CN102169999B - 一种金属纳米材料纸型电池 - Google Patents

Abstract

一种金属纳米材料纸型电池，其特征是以纤维纸材料为载体，将由金属纳米材料、导电剂和电解质组成的纳米活性物质吸附在纤维纸材料上，构成纸型电活性层，然后在纸型电活性层的两面分别紧紧地连接正负电极，构成纸型电池。本发明所述的纸型电池的单体电压可以达到1.0-1.5V/cm²，多体电压：2-5V或更高，厚度：0.7-1.0mm，电容：0.5-3mA/cm²，有效面积为2-4cm²的多体电池可点亮各种LED管。

Description

一种金属纳米材料纸型电池

技术领域

本发明属于电池技术领域，特别涉及到纸型电池。

技术背景

电池作为电能存储器件，已经成为现代生活不可或缺的商品。小至家用电器，大到电动汽车，都要用到电池。而电池的类型十分繁多，但是近年来出现了一种新型纸电池，这种纸电池可以说是绿色能源中的一个新兵。它的主要特征是以纤维纸作为支架，利用纤维素的网络结构，用来做集（蓄）电器和电极。与传统干电池不同之处在于：纸电池是将正负极、电解质和电活性物质分层压印在纸上，构成一厚约1mm扁平状纸电池卡。它的特点是轻质、高效、柔性、可塑、可弯、可叠加、可以为各种器件提供电源，还可以制成二次充电电池。因此其应用前景十分广阔。

归纳起来纸电池可以用在以下几个方面：1、是音乐卡、贺年片及各种小型玩具的动力之源；2、为小型家用电器（如手机、数码相机、小型笔记本电脑、吹风机、电动剃须刀等）提供电源，纸电池是一种理想的驱动装置；3、用于智能电子标签，特别是为射频识别器（RFID）在安全防盗、食品安全自动识别、目标数据的获取和识别提供所需的能源；4、医疗保健的有力助手。例如“电池高效面膜”，将纸电池用在面膜方面，将使面膜中的营养素的活力被大大的激活，迅速渗透到皮肤的内层，人体细胞对营养成分的吸收更快更有效。又如“电池动能膏药”，由于电热效应，膏药的效能会明显提高；5、会说话的报纸。如果将纸电池和报纸同时印刷在一张纸上，报纸有了动能，报纸可能变成有声报纸；如果将纸电池和地图印刷在一起，电池提供能源，地图可以自动定位；6、当纸电池的能效和寿命进一步得到改善，将有可能为电动机提供动力。

总之纸电池今后可以成为一种超级电源器件。

目前全世界仅有美国、以色列、芬兰等少数几个国家研制成功纸电池产品。美国斯坦福大学的科学家将碳纳米管和银纳米线组成纳米导电墨水，将其渗入到纸中，制成高效传导性的储能装置——纸电池或者纸超级电容。这种超级电容有更快的存入和释放电荷能力。纸超级电容可以保持千万次充、放电周期，比锂离子电池高一个数量级。《印刷技术》2010,07《青年科学》2010.03。

以色列power公司生产 的纸电池是在锌/二氧化锰的基础上制成的。其主要性能：单体电压：1.5V；多体电池：3V（或者更高）；厚度：0.5-0.7mm；连续电流密度：0.1mA/cm²；标准容量：2.5-5mAh/cm²；保存期：3年；无重金属（即不含汞、铅、镉）。    芬兰Enfucell公司开发的纸电池主要活性成分是锌、二氧化锰和氯化锌电解液。其主要性能：单体电压：1.5V；容量：2-3mA/cm²；厚度：0.5-0.8mm；保存期：2年。

另外尚有专利02274195.x一种纸电池（实用新型）其特征是在基底（纸或塑料）的一面涂印锌负极，另一面涂由二氧化锰和石墨组成的正极与氯化钙、氯化镁、氯化铵墨水组成电解质的混合层，负极层和混合层上分别连接导电体，构成纸电池。

专利201010235600.8一种柔性印刷式纸电池防伪标贴，其特征是包括前端纸电池、外部触发装置、激励控制电路和后端防伪实现部分。前端纸电池由薄膜电池主体、电池正极与电池负极组成，电池厚约为0.4-1.0mm，电压1.5-3.0      V，持续工作电流0.1-0.5mA，尺寸6.5mm×6.5mm-39mm×39mm,储电量为0.54-20mA。（power paper STD-20纸电池）

综上所述，目前的纸电池主要是在原来锌-二氧化锰干电池的基础上改良其组成，并以纸为载体，采用印刷技术制成的柔性、质轻、可塑的电池。

发明内容

本发明的目的在于提供一种金属纳米纸型电池及其制备方法。

本发明以纤维纸材料为载体，将由金属纳米材料、导电剂和电解质组成的纳米活性物质吸附在纤维纸材料上，构成一层柔性的纸型电活性层，然后在纸型电活性层的两面分别紧紧地连接正负电极，从而构成一个纸型电池。

