TWI619301B - 電化學電池 - Google Patents

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Abstract

本發明係關於一種電化學電池，包括：陽極(20)，其係接觸陽極電流收集器(16)，陰極(22)，其係接觸陰極電流收集器(18)，隔板(24)，其係設置在該陽極(20)及該陰極(22)之間，其中該陽極(20)係設置在該隔板(24)及該陽極電流收集器(16)之間，且其中該陰極(22)係設置在該隔板(24)及該陰極電流收集器(18)之間，其中，該陽極電流收集器(16)及該陰極電流收集器(18)形成封裝外殼(28)，用於該陽極(20)、該陰極(22)與該隔板(24)的裝配。

Description

電化學電池
本發明關於電化學電池的技術領域，該電化學電池包括接觸陽極電流收集器的陽極，並包括接觸陰極電流收集器的陰極。特別是，本發明關於薄膜電池，其特色為大的機械性撓曲度程度。
在眾多不同的電池類型中，存在有所謂的薄膜電池。這些電池是由具有在微米範圍內之厚度的薄材料所構成，容許在1毫米或更少的範圍中的總電池厚度。因此它們可表現出小尺寸，且因而適用於大範圍內的不同應用。一般而言，這樣的電池或是電化學電池可被形成為任何任意形狀。它們可被堆疊、並聯使用且一般提供相對大的能量密度。
薄膜電化學電池可同樣提供特定的機械性撓曲度。因此，它們通常是可彎曲的並可彈性變形到一定程度的。此特性對於受到機械應力的可靠的攜帶式產品，例如智慧卡等等，是最重要的。
電化學電池一般包括陽極、陽極電流收集器、陰極、陰極電流收集器、在陽極和陰極之間延伸的隔板、以及電解質。此外，為了提供所需的機械性撓曲度，陽極和陰極電流收集器必須提供對應的撓曲度特性。由於該等電流收集器一般是被配置在面對陽極和陰極的部分之外側，當電化學電池被彎曲時，它們可能成為特別地受到機械應力的。
在實際的應用中，特別是在數次彎曲或折疊操作之後，例如，在約100或500次彎曲操作之後，傳統的電流收集器可能表現出裂開的結構，或甚至可能傾向於至少在其表面上顯示損壞的部分。這種一般形成在金屬箔的基礎上的電流收集器因此傾向以惡化來回應重複的彎曲操作。
此外，傳統的電化學電池總是包括外殼或封裝，例如，聚合物/鋁/聚合物層壓，用於接收且用於包圍陽極電流收集器、陽極、隔板、電解質、陰極和陰極電流收集器。為了以延伸通過外殼的連接片接觸電流收集器，必須設置有一個相對精巧的電流收集器與連接片的交互互相連接。此外，連接片必須被穿過封裝或外殼，例如，藉由聚合物管套的方式。該連接片與電流收集器的互相連接是相對耗費空間的，且限制了電化學電池的空間能量密度。
因此，本發明的目的在於提供一種具有增加的體積能量密度之改良的電化學電池。在另一目的中，本發明應提供一可撓的電化學電池，其係對於重複的彎曲或折疊操作為不易發生且較不敏感的。此外，電化學電池的內部結構 應為相對簡單、節省空間的，且它們的生產應符合成本效益。
在第一面向中，本發明係關於一種電化學電池。該電化學電池包括與陽極電流收集器接觸的陽極，且還包括與陰極電流收集器接觸的陰極。此外，該電化學電池包括設置在陽極和陰極之間的隔板以及電解質。特別是，該隔板係被夾在陽極和陰極之間，且陽極電流收集器和陰極電流收集器係設置在鄰近於陽極和陰極之分別背離隔板的側。換言之，陽極係設置在隔板和陽極電流收集器之間。相對應地，陰極係同樣設置在隔板和陰極電流收集器之間。如上所述，還提供了一種為液體、凝膠體狀或固體類型之電解質，其係有效地填滿在陰極和陽極之間的隔板之孔隙。
