一種3d打印鋅空電池的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及蓄電池制造技術(shù)領(lǐng)域，具體地，涉及一種3D打印鋅空電池的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]可穿戴設(shè)備，以及微型電路的快速發(fā)展，對于給其提供電能的蓄電池提出了更高的要求，比如要求蓄電池更小、更薄、更便宜、更安全，外形可根據(jù)需要靈活調(diào)整等。
[0003]目前勉強(qiáng)可以滿足這一要求的蓄電池技術(shù)是紐扣電池和鋰聚合物電池。但是紐扣電池太厚；鋰聚合物電池最低厚度也有2毫米，而且外形太大，在工業(yè)化的生產(chǎn)體系下不容易定制尺寸。鋰電池的安全也始終是用戶無法徹底放心的問題。
[0004]為滿足以上市場要求，可以3D打印的蓄電池是最好的選擇。3D打印的蓄電池形狀可以根據(jù)需要任意設(shè)計(jì)，厚度可以只有1毫米以下。
[0005]3D打印的鋅空電池是最好的選擇。鋅空電池具有非常低廉的成本，原材料大量可得，能量密度可以高達(dá)350W/g，是目前鋰電池技術(shù)的2倍。鋅空電池不含任何容易導(dǎo)致燃燒或爆炸的材料，非常安全。
[0006]美國的Impint Energy公司發(fā)明了 3D打印鋅空電池的技術(shù)，并因此而獲得了600 萬美元的風(fēng)險(xiǎn)投資。該公司的專利 US20140059820 ((1NIC GEL ELECTROLYTE, ENERGYSTORAGE DEVICES, AND METHODS OF MANUFACTURE THEREOF》闡述了其 3D 制備鋅空蓄電池的方法。在該發(fā)明的核心內(nèi)容，也就是聚合物電解液的制備過程中，該發(fā)明采用了 PVDF、PVDF-HFP、PVA、ΡΕ0、PAN、PMMA 溶液，添加鋅鹽如 BF4-、CF3C02-、CF3S03-、PF6-、NTf2_、N(S02F) 2-等的方法。以上材料的使用都是借鑒鋰聚合物電池的原理，在鋰聚合物電池的生產(chǎn)中也得到了廣泛應(yīng)用。但是上述電解質(zhì)同樣具備鋰電池的電解液的高毒性；同時(shí)，該發(fā)明普遍采用含氟的材料，而含氟材料對于鋅空電池的鋅電極是有一定的腐蝕性的，會顯著抑制電池的循環(huán)壽命。
[0007]同時(shí)，對于多年來始終困擾鋅空電池的鋅枝晶生成、堿性電解液吸收二氧化碳、氣體電極的性能衰退等核心問題，該專利并沒有談及。在實(shí)際操作中，有必要對于鋅枝晶的生長抑制、不吸收二氧化碳的方法、提高氣體電極的壽命的方法等進(jìn)行充分的考慮。
[0008]有鑒于此，有必要對于該發(fā)明進(jìn)行改進(jìn)，以尋找一種更加合理的3D打印鋅空蓄電池的方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]針對現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，本發(fā)明的目的是提供一種3D打印鋅空電池的方法。提供了一種通過3D打印的方法來廉價(jià)、方便、安全地生產(chǎn)鋅空電池的方法
[0010]根據(jù)本發(fā)明提供的一種3D打印鋅空電池的方法，包括:
[0011]空氣電極的打印過程:分別將氣體擴(kuò)散層材料和催化層材料采用3D打印的方式均勻噴涂在導(dǎo)電鎳網(wǎng)的兩側(cè)，形成預(yù)設(shè)層數(shù)的氣體擴(kuò)散層和催化層，從而形成所述空氣電極；
[0012]聚合物電解液層的打印過程:采用3D打印的方式將凝膠狀的聚合物電解液均勻噴涂形成預(yù)設(shè)層數(shù)的電解液層；
[0013]鋅電極的打印過程:采用3D打印的方式將凝膠狀的鋅膏均勻噴涂在鍍錫黃銅網(wǎng)或鍍錫鑷網(wǎng)的兩側(cè)，形成預(yù)設(shè)層數(shù)的所述鋅電極；
[0014]形成鋅空電池，在所述鋅空電池中所述鋅電極和所述空氣電極設(shè)于所述聚合物電解液層的兩面。
[0015]作為一種優(yōu)化方案，所述氣體擴(kuò)散層材料以重量份計(jì)包括:乙炔黑8?32份、活性炭6.5?26份、石墨8?32份、乙醇2.5?10份和PTFE乳液25?100份，所述PTFE乳液中PTFE的含量為15?60wt%。
[0016]作為一種優(yōu)化方案，所述催化層材料以重量份計(jì)包括:乙炔黑8?32份、活性炭7.5?30份、石墨8?32份、Μη02 10?40份、乙醇1.5?6份和PTFE乳液15?60份，所述PTFE乳液中PTFE的含量為15?60wt%。
[0017]作為一種優(yōu)化方案，所述凝膠狀的聚合物電解液的制作方法包括:
[0018]步驟101，將聚乙烯醇顆粒和水以(0.5?2): (2.5?10)的質(zhì)量比例混合，在70-90°C溫度下水浴攪拌至顆粒消失，形成呈粘稠狀的聚乙烯醇溶液；
