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一種織物形態的聚合物電池及其制備方法.pdf

摘要
申請專利號:

CN201210566480.9

申請日:

2012.12.25

公開號:

CN103066314B

公開日:

2015.01.07

當前法律狀態:

終止

有效性:

無權

法律詳情: 未繳年費專利權終止IPC(主分類):H01M 10/04申請日:20121225授權公告日:20150107終止日期:20151225|||授權|||實質審查的生效IPC(主分類):H01M 10/04申請日:20121225|||公開
IPC分類號: H01M10/04 主分類號: H01M10/04
申請人: 武漢紡織大學
發明人: 許杰; 祝立根; 徐衛林; 柏自奎; 方東; 王運利
地址: 430073 湖北省武漢市洪山區紡織路1號
優先權:
專利代理機構: 代理人:
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法律狀態
申請(專利)號:

CN201210566480.9

授權公告號:

|||103066314B||||||

法律狀態公告日:

2017.02.15|||2015.01.07|||2013.05.29|||2013.04.24

法律狀態類型:

專利權的終止|||授權|||實質審查的生效|||公開

摘要

本發明涉及一種織物形態的聚合物電池及其制備方法,屬于電池技術領域。本發明是以非導電的織物為柔性基材,再在基材上聚合沉積導電高分子,獲得導電布,然后用此導電布做電池兩電極并與電解質層組裝成電池。本發明的制備方法其條件易控,操作簡單,原料成本低,能量消耗少,適于大規模工業化成產。本發明制備的織物形態聚合物電池不僅質輕,結構簡單,具有極好的柔性,無污染,安全性高而且電池比電容高,循環穩定性好,充電速率快。該電池可以運用在一些柔性電子產品和可穿著的電子服裝。

權利要求書

權利要求書一種織物形態的聚合物電池,其特征在于:所述的聚合物電池由導電布(1)、導電布(2)及織物電解質層(3)構成,導電布(1)、導電布(2)分別位于織物電解質層的上方和下方,導電布(1)、導電布(2)和織物電解質層(3)由聚合物膜封裝形成整體,導電布(1)、導電布(2)分別為聚合物電池的正負兩極。
如權利要求1所述的一種織物形態聚合物電池,其特征在于:所述的織物是棉織物或毛織物或絲織物或麻織物或滌綸織物或腈綸織物或錦綸織物其中的一種。
如權利要求1所述的一種織物形態聚合物電池,其特征在于:所述的導電高分子是聚吡咯或聚苯胺或聚噻吩其中的一種。
一種織物形態聚合物電池的制備方法,其特征在于:所述制備方法采用以下步驟加工制備:
a在室溫條件下,將氧化劑與去離子水配制成濃度為0.1mol/L~0.5mol/L的氧化引發溶液;
其中,氧化劑為三氯化鐵或過硫酸銨的一種;
將聚合物單體、摻雜劑,表面活性劑和去離子水配成單體混合溶液,備用;
其中,聚合物單體的濃度為0.2mol/L~1.0mol/L,摻雜劑濃度為0.01mol/L~1.0mol/L,表面活性劑濃度為0.0001mol/L~0.001mol/L,聚合物單體為吡咯或苯胺或噻吩的一種,摻雜劑為十二烷基苯磺酸鈉或甲苯磺酸或烷基萘磺酸鈉或樟腦磺酸的一種,表面活性劑為十六烷基三甲基溴化銨,十二烷基二甲基芐基氯化銨,十二烷基二甲基芐基溴化銨的一種;
b導電布的制備
將洗凈的織物浸泡于單體溶液中1h,并在磁力攪拌器上進行攪拌,再向其中緩慢滴加氧化引發溶液,滴完后,繼續攪拌2h~4h;
c洗凈烘干
將經步驟b處理后的織物分別用無水乙醇和蒸餾水洗凈,再在50℃條件下干燥1h;
d織物電解質層的制備
將無紡布浸泡在1mol/L~2mol/L的電解質溶液中1h,取出晾至無自由水滴下,電解質溶液可以是氯化鈉溶液或氯化鉀溶液或鹽酸其中的一種;
e電池的組裝
將步驟c制得的導電布和步驟d制得織物電解質層組裝成電池,并用聚合物膜封裝,形成織物形態的聚合物電池。

