TW201401630A - 增加用於可攜式電子裝置之電池組電池之能量密度 - Google Patents

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Abstract

所揭示之實施例係關於一電池組電池之製造。該電池組電池包括層之一集合，該等層包括一陰極及一陽極。該陰極包括具有在8至10微米範圍內之一厚度的一陰極基板及一陰極活性材料。該陽極包括具有在4至6微米範圍內之一厚度的一陽極基板及一陽極活性材料。該陰極活性材料係以2mm/min至3mm/min之一速率塗佈在該陰極基板上，且該陽極活性材料係以2mm/min至3.8mm/min之一速率塗佈在該陽極基板上。此等基板厚度及塗佈速度可相較於具有較厚陰極基板及陽極基板之習知電池組電池的能量密度增加該電池組電池之能量密度，同時避免與在電池組電池中使用較薄基板相關聯的製造缺陷。

Description

增加用於可攜式電子裝置之電池組電池之能量密度
所揭示之實施例係關於用於可攜式電子裝置之電池組。更特定言之，所揭示之實施例係關於用於增加用於可攜式電子裝置之電池組電池之能量密度的技術。
可再充電電池組目前用以向多種可攜式電子裝置提供電力，該等可攜式電子裝置包括膝上型電腦、平板型電腦、行動電話、個人數位助理(PDA)、數位音樂播放器及無線電動工具。最通常使用之類型的可再充電電池組為鋰電池組，其可包括鋰離子或鋰聚合物電池組。
鋰聚合物電池組經常包括封裝在可撓性袋狀物中之電池。此等袋狀物通常為輕量型的且製造成本低廉。此外，此等袋狀物可經裁剪成各種電池尺寸，從而允許鋰聚合物電池組用於諸如行動電話、膝上型電腦及/或數位相機之空間受約束的可攜式電子裝置中。舉例而言，鋰聚合物電池組電池可藉由將軋製電極及電解質封閉在鍍鋁層疊式袋狀物中來達成90%至95%之封裝效率。多個袋狀物可接著被並排置放在可攜式電子裝置內，且串聯及/或並聯電耦接以形成用於可攜式電子裝置之電池組。因此，可藉由與封裝效率、容量、外觀尺寸、設計及/或含有鋰聚合物電池組電池之電池包之製造相關的改良而促進可攜式電子裝置之使用。
所揭示之實施例係關於一電池組電池之製造。該電池組電池包括層之一集合，該等層包括一陰極及一陽極。該陰極包括具有在8至10微米範圍內之一厚度的一陰極基板及一陰極活性材料。該陽極包括具有在4至6微米範圍內之一厚度的一陽極基板及一陽極活性材料。該陰極活性材料係以2mm/min至3mm/min之一速率塗佈在該陰極基板上，且該陽極活性材料係以2mm/min至3.8mm/min之一速率塗佈在該陽極基板上。此等基板厚度及塗佈速度可相較於具有較厚陰極基板及陽極基板之一習知電池組電池的能量密度及/或充電電流增加該電池組電池之能量密度及/或充電電流，而不產生與在電池組電池中使用較薄陰極基板及陽極基板相關聯的製造缺陷及/或不減少該電池組電池之循環壽命。
在一些實施例中，該電池組電池中之層的該集合亦包括一分離器。在該電池組電池之製造期間，可捲繞該陰極、該陽極及該分離器以產生一層狀卷(jelly roll)。或者，該等層可用以形成其他類型之電池組電池結構，諸如雙電池結構。
在一些實施例中，該電池組電池亦包括封閉該層狀卷之一袋狀物，其中該袋狀物為可撓性的。舉例而言，可藉由將陰極、陽極及分離器層置放至該袋狀物中，用電解質填充該袋狀物，且沿著該袋狀物之邊緣形成側向密封部分及階地式密封部分來形成該電池組電池。
在一些實施例中，該陽極基板包括銅箔。
在一些實施例中，該陰極基板包括鋁箔。
100‧‧‧電池組
102‧‧‧電腦系統
200‧‧‧電池組電池
202‧‧‧層狀卷
204‧‧‧密封帶
