CN104733773A

CN104733773A - 一种中空通道纸基折叠电池

Info

Publication number: CN104733773A
Application number: CN201510143313.7A
Authority: CN
Inventors: 张彦; 于京华; 张丽娜; 葛慎光; 颜梅; 刘海云; 王衍虎; 孙国强; 吴开庆; 李丽; 吴鲁丹
Original assignee: University of Jinan
Current assignee: University of Jinan
Priority date: 2015-03-30
Filing date: 2015-03-30
Publication date: 2015-06-24
Anticipated expiration: 2035-03-30
Also published as: CN104733773B

Abstract

本发明公开了一种中空通道纸基折叠电池。该电池由纸基中空通道、电解质、电极等部分组成。制备过程包括以下步骤：设计中空通道整体布局及疏水图案；批量打印；融蜡成型；制备中空通道；粘贴电极；构建连接线；裁剪折叠；电池组装；注入电解质；输出端得到电压。本发明采用原料丰富、廉价、易折叠、可降解的纸基材作为基底材料，制备的电池柔韧灵活，携带方便，可以剪裁、弯曲、折叠，对环境友好，制备方法简单。与普通的纽扣电池相比，它成本极低、材料环保，可作为日用垃圾处理，尺寸和形状灵活，易于与应用进行集成。

Description

一种中空通道纸基折叠电池

技术领域

本发明涉及一种中空通道纸基折叠电池，属于电池的制备技术领域。

背景技术

近年来对电子器件的便携性要求越来越高，为了满足社会的这一需求，急需生产出一些低成本、便携、多功能集成的电子器件，为此需要找到一种廉价的基底材料。纸，因其具有原料丰富、质量轻、廉价、易折叠和可降解等优点，是很好的基底选择。因此，纸基电子器件因具有质轻、价格低廉、便携、易于批量生产等优点引起了广大研究人员的极大兴趣。现阶段纸基电子器件的应用领域主要包括纸基电子显示器、纸基印刷电路板、纸基电容器、纸基LED等。除此之外，一个更重要的研究方向就是纸基电池的制备及应用。考虑到价格、性能以及环境友好等特点，纸基电池可以满足资源匮乏地区乃至发展中国家对便携式能源的需求。

在纸基电池的制备过程中一个研究热点是电解质流动通道的制备，研究人员大多采用制备疏水墙来制备该通道。例如，哈佛大学的Whitesides课题组首次采用光刻胶在纸上制备了微流控通道。另外，他们通过将多层矩形微流控通道堆叠制备了具有三维立体结构的微流控纸器件。尽管通过这种光刻胶技术可以制备分辨率比较高的的微流控通道，但是同时也需要价格昂贵的模具和设备，因而限制了该技术的发展。

发明内容

针对目前存在的问题，我们选择在纸基材上构建电池，并将中空通道技术引入制备过程中。本发明提供了一种设计合理、操作简单的中空通道纸基折叠电池的制备方法，在中空通道的两侧留有亲水区域，使得液体流过时的作用力既有纸纤维的毛细作用力，又有液体在进出口之间的压力降，极大地提高了液体的流动速度。该技术避免了使用价格昂贵的模具和设备，为基于纸基材的电子器件的应用扩展奠定了基础。

该中空通道纸基折叠电池的制备方法具有工艺简单、成本低廉、环境友好等特点。具体制备工艺如下：

1. 采用软件设计电解质流体中空通道整体布局及疏水图案，如图1所示。

2. 将滤纸裁剪成A4大小。

3. 采用蜡打印机在CMYK四分色模式下在步骤2制得的滤纸上制备如图1所示的疏水区域a及半疏水半亲水区域b。

4. 将步骤3中得到的带有疏水图案的A4滤纸放置到加热板或烘箱中，在60-150℃下加热0.5-2 min，使蜡融化并浸透整个纸的厚度，形成疏水墙。

5. 将层1、3、5中的由疏水图案包围的白色圆形区域居中进行打孔，孔直径比圆形区域直径小1 mm；层4、层6中的由疏水图案包围的白色矩形区域居中进行切割，获得中空通道，中空通道的宽度比矩形区域的宽度小1 mm；在图1所示的图案I、II区域分别粘贴两种活泼性不同的金属胶带作为正极、负极。

