一种多层结构柔性电池、制作方法及其用电设备与流程

1.本发明涉及储能器件技术领域，尤其涉及一种多层结构柔性电池、制作方法及其用电设备。


背景技术：

2.随着移动设备、可穿戴设备的快速发展，这些设备对其所使用的电池的柔性提出了更高的要求。
3.现有柔性锂离子电池体系中，当电池处于弯曲等状态下的特殊场景应用时，极片极易出现弯折区域活性物质膜层从集流体上脱落的现象，尤其电池厚度大于300um之后，弯曲导致极片内部应力较大，进而影响到电池充放电功能，因此，要从根本上实现柔性电极的构筑，就对柔性电池的结构提出了更高的要求。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明实施例提供了一种多层结构柔性电池、制作方法及其用电设备，确保电池正负极材料层不掉落的情况下能实现稳定的反复弯曲。
5.为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
6.第一方面，本发明实施例提供了一种多层结构柔性电池，包括：由软聚合物层和电池单元堆叠而成的堆叠结构；其中，电池单元包括正极集流体层、正极材料层、隔膜、负极集流体层及负极材料层；所述隔膜在所述正极材料层和所述负极材料层之间，所述正极材料层或所述负极材料层沿水平方向间隔分布。
7.其中，沿水平方向的任意两相邻所述正极材料层之间的间隔设有第一聚合物层。
8.其中，沿水平方向的任意两相邻所述负极材料层之间的间隔设有第二聚合物层。
9.其中，所述第一聚合物层和所述正极材料层的厚度相同，所述第一聚合物层分别与所述正极集流体层和所述隔膜粘连。
10.其中，所述第二聚合物层和所述负极材料层的厚度相同，所述第二聚合物层分别与所述负极集流体层和所述隔膜粘连。
11.其中，所述软聚合物层为由杨氏模量为20kpa-10gpa的聚合物制备而成。
12.其中，还包括在所述堆叠结构表面的封装保护层层，所述封装保护层与所述软聚合物层粘连。
13.其中，所述封装保护层包括接近所述软聚合物层的粘连层和在所述粘连层外侧的保护层。
14.第二方面，本发明实施例提供了一种多层结构柔性电池的制作方法，对由软聚合物层和电池单元堆叠而成的堆叠结构进行封装，得到多层结构柔性电池；其中，电池单元包括正极集流体层、正极材料层、隔膜、负极集流体层及负极材料层；所述隔膜在所述正极材料层和所述负极材料层之间，所述正极材料层或所述负极材料层沿水平方向间隔分布。
15.第三方面，本发明实施例提供了一种用电设备，包括上述多层结构柔性电池或上
述制作方法得到的多层结构柔性电池。
16.本发明实施例提供的一种多层结构柔性电池、制作方法及其用电设备，包括：由软聚合物层和电池单元堆叠而成的堆叠结构；其中，电池单元包括正极集流体层、正极材料层、隔膜、负极集流体层及负极材料层；所述隔膜在所述正极材料层和所述负极材料层之间，所述正极材料层或所述负极材料层沿水平方向间隔分布；如此，一方面，在电池反复弯曲过程中，电池内部应力可以通过软聚合物层有效释放，降低正极材料层、负极材料层、负极集流体层和正极集流体层内的应力，从而使整个电池具有柔性；另一方面，由于正极材料层和负极材料层沿水平方向间隔分布，这样可以降低正负极材料层与正负极集流体层间的界面应力，以抑制剥离。
附图说明：
17.图1为本发明一实施例提供的多层结构柔性电池的结构示意图；
18.图2为本发明一实施例提供的堆叠结构的结构示意图；
19.图3为本发明一实施例提供的堆叠结构堆叠方式的结构示意图；
20.图4为本发明另一实施例提供的堆叠结构的结构示意图；
21.图5为本发明另一实施例提供的堆叠结构堆叠方式的结构示意图；
