CN113793965A - 一种柔性离子凝胶电池的多材料打印装置及方法 - Google Patents

一种柔性离子凝胶电池的多材料打印装置及方法 Download PDF

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Abstract

一种柔性离子凝胶电池的多材料打印装置及方法，包括多通道气阀组，多通道气阀组通过气管和气压源连接，多通道气阀组和阀组控制器连接，多通道气阀组出口和多材料气动打印针筒组入口连接，多材料气动打印针筒组固定在Z轴移动平台上，多材料气动打印针筒组出口和四通道打印喷头入口连接；四通道打印喷头出口下方设有打印收集基底，打印收集基底固定在XY移动平台上；方法是采用四种凝胶电池材料按照顺序从同一喷头出口切换挤出一体化制造；本发明避免多材料离子凝胶电池需分别打印再手动组装导致的低效率问题，大幅提升制造效率，同时提升了一体化打印离子凝胶电池的柔性和拉伸性，实现仿生柔性离子凝胶电池的高效制造。

Description

一种柔性离子凝胶电池的多材料打印装置及方法
技术领域
本发明涉及凝胶电池制造技术领域，尤其涉及一种柔性离子凝胶电池的多材料打印装置及方法。
背景技术
自然界中，发电鱼类电鳗、电鳐等能够将生物能高效转化为电能并瞬间释放出10～800V的高压。发电细胞在受到神经递质刺激时，Na+通过细胞前膜向发电细胞内流动，细胞内的K+跨过细胞后膜向细胞外流动，通过定向的离子运输每个发电细胞可以产生约150mV生物电压。在神经系统的高效调节下，数百万个定向串联排布的发电细胞同时放电，实现高效生物电能输出。
研究利用四种离子凝胶材料，分别通过开发四种凝胶电池材料模拟发电细胞基于离子浓度差的发电机理，分别通过高、低盐凝胶模拟发电细胞膜内外的离子浓度梯度，通过阳、阴离子选择性凝胶的离子选择透过性模拟发电细胞膜的选择透过性，构建了一种新型绿色高效的柔性离子凝胶电池。
使用多喷头点胶机在聚氯乙烯薄膜上依次打印了四种凝胶电池颗粒阵列并按顺序组装产生电势差，通过串联上千个凝胶电池单元可产生最高110V开路电压。但该制造技术将凝胶电池所需的四种凝胶电池材料分别进行打印制造，将凝胶电池材料以颗粒形状每两种打印在同一收集基底上，进行两片凝胶电池片分别打印；再将分别打印的凝胶电池片上下覆合组装构成凝胶电池，制造的多材料凝胶电池需要手工组装，再使用硬质板提供组装力以实现稳定发电，不仅耗时耗力，导致大规模制造效率受限；且制造的凝胶电池无法在多种变形下发电，无法实现广泛应用。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种柔性离子凝胶电池的多材料打印装置及方法，实现多材料离子凝胶电池的一体化高效制造，且制造的一体化凝胶电池可在柔性和拉伸性变形状态下使用。
为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种柔性离子凝胶电池的多材料打印装置，包括多通道气阀组102，多通道气阀组102通过气管和气压源101连接，多通道气阀组102和阀组控制器103连接，多通道气阀组102出口和多材料气动打印针筒组107入口连接，多材料气动打印针筒组107固定在Z轴移动平台104上，多材料气动打印针筒组107出口和四通道打印喷头108入口连接；
四通道打印喷头108出口下方设有打印收集基底106，打印收集基底106固定在XY移动平台105上。
所述的打印收集基底106采用平面收集基底膜202或曲面收集基底。
所述的打印收集基底106为平面收集基底膜202时，采用基于主动轮驱动的可扩展平面收集基底结构收集，主动轮驱动的可扩展平面收集基底结构包括包覆平面收集基底膜202的滚筒201，平面收集基底膜202通过主动轮203驱动运动，在平面收集基底膜202上打印一体化凝胶电池纤维204。
所述的四通道打印喷头108包括上部的四种凝胶电池材料入口301、302、303、304以及下部的材料出口305。
利用一种柔性离子凝胶电池的多材料打印装置的方法，包括以下步骤：
1)在高浓度盐凝胶、阳离子选择性凝胶、低浓度盐凝胶和阴离子选择性凝胶的四种凝胶电池前体溶液中分别添加增稠剂，使其满足直写打印要求；
2)将添加增稠剂的凝胶电池打印材料装入多材料气动打印针筒组107中，多材料打印针筒组107利用阀组控制器103控制多通道气阀组102中不同通道的开闭，进而控制四种凝胶电池材料按顺序切换，切换顺序为高浓度盐凝胶电池材料、阳离子选择性凝胶电池材料、低浓度盐凝胶电池材料、阴离子选择性凝胶电池材料；
