[發(fā)明專利]一種結(jié)構(gòu)電池及結(jié)構(gòu)電池的功能鋪層

在審

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• 申請日: 2018-12-24
• 公開（公告）號: CN109786653A
• 公開（公告）日: 2019-05-21
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 朱輝;李躍軍;黃超;楊享文;南雪飛;高永;席柯;姜寶森
• 申請（專利權(quán)）人: 中國兵器工業(yè)導(dǎo)航與控制技術(shù)研究所
• 主分類號: H01M4/04
• 分類號: H01M4/04;H01M10/04;B64D27/26
• 代理公司: 中國兵器工業(yè)集團(tuán)公司專利中心 11011
• 代理人: 袁孜

本發(fā)明公開了一種結(jié)構(gòu)電池及結(jié)構(gòu)電池的功能鋪層，屬于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計和二次電池設(shè)計領(lǐng)域，其具有承力和供電和/或儲電的功能，一種結(jié)構(gòu)電池及一種結(jié)構(gòu)電池多功能鋪層，包括陽極、隔膜，陰極；隔膜(32)位于陽極(31)和陰極(33)之間防止陽極(31)和陰極(33)直接接觸；陽極、陰極為電池的兩極，隔膜(32)包含電解質(zhì)；其特征在于，陽極中含有一個或若干個導(dǎo)電的纖維絲。該鋪層可以作為結(jié)構(gòu)電池的組成部分，能減少飛行器上電池外殼等寄生零件，實現(xiàn)飛行器結(jié)構(gòu)系統(tǒng)和電池系統(tǒng)的減重。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計和二次電池設(shè)計領(lǐng)域，涉及具有承力和供電或儲電的多功能纖維復(fù)合材料鋪層組，用于組成層合板形式的結(jié)構(gòu)電池。

背景技術(shù)

越來越多的飛行器結(jié)構(gòu)采用纖維復(fù)合材料層合板，從而在滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度設(shè)計要求下實現(xiàn)輕質(zhì)化。纖維復(fù)合材料層合板是將多個單向纖維或織物預(yù)浸料按照一定的鋪層順序鋪貼后加熱加壓固化而成，每個單向纖維或織物預(yù)浸料構(gòu)成一個鋪層，因此纖維復(fù)合材料層合板具有很強(qiáng)的可設(shè)計性。在現(xiàn)有的纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計中，一般僅考慮層合板的力學(xué)性能。

二次電池又稱為可充電電池。現(xiàn)有二次電池包括陽極、陰極、隔膜、外殼等，通過電池內(nèi)部可逆的電化學(xué)反應(yīng)實現(xiàn)充電和放電。電池外殼等零件屬于電池的寄生零件，本身不能將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，又具有一定的質(zhì)量，影響二次電池的能量密度。當(dāng)現(xiàn)有二次電池應(yīng)用于對電能需求大而空載重量限制苛刻的飛行器時，所需的二次電池數(shù)量與所限制的二次電池重量就成為設(shè)計矛盾。此外，電池安裝位置附近的飛行器結(jié)構(gòu)需要特別加強(qiáng)，又導(dǎo)致飛行器結(jié)構(gòu)增重，難以達(dá)到輕質(zhì)化。

以現(xiàn)有太陽能無人機(jī)為例，要求盡可能降低結(jié)構(gòu)重量以提高飛行性能，一般采用碳纖維復(fù)合材料層合板構(gòu)成的梁作為主承力件。為實現(xiàn)太陽能無人機(jī)數(shù)周乃至數(shù)月的飛行，需要攜帶占全機(jī)重量50％以上的二次電池。二次電池需要通過額外的支架連接至主承力件結(jié)構(gòu)上。在現(xiàn)有太陽能無人機(jī)上的二次電池采用鋰硫電池，鋰硫電池存在多硫化鋰飛梭效應(yīng)、電池體積劇烈膨脹等問題，電容量衰減嚴(yán)重，充放電循環(huán)次數(shù)相對少，不如堿性鎳基二次電池和鋰離子二次電池安全可靠。

結(jié)構(gòu)電池是一種兼顧力學(xué)性能和電性能的設(shè)計新概念。為解決上述現(xiàn)有技術(shù)不足，如何利用纖維復(fù)合材料層合板尤其是內(nèi)部鋪層的可設(shè)計性，使之同時具有承力、供電和儲電的功能，安全可靠地實現(xiàn)結(jié)構(gòu)電池設(shè)計概念，就成為十分必要的問題。

現(xiàn)有航空器包括結(jié)構(gòu)和供電兩個相互獨立的分系統(tǒng)。結(jié)構(gòu)分系統(tǒng)起承力功能，使航空器具有足夠的強(qiáng)度和剛度以抵抗外部載荷作用；供電分系統(tǒng)用以維持飛行控制、電子設(shè)備乃至動力推進(jìn)等分系統(tǒng)的正常運行。

結(jié)構(gòu)分系統(tǒng)和供電分系統(tǒng)在滿足自身功能約束的前提下應(yīng)盡可能減重以提升航空器性能。為實現(xiàn)輕質(zhì)化，現(xiàn)有航空器的結(jié)構(gòu)越來越多地采用復(fù)合材料層合板，但層合板的鋪層內(nèi)不含電化學(xué)活性物質(zhì)，因此結(jié)構(gòu)自身不具備供電和儲電能力。現(xiàn)有航空器供電分系統(tǒng)中的電池主要由陽極、陰極、隔膜、電解質(zhì)以及外包裝殼等組成，電池內(nèi)發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，而電池自身不具備較大的承力能力。

對于以高空偽衛(wèi)星為代表的航空器，所需二次電池數(shù)量多，重量大，電池安裝位置受到結(jié)構(gòu)內(nèi)部空間、飛行配平等因素的限制。同時，為承擔(dān)二次電池這一較大的集中載荷，電池安裝位置附近的結(jié)構(gòu)需要充分加強(qiáng)，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)增重。此外，二次電池與機(jī)載設(shè)備等分系統(tǒng)之間存在一定的分布距離，導(dǎo)致連接電纜較長，電纜增重問題顯著。當(dāng)航空器重量限制嚴(yán)苛?xí)r，對結(jié)構(gòu)和電池分別進(jìn)行減重已暴露出較大的局限性，不易實現(xiàn)。