技術領域

本發(fā)明涉及可自由變形的線纜型二次電池。

背景技術：

本申請要求在2010年2月1日在韓國提交的韓國專利申請10-2010-0009049號的優(yōu)先權，通過參考將其完整內容并入本文中。

二次電池為能夠以化學形式儲存能量并在需要時能夠轉化成電能以產生電力的裝置。也將二次電池稱作可充電電池，因為其能夠反復再充電。普通的二次電池包含鉛蓄電池、NiCd電池、NiMH蓄電池、Li離子電池、Li離子聚合物電池等。當與一次性的一次電池相比時，二次電池不僅更加經濟有效，而且更加環(huán)境友好。

目前將二次電池用于需要低電力的應用如幫助車輛的啟動的設備、便攜式裝置、工具、不間斷電源等。近來，由于無線通信技術的發(fā)展導致便攜式裝置的普及并甚至導致多種常規(guī)裝置的無線化，所以對二次電池的需求急劇增加。還將二次電池用于環(huán)境友好的下一代車輛如混合動力車輛和電動車輛中以降低成本和重量并提高車輛的壽命。

通常，二次電池具有圓柱形、棱柱形或袋形。這與二次電池的制造方法相關，其中將由負極、正極和隔膜構成的電極組件安裝在圓柱形或棱柱形金屬殼或鋁層壓片的袋形殼中，且利用電解質填充所述殼。因為在這種方法中需要用于電極組件的預定安裝空間，所以在開發(fā)多種形狀的便攜式裝置時二次電池的圓柱形、棱柱形或袋形是一種限制。因此，需要變形容易的新結構的二次電池。

為了滿足這種需要，已經提出了開發(fā)長度對橫截面的直徑之比非常大的線性電池。韓國專利公開2005-0099903公開了一種絲型柔性電池，其包含內電極、電解質和外電極，但具有一個負極和一個正極的限制性結構并因此容量平衡低。韓國專利0804411公開了一種線性電池，所述線性電池包含多個負極和多個正極、以及插入其間的隔膜。韓國專利注冊0742739公開了一種包含正極絲和負極絲的絲型柔性電池，然而，這不是以外電極/內電極結構為基礎的。

技術實現要素：

技術問題

本發(fā)明的目的是提供一種新型線性結構的二次電池，所述二次電池容易變形并具有優(yōu)異的穩(wěn)定性和性能。

技術方案

本發(fā)明的線纜型二次電池包含內電極、外電極、以及包圍所述外電極的保護涂層，所述內電極包含平行布置的至少兩個負極，所述負極縱向延伸并具有預定形狀的水平橫截面，所述負極上具有充當離子通道的電解質層，所述外電極包含包括包圍所述內電極的正極活性材料層的正極。

所述線纜型二次電池包含內電極、外電極、以及包圍所述外電極的保護涂層，所述內電極包含平行布置的至少兩個正極，所述正極縱向延伸并具有預定形狀的水平橫截面，所述正極上具有充當離子通道的電解質層，所述外電極包含包括包圍所述內電極的負極活性材料層的負極。

所述負極或正極具有圓形或多邊形形狀的橫截面，其中所述圓形可以為幾何對稱的圓形形狀或幾何不對稱的橢圓形形狀，且所述多邊形形狀可以為三角形、四邊形、五邊形或六邊形形狀。

優(yōu)選地，所述負極或正極包含集電器和在所述集電器的外表面上形成的活性材料層。

在這種情況下，所述集電器可優(yōu)選由不銹鋼、鋁、鎳、鈦、燒結碳和銅；用碳、鎳、鈦和銀進行表面處理的不銹鋼；鋁-鎘合金；用導電材料進行表面處理的非導電聚合物；或導電聚合物制成。所述導電材料可包括聚乙炔、聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩、聚氮化硫、銦錫氧化物(ITO)、銀、鈀、鎳和銅。此外，所述導電聚合物可以包括聚乙炔、聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩和聚氮化硫。

