一种三维锂电池制造方法
【专利摘要】本发明涉及锂离子电池技术领域，公开了一种三维锂电池制造方法，通过配置3D打印电极浆料、浆料处理、浆料过滤、装载打印浆料、基底预处理、低温直写3D打印、电极冷冻干燥、电极烧结、电池封装和注电解液工序，上述工艺与方法的特征在于：在低温环境下用3D打印方法打印锂电池的正极和负极浆料，浆料在低温下冷冻成型。本发明所提出的三维锂电池制造工艺方法适合于制备大尺寸、高能量、高功率的三维锂电池。
【专利说明】
一种三维锂电池制造方法
技术领域
[0001]本发明涉及锂离子电池技术领域，尤其涉及一种三维锂电池制造方法。
【背景技术】
[0002]锂电池由于其工作电压高、能量密度高且具有较高的循环寿命，已经成为消费电子产品、电动交通工具以及工业储能等领域的一种重要电化学能量存储装置。目前的锂电池的结构包括纽扣式、圆柱式、方形结构和薄膜锂电池，以上电池的正极和负极结构均为二维平面形状，即使是进行卷绕后正负极仍然是平行的，因此本质上来讲均是二维锂电池。这种电池存在的问题在于能量密度和功率密度的矛盾，为了提高电池能量，则电极厚度应越大越好，但电极厚度增加会导致锂离子迀移速率降低，从而使得功率下降。因此，电池的设计必须在能量密度和功率密度之间取舍，能量密度提升则功率密度下降。
[0003]为了提升能量密度、不降低功率密度成为实现高能量密度和高功率密度锂电池的关键。将传统电极结构从平行板式变为三维结构，从而制造三维锂电池是实现上述目标的有效方法。目前已经出现了提出了一些三维电池的设计，比如如柱状交错阵列式、片状交错式、同心阵列式以及随机同心式。从微观看，锂离子在正负电极间的迀移仍然为一维扩散，宏观上看，电极结构为复杂三维结构。因此，锂离子扩散距离短，可有效提高功率密度;三维结构在不增加电极厚度的基础上增加电极材料总量，从而有效提高电池能量，同时达到提高电池能量密度和功率密度的目标。
[0004]现有技术中，制备三维锂电池的工艺主要包括:光刻法、硅微加工技术以及各种模板合成法如阳极氧化铝模板法、胶态晶体模板法和生物模板法(B1template)等。尽管这些技术已经取得了重要的研究进展，但这些方法效率低、成本高，在规模化、低成本制造三维锂电池方面面临巨大挑战。
【发明内容】
[0005]本发明提供一种三维锂电池制造方法，解决现有技术中制备三维锂电池的工艺效率低、成本高的技术问题。
[0006]本发明的目的是通过以下技术方案实现的:
[0007]一种三维锂电池制造方法，包括:
[0008]配置3D打印电极浆料；
[0009]对所述电极楽料进行过滤；
[0010]将过滤后的电极浆料分别装入正极材料打印喷头和负极材料打印喷头；
[0011]在打印基底上制作正极集流体和负极集流体；
[0012]在低温环境下，在打印成型室内，根据计算机预设的三维锂电池设计图形，采用正极材料打印喷头和负极材料打印喷头进行3D打印；
[0013]在低温环境下，对锂电池电极进行低温冷冻干燥；
[0014]将冷冻干燥后的锂电池电极放入烧结炉内在600°C进行烧结；
[0015]将打印好的锂电池电极用塑料外壳封装起来；
[0016]将电解液注入到封装好的锂电池中，以形成三维锂电池。
[0017]本发明提供一种三维锂电池制造方法，通过配置3D打印电极浆料;对所述电极浆料进行过滤;将过滤后的电极浆料分别装入正极材料打印喷头和负极材料打印喷头;在打印基底上制作正极集流体和负极集流体;在低温环境下，在打印成型室内，根据计算机预设的三维锂电池设计图形，采用正极材料打印喷头和负极材料打印喷头进行3D打印；在低温环境下，对锂电池电极进行低温冷冻干燥;将冷冻干燥后的锂电池电极放入烧结炉内在600°C进行烧结;将打印好的锂电池电极用塑料外壳封装起来;将电解液注入到封装好的锂电池中，以形成三维锂电池。本发明所提出的三维锂电池制造工艺方法适合于制备大尺寸、高能量、高功率的三维锂电池。
