一种基于分形结构的可拉伸固态电池及其制备方法技术

技术编号：43344850 阅读：0 留言：0更新日期：2024-11-15 20:41

本申请属于新能源电池领域，具体涉及一种基于分形结构的可拉伸固态电池及其制造方法。所述固态电池由磷酸铁锂正极、固态电解质和钛酸锂负极组成，固态电解质由聚(偏二氟乙烯‑co‑六氟丙烯)(PVDF‑HFP)和锂盐组成。所述制造方法为基于并列多喷头的3D打印方法。本发明专利技术提出的可拉伸电池在可穿戴电子产品、电子皮肤等领域有极大应用潜力，所提出的制造方法流程简单、效率高。

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【技术实现步骤摘要】

本申请涉及新能源电池领域，具体涉及一种基于分形结构的可拉伸固态电池及其制备方法。

技术介绍

1、可穿戴电子产品是下一代电子产品和物联网发展的趋势，在过去十年中，已经引起了工业界和学术界的极大兴趣。一些典型的可穿戴电子产品，例如可穿戴织物、人工皮肤、软体机器人等，需保证在拉伸变形下安全、稳定工作，以便佩戴在体表或安装在体内。这些电子产品的必备部件是起到供能作用的电池。理想情况下，为满足上述可拉伸的需求，电池应具有与设备相似的柔性和可拉伸性。然而，锂离子电池作为目前大多数便携式电子产品的成熟电源，其内部结构通常采用刚性的叠层结构，不仅体积庞大，而且无法拉伸。

2、为了满足可穿戴电子产品拉伸变形特性的要求，生产具有可拉伸功能的锂离子电池非常重要。目前，可拉伸锂离子电池的设计有两种策略，一个是寻找可拉伸的材料，例如聚合物等，将其与导电剂和电池活性物质复合作为电极。但是这种策略获得的电极和电池的拉伸率通常极为有限，而且引入的可拉伸聚合物为非活性组分，极大地降低了电池整体能量密度。另一种策略是从电极结构角度，设计可拉伸的电极结构，例如折纸结构、拱形结构、蛇形结构等。这种策略易得到较大的拉伸变形率，且电极结构在拉伸力去除后可完全恢复。但是，通常制造这些具有非常规结构的可拉伸电池工艺复杂，难以实现大规模、低成本制造。因此，需要寻找更低成本、高效率、便捷性的可拉伸电极制备方法。

3、另外，目前可拉伸电池的电解质仍采用有机液态电解液为主。这些有机液态电解液存在极大的安全风险，在高温、电池破损等情况下，易发生起火、爆炸风险。</p>

4、综上所述，开发一种可拉伸固态电池及其制备方法对于可穿戴电子产品的发展极为必要。

5、该
技术介绍
部分的信息仅仅旨在增加对本申请的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

6、

技术实现思路

1、基于上述背景提到的技术问题，本申请提供一种基于分形结构的可拉伸固态电池及其制备方法。

2、在本申请的一些实施例中，提供一种基于分形结构的可拉伸固态电池制备方法，包括以下步骤：

3、s1.磷酸铁锂正极、钛酸锂负极和固态电解质打印油墨制备，具体包括以下步骤：

4、s11.正极打印油墨制备：正极打印油墨由活性物质磷酸铁锂、导电剂和粘结剂组成，将上述粉末分散到有机溶剂中后，获得具有合适粘度和流动性的正极打印油墨；

5、s12.负极打印油墨制备：负极打印油墨由活性物质钛酸锂、导电剂和粘结剂组成，将上述粉末分散到有机溶剂中后，获得具有合适粘度和流动性的负极打印油墨；

6、s13.固态电解质油墨制备:将聚偏氟乙烯-六氟丙烯(pvdf-hfp)和锂盐依次加入到有机溶剂中，在加热条件下磁力搅拌一定时间，得到均匀的固态电解质油墨；

7、s2.基于并列多喷头的分形结构可拉伸固态电池打印，具体包括以下步骤：

8、s21.将s1中正极打印油墨、负极打印油墨和固态电解质油墨分别装入正极、负极和固态电解质打印料筒中，固定到3d打印机上，并连接气压管，在气压推动下匀速挤出打印油墨，将油墨打印至打印基底上；

