[發明專利]一種纖維狀水系二次電池一體化工業級制備方法

有效

• 申請號: 202010419833.7
• 申請日: 2020-05-18
• 公開（公告）號: CN111697274B
• 公開（公告）日: 2023-04-07
• 發明（設計）人: 彭慧勝;洪揚;王兵杰;陳培寧;程勛亮
• 申請（專利權）人: 復旦大學
• 主分類號: H01M10/38
• 分類號: H01M10/38;H01M4/62;D01D5/06;D01D5/12;D01D5/30;D01D10/06;D01F1/09;D01F8/02;D01F8/10;D01F8/16;D01F8/18
• 代理公司: 上海正旦專利代理有限公司 31200
• 代理人: 王潔平

本發明屬于水系二次電池技術領域，具體為一種纖維水系二次電池一體化工業級連續制備方法。本發明通過多通道注液方法，將各種功能材料如正極漿料、負極漿料、凝膠電解質等同時擠出成型，實現纖維水系二次電池的一體化連續構建；同時采用牽伸后處理技術，首次實現了對纖維水系二次電池的多級牽伸處理，提高了器件的穩定性和力學性能；通過在線熱封裝技術，實現纖維干燥和器件封裝一體化。本發明實現了纖維水系二次電池快速穩定地一體化連續構建，所得纖維器件具備優異的結構穩定性，使得它們可以與其他化纖混編或者單獨編織成織物，在可穿戴電子領域具有廣闊的應用前景。

技術領域

本發明屬于水系二次電池技術領域，具體涉及一種纖維狀水系二次電池一體化工業級制備方法。

背景技術

可穿戴電子設備已經成為現代電子工業的主流發展方向，越來越多的現代電子設備正朝著微型化、輕量化、柔性化和集成化的應用要求發展，而開發質輕、柔性的可穿戴儲能系統成為了限制該領域發展的瓶頸問題[1]。這是因為傳統的儲能系統（超級電容器和鋰離子二次電池）為剛性、塊狀結構，不可彎曲、沒有柔性且體積較大。近年來發展起來的平面狀[2,3]和纖維狀[4,5]儲能器件都可滿足柔性和質輕要求；尤其纖維狀儲能器件更是具有一些獨特的結構優勢，如可以彎曲、拉伸甚至三維扭曲等較大變形，易于集成，并能通過成熟的紡織技術，形成具有良好柔性和高透氣性的儲能織物。

盡管目前纖維狀儲能器件的研究受到學術界和工業界的關注，但是目前報道的制備方法都比較復雜。以纖維狀鋰離子二次電池為例，目前只能通過實驗室手工制備，制備過程往往比較復雜且制備效率低下，尚無法實現規模化地連續制備；現有制備方法包括活性物質的負載、纖維電極的制備、凝膠電解質的涂覆、整體器件的組裝和封裝等多步工序[6,7]。這些復雜的工序造成了纖維狀鋰離子二次電池的制備效率低、成本高、無法工業級批量化生產，而且其長度被限制在厘米級別且性能不夠穩定，從而嚴重制約了纖維狀鋰離子二次電池的進一步發展及其應用。例如目前幾乎所有的儲能織物的構建都是將制備好的纖維狀器件植入到傳統織物上，原因是這些纖維器件尚無法滿足機械化的編織工藝要求。此外目前纖維狀鋰離子二次電池的構型主要有纏繞式和同軸式兩種[8]。其中纏繞式結構的纖維狀鋰離子二次電池存在力學結構穩定性不足的問題，例如在彎曲形變過程中兩根纖維電極容易彼此脫離而導致整個器件解體，并會發生兩根電極接觸甚至造成斷路的問題。同軸式結構的纖維狀鋰離子二次電池雖然結構穩定性好，但存在內外層活性物質容量匹配困難的問題。

以上，已公開報道的纖維狀鋰離子二次電池的器件結構（纏繞式和同軸式）均存在自身的不足，這些限制因素嚴重制約了纖維狀水系二次電池的進一步發展和規模化應用。且目前基于有機電解液的纖維狀鋰離子二次電池存在燃燒、爆炸的潛在危險。因此開發適用于纖維狀水系二次電池的工業化制備工藝路線，解決從實驗室到工業化放大生產過程中結構和性能的可靠性與穩定性等關鍵技術難題，是纖維狀水系二次電池走向市場必須要解決的問題。

發明內容

針對現有技術的不足，本發明的目的在于提供一種通過溶液紡絲一體化實現纖維水系二次電池的方法。本發明通過多通道注液方法將各種功能材料包括正極漿料、負極漿料、凝膠電解質等同時擠出成型，實現纖維水系二次電池的一體化連續構建；通過采用牽伸后處理技術，首次實現了對纖維水系二次電池的多級牽伸處理，提高了器件的穩定性、導電性能和力學性能；通過在線熱封裝技術，實現了纖維干燥和器件封裝一體化。本發明能實現結構穩定、性能優異的纖維水系二次電池的工業級規模化連續制備。本發明的技術方案具體介紹如下。

一種纖維水系二次電池的一體化工業級制備方法，具體步驟如下：

（1）電極漿料的配制：將聚合物粘結劑、碳納米導電材料、金屬粒子導電劑、電極活性材料按照一定配比經機械攪拌獲得可紡電極漿料，正、負極漿料除了電極活性材料不同，其他組分配方一致；

（2）水系凝膠電解質紡絲原液的配制：將鋰鹽溶于聚合物高分子水溶液中得到具有一定粘度的水系凝膠電解質紡絲原液；