一種三維鋰電池制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及鋰離子電池技術(shù)領(lǐng)域，公開了一種三維鋰電池制造方法，通過配置3D打印電極漿料、漿料處理、漿料過濾、裝載打印漿料、基底預(yù)處理、低溫直寫3D打印、電極冷凍干燥、電極燒結(jié)、電池封裝和注電解液工序，上述工藝與方法的特征在于：在低溫環(huán)境下用3D打印方法打印鋰電池的正極和負(fù)極漿料，漿料在低溫下冷凍成型。本發(fā)明所提出的三維鋰電池制造工藝方法適合于制備大尺寸、高能量、高功率的三維鋰電池。
【專利說明】
一種三維鋰電池制造方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及鋰離子電池技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種三維鋰電池制造方法。
【背景技術(shù)】
[0002]鋰電池由于其工作電壓高、能量密度高且具有較高的循環(huán)壽命，已經(jīng)成為消費(fèi)電子產(chǎn)品、電動(dòng)交通工具以及工業(yè)儲(chǔ)能等領(lǐng)域的一種重要電化學(xué)能量存儲(chǔ)裝置。目前的鋰電池的結(jié)構(gòu)包括紐扣式、圓柱式、方形結(jié)構(gòu)和薄膜鋰電池，以上電池的正極和負(fù)極結(jié)構(gòu)均為二維平面形狀，即使是進(jìn)行卷繞后正負(fù)極仍然是平行的，因此本質(zhì)上來講均是二維鋰電池。這種電池存在的問題在于能量密度和功率密度的矛盾，為了提高電池能量，則電極厚度應(yīng)越大越好，但電極厚度增加會(huì)導(dǎo)致鋰離子迀移速率降低，從而使得功率下降。因此，電池的設(shè)計(jì)必須在能量密度和功率密度之間取舍，能量密度提升則功率密度下降。
[0003]為了提升能量密度、不降低功率密度成為實(shí)現(xiàn)高能量密度和高功率密度鋰電池的關(guān)鍵。將傳統(tǒng)電極結(jié)構(gòu)從平行板式變?yōu)槿S結(jié)構(gòu)，從而制造三維鋰電池是實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)的有效方法。目前已經(jīng)出現(xiàn)了提出了一些三維電池的設(shè)計(jì)，比如如柱狀交錯(cuò)陣列式、片狀交錯(cuò)式、同心陣列式以及隨機(jī)同心式。從微觀看，鋰離子在正負(fù)電極間的迀移仍然為一維擴(kuò)散，宏觀上看，電極結(jié)構(gòu)為復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)。因此，鋰離子擴(kuò)散距離短，可有效提高功率密度;三維結(jié)構(gòu)在不增加電極厚度的基礎(chǔ)上增加電極材料總量，從而有效提高電池能量，同時(shí)達(dá)到提高電池能量密度和功率密度的目標(biāo)。
[0004]現(xiàn)有技術(shù)中，制備三維鋰電池的工藝主要包括:光刻法、硅微加工技術(shù)以及各種模板合成法如陽極氧化鋁模板法、膠態(tài)晶體模板法和生物模板法(B1template)等。盡管這些技術(shù)已經(jīng)取得了重要的研究進(jìn)展，但這些方法效率低、成本高，在規(guī)?；⒌统杀局圃烊S鋰電池方面面臨巨大挑戰(zhàn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明提供一種三維鋰電池制造方法，解決現(xiàn)有技術(shù)中制備三維鋰電池的工藝效率低、成本高的技術(shù)問題。
[0006]本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:
[0007]一種三維鋰電池制造方法，包括:
[0008]配置3D打印電極漿料；
[0009]對(duì)所述電極楽料進(jìn)行過濾；
