CN107706450B - 柔性固态多层叠平板锂离子电池组件及电池封装方法 - Google Patents

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Abstract

本申请实施例提供的柔性固态多层叠平板锂离子电池组件呈现于此。它由许多包含背靠背多层叠互相并联的电化学电池的锂离子电池组所构成，其中所有电化学电池均使用了固态电解质，电池组用柔性高分子材料封装密封。电池组被混合成一些电池区间，每个电池组的正负极终端被分别连接到相对应的由边侧开关所控制的边侧终端。每个电池区间第一个电池组的正极终端与最后一个电池组的负极终端分别被进一步连接到一个正极旋转开关和一个负极旋转开关。利用这些不同的开关和电控盒，电池组件的输入输出电压和电流可以被自由调控。

Description

柔性固态多层叠平板锂离子电池组件及电池封装方法
相关申请的交叉引用
本申请要求美国专利申请No.15/340,995的优先权权益,该专利申请于2016年11月2日提交,该专利申请通过引用方式结合于此。
技术领域
本申请涉及一种由多个锂离子电池组构成的柔性固态多层叠平板锂离子电池组件，其中每个电池组由一些固态电化学电池组成。本发明还具备不同电池组之间可变的电子连接设计以控制电池组件的输入/输出电流和电压。本发明所相关的锂离子电池组件具有柔性、安全、轻薄、快速充电、可调节输出功率、以及可与太阳能组件对接等特征。
背景技术
锂离子电池已经被开发了几十年，与传统的铅酸或锌锰电池不同的是，锂离子电池使用非水电解质溶液。随着锂离子电池的发展，不同材料已被用于电极或电解质。例如，正极材料包括不同的过渡金属氧化物，如LiCoO2、LiNiO2、LiMn2O4、LiFePO4、LiV2O5以及它们的组合。主要的负极材料仍然是碳家族，包含中间相碳微球(MCMB)、人造石墨、碳涂覆天然石墨、石墨、硅、以及金属合金。尽管许多电解质目前被开发应用于锂离子电池，最流行的电解质依然是LiPF6、LiClO4、LiBF4等，并与一些诸如碳酸丙烯酯(PC)和碳酸乙烯酯(EC)之类的碳酸盐溶剂混合。此外，其它材料，例如隔膜、添加剂、以及阻燃剂，已经被应用于提升锂离子电池的性能与安全性。
鉴于其高能量密度且对环境无污染，锂离子电池(LiBs)已经取代镍－金属氢化物(Ni－MH)及镍－镉(Ni－Cd)二次电池而被应用于从手机、手提电脑到电动汽车的不同领域。与其广泛的研究和应用相比，锂离子电池在其形状与结构方面显示出更少的选择性。基本形状上有纽扣、平板、圆筒及方块形状。随着薄膜镀膜技术的发展以及固态电解质的应用，薄膜和柔性锂离子电池已经受到了越来越多的关注。特别是一些诸如柔性平板显示器之类的柔性电子产品的出现，要求使用柔性锂离子电池。所以，柔性锂离子电池近年吸引了诸多关注。例如，美国专利5,552,239号和5,478,668号描述了具有折叠或卷绕结构的大容量可充电矩形或圆筒形锂离子电池。美国专利5,498,489号也揭示了一种包含折叠式或层叠式电化学电池锂离子结构的锂离子电池，这些电化学电池具有折叠式的连续性、且有柔性的位于初级与次级离散电极板之间的高分子层压电解质。
一种柔性的薄板锂离子电池可以被层压在不同材料中。正如美国专利5,478,668号所述，它的构成首先有一块导电性集流箔或格珊，材质如铜、镍、镀镍金属或高镍不锈钢，在其上有一块负极膜，成份为一种可嵌入材料，例如碳或石墨、或低电压的嵌锂化合物，如三氧化钨、二氧化钼、或者铝，共同被分散在一种塑化高分子粘合剂网格中。一种具有塑化VdF:HFP共聚物的电解质/分隔膜被放置于此电极元件之上并由一种正极膜所覆盖，这种正极膜由一种细分的嵌锂化合物如LiMn2O4、LiCoO2、或LiNiO2所构成，它们都存在于一种塑化高分子粘合剂网格中，再由一片铝集流箔或格珊完成组合。其整体随后在加热加压软化与键合高分子化合物并且层压膜与集流体层的条件下被压制于金属片之间。它也许需要一些特别的层压材料以避免湿汽或氧气的入侵，有如美国专利5,445,856号所揭示的。美国专利6,828,065号的现有技术显示碳阳极被层压或以一种非常薄的膜镀于铜金属化聚合物材料(例如，PET)的两面。类似的结构被应用于阴极，它可以被镀于铝电流集流体上。一张绝缘片和一片金属化的PET集流体完成装配并层压锂离子电池。
令人满意的可充电锂离子电池预期具有高能量密度、快速充电性能、以及长的使用寿命。美国专利5,498,489号和6,828,065号所揭示的电池被层压与封装成折叠或卷绕的形状以在有限的尺寸中增加电池的容量。然而，它可能失去了电池的柔性。有如美国专利8,475,954号所描述的，在现有发明的其它一些实施例中，多电压的电池组件有着诸多叠在一起的电池以提高能量密度。在这些实施例中，圆筒状的锂离子电池被放置于一个带有互锁机构的外壳或盒子中，以便将多个组件连接在一起。而在一个组件内，电池可以通过位于电池顶部和底部的极耳连接成不同的格局。
本发明提供了一种柔性固态多层叠加的平板可充电锂离子电池组件。它薄而平整，可悬挂于墙上并可卷成卷于户外携带。多层叠的平板锂离子电池被逐层涂覆并层压于防水与氧气隔离的塑化高分子内。其多层叠的电池平面被组合成许多由多层叠电化学电池组所构成的电池分区，其中的电化学电池组可依输出电压与功率的要求而相互串联或并联。这些多层叠的锂离子电池组可以通过开关以及可编程逻辑线路(PLC)自由组合并且控制以调整输入/输出电压和电流。由于每组的多层叠电化学电池具有有限的电活性材料和内阻，这种可充电的平板锂离子电池组件可以快速充电。更有甚者，本发明的锂离子电池组件还可以通过远程遥控。
