CN108493459B - 一种纤维状空气电池 - Google Patents

一种纤维状空气电池 Download PDF

Info

Publication number
CN108493459B
CN108493459B CN201810303908.8A CN201810303908A CN108493459B CN 108493459 B CN108493459 B CN 108493459B CN 201810303908 A CN201810303908 A CN 201810303908A CN 108493459 B CN108493459 B CN 108493459B
Authority
CN
China
Prior art keywords
fiber
powder
pvdf
anode
air battery
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201810303908.8A
Other languages
English (en)
Other versions
CN108493459A (zh
Inventor
李晓强
王纪冬
喻颖
张楚莹
魏文慧
李晓媚
李文英
钟楚怡
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Jiangnan University
Original Assignee
Jiangnan University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Jiangnan University filed Critical Jiangnan University
Priority to CN201810303908.8A priority Critical patent/CN108493459B/zh
Publication of CN108493459A publication Critical patent/CN108493459A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN108493459B publication Critical patent/CN108493459B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/88—Processes of manufacture
    • H01M4/8803—Supports for the deposition of the catalytic active composition
    • H01M4/8807—Gas diffusion layers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M12/00—Hybrid cells; Manufacture thereof
    • H01M12/08—Hybrid cells; Manufacture thereof composed of a half-cell of a fuel-cell type and a half-cell of the secondary-cell type
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/8605—Porous electrodes
    • H01M4/8626—Porous electrodes characterised by the form
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/88—Processes of manufacture
    • H01M4/8825—Methods for deposition of the catalytic active composition
    • H01M4/8828—Coating with slurry or ink
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Inert Electrodes (AREA)
  • Hybrid Cells (AREA)

Abstract

本发明公开了一种纤维状空气电池，属于材料技术领域。本发明以锌粉、聚偏氟乙烯、醋酸锌、聚四氟乙烯改性的聚偏氟乙烯、碳粉等为成纤材料，通过溶液纺丝、流延涂覆等方法得到纤维状空气电池。本发明的纤维状空气电池，同时兼具有柔韧性好、电量高、可反复充放电等性能，可以用于可穿戴电子设备的供电。

