一种可裁切的带状柔性固态电池的制作方法

1.本发明涉及固态电池技术领域，尤其涉及一种可裁切的带状柔性固态电池。


背景技术：

2.随着可穿戴技术的发展，包括智能手表、智能眼镜、智能服装等新型设备快速涌现，为维持这类设备的正常工作，需要使用特定的电池提供能源。柔性固态电池因具有良好的柔韧性、高安全性等特点，特别适合作为能量存储器件应用在这一类可穿戴设备中。由于目标人群的年龄、性别、体型等存在较大差异，可穿戴设备为满足不同人群的需求，需要生产多种型号，甚至是具有可定制特性的产品。传统的锂电池生产方式主要是按照特定电池规格型号进行大规模生产，以降低电池生产成本，提高生产效率。这类电池通常不具有柔性，其产品的外形、容量等一般都是固定的。目前已经有一些柔性固态电池方案(如专利cn 106784988 a，cn 106098971 b，cn 111446486 a等)，但这些方案主要还是为了解决电池的柔性问题。电池厂商提供的电池尺寸、容量一般都是固定的，可穿戴设备制造商无法很好地依据不同产品对电池尺寸、容量灵活调整。因此，发展具有可裁切特性，并且裁切后仍然能稳定工作的柔性固态电池，可以有效解决以上提及的问题。


技术实现要素：

3.基于背景技术存在的技术问题，本发明提出了一种可裁切的带状柔性固态电池，其具有可裁切特性，并且裁切后仍然能稳定工作，能满足可穿戴等设备生产过程中对电池尺寸、容量灵活可变的需求。
4.本发明提出的一种可裁切的带状柔性固态电池，包括电芯和包裹在所述电芯外的封装部；所述电芯包括多个固态电池单元、填充物、第一导电通路和第二导电通路；多个所述固态电池单元横向并排放置，且任意相邻两所述固态电池单元之间存在空隙，所述填充物填充在任意相邻两所述固态电池单元之间的空隙中；所述固态电池单元包括正极和负极，所述第一导电通路连接多个所述固态电池单元的正极，所述第二导电通路连接多个所述固态电池单元的负极，使多个所述固态电池单元并联。
5.优选地，所述封装部由柔性可弯曲材料制成。
6.优选地，所述柔性可弯曲材料为柔性聚合物材料、柔性聚合物金属复合材料中的一种或者两种的混合物。
7.优选地，所述柔性可弯曲材料为聚酰亚胺、聚乙烯、聚氯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚萘二甲酸乙二醇酯、聚苯乙烯、聚丙烯、聚酰胺、铝塑膜中的一种或多种的混合物。
8.优选地，所述封装部由封装部上层和封装部下层制成，且所述封装部上层与所述封装部下层采用相同材料或者不同的材料制成。
9.优选地，所述封装部的厚度为30-1000微米。
10.优选地，所述封装部的厚度为50-200微米。
11.优选地，所述封装部的厚度为68微米。
12.优选地，所述第一导电通路和所述第二导电通路均由可弯曲的导电材料制成。
13.优选地，所述可弯曲的导电材料为金属导电材料、非金属导电材料中的一种或两种的混合物。
14.优选地，所述金属导电材料为金属铝、金属镍、金属铜、金属钛以及至少含铝、镍、铜、钛中一种金属的合金材料中的一种；所述非金属导电材料为碳纸、碳布、碳纤维、碳纳米管、石墨烯中的一种或者含有碳纸、碳布、碳纤维、碳纳米管、石墨烯中的一种或者多种的复合物。
15.优选地，所述第一导电通路和第二导电通路的形状为线状、带状、薄膜状、网状中的一种。
16.优选地，任意相邻两所述固态电池单元之间的距离为0.1-5cm。
17.优选地，所述填充物为绝缘材料；所述填充物与所述固态电池单元或所述第一导电通路和第二导电通路接触后不会引起电池短路。
18.优选地，所述填充物为具有一定的形变能力的固体绝缘材料或在一定条件下能够固化的液体绝缘材料。
19.优选地，所述填充物为聚酰亚胺、聚乙烯、聚氯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚萘二甲酸乙二醇酯、聚苯乙烯、聚丙烯、聚酰胺中的一种或者多种的混合物。
20.优选地，所述第一导电通路为铝带，宽度为0.1-2cm，所述第二导电通路为镍带，宽度为0.1-2cm。
21.优选地，所述第一导电通路的宽度为0.5cm，所述第二导电通路的宽度为0.5cm。
22.优选地，所述带状柔性固态电池的长度为0.05-100米，长宽比为1.5-5000：1；所述电芯包含2-2000个所述固态电池单元，每个所述固态电池单元的容量为1-200mah。
