一种基于光纤传感器的温敏型准固态锂金属电池的制备方法

本发明属于高分子材料能源领域，具体涉及一种基于光纤传感器的温敏型准固态锂金属电池的制备方法。

背景技术：

1、由于严重的能源危机和环境污染问题，电动汽车在汽车行业越来越受欢迎。锂金属电池作为最有前途的电源之一，由于其高能量密度和长循环寿命而被广泛使用。不幸的是，随着对更高能量密度电池的迫切需求，安全问题已成为锂离子电池发展的一个重大障碍，尤其是在大规模应用中。锂金属电池中安全问题的根本原因是产生的内部热量。在滥用条件下(例如锂枝晶、隔膜缺陷、电池碰撞和外部加热等因素)，会引发一系列副反应，并释放大量热量。当积聚的热量不能及时消散时，电池内部温度会迅速升高，导致负极上的固体电解质界面(sei)分解、隔膜缺陷和正极中的氧气析出。目前的研究中具有高导热性的隔膜仅促进了均匀的热分布，降低了局部热量，但电池中的总热量无法及时消散。最终，温度可能会迅速升高，从而引发安全问题。因此，亟需构建具有吸热能力的电解质，以降低电池内产生的热量聚集。相变材料(pcm)在相变温度以上以潜热的形式进行热储存，储存的热量通过逆相变释放。因此，相变材料可以作为具有消散热量功能电解质的最优选择。为了探究相变材料对热量的消散能力，研究人员采用热成像仪、dsc等技术。但是这些技术存在的问题是只能在电池外部进行监测，外部设备对电池内部温度变化的延迟响应通常是不可避免的，且存在环境因素的影响，无法真正的监测电池的温度及应力变化。

技术实现思路

1、本发明提供了一种利用相变材料储热原理降低电池风险及基于光纤传感器的原位监测方法，解决相应技术中无法及时消散电池内部的聚集热量和原位监测电池的温度变化的问题。该方法工艺简单，可通过光纤信号之间的折射从而得到不同的信号，与电化学信号同步，可实时监测电池温度变化的问题。

2、本发明的具体技术方案为：

3、一种基于光纤传感器的温敏型准固态锂金属电池的制备方法，步骤如下：

4、(1)将相变材料加入到a溶剂中，加热搅拌至完全溶解，得到核层静电纺丝溶液，所述纺丝液中相变材料的质量分数为20％～80％；

5、(2)将高分子聚合物加入到b溶剂中加热搅拌至完全溶解，经过过滤、脱泡处理后得到鞘层静电纺丝溶液，所述的纺丝液中高分子聚合物的质量分数为10％～30％；

6、(3)将步骤(1)得到的核层静电纺丝溶液和步骤(2)中得到的鞘层静电纺丝溶液分别注入到同轴静电纺丝的两个溶液通道中，调节静电纺丝的工艺参数，制备得到具有核壳结构的纳米纤维膜；

7、(4)将步骤(3)中的静电纺丝薄膜用铝箔进行接收，将其放在室温条件下让溶液中溶剂挥发，最终得到具有相变性能的静电纺丝纤维膜，作为电解质隔膜；

8、(5)将二氧戊环(dol)和酯类电解液混合，加入锂盐，通过添加催化剂制备成固化前驱体溶液作为电解液，按正极、纳米纤维膜、电解液、负极(li)的顺序组装成软包电池，最后进行封装，并将光纤传感器封装在软包电池中，在室温下静置，使dol开环原位聚合得到基于光纤传感器的温敏型准固态锂金属电池。

9、进一步地，步骤(1)中所述的相变材料为熔点为30-60℃的石蜡、正十四烷～正二十烷、动物蜡、月桂酸、肉豆蔻酸、葵酸等中的一种或两种以上混合；

10、进一步地，步骤(2)中所述的高分子聚合物为聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚碳酸酯、对苯二酸酯、醋酸纤维素、聚乙烯吡咯烷酮、聚丙烯腈、聚吡咯烷酮、聚醚醚酮、聚芳醚酮、聚芳醚砜等聚合物中的一种或两种以上混合；

11、进一步地，步骤(1)中所述的溶剂a是甲苯、石油醚、煤油、氯仿、四氢呋喃、正己烷、二甲苯、二甲基亚砜、n,n-二甲基甲酰胺、n,n-二甲基乙酰胺中的一种或两种以上混合；

12、进一步地，步骤(2)中所述的溶剂b是氯仿、四氢呋喃、n甲基吡咯烷酮、二甲基亚砜、n,n-二甲基甲酰胺、n,n-二甲基乙酰胺、丙酮、乙醇中的一种或两种以上混合；

13、进一步地，步骤(3)中静电纺丝的工艺参数为：电压大小为14～30kv，针头与接收器之间的距离为10～25cm，核层静电纺丝溶液的推料速度为0.1～1.0ml h-1，鞘层静电纺丝溶液的推料速度为0.3～4.0ml h-1，核层针头内径为0.15～0.5mm，鞘层针头内径为0.7～1.5mm；

