CN109830739A - 一种柔性电池及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于柔性电池领域，涉及一种柔性电池，包括柔性电芯和铝塑膜，柔性电芯是由集成负极片、集成正极片和隔膜通过叠片的方式制备；集成负极片包括通过负极串接带连接的若干小负极片；集成正极片包括通过正极串接带连接的若干小正极片；小负极片与小正极片一一相对。本发明还提供上述柔性电池的制备方法，步骤如下：1）在集流体上涂布，形成多个涂布区；然后烘烤、辊压、冲切，形成具有多个小极片的集成极片，并预留串接带；2）分别制集成负极片和集成正极片，再将集成负极片、集成正极片和隔膜通过叠片的方式组装成叠片单元，热压粘接形成具有柔性电芯；3）焊接极耳后再封装。本发明的柔性电池可以在多个方向进行弯曲和折叠，耐弯曲寿命高。

Description

一种柔性电池及其制备方法

技术领域

本发明属于柔性电池技术领域，具体涉及一种柔性电池及其制备方法。

背景技术

锂离子电池是当今电池领域应用的中坚力量，其应用领域非常广泛；软包装锂离子电池是锂离子电池常见的形态，其基本组成单元为内部电芯，和外部包装膜以及负责锂离子传输的电解液。其中，内部电芯为锂离子电池的能量承载体，包括正极片、负极片、隔膜三大组分，而正负极极片又各自包含活性成分层以及电子传输层（集流体）。正极片的集流体一般选用铝箔，主要在于其耐高电压下的氧化反应；负极片的集流体一般选用铜箔，主要在于其耐低电压下的还原反应。电池电流的引出一般使用金属极耳与极片集流体焊接的方式。

当今消费类电子设备的发展趋势是轻、薄，一些电子设备的厚度仅仅只有6mm，甚至更薄，从而更方便于人们的生活和使用。这也就要求作为设备动力之源的锂离子电池也要进行相应的厚度缩减，向轻、薄化发展，甚至一些电子产品还需要电池具备特殊的属性，如柔性耐弯曲，可以为可穿戴设备、智能服饰等新型电子产品的发展提供充分的动力。

电池本身为了追求性能，内部是一种负压状态，如软包装类的锂离子电池，所成型的电池是硬质的，只有在较薄的情况下才能具备一定的柔性。但是仅靠降低电池厚度的方式来获得电池的柔性会出现两个主要的问题，电池容量低和耐弯曲寿命有限，柔性电池的应用范围也因此受到限制。

发明内容

为了克服上述现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种柔性电池及其制备方法，使电池可以在多个方向进行弯曲和折叠，提高电池的耐弯曲寿命，减小弯曲对电池的影响。

为实现上述目的，本发明的技术方案为一种柔性电池，包括柔性电芯以及包裹于所述柔性电芯外的铝塑膜，所述柔性电芯是由集成负极片、集成正极片和置于集成正极片与集成负极片之间的隔膜通过叠片的方式制备；所述集成负极片包括若干小负极片，相邻的小负极片之间通过负极串接带连接；所述集成正极片包括若干小正极片，相邻的小正极片之间通过正极串接带连接；所述小负极片与所述小正极片在层叠方向一一相对设置。

进一步地，正极串接带和负极串接带在层叠方向上错开。

进一步地，所述小负极片与所述小负极片的形状相同，均为圆形、方形、三角形、梯形、椭圆形中的任意一种。

进一步地，所述小负极片的尺寸大于所述小正极片的尺寸，使得层叠后所述小负极片的周边延伸至所述小正极片的周边的外侧。

进一步地，所述隔膜为PVDF凝胶隔膜、陶瓷涂覆隔膜、PMMA涂覆隔膜、PAA涂覆隔膜中的任意一种。

本发明还提供上述柔性电池的制备方法，包括如下步骤：

1）根据所需制备的柔性电池的形状和尺寸，在集流体上涂布浆料，形成多个涂布区；将涂布后的集流体进行烘烤、辊压后，进行冲切，形成具有多个小极片的集成极片，集成极片上预留用于连接相邻的小极片的串接带；

