CN107275630A - 一种热法粉状电极打印材料及其打印电极的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种热法粉状电极打印材料，按照质量百分比由以下原料组成：镍钴锰酸锂、锰酸锂、钴酸锂、磷酸铁锂、钛酸锂或石墨中的任一种，占总质量的79.5‑98.57％；电极增强相为石墨烯、纳米碳管、洋葱碳、纳米银线中的任一种，占总质量的1‑10％；酚醛树脂粉末，占总质量的0.3‑5.0％；乌洛托品，占酚醛树脂量的10％；硬脂酸钙、硬脂酸锌中的任一种，占总质量的0.1‑0.5％，总和为100％。本发明还公开了该种热法粉状电极打印材料打印电极的制备方法。本发明的打印材料，原料选择广泛，工艺简单，能够在微尺寸维度内对电极形状进行精细化控制，电化学性能好。

Description

一种热法粉状电极打印材料及其打印电极的制备方法
技术领域
本发明属于材料成型技术领域，涉及一种热法粉状电极打印材料，本发明还涉及该种热法粉状电极打印材料打印电极的制备方法。
背景技术
近年来，随着传感器、无线传输设备、个人健康监控系统以及微型机电系统等微型化设备的日益普遍，对与之配套的微型电源部件的需求也日益增加。电池作为一种通用的电子装置，是各类仪器设备所必须的部件，传统的电池常呈棱形的、圆柱状的或硬币状，比较笨重、不够轻便，使得它们不能适应各个行业微型化设备的需求。为了适应各类电子设备的发展及需求，各国学者展开了微型化电池的研究，以期研制出能够为各类微型设备提供安全的、轻便的电子能源。
目前，国内外积极开展研究的微电池系列有：锂电池、锌镍电池、太阳能电池、燃料电池等。只有当正极和负极电极具有高比容量、高电压差和良好的结构稳定性时，微电池才能实现高能量密度和长使用寿命。而传统制备电极的方法存在对设备要求高、操作复杂、制作速度慢、电极形状尺度较难精确控制以及需要经过后续高温热处理等主要缺点。
发明内容
本发明的目的在于提供一种热法粉状电极打印材料，该材料具有粉末粒径细小、流动性好等优点，能够制备出电化学性能优异的微电池电极。
本发明的另一目的在于提供该种热法粉状电极打印材料打印电极的制备方法，简化了传统电极制备方法的复杂性，并且能够精确控制电极形状，同时节省了载体，有利于环境保护。
本发明所采用的技术方案是，一种热法粉状电极打印材料，按照质量百分比由以下原料组成：
镍钴锰酸锂、锰酸锂、钴酸锂、磷酸铁锂、钛酸锂或石墨中的任一种，占总质量的79.5-98.57％；电极增强相为石墨烯、纳米碳管、洋葱碳、纳米银线中的任一种，占总质量的1-10％；酚醛树脂粉末，占总质量的0.3-5.0％；乌洛托品，占酚醛树脂量的10％；硬脂酸钙、硬脂酸锌中的任一种，占总质量的0.1-0.5％，总和为100％。
本发明所采用的另一技术方案是，一种热法粉状电极打印材料打印电极的制备方法，按照以下步骤实施：
步骤1、称取原料，按照质量百分比分别称取以下原料：镍钴锰酸锂、锰酸锂、钴酸锂、磷酸铁锂、钛酸锂及石墨中的任一种79.5-98.57％；石墨烯、纳米碳管、洋葱碳、纳米银线中的任一种1-10％；酚醛树脂0.3-5.0％；占酚醛树脂含量10％的乌洛托品；硬脂酸钙、硬脂酸锌中的任一种0.1-0.5％，总和为100％；
步骤2、制备热法粉状电极打印材料
2.1)将称取的镍钴锰酸锂、锰酸锂、钴酸锂、磷酸铁锂中的一种或钛酸锂、石墨中的一种，与称取的石墨烯、纳米碳管、洋葱碳、纳米银线中的一种，一起在高效间歇式搅拌混合器中均匀混合5-30分钟，得到混合粉末A；
2.2)将混合粉末在氮气气氛保护下，加热到90-180℃，再加入酚醛树脂粉末，得到混合粉末B；
2.3)在搅拌混合器中通入压缩空气并搅拌8-35分钟，细化粉末并且使酚醛树脂均匀的包覆在导电相粉末表面；
2.4)将温度降至15-55℃，加入固化剂水溶液，搅拌5-15分钟；
2.5)再次降温至15-35℃，加入硬脂酸钙或硬脂酸锌，搅拌3-12分钟，降温至室温，即制得热法粉状电极打印材料；
步骤3、制备打印电极
3.1)建立打印电极的3D模型，输出为STL格式并对打印电极模型进行切片分层，将需要成型制件的打印电极STL格式数据导入打印设备；
3.2)设置参数，进行热法粉状打印材料铺层，最终进行激光烧结成型，即得到热法粉状打印材料所打印的电极。
本发明的有益效果是，按照上述配比和制备工艺所制备的热法粉状电极打印材料，导电相粉末具有良好的可塑性，并且粒径细小且具有一定的流动性，具有优异的电化学性能和打印性能；电极打印材料相比于传统印刷电极所使用材料，减少了载体的使用，节约了原料，有利于环境保护；原料选择广泛，制备工艺简单，并且能够在微尺寸维度内对电极形状进行精细化控制，并能保证电极的电化学性能。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明的热法粉状电极打印材料，按照质量百分比由以下原料组成：正极电极材料为镍钴锰酸锂、锰酸锂、钴酸锂、磷酸铁锂中的一种，负极电极材料为钛酸锂、石墨中的一种，占总质量的79.5-98.57％；电极增强相为石墨烯、纳米碳管、洋葱碳、纳米银线中的一种，占总质量的1-10％；粘结剂为酚醛树脂粉末，具有耐热性好、粘接强度高、耐老化性能好及电绝缘性优良，且价廉易得，占总质量的0.3-5.0％；固化剂为乌洛托品，占酚醛树脂量的10％；润滑剂为硬脂酸钙、硬脂酸锌中的一种，具有良好的润滑性，且价廉易得，毒性小，加工性能好，占总质量的0.1-0.5％，总和为100％。
镍钴锰酸锂、锰酸锂、钴酸锂、磷酸铁锂、钛酸锂及石墨粒径均为0.5-10μm的超细微粉；石墨烯、纳米碳管、洋葱碳及纳米银线中粒径均为0.5-10μm的超细微粉作为导电增强相，提高电极材料的导电性。
本发明利用热法粉状电极打印材料打印电极的制备方法，按照以下步骤实施：
步骤1、称取原料，按照质量百分比分别称取以下原料：镍钴锰酸锂、锰酸锂、钴酸锂、磷酸铁锂、钛酸锂及石墨中的任一种79.5-98.57％；石墨烯、纳米碳管、洋葱碳、纳米银线中的任一种1-10％；酚醛树脂0.3-5.0％；占酚醛树脂含量10％的乌洛托品；硬脂酸钙、硬脂酸锌中的任一种0.1-0.5％，以上组分总和为100％。
步骤2、制备热法粉状电极打印材料
2.1)将称取的镍钴锰酸锂、锰酸锂、钴酸锂、磷酸铁锂、钛酸锂或石墨中的一种，与称取的石墨烯、纳米碳管、洋葱碳、纳米银线中的一种，一起在高效间歇式搅拌混合器中均匀混合5-30分钟，得到混合粉末A；
2.2)将混合粉末在氮气气氛保护下，加热到90-180℃，再加入酚醛树脂粉末，得到混合粉末B；
2.3)在搅拌混合器中通入压缩空气并搅拌8-35分钟，细化粉末并且使酚醛树脂均匀的包覆在导电相粉末表面；
2.4)将温度降至15-55℃，加入固化剂水溶液，搅拌5-15分钟；
2.5)再次降温至15-35℃，加入润滑剂，搅拌3-12分钟，降温至室温，即制得本发明的热法粉状电极打印材料。
步骤3、制备打印电极
3.1)建立打印电极的3D模型，输出为STL格式并对打印电极模型进行切片分层，将需要成型制件的打印电极STL格式数据导入打印设备；
3.2)设置参数，进行粉末材料铺层，最终进行激光烧结成型，即得到本发明热法粉状打印材料所打印的电极。
采用上述的镍钴锰酸锂、锰酸锂、钴酸锂、磷酸铁锂得到的电极成品用于正极电极，采用上述的钛酸锂、石墨得到的电极成品用于负极电极。
实施例1
按质量比为94.6：4：1:0.1:0.3分别称取石墨、纳米银线、酚醛树脂、乌洛托品、硬脂酸钙。为细化导电颗粒，使其分散均匀，将称取的石墨和纳米银线在一种高效间歇式搅拌混合器中均匀混合5分钟，得到混合粉末A；为使酚醛树脂熔融，包覆在导电颗粒表面，将混合粉末A在氮气气氛保护下，加热到90℃，再加入酚醛树脂粉末，得到混合物B；将混合物B在搅拌混合器中通入压缩空气并搅拌10分钟，细化粉末并且使酚醛树脂均匀的包覆在导电相粉末表面；将温度降温15℃，加入固化剂水溶液，搅拌5分钟得到混合物C；再次降温15℃，加入润滑剂，搅拌3分钟，降温至室温，即制得本发明中的热法粉状电极打印材料；最终利用3D打印技术获得本发明的薄膜电极。
实施例2
