JP7018974B2 - Flexible battery as an integrated platform for wearable sensors and processing / transmitting devices - Google Patents
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Description
数ある用途の中でも、着用可能なデバイス、ヘルスケア、化粧品、着用可能な医療センサ及び薬物送達デバイス、ポータブル電子機器、スマート包装、並びにRFIDの最近の熱心な開発に伴い、高エネルギー密度を有する薄型可撓性電池の開発が、それぞれのデバイスに適切な電力を提供するための不可欠な課題となっている。 Among the many applications, thin with high energy density with wearable devices, healthcare, cosmetics, wearable medical sensors and drug delivery devices, portable electronics, smart packaging, and recent enthusiastic development of RFID. The development of flexible batteries has become an essential challenge in providing adequate power to each device.
デバイスに応じて、これらの電池は、広範な用途を網羅するために、電流電子機器(V範囲)に適切であるだけでなく、μWhからkWhまでのエネルギーも有する電位を提供するべきである。しかしながら、これらの新しい用途は、電気的パラメータ以外にも、電池が可撓性で薄く、伸縮性で巻回可能、屈曲可能、かつ折り畳み可能であり、かつ微小領域及び広い領域を覆うことも必要とする。これらの特徴は、電極が、金属箔などの集電体上に印刷される典型的な電池設計において、かつコイン、円筒形、又は角柱状のセルなどの剛性エンクロージャに封入された電池に関して、達成することが困難である。 Depending on the device, these batteries should provide a potential that is not only suitable for current electronics (V range), but also has energy from μWh to kWh, to cover a wide range of applications. However, in addition to electrical parameters, these new applications also require the battery to be flexible, thin, stretchable, rollable, bendable, and foldable, and to cover small and large areas. And. These features are achieved in a typical battery design where the electrodes are printed on a current collector such as metal leaf, and for batteries enclosed in rigid enclosures such as coins, cylinders, or prismatic cells. It is difficult to do.
ナノ材料は、それらの周囲環境に対して極めて敏感であることが知られており、したがって、環境汚染、空間探索、国土安全保障、生物学、及び医薬を含む広範囲の領域のための新たな感知材料及びデバイスを開発する必要がある。着用可能なセンサ又はデバイスの用途の中でも、ヒトの生理学的状態のリアルタイム監視は、非常に重要である。この目的のために、着用可能デバイスの技術的要件を、それらがまた快適であり、可撓性であり、軽量であり、小型で、洗浄可能などの機械的特性と組み合わせる必要がある。したがって、電池の電力供給及びこの急速に浮上する着用可能デバイスの分野のための機械的支持を提供することのための新しい設計及び材料が必要とされる。 Nanomaterials are known to be extremely sensitive to their surroundings and are therefore new senses for a wide range of areas including environmental pollution, spatial exploration, homeland security, biology, and medicine. Materials and devices need to be developed. Among the applications of wearable sensors or devices, real-time monitoring of human physiology is of great importance. For this purpose, the technical requirements of wearable devices need to be combined with any mechanical properties that they are also comfortable, flexible, lightweight, small and washable. Therefore, new designs and materials are needed to provide battery power supply and mechanical support for the field of this rapidly emerging wearable device.
本開示は、可撓性電池と一体化された着用可能デバイスに関する。いくつかの実施形態では、本開示は、可撓性電池と、可撓性電池の包装層に取り付けられ、印刷され、及び/又は埋め込まれ、かつ可撓性電池によって給電される電子デバイスと、を備える着用可能デバイスに関する。いくつかの態様によれば、電子デバイスは、センサ、マイクロプロセッサ、無線通信/送信デバイス、回路基板、電子機器、及びこれらの混合物から選択される。 The present disclosure relates to a wearable device integrated with a flexible battery. In some embodiments, the present disclosure comprises a flexible battery and an electronic device attached to, printed, and / or embedded in the packaging layer of the flexible battery and powered by the flexible battery. With respect to wearable devices. According to some embodiments, the electronic device is selected from sensors, microprocessors, wireless communication / transmission devices, circuit boards, electronic devices, and mixtures thereof.
いくつかの態様では、可撓性電池の包装層は、着用可能デバイス又はセンサ用の支持基板を提供する。いくつかの実施形態では、センサは、心拍数センサ、呼吸数センサ、血圧センサ、血液酸素センサ、体温センサ、筋肉活動センサ、発作事象センサ、脳波測定(EEG)センサ、てんかん発症センサ、脳波センサ(ECG)センサ、筋電データ(EMG)センサ、皮膚電気活動(EDA)センサ、汚染物質センサ、運動センサ、及びこれらの混合物から選択することができる。いくつかの実施形態では、送信機は、1つ以上のセンサが閾値、例えば、低い体温を登録する場合、信号を送信することができる。 In some embodiments, the packaging layer of the flexible battery provides a support substrate for a wearable device or sensor. In some embodiments, the sensors are heart rate sensor, respiratory rate sensor, blood pressure sensor, blood oxygen sensor, body temperature sensor, muscle activity sensor, seizure event sensor, brain wave measurement (EEG) sensor, epilepsy onset sensor, brain wave sensor ( You can choose from ECG) sensors, myoelectric data (EMG) sensors, skin electrical activity (EDA) sensors, contaminant sensors, motion sensors, and mixtures thereof. In some embodiments, the transmitter is capable of transmitting a signal if one or more sensors register a threshold, eg, a low body temperature.
いくつかの実施形態では、包装層は、パウチセルであり、パウチセルは、カーボンナノチューブの三次元架橋ネットワーク内にアノード活性材料粒子を有するアノード複合材料を含むアノードと、カーボンナノチューブの三次元架橋ネットワーク内にカソード活性材料粒子を有するカソード複合材料を含むカソードと、アノードとカソードとの間の可撓性セパレータ膜と、を備える。いくつかの態様では、パウチセルは、ポリマーを含む。いくつかの態様では、可撓性電池は、平坦又は折り畳まれた構成においてパウチセルに封入され、例えば、可撓性電池は、包装層の内部で1回以上折り畳むことができる。いくつかの態様によれば、電子デバイス用の集積プラットフォームとして可撓性電池を有する電子デバイスを作製する方法が、本明細書に開示される。 In some embodiments, the packaging layer is a pouch cell, which is an anode comprising an anode composite material having anode active material particles within a three-dimensional cross-linking network of carbon nanotubes and within a three-dimensional cross-linking network of carbon nanotubes. It comprises a cathode comprising a cathode composite material having cathode active material particles and a flexible separator film between the anode and the cathode. In some embodiments, the pouch cell comprises a polymer. In some embodiments, the flexible battery is encapsulated in a pouch cell in a flat or folded configuration, for example, the flexible battery can be folded more than once inside the packaging layer. According to some aspects, a method of making an electronic device having a flexible battery as an integrated platform for the electronic device is disclosed herein.
本開示は、カーボンナノチューブの三次元架橋ネットワーク内にアノード活性材料(グラファイト、シリコンなど)粒子を有する複合材料を含むアノードと、カーボンナノチューブの三次元架橋ネットワーク内にカソード活性材料粒子を有する複合材料を含むカソードと、アノードとカソードとの間に位置決めされたセパレータと、を含む可撓性電池に関する。いくつかの態様では、電池は、集電体を含まない。いくつかの態様では、カソード、アノード、及びセパレータは、パウチセル内に充填される。このパウチセルのエンクロージャは、好適に可撓性である。いくつかの態様では、パウチセルは、ポリマーパウチセルであってもよい。いくつかの態様では、可撓性電池の包装材料は、必要なデバイスを取り付ける、印刷する、又は埋め込むための基板を提供する。いくつかの態様では、可撓性電池は、手首/足首バンド、ストラップ、又はパッチの形態で使用するように構成される。いくつかの態様によれば、着用可能デバイスは、動物又はヒトの肢、胴体、又は頭部に取り付けるように構成することができる。いくつかの態様では、センサによって収集されたデータは、車載プロセッサによって処理されるか、又は処理及び表示のためにモバイルデバイスに有線若しくは無線で送信される。いくつかの態様では、モバイルデバイスは、スマートフォンである。 The present disclosure includes an anode containing a composite material having anode active material (graphite, silicon, etc.) particles in a three-dimensional crosslinked network of carbon nanotubes, and a composite material having cathode active material particles in a three-dimensional crosslinked network of carbon nanotubes. With respect to a flexible battery comprising a cathode comprising and a separator positioned between the anode and the cathode. In some embodiments, the battery does not include a current collector. In some embodiments, the cathode, anode, and separator are filled in the pouch cell. The enclosure of this pouch cell is suitably flexible. In some embodiments, the pouch cell may be a polymer pouch cell. In some embodiments, the flexible battery packaging material provides a substrate for mounting, printing, or embedding the required device. In some embodiments, the flexible battery is configured for use in the form of a wrist / ankle band, strap, or patch. According to some embodiments, the wearable device can be configured to be attached to an animal or human limb, torso, or head. In some embodiments, the data collected by the sensor is processed by an in-vehicle processor or transmitted wired or wirelessly to a mobile device for processing and display. In some embodiments, the mobile device is a smartphone.
いくつかの実施形態では、1つ以上の電子デバイスは、可撓性包装材料の内側、可撓性包装材料の外側に位置決めされ、又は可撓性包装材料内に埋め込まれる。 In some embodiments, the one or more electronic devices are positioned inside the flexible packaging material, outside the flexible packaging material, or embedded within the flexible packaging material.
