TWI639270B

TWI639270B - 可撓電池

Info

Publication number: TWI639270B
Application number: TW106133547A
Authority: TW
Inventors: 楊思枬
Original assignee: 輝能科技股份有限公司; 輝能控股股份有限公司
Priority date: 2017-09-29
Filing date: 2017-09-29
Publication date: 2018-10-21
Also published as: TW201916442A

Abstract

本發明關於一種可撓電池，其中的電化學反應結構體係藉由具有醯胺基、亞胺基及羰基的高分子，以直接黏結於封裝結構體的內表面，因此與習知以線性高分子為主的高分子系統相較，本發明揭露的電化學反應結構體與封裝結構體中的集電層可具有更良好的黏著力，且由於本發明中的集電層即為封裝結構體的一部分，因此，電化學反應結構體更與封裝結構體之間以化學性的鍵結取代一般的物理性固定方式，例如：真空包覆，故電池彎曲後不易造成結構體彼此之間的分離，藉以提升電池的結構穩定度及安全性。

Description

可撓電池

本發明係有關一種可撓電池，特別是指一種可避免彎曲造成電化學反應結構體與封裝結構體分離的可撓電池。

近來，各種電子裝置相應而生，為使這種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。然而，在彎曲的過程中，一旦電化學反應層與集電層發生剝離，將會導致電池結構的破壞並產生安全性的問題。

就電池的特性而言，若活性材料層與集電層間有較佳的黏合性，可有效地縮短電子與離子在極層內的移動距離，同時使得極層內部的阻值降低，提升電化學的轉換效率。更詳細來說，當活性材料層與集電層係緊密黏合時，電子及離子遷移的距離縮短，各層之間的介面阻礙降低，進而提升了庫倫效率，俾使電池在反覆充、放電後，仍可保持其電容量。另外，在活性材料層中的黏著劑選取，除了可明顯地影響各層結構之間的黏著狀態，更可直接地決定活性材料層中活性材料的含量及分佈，隨著活性材料與黏著劑的連結關係愈好，活性材料層中的活性材料含量與排列亦愈理想，當然亦可提升電池的電容量。

如前述之觀點，目前，一般鋰電池中常用如聚二氯乙烯(Polyvinylidene fluoride；PVDF)、聚偏二氟乙烯-共-三氯乙烯(PVDF-HFP)、苯乙烯丁二烯橡膠(styrene-butadiene；SBR)等柔軟性高的黏著劑，此些黏著劑在結構上係屬於線性結構，因此可在XY軸向可提供相當良好的黏著效果，不過所述的黏著劑在經過熱處理或壓合處理後，其高分子鏈會因受熱能、壓力的影響而發生結晶化反應，換言之，添加有上述黏著劑的活性材料層、集電層之間的界面上，會在熱處理或壓合處理後因結晶的產生，而影響界面上的黏著力，此外，由於黏著劑本身結構或結晶結構受到外力的破壞，係會降低對活性材料的黏著能力，進而使得極層在乾燥後容易產生裂縫，甚至發生活性材料層與集電層分離的情形，最終導致電子導通度下降，除了造成電池的電性效率變差之外，更嚴重影響電池的安全性。另一方面，若完全使用環氧樹脂(Epoxy)、壓克力酸(Acrylic Acid)、聚丙烯腈(polyacrylonitrile；PAN)等具有三維結構的黏著劑，雖可提高黏著的效果，卻因為高分子本身的三維立體結構所導致剛性過高、柔軟性不足的問題，而難以達到電池彎曲的要求。

有鑑於上述，本發明遂針對上述習知技術之缺失，提出一種可撓電池，以有效克服上述之該等問題。

本發明之主要目的在於提供一種可撓電池，其係利用醯胺基、亞胺基及羰基的高分子，俾以提供較高的分子鍵結力，改善電化學反應結構體與集電層之間較弱的分子鍵結，故可避免可撓電池在彎曲後，電化學反應結構體與集電層發生崩壞或分離的情形，同時確保可撓電池在彎曲後電子導通度仍可維持良好的狀態。

本發明之另一主要目的在於提供一種可撓電池，其係揭露一種在電化學反應結構體與封裝結構體的接觸表面上，在電化學反應結構體的界面端必須含有一定量的第一高分子，且第一高分子佔高分子系統的重量百分比係介於0.02wt.%~70wt.%。