206‧‧‧導電突片
208‧‧‧階地式密封部分
210‧‧‧側向密封部分
212‧‧‧摺線
302‧‧‧塗佈速度
304‧‧‧陰極基板厚度
402‧‧‧塗佈速度
404‧‧‧陽極基板厚度
502‧‧‧能量密度
504‧‧‧基板厚度
506‧‧‧基板厚度
508‧‧‧基板厚度
602‧‧‧充電時間
604‧‧‧表面面積
606‧‧‧表面面積
702‧‧‧操作
704‧‧‧操作
706‧‧‧操作
708‧‧‧操作
710‧‧‧操作
712‧‧‧操作
714‧‧‧操作
800‧‧‧可攜式電子裝置
802‧‧‧處理器
804‧‧‧記憶體
806‧‧‧電池組
808‧‧‧顯示器
圖1展示根據所揭示之實施例的電池組在電腦系統中之置放。
圖2展示根據所揭示之實施例的電池組電池。
圖3展示根據所揭示之實施例的例示性圖表。
圖4展示根據所揭示之實施例的例示性圖表。
圖5展示根據所揭示之實施例的例示性圖表。
圖6展示根據所揭示之實施例的例示性圖表。
圖7展示說明製造根據所揭示之實施例的電池組電池之程序的流程圖。
圖8展示根據所揭示之實施例的可攜式電子裝置。
在圖中，相同參考數字指代相同圖上元件。
呈現以下描述以使熟習此項技術者能夠製造並使用實施例，且在特定應用及其要求之內容脈絡中提供以下描述。對所揭示之實施例之各種修改將對熟習此項技術者而言容易顯而易見，且在不脫離本發明之精神及範疇的情況下，本文中所定義之一般原理可應用於其他實施例及應用。因此，本發明不限於所示實施例，而是應符合與本文所揭示之原理及特徵一致的最寬範疇。
在此詳細描述中所描述之資料結構及程式碼通常儲存在電腦可讀儲存媒體上，該電腦可讀儲存媒體可為可儲存供電腦系統使用之程式碼及/或資料的任何裝置或媒體。電腦可讀儲存媒體包括(但不限於)揮發性記憶體、非揮發性記憶體、諸如磁碟機、磁帶、CD(光碟)、DVD(數位多功能光碟或數位視訊光碟)之磁性及光學儲存裝置，或現在已知或稍後開發之能夠儲存程式碼及/或資料的其他媒體。
在詳細描述部分中描述之方法及程序可體現為程式碼及/或資料，其可儲存在如上文所描述之電腦可讀儲存媒體中。當電腦系統讀取及執行儲存在電腦可讀儲存媒體上之程式碼及/或資料時，電腦系統執行體現為資料結構及程式碼且儲存在電腦可讀儲存媒體內之方法及程序。
此外，本文中所描述之方法及程序可包括在硬體模組或設備 中。該等模組或設備可包括(但不限於)特殊應用積體電路(ASIC)晶片、場可程式化閘陣列(FPGA)、在特定時間執行特定軟體模組或一段程式碼之專用處理器或共用處理器，及/或現在已知或稍後開發之其他可程式化邏輯裝置。當硬體模組或設備被啟動時，該等硬體模組或設備執行包括在其內之方法及程序。
圖1展示根據實施例的電池組100在電腦系統102中之置放。電腦系統102可對應於膝上型電腦、個人數位助理(PDA)、可攜式媒體播放器、行動電話、數位相機、平板型電腦及/或其他可攜式電子裝置。電池組100可對應於用於電腦系統102之鋰聚合物電池組及/或其他類型之電源。舉例而言，電池組100可包括封裝在可撓性袋狀物中之一或多個鋰聚合物電池組電池。該等電池組電池可接著串聯及/或並聯連接且用以給電腦系統102供電。
在一或多項實施例中，電池組100經設計以適應電腦系統102之空間約束。舉例而言，電池組100可包括具有不同大小及厚度之電池組電池，該等電池組電池並排地、由上而下地置放及/或堆疊在電腦系統102內，以填滿電腦系統102內之自由空間。可另外藉由省略電腦100之單獨外殼而最佳化對電腦系統102內之空間的使用。舉例而言，電池組100可包括直接包裝在電腦系統102之外殼內之鋰聚合物電池的不可移除式袋狀物。因此，電池組100之電池可大於相當的可移除式電池組的電池，此又可相較於可移除式電池組提供增加的電池組容量及重量減輕。
