一种承载储能一体化纤维结构电池及其3D打印方法

本申请属于结构电池，具体涉及一种承载储能一体化纤维结构电池及其3d打印方法。

背景技术：

1、结构电池既具有电化学储能功能，同时具有结构件的力学性能，有助于减轻航天航空、电动汽车等领域运载装备的重量，具有广泛的应用前景。但是传统结构电池中使用的材料使得整个结构电池的承载性能较弱，难以满足航天航空、电动汽车等领域部件高性能和轻量化的需求。

2、近年来，随着多功能纤维复合材料的深入研究，将纤维优异的力学性能与电池储能功能结合起来，既可以承受较大的载荷，又可以存储电能，有效减轻了重量，简化了结构，进而提高了系统整体的性能，已成为国内外研究的新方向。然而，现有纤维结构电池制造方法复杂，难以制造具有复杂结构的纤维结构电池，无法满足航天航空、电动汽车等领域对纤维结构电池的设计制造需求，阻碍了其应用和发展。3d打印技术采用逐线堆积-层层叠加制造原理，可以实现复杂结构的无模一体化低成本快速制造，已应用于航天航空、汽车、医疗等领域。利用3d打印技术解决纤维结构电池的制造难题，实现具有复杂结构的承载储能一体化纤维结构电池高性能低成本快速制造，具有重要的应用价值和广泛的市场前景。

3、本背景技术所公开的上述信息仅仅用于增加对本申请背景技术的理解，因此，其可能包括不构成本领域普通技术人员已知的现有技术。

技术实现思路

1、为了克服现有技术中存在的上述问题，本申请的目的在于提供一种承载储能一体化纤维结构电池及其3d打印方法，实现了纤维高承载性能与电池储能功能的优势互补，同时可以实现具有复杂结构的纤维结构电池低成本高效制造。

2、为了达到上述目的，本申请采用的技术方案为：

3、一种承载储能一体化纤维结构电池，以导电的连续纤维丝束作为集流体，负极活性物质粘附在连续纤维丝束上，向外一层是热塑性聚合物电解质，作为固态电解质，固态电解质外是混合正极活性物质的热塑性聚合物电解质，最外层是绝缘的热塑性树脂。

4、在本申请的一些实施例中，所述热塑性聚合物电解质为热塑性聚碳酸酯基聚合物电解质、热塑性聚氨酯基聚合物电解质或热塑性聚氨酯凝胶聚合物电解质。

5、在本申请的一些实施例中，所述承载储能一体化纤维结构电池，其为采用3d打印一体化成形的多层全固态电池。

6、在本申请的一些实施例中，连续纤维丝束为碳纤维、金属纤维、炭黑系纤维、导电高分子纤维或导电型金属化合物纤维。

7、在本申请的一些实施例中，负极活性物质为石墨、硅或石墨-硅混合物。

8、在本申请的一些实施例中，正极活性物质为磷酸铁锂、钴酸锂或三元材料。

9、在本申请的另一实施例中，提供一种承载储能一体化纤维结构电池的3d打印方法，包含以下步骤：

10、步骤1，导电的连续纤维丝束从纤维辊抽出，进入浸渍装置，通过混合负极活性物质的浆料，使混合负极活性物质的浆料进入导电的连续纤维丝束中，并在纤维张力与浆料粘性的作用下，混合负极活性物质的浆料粘附在导电的连续纤维丝束中，形成复合连续纤维丝束，并从浸渍装置抽出；

11、步骤2，复合连续纤维丝束经过烘干装置，将浆料中的水份去除，负极活性物质仍粘附在连续纤维丝束中，形成烘干后的复合连续纤维丝束；

12、步骤3，将烘干后的复合连续纤维丝束从烘干装置抽出，进入加捻装置，将烘干后的复合连续纤维丝束扭曲加捻，使负极活性物质紧紧锁定在连续纤维丝束内；

13、步骤4，将步骤3得到的连续纤维丝束引入熔腔一，同时挤出送料装置一将热塑性聚合物电解质挤压输送到熔腔内，并包裹连续纤维丝束，从口模一挤出，形成热塑性聚合物电解质包裹的复合连续纤维丝束，然后经过冷却装置一，进行冷却固化；

