具有集成電池構造的結構部件制造技術

一種用于載具的結構部件具有電池構造，所述電池構造帶有固體電解質基質材料，嵌入其中的帶有陰極活性涂層的第一碳纖維層，嵌入其中的沒有陰極活性涂層的第二碳纖維層以及至少一個布置在其間的電絕緣分離層。此外所述結構部件還具有第一集流體層和第二集流體層，它們布置在所述第一層或第二層的背離所述分離層的側面上，其中所述第一集流體層和第二集流體層分別由柔性的、可成形的且多孔的碳同素異形體層形成。

Structural parts with integrated battery construction

【技術實現步驟摘要】
具有集成電池構造的結構部件
本專利技術涉及一種用于載具的結構部件、一種用于制造該結構部件的方法以及一種具有至少一個此類結構部件的載具。
技術介紹
為了優化飛行器或其他載具的重量，已知的是，將多個部件的功能相互組合并且通過多功能部件進行替換。此類多功能部件的一個例子是所謂的結構電池，該結構電池具有層構造，該層構造可以整合在由纖維增強的塑料制成的結構部件中或可以形成此種結構部件。例如，結構電池可以具有由碳纖維織物制成的層構造。在此可以通過嵌入塑料基質中的碳纖維織物實現陽極和陰極。在陰極的情況下，碳纖維可以設置有給出離子的涂層。在陰極與陽極之間設置有用于電絕緣的離子可透過的分離層。由金屬材料制成的集流體(其中通常使用鋁)連接到陰極和陽極處。除了其作為電池的功能之外，該結構電池由于這種結構可以具有很高的機械強度。因此，結構電池可以很容易地整合到飛行器或載具的結構部件中。EP3273505A1公開了一種結構部件，該結構部件形成電源并且同時配備有用于引導電流的裝置。
技術實現思路
本專利技術的目的是提出一種結構電池或結構部件，該結構電池或結構部件在作為電池的功能方面具有仍進一步改善的性能并且具有更輕的重量。該目的通過一種具有獨立權利要求1特征的結構部件來實現。有利的實施方式和改進方案能夠自從屬權利要求和下文的描述中得出。提出一種用于載具的結構部件，所述結構部件具有：電池構造，所述電池構造帶有固體電解質基質材料、嵌入其中的帶有陰極活性涂層的第一碳纖維層、嵌入其中的沒有陰極活性涂層的第二碳纖維層以及至少一個布置在其間的電絕緣分離層，此外還帶有第一集流體層和第二集流體層，所述集流體層布置在所述第一層或第二層的背離所述分離層的側面上，其中所述第一集流體層和所述第二集流體層分別由柔性的、可成形的且多孔的碳同素異形體層形成。根據本專利技術的結構部件的特別的優點在于，該結構部件的作為電池起作用的部分可以很容易地使用基本上常規的用于由纖維復合材料制造部件的方法來生產。該第一碳纖維層、第二碳纖維層、分離層以及兩個集流體層是柔性的并且可以以幅面狀和自動方式施加在工具表面。另外，因為碳同素異形體具有比鋁更小的密度，因此在結構部件中包含的或由此實現的結構電池可以具有比已知的結構電池更輕的重量。同時確保顯著改善的可成形性以及改善的機械穩定性。第一碳纖維層可以包含一個或多個碳纖維子層。這些碳纖維子層可以以織物的形式提供并且具有多個纖維子層和多個纖維方向。在此，纖維的取向(在常規的結構部件中也是如此)可以匹配所要求的機械特性。替代于此，還可以使用非織造的碳纖維或碳纖維無紡布(Kohlefasergelegen)。在此，這些碳纖維可以具有一個或多個分立的纖維方向或可以全方向地實現以便實現準各向同性的特性。同樣在此可以互相疊放具有不同取向的多個子層。在使用基于鋰離子的電池時，陰極活性涂層是含鋰的過渡金屬氧化物或含鋰的過渡金屬磷酸鹽。這些物質能夠可逆地儲存并再次釋放鋰離子。對第一層的碳纖維的涂覆可以通過使用合適的溶液浸漬、浸入或噴涂來進行，然而其中也不排除其他變體。第二碳纖維層并非一定具有涂層，因為碳自身可以作為活性材料用于負電極。在需要時，仍然可以用附加的陽極活性材料(如包含硅)來涂覆碳纖維。在處理中第一層和第二層與在常規CFK部件中使用的子層構造的其他層無法區分。