用于全固态锂电池的高性能硅纳米粒子阳极

充电期间的大体积膨胀是在常规液体电解质中使用硅阳极的障碍，这有助于由固体电解质中的纳米颗粒组成的硅阳极具有接近于硅膜的高倍率放电能力。

由NIMS研究人员领导的一项新研究表明，在固体电解质中，仅由通过喷雾沉积制备的商业化硅纳米颗粒组成的硅阳极-该方法是一种经济高效的大气技术-表现出优异的电极性能，以前仅能观察到用于通过蒸发工艺制备的薄膜电极。因此，该新结果表明，可以低成本，大规模生产用于全固态Li电池的高容量阳极。

Si的理论容量为〜4,200 mAh / g，约为商用锂离子电池中通常用作阳极活性材料的石墨的11倍。用硅代替传统的石墨可以显着扩展电动汽车每次充电的行驶范围。但是，在锂化和脱锂过程中，其巨大的体积变化（约300％）（充放电）阻碍了其在电池中的实际应用。

在常规的液体电解质中，必须使用聚合物粘合剂以将活性材料颗粒在电极中保持在一起并保持其对金属集电器表面的粘附力。Si的反复巨大的体积变化导致颗粒分离，并因此导致活性材料的损失，这导致连续的容量损失。

在固态电池中，活性材料被放置在两个固体成分之间-固体电解质分隔层和金属集电器-这样就可以避免问题的解决-活性材料的电绝缘。实际上，正如NIMS研究人员团队先前所报道的那样，溅射沉积的纯Si膜的实际面容量超过2.2 mAh / cm2，在固体电解质中具有出色的循环稳定性和高倍率放电能力。然而，用于全固态锂电池的阳极的成本有效且工业可扩展的合成仍然是巨大的挑战。

制备后的Si阳极的横截面场发射扫描电子显微镜（FE-SEM）图像，该阳极由在不锈钢集电器上喷涂沉积的纳米颗粒组成，并且阳极处于完全充电状态。

NIMS研究人员团队采用了另一种合成方法来开发具有商用Si纳米粒子的全固态锂电池的高性能阳极，并发现了固态电池中纳米粒子的独特现象：在锂化后，它们经历了在固体电解质隔离层和金属集电器之间的密闭空间中进行体积膨胀，结构压实和明显的聚结，以形成类似于通过蒸发工艺制备的连续膜。因此，由通过喷雾沉积制备的纳米颗粒组成的阳极表现出优异的电极性能，这以前仅在溅射沉积的膜电极上才观察到。喷涂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，大规模生产用于全固态锂电池的高容量阳极铺平道路。

为了满足电动汽车的要求，NIMS研究人员团队不断努力提高阳极的循环能力，从而提高了纳米颗粒的面质量负荷。

一项描述在硫化物固体电解质中仅由商业纳米粒子组成的Si阳极的研究于2019年9月24日在线发表在ACS Applied Energy Materials中。

参考：“全固态锂电池中硅纳米粒子的阳极性能”，大田成美，木村伸一，坂部淳一，三石一孝，大西刚俊和高田和典，2019年9月24日，ACS Applied Energy Materials.DOI：
10.1021 / acsaem.9b01517

新能源与工业技术开发组织（NEDO）和丰田汽车公司通过名为“用于汽车和多种应用的实用和实用的LiB开发”的P12003项目，部分支持了这项研究。