JP6588952B2 - 電池構造 - Google Patents

Description

本発明は電池構造に関し、詳細には保護および絶縁の構造を有する電池に関する。

ウェアラブル電子機器はますます一般的になっている。より軽く、かつより薄くする目的で、電子機器の空間を分割することは重要な問題になっている。しかしながら、可撓性のある電池がその問題の解決策を提供する。
図１を参照する。図１は従来の可撓性のあるリチウム電池の断面図を示す。図が示すように、可撓性のあるリチウム電池は、最上部の集電体１２、底部の集電体１４、および最上部の集電体１２と底部の集電体１４の間に置かれた外部パッケージ１６を備え、その結果、取り囲まれた空間１８が形成される。取り囲まれた空間１８は、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をその順序で備える。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は電気化学システム層を形成し、第１の活物質層２０は最上部の集電体１２に接触し、第２の活物質層２４は底部の集電体１４に接触する。可撓性のあるリチウム電池の特徴は、電池全体が力学的に屈曲できることである。

さらに、リチウム電池の構造的設計に関しては、負極が正極から過剰なリチウムイオンを受け取る場合、余分なリチウムイオンが堆積し、リチウムデンドライトを形成し、内部短絡を引き起こしさえするので、正の活物質層の水平範囲は負の活物質層の水平範囲よりも狭い。しかしながら、従来の保護解決策は、工程によって正の活物質層および負の活物質層の水平範囲上にあるタブを近く保つことにだけに依存している。

したがって、上記の問題を克服するための電池構造が提供される。

電池構造を提供することが本発明の目的である。第１の接着フレームが、スペーサ層の上面に延在し、突出部分を形成し、スペーサ層から露出した活物質層、および／または活物質層から露出した集電体層が覆われる。露出した活物質層および／または集電体層上にリチウムイオンが堆積するのを防止するためである。

電池構造を提供することが本発明の他の目的である。リチウム電池のＡ／Ｃ比を維持し、かつリチウムデンドライトを形成する確率および程度を低減するために、第１の接着フレームが、第１の活物質に対応する第２の活物質層の範囲を覆う。この電池構造は、内部短絡を防止するための解決策の１つを提供する。

電池構造を提供することが本発明の他の目的である。第１の接着フレームの突出部分は、スペーサの上面に延在して、スペーサ層の上面の端部の構造強度を強化する。この電池構造により、スペーサ層の端部の変形または破断の可能性を低減できる。この電池構造により、正極および負極の接触により引き起こされる内部短絡の問題を防止できる。

電池構造を提供することが本発明の他の目的である。スペーサ層および突出部分は、第２の活物質層から第１の活物質層を絶縁する。

上記の目的のために、本発明はバッテリ構造を開示し、バッテリ構造は、第１の集電体層と、第１の集電体層上に配置された第１の活物質層と、第１の活物質層上に配置されたスペーサ層であって、スペーサ層の水平範囲は、活物質層の水平範囲よりも狭いので第１の活物質層の上面のいくつかの部分がスペーサ層から露出するスペーサ層と、第１の活物質層の上面のいくつかの部分を覆う第１の接着フレームであって、第１の接着フレームの最上部は突出部分を有し、突出部分はスペーサ層の上面の端部に延在する第１の接着フレームと、スペーサ層および突出部分上に配置され、スペーサ層および突出部分によって第１の活物質層から絶縁された第２の活物質層と、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る。

電池構造を提供することが本発明の他の目的である。第１の接着フレームの突出部分、およびスペーサ層は、第２の活物質層から第１の活物質層を絶縁する絶縁構造である。

本発明の適用可能性の範囲が、本明細書で以下に提示する詳細な説明からさらに明らかになるであろう。

従来の可撓性のある電池の断面図を示す。 本発明の電池構造を示す。 本発明の電池構造を示す。 本発明の電池構造を示す。 本発明の電池構造を示す。

図２を参照する。図２は、可撓性のある電池の一実施形態である。
図２に示すように、リチウム電池３０は主に、第１の集電体層３２と、第１の集電体層３２上に配置された第１の活物質層３４であって、第１の活物質層３４の水平範囲は第１の集電体層３２の水平範囲よりも狭く、その結果、第１の集電体層３２のいくつかの部分は第１の活物質層３４から露出する第１の活物質層３４と、第１の活物質層３４上に配置されたスペーサ層３６であって、スペーサ層３６の水平範囲は第１の活物質層３４の水平範囲よりも狭く、その結果、第１の活物質層３４の最上部のいくつかの部分はスペーサ層３６から露出するスペーサ層３６と、スペーサ層３６から露出した第１の活物質層３４の最上部を覆う第１の接着フレーム３８であって、第１の接着フレーム３８の最上部は突出部分３８１を有し、突出部分３８１はスペーサ層３６の上面の端部に延在する第１の接着フレーム３８と、スペーサ層３６および突出部分３８１上に配置され、スペーサ層３６および突出部分３８１によって第１の活物質層３４から絶縁された第２の活物質４０と、第２の活物質層４０上に配置された第２の集電体層４２と、第２の接着フレーム４６であって、第２の接着フレーム４６の最上部は第２の集電体４２上に配置され、第２の活物質層４０の周囲を取り囲み、第２の接着フレーム４６の底部は第１の接着フレーム３８に隣接し、より詳細には、第２の接着フレーム４６の底部は第１の接着フレーム３８の突出部分３８１と直接接触する第２の接着フレーム４６とを備える。