該分離層可以通過不同的易彎的、平面狀的材料幅面實現，該材料幅面允許嵌入基質材料中或粘附到基質材料上。再下文中詳述優選的變體。集流體層可以被稱為陰極集流體層以及陽極集流體層。這兩個層都具有碳同素異形體的構造，它們具有足夠的導電性并且可以代替鋁基金屬幅面。另一個特別的優點在于，與由鋁制成的幅面相比，第一集流體層和第二集流體層與鄰接的碳纖維層具有明顯更低的材料不連續性。由此防止鋁電極和碳纖維的化學腐蝕不相容性并改善耐久性。在一個優選的實施方式中，所述集流體層中的至少一個具有碳納米管，所述碳納米管嵌入基質材料中或形成多孔的織物。此外，碳納米管具有比基于鋁的結構明顯更輕的重量。另外，由碳納米管制成的結構的載流能力比鋁或銅高許多倍。優選的是，所述集流體層中的至少一個由非織造的碳納米管的多孔氈形成。所述氈尤其適用于整合到由碳纖維增強塑料制成的結構部件的常規制造過程中。單獨的碳納米管通過范德華力粘附在一起并具有準各向同性的抗拉行為。由此實現了特別有利地替代其他情況下的金屬幅面材料。該陰極活性涂層可以具有LiFeO2。氧化鋰鐵可以帶來更好的存儲容量并同時顯著降低生產成本。然而同樣也可以想到其他的鋰-金屬氧化物化合物，使得本專利技術不必受限于氧化鋰鐵。尤其可以使用鋰鈷氧化物，其從很久以前就在商業中使用。分離層可以具有不導電的纖維，尤其玻璃纖維。玻璃纖維(同樣還有碳纖維)，由于其適合作為易彎的織物或無紡布進行加工，因此非常容易被加工并且匹配所期望的機械特性。此外，因為玻璃纖維是不導電的，可以推薦將基于玻璃纖維的分離層結合到電池構造中。替代性地，分離層還可以具有碳纖維，所述碳纖維具有絕緣涂層。電池構造內部的材料連續性得到改善并且與玻璃纖維相比穩定性也略微提高。因此，尤其在分離層的位置中可以更好地避免電壓躍變和脫層。在此方面要注意的是，全部分離層必須實施為，使得離子、尤其鋰離子可以從陰極放出并被陽極接收。在一個有利的實施方式中，所述結構部件還可以包括至少一個附加的結構層，所述結構層至少在一側覆蓋所述電池構造并加固所述結構部件。這樣的結構層可以布置在電池構造的僅一側或兩側。額外使用所述附加層導致電池構造的封裝并進一步提高結構部件的強度。此外，在飛行器且尤其交通飛行器中可以連接其他的功能層，所述功能層適用于防雷、結構健康監測或類似應用。所述集流體層可以分別配備有至少一個電連接體，其中所有連接體延伸到所述電池構造的同一側。為了使用電池，電池構造也必須電連接，其中電連接體應優選位于電池構造的同一側。電連接體可以例如為銷或插針，其分別從集流體層中之一向電池構造的相關側延伸。本專利技術還涉及一種用于制造結構部件的方法，尤其上文所述的結構部件。所述方法具有以下步驟：施加第一集流體層、具有陰極活性涂層的第一碳纖維層、電絕緣分離層、沒有陰極活性涂層的第二碳纖維層以及第二碳纖維層以及共同固化。在一個優選的實施方式中，借助自動化裝置進行布置。該裝置優選配備有自動化纖維鋪設頭或自動化條帶鋪設頭(Bandablegekopf)。另外，本專利技術還涉及一種具有至少一個此類結構部件的載具。所述載具尤其為飛行器。附圖說明本專利技術的其他特征、優點和應用可能性由以下對實施例和附圖的說明得出。在此，所有所描述的和/或圖示的特征以自身和以任意組合構成本專利技術的主題，而與其在各個權利要求中或其所引用的權利要求中的關系無關。此外，在附圖中相同的附圖標記代表相同或相似的物體。圖1以三維示意截面圖示出了載具的結構部件的電池構造。圖2示出了用于自動制造結構部件的裝置。圖3示出了包含帶有電池構造的結構部件的飛行器。圖4以基于框圖的示意圖示出了用于制造結構部件的根據本專利技術的方法。具體實施方式圖1示出了載具的結構部件的電池構造2。該電池構造具有由帶有陰極活性涂層的碳纖維6形成的第一層4，其中碳纖維6嵌入到導電的基質材料8中。設置碳纖維12的第二層10，其中碳纖維12不具有陰極活性涂層本文檔來自技高網...

