DE212018000337U1

DE212018000337U1 - Flexible Batterie

Info

Publication number: DE212018000337U1
Application number: DE212018000337.8U
Authority: DE
Original assignee: Prologium Holding Inc; Prologium Technology Co Ltd
Current assignee: Prologium Holding Inc; Prologium Technology Co Ltd
Priority date: 2017-09-29
Filing date: 2018-08-16
Publication date: 2020-05-26
Anticipated expiration: 2028-08-17
Also published as: WO2019062372A1; CN109585704A; JP3228671U

Abstract

Flexible Batterie, umfassend:
eine elektrochemische Reaktionsstruktur, die ein Polymersystem, das lineare Polymere und erste Polymere umfasst, aufweist; und
eine Verkapselungsstruktur, die abgedichtet ist und bei der zwei Innenflächen und ein umschlossener Raum im Inneren vorgesehen sind, wobei die beiden Innenflächen direkt mit der elektrochemischen Reaktionsstruktur verklebt sind, wobei der umschlossene Raum zum Aufnehmen der elektrochemischen Reaktionsstruktur dient; dadurch gekennzeichnet,
dass die elektrochemische Reaktionsstruktur und mindestens eine der Innenflächen der Verkapselungsstruktur durch die ersten Polymere direkt miteinander verklebt sind, wobei die ersten Polymere keine linearen Polymere sind, wobei die ersten Polymere aus der folgenden Gruppe ausgewählt sind: verzweigte Polymere und ihre Derivate, vernetzte Polymere und ihre Derivate, duroplastische Polymere und ihre Derivate, Leiterpolymere und ihre Derivate und Kombinationen davon, wobei die ersten Polymere Amidgruppen, Imingruppen und Carbonylgruppen aufweisen, wobei die Gewichtsprozente der ersten Polymere im Polymersystem im Bereich von 0,02 Gew.-% bis 70 Gew.-% liegen.

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine flexible Batterie und insbesondere eine flexible Batterie, durch die eine durch Biegen hervorgerufene Trennung der elektrochemischen Reaktionsstruktur und der Verkapselungsstruktur vermieden werden kann.
Stand der Technik
In letzter Zeit wurden verschiedene elektronische Geräte herausgebracht. Um solche elektronischen Geräte besser dem Trend zu Leichtigkeit und Dünnheit anpassen zu können, hat sich die Platzorganisation in elektronischen Geräten zu einem wichtigen Thema entwickelt. Flexible Batterien, die auf nicht ebenen Oberflächen angeordnet werden können, stellen eine der Lösungen für dieses Problem dar. Beim Biegen führt das sich Lösen der elektrochemischen Reaktionsstruktur von der Kollektorschicht jedoch zur Zerstörung der Batteriestruktur und verursacht somit ein Sicherheitsproblem.
Was die Eigenschaften der Batterie betrifft, so kann, wenn eine bessere Haftung zwischen der Aktivmaterialschicht und der Kollektorschicht gegeben ist, die Bewegungsstrecke der Elektronen und Ionen in der Elektrodenschicht effektiv verkürzt werden, wobei gleichzeitig der Widerstandswert innerhalb der Elektrodenschicht verringert und somit die Effizienz der elektrochemischen Umwandlung verbessert wird. Genauer gesagt, wenn die Aktivmaterialschicht und die Kollektorschicht fest aneinander haften, verkürzt sich der Abstand der Elektronen- und lonenmigration und verringert sich die Grenzflächenbarriere zwischen den Schichten, wodurch sich die Coulomb-Effizienz verbessert, sodass erreicht wird, dass bei Batterien nach wiederholtem Laden und Entladen ihre elektrische Kapazität aufrechterhalten wird. Darüber hinaus kann durch die Auswahl des Klebstoffs für die Aktivmaterialschicht nicht nur der Haftungszustand zwischen den verschiedenen Schichtstrukturen signifikant beeinflusst werden, sondern es kann auch direkt der Gehalt und die Verteilung des Aktivmaterials in der Aktivmaterialschicht bestimmt werden. Wenn die Stärke der Verbindung zwischen dem Aktivmaterial und dem Klebstoff zunimmt, werden der Gehalt und die Anordnung des Aktivmaterials in der Aktivmaterialschicht optimaler. Selbstverständlich kann dadurch auch die Batteriekapazität erhöht werden.
