CN106785013A - 基于石墨烯复合纤维的线状水系锂离子电池的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于石墨烯复合纤维的线状水系锂离子电池的制备方法，涉及柔性储能及可穿戴器件技术领域，(1)制备聚酰亚胺/石墨烯复合纤维，(2)制备磷酸铁锂/石墨烯复合纤维，(3)配制水系凝胶电解质，(4)组装线状水系锂离子电池。本发明制备的线状锂离子电池具有的能量密度和功率密度与传统锂离子电池接近，同时经检测电池功率密度达到约10000W/kg，能量密度达到约50Wh/kg，以20C电流充放电200次后依然能够保存90％的初始容量，同时库伦效率接近100％。

Description

基于石墨烯复合纤维的线状水系锂离子电池的制备方法
技术领域：
本发明涉及柔性储能及可穿戴器件技术领域，具体涉及一种基于石墨烯复合纤维的线状水系锂离子电池的制备方法。
背景技术：
新型线状储能器件，包括线状超级电容器和线状锂离子电池，作为柔性储能器件的重要组成部分，对可穿戴设备的发展有着重要的影响。与传统的平面或者块状储能器件相比，线状储能器件可以实现弯曲、拉伸甚至三维扭曲等较大变形，并且易于集成，能通过成熟的纺织技术，形成具有良好柔性和高通透性的储能织物，能够有效满足可穿戴设备的发展需要。
线状锂离子电池具有的一维结构使其展现出良好的柔韧性，并具有比线状超级电容器更高的能量密度，这使得线状锂离子电池具有更广泛的应用前景。然而，目前所报道的线状锂离子电池都是采用传统有毒、易燃的有机溶剂作为电解质，当发生较大弯曲变形时，易造成电解液的泄露或电极短路引发火灾，存在较大的安全问题。因此，开发安全高效的储能材料对可穿戴产品的发展有着至关重要的影响。
发明内容：
本发明所要解决的技术问题在于提供一种制备方法简单、放电功率大且使用安全性高的基于石墨烯复合纤维的线状水系锂离子电池的制备方法。
本发明所要解决的技术问题采用以下的技术方案来实现：
基于石墨烯复合纤维的线状水系锂离子电池的制备方法，包括如下步骤：
(1)通过水热反应，制备得到纤维状的聚酰亚胺/石墨烯复合纤维；
(2)通过水热反应，制备得到纤维状的磷酸铁锂/石墨烯复合纤维；
(3)以硫酸锂为主要原料，配制水系凝胶电解质；
(4)以聚酰亚胺/石墨烯复合纤维作为负极，磷酸铁锂/石墨烯复合纤维作为正极，硫酸锂凝胶电解质作为电解质，组装线状水系锂离子电池。
所述聚酰亚胺/石墨烯复合纤维的具体制备步骤如下：将1-10mmol 1,4,5,8-萘四甲酸酐与10-100g对氯苯酚混合，再加入0.5-5g氧化石墨烯粉末，超声处理2h，然后加入0.05-0.5mL乙二胺，搅拌2h后得到前驱体溶液，随后将得到的前驱体溶液注入到内径0.1-5mm的中空管反应器中，并将中空管反应器两端封口，加热中空管反应器使其在160-280℃反应2-14h，最后经乙醇漂洗，并在300℃氮气中干燥1-10h，即得聚酰亚胺/石墨烯复合纤维。
所述磷酸铁锂/石墨烯复合纤维的具体制备步骤如下：将1-10mmol FeSO4.7H2O、1-10mmol LiCO3和1-10mmol NH4H2PO4加入到10-100ml水中，再加入0.5-5g氧化石墨烯粉末，超声搅拌处理2h后到前驱体溶液，然后将得到的前驱体溶液注入到内径0.1-5mm的中空管反应器中，并将中空管反应器两端封口，加热中空管反应器使其在160-280℃反应2-12h，最后经乙醇漂洗，并在300℃氮气中干燥1-10h，即得磷酸铁锂/石墨烯复合纤维。
所述凝胶电解质的具体制备方法如下：将1-5g硫酸锂加入到100mL去离子水中，搅拌2h至硫酸锂完全溶解，再加入10g聚氧乙烯，并溶胀24h，然后将混合液升温至95℃搅拌2h至聚氧乙烯完全溶解，最后将溶液室温放置冷却，即得水系硫酸锂凝胶电解质。
所述线状水系锂离子电池的组装方法如下：选取聚酰亚胺/石墨烯复合纤维作为锂离子电池负极与磷酸铁锂/石墨烯复合纤维正极配对，正负极中间放置锂离子电池隔膜，然后将其密封在热缩管中，最后将硫酸锂凝胶电解质注入到热缩管中，即制得水系线状锂离子电池。
本发明的有益效果是：
(1)本发明制备的聚酰亚胺/石墨烯复合纤维和磷酸铁锂/石墨烯复合纳米纤维具有纳米插层结构，可以有效地将石墨烯的高电导率和锂离子电池材料的高容量相结合起来，显著提高线状储能器件的容量，在柔性储能领域有很好的应用前景；
