免集流体、自支撑三维锂离子电池及其3D打印方法技术

本发明专利技术提供了一种免集流体、自支撑三维锂离子电池，包括正极和负极，所述正极和负极的内部呈交叉结构，所述正极和负极的外部呈矩形螺旋向外延伸，在延伸过程中，所述正极和负极始终保持平行，正极和负极之间的距离保持不变。本发明专利技术还提供了一种所述的免集流体、自支撑三维锂离子电池的3D打印方法。本发明专利技术的有益效果是：提供了一种免集流体、自支撑三维锂离子电池，无需铜箔、铝箔等集流体，制造工艺可扩展性好，可大幅提升锂离子电池中活性材料所占比例，提升能量密度和功率密度。提升能量密度和功率密度。提升能量密度和功率密度。

【技术实现步骤摘要】
免集流体、自支撑三维锂离子电池及其3D打印方法


[0001]本专利技术涉及3D打印锂离子电池，尤其涉及一种免集流体、自支撑三维锂离子电池及其3D打印方法。

技术介绍

[0002]锂离子电池是目前最为重要的储能器件之一。如何制造出能量密度更高、功率密度更高的锂离子电池是产业关注的焦点。
[0003]现有的锂离子电池采用涂布的方法将活性材料涂覆在铜箔或铝箔上，比如正极活性材料LiFePO4、LiMn2O4、LiCoO2、Ni
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Co
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Mn、Ni
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Co
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Al三元材料等，涂覆在铝箔上，制备出正极极片；负极活性材料石墨、Li4Ti5O
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、硅及其氧化物等，涂覆在铜箔上，制备出负极极片；将正极极片、隔膜、负极极片堆叠或卷绕后形成电池。在这类电池中，正极极片和负极极片上的活性材料厚度小于100微米。当厚度大于100微米时，锂离子在电极中的扩散距离增加、扩散速率变慢，严重影响功率密度。
[0004]由于极片上的活性材料厚度小于100微米，因此，需要使用大量厚度为10微米左右的铜箔和铝箔，作为集流体；还需要大量厚度为25微米左右的隔膜，将正极极片和负极极片隔开、绝缘，防止短路。集流体和隔膜均为非活性材料，不提供有效能量，但却占据了电池体积和重量，严重影响了能量密度和功率密度。
[0005]3D打印三维锂离子电池通过改变极片结构，改变锂离子在电极中的扩散路径，在增加活性材料厚度的同时，避免或减小锂离子扩散距离的增加，从而达到同时提高能量密度和功率密度的目标。
[0006]目前，最为常见的两类三维锂离子电池结构为：
①ꢀ
使用网格状多孔三维电极，即：在厚度为mm级的电极中，引入垂直贯通的孔，作为锂离子扩散的快速通道，避免锂离子在迂曲电极内部的扩散；
②ꢀ
使用正极和负极交叉型结构，使锂离子在正极和负极之间横向扩散，当电极厚度增加时，锂离子扩散距离保持不变，从而有效提升锂离子扩散速率，提升功率密度。
[0007]上述两种三维锂离子电池虽然能够一定程度上缓解能量密度和功率密度的矛盾，但仍然存在较为明显的缺点。对网格状多孔三维电极而言，其缺点在于：电极中引入的垂直孔，虽然可以提升锂离子的扩散速率，但同时这些孔的存在降低了电池的能量密度，因此孔的引入是一把“双刃剑”；对正极、负极交叉型电池而言，其缺点在于：正极和负极的装配难度大，装配过程中容易造成电极破坏，另外，这种结构难以实现极片的堆叠和卷绕，工艺可扩展性较差。

