CN108987788A - 石墨烯电池的3d打印设备及其成形方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种石墨烯电池的3D打印设备，包括固定机构、连接固定机构的供料机构及连接供料机构的打印机构；固定机构包括基板、连接基板的工作台及连接基板的支撑件；供料机构包括储料件及连接储料件的至少两输料管；储料件设置于支撑件的一端，该储料件设有至少两供料室，各输料管连接对应的供料室；打印机构包括横向转换器及连接横向转换器的若干喷头；各喷头连接对应的输料管。本设备通过横向转换器实现喷头转换，使各喷头工作时始终处于同一打印轴线，确保打印精度；通过供料室、输料管及喷头一一对应，避免混料；通过控制电池厚度和形状，实现同一设备制备不同结构、不同精度的电池，从而降低生产成本，提高制造效率。

Description

石墨烯电池的3D打印设备及其成形方法

技术领域

本发明涉及电池制造设备技术领域，特别是涉及一种结构简单的石墨烯电池的3D打印设备及其成形方法。

背景技术

石墨烯(Graphene)是一种碳原子以sp²杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的二维碳纳米材料,具有优异的光学、电学、力学特性。作为一种新型碳纳米材料,石墨烯有较大的比表面积、良好的导电性和导热性。石墨烯电池利用锂离子在石墨烯表面和电极之间快速穿越运动的特性，可以极大地提高充电速度，在新能源等领域有着广阔的发展前景。

随着电子技术的快速发展，设备的多样性对电池尺寸、结构、精度及制作成本等有着更高的要求，现有涂布机电极涂布技术只可控制厚度而无法控制形状，只能批量生产单一结构的电池；而且，对于不同结构、不同制造精度的电池，需制造不同的模具、调整不同的设备参数，导致生产成本较高、制造效率低，难以满足生产需求。

发明内容

基于此，有必要针对上述问题，提供一种结构简单、操作便捷的石墨烯电池的3D打印设备，其成形方法简单易控。

一种石墨烯电池的3D打印设备，包括固定机构、连接固定机构的供料机构及连接供料机构的打印机构；所述固定机构包括基板、连接基板的工作台及连接基板的支撑件；所述供料机构包括储料件及连接储料件的至少两输料管；所述储料件设置于支撑件的一端，该储料件设有至少两供料室，各所述输料管连接对应的供料室；所述打印机构包括横向转换器及连接横向转换器的若干喷头；各所述喷头连接对应的输料管,各所述喷头可相对工作台移动。

本发明的石墨烯电池的3D打印设备通过横向转换器实现喷头转换，使各喷头工作时始终处于同一打印轴线，确保打印精度；通过供料室、输料管及喷头一一对应，避免混料；通过控制电池厚度和形状，实现同一设备制备不同结构、不同精度的电池，从而降低生产成本，提高制造效率。

在其中一个实施例中，所述打印机构还包括连接所述横向转换器的转动轴及用于驱动横向转换器转动的转换动力件；各所述输料管穿设横向转换器后与对应的喷头连接。

在其中一个实施例中，所述横向转换器旋转的角度范围为正负180度。

在其中一个实施例中，包括校准机构；所述校准机构的一端连接所述加热件，另一端连接所述工作台。

在其中一个实施例中，包括温控机构；所述温控机构包括连接所述工作台的加热件、连接所述工作台的温度传感器及连接所述基板的散热件。

在其中一个实施例中，所述供料机构包括滑设于各供料室的若干密封件、内置于各供料室的若干气压传感器及用于控制各密封件移动的若干供气件；各所述供气件连接对应的气压传感器。

在其中一个实施例中，包括Y轴调整机构；所述Y轴调整机构包括连接所述基板的Y轴导轨、滑设于Y轴导轨的Y轴滑块及用于驱动所述工作台沿Y轴导轨移动的Y轴动力件；所述Y轴滑块连接所述工作台。

在其中一个实施例中，包括X轴调整机构；所述X轴调整机构包括X轴导轨、连接X轴导轨一端的第一固定件、连接X轴导轨另一端的第二固定件、滑设于X轴导轨的X轴滑块及用于驱动X轴滑块移动的X轴动力件；所述第一固定件及第二固定件均连接所述支撑件，各所述输料管穿设X轴滑块后与所述横向转换器连接。

