一种柔性电极及其制备方法与流程

文档序号:11104259阅读:841来源:国知局
一种柔性电极及其制备方法与制造工艺

本发明涉及柔性储能技术领域,尤其涉及一种柔性电极及其制备方法。



背景技术:

由于能量密度高、可靠性好以及环保性能优良,锂电池已经成为市场上最重要的储能装置之一,广泛应用于数码相机、手机和笔记本电脑等便携式电子产品。

随着电子设备的不断小型化,近期可穿戴式设备获得了兴起和飞速发展,同时柔性薄膜电池成为关注的重点。利用传统的电池加工工艺,所制作的柔性薄膜电池弯曲效果有限,因此如何设计电池中的各部分结构来提高整体的抗弯曲能力成为本领域技术人员的研究课题。

目前来说,增强电池柔性的方法有:(1)利用多只小电池串并联,再内部封装,达到柔性需求,这项技术以APPLE公司的表带式电池专利为代表,其缺点在于,小电池制造困难,生产成本高,难以产业化实现;多只电池串并联会产生电池容量及电压不均匀而导致要附加控制电路和产生安全隐患的问题;(2)采用柔性材料所制备的电极,但其缺点是柔性材料不易制备,成本高,且性能不一定能得到保障。

例如,公开号为CN104078248A的中国专利文献公开了一种柔性电极的制备方法及其制备的柔性电极,该制备方法包括:a.将碳纳米管和氧化石墨烯制成均匀分散的混合分散液;b.去除混合分散液中的溶剂,制成具有三维导电网络的薄膜;c.在三维导电网络薄膜中原位聚合有机高分子导电材料,得到三元柔性复合膜;d.将三元柔性复合膜中的氧化石墨烯还原,即获得柔性电极。该柔性电极制备方法复杂,制备成本较高。



技术实现要素:

本发明提供了一种柔性电极及其制备方法,该柔性电极主要包括具有微小凹陷结构的导电基底层和与其紧密结合的活性材料层,该柔性电极具有优异的机械卷绕性能。

本发明公开了一种柔性电极,包括导电基底层和活性材料,所述的导电基底层上均布有凹陷结构,所述的凹陷结构的面积占导电基底层总面积的20~90%,凹陷结构的深度为1~500μm,单个凹陷结构的面积为1μm2~25mm2

所述的活性材料涂覆在导电基底层的具有凹陷结构表面上;

所述的导电基底层为金属箔或塑料金属镀膜。

本发明的柔性电极中,活性材料填充在导电基底层表面的凹陷结构内,相邻凹陷结构内的活性材料可以相互连接,连接处活性材料的厚度大于0且小于1mm;相邻凹陷结构内的活性材料也可以不连接。

凹陷结构可以为圆形、椭圆形、方形、长条形、三角形或其他不规则形状。

本发明的柔性电极将易于断裂的活性材料层分隔在微小的凹陷结构中,可大大提高柔性电极的柔韧弯折性能。

凹陷结构的面积占导电基底层总面积的比例过大或过小都不能有效提高柔性电极的柔韧性,作为优选,所述的凹陷结构的面积占导电基底层总面积的70~85%。

导电基底层为金属箔或塑料金属镀膜,为了保证导电基底层的机械强度,对导电基底层的厚度具有一定的要求,作为优选,导电基底层的厚度为1~100μm。该厚度的导电基底层具有较高的机械强度同时具有足够的柔韧性。

进一步优选的,所述的导电基底层的厚度为1~50μm;进一步优选的,所述的导电基底层的厚度为3~8μm。

所述的导电基底层为金属箔或塑料金属镀膜,在具有相同的机械强度和导电性能的前提下,塑料金属镀膜所需的厚度更薄,可以大大降低柔性电极的质量密度,从而提高其能量密度,作为优选,所述的导电基底层为塑料金属镀膜,所述的塑料金属镀膜包括依次紧密结合的柔性基底层、金属导电镀层和导电抗氧化层;

所述的柔性基底层为聚氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚二甲基硅氧烷和聚酰亚胺中的一种,所述的柔性基底层的厚度为1~20μm;

