CN109037795A - 一种新型电芯及其制备方法 - Google Patents

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陈博
彭冲
李俊义
徐延铭
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Abstract

一种新型电芯及其制备方法，该电芯包括电芯本体，所述电芯本体内具有荷电形变相和逆压电性能相。其制备方法为将和逆压电性能材料与添加剂、溶剂混合均匀，制成浆料；将制得的浆料倒入模具中进行复合，然后煅烧成型，得到电芯本体；在电芯本体的两端分别包覆铝箔和铜箔作为正、负极的集流体；在正、负极的集流体上焊接极耳；进行充放电活化，封装得到电芯。本发明采用复合材料作为电芯正、负极的主要组成部分，得到的复合电芯本体具有良好的可塑性、柔韧性、制作成本低等优点，而且截止电压高、可逆性强和可灵活设计，电芯由于没有发生化学变化，所以不会出现产气、鼓包和爆炸等的安全隐患，可逆化程度高，库伦效率高，使用寿命长。

Description

一种新型电芯及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种采用全新储能原理的新型电芯及其制备方法。
背景技术
在化石资源日渐枯竭的今天，人们不得不考虑新能源材料的开发和利用。铅酸蓄电池和锂离子电池是目前已得到广泛应用的电能存储器件，但以上两种电池要消耗大量的金属锂和铅资源，而且在使用液态电解质时，还存在电解液泄漏的隐患，影响电池的安全性能。开发一种可以减少资源的消耗、安全性能好、能量密度高、输出功率大的新型电能存储器件是各电池厂商的研发重点。
荷电势能是指在外加电场的驱动下，通过材料内部结构的变化可以产生各种形式的势能响应。具有荷电势能的材料在电压的作用下会发生一定的形变位移，并通过此类响应将电能转变为荷电势能。此类材料的优点是：在外电压的刺激下会产生相应的储能形变，且该储能形变通过此充电过程能够储存较高密度的能量，在外电路连通时能直接对外做功，将荷电势能转化为电能，再转化为功，不需要结构复杂而低效的传动机构。目前已经有越来越多的研究人员在关注和开发此类材料，如介电弹性体、铁电体复合物等。此类材料在外电场的作用下可以产生荷电形变的响应，这种形变具有超大可逆性。美国斯坦福大学的PELRINE小组、美国麻省理工学院的DUBOWSKY教授，瑞士联邦工学院EMPA研究所WISSLER等研究人员、美国加利福尼亚州帕萨迪纳市喷气推进实验室的高级科学家YosePh Bar-Cohen等人、意大利Pisa大学的CARPI小组、韩国成均馆大学的CHOI等学者都相继开展了相关的研究工作。
将不同功能的材料进行复合以获得可调控、可设计的新型复合材料也是目前材料研发的新方向。复合材料不仅可以提高整体材料中各相的固有性能，而且还具备各相材料所没有的一些优良特性。例如将陶瓷材料或介电弹性体材料和聚合物材料复合在一起，可使得其中的陶瓷材料相发挥产生压电效应的作用，而聚合物材料相也可用来降低材料的密度和电容率，以及增加材料的弹性和柔顺性能等等。从机理上说，复合压电材料的特性，如电场通路、应力分布形式以及逆压电性能、机械性能等，主要由复合材料中各相的连通方式决定，复合材料中各相的不同连通方式，可以表现出不同的性能特性。因此，如何根据需求选择不同的材料及复合方式，来获得适用于制备电芯的材料是申请人要解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种新型电芯及其制备方法，通过将具有荷电形变性能和逆压电性能的功能材料复合在一起，得到结构简单、安全性能好、库伦效率高及使用寿命长的电芯。
为了实现上述目的，本发明采取如下的技术解决方案：
