新突破：3D打印技術(shù)可實(shí)現(xiàn)高性能、超低堆壓硫化物基全固態(tài)鋰金屬軟包電池大規(guī)模生產(chǎn)

固態(tài)鋰金屬電池(ASSLMBs)因具備高能量密度和安全性，成為了電池領(lǐng)域的“潛力股”，備受各界關(guān)注。然而，鋰枝晶快速生長(zhǎng)、庫(kù)侖效率低、倍率性能差以及循環(huán)穩(wěn)定性差等難題，如同“攔路虎"嚴(yán)重阻礙了其商業(yè)化的步伐。

新型多功能復(fù)合硫化物電解質(zhì)(M-CSE)

高能數(shù)造客戶--中國(guó)科學(xué)院物理研究所吳凡研究員團(tuán)隊(duì)，利用其開(kāi)發(fā)的新型多功能復(fù)合硫化物電解質(zhì)(M-CSE)，使用高能數(shù)造電池3D打印設(shè)備，創(chuàng)造了硫化物基全固態(tài)電池的新突破�；�于該電解質(zhì)的 ASSLMBs 展現(xiàn)出諸多優(yōu)異性能，如10 mAh cm-2 的面積容量、219 Wh kg-1 的能量密度和 3.76 mAcm-2 的電流密度，在 0.5C 倍率下循環(huán) 500 次后容量保持率仍高達(dá) 95.04%。

不僅如此，憑借高能數(shù)造全固態(tài)電池3D打印設(shè)備所集成的一體化制造工藝，超低壓硫化物全固態(tài)電池的批量制備得以實(shí)現(xiàn)；其中 Swagelok 電池堆疊壓力約為30MPa，軟包電池堆疊壓力僅為2MPa。該電池在首次放電循環(huán)中實(shí)現(xiàn)了128.92 mAh g-1的比容量和219 Wh kg-1的能量密度。更具吸引力的是，M-CSE 界面層由低成本復(fù)合材料組成，制備工藝簡(jiǎn)單且可擴(kuò)展，為大規(guī)模生產(chǎn)奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

以下是吳凡老師團(tuán)隊(duì)的研究成果要點(diǎn)：
M-CSE 層繼承了高化學(xué)穩(wěn)定性和良好界面親和性的優(yōu)點(diǎn)。這不僅保護(hù)電極材料免受腐蝕性副反應(yīng)的影響，還為鋰離子傳導(dǎo)提供了平滑的通道。此外，局部界面鈍化的發(fā)生，一方面緩解了體積變化帶來(lái)的應(yīng)力，保持了界面的緊密性和穩(wěn)定性，另一方面進(jìn)一步抑制了固態(tài)電解質(zhì)的分解，有效減緩鋰枝晶的生長(zhǎng)。此外，M-CSE 層可以確保均勻的電場(chǎng)分布，引導(dǎo)鋰的穩(wěn)定均勻沉積。通過(guò)物理隔離和化學(xué)平衡的雙重調(diào)節(jié)機(jī)制，M-CSE 層可有效抑制鋰枝晶的生長(zhǎng)，并防止其穿透固態(tài)電解質(zhì)層。

吳凡老師的研究通過(guò)探索硫化物基固態(tài)電解質(zhì)的高適應(yīng)性并結(jié)合不同電解質(zhì)類型的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，提供了一種新的解決方案，即將先進(jìn)設(shè)計(jì)與 3D打印技術(shù)相結(jié)合，為開(kāi)發(fā)滿足全固態(tài)電池商業(yè)化需求的下一代固態(tài)電解質(zhì)材料開(kāi)辟了新的可能性。這種簡(jiǎn)單高效的 3D 打印制造方法為全固態(tài)電池的大規(guī)模生產(chǎn)和應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，并為未來(lái)電池技術(shù)的發(fā)展提供了重要參考。


圖1.a)具有不穩(wěn)定界面的電池，其中不斷生長(zhǎng)的界面層導(dǎo)致顯著的過(guò)電位。b)具有SEI界面的電池，鋰枝晶穿透發(fā)生。c)含有M-CSE的電池。


圖2.a-d)不同放大倍數(shù)下M-CSE的截面掃描電子顯微鏡(SEM)和能量色散X射線光譜(EDX)圖像。e,f)Li|LiSiSnPSBrO|Li和Li|LPSCILi對(duì)稱電池在靜置40小時(shí)后的SEM圖像。g,h)Li|M-CSE-LPSCI-M-CSE|Li對(duì)稱電池在不同放大倍數(shù)下的SEM圖像。


圖3.a-e)不同電解質(zhì)結(jié)構(gòu)的對(duì)稱鋰金屬電池的臨界電流密度(CCD)。f)在1.5 mAcm-2電流密度下的循環(huán)穩(wěn)定性。


圖4.不同ASSLMB配置的倍率性能(0.1-5C)，以及相應(yīng)的充放電曲線，具體結(jié)構(gòu)如下:a)單一電解質(zhì)，b)不同比例的MCSE，c)添加M-CSE后的電池，d-g)添加M-CSE后的充放電曲線。



圖5.a-c)在0.5C倍率(面容量為1mAhcm-2)下的放電容量和庫(kù)侖效率，d-f)不同循環(huán)次數(shù)下的相應(yīng)充放電曲線。


圖6.a)不同面積容量下的LCO|LPSCI-M-CSE|Li全固態(tài)電池的充放電曲線。b)邊長(zhǎng)為2cm的LCO|LPSCI-M-CSE|Li方形軟包電池的充放電曲線。c-e)面積容量為5 mAhcm-2的LCO|LPSCI-MCSE|Li全固態(tài)電池的充放電曲線、倍率性能和循環(huán)性能。f)在不同循環(huán)時(shí)長(zhǎng)后的LCO|LPSCI-M-CSE|Li全固態(tài)電池的奈奎斯特圖。

高能數(shù)造(西安)技術(shù)有限公司作為全固態(tài)電池智造技術(shù)引領(lǐng)者，聚焦"固態(tài)電池產(chǎn)線"與"干法電極產(chǎn)線"兩大核心領(lǐng)域，為新能源企業(yè)提供從研發(fā)到量產(chǎn)的智能化裝備及工藝整體解決方案。

目前，高能數(shù)造已經(jīng)廣泛為客戶提供固態(tài)電池與干法電極定制化產(chǎn)線設(shè)計(jì)與設(shè)備集成，包括固態(tài)電池中試線建設(shè)、干法電極標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)線搭建、固態(tài)電池制造工藝系統(tǒng)優(yōu)化等核心解決方案:此外，更能通過(guò)自研的定制化工藝方案和AI機(jī)器人為新能源企業(yè)提供固態(tài)電池與干法電極從實(shí)驗(yàn)室研發(fā)到批量化制造的全周期服務(wù)，賦能客戶實(shí)現(xiàn)固態(tài)電池與干法電極產(chǎn)業(yè)化智能制造。


來(lái)源：高能數(shù)造