一种柔性电池及其制造方法与流程

1.本发明涉及一种柔性电池及其制造方法，具体涉及但不限于一种可被弯曲的柔性电池及其制造方法。


背景技术：

2.柔性电池在使用过程中可以根据产品的要求进行弯曲或扭曲，并且它们可以制造成不同的形状和尺寸，即使在随后或频繁的弯曲或扭曲时，也能保持其特征形状。
3.柔性电池，可根据接合面设计成保形和柔性电池，在使用时具有弯曲或扭转的能力。它们可以被加工成不同的形状和尺寸，即使在随后的或频繁的弯曲或扭曲中也能保持其特有的形状
4.可穿戴式电子设备(例如，带有柔性屏幕的设备、可折叠手机)通常需要电池(尤其是那些具有高柔性、耐用性和能量密度的电池)提供可靠的电能，这使柔性电池适合在产品中实现应用。


技术实现要素：

5.根据本发明的第一方面，提供了一种电池，包括：多个能量存储单元；柔性部，其通过物理连接和电气连接连接每对相邻的能量存储单元；以及封装件。所述能量存储单元和部封装在所述封装件内，所述能量存储单元通过柔性连接部能够相互移动。
6.在第一方面的一个实施例中，所述能量存储单元和所述连接部之间包括适于消除应力的多层结构。
7.在第一方面的一个实施例中，所述适于消除应力的多层结构包括第一电极和第二电极，其中，所述第一电极和所述第二电极具有不同的厚度。
8.在第一方面的一个实施例中，所述适于消除应力的多层结构包括单面或双面涂覆的第一电极和单面或双面涂覆的第二电极。
9.在第一方面的一个实施例中，所述第一电极是阳极，而所述第二电极是阴极。
10.在第一方面的一个实施例中，所述能量存储单元和所述柔性连接部包括相同的电极多层结构和隔膜。
11.在第一方面的一个实施例中，所述能量存储单元包括所述多层结构的折叠结构、卷绕结构或卷叠结构。
12.在第一方面的一个实施例中，电池还包括多个互连的电池段，每个所述电池段限定所述能量存储单元和所述柔性连接部。
13.在第一方面的一个实施例中，每个能量存储单元包括圆柱体、立方体或长方体的形状。
14.在第一方面的一个实施例中，每个能量存储单元包括三棱柱形状。
15.在第一方面的一个实施例中，所述多个能量存储单元可以被组合并形成六棱柱形状。
16.在第一方面的一个实施例中，所述电池包括六个呈三棱柱形状的能量存储单元。
17.在第一方面的一个实施例中，所述封装件是柔性的。
18.在第一方面的一个实施例中，所述能量存储单元、所述柔性连接部和所述封装件的组合是可拉伸的。
19.在第一方面的一个实施例中，电池还包括设置在每对相邻的能量存储单元之间的缓冲构件。
20.在第一方面的一个实施例中，所述缓冲构件包括橡胶间隔件。
21.根据本发明的第二方面，提供了一种制造电池的方法，包括以下步骤：提供多层结构，多层结构包括阳极、隔膜和阴极；将多层结构分段成多个互连段；在所述多个互连段的每一段中形成能量存储单元和柔性连接部；将多层结构封装在封装件中，其中，柔性连接部连接每对相邻的能量存储单元。所述能量存储单元和部封装在所述封装件内，所述能量存储单元通过柔性连接部能够相互移动。
22.在第二方面的一个实施例中，形成所述能量存储单元的步骤包括以下步骤：将多个互连段中的每一个对折；在每个段中，将多层结构折叠、卷绕、弯曲或扭曲成圆柱体、立方体或长方体。
23.在第一方面的一个实施例中，形成所述能量存储单元的步骤包括以下步骤：将多个互连段中的每一个对折；在每个互连段中，将多层结构折叠、卷绕、弯曲或扭曲成三棱柱。
24.在第一方面的一个实施例中，多个能量存储单元可以被组合并形成六棱柱形状。
25.在第一方面的一个实施例中，制造方法还包括在每对相邻的能量存储单元之间提供缓冲构件的步骤。
