CN104409775B - 一种圆环形锂电池的3d打印工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种圆环形锂电池的3D打印工艺，首先制备出打印锂电池正负电极浆料，再制取隔膜浆料，随后利用特定的3D打印工艺制备出以磷酸铁锂为阴极材料，以聚酰亚胺为隔膜、以钛酸锂为阳极材料的正极、隔膜及负极依次交叠的圆环形复合电极材料。本发明基于圆环形锂电池的3D打印工艺，制备方法新颖，工艺简单，精确可控，所制备的材料具有特殊阴极、隔膜及阳极依次交叠分布结构、大的比表面积；这一叠层圆环电极材料大大缩短了锂离子在材料中的扩散距离，提高了相应的扩散速度，具有较高的离子及电子电导率，在高性能锂离子电池领域有巨大的应用潜力。

Description

一种圆环形锂电池的3D打印工艺
技术领域
本发明涉及一种圆环形锂电池的3D打印工艺，属于锂电纳米储能材料领域。
背景技术
随着传统能源的日益枯竭，锂离子二次电池作为新能源代表从而受到了广泛的关注。同时锂离子电池作为移动通讯设备与便携电子设备的主要电源，由于其具有输出电压较高、无记忆性、高能量密度等优势而成为国内外研究的热点。然而传统基于平面电极的锂离子电池普遍存在比表面积不高、储能密度有限、电极极化严重等问题。
近年来随着纳米技术和3D打印技术的兴起，纳米技术和3D打印技术已经拓展到军事、电子、医学、生物、新能源等领域，尤其是新型3D打印集成锂离子电池的出现，有效实现了锂离子电池阴阳极及其封装系统的有效集成，彻底改变了传统平面电极型锂离子电池结构，这将大大提高了电池电极材料中活性物质的比例，缩短了锂离子充放电过程中的迁移距离，从而大大提高了锂离子扩散速率和迁移率。
然而，现有基于3D打印技术所制备的锂离子电池一般采用不需要隔膜的阴阳极叉指结构，这种结构虽然易于实现3D打印，但由于锂离子电池电极材料在锂存储过程中体积变化显著和应力较大，这种叉指结构电极在其充放电过程中易于变形甚至坍塌，造成阴阳极短路、断路或者形成电死块，最终造成循环性能变差、锂存储容量衰减快等。因此，探索其他结构3D打印锂离子电池是解决这一问题的关键，然而基于3D打印工艺的其它结构锂离子电池，目前仍存在正负极材料、隔膜浆料的3D打印工艺兼容性问题。
发明内容
针对现有技术的不足和缺陷，本发明提出了一种圆环形锂电池的3D打印工艺。该3D打印工艺首先制备出打印锂电池正负电极浆料，再制取隔膜浆料，随后利用特殊的3D打印工艺制备出以磷酸铁锂为阴极材料，以聚酰亚胺为隔膜、以钛酸锂为阳极材料的正极、隔膜及负极依次交叠的圆环形复合电极材料。本发明提出一种圆环形锂电池的3D打印工艺，具有制备工艺新颖，简单，精确可控的优点，所制备的材料具有特殊阴极、隔膜及阳极依次交叠分布结构、大的比表面积，具有较高的离子及电子电导率，在高性能锂离子电池领域有巨大的应用潜力。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种圆环形锂电池的3D打印工艺，其特征在于：叠层圆环电极结构是由多层阳极层、隔膜层和阴极层相间排列构成，所述的圆环形阵列结构，其具体打印工艺步骤为：
（1）打印平面圆环形阵列上方的上半圆部分；
（2）打印平面圆环形阵列右方的右半圆部分；
（3）打印平面圆环形阵列下方的下半圆部分；
（4）打印圆环形阵列平面下方下半圆的另一半圆部分；
（5）打印步骤（4）已成型圆环形相邻上方的下半圆部分；
（6）打印步骤（5）已成型下半圆部分的另一半圆部分；
（7）继续从已成型圆环中打印其相邻上方的下半圆及另一半圆部分，直至完成步骤（1）上半圆部分的另一半圆打印为止；
（8）完成一种类型圆环阵列层的打印后，继续下一类型圆环阵列层的打印。
（9）在电池电极引线部分，所有的阴极材料圆环要覆盖到电池金属阴极，所有的阳极材料圆环层要求覆盖到电池金属阳极；同时为了有效隔离各阴阳极电极层，隔膜层圆环层要分别完全覆盖超出相应阴阳极电极，即在金属阳极边，隔膜圆环要超出前层阴极圆环层，而在金属阴极边，隔膜圆环要超出前层阳极圆环层。
