日本研究所开发出性能优异的全固态电池极材料

2019-12-26 10:15

由日本国立材料研究所研究人员领导的一项新研究表明，在固体电解质中，仅由喷雾沉积法制备的工业硅纳米颗粒组成的硅负极具有优异的电极性能。该方法是一种成本效益高的大气技术，因此研究人员的结果表明，不久将来将能够低成本和大规模生产用于全固态锂电池的大容量负极。

硅理论上的容量可达4200毫安／克，比起常用在商用锂电上作活性负极材料的石墨容量要大10倍。用硅代替传统的石墨可以极大地延长电动汽车每次充电的行驶里程，但硅在锂化和脱锂，即充放电过程中会发生巨大的容量变化，这阻碍了其在电池中的实际应用。

在传统的液体电解质中，需要使用聚合粘合剂来将电极中的活性物质颗粒固定在一起，并且保持它们与金属表面的附着力。硅不断的容量变化会导致粒子分离，损失活性物质，最后造成持续的容量损失。在固态电池中，活性物质被置于两个固态元件之间，即固态电解质隔离层和金属集电流器。溅射沉积的纯硅薄膜的实际面积容量超过2．2 mAh／cm2，在固体电解质中表现出良好的循环稳定性和高速率放电能力。尽管如此，全固态锂电池负极的成本效益和工业可扩展性仍然是一个巨大的挑战。

图片来源：日本国立材料研究所

日本国立材料研究所团队的研究人员已经采用了另一种合成方法来获得高性能的负极，用于商用硅纳米颗粒的全固态锂电池。他们发现纳米粒子在固态电池中有一个独特的现象：在锂化后，它们在固态电解质分离器层和金属集电器之间的有限空间中进行体积膨胀、结构压实和明显的聚结形成一个连续的膜，类似于蒸发法制备的膜。因此，由气相沉积法制备的纳米粒子组成的负极具有优异的电极性能，这是以前只能在溅射沉积的薄膜电极上观察到的。喷雾沉积法是一种经济有效的大气技术，可用于大规模生产。

因此，这些发现将为低成本和大规模生产用于全固态锂电池的大容量负极铺平道路。