一種基于3d打印技術(shù)制備鋰離子電池多孔電極的方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種基于3D打印技術(shù)制備鋰離子電池多孔電極的方法，以磷酸鐵鋰、氧化錳為原料制備出打印墨水，再利用3D打印技術(shù)，采用微型注射打印頭制備出以磷酸鐵鋰為陰極材料，以氧化錳為陽(yáng)極材料的陰陽(yáng)極叉指型結(jié)構(gòu)，然后在氬氣保護(hù)下熱處理后得到以多孔磷酸鐵鋰為陰極材料，以多孔氧化錳為陽(yáng)極材料的叉指型鋰離子電池結(jié)構(gòu)，再將其轉(zhuǎn)移到手套箱內(nèi)進(jìn)行封裝，最終得到陰陽(yáng)極交叉的鋰離子電池。本發(fā)明制備方法新穎，工藝簡(jiǎn)單，精確可控，所制備的材料具有大的比表面積，使得電池的比容量和能量密度相比以往的平面型鋰離子電池有很大提高；另外，陰陽(yáng)極材料的多孔型結(jié)構(gòu)提高了鋰離子的擴(kuò)散速度，同時(shí)使得鋰離子電池具有較高的離子及電子電導(dǎo)率。
【專利說(shuō)明】 一種基于30打印技術(shù)制備鋰離子電池多孔電極的方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于新能源納米材料領(lǐng)域，具體涉及一種基于30打印技術(shù)制備鋰離子電池多孔電極的方法。

【背景技術(shù)】
[0002]隨著傳統(tǒng)能源的日益枯竭，作為新能源代表的鋰離子電池逐漸成為了當(dāng)代社會(huì)的研究熱點(diǎn)，并且在便攜式電子設(shè)備中占據(jù)了主導(dǎo)地位，而電極材料作為鋰離子電池的核心，在鋰離子電池充放電過(guò)程中起著至關(guān)重要的作用。然而，以平面電極為主的鋰離子電池的在制備工藝中設(shè)備要求高、工藝復(fù)雜；并且傳統(tǒng)的平面型鋰離子電池的循環(huán)性能和能量密度有限。并且，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和人們對(duì)高能量密度電池要求的逐漸提升，以傳統(tǒng)平面電極為基礎(chǔ)的鋰離子電池難以滿足便攜式電子產(chǎn)品對(duì)于體積小、質(zhì)量輕、高能量密度、高充放電速率電源的需求。
[0003]近年來(lái)，30打印技術(shù)作為一種新興的材料與器件制備工藝技術(shù)，因其在電子、軍事、醫(yī)學(xué)、航空領(lǐng)域的潛在應(yīng)用，而備受關(guān)注。目前，30打印技術(shù)已滲透到新能源領(lǐng)域，主要包括新型30打印太陽(yáng)能電池和30打印鋰離子電池。然而，現(xiàn)有的30打印鋰離子電池由于打印出的電極線條過(guò)粗，鋰離子嵌脫困難、循環(huán)性能、倍率特性及其比容量都不容樂(lè)觀，亟待解決。
[0004]


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足和缺陷，本發(fā)明提供了一種基于30打印技術(shù)制備具有三維多孔結(jié)構(gòu)、大比表面積、陰陽(yáng)極結(jié)構(gòu)呈叉指型的鋰離子電池的方法，本發(fā)明基于30打印技術(shù)制備出以多孔磷酸鐵鋰為陰極材料，以多孔氧化錳為陽(yáng)極材料的叉指型多孔電極結(jié)構(gòu)，該制備方法工藝簡(jiǎn)單精確、可控制性高，所制備的電極材料具有三維多孔結(jié)構(gòu)、比表面積大等特點(diǎn)，從而提高材料的離子電導(dǎo)率和離子電導(dǎo)率，在鋰二次電池電極的制備領(lǐng)域有巨大的應(yīng)用潛力。
[0006]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:
一種基于30打印技術(shù)制備鋰離子電池多孔電極的方法，其特征在于:利用30打印技術(shù)，制備出以多孔磷酸鐵鋰為陰極材料、以多孔氧化錳為陽(yáng)極材料的叉指型多孔電極結(jié)構(gòu)，最后再通過(guò)封裝制備出叉指型多孔電極鋰離子電池。
[0007]其中，所述的制備方法包括以下步驟:
