结构一体化电池及其制备方法、带电池的设备

【技术领域】

本发明涉及储能技术领域，尤其涉及一种结构一体化电池及其制备方法、带电池的设备。

背景技术：

对于传统的电子设备、电动汽车或者无人机，一般做法是将电池集中安置在机身中，电池组体积重量较大。在现有的电池安装中，由于电池组安装较为集中，往往还需要在对应的电子设备、电动起车或无人机内额外设置的支撑结构为电池组提供安装收容空间，因此需要设置额外的空间以安装固定对应的电池组，因此，导致带电池的设备整体体积和重量都较大，因此，亟待提供一种新型的电池结构，以解决电池组体积大、重量较大的问题。

技术实现要素：

为克服现有技术中存在电池组以及安装有电池的设备体积、重量大的技术问题，本发明提供一种结构一体化电池及其制备方法、带电池的设备。

本发明为了解决上述技术问题，提供以下技术方案：一种结构一体化电池，其包括正极网络结构，在所述正极网络结构的网格内还设有固态电解质层以及负极骨架，在正极网络结构与固态电解质层之间设置正极材料，在固态电解质层与负极骨架之间设置负极材料，所述正极网络结构与所述负极骨架提供支撑结构，以使所述结构一体化电池同时具备结构功能及电池储能功能。

优选地，所述结构一体化电池中负极骨架为串联连接。

优选地，在所述负极骨架之内还设有传感控制单元，以对所述结构一体电池的运行数据进行检测。

优选地，所述负极骨架包括多孔结构，所述负极骨架与所述固态电解质层之间、以及所述负极骨架内设有填充负极材料的孔隙。

优选地，所述正极网络结构的网格的横截面为正六边形、圆形、正方形、椭圆形、不规则图形中的任一种。

优选地，所述正极网络结构包括金属骨架、导电碳纤维骨架、导电半导体骨架中任一种或几种的组合。

本发明为了解决上述技术问题，还提供以下技术方案：一种带电池的设备，其包括如上所述结构一体化电池，结构一体化电池作为带电池的设备的外壳或结构件。

优选地，所述带电池的设备包括电子装置、电动交通工具、飞行装置中任一种或几种。

本发明为了解决上述技术问题，还提供以下技术方案：一种结构一体化电池的制备方法，包括以下步骤：步骤s1，提供具有多孔结构的负极骨架；步骤s2，在所述负极骨架的多孔结构中填充负极材料；步骤s3，在负极材料的表面生长形成固态电解质层，以获得电池预制件；步骤s4，提供多个正极骨架，多个正极骨架形成容纳多个电池预制件的网络结构，将所述电池预制件设于网络结构内，并在形成网络结构的所述正极骨架与所述固态电解质层之间填充正极材料；及步骤s5，分别连通正极骨架、负极骨架，以获得所需结构一体化电池。

本发明为了解决上述技术问题，还提供以下技术方案：所述结构一体化电池的制备方法，其包括以下步骤：步骤p1，提供正极网络结构，所述正极网络结构包括多个网格；步骤p2，在所述网格内形成负极骨架；及步骤p3，在网格与负极骨架之间形成固态电解质层，进一步在负极骨架与固态电解质层之间填充负极材料；在正极骨架与固态电解质层之间填充正极材料。

与现有技术相比，本发明提出一种结构一体化电池及其制备方法、带电池的设备具有如下的有益效果：

本发明所提供的结构一体化电池其包括正极网络结构，在所述正极网络结构的网格内还设有固态电解质层以及负极骨架，在正极网络结构与固态电解质层之间设置正极材料，在固态电解质层与负极骨架之间设置负极材料，所述正极网络结构与所述负极骨架提供支撑结构，以使所述结构一体化电池同时具备结构功能及电池储能功能。此外，将结构一体化电池以分布式嵌入到待安装电池组的设备结构中，可使能源器件与结构件高效融合，有利于减轻设备重量，减小设备体积，增加设备有效载荷，增加设备使用寿命。