所述的金属导电镀层为Cu、Al、Ni、Au和Ag中的一种,所述的金属导电镀层的厚度为0.1~5μm;

所述的导电抗氧化层包括导电石墨、石墨烯、碳纳米管和碳纳米纤维中的至少一种,所述的导电抗氧化层的厚度大于0且小于1μm。

该导电基底层采用三层结构,利用柔性基底层增强导电基底层的机械可加工性能;金属导电镀层在不影响其实用导电性的同时可大幅度降低导电基底层整体的质量密度,其质量密度仅为传统铜箔、铝箔的1/10~1/5,可大大减小电池的质量,提高电池的能量密度;导电抗氧化层能提高导电基底层的热稳定性和抗氧化能量,同时能减小其接触电阻,提高电池快速充放电的性能。

作为优选,所述的柔性基底层为聚对苯二甲酸乙二醇酯;所述的金属导电镀层为Cu或Al。

聚对苯二甲酸乙二醇酯与Cu或Al之间的结合力较大,以聚对苯二甲酸乙二醇酯为柔性基底层,以Cu或Al为金属导电镀层时,柔性集流体的机械性能较好。

作为优选,所述的柔性基底层的厚度为1~5μm;所述的金属导电镀层的厚度为0.2~5μm。

该厚度的柔性基底层在能保证柔性集流体的机械强度的同时,进一步降低了柔性集流体的重量。金属导电镀层的厚度为0.2~5μm时既能起到很好的集流效果,又能有效降低柔性集流体的重量。

作为优选,所述的导电抗氧化层包括石墨烯或碳纳米管,所述的导电抗氧化层的厚度为80~100nm。

导电抗氧化层为石墨烯或碳纳米管时,其抗氧化性能更好,在不影响其抗氧化性能的前提下,该导电抗氧化层的厚度可以更薄,进一步降低柔性集流体的重量。

所述的柔性电极包括负极和正极,作为优选,所述的负极的柔性基底层为聚对苯二甲酸乙二醇酯,金属导电镀层为Cu,活性材料为石墨;所述的正极的柔性基底层为聚对苯二甲酸乙二醇酯,金属导电镀层为Al,活性材料为磷酸铁锂。

本发明还提供了所述柔性电极的制备方法,包括以下步骤:

(1)将导电基底层放置在带有凹槽的模具上,模具上的凹槽连接真空装置;

(2)对模具抽真空,使导电基底层形成与凹槽相应的凹陷结构;

(3)将活性材料的浆体刮涂在带有凹陷结构的导电基底层的表面上,并使导电基底层的表面平整;

(4)将刮涂活性材料浆体后的导电基底层在60~150℃下干燥1~30min后,关闭真空装置,取下模具,得到柔性电极。

该制备方法操作简单,产品的成品率较高。

作为优选,步骤(2)中,对模具抽真空,真空度为1×10-6~1×10-3Pa;进一步优选的,真空度为1×10-5~1×10-4Pa。

作为优选,步骤(4)中,将刮涂活性材料浆体后的导电基底层在80~120℃下干燥5~10min后,关闭真空装置,取下模具,得到柔性电极。

与现有技术相比,本发明的有益效果为:

本发明的柔性电极将易于断裂的活性材料层分隔在微小的凹陷结构中,可大大提高柔性电极的柔韧弯折性能,其弯曲半径>5mm。

附图说明

图1为实施例1制备的柔性电极的结构示意图;

图2为图1中柔性电极的剖面图;

图3为实施例2制备的柔性电极的结构示意图;

图4为图2中柔性电极的沿凹陷结构宽度方向的剖面图;

图5为图2中柔性电极的沿凹陷结构长度方向的剖面图。

具体实施方式

实施例1

如图1和图2所示,柔性电极包括导电基底层2和活性材料。导电基底层2上均布有凹陷结构1,凹陷结构1为半球形,半径为200μm,深度为~50μm,活性材料3填覆于凹陷结构1内,导电基底层2为8μm厚的铜箔,活性材料为石墨。

制备方法为:

