CN214477618U - 一种单面印刷层叠电池及印刷电池组 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种单面印刷层叠电池及印刷电池组，从下至上依次包括基底、下电极层及单元层；所述单元层从下至上依次包括绝缘层及上电极层；所述上电极层与上方极耳电连接，所述下电极层与下方极耳电连接；所述上方极耳及所述下方极耳印刷设置于所述基底上，且所述上方极耳与所述下方极耳绝缘设置。本实用新型中，通过层叠所述单面印刷层叠电池的正负两极，并用所述绝缘层隔离，实现了正负极的单面设置，使本实用新型中的电池可直接印刷在相应基底上实现与用电器的集成，保障了电池与用电器的连接牢固性与生产效率，此外，与普通共面结构电池相比，本实用新型的所述单面印刷层叠电池在相同的投影面积内具有更大的电极有效活性面积，因此电池的容量也更大。

Description

一种单面印刷层叠电池及印刷电池组

技术领域

本实用新型涉及柔性电池领域，特别是涉及一种单面印刷层叠电池及印刷电池组。

背景技术

相比于其他柔性电池，单面印刷层叠电池可直接印刷在用电器上，不仅对用电器的种类没有限制，而且确保了电极连接的可靠性，极大提升了组装效率，进而提高了整体期间的生产效率，降低生产成本。

然而，共面结构要求电极在同一平面的平行方向上并排且中间有间隔，因此电池的活性面积被分成两部分，牺牲了很大的电池容量。类似地，将共面结构改进为两电极叉指，即阳极和阴极交叉形成梳状结构，依然存在由于活性面积减少的问题。另外，共面结构中的正负电极相对于其他柔性电池结构的距离较大，离子传输距离较远，因此内阻较大。

综上所述，如何在保证印刷电池的共面结构，即在保证印刷电池的连接可靠性及生产效率的前提下，提高电池容量，就成了本领域技术人员亟待解决的问题。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种单面印刷层叠电池及印刷电池组，以解决现有技术中单面印刷层叠电池容量较小的问题。

为解决上述技术问题，本实用新型提供一种单面印刷层叠电池，从下至上依次包括基底、下电极层及单元层；

所述单元层从下至上依次包括绝缘层及上电极层；

所述上电极层与上方极耳电连接，所述下电极层与下方极耳电连接；

所述上方极耳及所述下方极耳印刷设置于所述基底上，且所述上方极耳与所述下方极耳绝缘设置。

可选地，在所述的单面印刷层叠电池中，所述上方极耳与所述下方极耳通过所述绝缘层绝缘设置。

可选地，在所述的单面印刷层叠电池中，所述单面印刷层叠电池包括多个所述单元层；

多个所述单元层按预设图案间隔设置于所述下电极层表面；

多个所述单元层的上电极层与同一上方极耳电连接。

可选地，在所述的单面印刷层叠电池中，所述单面印刷层叠电池包括多个所述单元层；

多个所述单元层层叠设置。

可选地，在所述的单面印刷层叠电池中，所述单元层为环形单元层。

可选地，在所述的单面印刷层叠电池中，所述单面印刷层叠电池还包括上方集电极层和/或下方集电极层；

所述上电极层与所述上方集电极层印刷连接，所述上电极层通过所述上方集电极与所述上方极耳电连接；

所述下电极层与所述下方集电极层印刷连接，所述下电极层通过所述下方集电极与所述上方极耳电连接。

可选地，在所述的单面印刷层叠电池中，当所述单面印刷层叠电池包括所述上方集电极层时，所述上方集电极层被所述上电极层包裹。

可选地，在所述的单面印刷层叠电池中，所述上方集电极层、所述下方集电极层及所述绝缘层中至少一个为致密层；

和/或

所述下电极层为疏松多孔电极层。

可选地，在所述的单面印刷层叠电池中，所述单面印刷层叠电池还包括隔膜层；

所述隔膜层设置于所述单元层与所述单面印刷层叠电池的封装体之间；

所述隔膜层为疏松多孔隔膜层。

一种印刷电池组，所述印刷电池组包括多个如上述任一种所述的单面印刷层叠电池；

相邻的单面印刷层叠电池之间通过所述上方极耳或所述下方极耳在所述单面印刷层叠电池的封装体外部电连接。

本实用新型所提供的一种单面印刷层叠电池，单面印刷层叠电池，从下至上依次包括基底、下电极层及单元层；所述单元层从下至上依次包括绝缘层及上电极层；所述上电极层与上方极耳电连接，所述下电极层与下方极耳电连接；所述上方极耳及所述下方极耳印刷设置于所述基底上，且所述上方极耳与所述下方极耳绝缘设置。