電池内の電極は、カソードのためのアルミニウム、又はアノードの銅などの集電箔によって支持されず、及び、崩れる、若しくははがれる可能性のある、結合剤を含有しなくてもよい。代わりに、電極は、自立型である。いかなる特定の理論にも束縛されるものではないが、カーボンナノチューブウェブの存在は、電極を自立及び可撓性にし、可撓性電極が、可撓性電池を生じさせる。本開示による電池は、矩形パウチセルにおいて、様々な電池軸に沿って広い範囲の湾曲、巻回、及び折り畳み(180°超の角度で)の下、良好に動作する。 The electrodes in the battery may not be supported by a current collector foil such as aluminum for the cathode or copper at the anode and may not contain a binder that may crumble or peel off. Instead, the electrodes are self-supporting. Without being bound by any particular theory, the presence of carbon nanotube webs makes the electrodes self-supporting and flexible, which gives rise to flexible batteries. The batteries according to the present disclosure work well in rectangular pouch cells under a wide range of curvatures, turns, and folds (at angles greater than 180 °) along various battery axes.
本明細書において使用される際、「可撓性」である電極は、亀裂又は破断なしに湾曲することができる。当業者には既知であるように、可撓性は、限定されるものではないが、組成及び圧縮度を含む、1つ以上の化学的及び/又は材料要因に依存し得る。 As used herein, electrodes that are "flexible" can be curved without cracking or breaking. As will be known to those of skill in the art, flexibility may depend on one or more chemical and / or material factors, including, but not limited to, composition and degree of compression.
いくつかの変形例では、本開示は、可撓性包装材料と、可撓性包装材料内に位置決めされた可撓性電池であって、可撓性電池が、電極を含み、電極が、カーボンナノチューブの三次元架橋ネットワーク内に活性材料粒子を含む複合材料を含む、可撓性電池と、可撓性電池によって給電される1つ以上の電子デバイスと、を備える、着用可能デバイスに関する。 In some variations, the present disclosure is a flexible packaging material and a flexible battery positioned within the flexible packaging material, wherein the flexible battery comprises an electrode and the electrode is carbon. It relates to a wearable device comprising a flexible battery comprising a composite material containing active material particles within a three-dimensional crosslinked network of nanotubes and one or more electronic devices powered by the flexible battery.
本明細書において使用される際、「約」という用語は、当業者によって理解されるように近いものと定義される。非限定的な一実施形態では、「約」という用語は、10%以内、好ましくは5%以内、より好ましくは1%以内、最も好ましくは0.5%以内であると定義される。 As used herein, the term "about" is defined as being close to being understood by one of ordinary skill in the art. In one non-limiting embodiment, the term "about" is defined to be within 10%, preferably within 5%, more preferably within 1%, and most preferably within 0.5%.
加えて、自立型電極の厚みは、押圧によって修正されてもよく、これは、全体的な厚みを、約4倍、約3倍、約2倍、約1.5倍、約1.1倍、又はこれらの間の任意の範囲など、全体的な厚みを5倍程減少させることができる。例えば、100μmの厚みを有する自立型電極は、50μmの厚み(すなわち、全体的な厚みを半分まで減少)に押圧されてもよく、又は500umの厚みを有する自立型電極は、100μmの厚み(すなわち、全体の厚みを5倍まで減少させる)に押圧することができる。いくつかの態様では、押圧は、全体的な厚みを半分まで減少させる。いくつかの態様では、押圧は、全体的な厚みを約1.1~約5倍まで低減させる。いくつかの態様では、押圧は、全体的な厚みを約1.5倍~約3倍まで低減させる。所与の材料に対する押圧の最適な程度及び/又は限界は、当業者によって判定され得る。好適には、押圧は、活性材料粒子/断片を実質的に破壊せず、すなわち、一般的なガイダンスとして、粒子又は断片の25%以下が損傷する。許容可能な粒子損傷の正確な割合は、異なる活性材料及び電極複合体の異なる配合のために変化してもよく、当業者によってそれぞれの場合において判定される必要がある。液体又はゲル電解質を有する電池に関して、好適には、十分な空隙が、有効電解質のアクセスのために押圧後、材料内にとどまり、すなわち、活性材料の各粒子又は断片の表面の少なくとも50%(好ましくは、表面の100%)が、電解質によって湿潤される。付加的に、空隙は、押圧後に好適に相互接続され、すなわち、アクセス不可能な空隙はない。一般的なガイドラインとして、押圧された材料の密度は、好適には、活性材料粉末の嵩密度よりも低くなければならない(より高い、活性材料の密度ではない、例えば、NMC(リチウムニッケルマンガンコバルト酸化物、LiNixMnyCozO2)粉末の場合、嵩密度は、約2.35g/cm3であり、一方でNMC自体の密度は、>3.5g/cm3である)。電極材料を、活性材料粉末の嵩密度に近づく又は超える密度に押圧することは、容易に亀裂し、もはや可撓性でなくてもよい電極材料をもたらし得る。 In addition, the thickness of the free-standing electrode may be modified by pressing, which increases the overall thickness by about 4 times, about 3 times, about 2 times, about 1.5 times, about 1.1 times. , Or any range between them, etc., can reduce the overall thickness by as much as 5 times. For example, a freestanding electrode with a thickness of 100 μm may be pressed to a thickness of 50 μm (ie, the overall thickness is reduced by half), or a freestanding electrode with a thickness of 500 um may be pressed to a thickness of 100 μm (ie, reduced in half). , The overall thickness is reduced up to 5 times). In some embodiments, pressing reduces the overall thickness by half. In some embodiments, pressing reduces the overall thickness by about 1.1 to about 5 times. In some embodiments, pressing reduces the overall thickness by about 1.5 to about 3 times. The optimum degree and / or limit of pressure on a given material can be determined by one of ordinary skill in the art. Preferably, the pressing does not substantially destroy the active material particles / fragments, i.e., as a general guidance, 25% or less of the particles or fragments are damaged. The exact rate of acceptable particle damage may vary due to different formulations of different active materials and electrode complexes and will need to be determined by one of ordinary skill in the art in each case. For batteries with a liquid or gel electrolyte, preferably sufficient voids remain within the material after being pressed for access to the effective electrolyte, i.e. at least 50% of the surface of each particle or fragment of the active material (preferably). 100% of the surface) is wetted by the electrolyte. Additionally, the voids are suitably interconnected after pressing, i.e., there are no inaccessible voids. As a general guideline, the density of the pressed material should preferably be lower than the bulk density of the active material powder (higher, not the density of the active material, eg NMC (lithium nickel manganese cobalt oxidation). In the case of the product, LiNi x Mn y Cobalt O 2 ) powder, the bulk density is about 2.35 g / cm 3 , while the density of NMC itself is> 3.5 g / cm 3 ). Pressing the electrode material to a density approaching or exceeding the bulk density of the active material powder can result in an electrode material that cracks easily and no longer needs to be flexible.
押圧は、本開示の態様による電池における可撓性、機械的強度、及び/又は電解質のアクセス性を改善することができる。押圧はまた、電極の密度を修正する。当該技術分野において既知である、電極を押圧するための好適な方法及び装置は、その全体が参照により本明細書に組み込まれる、2017年7月31日出願の、米国特許出願第15/665,171号、表題「Self-Standing Electrodes and Methods for Making Thereof」内に開示されているものに含まれるが、これらに限定されない。本開示の態様により、個々の電極は、押圧されてもよく、又はセパレータによって分離された複数の電極のアセンブリ全体が、パウチセルが存在する状態で、又は存在しない状態で集合的に押圧されてもよい。いくつかの態様では、押圧は、約1.1~約5倍、全体の厚みを減少させる。いくつかの態様では、押圧は、約1.5倍~約3倍、全体の厚みを減少させる。 Pressing can improve flexibility, mechanical strength, and / or electrolyte accessibility in batteries according to aspects of the present disclosure. Pressing also corrects the density of the electrodes. Suitable methods and devices for pressing electrodes known in the art are incorporated herein by reference in their entirety, U.S. Patent Application No. 15/665, filed July 31, 2017. 171 is included in, but not limited to, those disclosed in the title "Self-Standing Electrodes and Methods for Making Thereof". According to aspects of the present disclosure, individual electrodes may be pressed, or the entire assembly of multiple electrodes separated by a separator may be collectively pressed with or without a pouch cell. good. In some embodiments, pressing reduces the overall thickness by about 1.1 to about 5 times. In some embodiments, pressing reduces the overall thickness by about 1.5 to about 3 times.