說明書

說明書一種織物形態的聚合物電池及其制備方法
技術領域
本發明涉及一種織物形態聚合物電池及其制備方法,屬于電池技術領域。
技術背景
可穿著電子智能紡織品被認為是未來紡織行業高端化、智能化的重要發展方向。柔軟、輕質的儲能器件是智能紡織品的關鍵元件。傳統儲能器件如電池的非柔性結構,難以滿足智能紡織品的應用需求。因此,研制織物化的柔性換能/儲能設備成為開發智能紡織品面臨的重要任務。
近年來,紙質柔性電池的研究受到了人們的廣泛關注。芬蘭ENFUCELL公司研制出了價格低廉的超薄紙質電池,由一面鍍鋅、另一面鍍二氧化錳的薄層紙片組裝而成,其厚度不到0.5毫米。然而,這種電池屬于不可再充電的一次電池,無法多次循環使用。瑞典烏普薩拉大學Nyholm等人將聚吡咯(PPy)包覆在自制的海藻纖維素紙上作為電極,以浸過氯化鈉水溶液的濾紙為電解質,制得了超輕、超快的紙電池,幾秒鐘即可完成充電。斯坦福大學Cui等人以商業化的紙為基底,通過簡單的涂膜技術制得了碳納米管/紙復合材料,作為電極組裝成的紙質鋰離子電池厚度僅300μm左右,能量密度達到108mW/g。以紙為電極基底的柔性電池雖然具有一定的彎曲性能,但其拉伸性能非常有限,達不到可穿著電子的要求。織物主要是由天然纖維或合成纖維經機織或沖壓而成,具有結構多孔、柔性耐拉伸的特點,能夠負載大量的電活性物質,被認為是制備可穿著電源的理想基底材料。特別是棉織物具有特殊的多層次結構:纖維素首先在分子內和分子間形成大量氫鍵,進而構成剛性的不溶性微纖絲;在微纖絲形成過程中,有的區域中葡聚糖長鏈沿分子長軸平行排列,呈現一定的規律,形成高度有序的結晶區,其間又夾雜很多無序結構,形成交織的無定形區;多根微纖絲聚集成原纖維以及棉纖維。這種結構有利于棉纖維吸收大量的水或其它極性溶劑(如單體、電解液),促進電極材料與電解質的接觸,從而提高其電化學性能。導電聚合物如聚吡咯、聚噻吩等由于原料易得、生物毒性小、導電性高、理論比電容大、能量密度高和快充放電特性,而深受研究者的重視,成為柔性可穿著電池電極材料的研究熱點,但目前還存在著比電容較低、循環穩定性較差的問題。
發明內容:
針對上述存在問題,本發明的目的是提供一種織物形態電池及其制備方法,其技術解決方案為:
一種織物形態的聚合物電池,所述的電池由導電布(1)、導電布(2)及織物電解質層(3)構成,導電布(1)、導電布(2)分別位于織物電解質層的上方和下方,導電布(1)、導電布(2)和織物電解質層(3)由聚合物膜封裝形成整體,導電布(1)、導電布(2)分別為電池的正負兩極。
所述的織物是棉織物或毛織物或絲織物或麻織物或滌綸織物或腈綸織物或錦綸織物其中的一種。
所述的導電高分子是聚吡咯,聚苯胺,聚噻吩其中的一種。
所述制備方法采用以下步驟加工制備:
a在室溫條件下,將氧化劑與去離子水配制成濃度為0.1mol/L~0.5mol/L的氧化引發溶液;
其中,氧化劑為三氯化鐵或過硫酸銨其中的一種。
將聚合物單體、摻雜劑,表面活性劑和去離子水配成單體混合溶液,備用。
