一种柔性结构电池及其制备方法

本发明属于柔性电子设备及结构—储能一体化复合材料的设计及制备，具体涉及一种柔性结构电池及其制备方法。

背景技术：

1、随着全球人口的不断增长及经济的快速发展，世界各国对能源的使用及需求量日益增加。迄今为止，各国使用能源的种类还是以如石油和天然气等自然能源为主，这也导致了全球的自然资源储存量大大减少，或将面临严重的能源枯竭问题。而且其主要排放物二氧化碳对环境造成了严重的污染，阻碍了“双碳”目标的实现。鉴于此，新能源领域开始蓬勃发展，它有着储能效率高、清洁环保等优点，有效解决了对传统能源的消耗导致的供给不足及日益严峻的环境问题。近年来，国内外学者一直致力于新能源的开发及多功能储能复合材料的研究，不断地对新能源在储能效率上进行改进并将材料的多功能性能进行一体化。因此，大力发展新型能源及新型多功能储能复合材料成为各国在航空航天、交通运输等领域的长久发展战略和必然趋势。

2、所谓多功能储能复合材料，最具代表性的是结构—储能一体化复合材料，其核心在于材料的多功能化和结构件的轻量化。其中，最具代表性的就是集结构承载和电能储存一体化的轻质复合材料，即：结构电池。结构电池工作时内部发生的电化学反应与传统锂电池相似，不同的是，结构电池的电极及电解质使用了力学承载性能更好的碳纤维及聚合物电解质，这使其可作为结构件并储存电能，实现了轻量化，安全性更高且节能减排。除结构电池外，柔性电池也是一种集优异的力学及电化学性能为一体的电池。随着柔性电子设备的不断发展，柔性电池也成为了电池领域的前沿课题，它具有高柔韧性，可反复折叠，可承受弯曲、拉伸及扭曲等变形，因此可广泛应用于可穿戴电子设备、柔性显示设备及智能生物设备中。目前柔性电池的制备工艺已有很多种，但最有效的还是从电池基本组件(集流体、电解质及电极材料)入手，通过选择柔性材料或借助柔性基体制备的一体化电极来实现整个电池结构的柔性。与结构电池的优点一致，柔性电池也是具备优异力学性能的电池，只是二者的性能表现形式不同，后者主要表现在其优异的力学柔韧性。

3、然而，在新型电池的研究及使用中也暴露出一系列问题。常规的结构电池虽然有着较强的结构承载能力，但由于其金属集流体及刚性活性材料的存在导致其柔韧性较差，应用在某些需要反复折叠的结构件上时，可能会引起应力集中进而导致失效。其次，常规的结构电池在设计时为了追求力学性能的突破，往往会牺牲其部分电化学性能。对于传统的柔性锂电池而言，虽然有着高柔韧性，但其往往因电极层承受不了一些恶劣的机械环境(挤压，冲击等)而出现各种复杂的失效及安全问题。另一方面，柔性锂电池一般是植入的，属于寄生结构，不可直接作为结构件，这也会造成不必要的能源消耗。

4、传统的结构电池及柔性锂电池呈现出了不同的力学性能优势，如何将二者的优劣互补是重中之重。在结构—储能一体化材料领域，如何实现电化学及力学性能的最优化更是对设计者提出了巨大的挑战。

技术实现思路

1、为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种柔性结构电池及其制备方法。

2、为了达到上述目的，本发明提供的柔性结构电池包括：一体化正极层、凝胶电解质隔膜层及多功能负极层；所述一体化正极层包括：正极基材及正极活性材料层；正极基材的一侧边缘向外突出形成有一个正极极耳，便于与其它负载电路或设备外接；正极活性材料层设置在正极基材表面上除正极极耳之外的部位；多功能负极层为多孔负极基材，一侧边缘向外突出形成有一个负极极耳，既作为电池负极又作为负极集流体；凝胶电解质隔膜层设置在一体化正极层和多功能负极层之间。

3、所述正极基材采用经除胶处理的碳纤维布，厚度为110—330μm；除胶处理是将碳纤维布在体积比为1：2的丙酮和乙醇溶剂中浸泡20h，随后用去离子水超声清洗并在80℃下恒温干燥10h。