[0010]將過濾后的電極漿料分別裝入正極材料打印噴頭和負(fù)極材料打印噴頭；
[0011]在打印基底上制作正極集流體和負(fù)極集流體；
[0012]在低溫環(huán)境下，在打印成型室內(nèi)，根據(jù)計(jì)算機(jī)預(yù)設(shè)的三維鋰電池設(shè)計(jì)圖形，采用正極材料打印噴頭和負(fù)極材料打印噴頭進(jìn)行3D打?。?br>[0013]在低溫環(huán)境下，對(duì)鋰電池電極進(jìn)行低溫冷凍干燥；
[0014]將冷凍干燥后的鋰電池電極放入燒結(jié)爐內(nèi)在600°C進(jìn)行燒結(jié)；
[0015]將打印好的鋰電池電極用塑料外殼封裝起來；
[0016]將電解液注入到封裝好的鋰電池中，以形成三維鋰電池。
[0017]本發(fā)明提供一種三維鋰電池制造方法，通過配置3D打印電極漿料;對(duì)所述電極漿料進(jìn)行過濾;將過濾后的電極漿料分別裝入正極材料打印噴頭和負(fù)極材料打印噴頭;在打印基底上制作正極集流體和負(fù)極集流體;在低溫環(huán)境下，在打印成型室內(nèi)，根據(jù)計(jì)算機(jī)預(yù)設(shè)的三維鋰電池設(shè)計(jì)圖形，采用正極材料打印噴頭和負(fù)極材料打印噴頭進(jìn)行3D打?。辉诘蜏丨h(huán)境下，對(duì)鋰電池電極進(jìn)行低溫冷凍干燥;將冷凍干燥后的鋰電池電極放入燒結(jié)爐內(nèi)在600°C進(jìn)行燒結(jié);將打印好的鋰電池電極用塑料外殼封裝起來;將電解液注入到封裝好的鋰電池中，以形成三維鋰電池。本發(fā)明所提出的三維鋰電池制造工藝方法適合于制備大尺寸、高能量、高功率的三維鋰電池。
【附圖說明】
[0018]為了更清楚地說明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)性的前提下，還可根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。
[0019]圖1為本發(fā)明實(shí)施例的一種三維鋰電池制造方法的流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0020]為使本發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點(diǎn)能夠更加明顯易懂，下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。
[0021]如圖1所示，為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種三維鋰電池制造方法，包括:
[0022]步驟101、配置3D打印電極漿料；
[0023]其中，將正極材料粉體(如LiCo02、LiFeP04、LiMn204)和負(fù)極材料粉體(如Li4Ti5012、石墨)與有機(jī)溶劑(I，4二氧六環(huán))、導(dǎo)電劑(炭黑)和增稠劑/粘結(jié)劑(聚乙烯醇PVA、羧甲基纖維素鈉CMC等)按照質(zhì)量分?jǐn)?shù)按照進(jìn)行混合均勻，其中電極活性材料的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%?80 %，有機(jī)溶劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20 %?50 %，導(dǎo)電劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為I %?2 %，粘結(jié)劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%?3%，混合后使活性材料粉體均勻分散。本步驟的打印電極漿料的粘度范圍為10?10Pa.S。所述粉體為可用微米級(jí)顆粒或納米級(jí)顆粒，微米顆粒平均粒徑為I?1ym，納米級(jí)顆粒平均粒徑為50?200nm。增稠劑為羥丙基纖維素或羧甲基纖維素鈉。有機(jī)溶劑為I，4二氧六環(huán)。導(dǎo)電劑為炭黑。
