一种柔性一体化水系储能器件大规模连续制备方法技术

本发明专利技术涉及一种柔性一体化水系储能器件大规模连续制备方法，本发明专利技术利用多层涂覆技术将电极材料和电解质制备成大面积柔性电极

【技术实现步骤摘要】
一种柔性一体化水系储能器件大规模连续制备方法


[0001]本专利技术属于电化学领域，涉及一种柔性一体化水系储能器件大规模连续制备方法。

技术介绍

[0002]近年来，随着柔性电子设备的快速发展，作为其重要的供能装置，越来越多的储能器件朝着柔性可穿戴的方向发展。然而，目前的柔性储能器件一般采用“三明治”叠层结构设计，将相互独立的电极和隔膜等组件层层堆叠组装而成。独立组件的使用和由此产生的叠层构型导致各组件间仅存在简单的物理接触，很容易在形变下发生相邻组件的相对位移或分离，不利于应力或载流子的连续有效传递，导致器件电化学性能降低甚至短路。因此，柔性储能器件发展的关键在于柔性组件的制备和非传统器件结构的设计。在众多储能体系中，水系储能器件由于直接采用水溶液作为电解液，具有成本低、安全性高、环境友好等优点，成为电化学领域的研究热点。为进一步推动柔性储能器件的产业化进程，设计具有高柔性和结构稳定性的柔性水系储能器件并开发与之相匹配的大规模连续制备方法势在必行。
[0003]不同于传统叠层结构，一体化设计可以将器件的各组件包括电极、隔膜、集流体等进行集成组装，其特点在于各组件在组装过程中已形成连续无缝的界面连接，有利于应力和载流子在界面处的连续有效传递，表现出优异的结构和电化学稳定性，从而解决叠层结构柔性储能器件结构和电化学稳定性较差的问题。另外，由于一体化结构对各组件力学性能和组装工艺等具有较高要求，迫切需要开发成本低廉、工艺简单的一体化集成组装方法。其中，涂覆技术作为一种成熟的涂装工艺具有成本低、工时短、工艺简单、可规模化生产等优点，已广泛应用于各种薄膜材料或涂层的生产制造。因此，通过多层涂覆技术有望实现不同组件的连续集成组装，进一步实现柔性一体化水系储能器件的大规模连续制备。
[0004]本专利技术结合多层涂覆和辊压技术实现了不同组件的层层连续组装，成功发展了一种电极和电解质高度集成的柔性一体化水系储能器件大规模连续制备方法。该专利技术具有方法简单、可设计性强、适应性广、可大规模制备等优点，在柔性可穿戴电子器件、集成电路及通讯科技等领域有着广泛的应用前景。

