CN113437348B - 一种双向可弯曲柔性电池及制造方法 - Google Patents

一种双向可弯曲柔性电池及制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于电池技术领域，具体为一种双向可弯曲柔性电池及其制造方法。本发明柔性电池包括柔性外壳、电芯主体以及液态电解质；电芯主体由M*N个亚电芯单元以平面阵列排布方式组成，在列方向上，亚电芯单元间具有等距间隙；在行方向上，亚电芯单元间具有薄连接件；所述亚电芯单元由裁剪后的电芯片带折叠卷绕形成；所述亚电芯单元行方向上的连接件为一段电芯片带，分别连接相邻亚电芯单元的终止端和起始端；本发明设计的柔性电池整体柔韧性能优异，能够双向反复弯折，能量密度高，且通用性强，可适用于多数柔性电子产品；该柔性电池可通过改装半自动卷绕机或自动卷绕机实现规模化生产，工艺简单，生产成本低。

Description

一种双向可弯曲柔性电池及制造方法
技术领域
本发明属于电池技术领域，具体涉及一种多向可弯曲柔性电池及其制造方法。
背景技术
随着新型电子器件如移动设备、可穿戴设备和生物传感器的迅猛发展，这些设备对电池部件的柔性性能和续航能力提出了更高的要求。
目前，部分具有多向弯曲柔性性能的锂离子电池厚度薄，能量密度较低。此外，部分柔性锂离子电池虽然具有较高的能量密度，但只能实现单方向的弯曲及折叠，大大限制了柔性电池的多工况使用。因此，针对可折叠、可穿戴电子设备，亟需设计一种多方向可弯曲、可折叠且高能量密度的柔性电池。
美国专利申请“可拉伸电池”（公开号：US20170250447A1，公开日：2017.8.31）及文章Origami lithium-ion batteries. Nature communications, 2014, 5(1): 1-6.（发表于2014年1月28日）分别公开了一种剪纸构型以及折纸构型的可拉伸锂离子电池。此类电池可通过折纸和剪纸的构型设计实现电池多方向的弯曲、折叠及拉伸变形。其主要缺点：1.电池内部活性物质含量较低，体积能量密度和总能量密度受到构型的限制普遍较低，无法满足商业电子器件的长时间续航要求；2.电极片的预折痕及剪纸构型降低正负电极片的有效接触面积，进而产生电池循环稳定性及容量发挥不完全等问题。如下公开专利（公开号：CN104701472A；CN104466229A）亦存在上述两种不足之处。
中国专利申请“高能量密度可变形电池”（申请号：201980023887.7，公开号：CN112219303A，公开日：2021.01.12）公开了一种具有两个或更多个刚性能量存储单元和将相邻的刚性能量存储单元分开的导电柔性部件的轴向结构的柔性电池。该柔性电池表现出高能量密度、高可折叠性和优异的电化学性能。其主要缺点：此类电池虽具有高能量密度，但其只局限于单方向弯曲、折叠的柔性性能，无法实现多方向的弯曲柔性性能。如下公开专利（公开号：CN103824986B，CN111180785A，CN111446486A及US20180090730A1）亦存在上述不足之处。
发明内容
本发明目的提供了一种折叠性能优异，能量密度高、制造成本低且生产效率高的双向可弯曲柔性电池及其制造方法。
本发明通过对电池电芯的结构设计，拓展了可弯曲电池的柔性、可弯曲方向并提升了柔性电池的能量密度；并可通过常规软包电池生产设备实现该可弯曲柔性电池的制造。
本发明主要解决了如下几个技术问题：
（1）有效提升可弯曲柔性电池的整体柔性，具体可提供电池平面内双向反复可弯曲柔性性能；
（2）采用电极卷绕或折叠工艺，可保证大幅提高电池的体积能量密度，提升正负极片之间的紧密接触，改善产品一致性，并提升电池循环性能的稳定性。