【附图说明】
[0018]为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可根据这些附图获得其他的附图。
[0019]图1为本发明实施例的一种三维锂电池制造方法的流程图。
【具体实施方式】
[0020]为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和【具体实施方式】对本发明作进一步详细的说明。
[0021]如图1所示，为本发明实施例提供的一种三维锂电池制造方法，包括:
[0022]步骤101、配置3D打印电极浆料；
[0023]其中，将正极材料粉体(如LiCo02、LiFeP04、LiMn204)和负极材料粉体(如Li4Ti5012、石墨)与有机溶剂(I，4二氧六环)、导电剂(炭黑)和增稠剂/粘结剂(聚乙烯醇PVA、羧甲基纤维素钠CMC等)按照质量分数按照进行混合均匀，其中电极活性材料的质量分数为50%?80 %，有机溶剂的质量分数为20 %?50 %，导电剂质量分数为I %?2 %，粘结剂的质量分数为2%?3%，混合后使活性材料粉体均匀分散。本步骤的打印电极浆料的粘度范围为10?10Pa.S。所述粉体为可用微米级颗粒或纳米级颗粒，微米颗粒平均粒径为I?1ym，纳米级颗粒平均粒径为50?200nm。增稠剂为羟丙基纤维素或羧甲基纤维素钠。有机溶剂为I，4二氧六环。导电剂为炭黑。
[0024]步骤102、对电极浆料进行过滤；
[0025]其中，本步骤去除浆料中的Fe杂质和团聚的尺寸较大、影响打印过程稳定性的微粒，以优化浆料性能、提升浆料品质，保证在打印过程中不会堵塞喷头。
[0026]步骤103、将过滤后的电极浆料分别装入正极材料打印喷头和负极材料打印喷头；
[0027]步骤104、在打印基底上制作正极集流体和负极集流体；
[0028]其中，所述打印基底为玻璃、陶瓷或塑料，玻璃基底表面集流体可用光刻和电子束蒸发等工艺制作。陶瓷和塑料基底上可用激光直接成型LDS(laser direct structuring)工艺制作，即用激光照射在含有金属络合物的塑料基底或陶瓷基底表面上，激光照射的表面会露出金属粒子，可作为化学镀的基体进行化学镀制作带有集流体的打印基底。
[0029]步骤105、在低温环境下，在打印成型室内，根据计算机预设的三维锂电池设计图形，采用正极材料打印喷头和负极材料打印喷头进行3D打印；
[0030]其中，低温为-20°C?_30°C，所述打印成型室由隔热软膜包裹，以与外部周围环境隔开，保证成型室内的温度。成型室由一套制冷机组对其进行制冷控温，包括压缩机、冷凝器、膨胀阀、蒸发器、横流风机以及冷风入口和出口，整个打印过程在成型底板上进行。
[0031 ] 步骤106、在低温环境下，对锂电池电极进行低温冷冻干燥；
[0032]其中，打印成型的电极立即放入低温冷冻干燥机在真空和-50°C以下的低温环境中进行干燥处理，使得电极内的有机溶剂升华，留下含有有机粘接剂、增稠剂和电极活性材料组成的干燥电极。
[0033]步骤107、将冷冻干燥后的锂电池电极放入烧结炉内在600°C进行烧结；
[0034]其中，电极内的有机组分被烧蚀、电极活性材料颗粒之间连接强度大幅提高，烧结后的电极可直接作为锂电池的正极和负极。
[0035 ]步骤108、将打印好的锂电池电极用塑料外壳封装起来；