其中，在工艺步骤中的阴极、阳极、隔膜浆料分别用25-30um喷头，在550-650psi压强下以200-300um/s分别打印锂电池的阴、阳电极以及位于上述两者之间的电极隔膜；打印好后，在试管炉中用氩气气保护下，以600度高温退火2h，实现电极、隔膜固化。
一种圆环形锂电池的3D打印工艺下的封装工艺，其特征在于：所述的圆环形3D锂电池封装工艺步骤：电极、隔膜制好后，用激光切割薄壁甲基丙烯酸甲酯，放入制备好的电池结构，用聚二甲基硅氧烷凝胶来密封大部分空隙，在150度温度下固化，固化前，机械自动从空隙中加入电解液，并用额外的聚二甲基硅氧烷密封剩下的空隙。
本发明的优点在于：本发明工艺下的圆环形锂电池成型工艺简单、成型成本低、可靠性高、打印出来3D叠层电极材料比表面积大，电池比容量较大，在高性能锂离子电池领域有巨大的应用潜力。
附图说明
图1a、1b、1c、1d、1e、1f、1g、1h本发明实施例圆环材料具体的打印步骤图。
图2本发明实施例下打印出来的圆环材料结构图。
图3本发明实施例圆环型材料打印出的锂电池内部核心结构。
图4本发明实施例圆环型材料打印出的锂电池整体结构。
具体实施方式
为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，作详细说明如下。
实施例1
1）将制备好的浆料用25-30um喷头，在550psi压强下以200um/s打印锂电池的阴、阳电极以及位于上述两者之间的电极隔膜；
其具体打印步骤为：
（1）如图1-a所示，打印平面圆环形阵列上方的上半圆部分；
（2）如图1-b所示，打印平面圆环形阵列右方的右半圆部分；
（3）如图1-c所示，打印平面圆环形阵列下方的下半圆部分；
（4）如图1-d所示，打印圆环形阵列平面下方下半圆的另一半圆部分；
（5）如图1-e所示，打印步骤（4）已成型圆环形相邻上方的下半圆部分；
（6）如图1-f所示，打印步骤（5）已成型下半圆部分的另一半圆部分；
（7）如图1-g所示，继续从已成型圆环中打印其相邻上方的下半圆及另一半圆部分，直至完成步骤（1）上半圆部分的另一半圆打印为止；
（8）如图1-h所示，完成一种类型圆环阵列层的打印后，继续下一类型圆环阵列层的打印。图2为成型的3维圆环阵列图。
（9）如图3部分，在电池电极引线部分，所有的阴极材料圆环要覆盖到电池金属阴极，所有的阳极材料圆环层要求覆盖到电池金属阳极。同时为了有效隔离各阴阳极电极层，隔膜层圆环层要分别完全覆盖超出相应阴阳极电极，即在金属阳极边，隔膜圆环要超出前层阴极圆环层，而在金属阴极边，隔膜圆环要超出前层阳极圆环层。
2）加热固化工艺：打印好后，在试管炉中用氩气气保护下，以600度高温退火2h，这样电极、隔膜固化完毕；
3）电池封装工艺：如图4所示，电极、隔膜制好后，用激光切割薄壁甲基丙烯酸甲酯，放入制备好的电池结构，用聚二甲基硅氧烷凝胶来密封大部分空隙，在150度温度下固化，固化前，机械自动从空隙中加入电解液，并用额外的聚二甲基硅氧烷密封剩下的空隙。
实施例2
1）将制备好的浆料用27um喷头，在600psi压强下以250um/s打印锂电池的阴、阳电极以及位于上述两者之间的电极隔膜；
其具体打印步骤为：
（1）如图1-a所示，打印平面圆环形阵列上方的上半圆部分；
（2）如图1-b所示，打印平面圆环形阵列右方的右半圆部分；
（3）如图1-c所示，打印平面圆环形阵列下方的下半圆部分；
（4）如图1-d所示，打印圆环形阵列平面下方下半圆的另一半圆部分；
（5）如图1-e所示，打印步骤（4）已成型圆环形相邻上方的下半圆部分；
（6）如图1-f所示，打印步骤（5）已成型下半圆部分的另一半圆部分；
（7）如图1-g所示，继续从已成型圆环中打印其相邻上方的下半圆及另一半圆部分，直至完成步骤（1）上半圆部分的另一半圆打印为止；
（8）如图1-h所示，完成一种类型圆环阵列层的打印后，继续下一类型圆环阵列层的打印。图2为成型的3维圆环阵列图。
