一种3D打印电池电极的制备方法技术

本申请提供了一种3D打印电池电极的制备方法，其解决了现有电池电极不能防止SEI膜破裂并抑制锂枝晶生长的技术问题；包括：(1)根据器件尺寸设计打印模型，并将打印模型导入3D打印机中，设置打印参数；(2)将打印浆料加入3D打印机中进行打印，获得电池电极；打印浆料主要由电极活性材料、导电剂、粘结剂和光聚合剂按比例配制而成；(3)将步骤(2)得到的电池电极置于紫外灯下进行光固化反应，固化时间为10

【技术实现步骤摘要】
一种3D打印电池电极的制备方法


[0001]本申请涉及一种电池电极的制备方法，更具体地说，是涉及一种3D打印 电池电极的制备方法。

技术介绍

[0002]近年来，便携式终端(笔记本电脑、手机、平板电脑等)得到了迅速普及， 当今社会发展对电池性能提出了越来越高的要求，使用以锂为代表的碱金属负 极取代当今商业化的传统石墨负极是电池研究领域中被广泛认可的共识。但金 属离子在碱金属负极表面的不均匀沉积及随之而来的枝晶生长问题制约了其实 际应用，如何通过对锂金属负极的改性实现其稳定长效运行对锂金属负极的发 展具有十分重要的战略意义。
[0003]金属锂负极的主要反应为锂失去电子变成锂离子进入电解液中，金属锂与 有机体系的电解液将发生反应，消耗电解液中的锂离子的同时，在锂表面形成 一层固体电解质膜(SEI)，SEI膜是优良的锂离子导体和电子绝缘体，不仅阻 挡电解液与金属锂的进一步反应，同时保证了后续过程锂离子在电极表面进行 沉积。通常，金属的电沉积过程会产生明显的枝晶现象，对金属锂来说也不例 外。由于枝晶的产生和溶解，在反复循环过程中极易发生SEI膜的破裂，导致 新的锂与电解液反应，同时枝晶断裂产生大量不具活性的“死锂”，由此严重 影响到金属锂电极的寿命和安全性。因此设计开发能够保护SEI膜防止破裂并 抑制锂枝晶的生长的新型电极材料对于提高电池性能具有重要的意义。
[0004]目前，传统的纳米电极材料制备方法如浆液涂敷法等获得的是不可控、可 重复性差、易变形的电极结构。因此，制备3D结构的纳米电极材料被认为是 实现高能量密度和功率密度的有效手段，而3D打印技术是一种典型的制备3D 电池的先进技术。3D打印技术可以制备可定制化的电池电极，具有灵活应用的 巨大优势；另一方面，该技术可以通过调整结构和尺寸来提供更多的活性材料 以获得更高的能量密度，离子扩散距离也因此有效缩短，这可以保证制备的3D 打印电池电极在不牺牲功率密度的情况下提高自身能量密度。

