一种波浪形柔性锂离子电池的制作方法

1.本发明属于柔性电池领域，具体涉及提高柔性锂离子电池机械稳定性的结构。


背景技术：

2.锂离子电池和超级电容器等储能技术已成为现代社会的基本组成部分，最近，可穿戴和柔性电子产品的范围不断扩大，推动了柔性和高能量密度储能系统的发展。柔性和可拉伸的电子产品在各种各样的新兴应用领域吸引了越来越多的兴趣，如可穿戴设备、柔性显示器和仿生电子皮肤。柔性和可拉伸电子器件的广泛应用面临的一个关键挑战是开发高性能的能量存储系统，该系统能够在使用中承受这些电子器件的大规模和反复变形。所以，柔性电池存在机械稳定性差的问题，无法承受其严峻的工作环境下的复杂形变。随着柔性电池的发展，可以预见更多的应用场景。同时，在现有的储能装置中，锂离子电池由于其能量密度高、绿色无污染、生产工艺相对安全成熟等优点在便携式电子产品中得到了广泛地应用。综上所述，探索高机械稳定性和长寿命的柔性锂离子电池意义重大。
3.近年来，为了获得更高机械稳定性的柔性锂离子电池，人们做出了各种研究和努力。如采用多孔结构作为柔性锂离子电池的集流器，因为多孔结构具有良好的应力缓解作用，它的孔隙提供了释放各种应力的空间。这些多孔结构通常由导电的泡沫/海绵网络或互锁的织物网组成。网状结构(如碳纳米管纸)(advanced science,2017,4(7):1700107.)和泡沫结构(如3d金属基泡沫)(journal of alloys and compounds,2017,729:463-474.)都提供了高灵活性、轻量和高表面积来支撑活性材料，也可以在工业规模上生产。典型的用于多孔电流收集器的材料包括碳材料(纳米管，纳米纤维，和石墨烯)，金属，和导电聚合物。此外，除了提高材料本身的灵活性以外，xu等人(nature communications,2013,4:1543-1543.)将小尺寸的电池单元串联起来，形成“自相似”的几何形状，这使得它们能够通过不同单元之间的间隙灵活移动。这意味着这种设计将应力定位在硅橡胶而不是电子元件上，从而平滑了机械变形下输出电压的振荡。
4.上述研究虽然都实现了电池的柔性，并能够承受一定的机械载荷，但是多孔与金属集流器相比，可能会牺牲集流器的导电性。并且xu等人将储能和柔性解耦的方式也是以牺牲能量密度为代价的。因此，可以从电池的整体结构出发，考虑更改电池原有的方形、圆柱型等传统结构，通过引入生活中常见的高机械稳定性的结构到电池结构领域中，在更少地损失自身能量密度的前提下去提高柔性电池的机械稳定性。期待本工作能够促进将生活中常见的结构运用在电池领域的研究，同时促进柔性器件的发展。


