CN1316645C - 制造锂电池的方法、锂电池和电器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种制造锂电池的方法，该方法包括下述步骤：A)形成至少一个阳极和至少一个阴极；B)通过将隔板层设置在阳极和阴极之间来形成至少一个包括有阳极、隔板层和阴极的组件；以及C)实现该组件的最终结构。本发明还涉及一种锂电池，其包括至少一个包括有至少一个锂阴极和通过中间隔板层与锂阴极相连的阳极的叠层结构。本发明还涉及一种包括有这种锂电池的电器。

Description

制造锂电池的方法、锂电池和电器
本发明涉及一种制造锂电池的方法，该方法包括下述步骤：
A)形成至少一个阳极和至少一个阴极；
B)通过将隔板层设置在阳极和阴极之间来形成至少一个包括有阳极、隔板层和阴极的电池叠架(battery stack)，和
C)实现电池叠架的最终结构。本发明还涉及一种锂电池，其包括至少一个包括有锂阴极、阳极和隔板层的电池叠架。本发明还涉及一种包括有这种锂电池的电器。
传统的(可再充电的)锂电池已经在商业上运用了十年。锂电池较传统的可再充电电池如NiCd(镍/镉)电池的优点在于，其每单位体积和单位重量的能量密度较高。而且，这种锂电池具有较小的形式和较轻的重量，因此它们可很好地适用于便携式电气装置。这种锂电池的一项缺点在于，它们与对环境更有害的其它能源相比更昂贵。现今最常用的电池是锂离子(Li-ion)电池。Li-ion电池包括液态电解质，其例如由锂盐溶液的聚碳酸丙二醇酯或碳酸亚乙醇酯组成。为了防止产生分解，Li-ion电池应当持续地保持在压力下。从专利EP0969541和US5478668中可以知道，通过将一个或多个相互间叠在一起的电极和隔板层卷绕起来以形成卷状件，并随后将该卷状件容纳于钢制圆形标准外壳如18650型外壳中的压力下，就可将Li-ion电池保持在压力下。之后添加液态电解质，然后将标准外壳的内容物相对外部环境密封住。Li-ion电池的一项主要缺点在于，在选择所需的形状和/或形式方面的自由度受到了很大的限制，这是因为这种电池的几何形状取决于该标准外壳，以便能够产生和保持连续的压力。
在若干年前，通过用包括有不同电解质和聚合物母体的电极来代替此液态电解质，以便克服这一缺点。这种锂聚合物电池提供了这样的优点，即聚合物母体的存在为电池提供了本质上的结构完整性，因此减少了对外部压力的需求。因此，在选择锂聚合物电池的形状和/或形式方面的自由度不再限于钢制的圆形标准外壳；相反，可以生产出较大的、扁平的矩形锂电池。然而，锂电池的形状仍然受限于矩形和扁平的几何形状。对于待提供能量的许多装置而言，使用具有矩形、扁平的几何形状的锂聚合物电池是不切实际的。从现有技术中还已知了一种制造锂电池的方法，其使用了所谓的“Lithylene技术”。根据这种技术，将负电极、隔板和正电极堆叠在一起。正电极和负电极设有填充了聚合物材料的空腔，这些材料在固化后可将电极的活性材料层粘结在一起。根据这一技术，活性材料层本身并不嵌入在聚合物中，而是只采用聚合物将材料层粘结在一起。从现有技术中还可知道，可采用超高分子量聚合物(UHMWP)来制造自支撑的电极。使用这种聚合物的一个优点在于，使用较少量的聚合物就可制造出具有较高电容的电极。
本发明的一个目的是提供一种制造上述类型的改进锂电池的方法，它能够形成和使用具有弯曲的平面几何形状的锂电池，同时保留现有技术的优点而不存在上述缺点。