Wie oben erwähnt, werden derzeit bei Lithiumbatterien in der Regel hochflexible Klebstoffe wie Polyvinylidenfluorid (PVDF), Polyvinylidenfluorid-co-trichlorethylen (PVDF-HFP) und Styrol-Butadien-Kautschuk (SBR) verwendet. Diese Klebstoffe weisen eine lineare Struktur auf, sodass sie eine recht gute Haftung in der XY-Achse gewährleisten. Nachdem die Klebstoffe einer Wärmebehandlung oder Laminierungsbehandlung unterzogen wurden, findet bei den Polymerketten unter Einfluss von Wärmeenergie und Druck eine Kristallisationsreaktion statt. Mit anderen Worten wird die Haftung der Grenzfläche zwischen der Aktivmaterialschicht und der Kollektorschicht, der der oben erwähnte Klebstoff hinzugefügt wird, durch die Entstehung von Kristallen nach der Wärmebehandlung oder Laminierungsbehandlung beeinträchtigt. Da ferner die eigene Struktur oder Kristallstruktur des Klebstoffs durch äußere Kraft beschädigt wird, nimmt die Haftfähigkeit des Aktivmaterials ab, sodass die Elektrodenschicht nach dem Trocknen anfällig für Risse ist oder sogar eine Trennung zwischen der Aktivmaterialschicht und der Kollektorschicht auftreten kann, was schließlich zu einer Verschlechterung der Elektronenleitung führt. Zusätzlich zur Verschlechterung des elektrischen Wirkungsgrads der Batterie führt es zu einer erheblichen Beeinträchtigung der Sicherheit der Batterie. Wenn ferner ein gänzlich dreidimensionale Strukturen aufweisender Klebstoff wie Epoxid, Acrylsäure oder Polyacrylnitril (PAN) verwendet wird, werden trotz Verbesserung der Haftungswirkung durch die dreidimensionale Struktur des Polymers die Probleme der übermäßigen Steifheit und der unzureichenden Flexibilität hervorgerufen, was es schwierig macht, die Biegeanforderungen der Batterien zu erfüllen.
In Anbetracht der Mängel des Standes der Technik schlägt die vorliegende Erfindung eine flexible Batterie vor, mit der die oben genannten Probleme effektiv gelöst werden können.
Aufgabe der Erfindung
Es ist eine Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung, eine flexible Batterie bereitzustellen, bei der eine höhere molekulare Bindungskraft durch Verwendung von Polymeren von Amidgruppen, Imingruppen und Carbonylgruppen bereitgestellt wird, um eine Verbesserung hinsichtlich der schwachen molekularen Bindungen zwischen der elektrochemischen Reaktionsstruktur und der Kollektorschicht zu erreichen, sodass nach dem Biegen der flexiblen Batterie verhindert werden kann, dass die elektrochemische Reaktionsstruktur und die Kollektorschicht kollabieren oder sich voneinander lösen, wobei gleichzeitig sichergestellt werden kann, dass nach dem Biegen die Elektronenleitung in einem guten Zustand gehalten wird.
Es ist eine weitere Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung, eine flexible Batterie bereitzustellen, bei der auf der Kontaktfläche zwischen der elektrochemischen Reaktionsstruktur und der Verkapselungsstruktur die Grenzfläche der elektrochemischen Reaktionsstruktur eine bestimmte Menge an ersten Polymeren aufweisen muss, wobei die Gewichtsprozente der ersten Polymere im Polymersystem im Bereich von 0,02 Gew.-% bis 70 Gew.-% liegen.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine flexible Batterie bereitzustellen, bei der die Kollektorschicht ein Teil der Verkapselungsstruktur ist, um die Verkapselungsstruktur und die elektrochemische Reaktionsstruktur gemeinsam zu einer einzigen Struktur zu verkleben, sodass das herkömmliche physikalische Fixierungsverfahren zwischen den Grenzflächen zwischen der Verkapselungsstruktur und der elektrochemischen Reaktionsstruktur durch eine direkte chemische Bindung ersetzt werden kann. Daher können der Biegungsgrad und die Häufigkeit, wie oft die so gebildete flexible Batterie gebogen werden kann, weiter verbessert werden.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine flexible Batterie bereitzustellen, bei der durch Zugabe von Amidgruppen, Imingruppen und Carbonylgruppen aufweisenden Polymeren die Situation, dass nach thermischen Verfahren oder Heißpressverfahren die linearen Polymere durch die Gitterorientierung stark kristallisiert werden, verbessert wird.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine flexible Batterie bereitzustellen, bei der durch Zugabe von Amidgruppen, Imingruppen und Carbonylgruppen aufweisenden Polymeren die Hitzebeständigkeit der gesamten flexiblen Batterie verbessert wird, sodass während des thermischen Verfahrens oder des Heißpressverfahrens die flexible Batterie Wärmebehandlungstemperaturen von mehr als 180 °C standhalten kann.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine flexible Batterie bereitzustellen, bei der die Amidgruppen, Imingruppen und Carbonylgruppen aufweisenden Polymere keine linearen Polymere sind.
Zur Lösung der oben genannten Aufgaben stellt die vorliegende Erfindung eine flexible Batterie bereit, die eine Verkapselungsstruktur und eine direkt an der Verkapselungsstruktur haftende elektrochemische Reaktionsstruktur umfasst, wobei die elektrochemische Reaktionsstruktur und mindestens eine der beiden Innenflächen der Verkapselungsstruktur direkt durch erste Polymere miteinander verklebt sind, wobei die ersten Polymere Amidgruppen, Imingruppen und Carbonylgruppen aufweisen, wobei die Gewichtsprozente der ersten Polymere im Polymersystem im Bereich von 0,02 Gew.-% bis 70 Gew.-% liegen. Im Vergleich zu den bestehenden Polymersystemen, die hauptsächlich aus linearen Polymeren bestehen, kann in der vorliegenden Erfindung eine bessere Haftung zwischen der elektrochemischen Reaktionsstruktur und der Verkapselungsstruktur erzielt werden, sodass nach dem Biegen der Batterie sich die Strukturkörper nicht leicht voneinander trennen, um die strukturelle Stabilität und Sicherheit der Batterie zu erhöhen.
