[发明专利]一种主动式印涂制备纤维状电极的方法

说明书

本发明公开了一种主动式印涂制备纤维状电极的方法，包含以下操作步骤：(1)将电极活性材料、导电剂、粘结剂调制成一定粘度的浆料；(2)加入注射器中，3D打印涂覆到同轴旋转的导电纤维基底上，通过注射速度、旋转速度、步进速度调控得到不同负载量的湿纤维状电极，烘干，即得纤维状电极。本发明方法制备所得纤维状电极强度高、导电性好、活性物载量高，采用本发明制备所得纤维状电极组装的器件表现良好的能量存储能力和耐弯折能力。

技术领域

本发明属于电化学储能领域，具体涉及纤维状电极制备方法。

背景技术

随着社会发展，柔性可穿戴电子产品成为我们生活的重要组成部分。为了驱动这类电子产品，开发柔性耐弯曲的电源装置至关重要。纤维电源(如超级电容器、锂离子电池、锌锰电池等)由于可以直接集成到纺织产品中或简单地缠绕在可穿戴设备中而倍受关注。

目前，纤维状电极制备的方法主要有水热生长、化学气相沉积(CVD)生长、电镀沉积、真空镀膜、浸涂等。其中，生长法、沉积法、镀膜法由于效率低，可负载活性材料量小(5mg·cm^-2)，难以规模化生产(10mg·cm^-2)。浸涂法工艺简单、易于控制，在工业上有广泛应用，如玻璃特种涂层、金属防护层、导体绝缘层等。与传统涂层防护、绝缘需求不同，纤维状电极需要考虑活性材料的负载量以及正负极载量的匹配。通过Landau-Levich方程可知，浸涂层的厚度主要与浆料的粘度和提拉速度有关，虽然提拉速度越大，涂层越厚，但归根依赖于浆料受到的重力与粘附作用力的竞争，使得到的膜厚度一般较薄(负载量较小)。另一方面，实际生产中，浆料调配粘度会存在一定的波动范围值，为了得到相对一致的厚度(负载量)，提拉速度需要相应持续的调整，电极可调控灵活性较差，不便于生产设计。3D打印被认为是可以提高负载量的方法，但传统直写式3D打印通常是在平面基底上打印，得到平面结构的电极或者无基底的电极。虽然无基底的设计更方便于打印电极并有可能提高能量密度，但由于没有基底需要加入更多的粘结剂支撑，导致了电极导电性较差、活性材料载量下降，而且一旦电极出现断裂，电阻将急剧增大。因此，开发具有高负载量和高导电性的纤维状电极的先进制造策略十分必要。

公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

发明内容

本发明针对上述技术问题，提供了一种简易、可扩展制备纤维状电极的方法，通过主动式3D印涂的方式制备了以不锈钢丝为导电基底的纤维状电极，用于组装柔性的电池或者超级电容器，为柔性可穿戴电子产品提供电源。

为实现上述目的，本发明提供的技术方案如下：

一种主动式印涂制备纤维状电极的方法，包含以下操作步骤：

(1)将电极活性材料、导电剂、粘结剂调制成一定粘度的浆料；

(2)将步骤(1)中所得浆料加入注射器中，3D打印涂覆到同轴旋转的导电纤维基底上，通过注射速度、旋转速度、步进速度调控得到不同负载量的湿纤维状电极，烘干，即得纤维状电极；所述的注射速度、步进速度、旋转速度和负载量的关系如下公式所示：

其中，m为纤维状电极单位长度负载量；

π为圆周率；

ρ为浆料密度；

D_s为注射器的内径；

V_i是注射速度；

τ代表制造单位长度纤维状电极l的时间；l指纤维状电极的单位长度；