(1)稱取1-58磷酸鐵鋰超聲溶入80-10001去離子水和10-3001乙二醇中；稱取1-58氧化錳超聲溶入第一混合溶液中；
(2)將上述兩種種溶液分別球磨12-1811后，轉(zhuǎn)移到離心機(jī)中，3500-45001'卹下處理1-50111后過(guò)濾去除大顆粒物質(zhì)，隨后再將濾液轉(zhuǎn)移到離心機(jī)中3000-40001'卹下離心處理1-311后過(guò)濾； (3)將上述過(guò)濾后所得的兩種物質(zhì)分別分散到第二混合溶液中，強(qiáng)力攪拌1-31
[0008](4)取規(guī)格為20X10111111的玻璃片作為基片，利用掩膜板遮蓋蒸發(fā)鍍膜技術(shù)在玻璃基片表面制備得到圖形化金電極，分別作為電池陰極和陽(yáng)極集流器；
(5)利用具有微型注射打印頭的30打印機(jī)在基片表面打印以氧化錳為陽(yáng)極材料、以磷酸鐵鋰陽(yáng)極材料的叉指型電極結(jié)構(gòu)，一并打印出相應(yīng)的電極引線；
(6)將打印好叉指型電極結(jié)構(gòu)置于管式爐中進(jìn)行熱處理；
(7)利用聚甲基丙烯酸甲酯塑料板及聚二甲基硅氧烷密封膠沿著玻璃基片將同軸電極材料四周圍起后，轉(zhuǎn)移到手套箱內(nèi)，在氬氣保護(hù)下滴入電解液，待完全浸潤(rùn)后再用聚甲基丙烯酸甲酯塑料板及聚二甲基硅氧烷密封膠將其上方蓋住并密封，即可得到陰陽(yáng)極交叉排列的鋰離子電池。
[0009]所述的第一混合溶液為1-38聚甲基丙烯酸甲酯、80-12(^1去離子水和30-5(^1乙二醇的混合溶液。
[0010]所述的第二混合溶液為丙三醇、羥丙基纖維素、羥乙基纖維素和去離子水，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為 50-65%、15-20%、1-5% 和 20-30%。
[0011]所述的電池陰極和陽(yáng)極集流器，其位置位于玻璃基片兩端，其長(zhǎng)度為1-2皿，寬度為10麵。
[0012]利用具有微型注射打印頭的30打印機(jī)在基片表面打印以氧化錳為陽(yáng)極材料、以磷酸鐵鋰陽(yáng)極材料的叉指型電極結(jié)構(gòu)，一并打印出相應(yīng)的電極引線，打印速度為250110/8，其中打印電極材料和電極引線的具體步驟為:從陽(yáng)極集流器區(qū)域開(kāi)始打印，按照鍍膜后形成的叉指型圖案先打印一層陽(yáng)極氧化錳材料，然后再按照相同步驟從陰極集流區(qū)打印一層陰極磷酸鐵鋰材料；按此規(guī)律依次打印，直至打印結(jié)束。
[0013]所述的熱處理溫度為100-2001，時(shí)間為1-31
[0014]本發(fā)明的有益效果在于:與現(xiàn)有技術(shù)相比，該發(fā)明以采用30打印技術(shù)，制備出以多孔磷酸鐵鋰為陰極材料，以多孔氧化錳為陽(yáng)極材料的多孔叉指電極，該制備方法具有工藝簡(jiǎn)單精確、可控制性高的優(yōu)點(diǎn)。所制備的電極材料具有特殊三維叉指型多孔結(jié)構(gòu)、比表面積大等特點(diǎn)，可以有效提聞材料的尚子電導(dǎo)率和尚子電導(dǎo)率，進(jìn)而提聞其裡存儲(chǔ)性能，是聞性能鋰離子電池制備工藝的發(fā)展必然趨勢(shì)。
[0015]

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0016]圖1為表面鍍金后的玻璃基片結(jié)構(gòu)示意圖圖2為30打印制備的陽(yáng)極材料結(jié)構(gòu)示意圖
圖3為30打印制備的陰陽(yáng)極材料叉指結(jié)構(gòu)示意圖圖4為封裝后的陰陽(yáng)極叉指型鋰離子電池結(jié)構(gòu)示意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0017]本發(fā)明旨在提供一種基于30打印技術(shù)制備鋰離子電池多孔電極的方法，現(xiàn)結(jié)合附圖以及具體的實(shí)施方式來(lái)說(shuō)明
一種基于30打印技術(shù)制備鋰離子電池多孔電極方法的具體步驟為: 實(shí)施例1
