[發明專利]一種集儲能-結構一體化的多功能儲能裝置及其制備方法

有效

• 申請號: 201310225680.2
• 申請日: 2013-06-07
• 公開（公告）號: CN103337379A
• 公開（公告）日: 2013-10-02
• 發明（設計）人: 李素敏;趙玉濤;張釗;劉方方;顧巖巖
• 申請（專利權）人: 江蘇大學
• 主分類號: H01G11/48
• 分類號: H01G11/48;H01G11/52;H01G11/56;H01G11/84;H01G11/86
• 代理公司: 南京經緯專利商標代理有限公司 32200
• 代理人: 樓高潮

技術領域

?????本發明涉及電化學電容器技術領域，特別涉及一種集儲能-結構一體化的多功能結構電容器及其制備方法。

背景技術

隨著電動汽車、混合動力汽車等新能源汽車的迅速發展，對傳統儲能器件提出了更高的要求，電源減重成為新能源汽車技術推廣應用的重中之重，經濟高效、低碳環保的綠色能源存儲體系的需求十分迫切；尤其在航空航天領域，塊狀電池質量大、體積大的缺點尤為突出；如何降低儲能器件的質量和體積、提高其有效容量，降低系統質量、提高系統效率是當前急需解決的技術難題；多功能結構電源技術成為解決此問題的有效途徑之一，多功能結構電源是將電源與承力結構結合起來形成一個整體，既能夠提供能量又能作承力結構材料，對于提高材料利用率、降低系統質量和體積、提高系統效率意義重大。

碳纖維增強環氧樹脂（CF/EP）基復合材料因兼具優異的力學特性及炭材料固有的物理化學特性，成為多功能結構電源材料的研究熱點；Tony?Carlson（Composites?Science?and?Technology，70?(2010)1135–1140）采用碳纖維/環氧樹脂預浸料作電極材料，以聚合物薄膜為隔膜制備多功能結構電容器，所制備的電容器具備一定的力學承載功能；對于炭材料電容器，其工作原理是利用電極材料和電解質界面形成雙電層來儲存電荷,炭材料的比表面積及表面性質是影響電容器電化學性能的重要因素；由于電極材料直接采用碳纖維/環氧樹脂預浸料半成品制成，電極材料制備工藝及電容器體系設計比較單一，導致電容器儲能效果偏低，距離實際應用還有很大差距。

發明內容

本發明的目的是為了克服現有技術中存在的缺點和不足，以活化處理過的聚丙烯腈基碳纖維布為電極材料，以環氧樹脂基凝膠聚合物為電解質，玻璃纖維布為隔膜，而制備的一種集儲能-結構一體化的多功能儲能裝置。

本發明通過下述技術方案來實現，設計一種結構電容器，包括電極、電解質、隔膜，其特征在于采用經過活化處理的聚丙烯腈基碳纖維布制作電極材料，以環氧樹脂、電解質鹽、增塑劑組成環氧樹脂基凝膠聚合物電解質體系。

上述的活化處理過的聚丙烯腈基碳纖維布為經過KClO₃與H₂SO₄混合溶液處理后再經過空氣氧化處理的碳纖維布，具體步驟如下：

1、碳纖維布除膠處理

以丙酮和乙醇按其體積比為1：2為溶劑，將聚丙烯腈基碳纖維布浸泡24h，然后用去離子水洗凈，80℃干燥12h。

2、碳纖維布液相氧化

將步驟1處理過的聚丙烯腈基碳纖維布用去離子水超聲清洗30min，浸入體積比為1:1的KClO₃與H₂SO₄的混合溶液中，KClO₃的質量百分濃度為5~15%，H₂SO₄的質量百分濃度為20~40%，碳纖維布與KClO₃與H₂SO₄的混合溶液的質量比為1：80，攪拌，加熱，60～100℃對碳纖維布處理1～3h；將氧化處理后的碳纖維布取出用去離子水洗至中性，放入鼓風干燥箱內80℃干燥12h。

3、碳纖維布氣相氧化

將步驟2處理過的聚丙烯腈基碳纖維布放入高溫爐，以5℃/min升溫速率升溫至300～600℃，保溫0.5～2h，隨爐降溫冷卻。

緣于制備及加工過程中的原因，碳纖維表面含有許多裂縫和缺陷，包括表面結晶缺陷、微纖界面、微纖中的彎曲和纏結或表面凹坑等，裂縫和缺陷起著應力集中點的作用，是降低碳纖維強度的主要原因；采用KClO₃與H₂SO₄液相氧化和空氣氣相氧化相結合對碳纖維進行活化處理，不僅可有效消除碳纖維表面的裂縫和缺陷提高碳纖維的抗拉強度，而且可增加碳纖維的表面粗糙度提高其比表面積，該方法操作簡單、成本低廉、適用性強且效果顯著。

上述的環氧樹脂為雙酚A型環氧樹脂經胺類固化劑交聯固化而成；為常用的環氧樹脂，這里不再仔細描述。

上述的隔膜為玻璃纖維布。