專利名稱：用于智能卡的電化學電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于智能卡的電化學電池(electrochemical cell)的設(shè)計，其 中對于一個或多個電池所占有的體積有嚴格的限制。
背景技術(shù)：
智能卡被定義為具有嵌入式集成電路的任何可放在口袋內(nèi)的卡。同樣， 該術(shù)語包括記憶卡(memory card)(該卡包括永久的記憶存儲元件)、和微 處理器卡(microprocessor card)(該卡既包括記憶元件也包括微處理器元件)， 例如某些信用卡和諸如用于移動電話中的SIM卡。智能卡的應(yīng)用正在迅速 增加，并且除了用作記憶卡、信用卡和SIM卡以外，智能卡還可以用作借記 卡(debit card)或ATM卡、電子錢夾(electronic wallet)、用于各種特定目 的(例如公共交通或公用電話)的支付卡(paymentcard)、用于付費電視 或門禁(access-control )的授權(quán)卡(authorisation card )、 或者身份證 (identification card)。無疑，還會開發(fā)其它應(yīng)用。盡管智能卡采用了與它們 的不同用途相稱的很多形式和尺寸，但它們都共同具有相當小的尺寸(信用 卡的尺寸或許更小)，并因此共同要求具有小型化的元件。 一般來說，智能 卡的厚度不超過5.5 mm (CompactFlash II型卡)或3.3 mm (CompactFlash I 型卡)，但通常都不超過2.1 mm (安全數(shù)字卡(Secure Digital card))。 IS07816-1，2中規(guī)定了 SIM卡的尺寸。
在包括電源的智能卡中，電源與它們的負載之間的接觸通常可以通過極 耳(tab)來實現(xiàn)，該極耳與電源成為整體，然后被連接到負載上；或者通過 與電源上的電極電接觸的平面和容納于該卡內(nèi)的至少一個彈簧或彈性片來 實現(xiàn)。該彈簧或彈性片處于足夠的壓縮作用中，以確保與電源的兩個電極的良好接觸，或者當多個電源串聯(lián)時，可以確保該彈簧或彈性片與電源隊列各 端的電極的良好接觸。在彈簧或彈性片的實例中，所有與電源(所述電源不 是彈簧或彈性片)接觸的一般都是不可彎曲的平片。
此外，在智能卡中，非集成的電源(即，不是集成電路中的微電池)與 負載電路之間的電連接通常通過使用導電的連接極耳來實現(xiàn)，該連接極耳從 電源延伸至可以實現(xiàn)與所述負載電路接觸的點。所述連接極耳至該接觸點的 固定通常通過低溫焊接或熔焊來實現(xiàn)。然而，在這些應(yīng)用中，由于這些極耳 自身的面積和體積并且需要將這些極耳焊接(或者其它連接)至電路上的點， 因此這些極耳用掉了有用的兩個至三個空間位置。這些極耳還需要與包封所 述電源的任何包裝材料電絕緣。
令人意外的是，己發(fā)現(xiàn)不像鈕扣電池等，某些薄膜電源(thin film power source)可以被制成可充分壓縮的，這可以實現(xiàn)在足夠的壓力下將該薄膜電 源密封或者將它們插入智能卡中，這樣就不需要使用極耳或者使用彈簧或其 它裝置來確保電源的外表面與平片集流體之間的良好接觸。可選擇地，壓力 可以由其內(nèi)部產(chǎn)生，并具有相同的結(jié)果。
因此，作為實例，可以將可壓縮的超級電容器(siipercapacitor)密封入 智能卡中，所述超級電容器處于起到接觸作用的兩個薄片之間，并且在密封 的過程中所施加的壓力足以確保負載與電源之間良好的接觸。此外，當智能 卡回到周圍環(huán)境中，密封后的智能卡在尺寸上的任何變化都可以通過充分可 逆的且可壓縮的電源在尺寸上的變化來補償。用不可壓縮的電池(例如，鈕 扣電池)對此進行嘗試，則需要更高等級的尺寸精度。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明涉及用于智能卡的電化學電池，該電池包括電極、電解液 和隔膜，其特征是，該電池在不超過100MPa的壓力下是可壓縮的，以可逆地降低該電池厚度，使得該電池的總厚度通過壓縮而降低至少5%、優(yōu)選 10%，并且該電池的互相電絕緣的至少兩個外表面是導電的，和/或與各自的 電極電接觸。
本發(fā)明還提供了具有電源的智能卡，該智能卡包括至少一個本發(fā)明的電 化學電池。
本發(fā)明還提供了電化學電池，該電化學電池包括電極、電解液和隔膜， 其特征是，該電池通過聚合材料來密封，其中，在包含有所述電池的主體的 材料與密封材料之間引入陶瓷層、石墨層或氧化物材料層。
當提到"電池的外表面"時，意味著在其內(nèi)部容納有電極組件的棱柱/ 體積的外表面。這并不包括，例如延伸至由該組件所限定的外殼以外的極耳。
