Højtydende anode til all-solid-state lithium-batterier er lavet af siliciumnanopartikler

En ny undersøgelse ledet af NIMS-forskere afslører, at i faste elektrolytter, en siliciumanode kun sammensat af kommercielle siliciumnanopartikler fremstillet ved sprayaflejring udviser fremragende elektrodeydelse, som tidligere kun er observeret for filmelektroder fremstillet ved fordampningsprocesser. Metoden er en omkostningseffektiv, atmosfærisk teknik, og hans nye resultat tyder derfor på, at en lavpris og storskala produktion af højkapacitetsanoder til brug i all-solid-state lithium-batterier er mulig.

Silicium har en teoretisk kapacitet på ~4, 200 mAh/g, hvilket er cirka 11 gange højere end den grafit, der almindeligvis anvendes som det anodeaktive materiale i kommercielle Li-ion-batterier. Udskiftning af den traditionelle grafit med silicium kan betydeligt udvide rækkevidden pr. ladning af elektriske køretøjer. Imidlertid, dens enorme volumenændring (~300 procent) under lithiation og delithiation - opladning og afladning - hindrer dens praktiske anvendelse i batterierne.

I konventionelle flydende elektrolytter, brugen af ​​polymere bindemidler er nødvendig for at holde de aktive materialepartikler i elektroden sammen og bevare deres vedhæftning til overfladen af ​​metalstrømkollektorer. Den gentagne enorme volumenændring af silicium forårsager partikelisolering, hvilket fører til tab af det aktive materiale og et deraf følgende kontinuerligt kapacitetstab. I faststofceller, det aktive materiale er placeret mellem to faste komponenter, et solidt elektrolytseparatorlag og metalstrømkollektor. Faktisk, som tidligere rapporteret af teamet af NIMS-forskere, de sputter-aflejrede rene siliciumfilm, der leverer praktiske arealkapaciteter på mere end 2,2 mAh/cm ² , udviser fremragende cyklusstabilitet og højhastighedsafladningsevner i faste elektrolytter. Ikke desto mindre, omkostningseffektiv og industrielt skalerbar syntese af anoden til all-solid-state lithium-batterier er fortsat en stor udfordring.

Holdet af NIMS-forskere har taget en anden syntesetilgang til højtydende anoder til all-solid-state lithiumbatterier med kommercielle siliciumnanopartikler. De fandt et unikt fænomen med nanopartiklerne i faststofcellen:Ved lithiation, de gennemgår volumenudvidelse, strukturel komprimering, og mærkbar koalescens i det indelukkede rum mellem det faste elektrolytseparatorlag og metalstrømkollektor for at danne en kontinuerlig film, svarende til det, der er fremstillet ved fordampningsprocessen. Anoden, der er sammensat af nanopartikler fremstillet ved spraydeposition, udviser derfor fremragende elektrodeydelse, som tidligere kun er observeret for sputter-aflejrede filmelektroder. Spraydeponeringsmetoden er en omkostningseffektiv, atmosfærisk teknik, der kan bruges til produktion i stor skala. Derfor, resultaterne vil bane vejen for lavpris og storstilet produktion af højkapacitetsanoder til brug i all-solid-state lithiumbatterier.

NIMS forskernes fortsatte bestræbelser på at forbedre cyklerbarheden i anoden er i gang for at opfylde kravene til elektriske køretøjer.