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

材料科学 锂(药物) 陶瓷 电解质 阳极 泥浆 纳米技术 阴极 化学工程 立体光刻 复合材料 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]
卷期号:19 (5): 5789-5800
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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