3Dプリント固体電池電解質

3Dプリント固体電池電解質
固体電池は安全性と安定性の面で多くの魅力的な利点がありますが、そのような電池が依存する固体電解質は通常、セル抵抗が高くなります。抵抗の 2 つの主な要素 (界面による電解質の接触不良と、過剰な量による電解質の厚みなど) は、どちらも現在の固体電解質の未熟な製造条件によって発生します。固体電解質を研究するための理想的な形状は通常、界面が平面である平らな球体であり、これにより界面の接触面積を最小限に抑えることができます。

メリーランドエネルギーイノベーション研究所のマコーウェン博士らは、独特の特性を持つ固体電解質微細構造の3Dプリントを可能にするために、さまざまなインク配合を開発しました[1]。これらのインクは、さまざまな 3D プリント パターンに使用でき、その後焼結して (LLZ) 固体電解質のみで構成される薄い非平面の複雑な構造を得ることができます。これらの 3D プリントされたインク配合を使用して電解質構造をさらに研究し最適化することで、セル全体の抵抗が大幅に低減し、エネルギー密度の高い固体電池を実現できる可能性があります。

図 1 は、線形、グリッド、格子構造、積層アレイなど、さまざまな整列した高表面積 LLZ 構造を印刷できる 3D 印刷プロセスを使用したバッテリー製造プロセスを示しています。



図1 3Dプリント固体電解質プロセスの概略図。この場合、インクは、コンフォーマル インクを使用して、LLZ フィルムまたは LLZ リボン状プレートなどの LLZ 基板材料に印刷されます。
秩序だった構造を作成するためにコンフォーマル インクを使用すると、図 2d ~ f に示すように、アスペクト比の低い円形の線または列が生成されます。これはインクの粘度と濡れ性が低いためであり、印刷された線が交差するときにシームレスなノードを形成できることもこのインクの特徴です。コンフォーマル インクとは異なり、図 3g-i の ELS バインダー インクのビンガム塑性挙動により、印刷された構造は印刷後すぐに固化します。



図 2 ac) は印刷パスの概略図、di) は、線形、グリッド、格子構造を含む、焼結 3D プリントされたコンフォーマル インク (df) と自立型インクを比較した 3D プリント LLZ 微細構造です。各構造は同じプログラム命令を使用して印刷されましたが、インクの異なるレオロジー特性 (ラスター速度など) に対応するためにいくつかの調整が行われました。
著者らはさらに構造と性能の対応を研究し、3Dプリントされた積層アレイLLZ材料とリチウム電極で作られた対称的なバッテリー構造を製造し、3Dプリントされた電解質の有効性を検証しました(図3を参照)。



図 3 a) LLZ 基板上に積層アレイ形式で印刷された LLZ グリッド構造内のリチウム充填電極の概略図。 b) 3D プリントされた LLZ|Li 金属界面の SEM 断面画像 (赤い破線部分) c) 異なる電流密度における Li|3D プリントされた LLZ|Li 構造のサイクル周期。電気メッキとメッキ除去の各サイクルには 1 時間余計に時間がかかります。
参考文献
DW McOwen、S. Xu、Y. Gong、Y. Wen、GL Godbey、JE Gritton、TR Hamann、J. Dai、GT Hitz、L. Hu、ED Wachsman。固体電池用電解質の3Dプリント[J]。Adv. Mater. 2018、1707132。
https://doi.org/10.1002/adma.201707132

著者: Shang Zhentao、Tian Xiaoyong 出典: 機械製造システム工学国家重点実験室

3D プリント、印刷、ソリッドステート、ソリッドステート バッテリー、バッテリー

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