【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及锂离子电池，特别涉及一种3d打印自支撑电极隔膜一体化锂离子电池及其制备方法。
技术介绍
1、锂离子电池作为一种先进的储能系统，已经在便携式电子设备、电动汽车和航空航天等领域得到了广泛应用。然而，随着电动汽车等设备的普及，人们对于锂离子电池的能量密度要求也越来越高。能量密度是衡量电池储能能力的重要指标，提高能量密度可以增加电池的续航里程，减少电池的重量和体积，提高设备的便携性和性能。因此，如何提高锂离子电池的能量密度已成为当前研究的热点问题。同时，随着全球能源结构的转变和环保意识的提高，开发具有高能量密度、安全可靠、环保可持续的下一代电池也是当前的重要研究方向。
2、3d打印技术作为一种颠覆性的制造技术，已经在各个领域得到广泛应用。借助于微米级制造控制能力，电池3d打印技术能够实现最薄10μm以内超薄电介质薄膜及复合电极层制备，为电池界面优化提供有效的结构基础。通过3d打印技术，可以一次性完成电池的制造，大幅提高制造效率，实现复杂的内部结构和精确的尺寸控制，为电池的制造提供了更大的灵活性和精度。同时，3d打印技术允许根据用户的需求进行个性化和定制化的设计与制造，满足不同设备或产品的特定要求，定制电池的形状、尺寸和性能等。对于一些特殊行业或应用场景，例如医疗器械、智能穿戴设备、航空航天等，3d打印电池能够满足其独特的需求，开启更多应用领域。
3、软包电池叠片工艺在锂离子电池中的应用具有显著优势。在安全性、能量密度和工艺控制方面，叠片工艺都表现得更出色。叠片工艺是将电池隔离膜、正极片和负极片层叠而
技术实现思路
1、本专利技术的专利技术目的在于：针对上述存在的问题，提供一种3d打印自支撑电极隔膜一体化锂离子电池及其制备方法，本专利技术通过一体化设计，实现了电极和隔膜关键器件的稳定结合，不仅省去电极和隔膜层叠工艺，减少裁片造成的毛刺，而且有效提升了电池能量密度和电化学性能。同时，通过在电极表面原位制备自支撑修饰层，电池无需集流体，提高了电池能量密度，其突出优势包括高精度控制、强结构稳定性、高安全性、高能量密度以及制造流程简化等，为锂离子电池的制造和发展提供了新的突破。
2、本专利技术采用的技术方案如下：一种3d打印自支撑电极隔膜一体化锂离子电池的制备方法，包括如下步骤：
3、a、制备正极打印墨水和负极打印墨水，称取正极活性材料、粘结剂、导电剂和溶剂，球磨或搅拌混合均匀，得到正极打印墨水；称取负极活性材料、粘结剂、导电剂和溶剂，球磨或搅拌混合均匀，得到负极打印墨水；
4、b、制备自支撑修饰层打印墨水，按质量百分比计，称取修饰材料55-93％(例如可以是55％、70％、80％、93％等)，溶剂5-35％(例如可以是5％、10％、20％、35％等)，粘结剂1-12％(例如可以是1％、5％、10％、12％等)；磨或搅拌混合均匀，得到自支撑修饰层打印墨水；
5、c、将正极打印墨水置于3d打印机料筒中，设置打印机参数，在选取的电池隔膜上直接打印，得到三维结构的打印正极；本专利技术所采用的电池隔膜选自玻璃纤维隔膜、陶瓷复合隔膜或、聚酰亚胺隔膜中的一种；
6、d、将负极打印墨水置于3d打印机料筒中，设置打印机参数，在步骤c得到的打印正极的隔膜的另一面直接打印，得到三维结构的打印负极；
7、e、然后再以自支撑修饰层打印墨水作为打印墨水，在得到的打印正极表面以及负极表面分别打印得到自支撑修饰层，得到自支撑打印正极/隔膜/自支撑负极一体化器件，对该器件进行真空干燥，干燥后置于手套箱内，加入电解液组装得到锂离子电池。
8、进一步，所述打印正极和打印负极与自支撑修饰层的厚度比为1:0.25-1，例如可以是1:0.25、1:0.5、1:0.75、1:1等，自支撑修饰层的厚度不宜过大或过小，过大则不利于提高电池能量密度，过小则无法支撑电极。
9、进一步，所述自支撑修饰层的厚度为5-15μm，例如可以是5μm、8μm、10μm、15μm、20μm等。
10、进一步，所述修饰材料选自纤维素纳米纤维、碳纳米管、氧化石墨烯、还原石墨烯、石墨、导电炭黑、乙炔黑中的一种或多种。
11、进一步，所述正极活性材料选自钴酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂、磷酸锰铁锂、锂镍钴锰基氧化物、锂镍钴锰铝氧化物中的一种；所述负极活性材料选自人造石墨、天然石墨、硅碳、钛酸锂中的一种或多种。
12、进一步，所述粘结剂选自聚乙烯醇、聚偏氟乙烯、羟丙基纤维素、羟乙基纤维素、羧甲基纤维素、聚乙烯醇、聚四氟乙烯、海藻酸钠中的一种或多种；所述导电剂选自导电炭黑、导电石墨、碳纳米管、乙炔黑、石墨烯、碳纤维中的一种或多种；所述溶剂选自水、乙醇、丙三醇、n-甲基吡咯烷酮中的一种或多种。
13、进一步，在正极打印墨水中，正极活性材料50-92％(例如可以是50％、80％、90％、92％等)、粘结剂1-10％(例如可以是1％、5％、8％、10％等)、导电剂1-10％(例如可以是1％、3％、5％、10％等)和溶剂5-32％(例如可以是5％、10％、15％、32％等)；在负极打印墨水中，负极活性材料50-92％(例如可以是50％、80％、90％、92％等)、粘结剂1-10％(例如可以是1％、5％、8％、10％等)、导电剂1-10％(例如可以是1％、3％、5％、10％等)和溶剂5-32％(例如可以是5％、10％、15％、32％等)。