22.图6为本发明一实施例提供的堆叠后的多层结构柔性电池的结构示意图；
23.图7为本发明另一实施例提供的堆叠后的多层结构柔性电池的结构示意图；
24.图8为本发明一实施例提供的正极材料层和第一聚合物层的俯视分布图；
25.图9为本发明另一实施例提供的正极材料层和第一聚合物层的俯视分布图。
26.图中，正极材料层1，第一聚合物层2，负极材料层3，隔膜4，软聚合物层5，正极集流体层6，负极集流体层7，第二聚合物层8，封装保护层9，粘连层10，保护层11。
具体实施方式
27.为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明的具体含义。下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。
28.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
29.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
30.参见图1至图5，为本发明实施例提供的一种多层结构柔性电池，包括：由软聚合物
层5和电池单元堆叠而成的堆叠结构；其中，电池单元包括正极集流体层6、正极材料层1、隔膜4、负极集流体层7及负极材料层3；所述隔膜4在所述正极材料层1和所述负极材料层3之间，所述正极材料层1或所述负极材料层3沿水平方向间隔分布；如此，一方面，在电池反复弯曲过程中，电池内部应力可以通过软聚合物层5有效释放，降低正极材料层1、负极材料层3、负极集流体层7和正极集流体层6内的应力，从而使整个电池具有柔性；另一方面，由于正极材料层1和负极材料层3沿水平方向间隔分布，这样可以降低正负极材料层3与正负极集流体层7间的界面应力，以抑制剥离。
31.这里，需要说明的是，本技术中附图1至附图7为电池的截面图，因此，可以将截面图所展示的图形分为水平方向、竖直方向和深度方向，以正极材料层1为例，可同时参阅图8至图9，所述正极材料层1沿水平方向间隔分布指的是每一个堆叠结构中的正极材料层1被划分成沿竖直方向的厚度相等，沿深度方向的长度相等，沿水平方向上存在间隔的多个正极材料层1，而该间隔形成了与正极材料层1沿竖直方向的厚度相等，沿深度方向的长度相等，沿水平方向上小于正极材料层1长度的多个凹槽。
32.这里，请参阅图4至图6，堆叠结构也可以包括由双极集流体一侧表面的正极材料层1、所述双极集流体、在所述双极集流体另一侧表面的负极材料层3以及隔膜4的复合结构，这里，双极集流体包括软聚合物层5、软聚合物层5一侧的正极集流体层6及软聚合物层5另一侧的负极集流体层7。
33.需要说明的是，请参阅图7，这里的多层结构柔性电池的堆叠结构中，常规的单极集流体结构，即软聚合物层5的两侧可以都是正极集流体层6或者负极集流体层7，如此形成的多层结构柔性电池也在本发明的保护范围内。
34.进一步地，本发明的堆叠结构不限于一个软聚合物层5和一个电池单元的组合方式，也可以是一个软聚合物层5和两个电池单元，或一个电池单元和两个软聚合物层5等多种可以构成多层结构柔性电池的组合方式，上述多种多种组合方式都在本发明保护范围内。
35.这里，软聚合物层5可以是具有烯烃基础结构的聚合物；具体可选地，所述具有烯烃基础结构的聚合物包括烯烃共聚物、烯烃嵌段共聚物、烯烃无规共聚物及其混合物。更具体地，所述具有烯烃基础结构的聚合物包括烯烃嵌段共聚物、烯烃无规共聚物、乙烯共聚物、丙烯共聚物、乙烯基烯烃嵌段共聚物、丙烯基烯烃嵌段共聚物、乙烯基烯烃无规共聚物、丙烯基烯烃无规共聚物、乙烯-丙烯无规共聚物、乙烯-丁烯烯烃嵌段共聚物、乙烯α-烯烃共聚物、乙烯α-烯烃无规共聚物、乙烯α-烯烃嵌段共聚物及其混合物。
