CN111600057B - 一种具有曲面结构的复合材料结构电池及其制备方法与应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种具有曲面结构的复合材料结构电池及其制备方法。该结构电池包括具有弯曲表面结构的碳纤维复合材料电池外壳和弯曲电池外壳内部相对应的储能电芯。其中弯曲复合材料结构电池外壳主要起到封装和保护电芯的功能，其由碳纤维和树脂组成，具有良好的力学性能、耐腐蚀性能、优良的形状可设计性等。储能电芯主要起到储存电能的作用，其由正、负极、绝缘隔膜和电解液组成，其形状可根据设计的复合材料电池外壳相对应发生改变。
Description
技术领域
本发明属于储能技术领域，具体涉及一种可以进行充放电的具有曲面结构的电池及其制备与应用。
背景技术
随着便携式电子设备、电动汽车等移动电力技术的迅速发展，人们对二次能源的需求量也在迅速增加，同时人们也在追求效率更高、安全性更好、更加美观的二次储能系统。
随着便携式电子设备以及各种电动运输工具的外观多样化发展，为这些电力设备提供电能的二次电池也需要随设备的形状而实现多样化，以最大限度的丰富产品的视觉效果，满足人体工程学。传统的弯曲结构电池，都是在制成矩形电池后，采用弧形模具对电池进行加热、加压来实现电池的弯曲。这种弯曲电池不仅储能效率低，而且存在很大的安全隐患，并且这种弯曲电池内部存在很大的应力，用一段时间后电池形状会发生变形。
发明内容
针对传统弯曲电池储能效率低，安全隐患高，形状不稳定的问题，本发明提供一种具有曲面结构的复合材料结构电池及其制备方法。具体采用碳纤维复合材料优良的力学性能，成熟的成型工艺以及良好的可设计性，使其与储能电芯相复合可制备出具有不同形状的曲面结构复合材料结构电池，可提高弯曲电池的储能效率和安全性、稳定电池形状。该结构电池具有广泛的应用，如可应用于智能无人小车、无人机、机器人、路灯线杆、风力发电扇叶、无人船、移动医疗器械和医疗救援。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种具有曲面结构的复合材料结构电池，包括外壳和储能电芯；
所述外壳由具有弯曲表面的上底板、中框、具有弯曲表面的下底板组成，所述储能电芯位于具有弯曲表面的上底板、中框、具有弯曲表面的下底板组成的空间内；
所述储能电芯具有和外壳相对应的弯曲表面；
所述储能电芯由正极片、负极片、绝缘隔膜、正极引脚、负极引脚和电解液组成；
所述储能电芯固定于外壳内，留有正极引脚、负极引脚置于外壳外实现充放电功能。
进一步，所述外壳由碳纤维体积分数为30-70%的超薄预浸料铺层复合而成，所述超薄预浸料的厚度为0.02mm~0.2mm。所述外壳除碳纤维外其余优选为环氧树脂或酚醛树脂。
更进一步，所述外壳由碳纤维体积分数为50%的超薄预浸料铺层复合而成。
进一步，所述储能电芯的电极是由多个正碳多孔电极、负碳多孔电极片交叉重叠而成，所述正碳多孔电极、负碳多孔电极片上分别铆接有正极引脚、负极引脚。
上述具有曲面结构的复合材料结构电池的制备方法，包括以下步骤：
（1）对弯曲电池进行总体尺寸设计，加工与其相对应的模具，其中，模具分为凸模和凹模两部分，用于电池最后固化成型；
（2）配制电极浆料，分别制备正极片、负极片；
（3）分别裁取大小合适的正极片和负极片分别放置于绝缘隔膜两侧进行层叠制备储能电芯，并在正极片、负极片两端分别铆接正极引脚和负极引脚；
（4）在储能电芯外侧采用碳纤维预浸料铺层密封，并预留出注液孔；
（5）将铺层好的样品放入模具中固化成型；
（6）取出样品，往里注入电解液然后密封。
进一步，所述步骤（2）中，固化成型采用热压成型、液体传递成型、袋压成型、缠绕成型。
进一步，所述步骤（4）中在储能电芯的上表面、下表面铺层碳纤维预浸料，中框厚度等于电芯厚度。
上述具有曲面结构的复合材料结构电池应用于智能无人小车、无人机、机器人、路灯线杆、风力发电扇叶、无人船、移动医疗器械和医疗救援。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1、本发明采用碳纤维复合材料优良的力学性能，成熟的成型工艺以及良好的可设计性，使其与储能电芯相复合可制备出具有不同形状的曲面结构复合材料结构电池，可提高弯曲电池的储能效率和安全性、稳定电池形状。该结构电池具有广泛的应用，如可应用于智能无人小车、无人机、机器人、路灯线杆、风力发电扇叶、无人船、移动医疗器械和医疗救援。
2、本发明弯曲复合材料结构电池外壳主要起到封装和保护电芯的功能，其由碳纤维和环氧树脂，酚醛树脂或其他热固性、热塑性树脂组成，具有良好的力学性能、耐腐蚀性能、优良的形状可设计性等。储能电芯主要起到储存电能的作用，其由正、负极、绝缘隔膜和电解液组成，其形状可根据设计的复合材料电池外壳相对应发生改变。
附图说明
图1为本发明具有弯曲结构的复合材料结构电池的制备工艺流程图；
