由日本國立材料研究所研究人員領導的一項新研究表明，在固體電解質中，僅由噴霧沉積法制備的工業(yè)硅納米顆粒組成的硅陽極具有優(yōu)異的電極性能。該方法是一種成本效益高的氣相沉積技術，因此研究人員的結果表明，不久將來將能夠低成本和大規(guī)模生產用于全固態(tài)鋰電池的大容量陽極。

 

       硅理論上的容量可達4200毫安／克，比起常用在商用鋰電上作活性陽極材料的石墨容量要大10倍。用硅代替?zhèn)鹘y(tǒng)的石墨可以極大地延長電動汽車每次充電的行駛里程，但硅在鋰化和脫鋰，即充放電過程中會發(fā)生巨大的容量變化，這阻礙了其在電池中的實際應用。

 

       在傳統(tǒng)的液體電解質中，需要使用聚合粘合劑來將電極中的活性物質顆粒固定在一起，并且保持它們與金屬表面的附著力。硅不斷的容量變化會導致粒子分離，損失活性物質，最后造成持續(xù)的容量損失。在固態(tài)電池中，活性物質被置于兩個固態(tài)元件之間，即固態(tài)電解質隔離層和金屬集電流器。濺射沉積的純硅薄膜的實際面積容量超過2．2 mAh／cm2，在固體電解質中表現出良好的循環(huán)穩(wěn)定性和高速率放電能力。盡管如此，全固態(tài)鋰電池陽極的成本效益和工業(yè)可擴展性仍然是一個巨大的挑戰(zhàn)。

圖片來源：日本國立材料研究所

 

       日本國立材料研究所團隊的研究人員已經采用了另一種合成方法來獲得高性能的陽極，用于商用硅納米顆粒的全固態(tài)鋰電池。他們發(fā)現納米粒子在固態(tài)電池中有一個獨特的現象：在鋰化后，它們在固態(tài)電解質分離器層和金屬集電器之間的有限空間中進行體積膨脹、結構壓實和明顯的聚結形成一個連續(xù)的膜，類似于蒸發(fā)法制備的膜。因此，由噴霧沉積法制備的納米粒子組成的陽極具有優(yōu)異的電極性能，這是以前只能在濺射沉積的薄膜電極上觀察到的。噴霧沉積法是一種經濟有效的大氣技術，可用于大規(guī)模生產。

 

       因此，這些發(fā)現將為低成本和大規(guī)模生產用于全固態(tài)鋰電池的大容量陽極鋪平道路。