一种柔性电池的3D打印系统及打印方法与流程

本发明属于3d打印技术领域，尤其涉及一种柔性电池的3d打印系统及打印方法。

背景技术：

3d打印(3dprinting)技术又称三维打印技术，是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。它无需机械加工或任何模具，就能直接从计算机图形数据中生成任何形状的零件，从而极大地缩短产品的研制周期，提高生产率和降低生产成本。

随着3d打印技术的日益完善，3d打印技术已广泛应用于军事、电子、医学、生物、新能源等领域，尤其是新型3d打印集成锂离子电池的出现，有效实现了锂离子电池阴阳极及其封装系统的有效集成，大大提高了电池电极材料中活性物质的比例，缩短了锂离子电池充放电过程中的迁移距离，提高了锂离子的扩散速率和迁移率。

然而，现有的3d打印技术所制备的锂离子电池一般为不需要隔膜的阴阳极叉指结构，这种结构易于打印，但锂离子电池电极材料在锂存储过程中体积变化显著且应力较大，在充放电过程中电极易变形甚至坍塌。如果将这种阴阳极叉指结构应用于柔性电池，经过多次弯折变形后复原，电极的损坏速度更快。因此，基于3d打印技术对上述结构进行改进，是解决这一问题的关键。例如设计一种柔性电池，其包括基体和基盖，所述基体和基盖内部设计有相互啮合的三角形齿形面，再在基体的齿形面打印出阴阳极叉指结构的集流体和正/负电极，其中交叉指型集流体的根部与所述三角形的顶部棱线相垂直，所述交叉指型集流体的指部位于所述三角形的两腰并与所述三角形的顶部棱线相平行，正/负电极覆盖在正/负极集流体上，再将基体和基盖封装在一起，注入电解液即制得柔性电池。由于电池的正/负极位于三角形斜坡腰面上，一方面可以可以增大正/负极活性物质的量，提高柔性电池的电化学性能，另一方面，柔性电池在受到弯曲应力时，三角形的两腰面连接处将受到极大的挤压作用力，但三角形的腰面不会受到弯曲应力的影响，即正/负极活性物质不会受到柔性电池弯曲变形的影响。

上述柔性电池的结构较为复杂，现有的3d打印系统无法满足制备柔性电池的需要。

技术实现要素：

本发明旨在提供一种3d打印系统及打印方法，用于制备背景技术中提到的结构复杂的柔性电池。

为了达到上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种3d打印系统，包括打印工作台、3d设计单元、打印控制单元，所述打印工作台包括旋转机构、旋转平台、三根支撑杆、三个角度控制装置以及三个模型支撑台，所述旋转机构位于旋转平台中心，所述支撑杆的底端固定在旋转平台上，其顶端通过角度控制装置与模型支撑台相连，且支撑杆与旋转平台中心的连线之间的角度为120°；在模型支撑台上方分别设置有光固化树脂3d打印机、纳米银浆3d打印机以及正/负极浆料3d打印机。

作为本发明改进的技术方案，所述旋转平台为圆盘状或由3根水平连接杆构成的“y”字。

作为本发明改进的技术方案，所述角度控制装置主要由至少2个平台角度控制电机组成，所述平台角度控制电机为直线伸缩电机，其下端通过固定板固定在支撑杆顶端，其上端通过球头与模型支撑台铰接，从而左右倾斜模型支撑台，改变模型支撑台的角度。

作为本发明改进的技术方案，所述模型支撑台经角度控制装置旋转后与水平面呈45°。

作为本发明改进的技术方案，所述纳米银浆3d打印机和正/负极浆料3d打印机为三喷头3d打印机，中间喷头中装有待打印的纳米银浆或正/负极浆料，两侧喷头中装有打印支撑材料。

作为本发明改进的技术方案，在光固化树脂3d打印机一侧安装有紫外光辐射系统，在纳米银浆3d打印机以及正/负极浆料3d打印机一侧均安装有热辐射系统。

作为本发明改进的技术方案，还包括打印支撑材料清洗系统。

作为本发明的另一目的，还公开了一种柔性电池的3d打印方法，它主要包括以下步骤：(1)利用3d设计单元设计柔性电池的结构，其中柔性电池的基体和基盖内部设计有相互啮合的三角形齿形面，在基体的齿形面设计有阴阳极叉指结构的集流体，在集流体上设计有正/负极覆盖区；(2)打印控制单元根据3d设计单元设计的模型控制光固化树脂3d打印机、纳米银浆3d打印机以及正/负极浆料3d打印机开始打印工作；首先由光固化树脂3d打印机打印柔性电池基体；其次打印控制单元控制旋转机构旋转120°，将打印好的基体转移到纳米银浆3d打印机下方；然后打印控制单元控制角度控制装置工作，使模型支撑台向左旋转，在三角形的一侧打印纳米银浆，紧跟着模型支撑台向右旋转，在三角形的另一侧打印纳米银浆；最后打印控制单元控制旋转机构旋转120°，将打印好的基体转移到正/负极浆料3d打印机下方，角度控制装置使模型支撑台向右旋转，在三角形的一侧打印正/负极浆料，紧跟着模型支撑台向左旋转，在三角形的另一侧打印纳米银浆；(3)打印柔性电池基盖；(4)封装基体基盖，注入电解液，即制得柔性电池。

作为本发明改进的技术方案，所述三角形的顶角为90°，所述模型支撑台经角度控制装置旋转后与水平面呈45°。

作为本发明改进的技术方案，所述三角形齿形区可分为多次打印，首先打印的高度为第一层正/负极最高点距三角形底边的高度，第二次打印的高度为第二层正/负极最高点距第二层正/负极最高点的位置，依次类推，直至三角形顶点距倒数第二层正/负极最高点的位置，且完成一次基体的打印，即依序进行一次纳米银浆和正/负极浆料的打印，直至打印结束。

有益效果：

本发明公开的柔性电池的3d打印系统，能够满足柔性电池复杂结构的打印需要，其能将三角形的斜面旋转为平面，极大地方便了纳米银浆和正/负极浆料的3d打印。此外，本发明中光固化树脂打印机的打印效率高，但需要基体需要打印的量较大，纳米银浆和正/负极浆料需要烘干，耗时稍长，但其需要打印的量小，故通过旋转机构改变模型的工位，使三台打印机形成360°封闭循环式流水线作业，打印效率极大提高。

附图说明

图1为柔性电池的基体和基盖的结构示意图；

图2为柔性电池封装后的结构示意图；

图3为本发明的3d打印系统的结构示意图；

图4为一种旋转平台的结构示意图；

图5为纳米银浆和正/负极浆料的3d打印示意图；

图6为三角形齿形区分段打印示意图。

具体实施方式

为了使本领域的技术人员更清楚明了地理解本发明，现结合具体实施方式和附图，对本发明进行详细说明。

如图1所示，背景技术中提到的柔性电池，包括基体1和基盖2，所述基体1和基盖2内部设计有相互啮合的三角形齿形面，在基体1的齿形面打印有阴阳极叉指结构的集流体4和正/负电极，其中交叉指型集流体4的根部与所述三角形的顶部棱线相垂直，所述交叉指型集流体4的指部位于所述三角形的两腰并与所述三角形的顶部棱线相平行，(如图1放大区3所示)。正/负电极覆盖在正/负极集流体4上。将基体1和基盖2封装在一起，注入电解液即制得柔性电池，如图2所示。

本发明的3d打印系统主要是针对上述柔性电池设计的。它包括打印工作台、3d设计单元、打印控制单元。所述打印工作台包括旋转机构5、旋转平台6、三根支撑杆7、三个角度控制装置8以及三个模型支撑台9，所述旋转机构5位于旋转平台6中心，所述支撑杆7的底端固定在旋转平台6上，其顶端通过角度控制装置8与模型支撑台9相连，且支撑杆7与旋转平台6中心的连线之间的角度为120°；在模型支撑台9上方分别设置有光固化树脂3d打印机10、纳米银浆3d打印机12以及正/负极浆料3d打印机14，如图3所示。作为其中一种实施方式，所述旋转平台6为圆盘状或由3根水平连接杆构成的“y”字，如图4所示。优选地，所述角度控制装置8主要由至少2个平台角度控制电机组成，所述平台角度控制电机为直线伸缩电机，其下端通过固定板固定在支撑杆7顶端，其上端通过球头与模型支撑台9铰接，从而左右倾斜模型支撑台9，改变模型支撑台9的角度。例如，模型支撑台9经角度控制装置8旋转后与水平面呈45°。优选地，所述纳米银浆3d打印机12和正/负极浆料3d打印机14为三喷头3d打印机，中间喷头中装有待打印的纳米银浆或正/负极浆料，两侧喷头中装有打印支撑材料。优选地，在光固化树脂3d打印机10一侧安装有紫外光辐射系统11，在纳米银浆3d打印机12以及正/负极浆料3d打印机14一侧均安装有热辐射系统(13，15)。进一步地，它还包括打印支撑材料清洗系统(图中未示出)，用于除去纳米银浆和正/负极浆料两侧的支撑材料。

本发明3d打印系统的工作原理为：(1)利用3d设计单元设计柔性电池的结构，其中柔性电池的基体1和基盖2内部设计有相互啮合的三角形齿形面，在基体1的齿形面设计有阴阳极叉指结构的集流体4，在集流体4上设计有正/负极覆盖区；(2)打印控制单元根据3d设计单元设计的模型控制光固化树脂3d打印机10、纳米银浆3d打印机12以及正/负极浆料3d打印机14开始打印工作；首先由光固化树脂3d打印机10打印柔性电池基体1；其次打印控制单元控制旋转机构5旋转120°，将打印好的基体1转移到纳米银浆3d打印机12下方；然后打印控制单元控制角度控制装置8工作，使模型支撑台9向左旋转45°，在三角形的一侧打印纳米银浆，如图5所示；紧跟着模型支撑台9向右旋转45°，在三角形的另一侧打印纳米银浆；最后打印控制单元控制旋转机构5旋转120°，将打印好的基体1转移到正/负极浆料3d打印机14下方，角度控制装置8使模型支撑台9向右旋转45°，在三角形的一侧打印正/负极浆料，紧跟着模型支撑台9向左旋转45°，在三角形的另一侧打印纳米银浆；(3)打印柔性电池基盖2；(4)封装基体1基盖2，注入电解液，即制得柔性电池。

为了提高打印效率，所述三角形齿形区可分为多次打印。如图6所示，首先打印的高度为第一层正/负极最高点距三角形底边的高度h1，第二次打印的高度为第二层正/负极最高点距第二层正/负极最高点的位置h2，依次类推，直至三角形顶点距倒数第二层正/负极最高点的位置hn，且完成一次基体1的打印，即依序进行一次纳米银浆和正/负极浆料的打印，直至打印结束。本发明中光固化树脂打印机的打印效率高，但需要基体需要打印的量较大，纳米银浆和正/负极浆料需要烘干，耗时稍长，但其需要打印的量小，故通过旋转机构改变模型的工位，使三台打印机形成360°封闭循环式流水线作业，打印效率极大提高。

显然，上述实施例仅仅是为了清楚地说明所作的举例，而非对实施方式的限制。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。只要是在本发明实施例基础上做出的常识性的改动方案，都处于本发明的保护范围之中。