其中,聚合物單體的濃度為0.2mol/L~1.0mol/L,摻雜劑濃度為0.01mol/L~1.0mol/L,表面活性劑濃度為0.0001mol/L~0.001mol/L,聚合物單體為吡咯或苯胺或噻吩其中的一種,摻雜劑為十二烷基苯磺酸鈉或甲苯磺酸或烷基萘磺酸鈉或樟腦磺酸其中的一種,表面活性劑為十六烷基三甲基溴化銨,十二烷基二甲基芐基氯化銨,十二烷基二甲基芐基溴化銨其中的一種。
b導電布的制備
將洗凈的織物浸泡于單體溶液中1h,并在磁力攪拌器上進行攪拌,再向其中緩慢滴加氧化引發溶液,滴完后,繼續攪拌2h~4h。
c洗凈烘干
將經步驟c處理后的織物分別用無水乙醇和蒸餾水洗凈,再在50℃條件下干燥1h。
d織物電解質層的制備
將無紡布浸泡在1mol/L~2mol/L的電解質溶液中1h,取出晾至無自由水滴下,電解質溶液可以是氯化鈉溶液或氯化鉀溶液或鹽酸其中的一種。
e電池的組裝
將步驟c制得的導電織物電極材料和步驟d制得織物電解質層組裝成電池,并用聚合物膜封裝,形成織物形態的聚合物電池。
由于采用了以上的技術方案獲得的導電高分子在織物上均勻附著,而且負載量大,附著力強,聚合物晶體尺寸能達到100nm左右,而且具有均勻的孔隙結構,有利于摻雜離子的嵌入和脫出過程,既而電極材料具有良好的充放電性能,見圖2。本發明制得的織物形態的聚合物電池不僅質輕,結構簡單,具有極好的柔性,無污染,安全性高而且電池比電容高,電容很穩定,充電速率非常快,單次充電最快只需約5min,見圖3,電池比容量穩定在51.7mAh/g。本發明制得的織物形態的聚合物電池輕便,美觀,環保,具有極好的柔性,可以運用在一些柔性電子產品和可穿著的電子服裝領域,能減輕工作人員在特殊環境下的負擔,提高了工作效率,提高工作服的使用壽命。
附圖說明
附圖1為本發明的織物形態聚合物電池示意圖。
附圖2為本發明獲得導電高分子聚吡咯在織物棉織物上的掃描電鏡照片。
附圖3為本發明的織物形態聚合物電池充放電測試曲線。
具體實施方式
下面結合附圖對本發明的一種制備織物形態聚合物電池的方法作進一步詳細描述,見附圖。
一種織物形態的聚合物電池,所述的電池由導電布1、導電布2及織物電解質層3構成,導電布1、導電布2分別位于織物電解質層的上方和下方,導電布1、導電布2和織物電解質層3由聚合物膜封裝形成整體,導電布1、導電布2分別為電池的正負兩極。
所述的織物是棉織物或毛織物或絲織物或麻織物或滌綸織物或腈綸織物或錦綸織物其中的一種。
所述的導電高分子是聚吡咯,聚苯胺,聚噻吩其中的一種。
一種制備織物形態聚合物電池的方法,制備織物形態聚合物電池的方法按以下步驟進行:
a織物預處理
將日常用的織物剪成5cm×5cm或6cm×6cm大小,修整毛邊,織物是棉織物或毛織物或絲織物或麻織物或滌綸織物或腈綸織物或錦綸織物其中的一種。
在將織物用處理液在50℃~80℃下煮1h,用蒸餾水洗凈,在50℃烘箱中烘干。處理液為碳酸鈉與凈洗劑混合水溶液,碳酸鈉3與凈洗劑質量比為3∶5~3∶8。
b溶液的配置
