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麻省理工Nat. Commun.：基于無(wú)機(jī)水玻璃粘結(jié)劑的結(jié)構(gòu)陶瓷電池

結(jié)構(gòu)儲(chǔ)能旨在通過(guò)將機(jī)械載荷轉(zhuǎn)移到多功能材料實(shí)現(xiàn)車輛級(jí)能量密度，其中粘結(jié)劑性能是開發(fā)剛性多功能儲(chǔ)能材料的關(guān)鍵。三硅酸鈉水玻璃是地球上含量豐富的無(wú)機(jī)粘結(jié)劑，可與多種材料結(jié)合并具有極高的化學(xué)和溫度穩(wěn)定性。

圖1. 使用硅酸鹽水玻璃作為多功能粘結(jié)劑

在此，美國(guó)麻省理工學(xué)院Angela M. Belcher, Alan Ransil展示了在基于疊層的制造系統(tǒng)中使用這種水玻璃作為電極粘結(jié)劑來(lái)生產(chǎn)結(jié)構(gòu)陶瓷電池（SCB），克服了粘附和離子傳輸之間的多功能權(quán)衡。這種地質(zhì)聚合物表現(xiàn)出多種化學(xué)性質(zhì)，為未來(lái)優(yōu)化以提高其粘結(jié)和堿傳輸性能提供了可能性。

三硅酸鈉水玻璃在地球上含量豐富、可溶于水，并且可以在沒有有毒前體的情況下制備，因此比常用的含氟聚合物更加環(huán)保。此外，還可以作為商品化學(xué)品大規(guī)模廉價(jià)生產(chǎn)。

圖2. 基于疊層的制造過(guò)程

因此，在電解液溶劑的存在下，這種大塊粘結(jié)劑保持大于50 GPa的楊氏模量，而水玻璃基電極在數(shù)百次電化學(xué)循環(huán)中具有高倍率性能和穩(wěn)定的放電容量。此外，粘結(jié)劑的溫度穩(wěn)定性使得在疊層成形之后能夠?qū)φ麄€(gè)電池堆進(jìn)行熱處理，以便生產(chǎn)剛性的承載部件。

由此制造的結(jié)構(gòu)電池表現(xiàn)出令人印象深刻的多功能性能，其無(wú)封裝電池堆棧能量密度為93.9 Wh/kg，大大超過(guò)了之前公開報(bào)道的結(jié)構(gòu)電池材料，此外，拉伸模量為1.4 GPa。這種新型粘結(jié)劑材料為使用無(wú)機(jī)地質(zhì)聚合物粘結(jié)劑生產(chǎn)結(jié)構(gòu)電池開辟了新途徑。

圖3. 結(jié)構(gòu)陶瓷電池 (SCB) 全電池循環(huán)測(cè)試

Structural ceramic batteries using an earth-abundant inorganic waterglass binder, Nature Communications 2021. DOI: 10.1038/s41467-021-26801-y

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