Energ. Environ. Sci：多级印刷制备多功能柔性双极全固态锂离子电池

【背景介绍】

双极全固态锂离子电池（LIB）作为可以应对日益增长的能源和安全需求的解决方案起了相当大的关注。然而，作为LIB中最广泛研究的电解质——（硫化物或氧化物）无机固体电解质的使用，除了长期存在的如化学/电化学不稳定性，界面接触电阻和制造加工性等问题，还会引起机械柔性和形状因素方面的问题 。

【成果简介】

近日，蔚山国家科学与技术研究院Sang-Young Lee（通讯作者）团队通过紫外（UV）固化辅助多级印刷开发了一类新型的柔性双极全固态锂离子电池，其不需要用于传统的无机电解质基全固态LIB的高压/高温烧结工艺。相对于传统的无机电解质，作为印刷电极和凝胶复合电解质中的核心元件，该研究使用了由基于癸二腈的电解质和半互穿聚合物网络框架构成的柔性/不可燃性凝胶电解质。电极和GCE浆料的流变调整（朝向触变流体行为）与无溶剂干燥的多级印刷结合使得能够将串联/面内双极堆叠的单元整体集成到复杂形状的物体上。相关成果以题为“Flexible/shape-versatile, bipolar all-solid-state lithium-ion batteries prepared by multistage printing”发表在了Energy & Environmental Science上。

【图文导读】

图1 印刷GCE的合成和表征

（a）用于制造模板印刷的GCE的程序示意图

（b）剖面SEM和EDS图像

（c）显示ETPTA聚合物网络和PVdF-HFP两种不同Tg的DSC热分析图

（d）印刷GCE的机械柔性

（e）印刷GCE的离子电导率

（f）GCE和碳酸盐基对照电解质的TGA曲线

（g）GCE和碳酸盐基对照电解质的等温（80℃）离子电导率

（h）GCE和碳酸盐基对照电解质的不易燃性试验

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

（b）剖面SEM和EDS图像

（c）SWCNT涂覆的LCO粉末的SEM图像

（d）SWCNT涂覆的LCO和原始LCO的电子电导率的比较

（e）SWCNT涂覆的LCO和原始LCO之间的排出速率能力的比较

图3 用于多级印刷的GCE和电极浆料的流变控制

（a）GCE和电极浆料的粘度作为剪切速率的函数

（b）粘弹性（G′和G″）作为剪切应力的函数

（c）流变图中的滞后回路

（d）制造出来的照片展示

（e）横截面SEM图像（这里，三个电池串联连接）及其结构示意图

（f）横截面SEM图像（这里，三个电池平行连接）及其结构示意图

图4 在25℃下印刷的双极电池的电化学表征

（a）印刷的LCO阴极和LTO阳极的充电-放电曲线

（b）印刷的单电池（LCO阴极/ GCE / LTO阳极）的循环性能

（c）串联连接的印刷双极电池的电荷/放电曲线作为电池数量的函数

（d）印刷双极电池的充电/放电曲线比较

图5 印刷双极电池的机械柔性和热稳定性

（a）在100次弯曲循环之前/之后印刷的双极双层叠电池的充电/放电曲线

（b）印刷双极型双层电池的安全性的照片

（c）热冲击之前/之后印刷的双极双层叠电池的充电/放电曲线

（d）在玩具车的弯曲车顶上逐步制造印刷的双极双层叠电池的照片

（e）玩具车上印刷的双极双层叠电池的充电/放电曲线

（f）印刷双极双层叠电池和对照电池的不易燃性试验

【小结】

该研究展示了印刷的双极全固态LIB具有出色的灵活性，形状多样性，充电/放电性能，不易燃性和制造简单性等优异特性，远远超过目前广泛使用的（硫化物或氧化物）无机电解质。研究中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向更接近商业化的一步，具有巨大的前景。

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

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