复合材料结构电池、其制备方法及包含其的结构件

本发明涉及结构电池，更具体地，涉及一种复合材料结构电池、其制备方法及包含其的结构件。

背景技术：

1、传统的电池储能系统体积大、重量大、耐腐蚀性差、易损坏，使用寿命相对较短，在工业中的应用受到很大限制。近年来，集承载结构和储能的功能于一体的结构电池逐渐被开发。结构电池作为结构承载件，对电池整体的力学强度和电化学性能同时提出了较高的要求。

2、大部分结构储能复合材料工艺都是使用力学性能较差的固态电解质，所以需要用玻纤布等作为结构承载材料，然而，这存在两个问题：1、结构电池的厚度比较大；2、结构电池的力学性能较差。其次，传统的结构电池制备方法是先成型固态电解质膜，后组装，阻抗较大，且工艺繁琐。

3、针对上述问题，目前已有少量解决方案。公告号为cn 112652737 b的发明专利公开了一种基于碳纤维的复合材料结构电池及手机外壳。该结构电池包括改性碳纤维负极和改性碳纤维正极；所述改性碳纤维负极是通过在第一碳纤维布的碳纤维丝上形成外层的第一改性涂覆层而制得的；改性碳纤维正极，所述改性碳纤维正极是通过在第二碳纤维布的碳纤维丝上形成外层的第二改性涂覆层而制得的；所述改性碳纤维负极和所述改性碳纤维正极层叠铺设并且通过固态电解质完全隔离及形成一体成型结构。该技术方案用改性碳纤维负极和正极增强结构电池的力学性能，具有超薄、轻质、刚度强度好的优势，可在应用在手机等设备的外壳上，但未改变固态电解质力学性能较差的特点。该技术方案通过在改性碳纤维负极和改性碳纤维正极层叠铺设后利用真空辅助树脂灌注的方法注入所述固态电解质再固化成型的。采用这一制备方法得到的结构电池采用固态电解质作为结构承载基体，然而，固态电解质的力学性能可能适合作为手机壳，而不足以支撑所得到的结构电池作为结构承载件。此外，该制备方法制备结构电池所需要的固态电解质是远远过量的，不利于降低该电池的材料成本。

技术实现思路

1、由于现有技术存在上述缺陷，本发明提供了一种复合材料结构电池、其制备方法及包含其的结构件，以解决复合材料结构电池电极-固态电解质固固界面的离子传输受限和结构电池制造工艺复杂的问题；基于原位聚合的方法，不仅电极/电解质界面阻抗小，材料成本低，而且工艺简化，可以大大提升结构电池的性能及制造效率。

2、为实现上述目的，第一方面，本发明提供一种复合材料结构电池，包括内部的储能功能区及外部的封装部，所述储能功能区包括正极片、负极片以及它们之间的聚合物固态电解质膜，其特征在于：所述封装部为经热处理的纤维预浸料，所述纤维预浸料热处理的温度为60～250℃；所述聚合物固态电解质膜是在所述纤维预浸料热处理处理温度下由液态的固态电解质前驱体经原位热引发聚合而成；所述固态电解质前驱体包括两种或两种以上的丙烯酸酯类聚合物单体、所述聚合物单体聚合的引发剂、锂盐和腈类有机化合物。

3、本发明复合材料结构电池中的聚合物固态电解质膜原位热聚合温度范围与封装部材料的热固化温度范围相一致，因此实现封装材料的热固化与聚合物固态电解质膜的聚合固化同步完成。通过液体渗入电极片后原位聚合得到聚合物固态电解质膜一方面降低了电极-固态电解质固固界面的离子传输界面电阻，另一方面，减少结构电池制造的工序，提高生产效率。

4、进一步地，所述复合材料结构电池的形状为平板式、曲面式、圆管式中的一种。

5、进一步地，所述纤维预浸料为碳纤维预浸料、玻璃纤维预浸料、芳纶纤维预浸料、混杂纤维预浸料中任意一种；和/或，所述正极片的活性材料为磷酸铁锂、钴酸锂、锰酸锂、镍锰酸锂、磷酸钒锂、镍钴锰酸锂、镍钴铝酸锂、富锂锰酸锂中任意一种或至少两种；和/或，所述负极片的活性材料为锂金属、石墨、钛酸锂、铌钛氧化物、硅、硅碳复合材料中任意一种或至少两种。