在其中一个实施例中，包括Z轴调整机构；所述Z轴调整机构包括第一Z轴导轨、滑设于第一Z轴导轨的第一Z轴滑块及用于驱动第一Z轴滑块移动的第一Z轴动力件；所述第一Z轴导轨的一端连接所述储料件，另一端连接所述基板，该第一Z轴导轨与所述支撑件平行设置；所述第一Z轴滑块的一端连接所述第一固定件。

一种石墨烯电池的3D打印设备的成形方法，基于上述的石墨烯电池的3D打印设备，包括如下步骤：

S1，供料储备：将原料分别放置于所述供料室，确保原料顺利进入所述输料管；

S2，设备校准：校准所述工作台，确保所述工作台水平平整；再校准所述工作台与喷头的距离，确保所述工作台与喷头之间相隔一个打印层的厚度；

S3，打印固化：所述喷头按预定打印路径移动，所述横向转换器按预定打印要求切换喷头，原料经所述输料管从喷头涂覆于经步骤S2校准的工作台，得到打印层，并固化打印层；

S4，调整高度：所述打印机构按预定打印路径调整相对所述工作台的高度；

S5，重复加工：对经步骤S3打印加工后的所述打印层上继续逐层反复重复步骤S3及步骤S4，直至加工完成整个石墨烯电池。

附图说明

图1为本发明的一较佳实施例的石墨烯电池的3D打印设备的立体结构示意图；

图2为图1中除一围板外的结构示意图；

图3为图1中基板、散热件及Y轴调整机构的结构示意图；

图4为图1中打印机构工作状态的示意图。

附图标注说明：

石墨烯电池的3D打印设备100；

固定机构10、基板11、工作台12、支撑件13、供料机构20、储料件21、底板211、围板212、隔板213、输料管22、供料室23、密封件24；

打印机构30、横向转换器31、喷头32、温控机构40、加热件41、散热件42、Y轴调整机构50、Y轴导轨51、Y轴滑块52、Y轴动力件53；

X轴调整机构60、X轴导轨61、第一固定件62、第一夹块621、第二夹块622、第二固定件63、X轴滑块64、X轴动力件65；

Z轴调整机构70、第一Z轴导轨71、第一Z轴滑块72、第一Z轴动力件73、校准机构80。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将对本发明进行更全面的描述。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。

请参阅图1至图4，为本发明一较佳实施方式的一种石墨烯电池的3D打印设备100，包括固定机构10、连接固定机构10的供料机构20及连接供料机构20的打印机构30；固定机构10包括基板11、连接基板11的工作台12及连接基板11的支撑件13；供料机构20包括储料件21及连接储料件21的至少两输料管22；储料件21设置于支撑件13的一端，该储料件21设有至少两供料室23，各输料管22连接对应的供料室23；打印机构30包括横向转换器31及连接横向转换器31的若干喷头32；各喷头32连接对应的输料管22,各喷头32可相对工作台12移动。本石墨烯电池的3D打印设备100通过横向转换器31实现喷头32转换，使各喷头32工作时始终处于同一打印轴线，确保打印精度；通过供料室23、输料管22及喷头32一一对应，避免混料。

如图1与图2所示，在本实施例中，支撑件13为支撑柱，两支撑件13平行设置于基板11的两端；储料件21包括底板211、连接底板211四周的围板212及至少一隔板213；各隔板213连接相对两侧的围板212。所述隔板213将储料件21分隔为至少两供料室23。可选地，供料机构20包括滑设于各供料室23的若干密封件24、内置于各供料室23的若干气压传感器(图未示)及用于控制各密封件24上下移动的若干供气件(图未示)；各供气件设置于储料件21的外部，各供气件连接对应的气压传感器，以便各供料室23保持恒压，确保供料均匀。进一步地，隔板213为两块，两隔板213将储料件21等分四个供料室23；密封件24为四块，该密封件24为PEEK密封板；供气件为气泵，供气件为四个；气压传感器为四个。具体地，输料管22为四根，供料室23为四个；各供料室23分别储蓄用于制备电池正极的磷酸铁锂与2％-3％质量比的石墨烯导电油墨、用于制备电池负极的石墨烯与过渡金属氧化物复合油墨、用于制备电池电解质的聚合物凝胶电解质及用于制备电池外壳的合成树脂；此可显著提高正极材料的导电能力和循环特性,提高电池的比表面积从而提高电池电量，避免出现负极材料在充放电时体积膨胀大和导电性能差等缺点；同时，省去现有制备技术高温还原氧化石墨烯的过程，降低能耗。在其他实施例中，供料室23可为两个或三个，相应地，隔板213为一个或两个，输料管22为两根或三根，密封件24为两个或三个，气压传感器为两个或三个，供气件为两个或三个，只需将完成加工的原料对应的供料室23、输料管22及喷头32清洗干净，再放置另一原料进行加工即可。进一步地，供料室23为四个以上，相应地，隔板213为两个以上，输料管22为四根以上，密封件24为四个以上，气压传感器为四个以上，供气件为四个以上。