9、s22.按照电脑设定的好的分形结构打印路径，磷酸铁锂正极、固态电解质和钛酸锂负极并行排列，均按照预设的分形结构进行打印；

10、s23.将打印好的分形结构放至烘箱中，去除溶剂；

11、s3.可拉伸电池封装:将聚二甲基硅氧烷和固化剂在培养皿中混合后，直接浇筑到烘干后的电池表面；然后，在加热条件下固化，实现可拉伸电池的封装。

12、在本申请的一些实施例中，所述分形结构是指在平面上具有特定结构的连续曲线，所述可拉伸结构即电池内部结构呈现分形结构，在拉伸力作用下可产生稳定变形，去除拉伸力后，电池可恢复到初始态。

13、在本申请的一些实施例中，所述s11和s12中的有机溶剂为n-甲基吡咯烷酮；所述s13中的有机溶剂为聚二甲基甲酰胺(dmf)。

14、在本申请的一些实施例中，s22中，预设的分形结构为希尔伯特曲线组成的平面几何形状。

15、在本申请的一些实施例中，步骤s11中，所述导电剂为super p、科琴黑、碳纳米管、石墨烯中的一种或多种的组合。

16、在本申请的一些实施例中，步骤s11中，所述粘结剂为聚偏二氟乙烯。

17、在本申请的一些实施例中，步骤s11中，所述磷酸铁锂质量分数为60-90 wt%，所述导电剂质量分数为5-35 wt%，所述粘结剂质量分数为5-10 wt%。

18、在本申请的一些实施例中，步骤s12中，所述导电剂为super p、科琴黑、碳纳米管、石墨烯中的一种或多种的组合。

19、在本申请的一些实施例中，步骤s12中，所述粘结剂为聚偏二氟乙烯。

20、在本申请的一些实施例中，步骤s12中，所述钛酸锂质量分数为60-90 wt%，所述导电剂质量分数为5-35 wt%，所述粘结剂质量分数为5-10 wt%。

21、在本申请的一些实施例中，步骤s13中，pvdf-hfp与锂盐的质量比为1:1~10:1。

22、在本申请的一些实施例中，步骤s13中，加热温度为40-60℃，加热时间为4-12h。

23、在本申请的一些实施例中，步骤s13中，所述锂盐为双氟磺酰亚胺锂、双三氟甲基磺酰亚胺锂、四氟硼酸锂、高氯酸锂、六氟磷酸锂中的一种或多种组合。

24、在本申请的一些实施例中，步骤s21中，打印基底选用聚二甲基硅氧烷膜，所述聚二甲基硅氧烷膜采用加热固化方法制备，具体而言，将未固化的聚二甲基硅氧烷和固化剂按照质量比10:1混合，在培养皿中搅拌均匀后，放入真空烘箱中，完成加热固化；固化温度为60-120℃，固化时间为30-150 min。

25、在本申请的一些实施例中，步骤s23中，所述加热温度为60-100℃，加热时间为6-24h。

26、在本申请的一些实施例中，所述s22中，打印针头直径为200-400μm，打印层数为1层，打印高度为400μm，打印线宽为200-400μm，打印速度为3-5 mm/s，空气压缩机提供气压为200-300 kpa；

27、在本申请的一些实施例中，所述s23中的聚二甲基硅氧烷和固化剂质量比为10:1，固化温度为60-120 ℃，固化时间为30-150 min。

28、在本申请的一些实施例中，所述s23中的聚二甲基硅氧烷的制备参照s21的制备。

29、在本申请的另一些实施例中，提供由上述制备方法制备得到的可拉伸固态电池。

30、本申请的优点及有益效果如下：

31、1.本申请提出的电池具有希尔伯特曲线组成的平面几何形状的分形结构，可在不同角度拉伸变形下保持电池结构完整。并且，当去除拉伸力后，电池结构快速恢复初始态。拉伸变形过程对电池性能影响很小本文档来自技高网...