进一步地，由正极骨架相互拼接形成一个连续的正极网络结构。可进一步加强由多个结构一体化电池单元组成的电池整体的结构强度，而且可以进一步减少其所占的体积。

在本发明中，为了提高所述结构一体化电池的结构稳定性，在所述结构一体化电池中，负极骨架为串联连接，从而可提高多个结构一体化电池单元10的负极骨架的一体性，以及简化制备流程。

所述结构一体化电池内设有传感控制单元，所述传感控制单元可对结构一体化单元内部的温度、压力、电流、电势、内阻等进行实时检测，从而提高电池的可控性、稳定性和安全性。

为了进一步提高结构一体化电池单元的结构强度，则所述负极骨架可设置为多孔结构，所述负极骨架与所述固态电解质之间，以及所述负极骨架内设有填充负极材料的孔隙。具有多孔结构的负极骨架可为所述固态电解质提供有力支撑，而填充孔隙的负极材料则可进一步提高整体结构强度同时，也能保证电池整体运行的稳定性。

在本发明中，所述正极网络结构的网格的横截面为正六边形、圆形、正方形、椭圆形、不规则图形中的任一种。不同的形状可满足多样化电池装置使用场景的需求。

本发明所提供一种带电池的设备，其包括如上所述结构一体化电池，结构一体化电池作为带电池的设备的外壳或结构件。多功能结构储能复合材料存储电能的同时可进行承载充当结构材料，能有效减轻系统的质量、缩小系统的体积、简化设计，提高系统的效能。利用分布式布局能源、结构与信息一体集成，能量与信息耦合操作，实现可编程、自适应的分布式能源支撑。

所述带电池的设备包括电子装置、电动交通工具、飞行装置中任一种或几种。所述结构一体化电池可作为带电池的设备的结构件使用，也可用于飞行装置的底盘，以充分利用带电池的设备的有限空间，在该空间内设置结构功能一体融合的锂电池，从而可使所述带电池的设备在满足原有运行需求的同时，还可以进一步减轻所述带电池的设备的重量及体积。

本发明为了解决上述技术问题，还提供两种制备结构一体化电池的方法，所述结构一体化电池的制备方法可制备获得同时满足结构需求及电池储能需求的电池，以满足结构件性能需求的同时，可对制备工艺进行控制，从而可提高制备获得的结构一体化电池的稳定性和安全性。

【附图说明】

图1是本发明第一实施例提供的结构一体化电池单元的平面结构示意图。

图2是图1中a处放大示意图。

图3是图1中所示又一实施方式的结构示意图。

图4是图1中所示结构一体化电池电源的立体结构示意图。

图5是图1中所示结构一体化电池电源另一实施方式的平面结构示意图。

图6是本发明第二实施例提供的结构一体化电池的结构示意图。

图7是结构一体化电池的拼接方式的平面结构示意图。

图8是结构一体化电池的另一种拼接方式的平面结构示意图。

图9是结构一体化电池的另一种拼接方式的平面结构示意图。

图10是本发明第三实施例提供的结构一体化电池的结构示意图。

图11是本发明第四实施例提供的带电池的设备的模块化示意图。

图12是本发明第五实施例提供飞行装置的示意图。

图13是图12中b处所示放大示意图。

图14是图13中c处所示放大示意图。

图15是本发明第六实施例提供的结构一体化电池的制备方法的流程步骤示意图。

图16是本发明第六实施例提供的另一实施方式的结构一体化电池的制备方法的流程步骤示意图。

附图标识说明：

10、结构一体化电池单元；101、正极骨架；102、正极材料；103、负极骨架；104、负极材料；105、固态电解质层；11、第一容纳腔体；12、第二容纳腔体；1041、孔隙；106、传感控制单元；