在一具体实施例中，横向转换器31旋转的角度范围为正负180度，以避免同一方向旋转造成不同输料管22缠绕；打印机构30还包括连接横向转换器31的转动轴及用于驱动横向转换器31转动的转换动力件；各输料管22穿设横向转换器31后与对应的喷头32连接。可选地，横向转换器31为转盘，喷头32为四个。如图4所示，工作时，通过旋转横向装换器31，使工作的喷头32均处于同一打印轴线上，从而实现不同原料对电池正极、负极、电解质、外壳的打印，避免了双料喷头在打印过程中混料的情况及多喷头装置因定位不同进行复杂参数设置引起的打印失败；另外，通过调整喷头32精度实现对不同精度的电池的制备。在其他实施例中，采用机械臂定位、或滑台组合定位，调整不同喷头32进行电池不同结构的打印。

请一并参阅图3，为了实现对原料的固化成型，石墨烯电池的3D打印设备100包括温控机构40；温控机构40包括连接所述工作台12的加热件41、连接工作台12的温度传感器及连接基板11的散热件42；散热件42用于对工作台12的降温，温度传感器实时反应工作台12的温度，通过散热件42和加热件41实时调节工作台12的温度，实现打印原料顺利固化成型。可选地，加热件41为加热金属板，实现对不同原料的固化成型并避免发生击穿现象，散热件42为风机；进一步地，散热件42为四个，均匀分布于所述基板11。

为了调整打印范围，本石墨烯电池的3D打印设备100包括Y轴调整机构50、X轴调整机构60及Z轴调整机构70。Y轴调整机构50包括连接基板11的Y轴导轨51、滑设于Y轴导轨51的Y轴滑块52及用于驱动工作台12沿Y轴导轨51移动的Y轴动力件53；Y轴滑块52连接工作台12。可选地，Y轴导轨51为两个，Y轴滑块52为两个；Y轴滑块52连接加热件41。进一步地，Y轴动力件53包括Y轴电机、连接Y轴电机的Y轴同步带及连接Y轴同步带的卡块；所述卡块卡接加热件41，Y轴电机带动Y轴同步带上的卡块移动，卡块带动加热件41移动，从而带动工作台12移动。

为了调整打印机构30水平方向的位置，X轴调整机构60包括X轴导轨61、连接X轴导轨61一端的第一固定件62、连接X轴导轨61另一端的第二固定件63、滑设于X轴导轨61的X轴滑块64及用于驱动X轴滑块64移动的X轴动力件65。第一固定件62及第二固定件63均连接支撑件13，各输料管22穿设X轴滑块64后与横向转换器31连接；转动轴的一端连接横向转换器31，另一端连接X轴滑块64。可选地，第一固定件62的结构与第二固定件63的结构相同，以下主要描述第一固定件62。第一固定件62包括连接支撑件13一侧的第一夹块621及连接支撑件13另一侧的第二夹块622。第一夹块621及第二夹块622通过紧固件卡接于支撑件13；X轴动力件65设置于X轴导轨61的一端。进一步地，X轴动力件65包括X轴电机及连接X轴电机的X轴同步带；X轴同步带连接X轴滑块64。工作时，X轴电机带动X轴同步带移动，X轴同步带带动X轴滑块64滑设于X轴导轨61。

