本發(fā)明涉及柔性儲能及可穿戴器件技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于石墨烯復(fù)合纖維的線狀水系鋰離子電池的制備方法。
背景技術(shù)：
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新型線狀儲能器件，包括線狀超級電容器和線狀鋰離子電池，作為柔性儲能器件的重要組成部分，對可穿戴設(shè)備的發(fā)展有著重要的影響。與傳統(tǒng)的平面或者塊狀儲能器件相比，線狀儲能器件可以實(shí)現(xiàn)彎曲、拉伸甚至三維扭曲等較大變形，并且易于集成，能通過成熟的紡織技術(shù)，形成具有良好柔性和高通透性的儲能織物，能夠有效滿足可穿戴設(shè)備的發(fā)展需要。
線狀鋰離子電池具有的一維結(jié)構(gòu)使其展現(xiàn)出良好的柔韌性，并具有比線狀超級電容器更高的能量密度，這使得線狀鋰離子電池具有更廣泛的應(yīng)用前景。然而，目前所報道的線狀鋰離子電池都是采用傳統(tǒng)有毒、易燃的有機(jī)溶劑作為電解質(zhì)，當(dāng)發(fā)生較大彎曲變形時，易造成電解液的泄露或電極短路引發(fā)火災(zāi)，存在較大的安全問題。因此，開發(fā)安全高效的儲能材料對可穿戴產(chǎn)品的發(fā)展有著至關(guān)重要的影響。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
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本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于提供一種制備方法簡單、放電功率大且使用安全性高的基于石墨烯復(fù)合纖維的線狀水系鋰離子電池的制備方法。
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題采用以下的技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)：
基于石墨烯復(fù)合纖維的線狀水系鋰離子電池的制備方法，包括如下步驟：
(1)通過水熱反應(yīng)，制備得到纖維狀的聚酰亞胺/石墨烯復(fù)合纖維；
(2)通過水熱反應(yīng)，制備得到纖維狀的磷酸鐵鋰/石墨烯復(fù)合纖維；
(3)以硫酸鋰為主要原料，配制水系凝膠電解質(zhì)；
(4)以聚酰亞胺/石墨烯復(fù)合纖維作為負(fù)極，磷酸鐵鋰/石墨烯復(fù)合纖維作為正極，硫酸鋰凝膠電解質(zhì)作為電解質(zhì)，組裝線狀水系鋰離子電池。
所述聚酰亞胺/石墨烯復(fù)合纖維的具體制備步驟如下：將1-10mmol 1,4,5,8-萘四甲酸酐與10-100g對氯苯酚混合，再加入0.5-5g氧化石墨烯粉末，超聲處理2h，然后加入0.05-0.5mL乙二胺，攪拌2h后得到前驅(qū)體溶液，隨后將得到的前驅(qū)體溶液注入到內(nèi)徑0.1-5mm的中空管反應(yīng)器中，并將中空管反應(yīng)器兩端封口，加熱中空管反應(yīng)器使其在160-280℃反應(yīng)2-14h，最后經(jīng)乙醇漂洗，并在300℃氮?dú)庵懈稍?-10h，即得聚酰亞胺/石墨烯復(fù)合纖維。
所述磷酸鐵鋰/石墨烯復(fù)合纖維的具體制備步驟如下：將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，超聲攪拌處理2h后到前驅(qū)體溶液，然后將得到的前驅(qū)體溶液注入到內(nèi)徑0.1-5mm的中空管反應(yīng)器中，并將中空管反應(yīng)器兩端封口，加熱中空管反應(yīng)器使其在160-280℃反應(yīng)2-12h，最后經(jīng)乙醇漂洗，并在300℃氮?dú)庵懈稍?-10h，即得磷酸鐵鋰/石墨烯復(fù)合纖維。
所述凝膠電解質(zhì)的具體制備方法如下：將1-5g硫酸鋰加入到100mL去離子水中，攪拌2h至硫酸鋰完全溶解，再加入10g聚氧乙烯，并溶脹24h，然后將混合液升溫至95℃攪拌2h至聚氧乙烯完全溶解，最后將溶液室溫放置冷卻，即得水系硫酸鋰凝膠電解質(zhì)。