为此，根据本发明的制造锂电池方法，包括：A)形成至少一个阳极和至少一个阴极；B)通过将隔板层设置在所述阳极和阴极之间来形成至少一个包括有阳极、隔板层和阴极的电池叠架，其特征在于，C)将电池叠架设置在一个呈弯曲平面几何形状的预定形状的支撑结构上并且通过夹紧装置将所述电池叠架保持在所述支撑结构上，以实现用于电池叠架的弯曲平面几何形状的最终结构。
弯曲的平面几何形状提供了这样的优点，即可以实现任何所需形状的锂电池，因此在锂电池的形状和/或形式方面的选择自由度比现有技术所提供的自由度大许多倍。因此，锂电池的几何形状能够适应于由使用该电池的任何电气装置所施加的空间限制。从空间的角度出发，在许多情况下现在的电气装置都可更有效地构造，这是因为锂电池的几何形状选择方面的自由度更大；这可以节约装置内的空间。
应当注意的是，弯曲的平面几何形状导致了一种弯曲的电池，其具有弯曲的扁平形状，这种形状可以是下凹/凸起或起伏的。该方法使用了多种已知的技术，例如制造锂聚合物电池的技术、通过加入超高分子量聚合物(UHMWP)来制造所谓的自支撑电极的技术，以及上述的“lithylene技术”。还可采用不同技术的组合。在一个实施例中，根据专利US 5478668制造了形成阳极、阴极和隔板层的一部分的电极。在另一优选实施例中，电极和隔板只含有UHMWP。在另一优选实施例中，根据专利US 5478668制造了电极，而隔板层含有聚乙烯。在另一实施例中，电极由UHMWP制成，而隔板含有聚乙烯和粘结剂。作为选择，在后一优选实施例中还可采用UHMWP作为隔板，聚乙烯层只用作防过热的保护。
最好，在变形处理中，使用了被预成形且对应于锂电池的所需弯曲的平面几何形状的装置。
在本发明的一个有利实施例中，所述装置包括支撑结构。
当应用这种支撑结构时，将阳极、阴极和隔板的叠架置于具有弯曲的平面几何形状的所述支撑结构上。叠架可通过胶带或粘胶固定在该结构上。之后将包括了该弯曲结构的叠架放入到所谓的软包装(softpack)中，用电解质进行活化并抽空该软包装。叠架上的大气压力将导致足够的堆叠压力，以便保持较低的阻抗和良好的循环寿命。支撑结构尽可能薄，并由在电池电解质中呈惰性的材料如聚乙烯和聚丙烯制成。
为了方便电池的制造，支撑结构可有利地包括夹紧装置。
然后，叠架的曲率还由在封装前物理性地夹紧这些层来额外地保持。
根据本发明的方法的特征在于，在步骤B)中形成电池叠架之后，将聚合物沉积到形成在阳极和阴极中的空腔内，以便将组件粘结在一起。
这种方法也称为LithyleneTM技术。
在后一方法的优选实施例中，电池叠架的至少一个外侧面设有聚合物层，并且在电池叠架和聚合物层之间设有预成形的支撑结构。
在实践中，这导致了使用LithyleneTM技术，其中在内部铆合用的聚合物层和电池叠架之间包括有附加层。该层应尽可能薄，并由在电池电解质中呈惰性的材料如聚乙烯和聚丙烯制成。该层的用途是防止堆叠压力损失。为此，该层必须具有抗弯阻力。用于LithyleneTM技术的聚合物铆钉保持了附加层和上方外部层之间的堆叠压力。通过这种优选方法，即使在软包装中未保持真空的情况下也能保持堆叠压力。
特别是，电池叠架形成了在步骤C)被弯曲的叠层结构。
该叠层结构通过已知的固化技术来固化，例如提取、胶合、紫外线曝光或其它化学处理，这可以保证形成了锂电池的一部分的聚合物母体被固化，因此锂电池失去了其柔性，并最终得到其最终的形状。
在该方法的另一优选变型中，固化在压力下进行。通过在压力下进行固化操作，就可精确地检查预定的几何形状，这样就可防止在叠层结构中产生不规则性和其它的不精确性。