26.在第一方面的一个实施例中，提供多层结构的步骤包括涂覆电极材料，以形成第一电极和第二电极的步骤，其中，所述第一电极和所述第二电极具有不同的厚度。
27.在第一方面的一个实施例中，所述多层结构是适于消除应力的多层结构。
28.在第一方面的一个实施例中，提供多层结构的步骤包括以下步骤：涂覆单层或双层阳极材料以形成所述第一电极，并且涂覆单层或双层阴极材料以形成第二电极。
附图说明
29.下面结合附图和实施例，对本发明作进一步说明，附图中：
30.图1是实施例中电池多层结构的示意图；
31.图2a是本发明第一实施例的电池的透视图；
32.图2b是图2a的电池的剖视图；
33.图3是图2a中电池的柔性储能单元之一的剖视图；
34.图4是图2a中电池的电化学性能的图；
35.图5是图2a中电池具有封装件的电池的图像；
36.图6是图5中的电池的另一侧视图的图像；
37.图7是图5中的电池的图像，其显示了其柔性；
38.图8是图5中的电池的图像，其显示了电池的弯曲尺寸；
39.图9a是本发明第二实施例电池的透视图；
40.图9b是图9a中的电池的剖视图；
41.图10是图9a中的电池的电池段的透视图；
42.图11是图9a中的电池的电化学性能的图；
43.图12是图9a中的具有封装件的电池的图像；
44.图13是图12中的电池的另一侧视图的图像；
45.图14是图12中的电池另一侧的图像，其显示了电池的弯曲尺寸；
46.图15是本发明第三实施例电池的透视图；
47.图16a是本发明第四实施例的电池的示意性侧视图；
48.图16b是图16a中的电池的透视图的图像；
49.图17是图16a中具有封装件的电池的图像；
50.图18是图16a中的电池在不同弯曲状态下的电化学性能图；
51.图19是图16a中的电池在不同弯曲状态下的恒电流充放电曲线图；
52.图20a是本发明第五实施例的电池的示意性侧视图；
53.图20b是图20a中具有封装件的电池的图像；
54.图21是图20a中的电池的局部图像；
55.图22是图20a中的电池的电化学性能图；
56.图23是本发明第六实施例的电池的示意图；
57.图24是图23中的电池形成六棱柱形状电池的流程图；
58.图25a是图23中具有封装件的电池的图像；
59.图25b是图25a中的电池形成的六棱柱形状的电池的图像；
60.图26是本发明的实施例中制造电池的方法流程图。
具体实施例
61.发明人通过自己的研究和实验得出，一些由一层或两层阳极/隔膜/阴极堆叠的简单结构电池具有相对较低的体积能量密度和容量。
62.不希望受到理论的束缚，高容量的电池可以通过多层简单结构的堆叠或卷绕来构造。参考图1，显示了电池10的多层结构，其包括多个阴极12、阳极14和隔膜16。每个隔膜16夹在每个阴极12和阳极14之间，以防止电池短路，同时允许电池充放电过程中离子电荷载流子通过。另外，电池由上述多层结构堆叠组成，以增加电化学活性材料的总体积，从而增加电池的容量。
63.然而，当电池弯曲时，外表面承受拉伸应力，而内表面承受压力。因此，对于具有多层结构(其具有相对非弹性电极)的柔性电池，当电池弯曲或扭曲时，层之间将存在明显的滑动，从而导致容量衰减。另外，多层堆叠导致电池总厚度增加从而降低了电池的机械柔性。
64.根据本发明的实施例，可以基于不同的架构设计来构造电池，以增强锂离子电池的机械柔性。较佳的，通过在制造过程调整堆叠或卷绕的过程，使用者可以根据电池的不同应用获得各种柔性电池。
65.首先参考图2至图8，显示了本发明第一实施例的电池100。柔性电池100，其包括多个互连的电池段102，每个互连的电池段102包含了能量存储单元104；以及柔性连接部106，柔性连接部106通过物理连接和电气连接连接每对相邻的能量存储单元104。能量存储单元
