CN105186044A - 一种包芯纱电极制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及电极制备方法，具体涉及一种包芯纱电极制备方法，属于电化学技术领域。本发明首先将导电纤维在乙醇和丙酮的混合溶液中超声清洗，然后将含有锂离子电池正极材料或负极材料的浆料采用涂敷的方法包覆在超声清洗后的导电纤维上，再将纱线缠绕在表面包覆有浆料的导电纤维上，既得所述包芯纱电极，该制备方法简便易操作。本发明的包芯纱电极改变了传统电极的结构，表面的纱线层可以取代传统的隔膜，进而实现了电极与隔膜一体化。同时，该包芯纱电极具有良好的柔性，易于编织和集成，具有良好的应用前景。

Description

一种包芯纱电极制备方法
技术领域
本发明涉及电极制备方法，具体涉及一种包芯纱电极制备方法，属于电化学技术领域。
背景技术
近年来，智能集成服装，眼镜，手表的出现代表着电子消费品向着小型化、可穿戴、可折叠柔性的趋势快速发展。这些智能穿戴设备将广泛运用在医疗保健、环境保护、通讯以及军事等方面。良好的市场前景，使得柔性智能穿戴设备已成为各大公司相互竞争的热点。实现柔性智能穿戴设备的普及，首先需要解决的便是这些智能穿戴设备的电源问题，研发出与之相匹配的能量存储系统如锂离子电池为其供能十分必要。传统的锂离子电池由于电极的限制只能制备平面状，其柔性和可编织性都不能满足以上智能设备。与传统锂离子电池相比，线状或纤维状锂离子电池具有轻便柔韧的性质，而且可以集成或编织成多种电子设备。线性锂离子电池制备的关键是找到具有超强柔韧性，强机械性能，出色的导电性以及热稳定性的纤维电极。如在2014年的文献NanoLett.第14期3432-3438页公开的名称为“WindingAlignedCarbonNanotubeCompositeYarnsintoCoaxialFiberFullBatterieswithHighPerformance”中将锰酸锂粉末放置在碳纳米管阵列上，通过干纺加捻制得碳纳米管/锰酸锂纤维电极，采用锂丝为对电极组装为半电池。除此之外，采用包覆有活性物质的导电纤维作为正负极组装为全电池，如中国专利公开号CN103904357A,公开日为2014年7月2日，发明名称为“一种可拉伸的线状锂离子电池及其制备方法”。采用碳纳米管/锰酸锂复合纤维作为正极，碳纳米管/钛酸锂复合纤维作为负极，然后将正负极纤维分别缠绕在一根弹性橡胶上，再涂一层凝胶电解质，最后封装，从而得到一种线状锂离子电池，该柔性电池采用将正负极未相互接触的方式缠绕在弹性橡胶上，电极之间未放置隔膜，当该柔性电池弯曲幅度过大或用于编织时，电极之间可能会发生接触，而引起短路。当前仍需要制备出更安全可靠的柔性电极。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种高安全性、柔性线状包芯纱电极制备方法。
本发明的包芯纱电极采用以导电纤维为芯线，将含有锂离子电池正极材料或负极材料的浆料采用涂敷的方法包覆在导电纤维上。再将纱线缠绕在表面包覆有浆料的导电纤维上，即可得到相应的包芯纱电极。制备方法按以下步骤进行：
a将导电纤维置于体积比为1:1~4:1的乙醇和丙酮的混合溶液中，超声处理20~60min，然后用去离子水将超声后的导电纤维清洗3~5次并烘干。