所述負極活性材料可以包括含碳材料；含鋰的鈦復合氧化物(LTO)；金屬(Me)如Si、Sn、Li、Zn、Mg、Cd、Ce、Ni和Fe；所述金屬(Me)的合金；所述金屬(Me)的氧化物(MeOx)；以及所述金屬(Me)和碳的復合材料。所述正極活性材料可包括LiCoO₂、LiNiO₂、LiMn₂O₄、LiCoPO₄、LiFePO₄、LiNiMnCoO₂和LiNi_1-x-y-zCo_xM1_yM2_zO₂(M1和M2各自獨立地為選自Al、Ni、Co、Fe、Mn、V、Cr、Ti、W、Ta、Mg和Mo中的任一種，且x、y和z各自獨立地為氧化物中各成分的原子分數，其中0≤x<0.5、0≤y<0.5、0≤z<0.5、x+y+z≤1)。

所述電解質層可由選自如下的電解質形成：PEO、PVdF、PMMA、PAN或PVAc的膠凝聚合物電解質；和PEO、聚環(huán)氧丙烷(PPO)、聚乙烯亞胺(PEI)、聚乙烯硫化物(PES)或PVAc的固體電解質。

在本發(fā)明的線纜型二次電池中，所述電解質層可還包含鋰鹽。所述鋰鹽可包括LiCl、LiBr、LiI、LiClO₄、LiBF₄、LiB₁₀Cl₁₀、LiPF₆、LiCF₃SO₃、LiCF₃CO₂、LiAsF₆、LiSbF₆、LiAlCl₄、CH₃SO₃Li、CF₃SO₃Li、(CF₃SO₂)₂NLi、氯硼烷鋰、低級脂族碳酸鋰和四苯基硼酸鋰。

有益效果

本發(fā)明的線纜型二次電池因其線性和柔性而具有自由變形性，并由此可應用于各種便攜式裝置中，其中在所述線纜型二次電池中多個電極包含在另一個電極中。此外，所述電池具有多個內電極和管狀外電極，這導致其間的接觸面積增大并因此電池倍率高，且通過調節(jié)內電極的數量，更容易控制其間的容量平衡。通過存在多個內電極，可防止由重復使用造成的短路。此外，所述電池具有在所述內電極上形成的電解質層以防止內電極與外電極之間的直接接觸，由此防止短路。內電極的表面積相對增大可實現高倍率。

附圖說明

參考附圖，根據實施方案的如下說明，本發(fā)明的其他特征和方面變得明顯，其中：

圖1是圓形線纜型二次電池的橫截面圖；且

圖2是橢圓形線纜型二次電池的橫截面圖。

附圖標記說明

10：內電極的集電器 11：內電極的活性材料層

20：外電極的集電器 21：外電極的活性材料層

30：電解質層 40：保護涂層

具體實施方式

下文中，參考附圖對本發(fā)明進行詳細說明。本文中提出的說明僅是出于例示性目的而提供的優(yōu)選實例，不旨在限制本發(fā)明的范圍，所以應理解，在不背離本發(fā)明的主旨和范圍的條件下可以對其完成其他等價物和變體。

圖1和2顯示了根據本發(fā)明的線纜型二次電池的實例，其中對相同的元件表示相同的標號。參考圖1和2，本發(fā)明的線纜型二次電池包含內電極、電解質層30、外電極和保護涂層40。所述內電極包含平行布置的至少兩個負極，所述負極具有預定形狀的水平橫截面并縱向延伸。所述電解質層30形成在所述內電極上并充當離子通道。所述外電極包含包括包圍所述內電極的正極活性材料層21的正極。所述保護涂層40包圍所述外電極。

