[发明专利]高能量密度可变形电池

说明书

公开了一种能量存储设备，其包括具有两个或更多个刚性能量存储单元和将相邻的刚性能量存储单元分开的导电柔性部件的轴向结构。刚性能量存储单元包括多个折叠层，包括阳极层、阴极层、第一集电体层、第二集电体层、一个或多个分隔物层以及一个或多个带层。通过在沿着轴向结构的多个位置处将多个层一次或多次折叠到其自身上来产生相邻的刚性能量存储单元。然后将轴向结构与电解质材料一起密封在镀铝壳体中。凭借通过柔性部件连接的折叠的刚性能量存储段，该能量存储设备表现出高能量密度、高可折叠性和出色的电化学性能。导电柔性部件以与脊柱中椎骨之间的软骨髓类似的方式起作用，从而提供出色的整体柔性。

相关申请的交叉引用

本申请要求于2018年3月9日提交的美国临时申请No.62/640,770；于2018年11月21日提交的No.62/770,395；于2018年11月28日提交的No.62/772,422；于2018年11月28日提交的No.62/772,432；以及于2018年11月30日提交的No.62/773,673的权益，这些申请通过引用并入，如同以其整体在本文中公开。

关于联邦政府资助的研究或开发的声明

本发明是在国家科学基金会授予的1420634政府资助下完成的。政府拥有本发明中的某些权利。

背景技术

近年来，诸如智能手表之类的可穿戴电子产品的快速发展增加了对高性能、无缝兼容的柔性电池的需求。它们几乎可以用在生活的每个方面，诸如医疗保健、军事、显示器等等。当前的柔性电池设计不足以处理苛刻但常见的变形折叠同时仍维持商业电池所具有的高能量密度和具有成本效益的制造。

另外，高性能可拉伸电池是可拉伸设备的关键部件。但是，同时具有高可拉伸性和高能量密度二者是挑战性的。可拉伸性对于医疗、感测、显示器和可穿戴设备极具吸引力，因为可拉伸设备可以顺应性地应用于人体和具有任意形状的其它表面。由于可拉伸电池可以与其它可拉伸部件无缝集成并提供稳定电力，因此非常期望可拉伸电池。

锂离子电池(LIB)由于其高能量密度而在用于为电子设备供电方面具有吸引力，但是实现具有足够灵活性的可以同时维持高能量密度的LIB仍然是一项重大挑战。近年来，大量的精力投入开发可伸缩的LIB。已经论证了基于PDMS和其它可拉伸聚合物的设备，但它们的能量密度较低。屈曲碳结构(例如，碳纳米纤维、碳纳米管)也显示出了可拉伸性，但是对应的能量密度仍然不令人满意。

发明内容

本公开的一些实施例针对一种可变形的能量存储设备，即使在变形期间，该能量存储设备也仍然提供与商业电池相当的稳定电力。在一些实施例中，该能量存储设备包括轴向结构，该轴向结构包括两个或更多个刚性能量存储单元。在一些实施例中，刚性能量存储单元包括多个折叠层。在一些实施例中，多个折叠层包括阳极层、阴极层、第一集电体(current collector)层、第二集电体层和一个或多个分隔物(separator)层。在一些实施例中，能量存储设备包括包围两个或更多个刚性能量存储单元的壳体以及在该壳体内的电解质材料。在一些实施例中，壳体包括镀铝袋。

在一些实施例中，一个或多个分隔物层包括聚乙烯、聚丙烯或其组合。在一些实施例中，阳极层包括石墨。在一些实施例中，第一集电体层部署在阳极层上方。在一些实施例中，第一集电体层包括铜。在一些实施例中，第一分隔物层部署在阳极层和阴极层之间。在一些实施方式中，第二集电体层部署在阴极层和第二分隔物层之间。在一些实施例中，第二集电体层包括铝。在一些实施例中，阴极层包括锂。

在一些实施例中，能量存储设备包括将相邻的刚性能量存储单元分开的导电柔性部件。在一些实施例中，导电柔性部件包括带层。在一些实施例中，导电柔性部件包括部署在两个带层之间的金属层。