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。
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６０〜３００ｍ２／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２０〜４００ｍ２／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２０ｍ２／ｇ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。
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６０〜３００ｍ２／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２０〜４００ｍ２／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２０ｍ２／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２０ｍ２／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。
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
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)
- 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。 - 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 球状の前記導電剤の表面積は６０〜３００ｍ２／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。
- 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。
- 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。
- 管状の前記導電剤の表面積は２０〜４００ｍ２／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。
- 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。
- 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。
- シート状の前記導電剤の表面積は２０ｍ２／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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