這種連接系統(tǒng)促進了智能卡中的電子電路與電化學電池之間的電接觸， 所述電化學電池向所述電路提供電能。例如，可以有嵌入智能卡空隙空間壁 內(nèi)的相對的載流"片"或觸點，以及從這些片或觸點至所述電子電路的的載 流通路，所述電化學電池存在于所述空隙空間內(nèi)。所述片或觸點分別與所述 電化學電池的正極"端子"和負極"端子"接觸。所述片或觸點部分地或完 全地覆蓋與所述電化學電池的導電外表面接觸的智能卡壁的外表面。在所述 電化學電池的外表面為充分導電的情況下(如在該外表面由鎳箔形成的情況 下)，嵌入的片的區(qū)域可以很小，使得與電源接觸的區(qū)域很小，而且來自電
源的其它區(qū)域的集流(current collection)依賴于通過所述電源外表面而進行 的傳導。
該方法的有益之處在于，它消除了對于附加的組裝步驟的需要，即通過 將電源低溫焊接或熔焊至負載上的連接。由于不需要連接極耳，還節(jié)省了所 述卡內(nèi)的空間，并使電源的制作更簡單。進一步的有益之處是，所述智能卡 自身賦予所述電源額外的強度，以此省去了所述電化學電池四周的包裝，并 以此提高了能量密度。因此，本發(fā)明的電池沒有現(xiàn)有技術(shù)中所需要的極耳(即，特定地與電池 結(jié)合的表面，以提供與由所述電池提供電能的器件的電接觸)，例如附圖 的圖1中所示的極耳，并在下文中將進行更詳細地描述。向器件提供電能所 需要的觸點直接由電極來形成，或者更普遍地由集流體來形成。
在壓力不超過100兆帕、更優(yōu)選不超過30兆帕、還更優(yōu)選不超過20兆
帕、且最優(yōu)選不超過4.5兆帕的條件下，所述電池可以壓縮至少5%，并優(yōu) 選至少10%,特別地，我們發(fā)現(xiàn)，在壓力不超過1兆帕、更優(yōu)選不超過500000 帕、還更優(yōu)選100000帕、更優(yōu)選50000帕、且最優(yōu)選10000帕的條件下， 該電池可以壓縮至少5%、且優(yōu)選至少10%是最有用的。
有兩個或多個電池時，電池的總壓縮率應(yīng)該在上述范圍之內(nèi)。 本發(fā)明的電池在上述條件下應(yīng)該是可逆壓縮的。也就是說，壓縮之后， 該電池應(yīng)該基本上回復到電池原有的尺寸和形狀。然而，該回復不需要100% 完全回復，只要基本上完全回復即可，例如至少75%完全回復、且優(yōu)選 90%完全回復。
優(yōu)選所述電池的兩個外表面被氣密封接在一起，以防止電池內(nèi)含物流 出。該密封優(yōu)選含有非滲透性的且不導電的聚合材料，該聚合材料可以抵御 由所述電解液引起的侵蝕和溶脹，所述電解液可以是很強的腐蝕劑(例如為 強堿性溶液時)或者可以是有機溶劑。 一種密封材料或多種密封材料必須也
與形成電池的外表面的材料(例如鎳箔)形成強結(jié)合，所述電池為該密封
材料所橋接的電池。 一種所述密封材料或多種所述密封材料與構(gòu)成所述電池
的外表面的材料本質(zhì)上沒有形成強結(jié)合時(例如當所述密封由聚丙烯形成 且電池的外表面由鎳形成時)，可以使用粘合劑來促進強結(jié)合的形成。合適 的密封材料的例子包括可固化的膠粘劑，例如環(huán)氧膠粘劑(如購自3M的
DP-190和2216 B/A以及購自Masterbond的EP42HT-2);以及熱塑性聚合物， 例如聚丙烯、聚乙烯、縮醛(acetal)或尼龍。合適的粘合劑的例子包括以
8上所列出的材料。
在一些情況下，在電池工作過程中，與形成所述外表面的材料接觸的密 封材料或粘合劑材料可能會以一些方式被電化學侵襲或者腐蝕或者侵蝕。此 時，諸如鎳箔的外表面材料可以作為用于氧化或還原所述密封材料或粘合劑 材料的催化劑，例如，可以發(fā)生氣體逸出，導致界面的機械破裂，或者可以 促進一些其它的降解機理。在此情況下，可以使用額外的材料層以使被侵襲 的材料與所述外表面材料分離。該層可以是導電的或不導電的材料，在電池 環(huán)境中應(yīng)該是化學穩(wěn)定的，并且應(yīng)該與它所橋接的兩種材料形成強結(jié)合。此 外，該材料所提供的用于上述降解機理的催化活性表面應(yīng)該很小，以產(chǎn)生更 持久的結(jié)合。這種橋接材料的例子包括但不限于導電的陶瓷(如氮化鈦 (TiN))、非導電的陶瓷、其它氧化物材料、以及石墨。