本实用新型中，通过层叠所述单面印刷层叠电池的正负两极(即所述上电极层及所述下电极层)，并用所述绝缘层隔离，实现了正负极的单面设置，使本实用新型中的电池可直接印刷在相应基底上实现与用电器的集成，保障了电池与用电器的连接牢固性与生产效率，此外，与普通共面结构电池相比，本实用新型的所述单面印刷层叠电池在相同的投影面积内具有更大的电极有效活性面积，因此电池的理论容量也更大。本实用新型同时还提供一种具有上述有益效果的印刷电池组。

附图说明

为了更清楚的说明本实用新型实施例或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1至图14为本实用新型提供的单面印刷层叠电池的多种具体实施方式的工艺流程图；

图15为本实用新型提供的印刷电池组的一种具体实施方式的结构示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本实用新型方案，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步的详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

本实用新型的核心是提供一种单面印刷层叠电池，其一种具体实施方式的结构示意图如图1所示，称其为具体实施方式一，从下至上依次包括基底100、下电极层220及单元层300；

所述单元层300从下至上依次包括绝缘层310及上电极层330；

所述上电极层330与上方极耳电连接，所述下电极层220与下方极耳电连接；

所述上方极耳及所述下方极耳印刷设置于所述基底100上，且所述上方极耳与所述下方极耳绝缘设置。

作为一种优选实施方式，所述绝缘层310包括绝缘延伸区；所述上方极耳及所述下方极耳部分重叠，且通过所述绝缘层310绝缘接触。当然，也可以限定所述上方极耳与所述下方极耳的位置与形状，使两者不接触，也可达成空间位置的绝缘设置，具体情况可根据实际需要做选择。

在电池反应中，两电极的消耗质量不一致，而一般高消耗电极层指在电池反应中消耗质量较大的层，相应地，低消耗层指在电池反应中消耗质量较小的层，

作为一种具体实施方式，本实用新型中的各个印刷层均为平铺的印刷层(如图1)，而由于多个印刷层层叠设置，一般会为了避免上下电极层220接触，位于上方的印刷层边缘相对于位于下方的印刷层边缘内缩一定距离，因此位于上方的所述上电极层330面积小于所述下电极层220，在本种具体实施方式中，为进一步提高电极的有效活性面积，通常会将所述高消耗电极层至于面积较大的所述下电极层220位置。

所述基底100可为独立的薄膜，也可直接为用电器(比如柔性电子设备)表面，印刷完印刷层后加电解液封装，制成集成在用电器上的供电部件。

另外，所述单面印刷层叠电池还包括上方集电极层320和/或下方集电极层210；

所述上电极层330与所述上方集电极层320印刷连接，所述上电极层330通过所述上方集电极与所述上方极耳电连接；

所述下电极层220与所述下方集电极层210印刷连接，所述下电极层220通过所述下方集电极与所述上方极耳电连接。

当然，为方便设置，所述上方极耳及所述下方极耳可为所述上方集电极层320及所述下方集电极层210的一个凸出区域。

作为一种优选实施方式，当所述单面印刷层叠电池包括所述上方集电极层320时，所述上方集电极层320被所述上电极层330包裹，其结构示意图请见图3；在不增加所述单面印刷层叠电池的占用面积的前提下，大幅增加所述上电极层330的质量，及所述上电极层330与电解液的接触面积，进而加快反应速度，增加电池容量，不难发现，在本具体实施方式中，所述上电极层330的质量可能大于所述下电极层220的质量，因此在设计电池时，可将所述上电极层330设置为所述高消耗电极层，将所述下电极层220设置为所述低消耗电极层。另外，如图4所示，所述上方集电极层320可为两层嵌套的集电极，即所述上方集电极层320分为第一集电结构321及第二集电结构322，所述第一集电结构321包裹所述第二集电结构322(可通过两次打印实现，当然，也可以设置于所述绝缘层310上，再通过所述上电极层330覆盖)，所述第二集电结构322可为高活性高导电性的材质(如银)制成，所述第一集电结构321为导电性略低于所述第二集电结构322，但稳定性强，不参与电池反应的材质(如碳)制成，进一步降低电池内阻，提高电池功率。