[0024]步驟102、對(duì)電極漿料進(jìn)行過濾；
[0025]其中，本步驟去除漿料中的Fe雜質(zhì)和團(tuán)聚的尺寸較大、影響打印過程穩(wěn)定性的微粒，以優(yōu)化漿料性能、提升漿料品質(zhì)，保證在打印過程中不會(huì)堵塞噴頭。
[0026]步驟103、將過濾后的電極漿料分別裝入正極材料打印噴頭和負(fù)極材料打印噴頭；
[0027]步驟104、在打印基底上制作正極集流體和負(fù)極集流體；
[0028]其中，所述打印基底為玻璃、陶瓷或塑料，玻璃基底表面集流體可用光刻和電子束蒸發(fā)等工藝制作。陶瓷和塑料基底上可用激光直接成型LDS(laser direct structuring)工藝制作，即用激光照射在含有金屬絡(luò)合物的塑料基底或陶瓷基底表面上，激光照射的表面會(huì)露出金屬粒子，可作為化學(xué)鍍的基體進(jìn)行化學(xué)鍍制作帶有集流體的打印基底。
[0029]步驟105、在低溫環(huán)境下，在打印成型室內(nèi)，根據(jù)計(jì)算機(jī)預(yù)設(shè)的三維鋰電池設(shè)計(jì)圖形，采用正極材料打印噴頭和負(fù)極材料打印噴頭進(jìn)行3D打??；
[0030]其中，低溫為-20°C?_30°C，所述打印成型室由隔熱軟膜包裹，以與外部周圍環(huán)境隔開，保證成型室內(nèi)的溫度。成型室由一套制冷機(jī)組對(duì)其進(jìn)行制冷控溫，包括壓縮機(jī)、冷凝器、膨脹閥、蒸發(fā)器、橫流風(fēng)機(jī)以及冷風(fēng)入口和出口，整個(gè)打印過程在成型底板上進(jìn)行。
[0031 ] 步驟106、在低溫環(huán)境下，對(duì)鋰電池電極進(jìn)行低溫冷凍干燥；
[0032]其中，打印成型的電極立即放入低溫冷凍干燥機(jī)在真空和-50°C以下的低溫環(huán)境中進(jìn)行干燥處理，使得電極內(nèi)的有機(jī)溶劑升華，留下含有有機(jī)粘接劑、增稠劑和電極活性材料組成的干燥電極。
[0033]步驟107、將冷凍干燥后的鋰電池電極放入燒結(jié)爐內(nèi)在600°C進(jìn)行燒結(jié)；
[0034]其中，電極內(nèi)的有機(jī)組分被燒蝕、電極活性材料顆粒之間連接強(qiáng)度大幅提高，燒結(jié)后的電極可直接作為鋰電池的正極和負(fù)極。
[0035 ]步驟108、將打印好的鋰電池電極用塑料外殼封裝起來；
[0036]將打印好的鋰電池正極和鋰電池負(fù)極用塑料外殼封裝起來，并保證封裝后的電池具有良好的密封性。
[0037]步驟109、將電解液注入到封裝好的鋰電池中，以形成三維鋰電池。
[0038]本發(fā)明所提出的三維鋰電池制造工藝方法，與以往的工藝相比，可以獲得以下有益效果:(I)通過低溫直寫3D打印，整個(gè)打印過程處于-30°C以下的低溫環(huán)境，打印后的漿料可迅速固化成型，有效提高了打印微絲的機(jī)械強(qiáng)度，打印結(jié)構(gòu)在材料層層堆積過程中不會(huì)發(fā)生坍塌，從而可以制造尺寸更大的三維鋰電池。(2)打印的結(jié)構(gòu)在低溫下成型后，內(nèi)部的有機(jī)溶劑發(fā)生結(jié)晶，然后進(jìn)行低溫冷凍干燥，有機(jī)溶劑揮發(fā)后在打印電極內(nèi)形成幾百納米?幾十微米的孔隙結(jié)構(gòu)，制備出微納多孔電極，這種孔隙結(jié)構(gòu)有利于電解液進(jìn)入電極內(nèi)部，同時(shí)這種電極的比表面積大大增加，從而可有效提高電池的功率密度，更大的電極表面積還有利于降低電流面密度、減小電極極化過電位，提高電池性能。因此，本發(fā)明所提出的三維鋰電池制造工藝方法適合于制備大尺寸、高能量、高功率的三維鋰電池。
