CN105789723A - 一种柔性一体化太阳电池/锂离子电池薄膜复合电池 - Google Patents

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丁飞
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Abstract

本发明涉及一种柔性一体化太阳电池/锂离子电池薄膜复合电池。本发明属于电能源技术领域。一种柔性一体化太阳电池/锂离子电池薄膜复合电池，其特点是：柔性一体化太阳电池/锂离子电池薄膜复合电池包括太阳电池、锂离子电池和柔性电源控制器，太阳电池和锂离子电池采用同一柔性薄膜衬底，分别位于柔性薄膜衬底的正反两面，构成复合电池柔性一体化结构；柔性电源控制器分别连接柔性太阳电池与柔性锂离子电池，控制太阳电池对锂离子电池充电及锂离子电池对外接负载放电。本发明为真正柔性一体化电池，具有重量轻，携带方便，高比能量，能适应不同安装面等优点，大大提高了电池的使用范围，具有广阔的应用前景。

Description

一种柔性一体化太阳电池/锂离子电池薄膜复合电池
技术领域
本发明属于电能源技术领域，特别是涉及一种柔性一体化太阳电池/锂离子电池薄膜复合电池。
背景技术
目前，柔性一体化太阳电池/锂离子电池薄膜复合电池是一种新型电源，具有柔性，能适应不同的安装面，便于携带等特点，利用薄膜太阳电池给锂电池充电，因此具有自充电功能，能长时间、远距离为电子设备供电，有望将来广泛应用于民用和军事装备领域。
目前已知的太阳电池/锂电池一体化电源系统由太阳能电池、蓄电池和电源控制器组成，其中太阳能电池、蓄电池和电源控制器均为非柔性刚性结构或只有太阳能电池为柔性结构。专利CN103280846A“一种柔性光伏一体化电源系统”中太阳电池为具有柔性背板，采用柔性衬底制备的非晶硅叠层内联薄膜太阳电池。蓄电池和电源控制器均为非柔性结构，太阳电池和蓄电池各自独立封装，电源控制器和太阳电池、蓄电池用电缆连接，非真正一体化电源系统，具有重量大，体积大，携带不方便，安装受限等缺点，因此应用范围有限，存在某些特殊场合无法应用等技术问题。
发明内容
本发明为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种柔性一体化太阳电池/锂离子电池薄膜复合电池。
本发明的目的是提供一种为真正柔性一体化电池，具有重量轻，携带方便，高比能量，能适应不同安装面，使用范围广等特点的柔性一体化太阳电池/锂离子电池薄膜复合电池。
本发明柔性一体化太阳电池/锂离子电池薄膜复合电池所采取的技术方案是：
一种柔性一体化太阳电池/锂离子电池薄膜复合电池，其特点是：柔性一体化太阳电池/锂离子电池薄膜复合电池包括太阳电池、锂离子电池和柔性电源控制器，太阳电池和锂离子电池采用同一柔性薄膜衬底，分别位于柔性薄膜衬底的正反两面，构成复合电池柔性一体化结构；柔性电源控制器分别连接柔性太阳电池与柔性锂离子电池，控制太阳电池对锂离子电池充电及锂离子电池对外接负载放电。
本发明柔性一体化太阳电池/锂离子电池薄膜复合电池还可以采用如下技术方案：
所述的柔性一体化太阳电池/锂离子电池薄膜复合电池，其特点是：太阳电池为柔性薄膜铜铟镓硒太阳电池，柔性衬底优选聚酰亚胺薄膜。
所述的柔性一体化太阳电池/锂离子电池薄膜复合电池，其特点是：柔性锂离子电池的负极集流体选用铜箔与柔性薄膜的复合材料，柔性薄膜材料为尼龙、PET或聚酰亚胺薄膜，铜箔/PI复合薄膜厚度为20-100微米。
所述的柔性一体化太阳电池/锂离子电池薄膜复合电池，其特点是：锂离子电池隔膜完全覆盖负极材料薄膜，隔膜为PP单层膜、PP/PE/PP三层复合膜、陶瓷涂层隔膜中的一种。
所述的柔性一体化太阳电池/锂离子电池薄膜复合电池，其特点是：柔性电源控制器采用柔性电路板，柔性电路板以聚酰亚胺或聚酯膜为基材制成。
本发明具有的优点和积极效果是：
