一种3D打印连续碳纤维固态电池及其制备方法

本发明属于固态电池，涉及一种3d打印连续碳纤维固态电池及其制备方法。

背景技术：

1、传统锂离子电池具有较高的能量密度和功率密度、工作电压高、循环寿命长、能快速充放电等优点，广泛应用于航空航天、电动汽车、便携电子设备等领域。然而，传统的锂离子电池组体积庞大、笨重，设备需要预留较大的存储空间。此外，使用的液态电解液存在热失控爆炸的风险。在全球低碳经济的环境趋势下，需要一种更加高效、轻质、安全、绿色环保的电池。与现今普遍使用的液态离子电池不同的是，固态电池是一种使用离子导电性的固态物质作为电解质的电池，可极大地提升电池的安全指标和能量密度。连续碳纤维具有轻质高强的优点，将其使用固态电池中，可以大大提高固态电池的结构性能，因此，连续碳纤维固态电池可以满足航天航空等领域高性能、多功能集成和轻量化的需求，具有广泛的应用前景。

2、3d打印技术，也叫增材制造技术，它通过增加材料，逐层制造，根据3d模型数据，直接制造出符合实际情况的三维实体。相对于传统的材料去除-切削加工技术，是一种“自下而上”的制造方法，近二十年来，3d打印技术取得了快速的发展。3d打印技术不需要传统的刀具和夹具以及多道加工工序，在一台设备上可快速精密地制造出任意复杂形状的零件，从而实现了零件“自由制造”，解决了许多复杂结构零件的成形，并大大减少了加工工序，缩短了加工周期；3d打印为连续碳纤维固态电池的一体化、低成本、短周期制造提供了新的方向。

3、然而现有的3d打印设备缺乏完整的连续碳纤维电极化的设备，都不能进行连续碳纤维固态电池的制造，且现有的喷头大多是单纤维通道，不能同时打印正负极。且尚无工艺可替代3d打印制造连续碳纤维固态电池使其正负极与电解质之间紧密结合。因此，需要发展新的3d打印方法来制备连续碳纤维固态电池。

技术实现思路

1、针对上述技术问题，本发明提供一种3d打印连续碳纤维固态电池及其制备方法；实现了电池的高性能化，有助于减轻运载等领域装备的重量，且生产成本低，具有广泛的应用前景。

2、本发明是通过以下技术方案实现的：

3、一种3d打印连续碳纤维固态电池，其特征在于，所述连续碳纤维固态电池的电池正极、电池负极集流体均为连续碳纤维，

4、所述连续碳纤维通过预浸装置进行浸渍，使正极活性物质、负极活性物质分别粘附在正、负极对应的连续碳纤维表面；然后通过加捻装置加捻，固定正极活性物质和负极活性物质，形成电池正极、电池负极；

5、电池的正极、负极外表面均被固态电解质包裹；

6、所述连续碳纤维固态电池采用3d打印逐层堆积的制造方式。该制造方式能够最终一体化制造出具有复杂结构的电池。本发明所研制的连续碳纤维固态电池，可以根据需求定制化外形，实现了电池的个性化和高性能化，有助于减轻运载等领域装备的重量，且生产成本低，具有广泛的应用前景。

7、进一步地，所述正极活性物质包括：锰酸钾、钴酸钾；所述负极活性物质包括：石墨、钛酸锂；所述固态电解质材料包括：聚碳酸酯、聚氨酯。

8、进一步地，所述电池正极和所述电池负极平行排列，可以有效避免正负极接触，防止短路。

9、一种3d打印连续碳纤维固态电池的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：

10、s1：将正极、负极用连续碳纤维分别放置于两个纤维卷筒上；将正极活性物质和负极活性物质分别注入两个浸渍装置中，将固态电解质材料加入挤出装置中；

11、s2：设置3d打印机的打印路径和打印参数；步骤s2中通过设置3d打印路径和参数，采用逐层堆积的制造方式，最终构建出完整的物体；这种逐层制造的过程使得3d打印能够打印几乎任何形状的电池，此处为常规技术，不再赘述。

12、s3：将两个纤维卷筒上的连续碳纤维干丝束的端部分别从两个纤维卷筒拉出，依次穿过浸渍装置、风干装置、加捻装置到达打印喷头的两个纤维管道；

13、s4：按照设定的拉动速度同时拉动两束连续碳纤维干丝束；两束连续碳纤维干丝束经过浸渍装置进行浸渍，然后经过风干装置中加热风干机加速电极活性物质烘干，再经过加捻装置加捻，两束连续碳纤维干丝束平行排列进入打印喷头的两个纤维管道；

14、s5：挤出装置为打印喷头提供固态电解质材料，打印喷头挤出被固态电解质材料充分包覆的电池正极和电池负极；

15、s6：3d打印机的按照设定的打印参数，打印获得喷头挤出连续碳纤维电池。

16、进一步地，所述方法还包括步骤s7：用冷却装置加速冷却，连续碳纤维电池逐渐凝固。

17、进一步地，所述方法还包括步骤s8：对冷却后的连续碳纤维固态电池进行软包电池封装。

18、进一步地，步骤s4中通过调整连续碳纤维干丝束的拉动速度来调整打印速度。

19、进一步地，所述浸渍装置的数量为两个，两个浸渍装置分别用于盛放正极活性物质和负极活性物质；连续碳纤维通过预浸装置，使正极活性物质、负极活性物质分别粘附在正极、负极用连续碳纤维表面，形成电池正极和电池负极。

