JP3229241U - フレキシブル電池 - Google Patents
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Abstract
【課題】集電層上に応力補強材を有するフレキシブル電池を提供する。【解決手段】フレキシブル電池１０は、第一外表面１２２及び第一内表面を有する正極集電層１２と、第二外表面及び第二内表面１４０を有する負極集電層１４と、当該第一内表面と当該第二内表面との間に挟まれるように設置されることにより囲繞区域を形成する樹脂フレーム１６と、当該囲繞区域内に設置され、当該樹脂フレームの側表面に隣接して設置されている電気化学システム層２０とを含む。その中で、第一外表面及び第二外表面上のうち少なくとも１つに応力補強材１８が設置されており、かつ当該応力補強材と、正極集電層又は負極集電層との厚さ比の値が０．２５から６までの間であり、また少なくとも正極集電層又は負極集電層の外表面上に応力補強材が設置されており、これにより構造応力を向上させ、フレキシブル電池を繰り返し屈曲させた後でも、しわ又は回復不能なひずみが発生しにくい。【選択図】図１Ｃ
Description
本考案は、フレキシブル電池に関し、特に集電層上に応力補強材を有するフレキシブル電池を指す。
ここ数年、科学技術の発展に伴い、各種電子機器、例えば、携帯電話、腕時計、カメラ、ビデオカメラ、タブレットＰＣ、ノートＰＣなどの様式がますます多くなり、多くの電子機器は、例えば曲面型携帯電話、ウェアラブル・スマートフォン、スマートブレスレットなどのように、独特の形状を有している。これらの電子機器はすべて電源を使用可能でなければならず、独特の形状を持つ電子機器はしばしば可撓性のある電池を必要とする。しかし、既存の電池は往々にして硬すぎて、これらの電子機器の形状に適合させることができず、たとえ電池を電子機器になんとか設置したとしても、電子機器のパッケージングが理想的ではない状態を引き起こす。このため、非平面に設置可能な屈曲可能式電池がこの課題に対する１つの解決方法である。
しかし、電池の屈曲を繰り返す過程において、集電層が応力を受けた後に発生する可能性がある問題について必ず考慮しなければならない。現在、電池を屈曲可能な特性にさらに適合させるため、集電層は往々にして設計を比較的軽くて薄いものにする傾向がある。これによって屈曲可能度は増すが、集電層が力を受けて屈曲した後、極層の押圧を受けるため鋭角が発生しやすくなる。また、集電層は通常、金属材料を使用しており、金属材料は弾性範囲を超える外力を受けた後に、結晶のすべり（ｓｌｉｐ）が発生するか、或いは結晶の転位（ｄｉｓｌｏｃａｔｉｏｎｓ）が発生するかもしれないという問題があり、これが集電層表面に回復不能なひずみを発生させる。
上記のような問題の発生により、集電層のひずみを発生させた後、往々にして集電層と活性材料層の剥離を引き起こし、これにより電池の電気容量を低下させ、電池寿命を短縮させてしまう。
上記問題に鑑み、本考案は、電池の屈曲能力を妨げないという前提の下で、集電層の構造応力を向上させ、集電層に上記問題が発生するのを避けるために、集電層上に応力補強材を備えてあるフレキシブル電池の提供を目的とする。
上記目的を達成するため、本考案は、第一外表面及び第一内表面を有する正極集電層と、第二外表面及び第二内表面を有する負極集電層と、第一内表面と第二内表面との間に挟まれるように設置されることにより囲繞区域を形成する樹脂フレームと、囲繞区域内に設置され、当該樹脂フレームの側表面に隣接して設置されている電気化学システム層と、第一外表面及び／又は第二外表面上に設置され、かつ上記正極集電層又は上記負極集電層との厚さ比の値が０．２５から６までの間である応力補強材を含むフレキシブル電池を提示する。
その内、電気化学システム層には、正極活性材料層、負極活性材料層及び電気的絶縁層を含み、正極活性材料層と正極集電層の第一内表面は隣接し、負極活性材料層と負極集電層の第二内表面は隣接し、電気的絶縁層は正極活性材料層と負極活性材料層との間に挟まれるように設置されている。
その内、上記正極集電層の厚さは５μｍから４０μｍまでの間である。
その内、上記負極集電層の厚さは２μｍから２０μｍまでの間である。
その内、上記応力補強材の厚さは１０μｍから３０μｍまでの間である。
その内、上記応力補強材は、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＣ）、ポリスチレン（ＰＳ）、ポリイミド（ｐｏｌｙｉｍｉｄｅ）、ナイロン（ｎｙｌｏｎ）、ポリエチレンテレフタレート（ｐｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎｅ ｔｅｒｅｐｈｔｈａｌａｔｅ）、ポリウレタン（ｐｏｌｙｕｒｅｔｈａｎｅ）、アクリル（ａｃｒｙｌｉｃ）、エポキシ樹脂（ｅｐｏｘｙ）、シリコーン（ｓｉｌｉｃｏｎｅ）及び上記の組み合わせから選択される。
その内、上記応力補強材と上記第一外表面、上記応力補強材と上記第二外表面のうち、少なくとも１つの間にさらに粘着層を含む。
その内、上記粘着層の厚さは５μｍより厚くない。
その内、上記粘着層は、ポリウレタン（ｐｏｌｙｕｒｅｔｈａｎｅ）、アクリル（Ａｃｒｙｌｉｃ）、エポキシ樹脂（ｅｐｏｘｙ）、シリコーン（ｓｉｌｉｃｏｎｅ）及び上記の組み合わせから選択される。
その内、上記応力補強材のヤング率は、上記正極集電層及び負極集電層のヤング率に近い。