104和连接部106包括多层结构，优选地为适于消除应力的多层结构108，使得当电池100弯曲、扭曲或以其他方式变形时，层之间的压力或拉力被最小化。
66.如图3所示，本发明的电池100的适于消除应力的多层结构108包括两个电极(阴极112和阳极114)，以及在阴极112和阳极114之间的隔膜116。这种多层结构108即阳极/隔膜/阴极通过堆叠形成能量存储单元104。两个电极112、114具有相同的厚度。阳极112和阴极层114是单层涂覆，即，每个多层结构108具有单层阴极112和单层阳极114。
67.在该实施例中，电池100中的每个能量存储单元104和柔性连接部106包括相同的多层结构108。优选地，多层结构108中的所有材料都是柔性的。例如，阳极和阴极可包括柔性集流体(例如，碳布或金属片)，以及涂覆在集流体上的一层或多层电极材料。
68.所有能量存储单元104和柔性连接部106形成的互连电池段102可以一体形成。每个能量存储单元104具有基本相同的大小和形状。阳极/隔膜/阴极堆叠形成的能量存储单元104比柔性连接部106厚：每个柔性连接部106包括单层的多层结构108，并且每个堆叠的能量存储单元104包括多层结构108的折叠结构(九层的多层结构108)，这有助于提高能量存储单元104相对于柔性连接部106的刚性以及提高电池100的容量。另外，这些能量存储单元104和柔性连接部106中的一个或多个可以分开构造，并进一步连接在一起。
69.图4显示了电池100的电化学性能，电池具有前述结构，其大小为170(l)
×
28(w)
×
1.51(t)mm，并且体积能量密度为149.2wh/l。随着循环次数的增加，放电容量和库仑效率都保持相对恒定，这证明了电池具有较好的电化学性能。
70.参照图5至图8，在一个示例性实施例中，电池100由被封装件110封装的11个互连的电池段102构成。电池还包括在电池100的一端的两个突出部正端子120、负端子122，其用作是连接电源外部设备。
71.优选地，电池100可以进一步包括封装件110，封装件110保护电池的多层堆叠结构。在该示例中，封装件110是柔性的、可拉伸的和可压缩的，其与柔性多层结构108一起使得电池100能够根据需要弯曲成不同的形状(例如，u形(图6和图7)和环形(图8))，从而保证了电池100的多功能性。如图8所示，电池100可以弯曲成直径约60mm的环形电池，从而减小了电池的整体尺寸。当用于提供电池容纳空间较小的外部设备时，这可能很有用。
72.尽管能量存储单元104由于折叠结构而相对刚性，但是通过选择合适的用于电池段102封装的封装件110的材料，能允许相邻能量存储单元104经由柔性连接部106相对于彼此在封装件110中相对移动，从而实现电池100的整体灵活性。
73.另一方面，由于每段的柔性连接部106和相邻的能量存储单元104是由相同的多层堆叠结构形成，并且柔性连接部106相对薄，所以，即使相比柔性连接部106，能量存储单元104相对刚性，相邻能量存储单元104也可通过柔性连接部106相对彼此移动。
74.图9至图14显示了本发明的第二实施离的电池200。该实施例采用与上面所述的电池100中图2a和2b基本相同的结构。因此，以下描述主要集中于与上述实施例不同的结构和特征。如以下段落中所述，相似的附图标记表示相似的部分。
75.这两个实施例的主要区别在于阴极和阳极的厚度不同。在该实施例中，适于消除应力的多层结构208包括被双涂覆的阴极212和被单涂覆的阳极214。换句话说，多层结构208包括两层阳极214和单层阴极212，在每一对阴极层212和阳极214之间具有隔膜216。所示的电池200具有三层多层结构208，可以通过将多层结构208折叠两次而形成。
