CN115020899A - 一种全织物供电与发光器件的集成方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种全织物供电与发光器件的集成方法，该方法是将电致发光纤维与纤维电池进行一体化编织，然后将纤维电池与电致发光纤维进行连接，利用纤维电池为电致发光纤维供电。与现有技术相比，本发明中的织物可以实现反复充放电和持续发光，兼具良好的柔性，因此在可穿戴电子器件领域具有较大的应用价值。

Description

一种全织物供电与发光器件的集成方法
技术领域
本发明属于柔性可穿戴电子器件技术领域，涉及一种全织物供电与发光器件的集成方法。
背景技术
近年来，柔性电子器件以其独特的柔性/延展性以及高效、低成本制造工艺，在信息、能源、医疗、国防等领域具有广阔的应用前景，如柔性电子显示器、薄膜太阳能电池等。随着可穿戴设备的日益普及，便携、柔性和可穿戴的智能电子织物成为未来发展的主流方向。国内外很多高校和企业综合体都先后建立了智能纤维和织物研究中心，对织物电子器件的材料、器件结构和系统集成等方面开展深入研究。目前的多数电子织物产品主要是针对功能器件进行柔性设计，例如将其加工成薄膜状，然后将不同功能的薄膜状电子器件以贴合的方式集成在织物表面，从而实现多功能化和智能化。由于集成方式的局限性导致电子织物器件容易失效，使用寿命有限。同时薄膜器件的透气性差严重影响了穿戴舒适感。
专利申请CN201810441210.2公开了一种发光变色织物及其制备方法：在柔性纤维导体外负载发光活性材料，得到导电发光活性纤维；通过缠绕或并线的方法，在导电发光活性纤维外部组装一根或多根柔性纤维导体作为对电极；在其外部构建透明封装层或半透明滤光层或荧光转换层，得到可用于编织的柔性发光纤维，单根发光纤维的发光亮度最高可以达到157.9cd/m2，发光纤维具有极佳的柔性，编织出的发光织物质感与布料相同，具有优良的柔性和透气性，并且功耗低，可以通过干电池直接驱动。器件的亮度在1000次弯折与10次水洗后依然几乎保持稳定。该专利技术解决了薄膜器件的透气性差的问题，而且提高了电子织物器件的寿命，但是该柔性可穿戴电子织物中的电源设备还是使用了传统的块状或柱状电池，比如干电池、锂电池和聚合物电池，其硬度较大，也使得电子织物的柔性大打折扣。
发明内容
本发明的目的就是，针对现有柔性可穿戴产品中电源装置是非柔性器件，而功能器件大多是薄膜状，导致电源与功能器件之间不能实现较好地集成，从而影响可穿戴舒适性与便携性问题，提供一种全织物供电与发光器件的集成方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种全织物供电与发光器件的集成方法，该方法是将电致发光纤维与纤维电池进行一体化编织，然后将纤维电池与电致发光纤维进行连接，利用纤维电池为电致发光纤维供电。
所述电致发光纤维包括两个纤维电极、发光层、以及绝缘层。所述电致发光纤维为基于无机活性材料发光的器件或基于有机材料发光的器件。在本发明中选用的电致发光纤维的直径在0.2-0.5mm，发光亮度为20-150cd/m2。
进一步地，所述的电致发光纤维的发光颜色包括红色、橙色、绿色、蓝色、或紫色。
进一步地，所述纤维电池包括纤维正极、纤维负极、电解液、电池隔膜及封装层。纤维电池可以为纤维锂离子电池、纤维锌离子电池、纤维钠离子电池、纤维锂空气电池。作为本发明的进一步改进，所述纤维电池采用的电极材料包括但不限于商用铝丝、商用铜丝、商用钛丝。所述纤维电极的直径在0.5-1.0mm之间。和/或，所述纤维电极的电阻为3-8Ω/m。