本发明提供的双向可弯曲柔性电池，包括柔性外壳、柔性外壳内的电芯主体以及液态电解质；其中，所述电芯主体由M*N个亚电芯单元以平面阵列排布方式组成，在列方向上，亚电芯单元间具有等距间隙，可以实现以行方向轴线为弯曲轴的弯曲或者折叠变形；在行方向上，亚电芯单元间具有薄连接件，其弯曲刚度低，可实现以列方向轴线为弯曲轴的弯曲或者折叠，最终实现整体电池的双向反复弯曲柔性性能，拓展了柔性电池的可变形能力；其中，所述亚电芯单元由裁剪后的电芯片带折叠卷绕形成；所述亚电芯单元行方向上的连接件为一段电芯片带。
本发明中，亚电芯单元的M*N平面阵列中，M*N至少为2*2。
本发明中，所述电芯片带的宽度以5-8厘米为宜；所述亚电芯单元的长度以1-3厘米为宜，具体可根据实际电池应用场景进行调整。
本发明中，亚电芯单元平面阵列排布方式以及连接部件形式可以有多种，具体在实施例中有更详细阐述。
优选地，所述电芯片带包括顺序叠放的负极片带、柔性隔膜片带和正极片带，并具有多种平面裁剪方式。其中，负极片带和柔性隔膜片带之间，以及正极片带和柔性隔膜片带之间，紧密贴合。
优选地，所述负极片带附有一个负极耳，正极片带附有一个正极耳，正极耳与负极耳间隔分布在电芯片带的同一侧。
优选地，所述正极片带和负极片带为单面涂布（即正极材料或负极材料涂布在条带的一面 ）。
优选地，所述亚电芯单元呈平面阵列分布，相邻两行亚电芯单元间距通常为2-5毫米为宜，连接件为一段电芯片带，厚度为200微米-250微米；相邻两列亚电芯单元间距可根据电池实际应用场景进行调整，通常以2-5毫米为宜。
优选地，所述亚电芯单元最外层表面缠绕有束紧件以固定住该亚电芯单元，保证亚电芯单元内部紧密接触。
优选地，所述电芯主体被柔性外壳紧密包覆后，添加电解液，密封后抽真空，可得所述双向可弯曲柔性电池。
下面以图1所示的双向可弯曲柔性电池为例，进一步具体说明其双向反复可弯曲性能。该电芯主体具有四行、四列亚电芯单元，其亚电芯单元总个数为16个。在行方向（图示x方向）上，相邻亚电芯单元间通过连接部件相连，连接部件厚度为200微米-250微米；在列方向（图示y方向）上，每行中的连接部件分别处于三条列直线上（不包括边缘连接部件）。因此，整个电芯主体可实现以列方向（图示y方向）轴线为弯曲轴的弯曲或者折叠。在列方向（图示y方向）上，相邻亚电芯单元间存在等距间隙，间隙宽度可为2-5毫米；且在行方向（图示x方向）上，每列中的间隙分别处于三条行直线上。因此，整个电芯主体可实现以行方向（图示x方向）轴线为弯曲轴的弯曲或者折叠，最终实现双向反复可弯曲柔性性能。
本发明还提供上述双向可弯曲柔性电池的制造方法，具体步骤为：
（1）提供已裁剪的电芯片带，包括顺序叠放的单面涂布的正极片带、柔性隔膜片带、单面涂布的负极片带，并固定该电芯片带的一侧；
（2）在所述电芯片带上确定数个折叠线，折叠线数目根据电池电芯的亚电芯单元的及连接部件的个数及几何尺寸确定；
（3）通过折叠线将所述电芯片带的划分为特定区域，分别为卷绕折叠区和非卷绕折叠区，使用半自动卷绕机或自动卷绕机或极片折叠机卷绕或折叠成型形成平面阵列排布的亚电芯单元，非卷绕折叠区作为连接相邻亚电芯单元的连接部件；
（4）将所述电芯主体置于柔性外壳中，并添加电解液，密封，抽真空，得到双向可弯曲柔性电池。
本发明与现有技术相比，具有如下有益效果：
本发明中的亚电芯单元采用卷绕或折叠方式，其空间利用率高；亚电芯单元呈平面阵列分布，可以双向反复弯折，能量密度高，电池整体柔性性能优异，适用于大多数可折叠、可穿戴且续航能力要求高的柔性电子产品；该柔性电池可通过改装半自动卷绕机、自动卷绕机或自动叠片机实现规模化生产，制造工艺简单、高效，生产成本低。
