CN105295550A - 喷墨打印用钛酸锂纳米油墨及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种喷墨打印用钛酸锂纳米油墨及其制备方法和应用，属于锂离子电池的电极材料技术领域。首先称取微米级钛酸锂粉末，与分散剂、粘结剂和有机溶剂混合后装入球磨容器，用氧化锆球为介质，球磨获得分散均匀的混合浆料；进一步离心获取所述喷墨打印用钛酸锂纳米油墨。所制备的纳米油墨平均粒径小于500nm，黏度10～20cps，钛酸锂浓度10～15wt.％，适用于采用喷墨打印工艺制备钛酸锂负极。由于采用低沸点溶剂，在喷印固化过程中，溶剂易于挥发，喷印的钛酸锂负极涂层活性物质含量高，涂层在粘结剂作用下与集流体形成紧密结合，大大增强了电池充放电性能。

Description

喷墨打印用钛酸锂纳米油墨及其制备方法和应用
技术领域：
本发明涉及锂离子电池的电极材料技术领域，具体涉及一种喷墨打印用钛酸锂纳米油墨及其制备方法和应用。
背景技术：
钛酸锂电极材料Li4Ti5O12(LTO)具有尖晶石结构，具有循环稳定性好、使用寿命长及安全性能好等优点，是一种非常理想的锂离子快速嵌入式材料。LTO理论容量为175mAh/g，实际循环容量为150-160mAh/g，反应的充放电平台十分平坦，使其成为新一代锂离子电池的优秀材料。
传统的钛酸锂电池制备技术采用热涂覆的工艺，在该工艺过程中，由于钛酸锂材料导电性差，钛酸锂需要与碳黑等具有良好导电性的材料复合，同时，需要添加聚偏氟乙烯等材料增强涂覆涂层的粘结性。其所形成的钛酸锂材料具有极高的黏度，同时，钛酸锂材料通常采用微米级材料。
喷墨打印制造方法是一种“非接触加成”工艺，能够方便的实现电子器件高分辨率的图案化，而且，具有良好的刚性、柔性集流体适应性。喷墨打印工艺由于具有涂层厚度低，多材料一体喷印的特点，能够实现钛酸锂负极材料、导电材料和粘结剂材料的一体化喷印。
发明内容：
本发明的目的在于提供一种喷墨打印用钛酸锂纳米油墨及其制备方法和应用，所制备的油墨包含钛酸锂、粘结剂、有机溶剂和分散剂，具有低粘度、高浓度和低沸点的特点，适用于采用喷墨打印工艺制备钛酸锂负极。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种喷墨打印用钛酸锂纳米油墨的制备方法，该方法包括如下步骤：
(1)称取Li4Ti5O12(LTO)微米级粉末(平均粒径1～5微米)，加入分散剂、粘结剂和有机溶剂，搅拌均匀获得混合物料；其中：粘结剂和有机溶剂的体积比为1:5，LTO和分散剂的质量比为(20～50):1，物料的固液比为1:6；
(2)将步骤(1)制备的混合物料装入球磨容器，用氧化锆球为介质，介质与混合物料的重量比是(4～6)：1,400rpm球磨12～24小时，得到分散均匀的混合浆料；
(3)将步骤(2)制备的混合浆料放入离心设备中，3000rpm离心5分钟，去除离心管底部的大颗粒沉淀物后，获取所述喷墨打印用钛酸锂纳米油墨。
所述分散剂为聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、羟丙基纤维素(HPC)和羟乙基纤维素(HEC)的一种或几种。
所述有机溶剂为乙醇、乙酸正丁酯和丙酮中的一种或几种。
所述粘结剂为乙二醇。
所述氧化锆球的直径为4～6mm。
所述球磨容器为尼龙材质制作，直径为10cm。
所制备的钛酸锂纳米油墨平均粒径小于500nm，黏度10～20cps，钛酸锂浓度10～15wt.％，该钛酸锂纳米油墨适用于采用喷墨打印工艺制备钛酸锂负极。