作为本发明的进一步改进，所述纤维电池电极表面浸涂导电剂，包括但不限于钴酸锂、导电石墨、石墨烯、炭黑、碳纳米管等，以增加电极导电性和电解质溶液的浸润性。
作为本发明的进一步改进，所述电解液为常规纤维电池电解液，电解液的密度为0.8-3g/cm3。和/或，电导率为10-20mS/cm。
作为本发明的进一步改进，所述电池隔膜包括但不限于聚丙烯(PP)、聚乙烯(PE)等。和/或，所述电池隔膜的孔径在10-50nm。
作为本发明的进一步改进，所述纤维电池的直径在0.8-3mm。
作为本发明的进一步改进，单根纤维电池的工作电压在1.5-4.5V。和/或，单根纤维电池的能量密度为60-200Wh/kg。和/或，单根纤维电池的功率密度为20-80W/kg。
尽管现有技术中已有发光纤维和纤维电池的报道，但还没有将两者集成的报道，这是因为尽管两个材料都具有一定柔性，但是两者在直径、结构、工作原理、纤维电极性能方面存在不同，当前电子器件所用的集成方式和集成设备无法满足该新型纤维电子器件的集成。例如，在工作原理方面，纤维电池中涉及到电化学反应，锂离子在电极表面的脱嵌与嵌入效率直接影响电池的工作性能。而发光纤维主要基于发光活性层中光电子的跃迁，其功耗决定了纤维电池的数量以及串并联方式。两者匹配不好可能会导致器件无法工作。本发明根据两种纤维器件的性能和结构特征，匹配合适的编织方式，将电致发光纤维与纤维电池进行图案化设计与织造，最终得到了一种集成式供电与发光器件。
进一步地，编织工艺包括平织、平绣、绳绣、缝纫中的一种或多种织造工艺相结合；
编织方式为无底布编织或有底布编织。
进一步地，所述的编织方式为无底布编织时，编织工艺为平织，或平织与其他织造工艺相结合；
当编织工艺为平织时，电致发光纤维作为纬纱，纤维电池和普通纱线作经纱，纤维电池与普通纱线之间间隔排列，普通纱线的柔软度比纤维电池更高，间隔排列的方式可以在一定程度上保持电子织物的穿戴舒适度，又能根据纤维电池的需要量进行合理调控，而且以含有电解液的纤维电池为经纱，无需切断或大幅度弯折，不影响其性能，经纱密度为15-30，纬纱密度为50-80。
当编织工艺为平织与其他织造工艺相结合时，首先用纤维电池与普通纱线进行平织形成底布，然后在该底布上用电致发光纤维进行平绣、绳绣或缝纫，刺绣速度为300-800针/分钟。纤维电池直径稍粗，柔性比发光纤维略差，因此纤维电池进行平织，发光纤维直径细、柔性好，可采用刺绣等方式进行图案化设计。这样既能保证电池供电性能不受影响，又可以得到精美的发光图案。
进一步地，所述的编织方式为有底布编织时，编织工艺为绳绣，或绳绣与其它方式相结合；其中，纤维电池以绳绣的方式，电致发光纤维以绳绣、平绣、或缝纫的方式织造于底布上，刺绣速度为300-800针/分钟。进一步地，所述的底布的类型包括机织物、针织物、或非织造布；
底布的材质为常规纱线，包括棉纱、涤纶、棉麻、或涤棉。
进一步地，所述的纤维电池包括纤维锂离子电池、纤维锌离子电池、纤维钠离子电池、或纤维锂空气电池。
进一步地，所述的纤维电池的直径为0.8-3mm；
和/或，单根纤维电池的工作电压在1.5-4.5V；
和/或，单根纤维电池的能量密度为60-200Wh/kg；
和/或，单根纤维电池的功率密度为20-80W/kg。
作为本发明的进一步改进，所述纤维电池与电致发光纤维之间以接线端子进行连接，接线端口进行绝缘封胶处理。
