CN109860598B

CN109860598B - 3d打印一次成型水系锌离子电池及其实现方法

Info

Publication number: CN109860598B
Application number: CN201910084309.6A
Authority: CN
Inventors: 吴海霞; 王磊; 郭守武; 刘米香
Original assignee: Shanghai Jiaotong University
Current assignee: Shanghai Jiaotong University
Priority date: 2019-01-29
Filing date: 2019-01-29
Publication date: 2021-06-18
Anticipated expiration: 2039-01-29
Also published as: CN109860598A

Abstract

一种3D打印一次成型水系锌离子电池及其实现方法，分别以水凝胶为电极和电解质的基体材料、以光敏树脂为电池外壳的基体材料，通过3D打印机以挤出方式打印出具有电化学性能的水系锌离子电池。本发明工艺简单，成本较低，实用性强，可以解决传统电池装配过程环境要求严格、工艺成本高、程序复杂等缺点。具有广泛的应用前景。

Description

3D打印一次成型水系锌离子电池及其实现方法

技术领域

本发明涉及的是一种锌锂离子电池领域的技术，具体是一种3D打印一次成型水系锌离子电池及其实现方法。

背景技术

传统锂离子电池需要经过裁片、涂布、烘干、注液、封装等程序准备得到，其工艺复杂、周期长、成本高。现在市场上的锂离子电池根据形状可以分为圆柱形、扣式和方形，不同形状的锂离子电池需要不同的模具、机器，造成大量的资源和空间的浪费。而且由于所用的有机电解液易挥发、易燃、遇水和氧气会反应，传统锂离子电池在装配时要严格控制环境中氧气和水的含量，装配完成仍然存在着安全问题。

水系锌离子电池由于用水作溶剂，具有安全、容量高、环境友好的特点，并且可以在空气中进行装配。但是，依靠传统制备电池的装配方式，同样根据电池型号及大小的需要配置相应的设备和空间，造成资源和空间的浪费。此外，传统的电池制作工艺周期长，过程控制复杂。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种3D打印一次成型水系锌离子电池及其实现方法，工艺简单，成本较低，实用性强，可以解决传统电池装配过程环境要求严格、工艺成本高、程序复杂等缺点。具有广泛的应用前景。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明涉及一种3D打印一次成型水系锌离子电池的实现方法，分别以水凝胶为电极和电解质的基体材料、以光敏树脂为电池外壳的基体材料，通过3D打印机以挤出方式打印出具有电化学性能的水系锌离子电池。

所述的水凝胶采用但不限于纳米纤维素或透明质酸中的任一与氧化石墨烯的混合物。

所述的电极包括正电极和负电极，其中：正电极中的活性物质采用但不限于二氧化锰或者五氧化二矾；负电极中的活性物质为锌粉。

所述的电解质采用但不限于聚偏氟乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯或聚丙烯腈或其组合。

所述的电池外壳为纳米氧化铝或纳米二氧化硅中的任一与光敏树脂的混合物。

所述的光敏树脂采用但不限于丙烯酸酯类、乙烯基类、乙烯基醚类或环氧类中的任意一种。

所述的3D打印机采用但不限于空心长方体、空心圆柱或者其它个性化设计的电池结构的电池模型。

所述的水系锌离子电池主要测试其稳定性、倍率性能等。

本发明涉及上述方法制备得到的水系锌离子电池，为空心圆柱结构，其外壳内包括电解质层以及分别设置于电解质上下的正电极层和负电极层，该电池内径5 mm，外径10mm，其中正极厚0.5 mm，负极厚0.5 mm，电解质厚1.0 mm，上下电池外壳厚0.5 mm。

技术效果

与现有技术相比，本发明以水凝胶为基体制备了电极材料和电解质材料，以光敏树脂为基体制备了电池外壳材料，最后利用3D打印技术一次性打印出具有电化学性能的锌离子电池。相较于传统的电池装配工艺，本方法工艺简单，制备工艺时间短，成本较低，实用性强，特别是一些小型异型个性化电池的设计和生产，只要通过更改模型的参数，就可以打印出新型号的电池，具有广泛的应用前景。本方法装配的电池具有一定的电化学性能。

