一种薄型储能装置及制作工艺的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种薄型储能装置及制作工艺。所述薄型储能装置自下而上依次包括下封装层、集电极层、正极层、隔离层、负极层及上封装层；所述下封装层和上封装层由阻隔性薄膜材料制成；所述集电极层由导电材料制成；所述正极层由具有氧化性的无机活性浆料制成；所述隔离层由具有电绝缘性能的特种纸或塑料薄膜制成；所述负极层由具有还原性的金属薄膜材料制成。所述薄型储能装置的工艺相比现有技术更加简化，制作的薄型储能装置无内压、负极材料活性高、电容量和单位面积容量均有提高，电极和隔离层处于同一轴心，利于与耗能装置连接和提升能量转换效率。
【专利说明】一种薄型储能装置及制作工艺
【技术领域】
[0001]本发明涉及储能设备【技术领域】，具体涉及一种薄型储能装置及制作工艺。
【背景技术】
[0002]电化学储能装置是目前最为常见的储能装置。柱状和扣状电化学储能装置是目前广泛使用的电化学储能装置，它们的使用对应于传统的三维电子产品。伴随着具有二维薄膜片状的新型柔性印刷电子产品如射频识别标签(RFID)、柔性显示器、印刷晶体管、柔性电路以及需要薄膜柔性电源的化妆品面膜和医用药贴的出现，传统的柱状和扣状电化学储能装置因其形状结构无法改变，不能适应新型柔性印刷电子产品的连接使用。
[0003]CN103227048A公开了一种固态储能装置，该装置为电容储能器，并不具有柔性轻薄特点，难于与柔性印刷电子产品集成。CN102903923A公开了一种储能组件及其制作方法，该装置并不具有柔性轻薄特点。CN102054981A公开了一种锂电池的负极改性制作方法，主要应用于电动汽车、航天器等领域，并没有与柔性印刷电子产品产生关联。
[0004]现有电化学储能装置的负极材料通常采用活性金属及其化合物与其他导电材料的混合物，或者对活性金属及其化合物进行掺杂和改性，以此来增加负极材料的活性和转化率，但现有的负极制作方式都存在制作工艺复杂的缺陷，如需要配料、化合物掺杂改性等多个步骤，这些工序的完成需要投入大量的人力和物力。
[0005]芬兰专利FI20070584公开了一种薄膜电池(thin battery),电池负极是以金属粉末、碳粉、石墨烯以及一些胶粘剂组成混合物，负极最终以干的油墨状存在，因此负极的制作需要配料、搅拌、印刷以及干燥，工序复杂，负极中活性金属转化率不高。
【发明内容】
[0006]本发明的目的在于针对现有储能装置的不足，提出一种无内压、负极材料活性高、电容量和单位面积容量均有提高、制作工艺简单、实用性强的薄型储能装置及制作工艺。本发明薄型储能装置具有轻薄、柔软的特点，适合于与柔性印刷电子产品的集成应用。
[0007]为达此目的，本发明采用以下技术方案:
[0008]本发明的目的之一在于提供一种薄型储能装置，所述薄型储能装置自下而上依次包括下封装层、集电极层、正极层、隔离层、负极层及上封装层；
[0009]所述下封装层和上封装层由阻隔性薄膜材料制成；
[0010]所述集电极层由导电材料制成；
[0011]所述正极层由具有氧化性的无机活性浆料制成；
[0012]所述隔离层由具有电绝缘性能的特种纸或塑料薄膜制成；
[0013]所述负极层由具有还原性的金属薄膜材料制成。
[0014]本发明使用具有还原性的金属薄膜材料(例如金属箔片)作为负极材料制作薄型储能装置，比现有的使用金属粉末、金属颗粒或者导电金属油墨的储能装置在制作时更为简化，减少了搅拌、印刷、涂布以及烘干等程序。使用金属箔片作为负极材料的薄型储能装置因其活性材料的成分含量更高，其电化学转化率更高。使用金属薄膜材料制作薄型储能装置，正负电极和隔离层处于同一轴心面，利于储能装置与耗能产品的集成和应用。同时，也使得薄型储能装置的成本更加经济，具有更大的商业价值。
[0015]本发明所述的薄型储能装置由上下封装层、集电极层、正极层、隔离层和负极层组成，装置内部没有任何压力，具有轻薄、柔软、可弯曲的特点，有利于制备和规模生产，避免产品膨胀而造成爆炸。
[0016]所述下封装层和上封装层选用阻隔性能良好的薄膜材料制成，保证储能装置内部材料的封装。本发明所述的上下封装层对材料选择仅是阻隔性方面的要求，对抗腐蚀性等方面并无要求，从而避免储能装置内部产生压力。
[0017]所述正极层使用的具有氧化性的无机活性浆料，可由本领域技术人员进行选择，通常应包括具有活性的无机氧化物、胶黏剂、电解质等。
[0018]所述隔离层用于防止正极材料和负极材料直接接触形成内部短路，同时对特定的带电离子进行选择性通过。
[0019]所述负极层使用的具有还原性的金属薄膜材料，应当是活性金属材料构成的薄膜。在储能设备【技术领域】，本领域技术人员应当明了，作为负极材料使用的金属材料宜选择活性金属材料而非惰性金属材料。
[0020]以下为本发明所述薄型储能装置的优选形式，不应视为对本发明的限制。
[0021]所述阻隔性薄膜材料为塑料薄膜，优选压敏胶薄膜或热封膜，进一步优选PE、PP、PET、PEN、P1、PA、PS、PC、PMMA、PVA、ABS、PU 或 PAR 薄膜。例如 PI 压敏胶薄膜、PE 压敏胶薄膜、PET压敏胶薄膜、PET热封膜等。
[0022]所述阻隔性薄膜材料的厚度为0.01?0.1mm,例如可选择0.011?0.09mm,0.018 ?0.082mm,0.03 ?0.07mm,0.05 ?0.062mm,0.055mm 等，进一步优选为 0.025 ?
0.075mm。
[0023]所述导电材料为石墨、碳纳米管、石墨烯、炭黑或导电高分子材料中的一种或至少两种组成的导电碳浆。例如可选择石墨和碳纳米管的组合，石墨烯和炭黑的组合，炭黑和碳纳米管的组合，石墨和炭黑的组合、石墨和石墨烯的组合，碳纳米管和石墨烯的组合，石墨和碳纳米管的组合，皆可用于实施本发明。导电材料还可以选择银浆。
[0024]所述具有氧化性的无机活性浆料由二氧化锰、氢氧化镍、一价氧化银、二价氧化银、高锰酸钾或氧化镍与胶粘剂、电解质混合制成，优选由二氧化锰或氧化银与胶粘剂、电解质混合制成。
[0025]本发明所述的电解质为酸、碱或盐类化合物。所述电解质为KOH、NaOH、KCl、ZnCl2、NH4Cl ,AlCl3或NaCl中的一种或至少两种的混合物，例如可选择KOH，KCl，ZnCl2, NaCl，NaOH和ZnCl2的组合，KCl和AlCl3的组合，KOH、KCl和NH4Cl的组合等，皆可用于实施本发明。
[0026]所述隔离层的面积大于正极层及负极层。所述隔离层将正负极分隔在不同的平面，防止正负极电极部分短路。
[0027]所述隔离层的特种纸材料为高压绝缘纸、低压绝缘纸、电缆纸或电容器纸。
[0028]所述隔离层的塑料薄膜材料为PE或PP类材料。
[0029]所述隔离层的厚度为0.025?0.1mm,例如可选择0.026?0.09mm, 0.034?
0.076mm, 0.05 ?0.065mm, 0.06mm 等，进一步优选为 0.04 ?0.08mm。[0030]所述具有还原性的金属薄膜材料为锌箔、铝箔、铜箔、镍箔或铅箔。本发明采用锌箔、铝箔、铜箔、镍箔或铅箔等金属薄膜直接作为负极材料，利于制作工艺的简化。
[0031]所述金属薄膜材料的厚度为0.01?0.1mm,例如可选择0.012?0.09mm, 0.03?
0.06mm, 0.042 ?0.055mm, 0.05mm 等，进一步优选为 0.025 ?0.075mm,更优选为 0.03 ?
0.06mm。
[0032]所述薄型储能装置的总厚度为0.1?Imm,例如可选择0.11?0.98mm,0.15?
0.9mm, 0.3 ?0.82mm, 0.5 ?0.7mm, 0.65mm 等，优选为 0.4 ?0.8mm,进一步优选为 0.5 ?
0.7mm η
[0033]所述薄型储能装置的面积为0.1cm2?Im2,例如可选择0.1lcm2?0.95m2,
1.5cm2 ?0.8m2, 20cm2 ?0.3m2, 50cm2 ?300cm2, IOOcm2 等，进一步优选为 I ?100cm2。
[0034]所述薄型储能装置的形状为矩形、圆形、三角形或不规则形状。本领域技术人员可根据实际情况进行选择。
[0035]本发明的目的之二在于提供一种如上所述薄型储能装置的制作工艺，所述工艺包括以下步骤:
[0036]I)将导电材料通过印刷或涂布方法置于作为下封装层的阻隔性薄膜材料上，经过干燥后形成集电极层；
[0037]2)将具有氧化性的无机活性浆料通过印刷或涂布方法置于集电极层上，形成正极层；
[0038]3)将隔离层材料置于正极层上方，通过正极层材料具有的弱粘性将隔离层材料吸附，形成隔离层；所述隔离层材料为具有电绝缘性能的特种纸或塑料薄膜；
[0039]4)将具有还原性的金属薄膜材料置于隔离层上，形成负极层；将上述已组装的部分与上封装层的阻隔性薄膜材料进行对位贴合；可选地，对位贴合后进行热封处理。
[0040]所述阻隔性薄膜材料为压敏胶薄膜时，将具有还原性的金属薄膜材料先与作为上封装层的压敏胶薄膜进行粘贴，然后再与已组装的部分进行对位贴合。
[0041]所述薄型储能装置制成后设置正负电极。所述薄型储能装置的正负电极可以处于同一个面，也可以处于正反二面。
[0042]所述正负电极在正极层和负极层对应的区域开口设置电极孔。薄型储能装置正负电极的位置可根据需要变化，原则上讲，可以是任何位置。可以在装置中间、两端或对角，也可将电极从储能装置引出，电极孔位置可在薄型储能装置的任何地方。
[0043]所述电极孔的形状优选为圆形、方形、三角形或者不规则形状。
[0044]所述电极孔的大小优选为0.01?Icm2,例如可选择0.012?0.96cm2,0.09?
0.8cm2,0.15 ?0.7cm2,0.4 ?0.6cm2,0.52cm2 等，进一步优选为 0.1 ?0.5cm2。
[0045]正负电极也可以在正极层和负极层对应的区域通过导线引出。
[0046]本发明所述薄层储能装置正负电极的位置和形状的可变性，主要是由储能装置的层状结构决定的。储能装置中各层材料通过叠加进行，各层材料的位置可以根据具体的使用情况进行变化，通过叠加位置的改变来改变正负极的位置。电极孔形状可以根据具体的使用情况预先进行设置。
[0047]与已有技术方案相比，本发明具有以下有益效果:
[0048]1、无内压的薄膜平面储能层状结构，具有轻薄、柔软、可弯曲的特点；[0049]2、负极采用商业上易获得的廉价金属活性薄膜类材料，如锌箔、铝箔等活性金属箔；
[0050]3、薄型储能装置的电极和隔离层处于同一轴心，利于与耗能装置连接和提升能量转换效率。
【专利附图】
【附图说明】
[0051]图1是本发明所述薄型储能装置的结构示意图；
[0052]图2是所述薄型储能装置的俯视图；
[0053]图3是所述薄型储能装置上电极孔的位置示意图；(a)_ (d)示出了电极孔在薄型储能装置上4种不同的位置。
[0054]图中:1-下封装层；2_集电极层；3_正极层；4_隔离层；5_负极层；6_上封装层；7-正极电极孔；8_负极电极孔。
[0055]下面对本发明进一步详细说明。但下述的实例仅仅是本发明的简易例子，并不代表或限制本发明的权利保护范围，本发明的保护范围以权利要求书为准。
【具体实施方式】
[0056]下面结合附图并通过【具体实施方式】来进一步说明本发明的技术方案。
[0057]为更好地说明本发明，便于理解本发明的技术方案，本发明的典型但非限制性的实施例如下:
[0058]如图1所示，一种薄型储能装置，所述薄型储能装置自下而上依次包括下封装层
1、集电极层2、正极层3、隔离层4、负极层5及上封装层6。
[0059]所述下封装层I和上封装层6由阻隔性薄膜材料制成；
[0060]所述集电极层2由导电材料制成；
[0061]所述正极层3由具有氧化性的无机活性浆料制成；
[0062]所述隔离层4由具有电绝缘性能的特种纸或塑料薄膜制成；
[0063]所述负极层5由具有还原性的金属薄膜材料制成。
[0064]所述阻隔性薄膜材料为塑料薄膜，优选压敏胶薄膜或热封膜，进一步优选PE、PP、PET、PEN、P1、PA、PS、PC、PMMA, PVA, ABS, PU 或 PAR 薄膜。
[0065]所述阻隔性薄膜材料的厚度为0.01?0.1mm,进一步优选为0.025?0.075mm。
[0066]所述导电材料为石墨、碳纳米管、石墨烯、炭黑或导电高分子材料中的一种或至少两种组成的导电碳浆。所述导电材料也可以为银浆。
[0067]所述具有氧化性的无机活性浆料由二氧化锰、氢氧化镍、一价氧化银、二价氧化银、高锰酸钾或氧化镍与胶粘剂、电解质混合制成，优选由二氧化锰或氧化银与胶粘剂、电解质混合制成。
[0068]所述电解质为酸、碱或盐类化合物，优选为KOH、NaOH, KC1、ZnCl2, NH4C1、AlCl3或NaCl中的一种或至少两种的混合物。
[0069]所述隔离层4的面积大于正极层3及负极层5。所述隔离层4的特种纸材料为高压绝缘纸、低压绝缘纸、电缆纸或电容器纸。
[0070]所述隔离层4的塑料薄膜材料为PE或PP类材料。[0071]所述隔离层4的厚度为0.025?0.1mm，进一步优选为0.04?0.08mm。
[0072]所述具有还原性的金属薄膜材料为锌箔、铝箔、铜箔、镍箔或铅箔。
[0073]所述金属薄膜材料的厚度为0.01?0.1mm,进一步优选为0.025?0.075mm,更优选为 0.03 ?0.06mm。
[0074]所述薄型储能装置的总厚度为0.1?Imm,优选为0.4?0.8mm,进一步优选为
0.5 ?0.7mm。
[0075]所述薄型储能装置的面积为0.1cm2?lm2，进一步为优选I?100cm2。
[0076]所述薄型储能装置的形状为矩形、圆形、三角形或不规则形状。
[0077]一种如上所述薄型储能装置的制作工艺，所述工艺包括以下步骤:
[0078]I)将导电材料通过印刷或涂布方法置于作为下封装层I的阻隔性薄膜材料上，经过干燥后形成集电极层2;
[0079]2)将具有氧化性的无机活性浆料通过印刷或涂布方法置于集电极层2上，形成正极层3;
[0080]3)将隔离层材料置于正极层3上方，通过正极层材料具有的弱粘性将隔离层材料吸附，形成隔离层4 ;所述隔离层材料为具有绝缘性能的特种纸或塑料薄膜；
[0081]4)将具有还原性的金属薄膜材料置于隔离层4上，形成负极层5 ;将上述已组装的部分与上封装层6的隔离性薄膜材料进行对位贴合；可选地，对位贴合后进行热封处理。
[0082]所述阻隔性薄膜材料为压敏胶薄膜时，将具有还原性的金属薄膜材料先与作为上封装层6的压敏胶薄膜进行粘贴，然后再与已组装的部分进行对位贴合。
[0083]所述薄型储能装置制成后设置正负电极。
[0084]所述正负电极在正极层和负极层对应的区域开口设置电极孔；所述电极孔的形状优选为圆形、方形、三角形或者不规则形状；所述电极孔的大小优选为0.01?1cm2，进一步优选为0.1?0.5cm2 ο
[0085]正负电极也可以在正极层和负极层对应的区域通过导线引出。
[0086]如图3示出了示出了电极孔在薄型储能装置上4种不同的位置。
[0087]实施例1
[0088]将导电碳浆浆料印刷于封装层并干燥制作集电极层；将二氧化锰、胶粘剂以及KCl电解质混合制作正极层材料；隔离层材料使用PP塑料膜；将负极锌箔材料粘贴于PI压敏胶薄膜，再将其与其余部分对位贴合。
[0089]实施例2
[0090]将导电碳浆浆料印刷于封装层并干燥制作集电极层；将氢氧化镍、胶粘剂以及KOH电解质混合制作正极层材料；隔离层材料使用PP塑料膜；将负极铜箔材料粘贴于PE压敏胶薄膜，再将其与其余部分对位贴合。
[0091]实施例3
[0092]将导电碳浆浆料印刷于封装层并干燥制作集电极层；将二氧化锰、胶粘剂以及ZnCl2电解质混合制作正极层材料；隔离层材料使用特种纸；将负极锌箔材料粘贴于PET压敏胶薄膜，再将其与其余部分对位贴合。
[0093]实施例4
[0094]将银浆印刷于封装层并干燥制作集电极层；将氧化银、胶粘剂以及NH4Cl电解质混合制作正极层材料；隔离层材料使用PP塑料膜；负极层材料选用锌箔材料，将PET热封膜与已组装的部分对位贴合、热封。
[0095]本发明使用金属箔片(锌箔、铝箔、铜箔、镍箔或铅箔等)制作薄型储能装置，相比使用金属粉末、金属颗粒或者导电金属油墨的现有储能装置，其电容量和单位面积容量均有提闻。
[0096]将本发明实施例3制作的薄型储能装置与根据FI20070584提供的方法制作的选定尺寸的电池进行比较，结果如表1所示:
[0097]表1本发明薄型储能装置与FI20070584储能装置的比较
[0098]
【权利要求】
1.一种薄型储能装置，其特征在于，所述薄型储能装置自下而上依次包括下封装层(I)、集电极层(2)、正极层(3)、隔离层(4)、负极层(5)及上封装层(6); 所述下封装层(I)和上封装层(6)由阻隔性薄膜材料制成； 所述集电极层(2)由导电材料制成； 所述正极层(3)由具有氧化性的无机活性浆料制成； 所述隔离层(4)由具有电绝缘性能的特种纸或塑料薄膜制成； 所述负极层(5)由具有还原性的金属薄膜材料制成。
