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《ACS Energy Letters》:3D打印柔性陶瓷复合电解质膜

《ACS Energy Letters》:3D打印柔性陶瓷复合电解质膜

  • 分类:资讯中心
  • 发布时间:2024-01-22 11:39
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【概要描述】2019年10月15日,马里兰大学胡良兵课题组在《ACS Energy Letters》上发表题为lexible Garnet Solid-State Electrolyte Membranes Enabled by Tile-and-Grout Design的研究论文,提出了一种具有“瓷砖-灌浆”规则图案结构的复合柔性电解质膜设计策略,利用3D打印增材制造的方法将陶瓷电解质“瓷砖”通过苯乙烯-丁二烯共聚物(SBC)“泥浆”无间隙地连接在一起。

《ACS Energy Letters》:3D打印柔性陶瓷复合电解质膜

【概要描述】2019年10月15日,马里兰大学胡良兵课题组在《ACS Energy Letters》上发表题为lexible Garnet Solid-State Electrolyte Membranes Enabled by Tile-and-Grout Design的研究论文,提出了一种具有“瓷砖-灌浆”规则图案结构的复合柔性电解质膜设计策略,利用3D打印增材制造的方法将陶瓷电解质“瓷砖”通过苯乙烯-丁二烯共聚物(SBC)“泥浆”无间隙地连接在一起。

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2019年10月15日,马里兰大学胡良兵课题组在《ACS Energy Letters》上发表题为lexible Garnet Solid-State Electrolyte Membranes Enabled by Tile-and-Grout Design的研究论文,提出了一种具有“瓷砖-灌浆”规则图案结构的复合柔性电解质膜设计策略,利用3D打印增材制造的方法将陶瓷电解质“瓷砖”通过苯乙烯-丁二烯共聚物(SBC)“泥浆”无间隙地连接在一起。

原文链接:

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsenergylett.9b01847

 

 

  研究简介  

 

用于锂金属电池的无机固态电解质引起了人们的极大兴趣,但其脆性为在柔性电子领域的广泛应用带来了严重阻碍。在此,本文提出了一种具有瓷砖和灌浆图案的柔性电解质膜的合理设计,其中石榴石型电解质瓦状芯片通过苯乙烯-丁二烯共聚物使用增材制造无间隙地连接在一起。通过断裂力学分析对石榴石芯片的尺寸进行优化,有效抑制了石榴石固态电解质断裂韧性以下的应变能,杜绝了随机开裂现象。石榴石芯片用作快速锂离子传输通道,而苯乙烯-丁二烯共聚物网格则用作可变形缓冲器,以进一步减少传递到石榴石芯片的应力。瓷砖和灌浆设计的电解质膜具有良好的柔韧性,可以很容易地弯曲而不会断裂。我们简单而务实的策略为固态电解质提供了一种新的设计原则,以解决脆性问题。

 

 

图1 柔性c-LLZO SSE膜的制备方法示意图

 

 

 

图2 对200 m厚的c-LLZO薄片(边长=1.2mm)进行应力分析的应力演化特写视图

 

 

 

图3 采用固定尺寸的c-LLZO圆片在不同的曲率下进行弯曲实验的统计结果

 

 

 

图4 3D喷墨打印将c-LLZO切片固定在一起形成阵列过程及复合柔性膜SEM与元素表征

 

 

 

图5 复合柔性膜表征结果

 

 

 研究结论 

 

本文依据“刚柔并济”的设计思路,对陶瓷微片进行断裂力学分析,建立了尺寸与力学参数之间的关系,明确了在不同弯曲状态下具有不同厚度的电解质陶瓷切片的最佳尺寸,结合柔性聚合物及3D打印增材制造技术,设计了一种“瓷砖-灌浆”的结构实现了柔性电解质膜,避免了陶瓷材料的脆性问题同时保证了良好的机械性能,展示了一种精巧而务实的策略与工业成熟的制造技术兼容的范例,对构筑良好机械性能与电化学性能的电解质膜结构设计提供了思路,对实现高性能柔性电子器件的应用具有重要价值。

 

 

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