その内、上記囲繞区域は密閉されている。
本考案の応力補強材は、一定の構造強度と展延性を具備しており、応力補強材はヤング率が集電層のヤング率に近い材料から選択されなければならず、かつ応力補強材の厚さは集電層より薄く、正極集電層及び負極集電層上に応力補強材を設置することにより、集電層の表面強度を向上させることで、集電層に一定の構造応力を備えさせ、屈曲時に回復不能なひずみが発生しにくくなる。
次に、本考案の目的、技術的内容、特徴及びそれが達成する効果をさらに理解しやすくするために、具体的な実施例を通じて詳しく説明する。
本考案の内容をさらに理解しやすくするために、まず説明しなければならないのは、本明細書で使用している用語が一般的な意味又は字典の意味に限定されてはならず、考案者が最も良い説明を行うために、用語について適切な定義を行うことを基礎として、本考案の技術分野と互いに適合する意味及び概念に基づいて説明することが許されるべきだということである。上記に基づいて、まず下記のとおり、明細書内で使用している語彙について説明を行う。
１．「及び／又は」及び「少なくともその中の１つ」は、関連して列挙した項目の１つ又は複数のうちのいずれか及びすべての組み合わせを含む。
２．「集電層」とは、電子を収集及び放出する区域を指し、通常は金属によって構成され、特に活性物質の発生と反応しない金属によって構成される。本考案内で記載する集電層とは、正極集電層及び／又は負極集電層を指す。
３．「電気化学システム層」とは、電気化学反応の区域を指す。本考案内において、集電層は電気化学システム層に含まれず、その電子交換は電気化学システム層と集電層のポート上で発生する。
４．「電気的絶縁層」内の電気的絶縁とは、電子の流通の隔絶を指し、即ち、電気的絶縁層とは、電子の流通の隔絶が可能であるがイオンの流通に影響を及ぼさない区域であり、通常は正極と負極との間に挟まれるように設置され、本考案内においては正極活性材料層と負極活性材料層との間の電子の流通の隔絶に用いられ、また液体、固体、コロイド状態及び／又は上記の組み合わせから選択される。
５．「囲繞区域」とは、外界環境から隔絶された区域を指す。本考案内において、囲繞区域は集電層と樹脂フレームの囲いにより構成され、かつ囲繞区域内に電気化学システム層が設けられており、言い換えると、本考案の電気化学システム層は、集電層と樹脂フレームの囲いによって外界から隔絶されている。
６．本考案の図面内に示す各構成要素の位置、サイズ、範囲などは、実際の位置、サイズ、範囲などを示していない場合がある。本考案は、決して図面内で開示された内容に限定されない。
本考案の目的は、フレキシブル電池を提供することであり、その集電層上には応力補強材が備えられ、応力補強材は少なくとも以下の条件を具備していなければならない。
ａ．応力補強材は、集電層に構造応力を提供し、フレキシブル電池を屈曲させた後に回復不能なひずみの発生を防ぐことができるように、一定の構造強度を有していなければならない。
ｂ．フレキシブル電池に可撓性という特性を維持させるため、応力補強材は一定の可撓性を有していなければならない。
引き続き、上記した本考案の精神に基づいて、下記のとおり更に詳細に説明する。
同時に図１Ａから図１Ｃまでを参照されたい。これは、本考案が開示するフレキシブル電池の１つの実施例の構造概略図である。フレキシブル電池１０は、正極集電層１２、負極集電層１４、樹脂フレーム１６、応力補強材１８及び電気化学システム層２０を含む。その中で、図１Ａに示すとおり、応力補強材１８は正極集電層１２の第一外表面１２２上に設置され、又は図１Ｂに示すとおり、応力補強材１８は負極集電層１４の第二外表面１４２上に設置され、又は図１Ｃに示すとおり、応力補強材１８は正極集電層１２の第一外表面１２２上及び負極集電層１４の第二外表面１４２上に設置されている。
引き続き図１Ｃを参照されたい。正極集電層１２、負極集電層１４及び樹脂フレーム１６が囲繞区域を形成し、かつ囲繞区域内に電気化学システム層２０が設けられている。電気化学システム層２０は、正極活性材料層２０２、負極活性材料層２０４及び電気的絶縁層２０６を含み、その中で正極活性材料層２０２は正極集電層１２の第一内表面１２０に隣接し、負極活性材料層２０４は負極集電層１４の第二内表面１４０に隣接し、そして電気的絶縁層２０６は正極活性材料層２０２と上記負極活性材料層２０４との間に挟まれるように設置されている。
引き続き図１Ｃを参照されたい。正極集電層１２、負極集電層１４及び樹脂フレーム１６が囲繞区域を形成し、かつ囲繞区域内に電気化学システム層２０が設けられている。電気化学システム層２０は、正極活性材料層２０２、負極活性材料層２０４及び電気的絶縁層２０６を含み、その中で正極活性材料層２０２は正極集電層１２の第一内表面１２０に隣接し、負極活性材料層２０４は負極集電層１４の第二内表面１４０に隣接し、そして電気的絶縁層２０６は正極活性材料層２０２と上記負極活性材料層２０４との間に挟まれるように設置されている。
次に、応力補強材のヤング率（Ｙｏｕｎｇ’ｓ ｍｏｄｕｌｕｓ）は集電層のヤング率に近く、かつ応力補強材と集電層の厚さは一定の範囲の間にある。その原因は、もし応力補強材のヤング率と集電層のヤング率との差があまりに大きく、かつ応力補強材の厚さと集電層の厚さとの差があまりに大きい場合、応力を受けたとき、屈曲度が異なるという問題が発生する可能性があり、応力補強材のひずみ量と集電層のひずみ量の差が大きくなり過ぎると、逆に互いの表面ひずみの影響を受け、ひずみ量が小さいほうの構造は隣接して設置されている層構造において継続してひずみが発生するのについていくことができなくなるため、しわの発生又はひどい場合には破裂の発生を起こしてしまう。このため、応力補強材は、ヤング率が集電層のヤング率に近い材料、かつ応力補強材と集電層の厚さ比の値が０．２５から６までの間であるものを選択する。
