便携式电子设备的电池单元中的多电极衬底厚度的制作方法
【专利摘要】本申请涉及便携式电子设备的电池单元中的多电极衬底厚度。所公开的各实施例提供了一种电池单元。该电池单元包括包含活性材料和连续的衬底的电极。连续的衬底包括维持所述连续的衬底的抗张强度的第一厚度和小于所述第一厚度以适应所述活性材料的第二厚度。如此，第一厚度和第二厚度可以改善电池单元的能量密度和/或倍率性能，而不会产生与在电池单元中使用较薄的电极衬底相关联的制造缺陷。
【专利说明】便携式电子设备的电池单元中的多电极衬底厚度
【技术领域】
[0001]所公开的各实施例涉及便携式电子设备的电池。更具体而言，所公开的各实施例涉及用于在便携式电子设备的电池的电极衬底中产生多个厚度的技术。
【背景技术】
[0002]目前使用可再充电的电池来向各种便携式电子设备提供电能，所述便携式电子设备包括膝上型计算机、平板电脑、移动电话、个人数字助理(PDA)、数字音乐播放器和无绳动力工具。最常使用的类型的可再充电电池是锂电池，可包括锂离子或锂聚合物电池。
[0003]锂聚合物电池常常包括封装在柔性袋(flexible pouch)中的单元。这样的袋通常轻便并且制造起来便宜。此外，可以针对各种单元尺寸来定制这些袋，允许锂聚合物电池用于诸如移动电话、膝上型计算机和/或数码相机之类的空间有限的便携式电子设备中。例如，通过将压制电极和电解液封闭在镀铝的层叠袋中，锂-聚合物电池单元可以实现90-95%的封装效率。然后，可以将多个袋并排放置在便携式电子设备内并串联和/或并联地电耦合，以形成便携式电子设备的电池。
[0004]此外，一个或多个电池尺寸的缩小可以允许产生带有小的、薄的、便携式和/或美观的形状因子的便携式电子设备。例如，电池的能量密度的增大可以促进电池厚度的缩小，而同时维持电池的容量。缩小的厚度又可以使得由电池供电的便携式电子设备的厚度的相应缩小和/或腾出便携式电子设备内的空间以容纳其他组件(例如，显示器、处理器、存储
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[0005]因此，便携式电子设备的使用可以通过与封装效率、容量、形状因子、设计、和/或包含锂聚合物电池单元的电池组的制造相关的改善来促进。
【发明内容】
[0006]所公开的各实施例提供了一种电池单元。该电池单元包括包含活性材料和连续衬底的电极。连续衬底包括维持所述连续衬底的抗张强度的第一厚度和小于所述第一厚度以适应所述活性材料的第二厚度。如此，第一厚度和第二厚度可以改善电池单元的能量密度和/或倍率性能(rate capability),而不会产生与在电池单元中使用较薄的电极衬底相关联的制造缺陷。
[0007]在某些实施例中，所述电极是阴极和阳极中的至少一个。
[0008]在某些实施例中，电池单元还包括隔板。在电池单元的制造过程中，阴极、阳极、以及隔板可以被缠绕以产生胶质卷(jelly roll，或软卷)。可另选地，可以使用多层来形成诸如双单元结构之类的其他类型的电池单元结构。
[0009]在某些实施例中，所述第一厚度和第二厚度是在所述连续衬底的一面或两面上产生的。
[0010]在某些实施例中，第一厚度和第二厚度与矩形形状、正方形形状、三角形形状、蜂窝形状、以及三维(3D)形状中的至少一项相关联。[0011]在某些实施例中，使用蚀刻技术、喷射技术、以及优先(preferential)伸展技术中的至少一项来产生第一厚度和第二厚度。
【专利附图】
【附图说明】
[0012]图1示出了根据所公开的各实施例的计算机系统中的电池的布置。
[0013]图2示出了根据所公开的各实施例的电池单元的自上而下的视图。
[0014]图3示出了根据所公开的各实施例的电池单元的电极。
[0015]图4示出了根据所公开的各实施例的电池单元的电极的连续衬底的截面图。
