柔性器件及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于柔性器件技術(shù)領(lǐng)域，特別設(shè)及一種柔性器件及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 1991年，日本索尼公司創(chuàng)造性的采用炭材料作為裡離子電池陽極材料，為裡離子 電池領(lǐng)域帶來了革命性的變化；自此之后，裡離子電池技術(shù)迅猛發(fā)展，在移動電話、攝像機、 筆記本電腦W及其他便攜式電器上面大量運用。裡離子電池具有諸多優(yōu)點，例如電壓高、體 積小、質(zhì)量輕、比能力高、無記憶效應(yīng)、無污染、自放電小、循環(huán)壽命長等，是二十一世紀(jì)理想 的移動電器電源、電動汽車電源W及儲電站用儲電器。
[0003] 但隨著電子器件朝著個性化方向發(fā)展，大量創(chuàng)造性電子產(chǎn)品迅速涌現(xiàn)而出：如智 能手表、智能眼鏡、智能手環(huán)等可穿戴設(shè)備在短短幾年時間內(nèi)相繼出現(xiàn)并獲得廣大消費者 的認可。與傳統(tǒng)電子產(chǎn)品不同，運類電子產(chǎn)品具有外形非規(guī)則、柔性等特征，因此對運些電 子產(chǎn)品的供電部件（即電池）提出了新的要求：非規(guī)則、柔性等。
[0004] 對于柔性器件，在來回的彎折過程中，器件內(nèi)部界面將受到嚴峻的挑戰(zhàn)；而電化學(xué) 器件，界面反應(yīng)是影響其性能的決定性因素之一；因此要保證柔性器件具有優(yōu)良的電化學(xué) 性能，必須確保該器件具有優(yōu)良的界面粘接力。 陽0化]于2013年7月4公布的美國專利申請公開號2013/0171490A1公開了一種柔性電 池組，通過上、下疊層將一系列電池排列，并通過電池之間的粘附劑將上下粘附層粘合而使 電池隔離，從而制備柔性電池組。但是運種設(shè)計的柔性電池組在彎折時，由于頂部層及底部 層硬性較強，受應(yīng)力影響，柔性電池組的彎折程度及抗疲勞強度受到很大的限制，影響柔性 電池組性能的發(fā)揮；粘結(jié)劑在一定的彎曲角度和彎曲次數(shù)后，粘接強度會下降，導(dǎo)致其牢靠 性變差，而且在與粘結(jié)劑相近的非粘結(jié)區(qū)域由于作用力不一致容易產(chǎn)生疲勞，對柔性電池 組的安全性能有風(fēng)險。并且該方法需要控制粘附劑的粘接強度和每個區(qū)域使用量的均一， 量產(chǎn)的難度很大。
[0006] 有鑒于此，確有必要提供一種新的柔性器件，使得其具有優(yōu)異的界面粘接力，即使 經(jīng)過多次彎折后仍然緊密粘接，從而制備出性能優(yōu)良的柔性器件。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明的目的在于：針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，而提供一種柔性器件，本發(fā)明采用多孔 集流體，使得活性物質(zhì)完全或部分嵌入多孔集流體的孔結(jié)構(gòu)中，從而增加集流體與活性物 質(zhì)之間的粘接力，確保柔性器件在彎折過程中界面緊密粘接；因此制備出來的柔性器件具 有更加優(yōu)異的柔性及電化學(xué)性能。
[000引為了達到上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：
[0009] 一種柔性器件，包括一片正極片、一片負極片和隔離膜，所述正極片由正極活性物 質(zhì)和正極集流體組成，所述正極集流體由多孔結(jié)構(gòu)層和基體層組成，所述多孔結(jié)構(gòu)層附著 于所述基體層表面；
