CN1217430C - 电池和双电层电容器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种具有足够电池电压或电容器耐压的小型电池或双电层电容器，特别的，本发明提供了一种电池或双电层电容器，其中，包括了由隔板间隔而反向层压的一对电极的基本单电池和电解质一同被封装在一树脂薄层外壳内，并且此基本单电池经由一树脂集电器串联层压；薄层集电器延伸到环绕在基本单电池周围的树脂薄层外壳的边缘，该基本单电池层压在集电器的两侧；此薄层集电器被粘合或熔合到在其边缘的树脂薄层；并且经由此薄层集电器的相邻基本单电池在树脂薄层外壳内被液封分离。

Description

电池和双电层电容器
发明领域
本发明涉及一种封装在树脂薄层内的电池和双电层电容器。
发明背景
近来，应用于信息通信方面的移动设备尺寸减小和重量减少使得人们更致力于发展更小、更轻的电池以及能够快速充电/放电的双电层电容器。
为满足对更小更轻的电池和双电层电容器的需求，建议将由高分子膜层和金属箔层所组成的层压薄膜用作外封装材料。为提高快速充电/放电特性，将诸如由具有更小电阻的铜板所组成的金属板用作终端。
公开号为8-83596的日本专利公开了一种薄卡式电池，其中由层压薄膜所组成的密封的电池外壳包括层压薄膜的阴极、隔板、阳极以及电解质。然而，此电池只包括一基本单电池，在该基本单电池中的阴极和阳极通过一隔板而反向放置。因此，增加的电压需要在壳外串联多个单电池，这使得很难减小产品的尺寸。另外，当电池中的电解质为酸性且终端是诸如铜板之类的金属板时，内电阻可能增加，这是由于它接触了酸性电介质而造成金属终端板受到腐蚀。
公开号为8-83596的日本专利公开了一种双电层电容器内的输出终端，该终端通过与浸渍有高腐蚀电解质的可极化电极接触而作为一外部终端。输出终端具有如下配置：一耐腐蚀的导电薄层覆盖了除外导线之外的金属终端板的外表面。然而，因为金属终端板的两边被导电薄层覆盖，所以利用该终端所产生的双电层电容器由于其厚度增加而具有增加的外径。
公开号为4-237109的日本专利公开了一双电层电容器，该电容器具有这样的配置，即在配置中包括一垫片的多个设备是层压的，并且一集电器的薄层置于两设备之间，且该专利还描述了这样的一个配置，即该配置增加了耐压性并减少了集电器的数量以使之更薄。然而，此配置仍然包括一个使产品具有更大外径的垫片。因此，此配置不能有效的减小尺寸。
在专利申请号为2001-103629的日本专利申请(日本公开专利号为No.2002-298798)中，我们已经提出一种电池和一种双电层电容器，其中通过热封而将除其导线外的金属终端板密封在一导电橡胶和一外部层压材料之间。即使当电解质为酸性时，此配置可用于防止金属材料板的腐蚀并且由于减少了垫片而可减小产品的尺寸。然而，此电池和双电层电容器具有其上的一对电极经由一隔板而反向放置的单一基本单电池，这使得增加的电压需要在密封的壳外串联多个电池或电容器。因此，在减小产品尺寸的方面存在改进的余地以生产出具有所需电压或耐压的电池或电容器。
发明内容
本发明的一个目的就是提出一种具有足够电池电压或电容器耐压的小型电池或双电层电容器，其中即使当电解质为酸性时也可防止由于终端腐蚀所导致的性能下降。
本发明还涉及一种电池，其中，包括一隔板以及通过此隔板而反向层压的阴极和阳极的基本单电池与电解质一同被封装在一树脂薄层外壳中，其中
此基本单电池经由薄层集电器而串联层压；
