CN109786653A - 一种结构电池及结构电池的功能铺层 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种结构电池及结构电池的功能铺层，属于复合材料结构设计和二次电池设计领域，其具有承力和供电和/或储电的功能，一种结构电池及一种结构电池多功能铺层，包括阳极、隔膜，阴极；隔膜(32)位于阳极(31)和阴极(33)之间防止阳极(31)和阴极(33)直接接触；阳极、阴极为电池的两极，隔膜(32)包含电解质；其特征在于，阳极中含有一个或若干个导电的纤维丝。该铺层可以作为结构电池的组成部分，能减少飞行器上电池外壳等寄生零件，实现飞行器结构系统和电池系统的减重。

Description

一种结构电池及结构电池的功能铺层

技术领域

本发明属于复合材料结构设计和二次电池设计领域，涉及具有承力和供电或储电的多功能纤维复合材料铺层组，用于组成层合板形式的结构电池。

背景技术

越来越多的飞行器结构采用纤维复合材料层合板，从而在满足结构强度和刚度设计要求下实现轻质化。纤维复合材料层合板是将多个单向纤维或织物预浸料按照一定的铺层顺序铺贴后加热加压固化而成，每个单向纤维或织物预浸料构成一个铺层，因此纤维复合材料层合板具有很强的可设计性。在现有的纤维复合材料结构设计中，一般仅考虑层合板的力学性能。

二次电池又称为可充电电池。现有二次电池包括阳极、阴极、隔膜、外壳等，通过电池内部可逆的电化学反应实现充电和放电。电池外壳等零件属于电池的寄生零件，本身不能将化学能转化为电能，又具有一定的质量，影响二次电池的能量密度。当现有二次电池应用于对电能需求大而空载重量限制苛刻的飞行器时，所需的二次电池数量与所限制的二次电池重量就成为设计矛盾。此外，电池安装位置附近的飞行器结构需要特别加强，又导致飞行器结构增重，难以达到轻质化。

以现有太阳能无人机为例，要求尽可能降低结构重量以提高飞行性能，一般采用碳纤维复合材料层合板构成的梁作为主承力件。为实现太阳能无人机数周乃至数月的飞行，需要携带占全机重量50％以上的二次电池。二次电池需要通过额外的支架连接至主承力件结构上。在现有太阳能无人机上的二次电池采用锂硫电池，锂硫电池存在多硫化锂飞梭效应、电池体积剧烈膨胀等问题，电容量衰减严重，充放电循环次数相对少，不如碱性镍基二次电池和锂离子二次电池安全可靠。

结构电池是一种兼顾力学性能和电性能的设计新概念。为解决上述现有技术不足，如何利用纤维复合材料层合板尤其是内部铺层的可设计性，使之同时具有承力、供电和储电的功能，安全可靠地实现结构电池设计概念，就成为十分必要的问题。

现有航空器包括结构和供电两个相互独立的分系统。结构分系统起承力功能，使航空器具有足够的强度和刚度以抵抗外部载荷作用；供电分系统用以维持飞行控制、电子设备乃至动力推进等分系统的正常运行。

结构分系统和供电分系统在满足自身功能约束的前提下应尽可能减重以提升航空器性能。为实现轻质化，现有航空器的结构越来越多地采用复合材料层合板，但层合板的铺层内不含电化学活性物质，因此结构自身不具备供电和储电能力。现有航空器供电分系统中的电池主要由阳极、阴极、隔膜、电解质以及外包装壳等组成，电池内发生电化学反应，而电池自身不具备较大的承力能力。

对于以高空伪卫星为代表的航空器，所需二次电池数量多，重量大，电池安装位置受到结构内部空间、飞行配平等因素的限制。同时，为承担二次电池这一较大的集中载荷，电池安装位置附近的结构需要充分加强，导致结构增重。此外，二次电池与机载设备等分系统之间存在一定的分布距离，导致连接电缆较长，电缆增重问题显著。当航空器重量限制严苛时，对结构和电池分别进行减重已暴露出较大的局限性，不易实现。