[0010] 所述多孔結(jié)構(gòu)層包括孔結(jié)構(gòu)區(qū)和非孔區(qū)，所述孔結(jié)構(gòu)區(qū)和非孔區(qū)的體積分別為 VI、V2,且Vl/(V1+V2) > 10%，此時集流體中含有足夠的孔桐，提供了存儲活性物質(zhì)的空 間；
[0011] 所述正極活性物質(zhì)分布于所述多孔結(jié)構(gòu)層的孔結(jié)構(gòu)中或所述多孔結(jié)構(gòu)層的非孔 區(qū)的表面，分布于所述多孔結(jié)構(gòu)層的孔結(jié)構(gòu)中的活性物質(zhì)的質(zhì)量為W1，分布于所述多孔結(jié) 構(gòu)層的非孔區(qū)表面的活性物質(zhì)的質(zhì)量為W2,且Wl/(W1+W2) > 10%，此時活性物質(zhì)部分或全 部的填入所述多孔集流體的孔桐中。
[0012] 作為本發(fā)明柔性器件的一種改進，所述基體層兼具導(dǎo)電能力及隔水能力為金屬單 質(zhì)、金屬與金屬合金、金屬與非金屬合金中的至少一種，或者為金屬單質(zhì)或其合金與其他材 料形成的復(fù)合材料，并且所述基體層的厚度為h，且h大于或等于1ym，集流體足夠厚，便與 得到具有一定深度的孔桐，用于負載活性物質(zhì)。
[0013] 作為本發(fā)明柔性器件的一種改進，所述集流體的多孔結(jié)構(gòu)層的厚度為a,且 5ym《a《1000ym，多孔結(jié)構(gòu)層厚度過大時，會增加離子擴散路徑，使得電池的倍率性能 變差；所述多孔結(jié)構(gòu)層的孔等效直徑為d(等效孔直徑是指將孔面積換算成一個圓面積時， 所述圓的直徑），且0. 1ym《d《2cm，等效直徑過小，無法填充足夠的活性物質(zhì)，等效直徑 過大，無法充分的展現(xiàn)孔結(jié)構(gòu)對活性物質(zhì)的固定作用，且會影響電極的電子電導(dǎo)；所述多孔 結(jié)構(gòu)層的孔壁厚度為b，且0.OlJim《b《Icm;所述多孔結(jié)構(gòu)層的孔長度為以且L《4曰， 孔深度過大時，必定增加填充在孔結(jié)構(gòu)中活性物質(zhì)的離子傳輸路徑，從而影響電池的倍率 性能；所述多孔結(jié)構(gòu)層為金屬單質(zhì)、金屬與金屬形成的合金、金屬與非金屬形成的合金和導(dǎo) 電聚合物中的至少一種，或者為金屬單質(zhì)、合金、導(dǎo)電聚合物與其他材料形成的復(fù)合材料。
[0014] 作為本發(fā)明柔性器件的一種改進，10Jim《h《100Jim，20Jim《a《500Jim， 0. 6ym《d《lcm，0. 05ym《b《10mm，L《2a;所述多孔結(jié)構(gòu)層的孔形狀為圓形、楠圓 形、多邊形、非規(guī)則形狀（如線段與弧線構(gòu)成的孔桐等）中的至少一種。 陽01引作為本發(fā)明柔性器件的一種改進，V1/(V1+V2) > 50% ;W1/(W1+W2) > 50%。
[0016] 作為本發(fā)明柔性器件的一種改進，所述正極活性物質(zhì)中還含有導(dǎo)電劑或/和粘 接劑；所述多孔結(jié)構(gòu)層具有導(dǎo)電能力，且所述孔結(jié)構(gòu)區(qū)的孔桐貫穿整個所述多孔結(jié)構(gòu)層； 所述多孔結(jié)構(gòu)層與所述基體層之間設(shè)置有導(dǎo)電粘接層，且所述導(dǎo)電粘接層的厚度為C， C《1Jim。
[0017] 作為本發(fā)明柔性器件的一種改進，所述金屬包括Mg、Ca、Sr、Ba、Ra、Al、Ga、In、Ge、 Sn、Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、化、Zn、Y、Zr、Nb、Mo、Ru、化、Pd、Ag、Cd、La、W、Pt、Au、Ce、 Pr、Nd、Sm、化、Gd、化、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu中的至少一種；所述非金屬包括H、B、C、N、0、 Si、P、S、As、Se、Te、F、Cl、Br、I中至少一種；所述其他材料為高分子復(fù)合材料，所述高分子 復(fù)合材料為由所述非金屬元素形成的分子量在200W上的有機物，包括聚化咯（PPy)、聚苯 胺（PANi)、聚丙締臘（PAN)、聚乙撐二氧嚷吩牌DOT)、聚環(huán)氧乙燒牌0)和聚乙二醇（PEG) 中的至少一種。