20、结构一体化电池；200、正极网络结构；210、网格；

30、结构一体化电池；301、正极网络结构；3011、网格；302、固态电解质层；303、负极骨架；304、正极材料；305、负极材料；

40、带电池的设备；50、飞行装置。

【具体实施方式】

为了使本发明的目的，技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施实例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本说明书中提到的“一个实施例”、“优选实施例”、“实施例”或“多个实施例”是指结合实施例所描述的特定特征、结构、特性或功能包括在本发明的至少一个实施例中并可以在超过一个实施例中。在本说明书中的各位置出现短语“在一个实施例中”、“在实施例中”或“在多个实施例中”不一定都是指同一个实施例或相同多个实施例。

在说明书中各处使用特定术语用于例示，不应理解为限制性的。服务、功能或资源不限于单一服务、功能或资源；使用这些术语可以指分组的相关服务、功能或资源，它们可以是分布式或聚集式的。

请参阅图1，本发明的第一实施例提供一种结构一体化电池单元10，其包括正极骨架101、正极材料102、负极骨架103、负极材料104以及固态电解质层105，其中，正极骨架101设于最外层，为所述结构一体化电池单元10提供外层支撑；如图1中所示，所述正极骨架101围合形成一第一容纳腔体11，在所述第一容纳腔体11内可填充正极材料102。在所述正极材料102之内，还可包括由固态电解质层105围合形成的第二容纳腔体12，在所述第二容纳腔体12之内还设有负极骨架103，所述负极骨架103可为所述固态电解质层105提供支撑。

如图2中所示，所述负极骨架103包括多孔结构，所述负极骨架103与所述固态电解质层105之间，以及所述负极骨架103内具有可填充负极材料104的孔隙1041。通过这样的结构设置，可以极大地增强所述结构一体化电池单元10的强度。

可以理解，为了使所述正极骨架101围合形成形状的强度更高，因此，所述正极骨架101围合形成第一容纳腔体11的横截面为正六边形。在本实施例其他的实施方式中，为了满足不同的需求，所述正极骨架101围合形成形状的横截面还可为圆形、正方形、椭圆形，不规则图形中的任一种。

所述结构一体化电池单元10中所述第一容纳腔体11的横截面的尺寸为1μm-50mm，具体地，其横截面的最大尺寸还可为5μm-800μm、10μm-5mm、500μm-10mm、700μm-30mm以及900μm-50mm。所述第一容纳腔体11的横截面的最大尺寸的限定可便于在更小的体积内集成更多的结构一体化电池单元10。可以理解，当所述第一容纳腔体11的横截面为正六边形时，其最大尺寸为正六边形的对角线；当所述第一容纳腔体11的横截面为圆形时，其最大尺寸为圆形的直径；当所述第一容纳腔体11的横截面为正方形时，其最大尺寸为正方形的对角线。

为了使所述结构一体化电池单元10的电池性能以及结构性能更优，所述第二容纳腔体12与所述第一容纳腔体11的中心重叠。具体地，所述第二容纳腔体12的横截面的形状可与所述第一容纳腔体11的横截面的形状一致，同为正六边形。可以理解，所述第二容纳腔体12的横截面的形状还可为圆形。在本实施例中另外的具体实施方式中，又如图3中所示，所述第一容纳腔体11的形状可为三角形，所述第二容纳腔体12的形状也可为圆形。

为了在保证其强度的同时，增加单个所述结构一体化电池单元10的电池容量，则可根据实际需要，在保持所述正极骨架101围合形成形状的横截面不变的基础上，延长所述正极骨架101的长度。如图4中所示，所述正极骨架101为正六面体。则对应的第一容纳腔体11的横截面可为正六边形。

为了同时满足对所述结构一体化电池单元10的结构强度以及电池功能的需求，则需要对所述正极骨架101、正极材料102、负极骨架103、负极材料104以及固态电解质层105的材质做进一步的限定。

