CN115775887A - 一种结构可设计的结构电池及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种结构可设计的结构电池，包括由层叠铺设的正极片、隔膜和负极片组成的电芯以及电解液，所述正极片和所述负极片均包括碳纤维集流体和涂敷于所述碳纤维集流体表面的活性材料层；所述隔膜由绝缘纤维编织而成，且所述隔膜上下两面均铺设有对称结构的热固性树脂凝胶；所述电解液为含有锂盐的有机溶剂或离子液体。本发明首先在隔膜上下两面设计结构承载区和电化学储能区，在承载区涂敷低流动性热固性树脂，将碳纤维正极/隔膜/碳纤维负极层叠铺设，导电胶粘贴正负极极耳，铝塑膜封装，热压机压合固化树脂，之后在碳纤维和隔膜之间注入电解液，并封口，最终制得碳纤维即为导电集流体也为结构增强体的结构电池。
Description
技术领域
本发明涉及一种结构电池技术，尤其涉及一种结构可设计的结构电池及其制备方法。
背景技术
在过去的几十年中,对电化学储能装置的研究兴趣已大大增加。尤其尖端的先进能量存储技术已经扩展了各种电动工程平台的功能,从便携式电子设备到生物医学设备再到电动汽车、航空航天技术。
当前最先进的电化学存储技术经过专门设计,可满足电子设备的能量容量和功耗要求。但常规的电池和电化学电池增加了重量和体积,而没有对系统的其他功能做出贡献,例如对机械完整性或结构性能没有贡献。且额外的重量和体积会严重影响系统性能和效率。
专利US20180040912A1公开了一种将锂离子电池材料封装在高强度碳纤维复合材料中，其中锂电池的极片预先打孔处理，极片组装后，松散的电极层堆叠结构利用孔洞中填充的聚合物作为“铆钉”进行机械稳定，这些“铆钉”能在电池层之间承担部分机械负载。但是存在缺点一是电极和隔膜的打孔，有可能在孔洞处发生微短路的隐患，二是是碳纤维只起到结构增强的效果，并没有用于导电碳纤维集流体。
发明内容
本发明的目的是提供一种结构可设计的结构电池，通过碳纤维作为结构承载和导电的集流体，同时在隔膜上下面设计并铺设热固性树脂，可在电池面内划分出结构承载区和电化学储能区，增加了功能。
为实现上述目的，本发明提供了一种结构可设计的结构电池，包括由层叠铺设的正极片、隔膜和负极片组成的电芯以及电解液，所述正极片和所述负极片均包括碳纤维集流体和涂敷于所述碳纤维集流体表面的活性材料层；
所述隔膜由绝缘纤维编织而成，且所述隔膜上下两面均铺设有对称结构的热固性树脂凝胶；
所述电解液为含有锂盐的有机溶剂或离子液体。
优选的，所述活性材料层为活性物质与粘接剂混合层。
优选的，所述正极片的所述碳纤维集流体上的活性物质为磷酸铁锂、锰酸锂、钴酸锂、镍钴锰酸锂中的一种及其任意组合。
优选的，述负极片的所述碳纤维集流体上的活性物质为石墨、石墨烯、碳纳米管中的一种及其任意组合。
优选的，所述锂盐为六氟磷酸锂、四氟硼酸锂、高氯酸锂、双(氟磺酰基)亚胺锂、双(三氟甲基磺酰基)亚胺锂中的一种及其任意组合。
优选的，所述有机溶剂为碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯、碳酸二乙酯中的一种及其任意组合。
优选的，所述离子液体为1-乙基-3-甲基咪唑鎓双(氟磺酰基)亚胺、1-乙基-3-甲基咪唑双(三氟甲基磺酰基)亚胺、1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐、1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐、1-丁基-2，3-二甲基咪唑四氟硼酸盐、1-丁基-3-甲基咪唑鎓碘化物中的一种及其任意组合。
优选的，所述绝缘纤维为玻璃纤维布、芳纶布、无纺尼龙布中的一种及其任意组合。
优选的，所述热固性树脂为环氧树脂、酚醛树脂、聚酯树脂、呋喃树脂中的一种及其任意组合。
基于结构可设计的结构电池的制备方法，包括以下步骤：
S1、制备正极片和负极片
将活性物质与粘接剂混合后涂覆在碳纤维集流体表面后，干燥固化；
S2、制备电解液
将锂盐充分溶解于有机溶剂或离子液体中；
S3、制备热固性树脂
向热固性单体中加入固化剂，反应一段时间直至形成凝胶；
S4、在隔膜上下两面设计结构承载区和电化学储能区，利用点胶机、3D打印或者丝网印刷将低流动性热固性树脂涂覆在承载区热固性树脂；
S5、层叠铺设正极片、隔膜和负极片，并预先用导电胶粘合正极片和负极片的极耳；
S6、封装
首先用铝塑膜封边，预留进出灌液口；
S7、压合固化
利用热压机使热固性树脂固化定型为铺设的结构；
S8、灌注液态电解液后封口
经进出灌液口灌入电解液，最后用强力粘接剂封口。
