Способ изготовления устройства накопления энергии

Изобретение относится к области электротехники, а именно к способу изготовления устройства накопления энергии, и может быть использовано при формировании устройства накопления энергии, содержащего тонкопленочные элементы с твердым электролитом. Способ изготовления устройства (1) накопления энергии, включает: формирование пакета, содержащего по меньшей мере первый электродный слой (6), слой (12) первого коллектора тока, электролитный слой (8), расположенный между первым электродным слоем (6) и слоем (12) первого коллектора тока, формирование в пакете первого паза (24), проходящего через первый электродный слой (6) и электролитный слой (8) и обнажающего кромки первого электродного слоя (6) и электролитного слоя (8), и заполнение по меньшей мере части первого паза (24) электроизоляционным материалом, покрывающим обнаженные кромки первого электродного слоя (6) и электролитного слоя (8). Способ включает прорезку изоляционного материала и слоя (12) первого коллектора тока вдоль по меньшей мере части первого паза (24) для обнажения кромки слоя (12) первого коллектора тока. Предотвращение пассивации слоев и возникновения короткого замыкания на каждом элементе является техническим результатом изобретения. Кроме того, повышена безопасность способа изготовления и последующей обработки пакета с большим количеством накопленной энергии. 11 з.п. ф-лы, 12 ил.

 

Настоящее изобретение относится к способу изготовления устройства накопления энергии и, в частности, но не исключительно, относится к устройству накопления энергии, содержащему тонкопленочные элементы с твердым электролитом.

В процессе изготовления твердотельных тонкопленочных элементов, имеющих, как правило, слоистую структуру, образованную из электродов, электролита и коллекторов тока, первоначально формируют пакет, содержащий слой первого коллектора тока на подложке, электродный слой, электролитный слой, второй электродный слой и второй слой коллектора тока. Затем, разрезая пакет на секции, получают отдельные элементы. С целью предотвращения пассивации слоев и возникновения короткого замыкания на каждый элемент наносят защитный слой.

Чтобы обеспечить электрическое соединение между элементами, к примеру, соединение между коллекторами тока нескольких элементов, наложенных друг на друга, часть защитного слоя удаляют, например, посредством травления. В качестве альтернативы, перед нанесением покрытия можно создать маску, гарантирующую, что определенный участок каждого коллектора тока остается обнаженным. Безусловно, как создание маски, так и операция травления, является дополнительным этапом, усложняющим технологический процесс и увеличивающим производственные затраты.

Согласно настоящему изобретению предлагается способ изготовления устройства накопления энергии, включающий: формирование пакета, содержащего, по меньшей мере, первый электродный слой, слой первого коллектора тока и электролитный слой, расположенный между первым электродным слоем и слоем первого коллектора тока; формирование в пакете первого паза, проходящего через первый электродный слой и электролитный слой и обнажающего кромки первого электродного слоя и электролитного слоя; заполнение, по меньшей мере, части первого паза электроизоляционным материалом, покрывающим обнаженные кромки первого электродного слоя и электролитного слоя; и прорезка изоляционного материала и слоя первого коллектора тока вдоль, по меньшей мере, части первого паза для обнажения кромки слоя первого коллектора тока.

Изобретение обеспечивает простой, быстрый и дешевый способ изготовления твердотельного элемента, имеющего обнаженные кромки коллекторов, которые затем могут быть легко электрически соединены с другими элементами для формирования части пакета.

Кроме того, пакет может содержать слой второго коллектора тока, связанный с первым электродным слоем, причем первый электродный слой и электролитный слой расположены между слоем первого коллектора тока и слоем второго коллектора тока. Первый паз в пакете можно сформировать таким образом, чтобы он проходил и через слой второго коллектора тока, обнажая кромку слоя второго коллектора тока.

Электроизоляционный материал может покрывать обнаженную кромку слоя второго коллектора тока.

Способ может дополнительно включать формирование в пакете второго паза, проходящего через слой первого коллектора тока, электролитный слой и первый электродный слой и обнажающего кромки первого коллектора тока, электролитного слоя и первого электродного слоя; заполнение, по меньшей мере, части второго паза электроизоляционным материалом, покрывающим обнаженные кромки слоя первого коллектора тока, электролитного слоя и первого электродного слоя, и прорезка изоляционного материала и слоя второго коллектора тока вдоль, по меньшей мере, части второго паза для обнажения кромки слоя второго коллектора тока.

