Three-Dimensionally Printed Ionogel-Coated Ceramic Electrolytes for Solid-State Lithium Batteries

材料科学 锂(药物) 陶瓷 电解质 纳米技术 锂离子电池的纳米结构 固态 化学工程 金属锂 工程物理 复合材料 电化学 电极 化学 物理化学 工程类 内分泌学 医学
作者
Liying Wei,Feng Yan,Shuhui Ge,Shujie Liu,Yanyan Ma,Jianhua Yan
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
标识
DOI:10.1021/acsnano.4c17761
摘要

Stereolithography three-dimensional (3D) printing technology enables the customization of ceramic-based solid electrolyte structures with desired electrochemical properties; however, formulating slurries that both are highly ceramic-loaded and have low viscosity for printing poses a challenge. Here, we propose an ionogel-coated ceramic approach to prepare a shear-thinning fast-ion conductor ceramic (Li6.5La3Zr1.5Ta0.5O12) slurry, which possesses both a high ceramic content of 50 wt % and a low viscosity of 1.53 Pa·s. Utilizing this slurry, 3D symmetric honeycomb briquette-like electrolyte films are printed, and solid-state lithium batteries are easily fabricated by filling the cathode and anode slurries into the respective symmetric honeycombs. The atomic-level interaction between ceramic/ionogel interfaces and the integrated electrode/electrolyte interface facilitates rapid Li+ transport across multiscale interphases in batteries. Additionally, the interactions of ceramic nanoparticles and ionic liquids with Li salt substantially increase the concentration of free Li+, both of which enhance the ionic conductivity and ensure stable Li+ transport efficiency. Solid-state lithium batteries can cycle stably 500 times without obvious degradation at 0.5 C and 50 °C. The strategy offers a feasible solution for printing customized solid-state ceramic-based electrolytes.

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