一种新型电芯，包括：电芯本体，所述电芯本体内具有荷电形变相和逆压电性能相；包覆于所述电芯本体的两端的铝箔和铜箔，作为正、负极的集流体；焊接于正、负极的集流体上的极耳。
更具体的，所述电芯本体为由荷电形变材料和逆压电性能材料与添加剂复合、煅烧后得到的块状体。
更具体的，所述添加剂包括粘结剂和分散剂。
一种新型电芯的制备方法，包括以下步骤：
将荷电形变材料和逆压电性能材料与添加剂、溶剂混合均匀，制成浆料；
将制得的浆料倒入模具中进行复合，然后煅烧成型，得到电芯本体；
在电芯本体的两端分别包覆铝箔和铜箔作为正、负极的集流体；
在正、负极的集流体上焊接极耳；
进行充放电活化，封装得到电芯。
更具体的，荷电形变材料和逆压电性能材料的总用量占固态物料总质量的85％～98％，添加剂的用量占固态物料总质量的2％～15％。
更具体的，荷电形变材料和逆压电性能材料的质量比为0.6～1.2。
更具体的，所述添加剂包括粘结剂和分散剂。
更具体的，粘结剂和分散剂的质量比为0.4～1。
更具体的，所述荷电形变材料为介电弹性体与陶瓷填料的复合物。
更具体的，所述逆压电性能材料包括逆压电陶瓷材料及其衍生物。
更具体的，采用球磨法对制得的浆料进行复合，将模具放入球磨仪中，以800rpm的速度旋转，每间隔30min停歇5min。
更具体的，充放电活化时，温度为65℃，压力为0.8MPa。
由以上技术方案可知，本发明采用复合材料作为电芯正、负极的主要组成部分，具有荷电形变性能的材料可通过荷电效应产生可逆性形变，把电能转化成荷电势能储存起来，而且质量轻、响应速度快、质量能量密度高、环境适应性强、耐用性好、柔顺性好，和具有逆压电性能的功能材料复合到一起，得到的复合电芯本体具有良好的可塑性、柔韧性、制作成本低等优点，而且截止电压高、可逆性强和可灵活设计。本发明的复合电芯采用离子活化机理，使电芯体系中的离子发生迁移后，组成了电池的两电极，以此使得荷电势能和电能发生相互转化，进而对电子器件做功，电芯由于没有发生化学变化，所以不会出现产气、鼓包和爆炸等的安全隐患，且可逆化程度高，库伦效率高，使用寿命长。
附图说明
图1为本发明实施例1电芯的结构示意图。
以下结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细地说明
具体实施方式
为了让本发明的上述和其它目的、特征及优点能更明显，下文特举本发明实施例，并配合所附图示，做详细说明如下。
本发明方法要制备具有荷电形变相和逆压电性能相的电芯，基本思路是：将荷电形变材料(Electrical deformation materials，简称EDM)和逆压电性能材料(Inversepiezoelectric material，简称IPM)与溶剂及添加剂混合均匀制成浆料，浆料的固含量为80％～95％，将得到的浆料倒入模具中，采用球磨法或浇筑法等方法进行复合处理，最后煅烧成型得到电芯本体，然后在电芯本体的两端分别包覆铝箔和铜箔作为正、负极的集流体，并在集流体上焊接极耳，充放电活化后，用铝壳或铝塑膜封装得到电芯。
本发明所用的荷电形变材料为介电弹性体与陶瓷填料的复合物，或者功能相似的材料，逆压电性能材料包括逆压电陶瓷材料及其衍生物，荷电形变材料和逆压电性能材料的总用量占固态物料总质量(EDM+IPM+添加剂＝固态物料总质量，即除溶剂外其它固态物料的总质量)的85％～98％(质量百分比)，添加剂的用量占固态物料总质量的2％～15％(质量百分比)。所用的溶剂可为四氢呋喃、乙腈等挥发性较强的有机溶剂，所用的添加剂包括粘结剂和分散剂，粘结剂可用聚偏氟乙烯(PVDF)或功能类似的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚丙烯腈(PAN)、聚氧化乙烯(PEO)等，分散剂可用丁二腈。为了提高电芯的其他性能，添加剂还可以包括其他材料，例如为了使产品形态稳定，还可包括结晶剂，结晶剂的添加量小于固态物料总质量的0.2％；为了缩短充电时间，还可包括离子导体类材料，如LGPS，但不加也不影响该电芯的放电性能。
