一种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，而提供的一种电化学储能器件：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 负极集流体由多孔结构层和基体层组成，所述多孔结构层附着于所述基体层表面；所述 多孔结构层包括孔结构区和非孔区，所述孔结构区和非孔区的体积分别为VI、V2,且Vl/ (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；所述负极活 性物质分布于所述多孔结构层的孔结构中或所述多孔结构层的非孔区的表面，分布于所述 多孔结构层的孔结构中的活性物质的质量为W1，分布于所述多孔结构层的非孔区表面的活 性物质的质量为W2,且Wl AW1+W2)多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。本发明采用多孔集流体，使得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] 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，其特征在于：
[0010] 所述负极集流体由多孔结构层和基体层组成，所述多孔结构层附着于所述基体层 表面；
[0011] 所述多孔结构层包括孔结构区和非孔区，所述孔结构区和非孔区的体积分别为 VI、V2,且V1AV1+V2)彡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；
[0012] 所述负极活性物质分布于所述多孔结构层的孔结构中或所述多孔结构层的非孔 区的表面，分布于所述多孔结构层的孔结构中的活性物质的质量为W1，分布于所述多孔结 构层的非孔区表面的活性物质的质量为W2,且W1AW1+W2)多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。
[0013] 作为本发明柔性器件的一种改进，所述基体层兼具导电能力及隔水能力为金属单 质、金属与金属合金、金属与非金属合金中的至少一种，或者为金属单质或其合金与其他材 料形成的复合材料，并且所述基体层的厚度为h，且h大于或等于I y m，集流体足够厚，便与 得到具有一定深度的孔洞，用于负载活性物质。
[0014] 作为本发明柔性器件的一种改进，所述集流体的多孔结构层的厚度为a，且 5 y m < a < 1000 y m，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；所述多孔结构结构层的孔等效直径为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. I U m < 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 述多孔结构层的孔壁厚度为b，且0. 01 ym < b < Icm ;所述多孔结构层的孔长度为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；所述多孔结构层为金属单质、金属与金属形成的合金、金属与非金属形成的合 金和导电聚合物中的至少一种，或者为金属单质、合金、导电聚合物与其他材料形成的复合 材料。
[0015] 作为本发明柔性器件的一种改进，IOym彡h彡100 ym，20 ym彡a彡500 ym， 0? 6 y m < d < lcm，0? 05 y m < b < 10mm，L < 2a ;所述多孔结构层的孔形状为圆形、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。
[0016] 作为本发明柔性器件的一种改进，V1AV1+V2)彡50% ;W1AW1+W2)彡50%。
[0017] 作为本发明柔性器件的一种改进，所述负极活性物质中还含有导电剂或/和粘 接剂；所述多孔结构层具有导电能力，且所述孔结构区的孔洞贯穿整个所述多孔结构层； 所述多孔结构层与所述基体层之间设置有导电粘接层，且所述导电粘接层的厚度为c， c < I y m〇
[0018] 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、PcU Ag、CcU La、W、Pt、Au、Ce、 Pr、NcU Sm、Eu、GcU 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（PEDOT)、聚环氧乙烷（PEO)和聚乙二醇（PEG) 中的至少一种。
[0019] 作为本发明柔性器件的一种改进，所述导电聚合物包括聚噻吩及其衍生物、聚吡 咯及其衍生物、聚苯胺及其衍生物、聚乙炔、导电胶中的至少一种。
[0020] 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。
[0021] 本发明还包括一种柔性器件的制备方法，主要包括如下步骤：
[0022] 步骤1，多孔集流体制备：制备多孔结构层，布置于基材表面，使得多孔结构层附 着于基材表面且电子导通，得到多孔集流体；
[0023] 步骤2,负极片制备：将负极活性物质布置于步骤1所述多孔集流体的多孔结构层 一侧，得到负极片；
[0024] 步骤3,柔性器件组装：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。
[0025] 作为本发明柔性器件的制备方法的一种改进，其特征在于，步骤1所述的多孔结 构层为直接制备（即在集流体制备成型过程中便已经形成多孔结构）得到多孔结构层，或 无孔材料通过刻蚀制备得到多孔结构层；所述刻蚀包括激光烧蚀、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。
[0026] 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。
[0027] 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：
[0028] 1.使用多孔集流体的孔洞存储部分负极活性物质，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；
[0029] 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；
[0030]3.使用多孔集流体