CN109888371A - 一种书本结构柔性电池 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种书本结构柔性电池，特别涉及一种基于多层书本状结构集成的柔性电池，属于储能器件领域。本发明通过内层包装后的锂离子电池单元中集流体表面上的涂覆或图案加工，增强了锂离子电池单元内，集流体之间的滑移能力；通过内层包装后的锂离子电池单元之间填充材料，增强了锂离子电池单元之间的滑移能力，易于锂离子电池单元组弯折；通过极耳的特殊设计使得书本结构柔性电池可以在一个、两个或多个方向上发生自由弯曲变形，从而进行应力的释放以防止应力过大对电池结构造成损坏；并且通过结构设计以及层间填充材料的选择，在提高电池力学性能的同时，使得单层锂离子电池单元性能稳定，书本柔性电池整体能量密度较高。
Description
技术领域
本发明涉及一种书本结构柔性电池，特别涉及一种基于多层书本状结构集成的柔性电池，属于储能器件领域。
背景技术
随着电子技术的进步，越来越多的电子设备正在向着轻薄化、柔性化和可穿戴的方向发展，发展柔性电子技术最大的挑战之一就是与之相适应的轻薄且柔性的电化学储能器件。
有人提出了柔性电池，现有使用新型材料和工艺制作电池，但是该种方法造价昂贵，严重影响了应用与市场拓展；
现有的商业化锂离子电池，性能逐渐提升，成本逐渐降低，但是刚度过高；
力学性能差是现有商业化电池的普遍问题，例如传统的锂离子电池等产品是刚性的，在弯曲、折叠时，容易造成电极材料和集流体分离，影响电化学性能，甚至导致短路，发生严重的安全问题。为了提高电池的容量，常常在电池里使用多层电极片进行叠片来提高容量，但是采用传统技术制造的多层叠片锂离子电池，往往柔性较差，随着厚度的增加，完全失去柔性，并且在弯折的过程中，存在整体涂覆结构活性物质颗粒剥离、脱落的问题。
为了达到柔性电池“柔而不损、柔而不坏”的要求，以应用于弯折的服役环境，目前有两种路线来解决该问题。一方面使用新型材料和工艺制作电池，但是该种方法造价昂贵，严重影响了应用与市场拓展；另一方面使用传统材料和工艺进行一定结构设计，但是往往弯曲性能达不到实际效果，并伴随着电池性能衰减的问题，因此，现有电池很难满足“柔而不损、柔而不坏”的服役要求。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有电池不易弯折无法适应使用需求的问题，提供一种书本结构柔性电池，该电池在保证成本和性能的前提下，能够实现一定的弯曲变形；
本发明的目的是通过下述技术方案实现的。
一种单层柔性电池，由内层包装后的锂离子电池单元组成；所述锂离子电池单元由多层正负电极片对组成；每相邻的两个正负电极片对之间通过集流体接触连接，在集流体的接触面上涂覆材料或对接触面表面进行图案加工，用以增强锂离子电池单元内，集流体间的滑移能力，更易于释放因变形产生的应力，以实现滑动；
一种书本结构柔性电池，由若干内层包装后的锂离子电池单元组成，所述锂离子电池单元通过极耳固定连接，然后封装在外壳内；每相邻的两个锂离子电池单元之间设置填充材料，用以增强锂离子电池单元间的滑移能力，更易于释放因变形产生的应力，以实现滑动；
一种书本结构柔性电池，由内层包装后的若干锂离子电池单元组成，所述锂离子电池单元通过极耳固定连接，然后封装在外壳内；每相邻的两个锂离子电池单元之间设置填充材料；所述锂离子电池单元由多层正负电极片对组成；每相邻的两个正负电极片对之间通过集流体接触连接，在集流体的接触面上涂覆材料或对接触面表面进行图案加工；通过填充材料和表面涂覆或图案加工共同实现滑动，用以增强锂离子电池单元中集流体之间和内层包装后的锂离子电池单元间的滑移能力，更易于释放因变形产生的应力，以实现滑动；
所述极耳的位置和角度能够根据需求自由调控；
所述极耳的正负极极耳夹角为0°～270°；
所述外壳内壁与锂离子电池单元组存在一定间隙，弯曲时有锂离子电池单元组的活动空间；
所述外壳材料包括：铝塑膜、硅胶、橡胶、PE膜、PP膜、PDMS膜、PI膜等柔性材料；
所述填充材料包括：空气、不导电液体、粘弹性固体和粉末状的材料；
所述不导电液体包括液态石蜡或离子液体；所述粘弹性固体包括硅胶或橡胶；所述粉末状的材料包括磁性粉末、碳酸钙粉末或石墨粉末；