【技術保護點】
1.一種用于載具(36)的結構部件(38)，所述結構部件具有電池構造(2)，該電池構造帶有固體電解質基質材料(8)，嵌入所述固體電解質基質材料中的帶有陰極活性涂層的第一碳纖維(6)層(4)，嵌入所述固體電解質基質材料中的沒有陰極活性涂層的第二碳纖維(12)層(10)以及至少一個布置在所述層之間的電絕緣分離層(14)，此外還帶有第一集流體層(18)和第二集流體層(20)，所述集流體層布置在所述第一層(4)或所述第二層(10)的背離所述分離層(14)的側面上，其中所述第一集流體層(18)和所述第二集流體層(20)分別由柔性的、可成形的且多孔的碳同素異形體層形成。

【技術特征摘要】
2018.04.27 DE 102018110164.31.一種用于載具(36)的結構部件(38)，所述結構部件具有電池構造(2)，該電池構造帶有固體電解質基質材料(8)，嵌入所述固體電解質基質材料中的帶有陰極活性涂層的第一碳纖維(6)層(4)，嵌入所述固體電解質基質材料中的沒有陰極活性涂層的第二碳纖維(12)層(10)以及至少一個布置在所述層之間的電絕緣分離層(14)，此外還帶有第一集流體層(18)和第二集流體層(20)，所述集流體層布置在所述第一層(4)或所述第二層(10)的背離所述分離層(14)的側面上，其中所述第一集流體層(18)和所述第二集流體層(20)分別由柔性的、可成形的且多孔的碳同素異形體層形成。2.根據權利要求1所述的結構部件(38)，其中所述集流體層(18，20)中的至少一個具有碳納米管，所述碳納米管嵌入到所述基質材料(8)中或形成織物。3.根據權利要求2所述的結構部件(38)，其中所述集流體層(18，20)中的至少一個由非織造的碳納米管的多孔氈形成。4.根據以上權利要求之一所述的結構部件(38)，其中所述陰極活性涂層具有LiFeO2。5.根據以上權利要求之一所述的結構部件(38)，其中所述分離層(14)具有不導電的纖維、尤其玻璃纖維。6.根據以上權利要求之一所述的結構部件(38)，其中所述分離層(14)具有碳纖維，所述碳纖維具有絕緣涂層。7.根據以上權利要求之...

【專利技術屬性】
技術研發人員：彼得·林德，克里斯蒂安·卡奇，
申請(專利權)人：空中客車德國運營有限責任公司，空中客車防務和空間有限責任公司，
類型：發明
國別省市：德國,DE