Слой первого коллектора тока может формировать второй электродный слой. Альтернативно или, кроме того, пакет может содержать второй электродный слой, расположенный между слоем первого коллектора тока и электролитным слоем, при этом можно сформировать первый паз, который будет проходить и через второй электродный слой.

Первый и/или второй пазы могут быть сформированы методом лазерной резки. Лазерная резка для создания первого и второго пазов может проводиться с применением газообразного мономера, который способен полимеризоваться, формируя в создаваемых лазерной резкой пазах электроизоляционный материал. На этапе заполнения, по меньшей мере, части первого паза электроизоляционным материалом, по меньшей мере, часть паза заполняют жидкостью. Жидкость может представлять собой органическое суспензированное жидкообразное вещество. Заполняющая паз жидкость может быть отверждаемой. Устройство накопления энергии может представлять собой электрохимическую ячейку или конденсатор.

Для облегчения понимания сути настоящего изобретения и его практического осуществления ниже будет описываться иллюстративный вариант осуществления изобретения со ссылкой на прилагаемые чертежи.

Фиг. 1 – схематичное изображение устройства накопления энергии, содержащего несколько элементов.

Фиг. 2 – схематичное изображение показанного на фиг. 1 устройства накопления энергии с электрически соединенными элементами.

Фиг. 3а-3h – последовательность этапов способа изготовления элементов устройства накопления энергии, показанного на фиг.1.

Фиг. 4 – схематичное изображение одного из вариантов осуществления способа, показанного на фиг. 3a-3h.

Фиг. 5 – увеличенное изображение участка, окруженного пунктирной линией на фиг. 4.

На фиг. 1 показано устройство 1 накопления энергии, содержащее первый электрохимический элемент 2, расположенный на втором электрохимическом элементе 4. Первый и второй элементы 2, 4 являются идентичными. Однако первый элемент 2 инвертирован. Каждый из элементов 2, 4 представляет собой пакет, содержащий слой 6 коллектора отрицательного тока, используемый, к тому же, как слой отрицательного электрода (который является анодом во время разряда элемента 2, 4), электролитный слой 8, слой 10 положительного электрода (который является катодом при разряде элемента 2, 4) и слой 12 коллектора положительного тока. С противоположных сторон каждый из элементов 2, 4 ограничен изоляционным материалом 14, 16.

С левой стороны каждого элемента 2, 4 (как показано на фиг. 1) изоляционный материал 14 покрывает кромки электролитного слоя 8, слоя 10 положительного электрода и слоя 12 коллектора положительного тока. Кромка слоя анодного коллектора отрицательного тока/слоя 6 отрицательного электрода с левой стороны каждого элемента 2, 4 обнажена.

С правой стороны каждого элемента (как показано на фиг. 1) изоляционный материал 16 покрывает кромки слоя коллектора отрицательного тока/слоя 6 отрицательного электрода, электролитного слоя 8 и слоя 10 положительного электрода. Кромка слоя 12 коллектора положительного тока с правой стороны каждого элемента 2, 4 обнажена.

Устройство 1 накопления энергии имеет преимущество, состоящее в том, что с противоположных сторон элементов 2, 4 могут быть предусмотрены электрические соединители 18, 20, как показано на фиг. 2, при этом электрический соединитель 18 слева контактирует со слоем 6 коллектора отрицательного тока каждого элемента 2, 4, однако изоляционный материал 14 предотвращает его контакт с другими слоями, а электрический соединитель 20 справа контактирует со слоем 12 коллектора положительного тока, однако изоляционный материал 16 предотвращает его контакт с другими слоями. Таким образом, благодаря изоляционному материалу 14, 16 исключается короткое замыкание между слоями 6, 12 коллекторов тока и другими слоями каждого из элементов 2, 4. Электрическими соединителями 18, 20 может служить, например, металлический материал, который наносят на кромки пакета распылением. Таким образом, можно легко и просто выполнить параллельное соединение элементов 2, 4.

Способ изготовления элементов, показанных на фиг. 1 и 2, далее будет описываться со ссылкой на фиг. 3а-3h.