上記の構造では、スペーサ層３６から露出した第１の活物質層３４のいくつかの部分は、突出部分３８１により覆われ、この実施形態では、第１の活物質３４から露出した第１の集電体層３２のいくつかの部分が同時に覆われる。
露出した第１の活物質３４層を覆う目的の１つは、リチウム電池３０のＡ／Ｃ比を維持することである。Ａ／Ｃ比は、電気化学反応の間にリチウムイオンのインターカレーション／デインターカレーションの効率を決定する、バッテリ設計の重要なパラメータである。一般に、リチウムイオンのインターカレーション／デインターカレーションが十分ではない場合、多くのリチウムデンドライトが負極に生じ、リチウムデンドライトがスペーサ層３６を突き抜けると、内部短絡が発生することがある。

一般的な電池設計では、リチウムデンドライトを形成する確率および程度を低減するために、Ａ／Ｃ比は通常、化学物質配合、電極のコーティング範囲、または電極のコーティング密度によって制御される。しかしながら、上記の解決策に加えて、本発明は突出部分３８１を使用して、Ａ／Ｃ比を制御し、かつ安全性および電気的性能を維持する。
露出した第１の集電体層３２を覆う目的の１つは、第１の集電体３２上にリチウムイオンが堆積するのを防止することである。リチウムイオンが第１の集電体３２上に堆積する場合、リチウム電池３０内のリチウムイオンの濃度は低減し、リチウム電池３０はリチウムデンドライトによって探られる。

上記に加えて、第１の接着フレーム３８の突出部分３８１は、スペーサ層３６の上面の端部に延在し、これにより、リチウム電池３０の構造安定性が改善される。
可撓性のある電池では、スペーサ層３６は通常、数回屈曲した後に、湾曲または変形し、内部短絡を引き起こしさえする。しかしながら、突出部分３８１がスペーサ層３６の上面の端部に延在するときに、重合体スペーサ層、特殊効果コーティングを有するスペーサ層、またはセラミックスペーサ層に関係なく、スペーサ層３６と第１の活物質層３４の間、およびスペーサ層３６と第２の活物質層４０の間の接触は効果的に維持され、スペーサ層３６の端部の変形を防止できる。突出部分３８１は、特にセラミックスペーサでは、スペーサ層３６の端部の構造強度を効果的に強化する。

さらに、上記の構造では、第１の接着フレームの突出部分３８１、およびスペーサ層３６は、第２の活物質層４０から第１の活物質層３４を絶縁する、新しいハイブリッド絶縁構造である。さらに、第１の集電体層３２または第２の集電体は、回路基板の導電面とすることが可能である。

リチウム電池３０をアルミニウム箔バッグ４４の中に包む図３を参照すると、アルミニウム箔バッグ４４は電解質漏れを防止し、外部環境からの水分および酸素を遮断できる。

図４を参照する。図４は本発明の電池構造を示す。
リチウム電池３０は、第３の接着フレーム４８をさらに備え、第２の接着フレーム４６の底部は第３の接着フレーム４８の最上部に隣接し、第３の接着フレーム４８の底部は第１の接着フレーム３８の最上部に隣接する。第１の接着フレーム３８および第２の接着フレーム４６は、第３の接着フレーム４８よりも不均一面密着力がよく、第３の接着フレーム４８は、第１の接着フレーム３８、第２の接着フレーム４６、および第３の接着フレーム４８との均一面接着力が最大である。第３の接着フレーム４８は、第１の接着フレーム３８および第２の接着フレーム４６をきつく接合する。

しかしながら、第１の接着フレーム３８、第２の接着フレーム４６、および第３の接着フレーム４８は、それぞれ独立した構造とすることが可能である、または単一構造に一体化できる。さらに、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、保護層５０をさらに有する。
たとえば、図５は保護層５０を有する電池構造を示す。保護層５０は、第１の集電体層３２および／または第２の集電体層４２と外部環境の間の接触を防止できる。保護層５０は、リチウム電池３０を屈曲させる間に破断から第１の集電体層３２および／または第２の集電体層４２を保護できる。

