柔性器件及其制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于柔性器件技术领域，特别涉及一种柔性器件及其制备方法。
【背景技术】
[0002] 1991年，日本索尼公司创造性的采用炭材料作为锂离子电池阳极材料，为锂离子 电池领域带来了革命性的变化；自此之后，锂离子电池技术迅猛发展，在移动电话、摄像机、 笔记本电脑以及其他便携式电器上面大量运用。锂离子电池具有诸多优点，例如电压高、体 积小、质量轻、比能力高、无记忆效应、无污染、自放电小、循环寿命长等，是二十一世纪理想 的移动电器电源、电动汽车电源以及储电站用储电器。
[0003] 但随着电子器件朝着个性化方向发展，大量创造性电子产品迅速涌现而出：如智 能手表、智能眼镜、智能手环等可穿戴设备在短短几年时间内相继出现并获得广大消费者 的认可。与传统电子产品不同，这类电子产品具有外形非规则、柔性等特征，因此对这些电 子产品的供电部件（即电池）提出了新的要求：非规则、柔性等。
[0004] 对于柔性器件，在来回的弯折过程中，器件内部界面将受到严峻的挑战；而电化学 器件，界面反应是影响其性能的决定性因素之一；因此要保证柔性器件具有优良的电化学 性能，必须确保该器件具有优良的界面粘接力。
[0005] 于2013年7月4公布的美国专利申请公开号2013/0171490A1公开了一种柔性电 池组，通过上、下叠层将一系列电池排列，并通过电池之间的粘附剂将上下粘附层粘合而使 电池隔离，从而制备柔性电池组。但是这种设计的柔性电池组在弯折时，由于顶部层及底部 层硬性较强，受应力影响，柔性电池组的弯折程度及抗疲劳强度受到很大的限制，影响柔性 电池组性能的发挥；粘结剂在一定的弯曲角度和弯曲次数后，粘接强度会下降，导致其牢靠 性变差，而且在与粘结剂相近的非粘结区域由于作用力不一致容易产生疲劳，对柔性电池 组的安全性能有风险。并且该方法需要控制粘附剂的粘接强度和每个区域使用量的均一， 量产的难度很大。
[0006] 有鉴于此，确有必要提供一种新的柔性器件，使得其具有优异的界面粘接力，即使 经过多次弯折后仍然紧密粘接，从而制备出性能优良的柔性器件。
【发明内容】
[0007] 本发明的目的在于：针对现有技术的不足，而提供的一种柔性器件，包括一片正极 片、一片负极片和隔离膜，所述负极片由负极活性物质和负极集流体组成，所述负极集流体 分为A表面和B表面；所述负极集流体具有多孔结构，包括孔结构区和非孔区，所述孔结构 区和所述非孔区的体积分别为V1、V2,且V1AV1+V2)多10% ;所述孔结构区的孔洞与所述 负极集流体的A表面或B表面连通。本发明采用多孔集流体，使得负极活性物质完全或部分 嵌入多孔集流体的孔结构中，从而增加集流体与活性物质之间的粘接力，确保柔性器件在 弯折过程中界面紧密粘接；因此制备出来的柔性器件具有更加优异的柔性及电化学性能。
[0008] 为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
[0009] -种柔性器件，包括一片正极片、一片负极片和隔离膜，所述负极片由负极活性 物质和负极集流体组成，所述负极集流体分为A表面和B表面；所述负极集流体具有多孔 结构，包括孔结构区和非孔区，所述孔结构区和所述非孔区的体积分别为VI、V2,且VI/ (V1+V2)多10%，此时集流体中含有足够的孔洞，提供了存储活性物质的空间；所述孔结构 区的孔洞与所述负极集流体的A表面或B表面连通，此时便与将活性物质填入孔洞中，同时 充放电时作为呙子通道。
[0010] 作为本发明柔性器件的一种改进，所述孔结构区的所有孔洞与所述负极集流体的 A表面连通但与所述负极集流体的B表面不连通；或所述孔结构区的所有孔洞与所述负极 集流体的A表面不连通但与所述负极集流体的B表面连通；并且所述孔洞到不连通的一个 表面的距离为h，且h彡1ym，非连通一侧的集流体充当封装材料，用于阻隔水气，因此当h 值过小时，不能起到有效的阻隔水气作用。
