[发明专利]一种具有蜂窝夹芯结构的高强度锂离子电池复合材料

说明书

本发明公开了一种具有蜂窝夹芯结构的锂离子电池复合材料。这种复合材料具有优异的力学性能，不但能够提供机械承载能力，而且具备电化学储存功能。这种电池复合材料由上下两层纤维增强复合材料和中间的蜂窝夹芯层以及整合在蜂窝中的高性能电池材料构成。夹芯结构的引入可以将外部载荷转移至夹芯梁上，避免电池材料在外力作用下发生破坏，蜂窝夹芯结构作为设计变量，可以根据需要对电池的力学性能和电化学性能进行调整。该电池复合材料的Z向进行了增强处理，进一步提高了电池的结构承载能力，可应用于电动汽车、电动飞机的结构承载部件。

技术领域

本发明属于储能和结构设计领域，具体是一种具有蜂窝夹芯结构的高强度锂离子电池复合材料，该材料可用作电动汽车、电动飞机等的结构储能部件。

背景技术

在航空航天和汽车等运载工程领域，利用纤维增强复合材料替代金属，可以实现整体的轻量化，进而达到节能、减排、降低成本和提高效率的作用。随着汽车、飞机等的轻量化水平不断提高，仅具有结构承载功能的纤维增强复合材料已难以满足其发展需求。将具有结构承载功能的复合材料与具有导电、吸波、隔热、储能等功能的复合材料相结合，发展结构功能一体化复合材料是复合材料的发展趋势。其中，将提供结构承载功能的纤维增强复合材料与提供电化学能量存储的电池材料整合，发展兼具结构承载和能量存储功能的结构储能复合材料，对运载工程领域的发展具有重要意义。例如，这种结构储能复合材料可以加工成电动汽车的车门、车顶或者飞机的机翼等结构承载部件，同时如普通电池般提供电能，可有效减轻车辆的重量，提高车辆的空间利用效率。

近年来，尽管有少量关于结构储能复合材料的研究报道，但是它们的力学性能、电化学性能及承载时的电化学性能尚不理想，难以满足实际应用需求。结构储能复合材料的综合性能，有望通过材料组分的更新及结构的优化设计来实现。从材料角度出发，发展新型兼具优异力学性能和电化学性能的电极材料，有望全面提高结构储能复合材料的电化学性能和力学性能。从结构设计角度出发，如果能够将航空航天、汽车等领域具有广泛应用的蜂窝夹芯复合材料结构与传统电池结构相结合，也有望显著改善结构储能复合材料的综合性能。蜂窝夹芯复合材料通常由上下两层纤维增强复合材料面板和中间的蜂窝夹芯层复合而成，具有弯曲刚度大、结构质量轻等优势。对传统蜂窝夹芯复合材料的结构进行优化设计，进而将传统电池中的活性材料整合至复合材料的夹芯层中，则有望获得综合性能优异的结构储能复合材料。

发明内容

发明目的：本发明针对现有电池的力学性能差、不具备结构承载能力的问题，提出一种具有蜂窝夹芯结构的锂离子电池复合材料，所得复合材料兼具电化学储能和结构承载两种功能，可用作电动汽车、电动飞机等的结构储能部件。

技术方案：本发明所述一种具有蜂窝夹芯结构的高强度锂离子电池复合材料的结构及制备方法如下：

(A)本发明所述锂离子电池复合材料的结构：如附图1所示，自下而上，依次为表皮层-1、夹芯层和表皮层-2。表皮层-1的表面贴附有若干特定形状的光滑垫片。夹芯层是与垫片形状相对应的蜂窝夹芯，在每个蜂窝内自下而上填充有电池正极、隔膜和负极，每个蜂窝内的正极和负极均由铝箔线和铜箔线相互连接，且设有延伸至复合材料外部的铝箔线和铜箔线各1条。表皮层-2设计有若干注液孔。整个电池复合材料的外圈边沿和夹芯梁位置设计有若干缝线孔，使用缝线增强后，加注环氧树脂形成Z向增强柱。

(B)本发明所述锂离子电池复合材料的表皮层-1，由碳纤维复合材料、玻璃纤维复合材料和凯夫拉纤维复合材料中的任一种构成，其中纤维材料的铺层为2-4层；表皮层-1所贴附垫片位置及形状与蜂窝孔相一致，垫片材料为高密度的聚氨酯泡沫、聚苯乙烯泡沫、聚醚酰亚胺泡沫、聚甲基丙烯酰亚胺泡沫的一种，垫片高度为0.7-2mm，垫片与表皮层-1由环氧胶黏剂固定。