[01372121]3D打印微电池的制备及其打印墨水性能研究

近年来,随着传感器、无线传输设备、个人健康监控系统以及微型机电系统等微型化设备的日益普遍,对与之配套的微型电源部件的需求也日益增加。为了适应各类电子设备的发展及需求,各国学者展开了微型化电池的研究,以期研制出能够为各类微型设备提供安全的、轻便的电子能源。目前市场上有少部分二维薄膜微电池,但由于其有限的能量密度及容量,使其应用受到了很大限制,而3D打印技术把电池二维平面电极结构转变为三维结构,最大限度地利用有限空间缩小离子迁移距离,缩短正负两极之间的锂离子扩散路径,增加电极与电解液的接触面积,增加电池能量密度,最终获得性能优良的微型锂离子电池,具有很高的市场应用价值及社会效益。 本项目以三元镍钴锰酸锂（LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2）和钛酸锂（Li4Ti5O12）作为微电池正负极活性物质,并以纳米石墨片作为其导电添加相,重点研究适于打印墨水的导电相、粘结剂及溶解剂的种类、规格和数量,导电增强相在墨水中的分散液组成以及分散工艺,重点解决导电增强相在墨水中的分散均匀性问题;研究不同制备工艺参数下3D打印微电池正负极墨水的流变行为,具体指标包括表观粘度、剪切降粘特性、存储/损失模量等,重点解决该功能墨水的流动性及粘度控制问题,确定出墨水各组分材料的最佳配比,研制出一种电化学性能优异的,能够适应当前电子、医学、生物等领域微型化需求的正负极墨水。探究打印工艺对正负电极成型的影响,主要分析打印速度、运行时的打印高度及打印层数等参数对后期打印电极的成型效果的影响,其次通过编码器完成对打印电极图案路径的设计,同时进行大量试验分析,设置好X/Y/Z轴空移速度、提前出胶和延时关胶等参数,确定最佳优化工艺参数,经3D打印技术制备电极。进行3D打印锂离子电池总体结构设计,设计制作集流体、电池外壳,选择电解液,最后进行电池组装制备微电池。本产品暂未投产,目前虽取得良好性能,但后期仍需不断完善,为国内3D打印微电池的实现奠定基础。本产品申请国家专利4项,公开在“材料科学与工艺”、“化工新型材料”期刊发表论文3篇。