[0011] 作为本发明柔性器件的一种改进，所述负极集流体的厚度为a，且 2ym<a< 1000ym，多孔结构层厚度过大时，会增加离子扩散路径，使得电池的倍率性能 变差；所述多孔结构集流体的孔等效直径为d(等效孔直径是指将孔面积换算成一个圆面 积时，所述圆的直径），且〇. 1Um<d< 2cm，等效直径过小，无法填充足够的活性物质，等 效直径过大，无法充分的展现孔结构对活性物质的固定作用，且会影响电极的电子电导；所 述多孔结构集流体的孔间距为b，且0. 05ym<b<lcm;所述负极集流体的孔长度为L，且 L< 4a，孔深度过大时，必定增加填充在孔结构中活性物质的离子传输路径，从而影响电池 的倍率性能；所述负极集流体为金属单质、金属与金属形成的合金、金属与非金属形成的合 金中的至少一种，或者为金属单质或合金与其他材料形成的复合材料。
[0012] 作为本发明柔性器件的一种改进，10ym彡h彡100ym，5ym彡a彡500ym， 0? 6ym<d<lcm，0? 05ym<b< 10mm，L< 2a;戶斤述负极集流体的孑L的形状为圆形、椭圆 形、多边形、非规则形状（如线段与弧线构成的孔洞等）中的至少一种。
[0013] 作为本发明柔性器件的一种改进，所述负极活性物质分布于所述负极集流体的所 述孔结构区中或/和所述负极集流体的与所述孔结构区连通的表面，分布于所述负极集流 体的所述孔结构区中的负极活性物质的质量为W1，分布于所述负极集流体的与所述孔结构 区连通的表面的负极活性物质的质量为W2,且W1AW1+W2)彡10%，此时活性物质部分或全 部的填入所述多孔集流体的孔洞中；所述负极片中还含有导电剂或/和粘接剂。
[0014] 作为本发明柔性器件的一种改进，V1AV1+V2)彡50% ;W1AW1+W2)彡50%。
[0015] 作为本发明柔性器件的一种改进，所述金属包括Mg、Ca、Sr、Ba、Ra、Al、Ga、In、Ge、 Sn、Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Y、Zr、Nb、Mo、Ru、Rh、Pd、Ag、Cd、La、W、Pt、Au、Ce、 Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu中的至少一种；所述非金属包括H、B、C、N、0、 Si、P、S、As、Se、Te、F、Cl、Br、I中的至少一种；所述其他材料为高分子复合材料，所述高 分子复合材料为由所述非金属元素形成的分子量在200以上的有机物，包括聚吡咯（PPy)、 聚苯胺（PANi)、聚丙烯腈（PAN)、聚乙撑二氧噻吩（PED0T)、聚环氧乙烷（PE0)或聚乙二醇 (PEG)中的至少一种。
[0016] 作为本发明柔性器件的一种改进，所述负极活性物质包括碳材料（石墨、无序 碳）、含碳化合物（B~C~N系列、C~Si~0系列）、非碳材料（金属氧化物、锂~过渡 金属氮化物、锂合金）中的至少一种；所述导电剂包括导电碳黑、超级导电碳、碳纳米管、科 琴黑、石墨烯中的至少一种；所述粘接剂包括共聚四氟乙烯、均聚四氟乙烯、丁苯橡胶、羧甲 基纤维素钠、聚丙烯酸、聚丙烯氰、聚乙烯醇、聚烯烃、氟化橡胶、聚胺酯中的至少一种。
[0017]本发明还包括一种柔性器件的制备方法，主要包括以下步骤：
[0018]步骤1，多孔集流体制备：选择无孔集流体，刻蚀得到孔结构与集流体的一个表面 连通的多孔集流体；
[0019] 步骤2,负极片制备：将负极活性物质布置于步骤1所述与孔结构连通一侧的多孔 集流体上，得到负极片；
[0020]步骤3,电池组装：将上述负极片与隔离膜、正极片组装，化成、整形得到柔性器 件。
[0021] 作为本发明一种柔性器件的制备方法的一种改进，其特征在于，步骤1所述的刻 蚀包括激光烧蚀、化学刻蚀、量子轰击中的至少一种；步骤3所述的正极片的集流体可以为 多孔集流体。
[0022] 此外，为了增加本发明柔性器件抗磨损性能，还可以在作为封装材料的集流体表 层增加一层聚合物层，如聚乙烯、尼龙层等，同时该保护层还能起到隔绝电子的目的。
[0023]与现有技术相比，本发明柔性器件及其制备方法具有如下优点：
[0024] 1.使用多孔集流体的孔洞存储部分/全部负极活性物质，可以减少涂敷于集流 体表面的活性物质量，从而降低表面活性物质涂层厚度，增加表面涂层与集流体的附着力 (或者无表面涂层，不会出现涂层脱落问题）；
[0025] 2.使用多孔集流体，可以增加电极涂层与集流体的接触面积，从而增加集流体与 涂层之间的粘接力；
[0026] 3.使用多孔集流体，孔洞中的活性物质与集流体表层的活性物质构成一个有机整 体，其与集流体之间构成隼卯结构，可以极大的增加两种之间