例を挙げると、正極集電層について材料としてステンレスを選択した場合、その厚さは５μｍから１５μｍの間であれば良く、材料としてアルミニウムを選択した場合、厚さは２５μｍから４０μｍの間であれば良い。そして負極集電層について材料としてステンレスを選択した場合、その厚さは５μｍから１５μｍの間であれば良く、材料として銅を選択した場合、その厚さは２μｍから２０μｍの間であれば良い。
上記のことからわかるように、材質により異なる材料剛性を有するため、異なる材質の基材の厚さの範囲は同じとは限らない。また応力補強材について言うと、好ましい厚さは３０μｍより厚くない。そうでない場合、厚過ぎる応力補強材は本体の厚みのため屈曲が困難になる。しかし、厚さが薄過ぎる応力補強材について言うと、例えば１０μｍより薄い場合、構造強度を補強するという目的を提供することが困難になる。応力補強材については、好ましい応力補強材の厚さは１０μｍから１２μｍの間であり、これであれば好ましい効果を発揮できる。そして応力補強材の材質については、よく見られ、かつ選択可能な材料としては、例えばポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリ塩化ビニル （ＰＶＣ）、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＣ）、ポリスチレン（ＰＳ）、ポリイミド（ｐｏｌｙｉｍｉｄｅ）、ナイロン（ｎｙｌｏｎ）、ポリエチレンテレフタレート（ｐｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎｅ ｔｅｒｅｐｈｔｈａｌａｔｅ）、ポリウレタン（ｐｏｌｙｕｒｅｔｈａｎｅ）、アクリル（ａｃｒｙｌｉｃ）、エポキシ樹脂（ｅｐｏｘｙ）、シリコーン（ｓｉｌｉｃｏｎｅ）などの材料があるが、これらに限らず、実際の応用では上記の材料の種類の制限を受けない。
上記のことからわかるように、材質により異なる材料剛性を有するため、異なる材質の基材の厚さの範囲は同じとは限らない。また応力補強材について言うと、好ましい厚さは３０μｍより厚くない。そうでない場合、厚過ぎる応力補強材は本体の厚みのため屈曲が困難になる。しかし、厚さが薄過ぎる応力補強材について言うと、例えば１０μｍより薄い場合、構造強度を補強するという目的を提供することが困難になる。応力補強材については、好ましい応力補強材の厚さは１０μｍから１２μｍの間であり、これであれば好ましい効果を発揮できる。そして応力補強材の材質については、よく見られ、かつ選択可能な材料としては、例えばポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリ塩化ビニル （ＰＶＣ）、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＣ）、ポリスチレン（ＰＳ）、ポリイミド（ｐｏｌｙｉｍｉｄｅ）、ナイロン（ｎｙｌｏｎ）、ポリエチレンテレフタレート（ｐｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎｅ ｔｅｒｅｐｈｔｈａｌａｔｅ）、ポリウレタン（ｐｏｌｙｕｒｅｔｈａｎｅ）、アクリル（ａｃｒｙｌｉｃ）、エポキシ樹脂（ｅｐｏｘｙ）、シリコーン（ｓｉｌｉｃｏｎｅ）などの材料があるが、これらに限らず、実際の応用では上記の材料の種類の制限を受けない。
また集電層の厚さは活性材料層より厚くない。これは、活性材料層が集電層の内側に塗布されており、かつ活性材料層は本体を構成する材質が原因となって、その屈曲の展延性が相当低いため、もし活性材料層の厚さが厚過ぎると、活性材料層に脆性破壊の問題が容易に発生し、活性材料層が集電層を突き通してしまうだけでなく、或いはまた集電層が活性材料層を過度に引っ張ることで集電層破裂という事態を発生させてしまうためである。
そのほか、応力補強材は塗布（ｃｏａｔｉｎｇ）、吹付（ｓｐｒａｙｉｎｇ）及び印刷（ｐｒｉｎｔ）などの方式を利用して集電層上に設置され、又は応力補強材と集電層との間に粘着層を追加することによって応力補強材と集電層を接着することができる。
図２を参照されたい。これは粘着層を追加したフレキシブル電池の構造概略図であり、これと図１Ａから図１Ｃまでとの違いは、このフレキシブル電池１０は粘着層２２を有し、粘着層２２は第一外表面１２２と応力補強材１８との間に挟まれるように設置され、及び／又は第二外表面１４２と応力補強材１８との間に挟まれるように設置され、言い換えると、正極集電層１２と応力補強材１８との間、負極集電層１４と応力補強材１８との間の少なくともその中の１つに粘着層２２が設けられている点である。
図２は、ただ単に正極集電層１２の第一外表面１２２上及び負極集電層１４の第二外表面１４２上の両方に粘着層２２及び応力補強材１８が設置されている状況を示したものであり、当然のことながら、粘着層２２は正極集電層１２と応力補強材１８、負極集電層１４と応力補強材１８のうち少なくともその中の１つの間のみに存在する可能性もある。実際の状況は応力補強材１８が設置されている位置に基づいて決まり、例えば、応力補強材１８が第一外表面１２２上のみに設置されているとき、粘着層２２も第一外表面１２２と応力補強材１８の間のみに設置されている。