b将锂离子电池正极材料或负极材料与乙炔黑与聚偏氟乙烯按质量比为8:1:1制备的浆料采用涂敷的方法包覆在经a步骤处理后的导电纤维上。
c将经步骤b得到的包覆有浆料的导电纤维作为芯线，纱线作为外皮，将纱线以45~70o的角度，100~1500rpm的绕线圈数缠绕在表面包覆有浆料的导电纤维上，既得所述包芯纱电极。
所述的导电纤维为不锈钢丝纤维或铝丝纤维或铜丝纤维或钛丝纤维或钼丝纤维或碳纤维中的一种。
所述锂离子电池正极材料选自钴酸锂或磷酸铁锂或钒酸锂或钴镍锰酸锂或锰酸锂；所述负极材料选自石墨或钛酸锂或硅或锡或锡基合金。
所述的纱线为棉纱或晴纶或锦纶或涤纶或氨纶或粘胶纤维中的一种。
由于采用了以上技术方案，本发明的一种包芯纱电极的制备方法，是将含有锂离子正极材料或负极材料的浆料采用涂敷的方法包覆在导电纤维上，再将包覆浆料的导电纤维表面缠绕一层纱线形成“外皮”即得到包芯纱电极。该制备方法简便易操作。包芯纱电极外层的纱线层起到传统锂离子电池隔膜的作用，即：将正、负极隔开同时不阻碍锂离子的迁移，进而实现电极和隔膜一体化。在电池组装过程中，不需要在正负电极之间放置隔膜，简化了锂离子电池组装工艺。此外，该包芯纱电极具有良好的柔性能够承受较大的形变，提高了电池的安全性能。通过以上技术制备的包芯纱电极具有良好的柔性，易于编织和集成，具有良好的应用前景。
具体实施方式
下面结合本发明的实施例对本发明作进一步的阐述和说明。
一种包芯纱电极制备方法，本发明的包芯纱电极采用以导电纤维为芯线，将含有锂离子电池正极材料或负极材料的浆料采用涂敷的方法包覆在导电纤维上。再将纱线缠绕在表面包覆有浆料的导电纤维上，即可得到相应的包芯纱电极。制备方法按以下步骤进行：
a将导电纤维置于体积比为1:1~4:1的乙醇和丙酮的混合溶液中，超声处理20~60min，然后用去离子水将超声后的导电纤维清洗3~5次并烘干。
b将锂离子电池正极材料或负极材料与乙炔黑与聚偏氟乙烯的N-甲基吡咯烷酮溶液按质量比为8:1:1混合，然后搅拌8h制备的浆料采用涂敷的方法包覆在经a步骤处理后的导电纤维上。
c将经步骤b得到的包覆有浆料的导电纤维作为芯线，纱线作为外皮，将纱线以45~70o的角度，100~1500rpm的绕线圈数缠绕在表面包覆有浆料的导电纤维上，既得所述包芯纱电极。
所述的导电纤维为不锈钢丝纤维或铝丝纤维或铜丝纤维或钛丝纤维或钼丝纤维或碳纤维中的一种。
所述锂离子电池正极材料选自钴酸锂或磷酸铁锂或钒酸锂或钴镍锰酸锂或锰酸锂；所述负极材料选自石墨或钛酸锂或硅或锡或锡基合金。
所述的纱线为棉纱或晴纶或锦纶或涤纶或氨纶或粘胶纤维中的一种。
实施例1
a将不锈钢丝纤维置于10mL乙醇和10mL丙酮的混合溶液中，超声处理20min，然后用去离子水将超声后的不锈钢丝纤维清洗3次并烘干。
b将40mg锰酸锂与5mg乙炔黑与5mg聚偏氟乙烯制备的浆料采用涂敷的方法包覆在经a步骤处理后的不锈钢丝纤维上。
c将步骤b中得到的包覆有浆料的不锈钢丝纤维作为芯线，棉纱作为外皮，将棉纱以45o的角度，100rpm的绕线圈数缠绕在表面包覆有浆料的不锈钢丝纤维上，既得所述包芯纱电极。
实施例2
a将钛丝纤维置于30mL乙醇和10mL丙酮的混合溶液中，超声处理30min，然后用去离子水将超声后的钛丝纤维清洗4次并烘干。