此薄层集电器延伸到环绕在基本单电池周围的树脂薄层外壳的边缘，该基本单电池层压在集电器的两侧；
此薄层集电器被粘合或熔合在树脂薄层边缘上；并且
由此薄层集电器相隔的相邻基本单电池在树脂薄层外壳内被液封分离。
本发明也涉及如上所描述的电池，其中
组成层压基本单电池的层压结构的上部和下部均配置有具有一导线的一金属终端板，该导线延伸到树脂薄层外壳外；
组成层压基本单电池的层压结构的上部和下部均具有一薄层集电器，该集电器粘合或熔合在树脂薄层外壳的内表面上，使得薄层集电器覆盖了除其导线之外的金属终端板。
本发明也涉及如上所述的电池，其中树脂薄层是一个由树脂薄膜和金属薄膜所组成的层压薄层。
本发明涉及一双电层电容器，包括一隔板以及通过此隔板而反向层压的阴极和阳极的基本单电池与电解质一同被封装在一树脂薄层外壳中，其中
此基本单电池经由薄层集电器而串联层压；
此薄层集电器延伸到环绕在基本单电池周围的树脂薄层外壳的边缘，该基本单电池层压在集电器的两侧；
此薄层集电器被粘合或熔合在其边缘的树脂薄层上；并且
由此薄层集电器相隔的相邻基本单电池在树脂薄层外壳内被液封分离。
本发明也涉及如上所描述的双电层电容器，其中
组成层压基本单电池的层压结构的上部和下部均配置有具有一导线的一金属终端板，该导线延伸到树脂薄层外壳外；
组成层压基本单电池的层压结构的上部和下部均具有一薄层集电器，该集电器粘合或熔合在树脂薄层外壳的内表面上，使得薄层集电器覆盖了除其导线之外的金属终端板。
本发明还涉及如上所述的双电层电容器，其中树脂薄层是一个由树脂薄膜和金属薄膜所组成的层压树脂薄层。
依据本发明，可通过集电器以串联的形式多个基本单电池电性层压在一起，而无需采用垫片，并且可采用层压层作为外壳材料来封装和密封压层。可分别适当确定层压基本单电池的数量以提供具有所需单电池电压或耐压的电池或电双电层电容器。此外，由于缺少垫片，所以可提高容积效率并且可提供更小的设备。即使当采用酸性电解质时，也可防止终端腐蚀并因此使性能降低减到最小。此外，本发明可消除与垫片相关的生产步骤从而较少生产时间。
附图说明
图1表示本发明中的基本单电池结构的横截面图。
图2是根据本发明的一个实施例的电池的横截面示意图。
图3给出了根据本发明的电池的内部结构。
图4是表示根据现有技术的电池中的基本单电池的横截面示意图。
图5表示根据现有技术的电池的内部结构。
具体实施方式
下面将对本发明的优选实施例进行详细的说明。
 图1给出了基本单电池的结构，其中通过一隔板将一对电极反向放置。在此图中，附图标记表示以下装置：1：阴极、2：阳极，两者均为双电层电容器的可极化电极，3：多孔隔板。阴极1和阳极2通过隔板反向放置并且其内包含有电解质。
电池电极中的活性材料可为任何已知的可进行氧化还原反应的有机或无机材料，双电层电容器电极中的活性材料可为当与诸如活性碳粉、活性碳纤维、固体活性碳以及活性碳和聚烯烃组合物的电解质接触时能存储电能的材料。
例如，阴极活性材料可为吲哚三聚物，用化学式(1)表示：
Figure C0310068000071
其中Rs独立地表示H、CN、NO2、F、COOH等等。
阳极活性材料可为聚苯喹喔啉，用化学式(2)表示：
例如，可通过将电极材料放入到具有规定大小/形状的塑模中并通过采用热处理对材料进行模压来形成本发明所使用的电极，特别是具有所需电极密度和薄膜厚度的固体电极。或者，将电极材料与溶剂相混合以产生膏体，然后通过将其印制在集电器上来沉积该膏体以形成电极。
隔板防止了由于一对电极之间的接触所产生的短路并允许电解质中的离子通过它。它也可以是被注入了电解质的非纺织物或多孔薄膜。