当業者に既知であるように、押圧又は圧縮は、電池タブと複合体との間の電気的及び/又は機械的接触を改善することができ、また、複合体を機械的により強くすることもできる。しかしながら、過度に多い圧縮又は押圧は、電極の内側部分への電解質のアクセスを妨げ、電極内及び電極からの金属イオンの移動を複雑にし、それによって電池の動的特性を悪化させる場合がある。過度に多い圧縮はまた、剛性及び脆性の電極にもつながり得、亀裂及び崩壊を容易に形成することができ、これは、電池容量を低下させるか、又は完全に破壊する場合がある。代替的に、少なすぎる圧縮は、機械的に弱い電極材料につながる十分な接触、材料内の不十分な電気接点(及び、このため、材料のより低い導電率、並びに活性材料粒子からの非効率的な集電)、及び/又はナノチューブネットワーク内の活性材料粒子の不完全な機械的捕捉(これらは電解質によって無駄になり得る)を提供しない場合がある。不十分な押圧はまた、より多くの電解質が完全に湿潤することを必要とする、より厚い電極をもたらし、したがって、電池のエネルギー貯蔵密度を低下させる。加えて、過剰な押圧により、セパレータ膜に穿刺をもたらし得、これは望ましい結果ではない。加えて、ロール押圧機又はカレンダー加工機内のロール又はローラ間、平盤押圧のプレート間の距離を調節することが望ましい場合がある。電極に所望される特性に基づいて、最適な押圧厚みを判定することは、当業者の知識の範囲内である。本開示の電極及び/又は電池を押圧するための好適な装置は、限定されるものではないが、ローラミル及び油圧押圧を含む。 As is known to those of skill in the art, pressing or compression can improve electrical and / or mechanical contact between the battery tab and the complex, and can also mechanically make the complex stronger. can. However, excessive compression or pressing can impede the access of the electrolyte to the inner part of the electrode, complicating the movement of metal ions into and out of the electrode, thereby deteriorating the dynamic properties of the battery. Excessive compression can also lead to rigid and brittle electrodes, which can easily form cracks and collapses, which can reduce battery capacity or completely destroy it. Alternatively, too little compression leads to sufficient contact, mechanically weak electrode material, insufficient electrical contacts within the material (and thus lower conductivity of the material, and inefficiency from active material particles. (Current collection) and / or may not provide incomplete mechanical capture of active material particles in the nanotube network, which can be wasted by the electrolyte. Insufficient pressing also results in thicker electrodes that require more electrolyte to be completely moistened, thus reducing the energy storage density of the battery. In addition, excessive pressing can result in puncture of the separator membrane, which is not a desirable result. In addition, it may be desirable to adjust the distance between the rolls or rollers in the roll presser or calendar processing machine, and between the plates for flat plate pressing. Determining the optimum pressing thickness based on the desired properties of the electrode is within the knowledge of one of ordinary skill in the art. Suitable devices for pressing the electrodes and / or batteries of the present disclosure include, but are not limited to, roller mills and hydraulic pressing.
本明細書において使用される際、「電極活性材料」とは、電極内の金属(例えば、リチウム)をホスティングする材料を指す。「電極」という用語は、イオン及び電子が電解質及び外部回路と交換される電気導体を指す。「正極」及び「カソード」は、本明細書において同義的に使用され、電気化学セルにおいてより高い電極電位を有する電極(すなわち、負極よりも高い)を指す。「負極」及び「アノード」は、本明細書において同義的に使用され、電気化学セルにおいてより低い電極電位を有する電極(すなわち、正極よりも低い)を指す。カソードの還元は、化学種の電子(複数可)の獲得を指し、アノードの酸化は、化学種の電子(複数可)の損失を指す。 As used herein, "electrode active material" refers to a material that hosts a metal (eg, lithium) within an electrode. The term "electrode" refers to an electrical conductor in which ions and electrons are exchanged for electrolytes and external circuits. "Positive electrode" and "cathode" are used interchangeably herein to refer to an electrode having a higher electrode potential (ie, higher than a negative electrode) in an electrochemical cell. "Negative electrode" and "anode" are used interchangeably herein to refer to an electrode having a lower electrode potential (ie, lower than a positive electrode) in an electrochemical cell. Cathode reduction refers to the acquisition of a chemical species electron (s), and anode oxidation refers to the loss of a chemical species electron (s).
いくつかの態様により、電子デバイスのための着用可能な集積プラットフォームを作製する方法が、本明細書に開示され、本方法は、包装層を有する可撓性電池を提供することと、1つ以上の電子デバイスを包装層に埋め込むことと、印刷することと、及び/又は取り付けることと、1つ以上の電子デバイスを可撓性電池に電気的に接続することと、を含む。いくつかの実施形態では、電子デバイスを作製する方法が本明細書で開示され、可撓性電池包装内に印刷すること、埋め込みすること、取り付けること、又はこれらの組み合わせを含む方法によって電子デバイスを組み立てることと、可撓性電池包装を備える可撓性電池から電子デバイスに電力を提供して、電子デバイスを形成することと、を含む。 In some embodiments, a method of making a wearable integrated platform for an electronic device is disclosed herein, wherein the method provides a flexible battery with a packaging layer and one or more. Includes embedding an electronic device in a packaging layer, printing, and / or mounting, and electrically connecting one or more electronic devices to a flexible battery. In some embodiments, methods of making electronic devices are disclosed herein by printing, embedding, mounting, or combining electronic devices in flexible battery packaging. Includes assembling and powering the electronic device from the flexible battery with the flexible battery packaging to form the electronic device.
本開示によるリチウム金属酸化物中の金属は、限定されるものではないが、1つ以上のアルカリ金属、アルカリ土類金属、遷移金属、アルミニウム、又は後遷移金属、及びこれらの水和物を含むことができる。リチウム金属酸化物の非限定的な実施例は、Ni、Mn、Co、Al、Mg、Ti、及びこれらの任意の混合物のリチウム化酸化物を含む。例示的な実施例では、リチウム金属酸化物は、リチウムニッケルマンガンコバルト酸化物(LiNixMnyCozO2、x+y+z=1)、例えば、Li(Ni、Mn、Co)O2、Li-Ni-Mn-Co-O、(LiNiMnCoO2)である。リチウム金属酸化物粉末は、約1ナノメートル~約100ミクロン、又はそれらの間の任意の整数若しくは部分的な範囲の範囲内に画定される粒径を有することができる。非限定的な実施例では、リチウム金属酸化物粒子は、約1μm~約10μmの平均粒径を有する。 Metals in lithium metal oxides according to the present disclosure include, but are not limited to, one or more alkali metals, alkaline earth metals, transition metals, aluminum, or post-transition metals, and hydrates thereof. be able to. Non-limiting examples of lithium metal oxides include lithium oxides of Ni, Mn, Co, Al, Mg, Ti, and any mixture thereof. In an exemplary embodiment, the lithium metal oxide is a lithium nickel manganese cobalt oxide (LiNi x Mn y Co z O 2 , x + y + z = 1), such as Li (Ni, Mn, Co) O 2 , Li—Ni. -Mn-Co-O, (LiNiMnCoO 2 ). Lithium metal oxide powders can have particle sizes defined within about 1 nanometer to about 100 microns, or any integer or partial range between them. In a non-limiting example, the lithium metal oxide particles have an average particle size of about 1 μm to about 10 μm.
「アルカリ金属」は、リチウム、ナトリウム、カリウム、ルビジウム、セシウム、又はフランシウムなどの元素周期表のI族の金属である。 An "alkali metal" is a Group I metal of the Periodic Table of the Elements, such as lithium, sodium, potassium, rubidium, cesium, or francium.
「アルカリ土類金属」は、ベリリウム、マグネシウム、カルシウム、ストロンチウム、バリウム、又はラジウムなどの元素周期表のII族の金属である。 An "alkaline earth metal" is a Group II metal of the Periodic Table of the Elements, such as beryllium, magnesium, calcium, strontium, barium, or radium.
「遷移金属」は、ランタニド及びアクチニド系を含む、元素の周期表のDブロック中の金属である。遷移金属は、限定されるものではないが、スカンジウム、チタン、バナジウム、クロム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、銅、亜鉛、イットリウム、ジルコニウム、ニオブ、モリブデン、テクネチウム、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、銀、カドミウム、ランタン、セリウム、プラセオジム、ネオジム、プロメチウム、サマリウム、ユーロピウム、ガドリニウム、テルビウム、ジスプロシウム、ホルミウム、エルビウム、ツリウム、イッテルビウム、ルテチウム、ハフニウム、タンタル、タングステン、レニウム、オスミウム、イリジウム、白金、金、水銀、アクチニウム、トリウム、プロタチニウム、ウラン、ネプラニウム、プルトニウム、アメリシウム、キュリウム、バークリウム、カリホルニウム、アインスタイニウム、フェルミウム、メンデレビウム、ノーベリウム、及びローレンシウムを含む。 A "transition metal" is a metal in the D block of the Periodic Table of the Elements, including lanthanides and actinides. Transition metals include, but are not limited to, scandium, titanium, vanadium, chromium, manganese, iron, cobalt, nickel, copper, zinc, yttrium, zirconium, niobium, molybdenum, technetium, ruthenium, lawrencium, palladium, silver, Cadmium, lantern, cerium, placeodim, neodym, promethium, samarium, europium, gadrinium, terbium, dysprosium, formium, erbium, turium, itterbium, lutetium, hafnium, tantalum, tungsten, renium, osmium, iridium, platinum, gold, mercury, Includes actinium, terbium, protatinium, uranium, neplanium, plutonium, americium, curium, berkelium, californium, einsteinium, fermium, mendelevium, nobelium, and lawrencium.
「後遷移金属」は、限定されるものではないが、ガリウム、インジウム、スズ、タリウム、鉛、ビスマス、又はポロニウムを含む。 "Post-transition metals" include, but are not limited to, gallium, indium, tin, thallium, lead, bismuth, or polonium.