陽極電流收集器和陰極電流收集器形成封裝外殼，用於陽極、陰極和隔板之機械性裝配。這樣一來，電化學電池之傳統的外殼或封裝可有效地被替換為陽極電流收集器和陰極電流收集器。特別是，電化學電池的外殼是由交互互相連接的陽極電流收集器和陰極電流收集器所構成。除了其導電能力以外，陽極電流收集器和陰極電流收集器現在還提供對電化學電池的機械穩定性和機械保護。
由於陽極電流收集器和陰極電流收集器係直接形成電化學電池的封裝外殼，連接片不再需要被與位在電化學電池的封裝外殼內的陽極電流收集器及/或陰極電流收集器 互相連接。相反地，陽極電流收集器和陰極電流收集器可直接設置有各自的連接片，或是可與各自的連接片形成為一體的。這樣一來，傳統所需之用於互相連接連接片及電流收集器的體積可被節省下來。其效果在於，陰極和陽極的大小可對應增加，而不需增加電化學電池的外部尺寸。其效果在於，儲存容量及電化學電池的能量密度因此可顯著地增加。
此外，藉由以陽極電流收集器和陰極電流收集器來取代電化學電池的外殼或封裝，電化學電池的整體厚度可被減少。再者，對於電池的固定總厚度而言，電能密度可進一步地增加。但厚度上的減少還可伴隨著電化學電池的撓曲度的增加。
根據進一步的實施例，陽極電流收集器和陰極電流收集器係藉由在陽極電流收集器和陰極電流收集器的外邊緣之間延伸的密封件而被互相結合。典型地，密封件被夾入或擠壓於陽極電流收集器和陰極電流收集器之間。通常情況下，陽極電流收集器和陰極電流收集器的外邊緣為彼此齊平的，且可同樣與設置在其之間的密封件相齊平的。
密封件包括一實質電性絕緣材料，用於電性分隔陽極電流收集器和陰極電流收集器。通常情況下，密封件包括黏合劑，例如，像是聚乙酸乙烯酯(PVA)的熱熔，或是類似的黏合劑。密封件和電流收集器以及它們的交互互相連接為氣密及液密的，以防止設置在電化學電池內的電解質材料的洩漏或蒸發，並防止空氣滲入到電池中。
為了提供密封性封裝外殻，陽極電流收集器和陰極電流收集器係藉由沿著其整個外周緣的密封件的方式而被互相結合在一起。
根據另一實施例，陽極電流收集器和陰極電流收集器的至少一者係包括非晶態金屬材料。較佳地，陽極電流收集器和陰極電流收集器均包括非晶態材料。
進一步且根據另一較佳實施例，陽極電流收集器和陰極電流收集器的至少一者係至少部分由非晶態金屬材料所構成。較佳地，陽極電流收集器和陰極電流收集器均至少部分或實質上整個地由非晶態金屬材料所構成，非晶態金屬材料較佳為非晶態金屬合金。
因此，陽極電流收集器及/或陰極電流收集器可包括塊狀非晶態金屬材料。較佳地，這樣的非晶態金屬材料包括10-5Ohm*m的最大電阻係數。此外，最大電阻係數甚至可落在10-6Ohm*m的範圍內。因此，非晶態金屬材料可能提供良好或甚至優秀的導電性。此外，非晶態金屬材料相較於晶態金屬材料之特色為較大的撓曲度程度。特別是，非晶態金屬材料的彈性極限相較於晶態金屬材料的彈性極限係為大得多的。典型地，非晶態金屬材料的彈性極限相較於晶態金屬材料的彈性極限係為兩到四倍大的。
包括或甚至由非晶態金屬材料所構成的電流收集器的使用因此提供了陽極電流收集器和陰極電流收集器優秀的彈性性質。