(1)稱取磷酸鐵鋰超聲溶入801111去離子水和101111乙二醇中；稱取氧化錳超聲溶入第一混合溶液8 聚甲基丙烯酸甲酯)、801111去離子水和301111乙二醇的混合溶液中；
(2)將上述兩種種溶液轉(zhuǎn)移到球磨機(jī)中分別球磨12卜后，再轉(zhuǎn)移到離心機(jī)中，35001'卹下處理2-11后過(guò)濾去除大顆粒物質(zhì)，隨后再將濾液轉(zhuǎn)移到離心機(jī)中30001'卹下離心處理1匕后過(guò)濾；
(3)將上述過(guò)濾后所得的磷酸鐵鋰、氧化錳分別分散到丙三醇、^0和去離子水組成的混合溶液中強(qiáng)力攪拌化，其中所用的丙三醇、迅^、冊(cè)和去離子水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為50-65%、15-20%、1-5%和 20-30% ；
(4)取規(guī)格為20X10111111的玻璃片作為基片，利用掩膜板遮蓋蒸發(fā)鍍膜技術(shù)在玻璃基片表面制備得到圖形化金電極，分別作為電池陰極和陽(yáng)極集流器；
(5)利用具有微型注射打印頭的30打印機(jī)在基片表面打印以氧化錳為陽(yáng)極材料、以磷酸鐵鋰陽(yáng)極材料的叉指型電極結(jié)構(gòu)，一并打印出相應(yīng)的電極引線；打印速度為2501^/8從陽(yáng)極集流器區(qū)域開(kāi)始打印，按照鍍膜后形成的叉指型圖案先打印一層陽(yáng)極氧化錳材料，然后再按照相同步驟從陰極集流區(qū)打印一層陰極磷酸鐵鋰材料；按此規(guī)律依次打印，直至打印結(jié)束，圖1為表面鍍金后的玻璃基片結(jié)構(gòu)示意圖，圖2為30打印制備的陽(yáng)極材料結(jié)構(gòu)示意圖；其中1代表玻璃基片，2代表陰極集流器，3代表陽(yáng)極集流器；
(6)將打印好叉指電極結(jié)構(gòu)置于管式爐中進(jìn)行熱處理1001，時(shí)間為3匕；
(7)利用？麗八(聚甲基丙烯酸甲酯)塑料板及？013(聚二甲基硅氧烷)密封膠沿著玻璃基片將同軸電極材料四周圍起后，轉(zhuǎn)移到手套箱內(nèi)，在氬氣保護(hù)下滴入電解液(￡(:: 020=1:
1),待完全浸潤(rùn)后再用嫩塑料板及？013密封膠將其上方蓋住并密封，即可得到陰陽(yáng)極交叉排列的鋰離子電池，圖3為30打印制備的陰陽(yáng)極材料叉指結(jié)構(gòu)示意圖，圖4為封裝后的陰陽(yáng)極叉指型鋰離子電池結(jié)構(gòu)示意圖；4代表陽(yáng)極，5代表陰極，6代表？11八塑料板。
[0018] 實(shí)施例2
(1)稱取磷酸鐵鋰超聲溶入901111去離子水和201111乙二醇中；稱取氧化錳超聲溶入第二混合溶液8 (聚甲基丙烯酸甲酯)、1001111去離子水和401111乙二醇的混合溶液中；
(2)將上述兩種種溶液轉(zhuǎn)移到球磨機(jī)中分別球磨16卜后，再轉(zhuǎn)移到離心機(jī)中，40001'即下處理3-11后過(guò)濾去除大顆粒物質(zhì)，隨后再將濾液轉(zhuǎn)移到離心機(jī)中35001'卹下離心處理2匕后過(guò)濾；
(3)將上述過(guò)濾后所得的磷酸鐵鋰、氧化錳分別分散到丙三醇、!！？匕冊(cè)和去離子水組成的混合溶液中強(qiáng)力攪拌2匕其中所用的丙三醇、即匕冊(cè)和去離子水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為50-65%、15-20%、1-5%和 20-30% ；
(4)取規(guī)格為20X10111111的玻璃片作為基片，利用掩膜板遮蓋蒸發(fā)鍍膜技術(shù)在玻璃基片表面制備得到圖形化金電極，分別作為電池陰極和陽(yáng)極集流器；
(5)利用具有微型注射打印頭的30打印機(jī)在基片表面打印以氧化錳為陽(yáng)極材料、以磷酸鐵鋰陽(yáng)極材料的叉指型電極結(jié)構(gòu)，一并打印出相應(yīng)的電極引線；打印速度為2501^/8從陽(yáng)極集流器區(qū)域開(kāi)始打印，按照鍍膜后形成的叉指型圖案先打印一層陽(yáng)極氧化錳材料，然后再按照相同步驟從陰極集流區(qū)打印一層陰極磷酸鐵鋰材料；按此規(guī)律依次打印，直至打印結(jié)束，圖2為30打印制備的陽(yáng)極材料結(jié)構(gòu)示意圖；其中1代表玻璃基片，2代表陰極集流器，3代表陽(yáng)極集流器；