[0016]图5示出了根据所公开的各实施例的电池单元的电极的连续衬底的自上而下的视图。
[0017]图6示出了根据所公开的各实施例的电池单元的电极的连续衬底的截面图。
[0018]图7示出了根据所公开的各实施例的制造电池单元的过程的流程图。
[0019]图8示出了根据所公开的各实施例的便携式电子设备。
[0020]在图形中，相同的附图标记表示相同的图形元件。
【具体实施方式】
[0021]下面的描述使任何所属【技术领域】的专业人员实现并使用各实施例，并且是在特定应用以及其要求的上下文中提供的。对所公开的各实施例的各种修改方案对本领域的技术人员是显而易见的，在不偏离本公开的精神和范围的情况下，此处所定义的一般原理可以应用于其他实施例和应用场合。如此，本发明不限于所示出的实施例，而是根据与此处所公开的原理和特点一致的最广阔的范围。
[0022]本详细描述中所描述的数据结构和代码通常存储在计算机可读存储介质中，该计算机可读存储介质可以是可以存储供计算机系统使用的代码和/或数据的任何设备或介质。计算机可读存储介质包括但不仅限于，易失性存储器、非易失性存储器、诸如磁盘驱动器、磁带、CD (紧凑型光盘)、DVD (数字多功能盘或数字视盘)之类的磁性和光存储设备，或现在已知的或以后开发的能够存储代码和/或数据的其他介质。
[0023]在详细描述部分所描述的方法和进程可以被实现为可以存储在如上文所描述的计算机可读存储介质中的代码和/或数据。当计算机系统读取和执行存储在计算机可读存储介质中的代码和/或数据时，计算机系统执行实现为数据结构和代码并存储在计算机可读存储介质内的方法和进程。
[0024]此外，此处所描述的方法和进程可以包括在硬件模块或设备中。这些模块或设备可以包括但不仅限于，专用集成电路(ASIC)芯片、现场可编程门阵列(FPGA)、在特定时间执行特定软件模块或一块代码的专用或共享处理器、和/或现在已知的或以后开发的其他可编程-逻辑器件。当激活硬件模块或设备时，它们执行在其内所包括的方法和进程。
[0025]图1示出了根据一个实施例的计算机系统102中的电池100的布置。计算机系统102可以对应于膝上型计算机、个人数字助理(PDA)、便携式媒体播放器、移动电话、数码相机、平板电脑、和/或其他便携式电子设备。电池100可以对应于锂聚合物电池和/或计算机系统102的其他类型的可再充电的电源。例如，电池100可以包括封装在柔性袋中的一个或多个锂聚合物电池单元。然后，电池单元可以串联和/或并联，并用来给计算机系统102供电。
[0026]在一个或多个实施例中，电池100被设计成适应计算机系统102的空间约束。例如，电池100可以包括并排、从上到下放置，和/或层叠在计算机系统102内以填满计算机系统102内的空闲空间的不同大小和厚度的电池单元。计算机系统102内的空间的使用可以另外通过省略电池100的单独的外壳而被优化。例如，电池100可以包括直接包装在计算机系统102的外壳内的锂聚合物单元的不可移动的袋。结果，电池100的单元可以大于相应的可移动电池的单元，与可移动电池相比，又可以提供增大的电池容量，并可使重量减轻。
[0027]为进一步便于计算机系统102与电池100 —起使用，电池100可以包括带有两个或更多厚度的连续电极衬底。例如，电极衬底可以包括维持所述电极衬底的抗张强度的第一厚度和适应所述电极的活性材料的第二厚度。与常规锂聚合物电池相比，电池100可以具有较高的能量密度和/或较好的倍率性能。下面参考图2-7更详细地讨论改善锂聚合物电池的能量密度和/或倍率性能。
[0028]图2示出了根据一个实施例的电池单元200。电池单元200可以对应于用来给便携式电子设备供电的锂聚合物单元。电池单元200包括包含被缠绕在一起的多层的胶质卷(jelly roll) 202，包括带有活性涂层的阴极、隔板、和带有活性涂层的阳极。