发明内容
本发明提供了一种由多组相互连接的电化学电池组所构成的柔性固态平板可充电锂离子电池组件，每组电池组均具有一致的由几个电化学电池相互并联所构成的平面层压结构。每一个单一的电化学电池的构成包括一个阳极、一个阴极，和一片固态聚合物电解质、凝胶聚合物电解质或聚电解质膜/隔膜，它们被夹在导电性阳极和阴极集流体箔或格珊之间。具体为，在铜、镍、镀镍金属、或者高镍不锈钢的阳极箔或格珊之上，覆有一层由诸如碳或石墨、硅修饰的石墨、或者低电压嵌锂化合物(比如三氧化钨、二氧化钼或铝)的嵌锂材料被分散在一种塑化的高分子粘合剂基体中所构成的阳极膜，一片固态电解质薄膜被置于此阳极膜之上，然后再将一块由诸如LiMn2O4、LiCoO2、LiFePO4、LiV2O5或LiNiO2等细分的嵌锂化合物被分散在一种塑化的高分子粘合剂基体中所构成的阴极膜置于其上，一片铝阴极集流体箔或格珊最后被置于阴极膜上方而组合完成一个电化学电池。在此铝阴极集流体的另一面，涂覆着另一层阴极材料，随后是一层电解质/隔膜，一层阳极膜和另一片阳极集流体箔或格珊。以此方式，几个电化学电池可以背靠背的方式并联组合在一起，其中电流集流体箔或格珊由相邻的两个电化学电池共享，仅有并联电池组最底端与最顶端的集流体例外。由多层叠电化学电池互相并联而构成的不同锂离子电池组随后通过金属条或线相互连接以组合成一件柔性平板锂离子电池组件。最后，所有相互连接的锂离子电池组在加热加压以软化与键合高分子化合物的条件下被压制于乙烯醋酸乙烯酯(EVA)薄膜以及顶部和底部的层压膜(如聚酰胺PI)之间并将膜与集流层层压在一块。
本发明不同的叠层可通过卷对卷真空或非真空的沉积方法而涂覆，随后用机械或激光划线的技术分隔不同的锂离子电池组。它们也能通过传统的制造过程逐层沉积和增加不同的材料，然后再切成不同的锂离子电池组。随后这些锂离子电池组能够按照预先设计的线路通过金属条或线相互连接。这些锂离子电池组可被进一步混合成不同的电池分区，这些分区可以被连接到位于组件边缘的一些开关以供开合操作。一个卷对卷沉积的多层叠柔性锂离子电池基材也可被切割成一些小的锂离子电池组，然后用一些导电金属条互联，再通过EVA膜和阻水防氧的共聚物层压在一起，最后连接上电控器件以及其它配件以完成一件电池组件的制造。
用于本发明的固态电解质可以是诸如聚环氧乙烷(PEO)和聚环氧丙烷(PPO)的全固态聚合物电解质、诸如聚丙烯腈(PAN)、聚偏二氟乙烯(PVDF)和聚甲基丙烯酸甲酯之类的凝胶聚合物电解质，以及聚电解质。这些固态电解质对本发明贡献极大。
附图说明
为了更清楚的说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1表明一件具有多层叠锂离子电池组和相关电子器件的柔性固态平板锂离子电池组件；
图2展示了一组多层叠锂离子电池组从底部到顶部的不同层侧视图；
图3A表明了由三个电化学电池所构成的多层叠锂离子电池组以及这些堆叠电池之间的相互连接侧视图；
图3B表明了由三个电化学电池所构成的多层叠锂离子电池组以及这些堆叠电池之间的相互连接俯视图；
图4展示了由几套柔性固态平板锂离子电池组件相互连接的一个阵列以及其与一组太阳能电池阵列连接的示意图。
具体实施方式
本发明提供了一种由许多相互连接的多层堆叠锂离子电池组所构成的柔性固态多层堆叠的平板二次锂离子电池组件。每一组电池组由几个堆叠着的固态锂离子电化学电池所组成，这几个电池相互并联以提供更大的电流。在组件中的不同电池组可以互相串联以增加输出电压或相互并联以增加输出电流。这种设计可使单个组件根据使用者的决定而提供显著的输出功率。因为电池组件是软包装的且具有平板结构，它是柔性并且轻的。所以，它便于携带且适合应用于可穿戴设备。本发明的电池组件是固态的并且所有电化学电池皆与氧气隔绝。它要比圆筒状或方块电池安全得多，因为热量不会在所述的平板电池组件内聚集。固态电解质的应用显著增加了锂离子电池的安全性。尽管多层堆叠的封装增加了所述电池组件的厚度，本发明所提供的电池组件仍然要比一个卷绕的圆筒状或方形电池轻薄得多。
除了上面所描述的，本组件还具备许多更加独特的优点。例如，所有单一的电化学电池都可同时充电从而实现整体锂离子电池组件的快速充电。对于一个装载着同样数量活性材料的锂离子电池而言，具有多层堆叠的结构相比于一个单层的电池，锂离子在阴阳极之间短的迁移距离所导致的更低的内阻有利于快速充电和高电流放电。相互连接的电池组可以被混合成几个不同的电池分区，通过使用一个或多个分区，使用者可以选择不同的输出功率，这可以增加本组件的放电时间。多个锂离子电池组件能够被简单地相互串联或并联，以便按照所要求的输出电压或电流形成一个阵列。所述锂离子电池组件包括一个或更多的输入/输出界面而与太阳能组件或其它外在能源相连接。