所述線狀水系鋰離子電池的組裝方法如下：選取聚酰亞胺/石墨烯復(fù)合纖維作為鋰離子電池負(fù)極與磷酸鐵鋰/石墨烯復(fù)合纖維正極配對，正負(fù)極中間放置鋰離子電池隔膜，然后將其密封在熱縮管中，最后將硫酸鋰凝膠電解質(zhì)注入到熱縮管中，即制得水系線狀鋰離子電池。
本發(fā)明的有益效果是：
(1)本發(fā)明制備的聚酰亞胺/石墨烯復(fù)合纖維和磷酸鐵鋰/石墨烯復(fù)合納米纖維具有納米插層結(jié)構(gòu)，可以有效地將石墨烯的高電導(dǎo)率和鋰離子電池材料的高容量相結(jié)合起來，顯著提高線狀儲能器件的容量，在柔性儲能領(lǐng)域有很好的應(yīng)用前景；
(2)本發(fā)明制備的線狀鋰離子電池具有的能量密度和功率密度與傳統(tǒng)鋰離子電池接近，同時經(jīng)檢測電池功率密度達(dá)到約10000W/kg，能量密度達(dá)到約50Wh/kg，以20C電流充放電200次后依然能夠保存90％的初始容量，同時庫倫效率接近100％，甚至超過了絕大多數(shù)的線狀超級電容器；
(3)由于采用水系凝膠電解質(zhì)，本發(fā)明的線狀鋰離子電池可以避免易燃有機(jī)電解質(zhì)帶來的使用安全問題。
具體實(shí)施方式：
為了使本發(fā)明實(shí)現(xiàn)的技術(shù)手段、創(chuàng)作特征、達(dá)成目的與功效易于明白了解，下面結(jié)合具體實(shí)施例，進(jìn)一步闡述本發(fā)明。
實(shí)施例1
制備聚酰亞胺/石墨烯復(fù)合纖維，作為線狀鋰離子電池的負(fù)極：首先將1mmol 1,4,5,8-萘四甲酸酐與10g對氯苯酚混合，隨后加入0.5g氧化石墨烯粉末，超聲處理2h，最后加入0.05mL乙二胺，攪拌2h后得到前驅(qū)體液。最后將得到的前驅(qū)體溶液注入到內(nèi)徑0.2mm的中空管反應(yīng)器中，并將中空管反應(yīng)器兩端封口；加熱中空管反應(yīng)器使其在160℃反應(yīng)2h，得到聚酰亞胺/石墨烯復(fù)合纖維電極。最后，將得到的復(fù)合纖維電極經(jīng)乙醇漂洗，并在300℃氮?dú)庵懈稍?h，最終獲得干燥的聚酰亞胺/石墨烯復(fù)合纖維。
制備磷酸鐵鋰/石墨烯復(fù)合纖維，作為線狀鋰離子電池的正極：首先將1mmol FeSO4.7H2O、1mmol LiCO3和1mmo NH4H2PO4加入到10mL水中，隨后加入0.5g氧化石墨烯粉末，超聲攪拌處理2h后到前驅(qū)體液。最后將得到的前驅(qū)體溶液注入到內(nèi)徑0.1mm的中空管反應(yīng)器中，并將中空管反應(yīng)器兩端封口；加熱中空管反應(yīng)器使其在160℃反應(yīng)2h，得到磷酸鐵鋰/石墨烯復(fù)合纖維電極。最后，將得到的復(fù)合纖維電極經(jīng)乙醇漂洗，并在300℃氮?dú)庵懈稍?h，最終獲得干燥的磷酸鐵鋰/石墨烯復(fù)合纖維。
制備水系硫酸鋰凝膠電解質(zhì)，并涂覆在鋰離子電池的正負(fù)極表面：將1g硫酸鋰加入到100mL去離子水中，攪拌2h至硫酸鋰完全溶解，隨后加入10g聚氧乙烯并溶脹24h，然后將混合液升溫至95℃并攪拌2h至聚氧乙烯完全溶解，最后將溶液室溫放置冷卻得到水系硫酸鋰凝膠電解質(zhì)。
制備線狀鋰離子電池：首先，選取聚酰亞胺/石墨烯復(fù)合纖維作為鋰離子電池負(fù)極與磷酸鐵鋰/石墨烯復(fù)合纖維負(fù)極配對，正負(fù)極中間放置鋰離子電池隔膜，然后將其密封在熱縮管中，最后將硫酸鋰凝膠電解質(zhì)注入到熱縮管中，即制得水系線狀鋰離子電池。
實(shí)施例2
制備聚酰亞胺/石墨烯復(fù)合纖維，作為線狀鋰離子電池的負(fù)極：首先將5mmol 1,4,5,8-萘四甲酸酐與50g對氯苯酚混合，隨后加入2g氧化石墨烯粉末，超聲處理2h，最后加入0.25mL乙二胺，攪拌2h后得到前驅(qū)體液。最后將得到的前驅(qū)體溶液注入到內(nèi)徑1mm的中空管反應(yīng)器中，并將中空管反應(yīng)器兩端封口；加熱中空管反應(yīng)器使其在220℃反應(yīng)6h，得到聚酰亞胺/石墨烯復(fù)合纖維電極。最后，將得到的復(fù)合纖維電極經(jīng)乙醇漂洗，并在300℃氮?dú)庵懈稍?h，最終獲得干燥的聚酰亞胺/石墨烯復(fù)合纖維。