На фиг. 3а показан слой 12 коллектора положительного тока, представляющий собой никелевую фольгу, однако можно использовать любой подходящий металл, например, алюминий, медь или сталь, или металлизированный материал, включая металлизированные пластические материалы, такие как алюминий на полиэтилентерефталате (ПЭТ). Первый слой 10 положительного электрода осаждают на слое 12 коллектора тока, например, методом окунания или осаждения из паровой фазы, как показано на фиг. 3b. Слой 10 положительного электрода действует как катод во время разряда и может содержать материал, например, литий-кобальт-оксид, литий-железо-фосфат или соли полисульфида щелочного металла, который способен аккумулировать ионы лития в результате стабильных химических реакций. Электролитный слой 8 осаждают поверх слоя 10 положительного электрода, как показано на фиг. 3с. Электролитный слой в электрохимическом элементе может содержать любой подходящий материал, который обладает ионной проводимостью, но который также является электрическим изолятором, такой как фосфор-оксинитрид лития (LiPON). Для окончания сборки пакета поверх электролитного слоя 8 осаждают слой 6 отрицательного электрода, как показано на фиг. 3d. При этом слой 6 отрицательного электрода (который действует как анод во время разряда) используется как коллектор отрицательного тока. В альтернативных вариантах осуществления изобретения коллектор отрицательного тока и слой отрицательного электрода могут быть отдельными слоями. Слой отрицательного электрода может содержать металлический литий, графит, кремний или оксиды индия-олова. В вариантах осуществления изобретения, в которых коллектор отрицательного тока представляет собой отдельный слой, коллектор отрицательного тока может содержать никелевую фольгу, однако можно использовать любой подходящий металл, например, алюминий, медь или сталь, или металлизированный материал, включая металлизированные пластические материалы, такие как алюминий на полиэтилентерефталате (ПЭТ). Каждый слой может быть осажден методом окунания, что обеспечивает простой и эффективный способ получения высокогомогенного слоя.

Для прорезки параллельных чередующихся пазов 22, 24 в верхней и нижней частях пакета, которые показаны на фиг. 3е, используют лазерный режущий инструмент. Следует отметить, что пазы 22 в нижней части пакета смещены относительно пазов 24 в верхней части пакета. Область пакета между нижним пазом 22 и смежным верхним пазом 24 соответствует одному элементу.

Каждый паз 22 в нижней части пакета формируют, прорезая слой 12 коллектора тока, слой 10 положительного электрода и электролитный слой 8 вплоть до слоя 6 отрицательного электрода.

Каждый паз 24 в верхней части пакета формируют, прорезая слой 6 отрицательного электрода, электролитный слой 8 и слой 10 положительного электрода вплоть до слоя 12 коллектора тока.

В процессе прорезки пазов обнажается кромка вдоль каждого слоя и, соответственно, в верхних пазах 24 обнажается часть верхней поверхности слоя 12 коллектора тока, а в нижних пазах 22 обнажается часть нижней поверхности слоя 6 отрицательного электрода. Следует отметить, что каждый паз должен быть выполнен с особой точностью для прорезки только требуемых слоев и предотвращения или по меньшей мере минимизации любого нарушения слоя, который должен оставаться неповрежденным. С учетом того, что технология двухфотонной лазерной резки является процессом резки, обеспечивающим требуемую точность, она является предпочтительной. Однако на каждом этапе могут быть использованы другие подходящие процессы резки, например, любой способ, который обеспечивает удаление материала с образованием паза и/или отделение элементов. На каждом этапе формирования паза и отделения элементов можно использовать разные методы резки, например, после ультразвуковой резки может следовать газоструйная резка.

В представленном варианте осуществления изобретения операцию прорезки проводят в среде, содержащей газообразный мономер, который во время операции прорезки полимеризуется по кромкам слоев, образованным в процессе прорезки, а также на обнаженном участке верхней поверхности слоя 12 коллектора тока и на обнаженном участке нижней поверхности слоя 6 отрицательного электрода на дне каждого паза. Полимер создает электроизоляционную пробку 26, 28, которая перекрывает обнаженные кромки и обнаженные участки поверхностей слоев внутри паза, как показано на фиг. 3f. Может быть использован любой подходящий полимер, такой как этилен, винилхлорид или тетрафторэтилен. Согласно альтернативным вариантам осуществления изобретения, для формирования электроизоляционных пробок пазы заполняют отверждаемой жидкостью, например, органическим суспензированным жидкообразным веществом.