本發明之另一目的在於提供一種可撓電池，其係利用集電層即為封裝結構體的一部份，俾以將整體封裝結構體與電化學反應結構體黏結為單一結構，故在封裝結構體與電化學反應結構體的界面之間，係以直接的化學鍵結方式取代一般的物理性固定方式，因此所形成的可撓電池更可提升其彎曲程度及次數。

本發明之再一目的在於提供一種可撓電池，其藉由添加含有醯胺基、亞胺基及羰基的高分子，以降低線性高分子在熱製程或熱壓製程後因晶格規格排列而發生高度結晶化的情形。

本發明之又一目的在於提供一種可撓電池，其藉由添加含有醯胺基、亞胺基及羰基的高分子，以提升整體可撓電池對熱能的耐受性，俾使可撓電池在進行熱製程或熱壓製程時所能承受的熱處理溫度可大於180℃。

本發明之又一目的在於提供一種可撓電池，其所揭露的含醯胺基、亞胺基及羰基的高分子不為線性高分子。

為達上述目的，本發明係提出一種可撓電池，係包含一封裝結構體及一直接黏著在封裝結構體的電化學反應結構體，其特徵在於電化學反應結構體與封裝結構體的二內表面的至少之一係藉由第一高分子以直接黏結，其中，第一高分子具有醯胺基、亞胺基及羰基，且第一高分子佔該高分子系統的重量百分比係介於0.02wt.%~70wt.%。因此，與習知以線性高分子為主的高分子系統相較，本發明揭露的電化學反應結構體與封裝結構體可具有更良好的黏著力，故電池彎曲後不易造成結構體彼此之間的分離，藉以提升電池的結構穩定度及安全性。

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。

1‧‧‧可撓電池

2‧‧‧封裝結構體

221‧‧‧集電基板

222‧‧‧集電基板

24‧‧‧膠框

4‧‧‧電化學反應結構體

421‧‧‧活性材料層

422‧‧‧活性材料層

44‧‧‧電性絕緣層

S‧‧‧封圍空間

S_up‧‧‧內表面

S_down‧‧‧內表面

S_side‧‧‧側周緣

第1圖係為本發明之可撓電池的實施態樣之結構示意圖。

請先參閱第1圖。可撓電池1包含有一電化學反應結構體4及一封裝結構體2，封裝結構體2為密封的結構，其態樣可為袋體、盒體或任何容器的型態，封裝結構體2包含有二集電基板221、222以及一膠框24，集電基板221、222係彼此對應設置，而膠框24則係在正投影方向上，沿著至少其中一個集電基板221或222的周緣而設置，並同時直接地或間接地黏結於上述的二集電基板221及222，俾使膠框24夾設在二集電基板221、222之間並將二集電基板221、222彼此黏結，依據上述的結構可知，在膠框24及二集電基板221、222所構成的區域內，係形成一個封圍區域，因此，在封裝結構體2的內部具有兩個內表面S_up、S_down以及一封圍空間S，其中，封圍空間S的頂、底部係為上述的兩個內表面S_up、S_down，封圍空間S的側周緣S_side則係為部分的膠框24，可例如是膠框24的內緣表面。

其中，封裝結構體2的內表面S_up、S_down係為集電基板221、222的一部份表面，其功能係用以對電化學反應結構體4進行集電之用。由於膠框24必須要能夠完全密封封裝結構體2的側周緣S_side，因此，膠框24係為連續的結構體，或是不具有破口的不連續結構體。

電化學反應結構體4則具有一高分子系統，其係包含一第一高分子，在電化學反應結構體4與封裝結構體2的界面上，係包含所述的第一高分子，舉例來說，當電化學反應結構體4與封裝結構體2的界面為電化學反應系統中的活性材料時，則第一高分子係摻混於活性材料中以形成活性材料層421、422，例如：正極活性材料層或負極活性材料層。另外，當可撓電池1中具有獨立的電性絕緣層44時，第一高分子亦可摻混其中以做為電性絕緣層44中的黏著劑之一，於此所述的電性絕緣層44係例如但不限於陶瓷隔離層、高分子隔離層、不織布隔離層或上述之組合的態樣。

在特定的電池化學系統態樣中，例如液態電解液的化學系統中，膠框的材質建議具有與電解液極性相反或相斥的材料，例如矽膠系、壓克力系或環氧樹脂系等等的膠體材料，藉此可在電解液注液時透過膠框本身材料的特性以對電解液產生排斥的現象，避免因電解液的沾染而導致膠框黏著能力變差的問題。

