上海科大|刘巍教授课题组Nano Lett：光固化(SLA)3D打印固态聚合物电解质助力全固态锂电池- 大数跨境

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上海科大|刘巍教授课题组Nano Lett：光固化(SLA)3D打印固态聚合物电解质助力全固态锂电池

科学材料站

2020-09-01

导读：本文提出了采用SLA光固化3D打印技术来为全固态锂电池制备具有三维阿基米德螺旋结构的柔性聚合物固态电解质（3D-SPE）。3D结构可以提供95％的比表面积的增加以及更高的活性物质负载。

First published: August 28, 2020

第一作者：何英杰

通讯作者：刘巍*

单位：上海科技大学

研究背景

随着电动汽车以及各种电子产品对于高能量密度的安全储能设备的需求不断增长，全固态锂电池受到了极大的关注。传统的锂离子电池系统由于使用了易燃的有机电解液，其安全性一直以来都是人们关注的焦点，而固态电解质凭借其固有的热稳定性以及兼容高能量密度锂金属负极的特性，被认为有希望取代传统的液态电解液。

然而全固态锂电池仍存在不少挑战，固态电解质和电极之间固固接触所形成的高界面阻抗仍是限制其实际应用的关键问题。

此外，由于电极中较长的离子扩散路径，全固态锂电池的活性物质负载通常较低（<1 mg cm-2），该值远小于目前商用锂离子电池钴酸锂正极的12 mg cm-2和石墨负极的6 mg cm-2。

文章简介

近日，上海科技大学刘巍教授课题组在国际顶级期刊Nano Letters (影响因子：11.238) 上发表题为“Stereolithography 3D Printing Solid Polymer Electrolytes for All-Solid-State Lithium-Metal Batteries”的研究工作。

该工作利用光固化成型（SLA）3D打印技术，以聚乙二醇二丙烯酸酯（PEGDA）为聚合物基体原料3D打印出一种具有三维表面结构的聚合物固态电解质（SPE）。

由于构建出的3D电解质-电极界面，使界面处的比表面积增大了95%、显著优化了电极与聚合物固态电解质之间的界面接触、大大降低了界面阻抗，并且能将正极活性物质负载提高到5 mg cm-2这一较高的水平，以此提升全固态锂电池的性能。

值得注意的是，此方法所采用的光固化3D打印技术有别于此前其他文献多次报道的使用可打印“墨水”的3D直写技术（DIW）,SLA技术更成熟、经济环保，有希望得到大规模应用。

要点解析

要点一：由具有三维表面结构的固态电解质组装的全固态锂电池的优势

图1.

图1. 由具有三维表面结构的固态电解质和无结构固态电解质组装的全固态锂电池的示意图。

与无结构的固态电解质相比，三维表面结构可提供更大的比面积，从而改善电解质与电极之间的界面接触，并缩短了锂离子从电解质到电极的传输路径，以此得以增加活性物质的负载。

要点二：具有三维表面结构的聚合物固态电解质的加工示意图和形貌

图2. 具有三维表面结构的聚合物固态电解质的加工示意图和形貌

（a）基于3D打印固态电解质的全固态锂电池的制备过程示意图

（b）三维表面结构的俯视图和（c）截面图

（d）具有三维结构的电解质和正极界面的SEM图像

（e，f）光聚合固态电解质的柔性示意图

（g）可用于软包电池应用的大尺寸样品

要点3：3D打印聚合物固态电解质的电化学性能

图3. 3D打印聚合物固态电解质的电化学性能。

3D打印聚合物固态电解质（a）在不同温度下的电化学阻抗谱

（b）离子电导率与温度关系曲线

（c）室温下的线性伏安曲线

对称电池在常温下的（d）电化学阻抗谱及（e）充放电循环曲线。

图3显示了由光固化成型（SLA）3D打印技术制备的聚合物固态电解质在室温下的离子电导率能达到3.7 × 10-4 S cm−1，由图3c的线性伏安曲线表明其电化学窗口能达到4.55 V，由图3e表明由此聚合物固态电解质组装的锂对称电池能稳定循环超过600小时。

要点4：3D打印聚合物固态电解质与磷酸铁锂正极组成全固态锂电池的性能

图4. 3D打印聚合物固态电解质与磷酸铁锂正极组成全固态锂电池的性能

（a，b）有无表面结构的电解质组成的电池在室温与50 °C下的电化学阻抗谱对比

（c，d）在50 °C与0.1 C下的充放电曲线和长循环对比

（e）在50 °C下的倍率性能对比

（f）具有表面结构的电解质组成的电池在常温下的循环性能曲线。

如图4a, b所示，可以发现，具有表面结构的电解质（3D-SPE）组成的电池在室温与50 °C下的阻抗都远小于无表面结构的电解质。

由图4c-e也可得知3D-SPE的长循环性与倍率性能能也明显优于无结构的对照组，并且由于3D结构的存在其活性物质含量能达到5 mg cm-2这一较高的水平。

结论

总而言之，我们提出了采用SLA光固化3D打印技术来为全固态锂电池制备具有三维阿基米德螺旋结构的柔性聚合物固态电解质（3D-SPE）。3D结构可以提供95％的比表面积的增加以及更高的活性物质负载。

在50°C下经过250次循环后，基于3D-SPE的全固态Li | LFP电池具有5 mg cm-2的活性物质负载，与无结构SPE相比显示出更高的比容量（166 mAh g-1），以及更好的容量保持率（77％），同时在25°C的室温下也能实现稳定的循环性能。

如此优化的电化学性能归功于这种3D-SPE结构可以缩短锂离子从电解质到电极的传输路径，并增强电池循环期间的界面粘附力。SLA光固化3D打印技术为高性能的全固态锂电池提供了新的研究途径，有希望应用于下一代的能量存储领域。

文章链接

Stereolithography 3D Printing Solid Polymer Electrolytes for All-Solid-State Lithium-Metal Batteries

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.0c02457

通讯作者介绍

刘巍上海科技大学助理教授、研究员

2008年毕业于北京师范大学，获材料物理理学学士学位；2013年毕业于清华大学材料学院，获材料科学与工程工学博士学位（导师：潘伟教授）；2010年11月至2011年5月在日本东京大学访学（导师：Shu Yamaguchi教授）；2013年8月至2017年1月在美国斯坦福大学从事博士后研究（导师：Yi Cui教授）；2017年3月加入上海科技大学物质科学与技术学院，任助理教授。

主要开展固态离子导体材料、纳米材料及陶瓷复合材料在能源存储和环境等领域的应用。研究方向包括: 1. 高能量、大功率、安全储能器件以及全固态锂电池的设计与应用；2. 新型燃料电池及催化材料的研究；3. 柔性功能材料。