可从诸如硫酸等的酸性溶液中、诸如氢氧化钾溶液等的碱性溶液中、以及诸如有机溶剂(例如碳酸异丙烯酯)和电解质(例如季铵盐)的混和物的无水电解质中选择电解质。
图2给出了本发明一实施例的具有层压结构的电池的横截面示意图，其中如图1所示的三个基本单电池被串联层压。对于图2的一金属终端板6而言，只显示了它的导线6a且其余部分省略。金属终端板6按照如图3所示进行配置。
在本发明中，基本单电池通过薄层集电器4b以串联的形式层压，且封装在一树脂薄层5中。
树脂薄层5被液封粘合或熔合在其边缘的密封区域以形成一外壳。在图2中，标记7表示一熔合区域。此外壳可为一对树脂薄层，这对树脂薄层被粘合或熔合在其边缘的密封区域中，该外壳也可以是一被粘合或被熔合在其边缘的密封区域上的重叠的树脂薄层。
树脂薄层最好是压薄层。具体的，可采用具有树脂薄膜和金属薄膜的层压结构的层压薄层。例如，层压薄层可具有外壳树脂薄膜、金属薄膜以及熔合树脂薄膜的三层结构。或者，它具有例如用于防止短路的四层结构。例如树脂薄膜可包括聚乙烯树脂、乙烯共聚树脂以及聚丙烯树脂，并且例如金属薄膜可包括铝和铝合金。尤其，熔合树脂薄膜最好是可显示出良好热封装性能和金属粘附性的树脂，适当的为聚乙烯树脂以及作为乙烯共聚树脂的离聚物。
用在本发明中的集电器可以是一个橡胶薄层，通过加入碳等而使该橡胶薄层具有导电性。
插入到本发明基本单电池之间的集电器4b的配置使得基本单电池彼此被液体密封。尤其，位于基本单电池之间的集电器4b延伸到环绕其外围的树脂薄层外壳的边缘上并粘合或熔合在树脂薄层外壳的边缘。
例如，在树脂薄层边缘的密封区域被熔合以形成外壳的过程中，堆叠在树脂薄层上的集电器延伸部分的边缘可同时被熔合以使它们相粘合。在此处理中，当通过两个或更多集电器来层压三个或更多基本单电池时，优选在集电器之间插入绝缘树脂以防止这些集电器彼此接触。插入到集电器间的树脂可以是如上所述的熔合树脂薄膜，该树脂在整个树脂薄层边缘熔合的过程中可确保集电器之间的绝缘以及堆叠在树脂薄层边缘的集电器边缘充分熔合。
当本发明的电解质是酸性时，树脂集电器4a最好配置在层压结构的上层和底层的电极上，此层压结构的基本单电池是层压的且每个薄层集电器4a被粘合或熔合在树脂薄层外壳的内表面5上，因此它覆盖了如图3所示的除导线6a之外的金属终端板6。因此，此配置可防止金属终端板由于金属终端板和酸性电解质之间接触而被腐蚀。
实施例
将结合实施例对本发明作进一步的描述。
实施例1
在此实施例中，如图2所示的电池被制造，该电池具有三个串联基本单电池的层压结构。
对于阴极1而言，通过在化学式(1)所表示的吲哚三聚物(在吲哚单电池5-位的R是-CN并且其余R是-H：5-氰基吲哚三聚物)的阴极活性材料中添加导体辅助材料和粘合剂、通过混合器搅拌或混合以形成电极粉末、将0.5克粉末放入塑模并通过热处理而形成10cm2的固体电极。
对于阳极2而言，通过在化学式(2)所表示的聚苯喹喔啉的阳极极活性材料中添加导体辅助材料、通过混合器搅拌或混合以形成一电极粉末、通过将0.5克粉末放入塑模中并通过热处理而形成10cm2固体电极。
集电器4a、4b是导电橡胶薄层且层压薄层5是由铝箔和树脂薄膜层压而成。
如图3所示，除导线6a之外金属终端板6的表面被液封在层压薄层5和由导电橡胶薄层所组成的集电器4a内。此配置可防止金属终端板由于金属终端板和酸性电解质之间接触而被腐蚀。因此，预备了两薄层，在这两薄层中金属终端板6、集电器4a以及层压薄层5被集成在一起。