接續，再以各種不同的電池系統來說，本發明亦可分成在液態電池系統、膠態電池系統及固態電池系統中的應用，舉例而言，對於液態電池系統與膠態電池系統來說，第一高分子主要是應用在電性絕緣層內以為黏著劑之用，而對於膠態電池系統與固態電池系統來說，高分子系統中的第一高分子除了可應用在電性絕緣層外(尤其是膠態電池系統及特定使用隔離層的固態電池系統)，更重要的應用係在膠態電池系統與固態電池系統中的電解質，藉由第一高分子的添加，以增加離子在電解質中移動的速度，進而提升膠態電解質及固態電解質的離子導通度。

當然，以上述所有的態樣為例，依據不同活性材料、陶瓷材料或高分子材料的特性與功效，除了第一高分子之外，在各種電池系統中，其電化學反應結構體中的各個部件均可將第一高分子與其他高分子以相同比例或不同比例的配方，以達到最佳的效果，但最重要的是，如第1圖所示的態樣，在與封裝結構體2的接觸表面(例如內表面S_up、S_down)上，電化學反應結構體4的界面端必須含有一定量的第一高分子。

而本發明中所揭露的第一高分子具有醯胺基、亞胺基及羰基，且第一高分子佔高分子系統的重量百分比係介於0.02wt.%~70wt.%，與線性高分子相較，第一高分子不歸類於線性高分子，在結構上，第一高分子更近似於分枝高分子、交聯高分子、網狀高分子、梯狀高分子或上述高分子的衍生物，故對於混合有線性高分子及第一高分子的高分子系統而言，第一高分子的醯胺基、亞胺基及羰基，可使得電化學反應結構體與封裝結構體的分子鍵結力增加，更詳細來說，由於電化學反應結構層的高分子系統中除了習知的線性高分子外，可例如但不限於聚二氟乙烯(Polyvinylidene fluoride；PVDF)，更包含具有含醯胺基、亞胺基及羰基的第一高分子，可例如但不限於梯狀高分子，於此則係以聚醯亞胺(polyimide；PI)為例說明。因此，請再繼續參照第1圖，當欲將電化學反應結構體4與封裝結構體2的二集電基板221、222進行黏結時，其中，集電基板221、222則為金屬基板，且金屬可例如但不限於銅、鋁、鎳、不鏽鋼等，在電化學反應結構體4與集電基板221、222(例如：銅箔、鋁箔)的黏結界面(內表面S_up、S_down)上，除了線性高分子(例如：PVDF)的氟原子與集電基板221、222的分子鍵結外，更同時因為第一高分子的存在而產生了梯狀高分子的氮原子、醯胺鍵、亞胺基鍵及羰基鍵，對於電化學反應結構體4與封裝結構體2中的集電基板221、222之間的黏著力，有正面且顯著的影響。此外，上述的聚醯亞胺(polyimide，PI)或其衍生物係包含熱固性聚醯亞胺、熱塑性聚醯亞胺或上述材料之混合。

上述雖以特定材料說明，但實際上，線性高分子的特徵係在於可由具有一定的柔軟度的線性高分子(linear polymer)所組成，因此，線性高分子的材料係可選自於聚二氟乙烯(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(Acrylic Acid)、環氧樹脂(Epoxy)、聚氧化乙烯(PEO)、聚丙烯腈(polyacrylonitrile；PAN)、羧甲基纖維素鈉(carboxymethyl cellulose；CMC)、苯乙烯丁二烯橡膠(styrene-butadiene；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。

另外，上述的第一高分子雖以梯狀高分子為例，但當第一高分子為分枝高分子、交聯高分子、網狀高分子所組成時，可參考的高分子材料係選自於環氧樹脂(Epoxy)、壓克力酸(Acrylic Acid)、聚丙烯腈(polyacrylonitrile；PAN)及上述組合。