図２は、ただ単に正極集電層１２の第一外表面１２２上及び負極集電層１４の第二外表面１４２上の両方に粘着層２２及び応力補強材１８が設置されている状況を示したものであり、当然のことながら、粘着層２２は正極集電層１２と応力補強材１８、負極集電層１４と応力補強材１８のうち少なくともその中の１つの間のみに存在する可能性もある。実際の状況は応力補強材１８が設置されている位置に基づいて決まり、例えば、応力補強材１８が第一外表面１２２上のみに設置されているとき、粘着層２２も第一外表面１２２と応力補強材１８の間のみに設置されている。
次に、粘着層は粘着性樹脂によって組成され、粘着性樹脂はポリウレタン（ｐｏｌｙｕｒｅｔｈａｎｅ）、アクリル（Ａｃｒｙｌｉｃ）、エポキシ樹脂（ｅｐｏｘｙ）、シリコーン（ｓｉｌｉｃｏｎｅ）などによって組成されることができ、かつ厚さは５μｍより厚くない。
語彙の説明の５番目に記載されているとおり、電気化学システム層は集電層と樹脂フレームの囲いによって外界から隔絶され、このため囲繞区域内は密閉されており、外界環境と接触しない。即ち、樹脂フレームは水気を遮る機能を有していなければならず、同時に可撓性を有していなければならず、このため、本考案の樹脂フレームの材料はシリコーン（ｓｉｌｉｃｏｎｅ）から選択される。シリコーンは水気を遮る機能を満たすことができ、かつ硬化後もなお可撓性を有する。そのほか、樹脂フレームは正投影方向上に少なくとも一部が正極集電層及び負極集電層と重なっており、即ち、正投影方向上において、樹脂フレームは正極集電層及び負極集電層と完全に重なっている必要はない。
市場のフレキシブル電池は、アルミニウムプラスチックフィルムを使用して電池の密封封口材料としており、正極（ｃａｔｈｏｄｅ）、負極（ａｎｏｄｅ）、セパレータ（ｓｅｐａｒａｔｏｒ）及び電解液（ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ）などを収容している。本考案と異なるのは、本考案は集電層及び樹脂フレームによって封止し、即ち、集電層は電子の収集及び放出以外に、樹脂フレームとともに電気化学システム層を外界から隔絶し、これに対して市場のフレキシブル電池はアルミニウムプラスチックフィルムによって、集電層、電気化学システム層を外界から隔絶しているという点である。このため、本考案と、一般的にアルミニウムプラスチックフィルムを使用しているフレキシブル電池の構造とは、明らかに異なる。
上記を要約すると、本考案は集電層上に応力補強材を設置し、これにより集電層の表面強度を向上させており、集電層が一定の構造応力を具備しているとき、屈曲時にしわ、鋭角、又は回復不能なひずみが発生しにくい。このようにして、フレキシブル電池が屈曲を繰り返しても、良好な電気容量及び電池寿命を維持することができる。
しかし、上記の内容は、本考案の好ましい実施例のみを記載したものであり、本考案実施の範囲を限定するために用いるものではない。故に、本考案の「実用新案登録請求の範囲」に基づいて行われた均等な変化又は修飾は、すべて本考案の保護範囲内に含まれるものとする。
１０ フレキシブル電池
１２ 正極集電層
１２０ 第一内表面
１２２ 第一外表面
１４ 負極集電層
１４０ 第二内表面
１４２ 第二外表面
１６ 樹脂フレーム
１８ 応力補強材
２０ 電気化学システム層
２０２ 正極活性材料層
２０４ 負極活性材料層
２０６ 電気的絶縁層
２２ 粘着層
１２ 正極集電層
１２０ 第一内表面
１２２ 第一外表面
１４ 負極集電層
１４０ 第二内表面
１４２ 第二外表面
１６ 樹脂フレーム
１８ 応力補強材
２０ 電気化学システム層
２０２ 正極活性材料層
２０４ 負極活性材料層
２０６ 電気的絶縁層
２２ 粘着層
上記目的を達成するため、本考案は、第一外表面及び第一内表面を有する正極集電層と、第二外表面及び第二内表面を有する負極集電層と、第一内表面と第二内表面との間に挟まれるように設置されることにより囲繞区域を形成する樹脂フレームと、囲繞区域内に設置され、当該樹脂フレームの側表面に隣接して設置されている電気化学システム層と、第一外表面及び／又は第二外表面上に設置され、かつ上記正極集電層又は上記負極集電層との厚さ比の値が０．２５から６までの間である応力補強材を含み、上記応力補強材と上記集電層の材料のヤング率は互いに接近している。その中で、ヤング率が互いに接近し、厚さ比の値が制限されている状態において、上記応力補強材のひずみ量と上記集電層のひずみ量は本質的に同じであり、これにより上記フレキシブル電池に屈曲によるひずみが発生したとき、上記集電層上に隣接して設置された上記応力補強材は上記集電層の同じ屈曲度のひずみの発生についていくことができる。上記集電層には上記正極集電層及び／又は上記負極集電層を含む、フレキシブル電池を提示する。
本考案は、フレキシブル電池に関し、特に集電層上に応力補強材を有するフレキシブル電池を指す。
