松下柔性鋰離子電池的探討
來源：寶鄂實(shí)業(yè)
2019-02-17 18:44
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卡片式或穿戴式智能設(shè)備經(jīng)常遇到的使用場(chǎng)景是需要放在錢包或者口袋中隨身攜帶，這就要求電池能夠承受彎曲或者扭曲。這類設(shè)備經(jīng)常需要使用小型薄片柔性電池，但是這類電池在受到彎曲或扭曲之后性能容易衰減，造成設(shè)備運(yùn)行時(shí)間縮短。實(shí)際上，在柔性電池方面，以下問題一直是需要克服的技術(shù)障礙：
1)如今的鋰離子電池材料本身不具備柔性，如何讓電池材料適應(yīng)這種應(yīng)用場(chǎng)景
2)電池被彎曲/扭曲時(shí)，如何維持電池材料顆粒之間良好的接觸，減低接觸阻抗
3)在電池被彎曲/扭曲的場(chǎng)景下，如何保證電池不漏液。
4)如何提高活性物質(zhì)載量，提高電池容量
2017年1月，松下在CES2017展會(huì)上展出他們的最新柔性電池研究成果，該柔性電池可以承受一定的彎曲和扭曲，滿足日本JIS標(biāo)準(zhǔn)(JISX6305-1)，相當(dāng)于可以滿足彎曲半徑R40mm，扭曲角度±15°/85.6mm，電池厚度僅為0.55mm，主要應(yīng)用領(lǐng)域是卡片式設(shè)備或者穿戴設(shè)備。該電池最引人注目的特點(diǎn)是在彎曲到25mm半徑和扭曲25度之后還能保持其性能。截至2016年9月，松下為該柔性電池技術(shù)申請(qǐng)了25項(xiàng)日本專利和15項(xiàng)海外專利。
通常，電池經(jīng)過彎曲或扭曲之后，對(duì)于循環(huán)壽命會(huì)有很大的影響。但是松下新開發(fā)的柔性電池克服了這一缺點(diǎn)，這主要得益于松下重新設(shè)計(jì)了柔性電池的疊片式電極結(jié)構(gòu)，其中，電極electrode和外層outerlayer設(shè)計(jì)得到了優(yōu)化，使其能夠抵御彎曲/扭曲，但是具體如何優(yōu)化目前還不清楚。例如，反復(fù)彎曲1000次、或者扭曲1000次(扭曲角度±25°/100mm)后的放電容量能夠保持初始容量的99%。并且在經(jīng)過1000次的充放電循環(huán)測(cè)試之后，充放電循環(huán)壽命幾乎與沒有彎曲/扭曲的電池保持一致，容量保持率達(dá)到80%。
目前，隨著智能穿戴設(shè)備的興起，柔性電池的研究正在受到越來越多的關(guān)注。盡管松下發(fā)布的三款柔性電池看起來性能相當(dāng)不錯(cuò)，但是可以看到，這三款電池的容量還是很小的，最大的也才只有60mAh，無法滿足稍微大一點(diǎn)的智能便攜式或者穿戴設(shè)備的運(yùn)行時(shí)間，該研究領(lǐng)域目前還處于發(fā)展成長(zhǎng)階段。隨著現(xiàn)代便攜式智能設(shè)備或穿戴設(shè)備的功能不斷增強(qiáng)，電池耗電量問題一直是需要面對(duì)的挑戰(zhàn)，例如現(xiàn)在智能手機(jī)的電池容量都不得不增加到1000mAh、2000mAh、3000mAh、甚至4000mAh或者更高了。因此，要真正實(shí)現(xiàn)這種新型柔性鋰離子電池技術(shù)，最基本的一條就是必須具備幾千mAh的容量，以確保只能設(shè)備的運(yùn)行時(shí)間。更重要的是，性能在電池受到機(jī)械形變時(shí)不能有所衰減。只有這樣才能滿足如今眾多的便攜式/穿戴式智能電子設(shè)備。本文采用的鋰離子電池負(fù)極材料技術(shù)專利分析數(shù)據(jù)來源于中國(guó)國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局的ISTIC專利分析數(shù)據(jù)庫(kù)，利用主題詞檢索方法，采集1985年09月至2014年09月相關(guān)發(fā)明專利樣本，經(jīng)過計(jì)算機(jī)檢索和人工篩選，得到1353項(xiàng)檢索結(jié)果，將其作為本次專利分析的基本數(shù)據(jù)。通過構(gòu)建專利申請(qǐng)趨勢(shì)、重點(diǎn)申請(qǐng)人等信息指標(biāo)對(duì)專利信息進(jìn)行分析。數(shù)據(jù)檢索日期2015年01月。由于中國(guó)發(fā)明專利申請(qǐng)公布一般是在申請(qǐng)日后18個(gè)月，所以2013年和2014年申請(qǐng)的專利數(shù)據(jù)僅作參考。
