[发明专利]一种柔韧导电丝绸基复合电极用于金属离子电池

说明书

本发明公开了一种柔韧导电丝绸基复合电极用于金属离子电池。所述电极中利用具有超强力学性能的丝绸作为柔韧性的自支撑电极骨架，将高性能活性材料纳米颗粒均匀分散在其上，进一步对其表面进行薄层导电碳层(如碳纳米管、石墨烯等)的均匀包覆，得到具有三维交联导电通路的高柔韧性电极，该电极可以提升材料的导电性和结构稳定性，将其用于金属离子电池，可以表现出优异的储能效果，同时该方法具有简单、可规模化的特点，具有非常好的应用前景。

技术领域

本发明属于电池领域，具体涉及一种柔韧导电丝绸基复合电极用于金属离子电池。

背景技术

清洁和可再生能源在解决与温室气体排放相关的环境问题方面发挥着重要作用。锂离子电池(LIB)主要用于给便携式电子设备到电网规模的能量存储设备等应用中的供电。此外，当前从内燃机转向电动汽车的趋势推动了高能量和安全LIB的广泛使用。然而，锂的分布和有限储量导致锂离子电池的价格前景黯淡。未来，锂资源的消耗将在很大程度上取决于为便携式、电动汽车和大规模储能设备制造的锂离子电池。围绕锂资源稀缺的担忧促使了对新型的电池能源系统的研究，特别是钠离子电池(SIB)、钾离子电池(KIB)和锌离子电池(ZIB)。钠是地球上第四丰富的元素，广泛分布在地壳中。SIB和KIB具有类似于LIB的电池组件和电存储机制，这加速了SIB和KIB的发展。另一方面，锌具有更高的环境稳定性和更低的成本、与水电解质的良好兼容性、无毒性、工艺简单等优点，可充电锌离子电池(ZIB)在大规模储能应用中具有很大的前景。此外，与有机电解质相比，ZIBs中通常使用的水系电解质价格低廉，具有高安全性和高离子电导率，具有很好的实际应用前景。同时，近期镁离子电池、钙离子电池、铝离子电池等电池体系也是研究的热点。

另一方面，具有便携可穿戴、可折叠的柔性电子设备由于其灵活性高、质轻，是便携电子设备、传感器、智能设备等领域广泛应用的新兴技术。质轻、机械性能佳、高容量、长循环稳定的柔性储能装置以适应不同的柔性电子器件是当前的研究热点。然而，开发基于具有高度柔韧的机械性能和高导电的柔性电极仍然是一个巨大的挑战。此外，当前容量电极材料的诸多问题也亟待解决，包括导电性差、结构稳定性差、能量密度低等问题。因此，设计具有柔性自支撑结构的高导电电极来解决高容量电极材料的问题，同时使储能器件具有便携可穿戴、可折叠的特性，是当前研究的一个难点。

本发明提供了一种柔韧导电丝绸基复合电极用于金属离子电池，基于丝绸材料具有的优异机械性能、可生物降解/吸收的优点，将具有优异机械柔韧性的丝绸材料作为电极自支撑基底，在其纤维表面形核生长具有活性的无机复合材料，进一步将薄层导电碳材料(如碳纳米管、石墨烯等)在其外侧进行均匀包覆使电极具有三维交联导电通路，将该材料用于金属离子电池柔性正极/负极，可用于制备可穿戴、便携式高性能储能器件。

发明内容

本专利公开了一种柔韧导电丝绸基复合电极用于金属离子电池。其目的在于利用丝绸的超强力学机械性能和柔性自支撑的特点，将其作为电极自支撑基底，进而将具有储能活性的高性能材料纳米颗粒均匀负载于其纤维上，在其外侧包覆薄层导电碳材料(如碳纳米管、石墨烯等)，从而使其构成三维交联导电通路，该多级复合结构在提升材料导电性的同时可以稳定材料在循环过程中的体积变化，将其用于金属离子电池柔性正极/负极，可得到可穿戴、便携式高性能储能器件。

实现本发明的技术方案是：一种柔韧导电丝绸基复合电极用于金属离子电池，其特征在于：复合电极利用具有超强力学柔韧性的丝绸作为自支撑基底，其纤维上均匀分布高性能活性材料纳米颗粒，电极外侧由薄层高导电碳层包裹形成三维交联的导电通路。

所述的柔韧导电丝绸基复合电极用于金属离子电池，其特征在于：所述高性能活性材料为硫、碘、硒电极，金属/合金电极、金属氧化物/硫化物/硒化物/磷化物、二氧化锰材料、有机材料等中的一种或几种的复合物；

所述的柔韧导电丝绸基复合电极用于金属离子电池，其特征在于：所述导电碳层由碳纳米管、石墨烯、活性炭、碳纳米带、石墨炔和碳纳米纤维等一种或几种碳材料组成。