一種極片、儲能器件的制作方法
【專利說明】
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及電化學領域，特別是涉及一種極片、儲能器件。
【【背景技術】】
[0002]進入21世紀后，新型綠色能源的尋找與開發(fā)已經成為應對能源枯竭、環(huán)境惡化兩大問題的最佳選擇，目前新型綠色能源主要有太陽能，風能，核能等。儲能器件則是一種常見的能夠更好地將能源進行儲存轉換的器件，已經成功的應用在運輸工具、無線通訊設備、電網、消費電子產業(yè)等領域。
[0003]目前的儲能器件，例如電池、電容器、超級電容器等，一般包括正極片、負極片、隔膜、電解液和外殼。制備時，首先在集流體(銅箔、鋁箔)上涂覆活性物質材料分別制得正極片和負極片，然后將正極片、隔膜、負極片層疊卷繞后裝入外殼中，最后在外殼中注入電解液。制得的儲能器件，極片隔膜的截面結構呈層疊的三明治層狀結構，整個結構置于電解液中。目前這種儲能器件在應用的過程中，存在的主要問題有:第一，尺寸、體積較大，不能滿足目前電子設備輕薄化、小型化發(fā)展的應用需求。第二，可靠性較差，在受到外界壓力、振動時器件的電學性能顯著下降，抗壓力性能較差。另外在外界沖擊時經常出現電解液泄漏的問題。除此之外，作為一種儲能的元件，如何提升儲能器件的電學性能也是人們努力的方向。
【【實用新型內容】】
[0004]本實用新型所要解決的技術問題是:彌補上述現有技術的不足，提出一種極片、儲能器件，極片用于儲能器件中，儲能器件具有可剪裁性，可滿足小型化、個性化的應用需求，且還具有高可靠性及快速充放電特性。
[0005]本實用新型的技術問題通過以下的技術方案予以解決:
[0006]一種極片，包括集流體，樹脂膠網格和活性物質材料；所述樹脂膠網格為疏水性的樹脂膠網格，設置在集流體上，所述活性物質材料設置在所述樹脂膠網格的各單元格空間內。
[0007]一種儲能器件，包括對位熱壓在一起的正極材料和負極材料；所述正極材料和負極材料均包括極片和膠體電解質，或者，所述正極材料和負極材料中的一者包括極片和膠體電解質，另一者為表面涂覆有活性物質的集流體；所述極片為如上所述的極片，所述膠體電解質設置在所述極片的樹脂膠網格的各單元格空間內的活性物質材料上。
[0008]本實用新型與現有技術對比的有益效果是:
[0009]本實用新型的極片、儲能器件，極片包括集流體和設置在集流體上的樹脂膠網格、活性物質材料設置在網格的各單元格內。構成儲能器件時，膠體狀電解質填充到各單元格空間內活性物質材料商，該極片與另一相同結構的極片或者另一普通結構的極片對位熱壓即可形成儲能器件。上述結構的儲能器件中，樹脂膠網格中各單元格空間內即構成獨立的子儲能單元，且無需外殼，整體尺寸較小，且更輕薄。同時具有可裁剪性，可按照需求裁剪成任意大小、尺寸的儲能器件，可滿足目前電子設備輕薄化、小型化、個性化的應用需求。而且，由于結構上的整體改進，省去了隔膜的使用，從而大大提高器件的離子迀移速率，有效提高器件的充放電速率；膠體狀的電解質設置在樹脂膠網格形成的密閉單元內，可有效防止電解質泄漏的問題。另外，樹脂膠骨架網格具有良好力學性能，可有效限制活性物質和電解質，從而在受到強烈外力時，仍能有效維持器件結構，防止器件短路，具有良好的可靠性。
【【附圖說明】】
[0010]圖1是本實用新型【具體實施方式】的極片在制備過程中的結構示意圖；
