CN112703629B - 用于薄膜电池的多层封装结构以及用于制造这种结构的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及用于薄膜电池(5)的多层封装结构(10),其中金属层(14)夹在第一层(11)和第二层(12)之间。第一开口(21)布置在第一层(11)中,使得与第一开口(21)相关联的金属层(14)的第一部分(24)暴露,并且配置为能够与薄膜电池(5)的集流体电接触。第二开口(22)布置在第二层(12)中,使得与第二开口(22)相关联的金属层(14)的第二部分(25)暴露,并且配置为能够电连接到外部电路。本发明还涉及用于制造多层封装结构(10)的方法(30)。
Description
技术领域
本发明涉及用于薄膜电池的多层封装结构以及用于制造这种结构的方法。
背景技术
在电池设计领域中,众所周知的是凭借包封元件包封一个或多个电池单元(battery cell)的部件,例如阳极、阴极和电解质。在该领域中,该保护性外部元件通常称为封装。在该背景下,经常使用的是通过堆叠多个薄的材料层实现封装,以获得市场认可的重量轻且柔性的薄膜电池。
US 2015/0017518公开了这样的多层封装结构以及与之相关的电池。当绕一个或多个电池单元包绕封装时,即,当电池基本上组装时,在多个薄的功能层之外,电池还具有延伸超过电池周边的集流体极耳(current collector tab)。这些集流体极耳的目的是将电能从一个或多个电池单元传递到外部负载。
容易推断的是,US 2015/0017518中讨论的极耳会在包封的电池封装上开孔。与此相关的,在电池密封阶段期间需要特别注意,以防止水蒸气在集流体极耳刺穿包封一个或多个电池单元的封装结构的点处渗透到所述电池单元内部。
在相关的背景下并且由于多种设计和生产考量,组装的电池的集流体极耳通常是脆弱的。因此,集流体极耳易于折断并且还在制造和/或组装期间容易损坏。
US 2012/0208071公开了用于薄膜电池的制造方法,其中端子孔打孔在封装中。与此相关的,US 2012/0208071教导了可省去集流体极耳,但是所公开的过程不适用于基于水蒸气敏感材料的电池化学。
在上述背景下,本发明的一个目的在于至少减轻与现有技术相关联的上述和其他缺点。
发明内容
上述目的的实现是凭借根据独立权利要求的用于薄膜电池的多层封装结构以及用于制造这种结构的方法,以及通过根据从属权利要求的实施例。
更具体地,本发明的第一方面涉及用于薄膜电池的多层封装结构,所述结构至少包括第一层、第二层、和夹在第一层和第二层之间的金属层,其中第一开口布置在第一层中,使得与布置的第一开口相关联的金属层的第一部分暴露,金属层的所述第一部分配置为能够与薄膜电池的集流体电接触,以及第二开口布置在第二层中,使得与布置的第二开口相关联的金属层的第二部分暴露,金属层的所述第二部分配置为能够电连接到外部电路。
此外,本发明的第二方面涉及用于制造用于薄膜电池的多层封装结构的方法,所述方法包括以下步骤:
-提供第一层,
-在第一层的顶部上提供金属层,
-在金属层的顶部上提供第二层,使得金属层夹在第一层和第二层之间,
-在第一层中布置第一开口,使得与布置的第一开口相关联的金属层的第一部分暴露,
-配置与布置的第一开口相关联的金属层的第一部分,使得其能够与薄膜电池的集流体电接触,
-在第二层中布置第二开口,使得与布置的第二开口相关联的金属层的第二部分暴露,金属层的所述第二部分配置为能够电连接到外部电路。
应注意的是,为了适当地执行该方法,所述方法步骤不必须以上述顺序进行。特别是,在第一/第二层中布置第一/第二开口的步骤可在将金属层夹在中间之前进行。
在下文中,呈现了本发明的上述主要方面的积极效果和优点。
在总体层面上,通过形成允许多层封装结构的金属层的部分暴露(即,其他部件(例如,集流体/外部设备的外部电路)可接近)的开口,金属层的暴露部分有效地用作集流体极耳。
更具体地,并且由于封装结构的金属层本质上是导电的,暴露金属层的面向一个或多个电池单元的部分,并使金属层的所述部分与薄膜电池的集流体电接触,引起在一个或多个单元中产生的并由集流体收集的电流可从电池中引出。更具体地,并且由于金属层的另一暴露部分能够通过面向外部环境(即,通过面离一个或多个电池单元)而电连接到外部电路,可经由金属层转移收集的电流并将电流输送到外部设备的适当适配的外部电路。
