《電子技術(shù)應(yīng)用》
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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

2020-02-11
來源:電子工程世界

  據(jù)外媒報(bào)道,一項(xiàng)由日本國(guó)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,。

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  (圖片來源:日本國(guó)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(zhǎng)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(huì)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(huì)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(huì)膨脹、結(jié)構(gòu)被壓實(shí),、還會(huì)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(huì)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,。


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