单面的该负极材料层032的厚度可以为60-140μm。另外，负极材料层032也是由若干段负极材料层组成，相邻两段负极材料层之间具有间隔。在具体实施例中，所述负极材料层032包括负极活性材料、导电剂、负极粘结剂。该负极活性材料、导电剂、负极粘结剂含量的比例可以是常规锂离子电池负极活性层中的比例。其中，所述负极活性材料可以但不仅仅为人造石墨(HSG)，天然石墨(如AMU-1)、钛酸锂(如YL-T104)中的至少一种，所述负极粘结剂但不仅仅为丁苯乳胶(如SD-6156)、丙烯酸酯(如LA133)、羧甲基纤维素钠(如CRT3000PA)中的至少一种，所述导电剂但不仅仅为碳纳米管(CNT-S)、导电碳黑(Super-p)中的至少一种。
上述负极柔性电极制备方法可以是按照如下方法制备：
将上述负极材料层032所含的组分配制成负极浆料，将所述负极浆料分段涂设在负极集流体031上，经过后续的对辊后碾压至工艺厚度、制片等工艺处理。其中，涂设的方法可以是喷涂法或是转移涂布法等。
由上述可知，上述柔性电极01将所含的电极材料2层分段涂设在集流体1上，使得相邻两段电极材料层之间具有间隔。这样，当将正极柔性电极02与负极柔性电极03如图4中所示按照各段正极电极材料层与各段负极电极材料层一一对应设置成电芯后，在组装电池的过程中将正负极所含的间隔区间与隔膜以及壳体形成密封区间，正极所含的若干段正极材料层与所述负极所含的若干段负极材料层以及壳体形成电池单体。最终被封装形成的电池则是由所述密封区间串联的电池单体构成，由于密封区间没有电极材料，因此，封装形成的电池可以在密封区间处折叠，赋予电池柔性。
另一方面，在上文柔性电极01的基础上，本发明实施例还提供了一种柔性电芯。所述柔性电芯的结构如图4所示，该柔性电芯05包括正极02和负极03以及层叠于所述正极和负极之间的隔膜04。
其中，正极02为上文所述的正极柔性电极02，因此，其结构如上文柔性电极01，其包括正极集流体021和分段涂设在正极集流体021表面的若干段正极材料层022，且相邻两段正极材料层之间具有间隔。
同样，负极03为上文所述的负极柔性电极03，因此，其结构如上文柔性电极01，其包括负极集流体031和分段涂设在负极集流体031表面的若干段负极材料层032，且相邻两段负极材料层之间具有间隔。
其中，正极02和负极03层叠形成的柔性电芯05中，正极02所含的若干段正极材料层022与负极03所含的若干段负极材料层032一一对应设置，此时，若干段正极材料层022相邻两段正极材料层之间的间隔区域与若干段负极材料层032相邻两段负极材料层之间的间隔区域也一一对应设置，如图4所示电芯中正极02和负极03层叠位置关系。
在一实施例中，上述各实施例中的柔性电芯05可以是如下结构：
第一种，包括一片正极02和一片负极03，该正极02和负极03之间通过层叠结合的隔膜04隔开。且正极02所含的若干段正极材料层022与负极03所含的若干段负极材料层032一一对应设置，此时，若干段正极材料层022相邻两段正极材料层之间的间隔区域与若干段负极材料层032相邻两段负极材料层之间的间隔区域也一一对应设置。
第二种，包括至少一片正极02和至少两片负极03，且正极02、负极03交替层叠，每相邻正极02与负极03之间通过层叠结合的隔膜04隔开。且正极02所含的若干段正极材料层022与负极03所含的若干段负极材料层032一一对应设置，此时，若干段正极材料层022相邻两段正极材料层之间的间隔区域与若干段负极材料层032相邻两段负极材料层之间的间隔区域也一一对应设置。
第三种，包括至少两片正极02和至少一片负极03，且正极02、负极03交替层叠，每相邻正极02与负极03之间通过层叠结合的隔膜04隔开。且正极02所含的若干段正极材料层022与负极03所含的若干段负极材料层032一一对应设置，此时，若干段正极材料层022相邻两段正极材料层之间的间隔区域与若干段负极材料层032相邻两段负极材料层之间的间隔区域也一一对应设置。