(2)本发明制备的线状锂离子电池具有的能量密度和功率密度与传统锂离子电池接近，同时经检测电池功率密度达到约10000W/kg，能量密度达到约50Wh/kg，以20C电流充放电200次后依然能够保存90％的初始容量，同时库伦效率接近100％，甚至超过了绝大多数的线状超级电容器；
(3)由于采用水系凝胶电解质，本发明的线状锂离子电池可以避免易燃有机电解质带来的使用安全问题。
具体实施方式：
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。
实施例1
制备聚酰亚胺/石墨烯复合纤维，作为线状锂离子电池的负极：首先将1mmol 1,4,5,8-萘四甲酸酐与10g对氯苯酚混合，随后加入0.5g氧化石墨烯粉末，超声处理2h，最后加入0.05mL乙二胺，搅拌2h后得到前驱体液。最后将得到的前驱体溶液注入到内径0.2mm的中空管反应器中，并将中空管反应器两端封口；加热中空管反应器使其在160℃反应2h，得到聚酰亚胺/石墨烯复合纤维电极。最后，将得到的复合纤维电极经乙醇漂洗，并在300℃氮气中干燥2h，最终获得干燥的聚酰亚胺/石墨烯复合纤维。
制备磷酸铁锂/石墨烯复合纤维，作为线状锂离子电池的正极：首先将1mmolFeSO4.7H2O、1mmol LiCO3和1mmo NH4H2PO4加入到10mL水中，随后加入0.5g氧化石墨烯粉末，超声搅拌处理2h后到前驱体液。最后将得到的前驱体溶液注入到内径0.1mm的中空管反应器中，并将中空管反应器两端封口；加热中空管反应器使其在160℃反应2h，得到磷酸铁锂/石墨烯复合纤维电极。最后，将得到的复合纤维电极经乙醇漂洗，并在300℃氮气中干燥1h，最终获得干燥的磷酸铁锂/石墨烯复合纤维。
制备水系硫酸锂凝胶电解质，并涂覆在锂离子电池的正负极表面：将1g硫酸锂加入到100mL去离子水中，搅拌2h至硫酸锂完全溶解，随后加入10g聚氧乙烯并溶胀24h，然后将混合液升温至95℃并搅拌2h至聚氧乙烯完全溶解，最后将溶液室温放置冷却得到水系硫酸锂凝胶电解质。
制备线状锂离子电池：首先，选取聚酰亚胺/石墨烯复合纤维作为锂离子电池负极与磷酸铁锂/石墨烯复合纤维负极配对，正负极中间放置锂离子电池隔膜，然后将其密封在热缩管中，最后将硫酸锂凝胶电解质注入到热缩管中，即制得水系线状锂离子电池。
实施例2
制备聚酰亚胺/石墨烯复合纤维，作为线状锂离子电池的负极：首先将5mmol 1,4,5,8-萘四甲酸酐与50g对氯苯酚混合，随后加入2g氧化石墨烯粉末，超声处理2h，最后加入0.25mL乙二胺，搅拌2h后得到前驱体液。最后将得到的前驱体溶液注入到内径1mm的中空管反应器中，并将中空管反应器两端封口；加热中空管反应器使其在220℃反应6h，得到聚酰亚胺/石墨烯复合纤维电极。最后，将得到的复合纤维电极经乙醇漂洗，并在300℃氮气中干燥3h，最终获得干燥的聚酰亚胺/石墨烯复合纤维。
制备磷酸铁锂/石墨烯复合纤维，作为线状锂离子电池的正极：首先将5mmolFeSO4.7H2O、5mmol LiCO3和5mmol NH4H2PO4加入到50mL水中，随后加入2g氧化石墨烯粉末，超声搅拌处理2h后到前驱体液。最后将得到的前驱体溶液注入到内径2mm的中空管反应器中，并将中空管反应器两端封口；加热中空管反应器使其在220℃反应6h，得到磷酸铁锂/石墨烯复合纤维电极。最后，将得到的复合纤维电极经乙醇漂洗，并在300℃氮气中干燥3h，最终获得干燥的磷酸铁锂/石墨烯复合纤维。
制备水系硫酸锂凝胶电解质，并涂覆在锂离子电池的正负极表面：将5g硫酸锂加入到100mL去离子水中，搅拌2h至硫酸锂完全溶解，随后加入10g聚氧乙烯并溶胀24h，然后将混合液升温至95℃并搅拌2h至聚氧乙烯完全溶解，最后将溶液室温放置冷却得到水系硫酸锂凝胶电解质。
制备线状锂离子电池：首先，选取聚酰亚胺/石墨烯复合纤维作为锂离子电池负极与磷酸铁锂/石墨烯复合纤维负极配对，正负极中间放置锂离子电池隔膜，然后将其密封在热缩管中，最后将硫酸锂凝胶电解质注入到热缩管中，即制得水系线状锂离子电池。
实施例3
