一种固态电池锂金属极片3D打印机及打印方法与流程

一种固态电池锂金属极片3d打印机及打印方法
技术领域
1.本发明属于固态电池3d打印技术领域，具体涉及一种固态电池锂金属极片3d打印机及打印方法。


背景技术：

2.3d打印技术可以追溯到1976年喷墨打印机的发明。1984年，查尔斯
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赫尔将光学技术应用于快速原型制造，拉开了3d打印的帷幕。20世纪80年代以来，3d打印技术引起了全世界的关注，开始进入人们的视野和生活。如今，3d打印技术已经在制造、医疗、学术、航空航天和军事等多个领域得到了很好的发展和应用。
3.3d打印技术的工作原理是利用计算机建模软件(如3dmax等)在计算机上创建一个虚拟的3d模型，将模型文件转换成与3d打印机匹配的格式，然后3d打印机根据切片程序将横截面堆叠成3d模型来完成打印。它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。
4.近年来，随着市场对便携式消费电子产品、储能产品和纯电动汽车等需求的迅猛增长，人们对传统锂离子电池(lib)的需求越来越大。然而传统的液态lib面临一系列安全问题的挑战，包括电解液泄漏、胀气，甚至起火或爆炸。此外，当前先进的lib已接近其能量密度极限，因此，提高lib的安全性和能量密度是锂电池领域的两项重要而紧迫的任务。
5.目前，用于制造电池的主要3d打印技术包括立体光刻成型(sla)、模板辅助电化学沉积(tae)、喷墨打印(ijp)、直接墨水书写(diw)、熔融沉积成型(fdm)、气溶胶喷射打印(ajp)和浆料挤出层叠技术(sel)。打印的电极材料主要包括石墨烯、碳纳米管、碳纳米纤维、和llto/lfp等正极浆料，以及电解质材料。
6.3d打印技术由于具有高度灵活性近几年来已经在储能领域有所发展，有望在解决锂电池中存在的关键问题的同时实现电池高能量密度的目标；通过控制打印正极材料的形状，从宏观以及微观尺度上控制正极材料的形貌，促进电极内部离子，电子传输。利用3d打印技术可实现打印材料形貌的可控，实现3d模板的设计，利用熔融法可有效地控制金属锂的沉积/溶解行为，抑制锂枝晶生长从而达到锂金属电池长寿命循环的目标，解决电池短路问题。
7.目前电池极片制作的涂布工艺只能制备出平面结构，不能制备出三维复杂结构，而使用3d打印技术可以制备出复杂结构的极片；
8.常见金属3d成型工艺为激光烧结，需要对原料进行先制粉后烧结，锂金属由于自身活泼的性质无法进行制粉加工；
9.目前锂金属负极的制备通过机械手段辊压成锂片后，剪裁使用，没法实现更多的三维复杂结构。


技术实现要素：

10.本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种固态电池
锂金属极片3d打印机，其通过3d打印技术，对电池材料锂金属负极进行熔融后再成型，实现锂金属负极复杂3d结构的制备来解决锂电池内部性能问题，达到传统锂金属负极制备无法完成的复杂3d结构锂金属极片制备。
11.为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种固态电池锂金属极片3d打印机，包括3d打印机机体和打印喷头，所述打印喷头为锂金属熔融打印喷头，所述锂金属熔融打印喷头包括加热机构、散热机构和挤出机构，以及用于将锂金属熔融打印喷头连接在3d打印机机体上的3d打印机连接机构；
12.所述加热机构包括加热头和针筒，所述针筒的底部嵌入安装在加热头的中间空腔内，所述加热头的左右两个侧面均设置有加热板，所述加热板通过加热板压片压紧固定在加热头上，所述针筒的顶部设置有针筒卡扣；
