阅读说明：本技术 一种储能复合材料结构电池的制备方法 () 是由 郭子月 吴海宏 王朝阳 周应国 蒋爱云 黄明 张洛明 于 2020-05-15 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种储能复合材料结构电池的制备方法,其包括以下步骤：(1)制备电极浆料,(2)在集流体上涂布电极浆料,(3)对涂布后的集流体进行干燥、辊压、切片制备电极片,(4)将电极片放置隔膜两侧进行Z型叠片制备电芯,(5)用预浸料和泡沫材料制备壳体,然后将电芯放置的壳体中组成三明治结构,(6)通过模压机热压复合成型,(7)注入电解液体,(8)密封、测试。采用本方法制备出的电池集储能和结构于一体,在保持原有功率密度的同时减轻了储能元件的重量,增加了空间利用率,提供了良好的力学性能,增加了储能元件受压或受拉时的防爆性,提高了储能元件的安全性。()

一种储能复合材料结构电池的制备方法

技术领域

本发明属于储能材料领域，其具体涉及一种储能复合材料结构电池的制备方法。

背景技术

随着便携式电子设备、电动汽车等移动电力技术的迅速发展，人们也在追求重量和体积效率更高的储能系统。传统的储能系统体积大、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，多功能复合材料开辟了一个新的研究领域——结构储能复合材料，它是一种集结构和储能于一体的材料，可将复合材料优良力学性能和储能材料的储能特性组合到一个单独的结构中，能够显著的减轻储能原件的重量和体积。

发明内容

本发明的目的主要是针对传统储能元件体积大、重量大、抗压性不好等缺点提出了一种结构电池，该电池集储能和结构于一体，在保持原有功率密度的同时减轻了储能元件的重量，增加了空间利用率，提供了良好的力学性能，增加了储能元件受压或受拉时的防爆性，提高了储能元件的安全性。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种储能复合材料结构电池的制备方法，包括以下步骤：

(1)制备电极浆料：将活性材料、导电剂、粘结剂按质量比为9:0.5:0.5的比例配比，然后加入溶剂充分搅拌使其混合均匀；

(2)涂布：将混合均匀的电极浆料涂布在集流体上，制得正电极片和负电极片；

(3)干燥、辊压、切片：将涂布后的正电极片、负电极片放入真空干燥箱干燥，然后辊压，最后剪切成大小合适的电极片；

(4)制备电芯：将正电极片、负电极片在隔膜两侧对称放置，Z型层叠成电芯，该电芯包括正电极片、负电极片、隔膜、正极引脚、负极引脚；

(5)制备三明治结构：用预浸料和泡沫材料制备壳体，然后将制备好的电芯放入壳体中构成三明治结构；

(6)固化成型：将组装好的三明治结构放置在模压机中固化成型；

(7)注电解液：将固化成型后的结构放置于手套箱中注入电解液；

(8)密封、测试：注入电解液后，将注液口密封，使用电化学工作站测试其电化学性能。

进一步，所述步骤(2)中，集流体为厚度为0.01mm的铝箔或镍箔用4mol/L的H₂SO₄溶液中在25℃下真空腐蚀30min制得。

进一步，所述步骤(2)中，电极浆料在集流体上涂覆的厚度为50-300μm。

进一步，所述步骤(3)中辊压的压力为35MPa。

进一步，所述步骤(5)中预浸料采用碳纤维预浸料或玻璃纤维预浸料，优选为碳纤维预浸料。

更进一步，所述碳纤维预浸料的厚度为0.02mm。

更进一步，所述碳纤维预浸料由碳纤维编织布和环氧树脂组成。

进一步，所述步骤(5)中三明治结构的具体制作方法为：在制备好的电芯四周放置矩形框架，框架厚度与电芯Z型叠片方向厚度相等，并在泡沫边框上提前预制注液孔；再用0.02mm的碳纤维预浸料在电芯的Z型层叠方向的上表面、下表面进行铺层形成上面板、下面板，碳纤维预浸料将泡沫边框和电芯Z型叠片方向组合成的上面板、下面板完全覆盖，从而构成一个三明治结构的整体预成品。

进一步，所述步骤(6)中固化成型具体步骤为：将步骤(5)中组装的三明治结构放置模压机上，将模压机压力设置为0.1MPa；升高模压机温度至85℃，并保温10min；升高模压机温度至120℃，并保温15min，待其自然冷却后取出。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1、本发明结构电池复合材料外壳采用超薄碳纤维预浸料进行铺层，在固化成型时树脂能够充分浸润在碳纤维之间，固化成型后的复合材料壳体缺陷较少，力学性能较好。

2、本发明超薄碳纤维预浸料直接在电芯上进行铺层，可使碳纤维预浸料直接和电芯复合为一个整体，具有更好的机械性能，而非将电池片镶嵌在复合材料夹层板中制成结构电池，减少了不必要的负重。采用此种方法制备出的结构电池在1200N的载荷下，结构电池能保持完整的形状，无裂纹和电解液溢出现象产生，仍具有良好的充放电性能。

附图说明

图1为本发明储能复合材料结构电池的制备方法的流程图；

图2为本发明储能复合材料结构电池的电极片的结构示意图；

图3为本发明储能复合材料结构电池的电芯的结构示意图；

图4为本发明储能复合材料结构电池的结构示意图；

图中：1、电极引脚；2、铆钉；3、集流体；4、电极浆料；5、正极引脚；6、负极引脚；7、正电极片；8、隔膜；9、负电极片；10、注液孔；11、下面板；12、框架；13、上面板。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