2）采用步骤1）的方法分别制备集成负极片和集成正极片，再将集成负极片、集成正极片和置于集成负极片与集成正极片之间的隔膜通过叠片的方式组装成叠片单元，然后通过热压粘接形成具有若干小电芯单元的柔性电芯；集成负极片上的小负极片和集成正极片上的小正极片在层叠方向上一一相对设置；

3）然后焊接正极极耳和负极极耳，采用铝塑膜封装，经真空干燥、注入电解液、化成和封口后，得到柔性电池。

进一步地，骤1）中根据所需制备的柔性电池确定涂布区的尺寸和个数，采用间歇涂布或者后续刮料的方式来获得固定尺寸和个数的涂布区。

进一步地，步骤2）中，每叠加一对正负极片热压一次或全部层叠完成之后再进行热压。

更进一步地，每叠加一对正负极片热压一次的热压条件为：温度60～85℃，压力0.1～0.5MPa，时间5～20s；全部层叠完成之后再进行热压的热压条件为：温度60～85℃，压力0.1～0.5MPa，时间0.5～1.5h。

进一步地，在集成极片上预留极耳焊接区，通过铝带和铜带分别对正极极耳预留焊接区和负极极耳预留焊接区进行集成式焊接，之后将铝带和铜带分别与正极极耳和负极极耳焊接。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

（1）本发明提供的柔性电池将若干小负极片串接集成于一张大的集成负极片上，若干小正极片串接集成于一张大的集成正极片上，通过增加或减少单张集成极片上的小极片的排列数量可调节最终柔性电池的长度和宽度，使得柔性电池在长度和宽度方向上均可进行较大限度的调节；

（2）本发明提供的柔性电池呈多单元串接的形式，在层叠方向上，对应的小正极片与小负极片形成小电芯单元，若干小电芯单元通过串接带串接，各个小电芯单元的周围存在多个方向的凹区，使得柔性电池可以在多个方向进行弯曲和折叠，提高柔性电池的耐弯曲寿命；

（3）本发明提供的柔性电池的小电芯单元可制备成各种形状，尤其圆形，可以进一步的防止弯曲时电池角位封装处的破裂情况，从而增加柔性电池的耐弯曲寿命；

（4）本发明提供的柔性电池的小电芯单元之间并联形式发生在电池内部，无需在电池外部进行焊接等工序，一方面可以提升电池的空间利用率，另一方面可以提升柔性电池的环境适用性，甚至使电池能够达到水洗的要求；

（5）本发明提供的柔性电池的各个小电芯单元在多个方向上与周围的小电芯单元串接，即使在某一个位置发生断裂也不会影响整体的充放电效果；

（6）本发明提供的柔性电池的制备方法采用冲切的方式在一张大的集成极片上冲切出多个小极片，小极片之间彼此连接形成集成的整体，不仅可以降低电池的制备难度，还能制备更大面积和容量的柔性电池。

附图说明

为了更清楚地说明本发明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地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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它的附图。

图1为本发明实施例提供的柔性电池的集成正极片的示意图；

图2为本发明实施例提供的柔性电池的集成负极片的示意图；

图3为本发明实施例提供的柔性电池的极片堆叠示意图；

图4为本发明实施例提供的柔性电池的柔性电芯的示意图；

图5为本发明实施例提供的柔性电池的剖视图；

图中：1、集成正极片，2、小正极片，3、正极串接带，4、集成负极片，5、小负极片，6、负极串接带，7、隔膜，8、柔性电芯，9、正极极耳焊接预留带，10、负极极耳焊接预留带，11、铝塑膜，12、铝带，13、铜带。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1-图5所示，本发明提供一种柔性电池，包括柔性电芯以及包裹于所述柔性电芯外的铝塑膜，所述柔性电芯是由集成负极片、集成正极片和置于集成正极片与集成负极片之间的隔膜通过叠片的方式制备；所述集成负极片包括若干小负极片，相邻的小负极片之间通过负极串接带连接；所述集成正极片包括若干小正极片，相邻的小正极片之间通过正极串接带连接；所述小负极片与所述小正极片在层叠方向一一相对设置。本实施例提供的柔性电池将若干小极片串接集成于一张大的集成极片上，形成网格状，可通过增加或减少集成极片上的小极片的排列数量可调节最终柔性电池的长度和宽度；可用于制备大面积、高容量型的柔性电池，使柔性电池能够更好的在智能服饰、智能穿戴等领域发挥应用。

