CN105140047B - 一种柔性集流体及其制备方法和应用 - Google Patents

一种柔性集流体及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种柔性集流体，在柔性基体层的一个表面上设置粘接层，粘接于导电石墨纸或导电碳布的一个表面上，通过加压、机械剥离，制备包括柔性基体层、粘接层以及导电石墨层或导电碳层的柔性集流体。本发明柔性集流体不仅导电性及折曲性能好，而且工艺简单、成本低，可应用于柔性超级电容器、柔性锂离子电容器、柔性锂离子电池等。

Description

一种柔性集流体及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于柔性集流体的技术领域。具体涉及一种柔性集流体及其制备方法和在柔性超级电容器、柔性锂离子电容器、柔性锂离子电池中的应用。
背景技术
随着可穿戴设备的发展，对于柔性超级电容器、柔性锂离子电容器、柔性锂离子电池等柔性储能器件的需要也越来越迫切。其中，柔性导电基体是制约柔性储能器件发展的重要部分。柔性基体必须是导电性好、可折曲并且具有一定的机械强度，现有的柔性导电基体主要包括金属溅射薄膜、柔性集体上制备石墨烯或纳米碳、金属薄片、金属箔等。但是这些材料及制备技术都存在非常昂贵、生产效率低或性能不高等问题。本发明柔性集流体不仅导电性及折曲性能好，而且工艺简单、成本低，可应用于柔性超级电容器、柔性锂离子电容器、柔性锂离子电池等。
发明内容
本发明针对上述现有技术存在的问题，提供一种柔性集流体，包括柔性基体层、设置在柔性基体层表面的粘接层以及设置在粘接层表面的柔性导电层，其中柔性导电层为从导电石墨纸剥离的导电石墨层或从导电碳纸剥离的导电碳层中的至少一种。
柔性基体层为聚丙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚氯乙烯、聚乙烯、聚萘二甲酸乙二醇酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯中的至少一种。
本发明提供一种柔性集流体的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，在柔性基体层的一个表面上设置粘接层；
步骤2，将一个表面包含粘接层的柔性基体层粘接于导电石墨纸或导电碳布的一个表面上，对其施加压力；
步骤3，将导电石墨纸或导电碳布剥离，包含柔性基体层、粘接层以及导电石墨层或导电碳层的一面制备成柔性集流体。
步骤1中的柔性基体层为聚丙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚氯乙烯、聚乙烯、聚萘二甲酸乙二醇酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯中的至少一种，既有良好的粘接性，又具有强的耐酸碱性。
步骤2中以市售低成本的导电石墨纸或导电碳布为柔性导电层的原料，如将高碳磷片石墨经化学处理，高温膨胀轧制而成的石墨纸，常用于密封或散热，该导电石墨纸也具有良好的导电性，但厚度较大，市售的最小厚度为330μm，质地疏松、折曲性能差，不能直接用做超级电容器的柔性集流体。
步骤2中施加压力的方法为按压、挤压、辊压、冲压中的至少一种。可以将包含柔性基体层、粘接层和导电石墨纸的样品，放到压片机的压片平台上，施加合适的压力并保压一段时间，后取出。也可以将样品放到辊压机上辊轴与下辊轴之间的间隙中，调节上辊轴与下辊轴之间的间隙距离，辊压并取出，必要的话可以重复多次辊压。一方面可以提高粘接层与石墨纸的粘接力，另一方面可以使石墨纸变得更加致密紧凑，提高石墨层的电导率和机械性能。