在根据本发明方法的一个实施例中，形成一部分叠层结构的构件被单独地弯曲。在另一优选变型中，在执行步骤C)之前对叠层结构整体地进行弯曲。这可通过将装配好的叠层结构放入到处于压力下的模子中来执行。模子能够在固化工艺期间很好地控制锂电池的几何形状，因此可以实现精确形成的几何形状。
在另一优选变型中，步骤C)在从140到160℃范围内的温度下进行，最好在150℃下进行。在这种温度下，形成阴极、阳极和隔板的一部分的聚合物为流体，因而它们能够融化在一起。作为聚合物融化在一起的结果，阴极、阳极和隔板就粘结在一起。在对锂电池和聚合物进行了足够的冷却之后，弯曲聚合物以使锂电池获得其最终结构。通过在第一阶段中将叠层加热到150℃的温度，并在第二阶段中充分地冷却该叠层，就可将该叠层固化成所需的形状，但不会引起机械和/或化学特性的显著丧失。
在一个优选变型中，多个叠层结构在执行步骤C)之前设置成相互间基本上平行。因此，相对于由一个叠层结构构成的锂电池而言，锂电池的电容增大。由于存在多个叠层结构，因此锂电池能够输送比包括一个叠层结构的锂电池更多的能量且运行更长的时间。在前述中假定一个叠层结构的电容和几何形状与多叠层结构中的单个叠层结构的特性相一致。另外，还可以采用比单叠层结构更厚和更小的多叠层结构，这样就可使具有给定的所需最小电容的锂电池能容纳在电气装置的几何形状限制内。
本发明还提供了一种上述类型的锂电池，其特征在于，电池叠架具有弯曲的平面几何形状，并通过根据本发明的方法来获得。
因此，锂电池处于弯曲(三维)的平面内。在一个叠层结构层内，阳极最好位于两个锂阴极之间(具有中间隔板层)。最好将多个叠层结构堆叠在一起，并且插入或不插入中间隔板层。
而且，锂阴极最好包括有LixCoO2。在另一优选实施例中，锂阴极含有聚合物，最好是PvdF(聚偏1，1-二氟乙烯)或PEO(聚环氧乙烷)。在另一优选实施例中，锂阴极含有电子导电的石墨，以便在锂阴极中实现适当的导电率。在另一优选实施例中，锂阴极包括铝集电极。
阳极最好含有石墨。在一个优选实施例中，石墨固定在聚合物母体上。在另一优选实施例中，阳极包括铜集电极。
锂电池的隔板装置最好由聚合物如聚丙烯或聚乙烯构成，以便防止电短路。在一个优选实施例中，隔板装置被电解质润湿。电解质最好包括导电的聚合物母体。导电聚合物母体本身可以是导电的。如果是非导电的，那么聚合物母体例如可设置成使其包括含有锂的液体。
本发明还涉及一种包括有锂电池的电器，锂电池的至少一部分形成了电器部件的至少一部分。当至少一部分电器由锂电池形成时，就可在电器内实现显著的空间节约，因此使电器具有更紧凑的结构。电器最好是便携式的，例如剃须刀、牙刷、便携式卡带录音机和/或光盘播放机。最好，锂电池至少形成了一部分外壳。由于锂电池可具有多种结构，因此家用装置的几何形状不必作出调整或只需进行微小的调整。
实施例
正电极的制备：
将87重量份LiCoO2、8重量份石墨粉末和5份聚偏1，1-二氟乙烯散布于N-甲基吡咯烷酮(在下文中简称为NMP)中以制备正电极活性材料糊膏。用刮刀将糊膏涂覆成300μm的涂层厚度，从而形成正电极活性材料薄膜。在该薄膜上放置30μm厚的铝网，作为正电极集电极，再次用刮刀将正电极活性材料糊膏涂抹在网上至300μm的厚度。将双面涂覆的铝网竖立在干燥器中，保持60℃达60分钟，以便使糊膏半干燥。将由正电极集电极和正电极活性材料构成的所得叠层结构滚卷至400μm的厚度，从而制备出具有正电极活性材料层的正电极。将正电极浸入到电解溶液中。在浸入后测得的正活性材料层和正电极集电极之间的剥离强度为20到25gf/cm。
负电极的制备：