Description

一种纤维状空气电池
技术领域
本发明涉及一种纤维状空气电池的结构及制备方法，属于材料技术领域。
背景技术
随着矿物能源的枯竭以及使用带来的巨大污染，我国在矿物能源和环境保护方面的压力日益严重。为了替代石油、煤炭等高污染能源，发展化学储能电池是当务之急。
另一方面，不论是智能手机还是可穿戴设备，续航能力一直被人们所诟病。目前已经不断产生各种新技术来解决移动设备的续航问题，石墨烯电池、太阳能充电电池等。就是其中最受瞩目的柔性电池，柔性电池以其优越的性能和可折叠性而被人们所看好，各大科技巨擘和科研机构也在推广柔性电池的技术上不断地求索。例如，据外媒NPU报道，诺基亚最近开发了一种“石墨烯自充电光子电池”的专利，这意味着未来的设备或将具有自发电功能。三星在2014韩国电池展览会上展示了可卷曲柔性电池。特别的，苹果公司公开的柔性电池组包含了原电池或光伏电池组等多组件结构。此电池组也可能包括多个多层结构的耦合组件。上下层膜片可能会被黏合剂粘连以求使每个组件独立起来。这种结构使得电子设备的电池能够改变形状以适应实际需要。此结构还允许将一个或几个组件有选择性的从电池组中移除。
但是以上公司的改进技术仅仅能够获得薄膜状的柔性电池，而无法将电池与织物通过织造方式与智能可穿戴服装结合，不能很好的实现工业化应用，因此，提供一种与织物通过织造方式与智能可穿戴服装结合的电池是亟待解决的技术问题。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种纤维状空气电池。该纤维状的离子电池，不仅仅能够满足对电池柔性的需求，而且能够通过增加纤维长度而达到扩容电池容量的目的。
本发明的第一个目的是提供一种纤维状空气电池，是所述纤维状空气电池是将金属材料及溶液纺丝材料通过溶液纺丝方法成型构成阳极纤维；而后采用含有相应阳极金属材料离子的固态电解质包覆在阳极表面构成电解质层；在电解质层外表面使用石墨烯、多孔石墨或者碳纤维作为阴极；最后通过塑料包封得到纤维状空气电池。
在本发明的一种实施方式中，所述阳极金属材料为锂粉、镁粉或锌粉。
在本发明的一种实施方式中，所述阳极金属材料为锌粉。
在本发明的一种实施方式中，所述溶液纺丝材料是由成纤材料、锌粉和导电碳粉组成，所述成纤材料为聚丙烯腈(PAN)粉体。
在本发明的一种实施方式中，所述锌粉的质量分数为60％-70％，碳粉的质量分数为5％-10％，PAN的质量分数为20-35％。
在本发明的一种实施方式中，所述阳极纤维的直径为0.5-1.0mm。
在本发明的一种实施方式中，所述电解质为经聚四氟乙烯(PTFE)改性后的PVDF凝胶聚合物，其中加入醋酸锌作为离子供体。
在本发明的一种实施方式中，所述电解质层的厚度为0.5-1.5mm。
在本发明的一种实施方式中，所述阴极是由为石墨烯以及粘结剂聚偏氟乙烯(PVDF)组成。
本发明的第二个目的是提供一种纤维状空气电池的制备方法，所述方法具体步骤如下：
(1)配制溶液纺丝材料：在二甲亚砜中以一定浓度加入入PAN粉体、锌粉和导电碳粉。
(2)阳极纤维成型：采用计量泵挤出进行纺丝，并以水作为凝固浴对制得纤维进行冷却和凝固，采用转筒收集阳极纤维。
(3)电解质层的制备：将经聚四氟乙烯改性的PVDF、醋酸锌的N-甲基吡咯烷酮溶液通过定速注射器均匀的流延涂敷于阳极纤维表面，而后经过烘箱烘干处理使电解质包覆于阳极纤维表面。
(4)阴极的制备：采用步骤(3)所述的流延涂敷的方法，将含有石墨烯的PVDF的N-甲基吡咯烷酮溶液流延涂覆于电解质层表面，最终得到纤维状空气电池。
在本发明的一种实施方式中，所述步骤(1)PAN粉体、锌粉和导电碳粉的浓度为0.15-0.2g/ml。
在本发明的一种实施方式中，所述步骤(1)中的锌粉的质量分数为60％-70％，碳粉的质量分数为5％-10％，PAN的质量分数为20-35％。
在本发明的一种实施方式中，所述纺丝的具体方法为：采用计量泵挤出方式，在温度55-65℃，喷嘴直径为1.5-2.5mm，入水距离为35-45cm，凝固浴长度为115-125cm，使用转筒接收纤维。
在本发明的一种实施方式中，所述聚四氟乙烯改性的PVDF的浓度为0.1-0.2g/ml，醋酸锌的N-甲基吡咯烷酮溶液的浓度为0.02-0.05g/ml。
在本发明的一种实施方式中，PVDF的改性的具体方法为：通过乳液聚合法得到聚四氟乙烯同PVDF的无规共聚物，其中四氟乙烯重复单元所占比例为5-10％。
在本发明的一种实施方式中，烘箱烘干条件为：75-80℃鼓风。
在本发明的一种实施方式中，含有石墨烯的PVDF的N-甲基吡咯烷酮溶液中，PVDF的浓度为0.1-0.2g/ml，石墨烯的浓度为0.1-0.2g/ml，采用机械搅拌混合均匀。
本发明的优点和效果：
(1)本发明得到的的纤维状空气电池，通过溶液纺丝的方法成型制备阳极纤维，最终得到纤维状空气电池，其柔韧性较好，具有纺织纤维的特性，可以实现与织物通过织造方式与穿戴服装结合。
(2)本发明得到的纤维状空气电池，还具备电容量高、充放电稳定等优点，放电容量在700mAh/g(Zn)以上，在100次充放电后电量剩余90％以上。
附图说明
图1为采用实施例中方案1得到的纤维状空气电池；
图2为采用实施例中方案1制备的阳极纤维。
具体实施方式
下面是对本发明进行具体描述。
一种纤维状空气电池，以Zn粉、PAN、醋酸锌、石墨烯以及经PTFE改性的PVDF为原料，经过溶液纺丝和流延涂覆的方法分层制备。通过调节熔液纺丝过程中的温度、挤出速度、凝固浴温度及凝固时间，进行溶液纺丝。随后在经溶液纺丝得到的Zn粉/PAN/导电碳粉阳极纤维上依次流延涂覆电解质层和阴极层，最终得到纤维状空气电池。
对得到的纤维状空气电池进行性能测试，包括：恒流放电容量及100次充放电循环后电量剩余。
实施例1纺丝材料的成分对纤维状空气电池性能的影响
按以下方法制备纤维状空气电池：
(1)配制纺丝材料：在PAN粉体中以一定的质量分数加入锌粉和导电碳粉，其中锌粉、导电碳粉和PAN的含量如表1所示。
(2)阳极纤维成型：采用计量泵挤出进行纺丝，并以水作为凝固浴对制得纤维进行冷却和凝固，采用转筒收集阳极纤维。
(3)电解质层的制备：将经PTFE改性的PVDF、醋酸锌的N-甲基吡咯烷酮溶液通过定速注射器均匀的流延涂敷于阳极纤维表面，而后经过烘箱烘干处理使电解质包覆于阳极纤维表面。其中，经PTFE改性的PVDF为PTFE与PVDF的无规共聚物，四氟乙烯重复单元占比为10％；经PTFE改性的PVDF浓度为：0.2g/ml；醋酸锌的浓度为：0.2g/ml；
(4)阴极的制备：采用第3步所述方法，将含有石墨烯的PVDF的N-甲基吡咯烷酮溶液流延涂覆于电解质层表面，最终得到纤维状空气电池。其中，PVDF的浓度为0.2g/ml，石墨烯的浓度为0.15g/ml
表1不同Zn粉、导电碳粉和PAN比例对纤维状空气电池质量的影响
Figure BDA0001619767330000041
根据表1可知，锌粉、导电碳粉、PAN的质量分数为60％、10％、30％时，纤维电池的柔韧性较好，放电容量可达700mAh/g(Zn)，100充放电此充放电后电量剩余电量可达83％以上，当锌粉、导电碳粉、PAN的比例不恰当，则会导致纤维空气电池柔韧性较差，甚至无法成纤的情况。
图1为采用实施例中方案1得到的纤维状空气电池，通过两节纤维状空气电池的串联，可以点亮LED。
如图2所示为方案1制备的阳极纤维，可打结，通过手工进行打结处理，证明其优异的柔韧性。。
虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但其并非用以限定本发明，任何熟悉此技术的人，在不脱离本发明的精神和范围内，都可做各种的改动与修饰，因此本发明的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。