76.通过使阴极和阳极具有不同的厚度，当电池弯曲或卷绕时，内层中的较薄电极可以被更容易地压缩，从而进一步提高电池的柔性，例如当电池围绕管状物体或肢体弯曲时，可以更容易进行弯曲。另外，基于材料的不同，也可能将电极较厚的部分设计成在电池弯曲时保持相对不变，而较薄的电极层被拉伸和/或压缩。
77.图11显示了具有该多层结构的电池200的电化学性能，其大小为115(l)
×
30(w)
×
1.51(t)mm，体积能量密度为56.8wh/l。尽管放电容量随循环次数的增加而略有下降，但库仑效率仍保持相对恒定，这证明其有不错的电化学性能。
78.类比于上一实施例的图5至图8，参考图12至图14，在本实施例中，电池200能够转变成不同的形状。当放平时(图12)，电池200的长度约为130mm(包括突出部的长度)。当转变成环形形状时(图14)，电池200具有约50mm的直径。
79.图15显示了本发明第三实施例的电池300。该实施例具有与上面所述图9至14电池200基本相同的结构。因此，以下描述主要集中于与上述实施例不同的结构和特征。如以下段落中所述，相似的附图标记表示相似的部分。
80.在该实施例中，电池300还包括设置在每对相邻的能量存储单元304之间的缓冲构件324。缓冲构件324不仅连接相邻的一对能量存储单元304，而且与柔性连接部306也相连。优选地，该缓冲构件324包括橡胶垫片等弹性材料，该橡胶垫片作为缓冲层，不仅可以抑制柔性电池300弯曲时的压力和张力，黑能够缓解多层结构308存在的应力。此外，缓冲构件324还为相邻的储能单元304、更薄的柔性连接部306提供了额外的机械支撑，增强了电池的机械强度。
81.图16至图19显示了本发明的第四实施例的电池400。该实施具有与上面参照图2至8所述的电池100基本相同的结构。因此，以下描述主要集中于与上述实施例不同的结构和特征。如以下段落中所述，相似的附图标记表示相似的部分。
82.在该实施例中，每个能量存储单元404为长方体形状，每个长方体404比它们之间的柔性连接部406更厚且更长。短的柔性连接部406为整个柔性电池400提供了柔性，并且当电池400弯曲时几乎不受应力，因此大大提高了电池400的耐久性。
83.图18和19分别显示了在不同弯曲状态下电池的电化学性能和恒电流充放电曲线。不同的弯曲状态包括将电池弯曲成u形(状态a)，将电池弯曲成波形(状态b)，将电池弯曲成环形(状态c)以及将电池对折(状态d)。结果表明，不同弯曲状态下电池的比容量、库仑效率和电压非常相似，这表明不管弯曲状态如何，柔性电池都可以保持稳定的电化学性能。另外我们还发现，当能量存储单元为长方体形状时，电池的体积能量密度的损失可以小于10％。
84.图20至图22显示了本发明第五实施例的电池500。该实施例具有与上面参照图2至8所述的电池100类似的结构。因此，以下描述主要集中于与上述实施例不同的结构和特征。如以下段落中所述，相似的附图标记表示相似的部分。
85.在该实施例中，每个能量存储单元504形成为圆柱形状。另外，较薄的柔性连接部506允许电池500被变换成不同的形状。圆柱体504可以通过多层结构508卷绕、螺旋获得。另外，类似于之前的实施例，也可以通过折叠形成圆柱形能量存储单元504。
86.图22显示出在具有圆柱形能量存储单元的一个实施例中的电池500的电化学性能。与上述实施方案类似，在整个实验过程中，电池表现出良好的电化学性能，其具有相对恒定的比容量和库仑效率。另外我们还可以发现，当柔性电池能量存储单元变为圆柱形时，
