一种基于液态金属的纤维状柔性电池的制备方法技术

本发明专利技术涉及一种基于液态金属的纤维状柔性电池的制备方法，属于电化学储能技术领域。所述方法使用3D打印墨水直写技术打印有机聚合物空心固态电解质，并选用液态金属作为电池正负极，封装后制备了纤维状柔性电池。以所述方法制备的电池进行循环稳定性性能测试，电池的理论容量为62.7Ah，循环50周后容量没有明显衰减，库仑效率和能量效率分别保持在大约99％和62％。和62％。和62％。

【技术实现步骤摘要】
一种基于液态金属的纤维状柔性电池的制备方法


[0001]本专利技术涉及一种基于液态金属的纤维状柔性电池的制备方法，属于电化学储能


技术介绍

[0002]科学技术是第一生产力，随着科学技术的不断革新和发展，人类的物质和精神需求也发生了改变，这些改变在某种程度上潜移默化地影响了自然。所以，当人类对自然进行一味地索取后，臭氧层空洞、土地荒漠化、酸雨、温室效应等负面效应接踵而来。当危机来临时，人类试图开始自救，《人类环境宣言》(1972年)、《环境与发展宣言》(1992年)和《2030年可持续发展议程》(2015年)这些国际性的环境宣言及公约都统一指向全人类的共同目标——可持续发展。所以，如何贯彻可持续发展的思想，“一劳永逸”地解决能源枯竭问题，成为各国家和地区制定政策和方针必须考虑的关键因素。对此，各国政府采取了很多措施，包括建立碳交易所、大力发展太阳能发电、风能发电、地热能发电和电化学发电等等。这些方式产生的电能需要以电网、电磁波或者化学能的形式得以储存。其中，利用化学能储存无疑是最便捷的一种方式。而化学电源作为一种可以实现化学能和电能之间相互转化的装置，在能源的储存和供给方面发挥着日益重要的作用。
[0003]随着化学电源科学技术实力逐步向前迈进，丹尼尔电池、铅酸电池、氧化银电池、镍镉电池、锌锰电池等不断被专利技术出来。这些电池能够满足人类的用电需求，但是如果废旧后不能得到妥善处理也会造成难以逆转的环境问题，甚至影响人体健康。与其说在产生污染后进行补救，不如从源头上消除污染的产生。在这样的背景下，可充金属电池走进来人们的视野。现如今，锂离子、钠离子、锌离子电池已经成为研究人员较为聚焦的电池体系。但由于受到原材料成本、容量密度、能量密度、结构制造等的限制，在未来电网储存中需要开发更多新兴的储能技术。特别是结构制造上，为了满足如今多变、非标准的用户场景，电池结构的需求越来越多变，不再局限于模式化的固定结构，而是更加追求电池结构的柔性化。例如，在智能手环、电子皮肤、植入式电子设备、起搏器或软性可穿戴设备等高性能复杂电子设备中，传统的硬质外壳电池无法满足其结构多变的需求，进而越来越多的研究人员开始专注于柔性电池的开发。现如今柔性电池制备工艺主要分为两大方向，一是实现电极材料、封装材料等电池构件的柔性化，二是实现电池结构的柔性化。
[0004]液态金属作为一种不定型金属，在特定温度范围以液态形式存在，并且液态金属电池不具有爆炸性、易燃性或温度敏感性，没有充电过度、短路或温度造成这些电池的安全问题，从自身物理化学特性上就很好地满足了高性能、高安全、柔性的电池设计制造需求。但是目前液态金属用于电池电极时，通常将其封装至硬质外壳中，形状可塑性较弱，难以贴合特殊场景电池结构化的要求。有机聚合物电解质在具备一定柔性的同时还具备一定的形状可塑性，而3D墨水直写打印技术作为一种新型技术，可以通过程序控制，定制化地完成有机聚合物电解质的结构设计和制造。纤维状的柔性电池可以通过编织、缠绕、堆叠等方式实现不同的形状，故将液态金属作为电极材料匹配3D墨水直写打印的有机聚合物电解质，来
制造纤维状的柔性电池同时结合了电池构件和电池结构的柔性化制备工艺，是未来电化学储能装置的一种新发展方向。
[0005]现有技术中，CN114551111A专利公开了一种墨水直写3D打印导电聚合物基微型超级电容器及其制备方法，但其电池结构不具备可塑性，无法满足多场景的柔性需求。CN112803063A专利使用层叠结构设置正极、负极和隔膜，并进行之字型折叠制备柔性电池，但是其结构可塑性也受到叠片尺寸的限制，难以满足更高的柔性结构需求。