Claims (8)

1.一种纤维状空气电池，其特征在于，所述纤维状空气电池是将阳极金属材料及溶液纺丝材料通过溶液纺丝方法成型构成阳极纤维；而后采用含有相应阳极金属材料离子的固态电解质包覆在阳极表面构成电解质层；在电解质层外表面使用石墨烯、多孔石墨或者碳纤维作为阴极；最后通过塑料包封得到纤维状空气电池；所述阳极金属材料为锌粉；所述溶液纺丝材料是由成纤材料、锌粉和导电碳粉组成，所述成纤材料为聚丙烯腈(PAN)粉体；所述锌粉的质量分数为60％-70％，碳粉的质量分数为5％-10％，PAN的质量分数为20-35％。
2.根据权利要求1所述的纤维状空气电池，其特征在于，所述阳极纤维的直径为0.5-1.0mm。
3.根据权利要求1所述的纤维状空气电池，其特征在于，所述电解质为经聚四氟乙烯(PTFE)改性后的聚偏氟乙烯(PVDF)凝胶聚合物，其中加入醋酸锌作为离子供体；所述电解质层的厚度为0.5-1.5mm。
4.根据权利要求1所述的纤维状空气电池，其特征在于，阴极是由石墨烯以及粘结剂聚偏氟乙烯(PVDF)组成。
5.一种纤维状空气电池的制备方法，其特征在于，所述方法具体步骤如下：
(1)配制溶液纺丝材料：在二甲亚砜中以一定浓度加入PAN粉体、锌粉和导电碳粉；所述步骤(1)中的锌粉的质量分数为60％-70％，碳粉的质量分数为5％-10％，PAN的质量分数为20-35％；所述PAN粉体、锌粉和导电碳粉的整体浓度为0.15-0.2g/mL；
(2)阳极纤维成型：采用计量泵挤出进行纺丝，并以水作为凝固浴对制得纤维进行冷却和凝固，采用转筒收集阳极纤维；
(3)电解质层的制备：将经PTFE改性的PVDF、醋酸锌的N-甲基吡咯烷酮溶液通过定速注射器均匀的流延涂敷于阳极纤维表面，而后经过烘箱烘干处理使电解质包覆于阳极纤维表面；
(4)阴极的制备：采用步骤(3)所述的流延涂敷的方法，将含有石墨烯的PVDF的N-甲基吡咯烷酮溶液流延涂覆于电解质层表面，最终得到纤维状空气电池。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述纺丝的具体方法为：采用计量泵挤出方式，在温度55-65℃，喷嘴直径为1.5-2.5mm，入水距离为35-45cm，凝固浴长度为115-125cm，使用转筒接收纤维。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述PTFE改性的PVDF的浓度为0.1-0.2g/mL，醋酸锌的N-甲基吡咯烷酮溶液的浓度为0.02-0.05g/mL；所述改性的PVDF的制备方法为：通过乳液聚合法得到聚四氟乙烯同PVDF的无规共聚物，其中四氟乙烯重复单元所占比例为5-10％。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述烘箱烘干条件为：75-80℃鼓风；所述石墨烯的PVDF的N-甲基吡咯烷酮溶液中，PVDF的浓度为0.1-0.2g/mL，石墨烯的浓度为0.1-0.2g/mL，采用机械搅拌混合均匀。
CN201810303908.8A 2018-04-04 2018-04-04 一种纤维状空气电池 Active CN108493459B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201810303908.8A CN108493459B (zh) 2018-04-04 2018-04-04 一种纤维状空气电池

