水系离子电池柔性电极及其制备方法和水系离子电池技术

本发明专利技术属于电池领域，涉及一种水系离子电池柔性电极及其制备方法和水系离子电池。水系离子电池柔性电极的制备方法包括：(1)将一定比例活性材料、粘结剂和导电剂混合，加入溶剂，搅拌均匀，干燥；(2)将所得到的前驱体与一定比例的有机溶剂混合，搅拌均匀；(3)涂布在集流体上，压实，热处理，得到水系离子电池柔性电极。本发明专利技术提供的方法对设备要求低、制备方法简单、普适性强、合成成本低廉，并且具有优异的弯折性能。本发明专利技术制备的柔性电极用于水系离子电池时具有较高的比容量和较好的循环性能。

【技术实现步骤摘要】
水系离子电池柔性电极及其制备方法和水系离子电池
本专利技术属于电池领域，涉及一种水系离子电池柔性电极及其制备方法和水系离子电池。
技术介绍
近年来，便携式电子产品如智能手机、笔记本电脑、平板电脑等不断更新换代，曲面显示屏、智能服装、电子皮肤、可植入医疗器械等越来越多的电子设备正在向着轻薄化、柔性化和可穿戴的方向发展。但是柔性电子设备需要与之相适应的轻薄且柔性的电化学储能器件。传统的刚性的锂离子电池、超级电容器等在弯曲、折叠时容易造成电极材料的脱落，不仅影响电化学性能，甚至导致短路，发生严重的安全问题。因此为了适应下一代柔性电子设备的发展，柔性储能器件成为了近几年的研究热点。所研究的方向包括柔性锂离子电池、柔性超级电容器、可伸缩锂离子电池、可伸缩超级电容器等体系。美国佐治亚理工学院的Seung等人研发了一种纸质柔性超级电容器。该超级电容器使用金属纳米颗粒在纸中涂覆纤维素纤维，创造出具备高能量和高功率密度的超级电容器电极，其最大功率和能量密度分别达到15.1mW/cm2和267.3uW/cm2。马里兰大学胡良兵团队利用3D打印技术制备了纤维型类固态锂离子柔性电池。该电池可在弯曲状态下保持稳定的电化学性能，未来可与普通织物结合，作为可穿戴电子器件的重要能源存储设备。中国科学院电工研究所超导与能源新材料研究部马衍伟课题组采用多级次石墨烯复合电极成功制备出具有宽电压窗口的柔性固态超级电容器，有效提升了器件的能量密度。但是上述的研究使用了有机电解液使得其具有可燃性，在使用过程中存在安全隐患，或者使用石墨烯、碳纳米管等比较昂贵的材料，而且使用化学气相沉积、原位水热沉积等合成方法，不适合大规模商业化。另一方面，全球的锂资源是有限的、分布不均的，因此寻求一种新型的环保储能器件尤为重要。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是提供一种水系离子电池柔性电极。该电极在机械性能上具有优异的弯折性能。此外还提供了一种柔性电极的制备方法，该方法对设备要求低、制备方法简单、普适性强、合成成本低廉。将本专利技术制备的柔性电极用于水系离子电池时具有较高的比容量和较好的循环性能。本专利技术涉及水系离子电池柔性电极及其制备方法。该制备方法包括以下步骤：(1)将一定比例活性材料、粘结剂和导电剂混合，加入溶剂，搅拌均匀，干燥。(2)将所得到的前驱体与一定比例的有机溶剂混合，搅拌均匀。(3)涂布在集流体上，压实，热处理，得到水系离子电池柔性电极。本专利技术使用的活性材料为纳米或微米材料，活性材料的粒径不大于0.5mm，优选为不大于0.1mm。活性材料选自可进行锂、钠、钾、镁离子至少一种的金属离子的嵌入和脱出的材料。粘结剂选自聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、羧甲基纤维素钠、聚丙烯腈、聚氨酯、丁苯橡胶、环氧树脂、LA132、LA133、LA135水性粘结剂等其中至少一种。导电剂选自导电炭黑、碳纳米管、石墨烯、碳纤维、活性炭、碳球、多孔炭材料、炭气凝胶其中至少一种。所述活性材料、粘结剂和导电剂的质量比为(70～90)∶(15～5)∶(15～5)。所述有机溶剂选自乙醇、乙二醇、丙醇、丁醇、异丙醇、丙酮、甲苯、二甲苯其中至少一种，优选为乙醇、丙醇、异丙醇、丙酮其中至少一种。有机溶剂和前驱体的质量比(0.05～0.5)∶1，优选为(0.1～0.2)∶1。集流体选自石墨纸、碳毡、碳纸、碳布、不锈钢网、不锈钢箔片、镍箔、铜箔、铝箔、钛箔、导电聚合物其中至少一种，优选为石墨纸、不锈钢网、镍箔、导电聚合物其中至少一种。上述集流体厚度为10～1000um，优选为20～100um。集流体可以是至少一层石墨纸、碳毡、碳纸、碳布、不锈钢网、不锈钢箔片、镍箔、铜箔、铝箔、钛箔、导电聚合物的贴合材料，或者是为了降低集流体质量对其进行拓孔处理。极片涂布后热处理温度为50～120℃，优选为60～80℃。热处理时间为3～24h，优选为8～12h。所述水系离子电池在使用柔性电极装配过程中需进行真空处理。使用上述柔性电极制备方法制备的柔性电极应用于水系离子。附图说明图1是本专利技术实施例1中使用的电极活性材料的扫描电镜(SEM)图。图2是本专利技术实施例1中制备的水系离子柔性电池的照片。图3是本专利技术实施例1中制备的水系离子柔性电池的恒电流充放电曲线图。图4是本专利技术实施例1中水系离子柔性电池的循环性能图。具体实施方式下面结合附图和具体实施方式对本专利技术作进一步详细的说明，但是本专利技术的保护范围并不局限于此。实施例1将二氧化锰、导电碳和聚四氟乙烯按照质量比为80∶10∶10混合均匀，加入N-甲基吡咯烷酮，搅拌均匀，110℃干燥12h。将得到的前驱体与无水乙醇以0.2∶1的质量比混合，搅拌均匀。然后涂在50um厚的石墨纸上，辊压后80℃干燥，得到柔性电极片。将活性炭、导电碳和聚四氟乙烯按照质量比为80∶10∶10混合均匀，加入N-甲基吡咯烷酮，搅拌均匀，110℃干燥12h。将得到的前驱体与无水乙醇以0.2∶1的质量比混合，搅拌均匀。然后涂在50um厚的石墨纸上，辊压后80℃干燥，得到柔性电极片。用上述得到的二氧化锰和活性炭柔性电极片分别作为正负极，1mol/L的硫酸钠水溶液为电解液；用玻纤作为隔膜；组装软包电池。在软包电池封口之前进行真空处理，将电池内的空气排出去，然后进行恒流充放电和循环性能测试。图1为二氧化锰正极活性材料的扫描电镜照片。所用二氧化锰颗粒为纳米颗粒，粒径约为80nm，颗粒大小比较均匀，晶型良好。图2为以上述步骤装配的柔性电池实物图。制备的柔性电池具有很好的弯折性能，而且通过真空处理，使得正负极材料间的接触较好，同时防止正负极活性材料的脱落。用组装的柔性电池进行电化学性能测试。图3是水系离子柔性电池恒电流充放电曲线图，电压能达到1.5V，在0.1A/g的电流密度下，比容量能达到65mAh/g。图4是水系离子柔性电池循环性能图，循环100次以后比容量仍能保持50mAh/g以上，库伦效率仍能保持98％以上，表现出优异的循环性能。实施例2将二氧化锰、导电碳和聚四氟乙烯按照质量比为80∶10∶10混合均匀，加入N-甲基吡咯烷酮，搅拌均匀，110℃干燥12h。将得到的前驱体与无水乙醇以0.3∶1的质量比混合，搅拌均匀。然后涂在30um厚的石墨纸上，辊压后80℃干燥，得到柔性电极片。将磷酸钛钠、导电碳和聚四氟乙烯按照质量比为80∶10∶10混合均匀，加入N-甲基吡咯烷酮，搅拌均匀，110℃干燥12h。将得到的前驱体与无水乙醇以0.3∶1的质量比混合，搅拌均匀。然后涂在30um厚的石墨纸上，辊压后80℃干燥，得到柔性电极片。实施例3将二氧化钛、导电碳和聚四氟乙烯按照质量比为80∶10∶10混合均匀，加入N-甲基吡咯烷酮，搅拌均匀，110℃干燥12h。将得到的前驱体与异丙醇以0.3∶1的质量比混合，搅拌均匀。然后涂在30um厚的石墨纸上，辊压后80℃干燥，得到柔性电极片。将磷酸钛钠、导电碳和丁苯橡胶按照质量比为80∶10∶10混合均匀，加入N-甲基吡咯烷酮，搅拌均匀，110℃干燥12h。将得到的前驱体与异丙醇以0.3∶1的质量比混合，搅拌均匀。然后涂在30um厚的石墨纸上，辊压后80℃干燥，得到柔性电极片。实施例4将二氧化钛、导电碳和聚四氟乙烯按照质量比为80∶10∶10混合均匀，加入N-甲基吡咯烷酮，搅拌均匀，110本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种水系离子电池柔性电极及其制备方法和水系离子电池，其特征在于，所述柔性电极的制备方法包括：(1)将一定比例活性材料、粘结剂和导电剂混合，加入溶剂，搅拌均匀，干燥；(2)将所得到的前驱体与一定比例的有机溶剂混合，搅拌均匀；(3)涂布在集流体上，压实，热处理，得到水系离子电池柔性电极。

