日本科學(xué)家用噴霧沉積法制備硅納米顆粒 實(shí)現(xiàn)高容量全固態(tài)鋰電池
日期：2024-10-16 12:05:26 作者：宏力精密鋼管 閱讀數(shù)：342蓋世汽車訊 據(jù)外媒報(bào)道，一項(xiàng)由日本國立材料科學(xué)研究所(NIMS)研究人員進(jìn)行的新研究顯示，在固態(tài)電解質(zhì)中，用噴霧沉積法制備商業(yè)硅納米顆粒，然后僅用此種硅納米顆粒制成的硅陽極展示出優(yōu)異的電極性能，而此前只在用蒸發(fā)法制備薄膜電極才展示了如此優(yōu)異的性能。此種方法是一種極具成本效益的大氣技術(shù)，該研究結(jié)果表明，大規(guī)模且以低成本生產(chǎn)用于全固態(tài)鋰電池的高容量陽極成為了可能。
(圖片來源：日本國立材料科學(xué)研究所)
理論上說，硅的容量約為4,200 mAh/g，約為商用鋰離子電池中常用的陽極活性材料 – 石墨的11倍，用硅替代傳統(tǒng)的石墨可以極大地延長電動(dòng)汽車的續(xù)航里程。不過，在鋰化和脫鋰(電池充放電過程)過程中，硅的體積會發(fā)生巨大變化(增大約3倍)，從而阻止了其在電池中的實(shí)際應(yīng)用。
在傳統(tǒng)的液體電解質(zhì)中，有必要采用聚合物粘合劑將電極中的活性物質(zhì)顆粒粘合在一起，并讓其能夠粘附在金屬集電流器上。硅的體積不斷發(fā)生巨大變化會導(dǎo)致顆粒脫離，從而導(dǎo)致活性物質(zhì)的丟失，進(jìn)而導(dǎo)致容量不斷損失。在固態(tài)電池中，活性材料被置于兩個(gè)固態(tài)組件之間，即固態(tài)電解質(zhì)隔離層和金屬集電流器之間。事實(shí)上，正如NIMS研究人員所說，濺鍍沉積的純硅薄膜的實(shí)際面積容量超過2.2 mAh/cm2，在固態(tài)電解質(zhì)中顯示出良好的循環(huán)穩(wěn)定性和高速率放電能力。盡管如此，在全固態(tài)鋰電池中實(shí)現(xiàn)低成本、可工業(yè)擴(kuò)展的合成陽極仍是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。
NIMS研究團(tuán)隊(duì)已經(jīng)采用另一種合成法以實(shí)現(xiàn)高性能陽極，用于由商用硅納米顆粒制成的全固態(tài)鋰電池。研究人員發(fā)現(xiàn)，固態(tài)電池中的納米顆粒有一個(gè)獨(dú)特的現(xiàn)象：在鋰化后，在固態(tài)電解質(zhì)隔離層和金屬集電流器之間的有限空間內(nèi)，納米顆粒的體積會膨脹、結(jié)構(gòu)被壓實(shí)、還會明顯聚積，與采用蒸發(fā)法制備的納米顆粒相似。所以，用噴霧沉積法制備納米顆粒，以用于陽極才會展示出優(yōu)異的電極性能，此前此種優(yōu)異性能只在濺鍍沉積法制成的薄膜電極中發(fā)現(xiàn)。噴霧沉積法是一種具成本效益的大氣技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)大規(guī)模量產(chǎn)。因此，此類發(fā)現(xiàn)可以為以低成本大規(guī)模生產(chǎn)用于全固態(tài)鋰電池的高容量陽極鋪平道路。
為了滿足電動(dòng)汽車的要求，NIMS的研究人員還在繼續(xù)努力，提升該陽極的循環(huán)能力。