为了调整打印机构30高度方向的位置，Z轴调整机构70包括第一Z轴导轨71、滑设于第一Z轴导轨71的第一Z轴滑块72及用于驱动第一Z轴滑块72移动的第一Z轴动力件73。可选地，Z轴调整机构70包括第二Z轴导轨、滑设于第二Z轴导轨的第二Z轴滑块及用于驱动第二Z轴滑块移动的第二Z轴动力件。第一Z轴导轨71与第二Z轴导轨、第一Z轴滑块72与第二Z轴滑块、第一Z轴动力件73与第二Z轴动力件结构相同，以下主要描述第一Z轴导轨71、第一Z轴滑块72及第一Z轴动力件73。在一具体实施例中，第一Z轴导轨71的一端连接储料件21，另一端连接基板11，该第一Z轴导轨71与支撑件13平行设置。第一Z轴滑块72的一端连接第一固定件62，第一Z轴动力件73安装于基板11。进一步地，第一Z轴滑块72安装在第一夹块621与第二夹块622之间；第一Z轴导轨71为丝杆，第一Z轴动力件73为丝杆电机。工作时，每完成一层打印任务后，第一Z轴动力件73驱动第一Z轴滑块72带动第一固定件62沿第一Z轴导轨71上移一个打印层厚，从而带动打印机构30上移一个打印层厚，逐层打印。在其他实施例中，Z轴调整机构70不包括第一Z轴导轨71，第一Z轴滑块72滑设于支撑件13，支撑件13的一端连接第一Z轴动力件73。

为了校准工作台12，确保打印的质量，石墨烯电池的3D打印设备100包括校准机构80；校准机构80的一端连接加热件41，另一端连接工作台12。可选地，校准机构80为螺栓，将校准机构80设置于工作台12的四端角，通过调节校准机构80，确保工作台12处于水平平整，使喷头32在同一水平基准面完成一层的打印任务，保证打印精度和质量。

请参阅图1至图4，为本发明一实施例提供的一种石墨烯电池的3D打印设备100的成形方法，在上述实施例的基础上，包括如下步骤：

S1，供料储备：将原料分别放置于供料室23，确保原料顺利进入输料管22；具体地，各供料室23分别储蓄用于制备电池正极的磷酸铁锂与2％-3％质量比的石墨烯导电油墨、用于制备电池负极的石墨烯与过渡金属氧化物复合油墨、用于制备电池电解质的聚合物凝胶电解质及用于制备电池外壳的合成树脂；再通过气压传感器、供气件和密封件24，调节各供料室23压强，使供料室23保持恒压，确保原料顺利进入输料管22；

S2，设备校准：通过调节校准机构80来校准工作台12，确保工作台12水平平整；再校准工作台12与喷头32的距离，确保工作台12与喷头32之间相隔一个打印层的厚度；具体地，在第一次运转前，喷头32分别轻微接触工作台12的四端角来判定是否平整，如不平整，则通过手动调节校准机构80的高低来达到一个初始的相对水平；再通过校准工作台12与喷头32的距离，使二者之间相隔一个打印层厚度后完成校准；

S3，打印固化：喷头32按预定打印路径移动，横向转换器31按预定打印要求切换喷头32，确保工作状态的喷头32处于同一打印轴；原料在供气件的作用下，经输料管22从喷头32连续均匀涂覆于经步骤S2校准的工作台12，得到打印层；同时，在温控机构40的作用下，使得打印层迅速固化；可选地，通过Y轴调整机构50按照预定轨迹移动而调整工作台12的水平位置；通过X轴调整机构60按照预定轨迹移动而调整打印机构30的水平位置；进一步地，在步骤S3前，还需进行如下操作：

S31，导入文件：将建模完成并进行离散化处理的石墨烯电池打印文件导入外部控制器，生成打印路径；

S4，调整高度：打印机构30按预定打印路径调整相对工作台12的高度；可选地，在完成一个打印层后，Z轴调整机构70带动打印机构30上移一个打印层的高度；

S5，重复加工：对经步骤S3打印加工后的打印层上继续逐层反复重复步骤S3及步骤S4，直至加工完成整个石墨烯电池；可选地，先完成石墨烯电池的外壳底层及两极储槽的打印；再将正极、负极、电解质打印完成，最后打印外壳上部的剩余部分，使电池封闭。

目前，石墨烯在石墨烯电池领域的主要用途是利用石墨烯特殊的二维柔性结构及较高的离子和电子导电能力，与各种活性材料复合以提高其循环特性和大电流放电特性，有着较为广阔的发展前景。