以采用太阳能作为能量来源的高空伪卫星为例。在结构分系统上，现有的此类航空器采用梁式结构，结构重量占全机重量的30％至40％。在供电分系统上，现有的此类航空器采用二次电池，电池重量占全机重量50％以上，通过额外的支架连接至结构主承力件。此类航空器要求尽可能减少结构和电池重量以换取更多的任务载荷重量，这些任务载荷可实现诸如通信中继、侦察监视、灾害评估等功能。然而，现实是结构和电池的合计重量已接近航空器重量的90％，挤占任务载荷的重量分配指标，导致携带任务载荷十分有限，或者施加任务载荷小型化研制压力。单独减少结构重量将无法承受电池带来的较大集中载荷；单独减少电池重量将无法为任务载荷提供维持其正常工作的电能，甚至影响高空伪卫星的长航时飞行，降低运行高空伪卫星的效费比。

因此，如何设计一类能综合承力和供电/储电要求、同时能有效降低结构和电池重量的航空器及相关部件，就成为十分必要的问题。

发明内容

本发明的解决的技术问题是：提供一种结构电池(纤维复合材料)的功能铺层，具有承力和供电和/或储电的功能，该铺层可以作为结构电池的组成部分，能减少飞行器上电池外壳等寄生零件，实现飞行器结构系统和电池系统的减重。

还提出一种结构电池，能同时起到承力和供电和/或储电的功能，有效降低结构与电池相互独立时的合计重量，能够应用于飞行器，实现飞行器结构系统和电池系统的减重。

本发明的技术方案是：一种结构电池的功能铺层，其特征在于，包括阳极、隔膜，阴极；隔膜位于阳极和阴极之间防止阳极和阴极直接接触；阳极、阴极为电池的两极，隔膜包含电解质；其特征在于，阳极中含有一个或若干个导电的纤维丝。

优选地，阳极为一个纤维束或者若干个彼此不接触的纤维束，纤维束为具有导电能力的一个纤维丝或者多个碳纤维丝；隔膜为阳极外周的固体聚合物电解质；阴极则为含有与碳能够形成电化学反应的活性物质的聚合物基体。

优选地，纤维束之间具有间隙，在阴极的聚合物基体中均匀布置。

优选地，纤维束排成多层，多层之间的纤维束轴线平行排列；或者纤维束排成多层，多层之间的纤维束轴线交错排列。

优选地，阳极和阴极位于第一层、第三层；隔膜位于中间层，阳极包括阳极基体和阳极基体中的第一纤维，阴极包括阴极基体和阴极基体中的第三纤维；隔膜包括隔膜基体和隔膜基体中的第二纤维；第一纤维、第三纤维具有导电性，第二纤维为电绝缘体；阳极基体、基体阴极中包含能够形成电化学反应对应的活性物质；隔膜为包含电解质的聚合物。

优选地，第一纤维、第二纤维和第三纤维为纵向或横向的纤维束或纤维束形成的织物。

优选地，阳极基体、隔膜基体、阴极基体为环氧树脂、橡胶或者树脂和橡胶混合物。

优选地，导电纤维为碳纤维，或者外表面涂导电层的玻璃纤维。

优选地，电绝缘体为玻璃纤维，或者外表面涂电绝缘层的碳纤维。

一种结构电池，其特征在于，为多层板，包括上述的的一种结构电池的功能铺层。

(一种航空器的结构电池部件，其特征在于，包括至少两端的翼肋和周向的蒙皮；蒙皮的两端具有翼肋；蒙皮为至少存在一个功能铺层的多层板；功能铺层具有承载功能，又具有供电和/或储电功能；功能铺层包括阳极、隔膜，阴极；隔膜位于阳极和阴极之间防止阳极和阴极直接接触；阳极、阴极为电池的两极，隔膜包括电解质；阳极中含有一个或若干个导电的纤维丝。