或者，本發(fā)明的線纜型二次電池包含內電極、電解質層30、外電極和保護涂層40。所述內電極包含平行布置的至少兩個正極，所述正極具有預定形狀的水平橫截面并縱向延伸。所述電解質層30形成在所述內電極上并充當離子通道。所述外電極包含包括包圍所述內電極的負極活性材料層21的負極。所述保護涂層40包圍所述外電極。此處，所述預定形狀不限于特定形狀，且可在不背離本發(fā)明主旨和范圍的條件下包括任意形狀。

本發(fā)明的線纜型二次電池具有預定形狀的水平橫截面和垂直于所述水平橫截面延伸的線性結構。此外，所述線纜型二次電池具有柔性并因此具有自由變形性。所述線纜型二次電池可具有各種形狀，諸如例如圖1中所示的幾何對稱的圓形形狀或圖2中所示的幾何不對稱的橢圓形形狀。

本發(fā)明的線纜型二次電池具有包含多個負極或正極的內電極和包含管狀正極或負極的外電極。所述負極或正極通常包含集電器和在所述集電器上形成的活性材料層。然而，當活性材料層獨自充當集電器時，可不需要集電器。所述負極或正極可具有圓形或多邊形形狀的橫截面，其中所述圓形形狀可以為幾何對稱的圓形形狀或幾何不對稱的橢圓形形狀，且所述多邊形形狀不限于特定類型的多邊形形狀，只要其不是二維的片型即可。例如，所述多邊形可以為，但不限于三角形、四邊形、五邊形或六邊形形狀。

所述內電極包含平行布置的至少兩個負極或正極，然而，在這點上本發(fā)明不受限制。例如，可以以直的或扭曲的形狀布置多個負極或正極。在圖1中，顯示了包含四個負極或正極的內電極，且在圖2中，顯示了包含三個負極或正極的內電極。

包含多個電極的線纜型二次電池因為與相對電極的接觸面積增大而具有高電池倍率和優(yōu)異的電池性能。此外，線纜型二次電池可能因其柔性而經歷由重復使用造成的短路，然而，即使當在一個電極中發(fā)生短路時，電池仍可以運行。為了保持電池的容量平衡，包含負極的內電極應使用比在包含正極的內電極中所使用的正極活性材料的量更多的負極活性材料，這是因為負極活性材料具有比正極活性材料更高的單位體積的容量的事實。在本發(fā)明中，通過調節(jié)內電極的數量，可以控制內電極與外電極之間的容量平衡。

優(yōu)選地，本發(fā)明的負極或正極包含集電器10或20和通過涂布而在所述集電器10或20的表面上形成的活性材料層11或21。所述活性材料使得離子可通過集電器10或20移動，并通過離子的嵌入/脫嵌而進入/離開電解質層來實施離子移動。

優(yōu)選地，所述集電器10或20可由如下材料制成：不銹鋼、鋁、鎳、鈦、燒結碳和銅；用碳、鎳、鈦和銀進行表面處理的不銹鋼；鋁-鎘合金；用導電材料進行表面處理的非導電聚合物；或導電聚合物。

所述集電器10或20收集由活性材料的電化學反應所產生的電子，或供應電化學反應所需要的電子。通常，集電器10或20由諸如銅或鋁的金屬制成。然而，當集電器10或20特別地為用導電材料進行表面處理的非導電聚合物或導電聚合物的聚合物導體時，與集電器10或20由諸如銅或鋁的金屬制成的情況相比，柔性相對更高。由于本發(fā)明的線纜型二次電池可具有多個電極，所以可使用多個集電器。因此，即使各集電器的柔性的小變化也會影響整個電池的柔性。此外，利用聚合物集電器代替金屬集電器可實現電池的輕量化。

導電材料可包括聚乙炔、聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩、聚氮化硫、銦錫氧化物(ITO)、銀、鈀、鎳和銅。導電聚合物可包括聚乙炔、聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩和聚氮化硫。然而，用于集電器10或20中的非導電聚合物不限于特定種類的非導電聚合物。