附图说明

图1为3D打印一次成型的水系锌离子电池；

图2为3D打印一次成型的水系锌离子电池的剖面图；

图中：正电极1、负电极2、电解质3、电池外壳4、外壳外壁5；

图3为3D打印一次成型水系锌离子电池的流程及所消耗的时间。

具体实施方式

实施例1

如图3所示，为本实施例包括以下步骤：

步骤1、称取400 mg二氧化锰、80 mg纳米纤维素、20 mg氧化石墨烯、200 mg乙炔黑、2.3 g七水合硫酸锌、67.61 mg一水合硫酸锰与4 mL去离子水混合得到正极材料；

步骤2、称取600 mg锌粉、80 mg纳米纤维素、30 mg氧化石墨烯、200 mg乙炔黑、2.3g七水合硫酸锌、67.61 mg一水合硫酸锰与4 mL去离子水混合得到负极材料；

步骤3、称取1200 mg聚偏氟乙烯、60 mg Pluronic、80 mg纳米纤维素、30 mg氧化石墨烯、2.3 g七水合硫酸锌、67.61 mg一水合硫酸锰与4 mL去离子水混合得到电解质材料；

步骤4、称取1.5 g纳米氧化铝与4 mL光敏树脂混合得到电池外壳材料。

步骤5、用3D Max软件绘制空心圆柱模型，外径20 mm、内径10 mm、高5 mm。然后用Repetier Host软件切片并生成打印程序.gcode文件。

步骤6、用Cellink公司的型号INKREDIBLE+挤出式3D打印机进行打印，一次成型锌离子电池，打印时的速度为6 mm/s、正极材料所需气压13 KPa、负极材料所需气压100 KPa、电解质材料所需气压7 KPa、电池外壳材料所需气压29 KPa。

本实施例打印完成的水系锌离子电池在蓝电测试系统上完成电池性能的测试，测试电流密度为0.1 A g^-1，充电比容量可达194.9 mA h g^-1。

实施例2

如图3所示，为本实施例包括以下步骤：

步骤1、称取400 mg五氧化二矾、80 mg纳米纤维素、20 mg氧化石墨烯、200 mg乙炔黑、2.3 g七水合硫酸锌、67.61 mg一水合硫酸锰与4 mL去离子水混合得到正极材料；

步骤5、用3D Max软件绘制空心圆柱模型，更改模型尺寸为外径5 mm、内径3 mm、高2 mm。然后用Repetier Host软件切片并生成打印程序.gcode文件。可以打印超级小型电池。

步骤6、用Cellink公司的型号INKREDIBLE+挤出式3D打印机进行打印，一次成型锌离子电池，打印时的速度为6 mm/s、正极材料所需气压17 KPa、负极材料所需气压100 KPa、电解质材料所需气压7 KPa、电池外壳材料所需气压29 KPa。

本实施例打印完成的水系锌离子电池在蓝电测试系统上完成电池性能的测试，测试电流密度为0.1 A g^-1，充电比容量可达150 mA h g^-1。

上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。

Claims

1.一种3D打印一次成型水系锌离子电池的制备方法，其特征在于，分别以水凝胶为电极的基体材料和电解质的基体材料、以光敏树脂为电池外壳的基体材料，通过3D打印机以挤出方式打印出具有电化学性能的水系锌离子电池；

所述的电极包括正电极和负电极，其中：正电极通过400 mg二氧化锰或五氧化二矾、80mg纳米纤维素、20 mg氧化石墨烯、200 mg乙炔黑、2.3 g七水合硫酸锌、67.61 mg一水合硫酸锰与4 mL去离子水混合得到；负电极通过600 mg锌粉、80 mg纳米纤维素、30 mg氧化石墨烯、200 mg乙炔黑、2.3 g七水合硫酸锌、67.61 mg一水合硫酸锰与4 mL去离子水混合得到，其中：水凝胶采用纳米纤维素与氧化石墨烯的混合物。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征是，所述的电池外壳为纳米氧化铝或纳米二氧化硅中的任一与光敏树脂的混合物。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征是，所述的光敏树脂采用丙烯酸酯类、乙烯基类或环氧类中的任意一种。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征是，所述的电解质通过1200 mg聚偏氟乙烯、60 mg Pluronic、80 mg纳米纤维素、30 mg氧化石墨烯、2.3 g七水合硫酸锌、67.61 mg一水合硫酸锰与4 mL去离子水混合得到。

5.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征是，所述的电池外壳通过1.5 g纳米氧化铝与4 mL光敏树脂混合得到。

6.一种基于权利要求1~5中任一所述方法制备得到的水系锌离子电池，其特征在于，为空心圆柱结构，其外壳内包括电解质层以及分别设置于电解质上下的正电极层和负电极层。