一种同轴结构纤维锂离子电池及其制备方法

本发明属于锂离子电池，具体涉及一种同轴结构纤维锂离子电池及其制备方法。

背景技术：

1、近年来，可穿戴电子设备的快速发展对储能器件提出了新的要求，既要具备优异的柔性以适应人体运动和复杂形变，又要在有限的空间和质量约束下提供足够的续航能力。纤维锂离子电池凭借其独特的一维结构和可编织特性，成为柔性储能领域的研究热点，可应用于智能服装、柔性显示器、可穿戴医疗设备等领域。

2、传统纤维锂离子电池多采用对绞结构，即多根正极纤维与负极纤维通过螺旋缠绕形成电芯。然而，对绞结构存在固有的几何非对称性问题，正极材料在负极周围呈现离散化分布，负极表面各点到最近正极的径向距离存在周期性变化，导致锂离子在不同周向位置的传输路径长短不一，限制了电池的倍率性能。此外，对绞结构中正负极通过螺旋缠绕形成线接触，有效反应面积受到几何制约，且每根纤维需独立的金属集流体，显著增加了非活性组分占比，制约了能量密度的提升。现有对绞结构纤维电池的能量密度一般低于130 wh/kg，难以满足实际应用需求。

3、同轴结构作为一种径向层状堆叠构型，理论上可以克服对绞结构的固有缺陷。在同轴构型中，中心负极纤维外依次包覆隔膜层和正极活性材料层，形成完全同轴对称的圆柱形电芯，负极表面任一点到正极的径向距离完全相等，且正负极之间形成完整的圆柱形界面。然而，现有同轴结构的制备面临重大技术挑战。传统浸涂工艺难以实现厚涂层的均匀可控包覆，且无法在涂覆过程中插入隔膜层。现有文献报道的同轴纤维电池多采用电化学沉积或原位生长等特殊工艺，但活性材料载量普遍偏低，与成熟锂离子电池材料体系兼容性差，难以规模化生产，限制了同轴结构优势的发挥。

技术实现思路

1、本发明的目的就是针对现有纤维锂离子电池能量密度低、制备工艺复杂、难以规模化生产的缺点，提供一种同轴结构纤维锂离子电池的制备方法，通过采用绕包工艺实现同轴结构的连续化制备，显著提升能量密度，同时保持优异的柔性和可编织性。

2、本发明提供的同轴结构纤维锂离子电池的制备方法，分别设计了单级同轴结构和多级同轴结构的纤维锂离子电池；单级同轴结构的电池设计是通过在中心纤维电极（集流体）表面依次绕包隔膜条带和对电极条带，形成圆柱形对称的同轴结构电芯；对于多级同轴结构，在单级同轴结构基础上，采用单面和双面涂覆电极条带结合的方式，在其外侧继续绕包隔膜条带和对电极条带，通过层数叠加实现活性材料负载量的提升；具体包括以下步骤：

3、步骤（1）制备中心纤维电极：在中心纤维集流体表面涂覆活性材料，经干燥和辊压后得到中心纤维电极；

4、步骤（2）制备电极条带：将对电极活性材料、导电剂和粘结剂混合制备成电极浆料，涂覆在集流体表面，经干燥和辊压后分切成宽度为1～5 mm的电极条带；

5、步骤（3）制备隔膜条带：将隔膜分切成宽度为2～6 mm的隔膜条带；

6、步骤（4）绕包第一层隔膜：将隔膜条带通过绕包设备以螺旋方式均匀缠绕在中心纤维电极表面；

7、步骤（5）绕包第一层对电极：将对电极条带通过绕包设备以螺旋方式均匀缠绕在第一层隔膜表面，相邻对电极条带边缘适度搭接形成连续的圆柱形电极层；

8、步骤（6）极耳转接：将纤维干电芯正负极分别通过超声焊接等方式转接金属丝极耳；

9、步骤（7）注液与封装：将组装后的干电芯穿入封装管中，一端热封后从另一端抽真空并注入电解液，静置后通过高温油浴使封装管收缩贴合电芯，快速冷却后封口，得到同轴结构纤维锂离子电池。