[0039]以上對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)介紹，本文中應(yīng)用了具體個(gè)例對(duì)本發(fā)明的原理及實(shí)施方式進(jìn)行了闡述，以上實(shí)施例的說明只是用于幫助理解本發(fā)明的方法及其核心思想；同時(shí)，對(duì)于本領(lǐng)域的一般技術(shù)人員，依據(jù)本發(fā)明的思想，在【具體實(shí)施方式】及應(yīng)用范圍上均會(huì)有改變之處，綜上所述，本說明書內(nèi)容不應(yīng)理解為對(duì)本發(fā)明的限制。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種三維鋰電池制造方法，其特征在于，包括: 配置3D打印電極漿料； 對(duì)所述電極楽料進(jìn)行過濾； 將過濾后的電極漿料分別裝入正極材料打印噴頭和負(fù)極材料打印噴頭； 在打印基底上制作正極集流體和負(fù)極集流體； 在低溫環(huán)境下，在打印成型室內(nèi)，根據(jù)計(jì)算機(jī)預(yù)設(shè)的三維鋰電池設(shè)計(jì)圖形，采用正極材料打印噴頭和負(fù)極材料打印噴頭進(jìn)行3D打??； 在低溫環(huán)境下，對(duì)鋰電池電極進(jìn)行低溫冷凍干燥； 將冷凍干燥后的鋰電池電極放入燒結(jié)爐內(nèi)在600 °C進(jìn)行燒結(jié)； 將打印好的鋰電池電極用塑料外殼封裝起來； 將電解液注入到封裝好的鋰電池中，以形成三維鋰電池。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三維鋰電池制造方法，其特征在于，所述配置3D打印電極漿料的步驟，包括: 將50 %?80 %的正極材料粉體和負(fù)極材料粉體與20 %?50 %的有機(jī)溶劑、I %?2 %的導(dǎo)電劑和2%?3%的增稠劑或粘結(jié)劑進(jìn)行混合均勻，以使活性材料粉體均勻分散，其中，正極材料包括LiCo02、LiFeP04、LiMn204，負(fù)極材料包括Li4Ti5012、石墨，有機(jī)溶劑為1，4二氧六環(huán)，導(dǎo)電劑為炭黑，增稠劑為聚乙烯醇PVA或羧甲基纖維素鈉CMC。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三維鋰電池制造方法，其特征在于，所述在打印基底上制作正極集流體和負(fù)極集流體的步驟，包括: 當(dāng)打印基底為玻璃基底時(shí)，采用光刻和電子束蒸發(fā)制作正極集流體和負(fù)極集流體； 當(dāng)打印基底為陶瓷或塑料時(shí)，采用激光直接成型制作正極集流體和負(fù)極集流體。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三維鋰電池制造方法，其特征在于，所述在低溫環(huán)境下，對(duì)鋰電池電極進(jìn)行低溫冷凍干燥的步驟，包括: 打印成型的鋰電池電極立即放入低溫冷凍干燥機(jī)在真空和-50°C以下的低溫環(huán)境中進(jìn)行干燥處理，使得電極內(nèi)的有機(jī)溶劑升華，留下含有有機(jī)粘接劑、增稠劑和電極活性材料組成的干燥電極。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三維鋰電池制造方法，其特征在于，所述對(duì)所述電極漿料進(jìn)行過濾的步驟，包括: 過濾去除漿料中的Fe雜質(zhì)和團(tuán)聚的尺寸較大、影響打印過程穩(wěn)定性的微粒。
【文檔編號(hào)】H01M6/00GK106099128SQ201610523164
【公開日】2016年11月9日
【申請(qǐng)日】2016年7月5日
【發(fā)明人】劉長勇, 勞長石, 肖崇梁, 庫志喻
【申請(qǐng)人】深圳大學(xué)