图1所展示的是本发明的一个实施例。锂离子电池组件100由二十组标号为1到20相互隔离的柔性固态平板锂离子电池组50所组成。每个锂离子电池组50由三个并联的固态电化学电池组成，这三个电池共享两个正极(阴极)210和两个负极(阳极)250，编号212表明了电池组的极性符号。所述锂离子电池组50的所有正负终端被分别导出到位于所述电池组件左边相应的边侧终端152和158。这二十对正的(152)和负的(158)边侧终端依从上到下的次序排列并且和标号为1到20的所述电池组相联系。在正负终端之间，有一些中性极柱155，它们是一些与任何电路或元件均不相连的独立导体。边侧开关159控制着所述电池组件的能量输出和输入。它们可能是具有单竿和双掷的切换开关(SPDT)、按钮开关，或电控继电器。这些开关的双掷指的是所述中性终端与极性(正或负)终端。此外，本实施例中的二十组所述电池组50被混合成五个电池分区。这五个电池分区的第一个正极边侧终端通过五根金属条或线160被导出连接到一个旋转开关110，110从左下顺时针到右下的五个极(空心环)分别与标号为1、5、9、13、和17的正边侧终端相联系。由于空间有限，这些数字没有标在图1的极柱上。类似地，这五个电池分区的最后一个负极边侧终端通过五根金属条或线255被导出连接到另一个旋转开关115，115从左下顺时针到右下的五个极(空心环)分别与标号为4、8、12、16、和20的负边侧终端相联系。
利用上述设计，使用者可以自由控制如何使用本电池组件。例如，当所有正极和所有负极边侧开关159都打到同样极性的终端时，如果正极旋转开关110打到极柱1且负极旋转开关115打到极柱20，所有所述20组电池组将会被并联在一起。因为在任何单一电池组50中的三个电化学电池是并联的，上述连接条件导致所述锂离子电池组件100中所有60个电化学电池均被并联在一起。假如所述电池组件在恒电压下充电，所需时间相当于一个单一的电化学电池。其结果是整个组件所需的充电时间是很短的，因为在每个单一的电化学电池中活性材料的量是有限的。这些有限量的活性材料与每个单一电化学电池中的固态电解质相关联形成了固态平板的电池结构。
反之，当所有所述边侧开关159均被打到中性极柱155时，如果正极旋转开关110被打到极柱1而负极旋转开关115被打到极柱20，则所有电池组将被串联在一起。此时假如每组电池组的电压是3.9伏，整个组件的输出电压可能就是78伏。在现有技术中，Hayashi等人在一种溅射的6.2微米厚的LiCoO2阴极薄膜上实现了250μAhcm2的比放电容量。所以，在本发明中，假如每一个电化学电池的有效面积是500cm2(20cm X 25cm)，而每一个电池LiCoO2阴极薄膜的厚度为5微米(μm)，则每组由三个电化学电池并联组成的电池组可能具有300mAh的容量。如果整个组件中所有所述电池组都串联在一起，组件的输出功率可能约为23Wh而其输出电压为78伏。使用者也可以用所述边侧开关159使得每个电池区间的四组所述电池组串联在一块，但是五个电池区间之间以并联相连接，从而达到1500mAh的放电容量，同时降低整个组件的输出电压到15伏。在每个所述电池区间中的电化学电池数量可以被增加到10以提高输出电流并且显著增加每个电池组的放电容量。然而，它也许明显增加制造过程的复杂性。使用者也可考虑增加正负极电极膜的厚度，例如，增加到超过100μm，以实现每个电池组更大的放电容量。与仅仅由充电时间极短的薄的多层堆叠电化学电池所组成的电池组相比，一个包含非常厚的阴极和阳极层的多层堆叠柔性电化学电池的电池组要求更多的充电时间，这是由于其更大的内阻、更长的锂离子迁移路径，以及两个电极之间更多的活性材料所致。
本实施例的另一方面，所有电池组可以串联方式相连接，并从输入/输出终端128(125代表两条线的极性)或输入终端148充电，在此连接中，所有电池组能够以恒电流同时充电。恒定直流电流或电压可从两个电控盒130和140所提供，这两个电控盒内部均有提供恒定直流电流或电压的电路以及防止过充电或过放电的保护电路。电控盒130也包括一些元件和电路以控制和保护整个组件。电控盒上还有两个USB插口132和一个输入/输出接口135。一个或更多的指示灯138被安装于电控盒130上用于指示所述锂离子电池组件100的工作状态。此外，通过一些安装于所述电控盒130内的元件，所述锂离子电池组件可被远程遥控和无线充电。输出终端128也可被用于输入。在某些情况下，另一个电控盒140也许不是必需的，但如果使用者仅仅使用部分电池区间放电却想要对余下的电池区间充电，电控盒140是极为有用的。两个旋转开关110和115被连接到电控盒130，数字120表明它们的极性符号。假如安装了电控盒140，一对连接器145应被安装于电控盒140和旋转开关110和115之间。在此连接之下，旋转开关也许因同时连接所述电控盒130和140而更加复杂，一些保护电路也许应被安装于所述电控盒内以避免任何输入与输出源的冲突。其结果是，使用者能够使用一部分所述的电池组件放电而使另一部分处于充电状态。尤其是，本锂离子电池组件可与太阳能组件相连接而充当能量储存器。由于本电池组件不同的电池区间能够以串联或并联方式自由混合，使用者可以依据不同的输出要求仅仅使用所述电池组件的一部分来增加使用时间。例如，假如使用者仅仅使用一个电池区间(包含4组电池组)以1000mA放电一小时，整个电池组件可被连续使用超过五小时而无需充电。同时，刚被放电的电池区间可通过一个能量源(如一个太阳能组件)同时充电，以使电池组件用于更长的时间。
