JP2020514975A - バッテリ構造 - Google Patents

Abstract

バッテリ構造が開示される。バッテリ構造は、第１の集電体層、第１の活物質層、スペーサ層、第１のプラスチックフレーム、第２の活物質層、および第２の集電体層を含む。第１の活物質層は、第１の集電体層上に配置されている。スペーサ層は、第１の活物質層上に配置され、第１の活物質層の上面を完全に覆う。第１のプラスチックフレームは、スペーサ層の側壁に配置され、第１のプラスチックフレームの上部は、スペーサの上面に延在する突出部を有する。第２の活物質層は、スペーサ層および突出部上に配置されている。第２の活物質層は、スペーサ層および突出部を介して第１の活物質層から隔離されている。第２の集電体層は、第２の活物質層上に配置されている。【選択図】図２

Description

本発明は、バッテリ構造、特に、保護絶縁構造を有するリチウムバッテリに関する。

携帯用電子製品は健康、娯楽などのような様々な産業で使用されている。これらの産業における携帯用電子製品は、軽量で、携帯用で、多用途であることが要求される。これらの電子製品に使用されるバッテリは、外装のサイズ、形状などの携帯用電子製品の外観に合わせて設計される必要がある。したがって、フレキシブルバッテリの可撓性は重要な役割を果たす。
図１は、従来のフレキシブルリチウムバッテリの断面図である。図１に図示するように、フレキシブルリチウムバッテリ１０は、主に、上部集電体層１２と、下部集電体層１４と、上部集電体層１２と下部集電体層１４との間に配置された外側パッケージ１６とを備える。上部集電体層１２、下部集電体層１４、および外側パッケージ１６は、密閉空間１８を形成する。第１の活物質層２０、スペーサ層２２、および第２の活物質層２４が、この密閉空間１８内にこの順序で提供されて、電気化学システム層を形成する。
第１の活物質層２０は、上部集電体層１２と接触し、第２の活物質層２４は、下部集電体層１４と接触している。フレキシブルリチウムバッテリ１０の特徴は、全体を動的に曲げることができることである。

加えて、リチウムバッテリの構造設計において、カソードが、アノードの許容可能なリチウムイオンを超えて放出されたときに、リチウムデンドライドを形成する過剰なリチウム堆積を回避するために、カソードの水平面の面積は、アノードの水平面の面積より小さくなければならない。リチウムデンドライドは、絶縁層を貫通して、バッテリを短絡させる。上記の問題を解決する本方法は、プロセスにおいて、カソードの水平面の面積と、陰性とを制御することである。他に再確認すべき手法はない。

上記の問題を克服するために、本発明は、先行技術の前述の問題を解決するためのバッテリ構造を提供する。

本発明の主な目的は、リチウムバッテリのＡ／Ｃ比を維持し、リチウムデンドライドを形成する確率および度合いを低減するように、第１の活物質層および第２の活物質層に対応するスペーサ層の一部の面積を覆うために第１のプラスチックフレームを使用するバッテリ構造を提供することである。

上記の目的を達成するために、本発明はバッテリ構造を提供する。バッテリ構造は、第１の集電体層、第１の活物質層、スペーサ層、第１のプラスチックフレーム、第２の活物質層、および第２の集電体層を含む。第１の活物質層は、第１の集電体層上に配置されている。スペーサ層は、第１の活物質層上に配置され、第１の活物質層の上面を完全に覆う。第１のプラスチックフレームは、スペーサ層の側壁に配置され、第１のプラスチックフレームの上部は、スペーサの上面に延在する突出部を有する。第２の活物質層は、スペーサ層および突出部上に配置され、スペース層および突出部を介して第１の活物質から隔離されている。第２の集電体層は、第２の活物質層上に配置されている。