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201810303908.8A CN108493459B (zh) 2018-04-04 2018-04-04 一种纤维状空气电池

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN108493459A CN108493459A (zh) 2018-09-04
CN108493459B true CN108493459B (zh) 2021-07-27

Family

ID=63314781

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201810303908.8A Active CN108493459B (zh) 2018-04-04 2018-04-04 一种纤维状空气电池

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN108493459B (zh)

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112751015B (zh) * 2019-10-31 2022-07-26 青岛海尔智能技术研发有限公司 锌负极及其制备方法、锌空气电池和直流电热水器
CN112331484B (zh) * 2020-10-28 2022-01-28 成都先进金属材料产业技术研究院股份有限公司 掺杂纳米氧化锌-锌的碳纤维毡复合电极材料及其制备方法
CN114597514A (zh) * 2022-03-15 2022-06-07 江南大学 一种纤维状湿度电池

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106935905A (zh) * 2017-03-01 2017-07-07 复旦大学 一种高温稳定的纤维状锂空气电池及其制备方法

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106935905A (zh) * 2017-03-01 2017-07-07 复旦大学 一种高温稳定的纤维状锂空气电池及其制备方法

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
"Fibrous zinc anodes for high power batteries";X. Gregory Zhang;《Journal of Power Sources》;20061027;第163卷;591–597 *
"新型纤维状能源器件的发展和思考";张智涛，等;《高分子学报》;20161031(第10期);1284-1299 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN108493459A (zh) 2018-09-04

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN104993089B (zh) 一种芳纶涂覆的锂离子电池隔膜及其制备方法
CN108493459B (zh) 一种纤维状空气电池
CN106898812B (zh) 一种固体聚合物电解质及其制备方法以及复合正极和固态锂离子电池
CN107474270B (zh) 一种聚合物电解质膜的制备方法
CN106663814B (zh) 包含两种粘合剂的正极活性材料浆料和由其制备的正极
CN110233287A (zh) 一种尼龙基复合凝胶聚合物电解质及其制备方法
CN109301134A (zh) 隔膜用涂层浆料及其制备方法、锂离子电池隔膜及其制备方法和锂离子电池
CN103022557B (zh) 基于无纺布的锂离子电池凝胶聚合物电解质及其制备方法
CN101826606A (zh) 聚四氟乙烯锂离子电池隔膜及制备方法
CN107342421A (zh) 一种高含量吡啶氮掺杂多孔碳负极材料、制备方法及其应用
CN107112500A (zh) 包括橡胶类粘合剂的正极活性材料浆料及由其制备的正极
CN101162773A (zh) 电池正极片的制作方法及制作的正极片以及锂离子电池
Huang et al. A facile in situ approach to ion gel based polymer electrolytes for flexible lithium batteries
CN109585759A (zh) 一种类凝胶结构锂电隔膜、制备方法及全固态锂电池
CN109295512B (zh) 一种含氟封端结构的聚碳酸酯/聚酰亚胺复合纤维膜的制备方法
EP4128418A1 (en) All solid-state electrolyte composite based on functionalized metal-organic framework materials for li thoum secondary battery and method for manufacturing the same
CN103268955B (zh) 一种复合凝胶聚合物电解质及其制备方法与应用
CN110010370B (zh) 一种柔性全固态电极或超级电容器及其制备方法
CN105870455A (zh) 含硫正极的酸性粘结剂、锂硫电池及制备方法
CN115441048A (zh) 具有稳定梯度分布结构的复合电解质及电池与制备方法
CN108539207B (zh) 一种纳米纤维空气电池阴极及其制备方法
CN111518279B (zh) 一种基于芳香族二硫键的聚硅氧烷及其应用
CN108511789B (zh) 一种全电纺技术制备柔性二次电池的方法
CN109802137A (zh) 锂硫电池粘结剂及其制备方法、正极浆料及其制备方法
CN111718482B (zh) 一种磺化聚芳醚酮、制备方法及其应用

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant