储能、电路及承载一体化的电路板复合结构及其成型方法技术

本发明专利技术提供了一种储能、电路及承载一体化的电路板复合结构及其成型方法，成型步骤包括：按照含活性材料的正极碳纤维增强体、玻璃纤维隔膜、负极碳纤维的顺序铺叠各层，碳纤维纤维束一端与正、负极碳纤维层连接，另一端外露于叠层结构；按照一定比例混合电解液与液体树脂，并灌注入叠层结构中固化成型结构电池；在结构电池上下表面分别铺覆玻璃纤维，并将外露的碳纤维纤维束弯折贴合于玻璃纤维外表面，使用液体树脂浸润固化；最后3D打印碳纤维电路，后固化成型储能、电路及承载一体化的电路板复合结构；本发明专利技术制备的电路板复合结构极大地提高空间，质量利用率，对于航空航天运载装备等体积与重量敏感的装备意义重大。备等体积与重量敏感的装备意义重大。备等体积与重量敏感的装备意义重大。

【技术实现步骤摘要】
储能、电路及承载一体化的电路板复合结构及其成型方法


[0001]本专利技术涉及多功能复合材料制造的
，具体地涉及一种储能、电路及承载一体化的电路板复合结构及其成型方法。

技术介绍

[0002]材料结构功能一体化是先进智能装备发展的方向，对于装备减重，节约能源，性能提升至关重要，面对现如今电动汽车里程难，零排放电动飞机设计难等一系列挑战，如何设计一体化多功能结构材料并发挥材料的全部性能是亟需解决的问题。
[0003]电路板是装备智能化的核心，其主体功能结构由导线层与绝缘结构层组成，导线层通常由经刻蚀或印刷的铜箔构成，绝缘结构层则采用玻璃纤维增强环氧树脂，力学性能较弱，并且电路板一般不包含储能元件，储能元件往往以外接线路的方式与电路板进行装配连接并提供电能。因此电路板往往是作为内部部件被保护在外层的刚性结构内，性能利用率较低。
[0004]申请号为201210129995.2的中国专利公开了组合印制电路板的制造方法、印制电路板及其制造方法，虽然该制备方法提高了组合印制电路板的刚性，但仍未解决其储能问题。申请号为201921304739.6的中国专利公开了一种用于微型储能电池的电路板，虽然该电路板的顶端一侧边固定有电池，但该电路板为传统装配结构，电池依靠机械力与电路板连接，电池与电路板难以承力，各个材料功能性单一。