技术实现思路

[0005]为解决上述问题，本申请采用的技术方案是：提供一种3D打印电池电极 的制备方法，包括：
[0006](1)根据器件尺寸设计打印模型，并将打印模型导入3D打印机中，设置 打印参数；
[0007](2)将打印浆料加入3D打印机中进行打印，获得电池电极；打印浆料主 要由电极活性材料、导电剂、粘结剂和光聚合剂按比例配制而成；
[0008](3)将步骤(2)得到的电池电极置于紫外灯下进行光固化反应，固化时 间为10
‑
40分钟，随后在室温条件下干燥24h；
[0009](4)将步骤(3)得到的电池电极放入水热反应釜中进行水热反应，水热 介质为浓度为0.01
‑
2mg/ml的氧化石墨烯溶液，水热时间为2
‑
6h，水热温度为 120
‑
240℃；
[0010](5)将步骤(4)得到的电池电极干燥后进行真空烧结处理，烧结温度为 420
‑
600
℃，烧结时间为1
‑
3h；
[0011](6)将步骤(5)得到的电池电极干燥后获得3D打印电池电极。
[0012]优选地，步骤(2)中，光聚合剂主要由单体丙烯酰胺、交联剂亚甲基双丙 烯酰胺和光引发剂I2959组成。
[0013]优选地，电极活性材料的重量份数为82
‑
90份。
[0014]优选地，导电剂的重量份数为30
‑
60份，粘结剂的重量份数为1
‑
10份，光 聚合剂的重量份数为1
‑
10份。
[0015]优选地，导电剂为氧化石墨烯、石墨烯、碳纳米管、碳黑中的一种或多种。
[0016]优选地，粘结剂为聚乙二醇、羧甲基纤维素、泊洛沙姆中的一种或多种。
[0017]优选地，电极活性材料为含锂的复合金属氧化物和含锂的复合金属含氧酸 化合物盐。
[0018]优选地，步骤(2)中，打印浆料的制备过程是，将粘结剂和光聚合剂在水 溶液中溶解后，加入电极活性材料和导电剂充分混合，调整粘度达到适合打印 状态。
[0019]本专利技术的有益效果：
[0020]1、采用3D打印技术制备电池电极，一方面，3D打印技术可以制备可定 制化的电池电极，具有灵活应用的巨大优势；另一方面，该技术可以通过调整 结构和尺寸来提供更多的活性材料以获得更高的能量密度，离子扩散距离也因 此有效缩短，这可以保证制备的3D打印电池电极在不牺牲功率密度的情况下 提高自身能量密度。
[0021]2、打印得到的电池电极先进行光固化反应，后进行水热反应，从而通过光 聚合剂的反应，产生不溶于水的材料，将电池电极进行固定，使其在水热过程 中不溶解，保持形态。
[0022]3、水热反应中，溶液中的氧化石墨烯可以在电池电极表面自聚合，形成还 原氧化石墨烯保护膜。由于所形成的还原氧化石墨烯膜具有多孔结构，在循环 使用时，可以在其表面形成SEI膜，氧化还原石墨烯的支撑结构可以保护SEI 膜，提高牢固性，并且氧化石墨烯可以发挥隔膜的作用，抑制锂枝晶的生长。
[0023]4、最后，进行烧结处理，确保电池电极中的粘结剂、光聚合剂在高温作用 下完全烧结挥发，电极活性材料烧结粘结并收缩，提高电极材料的致密度和力 学稳定性。
具体实施方式
[0024]为了使本申请所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白， 以下结合实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具 体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
[0025]现对本申请实施例提供的3D打印电池电极的制备方法进行说明。
[0026]所述3D打印电池电极的制备方法，具体包括以下步骤：
[0027](1)根据器件尺寸设计打印模型，并将打印模型导入3D打印机中，设置 打印参数；
[0028](2)将打印浆料加入3D打印机中进行打印，获得电池电极；打印浆料主 要由电极活性材料、导电剂、粘结剂和光聚合剂按比例配制而成；
[0029](3)将步骤(2)得到的电池电极置于紫外灯下进行光固化反应，固化时 间为10
‑
40分钟，光聚合剂反应产生不溶于水的材料，以保持电池电极不变形， 随后在室温条件下干
燥24h；
[0030](4)将步骤(3)得到的电池电极放入水热反应釜中进行水热反应，水热 介质为浓度为0.01
‑
2mg/ml的氧化石墨烯溶液，水热时间为2
‑
6h，水热温度为 120
‑
240℃；溶液中的氧化石墨烯可以在电池电极表面自聚合，形成还原氧化 石墨烯保护膜。由于所形成的还原氧化石墨烯膜具有多孔结构，在循环使用时， 可以在其表面形成SEI膜，氧化还原石墨烯的支撑结构可以保护SEI膜，提高 牢固性，并且氧化石墨烯可以发挥隔膜的作用，抑制锂枝晶的生长。
[0031](5本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种3D打印电池电极的制备方法，其特征在于，包括：(1)根据器件尺寸设计打印模型，并将打印模型导入3D打印机中，设置打印参数；(2)将打印浆料加入3D打印机中进行打印，获得电池电极；所述打印浆料主要由电极活性材料、导电剂、粘结剂和光聚合剂按比例配制而成；(3)将步骤(2)得到的电池电极置于紫外灯下进行光固化反应，固化时间为10
‑
40分钟，随后在室温条件下干燥24h；(4)将步骤(3)得到的电池电极放入水热反应釜中进行水热反应，水热介质为浓度为0.01
‑
2mg/ml的氧化石墨烯溶液，水热时间为2
‑
6h，水热温度为120
‑
240℃；(5)将步骤(4)得到的电池电极干燥后进行真空烧结处理，烧结温度为420
‑
600℃，烧结时间为1
‑
3h；(6)将步骤(5)得到的电池电极干燥后获得3D打印电池电极。2.如权利要求1所述的3D打印电池电极的制备方法，其特征在于：步骤(2)中，所述光聚合剂主要由单体丙烯酰胺、交联剂亚甲基双丙烯酰胺和光引发剂I2...

【专利技术属性】
技术研发人员：张鹏，刘康，朱强，王传杰，陈刚，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学威海，
类型：发明
国别省市：