一种3d打印锌空电池的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及蓄电池制造技术领域，具体地，涉及一种3D打印锌空电池的方法。
【背景技术】
[0002]可穿戴设备，以及微型电路的快速发展，对于给其提供电能的蓄电池提出了更高的要求，比如要求蓄电池更小、更薄、更便宜、更安全，外形可根据需要灵活调整等。
[0003]目前勉强可以满足这一要求的蓄电池技术是纽扣电池和锂聚合物电池。但是纽扣电池太厚；锂聚合物电池最低厚度也有2毫米，而且外形太大，在工业化的生产体系下不容易定制尺寸。锂电池的安全也始终是用户无法彻底放心的问题。
[0004]为满足以上市场要求，可以3D打印的蓄电池是最好的选择。3D打印的蓄电池形状可以根据需要任意设计，厚度可以只有1毫米以下。
[0005]3D打印的锌空电池是最好的选择。锌空电池具有非常低廉的成本，原材料大量可得，能量密度可以高达350W/g，是目前锂电池技术的2倍。锌空电池不含任何容易导致燃烧或爆炸的材料，非常安全。
[0006]美国的Impint Energy公司发明了 3D打印锌空电池的技术，并因此而获得了600 万美元的风险投资。该公司的专利 US20140059820 ((1NIC GEL ELECTROLYTE, ENERGYSTORAGE DEVICES, AND METHODS OF MANUFACTURE THEREOF》阐述了其 3D 制备锌空蓄电池的方法。在该发明的核心内容，也就是聚合物电解液的制备过程中，该发明采用了 PVDF、PVDF-HFP、PVA、ΡΕ0、PAN、PMMA 溶液，添加锌盐如 BF4-、CF3C02-、CF3S03-、PF6-、NTf2_、N(S02F) 2-等的方法。以上材料的使用都是借鉴锂聚合物电池的原理，在锂聚合物电池的生产中也得到了广泛应用。但是上述电解质同样具备锂电池的电解液的高毒性；同时，该发明普遍采用含氟的材料，而含氟材料对于锌空电池的锌电极是有一定的腐蚀性的，会显著抑制电池的循环寿命。
[0007]同时，对于多年来始终困扰锌空电池的锌枝晶生成、碱性电解液吸收二氧化碳、气体电极的性能衰退等核心问题，该专利并没有谈及。在实际操作中，有必要对于锌枝晶的生长抑制、不吸收二氧化碳的方法、提高气体电极的寿命的方法等进行充分的考虑。
[0008]有鉴于此，有必要对于该发明进行改进，以寻找一种更加合理的3D打印锌空蓄电池的方法。
【发明内容】
[0009]针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种3D打印锌空电池的方法。提供了一种通过3D打印的方法来廉价、方便、安全地生产锌空电池的方法
[0010]根据本发明提供的一种3D打印锌空电池的方法，包括:
[0011]空气电极的打印过程:分别将气体扩散层材料和催化层材料采用3D打印的方式均匀喷涂在导电镍网的两侧，形成预设层数的气体扩散层和催化层，从而形成所述空气电极；
[0012]聚合物电解液层的打印过程:采用3D打印的方式将凝胶状的聚合物电解液均匀喷涂形成预设层数的电解液层；
[0013]锌电极的打印过程:采用3D打印的方式将凝胶状的锌膏均匀喷涂在镀锡黄铜网或镀锡镊网的两侧，形成预设层数的所述锌电极；
[0014]形成锌空电池，在所述锌空电池中所述锌电极和所述空气电极设于所述聚合物电解液层的两面。
[0015]作为一种优化方案，所述气体扩散层材料以重量份计包括: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的含量为15?60wt%。
[0016]作为一种优化方案，所述催化层材料以重量份计包括: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的含量为15?60wt%。
[0017]作为一种优化方案，所述凝胶状的聚合物电解液的制作方法包括:
[0018]步骤101，将聚乙烯醇颗粒和水以(0.5?2): (2.5?10)的质量比例混合，在70-90°C温度下水浴搅拌至颗粒消失，形成呈粘稠状的聚乙烯醇溶液；
