[发明专利]一种金属网能量存储电极的制备方法

说明书

本发明公开了一种包括锂离子电池和超级电容器在内的能量存储装置。这种装置由特定阴极和阳极组成，其中电极材料层，聚合物电解质和封装材料在金属网状集电器上以一定的模式沉积。将该阴极和阳极电极以一定方式排列并层压，形成柔性储能装置。该装置的复合结构和有关材料涂层在金属网上的特定模式，给予该能量存储装置柔性和可折叠性。

技术领域

本发明涉及能量存储装置领域，主要包括锂离子电池和超级电容器。更具体地，本发明涉及柔性电子设备所需的柔性锂离子电池和超级电容器。

背景技术

柔性电子技术的发展需要与其柔性和可弯曲性相匹配的柔性能量存储装置。锂离子电池因其高能量密度、层状电池结构以及可能极少的液体含量，成为开发柔性能量存储装置的优先选择。超级电容器，具有高功率密度和与锂离子电池类似的单元结构，成为柔性能量存储装置的备选之一。

制备柔性储能装置的一种可行的方法是开发相应的柔性电极。人们在这一领域已经做了大量的工作，包括开发锂离子电池或超级电容器的柔性电极和聚合物电解质。开发柔性电极的一般思路是将具有合适的纳米结构的活性电极材料，嵌入柔性基材或与该柔性基材复合，而该基材具有或不具有电化学活性。例如，碳纳米管(CNT)，石墨烯，碳纤维和碳纤维布已被用作制造柔性锂离子阳极和阴极以及柔性超级电容器电极。这些柔性电极的确提高了设备的柔性，但有很大的局限性。这些层状柔性电极通常被堆叠折叠形成装置。由于结合力不足，电极层之间无法避免在反复弯曲或折叠过程中产生层离。虽然一些新的制备方法，包括层压，真空渗透，涂覆，缠绕或印刷，已尝试用于制造柔性锂离子电池或超级电容器的，形成各种形状结构的柔性储能装置，但它们似乎都不适合大规模生产。

近年来，为改善锂离子电池和超级电容器的工作性能，金属网被用作集电器来代替金属箔。Shi等人在一篇文献(Nano Energy，2014，6，82-91)中报道了一种柔性超级电容器，该超级电容器通过将碳材料沉积在不锈钢(SS)网格上，然后用这样的一对网状电极夹住一个被有机电解质溶液润湿的隔膜而得。不幸的是，由于电极和隔膜之间缺乏足够的结合力，反复弯曲可能使层状电极产生层离，而导致超级电容器故障。Chen在美国专利(US9,905,370)中公开了一种3-D锂离子电池和超级电容器，其中将超细金属网(UMM)用作集电器，电极材料薄膜和固态电解质薄膜依次沉积在超细金属网丝的表面上，形成基于UMM的电极。以固体电解质为粘合剂，将这些UMM阳极和阴极交替堆叠和层压，从而形成基于UMM的3-D能量存储设备，以实现更佳的电化学和机械性能特性。金属丝网基材与沉积在金属丝上的电极材料和聚合物电解质材料，通过层压形成一种微米复合结构，为3-D锂离子电池和超级电容器提供一定程度的柔韧性，但这种结构不足以保证实质性的可弯折性。

与常规基于金属箔为集电器的电极相比，这些金属网电极，由于较高的网孔孔隙度而允许承载更多的电极材料，使电池有更高的能量和功率密度。另外，具有孔结构和高表面积的网状基材，使电极材料层与金属基底层的结合力更强。美国专利(US 9,905,370)中公开的一种基于金属网格的能量存储装置，它的新颖结构可以显着改善装置柔性，因为这种能量存储装置是金属纤维增强的，并具有连续聚合物电解质相的复合材料。这样的结构可以提高物体的柔韧性并降低由弯折带来的电极分层的风险。然而，必须认识到，聚合物电解质一般不具有用于结构应用的机械强度，来承受柔性装置的反复弯曲或折叠。因此，这种金属网柔性能量存储装置需要进一步引入新的柔性结构特征。由于金属网的开放结构，如果引入柔性树脂封装材料作为金属网储能装置连续的、分布均匀的基体，则可以显着改善储能装置的柔性和可折叠性。

发明内容

本发明的目的是赋予金属网能量存储装置柔性和可折叠性。

本发明包括：1)应用金属网作为电极基体集电器，2)以一定的图案形式在金属网线上依次沉积电极材料和电解质涂层，来制备金属网阳极和阴极，以及3)用聚合物电解质和聚合物封装装材料作为粘合剂，通过层压图案对齐的阳极和阴极组件，并使柔性封装材料渗透到组件的开孔结构中，形成主要包括锂离子电池和超级电容器的柔性能量存储装置。