CN108417898A - 一种基于碳纤维复合电极的柔性线状锂/钠电池及其制备方法 - Google Patents

一种基于碳纤维复合电极的柔性线状锂/钠电池及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于碳纤维复合电极的柔性线状锂/钠电池及其制备方法，制备方法包含以下步骤：用阴极电沉积或者水热法制备得到碳纤维复合活性材料电极的前驱体；然后将上述得到的前驱体放置在氢氧化锂/钠水溶液中进行水热嵌锂/钠，得到碳纤维复合活性材料电极；将所制备的碳纤维复合活性材料电极作为正极，依次包裹和缠绕隔膜和负极，然后在两端引出极耳，将正负极塞入热缩管中，再向热缩管内注入电解液，最后封装，得到柔性线状锂/钠电池。本发明方法制得的电池质量轻，体积小，易于编织和集成，能够有效应用于柔性可穿戴电子设备中。

Description

一种基于碳纤维复合电极的柔性线状锂/钠电池及其制备 方法
技术领域
本发明属于柔性储能器件技术领域，特别涉及一种基于碳纤维复合电极的柔性线状锂/钠电池及其制备方法。
背景技术
目前传统的嵌入式化合物为正极、石墨为负极的锂/钠离子电池体系已经满足不了新兴领域对电池能量密度的迫切需求，发展新一代具有高能量密度的电池体系成为共识。锂/钠金属具有超高的理论比容量、极低的电化学电位和较低的质量密度而被视为理想的电池负极材料。其取代石墨等作为负极材料能将电池的能量密度提升25％-60％，目前锂/钠金属电池体系已经成为电池发展的趋势之一。
近二十年，消费类电子产品得到了迅猛发展，军用或者民用领域的便携式产品的需求进一步扩大，其中集成可穿戴的电子产品逐渐受到人们的青睐。其中，这些可穿戴便携式的柔性电子设备的关键技术和挑战之一就是高性能的柔性电池。这类柔性电池必须具有较高的能量密度、较长的使用寿命和较好的倍率性能，此外关键的一点是，这类器件还必须具备质轻、柔性、安全等特性，以满足设备的可穿戴便携性和在拉伸、弯曲、扭转等工况下的性能稳定。其中一维线性的柔性电池具有质量轻，体积小，安全性较好等特点，易于编织和集成，能够有效应用于柔性可穿戴电子设备中。
目前，以碳纤维为代表的柔性碳基集流体受到广泛关注，其具有优异的可折叠弯曲性能、优良的导电性能、较高的可负载比表面积和质量轻等优点，由其制备的电极相对于传统金属集流体制备的电极具有较高的能量密度，不需使用导电剂和粘结剂，且具有更强的可折叠弯曲性能。
发明内容
技术问题：为了解决现有技术的缺陷，本发明提供了一种一种基于碳纤维复合电极的柔性线状锂/钠电池及其制备方法。
技术方案：本发明提供的一种基于碳纤维复合电极的柔性线状锂/钠电池的制备方法，包含以下步骤：
用阴极电沉积或者水热法制备得到碳纤维复合活性材料电极的前驱体；
然后将上述得到的前驱体放置在氢氧化锂/钠水溶液中进行水热嵌锂/钠，得到碳纤维复合活性材料电极；
将所制备的碳纤维复合活性材料电极作为正极，依次包裹和缠绕隔膜和负极，然后在两端引出极耳，将正负极塞入热缩管中，再向热缩管内注入电解液，最后封装，得到柔性线状锂/钠电池。
作为一种优化方案：在水热嵌锂/钠步骤后将产物在氩气下350℃退火2h，得到碳纤维复合电极。
作为进一步优化方案：正极活性材料为钴酸锂、锰酸锂、钴酸钠和锰酸钠中的任一种。
作为进一步优化方案：水热嵌锂/钠所用试剂是浓度为0.5-6mol/L的氢氧化锂/钠溶液；所述的水热反应温度为120-240℃，反应时间为6-24h。
作为进一步优化方案：碳纤维的整体直径为0.1-1mm，长度为2-50cm。
作为进一步优化方案：负极为锂/钠金属带或金属线；极耳为铜/铝/不锈钢箔或丝；锂电池所用隔膜为聚丙烯隔膜，电解液为1M LiPF6/DMC:EC＝1:1；钠电池所用隔膜为玻璃纤维隔膜，电解液为1M NaClO4/EC：DEC(1:1)+2wt％FEC。
作为进一步优化方案：热缩管的材质为PP、PET和PVC中的任一种，管径为2-10mm，长度为5-60cm。
作为进一步优化方案：柔性线状锂/钠电池长度为5-60cm，直径为1-5mm。
本发明还包括一种基于碳纤维复合电极的柔性线状锂/钠电池，由上述任一技术方法制得。
有益效果：本发明方法制得的电池具有优异的电化学性能和柔性性能，质量轻，体积小，安全性较好，易于编织和集成，能够有效应用于柔性可穿戴电子设备中。
附图说明
图1为实例1中所制备的碳纤维复合钴酸锂纳米阵列的扫描电镜图像；
图2为实例1中所制备的柔性线状电池的结构示意图；
图3为实例1中所制备的柔性线状电池的实物图；
图4为实例1中所制备的柔性锂电池在0.5C电流密度下的充放电循环图；
图5为实例1中所制备的柔性锂电池在不同弯曲角度下0.1C电流密度下的充放电循环图；
图6为实例2中所制备的碳纤维复合锰酸钠纳米阵列的扫描电镜图像；
图7为实例2中所制备的柔性钠电池在弯曲工况下的工作状态图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