本明細書において使用される際、湾曲された、巻かれた、又は折り畳まれた構成の電池の充電-放電容量が、例えば、電池に接続されたデバイスの出力によって測定される際、電池の充電-放電容量が湾曲された、巻かれた、又は折り畳まれる前と実質的に同じである場合、電池は、湾曲された、巻かれた、又は折り畳まれた構成において「正常に動作する」。屈曲された、巻かれた、又は折り畳まれた容量は、0.1Cレートでの元の又は平坦な充電-放電容量の75%以内である場合、元の又は平坦な充電-放電容量と「実質的に同じ」である。当業者には既知のように、0.1、1、10、100など、「Cレート」(複数可)は、電池の特徴に作用するもの、の中で既知の技術用語である。本明細書において使用される際、「1Cレート」は、定放電電流が、電池全体を1時間放電させるか、又は定充電電流が、電池を1時間充電することを意味する。本明細書において使用される際、「0.1Cレート」は、電流が10倍小さいことを意味し、10時間で電池を充電/放電することを意味する。実際には、第1に、電池のA*h(又はmA*h)における「理論容量」は、電池内の活性材料の量及び材料の比容量に基づいて、計算される。次いで、所望の数の時間(1Cに対して1時間、0.2Cに対して5時間、0.1Cに対して10時間、10Cに対して0.1時間)で除し、充電/放電電流が、計算される。次いで、電池の充電容量又は放電容量は、この電流を用いて測定され、これが、そのCレートでの充電又は放電容量と呼ばれる。 When used herein, the charge-discharge capacity of a battery in a curved, rolled, or folded configuration is measured, for example, by the output of a device connected to the battery, the charge of the battery. -If the discharge capacity is substantially the same as before being curved, rolled or folded, the battery "operates normally" in a curved, rolled or folded configuration. The bent, rolled, or folded capacity is "substantially" the original or flat charge-discharge capacity if it is within 75% of the original or flat charge-discharge capacity at 0.1 C rate. Is the same. " As is known to those of skill in the art, "C rate" (s), such as 0.1, 1, 10, 100, are known technical terms among those that affect the characteristics of the battery. As used herein, "1C rate" means that a constant discharge current discharges the entire battery for 1 hour, or a constant charge current charges the battery for 1 hour. As used herein, "0.1 C rate" means that the current is 10 times smaller, meaning that the battery is charged / discharged in 10 hours. In practice, first, the "theoretical capacity" of the battery at A * h (or mA * h) is calculated based on the amount of active material in the battery and the specific capacity of the material. Then divide by the desired number of hours (1 hour for 1C, 5 hours for 0.2C, 10 hours for 0.1C, 0.1 hours for 10C) and charge / discharge current. Is calculated. The charge or discharge capacity of the battery is then measured using this current, which is called the charge or discharge capacity at its C rate.
いくつかの態様では、電池は、単一セル構成である。図1Aは、単一セル構成における、本開示による電池100の概略図を示す。いくつかのかかる態様では、第1の包装層101は、アノード層102に隣接し、これがセパレータ層103に隣接し、これがカソード層104に隣接し、これが第2の包装層101に隣接する。アノード層102及び/又はカソード層104は、電池タブ106のための取り付け点を含むように構成されてもよい。
In some embodiments, the battery is in a single cell configuration. FIG. 1A shows a schematic diagram of the
いくつかの態様では、電池は、マルチセル構成である。図1Bは、マルチセル構成における、本開示による電池110の概略図を示す。いくつかのかかる態様では、アノード102及びカソード104の複数の交互層は、セパレータ層103と包装層101との間に配置される。各アノード層102及び/又はカソード層104は、電池タブのための取り付け点を含むように構成されてもよい。アノード層102の場合、電池タブは、好適には銅タブ又は鉛105である。カソード層104の場合、電池タブは、好適にはアルミニウムタブ又は鉛106である。マルチセル構成では、マルチセルの内側部分内のいくつかの電極は、両側のセパレータ膜103に接触している(図1B、図3B)。マルチセル構成における電極層及びセパレータ層の数は、特に限定されず、任意選択の追加層111によって示されるように、マルチセル構成電池110は、図1Bに示されるよりも、付加的なアノード、カソード、及び/又はセパレータ層を含有してもよい。電池110は、いくつかの態様では、電池100と同様であってもよい。
In some embodiments, the battery is in a multi-cell configuration. FIG. 1B shows a schematic diagram of the
本開示による電極は、当業者に既知の任意の好適な手段により製造され得る。例えば、アノード及び/又はカソードは、2017年7月31日出願の、米国特許出願第15/665,171号、表題「Self-Standing Electrodes and Methods for Making Thereof」に開示されている方法及び装置を使用して調製されてもよい。埋め込まれたタブを有する自立型電極を作製する方法は、2018年9月6日出願の、米国特許出願第16/123,872号、表題「Method For Embedding A Battery Tab Attachment In A Self-Standing Electrode Without Current Collector Or Binder」に開示される。本開示に示されるタブ構成を作製する方法は、他の構成の中でも、2018年9月6日出願の、米国特許出願第16/123,935号、表題「Production Of Solely Carbon Nanotubes Supported Self-Standing Electrodes For Flexible Li-Ion Batteries」に開示される。前述の出願の各々の開示は、参照により本明細書に明示的に組み込まれる。本開示の方法において使用するのに好適なカーボンナノチューブは、単層ナノチューブ、少数層ナノチューブ、及び多層ナノチューブを含む。いくつかの態様では、カーボンナノチューブは、単層ナノチューブである。少数層ナノチューブ及び多層ナノチューブは、単層ナノチューブに対して使用されるものを含む、当業者に既知の任意の好適な方法及び装置を使用して合成、特徴付け、共堆積、及び収集することができる。 The electrodes according to the present disclosure can be manufactured by any suitable means known to those of skill in the art. For example, the anode and / or cathode refers to the methods and devices disclosed in US Patent Application No. 15 / 665,171, entitled "Self-Standing Electrodes and Methods for Making Theof," filed July 31, 2017. It may be prepared using. A method for making a self-supporting electrode with an embedded tab is described in US Patent Application No. 16 / 123,872, filed September 6, 2018, entitled "Method For Embedding A Battery Tab Attachment In A Self-Standing Electrode". Disclosed in "Without Patent Collector Or Binder". The method of making the tabbed configuration shown in the present disclosure is, among other things, the US Patent Application No. 16 / 123,935, entitled "Production Of Solly Carbon Nanotubes Supported Self-Standing," filed September 6, 2018. It is disclosed in "Electrodes For Flexible Li-Ion Batteries". Each disclosure of the aforementioned applications is expressly incorporated herein by reference. Suitable carbon nanotubes for use in the methods of the present disclosure include single-walled nanotubes, minority-walled nanotubes, and multi-walled nanotubes. In some embodiments, the carbon nanotubes are single-walled nanotubes. Minor-walled nanotubes and multi-walled nanotubes can be synthesized, characterized, co-deposited, and collected using any suitable method and apparatus known to those of skill in the art, including those used for single-walled nanotubes. can.
好適なセパレータ材料は、電池アノードとカソードとの間で使用するための当業者に既知のものを含んで、アノードとカソードとの間にバリアを提供する一方で、膜状バリア又はセパレータ膜などの、一方の側から他方への金属イオンの交換を可能にする。好適なセパレータ材料は、限定されるものではないが、ポリプロピレン、ポリエチレン、及びこれらの複合体、並びにPTFEなどのポリマーを含む。セパレータ膜は、金属イオンに対して透過性であり、カソード側からアノード側へと移動し、充電-放電サイクル中に戻ることを可能にする。しかし、セパレータ膜は、アノード及びカソード材料に対して不透過性であり、電池の混合、接触、及び短絡を防止する。セパレータ膜はまた、接触及び短絡を防止する、電池の金属部品(鉛、タブ、集電体、エンクロージャの金属部品など)のための電気絶縁体として機能する。セパレータ膜はまた、電解質の流れを防止する。 Suitable separator materials include those known to those of skill in the art for use between the battery anode and cathode, such as a membranous barrier or separator membrane, while providing a barrier between the anode and cathode. Allows the exchange of metal ions from one side to the other. Suitable separator materials include, but are not limited to, polypropylene, polyethylene, and composites thereof, as well as polymers such as PTFE. The separator membrane is permeable to metal ions, allowing it to move from the cathode side to the anode side and return during the charge-discharge cycle. However, the separator membrane is impermeable to the anode and cathode materials, preventing battery mixing, contact, and short circuits. The separator membrane also acts as an electrical insulator for the metal parts of the battery (lead, tabs, collectors, metal parts of the enclosure, etc.) that prevent contact and short circuit. The separator membrane also prevents the flow of electrolytes.
いくつかの態様では、セパレータは、我々の技術によって生成された2枚の比較的厚い(20~1000μm)多孔質電極シートの間の、薄い(15~25μm)ポリマー膜(3層複合体:ポリプロピレン-ポリエチレン-ポリプロピレン、市販)である。薄いポリマー膜は、15~25μmの厚みであってよい。2つの比較的厚い多孔質電極シートは、各々独立して、50~500μmの厚みであり得る。 In some embodiments, the separator is a thin (15-25 μm) polymer membrane (three-layer complex: polypropylene) between two relatively thick (20-1000 μm) porous electrode sheets produced by our technique. -Polyethylene-Polypropylene, commercially available). The thin polymer membrane may be 15-25 μm thick. The two relatively thick porous electrode sheets can each independently have a thickness of 50-500 μm.
