CN106532110A - 一种基于打印技术的石墨烯基准固态电池 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于打印技术的石墨烯基准固态电池。本发明属于化学电源技术领域。一种基于打印技术的石墨烯基准固态电池，其特点是：基于打印技术的石墨烯基准固态电池是将功能化石墨烯材料制备成正极墨水，采用喷墨打印的方法在正极集流体上打印得到正极电极；采用涂覆的方法得到固体电解质膜；将负极材料压制在负极集流体上得到负极电极；在正极电极表面喷涂液态电解液，先后固体电解质膜、负极电极组合获得准固态电池。本发明电池在高安全性的基础上，具有快速充放电性能，且采用打印的方式可以进行图案化电池制作，厚度可控性高，可以图案化制备、材料浪费少等优点。
Description
技术领域
本发明属于化学电源技术领域，特别是涉及一种基于打印技术的石墨烯基准固态电池。
背景技术
目前，在锂离子电池中，由于大量使用酯类、醚类等易燃的有机电解液，存在严重的安全隐患，当电池因为任何原因短路时，电池内能量会在短时间以热的形式释放出来，点燃这些作为溶剂的醚类，引发爆炸。以固体电解质替代有机电解液的固态锂电池，在解决传统锂离子电池容量偏低和使用寿命偏短这两个关键问题的同时，有望解决电池的安全性问题，因而以固体电解质取代传统液体有机电解液的固态锂电池正吸引越来越多的关注。
此外，随着锂离子电池的快速发展，市场对化学电源快速充放电及长续航能力也提出更高的要求。而商业化的锂离子电池材料具有高比能量，但是它们几乎都是一种锂离子嵌入式材料，在先天上无法实现大电流充放电。石墨烯是一种新型材料，具有超大的比表面积、电化学性能好、容量高能特点，将功能化石墨烯材料作为电池正极材料，其内部官能团进行储锂，在具备电池的储能能力的同时可使电池具有大电流快速充放电特性。
在电池的制作工艺上，目前常规锂离子电池主要采用涂布法制作电极，由于设备及工艺限制，电极层涂覆厚度难以进一步减薄，且电池形状不可控，难以与具有复杂形状设备的集成。
发明内容
本发明为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种基于打印技术的石墨烯基准固态电池。
打印技术在层层组装工艺方面有很好的应用前景，这种技术能够直接将材料沉积在基板上，并且通过计算机辅助设计，可以方便地实现图案化的制作。采用打印的方式制作电池，电池材料的选择更为广泛，同时使多维/多尺度复杂结构电影的制造变得简便，在满足可打印电池部件的流变学要求条件下，并不损害电池的电化学性能。采用打印技术进行固态锂离子电池制作属于新型的电池制造手段，与传统化学法与物理沉积法相比这种技术具有其特有的优势，可针对不同的应用需求打印具有复杂形状的固态电池，易于与用电设备的无缝衔接。
本发明的目的是提供一种具有电池在高安全性的基础上，具有快速充放电性能，且采用打印的方式可以进行图案化电池制作，厚度可控性高，可以图案化制备、材料浪费少等特点的基于打印技术的石墨烯基准固态电池。
本发明将功能化石墨烯材料作为电池正极材料，通过喷墨打印的方式进行电极制作，采用固体电解质材料并由微量液态电解液进行界面润湿的准固态电池。
本发明基于打印技术的石墨烯基准固态电池所采取的技术方案是：
一种基于打印技术的石墨烯基准固态电池，其特点是：基于打印技术的石墨烯基准固态电池是将功能化石墨烯材料制备成正极墨水，采用喷墨打印的方法在正极集流体上打印得到正极电极；采用涂覆的方法得到固体电解质膜；将负极材料压制在负极集流体上得到负极电极；在正极电极表面喷涂液态电解液，先后固体电解质膜、负极电极组合获得准固态电池。
本发明基于打印技术的石墨烯基准固态电池还可以采用如下技术方案：
所述的基于打印技术的石墨烯基准固态电池，其特点是：正极墨水成分为功能化石墨烯、导电剂、粘结剂和溶剂。
所述的基于打印技术的石墨烯基准固态电池，其特点是：功能化石墨烯为含有羧基、羟基或环氧键官能团的石墨烯材料。
所述的基于打印技术的石墨烯基准固态电池，其特点是：导电剂为Super P或CNTs。
所述的基于打印技术的石墨烯基准固态电池，其特点是：粘结剂为聚丙烯酸或羧甲基纤维素钠。
所述的基于打印技术的石墨烯基准固态电池，其特点是：溶剂为纯水。
所述的基于打印技术的石墨烯基准固态电池，其特点是：固体电解质为PEO/锂盐或PPC/锂盐。