Hierbei sammeln die Innenflächen Strom aus der elektrochemischen Reaktionsstruktur.
Hierbei umfasst die Verkapselungsstruktur Folgendes:

zwei Kollektorsubstrate, die aufeinander abgestimmt angeordnet sind; und
einen Kunststoffrahmen, der entlang des Umfangs von mindestens einem der Kollektorsubstrate in Richtung der orthogonalen Projektion angeordnet ist, wobei der Kunststoffrahmen gleichzeitig mit den beiden Kollektorsubstraten verklebt ist, sodass der Kunststoffrahmen zwischen den beiden Kollektorsubstraten angeordnet ist, wodurch die beiden Kollektorsubstrate miteinander verklebt sind, wobei ein umschlossener Raum durch Umschließen des Kunststoffrahmens und der beiden Kollektorsubstrate gebildet ist.

Hierbei stellen die Ober- und Unterseite des umschlossenen Raums die beiden Innenflächen dar, wobei der Seitenumfang des umschlossenen Raums ein Teil des Kunststoffrahmens ist.
Hierbei ist die elektrochemische Reaktionsstruktur direkt oder indirekt mit dem Kunststoffrahmen verbunden.
Hierbei ist der Kunststoffrahmen eine geschlossene durchgehende Struktur oder eine diskontinuierliche Struktur ohne Öffnungen.
Hierbei ist die elektrochemische Reaktionsstruktur direkt an den beiden Innenflächen der Verkapselungsstruktur ausgebildet.
Hierbei werden bei der elektrochemischen Reaktionsstruktur und an den beiden Innenflächen der Verkapselungsstruktur die ersten Polymere durch ein thermisches Verfahren gereift, um ein Haften der elektrochemischen Reaktionsstruktur an der Verkapselungsstruktur zu gewährleisten.
Hierbei liegt die Heiztemperatur beim thermischen Verfahren zwischen 150 °C und 250 °C, vorzugsweise liegt die Heiztemperatur zwischen 180 °C und 220 °C.
Hierbei haftet bei der elektrochemischen Reaktionsstruktur und bei den beiden Innenflächen der Verkapselungsstruktur die elektrochemische Reaktionsstruktur durch ein Laminierungsverfahren an der Verkapselungsstruktur.
Hierbei liegt der Druckwert beim Laminierungsverfahren zwischen 40 und 120 Kraftkilogramm (kgf), vorzugsweise liegt der Druckwert zwischen 65 und 110 Kraftkilogramm (kgf).
Hierbei umfasst das Polymersystem ferner lineare Polymere, wobei das Material der linearen Polymere aus der folgenden Gruppe ausgewählt ist: Polyvinylidenfluorid, Polyvinylidenfluorid-co-trichlorethylen, Polytetrafluorethylen, Acrylsäure-Kleber, Epoxidharz, Polyethylenoxid, Polyacrylnitril, Natriumcarboxymethylcellulose, Styrol-Butadien-Kautschuk, Polymethylacrylat, Polyacrylamid, Polyvinylpyrrolidon und Kombinationen davon.
Hierbei sind die ersten Polymere keine linearen Polymere.
Hierbei sind die ersten Polymere aus der folgenden Gruppe ausgewählt: verzweigte Polymere und ihre Derivate, vernetzte Polymere und ihre Derivate, duroplastische Polymere und ihre Derivate, Leiterpolymere und ihre Derivate und Kombinationen davon.
Hierbei sind die ersten Polymere duroplastische Polymere, die aus der folgenden Gruppe ausgewählt sind: Epoxidharz, Acrylharz, Polyacrylnitril und Kombinationen davon.
Hierbei sind die ersten Polymere Leiterpolymere aus Polyimiden (PI) und ihren Derivaten.
Hierbei sind die ersten Polymere Leiterpolymere aus Polyimiden (PI) und ihren Derivaten und umfassen duroplastische Polyimide, thermoplastische Polyimide und Mischungen der oben genannten Materialien.
Hierbei umfasst die elektrochemische Reaktionsstruktur ferner zweite Polymere, wobei die Gewichtsprozente der zweiten Polymere im Polymersystem im Bereich von 0,02 Gew.-% bis 70 Gew.-% liegen.
Hierbei sind die zweiten Polymere keine linearen Polymere.
Hierbei sind die zweiten Polymere aus der folgenden Gruppe ausgewählt: verzweigte Polymere und ihre Derivate, vernetzte Polymere und ihre Derivate, duroplastische Polymere und ihre Derivate, Leiterpolymere und ihre Derivate und Kombinationen davon.
Hierbei sind die zweiten Polymere duroplastische Polymere, die aus der folgenden Gruppe ausgewählt sind: Epoxidharz, Acrylharz, Polyacrylnitril und Kombinationen davon.
Hierbei sind die zweiten Polymere Leiterpolymere aus Polyimiden (PI) und ihren Derivaten.
Hierbei sind die zweiten Polymere Leiterpolymere aus Polyimiden (PI) und ihren Derivaten und umfassen duroplastische Polyimide, thermoplastische Polyimide und Mischungen der oben genannten Materialien.
Hierbei ist die flexible Batterie eine Flüssigbatterie, eine Kolloidbatterie, eine Festkörperbatterie, eine Flüssig / Kolloid - Hybridbatterie, eine Flüssig / Festkörper - Hybridbatterie oder eine Kolloid / Festkörper - Hybridbatterie.