在如上所准备的两层压薄层5之一的集电器4a上，通过集电器4b三个串联的基本单电池被层压薄层5覆盖以使得其他集电器4a配置在单电池上。然后，将给定量的20wt％硫酸溶液作为浸泡电解质的电解液添加到真空产品中。然后，通过真空热熔合对即将成为熔合区域7的密封区域进行密封。导线6a从熔合区域7向外引出。
由一导电橡胶薄层所组成的集电器4b的大小使得其能延伸到层压薄层壳(外壳)的边缘，且在两层压薄层的边缘即密封区域重叠。另外，在集电器之间插入含离聚物薄膜并且它们被熔合在一起。
在此实施例的配置中，相邻的基本单电池被位于其上的集电器4b充分分离，这使得电解质被基本单电池间的集电器4b隔离。
本实施例的电池的容积效率(基本单电池体积与包含有层压薄层的外壳的体积的比率)为62.5％。电池的ESR(等价串联电阻)为60mΩ。在电池生产的过程中直至密封处理所花费的时间为20分钟。
在本实施例的配置中，由于没有垫片而提高了容积效率。而且，由于基本单电池可直接通过集电器而被层压，则与采用垫片的电池相比较可减少集电器的数量而且电阻可相应减少(ESR减少)。由于处理中省去了与垫片相关的步骤(硫化粘着、冷却等)因而可减少生产时间。
实施例2
除阴极和阳极的重量均为1.0克之外，本实施例制造的电池如实施例1所述。
实施例2的电池的容积效率是87.5％。电池的ESR是120mΩ。在电池的生产过程中直至密封处理所花费的时间为20分钟。在本实施例的配置中，提高了容积效率；可减少单电池的ESR；并且可减少生产时间。
实施例3
除串联层压十个基本单电池并密封之外，本实施例制造的电池如实施例1所述。
实施例3的电池的容积效率是90.5％。电池的ESR是200mΩ。在电池的生产过程中直至密封处理所花费的时间为20分钟。在本实施例的配置中，提高了容积效率；可减少单电池ESR；并且可减少生产时间。
实施例4
除其上的可极化电极经由隔板而反向放置的基本单电池替代实施例1中电池的基本单电池之外，本实施例制造的双电层电容器具有如实施例1所述的结构。
以如下过程生产可极化电极：将活性碳与适量碳粉末混合成一导电辅助材料和一粘合剂，将混合物与溶剂混合以形成膏体，通过印制成给定大小和薄膜厚度而将膏体沉积在集电器上，然后将产品处于120℃1小时干燥。
当集电器4b的两边均为可极化电极时，在集电器4a的一边沉积了一可极化电极。这些具有可极化电极的集电器被层压以使得可极化电极经由一隔板而反向放置以形成一层压结构，其中三个基本单电池经由集电器4b以串联的形式被层压。然后，层压结构被封装在一层压薄层内。然后，将给定量的20wt％硫酸溶液作为浸泡电解质的电解液添加到真空产品中。然后，通过真空热熔合对即将成为熔合区域7的密封区域进行密封。导线6a从熔合区域7向外引出。
由一导电橡胶薄层所组成的集电器4b的大小使其能延伸到层压薄层壳(外壳)的边缘，且在两层压薄层的边缘即密封区域重叠。另外，在集电器之间插入含离聚物薄膜并且它们被熔合在一起。
实施例4的双电层电容器的容积效率是62.5％。双电层电容器的ESR是45mΩ。在电池的生产过程中直至密封处理所花费的时间为110分钟。在本实施例的配置中，提高了容积效率；可减少电容器ESR；而且可减少生产时间。
对比例1
在此对比例中，一种包含有三个由串联层压的基本单电池组成的单元电池(如图4)的电池(如图5)被制造。
通过在阴极活性材料中加入适量的作为导体辅助材料的碳粉形成大小为10cm2的阴极1，化学式(1)表示的氰吲哚三聚物(在吲哚单元的5-位的R是-CN并且其余R是-H：5-氰吲哚三聚物)，并热压0.5克粉末。