ここ数年、科学技術の発展に伴い、各種電子機器、例えば、携帯電話、腕時計、カメラ、ビデオカメラ、タブレットＰＣ、ノートＰＣなどの様式がますます多くなり、多くの電子機器は、例えば曲面型携帯電話、ウェアラブル・スマートフォン、スマートブレスレットなどのように、独特の形状を有している。これらの電子機器はすべて電源を使用可能でなければならず、独特の形状を持つ電子機器はしばしば可撓性のある電池を必要とする。しかし、既存の電池は往々にして硬すぎて、これらの電子機器の形状に適合させることができず、たとえ電池を電子機器になんとか設置したとしても、電子機器のパッケージングが理想的ではない状態を引き起こす。このため、非平面に設置可能な屈曲可能式電池がこの課題に対する１つの解決方法である。
しかし、電池の屈曲を繰り返す過程において、集電層が応力を受けた後に発生する可能性がある問題について必ず考慮しなければならない。現在、電池を屈曲可能な特性にさらに適合させるため、集電層は往々にして設計を比較的軽くて薄いものにする傾向がある。これによって屈曲可能度は増すが、集電層が力を受けて屈曲した後、極層の押圧を受けるため鋭角が発生しやすくなる。また、集電層は通常、金属材料を使用しており、金属材料は弾性範囲を超える外力を受けた後に、結晶のすべり（ｓｌｉｐ）が発生するか、或いは結晶の転位（ｄｉｓｌｏｃａｔｉｏｎｓ）が発生するかもしれないという問題があり、これが集電層表面に回復不能なひずみを発生させる。
上記のような問題の発生により、集電層のひずみを発生させた後、往々にして集電層と活性材料層の剥離を引き起こし、これにより電池の電気容量を低下させ、電池寿命を短縮させてしまう。
上記問題に鑑み、本考案は、電池の屈曲能力を妨げないという前提の下で、集電層の構造応力を向上させ、集電層に上記問題が発生するのを避けるために、集電層上に応力補強材を備えてあるフレキシブル電池の提供を目的とする。
上記目的を達成するため、本考案は、第一外表面及び第一内表面を有する正極集電層と、第二外表面及び第二内表面を有する負極集電層と、第一内表面と第二内表面との間に挟まれるように設置されることにより囲繞区域を形成する樹脂フレームと、囲繞区域内に設置され、当該樹脂フレームの側表面に隣接して設置されている電気化学反応層と、第一外表面及び／又は第二外表面上に設置され、かつ上記正極集電層又は上記負極集電層との厚さ比の値が０．２５から６までの間である応力補強材を含み、上記応力補強材と上記集電層の材料のヤング率は互いに接近している。その中で、ヤング率が互いに接近し、厚さ比の値が制限されている状態において、上記応力補強材のひずみ量と上記集電層のひずみ量は本質的に同じであり、これにより上記フレキシブル電池に屈曲によるひずみが発生したとき、上記集電層上に隣接して設置された上記応力補強材は上記集電層の同じ屈曲度のひずみの発生についていくことができる。上記集電層には上記正極集電層及び／又は上記負極集電層を含む、フレキシブル電池を提示する。
その内、電気化学反応層には、正極活性材料層、負極活性材料層及び電気的絶縁層を含み、正極活性材料層と正極集電層の第一内表面は隣接し、負極活性材料層と負極集電層の第二内表面は隣接し、電気的絶縁層は正極活性材料層と負極活性材料層との間に挟まれるように設置されている。
その内、上記正極集電層の厚さは５μｍから４０μｍまでの間である。
その内、上記負極集電層の厚さは２μｍから２０μｍまでの間である。
その内、上記応力補強材の厚さは１０μｍから３０μｍまでの間である。
その内、上記応力補強材は、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＣ）、ポリスチレン（ＰＳ）、ポリイミド（ｐｏｌｙｉｍｉｄｅ）、ナイロン（ｎｙｌｏｎ）、ポリエチレンテレフタレート（ｐｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎｅ ｔｅｒｅｐｈｔｈａｌａｔｅ）、ポリウレタン（ｐｏｌｙｕｒｅｔｈａｎｅ）、アクリル（ａｃｒｙｌｉｃ）、エポキシ樹脂（ｅｐｏｘｙ）、シリコーン（ｓｉｌｉｃｏｎｅ）及び上記の組み合わせから選択される。
その内、上記応力補強材と上記第一外表面、上記応力補強材と上記第二外表面のうち、少なくとも１つの間にさらに粘着層を含む。
その内、上記粘着層の厚さは５μｍより厚くない。
その内、上記粘着層は、ポリウレタン（ｐｏｌｙｕｒｅｔｈａｎｅ）、アクリル（Ａｃｒｙｌｉｃ）、エポキシ樹脂（ｅｐｏｘｙ）、シリコーン（ｓｉｌｉｃｏｎｅ）及び上記の組み合わせから選択される。
その内、上記応力補強材のヤング率は、上記正極集電層及び負極集電層のヤング率に近い。
その内、上記囲繞区域は密閉されている。
本考案の応力補強材は、一定の構造強度と展延性を具備しており、応力補強材はヤング率が集電層のヤング率に近い材料から選択されなければならず、かつ応力補強材の厚さは集電層より薄く、正極集電層及び負極集電層上に応力補強材を設置することにより、集電層の表面強度を向上させることで、集電層に一定の構造応力を備えさせ、屈曲時に回復不能なひずみが発生しにくくなる。
次に、本考案の目的、技術的内容、特徴及びそれが達成する効果をさらに理解しやすくするために、具体的な実施例を通じて詳しく説明する。
本考案の内容をさらに理解しやすくするために、まず説明しなければならないのは、本明細書で使用している用語が一般的な意味又は字典の意味に限定されてはならず、考案者が最も良い説明を行うために、用語について適切な定義を行うことを基礎として、本考案の技術分野と互いに適合する意味及び概念に基づいて説明することが許されるべきだということである。上記に基づいて、まず下記のとおり、明細書内で使用している語彙について説明を行う。