进一步地，所述的全织物供电与发光器件作为柔性穿戴器件，在发光显示器、汽车内饰或智能服饰中的应用。
为了实现可呼吸、全柔性的织物电子器件，有必要发展与织物结构和织造方式相契合的电子器件以及集成方式。基于此，本发明将纤维形式的电池与发光器件采用传统的织造工艺进行有效集成，并根据器件的性能和使用场景选择不同的织造形式，从而设计出真正意义上的全柔性织物电子器件。
与现有技术相比，本发明具有以下特点：
1)本发明将供电器件与发光器件通过织造的方式有效集成成电子织物，实现了真正意义上的柔性可穿戴器件，较大地提高了便携性和舒适性；
2)本发明中的织物可以实现反复充放电和持续发光，兼具良好的柔性，因此在可穿戴电子器件领域具有较大的应用价值，同时也为其它可穿戴电子器件的电源与功能器件一体化集成提供了思路。
附图说明
图1为本发明中全织物供电与发光器件的结构示意图；
图2为实施例1中制备得到的纤维锂离子电池的实物图；
图3为实施例1中制备得到的电致发光纤维的实物图；
图4为实施例1中制备得到的集成式电池-发光织物的实物图；
图中标记说明：
1-纤维锂离子电池、2-电致发光纤维、3-普通纱线、4-接线端子。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
本发明中室温指10-30℃的环境温度；以下实施例中使用的试剂均为市售试剂，其中各种溶剂均购自国药化学试剂有限公司。实施例中各种设备均购自商用设备。
本发明采用的电致发光纤维为市售产品，但需要选用直径在0.2-0.5mm，发光亮度为20-150cd/m2的电致发光纤维；也可以采用现有公开文献报道的方法进行制备，例如本实施例中电致发光纤维参考专利CN113981674A报道的方法制成，其中未尽事宜同专利CN113981674A。
本发明采用的纤维电池为市售产品，也可以采用现有公开文献报道的方法进行制备，但需要满足条件：纤维电池的直径在0.8-3mm，单根纤维电池的工作电压在1.5-4.5V。和/或，单根纤维电池的能量密度为60-200Wh/kg。和/或，单根纤维电池的功率密度为20-80W/kg。本实施例纤维电池的制备参考专利202110554329.2以及参考文献Nature volume597,pages 57–63(2021)报道的方法制成。
实施例1：
一种全织物供电与发光器件，其制备方法包括以下步骤：
S1：电致发光纤维2的制备：
将发光浆料浸涂于直径0.12mm的导电铜丝(内电极)表面，并以对绞的方式负载另一未浸涂的、直径0.1mm的导电铜丝作为外电极，得到发光活性纤维；再通过在线封装仪将PVDF乳液涂覆于发光活性纤维表面，得到直径约0.4mm的电致发光纤维2，实物图如图3所示。
经测试，该纤维的发光颜色为绿色，亮度为140cd/m2。
S2：制备纤维锂离子电池1：
以0.6mm铝丝为正极，0.8mm铜丝为负极；
首先，用工业浸涂设备在正极上涂覆商用钴酸锂导电浆料，得到正极电芯；负极上涂覆石墨导电浆料，然后用缠绕机在负极表面缠绕孔径为40nm的聚乙烯电池隔膜，得到负极电芯；
最后，通过电池封装设备将正负极电芯一同封装在聚丙烯管材中，注入六氟磷酸锂电解质溶液使正负极电芯的浸没其中，并采用封口仪进行隔绝水氧密封，并使正负极电芯的另一端伸出后，即可得到纤维锂离子电池1，实物图如图2所示；
经测试，该纤维锂离子电池1直径为2mm，工作电压在3.5V。1m电池的能量密度为80Wh/kg，功率密度为40W/kg。
S3：纤维锂离子电池1与电致发光纤维2编织集成：
