JP2020510974A - 可撓性リチウム電池 - Google Patents

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Abstract

本発明は、第1の集電層と、第2の集電層とを備える可撓性リチウム電池に関する。第1の集電層は第1の外面と第1の内面とを有し、第2の集電層は第2の外面と第2の内面とを有する。接着枠は第1の内面と第2の内面との間に挟持され、密封された封鎖空間を形成する。電気化学系層は、この密封された封鎖空間に配置される。電気化学系層は、第1の活性剤層と、第2の活性剤層と、第1の活性剤層と第2の活性剤層の間に配置される電気絶縁層とを含む。可撓性接着層は第1の内面と第1の活性剤層との間に配置され、および/または第2の内面と第2の活性剤層との間に配置される。この可撓性接着層は、接着剤と導電剤からなる。接着剤は線状構造コロイドと、立体構造コロイドからなる。【選択図】図2

Description

本発明は電池構造に関し、具体的には可撓性リチウム電池に関する。
人間工学の要求に応じて、様々なウェアラブル電子装置が相応するように開発されている。ウェアラブル電子装置を薄く軽量である傾向に適合させるために、電子素子の空間配置が重要な問題となる。非平面上に配置可能な可撓性電池は、この問題に対する解決法の1つになりえる。
従来の可撓性リチウム電池の構造の断面図である図1を参照されたい。図示するように、従来の可撓性リチウム電池10は、第1の集電層12と、第2の集電層14と、第1の集電層12と第2の集電層14との間に挟持され、封鎖空間18を形成する接着枠16とを含む。第1の活性剤層20と、電気絶縁層22と、第2の活性剤層24は連続して封鎖空間18内に配置される。電気化学系層26は第1の活性剤層20と、電気絶縁層22と、第2の活性剤層24とによって形成される。第1の活性剤層20は第1の集電層12に接触し、第2の活性剤層24は第2の集電層14に接触する。可撓性リチウム電池10は、全体が動的に屈曲可能であることを特徴とする。ただし、屈曲中に、集電層12、14は隣接する活性剤層20、24から分離しやすく、短絡の原因となる。
上記の要因を考慮し、前述の問題を克服するために、本発明は新規の可撓性リチウム電池を提供する。
本発明の主要な目的は、可撓性接着層は集電層と活性剤層との間に配置され、電池が屈曲される間に集電層と活性剤層が分離することによって生じる短絡を防ぐ、可撓性リチウム電池を提供することである。
また、本発明の別の目的は、電気化学系層および可撓性接着層は封鎖空間に密封され、封鎖空間は第1の集電層と、第2の集電層と、接着枠から形成される、可撓性リチウム電池を提供することである。
前述の目的を実現するために、本発明は可撓性リチウム電池を開示する。本電池は、第1の集電層と第2の集電層とを含む。第1の集電層は第1の外面と第1の内面とを含み、第2の集電層は第2の外面と第2の内面とを含み、接着枠は第1の内面と第2の内面との間に挟持される。接着枠は閉鎖構造であり、上面と下面は第1の内面と第2の内面にそれぞれに接着する。したがって、封鎖空間は、接着枠と、第1の集電層と、第2の集電層とによって形成される。電気化学系層と少なくとも1つの可撓性接着層は封鎖空間に配置され、接着枠の内面に隣接する。電気化学系層は、第1の活性剤層と、第2の活性剤層と、第1の活性剤層と第2の活性剤層との間に配置される電気絶縁層とを含む。可撓性接着層は第1の内面と第1の活性剤層との間に配置され、および/または第2の内面と第2の活性剤層との間に配置される。可撓性接着層は接着剤と導電剤から構成される。接着剤は、線状構造コロイドと、立体構造コロイドからなる。
線状構造コロイドは線状重合体からなる。線状重合体はポリフッ化ビニリデン(PVDF)、PVDF−HFP、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、アクリル酸接着剤、エポキシ樹脂、PEO、ポリアクリロニトリル(PAN)、カルボキシメチルセルロース(CMC)、スチレンブタジエン(SBR)、ポリアクリル酸メチル、ポリアクリルアミド、ポリビニルピロリドン(PVP)およびこれらの組み合わせから選択される。