【技术保护点】

1.一种基于分形结构的可拉伸固态电池制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种基于分形结构的可拉伸固态电池制备方法，其特征在于，所述分形结构是指在平面上具有特定结构的连续曲线，所述可拉伸结构即电池内部结构呈现分形结构，在拉伸力作用下可产生稳定变形，去除拉伸力后，电池可恢复到初始态；优选S22中，预设的分形结构为希尔伯特曲线组成的平面几何形状。

3.根据权利要求1所述的一种基于分形结构的可拉伸固态电池制备方法，其特征在于，所述S11和S12中的有机溶剂为N-甲基吡咯烷酮；所述S13中的有机溶剂为聚二甲基甲酰胺(DMF)；

4.根据权利要求1所述的一种基于分形结构的可拉伸固态电池制备方法，其特征在于，步骤S12中，所述导电剂为Super P、科琴黑、碳纳米管、石墨烯中的一种或多种的组合；

5.根据权利要求1所述的一种基于分形结构的可拉伸固态电池制备方法，其特征在于，步骤S13中，PVDF-HFP与锂盐的质量比为1:1～10:1；步骤S13中，加热温度为40-60℃，加热时间为4-12h；步骤S13中，所述锂盐为双

6.根据权利要求1所述的一种基于分形结构的可拉伸固态电池制备方法，其特征在于，步骤S21中，打印基底选用聚二甲基硅氧烷膜，所述聚二甲基硅氧烷膜采用加热固化方法制备，具体而言：将未固化的聚二甲基硅氧烷和固化剂按照质量比10:1混合，在培养皿中搅拌均匀后，放入真空烘箱中，完成加热固化；固化温度为60-120℃，固化时间为30-150min；

7.根据权利要求1所述的一种基于分形结构的可拉伸固态电池制备方法，其特征在于，步骤S23中，所述加热温度为60-100℃，加热时间为6-24h。

8.根据权利要求1所述的一种基于分形结构的可拉伸固态电池制备方法，其特征在于，所述S22中，打印针头直径为200-400μm，打印层数为1层，打印高度为400μm，打印线宽为200-400μm，打印速度为3-5mm/s，空气压缩机提供气压为200-300kpa。

9.根据权利要求1所述的一种基于分形结构的可拉伸固态电池制备方法，其特征在于，所述S23中的聚二甲基硅氧烷和固化剂质量比为10:1，固化温度为60-120℃，固化时间为30-150min。

10.一种可拉伸固态电池，其特征在于，使用权利要求1-9任一项所述的制备方法制备而成。

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【技术特征摘要】

1.一种基于分形结构的可拉伸固态电池制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种基于分形结构的可拉伸固态电池制备方法，其特征在于，所述分形结构是指在平面上具有特定结构的连续曲线，所述可拉伸结构即电池内部结构呈现分形结构，在拉伸力作用下可产生稳定变形，去除拉伸力后，电池可恢复到初始态；优选s22中，预设的分形结构为希尔伯特曲线组成的平面几何形状。

3.根据权利要求1所述的一种基于分形结构的可拉伸固态电池制备方法，其特征在于，所述s11和s12中的有机溶剂为n-甲基吡咯烷酮；所述s13中的有机溶剂为聚二甲基甲酰胺(dmf)；

4.根据权利要求1所述的一种基于分形结构的可拉伸固态电池制备方法，其特征在于，步骤s12中，所述导电剂为super p、科琴黑、碳纳米管、石墨烯中的一种或多种的组合；

5.根据权利要求1所述的一种基于分形结构的可拉伸固态电池制备方法，其特征在于，步骤s13中，pvdf-hfp与锂盐的质量比为1:1～10:1；步骤s13中，加热温度为40-60℃，加热时间为4-12h；步骤s13中，所述锂盐为双氟磺酰亚胺锂、双三氟甲基磺酰亚胺锂、四氟硼酸锂、高氯酸锂、六氟磷酸锂中的一种或多种组合。

【专利技术属性】
技术研发人员：石会发，兰红波，韩飒，朱晓阳，张广明，许权，赵佳伟，
申请(专利权)人：青岛理工大学，
类型：发明
国别省市：

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