此外，本实施例中集成负极片4上的小负极片5和集成正极片1上的小正极片2一一对应，且在层叠方向上，小负极片5与对应的小正极片2相对设置，对应的小负极片5与小正极片2通过叠片、热压后形成小电芯单元，小电芯单元之间的间隔来作为弯曲时形变应力释放区，该区域远低于小电芯单元的厚度，可最大化的削弱弯曲对电池的影响，提高柔性电池的耐弯曲寿命。

进一步地，正极串接带和负极串接带在层叠方向上错开。如图1、图2和图4所示，正极串接带3和负极串接带6在层叠后呈错开布置，避免短路。

进一步地，所述小负极片5与所述小负极片5的形状相同，均为圆形、方形、三角形、梯形、椭圆形中的任意一种。本实施例的小电芯单元可以制备成多种形状，尤其圆形，可以进一步的防止弯曲时电池角位封装处的破裂情况，从而增加柔性电池的耐弯曲寿命。

进一步地，所述小负极片5的尺寸大于所述小正极片2的尺寸，使得层叠后所述小负极片5的周边延伸至所述小正极片2的周边的外侧。如图1和图2所示，本实施例中在叠片后，小负极片5在各个方向上的尺寸均大于小正极片2，确保小负极片5能够完全的覆盖对应的小正极片2并且有一定的尺寸富余，作为一种实现方式，小负极片5的尺寸在各个方向上的尺寸都比小正极片2大0.5～1mm。集成负极片4上的小负极片5和集成正极片1上的小正极片2一一对应，且在层叠方向上，小负极片5与对应的小正极片2相对设置，对应的小负极片5与小正极片2通过叠片、热压形成小电芯单元，小电芯单元之间的间隔来作为弯曲时形变应力释放区，该区域远低于小电芯单元的厚度，可最大化的削弱弯曲对电池的影响，提高柔性电池的耐弯曲寿命。

进一步地，所述隔膜7为PVDF（聚偏氟乙烯）凝胶隔膜、陶瓷涂覆隔膜、PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯）涂覆隔膜、PAA（丙烯酸树脂）涂覆隔膜中的任意一种，或其他具备表层粘接效果的隔膜。

本发明实施例还提供上述柔性电池的制备方法，包括如下步骤：

1）根据所需制备的柔性电池的形状和尺寸，在集流体上涂布浆料，形成多个涂布区；将涂布后的集流体进行烘烤、辊压后，进行冲切，形成具有多个小极片的集成极片，集成极片上预留用于连接相邻的小极片的串接带；

2）采用步骤1）的方法分别制备集成负极片4和集成正极片1，再将集成负极片4、集成正极片1和置于集成负极片4与集成正极片1之间的隔膜7通过叠片的方式组装成叠片单元，然后通过热压粘接形成具有若干小电芯单元的柔性电芯8；集成负极片4上的小负极片5和集成正极片1上的小正极片2在层叠方向上一一相对设置；

3）然后焊接正极极耳和负极极耳，再使用对应尺寸的铝塑膜11冲壳机对铝塑膜11进行冲坑，采用具有冲坑的铝塑膜11封装，之后采用正常电池制备工序，经真空干燥、注入电解液、化成和封口后，得到柔性电池。如图5所示，铝塑膜11包裹了内层的柔性电芯88以及用于导通的串接带。

本实施例提供的柔性电池的制备方法采用集成有若干小极片的大张集成极片进行电池的层叠装配，小电芯单元之间通过预留的集流体导电串接的方式制备而成成电池，利用较薄的串接带区域作为弯曲承力区，实现电池的弯曲效果，提高柔性电池的耐弯曲寿命。

