[发明专利]一种超柔性硅氧气电池纤维及其制备方法

说明书

本发明属于新能源技术领域，具体为一种超柔性硅氧气电池纤维及其制备方法。该超柔性硅氧气电池纤维由锂化硅/碳纳米管复合纤维、高分子凝胶电解液、碳纳米管空气电极以及带孔热缩管保护层以同轴结构形式组成。该超柔性硅氧气电池纤维，在空气中的放电能量密度能够达到512 Wh/kg，并且可以在20000次弯曲循环下稳定工作；具有超柔性，可在不同程度的形变下都保持稳定的电化学性能；同时，由于其纤维状的外形，可以单独编织成织物，也可以和纺织品混合编织成织物，在可穿戴电子领域具有广阔的应用前景。

技术领域

本发明属于新能源技术领域，具体涉及一种超柔性硅氧气电池纤维及其制备方法。

背景技术

便携的可穿戴的电子设备已经成为了一种时代趋势，吸引了越来越多的关注，其中，柔性的供能器件扮演者十分重要的角色。[1-2]尽管在发展相应的电池的方面已经付出了很多的努力，仍存在一些共同的问题。现有的电池通常采用尽可能薄的三明治层状结构。[3-6]柔性的实现经常以牺牲电化学性能为代价，例如，要求不能负载太多的活性材料，这样其能量密度通常很低。[7]另外，在形变下，两薄膜电极之间的滑移可能会导致短路。[8]另外，它们可以承受一些轻微的形变，例如弯曲，但是在一些较大的形变，例如扭曲和打结下，其结构可能会被破坏。[9-10]为此，有人采用将两个纤维电极扭曲在一起形成一种全新的薄膜锂离子电池结构，表现出更高的柔性。[11-13]然而，一方面，这种扭曲的结构能量密度很低；[13]另一方面，两个纤维电极在较大的或重复形变下可能分离，从而导致电化学性能和稳定性的大幅下降。[12]发展同时具有高能量密度和高柔性的电池十分紧迫，且具有很大的挑战性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种超柔性硅氧气电池纤维的制备方法，以有效克服目前柔性电池存在的问题。

本发明所提供的超柔性硅氧气电池纤维，由锂化硅/碳纳米管复合纤维、高分子凝胶电解液、碳纳米管空气电极以及带孔热缩管保护层以同轴结构形式组成。

本发明所提供的超柔性硅氧气电池纤维的制备方法，具体步骤如下：

（1）制备锂化硅/碳纳米管复合纤维，作为负极；

（2）将锂化硅/碳纳米管复合纤维全部浸入凝胶电解液前驱体溶液中，然后取出；

（3）用紫外光照射浸渍了凝胶电解液前驱体溶液的锂化硅/碳纳米管复合纤维5-20s，使凝胶电解液前驱体固化；

（4）缠绕碳纳米管空气电极：将宽度为0.8-1.5cm宽的碳纳米管薄膜以45-70°的螺旋角缠绕在经步骤（3）处理的凝胶电解液上，控制锂化硅/碳纳米管复合纤维负极与碳纳米管正极的质量比为1.1-1.5:1；

（5）套一层带孔的热缩管作为保护层。

本发明中，所述的锂化硅/碳纳米管复合纤维负极的具体制备步骤如下：（1）由可纺碳纳米管阵列连续拉取制备取向碳纳米管薄膜；（2）硅粉在真空烘箱中70-90℃下烘干过夜，将15-25mg的硅粉分散在15-20mL中N，N-二甲基甲酰胺，充分搅拌得到分散液；（3）将分散液均匀滴在1-3cm宽的两层碳纳米管薄膜上，将其卷成硅/碳纳米管复合纤维；（4）在手套箱中将复合纤维与锂片组装成2025纽扣电池，1M的双三氟甲烷磺酰亚胺锂溶于氟代碳酸乙烯酯和四乙二醇二甲醚（体积比3-3.5:1，这体积比是指氟代碳酸乙烯酯和四乙二醇二甲醚的体积比）中，作为电解液。组装好后，在电压范围0.01-3V，电流0.05-0.15mA下充放电循环一周。最终，该电池在0.05-0.15mA下放电到0.05V，再在0.02-0.06mA下放电到0.01V。在手套箱中拆卸后用四乙二醇二甲醚润洗，得到锂化硅/碳纳米管纤维负极。