6、进一步地，所述丙烯酸酯基聚合物单体包括至少一种链状结构的丙烯酸酯单体a和至少一种含苯环结构的丙烯酸酯单体b；以所述固态电解质的总重量为基准，所述丙烯酸酯类聚合物的含量为30～60％，所述腈类有机化合物含量为20～50％；所述引发剂的含量为0.5～1.5％；所述锂盐的含量为5～20％。

7、进一步地，以所述丙烯酸酯类聚合物的总重量为基准，所述丙烯酸酯类聚合物单体a的含量为50～70％；所述丙烯酸酯类聚合物单体b的含量为30～50％。

8、第二方面，本发明提供一种上述的复合材料结构电池的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：

9、步骤s11、将聚合物单体、所述聚合物单体聚合的引发剂、锂盐和腈类有机化合物进行混合得到液态的固态电解质前驱体；

10、步骤s12、依据要成型的复合材料结构电池的形状选择合适的模具；

11、步骤s13、将第一纤维预浸料贴覆于所述模具表面，正极片和/或负极片表面刷涂所述固态电解质前驱体后，将正极片、负极片依次层叠于所述第一纤维预浸料表面；

12、步骤s14、覆盖第二纤维预浸料，通过所述模具对所述储能功能区进行封装；

13、步骤s15、对所述步骤s14得到的封装体进行加热固化得到所述结构电池；所述固态电解质前驱体经热引发聚合形成固态电解质膜、以及所述纤维预浸料经热处理固化成型的过程同步完成。

14、进一步地，所述聚合物单体包括至少一种链状结构的丙烯酸酯单体a和至少一种含苯环结构的丙烯酸酯单体b；所述丙烯酸酯类单体a包括丙烯酸丁酯、双三羟甲基丙烷丙烯酸酯、四丙烯酸异戊四酯、乙氧基化三羟甲基丙烷三丙烯酸酯、乙二醇二丙烯酸酯中的任意一种或至少两种的组合；所述丙烯酸酯单体b包括双酚a二甲基丙烯酸酯、双酚a乙氧化二甲基丙烯酸酯、双酚a乙氧酸二丙烯酸、双酚a丙三醇双甲基丙烯酸酯、4,4'-异亚丙基二苯酚二甲基烯丙酸酯中的任意一种或至少两种的组合。

15、进一步地，所述引发剂包括偶氮二异丁腈、过氧化二苯甲酰、双(4-叔丁基环己基)过氧化二碳酸酯和2,4,6(三甲基苯甲酰基)二苯基氧化膦中的任意一种或至少两种的组合；所述锂盐包括六氟磷酸锂盐、四氟硼酸锂、二草酸硼酸锂、高氯酸锂、二氟草酸硼酸锂、三氟甲磺酸锂、双三氟甲磺酸亚胺锂中的任意一种或至少两种的组合；所述腈类有机化合物包括丁二腈、四甲基丁二腈、己二腈、戊二腈等中的任意一种或至少两种的组合。

16、最后一方面，本发明提供了一种结构件，其特征在于，包括两个或两个以上上述的复合材料结构电池或上述制造方法制造的复合材料结构电池；所述复合材料结构电池之间设有电学连接。

17、进一步地，包括上面板、下面板以及内部的蜂窝芯，所述上面板和下面板与所述蜂窝芯之间通过结构胶粘接固定；两个或两个以上上述的复合材料结构电池或如上述制造方法制造的复合材料结构电池作为所述上面板和下面板。

18、与现有技术相比，上述发明具有如下优点或者有益效果：

19、(1)储能功能区的正/负极间的固态电解质膜通过热引发原位聚合的方法获得，使得结构电池具备良好的电极/电解质界面，具有好的循环性能和倍率性能；纤维预浸料封装部保证结构电池具有很高的承载力；

20、(2)本发明的原位固态电解质前驱体和纤维预浸料封装部依据热引发温度和热处理温度的匹配进行选择，通过同步加热实现各自功能，可在提高电池性能的同时，大大缩短电池的制造流程；

21、(3)本发明适用多种正负极材料，原材料易得，适应范围广；

22、(4)本发明的制造方法适用于大规模生产，产品的制造成本低。