CN110808405A - 一种基于叉指电极结构的锂电池 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于叉指电极结构的电池，包括绝缘基底、叉指电极、电极材料层、绝缘隔层、电解质层和封装层；所述叉指电极设于所述绝缘基底上，包括多个电极对，每个电极对由间隔设置的第一叉指和第二叉指组成；所述电极材料层包括正极材料层和负极材料层，所述正极材料层设于所述第一叉指上，所述负极材料层设于所述第二叉指上；所述绝缘隔层设于所述绝缘基底上，并在水平方向上将相邻两个电极对上的电极材料层隔离；所述电解质层设于所述电极材料层之上，并设于每个电极对中的第一叉指与第二叉指之间；所述封装层设于所述电解质层上。本发明所述的基于叉指电极结构的电池中无需设置传统锂电池中的隔膜，并且结构平面化，电池内阻低。
Description
技术领域
本发明涉及电池领域，特别是涉及一种基于叉指电极结构的锂电池。
背景技术
化学电池是指能将化学能转变为电能的装置，主要包括电解质溶液和浸入电解质溶液的正极和负极。
例如，传统“三明治”结构的锂电池是以不同的正极材料和负极材料为核心层，并匹配相应的电解质和隔膜得到的；其中，锂电池正极材料有钴酸锂(LiCoO2)、锂镍氧化物、锂锰氧化物等，并通常具有层状结构、三维网状结构或隧道结构；锂电池负极材料有碳材料(比如石墨)、氧化物负极材料等，且负极材料需要达到的要求是，锂离子能够自由进出嵌锂材料，而材料本身仅发生相应的膨胀或收缩，并不发生因应力过大引起的粉化与崩塌，从而既获得高的比容量、以及稳定结构支撑下的优良循环特性；电解质有高氯酸锂(LiCIO4)、六氟磷酸锂(LiPF6)、四氟硼酸锂(LiBF4)等。然而，传统锂电池中的隔膜一旦破裂，便会造成短路而发生爆炸，因此，传统锂电池的弯折性能差，无法满足越来越迫切的穿戴式需要。
之前，申请人在专利申请CN201811226864.X中提出了一种无隔膜的柔性电池，该柔性电池是基于平面结构的新型锂电池，但是在该结构中，由于锂离子在正负极之间的运动距离较传统锂电池大大增加，导致电池内阻很大，输出电流很小。
发明内容
基于此，本发明的目的在于，提供一种基于叉指电极结构的锂电池，该锂电池中无需设置传统锂电池中的隔膜，并且结构平面化，电池内阻低。
本发明采取的技术方案如下：
一种基于叉指电极结构的锂电池，包括绝缘基底、叉指电极、电极材料层、绝缘隔层、电解质层和封装层；所述叉指电极设于所述绝缘基底上，包括多个电极对，每个电极对由间隔设置的第一叉指和第二叉指组成；所述电极材料层包括正极材料层和负极材料层，所述正极材料层设于所述第一叉指上，所述负极材料层设于所述第二叉指上；所述绝缘隔层设于所述绝缘基底上，并在水平方向上将相邻两个电极对上的电极材料层隔离；所述电解质层设于所述电极材料层之上，并设于每个电极对中的第一叉指与第二叉指之间；所述封装层设于所述电解质层上。
相对于现有技术，本发明所述的基于叉指电极结构的锂电池，将正极材料层与负极材料层并列设置在同一块绝缘基底上，能够实现电池结构平面化，有利于实现电池的大面积和低成本制备，再者，采用叉指电极作为电池的引出电极，实现与外电路电连接，并且将正极材料层和负极材料层按照叉指电极的结构来布置，能够在电池充放电时缩短锂离子在每个电极对上的正极材料层与负极材料层之间的迁移路程，有利于降低电池的内阻，从而提高能效。
本发明的锂电池结构简单、成本低廉、节能环保，具有良好的应用前景。
具体地，所述绝缘隔层填充于相邻两个电极对之间，并填充于相邻两个电极对上的电极材料层之间。
具体地，所述正极材料层的上表面与所述负极材料层的上表面齐平；所述绝缘隔层的上表面与所述正极材料层的上表面齐平，或者高于所述正极材料层的上表面。
具体地，所锂电池还包括外电路，所述外电路分别与所述第一叉指和第二叉指电连接。