6. 将图1中虚线区域用5B铅笔进行绘涂，构建连接线。

7. 沿层1层4间空白区域以及层3层6间空白区域对纸基材进行裁剪，并进行折叠，折叠后形成的电池从上到下依次为1、6、5、4、3、2层，如图2所示。

8. 借助燕尾夹及带有孔的自制芯片夹对电池进行组装，从层1的孔中加入电解质溶液，电解质流经中空通道到达电极后，输出端即可得到电压。

步骤1中所使用的软件是CorelDRAW或者Photoshop软件中的一种。

步骤3中打印疏水区域a 时所采用的四分色参数为C 100%、 M 0%、Y 0%、K 0%，或者C 0%、 M 100%、Y 0%、K 100%，或者C 0%、 M 0%、Y 100%、K 0%，或者C 0%、 M 0%、Y 0%、K 100%中的一种；打印半疏水半亲水区域b 时所采用的四分色参数为C 50%、 M 0%、Y 0%、K 0%，或者C 0%、 M 60%、Y 0%、K 0%，或者C 0%、 M 0%、Y 60%、K 0%，或者C 0%、 M 0%、Y 0%、K 50%中的一种。

步骤5中所述的圆形区域的直径为3-5 mm，圆孔直径为2-4 mm；矩形区域宽度为3-5 mm，矩形区域长度为18-22 mm，中空通道的宽度为2-4 mm，中空通道的长度为18-22 mm；碳连接线所在的虚线区域宽度为3-5 mm，虚线区域长度为14-16 mm；半疏水半亲水区域b的宽度为3-5 mm，半疏水半亲水区域b的长度为13-15 mm。

步骤5中两种活泼性不同的金属胶带可以是铝箔胶带与铜箔胶带，或者锌箔胶带与铜箔胶带中的一种组合。

步骤8中所述电解质溶液为0.1 M CuCl₂溶液。

本发明的有益效果

1. 纸基材原料丰富、质量轻、廉价、易折叠、可降解。

2. 制备的电池柔韧灵活，携带方便，可以剪裁、弯曲、折叠和可塑，对环境友好，制备方法简单。

3. 与普通的纽扣电池相比，它成本极低、材料环保、可作为日用垃圾处理、尺寸和形状灵活、易于与应用进行集成。

4. 制备的纸基电池可以作为智能卡、 RFID（射频识别）标签、音乐贺卡和纸上 LED 的电源，还可进一步用于电子纸、双稳非易失性显示器和微传感器的工作电源，具有广泛的应用前景。

5. 制备的纸基电池可以与太阳能电池结合集成可太阳能电池充电电池，也可以通过与相关电子器件结合实现电池的无线充电。

附图说明

图1. 电解质流体中空通道整体布局及疏水图案。

图2. 中空通道纸基折叠电池的折叠示意图。

附图标记说明

1-6 纸层所在编号

a 疏水区域 b 半疏水半亲水区域

I 正极金属胶带粘贴区域 II 负极金属胶带黏贴区域。

具体实施方式

实施例1

一种中空通道纸基折叠电池的制备方法具有工艺简单、成本低廉、环境友好等特点。具体制备工艺如下：

1. 采用CorelDRAW X7软件设计电解质流体中空通道整体布局及疏水图案，如图1所示。

2. 将滤纸裁剪成A4大小。

5. 将层1、3、5中的由疏水图案包围的白色圆形区域进行居中打孔，孔直径比圆形区域直径小1 mm；层4、6中的由疏水图案包围的白色矩形区域进行居中切割，获得中空通道，中空通道的宽度比矩形区域的宽度小1 mm；在图1所示的图案I、II区域分别粘贴铝箔胶带及铜箔胶带作为正极、负极。

6. 将图1中虚线区域用5B铅笔进行绘涂，构建连接线。

7. 沿层1层4间空白区域以及层3层6间空白区域对处理后的纸基材进行裁剪，并进行折叠，折叠后形成的电池从上到下依次为1、6、5、4、3、2层，如图2所示。

8. 借助燕尾夹及带有孔的自制芯片夹对电池进行组装，从层1的孔中加入0.1 M CuCl₂电解质溶液，电解质流经中空通道到达电极后，输出端即可得到电压。

步骤3中打印疏水区域a 时所采用的四分色参数为C 100%、 M 0%、Y 0%、K 0%，打印半疏水半亲水区域b 时所采用的四分色参数为C 50%、 M 0%、Y 0%、K 0%。

步骤5中所述的圆形区域的直径为3 mm，圆孔直径2 mm；矩形区域宽度为3 mm，矩形区域长度为18 mm，中空通道的宽度为2 mm，中空通道的长度为18 mm；碳连接线所在的虚线区域宽度为3 mm，虚线区域长度为14 mm；半疏水半亲水区域b的宽度为3 mm，半疏水半亲水区域b的长度为13 mm。

