CN119542425B - 一种碳纤维和纤维电池二维编织结构的复合材料结构电池及制备方法 - Google Patents

一种碳纤维和纤维电池二维编织结构的复合材料结构电池及制备方法

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Abstract

本发明提供了一种碳纤维和纤维电池二维编织结构的复合材料结构电池及制备方法，属于复合材料结构电池技术领域。包括以下步骤：使用碳纤维束与纤维电池进行二维编织，增强结构电池在轴向和横向方向的力学性能。所使用的碳纤维束的可以是1k、3k、6k、12k、24k的。所使用的纤维电池是以单根或多根纤维为基底的纤维基电池。碳纤维束和纤维电池可以采用平纹、斜纹和缎纹的编织方式，通过手工编织或机器编织方式编织成为织物。将编织结构通过液体成型工艺制备结构电池，通过这种方法可以在结构电池储能能力不变的前提下，同时提升结构电池在多个方向上的承载能力。

Description

一种碳纤维和纤维电池二维编织结构的复合材料结构电池及 制备方法
技术领域
本发明涉及一种碳纤维和纤维电池二维编织结构的复合材料结构电池及制备方法，属于复合材料结构电池技术领域。
背景技术
目前，锂离子电池在储能电池和动力电池中应用广泛，传统锂离子电池体积大、质量重、存在热失控爆炸的风险等问题始终制约着电池的进一步发展。近年来，复合材料锂离子结构电池技术逐渐发展，它兼具承力和储能能力，在保证结构力学性能的同时使其具有优异的储能特性，可以实现复合材料的结构与储能一体化。纤维电池作为一种新兴的电池结构，具有长径比大、结构设计性强、能量密度高等特点。中国专利CN 219800958 U(公开日期为2023年10月3日)公开了一种长寿命柔性纤维电池，这种纤维电池尽管具有较高的能量密度，但由于其自身的力学强度、模量较低，将其制备复合材料锂离子结构电池后易作为力学性能薄弱处，在复合材料结构电池承力过程中首先作为缺陷破坏，文中也提及纤维电池的柔性好可进行编织处理。
现阶段，已有发明将纤维与纤维电池进行一体化编织，实现柔性可穿戴织物设计。中国专利CN 115020899 A(公开日期为2022年9月6日)公开了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。然而，这项专利中与纤维电池进行编织的纤维为电致变色纤维，其承力能力较差，与纤维电池编织后，无法大幅度提升结构的力学强度。
因此，本领域亟需一种基于碳纤维和纤维电池二维编织结构的复合材料结构电池及制备方法。
发明内容
本发明的目的是为解决现有基于纤维电池的复合材料结构电池技术中纤维电池部分力学性能较弱而导致结构电池强度受限问题。
为达到解决上述问题的目的，本发明所采取的技术方案是提供一种碳纤维和纤维电池二维编织结构的复合材料结构电池及制备方法。
本发明的第一方面，提供了一种基于碳纤维和纤维电池二维编织结构的复合材料结构电池设计及制备方法，包括以下步骤：
步骤1、将含固定碳纤维数量的碳纤维束作为经纱，纤维电池作为纬纱；
步骤2、通过二维编织将碳纤维束与纤维电池编织成为二维织物；
步骤3、通过步骤2中的二维织物通过液体成型后直接固化，或先将步骤2中的二维织物与干态碳纤维进行混合铺层后，再通过液体成型制备得到结构电池。
优选地，所述的步骤1中，碳纤维束中碳纤维数量为3k、6k、12k或24k，碳纤维的碳含量在93％～99％。
优选地，所述的步骤1中，所用的纤维电池直径在0.1～5mm之间，纤维电池的长度不小于50mm、长径比大于10，单根纤维电池的能量密度在5～200瓦时每公斤；更优选地，纤维电池的直径在1～2mm、长度在100～300mm之间。
优选地，所述的步骤2中，二维织物的编织结构为平纹、缎纹、斜纹、篮织、梭织、仿梭织，编织方式可以是机器编织或手工编织。
优选地，所述的步骤2中，作为经纱的碳纤维束之间的间距在0.05～5mm之间，纤维电池之间的间距在0.05～5mm之间；更优选地，碳纤维束之间的间距和纤维电池之间的间距均在0.05～5mm之间。
优选地，所述的步骤3中，液体成型方法包括真空辅助树脂传递成型工艺、树脂传递模塑成型、真空辅助的树脂传递模塑成型；更优选地，采用树脂传递模塑成型。