所述的基于打印技术的石墨烯基准固态电池，其特点是：锂盐为LiClO4、LiBF4、LiPF6或LiTFSI。
所述的基于打印技术的石墨烯基准固态电池，其特点是：负极材料为金属锂或锂合金。
本发明具有的优点和积极效果是：
基于打印技术的石墨烯基准固态电池由于采用了本发明全新的技术方案，与现有技术相比，本发明具有以下明显等特点：
1、本发明采用功能化石墨烯作为电池正极材料，这种材料通过官能团进行储锂，具有快速充放电能力；
2、本发明采用喷墨打印的方法制作正极电极，可以通过电脑程序控制，具有厚度可控性高、可以图案化制备、材料浪费少的特点；
3、本发明在正极表面喷涂一层液态电解液，可以有效降低正极与固体电解质的界面阻抗，有利于锂离子的快速传输；
4、本发明采用固体电解质膜提供锂离子传输通道，电池具有准固态结构，保证了电池的安全性。
附图说明
图1是本发明准固态电池充电比容量以及放电比能量图。
具体实施方式
为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：
参阅附图1。
实施例1
一种基于打印技术的石墨烯基准固态电池，将功能化石墨烯材料制备成正极墨水，采用喷墨打印的方法在正极集流体上打印得到正极电极；采用涂覆的方法得到固体电解质膜；将负极材料压制在负极集流体上得到负极电极；在正极电极表面喷涂液态电解液，先后固体电解质膜、负极电极组合获得准固态电池。
基于打印技术的石墨烯基准固态电池的具体实施过程：
1.正极电极制备：
a)将功能化石墨烯材料、导电剂(碳纳米管)、粘结剂(CMC)按90:5:5重量比混合，溶剂采用纯水，磁力搅拌10h，超声波分散30min，获得正极材料墨水；
b)采用铝箔作为正极集流体，将正极材料墨水灌注入喷墨打印机墨盒，设置打印尺寸20mm×20mm，进行材料打印；
c)将打印完成的正极电极烘干后裁片待用。
2.电解质膜制备：
a)按EO链段与锂离子8:1摩尔比称取PEO和LiTFSI，采用THF作为溶剂将其溶解，获得电解质浆料；
b)以聚四氟薄膜作为基底，将电解质浆料涂覆在聚四氟薄膜上，70℃温度下烘干12h；
c)将电解质膜从聚四氟薄膜上剥离，剪裁成22mm×22mm尺寸备用。
3.负极电极制备：
采用铜箔作为负极集流体，将厚度为0.1mm、尺寸为20mm×20mm的锂箔压覆到铜箔上，裁片后备用。
4.电池组装：
a)将0.5ml商用335C电解液溶液注入喷枪，均匀喷涂到步骤1所得正极极片表面；
b)将喷涂电解液后的正极极片、电解质膜、负极电极三层叠层组装，以适当压力压合，获得准固态电池电芯；
将获得的电芯采用铝塑膜封装，获得准固态电池进行测试。
本实施例电池在高安全性的基础上，具有快速充放电性能，且采用打印的方式可以进行图案化电池制作，厚度可控性高，可以图案化制备、材料浪费少等积极效果。
Claims (9)
1.一种基于打印技术的石墨烯基准固态电池，其特征是：基于打印技术的石墨烯基准固态电池是将功能化石墨烯材料制备成正极墨水，采用喷墨打印的方法在正极集流体上打印得到正极电极；采用涂覆的方法得到固体电解质膜；将负极材料压制在负极集流体上得到负极电极；在正极电极表面喷涂液态电解液，先后固体电解质膜、负极电极组合获得准固态电池。
2.根据权利要求1所述的基于打印技术的石墨烯基准固态电池，其特征是：正极墨水成分为功能化石墨烯、导电剂、粘结剂和溶剂。
3.根据权利要求2所述的基于打印技术的石墨烯基准固态电池，其特征是：功能化石墨烯为含有羧基、羟基或环氧键官能团的石墨烯材料。
4.根据权利要求2所述的基于打印技术的石墨烯基准固态电池，其特征是：导电剂为Super P或CNTs。
5.根据权利要求2所述的基于打印技术的石墨烯基准固态电池，其特征是：粘结剂为聚丙烯酸或羧甲基纤维素钠。
6.根据权利要求2所述的基于打印技术的石墨烯基准固态电池，其特征是：溶剂为纯水。
7.根据权利要求1所述的基于打印技术的石墨烯基准固态电池，其特征是：固体电解质为PEO/锂盐或PPC/锂盐。
8.根据权利要求1所述的基于打印技术的石墨烯基准固态电池，其特征是：锂盐为LiClO4、LiBF4、LiPF6或LiTFSI。
9.根据权利要求1所述的基于打印技术的石墨烯基准固态电池，其特征是：负极材料为金属锂或锂合金。
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