3D Printed, Low Tortuosity Garnet Framework For Beyond 500 Wh/kg Batteries

曲折 阴极 材料科学 阳极 多孔性 电解质 分离器(采油) 图层(电子) 纳米技术 复合材料 电极 化学工程 电气工程 化学 物理 物理化学 热力学 工程类
作者
Eric D. Wachsman
标识
DOI:10.2172/1830009
摘要

In this project, we developed LLZO garnet ink recipes and processes for 3D-printing highly ordered ionically conductive garnet porous structures on dense garnet separators. Using this technique, we are able to fabricate controlled architecture LLZO garnet solid-state electrolyte (SSE) trilayers for application in solid-state lithium batteries. The trilayer comprises a thin dense center layer sandwiched between a 3D-printed patterned porous layer and a random porous layer. The dense layer functions as the ionic separator between the anode and cathode. The random porous layer hosts the lithium-metal anode and provides the structural support. The 3D-printed SSE patterned porous layer hosts the cathode, providing continuous, low tortuosity pathways for fast 3D Li+ transport through the cell while increasing the electrode/electrolyte interface area to decrease the interfacial resistance. Compared to the random porous structure, this ordered patterned structure possesses more vacant space for higher cathode loading without sacrificing ionically conducting capability, thus potentially greatly increasing the cell energy density. For demonstration purposes, we developed two patterns for the 3D-printed porous layer: grids and columns, for hosting sulfur and NMC cathode, respectively. The corresponding two types of cells were fabricated and tested, and have demonstrated achievement of theoretical discharge capacity without cathode calendaring. In addition, we developed a fundamental solid-state ionic and electronic transport model to optimize the 3D-printed structures for maximum energy and power density. The model was validated by experiment and provides the critical design criteria for achieving the >500 Wh/kg energy goal as function of C-rate.

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