ポリマーパウチセル内で使用されるポリマーは、例えば、外部環境から電気化学セルを保護するため、又は着用可能デバイス内で使用される可撓性電池の場合には、電気化学セルからユーザを保護するための、電気化学セル内での使用に好適な任意のポリマーであってもよい。当業者には既知のように、パウチセルは、電極及びセパレータ(複数可)を保持する外部包装材料、及び内部の電解質を指す。好適な材料は、ポリエチレン(ポリエチレン又はポリプロピレンコーティングされたアルミニウム:例えば、ポリアミド(JIS Z1714):0.025mm(+-0.0025mm)、接着剤(ポリエステル-ポリウレタン):4~5g/m2、アルミニウム箔(JIS A8079、A8021):0.040mm(+-0.004mm)、接着剤(ウレタンフリー接着剤):2-3g/m2、ポリプロピレン:0.040mm(+-0.004mm)を含む)、PTFE、PDMS、その他などの、当業者に既知のものを含む。本開示による電池は、当業者に既知のものを含む、任意の好適な方法を使用して組み立てることができる。 The polymer used in the polymer pouch cell protects the user from the electrochemical cell, for example, to protect the electrochemical cell from the external environment, or in the case of a flexible battery used in a wearable device. It may be any polymer suitable for use in an electrochemical cell for the purpose. As is known to those skilled in the art, a pouch cell refers to an external packaging material that holds electrodes and separators (s), and an internal electrolyte. Suitable materials are polyethylene (polyethylene or polypropylene coated aluminum: eg polyamide (JIS Z1714): 0.025 mm (+ -0.0025 mm), adhesive (polyurethane-polyurethane): 4-5 g / m2, aluminum foil. (JIS A8079, A8021): 0.040 mm (+ -0.004 mm), adhesive (urethane-free adhesive): 2-3 g / m2, polypropylene: 0.040 mm (+ -0.004 mm) including), PTFE , PDMS, etc., known to those of skill in the art. Batteries according to the present disclosure can be assembled using any suitable method, including those known to those of skill in the art.
電池タブは、本開示の態様によれば、電極、それぞれの電極の本体から延在して、セパレータ膜を越えて、他方の電極と重なり合わない突出部か、セパレータ膜及び対向する電極の切り欠き部におけるそれぞれの電極の本体と、のいずれかに取り付けることができる。好適な電池タブ材料及び取り付け方法は、当業者に既知のものを含む。本明細書に開示される電池タブは、集電体ではないことを理解されたい。 According to the aspects of the present disclosure, the battery tab extends from the electrode, the body of each electrode, extends beyond the separator membrane and does not overlap the other electrode, or the separator membrane and the opposite electrode are cut. It can be attached to any of the main bodies of each electrode in the notch. Suitable battery tab materials and mounting methods include those known to those of skill in the art. It should be understood that the battery tabs disclosed herein are not current collectors.
いくつかの態様では、本開示による電池は、完全に調製されたアノードと完全に調製されたカソードとの間に、更なる再押圧を行わずにセパレータを設置することによって組み立てられる。本明細書において使用される際、「完全に調製された」アノード又はカソードは、タブに押圧され、かつ取り付けられたものである。いくつかの態様では、本開示の態様による電池は、予備押圧されたアノードと予備押圧されたカソードとの間にセパレータを設置し、それらを全て共に押圧することによって組み立てられる。本明細書において使用される際、「予備押圧された」電極は、押圧されたものであるが、タブに取り付けられてもよく、又はタブに取り付けられなくてもよく、若しくはタブ取り付け部内に埋め込まれていてもよい。いくつかの態様では、電池は、1つの押圧されていない第1の電極(アノード又はカソード)と予備押圧された電極(アノード又はカソード)との間にセパレータを設置することによって組み立てることができ、アセンブリ全体は、共に押圧され得る。 In some embodiments, the battery according to the present disclosure is assembled by placing a separator between the fully prepared anode and the fully prepared cathode without further repressing. As used herein, the "fully prepared" anode or cathode is one that is pressed and attached to the tab. In some embodiments, the battery according to the embodiments of the present disclosure is assembled by placing a separator between the pre-pressed anode and the pre-pressed cathode and pressing them all together. As used herein, a "prepressed" electrode is pressed, but may or may not be attached to a tab, or is embedded within a tab attachment. It may be. In some embodiments, the battery can be assembled by placing a separator between one unpressed first electrode (anode or cathode) and the prepressed electrode (anode or cathode). The entire assembly can be pressed together.
好ましくは、セパレータに面する電極の表面上のカーボンナノチューブの濃度は、電極のバルク(0.5~10重量%のナノチューブ)におけるものよりも高い(5~100重量%のナノチューブ)一方、セパレータから離れた電極の表面上のカーボンナノチューブの濃度は、電極のバルク(図3)におけるものよりも低い(0~1重量%のナノチューブ)。約5%超のナノチューブを含む複合材料は、非常に粘着性であり、セパレータ膜及びステンレス鋼(ローラミルのローラが作製される典型的な材料である)、並びに多くの他の材料に付着するであろうことが当業者には考慮される。例えば、5%ナノチューブ、95%NMC(リチウムニッケルマンガンコバルト酸化物、LiNixMnyCozO2)(側に新たに作成された時)を含む複合材料は、ローラに非常によく付着し、複合材を引き裂くことなくローラから分離することが困難である。しかしながら、NMC粉末を「まぶされた」同じ材料は、任意の相当量でローラに付着することはないはずである。これらの「境界層」は、活性材料粒子/断片の平均サイズよりも2~5倍厚くてもよく、例えば、カソードに使用されるNMC粒子の場合、増加した又は減少したナノチューブ含有量を有する、約10μm、20~30μmの厚みの「境界層」の平均直径で十分であり得る。本開示の態様によれば、電極上又は電極内のカーボンナノチューブのこの分布は、電極のセパレータ膜への接着を促進する一方で、押圧装置のローラ及び他の要素(押圧された電極及び押圧された電池用)への接着を低減する。この分布は、電極材料の成長中に(例えば、合成の開始時の100%活性材料エアロゾル、97%活性材料エアロゾル、及び合成の大部分中の3%ナノチューブエアロゾル、及び合成終了中の100%ナノチューブエアロゾル)、ナノチューブエアロゾルの活性材料エアロゾル(複数可)に対する比(複数可)(すなわち、単位時間当たりに堆積されるナノチューブの重量の、同じ単位時間当たりに堆積される活性材料の重量に対する比)を変化させることによって達成され得る。例えば、本開示によれば、ナノチューブ合成反応器は、1時間当たり約2mgのエアロゾル化ナノチューブ(フリット/フィルタ上に堆積された量)を生成するように構成され得る。同じ設定では、NMC供給機は、1時間当たり約2~600mgのNMC粒子をエアロゾル化するように設定されてもよい(再び、同じフィルタ上に堆積された量)。したがって、NMC供給機の設定に応じて、50%ナノチューブ(2mg+2mg)~約0.3%ナノチューブ(2mg+600mg)を含有する材料を堆積させることが可能である。ナノチューブ反応器(NMC供給機オフ)のみを動作させると、100%ナノチューブ材料が生成され、一方でNMC供給機(ナノチューブ反応器オフ)のみを動作させると、0%ナノチューブ材料(NMC粉末)が生成される。成長中にナノチューブエアロゾル及び活性ナノチューブエアロゾル(複数可)の比率を変化させる好適な方法は、限定されるものではないが、2017年7月31日出願の、米国特許出願第15/665,171号、表題「Self-Standing Electrodes and Methods for Making Thereof」に開示されているものを含む。 Preferably, the concentration of carbon nanotubes on the surface of the electrode facing the separator is higher (5-100 wt% nanotubes) than in the electrode bulk (0.5-10 wt% nanotubes), while from the separator. The concentration of carbon nanotubes on the surface of the distant electrodes is lower than that in the bulk of the electrodes (FIG. 3) (0-1 wt% nanotubes). Composites containing more than about 5% nanotubes are very sticky and will adhere to separator membranes and stainless steel (typical materials from which rollers in roller mills are made), as well as many other materials. It will be considered by those skilled in the art. For example, composites containing 5% nanotubes, 95% NMC (lithium nickel manganese cobalt oxide, LiNi x Mn y Coz O 2 ) (when newly created on the side) adhere very well to the rollers. It is difficult to separate from the rollers without tearing the composite. However, the same material "sprinkled" with NMC powder should not adhere to the rollers in any significant amount. These "boundary layers" may be 2-5 times thicker than the average size of the active material particles / fragments, for example, in the case of NMC particles used for cathodes, with increased or decreased nanotube content. An average diameter of "boundary layer" with a thickness of about 10 μm, 20-30 μm may be sufficient. According to aspects of the present disclosure, this distribution of carbon nanotubes on or within the electrode facilitates adhesion of the electrode to the separator film, while the rollers and other elements of the pressing device (pressed electrode and pressed). Reduces adhesion to batteries). This distribution shows that during the growth of the electrode material (eg, 100% active material aerosol at the beginning of synthesis, 97% active material aerosol, and 3% nanotube aerosol in most of the synthesis, and 100% nanotube at the end of synthesis. Aerosol), ratio of nanotube aerosol to active material aerosol (s) (s) (ie, the ratio of the weight of nanotubes deposited per unit time to the weight of active material deposited per unit time) It can be achieved by changing. For example, according to the present disclosure, a nanotube synthesis reactor can be configured to produce about 2 mg of aerosolized nanotubes (amount deposited on a frit / filter) per hour. In the same setting, the NMC feeder may be configured to aerosolize about 2 to 600 mg of NMC particles per hour (again, the amount deposited on the same filter). Therefore, depending on the setting of the NMC feeder, it is possible to deposit a material containing 50% nanotubes (2 mg + 2 mg) to about 0.3% nanotubes (2 mg + 600 mg). Operating only the nanotube reactor (NMC feeder off) produces 100% nanotube material, while operating only the NMC feeder (NMHz reactor off) produces 0% nanotube material (NMC powder). Will be done. Suitable methods for varying the ratio of nanotube aerosols and active nanotube aerosols (s) during growth are, but are not limited to, US Patent Application No. 15 / 665,171 filed July 31, 2017. , Includes those disclosed in the title "Self-Standing Electrodes and Methods for Making Thereof".