因此,当设计电池时,特别是薄膜电池时,常规的突出的集流体极耳变得多余并且可省去。由此可消除与这些极耳相关联的许多缺点。
在上述背景下,提出的方案适于设计和制造包括对水蒸气敏感的材料的电池。因此,不存在突出的连接器使得可相对于外部污染物(例如,水蒸气分子)完全密封电池内部。
另外,借助于公开的方案,获得了用于电池的多功能封装结构。由此,该结构同时用作为封装、水蒸气屏障和极耳。
还消除了上文讨论的在制造或组装封装结构和/或电池时极耳断裂或撕裂的重大风险。
最后,本发明使得能够制造具有一致轮廓的电池,即该轮廓不会因可膨胀的密封层改变。
当结合附图阅读以下详细描述时,实施例的其他优点和特征将变得显而易见。
附图说明
当考虑本发明的以下详细描述时,将更好地理解本发明,并且上文陈述的目的之外的其他目的将变得显而易见。该描述参考了附图,其中:
图1是根据本发明一个实施例的用于薄膜电池的多层封装结构的剖视图。
图2a和2b示出了根据结合图1描述的本发明的实施例的组装的薄膜电池的透视示意图。
图3是根据本发明另一实施例的用于薄膜电池的多层封装结构的剖视图。
图4示出了根据本发明一个实施例的用于制造用于薄膜电池的多层封装结构的方法的流程图。
具体实施方式
在下文中参考附图描述多种实施例。应当注意的是,类似的附图标记贯穿于附图指代具有类似结构或功能的元件。还应注意的是,附图仅旨在方便实施例的描述。其不旨在作为对所要求保护的发明的穷尽性描述或对所要求保护的发明的范围的限制。另外,示出的实施例不必具有所示的所有方面或优点。结合特定实施例描述的方面或优点不必然限制于该实施例,并且可在任何其他实施例中实施,即使未如此示出或未如此明确描述。
图1是根据本发明一个实施例的用于薄膜电池的多层封装结构10的剖视图。结构10至少包括第一层11、第二层12和夹在第一层11和第二层12之间的金属层14,所述层相继层叠在基底层(未示出)的表面上。
面向组装的电池的一个或多个电池单元的第一层11是可热密封的层。该层优选由聚丙烯制成。所使用的聚丙烯材料可是丙烯、均聚聚丙烯、嵌段丙烯以及其他类型的丙烯。低结晶度乙烯-丁烯共聚物,低结晶度丙烯-丁烯共聚物,由乙烯、丁烯、和丙烯的三组分共聚物组成的三元共聚物,二氧化硅、沸石、丙烯酸树脂珠粒和其他抗粘连剂,脂肪酸酰胺类滑剂等可添加到任何上述类型的聚丙烯中。第一层11也可由线性低密度聚乙烯或中密度聚乙烯组成,或由线性低密度聚乙烯和中密度聚乙烯的混合树脂组成。
金属层14具有高水蒸气屏障的特点,以确保电池内的干燥环境。合适的材料选自包括铝、镍和不锈钢的组。替代地,将无机化合物(例如,氧化硅、氧化铝等)气相沉积到金属箔层上。作为金属箔层的部分的金属箔优选地为铝箔,其具有的厚度范围在20至100微米之间。沉积物的厚度典型地为至少为15微米。由此,避免了针孔并且改善了诸如软包形成和冷压成型性的过程性能。
面离组装的电池的一个或多个电池单元的第二层12典型地包括漆。漆层的获得是通过将适量的二氧化硅基、高岭土基、或另一无机材料基的消光剂添加到烷基基合成树脂或纤维素基、聚酰胺基、乙酸乙烯酯基、改性聚烯烃基、橡胶基、丙烯酸基、氨基甲酸酯基、或其他烯烃基树脂。替代地,漆层的获得可通过将适量的蜡和二氧化硅基、高岭土基、或其他无机材料基的消光剂添加到醇酸基基合成树脂或上述烯烃基树脂。用于实现哑光漆层的方法不限制于任何特定方法。因此,可采用不同的印刷技术,例如,胶版印刷、凹版印刷、柔性版印刷或丝网印刷。此外,可使用辊涂、逆向涂布或与之类似的过程。
第一开口21布置在第一层11中,使得与布置的第一开口21相关联的金属层14的第一部分24暴露。在此,与布置的第一开口21相关联的金属层14的第一部分24配置为能够与薄膜电池的集流体(图1中未示出)电接触。第二开口22布置在第二层12中,使得与布置的第二开口22相关联的金属层14的第二部分25暴露。因此,一旦电池组装,与布置的第二开口22相关联的金属层14的第二部分25配置为能够与外部电路电连接并且有利地面向外部环境。如在图1的实施例中容易看到的,第二开口22相对于第一开口21相反布置。带有相反的开口21、22的该布置是优选的,但是当然不限于此。开口21和22可相对于彼此偏移。
