Een nieuwe studie onder leiding van NIMS-onderzoekers onthult dat in vaste elektrolyten, een siliciumanode die alleen bestaat uit commerciële siliciumnanodeeltjes die zijn bereid door sproeiafzetting, vertoont uitstekende elektrodeprestaties, wat eerder alleen is waargenomen voor filmelektroden die zijn bereid door verdampingsprocessen. De methode is een kosteneffectieve, atmosferische techniek, en zijn nieuwe resultaat suggereert daarom dat een goedkope en grootschalige productie van anodes met hoge capaciteit voor gebruik in volledig vaste-stof-lithiumbatterijen mogelijk is.

Silicium heeft een theoretische capaciteit van ~4, 200mAh/g, wat ongeveer 11 keer hoger is dan dat van het grafiet dat gewoonlijk wordt gebruikt als anode-actief materiaal in commerciële Li-ionbatterijen. Het vervangen van het traditionele grafiet door silicium kan het rijbereik per lading van elektrische voertuigen aanzienlijk vergroten. Echter, zijn enorme volumeverandering (~ 300 procent) tijdens lithiëring en delithiatie - opladen en ontladen - belemmert de praktische toepassing ervan in de batterijen.

In conventionele vloeibare elektrolyten, het gebruik van polymere bindmiddelen is nodig om de actieve materiaaldeeltjes in de elektrode bij elkaar te houden en hun hechting aan het oppervlak van metalen stroomcollectoren te behouden. De herhaalde enorme volumeverandering van silicium veroorzaakt de deeltjesisolatie, wat leidt tot verlies van het actieve materiaal en een resulterend continu capaciteitsverlies. In vastestofcellen, het actieve materiaal wordt tussen twee vaste componenten geplaatst, een vaste elektrolytscheidingslaag en een metalen stroomafnemer. In feite, zoals eerder gemeld door het team van NIMS-onderzoekers, de door sputteren afgezette pure siliciumfilms leveren praktische oppervlaktecapaciteiten van meer dan 2,2 mAh/cm ² , vertonen uitstekende cyclische stabiliteit en hoge ontladingscapaciteiten in vaste elektrolyten. Niettemin, kosteneffectieve en industrieel schaalbare synthese van de anode voor all-solid-state lithiumbatterijen blijft een grote uitdaging.

Het team van NIMS-onderzoekers heeft een andere synthesebenadering gekozen voor hoogwaardige anodes voor volledig solid-state lithiumbatterijen met commerciële siliciumnanodeeltjes. Ze vonden een uniek fenomeen met de nanodeeltjes in de vastestofcel:bij lithiëring, ze ondergaan volume-expansie, structurele verdichting, en merkbare samensmelting in de besloten ruimte tussen de vaste elektrolytscheidingslaag en de metalen stroomcollector om een ​​continue film te vormen, vergelijkbaar met die bereid door het verdampingsproces. De anode die is samengesteld uit nanodeeltjes die zijn bereid door sproeiafzetting, vertoont daarom uitstekende elektrodeprestaties, die eerder alleen is waargenomen voor door sputteren afgezette filmelektroden. De sproeidepositiemethode is een kosteneffectieve, atmosferische techniek die kan worden gebruikt voor grootschalige productie. Vandaar, de bevindingen zullen de weg vrijmaken voor goedkope en grootschalige productie van anodes met hoge capaciteit voor gebruik in volledig solid-state lithiumbatterijen.

De NIMS - onderzoekers blijven zich inspannen om de recycleerbaarheid in de anode te verbeteren om aan de eisen van elektrische voertuigen te voldoen .