优选地，所述的步骤3中，液体成型过程的树脂灌注压力在-0.101～1.0MPa之间；更优选地，树脂灌注压力在0.1～0.5MPa。
优选地，所述的步骤3中，液体成型所使用的树脂为改性或未改性的环氧树脂，树脂的固化温度在20～100℃之间、固化时间在1～24小时以内。
优选地，所述的步骤3中，结构电池是由编织结构直接通过液体成型制备得到，也可以先与干态碳纤维进行混合铺层后，再通过液体成型制备而成；更优选地，二维织物与干态碳纤维混合铺层后，通过液体成型固化成型制备得到结构电池。
优选地，所述的步骤3中，所述的混合铺层中碳纤维预先进行裁切，为编织结构留出空间，混合铺层中的干态碳纤维的碳含量在93％～99％之间；更优选地，干态碳纤维为单向布或织物。
本发明的第二方面，提供了一种通过上述方法制备得到的基于碳纤维和纤维电池二维编织结构的复合材料结构电池，所述的编织结构可以使结构电池的纵向(即纤维电池的轴向)拉伸强度提升10～350％，横向(即纤维电池的径向)拉伸强度提升10～350％。
相比现有技术，本发明具有如下有益效果：
本发明采用碳纤维束与纤维电池进行二维编织，将得到的二维编织结构应用于结构电池的制备，实现结构电池纵向拉伸强度和横向拉伸强度的提升。
附图说明
图1为基于碳纤维束和纤维电池的平纹织物结构示意图；
图2为基于碳纤维束和纤维电池的缎纹织物结构示意图。
附图标记：1、碳纤维束；2、纤维电池。
具体实施方式
为使本发明更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下：
如图1-2所示，本发明提供了一种碳纤维和纤维电池二维编织结构的复合材料结构电池及制备方法。
实施例1
将12k的碳纤维束(石墨化程度约93％)作为经纱，直径0.5mm、长100mm的纤维电池作为纬纱，通过手工编织的方式编织成为平纹织物。纤维电池之间的间隙在0.5mm，碳纤维束之间的间隙在0.1mm。直接使用室温灌注的环氧树脂对碳纤维束与纤维电池编织结构进行真空辅助树脂灌注成型，在25℃下固化12个小时，得到含有编织结构的结构电池。相比于未进行编织的结构，该结构电池在纤维电池轴向方向的拉伸强度提升了30％，在纤维电池径向方向的拉伸强度提升了100％。
实施例2
将3k的碳纤维束(石墨化程度约98％)作为经纱，直径1.9mm、长210mm的纤维电池作为纬纱，通过手工编织的方式编织成为平纹织物，如图1所示。纤维电池之间的间隙在1.5mm，碳纤维束之间的间隙在0.2mm。预先将6层干态碳纤维(石墨化程度约98％)单向布中间部分裁切，将编织后的结构嵌入干态碳纤维单向布中成为预成型结构，使用室温灌注的环氧树脂对预成型结构进行真空辅助树脂灌注成型，在40℃下固化12个小时，得到内嵌有编织结构的复合材料锂离子结构电池。相比于未进行编织的结构，该结构电池在纤维电池轴向方向的拉伸强度提升了40％，在纤维电池径向方向的拉伸强度提升了300％。
实施例3
将24k的碳纤维束(石墨化程度约98％)作为经纱，直径1.0mm、长300mm的纤维电池作为纬纱，通过机器编织的方式编织成为斜纹织物。纤维电池之间的间隙在0.2mm，碳纤维束之间的间隙在0.05mm。预先将10层干态碳纤维(石墨化程度约98％)单向布中间部分裁切，将编织后的结构嵌入干态碳纤维单向布中成为预成型结构，使用室温灌注的环氧树脂对预成型结构进行真空辅助树脂灌注成型，在60℃下固化4个小时，得到内嵌有编织结构的复合材料锂离子结构电池。相比于未进行编织的结构，该结构电池在纤维电池轴向方向的拉伸强度提升了45％，在纤维电池径向方向的拉伸强度提升了350％。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并非对本发明任何形式上和实质上的限制，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的前提下，还将可以做出若干改进和补充，这些改进和补充也应视为本发明的保护范围。凡熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，当可利用以上所揭示的技术内容而做出的些许更动、修饰与演变的等同变化，均为本发明的等效实施例；同时，凡依据本发明的实质技术对上述实施例所作的任何等同变化的更动、修饰与演变，均仍属于本发明的技术方案的范围内。

