具有集成电池构造的结构部件制造技术

一种用于载具的结构部件具有电池构造，所述电池构造带有固体电解质基质材料，嵌入其中的带有阴极活性涂层的第一碳纤维层，嵌入其中的没有阴极活性涂层的第二碳纤维层以及至少一个布置在其间的电绝缘分离层。此外所述结构部件还具有第一集流体层和第二集流体层，它们布置在所述第一层或第二层的背离所述分离层的侧面上，其中所述第一集流体层和第二集流体层分别由柔性的、可成形的且多孔的碳同素异形体层形成。

Structural parts with integrated battery construction

【技术实现步骤摘要】
具有集成电池构造的结构部件
本专利技术涉及一种用于载具的结构部件、一种用于制造该结构部件的方法以及一种具有至少一个此类结构部件的载具。
技术介绍
为了优化飞行器或其他载具的重量，已知的是，将多个部件的功能相互组合并且通过多功能部件进行替换。此类多功能部件的一个例子是所谓的结构电池，该结构电池具有层构造，该层构造可以整合在由纤维增强的塑料制成的结构部件中或可以形成此种结构部件。例如，结构电池可以具有由碳纤维织物制成的层构造。在此可以通过嵌入塑料基质中的碳纤维织物实现阳极和阴极。在阴极的情况下，碳纤维可以设置有给出离子的涂层。在阴极与阳极之间设置有用于电绝缘的离子可透过的分离层。由金属材料制成的集流体(其中通常使用铝)连接到阴极和阳极处。除了其作为电池的功能之外，该结构电池由于这种结构可以具有很高的机械强度。因此，结构电池可以很容易地整合到飞行器或载具的结构部件中。EP3273505A1公开了一种结构部件，该结构部件形成电源并且同时配备有用于引导电流的装置。
技术实现思路
本专利技术的目的是提出一种结构电池或结构部件，该结构电池或结构部件在作为电池的功能方面具有仍进一步改善的性能并且具有更轻的重量。该目的通过一种具有独立权利要求1特征的结构部件来实现。有利的实施方式和改进方案能够自从属权利要求和下文的描述中得出。提出一种用于载具的结构部件，所述结构部件具有：电池构造，所述电池构造带有固体电解质基质材料、嵌入其中的带有阴极活性涂层的第一碳纤维层、嵌入其中的没有阴极活性涂层的第二碳纤维层以及至少一个布置在其间的电绝缘分离层，此外还带有第一集流体层和第二集流体层，所述集流体层布置在所述第一层或第二层的背离所述分离层的侧面上，其中所述第一集流体层和所述第二集流体层分别由柔性的、可成形的且多孔的碳同素异形体层形成。根据本专利技术的结构部件的特别的优点在于，该结构部件的作为电池起作用的部分可以很容易地使用基本上常规的用于由纤维复合材料制造部件的方法来生产。该第一碳纤维层、第二碳纤维层、分离层以及两个集流体层是柔性的并且可以以幅面状和自动方式施加在工具表面。另外，因为碳同素异形体具有比铝更小的密度，因此在结构部件中包含的或由此实现的结构电池可以具有比已知的结构电池更轻的重量。同时确保显著改善的可成形性以及改善的机械稳定性。第一碳纤维层可以包含一个或多个碳纤维子层。这些碳纤维子层可以以织物的形式提供并且具有多个纤维子层和多个纤维方向。在此，纤维的取向(在常规的结构部件中也是如此)可以匹配所要求的机械特性。替代于此，还可以使用非织造的碳纤维或碳纤维无纺布(Kohlefasergelegen)。在此，这些碳纤维可以具有一个或多个分立的纤维方向或可以全方向地实现以便实现准各向同性的特性。同样在此可以互相叠放具有不同取向的多个子层。在使用基于锂离子的电池时，阴极活性涂层是含锂的过渡金属氧化物或含锂的过渡金属磷酸盐。这些物质能够可逆地储存并再次释放锂离子。对第一层的碳纤维的涂覆可以通过使用合适的溶液浸渍、浸入或喷涂来进行，然而其中也不排除其他变体。第二碳纤维层并非一定具有涂层，因为碳自身可以作为活性材料用于负电极。在需要时，仍然可以用附加的阳极活性材料(如包含硅)来涂覆碳纤维。在处理中第一层和第二层与在常规CFK部件中使用的子层构造的其他层无法区分。该分离层可以通过不同的易弯的、平面状的材料幅面实现，该材料幅面允许嵌入基质材料中或粘附到基质材料上。再下文中详述优选的变体。集流体层可以被称为阴极集流体层以及阳极集流体层。这两个层都具有碳同素异形体的构造，它们具有足够的导电性并且可以代替铝基金属幅面。另一个特别的优点在于，与由铝制成的幅面相比，第一集流体层和第二集流体层与邻接的碳纤维层具有明显更低的材料不连续性。由此防止铝电极和碳纤维的化学腐蚀不相容性并改善耐久性。在一个优选的实施方式中，所述集流体层中的至少一个具有碳纳米管，所述碳纳米管嵌入基质材料中或形成多孔的织物。此外，碳纳米管具有比基于铝的结构明显更轻的重量。另外，由碳纳米管制成的结构的载流能力比铝或铜高许多倍。优选的是，所述集流体层中的至少一个由非织造的碳纳米管的多孔毡形成。所述毡尤其适用于整合到由碳纤维增强塑料制成的结构部件的常规制造过程中。单独的碳纳米管通过范德华力粘附在一起并具有准各向同性的抗拉行为。由此实现了特别有利地替代其他情况下的金属幅面材料。该阴极活性涂层可以具有LiFeO2。氧化锂铁可以带来更好的存储容量并同时显着降低生产成本。然而同样也可以想到其他的锂-金属氧化物化合物，使得本专利技术不必受限于氧化锂铁。尤其可以使用锂钴氧化物，其从很久以前就在商业中使用。分离层可以具有不导电的纤维，尤其玻璃纤维。玻璃纤维(同样还有碳纤维)，由于其适合作为易弯的织物或无纺布进行加工，因此非常容易被加工并且匹配所期望的机械特性。此外，因为玻璃纤维是不导电的，可以推荐将基于玻璃纤维的分离层结合到电池构造中。替代性地，分离层还可以具有碳纤维，所述碳纤维具有绝缘涂层。电池构造内部的材料连续性得到改善并且与玻璃纤维相比稳定性也略微提高。因此，尤其在分离层的位置中可以更好地避免电压跃变和脱层。在此方面要注意的是，全部分离层必须实施为，使得离子、尤其锂离子可以从阴极放出并被阳极接收。在一个有利的实施方式中，所述结构部件还可以包括至少一个附加的结构层，所述结构层至少在一侧覆盖所述电池构造并加固所述结构部件。这样的结构层可以布置在电池构造的仅一侧或两侧。额外使用所述附加层导致电池构造的封装并进一步提高结构部件的强度。此外，在飞行器且尤其交通飞行器中可以连接其他的功能层，所述功能层适用于防雷、结构健康监测或类似应用。所述集流体层可以分别配备有至少一个电连接体，其中所有连接体延伸到所述电池构造的同一侧。为了使用电池，电池构造也必须电连接，其中电连接体应优选位于电池构造的同一侧。电连接体可以例如为销或插针，其分别从集流体层中之一向电池构造的相关侧延伸。本专利技术还涉及一种用于制造结构部件的方法，尤其上文所述的结构部件。所述方法具有以下步骤：施加第一集流体层、具有阴极活性涂层的第一碳纤维层、电绝缘分离层、没有阴极活性涂层的第二碳纤维层以及第二碳纤维层以及共同固化。在一个优选的实施方式中，借助自动化装置进行布置。该装置优选配备有自动化纤维铺设头或自动化条带铺设头(Bandablegekopf)。另外，本专利技术还涉及一种具有至少一个此类结构部件的载具。所述载具尤其为飞行器。附图说明本专利技术的其他特征、优点和应用可能性由以下对实施例和附图的说明得出。在此，所有所描述的和/或图示的特征以自身和以任意组合构成本专利技术的主题，而与其在各个权利要求中或其所引用的权利要求中的关系无关。此外，在附图中相同的附图标记代表相同或相似的物体。图1以三维示意截面图示出了载具的结构部件的电池构造。图2示出了用于自动制造结构部件的装置。图3示出了包含带有电池构造的结构部件的飞行器。图4以基于框图的示意图示出了用于制造结构部件的根据本专利技术的方法。具体实施方式图1示出了载具的结构部件的电池构造2。该电池构造具有由带有阴极活性涂层的碳纤维6形成的第一层4，其中碳纤维6嵌入到导电的基质材料8中。设置碳纤维12的第二层10，其中碳纤维12不具有阴极活性涂层本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于载具(36)的结构部件(38)，所述结构部件具有电池构造(2)，该电池构造带有固体电解质基质材料(8)，嵌入所述固体电解质基质材料中的带有阴极活性涂层的第一碳纤维(6)层(4)，嵌入所述固体电解质基质材料中的没有阴极活性涂层的第二碳纤维(12)层(10)以及至少一个布置在所述层之间的电绝缘分离层(14)，此外还带有第一集流体层(18)和第二集流体层(20)，所述集流体层布置在所述第一层(4)或所述第二层(10)的背离所述分离层(14)的侧面上，其中所述第一集流体层(18)和所述第二集流体层(20)分别由柔性的、可成形的且多孔的碳同素异形体层形成。