14、步骤5，将步骤4得到的复合连续纤维丝束引入熔腔二，同时挤出送料装置二将混合正极活性物质的热塑性聚合物电解质挤压输送到熔腔二内，并包裹连续纤维丝束，从口模二挤出，然后经过冷却装置二，进行冷却固化；

15、步骤6，将步骤5得到的复合连续纤维丝束经过导向辊进入打印喷头，同时绝缘的热塑性树脂在挤丝机的作用下进入打印喷头，打印喷头加热使热塑性树脂熔融包覆复合连续纤维丝束，并在挤丝机的输送压力下挤出，经过冷却装置三冷却固化后，得到承载储能一体化纤维结构电池。

16、在本申请的一些实施例中，打印喷头在打印路径数据的控制下进行运动，同时挤出承载储能一体化纤维结构电池，能够形成具有复杂结构的承载储能一体化纤维结构电池。

17、本申请的有益效果至少为：

18、1.本申请提出的纤维结构电池，兼具纤维优异的力学性能和电池的储能功能，提升了系统效率，减轻了装备的重量。

19、2.本申请提出的纤维结构电池3d打印方法，可以实现具有复杂结构的纤维结构电池的一体化制造，为定制化异形结构电池的制造提供了新的制造手段。

20、3.本申请提出的纤维结构电池3d打印方法制造过程简单，具有制造成本低、周期短的优点。

21、4.本申请提出的纤维结构电池3d打印方法制造过程灵活可控，可以根据应用需求，通过打印路径设计，调控纤维结构电池内部的纤维分布，进而优化纤维结构电池的力学性能和储能性能。

技术特征：

1.一种承载储能一体化纤维结构电池，其特征在于，其为采用3d打印一体化成形的多层全固态电池，以导电的连续纤维丝束作为集流体，负极活性物质粘附在连续纤维丝束上，向外一层是热塑性聚合物电解质，作为固态电解质，固态电解质外是混合正极活性物质的热塑性聚合物电解质，最外层是绝缘的热塑性树脂。

2.根据权利要求1所述的一种承载储能一体化纤维结构电池，其特征在于，所述热塑性聚合物电解质为热塑性聚碳酸酯基聚合物电解质、热塑性聚氨酯基聚合物电解质或热塑性聚氨酯凝胶聚合物电解质。

3.根据权利要求1所述的一种承载储能一体化纤维结构电池，其特征在于，所述导电的连续纤维丝束为碳纤维、金属纤维、炭黑系纤维、导电高分子纤维、导电型金属化合物纤维中的一种或多种。

4.根据权利要求1所述的一种承载储能一体化纤维结构电池，其特征在于，负极活性物质为石墨、硅或石墨-硅混合物。

5.根据权利要求1所述的一种承载储能一体化纤维结构电池，其特征在于，正极活性物质为磷酸铁锂、钴酸锂或三元材料。

6.根据权利要求1-5任一项所述的一种承载储能一体化纤维结构电池的3d打印方法，其特征在于，包括以下步骤：

7.根据权利要求6所述的一种承载储能一体化纤维结构电池的3d打印方法，其特征在于，打印喷头在打印路径数据的控制下进行运动，同时挤出承载储能一体化纤维结构电池，能够形成具有复杂结构的承载储能一体化纤维结构电池。

技术总结
本申请公开了一种承载储能一体化纤维结构电池及其3D打印方法，采用导电连续纤维丝束作为集流体，通过浸渍、烘干和加捻将负极活性物质锁定在连续纤维束中，然后将固态电解质挤压包覆在连续纤维丝束表面，再通过挤压将混有正极活性物质的固态电解质包覆连续纤维丝束表面；最后经过打印喷头，并与绝缘的热塑性树脂复合，按照打印路径，挤出形成具有复杂结构的承载储能一体化纤维结构电池。该技术能明显提高电池的承载能力，实现承载性能及储能功能的一体化设计与制造。

技术研发人员：侯章浩,刘鹏,石会发,丁浩林,芮茂锟,杨毅然,徐猛
受保护的技术使用者：青岛理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/14