適用于下一代電池的可打印高性能固態電解質膜

鋰離子(Li-ion)電池廣泛用于便攜式電子設備，電動汽車和電網規模的儲能系統中。然而，由于傳統的有機電解質在許多情況下會引起火災和爆炸，因此鋰離子電池的安全性在過去幾年中屢屢受到質疑。陶瓷固態電解質(SSE)薄膜有望通過阻止導致短路和熱失控的鋰枝晶，為解決安全問題提供一種可行的解決方案，同時為下一代鋰離子電池提供高能量密度。然而，當前的SSE薄膜具有低的離子電導率，范圍為10 -8至10 -5 S / cm，這可歸因于較差的材料質量。

馬里蘭大學A. James Clark工程學院的胡良兵領導的研究小組最近開發了一種印刷和燒結各種SSE薄膜的新方法。這項名為“可打印的高性能固態電解質膜”的工作于2020年11月18日在《科學進展》上發表。該團隊將該方法命名為“印刷和輻射加熱”(PRH)，該方法具有基于溶液的可印刷技術，然后進行快速燒結。

在典型的過程中，將前體懸浮液印刷在可以調節濃度和厚度的基材上。快速(?3 s)高溫(?1500°C)燒結后，即可獲得高質量和高性能的SSE薄膜，從而確保了最小的Li損失和高結晶度。這種方法不僅導致SSE薄膜具有致密且均勻的微觀結構，而且還確保了優異的離子傳導性。值得注意的是，從前體到最終產品的制造過程僅需約5分鐘，比傳統方法快約100倍。

在概念驗證的演示中，該團隊展示了一種基于石榴石的SSE印刷薄膜，該薄膜具有高達1 mS / cm的高離子電導率和出色的循環穩定性。此外，PRH方法還可以實現許多其他設計，例如復雜的多層組裝，并且在合成過程中不會發生交叉污染。它也可以擴展到制備其他陶瓷薄膜，這為開發安全，高性能的固態電池和其他基于薄膜的設備開辟了新的機遇。