[0019]步骤102，将重量份为3.5?14份的Ζη0、(λ 5?2份的In (Ac) 3以及1?4份的酒石酸钾加入Κ0Η混合溶液I混合均匀形成Κ0Η混合液II，再将步骤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的质量比为(1?4): (0.5?2);
[0020]步骤103，在70-90°C下水浴聚合10_30分钟，得到的聚合物电解液在室温下逐渐冷却，并逐步形成所述凝胶状；
[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]作为一种优化方案，所述锌膏的制作方法包括:
[0023]按重量份计，将3?12份Pb0、0.5?2份CMC、1?4份乙醇、1?4份碳纳米管、37?150份锌粉均匀混合后一起加入5份浓度为3?12mol/L的Κ0Η溶液中，再向该Κ0Η溶液中逐滴加入5?20份含量为15?60被％的PTFE乳液均匀搅拌后制成所述锌膏。
[0024]作为一种优化方案，所述凝胶状的聚合物电解液的制作方法包括:
[0025]按重量份计，将0.5?2份In (Ac) 3、1?4份磺酸、4?16份Si02水凝胶加入酸性电解液混合溶液中，均匀混合后得到所述凝胶状的聚合物电解液；
[0026]所述酸性电解液混合溶液包括2?8mol/L NH4C1和0.5?2mol/L KC1。
[0027]作为一种优化方案，所述锌膏的制作方法包括:
[0028]按重量份计，将3?12份Pb0、0.5?2份羧甲基纤维素、0.5?2份乙醇、1?4份碳纳米管、37?150份锌粉均匀混合后一起加入2.5?10份的所述酸性电解液混合溶液中，逐滴加入5?20份含量为15?60被％的PTFE乳液均匀搅拌后制成所述锌膏。
[0029]作为一种优化方案，所述形成锌空电池的过程包括:
[0030]将所述空气电极和锌电极都放入70?90°C的温度下高温处理预设时间；
[0031]在制作好的锌电极上覆盖所述聚合物电解液层，再在所述聚合物电解液层上覆盖所述空气电极，从而形成所述锌空电池。
[0032]作为一种优化方案，所述形成锌空电池的过程包括:
[0033]先在镀锡黄铜网或镀锡镊网的一侧打印形成所述锌电极的一面，随后在镀锡黄铜网或镀锡镊网的另一侧打印形成所述锌电极的另一面；
[0034]在所述锌电极的一面上打印预设层数的凝胶状的聚合物电解液完成所述聚合物电解液层的打印；
[0035]在所述聚合物电解液层上打印所述催化层，在所述催化层上设置一层导电镍网，在所述导电镍网上打印所述气体扩散层，完成所述空气电极的打印，进而形成所述锌空电池。
[0036]作为一种优化方案，所述形成锌空电池的过程包括:
[0037]先在镀锡黄铜网或镀锡镊网的一侧打印形成所述锌电极的一面，随后在镀锡黄铜网或镀锡镊网的另一侧打印形成所述锌电极的另一面；
[0038]在所述锌电极的一面上打印预设层数的凝胶状的聚合物电解液后设置所述玻璃纤维基材，在所述玻璃纤维基材上继续打印预设层数的凝胶状的聚合物电解液完成所述聚合物电解液层的打印；
[0039]在所述聚合物电解液层上打印所述催化层，在所述催化层上设置一层导电镍网，在所述导电镍网上打印所述气体扩散层，完成所述空气电极的打印，进而形成所述锌空电池。
[0040]与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果:
[0041]本发明生产方式灵活，可以通过3D打印的方法自由设计、定制各种尺寸、形状的锌空电池，生产工艺简单，生产设备小巧，可以很好地满足各种穿戴式设备对于电池的要求。
【附图说明】
[0042]为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。附图中:
[0043]图1是可选实施例中的一种3D打印锌空电池的方法流程图；
[0044]图2是可选实施例中的一种3D打印锌空电池结构示意图；
[0045]图3是一种锌空电池3D打印场景。
[0046]1-空气电极，11-气体扩