[0029]更具体而言，胶质卷202可以包括被一个隔板材料的条带(例如，导电聚合物电解液)分隔的一个阴极材料条带(例如，涂有锂化合物的铝箔)和一个阳极材料条带(例如，涂有碳的铜箔)。然后，可以将阴极、阳极、以及隔板层缠绕在芯轴上，以形成以螺旋方式缠绕的结构。可另选地，可以使用多层来形成诸如双单元结构之类的其他类型的电池单元结构。胶质卷在本领域中是已知的，因此将不对其进行详细描述。
[0030]在电池单元200的组装过程中，胶质卷202被封闭在柔性袋中，该袋是通过沿着折叠线212折叠柔性片材而形成的。例如，柔性片材可以由带有诸如聚丙烯和/或聚乙烯之类的聚合物膜的铝制成。在折叠柔性片材之后，可以密封柔性片材，例如通过沿着侧密封210和沿着台阶密封208加热。
[0031]胶质卷202还包括耦合到阴极和阳极的一组导电舌片206。导电舌片206可以穿过袋中的密封(例如，使用密封带204形成的)，以为电池单元200提供端子。然后，可以使用导电舌片206来将电池单元200与一个或多个其他电池单元电耦合，以形成电池组。例如，电池组可以通过以串联、并联、或串联和并联配置来耦合电池单元而形成。
[0032]图3示出了根据所公开的各实施例的电池单元的电极。电极可以为诸如图2的电池单元200之类的电池单元提供阴极和/或阳极。电极可以包括涂有活性材料304-306的连续衬底302。例如，连续衬底302可以是在两面涂有碳或锂活性材料304-306的铜箔或铝箔。
[0033]如图3所示，连续衬底302包括第一厚度310和通过从第一厚度310的一面去除材料的部分308而形成的第二厚度。例如，可以从一张铝箔和/或铜箔中的10微米第一厚度310周期性地去除8微米部分308，来在箔中形成第二厚度。
[0034]第一厚度310可以维持连续衬底302的抗张强度，以在产生电极和/或电池单元过程中减轻诸如裂口、起皱、卷绕、刻痕和/或凹痕之类的制造缺陷。另一方面，被去除的部分308可以适应电池单元中的额外的活性材料304，如此与带有扁平电极衬底的常规电池单元的能量密度相比，增大了电池单元的能量密度。例如，部分308可以将活性材料304的厚度从53微米增大到61微米，如此提供电池单元的能量密度的相应增大。去除的部分308也可以增大连续衬底302的表面积，导致如果两种电池单元都包含相同量的活性材料304-306，与常规电池单元相比，电池单元的倍率性能和/或容量率(c率)的相应增大。
[0035]可以以在连续衬底302中形成各种形状的方式来去除部分308。例如，周期性的去除部分308可以在连续衬底302中产生矩形、正方形、三角形、蜂窝和/或三维(3D)形状。下面参考图4-6更详细地讨论了与电池单元的连续衬底中的多个厚度相关联的形状。
[0036]此外，可以使用各种技术来从第一厚度310去除部分308。例如，可以通过使用蚀亥Ij (例如，光蚀刻、化学蚀刻、激光蚀刻)技术来去除部分308，形成第二厚度。可另选地，可以使用喷射(例如，喷砂、珠光处理)来从连续衬底302的各部分有选择地去除部分308。最后，可以使用优先伸展技术，来在连续衬底302中形成第一和第二厚度，其中，从连续衬底302中去除部分308以形成形状和/或图案的集合，以及连续衬底302在一个或多个维度中伸展，以增大形状和/或图案的宽度。
[0037]图4示出了根据所公开的各实施例的电池单元的电极的连续衬底的截面图。如上文所提及的，连续衬底可以用于电池单元(例如，图2的电池单元200)的阴极和/或阳极中。