根據又一較佳實施例，陽極電流收集器和陰極電流收 集器的至少一者包括少於25微米，少於15微米，或甚至少於10微米的厚度。即使電流收集器可為相對薄的，它們仍提供足夠的機械穩定性，以形成用於電化學電池之相對強大的封裝外殻。此外，電流收集器的厚度一般係影響電流收集器以及電化學電池的撓曲度。除此之外，電流收集器及電化學電池之受限的厚度係容許用於電化學電池之相對緊湊及節省空間的設計。
根據進一步的實施例，非晶態金屬材料包括鎳、鉻、鐵、矽、碳、硼的合金。額外地或替代地，非晶態金屬合金可包括至少一種或數種下列的材料：鈦，鋯，銅，錳，釩，鎢，鋁。
在較佳的實施例中，合金包括介於7~19重量百分比的鉻，介於4~5重量百分比的鐵，介於4.5~7.5重量百分比的矽，少於0.1重量百分比的碳，介於1.4~4.0重量百分比的硼，以及介於71~92重量百分比的鎳。非晶態金屬合金的典型實施例包括80.74重量百分比的鎳，7.0重量百分比的鉻，4.5重量百分比的鐵，4.5重量百分比的矽，0.06重量百分比的碳以及3.2重量百分比的硼。
在根據另一實施例的又一面向中，陽極電流收集器和陰極電流收集器的至少一者係包括纖維補強塑膠材料。較佳地，陽極電流收集器和陰極電流收集器均包括纖維補強塑膠材料。典型地，陽極電流收集器和陰極電流收集器包括一種碳纖維補強聚合物箔。特別是，纖維補強塑膠材料可包括由以熱凝固環氧樹脂方式所浸漬的碳纖維所製成的 單向帶。纖維是例如Toray T800H，但任何類似的纖維類型可被使用。此纖維補強塑膠材料的纖維面重量的範圍可以從每平方米25克至每平方米300克。此外，標準的纖維含量範圍可為重量之60-65%。纖維補強塑膠材料的彎曲模數的平均值範圍可為2000MPa與5000MPa之間，較佳為約3500MPa。彎曲強度的平均值範圍可為80MPa至180MPa之間，較佳為約130MPa。此外，在最大負荷的應變的平均值可為約5%至10%，較佳為約7%。
較佳地，這種三層層壓的單向帶係被使用，例如被導向成彼此交叉的單向疊層，對應於[0°/90°/0°]的層壓。因此這種三層層壓的面密度之範圍為從每平方米75克到每平方米900克，但較佳係低於每平方米150克。這種三層層壓具有在最大負荷之約2.5%的應變。
在又一較佳實施例中，至少一纖維補強塑膠材料的電流收集器包括少於100微米，少於50微米，較佳少於45微米的厚度。這樣一來，纖維補強材料係被設置為一個相對薄的箔，其係提供了配以機械強度之大程度的撓曲度。
額外地且根據另一實施例，纖維補強塑膠材料為至少部分塗佈有金屬層的。金屬層可包括晶態金屬或非晶態金屬結構。當使用鎳作為用於金屬層的材料時，金屬層的厚度通常係為少於1微米，較佳係為介於200奈米及400奈米的範圍。
藉由以金屬層或塗覆至少部份地塗佈纖維強化塑膠材料的手段，電流收集器的導電性可被增強。此外，藉由金 屬層，各電流收集器的滲透性可被實質地降低，以防止電解質的滲漏或蒸發，以及防止空氣擴散進入電池。
根據另一面向及陽極電流收集器或陰極電流收集器的材料之選擇的獨立性，陽極電流收集器和陰極電流收集器的至少一者係為彈性地可變形的。在本文中，彈性變形代表各電流收集器抵抗回復力的作用之暫時的變形。當外力作用不再呈現於各電流收集器時，被作成各電流收集器的材料之彈性性質係藉由可被得到之各電流收集器的初始形狀及配置的方式來提供復位或回復力。