附图说明
图1是本发明实施例1提供的双向可弯曲柔性电池的电芯主体的结构示意图。
图2是本发明实施例1提供的双向可弯曲柔性电池的封装过程示意图。
图3是本发明实施例1提供的双向可弯曲柔性电池的结构示意图。
图4是本发明实施例1提供的双向可弯曲柔性电池的电芯片带的结构示意图。
图5是本发明实施例1提供的双向可弯曲柔性电池的亚电芯单元的顺序卷绕方式示意图。
图6是本发明实施例1提供的双向可弯曲柔性电池的电芯主体处于两种弯曲状态的柔性展示示意图。
图7是本发明提供的双向可弯曲柔性电池的亚电芯单元的对折卷绕方式示意图。
图8是本发明提供的双向可弯曲柔性电池的亚电芯单元的之字形卷绕方式示意图。
图9是实施例4提供的双向可弯曲柔性电池的电芯片带的结构示意图。
图10是实施例4提供的双向可弯曲柔性电池的电芯主体的结构示意图。
图11是实施例7提供的双向可弯曲柔性电池的电芯片带的结构示意图。
图12是实施例7提供的双向可弯曲柔性电池的电芯主体的结构示意图。
图13是实施例10提供的双向可弯曲柔性电池的电芯片带的结构示意图。
图14是实施例10提供的双向可弯曲柔性电池的电芯主体的结构示意图。
图15是实施例13提供的双向可弯曲柔性电池的电芯条带的分解结构示意图。
图16是实施例13提供的双向可弯曲柔性电池的束紧件固定的电芯主体结构示意图。
图中标号：1为电芯主体，11为亚电芯单元，12为连接部件，121为长连接部件，13为电芯片带，131、413为负极极耳，132、433为正极极耳，133为卷绕折叠区域，134为非卷绕折叠区域，135为预设对折线，14为电芯主体上表面，15为电芯主体下表面，16为束紧件，2为柔性外壳，21为上封装膜，22为下封装膜，3为双箭头，41为单面涂覆的负极片带，411为负极活性材料层，412为负极集流体层，42为柔性隔膜片带，43为单面涂覆的正极片带，431为正极活性材料层，432为正极集流体层，100为双向可弯曲柔性电池，1001为侧封边，1002、1003为顶封边。
具体实施方式
下面结合实施例和附图进一步说明本发明。
实施例1
参阅图1，该双向可弯曲柔性电池的电芯主体1包括十六个平面阵列排布的亚电芯单元11和十三个连接部件12。电芯主体1由电芯片带13经过折叠后卷绕形成，电芯片带13中的附有一个负极极耳131和一个正极极耳132，负极极耳131和正极极耳132位于一段长连接部件121的上下两端，位于整个电池片带的左侧。
可以理解，亚电芯单元11并不局限于本实施方式中的十六个，可以是四个以上的任意偶数，同时连接部件12的个数也不局限于实施方式中的十三个，可以是至少三个的任意数目。
参阅图2，该双向可弯曲柔性电池的柔性外壳2分为上封装膜21和下封装膜22，皆为平面矩形，面积略大于电芯主体1。将其分别紧贴电芯主体上表面14和电芯主体下表面15进行包覆封装后，形成双向可弯曲柔性电池100，如图3所示。
参阅图4，该双向可弯曲柔性电池的电芯片带13的构型为梳尺形，包括若干个卷绕折叠区域133、非卷绕折叠区域134及预设对折线135。
参阅图5，将卷绕折叠区域133采用顺序卷绕方式进行卷绕得亚电芯单元阵列，非卷绕折叠区域134形成连接部件12，卷绕圈数为四圈。
可以理解，亚电芯单元11卷绕圈数并不局限于本实施方式中的四圈，可以是一圈以上的任意圈数，亚电芯单元11的长度和厚度可随其形状改变可任意。考虑到电芯主体1的柔性，亚电芯单元11的卷绕圈数保持在八圈以内（含八圈）为宜。
参阅图6，该双向可弯曲柔性电池的电芯主体1具有较好的双向可弯曲柔性性能，在电芯平面内的一个方向和垂直上述方向的弯曲性能较佳，图中双箭头3表示电池弯曲轴线方向。