具体地，所述正极骨架101包括金属框架、导电的碳纤维、导电的半导体框架等。所述正极材料102包括钴酸锂、磷酸铁锂、镍钴锰三元材料、镍钴铝、磷酸钒锂、锰酸锂、镍酸锂等中任一种或几种的组合。

所述负极骨架103可包括但不受限于不锈钢、铜、镍、铝、金、银、铬、铂、钛等材质中任一种或几种的组合。在本实施例中，所述负极骨架103也可理解为由上述材料所形成的多孔结构材料。所述负极材料104可包括金属锂、石墨、钛酸锂、硅负极合金等。

进一步地，设置在所述正极材料102与所述负极骨架103之间的固态电解质层105的材料可包括如li3n、硫化物、无定形硼酸盐(li2o-b2o3–sio2)、硅酸盐(li2o-v2o5-sio2)、lipon、li3xla2/3-xtio3(llto)，linbo3、litao、li1+xmxti2-x(po4)3(latp)、li3ocl、li7la3zr2o12(llzo)中任一种等。

进一步地，如图5中所示，在另外的一些实施方式中，为了可以更好地对结构一体化电池单元10进行实时的监控，则可在上述固态电解质层105围合形成的第二容纳腔体12内设置传感控制单元106。具体地，所述传感控制单元106可设置在所述由所述负极骨架103之内。对应的传感控制单元106可对所述结构一体化电池单元10内部的运行状态进行实时的检测，以对所述结构一体化电池单元10的温度、压力、电流、电势、内阻等进行探测，从而可便于对结构一体化电池单元10内部的维度、压力等信息进行实时检测，从而保证每个结构一体化电池单元10的安全稳定运行，以提高所述结构一体化电池单元10的使用寿命及安全性。

请参阅图6，本发明的第二实施例提供一种结构一体化电池20，所述结构一体化电池20包括多个如第一实施例中所述结构一体化电池单元10组成。具体地，如图7中所示，所述结构一体化电池单元10的正极骨架101围合形成形状的横截面为正六边形。当多个所述结构一体化电池单元10拼接时，则如图7中所示，相邻设置的所述结构一体化电池单元10之间的正极骨架101相互拼接形成一个连续的正极网络结构200。

所述正极网络结构200包括多个网格210，也即，由正极骨架101拼接形成多个网格210。具体地，形成的多个网格210之内设有固态电解质层105以及设于固态电解质层105之内的负极骨架103，其中，所述负极骨架103可为所述固态电解质层105提供支撑。为了使所述结构一体化电池30具备电池储能功能，则在所述正极网络结构200与固态电解质层105之间设置正极材料102，在固态电解质层105与负极骨架103之间设置负极材料104。

所述正极网络结构200与所述负极骨架103为整体电池提供支撑结构，以使所述结构一体化电池20同时具备结构功能及电池储能功能。在本实施例中，单个所述结构一体化电池单元10同样也具有结构功能及电池储能功能。

所述结构一体化电池20中的多个结构一体化电池单元10可为分布式设置。进一步地，为了使拼接的多个所述结构一体化电池单元10之间形成一个电池整体，则每个所述结构一体化电池单元10之间的正极骨架101、负极骨架103分别电性连通。其中，相邻设置的所述结构一体化电池单元10之间共用正极骨架101。

其中，多个结构一体化电池单元10之间的电性连接关系为串联连接。在所述整个电池的正极、负极通过电连接连通到正极骨架101和负极骨架103上。可以理解，在所述结构一体化电池20中，为了提高多个结构一体化电池单元10的负极骨架的一体性，以及简化制备流程，因此在制备的过程中，可将所述负极骨架103串联连接。

如图8中所示，为了满足不同的使用需求，所述结构一体化电池20可包括层状分布的多个结构一体化电池单元10。

如图9中所示，所述结构一体化电池20也可包括呈现堆叠状拼接的多个结构一体化电池单元10。

可以理解，在实际使用过程中，所述结构一体化电池20还可由多种不同尺寸和/或不同形状的结构一体化电池单元10组成，以满足不同的结构强度需求，所述结构一体化电池20可包括大小两种不同尺寸的结构一体化电池单元10组成。

