专利名称：柔性能量储存结构薄片的制作方法
技术领域：
本文公开的主题大体上涉及一种柔性能量储存结构薄片。更特别地，本发明提供一种结构薄片，该结构薄片呈现出较高的能量密度，并且具有如机械挠性、穿透耐受性和/ 或物理韧性的结构功能。
背景技术：
结构薄片技术有许多并且各不相同。一般可以理解的是，当设计具有不同材料性质和/或特殊的结构特征的结构薄片时，结构薄片的耐久性考量、强度要求以及预期用途通常是要考虑的。然而，迄今没有努力着重将结构薄片内的能量储存与普通日用品、电子件、运输工具和建筑物的结构元件相结合。结合结构薄片的所有类型的结构内的储存能量能力可在多种工业中具有广泛的应用。能量储存技术也有许多并且各不相同。大多数技术分类依靠的两个维度是能量密度和功率密度。能量储存装置可存储大量能量并且在一段很长的时间内释放该能量，这被称为能量密度。相反地，能量储存装置也可存储较少能量，但可以快速充填和释放该能量， 这被称为功率密度。取决于应用，这两个属性是有价值的。能量密度规模的高端技术是如压缩空气技术、抽水技术和燃料电池技术。稍低端的技术是电池，从碱性化学一次电池到二次(可充电)电池。功率密度连续体的高端技术是电容器，其依靠几分之一秒的比例来充电和放电。然而，所有现有的能量储存装置，几乎没有花心思在他们的机械强度以及韧性、挠性和相关的厚度上。而具有这些特性的能量储存装置在很多种工业中可具有广泛的应用。因此，用作能量储存装置并表现出高能量密度，并具有如机械挠性、穿透耐受性和 /或物理韧性的结构功能性的结构薄片在本领域将受到好评。
发明内容
根据第一方面，结构薄片包括大于10-mWh/ft2的能量储存密度，并在至少5%的应变下能够抵抗大于5-KPa的应力。根据另一方面，结构薄片包括印刷成型的隔离物；印刷成型的电极；以及印刷成型的结构导体。根据另一方面，能量储存装置的隔离物包括电绝缘多孔隔间；和无孔电绝缘基座板栅；其中，电绝缘多孔隔间和无孔基座板栅是印刷成型的。然而根据另一方面，能量储存结构薄片包括能量储存电极，该能量储存电极在邻近粒子之间联锁，并且在能量储存电极之上和之下提供合适的纳米级阶层。然而根据另一方面，电极粒子包括高孔隙率的电极核心；和导电纳米材料基体，该基体从高孔隙率的电极芯凸出；其中，电极粒子设置为在任何方向与另一阶层联锁，以允许高能量密度；和随电极阶层的厚度增加的恒定功率。然而根据另一方面，能量储存结构薄片包括印刷成型于无孔基座层上的图形化电流总线，该无孔基座层将多孔隔离物隔间电气隔离和机械隔离，并且阻止电解液传送。然而根据另一方面，能量储存结构薄片包括印刷成型于子组件上的导电载流层， 该子组件包括隔离物、机座、电极和电流总线。根据另一方面，能量储存结构薄片包括印刷成型于衬底上的第一子组件，其中，为了容易拆下，衬底与第一子组件的热性质不匹配。
本发明的主题在说明书完结之处的权利要求中被特别地指出并且清楚地声明。本发明前述的和其他的特征以及优点可从以下的详细描述中清楚地得出，该详细描述结合相应的附图，其中图1描绘根据本发明一个实施例的，用于储存能量和具有容错性的结构薄片的剖开透视图；图2描绘根据本发明一个实施例的，在形成图1的薄片之前的两个子组件的透视图；图3描绘根据本发明一个实施例的，应用隔离物层以制成图1-2中的薄片的步骤；图4描绘根据本发明一个实施例的，产生电极的两个阶段的展示图；图5描绘在图3的隔离物层和图4的电极层之间联锁的纳米级展示图；图6描绘根据本发明一个实施例的结构薄片的密封环的展示图；图7描绘储存能量的多层结构的薄片装置，该装置包括多个图1示出的能量储存单元层叠在一起；和图8描绘根据本发明一个实施例的制造结构薄片的过程图。
具体实施例方式下文描述的公开装置和方法的实施例的详细描述参考附图通过举例但不限制的方式在本文呈现出。在介绍附图之前，将限定本文用到的一些习语。“印刷成型”限定为任何直接接触或非接触标记技术，该技术是印刷和电子印刷领域的技术人员所公知的。
“非直接印刷”限定为任何非接触印刷成形技术，其中，单滴标识材料(油墨)用作衬底或材料或机舱上的标记。至少一种被称为喷涂(超声波或喷涂)、喷墨、喷枪的技术通常单独使用，或者结合其他印刷成型技术使用。“直接印刷”限定为任何直接接触印刷成型技术，其中，衬底(接收表面)和标记装置，例如卷筒、滚筒、棒材、滑面(转移表面)，的生物化学性质共同构建了标记材料(油墨) 数量的转移和生成最终印刷膜的性质。通常可以单独使用至少一种普遍公知的标记技术， 如丝网印刷、凹版印刷、柔版印刷或拉杆印刷技术或结合其他印刷技术一起使用。“纳米级联锁”限定为印刷成型的厚膜材料邻近表面的销连接，通过在高长宽比的粒子或纳米级聚合材料之间的物理交织和随后的相互作用。所述销连接可包括或不包括常见于化学键形成的电子转移。