图2为一种具有弯曲结构的复合材料结构电池的结构示意图；
图3为具有弯曲结构的复合材料结构电池的电芯的结构示意图；
图4a为制备具有弯曲结构的复合材料结构电池的凹模具结构示意图；
图4b为制备具有弯曲结构的复合材料结构电池的凸模具结构示意图；
图5为另一种具有弯曲结构的复合材料结构电池的结构示意图；
图中，1、正极，2、外壳，3、负极，4、正极引脚，5、正极片，6、绝缘隔膜，7、负极片，8、负极引脚。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步的详细说明。
实施例1
本发明具有弯曲结构的复合材料结构电池的制备工艺流程图如图1所示，具体包括以下步骤：
（1）对弯曲电池进行总体尺寸设计，加工与其相对应的模具，其中，模具分为凸模和凹模两部分，用于电池最后固化成型；
（2）配制电极浆料，分别制备正极片5、负极片7，正极片5、负极片7分别由至少一个正碳多孔电极、负碳多孔电极片重叠而成，正极片5和负极片7可以是两种不同的电极片；
（3）分别裁取大小合适的正极片5和负极片7分别放置于绝缘隔膜6两侧进行层叠制备储能电芯，并在正极片5、负极片7两端分别铆接正极引脚4和负极引脚8；本发明的储能电芯，可以是由一个正极片5和一个负极片7对称放置在隔膜两侧组成电芯，亦可以是多个正极片5和多个负极片7对称放置在绝缘隔膜6两侧组成电芯；
（4）在储能电芯外侧采用碳纤维预浸料铺层2密封，并预留出注液孔；本发明可以采用0.02mm、0.1mm、0.2mm超薄预浸料进行0°、±45°、90°进行铺层；铺层时中框厚度等于电芯厚度；
（5）将铺层好的样品放入模具中热压固化成型；
（6）取出样品，往里注入电解液然后密封。
实施例2
采用实施例1的方法制备的一种具有弯曲结构的复合材料结构电池的结构示意图如图2所示。具体包括正极1、负极3和外壳2，所述外壳2由具有弯曲表面的上底板、中框、具有弯曲表面的下底板组成，所述储能电芯位于具有弯曲表面的上底板、中框、具有弯曲表面的下底板组成的空间内；所述储能电芯具有和外壳2相对应的弯曲表面；所述储能电芯由正极片5、负极片7、绝缘隔膜6、正极引脚4、负极引脚8和电解液组成，如图3所示；所述储能电芯固定于外壳2内，留有正极引脚4、负极引脚8置于外壳外实现充放电功能，所述正极引脚4构成电池的正极，负极引脚8构成电池的负极3。
本实施例采用如图4a所示模具，其弯曲角为180°。
实施例3
采用实施例1的方法制备的一种具有弯曲结构的复合材料结构电池的结构示意图如图5所示。与实施例2不同的是，本实施例同时采用两个模具，如图4a和4b所示，包括上模和下模，组成360°弯曲角的管状结构。当然，还可以利用模具形成360°的螺旋状结构。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (3)
1.一种具有曲面结构的复合材料结构电池的制备方法，其特征在于，该结构电池包括外壳和储能电芯；
所述外壳由具有弯曲表面的上底板、中框、具有弯曲表面的下底板组成，所述储能电芯位于具有弯曲表面的上底板、中框、具有弯曲表面的下底板组成的空间内；
所述储能电芯具有和外壳相对应的弯曲表面；
所述储能电芯由正极片、负极片、绝缘隔膜、正极引脚、负极引脚和电解液组成；
所述储能电芯固定于外壳内，留有正极引脚、负极引脚置于外壳外实现充放电功能；
所述外壳由碳纤维体积分数为30-70%的超薄预浸料铺层复合而成，所述超薄预浸料的厚度为0.02mm~0.2mm，所述外壳除碳纤维外其余为环氧树脂或酚醛树脂；
所述储能电芯的电极是由多个正碳多孔电极、负碳多孔电极片交叉重叠而成，所述正碳多孔电极、负碳多孔电极片上分别铆接有正极引脚、负极引脚；
该制备方法包括以下步骤：
（1）对弯曲电池进行总体尺寸设计，加工与其相对应的模具，其中，模具分为凸模和凹模两部分，用于电池最后固化成型；
（2）配制电极浆料，分别制备正极片、负极片；
（3）分别裁取大小合适的正极片和负极片分别放置于绝缘隔膜两侧进行层叠制备储能电芯，并在正极片、负极片两端分别铆接正极引脚和负极引脚；
（4）在储能电芯外侧采用碳纤维预浸料铺层密封，并预留出注液孔；
（5）将铺层好的样品放入模具中固化成型；
（6）取出样品，往里注入电解液然后密封；
所述步骤（4）中在储能电芯的上表面、下表面铺层碳纤维预浸料，中框厚度等于电芯厚度。
2.根据权利要求1所述的具有曲面结构的复合材料结构电池的制备方法，其特征在于，所述步骤（5）中，固化成型采用热压成型、液体传递成型、袋压成型、缠绕成型。
3.权1或权2所述的制备方法制备得到的具有曲面结构的复合材料结构电池在智能无人小车、无人机、机器人、路灯线杆、风力发电扇叶、无人船、移动医疗器械和医疗救援中的应用。
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