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多级印刷制备的柔性双极全固态锂离子电池

作为解决日益增长的高能源和安全需求的有效方法,双极全固态锂离子电池(LIB)已经引起了极大地关注。然而,LIB中已经被广泛研究的无机固体电解质(硫化物或氧化物),除了长期存在的问题,如化学/电化学不稳定性,还引起机械柔性和形状因素方面的界面接触电阻和制造加工性问题。最近,韩国蔚山国家科技学院Sang-Young Lee教授团队展示了一种新型柔性双极全固态锂离子电池,其不需要典型的无机电解质所采用的高压/高温烧结工艺。具有极好的灵活性和稳定的充电/放电性能。

多级印刷制备的柔性双极全固态锂离子电池

图1. 通过UV辅助多级印刷方法制备的柔性通用双极电池的示意图

多级印刷制备的柔性双极全固态锂离子电池

图2. 印刷电极的制作和表征。(a)用于制造模板印刷电极的程序示意图以及电极的图片。(b)LCO电极的横截面SEM和EDS图像。(c)SWCNT涂覆的LCO粉末的SEM图像。插图显示了原始LCO粉末的形态。(d)SWCNT涂层LCO和原始LCO的电子电导率的比较。(e)SWCNT涂布LCO和原始LCO之间的倍率性能比较。

作者代替常规的无机固体电解质,开发出新的柔性/不可燃凝胶电解质。将新的凝胶电解质作为核心元件并入印刷电极和印刷的固态凝胶复合电解质(GCE)中。在电极制造之前,将LCO和LTO粉末涂覆SWCNT以改善其电导率。柔性/不易燃的凝胶电解质消除了对晶界电阻(通常在无机电解质基电池中遇到)的担忧,同时还显着改善了所得印刷电极和GCE的机械变形性和热稳定性。此外,印刷电极中的凝胶电解质用作保持电极活性材料和导电添加剂的粘结剂,并不使用传统的聚合物粘结剂。合理设计的电极和GCE与多级印刷工艺,使得能够容易地制造双极全固态LIB电池,具有出色的机械灵活性,稳定的充/放电性能和不可燃性。

多级印刷制备的柔性双极全固态锂离子电池

图3. 印刷双极电池的机械灵活性和热稳定性。(a)在100次弯曲循环之前/之后的充放电曲线。(b)显示印刷双极型电池的安全性图片。即使在水平切割一半后,电池继续为LED灯供电。(c)暴露于热冲击(130℃/0.5h)之前/之后印刷的双极电池的充电/放电曲线。(d)显示在微型玩具车的弯曲屋顶上逐步制造印刷的双极电池的图片。(e)微型玩具车上印刷的双极电池的充电/放电曲线。(f)印刷双极电池和对照电池的不燃性试验

作者展示的印刷双极全固态LIB,其优点远远超过目前广泛使用的(硫化物或氧化物)无机电解质。本文描述的基于多级印刷的双极电池策略作为一种有效和可扩展的平台技术,将双极全固态电池推动到更接近商业化的一步,具有巨大的前景。

Se-HeeKim, Keun-Ho Choi, Sung-Ju Cho, JongTae Yoo, Seong-Sun Lee, Sang-Young Lee; Flexible/Shape-Versatile, Bipolar All-Solid-State Lithium-Ion Batteries Prepared by Multistage Printing; Energy& Environmental Sciences(2017); DOI: 10.1039/C7EE01630A

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