销连接的联锁材料的基于典型膜的几何长宽比(膜的χ-y平面的ζ段)至少为1 1，其中，期望更高的长宽比，优选地，至少为3 1。这样做的目的是，构建高表面积高长宽比的物理支脚，进入接收面积或转移表面或二者兼之。该膜的x_y 平面之内的联锁频率的长度，也称为间隔长度，通常为IOnm至300nm，但也可为1微米。较小等级常见于化学键合，其在我们装置中可要求或不要求。纳米级联锁的示意图采用蓝色 IOOnm珠粒覆盖在本发明的多毛粒子上。“大规模联锁”限定为印刷成型的厚膜在超过1 μ m的间隔长度的邻近表面销连接。 当这种大规模联锁包括高长宽比支脚时，假如总表面积增加是合适的，则仍可形成所预期的联锁。当构建分层结构而没有高长宽比联锁时，装置通常是指具有或不具有粘合剂的分层式结构。具有适当的高表面积的高长宽比大尺寸支脚是可行的，并且包括在本发明中。“密封环”限定为在使用纳米级或大规模或二者兼有的联锁机构的至少两种材料之间联锁的特殊情况。目的是在采用印刷成型生产技术的两种材料之间形成浓度梯度。结果是形成体积元素，该体积元素包括各自初始材料的已知浓度的。除了控制χ-y浓度曲线之外，ζ轴曲线也可通过印刷成型控制。密封环的展示图在图7中描绘，并且将在下文描述。“纳米复合材料”限定为纳米级通常是亚微型尺寸的不相似材料之间的物理间隔。 对于印刷膜，通过用高长宽比支脚增加有效接触面积以及通过在χ-y平面将联锁频率的长度等级降至纳米级，在多层印刷成型材料中将弱的物理相互作用最大化，这是本文描述的实施例的一个理想的方面。通过这样做，在高度异质性印刷成型厚膜材料的膜之间可能存在同质性复合物的类似性质。现在参考图1，示出用于储存能量并具有容错性的结构薄片10的实施例。结构薄片10可用印刷成型工艺制作或生产。结构薄片10的每个元件可用印刷成型工艺生产。直接和间接印刷工艺都是可考虑的。结构薄片10可具有大于10mWh/ft2的能量储存密度，并且在至少5%的应变下可抵抗大于5Kpa的应力。结构薄片10由一个或多个子组件18，20 制成，该子组件18，20印刷成型于一种衬底或衬底22上，如图2所示，衬底22可能与子组件18，20的热性质不匹配，在生产线的末端容易将子组件18，20从衬底拆卸。衬底22可以是例如钢化玻璃或SS板或耗碳基分隔物。总体上，图1中描绘的批量处理的薄片10首先通过印刷成型的两个子组件18，20 制成，其中一个子组件在图2中示出，然后将两个子组件18，20从衬底22或其他衬底拆卸， 然后装载电解液，该电解液与基座侧边相齐平，然后向基座侧边添加缝合塑化剂，然后将两个子组件与它们的基座面对面对准，并且通过将两个子组件18，20压延至单个薄板装置10中而密封。应该理解的是，子组件18，20可以是同样的子组件。子组件18，20可从衬底22 拆卸，并且与基座对基座对准，并缝合至能量储存结构薄片10中。结构薄片10可包括印刷成型的隔离物层12，其位于两个印刷成型的电极14和电流总线44以及两个印刷成型的集流体16之间。电引脚17或电连接面可印刷成型在集流体 16上，以输出储存在薄片10中的用于外部分配的能量，或者输入能量向薄片10充电。当互连的平版连接至散热器(图中未示出)时，能使循环频率提高。隔离物层12显示为结构薄板10的中间层。为了对称构建，在隔离物层12之上或之下印刷成型的集流体16，电极14 和电流总线44全部相同。为了将复合技术和电池技术结合至结构薄片中，对称构建的变化是可行的。当结构薄片10之上和之下的阶层相同时，如图2的剖面透视图所示，可通过在衬底22上印刷之上的子组件18和之下的子组件20而制成结构薄片10。在一个实施例中， 一旦应用了制造两个子组件18，20的每个步骤，之上的子组件18和之下的子组件20可沿着印刷成型的穿孔折痕56折叠，该穿孔折痕56用作对准特征，以形成完整的薄片10。现在参见图3，示出制作薄片10的可能的第一步骤。该步骤首先可间接地印刷多孔隔离物膜12至衬底22上。该隔离物膜12可以由三乙酸纤维素(CTA)溶液制成的电绝缘材料。例如，该溶液可是1. 67wt% CTA溶液。然而，应当理解的是，也可以考虑其他的CTA 浓度。除CTA之外，该溶液可能包括其他组合物，例如氯仿、丙酮和甲醇。隔离物膜12组合物可从油墨溶液中获得，该油墨溶液可通过直接印刷而印刷在衬底22上。进一步，衬底22 可是玻璃或其他任何适当的平面，该平面对本领域技术人员是显而易见的。隔离物膜12可采用直接印刷通过已知方式均勻喷涂至平面的衬底22上而形成。 一个或多个喷涂层可沿着平面应用并且交错，使得隔离物层12均勻成型。可在玻璃和喷嘴 24之间使用热灯26，随着热灯沈在喷嘴M和衬底22之间传热，从而固化喷涂的溶液。该固化可帮助限定最终的隔离物膜12的孔隙度和弹性。进一步，用于执行应用隔离物膜12的方法的许多实施例是可预期的。