4、所述正极活性材料层是将正极活性材料、导电添加剂和粘结剂按比例与溶剂混合而成的正极浆料涂覆在正极基材表面上除正极极耳之外的部位并干燥固化而制成，厚度为1-2000μm；其中正极活性材料选自三元正极材料ncm811、锰酸锂、钛酸锂、钴酸锂、磷酸铁锂在内的锂电池正极材料中的任一种；导电添加剂选自石墨烯、导电炭黑和碳纳米管(cnts)中的任一种；粘结剂为质量浓度4—6％的聚偏二氟乙烯(pvdf)溶液；溶剂为n-甲基吡咯烷酮(nmp)；正极活性材料、导电添加剂和粘结剂的质量比为7：1.5：1.5。

5、所述凝胶电解质隔膜层由高分子物质、低分子电解液溶剂及锂盐组成的凝胶电解质固化后而形成，厚度为15-25μm。

6、所述凝胶电解质由高分子物质、低分子电解液溶剂及锂盐按比例混合后加热至55℃溶解15h而制成；其中高分子物质选自聚偏二氟乙烯(pvdf)、聚环氧乙烷(peo)、聚(偏二氟乙烯-co-六氟丙烯)(pvdf-co-hfp)、聚丙烯腈(pan)和聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)中的至少一种，聚(偏二氟乙烯-co-六氟丙烯)(pvdf-co-hfp)的浓度为0.1-0.3g/ml；低分子电解液溶剂选自碳酸乙烯、碳酸丙烯、碳酸二乙烯、碳酸二甲酯以及碳酸乙烯酯(ec)和碳酸二乙酯(dec)混合物中的至少一种，碳酸乙烯酯(ec)和碳酸二乙酯(dec)的质量比为2-4：6-8；锂盐选自六氟磷酸锂(lipf6)、高氯酸锂(liclo4)、双三氟甲烷磺酰亚胺锂(litfsi)和四氟硼酸锂(libf4)中的一种；高分子物质、低分子电解液溶剂和锂盐的用量比为1-3g：10-30ml：1-2g。

7、所述多功能负极层采用经除胶、koh溶液化学活化和凝胶电解质浸渍处理的多孔碳纤维布，厚度为110—330μm；除胶处理是将多孔碳纤维布在体积比为1：2的丙酮和乙醇溶剂中浸泡20h，随后用去离子水超声清洗并在80℃下恒温干燥10h；koh溶液化学活化是将除胶处理后的多孔碳纤维布上除负极极耳之外的部位浸渍在koh溶液中，然后放置在旋转蒸发器中将溶液蒸发，之后在120℃下干燥12小时，得到浸渍有koh的多孔碳纤维布；之后进行活化，将浸渍有koh的多孔碳纤维布置于氮气流动的管式炉中，以5℃/min的速度升温，直至炉内温度达到850℃的活化温度，恒温静置活化1.5h-2h，中止活化后，用蒸馏水反复洗涤多孔碳纤维布，直至浸出液中无oh-，接着在105℃下干燥10小时，得到活化后的多孔碳纤维布；最后将活化后的多孔碳纤维布上除负极极耳之外的部位浸渍在凝胶电解质中10min，随后取出并通风干燥30min，重复此过程2-4次，使凝胶电解质固化，得到多功能负极层。

8、所述柔性结构电池的制备方法为：在一体化正极层表面上除正极极耳之外的部位以及多功能负极层表面上除负极极耳之外的部位均匀涂覆一层凝胶电解质，然后在烘箱中烘干至凝胶电解质呈半固态时，将一体化正极层的底面和多功能负极层的顶面叠置在一起，待凝胶电解质固化后在一体化正极层和多功能负极层之间形成凝胶电解质隔膜层；再将整体进行辊压，并在60℃温度下恒温干燥；最后将边缘进行热封，得到所述柔性结构电池。

9、所述柔性结构电池的厚度为1mm。

10、与现有技术相比，本发明提供的柔性结构电池及其制备方法具备以下有益效果：

11、本发明提供的柔性结构电池是集结构承载和力学柔韧性及电能储存一体化的轻质复合材料，摆脱了传统电池在质量和体积上的“寄生属性”，既节能又减排。制备工艺简单，可定制化形状。可折叠、弯曲、拉伸、扭曲，多孔电极也提升了其电化学性能。未来可广泛应用于便携式电子设备、可穿戴电子设备、汽车及航空航天等诸多领域。