為了進一步促進對具有電池組100之電腦系統102的使用，可使用比習知鋰聚合物電池組高的陰極活性材料及陽極活性材料對陰極基板及陽極基板的比例來製造電池組100。這樣一來，電池組100可具有比習知鋰聚合物電池組之能量密度及/或充電電流高的能量密度及/或充電電流。下文關於圖2至圖6進一步詳細論述增加鋰聚合物電池組中 之能量密度及/或充電電流。
圖2展示根據實施例之電池組電池200。電池組電池200可對應於用以給可攜式電子裝置供電之鋰聚合物電池。電池組電池200包括層狀卷202，其含有捲繞在一起之數個層，該等層包括具有活性塗層之陰極、分離器及具有活性塗層之陽極。
更特定言之，層狀卷202可包括藉由分離器材料(例如，導電聚合物電解質)之一條帶分離的陰極材料(例如，用鋰化合物塗佈之鋁箔)之一條帶及陽極材料(例如，用碳塗佈之銅箔)之一條帶。陰極、陽極及分離器層可接著捲繞在心軸上以形成螺旋形捲繞之結構。或者，該等層可用以形成其他類型之電池組電池結構，諸如雙電池結構。層狀卷在此項技術中為熟知的且將不進一步描述。
在電池組電池200之組裝期間，將層狀卷202封閉在可撓性袋狀物中，該袋狀物係藉由將可撓性薄片沿著摺線212摺疊而形成。舉例而言，可撓性薄片可由具有諸如聚丙烯及/或聚乙烯之聚合物薄膜之鋁製成。在可撓性薄膜經摺疊之後，可例如藉由沿著側向密封部分210及沿著階地式密封部分208施加熱來密封可撓性薄膜。
層狀卷202亦包括耦接至陰極及陽極之導電突片206的集合。導電突片206可延伸穿過袋狀物中之密封部分(例如，使用密封帶204而形成)來為電池組電池200提供端子。導電突片206可接著用以將電池組電池200與一或多個其他電池組電池電耦接來形成電池包。舉例而言，可藉由以串聯、並聯或串並聯組態耦接電池組電池而形成電池包。
在一或多項實施例中，藉由在層狀卷202中減少陰極基板及陽極基板之厚度且成比例地增加陰極活性材料及陽極活性材料之厚度而增加電池組電池200之能量密度。然而，活性材料對基板之此等增加的比例可導致製造缺陷，諸如斷裂、波皺、捲旋、刻痕及/或凹痕。為 了減輕及/或防止此等缺陷，如下文關於圖3至圖4進一步詳細論述，可分別以基於陰極基板及陽極基板之厚度的塗佈速度用陰極活性材料及陽極活性材料塗佈陰極基板及陽極基板。
圖3展示根據所揭示之實施例的例示性圖表。更特定言之，圖3展示作為以微米為單位之陰極基板厚度304之函數的陰極活性材料在陰極基板上之以mm/min為單位的塗佈速度302之圖表。如上文所提及，塗佈速度302可基於陰極基板厚度304而變化以在使用陰極活性材料及陰極基板的電池組電池(例如，圖2之電池組電池200)之陰極的形成期間防止及/或減輕諸如斷裂、波皺、捲旋、刻痕及/或凹痕之製造缺陷。
如圖3中所示，塗佈速度302相對於陰極基板厚度304為實質上線性的。詳言之，塗佈速度302針對15微米之陰極基板厚度304可為6mm/min，針對12微米之陰極基板厚度304可為4.2mm/min，針對10微米之陰極基板厚度304可為3mm/min，且針對8微米之陰極基板厚度304可為2mm/min。雖然該圖表亦展示針對低於8微米之陰極基板厚度304的塗佈速度302，但塗佈速度302下降至2mm/min之下可能並非實用的、不具成本效益及/或可靠性不足以用來製造電池組電池。