本发明提供了一种使用柔性固态平板锂离子电池的思路。在更进一步的实施例中，图1中的电池组件可设计为自动控制的。在此情形下，一种可编程逻辑控制器(PLC)可被结合入电控盒130中，那些开关或继电器，包括旋转开关110和115、边侧开关159、以及另一个电控盒140，都被设计为由安装于电控盒130内的PLC自动控制。利用这种更加高档但也更贵的设计，不同的电池组可用PLC自由混合，甚至用电脑或手机远程控制。
在某些特殊应用中，图1所展示的锂离子电池组件100也可以被切割成不同的片段。例如，柔性太阳能组件已经商业化制造并应用于可穿戴设备，然而，由于它们大部分时间里可能都嗮不到太阳，使它们的应用受到局限，可充电电池可被用于储存太阳能从而弥补其不足。可是，一般的可充电电池也许很重、刚硬而且要占据额外空间，反之，本发明的锂离子电池组件可以被分隔成不同的电池区间并且作为可穿戴锂离子储能器件的一些片段而封装入可穿戴设备中，电控盒130可与这些片段相互连接以增加一些可穿戴太阳能组件的应用范围。在这种设计中，每一个不同的电池区间都应被独立密封封装，不同电池区间的相互连接可经绝缘的金属线而得以实现，图1所显示的边测终端、边侧开关和旋转开关应具备与一个单一电池组件同样的功能。
本发明锂离子电池组件100的逐层封装结构被图示于图2。一块底部封装膜200和一块顶部封装膜205是所述电池组件的最外层，其材料也许是聚酰亚胺(PI)、聚苯并咪唑(PBIs)、聚酰胺酰亚胺(PAI)、聚醚醚酮(PEEK)、聚醚砜(PES)，以及聚酰胺(PA)。这些聚合物膜具有优异的机械强度和耐热性。例如，PI膜可被加热到超过450℃而不变形。与这两种聚合物膜内表面紧贴着的是两块乙烯醋酸乙烯酯(EVA)薄膜300。EVA薄膜已经被作为封装材料而广泛应用于太阳能组件的制造中。在高于120℃的温度下，EVA膜熔融并极好地密封太阳能电池。所以，它作为一种密封材料被应用于本发明，旨在将锂离子电池组封装于膜中。所有这些电池组首先在电路上相互隔绝，然后用一些金属条或线实现电连接。在所述锂离子电化学电池的制造过程中，活性材料的沉积可通过卷对卷过程制作堆叠层，产品卷先按照预先设计的电池组件面积切割成不同的电池组，再将电池组电连接在一起。这些相互连接的电池组在一台层压机中按照如下所示的堆叠结构被封装：即背板膜/EVA/电池组/EVA/前板膜。在层压过程中，EVA膜熔融并且将所有堆叠层固定于确定位置上。最后再将其它配件，如电控盒与开关，加到前板膜上以完成一件柔性固态平板锂离子电池组件的制造。
图2揭示了在所述锂离子电池组件100中的其它层。从底部往上数第三层210是一片诸如铝的金属箔用于收集阴极层220的电流，其上是一片固态电解质/分隔膜230，再上则为阳极层240，另一片金属箔(如铜)250被安放于240之上以收集阳极层240的电流。这从210到250的许多层构成了一个完整的固态锂离子电化学电池。正如图2所表明的，240、230、220和210的这几层以相反的次序被应用于金属箔250的另一面而构成了另一个电化学电池。第三个电化学电池以此类似的方式被叠加上去。图2展示了由三个固态电化学电池叠加所产生的一组电池组。不同的电化学电池以一种“背靠背”的方式被安排在一起，这使得两个相邻的电化学电池共享一片金属箔电流集流体，仅在所述锂离子电池组的底部和顶部的集流体箔为例外。更多的电化学电池可以上述方式被叠加。这种布局使所有在所述电池组内不同的电化学电池以并联方式相互电连接。按照欧姆定律，一个电池组的电压等同于每一个单一电化学电池的电压，但所述电池组的电流则为每个电化学电池所产生的电流之和。图2所示封装材料从底部到顶部的次序可在不同的设计中完全逆转。
所有用于制备本发明锂离子电池组件的材料在商业上均可购得。适用于阴极的材料可从下述组中选一：即LiCoO2、LiNiO2、LiNi1/2Mn1/2O2、Li1+x(NixCo1-2xMnx)1-xO2、LiMn2O4、LixMnO2、LiV2O4、LixV2O5、LiFePO4、LiMnPO4、LiCoPO4、MnO2、TiO2、V2O5、V3O8、VO2、V6O13、Cr2O5、WO3、MoS3、CoO2、MoV2O8，和MoO3。阳极则可选自下述材料：石墨、碳、以及非碳材料。在这些阳极材料中，石墨可包括展示出320mAh比容量的中间相碳微球(MCMB)、中间相沥青基碳纤维(MPCF)、以及天然石墨。碳可以包括晶体或无定形形态。非碳材料可能是一些LixM合金，如LixSn、LixSi、犹如碳－硅之类的金属－碳复合物，以及一些金属氧化物或金属氮化物。此外，在本发明的锂离子电池组件中，展示了极高能量密度的金属锂也可直接用作阳极。电池所产生的电流必须通过电流集流体收集。一般而言，一片铝箔可被用作阴极电流集流体210，而一片铜箔可被用作阳极电流集流体250。这些金属箔可在制造过程中通过一条生产线直接沉积为镀层，或从商业渠道获取。
在本发明的柔性固态锂离子电池组件中所使用的最重要的材料之一也许是固态电解质膜。目前在锂离子电池中所使用的固态电解质包括全固态聚合物电解质、凝胶聚合物电解质和聚电解质。其中，全固态聚合物电解质(SPEs)可以是聚环氧乙烷(PEO)、聚环氧丙烷(PPO)、聚乙烯酰胺(PEI)、聚亚烷基硫化物(PAS)等等。除了SPEs外，一些凝胶聚合物电解质(GPEs)，例如聚丙烯腈(PAN)、聚偏氟乙烯(PVDF)，和聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，由于它们高的离子传导性，已被更加广泛地应用于聚合物锂电池(LPBs)的制备中。GPEs的高离子传导性源于被捕捉于聚合物多孔结构中的液体电解质。其它的固态电解质家族还包含聚电解质。它们是典型的环氧乙烷－环氧丙烷共聚物的网络。最适合于本发明的固态电解质也许是全固态电解质(SPEs)，因为它们安全、可靠、对不同形状均为柔性，尤其适用于薄膜锂离子电池。SPEs即使在高温下也不会释放可燃性气体。由于它们是全固态的，它们便于通过不同的薄膜沉积方法制造。因为固态电解质不需要隔膜和保护电路，其电池制造成本预期将会降低。