此外，除了上述藉由以分枝高分子、交聯高分子、網狀高分子或梯狀高分子為主的第一高分子來達到提高電化學反應結構體4與封裝結構體2的黏結力之外，同等重要的是，本發明所揭露的可撓電池1係將電化學反應結構體4直接黏結於封裝結構體2，換言之，電化學反應結構體4與封裝結構體2之間的連結關係係為化學的鍵結，且集電基板221、222即係為封裝結構體2的一部分，與一般習知的電池相較(圖未顯示)，習知的電化學反應結構體雖亦與集電基板黏結，但封裝材料並未與集電基板整合為單一結構，因此，在與集電基板黏結的電化學反應結構體及封裝材料之間的連結關係係藉由抽真空方式，以達到固定整體可撓電池結構的目的，不過顯見地，由於在習知的可撓電池結構中僅以真空方式固定可撓電池的結構，若封裝狀態不佳、彎曲角度過大、彎曲次數過多等因素影響下，則容易破壞封裝材料的真空狀態，影響電池的電性表現與安全性的要求，同時在電池的外觀上，也會產生明顯的皺褶、破損，反觀本發明揭露的可撓電池1，由於電化學反應結構體4係直接黏結於封裝結構體2中的集電基板221、222，黏結的方式更以化學鍵結取代過去物理連結，且與單純含有線性高分子的高分子系統相較，摻混有線性高分子、分枝高分子、交聯高分子、網狀高分子或梯狀高分子的高分子系統可提供更強的化學分子鍵結力，俾使得電化學反應結構體4與封裝結構體2的黏結效果大幅提升。

而在本發明中揭露的電化學反應結構體與封裝結構體之間的黏結，除了可將電化學反應結構體直接形成於封裝結構體之外，亦可將電化學反應結構體藉由熱製程、壓合製程或熱壓製程黏結於封裝結構體，但無論何種黏結方式，若欲將電化學反應結構體內的高分子系統與封裝結構體的內表面產生化學性的鍵結，電化學反應結構體與封裝結構體均必須經過熱製程、壓合製程或熱壓製程以使高分子系統的高分子材料能夠熟化，且與習知的高分子系統相較，由於習知的高分子系統係主要以線性高分子為主，因此熟化的溫度通常較低(通常在120~150℃)，不過因為本發明的高分子系統包含了非線性高分子，因此熱製程的加熱溫度係可提高至150℃，而較佳的加熱溫度係介於180~220℃；另外，除了藉由熱製程以熟化高分子系統，更同時可實施壓合製程，其中壓合製程的壓力值係可介於40~120公斤力(kgf)，且較佳的壓力值係介於65~110公斤力(kgf)；當然，依據不同的材料特性，上述的熱製程與壓合製程亦可整合成單一的熱壓製程，其溫度與壓力條件則仍相同於上述的範圍。

此外，在電化學反應結構體中更包含另一種第二高分子，且第二高分子在電化學反應結構體的高分子系統中的重量百分比係介於0.02wt.%~70wt.%。類似於上述第一高分子，第二高分子不為線性高分子，而主要係為分枝高分子、交聯高分子、網狀高分子、梯狀高分子、上述高分子之衍生物或上述各種材料的組合，舉例來說，第二高分子的材料係選自於環氧樹脂(Epoxy)、壓克力酸(Acrylic Acid)、聚丙烯腈(polyacrylonitrile；PAN)及上述組合，或選自於聚醯亞胺(polyimide，PI)及其衍生物之梯狀高分子，其中，聚醯亞胺(polyimide，PI)及其衍生物可為熱固性聚醯亞胺、熱塑性聚醯亞胺或上述材料之混合。

當電化學反應結構體的高分子系統中同時包含了第一高分子及第二高分子時，由於第一高分子與第二高分子均非為線性高分子，但依據不同的電化學系統(例如：活性材料種類、隔離系統等)，在高分子系統中的第一高分子與第二高分子可為相同的高分子材料，但第一高分子與第二高分子佔高分子系統的重量百分比不一定相同，當然，第一高分子與第二高分子也可以是不同的高分子材料，且兩者的重量百分比亦不受到限制。此外，第二高分子的熱製程、壓合製程的條件，亦與上述第一高分子的條件相同。

最後，本發明所揭露的所有結構、所有材料與所有製程，係適用於各種的電池系統，舉例來說，液態電池、膠態電池、固態電池、液態/膠態混合電池、液態/固態混合電池或膠態/固態混合電池，亦或是所謂的可撓鋰電池、可撓鋰離子電池、可撓鋰高分子電池、可撓鋰金屬電池、可撓鋰陶瓷電池或可撓鋰金屬陶瓷電池。