步骤3中将石墨纸剥离的方法为低成本、无污染、操作简单的机械法剥离，替代化学品污染的化学法剥离或高成本的气相剥离。可以用手工进行机械剥离，也可以用粘接力测试机器等工装设备进行机械剥离。剥离后的柔性导电层厚度为15μm～65μm，更优的为20μm～45μm。
本发明的显著优点在于：柔性集流体不仅导电性及折曲性能好，而且工艺简单、成本低，本发明可应用于柔性超级电容器、柔性锂离子电容器、柔性锂离子电池等。
附图说明
图1表示柔性集流体制作前示意图
图2表示石墨纸或导电碳布机械剥离示意图
图3表示柔性集流体示意图
图4表示柔性集流体实物图
符号说明
1 柔性基体层
2 粘接层
3 石墨纸或导电碳布
3-1 导电石墨层或导电碳层
3-2 剩下的石墨纸或导电碳布
4 柔性集流体
具体实施方式
本发明柔性集流体4的制备步骤为：
步骤1，在柔性基体层1的一个表面上设置粘接层2；
步骤2，将一个表面包含粘接层2的柔性基体层1粘接于导电石墨纸或导电碳布3的一个表面上，对其施加压力；
步骤3，将导电石墨纸或导电碳布3剥离成导电石墨层或导电碳层3-1以及剩余导电石墨纸或导电碳布3-2。柔性基体层1、粘接层2以及导电石墨层或导电碳层3-1制备成柔性集流体4。
以下通过实施例对本发明进行进一步的说明，但本发明并不仅限于下述实施例
实施例1：
将含聚对苯二甲酸乙二醇酯基体层和天然橡胶粘接层的透明胶带粘贴于330μm厚度的市售石墨纸的一个表面上，将样品置于辊压机上辊轴与下辊轴之间的间隙中，调整间隙为250μm辊压1次，手工将石墨纸剥离，以含有透明胶带和石墨层的一侧作为柔性集流体，该柔性集流体中石墨层的厚度为65μm。将活性炭、乙炔黑、丁苯橡胶(SBR)、羧甲基纤维素(CMC)按质量比80:10:10:5混合均匀，以水调成浆料，再涂布于柔性集流体表面，并于110℃温度下烘干，再按常规方法将电极辊压，裁切成规定尺寸，真空干燥，制备柔性电极。将柔性电极、LiCl/PVA凝胶电解质、柔性电极依次叠放，组装成对称型柔性超级电容器。将柔性超级电容器折曲90°10次，用超级电容器测试仪测试超级电容器折曲前后的电容量，用电池测试仪测试超级电容器折曲前后的在1kHz频率下交流内阻。
实施例2
将包含离型纸和丙烯酸类压敏胶粘接层的双面胶带的离型纸撕去，粘接层的一个表面粘贴于PET薄膜表面，另一个表面粘贴于石墨纸的一个表面，将样品置于压片机的压片平台上，施加1kPa的压力，保持压力1min，除去压力，并将石墨纸用玻璃力测试机剥离开，包含PET柔性基体层、粘接层及石墨层的一面制得柔性集流体，该柔性集流体中石墨层的厚度为15μm。将活性炭、乙炔黑、丁苯橡胶(SBR)、羧甲基纤维素(CMC)按质量比80:10:10:5混合均匀，以水调成浆料，再涂布于柔性集流体表面，并于110℃温度下烘干，再按常规方法将电极辊压，裁切成规定尺寸，真空干燥，制备柔性电极。将柔性电极、LiCl/PVA凝胶电解质、柔性电极依次叠放，组装成对称型柔性超级电容器。将柔性超级电容器折曲90°10次，用超级电容器测试仪测试超级电容器折曲前后的电容量，用电池测试仪测试超级电容器折曲前后的在1kHz频率下交流内阻。
实施例3