实施例1
根据已有技术制备碳纤维复合钴酸锂纳米阵列。具体采用水热法制备合成：将碳纤维放置在含有0.1mM硝酸钴和0.5mM尿素的水溶液中，在120℃下水热6h，洗净烘干后得到碳纤维复合前驱体纳米片阵列的复合材料。然后将前驱体放置在2M氢氧化锂水溶液中进行水热嵌锂，条件为180℃、12h，最后得到碳纤维复合钴酸锂纳米阵列的复合电极材料，如图1。
将所制备的钴酸锂/碳纤维复合电极作为正极，其直径和长度分别为0.5mm和5cm，依次包裹和缠绕聚丙烯隔膜和锂线，在两端用铝箔作为极耳引出，将其塞入长度为6cm直径为3.5mm的PP热缩管中进行注入电解液(1M LiPF6/DMC:EC＝1:1)和封装，即得到一种柔性线状锂电池(长度6cm直径2mm)，如图2的结构示意图和图3的实物图。
对所得到的柔性锂电池器件进行充放电循环测试，所得结果如图4，在0.5C下其可逆容量高达130mAh/g，在1200圈循环后的容量保持率为75％以上。同时对器件的柔性性能进行评估，模拟在弯曲工况条件下电池性能的保持程度，如图5。在充放电测试过程中对器件施加不同程度的弯曲应力得到不同的弯曲角度，可以看出大角度弯曲下的电池性能仍然保持良好。
实施例2
根据已有技术制备碳纤维复合锰酸钠纳米阵列。具体采用电沉积和水热法制备合成：将碳纤维放置在0.1M醋酸锰和0.1M硫酸钠中进行阴极电沉积，条件为-1.8V下沉积20min。洗净烘干后得到碳纤维复合四氧化三锰纳米阵列的复合材料。然后将前驱体放置在3M氢氧化钠水溶液中进行水热嵌钠，条件为140℃、8h，最后将产物在氩气下350℃退火2h得到碳纤维复合锰酸钠纳米阵列的复合电极材料，如图6。
将所制备的锰酸钠/碳纤维复合电极作为正极，其直径和长度分别为1mm和20cm，依次包裹和缠绕玻璃纤维隔膜和钠带，在两端用铜丝作为极耳引出，将其塞入长度为25cm直径为5mm的PP热缩管中进行注入电解液(1M NaClO4/EC：DEC(1:1)+2wt％FEC)和封装，即得到一种柔性线状钠电池(长度25cm直径3.5mm)。
对所得的柔性线状钠电池进行弯曲工况下性能展示，如图7，在1000次弯曲条件下电池仍能保持正常工作。
实施例3
根据已有技术制备碳纤维复合钴酸钠纳米阵列。具体采用水热法制备合成：将碳纤维放置在含有0.1mM硝酸钴和0.5mM尿素的水溶液中，在120℃下水热6h，洗净烘干后得到碳纤维复合前驱体纳米片阵列的复合材料。然后将前驱体放置在0.5M氢氧化钠水溶液中进行水热嵌钠，条件为120℃、24h，最后得到碳纤维复合钴酸钠纳米阵列的复合电极材料，如图1。
将所制备的钴酸钠/碳纤维复合电极作为正极，其直径和长度分别为0.1mm和2cm，依次包裹和缠绕聚丙烯隔膜和钠线，在两端用不锈钢箔作为极耳引出，将其塞入长度为5cm直径为2mm的PET热缩管中进行注入电解液(1M LiPF6/DMC:EC＝1:1)和封装，即得到一种柔性线状钠电池(长度5cm直径1mm)，如图2的结构示意图和图3的实物图。
对所得到的柔性钠电池器件进行充放电循环测试，所得结果如图4，在0.5C下其可逆容量高达130mAh/g，在1200圈循环后的容量保持率为75％以上。同时对器件的柔性性能进行评估，模拟在弯曲工况条件下电池性能的保持程度，如图5。在充放电测试过程中对器件施加不同程度的弯曲应力得到不同的弯曲角度，可以看出大角度弯曲下的电池性能仍然保持良好。
实施例4
根据已有技术制备碳纤维复合锰酸锂纳米阵列。具体采用电沉积和水热法制备合成：将碳纤维放置在0.1M醋酸锰和0.1M硫酸锂中进行阴极电沉积，条件为-1.8V下沉积20min。洗净烘干后得到碳纤维复合四氧化三锰纳米阵列的复合材料。然后将前驱体放置在6M氢氧化锂水溶液中进行水热嵌锂，条件为240℃、6h，最后将产物在氩气下350℃退火2h得到碳纤维复合锰酸锂纳米阵列的复合电极材料，如图6。
将所制备的锰酸锂/碳纤维复合电极作为正极，其直径和长度分别为1mm和50cm，依次包裹和缠绕玻璃纤维隔膜和锂带，在两端用铜丝作为极耳引出，将其塞入长度为60cm直径为10mm的PVC热缩管中进行注入电解液(1M NaClO4/EC：DEC(1:1)+2wt％FEC)和封装，即得到一种柔性线状锂电池(长度60cm直径5mm)。
对所得的柔性线状锂电池进行弯曲工况下性能展示，如图7，在1000次弯曲条件下电池仍能保持正常工作。
本发明的优点和效果如下：
1.所制备的锂/钠电池直接采用锂/钠金属作为负极材料，相较于传统的利用石墨作为负极的锂/钠离子电池具有更高的能量密度，因此能够满足特殊领域对于电池能量密度的迫切需求。
2.所制备的柔性电池器件利用碳纤维作为集流体，将活性材料原位沉积生长在纤维表面，相对于传统金属集流体制备的电极具有较高的能量密度，不需使用导电剂和粘结剂，且具有更强的可折叠弯曲性能。
3.所制备的柔性电池是一维线状结构，具有质量轻，体积小，安全性较好等特点，易于编织和集成，能够有效应用于柔性可穿戴电子设备中。