電池は、任意のサイズ、すなわち、任意の長さ、幅、及び高さであってもよい。いくつかの態様では、電池の厚みは、0.01mm~10mmである。いくつかの態様では、長さ及び幅は、各々独立して0.1mm~10000mmである。 Batteries may be of any size, i.e., any length, width, and height. In some embodiments, the battery thickness is 0.01 mm to 10 mm. In some embodiments, the length and width are each independently from 0.1 mm to 10000 mm.
図2A及び図2Bは、本開示による電池を示す。完成したパウチ電池セルは、3×4cmの電極を含有する。電池の厚みは、3mmである。平坦な構成(図2A)では、電池200は、電子機器及び電子デバイスに電力を供給するように動作する。様々な角度及び様々な方向での複数の屈曲事例の後、電池200は、依然として電子デバイスに電力を供給することができる。巻かれた構成(図2B)において。電池200は、いくつかの態様では電池100と同様であってもよい。
2A and 2B show batteries according to the present disclosure. The completed pouch battery cell contains a 3 x 4 cm electrode. The thickness of the battery is 3 mm. In a flat configuration (FIG. 2A), the
図3Aに示される構成の電池300の場合、図3Bに示されるマルチセル構成における全電極(例えば、図3A内のアノード102及びカソード104)、並びに電池310の内側電極102及び104が、両側上でセパレータ膜103に接触し、電極の両面上で増加したナノチューブ含有量402を有することが有利である(すなわち、アノード102の両面上で、その両方がセパレータ膜103と接触し、カソード104の両面上で、その両方がセパレータ膜103と接触する)(図4A)。図4Aでは、電極の中心は、0.5~10重量%のナノチューブを含有する、電極材料401のバルクを含有する。電極中心からセパレータ膜103に向かって外向きに移動して、バンド402は、ナノチューブの5~100重量%など、ナノチューブ含有量が増加した電極材料を含有する。バンド402は、その外側縁部上のセパレータ膜103と接触し、セパレータ膜103は、方向405において、製造中に、バンド402に面する側面から離れて、ローラ又は押圧機に向かって面する側面に延在する。電池300及び310は、いくつかの態様において電池100と同様であってもよい。
In the case of the
図3A~図3Bと図1A~図1Bとの間の差は、余分なセパレータ膜層103が、セルの両方の外部側面上に追加されて(単一セル又はマルチセル構成の両方)、セルの機械的一体性を改善し、かつ包装に対するセルのより良好な摺動を可能にする。セパレータ膜103のこの余分な層は、組み立てられたセルの周囲に巻き付けられ得る。図3A及び図3B(単一セル又はマルチセル構成の両方)で示される電池の全ての電極は、図4Aで示される構成内にあり、一方で図1A~図1Bで示される電池の外側電極は、図4Bで示される構成内にあるはずである。図4Bでは、セパレータ膜103の外面は、ローラ又は押圧に向かって方向405に面し、内面は、電極のバンド402に面し、これは5~100重量%のナノチューブなどの増加したナノチューブ含有量を有する。バンド402にわたって内向きに続いて、バンド402の反対面は、0.5~10重量%のナノチューブを含有する、バルク電極材料401の領域に面する。バルク電極材料401の領域の反対面は、順に、0~1重量%のナノチューブを含有する、低減されたナノチューブ含有量404の領域に面する。更に内側に移動して、低減されたナノチューブ含有量404の領域の反対面は、ローラ又は押圧に向かって方向405において内側に面する。
The difference between FIGS. 3A-3B and 1A-1B is that an extra
本開示によるセルアセンブリ(すなわち、単一セル構成におけるアノード、セパレータ、及びカソード、又はマルチセル構成におけるセパレータ層の交互層、1つ以上のアノード、1つ以上のセパレータ、及び1つ以上のカソード)は、平坦に(すなわち、図1A、図1B、及び図2Aに示されるように)又はパウチセル内に封入される前に1回以上折り畳まれるいずれかで(図5に示されるように)、パウチセル内に封入されてもよい。パウチセル電池500では、セパレータ膜103、アノード102、セパレータ膜103、カソード1~4、及びセパレータ膜103の層を含有する電池は、包装層101で作製されたパウチセルによって封入される前に1回以上折り畳まれる。電解質107もまた、封入中にパウチセル内に好適に含まれる。アノード層102及びカソード層104は、各々、電池タブのための取り付け点を含むように構成されてもよい。アノード層102の場合、電池タブは、好適には銅タブ又は鉛105である。カソード層104の場合、電池タブは、好適にはアルミニウムタブ又は鉛106である。電池500は、いくつかの態様では電池100と同様であってもよい。
Cell assemblies according to the present disclosure (ie, alternating layers of anodes, separators and cathodes in a single cell configuration, or separator layers in a multi-cell configuration, one or more anodes, one or more separators, and one or more cathodes). In the pouch cell, either flat (ie, as shown in FIGS. 1A, 1B, and 2A) or folded one or more times before being encapsulated in the pouch cell (as shown in FIG. 5). It may be enclosed in. In the
前の折り畳み後の包装層101などのパウチセル内への封入は、電池容量を増加させることができるが、また電池の可撓性も低減させ得る。折り畳まれた構成では、付加的なセパレータ膜が、電極が互いに接触することを防止する(又はそれらの電気リードのいずれかが互いに接触するのを防止する)ために、必要とされ得る。いくつかのかかる態様では、マルチセル構成が、図3A~図3B、部分的に:セパレータ103、アノード102、セパレータ103、カソード104、セパレータ103、に示されるように交互になるように、セパレータ膜の1つ又は2つの余分な層を含むことが有益であり得る。かかるアセンブリは、図5に示される折り畳まれた構成を単純化するだけでなく、電池を機械的により強くし、それが付加的な湾曲、折り畳み、巻回、屈曲、及び/又は摩耗並びに引き裂きに耐えることを可能にし、追加されたセパレータ層が、セルアセンブリをパウチセルに摺動させるのを容易にするので、更に重要なことに、電池アセンブリが、互いに対するセル構成要素の最小限の移動を伴い、湾曲、折り畳み、屈曲、などの間に、包装/封入に対応して全体として摺動することを可能にする。かかる内部セル構成要素の互いに対する移動は、セル性能に悪影響を及ぼす可能性がある。電極(カソード又はアノード、若しくは両方)材料に対するこの構成は、両面、すなわちセパレータ膜に接触する電極の両面にナノチューブ濃度を増加させることが好ましい。電極面におけるナノチューブの濃度が増加すると、電極は、セパレータ膜の両方に良好に付着し、それによってセパレータ膜(複数可)のみがローラ又は他の装置に触れるので、5層セルアセンブリ全体の組み立て及び/又は押圧を容易にする。1つの余分なセパレータ膜のみが使用される場合、セパレータ膜に接触しないか又はセパレータ膜に面する電極材料面は、セパレータ膜に接触していない面上に低減されたナノチューブ含有量を好ましくは有する。
Encapsulation in a pouch cell, such as the
一実施形態では、本開示の可撓性電池は、着用可能センサ又はデバイスのための電源だけでなく、電子デバイス、例えばセンサの集積のためのプラットフォームもまた提供する。具体的には、可撓性電池の包装層101の表面は、電子デバイスを取り付ける、印刷する、及び/又は埋め込むための基板として使用される。好適な電子デバイスの実施例は、様々なタイプのセンサ、マイクロプロセッサ、無線通信デバイス/送信デバイス(例えば、アンテナ)、回路基板、及び他の電子機器(例えば、加速度計、ジャイロスコープ)を含む。好適なセンサの実施例は、心拍数、呼吸数、血圧、血液酸素飽和、体温、筋肉活動、発作事象、脳波測定(EEG)、てんかん発症、脳波(ECG)、筋電データ(EMG)、及び皮膚電気活動(EDA)を検出するためのものを含む。好適なセンサの付加的な実施例は、汚染物質の濃度及び物体の移動を監視するためのものを含む。一実施形態では、可撓性電池と一体化された着用可能デバイスは、環境汚染、空間探索、国土安全保障、生物学、及び医療を監視することを含む広範な用途を有する。着用可能センサ/デバイスの好ましい用途のうちの1つは、ヒト生理的パラメータのリアルタイム監視である。
In one embodiment, the flexible batteries of the present disclosure provide not only a power source for a wearable sensor or device, but also a platform for the integration of electronic devices such as sensors. Specifically, the surface of the
図6は、可撓性電池2、及び一体化電子デバイス1を備える着用可能デバイスを示す。可撓性電池2は、図2Bの電池200と同様である。任意選択的に示される、3及び4は、導電性電池タブとして電力供給デバイスのためのアタッチメントであり得る。図6の電子デバイス1は、複数のセンサ5、回路基板/電子機器6、マイクロプロセッサ7、及びアンテナ8を備える。図6の構成要素1~8は、例示目的のみのためであり、単一の好ましい実施形態に限定されることを意図するものではない。例えば、構成要素5~8は、電子デバイス1内に個別に埋め込まれてもよく、又は任意の有用な組み合わせで共に一体化されて、特定の目的のためにセンサ複合体を形成することができる。マイクロプロセッサの集積は、様々なタイプのセンサによって収集されたデータのオンボード処理を可能にする。代替的に、センサによって収集されたデータは、アンテナを介して、スマートフォンなどの別個のモバイル処理デバイス上で実行されているAPPにアップロードすることができる。モバイル処理デバイスは、収集されたデータの高速計算及び同時表示を可能にする。更に、センサ複合体の構造に応じて、モバイルデバイスによる車載処理及びリモート処理の両方を同時に実行することができる。
FIG. 6 shows a wearable device comprising a
携帯時計などのいくつかの一般的な市販の着用可能デバイスと比較して、可撓性電池と一体化された本着用可能デバイスは、ヒトの生理学的状態のリアルタイム監視における明確な利点を示す。基板としての可撓性電池は、包装層に埋め込まれたセンサ及び他の電子機器に電力を直接提供し、別個の電源を必要としない。基板としての可撓性電池は、多数の埋め込まれたセンサ及び非常に大きな接触領域を生成する他の電子機器のための十分なスペースを更に提供し、その一方で、腕時計は、単一のスポットに近くない場合は、全てを一体化するために比較的限られた空間を有し、センサの接触領域もまた限定される。本着用可能デバイスによって示されるような大きな接触領域を有するより多くのセンサは、生理学的パラメータのより正確かつより迅速な読み取りをもたらすであろう。可撓性電池は、ストラップ、手首バンド、及びパッチなどの多くの形態を取り得る。したがって、可撓性電池と一体化された本着用可能デバイスは、必要に応じて手首/足首バンド又はストラップなどの、人又は動物の肢部に取り付けることができ、ストラップ又はパッチとして胴体又は頭部に取り付けることができる。このようにして、本着用可能デバイスは、より正確かつより迅速な生理学的パラメータの読み取り値を得るために、動物又はヒトなどの対象者の最も望ましい場所に配置されてもよい。 Compared to some popular commercially available wearable devices such as mobile watches, this wearable device integrated with a flexible battery shows a clear advantage in real-time monitoring of human physiology. Flexible batteries as substrates provide power directly to sensors and other electronic devices embedded in the packaging layer and do not require a separate power source. The flexible battery as a substrate further provides ample space for a large number of embedded sensors and other electronic devices that generate very large contact areas, while the wristwatch is a single spot. If it is not close to, it has a relatively limited space to integrate everything and the contact area of the sensor is also limited. More sensors with larger contact areas as indicated by this wearable device will result in more accurate and faster reading of physiological parameters. Flexible batteries can take many forms such as straps, wrist bands, and patches. Thus, the wearable device integrated with the flexible battery can be attached to human or animal limbs, such as wrist / ankle bands or straps, as needed, and the torso or head as straps or patches. Can be attached to. In this way, the wearable device may be placed in the most desirable location of the subject, such as an animal or human, in order to obtain more accurate and faster readings of physiological parameters.
