一种蜂窝夹层承载储能结构及其制备方法

本发明属于复合结构，具体涉及一种蜂窝夹层承载储能结构及其制备方法。

背景技术：

1、高能量密度和超长循环寿命的储能器件是智能可穿戴设备、电动汽车和无人机的快速发展的重要驱动器，也是实现碳达峰、碳中和目标的重要支撑。相较于传统有机电解质较低的离子电导率、易挥发以及较差的阻燃性等缺陷，聚合物水凝胶电解质具有类似组织的、粘弹性、柔韧的交联网络，可以在各种机械变形下保持结构完整性，并且展现出一定的电化学优势，可以避免液体电解质存在的挥发、渗漏等问题。聚乙烯醇(pva)基水凝胶电解质具有无毒、化学稳定性好、ph值适用性广、成本低等优点，其含水聚合物网络结构可以溶解离子，通过聚合物链上的带电官能团可以有效地吸引大量电解离子并将其固定在水凝胶网络中，从而使得聚两性离子在同一大分子链上同时带阳离子和阴离子。然而，pva侧链上的羟基能吸引一定量的水分子，但长碳链和亲水侧链集团的数量不足，聚合物与水分子之间的相互作用较弱，导致较低的离子电导率和较差的保水性能，不利于长期稳定性，这严重地限制了其实际应用。因此，需要通过结构设计和材料复合来构筑具有良好的机械性能、优异的电导率和稳定的安全性能的pva聚合物凝胶电解质。

2、近年来，开发基于复合材料的先进轻量化结构与高性能能源存储系统已成为各国竞相研究的重点。随着现代装备对储能设备也提出了轻量化、集成化、多功能化的技术需求，将储能系统与结构部件融合，让储能与承载集成的新理念受到学术界和工业界的推崇。连续碳纤维增强树脂基复合材料(cfrp)，具有优异的比强度、比刚度、耐腐蚀等优势，是理想的轻量化结构材料，在航空航天等领域已得到广泛应用。而且，由于碳纤维优良的导电性、优异的力学性能，cfrp也为先进储能系统的开发提供了新的可能。已有研究人员将碳纤维作为电极材料，通过传统储能器件与轻质高强的cfrp结合，开发了承载储能一体化复合结构等。这些承载储能一体化结构，有望满足现代装备对高效储能与轻量化结构的双重需求，从而可减轻系统体积或质量，提高集成化程度和系统效率，受到了研究者的广泛重视。然而，如何进一步提升承载储能一体化复合结构的承载能力与储能能力成为急需攻克的技术瓶颈。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种蜂窝夹层承载储能结构及其制备方法，用于解决水凝胶电解质的离子电导率低与复合结构的力学性能差的技术问题。

2、本发明采用以下技术方案：

3、一种蜂窝夹层承载储能结构制备方法，包括以下步骤：

4、s1、将钼酸铵和硫脲混合制成透明溶液，再加入表面活性剂和尿素，经搅拌制得前驱体溶液；

5、s2、采用水热法，利用高温高压条件将前驱体溶液制备成由纳米片堆叠而成的mos2纳米花；

6、s3、通过调控pva和koh的比例，添加mos2纳米花合成纳米改性水凝胶电解质；

7、s4、将纳米改性水凝胶电解质浇筑在pva蜂窝夹层支架中，与上下两层的碳纤维电极材料复合得到蜂窝夹层承载储能结构。

8、优选地，钼酸铵和硫脲的摩尔比为1:10、1:20、1:30。

9、优选地，表面活性剂与钼酸铵的摩尔比为1:1、1:2、1:4。

10、优选地，采用水热法，利用高温高压条件将前驱体溶液制备成由纳米片堆叠而成的mos2纳米花具体为：

11、将前驱体溶液由室温下以1.0～2.0℃min-1的升温速率加热，至120℃时保温2～3h；以1.0～2.0℃min-1的升温速率加热到220℃，且保温4～8h；再以0.5℃min-1的速率降温到室温；沉淀分离，洗涤和真空干燥后得到由纳米片堆叠而成的mos2纳米花。

12、优选地，合成纳米改性水凝胶电解质具体为：

13、将koh溶液缓慢加入浓度为10wt％的pva溶液中，连续揽拌后超声脱泡，形成pva-koh溶液；

14、将mos2纳米花分批次缓慢加入pva-koh溶液中，连续揽拌后超声形成纳米改性水凝胶电解质。

15、优选地，搅拌温度为88～92℃，揽拌时间为1～3h。

16、优选地，水凝胶电解质中mos2纳米花的含量为5～25wt％。

17、优选地，浇筑完成后，在40～80℃真空干燥24～72h。

18、优选地，碳纤维电极材料制备过程如下：

19、通过静电喷雾方式将环氧树脂均匀涂敷于碳纤维表面，将铜箔黏敷在两层碳纤维的中间，在40～80℃下真空干燥24～72h固化，形成碳纤维电极材料。

20、本发明的另一技术方案是，一种蜂窝夹层承载储能结构，包含蜂窝状支架，蜂窝状支架的孔洞内填充有纳米改性水凝胶电解质，蜂窝状支架的两侧设置碳纤维电极材料作为夹层结构面板。

21、与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

22、一种蜂窝夹层承载储能结构制备方法，首先采用水热反应，利用高温高压条件，制备出由纳米片堆叠而成的mos2纳米花；之后通过调控pva和koh的比例，合成具有优异电导率和稳定安全性能的水凝胶溶液；最后将其浇筑在pva蜂窝夹层支架中，与蜂窝夹层结构与碳纤维电极材料进行复合，制备出工艺简单、操作安全、力学与储能性能优异的复合结构。

23、进一步的，钼酸铵和硫脲的摩尔比设置可使mos2纳米花具有更高的比电容和优异的循环稳定性。

24、进一步的，表面活性剂与钼酸铵的摩尔比设置有利于控制mos2样品的表面形貌与晶粒尺寸，增强比表面积。

25、进一步的，采用水热法，利用高温高压条件制备mos2纳米花，其操作简单、成本低、反应温度低、效率高和结晶度高。

26、进一步的，水凝胶电解质具有优异的柔韧性和结构可设计性，避免液体电解质存在的挥发、渗漏等问题。mos2纳米花可进一步促进离子的解离和运动，使得电解质具有优异的电导率和稳定的安全性能。

27、进一步的，mos2纳米花的含量设置有利于与水凝胶构建多重网络，改善水凝胶机械性能的同时增强离子传输能力。

28、进一步的，碳纤维电极材料的力学性能优异，同时兼具良好的导电特性，可用于存储和释放电能，实现结构的承载和储/放电一体化，从而达到材料多功能化和结构轻量化。

29、一种蜂窝夹层承载储能结构，通过对水凝胶凝胶电解质进行mos2纳米花改性，并将其与蜂窝夹层结构和碳纤维电极材料进行复合制备，所得到的蜂窝夹层承载储能结构，可表现出良好的机械性能、优异的离子电导率、稳定的安全性能和一定的续航寿命，具有重要的经济效益和社会效益。

30、综上所述，本发明蜂窝夹层承载储能结构兼具优异的承载与储能双功能特性，从而可减轻系统体积或质量，提高集成化程度和系统效率。所使用的纳米改性水凝胶电解质具有化学稳定性好、成本低等优点。相较于液体电解质，不易挥发与渗漏，安全性更高。相较于传统有机电解质，可表现出优良的离子电导率，能够实现更快的充放电。所使用的蜂窝状支架与碳纤维电极可在压缩、弯曲、冲击中表现出良好的力学性能，可大幅提高结构的承载能力。

31、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。