（9）如图3部分，在电池电极引线部分，所有的阴极材料圆环要覆盖到电池金属阴极，所有的阳极材料圆环层要求覆盖到电池金属阳极。同时为了有效隔离各阴阳极电极层，隔膜层圆环层要分别完全覆盖超出相应阴阳极电极，即在金属阳极边，隔膜圆环要超出前层阴极圆环层，而在金属阴极边，隔膜圆环要超出前层阳极圆环层。
2）加热固化工艺：打印好后，在试管炉中用氩气气保护下，以600度高温退火2h，这样电极、隔膜固化完毕；
3）电池封装工艺：如图4所示，电极、隔膜制好后，用激光切割薄壁甲基丙烯酸甲酯，放入制备好的电池结构，用聚二甲基硅氧烷凝胶来密封大部分空隙，在150度温度下固化，固化前，机械自动从空隙中加入电解液，并用额外的聚二甲基硅氧烷密封剩下的空隙。
实施例3
1）将制备好的浆料用30um喷头，在650psi压强下以300um/s打印锂电池的阴、阳电极以及位于上述两者之间的电极隔膜；
其具体打印步骤为：
（1）如图1-a所示，打印平面圆环形阵列上方的上半圆部分；
（2）如图1-b所示，打印平面圆环形阵列右方的右半圆部分；
（3）如图1-c所示，打印平面圆环形阵列下方的下半圆部分；
（4）如图1-d所示，打印圆环形阵列平面下方下半圆的另一半圆部分；
（5）如图1-e所示，打印步骤（4）已成型圆环形相邻上方的下半圆部分；
（6）如图1-f所示，打印步骤（5）已成型下半圆部分的另一半圆部分；
（7）如图1-g所示，继续从已成型圆环中打印其相邻上方的下半圆及另一半圆部分，直至完成步骤（1）上半圆部分的另一半圆打印为止；
（8）如图1-h所示，完成一种类型圆环阵列层的打印后，继续下一类型圆环阵列层的打印。图2为成型的3维圆环阵列图。
（9）如图3部分，在电池电极引线部分，所有的阴极材料圆环要覆盖到电池金属阴极，所有的阳极材料圆环层要求覆盖到电池金属阳极。同时为了有效隔离各阴阳极电极层，隔膜层圆环层要分别完全覆盖超出相应阴阳极电极，即在金属阳极边，隔膜圆环要超出前层阴极圆环层，而在金属阴极边，隔膜圆环要超出前层阳极圆环层。
2）加热固化工艺：打印好后，在试管炉中用氩气气保护下，以600度高温退火2h，这样电极、隔膜固化完毕；
3）电池封装工艺：如图4所示，电极、隔膜制好后，用激光切割薄壁甲基丙烯酸甲酯，放入制备好的电池结构，用聚二甲基硅氧烷凝胶来密封大部分空隙，在150度温度下固化，固化前，机械自动从空隙中加入电解液，并用额外的聚二甲基硅氧烷密封剩下的空隙。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (2)

1.一种圆环形锂电池的3D打印工艺，其特征在于：叠层圆环电极结构是由多层阳极层、隔膜层和阴极层相间排列构成，圆环形阵列结构，其具体打印工艺步骤为：
（1）打印平面圆环形阵列上方的上半圆部分；
（2）打印平面圆环形阵列右方的右半圆部分；
（3）打印平面圆环形阵列下方的下半圆部分；
（4）打印圆环形阵列平面下方下半圆的另一半圆部分；
（5）打印步骤（4）已成型圆环形相邻上方的下半圆部分；
（6）打印步骤（5）已成型下半圆部分的另一半圆部分；
（7）继续从已成型圆环中打印其相邻上方的下半圆及另一半圆部分，直至完成步骤（1）上半圆部分的另一半圆打印为止；
（8）完成一种类型圆环阵列层的打印后，继续下一类型圆环阵列层的打印；
（9）在电池电极引线部分，所有的阴极材料圆环要覆盖到电池金属阴极，所有的阳极材料圆环层要求覆盖到电池金属阳极；同时为了有效隔离各阴阳极电极层，隔膜层圆环层要分别完全覆盖超出相应阴阳极电极，即在金属阳极边，隔膜圆环要超出前层阴极圆环层，而在金属阴极边，隔膜圆环要超出前层阳极圆环层。
2.根据权利要求1所述的一种圆环形锂电池的3D打印工艺，其特征在于：在工艺步骤中的阴极、阳极、隔膜浆料分别用25-30um喷头，在550-650psi压强下以200-300um/s分别打印锂电池的阴、阳电极以及位于阴、阳电极两者之间的电极隔膜；打印好后，在试管炉中用氩气气保护下，以600度高温退火2h，实现电极、隔膜固化。
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