23.优选地，所述带状柔性固态电池的长度为15米，长宽比为600：1；所述电芯包含500个所述固态电池单元，每个所述固态电池单元的容量为20mah。
24.优选地，所述固态电池单元可以为单层叠片电池，也可以为多层电池；多层电池中各个单层电池之间可以按照串联或并联连接。
25.优选地，所述固态电池单元为单层固态锂电池。
26.优选地，所述固态电池单元由负极、固体电解质层、正极按顺序堆叠后，通过热压等手段将三者紧密压合成一体而成；所述负极包括负极集流体和负极活性层；所述正极包括正极集流体和正极活性层。
27.优选地，在正极的制备过程中，将正极活性材料与导电剂、离子导体、粘结剂混合后加入溶剂混合搅拌制成浆料，涂覆在正极集流体上，随后进行真空干燥得到正极；所述正极集流体可以使用金属导电材料或非金属导电材料；优选地使用厚度为16微米的铝箔。
28.优选地，在负极的制备过程中，将负极活性材料与导电剂、离子导体、粘结剂混合后加入溶剂混合搅拌制成浆料、涂覆在负极集流体上，随后进行真空干燥；所述负极集流体可以使用金属导电材料或非金属导电材料，优选地使用厚度为8微米的铜箔；
29.优选地，所述固态电池单元负极集流体还可以是将金属锂辊压成厚度为5-100微米的薄膜，随后与铜箔复合而成。
30.优选地，所述固态电池单元的固体电解质层可以为无机固体电解质层，有机固体电解质层或有机-无机复合固体电解质层；优选地使用有机-无机复合固体电解质层，厚度
为10-100微米，优选地，厚度为50微米。
31.优选地，所述固态电池单元的负极与固体电解质层间，正极与固体电解质层间，视情况还可以各增加一层厚度为5纳米-200微米的缓冲层改善电极与固体电解质层的界面稳定性。该缓冲层可以是固体材料，也可以是含有不超过40wt％液体的凝胶材料；优选地使用厚度为20微米、含有20wt％离子液体的凝胶材料作为缓冲层；优选地，正极与固体电解质层之间的缓冲层使用的离子液体为耐高电压的离子液体，负极与固体电解质层之间的缓冲层使用的离子液体为对负极稳定的离子液体。
32.将固态电池单元、第一导电通路和第二导电通路置于封装部中，在固态电池单元之间的空隙中加入填充物，填充物可以为具有一定的形变能力的固体或在一定条件下能够固化的液体；优选地，所述填充物为在加热后能够与封装部紧密粘合，且具有良好阻隔水氧能力的树脂。
33.所述封装部为柔性可弯曲材料，并具有一定阻隔外界水、氧的能力，所述封装部由封装部上层和封装部下层制成，其将第一导电通路、第二导电通路、固态电池单元以及固态电池单元之间的填充物与外界隔离，阻挡水、氧等进入电池内部。按照实际需求，这两层封装部可为同一种材料，也可以为两种不同的材料。
34.优选地，所述封装部通过热压封装、胶水粘合封装电芯。
35.优选地，所述第一导电通路和第二导电通路的形状还可以为由线状、带状、薄膜状、网状中的一种形成的异形结构；还可以是由线状、带状、薄膜状、网状中的一种经弯曲或缠绕而制成的形状；利用这些特殊构造，该第一导电通路和第二导电通路除了具有可弯曲特性外，还可以具有一定的可拉伸能力。
36.优选地，在电池的制备过程中，所述第一导电通路和第二导电通路依据生产情况可以作为独立的组件先与固态电池单元相连，也可以预先直接贴附在封装部的内侧，后续组装时再与固态电池单元连接。
37.优选地，在电池的制备过程中，所述第一导电通路和第二导电通路与所述固态电池单元的连接可以采用焊接、导电胶水连接、胶布连接中的一种的连接形式。
38.优选地，所述固态电池单元依据所选择的固体电解质层、正负极集流体的不同，所述固态电池单元可以是刚性的也可以具有一定的柔性。
39.优选地，所述填充物为具有一定的形变能力的固体绝缘材料或在一定条件下能够固化的液体绝缘材料，所述填充物在经过裁切以后不会发生破碎，仍然能与封装部、第一导电通路和第二导电通路紧密贴合，具有阻挡水、氧进入电池内部的作用。
40.对于一个固态电池单元总数为n，每个重复单元长度为l(包括固体电池单元长度以及固体电池单元之间的间隔长度)，每个固态电池单元容量为c的待裁切的带状柔性固态电池。依据实际生产需要，裁切后的电池可以包含n个固态电池单元，其中n可以为1，2，3
…
n中的任意一个自然数。相应的裁切后的电池长度为l
×
n，电池容量为c
×