１．「及び／又は」及び「少なくともその中の１つ」は、関連して列挙した項目の１つ又は複数のうちのいずれか及びすべての組み合わせを含む。
２．「集電層」とは、電子を収集及び放出する区域を指し、通常は金属によって構成され、特に活性物質の発生と反応しない金属によって構成される。本考案内で記載する集電層とは、正極集電層及び／又は負極集電層を指す。
３．「電気化学反応層」とは、電気化学反応の区域を指す。本考案内において、集電層は電気化学反応層に含まれず、その電子交換は電気化学反応層と集電層のポート上で発生する。
４．「電気的絶縁層」内の電気的絶縁とは、電子の流通の隔絶を指し、即ち、電気的絶縁層とは、電子の流通の隔絶が可能であるがイオンの流通に影響を及ぼさない区域であり、通常は正極と負極との間に挟まれるように設置され、本考案内においては正極活性材料層と負極活性材料層との間の電子の流通の隔絶に用いられ、また液体、固体、コロイド状態及び／又は上記の組み合わせから選択される。
５．「囲繞区域」とは、外界環境から隔絶された区域を指す。本考案内において、囲繞区域は集電層と樹脂フレームの囲いにより構成され、かつ囲繞区域内に電気化学反応層が設けられており、言い換えると、本考案の電気化学反応層は、集電層と樹脂フレームの囲いによって外界から隔絶されている。
６．本考案の図面内に示す各構成要素の位置、サイズ、範囲などは、実際の位置、サイズ、範囲などを示していない場合がある。本考案は、決して図面内で開示された内容に限定されない。
本考案の目的は、フレキシブル電池を提供することであり、その集電層上には応力補強材が備えられ、応力補強材は少なくとも以下の条件を具備していなければならない。
ａ．応力補強材は、集電層に構造応力を提供し、フレキシブル電池を屈曲させた後に回復不能なひずみの発生を防ぐことができるように、一定の構造強度を有していなければならない。
ｂ．フレキシブル電池に可撓性という特性を維持させるため、応力補強材は一定の可撓性を有していなければならない。
引き続き、上記した本考案の精神に基づいて、下記のとおり更に詳細に説明する。
同時に図１Ａから図１Ｃまでを参照されたい。これは、本考案が開示するフレキシブル電池の１つの実施例の構造概略図である。フレキシブル電池１０は、正極集電層１２、負極集電層１４、樹脂フレーム１６、応力補強材１８及び電気化学反応層２０を含む。その中で、図１Ａに示すとおり、応力補強材１８は正極集電層１２の第一外表面１２２上に設置され、又は図１Ｂに示すとおり、応力補強材１８は負極集電層１４の第二外表面１４２上に設置され、又は図１Ｃに示すとおり、応力補強材１８は正極集電層１２の第一外表面１２２上及び負極集電層１４の第二外表面１４２上に設置されている。
引き続き図１Ｃを参照されたい。正極集電層１２、負極集電層１４及び樹脂フレーム１６が囲繞区域を形成し、かつ囲繞区域内に電気化学反応層２０が設けられている。電気化学反応層２０は、正極活性材料層２０２、負極活性材料層２０４及び電気的絶縁層２０６を含み、その中で正極活性材料層２０２は正極集電層１２の第一内表面１２０に隣接し、負極活性材料層２０４は負極集電層１４の第二内表面１４０に隣接し、そして電気的絶縁層２０６は正極活性材料層２０２と上記負極活性材料層２０４との間に挟まれるように設置されている。
引き続き図１Ｃを参照されたい。正極集電層１２、負極集電層１４及び樹脂フレーム１６が囲繞区域を形成し、かつ囲繞区域内に電気化学反応層２０が設けられている。電気化学反応層２０は、正極活性材料層２０２、負極活性材料層２０４及び電気的絶縁層２０６を含み、その中で正極活性材料層２０２は正極集電層１２の第一内表面１２０に隣接し、負極活性材料層２０４は負極集電層１４の第二内表面１４０に隣接し、そして電気的絶縁層２０６は正極活性材料層２０２と上記負極活性材料層２０４との間に挟まれるように設置されている。
次に、応力補強材のヤング率（Ｙｏｕｎｇ’ｓ ｍｏｄｕｌｕｓ）は集電層のヤング率に近く、かつ応力補強材と集電層の厚さは一定の範囲の間にある。その原因は、もし応力補強材のヤング率と集電層のヤング率との差があまりに大きく、かつ応力補強材の厚さと集電層の厚さとの差があまりに大きい場合、応力を受けたとき、屈曲度が異なるという問題が発生する可能性があり、応力補強材のひずみ量と集電層のひずみ量の差が大きくなり過ぎると、逆に互いの表面ひずみの影響を受け、ひずみ量が小さいほうの構造は隣接して設置されている層構造において継続してひずみが発生するのについていくことができなくなるため、しわの発生又はひどい場合には破裂の発生を起こしてしまう。このため、応力補強材は、ヤング率が集電層のヤング率に近い材料、かつ応力補強材と集電層の厚さ比の値が０．２５から６までの間であるものを選択する。
例を挙げると、正極集電層について材料としてステンレスを選択した場合、その厚さは５μｍから１５μｍの間であれば良く、材料としてアルミニウムを選択した場合、厚さは２５μｍから４０μｍの間であれば良い。そして負極集電層について材料としてステンレスを選択した場合、その厚さは５μｍから１５μｍの間であれば良く、材料として銅を選択した場合、その厚さは２μｍから２０μｍの間であれば良い。