【技术特征摘要】
1.一种水系离子电池柔性电极及其制备方法和水系离子电池，其特征在于，所述柔性电极的制备方法包括：(1)将一定比例活性材料、粘结剂和导电剂混合，加入溶剂，搅拌均匀，干燥；(2)将所得到的前驱体与一定比例的有机溶剂混合，搅拌均匀；(3)涂布在集流体上，压实，热处理，得到水系离子电池柔性电极。2.根据权利要求1所述的水系离子电池柔性电极及其制备方法，其特征在于，活性材料为纳米或微米材料，活性材料的粒径不大于0.5mm，优选为不大于0.1mm。3.根据权利要求1所述的水系离子电池柔性电极及其制备方法，其特征在于，活性材料选自可进行锂、钠、钾、镁离子至少一种的金属离子的嵌入和脱出的材料；粘结剂选自聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、羧甲基纤维素钠、聚丙烯腈、聚氨酯、丁苯橡胶、环氧树脂、LA132、LA133、LA135水性粘结剂等其中至少一种；导电剂选自导电炭黑、碳纳米管、石墨烯、碳纤维、活性炭、碳球、多孔炭材料、炭气凝胶其中至少一种。4.根据权利要求1和2所述的水系离子电池柔性电极及其制备方法，其特征在于，所述活性材料、粘结剂和导电剂的质量比为(70～90):(15～5):(15～5)。5.根据权利要求1所述的水系离子电池柔性电极及其制备方法，其特征在于，所述有机溶剂选自乙醇、乙二醇、丙醇、丁醇、异丙醇、丙酮、...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄杜斌，李爱军，田波，杨扬，姚俊超，高雪鑫，
申请(专利权)人：北京金羽新能科技有限公司，
类型：发明
国别省市：北京,11