b将40mg钴酸锂与5mg乙炔黑与5mg聚偏氟乙烯制备的浆料采用涂敷的方法包覆在经a步骤处理后的钛丝纤维上。
c将步骤b中得到的包覆有浆料的钛丝纤维作为芯线，晴纶作为外皮，将晴纶以65o的角度，500rpm的绕线圈数缠绕在表面包覆有浆料的钛丝纤维上，既得所述包芯纱电极。
实施例3
a将铝丝纤维置于40mL乙醇和10mL丙酮的混合溶液中，超声处理60min，然后用去离子水将超声后的铝丝纤维清洗5次并烘干。
b将32mg磷酸铁锂与4mg乙炔黑与4mg聚偏氟乙烯制备的浆料采用涂敷的方法包覆在经a步骤处理后的铝丝纤维上。
c将步骤b中得到的包覆有浆料的铝丝纤维作为芯线，锦纶作为外皮，将涤纶以70o的角度，1500rpm的绕线圈数缠绕在表面包覆有浆料的铝丝纤维上，既得所述包芯纱电极。
实施例4
a将钛丝纤维置于10mL乙醇和10mL丙酮的混合溶液中，超声处理20min，然后用去离子水将超声后的钛丝纤维清洗5次并烘干。
b将48mg钒酸锂与6mg乙炔黑与6mg聚偏氟乙烯制备的浆料采用涂敷的方法包覆在经a步骤处理后的钛丝纤维上。
c将步骤b中得到的包覆有浆料的钛丝纤维作为芯线，涤纶作为外皮，将涤纶以60o的角度，1000rpm的绕线圈数缠绕在表面包覆有浆料的钛丝纤维上，既得所述包芯纱电极。
实施例5
a将钛丝纤维置于30mL乙醇和10mL丙酮的混合溶液中，超声处理40min，然后用去离子水将超声后的钛丝纤维清洗4次并烘干。
b将40mg钴镍锰酸锂与5mg乙炔黑与5mg聚偏氟乙烯制备的浆料采用涂敷的方法包覆在经a步骤处理后的钛丝纤维上。
c将步骤b中得到的包覆有浆料的钛丝纤维作为芯线，锦纶作为外皮，将锦纶以60o的角度，1000rpm的绕线圈数缠绕在表面包覆有浆料的钛丝纤维上，既得所述包芯纱电极。
实施例6
a将碳纤维置于40mL乙醇和10mL丙酮的混合溶液中，超声处理60min，然后用去离子水将超声后的碳纤维清洗5次并烘干。
b将40mg石墨与5mg乙炔黑与5mg聚偏氟乙烯制备的浆料采用涂敷的方法包覆在经a步骤处理后的碳纤维上。
c将步骤b中得到的包覆有浆料的碳纤维作为芯线，锦纶作为外皮，将锦纶以70o的角度，1500rpm的绕线圈数缠绕在表面包覆有浆料的碳纤维上，既得所述包芯纱电极。
实施例7
a将铜丝纤维置于30mL乙醇和10mL丙酮的混合溶液中，超声处理40min，然后用去离子水将超声后的铜丝纤维清洗4次并烘干。
b将40mg锡与5mg乙炔黑与5mg聚偏氟乙烯制备的浆料采用涂敷的方法包覆在经a步骤处理后的铜丝纤维上。
c将步骤b中得到的包覆有浆料的铜丝纤维作为芯线，棉纱作为外皮，将棉纱以65o的角度，800rpm的绕线圈数缠绕在表面包覆有浆料的铜丝纤维上，既得所述包芯纱电极。
实施例8
a将铜丝纤维置于30mL乙醇和10mL丙酮的混合溶液中，超声处理40min，然后用去离子水将超声后的铜丝纤维清洗4次并烘干。
b将48mg钛酸锂与6mg乙炔黑与6mg聚偏氟乙烯制备的浆料采用涂敷的方法包覆在经a步骤处理后的铜丝纤维上。
c将步骤b中得到的包覆有浆料的铜丝纤维作为芯线，涤纶作为外皮，将涤纶以65o的角度，800rpm的绕线圈数缠绕在表面包覆有浆料的铜丝纤维上，既得所述包芯纱电极。
实施例9
a将钼丝纤维置于40mL乙醇和10mL丙酮的混合溶液中，超声处理20min，然后用去离子水将超声后的钼丝纤维清洗3次并烘干。