図6の構成要素5~8の寸法は、数ミクロン~数ミリメートルの範囲である。埋め込まれたセンサ及び電子部品の小さいフットプリントにより、可撓性電池と一体化された本着用可能デバイスは、着用に快適であり、可撓性、軽量、小型、及び洗浄可能である。 The dimensions of the components 5-8 in FIG. 6 range from a few microns to a few millimeters. With an embedded sensor and a small footprint of electronic components, this wearable device integrated with a flexible battery is comfortable to wear, flexible, lightweight, compact, and washable.
本明細書の説明は、好ましい実施形態を含む、本発明を開示するための実施例を使用し、当業者が、任意のデバイス又はシステムを作製及び使用し、任意の組み込まれた方法を実施することを含む、本発明を実施することを可能にする。本発明の特許請求の範囲は、特許請求の範囲によって定義され、当業者に生じる他の実施例を含んでもよい。かかる他の例は、請求項の文字通りの言語とは異ならない構造要素を有する場合、又は請求項の文字通りの言語と実質的に差がない等価な構造要素を含む場合、請求項の範囲内であることが意図される。記載される様々な実施形態からの態様、並びにかかる態様ごとに他の既知の等価物は、当業者によって、混合され、一致されて、本出願の原理により、付加的な実施形態及び技術を構築することができる。 The description herein uses embodiments to disclose the invention, including preferred embodiments, in which one of ordinary skill in the art will make and use any device or system and implement any incorporated method. It makes it possible to carry out the present invention including the above. The scope of claims of the present invention is defined by the scope of claims and may include other embodiments arising from those skilled in the art. Such other examples are within the scope of the claim if they have structural elements that are not different from the literal language of the claim, or if they contain equivalent structural elements that are not substantially different from the literal language of the claim. It is intended to be. Aspects from the various embodiments described, as well as other known equivalents for each such embodiment, have been mixed and matched by one of ordinary skill in the art to construct additional embodiments and techniques according to the principles of the present application. can do.
本明細書に記載の態様は、上記で概説した例示的な態様と併せて説明されてきたが、既知であるか、又は現在予期されないものであるかに関わらず、少なくとも当業者には、様々な代替物、修正、変形、改善、及び/又は実質的な等価物が明らかとなり得る。したがって、上記の例示的な態様は、限定するのではなく、例示的であることが意図される。本開示の趣旨及び範囲から逸脱することなく、様々な変更を行うことができる。したがって、本開示は、全ての既知の、又は今後開発される代替物、修正、変形、改善、及び/又は実質的な等価物を包含することを意図する。 The embodiments described herein have been described in conjunction with the exemplary embodiments outlined above, but will vary, at least to those of skill in the art, whether known or currently unexpected. Alternatives, modifications, modifications, improvements, and / or substantial equivalents may be apparent. Therefore, the above exemplary embodiments are intended to be exemplary rather than limiting. Various changes may be made without departing from the spirit and scope of this disclosure. Accordingly, the present disclosure is intended to include all known or upcoming alternatives, modifications, modifications, improvements, and / or substantial equivalents.
いくつかの態様によれば、可撓性電池アセンブリが、本明細書に開示され、包装層を有する可撓性電池と、可撓性電池が、電子デバイスに電力を提供するように、包装層内に埋め込まれ、取り付けられ、及び/又は印刷された電子デバイスと、を備える。可撓性電池アセンブリは、ユーザによって着用可能であるように構成することができる。非限定的な例では、可撓性電池は、動物又はヒトの肢、胴体、又は頭部への取り付けのために動作可能な形状であり得る。可撓性電池アセンブリは、手首バンド、足首バンド、頭部バンド、ストラップ、ヘッドフォン、靴、パッチ、プロテーゼ、衣類、帽子、補聴器、及びこれらの組み合わせの形態であり得る。例えば、電子デバイスは、センサ、プロセッサ、無線通信/送信デバイス、回路基板、発電デバイス(例えば、太陽電池、ナノ発電機、熱電発電機、発電機)、電子機器、GPS、ディスプレイ、及びこれらの組み合わせを含むことができる。いくつかの実施形態では、電子デバイスは、可撓性電池の包装層に取り付け可能かつ取り外し可能であり得る。例えば、センサは、心拍数センサ、呼吸器数センサ、血圧センサ、血液酸素センサ、体温センサ、筋肉活動センサ、発作事象センサ、脳波測定(EEG)センサ、てんかん発症センサ、脳波センサ(ECG)センサ、筋電データ(EMG)センサ、皮膚電気活動(EDA)センサ、汚染物質センサ、運動センサ、及びこれらの組み合わせを備えることができ、センサは、データを提供するように動作可能であり得、データは、電子デバイスから送信される。いくつかの実施形態では、センサは、センサのうちの1つ以上と通信する緊急送信機を更に備えることができ、緊急送信機は、センサのうちの1つ以上が閾測定値、例えば、発作事象閾値、低体温閾値、又は低心拍数閾値に達した場合、信号を送信するように動作可能である。 According to some embodiments, a flexible battery assembly is disclosed herein, a flexible battery having a packaging layer, and a packaging layer such that the flexible battery powers an electronic device. It comprises an electronic device embedded, attached, and / or printed within. The flexible battery assembly can be configured to be wearable by the user. In a non-limiting example, the flexible battery may be in an operable shape for attachment to an animal or human limb, torso, or head. Flexible battery assemblies can be in the form of wrist bands, ankle bands, head bands, straps, headphones, shoes, patches, prostheses, clothing, hats, hearing aids, and combinations thereof. For example, electronic devices include sensors, processors, wireless communication / transmission devices, circuit boards, power generation devices (eg, solar cells, nanogenerators, thermoelectric generators, generators), electronic devices, GPS, displays, and combinations thereof. Can be included. In some embodiments, the electronic device may be attachable and removable to the packaging layer of the flexible battery. For example, the sensors include heart rate sensor, respiratory count sensor, blood pressure sensor, blood oxygen sensor, body temperature sensor, muscle activity sensor, seizure event sensor, brain wave measurement (EEG) sensor, epilepsy onset sensor, brain wave sensor (ECG) sensor, Myoelectric data (EMG) sensors, cutaneous electrical activity (EDA) sensors, contaminant sensors, motion sensors, and combinations thereof can be provided, the sensors can be operational to provide data, and the data , Sent from the electronic device. In some embodiments, the sensor may further comprise an emergency transmitter that communicates with one or more of the sensors, the emergency transmitter having one or more of the sensors a threshold measurement, eg, a seizure. When the event threshold, hypothermia threshold, or low heart rate threshold is reached, it can behave to send a signal.
