一种极片、储能器件及其制备方法
【专利说明】
【技术领域】
[0001]本发明涉及电化学领域，特别是涉及一种极片、储能器件及其制备方法。
【【背景技术】】
[0002]进入21世纪后，新型绿色能源的寻找与开发已经成为应对能源枯竭、环境恶化两大问题的最佳选择，目前新型绿色能源主要有太阳能，风能，核能等。储能器件则是一种常见的能够更好地将能源进行储存转换的器件，已经成功的应用在运输工具、无线通讯设备、电网、消费电子产业等领域。
[0003]目前的储能器件，例如电池、电容器、超级电容器等，一般包括正极片、负极片、隔膜、电解液和外壳。制备时，首先在集流体(铜箔、铝箔)上涂覆活性物质材料分别制得正极片和负极片，然后将正极片、隔膜、负极片层叠卷绕后装入外壳中，最后在外壳中注入电解液。制得的储能器件，极片隔膜的截面结构呈层叠的三明治层状结构，整个结构置于电解液中。目前这种储能器件在应用的过程中，存在的主要问题有:第一，尺寸、体积较大，不能满足目前电子设备轻薄化、小型化发展的应用需求。第二，可靠性较差，在受到外界压力、振动时器件的电学性能显著下降，抗压力性能较差。另外在外界冲击时经常出现电解液泄漏的问题。除此之外，作为一种储能的元件，如何提升储能器件的电学性能也是人们努力的方向。
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【发明内容】
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[0004]本发明所要解决的技术问题是:弥补上述现有技术的不足，提出一种极片、储能器件及其制备方法，制得的极片制成储能器件时，具有可剪裁性，可满足小型化、个性化的应用需求，且器件还具有高可靠性及快速充放电特性。
[0005]本发明的技术问题通过以下的技术方案予以解决:
[0006]一种储能器件的制备方法，其特征在于:包括以下步骤:1)准备多个集流体和疏水性树脂胶，在所述集流体上形成疏水性树脂胶网格；2)分别制备正极活性物质材料、负极活性物质材料，将正极活性物质材料填充到集流体的树脂胶网格的各单元格空间内，制得正极片；将负极活性物质材料填充到集流体的树脂胶网格的各单元格空间内，制得负极片；3)制备胶体状电解质，将所述胶体电解质分别覆盖到所述正极片、负极片的各单元格空间内的所述活性物质材料上；4)将步骤3)得到的正极片与负极片相对热压制得储能器件，或者将正极片或者负极片与另一片表面涂覆有活性物质的集流体相对热压制得储能器件。
[0007]一种用于储能器件中的极片的制备方法，其特征在于:包括以下步骤:1)准备集流体和疏水性树脂胶，在所述集流体上形成疏水性树脂胶网格；2)制备活性物质材料，将活性物质材料填充到所述树脂胶网格的各单元格空间内，制得极片。
[0008]一种极片，包括集流体，树脂胶网格和活性物质材料；所述树脂胶网格为疏水性的树脂胶网格，设置在集流体上，所述活性物质材料设置在所述树脂胶网格的各单元格空间内。
[0009]一种储能器件，包括对位热压在一起的正极材料和负极材料；所述正极材料和负极材料均包括极片和胶体电解质，或者，所述正极材料和负极材料中的一者包括极片和胶体电解质，另一者为表面涂覆有活性物质的集流体；所述极片为如上所述的极片，所述胶体电解质设置在所述极片的树脂胶网格的各单元格空间内的活性物质材料上。
[0010]本发明与现有技术对比的有益效果是:
[0011]本发明的极片、储能器件的制备方法，先在集流体上形成树脂胶网格、然后将活性物质材料和胶体状电解质依次填充到各单元格空间内制得极片。该极片与另一相同结构的极片或者另一普通结构的极片对位热压即可形成储能器件。由于采用上述方式制成，树脂胶网格中各单元格空间内即构成独立的子储能单元，且无需外壳，整体尺寸较小，且更轻薄。同时具有可裁剪性，可按照需求裁剪成任意大小、尺寸的储能器件，可满足目前电子设备轻薄化、小型化、个性化的应用需求。而且，由于结构上的整体改进，省去了隔膜的使用，从而大大提高器件的离子迀移速率，有效提高器件的充放电速率；胶体状的电解质填充在树脂胶网格形成的密闭单元内，可有效防止电解质泄漏的问题。另外，树脂胶骨架网格具有良好力学性能，可有效限制活性物质和电解质，从而在受到强烈外力时，仍能有效维持器件结构，防止器件短路，具有良好的可靠性。
