柔性锂离子电池专利技术分析

雷杰 1

1国家知识产权局专利局专利审查协作江苏中心，江苏，苏州

摘要：本文以国内专利数据为基础，对柔性锂离子电池专利技术进行分析，主要研究了改进锂离子电池柔性化的手段如：电极层、模组结构、集流体、电芯成型、包装、电解质膜和隔膜。其中，对电极层的改进的专利申请量最大，占据量为39.16%。

关键词：柔性；锂离子电池；专利

当今社会面临着能源短缺和环境污染2大问题，开发高效绿色的储能器件是解决上述两个问题的有效途径之一。锂离子电池具有比能量高、低自放电、循环性能好、无记忆效应和绿色环保等优点，是目前最具发展前景的化学储能电源。然而，随着科技的进步和高端产品的推陈出新，柔性电子器件逐步应用，柔性电子技术不断发展。柔性电子技术是将有机/无机薄膜电子器件制作在柔性基底上的新型电子技术，具有柔软、可变性、可拉伸、可弯折等特性，引发了科研工作者开发与之适应的新型柔性锂离子电池的研究热潮。

目前为实现锂离子电池的可弯曲性能，对锂离子电池的改进如下：

一、集流体的改进

传统的集流体使用铜箔或铝箔，依靠粘结剂实现活性物质层在集流体上的附着，但是其在弯折时容易导致活性物质的脱落，为实现其弯曲性能，目前所使用的或者研发的集电体主要包括碳类集流体以及金属集流体，如使用石墨烯或者碳纳米管薄膜，以及将导电金属沉积在柔性基体上，如专利CN68987796A公开了一种柔性集流体、包含该柔性集流体的电极及电池，其中柔性集流体包括纺织物基底和金属导电镀层，金属导电镀层包覆在纺织物基底的纤维上；CN104810504A公开了一种柔性石墨烯集流体与活性材料一体化电极极片及其制备方法，该电极极片包括石墨烯集流体层和活性材料层。所述石墨烯集流体层由石墨烯经分散、真空抽滤制得。

二、电极层的改进

柔性锂离子电池的核心是柔性电极层。目前，柔性电极层主要分为两大类，一类为活性物质实现自支撑，不需要添加粘合剂、导电剂以及集流体，另一类则是需要碳布等作为柔性基体，通过一定的方式将活性物质负载在其上。为了实现电极层的柔性化，设计特殊结构的电极层，如波形结构，如点阵结构、如电缆结构等来实现电极层的柔性化。

三、隔膜的改进

正负极之间的隔膜在柔性电池中既要实现防止短路、蓄积电解液的作用，又要达到柔性隔膜的可弯折和可拉伸性能，目前柔性隔膜的主要利用柔性基底作为骨架，基于骨架改善隔膜的可弯曲特性如专利CN108400379A，也可通过对隔膜的结构进行改善来配合电极的弯曲如专利CN109478626A。

四、电解质膜的改进

目前大多数柔性锂离子电池是将柔性的电芯堆叠、注入电解液后进行封装，但是在重复性弯曲和折叠的状态下，容易造成电池漏液。因此，固态的柔性锂离子电池是解决上述问题的重要手段之一。电解质膜可包括固态电解质后凝胶电解质薄膜。实现固态电解质膜柔性化的手段主要包括在柔性基底上沉积无机固态电解质或者利用静电纺丝或者在电解质膜中加入可弯曲的其他材料如粘结剂等手段实现电解质膜的柔性化。实现凝胶电解质膜柔性化的手段主要是利用浸渍或者涂布的方法，将电解质溶液均匀吸附于柔性基体上，凝胶化之后进行热处理，得到无定形态或多晶态的薄膜。

五、包装的改进

电池包装袋是实现电池柔性化的重要影响因素，目前对于柔性电池的包装的改进主要包括两点：一是对柔性包装袋进行结构改进，如建立多层结构，或者在建立与电芯结构相协调的组装结构，如一种柔性锂离子电池，外包装膜与电芯的上表面和下表面之间设有柔性膜，柔性膜覆盖电芯的上表面和下表面，至少一片柔性膜与外包装膜之间设有若干缓冲凸起，外包装膜的内表面对应缓冲凸起处设有凹坑。在电芯的表面增加缓冲凸起，该缓冲凸起具有一定的弹性，电池整体在弯曲时会优先于极片受到弯曲应力的挤压，从而保护极片因为承受过大的应力出现掉粉和断裂，增加了电池的弯折次数。二是研发新的柔性包装材料。

六、模组结构的改进

模组结构的改进是实现电池组柔性化的主要措施之一，如利用多个小电芯代替大电芯；如在电芯之间建立柔性弯曲机构等其他结构设计。

为掌握国内在柔性锂电池相关技术的发展状况，以截止2020年底的专利申请为基础，研究了柔性锂电池相关技术主题，如对上述各种技术手段进行分析，具体结果如下图所示：

图1 锂离子电池技术分支旭日图

图1为锂离子电池技术分支旭日图，从图中可以看出，在改进锂离子电池柔性化的手段主要包括以下方面如：电极层、模组结构、集流体、电芯成型、包装、电解质膜和隔膜。其中，对电极层的改进的专利申请量最大，占据量为39.16%；其次为模组结构的改进，占据量为17.36%；排名第三位的是对集流体进行的改进，占据量为12.64%。对模组结构的改进主要体现在电池之间建立柔性连接件、分隔电池模组等；对集流体的改进主要是利用其它材料代替金属箔材料，如使用石墨烯薄膜、碳纳米管薄膜或者将金属层施加于柔性基体上等；对电芯成型的改进主要体现在实现正负极和隔膜的一体化成型、或电芯结构等；对包装的改进主要体现在包装材料和包装结构的改进；对电解质膜和隔膜的改进主要是材料选择以及结构的改进。电极层作为影响柔性锂离子电池的关键因素，对其进一步进行分析，其中改善电极层柔性的关键手段包括：成型方法、骨架材料、电极活性材料和电极结构，其中成型方法和骨架材料的改进的专利申请量占据率最高，分别为22.65%和10.83%。成型方法主要包括浆料成膜、静电纺丝、水热/溶剂热、过滤、固相法和电沉积，占有率分别为6.81%、3.19%、2.92%、2.64%、1.25%和1.25%，除浆料成膜方法以外，其他均属于原位生成电极膜材料，与基体具有较大的结合力。骨架材料主要包括石墨烯、碳纳米管、碳纤维、碳布等，主要取决于上述材料的高导电性和高柔性，占据率分别为4.31%、2.08%、1.94%、0.83%。

虽然柔性电池相对于动力型的方形电池或者圆柱形电池的使用量不高，但是基于外观的优势，在电子产品高速发展使其，柔性锂电池的技术会得到一定的发展。