制備磷酸鐵鋰/石墨烯復(fù)合纖維，作為線狀鋰離子電池的正極：首先將5mmol FeSO4.7H2O、5mmol LiCO3和5mmol NH4H2PO4加入到50mL水中，隨后加入2g氧化石墨烯粉末，超聲攪拌處理2h后到前驅(qū)體液。最后將得到的前驅(qū)體溶液注入到內(nèi)徑2mm的中空管反應(yīng)器中，并將中空管反應(yīng)器兩端封口；加熱中空管反應(yīng)器使其在220℃反應(yīng)6h，得到磷酸鐵鋰/石墨烯復(fù)合纖維電極。最后，將得到的復(fù)合纖維電極經(jīng)乙醇漂洗，并在300℃氮?dú)庵懈稍?h，最終獲得干燥的磷酸鐵鋰/石墨烯復(fù)合纖維。
制備水系硫酸鋰凝膠電解質(zhì)，并涂覆在鋰離子電池的正負(fù)極表面：將5g硫酸鋰加入到100mL去離子水中，攪拌2h至硫酸鋰完全溶解，隨后加入10g聚氧乙烯并溶脹24h，然后將混合液升溫至95℃并攪拌2h至聚氧乙烯完全溶解，最后將溶液室溫放置冷卻得到水系硫酸鋰凝膠電解質(zhì)。
制備線狀鋰離子電池：首先，選取聚酰亞胺/石墨烯復(fù)合纖維作為鋰離子電池負(fù)極與磷酸鐵鋰/石墨烯復(fù)合纖維負(fù)極配對，正負(fù)極中間放置鋰離子電池隔膜，然后將其密封在熱縮管中，最后將硫酸鋰凝膠電解質(zhì)注入到熱縮管中，即制得水系線狀鋰離子電池。
實(shí)施例3
制備聚酰亞胺/石墨烯復(fù)合纖維，作為線狀鋰離子電池的負(fù)極：首先將10mmol 1,4,5,8-萘四甲酸酐與100g對氯苯酚混合，隨后加入0.5g氧化石墨烯粉末，超聲處理2h，最后加入0.5mL乙二胺，攪拌2h后得到前驅(qū)體液。最后將得到的前驅(qū)體溶液注入到內(nèi)徑5mm的中空管反應(yīng)器中，并將中空管反應(yīng)器兩端封口；加熱中空管反應(yīng)器使其在260℃反應(yīng)8h，得到聚酰亞胺/石墨烯復(fù)合纖維電極。最后，將得到的復(fù)合纖維電極經(jīng)乙醇漂洗，并在300℃氮?dú)庵懈稍?h，最終獲得干燥的聚酰亞胺/石墨烯復(fù)合纖維。
制備磷酸鐵鋰/石墨烯復(fù)合纖維，作為線狀鋰離子電池的正極：首先將10mmol FeSO4.7H2O、10mmol LiCO3和10mmolNH4H2PO4加入到100mL水中，隨后加入5g氧化石墨烯粉末，超聲攪拌處理2h后到前驅(qū)體液。最后將得到的前驅(qū)體溶液注入到內(nèi)徑5mm的中空管反應(yīng)器中，并將中空管反應(yīng)器兩端封口；加熱中空管反應(yīng)器使其在260℃反應(yīng)8h，得到磷酸鐵鋰/石墨烯復(fù)合纖維電極。最后，將得到的復(fù)合纖維電極經(jīng)乙醇漂洗，并在300℃氮?dú)庵懈稍?h，最終獲得干燥的磷酸鐵鋰/石墨烯復(fù)合纖維。
制備水系硫酸鋰凝膠電解質(zhì)，并涂覆在鋰離子電池的正負(fù)極表面：將5g硫酸鋰加入到100mL去離子水中，攪拌2h至硫酸鋰完全溶解，隨后加入10g聚氧乙烯并溶脹24h，然后將混合液升溫至95℃并攪拌2h至聚氧乙烯完全溶解，最后將溶液室溫放置冷卻得到水系硫酸鋰凝膠電解質(zhì)。
制備線狀鋰離子電池：首先，選取聚酰亞胺/石墨烯復(fù)合纖維作為鋰離子電池負(fù)極與磷酸鐵鋰/石墨烯復(fù)合纖維負(fù)極配對，正負(fù)極中間放置鋰離子電池隔膜，然后將其密封在熱縮管中，最后將硫酸鋰凝膠電解質(zhì)注入到熱縮管中，即制得水系線狀鋰離子電池。
以上顯示和描述了本發(fā)明的基本原理和主要特征和本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)。本行業(yè)的技術(shù)人員應(yīng)該了解，本發(fā)明不受上述實(shí)施例的限制，上述實(shí)施例和說明書中描述的只是說明本發(fā)明的原理，在不脫離本發(fā)明精神和范圍的前提下，本發(fā)明還會有各種變化和改進(jìn)，這些變化和改進(jìn)都落入要求保護(hù)的本發(fā)明范圍內(nèi)。本發(fā)明要求保護(hù)范圍由所附的權(quán)利要求書及其等效物界定。