技术实现要素：

5.本发明目的是针对可穿戴设备和柔性消费类电子产品对柔性电池高机械稳定性和高能量密度的需求，从电池整体结构出发，提出一种波浪形新型柔性锂离子电池结构，从而提高柔性电池的机械稳定性。
6.为实现上述目的，本发明提供的技术方案为：一种波浪形柔性锂离子电池，该电池
为薄片状，正极极片为铝箔加钴酸锂，负极极片为铜箔加石墨，隔膜材料为pp/pe/pp，电解液为lipf6；
7.其特征在于，所述波浪形柔性锂离子电池的外形为由薄片状电池经过整形后的波浪形。
8.进一步的，波浪形柔性锂离子电池的整形宽度为5mm。
9.进一步的，所述波浪形柔性锂离子电池的极耳处保留5mm的平板区域，不进行弯折。
10.进一步的，采用计算整形波长k，首先再前后留出空余距离，中间部分进行整形，计算波长其中，h表示整形深度，w表示整形宽度；
11.进一步的，整形深度为4mm和7mm。
12.进一步的，整形时进行分段整形。
13.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
14.(1)本发明从结构的柔性入手去增强柔性电池的机械稳定性，相比于其它更改内部材料的做法，没有牺牲集流体的导电性，电池循环性能更好。(2)本发明没有对储能和柔性进行拆分，能够使电池保持柔性的同时拥有更高的能量密度。
15.(3)本发明的结构相比于薄板型柔性电池来说拥有更优秀的机械稳定性，能够经历上万次弯曲或扭转后容量保持率在95％以上。
附图说明
16.图1为实施例1和实施例2与对比例在相同机械载荷下的有限元分析结果；
17.图2为实施例1和实施例2与对比例测试机械性能的装置示意图；
18.图3为实施例1和实施例2与对比例的弯曲测试结果；
19.图4为实施例1和实施例2与对比例的扭转测试结果；
20.图5为实施例1和实施例2与对比例的卷绕测试结果；
21.图6为实施例1和实施例2的长循环测试结果；
22.图7为该新型结构电池的示意图。
具体实施方式
23.本发明原理如下：
24.结构弯曲时，弯曲正应力是影响弯曲强度的主要因素，根据正应力条件，公式为：前式可改写成内力的形式：m
max
≤[m]＝wz[σ]
[0025]
式中，wz为抗弯截面系数，σ则和材料本身的力学性能相关。式的左侧是构件受到的最大弯矩，式的右侧是构件所能承受的许用弯矩。由两式可以看出，提高弯曲强度的措施主要是从三方面考虑：减少最大弯矩、提高弯曲截面系数和提高材料的力学性能。瓦楞纸结构的抗弯原理便是提高抗弯截面系数，从而提高结构的机械稳定性。
[0026]
本发明通过对薄板型柔性电池整体结构进行改进，提出一种的柔性锂离子电池。并整形的方法在不损伤电池外壳以及内部材料的前提下，制备出结构深度为4mm和7mm的新
型柔性电池。
[0027]
实施例1
[0028]
结构深度为4mm的新型柔性锂离子电池的整形步骤如下：
[0029]
步骤1：选取长110mm、宽35mm以及厚0.2mm的薄板型柔性锂离子电池。
[0030]
步骤2：根据整形深度(4mm)与宽度(5mm)可得整形波长(k)约为9.43mm。据此将电池分为11段。
[0031]
步骤3：利用直尺在每段的中点处向下压深一定的距离(约1mm即可)
[0032]
步骤4：利用和4mm直径的木棒将每段中点向下压深到4mm的深度。
[0033]
所得的电池即为结构深度为4mm的新型柔性锂离子电池。
[0034]
实施例2
[0035]
结构深度为7mm的新型柔性锂离子电池的整形步骤如下：
[0036]
步骤1：选取长110mm、宽35mm以及厚0.2mm的薄板型柔性锂离子电池。
[0037]
步骤2：根据整形深度(7mm)与宽度(5mm)可得整形波长(k)约为14.87mm。据此将电池分为7段。
[0038]
步骤3：利用直尺在每段的中点处向下压深一定的距离(约1mm即可)
[0039]
步骤4：利用和7mm直径的木棒将每段中点向下压深到7mm的深度。
[0040]
所得的电池即为结构深度为7mm的新型柔性锂离子电池。
[0041]
对比例1
[0042]
本对比例采用双层极片的薄板型柔性锂离子电池。与实例1和实例2的材料、组装步骤以及电池总长度都一致，只是由于结构的不同电池外观有所差异。
[0043]
图1为实施例与对比例在弯曲和扭转下的受力云图。从弯曲结果可以看到，随着电池整形深度的增加，应力分布不断扩散，集中应力逐渐减小，实施例1和实施例2的最大应力分别为86mpa合71mpa，远低于对比例1的187mpa。相同的，扭转仿真的结果和弯曲相似，新型柔性电池的结构很大程度上地避免了应力的集中，电池由于扭转使得靠近固定端的两边受到严重的剪切力，而新型结构的受力进一步分散到了整体，从而保护其不受集中应力而受损。
[0044]
图2为实施例与对比例测试机械稳定性时所采用的实验装置。其中弯曲装置将电池的两端连接两个致动器，一个致动器固定，另一个致动器匀速移动对电池进行弯曲，利用不同半径的聚四氟乙烯圆筒，改变致动器的移动距离，可以控制弯曲半径；扭转装置将电池的两端绑定在两个驱动器上，一端固定在驱动器上，另一端可由一个驱动器旋转；卷绕装置将电池一端绑定在可以滑动的固定器上，另一端粘贴在可以转动的人型手腕圆形装置上，可以控制左侧的移动器不断往复移动并带动人型手腕的转动来达到卷绕的效果。
[0045]
图3为实施例与对比例的弯曲测试结果。对比例1在5000次弯曲后容量衰减了46.7％，并在10000次弯曲后容量只剩下了13.3％左右，电池在弯曲测试之后已经完全失效。相反，实施例1和实施例2在大量弯曲过后，充放电容量基本没有变化，经过了5000到30000次弯曲后的首圈容量较弯曲之前其保持率都在98％以上，并且后续循环也保持稳定。图4为实施例与对比例的扭转测试结果。对比例1仅仅扭转了5000次，容量就已经衰减了90％以上。相反，实施例1和实施例2在30000次左右的扭转后都保持了良好的电化学稳定性。首圈容量保持率也都保持在95％以上，后续循环也非常稳定。图5为实施例与对比例的
卷绕测试结果。由于卷绕会让电池产生更加严重的形变，根据之前弯曲和扭转的实验得出，对比例1是无法长期受到严峻的动态载荷的，正如图5所示，电池5000次卷绕后，比容量已经只剩不到10mah/g。而实施例1和实施例2在经历50000次以上动态卷绕后容量保持率分别为83.6％和86.7％，虽然较之前的弯曲和扭转实验的结果都有所减少，但至少电池在经历如此严峻的动态载荷后仍能有80％以上的容量保持率，并且后续循环也没有衰减。综上所述，该结构下的电池拥有良好的机械稳定性。
[0046]
图6为实施例的长循环测试结果。在电池使用过程中，电池的使用寿命是至关重要的参数。一般来说，当电池在循环过程中容量低于额定容量的80％时，代表电池寿命结束。在电池体系中，任何产生或消耗li 的副反应都可能改变电池容量的平衡，且这种改变是不可逆的，并可以不断累积，进而影响电池的循环性能。所以电池的长循环性能是重要的测试参数。如图6所示，实施例1和实施例2的电池在初始容量都在150mah/g以上的情况下，循环了300次左右，最后电池的容量保持率都在90％以上，同时库伦效率始终接近100％。证明了该结构下电池拥有良好的电化学性能，能够保证长时间的寿命，为电池在实际使用过程中提供保障。