具体地，所述叉指电极还包括第一公共导电部分和第二公共导电部分，所述多个电极对设于所述第一公共导电部分与第二公共导电部分之间，其中的第一叉指与第二叉指一一交替排列，所述第一叉指与所述第一公共导电部分连接，所述第二叉指与所述第二公共导电部分连接。
根据现有的叉指电极制造工艺，第一叉指和第二叉指的宽度都可以达到微米级甚至更小，相邻第一叉指与第二叉指之间的间距也可以达到微米级甚至更小，由此，所述锂电池充放电时锂离子在成对的第一叉指和第二叉指之间的迁移路径可以达到非常小，整体上大大降低了电池的内阻，从而保证了电池的能耗足够小，提高能效。
具体地，所述第一公共导电部分和第二公共导电部分分别外露于所述电解质层外，可以分别作为所述锂电池的引出电极，方便锂电池与外电路连接。
具体地，所述锂电池还包括外电路，所述外电路分别与所述第一公共导电部分和第二公共导电部分电连接。
具体地，所述绝缘隔层采用塑料或橡胶。
具体地，所述正极材料层采用锂离子正极材料；所述负极材料层采用碳材料。
具体地，所述绝缘基底采用柔性绝缘材料，使锂电池具备可弯曲的功能。
为了更好地理解和实施，下面结合附图详细说明本发明。
附图说明
图1为实施例1的基于叉指电极结构的锂电池的俯视结构图；
图2为图1中的A-A向截面图；
图3为图1中的B-B向截面图；
图4为实施例1中的叉指电极的平面示意图；
图5为实施例1的基于叉指电极结构的锂电池的充放电实物照片；
图6为实施例1的基于叉指电极结构的锂电池的充放电曲线图；
图7为实施例1的基于叉指电极结构的锂电池的循环充放电曲线图；
图8为实施例2的基于叉指电极结构的锂电池平整放置时的充放电实物照片；
图9为实施例2的基于叉指电极结构的锂电池弯曲时点亮LED灯的实物照片。
具体实施方式
在本发明的描述中，需要说明的是，对于方位词，如有术语“中心”，“横向(X)”、“纵向(Y)”、“竖向(Z)”“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示方位和位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于叙述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定方位构造和操作，不能理解为限制本发明的具体保护范围。
此外，如有术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或隐含指明技术特征的数量。
在本发明描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除另有明确规定和限定，如有术语“组装”、“相连”、“连接”术语应作广义去理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；也可以是机械连接；可以是直接相连，也可以是通过中间媒介相连，可以是两个元件内部相连通。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述的术语在本发明中的具体含义。
实施例1
请同时参阅图1-4，图1为本实施例的基于叉指电极结构的锂电池的俯视结构图，图2为图1中的A-A向截面图，图3为图1中的B-B向截面图，图4为本实施例中的叉指电极的平面示意图。
本实施例提供的基于叉指电极结构的锂电池，包括绝缘基底1、叉指电极2、电极材料层3、绝缘隔层4、电解质层5、封装层6和外电路7。
为了便于清楚显示叉指电极2、电极材料层3和绝缘隔层4在绝缘基底1上的布置方式，图1所示的锂电池中省略了电解质层5和封装层6。
所述叉指电极2设于所述绝缘基底1上，包括多个电极对，每个电极对由间隔设置的导电的第一叉指21和第二叉指22组成，如图4所示；所述电极材料层3包括正极材料层31和负极材料层32，所述正极材料层31设于所述第一叉指21上，所述负极材料层32设于所述第二叉指22上；所述绝缘隔层4设于所述绝缘基底1上，并在水平方向上将相邻两个电极对上的电极材料层3隔离，如图2所示；所述电解质层5设于所述电极材料层3之上，并设于每个电极对中的第一叉指21与第二叉指22之间；所述封装层6设于所述电解质层5上；所述外电路7分别与所述第一叉指21和第二叉指22电连接，以实现所述锂电池的充电或放电。