14、进一步，在进行3d打印时，电池隔膜的下方设有加热垫板，通过加热垫板加热电池隔膜，加热温度为50-100℃(例如可以是50℃、60℃、80℃、100℃等)；3d打印机料筒具有加热功能，在进行3d打印时，3d打印机料筒的加热温度为25-100℃，例如可以是25℃、50℃、80℃、100℃等。
15、进一步，在步骤e中，真空干燥的温度为50-100℃(例如可以是50℃、60℃、80℃、100℃等)，干燥时间为1-24h，例如可以是1h、10h、12h、18h、24h等。
16、进一步，本专利技术还包括一种3d打印自支撑电极隔膜一体化锂离子电池，所述锂离子电池由制备方法制备得到。
17、综上所述，由于采用了上述技术方案，本专利技术的有益效果是：
18、1、本专利技术实现了电极/隔膜关键器件的一体化，不仅使电极/隔膜关键器件具有良好的接触稳定性，促进电池性能得到明显提升，而且电极自支撑层能够充当集流体收集电子的功能，免去了集流体的存在，进而精简了电池结构；
19、2、本专利技术利用3d打印技术可以在电极表面实现5-15μ本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种3D打印自支撑电极隔膜一体化锂离子电池的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述打印正极和打印负极与自支撑修饰层的厚度比为1:0.25-1。
3.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述自支撑修饰层的厚度为5-20μm。
4.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述修饰材料选自纤维素纳米纤维、碳纳米管、氧化石墨烯、还原石墨烯、石墨、导电炭黑、乙炔黑中的一种或多种。
5.如权利要求1-4任一所述的制备方法，其特征在于，所述正极活性材料选自钴酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂、磷酸锰铁锂、锂镍钴锰基氧化物、锂镍钴锰铝氧化物中的一种；所述负极活性材料选自人造石墨、天然石墨、硅碳、钛酸锂中的一种或多种。
6.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述粘结剂选自聚乙烯醇、聚偏氟乙烯、羟丙基纤维素、羟乙基纤维素、羧甲基纤维素、聚乙烯醇、聚四氟乙烯、海藻酸钠中的一种或多种；所述导电剂选自导电炭黑、导电石墨、碳纳米管、乙炔黑、石墨烯、碳纤维中的一种或多种；所述溶剂选自水、乙醇、丙三醇、
7.如权利要求6所述的制备方法，其特征在于，以质量百分比计，在正极打印墨水中，正极活性材料50-92％、粘结剂1-10％、导电剂1-10％和溶剂5-32％；在负极打印墨水中，负极活性材料50-92％、粘结剂1-10％、导电剂1-10％和溶剂5-32％。
8.如权利要求7所述的制备方法，其特征在于，在进行3D打印时，电池隔膜的下方设有加热垫板，通过加热垫板加热电池隔膜，加热温度为50-100℃；3D打印机料筒具有加热功能，在进行3D打印时，3D打印机料筒的加热温度为25-100℃。
9.如权利要求8所述的制备方法，其特征在于，在步骤E中，真空干燥的温度为50-100℃，干燥时间为1-24h。
10.一种3D打印自支撑电极隔膜一体化锂离子电池，其特征在于，所述锂离子电池由权利要求1-9任一所述的制备方法制备得到。
...【技术特征摘要】
1.一种3d打印自支撑电极隔膜一体化锂离子电池的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述打印正极和打印负极与自支撑修饰层的厚度比为1:0.25-1。
3.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述自支撑修饰层的厚度为5-20μm。
4.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述修饰材料选自纤维素纳米纤维、碳纳米管、氧化石墨烯、还原石墨烯、石墨、导电炭黑、乙炔黑中的一种或多种。
5.如权利要求1-4任一所述的制备方法，其特征在于，所述正极活性材料选自钴酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂、磷酸锰铁锂、锂镍钴锰基氧化物、锂镍钴锰铝氧化物中的一种；所述负极活性材料选自人造石墨、天然石墨、硅碳、钛酸锂中的一种或多种。
6.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述粘结剂选自聚乙烯醇、聚偏氟乙烯、羟丙基纤维素、羟乙基纤维素、羧甲基纤维素、聚乙烯醇、聚四氟乙烯、海藻酸钠中的一种或多种；所述导电剂选自导...
【专利技术属性】
技术研发人员：王萌，李宇斯，莫俊林，刘兴兴，赵勇，
申请(专利权)人：北京理工大学重庆创新中心，
类型：发明
国别省市：
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