[0018] 作為本發(fā)明柔性器件的一種改進，所述導(dǎo)電聚合物包括聚嚷吩及其衍生物、聚化 咯及其衍生物、聚苯胺及其衍生物、聚乙烘、導(dǎo)電膠中的至少一種。
[0019] 作為本發(fā)明柔性器件的一種改進，所述正極活性物質(zhì)包括裡鉆氧化物、裡儀氧化 物、裡儘氧化物、裡鐵氧化物、裡饑氧化物、硫或硫化物/硫復(fù)合物陰極材料、=元或多元復(fù) 合化合物和聚陰離子陰極材料中的至少一種；所述導(dǎo)電劑包括導(dǎo)電碳黑、超級導(dǎo)電碳、碳納 米管、科琴黑、石墨締中的至少一種；所述粘接劑包括共聚四氣乙締、均聚四氣乙締、下苯橡 膠、簇甲基纖維素鋼、聚丙締酸、聚丙締氯、聚乙締醇、聚締控、氣化橡膠、聚胺醋中的至少一 種。
[0020] 本發(fā)明還包括一種柔性器件的制備方法，主要包括如下步驟：
[0021] 步驟1，多孔集流體制備：制備多孔結(jié)構(gòu)層，布置于基材表面，使得多孔結(jié)構(gòu)層附 著于基材表面且電子導(dǎo)通，得到多孔集流體；
[0022] 步驟2,正極片制備：將正極活性物質(zhì)布置于步驟1所述多孔集流體的多孔結(jié)構(gòu)層 一側(cè)，得到正極片；
[0023] 步驟3,柔性器件組裝：將上述正極片與隔離膜、負極片組裝，化成、整形得到柔性 器件。
[0024] 作為本發(fā)明柔性器件的制備方法的一種改進，其特征在于，步驟1所述的多孔結(jié) 構(gòu)層為直接制備（即在集流體制備成型過程中便已經(jīng)形成多孔結(jié)構(gòu)）得到多孔結(jié)構(gòu)層，或 無孔材料通過刻蝕制備得到多孔結(jié)構(gòu)層；所述刻蝕包括激光燒蝕、化學(xué)刻蝕、量子轟擊中的 至少一種；步驟3所述的負極片的集流體可W為多孔集流體。
[0025] 此外，為了增加本發(fā)明柔性器件抗磨損性能，還可W在作為封裝材料的集流體表 層增加一層聚合物層，如聚乙締、尼龍層等，同時該保護層還能起到隔絕電子的目的。
[00%] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明柔性器件及其制備方法具有如下優(yōu)點：
[0027] 1.使用多孔集流體的孔桐存儲部分正極活性物質(zhì)，可W減少涂敷于集流體表面的 活性物質(zhì)量，從而降低表面活性物質(zhì)涂層厚度，增加表面涂層與集流體的附著力；
[0028] 2.使用多孔集流體，可W增加電極涂層與集流體的接觸面積，從而增加集流體與 涂層之間的粘接力；
[0029] 3.使用多孔集流體，孔桐中的活性物質(zhì)與集流體表層的活性物質(zhì)構(gòu)成一個有機整 體，其與集流體之間構(gòu)成単卯結(jié)構(gòu)，可W極大的增加兩種之間的粘接強度；
[0030] 4.由于該多孔集流體分為多孔結(jié)構(gòu)層和基體層，制備多孔層時，制備工藝非常簡 單，得到的孔均勻性好；而基體層可W起到電池封裝材料及集流體的雙重作用，阻隔水氣進 入電池內(nèi)部的同時進行電子電導(dǎo)及電子收集；兩種復(fù)合后的集流體具有更加優(yōu)異的性能。
【具體實施方式】
[0031] 下面結(jié)合【具體實施方式】對本發(fā)明及其有益效果進行詳細說明，但本發(fā)明的實施方 式不限于此。 陽0巧 比較例1
[0033] 集流體制備：選擇厚度為100 y m的侶錐為集流體待用。
[0034] 正極片制備：W硫-多孔碳為正極活性物質(zhì)（硫的負載量為70%)，PVDF為粘接 劑、Supper-P為導(dǎo)電劑者質(zhì)量比例為