本發(fā)明的智能卡中的電化學電池可以為電池、電容器或超級電容器，而 且，如果是超級電容器，可以是對稱型超級電容器或復合型超級電容器。該 電池的其它部分是常規(guī)的并考慮需要制備的電池類型而進行選擇。正極可以 是本領(lǐng)域通常用于此目的任何材料，優(yōu)選為碳(如碳布、活性炭或炭黑)； 碳化硅；金屬或金屬化合物，特別是金屬、金屬氧化物、金屬氫氧化物、金 屬羥基氧化物、金屬磷酸鹽或這些物質(zhì)中的任何兩種或多種的組合、或金屬 碳化物。這樣的金屬的例子包括鎳；鎳的合金，包括與過渡金屬的合金或 混合物、鎳/鈷合金及其混合物、以及鐵/鎳合金及其混合物；錫；錫的合金 及其混合物，包括與過渡金屬的合金及其混合物；鐵；錳；鈷；鈦；鈦的合 金，包括與過渡金屬的合金及其混合物；鉑；鈀；鉛；鉛的合金，包括與過 渡金屬的合金；以及釕。這樣的氧化物、氫氧化物和羥基氧化物的例子包括 氧化鈀、氧化鎳(NiO)、氫氧化鎳(Ni(OH)2)、羥基氧化鎳(NiOOH)、 二 氧化鉛(Pb02)、氧化鈷(Co02)及其鋰化形式(lithiatedform) (LixCo02)、 二氧化鈦(Ti02)及其鋰化形式(LixTi02)、氧化鈦(Ti5012)及其鋰化形式(LixTi5012)、以及氧化釕。在上述物質(zhì)中，最優(yōu)選鎳及其氧化物、氫氧化物 和羥基氧化物，特別是鎳或鎳/鈷混合物。金屬碳化物的例子是碳化鈦。
制備正極的材料可以處于任何已知的物理形式。例如，可以是多孔的、
特別是中孔的(mesoporous)?？梢杂米魉稣龢O的中孔材料優(yōu)選通過液晶 沉積法(liquid crystal deposition process)來形成，例如EP993512或US6203925 中所公開的，這些文獻結(jié)合于此作為參考。
可以用于本發(fā)明的中孔材料有時稱作"納米孔"。然而，由于詞頭"納 米"嚴格地表示10'9m，而且所述中孔材料中的孔的尺寸通常為l(T8-l(r9m， 因此最好如我們在此所使用的，將其稱作"中孔"。
負極同樣地可以為本領(lǐng)域通常用于此目的的任何材料，優(yōu)選碳(例如-碳布、活性炭或炭黑)、碳化硅、或碳化鈦，或者甚至任何其它材料(包括 上述所列舉的與正極有關(guān)的其它材料)。所述負極也可以由中孔材料或常規(guī) 材料制成。
對于鎳基復合型超級電容器而言，所述電池中的電解液優(yōu)選為含水的電 解液，在為對稱型碳超級電容器(symmetric carbon supercapacitor)或鋰離子 電池或鋰一次電池(lithium primary battery)的情況下，所述電池中的電解 液優(yōu)選為有機電解液。合適的含水的電解液為例如含水的堿性電解液，如氫 氧化鉀水溶液。合適的有機電解液為例如用于鋰離子電池的處于碳酸乙烯 酯或碳酸丙烯酯中的六氟磷酸鋰或四氟硼酸鋰，或者用于對稱型碳超級電容 器的處于乙腈或碳酸丙烯酯中的四氟硼酸四乙基銨或四氟硼酸甲基三乙基 銨。
所述隔膜可以由任何常規(guī)的材料制成，并且其性質(zhì)對本發(fā)明而言并不重 要。優(yōu)選的用作所述隔膜的材料包括微孔聚丙烯膜或微孔聚乙烯膜、多孔玻 璃纖維織物或聚丙烯與聚乙烯的組合。
所述電極可以附著到集流體上，特別是在所述電極由機械強度很小的多
10孔材料制成的情況下，所述集流體也可以作為支撐體。用于集流體的材料的 性質(zhì)對本發(fā)明而言并不重要，當然，除了該材料必須是導電的之外，而且， 當集流體形成所述電池的外表面時，所述材料不應(yīng)該為多孔的，以獲得符合 要求的密封，所述密封可以限制物質(zhì)進入電池或者限制物質(zhì)從電池中流出。 該材料優(yōu)選為金屬，例如鎳、銅、鋁、金等；或者導電塑料，例如通過將 導電材料包合于非導電的聚合物基體中而形成的導電塑料。這種材料的一個 例子是通過向原本不導電的聚丙烯基體中添加導電的鎳絲而得到的材料。另 一個例子為由分散在聚乙烯基體內(nèi)的碳納米管形成的材料，其中，所述碳納 米管提供了貫穿所述聚合物的導電通道，因此使材料完全導電。這些材料是 本領(lǐng)域中所公知的。
為了容易制造，附著有電極材料的集流體可以為與用于形成所述電池的 外表面的材料分離的元件。在此情況下，可以通過以堆疊排列的方式使集流 體/電極片與外表面材料接觸來組裝電池，兩者之間的電接觸可以僅通過壓縮 來提供，或者通過導電粘結(jié)(例如通過導電粘合劑而提供的導電粘結(jié))來 提供。
本發(fā)明的智能卡優(yōu)選通過與所述電池的外表面或多個所述電池的最外 面的外表面接觸的極板而從一個或多個電化學電池中收集能電能。除此之 外，所述智能卡的結(jié)構(gòu)是常規(guī)的，并且是本領(lǐng)域技術(shù)人員所公知的。所述智
能卡的厚度優(yōu)選不超過5.5mm、更優(yōu)選不超過2mm，而且相應(yīng)地所述電化 學電池的厚度優(yōu)選不超過4.5mm、更優(yōu)選不超過1 mm。還更優(yōu)選地， 一個 或多個所述電化學電池的總厚度不大于1 mm、最優(yōu)選不大于600 (im。


參考附圖來進一步說明本發(fā)明，其中
