[发明专利]电池和制造电池的方法

说明书

技术领域

本发明涉及印刷电池以及用于制造此类电池的方法，该印刷电池包括具有用以连接到外部电路的端子的阴极和阳极电极、其之间的隔离物（separator）和电解质。

背景技术

电池的基本组件是具有用以连接到外部电路的端子（电连接）的电极、将保持电极分离并防止其短路的隔离物、载送由在电极处发生的化学反应得到的带电离子的电解质和将包含活性化学制品并将电极保持在适当位置的盖体。

“湿”电池单元（cell）指的是原电池单元，其中，电解质采取液体形式并允许其在电池单元壳体内自由地流动。“干”电池单元是使用固体或粉末状电解质的电池单元。如果通过某种机制来使电解质固定不动，诸如通过使其形成凝胶或通过用诸如纸张的吸收剂物质将其保持在适当位置，可以将具有液体电解质的电池单元分类为“干”的。

现在所使用的最常见类型的电池是在例如诸如“手电筒”电池的相对大型电池中和在用于手表或计算器的小型型式中使用的“干电池单元”电池。

常常按照在电池的构造中使用的电解质的类型来将电池分类。存在三个常见分类：酸性、中度酸性和碱性。

所有电池利用类似的过程来产生电力；然而，材料和构造的变化已产生不同类型的电池。

一种电池类型包括分层结构、即称为薄膜电池的那些。

可以将薄膜电池直接施加到任何形状或尺寸的膜应用上，术语薄膜电池在本文中被理解为“分层结构电池”，无论尺寸如何。可以通过印刷到纸、塑料或另一种薄箔上来制成柔性薄电池，并且其也称为印刷电池。

薄膜电池具有例如作为用于消费产品和用于微型尺寸应用的电源的广泛使用。薄膜电池还适合于对智能卡和射频识别（RFID）标签供电。

可以通过用电解质溶液润湿隔离纸并在（一个或多个）隔离纸上施加作为糊（paste）的阳极材料和阴极材料来进行制造这样的薄电池的方法，阳极糊在一侧而阴极糊在相对侧。可以用诸如通过涂敷或印刷的不同方法在隔离纸上施加阳极和阴极材料。涂敷和印刷过程通常涉及向诸如纸卷、纤维、膜或其它纺织品的基底施加功能材料薄膜。

对于术语糊，其在本文中仅仅意指颗粒的粘性水基分散体。

然而，最外隔离层还将始终包含电解质，因为其从被润湿层吸收电解质，此外，还可以将包含添加剂的电解质溶液与阳极活性材料和阴极活性材料混合以形成所谓的阳极和阴极糊。

薄电池的电极由阳极和阴极形成。阳极材料是包含阳极活性材料和通常的具有添加剂的电解质溶液的糊或墨，并且阴极材料是包含阴极活性材料和通常的具有添加剂的电解质溶液的糊或墨。糊是相当粘的，使得电解质不能流出。阳极活性材料常常是锌（Zn），并且阴极活性材料是二氧化锰（MnO₂）。电解质溶液可以例如包含ZnCl₂作为主要成分以及添加剂，诸如（一个或多个）粘合剂。电解质中的（一个或多个）添加剂包括（一个或多个）粘合剂以便向电解质溶液提供其它性质，例如将电极材料颗粒粘合在一起以形成糊。粘合剂是例如聚乙烯醇（PVA）。

向阳极和阴极糊添加导电材料。导电材料可以是碳粉，诸如石墨粉、烟灰、炭黑、碳纳米管、导电墨或其组合。电极（由包括导电材料的阳极和阴极糊组成）被连接到集电极（collector）材料且整个产品被密封材料膜覆盖。密封材料可以是例如聚丙烯、聚乙烯、聚酯或其它已知膜材料。集电极材料被形成为具有被连接到外部电路的端子。集电极材料可以是导电碳墨、碳膜或其它材料，其在化学上是惰性的，但是具有足以供使用的导电性。

以期望的尺寸来切割组合层以形成产品。

已经对阳极材料的不同形式进行测试以促进薄电池的制造。

提出了美国专利申请2006/0216586作为现有技术。其公开了薄电化学电池单元。电池单元的阳极可以是锌条。然而，此解决方案存在的问题是锌条到集电极的连接是有问题的，并且锌自动放电由于缺乏覆盖度而是高的。

美国专利6,379,835涉及薄膜电池。阳极是亲水性的，是水基锌墨或有机溶剂中的锌墨+遇水膨胀聚合物混合物，因此电池具有高自动放电速率。此外，由于阳极的低导电性，需要阳极处的额外集电极。

美国专利申请2006/0115717提出了柔性薄印刷电池。将组成阳极的导电含水锌材料被直接印刷到非导电基底上，并被制成为充分地导电以消除对不同阳极电流集电极的需要。用过度锌+2阳离子（来自醋酸锌）和聚合粘合剂（聚乙烯吡咯烷酮）来实现必要的导电性以改善颗粒接触。然而，同样在这里，亲水性锌阳极在放电过程期间引起高锌自动放电和不稳定导电性。