可以理解，该双向可弯曲柔性电池弯曲程度包括但不限于图6所表示，其能够多次弯曲折叠，整体具有较好的柔性，适用于不同类型的可穿戴、可折叠的柔性电子设备。
实施例2
参阅图7，在本实施例中，该双向可弯曲柔性电池与实施例1中提供的双向可弯曲柔性电池基本相同，其区别在于，该电池的电芯条带的卷绕折叠区域133的采用对折卷绕方式。本实施方案产生的双向可弯曲柔性电池的有益效果与实施例1中提供的双向可弯曲柔性电池的有益效果完全相同。
实施例3
参阅图8，在本实施例中，该双向可弯曲柔性电池与实施例1中提供的双向可弯曲柔性电池基本相同，其区别在于，该电池的电芯条带的卷绕折叠区域133的采用之字形折叠方式。本实施方案产生的双向可弯曲柔性电池的有益效果与实施例1及实施例2中提供的双向可弯曲柔性电池的有益效果完全相同。
实施例4
参阅图9，在本实施例中，该双向可弯曲柔性电池与实施例1中提供的双向可弯曲柔性电池基本相同，其区别在于，该电池的电芯片带13的裁剪方式如图9所示，其中分为卷绕折叠区域133和非卷绕折叠区域134，卷绕折叠区域133具有预设对折线135。
参阅图10，该双向可弯曲柔性电池的电芯主体1包括十二个平面阵列排布的亚电芯单元11和四个连接部件12。该电芯主体1的结构特点如下：电芯主体1中的连接部件12呈平面阵列排布，且每个连接部件12（共四个）分别连接四个相邻亚电芯单元11，即在行方向（图示x方向）和列方向（图示y方向）上分别连有两个亚电芯单元11，连接部件12为一段矩形薄电芯片带，约为200微米-250微米。因此，整个电芯主体1可实现以行方向或者列方向轴线为弯曲轴的弯曲或者折叠，最终实现双向反复弯曲柔性性能。
可以理解，亚电芯单元11并不局限于本实施方式中的十二个，可以是四个以上的任意偶数，同时连接部件12的个数也不局限于实施方式中的四个，可以是至少一个的任意数目。
本实施方案产生的双向可弯曲柔性电池的有益效果与实施例1中提供的双向可弯曲柔性电池的有益效果完全相同。
实施例5
参阅图7，在本实施例中，该双向可弯曲柔性电池与实施例4中提供的双向可弯曲柔性电池基本相同，其区别在于，该电池的电芯条带的卷绕折叠区域133的采用对折卷绕方式。本实施方案产生的双向可弯曲柔性电池的有益效果与实施例4中提供的双向可弯曲柔性电池的有益效果完全相同。
实施例6
参阅图8，在本实施例中，该双向可弯曲柔性电池与实施例4中提供的双向可弯曲柔性电池基本相同，其区别在于，该电池的电芯条带的卷绕折叠区域133的采用之字形折叠方式。本实施方案产生的双向可弯曲柔性电池的有益效果与实施例4及实施例5中提供的双向可弯曲柔性电池的有益效果完全相同。
实施例7
参阅图11，在本实施例中，该双向可弯曲柔性电池与实施例1中提供的双向可弯曲柔性电池基本相同，其区别在于，该电池的电芯片带13的裁剪方式如图11所示，其中分为卷绕折叠区域133和非卷绕折叠区域134，卷绕折叠区域133具有预设对折线135。
参阅图12，该双向可弯曲柔性电池的电芯主体1包括十六个平面阵列排布的亚电芯单元11和十四个连接部件12。该电芯主体1的结构特点如下：该电芯主体1的平面排布方式和实施例1（图1）的结构特点类似，其区别在于，电芯主体1中的右侧附加了一个沿列方向（图示y方向）的长连接部件121，连接各行末端的相邻亚电芯单元11，具有加强结构稳定性，提高电芯导电性能的作用，电芯结构的双向弯曲柔性性能无影响。
可以理解，亚电芯单元11并不局限于本实施方式中的十六个，可以是四个以上的任意偶数，同时连接部件12的个数也不局限于实施方式中的十四个，可以是至少四个的任意数目。
本实施方案产生的双向可弯曲柔性电池的有益效果与实施例1中提供的双向可弯曲柔性电池的有益效果完全相同。
