一种增加储能膜与电极有效接触面积的方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种储能膜的加工方法，尤其涉及一种增加储能膜与电极有效接触面 积的方法。
【背景技术】
[0002] 储能膜是一种2011年才出现的新型的储能材料，是由新加坡国立大学的科研团 队发明的超强可极化材料，其化学组成为水溶性的有机高分子多聚盐。在储能膜中存在许 多纳米级别的离子通道，通道的直径一般为几个纳米，且这些通道互相联通，遍布整个储能 膜结构，形成三维的网络分布。纳米离子通道具有较高的水合度和电学极性，金属离子在其 中呈现出较高的可移动性和电导率（室温电导率高达10 3s/cm)。更重要的是，储能膜中的 正负离子在外电场的作用下，可被极化而定向排列在储能膜/电极界面，因而具有快速储 存电能的效果。
[0003] 储能膜的出现，给储能技术带来了新的希望。基于储能膜的储能器件，其储电原理 和性能类似目前熟知的超级电容器，两者的储能都是通过带电离子在电极两端的定向排列 实现的，是一个物理过程。因此，这类电容器件具有充放电速度快、功率密度大、充放电次 数多等优点（理论充放电次数为无限次），为锂电池等基于电化学反应的储能器件提供了 重要的补充。在储能领域，以锂电池为代表的电化学器件一般用于长期的、稳定的、慢速的 充放电应用，而超级电容等基于物理机制的器件则用于大功率、大电流、高电压的急充放过 程，两者优势互补、相辅相成。比如在电动汽车中，电池和电容在电控系统的协调下，共同组 成汽车的能源动力系统，发挥各自的性能优势，提高汽车在续航里程、稳定性、安全性、及维 护成本等方面的竞争力。
[0004] 较之传统的超级电容，基于储能膜的新型电容（以下称为储能膜电容器）的具有 若干技术特色。首先，储能膜电容器是一种全固态的器件，其储能电芯是一种"电极/储能 膜/电极"三明治型的简单结构，制作工艺简洁，生产成本较低。而超级电容储能电芯的制 作涉及液体电解质、绝缘隔膜、纳米电极等，在电解液纯化、纳米电极材的配置、料封装防漏 等工艺流程上要求苛刻。其次，超级电容的充电电压不能超过液体电解液的电化学稳定电 压，否则电解液会分解，产生气体，引发爆炸燃烧等事故。而储能膜电容器中的固态储能膜 则相对稳定，在过电压的状态下仍可进行充放电操作。再次，超级电容在串联形成高电压模 块时，由于单个器件的一致性差，容易因单体的击穿而引起整个模块的失效。而储能膜电容 器则不存在上述一致性问题，可通过串联/并联方式得到高电压/电流的组块，满足不同应 用领域的要求。储能膜电容器的上述异质化的技术优势使得它有可能成为超级电容的一种 替代产品，在消费电子、电力电子、以及新能源等领域发挥越来越大的作用。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的就是为了解决现有技术中存在的上述问题，提供一种增加储能膜与 电极有效接触面积的方法。
[0006] 本发明的目的通过以下技术方案来实现：
[0007] -种增加储能膜与电极有效接触面积的方法，其特征在于包括以下步骤：步骤①， 制备储能膜。步骤②，用溶剂将储能膜的表面局部溶解后，令储能膜表面处于粘稠液体的状 态，形成胶状流体层。步骤③，将导电颗粒涂布在储能膜表面的胶状流体层；步骤④，施加压 力，令导电颗粒嵌入储能膜表面及亚表层。步骤⑤，压制电极片，完成正面储能膜/电极界 面。步骤⑥，翻转储能膜，重复步骤②-⑤，完成反面储能膜/电极界面。
[0008] 上述的一种增加储能膜与电极有效接触面积的方法，其中：所述的步骤①中采用 高分子多聚盐PSSNa制得厚度为0. 1-5. Omm的储能膜，进行裁切后备用。
[0009] 进一步地，上述的一种增加储能膜与电极有效接触面积的方法，其中：所述的步骤 ②中将储能膜放置于操作台上，固定住储能膜边缘。
[0010] 更进一步地，上述的一种增加储能膜与电极有效接触面积的方法，其中：所述的步 骤②中，采用蒸馏水作为溶剂，通过喷雾瓶将蒸馏水均匀喷洒到储能膜表面，静置1-10分 钟后，储能膜表面被局部溶解，形成一层0. 1-0. 3mm厚的胶状流体层，所述胶状流体层的粘 度为 2000-10000cP。
[0011] 更进一步地，上述的一种增加储能膜与电极有效接触面积的方法，其中：所述的步 骤②中在室温常压下及70%相对空气湿度的条件下进行。
[0012] 更进一步地，上述的一种增加储能膜与电极有效接触面积的方法，其中：所述的步 骤③中，将导电颗粒粉料装入撒盐瓶中，将导电颗粒自储能膜上方l-3cm处均匀撒布在胶 状流体层，所述的撒布速度为20mg/s。
[0013] 更进一步地，上述的一种增加储能膜与电极有效接触面积的方法，其中：所述的步 骤④中，使用玻璃棒反复局部轻压储能膜表面，使撒布的导电颗粒继续嵌入胶状流体层，增 强与储能膜的接触，重复步骤③，直到导电颗粒在储能膜上形成一层连续致密的导电层。