如上所述,通过暴露金属层14的部分24并使所述部分24与薄膜电池的集流体电接触,引起由集流体从电池单元收集的电流可经由金属层14从电池引出,更确切地是经由金属层的另一暴露部分25,即面向外部环境的部分25,该部分25配置为能够电连接到外部设备的外部电路。所收集的电流可随后输送到适当适配的外部设备。因此,金属层14的暴露部分24、25有效地用作为集流体极耳。因此,当设计电池时,特别是薄膜电池时,常规的突出的集流体极耳变得多余并且可省去。由此可消除与这些极耳相关联的许多缺点。还消除了在制造或组装封装结构和/或电池时极耳断裂或撕裂的风险。
在相关背景下,不存在突出的连接器使得可相对于水蒸气分子完全密封电池的内部。
总之,获得了用于电池的多功能封装结构10,其中该结构同时用作封装、水蒸气屏障和极耳。
在此公开的本发明的封装结构10可使用在当制造一次电池和二次电池,典型地是锂离子电池时,其中在封装中需要存在金属层。可使用许多不同的化学系统,例如基于阴极的系统,诸如Li,MnO,(0<x<2,0<y<2且X-y=3),LiCoO,LiMPO(M=Fe、Mn、Co、Ni),LiAlCo,NiO(0<x<1,0<y<1,0<z<1且x+y+z=1),LiNiloCo、O(0<y<1),LixVyOz。
图2a和2b呈现了结合图1描述的根据本发明的实施例的组装的薄膜电池5的透视示意图。
组装的薄膜电池5的正面和背面分别示出在图2a和2b中。在一个非限制性实施例中,由封装结构包封的电池单元可是软包类型的。组装的电池包括本发明的多层封装结构。如在图2a和2b中看到的,电池5包括布置在电池5的一侧上的封装结构10中的第一(正)端子3a和布置在电池5的相反侧上的封装结构10中的第二(负)端子3b。电池5的边缘4是气密密封的,并且端子3a、3b嵌入在封装结构中。在此,电池端子3a、3b是用于将外部电路(未示出)连接到电池5的电触点。为了本申请的目的,术语“电池端子”包括面向外部环境的金属层的部分。可通过焊接、粘结或印刷过程在金属层的顶部上将诸如线或板(plane)的外部元件(未示出)的添加到电池。电池5及其端子3a、3b的尺寸、形状和位置可根据供电产品的要求而改变。
图3是根据本发明另一实施例的用于薄膜电池5的多层封装结构10的剖视图。参考图3,并且为了简洁起见,已结合图1详细描述的层不再进一步讨论。类似于图1中示出的封装结构10的层,图3的封装结构的所有层相继层叠在基底层(未示出)的一个表面上。
因此,示出了至少夹在第一层11和金属层14之间的第三层13,其中第三开口23布置在第三层13中,所述第三开口23的中心与布置在第一层11中的第一开口21的中心对准,使得与布置的第一和第三开口21、23相关联的金属层14的部分31暴露,并配置为能够与薄膜电池5的集流体电接触。举例来说,第三层13是酸改性聚丙烯层,从而防止电解质渗透到金属层14中。第三层13凭借确保高粘合力的粘合剂粘结到金属层14。
还示出了夹在第二层12和金属层14之间的多个附加层16、17、18。附加开口26、27、28布置在每个附加层26、27、28中,所述附加开口26、27、28的中心与布置在第二层12中的第二开口22的中心对准,使得与布置的第二和附加开口22、26、27、28关联的金属层14的部分32暴露。示出的多层结构10的附加层18包括聚酯树脂层,该聚酯树脂层具有保护金属层免于刮擦和磨损的作用。可用的聚酯树脂包括,例如,聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚对苯二甲酸丁二醇酯、聚萘二甲酸乙二醇酯、聚萘二甲酸丁二醇酯、共聚酯、聚碳酸酯等。粘合剂或聚烯烃树脂可用作粘结层。粘合剂的具体示例可包括聚乙酸乙烯酯基粘合剂,丙烯酸乙酯和丙烯酸丁酯、2-乙基己基酯、和其他同聚物,或由上述化合物的共聚物等与甲基丙烯酸甲酯、丙烯腈、苯乙烯等组成的聚丙烯酸酯基粘合剂,氰基丙烯酸酯基粘合剂,由乙酸乙酯和乙酸乙烯酯、丙烯酸乙酯、丙烯酸、甲基丙烯酸和其他单体组成的乙烯共聚物基粘合剂,纤维素基粘合剂,聚酯基粘合剂,聚酰胺基粘合剂,聚酰亚胺基粘合剂;由脲醛树脂、三聚氰胺树脂等组成的氨基树脂基粘合剂,酚醛树脂基粘合剂,环氧基粘合剂,聚氨酯基粘合剂,反应性(甲基)丙烯酸基粘合剂,由氯丁橡胶、丁腈橡胶、丁苯橡胶等组成的橡胶基粘合剂,硅酮基粘合剂,由碱金属硅酸盐组成的无机物基粘合剂,低熔点玻璃等以及其他粘合剂。接下来的附加层17可是定向的尼龙膜,例如聚酰胺树脂,具体地,尼龙6、尼龙6,6、尼龙6和尼龙6,6的共聚物、尼龙6,10、聚间亚二甲苯基己二酰胺(MXD6)等。该层凭借粘合剂层16粘结到金属层。粘结可通过使用干层叠技术实现。