圖1顯示了如現(xiàn)有技術(shù)中的具有極耳的超級電容器的設(shè)計圖;圖2示意性地顯示了沒有極耳的可壓縮的超級電容器；
圖3顯示了在電池的周邊施用密封的電池的平面圖； 圖4顯示了施用于墊圈所處的電池周邊的加熱； 圖5示意性地顯示了電池的制備過程； 圖6顯示了包含有本發(fā)明的電化學電池的智能卡； 圖7和圖8顯示了根據(jù)本發(fā)明的可選擇的電池的設(shè)計圖；和 圖9-圖13說明了下面的實施例2-6和8中所制備的本發(fā)明的具體實施 方式。
具體實施例方式
如圖1所示，通常的超級電容器包括正極l，該正極l例如可以由中 孔鎳制成；負極2，該負極2通常由碳制成；集流體3和4，該集流體3和4 例如為鎳箔；隔膜5;以及電解液(未示出)。正如電池一樣，該超級電容器 通常裝入包裝材料6中，以給電池提供機械強度并防止該組件損失電解液。 普通的包裝材料包括，例如剛性的聚合物罐和較薄的聚合物/鋁/聚合物層合 體(軟包裝)。從包裝6中延伸出的并連接到所述集流體3和4上的是一對 極耳7和8，所述極耳7和8實現(xiàn)了與使用該電能的電路的電連接。
單獨使用的超級電容器的通常的尺寸如圖l所示。然而，智能卡需要使 用外形很小的超級電容器器件。在智能卡中，由于該卡自身的外形很小，一 般要求超級電容器的厚度不超過600 nm。在使用Ni/C電池(1.5V系統(tǒng))的 通常為3V的應(yīng)用中，需要使用串聯(lián)的兩個超級電容器。由于對該器件的覆 蓋面積的限制，這些電池經(jīng)常需要互相堆疊，以進一步限制厚度。
在此情況中，由單獨層壓包裝而產(chǎn)生的對器件厚度的貢獻約為480 )im (兩個電池，以120pm的層壓厚度對各個電池的每個側(cè)面進行包裝)，給電 極組件留下很小的空間，并導致很低的能量密度。圖2和圖3顯示了本發(fā)明的沒有極耳的可壓縮的超級電容器的實例。如 前面所述，該超級電容器包括正極l，該正極1例如可以由中孔鎳制成；
負極2，該負極2通常由碳制成；集流體3和4，該集流體3和4例如為鎳 箔；隔膜5;以及電解液(未示出)。然而，不是如圖l所示將電極組件包封 在包裝中，而是將氣密封接(hermetic seal) 9、 10應(yīng)用于電極組件的周邊， 以防止電解液的流出以及外部物質(zhì)的進入。由于密封的電池內(nèi)的鎳箔集流體 的背部保持暴露狀態(tài)，所述集流體的背部可以直接用作電觸點以將電流輸送 出該器件，因此消除了對任何連接極耳的需要。在此設(shè)計中，隔膜可以延伸 進入密封區(qū)域來固定并為預防短路提供附加的保護。僅僅通過壓縮來提供碳 電極與其集流體之間的接觸，或者可以使用導電粘合劑將碳電極粘合至集流
體上?？梢院唵蔚赝ㄟ^將電池互相堆疊來構(gòu)建電池的串聯(lián)結(jié)合，以提供更高 的電壓。由于將電池的外表面作為端子，因此避免了對電池之間的附加的連 接的需求。
所顯示的氣密封接9和10由無滲透性的且不導電的聚合材料形成。當 用于鎳/碳復合型超級電容器系統(tǒng)中時，它必須對強堿性溶液的侵蝕和溶脹具 有抵抗力。密封材料也必須與它所橋接的鎳箔基的集流體形成強接合，其中， 該鎳箔用作外表面材料。
一般來說，圖3更清楚地顯示了用于電池的周邊的密封。
電極組件構(gòu)筑于所述密封的周界之內(nèi)。許多材料可以用作密封劑，包括 例如可固化的膠粘劑和熱塑性聚合物。
當所述密封劑為膠粘劑時，將該膠粘劑應(yīng)用于集流體的周邊，將電池組 件包封于其內(nèi)。然后在合適的條件下將該膠粘劑固化，以給出完全密封的電 池。然后使密封的電池進行電化學循環(huán)，以將其"形成"為可以立即使用。 在一些情況下，由于水的電解，該形成過程導致在電極上產(chǎn)生氣體。在此情 況下，有必要在部分密封的電池上實施該形成，以不在電池中積聚氣體，并(如果需要)補充失去的水，接著完成密封。這里，制作依照以下次序進《亍: 將電池的兩個側(cè)面或三個側(cè)面密封，隨后進行所述形成并補充電解液，然后 密封剩余的一個側(cè)面或兩個側(cè)面?？蛇x擇地，將電池的所有的四個側(cè)面都密 封，使得電池元件都被密封至一個集流體上，但不粘合最后一個集流體。于 是形成這種"開放的夾層結(jié)構(gòu)"，如果需要則補充水，并再次使用膠粘劑4每 最后一個集流體密封至該組件上。合適的膠粘劑為購自3M的DP-190環(huán)氧 樹脂。
膠合方法的缺陷是，最合適的膠粘劑需要幾分鐘或幾小時來固化。依賴 于生產(chǎn)規(guī)模，這會使生產(chǎn)成本過高。在大量制造時，需要使用花費幾秒鐘而 不是幾分鐘或幾小時來實施的方法。為了解決此問題，可以使用熱塑性聚合 物墊圈。
如圖4中的箭頭12、 13、 14和15所示，對該墊圈所處的電池周邊進行 加熱。
在圖5示意性地表示了該方法。