36.在一实施方式中，所述软聚合物层5为由杨氏模量为20kpa-10gpa的聚合物制备而成。如此，软聚合物在电池整体变形下，可以承受剪切变形，使隔膜4、正极集流体层6和负极集流体层7变形量减小，同时在电池两端固定的情况下能够实现弯曲，成为柔性电池。
37.这里，隔膜4是电解反应时，用以将正负两极分开防止在电解池中直接反应损失能量的一层薄膜，在本发明实施例中，可以是常规电池中的隔膜4，也可以是固态电解质，用于隔绝正负极的作用。
38.这里，正极材料层1中的正极活性物质可以从钴酸锂、镍钴锰酸锂、镍钴铝酸锂、磷酸铁锂、锰酸锂、富锂锰基、磷酸铁锰锂、磷酸钒锂、氟化磷酸钒锂、硫元素、硫化聚丙烯腈、氧气、钴酸钠、磷酸铁钠或锰酸钠中进行常规选择和组合。
39.这里，负极材料层3中的负极活性物质可以从人造石墨、天然石墨、中间相炭微球、硬碳、软碳、钛酸锂、硅基负极、锡基负极、石墨烯、金属锂或锌合金中进行常规选择和组合。
40.这里，所述正极集流体层6和负极集流体层7可采用液相法、气相法、热喷涂法、溅射法、激光脉冲沉积法、静电纺丝法、电化学沉积法和电子束蒸发法中的一种或几种方法制备于所述软聚合物层5上。这里，正负集流体也可以是传统集流体，正极集流体层6可以包括铝、不锈钢、钛、铜、银或其组合；负极集流体层7可以包括从铜、不锈钢、镍、铝以及钛中选择的至少一种金属。
41.在一实施方式中，请参阅图6至图7，沿水平方向的任意两相邻所述正极材料层1之间的间隔设有第一聚合物层2。
42.在一实施方式中，沿水平方向的任意两相邻所述负极材料层3之间的间隔设有第二聚合物层8。
43.这里，第一聚合物层2和第二聚合物层8可以是相同的聚合物组成。
44.同时，请参阅图8至图9第一聚合物层2和第二聚合物层8可以完全填充在所述间隔形成的凹槽中，也可以部分填充，也可以阵列填充，具体不做限定。
45.具体地，请参阅图8，在深度方向填充出与正极材料层1长度相同，竖直方向上厚度相同的第一聚合物层2，相同的，在深度方向填充出与负极材料层3长度相同，竖直方向上厚度相同的第二聚合物层8，如此，使得该柔性电池在一维方向上可弯曲，具体地，即沿深度方向可弯曲。
46.请参阅图9，在深度方向以阵列式在正极材料层1的间隔所形成的凹槽中，竖直方向上厚度相同的第一聚合物层2，相同的，在深度方向以阵列式在负极材料层3的间隔所形成的凹槽中，竖直方向上厚度相同的第二聚合物层8，该阵列式分布的第一聚合物层2或第二聚合物层8的具体形状不作限定，可以是方形、圆形等；如此，使得该柔性电池在二维方向上可弯曲，具体地，即沿水平方向以及深度方向可弯曲。
47.这里，第一聚合物层2和第二聚合物层8的材质是绝缘且具备粘连作用的聚合物，可以和软聚合物层5的相似，其中可以参杂粘合剂实现粘连作用。
48.粘合剂可以包括从基于聚偏二氟乙烯的粘合剂、基于羧甲基纤维素的粘合剂、基于丙烯酸盐的粘合剂、聚酰胺亚胺、聚四氟乙烯、聚氧化乙烯、聚吡咯、全氟磺酸锂(lithium-nafion)和基于丁苯橡胶的聚合物中选择的至少一种，基于聚偏二氟乙烯的粘合剂例如为聚偏二氟乙烯、偏二氟乙烯/六氟丙烯共聚物、偏二氟乙烯/四氟乙烯共聚物，基于羧甲基纤维素的粘合剂例如为从羧甲基纤维素钠和羧甲基纤维素锂选择的至少一种，基于丙烯酸盐的粘合剂例如为从聚丙烯酸、锂聚丙烯酸、丙烯、聚丙烯腈、聚甲基丙烯酸甲酯和聚丙烯酸丁酯中选择的至少一种。
49.在一实施方式中，所述第一聚合物层2和所述正极材料层1的厚度相同，所述第一聚合物层2分别与所述正极集流体层6和所述隔膜4粘连。
