TWI658636B

TWI658636B - 可撓式鋰電池

Info

Publication number: TWI658636B
Application number: TW106133543A
Authority: TW
Inventors: 楊思枬
Original assignee: 輝能科技股份有限公司; 開曼群島商輝能控股股份有限公司
Priority date: 2017-09-29
Filing date: 2017-09-29
Publication date: 2019-05-01
Also published as: TW201916444A

Abstract

本發明揭露一種可撓式鋰電池，其包含有一第一集電層與一第二集電層，第一集電層具有一第一外表面與一第一內表面，第二集電層具有一第二外表面與一第二內表面，第一內表面與第二內表面間夾設有一膠框，以形成一封圍空間，此封圍空間內容設一電化學系統層，其包含有一第一活性材料層、一第二活性材料層與一設置於第一活性材料層與第二活性材料層間之電性絕緣層，第一內表面與第一活性材料層間，以及/或是第二內表面與第二活性材料層間設置有一柔性黏合層，此柔性黏合層由一接著劑與一導電添加物所組成，上述之接著劑是由一線性結構膠體與一立體結構膠體所組成。

Description

可撓式鋰電池

本發明係有關一種電池結構，特別是指一種可撓式鋰電池。

在人性科技需求下，各種穿戴式電子裝置相應而生，為使各種穿戴式電子裝置更符合輕薄的趨勢，電子裝置內的空間分配成為一重要課題，而可設置在非平面之可撓曲式電池為此課題帶來解決策略之一。請參閱第1圖，其係目前可撓式鋰電池之結構剖視圖。如圖所示，此種可撓式鋰電池10主要包含有一第一集電層12、一第二集電層14、一夾設於第一集電層12與第二集電層14間之膠框16，以形成一封圍空間18，此封圍空間18內容依序設有一第一活性材料層20、電性絕緣層22與一第二活性材料層24，第一活性材料層20、電性絕緣層22與第二活性材料層24構成電化學系統層26，且第一活性材料層20與第一集電層12接觸，第二活性材料層24與第二集電層14接觸。此可撓式鋰電池10的特性在於整體可動態彎曲，但在彎曲過程中集電層12、14卻極容易與其鄰接的活性材料層20、24分離，而導致短路。

有鑑於上述因素，本發明遂針對此缺失，提出一種嶄新的可撓曲式鋰電池，以有效克服上述之該等問題。

本發明之主要目的在提供一種可撓式鋰電池，其藉由集電層與活性材料層間設置有柔性黏合層，以避免電池彎折時，集電層與活性材料層因分離而產生短路。

本發明之次一目的在提供一種可撓式鋰電池，其藉由將電化學系統層與柔性黏合層均封合在由第一集電層、第二集電層與膠框所形成的封圍空間內。

為達上述之目的，本發明係提供一種可撓式鋰電池，此電池主要包含有一第一集電層，其具有一第一外表面與一第一內表面；一第二集電層，其具有一第二外表面與一第二內表面；一夾設於第一內表面與第二內表面之間的膠框，膠框為封閉的結構且其上、下表面係分別與第一內表面、第二內表面黏著，故膠框、第一集電層與第二集電層係共同形成一封圍空間，此封圍空間內容設一電化學系統層及至少一柔性黏合層，且電化學系統層與柔性黏合層係鄰設於膠框的內側表面，電化學系統層包含有一第一活性材料層、一第二活性材料層與一設置於第一活性材料層與第二活性材料層間之電性絕緣層，柔性黏合層則設置在第一內表面與第一活性材料層間，以及/或是第二內表面與第二活性材料層間，此柔性黏合層由一接著劑與一混合於接著劑之導電添加物所組成，上述之接著劑是由一線性結構膠體與一立體結構膠體所組成。