b将32mg硅与4mg乙炔黑与4mg聚偏氟乙烯制备的浆料采用涂敷的方法包覆在经a步骤处理后的钼丝纤维上。
c将步骤b中得到的包覆有浆料的钼丝纤维作为芯线，棉纱作为外皮，将棉纱以45o的角度，700rpm的绕线圈数缠绕在表面包覆有浆料的钼丝纤维上，既得所述包芯纱电极。
实施例10
a将铜丝纤维置于30mL乙醇和10mL丙酮的混合溶液中，超声处理40min，然后用去离子水将超声后的铜丝纤维清洗4次并烘干。
b将40mg锡基合金与5mg乙炔黑与5mg聚偏氟乙烯制备的浆料采用涂敷的方法包覆在经a步骤处理后的铜丝纤维上。
c将步骤b中得到的包覆有浆料的铜丝纤维作为芯线，棉纱作为外皮，将棉纱以65o的角度，800rpm的绕线圈数缠绕在表面包覆有浆料的铜丝纤维上，既得所述包芯纱电极。
实施例11
a将钛丝纤维置于40mL乙醇和10mL丙酮的混合溶液中，超声处理60min，然后用去离子水将超声后的铜丝纤维清洗4次并烘干。
b将40mg锡基合金与5mg乙炔黑与5mg聚偏氟乙烯制备的浆料采用涂敷的方法包覆在经a步骤处理后的铜丝纤维上。
c将步骤b中得到的包覆有浆料的铜丝纤维作为芯线，氨纶作为外皮，将氨纶以65o的角度，800rpm的绕线圈数缠绕在表面包覆有浆料的铜丝纤维上，既得所述包芯纱电极。
实施例12
a将铜丝纤维置于30mL乙醇和10mL丙酮的混合溶液中，超声处理40min，然后用去离子水将超声后的铜丝纤维清洗4次并烘干。
b将48mg锡与6mg乙炔黑与6mg聚偏氟乙烯制备的浆料采用涂敷的方法包覆在经a步骤处理后的铜丝纤维上。
c将步骤b中得到的包覆有浆料的铜丝纤维作为芯线，粘胶纤维作为外皮，将粘胶纤维以65o的角度，800rpm的绕线圈数缠绕在表面包覆有浆料的铜丝纤维上，既得所述包芯纱电极。

Claims (4)

1.一种包芯纱电极的制备方法，其特征在于：所述的制备方法是指将导电纤维在乙醇和丙酮的混合溶液中超声清洗，然后将含有锂离子电池正极材料或负极材料采用浆料涂敷的方法包覆在经超声清洗后的导电纤维上，再将纱线缠绕在表面包覆有浆料的导电纤维上，制备方法按以下步骤进行：
a将导电纤维置于体积比为1:1~4:1的乙醇和丙酮的混合溶液中，超声处理20~60min，然后用去离子水将超声后的导电纤维清洗3~5次并烘干；
b将锂离子电池正极材料或负极材料与乙炔黑与聚偏氟乙烯按质量比为8:1:1制备的浆料采用涂敷的方法包覆在经a步骤处理后的导电纤维上；
c将经步骤b得到的包覆有浆料的导电纤维作为芯线，纱线作为外皮，将纱线以45~70o的角度，100~1500rpm的绕线圈数缠绕在表面包覆有浆料的导电纤维上，既得所述包芯纱电极。
2.如权利要求1所述的包芯纱电极的制备方法，其特征在于，所述的导电纤维为不锈钢丝纤维或铝丝纤维或铜丝纤维或钛丝纤维或钼丝纤维或碳纤维中的一种。
3.如权利要求1所述的包芯纱电极的制备方法，其特征在于，所述锂离子电池正极材料选自钴酸锂或磷酸铁锂或钒酸锂或钴镍锰酸锂或锰酸锂；所述负极材料选自石墨或钛酸锂或硅或锡或锡基合金。
4.如权利要求1所述的包芯纱电极的制备方法，其特征在于，所述的纱线为棉纱或晴纶或锦纶或涤纶或氨纶或粘胶纤维中的一种。
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