20、进一步地，所述风干装置的数量为两个，两个风干装置分别用于烘干正极、负极用连续碳纤维上浸渍的正极活性物质和负极活性物质；

21、所述加捻装置的数量为两个，两分别用于对浸渍正负极活性物质且风干后的正极、负极用连续碳纤维进行加捻，以固定正极活性物质和负极活性物质。

22、进一步地，所述3d打印机中的打印喷头中纤维管道的数量为两个；两个纤维管道相互平行，以使所述电池正极和所述电池负极平行排列；

23、所述挤出装置和所述打印喷头连接，为所述打印喷头提供固态电解质材料，打印喷头挤出被固态电解质材料充分包覆的电池正极和电池负极。

24、本发明的有益技术效果：

25、本发明提供的连续碳纤维固态电池采用连续碳纤维浸渍电极活性物质作为电极，连续碳纤维可以在电池整体结构中分布储能，将结构件和储能系统结合，在保持连续碳纤维力学性能的同时，赋予优异的储能性能，使动力电池组在减重的同时简化结构设计，连续碳纤维采用加捻结构，固定住电极活性物质，提高了能量效率和结构效率。从新能源汽车到小型无人机，从人造卫星到电动飞机，连续碳纤维固态电池能在结构中分布储能，可以兼具结构性能和储能功能，具有巨大的市场前景。

26、本发明提供的3d打印连续碳纤维固态电池的制备方法能够制造出外形复杂，高性能的连续碳纤维固态电池，具有良好的结构稳定性、自动化生产、电化学性能、生产稳定性、生产成本低和生产周期短。本发明能够制造出外形尺寸小，具有良好的结构稳定性、且成本低的连续碳纤维固态电池。

技术特征：

1.一种3d打印连续碳纤维固态电池，其特征在于，所述连续碳纤维固态电池的电池正极、电池负极集流体均为连续碳纤维，

2.根据权利要求1所述一种3d打印连续碳纤维固态电池，其特征在于，所述正极活性物质包括：锰酸钾、钴酸钾；所述负极活性物质包括：石墨、钛酸锂；所述固态电解质材料包括：聚碳酸酯、聚氨酯。

3.根据权利要求1所述一种3d打印连续碳纤维固态电池，其特征在于，所述电池正极和所述电池负极平行排列。

4.一种3d打印连续碳纤维固态电池的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：

5.根据权利要求4所述一种3d打印连续碳纤维固态电池的制备方法，其特征在于，所述方法还包括步骤s7：用冷却装置加速冷却，连续碳纤维电池逐渐凝固。

6.根据权利要求5所述一种3d打印连续碳纤维固态电池的制备方法，其特征在于，所述方法还包括步骤s8：对冷却后的连续碳纤维固态电池进行软包电池封装。

7.根据权利要求4所述一种3d打印连续碳纤维固态电池的制备方法，其特征在于，步骤s4中通过调整连续碳纤维干丝束的拉动速度来调整打印速度。

8.根据权利要求4所述一种3d打印连续碳纤维固态电池的制备方法，其特征在于，所述浸渍装置的数量为两个，两个浸渍装置分别用于盛放正极活性物质和负极活性物质；连续碳纤维通过预浸装置，使正极活性物质、负极活性物质分别粘附在正极、负极用连续碳纤维表面，形成电池正极和电池负极。

9.根据权利要求4所述一种3d打印连续碳纤维固态电池的制备方法，其特征在于，所述风干装置的数量为两个，两个风干装置分别用于烘干正极、负极用连续碳纤维上浸渍的正极活性物质和负极活性物质；

10.根据权利要求4所述一种3d打印连续碳纤维固态电池的制备方法，其特征在于，所述3d打印机中的打印喷头中纤维管道的数量为两个；两个纤维管道相互平行，以使所述电池正极和所述电池负极平行排列；

技术总结
本发明属于固态电池技术领域，涉及一种3D打印连续碳纤维固态电池及其制备方法。所述连续碳纤维固态电池的正、负极集流体均为连续碳纤维，所述连续碳纤维通过预浸装置进行浸渍，使正极活性物质、负极活性物质分别粘附在正、负极对应的连续碳纤维表面；然后通过加捻装置加捻，固定正极活性物质和负极活性物质，形成电池的正极、负极；电池的正极、负极外表面均被固态电解质包裹；所述连续碳纤维固态电池采用3D打印逐层堆积的制造方式。本发明所研制的连续碳纤维固态电池，可以根据需求定制化外形，实现了电池的个性化和高性能化，有助于减轻运载等领域装备的重量，且生产成本低，具有广泛的应用前景。

技术研发人员：侯章浩,丁浩林,石会发,杜雨森,李志豪,杨乐怡
受保护的技术使用者：青岛理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15