制备聚酰亚胺/石墨烯复合纤维，作为线状锂离子电池的负极：首先将10mmol 1,4,5,8-萘四甲酸酐与100g对氯苯酚混合，随后加入0.5g氧化石墨烯粉末，超声处理2h，最后加入0.5mL乙二胺，搅拌2h后得到前驱体液。最后将得到的前驱体溶液注入到内径5mm的中空管反应器中，并将中空管反应器两端封口；加热中空管反应器使其在260℃反应8h，得到聚酰亚胺/石墨烯复合纤维电极。最后，将得到的复合纤维电极经乙醇漂洗，并在300℃氮气中干燥8h，最终获得干燥的聚酰亚胺/石墨烯复合纤维。
制备磷酸铁锂/石墨烯复合纤维，作为线状锂离子电池的正极：首先将10mmolFeSO4.7H2O、10mmol LiCO3和10mmolNH4H2PO4加入到100mL水中，随后加入5g氧化石墨烯粉末，超声搅拌处理2h后到前驱体液。最后将得到的前驱体溶液注入到内径5mm的中空管反应器中，并将中空管反应器两端封口；加热中空管反应器使其在260℃反应8h，得到磷酸铁锂/石墨烯复合纤维电极。最后，将得到的复合纤维电极经乙醇漂洗，并在300℃氮气中干燥8h，最终获得干燥的磷酸铁锂/石墨烯复合纤维。
制备水系硫酸锂凝胶电解质，并涂覆在锂离子电池的正负极表面：将5g硫酸锂加入到100mL去离子水中，搅拌2h至硫酸锂完全溶解，随后加入10g聚氧乙烯并溶胀24h，然后将混合液升温至95℃并搅拌2h至聚氧乙烯完全溶解，最后将溶液室温放置冷却得到水系硫酸锂凝胶电解质。
制备线状锂离子电池：首先，选取聚酰亚胺/石墨烯复合纤维作为锂离子电池负极与磷酸铁锂/石墨烯复合纤维负极配对，正负极中间放置锂离子电池隔膜，然后将其密封在热缩管中，最后将硫酸锂凝胶电解质注入到热缩管中，即制得水系线状锂离子电池。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (5)

1.基于石墨烯复合纤维的线状水系锂离子电池的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)通过水热反应，制备得到纤维状的聚酰亚胺/石墨烯复合纤维；
(2)通过水热反应，制备得到纤维状的磷酸铁锂/石墨烯复合纤维；
(3)以硫酸锂为主要原料，配制水系凝胶电解质；
(4)以聚酰亚胺/石墨烯复合纤维作为负极，磷酸铁锂/石墨烯复合纤维作为正极，硫酸锂凝胶电解质作为电解质，组装线状水系锂离子电池。
2.根据权利要求1所述的基于石墨烯复合纤维的线状水系锂离子电池的制备方法，其特征在于，所述聚酰亚胺/石墨烯复合纤维的具体制备步骤如下：将1-10mmol 1,4,5,8-萘四甲酸酐与10-100g对氯苯酚混合，再加入0.5-5g氧化石墨烯粉末，超声处理2h，然后加入0.05-0.5mL乙二胺，搅拌2h后得到前驱体溶液，随后将得到的前驱体溶液注入到内径0.1-5mm的中空管反应器中，并将中空管反应器两端封口，加热中空管反应器使其在160-280℃反应2-14h，最后经乙醇漂洗，并在300℃氮气中干燥1-10h，即得聚酰亚胺/石墨烯复合纤维。
3.根据权利要求1所述的基于石墨烯复合纤维的线状水系锂离子电池的制备方法，其特征在于，所述磷酸铁锂/石墨烯复合纤维的具体制备步骤如下：将1-10mmol FeSO4.7H2O、1-10mmol LiCO3和1-10mmol NH4H2PO4加入到10-100ml水中，再加入0.5-5g氧化石墨烯粉末，超声搅拌处理2h后到前驱体溶液，然后将得到的前驱体溶液注入到内径0.1-5mm的中空管反应器中，并将中空管反应器两端封口，加热中空管反应器使其在160-280℃反应2-12h，最后经乙醇漂洗，并在300℃氮气中干燥1-10h，即得磷酸铁锂/石墨烯复合纤维。
4.根据权利要求1所述的基于石墨烯复合纤维的线状水系锂离子电池的制备方法，其特征在于，所述凝胶电解质的具体制备方法如下：将1-5g硫酸锂加入到100mL去离子水中，搅拌2h至硫酸锂完全溶解，再加入10g聚氧乙烯，并溶胀24h，然后将混合液升温至95℃搅拌2h至聚氧乙烯完全溶解，最后将溶液室温放置冷却，即得水系硫酸锂凝胶电解质。
5.根据权利要求1所述的基于石墨烯复合纤维的线状水系锂离子电池的制备方法，其特征在于，所述线状水系锂离子电池的组装方法如下：选取聚酰亚胺/石墨烯复合纤维作为锂离子电池负极与磷酸铁锂/石墨烯复合纤维正极配对，正负极中间放置锂离子电池隔膜，然后将其密封在热缩管中，最后将硫酸锂凝胶电解质注入到热缩管中，即制得水系线状锂离子电池。
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