本發(fā)明屬于新能源技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種可拉伸鋰空氣電池及其制備方法。

背景技術(shù)：

近年來，柔性可拉伸能源器件如超級電容器、鋰離子電池的發(fā)展為可穿戴電子領(lǐng)域奠定了基礎(chǔ)，但是其能量密度仍然較低，難以滿足可穿戴設(shè)備長續(xù)航能力的需求[1-3]。鋰空氣電池由于其超高的能量密度而在下一代儲能器件中備受關(guān)注[4-5]。但是目前的鋰空氣電池大部分都是剛性不可彎曲的，難以滿足可穿戴設(shè)備的柔性需求。

2015年開始，有研究者陸續(xù)報道了柔性可彎曲的鋰空氣電池，將鋰空氣電池應(yīng)用于可穿戴領(lǐng)域并取得了一定成效[6-8]。但是其柔性彎曲能力仍然較弱，僅能夠滿足簡單的彎曲，對于更加復(fù)雜的形變?nèi)缗で?、甚至拉伸都難以達到?；诖宋覀兪状伟l(fā)明設(shè)計了一種全新的可拉伸鋰空氣電池，其可以在不同程度的彎曲、扭曲甚至是拉伸條件下都能夠穩(wěn)定維持電化學(xué)性能，在可穿戴電子領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種在不同程度的彎曲、扭曲甚至是拉伸條件下都能夠穩(wěn)定維持電化學(xué)性能的可拉伸鋰空氣電池及其制備方法。

本發(fā)明提供的可拉伸鋰空氣電池，其具體制備步驟如下：

（1）將鋰片陣列排布在嵌有銅絲彈簧陣列的彈性硅橡膠基底上，覆蓋一層帶孔的彈性硅橡膠層，得到可拉伸的鋰陣列電極；

（2）將取向碳納米管薄膜平鋪在預(yù)拉伸的帶孔彈性硅橡膠基底上，收縮后得到可拉伸的（即呈褶皺狀）取向碳納米管空氣電極；

（3）將上述可拉伸鋰陣列電極和褶皺取向碳納米管空氣電極及凝膠電解液以三明治結(jié)構(gòu)組裝，得到可拉伸鋰空氣電池。

本發(fā)明中，所述步驟（1）中所述的鋰陣列中每個鋰片單元尺寸為1-80 mm²。

本發(fā)明中，所述步驟（1）中所述的銅絲彈簧陣列中的銅絲彈簧直徑小于2 mm（一般為0.5-2 mm），長度為2-10 mm。

本發(fā)明中，所述步驟（1）中所述的銅絲彈簧陣列中的銅絲彈簧間以銅片作為連接點，首尾相連排布；該銅片的尺寸為1-50 mm²。

本發(fā)明中，嵌有銅絲彈簧陣列的彈性硅橡基底的制備方法為：將銅絲彈簧陣列用銅片相互連接好，預(yù)先排布在玻璃基底上，澆筑一層聚甲基硅氧烷前驅(qū)體溶液，高溫固化后剝離得到。

本發(fā)明中，所述步驟（1）中所述的鋰陣列中每個鋰片單元分別排布在銅片上。

本發(fā)明中，所述步驟（1）中所述的帶孔彈性硅橡膠層的孔徑大小、形狀及分布與鋰片陣列中鋰片單元的尺寸大小、形狀及排布完全相同。

本發(fā)明中，所述步驟（2）中所述的取向碳納米管薄膜的厚度為100 nm-100 μm。

本發(fā)明中，所述取向碳納米管薄帶是從可紡取向碳納米管陣列中連續(xù)拉出得到?？杉徣∠蛱技{米管陣列通過化學(xué)氣相沉積法制備得到，其具體制備方法為：通過電子束蒸發(fā)鍍膜儀在硅片上沉積一層結(jié)構(gòu)為Al₂O₃/Fe的催化劑，其中Al₂O₃的厚度為2-20 nm，F(xiàn)e的厚度為0.5-1.5 nm。通過化學(xué)氣相沉積法，用氬氣作為載氣，乙烯作為碳源，氫氣作為還原劑，在預(yù)先鍍有催化劑的硅片上合成高度取向的碳納米管陣列。其中氬氣氣體流量為350-450 sccm, 乙烯氣體流量為60-120 sccm, 氫氣氣體流量為30-90 sccm。反應(yīng)溫度為700-800℃，反應(yīng)時間為10-15 min。

本發(fā)明中，所述步驟（2）中所述的帶孔彈性硅橡膠層的孔徑大小為1-10 mm²，均勻分布在其表面。

本發(fā)明中，所述步驟（2）中所述的彈性硅橡膠的預(yù)拉伸倍數(shù)為50-200%。

本發(fā)明中，所述步驟（3）中所述的凝膠電解液的溶質(zhì)為聚氧化乙烯、丁二腈和雙三氟甲烷磺酰亞胺鋰，溶劑為二氯乙烷和丙酮混合溶液。其中，聚氧化乙烯：丁二腈：雙三氟甲烷磺酰亞胺鋰=1:（0.5-1.5）：（0.5-1.5）；二氯乙烷：丙酮=40:（0.1-5）。

