全固态柔性一体化电池及其采用3D打印的制备方法技术

本发明专利技术涉及全固态柔性一体化电池及其采用3D打印的制备方法。所述全固态柔性一体化电池包括柔性外壳、柔性正极、柔性负极、柔性固体电解质。其制备方法为，先在柔性基底上按设计尺寸刻蚀所需形状的槽，再在槽底表面沉积金属铝和金属铜分别作为正极集流体和负极集流体；将配置好的正极墨水和负极墨水分别被装在针筒中，依次用3D打印机一层层地打印在正极集流体上和负极集流体上，形成多层正极和多层负极；电解质墨水被打印在多层正极和多层负极之间，形成电解质。本发明专利技术将3D打印技术与全固态柔性电池的制造结合起来，得到了具有高安全性、可穿戴性、能量密度高、循环性能好、倍率性能高的产品，同时其制备便捷可控性高，便于大规模的应用。

All solid state flexible integrated battery and preparation method by using 3D printing

The invention relates to a solid state flexible integrated battery and a preparation method using the 3D printing. The all solid state flexible integrated battery comprises a flexible outer shell, a flexible positive pole, a flexible negative electrode and a flexible solid electrolyte. The preparation method is that, first on a flexible substrate according to the size of design etching of the required shape slot, then at the bottom of the groove is deposited on the surface of metal aluminum and copper as the anode current collector and cathode current collector; the positive and negative ink ink configured were packed in the syringe, followed by a layer of 3D printer to print on the anode current collector and cathode current collector, forming a multilayer multilayer cathode and anode; electrolyte ink is printed on the cathode and anode between multilayer multilayer, forming electrolyte. The invention will manufacture 3D printing technology and flexible combination of all solid state battery, obtained has high security, wearable, high energy density, good cycle performance and high rate performance of the product, and its preparation is convenient high controllability, easy to large-scale applications.

【技术实现步骤摘要】
全固态柔性一体化电池及其采用3D打印的制备方法
本专利技术涉及全固态柔性一体化电池及其采用3D打印的制备方法；属于能源器件、全固态电池、柔性电池设计及制备

技术介绍
与采用液态电解质的传统电池相比，全固态电池不必担心电解液泄露的危险，安全性更好；液态电解质的分解电压会限制电池的电势窗口，减小电池的能量密度，全固态电池可以采用更宽的电势窗口，提高能量密度。随着可穿戴电子设备的发展，与之相应的是对柔性储能器件的需求，柔性电池是其中最为典型的代表。柔性电池可承受一定变形拉伸而自身性能却不下降。现今存在的柔性电池的制造方法只能得到平面层状的柔性电极或电池，不仅限制了电池的形状，而且阻碍能量密度、功率密度的提高，进而限制了其自身的发展应用。3D打印技术可以自动、快速、直接和比较精确地将计算机中的三维设计转化为实物模型，省去组装步骤，简化生产，节省时间，提高效率，降低成本。它能够精确快速地制造出微型复杂器件。传统的电池制造工艺无法制造出微小型的电池，但基于3D打印快速成型技术，可以制造微小的电池。这将极大拓展电池的应用领域，如微型机器人、微型传感器等。
技术实现思路
本专利技术首先设计了一本文档来自技高网...

【技术保护点】
全固态柔性一体化电池，其特征在于：包括柔性外壳、柔性正极、柔性负极、柔性固体电解质；所述柔性正极包括正极集流体和柔性固体物质A；所述柔性固体物质A由液态混合物B经干燥处理后得到，所述液态混合物B的初始弹性模量大于10000Pa、且弹性模量高于耗散模量；所述液态混合物B的临界剪切应力在100～10000Pa之间；所述液态混合物B由正极活性物质、正极增韧剂、正极增稠剂、正极分散剂、正极溶剂组成，所述正极活性物质的粒度小于等于10微米；所述柔性负极包括负极集流体和柔性固体物质C；所述柔性固体物质C由液态混合物D经干燥处理后得到，所述液态混合物D的初始弹性模量大于10000Pa、且弹性模量高于耗散模量...