さらに、第１の接着フレーム３８、第２の接着フレーム４６、第３の接着フレーム４８、および保護層５０は、第１の集電体層３２および第２の集電体層４２の端部をさらに覆うことが可能である。リチウム電池３０を屈曲する間の第１の集電体層３２と第２の集電体層４２の接触により引き起こされる外部短絡の状況は、第１の接着フレーム３８、第２の接着フレーム４６、第３の接着フレーム４８、および保護層５０の絶縁特性によって低減できる。
保護層５０は、電池設計または工程要件に応じて異なる構造で第１の集電体層３２および第２の集電体層４２の端部をコーティングできる。保護層５０は単層コーティングおよび多層コーティングであってもよい。

第１の接着フレーム３８、第２の接着フレーム４６、第３の接着フレーム４８、および保護層５０の材料は、ポリイミド、エポキシ樹脂、アクリル樹脂、シリコーンなどの電気絶縁重合体から選択される。スペーサ層３６の材料は、重合体材料、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、ゲルタイプ電解質、または固体状態電解質である。

要約すると、第１の接着フレームの突出部分は、活物質層から露出した集電体を覆う。集電体上にリチウムデンドライトが形成されスペーサ層を刺す内部短絡の状況を防止できる。さらに、第１の接着フレームは、第１の活物質に対応する第２の物質層の範囲を覆うことが可能であり、その結果、内部短絡を防止できる。

以上本発明について説明してきた。本発明は多くの方法で変更されてもよいことは明らかであろう。そのような変更は本発明の趣旨および範囲からの逸脱と見なされるべきではなく、そのような修正はすべて、以下の特許請求の範囲に含まれることが意図されることは当業者に明らかである。

Claims (14)

1. 電池構造であって、
   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、当該スペーサ層およびそれを挟んで延在する層どうしの上下面に沿った水平面を占める当該スペーサ層の範囲を示す水平範囲が、前記水平面を占める当該第１の活物質層の範囲を示す水平範囲よりも狭く、且つ、前記第１の活物質層の上面は部分的に当該スペーサ層から露出したスペーサ層と、
   前記スペーサ層から部分的に露出した前記第１の活物質層の上面における該当する部分を覆う第１の接着フレームであって、最上部に前記スペーサ層の上面の端部に延在する突出部分を有する第１の接着フレームと、
   前記スペーサ層および前記突出部分上に配置され、当該スペーサ層および当該突出部分によって前記第１の活物質層から絶縁された第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
   を備えたことを特徴とする電池構造。
2. 前記第１の接着フレームは、
   前記第１の活物質層および前記スペーサ層の周囲を取り囲みつつその底部が前記第１の集電体層上に配置される
   ことを特徴とする、請求項１に記載の電池構造。
3. 最上部が前記第２の集電体に隣接するとともに、底部が前記第１の接着フレームに隣接しつつ、前記第２の活物質層の周囲を取り囲む第２の接着フレーム
   をさらに備えたことを特徴とする、請求項１に記載の電池構造。
4. 前記第２の接着フレームの前記最上部は前記第２の集電体に隣接することを特徴とする、請求項３に記載の電池構造。
5. 前記第２の集電体の周囲を取り囲みつつその底部が第３の接着フレームの最上部に隣接する第２の接着フレームと、
   底部が前記第１の接着フレームの最上部に隣接する第３の接着フレームと、
   をさらに備えたことを特徴とする、請求項１に記載の電池構造。
6. 前記第１の集電体または前記第２の集電体は回路基板の導電面であることを特徴とする、請求項１に記載の電池構造。
7. 前記第１の接着フレームの材料は、ポリイミド、エポキシ樹脂、アクリル樹脂、またはシリコーンから選択されることを特徴とする、請求項１に記載の電池構造。
8. 前記第１の接着フレームおよび前記第２の接着フレームの材料は、ポリイミド、エポキシ樹脂、アクリル樹脂、またはシリコーンから選択されることを特徴とする、請求項３に記載の電池構造。
9. 前記第１の接着フレーム、前記第２の接着フレーム、および前記第３の接着フレームの材料は、ポリイミド、エポキシ樹脂、アクリル樹脂、またはシリコーンから選択されることを特徴とする、請求項５に記載の電池構造。
10. 前記スペーサ層の材料は、重合体材料、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ことを特徴とする、請求項１に記載の電池構造。
11. 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、液体電解質、ゲルタイプ電解質、または固体状態電解質としての電解質を吸収する
    ことを特徴とする、請求項１に記載の電池構造。
12. 前記電池を収容し当該電池を取り囲むためのアルミニウム箔の袋状部をさらに備えたことを特徴とする、請求項１に記載の電池構造。
13. 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保護層をさらに有することを特徴とする、請求項１に記載の電池構造。
14. 前記保護層の材料は、ポリイミド、エポキシ樹脂、アクリル樹脂、またはシリコーンから選択されることを特徴とする、請求項１３に記載の電池構造。

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