CN112549528A - 一种优化的挤压式3d打印电极的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种优化的挤压式3D打印电极的制备方法，包括以下步骤：(1)将活性物质、导电剂与粘结剂混合，研磨；(2)向混合粉中加入1‑甲基‑2‑吡咯烷酮，搅拌；(3)将制备好的墨水装入注射器中，离心以排除气泡；(4)将制备好的墨水用于制造3D结构电极；(5)将3D结构浸泡在水中，用来去除溶剂，然后冷冻干燥。本发明的有益效果是：相比传统的3D打印不需要传统各种工具和多重处理程序。利用三维设计数据，可以在单个设备上快速准确地制造任意复杂形状结构的电极材料，大大减少了生产成本，缩短了处理周期。对于结构复杂的电极，制造速度也可以很快。

Description

一种优化的挤压式3D打印电极的制备方法
技术领域
本发明涉及3D打印电极领域，尤其涉及一种优化的挤压式3D打印电极的制备方法。
背景技术
如何制造高能量密度和功率密度的存储设备当前新能源研究的一个难点。而在这方面，优化电极结构显得极其重要，因为它极大地影响离子和电子的输运以及动力学反应。其中有一个较长远的策略是制造更厚的电极，具有更高的面积质量负载，以满足高能量密度的要求。
可是传统的叶片铸型厚电极限制了离子和电子在厚电极上的传输，导致功率密度较低，活性物质利用不充分。此外，活性材料在循环过程中与集电极分离，导致周期寿命缩短。
三维(3D)电池被认为是一种很有前途的替代方法，以实现高能量密度和功率密度之间的平衡。3D打印技术，又称先进增材制造技术(advanced additive manufacturing,AM)，由于其能够准确、高效地构建复杂的3D结构，近年来在储能领域引起了广泛关注。重要的是，3D打印技术可以通过简单的调整打印层数、改变打印喷嘴、修改打印速度和打印压力来控制电极厚度。
与传统平面电极类似，3D印刷薄膜的厚度很小，不同之处在于，传统电池是固体结构，而薄膜电极具有各种微观结构，可以有效调节电化学性能。3D打印过程中，可以加入聚合物或纤维来赋予电极/电解的柔和性。
发明内容
有鉴于此，本发明主要解决了如何制备高能量密度和功率密度LIBs的三维自支撑厚电极的问题；本发明使用磷酸铁锂纳米颗粒和多壁碳纳米管作原料，获得3D结构电池的技术，由于多壁碳纳米管形成电极微观上的网络，增强电极孔隙率，这意味着增加比表面积从而增加电解液和电极的接触来提高能量密度。通过此技术，使所得电池更容易制造，成本更低，打印速度大幅提高，3D打印电极更平滑，性能也有相对提升。
本发明提出的一种优化的挤压式3D打印电极的制备方法，具体包括以下步骤：
S1：将活性物质、导电剂与粘结剂混合，研磨，得到混合粉；
S2：向所述混合粉中加入适量1-甲基-2-吡咯烷酮，并搅拌，得到制备好的墨水；
S3：将所述制备好的墨水装入注射器中，离心以排除所有气泡，得到排除气泡后的墨水；
S4：使用3D打印机，将所述排除气泡后的墨水用于制造电极，得到3D结构电极；
S5：将所述3D结构电机浸泡在水中，去除溶剂，并冷冻干燥得到3D打印电极。
进一步地，步骤S1中，所述活性物质为磷酸铁锂纳米颗粒；所述导电剂为多壁碳纳米管；所述粘结剂为PVDF。
进一步地，所述PVDF的相对分子质量为130万。
进一步地，所述磷酸铁锂纳米颗粒、多壁碳纳米管和PVDF按质量比7：2：1混合。
步骤S5中，冷冻干燥时间为24小时。
本发明提供的有益效果是：
(1)提供了一种简便、低成本、易于规模化的制备高比表面积增强电极性能的方法，对未来高能量密度锂离子电池的实际应用具有很大的前景。
(2)由于使用多壁碳纳米管形成电极微观上的网络结构，增强了电极的孔隙率，提高了离子和电子的传输。
附图说明
