一种可以全天候工作的柔性锂离子电池及其制备方法技术

一种可以全天候工作的柔性锂离子电池及其制备方法，该电池以受拉伸后的碳纳米管宏观管连续体组装的膜为正负极集流体，在成膜过程中，膜经多孔化和电解液浸润处理，使电解液可以存储于作为集流体的碳纳米管膜，因而所得电池在苛刻环境如极高温、极低温、真空和水中仍能正常工作；所述电池主体包括依次叠放的正极电极片、隔膜和负极电极片。本发明专利技术还提供了制备上述电池的方法。本发明专利技术能有效的解决现有锂离子电池在苛刻环境下集流体不能存储电解液而使电池失效的问题，该制作过程充分与目前主流锂离子电池的生产工艺接轨，便于在现有生产条件下大量生产，具有很强的实用性。

A flexible lithium ion battery capable of all-weather operation and its preparation method

A flexible lithium-ion battery capable of operating all-weather and a preparation method thereof are described. The battery collects fluids with a membrane assembled by a stretched carbon nanotube macrotube continuum as a positive and negative electrode. During the film forming process, the membrane is porous and treated by electrolyte infiltration, so that the electrolyte can be stored in a carbon nanotube film as a fluid collector. The obtained battery can still work normally in harsh environments such as extreme high temperature, extreme low temperature, vacuum and water, and the main body of the battery includes a positive electrode sheet, a diaphragm and a negative electrode sheet stacked in sequence. The invention also provides a method for preparing the batteries. The invention can effectively solve the problem that the existing lithium-ion batteries can not store electrolyte under harsh environment, and the battery is invalid. The manufacturing process is fully in line with the current mainstream production process of lithium-ion batteries, and is convenient for mass production under the existing production conditions, and has strong practicability.