柔性电池不仅可以弯曲和扭曲，而且还可以拉伸。另外，电池能够沿着任何位置弯曲，电池变得更加灵活。
87.图23至图25显示了本发明第六实施例电池600。该实施例具有与上面参照图2至8所述的电池100基本相同的结构。因此，以下描述主要集中于与上述实施例不同的结构和特征。如以下段落中所述，相似的附图标记表示相似的部分。
88.在该实施例中，每个能量存储单元604形成为三棱柱形状。当电池中有六个三棱柱604时，三棱柱604可以进一步组合并形成六棱柱形状630，如图24所示。优选地，每个三棱柱604是均匀三棱柱，从而使形成的六棱柱形状630是正六棱柱形状。
89.在实际应用过程中，当需要转换电池的形状和尺寸时，使用者可以折叠、弯曲、扭曲或拉伸电池。电池的这种灵活性允许在不同情况下进行自适应转换。例如，当设备内的电池收纳部为圆形时，电池可以容易且方便地转换成环形并容纳在圆形收纳部中。另外，当电池收纳部为矩形时，电池可折叠成长方体，以装配到矩形收纳部中。尽管在附图中未示出，但是当使用适当的材料时，例如，当使用伸缩或弹性材料时，能量存储单元、柔性连接部和封装件的组合也可以是可扭曲的或可拉伸的。
90.转向制造电池的方法(例如，上述电池100、200、300、400、500、600)，图26列出了本发明实施例电池制造的一般方法700。方法700开始于步骤702，在步骤702中，提供了至少具有阳极、阴极以及在阳极和阴极之间的隔膜的多层结构。优选地，多层结构是适于消除应力的多层结构，有利于电池变形。
91.电极材料分别涂覆到集流体上形成阴极和阳极。类似于常规的阴极和阳极，阴极由阴极活性材料、导电添加剂和集流体组成；阳极由阳极活性材料、导电添加剂和集流体组成。如上所述，通过涂覆适当量的电极材料，阴极和阳极可以具有相同的厚度或不同的厚度。优选地，所有电极材料都是柔性的。
92.对于图2至图8中利用该方法制备的电池100(其中，阴极和阳极均被单涂覆)，步骤702包括沉积单层阳极材料以形成阳极，沉积单层阴极材料以形成阴极。
93.对于图9至图14中利用该方法制备电池200(其中，阴极被双涂覆，阳极被单涂覆)，步骤702包括沉积单层阴极材料以形成阴极和沉积单层阳极材料以形成阳极。
94.然后，该方法进行到步骤704，在该步骤中，将多层结构分段成多个互连的段。优选地，多层结构被均等地分段，使得每个互连的段具有基本相同的形状和尺寸，从而使后续步骤更容易执行。
95.接下来，在步骤706中，在每个互连段中形成能量存储单元和柔性连接部。在实施例中，该段被分成两个不平坦部分。优选地，使用段的较大部分来形成能量存储单元，并且使用段的较小部分来形成柔性连接部，从而使得能量存储单元的整体尺寸比柔性连接部更大(例如，更厚)。每个段的较大部分可以被对折，然后可以按照步骤708的需要，进一步形成所需形状。
96.步骤708涉及在每个段中将多层结构变换(例如，折叠、卷绕、弯曲或扭曲)为所需形状。特别地，每段的一部分被转换成所需形状，以形成具有期望形状的能量存储单元，而该段的另一部分保持不变(即，未处理或变换)，从而形成连接能量存储单元的连接部，其相对于能量存储单元更具柔性。如上所述，电池中的这些柔性连接部通过物理连接和电气连接连接每对相邻的能量存储单元。
97.能量存储单元可以是立方体、长方体、圆柱体或三棱柱的形状。例如，为了形成立方体或长方体，可以首先将多层结构的一部分对折，然后进一步折叠直到形成期望的形状。另外，为了形成圆柱体或三棱柱，可首先将多层结构的一部分对折，然后弯曲或卷成所需的形状。