其中，所述绝缘基底1用于承载其他部件；所述叉指电极2可以用于与外电路7连接，所述第一叉指21用于将外电路7与正极材料层31电连接，所述第二叉指22用于将外电路7与负极材料层32电连接；所述绝缘隔层4用于将相邻两个电极对上的电极材料层3隔离以防止锂离子迁移时在不同电极对之间串扰；所述电解质层5用于导通每个电极对上的正极材料层31与负极材料层32；所述封装层6用于外封装以保护其他部件。
本实施例所述的基于叉指电极结构的锂电池，将正极材料层31与负极材料层32并列设置在同一块绝缘基底1上，能够实现电池结构平面化，有利于实现电池的大面积和低成本制备，再者，采用叉指电极2作为电池的引出电极，实现与外电路7电连接，并且将正极材料层31和负极材料层32按照叉指电极2的结构来布置，能够在电池充放电时缩短锂离子在每个电极对上的正极材料层31与负极材料层32之间的迁移路程，有利于降低电池的内阻，从而提高能效。
所述基于叉指电极结构的锂电池的工作过程如下：
(1)充电过程：若外电路7包括电源71，将电源71的正极与第一叉指21电连接，将电源71的负极与第二叉指22电连接，则电源71在每个电极对上的正极材料层31与负极材料层32之间施加电压，使得正极材料层31中的锂离子在电压作用下通过电解质层5迁移至负极材料层32，电池实现充电，直至负极材料层32无法再容纳锂离子时，电池充电完毕。
(2)放电过程：若外电路7包括用电器72，且电池有电量，将用电器72分别与所述第一叉指21和第二叉指22电连接，则由于每个电极对上的正极材料层31与负极材料层32之间存在离子浓度差，负极材料层32中的锂离子通过电解质层5向正极材料层31扩散，同时，电子在外电路7中迁移，产生电流提供给用电器72工作使用，电池实现放电，直至正极材料层31和负极材料层4的离子浓度相等时，电池电量耗尽且放电完毕。
本实施例中，请参见图4，图中用虚线框选出每个电极对，所述叉指电极2是指状或梳状的面内有周期性图案的电极对的集合体，其铺设在所述绝缘基底1的上表面，具体包括三个电极对20a、20b和20c、第一公共导电部分23和第二公共导电部分24；所述三个电极对位于所述第一公共导电部分23与第二公共导电部分24之间，其中的第一叉指21和第二叉指22的形状相同，而且第一叉指21与第二叉指22一一交替并按间隔均匀排列，三个第一叉指21分别与所述第一公共导电部分23连接，三个第二叉指22分别与所述第二公共导电部分24连接。
所述正极材料层31分别覆盖在所述三个第一叉指21的上表面，所述负极材料层32分别覆盖在所述三个第二叉指22的上表面。结合图1、3和4所示，所述电极对20a及其上方的正极材料层31、负极材料层32和电解质层5可以视为构成一个微小的电池单元，所述电极对20b及其上方的正极材料层31、负极材料层32和电解质层5可以视为构成一个微小的电池单元，所述电极对20c及其上方的正极材料层31、负极材料层32和电解质层5可以视为构成一个微小的电池单元，则本实施例的锂电池具有三个电池单元，并且相邻两个电池单元中电极材料层3之间的电解质层5在水平方向上被所述绝缘隔层4隔开，如图1和图2所示。
根据现有的叉指电极制造工艺，第一叉指21和第二叉指22的宽度都可以达到微米级甚至更小，相邻第一叉指21与第二叉指22之间的间距也可以达到微米级甚至更小，由此，所述锂电池充放电时每个电池单元中锂离子在第一叉指21和第二叉指22之间的迁移路径可以达到非常小，整体上大大降低了电池的内阻，从而保证了电池的能耗足够小，提高能效。