3)调节四通道打印喷头108距打印收集基底106的接收距离，打印收集基底106为平面收集基底膜202或滚筒等曲面基底；打印开始后，多材料打印的凝胶电池纤维从材料出口305挤出，一体化打印的凝胶电池纤维结构经交联固化后可输出仿生电能。
所述的增稠剂为阿拉伯胶、果胶、琼脂、明胶、海藻胶、角叉胶、糊精、丙二醇藻蛋白酸酯、甲基纤维素、淀粉磷酸钠、藻蛋白酸钠、酪蛋白、聚丙烯酸钠、聚氧乙烯、聚乙烯吡咯烷酮、膨润土、硅酸铝、甲基纤维素、羧甲基纤维素、羧甲基纤维素钠、羟乙基纤维素、羟丙基甲基纤维素或癸二烯交联聚合物。
所述的平面收集基底膜202为柔性PVC、胶带、纸或保鲜膜。
所述的柔性离子凝胶电池的宽度为50μm-2cm，长度随打印面积增长扩增。
通过增加打印材料切换循环次数增加打印的凝胶电池单元数量，实现一体化离子凝胶电池可扩展制造。
本发明与现有技术对比的有益效果是：
1.本发明提出的一种柔性离子凝胶电池的多材料打印装置可以实现多材料离子凝胶电池的一体化高效制造，制造的凝胶电池无需组装且具备柔性及拉伸性。
2.本发明提出的一种柔性离子凝胶电池的多材料打印方法，避免了现有凝胶电池需分别打印，再手动组装的局限，能够大幅提升制造效率，且制造的一体化凝胶电池可在柔性和拉伸性变形状态下使用。
附图说明
图1为本发明装置的示意图。
图2是基于主动轮驱动的可扩展平面收集基底结构及打印示意图。
图3为本发明装置中四通道打印喷头108的结构示意图。
图4为本发明方法中打印凝胶电池单元结构示意图。
图5为本发明实施例打印的一体化打印凝胶电池示意图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明进行清楚完整的描述。
参照图1，一种柔性离子凝胶电池的多材料打印装置，包括多通道气阀组102，多通道气阀组102通过气管和气压源101连接，多通道气阀组102和阀组控制器103连接，阀组控制器103通过程序控制多路电磁继电器控制器实现不同通道的通断，进而控制凝胶电池材料以不同的频率切换；多通道气阀组102出口和多材料气动打印针筒组107入口连接，多材料气动打印针筒组107固定在Z轴移动平台104上，多材料气动打印针筒组107出口和四通道打印喷头108入口连接；
四通道打印喷头108出口下方设有打印收集基底106，打印收集基底106固定在XY移动平台105上。
参照图2，所述的打印收集基底106为平面收集基底膜202时，采用基于主动轮驱动的可扩展平面收集基底结构收集，主动轮驱动的可扩展平面收集基底结构包括包覆平面收集基底膜202的滚筒201，平面收集基底膜202通过主动轮203驱动运动，在平面收集基底膜202上打印一体化凝胶电池纤维204。
参照图3，所述的四通道打印喷头108包括上部的四种凝胶电池材料入口301、302、303、304以及下部的材料出口305。
利用一种柔性离子凝胶电池的多材料打印装置的方法，包括以下步骤：
1)在高浓度盐凝胶、阳离子选择性凝胶、低浓度盐凝胶和阴离子选择性凝胶的四种凝胶电池前体溶液中分别添加增稠剂，使其满足直写打印要求；
增稠剂为阿拉伯胶、果胶、琼脂、明胶、海藻胶、角叉胶、糊精、丙二醇藻蛋白酸酯、甲基纤维素、淀粉磷酸钠、藻蛋白酸钠、酪蛋白、聚丙烯酸钠、聚氧乙烯、聚乙烯吡咯烷酮、膨润土、硅酸铝、甲基纤维素、羧甲基纤维素、羧甲基纤维素钠、羟乙基纤维素、羟丙基甲基纤维素或癸二烯交联聚合物；
2)将添加增稠剂的凝胶电池打印材料装入多材料气动打印针筒组107中，多材料打印针筒组107利用阀组控制器103控制多通道气阀组102中不同通道的开闭，进而控制四种凝胶电池材料按顺序切换，切换顺序为高浓度盐凝胶电池材料、阳离子选择性凝胶电池材料、低浓度盐凝胶电池材料、阴离子选择性凝胶电池材料；
3)调节四通道打印喷头108距打印收集基底106的接收距离，打印收集基底106为平面收集基底膜202或滚筒等曲面基底；打印开始后，多材料打印的凝胶电池纤维从材料出口305挤出，一体化打印的凝胶电池纤维结构经交联固化后可输出仿生电能。
所述的平面收集基底膜202为柔性PVC、胶带、纸或保鲜膜。
所述的柔性离子凝胶电池的宽度为50μm-2cm，长度随打印面积增长扩增。
本实施例一体化打印在打印收集基底106的包含100个凝胶电池单元的柔性离子凝胶电池结构如图4所示，每个凝胶电池单元包括高浓度盐凝胶电池材料401、阳离子选择性凝胶电池材料402、低浓度盐凝胶电池材料403、阴离子选择性凝胶电池材料404，可输出电压，且具备良好的柔性和拉伸性。
参照图5，本发明实施例一体化打印柔性离子凝胶电池，实现了四种凝胶电池材料连续一体化打印，打印的凝胶电池可输出电压且具备拉伸性。通过增加打印材料切换循环次数增加打印的凝胶电池单元数量，实现一体化离子凝胶电池可扩展制造。