作为一种优选实施方式，所述单元层300为环形单元层300，请参考图5，图5中的所述单元层300呈环形设置于所述下电极层220表面，需要注意的是，本实用新型中的环形仅表示所述单元层300环绕所述下电极层220表面，当然，也存在所述单元层300不为完整的闭合环形的情况，但也能达到缩短离子移动距离的效果；而本具体实施方式中，所述单元层300环绕在所述下电极层220表面，可大大缩短在电池反应中离子需要运动的距离，请见图6及图7，图6中，所述单元层300为设置于所述下电极层220的一条边缘处的长条状电极层，则下电极层220在参与反应的过程中，离子需要在所述下电极上做长距离运动(如图中箭头所示)，相当于提高了电池内阻，且反应发生在设置单元层300的一侧，电解液消耗不均，容易出现单元层300附近电解液率先大量消耗，影响后续反应效率的情况；而反观本具体实施方式，其下电极层220上的离子移动示意图如图7所示，离子在所述下电极层220上的移动距离更短，电池内阻更小，反应发生位置更均匀，大大提升了电解液消耗的均匀性，使电池的放电时电压平台变得平坦。

本实用新型中的单面印刷层叠电池，通过封装组件进行封装，所述封装组件与上述印刷层之间充满电解液，图1为本具体实施方式的截面图，图2为俯视图，其中所述封装组件未画出。其中，图2俯视视角看所述单元层300呈直线状设置于所述下电极层220上，而在实际生产中，可根据不同实际需要设置不同图案形状，如L型和U型等，其中，所述上方集电极层320同样设置于所述上电极层330及所述绝缘层310之间，但由于其边缘距离所述上电极层330太近，因此图中未标出，同理图2及图12。

图9为现有的三种不同图案的共面电池FS#6，FS#8，FS#11(其电极图案分别对应图8从左至右三个图案)和本实用新型提供两种不同图案的单面印刷层叠电池EIZ#3(对应图12)和EIZ#4(对应图10)放电曲线的比较，所有电池均在在0.5毫安下放电，本实用新型中的共面电池的有效面积容量分布为：1.36和1.44毫安时/平方厘米，比现有其他共面电池布局的有效面积容量高出约15％至30％。

作为一种优选实施方式，当所述单面印刷层叠电池包括所述上方集电极层320时，所述上方集电极层320设置于所述上电极层330下表面，换句换说，所述上电极层330是印刷设置在所述上方集电极层320表面的，所述上电极层330位于所述单面印刷层叠电池的最上方，即所述上电极层330的上表面与侧面均暴露在电解液中，反应更充分，降低电解液电阻、增加反应速度与电池容量。

优选地，所述下电极层220为疏松多孔电极层，所述下电极层220上下表面均覆盖有其他印刷层，将其限定为疏松多孔的电极层可大大增加所述下电极层220与电解液的接触情况，接触更充分，保障活性材料的有效反应，更有利于电池反应的稳定进行，进一步提升电池的发电效率与电池容量。

作为一种优选方案，所述上方集电极层320、所述下方集电极层210及所述绝缘层310中至少一个为致密层；所述上方集电极层320及所述下方集电极层210如果为致密层，则可大大降低电池内阻，减缓电池自放电，在提升电池容量的同时提升电池的储存寿命；所述绝缘层310为所述致密层，可进一步保证印刷过程中所述上方导电层与所述下方导电层不会出现短路现象，提升制得的单面印刷层叠电池的良品率。

当所述绝缘层310为致密层时，所述绝缘层310的厚度的范围为1微米至500微米，包括端点值如1.0微米、56.3微米或500.0微米中任一个，当然，也可根据实际情况作相应变动。

作为一种具体实施方式，所述绝缘层310还可为多孔固态电解质层。

还有，所述上方集电极层320的边缘(若没有所述上方集电极层320则替换为上电极层330)与所述绝缘层310的边缘的距离的范围为1毫米至2毫米，包括端点值，如1.0毫米、1.3毫米或2.0毫米中任一个，为所述上方集电极层320层与所述绝缘层310的边缘预留出适当空间，避免在所述绝缘层310上印刷所述上方集电极层320的时候印刷溢出，导致所述上方集电极层320与所述下电极层220短路。

下面以锌锰电池为例详细分析共面结构、三明治结构和立体多层结构的电池在相同投影面积下的有效电池容量。在大多数电池化学反应中，电极反应需要配平，因此电极的材料找中的一个往往要比另一个多，例如锌锰电池体系，为达到电荷转移量平衡，锌与二氧化锰的质量比理论上为1:2.66，即需要锰的量高于锌的量。假设相同面积的活性材料密度相同，厚度相同，在共面结构中锌电极和锰电极的比例则为1:2.66。对于三明治结构电池，虽然锌电极和锰电极面积相同，但考虑到锰电极相对于锌电极为不足量，因此相同投影面积下，三明治结构电池和共面结构电池的理论电池容量比为3.66:2.66。对于立体多层电池，在假设正极材料充分参与反应，通过适当的图案设计，其理论电池容量可以和三明治结构电池相同。实际情况下，由于电极反应程度的限制，通过优化电极厚度，三明治结构电池比共面结构电池的容量高出两倍，而立体多层电池的容量比共面结构电池的容量高出30％。

