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日本科学家用喷雾沉积法制备硅纳米颗粒 实现高容量全固态锂电池

2020-02-11
来源:电子工程世界

  据外媒报道,一项由日本国立材料科学研究所(NIMS)研究人员进行的新研究显示,在固态电解质中,用喷雾沉积法制备商业硅纳米颗粒,然后仅用此种硅纳米颗粒制成的硅阳极展示出优异的电极性能,而此前只在用蒸发法制备薄膜电极才展示了如此优异的性能。此种方法是一种极具成本效益的大气技术,该研究结果表明,大规模且以低成本生产用于全固态锂电池的高容量阳极成为了可能。

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  (图片来源:日本国立材料科学研究所)

  理论上说,硅的容量约为4,200 mAh/g,约为商用锂离子电池中常用的阳极活性材料 – 石墨的11倍,用硅替代传统的石墨可以极大地延长电动汽车的续航里程。不过,在锂化和脱锂(电池充放电过程)过程中,硅的体积会发生巨大变化(增大约3倍),从而阻止了其在电池中的实际应用。

  在传统的液体电解质中,有必要采用聚合物粘合剂将电极中的活性物质颗粒粘合在一起,并让其能够粘附在金属集电流器上。硅的体积不断发生巨大变化会导致颗粒脱离,从而导致活性物质的丢失,进而导致容量不断损失。在固态电池中,活性材料被置于两个固态组件之间,即固态电解质隔离层和金属集电流器之间。事实上,正如NIMS研究人员所说,溅镀沉积的纯硅薄膜的实际面积容量超过2.2 mAh/cm2,在固态电解质中显示出良好的循环稳定性和高速率放电能力。尽管如此,在全固态锂电池中实现低成本、可工业扩展的合成阳极仍是一个巨大的挑战。

  NIMS研究团队已经采用另一种合成法以实现高性能阳极,用于由商用硅纳米颗粒制成的全固态锂电池。研究人员发现,固态电池中的纳米颗粒有一个独特的现象:在锂化后,在固态电解质隔离层和金属集电流器之间的有限空间内,纳米颗粒的体积会膨胀、结构被压实、还会明显聚积,与采用蒸发法制备的纳米颗粒相似。所以,用喷雾沉积法制备纳米颗粒,以用于阳极才会展示出优异的电极性能,此前此种优异性能只在溅镀沉积法制成的薄膜电极中发现。喷雾沉积法是一种具成本效益的大气技术,可实现大规模量产。因此,此类发现可以为以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的研究人员还在继续努力,提升该阳极的循环能力。


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