在室溫條件下,將氧化劑和去離子水配成濃度為0.1mol/L~0.5mol/L氧化引發溶液,氧化劑為三氯化鐵或過硫酸銨其中的一種。
將分析純的聚合物單體在135℃下加熱蒸餾,得到純凈的單體,再將聚合物單體與摻雜劑,表面活性劑和去離子水配成單體混合溶液,并攪拌至體系成乳白色,其中,單體的濃度為0.2mol/L~1.0mol/L,摻雜劑濃度為0.5mol/L~1.0mol/L,表面活性劑濃度為0.0001mol/L~0.001mol/L。聚合物單體為吡咯或苯胺或噻吩其中的一種,摻雜劑為十二烷基苯磺酸鈉或甲苯磺酸或烷基萘磺酸鈉或樟腦磺酸其中的一種,表面活性劑為十六烷基三甲基溴化銨,十二烷基二甲基芐基氯化銨,十二烷基二甲基芐基溴化銨其中的一種。
c導電布的制備
將經步驟a處理后的織物浸泡于100mL單體溶液中1h,并在磁力攪拌器上進行攪拌,再向其中緩慢滴加氧化引發溶液,滴完后,繼續攪拌2h~4h。
d洗凈烘干
將經步驟c處理后的織物分別用無水乙醇和蒸餾水洗凈至溶液沒有泡沫和黑色固體顆粒脫落,再在50℃條件下干燥1h。
e電解質層的制備
將無紡布浸泡在1mol/L~2mol/L的電解質溶液中1h,取出晾至無自由水滴下,氯化鈉溶液或氯化鉀溶液或鹽酸其中的一種。
f電池的組裝
將步驟d制得的導電織物電極材料和步驟e制得電解質層組裝成電池,并用聚合物膜封裝。
具體實施例
實施例一
按上述制備方法,將日常用的棉織物6cm×6cm大小,修整毛邊。再用碳酸鈉與凈洗劑質量比為3∶5的處理液在50℃下煮1h,用蒸餾水洗凈,在50℃烘箱中烘干。在室溫條件下,將三氯化鐵和去離子水配成100mL0.5mol/L的氧化引發溶液,將蒸餾得到的吡咯單體與摻雜劑十二烷基苯磺酸鈉,表面活性劑十六烷基三甲基溴化銨、去離子水配成100mL單體混合溶液,其中,吡咯單體的濃度為1.0mol/L,摻雜劑濃度為0.5mol/L,表面活性劑濃度為0.0001mol/L;將處理后的棉布浸泡于單體混合溶液,并在磁力攪拌器上進行攪拌,同時向燒杯中緩慢滴加氧化引發溶液,吡咯單體與氧化引發體系發生原為聚合,滴完后,繼續在磁力攪拌機上攪拌2h,生成導電聚吡咯,聚吡咯沉積在織物纖維上,形成導電織物,將反應得到的導電布分別用無水乙醇和蒸餾水洗凈至溶液沒有泡沫和黑色固體顆粒脫落,再在50℃條件下干燥1h。將濾紙浸泡在1mol/L的氯化鈉溶液中1h,取出晾至沒有自由水滴下,并與導電布組裝成電池,并用聚合物膜封裝。
實施例二
按上述制備方法,按上述制備方法,將日常用的麻織物6cm×6cm大小,修整毛邊。再用碳酸鈉與凈洗劑質量比為3∶6的處理液在70℃下煮1h,用蒸餾水洗凈,在50℃烘箱中烘干。在室溫條件下,將過硫酸銨和去離子水配成100mL1.0mol/L的氧化引發溶液,將蒸餾得到的苯胺單體、摻雜劑甲苯磺酸,表面活性劑十二烷基二甲基芐基氯化銨和去離子水配成100mL單體混合溶液,其中,苯胺單體的濃度為1.0mol/L,摻雜劑濃度為1.0mol/L,表面活性劑濃度為0.001mol/L;將處理后滌綸織物浸泡在單體混合溶液,在磁力攪拌器上進行攪拌,同時向燒杯中緩慢滴加氧化引發溶液,吡咯單體與氧化引發體系發生原為聚合,滴完后,繼續在磁力攪拌機上攪拌4h,生成導電聚苯胺,聚苯胺沉積在織物纖維上,形成復合導電織物,將反應得到的導電布分別用無水乙醇和蒸餾水洗凈至溶液沒有泡沫和黑色固體顆粒脫落,再在50℃條件下干燥1h。將濾紙浸泡在1mol/L的氯化鉀溶液中1h,取出晾至沒有自由水滴下,并與導電織物組裝成電池,并用聚合物膜封裝。