13.所述挤出机构包括用于将压缩气体输入针筒内的进气块，装入针筒内且能够在针筒内上下运动的活塞，以及连接在针筒底部的喷嘴；所述活塞上套装有配合活塞在针筒内上下运动的耐高温密封圈，所述进气块通过针筒卡扣压块与针筒卡扣连接；
14.所述散热机构包括散热块和散热风扇，所述散热块设置在针筒外侧，所述散热风扇设置在散热块外侧；
15.所述3d打印机机体包括打印控制器，所述加热板和散热风扇均与打印控制器连接。
16.上述的固态电池锂金属极片3d打印机，所述加热板为陶瓷加热板。
17.上述的固态电池锂金属极片3d打印机，两块所述加热板之间靠近喷嘴位置处设置有对用加热温度进行检测的热电偶，所述热电偶与打印控制器连接。
18.上述的固态电池锂金属极片3d打印机，所述活塞为不锈钢活塞或铁氟龙活塞。
19.上述的固态电池锂金属极片3d打印机，所述耐高温密封圈为全氟醚橡胶密封圈。
20.上述的固态电池锂金属极片3d打印机，所述散热块为铝合金散热块，所述散热块为由两个散热块对接而成的中间开有容纳针筒的孔的方块形散热块，所述散热风扇的数量为2个且分别设置在散热块的两侧。
21.上述的固态电池锂金属极片3d打印机，所述3d打印机连接机构包括连接在3d打印机上的针筒安装座、用于将针筒压紧固定在针筒安装座上的针筒安装压块和连接在针筒安装座上的散热风扇支架。
22.本发明还公开了一种采用上述固态电池锂金属极片3d打印机的固态电池锂金属极片3d打印方法，其能够实现传统锂金属负极制备无法完成的复杂3d结构锂金属极片制备，该方法包括以下步骤：
23.步骤一、通过三维软件绘制出固态电池需要成型的三维数字模型，导出成stl文件格式，文件模型经过切片软件分层处理后生成3d打印机可以读取的g-code模型文件；
24.步骤二、将打印喷头安装在3d打印机机体上，点击3d打印机的复位按钮，3d打印机带动打印喷头向x轴方向、z轴方向执行回零，打印平台向y轴方向执行回零；
25.步骤三、操作屏上点击选择要打印的g-code模型文件，点击启动按钮，设备执行g-code代码，加热板对加热头进行加热，热电偶实时反馈当前温度，当温度达到设定值后，打印控制器控制散热风扇启动，打印平台与打印喷头移动到打印起始位置，打印控制器控制进气块连接的气路上的电磁阀连通，熔融锂金属由喷嘴处被挤出，按打印喷头和打印平台
运动路径，在打印平台上形成想要的三维模型，打印过程中打印控制器对加热温度进行控制，控制加热板通断，使得加热头温度保持在设定值；
26.步骤四、打印结束后，打印控制器控制进气块连接的气路上的电磁阀断开，加热断开，z轴抬升，x轴、y轴执行归零，散热风扇继续工作，直至热电偶反馈温度低于停止散热温度阈值，散热风扇停止。
27.上述的固态电池锂金属极片3d打印方法，步骤三中所述打印过程中打印控制器对加热温度进行控制时，采用pid控制方法。
28.上述的固态电池锂金属极片3d打印方法，所述停止散热温度阈值为60℃。
29.本发明与现有技术相比具有以下优点：本发明通过3d打印技术，对电池材料锂金属负极进行熔融后再成型，实现锂金属负极复杂3d结构的制备来解决锂电池内部性能问题，达到传统锂金属负极制备无法完成的复杂3d结构锂金属极片制备。
30.下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
31.图1为本发明打印喷头安装好后的立体图；
32.图2为本发明打印喷头安装好前的立体图；
33.图3为本发明打印喷头的分解结构示意图；
34.图4为本发明打印喷头的主视图；
35.图5为本发明打印喷头除3d打印机连接机构的主视图；
36.图6为图5的b-b剖视图。
具体实施方式
37.实施例1
