一種疊層鋰離子電池電極結(jié)構(gòu)及其噴墨打印制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
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[0001]本發(fā)明涉及電化學(xué)儲(chǔ)能器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及噴墨打印工藝技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種疊層鋰離子電池電極結(jié)構(gòu)及其噴墨打印制備方法。
【背景技術(shù)】
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[0002]鈦酸鋰電極材料Li4Ti5012(LT0)具有尖晶石結(jié)構(gòu)，具有循環(huán)穩(wěn)定性好、使用壽命長(zhǎng)及安全性能好等優(yōu)點(diǎn)，是一種非常理想的鋰離子快速嵌入式材料。LT0理論容量為175mAh/g，實(shí)際循環(huán)容量為150-160mAh/g,反應(yīng)的充放電平臺(tái)十分平坦，使其成為新一代鋰離子電池的優(yōu)秀材料。但由于其自身導(dǎo)電率極低，限制了其應(yīng)用。因此，在鈦酸鋰電極材料制備過(guò)程中，將導(dǎo)電性能優(yōu)異的導(dǎo)電碳黑等材料作為助劑添加進(jìn)去，或通過(guò)納米碳包覆對(duì)鈦酸鋰進(jìn)行改性，以此增強(qiáng)其導(dǎo)電性能。
[0003]噴墨打印制造方法是一種“非接觸加成”工藝，能夠方便的實(shí)現(xiàn)電子器件高分辨率的圖案化，而且，具有良好的剛性、柔性集流體適應(yīng)性。
[0004]然而，噴墨打印工藝所采用的噴墨打印頭，噴孔孔徑通常在20 μ m左右，所需噴印油墨顆粒粒徑在lOOnm以下，黏度在15cps左右才能具有良好的可噴印性。對(duì)于鈦酸鋰油墨而目，直接在油墨中添加導(dǎo)電碳黑或表面包覆納米碳，容易造成油墨黏度偏聞或顆粒粒徑偏大，從而造成噴印不暢或堵塞噴孔。

【發(fā)明內(nèi)容】

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[0005]本發(fā)明的目的在于提供一種疊層鋰離子電池電極結(jié)構(gòu)及其噴墨打印制備方法，通過(guò)采用疊層鋰離子電池電極結(jié)構(gòu)，將電極材料與導(dǎo)電材料分離開(kāi)，采用多噴頭的噴印工藝分別進(jìn)行打印，降低了電極油墨制備過(guò)程中的復(fù)雜性，解決了油墨顆粒粒徑偏大造成的噴頭堵塞問(wèn)題。
[0006]本發(fā)明的技術(shù)方案是:
[0007]一種疊層鋰離子電池電極結(jié)構(gòu)，該電極結(jié)構(gòu)是由若干層堆疊而成，其堆疊方式為兩種；第一種堆疊方式為:同一層采用相同材料，在高度方向上由電池活性材料層和導(dǎo)電材料層交替堆疊而成；第二種堆疊方式為:同一層采用不同材料，每一層由電池活性材料形成的若干圓臺(tái)與導(dǎo)電材料形成的若干圓臺(tái)在X向和Y向都呈交替排布方式，同時(shí)，在高度方向上，由電池活性材料形成的若干圓臺(tái)與導(dǎo)電材料形成的若干圓臺(tái)為交替堆疊排列方式；所述電極結(jié)構(gòu)構(gòu)建于集流體之上。
[0008]所述電池活性材料為鈦酸鋰、磷酸亞鐵鋰或鈷酸鋰，所述導(dǎo)電材料為乙炔黑、導(dǎo)電炭黑、超級(jí)導(dǎo)電炭黑、石墨烯、碳納米管和碳纖維中的一種或幾種。所述電極結(jié)構(gòu)中，每層厚度控制在0.5?1微米。該電極結(jié)構(gòu)構(gòu)建于集流體之上，集流體為金屬箔、金屬網(wǎng)、鍍金屬紙、鍍金屬樹(shù)脂膠片、石墨烯涂層金屬箔或石墨烯紙。
[0009]采用噴墨打印工藝制備上述疊層鋰離子電池電極結(jié)構(gòu)，該工藝?yán)枚鄧婎^的噴墨打印設(shè)備，將電池活性材料與導(dǎo)電材料分別進(jìn)行打印，制得所需疊層鋰離子電池電極結(jié)構(gòu)，具體包括如下步驟:
[0010](1)將含有電池活性材料的納米油墨裝入噴頭A，將含有導(dǎo)電材料的納米油墨裝入噴頭B，噴頭A和噴頭B距離集流體高度1_。
[0011](2)噴墨打印疊層結(jié)構(gòu):噴頭運(yùn)動(dòng)方向分為掃描方向X和步進(jìn)方向Y ;在掃描方向X，噴頭A或B按照所需分辨率進(jìn)行噴印(分辨率設(shè)置為360、720或1440DPI);在步進(jìn)方向Y，噴頭A或B步進(jìn)所需距離，從而實(shí)現(xiàn)步進(jìn)方向分辨率(360、720或1440DPI)，步進(jìn)方向不進(jìn)行噴印操作。
[0012](3)步驟⑵疊層結(jié)構(gòu)打印完畢后，將其置入固化溫度120°C?200°C的固化箱，完成最終的固化操作，獲得疊層鋰離子電池電極結(jié)構(gòu)。