實施例三
按上述制備方法,按上述制備方法,將日常用的滌綸織物6cm×6cm大小,修整毛邊。再用碳酸鈉與凈洗劑質量比為3∶7的處理液在50℃下煮1h,用蒸餾水洗凈,在50℃烘箱中烘干。在室溫條件下,將三氯化鐵和去離子水配成100mL1.0mol/L氧化引發體系溶液,將蒸餾得到的噻吩單體、摻雜劑烷基萘磺酸鈉,表面活性劑十二烷基二甲基芐基溴化銨和去離子水配成100mL單體體系溶液,其中,噻吩單體的濃度為1.0mol/L,摻雜劑濃度為0.5mol/L,表面活性劑濃度為0.001mol/L;將處理后的腈綸織物浸泡單體混合溶液中,在磁力攪拌器上進行攪拌,同時向燒杯中緩慢滴加氧化引發溶液,噻吩單體與氧化引發體系發生原為聚合,滴完后,繼續在磁力攪拌機上攪拌3h,生成導電聚噻吩,聚噻吩沉積在織物纖維上,形成復合導電織物,將反應得到的導電布分別用無水乙醇和蒸餾水洗凈至溶液沒有泡沫和黑色固體顆粒脫落,再在50℃條件下干燥1h。將濾紙浸泡在1mol/L的鹽酸中1h,取出晾至沒有自由5
水滴下,并與導電織物組裝成電池,并用聚合物膜封裝。
實施例四
按上述制備方法,將日常用的毛織物6cm×6cm大小,修整毛邊。再用碳酸鈉與凈洗劑質量比為3∶5的處理液在50℃下煮1h,用蒸餾水洗凈,在50℃烘箱中烘干。在室溫條件下,將三氯化鐵和去離子水配成100mL0.5mol/L的氧化引發溶液,將蒸餾得到的吡咯單體、摻雜劑樟腦磺酸,表面活性劑十二烷基二甲基芐基氯化銨和去離子水配成100mL單體混合溶液,其中,吡咯單體的濃度為1.0mol/L,摻雜劑濃度為0.5mol/L,表面活性劑濃度為0.001mol/L;將處理后的毛織物浸泡于單體混合溶液,并在磁力攪拌器上進行攪拌,同時向燒杯中緩慢滴加氧化引發溶液,吡咯單體與氧化引發體系發生原為聚合,滴完后,繼續在磁力攪拌機上攪拌2h,生成導電聚吡咯,聚吡咯沉積在織物纖維上,形成導電織物,將反應得到的導電布分別用無水乙醇和蒸餾水洗凈至溶液沒有泡沫和黑色固體顆粒脫落,再在50℃條件下干燥1h。將濾紙浸泡在1mol/L的氯化鉀溶液中1h,取出晾至沒有自由水滴下,并與導電布組裝成電池,并用聚合物膜封裝。
實施例五
按上述制備方法,將日常用的絲織物6cm×6cm大小,修整毛邊。再用碳酸鈉與凈洗劑質量比為3∶8的處理液在50℃下煮1h,用蒸餾水洗凈,在50℃烘箱中烘干。