Claims (10)

1.一种基于碳纤维和纤维电池二维编织结构的复合材料结构电池的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、将含固定碳纤维数量的碳纤维束作为经纱，纤维电池作为纬纱；
步骤2、通过二维编织将碳纤维束与纤维电池编织成为二维织物；
步骤3、通过步骤2中的二维织物通过液体成型后直接固化，或先将步骤2中的二维织物与干态碳纤维进行混合铺层后，再通过液体成型制备得到结构电池。
2.如权利要求1所述的基于碳纤维和纤维电池二维编织结构的复合材料结构电池的制备方法，其特征在于，所述的步骤1中，碳纤维束中碳纤维数量为3k、6k、12k或24k，碳纤维的碳含量在93%~99%。
3. 如权利要求1所述的基于碳纤维和纤维电池二维编织结构的复合材料结构电池的制备方法，其特征在于，所述的步骤1中，所用的纤维电池直径在0.1~5 mm之间，纤维电池的长度不小于50 mm、长径比大于10，单根纤维电池的能量密度在5~200 瓦时每公斤。
4.如权利要求1所述的基于碳纤维和纤维电池二维编织结构的复合材料结构电池的制备方法，其特征在于，所述的步骤2中，二维织物的编织结构为平纹、缎纹、斜纹、篮织、梭织或仿梭织，编织方式为机器编织或手工编织。
5. 如权利要求1所述的基于碳纤维和纤维电池二维编织结构的复合材料结构电池的制备方法，其特征在于，所述的步骤2中，作为经纱的碳纤维束之间的间距在0.05~5 mm之间，纤维电池之间的间距在0.05~5 mm之间。
6.如权利要求1所述的基于碳纤维和纤维电池二维编织结构的复合材料结构电池的制备方法，其特征在于，所述的步骤3中，液体成型方法为树脂传递模塑成型。
7. 如权利要求1所述的基于碳纤维和纤维电池二维编织结构的复合材料结构电池的制备方法，其特征在于，所述的步骤3中，液体成型过程的树脂灌注压力在-0.101~1.0 MPa之间。
8.如权利要求1所述的基于碳纤维和纤维电池二维编织结构的复合材料结构电池的制备方法，其特征在于，所述的步骤3中，所述的混合铺层中碳纤维预先进行裁切，混合铺层中的干态碳纤维的碳含量在93%~99%之间。
9.如权利要求1所述的基于碳纤维和纤维电池二维编织结构的复合材料结构电池的制备方法，其特征在于，所述的步骤3中，干态碳纤维为单向布或织物。
10.一种通过如权利要求1~9中任一项所述的方法制备得到的基于碳纤维和纤维电池二维编织结构的复合材料结构电池，所述的编织结构使结构电池的纵向拉伸强度提升10~350%，横向拉伸强度提升10~350%。
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