以上是本发明的核心思想，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。下述说明中所使用到的试剂、材料以及仪器如没有特殊的说明，均为常规试剂、常规材料以及常规仪器，均可商购获得，所涉及的试剂也可通过常规合成方法合成获得。
实施例1
将4.8kg的荷电形变材料和4.2kg的逆压电性能材料加入20L配料罐中，机械搅拌使粉料分散均匀，再加入0.5kg的PVDF胶和0.5kg的丁二腈混合均匀，最后加入1kg乙腈，混合形成均匀的浆料；荷电形变材料(EDM料)和逆压电性能材料(IPM料)的质量比可为0.6～1.2，优选为1，粘结剂和分散剂的质量比可为0.4～1，优选为3:7；本实施例的荷电形变材料和逆压电性能材料均购至sigma aldrich公司，为了使制得的电芯具有完整的荷电形变相和逆压电性能相，避免不同的功能相杂乱在一起而影响电芯性能，优选的，可先对荷电形变材料和逆压电性能材料进行预处理后再进行复合，本实施例采用高温硅橡胶(HTC)对购得的逆压电性能材料进行预处理，处理得到的IPM料的成分为Fe(MgyNbz)(1-x)TixO3-HTV,采用聚乙二醇(PEG)对购得的荷电形变材料进行预处理，处理得到的EDM料的成分为(AxSr1-xBa)Nb5O15-PEG，此外还可以采用丙烯酸酯弹性体、亚乙烯基氟化三氟乙烯、丁腈橡胶等功能类似的复合材料对荷电形变材料和逆压电性能材料进行预处理，预处理的方法就是将原料和复合材料溶解后进行复合；
待浆料稳定后将浆料倒入模具，并将模具放入高能球磨仪中，以800rpm的速度旋转，每间隔30min停歇5min，球磨6～8h(小时)，本实施例用XRD图谱判断非晶状况来确认是否球磨到位，然后再放入马沸炉中煅烧成型，煅烧温度为150℃，煅烧1～2h，得到方块状的电芯本体；
在电芯本体的两端分别包覆一层铝箔和铜箔作为正、负极的集流体，并焊上极耳，然后在65℃下对电芯本体施加0.8MPa的压力进行充放电活化，活化完成后将电芯充电至半电，封装得到电芯(图1)。
本发明制得的电芯的充放电原理为：
充电过程：在电芯两端加上外电压，充电时电芯因嵌入电荷而发生相应的荷电形变，将电能转化为荷电势能储存起来，同时伴随电荷的储存产生电势差；
放电过程：在电芯荷满电的状况下，与用电原件形成通路之后，电子通过外电路与正电荷发生中和，将储存的荷电势能转化为电能，放电完成。
实施例2
本实施例与实施例1不同的地方在于：本实施例PVDF的用量为0.3kg，丁二腈的用量为0.7Kg。
实施例3
本实施例与实施例1不同的地方在于：充放电活化时的温度为80℃。
实施例4
本实施例与实施例1不同的地方在于：充放电活化时的压力为1MPa。
实施例5
本实施例与实施例1不同的地方在于：EDM料的用量为3.6kg，IPM料的用量为5.4kg，PVDF的用量为0.3kg，丁二腈的用量为0.7Kg。
实施例6
本实施例与实施例1不同的地方在于：EDM料的用量为6.4kg，IPM料的用量为2.6kg，PVDF的用量为0.3kg，丁二腈的用量为0.7Kg。
实施例7
本实施例采用浇筑法对荷电形变材料和逆压电性能材料进行复合。
将0.48kg的EDM料和0.42kg的IPM料加入到5000mL烧杯中，通过磁力搅拌+机械搅拌使粉料分散均匀，再加入0.05kg的PVDF胶和0.05kg的丁二腈混合均匀，最后加入0.15kg乙腈，混合形成均匀的浆料；
待浆料稳定后将浆料倒入聚四氟乙烯模具，并将模具放入真空烘箱中静置24h，溶剂挥发完后样品成型，再放入马弗炉中以150℃高温煅烧14h，得到电芯本体。