После отверждения полимера пакет разрезают вдоль пазов 22, 24, как показано пунктирными линиями на фиг. 3g, получая отдельные элементы, показанные на фиг. 3h. И в этом случае может быть выполнена лазерная резка. Каждую резку выполняют по центру изоляционной пробки 26, 28, разделяя пробку 26, 28 на две части, при этом каждая часть пробки является защитным покрытием кромок и соответствующей поверхности указанных элементов 2, 4.

При резке пакета обнажаются кромки слоя 12 коллектора положительного тока и слоя 6 отрицательного электрода первого и второго элементов 2, 4, как показано на фиг. 3h.

Для создания устройства 1 накопления энергии, показанного на фиг. 1, второй элемент 4 инвертируют и располагают поверх первого элемента 2. Затем посредством напыления, например, металлического слоя вдоль каждой стороны устройства 1 накопления энергии формируют электрический соединитель 18, 20 для соединения между собой слоев 12 коллекторов положительного тока каждого элемента 2, 4 с одной стороны устройства 1 накопления энергии и для соединения между собой слоев отрицательных электродов/слоев 6 коллекторов отрицательного тока каждого элемента 2, 4 с противоположной стороны устройства 1 накопления энергии, как описано ранее и показано на фиг. 2.

На фиг. 4 и 5 показан вариант описанного выше способа, согласно которому непрерывный пакет формируют на разматываемом, например, с рулона листовом материале, который служит слоем 12 коллектора положительного тока, и после разрезки пакета получают сотни и потенциально тысячи элементов. Сформированный таким образом пакет складывают в виде гармошки, как показано на фиг. 4, создавая компоновку, содержащую по меньшей мере десятки, предпочтительно, сотни и потенциально тысячи слоев с выровненными пробками 26, 28, как показано на фиг. 5. Затем выполняют операцию лазерной резки для разрезки всех пакетов (как показано пунктирными линиями на фиг. 5), при этом для каждого набора выровненных пробок требуется одна операция резки.

Сформированный пакет может находиться в заряженном состоянии до прорезки пазов в пакете и до разрезки пакета на отдельные элементы. Прорезка пазов, которые отделяют компоненты накопления энергии элементов друг от друга и/или последующая прорезка слоев коллекторов тока для разделения пакета на отдельные элементы, может повысить безопасность процессов изготовления и последующей обработки, поскольку нет необходимости обрабатывать большой пакет с большим количеством накопленной энергии.

1. Способ изготовления устройства накопления энергии, характеризующийся тем, что

формируют пакет, содержащий по меньшей мере первый электродный слой, слой первого коллектора тока и электролитный слой, расположенный между первым электродным слоем и слоем первого коллектора тока;

формируют в пакете первый паз, проходящий через первый электродный слой и электролитный слой, в результате чего образуются обнаженные кромки первого электродного слоя и электролитного слоя;

заполняют по меньшей мере часть первого паза электроизоляционным материалом, в результате чего покрываются обнаженные кромки первого электродного слоя и электролитного слоя электроизоляционным материалом; и

прорезают изоляционный материал и слой первого коллектора тока вдоль по меньшей мере части первого паза для обнажения кромки слоя первого коллектора тока.

2. Способ по п. 1, в котором в пакете также формируют слой второго коллектора тока, связанный с первым электродным слоем, при этом первый электродный слой и электролитный слой расположены между первым слоем коллектора тока и вторым слоем коллектора тока, причем в пакете формируют первый паз, проходящий через слой второго коллектора тока, в результате чего формируется обнаженная кромка слоя второго коллектора тока.

3. Способ по п. 2, в котором покрывают обнаженную кромку слоя второго коллектора тока электроизоляционным материалом.

4. Способ по п. 2 или 3, в котором дополнительно:

формируют в пакете второй паз, проходящий через слой первого коллектора тока, электролитный слой и первый электродный слой, в результате чего образуются обнаженные кромки слоя первого коллектора тока, электролитного слоя и первого электродного слоя;

заполняют по меньшей мере часть второго паза электроизоляционным материалом, в результате чего покрываются обнаженные кромки слоя первого коллектора тока, электролитного слоя и первого электродного слоя;

прорезают изоляционный материал и слой второго коллектора тока вдоль по меньшей мере части второго паза для образования обнаженной кромки слоя второго коллектора тока.