另一方面，使用2mm/min至3mm/min之塗佈速度302來生產具有在8至10微米之範圍內之陰極基板厚度304的陰極可避開上文所描述之製造缺陷，同時相較於具有較厚陰極基板之習知電池組電池之能量密度增加電池組電池之能量密度。舉例而言，陰極基板厚度304自15微米減少至10微米及陰極活性材料厚度相應地自25微米增加至30微米可提供電池組電池之容量及/或能量密度的20%增加。陰極基板厚度304進一步減少至8微米且陰極活性材料厚度增加至32微米可相較於具有15微米厚之陰極基板之習知電池組電池提供在容量及/或能量密度方面的28%增加。
圖4展示根據所揭示之實施例的例示性圖表。更特定言之，圖4展示作為以微米為單位之陽極基板厚度404之函數的陽極活性材料在陽極基板上之以mm/min為單位的塗佈速度402的圖表。正如圖3之圖表，塗佈速度402可基於陽極基板厚度404以便在使用陽極活性材料及陽極基板之電池組電池(例如，圖2之電池組電池200)之陽極的形成期間防止及/或減輕製造缺陷。
類似於圖3之塗佈速度302，塗佈速度402相對於在6至12微米範圍內的陽極基板厚度404實質上為線性的。塗佈速度402針對12微米之陽極基板厚度404可為5.2mm/min，針對10微米之陽極基板厚度404可為4.8mm/min，針對8微米之陽極基板厚度404可為4.3mm/min，且針對6微米之陽極基板厚度404可為3.8mm/min。然而，在陽極基板厚度404下降至4微米時，塗佈速度402可非線性地下降至2mm/min。
因此，使用2mm/min至3.8mm/min之塗佈速度402來生產具有在4至6微米範圍內之陽極基板厚度404的陽極可允許製造具有比習知電池組電池之能量密度及/或容量高之能量密度及/或容量的電池組電池。舉例而言，陽極基板厚度404自10微米減少至6微米及陽極活性材料厚度相應地自25微米增加至29微米可在電池組電池中提供容量及/或能量密度的16%增加。類似地，陽極基板厚度404減少至4微米且陽極活性材料厚度增加至31微米可相較於習知電池組電池提供在容量及/或能量密度方面之24%增加。
圖5展示根據所揭示之實施例的例示性圖表。詳言之，圖5展示針對基板厚度504至508之三個不同集合的以Wh/L為單位之電池組電池之能量密度502的條形圖。首先，針對具有8微米的銅(例如，陽極基板)及14微米的鋁(例如，陰極基板)之基板厚度504的電池組電池，能量密度502可為約513Wh/L。接下來，針對具有6微米的銅(例如，陽極基板)及10微米的鋁(例如，陰極基板)之基板厚度506的電池組電 池，具有基板之電池組電池的能量密度502可為約530Wh/L。最後，針對具有6微米的銅(例如，陽極基板)及6微米的鋁(例如，陰極基板)之基板厚度508的電池組電池，能量密度502可為約540Wh/L。
可藉由回應於基板厚度504至508之減少來增加陰極活性材料及陽極活性材料之厚度而實現在電池組電池中之相同體積空間內之能量密度502的此等增加。舉例而言，基板厚度504至508可分別允許實現陰極活性材料厚度113mm、115mm及121mm，及陽極活性材料厚度125mm、128mm及132mm。這樣一來，藉由基板厚度504至508之減少提供之陰極活性材料及陽極活性材料的此等增加可分別為基板厚度504至508提供1530mAh、1574mAh及1610mAh之容量。因此，基板厚度506至508可分別表示相較於基板厚度504的在容量及能量密度兩方面的約3%及5%的增加，而不增加電池組電池之體積及/或厚度。
或者，基板厚度504至508之減少可用以增加電池組電池之表面面積，而非增加電池組電池中之陰極活性材料及陽極活性材料的量。如下文關於圖6進一步詳細描述，增加的表面面積可進一步允許實現電池組電池之充電電流的增加，而不減少電池組電池之循環壽命。