柔性一体化太阳电池/锂离子电池薄膜复合电池由于采用了本发明全新的技术方案，与现有技术相比，本发明为真正柔性一体化电池，具有重量轻，携带方便，高比能量，能适应不同安装面等优点，大大提高了该种电池的使用范围，具有广阔的应用前景。
附图说明
图1柔性一体化太阳电池/锂离子电池薄膜复合电池的整体结构示意图；
其中，1-柔性电源控制器，2-柔性太阳电池单体串联成组，3-柔性衬底薄膜，4-柔性锂离子电池。
图2柔性薄膜铜铟镓硒太阳电池结构示意图；
其中，5-上电极：Ni/Al，6-减反射层：MgF2，7-窗口层：ZnO&ZnO:Al，8-缓冲层：CdS，9-吸收层：CIGS，10-底电极：Mo，11-柔性衬底：PI。
图3柔性电源控制器结构示意图。
具体实施方式
为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：
参阅附图1、图2和图3。
实施例1
一种柔性一体化太阳电池/锂离子电池薄膜复合电池，包括太阳电池、锂离子电池和柔性电源控制器，太阳电池和锂离子电池采用同一柔性薄膜衬底，分别位于柔性薄膜衬底的正反两面，构成独特的复合电池柔性一体化结构；柔性电源控制器分别连接柔性太阳电池与柔性锂离子电池，控制太阳电池对锂离子电池充电及锂离子电池对外接负载放电。
本实施例的具体结构和制作过程如下：
柔性一体化太阳电池/锂离子电池薄膜复合电池的整体结构图1所示。
首先制备柔性薄膜太阳电池，具体制备步骤参照专利CN101459200A“柔性铜铟镓硒薄膜太阳电池及其吸收层的制备方法”所述方法制备柔性薄膜铜铟镓硒太阳电池，柔性衬底优选聚酰亚胺薄膜。
柔性太阳电池制备完成后，采用共衬底技术在聚酰亚胺薄膜另一侧，即没有铜铟镓硒太阳电池的一侧用磁控溅射方法整体溅射一层铝薄膜，铝膜厚度约为5-10μm。在铝膜手动上涂覆一层锂离子电池正极材料薄膜，在铝膜的四边各留2-10mm的空白。将带胶铝极耳用热压机固定于预留的铝膜空白处。正极薄膜包括正极材料，导电剂和粘结剂，正极材料为钴酸锂、锰酸锂、层状三元材料或磷酸铁锂其中之一，导电剂为乙炔黑、SP或KS系列导电剂其中之一或两种以上，粘结剂为PVDF。
柔性锂离子电池的负极集流体选用铜箔与柔性薄膜的复合材料，柔性薄膜材料为尼龙、PET或聚酰亚胺薄膜，优选聚酰亚胺(PI)薄膜。铜箔/PI复合薄膜厚度为20-100微米，在其上手动涂覆一层锂离子电池负极薄膜，在左、右、下三边各留5-10mm空白，在上边预留极耳处留10-20mm空白，用裁刀或手术刀将预留极耳的多余部分裁掉，做出柔性锂离子电池负极极耳。负极薄膜包括负极材料，导电剂和粘结剂，负极材料为石墨、硬碳或尖晶石钛酸锂其中之一，导电剂为乙炔黑、SP或KS系列导电剂其中之一或两种以上，粘结剂为PVDF。
用锂离子电池隔膜完全覆盖负极材料薄膜，隔膜可为PP单层膜，PP/PE/PP三层复合膜，陶瓷涂层隔膜其中之一。用热熔胶压住隔膜边缘约1-2mm，用热压机将隔膜/热熔胶/铜箔/PI复合薄膜的四边都热合在一起，热合温度为140-160℃，热合时间2-5秒。注意，热熔胶四边宽度最好大于铜箔/PI复合薄膜边缘1-2mm。
热熔胶可以是单层的马来酸或丙烯酸改性PP热熔胶，也可以是锂离子电池中通用的三层复合PP材质的白色、黄色、黑色极耳胶。热熔胶的宽度范围4-10mm，厚度范围为30-100μm。
将粘好隔膜和热熔胶的柔性衬底负极薄膜与正极薄膜调整好相对位置，用封边机将左、右、下三边正负极薄膜热合在一起，热合温度160-200℃，热合时间3-10秒钟，留上边极耳处不封。
将柔性一体化电池整体移入手套箱中，注入配制好的聚合物凝胶电解液，充分浸润后抽出多余电液，常温在手套箱中放置2-4小时，或加热30-60℃放置1-3小时，然后在惰性气氛保护下移出手套箱。在干燥气氛下(如干燥间中，相对湿度<1％)，置于真空封口机中，使用透光性好的柔性聚酯薄膜，在抽真空和一定压力下将柔性一体化电池一体热合封装，热合温度150-200℃，热合时间3-10秒钟。
