Energ. Environ. Sci：多級印刷制備多功能柔性雙極全固態鋰離子電池

【背景介紹】

雙極全固態鋰離子電池（LIB）作為可以應對日益增長的能源和安全需求的解決方案起了相當大的關注。然而，作為LIB中最廣泛研究的電解質——（硫化物或氧化物）無機固體電解質的使用，除了長期存在的如化學/電化學不穩定性，界面接觸電阻和制造加工性等問題，還會引起機械柔性和形狀因素方面的問題 。

【成果簡介】

近日，蔚山國家科學與技術研究院Sang-Young Lee（通訊作者）團隊通過紫外（UV）固化輔助多級印刷開發了一類新型的柔性雙極全固態鋰離子電池，其不需要用于傳統的無機電解質基全固態LIB的高壓/高溫燒結工藝。相對于傳統的無機電解質，作為印刷電極和凝膠復合電解質中的核心元件，該研究使用了由基于癸二腈的電解質和半互穿聚合物網絡框架構成的柔性/不可燃性凝膠電解質。電極和GCE漿料的流變調整（朝向觸變流體行為）與無溶劑干燥的多級印刷結合使得能夠將串聯/面內雙極堆疊的單元整體集成到復雜形狀的物體上。相關成果以題為“Flexible/shape-versatile, bipolar all-solid-state lithium-ion batteries prepared by multistage printing”發表在了Energy & Environmental Science上。

【圖文導讀】

圖1 印刷GCE的合成和表征

（a）用于制造模板印刷的GCE的程序示意圖

（b）剖面SEM和EDS圖像

（c）顯示ETPTA聚合物網絡和PVdF-HFP兩種不同Tg的DSC熱分析圖

（d）印刷GCE的機械柔性

（e）印刷GCE的離子電導率

（f）GCE和碳酸鹽基對照電解質的TGA曲線

（g）GCE和碳酸鹽基對照電解質的等溫（80℃）離子電導率

（h）GCE和碳酸鹽基對照電解質的不易燃性試驗

圖2 印刷電極的制作和表征

（a）用于制造模板印刷電極的程序示意圖

（b）剖面SEM和EDS圖像

（c）SWCNT涂覆的LCO粉末的SEM圖像

（d）SWCNT涂覆的LCO和原始LCO的電子電導率的比較

（e）SWCNT涂覆的LCO和原始LCO之間的排出速率能力的比較

圖3 用于多級印刷的GCE和電極漿料的流變控制

（a）GCE和電極漿料的粘度作為剪切速率的函數

（b）粘彈性（G′和G″）作為剪切應力的函數

（c）流變圖中的滯后回路

（d）制造出來的照片展示

（e）橫截面SEM圖像（這里，三個電池串聯連接）及其結構示意圖

（f）橫截面SEM圖像（這里，三個電池平行連接）及其結構示意圖

圖4 在25℃下印刷的雙極電池的電化學表征

（a）印刷的LCO陰極和LTO陽極的充電-放電曲線

（b）印刷的單電池（LCO陰極/ GCE / LTO陽極）的循環性能

（c）串聯連接的印刷雙極電池的電荷/放電曲線作為電池數量的函數

（d）印刷雙極電池的充電/放電曲線比較

圖5 印刷雙極電池的機械柔性和熱穩定性

（a）在100次彎曲循環之前/之后印刷的雙極雙層疊電池的充電/放電曲線

（b）印刷雙極型雙層電池的安全性的照片

（c）熱沖擊之前/之后印刷的雙極雙層疊電池的充電/放電曲線

（d）在玩具車的彎曲車頂上逐步制造印刷的雙極雙層疊電池的照片

（e）玩具車上印刷的雙極雙層疊電池的充電/放電曲線

（f）印刷雙極雙層疊電池和對照電池的不易燃性試驗

【小結】

該研究展示了印刷的雙極全固態LIB具有出色的靈活性，形狀多樣性，充電/放電性能，不易燃性和制造簡單性等優異特性，遠遠超過目前廣泛使用的（硫化物或氧化物）無機電解質。研究中描述的基于多級印刷的雙極電池策略作為一種有效和可擴展的平臺技術，將雙極全固態電池推向更接近商業化的一步，具有巨大的前景。

文獻鏈接：Flexible/shape-versatile, bipolar all-solid-state lithium-ion batteries prepared by multistage printing（Energ.Environ.Sci,2017,DOI:10.1039/C7EE01630A）

本文由材料人新能源前線Allen供稿，材料牛整理編輯。

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