实施例1

本实施例提供一种储能复合材料结构电池的制备方法，参见图1，其包括以下具体步骤：

(1)电极浆料的制备：将活性材料、导电剂、粘结剂按质量比为9:0.5:0.5的比例配比，加入适量溶剂搅拌均匀；本实施例是将活性炭、导电炭黑、PVDF按照质量比为9:0.5:0.5的比例配比，然后加入适量的NMP溶液充分搅拌，得到混合均匀的粘稠状浆料。

(2)涂布：将混合均匀的电极浆料涂布在集流体3上；本实施例采用厚度为0.01mm的铝箔作为集流体，在涂覆之前将铝箔放置在25℃真空下用4mol/L的H₂SO₄溶液腐蚀30min，电极浆料在铝箔上涂布的厚度为200μm。制备电极片所采用的铝箔集流体采用化学试剂做进一步腐蚀处理，集流体表面具有凹凸不平的结构，可使电极活性材料与集流体粘接的更加牢固。

(3)干燥、辊压、切片：将涂布后的电极片放入真空干燥箱中干燥，然后辊压，最后剪切成大小合适的电极片；本实施例是将涂覆好的电极片放置在真空干燥箱中120℃下真空干燥12h；将干燥后的电极片放置在辊压机上采用35MPa压力压制，使得表面电极浆料4和集流体3紧密粘接在一起；根据需要，将电极片裁剪合适的大小，在电极片上用铆钉2将电极引脚1和集流体3铆接在一起，如图2所示。电极引脚1为厚度0.1mm的铜片。

(4)制备电芯：将正极片、负极片在绝缘隔膜两侧对称放置，Z型层叠成如图3所示的电芯；该电芯包括正极引脚5、负极引脚6，隔膜8和正电极片7、负电极片9；本实施例是将制备好的正电极片7、负电极片9采用Z型折叠，然后将其对称放置在隔膜8两侧；本实施例采用的隔膜8为纤维素隔膜TF40-30，厚度30μm，孔隙率49％。

(5)制备三明治结构：用预浸料和泡沫材料制备壳体，将制备好的电芯放入壳体中构成三明治结构，具体过程是：在制备好的电芯四周放置矩形框架12(矩形泡沫)，泡沫厚度与电芯Z型叠片方向厚度相等，并在框架12上提前预制注液孔10；再用厚度为0.02mm碳纤维预浸料在电芯Z型层叠方向的上表面和下表面进行铺层，形成上面板13和下面板11，碳纤维预浸料将框架12和电芯Z型叠片方向组合成的上面板13、下面板11完全覆盖。从而构成一个三明治结构的整体预成品。

(6)固化成型：将组装好的三明治结构放置在模压机中固化成型；本实施例是将三明治结构放置在模压机中，调整模压机压力至0.1MPa，先升高模压机温度至85℃，保温10min；再升高模压机温度至120℃，保温15min，关闭模压机待其自然冷却后取出得到如图4所示的壳体。

(7)注电解液：将固化成型后的壳体放置于手套箱中，向里注入电解液；本实施例是将固化成型的壳体放置于手套箱中，在真空条件下从注液孔10注入有机电解液DLC 301。

(8)密封、测试：注入电解液后，将注液口密封，使用电化学工作站测试其电化学性能；本实施例是注液完毕后在手套箱中将注液孔10用防爆塞密封；然后取出结构电池，用电化学工作站对其进行电化学性能测试。

实施例2

与实施例1的制备方法不同的是，本实施例的集流体是采用0.01mm的镍箔在25℃真空下用4mol/L的H₂SO₄溶液腐蚀30min制得的。

实施例3

与实施例1的制备方法不同的是，本实施例采用多孔PP隔膜作为绝缘隔膜，将正电极片7、负电极片9和隔膜8卷绕成圆柱型电芯。

实施例4

与实施例1的制备方法不同的是，本实施例采用玻璃纤维预浸料直接在电芯和泡沫框架12组合而成的Z型叠片方向的上表面、下表面进行铺层，然后模压固化成型制备结构电池。

实施例5

与实施例1的制备方法不同的是，本实施例通过注液孔10向模压固化后的结构电池内注入离子电解液，进而和正、负电极片构成储能结构电池。

实施例6

与实施例1的制备方法不同的是，本实施例将一种电极片上活性炭替换为金属氧化物，使之与离子电解液中离子发生氧化还原反应构成赝电容储能，进而制备电芯。

对比例1

与实施例1的制备方法不同的是，步骤(5)中，本实施例是采用0.05mm、0.10mm、0.20mm、0.30mm等不同厚度的碳纤维预浸料对相同厚度储能电芯和泡沫边框组合成的Z型上表面、下表面进行铺层，然后模压固化成型，制备而得的结构电池在正常工作下，所能承受的机械性能如下表1所示。

表1不同厚度的碳纤维预浸料制备的壳体的最大承受压力

预浸料厚度(mm)	电池储能性	承受最大压力(N)
			0.02	良好	1200
0.05	良好	1100
			0.10	良好	950
0.20	良好	750
			0.30	良好	500

对比例2

与实施例1的制备方法不同的是，步骤(5)中，本实施例是采用0.02mm的碳纤维超薄预浸料先与泡沫复合固化成型制备壳体，然后将储能电芯放置在碳纤维和泡沫固化后的壳体中，向里注入电解液后密封起来。这样制备所得的碳纤维结构电池和直接在储能电芯上铺层后固化相比，其所能承受的最大压力如表2所示。

表2不同成型方法的壳体的最大承受压力

成型方法	预浸料厚度(mm)	储能性	承受最大压力(N)
				直接在电芯上铺层固化	0.02	良好	1200
先固化再嵌入电芯	0.02	良好	700

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。