在PET柔性基体层的一个表面用刮刀均匀涂覆聚氯乙烯作为粘接层，粘接层的另一面粘接于石墨纸的一个表面，将样品置于压片机的压片平台上，施加2kPa的压力，保持压力1min，除去压力，并用玻璃力测试机将石墨纸剥离开，包含PET柔性基体层、粘接层及石墨层的一面制得柔性集流体，该柔性集流体中石墨层的厚度为20μm。将活性炭、乙炔黑、丁苯橡胶(SBR)、羧甲基纤维素(CMC)按质量比80:10:10:5混合均匀，以水调成浆料，再涂布于柔性集流体表面，并于110℃温度下烘干，再按常规方法将电极辊压，裁切成规定尺寸，真空干燥，制备柔性电极。将柔性电极、LiCl/PVA凝胶电解质、柔性电极依次叠放，组装成对称型柔性超级电容器。将柔性超级电容器折曲90°10次，用超级电容器测试仪测试超级电容器折曲前后的电容量，用电池测试仪测试超级电容器折曲前后的在1kHz频率下交流内阻。
实施例4
在PET柔性基体层的一个表面用刮刀均匀涂覆聚氯乙烯作为粘接层，粘接层的另一面粘接于石墨纸的一个表面，将样品置于压片机的压片平台上，施加3kPa的压力，保持压力1min，除去压力，并用玻璃力测试机将石墨纸剥离开，包含PET柔性基体层、粘接层及石墨层的一面制得柔性集流体，该柔性集流体中石墨层的厚度为25μm。将活性炭、乙炔黑、丁苯橡胶(SBR)、羧甲基纤维素(CMC)按质量比80:10:10:5混合均匀，以水调成浆料，再涂布于柔性集流体表面，并于110℃温度下烘干，再按常规方法将电极辊压，裁切成规定尺寸，真空干燥，制备柔性电极。将柔性电极、LiCl/PVA凝胶电解质、柔性电极依次叠放，组装成对称型柔性超级电容器。将柔性超级电容器折曲90°10次，用超级电容器测试仪测试超级电容器折曲前后的电容量，用电池测试仪测试超级电容器折曲前后的在1kHz频率下交流内阻。
实施例5
在PET柔性基体层的一个表面用刮刀均匀涂覆聚氯乙烯作为粘接层，粘接层的另一面粘接于石墨纸的一个表面，将样品置于压片机的压片平台上，施加4kPa的压力，保持压力1min，除去压力，并用玻璃力测试机将石墨纸剥离开，包含PET柔性基体层、粘接层及石墨层的一面制得柔性集流体，该柔性集流体中石墨层的厚度为30μm。将活性炭、乙炔黑、丁苯橡胶(SBR)、羧甲基纤维素(CMC)按质量比80:10:10:5混合均匀，以水调成浆料，再涂布于柔性集流体表面，并于110℃温度下烘干，再按常规方法将电极辊压，裁切成规定尺寸，真空干燥，制备柔性电极。将柔性电极、LiCl/PVA凝胶电解质、柔性电极依次叠放，组装成对称型柔性超级电容器。将柔性超级电容器折曲90°10次，用超级电容器测试仪测试超级电容器折曲前后的电容量，用电池测试仪测试超级电容器折曲前后的在1kHz频率下交流内阻。
实施例6
在PET柔性基体层的一个表面用刮刀均匀涂覆聚氯乙烯作为粘接层，粘接层的另一面粘接于导电碳布的一个表面，将样品置于压片机的压片平台上，施加5kPa的压力，保持压力1min，除去压力，并用玻璃力测试机将导电碳布纸剥离开，包含PET柔性基体层、粘接层及导电碳层的一面制得柔性集流体，该柔性集流体中导电碳层的厚度为35μm。将活性炭、乙炔黑、丁苯橡胶(SBR)、羧甲基纤维素(CMC)按质量比80:10:10:5混合均匀，以水调成浆料，再涂布于柔性集流体表面，并于110℃温度下烘干，再按常规方法将电极辊压，裁切成规定尺寸，真空干燥，制备柔性电极。将柔性电极、LiCl/PVA凝胶电解质、柔性电极依次叠放，组装成对称型柔性超级电容器。将柔性超级电容器折曲90°10次，用超级电容器测试仪测试超级电容器折曲前后的电容量，用电池测试仪测试超级电容器折曲前后的在1kHz频率下交流内阻。
实施例7