间接印刷成型工艺领域的技术人员对这些控制不同材料的印刷厚膜性质的方法是熟悉的。因此，隔离物12的孔和弹性通过隔离物膜12的印刷成型是可调的。所有这些参数可随着制造具有5-40微米厚度的隔离物膜12的目的而改变，该隔离物膜是多孔的，具有良好限定的孔结构，该孔结构对电压范围在感兴趣的厚度显示出合适的介电性质。该孔可是弯曲的，并且有效长度大于隔离物12的实际厚度的2至10倍。 如下文所述，可进一步利用该孔，以能够与电极层14紧密配合。隔离物膜12可包含封装粒子，如陶瓷或导电材料，以降低介质击穿倾向。多孔隔离物12可进一步包含浓度密度在渗流阈值之下的碳纳米管或纳米纤维材料，并且还可缠上在隔离物膜12的每侧电极层14，使得两种材料之间的机械强度显著提高。不同的纳米粒子可用于构建弯曲孔。进一步，使用图3中示出的喷嘴M喷涂时，用于印刷均勻隔离物膜12至衬底22的其他实施例是可预期的。当其中一个预期的实施例包括用于薄片10的隔离物膜12，隔离物膜12也可作为用于其他薄片(未示出)或其他目的的子组件单元而制作或销售。因此，能量可储存在双层电容器的隔离物12中。薄片10可进一步包括在图形化无孔基座28，该基座28以一种方式印制在衬底22 上的隔离物层12上，这种方式能够封闭或阻塞恰好在基座观下方的多孔隔离物膜。基座观可以这样一种方式直接印刷在隔离物膜12的多孔膜上，使得该多孔膜转化为图形化的无孔基座28板栅。可制作基座28板栅，使得形成大量平行多孔隔离物隔间32，这些隔间被无孔基座观分隔。基座观，与隔离物膜12 —起，可促进薄片10内的应力管理，帮助使得薄片是机械挠性的，并且也有助于装卸或安装，而不损坏装置的电气性质。进一步，这些隔间可向薄片10提供穿透耐受性。基座28可为另一种CTA溶液。但是，当通过直接印刷方法应用时，用于基座28的该溶液所含的CTA质量百分比(wt%)相当大。例如，溶液可能含有9% CTA。基座观可以是间接印刷于衬底22上的油墨溶液。该油墨配方可包括类似之前谈到的用于隔离物膜的稀释CTA溶液。这种精确的间接印刷是通过移动喷嘴或衬底来完成，以形成所期望的图案。 应用到基座观的图案是许多个方框，X穿过这些方框，以在每个方框内形成4个三角形隔间32。因此，图4的三角形隔间32实际上是隔离物膜12的一部分，基座观未应用于该部分。因此，在应用于基座观之后，三角形隔间32仍然具有隔离物膜12的多孔表面，而隔间 32的外轮廓和子组件18，20的外轮廓可包括无孔基座观。隔间32可以是容错的、自复原结构的隔间32，其中一个隔间的穿透不影响薄片10的其他隔间32。由隔间32、基座观和电流总线44所形成的板栅对多个隔间32具有穿透耐受性和机械韧性。当三角形隔间32在图中示出时，应当理解的是，也可设想其他形状的隔间。例如， 可使用圆形、菱形、方形隔间，正方形隔间，或其他任何合适形状的隔间。隔间32的目的是在加工、处理或其他过程中隔离损坏的隔间，并且为薄片10提供额外的强度。因此，如果单个隔间32被击穿，薄片10的未损坏部分可正常作用。应当进一步理解的是，根据特定应用要求，薄片10和隔间32的尺寸可变化。在附图所描绘的实施例中，每个隔间的二维面积是大约31mm2。因此，一个实施例中，四个三角形隔间32的每个“方框”的长度是约12. 5mm。 最后，薄片10的重复单元是单个隔间32的尺寸。因此，在制造过程中可设想薄片10中的独特设计，例如呈现隔间32或缺少隔间32，以匹配图形的应用或剪裁，该图形如一件衣服的应用，或者可能是轨道炮或线圈炮应用的圆环形状。一旦应用了基座28，则衬底22为电极层14的应用做好了准备。电极层14可通过单独电极制备工艺制作，在图4中部分示出。为了制备电极溶液，首先，将纳米混合物加入可变为溶胶-凝胶的胶状溶液中。纳米混合物可由任何纳米级材料或共混物组成。例如， 可用于纳米混合物的聚合物、金属、金属氧化物、陶瓷或其他类型的材料。纳米混合物可以是纳米材料的共混物，例如，例如碳纳米管(CNT)和当用SEM显微镜观察时，类似纱束的粗大、长排列的CNT束。如果碳用作纳米材料，该碳的密度可大于0. 5g/cc。例如，碳密度可在 0.75到2g/cc之间。优选地，纳米材料应当具有高强度、低密度、高长宽比(长度直径比)， 并且可用脉冲辐射或其他手段电熔合。由用于与纳米混合物一起形成气凝胶的初级材料组成的可变成胶状的液体，可被凝胶化，然后以相似的方式干燥为气凝胶，该方式中，纯溶胶-凝胶从液体溶液转化为气溶胶。一旦溶胶-凝胶形成，凝胶化的系统可进一步以相似的方式干燥，将溶胶-凝胶干燥为气凝胶。该干燥可以是空气干燥工艺或本领域技术人员已知的超临界流体(X)2工艺。—旦干燥完成，可从气凝胶和纳米混合物的共混物中形成硬化材料。硬化材料在这个阶段不可以被碳化或充分导电。当纳米材料可导电，硬化材料和收缩材料仍可包括不同于碳的粒子，最明显的是气溶胶组分。