【技术实现步骤摘要】
一种可以全天候工作的柔性锂离子电池及其制备方法
本专利技术涉及一种电池制造领域内全天候环境工作的锂离子二次电池及其制作方法，具体是由一种吸附电解液的碳纳米管膜作为正负极集流体的柔性锂离子二次电池制作方法。
技术介绍
随着可穿戴电子设备悄然的走进人们的生活，柔性电池的需求已成为了这些电子设备的技术瓶颈之一。另外，由于大多数可穿戴电子设备直接穿戴于人体外表，直接面对外界复杂环境的变化，如温度的变化、外界气压的变化、雨水的影响等等。因而，这些工作环境需要设备的电源不但能够变形，还需要其也能够适应复杂环境的变化。然而，目前市售的商用电池难以满足以上要求。为了使电池能在低温下工作，常规做法是在电芯内部安放自加热系统，使电芯在外界较低温度时，其内部仍保持常温。如C.Y.Wang等在《Natrue》（自然）2016年第529卷515–518页的《Lithium-ionbatterystructurethatself-heatsatlowtemperatures》一文中，提出利用内部安装的自加热装置，在20秒内使其内部温度升高20oC，从而使电池在零度以下可以正常工作。由于内部自加热系统的添加，使电池内部结构复杂化，且重量增加；另外，在夏季温度较高时，这些自加热系统又要闲置。普通商用锂离子电池在较高温度下工作时，其电化学性能又会明显下降。常用提高电池工作温度的方法是在电解液中加入特殊添加剂，除去痕量水，避免电解液的高温分解。如N.W.Li等在《AdvancedScience》（先进科学）2017年第4卷1600400-1-6页的《Passivationoflithiummetalanodeviahybridionicliquidelectrolytetowardstableliplating/stripping》一文中，提出利用醚类电解质加离子液体的混合电解液体系，改善电极的循环稳定性。然而，这类方法仍难以有效解决低温时的电池电化学性能，并且由于合成难度大，难于适应大规模化生产。除此之外，可穿戴设备对于户外爱好者及其它用户可能遇到低压环境、高湿度环境等复杂恶劣的天气。截至目前，还没有一种理想的办法解决上述一系列复杂的问题，因而可穿戴电子产品遇到了难以克服的困难。加之目前用于柔性电池的柔性集流体难以大面积制备，且制备出来的样品导电性不高、对电解液的润湿性不好等问题，导致最终所得到的电池虽然有柔性，但难以批量化生产，能量密度不高、且使用寿命低，难以适应外界复杂环境的变化。然而，3C领域应用最广泛的电源当属锂离子二次电池。综合上述情况，确有必要提供一种低成本的、柔性好、高能量密度的、寿命长且适应外界环境变化的柔性锂离子二次电池。
技术实现思路
本专利技术目的在于针对上面所述缺陷，提供一种可以全天候工作的柔性锂离子电池，该电池具有柔性好、能量密度高、生产效率高等特点，由于电池内部集流体的特殊结构，使其可存储电解液以保持较低的电阻，因而在极端条件下仍然保持电池活性物质、集流体及电解液体间良好的接触和较低的阻抗，使电池在极端条件下仍能正常工作。本专利技术是通过以下技术方案实现的，本专利技术涉及一种可以全天候工作的柔性锂离子电池制备方法，本专利技术中涉及的柔性碳纳米管膜所用的原料碳纳米管宏观管连续体生产方法参照专利ZL201310013214.8，载料的正、负极片制作方法参照专利ZL201410702272.6。包括如下步骤：步骤一，碳纳米管宏观管连续体预拉处理。碳纳米管宏观管连续体制备方法参照专利ZL201310013214.8。通过机械杆将上述碳纳米管宏观管连续体从反应腔体中拉出，机械杆由耐高温的钢材或硬质合金制成，机械杆的运动由电机匀速驱动，其在反应腔外的速度为0.5-60米/分钟，在反应腔中的速度为0.01-0.5米/分钟，控制机械杆给连续体的拉应力为40-120MPa，连续体受力时间1-20秒。步骤二，柔性碳纳米管宏观膜的制备。将受力后的碳纳米管宏观管连续体粘附于覆盖有柔性基底的辊轮，柔性基底包括但不限于纸、碳布、塑料膜、铜箔、铝箔，辊轮的直径为1-500厘米。使连续体在辊轮上继续保持40-120MPa的拉应力，连续体粘附前需将基底材料用甲醇、或乙醇、或丙醇、或水、或它们之间的混合物润湿。待张力拉伸后的连续体缠绕满基底后，将基底放入60-150oC的烘箱中烘烤30min-5h，烘干后，将覆盖于基底的连续体形成的膜撕下即得定向且活性高的碳纳米管宏观膜，膜尺寸等于基底尺寸。步骤三，电极的制备及其组装。采用步骤一中的碳纳米管宏观膜为正负电极的集流体，正负电极里的活性物质种类、载量、涂敷方法及隔膜参照专利ZL201410702272.6。待制备好双面载料的正负电极片后，采用正极片、隔膜、负极片、隔膜、正极片、隔膜、负极片的叠片方式组装全电池。组装全电极的正负极片从1-10片。参照专利ZL201410702272.6中的包装材料和包装方法包装电芯。步骤四，电芯吸收电解液。在湿度低于8%的除湿房里或手套箱中，向未完全封闭电芯的外包装内注入电解液，注液量可按该方法求得：注液重量（g）=电池容量（以mAh为单位）/n，n根据实际情况在50~150中选取；注液后将电池至于真空干燥箱(真空度低于-100Kpa)中，真空条件下放置20-40min，然后将未封口一侧用封边机封口，全电池制作完成。本专利技术具有如下的有益效果：第一、碳纳米管宏观管连续体在离开反应腔体的过程中经过了应力预拉伸，因而连续体中的碳纳米管被拉直，碳纳米管在连续体中的有序度得到大幅提高，电子在其中的运动距离大幅缩短，在其成膜后作为电池集流体时的电阻可有效降低，进而提高全电池的电化学性能。第二、连续体在成膜通过烘烤，从而使润湿连续体的液相充分挥发，这些液体在挥发过程中产生的气体在经过成形膜时会制造大量孔隙，为该膜在后继作为集流体时存储电解液提供了更多的空间；另外，可挥发其表面吸附的含氧基、羟基等官能团，因而膜的表面能进一步降低，从而电解液可从膜表面浸润至该膜内部，进一步提高膜的存储电解液的量。当普通电池处于高温、低温环境时，电解液的快速度挥发或固化使得电池正负极片、电解液与集流体间不能充分的接触而使电池不能工作。另外，在低压空气中，由于电池的胀气而使电解液快速流向其它位置也不能正常工作。作为高度定向排列的碳纳米管宏观膜的存储电解液和较低的电阻功能，使能其在极端天气条件下也可使电解液从膜中缓慢的释放而保持电池正常工作。附图说明图1为本专利技术实施例1中锂离子电池在极端温度下的电化学性能图。图2为本专利技术实施例1中锂离子电池在真空和水中的电化学性能图。具体实施方式下面对本专利技术的实施例作详细说明：本实施例在以本专利技术技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和过程，但本专利技术的保护范围不限于下述的实施例。本领域技术人员还可在本专利技术精神内做其它变化，当然这些依据本专利技术精神所做的变化，都应包含在本专利技术所要求的保护的范围之内。实施例1碳纳米管宏观管连续体预拉处理，碳纳米管宏观管连续体制备方法参照专利ZL201310013214.8。通过机械杆将上述碳纳米管宏观管连续体从反应腔体中拉出，机械杆由耐高温的钢材或硬质合金制成，机械杆的运动由电机匀速驱动，其在反应腔外的速度为0.5米/分钟，在反应腔中的速度为0.0本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种可以全天候工作的柔性锂离子电池，其特征在于：该电池以受拉伸后的碳纳米管宏观管连续体组装的膜为正负极集流体，在成膜过程中，膜经多孔化和电解液浸润处理，使电解液可以存储于作为集流体的碳纳米管膜；所述电池主体包括依次叠放的正极电极片、隔膜和负极电极片组成。