本发明所述的纳米电活性物质是按金属纳米材料∶导电剂∶电解质= 1∶0.01-0.2∶0.01-0.2的重量比，加去离子水配制而成。

本发明所述的纤维纸材料是市售各种纸张，优选浆层纸或滤纸。

本发明所述的金属纳米材料是纳米银、纳米铜、纳米镍、纳米锰或纳米铁等。

本发明所述的导电剂是碳纳米管、超细石墨粉、乙炔黑、石墨烯中的一种或两种以上。

本发明所述的电解质是氯化锌、氯化镍、氯化铜、氯化钠、氯化铵、氯化锰、氯化铁中的一种或两种以上。

本发明所述的正电极为银、铜或镍金属箔，负电极为铝或锌金属箔。所述的电极是印刷或者粘贴在纤维纸表面。

本发明所述的将纳米电活性物质吸附在纤维纸型材料的表面所采用的工艺是印刷、喷镀、丝网印、涂覆等方法。

本发明是以导电材料、金属纳米材料和电解质为主要活性物质，通过印刷、喷镀、涂覆制成的以纸为载体的纸型电池。这种纸型电池的单体电压可以达到1.0-1.5V/cm²，目前尚未见到这种电池的报道。本发明制成的纸型电池的主要性能：

单体电压：1.0-1.5V；

多体电压：2-5V或更高；

厚度：0.7-1.0mm；

电容：0.5-3mA/cm²；

有效面积为2-4cm²的多体电池可点亮各种LED管。

附图说明

附图为本发明纸型电池点亮LED发光照片图。其中左边的LED为红光，中间的LED为白光，右边的LED为绿光。

具体实施方式

本发明将通过以下实施例作进一步说明。

实施例1。

首先取铜箔（作为正极）和锌箔（作为负极）分别印刷在两张纤维纸上，按照纳米铜：碳纳米管：氯化锌=1:0.01:0.15配成电活性物质，加去离子水，充分研磨制成印刷浆料，然后将浆料印刷在另外一张纤维纸的表面，再将铜箔与电活性物质紧密接触，印刷浆料的纸的另一面与锌箔接触，并在铜箔和锌箔端各接出引线，最后封塑制成纸型电池。

实施例2。

首先取镍箔（作为正极）和铝箔（作为负极）分别贴在两张浆层纸上，按照纳米镍：碳纳米管和石墨粉：氯化镍=1:0.2:0.1配成电活性物质，加去离子水，充分研磨制成浆料。其中碳纳米管和超细石墨粉按1:2的比例混合。然后将浆料喷镀在另外一张浆层纸的表面。再将镍箔与活性物质紧密接触，喷镀浆料的浆层纸的另一面与铝箔紧密接触，并在镍箔和铝箔端各接出引线，最后封塑制成纸型电池。

实施例3。

首先取铜箔（作为正极）和锌箔（作为负极）分别贴在两张纤维纸上，按纳米铁：石墨粉：氯化铁=1:0.15:0.2配成电活性物质，加去离子水，充分研磨制成浆料。然后将浆料喷镀在另外一张浆层纸的表面。再将铜箔与活性物质紧密接触，喷镀浆料的浆层纸的另一面与锌箔紧密接触，并在铜箔和锌箔端各接出引线，最后封塑制成纸型电池。

实施例4。

首先取铜箔（作为正极）和铝箔（作为负极）分别贴在两张纤维纸上，按纳米锰：乙炔黑：氯化铵和氯化锰==1:0.15:0.1配成电活性物质，加去离子水，充分研磨制成印刷浆料。氯化铵和氯化锰按1:1的比例混合。然后将浆料印刷在另外一张滤纸的表面。再将铜箔与活性物质紧密接触，印刷浆料的滤纸的另一面与铝箔紧密接触，并在铜箔和铝箔端各接出引线，最后封塑制成纸型电池。

实施例5。

首先取铜箔（作为正极）和锌箔（作为负极）分别印刷在两张纤维纸上，按纳米银：碳纳米管和乙炔黑：氯化铜和氯化锌=1:0.2:0.2配成电活性物质，加去离子水，充分研磨制成印刷浆料。碳纳米管和乙炔黑按1:1的比例混合，氯化铜和氯化锌按1:2的比例混合。然后将浆料印刷在另外一张浆层纸的表面。再将铜箔与活性物质紧密接触，印刷浆料的浆层纸的另一面与锌箔紧密接触，并在铜箔和锌箔端各接出引线，最后封塑制成纸型电池。

实施例6。

首先取镍箔（作为正极）和铝箔（作为负极）分别印刷在两张纤维纸上，按纳米铜：碳纳米管：氯化铜=1:0.05:0. 1配成电活性物质，加去离子水，充分研磨制成印刷浆料。然后将浆料喷镀在另外一张滤纸的表面。再将镍箔与活性物质紧密接触，喷镀浆料的滤纸的另一面与铝箔紧密接触，并在镍箔和铝箔端各接出引线，最后封塑制成纸型电池。

Claims (4)

1.一种金属纳米材料纸型电池，其特征是以纤维纸材料为载体，将由金属纳米材料、导电剂和电解质组成的纳米电活性物质吸附在纤维纸材料上，构成纸型电活性层，然后在纸型电活性层的两面分别紧紧地连接正负电极，构成纸型电池；

所述的金属纳米材料是纳米银、纳米铜、纳米镍、纳米锰或纳米铁；

所述的电解质是氯化锌、氯化镍、氯化铜、氯化钠、氯化铵、氯化锰、氯化铁中的一种或两种以上；

所述的正电极为银、铜或镍金属箔，负电极为铝或锌金属箔。

2.根据权利要求1所述的纸型电池，其特征是所述的纳米电活性物质是按金属纳米材料∶导电剂∶电解质=1∶0.01-0.2∶0.01-0.2的重量比，加去离子水配制而成。

3.根据权利要求1所述的纸型电池，其特征是所述的纤维纸型材料为浆层纸或滤纸。

4.根据权利要求1所述的纸型电池，其特征是所述的导电剂是碳纳米管、超细石墨粉、乙炔黑、石墨烯中的一种或两种以上。

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