优选地，由两端的翼肋和周向的蒙皮组成，翼肋位于蒙皮的两端。

优选地，由梁或墙和桁条组成展向的承力骨架，翼肋为弦向的承力骨架，翼肋为若干个，且沿展向平行布置，周向的蒙皮覆盖展向和弦向的承力骨架。

优选地，由墙组成展向的承力骨架，翼肋为弦向的承力骨架，翼肋为若干个，且沿展向平行布置，周向的蒙皮覆盖展向和弦向的承力骨架。

优选地，翼肋为仅具有承力功能的多层板，或者包含功能铺层的多层板。

优选地，还包括隔热层；隔热层位于蒙皮的外表面，或者还包括隔热层和光伏组件；光伏组件位于隔热件的外表面的上部表面，太阳能经光伏组件转化得到电能。

优选地，功能铺层具体结构进一步限定为：

阳极为一个纤维束或者若干个彼此不接触的纤维束，纤维束为具有导电能力的一个纤维丝或者多个碳纤维丝；隔膜为阳极外周的固体聚合物电解质；阴极则为含有与碳能够形成电化学反应的活性物质的聚合物基体。

或者功能铺层具体结构进一步限定为：

阳极和阴极位于第一层、第三层；隔膜位于中间层，阳极包括阳极基体和阳极基体中的第一纤维，阴极包括阴极基体和阴极基体中的第三纤维；隔膜包括隔膜基体和隔膜基体中的第二纤维；第一纤维、第三纤维具有导电性，第二纤维为电绝缘体；阳极基体、基体阴极中包含能够形成电化学反应对应的活性物质；隔膜为包含电解质的聚合物。

一种航空器的结构电池部件，两端的翼肋将上述的一种航空器的结构电池部件能够进行胶接或机械连接。

一种航空器，其特征在于，包括机翼，机翼的部分或全部由若干个上述的一种航空器的结构电池部件连接组成。

优选地，航空器还包括尾翼，其部分或全部由若干个上述的一种航空器的结构电池部件连接组成。)

本发明的技术效果是：

(1)本发明的功能铺层，充分利用复合材料的可设计性，将二次电池功能植入至承力结构中，能减少电池外壳等寄生零件，有利于电池能量密度的提高。

(2)本发明的功能铺层，主要基于碱性镍基和锂离子等成熟二次电池技术实现供电和/或储电功能，充放电循环次数高，使用安全可靠。

(3)本发明的结构电池部件，兼顾力学性能和电性能，与承力结构和二次电池相互独立的现有方案相比，能有效减少飞行器结构系统和供电系统的合计重量，有利于飞行器性能的提高。

采用本发明的航空器的效果：

1)航空器，充分利用复合材料结构的可设计性，将承力的结构与供电和/或储电的电池合二为一，利用具有承力、供电和/或储电功能的结构电池部件，实现航空器轻质化，并能换取更多的任务载荷重量，提升航空器性能；

(2)结构电池部件充分利用蒙皮远离翼剖面中心的特点，使结构电池部件具有较好的抵抗弯矩和扭矩的力学性能，同时使结构电池部件更好地维持翼型并支撑光伏组件；

(3)结构电池部件使航空器的承力、供电和/或储电更加分布化，一方面大幅降低对航空器结构设计的强度/刚度约束，并减轻了航空器飞行的配平约束；另一方面不挤占航空器内部设备仪器安装空间，并避免了现有电池和用电设备之间电缆过长的问题，降低了配电组件的重量。

附图说明

图1为本发明应用到某具有结构电池部件的航空器实施例的示意图；

图2为实施例中结构电池部件的整体示意图；

图3为实施例中结构电池部件的剖面示意图，其中(a)表示结构电池部件的周向结构由蒙皮组成，(b)表示结构电池部件的周向结构由蒙皮和隔热层组成，(c)表示结构电池部件的周向由蒙皮、隔热层和光伏组件组成；