【技术特征摘要】
1.一种可以全天候工作的柔性锂离子电池，其特征在于：该电池以受拉伸后的碳纳米管宏观管连续体组装的膜为正负极集流体，在成膜过程中，膜经多孔化和电解液浸润处理，使电解液可以存储于作为集流体的碳纳米管膜；所述电池主体包括依次叠放的正极电极片、隔膜和负极电极片组成。2.一种如权利要求1所述的可以全天候工作的柔性锂离子二次电池，其特征在于：该方法具体步骤如下：步骤一，碳纳米管宏观管连续体预拉处理：碳纳米管宏观管连续体制备方法参照专利ZL201310013214.8；通过机械杆将上述碳纳米管宏观管连续体从反应腔体中拉出，机械杆由耐高温的钢材或硬质合金制成，机械杆的运动由电机匀速驱动，其在反应腔外的速度为0.5-60米/分钟，在反应腔中的速度为0.01-0.5米/分钟，控制机械杆给连续体的拉应力为40-120MPa，连续体受力时间1-20秒；步骤二，柔性碳纳米管宏观膜的制备：将受力后的碳纳米管宏观管连续体粘附于覆盖有柔性基底的辊轮，柔性基底包括但不限于纸、碳布、塑料膜、铜箔、铝箔，辊轮的直径为1-500厘米；使连续体在辊轮上继续保持40-120MPa的拉应力，连续体粘附前需将基底材料用甲醇、或乙醇、或丙醇、或水、或它们之间的混合物润湿；待张力拉伸后的连续体缠绕满基底后，将基底放入60-150oC的烘箱中烘烤30min-5h，烘干后，将覆盖于基底的连续体形成的膜撕下即得定向且活性高的碳纳米管宏观膜，膜尺寸等于基底尺寸；步骤三，电极的制备及其组装：采用步骤一中的碳纳米管宏观膜为正负电极的集流体，正负电极里的活性物质种类、载量、涂敷方法及隔膜参照专利ZL201410702272.6；待制备好双面载料的正负电极片后，采用正极片、隔膜、负极片、隔膜、正极片、隔膜、负极片的叠片方式组装全电池；组装全电极的正负极片从1-10片；参照专利ZL201410702272.6中的包装材料和包装方法包装电芯；步骤四，电芯吸收电解液：在湿度低于8%的除湿房里或手套箱中，向未完全封闭电芯的外包装内注入电解液，注液量可按该方法求得：注液重量（g）=电池容量（以mAh为单位）/n，n根据实际情况在50~150中选取；注液后将电池至于真空干燥箱(真空度低于-100Kpa)中，真空条件下放置20-40min，然后将未封口一侧用封边机封口，全电池制作完成。3.一种可...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴子平，刘开喜，刘亭，胡英燕，尹艳红，刘先斌，黎业生，
申请(专利权)人：江西理工大学，
类型：发明
国别省市：江西,36