将95重量份Mesophase Microbead Carbon(商标名，由Osaka GasCo.，Ltd.生产)和5重量份聚偏1，1-二氟乙烯散布于NMP中以制备负电极活性材料糊膏。用刮刀将糊膏涂覆成300μm的厚度，从而制出负电极活性材料薄膜。在该薄膜上放置20μm厚的带状铜网，作为负电极集电极，并再次用刮刀在网上涂抹负电极活性材料糊膏至300μm的厚度。将该叠层结构竖立在干燥器中，保持60℃达60分钟，以便使糊膏半干燥。将由负电极集电极和负电极活性材料构成的所得叠层结构滚卷至400μm的厚度，从而制备出具有负电极活性材料层的负电极。
将负电极浸入到电解溶液中。在浸入后测得的负电极活性材料层和负电极集电极之间的剥离强度为5到10gf/cm。
电池的制备：
将5重量份聚偏1，1-二氟乙烯和95重量份NMP混合起来并彻底地搅拌，制备出均匀的粘结剂树脂溶液。
将这样制备出的粘结剂树脂溶液滴入到用作一对隔板的连续带材的两个多孔聚丙烯薄片(由Hoechst生产的Cellguard#2400)的各面上，并通过绕线棒刮涂器的滚压来将其均匀地涂抹在隔板的整个表面上，绕线棒刮涂器具有紧密缠绕在直径为1cm的玻璃管上的直径为0.5mm的细丝。
在粘结剂树脂干燥前，将用作一个电极的正电极以紧密接触的方式夹在隔板的涂布面之间，并且该叠层结构例如在模子中变形为所需的结构，之后通过加热并用压辊等从其两侧施加压力来进行干燥，并将其切成给定的长度。用绕线棒刮涂器以与上述相同的方式将粘结剂树脂溶液涂覆在一对聚丙烯薄片中的一个切出件的一面上，并在其上粘附切成预定尺寸以作为另一电极的负电极。然后将粘结剂树脂溶液涂覆在正电极夹在其中的一对聚丙烯薄片中的另一切出件的一面上，将该涂布面粘附在叠层结构的负电极上。这些步骤重复进行，以构建出具有多个叠层结构的堆叠体。在干燥器中于60℃下和静止空气中对堆叠体进行加热并施加压力，以便蒸发NMP溶剂，从而制备出预成形的堆叠电池体。在NMP蒸发时，粘结剂树脂成为带有开孔的疏松薄膜。
上述组合和复合物是非限制性的。本领域的技术人员显然能够构思出上述组合和复合物的许多替代物。
下面将参考如附图所示的非限制性实施例来详细地介绍本发明。
图1是处于未装配状态的叠层结构(尚未弯曲)的示意性侧视图，
图2是处于未装配状态的现有技术的锂聚合物电池的透视图，
图3是具有支撑结构的电池叠架的示意图，
图4是具有支撑结构的电池叠架的示意图，其中支撑结构设有夹紧装置，
图5是根据LithyleneTM技术制造的且设有支撑结构的锂电池的示意图，
图6是根据本发明的锂聚合物电池的封装的透视性整体视图，和
图7是根据本发明的设有锂电池的剃须刀的透视图。
图1是尚未被弯曲的根据本发明的叠层结构1的示意性侧视图。叠层结构1设有石墨阳极2，其上连接有铜集电极3。在阳极2的两侧设有两个锂阴极5，同时使用了中间隔板层4。锂阴极5最好含有LiCoO2并与铝集电极6相连。隔板层4最好含有聚合物如聚丙烯或聚乙烯。所示层在锂电池的制造过程中堆叠起来。除该单个叠层结构1外，还可在锂电池的制造过程中堆叠多个叠层结构。
图2是根据现有技术的锂聚合物电池7。锂聚合物电池7设有多个堆叠的叠层结构8，这些叠层结构8一起构成了电池7的基础。在图2中清楚地显示了叠层结构8的平面矩形形状。根据现有技术的锂聚合物电池7的局限性在于，它不容易安装到电气装置中。
