一种仿生变形结构一体化电池及其制备方法与流程

1.本发明属于电源电池技术领域，尤其是涉及一种仿生变形结构一体化电池及其制备方法。


背景技术：

2.锂离子电池(lib)由于高能量密度和重复循环使用等特性，在各种电子设备供电、智能领域、军用领域等具有广泛的应用市场和吸引力。锂离子电池的组成主要包括电芯、电解液和外壳，其中电芯主要包括正极片、隔膜和负极片。高能量密度的锂电池，其电芯主要是由多层正负极叠加制成，当超过一定厚度时，电芯无法实现柔性和折叠。目前柔性电池的研究主要集中在外壳，将外壳做成一定的弯曲度，电极片若太厚，极片的高柔韧性与长期的机械形变造成的活性物质层脱落，造成电池性能失效；而较薄的电极片，容量较低，难以实现高能量密度性能。因此，满足灵活自由度高且高能量密度的lib仍是一项亟需解决的重大问题。
3.近年来，柔性电子技术、智能装备和智能可穿戴设备的飞速发展，亟需高性能的柔性储能电源。当今研究热点和新兴前沿技术之一的是软体机器人，其采用软体材料加工而成，可以连续变形，具有无限自由度和柔顺性，与传统刚性机器人相比，软体表现出了前所未有的适应性、安全性和灵敏性，弥补了刚性机器人的不足，将机器人的应用领域进一步扩大，可以任意地变形，实现弯曲、扭转和伸缩等多种功能，更好地适应复杂多变的野外环境、受限空间和极端危险场合、灾难救援等领域。软体机器人各种功能的实现，需要匹配的能量供应才能满足，柔软的身体结构，常规的刚性电池不能满足伸展和弯曲的要求，这样，柔性锂离子电池成为研究热点，在目前现有的柔性电池技术中，主要存在以下问题：(1)电池具有一定的机械柔韧性，无法满足在各种变形状态(弯曲、扭曲和拉伸)下都能工作。(2)满足一定的柔韧性，电池需要做得较薄，较低的活性物质含量导致无法提供较高的容量，电池性能降低。(3)长期反复变形(弯曲、扭曲和拉伸)之后，造成电池性能衰减或失效，极易缩短寿命。
4.仿生学是模仿生物的外部形态结构和内部生理结构，进行制造或改善机械、仪器、建筑、工艺等方面的科学。结构仿生主要是研究生物体的外部形态和大自然界中物质存在的内部结构原理在设计中的应用问题，通过研究生物整体或部分的构造组织方式，发现其与产品的潜在相似性进而对其模仿，以创造新的形态或解决新的问题。比如蛋壳的拱形结构与其表面的弹性膜一起构成了薄壳结构，形成一定的弯曲表面，产生的预应力结构可以承受相当大的压力。受到自然界中各种软体生物生理结构和运动方式的启发，自然界中鱼类、软体爬行类生物(如尺蠖、蚯蚓、蛇等)、鸟类等，它们可以根据其独特的生理结构进行不同方式的运动，如尺蠖的弓形运动、蚯蚓和蛇的伸缩运动、鱼类的波浪运动以及鸟类的扑翼运动等，通过参考它们的外部结构以及运动方式而进行一体化电池设计，突破拓扑结构设计，使得仿生变形结构一体化电池具有一定的强度、刚度和稳定性的结构，保障单一电池的损耗不影响整体的性能，实现高能量输出。