[0038]另外，可以通过从连续衬底的两面(例如，顶部和底部)去除连续衬底的部分404-406，而在连续衬底中产生多个厚度。可以以交替地图案从连续衬底中去除6微米深和20-2000微米宽的部分404-406，以便在整个连续衬底中维持4微米的中心厚度402，以及高于或低于厚度402的连续衬底的额外厚度在连续衬底中的任何一点处相同(例如，6微米)。这样去除的部分404-406可以适应位于连续衬底的顶部和底部上的活性材料，和/或增大连续衬底的表面积，如此增大电池单元的能量密度，和/或便于电池单元的较快放电。
[0039]图5示出了根据所公开的各实施例的电池单元的电极的连续衬底的自上而下的视图。连续衬底包括以蜂窝形图案和/或形状从连续衬底的表面去除的一组部分502-526。此外，可以从连续衬底的一面(例如，顶部)去除部分502-514，同时可以从连续衬底的另一面(例如，底部)去除部分516-526。部分502-526从连续衬底的两面的这种去除可以减轻由连续衬底的减薄所引起的抗张强度的缩小，而同时增大连续衬底的表面积，和/或允许向去除的部分502-526添加活性材料。
[0040]图6示出了根据所公开的各实施例的电池单元的电极的连续衬底的截面图。更具体而言，图6示出了可以在连续衬底中形成的两组3D形状602-604的截面图。例如，可以在从图6的连续衬底中去除一个或多个六边形部分602-626的过程中形成形状602-604。
[0041]形状602可以从连续衬底的第一厚度的顶部以某一角度逐渐变细，然后垂直地下降，直到到达连续衬底中的第二厚度的边界。另一方面，形状604可以从第一厚度的顶部垂直地下降，然后以某一角度逐渐变细，直到到达第二厚度的边界。形状602-604也可以包括在同一个连续衬底中。例如，可以沿着连续衬底的顶部产生形状602，而可以沿着连续衬底的底部产生形状604。形状602-604的变化厚度可以维持防止电极和/或电池单元中的制造缺陷的抗张强度，同时改善电池单元的能量密度和/或倍率性能。
[0042]图7示出了根据所公开的各实施例的制造电池单元的过程的流程图。在一个或多个实施例中，一个或多个步骤可以被省略、重复、和/或以不同的顺序执行。相应地，图7所示出的步骤的特定安排不应该被解释为限制各实施例的范围。[0043]首先，获取电池单元的连续衬底(操作702)。对于锂-聚合物电池单元，连续衬底可以是铜箔或铝箔。接下来，在连续的衬底中形成第一厚度和小于第一厚度的第二厚度(操作704)。第一和第二厚度可以使用蚀刻技术、喷射技术、和/或优先伸展技术来在连续衬底的一面或两面上形成。另外，第一和第二厚度可以与矩形、正方形、三角形、蜂窝、和/或3D形状相关联。
[0044]然后，通过将所述电极的活性材料沉积到所述连续衬底上，形成所述电池单元的电极(操作706)。例如，可以将阴极和/或阳极活性材料涂敷、沉积、和/或溅射到连续衬底上，以形成电池单元的阴极和/或阳极。第一厚度可以维持连续衬底的抗张强度，而第二厚度可以适应活性材料。因此，第一和第二厚度可以改善电池单元的能量密度和/或倍率性能，而不会产生与在电池单元中使用较薄的电极衬底相关联的制造缺陷。
[0045]还获取电池单元的隔板(操作708)，并缠绕阴极、阳极、以及隔板，以产生胶质卷(操作710)。如果使用多层来产生其他电池单元结构(诸如双单元)，则可以跳过和/或改变缠绕步骤。最后，在袋中密封胶质卷，以形成电池单元(操作712)。例如，可以通过将阴极、阳极、以及隔板层置于袋中，利用电解液填充袋，并沿着袋的边缘形成侧面和台阶密封，来形成电池单元。
[0046]上文所描述的可再充电电池单元一般可以用在任何类型的电子设备中。例如，图8示出了便携式电子设备800，包括处理器802、存储器804和显示器808，它们都由电池806供电。便携式电子设备800可以对应于膝上型计算机、移动电话、PDA、便携式媒体播放器、数码相机、和/或其他类型的电池供电的电子设备。电池806可以对应于包括一个或多个电池单元的电池组。每一个电池单元都可以包括带有活性材料和连续衬底的电极。连续衬底可以包括维持所述连续衬底的抗张强度的第一厚度和适应所述活性材料的第二厚度。与带有扁平电极衬底的常规电池单元相比，第一和第二厚度可以增大电池单元的能量密度和/或倍率性能。