通过在化学式(1)所表示的吲哚三聚物(在吲哚单电池5-位置的R是-CN并且其余R是-H：5-氰吲哚三聚物)的阴极活性材料中加入适量的用作导体辅助材料的碳粉，并热压0.5克粉末形成具有10cm2大小的阴极。
通过在化学式(2)所表示的聚苯喹喔啉的阳极活性材料中加入适量的用作导体辅助材料的碳粉，并热压0.5克粉末形成具有10cm2大小的阳极。
通过由导电橡胶薄层所组成的集电器4的增压来熔合轮辋式垫板8。在垫板的里面，阴极1和阳极2经由隔板3而反向放置。产品上放置了其他的由导电橡胶薄层所组成的集电器4，并且通过加压来密封叠层。在此处理中，当用于注入电解质的输入口形成时完成密封处理。产品在3kgf/cm2(2.94×105Pa)的压力下在120℃下硫化粘着2小时。然后，将作为电解液的20wt％的硫酸溶注入到真空产品中。然后，入口被一塑料材料密封。
由此制备的三个单元电池被串联层压。将金属终端板排列在压层的两边。然后压层被封装在一层压薄层上且通过采用一离聚物的熔合薄膜进行真空热熔合而被密封。导线(未示出)从熔合区域的一部分被引出。
相当的实施例1的电池的容积效率是33.1％。电池的ESR是68mΩ。在电池的生产过程直至密封处理所花费的时间为205分钟。
对比例2
除阴极和阳极的重量均为1.0克之外，本实施例制造的电池如对比例1所述。
对比例2的电池的容积效率是39.7％。电池的ESR是136mΩ。在电池生产的过程中直至密封处理所花费的时间为205分钟。
对比例3
除串联层压十个基本单电池并将其密封之外，本实施例制造的电池如对比例1所述。
相当的实施例3的电池的容积效率是39.7％。电池的ESR是212mΩ。在电池生产的过程中直至密封处理所花费的时间为205分钟。
对比例4
除其上的可极化电极经由一隔板而反向放置的基本单电池替代实施例1中电池的基本单电池之外，本实施例制造的双电层电容器具有如对比例1所述的结构。
以如下过程生产一可极化电极：将作为导电辅助材料和粘合剂的活性碳与适量碳粉末相混合，将混合物与溶剂混合以形成膏体，通过印制成给定大小和薄膜厚度而将膏体沉积在集电器上，然后将产品处于120℃1小时干燥。
因此，如对比例1所述，垫片和集电器经过硫化熔合且作为电解液的40wt％的液状硫酸溶液被注入以形成包括有一基本单电池的双电层电容器。
将由此制备的三个双电层电容器串联层压。将金属终端板排列在两侧。产品被封装在层压薄层上且通过采用一离聚物的熔合薄膜进行真空热熔合而被密封。导线从外面被引出。
对比例4的双电层电容器的容积效率是33.1％。双电层电容器的ESR是53mΩ。在电池生产的过程中直至密封处理所花费的时间为205分钟。
对这些实施例和相当的实施例的结果进行总结如以下表格。
表1
 容积效率(％)  ESR(mΩ) 生产时间(分钟)
实施例1  62.5  60 20
实施例2  87.5  120 20
实施例3  90.5  200 20
实施例4  62.5  45 110
对比例1  33.1  68 205
对比例2  39.7  136 205
对比例3  39.7  212 205
对比例4  33.1  53 205
表2
实施例1至3
步骤1  5分钟 金属终端板被封装在一导电橡胶薄层和一层压薄层的一叠板内，而且它们的薄层被热熔合和密封。
步骤2  5分钟 通过热压塑模形成一电极。
步骤3  5分钟 在层压薄层外壳内形成一基本单电池叠板。