50.在一实施方式中，所述第二聚合物层8和所述负极材料层3的厚度相同，所述第二聚合物层8分别与所述负极集流体层7和所述隔膜4粘连。
51.这里，当所述第一聚合物层2和所述正极材料层1的厚度相同，所述第一聚合物层2分别与所述正极集流体层6和所述隔膜4粘连，是指第一聚合物层2在竖直方向上，一面和正极集流体层6连接，另一面和隔膜4连接；同理，当所述第二聚合物层8和所述负极材料层3的
厚度相同时，所述第二聚合物层8在竖直方向上，一面和负极集流体层7连接，另一面和隔膜4连接。如此，保证了该多层结构柔性电池在反复弯曲的情况下，正极材料层1和负极材料层3不会掉落，大大提高了柔性电池的性能。
52.需要说明的是，在电池反复弯曲过程中，由于正极材料层1和负极材料层3沿水平方向间隔分布，在间隔区域填充有第一聚合物层2和第二聚合物层8，与软聚合物层5一起配合，这样可以降低正负极材料层与正负极集流体层间的界面应力，以抑制剥离，在满足柔性电池的需求下，大大的提高了电池的性能和寿命。
53.在一实施方式中，请再次参阅图1，还包括在所述堆叠结构表面的封装保护层9层，所述封装保护层9与所述软聚合物层5粘连。
54.这里，封装保护层9与电池单元通过软聚合物层5粘连，可以有效减缓上下封装保护层9中的拉伸或者压缩应力水平，以及抑制褶皱现象产生，从而提高封装在弯曲情况下的稳定性。
55.这里，堆叠结构也可以包括由双极集流体一侧表面的正极材料层1、所述双极集流体、在所述双极集流体另一侧表面的负极材料层3以及隔膜4的复合结构，这里，双极集流体包括软聚合物层5、软聚合物层5一侧的正极集流体层6及软聚合物层5另一侧的负极集流体层7，如此的话，封装保护层9分别和正极集流体层6和/或负极集流体层7粘连。
56.在一实施方式中，所述封装保护层9包括接近所述软聚合物层5的粘连层10和在所述粘连层10外侧的保护层11。
57.这里，所述保护层11可以是一般电池封装的铝塑膜，也可以是硅胶材料，具有隔绝空气和防潮的作用。
58.本发明还提供了一种多层结构柔性电池的制作方法，对由软聚合物层和电池单元堆叠而成的堆叠结构进行封装，得到多层结构柔性电池；其中，电池单元包括正极集流体层、正极材料层、隔膜、负极集流体层及负极材料层；所述隔膜在所述正极材料层和所述负极材料层之间，所述正极材料层或所述负极材料层沿水平方向间隔分布。
59.本发明多层结构柔性电池的制作方法中，并未具体限定多层结构柔性电池的封装方式，可根据常规的软包电池或硬包硬壳电池的封装方式进行封装即可。
60.本发明实施例还提供了一种用电设备，包括上述多层结构柔性电池或上述制作方法得到的多层结构柔性电池。
61.本发明中的用电设备包括但不限于智能手表、手机、电脑、平板、电动汽车或通信基站。
62.综上所述，与现有技术相比，本发明实施例提供的多层结构柔性电池、制作方法及其用电设备的有益效果包括：
63.1.在电池反复弯曲过程中，电池内部应力可以通过软聚合物层有效释放，降低正极材料层、负极材料层、负极集流体层和正极集流体层内的应力，从而使整个电池具有柔性。进一步，由于正极材料层和负极材料层沿水平方向间隔分布，这样可以降低正负极材料层与正负极集流体层间的界面应力，以抑制剥离。
64.2.封装保护层与电池单元通过软聚合物层粘连，可以有效减缓上下封装保护层中的拉伸或者压缩应力水平，以及抑制褶皱现象产生，从而提高封装在弯曲情况下的稳定性。
65.以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在
本发明的精神和范围之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均包含在本发明的保护范围之内。