[0013]上述噴墨打印過(guò)程中，所述集流體下方設(shè)置固化臺(tái)，固化溫度120°C?200°C，用于在噴墨打印過(guò)程對(duì)集流體上噴印的油墨行加熱固化(將油墨中的有機(jī)溶劑蒸發(fā))。
[0014]上述噴墨打印過(guò)程中，墨滴平均直徑LR為40?60微米，墨滴間距Ld = DPI/25.4毫米，DPI為噴印分辨率，通常為360、720或1440DPI。
[0015]上述步驟(1)中，所述含有電池活性材料的納米油墨或含有導(dǎo)電材料的納米油墨制備過(guò)程如下:
[0016](a)稱(chēng)取平均粒徑1?5微米的電池活性材料粉末(或?qū)щ姴牧戏勰?，將分散劑、粘結(jié)劑和有機(jī)溶劑加入其中，混合并攪拌均勻得混合物料，其中:粘結(jié)劑和有機(jī)溶劑的體積比為1:5，電池活性材料粉末(或?qū)щ姴牧戏勰?和分散劑的質(zhì)量比為(20?50): 1，物料的固液比為1:6 ;
[0017](b)將制備的混合物料裝入球磨容器，球磨容器為尼龍材料制作，用氧化鋯球?yàn)榻橘|(zhì)，介質(zhì)與混合物料的重量比是(4?6):1，400rpm球磨12?24小時(shí)，得到分散均勻的混合漿料；
[0018](c)將步驟(b)制備的混合衆(zhòng)料放入離心設(shè)備中，3000rpm離心5分鐘，去除離心管底部的大顆粒沉淀物后，獲取所述離心管中均勻分散的混合漿料，即噴墨打印工藝所用鈦酸鋰納米油墨。
[0019]所述分散劑為聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、羥丙基纖維素(HPC)、和羥乙基纖維素(HEC)的一種或一種以上幾種。
[0020]所述有機(jī)溶劑為乙醇、乙酸正丁酯、和丙酮中的一種或一種以上幾種。
[0021]所述粘結(jié)劑為乙二醇。
[0022]所述氧化鋯球的直徑為4?6_，所述球磨容器直徑為10cm。
[0023]所制備的電池活性材料的納米油墨或含有導(dǎo)電材料的納米油墨平均粒徑小于500nm，黏度10?20cps，電池活性材料或?qū)щ姴牧系臐舛?0?15wt.%。
[0024]本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn):
[0025]1、對(duì)于鈦酸鋰等電池電極材料而言，其導(dǎo)電性較弱，因此需要在材料制備過(guò)程中添加導(dǎo)電碳黑或表面包覆納米碳材料，以提高其導(dǎo)電性。然而，直接在材料中添加導(dǎo)電碳黑或表面包覆納米碳，容易導(dǎo)致油墨黏度偏高或顆粒粒徑偏大，從而造成噴印不暢或堵塞噴孔。本發(fā)明采用疊層鋰離子電池電極結(jié)構(gòu)，將電極材料與導(dǎo)電材料分離開(kāi)，采用多噴頭的噴印工藝分別進(jìn)行打印，降低了電極油墨制備過(guò)程中的復(fù)雜性，同時(shí)解決了油墨顆粒粒徑偏大造成的噴頭堵塞問(wèn)題。
[0026]2、噴墨打印工藝能夠支持多噴頭多材料的一體化制造，本發(fā)明方法通過(guò)精確控制液滴尺寸從而實(shí)現(xiàn)膜層厚度、形狀的精確控制，由于其按需噴印的特點(diǎn)，因此具有低成本及節(jié)能減排的特點(diǎn)，由于簡(jiǎn)化了材料的制備復(fù)雜性，便于低成本制備所需油墨，為工業(yè)化生產(chǎn)提供條件。
【附圖說(shuō)明】
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[0027]圖1是本發(fā)明的疊層鋰離子電池電極結(jié)構(gòu)宏觀示意圖(同一層采用相同材料)。
[0028]圖2是采用圖1堆疊方式的鋰離子電池電極導(dǎo)電材料層正視圖(微觀示意圖)。
[0029]圖3是采用圖1堆疊方式的鋰離子電池電極電池活性材料層正視圖(微觀示意圖)。
[0030]圖4是采用圖1堆疊方式的鋰離子電池結(jié)構(gòu)側(cè)視圖(微觀示意圖)。
[0031]圖5是疊層鋰離子電池電極結(jié)構(gòu)正視圖(微觀，同一層采用不同材料)。
[0032]圖6是疊層鋰離子電池電極結(jié)構(gòu)側(cè)視圖(微觀，同一層采用不同材料)。
[0033]圖7是實(shí)施例1噴印工藝示意圖。
[0034]圖8是實(shí)施例2噴印工藝示意圖。
【具體實(shí)施方式】
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[0035]以下結(jié)合附圖及實(shí)施例詳述本發(fā)明。
[0036]本發(fā)明疊層鋰離子電池電極結(jié)構(gòu)由若干層堆疊而成，其堆疊方式為兩種；第一種堆疊方式如圖1:同一層采用相同材料(圖2-3)，在高度方向上由電池活性材料層和導(dǎo)電材料層交替堆疊而成(圖4)。第二種堆疊方式為:同一層采用不同材料，每一層由電池活性材料形成的若干圓臺(tái)與導(dǎo)電材料形成的若干圓臺(tái)在X向(即噴墨打印工藝中掃描方向X)