5. Способ по любому из предшествующих пунктов, в котором слой первого коллектора тока функционирует как второй электродный слой.

6. Способ по любому из пп. 1-5, в котором в пакете дополнительно формируют второй электродный слой, расположенный между слоем первого коллектора тока и электролитным слоем, причем первый паз проходит через второй электродный слой.

7. Способ по любому из предшествующих пунктов, в котором первый паз формируют методом лазерной резки.

8. Способ по п. 7, в котором в области первого и/или второго пазов во время лазерной резки применяют газообразный мономер, так что газообразный полимер полимеризуется посредством операции лазерной резки в пазах для образования электроизоляционного материала.

9. Способ по любому из предшествующих пунктов, в котором на этапе заполнения по меньшей мере части первого паза электроизоляционным материалом по меньшей мере часть паза заполняют жидкостью.

10. Способ по п. 9, в котором жидкость содержит органический суспензированный жидкий материал.

11. Способ по п. 9 или 10, в котором указанная жидкость отверждается в пазу.

12. Способ по любому из предшествующих пунктов, в котором устройство накопления энергии представляет собой электрохимическую ячейку.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к способу производства аккумуляторной батареи и к устройству для производства аккумуляторной батареи. Согласно изобретению, способ производства аккумуляторной батареи включает в себя: формирование слоя вязкого вещества на охладителе, так что противоположная поверхность слоя вязкого вещества, обращенная к охлаждаемому фрагменту аккумуляторной батареи, имеет вершину, в которой перпендикулярное расстояние от поверхности слоя вязкого вещества напротив противоположной поверхности является наибольшим, и что перпендикулярное расстояние уменьшается в направлениях от вершины, как видно на виде в разрезе слоя вязкого вещества с направления длинной стороны слоя вязкого вещества; и прежде чем отверждение слоя вязкого вещества, сформированного на охладителе, завершится, присоединение пакета элементов к охладителю, при одновременном прижатии противоположной поверхности слоя вязкого вещества к охлаждаемому фрагменту пакета элементов.

Изобретение относится к области электротехники, а именно к быстрозарядной системе (20), включающей быстрозарядный композит (60) и вторичную батарею (22). Быстрозарядный композит (60) включает целлюлозный сепаратор (62), смачиваемый вторым электролитом (64), содержащим третьи ионы (94), имеющие положительный заряд, и четвертые ионы(96), имеющие отрицательный заряд, находящиеся в контакте с указанными смежными электродами (32), (46) батареи (22).

Изобретение относится к области электротехники, а именно к биполярной батарее, состоящей из комбинации ячеек, загерметизированных для предотвращения смешивания между жидкостями и предотвращения коррозии периферийного устройства, вызванной утечкой жидкости.

Изобретение относится к области электротехники, а именно к батарее и способу ее изготовления. Батарея включает в себя, по меньшей мере, электродную группу, включающую в себя положительный электрод, сепаратор, отрицательный электрод и защитный слой, при этом сепаратор размещен между положительным электродом и отрицательным электродом, положительный электрод включает в себя токоотвод положительного электрода, слой смеси положительного электрода и вывод положительного электрода.

Изобретение относится к области электротехники, а именно к конструкции гибкой микробатареи и способу ее изготовления, и может быть использовано, например, в офтальмологических медицинских устройствах, где необходима механическая прочность, степень гибкости и биосовместимость.

Изобретение относится к области электротехники, а именно к электрохимической батарее биосовместимого микроэлектрохимического элемента, и может быть использовано, например, в имплантируемом кардиостимуляторе, электронной таблетке для контроля и/или испытания биологической функции, хирургическом устройстве с активными компонентами, контактной линзе.

Группа изобретений относится к медицине. Контактная линза содержит: электроактивный компонент, выполненный с возможностью изменения фокусных характеристик контактной линзы; батарею, содержащую анодный токоотвод, катодный токоотвод, анод, электролит и катод, причем катод содержит электроосажденные катодные химические вещества, причем катод содержит электролитический диоксид марганца; и биосовместимый герметизирующий слой, причем биосовместимый герметизирующий слой герметизирует электроактивный компонент и батарею.

