柔性纤维状二次锌锰电池及其织物的应用研究

摘要

智能电子和物联网的快速发展，对输出稳定、可持续的轻柔型能源器件提出了迫切而具有挑战性的需求。对于传统的可穿戴能源设备来说，一般存在体积大、柔性差、质量重等问题，而且功率输出在不同的环境下波动很大，无法满足许多电子设备的用电需求，因此极大的限制了可穿戴能源设备的发展和广泛使用。柔性纤维二次锌锰电池由于其资源丰富、绿色环保、安全性高等特点，在可穿戴领域已经成为人们的研究热点。　　基于此，本论文使用了二氧化锰这种具有经济可行性的材料作为储能电池正极材料，制备了一种柔性纤维状二次锌-二氧化锰电池，将其与纤维染料敏化太阳能电池进行混合集成，通过编织、刺绣等织造技术，从而制作了一种可同时采集光能和储存能量的可持续能源织物。本论文研究的内容主要分为以下几个方面：　　①研究探究了纳米二氧化锰的合成及电极制作。针对二氧化锰材料本身导电性较差的问题，通过在合成过程中加入乙炔黑导电材料对其进行优化，加入乙炔黑后合成的二氧化锰制备的电池首次放电比容量达197mAh/g。同时探究了二氧化锰电极涂覆条件，制备出高稳定性和柔性的纤维二氧化锰电极。　　②研究制备了柔性纤维二次锌锰电池。为了进一步减小纤维电池的体积，改善电池大电流放电时的性能，设计了同轴单纤维锌锰电池结构。该结构大大地减小了电池的体积，缩短了电子的传输距离，为纤维二次锌锰电池的设计提供了一种新的思路。同时探究了电解质的凝胶化程度、固化状态对电池性能的影响。最后对制备的柔性纤维二次锌锰电池进行电化学性能测试，电池具有较好的稳定性，在循环500次后，容量衰减小于20%。　　③研究制作了自供电的能源织物。通过自主设计的飞梭编织及刺绣集成手段，将柔性纤维二次锌锰电池和纤维染料敏化太阳能电池进行混合集成，制作出一种采集-储存一体的可持续供电的能源织物。该能源织物稳定性好、结构灵活，在标准的单日照条件下，充电1min后，在0.1mA的电流下可以持续供电10min。在弯曲、风吹、水洗的情况下，依然能够保持稳定的输出，并在60天没有明显的电压损失。　　该技术在能源、医疗、军事、健康、监测等方面具有广泛的发展应用前景，得到学术界和智能化产业的广泛关注。

目录

目 录

1 绪 论

1.1 前言

1.2 二氧化锰的简介

1.2.1 二氧化锰的结构

1.2.2 二氧化锰的合成

1.2.3 二氧化锰的改性

1.2.4 二氧化锰的应用

1.3 锌锰电池的发展

1.3.1 一次锌锰电池

1.3.2 二次锌锰电池

1.3.3 柔性锌锰电池

1.4 可穿戴能源织物的发展

1.4.1 超级电容器储能织物

1.4.2 锂离子电池储能织物

1.4.3 锌离子电池储能织物

1.4.4 混合能源织物

1.5 研究内容与创新点

1.5.1 研究内容

1.5.2创新点

2 实验部分

2.1 材料、试剂与仪器

2.1.1 实验材料

2.1.2 实验试剂

2.1.3 实验仪器

2.2 纳米二氧化锰的制备

2.2.1 水热合成

2.2.2 水热掺杂合成

2.3 纤维二次锌锰电池的制备

2.3.1 双电极平行结构电池制备方法

2.3.2 单纤维结构电池制备方法

2.3.3 电池的封装方法

2.4 纤维染料敏化太阳能电池的制备

2.4.1 纤维染料敏化太阳能电池光阳极的制备

2.4.2 纤维染料敏化太阳能电池的组装

2.5 能源织物的制作

2.5.1 编织法制作能源织物

2.5.2 刺绣法制作能源织物

2.6 分析及测试

2.6.1 材料的结构形貌表征

2.6.2 电池的电性能测试

3 正极二氧化锰材料的合成及优化探究

3.1 引言

3.2 二氧化锰的合成

3.2.1 水热合成二氧化锰

3.2.2 合成反应放大

3.3 二氧化锰的改性探究

3.3.1 掺杂乙炔黑

3.3.2 掺杂条件优化探究

3.3.3 掺杂乙炔黑的二氧化锰表征

3.4 电极制备与电池组装工艺探究

3.5 本章小结

4 柔性纤维二次锌锰电池的探究

4.1 引言

4.2 电池结构工艺设计

4.2.1 以漆包铜丝为纤维基底

4.2.2 以锌丝为纤维基底

4.2.3 同轴单纤维结构锌锰二次电池

4.3 电解质优化探究

4.3.1 凝胶电解质优化

4.3.2 固态电解质探究

4.4 电池性能测试

4.5 本章小结

5 能源织物的集成与应用

5.1 引言

5.2 能源织物的集成

5.2.1 混合编织能源织物

5.2.2 混合刺绣能源织物

5.2.3 集成方式对比

5.3 能源织物的稳定性测试

5.4 能源织物的应用

5.5 本章小结

6 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

参考文献

附 录

A.作者在攻读学位期间取得的科研成果目录

B.作者在攻读学位期间参与的科研项目目录

C.学位论文数据集

致 谢