选取厚度为8μm的铜箔作为导电基底层,将其置于连接有真空抽气泵的具有圆形凹槽的模具上,打开抽气泵(220V),使铜箔按照圆形凹槽的样子产生均匀的微小凹陷结构,圆形凹槽的半径为200μm,深度为~50μm;

再将配置好的石墨碳负极活性浆料涂在带有微小凹陷结构的铜箔表面,使石墨碳负极活性浆料填覆与这些微小凹陷结构内,将涂完的电极在120摄氏度氛围内干燥,待电极活性浆料在这些微小凹陷结构内固化成型之后再将真空抽气泵关闭;

取下电极,准备电池制备和封装。

实施例2

选取厚度为15μm的铝箔作为导电基底层,将其置于连接有真空抽气泵的具有圆形凹槽的模具上,打开抽气泵(220V),使铜箔按照圆形凹槽的样子产生均匀的微小凹陷结构,圆形凹槽的半径为200μm,深度为~50μm;

再将配置好的磷酸铁锂正极活性浆料涂在带有微小凹陷结构的铜箔表面,使磷酸铁锂正极活性浆料填覆与这些微小凹陷结构内,将涂完的电极在120摄氏度氛围内干燥,待电极活性浆料在这些微小凹陷结构内固化成型之后再将真空抽气泵关闭;

取下电极,准备电池制备和封装。

将实施例1和实施例2制得的正负极柔性电极经过电池组装和测试,能量密度为105Wh/kg(@0.2C),对该柔性电极做组装的电池进行折叠和弯曲(双向弯曲),电性能没有显著变化,循环性能不受影响,测试的弯折次数2000次,循环测试1000次。

实施例3

如图3、图4和图5所示,柔性电极包括导电基底层2和活性材料。导电基底层2上均布有凹陷结构1,凹陷结构1为半椭球形,凹陷结构1的宽度为200μm,长度为1000μm,深度为~50μm,活性材料填覆于凹陷结构1内,导电基底层2为15μm厚的铝箔,活性材料为石墨。

制备方法为:

选取厚度为4.8μm左右的聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)镀铜箔(PET膜厚为3.8μm,铜镀膜为1μm左右)作为导电基底层,将其置于连接有真空抽气泵的具有半椭圆形凹槽的模具上,打开抽气泵(220V),使PET镀铜箔按照半椭圆形凹槽的样子产生均匀的微小凹陷结构,半椭圆形凹槽的宽度为200μm,长度为1000μm,深度为~50μm;

再将配置好的石墨碳负极活性浆料涂在带有微小凹陷结构的PET镀铜箔表面,使石墨碳负极活性浆料填覆与这些微小凹陷结构内,将涂完的电极在120摄氏度氛围内干燥,待电极活性浆料在这些微小凹陷结构内固化成型之后再将真空抽气泵关闭;

取下电极,准备电池制备和封装。

实施例4

选取厚度为4.8μm左右的聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)镀铜箔(PET膜厚为3.8μm,铜镀膜为1μm左右)作为导电基底层,将其置于连接有真空抽气泵的具有半椭圆形凹槽的模具上,打开抽气泵(220V),使PET镀铜箔按照半椭圆形凹槽的样子产生均匀的微小凹陷结构,半椭圆形凹槽的宽度为200μm,长度为1000μm,深度为~50μm;

再将配置好的磷酸铁锂正极活性浆料涂在带有微小凹陷结构的PET镀铜箔表面,使磷酸铁锂正极活性浆料填覆与这些微小凹陷结构内,将涂完的电极在120摄氏度氛围内干燥,待电极活性浆料在这些微小凹陷结构内固化成型之后再将真空抽气泵关闭;

取下电极,准备电池制备和封装。

将实施例3和实施例4制得的正负极柔性电极经过电池组装和测试,能量密度为110Wh/kg(@0.2C),对该柔性电极做组装的电池进行折叠和弯曲(沿凹陷结构的长度方向单向弯曲),电性能没有显著变化,循环性能不受影响,测试的弯折次数2000次,循环测试1000次。

以上所述的实施例对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明,应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例,并不用于限制本发明,凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换等,均应包含在本发明的保护范围之内。

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