其特別的好處在於，電流收集器或整個電化學電池的任何可想像的變形或彎曲不會超過作成電流收集器的材料的彈性極限。電流收集器與整個電化學電池因為電流收集器的彈性特性，係可變得可承受反覆彎曲或撓曲程序，而不會損壞各電流收集器的結構之表面，且因此維護了電池的功能。可製成陽極電流收集器及/或陰極電流收集器的纖維補強塑膠材料及非晶態金屬材料均可提供在經過500次或甚至更多次的彎曲或撓曲操作之後的實質不會損壞的結構或表面。
根據又一較佳實施例，陽極電流收集器及陰極電流收集器的至少一者係實質上可無扭曲地彎曲至小於或等於20毫米、15毫米或甚至小於或等於10毫米的彎曲半徑。這樣相對地小的彎曲半徑藉由如上述之用作為陽極電流收集器及/或陰極電流收集器的材料之非晶態金屬材料或纖維補強塑膠材料而為特別地可實現的。
由於這些特別的材料為幾乎可無扭曲地彎曲的，可執行重覆的及多次的彎曲及撓曲操作，而電流收集器的彈性或電性特性不會有任何的磨損或可測得的降低。無扭曲的高度正面的結果為電化學電池的內部層為維持不變的。扭曲可被視為將惡化的陰極和陽極層的局部之小得多的彎曲半徑。
根據另一實施例，電化學電池更包括陽極連接片及陰極連接片。在此，陽極連接片和陰極連接片的至少一者係為分別與陽極電流收集器或與陰極電流收集器一體地形成的。由於電流收集器形成電化學電池的封裝外殻，係不再需要位在電化學電池的外殻內的連接片及電流收集器的單獨互相連接。此外，藉由將連接片整合到各自的電流收集器中，可提供電化學電池相對節省空間的配置及直觀且容易的裝配。
在另一實施例中，設置在陽極和陰極之間的隔板包括外邊緣，外邊緣係延伸超過陽極及/或陰極的外邊緣。藉由其外邊緣，隔板可與密封件及/或陽極電流收集器或陰極電流收集器的至少一者接合，或與其互相連接。較佳地，隔板係被擠進或捏縮到密封件與陽極電流收集器或陰極電流收集器的一者之間。以此方式，隔板的裝配及固定可與以密封件互相連接及互相裝配陽極電流收集器與陰極電流收集器一起在一個步驟中被達成。
在又一實施例中，電化學電池被設計成一次電池或二次電池。電化學電池可特別設計來用於各種應用的目的。 特別是，電化學電池可能為可應用於時計或手錶中的，或於智慧卡或於手機中的。
10‧‧‧電化學電池
12‧‧‧連接片
14‧‧‧連接片
16‧‧‧電流收集器
18‧‧‧電流收集器
20‧‧‧陽極
22‧‧‧陰極
24‧‧‧隔板
26‧‧‧密封件
28‧‧‧邊緣
30‧‧‧邊緣
32‧‧‧邊緣
在下文中，本發明的實施例將參照圖式來描述，其中：圖1顯示電化學電池的示意性側視圖，圖2顯示通過根據圖1的電化學電池之縱向剖視圖，圖3顯示沿著根據圖1之B-B的平面剖視圖，以及圖4顯示沿著根據圖1之C-C的平面剖視圖。
如圖1至圖4所繪製的電化學電池10包括實質平面狀的陰極電流收集器18，其係與陰極22接觸。在陰極電流收集器18的對面，陰極22係與隔板24連接，藉以從陽極20隔開陰極22。故，陰極22和陽極20將隔板24夾設於其間。陽極20係進一步地與陽極電流收集器16接觸，如圖2所示。電化學電池更包括填滿陽極20、陰極22及隔板24之孔隙的電解質。電解質可由，例如，碳酸伸乙酯和六氟化鋰的混合物所形成。隔板24通常可由多孔聚丙烯所製成。
如同從圖1及圖2變得更為顯而易見的，陽極電流收集器16和陰極電流收集器18係直接形成電化學電池10的封裝外殼28。如此一來，不再需要用於接收陽極電流 收集器16和陰極電流收集器18之單獨的封裝或外殼。此外，陽極電流收集器16可與連接片12一體地形成的。相對應地，陰極電流收集器18也可與相應的陰極連接片14一體地形成的，如同從圖2的剖視圖中變得顯而易見的。