聚合物凝胶电解液主要由电解质锂盐、有机溶剂、聚合单体、交联剂和引发剂组成。电解质锂盐为六氟磷酸锂(LiPF6)和高氯酸锂(LiClO4)的一种或两者混合物；有机溶剂为碳酸酯类有机溶剂，包括碳酸乙烯酯(EC)、碳酸二甲酯(DMC)、碳酸甲乙酯(EMC)；聚合单体为甲基丙烯酸甲酯(MMA)，丙烯腈(AN)、环氧乙烷(EO)、四氟乙烯(VDF)四种之中的一种；交联剂为正己基丙烯酸酯；引发剂为偶氮二异丁腈、过氧化二苯甲酰、过氧化二碳酸异丙酯中的一种或两种以上。
柔性电源控制器采用柔性电路板(FPC)来设计，FPC柔性电路板以聚酰亚胺或聚酯膜为基材制成，具有可靠性高，绝佳的可挠性，重量轻，厚度薄等优点，可以方便的与薄膜太阳电池和薄膜锂离子电池进行复合，从而实现一体化电源系统的整体柔性化。其设计方案为充电及放电采用MOS功率管作为开关控制元件，MOS管的控制采用由晶体构成的互锁结构进行驱动，电压点控制采用由低功耗运放构成的电压比较器实现。为了减小控制器厚度，所有器件采用贴片封装。电源控制器外形可根据电池及安装要求进行灵活设计，可最大限度满足不同电子设备的使用需求。
将柔性聚合物锂离子电池和柔性薄膜铜铟镓硒太阳电池分别连接柔性电源控制器，有太阳光照时，由太阳电池给锂离子电池充电同时给外接负载供电，当太阳光照不足或没有时，由锂离子电池对外接负载供电，实现了该柔性电源系统的自充电功能，可以长时间、远距离、独立为电子设备提供电能源；该电源系统整体采用柔性材料，易弯曲，外形设计可以更灵活方便，可以适应不同形状的安装面或附着面，大大拓展了该电源的应用范围。
实施例2
本发明柔性一体化太阳电池/锂离子电池薄膜复合电池的制备方法，具体制备过程如下：
1、柔性薄膜铜铟镓硒太阳电池制备：
取10cm×10cm的柔性聚酰亚胺薄膜，表面清洗干净后，按照专利CN101459200A“柔性铜铟镓硒薄膜太阳电池及其吸收层的制备方法”所述方法制备柔性薄膜铜铟镓硒太阳电池。铜铟镓硒薄膜太阳电池为为多层膜结构，，包括衬底、底电极、吸收层、缓冲层、窗口层、减反射层和上电极共七层。图2为铜铟镓硒薄膜太阳电池的结构示意图。
2、柔性薄膜太阳电池/锂离子电池一体化电池制备
将制备好的10cm×10cm柔性铜铟镓硒太阳电池一侧进行掩膜保护，在聚酰亚胺薄膜的另一侧整体溅射一层铝膜，溅射功率800-1000w，时间25-30min，氩气流量40-50sccm，溅射得到铝膜厚度约为8-10μm。
正极材料优选钴酸锂，将钴酸锂、乙炔黑和PVDF按85:7:8的比例混合均匀，加入适量N-甲基吡咯烷酮(NMP)，球磨2-3小时，得到混合均匀的浆料。用手动涂膜方式在铝膜涂覆一层正极材料，涂膜时用薄膜进行掩盖，使四边均留有约5mm的空白。浆料完全干燥后，在预留的空白处用热压机将带胶铝极耳与铝膜牢固的粘结在一起，制得柔性锂离子电池的正极部分。
取10cm×10cm得PI/Cu复合薄膜材料，厚度为30-50微米，其中铜层做负极的集流体，PI层既可做铜箔的柔性衬底，又可做柔性锂离子电池一侧的封装层。在该复合薄膜材料手动涂覆一层负极材料，负极材料优选天然石墨，将天然石墨，乙炔黑和PVDF按92:3:5的比例混合均匀，加入适量N-甲基吡咯烷酮(NMP)，球磨2-3小时，得到混合均匀的浆料。涂膜时用薄膜进行掩盖，左、右、下三边均留有约5mm的空白，上边预留极耳处留约15mm空白。待负极薄膜完全干燥后，在预留极耳处用裁刀或手术刀将多余部分裁掉，制出负极极耳。
隔膜优选陶瓷涂覆的PP/PE/PP三层复合膜，厚度为30-40μm。裁出大于负极涂层部分各边约1-2mm的矩形隔膜小块。热熔胶优选三层黑色或白色极耳胶，厚度70-100μm，宽度7-10mm。用隔膜完全覆盖负极涂层部分，热熔胶压住隔膜约1-2mm，用热压机将隔膜，热熔胶和负极薄膜四边都热合在一起，使隔膜热熔胶与负极薄膜形成一个整体。热合温度150℃，时间3秒钟。注意，热合后热熔胶边缘应大于铜箔/PI复合薄膜边缘约1mm。
将负极薄膜与正极薄膜部分调整相对位置后，用胶带定位，用封边机将左、右、下三边正负极薄膜热合在一起。热合温度170-200℃，热合时间4-8秒钟。然后将一体化电池整体移入手套箱中。