进一步地，骤1）中根据所需制备的柔性电池确定涂布区的尺寸和个数，采用间歇涂布或者后续刮料的方式来获得固定尺寸和个数的涂布区。本实施例根据柔性电池的尺寸以及所需的耐弯曲性来确定小极片的个数、尺寸和相邻小极片之间的间距；涂料区域之间间隙可以用作串接带。在步骤1）的冲切过程中，正极串接带3和负极串接带6既能起到导电作用，又能连接各个小极片形成整张大的集成极片的效果，便于转移、操作和精度控制。进一步地，步骤2）的叠片单元中，正极串接带和负极串接带在层叠方向上错开。

进一步地，步骤2）的集成正极片1与集成负极片4之间采用具备表层粘结效果的PVDF凝胶隔膜、陶瓷涂覆隔膜、PMMA涂覆隔膜或PAA涂覆隔膜做隔离膜，隔膜7完全覆盖并超出集成极片各个方向的尺寸，在热压后，隔膜7可将多层集成极片粘结为一个整体，无需外层隔膜7的包裹固定，最大程度的减小了电池的厚度。

进一步地，所述集成负极片上的小负极片和所述集成正极片上的小正极片均呈矩阵分布。如图1所示，集成正极片1上的小正极片2呈矩阵分布，共计4行6列，24个；如图2所示，集成负极片4上的小负极片5呈矩阵分布，共计4行6列，24个；采用图1所示的集成正极片1和图4所示的集成负极片4制得如图4所示的柔性电芯8，柔性电芯8上有4行6列，24个小电芯单元。

进一步地，步骤2）中，每叠加一对正负极片热压一次或全部层叠完成之后再进行热压。更进一步地，每叠加一对正负极片热压一次的热压条件为：温度75～85℃，压力0.4～0.6MPa，时间5～10min；全部层叠完成之后再进行热压的热压条件为：温度75～85℃，压力0.4～0.6MPa，时间0.5～1.5h。本实施例采用叠片的方式可以制备不同厚度的电芯，堆叠过程中，可以每叠加一对进行一次热压以保持极片之间的对位不发生偏移，或者全部堆叠完成后使用热压设备对叠片单元进行充分时间的热压，以保证内层集成极片通过隔膜7能够充分粘接。

进一步地，在集成极片上预留极耳焊接区，通过铝带12和铜带13分别对正极极耳预留焊接区9和负极极耳预留焊接区10进行集成式焊接，之后将铝带12和铜带13分别与正极极耳和负极极耳焊接。本实施例在柔性电芯8成型后可在电芯预留的集流体进行集成焊接，之后可进入正常的电池制备工序。如图1和图4所示，集成正极片1上预留有三个正极极耳预留焊接区9，通过铝带12将三个正极极耳预留焊接区9集成在一起，如图2和图4所示，集成负极片4上预留有三个负极极耳预留焊接区10，通过铜带13将三个负极极耳预留焊接区10集成在一起，且三个正极极耳预留焊接区9与三个负极极耳预留焊接区10错开，避免短路，柔性电芯8通过铝带12和铜带13分别与正极极耳和负极极耳焊接来导出电流。

实例一

在宽度为260mm的铝箔材上涂布宽度40mm的正极料5条，间隔10mm；在宽度为260mm的铜箔材上涂布宽度41mm的负极料5条，间隔9mm；烘干后沿横向分别等距的进行刮料，其中正极刮料宽度10mm，间隔40mm；负极刮料宽度9mm，间隔41mm；使用对应尺寸的刀模对极片进行冲切，得到集成负极片和集成正极片；使用叠片的方式进行得到叠片单元，其中隔膜使用（12+2+2）um厚度的双面陶瓷涂覆隔膜，层叠完成后将叠片单元转移至80℃恒温箱中给予0.1MPa的热压，保持1h；热压完成后可将电芯极耳预留区的正负极串接带集成后进行极耳焊接；铝塑膜按照设计极片的厚度和间隔进行冲坑，优选双面冲坑；之后电芯可进入正常电池的制备流程进行生产制备，可制备成小电芯单元面积尺寸为42mm×42mm，一边长度为245mm并包含5个以上小电芯单元，另一边可通过平行小电芯单元数量进行调节的柔性电池。