立体構造コロイドは架橋重合体からなる。架橋重合体はエポキシ樹脂、アクリル酸樹脂、ポリアクリロニトリル(PAN)およびネットワーク構造を持つこれらの組み合わせ、またはポリイミド(PI)およびはしご型構造を持つこれらの派生物から選択される。
導電剤の接着剤に対する重量比は1:1から7:3である。
導電剤の立体構造コロイドに対する重量比は5:2から7:3である。
線状構造コロイドの立体構造コロイドに対する重量比は3:2から9:1である。
可撓性接着層の厚さは4〜10μmである。
導電剤の形状は球状、管状またはシート状、またはこれらの組み合わせである。
球状の導電剤はカーボンブラックである。
球状の導電剤の平均粒径は40nmである。
球状の導電剤の表面積は60〜300m/gである。
管状の導電剤はカーボンチューブである。
管状の導電剤の直径は5〜150nmであり、管状の導電剤の長さは5〜20nmである。
管状の導電剤の表面積は20〜400m/gである。
シート状の導電剤はグラファイト、グラフェンまたはこれらの組み合わせである。
シート状の導電剤の平均粒径は3.5nmである。
シート状の導電剤の表面積は20m/gである。
従来の可撓性リチウム電池の断面図である。 本発明の可撓性リチウム電池の一実施形態の概略図である。 本発明の図2の部分拡大図である。 本発明の可撓性リチウム電池の別の実施形態の概略図である。
本発明は、電池が屈曲されている間に、集電層と活性剤層が分離することによって生じる短絡の問題を解決するために、可撓性リチウム電池を提供する。
図2を参照する。図示するように、本発明による可撓性リチウム電池30は主に、第1の集電層12と、第2の集電層14と、接着枠16と、電気化学系層26からなる。
第1の集電層12は、第1の外面aと、第1の内面bとを有する。第2の集電層は、第2の外面cと、第2の内面dとを有する。接着枠16は、第1の内面bと第2の内面dとの間に挟持される。より具体的には、接着枠16は閉鎖構造であり、上面および下面はそれぞれ、第1の集電層12の第1の内面bと、第2の集電層14の第2の内面dに接着する。したがって、封鎖空間18は接着枠16と、第1の集電層12と、第2の集電層14とによって形成される。電気化学系層26は封鎖空間18内に配置され、接着枠16の内面eに隣接する。第1の集電層12から第2の集電層14への方向には、電気化学系層26は第1の活性剤層20と、第2の活性剤層24と、第1の活性剤層20と第2の活性剤層24との間に配置される電気絶縁層22とを含む。第1の可撓性接着層32は第1の内面bと第1の活性剤層20との間に配置される。第1の活性剤層20と同様に、第1の可撓性接着層32は接着枠16の内面eに隣接する。第1の可撓性接着層32は接着剤と、導電剤34から構成される。接着剤は、線状構造コロイドと、立体構造コロイドからなる。
電気化学系層26および第1の可撓性接着層32は、第1の集電層12、第2の集電層14および接着枠16内に完全に密封される。接着枠16は、重合反応後にも可撓性の密封接着剤である。したがって、電気化学系層26および第1の可撓性接着層32は、何回も屈曲されても簡単には損傷を受けない。
導電剤の接着剤に対する重量比は、1:1から7:3である。導電剤の立体構造コロイドに対する重量比は5:2から7:3である。線状構造コロイドの立体構造コロイドに対する重量比は3:2から9:1である。第1の可撓性接着層32の厚さは4〜10μmである。
導電剤34の形状は球状、管状またはシート状、またはこれらの組み合わせである。たとえば、導電剤34の形状が球状の場合、導電剤34はカーボンブラックであってもよい。球状の導電剤34の平均粒径は40nmである。球状の導電剤34の表面積は60〜300m/gである。導電剤34の形状が管状である場合、導電剤34はカーボンチューブであってもよい。管状の導電剤の直径は5〜150nmであり、管状の導電剤の長さは5〜20nmである。管状の導電剤の表面積は20〜400m/gである。