Hierbei ist die flexible Batterie eine flexible Lithiumbatterie, eine flexible Lithium-Ionen-Batterie, eine flexible Lithium-Polymer-Batterie, eine flexible Lithium-Metall-Batterie oder eine flexible Lithium-Keramik-Batterie.
Figurenliste

1 zeigt eine schematische Ansicht des Aufbaus eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen flexiblen Batterie.

Bezugszeichenliste

1: Flexible Batterie
2: Verkapselungsstruktur
221: Kollektorsubstrat
222: Kollektorsubstrat
24: Kunststoffrahmen
4: elektrochemische Reaktionsstruktur
421: Aktivmaterialschicht
422: Aktivmaterialschicht
44: elektrische Isolierschicht
S: umschlossener Raum
S_up: Innenfläche
S_down: Innenfläche
S_side: Seitenumfang

Detaillierte Beschreibung des Ausführungsbeispiels
Zum besseren Verständnis der Aufgaben, des technischen Inhalts, der Merkmale und der vorteilhaften Effekte der vorliegenden Erfindung wird nachfolgend ein konkretes Ausführungsbeispiel unter Bezugnahme auf die Figur detailliert beschrieben.
Es wird zunächst auf 1 Bezug genommen. Die flexible Batterie 1 umfasst eine elektrochemische Reaktionsstruktur 4 und eine Verkapselungsstruktur 2. Die Verkapselungsstruktur 2 ist eine versiegelte Struktur, wobei die Struktur die Form eines Beutels, einer Box oder eines beliebigen Behälters haben kann. Die Verkapselungsstruktur 2 umfasst zwei Kollektorsubstrate 221, 222 und einen Kunststoffrahmen 24, wobei die beiden Kollektorsubstrate 221, 222 aufeinander abgestimmt angeordnet sind, wobei der Kunststoffrahmen 24 entlang des Umfangs von mindestens einem der Kollektorsubstrate 221 oder 222 in Richtung der orthogonalen Projektion angeordnet ist und gleichzeitig mit den beiden Kollektorsubstraten 221, 222 verklebt ist, sodass der Kunststoffrahmen 24 zwischen den beiden Kollektorsubstraten 221, 222 angeordnet ist, wodurch die beiden Kollektorsubstrate 221, 222 miteinander verklebt sind. Gemäß der obigen Struktur ist ein umschlossener Raum in dem durch den Kunststoffrahmen 24 und die beiden Kollektorsubstrate 221, 222 gebildeten Bereich gebildet. Somit gibt es zwei Innenflächen S_up , S_down und einen umschlossenen Raum S innerhalb der Verkapselungsstruktur 2, wobei die Ober- und Unterseite des umschlossenen Raums S die beiden Innenflächen S_up , S_down darstellen, wobei der Seitenumfang S_side des umschlossenen Raums S ein Teil des Kunststoffrahmens 24 ist, der beispielsweise die Innenumfangsfläche des Kunststoffrahmens 24 sein kann.
Hierbei sind die Innenflächen S_up , S_down der Verkapselungsstruktur 2 ein Teil der Oberflächen der Kollektorsubstrate 221, 222 und dienen zum Sammeln von Strom aus der elektrochemischen Reaktionsstruktur 4. Da der Kunststoffrahmen 24 den Seitenumfang S_side der Verkapselungsstruktur 2 vollständig abdichten muss, ist der Kunststoffrahmen 24 eine durchgehende Struktur oder eine diskontinuierliche Struktur ohne Öffnungen.
Die elektrochemische Reaktionsstruktur 4 weist ein Polymersystem auf, das erste Polymere umfasst, wobei die Grenzfläche zwischen der elektrochemischen Reaktionsstruktur 4 und der Verkapselungsstruktur 2 die ersten Polymere umfasst. Wenn beispielsweise die Grenzfläche zwischen der elektrochemischen Reaktionsstruktur 4 und der Verkapselungsstruktur 2 ein Aktivmaterial des elektrochemischen Reaktionssystems ist, werden die ersten Polymere in das Aktivmaterial eingemischt, um Aktivmaterialschichten 421, 422 zu bilden, wie z. B. Aktivmaterialschichten der positiven Elektrode oder Aktivmaterialschichten der negativen Elektrode. Wenn ferner die flexible Batterie 1 eine separate elektrische Isolierschicht 44 aufweist, können die ersten Polymere als einer der Klebstoffe in die elektrische Isolierschicht 44 eingemischt werden. Die hier beschriebene elektrische Isolierschicht 44 ist beispielsweise, ohne darauf beschränkt zu sein, eine keramische Isolierschicht, eine Polymerisolierschicht, eine Vliesstoff-Isolierschicht oder eine Kombination davon.
In einem bestimmten chemischen System einer Batterie, wie beispielsweise einem chemischen System für flüssige Elektrolyte, wird empfohlen, dass das Material des Kunststoffrahmens ein kolloidales Material, wie z. B. Silikon, Acryl oder Epoxidharz, aufweist, das der Polarität des Elektrolyten entgegengesetzt oder abstoßend ist. Auf diese Weise können beim Einspritzen des Elektrolyten die Eigenschaften des Materials des Kunststoffrahmens ausgenutzt werden, sodass der Elektrolyt abgestoßen wird, wodurch das durch Verunreinigung des Elektrolyten verursachte Problem einer schlechten Haftung des Kunststoffrahmens vermieden wird.