本发明的石墨烯电池的3D打印设备100通过横向转换器31实现喷头32的转换，使各喷头32工作时始终处于同一打印轴线，确保打印精度；通过供料室23、输料管22及喷头32一一对应，避免混料。通过控制电池厚度和形状，实现同一设备制备不同结构、不同精度的电池，从而降低生产成本，提高制造效率。通过3D打印提高制备速度，通过增料加工方式节省原料从而降低生产成本，同时可通过改变打印路径从而改变电池的比表面积，增强电子导电性。此外，还可用于新型电池的实验和验证。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种石墨烯电池的3D打印设备，其特征在于：包括固定机构、连接固定机构的供料机构及连接供料机构的打印机构；所述固定机构包括基板、连接基板的工作台及连接基板的支撑件；所述供料机构包括储料件及连接储料件的至少两输料管；所述储料件设置于支撑件的一端，该储料件设有至少两供料室，各所述输料管连接对应的供料室；所述打印机构包括横向转换器及连接横向转换器的若干喷头；各所述喷头连接对应的输料管,各所述喷头可相对工作台移动。

2.根据权利要求1所述的石墨烯电池的3D打印设备，其特征在于：所述打印机构还包括连接所述横向转换器的转动轴及用于驱动横向转换器转动的转换动力件；各所述输料管穿设横向转换器后与对应的喷头连接。

3.根据权利要求1所述的石墨烯电池的3D打印设备，其特征在于：所述横向转换器旋转的角度范围为正负180度。

4.根据权利要求1所述的石墨烯电池的3D打印设备，其特征在于：包括校准机构；所述校准机构的一端连接所述加热件，另一端连接所述工作台。

5.根据权利要求1所述的石墨烯电池的3D打印设备，其特征在于：包括温控机构；所述温控机构包括连接所述工作台的加热件、连接所述工作台的温度传感器及连接所述基板的散热件。

6.根据权利要求1所述的石墨烯电池的3D打印设备，其特征在于：所述供料机构包括滑设于各供料室的若干密封件、内置于各供料室的若干气压传感器及用于控制各密封件移动的若干供气件；各所述供气件连接对应的气压传感器。

7.根据权利要求1所述的石墨烯电池的3D打印设备，其特征在于：包括Y轴调整机构；所述Y轴调整机构包括连接所述基板的Y轴导轨、滑设于Y轴导轨的Y轴滑块及用于驱动所述工作台沿Y轴导轨移动的Y轴动力件；所述Y轴滑块连接所述工作台。

8.根据权利要求1所述的石墨烯电池的3D打印设备，其特征在于：包括X轴调整机构；所述X轴调整机构包括X轴导轨、连接X轴导轨一端的第一固定件、连接X轴导轨另一端的第二固定件、滑设于X轴导轨的X轴滑块及用于驱动X轴滑块移动的X轴动力件；所述第一固定件及第二固定件均连接所述支撑件，各所述输料管穿设X轴滑块后与所述横向转换器连接。

9.根据权利要求8所述的石墨烯电池的3D打印设备，其特征在于：包括Z轴调整机构；所述Z轴调整机构包括第一Z轴导轨、滑设于第一Z轴导轨的第一Z轴滑块及用于驱动第一Z轴滑块移动的第一Z轴动力件；所述第一Z轴导轨的一端连接所述储料件，另一端连接所述基板，该第一Z轴导轨与所述支撑件平行设置；所述第一Z轴滑块的一端连接所述第一固定件。

10.一种石墨烯电池的3D打印设备的成形方法，其特征在于：基于权利要求1所述的石墨烯电池的3D打印设备，包括如下步骤：

S1，供料储备：将原料分别放置于所述供料室，确保原料顺利进入所述输料管；

S2，设备校准：校准所述工作台，确保所述工作台水平平整；再校准所述工作台与喷头的距离，确保所述工作台与喷头之间相隔一个打印层的厚度；

S3，打印固化：所述喷头按预定打印路径移动，所述横向转换器按预定打印要求切换喷头，原料经所述输料管从喷头涂覆于经步骤S2校准的工作台，得到打印层，并固化打印层；

S4，调整高度：所述打印机构按预定打印路径调整相对所述工作台的高度；

S5，重复加工：对经步骤S3打印加工后的所述打印层上继续逐层反复重复步骤S3及步骤S4，直至加工完成整个石墨烯电池。