图3显示了具有支撑结构12的多个电池叠架8的示意图。当采用这种支撑结构12时，将阳极、阴极和隔板的叠架放置到具有弯曲的平面几何形状的所述支撑结构上。叠架可通过胶带或粘胶固定在该结构上。然后将包括有该弯曲结构的叠架放入到所谓的软包装中，用电解质进行活化并抽空该软包装。叠架上的大气压力将导致足够的堆叠压力，以便保持较低的阻抗和良好的循环寿命。支撑结构12尽可能薄，并由在电池电解质中呈惰性的材料如聚乙烯和聚丙烯制成。如图4所示，支撑结构12还可设有夹紧装置14，其用于为这些层提供额外的物理性夹紧。
图5是根据LithyleneTM技术制造且设有支撑结构的锂电池示意图。如图所示，聚合物13用作铆钉，以便将活性材料层保持在一起。支撑结构12包括在内部铆合用的聚合物层13和电池叠架之间。支撑结构的用途是防止堆叠压力的损失。为此，该层必须具有抗弯阻力。用于LithyleneTM技术的聚合物铆钉保持了附加层和上方外部层之间的堆叠压力。通过这种优选方法，即使在软包装中未保持真空的情况下也能保持堆叠压力。
图6是根据本发明的锂聚合物电池9的透视图。锂聚合物电池9由一个或多个叠层结构构成。各叠层结构如权利要求9到22中任一项所述地构造。图6清楚地显示了锂聚合物电池9具有(任意选择的)弯曲的平面形状。
图7是剃须刀10的透视图，其设有根据本发明的锂电池11。锂电池11具有弯曲的形状，因此它能够理想地容纳于剃须刀10的外壳中。锂电池11的几何形状可选择成与电器如剃须刀10所施加的要求相一致，使得可采用电器内的可用空间来容纳电池11。

Claims (9)

1.一种制造锂电池的方法，所述方法包括下述步骤：
A)形成至少一个阳极和至少一个阴极；
B)通过将隔板层设置在所述阳极和阴极之间来形成至少一个包括有阳极、隔板层和阴极的电池叠架，和
C)将所述电池叠架设置在一个呈弯曲平面几何形状的预定形状的支撑结构上，并且通过夹紧装置将所述电池叠架保持在所述支撑结构上，以实现用于电池叠架的弯曲平面几何形状的最终结构。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述支撑结构包括所述夹紧装置。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述步骤B)中形成所述电池叠架之后，将聚合物沉积于形成在所述阳极、阴极和隔板层中的空腔内，以便将该组件粘结在一起。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述电池叠架的至少一个外侧面设有聚合物层，在所述电池叠架和聚合物层之间设有预成形的支撑结构。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述电池叠架在所述步骤C)中形成了一种固化的叠层结构，以实现用于电池叠架的弯曲平面几何形状的最终结构。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述固化在压力下进行。
7.根据权利要求5或6所述的方法，其特征在于，通过将所述叠层结构置于模子中并施加压力来使所述叠层结构在装配状态下弯曲。
8.根据权利要求5或6所述的方法，其特征在于，所述步骤C)在从140到160℃范围内的温度下进行。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在执行所述步骤C)之前，多个叠层结构设置成相互间平行地延伸。
CNB028165543A 2001-08-24 2002-08-02 制造锂电池的方法、锂电池和电器 Expired - Fee Related CN1316645C (zh)

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