(6)將打印好叉指型電極結(jié)構(gòu)置于管式爐中進(jìn)行熱處理1501，時(shí)間為2匕；
(7)利用？麗八(聚甲基丙烯酸甲酯)塑料板及？013(聚二甲基硅氧烷)密封膠沿著玻璃基片將同軸電極材料四周圍起后，轉(zhuǎn)移到手套箱內(nèi)，在氬氣保護(hù)下滴入電解液(此:020=1:1.5),待完全浸潤(rùn)后再用塑料板及？013密封膠將其上方蓋住并密封，即可得到陰陽(yáng)極交叉排列的鋰離子電池，圖3為30打印制備的陰陽(yáng)極材料叉指結(jié)構(gòu)示意圖，圖4為封裝后的陰陽(yáng)極叉指型鋰離子電池結(jié)構(gòu)示意圖；4代表陽(yáng)極，5代表陰極，6代表塑料板。
[0019]實(shí)施例3
(1)稱取知磷酸鐵鋰超聲溶入1001111去離子水和301111乙二醇中；稱取知氧化錳超聲溶入混合溶液聚甲基丙烯酸甲酯)、12001去離子水和50001乙二醇的混合溶液中；
(2)將上述兩種種溶液轉(zhuǎn)移到球磨機(jī)中分別球磨18卜后，再轉(zhuǎn)移到離心機(jī)中，40001'即下處理4-=后過(guò)濾去除大顆粒物質(zhì)，隨后再將濾液轉(zhuǎn)移到離心機(jī)中40001'卹下離心處理3匕后過(guò)濾；
(3)將上述過(guò)濾后所得的磷酸鐵鋰、氧化錳分別分散到丙三醇、!?。控皟?cè)和去離子水組成的混合溶液中強(qiáng)力攪拌3匕其中所用的丙三醇、即匕和去離子水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為50-65%、15-20%、1-5%和 20-30% ；
(4)取規(guī)格為20X10111111的玻璃片作為基片，利用掩膜板遮蓋蒸發(fā)鍍膜技術(shù)在玻璃基片表面制備得到圖形化金電極，分別作為電池陰極和陽(yáng)極集流器；
(5)利用具有微型注射打印頭的30打印機(jī)在基片表面打印以氧化錳為陽(yáng)極材料、以磷酸鐵鋰陽(yáng)極材料的叉指型電極結(jié)構(gòu)，一并打印出相應(yīng)的電極引線；打印速度為2501^/8從陽(yáng)極集流器區(qū)域開(kāi)始打印，按照鍍膜后形成的叉指型圖案先打印一層陽(yáng)極氧化錳材料，然后再按照相同步驟從陰極集流區(qū)打印一層陰極磷酸鐵鋰材料；按此規(guī)律依次打印，直至打印結(jié)束，圖2為30打印制備的陽(yáng)極材料結(jié)構(gòu)示意圖；其中1代表玻璃基片，2代表陰極集流器，3代表陽(yáng)極集流器。
[0020](6)將打印好叉指型電極結(jié)構(gòu)置于管式爐中進(jìn)行熱處理3001，時(shí)間為1匕；
(7)利用？麗八(聚甲基丙烯酸甲酯)塑料板及？013(聚二甲基硅氧烷)密封膠沿著玻璃基片將同軸電極材料四周圍起后，轉(zhuǎn)移到手套箱內(nèi)，在氬氣保護(hù)下滴入電解液(此:020=2:
1),待完全浸潤(rùn)后再用嫩塑料板及？013密封膠將其上方蓋住并密封，即可得到陰陽(yáng)極交叉排列的鋰離子電池，圖3為30打印制備的陰陽(yáng)極材料叉指結(jié)構(gòu)示意圖，圖4為封裝后的陰陽(yáng)極叉指型鋰離子電池結(jié)構(gòu)示意圖；4代表陽(yáng)極，5代表陰極，6代表塑料板。
[0021]以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，凡依本發(fā)明申請(qǐng)專利范圍所做的均等變化與修飾，皆應(yīng)屬本發(fā)明的涵蓋范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種基于3D打印技術(shù)制備鋰離子電池多孔電極的方法，其特征在于:利用3D打印技術(shù)，制備出以多孔磷酸鐵鋰為陰極材料、以多孔氧化錳為陽(yáng)極材料的叉指型多孔電極結(jié)構(gòu)，最后再通過(guò)封裝制備出叉指型多孔電極鋰離子電池。