日科學家用噴霧沉積法制備硅納米顆粒 實現高容量全固態鋰電池

據外媒報道，一項由日本國立材料科學研究所（NIMS）研究人員進行的新研究顯示，在固態電解質中，用噴霧沉積法制備商業硅納米顆粒，然后僅用此種硅納米顆粒制成的硅陽極展示出優異的電極性能，而此前只在用蒸發法制備薄膜電極才展示了如此優異的性能。此種辦法是一種極具成本效益的大氣技術，該研究結果聲明，大規模且以低成本加工用于全固態鋰離子電池的高容量陽極成為了可能。

（圖片來源：日本國立材料科學研究所）

理論上說，硅的容量約為4,200mAh/g，約為商用鋰電池中常用的陽極活性材料石墨的11倍，用硅替代傳統的石墨可以極大地延長電動車的續航里程。不過，在鋰化和脫鋰（電池充放電過程）過程中，硅的體積會發生巨大變化（增約莫3倍），從而阻止了其在電池中的實際使用。

在傳統的液體電解質中，有必要采用聚合物粘合劑將電極中的活性物質顆粒粘合在一起，并讓其能夠粘附在金屬集電流器上。硅的體積不斷發生巨大變化會導致顆粒脫離，從而導致活性物質的丟失，進而導致容量不斷損失。在固態電池中，活性材料被置于兩個固態組件之間，即固態電解質隔離層和金屬集電流器之間。事實上，正如NIMS研究人員所說，濺鍍沉積的純硅薄膜的實際面積容量超過2.2mAh/cm2，在固態電解質中顯示出良好的循環穩定性和高速率放電能力。盡管如此，在全固態鋰離子電池中實現低成本、可工業擴展的合成陽極仍是一個巨大的挑戰。

NIMS研究團隊已經采用另一種合成法以實現高性能陽極，用于由商用硅納米顆粒制成的全固態鋰離子電池。研究人員發現，固態電池中的納米顆粒有一個神奇的現象：在鋰化后，在固態電解質隔離層和金屬集電流器之間的有限空間內，納米顆粒的體積會膨脹、結構被壓實、還會分明聚積，與采用蒸發法制備的納米顆粒相近。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異的電極性能，此前此種優異性能只在濺鍍沉積法制成的薄膜電極中發現。噴霧沉積法是一種具成本效益的大氣技術，可實現大規模量產。因此，此類發現可以為以低成本大規模加工用于全固態鋰離子電池的高容量陽極鋪平道路。

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