以下、本発明の技術的内容、特徴、および成果を容易に理解できるようにするために、図面を参照して実施形態を詳細に説明する。

従来のフレキシブルバッテリの断面図を例示する。 本発明のバッテリ構造の部分断面図の概略図である。 本発明のバッテリ構造の部分断面図の別の概略図である。 本発明のバッテリ構造の断面図の概略図である。 本発明のバッテリ構造の断面図の概略図である。 本発明のバッテリ構造の断面図の概略図である。 本発明のバッテリ構造の部分断面図の別の概略図である。 本発明のバッテリ構造の部分断面図の別の概略図である。

図２には、本発明のバッテリ構造の部分断面図が示される。リチウムバッテリ３０は、第１の集電体層３２、第１の活物質層３４、スペーサ層３６、およびプラスチックフレーム３８を備える。
第１の活物質層３４は、第１の集電体層３２上に配置されている。第１の活物質層３４の水平面における面積は、第１の集電体層３２よりも小さく、第１の集電体層３２の一部が、第１の活物質層３４の外側に露出している。スペーサ層３６は、第１の活物質層３４上に配置され、第１の活物質層３４の上面を完全に覆う。プラスチックフレーム３８は、スペーサ層３６の側壁に配置され、スペーサ層３６の上面に延在して突出部３８１を形成する。第１の活物質層３４と接触していないスペーサ層３６の隅は、プラスチックフレーム３８によって覆われている。

加えて、スペーサ層３６の側壁を覆うプラスチックフレーム３８の一部はさらに、第１の活物質層３４の側壁に延在する。たとえば、図３に図示するように、スペーサ層３６の側壁を覆うプラスチックフレーム３８の一部は、下方に延在して第１の活物質層３４の側壁を完全に覆う。

図４に図示するように、本発明のバッテリ構造はさらに、第２の活物質層４０、第２の集電体層４２、および第２のプラスチックフレーム４６を備える。
第２の活物質層４０は、スペーサ層３６および突出部３８１の表面に提供される。第２の活物質層４０は、スペーサ層３６および突出部３８１によって第１の活物質層３４から隔離されている。第２の集電体層４２は、第２の活物質層４０上に配置されている。第２のプラスチックフレーム４６の上部は、第２の集電体層４２上に配置され、第２の活物質層４０の周囲を囲む。第２のプラスチックフレーム４６の底部は、第１のプラスチックフレーム３８に接続されており、より具体的には、第２のプラスチックフレーム４６の底部は、第１のプラスチックフレーム３８の突出部３８１と直接接触している。

一般的なバッテリ設計において、アノード／カソード比は、通常、リチウムデンドライドを形成する確率および度合いを低減するように、化学レシピ、電極のコーティング面積、または電極のコーティング密度によって制御する。しかしながら、上記の解決策に加えて、本発明は、Ａ／Ｃ比を制御し、安全性および電気的性能を維持するために、第１の活物質層をマスキングする突出部３８１を使用する。

上述したことに加えて、第１のプラスチックフレーム３８の突出部３８１は、リチウムバッテリ３０の構造的な安定性を向上させるスペーサ層３６の上面の端部に延在する。たとえば、フレキシブルバッテリでは、スペーサ層３６は、通常、数回折り曲げた後に湾曲または変形し、さらには内部短絡さえも引き起こす。しかしながら、スペーサ層３６と第１の活物質層３４、またはスペーサ層３６と第２の活物質層４０との接触が、効果的に維持され、ポリマースペーサ層、特殊効果コーティングを施したポリマースペーサ層、またはセラミックスペーサ層に関わらず、突出部３８１が、スペーサ層３６の上面の端部に延在する場合、スペーサ層３６の端部の変形が阻止され得る。突出部３８１は、特にセラミックスペーサにおいて、スペーサ層３６の端部の構造強度を効果的に高める。

また、上記構造において、第１のプラスチックフレームの突出部３８１とスペーサ層３６とは、第１の活物質層３４を第２の活物質層４０から隔離する新たな混成隔離構造を形成している。さらに、第１の集電体層３２または第２の集電体層４２は、回路基板の導電面とすることができる。