如图3中看到的,所有开口具有相同的半径,但是可想到其他替代方案。此外,在金属层14的一个面上的对准的开口优选地相对于在金属层14的另一面上的对准的开口相反布置。但是,在金属层14的每个面上的对准的开口可相对于彼此偏移。
总体上讲,封装结构的层越多其性能越好。因此,通过采用较多的层可显着改善诸如可成型性、耐电解质性和热辐射性的特点。
图4示出了根据本发明一个实施例的用于制造用于薄膜电池的多层封装结构的方法30的流程图。
起初,提供40第一层11。之后,在第一层11的顶部上提供50金属层14。随后,在金属层14的顶部上提供60第二层12,使得金属层14夹在第一层11和第二层12之间。在下一步骤中,在第一层11中布置70第一开口21,使得与布置的第一开口21相关联的金属层14的第一部分24暴露。然后,将与布置的第一开口21相关联的金属层14的第一部分21配置80为使得其能够与薄膜电池5的集流体电接触。随后,在第二层12中布置90第二开口22,使得与布置的第二开口22相关联的金属层14的第二部分25暴露,金属层14的所述第二部分25配置为能够电连接到外部电路。有利地,与布置的第二开口22相关联的金属层14的第二部分25面向外部环境。
关于可归因于该方法的效果、优点和益处的详细讨论,参考关于图1的说明的适当部分。
在另一实施例中,提供夹在第一层11和金属层14之间的至少一个第三层13,并且第三开口23布置在第三层13中,所述第三开口23的中心与布置在第一层11中的第一开口21的中心对准,使得与布置的第一开口21和第三开口23相关联的金属层14的部分31暴露,并且配置为能够与薄膜电池5的集流体电接触。在又另一实施例中,提供了夹在第二层12和金属层14之间的至少一个附加层16、17、18,并且附加开口26、27、28布置在每个附加层16、17、18中,所述附加开口26、27、28的中心与布置在第二层12中的第二开口22的中心对准,使得与布置的第二和附加开口22、26、27、28相关联金属层14的部分32暴露,并配置为能够电连接到外部电路。根据这两个实施例的层配置,通过在金属层14的每个面上的若干对准的开口,保持了到金属层14的通路。在金属层14的一个面上的对准的开口优选地相对于在金属层14的另一个面上的对准的开口相反布置。但是,在金属层14的每个面上的对准的开口可相对于彼此偏移。
在相关的实施例中,通过切割或冲压一个或多个层的材料或通过在金属层14上选择性地沉积熔融的组分而获得开口中的至少一个。
替代地,通过选择性地去除层材料的合适部分以实现开口中的至少一个,其中选择性地去除层材料的合适部分是利用激光烧蚀实现的。
在附图和说明书中,已经公开了本发明的典型的优选实施例,并且尽管采用了特定术语,但是该术语仅在通常的和描述性的意义上使用并且不是用于限制的目的,本发明的范围规定在以下权利要求中。
Claims (11)
1.用于薄膜电池(5)的多层封装结构(10),所述结构至少包括:
-第一层(11),
-第二层(12),
-夹在所述第一层(11)和所述第二层(12)之间的金属层(14),
其中,所述结构(10)还包括:
-布置在所述第一层(11)中的第一开口(21),使得与布置的第一开口(21)相关联的所述金属层(14)的第一部分(24)暴露,所述金属层(14)的所述第一部分(24)配置为能够与所述薄膜电池(5)的集流体电接触,
-布置在所述第二层(12)中的第二开口(22),使得与布置的第二开口(22)相关联的所述金属层(14)的第二部分(25)暴露,所述金属层(14)的所述第二部分(25)配置为能够通过面向外部环境而电连接到外部电路,
其中,所述结构还包括:
-夹在所述第一层(11)和所述金属层(14)之间的至少第三层(13),和