技术实现思路

[0005]针对现有技术的空缺，本专利技术将电路功能，机械性能与储能能力一体化集成在同一材料结构上，极大地提高空间，质量利用率，对于航空航天运载装备等体积与重量敏感的装备意义重大，并且利用可储能，高导电，易整形的碳纤维以及树脂的一体化成型能力，实现储能、电路及承载一体化的电路板复合结构。
[0006]本专利技术的目的是通过以下技术方案来实现的：
[0007]第一方面，本专利技术提供一种储能、电路及承载一体化的电路板复合结构，所述复合结构包括依次设置的第一结构层、正极、第一结构电解质、隔膜、第二结构电解质、负极、第二结构层，所述第一、第二结构层为内设有绝缘层的结构树脂，碳纤维电路设置于任一结构层外表面，第一碳纤维纤维束连接正极与碳纤维电路一端，第二碳纤维纤维束连接负极与碳纤维电路另一端，所述第一、第二碳纤维纤维束上除与碳纤维电路接触端头外的部分均被结构树脂、或结构树脂和结构电解质包埋。
[0008]优选地，所述绝缘层和隔膜为玻璃纤维，所述碳纤维电路为断路电路。
[0009]更优选地，所述绝缘层和隔膜为高强S玻璃纤维。
[0010]优选地，所述第一、第二结构层中的绝缘层位于结构树脂之间；
[0011]更优选地，在一些实施例中，所述第一、第二结构层中的绝缘层位于靠近结构树脂外表面的一侧。
[0012]第二方面，本专利技术提供一种储能、电路及承载一体化的电路板复合结构的成型方法，包括以下步骤：
[0013]S1、在退浆后的碳纤维单向带上涂覆正极浆料，真空干燥，获得含活性材料的正极碳纤维增强体，即所述正极；退浆后的碳纤维单向带分别用作负极碳纤维，即负极、第一碳纤维纤维束和第二碳纤维纤维束；
[0014]S2、按照正极、隔膜、负极的顺序铺层；将第一碳纤维纤维束一端连接正极，另一端外露；将第二碳纤维纤维束一端连接负极，另一端外露(使用胶带将第一、第二碳纤维纤维束外露端点缠紧)；
[0015]S3、在无水无氧条件下，将液体树脂与电解液按照一定比例进行混匀，形成结构电解质前驱体；
[0016]S4、向S2所述的铺层结构中灌注结构电解质前驱体，固化成型结构电解质，获得结构电池；灌注时，第一、第二碳纤维纤维束的外露端未浸润结构电解质前驱体；
[0017]S5、在结构电池上下表面分别铺覆绝缘层，再分别将第一碳纤维纤维束、第二碳纤维纤维束外露端弯折贴合于绝缘层外表面，除碳纤维纤维束外露端点外其余部分均使用液体树脂浸润固化，固化成型结构树脂；
[0018]S6、(揭开步骤S2所述的碳纤维纤维束端点处的胶带，并在该处开始，根据设计的电路图)在设置有碳纤维电路的结构层表面3D打印碳纤维电路，连接第一碳纤维纤维束和第二碳纤维纤维束的外露端点，(固化成型)制得储能、电路及承载一体化的电路板复合结构。
[0019]优选地，步骤S1中，所述正极浆料是将导电颗粒、粘结剂、活性材料进行混合，溶解在溶剂中，形成正极浆料；所述导电颗粒包括炭黑颗粒、乙炔黑中的至少一种，所述粘结剂包括聚偏氟乙烯、羧甲基纤维素钠中的至少一种，所述活性材料包括磷酸铁锂、锰酸锂、钴酸锂、LiNi
1/3
Co
1/3
Mn
1/3
O2(NCM111)、LiNi
0.5
Co
0.2
Mn
0.3
O2(NCM523)、LiNi
0.8
Co
0.1
Mn
0.1
O2(NCM811)中的至少一种。
[0020]优选地，所述导电颗粒、粘结剂、活性材料的质量比范围为1：1：3
‑
1：1：8。
[0021]优选地，所述溶剂包括N
‑
甲基吡咯烷酮。
[0022]优选地，步骤S1中，退浆后的碳纤维单向带为在空气中高温煅烧后的退浆后的碳纤维单向带。
[0023]优选地，所述高温煅烧的温度为300
‑
500℃，时间为1
‑
2h。
[0024]优选地，步骤S1中，所述干燥温度为100
‑
150℃。
[0025]优选地，所述含活性材料的正极碳纤维增强体，玻璃纤维和负极碳纤维的编织结构包括单向织物、平纹织物、斜纹织物、缎纹织物或三维编织织物中的一种；所述碳纤维纤维束的编织结构包括单向纤维束或编织纤维束中的一种。
[0026]优选地，步骤S2中，胶带包括四氟胶带、聚乙烯胶带，聚丙烯胶带、聚酯胶带中的一种，润滑不粘的胶带是为了避免液体树脂浸润，影响碳纤维端点处接触导电性。
[0027]优选地，所述步骤S3中，所述液体树脂包括环氧树脂、双马来酰胺树脂、聚酰亚胺树脂、聚醚醚酮树脂或酚醛树脂中的一种，所述电解液包括LiPF6、LiTf、LiTFSI电解液中的至少一种。
[0028]优选地，步骤S3中，液体树脂与电解液的质量比为3：7
‑
7：3。
[0029]优选地，步骤S5中，液体树脂浸润固化过程中，除与结构电池相连的碳纤维纤维束端点处浸渍树脂固化外，其他碳纤维线路的端点不浸渍树脂，纤维裸露。
[0030]优选地，所述储能、电路及承载一体化的电路板复合结构中结构电池部分可以以正极、隔膜、负极的顺序为一个周期重复铺叠，并联提升容量或串联提升电压；结构电池外侧上下铺覆的玻璃纤维(即绝缘层)的厚度可以根据所需的电阻率或介电常数进行增加以满足绝缘要求。
[0031]第三方面，本专利技术提供一种所述复合结构的使用方法，将贴片式元器件的针脚以一定压力按压至碳纤维电路的断路端点本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种储能、电路及承载一体化的电路板复合结构，其特征在于，所述复合结构包括依次设置的第一结构层、正极、第一结构电解质、隔膜、第二结构电解质、负极、第二结构层，所述第一、第二结构层为内设有绝缘层的结构树脂，碳纤维电路设置于任一结构层外表面，第一碳纤维纤维束连接正极与碳纤维电路一端，第二碳纤维纤维束连接负极与碳纤维电路另一端，所述第一、第二碳纤维纤维束上除与碳纤维电路接触端头外的部分均被结构树脂、或结构树脂和结构电解质包埋。2.根据权利要求1所述的复合结构，其特征在于，所述绝缘层和隔膜为玻璃纤维，所述碳纤维电路为断路电路。3.一种如权利要求1所述复合结构的成型方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、在退浆后的碳纤维单向带上涂覆正极浆料，真空干燥，获得含活性材料的正极碳纤维增强体，即所述正极；退浆后的碳纤维单向带分别用作负极碳纤维，即负极、第一碳纤维纤维束和第二碳纤维纤维束；S2、按照正极、隔膜、负极的顺序铺层；将第一碳纤维纤维束一端连接正极，另一端外露；将第二碳纤维纤维束一端连接负极，另一端外露；S3、在无水无氧条件下，将液体树脂与电解液按照一定比例进行混匀，形成结构电解质前驱体；S4、向S2所述的铺层结构中灌注结构电解质前驱体，固化成型结构电解质，获得结构电池；灌注时，第一、第二碳纤维纤维束的外露端未浸润结构电解质前驱体；S5、在结构电池上下表面分别铺覆绝缘层，再分别将第一碳纤维纤维束、第二碳纤维纤维束外露端弯折贴合于绝缘层外表面，除碳纤维纤维束外露端点外其余部分均使用液体树脂浸润固化，固化成型结构树脂；S6、在设置有碳纤维电路的结构层表面3D打印碳纤维电路，连接第一碳纤维纤维束和第二碳纤维纤维束的外露端点，制得储能、电路及承载一体化的电路板复合结构。4.根据权利要求3所述的成型...

【专利技术属性】
技术研发人员：何霁，江晟达，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：