按质量比为92.6：2.5：4:0.4:0.5分别称取钴酸锂、洋葱碳、酚醛树脂、乌洛托品及硬脂酸钙。为细化导电颗粒，使其分散均匀，将称取的石墨和纳米银线在一种高效间歇式搅拌混合器中均匀混合30分钟，得到混合粉末A；为使酚醛树脂熔融，包覆在导电颗粒表面，将混合粉末A在氮气气氛保护下，加热到180℃，再加入酚醛树脂粉末，得到混合物B；将混合物B在搅拌混合器中通入压缩空气并搅拌35分钟，细化粉末并且使酚醛树脂均匀的包覆在导电相粉末表面；将温度降温55℃，加入固化剂水溶液，搅拌15分钟得到混合物C；再次降温35℃，加入润滑剂，搅拌10分钟，降温至室温，即制得本发明中的热法粉状电极打印材料；最终利用3D打印技术获得本发明的薄膜电极。
实施例3
按质量比为89：5：5:0.5:0.5分别称取钴酸锂、洋葱碳、酚醛树脂、乌洛托品及硬脂酸钙。为细化导电颗粒，使其分散均匀，将称取的钴酸锂和洋葱碳在间歇式搅拌混合器中均匀混合20分钟，得到混合粉末A；为使酚醛树脂熔融，包覆在导电颗粒表面，将混合粉末A在氮气气氛保护下，加热到120℃，再加入酚醛树脂粉末，得到混合物B；将混合物B在搅拌混合器中通入压缩空气并搅拌15分钟，细化粉末并且使酚醛树脂均匀的包覆在导电相粉末表面；将温度降温25℃，加入固化剂水溶液，搅拌5分钟得到混合物C；再次降温25℃，加入润滑剂，搅拌5分钟，降温至室温，即制得本发明中的热法粉状电极打印材料；最终利用3D打印技术获得本发明的薄膜电极。
综上所述，按照上述配比和制备工艺所制备的热法粉状电极打印材料，导电相粉末具有良好的可塑性，并且粒径细小且具有一定的流动性，具有优异的电化学性能和打印性能。该打印材料相比于传统印刷电极所使用材料，减少了有机载体的使用，节约了原料。用热法粉状电极打印材料制备打印电极，原料选择广泛，制备工艺简单，并且能够在微尺寸维度内对电极形状进行精细化控制，并能保证电极的电化学性能。

Claims (4)

1.一种热法粉状电极打印材料，其特征在于，按照质量百分比由以下原料组成：
镍钴锰酸锂、锰酸锂、钴酸锂、磷酸铁锂、钛酸锂或石墨中的任一种，占总质量的79.5-98.57％；电极增强相为石墨烯、纳米碳管、洋葱碳、纳米银线中的任一种，占总质量的1-10％；酚醛树脂粉末，占总质量的0.3-5.0％；乌洛托品，占酚醛树脂量的10％；硬脂酸钙、硬脂酸锌中的任一种，占总质量的0.1-0.5％，总和为100％。
2.根据权利要求1所述的一种热法粉状电极打印材料，其特征在于，所述的镍钴锰酸锂、锰酸锂、钴酸锂、磷酸铁锂、钛酸锂及石墨粒径均为0.5-10μm；石墨烯、纳米碳管、洋葱碳及纳米银线中粒径均为0.5-10μm。
3.一种热法粉状电极打印材料打印电极的制备方法，其特征在于，按照以下步骤实施：
步骤1、称取原料，按照质量百分比分别称取以下原料：镍钴锰酸锂、锰酸锂、钴酸锂、磷酸铁锂、钛酸锂及石墨中的任一种79.5-98.57％；石墨烯、纳米碳管、洋葱碳、纳米银线中的任一种1-10％；酚醛树脂0.3-5.0％；占酚醛树脂含量10％的乌洛托品；硬脂酸钙、硬脂酸锌中的任一种0.1-0.5％，总和为100％；
步骤2、制备热法粉状电极打印材料
2.1)将称取的镍钴锰酸锂、锰酸锂、钴酸锂、磷酸铁锂中的一种或钛酸锂、石墨中的一种，与称取的石墨烯、纳米碳管、洋葱碳、纳米银线中的一种，一起在高效间歇式搅拌混合器中均匀混合5-30分钟，得到混合粉末A；
2.2)将混合粉末在氮气气氛保护下，加热到90-180℃，再加入酚醛树脂粉末，得到混合粉末B；
2.3)在搅拌混合器中通入压缩空气并搅拌8-35分钟，细化粉末并且使酚醛树脂均匀的包覆在导电相粉末表面；
2.4)将温度降至15-55℃，加入固化剂水溶液，搅拌5-15分钟；
2.5)再次降温至15-35℃，加入硬脂酸钙或硬脂酸锌，搅拌3-12分钟，降温至室温，即制得热法粉状电极打印材料；
步骤3、制备打印电极
3.1)建立打印电极的3D模型，输出为STL格式并对打印电极模型进行切片分层，将需要成型制件的打印电极STL格式数据导入打印设备；
3.2)设置参数，进行热法粉状打印材料铺层，最终进行激光烧结成型，即得到热法粉状打印材料所打印的电极。
4.根据权利要求3所述的热法粉状电极打印材料打印电极的制备方法，其特征在于，所述的镍钴锰酸锂、锰酸锂、钴酸锂、磷酸铁锂、钛酸锂及石墨粒径均为0.5-10μm；石墨烯、纳米碳管、洋葱碳及纳米银线中粒径均为0.5-10μm。
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