一種柔性便攜式能源管及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于柔性電子技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種柔性便攜式能源管(也可稱為管狀可充電電池)及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]近些年來，新型光電子產(chǎn)品不斷進(jìn)入人們的視野，如智能手機(jī)、掌上電腦、柔性顯示屏等逐漸進(jìn)入人們的生活中。為進(jìn)一步滿足個(gè)人隨身光電子功能的需求，新型柔性光電子器件的開發(fā)已成為電子產(chǎn)品發(fā)展重要的趨勢(shì)?？沙潆婋姵乜梢源鎯?chǔ)電能、規(guī)劃用電，在現(xiàn)實(shí)生活中具有舉足輕重的地位。而柔性、輕質(zhì)、高效的電池可以滿足隨身攜帶的要求，作為應(yīng)急能源，也可以與其他用電器相結(jié)合，構(gòu)筑復(fù)雜的電子裝備，具有良好的應(yīng)用前景。
[0003]目前，國(guó)內(nèi)關(guān)于柔性電池的設(shè)計(jì)僅有少量專利。專利CN102656729A和CN203056029U公開了柔性鋰電池的結(jié)構(gòu)，其電極材料直接使用活潑金屬鋰，對(duì)空氣成分敏感，且材料成本較高，難以大規(guī)模推廣應(yīng)用。CN102959760A涉及一種通過基底波紋結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)電池柔性的設(shè)計(jì)，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工不易，且占據(jù)較大空間。CN102201580A公開了一種柔性鋅錳電池的設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)低成本、大批量生產(chǎn)，但該電池的一次放電原理決定了其不能適應(yīng)充放電循環(huán)。CN 103700798 A公開了一種纖維化學(xué)儲(chǔ)能電源的設(shè)計(jì)，該結(jié)構(gòu)適用于電極材料發(fā)生價(jià)態(tài)變化且電解質(zhì)不發(fā)生價(jià)態(tài)變化的電池類型，容量受限于負(fù)載于電極的活性材料的量。以上這些專利所涉的設(shè)計(jì)有以下不足:第一，柔性可充電電池多基于鋰電池原理，材料成本較高，而以活潑金屬鋰作為電極材料會(huì)增加了封裝的難度。第二，其柔性主要依賴于襯底的柔性，功能層層厚度有限，限制了電池的容量，且活性材料在彎折下可能會(huì)脫落，造成電池耐彎折性能不佳。第三，柔性電池多為平面形態(tài)，新形態(tài)的設(shè)計(jì)有助于擴(kuò)大電池的應(yīng)用形式和適用場(chǎng)合。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為了解決上述問題，本發(fā)明提供了一種柔性便攜式能源管及其制備方法。這種柔性便攜式能源管結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，材料來源豐富，成本低廉，便于規(guī)模化生產(chǎn)；存儲(chǔ)容量可調(diào)，循環(huán)性能優(yōu)良，耐彎折，輕質(zhì)，便于攜帶。
[0005]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案:
[0006]一種柔性便攜式能源管，包括:陰極，位于能源管的最內(nèi)層；離子隔離體，包裹于陰極；陽極，緊密纏繞于離子隔離體外；所述陰極、離子隔離體和陽極共同構(gòu)成能源管的功能結(jié)構(gòu)；所述功能結(jié)構(gòu)置于盛有電解液的柔性管中。
[0007]進(jìn)一步地，所述陰極為柔性可彎曲的，且具有催化活性的導(dǎo)電纖維。
[0008]進(jìn)一步地，所述導(dǎo)電纖維的種類包括鉑絲、碳素纖維以及鉑碳、活性炭或炭黑等催化材料修飾的導(dǎo)電纖維等；纖維的直徑不限，但出于強(qiáng)度、柔性和輕質(zhì)的考慮，優(yōu)選為0.01-0.1mm0
[0009]進(jìn)一步地，所述離子隔離體為選擇性離子交換膜，材質(zhì)不限，優(yōu)選為含氟聚合物陽離子選擇性透過膜；膜層厚度為0.01-1000 μm，出于膜強(qiáng)度和柔性的考慮，膜厚度優(yōu)選為0.08-0.3mm。
[0010]進(jìn)一步地，選擇性離子交換膜為長(zhǎng)條狀或管狀。
[0011 ] 進(jìn)一步地，所述陽極為絲狀或條狀金屬電極。
[0012]進(jìn)一步地，所述絲狀或條狀金屬電極材質(zhì)包括鉻(Cr)、鐵(Fe)、鈷(Co)、鎳(Ni)、銅(Cu)和鋅(Zn)等或其合金，絲狀金屬直徑為0.1-0.2mm，條狀金屬寬度為0.15-0.4cm。
[0013]進(jìn)一步地，所述陽極纏繞離子隔離體的螺距不限，出于結(jié)構(gòu)固定和活性表面的需求，優(yōu)選為0.2-0.8cm。