硬化材料可随后被裂解或脉冲辐射，例如，在高温分解过程中气溶胶的合成挥发性成分氧化完之后生成一种物质，该物质碳丰富。该高温分解可生成一种材料，该材料从其初始尺寸收缩，并且可在高温分解过程中或之后带来一种调节环境，以引发纳米混合物或气溶胶组分的独特性能。仍参考图4，示出热解材料34的展示图。示出的热解材料34具有到处散布的纳米混合物36。进一步，该热解材料34可以是高孔隙率材料。热解材料34可随后研磨成粉末，用电极粒子38描绘。该研磨工艺科包括低温球磨工艺。但是，也可采用可预期的其他工艺，例如，室温铣削。如图4所示，一旦生成粉末化的电极粒子38，该电极粒子38可具有高孔隙率电极核心以及从该高孔隙率电极核心凸出的导电纳米材料基体。电极粒子38可以是“多毛粒子”，其中，该基体的长的纳米混合物组分像头发一样伸出，围绕着该碳混合材料，形成粒子。该“多毛”电极粒子38可以是能量储存电极，当应用至薄片10时，该电极能够与附近粒子联锁并且具有合适的纳米等级，连接于电极38之上或之下的阶层。因此，电极粒子38 能够与另一阶层在任何方向联锁，以随着电极层的厚度增加，具有高密度和恒定功率，该电极层包括多个电极粒子38。电极粒子38具有在多个粒子之间具有电解液的最佳质量传送， 并且还包括高表面积微观结构，例如，其中的气凝胶。一旦电极粒子38以粉末形式生成，通过向粉末中混合适当的流变改性剂，例如己烷或另一种液体有机材料，如酒精，这种粉末可以转化为油墨。该粉末可通过超声分散与偶联剂、流变剂结合。该油墨可与分散剂结合或不与分散剂结合，该分散剂包括，例如表面活性剂。生成的电极油墨在印刷电极14厚度和能量和功率密度之间具有线性关系，并且还包括纳米混合物“毛发”，该毛发促进电极与多孔隔离物的粘合和锚固。进一步，能量储存电极可以在印刷之前，并且在变为油墨之前或之后预装载电解液。电极油墨可应用于生成电极层14。该电极层14可应用至衬底22上的多孔隔离物膜隔间32。因此，该油墨可使用间接印刷喷涂。电极层14可应用至隔离物膜12的多层上。 电极层14的多毛纳米材料被配置为在邻近粒子之间的纳米级联锁，并且隔离物膜12的粒子以这样一种方式，以确保将高比例的凸出纳米材料插入之前的隔离物膜12的孔。为了在隔离物膜12和电极层14之间形成高度纠缠的界面区，可采用温度和压力处理。例如，在应用每层电极之后，电极层14可用脉冲辐射光源快速固化。应用电极层14的方式可能是如前文所述的湿法处理时，也可以考虑采用干法处理。例如，电极层14可静电沉积在转移滚筒上，然后直接印刷至隔离物膜12上。现在参考图5，示出电极层14如何与隔离物膜12和集流体16 (下文描述)联锁的分子图。更特别地，示出电极粒子38混合在印刷膜中，然后与集流体和隔离物42粒子熔合。一个实施例假定塑化隔离物粒子(凝胶状表面)诱捕电极粒子的纳米混合物毛发。但是，其他实施例也可能形成纳米级和大型联锁。一旦应用电极14，随后，电流总线44可应用至衬底22上，位于在单独电极14之间并且直接在之前已应用的基座观之上。电流总线44可印刷成型至无孔基座层，该无孔基座层将多孔隔离物隔间32电隔离和机械隔离，并且阻止电解液传送，例如，无孔基座层观。 电流总线44可形成所需尺寸，以达到应用的最佳热量、机械和电流承载需求。可配置电流总线大小和多孔隔离物隔间32的隔间大小的比例，以得到最佳机械性能、热学性能和电气性能。电流总线44可以是集流体总体50的一部分，该集流体总体包括电流总线44，和集流体16。因此，电流总线44可应用至基座观之上的图形化区域中。电流总线44可以一种方式沉积，这种方式使得电极粒子的纳米混合物材料与电流总线44插接在一起。电流总线44可烧结并固化，取决于应用工艺的温度和压力要求。电流总线44的致密度可以是仔细控制的过程参数。依照最终的致密度，电流总线44可用作集流体总体50所提供压力密封条的一部分。这种密封条可用于阻止邻近隔间之间的交叉污染。电流总线44可用油墨制成，例如杜邦银，铜，镍，铝或碳墨。电流总线层44是可导电的，并且用于传输流向和来自输入和输出引脚18的电流。可能采用的替代物，例如不导电的肋条，该肋条可替代电流总线44，或导电材料掺杂聚合材料。参见图6，图形化电流总线44可用密封环与无孔基座28联锁。为了通过印刷成型实现联锁，描述了两个方法。选项1，在两个不同的分别标识为“M”和“P”的油墨中动态形成梯度。首先，印刷的梯度在分离的容器中形成，这对熟悉连续流湿工艺的技术人员是已知的。总之，“M”加入至含有高比例“P”的容器中，而容器含有的“P”被萃取并且通过印刷设备印刷至装置上。这样做，“M”是丰富的，而“P”在印刷阶段被稀释。在构造的Z轴内形成的梯度的深度是由“M”和“P”组分的相对流量确定。对于浅薄膜构造，在图6中示出为“体积元素”的混合膜末端完成熔合。