Изобретение относится к литий-ионной вторичной батарее и к способу ее изготовления. Способ изготовления литий-ионной вторичной батареи включает слой композиции положительного электрода, сформированной на токосъемнике положительного электрода с использованием водной композиции пасты положительного электрода, которая включает активный материал положительного электрода, включающий сложный оксид лития и марганца и водный растворитель, и дополнительно включает Li5FeO4 в качестве добавки.

Изобретение относится к области электротехники, а именно к биосовместимой микробатарее в гибкой биосовместимой оболочке. Электрохимическая микробатарея содержит компоненты электрохимического элемента и состоит из плоских анода и катода с токоотводами, расположенными в пределах заданного расстояния для обеспечения ионной проводимости между анодом и катодом, при этом гибкая оболочка окружает анод, катод и электролит, а указанные токоотводы проходят через указанную гибкую оболочку, также микробатарея имеет либо плоскую, либо дугообразную форму.

Изобретение относится к области электротехники, а именно к биосовместимым батареям трубчатой формы и способу их изготовления, в частности путем формирования трубчатых форм из твердых структур.

Изобретение относится к способам получения керамических твердых электролитов с высокой проводимостью по иону лития и может быть использовано в электротехнической промышленности, в частности, при изготовлении твердофазных литий-ионных аккумуляторов для питания портативной электроники.
Изобретение относится к области производства материалов для электрофизического приборостроения, а именно к технологии получения полимерных композитов с высокой диэлектрической проницаемостью, и может быть использовано при создании различных приборов и устройств твердотельной электроники, в том числе конденсаторов, суперконденсаторов, оптоэлектронных преобразователей, топливных элементов и др.

Изобретение относится к области производства материалов для электрохимического и электрофизического приборостроения, а именно к технологии получения полимерных протонпроводящих композитов с высокой диэлектрической проницаемостью, и может быть использовано при создании различных электрохимических приборов и устройств, в том числе суперконденсаторов, электрохромных приборов и оптоэлектронных преобразователей, топливных элементов и др.
Настоящее изобретение относится к полимерным протонпроводящим композиционным материалам. Описан полимерный протонпроводящий композиционный материал, включающий полимерную линейную матрицу, представляющую собой водный 2-9% раствор поливинилового спирта, содержащий наночастицы серебра размером 20-100 нм в концентрации 40-100 мг/л и диспергированный в ней протонпроводящий твердый электролит в виде фосфорно-вольфрамовой кислоты и пластификатора в виде глицерина при следующем соотношении компонентов, мас.%: водный раствор поливинилового спирта 38-69, фосфорно-вольфрамовая кислота 19-50, глицерин остальное.
Изобретение относится к способу получения частиц твердого электролита Li1+xAlxTi2-x(PO4)3 (0,1≤x≤0,5), включающему смешивание первого раствора, содержащего азотную кислоту, воду, азотнокислый литий, азотнокислый алюминий, фосфорнокислый аммоний NH4H2PO4 или фосфорную кислоту, и второго раствора, содержащего соединение титана и растворитель, с образованием азотнокислого коллективного раствора, нагревание коллективного раствора с получением прекурсора и его прокалку.

Изобретение относится к способам получения твердого электролита с высокой ионной проводимостью при комнатной температуре и может быть использовано в электронной промышленности, в частности, при изготовлении миниатюрных суперконденсаторов высокой емкости - варисторов, которые находят различное применение, в том числе в качестве источника энергии кардиостимуляторов.

Изобретение относится к электролитическим конденсаторам. .

Изобретение относится к электролитическому конденсатору, содержащему слой способного к оксидированию металла, слой оксида этого металла, твердый электролит и контакты, причем в качестве твердого электролита используются политиофены с повторяющимися структурными единицами общей формулы (I) Также описан электропроводящий слой с удельной электропроводностью, по меньшей мере, 150 См/см, используемый, например, в качестве антистатического покрытия, прозрачного нагревательного элемента, твердого электролита электролитических конденсаторов, а также для металлизации сквозных отверстий печатных плат и т.п.
Наверх