所述锂离子电池组50更加详尽的细节被展示于图3A和3B。金属箔210作为阴极(正极)电流集流体比电池本身更长以预留为电连接之用。同理，金属箔250作为阳极(负极)电流集流体从电化学电池的另一边伸出。图3B揭示出在一组电池组中具有同样极性的不同金属电流集流体的接触端不是重叠而是交错的。不同正接触端用金属条或线215连接，而不同负接触端用金属条或线255相连接。对每一组电池组，有一个公共正金属接触端218和一个公共负金属接触端258。每一组所述电池组的这些公共接触端被引出并连接到了边侧终端152和158，正如图1所示的。
如图4所展示的，多于一个本发明的锂离子电池组件能够被组合成一个锂离子电池阵列。所述锂离子电池组件可通过终端128或148串联以增加输出电压或并联以增加输出电流。例如，假设八件具有15伏和1500mAh放电容量的柔性锂离子电池组件串联在一块，并且将此组合的两套并联，由此16件组件所形成的阵列可提供120伏输出电压和3Ah放电容量。如果其直流电源通过一个逆变器转换成交流电输出，此组合可提供一小时3安培的交流输出电流。在上述阵列中所使用的所述锂离子电池组件仅仅具有大约1.2m2的面积，同时每一组所述电池组仅仅包含三个并联在一块的薄的电化学电池，通过增加电池组件的面积，在每组电池组中增加电化学电池的数量，或者增加每个电化学电池中电活性材料的量，使用者能够显著提高所述电池阵列的输出功率。由于所述锂离子电池组件是柔性并且薄的，它们可被灵活组合而不占用太多空间。尤其是，一个由多个柔性固态锂离子电池组件相互连接成的阵列可以非常完美地与太阳能组件相匹配。正如图4所示，一个电池阵列400可与一个太阳能电池阵列420相连接，并且将能量输出到电器450，该电器可能是交直流逆变器或其它器件。在这种设置中，白天由太阳能阵列420所收集的电可以被储存于所述锂离子电池阵列400，并在夜间给电器450供电。图4的设置在一些没有电力供应的边远地区是尤其有用的。它也可用于家庭或建筑物作为一种柔性的可挂于墙上的能量储存器。例如，本发明的锂离子电池组件或所述锂离子电池组件所组成的阵列可以与半透明的有机太阳能组件或由其组成的贴在一个家庭或建筑物窗户上的阵列相匹配，以扩展这些太阳能组件的应用范围。
本发明所提供的柔性固态平板锂离子电池组件可以通过锂离子电池工业中通常的方法制造，也能通过一些新的镀膜技术，如喷雾热解法、溅射法、蒸发法，以及印刷法，制备产品。然而，本发明中封装和密封方法完全不同于传统制造过程。某些制造过程必须在惰性环境中进行。本发明的封装与密封步骤可以总结如下：1)通过卷对卷过程将阳极与阴极材料镀于所述阳极与所述阴极电流集流体上，而所述阳极和阴极电流集流体可被镀于一面或两面；2)制备固态电解质膜；3)按照预先设计的锂离子电池组逐层叠加多层电化学电池；4)按照预设面积，切割或划线所述锂离子电池组；5)焊接金属条或线将所述电池组中所述电化学电池的所有阳极连接在一起；6)焊接金属条或线将所述电池组中所述电化学电池的所有阴极连接在一起；7)焊接金属条或线以连接所述电池组中每一个正极(阴极)接触端；8)焊接金属条或线以连接所述电池组中每一个负极(阳极)接触端；9)将包含锂盐的液体电解质溶液注入凝胶聚合物电解质并密封所述锂电池组的边缘；10)按照预先设计的锂离子电池组件，以背板膜、乙烯醋酸乙烯酯(EVA)膜、所述锂离子电池组、EVA膜、和前板膜的次序，叠加并密封所述锂离子电池组，其中，所述背板与前板膜材料可取自如下材料：聚酰亚胺(PI)、聚苯并咪唑(PBIs)、聚酰胺酰亚胺(PAI)、聚醚醚酮(PEEK)、聚醚砜(PES)，以及聚酰胺(PA)；11)在一台层压机中将已经叠层完毕的层于真空与温度110-180℃的条件下层压密封；12)安装边侧终端、边侧开关或继电器、旋转开关或继电器、指示灯，以及电控盒；13)连接所有所述终端、所述开关和所述电路；14)将所述电池组件进行修边；以及15)测试并完成锂离子电池组件。
本发明的柔性锂离子电池组件可被用于更多领域。例如，除上面所述的，锂离子电池组件可被制造成小的尺寸以适应一些便携式器件，尤其是类似于柔性计算机、曲面电视、柔性显示器以及手机之类的柔性电器。利用叠层的电化学电池在一个电池组中相互串联或并联的方式，本发明的锂离子电池组件能够被使用于不同的应用领域，如上所述，不同的电池组可以串联或并联的方式相互连接以提供所要求的输出电压和功率。对于不同的柔性便携式电器或家用电源，能量储存器的安全性是及其重要的。作为固态平板锂离子电池组件，本发明提供了一种柔性的、轻薄且安全的锂离子能量储存器以适应从便携式电器、柔性装备以及家用能源的不同应用领域。
实例1:一种具有LiCoO2阴极、石墨阳极和固态聚合物电解质的柔性全固态平板锂离子电池组件。