10、进一步地，步骤（1）中所述中心纤维集流体可采用沉积方式或物理包缠方式制备，电极活性材料的载量为100～500 mg/m。

11、进一步地，步骤（2）中所述集流体采用铜箔、铝箔或其它衍生集流体箔材并经过涂炭处理；所述负极活性材料包括石墨、硅碳复合材料或钛酸锂等；所述正极活性材料包括镍钴锰酸锂、镍钴铝酸锂、钴酸锂或磷酸铁锂等；电极活性材料的单面载量为5～30 mg/cm²。

12、进一步地，步骤（3）中所述隔膜材料采用聚乙烯、聚丙烯及其相关衍生商业隔膜，厚度为5~20 μm。

13、进一步地，步骤（4）中所述绕包第一层隔膜，隔膜条带相互重叠部分宽度为0.1~1mm。

14、进一步地，步骤（5）中所述电极条带缠绕后边缘间距为0~200 μm。

15、对于多级同轴结构，以“两层负极，一层正极”结构为例，步骤（5）中的对电极条带为双面涂覆条带，在步骤（6）之前，还包括以下步骤：①步骤（5a）绕包第二层隔膜：将隔膜条带通过绕包设备以螺旋方式均匀缠绕在第一层对电极表面；②步骤（5b）制备并绕包第二层电极：将二层电极活性材料单面涂覆在集流体表面，经干燥和辊压后分切成宽度为1～5 mm的电极条带，通过绕包设备以螺旋方式均匀缠绕在第二层隔膜表面，形成二级级同轴结构。根据容量需要缠绕多层隔膜和电极条带，以此类推，得到多级级同轴结构。

16、进一步地，步骤（6）中，同轴结构纤维锂离子电池采用单侧或双侧引线连接方式，在电芯一端或两端分别引出正极引线和负极引线；所述负极引线通过导线与负极集流体连接，正极引线通过导线与正极集流体连接；正负极极耳材料分别为漆包铝丝、漆包铜丝或镍丝等，直径为100~500 μm。

17、进一步地，步骤（7）中所述高温油浴的温度为120～160 ℃，快速冷却的温度为10～30 ℃；所述封装管为热缩管，材料为氟化乙烯丙烯、聚四氟乙烯或聚偏氟乙烯。

18、本发明制备的同轴结构纤维锂离子电池，其能量密度显著提升，突破200 wh/kg，达到商用圆柱电池水平；同时电芯直径可控制在0.5～2 mm范围内，保持纤维电池的高长径比特征和优异的柔性和可编织性。

19、与现有技术相比，本发明具有以下优点：

20、（1）本发明采用绕包工艺实现同轴结构纤维锂离子电池的连续化制备，正极材料连续包覆在负极纤维外围形成完整的圆柱形活性材料层，负极表面任一点到正极的径向距离完全相等，锂离子传输路径实现真正均匀化，同时正负极之间形成完整的圆柱形界面，反应面积达到最大值，显著提升了电池的倍率性能。

21、（2）本发明采用的绕包工艺与现有电池制备技术高度兼容，通过将宽幅正极极片分切成窄条带并以螺旋方式缠绕，可实现高载量活性材料的均匀包覆，活性材料载量达到商用锂离子电池水平，克服了传统电化学沉积等方法载量低的问题。同时绕包工艺可在同一连续化生产线上完成隔膜和正极的逐层包覆，为纤维电池的规模化生产提供了可行路径。

22、（3）本发明通过多级同轴结构设计，在保持单层极片厚度适中的前提下，通过层数叠加使单位长度活性材料负载量成倍提升，二级同轴结构的能量密度突破200 wh/kg，达到商用圆柱电池水平，同时电芯直径可控制在0.5～2 mm范围内，保持了纤维电池的高长径比特征和优异的柔性。

23、（4）本发明采用复合集流体结构，中间聚合物层提供柔性支撑，金属层提供电子传导通路，相比传统纯金属箔集流体，复合集流体具有更高的抗拉强度和延展性，可承受绕包过程中的反复弯曲和缠绕应力，同时通过涂碳处理增加表面粗糙度，确保活性材料在高曲率几何构型下的牢固附着。

24、（5）本发明开发了基于真空注液结合快速热缩封装的工艺，利用真空环境促进电解液快速渗透至电芯各处，随后通过高温热缩使封装管紧密贴合电芯表面，并快速冷却以避免高温对电芯材料造成损害，成功解决了同轴结构因径向致密度高导致的浸润难题，确保了电芯内部电解液分布均匀。