图4为实施例中蒙皮的多层板结构示意图；

图5为功能铺层实施方式一的示意图；

图6为功能铺层实施方式二的示意图；

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步详细地描述。

如图1所示，航空器1具有机翼2，还包括尾翼3，至少机翼2部分或全部是由若干个结构电池部件10组成。该航空器1是以太阳能作为能量来源的高空伪卫星。作为替代，航空器1也可以是无尾翼的太阳能高空伪卫星，或采用其它能量来源的高空伪卫星，或者其它固定翼无人机或有人驾驶飞机。航空器1可用于通信中继、侦察监视、灾害评估等领域，具有十分重要的军用/民用价值。

太阳能无人机为例，机翼2、尾翼3等部件的部分或全部可以由若干个结构电池部件10所组成。

如图2所示，一种结构电池部件10，包括至少两端的翼肋15和周向的蒙皮20；蒙皮20的两端部具有翼肋15；蒙皮20具有承力和供电/储电功能，即蒙皮20作为主承力件的同时具有二次电池功能。翼肋15可仅为承力构件，或者包含功能铺层25的同时承力和供电/储电的部件。

进一步地，利用结构电池部件10两端的翼肋15，将相邻的结构电池部件10进行胶接或机械连接。

在蒙皮20承力/供电功能一体化的前提下，结构电池部件10的具体结构形式可以是硬壳式、单块式或多墙式。

一种结构电池部件10，具体结构形式为硬壳式，由两端的翼肋15和周向的蒙皮20组成，翼肋15位于蒙皮20的两端。

一种结构电池部件10：多墙式：由墙组成展向(横向)的承力骨架，翼肋为弦向(纵向)的承力骨架，翼肋为若干个平行布置(翼肋数目较少)，周向的蒙皮覆盖墙和翼肋上。

一种结构电池部件10：为单块式；由梁(或墙)和桁条组成展向(横向)的承力骨架，翼肋为弦向(纵向)的承力骨架，翼肋为若干个平行布置(翼肋数目较多)，周向的蒙皮覆盖承力骨架。

如图3所示，结构电池部件10包括至少两端的翼肋15和周向的蒙皮20；还包括隔热层21，隔热层21位于蒙皮20的外表面，其组成材料是泡沫或气凝胶。隔热层21保护蒙皮20在低温环境下能正常供电与储电。

还包括隔热层21和光伏组件22，隔热层21位于蒙皮20的外表面。光伏组件22位于隔热件21的外表面的上部表面。光伏组件22由太阳能电池、面膜、胶膜和背板组成。其中，太阳能电池优先采用柔性薄膜多结太阳能电池。太阳能经光伏组件22转化得到电能。

对于一个结构电池部件的下表面蒙皮结构，外层结构没有将光伏组件7或者为其它功能结构层，内层依次为隔热层21以及蒙皮20。

蒙皮20为复合材料层合板(结构电池)，由至少一个功能铺层25组成。

如图4所示，蒙皮20的结构形式为复合材料层合板(结构电池)，复合材料层合板(结构电池)至少存在一个功能铺层25。

功能铺层25由阳极31、隔膜32和阴极33组成。隔膜32位于阳极31和阴极33之间防止阳极31和阴极33直接接触。阳极、阴极为电池的两极。隔膜32含有电解质。功能铺层25的阳极包含导电纤维，功能铺层25阴极基体为聚合物基体。阳极中含有一个或若干个导电的纤维丝。纤维用于承受大部分力学载荷，聚合物基体用于粘合纤维并能承受少量力学载荷。

功能铺层25含有电化学活性物质，通过电化学反应将活性物质中的化学能转化为电能，此时，蒙皮20具有承力和供电功能。

功能铺层25的电化学活性物质通过可逆的电化学反应实现活性物质中的化学能与电能的相互转化。此时，蒙皮20具有承力、供电和储电功能。

图4显示出采用一个功能铺层25的层合板。图4所示的层合板含有5个铺层。复合层合板至少含有1个功能铺层。当采用多个上述功能铺层25时，需要做好各功能铺层组之间的电绝缘措施。各层之间加绝缘层。

