一種增加儲(chǔ)能膜與電極有效接觸面積的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種儲(chǔ)能膜的加工方法，尤其涉及一種增加儲(chǔ)能膜與電極有效接觸面 積的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 儲(chǔ)能膜是一種2011年才出現(xiàn)的新型的儲(chǔ)能材料，是由新加坡國(guó)立大學(xué)的科研團(tuán) 隊(duì)發(fā)明的超強(qiáng)可極化材料，其化學(xué)組成為水溶性的有機(jī)高分子多聚鹽。在儲(chǔ)能膜中存在許 多納米級(jí)別的離子通道，通道的直徑一般為幾個(gè)納米，且這些通道互相聯(lián)通，遍布整個(gè)儲(chǔ)能 膜結(jié)構(gòu)，形成三維的網(wǎng)絡(luò)分布。納米離子通道具有較高的水合度和電學(xué)極性，金屬離子在其 中呈現(xiàn)出較高的可移動(dòng)性和電導(dǎo)率（室溫電導(dǎo)率高達(dá)10 3s/cm)。更重要的是，儲(chǔ)能膜中的 正負(fù)離子在外電場(chǎng)的作用下，可被極化而定向排列在儲(chǔ)能膜/電極界面，因而具有快速儲(chǔ) 存電能的效果。
[0003] 儲(chǔ)能膜的出現(xiàn)，給儲(chǔ)能技術(shù)帶來(lái)了新的希望?；趦?chǔ)能膜的儲(chǔ)能器件，其儲(chǔ)電原理 和性能類似目前熟知的超級(jí)電容器，兩者的儲(chǔ)能都是通過(guò)帶電離子在電極兩端的定向排列 實(shí)現(xiàn)的，是一個(gè)物理過(guò)程。因此，這類電容器件具有充放電速度快、功率密度大、充放電次 數(shù)多等優(yōu)點(diǎn)（理論充放電次數(shù)為無(wú)限次），為鋰電池等基于電化學(xué)反應(yīng)的儲(chǔ)能器件提供了 重要的補(bǔ)充。在儲(chǔ)能領(lǐng)域，以鋰電池為代表的電化學(xué)器件一般用于長(zhǎng)期的、穩(wěn)定的、慢速的 充放電應(yīng)用，而超級(jí)電容等基于物理機(jī)制的器件則用于大功率、大電流、高電壓的急充放過(guò) 程，兩者優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)、相輔相成。比如在電動(dòng)汽車中，電池和電容在電控系統(tǒng)的協(xié)調(diào)下，共同組 成汽車的能源動(dòng)力系統(tǒng)，發(fā)揮各自的性能優(yōu)勢(shì)，提高汽車在續(xù)航里程、穩(wěn)定性、安全性、及維 護(hù)成本等方面的競(jìng)爭(zhēng)力。
[0004] 較之傳統(tǒng)的超級(jí)電容，基于儲(chǔ)能膜的新型電容（以下稱為儲(chǔ)能膜電容器）的具有 若干技術(shù)特色。首先，儲(chǔ)能膜電容器是一種全固態(tài)的器件，其儲(chǔ)能電芯是一種"電極/儲(chǔ)能 膜/電極"三明治型的簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)，制作工藝簡(jiǎn)潔，生產(chǎn)成本較低。而超級(jí)電容儲(chǔ)能電芯的制 作涉及液體電解質(zhì)、絕緣隔膜、納米電極等，在電解液純化、納米電極材的配置、料封裝防漏 等工藝流程上要求苛刻。