高强度正极石墨烯复合纤维及制备方法和制备的结构电池与流程

本发明属于结构电池纤维正极材料及其制备，特别涉及一种高强度正极石墨烯复合纤维及制备方法和制备的结构电池。

背景技术：

1、结构电池是指多功能材料或结构，能够充当电化学储能系统(即电池)，同时具有机械完整性，既能承载结构机械载荷(足够的刚度和强度)，又能储存电化学能量(足够的容量)的复合储能装置。通常提出的结构电池基于碳纤维增强聚合物概念，碳纤维同时用作电极和结构增强材料，从而降低整个系统的体积/质量，可以解决电池最基本的尺寸和重量问题，提高系统效率。

2、结构电池可以用在智能手机、笔记本电脑等消费电子产品和电动自行车等小型电动设备中，在结构更加紧凑的同时有可能实现重量减半。另外在电动汽车和无人机等运输应用中，当结构电池成为汽车和无人机结构的一部分，承受冲击和扭曲载荷，这可以减少使用传统动力电池组带来的紧固工序和额外增加结构件补强，从而减少占用空间大，减轻重量，增加续航里程。

3、早在20多年前一些学者就提出了结构电池的基本概念，在2007年就开始尝试制造结构电池，但受限于碳纤维性能以及实验条件，结构化电池的研究进展比较缓慢。随着碳纤维性能的不断提升，利用t800碳纤维作为电极制备结构化电池的研究引起了国内外学者的广泛关注，相关的基础研究也得到了快速发展。目前结构电池在综合性能方面距实际应用还有很大差距，尤其是纤维结构正极通常采用碳纤维作为集流体和支撑层，将正极材料生长或涂覆到碳纤维表面，因此正极层与碳纤维的结合强度有限，层间结合薄弱会影响储能复合材料整体机械强度。

4、现有技术cn202310026879.6一种高韧性低阻抗的结构储能构件及其成型方法、cn202211545130.4一种结构储能一体化复合材料及其制备方法、cn202210579702.4仿生多功能纤维复材及其构件多点柔性成型制造方法，上述专利结构电池所用纤维结构正极采用碳纤维作为集流体和支撑层，将正极材料生长或涂覆到碳纤维表面。上述专利所述结构正极实际分为正极材料层和碳纤维层两层结构，正极材料附着在碳纤维表面，因此结合强度有限，层间结合薄弱会影响储能复合材料整体机械强度。

技术实现思路

1、本发明目的是针对现有结构正极采用高强基质作为支撑层，正极材料层附着在支撑层表面，影响结构电池整体力学性能的问题，提供一种高强度正极石墨烯复合纤维及制备方法和制备的结构电池。通过制备包含正极材料的石墨烯纤维，得到连续纤维化、高强度的纤维正极，应用于结构电池可有效提升电池的力学强度。

2、为达到此发明目的，本发明的高强度正极石墨烯复合纤维制备方法采用以下技术方案：将纳米正极材料加入到氧化石墨烯分散液中，搅拌得到浆料，随后将浆料通过喷丝孔挤出到凝固浴中成型，进一步通过低温还原得到高强度正极石墨烯复合纤维。具体包括以下步骤：

3、1)将纳米正极材料加入到氧化石墨烯分散液中，搅拌得到浆料；

4、2)将所述浆料通过喷丝孔挤出到凝固浴中成型得到含纳米正极材料的氧化石墨烯纤维；

5、3)将所述含纳米正极材料的氧化石墨烯纤维通过低温还原得到高强度正极石墨烯复合纤维。

6、进一步的，步骤1)中所述纳米正极材料为linixcoyal1-x-yo2、linixcoymn1-x-yo2、limpo4(m＝fe、mn)、licoo2中的一种或两种以上的混合，粒径为20nm～1000nm。