【技术特征摘要】
2018.04.27 DE 102018110164.31.一种用于载具(36)的结构部件(38)，所述结构部件具有电池构造(2)，该电池构造带有固体电解质基质材料(8)，嵌入所述固体电解质基质材料中的带有阴极活性涂层的第一碳纤维(6)层(4)，嵌入所述固体电解质基质材料中的没有阴极活性涂层的第二碳纤维(12)层(10)以及至少一个布置在所述层之间的电绝缘分离层(14)，此外还带有第一集流体层(18)和第二集流体层(20)，所述集流体层布置在所述第一层(4)或所述第二层(10)的背离所述分离层(14)的侧面上，其中所述第一集流体层(18)和所述第二集流体层(20)分别由柔性的、可成形的且多孔的碳同素异形体层形成。2.根据权利要求1所述的结构部件(38)，其中所述集流体层(18，20)中的至少一个具有碳纳米管，所述碳纳米管嵌入到所述基质材料(8)中或形成织物。3.根据权利要求2所述的结构部件(38)，其中所述集流体层(18，20)中的至少一个由非织造的碳纳米管的多孔毡形成。4.根据以上权利要求之一所述的结构部件(38)，其中所述阴极活性涂层具有LiFeO2。5.根据以上权利要求之一所述的结构部件(38)，其中所述分离层(14)具有不导电的纤维、尤其玻璃纤维。6.根据以上权利要求之一所述的结构部件(38)，其中所述分离层(14)具有碳纤维，所述碳纤维具有绝缘涂层。7.根据以上权利要求之...

【专利技术属性】
技术研发人员：彼得·林德，克里斯蒂安·卡奇，
申请(专利权)人：空中客车德国运营有限责任公司，空中客车防务和空间有限责任公司，
类型：发明
国别省市：德国,DE