1、 在第一步驟[圖5(a)]中，使用膠粘劑16將由熱塑性聚合物形成的墊 圈17或18膠合至鎳箔3或4上，以給出復合物。
2、 在第二步驟[圖5(b)和圖5(c)]中，在兩片墊圈區(qū)域內(nèi)構(gòu)筑電池元件(例 如電極19或20以及隔膜21)。
3、 在最后一個步驟中，通過將對齊的聚合物零件接合而將獨立的電池 片在22處粘合，因此將電池密封。
由于所述聚合物墊圈是熱塑性的，因此聚合物/聚合物粘結(jié)可以通過對 界面直接施行加熱而在幾秒內(nèi)完成，或者通過在該界面內(nèi)間接施行加熱的方 法(如采用超聲波焊接)而在幾秒內(nèi)完成。除了加工時間更短，這種途徑 的優(yōu)點是，所述聚合物/聚合物粘結(jié)比金屬/聚合物粘結(jié)更可靠，因此當在該 方法中用作最后一個步驟時，失敗的可能性更小。
14為了形成步驟1的復合物，上述方法還需要固化時間為幾分鐘或幾小時 的膠合步驟。然而，使用該方法，在上游加工中，耗時的膠合步驟可以獨立 于對時間非常敏感的電池的組裝/密封步驟而進行。這種分離確保了步驟2 和步驟3可以迅速完成。如果操作是基于連續(xù)的方法，那么可以經(jīng)濟地完成 步驟1。
合適的聚合物包括在電解液的存在下不會顯著地溶脹或腐蝕的熱塑性 材料。這樣的材料包括聚丙烯、聚乙烯、縮醛、聚偏二氟乙烯以及尼龍。合 適的膠粘劑包括在電解液存在下不會顯著地溶脹或腐蝕的膠粘劑，所述電解 液為例如用于一些復合型超級電容器或有機溶劑中的堿性溶液，所述有機溶 劑為例如用于鋰離子電池或常規(guī)的雙層超級電容器中的有機溶劑。這樣的膠
粘劑包括3M的DP-190環(huán)氧樹脂。
圖6顯示了智能卡23，該智能卡23包括兩個電化學電池24和25。該 電池處于智能卡23的壁26和27內(nèi)。該電化學電池24和25的外側(cè)28和29 與所述智能卡23的壁26和27物理接觸和電接觸，或者與這些壁的內(nèi)側(cè)的 極板或觸點(未示出)電接觸。所述電化學電池24和25的內(nèi)側(cè)同樣相互物 理接觸和電接觸。
圖7顯示出電池包封在導電塑料z4z中的實施方式。如前面所述，該電 池包括中孔鎳正極l、碳負極2、集流體3和4、以及隔膜5。聚丙烯墊圈31 將電池的各端密封。
圖8顯示了電化學電池可選擇的設(shè)計的截面圖，其中在正極1和聚丙烯 膜32之間設(shè)置了氮化鈦層33，所述聚丙烯膜32膠合到TiN層上。聚丙烯 墊圈31將電池的各端密封。
通過下列非限制性的實施例進一步說明本發(fā)明。
實施例1
15可壓縮的超級電容器的組裝以及測試
為了制備復合型超級電容器，將納米結(jié)構(gòu)化的鎳鈷電極與聚丙烯隔膜
(Celgard 3501)和250 (im的碳電極(Gore Excellorator)以及6M的KOH
(電解液)組合。用導電粘合劑涂覆由IO,的鎳箔制成的用于所述碳電極 的集流體，以使其不會進入電池的電解液，但保持導電性。所述納米結(jié)構(gòu)化 的鎳鈷電極、碳電極和隔膜都具有相同的覆蓋面積。
一旦如上面所述的與聚丙烯墊圈組裝在一起，就將器件進行加熱模塑至 將上述材料氣密封接在一起，從而將所述電極完全包封起來。
發(fā)現(xiàn)該電池可以有效地進行可逆壓縮。在74克力/平方厘米
(gm-force/cm2)下，該電池的厚度從321微米減少至300微米，可逆減少 了7%。在573克力/平方厘米下，該電池的厚度可逆減少了38%。上述壓力 恰好處于商購的智能卡層壓機器和技術(shù)的范圍內(nèi)。例如見中國Wuhan Wenlin Technology Co. Ltd.的WL-FA 1000層壓機，該層壓機的工作壓力為4.5兆帕
(45.9X 103克力/平方厘米)。當從兩邊與所述鎳集流體的兩個外表面接觸 時，將該電池壓縮38%后發(fā)現(xiàn)該電池顯示出優(yōu)異的性能。
實施例2
具有外部密封劑和兩層集流體的電化學電池的膠合和加熱密封。 用與KOH溶液相容的粘合劑將30 pm厚的3 cmX 3 cm的正方形結(jié)構(gòu)的 可熱密封的聚丙烯薄膜膠合到10 ,厚的2 cmX2 cm的正方形的鎳箔片上， 所述聚丙烯薄膜在中心處切出一個1.5 cmX 1.5 cm正方形空洞。將兩個片對 準，使得所述聚丙烯膜上的"空洞"隨后與下面的鎳箔電接觸，并使得聚丙 烯延伸至所述鎳箔的邊緣之外，以進行隨后的加熱密封。為了改善粘合劑與 鎳的粘合，在膠合之前，將所述鎳的待膠合的一側(cè)涂覆一層濺射的3 pm厚 的氮化鈦層。然后在80'C下固化該膠合的組件。