技术实现思路

[0006]为克服现有技术存在的缺陷，本专利技术的目的之一在于一种基于液态金属的纤维状柔性电池的制备方法。
[0007]为实现本专利技术的目的，提供以下技术方案。
[0008]一种基于液态金属的纤维状柔性电池的制备方法，所述方法步骤如下：
[0009](1)通过建模软件设计固态电解质3D模型并转换成分层路径文件，并将其导入3D打印机。
[0010]所述3D打印机型号为FisnarF4200n。
[0011](2)将有机聚合物基体材料和无机填料混合后溶解于溶剂中，制备3D打印墨水直写油墨，并注入3D打印机注射器中；
[0012]所述有机聚合物基体材料为聚氧化乙烯(PEO)、聚偏氟乙烯(PVDF)、聚甲基丙烯酸甲酯类(PMMA)以及聚丙烯腈类(PAN)中的一种；
[0013]所述无机填料为Al2O3、SiO2、TiO2、BaTiO3、Li3N、LAGP(Li
1.5
Al
0.5
Ge
1.5
(PO4)3)、LATP(Li
1.3
Al
0.3
Ti
1.7
(PO4)3)、LLTO(Li
0.34
La
0.567
TiO3)、LLZO(Li
6.3
La3Zr
1.65
W
0.35
O
12
)中的一种；
[0014]所述溶剂为水、乙二醇或水
‑
乙二醇混合溶剂；
[0015](3)使用墨水直写3D打印技术，将步骤(2)中所得油墨通过3D打印机注射器挤出，在程序控制运动平台带动下，按照步骤(1)中预置的模型分层路径文件打印成固态电解质；
[0016](4)将所得固态电解质封装在硅树脂外壳材料中；
[0017](5)将正负极液态金属分别注入空心固态电解质内部以及电解质与硅树脂外壳材料之间区域；
[0018]所述正极液态金属为：Sb、Pb、Ti、Bi、以及含上述两种元素的合金；
[0019]所述负极液态金属为：Li、Na、K、Na
‑
K合金以及Ga基合金(Ca
‑
Bi、Ca
‑
Sb、Ca
‑
Mg、Ca
‑
Ge、Ga
‑
In)。
[0020](6)封装后得到纤维状柔性电池。
[0021]有益效果
[0022]1.本专利技术提供了一种基于液态金属的纤维状柔性电池的制备方法，所述方法选择3D打印墨水直写技术，可以制造复杂的3D多尺度架构，低成本且简单可控。将其运用于打印有机聚合物固态电解质时，可以很好地实现纤维状空心状的形状要求，并且由于打印过程由程序控制，不同批次具有一定的形状一致性。
[0023]2.本专利技术提供了一种基于液态金属的纤维状柔性电池的制备方法，所述方法采用液态金属作为电池的正负极。液态金属性状为液态，可流动且具有高导电、导热性的，能在保持一定的能量密度下很好地满足柔性电池多变的形状需求。并且液态金属电池不具有爆
炸性、易燃性或温度敏感性，没有充电过度、短路或温度造成这些电池的安全问题。
附图说明
[0024]图1为基于液态金属的纤维状柔性电池的形本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于液态金属的纤维状柔性电池的制备方法，其特征在于：所述方法步骤如下：(1)通过建模软件设计固态电解质3D模型并转换成分层路径文件，并将其导入3D打印机。所述3D打印机型号为FisnarF4200n。(2)将有机聚合物基体材料和无机填料混合后溶解于溶剂中，制备3D打印墨水直写油墨，并注入3D打印机注射器中；所述有机聚合物基体材料为聚氧化乙烯(PEO)、聚偏氟乙烯(PVDF)、聚甲基丙烯酸甲酯类(PMMA)以及聚丙烯腈类(PAN)中的一种；所述无机填料为Al2O3、SiO2、TiO2、BaTiO3、Li3N、LAGP(Li
1.5
Al
0.5
Ge
1.5
(PO4)3)、LATP(Li
1.3
Al
0.3
Ti
1.7
(PO4)3)、LLTO(Li
0.34
La
0.567
TiO3)、LLZO(Li
6.3
La3Zr
1.65
W
0.35
O
12
)中的一种；所述溶剂为水、乙二醇或水
‑
乙二醇混合溶剂；(3)使用墨水直写3D打印技术，将步骤(2)中所得油墨通过3D打印机注射器挤出，在程序控制运动平台带动下，按照步骤(1)中预置的模型分层路径文件打印成固态电解质；(4)将所得固态电解质封装在硅树脂外壳材料中；(5)将正负极液态金属分别注入空心固态电解质内部以及电解质与硅树脂外壳材料之间区域；所述正极液态金属为：Sb、Pb、Ti、Bi、以及含上述两种元素的合金；所述负极液态金属为：Li、Na、K、Na
‑
K合金以及Ga基合金(Ca
‑
Bi、Ca
‑
Sb、Ca
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Mg、Ca
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Ge、Ga
‑
In)。(6)封...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈人杰，金枭雨，黄永鑫，吴锋，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：