n。由此实现裁切后电池的长度、容量连续调节。
41.为进一步提高电池在工作过程中的稳定性，被裁切后电池的两侧切口处还可以添加保护层。该保护层可以是具有隔绝水、氧能力的固体，也可以是固化后具有隔绝水、氧能力的液体。
42.除了可以按照容量长度需求对带状柔性固态电池进行裁切外，还可以在固态电池
单元之间的填充物区域切孔，以实现某些特定需求。
43.优选地，使用厚度为50-200微米的铝塑膜作为封装部材料，优选地使用68微米的铝塑膜作为封装部材料。
44.所述固态电池单元按照0.1-2厘米的距离间隔横向并行排列，各固态电池单元之间以并联的方式进行连接。固态电池单元与第一导电通路和第二导电通路之间通过焊接或粘接方式进行连接。
45.优选地，位于不同的相邻两固体电池单元间的填充物宽度可以相同也可以不同；填充物包括预裁切填充物区域与非裁切填充物区域；电池在预裁切填充物区域进行裁切。
46.本发明所述可裁切的带状柔性固态电池由柔性封装部、第一和第二导电通路、固态电池单元以及固态电池单元之间的填充物组成，固态电池单元之间按照一定的距离，通过第一导电通路和第二导电通路并联形成电池串，电池单元间的空隙由具有阻隔水、氧功能的材料填充，电池串上下表面通过柔性封装部密封，最终制备带状柔性固态电池，可以在填充物区域对电池进行裁切，电池的活性区域由可裁切区域隔离，使得电池在裁切后仍然能稳定工作，被裁切后的电池可以在第一导电通路和第二导电通路处剥离部分填充物，裸露出一段作为电池的正负极接口。
47.本发明所述可裁切的带状柔性固态电池，其除可以满足一般柔性电池的弯曲、折叠等功能外，还可以按照实际生产的需求对带状电池进行裁切、组装、使用，满足可穿戴等设备生产过程中对电池尺寸、容量灵活可变的需求。
附图说明
48.图1为本发明所述带状柔性固态电池的简要结构示意图；
49.图2为本发明所述带状柔性固态电池的一种详细结构示意图；
50.图3为本发明所述带状柔性固态电池的一种应用图；
51.图4为本发明所述带状柔性固态电池的另一种应用图；
52.图5为本发明所述带状柔性固态电池的一种结构设计图；
53.图6为本发明所述带状柔性固态电池的另一种结构设计图；
54.图7为本发明所述带状柔性固态电池的一种使用方式图；
55.图8为本发明所述带状柔性固态电池的另一种使用方式图。
56.图中，1为封装部，101为与正极接触的封装部上层，102为与负极接触的封装部下层，2为第一导电通路，3为固态电池单元，4为固态电池单元之间的填充物，5为第二导电通路，301为正极集流体，302为正极活性层，303为正极活性层与固体电解质层之间的第一缓冲层，304为固体电解质层，305为负极活性层与固体电解质层之间的第二缓冲层，307为负极集流体，6为保护层，7为开孔；401为预裁切填充物区域，402为非裁切填充物区域。
具体实施方式
57.下面，通过具体实施例对本发明的技术方案进行详细说明。
58.实施例1
59.参照图1，本发明所述带状柔性固态电池包括电芯和包裹在所述电芯外的封装部1；所述电芯包括多个固态电池单元3、填充物4、第一导电通路2以及第二导电通路5；多个所
述固态电池单元3横向并排放置，且任意相邻两所述固态电池单元3之间存在空隙，所述填充物4填充在任意相邻两所述固态电池单元3之间的空隙中；所述固态电池单元3包括正极和负极，第一导电通路2连接多个所述固态电池单元3的正极，第二导电通路5连接多个所述固态电池单元3的负极，使多个所述固态电池单元3并联；所述封装部1由聚酰亚胺材料制成，厚度为68微米；第一导电通路2为铝带，宽度为0.5厘米；第二导电通路5为镍带，宽度为0.5厘米；任意相邻两所述固态电池单元3之间的距离为0.8cm；所述填充物4为聚乙烯；所述电芯包含10个所述固态电池单元3，每个所述固态电池单元3的容量为30mah。
60.组装好的带状固态电池可以按照卷绕等方式存储打包。这些带状电池可以送到下游生产企业，按照生产需求进行裁剪、使用。
61.实施例2
62.参照图1，本发明提出的一种可裁切的带状柔性固态电池，包括电芯和包裹在所述电芯外的封装1；所述电芯包括多个固态电池单元3、填充物4、第一导电通路2和第二导电通路5；多个所述固态电池单元3横向并排放置，且任意相邻两所述固态电池单元3之间存在空隙，所述填充物4填充在任意相邻两所述固态电池单元3之间的空隙中；所述固态电池单元3包括正极和负极，所述第一导电通路2连接多个所述固态电池单元3的正极，所述第二导电通路5连接多个所述固态电池单元3的负极，使多个所述固态电池单元3并联；