其次，超級(jí)電容的充電電壓不能超過(guò)液體電解液的電化學(xué)穩(wěn)定電 壓，否則電解液會(huì)分解，產(chǎn)生氣體，引發(fā)爆炸燃燒等事故。而儲(chǔ)能膜電容器中的固態(tài)儲(chǔ)能膜 則相對(duì)穩(wěn)定，在過(guò)電壓的狀態(tài)下仍可進(jìn)行充放電操作。再次，超級(jí)電容在串聯(lián)形成高電壓模 塊時(shí)，由于單個(gè)器件的一致性差，容易因單體的擊穿而引起整個(gè)模塊的失效。而儲(chǔ)能膜電容 器則不存在上述一致性問(wèn)題，可通過(guò)串聯(lián)/并聯(lián)方式得到高電壓/電流的組塊，滿足不同應(yīng) 用領(lǐng)域的要求。儲(chǔ)能膜電容器的上述異質(zhì)化的技術(shù)優(yōu)勢(shì)使得它有可能成為超級(jí)電容的一種 替代產(chǎn)品，在消費(fèi)電子、電力電子、以及新能源等領(lǐng)域發(fā)揮越來(lái)越大的作用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的就是為了解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述問(wèn)題，提供一種增加儲(chǔ)能膜與 電極有效接觸面積的方法。
[0006] 本發(fā)明的目的通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)：
[0007] -種增加儲(chǔ)能膜與電極有效接觸面積的方法，其特征在于包括以下步驟：步驟①， 制備儲(chǔ)能膜。步驟②，用溶劑將儲(chǔ)能膜的表面局部溶解后，令儲(chǔ)能膜表面處于粘稠液體的狀 態(tài)，形成膠狀流體層。步驟③，將導(dǎo)電顆粒涂布在儲(chǔ)能膜表面的膠狀流體層；步驟④，施加壓 力，令導(dǎo)電顆粒嵌入儲(chǔ)能膜表面及亞表層。步驟⑤，壓制電極片，完成正面儲(chǔ)能膜/電極界 面。步驟⑥，翻轉(zhuǎn)儲(chǔ)能膜，重復(fù)步驟②-⑤，完成反面儲(chǔ)能膜/電極界面。
[0008] 上述的一種增加儲(chǔ)能膜與電極有效接觸面積的方法，其中：所述的步驟①中采用 高分子多聚鹽PSSNa制得厚度為0. 1-5. Omm的儲(chǔ)能膜，進(jìn)行裁切后備用。
[0009] 進(jìn)一步地，上述的一種增加儲(chǔ)能膜與電極有效接觸面積的方法，其中：所述的步驟 ②中將儲(chǔ)能膜放置于操作臺(tái)上，固定住儲(chǔ)能膜邊緣。
[0010] 更進(jìn)一步地，上述的一種增加儲(chǔ)能膜與電極有效接觸面積的方法，其中：所述的步 驟②中，采用蒸餾水作為溶劑，通過(guò)噴霧瓶將蒸餾水均勻噴灑到儲(chǔ)能膜表面，靜置1-10分 鐘后，儲(chǔ)能膜表面被局部溶解，形成一層0. 1-0. 3mm厚的膠狀流體層，所述膠狀流體層的粘 度為 2000-10000cP。
[0011] 更進(jìn)一步地，上述的一種增加儲(chǔ)能膜與電極有效接觸面積的方法，其中：所述的步 驟②中在室溫常壓下及70%相對(duì)空氣濕度的條件下進(jìn)行。
[0012] 更進(jìn)一步地，上述的一種增加儲(chǔ)能膜與電極有效接觸面積的方法，其中：所述的步 驟③中，將導(dǎo)電顆粒粉料裝入撒鹽瓶中，將導(dǎo)電顆粒自儲(chǔ)能膜上方l-3cm處均勻撒布在膠 狀流體層，所述的撒布速度為20mg/s。