專利技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)
鋰離子電池自1992年經(jīng)日本Sony公司商業(yè)化后便開始迅速發(fā)展。2000年以前，世界上的鋰離子電池產(chǎn)業(yè)基本掌握在日本手里。近年來，隨著中國(guó)和韓國(guó)工業(yè)技術(shù)的崛起，日本一枝獨(dú)秀的局面逐漸被打破。
2003年之前，專利申請(qǐng)及公開數(shù)量增長(zhǎng)緩慢，此階段日本獨(dú)占整個(gè)鋰離子電池市場(chǎng)，中國(guó)在該領(lǐng)域的技術(shù)處于起步期。2003年以后，鋰離子電池負(fù)極材料的專利申請(qǐng)量不斷增多，這是由中國(guó)鋰離子電池市場(chǎng)份額提升、大眾需求擴(kuò)大及國(guó)內(nèi)科研投入力度加大所帶動(dòng)的。2009年被認(rèn)為是分水嶺，從這一年開始，負(fù)極材料專利申請(qǐng)及公開數(shù)量得到大幅增長(zhǎng)，這與電池行業(yè)的發(fā)展息息相關(guān)。2009年起，智能手機(jī)和電動(dòng)汽車得到了不斷推廣，它們對(duì)電池的容量要求更高，而市場(chǎng)上的負(fù)極材料不能滿足需求，促使負(fù)極材料的科研投入加大，專利申請(qǐng)量達(dá)到一個(gè)巔峰。發(fā)展至2012年時(shí)，智能手機(jī)進(jìn)入相對(duì)平穩(wěn)的發(fā)展階段，加上經(jīng)過前四年的技術(shù)儲(chǔ)備，負(fù)極材料的專利數(shù)量已達(dá)新高，技術(shù)普及明顯。2013年以后，專利申請(qǐng)及公開數(shù)量發(fā)展平緩，到2014年可能會(huì)出現(xiàn)下降的趨勢(shì)，此時(shí)，技術(shù)瓶頸成為大的制約，亟需創(chuàng)新突破。
1)如今的鋰離子電池材料本身不具備柔性，如何讓電池材料適應(yīng)這種應(yīng)用場(chǎng)景
2)電池被彎曲/扭曲時(shí)，如何維持電池材料顆粒之間良好的接觸，減低接觸阻抗
3)在電池被彎曲/扭曲的場(chǎng)景下，如何保證電池不漏液。
4)如何提高活性物質(zhì)載量，提高電池容量
2017年1月，松下在CES2017展會(huì)上展出他們的最新柔性電池研究成果，該柔性電池可以承受一定的彎曲和扭曲，滿足日本JIS標(biāo)準(zhǔn)(JISX6305-1)，相當(dāng)于可以滿足彎曲半徑R40mm，扭曲角度±15°/85.6mm，電池厚度僅為0.55mm，主要應(yīng)用領(lǐng)域是卡片式設(shè)備或者穿戴設(shè)備。該電池最引人注目的特點(diǎn)是在彎曲到25mm半徑和扭曲25度之后還能保持其性能。截至2016年9月，松下為該柔性電池技術(shù)申請(qǐng)了25項(xiàng)日本專利和15項(xiàng)海外專利。
通常，電池經(jīng)過彎曲或扭曲之后，對(duì)于循環(huán)壽命會(huì)有很大的影響。但是松下新開發(fā)的柔性電池克服了這一缺點(diǎn)，這主要得益于松下重新設(shè)計(jì)了柔性電池的疊片式電極結(jié)構(gòu)，其中，電極electrode和外層outerlayer設(shè)計(jì)得到了優(yōu)化，使其能夠抵御彎曲/扭曲，但是具體如何優(yōu)化目前還不清楚。例如，反復(fù)彎曲1000次、或者扭曲1000次(扭曲角度±25°/100mm)后的放電容量能夠保持初始容量的99%。并且在經(jīng)過1000次的充放電循環(huán)測(cè)試之后，充放電循環(huán)壽命幾乎與沒有彎曲/扭曲的電池保持一致，容量保持率達(dá)到80%。