技术实现思路
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[0005]本专利技术的目的是针对目前柔性储能器件在形变下结构和电化学稳定性较差且难以实现大规模制备的问题，提供一种柔性一体化水系储能器件大规模连续制备方法。该方法的关键在于利用多层涂覆结合辊压技术使器件各组件在组装过程中形成连续无缝的界面连接，确保所组装的柔性一体化水系储能器件在形变下仍能保持优异的结构和电化学稳定性。本专利技术具有方法简单、可设计性强、适应性广、可大规模制备等优点，在柔性可穿戴电子器件、集成电路及通讯科技等领域有着广泛的应用前景。
[0006]本专利技术的技术方案如下：
[0007]1.柔性电极的制备
[0008]本专利技术将电极材料均匀分散到溶剂中制备电极材料匀浆，利用涂覆技术将电极材料匀浆均匀涂覆到基底上，调节温度使溶剂快速挥发，得到柔性电极薄膜。
[0009]其中，所述的电极材料可以是碳材料(碳纳米管、石墨烯等)、MXene材料(碳化钒、碳化钛等)、导电聚合物(聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩等)、金属粉末(锰粉、铁粉、铜粉、锌粉等)、金属氧化物(钒氧化物、锰氧化物、钴氧化物等)、金属氢氧化物(氢氧化钴、氢氧化镍等)、羟基氧化物(羟基氧化铁、羟基氧化钴、羟基氧化镍)、金属酸盐(钒酸盐、锰酸盐、钛酸盐等)等。
[0010]其中，所述的分散方法可以是超声分散、磁力搅拌、机械搅拌、快速混匀法等。
[0011]其中，所述的溶剂可以是去离子水、甲醇、乙醇、丙酮、N
‑
甲基吡咯烷酮、N,N
‑
二甲基甲酰胺等与电极材料无副反应且易挥发的无机或有机溶剂。
[0012]其中，所述的涂覆法包括刮涂、喷涂、辊涂等可以将浆料涂装成膜的技术。
[0013]其中，所述的基底为具有合适表面能的高分子聚合物薄膜，可以是聚对苯二甲酸乙二酯、聚四氟乙烯、聚酰亚胺等聚合物薄膜。
[0014]其中，所述的温度范围为20
‑
100℃，调节方法可以是加热台加热、鼓风加热、室温干燥等。
[0015]2.电解质溶液的制备
[0016]将电解质和高分子聚合物按一定质量比均匀分散在溶剂中，得到电解质溶液。
[0017]其中，所述电解质可以是硫酸、磷酸等强酸；氢氧化钾等强碱；锂/钠/钾/锌/镁/铜/铁/铝的硫酸盐、磺酸盐、氯化物等中性或近中性的盐。
[0018]其中，所述高分子聚合物可以是聚乙烯醇、聚氧化乙烯等。
[0019]其中，所述溶剂为去离子水。
[0020]其中，所述的一定质量比要求高分子聚合物的质量分数不高于30％，电解质盐的浓度可为0.1
‑
21mol/L。
[0021]3.柔性电极
‑
电解质集成结构的制备
[0022]将2所述的电解质溶液直接涂覆到1所述的电极薄膜上，电解质溶液通过电极的多孔结构渗入电极内部，调节温度挥发溶剂，使电解质溶液凝胶化，进一步调节电解质溶液的用量使其在电极表面形成凝胶电解质薄膜，得到柔性电极
‑
电解质集成结构。
[0023]其中，所述的溶剂挥发温度由溶剂的性质决定，一般在20
‑
100℃。
[0024]其中，所述的电解质溶液用量可以通过涂层厚度进行调节，具体根据器件实际需要决定，可以为0.05
‑
2mm。
[0025]4.柔性一体化储能器件的组装
[0026]通过辊压装置对3所述的两个电极
‑
电解质集成结构进行辊压组装，得到具有连续无缝界面连接的柔性一体化储能器件。
[0027]其中，所述的辊压装置中两辊轴距离可根据器件的厚度进行调节，可以为0
‑
3mm。
[0028]本专利技术柔性一体化水系储能器件大规模制备方法的优点是：
[0029]1.本专利技术提出一种柔性一体化水系储能器件，解决了目前柔性储能器件在形变下结构和电化学稳定性较差的问题，如叠层结构柔性储能器件各组分相互独立，导致电极和隔膜等关键组件间仅存在简单的物理接触，在形变下很容易发生相对位移和分离，导致器件的电化学性能降低甚至短路；本专利技术的柔性一体化水系储能器件各组件间具有连续无缝
的界面连接，可以有效抵抗各种复杂形变，具有优异的柔性和结构稳定性。
[0030]2.本专利技术所涉及的电解质溶液初始为流动态，易于涂覆并可以有效渗入电极；挥发溶剂凝胶化后形成凝胶电解质薄膜，不仅可以有效桥连不同的组分层，同时还可以起到隔膜的作用，有效简化了器件结构和组装过程。
[0031]3.本专利技术利用自动涂覆结合辊压技术实现柔性一体化储能器件大规模连续制备。涂覆技术主要涉及浆料或溶液在基底上的均匀分布及成膜过程，原则上说，涂层的形状、尺寸不受限制，易于放大制备；涂层厚度可调以满足不同器件的设计需求；自动化涂覆过程制备的涂层薄膜具有厚度均匀、柔性高、机械强度高的特本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种柔性一体化水系储能器件大规模连续制备方法，其特征在于，以电极材料匀浆和电解质溶液为原料，利用多层涂覆技术，将电极材料匀浆涂覆到柔性基底上，调节温度使溶剂挥发得到柔性电极薄膜；随后将电解质溶液直接涂覆到电极薄膜表面，调节温度挥发溶剂，使电解质溶液凝胶化形成凝胶电解质薄膜，得到柔性电极
‑
电解质集成结构；最后，进一步结合自动辊压装置对两个电极
‑
电解质集成结构进行连续无缝组装，实现柔性一体化水系储能器件的大规模连续制备。2.如权利要求1所述的柔性一体化水系储能器件大规模连续制备方法，其特征在于，器件结构包括两电极和电解质，根据器件结构设计需要选择是否使用隔膜。3.如权利要求1所述柔性一体化水系储能器件大规模连续制备方法，其特征在于，电极材料均匀分散在水或有机溶剂中，包括碳材料、MXene材料、导电聚合物、金属粉末、金属氧化物、金属氢氧化物、羟基氧化物、金属酸盐中的一种或多种。4.如权利要求1所述的柔性一体化水系储能器件大规模连续制备方法，其特征在于，电解质溶液由电解质、高分子聚合物和溶剂组成，初始为流动态，挥发溶剂形成凝胶态；所述的电解质为酸、碱或盐；所述的高分子聚合物包括但不限于聚乙烯醇、聚环氧乙烯；所述的溶剂为去离子水。5.如权利要求1所述的柔性一体化水系储能器件大规模连续制备方法，其特征在于，通过涂覆技术将浆料或溶液均匀分散于基底上涂装成膜，包括但不限于刮涂、喷涂、辊涂技术中的一种或多种。6.如权利要求1所述的柔性一体化水系储能器件大规模连续制备方法，其特征在于，基底具有合适的表面能，能够使电极匀浆和凝胶电解质在其表面成膜且易于分离，包括但不限于聚对苯二甲酸乙二酯、聚四氟乙烯、聚酰亚胺中的一种聚合物薄膜。7.如权利要求1所述的柔性一体化水系储能器件大规模连续制备方法，其特征在于，通过调节温度使电极匀浆和电解质溶液中的溶剂快速挥发，温度范围为20
‑
100℃。8.如权利要求1所述的柔性一体化水系储能器件大规模连续制备方法，其特征在于，控制电极匀浆中的溶...

【专利技术属性】
技术研发人员：牛志强，姚敏杰，王瑞，
申请(专利权)人：南开大学，
类型：发明
国别省市：