纤维锂离子电池1与电致发光纤维2之间采用无底布平织方式集成为全织物供电与发光器件，如图1所示。其中电致发光纤维2和300d涤棉混纱3交替间隔作为纬纱，纤维电池和300d涤棉混纱交替间隔作经纱，经纱密度为20，纬纱密度为60，经过剑杆织布机进行经纬编织得到一体化织物。最后将纤维锂离子电池与电致发光纤维的两端口之间以接线端子4进行电连接，其中，纤维电池正极与发光纤维内电极连接，负极与发光纤维外电极相连接。绝缘封胶处理后即可得到集成式电池-发光织物，如图4所示。
用武汉蓝电测试仪测定该集成式电池的电学性能，循环工步为0.3C充放。经测试，该集成式电池-发光织物在反复充放电500次后依然保持80％的容量保持率，发光图案可以点亮3000h。
实施例2：
一种全织物供电与发光器件，其制备方法包括以下步骤：
S1：电致发光纤维的制备：
将发光浆料浸涂于70d导电涤纶表面，并以对绞的方式负载另一未浸涂的、直径30d导电涤纶，得到发光活性纤维；再通过在线封装仪将PVDF乳液涂覆于发光活性纤维表面，得到直径约0.2mm的电致发光纤维。
经测试，该纤维的发光颜色为蓝色，亮度为30cd/m2。
S2：制备纤维锌离子电池：
以1.2mm钛丝为正极，1.2mm铝丝为负极；
首先，用工业浸涂设备在正极上涂覆碳纳米管导电浆料，得到正极电芯；负极上涂覆石墨导电浆料，然后用缠绕机在负极表面缠绕孔径为25nm的聚丙烯电池隔膜，得到负极电芯；
最后，通过在线封装设备将正负极电芯一同封装在聚丙烯管材中，注入硫化锌/硫化锰电解质溶液使正负极电芯浸没其中，并采用封口仪进行隔绝水氧密封，并使正负极电芯的另一端伸出后，即可得到纤维锌离子电池；
经测试，该纤维锌离子电池直径为3mm，工作电压在2.0V。1m电池的能量密度为150Wh/kg，功率密度为75W/kg。
S3：纤维锌离子电池与电致发光纤维编织集成：
以涤棉平织物为底布，采用有底布平织方式将纤维锌离子电池与电致发光纤维集成为全织物供电与发光器件。
首先将纤维电池以绳绣的方式用100d透明锦纶单丝在涤棉织物表布线固定，然后将电致发光纤维以平绣的方式在涤棉织物上呈现图案化显示，其中绳绣速度为500针/分钟，平绣速度为700针/分钟。最后将纤维电池与电致发光纤维的两端口之间以接线端子进行连接，其中，纤维电池正极与发光纤维内电极连接，负极与发光纤维外电极相连接。绝缘封胶处理后即可得到集成式电池-发光织物。
用武汉蓝电测试仪测定该集成式电池的电学性能，循环工步为0.5C充放。经测试，该集成式电池-发光织物在反复充放电300次后依然保持90％的容量保持率，发光图案可以点亮2800h。
实施例3
纤维锂离子电池与电致发光纤维之间采用无底布平织与平绣结合的方式集成为全织物供电与发光器件。
首先用纤维锂离子电池与普通纱线进行平织形成底布，然后在该底布上用电致发光纤维进行平绣，刺绣速度为800针/分钟。其余同实施例1。
对比例1
将直径为0.3mm的发光纤维作为纬纱，300d的涤棉纱线作为经纱，通过织布机进行平织，经纱密度为100，纬纱密度为200。然后将直径为2.5mm的纤维电池在上述平织得到的织物表面进行缝纫。结果显示，发光纤维织造密度过高，纤维之间堆叠在一起，导致纤维电极受到损伤无法点亮。而纤维电池直径较粗，缝纫时难以实现高曲率弯折，导致电芯受到破坏无法工作。因此织造方式不匹配将会导致纤维电子器件无法进行集成和工作。
对比例2
本发明采用的电致发光纤维需要选用直径在0.2-0.5mm，发光亮度为20-150cd/m2的电致发光纤维；