Hinsichtlich der verschiedenen Batteriesysteme kann die vorliegende Erfindung für Flüssigbatteriesysteme, Kolloidbatteriesysteme und Festkörperbatteriesysteme verwendet werden. Beispielsweise werden die ersten Polymere für Flüssigbatteriesysteme und Kolloidbatteriesysteme hauptsächlich als Klebstoff in der elektrischen Isolierschicht verwendet. Hinsichtlich des Kolloidbatteriesystems und des Festkörperbatteriesystems können die ersten Polymere im Polymersystem sowohl für die elektrische Isolierschicht (insbesondere für das Kolloidbatteriesystem und das Festkörperbatteriesystem mit einer spezifischen Isolierschicht) als auch für Elektrolyte im Kolloidbatteriesystem und Festkörperbatteriesystem verwendet werden, wobei letzterer Vorgang noch wichtiger ist. Durch Zugabe von ersten Polymeren wird die Geschwindigkeit, mit der sich Ionen im Elektrolyten bewegen, erhöht, um die Ionenleitung des kolloidalen Elektrolyten und des Festelektrolyten zu verbessern.
Bei allen oben genannten Strukturen können zusätzlich zu den ersten Polymeren außer diesen auch andere Polymere bei allen Komponenten der elektrochemischen Reaktionsstruktur in verschiedenen Batteriesystemen gemäß den Eigenschaften und Funktionen verschiedener Aktivmaterialien, Keramikmaterialien oder Polymermaterialien im gleichen Verhältnis oder in unterschiedlichen Verhältnissen formuliert werden, um den besten Effekt zu erzielen. Wie in der in 1 gezeigten Struktur gezeigt, ist das Wichtigste jedoch, dass auf den Kontaktflächen (z. B. Innenflächen S_up , S_down ), die mit der Verkapselungsstruktur 2 in Kontakt stehen, die Grenzfläche der elektrochemischen Reaktionsstruktur 4 eine bestimmte Menge an ersten Polymeren aufweisen muss.
Die erfindungsgemäßen ersten Polymere weisen Amidgruppen, Imingruppen und Carbonylgruppen auf, wobei die Gewichtsprozente der ersten Polymere im Polymersystem im Bereich von 0,02 Gew.-% bis 70 Gew.-% liegen. Im Vergleich zu linearen Polymeren werden die ersten Polymere nicht als lineare Polymere klassifiziert. Bezüglich der Struktur sind die ersten Polymere verzweigten Polymeren, vernetzten Polymeren, duroplastischen Polymeren, Leiterpolymeren oder Derivaten der oben genannten Polymere ähnlicher. Daher kann bei einem Polymersystem, bei dem lineare Polymere mit ersten Polymeren gemischt sind, die molekulare Bindungskraft zwischen der elektrochemischen Reaktionsstruktur und der Verkapselungsstruktur durch die Amidgruppen, Imingruppen und Carbonylgruppen der ersten Polymere erhöht werden. Genauer gesagt kann zusätzlich zu den vorhandenen linearen Polymeren, wie beispielsweise, ohne darauf beschränkt zu sein, Polyvinylidenfluorid, das Polymersystem der elektrochemischen Reaktionsstrukturschicht ferner erste Polymere, wie beispielsweise, ohne darauf beschränkt zu sein, Leiterpolymere, die Amidgruppen, Imingruppen und Carbonylgruppen aufweisen, umfassen, wobei die Leiterpolymere hier am Beispiel von Polyimid (PI) beschrieben werden. Es wird erneut auf 1 Bezug genommen. Wenn die elektrochemische Reaktionsstruktur 4 mit den beiden Kollektorsubstraten 221, 222 der Verkapselungsstruktur 2 verklebt wird und die beiden Kollektorsubstrate 221, 222 Metallsubstrate, aus beispielsweise, aber nicht beschränkt auf Kupfer, Aluminium, Nickel oder Edelstahl, sind, werden auf den verklebten Grenzflächen (Innenflächen S_up , S_down ) zwischen der elektrochemischen Reaktionsstruktur 4 und den Kollektorsubstraten 221, 222 (z. B. Kupferfolie und Aluminiumfolie) zusätzlich zur Bindung der Fluoratome der linearen Polymere (z. B. PVDF) an die Moleküle der Kollektorsubstrate 221, 222 ferner Stickstoffatome, Amidbindungen, Iminobindungen und Carbonylbindungen der Leiterpolymere erzeugt, die einen positiven und signifikanten Einfluss auf die Haftung zwischen der elektrochemischen Reaktionsstruktur 4 und den Kollektorsubstraten 221, 222 der Verkapselungsstruktur 2 haben. Darüber hinaus umfassen die Polyimide (PI) oder ihre Derivate duroplastische Polyimide, thermoplastische Polyimide oder Mischungen der oben genannten Materialien.