图1是本发明一种优化的挤压式3D打印电极的制备方法流程图；
图2是本发明三维点胶机制作3D结构电极示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地描述。
请参考图1，一种优化的挤压式3D打印电极的制备方法，包括以下：
S1：将活性物质、导电剂与粘结剂混合，研磨，得到混合粉；
优选的，步骤S1中，所述活性物质为磷酸铁锂纳米颗粒；所述导电剂为多壁碳纳米管；所述粘结剂为PVDF。
所述多壁碳纳米管规格为纯度＞95％，长度0.5-2μm，直径＜8nm。
在一些其他实施例中，所述导电剂还可以为多壁碳纳米管(长)(纯度95％，长度10-30μm，直径8nm)或者石墨化羧基多壁碳纳米管(长)(直径8-15nm，长度10-50μm，-COH：1.28wt％)。
所述PVDF的相对分子质量为130万。
所述磷酸铁锂纳米颗粒、多壁碳纳米管和PVDF按质量比7：2：1混合。
研磨时间为若干分钟，直至成粉。
S2：向所述混合粉中加入适量1-甲基-2-吡咯烷酮，并搅拌，得到制备好的墨水；
优选的步骤S2中搅拌所用到的工具为公转自转搅拌机(ARM 310，Thinky)，本领域技术人员也可选择其他具有相同作用的搅拌机；
S3：将所述制备好的墨水装入注射器中，离心以排除所有气泡，得到排除气泡后的墨水；
S4：使用3D打印机，将所述排除气泡后的墨水用于制造电极，得到3D结构电极；
所述3D打印机为全自动三维点胶机，请参考图2，图2是本发明三维点胶机制作3D结构电极示意图。
将装有墨水的针管装在三维点胶机的针管内，针头与平台保持适当距离，根据设定的3D结构电极形状结构，即可打印出所需3D结构电极；图2中右侧上部分即为制作好的3D结构电极，右侧下部分为将上部分放大10倍后的局部图。
S5：将所述3D结构电机浸泡在水中，去除溶剂，并冷冻干燥得到3D打印电极。
3D结构浸泡在水中的时间一般为若干分钟，直至溶剂去除为止，也可根据实际情况浸泡更长时间。冷冻干燥时间为24小时。
通过以上步骤，即制作出3D打印电极。
本发明提供的有益效果是：
(1)提供了一种简便、低成本、易于规模化的制备高比表面积增强电极性能的方法，对未来高能量密度锂离子电池的实际应用具有很大的前景。
(2)由于使用多壁碳纳米管形成电极微观上的网络结构，增强了电极的孔隙率，提高了离子和电子的传输。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种优化的挤压式3D打印电极的制备方法，其特征在于：具体包括以下步骤：
S1：将活性物质、导电剂与粘结剂混合，研磨，得到混合粉；
S2：向所述混合粉中加入适量1-甲基-2-吡咯烷酮，并搅拌，得到制备好的墨水；
S3：将所述制备好的墨水装入注射器中，离心以排除所有气泡，得到排除气泡后的墨水；
S4：使用3D打印机，将所述排除气泡后的墨水用于制造电极，得到3D结构电极；
S5：将所述3D结构电机浸泡在水中，去除溶剂，并冷冻干燥得到3D打印电极。
2.如权利要求1所述的一种优化的挤压式3D打印电极的制备方法，其特征在于：步骤S1中，所述活性物质为磷酸铁锂纳米颗粒；所述导电剂为多壁碳纳米管；所述粘结剂为PVDF。
3.如权利要求2所述的一种优化的挤压式3D打印电极的制备方法，其特征在于：所述PVDF的相对分子质量为130万。
4.如权利要求2所述的一种优化的挤压式3D打印电极的制备方法，其特征在于：所述磷酸铁锂纳米颗粒、多壁碳纳米管和PVDF按质量比7：2：1混合。
5.如权利要求1所述的一种优化的挤压式3D打印电极的制备方法，其特征在于：步骤S5中，冷冻干燥时间为24小时。
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