在电芯本体的两端分别包覆一层铝箔和铜箔作为正、负极的集流体，并焊上极耳，然后在65℃下对电芯本体施加0.8MPa的压力进行充放电活化，活化完成后将电芯充电至半电，封装得到电芯。
将实施例1至7制得电芯，在25℃和45℃、0.5C/0.5C下进行循环性能的测试，测试方法参照企业标准，测试结果如表1所示。
表1
从表1的结果可以看出，采用本发明方法制得的电芯的循环寿命和安全性能都较好，电压平台稳定。而且可以看出电芯的电压平台与配料中逆压电相材料的比例相关，适当增加逆压电相的比例可以提高电芯的电压平台，但电芯充放电之后的体积变化也会增大，采用实施例2中物料的配制得的电芯性能较好。相比浇筑法+煅烧进行原料的复合，用球磨法+煅烧进行原料的复合制得的电芯的一致性更好，厚度更易控制。
本发明的电芯制备方法通过球磨+煅烧或浇筑+煅烧等手段，很好地将电芯中的荷电形变相和逆压电性能相复合在一起，电芯的放电和充电电流更均匀稳定；而且制得的电芯实现了新的充放电机理，通过将荷电势能与电能之间发生转化，提高了库伦效率、延长了循环寿命，同时电芯中摒弃了传统电解液，可认为是集正极、负极和电解质于一身的全固态电池，从根本上杜绝了电池燃烧和爆炸的安全隐患，提高了安全性能。
本说明书中各个部分采用递进的方式描述，每个部分重点说明的都是与其它部分的不同之处，各个部分之间相同或相似部分互相参见即可。每个部件之间的组合关系并不只是实施例所公开的形式，对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽范围。

Claims (12)

1.一种新型电芯，其特征在于，包括：
电芯本体，所述电芯本体内具有荷电形变相和逆压电性能相；
包覆于所述电芯本体的两端的铝箔和铜箔，作为正、负极的集流体；
焊接于正、负极的集流体上的极耳。
2.如权利要求1所述的新型电芯，其特征在于：所述电芯本体为由荷电形变材料和逆压电性能材料与添加剂复合、煅烧后得到的块状体。
3.如权利要求2所述的新型电芯，其特征在于：所述添加剂包括粘结剂和分散剂。
4.一种新型电芯的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
将荷电形变材料和逆压电性能材料与添加剂、溶剂混合均匀，制成浆料；
将制得的浆料倒入模具中进行复合，然后煅烧成型，得到电芯本体；
在电芯本体的两端分别包覆铝箔和铜箔作为正、负极的集流体；
在正、负极的集流体上焊接极耳；
进行充放电活化、封装，得到电芯。
5.如权利要求4所述的新型电芯的制备方法，其特征在于：荷电形变材料和逆压电性能材料的总用量占固态物料总质量的85％～98％，添加剂的用量占固态物料总质量的2％～15％。
6.如权利要求4或5所述的新型电芯的制备方法，其特征在于：荷电形变材料和逆压电性能材料的质量比为0.6～1.2。
7.如权利要求4或5所述的新型电芯的制备方法，其特征在于：所述添加剂包括粘结剂和分散剂。
8.如权利要求7所述的新型电芯的制备方法，其特征在于：粘结剂和分散剂的质量比为0.4～1。
9.如权利要求4或5所述的新型电芯的制备方法，其特征在于：所述荷电形变材料为介电弹性体与陶瓷填料的复合物。
10.如权利要求4或5所述的新型电芯的制备方法，其特征在于：所述逆压电性能材料包括逆压电陶瓷材料及其衍生物。
11.如权利要求4或5所述的新型电芯的制备方法，其特征在于：采用球磨法对制得的浆料进行复合，将模具放入球磨仪中，以800rpm的速度旋转，每间隔30min停歇5min。
12.如权利要求4或5所述的新型电芯的制备方法，其特征在于：充放电活化时，温度为65℃，压力为0.8MPa。
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