【【附图说明】】
[0012]图1是本发明【具体实施方式】的制备极片的过程示意图；
[0013]图2是本发明【具体实施方式】的步骤2)处理后的集流体的俯视图；
[0014]图3是本发明【具体实施方式】的步骤3)处理后的集流体的俯视图；
[0015]图4是本发明【具体实施方式】的两个极片对位热压时的示意图；
[0016]图5是本发明【具体实施方式】的实施例3的集流体沉积活性物质后的表面扫描电镜图；
[0017]图6是本发明【具体实施方式】的实施例3的集流体沉积活性物质后的截面扫描电镜图；
[0018]图7是本发明的【具体实施方式】的测试储能器件的耐冲击性能的电路图；
[0019]图8是本发明的【具体实施方式】的测试储能器件的剩余比容量测试结果图。
【【具体实施方式】】
[0020]下面结合【具体实施方式】并对照附图对本发明做进一步详细说明。
[0021]如图1所示，为本【具体实施方式】的极片制备过程示意图，包括以下步骤:
[0022]I)准备集流体和疏水性树脂胶，在集流体I上形成疏水性树脂胶网格3。
[0023]该步骤中，集流体I可选用铜箔、铝箔、钛片，不锈钢网，不锈钢片，镍片，铜片，石墨片，碳纳米管纸，石墨纸或ITO膜，厚度为5-1000 μ m?树脂胶3则使用任何疏水性的树脂胶即可，优选地，使用聚氨酯(PU)、聚乙烯醋酸酯(EVA)或聚丙烯酸酯(PA)作为此处的疏水性树脂胶。可通过三维打印、孔板印刷、压印的方式在集流体I上形成疏水性树脂胶网格
3。另外，也可直接将环氧树脂半固化片用刻刀蚀刻成环氧树脂半固化片网格骨架，然后将网格贴在集流体上，并借助烘烤等方式加强半固化片与集流体之间的粘结力即可。
[0024]优选地，通过如下压印的方式形成树脂胶网格:将具有流动性的树脂材料均匀涂覆在压印块上，将所述压印块压在所述集流体上，移除所述压块，在所述集流体上形成网格，然后沿所述网格喷洒热熔胶粉，形成热熔胶网格。喷洒时，将一定量的热熔胶粉均匀覆盖在集流体表面上，放置3-5分钟后，用氮气枪将单元格内的热熔胶粉吹走，仅保留网格上热熔胶粉，从而通过树脂胶网格吸附热熔胶粉形成热熔胶网络，并置于室温下1-3小时。通过压印的方式形成上述网格，效率高，且能有效控制成本。而通过涂刷胶体网格加吸附热熔胶粉的方式形成热熔胶网格，使得网格较“坚实”，从而更好地提高制备形成的储能器件的可靠性。上述压印过程中，压印块可选用压印效果较好的聚四氟乙烯压印块。
[0025]2)制备活性物质材料，将活性物质材料填充到所述树脂胶网格的各单元格空间内。如图1所示，集流体I上的树脂胶网格3的各单元格内填充有活性物质材料5。如图2所示，为该步骤处理后的集流体的俯视图。
[0026]该步骤中，可通过电化学沉积、流延、喷涂或刮涂方式将活性物质材料5填充到树脂胶网格3的各单元格空间内。
[0027]例如，电化学沉积时，配制一定浓度的活性物质对应的沉积溶液，使用超声处理得到分散均匀的沉积溶液；将上述表面具有树脂胶网格3的集流体I作为工作阳极或阴极，与相应的对电极一起插入上述的沉积溶液中，在工作阳极及阴极之间施加电压，从而在所述集流体I的网格内沉积活性物质5。沉积后的集流体取出，用去离子水清洗，然后干燥。需说明的是，采用电化学沉积方式填充活性物质时，活性物质材料仅沉积于导电区域，也即仅沉积于单元格空间内的集流体上，而不会沉积在树脂胶网格上。
[0028]流延、喷涂或者刮涂时，将活性物质、粘结剂及导电剂溶解于溶剂中，配成分散均匀的浆料，随后再用流延机、静电喷涂装置或刮涂器将浆料均匀覆盖到集流体表面，在30?120°C下放置0.5-12小时，以释放应力和蒸发溶剂，从而在集流体的网格单元格内形成活性物质材料层。
[0029]按照上述方式，将正极活性物质材料填充到集流体的树脂胶网格的各单元格空间内，即制得正极片；将负极活性物质材料填充到集流体的树脂胶网格的各单元格空间内，即制得负极片。
[0030]制得极片后，按照以下步骤处理制得储能器件:
[0031]3)制备胶体状电解质，将胶体电解质填充到树脂胶网格的各单元格空间内的所述活性物质材料上。如图1所示，集流体I上的树脂胶网格3的各单元格内的活性物质材料5上填充有胶体电解质7。如图3所示，为