一旦膠粘劑完全固化，將預先沉積在鎳箔上的2 cmX2 cm的納米結(jié)構(gòu) 化的鎳電極放置在膠合的組件的鎳箔一側(cè)。然后將2 cmX2 cm的聚丙烯隔 膜片(Cdgard 3501)放置在所述納米結(jié)構(gòu)化的鎳電極的上部。然后將內(nèi)部 尺寸為2 cmX2 cm的3 cmX3 cm的正方形結(jié)構(gòu)的聚丙烯墊圈添加到該疊層 上，使得內(nèi)部尺寸對準所述納米結(jié)構(gòu)化的鎳電極的覆蓋區(qū)。在所述聚丙烯墊 圈的空洞內(nèi)放置2 cmX2 cm的活性炭電極，所述活性炭電極使用導電粘合 劑粘結(jié)到鎳箔集流體上。然后將6 M的KOH電解液注入該電極組件，并3每 第二膠合的組件放置在該疊層的上部，使得該膠合組件的鎳箔部分與碳電極 的鎳箔集流體接觸。
然后將正方形的加熱部件施用于正好位于該電極組件的周邊的外側(cè)的 疊層的邊緣，以加熱密封所述聚丙烯、并由此密封該電極組件。 一旦完成密 封，就將密封的電池與恒電位儀相連接并進行電化學調(diào)節(jié)以使其準備用于運 轉(zhuǎn)。
該電池的示意圖示于附圖的圖9中，該電池具有正極l，負極2，集流 體3a、 3b、 4a和4b，隔膜5，聚丙烯墊圈31， TiN層33，膠粘劑35和可熱 密封的膜36。
實施例3
具有外部密封劑和單層集流體的電化學電池的膠合和加熱密封。 用與KOH溶液相容的粘合劑將30pm厚的3cmX3cm的正方形結(jié)構(gòu)的 可熱密封的聚丙烯薄膜膠合到10 ,厚的2 cmX2 cm的正方形的鎳箔片上， 在該鎳箔片的一側(cè)沉積有一層納米結(jié)構(gòu)化的鎳電極材料，在另一側(cè)沉積有3 pm厚的濺射的碳化鈦層，所述聚丙烯薄膜在中心處切出的1.5 cmXl.5 cm 的正方形空洞。將所述片膠合，使得膠粘劑與涂覆在所述鎳箔的一側(cè)的氮化
17鈦接觸。將上述兩個片對準，使得所述聚丙烯膜中的空洞隨后與下面的鎳箔 電接觸，并使聚丙烯延伸至所述鎳箔的邊緣之外，以進行隨后的加熱密封。 然后在8(TC下固化該膠合的組件。
然后將2cmX2cm的聚丙烯隔膜片(Celgard 3501)放置在所述納米結(jié) 構(gòu)化的鎳電極的上部。接著將內(nèi)部尺寸為2 cmX2 cm的3 cmX3 cm的正方 形結(jié)構(gòu)的聚丙烯墊圈加至疊層上，使得所述內(nèi)部尺寸與所述納米結(jié)構(gòu)化的鎳 電極的覆蓋區(qū)對準。然后將6M的KOH電解液注入該電極/隔膜組件。將使 用導電粘合劑粘結(jié)到鎳箔集流體上的由2 cmX2 cm的活性炭電極形成的組 件放置在所述聚丙烯墊圈的空洞內(nèi)，該鎳箔集流體依次膠合到中間具有1.5 cmX 1.5 cm的空洞的3 cmX3 cm的且厚度為30 pm的聚丙烯膜上。
接著將正方形的加熱部件施用于正好處于該電極組件的周邊的外側(cè)的 疊層的邊緣，以加熱密封所述聚丙烯，并由此密封該電極組件。 一旦完成密 封，就將密封的電池與恒電位儀相連接并進行電化學調(diào)節(jié)以使其準備用于運 轉(zhuǎn)。
該電池的示意圖示于附圖的圖10中，該電池具有正極l，負極2，集流 體3和4，隔膜5，聚丙烯墊圈31， TiN層33、膠粘劑35和可熱密封的膜 36。
實施例4
具有外部密封劑和單層的集流體的電化學電池的膠合和加熱密封，該電 化學電池沒有墊圈材料但具有延長的隔膜
用與KOH溶液相容的粘合劑將30 (im厚的3 cmX3 cm的正方形結(jié)構(gòu)的 可熱密封的聚丙烯薄膜膠合到10 pm厚的2 cmX2 cm的正方形的鎳箔片上， 在該鎳箔片的一側(cè)沉積有一層納米結(jié)構(gòu)化的鎳電極材料，在另一側(cè)沉積有3 pm厚的濺射的碳化鈦層，所述聚丙烯薄膜在中心處切出1.5 cmXl.5 cm的正方形空洞。將所述片膠合，使得膠粘劑與涂覆在鎳箔的一側(cè)的氮化鈦接角蟲。 將兩個片對準，使得所述聚丙烯膜中的空洞隨后與下面的鎳箔電接觸，并4吏 得所述聚丙烯延伸至鎳箔邊緣以外，以使得隨后的加熱密封得以進行。然后 在8(TC下固化該膠合的組件。
然后將2.5 cmX2.5 cm的聚丙烯隔膜片(Celgard 3501)從中心處放置 在所塑納米結(jié)構(gòu)化的鎳電極的上部。然后將6M的KOH電解液注入該電極/ 隔膜組件。接著將由2 cmX2 cm的活性炭電極形成的組件放置在所述隔膜 的上部，該活性炭電極使用導電粘合劑粘結(jié)到鎳箔集流體上，該鎳箔集流體 依次膠合到中間具有1.5 cmX 1.5 cm的空洞的3 cmX3 cm的且厚度為30 ]im 的聚丙烯膜上。
接著將正方形的加熱部件施用于正好處于所述電極組件的周邊的外側(cè) 的疊層的邊緣，以加熱密封所述聚丙烯并由此密封該電極組件。 一旦完成密 封，就將密封的電池與恒電位儀相連接并進行電化學調(diào)節(jié)以使其準備用于運 轉(zhuǎn)。