上記のことからわかるように、材質により異なる材料剛性を有するため、異なる材質の基材の厚さの範囲は同じとは限らない。また応力補強材について言うと、好ましい厚さは３０μｍより厚くない。そうでない場合、厚過ぎる応力補強材は本体の厚みのため屈曲が困難になる。しかし、厚さが薄過ぎる応力補強材について言うと、例えば１０μｍより薄い場合、構造強度を補強するという目的を提供することが困難になる。応力補強材については、好ましい応力補強材の厚さは１０μｍから１２μｍの間であり、これであれば好ましい効果を発揮できる。そして応力補強材の材質については、よく見られ、かつ選択可能な材料としては、例えばポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリ塩化ビニル （ＰＶＣ）、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＣ）、ポリスチレン（ＰＳ）、ポリイミド（ｐｏｌｙｉｍｉｄｅ）、ナイロン（ｎｙｌｏｎ）、ポリエチレンテレフタレート（ｐｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎｅ ｔｅｒｅｐｈｔｈａｌａｔｅ）、ポリウレタン（ｐｏｌｙｕｒｅｔｈａｎｅ）、アクリル（ａｃｒｙｌｉｃ）、エポキシ樹脂（ｅｐｏｘｙ）、シリコーン（ｓｉｌｉｃｏｎｅ）などの材料があるが、これらに限らず、実際の応用では上記の材料の種類の制限を受けない。
上記のことからわかるように、材質により異なる材料剛性を有するため、異なる材質の基材の厚さの範囲は同じとは限らない。また応力補強材について言うと、好ましい厚さは３０μｍより厚くない。そうでない場合、厚過ぎる応力補強材は本体の厚みのため屈曲が困難になる。しかし、厚さが薄過ぎる応力補強材について言うと、例えば１０μｍより薄い場合、構造強度を補強するという目的を提供することが困難になる。応力補強材については、好ましい応力補強材の厚さは１０μｍから１２μｍの間であり、これであれば好ましい効果を発揮できる。そして応力補強材の材質については、よく見られ、かつ選択可能な材料としては、例えばポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリ塩化ビニル （ＰＶＣ）、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＣ）、ポリスチレン（ＰＳ）、ポリイミド（ｐｏｌｙｉｍｉｄｅ）、ナイロン（ｎｙｌｏｎ）、ポリエチレンテレフタレート（ｐｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎｅ ｔｅｒｅｐｈｔｈａｌａｔｅ）、ポリウレタン（ｐｏｌｙｕｒｅｔｈａｎｅ）、アクリル（ａｃｒｙｌｉｃ）、エポキシ樹脂（ｅｐｏｘｙ）、シリコーン（ｓｉｌｉｃｏｎｅ）などの材料があるが、これらに限らず、実際の応用では上記の材料の種類の制限を受けない。
また集電層の厚さは活性材料層より厚くない。これは、活性材料層が集電層の内側に塗布されており、かつ活性材料層は本体を構成する材質が原因となって、その屈曲の展延性が相当低いため、もし活性材料層の厚さが厚過ぎると、活性材料層に脆性破壊の問題が容易に発生し、活性材料層が集電層を突き通してしまうだけでなく、或いはまた集電層が活性材料層を過度に引っ張ることで集電層破裂という事態を発生させてしまうためである。
そのほか、応力補強材は塗布（ｃｏａｔｉｎｇ）、吹付（ｓｐｒａｙｉｎｇ）及び印刷（ｐｒｉｎｔ）などの方式を利用して集電層上に設置され、又は応力補強材と集電層との間に粘着層を追加することによって応力補強材と集電層を接着することができる。
図２を参照されたい。これは粘着層を追加したフレキシブル電池の構造概略図であり、これと図１Ａから図１Ｃまでとの違いは、このフレキシブル電池１０は粘着層２２を有し、粘着層２２は第一外表面１２２と応力補強材１８との間に挟まれるように設置され、及び／又は第二外表面１４２と応力補強材１８との間に挟まれるように設置され、言い換えると、正極集電層１２と応力補強材１８との間、負極集電層１４と応力補強材１８との間の少なくともその中の１つに粘着層２２が設けられている点である。
図２は、ただ単に正極集電層１２の第一外表面１２２上及び負極集電層１４の第二外表面１４２上の両方に粘着層２２及び応力補強材１８が設置されている状況を示したものであり、当然のことながら、粘着層２２は正極集電層１２と応力補強材１８、負極集電層１４と応力補強材１８のうち少なくともその中の１つの間のみに存在する可能性もある。実際の状況は応力補強材１８が設置されている位置に基づいて決まり、例えば、応力補強材１８が第一外表面１２２上のみに設置されているとき、粘着層２２も第一外表面１２２と応力補強材１８の間のみに設置されている。
図２は、ただ単に正極集電層１２の第一外表面１２２上及び負極集電層１４の第二外表面１４２上の両方に粘着層２２及び応力補強材１８が設置されている状況を示したものであり、当然のことながら、粘着層２２は正極集電層１２と応力補強材１８、負極集電層１４と応力補強材１８のうち少なくともその中の１つの間のみに存在する可能性もある。実際の状況は応力補強材１８が設置されている位置に基づいて決まり、例えば、応力補強材１８が第一外表面１２２上のみに設置されているとき、粘着層２２も第一外表面１２２と応力補強材１８の間のみに設置されている。
次に、粘着層は粘着性樹脂によって組成され、粘着性樹脂はポリウレタン（ｐｏｌｙｕｒｅｔｈａｎｅ）、アクリル（Ａｃｒｙｌｉｃ）、エポキシ樹脂（ｅｐｏｘｙ）、シリコーン（ｓｉｌｉｃｏｎｅ）などによって組成されることができ、かつ厚さは５μｍより厚くない。