夾層結構及陰極電流收集器18、陰極22、隔板24、陽極20及陽極電流收集器16的裝配係藉由延伸於陽極電流收集器16和陰極電流收集器18之所有外邊緣28、30的密封件26而保持在一起。在根據圖3所繪示的剖視圖中，僅指出陽極電流收集器16的下邊緣28。
在圖4中，相對應的陰極電流收集器18之下邊緣30係完全被密封件26或密封材料所覆蓋。如同從根據圖4的剖視圖中可進一步觀之的，陰極22係由在陽極20和陰極22之間延伸的隔板24周向地封裝。此外，如圖2所示，隔板24延伸超過陰極22的側邊緣，且直接與支承陰極22的陰極電流收集器18互相連接。如圖2所示，隔板24的外邊緣32被擠進或捏縮到密封件26及陰極電流收集器18之間。
密封件26通常包括熱熔，例如，聚乙烯醇(PVA)，且提供了在陽極電流收集器16和陰極電流收集器18之間的密封性。此外，陽極電流收集器16和陰極電流收集器18還是液密及氣密的，因而為實質上難以貫穿的，以防止設置在陽極電流收集器16和陰極電流收集器18之間的電解液之洩漏或蒸發。
由於連接片12、14形成為一體的且被整合到封裝外 殼28中，因此無須導引該等連接片穿過電化學電池的封裝。此外，由陽極電流收集器16、陰極電流收集器18、隔板24及密封件26之封裝所形成的整個內部空間幾乎可被實質地填入形成陽極20和陰極22的電化學活性材料。如此一來，整個電化學電池10的能量及功率密度可被增強。
陽極電流收集器16和陰極電流收集器18係由彈性變形材料所製成，較佳係由非晶態金屬合金所製成。或者，陽極電流收集器16和陰極電流收集器18可包括纖維補強塑膠材料或可由纖維補強塑膠材料所構成，該纖維補強塑膠材料最終可被塗佈有例如，鎳的金屬層，或是例如，石墨烯(graphene)、或一些氧化物(像是銦鋅氧化物)、或一些導電聚合物(像是PEDOT)之其他導電材料，以增強其導電性。
隨著已描述之被用來製造陽極電流收集器16及/或陰極電流收集器18的材料的選擇，電流收集器及/或整個電化學電池的整體撓曲度可能容許以無扭曲的方式之直至小於或等於20毫米，15毫米，或甚至小於或等於10毫米的彎曲半徑之彎曲及撓曲操作。即使以如此小的彎曲半徑，至少500次或更多次的大量的彎曲或撓曲操作係可被執行，而不會使得電流收集器16及18之電性或機械特性有顯著的惡化。
12‧‧‧連接片
14‧‧‧連接片
16‧‧‧電流收集器
18‧‧‧電流收集器
20‧‧‧陽極
22‧‧‧陰極
24‧‧‧隔板
26‧‧‧密封件
32‧‧‧邊緣

Claims (21)

  1. 一種電化學電池，包括：陽極(20)，其係接觸陽極電流收集器(16)，陰極(22)，其係接觸陰極電流收集器(18)，隔板(24)，其係設置在該陽極(20)及該陰極(22)之間，其中該陽極(20)係設置在該隔板(24)及該陽極電流收集器(16)之間，且其中該陰極(22)係設置在該隔板(24)及該陰極電流收集器(18)之間，其中，該陽極電流收集器(16)及該陰極電流收集器(18)形成封裝外殼(28)，用於該陽極(20)、該陰極(22)與該隔板(24)的裝配，並且其中，該陽極電流收集器(16)及該陰極電流收集器(18)係藉由在該陽極電流收集器(16)及該陰極電流收集器(18)的外邊緣(28，30)之間延伸的密封件(26)而相互結合。
