一种基于3D打印技术制备锡碳阳极/磷酸铁锂阴极锂离子电池的方法技术

本发明专利技术涉及一种基于3D打印技术制备锡碳阳极/磷酸铁锂阴极锂离子电池的方法。这种方法主要是分别以锡碳纳米材料、磷酸铁锂溶解到各自溶液中制备出各打印电极墨水，再用3D打印技术打印出以锡碳材料为阳极，磷酸铁锂材料为阴极的电极结构，最后将所制备的电极转移到充满氩气的手套箱中完成对3D复合电极锂离子电池的封装。本发明专利技术主要基于3D打印技术制备锡碳阳极/磷酸铁锂阴极锂离子电池的方法，具有制备方法新颖、工艺简单特点；所制备的电极材料具有比表面积大、能量密度高、导电性能良好等优势。在高性能锂离子电池领域有巨大的应用潜力。

【技术实现步骤摘要】
一种基于3D打印技术制备锡碳阳极/磷酸铁锂阴极锂离子电池的方法
本专利技术属于3D技术和新能源纳米领域的结合，涉及一种基于3D打印技术制备锡碳阳极/磷酸铁锂阴极锂离子电池的方法。
技术介绍
随着传统能源的日益枯竭，锂离子二次电池作为新能源代表从而受到了广泛的关注。同时锂离子电池作为移动通讯设备与便携电子设备的主要电源，由于其具有输出电压较高、无记忆性、高能量密度等优势而成为国内外研究的热点。然而传统基于平面电极的锂离子电池普遍存在比表面积不高、储能密度有限、电极极化严重等问题。近年来随着纳米技术和3D打印技术的兴起，纳米技术和3D打印技术已经拓展到军事、电子、医学、生物、新能源等领域，尤其是新型3D打印集成锂离子电池的出现，有效实现了锂离子电池阴阳极及其封装系统的有效集成，彻底改变了传统平面电极型锂离子电池结构，这将大大提高了电池电极材料中活性物质的比例，缩短了锂离子充放电过程中的迁移距离，从而大大提高了锂离子扩散速率和迁移率。在新型3D打印锂离子电池研究方面，现已成功开发出以尖晶石型钛酸锂纳米材料为阳极、以磷酸铁锂纳米材料为阴极的新型3D电极锂离子电池。但是由于钛酸锂材料本身的电子导电率和离子导电率不好，所以制成的锂离子电池存在容量衰减较快、循环性能差、比能量密度不高等问题和缺陷。
技术实现思路
针对现有技术的不足和缺陷，本专利技术提供了一种基于3D打印技术制备锡碳阳极/磷酸铁锂阴极锂离子电池的方法。这种方法主要是分别以锡碳纳米材料、磷酸铁锂分别溶解到各自溶液中制备出各打印电极墨水，再利用3D打印技术，制备出以锡碳纳米材料为阳极，磷酸铁锂为阴极材料的3D结构电极锂离子电池。该方法所制备的电极材料具有比表面积大、能量密度高、阴阳极电极间距小等优势。这些都将极大提高了锂离子在电极之间的扩散速度，进而提高了其离子及电子电导率，因此，在高性能锂离子电池领域有巨大的应用潜力。为实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种基于3D打印技术制备锡碳阳极/磷酸铁锂阴极锂离子电池的方法，其特征在于：用3D打印技术打印出以锡碳作为阳极材料、以磷酸铁锂作为阴极材料，最后再通过封装制备出新型复合锂离子电池。其中，锡碳阳极墨水和磷酸铁锂阴极墨水的制备方法如下：1）将3-5g锡碳加入到100-120mL去离子水和30-50mL的丙三醇的第一混合溶液中；将2-4g磷酸铁锂加入到60-100mL去离子水和30-50mL的丙三醇的第二混合溶液中，分别可得到第一悬浊液和第二悬浊液；2）将第一悬浊液和第二悬浊液在室温下分别球磨20-30h，并将得到的物质分别离心3-10min，其中转速为3500-4000rpm；将离心后得到的溶液再次离心1.5-3h，转速为2500-3500rpm；3）将上述离心过滤收集到的两种物质分散到甘油、3.5%的水羟丙基纤维素和3%的水羟乙基纤维素中；4）结果均质的含锡碳阳极混合物由27%甘油、20%-30%的丙三醇、9%的水羟丙基纤维素、1%的水羟乙基纤维素和去离子水组成；均质的含膦酸铁锂阴极混合物由25%甘油、22%-34%的丙三醇、9%的水羟丙基纤维素、1%的水羟乙基纤维素和去离子水组成；5）随后强力搅拌1-3h后并蒸发溶剂，常温下自然蒸发至质量变为原来的50-70%，即可分别得到所需的锡碳阳极打印墨水和磷酸铁锂阴极打印墨水。在用3D技术打印电极之前，要在规格为15×10mm玻璃基底上通过印刷和电子束镀膜技术形成规则的金对电极，作为分别作为锂离子电池的阴极和阳极集流器。将阴阳极墨水材料分别放在2-5mL注射微喷管中，通过控制喷管所喷出墨水的流量逐层打印出梳齿状阴阳电极。电池结构打印完成之后，要在管式炉中氩气保护条件下加热到500-700oC，并保温2h。利用聚甲基丙烯酸甲酯塑料板及聚二甲基硅氧烷密封胶沿着玻璃基片将同轴电极材料周围密封后，转移到手套箱内，在氩气保护下滴入电解液，待完全浸润后再用聚甲基丙烯酸甲酯塑料板及聚二甲基硅氧烷密封胶将其上方盖住并密封，即得到所需的锂离子电池。本专利技术主要基于3D打印技术制备锡碳阳极/磷酸铁锂阴极锂离子电池的方法，具有制备方法新颖、工艺简单特点；所制备的电极材料具有比表面积大、能量密度高、导电性能良好等优势。在高性能锂离子电池领域有巨大的应用潜力。附图说明图1为3D打印技术打印出的阴阳极结构梳装结构（以四层为例，实际上可以多层）图2为3D打印技术打印出的最终锂离子电池的电极结构（包括封装外壳）。具体实施方式本专利技术旨在提供一种通过3D打印技术制备锡碳阳极和磷酸铁锂阴极的锂离子电池的方法，现结合附图以及具体的实施方式来说明。实施例11）称取3g制备的锡碳纳米材料分散到100mL去离子水和30mL的丙三醇的第一混合溶液中；称取2g制备的磷酸铁锂分散到60mL去离子水和30mL的丙三醇的第二混合溶液中，分别可得到第一悬浊液和第二悬浊液。2）将第一悬浊液和第二悬浊液在室温下分别球磨20h，然后分别通过两次离心工艺。第一次离心是在3500rpm转速下离心3min，以去除大的团聚物；第二次是在2500rpm将离心后得到的溶液再次离心1.5h，以收集细微颗粒。3）将上述离心过滤收集到的两种物质分散到甘油、3.5%的水羟丙基纤维素和3%的水羟乙基纤维素中。均质的含锡碳阳极混合物由27%甘油、20%的丙三醇、9%的水羟丙基纤维素、1%的水羟乙基纤维素和去离子水组成（质量百分比）；均质的含膦酸铁锂阴极混合物由25%甘油、22%的丙三醇、9%的水羟丙基纤维素、1%的水羟乙基纤维素和去离子水组成（质量百分比）。随后强力搅拌1h后并蒸发溶剂，常温下自然蒸发至质量变为原来的50%，即可分别得到所需的锡碳阳极打印墨水和磷酸铁锂阴极打印墨水。4）在用3D技术打印电极之前，要在规格为15×10mm玻璃基底上通过印刷和电子束镀膜技术形成规则的金对电极，作为分别作为锂离子电池的阴极和阳极集流器。将阴阳极墨水材料分别放在注射微喷管（3mL）中，通过控制喷管所喷出墨水的流量逐层打印出梳齿状阴阳电极，如图1中：1为阳极，2为阴极。电池结构打印完成之后，要在管式炉中氩气保护条件下加热到500oC，并保温2h即可。5）利用PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)塑料板及PDMS(聚二甲基硅氧烷)密封胶沿着玻璃基片将同轴电极材料周围密封后，转移到手套箱内，在氩气保护下滴入电解液，待完全浸润后再用PMMA塑料板及PDMS密封胶将其上方盖住并密封，即得到所需的锂离子电池，如图2所示,1为阳极，2为阴极，3为阳极金电极集流器，4为阴极金电极集流器，5为玻璃基片。实施例21）称取4g制备的锡碳纳米材料分散到110mL去离子水和40mL的丙三醇的第一混合溶液中；称取3g制备的磷酸铁锂分散到80mL去离子水和40mL的丙三醇的第二混合溶液中，分别可得到第一悬浊液和第二悬浊液。2）将第一悬浊液和第二悬浊液在室温下分别球磨25h，然后分别通过两次离心工艺。第一次离心是在3800rpm转速下离心5min，以去除大的团聚物；第二次是在3000rpm将离心后得到的溶液再次离心2h，以收集细微颗粒。3）将上述离心过滤收集到的两种物质分散到甘油、3.5%的水羟丙基纤维素和3%的水羟乙基纤维素中。均质的含锡碳阳极混合物由27%甘油、20%的丙三醇、9%的水羟丙基本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于3D打印技术制备锡碳阳极/磷酸铁锂阴极锂离子电池的方法，其特征在于：用3D打印技术打印出以锡碳作为阳极材料、以磷酸铁锂作为阴极材料，最后再通过封装制备出新型复合锂离子电池。