更特别地，如果油墨主要由纳米材料和聚合分散物组成， 这可用脉冲辐射完成。但形成梯度的另一种方法(选项幻是封装导电纳米材料，M和聚合材料、与基座观材料一致的P。在这种情况下，梯度仍和封装的M和P的分散物一起形成。 但另一种选择是，利用间接印刷技术的沉积性质，例如通过喷涂技术。喷涂器具可被设计为在喷嘴的沉积区内具有宽范围的浓度梯度。通过调整分别用于溶液M和P的两个单独的喷嘴M的重叠和沉积性质，M和P的梯度可通过沉积厚度和时间作用而完成。与之前的梯度一样，由于厚度作用的复杂转移作用，可调整固化频率，以确保膜的完全固化。长宽比和因此发展的支脚45的性质与圆锥几何形状、M和P的相关浓度、M和P的膜形成性质以及两个喷嘴的沉积速率互相关联。集流体总体50可进一步包括覆盖层46。该覆盖层46可以湿或干燥工艺印刷在整个电极层14上。如图5所示的是覆盖层46被应用至电极层14上。该覆盖层46可通过在电极上放置纳米材料形成，使得一旦用脉冲辐射或其他合适的方法熔合，电极材料的外层的0. 3至3微米的机械性质变化而形成一个盖子，该盖子注入电极的导电纳米混合物。该覆盖层46可与电流总线44以及集流体16 —起作用，以形成压力密封条，阻止邻近的隔间之间的污染。覆盖层46可以一种方式重叠，以确保良好的插入，特别是与覆盖层所接触的之前的电流总线44和电极层14的插入。该覆盖层46可由分散的固体组成，该固体包括微米级的纯金属粒子或带有纳米材料的合金，如铜，黄金，碳，或银。盖子的目的是使得构建厚膜，并且提供低的过程温度，以及在致密化之后满足期望的电气和机械规范。在电极粒子38 和覆盖层46的应用之后，电极粒子38可进一步形成绿色状态构造，依靠电极粒子38的密闭腔的烧结和收缩，允许封存在其中的气体从腔室的开孔结构中释放。集流体总体50的第三部分可以是多个集流体层16。覆盖层46和电导连续集流体层的组合可配置为在邻近隔间之间收集电流、平衡电流，并且在ζ轴方向对邻近装置传送该电流值。依照一个实施例，图5描绘集流体和联锁于电极的覆盖层的截面图。集流体层50的目的是构建金属电流收集容量以及排列密封的电容性隔间之下的机械支撑。集流体层50可提供的是，薄片能够抵抗超过0. 5psi，优选地，4到IOpsi之间的内部压力，而不破坏或损坏其能量储存能力。在激活过程中，集流体总体50可集体地阻止电解液从薄片10中溢出。集流体总体50还可以是湿气和环境屏障。这样，在组装完全印刷的装置之前，集流体总体50可以是应用至薄片10的最后阶层。集流体模块16的第三部分可以是一个或多个集流体层50。集流体模块16可以是导电的电流承载层，该承载层印刷成型于子组件上，该子组件包括隔离物12、基座28、电极14和总线44。导电集流体材料可确保导电集流体50和电极14之间的联锁。覆盖层 46和导电连续集流体层的组合可配置为收集电流，并且在ζ轴方向对邻近装置传送该电流值。集流体层50的目的是构建金属电流收集容量以及排列密封的电容性隔间之下的机械支撑。集流体层50可提供的是，薄片能够抵抗超过3psi，优选地，4到IOpsi之间的内部压力，而不破坏或损坏其能量储存能力。集流体层50可通过在覆盖层46上的脉冲辐射熔合。 在激活过程中，集流体层50可集体地阻止电解液从薄片10中溢出。集流体层50还可以是湿气和环境屏障。这样，在组装完全印刷的装置之前，集流体总体50可以是应用至薄片10 的最后阶层。集流体层50和覆盖层46可以是主要的ζ轴导体。该ζ轴传导可通过高强度导电碳支撑物进一步提供，配置该碳支撑物以加强机械性能和增加强度。进一步可预期的是外部电流总线(未示出)，其联接于两个同样子组件18，20的外部。外部电流总线具有的几何构型是，平行于内部电流总线44以及基座层观。外部电流总线可进一步用于与引脚17连通。从印刷衬底22组装成批处理的薄片10可包括若干步骤。首先，印刷子组件18，图 2中所示，可从衬底22上拆卸。该拆卸可通过指形冷冻器、滚筒或制冷器完成。例如，冷却可以将隔离物和基座膜12，观和衬底22之间的物理键合切断，使得预组装的薄片10可小心的从衬底22移除。第二子组件20可从同一衬底22或不同衬底(未示出)上以同样的方式拆下。该子组件18，20可拆下并储存在合适的包装材料中，用于进一步的工艺。一旦成批处理的预组装薄片10从衬底22分离，将薄片10翻转180°，使得集流体层50面朝衬底22，而隔离物层12面朝上。然后，薄片10翻转的预组合体可插入真空电炉或其他环境控制腔室中放置一段预先设定的时间。温度和时间可帮助驱离碳电极材料的残余溶剂，并且激活薄片10内的电极。一旦从电炉或其他环境控制腔室移出并且冷却至室温，室温的离子性液体(RTIL)电解液可应用至薄片10。RTIL可直接应用至三角隔间区域 32。RTIL可允许浸泡一段预先设定的时间，例如，30分钟，以填充隔离物层12和电极层14 的任何未填充的孔。