因此，本发明采用上述结构的结构可设计的结构电池，通过碳纤维作为结构承载和导电的集流体，同时在隔膜上下面设计并铺设热固性树脂，可在电池面内划分出结构承载区和电化学储能区，增加了功能。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明的制备流程图；
图2为本发明的实施例1和实施例2的点阵树脂结构图；
图3为本发明的实施例3和实施例4的工字型树脂结构图。
具体实施方式
以下将对本发明作进一步的描述，需要说明的是，本实施例以本技术方案为前提，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并不限于本实施例。
图1为本发明的制备流程图，如图1所示，本发明的结构包括由层叠铺设的正极片、隔膜和负极片组成的电芯以及电解液，所述正极片和所述负极片均包括碳纤维集流体和涂敷于所述碳纤维集流体表面的活性材料层；所述隔膜由绝缘纤维编织而成，且所述隔膜上下两面均铺设有对称结构的热固性树脂凝胶；所述电解液为含有锂盐的有机溶剂或离子液体。
优选的，所述活性材料层为活性物质与粘接剂混合层。
优选的，所述正极片的所述碳纤维集流体上的活性物质为磷酸铁锂、锰酸锂、钴酸锂、镍钴锰酸锂中的一种及其任意组合。
优选的，述负极片的所述碳纤维集流体上的活性物质为石墨、石墨烯、碳纳米管中的一种及其任意组合。
优选的，所述锂盐为六氟磷酸锂(LiPO4F6)、四氟硼酸锂(LiBF4)、高氯酸锂(LiClO4)、双(氟磺酰基)亚胺锂(LiFSI)、双(三氟甲基磺酰基)亚胺锂(LiTFSI)中的一种及其任意组合。
优选的，所述有机溶剂为碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯、碳酸二乙酯中的一种及其任意组合。
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优选的，所述绝缘纤维为玻璃纤维布、芳纶布、无纺尼龙布中的一种及其任意组合。
优选的，所述热固性树脂为环氧树脂、酚醛树脂、聚酯树脂、呋喃树脂中的一种及其任意组合。
基于结构可设计的结构电池的制备方法，包括以下步骤：
S1、制备正极片和负极片
将活性物质与粘接剂混合后涂覆在碳纤维集流体表面后，干燥固化；
S2、制备电解液
将锂盐充分溶解于有机溶剂或离子液体中；
S3、制备热固性树脂
向热固性单体中加入固化剂，反应一段时间直至形成凝胶；
S4、在隔膜上下两面设计结构承载区和电化学储能区，利用点胶机、3D打印或者丝网印刷将低流动性热固性树脂涂覆在承载区热固性树脂；
S5、层叠铺设正极片、隔膜和负极片，并预先用导电胶粘合正极片和负极片的极耳；
S6、封装
首先用铝塑膜封边，预留进出灌液口；
S7、压合固化
利用热压机使热固性树脂固化定型为铺设的结构；
S8、灌注液态电解液后封口
经进出灌液口灌入电解液，最后用强力粘接剂封口。
为进一步公开本发明，公开如下实施例：
图2为本发明的实施例1和实施例2的点阵树脂结构图；如图2所示，具体实施例1：配置质量分数为80％磷酸铁锂，10％导电炭黑，10％PVDF的N-甲基吡咯烷酮(NMP)正极浆料和80％石墨，10％导电炭黑，10％PVDF的N-甲基吡咯烷酮(NMP)负极浆料，正负极浆料分别涂覆碳纤维布，烘干制得碳纤维正负电极。将加入固化剂的环氧树脂浆料放入点胶机注射器中，用点胶机在玻璃纤维布上下两面铺设对称结构，碳纤维正极/玻璃纤维布/碳纤维负极层叠铺设，导电胶粘贴正负极极耳，铝塑膜封装，热压机压合固化树脂，注液口注入六氟磷酸锂混合1-乙基-3-甲基咪唑鎓双(氟磺酰基)亚胺电解液，封口，制得结构电池。
具体实施例2：配置质量分数为85％锰酸锂，5％导电炭黑，10％PVDF的N-甲基吡咯烷酮(NMP)正极浆料和85％石墨，5％导电炭黑，10％PVDF的N-甲基吡咯烷酮(NMP)负极浆料，正负极浆料分别涂覆碳纤维布，烘干制得碳纤维正负电极。将加入固化剂的呋喃树脂浆料放入点胶机注射器中，用点胶机在芳纶布上下两面铺设对称结构，碳纤维正极/玻璃纤维布/碳纤维负极层叠铺设，导电胶粘贴正负极极耳，铝塑膜封装，热压机压合固化树脂，注液口注入四氟硼酸锂混合1-乙基-3-甲基咪唑双(三氟甲基磺酰基)亚胺电解液，封口，制得结构电池。
