新突破：3D打印技術(shù)可實現(xiàn)高性能、超低堆壓硫化物基全固態(tài)鋰金屬軟包電池大規(guī)模生產(chǎn)

固態(tài)鋰金屬電池(ASSLMBs)因具備高能量密度和安全性，成為了電池領(lǐng)域的“潛力股”，備受各界關(guān)注。然而，鋰枝晶快速生長、庫侖效率低、倍率性能差以及循環(huán)穩(wěn)定性差等難題，如同“攔路虎"嚴重阻礙了其商業(yè)化的步伐。

新型多功能復合硫化物電解質(zhì)(M-CSE)

高能數(shù)造客戶--中國科學院物理研究所吳凡研究員團隊，利用其開發(fā)的新型多功能復合硫化物電解質(zhì)(M-CSE)，使用高能數(shù)造電池3D打印設備，創(chuàng)造了硫化物基全固態(tài)電池的新突破�；�于該電解質(zhì)的 ASSLMBs 展現(xiàn)出諸多優(yōu)異性能，如10 mAh cm-2 的面積容量、219 Wh kg-1 的能量密度和 3.76 mAcm-2 的電流密度，在 0.5C 倍率下循環(huán) 500 次后容量保持率仍高達 95.04%。

不僅如此，憑借高能數(shù)造全固態(tài)電池3D打印設備所集成的一體化制造工藝，超低壓硫化物全固態(tài)電池的批量制備得以實現(xiàn)；其中 Swagelok 電池堆疊壓力約為30MPa，軟包電池堆疊壓力僅為2MPa。該電池在首次放電循環(huán)中實現(xiàn)了128.92 mAh g-1的比容量和219 Wh kg-1的能量密度。更具吸引力的是，M-CSE 界面層由低成本復合材料組成，制備工藝簡單且可擴展，為大規(guī)模生產(chǎn)奠定了堅實基礎。

以下是吳凡老師團隊的研究成果要點：
M-CSE 層繼承了高化學穩(wěn)定性和良好界面親和性的優(yōu)點。這不僅保護電極材料免受腐蝕性副反應的影響，還為鋰離子傳導提供了平滑的通道。此外，局部界面鈍化的發(fā)生，一方面緩解了體積變化帶來的應力，保持了界面的緊密性和穩(wěn)定性，另一方面進一步抑制了固態(tài)電解質(zhì)的分解，有效減緩鋰枝晶的生長。此外，M-CSE 層可以確保均勻的電場分布，引導鋰的穩(wěn)定均勻沉積。通過物理隔離和化學平衡的雙重調(diào)節(jié)機制，M-CSE 層可有效抑制鋰枝晶的生長，并防止其穿透固態(tài)電解質(zhì)層。

吳凡老師的研究通過探索硫化物基固態(tài)電解質(zhì)的高適應性并結(jié)合不同電解質(zhì)類型的獨特優(yōu)勢，提供了一種新的解決方案，即將先進設計與 3D打印技術(shù)相結(jié)合，為開發(fā)滿足全固態(tài)電池商業(yè)化需求的下一代固態(tài)電解質(zhì)材料開辟了新的可能性。這種簡單高效的 3D 打印制造方法為全固態(tài)電池的大規(guī)模生產(chǎn)和應用奠定了堅實基礎，并為未來電池技術(shù)的發(fā)展提供了重要參考。


圖1.a)具有不穩(wěn)定界面的電池，其中不斷生長的界面層導致顯著的過電位。b)具有SEI界面的電池，鋰枝晶穿透發(fā)生。c)含有M-CSE的電池。


圖2.a-d)不同放大倍數(shù)下M-CSE的截面掃描電子顯微鏡(SEM)和能量色散X射線光譜(EDX)圖像。e,f)Li|LiSiSnPSBrO|Li和Li|LPSCILi對稱電池在靜置40小時后的SEM圖像。g,h)Li|M-CSE-LPSCI-M-CSE|Li對稱電池在不同放大倍數(shù)下的SEM圖像。


圖3.a-e)不同電解質(zhì)結(jié)構(gòu)的對稱鋰金屬電池的臨界電流密度(CCD)。f)在1.5 mAcm-2電流密度下的循環(huán)穩(wěn)定性。


圖4.不同ASSLMB配置的倍率性能(0.1-5C)，以及相應的充放電曲線，具體結(jié)構(gòu)如下:a)單一電解質(zhì)，b)不同比例的MCSE，c)添加M-CSE后的電池，d-g)添加M-CSE后的充放電曲線。



圖5.a-c)在0.5C倍率(面容量為1mAhcm-2)下的放電容量和庫侖效率，d-f)不同循環(huán)次數(shù)下的相應充放電曲線。


圖6.a)不同面積容量下的LCO|LPSCI-M-CSE|Li全固態(tài)電池的充放電曲線。b)邊長為2cm的LCO|LPSCI-M-CSE|Li方形軟包電池的充放電曲線。c-e)面積容量為5 mAhcm-2的LCO|LPSCI-MCSE|Li全固態(tài)電池的充放電曲線、倍率性能和循環(huán)性能。f)在不同循環(huán)時長后的LCO|LPSCI-M-CSE|Li全固態(tài)電池的奈奎斯特圖。

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來源：高能數(shù)造