[0047]前面的对各实施例的描述只是只为了说明和描述。它们不是为了详尽的解释或将本发明限制在所公开的形式。因此，那些精通本技术的专业人员将认识到，可以进行许多修改和变化。另外，上面的公开不旨在限制本发明。
【权利要求】
1.一种电池单元,包括: 电极，所述电极包括: 活性材料；以及 连续衬底，所述连续衬底包括: 维持所述连续衬底的抗张强度的第一厚度；以及 小于所述第一厚度以适应所述活性材料的第二厚度。
2.如权利要求1所述的电池单元，其中，所述电极是阴极和阳极中的至少一个。
3.如权利要求2所述的电池单元，进一步包括: 隔板， 其中，所述阴极、所述阳极、以及所述隔板被缠绕以产生胶质卷。
4.如权利要求1所述的电池单元，其中，所述连续衬底包括铜箔和铝箔中的至少一种。
5.如权利要求1所述的电池单元，其中，所述第一厚度和第二厚度是在所述连续衬底的一面或两面上产生的。
6.如权利要求1所述的电池单元，其中，所述第一厚度和第二厚度与下列各项中的至少一项相关联: 矩形形状； 正方形形状； 三角形形状； 蜂窝形状；以及 三维(3D)形状。
7.如权利要求1所述的电池单元，其中，所述第一厚度和第二厚度是使用下列各项中的至少一项产生的: 蚀刻技术； 喷射技术；以及 优先伸展技术。
8.一种便携式电子设备，包括: 由电池组供电的一组组件；以及 所述电池组，包括: 电池单元，所述电池单元包括: 电极，所述电极包括: 活性材料；以及 连续衬底，所述连续衬底包括: 维持所述连续衬底的抗张强度的第一厚度；以及 小于所述第一厚度以适应所述活性材料的第二厚度。
9.如权利要求8所述的便携式电子设备，其中，所述电极是阴极和阳极中的至少一个。
10.如权利要求9所述的便携式电子设备，其中，所述电池单元进一步包括: 隔板， 其中，所述阴极、所述阳极、以及所述隔板被缠绕以产生一种胶质卷。
11.如权利要求8所述的便携式电子设备，其中，所述连续衬底包括铜箔和铝箔中的至少一种。
12.如权利要求8所述的便携式电子设备，其中，所述第一厚度和第二厚度是在所述连续衬底的一面或两面上产生的。
13.一种用于制造电池单元的方法，包括: 获取所述电池单元的连续衬底； 在所述连续衬底中形成第一厚度和小于所述第一厚度的第二厚度；以及 通过将所述电极的活性材料沉积到所述连续衬底上，形成所述电池单元的电极。
14.如权利要求13所述的方法，其中，所述电极是阴极和阳极中的至少一个。
15.如权利要求14所述的方法，进一步包括: 获取所述电池单元的隔板；以及 缠绕所述阴极、所述阳极、以及所述隔板以产生一种胶质卷。
16.如权利要求15所述的方法，进一步包括: 在袋中密封所述胶质卷以形成所述电池单元，其中所述袋是柔性的。
17.如权利要求13所述的方法，其中，所述连续衬底包括铜箔和铝箔中的至少一种。
18.如权利要求13所述的方法，其中，所述第一厚度和第二厚度是在所述连续衬底的一面或两面上产生的。
19.如权利要求13所述的方`法，其中，所述第一厚度和第二厚度与下列各项中的至少一项相关联: 矩形形状； 正方形形状； 三角形形状； 蜂窝形状；以及 三维(3D)形状。
20.如权利要求13所述的方法，其中，所述第一厚度和第二厚度是使用下列各项中的至少一项产生的: 蚀刻技术； 喷射技术；以及 优先伸展技术。
【文档编号】H01M4/70GK103682370SQ201310357322
【公开日】2014年3月26日 申请日期:2013年8月16日 优先权日:2012年8月28日
【发明者】R·C·比哈德瓦吉, S·德文 申请人:苹果公司