本发明优点如下：
1、本发明钛酸锂纳米油墨在制备过程中无需导电碳黑掺杂，制备方法简单，易于工业化生产。
2、本发明制备的钛酸锂纳米油墨平均粒径小于500nm，黏度10～20cps，钛酸锂浓度10～15wt.％，适用于喷墨打印工艺。由于采用低沸点溶剂，在喷印固化过程中，溶剂易于挥发，喷印的钛酸锂负极涂层活性物质含量高，涂层在粘结剂作用下与集流体形成紧密结合，大大增强了电池充放电性能。
附图说明：
图1是实施例1钛酸锂纳米油墨；
图2是喷墨打印设备；
图3是实施例1喷墨打印钛酸锂极片；
图4是实施例1喷墨打印钛酸锂极片扫描电镜照片；
图5是实施例1喷墨打印钛酸锂极片比容量曲线；
图6是实施例1喷墨打印钛酸锂极片倍率性能曲线；
图7是实施例1喷墨打印钛酸锂极片循环性能曲线。
图8是实施例2喷墨打印钛酸锂极片；
图9是实施例2喷墨打印钛酸锂极片扫描电镜照片；
图10是实施例2喷墨打印钛酸锂极片比容量曲线；
图11是实施例2喷墨打印钛酸锂极片倍率性能曲线；
图12是实施例2喷墨打印钛酸锂极片循环性能曲线。
图13是实施例3喷墨打印钛酸锂极片；
图14是实施例3喷墨打印钛酸锂极片扫描电镜照片；
图15是实施例3喷墨打印钛酸锂极片比容量曲线；
图16是实施例3喷墨打印钛酸锂极片倍率性能曲线；
图17是实施例3喷墨打印钛酸锂极片循环性能曲线。
具体实施方式：
以下结合附图及实施例详述本发明。
以下实施例中，原料钛酸锂为Li4Ti5O12(LTO)，粉末平均粒径1～5微米，球磨所用球磨罐直径为10cm。
实施例1
取100ml尼龙材质球磨罐，添加5g钛酸锂微米级粉末，添加100mg聚乙烯吡咯烷酮，添加10ml乙二醇，50ml乙醇，混合。添加直径4mm氧化锆球作为球磨介质，介质与物料质量比5:1。400rpm球磨24小时，得到均匀分散的混合浆料。将浆料放入离心容器中离心，3000rpm离心5分钟，去除离心管下部大颗粒杂质，取上部分散均匀的浆料即为钛酸锂纳米油墨，如图1所示。本实施例所制备的钛酸锂纳米油墨平均粒径约300nm，黏度12cps，钛酸锂浓度10wt.％。
实施例2
取100ml尼龙材质球磨罐，添加5g钛酸锂微米级粉末，添加250mg羟丙基纤维素，添加10ml乙二醇，50ml乙酸正丁酯，混合。添加直径4mm氧化锆球作为球磨介质，介质与物料质量比5:1。400rpm球磨24小时，得到均匀分散的混合浆料。将浆料放入离心容器中离心，3000rpm离心5分钟，去除离心管下部大颗粒杂质，取上部分散均匀的浆料即为钛酸锂纳米油墨。本实施例所制备的钛酸锂纳米油墨平均粒径约350nm，黏度18cps，钛酸锂浓度12wt.％。
实施例3
取100ml尼龙材质球磨罐，添加5g钛酸锂微米级粉末，添加250mg羟乙基纤维素，添加10ml乙二醇，50ml丙酮，混合。添加直径4mm氧化锆球作为球磨介质，介质与物料质量比5:1。400rpm球磨24小时，得到均匀分散的混合浆料。将浆料放入离心容器中离心，3000rpm离心5分钟，去除离心管下部大颗粒杂质，取上部分散均匀的浆料即为钛酸锂纳米油墨。本实施例所制备的钛酸锂纳米油墨平均粒径约400nm，黏度18cps，钛酸锂浓度14wt.％。
实施例4
采用喷墨打印工艺对实施例1-3制备的钛酸锂纳米油墨进行评估。所用喷墨打印机实物图如图2所示，喷墨打印制造方法采用压电式陶瓷喷头，喷印工艺所用实施例1-3制备的钛酸锂油墨具备低粘度(～20cps),溶剂低沸点的特点，通过在线热固化和离线真空高温固化制备钛酸锂负极。