目前，隨著智能穿戴設(shè)備的興起，柔性電池的研究正在受到越來越多的關(guān)注。盡管松下發(fā)布的三款柔性電池看起來性能相當(dāng)不錯(cuò)，但是可以看到，這三款電池的容量還是很小的，最大的也才只有60mAh，無法滿足稍微大一點(diǎn)的智能便攜式或者穿戴設(shè)備的運(yùn)行時(shí)間，該研究領(lǐng)域目前還處于發(fā)展成長(zhǎng)階段。隨著現(xiàn)代便攜式智能設(shè)備或穿戴設(shè)備的功能不斷增強(qiáng)，電池耗電量問題一直是需要面對(duì)的挑戰(zhàn)，例如現(xiàn)在智能手機(jī)的電池容量都不得不增加到1000mAh、2000mAh、3000mAh、甚至4000mAh或者更高了。因此，要真正實(shí)現(xiàn)這種新型柔性鋰離子電池技術(shù)，最基本的一條就是必須具備幾千mAh的容量，以確保只能設(shè)備的運(yùn)行時(shí)間。更重要的是，性能在電池受到機(jī)械形變時(shí)不能有所衰減。只有這樣才能滿足如今眾多的便攜式/穿戴式智能電子設(shè)備。本文采用的鋰離子電池負(fù)極材料技術(shù)專利分析數(shù)據(jù)來源于中國(guó)國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局的ISTIC專利分析數(shù)據(jù)庫(kù)，利用主題詞檢索方法，采集1985年09月至2014年09月相關(guān)發(fā)明專利樣本，經(jīng)過計(jì)算機(jī)檢索和人工篩選，得到1353項(xiàng)檢索結(jié)果，將其作為本次專利分析的基本數(shù)據(jù)。通過構(gòu)建專利申請(qǐng)趨勢(shì)、重點(diǎn)申請(qǐng)人等信息指標(biāo)對(duì)專利信息進(jìn)行分析。數(shù)據(jù)檢索日期2015年01月。由于中國(guó)發(fā)明專利申請(qǐng)公布一般是在申請(qǐng)日后18個(gè)月，所以2013年和2014年申請(qǐng)的專利數(shù)據(jù)僅作參考。
專利技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)
鋰離子電池自1992年經(jīng)日本Sony公司商業(yè)化后便開始迅速發(fā)展。2000年以前，世界上的鋰離子電池產(chǎn)業(yè)基本掌握在日本手里。近年來，隨著中國(guó)和韓國(guó)工業(yè)技術(shù)的崛起，日本一枝獨(dú)秀的局面逐漸被打破。
2003年之前，專利申請(qǐng)及公開數(shù)量增長(zhǎng)緩慢，此階段日本獨(dú)占整個(gè)鋰離子電池市場(chǎng)，中國(guó)在該領(lǐng)域的技術(shù)處于起步期。2003年以后，鋰離子電池負(fù)極材料的專利申請(qǐng)量不斷增多，這是由中國(guó)鋰離子電池市場(chǎng)份額提升、大眾需求擴(kuò)大及國(guó)內(nèi)科研投入力度加大所帶動(dòng)的。2009年被認(rèn)為是分水嶺，從這一年開始，負(fù)極材料專利申請(qǐng)及公開數(shù)量得到大幅增長(zhǎng)，這與電池行業(yè)的發(fā)展息息相關(guān)。2009年起，智能手機(jī)和電動(dòng)汽車得到了不斷推廣，它們對(duì)電池的容量要求更高，而市場(chǎng)上的負(fù)極材料不能滿足需求，促使負(fù)極材料的科研投入加大，專利申請(qǐng)量達(dá)到一個(gè)巔峰。發(fā)展至2012年時(shí)，智能手機(jī)進(jìn)入相對(duì)平穩(wěn)的發(fā)展階段，加上經(jīng)過前四年的技術(shù)儲(chǔ)備，負(fù)極材料的專利數(shù)量已達(dá)新高，技術(shù)普及明顯。2013年以后，專利申請(qǐng)及公開數(shù)量發(fā)展平緩，到2014年可能會(huì)出現(xiàn)下降的趨勢(shì)，此時(shí)，技術(shù)瓶頸成為大的制約，亟需創(chuàng)新突破。