[0011]圖2是本實用新型【具體實施方式】的步驟2)處理后的集流體的俯視圖；
[0012]圖3是本實用新型【具體實施方式】的步驟3)處理后的集流體的俯視圖；
[0013]圖4a是本實用新型【具體實施方式】的兩個極片對位熱壓形成儲能器件時的示意圖；
[0014]圖4b是本實用新型【具體實施方式】的一個極片與另一個普通的極片對位熱壓形成儲能器件時的示意圖；
[0015]圖5是本實用新型【具體實施方式】的實施例3的集流體沉積活性物質后的表面掃描電鏡圖；
[0016]圖6是本實用新型【具體實施方式】的實施例3的集流體沉積活性物質后的截面掃描電鏡圖；
[0017]圖7是本實用新型的【具體實施方式】的測試儲能器件的耐沖擊性能的電路圖；
[0018]圖8是本實用新型的【具體實施方式】的測試儲能器件的剩余比容量測試結果圖。
【【具體實施方式】】
[0019]下面結合【具體實施方式】并對照附圖對本實用新型做進一步詳細說明。
[0020]如圖1所示，為本【具體實施方式】的極片制備過程示意圖，包括以下步驟:
[0021]I)準備集流體和疏水性樹脂膠，在集流體I上形成疏水性樹脂膠網格3。
[0022]該步驟中，集流體I可選用銅箔、鋁箔、鈦片，不銹鋼網，不銹鋼片，鎳片，銅片，石墨片，碳納米管紙，石墨紙或ITO膜，厚度為5-1000 μ m。樹脂膠網格3則使用任何疏水性的樹脂膠網格即可，優(yōu)選地，使用聚氨酯(PU)網格、聚乙烯醋酸酯(EVA)網格或聚丙烯酸酯(PA)網格作為此處的疏水性樹脂膠網格，或者直接采用半固化片蝕刻成的半固化片網格作為此處的樹脂膠網格。可通過三維打印、孔板印刷、壓印的方式在集流體I上形成疏水性樹脂膠網格3。另外，也可直接將半固化片用刻刀蝕刻成半固化片網格骨架，然后將網格貼在集流體上，并借助烘烤等方式加強半固化片與集流體之間的粘結力即可。
[0023]2)制備活性物質材料，將活性物質材料填充到所述樹脂膠網格的各單元格空間內。如圖1所示，集流體I上的樹脂膠網格3的各單元格內填充有活性物質材料5。如圖2所示，為該步驟處理后的集流體的俯視圖。
[0024]該步驟中，可通過電化學沉積、流延、噴涂或刮涂方式將活性物質材料5填充到樹脂膠網格3的各單元格空間內。
[0025]流延、噴涂或者刮涂時，將活性物質、粘結劑及導電劑溶解于溶劑中，配成分散均勻的漿料，隨后再用流延機、靜電噴涂裝置或刮涂器將漿料均勻覆蓋到集流體表面，在30?120°C下放置0.5-12小時，以釋放應力和蒸發(fā)溶劑，從而在集流體的網格單元格內形成活性物質材料層。
[0026]按照上述方式，將正極活性物質材料填充到集流體的樹脂膠網格的各單元格空間內，即制得正極片；將負極活性物質材料填充到集流體的樹脂膠網格的各單元格空間內，即制得負極片。
[0027]制得極片后，按照以下步驟處理制得儲能器件:
[0028]3)制備膠體狀電解質，將膠體電解質填充到樹脂膠網格的各單元格空間內的所述活性物質材料上，制得極片。如圖1所示，集流體I上的樹脂膠網格3的各單元格內的活性物質材料5上填充有膠體電解質7。如圖3所示，為該步驟處理后的集流體的俯視圖。
[0029]將電解質材料制成膠體狀電解質，從而便于形成在網格內。制備膠體電解質后，將其均勻涂覆在極片上，填充在單元格內，放置于空氣中干燥，待膠體電解質固化后即可用于制備儲能器件。
