[發(fā)明專利]一種應(yīng)用于鋰電池3D打印的材料制備方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201410237586.3
• 申請(qǐng)日: 2014-05-31
• 公開（公告）號(hào): CN104409773B
• 公開（公告）日: 2017-01-25
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 楊尊先;郭太良;嚴(yán)文煥;胡海龍;徐勝;呂軍
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 福州大學(xué)
• 主分類號(hào): H01M10/058
• 分類號(hào): H01M10/058
• 代理公司: 福州元?jiǎng)?chuàng)專利商標(biāo)代理有限公司35100
• 代理人: 蔡學(xué)俊

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種應(yīng)用于鋰電池3D打印的材料制備方法，屬于納米儲(chǔ)能材料領(lǐng)域。

背景技術(shù)

隨著傳統(tǒng)能源的日益枯竭，鋰離子二次電池作為新能源代表從而受到了廣泛的關(guān)注。同時(shí)鋰離子電池作為移動(dòng)通訊設(shè)備與便攜電子設(shè)備的主要電源，由于其具有輸出電壓較高、無(wú)記憶性、高能量密度等優(yōu)勢(shì)而成為國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。然而傳統(tǒng)基于平面電極的鋰離子電池普遍存在比表面積不高、儲(chǔ)能密度有限、電極極化嚴(yán)重等問(wèn)題。

近年來(lái)隨著納米技術(shù)和3D打印技術(shù)的興起，納米技術(shù)和3D打印技術(shù)已經(jīng)拓展到軍事、電子、醫(yī)學(xué)、生物、新能源等領(lǐng)域，尤其是新型3D打印集成鋰離子電池的出現(xiàn)，有效實(shí)現(xiàn)了鋰離子電池陰陽(yáng)極及其封裝系統(tǒng)的有效集成，徹底改變了傳統(tǒng)平面電極型鋰離子電池結(jié)構(gòu)，這將大大提高了電池電極材料中活性物質(zhì)的比例，縮短了鋰離子充放電過(guò)程中的遷移距離，從而大大提高了鋰離子擴(kuò)散速率和遷移率。

然而，現(xiàn)有基于3D打印技術(shù)所制備的鋰離子電池一般采用不需要隔膜的陰陽(yáng)極叉指結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)雖然易于實(shí)現(xiàn)3D打印，但由于鋰離子電池電極材料在鋰存儲(chǔ)過(guò)程中體積變化顯著和應(yīng)力較大，這種叉指結(jié)構(gòu)電極在其充放電過(guò)程中易于變形甚至坍塌，造成陰陽(yáng)極短路、斷路或者形成電死塊，最終造成循環(huán)性能變差、鋰存儲(chǔ)容量衰減快等。因此，探索其他結(jié)構(gòu)3D打印鋰離子電池是解決這一問(wèn)題的關(guān)鍵，然而基于3D打印技術(shù)的其它結(jié)構(gòu)鋰離子電池，目前仍存在正負(fù)極材料漿料、隔膜漿料獲取困難并存在工藝兼容性問(wèn)題。

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發(fā)明內(nèi)容

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足和缺陷，本發(fā)明提出了一種應(yīng)用于鋰電池3D打印的材料制備方法。該方法首先制備出打印鋰電池正負(fù)電極漿料，再制取隔膜漿料，隨后利用3D打印技術(shù)制備出以磷酸鐵鋰為陰極材料，以聚酰亞胺為隔膜、以鈦酸鋰為陽(yáng)極材料的正極、隔膜及負(fù)極依次交疊的圓環(huán)形鋰離子電池。本發(fā)明提出一種應(yīng)用于鋰電池3D打印的材料制備方法，具有制備方法新穎，工藝簡(jiǎn)單，精確可控，所制備的材料具有特殊陰極、隔膜及陽(yáng)極依次交疊分布結(jié)構(gòu)、大的比表面積，具有較高的離子及電子電導(dǎo)率，在高性能鋰離子電池領(lǐng)域有巨大的應(yīng)用潛力。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

一種應(yīng)用于鋰電池3D打印的材料制備方法，其特征在于：首先制備出打印鋰電池正負(fù)電極漿料，再制取隔膜漿料，隨后利用3D打印技術(shù)制備出以磷酸鐵鋰為陰極材料，以聚酰亞胺為隔膜、以鈦酸鋰為陽(yáng)極材料的正極、隔膜及負(fù)極依次交疊的圓環(huán)形鋰離子電池。

其中，所述的正極、負(fù)極、隔膜漿料分別按照如下制備工藝進(jìn)行:

（1）取重量比為57%的高濃縮的鈦酸鋰4-5g分散在140-160ml的去離子水和9-14g的十二烷基硫酸鈉中形成第一混合溶液；另取60%的磷酸鐵鋰2-4g分散于110-130毫升去離子水和9-14g的十二烷基硫酸鈉中形成第二混合溶液；

（2）所獲得的第一混合溶液和第二混合溶液分別室溫下浸漬40-50小時(shí)，并在4000rpm下離心2-3小時(shí)，收集顆?？刂圃谥睆綖?70-190nm，獲得的固體分別被再次分散到甘油、羧甲基淀粉鈉、聚乙烯基吡咯烷酮均聚物和羧甲基纖維素鈉所形成的第三混合溶液中，并超聲2-3h，從而分別得到第一漿料和第二漿料，其中第三混合溶液中甘油、的羧甲基淀粉鈉、聚乙烯基吡咯烷酮均聚物和羧甲基纖維素鈉中各成分質(zhì)量百分比分別為10-13%、4-8%、3-5%和3-5%。

（3）所獲得的第一漿料，即鈦酸鋰漿料的成分為20-29%甘油，20-30%十二烷基硫酸鈉，7-11％羧甲基淀粉鈉，3-5%聚乙烯基吡咯烷酮均聚物，2-3％的羧甲基纖維素鈉和去離子水，作為鋰電池負(fù)極漿料；所獲得第二漿料即磷酸鐵鋰漿料的成分為20-30％甘油，20-30％十二烷基硫酸鈉，7-9％羧甲基淀粉鈉，2-3％羧甲基纖維素鈉，3-5%聚乙烯基吡咯烷酮均聚物和去離子水，作為鋰電池正極漿料；

（4）隨后，第一漿料和第二漿料分別在室溫下?lián)]發(fā)溶劑直至漿料中固體質(zhì)量比為55-65％時(shí)為宜，最終制備得到用以3D鋰電池打印的正負(fù)極漿料；