技术实现要素：

5.本发明要解决的问题是目前现有技术中柔性电池无法满足在各种变形状态(弯曲、扭曲和拉伸)下都能工作；电池较薄，较低的活性物质含量导致无法提供较高的容量，电池性能降低；长期反复变形(弯曲、扭曲和拉伸)之后，造成电池性能衰减或失效，极易缩短寿命的问题，提供一种仿生变形结构一体化电池及其制备方法，通过参考自然中动植物体的外部形态或内部生理结构以及运动方式，进行一体化电池设计，使其具有一定的强度、刚度和稳定性结构，具有较高的容量和电池性能，延长电池使用寿命，实现高能量输出。
6.为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
7.一种仿生变形结构一体化电池，所述仿生变形结构一体化电池由异形单体电池构成。
8.进一步地，所述仿生变形结构一体化电池为所述异形单体电池的一种或多种进行组合，形成模块化阵列。
9.进一步地，所述仿生结构变形一体化电池的各个所述异形单体电池之间可以进行重叠以增大面积。
10.进一步地，所述异形单体电池的数量≥2。
11.进一步地，所述异形单体电池的形状为三角形或正方形或长方形或圆形或六边形。
12.进一步地，所述异形单体电池为轻质化高能量电池。
13.进一步地，将所述异形单体电池通过柔性铰链连接，形成模块化阵列的所述仿生变形结构一体化电池。
14.进一步地，所述柔性铰链基于高导电性金属以及双面绝缘保护的耐腐蚀弹性聚合物层进行制作。
15.进一步地，所述柔性铰链的形状可以任意改变，与所述异形单体电池的形状相适配。
16.进一步地，所述异形单体电池的制备方法为叠片或卷绕或溅射或喷涂或打印或刻蚀，实现异形结构。
17.本发明设计的一种仿生变形结构一体化电池及其制备方法，通过参考自然中动植物体的外部形态或内部生理结构以及运动方式，进行一体化电池设计，使其具有一定的强度、刚度和稳定性结构，具有较高的容量和电池性能，延长电池使用寿命，实现高能量输出。
附图说明
18.图1是本发明一实施例的仿生变形结构一体化电池的结构示意图；
19.图2是本发明另一实施例的仿生变形结构一体化电池的结构示意图。
具体实施方式
20.下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
21.请参见附图1-附图2，本发明实施例提供一种仿生变形结构一体化电池，仿生变形
结构一体化电池的仿生变形结构是基于自然中动植物体的外部形态或内部生理结构，由异形单体电池构成。
22.具体地，仿生变形结构一体化电池为异形单体电池的一种或多种进行组合，形成模块化阵列。
23.具体地，仿生结构变形一体化电池的各个异形单体电池之间可以进行重叠以增大面积。
24.优选地，异形单体电池的数量≥2。
25.优选地，异形单体电池的形状为三角形或正方形或长方形或圆形或六边形。具体地，异形单体电池的形状可以为任意形状，进行任意改变。
26.优选地，异形单体电池为轻质化高能量电池。
27.具体地，制备该仿生变形结构一体化电池的方法中，将异形单体电池通过柔性铰链连接，形成模块化阵列的仿生变形结构一体化电池。
28.具体地，柔性铰链基于高导电性金属以及双面绝缘保护的耐腐蚀弹性聚合物层(pi、pdms、tpu、ecoflex以及parylene等)进行制作。具体地，该高导电性金属可以为cu、ag、au等。
29.具体地，柔性铰链的形状可以任意改变，与异形单体电池的形状相适配。
30.具体地，异形单体电池的制备方法为叠片或卷绕或溅射或喷涂或打印或刻蚀，实现异形结构。具体地，也可以使用其他方式进行制备。
31.具体地，该仿生变形结构一体化电池的电压能够通过异形单体电池的串联组合进行确定，形成模块化，实现高电压输出。
32.具体地，该仿生变形结构一体化电池总体电池容量的提高依靠并联的异形单体电池的容量和数量进行确定。
33.具体地，该仿生变形结构一体化电池能够通过扩大堆叠面积增加电池的容量。
34.实施例1：
35.请参见附图1，该仿生变形结构一体化电池主要参考软体生物的外表皮结构，如鱼鳞，每个鳞片为椭圆形，整体由4行8列椭圆形单体电池组成，电芯通过叠片或卷绕实现，单体之间的连接通过柔性铰链实现，柔性铰链的构成是双面聚酰亚胺和铜箔(pi/cu/pi)；
36.柔性铰链采用长方形形状；
37.单体与单体之间实现1/4叠加；
38.每行的8个单体并联，可实现增加电池容量，每两行之间可通过串联增加电压，也可以使用并联方式。
39.实施例2：
40.请参见附图2，该仿生变形结构一体化电池主要参考软体生物的外表皮结构，如蛇鳞，每个鳞片为六边形，整体由4行7列六边形组成，电芯通过叠片方式进行制备，单体之间的连接通过柔性铰链实现，柔性铰链的构成是tpu/ag/tpu；
41.柔性铰链的形状采用平行四边形；
42.单体与单体之间实现1/3叠加；
43.每行的7个单体串联，实现提升电压，每行的4个单体并联可以实现增加电池容量，也可以使用串联方式。
44.本发明产生的优点和有益效果是：
45.1、本发明设计的一种仿生变形结构一体化电池及其制备方法，通过参考自然中动植物体的外部形态或内部生理结构以及运动方式，进行一体化电池设计，形成拓扑一体化电池，使用异形轻质高能量电池，通过柔性铰链连接，使其具有一定的强度、刚度和稳定性结构，能够实现高能量供应和弯曲、拉伸、扭曲等多种变形功能，具有较高的容量和电池性能，延长电池使用寿命，实现高能量输出。
46.2、本发明设计的一种仿生变形结构一体化电池及其制备方法，能够通过改变异形单体电池的串并联方式，实现不同电压和电池容量的输出。
47.3、本发明设计的一种仿生变形结构一体化电池及其制备方法，在其中任一异形单体电池损坏的情况下，不会影响电池整体性能，能更好实现长期提供能量的作用。
48.应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。