一种高能量密度柔性纤维状锂离子电池的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种高能量密度柔性纤维状锂离子电池的制备方法，属于锂离子电池技术领域，包括如下步骤：将改性石墨与有机碳前驱体混合制备改性多孔碳气凝胶；将改性纳米碳氮化钛与铝混合制备铝丝，铝丝经电化学刻蚀，得到改性多孔铝丝；将改性多孔碳气凝胶与粘接剂混合，包覆在纯净铝丝表面，作为正极材料；在改性多孔铝表面均匀缠绕一层隔膜，作为负极材料；将正极材料与负极材料相互缠绕，形成电芯，将电芯置于热收缩管中，经烘干

【技术实现步骤摘要】
一种高能量密度柔性纤维状锂离子电池的制备方法


[0001]本专利技术涉及锂离子电池
，具体为一种高能量密度柔性纤维状锂离子电池的制备方法
。

技术介绍

[0002]锂离子电池包括正极
、
负极
、
置于正极和负极之间的隔膜以及电解液，隔膜包括基底和涂层，锂离子电池是一种二次电池，主要依靠锂离子在正极和负极之间移动来工作，在充放电过程中，
Li
+
在两个电极之间往返嵌入和脱嵌；充电时，
Li
+
从正极脱嵌，经过电解质嵌入负极，负极处于富锂状态；放电时则相反
。
[0003]锂离子电池广泛应用在柔性可穿戴设备上，其应用体现在各个方面，如电子皮肤
、
可穿戴生理监测治疗装置
、
柔性导电织物
、
透明薄膜柔性电路等，随着电子产品的应用和普及，电子产品的更新换代速度逐渐加快，对电子产品的方便携带方面的特性的需求也越来越高，为了适应这个需求，电子产品逐渐地向着柔性纤维可穿戴的方向发展
。
[0004]铝丝具有优异的柔韧性，能够赋予电池可穿戴性，多孔铝丝的多孔结构增加了活性位点，有利于锂离子和电子的扩散，增加电池的充放电性，但多孔结构易塌陷造成离子扩散速率减小，影响电池性能；石墨作为锂离子电池的正极，其层状结构能够嵌入锂离子而不发生形变，但石墨易与电解液发生反应在石墨表面形成膜，消耗锂离子，导致充放电性能下降
。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于提供一种高能量密度柔性纤维状锂离子电池的制备方法：在石墨表面原位合成聚谷氨酸，在石墨表面形成聚谷氨酸，实现聚谷氨酸包覆石墨，避免石墨与电解液发应形成隔膜消耗锂离子；将改性石墨与碳前驱体混合形成多孔碳气凝胶，改性石墨嵌入到多孔碳气凝胶内部，能够提高多孔碳气凝胶的韧性和强度；蛋白纤维包裹纳米金属碳化物，蛋白纤维包裹纳米碳氮化钛，提高了纳米碳氮化钛与铝基的相容性；改性纳米碳氮化钛与铝混合制备铝丝，铝丝中含有韧性和高强度的纳米碳氮化钛，避免形成的孔塌陷造成锂离子电池失效；铝丝经电化学刻蚀，其多孔结构有利离子扩散，提高锂离子电池的充放电性能
。
[0006]本专利技术要解决的技术问题：铝丝具有优异的柔韧性，能够赋予电池可穿戴性，多孔铝丝的多孔结构增加了活性位点，有利于锂离子和电子的扩散，增加电池的充放电性，但多孔结构易塌陷造成离子扩散速率减小，影响电池性能；石墨作为锂离子电池的正极，其层状结构能够嵌入锂离子而不发生形变，但石墨易与电解液发生反应在石墨表面形成膜，消耗锂离子，导致充放电性能下降
。
[0007]为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：
[0008]一种高能量密度柔性纤维状锂离子电池的制备方法，包括以下步骤：
[0009]S1.
在石墨表面原位合成聚谷氨酸，得到改性石墨，将改性石墨与有机碳前驱体混
合制备改性多孔碳气凝胶，由以下步骤制得：
[0010]A1.
将
0.5g
谷氨酸加入到
30mL
乙酸乙酯中，搅拌均匀，加入
0.3g
石墨，超声处理
2min
，用氩气吹扫
10min
，加入
15mL N,N
‑
二甲基甲酰胺和
0.1mL
质量分数为
56
％的硫酸催化剂，超声处理
2min
，在以
1300rpm
速率下离心以去除有机溶剂，取出沉淀物，经去离子水洗涤3次，在
70℃
烘箱中干燥
30min
，得到改性石墨；
[0011]其中，在有机溶剂
N,N
‑
二甲基甲酰胺中，谷氨酸的部分羧基与石墨表面的羟基反应，使得谷氨酸单体接枝在石墨表面，加入硫酸催化剂，使得石墨表面谷氨酸之间发生酰胺化反应，实现在石墨表面原位合成聚谷氨酸，避免石墨与电解液发应形成隔膜消耗锂离子
。
[0012]A2.
将
3g
有机碳前驱体加入到
80mL
去离子水中，搅拌均匀，超声处理
10min
，加入
0.5g
改性石墨，搅拌
30min
，在
80℃
下加热
24h
，冷却至室温后，得到湿凝胶，将湿凝胶与