图3为本发明的实施例3和实施例4的工字型树脂结构图，如图3所示，具体实施例3：配置质量分数为75％钴酸锂，15％导电炭黑，10％PVDF的N-甲基吡咯烷酮(NMP)正极浆料和75％石墨，15％导电炭黑，10％PVDF的N-甲基吡咯烷酮(NMP)负极浆料，正负极浆料分别涂覆碳纤维布，烘干制得碳纤维正负电极。将加入固化剂的环氧树脂浆料放入丝网印刷中，用丝网印刷在芳纶布上下两面铺设对称结构，碳纤维正极/玻璃纤维布/碳纤维负极层叠铺设，导电胶粘贴正负极极耳，铝塑膜封装，热压机压合固化树脂，注液口注入高氯酸锂混合1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐电解液，封口，制得结构电池。
具体实施例4：配置质量分数为70％锰酸锂，20％导电炭黑，10％PVDF的N-甲基吡咯烷酮(NMP)正极浆料和70％石墨，20％导电炭黑，10％PVDF的N-甲基吡咯烷酮(NMP)负极浆料，正负极浆料分别涂覆碳纤维布，烘干制得碳纤维正负电极。将加入固化剂的环氧树脂浆料放入丝网印刷中，用丝网印刷在芳纶布上下两面铺设对称结构，碳纤维正极/玻璃纤维布/碳纤维负极层叠铺设，导电胶粘贴正负极极耳，铝塑膜封装，热压机压合固化树脂，注液口注入双(氟磺酰基)亚胺锂混合1-丁基-2，3-二甲基咪唑四氟硼酸盐电解液，封口，制得结构电池。
因此，本发明采用上述结构的结构可设计的结构电池，通过碳纤维作为结构承载和导电的集流体，同时在隔膜上下面设计并铺设热固性树脂，可在电池面内划分出结构承载区和电化学储能区，增加了功能。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种结构可设计的结构电池，包括由层叠铺设的正极片、隔膜和负极片组成的电芯以及电解液，其特征在于：所述正极片和所述负极片均包括碳纤维集流体和涂敷于所述碳纤维集流体表面的活性材料层；
所述隔膜由绝缘纤维编织而成，且所述隔膜上下两面均铺设有对称结构的热固性树脂凝胶；
所述电解液为含有锂盐的有机溶剂或离子液体。
2.根据权利要求1所述的一种结构可设计的结构电池，其特征在于：所述活性材料层为活性物质与粘接剂混合层。
3.根据权利要求2所述的一种结构可设计的结构电池，其特征在于：所述正极片的所述碳纤维集流体上的活性物质为磷酸铁锂、锰酸锂、钴酸锂、镍钴锰酸锂中的一种及其任意组合。
4.根据权利要求2所述的一种结构可设计的结构电池，其特征在于：所述负极片的所述碳纤维集流体上的活性物质为石墨、石墨烯、碳纳米管中的一种及其任意组合。
5.根据权利要求1所述的一种结构可设计的结构电池，其特征在于：所述锂盐为六氟磷酸锂、四氟硼酸锂、高氯酸锂、双(氟磺酰基)亚胺锂、双(三氟甲基磺酰基)亚胺锂中的一种及其任意组合。
6.根据权利要求1所述的一种结构可设计的结构电池，其特征在于：所述有机溶剂为碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯、碳酸二乙酯中的一种及其任意组合。
7.根据权利要求1所述的一种结构可设计的结构电池，其特征在于：所述离子液体为1-乙基-3-甲基咪唑鎓双(氟磺酰基)亚胺、1-乙基-3-甲基咪唑双(三氟甲基磺酰基)亚胺、1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐、1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐、1-丁基-2，3-二甲基咪唑四氟硼酸盐、1-丁基-3-甲基咪唑鎓碘化物中的一种及其任意组合。
8.根据权利要求1所述的一种结构可设计的结构电池，其特征在于：所述绝缘纤维为玻璃纤维布、芳纶布、无纺尼龙布中的一种及其任意组合。
9.根据权利要求1所述的一种结构可设计的结构电池，其特征在于：所述热固性树脂为环氧树脂、酚醛树脂、聚酯树脂、呋喃树脂中的一种及其任意组合。
10.一种基于上述权利要求1-9任一项所述的结构可设计的结构电池的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1、制备正极片和负极片
将活性物质与粘接剂混合后涂覆在碳纤维集流体表面后，干燥固化；
S2、制备电解液
将锂盐充分溶解于有机溶剂或离子液体中；
S3、制备热固性树脂
向热固性单体中加入固化剂，反应一段时间直至形成凝胶；
S4、在隔膜上下两面设计结构承载区和电化学储能区，利用点胶机、3D打印或者丝网印刷将低流动性热固性树脂涂覆在承载区热固性树脂；
S5、层叠铺设正极片、隔膜和负极片，并预先用导电胶粘合正极片和负极片的极耳；
S6、封装
用铝塑膜封边，预留进出灌液口；
S7、压合固化
利用热压机使热固性树脂固化定型为铺设的结构；
S8、灌注液态电解液后封口
经进出灌液口灌入电解液，最后用强力粘接剂封口。
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