導電剤34の形状がシート状である場合、導電剤34はグラファイト、グラフェンまたはそれらの組み合わせである。シート状の導電剤34の平均粒径は3.5nmである。シート状の導電剤の表面積は20m/gである。
線状構造コロイドは、一定の可撓性を有する線状重合体からなる。線状重合体はポリフッ化ビニリデン(PVDF)、PVDF−HFP、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、アクリル酸接着剤、エポキシ樹脂、PEO、ポリアクリロニトリル(PAN)、カルボキシメチルセルロース(CMC)、スチレンブタジエン(SBR)、ポリアクリル酸メチル、ポリアクリルアミド、ポリビニルピロリドン(PVP)およびこれらの組み合わせから選択される。
立体構造コロイドが架橋重合体からなる場合、架橋重合体はエポキシ樹脂、アクリル酸樹脂、ポリアクリロニトリル(PAN)およびネットワーク構造を持つこれらの組み合わせ、またはポリイミド(PI)およびはしご型構造を持つこれらの派生物から選択される。
本発明によれば、架橋重合体の特徴は良好な熱安定性であり、熱耐性が活用される。可撓性電池の組み立て工程において、熱圧工程などの熱処理中に、架橋重合体が溶解せずに高温に耐えられるため、また線状重合体と比較して架橋重合体はより多くの立体構造の分岐を有するため、高温(または高温および高圧)の作業条件下で、架橋重合体は線状重合体の結晶化を防ぐことが可能である。したがって、線状重合体の結晶の大きさおよび結晶化度は制限される。結晶化による立体障害は低減され、それによってイオンは、より円滑に通過できる。
導電剤34は、第1の活性剤層20と第1の集電層12との間の導電特徴を改善することが可能である。導電剤34の存在によって、線状構造コロイドおよび立体構造コロイドによって充填される必要がある空間はさらに低減する。
たとえば、線状構造コロイドおよび立体構造コロイドによって充填される必要がある空間は、2つの隣接する導電剤34の間のピッチTとなる。したがって、図3に示すように、線状構造コロイドの熱処理または加圧処理によって生じる結晶化を効率的に避けることができ、可撓性が増加する。
図3を参照する。電池が外力によって屈曲されるとき、導電剤34はまた第1の可撓性接着層32の支持点としても機能可能である。つまり、導電剤34の大きさが小さく、ドーピング数が十分大きい場合、支持点の数は比較的大きくなる。それによって、任意の2つの支持点の間の接着層の変形は、導電剤34を添加しない場合の接着層の変形と比較して大幅に低減される。上記から、第1の可撓性接着層32と、第1の集電層12の第1の内面bと、第1の活性剤層20との接着条件は大幅に改善される。
前述の導電剤34および接着層は、可撓性リチウム電池30の電気絶縁層22の片側にしか存在しないが、当業者は同一の構造を反対側にも配置してもよい。たとえば、図4に示すように、第2の可撓性接着層36は第2の内面dと第2の活性剤層24との間に単独で、または第1の可撓性接着層32と交互に配置されてもよい。第2の可撓性接着層36の構成は第1の可撓性接着層32と同一である。
本発明をこのように記載したが、本発明は多くの方法で変形されてもよいことは明らかであろう。このような変形は本発明の精神と範囲から逸脱するものと考えられるべきではなく、当業者には明らかであろうすべての修正は以下の請求項の範囲に含まれることが意図される。
(従来技術)
10 可撓性リチウム電池
12 第1集電層
14 第2集電層
16 接着枠
18 封鎖空間
20 第1活性剤層
22 電気絶縁層
24 第2活性剤層
26 電気化学系層
(本発明)
30 可撓性リチウム電池
12 第1の集電層
14 第2の集電層
16 接着枠
18 封鎖空間
20 第1の活性剤層
22 電気絶縁層
24 第2の活性剤層
26 電気化学系層
32 第1の可撓性接着層
34 導電剤
36 第2の可撓性接着層
a 第1の外面
b 第1の内面
c 第2の外面
d 第2の内面
e 内面
T ピッチ

Claims (17)

  1. 可撓性リチウム電池であって、
    第1の外面と第1の内面とを有する第1の集電層と、
    第2の外面と第2の内面とを有する第2の集電層と、
