[发明专利]一种纤维化学储能电源及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于化学储能电源领域，特别涉及一种高柔性，可编织，便携式的纤维化学储能电源设备。

背景技术

人类社会过度使用化石能源，导致环境问题的恶化，并直接影响着人类的可持续发展。因此，开发绿色的能源和高效储能设备显得尤为重要。化学电源作为一种基于氧化还原化学反应的一种高效储能设备，越来越受到科学家和产业界的重视。常见的化学电源包括锌锰碱性一次电池，锌锰碱性二次电池，镍锌二次电池，镍氢二次电池，铅蓄电池，银锌二次电池及广泛应用的锂离子电池等等。这些电池各自具有自己独特的优势，如锌锰碱性电池以其廉价著称，锂离子电池以其高的储能密度而受到广泛研究，镍氢二次电池和铅蓄电池以其安全，稳定性而广泛应用到电动汽车中。

近些年来，柔性电子学的兴起，极大地促进了柔性储能设备的发展。传统的化学电源结构基本都是基于三明治结构，由二维平面的正极，负极，电解液和隔膜组成，其进一步通过卷曲，组成硬性的圆柱状、长方体状或者其它形状的化学电源。这样，传统硬性的化学电源并不能满足柔性电子储能设备的要求。为此，研究者们进一步提出发展了柔性化学储能电源，比如柔性的锂离子电池，柔性可拉伸的锌锰一次电池等。相比于硬性结构的超级电容器，柔性的超级电容器具有更广泛的应用范围，然而，这些柔性电池仍是基于二维平面三明治结构，使其在某些领域的应用仍然受到一定的限制，如其便携性或者特殊的空间限制其组装等。

发明内容

针对上述技术问题，本发明的目的是提供一种纤维化学储能电源，该纤维化学储能电源具有高效，高柔性，可编织及便携式的性能，可以有效地解决柔性储能设备应用多样化的需求。

本发明的另一目的是提供一种纤维化学储能电源的制备方法。

本发明的上述目的是通过如下的技术方案予以实现的：

一种纤维状化学储能电源，其包括纤维正极、纤维负极、电解质、隔膜纤维和外封装层；所述的隔膜纤维缠绕在所述的纤维正极和纤维负极中的至少一根电极上；所述的电解质填充在所述的纤维正极和纤维负极之间，并与其一同被包覆于所述的外封装层中。

进一步地，所述的纤维正极和纤维负极又分别包括导电丝状基底和包覆于导电丝状基底外的电化学活性材料。

进一步地，所述的导电丝状基底包括金属丝或非金属导电丝或丝状芯外层包裹导电性材料的丝状结构。

具体地，所述的导电丝状基底可以采用金属丝，包括不锈钢纤维、镍纤维；或非金属导电丝，例如碳基导电纤维，包括碳纤维、碳纳米纤维，石墨烯纤维；导电高分子纤维，包括PEDOT:PSS纤维、聚苯胺纤维、聚噻吩纤维；无机导电化合物纤维以及有机/无机导电复合纤维等；还可以是在导电性材料或非导电性材料制成的丝状芯外层包裹导电性材料皮；也可以包括一芯和若干层皮，芯和内层的皮为导电性材料或非导电性材料，皮逐层包裹在芯的外侧，最外层的皮为导电性材料。所述导电性材料为有机导电材料或无机导电材料或有机/无机复合导电材料。

进一步地，所述的导电丝状基底可以为实心结构或空心结构，其切面形状可以是圆形的，也可以是其它形状，比如长方形、椭圆形等。

进一步地，所述的导电丝状基底的直径可以在1μm-1mm之间，优选直径为5μm-100μm。

进一步地，所述的电化学活性材料的类型取决于所要制备电池的类型。例如，对于锂离子电池来说，正极的电化学活性材料可以是LiCoO₂,LiMn₂O₄,LiFePO₄，S等，负极的电化学活性材料可以是石墨，硅等。对于锌锰电池，正极的电化学活性材料是MnO₂，负极的电化学活性材料是锌。

进一步地，所述纤维正级和纤维负极的材料，优选表面涂覆具有导电物质或者本身导电的高分子塑料纤维碳纤维，碳纳米纤维，石墨烯纤维，不锈钢纤维和镍纤维等轻质、廉价及高柔性的纤维材料。

进一步地，所述纤维正极和纤维负极均可为一个或多个。

进一步地，所述隔膜纤维包括聚四氟乙烯纤维、聚偏氟乙烯塑料纤维、尼龙纤维、涤纶纤维、腈纶聚酯纤维、芳纶纤维、漆包线、细棉线、聚丙烯纤维、聚乙烯纤维、玻璃纤维。

进一步地，所述外封装层的材料为隔水聚合物，包括聚四氟乙烯。

一种纤维化学储能电源的制备方法，其步骤包括：

1）分别在导电丝状基底上包覆电化学活性材料，形成纤维正极和纤维负极，即工作电极；

2）在上述工作电极中至少一个电极的表面缠绕隔膜纤维或者包裹多孔高分子隔膜；