本实用新型所提供的一种单面印刷层叠电池，单面印刷层叠电池，从下至上依次包括基底100、下电极层220及单元层300；所述单元层300从下至上依次包括绝缘层310及上电极层330；所述上电极层330与上方极耳电连接，所述下电极层220与下方极耳电连接；所述上方极耳及所述下方极耳印刷设置于所述基底100上，且所述上方极耳与所述下方极耳绝缘设置。本实用新型中，通过层叠所述单面印刷层叠电池的正负两极，并用所述绝缘层310隔离，实现了正负极的单面设置，使本实用新型中的电池可直接印刷在相应基底100上实现与用电器的集成，保障了电池与用电器的连接牢固性与生产效率，此外，与普通共面结构电池相比，本实用新型的所述单面印刷层叠电池在相同的投影面积内具有更大的电极有效活性面积，因此电池的理论容量也更大。

在具体实施方式一的基础上，进一步对所述单元层300做限定，得到具体实施方式二，其结构示意图如图10所示，从下至上依次包括基底100、下电极层220及单元层300；

所述单元层300从下至上依次包括绝缘层310及上电极层330；

所述上电极层330与上方极耳电连接，所述下电极层220与下方极耳电连接；

所述上方极耳及所述下方极耳印刷设置于所述基底100上，且所述上方极耳与所述下方极耳绝缘设置；

所述单面印刷层叠电池包括多个所述单元层300；

多个所述单元层300按预设图案间隔设置于所述下电极层220表面；

多个所述单元层300的上电极层330与同一上方极耳电连接。

图10为本具体实施方式中的爆炸结构示意图，图11为对应的截面图，图12为俯视图，由于本具体实施方式中多个所述单元层300间隔设置，相邻的所属单元层300之间形成的凹陷结构，有利于电解液储存，能容纳更多电解液，提升电池容量。

作为一种优选实施方式，当所述单面印刷层叠电池包括所述下方集电极层210及多个所述单元层300时，所述下方集电极层210设置于所述下电极层220下表面，多个所述单元层300间隔设置，而所述下电极层220又处于所述下方集电极层210的上方，意味着所述下电极层220与所述单元层300接触，意味着更大面积的所述下电极层220除了侧壁暴露在电解液中，还从相邻的单元层300的间隙中暴露在电解液下，与电解液有了更大的反应面积，反应更充分，进一步提高了电池效率。

相对于图10、图11提供的多个所述单元层300平铺在所述下电极层220上，本实用新型还提供了一种具体实施方式，当所述单面印刷层叠电池包括多个所述单元层300时，多个所述单元层300层叠设置；其一种具体实施方式的截面图如图13所示，其中，图13中的300-1与300-2表示不同的两个单元层300，其内部各印刷层也用-1及-2加以区分，图13中包括相同极性的上电极层330的单元层300间隔设置，即电池整体为正极层-负极层-正极层。。。的规律交替设置，当然，包括相同极性的上电极层330的单元层300也可紧邻设置，可根据实际情况作相应调整。

上述具体实施方式，通过层叠多个单元层300，大大增加了单位面积的活性电极材料，有效提高了电池容量，另外，作为一种优选实施方式，多个同极性的单元层300的上电极层330可与同一上方极耳连接，与所述下电极层220极性相同的单元层300的上电极层330也与所述下电极层220连接于同一下方极耳。

在具体实施方式二的基础上，进一步对所述共面印刷电池做改进，得到具体实施方式三，其结构示意图如图14所示，从下至上依次包括基底100、下电极层220及单元层300；

所述单元层300从下至上依次包括绝缘层310及上电极层330；

所述上电极层330与上方极耳电连接，所述下电极层220与下方极耳电连接；

所述上方极耳及所述下方极耳印刷设置于所述基底100上，且所述上方极耳与所述下方极耳绝缘设置；

所述单面印刷层叠电池包括多个所述单元层300；

多个所述单元层300按预设图案间隔设置于所述下电极层220表面；

多个所述单元层300的上电极层330与同一上方极耳电连接；

所述单面印刷层叠电池还包括隔膜层400；

所述隔膜层400设置于所述单元层300与所述单面印刷层叠电池的封装体之间；

所述隔膜层400为疏松多孔隔膜层400。

在所述单元层300上方再设置所述隔膜层400，对外部冲击和内部弯折应力进行缓冲，进而有效防止所述单面印刷层叠电池的破裂，此外，所述隔膜层400为疏松多孔的隔膜结构，可进一步辅助吸收所述电解液，使所述电解液不会轻易外泄，在保证电池的充分反应。