-布置在所述第三层(13)中的第三开口(23),所述第三开口(23)的中心与布置在所述第一层(11)中的所述第一开口(21)的中心对准,使得与布置的第一开口(21)和所述第三开口(23)相关联的所述金属层(14)的部分(31)暴露,并配置为能够与所述薄膜电池(5)的集流体电接触,其中所述第三层(13)是酸改性聚丙烯层,从而防止电解质渗透到所述金属层中,其中,所述第二开口(22)相对于所述第一开口(21)相反布置。
2.根据权利要求1所述的多层封装结构(10),其中,所述结构还包括:
-夹在所述第二层(12)和所述金属层(14)之间的至少一个附加层(16、17、18),和
-布置在每个所述附加层(16、17、18)中的附加开口(26、27、28),所述附加开口(26、27、28)的中心与布置在所述第二层(12)中的所述第二开口(22)的中心对准,使得与布置的第二开口(22)和所述附加开口(26、27、28)相关联的所述金属层(14)的部分(32)暴露,并配置为能够电连接到外部电路。
3.用于制造用于薄膜电池(5)的多层封装结构(10)的方法(30),所述方法包括以下步骤:
-提供(40)第一层(11),
-在所述第一层(11)的顶部上提供(50)金属层(14),
-在所述金属层(14)的顶部上提供(60)第二层(12),使得所述金属层(14)夹在所述第一层(11)和所述第二层(12)之间,
-在所述第一层(11)中布置(70)第一开口(21),使得与布置的第一开口(21)相关联的所述金属层(14)的第一部分(24)暴露,
-配置(80)与布置的第一开口(21)相关联的所述金属层(14)的所述第一部分(24),使得其能够与所述薄膜电池(5)的集流体电接触,
-在所述第二层(12)中布置(90)第二开口(22),使得与布置的第二开口(22)相关联的所述金属层(14)的第二部分(25)暴露,所述金属层(14)的所述第二部分(25)配置为能够通过面向外部环境而电连接到外部电路,
其中,所述方法还包括以下步骤:
-提供夹在所述第一层(11)和所述金属层(14)之间的至少第三层(13),以及
-在所述第三层(13)中布置第三开口(23),所述第三开口(23)的中心与布置在所述第一层(11)中的所述第一开口(21)的中心对准,使得与布置的第一开口(21)和所述第三开口(23)相关联的所述金属层(14)的部分(31)暴露,并配置为能够与所述薄膜电池(5)的集流体电接触,其中所述第三层(13)是酸改性聚丙烯层,从而防止电解质渗透到所述金属层中,其中,所述第二开口(22)相对于所述第一开口(21)相反布置。
4.根据权利要求3所述的方法,所述方法还包括以下步骤:
-提供夹在所述第二层(12)和所述金属层(14)之间的至少一个附加层(16、17、18),并且
-在每个所述附加层(16、17、18)中布置附加开口(26、27、28),所述附加开口(26、27、28)的中心与布置在所述第二层(12)中的所述第二开口(22)的中心对准,使得与布置的第二开口(22)和所述附加开口(26、27、28)相关联的所述金属层(14)的部分(32)暴露,并配置为能够电连接到外部电路。
5.根据权利要求3至4中任一项所述的方法,其中,所述开口中的至少一个是通过切割或冲压实现的。
6.根据权利要求3至4中任一项所述的方法,其中,所述开口中的至少一个是通过在所述金属层(14)上选择性地沉积熔融的组分实现的。
7.根据权利要求3至4中任一项所述的方法,其中,所述开口中的至少一个是通过选择性地去除层材料的适当部分实现的。
8.根据权利要求7所述的方法,其中,选择性地去除层材料的适当部分是使用激光烧蚀实现的。
9.薄膜电池(5),所述薄膜电池(5)包括根据权利要求1至2中任一项所述的多层封装结构(10)。
10.根据权利要求9所述的薄膜电池(5),其中,电池单元是软包类型的。
11.根据权利要求9至10中任一项所述的薄膜电池(5),其中,所述薄膜电池(5)包括布置在所述电池(5)的一侧上的所述封装结构(10)中的第一端子(3a)和布置在所述电池(5)的相反侧上的所述封装结构(10)中的第二端子(3b)。
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