实施例8
参阅图7，在本实施例中，该双向可弯曲柔性电池与实施例7中提供的双向可弯曲柔性电池基本相同，其区别在于，该电池的电芯条带的卷绕折叠区域133的采用对折卷绕方式。本实施方案产生的双向可弯曲柔性电池的有益效果与实施例7中提供的双向可弯曲柔性电池的有益效果完全相同。
实施例9
参阅图8，在本实施例中，该双向可弯曲柔性电池与实施例7中提供的双向可弯曲柔性电池基本相同，其区别在于，该电池的电芯条带的卷绕折叠区域133的采用之字形折叠方式。本实施方案产生的双向可弯曲柔性电池的有益效果与实施例7及实施例8中提供的双向可弯曲柔性电池的有益效果完全相同。
实施例10
参阅图13，在本实施例中，该双向可弯曲柔性电池与实施例1中提供的双向可弯曲柔性电池基本相同，其区别在于，该电池的电芯片带13的裁剪方式如图13所示，其中分为卷绕折叠区域133和非卷绕折叠区域134。
参阅图14，该双向可弯曲柔性电池的电芯主体1包括十六个平面阵列排布的亚电芯单元11和十一个连接部件12。该电芯主体1的结构特点如下：该电芯主体1的平面排布方式和实施例1（图1）的结构特点类似，其区别在于，电芯主体1的右侧及中间位置各加了一个沿列方向（图示y方向）的长连接部件121，分别连接各行初端，中部及末端的相邻亚电芯单元11，具有加强结构稳定性，提高电芯导电性能的作用，电芯结构的双向弯曲柔性性能无影响，特别地，电池电芯在中部长连接部件121处具有较优异的反复弯曲折叠性能。
可以理解，亚电芯单元11并不局限于本实施方式中的十六个，可以是四个以上的任意偶数，同时连接部件12的个数也不局限于实施方式中的十一个，可以是至少三个的任意数目。
本实施方案产生的双向可弯曲柔性电池的有益效果与实施例1中提供的双向可弯曲柔性电池的有益效果完全相同。
实施例11
参阅图7，在本实施例中，该双向可弯曲柔性电池与实施例10中提供的双向可弯曲柔性电池基本相同，其区别在于，该电池的电芯条带的卷绕折叠区域133的采用对折卷绕方式。本实施方案产生的双向可弯曲柔性电池的有益效果与实施例10中提供的双向可弯曲柔性电池的有 益效果完全相同。
实施例12
参阅图8，在本实施例中，该双向可弯曲柔性电池与实施例10中提供的双向可弯曲柔性电池基本相同，其区别在于，该电池的电芯条带的卷绕折叠区域133的采用之字形折叠方式。本实施方案产生的双向可弯曲柔性电池的有益效果与实施例10及实施例11中提供的双向可弯曲柔性电池的有益效果完全相同。
实施例13
本实施例主要描述双向可弯曲柔性电池的制造方法，以实施例1中的双向可弯曲柔性电池为例说明，其制造方法包括以下步骤：
参阅图15，提供一个已裁剪的电芯片带4。该电芯片带4由单面涂覆的负极片带41、柔性隔膜片带42、单面涂覆的正极片带43依次序堆叠而成。其中单面涂覆的负极片带41具有负极活性材料层411及负极集流体层412，单面涂覆的正极片带43具有正极活性材料层431及正极集流体层432。负极活性材料层411和正极活性材料层431的表面分别与柔性隔膜片带42上下表面接触。负极极耳413通过超声波点焊机固定于该负极片带41的一侧，正极极耳433通过超声波点焊机固定于正极片带43的一侧。
参阅图16，将电芯片带4的十六个卷绕折叠区域133沿预设对折线折叠后采用顺序卷绕的方式形成十六个亚电芯单元11和十三个连接部件12，并用束紧件16沿亚电芯单元11宽度方向依次固定各个亚电芯单元11。
可以理解，该束紧件16可为任意对锂离子电池电解液稳定的单面绝缘胶带。
按照电芯主体1的外形，裁剪适当面积的上封装膜21和下封装膜22，分别使其紧贴电芯主体的上表面14和下表面15。预固定后，使用顶侧封机对两个侧封边1001和一个顶封边1002进行封装。再注入适量锂离子电池电解液，使用真空终封机抽真空并封装剩下一个顶封边1003。