技术实现思路

[0008]为了解决现有技术中的问题，本专利技术提供了一种免集流体、自支撑三维锂离子电池及其3D打印方法，无需铜箔、铝箔等集流体，制造工艺可扩展性好，可大幅提升锂离子电池中活性材料所占比例，提升能量密度和功率密度。
[0009]本专利技术提供了一种免集流体、自支撑三维锂离子电池，包括正极和负极， 所述正极和负极的内部呈交叉结构，所述正极和负极的外部呈矩形螺旋向外延伸，在延伸过程中，所述正极和负极始终保持平行，正极和负极之间的距离保持不变。
[0010]作为本专利技术的进一步改进，所述正极的内部为具有至少二个翅片的正极矩形锯齿，所述负极的内部为开口方向与正极矩形锯齿相反的具有至少二个翅片的负极矩形锯齿，所述正极矩形锯齿插入所述负极矩形锯齿所形成的凹槽之内。
[0011]作为本专利技术的进一步改进，所述正极的外部为自内向外延伸的正极矩形螺旋，所述负极的外部为自内向外延伸的负极矩形螺旋，所述正极矩形螺旋插入并嵌套在所述负极矩形螺旋所形成的螺旋槽之内。
[0012]作为本专利技术的进一步改进，所述正极与所述负极均采用三维自支撑结构，不附着于集流体上。
[0013]作为本专利技术的进一步改进，正极和负极内含有足量的导电剂，具有优异的导电性，电极本身可作为集流体使用。
[0014]作为本专利技术的进一步改进，所述正极与所述负极之间填充有隔膜，所述隔膜能够将所述正极、负极分隔开，，避免两者直接接触，造成短路。
[0015]作为本专利技术的进一步改进，正极和负极的线宽均为50微米~300微米，正极和负极之间的间隙为20微米~200微米。
[0016]作为本专利技术的进一步改进，正极、负极、隔膜形成的组合结构，称为电芯，其总厚度为500微米~10毫米。
[0017]本专利技术还提供了一种所述的免集流体、自支撑三维锂离子电池的3D打印方法，包括以下步骤：S1、采用正极浆料打印正极；S2、采用负极浆料，在正极的间隙中打印负极；S3、采用隔膜浆料，在正极与负极的间隙之间打印隔膜。
[0018]作为本专利技术的进一步改进，正极浆料包括：质量百分数为40wt%~70wt%的活性材料、质量百分数为20wt%~50wt%的导电剂和质量百分数为2wt%~5wt%的粘接剂；负极浆料包括：质量百分数为40wt%~70wt%的活性材料、质量百分数为20wt%~50wt%的导电剂和质量百分数为2wt%~5wt%的粘接剂；隔膜浆料包括：质量百分数为5wt%~8wt%的聚偏氟乙烯六氟丙烯共聚物、质量百分数为90wt%的丙酮和质量百分数为1wt%
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3wt%的去离子水。
[0019]作为本专利技术的进一步改进，正极浆料的活性材料为LiFePO4、LiMn2O4、LiCoO2、Ni
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Co
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Mn、Ni
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Co
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Al中的任意一种或其任意组合。
[0020]作为本专利技术的进一步改进，正极浆料的导电剂为炭黑、碳纳米管、石墨烯中的任意一种或其任意组合。
[0021]作为本专利技术的进一步改进，正极浆料的粘接剂为聚偏氟乙烯、羟甲基纤维素钠、丁苯橡胶中的任意一种或其任意组合。
[0022]作为本专利技术的进一步改进，负极浆料的活性材料为石墨、Li4Ti5O
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、硅及其氧化物中的任意一种或其任意组合。
[0023]作为本专利技术的进一步改进，负极浆料的导电剂为炭黑、碳纳米管、石墨烯中的任意一种或其任意组合。
[0024]作为本专利技术的进一步改进，负极浆料的粘接剂为羟甲基纤维素钠、丁苯橡胶中的任意一种或其任意组合。
[0025]作为本专利技术的进一步改进，还包括步骤S4、在正极和负极的末端位置涂覆导电银浆，将极耳连接在涂覆的导电银浆上，在60℃~80℃温度下固化，制成电芯。
[0026]作为本专利技术的进一步改进，还包括步骤S5、使用铝塑膜外壳软包封装电芯，在包装内注入充足的电解液。
[0027]作为本专利技术的进一步改进，正极、负极和隔膜均采用挤出式3D打印完成结构的制造。
[0028]本专利技术的有益效果是：提供了一种免集流体、自支撑三维锂离子电池，无需铜箔、铝箔等集流体，制造工艺可扩展性好，可大幅提升锂离子电池中活性材料所占比例，提升能量密度和功率密度。
附图说明
[0029]为了更清楚地说明本专利技术实施例的技术方案，下面将对实本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种免集流体、自支撑三维锂离子电池，包括正极和负极，其特征在于： 所述正极和负极的内部呈交叉结构，所述正极和负极的外部呈矩形螺旋向外延伸，在延伸过程中，所述正极和负极始终保持平行，正极和负极之间的距离保持不变。2.根据权利要求1所述的免集流体、自支撑三维锂离子电池，其特征在于：所述正极的内部为具有至少二个翅片的正极矩形锯齿，所述负极的内部为开口方向与正极矩形锯齿相反的具有至少二个翅片的负极矩形锯齿，所述正极矩形锯齿插入所述负极矩形锯齿所形成的凹槽之内。3.根据权利要求1所述的免集流体、自支撑三维锂离子电池，其特征在于：所述正极的外部为自内向外延伸的正极矩形螺旋，所述负极的外部为自内向外延伸的负极矩形螺旋，所述正极矩形螺旋嵌套在所述负极矩形螺旋所形成的螺旋槽之内。4.根据权利要求1所述的免集流体、自支撑三维锂离子电池，其特征在于：所述正极与所述负极均采用三维自支撑结构，不附着于集流体上，所述正极与所述负极均含有导电剂，所述正极与所述负极能够作为集流体使用。5.根据权利要求1所述的免集流体、自支撑三维锂离子电池，其特征在于：所述正极与所述负极之间填充有隔膜，所述隔膜能够将所述正极、负极分隔开。6.一种如权利要求1至5中任一项所述的免集流体、自支撑三维锂离子电池的3D打印方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、采用正极浆料打印正极；S2、采用负极浆料，在正极的间隙中打印负极；S3、采用隔膜浆料，在正极与负极的间隙之间打印隔膜。7.根据权利要求6所述的免集流体、自支撑三维锂离子电池的3D打印方法，其特征在于：正极浆料包括：质量百分数为40wt%~70wt%的活性材料、质量百分数为20wt%~50wt%的导电剂和质量百分数为...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘长勇，李以德，
申请(专利权)人：深圳大学，
类型：发明
国别省市：