本發(fā)明制備的可拉伸鋰空氣電池，可以在不同程度的彎曲、扭曲甚至是拉伸條件下都能夠穩(wěn)定維持電化學(xué)性能，在可穿戴電子領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

附圖說明

圖1為實施例1中可拉伸鋰空氣電池的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為實施例1中可拉伸鋰空氣電池在重復(fù)拉伸75%條件下放電電壓平臺變化。

圖3為實施例1中可拉伸鋰空氣電池在重復(fù)彎曲90°條件下放電電壓平臺變化。

圖4為實施例1中可拉伸鋰空氣電池在重復(fù)扭曲180°條件下放電電壓平臺變化。

具體實施方式

以下結(jié)合具體實施案例，示例性的說明及幫助進一步理解本發(fā)明，但實施案例具體細節(jié)僅是為了說明本發(fā)明，并不代表本發(fā)明構(gòu)思下全部的技術(shù)方案，因此不應(yīng)理解為對本發(fā)明總的技術(shù)方案的限定，一些在技術(shù)人員看來，不偏離本發(fā)明構(gòu)思的非實質(zhì)性增加和改動，例如以具有相同或相似技術(shù)效果的技術(shù)特征簡單改換或替換，均屬于本發(fā)明保護范圍。

實施例1

制備鋰陣列電極。將直徑0.05 mm，長5 mm的四個銅絲彈簧用五個面積為16 mm²的銅片首尾連接好，平鋪在玻璃基底上，澆筑一層聚甲基硅氧烷前驅(qū)體溶液，高溫固化后剝離得到嵌有銅絲彈簧陣列的彈性硅橡膠基底。將五個面積為25 mm²的鋰片分別排布銅片上，形成鋰片陣列。再覆蓋一層相應(yīng)位置帶孔（孔的大小和形狀與鋰片一樣）的彈性硅橡膠層得到的可拉伸鋰陣列電極。

制備褶皺取向碳納米管空氣電極。通過化學(xué)氣相沉積法先制備可紡取向碳納米管陣列，其具體制備方法為：通過電子束蒸發(fā)鍍膜儀在硅片上沉積一層結(jié)構(gòu)為Al₂O₃/Fe的催化劑，其中Al₂O₃的厚度為3 nm，F(xiàn)e的厚度為1.2 nm。通過化學(xué)氣相沉積法，用氬氣作為載氣，乙烯作為碳源，氫氣作為還原劑，在預(yù)先鍍有催化劑的硅片上合成高度取向的碳納米管陣列。其中氬氣氣體流量為400 sccm, 乙烯氣體流量為90 sccm, 氫氣氣體流量為60 sccm。反應(yīng)溫度為740℃，反應(yīng)時間為10 min。取向碳納米管膜直接從可紡取向碳納米管中拉出，一層膜的厚度約為18 nm。將拉出的取向碳納米管膜鋪在預(yù)拉伸100%的帶孔（單個孔的面積約為2 mm²，均勻分布在膜的表面）彈性硅橡膠基底上，鋪20層取向碳納米管膜至厚度約為360 nm。去掉拉伸應(yīng)力使得硅橡膠基底連帶取向碳納米管膜一起回復(fù)至放松狀態(tài)，得到褶皺取向碳納米管空氣電極。

制備凝膠電解液。將0.35 g聚氧化乙烯、0.35 g丁二腈、0.3 g雙三氟甲烷磺酰亞胺鋰，加入到4 ml二氯乙烷和0.1 ml丙酮混合溶液中，磁力攪拌至完全溶解得到凝膠電解液。

制備可拉伸鋰空氣電池。將凝膠電解液均勻涂覆在鋰陣列電極表面，覆蓋上褶皺取向碳納米管空氣電極，壓緊后得到可拉伸鋰空氣電池。其分解結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

所制備的可拉伸鋰空氣電池在不同形變條件下的電化學(xué)性能如圖2-4所示。在重復(fù)的拉伸、彎曲及扭曲條件下，其放電電壓平臺均能夠穩(wěn)定的維持。這表明其在不同形變條件下均能夠穩(wěn)定的工作，這在可穿戴電子領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

實施例2

制備鋰陣列電極。將直徑0.05 mm，長6 mm的四個銅絲彈簧用五個面積為16 mm²的銅片首尾連接好，平鋪在玻璃基底上，澆筑一層聚甲基硅氧烷前驅(qū)體溶液，高溫固化后剝離得到嵌有銅絲彈簧陣列的彈性硅橡膠基底。將五個面積為36 mm²的鋰片分別排布銅片上，形成鋰片陣列。再覆蓋一層相應(yīng)位置帶孔（孔的大小和形狀與鋰片一樣）的彈性硅橡膠層得到的可拉伸鋰陣列電極。