上述各实施例中的电芯中的隔膜04可以锂离子电池常用的隔膜，优选为高分子凝胶隔膜，这样，当电芯在封装时，可以直接对若干段正极材料层022相邻两段正极材料层之间的间隔区域与若干段负极材料层032相邻两段负极材料层之间的间隔区域直接热压合，与壳体一起形成密封区间。
这样，在上述各实施例中的电芯中，若干段正极材料层022相邻两段正极材料层之间的间隔区域与若干段负极材料层032相邻两段负极材料层之间的间隔区域也一一对应设置，这是为了使得将上述电芯组装成电池后，可以将正负极所含的间隔区间与隔膜以及壳体形成密封区间，一一对应设置对若干段正极材料层022与若干段负极材料层032与隔膜04和壳体形成电池单体。这样，封装形成的电池则是由所述密封区间串联的电池单体构成，由于密封区间没有电极材料，因此，封装形成的电池可以在密封区间处折叠，赋予电池柔性。
现结合具体实例，对本发明实施例柔性电极和柔性电芯进行进一步详细说明。
1.柔性正极实施例
实施例11
本实施例提供一种柔性正极包括铝箔集流体，和涂设在铝箔表面正极材料层，且正极材料是由若干段正极材料层组成，相邻两段正极材料层之间具有间隔。其中，每一段正极材料层的宽度为8mm，厚度为88-96μm，相邻两段正极材料层之间的所述间隔宽度为4-5mm。
正极材料层包含正极材料、导电剂和PVDF粘结剂，且正极材料、导电剂和粘结剂的质量含量比为96％：2％：2％。
实施例12
本实施例提供一种柔性正极结构如同实施例11。其包括铝箔集流体，和涂设在铝箔表面正极材料层，其中，每一段正极材料层的宽度为12mm，厚度为70-78μm，相邻两段正极材料层之间的所述间隔宽度为3-4mm。
正极材料层包含正极材料、导电剂和PVDF粘结剂，且正极材料、导电剂和粘结剂的质量含量比为97.0％：1.2％：1.8％。
实施例13
本实施例提供一种柔性正极结构如同实施例11。其包括铝箔集流体，和涂设在铝箔表面正极材料层，其中，每一段正极材料层的宽度为8mm，厚度为79-87μm，相邻两段正极材料层之间的所述间隔宽度为5-6mm。
正极材料层包含正极材料、导电剂和PVDF粘结剂，且正极材料、导电剂和粘结剂的质量含量比为96.5％：1.5％：2.0％。
实施例14
本实施例提供一种柔性正极结构如同实施例11。其包括铝箔集流体，和涂设在铝箔表面正极材料层，其中，每一段正极材料层的宽度为6mm，厚度为97-105μm，相邻两段正极材料层之间的所述间隔宽度为4-5mm。
正极材料层包含正极材料、导电剂和PVDF粘结剂，且正极材料、导电剂和粘结剂的质量含量比为95.5％：2.0％：2.5％。
2.柔性负极实施例
实施例21
本实施例提供一种柔性负极包括铜箔集流体，和涂设在铜箔表面负极材料层，且负极材料是由若干段负极材料层组成，相邻两段负极材料层之间具有间隔。其中，每一段负极材料层的宽度为12mm，厚度为101～108μm，相邻两段负极材料层之间的所述间隔宽度为2～3mm。
负极材料层包含负极材料、铜箔、导电剂和丁苯乳胶粘结剂和羧甲基纤维素钠粘结剂，且负极材料、导电剂、羧甲基纤维素钠粘结剂和丁苯乳胶粘结剂的质量含量比为96％：1.0％：1.2％：1.8％。
实施例22
本实施例提供一种柔性负极结构如同实施例21。其包括铜箔集流体，和涂设在铜箔表面负极材料层，其中，每一段负极材料层的宽度为14mm，厚度为92-100μm，相邻两段负极材料层之间的所述间隔宽度为2-3mm。
负极材料层包含负极材料、导电剂和丁苯乳胶粘结剂和羧甲基纤维素钠粘结剂，且负极材料、导电剂、羧甲基纤维素钠粘结剂和丁苯乳胶粘结剂的质量含量比为96.5％：0.5％：1.2％：1.8％。
实施例23
本实施例提供一种柔性负极结构如同实施例21。其包括铜箔集流体，和涂设在铜箔表面负极材料层，其中，每一段负极材料层的宽度为10mm，厚度为109-117μm，相邻两段负极材料层之间的所述间隔宽度为5-6mm。
负极材料层包含负极材料、导电剂和丁苯乳胶粘结剂和羧甲基纤维素钠粘结剂，且负极材料、导电剂、羧甲基纤维素钠粘结剂和丁苯乳胶粘结剂的质量含量比为95.5％：1.0％：1.4％：2.1％。