实施例2

制备步骤同例1，不同之处是：步骤1中采用Photoshop CS6软件设计电解质流体中空通道整体布局及疏水图案，如图1所示。

实施例3

制备步骤同例1，不同之处是：步骤5中在图1所示的图案I、II区域分别粘贴锌箔胶带及铜箔胶带作为正极、负极。

实施例4

制备步骤同例1，不同之处是：步骤3中打印疏水区域a 时所采用的四分色参数为C 0%、 M 100%、Y 0%、K 0%，打印半疏水半亲水区域b 时所采用的四分色参数为C 0%、 M 60%、Y 0%、K 0%。

实施例5

制备步骤同例1，不同之处是：步骤3中打印疏水区域a 时所采用的四分色参数为C 0%、 M 0%、Y 100%、K 0%，打印半疏水半亲水区域b 时所采用的四分色参数为C 0%、 M 0%、Y 60%、K 0%。

实施例6

制备步骤同例1，不同之处是：步骤3中打印疏水区域a 时所采用的四分色参数为C 0%、 M 0%、Y 0%、K 100%，打印半疏水半亲水区域b 时所采用的四分色参数为C 0%、 M 0%、Y 0%、K 50%。

Claims

1.一种中空通道纸基折叠电池，其特征是包括以下制备步骤：

（1.1．）采用软件设计电解质流体中空通道整体布局及疏水图案;

（1.2.）将滤纸裁剪成A4大小;

（1.3.）采用蜡打印机在CMYK四分色模式下在步骤2制得的滤纸上制备疏水区域a及半疏水半亲水区域b;

（1.4.）将步骤3中得到的带有疏水图案的A4滤纸放置到加热板或烘箱中，在60-150℃下加热0.5-2 min，使蜡融化并浸透整个纸的厚度，形成疏水墙;

（1.5.）将层1、3、5中由疏水图案包围的亲水圆形区域居中进行打孔，孔直径比圆形区域直径小1 mm；层4、6中的由疏水图案包围的亲水矩形区域居中进行切割，获得中空通道，中空通道的宽度比矩形区域的宽度小1 mm；在图案I、II区域分别粘贴两种活泼性不同的金属胶带作为正极、负极;

（1.6.）将虚线区域用5B铅笔进行绘涂，构建连接线;

（1.7.）沿层1层4间空白区域以及层3层6间空白区域对纸基材进行裁剪，并进行折叠，折叠后形成的电池从上到下依次为1、6、5、4、3、2层;

（1.8.）借助燕尾夹及带有孔的自制芯片夹对电池进行组装，从层1的孔中加入电解质溶液，电解质流经中空通道到达电极后，输出端即可得到电压。

2.如权利要求1所示的一种中空通道纸基折叠电池，其特征是步骤1.1中所述使用的软件是CorelDRAW或者Photoshop软件中的一种。

3.如权利要求1所示的一种中空通道纸基折叠电池，其特征是步骤1.3中所述打印疏水区域a时所采用的四分色参数为C 100%、 M 0%、Y 0%、K 0%，或者C 0%、 M 100%、Y 0%、K 100%，或者C 0%、 M 0%、Y 100%、K 0%，或者C 0%、 M 0%、Y 0%、K 100%中的一种；打印半疏水半亲水区域b 时所采用的四分色参数为C 50%、 M 0%、Y 0%、K 0%，或者C 0%、 M 60%、Y 0%、K 0%，或者C 0%、 M 0%、Y 60%、K 0%，或者C 0%、 M 0%、Y 0%、K 50%中的一种。

4.如权利要求1所示的一种中空通道纸基折叠电池，其特征是步骤1.5中所述的圆形区域的直径为3-5 mm，圆孔直径2-4 mm；矩形区域宽度为3-5 mm，矩形区域长度为18-22 mm，中空通道的宽度为2-4 mm，中空通道的长度为18-22 mm；碳连接线所在的虚线区域宽度为3-5 mm，虚线区域长度为14-16 mm；半疏水半亲水区域b的宽度为3-5 mm，半疏水半亲水区域b的长度为13-15 mm。

5.如权利要求1所示的一种中空通道纸基折叠电池，其特征是步骤1.5中所述两种活泼性不同的金属胶带可以是铝箔胶带与铜箔胶带，或者锌箔胶带与铜箔胶带中的一种组合。

6.如权利要求1所示的一种中空通道纸基折叠电池，其特征是步骤1.8中所述电解质溶液为0.1 M CuCl₂溶液。