根据本发明于图1所显示的一种首选实施例，一种全固态层压的柔性平板锂离子电池组件展示于此。包含于此锂离子电池组件中的每一个电化学电池结构为：一层大约200微米厚的阳极层240、一层大约250微米厚的阴极层220、一片大约25微米厚的承载所述阳极层240的铜阳极电流集流体250、一片大约25微米厚的承载所述阴极层220的铝阴极电流集流体210，和一层大约30微米厚分散于阳极与阴极层之间的固态聚合物电解质230。如图2所示，固态聚合物电解质是一种阳离子导体并且在室温下具有大约10-4S/cm的电导率。一种具有短的EO侧链的聚环氧乙烷被用作固态电解质，其中结合了LiN(CF3SO2)2。每组电池组50包含5个面积为300cm2(20cm X 15cm)的电化学电池，这些电池背靠背地并联在一起。整个电池组件100由20组所述锂离子电池组构成，这些电池组被安排为五行四列，形成了一个0.6m2的有效面积和大约2毫米(mm)的厚度。包含了所有显示于图1上其它附加配件的整个组件的总面积大约为0.9m2(120cm X 75cm)。
在此实施例中每个电化学电池首选的阴极材料是LiCoO2与乙炔黑和高分子粘合剂PVDF的混合物(质量比为6:3:1)，这些阴极材料被涂覆于所述铝箔阴极电流集流体上形成了250微米厚的阴极层，此处大量的乙炔黑被用于增加厚层阴极的导电性。退火后完工的阴极层包含大约36％的钴酸锂LiCoO2(体积比)，其比容量大约为160mAh/g，而其密度为5.1g/cm2。每一组锂离子电池组具有大约11,016mAh的阴极容量，假如所有所述电池组并联在一起，则整个锂离子电池组件具有220,320mAh的阴极容量。反之，如果所有电池组串联在一起，所述电池组件的阴极容量大约仍为11,016mAh而其输出电压将是大约78伏，并使整个所述锂离子电池组件的功率达到859Wh。大约200微米厚的阳极材料是石墨粉MCMB(中间相碳微球)与粘合剂BM-400B的混合物(二者比率为9:1)。所述MCMB具有大约340mAh/g的比容量，于是所述电池组的阳极容量是11,749mAh且其N/P比是1.07。
本实例所制备的柔性全固态平板锂离子电池组件适合被应用于不同领域。它可用在家庭中充当能量储存器，也可带到室外作为电源。它还可用于柔性平板电子产品，或安装在一个曲面电视背后作为其直流电源。
实例2:一种具有磷酸铁锂阴极、石墨/硅阳极和凝胶聚合物电解质的柔性固态平板锂离子电池组件。
根据本发明图1所示的另一个实施例，一种柔性固态层压的平板锂离子电池组件被作为高能量储存器而提供于此。包含在此组件中的每个单一电化学电池组成如下：一层大约55微米厚的阳极层240、一层大约240微米厚的阴极层220、一片大约25微米厚的承载所述阳极层240的铜阳极电流集流体250、一片大约25微米厚的承载所述阴极层220的铝阴极电流集流体210，和一层大约40微米厚分散于阳极与阴极层之间的凝胶聚合物电解质230，正如图2所示的。所使用的凝胶聚合物电解质聚丙烯腈(PAN)是一种阳离子导体并且在室温下具有大约2.9x10-4 S/cm的电导率，它被浸渍于包含1.0M LiPF6的碳酸丙烯酯(PC)和碳酸乙烯酯(EC)的混合溶液中。每组电池组50包含5个面积为216cm2(18cm X 12cm)的电化学电池，这些电池背靠背地并联在一起。整个电池组件100由72组所述锂离子电池组构成，这些电池组被安排为九行八列，形成了一个1.56m2的有效电池面积和大约2.5毫米(mm)的厚度。包含了所有显示于图1上的其它附加配件的整个组件总面积大约为1.84m2(175cm X105cm)。
在此实施例中每个电化学电池首选的阴极材料是LiFePO4与乙炔黑和高分子粘合剂PVDF的混合物(质量比为7:2:1)所形成的240微米厚的阴极层，磷酸铁锂LiFePO4的比容量大约为160mAh/g，而其密度为3.7g/cm2。每一组锂离子电池组具有大约7,877mAh的阴极容量，假如所有72组电池组并联在一起，则整个锂离子电池组件具有567,144mAh的阴极容量。如果将72组电池组均分成相互并联的两大组，每大组36组电池组串联在一起，所述电池组件的阴极总容量大约为15,754mAh而此种组合的输出电压将是大约122伏，所述锂离子电池组件的功率是1.92kWh。假如与大功率太阳能系统相结合，三或四个本电池组件可满足大多数家庭的用电需求。如果更多的电化学电池被结合进每一组电池组，所述锂离子电池组件的功率就会增加。例如，假如每组电池组包含10个背靠背相互并联的电化学电池，所述电池组件的功率将会增加到几乎4kWh。所述锂离子电池组件的厚度将会增加到大约5毫米，而这仍然远薄于一个特斯拉家用电池Powerwall 6.4kWh型号183毫米(7.2英寸深度)的厚度。特斯拉Powerwall家用锂离子电池非常沉重(几乎100公斤)，而本发明的电池组件要轻得多。本发明不需要安装冷却系统，因为薄而且大的面积释放热，同时固态电解质减少了热的产生。此外，柔性平板结构预防爆炸，因为任何局部过热仅仅导致局部变形而不是爆炸。更有甚者，本发明的锂离子电池组件输出可调而功率可控。
本实施例中使用了一种包含30％硅粒(直径大约2μm)与60％石墨粉和10％PVDF混合的复合物阳极。硅粒在热处理后覆上了一层碳，所形成的C/Si复合物阳极生成一种成份为Li2.8Si的锂合金，其比容量高达1000mAh/g。大约55微米厚的阳极材料与10％粘合剂BM-400B混合后被用于本实施例，其N/P比是1.1.