2.如权利要求1所述的薄型储能装置，其特征在于，所述阻隔性薄膜材料为塑料薄膜，优选压敏胶薄膜或热封薄膜，进一步优选PE、PP、PET、PEN、P1、PA、PS、PC、PMMA, PVA, ABS,PU或PAR薄膜； 优选地，所述阻隔性薄膜材料的厚度为0.01~0.1mm,进一步优选为0.025~0.075mm。
3.如权利要求1或2所述的薄型储能装置，其特征在于，所述导电材料为石墨、碳纳米管、石墨烯、炭黑或导电高分子材料中的一种或至少两种组成的导电碳浆； 优选地，所述导电材料为银浆。
4.如权利要求1-3之一所述的薄型储能装置，其特征在于，所述具有氧化性的无机活性浆料由二氧化锰、氢氧化镍、一价氧化银、二价氧化银、高锰酸钾或氧化镍与胶粘剂、电解质混合制成，优选由二氧化锰或氧化银与胶粘剂、电解质混合制成；` 优选地，所述电解质为酸、碱或盐类化合物，进一步优选为KOH、NaOH、KCl、ZnCl2、NH4Cl、AlCl3或NaCl中的一种或至少两种的混合物。
5.如权利要求1-4之一所述的薄型储能装置，其特征在于，所述隔离层(4)的面积大于正极层(3)及负极层(5)； 优选地，所述隔离层(4)的特种纸材料为高压绝缘纸、低压绝缘纸、电缆纸或电容器纸； 优选地，所述隔离层(4)的塑料薄膜材料为PE或PP类材料； 优选地，所述隔离层(4)的厚度为0.025~0.1mm，进一步优选为0.04~0.08mm。
6.如权利要求1-5之一所述的薄型储能装置，其特征在于，所述具有还原性的金属薄膜材料为锌箔、铝箔、铜箔、镍箔或铅箔； 优选地，所述金属薄膜材料的厚度为0.01~0.1mm，进一步优选为0.025~0.075mm,更优选为0.03~0.06mm。
7.如权利要求1-6之一所述的薄型储能装置，其特征在于，所述薄型储能装置的总厚度为0.1~Imm,优选为0.4~0.8mm,进一步优选为0.5~0.7mm ； 优选地，所述薄型储能装置的面积为0.1cm2~lm2，进一步优选为I~IOOcm2 ； 优选地，所述薄型储能装置的形状为矩形、圆形、三角形或不规则形状。
8.—种如权利要求1-7之一所述薄型储能装置的制作工艺，其特征在于，所述工艺包括以下步骤: 1)将导电材料通过印刷或涂布方法置于作为下封装层(I)的阻隔性薄膜材料上，经过干燥后形成集电极层(2); 2)将具有氧化性的无机活性浆料通过印刷或涂布方法置于集电极层(2)上，形成正极层(3); 3)将隔离层材料置于正极层(3)上方，通过正极层材料具有的弱粘性将隔离层材料吸附，形成隔离层(4);所述隔离层材料为具有电绝缘性能的特种纸或塑料薄膜； 4)将具有还原性的金属薄膜材料置于隔离层(4)上，形成负极层(5);将上述已组装的部分与上封装层(6)的阻隔性薄膜材料进行对位贴合；可选地，对位贴合后进行热封处理。
9.如权利要求8所述的制作工艺，其特征在于，所述阻隔性薄膜材料为压敏胶薄膜时，将具有还原性的金属薄膜材料先与作为上封装层(6)的压敏胶薄膜进行粘贴，然后再与已组装的部分进行对位贴合。
10.如权利要求8或9所述的制作工艺，其特征在于，所述薄型储能装置制成后设置正负电极； 优选地，所述正负电极在正极层和负极层对应的区域开口设置电极孔；所述电极孔的形状优选为圆形、方形、三角形或者不规则形状；所述电极孔的大小优选为0.01~Icm2，进一步优选为0.1~0.5cm2 ； 优选地，正负电极在正极 层和负极层对应的区域通过导线引出。
【文档编号】H01M2/14GK103824997SQ201410103933
【公开日】2014年5月28日 申请日期:2014年3月20日 优先权日:2014年3月20日
【发明者】张霞昌, 李守军, 王军 申请人:昆山恩福赛印刷电子有限公司