【技术特征摘要】
1.全固态柔性一体化电池，其特征在于：包括柔性外壳、柔性正极、柔性负极、柔性固体电解质；所述柔性正极包括正极集流体和柔性固体物质A；所述柔性固体物质A由液态混合物B经干燥处理后得到，所述液态混合物B的初始弹性模量大于10000Pa、且弹性模量高于耗散模量；所述液态混合物B的临界剪切应力在100～10000Pa之间；所述液态混合物B由正极活性物质、正极增韧剂、正极增稠剂、正极分散剂、正极溶剂组成，所述正极活性物质的粒度小于等于10微米；所述柔性负极包括负极集流体和柔性固体物质C；所述柔性固体物质C由液态混合物D经干燥处理后得到，所述液态混合物D的初始弹性模量大于10000Pa、且弹性模量高于耗散模量；所述液态混合物D的临界剪切应力在100～10000Pa之间；所述液态混合物D由负极活性物质、负极增韧剂、负极增稠剂、负极分散剂、负极溶剂组成，所述负极活性物质的粒度小于等于10微米；柔性固体电解质由液态混合物E经干燥处理后得到，所述液态混合物E的初始弹性模量大于100Pa，且弹性模量高于耗散模量，当剪切速率为γ＝1S-1时，粘度η＝101～102Pa·S。2.根据权利要求1所述的全固态柔性一体化电池，其特征在于：所述正极增韧剂、负极增韧剂均为碳纳米管；所述正极增稠剂、负极增稠剂选自羧甲基纤维素、羟甲基纤维素、羟丙基纤维素中的至少一种；所述正极分散剂、负极分散剂选自十六烷基三甲基溴化铵、十二烷基硫酸钠、十二烷基苯磺酸钠中的至少一种。3.根据权利要求1所述的全固态柔性一体化电池，其特征在于：液态混合物B中，正极活性物质与去离子水的质量比为1:3～4.5；正极活性物质与正极增韧剂的质量比为20:1～2:1；活性物质与正极增稠剂的质量比为25:1～40:1；分散剂用于分散正极增韧剂，其与正极增韧剂的质量比为0.15～0.25:1；所述正极溶剂由水和乙醇按体积比3:2～3:1组成；所述负极溶剂由水和乙醇按体积比3:2～3:1组成；液态混合物D中，负极活性物质与去离子水的质量比为1:3～4.5；负极活性物质与负极增韧剂的质量比为20:1～2:1、负极活性物质与负极增稠剂的质量比为25:1～40:1；分散剂用于分散负极增韧剂，其与负极增韧剂的质量比为0.15～0.25:1。4.根据权利要求1所述的全固态柔性一体化电池，其特征在于：液态混合物E的模量低于液态混合物B模量的两个数量级；且液态混合物E的模量低于液态混合物D模量的两个数量级；液态混合物E的粘度低于液态混合物B粘度的两个数量级；且液态混合物E的粘度低于液态混合物D粘度的两个数量级。5.根据权利要求1所述的全固态柔性一体化电池，其特征在于：液态混合物E由PVDF-HFP、离子液体与Al2O3溶于NMP中并超声、搅拌配置得到所述液态混合物E；其配置过程为：先将PVDF-HFP加入到NMP中55～65℃水浴加热，使其溶解，随后添加离子液体以增强其导电性，然后添加Al2O3纳米粉末，超声1～2h，使其分散均匀；其中PVDF-HFP与离子液体的质量比为1:1，PVDF-HFP与NMP的质量比为1:8～1:12，NMP与Al2O3质量比应选取1:10～1:15。6.全固态柔性一体化电池采用3D打印的制备方法；其特征在于包括下述步骤：步骤一刻槽在柔性基底按设定尺寸刻槽；得到预留有极耳位置的槽；步骤二真空蒸镀法制备集流体在步骤一所得预留有极耳位置的槽的槽底沉积正极流体和负极集流体；得到带有集流体的槽；步骤三按设计尺寸，采用3D打印技术，在步骤二所的带有集流体的槽内打印正极、负极；然后在正极和负极之间打印电解质；打印完成后，干燥、固化，最后注入电解液、封装，得到全固态柔性一体化电池；打印正极时，所用正极墨水的初始弹性模量大于10000Pa、且弹性模量高于耗散模量；所述正极墨水的临界剪切应力在100～10000Pa之间；所述正极墨水由正极活性物质、正极增韧剂、正极增稠剂、正极分散剂、正极溶剂组成，所述正极活性物质的粒度小于等于10微米；所述正极增韧剂为碳纳米管；所述正极增稠剂选自羧甲基纤维素、羟甲基纤维素、羟丙基纤维素中的至少一种；所述正极分散剂选自十六烷基三甲基溴化铵、十二烷基硫酸钠、十二烷基苯磺酸钠中的至少一种；所述正极墨水中，正极活性物质与去离子水的质量比为1:3～4.5；正极活性物质与正极增韧剂的质量比为20:1～2:1、正极活性物质与正极增稠剂的质量比为25:1～40:1；分散剂与正极增韧剂的质量比为0.15～0.25:1；所述正极溶剂由水和乙醇按体积比3:2～3:1组成；打印负极时，所用负极墨水的初始弹性模量大于10000Pa、且弹性模量高于耗散模量；所述负极墨水的临界剪切应力在100～10000Pa之间；所述负极墨水由负极活性物质、负极增韧剂、负极增稠剂、负极分散剂、负极溶剂组成，所述负极活性物质的粒度小于等于10微米；所述负极增韧剂为碳纳米管；所述负极增...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈立宝，周林，韦伟峰，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：湖南,43