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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摘要:通过3D打印技术将电解质直接印刷到电极上可以减少制造时间和制造成本。而电解质印刷被称为可印刷电池制造的瓶颈。近日,美国芝加哥大学Reza Shahbazian-Yassar教授设计了一种高温DIW 3D打印机,同时设计了固态电解质墨水,以实现混合固态电解质电池的3D打印。混合电解质墨水可以直接打印到电极上,而不需要对基板进行任何表面处理和电解质的后处理。这将改善电解质制备及其掺入电池的效率以及避免后处理带来的问题。目前这项成果已发表在Advanced Materials(IF=21.950)之上。

想要任意形状电池?3D打印来实现

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)

想要任意形状电池?3D打印来实现

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。

想要任意形状电池?3D打印来实现

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。

想要任意形状电池?3D打印来实现

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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离子液体是一类结构可设计,性能多样化的一类新型物质统称,应用领域广泛,用作:催化剂、吸收剂、萃取剂、阻燃剂、抗静电剂、导电助剂、润滑剂、杀菌剂,涉及领域:化工、医药、材料、半导体、生物、芯片、航天、显示、环保、通讯、润滑等...目前已见报道的离子液体根据分子结构和物化性质可分化四代。第一代离子液体主要的组分是作为阳离子的二烷基咪唑六氟磷酸盐/烷基吡啶六氟磷酸盐和作为阴离子的金属卤化物,他们是理想的电化学溶剂,然而对空气和水非常敏感。第二代离子液体由铵盐等作为常用的阳离子,而六氟磷酸盐等作为阴离子,从而可在空气和水中稳定。第三代离子液体则包括了氨基酸和胆碱等天然离子或者是具有生物活性的离子。而第四代则最早出现在2018年,他们与其他分子液体混合后或者溶解后可展现出独特的性能。图1离子液体中典型的阳离子和阴离子
何请 2022-03-18
Room-temperature ionic liquids are, as the name suggests, salts that exist in liquid states at room temperature. RTILs are of great interest to a variety of fields because they exhibit unique physical and thermodynamic properties, such as negligble vapor pressure, high thermal stability, high electrochemical stability, and low flammability. Moreover, ionic liquids exhibit high conductivity and a wide electrochemical window, which means that they are neither easily oxidized nor reduced, hence they are excellent candidates for efficient and green electrolytes in batteries. Due to the various potential applications RTILs promise, computer simulations of RTILs have widely propagated, and various combinations of different cations and anions have been designed and tested to further increase our knowledge in this field.Please note: this tutorial uses the general Amber force field (GAFF) force field to create an initial (not a “refined”) force field. Some aspects of the simulation results are not in as good agreement with experiment as the results presented in the papers listed above. This is a good object lesson: GAFF can get you started, and can provide results of reasonable accuracy. Depending on your needs, this may be enough. But it is often desirable to treat the GAFF results as a starting point for further refinement; the latter is usually system-specific, and is not covered in this tutorial.
2022-03-16
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