在PET柔性基体层的一个表面用刮刀均匀涂覆聚氯乙烯作为粘接层，粘接层的另一面粘接于石墨纸的一个表面，将样品置于压片机的压片平台上，施加6kPa的压力，保持压力1min，除去压力，并用玻璃力测试机将石墨纸剥离开，包含PET柔性基体层、粘接层及石墨层的一面制得柔性集流体，该柔性集流体中石墨层的厚度为40μm。将活性炭、乙炔黑、丁苯橡胶(SBR)、羧甲基纤维素(CMC)按质量比80:10:10:5混合均匀，以水调成浆料，再涂布于柔性集流体表面，并于110℃温度下烘干，再按常规方法将电极辊压，裁切成规定尺寸，真空干燥，制备柔性电极。将柔性电极、LiCl/PVA凝胶电解质、柔性电极依次叠放，组装成对称型柔性超级电容器。将柔性超级电容器折曲90°10次，用超级电容器测试仪测试超级电容器折曲前后的电容量，用电池测试仪测试超级电容器折曲前后的在1kHz频率下交流内阻。
实施例8
在PET柔性基体层的一个表面用刮刀均匀涂覆聚氯乙烯作为粘接层，粘接层的另一面粘接于石墨纸的一个表面，将样品置于压片机的压片平台上，施加6kPa的压力，保持压力1min，除去压力，重复压两次，并用玻璃力测试机将石墨纸剥离开，包含PET柔性基体层、粘接层及石墨层的一面制得柔性集流体，该柔性集流体中石墨层的厚度为45μm。将活性炭、乙炔黑、丁苯橡胶(SBR)、羧甲基纤维素(CMC)按质量比80:10:10:5混合均匀，以水调成浆料，再涂布于柔性集流体表面，并于110℃温度下烘干，再按常规方法将电极辊压，裁切成规定尺寸，真空干燥，制备柔性电极。将柔性电极、LiCl/PVA凝胶电解质、柔性电极依次叠放，组装成对称型柔性超级电容器。将柔性超级电容器折曲90°10次，用超级电容器测试仪测试超级电容器折曲前后的电容量，用电池测试仪测试超级电容器折曲前后的在1kHz频率下交流内阻。
实施例9
在PET柔性基体层的一个表面用刮刀均匀涂覆聚氯乙烯作为粘接层，粘接层的另一面粘接于石墨纸的一个表面，将样品置于压片机的压片平台上，施加8kPa的压力，保持压力2min，除去压力，并用玻璃力测试机将石墨纸剥离开，包含PET柔性基体层、粘接层及石墨层的一面制得柔性集流体，该柔性集流体中石墨层的厚度为50μm。将活性炭、乙炔黑、丁苯橡胶(SBR)、羧甲基纤维素(CMC)按质量比80:10:10:5混合均匀，以水调成浆料，再涂布于柔性集流体表面，并于110℃温度下烘干，再按常规方法将电极辊压，裁切成规定尺寸，真空干燥，制备柔性电极。将柔性电极、LiCl/PVA凝胶电解质、柔性电极依次叠放，组装成对称型柔性超级电容器。将柔性超级电容器折曲90°10次，用超级电容器测试仪测试超级电容器折曲前后的电容量，用电池测试仪测试超级电容器折曲前后的在1kHz频率下交流内阻。
实施例10
在PET柔性基体层的一个表面用刮刀均匀涂覆聚氯乙烯作为粘接层，粘接层的另一面粘接于石墨纸的一个表面，将样品置于压片机的压片平台上，施加6kPa的压力，保持压力5min，除去压力，重复压两次，并用玻璃力测试机将石墨纸剥离开，包含PET柔性基体层、粘接层及石墨层的一面制得柔性集流体，该柔性集流体中石墨层的厚度为55μm。将活性炭、乙炔黑、丁苯橡胶(SBR)、羧甲基纤维素(CMC)按质量比80:10:10:5混合均匀，以水调成浆料，再涂布于柔性集流体表面，并于110℃温度下烘干，再按常规方法将电极辊压，裁切成规定尺寸，真空干燥，制备柔性电极。将柔性电极、LiCl/PVA凝胶电解质、柔性电极依次叠放，组装成对称型柔性超级电容器。将柔性超级电容器折曲90°10次，用超级电容器测试仪测试超级电容器折曲前后的电容量，用电池测试仪测试超级电容器折曲前后的在1kHz频率下交流内阻。