負極活性材料可包括但不限于：含碳材料；含鋰的鈦復合氧化物(LTO)；金屬(Me)如Si、Sn、Li、Zn、Mg、Cd、Ce、Ni和Fe；所述金屬(Me)的合金；所述金屬(Me)的氧化物(MeOx)；以及所述金屬(Me)和碳的復合材料。

正極活性材料可包括但不限于：LiCoO₂、LiNiO₂、LiMn₂O₄、LiCoPO₄、LiFePO₄、LiNiMnCoO₂和LiNi_1-x-y-zCo_xM1_yM2_zO₂(M1和M2各自獨立地為選自Al、Ni、Co、Fe、Mn、V、Cr、Ti、W、Ta、Mg和Mo中的任一種，且x、y和z各自獨立地為氧化物中各成分的原子分數，其中0≤x<0.5，0≤y<0.5，0≤z<0.5，x+y+z≤1)。

在本發(fā)明的線纜型二次電池中，在內電極(負極或正極)上形成的電解質層30可防止內電極與外電極之間的直接接觸，由此防止短路，并可相對提高內電極的表面積，由此實現高電池倍率。作為離子通道的電解質層30由聚環(huán)氧乙烷(PEO)、聚偏二氟乙烯(PVdF)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚丙烯腈(PAN)或聚乙酸乙烯酯(PVAc)的膠凝聚合物電解質；或者PEO、聚環(huán)氧丙烷(PPO)、聚乙烯亞胺(PEI)、聚乙烯硫化物(PES)或PVAc的固體電解質形成。優(yōu)選地，所述固體電解質的基體基本上為聚合物基體或陶瓷-玻璃基體。即使典型的聚合物電解質具有充分的離子傳導率，離子仍可能移動緩慢，即反應速率可能低，因此在固體電解質上優(yōu)選具有有利的離子移動的膠凝聚合物電解質。因為膠凝聚合物電解質的機械性能差，所以可使用多孔載體或交聯的聚合物以提高膠凝聚合物電解質的機械性能。本發(fā)明的電解質層30可充當隔膜，由此可不使用隔膜。

本發(fā)明的電解質層30可還包含鋰鹽。鋰鹽可提高離子傳導率和反應速率，且可包括但不限于：例如LiCl、LiBr、LiI、LiClO₄、LiBF₄、LiB₁₀Cl₁₀、LiPF₆、LiCF₃SO₃、LiCF₃CO₂、LiAsF₆、LiSbF₆、LiAlCl₄、CH₃SO₃Li、CF₃SO₃Li、(CF₃SO₂)₂NLi、氯硼烷鋰、低級脂族碳酸鋰和四苯基硼酸鋰。

本發(fā)明的保護涂層40充當絕緣體，且形成在外電極的外表面上以保護電極免受空氣中的水分或外部沖擊影響。所述保護涂層40可包含典型的聚合物樹脂如PVC、高密度聚乙烯(HDPE)或環(huán)氧樹脂。

下文中，將在下面簡單地對制造如上所述的線纜型二次電池的方法進行說明。

負極或正極具有通過涂布而在集電器10或20上形成的活性材料層11或21。在這種情況下，可使用典型的涂布方法，具體地為電鍍法或陽極氧化法。優(yōu)選通過擠出機在集電器上擠出涂布包含活性材料的電極漿體。

在將形成的負極或正極用作內電極之后，在具有電解質層30的內電極周圍形成電解質層30。在內電極的周邊周圍形成外電極的活性材料層21?；蛘?，可將內電極插入到活性材料層21中。在形成內電極和外電極的活性材料層21之后，在其上形成外電極的集電器20和保護涂層40。或者，在形成外電極和保護涂層40之后，可以將內電極插入到外電極的活性材料層21中，或者在形成外電極的集電器20和保護涂層40之后，可以插入內電極并然后可以形成外電極的活性材料層21。