聚合物凝胶电解液制备
将电解质锂盐(六氟磷酸锂)，复合有机溶剂EC：DMC：EMC＝1：1：2(体积比),加入到反应釜中，控制温度在25℃，时间为5小时，待完全溶解以后，得到基础电解液。配制聚合单体(MMA,15％)、交联剂(正己基丙烯酸酯,27％)和溶剂混合液，加入到基础电解液中，混合均匀。配制引发剂(偶氮二异丁腈,加入量为聚合单体和交联剂总质量的1.5％，)溶液，在装电池前加入电解液中，混合均匀，得到聚合物凝胶电解液。
将配制好的聚合物凝胶电解液在预留口中加入柔性锂离子电池中，浸润30-60min，抽出多余电液。将电池加热40-50℃2-3小时，使液态电解液形成聚合物凝胶电解液。然后，在惰性气氛保护下，移出手套箱，在干燥间中(相对湿度<1％)置于真空封口机中，使用高透光的聚酯薄膜，在抽真空和一定压力下，将柔性一体化电池整体封装，封口温度150-200℃，热封时间5-10秒钟。
柔性电源控制器制备
柔性电路基板采用聚酰亚胺基板，整版可90度弯曲。有充足光照情况下，太阳电池对锂离子电池充电时，充电指示灯点亮，当蓄电池电压大于等于4.2V时，太阳电池对蓄电池充电自动停止，充电指示灯熄灭。恢复太阳电池对蓄电池充电通过手动开关实现；当蓄电池对外放电时，放电指示灯点亮，当蓄电池电压等于或低于2.7V时，蓄电池停止对外放电，同时放电指示灯熄灭。恢复蓄电池对外放电，通过手动开关实现。最大输出功率20W，控制器由采样电路充电控制电压比较电路、放电电压比较电路、充电控制驱动电路、放电控制驱动电路、指示电路、基准电压电路、充电及手动恢复电路组成。由基准芯片产生1.2V基础电压，为充电比较电路及放电比较电路提供基准电压，保证在蓄电池电压发生变化时，电压比较电路有一个恒定的比较电压。通过对基准电压和放电压的比较，输出充电控制和放电控制信号，从而实现太阳电池对蓄电池的充电控制和蓄电池的放电控制。其结构框图如图3所示。
将柔性薄膜太阳电池和柔性薄膜锂离子电池分别连接柔性电源控制器，通过电源控制器的控制，在充足光照情况下，实现了太阳电池对锂离子电池充电，同时对外供电，在其他情况锂离子电池可对外接负载供电。柔性一体化电池与柔性电源控制器的复合方式可灵活设计，整体结构形式可为方形或其他形状。通过上述方法制备的柔性一体化电源系统整体均为柔性结构，具有重量轻，厚度薄，便携，比能量高等特点，由于具有自充电功能，大幅提高了电子设备的用电时间，在某些情况可视为半永久性电源，应用前景广阔。
本实施例为真正柔性一体化电池，具有所述的重量轻，携带方便，高比能量，能适应不同安装面等积极效果，大大提高了该种电池的使用范围，具有广阔的应用前景。

Claims (5)

1.一种柔性一体化太阳电池/锂离子电池薄膜复合电池，其特征是：柔性一体化太阳电池/锂离子电池薄膜复合电池包括太阳电池、锂离子电池和柔性电源控制器，太阳电池和锂离子电池采用同一柔性薄膜衬底，分别位于柔性薄膜衬底的正反两面，构成复合电池柔性一体化结构；柔性电源控制器分别连接柔性太阳电池与柔性锂离子电池，控制太阳电池对锂离子电池充电及锂离子电池对外接负载放电。
2.根据权利要求1所述的柔性一体化太阳电池/锂离子电池薄膜复合电池，其特征是：太阳电池为柔性薄膜铜铟镓硒太阳电池，柔性衬底优选聚酰亚胺薄膜。
3.根据权利要求1所述的柔性一体化太阳电池/锂离子电池薄膜复合电池，其特征是：柔性锂离子电池的负极集流体选用铜箔与柔性薄膜的复合材料，柔性薄膜材料为尼龙、PET或聚酰亚胺薄膜，铜箔/PI复合薄膜厚度为20-100微米。
4.根据权利要求1所述的柔性一体化太阳电池/锂离子电池薄膜复合电池，其特征是：锂离子电池隔膜完全覆盖负极材料薄膜，隔膜为PP单层膜、PP/PE/PP三层复合膜、陶瓷涂层隔膜中的一种。
5.根据权利要求1所述的柔性一体化太阳电池/锂离子电池薄膜复合电池，其特征是：柔性电源控制器采用柔性电路板，柔性电路板以聚酰亚胺或聚酯膜为基材制成。
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