底下藉由具體實施例詳加說明，當更容易瞭解本發明之目的、技術內容、特點及其所達成之功效。

10‧‧‧可撓式鋰電池

12‧‧‧第一集電層

14‧‧‧第二集電層

16‧‧‧膠框

18‧‧‧封圍空間

20‧‧‧第一活性材料層

22‧‧‧電性絕緣層

24‧‧‧第二活性材料層

26‧‧‧電化學系統層

30‧‧‧可撓式鋰電池

32‧‧‧第一柔性黏合層

34‧‧‧導電添加物

36‧‧‧第二柔性黏合層

a‧‧‧第一外表面

b‧‧‧第一內表面

c‧‧‧第二外表面

d‧‧‧第二內表面

e‧‧‧內側表面

T‧‧‧間距

第1圖係為目前可撓式鋰電池之結構剖視圖。

第2圖係為本發明之一實施態樣之結構示意圖。

第3圖係為第2圖之實施態樣之局部放大示意圖。

第4圖係為本發明之又一種實施態樣之結構示意圖。

本發明係針對可撓式鋰電池於彎折後集電層與活性材料層因為彎折分離而產生短路之問題提出解決方法。

請參閱第2圖，如圖所示，本發明之可撓式鋰電池30主要包含有一第一集電層12、一第二集電層14、一膠框16，以及一電化學系統層26。第一集電層12具有一第一外表面a與一第一內表面b。第二集電層14具有一第二外表面c與一第二內表面d。膠框16為封閉的結構並夾設於第一內表面b與第二內表面d之間，更詳細來說，膠框16的上、下表面分別與第一集電層12的第一內表面b、第二集電層14的第二內表面c黏著，是以，膠框16、第一集電層12與第二集電層14形成一封圍空間18。電化學系統層26設置於封圍區域18內並與膠框16的內側表面e，電化學系統層26由第一集電層12往第二集電層14之方向上依序包含有一第一活性材料層20、一第二活性材料層24，以及一設置於第一活性材料層20與第二活性材料層24間的電性絕緣層22。第一內表面b與第一活性材料層20間設置有一第一柔性黏合層32，與第一活性材料層20相同的是，第一柔性黏合層32亦鄰設於膠框16的內側表面e，第一柔性黏合層32由一接著劑與一混合於此接著劑之導電添加物34所組成。接著劑是由一線性結構膠體與一立體結構膠體所組成。

由於電化學系統層26與第一柔性黏合層32均完全地封合在第一集電層12、第二集電層14與膠框16內，且膠框16在經過熟化反應後仍為軟性的封合膠體，因此電化學系統層26與第一柔性黏合層32在經過多次地撓曲仍不容易受到破壞。

該導電添加物34與該接著劑的重量比為50~70%：50~30%。該導電添加物34與該立體結構膠體的重量比為50~70%：20~3%。該線性結構膠體與該立體結構膠體的重量比為60~90%：40~10%。第一柔性黏合層32的厚度約為4~10μm。

該導電添加物34之外觀形狀是球狀、管狀或片狀，或其混合。舉例來說，當外觀形狀是呈現球狀時，該導電添加物34可以是碳黑。外觀形狀為球狀的該導電添加物34的平均粒徑約40奈米，表面積約60~300m²/g。當外觀形狀是呈現管狀時，該導電添加物34可以是碳管。外觀形狀為管狀的該導電添加物34的管徑約5~150奈米，長度約為5~20μm，表面積約20~400m²/g。當外觀形狀是呈現片狀時，該導電添加物34可以是石墨、石墨烯，或其組合。外觀形狀為片狀的該導電添加物34的平均粒徑約3.5μm，表面積約20m²/g。

線性結構膠體可由具有一定的柔軟度的線性高分子(linear polymer)所組成，線性高分子係選自聚二氟乙烯 (Polyvinylidene fluoride；PVDF)、聚偏二氟乙烯-共-三氯乙烯(PVDF-HFP)、聚四氟乙烯(Polytetrafluoroethene；PTFE)、壓克力酸膠(Acrylic Acid Glue)、環氧樹脂(Epoxy)、聚氧化乙烯(PEO)、聚丙烯腈(polyacrylonitrile；PAN)、羧甲基纖維素(carboxymethyl cellulose；CMC)、苯乙烯丁二烯橡膠(styrene-butadiene rubber；SBR)、聚丙烯酸甲酯(polymethylacrylate)、聚丙烯酰胺(polyacrylamide)、聚乙烯吡咯烷酮(polyvinylpyrrolidone；PVP)及上述組合。

當立體結構膠體由架橋高分子(cross-linking polymer)所組成時，架橋高分子係選自環氧樹脂(Epoxy)、壓克力樹脂(Acrylic Acid)、聚丙烯腈(polyacrylonitrile；PAN)及上述組合之網絡式架橋高分子，或者是聚醯亞胺(polyimide；PI)及其衍生物之梯狀(ladder)架橋高分子。

本發明利用架橋高分子具有良好熱穩定性及熱耐受性的特性，在可撓電池進行組設過程的熱處理時，例如：熱壓製程，由於架橋高分子能夠承受高溫而不熔化，且與線性高分子相較，架橋高分子在本身的高分子結構上具有更多的立體支鏈，故在高溫(或高溫高壓)的製程條件下，架橋高分子可以成為線性高分子形成結晶時的阻礙，限制線性高分子所形成結晶的尺寸及其結晶的程度，以降低結晶所造成的立體障礙，以使離子能更順暢的通過。

而導電添加物34除了改善第一活性材料層20與第一集電層12間的電性傳導特性外，藉由導電添加物34的存在更進一步縮小了線性結構膠體與立體結構膠體所需填設的空間，舉例來說，線性結構膠體與立體結構膠體所需填設的空間將是存在於兩相鄰導電添加物34的間距T，如此能有效避免線性結構膠體因製程所需的熱處理或加壓處理而導致的結品，而增加可撓曲能力，如第3圖所示。