    前記第1の内面と前記第2の内面との間に閉鎖され、挟持される接着枠であって、前記接着枠の上面および下面は前記第1の内面および前記第2の内面にそれぞれ接着され、封鎖空間は前記接着枠と、前記第1の集電層と、前記第2の集電層とによって形成されることを特徴とする接着枠と、
    前記封鎖空間に配置され、前記接着枠の前記内面に隣接する電気化学系層であって、前記電気化学系層は第1の活性剤層と、第2の活性剤層と、前記第1の活性剤層と前記第2の活性剤層の間に配置される電気絶縁層とを含むことを特徴とする電気化学系層と、を備え、
    可撓性接着層は前記第1の内面と前記第1の活性剤層との間に配置され、および/または前記第2の内面と前記第2の活性剤層との間に配置され、
    前記可撓性接着層は前記接着枠の前記内面に隣接し、接着剤と、接着剤と混合される少なくとも1つの導電剤から構成され、
    前記接着剤は線状構造コロイドと、立体構造コロイドからなることを特徴とする、
    可撓性リチウム電池。
  2. 前記線状構造コロイドは線状重合体からなり、前記線状重合体はポリフッ化ビニリデン(PVDF)、PVDF−HFP、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、アクリル酸接着剤、エポキシ樹脂、PEO、ポリアクリロニトリル(PAN)、カルボキシメチルセルロース(CMC)、スチレンブタジエン(SBR)、ポリアクリル酸メチル、ポリアクリルアミド、ポリビニルピロリドン(PVP)およびこれらの組み合わせから選択されることを特徴とする、請求項1に記載の可撓性リチウム電池。
  3. 前記立体構造コロイドは架橋重合体からなり、前記架橋重合体はエポキシ樹脂、アクリル酸樹脂、ポリアクリロニトリル(PAN)およびネットワーク構造を持つこれらの組み合わせ、またはポリイミド(PI)およびはしご型構造を持つこれらの派生物から選択されることを特徴とする、請求項1に記載の可撓性リチウム電池。
  4. 前記導電剤の前記接着剤に対する重量比は1:1から7:3であることを特徴とする、請求項1に記載の可撓性リチウム電池。
  5. 前記導電剤の前記立体構造コロイドに対する重量比は5:2から7:3であることを特徴とする、請求項1に記載の可撓性リチウム電池。
  6. 前記線状構造コロイドの前記立体構造コロイドに対する重量比は3:2から9:1であることを特徴とする、請求項1に記載の可撓性リチウム電池。
  7. 前記可撓性接着層の厚さは4〜10μmであることを特徴とする、請求項1に記載の可撓性リチウム電池。
  8. 前記導電剤の形状は球状、管状またはシート状、またはこれらの組み合わせであることを特徴とする、請求項1に記載の可撓性リチウム電池。
  9. 球状の前記導電剤はカーボンブラックであることを特徴とする、請求項8に記載の可撓性リチウム電池。
  10. 球状の前記導電剤の平均粒径は40nmであることを特徴とする、請求項8または9に記載の可撓性リチウム電池。
  11. 球状の前記導電剤の表面積は60〜300m/gであることを特徴とする、請求項10に記載の可撓性リチウム電池。
  12. 管状の前記導電剤はカーボンチューブであることを特徴とする、請求項8に記載の可撓性リチウム電池。
  13. 管状の前記導電剤の直径は5〜150nmであり、管状の前記導電剤の長さは5〜20nmであることを特徴とする、請求項8または12に記載の可撓性リチウム電池。
  14. 管状の前記導電剤の表面積は20〜400m/gであることを特徴とする、請求項13に記載の可撓性リチウム電池。
  15. シート状の前記導電剤はグラファイト、グラフェンまたはこれらの組み合わせであることを特徴とする、請求項8に記載の可撓性リチウム電池。
  16. シート状の前記導電剤の平均粒径は3.5nmであることを特徴とする、請求項8または15に記載の可撓性リチウム電池。
  17. シート状の前記導電剤の表面積は20m/gであることを特徴とする、請求項16に記載の可撓性リチウム電池。
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