38.如图1～图6所示，本实施例的固态电池锂金属极片3d打印机，包括3d打印机机体1和打印喷头，所述打印喷头为锂金属熔融打印喷头2，所述锂金属熔融打印喷头2包括加热机构、散热机构和挤出机构，以及用于将锂金属熔融打印喷头2连接在3d打印机机体1上的3d打印机连接机构；
39.所述加热机构包括加热头201和针筒202，所述针筒202的底部嵌入安装在加热头201的中间空腔内，所述加热头201的左右两个侧面均设置有加热板203，所述加热板203通过加热板压片204压紧固定在加热头201上，所述针筒202的顶部设置有针筒卡扣205；
40.所述挤出机构包括用于将压缩气体输入针筒202内的进气块206，装入针筒202内且能够在针筒202内上下运动的活塞207，以及连接在针筒202底部的喷嘴208；所述活塞207上套装有配合活塞207在针筒202内上下运动的耐高温密封圈209，所述进气块206通过针筒卡扣压块210与针筒卡扣205连接；
41.通过在针筒202的顶部设置针筒卡扣205，方便与进气块206连接；
42.所述挤出机构的设计，提供了一种新的挤出供料方式，突破原有3d打印挤出方式，不再使用螺杆挤出，采用体积更小、质量更轻的压缩气体(例如氩气)挤出方式；
43.具体实施时，所述喷嘴208通过m6标准螺纹连接在针筒202底部；所述喷嘴208为内径0.1mm的超细喷嘴，以尽可能精细的挤出线条来精密打印锂金属，实现固态电池的打印；
44.所述散热机构包括散热块211和散热风扇212，所述散热块211设置在针筒202外侧，所述散热风扇212设置在散热块211外侧；
45.所述3d打印机机体1包括打印控制器，所述加热板203和散热风扇212均与打印控制器连接。
46.本实施例中，所述加热板203为陶瓷加热板。
47.本实施例中，两块所述加热板203之间靠近喷嘴208位置处设置有对用加热温度进行检测的热电偶213，所述热电偶213与打印控制器连接。
48.具体实施时，热电偶213采用k型热电偶，k型热电偶安装在两块陶瓷加热板正中间，靠近喷嘴处，以最小的误差反应喷嘴处温度值，测量精度可达0.1℃。
49.本实施例中，所述活塞207为不锈钢活塞或铁氟龙活塞。所述耐高温密封圈209为全氟醚橡胶密封圈。不锈钢活塞能够长时间在250℃以上条件下工作，而铁氟龙活塞能够在250℃以下进行工作。耐高温密封圈209采用全氟醚橡胶密封圈，能够在-20℃～288℃条件下长时间工作，甚至能够在320℃条件下短期工作仍保持原有性能。
50.本实施例中，所述散热块211为铝合金散热块，所述散热块211为由两个散热块对接而成的中间开有容纳针筒202的孔的方块形散热块，所述散热风扇212的数量为2个且分别设置在散热块211的两侧。
51.本实施例中，所述3d打印机连接机构包括连接在3d打印机上的针筒安装座214、用于将针筒202压紧固定在针筒安装座214上的针筒安装压块215和连接在针筒安装座214上的散热风扇支架216。
52.具体实施时，散热风扇212固定在散热风扇支架216上，散热块211利用自身高导热率与设计上的高散热面积进行针筒部分的积热传导，避免针筒202上部分温度过高，对活塞、密封圈、进气块等部件温度负荷过大。散热风扇212增加加热部分气体流速，辅助进行热量传导，防止积热对热电偶213、加热板等部件温度负荷过大造成损耗。
53.具体实施时，所述针筒的底部焊接在加热头的中间空腔内，所述加热头、针筒、针筒卡扣均由304不锈钢制成，在无水无氧环境下不会与熔融锂金属发生化学反应，能够保证固态电池的成型质量；陶瓷加热板可对加热头进行直接加热，温度为20℃(常温)～300℃。
54.具体实施时，针筒安装座214通过螺丝连接在3d打印机上，散热风扇支架216与针筒安装座214之间固定，针筒安装压块215能够将针筒202压紧固定在针筒安装座214上。通过设置以上3d打印机连接机构，就能够将打印喷头集成到3d打印机上进行打印过程。