有关所述结构一体化电池单元10的具体限定如第一实施例中所述一致，在此不再赘述。

所述结构一体化电池20可用于作为电子设备、汽车、飞行装置等的需要同时满足轻量化电池装置以及结构强度需求的产品中。

请参阅图10，本发明的第三实施例提供一种结构一体化电池30，其包括具有电池正极作用的正极网络结构301，所述正极网络结构301与电池的正极电连接。如图10中所示，所述正极网络结构301的横截面可为多个正六边形拼接形成的蜂窝状网络结构。可以理解，在其他的实施例中，所述正极网络结构301还可为由圆形、正方形等规则或者不规则图形拼接组成。所述正极网络结构的具体形状可基于具体电池性能或者结构性能的需求进行选择。

继续参阅图10，所述正极网络结构301包括多个网格3011。所述结构一体化电池30进一步包括设于所述网格3011内的固态电解质层302以及设于固态电解质层302之内的负极骨架303，其中，所述负极骨架303可为所述固态电解质层302提供支撑。

在所述网格3011与设于其内的固态电解质层302之间可设置正极材料304。所述负极骨架303内设有可填充其孔隙的负极材料305。因此，可以理解，可在所述固态电解质层302与所述负极骨架303之间、以及在所述负极骨架303的孔隙(未标号)内填充负极材料305。

其中，有关所述正极网络结构301包括金属骨架、导电碳纤维骨架、导电半导体骨架等中任一种或几种的组合。此外，有关固态电解质层302、负极骨架303、正极材料304、负极材料305的具体材质限定与上述第一实施例中对应的材质选择一致，在此不再做赘述。

在所述结构一体化电池30中，多个所述负极骨架303之间为串联连接。

可以理解，所述正极网络结构301的网格3011的横截面为正六边形、圆形、正方形、椭圆形、不规则图形中的任一种。

请参阅图11，本发明的第四实施例提供一种带电池的设备40，其包括至少一如第二实施例中所提供的结构一体化电池20或者如第三实施例中所提供的结构一体化电池30，其中，所述结构一体化电池20或30作为带电池的设备的外壳或结构件。所述结构一体化电池20或30由于其特殊的结构，可作为电子设备、汽车、飞行装置的外壳或者主要结构件，以作为结构功能一体融合的锂电池使用。可满足未来多样化产品设计的需求。

请参阅图12，本发明的第五实施例提供一种飞行装置50，所述飞行装置50可为运载飞机、无人机等飞行器。其包括如第二实施例中所提供的结构一体化电池20或者如第三实施例中所提供的结构一体化电池30，所述结构一体化电池20可作为飞行装置50的机翼、机身的结构件使用，也可用于飞行装置50的底盘，以充分利用飞行装置50的有限空间，在该空间内设置结构功能一体融合的锂电池，从而可使所述飞行装置50在满足飞行强度需求的同时，还可以进一步减轻所述飞行装置50的重量，以提高可有效飞行的时间。

进一步地，在本实施例中，参考图13中所示，为了满足不同飞行装置50的需求，在所述飞行装置50的不同位置，可设置不同规格、尺寸的结构一体化电池20。所述结构一体化电池30可具有不同的电池储能容量以及结构强度。如图14中所示，在机翼中，多个所述所述结构一体化电池20由多个正六边体柱状的结构一体化电池单元10叠加形成。