いくつかの実施形態では、電子デバイス用の集積プラットフォームとしての可撓性電池は、別の電池用の集積プラットフォームを提供する。 In some embodiments, the flexible battery as an integrated platform for an electronic device provides an integrated platform for another battery.
したがって、「特許請求の範囲」は、本明細書に示される態様に限定されることを意図するものではなく、「特許請求の範囲」の言語に整合する全範囲に一致するものであり、単数の要素への言及は、具体的に記載されない限り、「唯一」ではなく、「1つ以上」を意味することを意図する。当業者に既知である、又は今後既知となる、本開示全体を通して記載される様々な態様の要素の全ての構造的及び機能的等価物は、参照により本明細書に明示的に組み込まれ、「特許請求の範囲」に包含されることを意図する。更に、本明細書に開示するいかなることも、かかる開示が「特許請求の範囲」に明示的に記載されているかどうかにかかわらず、公に供することを意図しない。要素が、「ための手段(means for)」という句を使用して明示的に列挙されていない限り、いかなる請求項要素も、手段及び機能として解釈されない。 Accordingly, "Claims" is not intended to be limited to the embodiments set forth herein, but is consistent with the entire scope of the "Claims" language and is singular. References to the elements of are intended to mean "one or more" rather than "unique" unless specifically stated. All structural and functional equivalents of the various aspects of the elements described throughout this disclosure that are known to or will be known to those of skill in the art are expressly incorporated herein by reference and ". It is intended to be included in the scope of claims. Moreover, nothing disclosed herein is intended to be made public, whether or not such disclosure is expressly stated in the "Claims". No claim element is to be construed as a means and a function unless the elements are explicitly listed using the phrase "means for".
更に、「実施例」という語は、本明細書では、「実施例又は実例(example,instance,or illustration)としての役割を果たす」ことを意味する。本明細書で「実施例」として記載される全ての態様は、必ずしも他の態様よりも好ましい又は有利であると解釈されるべきではない。特に明記しない限り、「いくつか」という用語は、1つ以上を指す。「A、B、又はCのうちの少なくとも1つ」、「A、B、及びCのうちの少なくとも1つ」、及び「A、B、C、又はこれらの任意の組み合わせ」などの組み合わせは、A、B、及び/又はCの任意の組み合わせを含み、Aの倍数、Bの倍数、又はCの倍数を含んでよい。具体的に、「A、B、又はCのうちの少なくとも1つ」、「A、B、及びCのうちの少なくとも1つ」、及び「A、B、C、又はこれらの任意の組み合わせ」などの組み合わせは、Aのみ、Bのみ、Cのみ、A及びB、A及びC、B及びC、又はA及びB及びCであってもよく、任意のかかる組み合わせは、A、B、又はCのうちの1つ以上の部材、若しくは複数の部材を含有し得る。本明細書に開示するいかなることも、かかる開示が「特許請求の範囲」に明示的に記載されているかどうかにかかわらず、公に供することを意図しない。 Further, the term "example" means "as an example, instance, or illustration" herein. All embodiments described herein as "Examples" should not necessarily be construed as preferred or advantageous over other embodiments. Unless otherwise stated, the term "several" refers to one or more. Combinations such as "at least one of A, B, or C", "at least one of A, B, and C", and "A, B, C, or any combination thereof" are It may include any combination of A, B, and / or C and may include a multiple of A, a multiple of B, or a multiple of C. Specifically, "at least one of A, B, or C", "at least one of A, B, and C", and "A, B, C, or any combination thereof" and the like. The combination may be A only, B only, C only, A and B, A and C, B and C, or A and B and C, and any such combination may be of A, B, or C. It may contain one or more of the members, or a plurality of members. Nothing disclosed herein is intended to be made public, whether or not such disclosure is expressly stated in the "Claims".
以下の実施例は、本発明の製造方法及び使用方法の完全な開示及び説明を当業者に提供するために記載されており、発明者らが発明とみなす範囲を限定することを意図するものではなく、以下の実験が実施される全て又は唯一の実験であることを表すことを意図するものではない。使用される数(例えば、量、寸法など)に対する精度を確保する努力がなされてきたが、いくつかの実験誤差及び偏差を考慮するべきである。 The following examples are provided to provide those skilled in the art with complete disclosure and description of the methods of manufacture and use of the invention and are not intended to limit the scope of what the inventors consider to be inventions. It is not intended to represent that the following experiments are all or the only experiments performed. Efforts have been made to ensure accuracy for the numbers used (eg quantities, dimensions, etc.), but some experimental errors and deviations should be considered.
更に、本出願全体にわたる全ての参考文献、例えば、発行された又は付与された特許又は等価物を含む特許文書、特許出願公開、及び非特許文献文書、又は他の資料材料は、本明細書では、参照により個々に組み込まれているように、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。 In addition, all references throughout this application, such as patent documents, including issued or granted patents or equivalents, publications of patent applications, and non-patent literature documents, or other material, are described herein. , Are incorporated herein by reference in their entirety, just as they are incorporated individually by reference.
上記に開示された及び他の特徴並びに機能又はこれらの代替物若しくは変形の様々な実装が、望ましくは多くの他の異なるシステム又はアプリケーションに組み合わされ得ることが理解されるであろう。また、当業者であれば、添付の特許請求の範囲によって包含されることも意図される、現在予測又は予期されていない様々な代替、修正、変形、又は改良を今後行うことができる。 It will be appreciated that various implementations of the above-disclosed and other features and functions or alternatives or variants thereof can preferably be combined with many other different systems or applications. Also, one of ordinary skill in the art may make various currently predicted or unexpected alternatives, modifications, modifications, or improvements that are intended to be covered by the appended claims.
本開示に特徴的であると考えられる新規な特徴は、添付の特許請求の範囲に記載される。以下の説明において、明細書及び図面を通して、同様の部分にはそれぞれ同一の符号を付す。図面は必ずしも縮尺どおりに描画されておらず、明確性及び簡潔さのために、特定の図面は、誇張された又は一般化された形態で示され得る。しかしながら、本開示自体、並びにその好ましい使用形態、更なる目的及び進歩は、添付図面と併せて読むと、本開示の例示的な態様の以下の詳細な説明を参照することによって、最も良く理解されるであろう。 New features that are believed to be characteristic of this disclosure are set forth in the appended claims. In the following description, similar parts are designated by the same reference numerals throughout the specification and drawings. The drawings are not necessarily drawn to scale and, for clarity and brevity, certain drawings may be shown in exaggerated or generalized form. However, the present disclosure itself, as well as its preferred embodiments, further objectives and advances, are best understood by reference to the following detailed description of the exemplary embodiments of the present disclosure, when read in conjunction with the accompanying drawings. Will be.
Claims (16)
包装層を有する可撓性電池と、
電子デバイスであって、前記電子デバイスは、前記可撓性電池が、前記電子デバイスに電力を提供するように、前記包装層内に埋め込まれている、電子デバイスと、を備える、可撓性電池アセンブリ。 Flexible battery assembly
A flexible battery with a packaging layer and
An electronic device, wherein the electronic device comprises an electronic device that is embedded in the packaging layer so that the flexible battery provides power to the electronic device. assembly.
カーボンナノチューブの三次元架橋ネットワーク内にアノード活性材料粒子を有するアノード複合材料を含むアノードと、
カーボンナノチューブの三次元架橋ネットワーク内にカソード活性材料粒子を有するカソード複合材料を含むカソードと、
前記アノードと前記カソードとの間の可撓性セパレータ膜と、を備える、請求項1に記載の可撓性電池アセンブリ。 The packaging layer is a pouch cell, and the pouch cell is
An anode containing an anode composite with anode active material particles within a three-dimensional crosslinked network of carbon nanotubes,
A cathode containing a cathode composite with cathode active material particles within a three-dimensional crosslinked network of carbon nanotubes,
The flexible battery assembly according to claim 1, comprising a flexible separator membrane between the anode and the cathode.
1つ以上の電子デバイスを、前記包装層内に埋め込むことと、
前記1つ以上の電子デバイスを前記可撓性電池に電気的に接続することと、を含む、方法。 A method of making a wearable integrated platform for electronic devices to provide a flexible battery with a packaging layer.
Embedding one or more electronic devices in the packaging layer
A method comprising electrically connecting the one or more electronic devices to the flexible battery.
可撓性電池包装層内に埋め込むことを含む方法によって、電子デバイスを組み立てることと、
前記可撓性電池包装層を備える可撓性電池から前記電子デバイスに電力を供給して、電子デバイスを形成することと、を含む、方法。 A method of making electronic devices
Assembling electronic devices by methods, including embedding in a flexible battery packaging layer ,
A method comprising supplying power to an electronic device from a flexible battery comprising the flexible battery packaging layer to form the electronic device.
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