实施例24
本实施例提供一种柔性负极结构如同实施例21。其包括铜箔集流体，和涂设在铜箔表面负极材料层，其中，每一段负极材料层的宽度为8mm，厚度为118-126μm，相邻两段负极材料层之间的所述间隔宽度为4-5mm。
负极材料层包含负极材料、导电剂和丁苯乳胶粘结剂和羧甲基纤维素钠粘结剂，且负极材料、导电剂、羧甲基纤维素钠粘结剂和丁苯乳胶粘结剂的质量含量比为95.0％：1.5％：1.5％:：2.5％。
3.柔性电芯实施例31-34
将实施例11至14中提供的柔性正极与实施例21至24中提供的柔性负极遵照下述表1中的组装原则并按照图4所示的结构关系将柔性正极与柔性负极交替层叠结合分别形成柔性电芯实施例31至34，且在相邻柔性正极与柔性负极之间层叠凝胶隔膜将两者隔开，形成柔性电芯。其中，在本实施例柔性电芯中，正极所含的若干段正极材料层与负极所含的若干段负极材料层一一对应设置，同时若干段正极材料层相邻两段正极材料层之间的间隔区域与若干段负极材料层相邻两段负极材料层之间的间隔区域也一一对应设置，以便于将本实施例电芯组装电池过程中，将正负极所含的间隔区间与隔膜以及壳体压合形成密封区间，正极所含的若干段正极材料层与所述负极所含的若干段负极材料层以及壳体形成电池单体。这样，封装形成的电池则是由所述密封区间串联的电池单体构成，由于密封区间没有电极材料，因此，封装形成的电池可以在密封区间处折叠，赋予电池柔性。
表1
上述实施例31至实施例34提供的电芯既具有理想的弯折幅度，而且还有具有相对较高的能量密度。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种柔性电极，包括集流体和涂设在所述集流体表面的电极材料层，其特征在于：所述电极材料层是由若干段电极材料层组成，相邻两段电极材料层之间具有间隔。
2.根据权利要求1所述的柔性电极，其特征在于：所述相邻两段电极材料层之间的所述间隔宽度为2-6mm。
3.根据权利要求1或2所述的柔性电极，其特征在于：所述若干段电极材料层中对每一段电极材料层的宽度为8-12mm。
4.根据权利要求1或2所述的柔性电极，其特征在于：所述集流体为正极集流体，所述电极材料层为正极材料层；或
所述集流体为负极集流体，所述电极材料层为负极材料层。
5.根据权利要求4所述的柔性电极，其特征在于：所述正极集流体单面的所述正极材料层的厚度为55-120μm，所述负极集流体单面的负极材料层的厚度为60-140μm。
6.根据权利要求5所述的柔性电极，其特征在于：所述正极材料层包括正极活性材料、导电剂、正极粘结剂；其中，所述正极活性材料为钴酸锂、三元正极材料、磷酸铁锂、锰酸锂中的至少一种，所述正极粘结剂为PVDF、丙烯酸酯中的至少一种，所述导电剂为碳纳米管、导电碳黑中的至少一种；
所述负极材料层包括负极活性材料、导电剂、负极粘结剂；其中，所述负极活性材料为人造石墨、天然石墨、钛酸锂、中的至少一种，所述负极粘结剂为丁苯乳胶、丙烯酸酯、羧甲基纤维素钠中的至少一种，所述导电剂为碳纳米管、导电碳黑中的至少一种。
7.一种柔性电芯，包括正极和负极以及层叠于所述正极和负极之间的隔膜，其特征在于：所述正极为权利要求5或6所述的含有正极材料层的柔性电极，所述负极为权利要求5或6所述的含有负极材料层的柔性电极，且所述正极所含的若干段正极材料层与所述负极所含的若干段负极材料层一一对应设置。
8.根据权利要求7所述的柔性电芯，其特征在于：所述正极至少一片，所述负极至少两片，且所述正极、负极交替层叠，且每相邻所述正极与负极之间层叠所述隔膜；或
所述负极至少一片，所述正极至少两片，且所述正极、负极交替层叠，且每相邻所述正极与负极之间层叠所述隔膜。
9.根据权利要求7或8所述的柔性电芯，其特征在于：所述隔膜的厚度为9-20μm。
10.根据权利要求7-8任一所述的柔性电芯，其特征在于：所述隔膜为凝胶隔膜。
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