[发明专利]一种纤维状水系二次电池一体化工业级制备方法

说明书

本发明属于水系二次电池技术领域，具体为一种纤维水系二次电池一体化工业级连续制备方法。本发明通过多通道注液方法，将各种功能材料如正极浆料、负极浆料、凝胶电解质等同时挤出成型，实现纤维水系二次电池的一体化连续构建；同时采用牵伸后处理技术，首次实现了对纤维水系二次电池的多级牵伸处理，提高了器件的稳定性和力学性能；通过在线热封装技术，实现纤维干燥和器件封装一体化。本发明实现了纤维水系二次电池快速稳定地一体化连续构建，所得纤维器件具备优异的结构稳定性，使得它们可以与其他化纤混编或者单独编织成织物，在可穿戴电子领域具有广阔的应用前景。

技术领域

本发明属于水系二次电池技术领域，具体涉及一种纤维状水系二次电池一体化工业级制备方法。

背景技术

可穿戴电子设备已经成为现代电子工业的主流发展方向，越来越多的现代电子设备正朝着微型化、轻量化、柔性化和集成化的应用要求发展，而开发质轻、柔性的可穿戴储能系统成为了限制该领域发展的瓶颈问题[1]。这是因为传统的储能系统（超级电容器和锂离子二次电池）为刚性、块状结构，不可弯曲、没有柔性且体积较大。近年来发展起来的平面状[2,3]和纤维状[4,5]储能器件都可满足柔性和质轻要求；尤其纤维状储能器件更是具有一些独特的结构优势，如可以弯曲、拉伸甚至三维扭曲等较大变形，易于集成，并能通过成熟的纺织技术，形成具有良好柔性和高透气性的储能织物。

尽管目前纤维状储能器件的研究受到学术界和工业界的关注，但是目前报道的制备方法都比较复杂。以纤维状锂离子二次电池为例，目前只能通过实验室手工制备，制备过程往往比较复杂且制备效率低下，尚无法实现规模化地连续制备；现有制备方法包括活性物质的负载、纤维电极的制备、凝胶电解质的涂覆、整体器件的组装和封装等多步工序[6,7]。这些复杂的工序造成了纤维状锂离子二次电池的制备效率低、成本高、无法工业级批量化生产，而且其长度被限制在厘米级别且性能不够稳定，从而严重制约了纤维状锂离子二次电池的进一步发展及其应用。例如目前几乎所有的储能织物的构建都是将制备好的纤维状器件植入到传统织物上，原因是这些纤维器件尚无法满足机械化的编织工艺要求。此外目前纤维状锂离子二次电池的构型主要有缠绕式和同轴式两种[8]。其中缠绕式结构的纤维状锂离子二次电池存在力学结构稳定性不足的问题，例如在弯曲形变过程中两根纤维电极容易彼此脱离而导致整个器件解体，并会发生两根电极接触甚至造成断路的问题。同轴式结构的纤维状锂离子二次电池虽然结构稳定性好，但存在内外层活性物质容量匹配困难的问题。

以上，已公开报道的纤维状锂离子二次电池的器件结构（缠绕式和同轴式）均存在自身的不足，这些限制因素严重制约了纤维状水系二次电池的进一步发展和规模化应用。且目前基于有机电解液的纤维状锂离子二次电池存在燃烧、爆炸的潜在危险。因此开发适用于纤维状水系二次电池的工业化制备工艺路线，解决从实验室到工业化放大生产过程中结构和性能的可靠性与稳定性等关键技术难题，是纤维状水系二次电池走向市场必须要解决的问题。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种通过溶液纺丝一体化实现纤维水系二次电池的方法。本发明通过多通道注液方法将各种功能材料包括正极浆料、负极浆料、凝胶电解质等同时挤出成型，实现纤维水系二次电池的一体化连续构建；通过采用牵伸后处理技术，首次实现了对纤维水系二次电池的多级牵伸处理，提高了器件的稳定性、导电性能和力学性能；通过在线热封装技术，实现了纤维干燥和器件封装一体化。本发明能实现结构稳定、性能优异的纤维水系二次电池的工业级规模化连续制备。本发明的技术方案具体介绍如下。

一种纤维水系二次电池的一体化工业级制备方法，具体步骤如下：

（1）电极浆料的配制：将聚合物粘结剂、碳纳米导电材料、金属粒子导电剂、电极活性材料按照一定配比经机械搅拌获得可纺电极浆料，正、负极浆料除了电极活性材料不同，其他组分配方一致；

（2）水系凝胶电解质纺丝原液的配制：将锂盐溶于聚合物高分子水溶液中得到具有一定粘度的水系凝胶电解质纺丝原液；