[0030]處理得到的正極片或負極片，可進一步制備成儲能器件，例如超級電容器或者電池。制備成儲能器件時，如圖4a所示，將該結構的正極片和負極片對齊網格，對位熱壓在一起即制得儲能器件。所謂熱壓，指在一定溫度，例如50-120°C的溫度下，使兩個填充有膠體電解質的極片壓合在一起即可?；蛘呷鐖D4b所示，將一片該結構的極片與另一片普通的極片，即集流體上涂覆有活性物質層的普通極片對位熱壓，也制得儲能器件。當然，圖4b方式下，還可以在普通極片添加膠體電解質層，即在集流體的活性物質層上再涂覆形成一層本【具體實施方式】中步驟3)中的膠體電解質，從而提高儲能器件的可靠性。
[0031]按照上述方式制得的儲能器件，在導電集流體上構筑樹脂膠網格，從而作為一種骨架、支架，后續(xù)將活性物質以及電解質填充在骨架網格中即得到電極片，最后通過對位熱壓得到儲能器件。儲能器件具有如下效果:
[0032]第一，尺寸可按照應用需求裁剪成任意尺寸、大小，形狀(例如L型，T型等)，制得小型化、規(guī)則或不規(guī)則形狀的儲能器件，從而滿足目前電子設備輕薄化、小型化和個性化的應用需求。
[0033]第二，結構上省去了隔膜，通過網格支架間隔正極片集流體與負極片集流體的接觸避免短路，通過電解質層阻隔正極片活性物質與負極片活性物質的接觸，由網格支架及電解層的位置設置來阻隔正負極。與此同時，由于省去了隔膜，使得離子的迀移阻力減小，從而相對于現有的傳統結構的儲能器件能獲得較快的離子迀移速率，提高器件的充放電速率，提高了電化學性能。同時，結構上改進，使用膠體狀的電解質，填充在骨架網格內，大大降低了電解質泄漏的概率。
[0034]第三，樹脂膠網格形成的各單元格相當于一個個密室，可以將活性物質和電解質有效地限制在特定的空間里，從而即使在受到強烈的外力作用，如剪切，沖擊等外力影響下，也能有效維持器件結構，阻止正負極之間的接觸造成短路，保證外力沖擊下儲能器件仍能正常工作。此外，經實驗測試，制得的儲能器件在受到外界壓力時電化學性能仍保持良好，具有良好的可靠性。
[0035]本【具體實施方式】的儲能器件具有較好的電化學性能，高可靠性及可剪裁特性。制備工藝使用的設備投資少，能耗低，方法快捷簡便，易于進行產業(yè)化及大規(guī)模的生產。
[0036]優(yōu)選地，疏水性樹脂膠網格的高度為0.01?2mm，各單元格面積為0.03?1cm2。當網格的高度和密集程度滿足上述范圍時，可有效地包裹活性物質和電解質，且足夠密集從而構筑具有更好力學性能的樹脂膠支撐骨架，最終儲能器件的可靠性進一步提高。作為一種實現方式，樹脂膠網格的各單元格例如可為規(guī)則的正方形，單元格的邊長為I?8_，邊厚度為0.02?0.5_，邊高度為0.01?2_。
[0037]如下，設置實施例與對比例，進一步驗證本【具體實施方式】的儲能器件的性能。
[0038]實施例1
[0039]集流體選擇厚度約為40 μ m的鈦板，將其剪成8cmX 1cm的長方形。樹脂膠選用熱熔膠。
[0040]集流體上設置的網格的高度為0.2mm，單元格面積為0.3cm2。
[0041]帶網格的集流體上沉積正活性物質一一MnO2，作為正極片。帶網格的集流體上刮涂填充負活性物質--活性炭，作為負極片。
[0042]準備好膠體狀的硫酸鈉電解質，取前述兩片相同面積的分別沉積有MnO2、活性炭的正極片、負極片放置于平面上，將準備好的膠體電解質分別均勻涂覆在各集流體的表面，待膠體電解質固化后，將正極片、負極片進行對位熱壓，形成非對稱型的