所述锂离子电池单元中的电解质使用凝胶、电解液或固态电解质；
对锂离子电池单元中集流体表面涂覆时，采用的材料包括硅氧烷化合物、表面活性剂、聚醚等固体、液体或凝胶脱模剂；
所述内层包装时采用的包装膜包括铝塑膜、PE膜、PP膜、PDMS膜或PI膜等柔性薄膜包装膜。
有益效果
1、通过集流体表面上的涂覆或图案加工，增强了锂离子电池单元内，集流体之间的滑移能力，易于锂离子电池单元弯折；
2、通过内层包装后的锂离子电池单元之间填充材料，增强了锂离子电池单元之间的滑移能力，易于锂离子电池单元组弯折，通过极耳的特殊设计使得书本结构柔性电池可以在一个、两个或多个方向上发生自由弯曲变形，从而进行应力的释放以防止应力过大对电池结构造成损坏；
3、通过内层包装后的锂离子电池单元中集流体表面上的涂覆或图案加工，增强了锂离子电池单元内，集流体之间的滑移能力；通过内层包装后的锂离子电池单元之间填充材料，增强了锂离子电池单元之间的滑移能力，易于锂离子电池单元组弯折；通过极耳的特殊设计使得书本结构柔性电池可以在一个、两个或多个方向上发生自由弯曲变形，从而进行应力的释放以防止应力过大对电池结构造成损坏；并且通过结构设计以及层间填充材料的选择，在提高电池力学性能的同时，使得单层锂离子电池单元性能稳定，书本柔性电池整体能量密度较高。
附图说明
图1是该实施例的透视图；
图2是该实施例的锂离子电池单元透视图；
图3是该实施例的锂离子电池单元极耳角度示意图；其中，图3a为极耳夹角为90°示意图；图3b为极耳夹角为180°示意图；图3c为极耳夹角为0°示意图；
图4是该实施例的锂离子电池单元内部多层极片示意图，其中，图4a是多层叠合的正负电极片对示意图；图4b是集流体经过表面涂覆的多层叠合的正负电极片对示意图；
图5是该实施例的锂离子电池单元内部多层极片弯曲示意图，slide表示集流体之间的滑移，其中，图5a是多层叠合的正负电极片对弯折示意图；图5b是集流体经过表面涂覆的多层叠合的正负电极片对弯折示意图；
图6是该实施例的锂离子电池单元内部集流体表面图案设计示意图；
图7是该实施例的多层锂离子电池分别沿x方向和y方向弯曲示意图，其中，图7a是多层锂离子电池沿x方向弯曲示意图；图7b是多层锂离子电池沿y方向弯曲示意；
图8是该实施例的多层锂离子电池沿平面内任意方向弯曲示意图；
图9是该实施例的多层锂离子电池沿平面内任意方向弯曲另一个视角示意图；
图10是该实施例的多层锂离子电池弯曲剖面示意图，slide表示锂离子电池单元之间的滑移；
图11是该实施例外壳的透视图。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
一种单层柔性电池，如图2和图6所示，由内层包装后的锂离子电池单元组成；所述锂离子电池单元由多层正负电极片对组成；每相邻的两个正负电极片对之间通过集流体接触连接，在集流体的接触面上进行图案加工，用以增强锂离子电池单元内，集流体间的滑移能力，更易于释放因变形产生的应力，以实现滑动；
本实施例的单层柔性电池包括：正极片、隔膜、负极片、表面处理材料、电解液、内层包装膜。
在锂离子电池单元中，正极片包括正极集流体、正极活性材料；负极片包括负极集流体、负极活性材料；隔膜设置在正极片与负极片之间；使用内层包装膜封装；在包装膜内注入电解质。
在锂离子电池单元中，集流体两边长度分别为L1、L2，L1＝10cm，L2＝10cm；
在锂离子电池单元中，有10层正负电极片对相互堆叠；
在锂离子电池单元中，多层正负电极片对之间，相邻的两个集流体可以在弯曲时进行滑移；
在锂离子电池单元中，集流体外侧使用表面处理材料涂覆；
在锂离子电池单元之间，锂离子电池单元可以在弯曲时产生相对滑移；
所述锂离子电池单元中的电解质使用LiPF6电解液；
对锂离子电池单元中集流体表面涂覆时，使用环氧树脂脱模剂；
所述内层包装时采用的包装膜为铝塑膜。
该实施例构型的锂离子电池单元相比商业化的叠片软包锂离子电池，由于只额外添加了环氧树脂脱模剂的材料，在成本上没有明显提高；电池性能接近商业电池，弯曲刚度能有效实现大幅度折减。
实施例2