7、进一步的，步骤1)中所述氧化石墨烯分散液为氧化石墨烯的水相分散液、dmf相分散液、nmp相分散液或dmso相分散液中的一种或两种以上的混合。

8、进一步的，步骤2)中所述凝固浴为乙酸乙酯、二氯甲烷、乙酸、乙醇、水、异丙醇、三氯甲烷、丙酮中的一种或两种以上的混合。

9、进一步的，步骤3)中所述低温还原所采用的试剂为氢化铝锂、硼氢化钾(钠、锂)、硫代硼氢化钠、三仲丁基硼氢化锂、水合肼中的一种或两种以上的混合，低温还原温度为80℃～150℃。

10、进一步的，所述高强度正极石墨烯复合纤维中纳米正极材料重量占比为10％～50％。

11、一种高强度正极石墨烯复合纤维，采用上述的制备方法制得。

12、一种结构电池，包括碳纤维负极、绝缘纤维隔膜、结构电解质和纤维正极，所述纤维正极为上述的高强度正极石墨烯复合纤维。

13、本发明的优点在于：本发明通过纳米正极材料与石墨烯纤维复合，实现正极材料连续纤维化，低温还原避免还原过程破坏正极材料结构，影响正极电性能，高强度正极石墨烯复合纤维编织成织物可直接用作结构电池正极，与传统正极材料附着在高强纤维织物支撑体上相比，该高强度正极石墨烯复合纤维避免传统结构正极层间结合强度薄弱的缺点，从而提升结构电池整体机械强度。

技术特征：

1.一种高强度正极石墨烯复合纤维的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述高强度正极石墨烯复合纤维的制备方法，其特征在于，步骤(1)为：将纳米正极材料加入到氧化石墨烯分散液中，搅拌得到浆料；随后将浆料通过喷丝孔挤出到凝固浴中成型。

3.根据权利要求2所述高强度正极石墨烯复合纤维的制备方法，其特征在于，所述纳米正极材料为linixcoyal1-x-yo2、linixcoymn1-x-yo2、limpo4(m＝fe、mn)、licoo2中的一种或两种以上的混合，粒径为20nm～1000nm。

4.根据权利要求1或2所述高强度正极石墨烯复合纤维的制备方法，其特征在于，所述氧化石墨烯分散液为氧化石墨烯的水相分散液、dmf相分散液、nmp相分散液或dmso相分散液中的一种或两种以上的混合。

5.根据权利要求2所述高强度正极石墨烯复合纤维的制备方法，其特征在于，所述凝固浴为乙酸乙酯、二氯甲烷、乙酸、乙醇、水、异丙醇、三氯甲烷、丙酮中的一种或两种以上的混合。

6.根据权利要求1所述高强度正极石墨烯复合纤维的制备方法，其特征在于，所述低温还原所采用的试剂为氢化铝锂、硼氢化钾、硼氢化钠、硼氢化锂、硫代硼氢化钠、三仲丁基硼氢化锂、水合肼中的一种或两种以上的混合，低温还原温度为80℃～150℃。

7.一种高强度正极石墨烯复合纤维，其特征在于，采用如权利要求1-6任一项所述的制备方法制得。

8.一种结构电池，包括碳纤维负极、绝缘纤维隔膜、结构电解质和纤维正极，其特征在于，所述纤维正极为权利要求8所述的高强度正极石墨烯复合纤维。

技术总结
本发明公开了一种高强度正极石墨烯复合纤维及制备方法和制备的结构电池，属于结构电池技术领域，以纳米正极材料与石墨烯纤维前驱体浆料混合，通过液相凝固成丝，含正极材料的氧化石墨烯纤维丝经过还原晶化处理得到含有正极材料的石墨烯复合纤维。采用高强度正极石墨烯复合纤维、高强度绝缘纤维隔膜、碳纤维负极层铺加入结构电解质组装得到结构电池，可实现结构电池力学性能的提升。

技术研发人员：徐志彬,李杨,王松蕊,赵冬梅,庞辉
受保护的技术使用者：中国电子科技集团公司第十八研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/2/1