结合离子液体Pyr13TFSI固态电解质油墨3D打印出任意形状电池
- 2022-04-14 10:42:22
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图1. 高温直接油墨打印系统和固体电解质油墨制造过程的示意图。a)示意图显示了3D系统的设计; b)加热室的放大视图。 c)储存在注射器中的熔融固体电解质墨水图像。 d)示固体电解质直接印刷在电极表面上。 e)打印电解质图像,一旦在室温下将油墨印刷到基板上,油墨就会固化。f)打印在半球形表面上的电解质的示意图。g)具有3D径向阵列结构的打印电解质的示意图和3D电解质网的光学图像(插图)
图2. PVDF-co HFP / Pyr13TFSI / LiTFSI / TiO2混合固态电解质油墨合成路线的示意图
混合固态电解质由固体聚合物基质和离子液体电解质组成。固体聚合物基质除了提供足够足以分离电极的机械支撑之外,还能够实现锂离子扩散。将TiO 2纳米颗粒添加到基于PVDF-co-HFP的聚合物油墨中可以改变其粘度,调节接触角并改善电化学性能。
图3. 混合固态电解质的电化学阻抗谱(EIS)测试:a)夹在两个钢阻挡电极之间的打印油墨的阻抗谱。 用α-MnO2 / Li半电池的油墨的阻抗谱:b)打印INK-0,传统INK-0和等效电路(插图),c)打印INK-1和传统INK-1,和d)打印INK -2,传统INK-2。
使用打印技术,电解液的厚度可以通过精确控制调整任何分配参数,由高温DIW工艺产生的3D打印混合电解质在电解质和电极之间形成独特的致密界面而显示出较低的界面电阻。与传统方法制备的电池相比,该方法中所制备电池的界面电阻显著降低。
图4. 打印电解质的电化学表征:a)具有印刷电解质的MnO 2 / Li的第一循环充电放电曲线。b)在各种特定电流下打印/传统INK-2电解质的Li / MnO 2半电池的倍率能力。c)在不同电流下使用打印INK-2的Li / MnO 2半电池的电放电曲线。 d)在不同电流下使用传统INK-2的Li / MnO 2半电池的放电曲线。 e)Li / INK-2 / MnO 2半电池的循环性能。f)100次循环后打印电解质的横截面SEM图像。 g)由LTO / INK-2 / LFP组成的3D打印叉指式全电池和(h)光学图像。i)由LTO / INK-2 / LFP组成的3D打印的希尔伯特弯曲结构全电池的光学图像
在16 mA /g的电流密度下,LTO / INK-2 / LFP全电池的初始充/放电容量分别为148和112 mAh /g,库仑效率为75.6%。第二次充电和放电容量分别为95和95 mAh /g,表明库仑效率增加到100%。此外,还打印了具有3D希尔伯特弯曲结构的全电池,这种概念验证表明电池具有以任何形状打印的潜力,该技术为具有复杂电路的电子设备中电源的设计开辟了新方向。
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