【技术特征摘要】
1.一种基于3D打印技术制备锡碳阳极/磷酸铁锂阴极锂离子电池的方法，其特征在于：用3D打印技术打印出以锡碳作为阳极材料、以磷酸铁锂作为阴极材料，最后再通过封装制备出复合锂离子电池；该方法包括以下步骤：步骤S1：制备锡碳阳极墨水和磷酸铁锂阴极墨水：1）将3-5g锡碳加入到100-120mL去离子水和30-50mL的丙三醇的第一混合溶液中；将2-4g磷酸铁锂加入到60-100mL去离子水和30-50mL的丙三醇的第二混合溶液中，分别得到第一悬浊液和第二悬浊液；2）将第一悬浊液和第二悬浊液在室温下分别球磨20-30h，并将得到的物质分别离心3-10min，其中转速为3500-4000rpm；将离心后得到的溶液再次离心1.5-3h，转速为2500-3500rpm；3）将上述离心过滤收集到的两种物质分散到甘油、3.5%的水羟丙基纤维素和3%的水羟乙基纤维素中；4）结果均质的含锡碳阳极混合物包括27%甘油、20%-30%的丙三醇、9%的水羟丙基纤维素、1%的水羟乙基纤维素和...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨尊先，郭太良，吕军，胡海龙，徐胜，严文焕，
申请(专利权)人：福州大学，
类型：发明
国别省市：福建;35