一旦浸泡或湿润完成，可去除多余的RTIL，例如，通过吸收性滚筒去除。 可使用普通RTIL电解液，假定其与薄片10中用到的各种材料兼容。例如，对于CTA基的装置，磷六氟化硫，PF6阴离子优选于硼四氟化物，BF4阴离子。另外，出于同样的原因，阳离子选择是关键的。对于CTA，专有的阳离子优选为与PF6阴离子结合。在CTA情况下，水溶液是不兼容的。进一步，电极可以是以本领域技术人员已知的不同应用工艺形成的固体电极。一旦预组装的薄片10在衬底22上加载电极，薄片10可用缝合剂通过印刷成型处理，然后沿穿孔线或折痕线56折叠，使得两个子组件18，20之间对准。缝58可通过沿着该缝58应用塑化剂，腐蚀隔离物层12的CTA，在两个子组件18，20之间形成，该隔离物层12 由于上述的180°旋转而露出。为了适当的折叠薄片10，隔间32和电流总线板栅可适当的对准或配合。应当理解的是，虽然本文描述的实施例要求折叠步骤，可预期的是其他实施例不一定包含该折叠步骤。例如，薄片10可印刷在隔离物膜12的两个面上，而不要求折叠步骤。进一步可预期的是，上文描述的制作薄片10的每个步骤，可在计算机印刷工艺中完成，由此可制作薄片10的长度。可预期的是，可采用精确的卷对卷(R2R)印刷工艺，以lm/s或更高的速度来印刷装置的长度。折叠步骤之后，密封装置(未示出)可用于密封薄片10的板栅部分和周围部分。 密封装置可包括电流总线板栅形状和围绕电流总线板板栅的周围部分的形状的凸出物。这是因为薄片的三角隔间32在折叠之前，实际上可从电流总线板栅形状的通道凸出。因此， 将该上部分18和下部分20折叠在一起，会在上部分18的电流总线板栅和下部分20的电流总线板栅之间生成不必要的间隔。密封装置可用于密封上部分18的电流总线板栅和下部分20的电流总线板栅，连同薄片10板栅外部的周围区域一起密封。所述密封装置可以是R2R线的可加热的印花滚筒。如之前的表述，薄片10可堆叠若干层，如图8所示。单个薄片10装置可非常薄， 因此允许若干该装置堆叠在一起并且串联或并联，因此在薄片10的每个单元长度提供更多的能量储存。例如，多个奇数薄片10可用缝合剂串联在一起。可选择地，多个偶数薄片 10可用缝合剂并联在一起。填充的通孔可印刷成型于图形化电流总线中，以结合多个高强度、高能量密度结构薄片，并且使得装置之间平行布置。进一步，薄片10可被制成任何形状或大小。虽然图中描绘的实施例形状大约是正方形或矩形，可预期的是在其他实施例中，例如，薄片10所应用的形状可以是圆形、长方形、三角形、胚珠形或其他任何形状。现在参见图9，示出制作结构薄片如薄片10的方法100。该方法100可包括应用隔离物模块的步骤110，例如将隔离物层12和基座28应用至衬底例如衬底22上。方法100 包括应用电极的步骤112，如电极14。方法100进一步包括应用电流总线的步骤114，例如电流总线44。方法100还进一步包括应用覆盖层的步骤116，例如覆盖层46。进一步，方法 100可包括装载电解液至隔离物模块之后的相对表面中的步骤118。进一步，方法100包括组装薄片的步骤120，如薄片10。最后，方法100包括将若干薄片叠在一起的步骤122。应当理解的是，上述概括的方法100的步骤可以由其他顺序完成，或者这些步骤之间包括其他对本领域技术人员显而易见的并且在本文中进一步描述的步骤。应当理解的是，方法100 通过举例方式以这种顺序呈现。薄片10在多种不同的应用中是有用的。装置薄的特性以及其柔韧性和挠性，是可允许薄片10在许多情况下提供能量的优势。例如，薄片10可用作能量储存延长“带”，根据用户的选择薄片被分段，使之易于以串联或并联方式拆卸或组装。薄片10被用在集成网和离网应用中，为太阳能光电装置储存能量。进一步可预期的是，薄片10可以被嵌入汽车车架或高级士兵制服中。还进一步，薄片10可用于数码相机闪光灯，或用于无绳外科或牙科工具。同样可预期的是，薄片10可应用于合适的结构或集成至武器结构中，例如导弹，飞机，例如无人机(UAVs)或者水下机器人，置于印刷电路板下的去耦电容器，工业或生产电动工具，飞机模型，汽车或直升机，高风险包装，军用电池组和发电器，夜视镜，便携式除颤器，嵌入至建筑物材料，例如道路，混凝土墙板，绝缘体，阻隔片材或类似物，手持式电动工具，包装在装置中的传输线，以将存储器直接集成至板栅，一体构造电池，电围栏中的嵌入式电池，柔性显示器(报纸或类似物)，医用诊断手表或病人佩戴的监控器，生态传感器，混合动力工具的反馈制动器，电梯可再生能源的捕获，铲车，其他装置的发动机，手提电脑内， 医疗装置嵌入皮肤下的电池，无绳电话，玩具，薄膜电池混合(RFID标签)，蓝牙耳机，手机，船用密封电池，手持游戏机，泰瑟枪，高端手电筒，无绳剪草机或有线修剪机，电动牙刷，鞋， 无线装置，例如麦克风，吸尘器，远程传感器，电梯和码头，或类似物。