[0014] 更进一步地，上述的一种增加储能膜与电极有效接触面积的方法，其中：所述的步 骤④中，若导电层不紧凑平整，选用表面光滑的刚性片材压在导电层上，施加〇. 05-0. 50N/ cm2的压力，压实导电层，若压后导电层出现局部的不均匀，在不均匀处继续涂布导电颗粒， 然后用刚性片材压实，循环上述过程，直至得到表面平整紧凑的导电层。
[0015] 更进一步地，上述的一种增加储能膜与电极有效接触面积的方法，其中：所述的步 骤⑤中，将电极片平放在分布有导电颗粒的储能膜表面，对电极片进行固定，放置到叠层压 台上，对其施加4-12N/cm2的压力并保持压力10-30秒，将电极片压制到储能膜上。
[0016] 再进一步地，上述的一种增加储能膜与电极有效接触面积的方法，其中：所述的导 电颗粒平均粒径约为〇. 3-1. 7mm，所述导电颗粒为石墨颗粒。
[0017] 本发明技术方案的优点主要体现在：导电颗粒在储能膜上形成一层致密的导电 层，能形成稳定的储能膜/电极接触界面。将传统的二维接触界面转变成了三维接触界面， 极大地提高了储能膜与电极界面的接触面积，从而解决了储能膜/电极有效接触面积受限 制的核心技术问题。同时，采用本发明制得的储能膜构成的电芯制成的装置，能够在消费电 子、电力电子、智能电网、光伏/风电并网以及电动汽车等领域有重要应用。
【附图说明】
[0018] 本发明的目的、优点和特点，将通过下面优选实施例的非限制性说明进行图示和 解释。
[0019] 图1是导电颗粒嵌入示意图。
[0020] 图2是导电样机#1. 1、#1. 3与参照器件短路放电电流随时间的变化曲线图。
[0021] 图3是电极修饰后储能样机#1. 3的储电性能的重复性测试。
[0022] 图4是不同粒度的高纯粗铜粉修饰电极的储能样机#2. 1、#2. 2短路放电电流随时 间的变化曲线图。
【具体实施方式】
[0023] 如图1所示的一种增加储能膜与电极有效接触面积的方法，其特征在于包括以下 步骤：步骤①，制备储能膜。步骤②，用溶剂将储能膜的表面局部溶解后，令储能膜2表面处 于粘稠液体的状态，形成胶状流体层。步骤③，将导电颗粒3涂布在储能膜表面的胶状流体 层。步骤④，施加压力，令导电颗粒嵌入储能膜表面及亚表层。步骤⑤，压制电极片，完成正 面储能膜/电极界面1。步骤⑥，翻转储能膜，重复步骤②-⑤，完成反面储能膜/电极界 面。
[0024] 就本发明一较佳的实施方式来看，采用高分子多聚盐PSSNa(分子量约为3万） 制得厚度为〇. 1-5. Omm的储能膜，进行裁切后备用。并且，本制备方法可以参考国际专利 PCT/SG2012/000275的方法。考虑到实施的便利，本实施案例采用的储能膜样品尺寸为 7. OcmX 7. 0cm，厚度为 I. 5mm,重量为 10g。
[0025] 之后，将储能膜放置于操作台上，固定住储能膜边缘。这样，能够防止表面局部溶 解时引起储能膜卷曲变形。紧接着，在室温常压下及70%相对空气湿度的条件下，采用蒸馏 水作为溶剂，通过喷雾瓶将水均匀喷洒到5. OcmX 5. Ocm储能膜表面，静置1-10分钟后，储 能膜表面被局部溶解，形成一层〇. 1-0. 3mm厚的胶状流体层。为了便于后续导电颗粒的分 布，该胶状流体层的粘度为2000-10000cP。储能膜局部溶解时间t与相应表面物理参数的 关系如表1所7K。
[0026] 表1局部溶解后储能膜表面物理参数。
[0028] 接着，将导电颗粒粉料装入撒盐瓶中，将导电颗粒自储能膜上方l-3cm处均匀撒 布在胶状流体层，所述的撒布速度为20mg/s。对于5. OcmX 5. Ocm面积的储能膜表面来说， 分布的导电颗粒总用量约为1.5-3g。在此期间，由于膜表面呈现湿软粘稠液态状，导电颗 粒在自身重力及外加压力作用下嵌入储能膜表面及亚表层，与膜体形成三维的接触。因为 导电颗粒的比表面积大，通过上述方法得到的储能膜及导电颗粒接触面的有效面积大大增 加。同时，为了便于实施，导电颗粒平均粒径约为0. 3-1. 7_，导电颗粒为石墨颗粒。
[0029] 随后，使用玻璃棒反复局部轻压储能膜表面，使撒布的导电颗粒继续嵌入胶状流 体层，增强与储能膜的接触，重复步骤③，直到导电颗粒在储能膜上形成一层连续致密的导 电层。在此期间，若导电层不紧凑和平整，选用表面光滑的刚性片材（如玻璃片等）压在导 电层上，施加0. 05-0. 50N/cm2的压力，压实导电层。若压后导电层出现局部的不均匀，在不 均匀处继续涂布导电颗粒，然后用刚性片材压实。循环上述过程，直至得到表面平整紧凑的 导电层。
[0030] 然后，将电极片平放在分布有导电颗粒的储能膜表面，对电极片进行固定，放置到 叠层压台上，对其施加4-12N/cm2的压力并保持压力10-30秒，将电极片压制到储能膜上。 考虑到制备