本实施例中，为了防止相邻两个电池单元中的锂电子互相串扰，如图1和图2所示，所述绝缘隔层4填充于相邻两个电极对之间，也填充于所述相邻两个电极对上的正极材料层31与负极材料层32之间，并填充于所述第一叉指21与所述第二公共导电部分24之间，还填充于所述第二叉指22与所述第一公共导电部分23之间。
具体地，所述正极材料层31的上表面与所述负极材料层32的上表面齐平；而为了更好地为了防止相邻两个电池单元中的锂电子互相串扰，所述绝缘隔层4的上表面与正极材料层31的上表面齐平，同样也与所述负极材料层32的上表面齐平，如图2所示。
所述电解质层5覆盖于每个电池单元中的正极材料层31的上表面、负极材料层32的上表面、以及绝缘基底1在正极材料层31与负极材料层32之间露出的上表面，如图3所示；并且，在本实施例中，所述电解质层5覆盖于相邻两个电池单元之间的绝缘隔层4的上表面，如图2所示。
所述封装层6覆盖于所述电解质层5的上表面，如图2和图3所示。
本实施例中，为了方便锂电池与外电路7连接，具体地，所述第一公共导电部分23和第二公共导电部分24分别外露于所述电解质层5外，可以分别作为所述锂电池的引出电极，所述外电路7通过导线分别与所述第一公共导电部分23和第二公共导电部分24电连接，如图1所示。
所述外电路7可以包括电源71、用电器72、充电开关73和放电开关74，所述电源71与用电器72并联，所述充电开关73控制所述电源71的开启或关闭，所述放电开关74控制所述用电器72的开启或关闭；所述电源71的正极与所述第一公共导电部分23电连接，其负极与所述第二公共导电部分24电连接，当所述充电开关73闭合时，所述电源71向所述锂电池充电；所述用电器72的两端分别与所述第一公共导电部分23和第二公共导电部分24电连接，当所述放电开关74闭合时，所述锂电池为所述用电器72的工作供电。
本实施例中，具体地，所述绝缘基底1为玻璃衬底，所述叉指电极2采用贵金属，所述正极材料层31采用钴酸锂，所述负极材料层32采用石墨，所述绝缘隔层4采用亚克力(聚甲基丙烯酸甲酯)，所述电解质层5采用高氯酸锂/PC(碳酸丙烯酯)溶液，所述封装层6采用柔性绝缘材料。
对本实施例的一定尺寸大小的锂电池进行充放电实验，外电路7中的电源71选择直流电源，用电器72选择发光二极管。充电实验中，电源71在正极材料层31与负极材料层32之间施加4V的电压，以实现对锂电池的充电，如图5的左侧所示，此时发光二极管不亮，该锂电池的电量从无到充满的充电时间为4min左右；放电实验中，利用充满电量的锂电池为发光二极管供电，如图5的右侧所示，发光二极管被点亮，并且可正常发光5min左右。
另外，请参阅图6和图7，图6为本实施例的基于叉指电极结构的锂电池的充放电曲线图，图7为本实施例的基于叉指电极结构的锂电池的循环充放电曲线图。
图5-7的上述实验结果充分证明了本实施例的基于叉指电极结构的锂电池从原理上、技术上均能实现作为能源电池的基本功能与技术效果。
实施例2
本实施例提供的基于叉指电极结构的锂电池，其结构与实施例1的锂电池相同，不同之处在于：所述绝缘基底1为PET(聚对苯二甲酸乙二醇酯)衬底，其具有柔性而可以弯曲。
对本实施例的一定尺寸大小的锂电池进行充放电实验，外电路7中的电源71选择直流电源，用电器72选择发光二极管。充电实验中，该锂电池平整放置，电源71在正极材料层31与负极材料层32之间施加4V的电压，以实现对锂电池的充电，如图8的左侧所示，此时发光二极管不亮，该锂电池的电量从无到充满的充电时间为4min左右；放电实验中，利用充满电量、且平整放置的锂电池为发光二极管供电，如图8的右侧所示，发光二极管被点亮，并且可正常发光5min左右。
再者，经实验验证，该锂电池的整体弯折成圆弧状时，仍能够点亮发光二极管，如图9所示，且发光二极管的发光亮度与锂电池平整放置时相同。