[0013] 更進(jìn)一步地，上述的一種增加儲(chǔ)能膜與電極有效接觸面積的方法，其中：所述的步 驟④中，使用玻璃棒反復(fù)局部輕壓儲(chǔ)能膜表面，使撒布的導(dǎo)電顆粒繼續(xù)嵌入膠狀流體層，增 強(qiáng)與儲(chǔ)能膜的接觸，重復(fù)步驟③，直到導(dǎo)電顆粒在儲(chǔ)能膜上形成一層連續(xù)致密的導(dǎo)電層。
[0014] 更進(jìn)一步地，上述的一種增加儲(chǔ)能膜與電極有效接觸面積的方法，其中：所述的步 驟④中，若導(dǎo)電層不緊湊平整，選用表面光滑的剛性片材壓在導(dǎo)電層上，施加〇. 05-0. 50N/ cm2的壓力，壓實(shí)導(dǎo)電層，若壓后導(dǎo)電層出現(xiàn)局部的不均勻，在不均勻處繼續(xù)涂布導(dǎo)電顆粒， 然后用剛性片材壓實(shí)，循環(huán)上述過(guò)程，直至得到表面平整緊湊的導(dǎo)電層。
[0015] 更進(jìn)一步地，上述的一種增加儲(chǔ)能膜與電極有效接觸面積的方法，其中：所述的步 驟⑤中，將電極片平放在分布有導(dǎo)電顆粒的儲(chǔ)能膜表面，對(duì)電極片進(jìn)行固定，放置到疊層壓 臺(tái)上，對(duì)其施加4-12N/cm2的壓力并保持壓力10-30秒，將電極片壓制到儲(chǔ)能膜上。
[0016] 再進(jìn)一步地，上述的一種增加儲(chǔ)能膜與電極有效接觸面積的方法，其中：所述的導(dǎo) 電顆粒平均粒徑約為〇. 3-1. 7mm，所述導(dǎo)電顆粒為石墨顆粒。
[0017] 本發(fā)明技術(shù)方案的優(yōu)點(diǎn)主要體現(xiàn)在：導(dǎo)電顆粒在儲(chǔ)能膜上形成一層致密的導(dǎo)電 層，能形成穩(wěn)定的儲(chǔ)能膜/電極接觸界面。將傳統(tǒng)的二維接觸界面轉(zhuǎn)變成了三維接觸界面， 極大地提高了儲(chǔ)能膜與電極界面的接觸面積，從而解決了儲(chǔ)能膜/電極有效接觸面積受限 制的核心技術(shù)問(wèn)題。同時(shí)，采用本發(fā)明制得的儲(chǔ)能膜構(gòu)成的電芯制成的裝置，能夠在消費(fèi)電 子、電力電子、智能電網(wǎng)、光伏/風(fēng)電并網(wǎng)以及電動(dòng)汽車等領(lǐng)域有重要應(yīng)用。
【附圖說(shuō)明】
[0018] 本發(fā)明的目的、優(yōu)點(diǎn)和特點(diǎn)，將通過(guò)下面優(yōu)選實(shí)施例的非限制性說(shuō)明進(jìn)行圖示和 解釋。
[0019] 圖1是導(dǎo)電顆粒嵌入示意圖。
[0020] 圖2是導(dǎo)電樣機(jī)#1. 1、#1. 3與參照器件短路放電電流隨時(shí)間的變化曲線圖。
[0021] 圖3是電極修飾后儲(chǔ)能樣機(jī)#1. 3的儲(chǔ)電性能的重復(fù)性測(cè)試。
[0022] 圖4是不同粒度的高純粗銅粉修飾電極的儲(chǔ)能樣機(jī)#2. 1、#2. 2短路放電電流隨時(shí) 間的變化曲線圖。
【具體實(shí)施方式】
[0023] 如圖1所示的一種增加儲(chǔ)能膜與電極有效接觸面積的方法，其特征在于包括以下 步驟：步驟①，制備儲(chǔ)能膜。步驟②，用溶劑將儲(chǔ)能膜的表面局部溶解后，令儲(chǔ)能膜2表面處 于粘稠液體的狀態(tài)，形成膠狀流體層。步驟③，將導(dǎo)電顆粒3涂布在儲(chǔ)能膜表面的膠狀流體 層。步驟④，施加壓力，令導(dǎo)電顆粒嵌入儲(chǔ)能膜表面及亞表層。步驟⑤，壓制電極片，完成正 面儲(chǔ)能膜/電極界面1。步驟⑥，翻轉(zhuǎn)儲(chǔ)能膜，重復(fù)步驟②-⑤，完成反面儲(chǔ)能膜/電極界 面。