制備褶皺取向碳納米管空氣電極。通過化學(xué)氣相沉積法先制備可紡取向碳納米管陣列，其具體制備方法為：通過電子束蒸發(fā)鍍膜儀在硅片上沉積一層結(jié)構(gòu)為Al₂O₃/Fe的催化劑，其中Al₂O₃的厚度為3 nm，F(xiàn)e的厚度為1.2 nm。通過化學(xué)氣相沉積法，用氬氣作為載氣，乙烯作為碳源，氫氣作為還原劑，在預(yù)先鍍有催化劑的硅片上合成高度取向的碳納米管陣列。其中氬氣氣體流量為400 sccm, 乙烯氣體流量為90 sccm, 氫氣氣體流量為60 sccm。反應(yīng)溫度為740℃，反應(yīng)時間為10 min。取向碳納米管膜直接從可紡取向碳納米管中拉出，一層膜的厚度約為18 nm。將拉出的取向碳納米管膜鋪在預(yù)拉伸100%的帶孔（單個孔的面積約為2 mm²，均勻分布在膜的表面）彈性硅橡膠基底上，鋪50層取向碳納米管膜至厚度約為900 nm。去掉拉伸應(yīng)力使得硅橡膠基底連帶取向碳納米管膜一起回復(fù)至放松狀態(tài)，得到褶皺取向碳納米管空氣電極。

制備凝膠電解液。將0.35 g聚氧化乙烯、0.35 g丁二腈、0.3 g雙三氟甲烷磺酰亞胺鋰，加入到4 ml二氯乙烷和0.5 ml丙酮混合溶液中，磁力攪拌至完全溶解得到凝膠電解液。

制備可拉伸鋰空氣電池。將凝膠電解液均勻涂覆在鋰陣列電極表面，覆蓋上褶皺取向碳納米管空氣電極，壓緊后得到可拉伸鋰空氣電池。所制備的可拉伸鋰空氣電池同樣具有很好的形變適應(yīng)性。

實施例3

制備鋰陣列電極。將直徑0.04 mm，長8 mm的三個銅絲彈簧用四個面積為16 mm²的銅片首尾連接好，平鋪在玻璃基底上，澆筑一層聚甲基硅氧烷前驅(qū)體溶液，高溫固化后剝離得到嵌有銅絲彈簧陣列的彈性硅橡膠基底。將四個面積為25 mm²的鋰片分別排布銅片上，形成鋰片陣列。再覆蓋一層相應(yīng)位置帶孔（孔的大小和形狀與鋰片一樣）的彈性硅橡膠層得到的可拉伸鋰陣列電極。

制備褶皺取向碳納米管空氣電極。通過化學(xué)氣相沉積法先制備可紡取向碳納米管陣列，其具體制備方法為：通過電子束蒸發(fā)鍍膜儀在硅片上沉積一層結(jié)構(gòu)為Al₂O₃/Fe的催化劑，其中Al₂O₃的厚度為3 nm，F(xiàn)e的厚度為1.2 nm。通過化學(xué)氣相沉積法，用氬氣作為載氣，乙烯作為碳源，氫氣作為還原劑，在預(yù)先鍍有催化劑的硅片上合成高度取向的碳納米管陣列。其中氬氣氣體流量為400 sccm, 乙烯氣體流量為90 sccm, 氫氣氣體流量為60 sccm。反應(yīng)溫度為740℃，反應(yīng)時間為10 min。取向碳納米管膜直接從可紡取向碳納米管中拉出，一層膜的厚度約為18 nm。將拉出的取向碳納米管膜鋪在預(yù)拉伸100%的帶孔（單個孔的面積約為2 mm²，均勻分布在膜的表面）彈性硅橡膠基底上，鋪10層取向碳納米管膜至厚度約為180 nm。去掉拉伸應(yīng)力使得硅橡膠基底連帶取向碳納米管膜一起回復(fù)至放松狀態(tài)，得到褶皺取向碳納米管空氣電極。

制備凝膠電解液。將0.35 g聚氧化乙烯、0.35 g丁二腈、0.35 g雙三氟甲烷磺酰亞胺鋰，加入到4 ml二氯乙烷和0.1 ml丙酮混合溶液中，磁力攪拌至完全溶解得到凝膠電解液。

制備可拉伸鋰空氣電池。將凝膠電解液均勻涂覆在鋰陣列電極表面，覆蓋上褶皺取向碳納米管空氣電極，壓緊后得到可拉伸鋰空氣電池。所制備的可拉伸鋰空氣電池同樣具有很好的形變適應(yīng)性。

參考文獻

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