再參閱第3圖，在電池承受外力彎折時，導電添加物34更可以做為第一柔性黏合層32承受外力時的節點。也就是說當導電添加物34的尺度小且摻雜數量夠多時，將使得節點數量相對較多，如此一來任兩節點間的接著劑所承受得變形量相較於無添加導電添加物34的接著劑將顯著減小，鑑此，第一柔性黏合層32與第一集電層12之第一內表面b以及第一活性材料層20的黏著狀態將更佳完善。

雖然上述實施例說明的導電添加物34與接著劑皆是存在於可撓式鋰電池30之電性絕緣層22的單一側元件上，但熟知該項技藝者當知也可設置在電性絕緣層22之另一側元件。舉例來說，如第4圖所示，第二內表面d與第二活性材料層24間也可單獨或同時設置有一第二柔性黏合層36。第二柔性黏合層36之成分與組成與第一柔性黏合層32相同。

唯以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，並非用來限定本發明實施之範圍。故即凡依本發明申請範圍所述之特徵及精神所為之均等變化或修飾，均應包括於本發明之申請專利範圍內。

Claims

一可撓式鋰電池，其包含有：一第一集電層，其具有一第一外表面與一第一內表面；一第二集電層，其具有一第二外表面與一第二內表面；一膠框，其係為封閉的並夾設於該第一內表面與該第二內表面之間，該膠框的上、下表面係分別與該第一內表面、該第二內表面黏著，該膠框、該第一集電層與該第二集電層係形成一封圍空間；以及一電化學系統層，其設置於該封圍區域內並鄰設於該膠框的一內側表面，該電化學系統層包含有一第一活性材料層、一第二活性材料層與設置於該第一活性材料層與該第二活性材料層間之一電性絕緣層；其特徵在於該第一內表面與該第一活性材料層間，以及/或者是該第二內表面與該第二活性材料層間設置有一柔性黏合層，該柔性黏合層係鄰設於該膠框的該內側表面且包含一接著劑與至少一導電添加物，該接著劑由一線性結構膠體與一立體結構膠體所組成，該導電添加物係混合於該膠著劑中。
如請求項1所述之鋰電池，其中該線性結構膠體是由線性高分子(linear polymer)所組成，該線性高分子係選自聚二氟乙烯(Polyvinylidene fluoride；PVDF)、聚偏二氟乙烯-共-三氯乙烯(PVDF-HFP)、聚四氟乙烯(Polytetrafluoroethene；PTFE)、壓克力酸膠(Acrylic Acid Glue)、環氧樹脂(Epoxy)、聚氧化乙烯(PEO)、聚丙烯腈(polyacrylonitrile；PAN)、羧甲基纖維素(carboxymethyl cellulose；CMC)、苯乙烯丁二烯橡膠(styrene-butadiene rubber；SBR)、聚丙烯酸甲酯(polymethylacrylate)、聚丙烯酰胺(polyacrylamide)、聚乙烯吡咯烷酮(polyvinylpyrrolidone；PVP)及上述組合。
如請求項1所述之鋰電池，其中該立體結構膠體是由架橋高分子(cross-linking polymer)所組成時，該架橋高分子係選自環氧樹脂(Epoxy)、壓克力樹脂(Acrylic Acid)、聚丙烯腈(polyacrylonitrile；PAN)及上述組合之網絡式架橋高分子，或者是聚醯亞胺(polyimide；PI)及其衍生物之梯狀(ladder)架橋高分子。
如請求項1所述之鋰電池，其中該導電添加物與該接著劑的重量比為50~70%：50~30%。
如請求項1所述之鋰電池，其中該導電添加物與該立體結構膠體的重量比為50~70%：20~3%。
如請求項1所述之鋰電池，其中該線性結構膠體與該立體結構膠體的重量比為60~90%：40~10%。
如請求項1所述之鋰電池，其中該柔性黏合層的厚度為4~10μm。
如請求項1所述之鋰電池，其中該導電添加物之外觀形狀是球狀、管狀或片狀，或其混合。
如請求項8所述之鋰電池，其中外觀形狀為球狀的該導電添加物是碳黑。
如請求項8或9所述之鋰電池，其中外觀形狀為球狀的該導電添加物的平均粒徑約40奈米。
如請求項10所述之鋰電池，其中該外觀形狀為球狀的該導電添加物的表面積約60~300m²/g。
如請求項8所述之鋰電池，其中外觀形狀為管狀的該導電添加物是碳管。
如請求項8或12所述之鋰電池，其中外觀形狀為管狀的該導電添加物的管徑約5~150奈米，長度約為5~20μm。
如請求項13所述之鋰電池，其中該外觀形狀為管狀的該導電添加物的表面積約20~400m²/g。
如請求項8所述之鋰電池，其中外觀形狀為片狀的該導電添加物是石墨、石墨烯，或其組合。
如請求項8或15所述之鋰電池，其中外觀形狀為片狀的該導電添加物的平均粒徑約3.5μm。
如請求項16所述之鋰電池，其中該外觀形狀為片狀的該導電添加物的表面積約20m²/g。