一種柔性電池的3D打印方法技術

本發明專利技術公開了一種柔性電池的3D打印方法，它主要包括三維建模，然后依序打印柔性電池的基體、集流體、正/負極以及擋板，并用基蓋進行封裝，注入電解液即得。本發明專利技術對傳統的交叉指型電極的結構進行了改進，使得其能夠適用于柔性電池，使用過程中不會坍塌變形，多次彎折后仍能保持優異的電化學性能。

【技術實現步驟摘要】
一種柔性電池的3D打印方法
本專利技術屬于新能源
，尤其涉及一種柔性電池的3D打印方法。
技術介紹
3D打印(3Dprinting)技術又稱三維打印技術，是一種以數字模型文件為基礎，運用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構造物體的技術。它無需機械加工或任何模具，就能直接從計算機圖形數據中生成任何形狀的零件，從而極大地縮短產品的研制周期，提高生產率和降低生產成本。隨著3D打印技術的日益完善，3D打印技術已廣泛應用于軍事、電子、醫學、生物、新能源等領域，尤其是新型3D打印集成鋰離子電池的出現，有效實現了鋰離子電池陰陽極及其封裝系統的有效集成，大大提高了電池電極材料中活性物質的比例，縮短了鋰離子電池充放電過程中的遷移距離，提高了鋰離子的擴散速率和遷移率。然而，現有的3D打印技術所制備的鋰離子電池一般為不需要隔膜的陰陽極叉指結構，這種結構易于打印，但鋰離子電池電極材料在鋰存儲過程中體積變化顯著且應力較大，在充放電過程中電極易變形甚至坍塌。如果將這種陰陽極叉指結構應用于柔性電池，經過多次彎折變形后復原，電極的損壞速度更快。因此，基于3D打印技術對上述結構進行改進，是解決這一問題的關鍵。
技術實現思路
本專利技術旨在解決現有的叉指型電極充放電過程中結構易坍塌、不適用于柔性電池等缺點，提供一種柔性電池的3D打印方法。該方法對傳統的叉指型電極的結構進行了改進，使其能夠用于柔性電池，在充放電過程中結構完整，經過多次彎折復原，結構依然完整、牢固。此外，其還增大了柔性電池中電極材料活性物質的比例，提高了柔性電池的電化學性能。為了達到上述目的，本專利技術采用了如下技術方案：一種柔性電池的3D打印方法，主要包括如下步驟：(1)利用三維軟件建模，設計柔性電池基體及基蓋的結構、集流體的形狀和位置、正/負極漿料的形狀和位置、擋板的形狀和位置；(2)根據三維模型打印柔性電池基體及基蓋，其中，基體和基蓋內部設計有相互嚙合的三角形齒形面；(3)將導電材料打印到基體的齒形面，形成交叉指型集流體，其中交叉指型集流體的根部與所述三角形的頂部棱線相垂直，所述交叉指型集流體的指部位于所述三角形的兩腰并與所述三角形的頂部棱線相平行；(4)將正/負極漿料打印到正/負極集流體上，形成柔性電池的正/負極；(5)在正/負極之間打印擋板，所述擋板的頂部距離三角形腰面的距離大于等于所述正/負極集流體與所述正/負極厚度之和；(6)將集體和基蓋封裝在一起，其三角形齒形區相互吻合，其內部空隙構成電解液的存儲空間。作為本專利技術改進的技術方案，所述擋板的平面內分布有多個孔。作為本專利技術改進的技術方案，所述正/負極活性物質中的其中一種物質呈“U”型打印在正極或負極集流體上，另一種物質呈“T”型打印在負極或正極集流體上。作為本專利技術改進的技術方案，所述三角形兩腰面之間的連接處為與兩腰面相切的弧面，正/負極位于三角形的腰面內并避開所述弧面。進一步地，所述腰面與腰面之間的夾角為30～75°，所述腰面的長度與所述弧面的半徑之比為30：1～10：1。優選地，所述腰面與腰面之間的夾角為40～60°，所述腰面的長度與所述弧面的半徑之比為20：1～15：1。