实例二

在宽度为260mm的铝箔材上涂布宽度20mm的正极料9条，间隔5mm；在宽度为260mm的铜箔材上涂布宽度21mm的负极料9条，间隔4mm；烘干后沿横向分别等距的进行刮料，其中正极刮料宽度5mm，间隔20mm；负极刮料宽度4mm，间隔21mm；使用对应尺寸的刀模对极片进行冲切，得到集成负极片和集成正极片；使用叠片的方式进行得到叠片单元，其中隔膜使用16um厚度的PVDF凝胶隔膜，电芯层叠完成后将叠片单元转移至80℃恒温箱中给予0.1MPa的热压，保持1h；热压完成后可将电芯极耳预留区的正负极串接带集成后进行极耳焊接；之后电芯可进入正常电池的制备流程进行生产制备，可制备成小电芯单元面积尺寸为22mm×22mm，一边长度为230mm并包含9个以上小电芯单元，另一边可通过平行小电芯单元数量进行调节的柔性电池。

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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种柔性电池，包括柔性电芯以及包裹于所述柔性电芯外的铝塑膜，其特征在于：所述柔性电芯是由集成负极片、集成正极片和置于集成正极片与集成负极片之间的隔膜通过叠片的方式制备；所述集成负极片包括若干小负极片，相邻的小负极片之间通过负极串接带连接；所述集成正极片包括若干小正极片，相邻的小正极片之间通过正极串接带连接；所述小负极片与所述小正极片在层叠方向一一相对设置。

2.如权利要求1所述的一种柔性电池，其特征在于：所述正极串接带和所述负极串接带在层叠方向上错开。

3.如权利要求1所述的一种柔性电池，其特征在于：所述小负极片与所述小负极片的形状相同，均为圆形、方形、三角形、梯形、椭圆形中的任意一种。

4.如权利要求1所述的一种柔性电池，其特征在于：所述小负极片的尺寸大于所述小正极片的尺寸，使得层叠后所述小负极片的周边延伸至所述小正极片的周边的外侧。

5.如权利要求1所述的一种柔性电池，其特征在于：所述隔膜为PVDF凝胶隔膜、陶瓷涂覆隔膜、PMMA涂覆隔膜、PAA涂覆隔膜中的任意一种。

6.一种如权利要求1-5任一项所述的柔性电池的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

1）根据所需制备的柔性电池的形状和尺寸，在集流体上涂布浆料，形成多个涂布区；将涂布后的集流体进行烘烤、辊压后，进行冲切，形成具有多个小极片的集成极片，集成极片上预留用于连接相邻的小极片的串接带；

2）采用步骤1）的方法分别制备集成负极片和集成正极片，再将集成负极片、集成正极片和置于集成负极片与集成正极片之间的隔膜通过叠片的方式组装成叠片单元，然后通过热压粘接形成具有若干小电芯单元的柔性电芯；集成负极片上的小负极片和集成正极片上的小正极片在层叠方向上一一相对设置；

3）然后焊接正极极耳和负极极耳，采用铝塑膜封装，经真空干燥、注入电解液、化成和封口后，得到柔性电池。

7.如权利要求6所述的柔性电池的制备方法，其特征在于：步骤1）中根据所需制备的柔性电池确定涂布区的尺寸和个数，采用间歇涂布或者后续刮料的方式来获得固定尺寸和个数的涂布区。

8.如权利要求6所述的柔性电池的制备方法，其特征在于：步骤2）中，每叠加一对正负极片热压一次或全部层叠完成之后再进行热压。

9.如权利要求8所述的柔性电池的制备方法，其特征在于：每叠加一对正负极片热压一次的热压条件为：温度60～85℃，压力0.1～0.5MPa，时间5～20s；全部层叠完成之后再进行热压的热压条件为：温度60～85℃，压力0.1～0.5MPa，时间0.5～1.5h。

10.如权利要求6所述的柔性电池的制备方法，其特征在于：在集成极片上预留极耳焊接区，通过铝带和铜带分别对正极极耳预留焊接区和负极极耳预留焊接区进行集成式焊接，之后将铝带和铜带分别与正极极耳和负极极耳焊接。