圖6展示根據所揭示之實施例的例示性圖表。詳言之，圖6展示具有兩個不同表面面積604至606之電池組電池的以分鐘為單位的充電時間602的條形圖。具有533.5cm2之表面面積604的電池組電池的充電時間602可為約120分鐘，而具有560.2cm2之表面面積606的電池組電池的充電時間602可為約114分鐘。
如上文所提及，可藉由減少電池組電池中之陰極基板及陽極基板之厚度且增加其長度來相較於習知電池組電池之表面面積604增加電池組電池之表面面積606，而不增加電池組電池之體積及/或厚度。舉例而言，具有表面面積604之習知電池組電池可分別包括8微米及14微米之陽極基板厚度及陰極基板厚度，而具有表面面積606之電池組 電池可分別包括6微米及6微米之陽極基板厚度及陰極基板厚度。這樣一來，表面面積606相較於表面面積604之5%增加可提供充電電流之相應5%增加及充電時間602之5%減少，而不減少電池組電池之循環壽命。
圖7展示說明製造根據所揭示之實施例的電池組電池之程序的流程圖。在一或多項實施例中，可省略、重複及/或按不同次序執行該等步驟中之一或多者。因此，圖7中所示之步驟的特定配置不應解釋為限制實施例之範疇。
首先，獲得電池組電池之陰極基板(操作702)。陰極基板可由鋁箔製成且具有在8至10微米範圍內的厚度。接下來，藉由以2mm/min至3mm/min之速率用陰極活性材料塗佈陰極基板來形成電池組電池之陰極(操作704)。較薄的陰極基板及陰極活性材料之塗佈速度可增加電池組電池之能量密度及/或充電電流，同時避免與在電池組電池中使用較薄陰極基板相關聯的製造缺陷及/或與在電池組電池中使用較高充電電流相關聯的減少的循環壽命。
亦獲得電池組電池之陽極基板(操作706)。陽極基板可由銅箔製成且具有在4至6微米範圍內的厚度。接著藉由以2mm/min至3.8mm/min之速率用陽極活性材料塗佈陽極基板來形成電池組電池之陽極(操作708)。正如陰極，較薄的陽極基板及陽極活性材料之塗佈速度可增加電池組電池之能量密度及/或充電電流，而不產生與在電池組電池中使用較薄陽極基板相關聯的製造缺陷及/或減少電池組電池之循環壽命。
在形成陰極及陽極之後，獲得電池組電池之分離器(操作710)，且捲繞陰極、陽極及分離器來產生層狀卷(操作712)。若將該等層用以產生諸如雙電池之其他電池組電池結構，則可跳過及/或變更捲繞步驟。最後，將層狀卷密封在袋狀物中以形成電池組電池(操作 714)。舉例而言，可藉由將陰極、陽極及分離器層置放至袋狀物中，用電解質填充袋狀物，且沿著袋狀物之邊緣形成側向密封部分及階地式密封部分來形成電池組電池。
上文描述之可再充電電池組電池可大體上用於任何類型之電子裝置中。舉例而言，圖8說明包括均由電池組806供電之處理器802、記憶體804及顯示器808的可攜式電子裝置800。可攜式電子裝置800可對應於膝上型電腦、行動電話、PDA、平板型電腦、可攜式媒體播放器、數位相機及/或其他類型之電池組供電的電子裝置。電池組806可對應於包括一或多個電池組電池之電池包。每一電池組電池可包括密封在袋狀物中之層的集合，該等層包括陰極、分離器及陽極。
在電池組電池之製造期間，藉由以2mm/min至3mm/min之速率用陰極活性材料塗佈具有在8至10微米範圍內之厚度的陰極基板(例如，鋁箔)來形成陰極。類似地，藉由以2mm/min至3.8mm/min之速率用陽極活性材料塗佈具有在4至6微米範圍內之厚度的陽極基板(例如，銅箔)來形成陽極。在電池組電池中陰極活性材料及陽極活性材料對陰極基板及陽極基板的較高比例可相較於具有較厚陰極基板及陽極基板之習知電池組電池的能量密度及/或充電電流增加電池組電池之能量密度及/或充電電流。