55.实施例2
56.本实施例的固态电池锂金属极片3d打印机的打印方法，包括以下步骤：
57.步骤一、通过三维软件绘制出固态电池需要成型的三维数字模型，导出成stl文件格式，文件模型经过切片软件分层处理后生成3d打印机可以读取的g-code模型文件；
58.具体实施时，g-code模型文件中包含加热温度、运动速度、运动点位、挤出气压通断的信息；
59.步骤二、将打印喷头2安装在3d打印机机体1上，点击3d打印机的复位按钮3，3d打印机带动打印喷头2向x轴方向、z轴方向执行回零，打印平台6向y轴方向执行回零；
60.步骤三、操作屏4上点击选择要打印的g-code模型文件，点击启动按钮5，设备执行g-code代码，加热板203对加热头201进行加热，热电偶213实时反馈当前温度，当温度达到
设定值后，打印控制器控制散热风扇212启动，打印平台6与打印喷头2移动到打印起始位置，打印控制器控制进气块206连接的气路上的电磁阀连通，熔融锂金属由喷嘴208处被挤出，按打印喷头2和打印平台6运动路径，在打印平台6上形成想要的三维模型，打印过程中打印控制器对加热温度进行控制，控制加热板203通断，使得加热头201温度保持在设定值；
61.步骤四、打印结束后，打印控制器控制进气块206连接的气路上的电磁阀断开，加热断开，z轴抬升，x轴、y轴执行归零，散热风扇212继续工作，直至热电偶213反馈温度低于停止散热温度阈值，散热风扇212停止。
62.具体实施时，z轴抬升10cm。
63.本实施例中，步骤三中所述打印过程中打印控制器对加热温度进行控制时，采用pid控制方法。
64.本实施例中，所述停止散热温度阈值为60℃。
65.本发明通过3d打印技术，对电池材料锂金属负极进行熔融后再成型，实现锂金属负极复杂3d结构的制备来解决锂电池内部性能问题，达到传统锂金属负极制备无法完成的复杂3d结构锂金属极片制备。
66.以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

技术特征：
1.一种固态电池锂金属极片3d打印机，包括3d打印机机体(1)和打印喷头，其特征在于：所述打印喷头为锂金属熔融打印喷头(2)，所述锂金属熔融打印喷头(2)包括加热机构、散热机构和挤出机构，以及用于将锂金属熔融打印喷头(2)连接在3d打印机机体(1)上的3d打印机连接机构；所述加热机构包括加热头(201)和针筒(202)，所述针筒(202)的底部嵌入安装在加热头(201)的中间空腔内，所述加热头(201)的左右两个侧面均设置有加热板(203)，所述加热板(203)通过加热板压片(204)压紧固定在加热头(201)上，所述针筒(202)的顶部设置有针筒卡扣(205)；所述挤出机构包括用于将压缩气体输入针筒(202)内的进气块(206)，装入针筒(202)内且能够在针筒(202)内上下运动的活塞(207)，以及连接在针筒(202)底部的喷嘴(208)；所述活塞(207)上套装有配合活塞(207)在针筒(202)内上下运动的耐高温密封圈(209)，所述进气块(206)通过针筒卡扣压块(210)与针筒卡扣(205)连接；所述散热机构包括散热块(211)和散热风扇(212)，所述散热块(211)设置在针筒(202)外侧，所述散热风扇(212)设置在散热块(211)外侧；所述3d打印机机体(1)包括打印控制器，所述加热板(203)和散热风扇(212)均与打印控制器连接。2.按照权利要求1所述的固态电池锂金属极片3d打印机，其特征在于：所述加热板(203)为陶瓷加热板。3.按照权利要求1所述的固态电池锂金属极片3d打印机，其特征在于：两块所述加热板(203)之间靠近喷嘴(208)位置处设置有对用加热温度进行检测的热电偶(213)，所述热电偶(213)与打印控制器连接。