唯上所述者，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

一種可撓電池，包含：一電化學反應結構體，係具有一高分子系統，其係包含一第一高分子；以及一封裝結構體，其係為密封的且內部具有二內表面及一封圍空間，該些內表面係與該電化學反應結構體直接黏結，該封圍空間係用以容置該電化學反應結構體；其特徵在於：該電化學反應結構體與該封裝結構體的該些內表面的至少之一係藉由該第一高分子以直接黏結，其中，該第一高分子具有醯胺基、亞胺基及羰基，且該第一高分子佔該高分子系統的重量百分比係介於0.02wt.%~70wt.%。
如請求項1所述之可撓電池，其中該些內表面係對該電化學反應結構體進行集電。
如請求項1所述之可撓電池，其中該封裝結構體係包含：二集電基板，係彼此對應設置；以及一膠框，其係於正投影方向上沿至少一該集電基板的周緣而設置，且該膠框係同時黏結於二該集電基板，俾使該膠框夾設於二該集電基板之間並將該二集電基板彼此黏結，且該膠框及二該集電基板係封圍出該封圍空間。
如請求項3所述之可撓電池，其中該封圍空間的頂、底係為二該內表面，且該封圍空間的側周緣係為部分的該膠框。
如請求項3所述之可撓電池，其中該電化學反應結構體係與該膠框直接連結或間接連結。
如請求項3所述之可撓電池，其中該膠框係為封閉的連續結構體或不具有破口的不連續結構體。
如請求項1所述之可撓電池，其中該電化學反應結構體係直接形成於該封裝結構體的二該內表面。
如請求項1所述之可撓電池，其中該電化學反應結構體與該封裝結構體的二該內表面更藉由一熱製程以對該第一高分子進行熟化，俾使該電化學反應結構體黏著於該封裝結構體。
如請求項8所述之可撓電池，其中該熱製程的加熱溫度係介於150~250℃，且較佳的加熱溫度係介於180~220℃。
如請求項1所述之可撓電池，其中該電化學反應結構體與該封裝結構體的二該內表面更藉由一壓合製程以使該電化學反應結構體黏著於該封裝結構體。
如請求項10所述之可撓電池，其中該壓合製程的壓力值係介於40~120公斤力(kgf)，且較佳的壓力值係介於65~110公斤力(kgf)。
如請求項1所述之可撓電池，其中該高分子系統更包含一線性高分子，該線性高分子的材料係選自聚二氟乙烯、聚偏二氟乙烯-共-三氯乙烯、聚四氟乙烯、壓克力酸、環氧樹脂、聚氧化乙烯、聚丙烯腈、羧甲基纖維素鈉、苯乙烯丁二烯橡膠、聚丙烯酸甲酯、聚丙烯酰胺、聚乙烯吡咯烷酮及上述組合。
如請求項1所述之可撓電池，其中該第一高分子係不為線性高分子。
如請求項1所述之可撓電池，其中該第一高分子選自於分枝高分子及其衍生物、交聯高分子及其衍生物、網狀高分子及其衍生物、梯狀高分子及其衍生物及上述之組合。
如請求項14所述之可撓電池，其中該第一高分子的材料係為選自環氧樹脂、壓克力樹脂、聚丙烯腈及上述組合之網狀高分子。
如請求項14所述之可撓電池，其中該第一高分子係為聚醯亞胺及其衍生物之梯狀高分子。
如請求項14所述之可撓電池，其中該第一高分子為聚醯亞胺及其衍生物，且包含熱固性聚醯亞胺、熱塑性聚醯亞胺或上述材料之混合。
如請求項1所述之可撓電池，其中該電化學反應結構體更包含另一種第二高分子，該第二高分子佔該高分子系統的重量百分比係介於0.02wt.%~70wt.%。
如請求項18所述之可撓電池，其中該第二高分子係不為線性高分子。
如請求項18所述之可撓電池，其中該第二高分子選自於分枝高分子及其衍生物、交聯高分子及其衍生物、網狀高分子及其衍伸物、梯狀高分子及其衍生物及上述之組合。
如請求項20所述之可撓電池，其中該第二高分子的材料係為選自環氧樹脂、壓克力樹脂、聚丙烯腈及上述組合之網狀高分子。
如請求項20所述之可撓電池，其中該第二高分子係為聚醯亞胺及其衍生物之梯狀高分子。
如請求項22所述之可撓電池，其中該第二高分子為聚醯亞胺及其衍生物，且包含熱固性聚醯亞胺、熱塑性聚醯亞胺或上述材料之混合。
如請求項1所述之可撓電池，係為液態電池、膠態電池、固態電池、液態/膠態混合電池、液態/固態混合電池或膠態/固態混合電池。
如請求項1所述之可撓電池，係為可撓鋰電池、可撓鋰離子電池、可撓鋰高分子電池、可撓鋰金屬電池、可撓鋰陶瓷電池或可撓鋰金屬陶瓷電池。