僅為了說明及描述之目的呈現了各種實施例之前述描述。前述描述不意欲為詳盡的或將本發明限於所揭示之形式。因此，許多修改及變化將對熟習此項技術者顯而易見。另外，上述揭示內容不意欲限制本發明。
702‧‧‧操作
704‧‧‧操作
706‧‧‧操作
708‧‧‧操作
710‧‧‧操作
712‧‧‧操作
714‧‧‧操作

Claims (19)

  1. 一種電池組電池，其包含：一陰極，其包含：一陰極基板，其具有在8至10微米範圍內之一厚度；及一陰極活性材料，其中該陰極活性材料係以2mm/min至3mm/min之一速率塗佈在該陰極基板上。
  2. 如請求項1之電池組電池，其進一步包含：一陽極，其包含：一陽極基板，其具有在4至6微米範圍內之一厚度；及一陽極活性材料，其中該陽極活性材料係以2mm/min至3.8mm/min之一速率塗佈在該陽極基板上。
  3. 如請求項2之電池組電池，其進一步包含：一分離器，其中該陰極、該陽極及該分離器經捲繞以產生一層狀卷。
  4. 如請求項3之電池組電池，其進一步包含：一袋狀物，其封閉該層狀卷，其中該袋狀物為可撓性的。
  5. 如請求項2之電池組電池，其中該陽極基板包含銅箔。
  6. 如請求項1之電池組電池，其中該陰極基板包含鋁箔。
  7. 一種可攜式電子器件，其包含：由一電池包供電的組件之一集合；及該電池包，其包含：一電池組電池，其包含：一陽極，其包含：一陽極基板，其具有在4至6微米範圍內之一厚度；及一陽極活性材料，其中該陽極活性材料係以2mm/min 至3.8mm/min之一速率塗佈在該陽極基板上。
  8. 一種用於製造一電池組電池之方法，其包含：獲得該電池組電池之一陰極基板，其中該陰極基板具有在8至10微米範圍內的一厚度；及藉由以2mm/min至3mm/min之一速率用陰極活性材料塗佈該陰極基板來形成該電池組電池之一陰極。
  9. 如請求項8之方法，其進一步包含：獲得該電池組電池之一陽極基板，其中該陽極基板具有在4至6微米範圍內的一厚度；及藉由以2mm/min至3.8mm/min之一速率用陽極活性材料塗佈該陽極基板來形成該電池組電池之一陽極。
  10. 如請求項9之方法，其進一步包含：獲得該電池組電池之一分離器；及捲繞該陰極、該陽極及該分離器以產生一層狀卷。
  11. 如請求項10之方法，其進一步包含：將該層狀卷密封在一袋狀物中以形成該電池組電池，其中該袋狀物為可撓性的。
  12. 如請求項9之方法，其中該陽極基板包含銅箔。
  13. 如請求項8之方法，其中該陰極基板包含鋁箔。
  14. 一種用於製造一電池組電池之方法，其包含：獲得該電池組電池之一陽極基板，其中該陽極基板具有在4至6微米範圍內的一厚度；及藉由以2mm/min至3.8mm/min之一速率用陽極活性材料塗佈該陽極基板來形成該電池組電池之一陽極。
  15. 如請求項14之方法，其進一步包含：獲得該電池組電池之一陰極基板，其中該陰極基板具有在8至 10微米範圍內的一厚度；及藉由以2mm/min至3mm/min之一速率用陰極活性材料塗佈該陰極基板來形成該電池組電池之一陰極。
  16. 如請求項15之方法，其進一步包含：獲得該電池組電池之一分離器；及捲繞該陰極、該陽極及該分離器以產生一層狀卷。
  17. 如請求項16之方法，其進一步包含：將該層狀卷密封在一袋狀物中以形成該電池組電池，其中該袋狀物為可撓性的。
  18. 如請求項15之方法，其中該陰極基板包含鋁箔。
  19. 如請求項14之方法，其中該陽極基板包含銅箔。
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