[发明专利]一种应用于锂电池3D打印的材料制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种应用于锂电池3D打印的材料制备方法，属于纳米储能材料领域。

背景技术

随着传统能源的日益枯竭，锂离子二次电池作为新能源代表从而受到了广泛的关注。同时锂离子电池作为移动通讯设备与便携电子设备的主要电源，由于其具有输出电压较高、无记忆性、高能量密度等优势而成为国内外研究的热点。然而传统基于平面电极的锂离子电池普遍存在比表面积不高、储能密度有限、电极极化严重等问题。

近年来随着纳米技术和3D打印技术的兴起，纳米技术和3D打印技术已经拓展到军事、电子、医学、生物、新能源等领域，尤其是新型3D打印集成锂离子电池的出现，有效实现了锂离子电池阴阳极及其封装系统的有效集成，彻底改变了传统平面电极型锂离子电池结构，这将大大提高了电池电极材料中活性物质的比例，缩短了锂离子充放电过程中的迁移距离，从而大大提高了锂离子扩散速率和迁移率。

然而，现有基于3D打印技术所制备的锂离子电池一般采用不需要隔膜的阴阳极叉指结构，这种结构虽然易于实现3D打印，但由于锂离子电池电极材料在锂存储过程中体积变化显著和应力较大，这种叉指结构电极在其充放电过程中易于变形甚至坍塌，造成阴阳极短路、断路或者形成电死块，最终造成循环性能变差、锂存储容量衰减快等。因此，探索其他结构3D打印锂离子电池是解决这一问题的关键，然而基于3D打印技术的其它结构锂离子电池，目前仍存在正负极材料浆料、隔膜浆料获取困难并存在工艺兼容性问题。

 

发明内容

针对现有技术的不足和缺陷，本发明提出了一种应用于锂电池3D打印的材料制备方法。该方法首先制备出打印锂电池正负电极浆料，再制取隔膜浆料，随后利用3D打印技术制备出以磷酸铁锂为阴极材料，以聚酰亚胺为隔膜、以钛酸锂为阳极材料的正极、隔膜及负极依次交叠的圆环形锂离子电池。本发明提出一种应用于锂电池3D打印的材料制备方法，具有制备方法新颖，工艺简单，精确可控，所制备的材料具有特殊阴极、隔膜及阳极依次交叠分布结构、大的比表面积，具有较高的离子及电子电导率，在高性能锂离子电池领域有巨大的应用潜力。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种应用于锂电池3D打印的材料制备方法，其特征在于：首先制备出打印锂电池正负电极浆料，再制取隔膜浆料，随后利用3D打印技术制备出以磷酸铁锂为阴极材料，以聚酰亚胺为隔膜、以钛酸锂为阳极材料的正极、隔膜及负极依次交叠的圆环形锂离子电池。

其中，所述的正极、负极、隔膜浆料分别按照如下制备工艺进行:

（1）取重量比为57%的高浓缩的钛酸锂4-5g分散在140-160ml的去离子水和9-14g的十二烷基硫酸钠中形成第一混合溶液；另取60%的磷酸铁锂2-4g分散于110-130毫升去离子水和9-14g的十二烷基硫酸钠中形成第二混合溶液；

（2）所获得的第一混合溶液和第二混合溶液分别室温下浸渍40-50小时，并在4000rpm下离心2-3小时，收集颗粒控制在直径为170-190nm，获得的固体分别被再次分散到甘油、羧甲基淀粉钠、聚乙烯基吡咯烷酮均聚物和羧甲基纤维素钠所形成的第三混合溶液中，并超声2-3h，从而分别得到第一浆料和第二浆料，其中第三混合溶液中甘油、的羧甲基淀粉钠、聚乙烯基吡咯烷酮均聚物和羧甲基纤维素钠中各成分质量百分比分别为10-13%、4-8%、3-5%和3-5%。

（3）所获得的第一浆料，即钛酸锂浆料的成分为20-29%甘油，20-30%十二烷基硫酸钠，7-11％羧甲基淀粉钠，3-5%聚乙烯基吡咯烷酮均聚物，2-3％的羧甲基纤维素钠和去离子水，作为锂电池负极浆料；所获得第二浆料即磷酸铁锂浆料的成分为20-30％甘油，20-30％十二烷基硫酸钠，7-9％羧甲基淀粉钠，2-3％羧甲基纤维素钠，3-5%聚乙烯基吡咯烷酮均聚物和去离子水，作为锂电池正极浆料；

（4）随后，第一浆料和第二浆料分别在室温下挥发溶剂直至浆料中固体质量比为55-65％时为宜，最终制备得到用以3D锂电池打印的正负极浆料；