作為本專利技術改進的技術方案，所述三角形的底邊位于所述基體的中分面上。作為本專利技術改進的技術方案，所述基體、基蓋、擋板的打印工藝為：將1～8％wt氟硼酸重氮鹽溶于10～20％wt丙烯酸辛酯中，加入0.01～1％wt二氧化鈦納米粉超聲分散均勻，然后再加入10～25％wt含氫硅油、15～30％wt丙烯酸酯、15～60％wt聚氨酯丙烯酸樹脂、0.1～2％wt二丙酮醇、0.1～2％wt辛醇混合在一起，形成混合漿料；高速攪拌、超聲分散混合漿料并重復操作多次，使混合漿料中的每種物質分散均勻，得到光固化3D打印漿料；將所述光固化3D打印漿料注入3D打印機中，調整固化光源的波長為300～400nm，每層打印厚度為100～2000μm,曝光時間為2～10s。進一步地，所述基體、基蓋、擋板的打印工藝為：將2～6％wt氟硼酸重氮鹽溶于12～18％wt丙烯酸辛酯中，加入0.1～0.5％wt二氧化鈦納米粉超聲分散均勻，然后再加入15～22％wt含氫硅油、20～28％wt丙烯酸酯、24～48％wt聚氨酯丙烯酸樹脂、0.5～1.5％wt二丙酮醇、0.5～1.5％wt辛醇混合在一起，形成混合漿料；高速攪拌、超聲分散混合漿料并重復操作多次，使混合漿料中的每種物質分散均勻，得到光固化3D打印漿料；將所述光固化3D打印漿料注入3D打印機中，調整固化光源的波長為350～400nm，每層打印厚度為500～1000μm,曝光時間為4～8s。優選地，所述基體、基蓋、擋板的打印工藝為：將4％wt氟硼酸重氮鹽溶于15％wt丙烯酸辛酯中，加入0.3％wt二氧化鈦納米粉超聲分散均勻，然后再加入20％wt含氫硅油、25％wt丙烯酸酯、33.7％wt聚氨酯丙烯酸樹脂、1％wt二丙酮醇、1％wt辛醇混合在一起，形成混合漿料；高速攪拌、超聲分散混合漿料并重復操作多次，使混合漿料中的每種物質分散均勻，得到光固化3D打印漿料；將所述光固化3D打印漿料注入3D打印機中，調整固化光源的波長為365nm，每層打印厚度為500μm,曝光時間為5s。有益效果：本專利技術對傳統的叉指型電極結構進行了改進，使電池的正/負極位于三角形斜坡腰面上，一方面可以可以增大正/負極活性物質的量，提高柔性電池的電化學性能，另一方面，柔性電池在受到彎曲應力時，三角形的兩腰面連接處將受到極大的擠壓作用力，但三角形的腰面不會受到彎曲應力的影響，即正/負極活性物質不會受到柔性電池彎曲變形的影響。此外，在正/負極之間還打印上擋板，有效地將正/負極限定在擋板構成的凹槽內并給予正/負極活性物質支撐作用力，防止了正/負極活性物質在充放電過程中發生坍塌變形，正/負極物質串聯而導致柔性電池短路。本專利技術還提供了基體、基蓋、擋板的打印工藝，工序簡單，制得的基體、基蓋、擋板的柔性和韌性滿足柔性電池的需要，經過多次彎折、充放電等操作后不斷裂、不變脆。附圖說明圖1為本專利技術的基體和基蓋的結構示意圖；圖2為其中一個三角形表面的電極結構分布圖；圖3為三角形齒形面的結構示意圖；圖4為基體和基蓋封裝后的結構示意圖。具體實施方式為了使本領域的技術人員更清楚明了地理解本專利技術，現結合附圖及具體實施方式，對本專利技術進行詳細說明。