蒙皮20的复合材料层合板其他层采用承力层，一般功能铺层25不设置在蒙皮20的最外层。

功能铺层25可具有图5或图6所示的两种形式之一。

具体实施方式一：

如图5所示，功能铺层25包括阳极31、隔膜32和阴极33；第一层结构、第三层分别作为电池的阳极31和阴极33，中层结构作为电池的隔膜32。

(各层均为预浸料。预浸料为织物预浸料，即阳极中具有第一纤维51，阴极中具有第三纤维53，隔膜32中具有第二纤维55)

阳极包括阳极基体52和阳极基体中的第一纤维51；阴极包括阴极基体和阴极基体中的第三纤维53；隔膜32包括隔膜基体21和隔膜中的第二纤维55。

阳极的阳极(聚合物)基体52、隔膜的隔膜(聚合物)基体56和阴极的阴极(聚合物)基体54均具有电绝缘性。可以是环氧树脂、橡胶或者树脂-橡胶混合物。隔膜可以采用其他聚合物。

阳极中的第一纤维51和阴极中的第三纤维53具有导电性，与金属集流器连接或直接作为集流器。阳极中的第一纤维51和阴极中的第三纤维可以采用碳纤维，或者采用外表面涂导电层的玻璃纤维。

隔膜中的第二纤维55具有电绝缘性，可以采用玻璃纤维，或者采用外表面涂电绝缘层的碳纤维。

各层结构的纤维增强形式数目及排列方式不限于图5。所示情况，不限于的平纹织物形式，第一纤维、第二纤维55第三纤维可以为纵向和横向的纤维束或纤维形成的织物；阳极31、隔膜32和阴极33一个或多个可以采用单向预浸料。

阳极(聚合物)基体52和阴极(聚合物)基体54包含能够形成电化学反应对应的活性微粒；内含有电化学活性物质，隔膜基体56内含有电解质。

当图5所示的纤维复合材料的功能铺层组25内发生锂离子电化学反应时，阳极聚合物基体52内的电化学活性物质为碳(例如，石墨或聚丙烯腈碳纤维)，阴极聚合物基体54内的电化学活性物质为锂盐(例如，钴酸锂或镍钴锰酸锂)，隔膜聚合物基体56内的电解质形式为固体聚合物、凝胶或溶液。当采用固体聚合物电解质时，该固体聚合物电解质可作为隔膜聚合物基体56。

当图5所示的纤维复合材料铺层组25内发生碱性镍基电化学反应时，阳极聚合物基体52内的电化学活性物质为氢氧化镍，阴极聚合物基体54内的电化学活性物质为非镍金属氧化物(例如，氧化锌或氧化铁)，隔膜聚合物基体56内的电解质形式为溶液(例如，氢氧化钾溶液)。

为增强功能铺层25内阳极、隔膜、阴极聚合物基体的导离子性，可向至少阳极聚合物基体52、阴极聚合物基体54和隔膜聚合物56之一添加导离子剂(例如，聚氧化乙烯)。同时，为增强电解质在隔膜聚合物基体中的渗透能力，可向至少阳极聚合物基体52、阴极聚合物基体54和隔膜聚合物56之一添加致孔剂(例如，炭黑或硅胶)。

为增强功能铺层25内阳极或(与)阴极的导电性，可向至少阳极聚合物基体52和阴极聚合物基体54之一添加导电剂(例如，炭黑、碳纳米管或石墨烯)。

具体实施方式二

功能铺层25包括阳极31、隔膜32和阴极33。

阳极31为一个纤维束或者若干个彼此不接触的纤维束，纤维束为具有导电能力的一个纤维丝或者多个纤维丝；

隔膜32为阳极31外周的固体聚合物电解质；可以涂在阳极31外周。

阴极33则为含有电化学活性物质的聚合物基体，并与金属集流器连接。

如图6示，多个具有导电能力的纤维束，外涂有固态聚合物电解质；浸于含有电化学活性微粒的聚合物基体内。

电池阳极直接作为集流器或者和金属集流器连接(集流器在图6中未画出)。纤维束的数目及排列方式不限于图6所示情况。纤维束之间具有间隙，均匀布置。可以使平行排列或者交错排列。