本发明采用的纤维电池需要满足条件：纤维电池的直径在0.8-3mm，单根纤维电池的工作电压在1.5-4.5V。和/或，单根纤维电池的能量密度为60-200Wh/kg。和/或，单根纤维电池的功率密度为20-80W/kg。
当选择的材料不满足上述条件时，也无法实现本发明效果，在对比例2中选用电致发光纤维为0.1mm，发光亮度为160cd/m2；纤维电池的直径在4mm，单根纤维电池的工作电压在5V。其余同实施例1，得到的织物经检测结果如下：
由于发光纤维直径较细，导致纤维强度较低，当进行织造时出现断纱现象，或者纤维表面不断而内部纤维电极受到损伤导致断路，最终发光图案无法点亮。而纤维电池在5V的电压下工作，超过其理论工作电压，造成电池短路无法为发光纤维供电。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种全织物供电与发光器件的集成方法，其特征在于，该方法是将电致发光纤维与纤维电池进行一体化编织，然后将纤维电池与电致发光纤维进行连接，利用纤维电池为电致发光纤维供电。
2.根据权利要求1所述的一种全织物供电与发光器件的集成方法，其特征在于，编织工艺包括平织、平绣、绳绣、缝纫中的一种或多种织造工艺相结合；
编织方式为无底布编织或有底布编织。
3.根据权利要求2所述的一种全织物供电与发光器件的集成方法，其特征在于，所述的编织方式为无底布编织时，编织工艺为平织，或平织与其他织造工艺相结合；
当编织工艺为平织时，电致发光纤维作为纬纱，纤维电池和普通纱线作经纱，纤维电池与普通纱线之间间隔排列；
当编织工艺为平织与其他织造工艺相结合时，首先用纤维电池与普通纱线进行平织形成底布，然后在该底布上用电致发光纤维进行平绣、绳绣或缝纫。
4.根据权利要求2所述的一种全织物供电与发光器件的集成方法，其特征在于，所述的编织方式为有底布编织时，编织工艺为绳绣，或绳绣与其它方式相结合；其中，纤维电池以绳绣的方式，电致发光纤维以绳绣、平绣、或缝纫的方式织造于底布上。
5.根据权利要求4所述的一种全织物供电与发光器件的集成方法，其特征在于，所述的底布的类型包括机织物、针织物、或非织造布；
底布的材质为常规纱线，包括棉纱、涤纶、棉麻、或涤棉。
6.根据权利要求1所述的一种全织物供电与发光器件的集成方法，其特征在于，所述的电致发光纤维包括基于无机活性材料发光的器件或基于有机材料发光的器件。
7.根据权利要求1或6所述的一种全织物供电与发光器件的集成方法，其特征在于，所述的电致发光纤维的直径为0.2-0.5mm；
所述的电致发光纤维的发光颜色包括红色、橙色、绿色、蓝色、或紫色。
8.根据权利要求1所述的一种全织物供电与发光器件的集成方法，其特征在于，所述的纤维电池包括纤维锂离子电池、纤维锌离子电池、纤维钠离子电池、或纤维锂空气电池。
9.根据权利要求1所述的一种全织物供电与发光器件的集成方法，其特征在于，所述的纤维电池的直径为0.8-3mm；
和/或，单根纤维电池的工作电压在1.5-4.5V；
和/或，单根纤维电池的能量密度为60-200Wh/kg；
和/或，单根纤维电池的功率密度为20-80W/kg。
10.根据权利要求1所述的一种全织物供电与发光器件的集成方法，其特征在于，所述的全织物供电与发光器件作为柔性穿戴器件，在发光显示器、汽车内饰或智能服饰中的应用。
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