語彙の説明の５番目に記載されているとおり、電気化学反応層は集電層と樹脂フレームの囲いによって外界から隔絶され、このため囲繞区域内は密閉されており、外界環境と接触しない。即ち、樹脂フレームは水気を遮る機能を有していなければならず、同時に可撓性を有していなければならず、このため、本考案の樹脂フレームの材料はシリコーン（ｓｉｌｉｃｏｎｅ）から選択される。シリコーンは水気を遮る機能を満たすことができ、かつ硬化後もなお可撓性を有する。そのほか、樹脂フレームは正投影方向上に少なくとも一部が正極集電層及び負極集電層と重なっており、即ち、正投影方向上において、樹脂フレームは正極集電層及び負極集電層と完全に重なっている必要はない。
市場のフレキシブル電池は、アルミニウムプラスチックフィルムを使用して電池の密封封口材料としており、正極（ｃａｔｈｏｄｅ）、負極（ａｎｏｄｅ）、セパレータ（ｓｅｐａｒａｔｏｒ）及び電解液（ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ）などを収容している。本考案と異なるのは、本考案は集電層及び樹脂フレームによって封止し、即ち、集電層は電子の収集及び放出以外に、樹脂フレームとともに電気化学反応層を外界から隔絶し、これに対して市場のフレキシブル電池はアルミニウムプラスチックフィルムによって、集電層、電気化学反応層を外界から隔絶しているという点である。このため、本考案と、一般的にアルミニウムプラスチックフィルムを使用しているフレキシブル電池の構造とは、明らかに異なる。
上記を要約すると、本考案は集電層上に応力補強材を設置し、これにより集電層の表面強度を向上させており、集電層が一定の構造応力を具備しているとき、屈曲時にしわ、鋭角、又は回復不能なひずみが発生しにくい。このようにして、フレキシブル電池が屈曲を繰り返しても、良好な電気容量及び電池寿命を維持することができる。
しかし、上記の内容は、本考案の好ましい実施例のみを記載したものであり、本考案実施の範囲を限定するために用いるものではない。故に、本考案の「実用新案登録請求の範囲」に基づいて行われた均等な変化又は修飾は、すべて本考案の保護範囲内に含まれるものとする。
１０ フレキシブル電池
１２ 正極集電層
１２０ 第一内表面
１２２ 第一外表面
１４ 負極集電層
１４０ 第二内表面
１４２ 第二外表面
１６ 樹脂フレーム
１８ 応力補強材
２０ 電気化学反応層
２０２ 正極活性材料層
２０４ 負極活性材料層
２０６ 電気的絶縁層
２２ 粘着層
１２ 正極集電層
１２０ 第一内表面
１２２ 第一外表面
１４ 負極集電層
１４０ 第二内表面
１４２ 第二外表面
１６ 樹脂フレーム
１８ 応力補強材
２０ 電気化学反応層
２０２ 正極活性材料層
２０４ 負極活性材料層
２０６ 電気的絶縁層
２２ 粘着層
Claims (11)
- フレキシブル電池であって、
第一外表面及び第一内表面を有する正極集電層と、
第二外表面及び第二内表面を有する負極集電層と、
前記第一内表面と前記第二内表面との間に挟まれるように設置され、囲繞区域を形成する樹脂フレームと、
前記囲繞区域内に設置され、前記樹脂フレームの側表面に隣接して設置される電気化学システム層を含み、
前記第一外表面及び前記第二外表面のうち少なくとも１つに応力補強材が設置され、かつ当該応力補強材と前記正極集電層又は前記負極集電層との厚さ比の値が０．２５から６までの間であることを特徴とする、
フレキシブル電池。 - 前記電気化学システム層が正極活性材料層、負極活性材料層及び当該正極活性材料層と当該負極活性材料層との間に挟まれるように設置された電気的絶縁層を含み、当該正極活性材料層は前記第一内表面に隣接し、当該負極活性材料層は前記第二内表面に隣接していることを特徴とする請求項１に記載のフレキシブル電池。
- 前記正極集電層の厚さが５μｍから４０μｍまでの間であることを特徴とする請求項１に記載のフレキシブル電池。
- 前記負極集電層の厚さが２μｍから２０μｍまでの間であることを特徴とする請求項１に記載のフレキシブル電池。
- 前記応力補強材の厚さが１０μｍから３０μｍまでの間であることを特徴とする請求項１に記載のフレキシブル電池。
- 前記応力補強材は、ポリエチレンテレフタレート、ポリ塩化ビニル、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン、ポリイミド、ナイロン、ポリエチレンテレフタレート、ポリウレタン、アクリル、エポキシ樹脂、シリコーン及び上記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に記載のフレキシブル電池。
- 前記応力補強材と前記第一外表面、前記応力補強材と前記第二外表面のうち、少なくとも１つの間にさらに粘着層を含むことを特徴とする請求項１に記載のフレキシブル電池。
- 前記粘着層の厚さが５μｍより厚くないことを特徴とする請求項７に記載のフレキシブル電池。
- 前記粘着層はポリウレタン、アクリル、エポキシ樹脂、シリコーン及び上記の組み合わせから選択されることを特徴とする請求項７に記載のフレキシブル電池。
- 前記応力補強材のヤング率が前記正極集電層及び負極集電層のヤング率に近いことを特徴とする請求項１に記載のフレキシブル電池。
- 前記囲繞区域が密閉されていることを特徴とする請求項１に記載のフレキシブル電池。
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