步骤4  5分钟 注入电解质并完成密封。
总计  20分钟
表3
实施例4
步骤1  5分钟 金属终端板被封装在一导电橡胶薄层和一层压薄层的一叠板内，而且它们的薄层被热熔合和密封。
步骤2  5分钟 可极化电极被沉积在集电器上。
步骤3  90分钟 产品在120℃被弄干和冷却。
步骤4  5分钟 在层压薄层外壳内形成一基本单电池叠板。
步骤5  5分钟 注入电解质并完成密封。
总结  110分钟
表4
比较实施例1至3
步骤1  5分钟 通过热压塑模形成一电极。
步骤2  5分钟 通过加压将一垫片和一集电器熔合。在垫片内，形成基本单电池。使其他用于密封的集电器加压熔合在垫片上。
步骤3  120分钟 垫片和电流集合器在120℃下硫化粘着。
步骤4  60分钟 产品冷却。
步骤5  10分钟 注入电解质且入口密封。
步骤6  5分钟 配置金属终端板。产品被封装在层压薄层内且被密封。
总计  205分钟
表5
比较实施例4
步骤1  5分钟 可极化电极沉积在集电器上。
步骤2  5分钟 通过加压将一垫片和一集电器熔合。在垫片内，隔板置于电极上。将其他用于密封的集电器加压熔合在垫片上。
步骤3  120分钟 垫片和集电器在120℃下硫化粘着。
步骤4  60分钟 产品冷却。
步骤5  10分钟 注入电解质且入口密封。
步骤6  5分钟 配置金属终端板。产品被封装在层压薄层内且被密封。
总计  205分钟

Claims (6)

1.一种电池，其中，包括了一隔板和由此隔板间隔而相对层压的阴极和阳极的基本单电池和电解质一同被封装在一树脂薄层外壳内，其中
该基本单电池经由薄层集电器(4b)而串联层压；
该薄层集电器(4b)延伸到环绕在基本单电池周围的树脂薄层外壳的边缘，该基本单电池层压在集电器(4b)的两侧；
该薄层集电器(4b)被粘合或熔合在其边缘的树脂薄层上；并且
经由此薄层集电器(4b)的相邻基本单电池在树脂薄层外壳内被液体密封。
2.根据权利要求1所述的电池，其中
组成层压基本单电池的层压结构的上部和下部均配置有具有一导线的金属终端板，该导线延伸到树脂薄层外壳外；
组成层压基本单电池的层压结构的上部和下部均具有一薄层集电器(4a)，该集电器(4a)粘合或熔合在树脂薄层外壳的内表面上，使得薄层集电器(4a)覆盖了除其导线之外的金属终端板。
3.根据权利要求1或2所述的电池，其中树脂薄层是一个由树脂薄膜和金属薄膜所组成的层压树脂薄层。
4.一种双电层电容器，在该电容器中包括一对通过隔板而反向层压的可极化电极，并且电解质被封装在树脂薄层外壳内，其中
该基本单电池经由薄层集电器(4b)而串联层压；
该薄层集电器(4b)延伸到环绕在基本单电池周围的树脂薄层外壳的边缘，该基本单电池层压在集电器的两侧；
该薄层集电器(4b)被粘合或熔合在其边缘的树脂薄层上；并且
经由此薄层集电器(4b)的相邻基本单电池在树脂薄层外壳内被液体密封。
5.根据权利要求4所述的双电层电容器，其中
组成层压基本单电池的层压结构的上部和下部均配置有具有一导线的金属终端板，该导线延伸到树脂薄层外壳外；
组成层压基本单电池的层压结构的上部和下部均具有一薄层集电器(4a)，该集电器(4a)粘合或熔合在树脂薄层外壳的内表面上，使得薄层集电器(4a)覆盖了除其导线之外的金属终端板。
6.根据权利要求4或5所述的双电层电容器，其中树脂薄层是含有树脂薄膜和金属薄膜的层压树脂薄层。
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