In der obigen Beschreibung werden spezifische Materialien verwendet. Die linearen Polymere zeichnen sich jedoch dadurch aus, dass sie aus linearen Polymeren mit einem bestimmten Weichheitsgrad bestehen. Daher kann das Material der linearen Polymere aus der folgenden Gruppe ausgewählt sein: Polyvinylidenfluorid (polyvinylidene fluoride, PVDF), Acrylsäure-Kleber (acrylic acid glue), Polyvinylidenfluorid-co-trichlorethylen (PVDF-HFP), Polytetrafluorethylen (polytetrafluoroethene, PTFE), Epoxidharz (epoxy), Polyethylenoxid (PEO), Polyacrylnitril (polyacrylonitrile, PAN), Natriumcarboxymethylcellulose (carboxymethyl cellulose, CMC), Styrol-Butadien-Kautschuk (styrene-butadiene, SBR), Polymethylacrylat, Polyacrylamid, Polyvinylpyrrolidon (PVP) und Kombinationen davon.
Die oben beschriebenen ersten Polymere sind Leiterpolymere. Wenn jedoch die ersten Polymere verzweigte Polymere, vernetzte Polymere oder duroplastische Polymere sind, kann das Material der Polymere aus der folgenden Gruppe ausgewählt sein: Epoxidharz (epoxy), Acrylharz (acrylic acid), Polyacrylnitril (PAN) und Kombinationen davon.
Zusätzlich zur Verbesserung der Haftung zwischen der elektrochemischen Reaktionsstruktur 4 und der Verkapselungsstruktur 2 durch die oben beschriebenen ersten Polymere, die hauptsächlich aus verzweigten Polymeren, vernetzten Polymeren, duroplastischen Polymeren oder Leiterpolymeren bestehen, ist es ebenso wichtig, dass bei der erfindungsgemäßen flexiblen Batterie 1 die elektrochemische Reaktionsstruktur 4 direkt mit der Verkapselungsstruktur 2 verklebt ist. Mit anderen Worten ist die Verbindung zwischen der elektrochemischen Reaktionsstruktur 4 und der Verkapselungsstruktur 2 eine chemische Bindung und sind die Kollektorsubstrate 221, 222 ein Teil der Verkapselungsstruktur 2. Bei vorhandenen herkömmlichen Batterien (nicht gezeigt) ist die bestehende elektrochemische Reaktionsstruktur zwar auch mit den Kollektorsubstraten verklebt, das Verkapselungsmaterial ist jedoch nicht mit den Kollektorsubstraten zu einer einzigen Struktur vereint. Die Verbindung zwischen der mit den Kollektorsubstraten verklebten elektrochemischen Reaktionsstruktur und dem Verkapselungsmaterial ist unter Vakuum erzielt, um das Ziel der Fixierung der gesamten flexiblen Batterie zu erreichen. Es ist jedoch offensichtlich, dass bei den vorhandenen flexiblen Batterien die Struktur der flexiblen Batterie nur unter Vakuum fixiert werden kann, sodass der Vakuumzustand des Verkapselungsmaterials, wenn der Verkapselungszustand nicht gut ist, der Biegewinkel zu groß ist oder das Biegen zu häufig erfolgt, leicht zerstört wird, was sich negativ auf die elektrische Leistung und die Sicherheitsanforderungen der Batterie auswirkt, wobei gleichzeitig klar sichtbare Falten und Brüche bei der Batterie entstehen können. Im Gegensatz dazu ist in der erfindungsgemäßen flexiblen Batterie 1 die elektrochemische Reaktionsstruktur 4 direkt mit den Kollektorsubstraten 221, 222 der Verkapselungsstruktur 2 verklebt, wobei beim Verkleben herkömmliche physikalische Verbindungen durch chemische Bindungen ersetzt werden. Im Vergleich zum Polymersystem, das nur lineare Polymere aufweist, kann mit einem Polymersystem, das mit linearen Polymeren, verzweigten Polymeren, vernetzten Polymeren, duroplastischen Polymeren oder Leiterpolymeren gemischt ist, eine höhere Bindungskraft zwischen den chemischen Molekülen bereitgestellt werden, wodurch der Klebeeffekt zwischen der elektrochemischen Reaktionsstruktur 4 und der Verkapselungsstruktur 2 erheblich verbessert wird.
Beim Verkleben der elektrochemischen Reaktionsstruktur mit der Verkapselungsstruktur in der vorliegenden Erfindung kann zusätzlich zur direkten Bildung der elektrochemischen Reaktionsstruktur auf der Verkapselungsstruktur die elektrochemische Reaktionsstruktur auch durch ein thermisches Verfahren, ein Laminierungsverfahren oder ein Heißpressverfahren mit der Verkapselungsstruktur verklebt werden. Unabhängig von den Klebverfahren müssen jedoch, wenn das innerhalb der elektrochemischen Reaktionsstruktur befindliche Polymersystem an die Innenflächen der Verkapselungsstruktur gebunden werden soll, die elektrochemische Reaktionsstruktur und die Verkapselungsstruktur zur Reifung der Polymermaterialien im Polymersystem einem thermischen Verfahren, einem Laminierungsverfahren oder einem Heißpressverfahren unterzogen werden. Bestehende Polymersysteme weisen hauptsächlich lineare Polymere auf, sodass die Reifungstemperatur in der Regel niedrig ist (normalerweise 120 °C bis 150 °C). Da das Polymersystem der vorliegenden Erfindung nichtlineare Polymere aufweist, kann die Heiztemperatur des thermischen Verfahrens auf 150 °C erhöht werden, vorzugsweise liegt die Heiztemperatur zwischen 180 °C bis 220 °C. Zusätzlich zur Reifung der Polymere im Polymersystem durch ein thermisches Verfahren kann gleichzeitig ein Laminierungsverfahren durchgeführt werden, wobei der Druckwert beim Laminierungsverfahren zwischen 40 bis 120 Kraftkilogramm (kgf) liegt, vorzugsweise liegt der Druckwert zwischen 65 bis 110 Kraftkilogramm (kgf). Selbstverständlich können je nach Materialeigenschaften das thermische Verfahren und das Laminierungsverfahren auch zu einem einzigen Heißpressverfahren vereint werden, wobei die Temperatur- und Druckbedingungen weiterhin in denselben Bereichen wie den oben genannten liegen.