在室溫條件下,將三氯化鐵和去離子水配成100mL0.5mol/L的氧化引發溶液,將蒸餾得到的吡咯單體、摻雜劑烷基萘磺酸鈉,表面活性劑十六烷基三甲基溴化銨和去離子水配成100mL單體混合溶液,其中,吡咯單體的濃度為1.0mol/L,摻雜劑濃度為0.5mol/L,表面活性劑濃度為0.001mol/L;將處理后的絲織物浸泡于單體混合溶液,并在磁力攪拌器上進行攪拌,同時向燒杯中緩慢滴加氧化引發溶液,吡咯單體與氧化引發體系發生原為聚合,滴完后,繼續在磁力攪拌機上攪拌2h,生成導電聚吡咯,聚吡咯沉積在織物纖維上,形成導電織物,將反應得到的導電布分別用無水乙醇和蒸餾水洗凈至溶液沒有泡沫和黑色固體顆粒脫落,再在50℃條件下干燥1h。將濾紙浸泡在1mol/L的氯化鉀溶液中1h,取出晾至沒有自由水滴下,并與導電布組裝成電池,并用聚合物膜封裝。
實施例六
按上述制備方法,將日常用的錦綸織物5cm×5cm大小,修整毛邊。再用碳酸鈉與凈洗劑質量比為3∶7的處理液在50℃下煮1h,用蒸餾水洗凈,在50℃烘箱中烘干。在室溫條件下,將三氯化鐵和去離子水配成100mL0.5mol/L的氧化引發溶液,將蒸餾得到的吡咯單體、摻雜劑烷基萘磺酸鈉,表面活性劑十六烷基三甲基溴化銨和去離子水配成100mL單體混合溶液,其中,吡咯單體的濃度為1.0mol/L,摻雜劑濃度為0.5mol/L,表面活性劑濃度為0.001mol/L;將處理后的錦綸織物浸泡于單體混合溶液,并在磁力攪拌器上進行攪拌,同時向燒杯中緩慢滴加氧化引發溶液,吡咯單體與氧化引發體系發生原為聚合,滴完后,繼續在磁力攪拌機上攪拌2h,生成導電聚吡咯,聚吡咯沉積在織物纖維上,形成導電織物,將反應得到的導電布分別用無水乙醇和蒸餾水洗凈至溶液沒有泡沫和黑色固體顆粒脫落,再在50℃條件下干燥1h。將濾紙浸泡在2mol/L的氯化鈉溶液中1h,取出晾至沒有自由水滴下,并與導電布組裝成電池,并用聚合物膜封裝。
實施例七
按上述制備方法,按上述制備方法,將日常用的腈綸織物6cm×6cm大小,修整毛邊。再用碳酸鈉與凈洗劑質量比為3∶6的處理液在70℃下煮1h,用蒸餾水洗凈,在50℃烘箱中烘干。在室溫條件下,將過硫酸銨和去離子水配成100mL1.0mol/L的氧化引發溶液,將蒸餾得到的苯胺單體、摻雜劑樟腦磺酸,表面活性劑十二烷基二甲基芐基氯化銨和去離子水配成100mL單體混合溶液,其中,苯胺單體的濃度為1.0mol/L,摻雜劑濃度為1.0mol/L,表面活性劑濃度為0.001mol/L;將處理后腈綸織物浸泡在單體混合溶液,在磁力攪拌器上進行攪拌,同時向燒杯中緩慢滴加氧化引發溶液,苯胺單體與氧化引發體系發生原為聚合,滴完后,繼續在磁力攪拌機上攪拌4h,生成導電聚苯胺,聚苯胺沉積在織物纖維上,形成復合導電織物,將反應得到的導電布分別用無水乙醇和蒸餾水洗凈至溶液沒有泡沫和黑色固體顆粒脫落,再在50℃條件下干燥1h。將濾紙浸泡在2mol/L的氯化鈉溶液中1h,取出晾至沒有自由水滴下,并與導電織物組裝成電池,并用聚合物膜封裝。

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一種 織物 形態 聚合物 電池 及其 制備 方法
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