本实用新型同时还提供一种印刷电池组，其一种具体实施方式的结构示意图如图15所示，所述印刷电池组包括多个如上述任一种所述的单面印刷层叠电池；相邻的单面印刷层叠电池之间通过所述上方极耳或所述下方极耳在所述单面印刷层叠电池的封装体外部电连接。该实施方式可以在单张基底上完成电池组的印刷，有效集成了电池组的生产步骤，并通过绝缘层的重叠设计来灵活设置电池组的分布图案，进而实现定制化电池组的高效生产。

需要注意的是，现有技术中两个相邻电池通常采用内部连接的方式串联，但此种结构容易导致电池自放电，而本实用新型中的印刷电池组，相邻的所述单面印刷层叠电池的极耳印刷在同一平面上，且在电池的封装体外部实现电连接，消除电解液吸收和自放电的风险，提高了电池功率与电池容量，需要注意的是，图15中的320B及210A表示不同的两个单面印刷层叠电池的上方集电极层320及下方集电极层210，即正极与负极相连，实现串联。

本实用新型所提供的一种单面印刷层叠电池，单面印刷层叠电池，从下至上依次包括基底100、下电极层220及单元层300；所述单元层300从下至上依次包括绝缘层310及上电极层330；所述上电极层330与上方极耳电连接，所述下电极层220与下方极耳电连接；所述上方极耳及所述下方极耳印刷设置于所述基底100上，且所述上方极耳与所述下方极耳绝缘设置。本实用新型中，通过层叠所述单面印刷层叠电池的正负两极，并用所述绝缘层310隔离，实现了正负极的单面设置，使本实用新型中的电池可直接印刷在相应基底100上实现与用电器的集成，保障了电池与用电器的连接牢固性与生产效率，此外，与普通共面结构电池相比，本实用新型的所述单面印刷层叠电池在相同的投影面积内具有更大的电极有效活性面积，因此电池的理论容量也更大。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上对本实用新型所提供的单面印刷层叠电池进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本实用新型的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以对本实用新型进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本实用新型权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种单面印刷层叠电池，其特征在于，从下至上依次包括基底、下电极层及单元层；

所述单元层从下至上依次包括绝缘层及上电极层；

所述上电极层与上方极耳电连接，所述下电极层与下方极耳电连接；

所述上方极耳及所述下方极耳印刷设置于所述基底上，且所述上方极耳与所述下方极耳绝缘设置。

2.如权利要求1所述的单面印刷层叠电池，其特征在于，所述上方极耳与所述下方极耳通过所述绝缘层绝缘设置。

3.如权利要求1所述的单面印刷层叠电池，其特征在于，所述单面印刷层叠电池包括多个所述单元层；

多个所述单元层按预设图案间隔设置于所述下电极层表面；

多个所述单元层的上电极层与同一上方极耳电连接。

4.如权利要求1所述的单面印刷层叠电池，其特征在于，所述单面印刷层叠电池包括多个所述单元层；

多个所述单元层层叠设置。

5.如权利要求1所述的单面印刷层叠电池，其特征在于，所述单元层为环形单元层。

6.如权利要求1所述的单面印刷层叠电池，其特征在于，所述单面印刷层叠电池还包括上方集电极层和/或下方集电极层；

所述上电极层与所述上方集电极层印刷连接，所述上电极层通过所述上方集电极与所述上方极耳电连接；

所述下电极层与所述下方集电极层印刷连接，所述下电极层通过所述下方集电极与所述上方极耳电连接。

7.如权利要求6所述的单面印刷层叠电池，其特征在于，当所述单面印刷层叠电池包括所述上方集电极层时，所述上方集电极层被所述上电极层包裹。

8.如权利要求6所述的单面印刷层叠电池，其特征在于，所述上方集电极层、所述下方集电极层及所述绝缘层中至少一个为致密层；

和/或

所述下电极层为疏松多孔电极层。

9.如权利要求1至8任一项所述的单面印刷层叠电池，其特征在于，所述单面印刷层叠电池还包括隔膜层；

所述隔膜层设置于所述单元层与所述单面印刷层叠电池的封装体之间；

所述隔膜层为疏松多孔隔膜层。

10.一种印刷电池组，其特征在于，所述印刷电池组包括多个如权利要求1至9任一项所述的单面印刷层叠电池；

相邻的单面印刷层叠电池之间通过所述上方极耳或所述下方极耳在所述单面印刷层叠电池的封装体外部电连接。

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