实例3:一种具有V2O5阴极、锂金属阳极和凝胶聚合物电解质，适用于便携式电子产品的柔性固态薄膜锂离子电池组件
根据本发明于图1所显示的可用于便携式电子产品的另一种实施例，一种小尺寸固态层压的柔性薄膜锂离子电池组件被提供于此。如图2所示，包含于此电池组件中的每一个微型电化学电池结构为：一片大约25微米厚，同时充当阳极层240和阳极电流集流体250的锂金属箔，一层大约5微米厚，密度为2.5g/cm3的V2O5阴极层220、一片大约25微米厚的承载所述阴极层220的铝箔用作阴极电流集流体210，和一层大约10微米厚分散于阳极与阴极层之间的凝胶聚合物电解质230。凝胶聚合物电解质在室温下具有至少10-3S/cm的电导率，此处使用的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)浸渍于包含1.0M LiClO4的碳酸丙烯酯(PC)和碳酸乙烯酯(EC)的混合溶液中。每组电池组50包含10个面积为15cm2(5cm X 3cm)的电化学电池，这些电池背靠背地并联在一起。每组电池组仅仅包含大约0.19克可产生约47mAh的活性阴极材料，这导致250mAh/g的阴极比容量。一个完成的柔性薄膜锂离子电池组件由四组相互并联的电池组构成，并具有大约188mAh的充放电容量以及3.7伏的输出电压。所述电池组件的面积约为72cm2(12cm X 6cm)。尽管组件容量太低而难于单独操作一台手机，所述电池组件是非常薄的(封装后不足0.5毫米厚)、轻而且柔性，它可被用于一些要求低电流的便携式器件。
阴极材料通过一种溶胶－凝胶法制备，再经喷涂热解法完成。一种钒酸锂(LiVO3)的溶液经离子交换树脂柱分离后生成了钒酸溶液并将其老化两周，老化后的溶液通过一超声波喷雾头而被喷涂在所述铝箔210上，其中第一层喷涂在50微米厚的聚乙酰胺(PI)膜的表面，此PI膜正反两面均已被真空溅射了3微米厚的铝层，余下的阴极集流体是25微米厚的铝箔，在其正反两面均喷涂了阴极材料。基板被加热到了150℃的温度，喷涂所形成的V2O5薄膜在190℃的温度下退火以完成阴极材料的制备。在一种恒定的喷涂速率下，每一次喷涂可产生大约1微米厚的V2O5薄层，更厚的层可经过反复喷涂而获得。接着V2O5薄膜阴极220经过2000周期的充放电实验后仍可保留250mAh放电容量的90％。一层25微米厚的锂金属箔被用来充当所述的阳极240和所述的阳极电流集流体250。
实例4:一种具有LiMn2O4阴极、石墨阳极和固态聚合物电解质的柔性全固态平板锂离子电池组件。
根据本发明于图1所显示的一种实用型实施例，一种全固态层压的柔性平板锂离子电池组件被提供于此作为一种柔性笔记本电脑的电源。包含于此锂离子电池组件中的每一个电化学电池结构如图2所示为：一层大约130微米厚的阳极层240、一层大约220微米厚的阴极层220、一片大约25微米厚的承载所述阳极层240的铜阳极电流集流体250、一片大约25微米厚的承载所述阴极层220的铝阴极电流集流体210，和一层大约30微米厚分散于阳极与阴极层之间的固态聚合物电解质230，固态聚合物电解质230是一种具有短的EO侧链的聚环氧乙烷并结合了LiClO4,室温下具有大约10-4S/cm的电导率。每组电池组50包含六个面积为75cm2(10cm X 7.5cm)的电化学电池，这些电池背靠背地并联在一起。整个电池组件100由八组所述锂离子电池组构成，这些电池组被安排为二行四列，形成了一个600cm2的有效面积和大约1.5毫米(mm)的厚度。包含了所有显示于图1上其它附加配件的整个组件的总面积大约为704cm2(32cm X22cm)，这个面积类似于一台13英寸的苹果笔记本电脑。
在此实施例中每个电化学电池首选的阴极材料是LiMn2O4与乙炔黑和高分子粘合剂PVDF的混合物(质量比为7:2:1)，它们形成了130微米厚的薄膜阴极层。LiMn2O4的比容量大约为140mAh/g，其密度大约是4.2g/cm3。每一组电池组具有大约1,647mAh的阴极容量，假如八组电池组并联在一起，则整个电池组件具有13,177mAh的阴极容量。如果八组电池组被均分为两大组，每大组中的所有电池组串联在一起而两大组被并联在一块，则此种混合造成的总阴极容量是3,294mAh而其输出电压将是大约16伏。
大约110微米厚的阳极材料是MCMB石墨粉与粘合剂BM-400B的混合物，所述MCMB具有大约340mAh/g的比容量，于是每组电池组的阳极容量是大约1,825mAh并导致所述锂离子电池组大约1.1的N/P比。所述锂离子电池组件可以支持一台柔性的13英寸的笔记本电脑在1.0安培电流下工作超过三小时。使用LiMn2O4作为阴极材料的理由是因为它便宜、环保而且安全，如果阴极材料换成LiCoO2，因其具有更高的比容量和密度，所述电池组件可连续工作五小时以上。
总之，上述实例表明本发明显著扩展了柔性固态平板锂离子电池的应用。利用本发明，柔性固态平板锂离子电池组件可被应用于从便携式电子产品到家用能源的不同领域。本发明的锂离子电池组件不仅能够被快速充电，还可由使用者调整输出电压和功率。此外，所述锂离子电池组件是集柔性、薄、轻、安全、容易携带和使用于一身。它们也能结合太阳能组件形成独立的能源系统。

Claims (9)

1.一种柔性固态多层叠平板锂离子电池组件，其特征在于，由下述成份组成：