本專利技術的柔性電池的3D打印方法，主要包括如下步驟：(1)利用三維軟件建模，設計柔性電池基體1及基蓋2的結構、集流體(4，4’)的形狀和位置、正/負極(7，7’)漿料的形狀和位置、擋板8的形狀和位置；(2)根據三維模型打印柔性電池基體1及基蓋2，其中，基體1和基蓋2內部設計有相互嚙合的三角形齒形面，如圖1所示；(3)將導電材料打印到基體1的齒形面，形成交叉指型集流體(4，4’)，其中交叉指型集流體(4，4’)的根部與所述三角形的頂部棱線相垂直，所述交叉指型集流體(4，4’)的指部位于所述三角形的兩腰并與所述三角形的頂部棱線相平行(如圖1的放大區3)；(4)將正/負極(7，7’)漿料打印到正/負極集流體(4，4’)上，形成柔性電池的正/負極(7，7’)，優選地，所述正/負極(7，7’)活性物質中的其中一種物質呈“U”型打印在正極或負極集流體(4，4’)上本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種柔性電池的3D打印方法，主要包括如下步驟：(1)利用三維軟件建模，設計柔性電池基體及基蓋的結構、集流體的形狀和位置、正/負極漿料的形狀和位置、擋板的形狀和位置；(2)根據三維模型打印柔性電池基體及基蓋，其中，基體和基蓋內部設計有相互嚙合的三角形齒形面；(3)將導電材料打印到基體的齒形面，形成交叉指型集流體，其中交叉指型集流體的根部與所述三角形的頂部棱線相垂直，所述交叉指型集流體的指部位于所述三角形的兩腰并與所述三角形的頂部棱線相平行；(4)將正/負極漿料打印到正/負極集流體上，形成柔性電池的正/負極；(5)在正/負極之間打印擋板，所述擋板的頂部距離三角形腰面的距離大于等于所述正/負極集流體與所述正/負極厚度之和；(6)將集體和基蓋封裝在一起，其三角形齒形區相互吻合，其內部空隙構成電解液的存儲空間。

【技術特征摘要】
1.一種柔性電池的3D打印方法，主要包括如下步驟：(1)利用三維軟件建模，設計柔性電池基體及基蓋的結構、集流體的形狀和位置、正/負極漿料的形狀和位置、擋板的形狀和位置；(2)根據三維模型打印柔性電池基體及基蓋，其中，基體和基蓋內部設計有相互嚙合的三角形齒形面；(3)將導電材料打印到基體的齒形面，形成交叉指型集流體，其中交叉指型集流體的根部與所述三角形的頂部棱線相垂直，所述交叉指型集流體的指部位于所述三角形的兩腰并與所述三角形的頂部棱線相平行；(4)將正/負極漿料打印到正/負極集流體上，形成柔性電池的正/負極；(5)在正/負極之間打印擋板，所述擋板的頂部距離三角形腰面的距離大于等于所述正/負極集流體與所述正/負極厚度之和；(6)將集體和基蓋封裝在一起，其三角形齒形區相互吻合，其內部空隙構成電解液的存儲空間。2.根據權利要求1所述的柔性電池的3D打印方法，其特征在于：所述擋板的平面分布有多個孔。3.根據權利要求1所述的柔性電池的3D打印方法，其特征在于：所述正/負極活性物質中的其中一種物質呈“U”型打印在正極或負極集流體上，另一種物質呈“T”型打印在負極或正極集流體上。4.根據權利要求1所述的柔性電池的3D打印方法，其特征在于：所述三角形兩腰面之間的連接處為與兩腰面相切的弧面，正/負極位于三角形的腰面內并避開所述弧面。5.根據權利要求1所述的柔性電池的3D打印方法，其特征在于：所述腰面與腰面之間的夾角為30～75°，所述腰面的長度與所述弧面的半徑之比為30：1～10：1。6.根據權利要求5所述的柔性電池的3D打印方法，其特征在于：所述腰面與腰面之間的夾角為40～60°，所述腰面的長度與所述弧面的半徑之比為20：1～15：1。7.根據權利要求1所述的柔性電池的3D打印方法，其特征在于：所述三角形的底邊位于所述基體的中分面上。8.根據權利要求1所述的柔性電池的3D打印方法，其特征在于，所述基體、基蓋、擋板的打印工藝為：將1～8％wt氟硼...

【專利技術屬性】
技術研發人員：丁超，黃健鵬，
申請(專利權)人：東莞華南設計創新院，
類型：發明
國別省市：廣東,44