[發明專利]嵌入型薄膜一體化儲能結構、制備方法與應用

在審

• 申請號: 202310409133.3
• 申請日: 2023-04-17
• 公開（公告）號: CN116387644A
• 公開（公告）日: 2023-07-04
• 發明（設計）人: 張永毅;詹家昊;曹玉芳;李清文
• 申請（專利權）人: 中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所
• 主分類號: H01M10/38
• 分類號: H01M10/38;H01M10/36;H01M10/04;H01M50/102;H01M50/122;B33Y10/00;B33Y70/10;B33Y80/00;B29C64/10
• 代理公司: 南京利豐知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 32256
• 代理人: 王鋒

本發明公開了一種嵌入型薄膜一體化儲能結構、制備方法與應用。所述制備方法包括：形成結構前體，其具有敞口的容置空間；將薄膜儲能器件置入容置空間中；繼續通過3D打印覆蓋打印材料，使敞口閉合或縮小，形成3D打印結構；向容置空間中灌注固定膠，獲得嵌入型薄膜一體化儲能結構。本發明所提供的嵌入型薄膜一體化儲能結構能夠取代傳統的電池組，將儲能器件直接集成到系統本身所需的結構支撐上，有效實現空間、質量和成本上的節省；另外，相比較繁瑣的傳統碳纖維增強環氧真空固化工藝組裝的嵌入型結構儲能器件，本發明提供的嵌入型薄膜一體化儲能結構在實現結構精準性、模型多樣性和材料可回收性方面有著更為顯著的優勢。

技術領域

本發明涉及結構儲能材料技術領域，尤其涉及一種嵌入型薄膜一體化儲能結構、制備方法與應用。

背景技術

減少溫室氣體排放、提高燃油經濟性和優化儲能系統是電動和混合動力汽車的主要要求。減輕車輛重量以及使用可承重的儲能系統是滿足這些要求的一種方法。當前減輕車輛重量的方法是用更輕的碳纖維增強聚合物(CFRP)層壓板和夾層復合材料代替沉重的車身和底盤材料，如鋼鐵。然而，在目前的設計中，使用電力作為驅動的一個缺點是車輛需要大量的高儲能能力的電池，這需要大量的車輛空間，大大增加了汽車質量。為了實現這一目標，研究人員提出了多功能復合材料的概念，即單一的材料或結構兼顧兩種或以上的功能。近年來，具有多功能性(兼顧高機械強度并具有良好儲能能力)的碳纖維增強復合材料在結構儲能器件領域備受矚目(Journal?of?Composite?Materials，2009，43(5)：549-560)。目前，實現一體化結構儲能的一種方法就是將儲能器件直接嵌入碳纖維增強的復合材料中。這種嵌入型結構儲能由于工藝簡單，且能夠很容易兼顧結構支撐和儲能功能而備受青睞，在未來結構儲能系統設計上具有巨大應用前景。

目前為止，所嵌入的電池主要分為兩類：軟包鋰離子電池、薄膜鋰離子電池。現有的儲能體系主要集中在鋰離子電池，相比較水系鋅離子電池，鋰離子電池存在成本高、組裝且運行環境苛刻、安全性差等問題，且嵌入的電池通常比較厚，對碳纖維增強復合材料層合板的力學影響比較大(Composites?Part?A：Applied?Science?and?Manufacturing，2020，136：105966.Composites?Science?and?Technology，2008，68(7-8)：1935-1941.)。另外，嵌入型結構儲能依舊處于試驗初級階段，實驗結果比較分散、缺乏相關的理論分析模型即評價機制，結構儲能的綜合性能有待提高[1]；現有的碳纖維增強結構儲能研究主要采用傳統碳纖維增強環氧真空固化工藝來組裝嵌入型結構儲能器件(Composite?Structures，2019，220(15)：677-686.Energy?Storage?Materials，2020，24：676-681.)，這種嵌入型結構儲能工藝繁瑣，雖然可以節省系統的體積，但難以實現輕量化、結構多樣化以及碳纖維增強復合材料的回收利用。因此，在未來結構儲能發展中迫切需要我們開發新型結構儲能體系，來實現高效輕量化結構儲能器件的可控組裝。

我們結合傳統碳纖維增強環氧固化工藝和新型熱塑性碳纖維3D打印技術，將鋅錳薄膜電池嵌入到碳纖維夾層結構中，組裝嵌入型碳纖維增強鋅錳結構電池，可以在結構精準性、模型多樣性和材料可回收性方面實現更為顯著的優勢。

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嵌入型薄膜一體化儲能結構、制備方法與應用。

為實現前述發明目的，本發明采用的技術方案包括：

第一方面，本發明提供一種嵌入型薄膜一體化儲能結構的制備方法，其包括：

通過3D打印形成結構前體，所述結構前體中設置有具有敞口的容置空間；

將薄膜儲能器件置入所述容置空間中；

繼續通過3D打印在所述結構前體上覆蓋打印材料，以使所述敞口閉合或縮小，形成3D打印結構；