5mL
质量分数为
80
％的浓硫酸混合，置于高压釜中，在
220℃
下碳化
24h
，形成碳质沉淀，碳质沉淀用去离子水洗涤3次，在
80℃
烘箱中干燥
10min
，得到改性多孔碳气凝胶
。
[0013]其中，改性石墨表面含有的羧基能够与有机碳前驱体蔗糖中羟基结合，使得改性石墨分散在蔗糖溶液中，在
220℃
下碳化处理，有机碳前驱体蔗糖形成多孔碳质材料，使得改性石墨嵌入到碳气凝胶内部，形成的碳气凝胶表面具有多孔结构，作为正极材料，有利于锂离子的嵌入，促进电解质的渗透，具有较高初始放电容量和循环稳定性
。
[0014]此外，需要说明的是：采用有机物蔗糖作为碳气凝胶前驱体，在
220℃
下碳化
24h
，且浓硫酸作为碳催化剂，促使蔗糖脱水碳化，使得有机碳前驱体充分碳化，且碳化温度未达到聚谷氨酸的分解温度，避免了聚谷氨酸的分解
。
[0015]进一步的，改性多孔碳气凝胶比表面积为
637.4m2/g
，孔径为
50nm。
[0016]进一步的，有机碳前驱体为蔗糖
。
[0017]S2.
采用蛋白纤维包裹纳米金属碳化物，得到改性纳米碳氮化钛，将改性纳米碳氮化钛与铝混合制备铝丝，铝丝经电化学刻蚀，得到改性多孔铝丝，具体由以下步骤制得：
[0018]B1.
将
5g
蚕丝加入到
100mL
碳酸钠溶液中，在
100℃
下搅拌
1h,
对蚕丝进行脱胶，冷却后过滤，置于
40℃
烘箱中干燥
10min
，加入到甲酸和
0.5g
钛粉中，搅拌均匀，置于喷射器中，其中，静电纺丝电压为
12KV
，流速为5μ
L/min
，收集器与针尖之间的距离为
12cm
，进行静电纺丝，收集蛋白纤维，经去离子水洗涤3次，在
80℃
烘箱中干燥
8min
，得到丝素蛋白纤维；
[0019]其中，在丝素蛋白溶液中混入钛粉，钛粉熔点高达
1600℃
，具有较高的耐高温性，能够提高丝素蛋白纤维的耐高温性，使得蛋白纤维能够在
700℃
环境下本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种高能量密度柔性纤维状锂离子电池的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.
在石墨表面原位合成聚谷氨酸，得到改性石墨，将改性石墨与有机碳前驱体混合制备改性多孔碳气凝胶；
S2.
采用蛋白纤维包裹纳米金属碳化物，得到改性纳米碳氮化钛，将改性纳米碳氮化钛与铝混合制备铝丝，铝丝经电化学刻蚀，得到改性多孔铝丝；
S3.
将改性多孔碳气凝胶与粘接剂混合，得到正极浆料，将正极浆料包覆在纯净铝丝表面，作为正极材料；在改性多孔铝表面均匀缠绕一层隔膜，作为负极材料；
S4.
将正极材料与负极材料相互缠绕，形成电芯，将电芯置于热收缩管中，经烘干
、
注电解液
、
封口，得到柔性纤维状锂离子电池
。2.
根据权利要求1所述的一种高能量密度柔性纤维状锂离子电池的制备方法，其特征在于，所述有机碳前驱体为蔗糖
。3.
根据权利要求1所述的一种高能量密度柔性纤维状锂离子电池的制备方法，其特征在于，改性多孔碳气凝胶由以下步骤制得：
A1.
将谷氨酸加入到乙酸乙酯中，搅拌均匀，加入石墨，超声处理
2min
，用氩气吹扫
10min
，加入
N,N
‑
二甲基甲酰胺和质量分数为
56
％的硫酸，超声处理
2min
，在以
1300rpm
速率下离心，取出沉淀物，沉淀物经洗涤
、
干燥，得到改性石墨；
A2.
将有机碳前驱体加入到去离子水中，搅拌均匀，超声处理
10min
，加入改性石墨，搅拌
30min
，在
80℃
下加热
24h
，冷却至室温后，得到湿凝胶，将湿凝胶与
5mL
质量分数为
80
％的浓硫酸混合，置于高压釜中，在
220℃
下碳化
24h
，形成碳质沉淀，碳质沉淀用去离子水洗涤3次，在
80℃
烘箱中干燥
10min
，得到改性多孔碳气凝胶
。4.
根据权利要求3所述的一种高能量密度柔性纤维状锂离子电池的制备方法，其特征在于，所述改性多孔碳气凝胶比表面积为
637.4m2/g
，孔径为
50nm。5.
根据权利要求1所述的一种高能量密度柔性纤维状锂离子电池的制备方法，其特征在于，所述改性多孔铝丝由以下步骤制得：
B1.
将蚕丝加入到碳酸钠溶液中，在
100℃
下搅拌
1h,
冷却后过滤，置于
40℃
烘箱中干燥
10min
，加入到甲酸中，...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵曙光，穆世慧，赵慈航，
申请(专利权)人：北京民利储能技术有限公司，
类型：发明
国别省市：