请参阅图15，本发明的第六实施例提供一种结构一体化电池的制备方法s60，其包括如下步骤：

步骤s1，提供具有多孔结构的负极骨架；

步骤s2，在所述负极骨架的多孔结构中填充负极材料；

步骤s3，在负极材料的表面生长形成固态电解质层，以获得电池预制件；

步骤s4，提供多个正极骨架，多个正极骨架形成容纳多个电池预制件的网络结构，将所述电池预制件设于网络结构内，并在所述正极骨架与所述固态电解质层之间填充正极材料；及

步骤s5，分别连通正极骨架、负极骨架，以获得所需结构一体化电池。

上述的步骤s1-步骤s4中，有关负极骨架、负极材料、正极骨架、正极材料以及固态电解质层的具体材质的限定内容，可参考上述第一实施例中所述的内容，在此不再赘述。

在上述步骤s4中，可以理解，所述网络结构是有正极骨架围合形成的，具体多个所述正极骨架形成的网络结构可为层状结构、堆叠结构等，具体可基于要获得的结构一体化电池的具体结构而决定。

进一步地，上述的步骤s1-步骤s5的顺序以及制备方法并不是唯一的，如图16中所示，在本申请的第六实施例中，所述结构一体化电池的制备方法s60还可以包括如下步骤:

步骤p1，提供正极网络结构，所述正极网络结构包括多个网格；

步骤p2，在所述网格内形成负极骨架；及

步骤p3，在网格与负极骨架之间形成固态电解质层，进一步在负极骨架与固态电解质层之间填充负极材料；在正极骨架与固态电解质层之间填充正极材料。

其中，上述步骤中所提及的所述负极骨架为多孔结构；在所述负极骨架的多孔结构中填充负极材料；在负极材料的表面生长形成固态电解质层。

可以理解，上述的步骤顺序并不是唯一不变的。在另外的一些实施方式中，也可以先形成间距分布的负极骨架之后，再围绕所述负极骨架形成具有网络结构的正极骨架或者正极网络结构。

可以理解，在本发明专利，在上述第一实施例-第五实施例中针对相同技术特征的描述说明可相互引用。实施例及实施方式中所列举仅作为示例，不作为本发明的限定。

与现有技术相比，本发明提出一种结构一体化电池及其制备方法、带电池的设备具有如下的有益效果：

本发明所提供的结构一体化电池其包括正极网络结构，在所述正极网络结构的网格内还设有固态电解质层以及负极骨架，在正极网络结构与固态电解质层之间设置正极材料，在固态电解质层与负极骨架之间设置负极材料，所述正极网络结构与所述负极骨架提供支撑结构，以使所述结构一体化电池同时具备结构功能及电池储能功能。此外，将结构一体化电池以分布式嵌入到待安装电池组的设备结构中，可使能源器件与结构件高效融合，有利于减轻设备重量，减小设备体积，增加设备有效载荷，增加设备使用寿命。

进一步地，由正极骨架相互拼接形成一个连续的正极网络结构。可进一步加强由多个结构一体化电池单元组成的电池整体的结构强度，而且可以进一步减少其所占的体积。

本发明所提供一种带电池的设备，其包括如上所述结构一体化电池，结构一体化电池作为带电池的设备的外壳或结构件。多功能结构储能复合材料存储电能的同时可进行承载充当结构材料，能有效减轻系统的质量、缩小系统的体积、简化设计，提高系统的效能。利用分布式布局能源、结构与信息一体集成，能量与信息耦合操作，实现可编程、自适应的分布式能源支撑。

所述带电池的设备包括电子装置、电动交通工具、飞行装置中任一种或几种。所述结构一体化电池可作为带电池的设备的结构件使用，也可用于飞行装置的底盘，以充分利用带电池的设备的有限空间，在该空间内设置结构功能一体融合的锂电池，从而可使所述带电池的设备在满足原有运行需求的同时，还可以进一步减轻所述带电池的设备的重量及体积。

本发明为了解决上述技术问题，还提供两种制备结构一体化电池的方法，所述结构一体化电池的制备方法可制备获得同时满足结构需求及电池储能需求的电池，以满足结构件性能需求的同时，可对制备工艺进行控制，从而可提高制备获得的结构一体化电池的稳定性和安全性。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的原则之内所做的任何修改，等同替换和改进等均应包含本发明的保护范围之内。