該電池的示意圖在附圖的圖11中示出，該電池具有正極l，負極2，集 流體3和4，隔膜5，聚丙烯墊圈31， TiN層33，膠粘劑35和可熱密封的 膜36。
實施例5
使用導電塑料作為外部端子的電化學電池
將用鎳箔集流體支撐的2 cmX2 cm的納米結(jié)構(gòu)化的鎳電極放置在由處 于聚丙烯基體中的石墨顆粒構(gòu)成的50 ,厚的3 cmX3 cm的導電塑料片的 上部。然后將2cmX2cm的聚丙烯隔膜(Cdgard 3501)放置在所述鎳電極 上部。接著在隔膜上放置在中心處切出了 2 cmX2 cm的空洞的3 cmX3 cm 的聚丙烯墊圈。將2 cmX2 cm的活性炭電極放置在所述墊圈的空洞內(nèi)，該電極使用導 電粘合劑粘結(jié)在10 |im厚的鎳箔上。將6 M的KOH電解液注入該電極組件 疊層。為了完成疊層，將第二片3 cmX3 cm的導電塑料同心地放置在碳電 極及其集流體上。
接著將正方形的加熱部件施用于正好位于該電極組件的周邊的外側(cè)的 疊層的邊緣，以加熱密封所述聚丙烯并由此密封該電極組件。 一旦完成密封， 就將密封的電池與恒電位儀相連接并進行電化學調(diào)節(jié)以使其準備用于運轉(zhuǎn)。
該電池的示意圖在附圖的圖12中示出，該電池具有正極l、負極2、隔 膜5、聚丙烯墊圈31和導電的可熱密封的塑料層37。
實施例6
使用導電塑料作為外部端子的電化學電池 一 導電塑料不同 將用鎳箔集流體支撐的2 cmX2 cm的納米結(jié)構(gòu)化的鎳電極放置在100
pm厚的3 cmX3 cm的導電塑料片的上部，該導電塑料由嵌入聚偏二氟乙烯 (PVDF)基體中的鎳網(wǎng)(nickel mesh)構(gòu)成。然后將2 cmX2 cm的聚丙烯
隔膜(Cdgard 3501)放置在所述鎳電極上部。接著在隔膜上放置在中心處
切出了 2cmX2cm的空洞的3cmX3cm的PVDF墊圈。
將2 cmX2 cm的活性炭電極放置在所述墊圈的空洞內(nèi)，該電極使用導
電粘合劑粘結(jié)到10 pm厚的鎳箔上。將6 M的KOH電解液注入該電極組件
疊層。為了完成疊層，將第二片3 cmX3 cm的導電塑料同心地放置在碳電
極及其集流體上。
接著將正方形的加熱部件施用于正好位于該電極組件的周邊的外側(cè)的 疊層的邊緣，以加熱密封所述聚丙烯并由此密封該電極組件。 一旦完成密封， 就將密封的電池與恒電位儀相連接并進行電化學調(diào)節(jié)以使其準備用于運轉(zhuǎn)。
該電池的示意圖在附圖的圖12中示出，該電池具有正極l、負極2、隔膜5、聚丙烯墊圈31和導電的可熱密封的塑料層37。 實施例7
使用導電塑料作為外部端子的電化學電池一隔膜延長且沒有墊圈 將用鎳箔集流體支撐的2 cmX2 cm的納米結(jié)構(gòu)化的鎳電極放置在50 ,厚的3 cmX3 cm的導電塑料片的上部，該導電塑料片由處于聚丙烯基體 中的石墨顆粒構(gòu)成。然后將2.7 cmX2.7 cm的聚丙烯隔膜(Cdgard 3501) 同心地放置在所述鎳電極的上部。
將2 cmX2 cm的活性炭電極放置在隔膜上，該電極使用導電粘合劑粘 結(jié)到10pm厚的鎳箔上。將6M的KOH電解液注入該電極組件疊層。為了 完成疊層，將第二片3 cmX3 cm的導電塑料同心地放置在碳電極及其集流 體上。
接著將正方形的加熱部件施用于正好位于該電極組件的周邊的外側(cè)的 疊層的邊緣，以加熱密封所述聚丙烯并由此密封該電極組件。 一旦完成密封， 就將密封的電池與恒電位儀相連接并進行電化學調(diào)節(jié)以使其準備用于運轉(zhuǎn)。
實施例8
用粘合劑包封周邊的電化學電池
將2 cmX2 cm的納米結(jié)構(gòu)化的鎳電極與2 cmX2 cm的Celgard 3501聚 丙烯隔膜和2 cmX2 cm的碳電極組裝在一起，使得所述電極將所述隔膜夾 在中間。兩個電極都固定在IO pm厚的鎳箔集流體上。然后將6M的KOH 電解液注入該組件。
然后將該組件放入由聚四氟乙烯(PTFE)制成的2.2 cmX2.2 cm的柱 狀塑模中，該柱狀塑模包括兩個向模槽內(nèi)突出的垂直相對的1.7 cmX 1.7 cm 的正方形的底座。使該組裝的電池牢固地保持在相對的底座之間，僅暴露出
21電池的棱邊。然后用與KOH溶液相容的粘合劑填充該塑模。粘合劑固化之 后，打開塑模，取出電池。
一旦取出電池，就將密封的電池與恒電位儀相連接并進行電化學調(diào)節(jié)以 使其準備用于運轉(zhuǎn)。
該電池的示意圖示于附圖的圖13中，該電池具有正極l、負極2、集流 體3和4、隔膜5、和包封的粘合劑38。
權(quán)利要求