[0024] 就本發(fā)明一較佳的實(shí)施方式來(lái)看，采用高分子多聚鹽PSSNa(分子量約為3萬(wàn)） 制得厚度為〇. 1-5. Omm的儲(chǔ)能膜，進(jìn)行裁切后備用。并且，本制備方法可以參考國(guó)際專利 PCT/SG2012/000275的方法?？紤]到實(shí)施的便利，本實(shí)施案例采用的儲(chǔ)能膜樣品尺寸為 7. OcmX 7. 0cm，厚度為 I. 5mm,重量為 10g。
[0025] 之后，將儲(chǔ)能膜放置于操作臺(tái)上，固定住儲(chǔ)能膜邊緣。這樣，能夠防止表面局部溶 解時(shí)引起儲(chǔ)能膜卷曲變形。緊接著，在室溫常壓下及70%相對(duì)空氣濕度的條件下，采用蒸餾 水作為溶劑，通過(guò)噴霧瓶將水均勻噴灑到5. OcmX 5. Ocm儲(chǔ)能膜表面，靜置1-10分鐘后，儲(chǔ) 能膜表面被局部溶解，形成一層〇. 1-0. 3mm厚的膠狀流體層。為了便于后續(xù)導(dǎo)電顆粒的分 布，該膠狀流體層的粘度為2000-10000cP。儲(chǔ)能膜局部溶解時(shí)間t與相應(yīng)表面物理參數(shù)的 關(guān)系如表1所7K。
[0026] 表1局部溶解后儲(chǔ)能膜表面物理參數(shù)。
[0028] 接著，將導(dǎo)電顆粒粉料裝入撒鹽瓶中，將導(dǎo)電顆粒自儲(chǔ)能膜上方l-3cm處均勻撒 布在膠狀流體層，所述的撒布速度為20mg/s。對(duì)于5. OcmX 5. Ocm面積的儲(chǔ)能膜表面來(lái)說(shuō)， 分布的導(dǎo)電顆粒總用量約為1.5-3g。在此期間，由于膜表面呈現(xiàn)濕軟粘稠液態(tài)狀，導(dǎo)電顆 粒在自身重力及外加壓力作用下嵌入儲(chǔ)能膜表面及亞表層，與膜體形成三維的接觸。因?yàn)?導(dǎo)電顆粒的比表面積大，通過(guò)上述方法得到的儲(chǔ)能膜及導(dǎo)電顆粒接觸面的有效面積大大增 加。同時(shí)，為了便于實(shí)施，導(dǎo)電顆粒平均粒徑約為0. 3-1. 7_，導(dǎo)電顆粒為石墨顆粒。
[0029] 隨后，使用玻璃棒反復(fù)局部輕壓儲(chǔ)能膜表面，使撒布的導(dǎo)電顆粒繼續(xù)嵌入膠狀流 體層，增強(qiáng)與儲(chǔ)能膜的接觸，重復(fù)步驟③，直到導(dǎo)電顆粒在儲(chǔ)能膜上形成一層連續(xù)致密的導(dǎo) 電層。在此期間，若導(dǎo)電層不緊湊和平整，選用表面光滑的剛性片材（如玻璃片等）壓在導(dǎo) 電層上，施加0. 05-0. 50N/cm2的壓力，壓實(shí)導(dǎo)電層。若壓后導(dǎo)電層出現(xiàn)局部的不均勻，在不 均勻處繼續(xù)涂布導(dǎo)電顆粒，然后用剛性片材壓實(shí)。循環(huán)上述過(guò)程，直至得到表面平整緊湊的 導(dǎo)電層。
[0030] 然后，將電極片平放在分布有導(dǎo)電顆粒的儲(chǔ)能膜表面，對(duì)電極片進(jìn)行固定，放置到 疊層壓臺(tái)上，對(duì)其施加4-12N/cm2的壓力并保持壓力10-30秒，將電極片壓制到儲(chǔ)能膜上。 考慮到制備