阳极31采用聚丙烯腈碳纤维丝或者纤维束，阴极33内的电化学活性物质为锂盐(例如，钴酸锂或镍钴锰酸锂)，此时纤维复合材料铺层组25内发生的电化学反应是锂离子电化学反应。

对于太阳能无人机，具体工作过程为：光伏组件将太阳能通过光电效应转变为电能，此时功能铺层阳极和阴极之间的电压高于某个数值，导致功能铺层内发生逆向的电化学反应，将电能转变为电化学活性物质中的化学能。夜间无太阳能，光伏组件不产生电能，导致功能铺层阳极和阴极之间的电压低于某个数值，导致功能铺层内发生正向的电化学反应，将电化学活性物质中的化学能转变为电能。

本发明的特点如下：

1、本发明的航空器可以是高空伪卫星、固定翼无人机、有人驾驶飞机等；该航空器包含机翼，或者包含机翼和尾翼；至少机翼的部分或全部由若干个结构电池部件组成。

2、本发明中的结构电池部件至少包含蒙皮，蒙皮作为主承力件的同时具有电池功能；

3、本发明中的蒙皮为复合材料层合板，层合板内至少存在一个功能铺层，功能铺层组内发生电化学反应，电化学反应可以是可逆的。

4、功能铺层，电池阳极、阴极和隔膜均采用纤维增强基体的层结构形式，阳极层结构和阴极层结构被隔膜层结构所分离，阳极层结构和阴极层结构中的纤维导电而基体含有电化学活性微粒，隔膜层结构中的纤维电绝缘而基体中含有电解质。

Claims (10)

1.一种结构电池的功能铺层，其特征在于，包括阳极、隔膜，阴极；隔膜(32)位于阳极(31)和阴极(33)之间防止阳极(31)和阴极(33)直接接触；阳极、阴极为电池的两极，隔膜(32)包含电解质；其特征在于，阳极中含有一个或若干个导电的纤维丝。

2.根据权利要求1所述的一种结构电池的功能铺层，其特征在于，阳极(31)为一个纤维束或者若干个彼此不接触的纤维束，纤维束为具有导电能力的一个纤维丝或者多个碳纤维丝；隔膜(32)为阳极外周的固体聚合物电解质；阴极(33)则为含有与碳能够形成电化学反应的活性物质的聚合物基体。

3.根据权利要求2所述的一种结构电池的功能铺层，其特征在于，纤维束之间具有间隙，在阴极的聚合物基体中均匀布置。

4.根据权利要求2所述的一种结构电池的功能铺层，其特征在于，纤维束排成多层，多层之间的纤维束轴线平行排列；或者纤维束排成多层，多层之间的纤维束轴线交错排列。

5.根据权利要求1所述的一种结构电池的功能铺层，其特征在于，阳极(31)和阴极(33)位于第一层、第三层；隔膜(32)位于中间层，阳极包括阳极基体(52)和阳极基体中的第一纤维(51)，阴极包括阴极基体(54)和阴极基体中的第三纤维(53)；隔膜(32)包括隔膜基体(56)和隔膜基体中的第二纤维(55)；第一纤维(51)、第三纤维(53)具有导电性，第二纤维为电绝缘体；阳极基体、基体阴极中包含能够形成电化学反应对应的活性物质；隔膜为包含电解质的聚合物。

6.根据权利要求5所述的一种结构电池的功能铺层，其特征在于，第一纤维、第二纤维和第三纤维为纵向或横向的纤维束或纤维束形成的织物。

7.根据权利要求5所述的一种结构电池的功能铺层，其特征在于，阳极基体、隔膜基体、阴极基体为环氧树脂、橡胶或者树脂和橡胶混合物。

8.根据权利要求5所述的一种结构电池的功能铺层，其特征在于，导电纤维为碳纤维，或者外表面涂导电层的玻璃纤维。

9.根据权利要求5所述的一种结构电池的功能铺层，其特征在于，电绝缘体为玻璃纤维，或者外表面涂电绝缘层的碳纤维。

10.一种结构电池，其特征在于，为多层板，包括至少一个1至9任一所述的的一种结构电池的功能铺层。