加えて、第１の集電体層３２および／または第２の集電体層４２の外面はさらに、保護層５０を有する。保護層５０は、外部環境と、第１の集電体層３２および／または第２の集電体層４２とが接触することを阻止できる。保護層５０は、リチウムバッテリ３０を折り曲げる際に、第１の集電体層３２および／または第２の集電体層４２を破裂から保護できる。

図５に示すように、リチウムバッテリ３０をアルミホイルバッグ４４に詰め込むと、アルミホイルバッグ４４は、電解液の漏れを阻止し、外部環境からの湿気および酸素を遮断できる。

図６に、本発明の別のバッテリ構造を例示する。リチウムバッテリ３０はさらに、第３のプラスチックフレーム４８を備え、第２のプラスチックフレーム４６の底部は、第３のプラスチックフレーム４８の上部に接続され、第３のプラスチックフレーム４８の底部は、第１のプラスチックフレーム３８の上部に接続される。
第１のプラスチックフレーム３８および第２のプラスチックフレーム４６は、第３のプラスチックフレーム４８よりも優れた不均一表面接着力を有し、第３のプラスチックフレーム４８は、第１のプラスチックフレーム３８、第２のプラスチックフレーム４６、および第３のプラスチックフレーム４８内で最良の均一表面接着力を有する。第３のプラスチックフレーム４８は、第１のプラスチックフレーム３８と第２のプラスチックフレーム４６とを密着させる。

さらに、第１のプラスチックフレーム３８、第２のプラスチックフレーム４６、第３のプラスチックフレーム４８、および保護層５０はさらに、第１の集電体層３２および第２の集電体層４２の端部を覆うことができる。
リチウムバッテリ３０を折り曲げる際に第１の集電体層３２と第２の集電体層４２とが接触することによる外部短絡の状況は、第１のプラスチックフレーム３８、第２のプラスチックフレーム４６、第３のプラスチックフレーム４８、および保護層５０の絶縁特性によって低減され得る。保護層５０は、バッテリ設計またはプロセス要件に応じて、異なる構造の第１の集電体層３２および第２の集電体層４２の端部を被覆できる。保護層５０は、単層コーティングでも多層コーティングでもよい。

図７には、本発明のバッテリ構造の別の部分概略図が示される。図７と図２との違いは、スペーサ層がさらに、第１の活物質層の側壁まで延在していることである。

図８には、本発明のバッテリ構造の別の部分概略図が示される。図８と図３との違いは、スペーサ層がさらに、第１の活物質層の側壁まで延在していることである。

第１のプラスチックフレーム３８、第２のプラスチックフレーム４６、第３のプラスチックフレーム４８、および保護層５０の材料は、ポリイミド、エポキシ、アクリル樹脂、およびシリコンなどの電気絶縁ポリマーから選択される。
スペーサ層３６の材料は、ポリマー材料、セラミック材料、ガラスセラミック材料、またはガラス繊維材料から選択される。第１の活物質層３４、第２の活物質層４０、およびスペーサ層３６は電解質を吸収する。電解質は、液体電解質、ゲル型電解質、または固体電解質である。

要約すると、リチウムバッテリのＡ／Ｃ比は、第１のプラスチックフレームの突出部によって効果的に制御されて、リチウムデンドライドが形成される確率および度合いを低減する。

上述した実施形態は、本発明を単に例証するためのものであり、本発明の範囲を限定するものではない。したがって、本発明によって開示された形状、構造、特徴、または主旨にしたがう同等の修正または変形も、本発明の範囲内に含まれるべきである。

Claims (16)