4.按照权利要求1所述的固态电池锂金属极片3d打印机，其特征在于：所述活塞(207)为不锈钢活塞或铁氟龙活塞。5.按照权利要求1或4所述的固态电池锂金属极片3d打印机，其特征在于：所述耐高温密封圈(209)为全氟醚橡胶密封圈。6.按照权利要求1所述的固态电池锂金属极片3d打印机，其特征在于：所述散热块(211)为铝合金散热块，所述散热块(211)为由两个散热块对接而成的中间开有容纳针筒(202)的孔的方块形散热块，所述散热风扇(212)的数量为2个且分别设置在散热块(211)的两侧。7.按照权利要求1所述的固态电池锂金属极片3d打印机，其特征在于：所述3d打印机连接机构包括连接在3d打印机上的针筒安装座(214)、用于将针筒(202)压紧固定在针筒安装座(214)上的针筒安装压块(215)和连接在针筒安装座(214)上的散热风扇支架(216)。8.一种采用如权利要求3所述固态电池锂金属极片3d打印机的固态电池锂金属极片3d打印方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：步骤一、通过三维软件绘制出固态电池需要成型的三维数字模型，导出成stl文件格式，文件模型经过切片软件分层处理后生成3d打印机可以读取的g-code模型文件；步骤二、将打印喷头(2)安装在3d打印机机体(1)上，点击3d打印机的复位按钮(3)，3d打印机带动打印喷头(2)向x轴方向、z轴方向执行回零，打印平台(6)向y轴方向执行回零；步骤三、操作屏(4)上点击选择要打印的g-code模型文件，点击启动按钮(5)，设备执行
g-code代码，加热板(203)对加热头(201)进行加热，热电偶(213)实时反馈当前温度，当温度达到设定值后，打印控制器控制散热风扇(212)启动，打印平台(6)与打印喷头(2)移动到打印起始位置，打印控制器控制进气块(206)连接的气路上的电磁阀连通，熔融锂金属由喷嘴(208)处被挤出，按打印喷头(2)和打印平台(6)运动路径，在打印平台(6)上形成想要的三维模型，打印过程中打印控制器对加热温度进行控制，控制加热板(203)通断，使得加热头(201)温度保持在设定值；步骤四、打印结束后，打印控制器控制进气块(206)连接的气路上的电磁阀断开，加热断开，z轴抬升，x轴、y轴执行归零，散热风扇(212)继续工作，直至热电偶(213)反馈温度低于停止散热温度阈值，散热风扇(212)停止。9.按照权利要求8所述的固态电池锂金属极片3d打印方法，其特征在于：步骤三中所述打印过程中打印控制器对加热温度进行控制时，采用pid控制方法。10.按照权利要求8所述的固态电池锂金属极片3d打印方法，其特征在于：所述停止散热温度阈值为60℃。

技术总结
本发明公开了一种固态电池锂金属极片3D打印机及打印方法，包括3D打印机机体和打印喷头，所述打印喷头为锂金属熔融打印喷头，所述锂金属熔融打印喷头包括加热机构、散热机构和挤出机构，以及用于将锂金属熔融打印喷头连接在3D打印机机体上的3D打印机连接机构；加热机构包括加热头和针筒，针筒底部嵌入安装在加热头中间空腔内，加热头的左右两个侧面均设有加热板，加热板通过加热板压片压紧固定在加热头上，针筒的顶部设有针筒卡扣。本发明通过3D打印技术，对电池材料锂金属负极进行熔融后再成型，实现锂金属负极复杂3D结构的制备来解决锂电池内部性能问题，达到传统锂金属负极制备无法完成的复杂3D结构锂金属极片制备。法完成的复杂3D结构锂金属极片制备。法完成的复杂3D结构锂金属极片制备。


技术研发人员：王世明 程康 杨康
受保护的技术使用者：高能数造（西安）技术有限公司
技术研发日：2023.06.28
技术公布日：2023/9/6