一种书本结构柔性电池，如图1和图2所示，由若干层内层包装后的锂离子电池单元组成，所述锂离子电池单元通过极耳固定连接，如图3a所示，然后封装在外壳内，如图11所示；每相邻的两个锂离子电池单元之间设置填充材料，用以增强锂离子电池单元间的滑移能力，更易于释放因变形产生的应力，以实现滑动，如图7、图8、图9和图10所示；
本实施例的书本结构柔性电池包括：正极片、隔膜、负极片、表面处理材料、电解液、内层包装膜、填充材料和电池外壳。
本发明涉及一种多层电池，这种电池其中包括10层锂离子电池单元，10层锂离子电池单元通过极耳部分相互连接组成多层书本状电池。
在锂离子电池单元中，正极片包括正极集流体、正极活性材料；负极片包括负极集流体、负极活性材料；隔膜设置在正极片与负极片之间；使用内层包装膜封装；在包装膜内注入电解质。
在锂离子电池单元中，集流体两边长度分别为L1、L2，L1＝10cm，L2＝10cm；
在锂离子电池单元中，有10层正负电极片对相互堆叠。
在锂离子电池单元中，多层正负电极片对之间，相邻的两个集流体可以在弯曲时进行滑移；
在锂离子电池单元中，集流体外侧可以进行表面处理、或者使用表面处理材料涂覆；
在锂离子电池单元中，通过集流体的表面图案设计，以使集流体之间更易于相对滑移；
在锂离子电池单元之间，锂离子电池单元可以在弯曲时产生相对滑移；
在锂离子电池单元通过焊接极耳连接在一起，组装成多层电池，外侧用电池外壳进行封装；
在锂离子电池单元之间，用填充材料进行填充；
所述电池外壳使用铝塑膜、硅胶、橡胶、PE膜、PP膜、PDMS膜、PI膜等柔性材料制造，在内部存在一定的空隙来容许锂离子电池单元之间的滑移；
所述极耳的位置设置在电池的一角；
所述极耳的正负极极耳夹角为90°；
所述外壳内壁与锂离子电池单元组存在一定间隙，弯曲时有锂离子电池单元组的活动空间；
所述外壳材料使用橡胶；
所述填充材料使用空气；
所述锂离子电池单元中的电解质使用LiPF6电解液；
所述内层包装时采用的包装膜为铝塑膜。
该实施例构型的锂离子电池单元相比商业化的叠片软包锂离子电池，由于只额外添加了环氧树脂脱模剂的材料，在成本上没有明显提高；电池性能接近商业电池，弯曲刚度能有效实现大幅度折减。
实施例3
一种书本结构柔性电池，如图1和图2所示，由内层包装后的若干层锂离子电池单元组成，所述锂离子电池单元通过极耳固定连接，如图3a所示，然后封装在外壳内，如图11所示；每相邻的两个锂离子电池单元之间设置填充材料；所述锂离子电池单元由若干层正负电极片对组成，如图4a所示；每相邻的两个正负电极片对之间通过集流体接触连接，在集流体的接触面上涂覆材料或对接触面表面进行图案加工，如图6所示；通过填充材料和表面涂覆或图案加工共同实现滑动，用以增强锂离子电池单元中集流体之间和内层包装后的锂离子电池单元间的滑移能力，更易于释放因变形产生的应力，以实现滑动，如图5a、图7、图8、图9和图10所示；
本实施例的书本结构柔性电池包括：正极片、隔膜、负极片、表面处理材料、电解液、内层包装膜、填充材料和电池外壳。
本实施例涉及一种多层电池，这种电池其中包括3层锂离子电池单元，3层锂离子电池单元通过极耳部分相互连接组成多层书本状电池。
在锂离子电池单元中，正极片包括正极集流体、正极活性材料；负极片包括负极集流体、负极活性材料；隔膜设置在正极片与负极片之间；使用内层包装膜封装；在包装膜内注入电解质；
在锂离子电池单元中，集流体两边长度分别为L1、L2，L1＝10cm，L2＝10cm；
在锂离子电池单元中，有3层正负电极片对相互堆叠；
在锂离子电池单元中，多层正负电极片对之间，相邻的两个集流体可以在弯曲时进行滑移；
在锂离子电池单元中，集流体外侧进行表面处理；
在锂离子电池单元中，通过集流体的表面图案设计，以使集流体之间更易于相对滑移；
在锂离子电池单元之间，锂离子电池单元可以在弯曲时产生相对滑移；
在锂离子电池单元通过焊接极耳连接在一起，组装成多层电池，外侧用电池外壳进行封装；
在锂离子电池单元之间，可以用填充材料进行填充或者不进行填充；
电池外壳使用橡胶制造，在内部存在一定的空隙来容许锂离子电池单元之间的滑移；
所述极耳的位置设置在一角，距离边缘均为2cm；
所述极耳的正负极极耳夹角为90°；
所述外壳内壁与锂离子电池单元组存在一定间隙，弯曲时有锂离子电池单元组的活动空间；
所述外壳材料使用橡胶；
所述填充材料使用空气；
