[发明专利]一种3D打印锌空电池的方法

说明书

技术领域

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

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。

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。

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。

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。

美国的ImpintEnergy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《IONICGELELECTROLYTE,ENERGYSTORAGEDEVICES,ANDMETHODSOFMANUFACTURETHEREOF》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、PEO、PAN、PMMA溶液，添加锌盐如BF4-、CF3CO2-、CF3SO3-、PF6-、NTf2-、N(SO2F)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。

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。

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

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

根据本发明提供的一种3D打印锌空电池的方法，包括：

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；

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；

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；

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。

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％。

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、MnO₂10～40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％。

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：

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℃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；

步骤102，将重量份为3.5～14份的ZnO、0.5～2份的In(Ac)₃以及1～4份的酒石酸钾加入KOH混合溶液Ⅰ混合均匀形成KOH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-KOH溶液，直至所述聚乙烯醇-KOH溶液中聚乙烯醇溶液和KOH混合溶液Ⅱ的质量比为(1～4):(0.5～2)；

步骤103，在70-90℃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；