CN104810154A - 基于电荷存储型驻极体材料的透明柔性电池 - Google Patents

Abstract

本发明涉及基于电荷存储型驻极体材料的透明柔性电池，由底电极、电荷存储层、顶电极依次叠加而成。所述的电荷存储层为电荷存储型驻极体，所述的底电极和顶电极为透明柔性电极。本发明的得益效果在于：1.该电池以电荷存储型驻极体作为电荷存储层，充放电过程不涉及化学反应，实现了电能的直接存储与释放，可反复充电，能量损失少；同时充放电对内部结构无破坏，使用寿命长；2.底电极、顶电极、电荷存储层均为柔性透明、可回收的材料，制成的电池具有柔性透明、绿色环保、不易损坏的特点。

Description

基于电荷存储型驻极体材料的透明柔性电池

技术领域

本发明涉及基于电荷存储型驻极体材料的透明柔性电池，属于新能源技术领域。

背景技术

人类社会长期以来依赖化石能源，但随着全球能源危机加剧，寻找绿色环保、可持续的新能源成为现在科研领域的热点。目前最具有发展前景的是用电能代替化石能源，因而高性能的储能电池成为各国研发的重点。

目前储能电池主要有锂离子电池和燃料电池。锂离子电池是指以锂离子嵌入化合物为正极材料的一类电池的总称，工作原理基于“氧化-还原反应”和“嵌入/脱嵌反应”。燃料电池是一种把燃料所具有的化学能直接转换成电能的化学装置，现在已经发展到第三代固体氧化物燃料电池(SOFC)，其主要工作部分由空气电极(阴极)，固体电解质和燃料电极(阳极)所组成。

要大规模推广电动产品，就必须发明高效、环保、轻便的大容量储能电池，而且对具体领域还需要满足特定的要求，如逐渐兴起的电动汽车，现在面临的瓶颈是如何获得能够快速充电、大容量的环保电池；还有目前大量出现的可穿戴设备和便携设备，如智能手机、平板电脑、Google眼镜、智能手环等，对体积小、重量轻、安全可靠、能量密度高的柔性微型电池需求更加迫切。

发明内容

针对目前锂电池和燃料电池存在的不足，本发明提出了基于电荷存储型驻极体材料的透明柔性电池，该电池具有柔性透明、绿色环保、不易损坏、能量密度高、充电快速等优点。该电池由底电极、电荷存储层、顶电极依次叠加而成，所述的电荷存储层为电荷存储型驻极体，驻极体是指在除去电压后能继续保留电极化状态的一类介电体。驻极体材料可分为有机材料、无机材料、复合材料和生物材料。驻极体所带的局部净电荷分为偶极电荷和空间电荷，其中偶极电荷是材料本身的极性单元在电场中取向而形成的极化电荷；空间电荷可以是材料在外场的激发作用下，产生的宏观或微观尺度上的电荷分离，也可以是外部注入的电荷。这类可存储外部注入电荷的驻极体材料我们称之为电荷存储型驻极体，本发明即是以该种聚合物有机驻极体作为电荷存储层。

本发明所列举的驻极体材料为PVA(聚乙烯醇)，其电荷存储寿命长、易溶于水、可降解，是一种理想的电荷存储材料，除此之外，聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚偏氟乙烯(PVDF)、聚四氟乙烯(PTFE)等其他具有存储电荷特性的驻极体也可作为存储层。所述的底电极和顶电极为透明柔性电极，通过在柔性衬底上生长透明导电薄膜制成透明柔性电极，本发明所列举的电极是用磁控溅射技术在PET(聚乙烯对苯二甲酯)衬底上生长的氧化铟锡(ITO)薄膜，还可以用溶胶凝胶法或溅射法在聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚碳酸酯(PC)、聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)等柔性衬底上生长透明导电薄膜制成的透电极。本发明通过在底电极和顶电极上旋涂PVA制备电荷存储层，然后真空退火将两电极上的PVA粘合在一起，完成电池的组装。

技术方案

1)将PET衬底先用去污粉擦洗，然后用分别用去离子水，乙醇超声清洗，最后放在酒精蒸汽中干燥；

2)把PET薄膜放到溅射台上，设置溅射台转速，溅射腔通入氩气和氧气的混合气，调整系统压强和溅射功率，设定溅射时间，开始溅射；

3)称取一定量的PVA颗粒和去离子水，按比例混合，水浴加热搅拌，待PVA颗粒完全溶解后，继续加热使溶液中气泡消除，然后放于室温下自然冷却；

4)打开匀胶机，设置高低转速和时间。将制备好的柔性电极ITO面向上放在吸头上，用取液器抽取PVA溶液，均匀滴加在片子上，盖上盖子开始旋涂；

5)重复上述步骤制作其他片子；

6)两片旋涂好的片子有PVA的一面对齐叠放在一起，然后放入真空干燥箱中抽真空退火。

技术分析

本发明用电荷存储型驻极体作为电荷存储层，在外加电场下驻极体很容易被极化，且该驻极体内部存在大量陷阱，在外电场作用下快速俘获电荷，外电场撤去后俘获的电荷释放缓慢。以本发明所用的驻极体PVA为例，PVA内部存在大量电子陷阱，当在两电极间施加电压，在外电场的作用下，电子迅速注入PVA，电子被陷阱俘获，完成快速充电，由于PVA极化后产生的内电场，俘获的电子缓慢释放，电池接入负载后可以释放稳定的电流。该电池不需要借助化学反应，实现了电能的直接转化，充电快速，充放电对内部结构无破坏，可反复充电，使用寿命长；电池材料为可回收利用材料，绿色环保；另外，电极和电荷存储层都是柔性透明材料，具有可弯折性，为可穿戴设备的进一步发展提供了条件。