[0019]步驟102，將重量份為3.5?14份的Ζη0、(λ 5?2份的In (Ac) 3以及1?4份的酒石酸鉀加入Κ0Η混合溶液I混合均勻形成Κ0Η混合液II，再將步驟101制作的所述聚乙烯醇溶液逐滴加入得到聚乙烯醇-Κ0Η溶液，直至所述聚乙烯醇-Κ0Η溶液中聚乙烯醇溶液和Κ0Η混合溶液II的質(zhì)量比為(1?4): (0.5?2);
[0020]步驟103，在70-90°C下水浴聚合10_30分鐘，得到的聚合物電解液在室溫下逐漸冷卻，并逐步形成所述凝膠狀；
[0021]其中，所述Κ0Η 混合溶液 I 中包含:3.2 ?4.5mol/L Κ0Η、0.9 ?3.6mol/L KF、0.9 ?3.6mol/L K2C03、0.25 ?lmol/L LiF。
[0022]作為一種優(yōu)化方案，所述鋅膏的制作方法包括:
[0023]按重量份計(jì)，將3?12份Pb0、0.5?2份CMC、1?4份乙醇、1?4份碳納米管、37?150份鋅粉均勻混合后一起加入5份濃度為3?12mol/L的Κ0Η溶液中，再向該Κ0Η溶液中逐滴加入5?20份含量為15?60被％的PTFE乳液均勻攪拌后制成所述鋅膏。
[0024]作為一種優(yōu)化方案，所述凝膠狀的聚合物電解液的制作方法包括:
[0025]按重量份計(jì)，將0.5?2份In (Ac) 3、1?4份磺酸、4?16份Si02水凝膠加入酸性電解液混合溶液中，均勻混合后得到所述凝膠狀的聚合物電解液；
[0026]所述酸性電解液混合溶液包括2?8mol/L NH4C1和0.5?2mol/L KC1。
[0027]作為一種優(yōu)化方案，所述鋅膏的制作方法包括:
[0028]按重量份計(jì)，將3?12份Pb0、0.5?2份羧甲基纖維素、0.5?2份乙醇、1?4份碳納米管、37?150份鋅粉均勻混合后一起加入2.5?10份的所述酸性電解液混合溶液中，逐滴加入5?20份含量為15?60被％的PTFE乳液均勻攪拌后制成所述鋅膏。
[0029]作為一種優(yōu)化方案，所述形成鋅空電池的過程包括:
[0030]將所述空氣電極和鋅電極都放入70?90°C的溫度下高溫處理預(yù)設(shè)時(shí)間；
[0031]在制作好的鋅電極上覆蓋所述聚合物電解液層，再在所述聚合物電解液層上覆蓋所述空氣電極，從而形成所述鋅空電池。
[0032]作為一種優(yōu)化方案，所述形成鋅空電池的過程包括:
[0033]先在鍍錫黃銅網(wǎng)或鍍錫鑷網(wǎng)的一側(cè)打印形成所述鋅電極的一面，隨后在鍍錫黃銅網(wǎng)或鍍錫鑷網(wǎng)的另一側(cè)打印形成所述鋅電極的另一面；
[0034]在所述鋅電極的一面上打印預(yù)設(shè)層數(shù)的凝膠狀的聚合物電解液完成所述聚合物電解液層的打?。?br>[0035]在所述聚合物電解液層上打印所述催化層，在所述催化層上設(shè)置一層導(dǎo)電鎳網(wǎng)，在所述導(dǎo)電鎳網(wǎng)上打印所述氣體擴(kuò)散層，完成所述空氣電極的打印，進(jìn)而形成所述鋅空電池。
[0036]作為一種優(yōu)化方案，所述形成鋅空電池的過程包括:
[0037]先在鍍錫黃銅網(wǎng)或鍍錫鑷網(wǎng)的一側(cè)打印形成所述鋅電極的一面，隨后在鍍錫黃銅網(wǎng)或鍍錫鑷網(wǎng)的另一側(cè)打印形成所述鋅電極的另一面；
[0038]在所述鋅電極的一面上打印預(yù)設(shè)層數(shù)的凝膠狀的聚合物電解液后設(shè)置所述玻璃纖維基材，在所述玻璃纖維基材上繼續(xù)打印預(yù)設(shè)層數(shù)的凝膠狀的聚合物電解液完成所述聚合物電解液層的打?。?br>[0039]在所述聚合物電解液層上打印所述催化層，在所述催化層上設(shè)置一層導(dǎo)電鎳網(wǎng)，在所述導(dǎo)電鎳網(wǎng)上打印所述氣體擴(kuò)散層，完成所述空氣電極的打印，進(jìn)而形成所述鋅空電池。
[0040]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下的有益效果:
[0041]本發(fā)明生產(chǎn)方式靈活，可以通過3D打印的方法自由設(shè)計(jì)、定制各種尺寸、形狀的鋅空電池，生產(chǎn)工藝簡單，生產(chǎn)設(shè)備小巧，可以很好地滿足各種穿戴式設(shè)備對于電池的要求。
【附圖說明】
[0042]為了更清楚地說明本發(fā)明實(shí)施例的技術(shù)方案，下面將對實(shí)施例描述中所需要使用的附圖作簡單的介紹，顯而易見，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。附圖中:
[0043]圖1是可選實(shí)施例中的一種3D打印鋅空電池的方法流程圖；
[0044]圖2是可選實(shí)施例中的一種3D打印鋅空電池結(jié)構(gòu)示意圖；
[0045]圖3是一種鋅空電池3D打印場景。
[0046]1-空氣電極，11-氣體擴(kuò)