En ny studie som leds av NIMS -forskare avslöjar att i fasta elektrolyter, en kiselanod som endast består av kommersiella kiselnanopartiklar framställda genom sprayavlagring uppvisar utmärkt elektrodprestanda, som tidigare har observerats endast för filmelektroder framställda genom avdunstningsprocesser. Metoden är kostnadseffektiv, atmosfärisk teknik, och hans nya resultat tyder därför på att en kostnadseffektiv och storskalig produktion av högkapacitetsanoder för användning i litiumbatterier i helt tillstånd är möjlig.

Kisel har en teoretisk kapacitet på ~ 4, 200 mAh/g, vilket är ungefär 11 gånger högre än grafit som vanligen används som det anodaktiva materialet i kommersiella Li-ion-batterier. Att ersätta den traditionella grafiten med kisel kan avsevärt utöka räckvidden per laddning av elfordon. Dock, dess enorma volymförändring (~ 300 procent) under litiering och delitiering - laddning och urladdning - hindrar dess praktiska användning i batterierna.

I konventionella flytande elektrolyter, användningen av polymera bindemedel är nödvändig för att hålla de aktiva materialpartiklarna i elektroden ihop och bibehålla deras vidhäftning till ytan av metallströmkollektorer. Den upprepade stora volymändringen av kisel orsakar partikelisolering, vilket leder till att det aktiva materialet förloras och en resulterande kontinuerlig kapacitetsförlust. I celler i fast tillstånd, det aktiva materialet placeras mellan två fasta komponenter, ett fast elektrolytavskiljarlager och metallströmkollektor. Faktiskt, som tidigare rapporterats av teamet av NIMS -forskare, de förstoftade deponerade rena kiselfilmerna ger praktiska arealkapaciteter som överstiger 2,2 mAh/cm ² , uppvisar utmärkt cykelstabilitet och höghastighetsurladdningsförmåga i fasta elektrolyter. Ändå, kostnadseffektiv och industriellt skalbar syntes av anoden för litiumbatterier i fast tillstånd är fortfarande en stor utmaning.

Teamet av NIMS-forskare har tagit en annan syntesstrategi mot högpresterande anoder för litiumbatterier i helt tillstånd med kommersiella kiselnanopartiklar. De hittade ett unikt fenomen med nanopartiklarna i solid-state-cellen:Vid litiering, de genomgår volymutvidgning, strukturell komprimering, och märkbar sammansmältning i det trånga utrymmet mellan det fasta elektrolytavskiljarskiktet och metallströmkollektorn för att bilda en kontinuerlig film, liknande den som framställts genom förångningsprocessen. Anoden som består av nanopartiklar framställda genom sprayavlagring uppvisar därför utmärkt elektrodprestanda, som tidigare har observerats endast för sputter-deponerade filmelektroder. Sprutavsättningsmetoden är kostnadseffektiv, atmosfärsteknik som kan användas för storskalig produktion. Därav, fynden kommer att bana väg för lågkostnad och storskalig produktion av högkapacitetsanoder för användning i litiumbatterier med helt tillstånd.

NIMS -forskarnas fortsatta ansträngningar för att förbättra cykelbarheten i anoden pågår för att uppfylla kraven för elfordon.