除了实施例1-2以外，本发明的基于叉指电极结构的锂电池还具有多种实施方式，例如，所述叉指电极可以是除指状或梳状叉指电极以外的、其他类型的叉指电极；所述电极对的数量不限于三个，还可以是两个或更多个；所述第一叉指和第二叉指的宽度不受限制，视实际需要而定，相邻第一叉指与第二叉指之间的间距也不受限制，视实际需要而定；所述绝缘隔层的上表面可以高于所述电极材料层，甚至可以与所述电解质层的上表面齐平，从而将所述电解质层划分成多个层；所述正极材料层的上表面可以不与所述负极材料层的上表面齐平；所述绝缘基底、叉指电极、正极材料层、负极材料层、绝缘隔层、电解质层和封装层的形状和尺寸大小均不受限制，视实际需要而定。
另外，所述绝缘基底、叉指电极、正极材料层、负极材料层、绝缘隔层、电解质层和封装层采用的材料都不受限制，能够实现相应的基本功能，并使锂电池能够正常工作即可，具体的材料选择视实际需要而定，例如，所述绝缘基底可以采用柔性绝缘材料；所述叉指电极可以采用银等贵金属；所述正极材料层可以采用钴酸锂、锂镍氧化物、锂锰氧化物等锂离子正极材料；所述负极材料层可以采用石墨等碳材料；所述绝缘隔层可以采用绝缘的塑料或橡胶；所述电解质层可以采用液体电解质或凝胶体电解质；所述封装层可以采用柔性绝缘材料；等等。
相对于现有技术，本发明所述的基于叉指电极结构的锂电池，将正极材料层与负极材料层并列设置在同一块绝缘基底上，能够实现电池结构平面化，有利于实现电池的大面积和低成本制备，再者，采用叉指电极作为电池的引出电极，实现与外电路电连接，并且将正极材料层和负极材料层按照叉指电极的结构来布置，能够在电池充放电时缩短锂离子在每个电极对上的正极材料层与负极材料层之间的迁移路程，有利于降低电池的内阻，从而提高能效。
本发明所述的基于叉指电极结构的锂电池还能够采用柔性的绝缘基底，从而具备可弯曲的功能。
本发明的锂电池结构简单、成本低廉、节能环保，具有良好的应用前景。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种基于叉指电极结构的锂电池，其特征在于：包括绝缘基底、叉指电极、电极材料层、绝缘隔层、电解质层和封装层；所述叉指电极设于所述绝缘基底上，包括多个电极对，每个电极对由间隔设置的第一叉指和第二叉指组成；所述电极材料层包括正极材料层和负极材料层，所述正极材料层设于所述第一叉指上，所述负极材料层设于所述第二叉指上；所述绝缘隔层设于所述绝缘基底上，并在水平方向上将相邻两个电极对上的电极材料层隔离；所述电解质层设于所述电极材料层之上，并设于每个电极对中的第一叉指与第二叉指之间；所述封装层设于所述电解质层上。
2.根据权利要求1所述的锂电池，其特征在于：所述绝缘隔层填充于相邻两个电极对之间，并填充于相邻两个电极对上的电极材料层之间。
3.根据权利要求2所述的锂电池，其特征在于：所述正极材料层的上表面与所述负极材料层的上表面齐平；所述绝缘隔层的上表面与所述正极材料层的上表面齐平，或者高于所述正极材料层的上表面。
4.根据权利要求1所述的锂电池，其特征在于：还包括外电路，所述外电路分别与所述第一叉指和第二叉指电连接。
5.根据权利要求1所述的锂电池，其特征在于：所述叉指电极还包括第一公共导电部分和第二公共导电部分，所述多个电极对设于所述第一公共导电部分与第二公共导电部分之间，其中的第一叉指与第二叉指一一交替排列，所述第一叉指与所述第一公共导电部分连接，所述第二叉指与所述第二公共导电部分连接。
6.根据权利要求5所述的锂电池，其特征在于：所述第一公共导电部分和第二公共导电部分分别外露于所述电解质层外。
7.根据权利要求6所述的锂电池，其特征在于：还包括外电路，所述外电路分别与所述第一公共导电部分和第二公共导电部分电连接。
8.根据权利要求1-7任一项所述的锂电池，其特征在于：所述绝缘隔层采用塑料或橡胶。
9.根据权利要求1-7任一项所述的锂电池，其特征在于：所述正极材料层采用锂离子正极材料；所述负极材料层采用碳材料。
10.根据权利要求1-7任一项所述的锂电池，其特征在于：所述绝缘基底采用柔性绝缘材料。
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