Claims (9)

1.一种基于碳纤维复合电极的柔性线状锂/钠电池的制备方法，其特征在于：包含以下步骤：
用阴极电沉积或者水热法制备得到碳纤维复合活性材料电极的前驱体；
然后将上述得到的前驱体放置在氢氧化锂/钠水溶液中进行水热嵌锂/钠，得到碳纤维复合活性材料电极；
将所制备的碳纤维复合活性材料电极作为正极，依次包裹和缠绕隔膜和负极，然后在两端引出极耳，将正负极塞入热缩管中，再向热缩管内注入电解液，最后封装，得到柔性线状锂/钠电池。
2.根据权利要求1所述的基于碳纤维复合电极的柔性线状锂/钠电池的制备方法，其特征在于：在水热嵌锂/钠步骤后将产物在氩气下350℃退火2h，得到碳纤维复合电极。
3.根据权利要求1或2所述的基于碳纤维复合电极的柔性线状锂/钠电池的制备方法，其特征在于：所述的正极活性材料为钴酸锂、锰酸锂、钴酸钠和锰酸钠中的任一种。
4.根据权利要求1或2所述的基于碳纤维复合电极的柔性线状锂/钠电池的制备方法，其特征在于：所述的水热嵌锂/钠所用试剂是浓度为0.5-6mol/L的氢氧化锂/钠溶液；所述的水热反应温度为120-240℃，反应时间为6-24h。
5.根据权利要求1或2所述的基于碳纤维复合电极的柔性线状锂/钠电池的制备方法，其特征在于：所述的碳纤维的整体直径为0.1-1mm，长度为2-50cm。
6.根据权利要求1或2所述的基于碳纤维复合电极的柔性线状锂/钠电池的制备方法，其特征在于：所述的负极为锂/钠金属带或金属线；极耳为铜/铝/不锈钢箔或丝；锂电池所用隔膜为聚丙烯隔膜，电解液为1M LiPF6/DMC:EC＝1:1；钠电池所用隔膜为玻璃纤维隔膜，电解液为1M NaClO4/EC：DEC(1:1)+2wt％FEC。
7.根据权利要求1或2所述的基于碳纤维复合电极的柔性线状锂/钠电池的制备方法，其特征在于：所述的热缩管的材质为PP、PET和PVC中的任一种，管径为2-10mm，长度为5-60cm。
8.根据权利要求1或2所述的基于碳纤维复合电极的柔性线状锂/钠电池的制备方法，其特征在于：所述的柔性线状锂/钠电池长度为5-60cm，直径为1-5mm。
9.一种基于碳纤维复合电极的柔性线状锂/钠电池，其特征在于，由上述权利要求1-8中任一项权利要求所述的方法制得。
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