应该理解的是，在能量消耗顶峰(例如，具有闪光灯或高能量活动的装置不总是要求高能量)，由于功率密度要求，一些装置需要大于期望的电池。在这种情况，薄片10可在该情况下作为高功率密度补充装置而使用，例如，针对这些高功率密度应用，补充标准电池。这可使得装置的标准电池显著地减低尺寸。实施例的元件用冠词“一种”或“一个”修饰。该冠词意味着具有一个或多个该元件。术语“包括”和“具有”以及其派生词规定为包括，使得除了列出的元件之外还可以有额外的元件。当与至少两个术语使用时，连词“或者”意指任何术语或术语的组合。术语“第一”和“第二”用于区别元件，并不用于表示特定顺序。当本发明仅结合有限数量的实施例详细描述时，应当容易理解的是，本发明不限于这些公开的实施例。而且，本发明可修改，以结合许多之前未描述的变化、更改、替代或等同设置，但其在本发明的精神和范围相符。此外，当描述本发明的不同实施例时，可以理解的是，本发明的各个方面可仅包括一些所描述的实施例。因此，本发明不被之前的描述所限定，仅被所附权利要求的范围限定。
权利要求
1.一种结构薄片，其包括大于10mWh/ft2的能量储存密度，并在至少5%的应变下能够抵抗大于5KPa的应力。
2.根据权利要求1所述的结构薄片，进一步包括多个奇数个的高强度、高能量密度的结构薄片，所述结构薄片用缝合剂串联结合在一起。
3.根据权利要求1所述的结构薄片，进一步包括多个偶数个的高强度、高能量密度的结构薄片，所述结构薄片用缝合剂并联结合在一起。
4.根据权利要求2所述的结构薄片，其特征在于，填充通孔印刷成型于图形化电流总线中，以将所述多个高强度、高能量密度的结构薄片结合在一起。
5.根据权利要求3所述的结构薄片，其特征在于，填充通孔印刷成型于图形化电流总线中，以将所述多个高强度、高能量密度的结构薄片结合在一起。
6.根据权利要求1所述的结构薄片，其特征在于，所述结构薄片的所有部件都是印刷成型。
7.根据权利要求1所述的能量储存结构薄片，进一步包括两个同样的印刷成型的子组件，其中，第一子组件和同样的第二子组件被拆下，并且基座对基座对准，缝合入能量储存结构薄片中。
8.根据权利要求6所述的能量储存结构薄片，进一步包括联接于所述两个同样子组件外部的外部电流总线。
9.根据权利要求8所述的能量储存结构薄片，其特征在于，所述外部电流总线的几何形状平行于内部基座层的几何形状，其中，所述外部电流总线用于连通引脚。
10.根据权利要求1所述的能量储存结构薄片，进一步包括电气引脚。
11.根据权利要求1所述的能量储存结构薄片，进一步包括多个容错性、自复原的结构隔间。
12.结构薄片包括印刷成型的隔离物；印刷成型的电极；和印刷成型的结构导体。
13.根据权利要求12所述的结构薄片，进一步包括多个奇数个的高强度、高能量密度的结构薄片，所述结构薄片用缝合剂串联结合在一起。
14.根据权利要求12所述的结构薄片，进一步包括多个偶数个的高强度、高能量密度的结构薄片，所述结构薄片用缝合剂并联结合在一起。
15.根据权利要求13所述的结构薄片，其特征在于，填充通孔印刷成型于图形化电流总线中，以将所述多个高强度、高能量密度的结构薄片结合在一起。
16.根据权利要求14所述的结构薄片，其特征在于，填充通孔印刷成型于图形化电流总线中，以将所述多个高强度、高能量密度的结构薄片结合在一起。
17.根据权利要求12所述的能量储存结构薄片，进一步包括电气引脚。
18.根据权利要求17所述的能量储存结构薄片，进一步包括联接于两个同样子组件外部的外部电流总线。
19.根据权利要求18所述的能量储存结构薄片，其特征在于，所述外部电流总线的几何形状平行于内部基座层的几何形状，其中，所述外部电流总线用于连通引脚。
20.根据权利要求12所述的能量储存结构薄片，进一步包括多个容错性、自复原的结构隔间。
21.用于能量储存装置的隔离物包括电绝缘多孔隔间；和无孔电绝缘基座板栅；其中，电绝缘多孔隔间和无孔电绝缘基座板栅是印刷成型的。
22.根据权利要求21所述的隔离物，其特征在于，所述隔间和板栅印刷成型于衬底上， 使得形成多个隔离的大规模并行的多孔隔间，所述多孔隔间通过无孔电绝缘基座板栅结构分离。
23.根据权利要求22所述的隔离物，其特征在于，所述电绝缘多孔隔间厚度为5至 40 μ m0
24.根据权利要求22所述的隔离物，其特征在于，所述基座板栅和绝缘的大规模并行的多孔隔间，使得所述能量储存装置的多个隔离的大规模并行的多孔隔间具有穿透耐受性和机械韧性。
25.根据权利要求21所述的隔离物，其特征在于，无孔基座以一种方式直接印刷在连续多孔膜衬垫上，使得所述连续多孔膜衬垫转化为无孔基座板栅。
26.根据权利要求21所述的隔离物，其特征在于，在用于双层电容器的隔离物中，能量是可储存的。