二或更多的锂离子电池组；
所述电池组组合成一或更多的电池区间；
四个或更多的边侧终端通过金属条或线分别连接到所述电池组的阴极和阳极；
四个或更多的边侧开关或继电器连接到所述边侧终端；
一个或更多的电控盒；
一个或更多的带有不同极柱分别连接到所述电池区间第一个正极边侧终端的正极旋转开关或继电器，其与所述电控盒的正极输入界面相连接；
一个或更多的带有不同极柱分别连接到所述电池区间最后一个负极边侧终端的负极旋转开关或继电器，其与所述电控盒的负极输入界面相连接。
2.根据权利要求1所述的锂离子电池组件，其特征在于，所述锂离子电池组包括：
多个固态电化学电池，其中所有所述电化学电池背靠背堆叠在一起，并且其中所述电化学电池的所有阳极和所有阴极分别以并联方式连接到一起。
3.根据权利要求2所述的锂离子电池组件，其特征在于，所述固态电化学电池包括：
一个1-300微米厚的阳极层；
一个1-300微米厚的阴极层；
一片覆有所述阳极层的10-50微米厚的阳极电流集流体；
一片覆有所述阴极层的10-50微米厚的阴极电流集流体；以及
一层1-50微米厚的固态电解质膜，其材质选择于下述材料：结合有锂盐的固态聚合物电解质、浸渍有非水锂盐溶液的凝胶聚合物电解质或与锂盐结合的聚电解质。
4.根据权利要求1所述的锂离子电池组件，其特征在于，所述边侧终端包括：
二个或更多的连接到所述锂离子电池组阴极的正极终端；
二个或更多的连接到所述锂离子电池组阳极的负极终端；
二个或更多独立的中性终端。
5.根据权利要求4所述的锂离子电池组件，其特征在于，所述边侧开关包括：
四个或更多的与另一个正极边侧终端或所述中性终端相连接的正极边侧开关；
四个或更多的与另一个负极边侧终端或所述中性终端相连接的负极边侧开关；其中
所述边侧开关是单竿双掷的切换开关（SPDT）、按钮开关或继电器，其中双掷触点是一个中性终端和一个极性终端，所述极性终端为正极终端或者负极终端。
6.根据权利要求1所述的锂离子电池组件，其特征在于，所述电控盒包括：
一个或更多连接到所述正极旋转开关的正极输入界面；
一个或更多连接到所述负极旋转开关的负极输入界面；
一个或更多带有屏蔽线的正极输入／输出终端，其中所述屏蔽线被连接到一个太阳能组件或插座；
一个或更多带有屏蔽线的负极输入／输出终端，其中所述屏蔽线被连接到一个太阳能组件或插座；
一个或更多的USB出口；
一个或更多的输入／输出插口；
一个或更多的指示灯；
一个或更多的电子电路和元件以提供稳定而恒定的充电电压和电流，并且稳定输出电压和／或电流；
一个或更多的电子电路和元件供远程控制；
一个或更多的电路模块供无线充电。
7.根据权利要求6所述的锂离子电池组件，其特征在于，所述电控盒还包括：
一个或更多的用于所有开关、指示灯和继电器自动控制的可编程逻辑电路。
8.一种电池封装方法，该方法用于制备柔性固态平板锂离子电池组件，其特征在于，所述方法包括：
通过一个卷对卷过程将阳极和阴极材料分别沉积到阳极和阴极电流集流体上，其中所述阳极和所述阴极电流集流体被单面或双面镀膜；
制备固态电解质膜；
按照预先设计的锂离子电池组逐层叠装多层叠电化学电池；
按照预设的面积切割或划线分隔所述锂离子电池组；
用金属条或线将位于所述锂离子电池组中的所述电化学电池的所有阳极焊接到一块；
用金属条或线将位于所述锂离子电池组中的所述电化学电池的所有阴极焊接到一块；
用金属条或线焊接所述锂离子电池组的每一个正极终端；
用金属条或线焊接所述锂离子电池组的每一个负极终端；
将包含锂盐的液体电解质溶液注入到凝胶聚合物电解质中并且密封所述电池组的边缘；
按照预先设计的锂离子电池组件堆叠并密封所述锂离子电池组，次序如下：背板膜、乙烯醋酸乙烯酯（EVA）膜、所述锂离子电池组、乙烯醋酸乙烯酯膜和前板膜，其中，背板和前板膜的材质取自于下述材料之一：聚酰亚胺（PI）、聚苯并咪唑（PBIs）、聚酰胺酰亚胺（PAI）、聚醚醚酮（PEEK）、聚醚砜（PES），以及聚酰胺（PA）；
在一台层压机内于真空及110-180℃的温度条件下将已堆叠的层层压在一起；
安装边侧终端、边侧开关或继电器、旋转开关或继电器、指示灯，以及电控盒；
连接所有所述终端、所述开关和电路，或者连接所有所述终端、所述继电器和电路；
对所述电池组件进行修边；
监测并完成电池组件。
9.一种应用于可穿戴设备的柔性固态多层叠平板锂离子电池组件，其特征在于，由下述成份构成：
一个或更多的锂离子电池组；
所述锂离子电池组组合成一个或更多的电池区间，其中所述电池区间是完全独立封装并密封的；
将绝缘的金属线连接到所述电池区间的阳极和阴极；
二或更多的边侧终端通过所述绝缘的金属线连接到所述电池组的阴极与阳极；
二或更多的边侧开关用于控制所述边侧终端；
一个或更多的电控盒，其中包含了太阳能组件输入端、USB接口和输入／输出插口；
一个或更多的带有不同极柱分别连接到所述电池区间第一个正极边侧终端的正极旋转开关或继电器，其与所述电控盒的正极输入界面相连接；
一个或更多的带有不同极柱分别连接到所述电池区间最后一个负极边侧终端的负极旋转开关或继电器，其与所述电控盒的负极输入界面相连接；并且
其中所述锂离子电池组、所述边侧终端、所述边侧开关、所述旋转开关具有权利要求1中类似物的同样功能。
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