1、一種電化學電池，該電化學電池包括電極、電解液和隔膜，其特征在于，該電池在不超過100兆帕的壓力下是可壓縮的，以可逆地降低該電池的厚度，使得該電池的總厚度通過壓縮而降低至少5％，并且其特征在于，該電池的互相電絕緣的至少兩個外表面是導電的，和/或與各自的電極電接觸。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電化學電池，其中，該電池在不超過100兆 帕的壓力下是可壓縮的，以將該電池的厚度可逆地降低至少10%。
3、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的電化學電池，其中，該電池在不超過20兆帕 的壓力下是可壓縮的，以將該電池的厚度可逆地降低至少5%。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的電化學電池，其中，該電池在不超過20兆帕 的壓力下是可壓縮的，以將該電池的厚度可逆地降低至少10%。
5、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的電化學電池，其中，該電池在不超過4.5兆帕 的壓力下是可壓縮的，以將該電池的厚度可逆地降低至少5%。
6、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的電化學電池，其中，該電池在不超過4.5兆帕 的壓力下是可壓縮的，以將該電池的厚度可逆地降低至少10%。
7、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的電化學電池，其中，該電池在不超過l兆帕 的壓力下是可壓縮的，以將該電池的厚度可逆地降低至少5%。
8、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的電化學電池，其中，該電池在不超過500000 帕的壓力下是可壓縮的，以將該電池的厚度可逆地降低至少5%。
9、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的電化學電池，其中，該電池在不超過100000 帕的壓力下是可壓縮的，以將該電池的厚度可逆地降低至少5%。
10、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的電化學電池，其中，該電池在不超過50000 帕的壓力下是可壓縮的，以將該電池的厚度可逆地降低至少5%。
11、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的電化學電池，其中，該電池在不超過10000 帕的壓力下是可壓縮的，以將該電池的厚度可逆地降低至少5%。
12、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的電化學電池，其中，該電池在不超過10000 帕的壓力下是可壓縮的，以將該電池的厚度可逆地降低至少10%。
13、 根據(jù)前述權(quán)利要求中任意一項所述的電化學電池，其中，該電化學 電池的總厚度不大于1 mm。
14、 根據(jù)權(quán)利要求13所述的電化學電池，其中，該電化學電池的總厚 度不大于600 (im。
15、 一種具有電源的智能卡，該智能卡包括至少一個前述權(quán)利要求中任 意一項所述的電化學電池。
16、 根據(jù)權(quán)利要求15所述的智能卡，其中，該智能卡通過與所述電池 的外表面或多個所述電池的最外面的表面接觸的極板而從一個或多個所述 電化學電池中收集電能，其中所述極板至少部分地覆蓋了用于容納一個或多 個所述電池的卡內(nèi)空間的壁。
17、 一種電化學電池，該電化學電池包括電極、電解液和隔膜，其特征 在于，該電池通過聚合材料來密封，其中在包含有所述電池的主體的材料與 該密封材料之間引入陶瓷層、石墨層或氧化物材料層。
18、 根據(jù)權(quán)利要求17所述的電化學電池，其中，位于所述電池的主體 與所述密封材料之間的材料層為氮化鈦。
19、 根據(jù)權(quán)利要求17、和權(quán)利要求1-14中任意一項所述的電化學電池。
20、 根據(jù)權(quán)利要求19所述的電化學電池，其中，位于所述電池的主體 與所述密封材料之間的材料層為氮化鈦。
全文摘要
用于智能卡的電化學電池，該電化學電池在不超過4.5兆帕的壓力下是可壓縮的，以將該電化學電池的厚度可逆地降低至少5％，并且該電化學電池具有至少兩個互相電絕緣的外表面(3，4)，所述外表面是導電的，和/或與各自的電極(1，2)電接觸。
文檔編號H01M8/02GK101569029SQ200780047328
公開日2009年10月28日 申請日期2007年10月31日 優(yōu)先權(quán)日2006年10月31日
發(fā)明者C·賴特, D·皮特, J·斯威尼, P·A·納爾遜 申請人:納諾泰克圖有限公司