所述锂离子电池单元中的电解质使用LiPF6电解液；
所述内层包装时采用的包装膜为铝塑膜；
所述内层包装时采用的包装膜为铝塑膜。
该实施例构型的锂离子电池单元相比商业化的叠片软包锂离子电池，由于只进行了集流体表面的图案加工，在成本上没有明显提高；电池性能接近商业电池，弯曲刚度能有效实现大幅度折减。
以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种单层柔性电池，其特征在于：由内层包装后的锂离子电池单元组成；所述锂离子电池单元由多层正负电极片对组成；每相邻的两个正负电极片对之间通过集流体接触连接，在集流体的接触面上涂覆材料或对接触面表面进行图案加工，用以增强锂离子电池单元内，集流体间的滑移能力，更易于释放因变形产生的应力，以实现滑动。
2.一种书本结构柔性电池，其特征在于：由若干内层包装后的锂离子电池单元组成，所述锂离子电池单元通过极耳固定连接，然后封装在外壳内；每相邻的两个锂离子电池单元之间设置填充材料，用以增强锂离子电池单元间的滑移能力，更易于释放因变形产生的应力，以实现滑动。
3.一种书本结构柔性电池，其特征在于：由内层包装后的若干锂离子电池单元组成，所述锂离子电池单元通过极耳固定连接，然后封装在外壳内；每相邻的两个锂离子电池单元之间设置填充材料；所述锂离子电池单元由多层正负电极片对组成；每相邻的两个正负电极片对之间通过集流体接触连接，在集流体的接触面上涂覆材料或对接触面表面进行图案加工；通过填充材料和表面涂覆或图案加工共同实现滑动，用以增强锂离子电池单元中集流体之间和内层包装后的锂离子电池单元间的滑移能力，更易于释放因变形产生的应力，以实现滑动。
4.如权利要求1或2或3所述的一种书本结构柔性电池，其特征在于：所述极耳的位置和角度能够根据需求自由调控。
5.如权利要求1或2或3所述的一种书本结构柔性电池，其特征在于：所述极耳的正负极极耳夹角为0°～270°。
6.如权利要求1或2或3所述的一种书本结构柔性电池，其特征在于：所述外壳内壁与锂离子电池单元组存在一定间隙，弯曲时有锂离子电池单元组的活动空间。
7.如权利要求1或2或3所述的一种书本结构柔性电池，其特征在于：所述外壳材料包括：铝塑膜、硅胶、橡胶、PE膜、PP膜、PDMS膜、PI膜等柔性材料；所述填充材料包括：空气、不导电液体、粘弹性固体和粉末状的材料；所述锂离子电池单元中的电解质使用凝胶、电解液或固态电解质；所述内层包装时采用的包装膜包括铝塑膜、PE膜、PP膜、PDMS膜或PI膜等柔性薄膜包装膜。
8.如权利要求7所述的一种书本结构柔性电池，其特征在于：所述不导电液体包括液态石蜡或离子液体；所述粘弹性固体包括硅胶或橡胶；所述粉末状的材料包括磁性粉末、碳酸钙粉末或石墨粉末。
9.如权利要求1或3所述的一种书本结构柔性电池，其特征在于：对锂离子电池单元中集流体表面涂覆时，采用的材料包括硅氧烷化合物、表面活性剂、聚醚等固体、液体或凝胶脱模剂。
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| Title |
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| HAOSEN CHEN ET AL.: "《Free-standing and flexible LiMnTiO4/carbon nanotube cathodes for high performance lithium ion batteries》", 《JOURNAL OF POWER SOURCES》 * |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112151766A (zh) * | 2020-11-09 | 2020-12-29 | 上海交通大学烟台信息技术研究院 | 一种锂离子电池柔性电极及其制备方法和应用 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN109888371B (zh) | 2021-05-04 |
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