Ferner umfasst die elektrochemische Reaktionsstruktur zweite Polymere, wobei die Gewichtsprozente der zweiten Polymere im Polymersystem der elektrochemischen Reaktionsstruktur im Bereich von 0,02 Gew.-% bis 70 Gew.-% liegen. Ähnlich wie die ersten Polymere sind die zweiten Polymere keine linearen Polymere, sondern aus der folgenden Gruppe ausgewählt: verzweigte Polymere und ihre Derivate, vernetzte Polymere und ihre Derivate, duroplastische Polymere und ihre Derivate, Leiterpolymere und ihre Derivate und Kombinationen davon. Beispielsweise ist das Material der zweiten Polymere aus der folgenden Gruppe ausgewählt: Epoxidharz (epoxy), Acrylharz (acrylic acid), Polyacrylnitril (PAN) und Kombinationen davon. Oder das Material der zweiten Polymere ist aus der folgenden Gruppe ausgewählt: Leiterpolymere aus Polyimiden (PI) und ihren Derivaten. Hierbei können die Polyimide (PI) und ihre Derivate duroplastische Polyimide, thermoplastische Polyimide und Mischungen der oben genannten Materialien sein.
Wenn das Polymersystem der elektrochemischen Reaktionsstruktur gleichzeitig die ersten Polymere und die zweiten Polymere umfasst, können im Polymersystem die ersten Polymere und die zweiten Polymere gemäß verschiedenen elektrochemischen Systemen (wie z. B. Aktivmaterialtypen und Isolationssystemen) aus dem gleichen Polymermaterial bestehen, da die ersten Polymere und die zweiten Polymere keine linearen Polymere sind, allerdings sind die Gewichtsprozente der ersten Polymere und die Gewichtsprozente der zweiten Polymere im Polymersystem nicht unbedingt gleich. Selbstverständlich können die ersten Polymere und die zweiten Polymere auch aus unterschiedlichen Polymermaterialien bestehen und sind ihre Gewichtsprozente auch nicht beschränkt. Darüber hinaus werden beim thermischen Verfahren und Laminierungsverfahren die zweiten Polymere denselben Bedingungen wie die ersten Polymere ausgesetzt.
Schließlich können alle in der vorliegenden Erfindung offenbarten Strukturen, Materialien und Verfahren für verschiedene Batteriesysteme verwendet werden, beispielsweise für Flüssigbatterien, Kolloidbatterien, Festkörperbatterien, Flüssig / Kolloid - Hybridbatterien, Flüssig / Festkörper - Hybridbatterien oder Kolloid / Festkörper - Hybridbatterien, genauer gesagt für flexible Lithiumbatterien, flexible Lithium - Ionen - Batterien, flexible Lithium - Polymer - Batterien, flexible Lithium - Metall - Batterien oder flexible Lithium - Keramik - Batterien.
Die vorstehende Beschreibung stellt nur ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung dar und soll nicht den Umfang der vorliegenden Erfindung beschränken. Alle gleichwertigen Änderungen und Modifikationen gemäß den Ansprüchen der vorliegenden Erfindung fallen in den Schutzumfang der vorliegenden Erfindung.

Claims

Flexible Batterie, umfassend: eine elektrochemische Reaktionsstruktur, die ein Polymersystem, das lineare Polymere und erste Polymere umfasst, aufweist; und eine Verkapselungsstruktur, die abgedichtet ist und bei der zwei Innenflächen und ein umschlossener Raum im Inneren vorgesehen sind, wobei die beiden Innenflächen direkt mit der elektrochemischen Reaktionsstruktur verklebt sind, wobei der umschlossene Raum zum Aufnehmen der elektrochemischen Reaktionsstruktur dient; dadurch gekennzeichnet, dass die elektrochemische Reaktionsstruktur und mindestens eine der Innenflächen der Verkapselungsstruktur durch die ersten Polymere direkt miteinander verklebt sind, wobei die ersten Polymere keine linearen Polymere sind, wobei die ersten Polymere aus der folgenden Gruppe ausgewählt sind: verzweigte Polymere und ihre Derivate, vernetzte Polymere und ihre Derivate, duroplastische Polymere und ihre Derivate, Leiterpolymere und ihre Derivate und Kombinationen davon, wobei die ersten Polymere Amidgruppen, Imingruppen und Carbonylgruppen aufweisen, wobei die Gewichtsprozente der ersten Polymere im Polymersystem im Bereich von 0,02 Gew.-% bis 70 Gew.-% liegen.
Flexible Batterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenflächen Strom aus der elektrochemischen Reaktionsstruktur sammeln.