1. バッテリ構造であって、
   第１の集電体層と、
   前記第１の集電体層上に配置された第１の活物質層と、
   前記第１の活物質層上に配置されたスペーサ層であって、前記スペーサ層は、前記第１の活物質層の上面を完全に覆う、スペーサ層と、
   前記スペーサ層の側壁に配置された第１のプラスチックフレームであって、前記第１のプラスチックフレームは、突出部を有し、前記突出部は、前記スペーサ層の上面の端部に延在する、第１のプラスチックフレームと、
   前記スペーサ層および前記突出部上に配置され、前記第１の活物質層から、前記スペーサ層および前記突出部を介して絶縁された、第２の活物質層と、
   前記第２の活物質層上に配置された第２の集電体層と、を備えた、
   バッテリ構造。
2. 前記スペーサ層の前記側壁を覆う前記第１のプラスチックフレームの部分は、前記第１の活物質層の側壁までさらに延在する、請求項１に記載のバッテリ構造。
3. 前記第１の活物質層の水平面における面積は、前記第１の集電体層の一部を露出させるために前記第１の集電体層の水平面よりも小さい、請求項２に記載のバッテリ構造。
4. 前記第１のプラスチックフレームの底部は、前記第１の活物質層から露出している前記第１の集電体層に取り付けられ、前記第１のプラスチックフレームは、前記スペーサ層および前記第１の活物質層の側壁を囲む、請求項３に記載のバッテリ構造。
5. 第２のプラスチックフレームをさらに備え、前記第２のプラスチックフレームの上部は、前記第２の集電体層に接続され、前記第２のプラスチックフレームは、前記第２の活物質層の周囲を囲み、前記第２のプラスチックフレームの底部は、前記第１のプラスチックフレームに接続された、請求項１に記載のバッテリ構造。
6. 第２のプラスチックフレームおよび第３のプラスチックフレームをさらに備え、前記第２のプラスチックフレームは、前記第２の集電体層の周囲を囲み、前記第２のプラスチックフレームの底部は、前記第３のプラスチックフレームの上部に接続され、前記第３のプラスチックフレームの底部は、前記第１のプラスチックフレームの上部に接続された、請求項１に記載のバッテリ構造。
7. 前記第１のプラスチックフレームおよび前記第２のプラスチックフレームは、前記第３のプラスチックフレームよりも良好な不均一表面接着力を有し、前記第３のプラスチックフレームは、前記第１のプラスチックフレーム、前記第２のプラスチックフレーム、および前記第３のプラスチックフレーム内で最良の均一表面接着力を有する、請求項６に記載のバッテリ構造。
8. 前記第１の集電体層または前記第２の集電体層が、回路基板の導電面である、請求項１に記載のバッテリ構造。
9. 前記第１のプラスチックフレームの材料は、ポリイミド、エポキシ、アクリル樹脂、またはシリコンから選択される、請求項１に記載のバッテリ構造。
10. 前記第１のプラスチックフレームおよび前記第２のプラスチックフレームの材料は、ポリイミド、エポキシ、アクリル樹脂、またはシリコンから選択される、請求項５に記載のバッテリ構造。
11. 前記第１のプラスチックフレーム、前記第２のプラスチックフレーム、および前記第３のプラスチックフレームの材料は、ポリイミド、エポキシ、アクリル樹脂、またはシリコンから選択される、請求項６に記載のバッテリ構造。
12. 前記スペーサ層の材料は、ポリマー材料、セラミック材料、ガラスセラミック材料、またはガラス繊維材料から選択される、請求項１に記載のバッテリ構造。
13. 前記第１の活物質層、前記第２の活物質層、および前記スペーサ層は、電解質を吸収し、前記電解質は、液体電解質、ゲル型電解質、または固体電解質である、請求項１に記載のバッテリ構造。
14. 前記バッテリを収容し封入するためのアルミニウムホイル袋をさらに備えた、請求項１に記載のバッテリ構造。
15. 前記第１の集電体層および前記第２の集電体層の外面はさらに、保護層を有する、請求項１に記載のバッテリ構造。
16. 前記保護層の材料は、ポリイミド、エポキシ、アクリル樹脂、またはシリコンから選択される、請求項１５に記載のバッテリ構造。
    

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