  2. 如申請專利範圍第1項之電化學電池，更包括填滿該陽極(20)、該陰極(22)及該隔板(24)的孔隙之電解質。
  3. 如申請專利範圍第1項之電化學電池，其中該陽極電流收集器(16)及該陰極電流收集器(18)的至少一者係包括非晶態金屬材料。
  4. 如申請專利範圍第3項之電化學電池，其中該陽極電流收集器(16)及該陰極電流收集器(18)的至少一者係至少部分由非晶態金屬材料構成。
  5. 如申請專利範圍第3項之電化學電池，其中該陽極電流收集器(16)及該陰極電流收集器(18)的至少一者係具有少於25微米的厚度。
  6. 如申請專利範圍第3項之電化學電池，其中該陽極電流收集器(16)及該陰極電流收集器(18)的至少一者係具有少於15微米的厚度。
  7. 如申請專利範圍第3項之電化學電池，其中該陽極電流收集器(16)及該陰極電流收集器(18)的至少一者係具有少於10微米的厚度。
  8. 如申請專利範圍第3項之電化學電池，其中該非晶態金屬材料包括鎳、鉻、鐵、矽、碳、硼的合金。
  9. 如申請專利範圍第1項之電化學電池，其中該陽極電流收集器(16)及該陰極電流收集器(18)的至少一者係包括纖維補強塑膠材料。
  10. 如申請專利範圍第9項之電化學電池，其中該纖維補強塑膠材料的纖維為碳纖維。
  11. 如申請專利範圍第9或10項之電化學電池，其中該陽極電流收集器(16)及該陰極電流收集器(18)的至少一者係具有少於100微米的厚度。
  12. 如申請專利範圍第9項之電化學電池，其中該纖維補強塑膠材料係至少部分地塗佈有金屬層或是其他導電塗覆材料。
  13. 如申請專利範圍第12項之電化學電池，其中該導電塗覆材料為導電氧化物或導電聚合物。
  14. 如申請專利範圍第13項之電化學電池，其中該導電氧化物係為銦鋅氧化物或該導電聚合物為PEDOT。
  15. 如申請專利範圍第1項之電化學電池，其中該陽極電流收集器(16)及該陰極電流收集器(18)的至少一者係可彈性變形至等於10毫米的曲率半徑。
  16. 如申請專利範圍第15項之電化學電池，其中該陽極電流收集器(16)及該陰極電流收集器(18)的至少一者係實質上可無扭曲地彎曲至小於或等於20毫米的彎曲半徑。
  17. 如申請專利範圍第15項之電化學電池，其中該陽極電流收集器(16)及該陰極電流收集器(18)的至少一者係實質上可無扭曲地彎曲至小於或等於15毫米的彎曲半徑。
  18. 如申請專利範圍第15項之電化學電池，其中該陽極電流收集器(16)及該陰極電流收集器(18)的至少一者係實質上可無扭曲地彎曲至小於或等於10毫米的彎曲半徑。
  19. 如申請專利範圍第1項之電化學電池，更包括陽極連接片(12)及陰極連接片(14)，其中該陽極連接片(12)及該陰極連接片(14)的至少一者係分別與該陽極電流收集器(16)或與該陰極電流收集器(18)形成為一體的。
  20. 如申請專利範圍第1項之電化學電池，其中該隔板(24)包括外邊緣(32)，其係延伸超過該陽極(20) 及/或該陰極(22)的外邊緣以接合於該密封件(26)及/或該陽極電流收集器(16)和該陰極電流收集器(18)的至少一者。
  21. 如申請專利範圍第1項之電化學電池，其係被設計成一次電池或二次電池。
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