[0014]進(jìn)一步地，所述電解液為溴化物或碘化物的水溶液，其中所含金屬元素與陽極金屬元素對(duì)應(yīng)(一致)，包括鉻(Cr)、鐵(Fe)、鈷(Co)、鎳(Ni)、銅(Cu)和鋅(Zn)等的溴化鹽和碘化鹽；濃度為不限，出于電池能量密度和無機(jī)鹽溶解度的考慮，優(yōu)選為1-5M。
[0015]進(jìn)一步地，所述柔性管材質(zhì)不限，包括薄壁聚乙烯管、多彩色的聚氨酯管和具有良好柔性、彈性的聚硅氧烷管等；為制備方便考慮，優(yōu)選為具有熱縮性質(zhì)的柔性管；內(nèi)徑不限，出于柔性和容量的考慮，優(yōu)選為0.4cm-2cm。
[0016]一種制備上述柔性便攜式能源管的方法，包括以下步驟:
[0017]I)將金屬電極緊密纏繞于離子隔離體之外；
[0018]2)將導(dǎo)電纖維插入離子隔離體，與上述金屬電極和離子隔離體共同構(gòu)成能源管的主體功能結(jié)構(gòu)；
[0019]3)將上述功能結(jié)構(gòu)置于盛有電解液的柔性管中，封裝即可得到柔性便攜式能源管。
[0020]進(jìn)一步地，采用長(zhǎng)條狀離子交換膜作為離子隔離體時(shí)，將離子交換膜卷成柱狀，以金屬電極緊密纏繞固定；采用管狀離子交換膜作為離子隔離體時(shí)，則直接以金屬電極緊密纏繞，螺距不限，出于結(jié)構(gòu)固定和活性表面的需求，優(yōu)選為0.2-0.Scmo
[0021]進(jìn)一步地，還包括在步驟I)之前，將離子隔離體浸泡在電解液中4-20小時(shí)，優(yōu)選為12小時(shí)。
[0022]進(jìn)一步地，卷成柱狀的離子交換膜的內(nèi)徑根據(jù)所選擇的的柔性管決定，出于柔性和容量的考慮，優(yōu)選為lmm-lcm。
[0023]進(jìn)一步地，步驟2)中，還包括將上述主體功能結(jié)構(gòu)繼續(xù)在電解液中浸泡4-48小時(shí)，優(yōu)選為24小時(shí)。
[0024]根據(jù)所選無機(jī)鹽的離子類型，電池的充電電極反應(yīng)為:
[0025]陰極:2X二2e— X2 (X = Br，I)；
[0026]陽極:Mn++ne一 M(M = Cr，F(xiàn)e，Co，Ni，Cu，Zn)；
[0027]放電反應(yīng)則為上述反應(yīng)的逆反應(yīng)。由此可見，該電池工作過程中，正極材料不消耗，選擇導(dǎo)電性和催化性良好的材料即可；負(fù)極材料參與反應(yīng)，需確保金屬量足夠，以保證其反應(yīng)量和導(dǎo)電性。
[0028]與CN 103700798 A的設(shè)計(jì)(電極纏繞分隔結(jié)構(gòu))相比，本申請(qǐng)涉及的逐層包裹結(jié)構(gòu)是完全不同的。選擇性離子交換膜的存在使得兩極完全隔開，沒有發(fā)生短路的可能。且本設(shè)計(jì)對(duì)電極材料和電解質(zhì)的反應(yīng)情況沒有任何限制，在選材方面具有更大的靈活性，在選擇廉價(jià)易得的材料和簡(jiǎn)化制作工藝方面具有更大的優(yōu)勢(shì)。而且本申請(qǐng)避免了使用脆性粉體活性材料，沒有功能層脫落的問題，從結(jié)構(gòu)上保證電池的耐彎折性能。在金屬過量的條件下，電池的容量由電解質(zhì)的量決定；控制電解液濃度和柔性管容量即可輕松實(shí)現(xiàn)電池容量的設(shè)計(jì)。
[0029]本發(fā)明的有益效果在于:
[0030]第一，利用較為簡(jiǎn)單明確的氧化還原反應(yīng)原理，以廉價(jià)的無機(jī)鹽作為活性材料，有助于實(shí)現(xiàn)高性價(jià)比、長(zhǎng)壽命、大容量、高密度的能量存儲(chǔ)；
[0031]第二，以金屬帶或碳纖維作為電極，無需功能層涂覆，不僅使得制備工藝簡(jiǎn)單，也沒有功能層脫落的問題，可以充分支持電池的柔性；
[0032]第三，該電池的材料選擇具有很大的靈活性，且不含揮發(fā)性溶劑，如選用金屬鋅為電極材料，能夠輕易滿足安全環(huán)保的要求；
[0033]第四，設(shè)計(jì)由內(nèi)到外的層狀結(jié)構(gòu)，可使用透明柔性管封裝，不僅使得這種可充電電池小巧、精致、便攜，可直接觀察顏色(體現(xiàn)溴和碘的含量)，了解電池容量情況；也可以選擇彩色的包裝，滿足特定的美感需求。
[0034]值得指出的是，與傳統(tǒng)可充電電池設(shè)計(jì)相比，本發(fā)明所涉及的材料都是廉價(jià)易得的，功率輸出穩(wěn)定，輕質(zhì)柔性便攜，可實(shí)現(xiàn)靈活的用途。
【附圖說明】
[0035]圖1是柔性便攜式能源管的示意圖。
[0036]圖2是柔性便攜式能源管的截面示意圖。
[0037]圖3是不同電流密度下，基于鉑電極的柔性便攜式能源管(5cm)的充放電曲線。
[0038]圖4是基于鉑電極的柔性便攜式能源管在4mA/cm電流下的循環(huán)性能，在彎曲狀態(tài)和自由狀態(tài)下，其比容量(Q)、能量密度(E)和功率密度(P)沒有顯著變化。
[0039]圖5是不同電流密度下，基于碳纖維的柔性便攜式能源管(5cm)的充放電曲線。
[0040]其中:1一陰極；2—尚子交換膜；3—陽極；4一電解液；5—柔性管。
【具體實(shí)施方式】
[004