[0036]将打印好的锂电池正极和锂电池负极用塑料外壳封装起来，并保证封装后的电池具有良好的密封性。
[0037]步骤109、将电解液注入到封装好的锂电池中，以形成三维锂电池。
[0038]本发明所提出的三维锂电池制造工艺方法，与以往的工艺相比，可以获得以下有益效果:(I)通过低温直写3D打印，整个打印过程处于-30°C以下的低温环境，打印后的浆料可迅速固化成型，有效提高了打印微丝的机械强度，打印结构在材料层层堆积过程中不会发生坍塌，从而可以制造尺寸更大的三维锂电池。(2)打印的结构在低温下成型后，内部的有机溶剂发生结晶，然后进行低温冷冻干燥，有机溶剂挥发后在打印电极内形成几百纳米?几十微米的孔隙结构，制备出微纳多孔电极，这种孔隙结构有利于电解液进入电极内部，同时这种电极的比表面积大大增加，从而可有效提高电池的功率密度，更大的电极表面积还有利于降低电流面密度、减小电极极化过电位，提高电池性能。因此，本发明所提出的三维锂电池制造工艺方法适合于制备大尺寸、高能量、高功率的三维锂电池。
[0039]以上对本发明进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在【具体实施方式】及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
【主权项】
1.一种三维锂电池制造方法，其特征在于，包括: 配置3D打印电极浆料； 对所述电极楽料进行过滤； 将过滤后的电极浆料分别装入正极材料打印喷头和负极材料打印喷头； 在打印基底上制作正极集流体和负极集流体； 在低温环境下，在打印成型室内，根据计算机预设的三维锂电池设计图形，采用正极材料打印喷头和负极材料打印喷头进行3D打印； 在低温环境下，对锂电池电极进行低温冷冻干燥； 将冷冻干燥后的锂电池电极放入烧结炉内在600 °C进行烧结； 将打印好的锂电池电极用塑料外壳封装起来； 将电解液注入到封装好的锂电池中，以形成三维锂电池。2.根据权利要求1所述的三维锂电池制造方法，其特征在于，所述配置3D打印电极浆料的步骤，包括: 将50 %?80 %的正极材料粉体和负极材料粉体与20 %?50 %的有机溶剂、I %?2 %的导电剂和2%?3%的增稠剂或粘结剂进行混合均匀，以使活性材料粉体均匀分散，其中，正极材料包括LiCo02、LiFeP04、LiMn204，负极材料包括Li4Ti5012、石墨，有机溶剂为1，4二氧六环，导电剂为炭黑，增稠剂为聚乙烯醇PVA或羧甲基纤维素钠CMC。3.根据权利要求1所述的三维锂电池制造方法，其特征在于，所述在打印基底上制作正极集流体和负极集流体的步骤，包括: 当打印基底为玻璃基底时，采用光刻和电子束蒸发制作正极集流体和负极集流体； 当打印基底为陶瓷或塑料时，采用激光直接成型制作正极集流体和负极集流体。4.根据权利要求1所述的三维锂电池制造方法，其特征在于，所述在低温环境下，对锂电池电极进行低温冷冻干燥的步骤，包括: 打印成型的锂电池电极立即放入低温冷冻干燥机在真空和-50°C以下的低温环境中进行干燥处理，使得电极内的有机溶剂升华，留下含有有机粘接剂、增稠剂和电极活性材料组成的干燥电极。5.根据权利要求1所述的三维锂电池制造方法，其特征在于，所述对所述电极浆料进行过滤的步骤，包括: 过滤去除浆料中的Fe杂质和团聚的尺寸较大、影响打印过程稳定性的微粒。
【文档编号】H01M6/00GK106099128SQ201610523164
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年7月5日
【发明人】刘长勇, 劳长石, 肖崇梁, 库志喻
【申请人】深圳大学