一种基于铝金属的承载-储能一体化系统的制作方法

本发明涉及一种基于铝金属的承载-储能一体化系统，属于储能材料领域。

背景技术：

随着科学技术日新月异的发展，各种新产品、新装备层出不穷，这些设备很多都以电能为驱动力来源，而且也集成了越来越多的功能。在储能系统能量密度一定的情况下，储能器件的搭载量、相应所占的比重和体积也就越来越大。而另一方面，新形势下对设备轻量化、小型化的要求也与日俱增，尤其是在微型飞行器等军事及航天航空等领域，对结构体积、重量和系统续航能力的要求非常苛刻。在这种情况下，通过承载结构与储能器件的一体化来实现两方面效率的提升就成为了一个很有意义和应用前景的选择。

实现承载-储能一体化的核心问题是找到同时具有优异的力学性能和储能特性的材料。现有专利CN201310225680提出了一种基于碳纤维布的结构化电容器，具有承载-储能一体化功能，不过由于电容器容量低，储能能力很有限，而且只能承受拉伸载荷，承载能力也很有限。

目前存在的储能形式主要是指基于电化学原理的储能方式，包括基于离子传输的电池(如锂/钠/镁/铝离子电池等)、超级电容器(即电化学电容器)、燃料电池、金属-空气电池等。而在这方面金属类材料，包括单一金属和各种合金，有巨大的发展和应用前景。这是因为金属类材料在承载领域和储能领域都有着广泛的应用和发展前景。以铝及铝合金为例，一方面铝合金作为理想的轻量化材料，所构造的结构件在飞行器、地面交通工具等方面的应用随处可见。而另一方面，铝基材料作为储能系统的核心组分也被广泛的研究并展现了优越的性能，包括基于铝基负极的锂电池、铝离子电池、铝-空电池等。这里的铝基材料既包括铝单质，也包括各种铝基合金，如铝-锡合金、铝-锰-硅合金等。显然，以铝为代表的金属材料为结合点，来构造承载-储能一体化系统具有先天优势。

技术实现要素：

本发明的目的是构建一种承载-储能一体化系统，可应用于需要电能作为驱动力来源的设备中，既作为结构件用来支撑设备、承受外载荷，又作为储能件储存和释放电能供设备使用，以此实现设备轻量化、节约储能件占用空间等目的。

本发明的上述目的通过以下技术方案实现：

本发明的一种基于铝金属的承载-储能一体化系统，包括点阵结构的芯子和粘固在芯子上下两侧的面板；

所述芯子包括作为电池负极的金属外壳、电池正极、包裹电池正极的隔膜和离子液体电解液；

所述电池正极包括碳纤维布和粘结在碳纤维布表面的石墨颗粒；

所述隔膜为玻璃纤维滤纸；

所述离子液体电解液由AlCl3和1-乙基-3-甲基咪唑氯化物按质量比为1.1～1.5:1搅拌混合制备而成。

所述金属外壳由铝或铝合金制备而成。

所述面板为采用碳纤维树脂复合材料或铝金属材料加工而成的直板。

所述的石墨颗粒通过聚偏氟乙烯(PVDF)粘接在碳纤维布表面。

所述芯子与上下两侧的面板通过环氧树脂粘固。

本发明的一种基于铝金属的承载-储能一体化系统的制备方法，具体步骤如下：

1)将石墨颗粒与聚偏氟乙烯(PVDF)混合均匀后涂覆于碳纤维布，在120℃烘箱中干燥12小时，作为电池正极；

2)在高纯氩气环境下，将AlCl3和1-乙基-3-甲基咪唑氯化物按质量比为1.1～1.5:1搅拌混合制备成离子液体电解液；

3)采用铝金属材料加工成点阵结构金属外壳；

4)采用玻璃纤维滤纸作为隔膜包裹电池正极，放入金属外壳，在高纯氩气环境下向金属外壳内注入电解液，采用铝塑膜进行整体密封，构成芯子；

5)将制备好的芯子上下两侧通过环氧树脂分别固定面板，得到基于铝金属的承载-储能一体化系统。

有益效果

本发明的充分利用金属材料在承载方面的优越性能和在储能领域的诸多应用可能性和巨大发展潜力，以此作为基础构造结构化储能系统，实现承载-储能的一体化。相较于目前结构化储能的一些初步探索，在材料的选择方面不仅具有先天优势，更具有非常多的发展和拓展可能性，为承载-储能一体化提供了一条宽阔的新思路。

附图说明

图1为本发明铝基承载-储能一体化系统的结构示意图。

图2为实施例得到铝基承载-储能一体化系统的垂直于面板方向压缩实验应力-应变曲线；

图3为实施例得到铝基承载-储能一体化系统的充放电曲线；

图中：1-面板；2-芯子；3-金属外壳；4-隔膜；5-石墨颗粒；6碳纤维布；

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的内容作进一步描述。

实施例1

本发明的一种基于铝金属的承载-储能一体化系统，如图1所示，包括点阵结构的芯子2和粘固在芯子2上下两侧的面板1；

所述芯子2包括作为电池负极的金属外壳3、电池正极、包裹电池正极的隔膜4和离子液体电解液；

所述电池正极包括碳纤维布6和粘结在碳纤维布6表面的石墨颗粒5；

所述隔膜4为玻璃纤维滤纸；

所述离子液体电解液由AlCl3和1-乙基-3-甲基咪唑氯化物按质量比为1.3:1搅拌混合制备而成。

所述金属外壳3为厚度0.5mm型号1235铝合金制备而成。

所述面板1为采用碳纤维材料加工而成的厚度3mm的直板。

所述的石墨颗粒5通过PVDF粘接在碳纤维布6表面。

所述芯子2与上下两侧的面板1通过环氧树脂粘固。

本发明的一种基于铝金属的承载-储能一体化系统的制备方法，具体步骤如下：

1)将石墨颗粒5与PVDF按质量比8:2混合均匀后涂覆于碳纤维布6，在120℃烘箱中干燥12小时，作为电池正极；

2)在高纯氩气(纯度≥99.999％)环境下，将AlCl3和1-乙基-3-甲基咪唑氯化物按质量比为1.3:1搅拌混合制备成离子液体电解液；

3)采用型号为1235的铝合金材料加工成厚度为0.5mm的点阵结构金属外壳3；

4)采用玻璃纤维滤纸(GF/A，Whatman)作为隔膜4包裹电池正极，放入金属外壳3，在高纯氩气(纯度≥99.999％)环境下向金属外壳3内注入电解液，采用铝塑膜进行整体密封，构成芯子2；

5)将制备好的芯子2上下两侧通过环氧树脂分别固定厚度3mm碳纤维面板1，得到基于铝金属的承载-储能一体化系统。

将实施例得到的基于金属材料的承载-储能一体化系统进行垂直于面板方向压缩实验，得到如图2所示的应力-应变曲线；将实施例得到的基于金属材料的承载-储能一体化系统进行储能能力测试，得到如图3所示的为充放电曲线；通过应力-应变曲线和充放电曲线可以看出，本发明的基于金属材料的承载-储能一体化系统具备较好的承载和储能效果。