[发明专利]一种柔性双功能且可编织的电缆式高能量密度电池及其制备方法

说明书

一种柔性双功能且可编织的电缆式高能量密度电池制备方法，涉及一种柔性双功能且可编织的高能量密度电池，该电池以毫米级的碳纳米管纤维作为中芯起到基体和导线功能、以柔性碳纳米管宏观膜为集流体承载正负极材料，该种电池具有作为导线和储能电池的双用功能，容易对其进行编织，且可只通过电池的一端实现与用电器的直接连接，具有高达215 mWh cm^‑3以上的体积能量密度。所述电池主体由内到外包括碳纳米管纤维、绝缘层、正极片层、隔膜、负极片层、外绝缘层。本发明提供的柔性双功能且可编织的高能量密度电池能有效解决线性电池形状的任意改变及与用电器的连接，且能量密度大幅提高，可用于目前主流的可穿戴电子设备。

技术领域

本发明涉及一种柔性双功能且可编织的高能量密度电池及其制备方法。该电池具有高能量密度的同时且可编织穿戴、具有导线功能，方便使用。

研究背景

随着高新技术的快速发展，人们对于互联网的要求也越来越高，互联网技术已成为现代生活不可缺少的一部分；同时移动便携式电子设备与可穿戴智能电子设备给人们带来了很大的方便，如变形电路、柔性显示屏、传感器、电子感应皮肤等；与其同时，随着便携式与可穿戴电子设备形状的千变万化，所对应的储能系统也有了越来越高的要求，像续航时间，电池形状及具有可弯曲等性能。目前所使用的二次锂离子电池都是利用铝箔和铜箔作为电池集流体限制了其性能发挥；为了满足这些微型电子设备的大力发展，科学家们做了大量研究，已报道了具有能够弯曲、缠绕的电缆线式锂离子电池系统，像Y. H. Kwon等在《Advanced Materials》2012年第24卷5192-5197页的《Cable-tTypeflexible lithium ionbattery based on hollow multi-helix electrodes》一文中提出了一种新颖的电缆式锂离子电池，具有优良柔性、能够摆成不同形状使用。该电池结构主要是以线性螺旋Ni-Sn作为负极放置在中心，改性聚对苯二甲酸乙二醇酯作为隔膜，钴酸锂作为电池正极覆盖在铝线上，使用有机液体电解液注入螺旋空隙之中。相比较不是螺旋电极的柔性电池，该电池具有稳定的比容量；由于螺旋结构电解液能充分润湿电极活性材料和隔膜，电池内阻较小；整个电池弯曲、缠绕操作程度相对较小的情况下性能不受影响，可用于部分可穿戴柔性电子设备。但由于电池中间使用金属作为集流体和负极，导致该电池在弯曲、缠绕操作程度幅度较大时存在安全隐患，限制其发展，且其能量密度不高，只有0.89mWhcm^-3。后来，J. Park等在《Advanced Materials》 2015年第27卷1396-1401页的《All-solid-state cable-typeflexible Zinc–Air battery》一文中，提出了一种Zn-Air线性电池，该电池中间采用弯曲缠绕状的Zn金属作为负极电极，电解液采用凝胶电解质，接着把空气电极缠绕在其表面，该电池使用的凝胶电解质具有一定的弯曲特性，该线性电池具有高的理论比容量，弯曲状态下可工作。但由于所用的Zn金属相对比较硬，凝胶电解质厚度不易控制，造成整个电池内阻增大、极化增大，循环寿命不好等缺点，凝胶电解质不易大规模生产等。复旦大学Y. Zhang等2014年在《Journal of Materials Chemistry A》第2卷11054–11059页上发表了《Super-stretchy lithium-ion battery based on carbon nanotube fiber》一种可伸缩线性电池，相比较传统的片式结构电池，这种线性微型电池可应用于人们常穿的衣服布料，该电池利用双排直径微米级的碳纳米管纤维承载电极活性材料，弯曲缠绕在绝缘基体表面，填充凝胶电解质，电池在长度伸长600%条件下仍可工作，不影响其性能的发挥，但该电池中间基体部分占用大量空间从而造成总能量密度降低，电池成本较高。另外，以上线性将正极的极耳和负极的极耳分别放在线性电池的两端避免内部短路，由于电池在使用时正、负极的极耳必须连接用电器，这样会造成线性电池不能方便的缠绕。综合上述柔性线性电池发展情况，提高线性电池的柔性、方便使用及大副提高电池的能量密度是亟需解决的现实问题。

发明内容