27.根据权利要求21所述的隔离物，其特征在于，陶瓷或导电粒子中的至少一种封装于隔离物基体中。
28.根据权利要求21所述的隔离物，其特征在于，通过印刷成型，所述孔和弹性是可调的。
29.一种能量储存结构薄片，包括能量储存电极，所述电极在邻近粒子之间联锁，并且具有合适的纳米等级，结合于所述能量储存电极之上或之下的阶层。
30.根据权利要求四所述的能量储存结构薄片，其特征在于，所述能量储存电极通过干燥或湿印刷工艺中的至少一种，沉积在多孔隔离物上。
31.根据权利要求四所述的能量储存结构薄片，其特征在于，所述能量储存电极包括多个多毛粒子，所述多毛粒子在所述粒子之间具有电解液的最佳质量传送，并且其中还包括高表面积微观结构。
32.根据权利要求31所述的能量储存结构薄片，其特征在于，所述表面积微观结构包括气凝胶。
33.根据权利要求32所述的能量储存结构薄片，其特征在于，所述多毛粒子最初成型于溶液-凝胶中，通过加入包括碳纳米管和粗大而长的类似纱线的CNT束的混合物，溶液-凝胶被设计为生成合适孔结构的气凝胶。
34.根据权利要求33所述的能量储存结构薄片，其特征在于，所述纳米混合物在加入所述溶液-凝胶形成物之前，加入凝胶形成的液体溶液。
35.根据权利要求34所述的能量储存结构薄片，其特征在于，所述多毛粒子允许脉冲辐射，以引发碳纳米管多毛粒子的内部粒子熔化。
36.根据权利要求35所述的能量储存结构薄片，其特征在于，所述能量储存电极在印刷之前预装载电解液。
37.电极粒子包括 高孔隙率的电极核心；和从所述高孔隙率的电极核心凸出的导电纳米材料基体； 其中，所述电极粒子配置为在任何方向与另一阶层联锁，以允许 高能量密度；和随着包括多个所述电极粒子的电极层的厚度增加的恒定功率。
38.根据权利要求37所述的电极粒子，进一步包括，在印刷电极粒子之前预装载的电解液。
39.根据权利要求37所述的电极粒子，形成绿色状态构造，依靠所述电极粒子的密闭腔的烧结和收缩，允许封存在其中的气体从腔室的开孔结构中释放。
40.能量储存结构薄片，包括印刷成型于无孔基座层上的图形化电流总线，所述无孔基座层将多孔隔离物隔间电气隔离和机械隔离，并且阻止电解液传送。
41.根据权利要求40所述的能量储存结构薄片，其特征在于，设置所述图形化电流总线的尺寸，得到应用的最佳热量、机械和载流要求。
42.根据权利要求40所述的能量储存结构薄片，其特征在于，可配置电流总线大小与多孔隔离物隔间大小的比例，得到最佳机械、热量和电气性质。
43.根据权利要求40所述的能量储存结构薄片，其特征在于，所述图形化电流总线用密封环与所述无孔基座层联锁。
44.能量储存结构薄片，包括印刷成型于子组件上的导电载流层，所述子组件包括隔离物、基座、电极和电流总线。
45.根据权利要求44所述的能量储存结构薄片，其特征在于，所述导电载流层的材料确保导电载流层和电极之间的联锁。
46.根据权利要求45所述的能量储存结构薄片，其特征在于，所述导电载流层通过首先在电极上放置导电纳米材料而形成，使得一旦用脉冲辐射熔合，电极材料的外层的0. 3 至3微米的机械性质变化而形成一盖子，所述盖子注入所述导电纳米材料中。
47.根据权利要求46所述的能量储存结构薄片，其特征在于，所述导电载流层在所述盖子之上通过脉冲辐射熔合。
48.根据权利要求47所述的能量储存结构薄片，其特征在于，所述盖子和所述导电载流层是主要的ζ轴导体。
49.根据权利要求48所述的能量储存结构薄片，其特征在于，ζ轴传导可通过高强度导电碳支撑物提供，所述碳支撑物被配置用以加强机械性质和增加强度。
50.根据权利要求44所述的能量储存结构薄片，其特征在于，所述导电载流层主要在ζ 轴导电。
51.一种装置，包括能量储存结构薄片的第一子组件，所述能量储存结构薄片印刷成型于衬底上，其中，为了容易拆下，所述衬底与所述第一子组件的热性质不匹配。
52.如权利要求51所述的装置，进一步包括印刷成型的第二子组件，所述第二子组件与所述第一子组件相同，其中，所述第一子组件和同样的第二子组件被拆下，并且基座对基座对准，缝合于所述能量储存结构薄片中。
53.如权利要求52所述的装置，其特征在于，所述第一子组件和第二子组件在将两个对准的衬底缝合在一起之前，装载电解液。
54.如权利要求53所述的装置，其特征在于，通过应用一种材料形成缝，其中，所述材料为塑化剂。
全文摘要
本发明公开了一种结构薄片，其包括大于10mWh/ft2的能量储存密度，且该结构薄片在至少5％的应变下能够抵抗大于5kPa的应力。
文档编号H01G9/00GK102576607SQ201080042126
公开日2012年7月11日 申请日期2010年7月27日 优先权日2009年7月27日
发明者乔治·艾伦, 特雷弗·J·西蒙, 罗伯特·J·米勒 申请人:纸电池公司