将封装好的双向可弯曲柔性电池置于40℃恒温干燥箱搁置24小时，接着对电池进行小倍率化成，将化成后的电池进行二次封装，最后得到双向可弯曲柔性电池100，如图3所示。
可以理解，上述制造方法再做相应调整后，例如改变亚电芯单元11的卷绕折叠方式，同样适用于实施例2至实施例12。

Claims (8)

1.一种双向可弯曲柔性电池，其特征在于，包括柔性外壳、柔性外壳内的电芯主体以及液态电解质；其中，所述电芯主体由M*N个亚电芯单元以平面阵列排布方式组成，所述亚电芯单元由裁剪后的电芯片带折叠卷绕形成，具体过程为：在所述电芯片带上确定数个折叠线，折叠线数目根据电池电芯的亚电芯单元的及连接部件的个数及几何尺寸确定；通过折叠线将所述电芯片带的划分为特定区域，分别为卷绕折叠区和非卷绕折叠区，使用半自动卷绕机或自动卷绕机或极片折叠机卷绕、折叠成型形成平面阵列排布的亚电芯单元，非卷绕折叠区作为连接相邻亚电芯单元的连接部件；在列方向上，亚电芯单元间具有等距间隙，并且，相邻两行亚电芯单元之间，通过两端部的亚电芯单元间的电芯片带材料实现连接，以实现以行方向轴线为弯曲轴的弯曲或者折叠变形；在行方向上，亚电芯单元间具有薄连接件，以实现以列方向轴线为弯曲轴的弯曲或者折叠，最终实现整体电池的双向反复弯曲柔性性能；所述亚电芯单元行方向上的薄连接件为一段电芯片带，分别连接相邻亚电芯单元的终止端和起始端；
所述电芯片带的宽度为5-8厘米；所述亚电芯单元的长度为1-3厘米；
亚电芯单元的M*N平面阵列中，M*N至少为2*2。
2.根据权利要求1所述的双向可弯曲柔性电池，其特征在于，所述电芯片带包括顺序叠放的负极片带、柔性隔膜片带和正极片带；负极片带和柔性隔膜片带之间，以及正极片带和柔性隔膜片带之间，紧密贴合。
3.根据权利要求2所述的双向可弯曲柔性电池，其特征在于，所述负极片带附有一个负极耳，正极片带附有一个正极耳，正极耳与负极耳间隔分布在电芯片带的同一侧。
4.根据权利要求3所述的双向可弯曲柔性电池，其特征在于，所述正极片带和负极片带为单面涂布。
5.根据权利要求4所述的双向可弯曲柔性电池，其特征在于，所述亚电芯单元呈平面阵列分布，相邻两行亚电芯单元间距为2-5毫米，连接件为一段电芯片带，厚度为200微米-250微米；相邻两列亚电芯单元间距2-5毫米。
6.根据权利要求1-5之一所述的双向可弯曲柔性电池，其特征在于，所述亚电芯单元最外层表面缠绕有束紧件，以固定住该亚电芯单元，保证亚电芯单元内部紧密接触。
7.根据权利要求1-5之一所述的双向可弯曲柔性电池，其特征在于，所述电芯主体被柔性外壳紧密包覆后，添加电解液，密封后抽真空，可得所述双向可弯曲柔性电池。
8.一种如权利要求1-7之一所述的双向可弯曲柔性电池的制造方法，其特征在于，具体步骤为：
（1）提供已裁剪的电芯片带，包括顺序叠放的单面涂布的正极片带、柔性隔膜片带、单面涂布的负极片带，并固定该电芯片带的一侧；
（2）在所述电芯片带上确定数个折叠线，折叠线数目根据电池电芯的亚电芯单元的及连接部件的个数及几何尺寸确定；
（3）通过折叠线将所述电芯片带的划分为特定区域，分别为卷绕折叠区和非卷绕折叠区，使用半自动卷绕机或自动卷绕机或极片折叠机卷绕、折叠成型形成平面阵列排布的亚电芯单元，非卷绕折叠区作为连接相邻亚电芯单元的连接部件；
（4）将所述电芯主体置于柔性外壳中，并添加电解液，密封，抽真空，得到双向可弯曲柔性电池。
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