将各实施例所制备的浆料(图1)倒入喷墨打印机墨盒中，采用1440*1440DPI分辨率进行喷印，在线固化温度120℃(空气中)，离线固化温度120℃(真空)，集流体采用涂覆石墨烯的铝箔，所得钛酸锂负极极片如图3、图8、图13所示，SEM扫描电镜照片如图4、图9、图14所示。
对所得钛酸锂负极极片性能进行测试，采用CR2016型扣式电池测试钛酸锂电极的电化学性能，测试系统采用武汉蓝电充放电测试仪。
由实施例1所得钛酸锂纳米油墨制备的钛酸锂负极极片性能：如图5所示，所得电池比容量180mAh/g；图6所示，电池在10C倍率下比容量损失16％；图7所示，电池35次循环情况下，比容量由175mAh/g将至170mAh/g，损失2.8％。
由实施例2所得钛酸锂纳米油墨制备的钛酸锂负极极片性能：如图10所示，所得电池比容量175mAh/g；图11所示，电池在10C倍率下比容量损失37.5％；图12所示，电池50次循环情况下，比容量由155mAh/g将至150mAh/g，损失3.2％。
由实施例3所得钛酸锂纳米油墨制备的钛酸锂负极极片性能：如图15所示，所得电池比容量170mAh/g；图16所示，电池在10C倍率下比容量损失33.3％；图17所示，电池50次循环情况下，比容量由142mAh/g将至134mAh/g，损失5.6％。

Claims (10)

1.一种喷墨打印用钛酸锂纳米油墨的制备方法，其特征在于：该方法包括如下步骤：
(1)称取微米级钛酸锂粉末，加入分散剂、粘结剂和有机溶剂，搅拌均匀获得混合物料；其中：所述粘结剂和有机溶剂的体积比为1:5，所述钛酸锂粉末和分散剂的质量比为(20～50):1，混合物料的固液比为1:6；
(2)将步骤(1)制备的混合物料装入球磨容器，用氧化锆球为介质，介质与混合物料的重量比是(4～6)：1,400rpm球磨12～24小时，得到分散均匀的混合浆料；
(3)将步骤(2)制备的混合浆料放入离心设备中，3000rpm离心5分钟，去除离心管底部的大颗粒沉淀物后，获取所述喷墨打印用钛酸锂纳米油墨。
2.根据权利要求1所述的喷墨打印用钛酸锂纳米油墨的制备方法，其特征在于：步骤(1)中，所述钛酸锂分子式为Li4Ti5O12，钛酸锂粉末平均粒径1～5微米。
3.根据权利要求1所述的喷墨打印用钛酸锂纳米油墨的制备方法，其特征在于：所述分散剂为聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、羟丙基纤维素(HPC)和羟乙基纤维素(HEC)的一种或几种。
4.根据权利要求1所述的喷墨打印用钛酸锂纳米油墨的制备方法，其特征在于：所述有机溶剂为乙醇、乙酸正丁酯和丙酮中的一种或几种。
5.根据权利要求1所述的喷墨打印用钛酸锂纳米油墨的制备方法，其特征在于：所述粘结剂为乙二醇。
6.根据权利要求1所述的喷墨打印用钛酸锂纳米油墨的制备方法，其特征在于：所述氧化锆球的直径为4～6mm。
7.根据权利要求1所述的喷墨打印用钛酸锂纳米油墨的制备方法，其特征在于：所述球磨容器为尼龙材质制作，直径为10cm。
8.一种利用权利要求1所述方法制备的喷墨打印用钛酸锂纳米油墨。
9.根据权利要求8所述的喷墨打印用钛酸锂纳米油墨，其特征在于：所述钛酸锂纳米油墨平均粒径小于500nm，黏度10～20cps，钛酸锂浓度10～15wt.％。
10.根据权利要求8所述的喷墨打印用钛酸锂纳米油墨的应用，其特征在于：该钛酸锂纳米油墨适用于采用喷墨打印工艺制备钛酸锂负极。
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