Flexible Batterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verkapselungsstruktur Folgendes umfasst: zwei Kollektorsubstrate, die aufeinander abgestimmt angeordnet sind; und einen Kunststoffrahmen, der entlang des Umfangs von mindestens einem der Kollektorsubstrate in Richtung der orthogonalen Projektion angeordnet ist, wobei der Kunststoffrahmen gleichzeitig mit den beiden Kollektorsubstraten verklebt ist, sodass der Kunststoffrahmen zwischen den beiden Kollektorsubstraten angeordnet ist, wodurch die beiden Kollektorsubstrate miteinander verklebt sind, wobei ein umschlossener Raum durch Umschließen des Kunststoffrahmens und der beiden Kollektorsubstrate gebildet ist.
Flexible Batterie nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Ober- und Unterseite des umschlossenen Raums die beiden Innenflächen darstellen, wobei der Seitenumfang des umschlossenen Raums ein Teil des Kunststoffrahmens ist.
Flexible Batterie nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrochemische Reaktionsstruktur direkt oder indirekt mit dem Kunststoffrahmen verbunden ist.
Flexible Batterie nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Kunststoffrahmen eine geschlossene durchgehende Struktur oder eine diskontinuierliche Struktur ohne Öffnungen ist.
Flexible Batterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrochemische Reaktionsstruktur direkt an den beiden Innenflächen der Verkapselungsstruktur ausgebildet ist.
Flexible Batterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei der elektrochemischen Reaktionsstruktur und an den beiden Innenflächen der Verkapselungsstruktur die ersten Polymere durch ein thermisches Verfahren gereift werden, um ein Haften der elektrochemischen Reaktionsstruktur an der Verkapselungsstruktur zu gewährleisten.
Flexible Batterie nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Heiztemperatur beim thermischen Verfahren zwischen 150 °C und 250 °C liegt, vorzugsweise liegt die Heiztemperatur zwischen 180 °C und 220 °C.
Flexible Batterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei der elektrochemischen Reaktionsstruktur und bei den beiden Innenflächen der Verkapselungsstruktur die elektrochemische Reaktionsstruktur durch ein Laminierungsverfahren an der Verkapselungsstruktur haftet.
Flexible Batterie nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckwert beim Laminierungsverfahren zwischen 40 und 120 Kraftkilogramm (kgf) liegt, vorzugsweise liegt der Druckwert zwischen 65 und 110 Kraftkilogramm (kgf).
Flexible Batterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Polymersystem ferner lineare Polymere umfasst, wobei das Material der linearen Polymere aus der folgenden Gruppe ausgewählt ist: Polyvinylidenfluorid, Polyvinylidenfluorid-co-trichlorethylen, Polytetrafluorethylen, Acrylsäure-Kleber, Epoxidharz, Polyethylenoxid, Polyacrylnitril, Natriumcarboxymethylcellulose, Styrol-Butadien-Kautschuk, Polymethylacrylat, Polyacrylamid, Polyvinylpyrrolidon und Kombinationen davon.
Flexible Batterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Polymere duroplastische Polymere sind, die aus der folgenden Gruppe ausgewählt sind: Epoxidharz, Acrylharz, Polyacrylnitril und Kombinationen davon.
Flexible Batterie nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Polymere Leiterpolymere aus Polyimiden und ihren Derivaten sind.
Flexible Batterie nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Polymere Leiterpolymere aus Polyimiden und ihren Derivaten sind und duroplastische Polyimide, thermoplastische Polyimide und Mischungen der oben genannten Materialien umfassen.
Flexible Batterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrochemische Reaktionsstruktur ferner zweite Polymere umfasst, wobei die Gewichtsprozente der zweiten Polymere im Polymersystem im Bereich von 0,02 Gew.-% bis 70 Gew.-% liegen.
Flexible Batterie nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die zweiten Polymere keine linearen Polymere sind.
Flexible Batterie nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die zweiten Polymere aus der folgenden Gruppe ausgewählt sind: verzweigte Polymere und ihre Derivate, vernetzte Polymere und ihre Derivate, duroplastische Polymere und ihre Derivate, Leiterpolymere und ihre Derivate und Kombinationen davon.
Flexible Batterie nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die zweiten Polymere duroplastische Polymere sind, die aus der folgenden Gruppe ausgewählt sind: Epoxidharz, Acrylharz, Polyacrylnitril und Kombinationen davon.
Flexible Batterie nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die zweiten Polymere Leiterpolymere aus Polyimiden und ihren Derivaten sind.
Flexible Batterie nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die zweiten Polymere Leiterpolymere aus Polyimiden und ihren Derivaten sind und duroplastische Polyimide, thermoplastische Polyimide und Mischungen der oben genannten Materialien umfassen.
Flexible Batterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die flexible Batterie eine Flüssigbatterie, eine Kolloidbatterie, eine Festkörperbatterie, eine Flüssig/Kolloid-Hybridbatterie, eine Flüssig/Festkörper-Hybridbatterie oder eine Kolloid/Festkörper-Hybridbatterie ist.
Flexible Batterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die flexible Batterie eine flexible Lithiumbatterie, eine flexible Lithium-Ionen-Batterie, eine flexible Lithium-Polymer-Batterie, eine flexible Lithium-Metall-Batterie oder eine flexible Lithium-Keramik-Batterie ist.