63.所述封装部1由铝塑膜制成；所述封装部1的厚度为30微米；
64.所述第一导电通路2和所述第二导电通路5均由铝合金材料制成；所述第一导电通路2和第二导电通路5的形状均为网状；
65.任意相邻两所述固态电池单元3之间的距离为0.8cm；
66.所述填充物4为聚乙烯绝缘材料；
67.所述带状柔性固态电池的长度为0.5米，长宽比为10：1；所述电芯包含10个所述固态电池单元3，每个所述固态电池单元3的容量为100mah。
68.实施例3
69.参照图1和图2，本发明提出的一种可裁切的带状柔性固态电池，包括电芯和包裹在所述电芯外的封装1；所述电芯包括多个固态电池单元3、填充物4、第一导电通路2和第二导电通路5；多个所述固态电池单元3横向并排放置，且任意相邻两所述固态电池单元3之间存在空隙，所述填充物4填充在任意相邻两所述固态电池单元3之间的空隙中；所述固态电池单元3包括正极和负极，所述第一导电通路2连接多个所述固态电池单元3的正极，所述第二导电通路5连接多个所述固态电池单元3的负极，使多个所述固态电池3单元并联；
70.所述固态电池单元3由负极、固体电解质层304、正极按顺序堆叠后制成；所述负极包括负极集流体307和负极活性层306；所述正极包括正极集流体301和正极活性层302，该固态电池单元3结构还包括正极活性层302与固体电解质层304之间的第一缓冲层303，以及负极活性层306与固体电解质层304之间的第二缓冲层305；
71.所述封装部1由封装部上层101和封装部下层102制成，且所述封装部上层101采用聚酰亚胺制成，与固态电池单元3的正极一侧相接触，所述封装部下层102采用聚乙烯制成，与固态电池单元3的负极一侧相接触；
72.所述封装部1的厚度为1000微米；
73.所述第一导电通路2和所述第二导电通路5均由可弯曲的导电材料制成；所述可弯
曲的导电材料为非金属导电材料碳布；
74.任意相邻两所述固态电池单元之间的距离为1cm；
75.所述填充物为聚氯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯的混合物；
76.所述带状柔性固态电池的长度为0.5米，长宽比为20：1；所述电芯包含15个所述固态电池单元，每个所述固态电池单元的容量为20mah。
77.参照图1-8，图3为本发明所述带状柔性固态电池的一种应用图；在实际应用中，将长条的柔性固态电池，按照生产使用的需求，沿着固态电池单元3之间的填充物4进行裁切，选择切下的电池的一端，清除部分填充物4，露出第一导电通路2作为电池的正极接口，露出第二导电通路5作为电池的负极接口。柔性固态电池中，第一导电通路2和第二导电通路5在空隙处预留弯曲部分，在裁切后将弯曲部分拉直作为正负极接口。在裁切后的电池的两侧切口处附加具有良好阻隔水、氧功能的保护层6，进一步提高电池在空气中的稳定性；还可以在裁切后得到的电池的填充物区域进行打孔形成开孔7，孔的形状可以为圆形、三角形、矩形、或者其他多边形等，而不影响电池的正常使用；裁切过程使用不导电的刀具，避免引起电池短路。
78.图5为本发明所述带状柔性固态电池的一种结构设计图；带状柔性固态电池在生产过程中可以按照需求调整固态电池单元3之间的间隙，如图5所示，以四个固态电池单元3为一组，在预裁切填充物区域402处增加空隙宽度，在非裁切填充物区域401处减小空隙宽度，选择空隙宽度较大的预裁切填充物区域402进行裁切，提高裁切区域的冗余的同时不会明显降低电池的能量密度。
79.图6为本发明所述带状柔性固态电池的另一种结构设计图；如图6所示，当固态电池单元3本身具有一定的柔性时，可以增加每个固态电池单元3的长度，提高带状柔性固态电池的能量密度。
80.图7为本发明所述带状柔性固态电池的一种使用方式图；如图7所示，多个裁切后的电池可以通过外电路并联实现电池扩容。
81.图8为本发明所述带状柔性固态电池的另一种使用方式图；如图8所示，多个裁切后的电池可以通过外电路串联实现电池升压。
82.以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。