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于3D打印技術(shù)制備鋰離子電池多孔電極的方法，其特征在于:所述的制備方法包括以下步驟: (1)稱取l_5g磷酸鐵鋰超聲溶入80-100ml去離子水和10_30ml乙二醇中；稱取l_5g氧化錳超聲溶入第一混合溶液中； (2)將上述兩種種溶液分別球磨12-18h后，轉(zhuǎn)移到離心機(jī)中，3500-4500rmp下處理l-5min后過(guò)濾去除大顆粒物質(zhì)，隨后再將濾液轉(zhuǎn)移到離心機(jī)中3000-4000rmp下離心處理l-3h后過(guò)濾； (3)將上述過(guò)濾后所得的兩種物質(zhì)分別分散到第二混合溶液中，強(qiáng)力攪拌l_3h； (4)取規(guī)格為20X1mm的玻璃片作為基片，利用掩膜板遮蓋蒸發(fā)鍍膜技術(shù)在玻璃基片表面制備得到圖形化金電極，分別作為電池陰極和陽(yáng)極集流器； (5)利用具有微型注射打印頭的3D打印機(jī)在基片表面打印以氧化錳為陽(yáng)極材料、以磷酸鐵鋰陽(yáng)極材料的叉指型電極結(jié)構(gòu)，一并打印出相應(yīng)的電極引線； (6)將打印好叉指型電極結(jié)構(gòu)置于管式爐中進(jìn)行熱處理； (7)利用聚甲基丙烯酸甲酯塑料板及聚二甲基硅氧烷密封膠沿著玻璃基片將同軸電極材料四周圍起后，轉(zhuǎn)移到手套箱內(nèi)，在氬氣保護(hù)下滴入電解液，待完全浸潤(rùn)后再用聚甲基丙烯酸甲酯塑料板及聚二甲基硅氧烷密封膠將其上方蓋住并密封，即可得到陰陽(yáng)極交叉排列的鋰離子電池。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于3D打印技術(shù)制備鋰離子電池多孔電極的方法，其特征在于:所述的第一混合溶液為l_3g聚甲基丙烯酸甲酯、80-120ml去離子水和30_50ml乙二醇的混合溶液。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于3D打印技術(shù)制備鋰離子電池多孔電極的方法，其特征在于:所述的第二混合溶液為丙三醇、羥丙基纖維素、羥乙基纖維素和去離子水，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為 50-65%、15-20%、1-5% 和 20-30%。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于3D打印技術(shù)制備鋰離子電池多孔電極的方法，其特征在于:所述的電池陰極和陽(yáng)極集流器，其位置位于玻璃基片兩端，其長(zhǎng)度為l_2mm，寬度為 10mnin
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于3D打印技術(shù)制備鋰離子電池多孔電極的方法，其特征在于:利用具有微型注射打印頭的3D打印機(jī)在基片表面打印以氧化錳為陽(yáng)極材料、以磷酸鐵鋰陽(yáng)極材料的叉指型電極結(jié)構(gòu)，一并打印出相應(yīng)的電極引線，打印速度為250um/s，其中打印電極材料和電極引線的具體步驟為:從陽(yáng)極集流器區(qū)域開(kāi)始打印，按照鍍膜后形成的叉指型圖案先打印一層陽(yáng)極氧化錳材料，然后再按照相同步驟從陰極集流區(qū)打印一層陰極磷酸鐵鋰材料；按此規(guī)律依次打印，直至打印結(jié)束。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于3D打印技術(shù)制備鋰離子電池多孔電極的方法，其特征在于:所述的熱處理溫度為100-200°C，時(shí)間為l_3h。
【文檔編號(hào)】H01M4/58GK104409727SQ201410237596
【公開(kāi)日】2015年3月11日 申請(qǐng)日期:2014年5月31日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月31日
【發(fā)明者】楊尊先, 郭太良, 嚴(yán)文煥, 胡海龍, 徐勝, 呂軍 申請(qǐng)人:福州大學(xué)