实施例11
在PET柔性基体层的一个表面用刮刀均匀涂覆聚氯乙烯作为粘接层，粘接层的另一面粘接于石墨纸的一个表面，将样品置于压片机的压片平台上，施加6kPa的压力，保持压力5min，除去压力，重复压3次，并用玻璃力测试机将石墨纸剥离开，包含PET柔性基体层、粘接层及石墨层的一面制得柔性集流体，该柔性集流体中石墨层的厚度为65μm。将活性炭、乙炔黑、丁苯橡胶(SBR)、羧甲基纤维素(CMC)按质量比80:10:10:5混合均匀，以水调成浆料，再涂布于柔性集流体表面，并于110℃温度下烘干，再按常规方法将电极辊压，裁切成规定尺寸，真空干燥，制备柔性电极。将柔性电极、LiCl/PVA凝胶电解质、柔性电极依次叠放，组装成对称型柔性超级电容器。将柔性超级电容器折曲90°10次，用超级电容器测试仪测试超级电容器折曲前后的电容量，用电池测试仪测试超级电容器折曲前后的在1kHz频率下交流内阻。
对比例1
将活性炭、乙炔黑、丁苯橡胶(SBR)、羧甲基纤维素(CMC)按质量比80:10:10:5混合均匀，以水调成浆料，再涂布于铝箔表面，并于110℃温度下烘干，再按常规方法将电极辊压，裁切成规定尺寸，真空干燥，制备常规电极。将常规电极、LiCl/PVA凝胶电解质、常规电极依次叠放，组装成对称型超级电容器。将常规超级电容器折曲90°10次，用超级电容器测试仪测试超级电容器折曲前后的电容量，用电池测试仪测试超级电容器折曲前后的在1kHz频率下交流内阻。
表1 性能参数表
本发明实施例1～11中，以本发明柔性集流体制备的柔性超级电容器，折曲实验后电容量及交流内阻变化小，特别实施例3～8中，当是石墨层或导电碳层的厚度为20μm～45μm，其变化更小。
本发明中，不仅限于柱状超级电容器，电极以叠层、卷绕等方式组装成片状、方形、扣式、柱状外型中的任一种，也可以组装成不规则外型。以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (6)

1.一种柔性集流体的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，在柔性基体层的一个表面上设置粘接层；
步骤2，将一个表面包含粘接层的柔性基体层粘接于导电石墨纸或导电碳布的一个表面上，对其施加压力；
步骤3，将导电石墨纸或导电碳布剥离，包含柔性基体层、粘接层以及导电石墨层或导电碳层的一面制备成柔性集流体。
2.如权利要求1所述一种柔性集流体的制备方法，其特征在于，所述柔性基体层为聚丙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚氯乙烯、聚乙烯、聚萘二甲酸乙二醇酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯中的至少一种。
3.如权利要求1所述一种柔性集流体的制备方法，其特征在于，所述柔性导电层的厚度为15μm～65μm。
4.如权利要求1所述一种柔性集流体的制备方法，其特征在于，所述柔性导电层的厚度为20μm～45μm。
5.如权利要求1所述一种柔性集流体的制备方法，其特征在于，所述施加压力的方法为按压、挤压、辊压、冲压中的至少一种。
6.如权利要求1所述一种柔性集流体的制备方法，其特征在于，所述剥离的方法为机械剥离。
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