14、进一步地，步骤(5)中所述的dol与酯类电解液之间的体积比为1:10～10:1；

15、进一步地，步骤(5)所述的中酯类电解液为碳酸乙烯酯(ec)、碳酸丙烯酯(pc)碳酸二乙酯(dec)、碳酸二甲酯(dmc)、碳酸甲乙酯(emc)中的一种或两种以上混合；

16、进一步地，步骤(5)中所述的催化剂为六氟磷酸锂(lipf6)、双三氟甲基磺酰亚胺锂(litfsi)、三氟甲基磺酸铝、三氟甲基磺酸钾、三氟甲基磺酸镁、二氟草酸硼酸锂中的一种或两种以上混合；

17、进一步地，上述步骤(5)中所述的锂盐为六氟磷酸锂(lipf6)、双三氟甲基磺酰亚胺锂(litfsi)、高氯酸锂(liclo4)、四氟硼酸锂(libf4)、六氟砷酸锂(liasf6)二氟草酸硼酸锂(lidfob)中的一种或两种以上混合；

18、进一步地，步骤(5)中所述的催化剂在电解液中的质量分数为0.1％～10％；

19、进一步地，步骤(5)中所述的锂盐在电解液中的浓度为0.1～5m；

20、进一步地，步骤(5)中所述的静置时间为6h～96h；

21、进一步地，上述步骤(5)中所述的正极材料为钴酸锂(lco)、锰酸锂(lmo)、磷酸铁锂(lfp)、三元材料(镍钴锰酸锂(ncm)和镍钴铝酸锂(nca))中的一种或两种以上混合；

22、进一步地，步骤(5)中布拉格光栅的种类为光纤布拉格光栅、长周期光纤光栅、闪耀光纤光栅、线性啁啾光纤光栅、分段啁啾光纤光栅、相移光纤光栅、tapered光纤光栅或moire光纤光栅。

23、本发明的有益效果：

24、1.本发明制得的相变纳米纤维膜以相变材料为核层，高分子聚合物为鞘层，借助同轴纺丝技术将相变材料包覆在高分子聚合物中，较好的解决了相变材料泄露的问题。

25、2.本发明采用通过调节溶液的浓度、推料速度和相变材料种类获得不同潜热比的相变储热纤维膜。

26、3.通过原位聚合的方式降低界面阻抗，可通过光纤传感器进行实时监测电池内部温度的变化，以探究其对电池性能的影响。

技术特征：

1.一种基于光纤传感器的温敏型准固态锂金属电池的制备方法，其特征在于，步骤如下：

2.根据权利要求1所述的一种基于光纤传感器的温敏型准固态锂金属电池的制备方法，其特征在于，

3.根据权利要求1或2所述的一种基于光纤传感器的温敏型准固态锂金属电池的制备方法，其特征在于，

4.根据权利要求1或2所述的一种基于光纤传感器的温敏型准固态锂金属电池的制备方法，其特征在于，步骤(3)中静电纺丝的工艺参数为：电压大小为14～30kv，针头与接收器之间的距离为10～25cm，核层静电纺丝溶液的推料速度为0.1～1.0ml h-1，鞘层静电纺丝溶液的推料速度为0.3～4.0ml h-1，核层针头内径为0.15～0.5mm，鞘层针头内径为0.7～1.5mm。

5.根据权利要求1或2所述的一种基于光纤传感器的温敏型准固态锂金属电池的制备方法，其特征在于，

6.根据权利要求1或2所述的一种基于光纤传感器的温敏型准固态锂金属电池的制备方法，其特征在于，

7.根据权利要求1或2所述的一种基于光纤传感器的温敏型准固态锂金属电池的制备方法，其特征在于，步骤(5)中所述的静置时间为6h～96h。

8.根据权利要求1或2所述的一种基于光纤传感器的温敏型准固态锂金属电池的制备方法，其特征在于，步骤(5)中所述的正极的材料为钴酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂、镍钴锰酸锂、镍钴铝酸锂中的一种或两种以上混合。

9.根据权利要求1或2所述的一种基于光纤传感器的温敏型准固态锂金属电池的制备方法，其特征在于，步骤(5)中布拉格光栅的种类为光纤布拉格光栅、长周期光纤光栅、闪耀光纤光栅、线性啁啾光纤光栅、分段啁啾光纤光栅、相移光纤光栅、tapered光纤光栅或moire光纤光栅。

技术总结
本发明公开一种基于光纤传感器的温敏型准固态锂金属电池的制备方法，主要步骤为将相变材料、高分子聚合物制成溶液，通过同轴静电纺丝技术制备出具有鞘‑核结构储热功能的纤维膜；再通过原位固化技术将DOL、酯类电解液和催化剂按比例制备成电解液，最终按照正极、纳米纤维膜、电解液、负极的顺序组装成软包电池，最后封装，并将布拉格光栅封装在软包电池中，室温下静置，使DOL开环原位聚合得到基于光纤传感器的温敏型准固态锂金属电池，再将该电池连接在电化学测量系统与解调系统上，测量电池的同时监测电池内部温度的变化。本发明制备工艺简单，设备技术成熟，可降低电池热失控的风险，并且可以原位监测电池内部温度变化。

技术研发人员：胡方圆,蹇锡高,刘程,张守海,王锦艳,李楠,王琳
受保护的技术使用者：大连理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13