98.最后，在步骤710中，将多层结构封装在封装件中。即，所有的能量存储单元和它们之间的柔性连接部都被封装。优选地，多层结构和封装件都是柔性的。具体地，能量存储单元之间的连接部是柔性的，使得能量存储单元经由柔性连接部可相对于彼此移动，尽管能量存储单元的刚性折叠结构，也实现了电池的整体柔性。
99.作为附加步骤，如果希望将电池转换为六棱柱形状(如图23至25所示)，则该方法可以进一步包括组合能量存储单元，以形成六棱柱形状。在一个实施例中，能量存储单元为三棱柱形状，并且电池包括至少六个三棱柱。可以通过将电池的一端朝另一端滚动来形成六棱柱形状，以使六个三棱柱组合并形成所需的六棱柱形状。
100.可选地，该方法还可包括以下步骤：在每对相邻的能量存储单元之间提供缓冲构件，以在电池弯曲或扭曲时进一步减轻拉力和压力。缓冲构件可以包括弹性材料，例如橡胶。
101.因此，本发明基于其结构设计，提供了一种具有高柔性、高体积能量密度和高比容量的柔性电池。本发明的柔性电池的优点在于，它是通用的，并且可以用于不同的应用中，例如运输、军事、机器人、运动和医疗应用，从而为各种柔性可穿戴式设备(包括柔性电话、柔性屏幕、柔性传感器、柔性电子皮肤、智能服装等在内)提供长期且有前景的电力。
102.本发明优于常规的柔性电池。例如，本发明的柔性电池具有多层阳极/隔膜/阴极堆叠(而不是常规柔性电池那样仅由一层或两层上述结构构成)，从而提供了更高的体积能量密度和比容量。这种结构能够减小弯曲时的张力/压力。
103.优选的，可以通过以下步骤较容易地制造柔性电池：首先制备长的电池多层结构，然后对长的多层结构分段，通过折叠多层结构在每个段中形成较厚的部分(能量存储单元)和柔性连接部。
104.另外，柔性电池制备无需引入任何其他柔性材料，仅通过对制备工艺的修改，因此，总生产成本接近于相应的普通商用电池。此外，本发明的柔性电池的大多数生产工艺与相应的普通电池的生产工艺相同，因此，有利于在传统电池生产的基础上进行大规模生产。
105.根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行变更和修改。因此，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对本发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。例如，尽管如上所述的电池是锂离子电池，但是在本发明中也可以考虑具有其他化学性质的电池，例如，锌离子电池、钠离子电池、钾电池等。
106.电池的构造也可以与上述实施例不同。例如，电池中的每个能量存储单元和柔性连接部可包括不同的多层结构。与上述多层结构相比，多层结构也可以具有不同的结构。在一个实施例中，能量存储单元可以包括双涂覆阳极和单涂覆阴极，而柔性连接部可以包括单涂覆阳极和单涂覆阴极。在另一个实施例中，每个多层结构可以具有相同的电极层(例如，单涂覆的阳极和阴极)，但是在能量存储单元的多层结构和柔性连接部中的电极厚度可以不同。
107.可以理解的是，柔性电池可以不包括由柔性材料制成的能量存储单元。在这种情况下，可以通过柔性连接部和封装件来实现电池的总体灵活性。
108.电池的制造方法也可以不同。例如，多层结构可以不等分段，只要可以形成所需形状即可。同样，形成能量存储单元可以不涉及变换多层结构，例如，折叠、缠绕或弯曲。例如，能量存储单元可以从开始就由较厚的多层结构制成。
109.尽管通过分段再对折来描述立方体、长方体、圆柱体和三棱柱的形成，但应理解的是，该部分可以直接弯曲和卷叠得到而不折叠这个步骤。
110.因此，本发明所描述的实施例在所有方面都应被认为是说明性的而非限制性的。除非另有说明，否则本文所包含的对现有技术的任何引用均不应视为承认该信息是公知常识。