Claims (9)

1.一种柔性离子凝胶电池的多材料打印装置，其特征在于：包括多通道气阀组(102)，多通道气阀组(102)通过气管和气压源(101)连接，多通道气阀组(102)和阀组控制器(103)连接，多通道气阀组(102)出口和多材料气动打印针筒组(107)入口连接，多材料气动打印针筒组(107)固定在Z轴移动平台(104)上，多材料气动打印针筒组(107)出口和四通道打印喷头(108)入口连接；
四通道打印喷头(108)出口下方设有打印收集基底(106)，打印收集基底(106)固定在XY移动平台(105)上。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述的打印收集基底(106)采用平面收集基底膜(202)或曲面收集基底。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于：所述的打印收集基底(106)为平面收集基底膜(202)时，采用基于主动轮驱动的可扩展平面收集基底结构收集，主动轮驱动的可扩展平面收集基底结构包括包覆平面收集基底膜(202)的滚筒(201)，平面收集基底膜(202)通过主动轮(203)驱动运动，在平面收集基底膜(202)上打印一体化凝胶电池纤维(204)。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述的四通道打印喷头(108)包括上部的四种凝胶电池材料入口(301、302、303、304)以及下部的材料出口(305)。
5.利用权利要求4所述的一种柔性离子凝胶电池的多材料打印装置的方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)在高浓度盐凝胶、阳离子选择性凝胶、低浓度盐凝胶和阴离子选择性凝胶的四种凝胶电池前体溶液中分别添加增稠剂，使其满足直写打印要求；
2)将添加增稠剂的凝胶电池打印材料装入多材料气动打印针筒组(107)中，多材料打印针筒组(107)利用阀组控制器(103)控制多通道气阀组(102)中不同通道的开闭，进而控制四种凝胶电池材料按顺序切换，切换顺序为高浓度盐凝胶电池材料、阳离子选择性凝胶电池材料、低浓度盐凝胶电池材料、阴离子选择性凝胶电池材料；
3)调节四通道打印喷头(108)距打印收集基底(106)的接收距离，打印收集基底(106)为平面收集基底膜(202)或滚筒等曲面基底；打印开始后，多材料打印的凝胶电池纤维从材料出口(305)挤出，一体化打印的凝胶电池纤维结构经交联固化后可输出仿生电能。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：所述的增稠剂为阿拉伯胶、果胶、琼脂、明胶、海藻胶、角叉胶、糊精、丙二醇藻蛋白酸酯、甲基纤维素、淀粉磷酸钠、藻蛋白酸钠、酪蛋白、聚丙烯酸钠、聚氧乙烯、聚乙烯吡咯烷酮、膨润土、硅酸铝、甲基纤维素、羧甲基纤维素、羧甲基纤维素钠、羟乙基纤维素、羟丙基甲基纤维素或癸二烯交联聚合物。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：所述的平面收集基底膜(202)为柔性PVC、胶带、纸或保鲜膜。
8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：所述的柔性离子凝胶电池的宽度为50μm-2cm，长度随打印面积增长扩增。
9.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：通过增加打印材料切换循环次数增加打印的凝胶电池单元数量，实现一体化离子凝胶电池可扩展制造。
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罗斌等: "离子凝胶材料的三维打印工艺", 《机械工程学报》 *
罗斌等: "离子凝胶材料的三维打印工艺", 《机械工程学报》, no. 17, 16 May 2018 (2018-05-16) *

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