附图说明

图1为所制备的基于电荷存储型驻极体材料的透明柔性电池的结构简图。1为底电极，它包括①PET薄膜和②ITO薄膜；2为顶电极，同样包括⑤ITO薄膜和⑥PET薄膜；③为底电极上的PVA薄膜，④为顶电极上的PVA薄膜，③和④退火后粘合在一起就形成了电荷存储层3。

具体实施方式

实施例1：

1)将①和⑤用去污粉反复擦洗，直到擦除表面污物；

2)擦洗后将①和⑤浸入去离子水中超声清洗15min；

3)将①和⑤放入乙醇中超声清洗15min；

4)清洗结束后放入酒精蒸汽中干燥。

实施例2：

1)将ITO靶材安放在溅射台上支架上，所用靶材为ITO陶瓷靶材(In₂O₃∶SnO₂＝90∶10，纯度为99.9900％)，ITO靶材直径为76mm、厚度5mm；

2)调整靶材到①的距离为15cm，衬底转速设为30r/min；

3)关闭真空室后开始抽真空，当真空室压强达到3×10³Pa时，通入氩气和氮气的混合气，实验时控制沉积压强为1.0-2.5Pa；

4)溅射功率设为100w，衬底温度为室温，每次溅射之前都预先在氩气中预溅射5min左右除去靶表面氧化物；

5)开始溅射，时间为60min；

6)按照同样步骤在⑥上制作⑤。

实施例3：

1)用电子称称取一定量的PVA颗粒，将PVA颗粒与去离子水在小烧杯中按1∶5的比例混合；

2)将小烧杯放入水浴锅中，水浴温度为70-80℃，边加热边搅拌PVA溶液，搅拌30分钟，PVA颗粒逐渐溶解，同时溶液变得粘稠；

3)待PVA完全溶解后，继续加热，使溶液中的气泡完全消除然后将PVA溶液放于室温下自然冷却。

实施例4：

1)打开气泵，设置匀胶机转速，低速转为410r/min，时间9s，高速转为3000r/min，时间为40s；

2)将制备好的②面朝上放于吸头上，打开吸片；

3)用取液器抽取制备好的PVA溶液均匀滴加在②上，盖上盖子，开始旋涂③；

4)停止后取下片子，按照相同步骤制作在⑤上制作④。

组装：

实施例5：

1)取旋涂好③和④的片子，③和④对齐叠加在一起，然后放入真空看干燥箱；

2)打开机械泵，干燥箱抽真空后，加热到80℃，真空退火6h。

Claims (6)

1.基于电荷存储类驻极体材料的透明柔性电池，主要是由底电极、电荷存储层、顶电极依次叠加而成的薄膜层状结构，其特征在于：利用电荷存储类驻极体作为电荷存储层，实现快速充电，该电池电流稳定、可反复充电。底电极、顶电极和电荷存储层均由柔性透明的绿色环保材料制成，该电池整体具有柔性透明、绿色环保、不易损坏、能量密度高、充电快速的优点。

2.根据权利要求1所述的基于电荷存储类驻极体材料的透明柔性电池，其特征在于：底电极和顶电极的衬底都是柔性透明的，本发明只列举了聚乙烯对苯二甲酯(PET)薄膜衬底，还应包括聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)薄膜、聚碳酸酯(PC)薄膜、聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)薄膜等透明柔性衬底。

3.根据权利要求1所述的基于电荷存储类驻极体材料的透明柔性电池，其特征在于：底电极和顶电极的导电薄膜都为透明导电氧化物薄膜，本发明只列举了氧化铟锡(ITO)薄膜，还应包括氧化铝合铜(CuAlO₂)、氧化锌(ZnO)等透明导电薄膜。

4.根据权利要求1所述的基于电荷存储类驻极体材料的透明柔性电池，其特征在于：底电极和顶电极通过在柔性衬底上溅射导电薄膜制成电极，本发明只列举了在PET上溅射的ITO薄膜制成的电极，还应包括用溶胶凝胶法或溅射法在柔性衬底上生长透明导电薄膜制成的透明柔性电极。

5.根据权利要求1所述的基于电荷存储类驻极体材料的透明柔性电池，其特征在于：所用的电荷存储层为电荷存储类驻极体材料，本发明只列举了PVA(聚乙烯醇)薄膜，还应包括聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚偏氟乙烯(PVDF)、聚四氟乙烯(PTFE)等其它具有存储电荷特性的驻极体材料。

6.根据权利要求1所述的基于电荷存储类驻极体材料的透明柔性电池，其特征在于：所用的电荷存储层是用旋涂工艺制备的，本发明只列举了旋涂PVA制备电荷存储层，还应包括溶胶凝胶法，溅射法来制备电荷存储层。